JPH0756083A - 光学的画像システム及び光学的補正レンズ - Google Patents

光学的画像システム及び光学的補正レンズ

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JPH0756083A
JPH0756083A JP4171481A JP17148192A JPH0756083A JP H0756083 A JPH0756083 A JP H0756083A JP 4171481 A JP4171481 A JP 4171481A JP 17148192 A JP17148192 A JP 17148192A JP H0756083 A JPH0756083 A JP H0756083A
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optical
curvature
correction lens
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JP4171481A
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Jose M Sasian-Alvarado
マニュエル サシャン−アルヴァラド ジョセ
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American Telephone and Telegraph Co Inc
AT&T Corp
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    • G02B27/4294Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect in multispectral systems, e.g. UV and visible

Abstract

(57)【要約】 【目的】 フィールドカーバチャ及び球面収差等の画像
システム特性を補正することが可能な光学レンズを提供
する。 【構成】 本発明の光学レンズは単一の光学素子よりな
り、前記光学システムに対して付加的な倍率を導入しな
い。この本発明の補正レンズは平面に基づいた(平凹あ
るいは平凸)素子であり、当該平面表面に対して平行1
6/垂直18に形成された一連の段差状領域14を有し
ている。この補正レンズの階段状プロファイルは、この
レンズを通過する波面に対して前記画像システムに固有
の所定の収差を実質的に打ち消すカーバチャを与えるレ
ンズのカーバチャRを近似するように決定される。本発
明の補正レンズは、フィールドカーバチャ、球面収差、
及びその双方を補正するために用いられ得る。この補正
レンズは、システムからの要求に応じて透過型あるいは
反射型に形成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、フィールドカーバチャ
及び球面収差等の光学特性を修正することが可能なレン
ズ設計に関する。
【0002】
【従来の技術】平面的な画像面上の有限のフィールドを
カバーするようなあらゆる種類のレンズの設計において
は、画像の品質及びレンズの単純さを損なうことなく修
正されなければならない最も問題となる収差は、フィー
ルドカーバチャである。このフィールドカーバチャは、
システムの光軸から入力光が離れて動いていくような光
学的画像システムにおいて導入される。所謂”フィール
ドフラットナー”レンズがこの問題を扱うために長年に
わたって開発されてきている。この種のフィールドフラ
ットナーデザインの一例が、エム・エイチ・フリーマン
(M.H.Freeman)著の「光学」(第十版、1
990年、バターワース(Butterworth)
社)の第467頁から開始される”アクロマチックダブ
レット”というタイトルのセクションに記載されてい
る。その例においては、装置の像平面の近傍に配置され
た平凹フィールドフラットニングレンズ及び対応するア
クロマチックダブレットが含まれている。他のフィール
ドフラットニング装置においては、例えばクック(Co
oke)トリプレットにおけるものと同様に、2つの
(凸)レンズの間に挿入された大きなパワーレンズ(通
常凹レンズ)が用いられる。クックトリプレットは、大
