JPS6058441B2 - 円柱状の構成成分を有する傾斜させたレンズ要素で構成された反射排除球状光学列 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は合焦レンズ列に関するものであつて、特に各
光学要素が円柱状の構成成分を有する少なくとも２個の
光学要素を有する一連の光学要素で構成された反射排除
球状レンズ列に関するものである。

複数個の光学要素を有するレンズ列に於いては常に反
射が問題であつた。

特に、空気とレンズとの界面に於いては常に反射が発生
する。この様な反射がレンズ列の光路に沿つて光路の充
分近くに於いて軸方向に伝達されると、全体的な反射の
グレアーが発生する。この様な問題に対する従来の解決
方法の中には、レンズ列の中央に不透明の“゜黒体゛を
配設するものがある。

しかしながら、この場合には多くのレンズ列に於いて中
央開口を残すこととなる。特に、低光レベルの検知器に
於いてはこの様な中央開口を設けることは認容出来ない
ものである。最近になつて、本発明者は低光レベルの像
に対する検知器を開発した。この様な検知器の開発に当
つて、本発明者はここに開示するような光排除光学列が
極めて有用なものであることを見出だした。従つて、本
発明は反射排除球状光学列を提供するものである。

本発明に於いては、各々が円柱状の構成部分を有する少
くとも２つの光学要素を光軸に沿つて配設してある。こ
れらの光学要素は互いにクロスされており、従つてトー
タルな結合された光学出力は全体的な球状レンズを構成
するものてある。円柱状構成部分を有するレンズ要素の
各々は、光軸に垂直な面に関して傾斜されている。光軸
に沿つて進行する光が光学界面で反射さ−れると光軸に
沿つての帰路を有することのない角度でもつて反射され
る為に排除され、而して反射排除が行なわれる。好適に
は、円柱状構成部分を有する３個以上のレンズ要素を設
けてレンズ列を構成するものである。この場合に、各傾
斜された；レンズ要素の近点は光軸の回わりに等角度間
隔に配設されている。３個の傾斜させた球状レンズ要素
一典型的には凸レンズーで構成される好適な実施例に於
いては、これらのレンズ要素の各々がその近点を一端部
に有し光軸の回わりに１２０度の角３度間隔て離隔され
ている。

従つて、本発明の目的とする処は、光排除を行なう為に
配列された光学系を有する球状レンズ列を提供するもの
である。

この点に関する本発明に於ける構成においては、各々が
円柱状構成部分を４有する少くとも２個のレンズ要素を
用いるものである。これらのレンズ要素は光軸に沿つて
配設し夫々の円柱状構成部分をクロスさせている。この
場合のクロスは、円柱状構成部分が一体となって球状光
学系を形成させる為のものである。円柱状構成部分を有
するレンズ要素の各々は光軸に垂直な面に関して傾斜さ
れている。この場合の傾斜はレンズ要素の空気とガラス
の界面において光排除を行なうに充分な程度のものであ
つて、その際に反射された光が本光学装置の光路の外に
送り出す為のものである。この点に関する本発明の利点
は、球状レンズ形を使用することによつて反射された光
を光学列の外に送り出すことが可能な点で）ある。本発
明の別の利点としては、光学列の内部に同心的な光トラ
ップを設ける必要がないことである。

従つて中央開口を有するレンズ列とする必要がない。反
射光を付加的に制御する為にはレンズ．要素上に反射防
止の表面被覆を使用すると良い。本発明の別の目的とす
る処は少くとも３個の傾斜させた光学要素を有する球状
レンズ列を提供することである。これらのレンズ要素の
各々は光軸に沿つて配設され、それらの円筒状構成部分
を互いに等角度間隔に交差させている。これらの３つの
円柱状構成部分を交差させることによつて球状レンズを
形成している。光軸に沿つて配設したレンズ要素は各々
光軸に垂直な面に関して傾斜されている。この様に傾斜
させることによつて各レンズ要素は光学列の一端におい
て近点を画定している。３個の光学要素の間の相対的な
傾斜は、各レンズ要素の夫々の近点を光軸の回わりに実
質的に等角度間隔で配分させることによつて決めている
。

