(57)【要約】      （修正有）【課題】光学系の要求性能を満たす範囲内で、光学系の製造コストの低減が行える光学系の設計方法を提供する。【解決手段】以下の工程を有する光学設計方法を実施し、要求性能を満たす範囲内で製造コスト低減を行う。（１）最適候補対象となる複数の光学素子からなる光学系を設定する工程Ｓ２０３。（２）前記、最適候補光学系に対し、１つ以上の光学素子を削除または置換し、新光学系を設定する工程Ｓ２０５。（３）前記、新光学系の特性が最適となるよう、光学系構成パラメータを調整して変形を繰り返し、最適化評価指標を高めて暫定的な最適光学系を得る工程Ｓ２０６。（４）前記（１）の最適候補光学系に対し、前記（２）の光学素子の削除または置換の条件を変化させ、前記（３）の最適化評価指標の条件を満たすものを選択する工程。（５）前記（１）〜（４）の最適候補光学系に対し、最適光学系を選択する工程Ｓ２０９。【選択図】図１３
2020003765.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学系の要求性能を満たす範囲内で、光学系の製造コスト低減を図るため、以下の工程を有することを特徴とする光学系の設計方法。
（１）最適候補対象となる複数の光学素子からなる光学系を設定する工程。
（２）前記、最適候補の光学系に対して、１つ以上の光学素子を削除または置換することにより、新しい光学系を設定する工程。ここで、光学素子の削除・置換の対象としては、レンズ枚数、高価なガラス、非球面、加工困難なレンズ形状・レンズ重量など、製造コストの低減に寄与するいずれかの項目を含むことを特徴とする。
（３）前記、新しい光学系の特性が最適となるように、光学系を構成するパラメータを調整する工程。ここで、最適化対象の光学系を構成するパラメータとしては、光学素子の曲率・屈折率・厚さ、及び、光学素子間の距離のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする。
（４）前記（１）に記す最適候補の光学系に対して、前記（２）に記す光学素子の削除または置換の条件を変化させ、前記（３）の工程を実施する工程。
（５）前記（１）〜（４）に記す最適候補光学系の各光学素子に対して、変更前、及び、１つ以上の削除または置換後の光学系を構成するパラメータを調整して得られたなかで、最適な光学系を採用する工程。
【請求項２】
光学系の要求性能を満たす範囲内で、光学系の製造コスト低減を図るため、以下の工程を有することを特徴とする光学系の設計方法。
（１）最適候補対象となる複数の光学素子からなる光学系を設定する工程。
（２）前記、最適候補の光学系に対して、１つ以上の光学素子を削除または置換することにより、新しい光学系を設定する工程。ここで、光学素子の削除・置換の対象としては、レンズ枚数、高価なガラス、非球面、加工困難なレンズ形状・レンズ重量など、製造コストの低減に寄与するいずれかの項目を含むことを特徴とする。
（３）前記、新しい光学系の特性が最適となるように、光学系を構成するパラメータを調整することにより、前記新しい光学系を変形することを繰り返して、最適化の評価指標を高め、暫定的に最適な光学系を得る工程。ここで、最適化対象の光学系を構成するパラメータとしては、光学素子の曲率・屈折率・厚さ、及び、光学素子間の距離のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とし、最適化の評価指標としては、ザイデル５収差、色収差などの幾何光学的評価値、ＭＴＦ・スポットダイアグラムなどの波動光学的評価値、全長・バックフォーカス・焦点距離・倍率・開口数、Ｆナンバーなどの光学的諸元、レンズ最大径・中心厚・縁厚・重量などの機械的諸元、レンズ枚数、非球面数、レンズの形状・材質・重量などの製造コスト的評価値のいずれかを含むことを特徴とする。
