(57)【要約】【課題】簡便で安価に所望の軸上色収差を発生させることができる色収差拡大光学系を提供する。【解決手段】色収差拡大光学系２００を、異なる光学材料からなる２つの回折素子要素Ｇ１，Ｇ２を接合し、当該接合面に回折格子溝が形成された回折光学面Ｄを備える回折光学素子ＧＤから構成する。この色収差拡大光学系２００を、収差補正された基本光学系１００に付加されて、当該基本光学系１００の、軸上色収差以外の光学性能をほぼ維持しながら、軸上色収差のみを拡大するよう構成する。【選択図】図１
2010286574.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回折光学素子を有し、
収差補正された基本光学系に付加されて、当該基本光学系の軸上色収差以外の光学性能をほぼ維持しながら、軸上色収差のみを拡大するよう構成された色収差拡大光学系。
【請求項２】
前記回折光学素子は、異なる光学材料からなる２つの回折素子要素を接合し、当該接合面に回折格子溝が形成された回折光学面を備える密着複層型回折光学素子からなる請求項１に記載の色収差拡大光学系。
【請求項３】
焦点距離が、前記基本光学系の焦点距離の少なくとも８倍以上である請求項１または２に記載の色収差拡大光学系。
【請求項４】
前記基本光学系との間の主点間距離が、前記基本光学系の焦点距離に略等しい請求項１〜３いずれか一項に記載の色収差拡大光学系。
【請求項５】
前記回折光学素子の最小格子間隔が、少なくとも１０μｍ以上である請求項１〜４いずれか一項に記載の色収差拡大光学系。
【請求項６】
前記基本光学系の前若しくは後ろに取り付けられる請求項１〜５いずれか一項に記載の色収差拡大光学系。
【請求項７】
前記基本光学系が複数のレンズ群に分割され、当該分割されたレンズ群の間に取り付けられる請求項１〜５いずれか一項に記載の色収差拡大光学系。
【請求項８】
前記基本光学系に取り付けるための取付部を有する請求項１〜７いずれか一項に記載の色収差拡大光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、色収差拡大光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、物体の３次元形状を計測するために、波長の異なる光で物体を撮影し、撮影レンズの軸上色収差によって波長毎の焦点位置が異なることを利用する手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。これらの手法では、いずれの場合も目標の範囲を所望の精度で計測するためには、適当な量の軸上色収差を持った撮影レンズが必要である。更に、３次元形状の計測を実現しようとする場合には、撮影レンズは、計測範囲をカバーする画角と所望の明るさを持ち、画面内で適切な分解能を持つ必要がある。
【０００３】
市販品として容易に入手できる撮影レンズには、カメラレンズ、顕微鏡対物・接眼レンズ、及び、望遠鏡対物・接眼レンズなどが存在する。これらの撮影レンズは、複数のレンズ素子を組み合わせることで適切な収差補正がなされているもので、画角や解像力・明るさ等の性能は目的に応じて選ぶことができるが、軸上色収差は通常良好に補正され、殆どの市販品はわずかな残存収差しか持たない。一方、軸上色収差を利用した３次元形状の計測の実現には、軸上色収差以外の収差は良好に補正され、軸上色収差のみが所望の量を有する撮影レンズが必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−９８２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような条件を満足する撮影レンズは、市販品にはほとんど存在しないため、前出の特許文献１のような従来技術では、上記条件を満足する専用の撮影レンズを設計・作成することにより、軸上色収差を利用した３次元形状の計測の実現を図っている。このように専用のレンズを必要とするため、従来は製造コストが増大し、また、軸上色収差を利用した測定と同時に、色収差のない画像を撮影・観察したい場合には、軸上色収差を有する専用のレンズと軸上色収差以外の光学性能がほぼ同一で、軸上色収差が良好に補正された撮影レンズを更に別個に用意する必要があり、製造コストが増加するという課題があった。
【０００６】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、簡便で安価に所望の軸上色収差を発生させることができる色収差拡大光学系を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明に係る色収差拡大光学系は、回折光学素子を有し、収差補正された基本光学系に付加されて、当該基本光学系の軸上色収差以外の光学性能をほぼ維持しながら、軸上色収差のみを拡大するよう構成される。
【０００８】
このような色収差拡大光学系において、回折光学素子は、異なる光学材料からなる２つの回折素子要素を接合し、当該接合面に回折格子溝が形成された回折光学面を備える密着複層型回折光学素子からなることが好ましい。
【０００９】
また、このような色収差拡大光学系は、その焦点距離が、基本光学系の焦点距離の少なくとも８倍以上であることが好ましい。
【００１０】
また、このような色収差拡大光学系は、基本光学系との間の主点間距離が、基本光学系の焦点距離に略等しいことが好ましい。
【００１１】