本発明のこの点における利点としては、レンズ列を通過
する光線であつて、光軸と平行ではなくレンズ列と或る
角度をもつて交る光線が、総て等しいガラスの厚さを通
過するということである。従つて、異つた角度関係でも
つてレンズ列を通過する軸から逸れた光線は総てより大
きな対称性をもつて屈折されるということである。この
点に関する本発明の利点としては、各光学列の円筒レン
ズ構成部分の間の倍率を正確に整合させる必要がないと
いうことである。正確に整合させる代りに、レンズ要素
を互いに多少回転させて全体的に球状の光学系を有する
レンズ列を得ることが可能である。この点に関する本発
明の更に別の利点としては、レンズ列を構成しているレ
ンズ要素の総てが円柱から構成されている場合には、総
ての空気とガラスとの間の界面は光学列からの光を排除
するように整列されているということである。本発明の
更に別の目的とする処は円柱状の構成部分を有する少く
とも３つのレンズ要素を有し、各レンズ要素が球状レン
ズを有する球状レンズ列を提供することである。本発明
のこの点に関する特徴について説明すると、球状レンズ
は理論的には等しい倍率を有する２つのクロスしたシリ
ンダを用いて構成することが可能であるということを銘
記すべきである。更に、球状レンズを光軸に対して垂直
な配列以外の配列に傾斜させた場合には、全体的には円
柱が得られるものである。３個の球状レンズ要素を用い
て、光学列の一端に於いてこれらのレンズ要素の各各の
近点が光軸の回わりに実質的に等角度間隔で分布される
ように光軸の回わりにこれらのレンズ要素を傾斜させる
ことによつて、好適な光排除レンズ列を構成することが
可能である。

本発明のこの点に関する利点としては、全体的に球を形
成するのに必要な個々のレンズ要素の倍率が小さくとも
良いということである。例えば、１２ジオプトリーの球
状レンズが好ましいが、各各が４ジオプトリーを有する
３つの傾斜させたレンズ要素を組み合わせて所望の全体
として１２ジオプトリーを有する球状レンズ形を形成す
ることが可能である。この場合と対比させて、円柱レン
ズを使用した場合には、１２ジオプトリーの球状レンズ
形を形成する為には各々が８ジオプトリーを有する３つ
の傾斜させた円柱レンズが必要である。本発明の更に別
の利点としては、システムの全体的光学収差が減少され
るということである。しかしながら、レンズシステムは
決して完全なものではなく、高次の光学収差は不可避的
に存在するものである。この点に関する本発明の別の利
点としては、異つた角度関係を有する線に対する実効的
収斂面が異つた球状レンズに対して事実上同一であると
いうことである。一方、円柱レンズで構成したレンズ列
に対しては事実上同一なものとはならない。この異つた
角度関係を有する線に対する共通原点面は傾斜させた球
状レンズ列が好適な実施例であるとする重面な特徴事項
である。以下、添付の図面を参考に本発明の具体的実施
の態様について詳細に説明する。

まず、第１Ａ，１Ｂ及び１Ｃ図を参考に本発明について
説明する。第１Ａ図には、光軸０が示されている。光は
光源から光軸０に沿つて検知器に進行する。図面に於い
ては、光が光源から検知器に向つて進行するように示さ
れているが、光が一方向に進むことを必要とするもので
はなく、光は同様に反対方向に進むことも可能であり、
反射された反対方向に進むことも可能である。第１Ａ図
においては、２個のレンズ要素ｑ及びＣ２が示されてい
る。これらのレンズ要素を如何に配設するかに付き以下
説明する。最初に、レンズ要素Ｃ１とＣ２は誇張して縦
長形状に示してある。

この様に縦長形状に示した理由としてはこれらレンズ要
素の角度関係を理解し易くする為であつて、実際には、
円柱レンズは丸いものであつて、ここで示されたような
縦長形状を有するものではない。しかしながらこの様な
縦長形状として図示することにより本発明の理解が極め
て容易になるものである。円柱状構成部分を有するこれ
らレンズ要素、即ちＣ１とＣ２、の夫々の配設位置にお
いて、平面Ｐ１とＰ２を画定することが可能である。こ
れらの平面の各々は光軸０に対して垂直である。これら
レンズ要素Ｃ１とＣ２は夫々の笛Ｐ１とＰ２と同一平面
上には設けられていない。その代りに、これらのレンズ
要素は小さな角度をもつて傾斜されている。レンズ要素
Ｃ１について言えば、それは面Ｐ１から角度αだけ傾斜
されている。一方、レンズ要素Ｃ２は、面Ｐ２から角度
βだけ傾斜されている。更に、注意すべきことは夫々の
シリンダの各各の主軸は互いに正確に９０度の角度関係
を有しているということである。

この事は第１Ｂ図に詳細に示されている。従つて、これ
らの円柱レンズ要素は互いに一体化されてそれらの交点
１において合焦光学系を形成している。又、主面は平坦
ではないので、合焦された像は円柱構成部分の倍率を表
わす。次に、第１Ｃ図に関し、本発明が動作すべき光排
除原理について説明すると、この場合はレンズ要素Ｃ２
の空気とガラスとの界面に照射される光線Ｌを考察する
ことによつて最もよく理解することが可能である。