きな収差を引き起こしてしまうほどの強い曲率を必要と
するという欠点を有している。この収差はある程度は互
いにキャンセルするようにさせることが可能ではある
が、ある程度は残存してしまう。
【0003】球面収差は、球面レンズによる不完全な結
像の結果である。この収差は、光軸上及び光軸外照明の
双方に存在している。なぜなら、これは光軸に近接して
位置する光束に関してその周辺(境界)に存在する光束
の偏りの結果であるからである。凹レンズは負の球面収
差を示し、凸レンズは正の球面収差を示す。球面収差の
問題は、従来の技術においては、正及び負の双方の球面
収差を有し、全体としての効果が実質的にゼロであるよ
うなアクロマチックダブレットを用いて取り扱われてい
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】種々の光学的画像に係
る問題点を取り扱う従来技術に係るレンズ装置の問題点
は、凸の補正レンズあるいは凹の補正レンズのいずれが
用いられるかということには拘らず、そのレンズ装置が
画像システムに導入する光学的倍率の量である。さら
に、この種の装置は全て複数個の個別の光学素子を必要
とし、結果としてその補正装置の全体の大きさ、複雑さ
及び費用を増大させる。よって、従来技術においては、
フィールドカーバチャ及び球面収差等の特性を補正する
簡潔なレンズ装置に対する要求が未だに存在している。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、フィールドカ
ーバチャ及び球面収差を補正することが可能なレンズに
関し、特に、所望のフィールド補正を実現する等倍かつ
非平面のバルク光学素子に関する。
【0006】本発明に係る実施例によれば、通過する波
形に所定の位相差を導入するように機能する階段状のプ
ロファイルを有する等倍率のレンズが形成される。この
等倍率のレンズは、入力波面列を複数個の環状波面部分
に再配置するために用いられる。前記階段状のプロファ
イルによって制御され位相差を含んだ複数個の波面部分
からなる合成波形は、光学画像システムの所定の収差を
補償する所定のカーバチャを示すように配置される。
【0007】画像システムを通過して伝播する光軸外光
束に生じたフィールドカーバチャ(ρ)を補償するレン
ズも形成され得る。所謂”フィールドフラットナー”レ
ンズの階段状のプロファイルは、システムのカーバチャ
の反対の符号を有するフィールドカーバチャ(ρ)を実
現してそれによって固有のフィールドカーバチャを打ち
消すような円状カーバチャRを近似するように設計され
る。特に、本発明に係るレンズの各々の段差は、平面レ
ンズ表面に平行な第一面と前記平面レンズ表面に垂直な
高さSの段差よりなり、前記光学システムに対してこの
レンズによる倍率が本質的に導入されないようになって
いる。本発明に係るフィールドカーバチャ修正のための
実施例に従って、各々の段差は実質的に同一の高さSの
段差よりなる。ここでSは入射光信号の波長の関数であ
り、通過する信号に対して2πの位相差を与えるように
決定される。段差の大きさSに関連して段差の総数Nは
レンズのカーバチャRを決定する。特に、段差の大きさ
が減少するにつれて段差数Nが増加し、レンズのカーバ
チャの近似が改善される。
【0008】球面収差の補正は、本発明に係る前記等倍
レンズの前記段差形状を、球面収差によって生成された
画像上のデフォーカスを実質的に打ち消すような補正フ
ァクターを導入するように修正することによって実現さ
れる。特に、本発明に係る球面収差補正等倍レンズは、
前述の”フィールドフラットナー”レンズとは異なり、
大きさが直径方向で変化するような段差Sを有していて
球面収差(すなわち二次のレンズの曲率)を補正するこ
とが可能なレンズとしてのカーバチャRを実現するよう
に形成された階段状プロファイルを有している。さら
に、本発明に係る等倍率補正レンズは、フィールドカー
バチャ及び球面収差の双方を打ち消すようにすること
も、その双方のファクタによって決定される特別のレン
ズの曲率Rを用いることによって可能である。
【0009】
【実施例】光学的画像フィールドのカーバチャρは、光
学的画像システムにおいて光学素子の光軸外照明が用い
られた場合に問題となる。照明が光軸から離れていくに
つれてフィールドカーバチャは増大する。フィールドカ
