JPH10186236A

JPH10186236A - 結像光学系

Info

Publication number: JPH10186236A
Application number: JP8356017A
Authority: JP
Inventors: Teruyoshi Tsunashima; 輝義綱嶋; Kenji Hori; 健治堀; Takeshi Okuyama; 猛奥山; Yutaka Iizuka; 豊飯塚
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-12-24
Filing date: 1996-12-24
Publication date: 1998-07-14

Abstract

(57)【要約】【課題】平面と、円筒又は円錐の外面又は内面とを共役
にし、しかも十分な結像性能を有する結像光学系を提供
する。【解決手段】光軸ｚと直交して平面１を配置し、該平面
１側より順に、結像レンズＬと、１又は複数個のコーン
レンズＣと、該コーンレンズＣ側とは反対側に頂角を向
けた円錐内面反射面Ｍとを配置し、該円錐内面反射面Ｍ
の内部に円筒外面２又は円錐外面を配置し、平面１と円
筒外面２又は円錐外面とのうちのいずれか一方１にパタ
ーン１ａを配置し、該パターン１ａの像２ａを平面と円
筒外面又は円錐外面とのうちのいずれか他方２に結像し
たことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、平面と、円筒又は
円錐の外面又は内面とを共役にする結像光学系に関する
ものである。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】従来、円筒内面のパタ
ーンを平面上に結像する装置としては、特公昭３７−１
５８７９号公報に開示されたものが知られている。この
装置は、円筒管の内部に円錐鏡、写真機及び光源を一体
構成としたユニットを装入して、円筒管内面を撮影する
管内撮影装置である。しかしながらこの従来技術は、円
筒管内面を写真機のフィルム上に結像する結像光学系し
か開示しておらず、また結像性能の向上については全く
考慮していない。したがって本発明は、平面と、円筒又
は円錐の外面又は内面とを共役にし、しかも十分な結像
性能を有する結像光学系を提供することを課題とする。

【０００３】

【課題を解決するための手段】本発明は上述の課題を達
成するためになされたものであり、光軸と直交して平面
を配置し、該平面側より順に、結像レンズと、１又は複
数個のコーンレンズと、該コーンレンズ側とは反対側に
頂角を向けた円錐内面反射面とを配置し、該円錐内面反
射面の内部に円筒外面又は円錐外面を配置し、平面と円
筒外面又は円錐外面とのうちのいずれか一方にパターン
を配置し、該パターンの像を平面と円筒外面又は円錐外
面とのうちのいずれか他方に結像した結像光学系であ
る。本発明はまた、光軸と直交して平面を配置し、該平
面側より順に、結像レンズと、該結像レンズ側に頂角を
向けた円錐外面反射面とを配置し、該円錐外面反射面の
外部に円筒内面又は円錐内面を配置し、平面と円筒内面
又は円錐内面とのうちのいずれか一方にパターンを配置
し、該パターンの像を平面と円筒内面又は円錐内面との
うちのいずれか他方に結像した結像光学系において、結
像レンズと円錐外面反射面との間に、１又は複数個のコ
ーンレンズを配置したことを特徴とする結像光学系であ
る。

【０００４】

【発明の実施の形態】図１は本発明による結像光学系の
一実施例の概略斜視図を示す。本実施例の結像光学系で
は、物体平面１側より順に結像レンズＬ、コーンレンズ
Ｃ、及び円錐内面反射面Ｍが光軸ｚ上に共軸系として配
置されており、円錐内面反射面Ｍの内部に円筒外面２が
共軸に配置されている。こうして物体平面１上に描かれ
た図形パターン１ａの像２ａが、円筒外面２上に結像さ
れる。本実施例では、物体平面１上の図形パターン１ａ
として、渦巻き状の図形を描いており、したがってこの
図形パターン１ａの像２ａは、螺旋状パターン像、すな
わち「ネジクギ」状のパターン像として円筒外面２上に
投影される。このように本実施例によれば、構成部材を
一切動かすことなく、物体平面１上の図形パターン１ａ
を円筒外面２上に一括して結像することができる。

