JPH06215082A - 光学系の光線追跡装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光学系の設計において光線追跡を効率的に行
うようにした光学系の光線追跡装置を得ること。 【構成】 入力手段から入力された光学系に関する諸数
値に基づいて該光学系の各面を通過する主光線を設定す
る第１設定手段、該主光線の任意の面上の射基準位置デ
ータを算出する第１算出手段、光路表示用及び収差算出
用の光線を設定する第２設定手段、該光線の任意の面上
の入射位置データを算出する第２算出手段そして該第
１，第２算出手段で得られたデータを保存する保存手段
とを利用して各面における光線追跡を行っていること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は３５ｍｍフィルム用の写
真用カメラやビデオカメラそして照明系複写機等に用い
られる光学系の設計の際に用いる光学系の光線追跡装置
に関し、例えば光線追跡手法により光線が光学系を構成
する各面（レンズ面やミラー面等）を通過する入射位置
データを求めて光学系の性能評価を行いレンズ構成を設
計するときに好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より写真用カメラやビデオカメラ等
に用いられる光学系を設計する際には、光学系に関する
具体的なデータ（焦点距離、画角、Ｆナンバー、レンズ
面の曲率半径、レンズ厚、材質の屈折率とアッベ数等）
を与えて光線追跡手法を用いて各面を通過する光線の入
射位置データを基にして収差量を求め、目的とする目標
に最も近いレンズ構成を試行錯誤的に行い求めていた。

【０００３】このとき任意の面、例えば入射基準面や結
像面における複数の光線の入射位置データを基準光線の
入射位置データからのずれ量として求め、これらのデー
タを参照して光学系の光学性能評価を行っている。

【０００４】光学系の設計に際して光学系の入射基準面
上への光線の位置データを設定する方法は種々ある。

【０００５】例えば光学系に入射する光線の入射点をＣ
ＲＴ上に表示されているカーソルを入力操作部のキーで
移動させて設定する方法、マウスを用いて移動させ所望
の入射点に合わせて入射点の座標を決定させて設定する
方法、カーソル・マウス等を用いずに入力操作部の数値
キーからレンズ系の第１面の面頂点を原点とし、光軸を
Ｘ軸、これと垂直な軸をＹ軸とした直交座標として座標
を直接入力して設定する方法等がある。

【０００６】そして光学系の各面を光線が通過する際の
入射位置データを求める際には、まず光学系を構成する
各面（レンズ面やミラー面等）を光線の追跡順に設定し
た後に、光線追跡を行いたい追跡開始面と追跡終了面を
指定する。そして指定した追跡開始面から追跡終了面ま
で面番号順に追跡する方法を用いている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】光学系の設計において
光学系の各面での光線追跡を行う為には、光学系の入射
基準面上での各光線（複数の光線）の座標値が必要であ
る。

【０００８】しかしながら光線によっては入射基準面上
での座標値を指定して光線追跡をしようとしても評価面
まで到達できないものがある。

【０００９】例えば光学系の全長が長いものや偏心系等
の複雑な構造をしているものについては、特にこの現象
が多く座標値を指定し直しては再度光線追跡をやってみ
て評価面まで到達するか否かをみるという繰り返しを行
っていた。この為、設計効率が大変悪いという問題点が
あった。

【００１０】本発明の第１の目的は光学系を構成する各
面へ入射させる基準となる光線（主光線）と主光線以外
の複数の光線の入射基準面上への入射位置データを適切
に設定することにより光線追跡を効果的に行い光学系の
設計が容易に行われるようにした光学系の光線追跡装置
の提供にある。

【００１１】一方光線追跡を行う際に写真用レンズやビ
デオカメラ用レンズ等の筒状の軸対称な光学系において
は光線が通過する面順序が決まっている。この為、その
順序に従って各面の交点や屈折方向の算出を行えば良
い。

【００１２】しかしながら光学系の中にはミラー面や遮
光面を含んだ構成のものもある。又フレネル反射や拡散
等も考慮しなければならない光学系もある。このような
場合には光線追跡する面順序を一意的に与えることが難
しい。このときには与えられた面より到達し得る次の面
を順次決定する必要がある。

【００１３】本発明の第２の目的は光線追跡を行う際に
光学系を構成する各面を所定数のブロックに分け、該ブ
ロック内での面において面順次を決定しながら光線追跡
を行うことにより、ミラー面、遮光面、フレネル面、そ
して拡散面等が存在していても光線追跡を容易に行い光
学系の設計を効率的に行うことのできる光学系の光線追
跡装置の提供にある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の光学系の光線追
跡装置は （イ）入力手段から入力された光学系に関する諸数値に
基づいて該光学系の各面を通過する主光線を設定する第
１設定手段、該主光線の任意の面上の入射基準位置デー
タを算出する第１算出手段、光路表示用及び収差算出用
の光線を設定する第２設定手段、該光線の任意の面上の
入射位置データを算出する第２算出手段そして該第１，
第２算出手段で得られたデータを保存する保存手段とを
利用して各面における光線追跡を行っていることを特徴
としている。

