JPH09171146A

JPH09171146A - 光学拡大器

Info

Publication number: JPH09171146A
Application number: JP8337406A
Authority: JP
Inventors: R Baietorii Joseph; ジョセフ・アール・バイエトリー; R Esther Lee; リー・アール・エステル; D Rudington Paul; ポール・ディ・ルディングトン
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1995-11-27
Filing date: 1996-11-13
Publication date: 1997-06-30
Also published as: US5703721A

Abstract

(57)【要約】【課題】視野の平面度、非点収差、及び歪曲間の程良
い折り合いをもたらす光学拡大器を提供する。【解決手段】両凸素子５及びプリズム１２の２素子を
有し、素子５は２つの正側にカーブした面Ｒ₁及びＲ
₂を、またプリズム１２は正側にカーブした面Ｒ₃と負側
にカーブした面Ｒ₄とを有する。いずれの面も非球面に
することができ、また、いずれの面も、系の光学的な補
正を補助するため、限られた数の素子による拡大器の品
質向上のために回折パターンを含むことが可能である。
非球面は、視野の曲率補正の一助となる正のサグを有す
る方程式に従う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学拡大器（拡大
鏡）（また、本明細ではしばしば”アイピース（接眼レ
ンズ）”とも言う）に関し、特に高パワー及び高い像品
質を有する光学拡大器に関する。

【０００２】

【従来の技術】光学拡大器及びアイピースは、何年もの
間、スライド及びその他の小さな対象物を直接見るため
に、もしくは、望遠鏡やビューファインダ等の他の光学
系の一部として使用されてきた。また、携帯用電子機器
上の電子表示器を見るためのものとしても示唆されてき
た。

【０００３】最近の光学分野の進展で、非球面または回
折格子を光学レンズにおける通常の球面に代えて使うこ
とが示唆されてきている。非球面自体は何年もの間使用
されてきて、対物レンズその他の光学デバイスにおい
て、より少ない素子で、よりすぐれた補正をもたらして
きた。回折光学素子もまたアイピースの設計に使用でき
るということも示唆されてきた。例えば、M.D.Missing
及びG.M.Morrisによる論文で、"Optical Society of Am
erican" に１９９４年６月６〜９日に掲載された論文を
参照されたい。この論文では、従来のアイピースが、よ
り少ない素子でより優れた、または、従来に匹敵する補
正を行えるように、１つ以上の回折表面を含むように修
正可能であることが示されている。例えば、色収差は、
アイピース中に負の素子を用いなくとも補正できる点で
ある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】光学拡大器及びアイピ
ースの応用例のいくつかは、広いフィールド（視野）に
わたり、非常に高品質の解像度を要求する。このような
光学系への応用は、比較的低いコストを、従って、比較
的少ない数の素子を要求する。高品質の光学拡大器の設
計において、我々は、本質的に２０〜３０度の範囲のフ
ィールドにわたりフィールドの平面度を補正し、同時
に、光学系の非点収差及び歪曲を実質的に補正すること
には本質的な困難が存在することを発見した。我々は、
視野の曲率を取り除くために負パワーの非球面を拡大器
の対象物の比較的近くに配置した拡大光学系を知ってい
る。しかしながら、我々は、そのような面は、逆に、系
自体の非点収差及び歪曲の補正に影響することも発見し
た。これは、光学系が比較的広い口径、例えばＦ／２で
機能される場合に、特に言えることである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】我々はこの問題を、負パ
ワーの非球面を、非球面項からの面のサグ（”ｓａ
ｇ”、以下に定義する）に対する寄与が正になるように
設計し直すことにより解決した。そして、このようにす
ると、視野の平面度、非点収差、及び歪曲間の程良い折
り合いがもたらされることを発見し、これによれば、比
較的少ない数の素子による拡大器について、広い視野に
わたってより向上した総合的解像度が提供される。

【０００６】全ての非球面に関するサグ（Ｘ）を規定す
る一般的な非球面方程式は、以下のようである。

【数３】好適な実施形態によれば、拡大器は実際２つの素子のみ
を有し、そのうちの１つは両凸レンズ、２番目の素子
は、正のフロント面及び、フィールドをフラットにする
負の非球面をリヤ（後）側に有する非常に厚いレンズで
ある。更に別の好適な実施形態によれば、その他の面も
非球面にすることができ、また、非常に少ない数の素子
による光学デバイスの性能をより向上させるために、１
つ以上の面が回折パターンを含むようにすることもでき
る。