【０００５】図２は本実施例の概略断面図を示す。物体
平面１上の任意の点Ｈを発した光線ａ，ｂは、結像レン
ズＬによりコーンレンズＣへと導かれる。本実施例の結
像レンズＬは物像両側にテレセントリックに構成されて
おり、したがって物体平面１からの主光線ａは、光軸ｚ
に平行に進み、結像レンズ前群Ｌ₁で屈折された後、結
像レンズＬ内に設けられている開口絞りＡＳの中心を通
り、結像レンズ後群Ｌ₂で屈折されて、再び光軸ｚに平
行に進む。物点Ｈからの周辺光線ｂは、主光線ａに対し
て発散しながら進み、開口絞りＡＳを平行に通過した
後、再び光軸ｚに平行となった主光線ａに対して、収束
しながら進む。次に、コーンレンズＣに入射した主光線
ａは、コーンレンズＣの入射側レンズ面と射出側レンズ
面との双方で屈折した後、光軸ｚからより離れた高さで
再び光軸ｚに平行に進む。更にコーンレンズＣを射出し
た主光線ａは、円錐内面反射面Ｍで反射して、光軸ｚ上
に光軸ｚと平行に置かれた円筒外面２上の点ｈに結像す
る。

【０００６】ここで円錐反射面Ｍがない場合の仮想結像
面５は光軸ｚに直交しており、また円錐反射面Ｍを配置
することによって結像させる円筒外面２は光軸ｚと平行
である。したがって円錐反射面Ｍの稜線傾斜角度θ（光
軸に直交する平面から測った稜線の角度。光線の進行方
向への傾斜を正とし、逆方向への傾斜を負とする。）は
θ＝−４５°であり、それ故、円錐反射面Ｍの頂角２ω
は２ω＝９０°である。なお稜線傾斜角度θと半頂角ω
との関係式は、｜θ｜＋ω＝９０° である。また円錐反射面Ｍの位置は、仮想結像面５と円
筒外面２との交点を通るように配置され、したがって円
錐反射面Ｍの頂点の位置は、仮想結像面５から円筒外面
２の半径ｒだけ離れた位置にある。円錐反射面Ｍで反射
される周辺光束ｂのうち、図２の紙面内にあるメリジオ
ナル光束は、同図から容易に理解されるように、単に平
面反射に等しい。ところが、図２の紙面に垂直なサジタ
ル光束は、円錐反射面Ｍを光軸ｚと平行な平面で切った
断面形状、すなわち双曲面にて反射される。このため、
メリジオナル像面２ｍは、傾斜角度θの単なる平面反射
鏡による鏡像となるのに対し、サジタル像面２ｓは双曲
面による反射結像となり、これによりサジタル像面２ｓ
の湾曲（倒れ）が発生する。

【０００７】このサジタル像面２ｓの湾曲を図３によっ
て詳細に説明する。光軸ｚと直交してｘ軸とｙ軸を定
め、光軸ｚと同軸に頂角９０°の円錐反射面Ｍを配置す
ると、ｚ軸とｘ軸を含む平面に平行な平面Ｐと円錐反射
面Ｍとの交線は双曲線ＨＰとなる。簡単のために、円錐
反射面Ｍがない場合の仮想結像面５は円錐反射面Ｍの頂
点Ｏの位置にあり、物体の像は仮想結像面５上に像側に
テレセントリックに結像しており、さらに仮想メリジオ
ナル像面５ｍと仮想サジタル像面５ｓの像面湾曲は共に
０になっているとする。仮想メリジオナル像面５ｍは、
円錐反射面Ｍの稜線によって反射されるから、反射後の
メリジオナル像面２ｍは光軸ｚ上に結像する。

【０００８】他方、サジタル像面２ｓは光軸ｚ上には結
像しない。すなわち、双曲線ＨＰの頂点Ｖでの曲率半径
は、頂点Ｖを通りｚ軸と直交する平面で円錐反射面Ｍを
輪切りにしたときの曲率半径ａに等しい。したがって近
軸理論上は、仮想結像面５上の仮想サジタル像面５ｓを
物点とし、輪切りの半径ａの１／２、すなわちａ／２を
焦点距離とした系によって作られる像点に、反射後のサ
ジタル像面２ｓが結像することになる。したがってメリ
ジオナル像面２ｍを実際の結像面とすると、サジタル像
面２ｓはいわゆる前ピン状態となる。そこで本実施例で
は、この円錐内面反射面Ｍにて発生するサジタル像面２
ｓの湾曲を補正するために、コーンレンズＣを配置して
いる。コーンレンズＣとしては、サジタル像面を補正し
てメリジオナル像面と一致させるように、最適な組み合
わせを選ぶことが好ましい。

