JPH05157963A - 色収差を補正する屈折および回折光学素子を使用した光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、特殊ガラスのレンズを使用せずに
色収差を補正することのできる色消しレンズをえること
を目的とする。 【構成】 光軸41に沿って配置され、複数の屈折タイプ
の光学素子を備えた入力レンズ群40、開口ストップ42、
複数の屈折タイプの光学素子および少なくとも１つの回
折タイプの光学素子46を備えた第２のレンズ群44、並び
にフィールドレンズ群48を含み、入力レンズ群または前
記第２のレンズ群の回折光学素子46が球面色収差、１次
カラー収差、２次カラー収差、横方向カラー収差および
２次横方向カラー収差に対して、フィールドレンズ群48
に配置された回折光学素子50がフィールド湾曲および横
方向カラー収差に対して前記画像を同時に補正するよう
に配列され相対的に配置されていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】全ての光学系は画像収差を有する
る。光学系の基本的品質および特性は、収差、特に色収
差が補正される程度によって決定される。本発明におい
て、色収差を最小にすることによって従来技術は著しく
改良される。付加的な利点は等価または優れた結果を実
現するために必要な光学素子の数を減少することによっ
て達成される。

【０００２】本発明は一般に屈折および回折光学素子が
色収差を著しく改良するために有効に組合せられる光学
系の装置の改良された構造に関する。これら２つのタイ
プの光学素子の異なった特性は、これまで得られなかっ
た画像品質を実現するためにこれらの特性を互いに適切
に逆にし、平衡させることによって消去される。

【０００３】

【従来の技術】従来技術において、色消しレンズ装置は
成功が限られてアイザック・ニュートンの時代から使用
されている。異なる分散特性を持つ通常のガラス材料
（例えばクラウンおよびフリントガラス）から形成され
たこれらの無色の２つの光学素子（１つは正の倍率であ
り１つは負の倍率を持つ）は実質的に色収差効果を減少
するように組合せられる。方法および材料の両方におけ
る知識がかなり高められて色収差補正する基本的な問題
に適用され、特別なガラス材料の開発と組合せられたパ
ワフルな計算方法は著しい改良をもたらした。しかしな
がら、このような努力において典型的にさらに小さいイ
ンクレメント利得は費用を連続的に増大することにより
達成される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この従来技術の例にお
いて、赤外線光学系において軸方向の色収差を補正し
（参照文献１）、Ｅrfleアイピースの２次色収差を増大
せずに１次横方向色収差を補正する（参照文献２）ため
に２進光学系の使用が提案されている。

【０００５】参照文献１はＧary ．Ｊ．Ｓwansonおよび
Ｗilfred．Ｂ．Ｖeldcamp 氏らによる論文（SPIE Proce
edings，Vol.885 ，#22 ，1988年）である。彼等は軸方
向の色収差を補正するために２進光学系の使用を提案し
ている。２進光学系において、格子の基本的効果はマイ
クロエレクトロニクスにおける典型的な製造プロセスで
エッチングされる溝により得られる。それらのシステム
は数字による開口が増加するためにマークされた球面色
収差が示されるため、深刻な欠陥を有する。結果とし
て、最小の有効なｆ数は厳しく制限される。この制限は
特に寸法および重量を減少することを助けるために低い
ｆ数（典型的にｆ／1.0 乃至ｆ／1.5 ）を要求する最新
の赤外線光学系において不適切である。

【０００６】参照文献２はパーキンエルマー社のＤ．Ｓ
hafer およびＴ．ＭｃＨugh 氏による論文（“Binary O
ptics Design Surprises for the 1990's ”，SPIE，Or
lando ，Florida ，1989年３月）である。２進光学系は
２次色収差を増大せずにＥrfleアイピースの横方向の色
収差を補正するために使用される。残念ながら、彼等の
方法はＥrfleアイピースの特性のように低開口数（高い
ｆ数）および中間視界を持つシステムに対してのみ適用
可能である。開口ストップが開かれているため、球面色
収差、色コマ、軸方向の１次カラーおよび軸方向の２次
カラーは厳しく増加される。同様に、視界が増加するた
め、色歪みおよび色コマは厳しく増加される。

【０００７】

【課題解決のための手段】本発明は多数の重要で新しい
特徴を有する。ｆ数および視界に関連したもの等の従来
技術の多数の欠点は実質的に減少または除去される。軸
方向の１次、軸方向の２次、横方向の１次および横方向
の２次色収差を含むいくつかの種類の色収差は補正され
る。補正は全オーダーの球面色収差、色コマおよび色歪
みに対して行われる。３つの選択された設計波長間のス
ペクトル間隔において、残りの色収差は著しく減少され
る。

【０００８】さらに、横方向の色収差を導かずに全ての
オーダーに対してフィールド湾曲を補正する新しい方法
が開示されている。特別な光学ガラスから形成された素
子は使用される必要はないため、費用は減少され、放射
線損傷に対する実質的な抵抗が得られる。最後に、これ
らの改良は少数の光学素子により達成されるため、光学
構造において費用、寸法および重量は軽減される。