【０００７】更に別の好適な実施形態によれば、物体側
につながる、フィールドをフラットにする負の非球面
は、以下の不等式を満たす。

【数４】ここで、ＥＦはレンズの焦点距離、Ｓは、「Ｈ／ＥＦ」
がおよそ０．１８でＨが仮想高さである時の、レンズの
明瞭な口径における、面の増分サグである。この”増分
サグ（incremental sag）”は、上記式により定義され
る、いわゆるサグと、式の非球面項のみに因むサグ（円
錐曲線項は非球面とみなされる）との差に等しい。

【０００８】また、別の好適な実施形態によれば、（フ
ィールドをフラットにする面の）非球面用方程式の第１
の非球面項は正、もしくは、それに加え、（非球面方程
式に含まれるならば）円錐曲線面のサグの寄与が正にな
るべきである。本発明を用い、我々は、少ない素子で、
非常に大きいＭＴＦを有し、非点収差が最小化された拡
大器を設計できた。これは、同様に、高い像品質のみな
らず、優れた、利用価値のあるフォーカスの深さをもた
らす。

【０００９】

【発明の実施の形態】図面の簡単な説明図１は、光学拡大器の側面図である。図２〜６は、スル
ー・フォーカスＭＴＦ曲線を示す図である。

【００１０】以下の説明においては、「拡大器 (magnif
ier)」という言葉を多くの例において、開示および特許
請求される光学系を示すものとして用いる。しかしなが
ら、当業者は、それを、その他の光学コンポーネントを
伴う”アイピース（接眼レンズ）”の意味で用ることが
でき、ある特定の応用への限定を意図しないことを理解
するであろう。このレンズを通して光をいずれかの方向
に導くことができるが、目の位置を、わずかのゆがみ
（ディストーション）補正により、ミラー・ガルバノメ
ータもしくは回転多面器具に置き換えることができる点
に着目されたい。すなわち、本発明によって構成される
「拡大器」は、スキャナ応用分野に適用可能である。
「フロント（前）」および「リヤ（後）」という用語
は、通常の拡大器として用いられる場合、拡大器の目及
び対物側をそれぞれ示す。

【００１１】図に示されるように、拡大器は２つの素子
で作られ、それは両凸素子５とプリズム１２である。こ
のプリズムは、光学系を、そのある特別の応用のため
に”折り曲げるための”反射面１１を有する。この折れ
曲がりは、実際は、直接系の光学性能に影響せず、本発
明はそれなしで使用できる。この光学系は、絞り１０の
前に置かれる目により眺められる、カバー・プレート８
の後面に置かれた物体の虚像をつくる。

【００１２】好適な実施形態によれば、フロント素子５
は２つの正側にカーブした面Ｒ₁及びＲ₂を有し、またプ
リズムは正側にカーブした面Ｒ₃と負側にカーブした面
Ｒ₄とを有する。いずれの面も非球面にすることがで
き、また、いずれの面も、系の光学的な補正を補助する
ために回折パターンを含むことが可能である。以下に示
す各例においては、これら面のうちの少なくとも２つは
非球面で、１つは回折パターンを有している。しかしな
がら、より少ない非球面の面及び回折面によっても、第
３や第４番目の素子を追加して面の数を増やすことによ
り、同様の結果が得られるであろう。好適な実施形態に
おいては、非常に高品質な結像が、非常に少ない数の、
非球面及び回折面を用いた素子で得られる。

【００１３】光学系のパワーを有する最後端の面Ｒ
₄は、比較的像面に近く置かれる。例えば、１６ｍｍの
実効焦点距離を有する光学系において、像面から５ｍｍ
以内に置かれる。この面は、視野の曲率を補正するため
に凹面（負のパワー）となっている。視野の曲率のため
に負のパワー面を像面に近接して置くことは、良く知ら
れた技術である。しかしながら、より広い視野及び口径
比においては、負の面は逆に非点収差及び歪曲の両方を
手助けすることになる。従って、拡大器の全面的な補正
を維持することは難しくなる。

