WO2008010560A1

WO2008010560A1 - Optical system and eyepiece

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Publication number: WO2008010560A1
Application number: PCT/JP2007/064293
Authority: WO
Inventors: Kenzaburo Suzuki
Original assignee: Nikon Corporation
Priority date: 2006-07-20
Filing date: 2007-07-12
Publication date: 2008-01-24
Also published as: US20090310220A1; JP5413714B2; EP2045644B1; CN101490595A; TWI406007B; JPWO2008010560A1; EP2045644A1; KR20090038433A; TW200809252A; US8139295B2; KR101439564B1; CN101490595B; HK1128333A1; EP2045644A4

Description

m 糸田光学系及び接眼レンズ技術分野

本発明は、回折を利用した光学系に関し、特に、 /J 軽量かつ高性能である観察光学系ゃ投写光学系に用いる光学系に関する。背景技術

従来、光学系一般に、光学性能、特に収差を減じて結像性能を向上させるため、屈折を利用した（主としてガラスで作られる）光学素子が多く用いられていた。ところ力基準スぺクトル線に関するザイデルの 5収差および色収差を十分に減ずるために、収差補正自由度を増す必要があり、このため光学素子の数や大きさや重さが増えてしまうことが多かつた。

そこで、物体側から順に、平凸形の形状を有する第 1レンズと、同じく平凸形の第 2レンズとを、それぞれ凸面が向き合った状態で配設して、第 1レンズおよび第 2レンズにおけるいずれかの光学面上に回折面を形成した接眼レンズ（光学系）が考案されている（例えば、特開平 1 1—3 8 3 3 0号公報を参照）。このようにすれば、レンズの枚数が少ない簡単な構成でありながら、所定のアイレリーフを確保しつつ、倍率色収差が良好に補正された接眼レンズを得ることができる。発明の開示

発明が解決しょうとする Ι¾

しかしながら、上述のような接眼レンズでは、中心波長（例えば、 d線）での光学特 14 (倍率色収差等）は良好だが、その他の波長域での光学特性はあまり良好でなかった。本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、使用波長の^ S域で良好な光学特性を得ることができる光学系および、これを備えた接眼レンズを ¾^することを目的とする。課題を解^:するための手段このような目的達成のため、本発明に係る光学系は、物体側から順に並んだ、第 1レンズと、正の屈折力を有する第 2レンズとを有して構成され、レリーフパターンが形成された第 1光学素子要素と、第 1光学素子要素においてレリーフパターンが形成される面上に密着接合された第 2光学素子要素とを有する密着型回折光学素子が、第 1レンズおよび第 2レンズにおけるいずれかの光学面上に設けられている。

また、上述の発明において、第 1光学素子要素と第 2光学素子要素との d線での屈折率の差が 0. 45以下であり、第 1レンズと第 2レンズとの間の光軸上の空気間隔を Dとし、光学系全体の焦点赚を f としたとき、次式 Γ 0. 002く DZ f く 2. 0」の条件を満たすことが好ましい。

さらに、上述の発明において、第 1レンズの焦点 «を f 1とし、第 2レンズの焦点距離を f 2としたとき、 f 1>0力、つ f 2>0の：^、次式「0く D/ (f 1 X f 2) <0. 15」の条件を満たすことが好ましレ、。

また、上述の発明において、第 1レンズの焦点距離を f 1とし、第 2レンズの焦点距離を f 2としたとき、 f 1く 0かつ f 2>0かつ I f 1 I > I f 2 Iの：^、次式「一 0. 1く DZ (f l x f 2) く 0」の条件を満たすことが好ましい。

さらに、上述の発明において、第 1レンズおよび第 2レンズにおける少なくとも一つの光学面が非球面であることが好ましレ、。

また、上述の発明において、第 1レンズにおける物体側と対向する面上に、密着複層型回折光学素子が設けられていることが好ましレ、。

さらに、上述の発明において、相対的に高屈折率低分散の材料およ氐屈折率高分散の材料のうち一方を用いて第 1光学素子要素が形成されるとともに、他方を用いて第 2光学素子要素が形成され、第 1光学素子要素と第 2光学素子要素とのアッベ数の差を△ 2/ d とし、第 1光学素子要素と第 2光学素子要素との d線での屈折率の差を Δ n dとしたとき、次式「50く△!/ d/厶 n dく 2000」の条件を満たすことが好ましレヽ。

また、上述の発明において、密着複層型回折光学素子の d線での回折効率を E dとし、密着複層型回折光学素子の g線での回折効率を E gとし、密着複層型回折光学素子の C線の回折効率を ECとしたとき、次式「（Eg + EC) /2>0. 9 xEdj の条件を満たすことが好ましい。

さらに、上述の発明において、レリーフパターンの最小ピッチを pとし、光学系全体の焦点距離を f としたとき、次式「0. 000 Kp/f <0. 003」の条件を満たすことが好ましい。

また、上述の発明において、光学系全体の焦点 «を f とし、 B を ψとし、アイレリーフを Rとしたとき、次式

0. 1 < φ · R/ f ² < 2. 0

の条件を満たすことが好ましレ、。

また、本発明に係る接眼レンズは、物体の像を観察するための接眼レンズであって、本発明に係る光学系を有して構成されることを |¾とする。発明の効果

本発明によれば、使用波長の^ S域で良好な光学特性を得ることができる。図面の簡単な説明

図 1は、複層型回折光学素子の模式断面図であり、（a ) は着複層型の回折光学素子の模式断面図、（b ) は密着複層型の回折光学素子の模式断面図である。

図 2は、第 1実施例における光学系の構成を示す図である。

図 3は、第 1実施例における光学系の諸収差図である。

図 4は、密着複層型回折光学素子の各波長に対する回折効率を示す図である。

図 5は、第 2実施例における光学系の構成を示す図である。

図 6は、第 2実施例における光学系の諸収差図である。

図 7は、第 3実施例における光学系の構成を示す図である。

図 8は、第 3実施例における光学系の諸収差図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の好ましい実施形態について図を参照しながら説明する。従来より、屈折光学系や反射光学系では達し得なレ、高性能化 ·小型化等を目指し、光学系に回折光学面を組み込む試みが種々行われてきた。しかしながら、このような回折光学面を有する単層の回折光学素子では、設計波長からずれた波長域の光によりフレアが発生し、画質 ·結像性能を損ねてしまう問題があり、その使用はレーザー光源などの単一波長や、狭い波長域での使用に限られていた。