【０００９】本発明の使用は屈折および反射屈接タイプ
の両方を含む光学系の画像品質を著しく改良し、紫外線
から赤外線までの範囲の波長に対して適合する。軸方向
の色収差、軸方向の２次カラーおよび球面色収差に対し
て記載された構造はテレフォトレンズシステムに対して
良く適合する。横方向の色収差、２次横方向のカラー、
色歪みおよび色コマ収差を補正するために開示された構
造は、特に外部瞳孔を使用する光学系に対して効果的で
ある。横方向の色収差を増加せずにフィールド湾曲を補
正するために開示された構造は特に広い視界を持つ光学
系およびペッツバル（Petzval)タイプのレンズを使用す
るシステムに有効である。

【００１０】本発明の大きい利点は、実質上結果的な収
差効果が屈折光学素子の排他的な使用により得ることが
できるものに関して実質的に減少されるように使用され
る屈折および回折光学系の注意深く選択された組合せお
よび分配の使用により達成される。

【００１１】典型的な波長応答の例は本発明を使用する
光学構造を形成する価値を証明している。色収差は結果
的に光学素子に対する波長の関数として変化する特性応
答から生じる。重要な例は中心軸に沿った焦点長の変化
である。典型的なガラス色消しレンズに対して、波長の
関数として実効的な焦点長（ＥＦＬ）はそれが動作する
中心波長領域の近くで最小の値を示す。他方典型的なガ
ラス回折色消しレンズの対応したＥＦＬは動作の中心波
長領域の近くで最大値を示す。後述のように代数敵に反
対符号のこれらの特性の収差はそれらが完全なレンズ構
造において全体的な色収差を減少するように本質的に互
いを取消すように整合されることができる。最後に本発
明では使用される必要のない特別な光学ガラスは、高価
で、放射線からの損傷に対する抵抗が実質的に弱いとい
う少なくとも２つの欠点を有する。

【００１２】

【実施例】以下の詳細な説明および与えられたいくつか
の図面において、同じ素子は同じ参照符号により示され
ている。

【００１３】良好な画像品質を保証するために、典型的
な高品質の光学系は色収差効果に適した補正を必要とす
る。これらの収差は１次軸方向カラー、１次横方向カラ
ー、２次軸方向カラーおよび２次横方向カラーを含む。
１次補正により、動作スペクトル間隔内の２つの特定の
設計波長においてのみ適切な補正が行われる。２次補正
により、３つの特定の設計波長において適切な補正が行
われる。１次軸方向カラーおよび１次横方向カラーに対
する収差は通常セメント接合または空気間隔を付けられ
たいずれかの色消しレンズの使用により補正される。

【００１４】しかしながら、２次カラー補正は従来技術
において困難であることが認められている。このような
補正には一般に高価な特殊ガラス材料の使用が必要であ
る。特殊ガラス材料の利用は、通常のガラス材料と比較
すると波長の関数として屈折率の通常ではない特性を生
じる。このような特殊ガラスのいくつかの例はＫＺＦＳ
1 、ＫＺＦＳＮ2 、ＫＺＦＳＮ5 およびＬＧＳＫ2 であ
る。これらの特殊ガラスは通常のガラスが色消しレンズ
を組立てるために使用された場合に必要とされ、２つの
素子からの２次カラーの影響（同じ代数的極性を有す
る）は加算的である。

【００１５】本発明により得られた大きい利点は、異な
る（すなわち、代数的に反対極性を有する）スペクトル
特性および色収差補償を持つ２つのタイプの光学素子を
組立ておよび組合せて、従来技術で使用された方法に対
して実質的に色収差効果において著しい改良を示す構造
にすることから得られる。この改良は、互いに関して光
学素子を適切に配列および配置し、また２つのタイプの
各光学素子からの色収差の影響を本質的に消去するよう
に構造に対してこれらの素子の光倍率を適切に分配する
ことにより行われる。

【００１６】ガラス回折素子は少なくとも２つの部分を
含む。１つの部分は屈折的に作用し、少なくとも１つの
屈折素子を含む。第２の部分は回折的に作用し、少なく
とも１つの回折素子を含む。回折部分は屈折部分に供給
されるか、その上に形成されるか、そうでなければ物理
的に関連される。回折素子はいくつかの物理的な形態を
取ることができるが、全ての形態は格子方程式： ｓｉｎ Ａ＝ｎＬ／ｄ−ｓｉｎ Ｉ に基づいて作用する。

【００１７】ここで、上記の記号は次のとおりである： Ａ 回折角度 Ｉ 入射角度 Ｌ 波長 ｎ 回折のオーダー ｄ 格子上の隣接したラインの間隔 回折素子は、円形（フレスネル領域プレート）、方形ま
たは任意の適切な形状であることができる。それらは区
切られた溝またはエッチングされたラインにより形成さ
れることができる。それらはまた特定の波長で高まる特
性のためにブレイズ溶接される。２進光学系と呼ばれる
エッチングされた回折素子の１形態は本発明のために適
用可能である。