【０００９】なお以上の説明では、結像レンズＬが両側
テレセントリックであるとして説明したが、これは円錐
内面反射面Ｍでの反射やコーンレンズＣでの屈折の作用
を単純化し理解し易くするためのものであって、結像レ
ンズのテレセントリック性は特に問題とはならない。ま
た以上の説明では円錐内面反射面Ｍの内部に円筒外面を
配置する場合について述べたが、円錐内面反射面Ｍの内
部に円錐外面を配置してその円錐外面に結像する場合も
同じである。更に以上の説明では円錐内面反射面Ｍを用
いる場合について述べたが、円錐外面反射面を用いて円
筒内面又は円錐内面に結像する場合も同じである。更に
以上の説明では平面を物体面とし、円筒外面若しくは円
錐外面又は円筒内面若しくは円錐内面を像面とする場合
について述べたが、物像関係を逆転して、円筒外面若し
くは円錐外面又は円筒内面若しくは円錐内面を物体面と
し、平面を像面とすることもできる。

【００１０】本発明においてコーンレンズを用いる利点
は、前述の円錐反射面Ｍのサジタル断面と同様に、光線
の入射高と射出高の差、及びそのときのサジタル断面の
曲率半径の差とにより、サジタル像面のコントロールを
行える点にある。このようなコーンレンズの性質を利用
して所望の像面のコントロールを行うところに本発明の
基本的な発想の１つがある。

【００１１】以下にいくつかの数値実施例について説明
する。図４は第１の数値実施例を示し、この結像光学系
は、物体平面１上の図形パターンを円筒外面２上に結像
するものであり、物体平面１側から順に、結像レンズＬ
と、第１のコーンレンズＣ₁と、第２のコーンレンズＣ₂
と、円錐内面反射面Ｍを配置し、円錐内面反射面Ｍの内
部に結像面である円筒外面２を配置している。物体平面
１上の図形パターン領域は、光軸ｚを中心とした半径Ｈ
_o＝６ｍｍの円と半径Ｈ_o＝７ｍｍの円とに囲まれたドー
ナツ状の領域である。また円筒外面２上の結像領域は、
円錐内面反射面Ｍの頂点から物体平面１側に向って、
９．５ｍｍから１０．５ｍｍまでの円筒外周領域であ
る。物体領域の半径方向の幅は１ｍｍであり、像領域の
光軸方向の幅も１ｍｍであるから、この結像光学系の倍
率は等倍である。また第１のコーンレンズＣ₁と第２の
コーンレンズＣ₂は、互いの頂角が対向するように配置
されており、更に相対向するレンズ面の頂角が異なるよ
うに、すなわち第１のコーンレンズＣ₁の第２面の稜線
傾斜角度θ₁₆と第２のコーンレンズＣ₂の第１面の稜線
傾斜角度θ₁₇とが異なるように形成されている。こうし
てメリジオナル像面とサジタル像面との非点隔差の減少
を図っている。

【００１２】第１の数値実施例の諸元を表１に示す。表
１の［レンズ諸元］中、第１カラムは物体側からのレン
ズ面の番号、第２カラムｒは各レンズ面の曲率半径又は
稜線傾斜角度、第３カラムｄは各レンズ面の間隔、第４
カラムｎ_dは輝線スペクトルｄ線（基準波長λ＝５８
７．６ｎｍ）に対する屈折率、第５カラムは部材符号を
表している。また図５に、第１の数値実施例のスポット
ダイヤグラムを示す。スポットダイヤグラムより明らか
なように、物体領域の全域にわたり優れた結像性能を有
することが解る。

【００１３】

【表１】

【００１４】次に図６は第２の数値実施例を示し、この
結像光学系は、物体平面１上の図形パターンを、頂角５
０°の円錐の外面３上に結像するものである。物体平面
１上の図形パターン領域は、光軸ｚを中心とした半径Ｈ
_o＝１２．５ｍｍの円と半径Ｈ_o＝２０ｍｍの円とに囲ま
れたドーナツ状の領域である。また円錐外面３上の結像
領域は、円錐外面３の稜線に沿った長さ８．５ｍｍの円
錐外周領域である。半径方向の物体領域幅は７．５ｍｍ
であるから、この結像光学系の倍率は１．１３３倍であ
る。第２の数値実施例の諸元は、表１に示した第１の数
値実施例の諸元と基本的に同一であるが、円錐内面反射
面Ｍの稜線傾斜角度θ₁₈が、 θ₁₈＝−３８° である点のみ相違する。図７に、第２の数値実施例のス
ポットダイヤグラムを示す。

