JP2004361777A

JP2004361777A - ソリッド型カタディオプトリック光学系

Info

Publication number: JP2004361777A
Application number: JP2003161738A
Authority: JP
Inventors: Hironobu Sakuta; 博伸作田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2003-06-06
Filing date: 2003-06-06
Publication date: 2004-12-24

Abstract

【課題】高い精度をもって組み立て可能であるとともに、組み立て後もアライメントずれの発生を抑えることができるソリッド型のカタディオプトリック光学系を提供する。
【解決手段】本発明のソリッド型カタディオプトリック光学系は、光の進行方向より順に、光が入射する入射面Ｓと、該入射面から入射した光に対して凸面を向けた１次ミラーＲ１と、該１次ミラーＲ１によって反射した光に対して凹面を向けた２次ミラーＲ２と、２次ミラーＲ２を反射した光が射出する射出面Ｔとを有し、少なくとも入射面Ｓから１次ミラーＲ１に至る光路、１次ミラーＲ１から２次ミラーＲ２に至る光路、及び、２次ミラーＲ２から射出面Ｔに至る光路がレンズにより満たされていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カタディオプトリック光学系（反射屈折式光学系）に関し、特にデジタルカメラ等の小型撮像素子を用いた撮像装置、及び、プロジェクタ等の画像表示装置の拡大投影光学系に適したカタディオプトリック光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、デジタルカメラ等の小型撮像装置やプロジェクタ等の画像表示装置に対する高画質化と小型化は常にユーザの欲するところであり、ウエイトが大きい。よって、これらに用いられる光学系にも、高性能化と小型化の両立が求められる。
【０００３】
例えば、小型化という点では、光学系の全長（最も物体側のレンズ面から像面までの距離）を短縮することが必要である。また、高性能化という点では、高画素化が進み、画素サイズも小さくなった撮像素子に対応した解像力を有することが必要である。
【０００４】
上記のような要求を解決する一つの手段として、小型撮像装置においては、ＣＣＤ等の小型撮像素子用の撮像光学系として、カタディオプトリック光学系（超望遠レンズ）を利用することが知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００５】
また、画像表示装置においては、ＬＣＤ等に表示された映像を拡大して表示するための拡大投影光学系として、カタディオプトリック光学系（自由曲面プリズム）を利用することが知られている（例えば、特許文献２を参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−３１６３４３号公報
【特許文献２】
特開２００２−４９３３５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような撮像装置及び画像表示装置に利用する光学系において、より一層の小型化・高性能化を達成するためには、該光学系を構成する部品精度を上げるとともに、各構成部品を一体化して部品点数の低減を図り、高い組み立て精度を確保することが必要であった。
【０００８】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、高い精度をもって組み立て可能であるとともに、組み立て後もアライメントずれの発生を抑えることができるソリッド型のカタディオプトリック光学系を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するため、本発明のソリッド型カタディオプトリック光学系は、光の進行方向より順に、光が入射する入射面と、該入射面から入射した光に対して凸面を向けた１次ミラーと、該１次ミラーによって反射した光に対して凹面を向けた２次ミラーと、２次ミラーを反射した光が射出する射出面とを有し、少なくとも、入射面から１次ミラーに至る光路、１次ミラーから２次ミラーに至る光路、及び、２次ミラーから射出面に至る光路がレンズにより満たされていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明のソリッド型カタディオプトリック光学系は、入射面と２次ミラーとが同一面に形成され、１次ミラーと射出面とが同一面に形成されていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明のソリッド型カタディオプトリック光学系は、互いに異なる光学材料からなる、入射面と前記２次ミラーとが同一面に形成された第１のレンズと、１次ミラーと射出面とが同一面に形成された第２のレンズとを備え、少なくとも、第１のレンズ及び第２のレンズを含んで構成された接合レンズを有していることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明のソリッド型カタディオプトリック光学系は、入射面と２次ミラーとの間に第１の溝と、１次ミラーと射出面との間に第２の溝とが形成され、第１の溝及び第２の溝の内面、本光学系の内側面及び有効径外において、黒色処理が施されていることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。本発明のソリッド型カタディオプトリック光学系は、光の進行方向より順に、光が入射する入射面と、該入射面から入射した光に対して凸面を向けた１次ミラーと、該１次ミラーによって反射した光に対して凹面を向けた２次ミラーとを有する光学系において、入射面から１次ミラーに至る光路、１次ミラーから２次ミラーに至る光路、及び、２次ミラーから射出面に至る光路が、レンズにより満たされている。
【００１４】
このように、本発明は、入射面から１次ミラーに至る光路、１次ミラーから２次ミラーに至る光路及び２次ミラーから射出面に至る光路がレンズによって満たされ、機械的に一体化された簡単な構成（いわゆる、レンズブロックと称される構成）となっている。その結果、本発明は、機械的に組み立てる際に位置調整が不要であるため、アライメント精度上において有利であるとともに、振動や熱に対して強いため、組み立て後も高いアライメント精度を維持することができる。また、１次ミラーと２次ミラーとの間をレンズで充填することにより、両者の間に埃や水滴等、画質を損ねる異物が入らないので好都合である。
【００１５】
また、本発明のソリッド型カタディオプトリック光学系においては、入射面と２次ミラーとが同一面に形成され、１次ミラーと射出面とが同一面に形成されていることが望ましい。このような構成により、光学部品としては、通常のレンズと同様の研削・研磨ができる。
【００１６】
また、本発明のソリッド型カタディオプトリック光学系においては、互いに異なる光学材料からなる、入射面と前記２次ミラーとが同一面に形成された第１のレンズと、１次ミラーと射出面とが同一面に形成された第２のレンズとを備え、少なくとも、第１のレンズ及び第２のレンズを含んで構成された接合レンズを有していることが望ましい。
【００１７】
このように、異なるレンズを組み合わせて本光学系を構成することにより、主に色収差を良好に補正することができる。
【００１８】
また、本発明のソリッド型カタディオプトリック光学系においては、入射面と２次ミラーとの間に第１の溝、及び、１次ミラーと射出面との間に第２の溝が形成され、これら第１の溝及び第２の溝の内面に、黒色処理が施されていることが望ましい。また、本光学系の内側面及び有効径外に、黒色処理が施されていることが望ましい（図１０参照）。
【００１９】
このような構成により、本光学系に入射した光のうち１次ミラー及び２次ミラーを介さず直接射出面に達して結像に寄与しない不要な迷光を、第１及び第２の溝で散乱するとともに、黒色処理を施した第１の溝及び第２の溝の内面且つ本光学系の内側面及び有効径外で吸収する。その結果、本光学系で発生する迷光を軽減でき、良好な光学性能を得ることができる。
【００２０】
なお、本発明のソリッド型カタディオプトリック光学系においては、１次ミラーの曲率半径をＲ１、２次ミラーの曲率半径をＲ２、１次ミラーと２次ミラーとの間の第ｉ番目（但し、ｉ＝１，２）の屈折面の曲率半径をＲｎｉ、第ｉ番目の反射面において該反射前後の媒質屈折率（反射面に直接接している媒質の屈折率）をＮｉ（但し、Ｎ_１＜０，Ｎ_２＞０）としたとき、以下の条件式（１）及び（２）が満足されることが望ましい。
【００２１】
【数１】