【００１８】従来技術において、３つの選択された設計
波長で完全な補正を行わせた色消し光学装置の製造のた
めの２つの方法が使用されている。第１の方法におい
て、通常のガラス色消しレンズは高価なアポクロマート
レンズと置換される。アポクロマートレンズは少なくと
も２つの屈折光学素子から構成され、その少なくとも１
つは特別な光学ガラスから形成される。第２の方法にお
いて、さらに高い屈折性の光学素子が各個別の素子の要
求される光倍率を減少するようにシステム中に挿入され
る。残念ながら、これらの方法のいずれによっても光学
系は複雑化し、特別な高いオーダーの球面および色収差
を受ける。

【００１９】本発明によれば、これらの基本的な問題
は、前に記載された色消しレンズの２つの異なるタイ
プ、すなわちガラス屈折性およびガラス回折性の２次軸
方向の色収差に対して逆の代数的極性を有効に使用する
ことによって解決される。ガラス屈折性およびガラス回
折性色消しレンズの光倍率の適切な分配は１次および２
次軸方向色収差の影響を同時に補正することができる。
この構造により、従来技術において典型的に使用される
特殊ガラスは不要である。

【００２０】組合せられたガラス回折レンズ構造の付加
的な利点は、ガラス屈折構造を有する従来技術で使用さ
れたものと異なる方法で、すなわちもっと高い屈折構造
を導入することだけによらずに色消しレンズの各個々の
光学素子から要求された光倍率が減少されることであ
る。本発明により、個々の素子から要求された光倍率は
ガラス回折色消しレンズにおいて正の光倍率を持つ素子
（屈折性および回折性の両方）だけが必要とされるため
減少されることができる；一方ガラス屈折色消しレンズ
において正および負の素子の両方が使用されなければな
らない。結果的に、本発明によって定められたガラス回
折素子を使用する構造はペッツバル曲線、高いオーダー
の空間収差および高いオーダーの色収差において著しい
改良を達成する。

【００２１】本発明の別の適用は、１次横方向カラーを
補正するためにガラス回折素子を使用することである。
画像平面の近くにおいて非常に少量の１次軸方向色収差
を持つガラス回折素子を使用した場合、著しい量の有効
な１次横方向色収差が境界光線の高さに対する主光線の
高さの大きい比が結果として得られる。主光線は画像の
エッジに位置し；境界光線は画像の中央に位置する。通
常のガラスダブレットは類似した作用を及ぼすが、その
使用は一般にペッツバル曲線に対する補正を乱し、高い
オーダーの収差を導く。

【００２２】本発明の付加的な利点は色歪みを補正する
ためのガラス回折素子の組合せの利用である。このよう
な補正は、１次横方向色収差を導くために示された方法
に関連している。正しい高いオーダー（すなわち３次お
よびそれより高いオーダー）の非球面波頭が上記のガラ
ス回折素子の回折部分において符合化された場合、全オ
ーダーの色歪みは同時に補正されることができる。この
ような符合化は例えば半径の関数としてフレスネル領域
プレートのライン間の間隔を適切に変化することによっ
て達成される。

【００２３】図１は２つの素子を備えた通常のガラス屈
折色消しレンズを示す。それは正の光倍率を持つクラウ
ンガラス素子２および負の光倍率を持つフリントガラス
素子４の組立体から構成される。図２は正の光倍率の通
常の屈折素子６および屈折素子に供給されるか、または
その上に形成される同様に正の光倍率を持つ回折素子８
により構成された対応したガラス回折色消しレンズを示
す。典型的な回折素子が非常に薄く、それらを使用する
光学構造において実際にゼロ間隔を有することに留意す
ることが重要である。

【００２４】図３は、本発明における大きい利点に対し
て実効的な焦点長（ＦＥＬ）を含むこれら２つの色消し
レンズの特性におけるいくつかの大きい相違を示す。こ
の図面において（ａ）典型的なガラス屈折色消しレンズ
および（ｂ）典型的な回折ガラス色消しレンズに対する
波長の関数としてのＥＦＬは著しく異なった形状である
ことが認められる。垂直スケールはかなり拡大されてい
るが、図３は典型的なガラス屈折色消しレンズに対して
最小のＥＦＬは中心波長領域で発生し、一方外側波長に
おいてＥＦＬは長いことを示す。回折ガラス色消しレン
ズに対して、最大ＥＦＬは中心波長領域において発生
し、一方短いＥＦＬは外側波長領域に存在する。

【００２５】この特性における顕著な相違は、ガラス屈
折素子および回折素子に対する関連したアッベ数に対す
る逆の代数符合の結果として生じる。アッベ数は、（Ｎ
２−１）／（Ｎ１−Ｎ３）として定められる。Ｎ値は増
加する値：Ｌ1，Ｌ2 およびＬ3 を有する対応した波長
に関連した屈折率を示す。全種類のガラスに対するアッ
ベ数は常に正であり、ガラス色消しレンズのスペクトル
範囲に対する中心波長のＥＦＬは外側波長のものより短
くなければならない。２次軸方向色収差は、一連の異な
るガラス色消しレンズを使用して適切に補正されること
ができない。

