JPH0961709A - 変倍ビームエキスパンダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レンズ群が光軸から偏心したとしても、出射
光ビームの傾きの振れを小さく抑えることができる変倍
ビームエキスパンダを提供する。 【解決手段】 第１ないし第３レンズ群１，２，３が光
軸ＡＸ上にこの順序で配置されている。第１および第２
レンズ群１，２の合成焦点距離が変倍範囲内で正となっ
ており、変倍ビームエキスパンダに入射された光が当該
変倍ビームエキスパンダ内で実像を形成するようになっ
ている。第３レンズ群３が固定されており、第１および
第２レンズ群１，２の合成焦点位置Ｐ12と第３レンズ群
３の焦点位置Ｐ3とを一致させながら第１および第２レ
ンズ群１，２を光軸ＡＸ上で移動させて所定の変倍範囲
内で倍率を変化させる。しかも、第１および第３レンズ
群１，３の焦点距離をそれぞれｆ1，ｆ3とし、倍率をｋ
とするとき、０＜ｆ3／ｆ1≦ｋが満足されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ光等の平行
光ビームのビーム径を変換するビームエキスパンダ、特
にその変換倍率を変化させることができる変倍ビームエ
キスパンダに関する。

【０００２】

【従来の技術】図８は従来の変倍ビームエキスパンダの
構成を示す図である。この変倍ビームエキスパンダは、
変倍望遠系として従来より良く知られているものであ
り、正のパワーを有する第１レンズ群５１と、負のパワ
ーを有する第２レンズ群５２と、正のパワーを有する第
３レンズ群５３とがこの順序で光源側（同図の左手側）
より光軸ＡＸ上に配置されている。この変倍ビームエキ
スパンダでは、これら３つのレンズ群５１〜５３のうち
少なくとも２つのレンズ群が光軸ＡＸ上を移動自在とな
っており、これらの移動レンズ群を適当に移動させて第
１および第２レンズ群５１，５２の合成焦点位置Ｐ12に
第３レンズ群５３の前側焦点位置Ｐ53が一致して、ビー
ムエキスパンダ全体で望遠系が構成されている。また、
この変倍ビームエキスパンダは、その状態（位置Ｐ12，
Ｐ53が一致している状態）を維持しながら、第１および
第２レンズ群５１，５２の間隔を変化させて両レンズ群
５１，５２の合成焦点距離を変化させることで、変換倍
率を変化させることができるようになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
に構成された変倍ビームエキスパンダを実際に使用する
場合、上記レンズ群５１，５２，５３を鏡筒（図示省
略）内に収めるとともに、変換倍率を変化させるために
少なくとも２つのレンズ群をその鏡筒内で光軸ＡＸに沿
って移動させる必要がある。このため、鏡筒の加工精度
や鏡筒内でレンズ群を光軸ＡＸに沿って移動させる移動
機構（図示省略）のガタなどに起因する公差により、鏡
筒内で移動レンズ群が移動する際に、移動レンズ群が光
軸ＡＸに対して直交する方向（以下「光軸直交方向」と
いう）に偏心することがある。この偏心が発生すると、
変換倍率の変化に応じて光軸ＡＸに対する出射光ビーム
ＬOUTの傾きが大きく変化する、つまり出射光ビームＬO
UTの傾きが振れる事になる。このような出射光ビームＬ
OUTの傾きの振れを容認したまま、変倍ビームエキスパ
ンダからの出射光ビームＬOUTを、例えば集光レンズで
所定の露光面に集光して露光処理すると、出射光ビーム
ＬOUTの傾きが振れる事により、露光位置の位置ずれが
生じて露光性能の低下を招いてしまう。

【０００４】一方、出射光ビームＬOUTの傾きの振れ量
を小さく抑えるためには、鏡筒の加工精度などを上げて
偏心公差を小さくする必要があるが、加工精度を向上さ
せることは必ずしも容易ではなく、また満足のいく加工
精度を達成するためには加工コストの大幅な増加を招い
てしまう。

【０００５】本発明は、上記課題に鑑み、レンズ群が光
軸から偏心したとしても、出射光ビームの傾きの振れを
小さく抑えることができる変倍ビームエキスパンダを提
供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、正の
パワーを有する第１レンズ群と、第２レンズ群と、正の
パワーを有する第３レンズ群とが光軸上にこの順序で配
置され、前記第３レンズ群を固定しておき、前記第１お
よび第２レンズ群の合成焦点位置と前記第３レンズ群の
焦点位置とを一致させながら第１および第２レンズ群を
前記光軸上で移動させて所定の変倍範囲内で倍率を変化
させる変倍ビームエキスパンダであって、上記目的を達
成するため、前記第１および第２レンズ群の合成焦点距
離を前記変倍範囲内で正となるように構成するととも
に、前記第１および第３レンズ群の焦点距離をそれぞれ
ｆ1，ｆ3とし、倍率をｋとするとき、 ０＜ｆ3／ｆ1≦ｋ を満足するように構成している。

【０００７】請求項２の発明は、前記変倍範囲における
最小および最大倍率をそれぞれｋmin，ｋmaxとすると
き、 ｆ3／ｆ1＝（ｋmin×ｋmax）／（ｋmin＋ｋmax） を満足するように構成している。

