(57)【要約】      （修正有）【課題】非常に高い収差補正を有するフルサイズ画像センサ用の固定焦点長対物レンズを提供する。【解決手段】複数のレンズ素子を有し、物体の画像を形成する固定焦点長対物レンズと、開口絞り１１４とからなっており、開口絞り１１４は、開口絞り近接空間１１８と、少なくとも１つのフィールド近接空間１２０、１２２とを規定し、対物レンズは、レンズ素子の少なくとも３つの非球面表面１２４、１２６、１２８、１３０を備え、いずれか２つの非球面表面１２８、１３０が開口絞り近接空間１１８に配置されており、少なくとも１つの非球面表面１２４、１２６がフィールド近接空間１２０、１２２に配置され、または、少なくとも１つの非球面表面１２８、１３０が開口絞り近接空間１１８に配置されており、２つの非球面表面１２４、１２６がフィールド近接空間１２０、１２２に配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の画像を形成する固定焦点長対物レンズであって、
１．１  複数のレンズ素子と、
１．２  開口絞り（１１４）と
を備え、
１．２．１  前記開口絞り（１１４）は、開口絞り近接空間（１１８）、および、少なくとも１つのフィールド近接空間（１２０、１２２）を規定しており、
１．３  当該対物レンズは、レンズ素子の少なくとも３つの非球面表面（１２４、１２６、１２８、１３０）を備えており、
１．３．１  前記レンズ素子のそれぞれは、多くても１つの非球面表面（１２４、１２６、１２８、１３０）を備えており、
１．４
１．４．１  非球面表面（１２８、１３０）を有するいずれか２つのレンズ素子が前記開口絞り近接空間（１１８）に配置されており、非球面表面（１２４、１２６）を有する少なくとも１つのレンズ素子がフィールド近接空間（１２０、１２２）に配置されており、または、
１．４．２  非球面表面（１２８、１３０）を有する少なくとも１つのレンズ素子のいずれかが前記開口絞り近接空間（１１８）に配置されており、非球面表面（１２４、１２６）を有する２つのレンズ素子がフィールド近接空間（１２０、１２２）に配置されており、
１．５  マージナル光線が、光学表面とのすべての交点で、前記光軸に対する距離ＨＭを有しており、
１．６  最も外側の物体フィールド点からの主光線が、光学表面とのすべての交点で、前記光軸に対する距離ＨＣを有しており、
１．７  前記比率ＨＣ／ＨＭは、前記フィールド近接空間（１２０）において、前記少なくとも１つの非球面表面（１２４、１２６）の前記位置で、より大きい、または等しい、対物レンズ。
【請求項２】
前記比率ＨＣ／ＨＭは、前記フィールド近接空間（１２０）において、前記少なくとも１つの非球面表面（１２４、１２６）の前記位置で、２．５よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の対物レンズ。
【請求項３】
前記比率ＨＣ／ＨＭは、前記フィールド近接空間（１２０）において、少なくとも１つの非球面表面（１２４、１２６）に関し、４よりも大きいことを特徴とする、請求項１または２に記載の対物レンズ。
【請求項４】
前記比率ＨＣ／ＨＭは、前記開口絞り近接空間（１１８）において、前記少なくとも１つの非球面表面（１２８、１３０）に関し、０．４よりも小さいことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の対物レンズ。
【請求項５】
５．１  前記物体側にある、負の屈折力の固定された第１のレンズ群（ＬＧ１）と、
５．２  前記物体側から、この順序で前記第１のレンズ群（ＬＧ１）に続く、正の屈折力の第２のレンズ群（ＬＧ２）とを特徴とし、
５．３  前記開口絞り（１１４）は、前記正のレンズ群（ＬＧ２）に配置されており、
５．４  前記正のレンズ群（ＬＧ２）は、異なる物体距離用に前記画像を集束するために、少なくとも２つの下位レンズ群（ＬＧ２１、ＬＧ２２）を備えている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の対物レンズ。
【請求項６】
前記第２のレンズ群（ＬＧ２）の前記第１のレンズ素子（Ｌ６）が集束用に可動とされていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の対物レンズ。
【請求項７】
前記ガラス異常比率は、１００よりも大きい、または１００に等しいことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の対物レンズ。
【請求項８】
前記ガラス異常比率は、１００よりも大きく、または１００に等しく、かつ、３００よりも小さく、または３００に等しいことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の対物レンズ。
【請求項９】
前記ガラス異常比率は、１２５〜１７５の間である、ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の対物レンズ。