【００１５】（ロ）入力手段及び外部記憶手段からの光
学系に関するデータを利用して、中央処理手段で該光学
系の各面を通過する光線の位置データを求める際、該入
力手段及び外部記憶手段からのデータに基づいてレンズ
構成情報と光線追跡情報とを設定する情報設定手段、光
線追跡を行う該光学系のブロックを設定するブロック設
定手段、設定したブロック内の各面を光線が進む際の面
順位を設定する面順位設定手段、設定したブロック内の
各面の光線追跡を行う光線追跡手段、該ブロック内の最
終レンズ面を判定する面判定手段、該光学系の最終ブロ
ックを判定するブロック判定手段、そして各面の光線の
入射位置データを保存する保存手段とを利用して各面に
おける光線追跡を行っていることを特徴としている。

【００１６】

【実施例】図１は本発明の実施例１の要部ブロック図、
図２は本発明の実施例１の動作を示すフローチャート、
図３は光線追跡を行う光学系に関する各データを示す一
部分の説明図である。

【００１７】図１において３は入力手段であり、キーボ
ード等から成り光学系に関する各種のデータを入力して
いる。データとしては例えば光学系の焦点距離、画角、
Ｆナンバー、物体距離や各レンズ面の曲率半径、レンズ
厚、材質の屈折率やアッベ数そして光線追跡を行う際の
光線の数や入射基準面上における座標等である。

【００１８】２は記憶手段であり、光学系に関するデー
タや光線追跡を行う際のデータ等が格納されている。

【００１９】１は中央処理手段（中央処理演算手段）で
あり、入力手段３や記憶手段２からのデータを基に光学
系の光線追跡を行い、各面の入射位置座標や収差量等を
求めている。４は表示手段であり、ＣＲＴ等から成り中
央処理手段１で求めた光線追跡結果や収差量、収差図等
を表示している。

【００２０】本実施例の中央処理手段１は、入力手段３
から入力された光学系に関する諸数値に基づいて該光学
系の各面を通過する主光線を設定する第１設定手段１
ａ、該主光線の任意の面上に入射基準位置データを算出
する第１算出手段１ｂ、光路表示用及び収差算出用の光
線を設定する第２設定手段１ｃ、そして該光線の任意の
面上の入射位置データを算出する第２算出手段１ｄとを
有している。

【００２１】次に本実施例の動作を図２のフローチャー
トに従い図１と図３を参照して説明する。

【００２２】本実施例の光線追跡の入射基準面上の位置
データの設定における処理は、まずステップ１１でレン
ズ構成データ、物体データ、画角データ等のデータを入
力手段３より入力すると共に記憶手段２に記憶されたデ
ータに基づいて設定する。

【００２３】ここでレンズ構成データとは光学系を構成
する個々の単レンズの曲率半径、面間隔、構成材料で決
まる屈折率やアッベ数をいう。物体データとは、例えば
図３に示すように物体面１９の位置データと物体距離Ｓ
１等をいい、画角データとは物点２０の物体高と物点２
０から発して光学系を構成するレンズの第１面２２に入
射する光線の物体面側の入射角データをいう。

【００２４】これらに加え、光線追跡に必要な入射基準
面２１を設定する。入射基準面２１は入射瞳と一致させ
るか、第１面２２からの距離を入力するか、第１面２２
の頂点座標を原点とし光軸をＸ軸、これと垂直な軸をＹ
軸とした直交座標として座標を入力するかで与える。

【００２５】ステップ１２では入力手段３より収差のと
りまとめをする光線（主光線）の設定をする。

【００２６】この設定方法には、収差のとりまとめをす
る光線の入射基準面２１上での座標を直接入力する方法
と、光学系の有効径いっぱいに通る光線をサーチしてそ
の光束の中心光線を収差のとりまとめをする光線として
入射基準面２１上の座標を設定する方法と、面とその面
上の座標を入力し、この座標を通る光線をサーチしてこ
れを収差のとりまとめをする光線として入射基準面２１
上の座標を設定する方法と、絞り面の中心を通る光線を
サーチしてこれを収差のとりまとめ光線として入射基準
面２１上の座標を設定する方法とがある。

【００２７】ステップ１３では収差のとりまとめをする
光線の入射基準面上の座標が直接入力されているか否か
の判別をする。ステップ１３で座標が直接入力されてい
ない場合には、ステップ１４で各々の設定方法に従って
中央処理手段１で光束サーチ、光線サーチを行い、収差
のとりまとめ光線の入射基準面上の座標を設定し、ステ
ップ１５に入る。ステップ１３で座標が直接入力されて
いる場合は、その位置データを採用し、ステップ１５に
入る。