【０００８】請求項３の発明は、正のパワーを有する第
１レンズ群と、第２レンズ群と、正のパワーを有する第
３レンズ群とが光軸上にこの順序で配置され、前記第１
レンズ群を固定しておき、前記第１および第２レンズ群
の合成焦点位置と前記第３レンズ群の焦点位置とを一致
させながら第２および第３レンズ群を前記光軸上で移動
させて所定の変倍範囲内で倍率を変化させる変倍ビーム
エキスパンダであって、上記目的を達成するため、前記
第１および第２レンズ群の合成焦点距離が前記変倍範囲
内で正となるように構成するとともに、前記第１および
第３レンズ群の焦点距離をそれぞれｆ1，ｆ3とし、倍率
をｋとするとき、 ０＜ｆ3／ｆ1≦２×ｋ を満足するように構成している。

【０００９】請求項４の発明は、前記変倍範囲における
最小および最大倍率をそれぞれｋmin，ｋmaxとすると
き、 ｆ3／ｆ1＝（２×ｋmin×ｋmax）／（ｋmin＋ｋmax） を満足するように構成している。

【００１０】この発明にかかる変倍ビームエキスパンダ
では、第１および第２レンズ群の合成焦点距離が変倍範
囲内で正であるため、変倍ビームエキスパンダに入射さ
れた光が当該変倍ビームエキスパンダ内で実像を形成す
る。この特徴は、例えば図８に示す従来例に見られない
ものであり、この特徴を有する変倍ビームエキスパンダ
では、次に詳述するように、第３レンズ群を固定して第
１および第２レンズ群を移動させる場合および第１レン
ズ群を固定して第２および第３レンズ群を移動させる場
合、それぞれ一定条件で出射光ビームの傾きを従来例に
比べて抑えることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、この発明にかかる変倍ビ
ームエキスパンダの基本的構成を示す図である。この変
倍ビームエキスパンダは、同図に示すように、正のパワ
ーを有する第１レンズ群１と、第２レンズ群２と、正の
パワーを有する第３レンズ群３とが光軸ＡＸ上にこの順
序で光源側（同図の左手側）より配置されている。そし
て、この変倍ビームエキスパンダでは、従来例（図８）
とは異なり、第１および第２レンズ群１，２の合成焦点
距離が変倍範囲内で正となっており、変倍ビームエキス
パンダに入射された光ビームＬINが当該変倍ビームエキ
スパンダ内で実像を形成する。なお、第２レンズ群２は
上記条件（第１および第２レンズ群１，２の合成焦点距
離が変倍範囲内で正であるという条件）を満足する限り
においては、正のパワーを有するか、負のパワーを有す
るかについては任意である。

【００１２】また、この発明にかかる変倍ビームエキス
パンダの一の実施の形態では、上記基本的構成に加え
て、第３レンズ群３が固定されており、第１および第２
レンズ群１，２の合成焦点位置Ｐ12と第３レンズ群３の
焦点位置Ｐ3とを一致させながら第１および第２レンズ
群１，２を光軸ＡＸ上で移動させて所定の変倍範囲内で
倍率を変化させるように構成されている。しかも、第１
および第３レンズ群１，３の焦点距離をそれぞれｆ1，
ｆ3とし、倍率をｋとするとき、 ０＜ｆ3／ｆ1≦ｋ が満足されている。

【００１３】さらに、この発明にかかる変倍ビームエキ
スパンダの別の実施の形態では、上記基本的構成に加え
て、第１レンズ群１を固定しておき、第１および第２レ
ンズ群１，２の合成焦点位置Ｐ12と第３レンズ群３の焦
点位置Ｐ3とを一致させながら第２および第３レンズ群
２，３を光軸ＡＸ上で移動させて所定の変倍範囲内で倍
率を変化させるように構成されている。しかも、 ０＜ｆ3／ｆ1≦２×ｋ が満足されている。

【００１４】上記のように構成された実施の形態にかか
る変倍ビームエキスパンダによれば、レンズ群が光軸Ａ
Ｘから偏心したとしても、出射光ビームＬOUTの傾きの
振れを小さく抑えることができる。この理由を、従来例
（図８）におけるレンズ群の偏心量と出射光ビームの傾
きの大きさとの関係、および本発明にかかる変倍ビーム
エキスパンダ（図１）における当該関係を順番に説明し
た後、各レンズ群の偏心公差による出射光ビームの傾き
への影響の重ね合わせを考察し、それらを比較すること
で明らかにする。

【００１５】なお、以下の説明の便宜から、本発明およ
び従来例にかかる変倍ビームエキスパンダを構成する第
１ないし第３レンズ群の焦点距離をそれぞれｆ1、ｆ2、
ｆ3とする。また、入射光ビームＬINのビーム径に対す
る出射光ビームＬOUTのビーム径の倍率をｋとする。

【００１６】＜従来例（図８）における偏心量と出射光
ビームの傾きとの関係＞まず、第２レンズ群５２の働き
について着目すると、図８からわかるように、このレン
ズ群５２は第１レンズ群５１の後側焦点位置Ｐ51に形成
される像を第３レンズ群５３の前側焦点位置Ｐ53に再度
結像する働きを有している。しかも、同図から明らかな
ように、従来例では第２レンズ群５２は虚像から虚像へ
の結像を行っているので、第２レンズ群５２での結像倍
率βは常に負の値となり、その結像倍率βを次式で表す
ことができる。

【００１７】

【数１】

【００１８】ただしＮＡ1は第１レンズ群５１の後側開
口数であり、ＮＡ3は第３レンズ群５３の前側開口数で
ある。

【００１９】また、ビーム径の倍率ｋを、

【００２０】

【数２】

【００２１】で表すことができることから、結像倍率β
は次式のように変形することができる。

【００２２】

【数３】

【００２３】次に、第１ないし第３レンズ群５１，５
２，５３がそれぞれ光軸ＡＸに対して偏心した場合の偏
心量と出射光ビームＬOUTの傾きとの関係について考察
する。