また、このような色収差拡大光学系は、回折光学素子の最小格子間隔が、少なくとも１０μｍ以上であることが好ましい。
【００１２】
また、このような色収差拡大光学系は、基本光学系の前若しくは後ろに取り付けられることが好ましい。
【００１３】
または、このような色収差拡大光学系は、基本光学系が複数のレンズ群に分割され、この分割されたレンズ群間に取り付けられることが好ましい。
【００１４】
また、このような色収差拡大光学系は、基本光学系に取り付けるための取付部を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る色収差拡大光学系によれば、良好に収差補正された基本光学系に取り付けることにより、簡便で安価に所望の軸上色収差を発生させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態に係る色収差拡大光学系を基本光学系に付加して、軸上色収差を拡大した補正後基本光学系の基本モデルを示す概略図である。
【図２】本実施形態に係る色収差拡大光学系の具体的モデルを示す構成図である。
【図３】第１実施例に係る基本光学系の構成を示すレンズ構成図である。
【図４】第１実施例おいて、色収差拡大光学系を付加して軸上色収差を拡大した補正後基本光学系の構成を示すレンズ構成図である。
【図５】第１実施例に係る光学系の諸収差図であり、（ａ）は基本光学系の諸収差図を、（ｂ）は補正後基本光学系の諸収差図を示す。
【図６】第１実施例に係る回折光学素子の断面形状を示す図であり、（ａ）は中心付近の断面形状を、（ｂ）は最外周部付近の断面形状を示す。
【図７】第２実施例において、色収差拡大光学系を付加して軸上色収差を拡大した補正後基本光学系の構成を示すレンズ構成図である。
【図８】第２実施例に係る補正後基本光学系の諸収差図を示す。
【図９】第２実施例に係る回折光学素子の断面形状を示す図であり、（ａ）は中心付近の断面形状を、（ｂ）は最外周部付近の断面形状を示す。
【図１０】第３実施例に係る基本光学系の構成を示すレンズ構成図である。
【図１１】第３実施例おいて、色収差拡大光学系を付加して軸上色収差を拡大した補正後基本光学系の構成を示すレンズ構成図である。
【図１２】第３実施例に係る光学系の諸収差図であり、（ａ）は基本光学系の諸収差図を、（ｂ）は補正後基本光学系の諸収差図を示す。
【図１３】第３実施例に係る回折光学素子の断面形状を示す図であり、（ａ）は中心付近の断面形状を、（ｂ）は最外周部付近の断面形状を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。ここでは、色収差拡大光学系を、既存の撮像レンズを用いた基本光学系に適用した際の好ましい実施形態について説明する。なお、本明細書中において、基本光学系とは、カメラレンズ、顕微鏡対物・接眼レンズ、及び、望遠鏡対物・接眼レンズなどの既存の撮影レンズを含む収差補正された光学系を指すものである。また、図１に示すように、この収差補正された基本光学系１００に色収差拡大光学系２００を付加して、軸上色収差を拡大したものを補正後の基本光学系１００′と呼ぶものとする。図１に示すように、補正後の基本光学系１００′は、軸上色収差を拡大する色収差拡大光学系２００と、接眼レンズなどの既存の撮影レンズからなる基本光学系１００と、を有して構成されている。また、この色収差拡大光学系２００は鏡筒に収容され、この鏡筒には基本光学系１００の前若しくは後ろに取り付けるための取付部としてのフィルター取付ネジＦ１が設けられている。同様に、基本光学系１００を収容する鏡筒の前若しくは後ろには鏡筒ネジＦ２が設けられており、基本光学系１００の鏡筒に色収差拡大光学系２００の鏡筒を取り付けて、鏡筒ネジＦ２にフィルター取付ネジＦ１を螺合させることにより、この基本光学系１００に色収差拡大光学系２００を固定することができる。
【００１８】
図２に示すように、色収差拡大光学系２００は、回折光学素子ＧＤにより構成されている。このような色収差拡大光学系２００を、収差補正された基本光学系１００に付加することにより、基本光学系１００の軸上色収差以外の光学性能を損なわずに、所望の軸上色収差のみを発生させた補正後の基本光学系１００′を構成することができる。また、色収差拡大光学系２００を取り外すことで、既存の基本光学系１００をそのまま使用して、その機能を発揮させることができる。したがって、例えば、特許文献１に示すような技術を用いて３次元形状計測を行う際に、カメラレンズ、顕微鏡対物・接眼レンズ、望遠鏡対物・接眼レンズなど、入手の容易な既存のレンズを撮影レンズとして用意し、この撮影レンズを用いた基本光学系１００に、この色収差拡大光学系２００を付加することで、所望の軸上色収差を発生させて、３次元形状を計測することができる。そして、軸上色収差の補正が不要な場合は、通常の基本光学系１００として使用することができる。したがって、既存の基本光学系１００を利用して、簡便かつ安価に３次元計測システムを構成することが可能となる。また、色収差拡大光学系２００を回折光学素子ＧＤにより構成することで、この色収差拡大光学系２００を薄くコンパクトで軽量なものとすることができ、また、基本光学系１００への着脱も容易なものとなる。
【００１９】