【００１４】我々は、視野の曲率の補正に用いられ、視
野補正を助ける面に非球面のサグを付加する、非球面に
作られた負のパワー面について知っている。しかしなが
ら、この手法は、比較的広い視野に適用された場合、一
般に、逆に批点収差及び歪曲に作用する。我々は、この
面のより重要なな非球面定数が面の曲率に正に影響する
場合、面の曲率、歪曲、非点収差間のより良い折り合い
が得られることを発見した。

【００１５】好適な実施形態によれば、最大口径におけ
るＲ₄非球面のサグが次の不等式を満たすことが好まし
い。

【数５】ここで、ＥＦはレンズの焦点距離、Ｓは、「Ｈ／ＥＦ」
がおよそ０．１８でＨが最大視野における仮想高さであ
る時の、レンズの明瞭な口径における増分サグである。

【００１６】他の好適な実施形態によれば、一般に「Ｄ
項」と称される第１の非球面項は正になるべき、もしく
は、それに加えて、少なくとも円錐曲線項（もし非球面
方程式に含まれるならば）のサグの寄与は正となるべき
である。

【００１７】また別の好適な実施形態によれば、非球面
を各両面のうちの少なくとも一方の（他方の）面に置
き、回折パターンを１つの面に含ませることにより、広
い視野に関して優れた補正が得られた。設計に最大の融
通性を持たせるため、回折パターンを曲面のうちの一つ
に置くことが好ましく、これによればレンズの補正にお
ける自由度がより増す。以下に示す実施例においては、
非球面が２もしくは３つの面に用いられ、回折パターン
が、第２面Ｒ₂、第３面Ｒ₃のいずれかに置かれている。
我々は、２０度より大きい視野角及びＦ２程度に高速
（レンズ）化したＦ値で得られる補正は、素子数の比較
的少ない従来の拡大器またはアイピースによりも優れて
いると確信している。本レンズはかなりコンパクトで、
両方の素子が型により成形されるなら、安価に大量生産
できる。

【００１８】以下の実施例では、”１０”は目もしくは
他の器具に対する絞りであり、Ｒ₁〜Ｒ₄は、図でフロン
ト（目）側からリヤ（対物）側に示した各面である。半
径、厚さ、及び距離は、ミリメータでの値である。その
他の定義されたもの以外では、屈折率はスペクトルのナ
トリウムＤ線のもの、Ｖはアッベ数である。上述のよう
に、全非球面用のサグ（Ｘ）を決めるための一般の非球
面方程式は、下式のようになる。

【数６】回折面は、下式の位相方程式により定義される。

【数７】

【００１９】

【実施例】

＜第１実施例＞本第１実施例では、Ｒ₁、Ｒ₂、及びＲ₄
が非球面であり、回折パターンが非球面Ｒ₂上に形成さ
れている。テーブル１

【表１】

【００２０】面Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₄用の係数は以下のようで
ある。

【表２】回折面Ｒ₂用の係数は以下のようである。

【表３】

【００２１】実施例１の拡大器は、１０．３３度のセミ
・フィールドを有し、カバー・プレート８の後面に置か
れた物体に関し、３．１×５ｍｍのフォーマットに対し
て２．９５のセミ・対角線（semi-diagonal）をもたら
す。このカバー・プレートは、約０．９３ｍｍの厚さで
あり、これと面Ｒ₄との間の空間は、絞り１０（これ
は、Ｒ₁の前で３５ｍｍである）の前に置かれた目に対
し、１．４５〜１．８２ｍｍの間のフォーカシングに関
して変化する。

【００２２】面Ｒ₁及びＲ₂を有する前側素子は、波長６
０１．８、５９０．５、６１１．８オングストロームに
おいてそれぞれ屈折率１．６４５９，１．６４６５，
１．６４５３を有するスコット（Schott）・ガラス（LA
KN22）でできている。

【００２３】＜第２実施例＞本第２実施例では、Ｒ₁及
びＲ₄が非球面であり、回折パターンが球面Ｒ₂上に形成
されている。テーブル２

【表４】

【００２４】Ｒ₁、Ｒ₄用の非球面係数は以下のようであ
る。

【表５】回折面Ｒ₂用の係数は以下のようである。

【表６】

【００２５】実施例２は、１０．３３度のセミ・フィー
ルドを有し、３．１×５ｍｍのフォーマットに対して
２．９５のセミ・対角線（semi-diagonal）を有する。
カバー・プレート８は、約０．９３ｍｍの厚さであり、
これと面Ｒ₄との間の空間は、１．５１〜１．８９ｍｍ
までの間で、フォーカシングに関して変化する。