ーバチャは、画像システム内のレンズのプロファイルに
依存する関数であり、以下のように定義される: ρ=K{R−(R2−y20.5} ここでyは与えられた環状領域までの光軸からの距離と
して定義されるものであり、Rはレンズのカーバチャで
ある。Kは等式を構成するために必要となる比例係数で
ある。本発明に従って、修正フィールドカーバチャ−ρ
が導入され、実質的にシステムに固有のフィールドカー
バチャρが打ち消される。
【0010】図1は本発明に係る、システムに固有のフ
ィールドカーバチャを実質的に打ち消すために必要とさ
れるフィールドカーバチャを導入することが可能な等倍
率非平面フィールドカーバチャ補正レンズ10の側面図
である。図に示されているように、レンズ10は平面表
面12と、階段状プロファイルを有する平凸構造を形成
するように平面表面12に関して形成された一連の階段
状の領域14よりなる。各々の領域14は、面12に対
して平行な面16と面12に対して垂直な段差18とを
有しており、この平行/垂直配置がレンズ10がシステ
ムに対して付加的な倍率を与えないことを保証してい
る。段差の高さSは、通過する波面に対して2πm(m
=1,2,3,...)の位相差を与えるように選択さ
れており、このフィールドカーバチャ補正レンズ10は
各々の段差が実質的に同一の高さSよりなるように設計
されている。以下で詳細に説明されるように、例えば球
面収差を補正する場合のように、素子の断面形状に関し
て段差の高さSが変化しているような応用例も存在す
る。しかしながら図1に示されているようなフィールド
カーバチャのみを補正することが要求されている場合に
は、段差の高さSは実質的に一定となる。また、図6に
図示するように、レンズ10は、平凹レンズでもよい。
【0011】補正レンズ10のカーバチャRは、前述さ
れている関係式を用いて、画像システムに存在している
フィールドカーバチャを実質的に打ち消す所定のフィー
ルドカーバチャρを実現するように決定される。より詳
細に述べれば、階段状プロファイルとレンズのカーバチ
ャRとの一致は、領域の数Nと段差の高さSを決定する
ために用いられた位相差ファクタ2πmとによって決定
される。すなわち、m=1の場合には、最大の数N個の
段差が用いられ、レンズのカーバチャRに対する近似は
最も正確となる。詳細に述べれば、領域の数Nは少なく
とも2以上の値を有する整数であり、図1に示された配
置においては4つの領域が含まれている。図2は補正レ
ンズ10の上面図であり、レンズ10を構成する複数個
の領域14の環状デザインが示されている。この複数個
の領域の直径はレンズ10のカーバチャRの関数であ
る。
【0012】図3は、本発明に係る平凸レンズ10の光
軸外照明が用いられた場合の波面再配置特性を示した図
である。より詳細に述べれば、補正レンズ10は波面3
0の中心の環状領域38の伝播を外部の環状領域に対し
て遅らすように機能する。波面30の最外周の領域32
はレンズ10の単一の領域20を通過し、2πだけの位
相差を受ける(説明を簡単にするためにm=1を仮定し
ている)。波面30の次の環状領域34は領域20及び
22を通過し、2倍の、すなわち4πの位相遅延を受け
る。環状領域36は領域20、22、24を通過し6π
の位相遅延を受け、さらに環状領域38はレンズ10の
最大厚を有する部分を通過するため8πの位相遅延を受
ける。その結果、合成波面は、図3に示されているよう
に、位相遅延を受けた環状領域列となる。既に述べられ
ているように、実質的に平行及び垂直な階段状の断面を
もちいた配置であるため、光学システムに対して実質的
に(正あるいは負の)変換倍率を導入することはない。
このことは、他の収差の補正に関して非常に有利な点で
ある。
【0013】上述されているように、フィールドカーバ
チャは光学画像システムの光軸外照明の結果である。図
4は、本発明に係る補正レンズが光軸外波面30’に対
して適用された場合の例を示した図である。角度差θに
よって規定される光軸からのずれは、図4においては明
示するために誇張されている。この例においては、レン
ズ10の光軸外照明は波面30’に対して示されている
フィールドカーバチャρを導入する。補正レンズ10が
ない場合には、波面30’は結像された場合に出射瞳
(図示せず)において−ρのフィールドカーバチャを生