そこで、近年、 ¾ϋ型（ないしは積層型）と呼ばれる回折光学素子が提案されている。このタイプの回折光学素子は、鋸歯状に形成された回折光学面（レリーフパターン）を有し、異なる屈折率および分散を有した複数の回子要素を分離あるレヽは密着させた形で積層させてなるものであり、所望の広波長域（例えば、可視) fen域）のほぼ全域で高い回折効率が保たれる、すなわち、波長特性が良好であるという W [を有している。なお、このような回折光学素子の性質に関しては、「『回折光学素子入門』応用物理学会日本光学会監修平成 1 8年増補改訂版発行」に詳しい。なお、実施例に示す回折光学面のデータは、超高屈折率法で示してあり、同じく「『回折光^ ¾子入門』応用物理学会日本光学会監修平成 1 8年増補改訂版発行」に詳しい。

ここで、複層型回折光学素子の構造について説明すると、一般に、図 1 ( a ) に示すように、第 1の材質からなる第 1光学素子要素 5 1と、これとは屈折率や分散値が異なる第 2の材質からなる第 2光学素子要素 5 2とから構成され、それぞれ光学素子要素 5 1 , 5 2の対向し合う面は図のように鋸歯状に形成されている。そして、特定の 2波長に対して色消し条件を満足させるように、第 1光学素子要素 5 1のレリーフパターンの高さ h 1を所定の値に決定し、第 2回折素子要素 5 2のレリーフパターンの高さ h 2を別の所定の値に決定する。これにより、特定の 2波長に対しては回折効率が 1 . 0となり、その他の波長に対してもかなり高い回折効率を得ることができるようになる。なお、回折効率とは、 ¾i型の回折光学素子において、該回折光学素子に入射する光の強度 1 ₀と、一次回折光の強度との割合；/ (= i i _Q) を指している。

なお、図 1 ( a ) に示す分瞧層型の回折光学素子 D O E' では、これを構成する第 1 光子要素 5 1および第 2光学素子要素 5 2におレ、て、それぞれレリーフパターン 5 3， 5 4の高さ h 1， h 2が相異なるため複数の金型が必要であるとともに、これら金型を用いて第 1および第 2光学素子要素 5 1 , 5 2を同じ手順で別々に製造し、さらに精度良く位置合わせをしなければならず、生産に非常に手間がかかってしまう。

そこで、第 1光学素子要素 5 1におけるレリーフパターン 5 3の高さ h 1と、第 2回折素子要素 5 2におけるレリーフパターン 5 4の高さ h 2とを一致させた、密着 ¾11型の回折光学素子 D O Eが提案されている（図 1 ( b ) 参照）。この密着型の回折光学素子 D O Eは、第 1光学素子要素 5 1においてレリーフパターン 5 3が形成される面上に、第 2光学素子要素 5 2を密着接合させた構成であり、分 «に比べて、回折格子の高さの誤差感度（公が緩くなつたり、格子面の面粗さの誤度（公^) 力 S緩くなつたりする等、製造し易くなるメリットがあり、生産性に優れて量産' 14が高い。このため、光学製品のコ ' ストダウンに好都合である利点を有している。このように、回折光学素子の構成を密着複層型にすることで、回折光学素子をほぼ全波長に対して適用することができるようになり、広帯域の白色光を利用する写真力メラの撮像レンズや可視域で使用する接眼レンズ等に容易に用いることができる。

5 本発明は、このような密着複層型回折光学素子を利用した/ j 軽量の光学系に関するものである。そして、本実施形態の光学系は、物体側から順に並んだ、第 1レンズと、正の屈折力を有する第 2レンズとを有して構成され、第 1レンズおよび第 2レンズのいずれかの光学面上に密着 ¾ϋ型回折光学素子が設けられている。これにより、使用波長の^ Β域で良好な光性を有する、小型で高性能な光学系を得ることができる。なお、このよう

10 な光学系は、膨レンズ光学系として用いることもでき、さらに、像面近くに表示素子を配設することで、投写光学系として用いることも可能である。 ·

なおこのとき、第 1レンズにおける物体側と対向する面上に、密着型回折光学素子

' が設けられていることが好ましい。このようにすれば、物体からの光が密着複層型回折光学素子のレリーフパターンに垂直近傍で入射することになる。そのため、レリーフパター

15 ンの段差部分にぉレヽて斜光線が正規の角度で入射せずに迷光が発生してしまう不都合を軽減することができる。さらに、最も物体側に位置する回折光学素子が密着型であるため、例えば、レリーフパターンを透過する光以外の迷光がレンズ面^ ¾面等での反射を経て結像面に悪影響を及ぼす不都合を軽減することができる。

また、回折光学素子全体で正の屈折力を有している場合、第 1の光学素子要素は正の屈

20 折力を有することが好ましいが、第 2の光学素子要素は正負どちらの屈折力を有していても構わなレ、。設計要件に照らして、仕様達成、収差補正等に都合よく構成すればよい。なおこのとき、回折光学面で正の屈折力を有してレヽれば負の分散を有するので、回折光学素子全体で良好な色消しを達成することが可能になる。

密着複層型回折光学素子を構成する光学素子要素は、相対的に高屈折率低分散の材料お

.25 よ IKS屈折率高分散の材料からなることが必要であり、どちらが物体側であってもよレ、。

具体的には、高屈折率低分散の材料およ確屈折率高分散の材料のうち一方を用ヽて第 1 光学素子要素 5 1 (図 1 ( b ) を参照）が形成されるとともに、他方を用いて第 2光学素子要素 5 2 (図 1 ( b ) を参照）が形成される必要があり、密着翻型回折光学素子を形成するための必須の構成要件である。また、製造上の誤差感度を低減させるために、第 1

30 光学素子要素 5 1と第 2光学素子要素 5 2との d線での屈折率の差が 0. 4 5以下である c ことが好ましく、 0. 2以下であることがより好ましレ、。

そして、本実施形態では、第 1レンズと第 2レンズとの間の光軸上の空気間隔を Dとし、光学系全体の焦点距離を f としたとき、次の条件式 (1) で表される条件を満足する。