【００２４】まず、第１レンズ群５１が光軸ＡＸから偏
心量Δｙ1だけ偏心した場合について考案する。この場
合、第１レンズ群５１の偏心により、第１レンズ群５１
の後側焦点位置Ｐ51の像（虚像）も光軸ＡＸから偏心量
Δｙ1だけ移動する。さらに、この像は第２レンズ群５
２により、結像倍率βで拡大されて、第３レンズ群５３
の前側焦点位置Ｐ53に再度結像された後、第３レンズ群
５３を介して出射光ビームＬOUTとして出射される。し
たがって、第１レンズ群５１の偏心（偏心量Δｙ1）に
より、出射光ビームＬOUTは次式で表される傾きΔｕ1だ
け光軸ＡＸに対して傾く。

【００２５】

【数４】

【００２６】ただし、出射光ビームＬOUTの傾きは、反
時計回り方向を正とする。

【００２７】第２レンズ群５２が偏心量Δｙ2だけ光軸
ＡＸから偏心している場合、図９に示すように、この第
２レンズ群５２により第１レンズ群５１の後側焦点位置
Ｐ51の像が再度結像される位置は光軸ＡＸからΔｙ2×
（１−β）だけ移動する。したがって、第２レンズ群５
２の偏心（偏心量Δｙ2）により、第３レンズ群５３か
ら出射される出射光ビームＬOUTは、次式で表される傾
きΔｕ2だけ光軸ＡＸに対して傾く。

【００２８】

【数５】

【００２９】なお、同図および後で説明する図２におい
て、符号ＡＸ2は偏心した第２レンズ群５２の光軸を示
すものである。

【００３０】第３レンズ群５３が光軸ＡＸに対して偏心
量Δｙ3だけ偏心した場合、第３レンズ群５３から出射
される出射光ビームＬOUTは次式で表される傾きΔｕ3だ
け光軸ＡＸに対して傾く。

【００３１】

【数６】

【００３２】＜本発明にかかる変倍ビームエキスパンダ
（図１）における偏心量と出射光ビームの傾きとの関係
＞第２レンズ群２は、従来例と同様に、第１レンズ群１
の後側焦点位置に形成される像を第３レンズ群３の前側
焦点位置Ｐ3に再度結像する働きを有している。本発明
の変倍ビームエキスパンダでは、第１レンズ群１と第２
レンズ群２の合成焦点距離が変倍範囲内で常に正の値で
あるという条件が満足されているので、第２レンズ群２
は実像から虚像、もしくは虚像から実像の結像を行う。
したがって、第２レンズ群２での結像倍率βは必ず正の
値となり、次式で表される。

【００３３】

【数７】

【００３４】次に、第１ないし第３レンズ群１，２，３
がそれぞれ光軸ＡＸに対して偏心した場合の偏心量と出
射光ビームＬOUTの傾きとの関係については、上記従来
例と同様に考察することができる。

【００３５】第１レンズ群１が光軸ＡＸから偏心量Δｙ
1だけ偏心した場合、この偏心により、第１レンズ群１
の後側焦点位置の像が光軸ＡＸから偏心量Δｙ1だけ移
動し、第２レンズ群２により結像倍率βで拡大されて第
３レンズ群３の前側焦点位置Ｐ3に再度結像された後、
第３レンズ群３を介して出射光ビームＬOUTとして出射
される。このため、第１レンズ群１が偏心量Δｙ1だけ
偏心したときの光軸ＡＸに対する出射光ビームＬOUTの
傾きΔｕ1は式２で表される。

【００３６】第２レンズ群２が偏心量Δｙ2だけ光軸Ａ
Ｘから偏心している場合、この第２レンズ群２により第
１レンズ群１の後側焦点位置の像が再度結像される位置
は光軸ＡＸからΔｙ2×（１−β）だけ移動する（図
２）。したがって、第２レンズ群２の偏心（偏心量Δｙ
2）により、第３レンズ群３から出射される出射光ビー
ムＬOUTは式３となる。

【００３７】なお、本発明と従来例を比較した場合、変
倍範囲内における第２レンズ群での結像倍率βが前者で
は常に正であるのに対し、後者では常に負となっている
点で相違しており、第２レンズ群により形成される像の
光軸ＡＸからのずれ量｛Δｙ2×（１−β）｝に関して
は、本発明の方が小さくなる。このことは図２および図
９の比較からも明らかである。

【００３８】さらに、第３レンズ群３が偏心量Δｙ3だ
け偏心したときの光軸ＡＸに対する出射光ビームＬOUT
の傾きΔｕ3は式４で表される。

【００３９】以上の解析からわかるように、従来例と本
発明とでは、変倍範囲内における第２レンズ群での結像
倍率βが常に負であるか常に正であるかの相違があるも
のの、いずれの変倍ビームエキスパンダにおいても、レ
ンズ群の偏心による出射光ビームＬOUTの傾きΔ1，Δ2
およびΔ3をそれぞれ式２、式３および式４で求めるこ
とができる。

【００４０】＜各レンズ群の偏心公差による出射光ビー
ムの傾きへの影響の重ね合わせ＞ところで、上記のよう
に構成された変倍ビームエキスパンダでは、上述のよう
に、変換倍率を変化させるために少なくとも２つのレン
ズ群をその鏡筒内で光軸ＡＸに沿って移動させる必要が
あるが、通常、３つのレンズ群のうち１つのレンズ群を
固定レンズ群とするのが一般的である。これは、コスト
の面で有利であるだけでなく、出射光ビームＬOUTの傾
きの振れを小さくするためにも、移動レンズ群を極力少
なくする方が良いからである。