ここで、光学ガラスなどのレンズの媒質の物性値について説明する。この物性値には、屈折率と分散とがあり、屈折率が大きいほど光は大きく屈折し、分散が小さいほど屈折率の波長変化が大きいことが知られている。一般に、屈折率はｄ線（λd＝５８７．５６ｎｍ）での値ｎdによって代表され、分散はアッベ数νdと呼ばれる。また、Ｆ線（λF＝４８６．１３ｎｍ）に対する屈折率をｎF、Ｃ線（λC＝６５６．２７ｎｍ）に対する屈折率をｎCとしたとき、これらの屈折率ｎd，ｎF，ｎCとアッベ数νdとの関係は、以下に示す式（１）で表される。
【００２０】
【数１】
2010286574.tif 000003
【００２１】
このように、光学ガラスには、波長による屈折率変化があるため、１枚のレンズでは波長により焦点が異なる現象が生じる。光軸上でのこの焦点ずれを軸上色収差と呼ぶ。ここで、複数のレンズ成分が含まれる光学系を考える。ｋ枚のレンズ成分からなる光学系で、Ｃ線とＦ線での焦点を一致させる条件として、各レンズ成分の焦点距離をｆj（ｊ＝１〜ｋ）とし、アッベ数をνjとしたとき、以下に示す式（２）が成り立つ。
【００２２】
【数２】
2010286574.tif 000004
【００２３】
通常の光学系（基本光学系１００）では、実用的な範囲で上記式（２）を満たすように、各レンズ成分の焦点距離と分散とを適切に選択して設計されているので、軸上色収差は微少な量しか残存していない。そこで、本実施形態においては、このように実質的に軸上色収差が良好に補正された基本光学系１００に、所望の軸上色収差のみを発生させ、かつ、他の光学的性能に影響しないような色収差拡大光学系２００を付加することにより、軸上色収差が拡大された補正後の基本光学系１００′を簡便で安価に得ることを可能とした。
【００２４】
このような色収差拡大光学系２００を基本光学系１００に付加して、軸上色収差を拡大した補正後の基本光学系１００′の基本モデルを上述の図１として示す。図１に示す基本光学系１００は、前出のような既存の撮影レンズを有して構成され、所望の焦点距離及び明るさを有し、軸上色収差を含む各種の収差が十分補正されたものである。なお、図１では、基本光学系１００の前側（物体側）に色収差拡大光学系２００を配置して、軸上色収差のみを拡大した補正後の基本光学系１００′を構成しているが、両者の位置関係はこれに限定されることはなく、基本光学系１００の後側（像側）に色収差拡大光学系２００を配置しても良いし、基本光学系１００を複数のレンズ群に分割して、その内部に色収差拡大光学系２００を配置しても良い。
【００２５】
このような補正後の基本光学系１００′において、色収差拡大光学系２００の焦点距離をｆaとし、基本光学系１００の焦点距離をｆbとし、両者の主点間距離をｄとし、薄肉近似の元での補正後の基本光学系１００′全体の合成焦点距離をｆabとしたとき、以下に示す式（３）が成り立つ。
【００２６】
【数３】
2010286574.tif 000005
【００２７】
上記式（３）において、色収差拡大光学系２００の焦点距離ｆaと基本光学系１００の焦点距離ｆbとの比をｋ（＝ｆa／ｆb）としたとき、この式（３）は以下に示す式（４）のように変形できる。
【００２８】
【数４】
2010286574.tif 000006
【００２９】
上記式（４）から、色収差拡大光学系２００を付加しても、補正後の基本光学系１００′全体の合成焦点距離ｆabが、補正前の基本光学系１００の焦点距離ｆbと変わらない条件として、ｆb＝ｄの場合（主点間距離ｄが、基本光学系１００の焦点距離ｆbに略等しい場合）と、ｋが十分大きく分母の第２項が十分小さくなる場合と、が導かれる。なお、後者の条件を満たすためには、ｋが少なくとも８倍以上であることが好ましい。
【００３０】
次に、色収差拡大光学系２００について詳細に説明する。本実施形態では、色収差拡大光学系２００として回折光学素子ＧＤを用いる。本実施形態で用いる回折光学素子ＧＤは、図２に示すように、異なる光学材料からなる２つの回折素子要素Ｇ１，Ｇ２を接合して形成され、１ｍｍ当たり数本から数百本の細かい溝状またはスリット状の格子構造が同心円状に形成された回折光学面Ｄを備え、この回折光学面Ｄに入射した光を格子ピッチ（回折格子溝の格子間隔）と入射光の波長によって定まる方向へ回折することで、各種の光学機能を実現する素子である。ここで、本実施の形態に係る色収差拡大光学系２００に用いる場合は、回折光学面Ｄに形成される回折格子溝の最小格子間隔が、少なくとも１０μｍ以上であることが好ましい。なお、図２に示す回折光学素子ＧＤは、屈折率ｎｄ＝１．５２７６の高屈折率の光学材料を用いた回折光学素子要素Ｇ１（高屈折率層）と、屈折率ｎｄ＝１．５５６９の低屈折率の光学材料を用いた回折光学素子要素Ｇ２（低屈折率層）とを接合して形成した例を示している。
【００３１】
このような回折光学素子ＧＤは、特開平９−１２７３２１号公報に記載されているような構造で実現される。この特開平９−１２７３２１号公報に記載の密着複層型回折光学素子は、広い波長域で高い回折効率が得られるため、本実施形態の色収差拡大光学系２００に用いるのに適切である。なお、色収差拡大光学系に用いられる回折光学素子がこのような密着複層型回折光学素子に限定されることはなく、回折光学素子要素の空気側の面に回折格子溝を形成した単層型回折光学素子や、２つの回折光学素子要素を所定の間隔を空けて対向させ、この対向する面のそれぞれに回折格子溝を形成した分離複層型回折光学素子などを用いることも可能である。
【００３２】
また、このような回折光学素子ＧＤにおいては、光の波長による屈折率の変化（分散）を表すアッベ数をνd、ｄ線（λd＝５８７．５６ｎｍ）に対する屈折率をｎd、Ｆ線（λF＝４８６．１３ｎｍ）に対する屈折率をｎF、Ｃ線（λC＝６５６．２７ｎｍ）に対する屈折率をｎCとしたとき、前出の式（１）をもとに、以下に示す式（５）で表される。