ずる。よって、固有のフィールドカーバチャ−ρと補正
レンズ10によって導入されたフィールドカーバチャρ
との組合せにより、画像システムの焦点においては比較
的フラットな画像が投影される。
【0014】本発明の係る等倍率フィールドカーバチャ
補正レンズは、図5に示されているように平凹レンズの
形態を取ることも可能である。この例においては、レン
ズ50は、およそRの外方曲率半径を実現するように形
成された複数個の領域52、54及び56を有してお
り、そこを通過する波面に対して(図1の平凸レンズ1
0が内包フィールドカーバチャを導入するのに対して)
外方フィールドカーバチャρを導入する。前述された平
凸レンズの場合と同様に、平凹レンズ50を構成してい
る領域52、54及び56は波面に対して2πmの位相
差を与えるように選択された実質的に同一の段差高Sを
有している。領域の数及び段差高は、この場合も所定の
レンズの曲率Rとの一致の程度に直接比例している。図
示されているように、平凹レンズ50は、平面光軸上波
面51を環状領域53、55及び57に変換する。平凹
レンズ50は固有の内方カーバチャを示すシステムにお
いて用いられ、カーバチャを打ち消して実質的にフラッ
トな画像の投影を実現する。
【0015】図6は、平凹フィールドカーバチャ補正レ
ンズ60を光軸外波面62に用いた場合の例を示した図
である。図4に示された配置と同様、図6における光軸
OAに対する軸ずれ角θは誇張されている。この例にお
いては、レンズ60は7つの領域からなり、固有のフィ
ールドカーバチャ−ρを実質的に打ち消すように決定さ
れた内方フィールドカーバチャρを実現する。
【0016】既に述べられているように、本発明に係る
フィールドカーバチャ補正レンズは、既存の多くの光学
システムにおいて固有のフィールドカーバチャを補正す
るために用いられ得る。その一例が、図7に示されてい
るようなシュミットカメラに係るものである。従来技術
に係るシュミットカメラにおいては、球面鏡72の球面
収差を補正するために非球面板70が用いられている。
非球面板70が鏡72の中心に位置しているために、広
範囲にわたる修正視野が得られる。しかしながら、鏡7
2の特性によって、画像Iは内方フィールドカーバチャ
を有する。それゆえ、フィールドカーバチャは、本発明
に従って形成された等倍率フィールドカーバチャ補正レ
ンズ76を用いて補正される。図7に示された例におい
ては、平凸フィールドカーバチャ補正レンズが用いられ
る。なぜなら、反射された光は鏡72によって導入され
るものと反対符号のフィールドカーバチャを有するから
である。システムにおける板70とレンズ76との相対
的位置は重要ではない。しかしながら、非球面板70の
平面表面78上にフィールドカーバチャ補正レンズ76
を形成することが可能であるため、装置を簡単にするこ
と及びこの2つの素子を自動的にアラインメントするこ
とが可能となる。図7には、板70及びレンズ76が複
合ユニットとして形成された様子が示されている。別の
実施例においては、板70の非球面性がレンズ76の階
段上プロファイルと組み合わせられて板70及び76の
代わりに単一の素子が用いられる。図8は、そのような
修正された階段状プロファイルを有するように形成され
た素子80を示している。図7に示された配置と同様
に、補正デバイス80を用いることにより面82に沿っ
て実質的にフラットな画像フィールドの投影が実現され
る。
【0017】本発明のレンズ10は、光学的に透明な素
子で説明したが、光学的反射型素子で形成することもか
のうである。即ち、本発明に係るフィールドフラットニ
ング特性は、図9に示されているように反射型の配置に
おいても用いられ得る。図9においては、反射型平凸フ
ィールドカーバチャ補正素子90が光軸外波面92と交
差するように配置される。図に示されているように、素
子90は図7に示された平凸レンズ70と同様の平凸配
置を有している。より詳細に述べれば、素子90は各々
所定の段差高Sを有する複数個の領域94、96よりな
る。この段差高と領域の数は必要とされる補正用フィー
ルドカーバチャρを実現するために必要とされるレンズ
のカーバチャRを決定する。しかしながら、前述された
実施例とは異なり、素子90は、さらに、図9に示され
ているように各々の領域94、96上に配置された反射