【００２６】色収差を補正するために本発明において使
用された新しい方法は、これら２つの異なるタイプの色
消しレンズの２次軸方向色収差に対してこの記載におい
て前に述べられた反対の代数符号を使用することであ
る。複数の色消しレンズにおいて光倍率を適切に分配す
ることによって、１次軸方向および２次軸方向の両色収
差が同時に補正されることができる。したがって、
（１）光学素子は従来技術において要求されたように特
殊ガラス材料から形成される必要はなく、また（２）色
消しレンズの各個々の光学素子の要求される光倍率は減
少される。さらに、ペッツバル曲線において、高次の収
差および高次の色収差の著しい減少が行われる。

【００２７】従来技術に対する本発明の主な利点は、広
範囲の実際的で高い品質の適用に及ぶ４つの全体的な光
学構造により概略的および詳細に示される。

【００２８】図４はアイピースレンズに対する２つの全
体的な概略図を示す。図４のａは通常の構造を使用する
典型的なアイピースを示す。図４のｂは本発明の原理を
使用する対応するアイピースレンズを示す。通常の構造
（図４のａ）において、レンズ群10は全体的に正の光倍
率を持つ複数の屈折素子を含む。眼13は光軸11の左端に
おいて開口ストップ14の近くに位置され、光軸の右端で
目によって観察されている画像12が示されている。

【００２９】図４のａの構造において、横方向カラー、
歪み、色歪みおよびフィールド湾曲を同時に補正するこ
とは困難である。さらに、この構造は図４のｂのものよ
り多くの光学素子を含んでいる。

【００３０】図４のｂのガラス回折構造において、正の
光倍率を持つレンズ群16は少なくとも１つの屈折光学素
子および少なくとも１つの回折光学素子を含む。この例
において、回折素子17はレンズ群16の第３および第４の
屈折素子間に位置される。この例に示されたもの以外の
レンズ群16内の光学素子の詳細な配列および配置は本発
明の技術的範囲内にある。眼19および開口ストップ18は
図４のａに示されたものに類似した方法で配置される。
眼19によって観察された画像20は光軸15の右端に示され
ている。概略的な図４のｂにおいて、本発明の原理を使
用して得られた著しく小さい寸法の構造は対応した通常
の構造に比較された場合に明白である。このアイピース
構造において、横方向カラー、歪み、色歪みおよびフィ
ールド湾曲は単一の回折光学素子を使用することによっ
て容易に補正される。この構造は少数の屈折光学素子を
含み、図４のａのものよりずっとコンパクトである。さ
らに、アイリリーフは長く、視界は大きい。

【００３１】図５は、この例において内部開口ストップ
（瞳孔とも呼ばれる）を含むペッツバルレンズに対する
２つの全体的な概略図を示す。これらの構造はそれぞれ
３つのレンズ群を使用する。図５のａはペッツバルレン
ズに対する典型的な通常の構造を示す。図５のｂは本発
明の原理を使用した対応した構造を示す。

【００３２】通常の構造において、光軸23の左端に配置
された入力レンズ群21は正の全体的な光倍率を持つ屈折
素子を含む。レンズ群21の少なくとも１つの素子（この
例において22で示された）は、特別な光学ガラスから形
成される。開口ストップ24はレンズ21の右側に配置され
る。開口ストップの右側のレンズ群26は正の全体的な光
倍率を持つ屈折光学素子から構成される。レンズ群26中
の少なくとも１つの屈折素子（この例において左から３
番目の素子28として示されている）は特別な光学ガラス
から形成される。光軸の右側の最後の光学素子はフィー
ルドレンズ30である。画像32は光軸の右端に形成され
る。

【００３３】図５のａに対して、特別な光学ガラスはレ
ンズ群21、レンズ群26またはその両方において要求され
ることに留意することが重要である。開口寸法は、そう
でなければ球面色収差および２次色収差を同時に補正す
ることが困難であるため制限される。視界はそうでなけ
ればフィールド湾曲および横方向カラー収差の両方に対
して同時に補正することが困難であるため制限される。
最後に、この構造は多くの光学素子が必要とされるため
図５のｂのものより大型となる。

【００３４】図５のｂは本発明の原理を使用したペッツ
バルレンズに対する等価な典型的な構造を示す。光軸41
の左端の入力レンズ群40は全体的な正の光倍率を持つ屈
折素子を含む。内部開口ストップ42はレンズ群40の右側
に配置される。この図中の開口ストップの右側のレンズ
群44は屈折光学素子および少なくとも１つの回折光学素
子を含む。その代りとして、レンズ群40またはレンズ群
44のいずれかに少なくとも１つの回折素子を含むか、或
は両レンズ群において回折素子を使用することは本発明
の技術的範囲内である。レンズ群44の全体的な光倍率は
正である。この例において、レンズ群44の１つの素子
（右端の素子46として示された）は回折素子である。こ
の例において示されたもの以外のレンズ群44のこのよう
な屈折および回折光学素子の詳細な配列および配置は本
発明の技術的範囲内にあることが理解されるであろう。
フィールドレンズ群48は光軸に沿って右から２番目に位
置し、屈折素子および少なくとも１つの回折光学素子を
含む。この例において、フィールドレンズ群48の１素子
（右側に素子50として示された）は回折素子である。画
像51はフィールドレンズ群48の右側に形成される。