【００３３】
【数５】
2010286574.tif 000007
【００３４】
上記式（５）から、通常の光学ガラスでは正であるアッベ数νdが、回折光学素子ＧＤでは負の値を取ることがわかる。このことは、通常の光学ガラスで作成したレンズでは、波長の長い光では波長の短い光より焦点距離が長くなるが、回折光学素子ＧＤでは、逆に波長の長い光の焦点距離が、波長の短い光より焦点距離が短くなることを示している。また、通常の光学ガラスのアッベ数νdは概ね２０〜６０程度であるのに対して、回折光学素子ＧＤではアッベ数νdの絶対値が１０以下となり、きわめて高分散であることがわかる。
【００３５】
ところで、アッベ数νdの光学材料で作成された、焦点距離ｆaのレンズの波長による焦点距離変化δｆaは、以下に示す式（６）で表される。
【００３６】
【数６】
2010286574.tif 000008
【００３７】
すなわち、アッベ数νdが小さいほど、波長による焦点距離変化δｆaが大きいので、回折光学素子ＧＤでは、同じ焦点距離ｆaのガラスで作成したレンズに比べて、大きな焦点距離変化量、すなわち、軸上色収差量δｆaが得られる。
【００３８】
さらに、色収差拡大光学系２００で発生する軸上色収差量δｆaは、色収差拡大光学系２００の像側に位置する基本光学系１００の縦倍率によって拡大されるので、この基本光学系１００の縦倍率をαbとしたとき、補正後の基本光学系１００′全体の軸上色収差量δｆaｂは、以下に示す式（７）で表される。
【００３９】
【数７】
2010286574.tif 000009
【００４０】
すなわち、基本光学系１００の縦倍率αbが決まっているとき、上記式（７）で、軸上色収差δｆabが所望の値になるように、この式（７）におけるδｆaを設定すればよい。
【００４１】
ここで、前述の「色収差拡大光学系２００を付加しても、補正後の基本光学系１００′全体の合成焦点距離ｆabが、補正前の基本光学系１００の焦点距離ｆbと変わらない条件」として、「ｋが十分大きく、式（４）の分母の第２項が十分小さくなる場合」すなわち、「ｆaを十分大きくし、式（３）の右辺第１項及び第３項が十分小さく無視できる構成とした場合」を適用する。この条件は、ｆaが無限大または十分に大きな値になる場合であるが、ここでｆaが無限大になる条件では、色収差拡大光学系２００に使用する回折光学素子ＧＤの回折効果を全く利用しないため、前述の色収差発生の機能を利用することができない。しかし、ｆaを十分大きな値としたときには、回折光学素子ＧＤに弱い回折効果を持たせればよいので、回折光学素子ＧＤの加工が簡単になる上、上述の式（７）に示したように、軸上色収差を非常に大きくできる利点がある。
【００４２】
所望の焦点距離を持った回折光学素子ＧＤを設計するには、いくつかの方法があるが、本実施形態では前述したように位相関数法を用いた。この位相関数法とは、回折光学素子ＧＤを設置する面に以下に示す式（８）で定義される位相関数Φを設定し、回折光に所望の位相特性を持たせるものである。なおここで、回折光学素子ＧＤは光軸を中心として回転対称の回折特性を持ち、下記式（８）中、Ｒは光軸からの距離を、Φは位相を表すものとする。また、Ｃ1，Ｃ2，…は係数であり、この値は所望の回折特性を満たすために適宜に設定されるものである。
【００４３】
【数８】
2010286574.tif 000010
【００４４】
また、位相関数Φは、上記式（８）のようなＲの偶数字のべき乗の多項式に限定することなく、適宜に定めたものを利用することができる。
【００４５】
なお、以上の説明では、色収差拡大光学系２００を単一の回折光学素子ＧＤからなる最も簡単な構成について説明したが、これに限定されることはなく、複数の回折光学素子を更に追加してもよい。
【実施例】
【００４６】
以下、上述の実施形態に係る実施例を、添付図面に基づいて説明する。
【００４７】
〔第１実施例〕
図３は、第１実施例において用いる基本光学系１００の構成を示す図である。図４は、図３に示す基本光学系１００に、色収差拡大光学系２００を付加することにより、軸上色収差が拡大された後の補正後の基本光学系１００′の構成を示す図である。この第１実施例では、基本光学系１００にガウス型の写真レンズ（以下、「ガウス型レンズ」と呼ぶ）３００を使用し、これに、色収差拡大光学系２００を付加することで、基本光学系１００の光学的性能をほぼ維持したまま、軸上色収差のみをＣ線−Ｆ線間で約１．４２ｍｍまで拡大した補正後の基本光学系１００′を形成している。
【００４８】
第１実施例における基本光学系１００（ガウス型レンズ３００）は、図３に示すように、物体側から順に、像側に凹面を設けた３枚のメニスカスレンズ（正メニスカスレンズＬ１１、正メニスカスレンズＬ１２、負メニスカスレンズＬ１３）、開口絞りＳ、物体側に凹面を設けた負メニスカスレンズＬ１４と像側に凸面を設けた正メニスカスレンズＬ１５との接合レンズ、像側に凸面を向けた正メニスカスレンズＬ１６、及び、両凸レンズＬ１７から構成される。
【００４９】
