JPH0580251A - 色補正されたテレセントリツク走査レンズ - Google Patents

色補正されたテレセントリツク走査レンズ

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JPH0580251A
JPH0580251A JP4067016A JP6701692A JPH0580251A JP H0580251 A JPH0580251 A JP H0580251A JP 4067016 A JP4067016 A JP 4067016A JP 6701692 A JP6701692 A JP 6701692A JP H0580251 A JPH0580251 A JP H0580251A
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JP
Japan
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lens
incident light
lens element
light side
convex
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Pending
Application number
JP4067016A
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English (en)
Inventor
John J Simbal
ジヨン・ジヨゼフ・シンバル
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3M Co
Original Assignee
Minnesota Mining and Manufacturing Co
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Publication date
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/14—Optical objectives specially designed for the purposes specified below for use with infrared or ultraviolet radiation
    • G02B13/146—Optical objectives specially designed for the purposes specified below for use with infrared or ultraviolet radiation with corrections for use in multiple wavelength bands, such as infrared and visible light, e.g. FLIR systems
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/0005—Optical objectives specially designed for the purposes specified below having F-Theta characteristic
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
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  • Mechanical Optical Scanning Systems (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 低いｆ／ナンバを有する、丈夫で製造コスト
が低い、高性能の色補正されたテレセントリック走査レ
ンズを提供することである。 【構成】 入射光の側から引き続いて、入射光側が凹の
第１のメニスカスレンズエレメント１と、入射光側が凹
の第２のメニスカスレンズエレメント２と、入射光側と
は反対側が凸の第１の平凸レンズエレメント３と、入射
光側が凸の第２の平凸レンズエレメント４と、両凹レン
ズ５および平凸レンズエレメント６を含み、接合面が入
射光側に向かって凸の第１の接合された複合レンズと、
平凹レンズエレメント７および平凸レンズエレメント８
を含み、接合面が入射光側に向かって凸の第２の複合レ
ンズとを含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般にレンズに関す
る。特別には、本発明は、光走査システムに使用される
色補正されたテレセントリックレンズに関する。
【０００２】
【発明の背景】走査レンズは、通常、光学走査システム
の画面上にレーザビームの焦点を合わせるために使用さ
れる。走査レンズは、通常、このタイプのシステムにお