0. 002<D/f < 2. 0 … (1)

5 条件式 (1) は、第 1レンズと第 2レンズとの空気間隔 Dの適切なる範囲を、焦点賺 ' f との割合で規定する。この条件式（1) を満たせば、全長を短くしても良好な光^ 性を有する光学系を得ることができる。なお、 D/fが条件式 (1) の上限を超えると、光学系の全長が長くなりすぎてしまい、小型化を損なうば力り力、軸外収差の発生も大きくなって良好な結像性能が得られなくなる不都合が生じる。特に、主光線よりも上側の光線 10 のコマ収差が大きくなり、歪曲収差が +側に発生しやすくなる傾向となってしまう。

一方、 DZfが条件式 (1) の下限を超えると、光学系の射出瞳位置が近くになりすぎ、例えば撮像素子にテレセントリック近くに入射する条件から外れやすくなる。このとき、いわゆる像高が高くなるのにしたがってシェーディングが発生しやすくなってしまう。また、コマ収差の補正が不十分になる傾向となって、十分な結像性能が得られなくなつてし 15 まう。なお、条件式 (1) において、 0 £の上限を1. 0とするとともに、下限を 0.

003とすることがより好ましい。

また、条件式 (1) において、 DZf の上限を 0. 1とするとともに、下限を 0. 00 ： 3とすることがより好ましい。

またこのとき、第 1レンズおよび第 2レンズにおける少なくとも一つの光学面は、非球 20 面であることが好ましい。このようにすれば、密着型回折光学素子を採用し、力つ光学系の全長を短くしても、軸外収差等の諸収差を良好に補正することができる。

ところで、光学系全体の焦点 ¾ f は、第 1レンズの焦点 «を f 1とし、第 2レンズの焦点 «を 2とすると、薄肉系の合成焦点 «として次の（21) 式から算出される。また、（21) 式を変形することにより、（22) 式が得られる。

25 l/f = (1/f l) + (l/f 2) -D/ (f 1 x f 2) ■■■ (21)

Ώ/ (f 1 x f 2) = { (1/f 1) + (1/f 2) } - (22) この（22) 式から、 f 1 >0カ、っ£ 2〉0の^^、次の条件式 (2) で表される条件を満足することが好ましい。

0<D/ (f 1 X f 2) <0. 1 5 … （2)

.30 条件式（2) は、 DZ (f 1 X f 2) の値が零近傍まで小さければ、所定の f 1および f 2の値に対し第 1レンズと第 2レンズとをさせることで、光学系全体の十分な屈折力が得られることを示している。これにより、レンズ間の «を短くして全長が lされた、屈折力の大きな光学系（例えば、接眼レンズ）を得ることができる。

なお、 D/ (f 1 f 2) が条件式（2) の上限を超えると、光学系全体の屈折力が弱まり、十分な屈折力（倍率）が得られない。また、レンズと像面との »が近くなりすぎ、ミラーやプリズムを配置しにくくなる不都合が生じる。さらに、歪曲収差が一側に大きくなりすぎ、良好な像が得られなくなる。一方、レンズ同士が接してしまうと、光軸近傍に干渉縞が写りこむ不都合やレンズ面に傷が付いてしまう不都合が生じるので、 D/ (f 1

X f 2) の下限は 0とする。なお、条件式 (2) において、 DZ (f 1 X f 2) の上限を 0. 1とすることがより好ましい。

また、 f 1く 0力、つ f 2>0力、つ I f 1 I > I f 2 Iの：^、次の条件式 (3) で表される条件を満足することが好ましレ、。

—0. 1 <D/ (f 1 f 2) <0 … （3)

第 1レンズが負の屈折力を有し、力ゝっ第 2レンズが正の屈折力を有する場合には、レンズによる色消し作用が出るので、所定の色消しを達成するためにレリーフパターンのピッチを緩くすることができる。このため、フレア発生が小さくなり、また回折光学素子を製造しやすくなつて好都合であるが、一方で、レンズ同士をさせると屈折力が小さくなる不都合が生じる。条件式 (3) は、光学系の全長、屈折力、および収差に関し、適正なバランスを示すものである。

D/ (f 1 X f 2) が条件式 (3) の下限を超えると、レンズ間の «が長くなつて全長が長くなり、小型の光学系は得られなレ、。さらに、歪曲収差が +側に大きくなりすぎ、良好な像が得られなくなる。一方、レンズ同士が接してしまうと、光軸近傍に干渉縞が写りこむ不都合やレンズ面に傷が付いてしまう不都合が生じるので、 D/ (f 1 X f 2) の上限は 0とする。なお、条件式 (3) において、 (f 1 f 2) の下限を _0. 01 とすることがより好ましい。

また、第丄光学素子要素 51と第 2光学素子要素 52とのァッべ数の差を △ dとし、第ェ光学素子要素 51と第 2光学素子要素 52との d線での屈折率の差を△ n dとしたとき、次の条件式（4) で表される条件を満足することが好ましい。

50<Δΐ/ d/Δη d<2000 "- (4)

条件式（4) は、高屈折率低分散の材料およ屈折率高分散の材料における、アッベ数の差 Δί/ dおよび屈折率の差 Andの適切な範囲を規定する。条件式（4) で規定された範囲を外れると、高屈折率低分散の材料およ氐屈折率高分散の材料からなる密着複層型回折光学素子であっても、レリーフパターンの高さが高くなつてしまったり、諸波長に対する回折効率が低下してしまったりする不都合が生じる。なお、条件式 (4) において、 △!/ dZAn dの上限を 800とするとともに、下限を 100とすることがより好ましい。

また、密着複層型回折光学素子の d線での回折効率を Edとし、密着複層型回折光学素子の g線での回折効率を E gとし、密着複層型回折光学素子の C線での回折効率を E Cとしたとき、次の条件式 (5) で表される条件を満足することが好ましい。

(Eg + EC) /2>0. 9 xEd -- (5)