【００３５】図５中の２つのペッツバルレンズの比較は
本発明の使用から得られる実質的な利点を示す。図５の
ｂのガラス回折構造においては少数の光学素子しか要求
されないため、結果として全体的な構造がさらにコンパ
クトになる。球面色収差および２次カラー収差はレンズ
群40、レンズ群44またはその両方における回折光学素子
の適切な使用により同時に補正されることができる。特
別な光学ガラスは不要である。開口寸法は図５のａの通
常の構造に対するものより大きい。フィールドレンズ群
中で少なくとも１つの回折素子を使用することはフィー
ルド湾曲および横方向カラー収差の両方の同時補正を可
能にする。横方向カラー収差およびフィールド湾曲に対
して良好な補正を行った結果、大きい視界が得られる。

【００３６】図６は外部瞳孔を持つ大きい開口のレンズ
に対する２つの全体的な概略図を示す。これらの構造は
それぞれ３つのレンズ群を使用する。図６のａは通常の
構造を示し、図６のｂは本発明の原理を使用した対応し
た構造を示す。

【００３７】図６のａの典型的な通常構造に対して、入
力開口ストップ52は光軸53の左端に位置する。正の全体
的な光倍率を持つ屈折光学素子を含むレンズ群54は光軸
に沿ってその右側に位置している。レンズ群54中の少な
くとも１つの素子は特別な光学ガラスから形成される。
この例において、レンズ群54は４つの屈折素子を含み、
レンズ群54中の左から３番目の素子56は特別な光学ガラ
スから形成されている。従来技術の実際の構成におい
て、この典型的な構造により使用されるこのような屈折
光学素子の別の配列および配置はこの例の示された値に
影響を与える必要はない。正の全体的な光倍率を有する
屈折光学素子を含むレンズ群58はそれに続いて光軸に沿
って配置されている。レンズ群58の少なくとも１つの素
子は特別な光学ガラスから形成される。この例におい
て、レンズ群58の左から３番目の素子60は特別な光学ガ
ラスから形成される。フィールドレンズ群62は右側の最
後のものであり、屈折素子を含む。この例において、フ
ィールドレンズ群は１つの素子を含む。画像64は光軸の
右端に形成される。

【００３８】図６のａに示された従来技術の例に対する
顕著な特徴は以下の通りである。特別な光学ガラスはレ
ンズ群54、レンズ群58またはその両方において使用され
る。開口寸法は制限され、そうでなければ球面色収差、
２次カラー、２次横方向カラーおよび色コマ収差を同時
に補正することが困難である。視界はフィールド湾曲お
よび横方向カラー収差を同時に補正することが困難であ
るため制限される。多数の光学素子が要求されるため、
この構造は図６のｂの構造より大型となる。

【００３９】図６のｂは、本発明の原理を使用する外部
瞳孔を備えた典型的な開口レンズに対する対応した光学
構造を示す。外部開口ストップ66は光軸67の左にある。
光軸に沿って左から２番目のレンズ群68は屈折および回
折素子の両方を含んでいてもよい。この例において、レ
ンズ群68は全体的な正の光倍率を持つ屈折光学素子だけ
を含む。全体的な正の光倍率を持つ屈折および回折光学
素子の両方を含むレンズ群70はその右に配置されてい
る。この例において、レンズ群70の右端の素子72は回折
素子である。この例に示された以外のレンズ群68および
レンズ群70内の個々の光学素子の詳細な配列および配置
は本発明の技術的範囲内に含まれることを理解すべきで
ある。フィールドレンズ群74は光軸の右端にあり、屈折
および回折光学素子を含む。フィールドレンズ中の２つ
の素子のこの概略的な例において、右側の素子76は回折
素子である。画像80は光軸の右端においてフィールドレ
ンズ群の右側に形成される。

【００４０】図６の２つのレンズ構造の比較は、以下の
ように図６のｂの構造により示された本発明の使用によ
る実質的な利点を明らかにするものである。特別な光学
ガラスは不要である。球面色収差、２次カラー、２次横
方向カラーおよび色コマはレンズ群68またはレンズ群70
中の一方に回折光学素子を使用するか、或は回折素子が
両レンズ群において使用された場合に同時に良好に補正
されることができる。得られることが可能な開口寸法は
図６のａの通常の構造に対するものより大きい。フィー
ルドレンズ群において１つ以上の回折素子を使用するこ
とによりフィールド湾曲および横方向カラー収差は同時
に補正されることができる。大きい視界は横方向カラー
収差およびフィールド湾曲の良好な補正の結果達成され
る。少数の光学素子しか使用されないため、全体的な構
造は小さく軽量になる。

【００４１】図７は内部開口ストップを含む２つのテレ
フォトレンズに対する全体的な概略図を含む。これらの
各構造は２つのレンズ群を使用する。図７のａは典型的
な通常の構造を示し、図７のｂは本発明の原理を使用し
た対応した構造を示す。