いてひとみと画面との間に配置される。典型的には、ひ
とみに配置された回転ミラーが、レンズの入射側を横断
してレーザビームを走査する。テレセントリックな性質
のために、レンズから出射するレーザビームは、実質的
に光軸に平行であり、したがって、上記走査に沿う全て
の点で画面に対して垂直である。
【０００３】色走査システムは、典型的に、３つの異な
る波長のレーザビームを発生させるための３つのレーザ
を含む。かかる色走査システムにおいて使用される走査
レンズは、３つのレーザビームの全てを画面上に焦点を
合わせることができなければならない。この設計上の制
約は、レンズの光学的な性質がレンズを透過して伝播す
る光の波長に機能的に関連しており、色収差として知ら
れている性質のために、レンズの設計者に苛酷な条件を
果す。シブヤ（Ｓｈｉｂｕｙａ）にかかる米国特許第
４，３９６，２５４号に開示されているような周知の色
補正された走査レンズはしばしば、相対的に低い屈折率
及び高いアッベ（Ａｂｂｅ）数（８０よりも大）を有す
る特別なガラスを使用する。このタイプのガラスは、そ
れらが相対的に価格が高く、脈理が発生しやすいうえ
に、しばしばひずみが生じる傾向を有しているので好ま
しくない。
【０００４】したがって、改良され、色補正されたテレ
セントリック走査レンズに対する要求が絶えず存在す
る。屈折率が制限された光学的性質及び（小さいスポッ
トサイズを与えるために）低いｆ／ナンバを有する高性
能の走査レンズが要望されている。商業的に成り立つこ
とができるためには、レンズはまた丈夫なものであると
ともに、相対的に製造に費用がかからないものであるべ
きである。
【０００５】
【発明の要約】本発明は、相対的に低いコストで製造す
ることができる、しっかりとした丈夫な色補正されたテ
レセントリック走査レンズである。このレンズは、入射
光側から引き続いて、次のレンズエレメントを含む。 １） 入射光側が凹の第１のメニスカスレンズエレメン
ト。 ２） 入射光側が凹の第２のメニスカスレンズエレメン
ト。 ３） 入射光側とは反対側が凸の第１の平凸レンズエレ
メント。 ４） 入射光側が凸の第２の平凸レンズエレメント。及
び ５） 両凹レンズと平凸レンズエレメントとを含み、接
合面が入射光側に向かって凸の第１の接合された複合レ
ンズ。
【０００６】他の実施例では、上記走査レンズはまた、
第１の接合された複合レンズに関して入射光側と反対側
に第２の接合された複合レンズを含む。第２の接合され
た複合レンズは、入射光側に向かって凸の接合面を有す
る平凹レンズエレメントと平凸レンズエレメントとを含
む。
【０００７】上記レンズは、７１．００９ｍｍの焦点距
離を有するｆ／６．０のレンズとして構成される。上記
レンズは、１４度の走査角度に対して、屈折率が制限さ
れた「零口径」性能を提供する。上記レンズエレメント
は、低いアッベ数（５３．０よりも小さい）を有する相
対的に安価なガラスにより構成されている。すべてのレ
ンズエレメントは、１０パーセントよりも大きい軸方向
の厚みと径との比を取ることができるので、上記レンズ
はまた効率的に製造することができる。
【０００８】
【好ましい実施例の詳細な説明】本発明の第１の実施例
にかかる、色補正されたテレセントリック走査レンズ１
０が図１に図示されている。レンズ１０は、２つのグル
ープＧ1及びＧ2に配置されたレンズエレメント１−８か
らなる、ｆ／６．０、焦点距離７１．００９ｍｍのレン
ズである。開口もしくはひとみＰと画面ＩＰとの間で光
軸Ａの周りに配置された走査レンズ１０が示されてい
る。回転ミラーもしくは他の走査機構（図示せず。）
は、レーザ放射の入射ビームをひとみＰを通過する方向
に向けて、入射光をレンズエレメント１に入射させる。
レンズエレメント１−８を透過して順次伝播した後、走
査レンズ１０からの出射ビームは画面ＩＰに焦点が合わ
される。
【０００９】グループＧ1はレンズエレメント１−４を
含んでおり、その全ては間隙を有して配置された単レン
ズエレメントである。レンズエレメント１は、距離ｄ1
だけひとみＰから離れて配置され、入射光側に向かって
凹、すなわちひとみＰに向かって凹となるように配置さ
れた半径がＲ1及びＲ2の面を有するメニスカスレンズエ
レメントである。好ましい実施例では、レンズエレメン
ト１は、負のメニスカスレンズエレメントである。レン
ズエレメント２はまた、メニスカスレンズであって、凹
側が入射光側に向かうとともに、距離ｄ2だけレンズエ
レメント１から離れている。メニスカスレンズエレメン
ト２はＲ3及びＲ4の半径の面を有するとともに、好まし
くは、正のメニスカスレンズエレメントである。レンズ
エレメント３は、凸側が入射光側と反対側となった平凸
レンズエレメントであり、半径Ｒ5及びＲ6で表される面
を有する。距離ｄ3は、レンズエレメント３をレンズエ
レメント２から隔てている。レンズエレメント４もま