コーティング91を有している。それ故、(あまり大き
なカーバチャを有していない)入射波面92は図示され
ているようにずらされるようにして反射される。すなわ
ち、波面92の頂部94に交差する部分93が最初に反
射され、部分96に交差する部分95がその次に反射さ
れる、というようにである。よって、素子90によって
反射された波面92’は、図示されているようなフィー
ルドカーバチャρを有することになる。素子90が画像
システムに固有のものと反対符号を有するフィールドカ
ーバチャを実現するように配置されているため、結像さ
れた画像(図示せず)は実質的にフラットとなる。固有
のフィールドカーバチャを打ち消すために位相の進みが
必要とされる場合には、この平凸反射型配置の代わり
に、反射型平凹等倍率フィールドカーバチャ補正レンズ
が用いられる。
【0018】本発明に係る等倍率フィールドカーバチャ
補正配置は、顕微鏡の対物レンズから遠距離通信システ
ムまでフィールドカーバチャが問題となるあらゆる光学
的画像システムに関する無数の応用例において用いられ
る可能性を有することに留意されたい。
【0019】前述されているように、本発明に係る等倍
率レンズ配置は、球面収差を補正するためにも用いられ
得る。既に述べられているように、球面収差は球面レン
ズによる完全な結像の欠如により生ずるものであり、4
次の収差を生ずる。球面収差を補正するために適した階
段状のレンズプロファイルは、次式にしたがって決定さ
れる: レンズプロファイル=R−(R2−y20.5+Ay4 4次の項Ay4を導入することにより、段差高が修正さ
れて球面収差を補正することが可能なレンズが形成され
る。
【0020】本発明に係る等倍率補正レンズは、フィー
ルドカーバチャ及び球面収差の双方を補正するように設
計されたレンズカーバチャRを有するようにも形成され
得る。この場合には、前記カーバチャは2次及び4次の
項を含む方程式によって導かれる。この際、2次の項は
フィールドカーバチャに関係し、4次の項は球面収差に
関係している。一般に、レンズカーバチャRがレンズの
段差高Sを調節することによって物理的に決定されるた
め、実際的には希望されるあらゆるカーバチャが本発明
に係る等倍率レンズによって近似され得る。
【0021】以上の説明は本発明の限られた数の実施例
のみに係るものであり、当業者によれば、本発明の種々
の変形例が考え得るが、それらはいずれも本発明の技術
的範囲に包含される。尚、特許請求の範囲に記載された
参照番号は、発明の容易なる理解の為で、その範囲を制
限するよう解釈されるべきではない。
【00】
【発明の効果】以上述べたごとく、本発明によれば、フ
ィールドカーバチャ及び球面収差等の光学特性を修正す
ることが可能なレンズが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る等倍率平凸フィールドカーバチャ
補正レンズの側面図。
【図2】図1に示された平凸フィールドカーバチャ補正
レンズの上面図。
【図3】実質的に平面であるような波面に対する図1に
示された等倍率フィールドカーバチャ補正レンズの波面
再配置特性を示した図。
【図4】光軸外波面に対して所定のフィールドカーバチ
ャρを導入するために図1に示されたフィールドカーバ
チャ補正レンズを用いた実施例を示す図。
【図5】本発明に係る平凹フィールドカーバチャ補正レ
ンズによる波面の再配置特性を示した図。
【図6】光軸外波面に対して所定のフィールドカーバチ
ャρを与えるために図5に示された平凹フィールドカー
バチャ補正レンズを用いた実施例を示す図。
【図7】画像システムの一例としてのシュミットカメラ
に本発明に係る等倍率平凸フィールドカーバチャ補正レ
ンズを用いた例を示す図。
【図8】本発明に係る等倍率平凸フィールドカーバチャ
補正レンズによる球面板の特性を利用した別のシュミッ
トカメラ画像システムを示した図。
【図9】本発明に係る反射型平凸フィールドカーバチャ
補正レンズを用いた別の画像システムを示した図。
【符号の説明】
10 補正レンズ 12 平面表面 14 領域 16 平行面 18 垂直面 20、22、24、26 領域 30 波面 32、34、36、38 波面の部分 50 補正レンズ 51 波面 52、54、56 領域 53、55、57 波面の部分 60 補正レンズ 62 光軸外波面 64 領域 70 非球面板 71 曲面 72 反射鏡 74 面 76 補正レンズ 78 平面表面 82 面 90 反射型補正素子 91 反射コーティング 92 光軸外波面 93、95 波面の部分 94、96 領域