（４）前記（１）に記す最適候補の光学系に対して、前記（２）に記す光学素子の削除または置換の条件を変化させ、前記（３）の工程を実施することによって得られた暫定的に最適な光学系のうち、前記最適化評価指標が所定の条件を満たすものを選択する工程。
（５）前記（１）〜（４）に記す最適候補光学系の各光学素子に対して、変更前、及び、１つ以上の削除または置換後の光学系を構成するパラメータを調整して得られたなかで、最適な光学系を採用する工程。
【請求項３】
前記、請求項１または請求項２に記載の光学系の設計方法を実現する光学設計ソフトウエア、及び、システム
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、カメラ・顕微鏡・望遠鏡等、あらゆる光学分野に使用される光学系の設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来のカメラレンズ等の光学系は、光軸上に複数のレンズやミラーなどの光学素子を配置し、これら光学素子の構成パラメータを最適に組み合わせることによって収差を補正し、所望の光学性能を得ていた。光学系の構成パラメータとしては、各面の直径や曲率半径および厚さ、素材ガラスの屈折率や分散、素子間の面間隔などがあり、この目標の光学性能を達成するために、これらの光学系の構成パラメータを確定することが光学設計の中心的な作業であった。かつては上記のような光学設計の作業を成し遂げるためには、多量の試行錯誤や設計者の経験や技量が必要であると言われていたが、近年では計算機による自動修正による最適化が実用化されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２２０９１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  従来の光学設計は、初期光学設計データを基本にして、光学設計プログラムにて、光学系を構成する光学素子の曲率・屈折率・厚さ、光学素子間の距離について、自動最適化を行い、要求性能を満たさない場合は、光学設計者の判断に基づき、随時、レンズ等の光学素子を追加、または、異常分散・高屈折率などの高価なガラスの使用、または、非球面などを追加し、再度、光学設計プログラムにて自動修正による最適化を繰り返していた。【０００５】  ここで、光学設計者の判断が適切でない場合、光学系の要求性能は満たすが、過剰なスペック、更には、必要以上のレンズ枚数を使用したり、非球面や高価なガラスを使用したために、過剰な製造コストを要してしまう問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  そこで、本発明では、従来の光学設計方法にて作成された最適候補となる光学系の設計データに対して、以下に記す（１）〜（５）の工程を有する光学系の設計方法を実施することにより、光学系の要求性能を満たす範囲内で、光学系の製造コストの低減が行える。【０００７】（１）最適候補対象となる複数の光学素子からなる光学系を設定する工程。【０００８】（２）前記、最適候補の光学系に対して、１つ以上の光学素子を削除または置換することにより、新しい光学系を設定する工程。ここで、光学素子の削除・置換の対象としては、レンズ枚数、高価なガラス、非球面、加工困難なレンズ形状・レンズ重量など、製造コストの低減に寄与するいずれかの項目を含む。【０００９】（３）前記、新しい光学系の特性が最適となるように、光学系を構成するパラメータを調整することにより、前記新しい光学系を変形することを繰り返して、最適化の評価指標を高め、暫定的に最適な光学系を得る工程。