【００４１】ここで、１つのレンズ群を固定レンズ群と
するとともに、残りの２つのレンズ群（ここでは、２つ
の移動レンズ群をそれぞれＡ，Ｂとする）を移動レンズ
群とすると、出射光ビームＬOUTの傾きΔｕは移動レン
ズ群Ａ，Ｂの偏心公差の影響の重ね合わせとなり、出射
光ビームＬOUTの傾きΔｕを次式で求めることができ
る。

【００４２】

【数８】

【００４３】ただし、Δｕaは、移動レンズ群Ａのみが
偏心したときの出射光ビームＬOUTの傾きであり、Δｕb
は、移動レンズ群Ｂのみが偏心したときの出射光ビーム
ＬOUTの傾きを示している。

【００４４】そこで、これらの移動レンズ群Ａ，Ｂがと
もに同じ量の偏心公差Δｙを有していると仮定すると、
上記第１ないし第３レンズ群をそれぞれ固定レンズ群と
した場合の出射光ビームＬOUTの傾きΔｕは、以下の通
りである。

【００４５】(1)第１レンズ群を固定した場合 この場合、式６のΔｕaが第２レンズ群の偏心による傾
きΔｕ2となり、Δｕbが第３レンズ群の偏心による傾き
Δｕ3となるので、式３、式４および式６より変倍ビー
ムエキスパンダの出射光ビームＬOUTの傾きΔｕは

【００４６】

【数９】

【００４７】で表される。

【００４８】(2)第２レンズ群を固定した場合 この場合、式６のΔｕa，Δｕbはそれぞれ第１および第
３レンズ群の偏心による傾きΔｕ1，Δｕ3となるので、
式２、式４および式６より変倍ビームエキスパンダの出
射光ビームＬOUTの傾きΔｕは

【００４９】

【数１０】

【００５０】で表される。

【００５１】(3)第３レンズ群を固定した場合 この場合、式６のΔｕa，Δｕbはそれぞれ第１および第
２レンズ群の偏心による傾きΔｕ1，Δｕ2となるので、
式２、式３および式６より変倍ビームエキスパンダの出
射光ビームＬOUTの傾きΔｕは

【００５２】

【数１１】

【００５３】で表される。

【００５４】そして、従来例と本発明の比較を行うた
め、第３レンズ群の焦点距離ｆ3を共通として、上記の
ようにして求められた出射光ビームＬOUTの傾きΔｕを
グラフにまとめたものが図３である。

【００５５】図３は、第２レンズ群での結像倍率βに対
する出射光ビームＬOUTの光軸に対する傾きΔｕを示す
グラフであり、同図において破線が第１レンズ群を固定
した場合の結果を示し、実線が第２レンズ群を固定した
場合の結果を示し、１点鎖線が第３レンズ群を固定した
場合の結果を示している。また、同図の左半分（結像倍
率βが負である部分）が従来例を、また右半分（結像倍
率βが正である部分）が本発明を示している。

【００５６】同図の左半分に示された曲線群からわかる
ように、従来例では第２レンズ群５２を固定レンズ群と
した場合に傾きΔｕを最も小さくすることができる。し
かしながら、出射光ビームＬOUTの傾きΔｕを値（Δｙ
／ｆ3）よりも小さくすることは不可能である。

【００５７】これに対し、同図の右半分に示された１点
鎖線曲線からわかるように、本発明にかかる変倍エキス
パンダによれば、第３レンズ群３を固定レンズ群とし、
結像倍率βを０＜β≦１の範囲内に設定することで傾き
Δｕを従来例での最小値（Δｙ／ｆ3）よりも小さくす
ることができる。さらに、傾きΔｕを最小値（Δｙ／ｆ
3）よりも小さくする条件を明確にするために、式５で
示される結像倍率βを上記不等式に代入すると、

【００５８】

【数１２】

【００５９】が得られ、さらにこれを整理すると、

【００６０】

【数１３】

【００６１】で示す不等式が得られる。

【００６２】また、同図の１点鎖線曲線および式９から
わかるように、結像倍率βを特に０．５に設定した場
合、偏心公差の影響が最小となり、ここを中心に対称的
に公差の影響が大きくなってゆく。したがって、変倍範
囲に対応した第２レンズ群２の結像倍率βの範囲が０．
５を中心にして変化するようにレンズを構成したとき、
変倍範囲全体に渡って公差の影響を最も小さくする事が
できる。

【００６３】ここで、ビーム径拡大倍率の範囲（変倍範
囲）を、ｋmin（最小）からｋmax（最大）であるとし、
これに対応する第２レンズ群２の結像倍率を、βmax、
βmin（ｋが最小のとき、βは最大となる）とすると、
上述の条件を満たすためには、

【００６４】

【数１４】

【００６５】となるように結像倍率βの範囲を設定すれ
ばよい。すなわち、式５を代入すると、

【００６６】

【数１５】

【００６７】が得られ、さらにこれを整理すると、

【００６８】

【数１６】

【００６９】となる。つまり、式１０を満足するように
第１および第３レンズ群１，３の焦点距離ｆ1，ｆ3を設
定することで、移動するレンズ群（第１および第２レン
ズ群１，２）の偏心による出射光ビームＬOUTの傾きへ
の影響を最小にすることができる。

【００７０】図３に戻って説明を続けると、同図の破線
曲線からわかるように、第１レンズ群１を固定レンズ群
とする条件のもとでは、本発明にかかる変倍エキスパン
ダによれば、結像倍率βを０＜β≦２の範囲内に設定す
ることで傾きΔｕを従来例での最小値｛（２）^1/2・Δ
ｙ／ｆ3｝よりも小さくすることができる。さらに、傾
きΔｕを最小値｛（２）^1/2・Δｙ／ｆ3｝よりも小さく
する条件を明確にするために、式５で示される結像倍率
βを上記不等式に代入すると、