た、平凸レンズエレメントであるが、しかし凸面が入射
光側に向いている。レンズエレメント４は半径Ｒ7及び
Ｒ8の面を有するとともに、距離ｄ4だけレンズエレメン
ト３から離れている。
【００１０】レンズグループＧ2は、２つの間隔を有す
る接合された複合レンズを含み、第１のものはレンズエ
レメント５及び６からなり、第２のものはレンズエレメ
ント７及び８からなる。レンズエレメント５は、半径Ｒ
9及びＲ10の面を有する両凹レンズエレメントで、距離
ｄ5だけレンズエレメント４から離れている。レンズエ
レメント６は、半径Ｒ10及びＲ11の面を有する平凸レン
ズエレメントである。レンズエレメント６の凸面はレン
ズエレメント５の凹面に接合され、入射光側に向かって
凸の接合面を有する複合レンズを構成している。レンズ
エレメント７は、半径Ｒ12及びＲ13を有する平凹レンズ
エレメントである。レンズエレメント７は距離ｄ6だけ
レンズエレメント６から離れている。レンズエレメント
７は、半径Ｒ13及びＲ14の面を有する平凸エレメントで
ある。レンズエレメント８の凸面は、レンズエレメント
７の凹面に接合され、入射光側に向かって凸の接合面を
有する複合レンズを構成している。レンズエレメント８
は、画面ＩＰから距離ｄ７離れている。
【００１１】上記したように、一つの実施例では、レン
ズ１０はｆ／６．０，焦点距離７１．００９ｍｍ（すな
わち、７１ｍｍ）のレンズとして構成される。走査レン
ズ１０のこの実施例に対する数値的な特性は、表５に示
されている。表５において使用されている、レンズエレ
メント、間隔及び面の参照番号は、図１の参照番号に対
応する。距離ｄ１−ｄ7は、引き続く、ひとみＰとレン
ズエレメント１との間の距離、レンズエレメント１−５
と６と７との間の距離、及びレンズエレメント８と画面
ＩＰとの間の距離に対応する。面の半径Ｒ1−Ｒ14は、
入射光側から引き続く、レンズエレメント１−８の面の
曲率半径であり、負（−）の曲率半径は、入射光側に向
かって凹もしくは入射光側と反対側に向かって凸である
面をあらわす。すべての距離、曲率半径及び厚みは、ミ
リメートル（ｍｍ）であらわされる。レンズエレメント
１−８の表示された厚さは、中心の光軸Ａにおける厚さ
である。レンズエレメント１−８が構成されているガラ
スの屈折率Ｎdは、ナトリウムのｄ線に対して規定され
ている。Ｖdは、関連するレンズエレメントのアッベ数
もしくは分散係数である。
【００１２】
【表５】
【００１３】上記した走査レンズ１０の好ましい実施例
はほとんどテレセントリックで、中心の光軸Ａに平行で
ある３度内の全範囲に主光線を有する。走査レンズ１０
はまた、７８０ｎｍ，８３０ｎｍ及び８９０ｎｍの波長
に対して、色補正されている。ｆ／６．０における、屈
折率変調伝達関数（ＭＴＦ）の解析は、０．０７の波よ
り下のＲＭＳの波面エラーを有して、７８０ｎｍ，８３
０ｎｍ及び８９０ｎｍの波長の３つのビームの全てに対
するスポットサイズが、上記範囲を横断する屈折の限界
に近付くことを示している。中心の光軸Ａにおける屈折
率ＭＴＦ解析により計算された７８０，８３０及び８９
０ｎｍのビームの波長に対するレンズ１０の正規化され
たピークのスポット強度が、径（Ｙ−軸）方向と接線
（Ｘ−軸）方向との両方で、全範囲の０．７０７及び全
範囲について、図２及び図３にそれぞれ示されている。
走査レンズ１０の高度に色補正された特性が、０．７０
７と１．０００の領域における３つの波長により形成さ
れるスポットの間での小さな分離（０．５ミクロンより
小）において特に明確である。
【００１４】走査レンズ１０は丈夫でしかも相対的に安
価に製造することができる。レンズエレメント１−８の
相対的に高い屈折率Ｎd及び相対的に低いアッベ数Ｖdの
故に、これらのエレメントは、脈理やひずみに対して抵
抗力がある相対的に安価な光学材料により構成すること
ができる。±１４度の走査角に構成されたとき、レンズ
エレメント１−８の自由開口は、「零口径」性能を決定
することができる。レンズエレメント１−８の自由開口
の径に４ミリメートルを加えても、各エレメントはまだ
２ミリメートルを越えるエッジの厚みを有している。こ
のことは、「ナイフエッジ」でレンズエレメントを製造
するときに、さもなければ発生する困難を軽減する。さ
らに、各レンズエレメント１−８の軸方向の厚みはその
径の１０パーセントよりも大きく、それにより非常に薄
いレンズエレメントに関する数値を保持することに共通
に関連する問題を回避する。自由開口及びこの開口を取
り囲む２ミリメートルのエッジを含む、レンズエレメン
ト１−８の径が次の表６に与えられる。
【００１５】
【表６】
【００１６】上に与えられた走査レンズ１０の好ましい
仕様からの外れ（たとえば、スケーリングもしくは平面
における僅かの量のパワーの導入）は、本発明の精神及
び範囲から逸脱することなくレンズに組み入れることが
できることが理解されるべきである。特別な例による、