ここで、最適化対象の光学系を構成するパラメータとしては、光学素子の曲率・屈折率・厚さ、及び、光学素子間の距離のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とし、最適化の評価指標としては、ザイデル５収差、色収差などの幾何光学的評価値、ＭＴＦ・スポットダイアグラムなどの波動光学的評価値、全長・バックフォーカス・焦点距離・倍率・開口数、Ｆナンバーなどの光学的諸元、レンズ最大径・中心厚・縁厚・重量などの機械的諸元、レンズ枚数、非球面数、レンズの形状・材質・重量などの製造コスト的評価値のいずれかを含む。【００１０】（４）前記（１）に記す最適候補の光学系に対して、前記（２）に記す光学素子の削除または置換の条件を変化させ、前記（３）の工程を実施することによって得られた暫定的に最適な光学系のうち、前記最適化評価指標が所定の条件を満たすものを選択する工程。【００１１】（５）前記（１）〜（４）に記す最適候補光学系の各光学素子に対して、変更前、及び、１つ以上の削除または置換後の光学系を構成するパラメータを調整して得られたなかで、最適な光学系を採用する工程。
【発明の効果】
【００１２】  本発明によれば、従来の手法で作成されたレンズ設計データに対して、製造コストダウンの観点から、改良の余地がないかを確認するためのレンズデータ最適化設計手法として、効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例における最適化候補対象のレンズ構成図
【図２】本発明の実施例における最適化候補対象の縦の球面収差図
【図３】（ａ）本発明の実施例における最適化候補対象の像面湾曲図  （ｂ）本発明の実施例における最適化候補対象のディストーション図
【図４】（ａ）本発明の実施例における最適化候補対象の画角０度の横収差図  （ｂ）本発明の実施例における最適化候補対象の画角１０度の横収差図  （ｃ）本発明の実施例における最適化候補対象の画角１５度の横収差図  （ｄ）本発明の実施例における最適化候補対象の画角２０度の横収差図
【図５】本発明の実施例における最適化候補対象の軸上色収差図
【図６】（ａ）本発明の実施例における最適化候補対象の画角０度のスポットダイアグラム図  （ｂ）本発明の実施例における最適化候補対象の画角１０度のスポットダイアグラム図  （ｃ）本発明の実施例における最適化候補対象の画角１５度のスポットダイアグラム図  （ｄ）本発明の実施例における最適化候補対象の画角２０度のスポットダイアグラム図
【図７】本発明の実施例における最適化後のレンズ構成図
【図８】本発明の実施例における最適化後の縦の球面収差図
【図９】（ａ）本発明の実施例における最適化後の像面湾曲図  （ｂ）本発明の実施例における最適化後のディストーション図
【図１０】（ａ）本発明の実施例における最適化後の画角０度の横収差図  （ｂ）本発明の実施例における最適化後の画角１０度の横収差図  （ｃ）本発明の実施例における最適化後の画角１５度の横収差図  （ｄ）本発明の実施例における最適化後の画角２０度の横収差図
【図１１】本発明の実施例における最適化後の軸上色収差図
【図１２】（ａ）本発明の実施例における最適化後の画角０度のスポットダイアグラム図  （ｂ）本発明の実施例における最適化後の画角１０度のスポットダイアグラム図  （ｃ）本発明の実施例における最適化後の画角１５度のスポットダイアグラム図  （ｄ）本発明の実施例における最適化後の画角２０度のスポットダイアグラム図
【図１３】本発明の実施の形態である光学系の設計方法を示すフローチャート図
【発明を実施するための形態】
【００１４】  以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。本実施例では、５枚のレンズからなる最適候補対象の光学系を用いて、レンズを１枚削除し、４枚のレンズからなる最適な新しい光学系を求める。
【実施例】
【００１５】  本発明の実施例である、図１に示す５枚のレンズからなる最適候補対象の光学系に対して、レンズを１枚削除し、図７に示す４枚のレンズからなる最適な新しい光学系を求める。図１３は、本発明の実施の形態である光学系の設計方法を示すフローチャートである。【００１６】  まず、ステップＳ１において、目標とする光学系の評価指標を設定する。