【００４２】通常の構造において、光軸83の左端の入力
レンズ群82は屈折素子を含む。この例において、３つの
中の中央の素子84は特別な光学ガラスから形成される。
左から２番目には開口ストップ86がある。開口ストップ
の右側のレンズ群88は全体的な負の光倍率を有し、屈折
素子を含む。この例において、左から３番目の素子90
（４つの素子のうちの）は特別な光学ガラスから形成さ
れる。画像92は光軸の右端に形成される。

【００４３】図７のａの通常の構造の顕著な特徴は以下
のように要約される。特別な光学ガラスはレンズ群82、
レンズ群88またはその両方において使用されなければな
らない。開口寸法は制限され、そうでなければ球面色収
差および２次カラー収差を同時に補正することは困難で
ある。図７のｂの構造よりも多くの光学素子が必要とさ
れるため、図７のａの構造は大型となる。

【００４４】図７のｂは、本発明の原理を使用するテレ
フォトレンズに対する典型的な等価な構造を示す。入力
レンズ群94は正の全体的な光倍率を有し、図中では光軸
95の左端に配置されている。このレンズ群は屈折および
回折の両素子を含むことができる。開口ストップ96は光
軸に沿ってそれに隣接している。その右のレンズ群98は
負の光倍率を有し、屈折および回折光学素子の両方を含
むことができる。図７のｂの例において、２つの素子は
屈折素子であり、右側の第３の素子100 は回折素子であ
る。この例に示されたもの以外のレンズ群98内のこのよ
うな屈折および回折光学素子の詳細な配列および配置は
本発明の技術的範囲と含まれることが理解されるべきで
ある。画像102 は光軸の右端に形成される。

【００４５】図７における２つのテレフォトレンズ構造
の比較は本発明を利用することにより得られる実質的な
利点を表わす。図７のｂのガラス回折構造は、少数の光
学素子しか要求されないため小さく軽量である。特別な
光学ガラスは使用されない。球面色収差および２次カラ
ー収差はレンズ群94、レンズ群98またはその両方におけ
る回折光学素子の使用により同時に補正されることがで
きる。開口寸法は図７のａの通常の構造において得られ
るものより大きい。

【００４６】本発明の原理をさらに特定的に示すため
に、図８はそれぞれ外部瞳孔を備えた代表的なペッツバ
ルレンズに対する２つの完全に設計された光学構造を示
す。外部瞳孔は機械的に便利であるが、それはまた困難
な光学設計を含むためこの例が選択された。両構造は同
じｆ数（ｆ／3.2 ）、同じＥＦＬ（３インチ）および同
じ視界（10°）を有している。図８のａは通常の屈折光
学素子を備えた良好に設計されたペッツバルレンズ構造
を示す。図８のｂは本発明の原理を使用する対応した構
造を示す。

【００４７】図８のａにおいて、入口瞳孔104 は全体的
な正の光倍率を有し、３つの屈折素子を含むレンズ群10
6 によって後続される。この群の中央光学素子108 はタ
イプＫＺＦＳＮ４の特別光学ガラスから形成される。次
に全体的な正の光倍率を持ち、５つの屈折光学素子を含
むレンズ群110 が光軸に沿って位置している。この群の
左から４番目の素子112 はまたタイプＫＺＦＳＮ４の特
別光学ガラスから形成される。最後に、フィールドレン
ズ群は114 は２つの屈折素子を含む。従来技術の通常の
構成を使用するこのガラス屈折装置において10個の光学
素子が必要とされる。画像115 はレンズ群114 の右に形
成される。

【００４８】図８のｂは本発明の原理を使用する対応し
た構造を示す。入口瞳孔116 の後方には２つの屈折素子
を含むレンズ群118 が示されている。次に、３つの屈折
素子プラス１つの回折素子122 を含み、その回折素子12
2 は右端の屈折素子121 上に形成されているレンズ群12
0 が光軸に沿って配置されている。最後に、フィールド
レンズ群124 は１つの屈折素子125 プラスその屈折素子
125 の右面上に形成された回折素子126 を含む。画像12
7 はレンズ群124 の右に形成される。

【００４９】本発明の原理を使用する図８のａの通常の
光学装置と図８のｂのものと比較は、実際に動作可能な
光学構造における従来技術に対する実質的な利点を表わ
す。図８のａの通常の装置は特別光学ガラスから形成さ
れた２つの屈折素子を含んだ合計10個の屈折素子を含
む。図８のｂの装置は６個の屈折素子（全て特別光学ガ
ラスを必要としない）プラス２個の回折素子で構成さ
れ、回折素子は実際に空間を占有しない。機械的構造お
よびレンズ材料に関するこのような利点はそれ自身重要
であるが、本発明から得られる別の改良は以下説明する
ように光学特性の領域にも及んでいる。

【００５０】図９および図10は、Ｈ tanＵ光学特性曲線
によって図８に示された２つの良好に設計された構造を
分析および比較するために使用される。光学設計を分析
するために当業者によって一般に使用されるこれらの曲
線は２つの指定された軸に沿った接線およびサジタル収
差を示す。図９は図８のａの全てのガラス構造に対する
Ｈ tanＵ曲線を示す。この設計の光学特性は従来技術に
おいては優れているものでいると考えられる。表示ＤＹ
およびＤＸはそれぞれＹおよびＸ方向に沿った幾何学上
の収差を示す。シンボル１，２および３はそれぞれｄラ
イン、ＦラインおよびＣラインの波長に対する曲線を示
す。水平軸Ｙ_REF およびＸ_REF はそれぞれＹおよびＸ軸
に沿った瞳孔座標である。図９に示された６つの群の曲
線に対する座標および関連した位置は表１に示されてい
る。