条件式 (5) は、広帯域の波長における回折効率の適切な範囲を規定する。条件式 (5) で規定される範囲を外れると、短波長もしくは長波長のレヽずれ力回折効率が低下してしまレ、、回折フレアが大きくなり画質を損ねてしまう。具体的には、 Egが低下する場合には青色系の回折フレアが増大し、 ECが低下する場合には赤色系の回折フレアが増大して、画質を損ねてしまう。なお、条件式 (5) において、 £ に係る係数を0. 8〜0. 98の範囲にすることが好ましいが、 0. 9の値は、多人数のサンプル抽出による経験値である。

第 1レンズおよび第 2レンズのいずれかの光学面上に設けられた密着複層型回折光学素子が、光軸に対して対称で、最も外側を通る光線（主光線）の入射角度が 10度以下となる回折光学面（レリーフパターン）を有する：^、回折光学面の有効径（直径）を Cとし、光学系全体の焦点 «Iを f としたとき、次の条件式 (6) で表される条件を満足することが好ましい。

0. KC/f く 3. 0 … (6)

条件式 (6) は、回折光学面の有効径（直径）の適切な範囲を規定する。 CZf が条件式（6) の上限を超えると、有効径が大きくなりすぎ、回折光学面（レリーフパターン）の製作が難しくなりコスト上昇に繋がる。また、回折光学面に外部からの有害光が入りやすくなり、フレア等による画質低下を招きやすくなる。一方、 C/f が条件式 (6) の下限を超えると、回折光学面が設けられるレンズの有効径が小さくなるとともにレリーフパターンのピッチが小さくなるため、回折光学面（レリーフパターン）の製作が難しくなつてコスト上昇に繋がるだけでなく、回折光学面でのフレアの発生が大きくなり画質低下を招きやすくなる。なお、条件式 (6) において、。/£の上限を0. 8とするとともに、下限を 0. 1とすることがより好ましい。

また、第 1レンズにおける物体側と対向する面が凹面であるとともに、第 1レンズにおける物体側と反対側に位置する面が凸面であり、これらのうちいずれかの面上に密着^ ϋ 型回折光学素子が設けられている^ \ レリーフパターンの高さを hとし、第 1光学素子要素における光軸上の厚さおよび第 2光学素子要素における光軸上の厚さのうち小さレ、方を dとしたとき、次の条件式 (7) で表される条件を満足することが好ましい。

0. 05<h/d<2. 0 … (7)

条件式 (7) は、溝深さの低いレリーフパターンを形成する際の適正なる高さ hと、光学素子要素の厚さ dとの関係を示す。 hZdが条件式 (7) の上限を超えると、相対的に溝の高さが高くなりすぎるため、レリーフパターンを作りにくくなるだけでなく、溝の段分が大きくなって、この段分に当たった光による散乱等で迷光が発生し "くなる。一方、 h/dが条件式 (7) の下限を超えると、相対的に光学素子要素が厚くなりすぎるため、やはりレリーフパターンを作りにくくなるだけでなく、光学素子要素における光の内部吸収が増えてしまい、光学系全体の ¾ 率が低下したり、色付きが起こり^ くなったりして、画質が低下してしまう。なお、条件式 (7) において、 hZdの上限を 1. 0とするとともに、下限を 0. 02としてもよレ、。

また、レリーフパターンの最小ピッチを pとし、光学系全体の焦点 «を f としたとき、次の条件式 (8) で表される条件を満足することが好ましい。

0. 0001く p/f く 0. 003 "- (8)

条件式 (8) は、最小ピッチ pと光学系全体の焦点謹 f との適切な比を規定している。最小ピッチ pが小さいと、回折角が大きくなつて回折光学面での色分散が大きくなり、色収差補正に効果的ではあるが、一方で、加工が難しくなり、回折光学面でのフレアの発生も大きくなる。そのため、最小ピッチ pを適切な範囲で用いることは重要である。

p/fが条件式 (8) の上限を超えると、最小ピッチ pが大きくなりすぎてしまい、十分な色消しが達成できず、画質が低下する不都合が発生しやすくなる。 pZfが条件式

(8) の下限を超えると、最小ピッチ pが小さくなりすぎてしまレ、、上述したように、加ェが難しくなり、回折光学面でのフレアの発生も大きくなる。また、不要なフレア光による画質の低下を招き、さらに、回折効率の低下を招いてしまう。

また、本実施形態の光学系の応用として、小型ディスプレイや対物レンズ等で形成された画像を拡大観察するような用途に対しては、光学系全体の焦点 «を f とし、瞳径を ø とし、アイレリーフを Rとしたとき、次の条件式 (9) で表される条件を満足することが好ましレ、。

0. 1<0 xR/f ²< 2. 0 … (9)

5 条件式 (9) は、本実施形態の光学系を上述のような観察光学系に適用したの、瞳径 ø、アイレリーフ R、焦点距離 f の適切なる関係を示している。アイレリーフ Rを十分に取ることは、観察光学系を構成する上で重要である。

0xRZf²が条件式 (9) の上限を超えると、アイレリーフ Rが長くなりすぎてしまい、光学系の大型ィ匕を招きやすくなる。一方、 0xR/f²が条件式 (9) の下限を超え 10 ると、アイレリーフ Rが短くなりすぎてしまレ、、画像の観察がやりにくくなる。また、瞳 ' 径 øも小さくなるため、けられやすくなり、使用時に画像力 S観察しにくくなる不都合が発生しやすくなつてしまう。なお、瞳の形状は、円形である必要はなく、用途や設計仕様に応じて、矩形や楕円であっても構わない。なおこのとき、レンズの形状や絞りの形状を工夫することにより、このような瞳の形状を達成することができる。また、条件式 (9) 15 において、 0xR/f²の上限を 1. 0とするとともに、下限を 0. 15とすることがより好ましい。また、条件式 (9) において、 0 £²の上限を1. 0とするとともに、下限を 0. 2とすることがより好ましい。なお、 0xRZf^iO. 3前後であることがさらに好ましい。

また、実際に本実施形態の光学系を構成する際、以下に述べる要件を満たすことが、よ 20 り好ましい。

まず、第 1および第 2光学素子要素において、成形' 14を良好に保ち、優れた量産 '性を確保するためには、どちらカゝ一方の光学素子要素を構成する材料の粘度（未硬化物粘度）が、 ' 少なくとも 40 Pa · s (パスカル ·秒）以上であることが好ましレ、。この粘度が 40 Pa · _S 以下であると、成形中に樹脂が流れ易くなり、精密な形状形成が困難となってしまう不都 25 合が生じる。しかしながら、もう一方の光学素子要素を構成する材料の粘度は、逆に少なくとも 200 OPa · s以上であることが好ましい。