【００２２】
上記の条件式（１）及び（２）を満足することにより、本光学系は、コマ収差及び非点収差を十分に補正することができる。また、色収差も補正することができる。なお、条件式（２）の下限値を−０．００１１とすると、さらに十分な効果が得られる。
【００２３】
【実施例】
以下に、本発明の実施例について図面を用いて説明する。なお、各実施例において、非球面は、サグ量をＺとし、径方向高さをＹとし、中心曲率半径をＲとしたとき、条件式（３）で表される。
【００２４】
【数２】

【００２５】
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。
【００２６】
（第１実施例）
図１は、第１実施例を示し、この実施例のソリッド型カタディオプトリック光学系は、焦点距離ｆｄ＝１６ｍｍであり、物体側及び像側の両面に非球面が形成され、物体側に凸面を向けた単一の負メニスカスレンズＬ１により構成されている。この実施例では、入射面Ｓと２次ミラーＲ２とが同一面に形成され、１次ミラーＲ１と射出面Ｔとが同一面に形成されている。また、１次ミラー及び２次ミラーの有効径内には反射膜がコーティングされ、入射面Ｓ及び射出面Ｔには反射防止膜がコーティングされている。
【００２７】
図１に示した本発明の第１実施例における各レンズの諸元を表１に示す。表中、第１欄ｍは物体側からの各光学面の番号（右の＊印は非球面形状に形成されているレンズ面）、第２欄ｒは各光学面の曲率半径、第３欄ｄは各光学面から次の光学面（又は像面）までの光軸上の距離、さらに第４欄ｎｄはｄ線に対する屈折率、第５欄νｄは各レンズのｄ線を基準としたアッベ数、第６欄はレンズ番号、第７欄は各光学面の記号を示している。また、表中第３欄ｄ及び第４欄ｎｄについては、１回反射するたびに符号を反転して表示している。また、表には条件式（１）及び（２）に対応する値、すなわち条件対応値も示している。以上の表の説明は、他の実施例においても同様である。
【００２８】
なお、本実施例では、使用波長としてｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）のみの単色を想定しており、したがってアッベ数は記載していない。また、面番号１が入射面Ｓ、面番号２が１次ミラーＲ１、面番号３が２次ミラーＲ２、面番号が射出面Ｔに相当している。
【００２９】
【表１】