【００２６】＜第３実施例＞本第３実施例では、Ｒ₁及
びＲ₄が非球面であり、回折パターンが球面Ｒ₂上に形成
されている。テーブル３

【表７】

【００２７】Ｒ₁、Ｒ₄用の非球面係数は以下のようであ
る。

【表８】回折面Ｒ₂用の係数は以下のようである。

【表９】

【００２８】実施例３は、１０．３３度のセミ・フィー
ルドを有し、カバー・プレート８の後面に置かれた物体
に関し、３．１×５ｍｍのフォーマットに対して２．９
５のセミ・対角線（semi-diagonal）を有する。このカ
バー・プレートは、約０．９３ｍｍの厚さであり、これ
と面Ｒ₄との間の空間は、絞り１０の前に置かれた目に
対するフォーカシングに関し、１．５１〜１．８８ｍｍ
の間で変化する。

【００２９】＜第４実施例＞本第４実施例では、Ｒ₁、
Ｒ₃、及びＲ₄が非球面であり、回折パターンが球面Ｒ₂
上に形成されている。テーブル４

【表１０】

【００３０】Ｒ₁、Ｒ₃、Ｒ₄用の非球面係数は以下のよ
うである。

【表１１】回折面Ｒ₂用の係数は以下のようである。

【表１２】

【００３１】実施例４は、１０．５４度のセミ・フィー
ルドを有し、カバー・プレート８の後面に置かれた物体
に関し、３．１×５ｍｍのフォーマットに対して２．９
６のセミ・対角線（semi-diagonal）を有する。このカ
バー・プレートは、約０．９３ｍｍの厚さであり、その
距離は、絞り１０の前に置かれた目に対するフォーカシ
ングに関し、１．４６２〜１．８０１ｍｍの間で変化す
る。

【００３２】＜第５実施例＞本第５実施例では、Ｒ₁、
Ｒ₃、及びＲ₄が非球面であり、回折パターンが球面Ｒ₂
上に形成されている。テーブル５

【表１３】

【００３３】本第５実施例では、Ｒ₁、Ｒ₃、Ｒ₄用の非
球面係数は以下のようである。

【表１４】回折面Ｒ₂用の係数は以下のようである。

【表１５】

【００３４】実施例５は、１０．５４度のセミ・フィー
ルドを有し、カバー・プレート８の後面に置かれた物体
に関し、３．１×５．０ｍｍのフォーマットに対して
２．９６のセミ・対角線（semi-diagonal）を有する。
このカバー・プレートは、約０．９３ｍｍの厚さであ
り、その距離は、絞り１０の前に置かれた目に対するフ
ォーカシングに関し、１．４５〜１．８２の間で変化す
る。

【００３５】実施例１〜５のスルー・フォーカスＭＴＦ
（Modulation Transfer Function）カーブを、それぞれ
図２〜６に示す。これらの図においては、軸から系の全
視野にわたる接線方向及び放射状の光線の組について、
−１５００ｍｍの物体距離、６ｍｍの瞳、５０．０サイ
クル／ｍｍの空間周波数の条件で、ＭＴＦが脱フォーカ
ス量（ｍｍ）に対してプロットされている。各曲線は、
０．６０２、０．５９１、０．６１２μｍの波長に対
し、本質的に同一に重み付けされている。フォーカスの
深さは、０．５のＭＴＦにおいて測定される。

【００３６】上述の実施例は、比較的大きな、例えばレ
ンズの焦点距離の２倍のストップ距離（stop distanc
e）を有する拡大器に対する空間的な必要性を満たす。
本レンズは軽量で、最少の素子を有し、生じるコストに
対して特に優れた性能を与えるものである。フロント側
の頂点〜物体間は、一般に、実効焦点距離のおよそ１．
３倍よりも大きいが、焦点距離の１．５倍を越えない。
また本レンズは、３０パーセントより少ない口径食を有
する２０．７度のフル・フィールドをカバーするＦ／２
の光束で機能する。