【００７１】

【数１７】

【００７２】が得られ、さらにこれを整理すると、

【００７３】

【数１８】

【００７４】で示す不等式が得られる。

【００７５】また、同図の破線曲線および式９からわか
るように、結像倍率βを特に１に設定した場合、偏心公
差の影響が最小となり、ここを中心に対称的に公差の影
響が大きくなってゆく。したがって、第３レンズ群３を
固定レンズ群とした場合と同様に、変倍範囲に対応した
第２レンズ群２の結像倍率βの範囲が１を中心にして変
化するようにレンズを構成したとき、変倍範囲全体に渡
って公差の影響を最も小さくする事ができる。

【００７６】すなわち、次式

【００７７】

【数１９】

【００７８】となるように結像倍率βの範囲を設定すれ
ばよく、この式に式５を代入すると、

【００７９】

【数２０】

【００８０】が得られ、さらにこれを整理すると、

【００８１】

【数２１】

【００８２】となる。つまり、式１１を満足するように
第１および第３レンズ群１，３の焦点距離ｆ1，ｆ3を設
定することで、移動するレンズ群（第２および第３レン
ズ群２，３）の偏心による出射光ビームＬOUTの傾きへ
の影響を最小にすることができる。

【００８３】

【実施例】以下、本発明にかかる変倍ビームエキスパン
ダの実施例を、同一の機能を有する従来タイプの変倍ビ
ームエキスパンダと比較しながら説明する。

【００８４】＜実施例１＞図４は本発明にかかる変倍ビ
ームエキスパンダの実施例１を示す図であり、ビーム径
拡大倍率が等倍時の光路図である。この変倍ビームエキ
スパンダでは、２枚のレンズ１１，１２を貼り合わせし
て正のパワーを有する第１レンズ群１が形成され、２枚
のレンズ２１，２２を貼り合わせして負のパワーを有す
る第２レンズ群２が形成され、２枚のレンズ３１，３２
を貼り合わせして正のパワーを有する第３レンズ群３が
形成されており、これら第１ないし第３レンズ群１，
２，３がこの順序で光源側（同図の左手側）より光軸Ａ
Ｘ上に配置されている。なお、後で説明する実施例２に
おいても同様の基本レンズ構成を有している。

【００８５】表１は、上記のように構成された変倍ビー
ムエキスパンダのレンズデータを示す表である（倍率ｋ
が０．５倍のとき）。

【００８６】

【表１】

【００８７】なお、同表および後で説明する表３，７，
９，１３，１７，１９において、欄「面番号」は光源側
から何番目のレンズ面であるかを、欄「曲率半径ｒi」
は光源側からｉ番目のレンズ面の曲率半径を、欄「面間
隔ｄi」は光源側からｉ番目のレンズ面と（ｉ＋１）番
目のレンズ面との面間隔を、欄「屈折率」は上から順に
光源側より光軸ＡＸ上に順次配置された各レンズの屈折
率を、欄「アッベ数」は上から順に光源側より光軸ＡＸ
上に順次配置された各レンズのアッベ数を、示してい
る。

【００８８】また、この実施例１では、第３レンズ群３
が固定レンズ群とされ、残りの第１および第２レンズ群
１，２が移動レンズ群として光軸ＡＸ上を移動可能に構
成され、第１および第２レンズ群１，２の移動によって
面間隔ｄ3，ｄ6が変化して入射光ビームＬIN（ビーム径
φ１０ｍｍ）を等倍をはさみ０．５倍から２倍までの範
囲で変倍する。なお、倍率ｋを０．５倍、等倍（１倍）
および２倍に設定したときの面間隔ｄ3，ｄ6は表２に示
す通りである。

【００８９】

【表２】

【００９０】ここでは、上記のように構成された実施例
１の効果を明らかにするため、実施例１と同一機能を有
する従来例（図８）にかかる変倍ビームエキスパンダを
従来例１として例示し、両者の比較を行う。

【００９１】表３は、実施例１と同一機能を有する従来
の変倍ビームエキスパンダのレンズ構成を示す表である
（倍率ｋが０．５倍のとき）。

【００９２】

【表３】

【００９３】表１との比較からわかるように、この変倍
ビームエキスパンダの基本レンズ構成は実施例１と同一
である。しかし、上記説明および図３より従来例では第
２レンズ群を固定レンズ群としたとき最も出射光ビーム
ＬOUTの傾きを小さくすることができるので、この従来
例１では第２レンズ群を固定レンズ群とし、残りの第１
および第３レンズ群を移動レンズ群として光軸ＡＸ上で
移動可能とし、第１および第３レンズ群１，３の移動に
よって面間隔ｄ3，ｄ6が変化して入射光ビームＬIN（ビ
ーム径φ１０ｍｍ）を等倍をはさみ０．５倍から２倍ま
での範囲で変倍する。なお、倍率ｋを０．５倍、等倍
（１倍）および２倍に設定したときの面間隔ｄ3，ｄ6は
表４に示す通りである。