評価指標としては、球面収差・コマ収差・非点収差・非点隔差・色収差・像面湾曲・ディストーション・ＭＴＦ・ＯＴＦ・スポットダイヤグラムなどの収差性能の評価指標、全長・バックフォーカス・焦点距離・倍率・Ｆ値・開口数・使用波長・画角などの光学的諸元、最小レンズ中心厚・最小レンズ縁厚・最小面間隔・レンズ最大径・レンズ重量などの機械的諸元等があり、これらのうちのいずれか１つ以上が評価指標となる。【００１７】  本実施例では、下記（１）〜（３）の評価指標を設定する。【００１８】  （１）光学的諸元の評価指標
焦点距離：１００．０［ｍｍ］
Ｆ値：５．５
使用波長：Ｆ線（４８６［ｎｍ］青）、ｄ線（５８７［ｎｍ］緑）、Ｃ線（６５６［ｎｍ］赤）
全長（第１面から最終面まで）≦２０．０［ｍｍ］
バックフォーカス≧９０．０［ｍｍ］
画角：±２０．０［°］【００１９】  （２）収差性能の評価指標
収差性能の目標値については、上記光学的諸元の全画角・全波長に対して、以下の通り。
ディストーション±１．０［％］以内
スポットダイアグラムＲＭＳ半径  ５０．０［ｕｍ］以内
像面湾曲  ±１．０［ｍｍ］以内
球面収差  ±１．０［ｍｍ］以内
軸上色収差  ±１６０．０［ｕｍ］以内（最大焦点移動範囲３２０．０［ｕｍ］以内）
横収差  ±１００．０［ｕｍ］以内【００２０】  （３）機械的諸元の評価指標
最小面間隔≧１．０［ｍｍ］
最小レンズ中心厚≧１．０［ｍｍ］
最小レンズ縁厚≧１．０［ｍｍ］【００２１】  次にステップＳ２で最適化処理の終了条件を設定する。これは、ステップＳ６での、新しい光学系の最適化において、自動修正最適化処理を打ち切る条件となるものである。【００２２】  例えば、自動修正最適化処理において、評価指標の前回との差が所定値以下となることが所定回数続いた場合（収束）、及び、評価指標の前回との差が所定値以上となることが所定回数続いた場合（発散）を終了条件とする。【００２３】  次に、ステップＳ３で、最適候補光学系の設定を行う。本実施例では、最適候補対象となる光学系は、入射側より順に、凸凹凹凹凸の４群５枚のレンズ構成とし、レンズデータを以下に記す。【００２４】１  曲率半径      ２７．４２３  厚み    ３．５０８  ガラス材質  ＳＫ４
２  曲率半径  −１３２．０４６  厚み    １．０００  ガラス材質
３  曲率半径  −１４６．４４５  厚み    １．１００  ガラス材質  ＢＡＦ４
４  曲率半径      ４４．４７９  厚み    ３．０００  ガラス材質
５  曲率半径          無限      厚み    ２．０００  ガラス材質  絞り面
６  曲率半径    −２８．０９０  厚み    １．５００  ガラス材質  ＫＦ９
７  曲率半径      ２８．３３４  厚み    １．２３８  ガラス材質
８  曲率半径      ６１．３４５  厚み    １．０２５  ガラス材質  ＫＦ９
９  曲率半径      ２０．５９９  厚み    ４．０００  ガラス材質  ＳＫ４
１０  曲率半径  −２８．３４０  厚み  ９０．９４８  ガラス材質【００２５】  上記、曲率半径の無限は平面を意味し、厚みはレンズ中心厚または空気間隔であり、ガラス材質はＳＣＨＯＴＴ社製である。レンズ構成を図１に示す。【００２６】  次に、ステップＳ４で、削除または置換する光学素子の設定を行う。本実施例では、上記、最適候補対象となる４群５枚レンズ構成の光学系に対して、いずれか１枚のレンズを削減し、かつ、いずれか１枚のレンズの片面を平面にすることをコストダウン条件に指定する。【００２７】  以上のステップＳ１からステップＳ４までの工程は、必ずしもこの順に行う必要はなく、必要に応じて変更してもよい。