さらに、第 1および第 2光学素子要素は、生産効率を向上させるため、レヽずれも UV硬ィ匕型樹脂を用いて形成されることが好ましい。これにより、工数を削減でき、コストダウンにも繋がり好都合である。

30 また、上述のように、第 1および第 2光学素子要素の材料力 Sいずれも樹脂である、小型化 ·軽量化のため、これら樹脂の比重がいずれも 2. 0以下であることが好ましい。ガラスに比して樹脂は比重が小さいため、光学系の軽量化に非常に有効である。さらに効果を発揮するには、比重が 1 . 6以下であることがより好ましレ、。さらに、第 1および第 ' 2光学素子要素は、空気との界面に正屈折力の屈折面を有しており、この屈折面は非球面 5 であることが好ましい。

また、第 1および第 2光学素子要素のうち、レヽずれかの樹脂に色素を混入して、色フィルター効果を持たせることも可能である。例えば、この手法により、赤外線カットフィルタを構成し、小型撮像光学系を構成することもできる。

また、絞りは、光学系中に随意に設置することが可能であるが、不要な光線をカットし 10 て、結像に有用な光線のみを通すように構成することが好ましい。例えば、レンズ枠そのものを開口絞りとしてもよく、レンズから »た位置にメカで絞りを構成してもよレ、。なお、絞りの形状は、設計仕様に応じて、円形に限らず、楕円や矩形としてもよレ、。

本実施形態の光学系を撮影光学系に適用する場合には、密着複層型回折光学素子の内部又は外部に、光学的口一パスフィルタを組み込んで用いてもよい。

15 また、本実施形態の光学系を観察光学系に適用する場合には、そのルーペ倍率が 2倍以 ' 上、 2 0倍以下であることが好ましい。

なお、密着複層型回折光学素子を組み込んで得られる 3つ以上の（複数の）構成要素からなる光学系も、本発明の範囲を逸脱するものではない。また、屈折率分布型レンズ、結晶材料レンズなどを組み込んで得られる光学系に関しても同様である。

20 また、 d線、 g線、 C線、および F線の軸上色収差における最大拡がり幅を△ とすると、次の条件式（1 0 ) で表される条件を満足することが好ましい。

0 . 0 0 Κ Δ/ f < 0 . 0 2 … （1 0 )

条件式（1 0 ) は、軸上色収差の適切なる補正範囲の条件を規定している。 AZ fが条件式（1 0 ) の上限を超えると、軸上色収差が大きくなりすぎてしまレヽ、色付いた画像と 25 なって画質を大きく損ねてしまう。なお、条件式（1 0 ) において、 ΔΖ ίの上限を 0 .

0 0 3とするとともに、下限を 0. 0 0 2とすることがより好ましレ、。実施例

以下、本発明の各実施例を添付図面に基づいて説明する。各実施例において、回折光学 30 面の位相差は、通常の屈折率と後述する非球面式（2 3 ) , ( 2 4 ) を用いて行う超高屈折率法により計算した。超高屈折率法とは、非球面形状と回折光学面の格子ピッチとの間の一定の等価関係を利用するものであり、本実施例にぉレヽては回折光学面は超高屈折率法のデータとして、すなわち、後述する非球面式（23) , (24) 及びその係数により示している。なお、本実施例では収差特性の算出として、 d線（波長 587.6n m, 屈折率 10001) 、 C線（波長 656.3 nm, 屈折率 11170.4255) 、 F線（波長 486. In m, 屈折率 8274.7311) 及び g線（波長 435.8 nm，屈折率 7418.6853) を選んでいる。

各実施例において、非球面は、光軸に垂直な方向の高さを y、非球面の頂点における接平面から高さ yにおける非球面上の位置までの光軸に沿った隨（サグ量）を S (y) 、基準球面の曲率を！:、近軸曲率を R、円錐係数を Λ：、 n次の非球面係数を C_nとしたとき、以下の条件式（23) , (24) で表される。

S (y) = (y Vr) / {1+ · y²/r ²) ^1/2}

+ C₂y²+C₄y⁴ + C₆y⁶ + C₈y⁸ + C₁₀y¹⁰ - (23)

R=l/ { (1/r) +2CJ … （24)

なお、各実施例において、非球面形状に形成されたレンズ面には、表中の面番号の右側に *印を付している。また、各実施例において、回折光学面の位相差は通常の屈折率と上記非球面式（23) ，（24) とを用レ、て行う超高屈折率法により計算した。このため、非球面レン ®及び回折光学面のいずれにも、非球面式 (23) , (24) が用いられる力非球面レンズ面に用いられる非球面式（23) , (24) はレン ®の非球面形状そのものを示し、一方、回折光学面に用いられる非球面式（23) , (24) は回折光学面の性能の諸元を示す。第 1実施例

以下、本発明の第 1実施例について図 2〜図 4を用いて説明する。各実施例の光学系は、物体の像を観察するための接眼レンズとして用いられるものである。図 2に示すように、第 1実施例の光学系（接眼レンズ） EL1は、物体 O側から順に並んだ、正の屈折力を有する第 1レンズ L1と、同じく正の屈折力を有する第 2レンズ L 2とを有して構成され、第 1レンズし 1における物体 O側と対向する面上に、密着複層型回折光学素子 DOEが貼り付けられている。なお、上記図面では、射出瞳を符号 Hで示している。物体 Oは、例えば液晶表示装置であり、液晶表示装置に表示された画像を本実施例の光学系（接眼レンズ） EL 1を用いて拡大観察することができる。なお、この光学系（接眼レンズ） EL1 の全画角は 35. 4度である。

また、密着複層型回折光学素子 DOEは、第 1レンズ L1に貼り付けられる側から順に、第 1光学素子要素 51と、第 2光学素子要素 52とを有して構成される。なお、第 1レンズ L 1における物体 O側と対向する面は僅かに曲率を持つ凹面であり、第 1レンズ L 1に 5 おける物体 O側と反対側に位置する面（第 2レンズ L 2と対向する面）は凸面である。また、第 2レンズ L 2における '第 1レンズし 1と対向する面は凸面であり、第 2レンズ L 2 における第 1レンズ L 1と反対側に位置する面は凹面である。