【００９４】

【表４】

【００９５】次に、実施例１と従来例１とを比較し、両
者の差異を明確にするため、実施例１と従来例１との仕
様を表５にまとめた。

【００９６】

【表５】

【００９７】また、各移動レンズ群が３０μｍ偏心した
ときの出射光ビームＬOUTの傾きと、その重ね合わせ量
（式６で求まるΔｕ）とを表６にまとめた。

【００９８】

【表６】

【００９９】なお、同表に示した出射光ビームＬOUTの
傾きは上記レンズデータ（表１，表３）に基づく光線追
跡により求めた結果であるため、式７ないし式９で求ま
る値と厳密には一致していない。このことに関しては、
後の実施例においても同様である。

【０１００】この表６から明らかなように、この実施例
１によれば、移動レンズ群の偏心による出射光ビームＬ
OUTの傾きの振れ量を大幅に抑え込むことができる。

【０１０１】なお、従来例１では、第２レンズ群の結像
倍率βが大きくなる（βがゼロに近づく）ようにレンズ
設計することで、さらに出射光ビームＬOUTの傾きの振
れ量を小さくすることができるが、上記説明および図３
に示したように、Δｕの値は少なくとも

【０１０２】

【数２２】

【０１０３】すなわち、０．３８ｍｒａｄ以下にするこ
とができないため、実施例１の方が、常に出射光ビーム
ＬOUTの傾きの振れ量を小さくすることができる。

【０１０４】また、従来例１において、Δｕを小さくす
るために結像倍率βをゼロに近づけるほど、第１レンズ
群の移動量が大きくなるか、または第２レンズ群の焦点
距離を短くする必要があるため、実際上では、ある程度
以上結像倍率βをゼロに近づけることは不可能である。

【０１０５】＜実施例２＞図５は本発明にかかる変倍ビ
ームエキスパンダの実施例２を示す図であり、ビーム径
拡大倍率が４倍時の光路図である。

【０１０６】表７は、上記のように構成された変倍ビー
ムエキスパンダのレンズデータを示す表である（倍率ｋ
が２倍のとき）。

【０１０７】

【表７】

【０１０８】この実施例２では、第３レンズ群３が固定
レンズ群とされ、残りの第１および第２レンズ群１，２
が移動レンズ群として光軸ＡＸ上を移動可能に構成さ
れ、第１および第２レンズ群１，２の移動によって面間
隔ｄ3，ｄ6が変化して入射光ビームＬIN（ビーム径φ
２．５ｍｍ）を４倍をはさみ２倍から８倍までの変倍範
囲で拡大する。なお、倍率ｋを２倍、４倍および８倍に
設定したときの面間隔ｄ3，ｄ6は表８に示す通りであ
る。

【０１０９】

【表８】

【０１１０】ここにおいても、上記のように構成された
実施例２の効果を明らかにするため、実施例２と同一機
能を有する従来例（図８）にかかる変倍ビームエキスパ
ンダを従来例２として例示し、両者の比較を行う。

【０１１１】表９は、実施例２と同一機能を有する従来
の変倍ビームエキスパンダのレンズ構成を示す表である
（倍率ｋが２倍のとき）。

【０１１２】

【表９】

【０１１３】この表９からわかるように、この変倍ビー
ムエキスパンダでは、第１および第２レンズ群はそれぞ
れ単一のレンズにより構成されるとともに、第３レンズ
群は２枚のレンズを貼り合わせることで構成されてい
る。また、上記実施例１の場合と同様の理由から、この
従来例２においても第２レンズ群を固定レンズ群とし、
残りの第１および第３レンズ群を移動レンズ群として光
軸ＡＸ上で移動可能とし、第１および第３レンズ群１，
３の移動によって面間隔ｄ2，ｄ4が変化して入射光ビー
ムＬIN（ビーム径φ２．５ｍｍ）を４倍をはさみ２倍か
ら８倍までの変倍範囲で拡大する。なお、倍率ｋを２
倍、４倍および８倍に設定したときの面間隔ｄ2，ｄ4は
表１０に示す通りである。

【０１１４】

【表１０】

【０１１５】次に、実施例２と従来例２とを比較し、両
者の差異を明確にするため、実施例２と従来例２との仕
様を表１１にまとめた。

【０１１６】

【表１１】

【０１１７】また、各移動レンズ群が３０μｍ偏心した
ときの出射光ビームＬOUTの傾きと、その重ね合わせ量
（式６で求まるΔｕ）とを表１２にまとめた。

【０１１８】

【表１２】

【０１１９】この表１２から明らかなように、この実施
例２によれば、移動レンズ群の偏心による出射光ビーム
ＬOUTの傾きの振れ量を大幅に抑え込むことができる。

【０１２０】＜実施例３＞図６は本発明にかかる変倍ビ
ームエキスパンダの実施例３を示す図であり、ビーム径
拡大倍率が４倍時の光路図である。この変倍ビームエキ
スパンダは、第２レンズ群２が正のパワーを有している
点で、第２レンズ群２が負のパワーを有する実施例１，
２と相違するが、その他のレンズ構成は同一である。

【０１２１】表１３は、上記のように構成された変倍ビ
ームエキスパンダのレンズデータを示す表である（倍率
ｋが２．８３倍のとき）。

【０１２２】

【表１３】

【０１２３】この実施例３では、第３レンズ群３が固定
レンズ群とされ、残りの第１および第２レンズ群１，２
が移動レンズ群として光軸ＡＸ上を移動可能に構成さ
れ、第１および第２レンズ群１，２の移動によって面間
隔ｄ3，ｄ6が変化して入射光ビームＬIN（ビーム径φ
２．５ｍｍ）を４倍をはさみ２．８３倍から５．６６倍
までの変倍範囲で拡大する。なお、倍率ｋを２．８３
倍、４倍および５．６６倍に設定したときの面間隔ｄ
3，ｄ6は表１４に示す通りである。