【００２８】  次にステップＳ５で、最適候補対象の光学系からステップＳ４で設定された光学素子の削除または置換を行い、ステップＳ６では、最適候補対象の光学系から光学素子が削除または置換された新しい光学系について、自動修正の最適化を行う。【００２９】  ステップＳ６の作業は、新しい光学系を構成する光学素子のパラメータ（ガラス材質、厚み、曲率、非球面等）、及び、各光学素子間の距離を調整することにより、評価指標を良好な方向に向かわせる工程であり、最小二乗法・シンプレックス法・遺伝的アルゴリズムなど種々の自動修正最適化方法がある。最小二乗法の一種であるＤＬＳ法が一般的に使用されている。【００３０】  本実施例では、新しい光学系を構成する光学素子のパラメータとして、各光学素子の厚さ、各光学素子の間隔、各光学素子の曲率を指定する。【００３１】  次に、ステップＳ７によって、最適化された新しい光学系と、その評価指標を記録する。【００３２】  そして、ステップＳ８において、削除または置換する光学素子を変更することが可能かどうか判断し、変更可能であれば、ステップＳ５に戻り、最適候補対象の光学系から削除または置換する光学素子を変更して、ステップＳ６とステップＳ７の処理を繰り返す。【００３３】  本実施例では、自動修正の最適化を、いずれか１枚のレンズ削減のため、全レンズ枚数の５回分繰り返し、かつ、１枚削減された４枚レンズ構成に対して、いずれか１面を平面とするため、レンズ面数分繰り返す。よって、本実施例では、合計３７回分、自動修正の最適化を繰り返す。【００３４】  ステップＳ８において、別の光学素子の削除または置換が必要でない場合、すなわち、ステップＳ４で設定した削除または置換する光学素子の全てについて最適化計算を終了している場合は、ステップＳ９に移って、ステップＳ７で記録したもののうち、評価指標が最も良好なものを最適光学系として決定し、計算を終了する。【００３５】  本実施例の最適化後となる光学系は、入射側より順に、凸凹凹凸の４群４枚のレンズ構成となり、レンズデータを以下に記す。【００３６】１  曲率半径      ２０．７２５  厚み    ３．８５７  ガラス材質  ＳＫ４
２  曲率半径        無限        厚み    １．９００  ガラス材質
３  曲率半径    −８１．０９７  厚み    １．１００  ガラス材質  ＢＡＦ４
４  曲率半径      １９．９４２  厚み    ３．０００  ガラス材質
５  曲率半径        無限        厚み    ３．０００  ガラス材質  絞り面
６  曲率半径  −１０７．５５２  厚み    １．１００  ガラス材質  ＫＦ９
７  曲率半径      ４４．０６９  厚み    １．０００  ガラス材質
８  曲率半径      ４４．０６９  厚み    ３．０００  ガラス材質  ＳＫ４
９  曲率半径    −３６．７８７  厚み  ９０．９０７  ガラス材質【００３７】  上記、曲率半径の無限は平面を意味し、厚みはレンズ中心厚または空気間隔であり、ガラス材質はＳＣＨＯＴＴ社製である。レンズ構成を図７に示す。【００３８】  コストダウン最適化前のレンズ構成図１、及び、コストダウン最適化後のレンズ構成図７に示す通り、光学系の要求性能を満たす範囲内で、レンズ枚数を１枚削減し、かつ、レンズの１面を平面とすることにより、光学系の製造コスト低減が行えた。【００３９】  収差性能の評価指標のコストダウン最適化結果について、以下に記す。【００４０】  コストダウン最適化後の縦の球面収差図８に示す通り、コストダウン最適化前の縦の球面収差図２と同様、収差性能の評価指標として、球面収差は、±１．０［ｍｍ］以内を満たしている。図２と図８では、Ｆ線（４８６［ｎｍ］青）、ｄ線（５８７［ｎｍ］緑）、Ｃ線（６５６［ｎｍ］赤）の３波長の球面収差を表示している。