【００３０】
このように第１実施例では、上記条件式（１）及び（２）が満たされることが分かる。図２に第１実施例の球面収差、非点収差及び歪曲収差、図３に横収差を示す。各収差図において、ＦＮＯはＦナンバー、Ｙは像高、ωは半画角を示す。各収差図において、ｄはｄ線を示している。なお、非点収差図では、実線Ｓはサジタル像面を示し、点線Ｔはメリディオナル像面を示している。また、横収差図では、半画角ωにおける、サジタル方向及びメリディオナル方向の横収差を示している。以上の収差図の説明は、他の実施例においても同様である。図２及び図３の各収差図から明らかなように、第１実施例のソリッド型カタディオプトリック光学系では、諸収差が良好に補正され、単色のｄ線において優れた結像性能が確保されていることが分かる。
【００３１】
（第２実施例）
図４は、第２実施例を示し、この実施例のソリッド型カタディオプトリック光学系は、焦点距離ｆｄ＝１６ｍｍで、物体側の面に非球面が形成されて物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１と、像側の面に非球面が形成されて物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ２とが接合されて構成されている。この実施例では、負メニスカスレンズＬ１と負メニスカスレンズＬ２は、互いに異なる光学材料からなっている。また、負メニスカスレンズＬ１には入射面Ｓと２次ミラーＲ２とが同一面に形成され、負メニスカスレンズＬ２には１次ミラーＲ１と射出面Ｔとが同一面に形成されている。なお、１次ミラーＲ１及び２次ミラーＲ２の有効径内には反射膜がコーティングされ、入射面Ｓ及び射出面Ｔには反射防止膜がコーティングされている。
【００３２】
図４に示した本発明の第２実施例における各レンズの諸元を表２に示す。なお、本実施例では、面番号１が入射面Ｓ、面番号３が１次ミラーＲ１、面番号５が２次ミラーＲ２、面番号７が射出面Ｔに相当している。
【００３３】
【表２】

【００３４】
このように第２実施例では、上記条件式（１）及び（２）が満たされることが分かる。図５に第２実施例の球面収差、非点収差及び歪曲収差、図６に横収差を示す。なお、各収差図において、ｄはｄ線を、ｇはｇ線を、ＣはＣ線を、ＦはＦ線を示している。この収差図の説明は、他の実施例においても同様である。図５及び図６の各収差図から明らかなように、第２実施例のソリッド型カタディオプトリック光学系では、互いに異なる光学材料からなる、入射面と２次ミラーとが同一面に形成された第１のレンズと、１次ミラーと射出面とが同一面に形成された第２のレンズとを備え、これら第１のレンズと第２のレンズとで構成された接合レンズを有しているため、色収差を含む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。
【００３５】
（第３実施例）
図７は、第３実施例を示し、この実施例のソリッド型カタディオプトリック光学系は、焦点距離ｆｄ＝１６ｍｍであり、物体側の面に非球面が形成されて物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ１と、物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズＬ２と、物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ３とが接合されて構成されている。この実施例では、負メニスカスレンズＬ１と、負メニスカスレンズＬ２及び正メニスカスレンズＬ３は、互いに異なる光学材料からなっている。また、負メニスカスレンズＬ１には入射面Ｓと２次ミラーＲ２とが同一面に形成され、正メニスカスレンズＬ３には１次ミラーＲ１と射出面Ｔとが同一面に形成されている。なお、１次ミラーＲ１及び２次ミラーＲ２の有効径内には反射膜がコーティングされ、入射面Ｓ及び射出面Ｔには反射防止膜がコーティングされている。
【００３６】
このように図６に示した本発明の第３実施例における各レンズの諸元を表３に示す。なお、面番号１が入射面Ｓ、面番号４が１次ミラーＲ１、面番号７が２次ミラーＲ２、面番号１０が射出面Ｔに相当している。
【００３７】
【表３】