なお、本実施例では、第 1および第 2レンズ L 1 , L 2の材質をともに日本ゼオンネ: t$¾ ZEONEX480Rとし、第 1光学素子要素 51の材質を以下に説明する相対的に低屈

10 折率高分散な紫外線硬化樹脂とし、第 2光学素子要素 52を以下に説明する相対的に高屈折率低分散な紫外線硬化樹脂とした。

' ここで、上記の相対的に低屈折率高分散な紫外線硬化榭脂について説明すると、この樹脂は、 2, 2， 3, 3, 4, 4, 5, 5—ォクタフルォへキサン一 1 , 6—ジアクリルレートと、 9, 9—ビス [4— (2—アタリロイルォキシエトキシ）フエニル] フルオレン

15 と、ィルガキュア 184を混合し、所定の操作を行って生成された紫外線硬ィ物である。以下、便宜上、低屈樹脂 No. 1と称する。次に、相対的に高屈折率低分散な紫外線硬化樹脂にっレ、て説明すると、この樹脂は、トリシクロデカンジメタノールジァクリレ —トと、ジ（2—メルカプトジェチル）スルフイドとを付加反応させた後に、ィルガキュァ 184を励 [1して得られた紫外線硬化†»城物である。以下、便宜上、高屈樹脂 No.

20 1とる。

下の表 1に、第 1実施例における各レンズの諸元を示す。表 1における面番号：!〜 8は図 2における面 1〜8と対応する。なお、第 1面は瞳面である。また、表 1における rはレンズ面の曲率半径（非球面の場合には基準球面の曲率半径）を、 dはレンズ面の間隔を、 '' n (d) は d線に対する屈折率を、 n (g) は g線に対する屈折率を、 n (C) は C線に 25 対する屈折率を、 n (F) は F線に "る屈折率をそれぞれ示している。なお、前述の条件式（1) 〜（10) (条件式 (3) を除く）に対応する値、すなわち条件対応値も以下に示している。ここで、以下の全ての諸元値において掲載されている曲率半径!:、面間隔 dおよびその他の長さの単位は、特記のない^、一般に「mm」力 S使われるが、光雜は比例拡大又は比例縮小しても同等の光学性能が得られるので、単位は「mm」に限定さ 30 れることなく、他の適当な単位を用いることもできる。以上の表の説明は、他の実施例における表中においても同様である。

なお、表 1

oにおいて、非球面形状に形成されたレンズ面には、面番号の右に *印を付している。本実施例では、面番号 3および 7に相当する面が非球面であり、面番号 6に相当する面が回折光学面である。回折光学面は、超高屈折率法で標記されている。 n (d) = 10001などの非常に大きレヽ屈折率値と、非球面係数との組み合わせで回折光学面を表現している。

(表 1)

面番号 r d n (d) n (g) n (C) n (F)

1 0.00000 21.00000 1.000000

2 -300.00000 4.00000 1.524700 1.536490 1.521960 1.531290

3* -26.22573 0.20000 1.000000

4 28.31486 4.00000 1.524700 1.536490 1.521960 1.531290

5 297.99863 0.20000 1.527600 1.547700 1.523300 1.538500

6* 297.99863 0.00000 10001 7418.6853 11170.4255 8274.7311

7* 297.99863 0.20000 1.556900 1.571100 1.553700 1.564800

8 297.99863 23.07811 1.000000

(非球面データ）

面番号 K c₂ C₄ c₆ C₈

3 0.4700 0.00000 - -8.00000X10"* 1.38460 10^ 2.00000 x 10— ¹²

10

0.00000

面番号 K c₂ c₄ c₆ c₈

1.90000X10—7 3.00000 10" ¹⁰ 0.00000 - 0.01 3000

^ 10

0.00000 (条件対応値) D=0.2

f =25.812

f 1 =48.847

f 2 =54.496

Δ n d =0.0293

E g =98.221

E C =98.233

" E d =99.999

10 C =24.19

h =0.02

d=0.2

p =0.0238

0=10.000

15 R =21.000

Δ =0.1873

( 1 ) Ό/ f =0· 00775

(2) Ό/ ( f 1 x f 2) =0.0000751

20 (5) (Eg+EC) / 2 =98.227

' 0. 9 x E d =89.999

(6) C/f =0.937

(7) h/d=0.1

(8) p / f =0.000922

25 (9) x R/ f ²=0.3152

(10) Δ/f =0.00726 このように本実施例では、上記条件式 (1) 〜（10) (条件式 (3) を除く）が全て満たされていることが分かる。

30 図 3は、第 1実施例における諸収差図である。各収差図は、 d線、 g線、 C線、および F線についての結果を示しており、 F NOは Fナンバーを、 Yは像高を示している。球面収差図では最大口径に対応する Fナンバーの値を示し、非点収差図および歪曲収差図では像高の最大値をそれぞれ示し、コマ収差図では各像高の値を示す。また、非点収差図におレヽて、実線はサジタル像面を示し、 I ^はメリディォナル像面を示している。以上、収差図の説明は他の実施例においても同様である。各収差図から明らかであるように、本実施例では、 d線だけでなく、 g線、 C線、および F線についても、諸収差が良好に補正され、優れた結像性能が確保されていることが分かる。

なお、図 4に示す曲線 Aおよび Bは、 d線で回折効率が 1 0 0 %となるように設定した回折効率の分布であり、曲線 Aは低屈樹脂 N o . 1の表面にレリーフパターンが形成された単層の回折光学素子における回折効率、曲線 Bは低屈樹脂 N o . 1と高屈樹脂 N o . 1 とからなる密着 mil型回折光学素子における回折効率を示している。本実施例において、 g線から C線までの波長領域で 0 . 9 5 ( 9 5 %) 以上の高い回折効率（光強度）を得ることができた。第 2実施例