【００５１】 表 １ 示された配置におけるＨ tanＵ曲線に対する条件 視界 接線幾何学形状 サジタル幾何学形状 度数 収差 収差 ５．０ 左上 右上 ３．５ 左中 右中 ０．０ 左下 右下 図10は、図８のｂのガラス回折構造に対する対応したＨ
tanＵ曲線を示す。図10に対して軸、シンボル、条件、
表示および配置は表１に示された図９に対して記載され
たものと同じである。ガラス回折構造はＨ tanＵ曲線に
よって示された光学特性の全ての基準に対して明らかに
優れている。したがって、色収差に関してＨ tanＵ曲線
とのこれらの比較分析は従来技術に対する本発明の別の
利点を示している。

【００５２】図11および図12は、100 サイクル／mmによ
る変調伝達関数（ＭＴＦ）に基づいて図８の２つの構造
を比較したものである。ＭＴＦ曲線は空間周波数の増加
による変調の低下を示し、光学特性を評価する付加的な
ベースである。図11は図８のａの全てのガラス構造に対
する典型的なＭＴＦ曲線を示す。このような特性は従来
技術においては優れたものであると考えられる。文字表
記は幾何学的な収差および視界のタイプを示すために図
11中の曲線に関して使用され、文字の特定の意味は表２
に与えられている。

【００５３】 表 ２ ＭＴＦ曲線の表示 視界 幾何学形状 文字 度数 収差 表記 ０．０ Ａ ３．５ 接線 Ｂ ３．５ サジタル Ｃ ４．５ 接線 Ｄ ４．５ サジタル Ｅ 図12は、図８のｂのカラス回折構造に対する対応したＭ
ＴＦ曲線を示す。図12中の曲線に対する文字表記は表２
に与えられたものと同じである。変調は全ての空間周波
数においてガラス回折構造に対して実質的に良好であ
る。ＭＴＦ基準に基づいて、本発明の利用により得られ
た優れた特性の付加的な利点は明らかである。

【００５４】図13は、ｆ数がｆ／3.2 からｆ／2.5 に減
少されたことを除いて図８のｂのガラス回折構造に類似
した光学特性を示す。この大幅に改良された仕様は、以
降示される本発明の使用により得られる光学特性と図８
のａの典型的な全ガラス構造の光学特性との間の付加的
な比較のベースを提供する。

【００５５】入口瞳孔128 は図13の左側に示されてい
る。正の全体的な光倍率を持つレンズ群129 は２つの屈
折素子を含む。正の全体的な光倍率を持つレンズ群130
は３つの屈折素子プラス右端の屈折素子131 上に形成さ
れた回折素子132 を含む。フィールドレンズ群134 は１
つの屈折素子135 プラス素子135 に結合された回折素子
136 を含む。画像137 はレンズ群134 の右側に形成され
る。

【００５６】図14は図13のガラス回折構造に対するＨ t
anＵ特性曲線を示す。図14に対して、軸、シンボル、条
件、表示および位置は図９に対する説明およひ表１に示
されたものと同じである。図10と図14を比較すると、ｆ
／3.2 からｆ／2.5 へのｆ数の減少による著しい負担を
反映した光学特性の予測された低下が示されている。し
かしながら、図９と図14を比較することにより本発明の
優位性がさらに示される。これらのＨ tanＵ曲線は、図
13のｆ／2.5 ガラス回折構造の光学特性が依然として図
８のａの対応したｆ／3.2 ガラス屈折構造より優れてい
ることを示している。

【図面の簡単な説明】

【図１】クラウンガラスの正の素子およびフリントガラ
スの負の素子の２つの屈折光素子を使用する装置または
構造を使用する典型的な通常の無色レンズ（ガラス屈折
性）の概略図。

【図２】回折素子（例えば格子またはフレスネル領域プ
レート）が適用、結合または形成される少なくとも１つ
の表面上において構造の部品がフリントまたはクラウン
ガラスのいずれかから形成された通常の屈折光素子また
はレンズから構成され、その使用が本発明にとって重要
な典型的なガラス回折色消しレンズの概略図。

【図３】上方曲線はガラス屈折色消しレンズであり、下
方曲線はガラス回折色消しレンズである図１および図２
に示されたタイプの２つの基本的な光学構造に対する波
長の関数である実効的な焦点長（ＥＦＬ）の典型的な曲
線図。