【００３８】
このように第３実施例では、上記条件式（１）及び（２）が満たされることが分かる。図８に第３実施例の球面収差、非点収差及び歪曲収差、図９に横収差を示す。図８及び図９の各収差図から明らかなように、第３実施例のソリッド型カタディオプトリック光学系では、互いに異なる光学材料からなる、入射面と２次ミラーとが同一面に形成された第１のレンズと、１次ミラーと射出面とが同一面に形成された第２のレンズとが、第３のレンズを介して接合された接合レンズを有しているため、諸収差（特に倍率色収差）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。
【００３９】
ここで、図１０に、上記した第３実施例のソリッド型カタディオプトリック光学系に迷光防止用の黒色処理（遮光処理）を施した形態を示している。図１０に示すように、入射面Ｓと２次ミラーＲ２との間に第１の溝Ａ及び１次ミラーＲ１と射出面Ｔとの間に第２の溝Ｂが形成され、これらの溝Ａ，Ｂには黒色処理が施されている。また、本光学系の内側面Ｃ及び有効径外Ｄにも黒色処理が施されている。このような構成により、１次ミラーＲ１及び２次ミラーＲ２を介さずに直接像を結んでしまうような迷光を軽減することができ、より良好な光学性能を得られるようになっている。
【００４０】
また、本発明のソリッド型カタディオプトリック光学系は、上記実施例のようにデジタルカメラ等の小型撮像素子用の撮像光学系だけではなく、プロジェクタ等の画像表示装置の拡大投影光学系に適用することが可能である。この場合には、上記の第１〜第３実施例で示した本光学系の物体と像との関係を逆にする。すなわち、（上記撮影光学系における）入射面が（拡大投影光学系における）射出面に、（上記撮影光学系における）射出面が（拡大投影光学系における）入射面に相当する。図１１は、上記のような本発明のソリッド型カタディオプトリック光学系を画像表示装置の拡大投影系に適用した例を示しており、液晶表示装置Ｘに表示された像を本発明のソリッド型カタディオプトリック光学系Ｙを介して拡大投影し、矢印Ｚの部分に結像させる構成となっている。このとき、投影された像（矢印Ｚで示す部分）においては、上記の第１〜第３実施例で示した本光学系の収差図で示すような歪みと逆の特性を持つ歪みを生じるが、例えば、液晶表示装置Ｘ内に設けられた映像回路（図示略）により、液晶表示装置Ｘの表示面に投影する像に発生した歪みを補正するように歪んだ像を表示して、本光学系を介してこの像を拡大投影することにより、投影する像の歪みを電気的に補正することができるようになっている。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のソリッド型カタディオプトリック光学系は、入射面から１次ミラーに至る光路、１次ミラーから２次ミラーに至る光路及び２次ミラーから射出面に至る光路がレンズによって満たされ、機械的に一体化された簡単な構成（いわゆる、レンズブロックと称される構成）となっている。その結果、高い精度をもって組み立て可能であるとともに、組み立て後も外部からの振動や熱等に対するアライメントずれの発生を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１実施例のソリッド型カタディオプトリック光学系を示すレンズ構成図である。
【図２】第１実施例の諸収差図である。
【図３】第１実施例の諸収差図である。図である。
【図４】本発明に係る第２実施例のソリッド型カタディオプトリック光学系を示すレンズ構成図である。
【図５】第２実施例の諸収差図である。
【図６】第２実施例の諸収差図である。
【図７】本発明に係る第３実施例のソリッド型カタディオプトリック光学系を示す断面図である。
【図８】第３実施例の諸収差図である。
【図９】第３実施例の諸収差図である。
【図１０】本発明に係るソリッド型カタディオプトリック光学系において遮光措置を施した例を示す図である。
【図１１】本発明に係るソリッド型カタディオプトリック光学系を画像表示装置の拡大投影光学系に適用した例を示す図である。
【符号の説明】
Ｌ１〜Ｌ３レンズ
Ｓ入射面
Ｒ１１次ミラー
Ｒ２２次ミラー
Ｔ射出面
Ｉ像面

Claims

光の進行方向より順に、前記光が入射する入射面と、該入射面から入射した前記光に対して凸面を向けた１次ミラーと、該１次ミラーによって反射した前記光に対して凹面を向けた２次ミラーと、前記２次ミラーを反射した前記光が射出する射出面とを有し、
少なくとも、前記入射面から前記１次ミラーに至る光路、前記１次ミラーから前記２次ミラーに至る光路、及び、前記２次ミラーから前記射出面に至る光路がレンズにより満たされていることを特徴とするソリッド型カタディオプトリック光学系。
前記入射面と前記２次ミラーとが同一面に形成され、前記１次ミラーと前記射出面とが同一面に形成されていることを特徴とする請求項１のソリッド型カタディオプトリック光学系。
互いに異なる光学材料からなる、前記入射面と前記２次ミラーとが同一面に形成された第１のレンズと、前記１次ミラーと前記射出面とが同一面に形成された第２のレンズとを備え、
少なくとも、前記第１のレンズ及び前記第２のレンズを含んで構成された接合レンズを有していることを特徴とする請求項１に記載のソリッド型カタディオプトリック光学系。
前記入射面と前記２次ミラーとの間に第１の溝と、前記１次ミラーと前記射出面との間に第２の溝とが形成され、
前記第１の溝及び前記第２の溝の内面、本光学系の内側面及び有効径外において、黒色処理が施されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のソリッド型カタディオプトリック光学系。