レンズ要素Ｃ２が光軸０に関して角度θだけ傾斜される
と仮定した場合に、光線Ｌは光路Ｌ″に沿つて空気とガ
ラスとの界面から反射されて排除されることとなる。反
射光路Ｌ″は入射光路Ｌに関して２０の関係を有する。
第１Ｄ図には、円柱レンズを有するシステムが示されて
いる。

これらのレンズ要素は第１Ａ図においては斜視図として
示されている。ここで注意すべきことは、゜゜円柱状の
構成部分を有する光学又はレンズ要素゛という用語は、
本明細書においては一般的な意味で用いられているとい
うことである。例えば、球状の構成部分を有する総ての
レンズはクロスした円柱でもつて構成することが可能で
あるということが知られている。即ち、２個以上の円柱
レンズを特定の角度間隔でもつて交差させて、球状レン
ズ要素を構成することが可能である。従つて、“円柱状
の構成部分を有する光学レンズ要素゛という用語は球状
レンズをも包含するものである。更に、第１Ａ及至１Ｄ
図に示した実施例は本発明の理想的形態ではないという
ことを注意すべきである。

例えば、この場合の実施例においては、レンズ要素Ｃ１
とＣ２の倍率は、選択した焦点面に関して所定の異つた
倍率でもつて正確にバランスさせねばならないというこ
とが判つた。従つて、この場合には、焦点面に収斂する
ことの可能な異つた倍率の円柱レンズが必要である。第
１Ａ図に示した光学要素は多くのものが生産されている
が、正確で等しい倍率を有するシリンダを要求すること
は必ずしも望しいことではない。更に、第１Ａ乃至１Ｄ
図の実施例においては、第１Ｂ図に示したような正確な
９０度の配列が必要であるということが判つた。この事
は、この様なレンズ要素を製造する場合に実際上の困難
性を来たすものである。更に、光軸０と平行ではない方
向に両方の．レンズ要素を通り抜けて光線が通過する場
合に、光線Ｌ２は異つたガラスの厚さ又はウェッジを透
過するということが判つた。従つて、この場合には歪み
や収差を惹起することとなる。そうであるから、第１Ａ
乃至１Ｄ図に示した実施例は最良の．ものではない。円
柱状の構成部分を有する第３のレンズ要素を付け加える
ことによつて、第１Ａ図乃至１Ｄ図に示した反射排除光
学列の性能を改良することが可能であるということが判
つた。

第２Ａ図には、光・源から検知器へ向つて延在する光軸
０が示されている。そして、３個のレンズ要素Ｃｌ，Ｃ
２及びＣ３が光軸に沿つて位置されている。これらのレ
ンズ要素は夫々の垂直面が光軸０と交差する点で交差し
ており、例えばレンズ要素Ｃ１は垂直面Ｐ１が光軸０と
交差する点で交差しており、又レンズ要素Ｃ２は垂直面
Ｐ２が交差する点又はレンズ要素Ｃ３は垂直面Ｐ３が交
差する点で夫々交差している。第２Ｂ図に示す如く、レ
ンズ要素Ｃ１は垂直に配設されている。更に、該レンズ
要素は角度αだけ傾斜されていて、該レンズ要素の近点
Ｎは光軸Ｏの上方に位置しており、かつ光源を設けた光
列の端部側に向つて配設されている。レンズ要素ノＣ２
は面Ｐ２に位置されている。該レンズ要素Ｃ２は面Ｐ２
に関して傾斜されており、その近点Ｎは光源側に位置す
ると共に、レンズ要素Ｃ１の近点Ｎから１２０度の角度
離されて位置されている。レンズ要素Ｃ２がＭｐ２から
傾斜される角度は、レンズ要・素Ｃ１の先端が面Ｐ１に
対して傾斜されている角度αと等しいことが望ましい。
従つて、レンズ要素Ｃ１の光軸を面Ｐ，上に投影した場
合には垂直線を形成する。レンズ要素Ｃ２の光軸を面Ｐ
２上に投影した場合にはレンズ要素Ｃ１に関して６０度
の角度で交差する線を形成する。尚、これら２つのレン
ズ要素の夫々の近点は互いに１２０度の角度離隔されて
いる。光軸０に垂直な面Ｐ３に対してレンズ要素Ｃ３も
同様に配置されている。従つて、レンズ要素Ｃ３はその
近点Ｎがレンズ要素Ｃ１の近点Ｎ及びレンズ要素Ｃ２の
近点Ｎの両方から夫々１２０度ずつ離隔している。レン
ズ要素Ｃ３は又面Ｐ３から角度α傾斜されている。第２
Ｃ図を参照すると、本発明の傾斜した要素による動作を
要易に理解することが可能である。即ち、光軸に沿つて
通過する光線Ｌの光路を観察すると本発明の光排除の原
理がよく理解される。特に、光線Ｌが円柱レンズ要素に
つき当る毎に光路０から逸れる反射が起生される。第２
Ｃ図に図示した如く、この反射は少くとも角度αに基づ
いたものである。第２Ｄ図には、円柱要素を形成するレ
ンズ列を示してある。しかしながら、ここに図示したレ
ンズは、第２Ａ，２Ｂ及び２Ｃ図に示したものと異なり
理解を容易にする為に縦長の円柱形状とはしていない。
以上説明した如く第２実施例における構造においては第
１Ａ乃至１Ｄ図に示した第１実施例のものからは直接得
ることの出来ない利点を有するものである。例えば、光
軸０とは平行ではない方向に本光学システムに沿つて通
過する光線、例えば第２Ｃ図における光線Ｌ２、の場合
について説明する。この場合には、レンズ要素が全体と
して光線Ｌ２に同量の偏向を与えるものであることが理
解される。第２Ｃ図の場合には、光線！のレンズ要素Ｃ
１に対する傾きは、該レンズ要素の傾斜であることが判
る。しかしながら、レンズ要素Ｃ２及びＣ３に関しては
、光線に対する該レンズ要素の傾斜の度合は減少されて
いる。従つて、一般論として言えることは、１つのレン
ズ要素に対して軸から逸れた光線Ｌ２の方向がより臨界
的なものであつたとしても、以下に続くその他のレンズ
要素に対しては関係が改善されている。更に、第２Ａ図
乃至２Ｄ図に示したレンズ列はより製造が容易であるこ
とが判つた。