【００２８】ステップ１５では光路表示用及び収差算出
用の一般光線の設定をする。この設定方法には、一般光
線の入射基準面２１上の座標を直接入力する方法と、有
効径いっぱいに通る光線をサーチしてその光束幅に対す
る比率とアジムス方向を入力し、一般光線を設定する方
法と面とその面上の座標を入力し、この座標を通る光線
をサーチしてこれを一般光線とする方法とがある。

【００２９】そしてステップ１６で一般光線の入射基準
面上の座標が直接入力されているか否かの判別をする。
ステップ１６で座標が直接入力されていない場合にはス
テップ１７で各々の設定方法に従って中央処理手段１で
光束サーチ、光線サーチを行い、一般光線の入射基準面
上の座標を設定する。ステップ１６で座標が直接入力さ
れている場合はその位置データを採用し、ステップ１８
に入る。

【００３０】ステップ１８では以上設定された光線追跡
の入射基準面上位置データを記憶手段２に保存する。以
上により処理は終了する。

【００３１】本実施例によれば入射基準面上での座標デ
ータを直接入力しなくても、光線サーチができれば、設
定方法により入射基準面上の位置データを設定すること
が可能となり、評価面まで到達する光線を見つける為
に、何度も入射基準面上での座標データを指定し直すと
いった繰り返しがなくなり、光学系を効率良く設計する
ことができる。

【００３２】図４は本発明の実施例２の要部ブロック
図、図５，図６は本発明の実施例２の動作を示すフロー
チャート、図７は光線追跡を行う光学系の要部断面図で
ある。図７は光源と１面と２面を面非順次ブロックとし
たときの光路を示している。ここで面非順次ブロックと
は、面番号通りでない光線の追跡も許可する面を、開始
面と終了面で指定したものをいう。

【００３３】図１において１０３は入力手段であり、キ
ーボード等から成り、光学系に関する各種のデータを入
力している。１０２は外部記憶手段であり、光学系に関
する各種のデータや光線追跡を行う際の各種のデータが
格納されている。１０１は中央処理手段（中央処理演算
手段）であり、入力手段１０３や外部記憶手段１０２か
らのデータを基に光学系の光線追跡を行い、各面の入射
位置座標や収差量等を求めている。

【００３４】本実施例の中央処理手段１０１は、入力手
段１０３及び外部記憶手段１０２からのデータに基づい
てレンズ構成情報と光線追跡情報とを設定する情報設定
手段１０１ａ、光線追跡を行う該光学系のブロックを設
定する所謂、面非順次ブロックを設定するブロック設定
手段１０１ｂ、設定したブロック内の各面を光線が進む
際の面順位を設定する所謂、面非順次光線追跡を行う面
順位設定手段１０１ｃ、設定したブロック内の各面の光
線追跡を行う光線追跡手段１０１ｄ、該ブロック内の最
終レンズ面を判定する面判定手段１０１ｅ、該光学系の
最終ブロックを判定するブロック判定手段１０１ｆ、そ
して各面の光線の入射位置データを保存する保存手段１
０１ｇとを有している。

【００３５】ここで面順次光線追跡とは設定した光学系
の面番号順に光線を追跡すること、もし、その順序通り
光線が通過しない場合はその時点で光線追跡を終了す
る。

【００３６】次に本実施例の動作を図５，図６のフロー
チャートに従い、図１，図７を参照して説明する。

【００３７】まずステップ１１１で入力手段１０３又は
外部記憶手段１０２よりレンズ面間隔等のレンズ構成情
報と光線追跡開始終了面、開始面上の位置座標及び方向
ベクトル等の光線追跡情報を設定する。

【００３８】ステップ１１２で面非順次ブロックを設定
する。即ち光学系を構成するレンズ群をブロックに分け
たときの光線追跡を行うブロックを設定する。

【００３９】ステップ１１３で入力手段１０３より中央
処理手段１０１の演算実行命令が投入されたか否かを判
定し、投入されるとステップ１１４で中央処理手段１０
１により面非順次ブロックの存在が判定される。

【００４０】ステップ１１４で面非順次ブロックが存在
しなければステップ１１５に行き、面順次光線追跡を実
行し、終了する。

【００４１】ステップ１１４で面非順次ブロックが存在
する場合はステップ１１６に行き、面非順次ブロックの
開始面まで面順次光線追跡を実行し、そこで実行エラー
が認められた場合は実行を終了する。