【００１５】次に図８は第３の数値実施例を示し、この
結像光学系は、第１の数値実施例と同様に、物体平面１
上の図形パターンを円筒外面２上に結像するものであ
る。物体平面１上の図形パターン領域は、光軸ｚを中心
とした半径Ｈ_o＝６．５ｍｍの円と半径Ｈ_o＝８ｍｍの円
とに囲まれたドーナツ状の領域である。また円筒外面２
上の結像領域は、円錐内面反射面Ｍの頂点から物体平面
１側に向って、１０ｍｍから１１．５ｍｍまでの円筒外
周領域である。物体領域の半径方向の幅は１．５ｍｍで
あり、像領域の光軸方向の幅は１．５ｍｍであるから、
この結像光学系の倍率は１．０倍である。第３の数値実
施例の諸元は、表１に示した第１の数値実施例の諸元と
基本的に同一であるが、結像レンズＬ内に配置した開口
絞りＡＳの断面形状が、メリジオナル断面方向×サジタル断面方向＝５ｍｍ×１
ｍｍとなっており、したがって実効Ｆナンバーが、メリジオナル断面：Ｆ／２５．６サジタル断面：Ｆ／１２８となっている点で相違する。このことにより、第１数値
実施例に比べ良像範囲を拡大できる。図９に、第３の数
値実施例のスポットダイヤグラムを示す。

【００１６】また図１０（Ａ）に開口絞りＡＳの斜視図
を示す。開口絞りＡＳをどのような形状にしようとも、
その入射面においてメリジオナル光束とサジタル光束と
を区別することはできない。すなわち開口絞りＡＳの入
射面には、メリジオナル光束とサジタル光束とが分け隔
てなく入射する。したがってメリジオナル光束とサジタ
ル光束とを区別するには、光束の進行方向に一定の厚み
を持った開口絞りＡＳを用いる必要がある。本実施例で
は開口の形状を、光軸ｚを含むメリジオナル断面方向に
は長く、これに直交するサジタル断面方向には短い矩形
断面としているから、メリジオナル光束はこの絞りＡＳ
を通過することができ、サジタル光束はこの絞りの内壁
によって吸収される。したがってこの開口絞りＡＳを光
軸ｚを中心として回転することにより、物体領域のすべ
ての範囲から出た光束について、メリジオナル光束は絞
らずに、サジタル光束だけを絞ることができ、こうして
メリジオナル光束に対して前ピン状態となり安いサジタ
ル光束の減少を図ることができる。

【００１７】図１０（Ｂ）は、第３数値実施例の開口絞
りＡＳの別の態様を示す。図１０（Ａ）の開口絞りは、
光軸ｚと直交する断面形状が矩形であったが、図１０
（Ｂ）の開口絞りＡＳは、サジタル方向の光束をさらに
カットするために光軸ｚと直交する断面形状を縦長先す
ぼまり形に形成したものである。これらの開口絞りＡＳ
は、光軸ｚ方向に一定の厚みを持つように構成している
が、入射側端面と射出側端面とに対応してそれぞれ薄肉
の絞りを設け、両絞りを一体として回転する構成とする
こともできる。またこれらの開口絞りＡＳは、円錐内面
反射面Ｍよりも手前側ならば、光路中のどの場所に配置
することもできる。但し光軸ｚに対する光束の角度が最
も急になる瞳空間に配置すると、メリジオナル光束とサ
ジタル光束とを最も効率的に分離することができて好ま
しい。

【００１８】図１１は開口絞りＡＳの更に別の態様を示
す。この絞りＡＳは円錐状に形成され、稜線方向に長い
開口を有するように形成されており、円錐内面反射面Ｍ
の手前側に配置される。光束がこの絞りＡＳに入射する
ときには、メリジオナル光束もサジタル光束も分け隔て
なく開口より入射して円錐内面反射面Ｍに到達するが、
円錐内面反射面Ｍで反射した後に再度開口を通過すると
きには、メリジオナル光束は光軸を含む断面内にあり、
したがって開口を設けた稜線方向の断面内にあるから開
口を通過するが、サジタル光束は開口を通過できない。
こうしてサジタル光束の減少を図ることができる。