以下の表１に、第１実施例における基本光学系１００の諸元の値を掲げる。この表１において、ｆbは基本光学系１００の焦点距離を示す。また、面番号は光線の進行する方向に沿った物体側からのレンズ面の順序を、曲率半径は各面番号におけるレンズ面の値を、面間隔は各光学面から次の光学面までの光軸上の距離を、屈折率及びアッベ数はそれぞれｄ線（λd＝５８７．５６ｎｍ）に対する値を示している。ここで、以下の全ての諸元値において掲載されている焦点距離、曲率半径、面間隔その他長さの単位は、一般に「ｍｍ」が使われるが、光学系は、比例拡大または比例縮小しても同等の光学性能が得られるので、これに限られるものではない。なお、曲率半径∞は平面を示し、空気の屈折率1.00000は省略してある。また、これらの符号の説明及び諸元表の説明は以降の実施例においても同様である。
【００５０】
（表１）
ｆb＝51.65ｍｍ
面番号  曲率半径 面間隔   屈折率 アッベ数
物体面          358.2
1      44.62    4.8    1.7440    45.0
2     410.24    0.1
3      28.41    5.9    1.7963    40.9
4      46.51    1.3
5      88.03    1.6    1.6989    30.0
6      18.48    9.3
7       ∞      7.7                  （開口絞りＳ）
8     -17.10    1.0    1.7283    28.3
9   -1999.50    7.0    1.7668    46.8
10     -26.01    0.2
11     -94.61    4.4    1.7130    58.9
12     -31.60    0.1
13      96.03    2.5    1.7668    46.9
14    -359.07   45.9
15    （像面）
【００５１】
この第１実施例に係る色収差拡大光学系２００は、図４に示すように、基本光学系１００の正メニスカスレンズＬ１１と物体との間に取り外し可能に配置され、平行平板状に形成された回折光学素子ＧＤ１から構成される。この回折光学素子ＧＤ１は、異なる光学材料からなる２つの回折素子要素を接合し、当該接合面に回折格子溝が形成された回折光学面Ｄを備えている。
【００５２】
以下の表２に、第１実施例に係る色収差拡大光学系２００を付加して軸上色収差が拡大された補正後の基本光学系１００′の諸元の値を掲げる。この表２において、ｆaは色収差拡大光学系２００の焦点距離を、ｆabは補正後の基本光学系１００′全体の合成焦点距離を焦点距離を、ｄは色収差拡大光学系２００と基本光学系１００であるガウス型レンズ３００との主点間距離を、ＦＮｏ．はＦ値を、Ｃ2は回折光学素子ＧＤの位相関数における係数を示す。また、これらの符号の説明及び諸元表の説明は以降の実施例においても同様である。なお、長さの単位などの説明は、表１と同様である。また、回折光学面には面番号の左側に＊印を付している。
【００５３】
（表２）
ｆa＝500.00ｍｍ
ｆab＝51.03ｍｍ
ｄ＝32.33ｍｍ
ＦＮｏ．＝2.0
Ｃ2＝-0.001  他の係数は全て0
面番号  曲率半径 面間隔   屈折率 アッベ数
物体面          358.2
1       ∞      2.0    1.5168    64.2
*2       ∞      1.2                  （回折光学素子ＧＤ１）
3      44.62    4.8    1.7440    45.0
4     410.24    0.1
5      28.41    5.9    1.7963    40.9
6      46.51    1.3
7      88.03    1.6    1.6989    30.0
8      18.48    9.3
9       ∞      7.7                  （開口絞りＳ）
10     -17.10    1.0    1.7283    28.3
11   -1999.50    7.0    1.7668    46.8
12     -26.01    0.2
13     -94.61    4.4    1.7130    58.9
14     -31.60    0.1
15      96.03    2.5    1.7668    46.9
16    -359.07   40.4
17    （像面）
【００５４】
この第１実施例に係る色収差拡大光学系２００は、前出の式（８）にＣ2＝-0.001をあてはめて、以下に示す式（９）で与えられる位相関数を持つ回折光学素子ＧＤ１を形成した平行平板からなり、１次回折光を用いることで、所望の回折効果を発生させている。
【００５５】
【数９】
2010286574.tif 000011
【００５６】
このとき色収差拡大光学系２００の焦点距離ｆaは、５００．００ｍｍであり、アッベ数νdは前出の式（５）に示すように、−３．４５となる。ここで、アッベ数νdが負であることから、短波長の光の焦点距離が長く、長波長の光の焦点距離が短くなることで、軸上色収差が発生する。
【００５７】
この第１実施例においては、色収差拡大光学系２００の焦点距離ｆaと基本光学系１００の焦点距離ｆbとの比ｋは、５００．００／５１．０３＝８．４０５となり、８倍以上となっている。なお、この第１実施例において、色収差拡大光学系２００と基本光学系１００との主点間距離ｄは３２．３３ｍｍとなっている。
【００５８】