【０１２４】

【表１４】

【０１２５】また、この実施例３の仕様は表１５に示す
通りである。

【０１２６】

【表１５】

【０１２７】さらに、各移動レンズ群が３０μｍ偏心し
たときの出射光ビームＬOUTの傾きと、その重ね合わせ
量（式６で求まるΔｕ）とを表１６にまとめた。

【０１２８】

【表１６】

【０１２９】この表１６における倍率ｋが４倍のときの
値を、実施例２の結果を示す表１２における倍率ｋが４
倍のときの値と比較することからわかるように、出射光
ビームの傾き量は実施例２の場合と同じであり、従来例
２と比べて、移動レンズ群の偏心による出射光ビームＬ
OUTの傾きの振れ量を大幅に抑え込むことができる。

【０１３０】なお、この実施例３のように第２レンズ群
２として正のパワーを有するレンズ群を採用した場合、
変倍比（変倍範囲）を比較的大きく設定することが困難
であるというデメリットがあるものの、変倍ビームエキ
スパンダの全長を短くできるという特有の効果を有して
いる。

【０１３１】＜実施例４＞図７は本発明にかかる変倍ビ
ームエキスパンダの実施例４を示す図であり、ビーム径
拡大倍率が等倍時の光路図である。この変倍ビームエキ
スパンダでは、２枚のレンズ１１，１２を貼り合わせし
て正のパワーを有する第１レンズ群１が形成され、３枚
のレンズ２１，２２，２３を貼り合わせして負のパワー
を有する第２レンズ群２が形成され、２枚のレンズ３
１，３２を貼り合わせして正のパワーを有する第３レン
ズ群３が形成されており、これら第１ないし第３レンズ
群１，２，３がこの順序で光源側（同図の左手側）より
光軸ＡＸ上に配置されている。

【０１３２】表１７は、上記のように構成された変倍ビ
ームエキスパンダのレンズデータを示す表である（倍率
ｋが０．５倍のとき）。

【０１３３】

【表１７】

【０１３４】また、この実施例４では、第１レンズ群１
が固定レンズ群とされ、残りの第２および第３レンズ群
２，３が移動レンズ群として光軸ＡＸ上を移動可能に構
成され、第２および第３レンズ群２，３の移動によって
面間隔ｄ3，ｄ7が変化して入射光ビームＬIN（ビーム径
φ１０ｍｍ）を等倍をはさみ０．５倍から２倍までの範
囲で変倍する。なお、倍率ｋを０．５倍、等倍（１倍）
および２倍に設定したときの面間隔ｄ3，ｄ7は表１８に
示す通りである。

【０１３５】

【表１８】

【０１３６】ここでは、上記のように構成された実施例
４の効果を明らかにするため、実施例４と同一機能を有
する従来例（図８）にかかる変倍ビームエキスパンダを
従来例３として例示し、両者の比較を行う。

【０１３７】表１９は、実施例４と同一機能を有する従
来の変倍ビームエキスパンダのレンズ構成を示す表であ
る（倍率ｋが０．５倍のとき）。

【０１３８】

【表１９】

【０１３９】表１７との比較によりわかるように、この
変倍ビームエキスパンダの基本レンズ構成は実施例４と
同一である。また、この従来例３では、第１レンズ群を
固定レンズ群とし、残りの第２および第３レンズ群を移
動レンズ群として光軸ＡＸ上で移動可能とし、第２およ
び第３レンズ群２，３の移動によって面間隔ｄ3，ｄ7が
変化して入射光ビームＬIN（ビーム径φ１０ｍｍ）を等
倍をはさみ０．５倍から２倍までの範囲で変倍する。

【０１４０】

【表２０】

【０１４１】次に、実施例４と従来例３とを比較し、両
者の差異を明確にするため、実施例４と従来例３との仕
様を表２１にまとめた。

【０１４２】

【表２１】

【０１４３】また、各移動レンズ群が３０μｍ偏心した
ときの出射光ビームＬOUTの傾きと、その重ね合わせ量
（式６で求まるΔｕ）とを表２２にまとめた。

【０１４４】

【表２２】

【０１４５】この表２２から明らかなように、この実施
例４によれば、移動レンズ群の偏心による出射光ビーム
ＬOUTの傾きの振れ量を大幅に抑え込むことができる。

【０１４６】なお、この従来例３においても、従来例１
と同様に、第２レンズ群の結像倍率βが大きくなる（β
がゼロに近づく）ようにレンズ設計することで、さらに
出射光ビームＬOUTの傾きの振れ量を小さくすることが
できるが、上記説明および図３に示したように、Δｕの
値は少なくとも

【０１４７】

【数２３】

【０１４８】すなわち、０．３０ｍｒａｄ以下にするこ
とができないため、実施例４の方が、常に出射光ビーム
ＬOUTの傾きの振れ量を小さくすることができる。

【０１４９】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、第１および第
２レンズ群の合成焦点距離を変倍範囲内で正として、変
倍ビームエキスパンダに入射された光が当該変倍ビーム
エキスパンダ内で実像を形成するように構成するととも
に、第１および第３レンズ群の焦点距離をそれぞれｆ
1，ｆ3とし、倍率をｋとし、第３レンズ群を固定レンズ
群として、 ０＜ｆ3／ｆ1≦ｋ を満足するように構成しているので、レンズ群が光軸か
ら偏心したとしても、出射光ビームＬOUTの傾きの振れ
を小さく抑えることができる。