【図４】通常のレンズおよび本発明の原理を使用した対
応したレンズの両方に対して示されたアイピースレンズ
に対する２つの典型的な光学構造の全体的な概略図。

【図５】通常のレンズおよび本発明を使用した等価なレ
ンズの内部瞳孔を有するペッツバルレンズに対する２つ
の典型的な光学構造の全体的な概略図。

【図６】通常のレンズおよび本発明の原理を使用した対
応したレンズの外部瞳孔および大型開口を有するレンズ
に対する２つの典型的な光学構造の全体的な概略図。

【図７】通常のレンズおよび本発明の原理を使用した対
応したレンズのテレフォトレンズに対する２つの典型的
な光学構造の全体的な概略図。

【図８】10個の屈折光素子を備えた通常の構造および６
個の屈折光素子プラス２つの回折素子を必要とする本発
明の対応したガラス回折構造の、外部瞳孔を備えたペッ
ツバルレンズに対する２つの典型的な良好に設計された
光学構造の概略図。

【図９】図８に示された通常のガラス屈折レンズに対す
るＨ tanＵ光特性曲線図。

【図１０】図８に示された対応したガラス回折レンズに
対するＨ tanＵ光特性曲線図。

【図１１】図８に示された通常の全ガラスレンズに対す
るＭＴＦ特性曲線図。

【図１２】図８に示されたガラス回折レンズに対するＭ
ＴＦ特性曲線図。

【図１３】６個の屈折素子プラス２つの回折素子が要求
される、図８のものに類似しているが、減少されたｆ／
2.5 のｆ数を持つペッツバルレンズに対するガラス回折
構造図。

【図１４】図13に示されたガラス回折レンズにに対する
Ｈ tanＵ光特性曲線図。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 画像を形成し、複数の屈折タイブの光学
   素子および少なくとも１つの回折タイプの素子の組合わ
   せを含む光学構造において、 １つの代数符号を持つ特性を有する前記屈折タイプの光
   学素子の色収差および前記代数符号と反対符号の特性を
   有する前記回折タイプの光学素子の色収差が、前記画素
   中の色収差効果を最小にするように前記光学素子の構造
   および相対位置ならびに前記構造の前記光学素子間にお
   ける光倍率の適切な分配によって本質的に消去されてい
   ることを特徴とする光学構造。
2. 【請求項２】 画像を形成し、それぞれ正の光倍率を有
   する複数のレンズ群およびフィールドレンズ群を含んで
   いるペッツバルタイプのレンズとして構成され、前記各
   レンズ群は複数の屈折タイプの光学素子を含み、少なく
   とも１つの回折タイプの光学素子が代わりに使用されて
   いる請求項１記載の光学構造。
3. 【請求項３】 光軸に沿って配置され、複数の屈折タイ
   プの光学素子を備えた入力レンズ群、内部開口ストッ
   プ、複数の屈折タイプの光学素子および少なくとも１つ
   の回折タイプの光学素子を備えた第２のレンズ群、並び
   にフィールドレンズ群を含み、前記光学素子は、 （ａ）前記入力レンズ群または前記第２のレンズ群のい
   ずれかにおいて使用される少なくとも１つの回折光学素
   子が球面色収差、１次カラー収差、２次カラー収差、横
   方向カラー収差および２次横方向カラー収差に対して、 （ｂ）前記フィールドレンズ群に配置された少なくとも
   １つの回折光学素子がフィールド湾曲および横方向カラ
   ー収差に対して前記画像を同時に補正するように配列さ
   れ相対的に位置されているペッツバルレンズ構造請求項
   ２記載の光学構造。
4. 【請求項４】 外部瞳孔と、それぞれ正の光倍率を持つ
   複数のレンズ群およびフィールドレンズ群を含み、前記
   各レンズ群は複数の屈折タイプの光学素子および代りの
   少なくとも１つの回折タイプの光学素子を含む大きな開
   口のレンズとして構成されている請求項１記載の光学構
   造。
5. 【請求項５】 光軸に沿って配置され、前記外部瞳孔
   と、複数の屈折タイプの光学素子を含む入力レンズ群
   と、複数の屈折タイプの光学素子および少なくとも１つ
   の回折タイプの光学素子を含む第２のレンズ群と、少な
   くとも１つの屈折タイプの光学素子および、または少な
   くとも１つの回折タイプの光学素子を含むフィールドレ
   ンズ群とを含み、前記光学素子は、 （ａ）前記入力レンズ群または前記第２のレンズ群のい
   ずれかにおいて使用される少なくとも１つの回折光学素
   子が球面色収差、１次カラー収差、２次カラー収差、横
   方向カラー収差、２次横方向カラー収差および色コマ収
   差に対して、 （ｂ）前記フィールドリンズ群において使用される少な
   くとも１つの回折光学素子がフィールド湾曲および横方
   向カラー収差に対して、前記画像を同時に補正するよう
   に配列され相対的に位置されている大きな開口のレンズ
   として構成されている請求項４記載の光学構造。
6. 【請求項６】 光学構造が複数のレンズ群を含むテレフ
   ォトレンズであり、前記各レンズ群は正または負のいず
   れかの倍率を有し、複数の屈折タイプの光学素子および
   代りの少なくとも１つの回折タイプの光学素子を含んで
   いる請求項１記載の光学構造。
7. 【請求項７】 前記画像における色歪みに対する補正は
   高次の非球面波頭により少なくとも１つの前記回折タイ
   プの光学素子を符号化することによって行われる請求項
   １記載の光学構造。