【００１９】

【発明の効果】本発明により、平面と、円筒又は円錐の
外面又は内面とを共役にするという特殊な共役関係にも
かかわらず、十分な結像性能を持った結像光学系が提供
された。したがって例えば、構成部材を一切動かすこと
なく、物体平面上の渦巻きパターンを円筒外面または円
錐外面上に投影して、いわゆる「ネジクギ」を作ること
が可能となった。本発明は、これにとどまらず、一般的
な物像投影関係に使用しても何ら支障はない。また、共
役関係の一般的な性質として、平面から例えば円筒外面
への投影と共に、この逆の関係、すなわち例えば円筒外
面から平面への投影にも使用できる。さらに、本発明に
ては、円錐反射面を内面反射にて使用する光学系につい
て詳述したが、これらの内容は円錐を外面反射として使
用した場合にも全て適用される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す概略斜視図

【図２】該実施例を示す概略断面図

【図３】サジタル像面の倒れを示す説明図

【図４】第１の数値実施例を示す構成図

【図５】該実施例のスポットダイヤグラム

【図６】第２の数値実施例を示す構成図

【図７】該実施例のスポットダイヤグラム

【図８】第３の数値実施例を示す構成図

【図９】該実施例のスポットダイヤグラム

【図１０】該実施例の開口絞りを示す斜視図

【図１１】該実施例の開口絞りの別の態様を示す斜視図

【符号の説明】

１…物体平面１ａ…図形パターン２…円筒外面２ａ…像２ｍ…メリジオナル像面２ｓ…サジタル像面３…円錐外面５…仮想結像面５ｍ…仮想メリジオナル像面５ｓ…仮想サジタル
像面Ｌ…結像レンズＬ₁…結像レンズ前
群Ｌ₂…結像レンズ後群ＡＳ…開口絞りＣ、Ｃ₁、Ｃ₂…コーンレンズＭ…円錐内面反射面ｚ…光軸ａ…主光線ｂ…周辺光線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者飯塚豊東京都千代田区丸の内３丁目２番３号株式会社ニコン内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光軸と直交して平面を配置し、該平面側よ
り順に、結像レンズと、１又は複数個のコーンレンズ
と、該コーンレンズ側とは反対側に頂角を向けた円錐内
面反射面とを配置し、該円錐内面反射面の内部に円筒外
面又は円錐外面を配置し、前記平面と前記円筒外面又は
円錐外面とのうちのいずれか一方にパターンを配置し、
該パターンの像を前記平面と前記円筒外面又は円錐外面
とのうちのいずれか他方に結像した結像光学系。
【請求項２】前記コーンレンズは、互いの頂角を対向し
て配置し、相対向するレンズ面の頂角が異なるように形
成した一対のコーンレンズである、請求項１記載の結像
光学系。
【請求項３】光軸と直交して平面を配置し、該平面側よ
り順に、結像レンズと、該結像レンズ側に頂角を向けた
円錐外面反射面とを配置し、該円錐外面反射面の外部に
円筒内面又は円錐内面を配置し、前記平面と前記円筒内
面又は円錐内面とのうちのいずれか一方にパターンを配
置し、該パターンの像を前記平面と前記円筒内面又は円
錐内面とのうちのいずれか他方に結像した結像光学系に
おいて、前記結像レンズと円錐外面反射面との間に、１又は複数
個のコーンレンズを配置したことを特徴とする結像光学
系。
【請求項４】前記結像レンズは、少なくとも前記像側に
テレセントリックな光学系である、請求項１、２又は３
記載の結像光学系。
【請求項５】前記円錐内面反射面又は円錐外面反射面の
前記頂角は９０°である、請求項１、２、３又は４記載
の結像光学系。
【請求項６】前記パターンと像との間の光路中に、サジ
タル方向の光量をメリジオナル方向の光量よりも減少さ
せる絞りを設け、該絞りを前記光軸を軸芯として回転可
能に配置した、請求項１〜５のいずれか１項記載の結像
光学系。