軸上色収差が拡大された補正後の基本光学系１００′の焦点距離ｆabは５１．０３ｍｍとなり、基本光学系１００の焦点距離ｆbの５１．６５ｍｍと比べてほぼ変化がないと言ってよく、したがって、軸上色収差以外の光学性能を損なうことがない。
【００５９】
この第１実施例における、基本光学系１００と、補正後の基本光学系１００′との、基本的な光学系の諸元の値を比較したものを、以下の表３に示す。この表３において、Ｂｆはバックフォーカスを示し、軸上色収差（ｎｍ）は、Ｃ線（λC＝６５６．２７ｎｍ）−Ｆ線（λF＝４８６．１３ｎｍ）間の距離を示す。また、各数値は、ｄ線（λd＝５８７．５６ｎｍ）に対する値を示し、長さなどの単位や符号の説明などは、表１と同様である。
【００６０】
（表３）
基本光学系    補正後基本光学系
焦点距離          51.65(ｆb)      51.03(ｆab)
Ｂｆ            38.34           33.07
軸上色収差          0.10            1.42
【００６１】
また、第１実施例の基本光学系１００の各収差図（球面収差、非点収差、歪曲収差）を図５（ａ）に、色収差拡大光学系２００の付加により軸上色収差が拡大された補正後の基本光学系１００′の各収差図（球面収差、非点収差、歪曲収差）を図５（ｂ）に示す。
【００６２】
各収差図において、ＣはＣ線（λC＝６５６．２７ｎｍ）を、ｄはｄ線（λd＝５８７．５６ｎｍ）を、ＦはＦ線（λF＝４８６．１３ｎｍ）をそれぞれ示している。なお、非点収差図において、実線はサジタル像面を示し、破線はタンゼンシャル像面を示している。この収差図の説明は以降の実施例においても同様である。各収差図及び表３から明らかなように、第１実施例では、基本光学系１００として、ガウス型レンズ３００を用い、回折光学素子ＧＤ１からなる色収差拡大光学系２００を付加することにより、基本光学系１００の光学性能（焦点距離、Ｆ値、倍率、軸上色収差以外の収差）に大きな影響を与えることなく、軸上色収差のみを拡大することができることがわかる。
【００６３】
また、第１実施例における色収差拡大光学系２００を密着複層型回折光学素子で作成した場合の回折光学素子ＧＤ１の断面形状を図６に示す。このとき回折光学素子ＧＤ１を形成する２つの光学材料の屈折率はそれぞれ、ｎｄ＝１．５２７６，ｎｄ＝１．５５３９で、波長λ＝５８７．５６ｎｍにおいて最大の回折効率を生ずるように格子高さが決定されており、このときの格子高さは２０μｍである。なお、これらの値は、以下の全ての実施例において共通である。
【００６４】
ここで、図６（ａ）は中心から半径３．５ｍｍまでの断面形状を示し、図６（ｂ）は最外周部である半径２４．０〜２４．５ｍｍの範囲の断面図を示し、最小格子間隔は約１２μｍである。
【００６５】
〔第２実施例〕
図７に、第２実施例に係る色収差拡大光学系２１０を基本光学系１１０内に付加することにより、軸上色収差が拡大された後の補正後の基本光学系１１０′の構成を示す。第２実施例において用いる基本光学系１１０（ガウス型レンズ３１０）の構成は、図３に示した第１実施例における基本光学系１００（ガウス型レンズ３００）と同じであるため、構成の詳細な説明は省略する。また、諸元の値は表１と同様であるため記載を省略する。第２実施例に係る色収差拡大光学系２１０は、図７に示すように、基本光学系１１０の開口絞りＳの直後（像側）に配置され、平行平板状に形成された回折光学素子ＧＤ２から構成される。このように基本光学系１１０内に第２実施例の色収差拡大光学系２１０を付加することにより、基本光学系１１０の光学的性能をほぼ維持したまま、軸上色収差のみをＣ線−Ｆ線間で約０．７４ｍｍまで拡大した補正後の基本光学系１１０′を形成している。
【００６６】
以下の表４に、この第２実施例に係る色収差拡大光学系２１０を付加して軸上色収差が拡大された補正後の基本光学系１１０′の諸元の値を掲げる。
【００６７】
（表４）
ｆa＝416.66ｍｍ
ｆab＝49.57ｍｍ
ｄ＝8.13ｍｍ
ＦＮｏ．＝2.0
Ｃ2＝-0.001  他の係数は全て0
面番号  曲率半径 面間隔   屈折率 アッベ数
物体面          358.2
1      44.62    4.8    1.7440    45.0
2     410.24    0.1
3      28.41    5.9    1.7963    40.9
4      46.51    1.3
5      88.03    1.6    1.6989    30.0
6      18.48    9.3
7       ∞      0.0                  （開口絞りＳ）
8       ∞      1.5    1.5168    64.2
*9       ∞      6.7                  （回折光学素子ＧＤ２）
10     -17.10    1.0    1.7283    28.3
11   -1999.50    7.0    1.7668    46.8
12     -26.01    0.2
13     -94.61    4.4    1.7130    58.9
14     -31.60    0.1
15      96.03    2.5    1.7668    46.9
16    -359.07   42.3
17    （像面）
【００６８】