本発明の第２の実施例である、色補正されたテレセント
リック走査レンズ１００が図４に図示されている。走査
レンズ１００は、レンズエレメント１０１−１０８から
なる、ｆ／６．０，７１．００４（すなわち、７１ｍ
ｍ）の走査レンズである。レンズエレメント１０１−１
０８は、それらの数値的な特性は少しちがうが、走査レ
ンズ１０においてそれらに対応するものに性質が同じで
ある。走査レンズ１００の数値的な特性は、次の表７及
び表８に記載されている。Ｙ−軸（径）及びＸ−軸（接
線）方向の周りのレンズ１００の正規化されたピークス
ポット強度がそれぞれ図５及び図６に図示されている。
３つの範囲の点における７８０，８３０及び８９０ｎｍ
の波長のレーザビームに対するレンズ１００の接線方向
及び径方向の光線の捕捉カーブのグラフが図７及び図８
にそれぞれ示されている。図９は、レンズ１００の光軸
上の７８０，８３０及び８９０ｎｍの波長のレーザビー
ムに対する光線の捕捉カーブのグラフである。走査レン
ズ２０の性能は、走査レンズ１０の性能と全く同じ程度
の最適な性能ではないが、その性能は多くの応用に適す
るとともに、それは上記したレンズ１０のすべての利点
を提供する。
【００１７】
【表７】
【００１８】
【表８】
【００１９】本発明のほかの実施例（図示せず。）は、
上記した走査レンズ１０及び１００と同様のものである
が、（レンズ１０の）レンズエレメント７と８もしくは
（レンズ１００の）レンズエレメント１０７と１０８に
より形成される複合レンズを含まない。レンズ１０及び
１００におけるこれらの複合レンズは、小さい光学的な
能力を有しているに過ぎないが、色収差に対してある程
度の修正、特に７８０ｎｍ及び８９０ｎｍの波長のビー
ムに対してそれぞれ、ある程度の修正を与える。図１０
−図１２により明らかなように、特に、単色もしくは単
色に近い応用に対して、走査レンズ１００の商業的に有
利な特徴がまだ、それぞれレンズエレメント１０７及び
１０８からなる第２の複合レンズを含まない実施例に存
在する。図１０−図１２はそれぞれ、レンズエレメント
１０７−１０８により形成される複合レンズがない走査
レンズ１００に対する、接線方向、径方向及び軸方向の
光線の捕捉曲線である。レンズ１００のこの実施例は、
７０．４ｍｍ（すなわち、７０ｍｍ）の焦点距離を有す
る。
【００２０】好ましい実施例を参照して本発明を説明し
たが、当業者であれば、本発明の精神及び範囲から逸脱
することなく、形態及び変更において他の変形がなされ
ることを認めるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施例にかかる色補正された
テレセントリック走査レンズの構成の説明図である。
【図２】 図１に示されたレンズの径方向（Ｙ−軸）に
沿う３つの点における７８０，８３０及び８９０ｎｍの
波長のレーザビームの正規化された点拡散プロフィール
のグラフである。
【図３】 図１に示されたレンズの接線方向（Ｘ−軸）
に沿う３つの点における７８０，８３０及び８９０ｎｍ
の波長のレーザビームの正規化された点拡散プロフィー
ルのグラフである。
【図４】 本発明の第２の実施例にかかる色補正された
テレセントリック走査レンズの構成の説明図である。
【図５】 図４に示されたレンズの径方向（Ｙ−軸）に
沿う３つの点における７８０，８３０及び８９０ｎｍの
波長のレーザビームの正規化された点拡散プロフィール
のグラフである。
【図６】 図４に示されたレンズの接線方向（Ｘ−軸）
に沿う３つの点における７８０，８３０及び８９０ｎｍ
の波長のレーザビームの正規化された点拡散プロフィー
ルのグラフである。
【図７】 図４に示されたレンズの３つの領域の点にお
ける７８０，８３０及び８９０ｎｍの波長のレーザビー
ムの接線方向の線の捕捉曲線のグラフである。
【図８】 図４に示されたレンズの３つの領域の点にお
ける７８０，８３０及び８９０ｎｍの波長のレーザビー
ムの径方向の線の捕捉曲線のグラフである。
【図９】 図４に示されたレンズの軸上における７８
０，８３０及び８９０ｎｍの波長のレーザビームの線の
捕捉曲線のグラフである。
【図１０】 レンズエレメント１０７及び１０８がない
図４に示されたレンズの３つの領域の点における７８
０，８３０及び８９０ｎｍの波長のレーザビームの接線
方向の線の捕捉曲線のグラフである。
【図１１】 レンズエレメント１０７及び１０８がない
図４に示されたレンズの３つの領域の点における７８
０，８３０及び８９０ｎｍの波長のレーザビームの径方
向の線の捕捉曲線のグラフである。
【図１２】 レンズエレメント１０７及び１０８がない
図４に示されたレンズの軸上における７８０，８３０及
び８９０ｎｍの波長のレーザビームの線の捕捉曲線のグ
ラフである。
【符号の説明】