【００３７】本拡大器は、広い波長範囲にわたり、優れ
た品質を呈する。この優れた品質は、本レンズがＦ／
２．６６でストップされる場合に、波長の１／４〜３／
８よりも悪くならない、山から谷までの光路差として示
され得る。１ｍｍあたり５０ラインにおける、視野の９
０パーセントにわたってのフォーカスの深さは、５０パ
ーセントのＭＴＦにおいて０．０６ｍｍよりも大きい
（拡大器が無限大から７００ｍｍまでフォーカスされ得
るとしても）。図２〜６を参照されたい。波長範囲はピ
ークを６０２ｎｍとして５９１〜６１２ｎｍである。歪
曲は、全視野にわたり、１パーセントよりも小さい。我
々は、２つの素子でこのような性能をもたらす公知の拡
大器もしくはアイピースを知らない。実際、本性能は、
３もしくは４つの素子を有する拡大器に関してもまた、
例のないものであろう。

【００３８】本発明を、特に参照例を挙げて好適な実施
形態として説明してきたが、上述された、及び特許請求
の範囲で定義された本発明の本質及び範囲において、複
数の変形例及び修正例が有効であることが理解されよ
う。

【図面の簡単な説明】

【図１】光学拡大器の側面図である。

【図２】スルー・フォーカスＭＴＦ曲線を示す図であ
る。

【図３】スルー・フォーカスＭＴＦ曲線を示す図であ
る。

【図４】スルー・フォーカスＭＴＦ曲線を示す図であ
る。

【図５】スルー・フォーカスＭＴＦ曲線を示す図であ
る。

【図６】スルー・フォーカスＭＴＦ曲線を示す図であ
る。

【符号の説明】

５両凸素子１２プリズムＲ₁〜Ｒ₄ （光学）面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ポール・ディ・ルディングトンアメリカ合衆国・ニューヨーク・14420・ブロックポート・デビー・レーン・６

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の光学面を有し、前記光学面は、目
で見られる物体の虚像を該光学面を通して形成するもの
であり、また、前記光学面は、前記物体に関する視野の
曲率を補正するように配置される負パワーの非球面を含
み、前記非球面は、正である非球面項を有する方程式に
従う光学拡大器。
【請求項２】０．０＜（Ｓ／ＥＦ）＜０．３の関係を
満たし、ＥＦは本光学拡大器の焦点距離であり、Ｓは、
Ｈを全視野における仮想高さとしてＨ／（ＥＦ）が０．
１８に等しい場合の、本拡大器の明瞭な口径における前
記非球面の増分サグである請求項１記載の光学拡大器。
【請求項３】前記非球面は、以下の一般式に従い、【数１】ここで、Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ、Ｇ、及びｋは非球面係数であ
り、少なくともＤが正である請求項１記載の光学拡大
器。
【請求項４】前記面のうち少なくとも２つは非球面で
ある請求項１記載の拡大器もしくはアイピース。
【請求項５】目側であるフロント側から物体側である
リヤ側に向かい、第１の両凸素子及び第２のメニスカス
素子を有する光学拡大器であって、前記メニスカス素子
は物体側に向かって凹状態であり、本拡大器は前記第１
の両凸素子の後面もしくは前記リヤ側のメニスカス素子
の前面のいずれかに回折面を有する光学拡大器。
【請求項６】少なくとも２つの非球面を有する請求項
５記載の拡大器。
【請求項７】前記第２の素子の後面は、対応する球面
曲率からの正のサグを有する方程式に従う負の非球面で
ある請求項６記載の拡大器。
【請求項８】０．０＜（Ｓ／ＥＦ）＜０．３の関係を
満たし、ＥＦは本光学拡大器の焦点距離であり、Ｓは、
Ｈを全視野における仮想高さとしてＨ／（ＥＦ）が０．
１８に等しい場合の、本拡大器の明瞭な口径における前
記負の非球面の増分サグである請求項７記載の拡大器も
しくはアイピース。
【請求項９】前記非球面は、以下の一般式に従い、【数２】ここで、Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ、Ｇ、及びｋは定数であり、Ｄ
が正である請求項７記載の拡大器もしくはアイピース。