この第２実施例に係る色収差拡大光学系２１０も、式（８）に示す位相関数において係数Ｃ2＝-0.001としているため、前出の式（９）で与えられる位相関数を持つ回折光学素子ＧＤ２を形成した平行平板からなり、１次回折光を用いることで、所望の回折効果を発生させている。
【００６９】
このとき色収差拡大光学系２１０の焦点距離ｆaは、５００．００ｍｍであり、アッベ数νdは前出の式（５）に示すように、−３．４５となる。ここで、アッベ数νdが負であることから、短波長の光の焦点距離が長く、長波長の光の焦点距離が短くなることで、軸上色収差が発生する。
【００７０】
この第２実施例においては、色収差拡大光学系２１０の焦点距離ｆaと基本光学系１１０の焦点距離ｆbとの比ｋは、４１６．６６／５１．０３＝８．１６５となり、８倍以上となっている。なお、第２実施例において、色収差拡大光学系２１０と基本光学系１１０との主点間距離ｄは８．１３ｍｍとなっている。
【００７１】
軸上色収差が拡大された補正後の基本光学系１１０′の焦点距離ｆabは４９．５７ｍｍとなり、基本光学系１１０の焦点距離ｆbの５１．６５ｍｍと比べてほぼ変化がないと言ってよく、したがって、軸上色収差以外の光学性能を損なうことがない。
【００７２】
この第２実施例における、基本光学系１１０と、補正後の基本光学系１１０′との、基本的な光学系の諸元の値を比較したものを、以下の表５に示す。
【００７３】
（表５）
基本光学系    補正後基本光学系
焦点距離          51.65(ｆb)      49.57(ｆab)
Ｂｆ            38.34           35.37
軸上色収差          0.10            0.74
【００７４】
また、この第２実施例において、色収差拡大光学系２１０の付加により軸上色収差が拡大された補正後の基本光学系１１０′の各収差図（球面収差、非点収差、歪曲収差）を図８に示す。各収差図及び表５から明らかなように、第２実施例では、基本光学系１１０として、ガウス型レンズ３１０を用い、回折光学素子ＧＤ２からなる色収差拡大光学系２１０を付加することにより、基本光学系１１０の光学性能（焦点距離、Ｆ値、倍率、軸上色収差以外の収差）に大きな影響を与えることなく、軸上色収差のみを拡大することができることがわかる。
【００７５】
また、第２実施例における色収差拡大光学系２１０を密着複層型回折光学素子で作成した場合の回折光学素子ＧＤ２の断面形状を図９に示す。ここで、図９（ａ）は中心から半径３．５ｍｍまでの断面形状を示し、図６（ｂ）は最外周部である半径８．４〜８．９ｍｍの範囲の断面図を示し、最小格子間隔は約２８μｍである。
【００７６】
〔第３実施例〕
図１０に、第３実施例において用いる基本光学系１２０の構成を示す。この図１０に示す基本光学系１２０に、第３実施例に係る色収差拡大光学系２２０を付加することにより、軸上色収差が拡大された後の補正後の基本光学系１２０′の構成を図１１に示す。この第３実施例では、基本光学系１２０としてテレフォト型の写真レンズ３２０を使用し、これに、第３実施例に係る色収差拡大光学系２２０を付加することで、基本光学系１２０の光学的性能をほぼ維持したまま、軸上色収差のみをＣ線−ｇ線間で約１．４４ｍｍまで拡大した補正後の基本光学系１２０′を形成している。
【００７７】
第３実施例における基本光学系１２０（テレフォト型レンズ３２０）は、図１０に示すように、物体側から順に、両凸レンズＬ１１、両凹レンズＬ１２、物体側に凸面を設けた正メニスカスレンズＬ１３、開口絞りＳ、両凹レンズＬ１４、及び、両凸レンズＬ１５から構成される。
【００７８】
以下の表６に、第３実施例における基本光学系１２０の諸元の値を掲げる。
【００７９】
（表６）
ｆb＝200.00ｍｍ
ＦＮｏ．＝4.0
面番号  曲率半径 面間隔   屈折率 アッベ数
物体面            ∞
1      69.86   10.0    1.5111    60.5
2    -105.43    6.0
3     -81.87    4.0    1.6200    36.3
4     108.46    1.0
5      55.13    7.0    1.5111    60.5
6     481.38   35.0
7       ∞     40.0                  （開口絞りＳ）
8     -26.67    2.0    1.6667    48.3
9     482.06    1.5
10     181.19    5.0    1.6259    35.7
11     -44.54   48.7
12    （像面）
【００８０】
第３実施例に係る色収差拡大光学系２２０は、図１１に示すように、基本光学系１２０の両凸レンズＬ１１と物体との間に取り外し可能に配置され、平行平板状に形成された回折光学素子ＧＤ３から構成される。
【００８１】
以下の表７に、この第３実施例に係る色収差拡大光学系２２０を付加して軸上色収差が拡大された補正後の基本光学系１２０′の諸元の値を掲げる。
【００８２】
（表７）
ｆa＝3000.00ｍｍ
ｆab＝193.88ｍｍ
ｄ＝87.30ｍｍ
ＦＮｏ．＝4.0
Ｃ2＝-0.001  他の係数は全て0
面番号  曲率半径 面間隔   屈折率 アッベ数
物体面            ∞
1       ∞      2.0    1.5168    64.2
*2       ∞      1.2                  （回折光学素子ＧＤ３）