【００４２】実行エラーが認められない場合はステップ
１１７で面非順次ブロック内ではそのブロックに含まれ
る各面への光線追跡を実行し、ステップ１１８で求まっ
た点が光線の方向ベクトルの指す向きにあるか否かを判
定する。

【００４３】そしてＹＥＳの場合はステップ１１９でそ
の点の座標及び射出光線の方向ベクトルのデータ（光線
情報）を保存する。そして他にブロック内の面がないと
きはステップ１２０に行く。ステップ１１８でＮｏのと
きで、他にブロック内の面がない時はステップ１２０に
行く。ステップ１２０でブロック内の面とその交点が求
まらない場合はその時点で実行を終了し、求まった場合
はステップ１２１で交点のうち距離が最小となるものを
選択する。

【００４４】ステップ１２２でその面が現在いる面非順
次ブロックの最終面でなければステップ１１７にとぶ。
ステップ１２２で面非順次ブロックの最終面である場合
にはステップ１２３でそのブロックが設定した面非順次
ブロックの最終ブロックでなければブロックカウンタを
１増してステップ１１６にとぶ。ステップ１２３で最終
ブロックであればステップ１２４でそれ以降光線追跡の
終了面までの面順次光線追跡を実行する。

【００４５】そしてエラーがなければステップ１２５で
それにより求まった光線追跡結果を外部記憶手段１０２
に保存して実行を終了する。エラーがあるときには実行
を終了する。

【００４６】本実施例によれば以上のように各要素を設
定することにより光線追跡を行う面順序が特定できない
ような光学系においても容易に光線追跡を行うことを可
能としている。

【００４７】

【発明の効果】本発明によれば以上のように、光学系を
構成する各面へ入射させる基準となる光線（主光線）と
主光線以外の複数の光線の入射基準面上への入射位置デ
ータを適切に設定することにより光線追跡を効果的に行
い光学系の設計が容易に行われるようにした光学系の光
線追跡装置を達成することができる。

【００４８】又、光線追跡を行う際に光学系を構成する
各面を所定数のブロックに分け、該ブロック内での面に
おいて面順次を決定しながら光線追跡を行うことによ
り、ミラー面、遮光面、フレネル面、そして拡散面等が
存在していても光線追跡を容易に行い光学系の設計を効
率的に行うことのできる光学系の光線追跡装置を達成す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例１の要部ブロック図

【図２】 本発明の実施例１の動作を示すフローチャー
ト

【図３】 本発明において光線追跡を行う光学系に関す
る各データの説明図

【図４】本発明の実施例２の要部ブロック図

【図５】 本発明の実施例２の動作を示すフローチャー
ト

【図６】 本発明の実施例２の動作を示すフローチャー
ト

【図７】 本発明において光線追跡を行う光学系の光路
図

【符号の説明】

１，１０１ 中央処理手段 ２ 記憶手段 ３，３０３ 入力手段 ４ 表示手段 １０２ 外部記憶手段 １ａ 第１設定手段 １ｂ 第１算出手段 １ｃ 第２設定手段 １ｄ 第２算出手段 １０１ａ 情報設定手段 １０１ｂ ブロック設定手段 １０１ｃ 面順位設定手段 １０１ｄ 光線追跡手段 １０１ｅ 面判定手段 １０１ｆ ブロック判定手段 １０１ｇ 保存手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 荒木 博宣 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 田畑 憲昭 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 平野 由利子 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 北村 康夫 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 井田 光一 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力手段から入力された光学系に関する
   諸数値に基づいて該光学系の各面を通過する主光線を設
   定する第１設定手段、該主光線の任意の面上の入射基準
   位置データを算出する第１算出手段、光路表示用及び収
   差算出用の光線を設定する第２設定手段、該光線の任意
   の面上の入射位置データを算出する第２算出手段そして
   該第１，第２算出手段で得られたデータを保存する保存
   手段とを利用して各面における光線追跡を行っているこ
   とを特徴とする光学系の光線追跡装置。
2. 【請求項２】 入力手段及び外部記憶手段からの光学系
   に関するデータを利用して、中央処理手段で該光学系の
   各面を通過する光線の位置データを求める際、該入力手
   段及び外部記憶手段からのデータに基づいてレンズ構成
   情報と光線追跡情報とを設定する情報設定手段、光線追
   跡を行う該光学系のブロックを設定するブロック設定手
   段、設定したブロック内の各面を光線が進む際の面順位
   を設定する面順位設定手段、設定したブロック内の各面
   の光線追跡を行う光線追跡手段、該ブロック内の最終レ
   ンズ面を判定する面判定手段、該光学系の最終ブロック
   を判定するブロック判定手段、そして各面の光線の入射
   位置データを保存する保存手段とを利用して各面におけ
   る光線追跡を行っていることを特徴とする光学系の光線
   追跡装置。