特に、レンズ要素Ｃｌ，Ｃ２、及びＣ３はそれらの倍率
を正確に整合させる必要がない。更に、これら３つのレ
ンズ要素を共通のセル内に取り付けることが出来、その
後で、小角度回転させてレンズ要素を整合させ、典型的
には鮮明に合焦させた像を得ることによつて所望の光学
性能を得ることが可能である。第２Ｄ図においては、レ
ンズ要素Ｃ１乃至Ｃ３の総ての近点は等角度間隔離隔さ
れていることに注意すべきである。第２Ａ乃至２Ｄ図に
示した好適実施例においてはこの様な配置とすることは
決して意味のないことではない。軸から外れた光線が総
てのレンズ要素を通過する場合に等しく偏向される為に
は、ここに例示したように近点が等角度間隔でもつて分
布されていることが必要である。第３Ａ図には、本発明
の好適実施例として第３の実施例を図示してある。ここ
においては、球状の構成部分を有し光軸０に沿つて配設
された３個のレンズ要素が設けられている。これらのレ
ンズ要素は球状てあるので、以下の説明においてはレン
ズ要素Ｓｌ，Ｓ２及びＳ３として示すこととする。これ
らのレンズ要素は夫々各面に対して傾斜されている。こ
れらの面とは光軸０に対して垂直であり前述の場合と同
様に面Ｐｌ，Ｐ２及びＰ３として示してある。各レンズ
要素は近点を有している。第３Ｃ図に示した如く、レン
ズＳ１の近点Ｎは光軸０の垂直上方に位置していること
が判る。レンズ要素Ｓ２の近点Ｎはレンズ要素Ｓ１の近
点Ｎから１２０度の間隔を隔てて位置されている。同様
に、レンズ要素Ｓ３の近点Ｎは前述した２つのレンズ要
素の近点の夫々から１２０度の間隔離隔されて位置され
ている。光軸に対して傾斜された球状レンズの場合には
乱視成分を起生することが知られている。

しかしながら、本構成において起生される乱視成分は互
いに等角度間隔であるので、これらの乱視成分は一体と
なつて互いに相殺する傾斜となる。第３Ａ，３Ｂ及び３
Ｃ図に示した実施例は第１Ａ乃至１Ｄ及び２Ａ及び２Ｄ
図に示した純粋に円柱レンズの場合と比べて利点を有す
るものである。第１に、１２ジオプトリーのレンズが必
要である場合を考えてみよう。１２ジオプトリーのレン
ズの場合には、３つの球状レンズ要素の総ては夫々４ジ
オプトリーのもので良い。