以下、本発明の第 2実施例について図 5〜図 6を用いて説明する。図 5に示すように、第 2実施例の光学系（接眼レンズ） E L 2は、物体 O側から順に並んだ、負の屈折力を有する第 1レンズ L 1と、正の屈折力を有する第 2レンズ L 2とを有して構成され、第 1レンズ L 1における物体 O側と対向する面上に、密着複層型回折光学素子 DO Eが貼り付けられている。なお、上記図面では、射出瞳を符号 Hで示している。この光学系（接眼レンズ） E L 2の全画角は 2 4. 3度である。

図 5からわかるように、第 2実施例の光学系（接眼レンズ） E L 2は、第 1実施例の光学系 E L 1と同様の構成であり、各部に第 1実施例の：^と同一の符号を付して詳細な説明を省略する。ただし、第 1レンズ L 1が負の屈折力を有する点で第 1実施例と異なってレ、る。また、第 2レンズし 2における第 1レンズ L 1と反対側に位置する面が凹面である点で第 1実施例と異なっている。

下の表 2に、第 2実施例における各レンズの諸元を示す。表 2における面番号 1〜8は図 5における面 1〜8と対応する。また、表 2において、非球面形状に形成されたレンズ面には、面番号の右に *印を付している。本実施例では、面番号 3および 4並びに 7に相当する面が非球面であり、面番号 6に相当する面が回折光学面である。なお、回折光学面は、第 1実施例と同様に、超高屈折率法で表記している。

(表 2)

面番号 r d n (d) n (g) n (C) n (F)

1 0.00000 21.00000 1.000000

2 34.04256 4.60000 1.524700 1.536490 1.521960 1.531290

3* -19.63227 0.10000 1.000000

4* 140.45480 2.50000 1.517420 1.529800 1.514440 1.524310

5 49.47642 0.20000 1.527600 1.547700 1.523300 1.538500

6* 49.47642 0.00000 10001 7418.6853 11170.4255 8274.7311

7* 49.47642 0.20000 1.556900 1.571100 1.553700 1.564800

8 49.47642 22.76128 1.000000

(非球面データ）

面番号 κ c₂ C₄ 6 ^ 8

3 -1.7871 0. 00000 1.78450X10^ -1.65830 X10"⁶ 7.11790 xlO"⁹

10

-6.18770X10— ¹²

面番号 κ c₂ c₄ ^ 6 ^ 8

4 -6.5471 0. 00000 1.86590X10" ⁴ -1.49880 XlO"⁶ 6.23320 XlO"⁹

^ 10

-2.70900X10— ¹²

面番号 K c₂ c₄ し 6 C g

7 1.0000 - 1.50000X10—⁷ 7.68750x10— ¹¹ -1.03410 x 10— ¹¹ 1.78730 x 10— ¹³ c₁₀

-9.74580 lO"¹⁶

(条件対応値）

D=0.1

f =26.335 f 1 =-269.234

f 2 =24.452

Δ V d=15.46

Δ n d =0.0293

Eg =98.221

EC =98.233

E d =99.999

C = 18.71

h =0.02

d =0.2

p =0.0305

0=10.000

R =21.000

Δ=0.1124

( 1 ) Ό/ f =0.00380

(3) D/ (f 1 x f 2) =-0.00001519

(4) Δ v dZAn d =527.645

(5) (Eg+EC) / 2 =98.227

0. 9 x E d =89.999

(6) C/f =0.711

(7) h/d=0.1

(8) p/f =0.00116

(9) ø x R/ f ²=0.3028

(10) A/ f =0.00427 このように本実施例では、上記条件式 (1) 〜（10) (条件式 (2) を除く）が全て満たされていることが分かる。

図 6は、第 2実施例における諸収差図である。各収差図から明らかであるように、本実施例では、 d線だけでなく、 g線、 C線、および F線についても、諸収差が良好に補正され、優れた結像性能が確保されていることが分かる。第 3実施例

以下、本発明の第 3実施例について図 7〜図 8を用いて説明する。図 7に示すように、第 3実施例の光学系（接眼レンズ） E L 3は、物体 O側から順に並んだ、正の屈折力を有する第 1レンズ L 1 1と、同じく正の屈折力を有する第 2レンズ L 1 2とを有して構成され、第 2レンズ L 1 2における第 1レンズし 1 1と対向する面上に、密着^ ϋ型回折光学素子 D O Eが貼り付けられている。なお、上記図面では、射出瞳を符号 Hで示している。この光学系（接眼レンズ） E L 3の全画角は 4 0. 0度である。

また、密着複層型回折光学素子 D O Eは、第 2レンズ L 1 2に貼り付けられる側から順に、第 1光学素子要素 5 1と、第 2光学素子要素 5 2とを有して構成される。なお、第 1 レンズ L 1 1における物体 O側と対向する面は平面であり、第 1レンズし 1 1における物体 O側と反対側に位置する面（第 2レンズ L 1 2と対向する面）は凸面である。また、第 2レンズ L 1 2における第 1レンズ L 1 1と対向する面は凸面であり、第 2レンズ L 1 2 における第 1レンズし 1 1と反対側に位置する面は平面である。

なお、本実施例では、第 1および第 2レンズ L 1 1， L 1 2の材質をともにアタリル榭月旨とし、第 1光学素子要素 5 1の材質を（前述の第 1実施例と同様の）相対的に高屈折率低分散な紫外線硬化樹脂とし、第 2光学素子要素 5 2を（前述の第 1実施例と同様の）相対的に低屈折率高分散な紫外線硬化樹脂とした。

下の表 3に、第 3実施例における各レンズの諸元を示す。表 3における面番号 1〜8は図 7における面 1 1〜： I 8と対応する。また、表 3において、非球面形状に形成されたレンズ面には、面番号の右に *印を付している。本実施例では、面番号 5に相当する面が非球面であり、面番号 4に相当する面が回折光学面である。なお、回折光学面は、第 1実施例と同様に、超高屈折率法で表記している。 (表 3 )

面番号 Γ d n ( d ) n ( g ) n (C) n ( F)

1 0. 00000 5. 00000 1. 000000

2 0. 00000 2. 00000 1. 491080 1. 501900 1. 488540 1. 497070

3 -8. 20000 0. 20000 1. 556900 1. 571100 1. 553700 1. 564800

4* -8. 20000 0. 00000 10001 7418. 6853 11170. 4255 8274. 7311 1090 Ό= J x I J) /a (Z)

9W6 Ό= J /Q (I)