【００４１】  コストダウン最適化後の像面湾曲図９（ａ）とディストーション図９（ｂ）に示す通り、コストダウン最適化前の像面湾曲図３（ａ）とディストーション図３（ｂ）と同様、収差性能の評価指標として、像面湾曲は、±１．０［ｍｍ］以内、ディストーションは、±１．０［％］以内を満たしている。図３（ａ）と図９（ａ）では、Ｆ線（４８６［ｎｍ］青）、ｄ線（５８７［ｎｍ］緑）、Ｃ線（６５６［ｎｍ］赤）の３波長の像面湾曲を表示している。図３（ｂ）と図９（ｂ）では、Ｆ線（４８６［ｎｍ］青）、ｄ線（５８７［ｎｍ］緑）、Ｃ線（６５６［ｎｍ］赤）の３波長のディストーションを表示している。【００４２】  コストダウン最適化後の横収差図１０に示す通り、コストダウン最適化前の横収差図４と同様、収差性能の評価指標として、横収差は、±１００．０［ｕｍ］以内を満たしている。図４と図１０について、（ａ）は画角０度、（ｂ）は画角１０度、（ｃ）は画角１５度、（ｄ）は画角２０度での横収差を示す。図４と図１０の横軸は、瞳座標である。【００４３】  コストダウン最適化後の軸上色収差図１１に示す通り、コストダウン最適化前の軸上色収差図５と同様、収差性能の評価指標として、軸上色収差は、±１６０．０［ｕｍ］以内（最大焦点移動範囲３２０．０［ｕｍ］以内）を満たしている。【００４４】  コストダウン最適化後のスポットダイアグラム図１２に示す通り、コストダウン最適化前のスポットダイアグラム図６と同様、収差性能の評価指標として、スポットダイアグラムＲＭＳ半径は、５０．０［ｕｍ］以内を満たしている。図６と図１２について、（ａ）は画角０度、（ｂ）は画角１０度、（ｃ）は画角１５度、（ｄ）は画角２０度でのスポットダイアグラムを示す。【００４５】  また、コストダウン最適化後の光学的諸元評価指標として、使用波長：Ｆ線（４８６［ｎｍ］青）、ｄ線（５８７［ｎｍ］緑）、Ｃ線（６５６［ｎｍ］赤）、画角：±２０．０［°］において、焦点距離：１００．０［ｍｍ］、Ｆ値：５．５、全長（第１面から最終面まで）≦２０．０［ｍｍ］、バックフォーカス≧９０．０［ｍｍ］を満たしている。【００４６】  また、コストダウン最適化後の機械的諸元評価指標として、最小面間隔≧１．０［ｍｍ］、��小レンズ中心厚≧１．０［ｍｍ］、最小レンズ縁厚≧１．０［ｍｍ］を満たしている。【００４７】  尚、本実施例では、削除または置換する光学素子の設定として、いずれか１枚のレンズを削減、かつ、いずれか１枚のレンズ片面を平面にすることをコストダウン条件に指定したが、これ以外に、非球面の削除や高価なガラスの置換などの指定も行える。
【産業上の利用可能性】
【００４８】  このように、本発明によれば、従来の手法で作成されたレンズ設計データに対して、製造コストダウンの観点から、改良の余地がないかを確認するためのレンズデータ最適化設計手法として、適用できる。
【符号の説明】
【００４９】４０１  画角０度の横収差（メリディオナル）
４０２  画角０度の横収差（サジッタル）
４０３  画角１０度の横収差（メリディオナル）
４０４  画角１０度の横収差（サジッタル）
４０５  画角１５度の横収差（メリディオナル）
４０６  画角１５度の横収差（サジッタル）
４０７  画角２０度の横収差（メリディオナル）
４０８  画角２０度の横収差（サジッタル）
１００１  画角０度の横収差（メリディオナル）
１００２  画角０度の横収差（サジッタル）
１００３  画角１０度の横収差（メリディオナル）
１００４  画角１０度の横収差（サジッタル）
１００５  画角１５度の横収差（メリディオナル）
１００６  画角１５度の横収差（サジッタル）
１００７  画角２０度の横収差（メリディオナル）
１００８  画角２０度の横収差（サジッタル）
【図１】
2020003765.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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