しかしながら、第２Ａ乃至２Ｄ図の実施例の場合には８
ジオプトリーの円柱レンズを３個必要とするものである
。第２に、この第３実施例におけるシステムにおいては
全体的な光学収差が減少されている。例えば、異つた角
度関係を有する線の収斂面は第３Ａ図の光学列において
は事実上同一のものである。しかしながら第２Ａ図の光
学列においてはこれらの収斂面は事実上同一のものでは
ない。第２Ａ図について説明すると、円柱と共通軸配列
を有する線の角度関係は実際的には夫々の円柱の各々の
軸から発生するものである。従つて、異つた角度関係を
有する線の場合には、異つた原点面は共通の焦点面と一
致する。第３Ａ図の球状レンズ実施例は第２Ａ図の実施
例と比べて１つの欠点を有する。

即ち、高い曲率を有する球状レンズ要素の場合には、或
る小さな傾斜角度において光を光軸に沿つて反射させる
点がレンズ要素上に存在するということである。このこ
とは望ましい特性とは言えない。従つて、レンズ要素Ｓ
１の傾斜は総ての空気とガラスとの間の界面が光軸から
離れて光を偏向させるように充分な傾きでなければなら
ない。従つてこの場合には各レンズ要素がある角度関係
を越えるように決定されねばならない。このような角度
関係は、使用される特定のレンズ列や軸を離れた光の角
度等に依存して経験的に決定することが可能てある。以
上本発明の具体的実施例につき詳細に説明したが、本発
明はこれら具体例に限定されるべきものではなく、本発
明の技術的範囲を逸脱することなく種々の変形が可能で
あることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は本光学列において光源から検知器に至る光路
内に２つの円柱レンズを設けた場合を示した斜視図、第
１Ｂ図は第１Ａ図の実施例の光軸に沿つての断面図、第
１Ｃ図は第１Ａ図に示したレンズ要素の側面図、第１Ｄ
図はシリンダを縦長としない場合のレンズ要素を示した
第１Ａ図と同様の斜視図、第２Ａ図は第１Ａ乃至１Ｃ図
の実施例より好適な実施例であつて、光源から検知器に
至る光軸に沿つて３個のレンズ要素を配設した場合の斜
視図、第２Ｂ図は第２Ａ図の実施例の断面図、第２Ｃ図
は第２Ａ図の実施例の側面図、第２Ｄ図はシリンダを縦
長としない場合のレンズ要素を示した第２Ａ図と同様の
斜視図、第３Ａ図は本発明の好適実施例であつて３個の
傾斜させた球状レンズを使用した場合を示した斜視図、
第３Ｂ図は第３Ａ図に示した実施例の側面図、第３Ｃ図
は第３Ａ図に示した実施例の断面図、である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 反射排除球状光学列において、各々が円柱状構成部
   分を有する少なくとも３個の光学要素を有し、全ての前
   記光学要素が共通の光軸に沿つて配設され、前記光学要
   素は互いに交差されて前記光学要素の結合された光学出
   力が１個の全体として球状のレンズの出力に等しくなつ
   ており、前記各光学要素は光軸に垂直な平面に関して傾
   斜せしめられると共に前記光学列の一方の端に対する各
   光学要素の近点が残りの全ての前記光学要素の近点に関
   して前記光軸の周りに略等角度間隔で位置する様に配設
   されていることを特徴とする光学列。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記円柱状の構成
   部分を有する光学要素の各々は凸状円柱を有することを
   特徴とする光学列。 ３ 特許請求の範囲第２項において、前記光学要素の各
   々は夫々の軸に沿つて傾斜されており、前記光学要素の
   各々の近点は前記円柱の軸を含む一部であることを特徴
   とする光学列。 ４ 特許請求の範囲第１項において、前記１個の全体と
   して球状のレンズが焦点を合せる為の合焦レンズである
   ことを特徴とする光学列。 ５ 反射排除球状光学列において、少なくとも３個の球
   状レンズ要素を有し、全ての前記レンズ要素が共通の光
   軸に沿つて配設され、前記各レンズ要素は光軸に関し垂
   直な平面に関して傾斜せしめられると共に前記光学列の
   一方の端に対する各レンズ要素の近点が残りの全ての前
   記レンズ要素の近点に関して前記光軸の周りに略等角度
   間隔で位置する様に配設されており、前記レンズ要素は
   互いに交差されて前記レンズ要素の結合された光学出力
   が１個の全体として球状のレンズの出力に等しいことを
   特徴とする光学列。 ６ 特許請求の範囲第５項において、前記光学列は３個
   のレンズ要素のみを有しており、前記球状レンズ要素は
   全て凸状レンズであることを特徴とする光学列。