【請求項１０】
１０．１  前記レンズについては、前記開口絞り近接空間にあり、
１０．２  少なくとも１つの正の倍率のレンズが、蛍石クラウンというガラスのタイプで形成されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の対物レンズ。
【請求項１１】
１１．１  前記レンズについては、前記開口絞り近接空間にあり、
１１．２  少なくとも１つの負の倍率のレンズが、特殊ショートフリントというガラスのタイプで形成されていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の対物レンズ。
【請求項１２】
１２．１  前記レンズについては、前記フィールド近接空間にあり、
１２．２  少なくとも１つのレンズが、低分散の異常なガラスで形成されていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の対物レンズ。
【請求項１３】
前記２つのレンズ群（ＬＧ１、ＬＧ２）の少なくとも１つが、非球面表面（１２４、１２６）を有する２つのレンズ素子（Ｌ１、Ｌ２）を備えていることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の対物レンズ。
【請求項１４】
前記２つのレンズ素子（Ｌ１、Ｌ２）は、互いに隣接して配置されていることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の対物レンズ。
【請求項１５】
負の屈折力を有する前記第１のレンズ群（ＬＧ１）は、少なくとも２つの負のレンズ素子（Ｌ１、Ｌ２）を備えていることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の対物レンズ。
【請求項１６】
前記負のレンズ（Ｌ１、Ｌ２）の少なくとも１つが、凸側を前記物体に向けて方位付けられたメニスカス形状を有していることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の対物レンズ。
【請求項１７】
非球面表面（１２４、１２６）を有する２つのレンズ素子が、前記第１の群（ＬＧ１）に配置されていることを特徴とする、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の対物レンズ。
【請求項１８】
前記第１および第２のレンズ素子（Ｌ１、Ｌ２）はそれぞれ、非球面の形状の前記物体側に第１の表面（１２４、１２６）を有していることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の対物レンズ。
【請求項１９】
前記第１の群（ＬＧ１）中の前記第１の２つのレンズ（Ｌ１、Ｌ２）はメニスカスタイプであることを特徴とする、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の対物レンズ。
【請求項２０】
前記第１のレンズ（Ｌ１）は、前記物体側に非球面表面（１２４）を有していることを特徴とする、請求項１〜１９のいずれか１項に記載の対物レンズ。
【請求項２１】
非球面表面（１２４、１２６、１２８、１３０）を有する４つのレンズ素子を特徴とする、請求項１〜２０のいずれか１項に記載の対物レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は、写真撮影または映画撮影用に使用される、（単焦点レンズとも呼ばれる）固定焦点長対物レンズである。詳しくは、本発明は、非常に高い水準の収差補正を有し、かつ、広視野および高開口数用に、特にフルサイズ画像センサ用に使用できる、固定焦点長対物レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
画像フィールド曲率、球面収差、コマ収差、非点収差および歪曲収差に影響する単色収差の主な種類は５つある。
【０００３】
フィールド曲率の補正は、最も重要な補正である。それは、最も一般的な場合において、画像が平坦なセンサ表面上になければならないためである。屈折レンズ素子のみを含む光学系において、フィールド曲率の補正は、第一に、負の倍率のレンズの群を正の倍率のレンズの群から空間的に分離すること、および、第二に、異なるレンズ用に異なる屈折率を用いることという、２つの方法により行えるであろう。
【０００４】
複レンズおよび非球面レンズ素子は、他のすべての収差を補正するのに使用される。
【関連技術の説明】
【０００５】
固定焦点長を有する対物レンズが、物体の画像を捕捉するために、写真撮影および映画撮影において、広く使用されている。
【０００６】
集束用の２つの可動レンズ群および非球面レンズ素子を含む複数の光学素子を有する対物レンズを、米国特許第７，４４６，９４４Ｂ２号が開示している。
【０００７】
米国特許第８，５０８，８６４Ｂ２号も、２つの正の群へと配列された複数の光学素子を有し、かつ、非球面レンズ素子および集束用の可動の群をも有する、映画撮影用の対物レンズを開示している。