88W) Ό= V

000 Ζ=

000 Όΐ = Φ

S02T0 Ό= d

Ρ

20 Ό=

8C ·9= 0

666 ·66= Ρ Ή

'86= ΟΉ ΟΖ

ΙΖΖ ·86= S 3

Ό= Ρ u ν

9^ "91 = Ρ Λ V

869·9ΐ = τ j

ZSS '9Τ = I J 91 f9l Έΐ = J

£1 = α

棚

00000 Ό

00000 Ό 00000 Ό ^ΟΐΧ 00000 'Ζ- _ζ_0ΐΧ 00003 'Ζ- 0000 Ί 9 ο ⁹0 ^ζΟ Ή 告翻

000000 Ί Ψ9Ζ0Ζ Ό 00000 Ό 8

0L0L6 006T0S 'ΐ 08016， οοοοο ·ε 00002 ·8 1

000000 ·ΐ οοοοο ·ετ 00002 ·8— 9

0098S9 ·ΐ Ί 009Ζ29 ·ΐ 0000Ζ Ό 0000Ζ ·8— *9

02

C6Zl790/.00Zdf/X3d 09S0T0/800Z OAV

(5) (E g+EC) /2=98.227 ·.

0. 9 xEd =89.999

(6) C/ f =0.4734

(7) h/d=0.1

(8) p Z f =0.000893

(9) ø xR/f ²=1.1563

(10) Δ/f =0.00362 このように本実施例では、上記条件式 (1) 〜（10) (条件式 (3) を除く）が全て満たされていることが分かる。

図 8は、第 3実施例における諸収差図である。各収差図から明らかであるように、本実施例では、前述の第 1および第 2実施例ほどではなレ、が、 d線だけでなく、 g線、 C線、および F線についても、諸収差が良好に補正され、優れた結像性能が確保されていることが分かる。なお、各実施例において、本発明の発明者が D/f =0. 003となる条件で光学系の設計を試みたが、従来と比較して諸収差の大きな改善は見られなかった。

以上のような本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しなレヽ範囲であれば適宜改良可能である。また、上述の各実施例では、接眼レンズとして用いられる光学系の例について説明しているが、これに限られるものではなく、本実施形態の光学系は、投写光学系等に用いることも可能である。なお、接眼レンズの：^、第 1 および第 2実施例のように、物体側のレンズに密着鶴型回折光学素子を設けることがより好ましい。なぜなら、レリーフパターンが形成された光学面に対して主が略垂直に入射するため、フレアがより少なくなるからである。

Claims

言青求の範囲

1. 物体側から順に並んだ、第 1レンズと、正の屈折力を有する第 2レンズとを有して構 ' 成され、

5 レリーフパターンが形成された第 1光学素子要素と、膽己第 1光学素子要素において fit己レリーフパターンが形成される面上に密着接合された第 2光学素子要素とを有する密着複層型回折光学素子が、前記第 1レンズおよび前記第 2レンズにおけるいずれ力、の光学面上に設けられていることをとする光学系。

10 2. 廳己第 1光学素子要素と ΙίίΙΒ第 2光学素子要素との d線での屈折率の差が 0. 45以下であり、

l己第 1レンズと Ιΐίΐ己第 2レンズとの間の光軸上の空気間隔を Dとし、光学系全体の焦点を f としたとき、次式

0. 002<D/f < 2. 0

15 の条件を満たすことを |¾とする請求項 1に記載の光学系。

3. tilt己第 1レンズの焦点 «を f 1とし、 Ml己第 2レンズの焦点 «を f 2としたとき、 f 1 > 0力、つ f 2 > 0の^^、次式

0<D/ ( f 1 f 2) <0. 1 5

20 の条件を満たすことを ί| ^とする請求項 2に記載の光学系。

4. filf己第 ίレンズの焦点 «を f 1とし、己第 2レンズの焦点距離を f 2としたとき、 f 1 < 0かつ f 2 > 0かつ I f 1 I > I f 2 Iの^^、次式

-0. 1 <Ό/ (f 1 x f 2) <0

25 の条件を満たすことを W [とする請求項 2に記載の光学系。

5. Ιίίΐ己第 1レンズおよび嫌己第 2レンズにおける少なくとも一つの光学面が非球面であ ' ることをとする請求項 1から請求項 4のうちいずれカゝ一項に記載の光学系。

30 6. 編己第 1レンズにおける物体側と対向する面上に、 |ίίϊΒ¾着鶴型回折光学素子が設けられていることを W [とする請求項 1から請求項 5のうちいずれカゝ一項に記載の光学系。

7. 相対的に高屈折率低分散の材料および低屈折率高分散の材料のうち一方を用いて前記 5 第 1光学素子要素が形成されるとともに、他方を用いて前記第 2光学素子要素が形成され、

Ml己第 1光学素子要素と嫌己第 2光学素子要素とのァッべ数の差を△ 1 dとし、前 ' 記第 1光学素子要素と iff己第 2光学素子要素との d線での屈折率の差を△ n dとしたとき、次式

の条件を満たすことを 1敫とする請求項 1から請求項 6のうちいずれ力—項に記載の光学系。

8. l 着複層型回折光学素子の d線での回折効率を E dとし、辦着 ¾ϋ型回折光 15 学素子の g線での回折効率を E gとし、前言 B¾着複層型回折光学素子の C線での回折効率を ECとしたとき、次式

(E g+EC) /2>0. 9 E d

の条件を満たすことを特徴とする請求項 1から請求項 7のうちいずれカゝ一項に記載の光学系。

.20

9. l己レリーフパターンの最小ピッチを pとし、光学系全体の焦点 {«を f としたとき、次式

0. 0001く p/f <0. 003

の条件を満たすことを 1¾とする請求項 1から請求項 8のうちいずれカゝ一項に記載の光 25 学系。

10. l己光学系全体の焦点 »を f とし、 ϋ@を øとし、アイレリ一フを Rとしたとき、次式

0. 1<0 xR/f ²< 2. 0

30 の条件を満たすことを,とする請求項 1から請求項 9のうちいずれ力、一項に記載の光

1. 物体の像を観察するための接眼レンズであって、請求項 1カゝら請求項 10のうちいずれカゝ一項に記載の光学系を有して構成されることを mとする接眼レンズ。

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