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 固有の光学的収差を補正する手段を有す
    る光学的画像システムにおいて、 前記補正手段は、所定のデバイスカーバチャRを近似す
    るように決定されたN個の階段状領域(14)を有する
    平面ベース素子(10)を有し、 この平面ベース素子は、各々の波面部分に対して所定の
    相異なった位相遅延を導入するために当該補正手段を通
    過する光信号を複数個の環状波面部分に再配置し、 前記波面部分の再配置が、前記固有の光学的収差の内の
    所定のものを実質的に打ち消すことを特徴とする光学的
    画像システム。
  2. 【請求項2】 前記補正手段が、固有のフィールドカー
    バチャの内の所定のものを実質的に打ち消すことが可能
    であり、 平面ベース素子が、前記固有のフィールドカーバチャに
    関して近似的に反対の符号を有するフィールドカーバチ
    ャを導入するよう印加される光学的信号の波長の整数倍
    であるように選択された実質的に同一の段差高Sを有す
    る複数個の領域よりなることを特徴とする請求項第1項
    に記載の光学的画像システム。
  3. 【請求項3】 前記補正手段が、固有の球面収差の内の
    所定のものを実質的に打ち消すことが可能であり、 平面ベース素子が、前記固有の球面収差に関して近似的
    に反対の符号を有する球面収差を導入するために実質的
    に4次の階段状プロファイルを形成するように調節され
    た段差高を実現するために配置された複数個の領域より
    なることを特徴とする請求項第1項に記載の光学的画像
    システム。
  4. 【請求項4】 前記平面ベース素子の階段状の領域(1
    4)が、前記平面に対して平行な第一の面(16)と前
    記平面に対して垂直な第二の面(18)とを有すること
    を特徴とする請求項第1項に記載の光学的画像システ
    ム。
  5. 【請求項5】 固有の収差を有する光学的画像に対して
    補償を行なう光学的補正レンズにおいて、 当該補正レンズが、当該補正レンズの出力端において前
    記固有の収差によって生成されたものと実質的に反対の
    カーバチャを実現するように選択されたN個の所定の位
    相遅延を当該レンズを通過する光信号に対して導入する
    N個の階段状領域を有する平面ベース素子であることを
    特徴とする光学的補正レンズ。
  6. 【請求項6】 前記補正レンズにおいて、前記階段状領
    域の各々が前記平面に対して平行な第一の面と前記平面
    に対して垂直な第二の面を有するように配置されている
    こと;を特徴とする請求項第5項に記載の光学的補正レ
    ンズ。
  7. 【請求項7】平面ベース素子を形成している前記各々の
    領域が、前記システムに固有のフィールドカーバチャを
    実質的に打ち消すことが可能な2次のカーバチャを有す
    る補正レンズを形成するよう当該素子を通過する光学信
    号の波長の整数倍であるように選択された実質的に同一
    の段差高Sを有すること;を特徴とする請求項第7項に
    記載の光学的補正レンズ。
  8. 【請求項8】 平面ベース素子を形成している前記領域
    の各々が、前記固有の球面収差を実質的に打ち消すこと
    が可能な4次のカーバチャを有するレンズプロファイル
    を形成するように選択された段差高Sを有しているこ
    と;を特徴とする請求項第7項に記載の光学的補正レン
    ズ。
  9. 【請求項9】平面ベース素子を形成している前記領域の
    各々が、2次及び4次の項の双方を含むカーバチャRを
    有するレンズプロファイルを形成するように選択された
    段差高Sを有すること;を特徴とする請求項第8項に記
    載の光学的補正レンズ。
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