１ レンズエレメント ２ レンズエレメント ３ レンズエレメント ４ レンズエレメント ５ レンズエレメント ６ レンズエレメント ７ レンズエレメント ８ レンズエレメント １０ テレセントリック走査レンズ １００ テレセントリック走査レンズ １０１ レンズエレメント １０２ レンズエレメント １０３ レンズエレメント １０４ レンズエレメント １０５ レンズエレメント １０６ レンズエレメント １０７ レンズエレメント １０８ レンズエレメント Ａ 光軸 ＩＰ 画面 Ｐ ひとみ

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 入射光側から引き続いて、 入射光側が凹の第１のメニスカスレンズエレメント、 入射光側が凹の第２のメニスカスレンズエレメント、 入射光側とは反対側が凸の第１の平凸レンズエレメン
    ト、 入射光側が凸の第２の平凸レンズエレメント、及び両凹
    レンズと平凸レンズエレメントとを含み、接合面が入射
    光側に向かって凸の第１の接合された複合レンズ、を含
    む色補正されたテレセントリック走査レンズ。
  2. 【請求項２】 上記レンズが実質的に次の表１に示す数
    値特性を有するｆ／６．０のレンズである請求項１記載
    の色補正されたテレセントリック走査レンズ。 【表１】 ここで、数字１−６は、入射光側から引き続くレンズエ
    レメントをあらわす、間隔ｄ2−ｄ5は、レンズエレメン
    ト１−５の間の距離をあらわす、面Ｒ1−Ｒ11は、入射
    光側から引き続くレンズエレメントの面をあらわす、Ｎ
    dは、ナトリウムのｄ線におけるレンズエレメントの屈
    折率をあらわす、そしてＶdは、レンズエレメントの材
    料のアッベ数をあらわす。
  3. 【請求項３】 上記第１の接合された複合レンズに関し
    て上記入射光側と反対側の第２の接合された複合レンズ
    をさらに含み、この第２の接合された複合レンズが、上
    記入射光側に向かって凸の接合面を有する平凹及び平凸
    レンズエレメントを含む、実質的に次の表２に示す数値
    特性を有する請求項２記載の色補正されたテレセントリ
    ック走査レンズ。 【表２】 ここで、数字７及び８は、入射光側から引き続くレンズ
    エレメントをあらわす、間隔ｄ6は、レンズエレメント
    ６と７との間の距離である、そして面Ｒ12−Ｒ14は、入
    射光側から引き続くレンズエレメントの面をあらわす。
  4. 【請求項４】 上記第１の接合された複合レンズに関し
    て上記入射光側と反対側の第２の接合された複合レンズ
    をさらに含み、この第２の接合された複合レンズが上記
    入射光側に向かって凸の接合面を有する平凹及び平凸レ
    ンズエレメントを含む請求項１記載の色補正されたテレ
    セントリック走査レンズ。
  5. 【請求項５】 上記第１のメニスカスレンズエレメント
    が負のメニスカスレンズエレメントである請求項１記載
    の色補正されたテレセントリック走査レンズ。
  6. 【請求項６】 上記第２のメニスカスレンズエレメント
    が正のメニスカスレンズエレメントである請求項１記載
    の色補正されたテレセントリック走査レンズ。
  7. 【請求項７】 上記レンズが実質的に次の表３に示され
    る数値特性を有するｆ／６．０のレンズである請求項１
    記載の色補正されたテレセントリック走査レンズ。 【表３】 ここで、数字１０１−１０６は、入射光側から引き続く
    レンズエレメントをあらわす、間隔ｄ102−ｄ105は、レ
    ンズエレメント１０１−１０５の間の距離をあらわす、
    面Ｒ101−Ｒ111は、入射光側から引き続くレンズエレメ
    ントの面をあらわす、Ｎdは、ナトリウムのｄ線におけ
    るレンズエレメントの屈折率をあらわす、そしてＶ
    dは、レンズエレメントの材料のアッベ数をあらわす。
  8. 【請求項８】 上記第１の接合された複合レンズに関し
    て上記入射光側と反対側の第２の接合された複合レンズ
    をさらに含み、この第２の接合された複合レンズが、上
    記入射光側に向かって凸の接合面を有する平凹及び平凸
    レンズエレメントを含む、実質的に次の表４に示す数値
    特性を有する請求項７記載の色補正されたテレセントリ
    ック走査レンズ。 【表４】 ここで、数字１０７及び１０８は、入射光側から引き続
    くレンズエレメントをあらわす、間隔ｄ106は、レンズ
    エレメント１０６と１０７との間の距離である、そして
    面Ｒ112−Ｒ114は、入射光側から引き続くレンズエレメ
    ントの面をあらわす。
JP4067016A 1991-03-28 1992-03-25 色補正されたテレセントリツク走査レンズ Pending JPH0580251A (ja)

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