【０１５０】請求項２の発明によれば、前記変倍範囲に
おける最小および最大倍率をそれぞれｋmin，ｋmaxとす
るとき、 ｆ3／ｆ1＝（ｋmin×ｋmax）／（ｋmin＋ｋmax） を満足することで、第２レンズ群の結像倍率範囲の中心
倍率で出射光ビームＬOUTの傾きへの公差の影響を最小
にすることができ、しかもこの中心倍率を中心として対
称的に公差の影響が大きくなるので、第３レンズ群を固
定する場合において、変倍範囲全体にわたって公差の影
響を最も小さくすることができる。

【０１５１】請求項３の発明によれば、第１および第２
レンズ群の合成焦点距離を変倍範囲内で正として、変倍
ビームエキスパンダに入射された光が当該変倍ビームエ
キスパンダ内で実像を形成するように構成するととも
に、第１および第３レンズ群の焦点距離をそれぞれｆ
1，ｆ3とし、倍率をｋとし、第１レンズ群を固定レンズ
群として、 ０＜ｆ3／ｆ1≦２×ｋ を満足するように構成しているので、レンズ群が光軸か
ら偏心したとしても、出射光ビームＬOUTの傾きの振れ
を小さく抑えることができる。

【０１５２】請求項４の発明によれば、前記変倍範囲に
おける最小および最大倍率をそれぞれｋmin，ｋmaxとす
るとき、 ｆ3／ｆ1＝（２×ｋmin×ｋmax）／（ｋmin＋ｋmax） を満足することで、第２レンズ群の結像倍率範囲の中心
倍率で出射光ビームの傾きへの公差の影響を最小にする
ことができ、しかもこの中心倍率を中心として対称的に
公差の影響が大きくなるので、第１レンズ群を固定する
場合において、変倍範囲全体にわたって公差の影響を最
も小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明にかかる変倍ビームエキスパンダの基
本的構成を示す図である。

【図２】図１の変倍ビームエキスパンダにおいて第２レ
ンズ群が偏心した場合の結像位置の変位および光線の進
む様子を示す図である。

【図３】第２レンズ群の結像倍率と出射光ビームの傾き
との関係を示すグラフである。

【図４】本発明にかかる変倍ビームエキスパンダの実施
例１を示す図である。

【図５】本発明にかかる変倍ビームエキスパンダの実施
例２を示す図である。

【図６】本発明にかかる変倍ビームエキスパンダの実施
例３を示す図である。

【図７】本発明にかかる変倍ビームエキスパンダの実施
例４を示す図である。

【図８】従来の変倍ビームエキスパンダの構成を示す図
である。

【図９】図８の変倍ビームエキスパンダにおいて第２レ
ンズ群が偏心した場合の結像位置の変位および光線の進
む様子を示す図である。

【符号の説明】

１ 第１レンズ群 ２ 第２レンズ群 ３ 第３レンズ群 １１，１２，２１，２２，２３，３１，３２ レンズ ＡＸ 光軸 ＬIN 入射光ビーム ＬOUT 出射光ビーム Ｐ3 第３レンズ群の前側焦点位置 Ｐ12 第１および第２レンズ群の合成焦点位置

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成７年１２月１２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０１４７

【補正方法】変更

【補正内容】

【０１４７】

【数２３】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０１４８

【補正方法】変更

【補正内容】

【０１４８】すなわち、０．４２ｍｒａｄ以下にするこ
とができないため、実施例４の方が、常に出射光ビーム
ＬOUTの傾きの振れ量を小さくすることができる。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 正のパワーを有する第１レンズ群と、第
   ２レンズ群と、正のパワーを有する第３レンズ群とが光
   軸上にこの順序で配置され、前記第３レンズ群を固定し
   ておき、前記第１および第２レンズ群の合成焦点位置と
   前記第３レンズ群の焦点位置とを一致させながら第１お
   よび第２レンズ群を前記光軸上で移動させて所定の変倍
   範囲内で倍率を変化させる変倍ビームエキスパンダにお
   いて、 前記第１および第２レンズ群の合成焦点距離が前記変倍
   範囲内で正であり、しかも、 前記第１および第３レンズ群の焦点距離をそれぞれｆ
   1，ｆ3とし、倍率をｋとするとき、 ０＜ｆ3／ｆ1≦ｋ が満足されることを特徴とする変倍ビームエキスパン
   ダ。
2. 【請求項２】 前記変倍範囲における最小および最大倍
   率をそれぞれｋmin，ｋmaxとするとき、 ｆ3／ｆ1＝（ｋmin×ｋmax）／（ｋmin＋ｋmax） が満足される請求項１記載の変倍ビームエキスパンダ。
3. 【請求項３】 正のパワーを有する第１レンズ群と、第
   ２レンズ群と、正のパワーを有する第３レンズ群とが光
   軸上にこの順序で配置され、前記第１レンズ群を固定し
   ておき、前記第１および第２レンズ群の合成焦点位置と
   前記第３レンズ群の焦点位置とを一致させながら第２お
   よび第３レンズ群を前記光軸上で移動させて所定の変倍
   範囲内で倍率を変化させる変倍ビームエキスパンダにお
   いて、 前記第１および第２レンズ群の合成焦点距離が前記変倍
   範囲内で正であり、しかも、 前記第１および第３レンズ群の焦点距離をそれぞれｆ
   1，ｆ3とし、倍率をｋとするとき、 ０＜ｆ3／ｆ1≦２×ｋ が満足されることを特徴とする変倍ビームエキスパン
   ダ。
4. 【請求項４】 前記変倍範囲における最小および最大倍
   率をそれぞれｋmin，ｋmaxとするとき、 ｆ3／ｆ1＝（２×ｋmin×ｋmax）／（ｋmin＋ｋmax） が満足される請求項３記載の変倍ビームエキスパンダ。