【０００８】
上述した文献はともに、狭い視野および高開口に適合された補正手段を有する対物レンズを開示している。
【０００９】
文献  Ｉ．Ｎｅｉｌ：「Ｈｉｇｈ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｗｉｄｅ  ａｎｇｌｅ  ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ  ｌｅｎｓ  ｓｙｓｔｅｍｓ  ｗｉｔｈ  ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｆｏｃｕｓｉｎｇ  ｏｐｔｉｃｓ  ａｎｄ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ａｓｐｈｅｒｉｃ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｖｉｓｉｂｌｅ  ｗａｖｅｂａｎｄ」、ＳＰＩＥ（国際光工学会）ＶＯＬ２７７４、ｐ．２１６〜２４２は、複数の非球面表面を有する広角用途のために使用されるレンズを記載している。
【００１０】
開示されたすべての先行技術のレンズは、広い画像フィールドおよび高開口数に関する画像収差を補正するための、すべてそろった手段を提示しているわけではない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ゆえに、本発明の目的は、非常に高い収差補正を有するフルサイズ画像センサ用の固定焦点長対物レンズを提供することである。収差補正は、４０ｌｐｍおよび最大画像フィールド高さで、変調伝達関数（ＭＴＦ）が約５０％、好ましくは６０％以上となるようにすべきである。これは、８ｋの画像チップに適した対物レンズを形成するであろう。くわえて、対物レンズは、広視野に及び、かつ、高開口数を提供しなければならない。
【００１２】
本目的は、独立請求項で請求された発明により、達成される。好適な実施形態が、従属請求項に記載されている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
複数のレンズ素子と開口絞りとを備える、物体の画像を形成する固定焦点長対物レンズを提案する。開口絞りは、開口絞り近接空間および少なくとも１つのフィールド近接空間を規定する。通常、レンズを有する２つのフィールド近接空間が、１つは物体側に、かつ、他方は画像側に存在する。対物レンズは、それぞれがいずれかのレンズ上にある、少なくとも３つの非球面表面を備えている。非球面表面は、以下の仕方で分布している。いずれか２つの非球面表面が開口絞り近接空間にあり、少なくとも１つの非球面表面がフィールド近接空間にある。あるいは、少なくとも１つの非球面表面が開口絞り近接空間にあり、２つの非球面表面がフィールド近接空間にある。
【００１４】
フィールド近接空間にある２つの非球面表面は、いずれもともに同じフィールド近接空間にあり、または、それらはそれぞれ、１つのフィールド近接空間内で、１つは対物レンズの物体側に、かつ、１つは画像側にある。
【００１５】
２つの非球面表面は、異なるレンズ上にあっても、または、同じレンズ上にあってもよい。
【００１６】
３つの非球面の使用により、補助的なガラス材料を使用せずに、収差の補正が可能となるため、ガラス重量を制御できるであろう。
【００１７】
非球面は、収差に対して最も高い作用を有するところ、すなわち、フィールド近接空間内に、または、開口絞り近接空間内に、配置されている。このようにして、球面収差、コマ収差、非点収差および歪曲収差という、４つの主な収差が補正される。
【００１８】
同じ空間における２つの非球面の使用により、より高い次数の収差に対する、選択的な補正作用が可能となる。例えば、第１の非球面の条件は、３次収差に影響するため、２つの非球面の反対の寄与が、この次数の収差に対する作用を低減して、５次以上の次数の収差に対する大きな作用が維持される場合がある。
【００１９】
開口絞り近接空間に位置する、すべてのレンズ素子／表面は、球面収差に対する決定的な影響を有している。これは、特定の表面の３次の球面収差係数が、表面における第４の倍率の軸方向マージナル光線高さＨＭとともに変化するからである。
【００２０】
さらには、開口絞り近接空間に位置する、すべてのレンズ素子／表面は、コマ収差に対して、増大した影響を有している。これは、特定の表面のコマ収差の３次の係数が、表面における第３の倍率のマージナル光線高さＨＭ、および、表面における第１の倍率の主光線高さＨＣとともに変化するからである。
【００２１】
また、フィールド近接空間に配置された光学素子／表面は、歪曲収差に対して、増大した影響を有している。これは、歪曲収差が、表面上の第３の倍率の主光線高さＨＣおよび第１の倍率の軸方向マージナル光線高さとともに変化するからである。これらは、非点収差に対して、増大した影響をも有している。これは、３次の係数の非点収差が、表面上で、第２の倍率のマージナル光線高さおよび第２の倍率の主光線高さとともに変化するからである。