3      69.86   10.0    1.5111    60.5
4    -105.43    6.0
5     -81.87    4.0    1.6200    36.3
6     108.46    1.0
7      55.13    7.0    1.5111    60.5
8     481.38   35.0
9       ∞     40.0                  （開口絞りＳ）
10     -26.67    2.0    1.6667    48.3
11     482.06    1.5
12     181.19    5.0    1.6259    35.7
13     -44.54   48.7
14    （像面）
【００８３】
この第３実施例に係る色収差拡大光学系２２０も、式（８）に示す位相関数において係数Ｃ2＝-0.001としているため、前出の式（９）で与えられる位相関数を持つ回折光学素子ＧＤ３を形成した平行平板からなり、１次回折光を用いることで、所望の回折効果を発生させている。
【００８４】
このとき色収差拡大光学系２２０の焦点距離ｆaは、３０００．００ｍｍであり、アッベ数νdは前出の式（５）に示すように、−３．４５となる。ここで、アッベ数νdが負であることから、短波長の光の焦点距離が長く、長波長の光の焦点距離が短くなることで、軸上色収差が発生する。
【００８５】
この第３実施例においては、色収差拡大光学系２２０の焦点距離ｆaと基本光学系１１２０の焦点距離ｆbとの比ｋは、３０００．００／２００．００＝１５．００となり、８倍以上となっている。なお、第３実施例において、色収差拡大光学系２２０と基本光学系１２０との主点間距離ｄは８７．３０ｍｍとなっている。
【００８６】
軸上色収差が拡大された補正後の基本光学系１２０′の焦点距離ｆabは１９３．８８ｍｍとなり、基本光学系１２０の焦点距離ｆbの２００．００ｍｍと比べてほぼ変化がないと言ってよく、したがって、軸上色収差以外の光学性能を損なうことがない。
【００８７】
この第３実施例における、基本光学系１２０と、補正後の基本光学系１２０′との、基本的な光学系の諸元の値を比較したものを、以下の表８に示す。なお、この表８において、Ｂｆはバックフォーカスを示し、軸上色収差は、基本光学系１２０ではｄ線（λd＝５８７．５６ｎｍ）−ｇ線（λg＝４３６ｎｍ）間の距離を示し、補正後の基本光学系１２０′ではＣ線（λC＝６５６．２７ｎｍ）−ｇ線（λg＝４３５．８３ｎｍ）間の距離を示す。また、各数値は、ｄ線（λd＝５８７．５６ｎｍ）に対する値を示し、長さなどの単位や符号の説明などは、表１と同様である。
【００８８】
（表８）
基本光学系    補正後基本光学系
焦点距離         200.00(ｆb)     193.88(ｆab)
Ｂｆ            52.54           48.66
軸上色収差          0.23            1.44
【００８９】
また、この第３実施例における基本光学系１２０の各収差図（球面収差、非点収差、歪曲収差）を図１２（ａ）に、色収差拡大光学系２２０の付加により軸上色収差が拡大された補正後の基本光学系１２０′の各収差図（球面収差、非点収差、歪曲収差）を図１２（ｂ）示す。
【００９０】
各収差図において、ＣはＣ線（λC＝６５６．２７ｎｍ）を、ｄはｄ線（λd＝５８７．５６ｎｍ）を、ｇはｇ線（λg＝４３５．８３ｎｍ）をそれぞれ示している。なお、非点収差図において、実線はサジタル像面を示し、破線はタンゼンシャル像面を示している。この収差図の説明は以降の実施例においても同様である。各収差図及び表８から明らかなように、第３実施例では、基本光学系１２０として、テレフォト型レンズ３２０を用い、回折光学素子ＧＤ３からなる色収差拡大光学系２２０を付加することにより、基本光学系１２０の光学性能（焦点距離、Ｆ値、倍率、軸上色収差以外の収差）に大きな影響を与えることなく、軸上色収差のみを拡大することができることがわかる。
【００９１】
また、第３実施例における色収差拡大光学系２２０を密着複層型回折光学素子で作成した場合の回折光学素子ＧＤ３の断面形状を図１３に示す。ここで、図１３（ａ）は中心から半径３．５ｍｍまでの断面形状を示し、図１３（ｂ）は最外周部である半径２４．０〜２４．３ｍｍの範囲の断面図を示し、最小格子間隔は約１２０μｍである。
【符号の説明】
【００９２】
ＧＤ１，ＧＤ２，ＧＤ３  回折光学素子
１００，１１０，１２０  基本光学系
１００′，１１０′，１２０′  補正後の基本光学系
２００，２１０，２２０  色収差拡大光学系
【図１】
2010286574.tif 000012
【図２】
2010286574.tif 000013
【図３】
2010286574.tif 000014
【図４】
2010286574.tif 000015
【図５】
2010286574.tif 000016
【図６】
2010286574.tif 000017
【図７】
2010286574.tif 000018
【図８】
2010286574.tif 000019
【図９】
2010286574.tif 000020
【図１０】
2010286574.tif 000021
【図１１】
2010286574.tif 000022
【図１２】
2010286574.tif 000023
【図１３】
2010286574.tif 000024