【００２２】
いくつかの単色収差に対する最も大きな影響は、フィールド近接空間における非球面表面が、比率ＨＣ／ＨＭが２．５よりも大きいところに配置された場合に、実現することができる。
【００２３】
フィールド近接空間における少なくとも１つの非球面表面に関し、比率ＨＣ／ＨＭが４よりも大きい場合、歪曲収差に対する影響は決定的となる。
【００２４】
基本的に、同じことが、開口絞り近接空間における非球面表面についても当てはまる。開口絞り近接空間における少なくとも１つの非球面表面の位置で、比率ＨＣ／ＨＭが０．４よりも小さい場合、コマ収差および球面収差の優良な補正を実現できる。
【００２５】
対物レンズは、物体側に、負の屈折力の固定された第１のレンズ群を有している。これにより、十分な小型性が与えられ、集束時に対物レンズの長さが変更されることがなくなるであろう。これは、空間が限られている場合に、論点となり得る。
【００２６】
対物レンズはさらに、第１のレンズ群に続いて、正の屈折力の第２のレンズ群を、物体側から数えてこの順序で有している。このように、これはレトロフォーカス対物レンズである。
【００２７】
開口絞りは、正のレンズ群に配置されている。
【００２８】
最適な集束のために、正のレンズ群は、少なくとも２つの下位のレンズ群を備えている。
【００２９】
ゆえに、本発明は、負の屈折力の第１のレンズ群および正の屈折力の第２のレンズ群および正のレンズ群に配置された虹彩絞りを有する対物レンズに関し、レンズ群のそれぞれは、少なくとも１つの非球面レンズ素子を備え、正のレンズ群は、異なる物体位置での集束用に少なくとも２つの可動の光学素子を備えている。
【００３０】
本発明は、広角用途に使用される光学系内での、光学群構造体および補正手段の最適な配列を説明する。この構成の仕方により、収差の最適な補正が保証され、小型サイズの対物レンズも維持される。
【００３１】
本明細書で開示されたすべてのレンズに共通のこの構造は、高性能につながる。レンズ系は、ＭＴＦ（変調伝達関数）が、軸方向フィールド上で少なくとも７０％の、および、２０線対／ｍｍの空間周波数で算定した他のすべてのフィールド点で少なくとも５０％の値を有する場合に、高性能を有するとみなされる。本発明に係る対物レンズは、これらの値をしばしば上回る。
【００３２】
これは、第２のレンズ群の第１のレンズ素子が集束用に可動とされている場合に、集束用に特に実際的であることが証明されている。
【００３３】
これにより、物体位置の変化に伴う、非点収差および歪曲収差同様の、主光線高さに応じたこれらの収差の変化を、効率的に補正できる。
【００３４】
ガラス異常比率（ＧＡＲ）が１２５＜ＧＡＲ＜１７５の間で満たされれば、色収差を補正するための良好な潜在力が確保される。
【００３５】
色収差の最良の補正は、少なくとも１つの異常なガラスのタイプの蛍石クラウンを、正の倍率のレンズで使用し、かつ、特殊ショートフリント（図１４のＫＺＦＳを参照）（重ショートフリントとも呼ばれる）が負の倍率のレンズで使用された際、レンズが開口絞り近接空間配置されたときに、実現することができる。これらのレンズから色収差寄与を低減するために、フィールド近接空間において、低分散の異常なガラスを、少なくとも１つのレンズ用に使用すべきである。
【００３６】
２つのレンズ群の少なくとも１つが、２つの非球面表面を備える場合、より高い次数の収差に対する、選択的な補正作用が可能となる。例えば、第１の非球面の条件は、３次収差に影響するため、２つの非球面の反対の寄与が、この次数の収差に対する作用を低減して、５次以上の次数の収差に対する大きな作用が維持される場合がある。
【００３７】
好ましくは、レンズ群内の２つの非球面表面は、２つの異なるレンズ素子上に配置されており、２つの異なるレンズ素子は、互いに隣接して配置されている。これにより、収差に対する補正作用が増加し、より高い次数の収差に対する、選択的な補正作用が可能となる。
【００３８】
負の屈折力を有する第１のレンズ群が少なくとも２つの負のレンズ素子を備えている場合には、レンズ群の必要とされる負の倍率は、少なくとも２つの素子上に分布され、この２つの素子の収差寄与は、それに応じて低減される。これは、収差寄与がレンズ倍率に直接依存するからである。高倍率レンズは、低倍率レンズよりも、大きな収差寄与を有することになる。
【００３９】
第１のレンズ素子が、凸側を物体に向けて方位付けられたメニスカス形状を有する場合、入射角が、より小さい値を有することになるので、表面の収差寄与も低減されることになる。正常な入射では、光線は偏向されず、ゆえに、表面は収差に対する寄与をまったく有さないであろう。
【００４０】
２つの非球面レンズ素子が前方のレンズ群にある状態で、特定の収差補正の分離が、少なくとも２つの収差タイプに対して実現される。これは、一方が、例えば歪曲収差といった１つの収差に主に影響し、かつ、他方が、例えば非点収差といった第２の収差に主に影響するからである。
【００４１】
第１の群の第１および第２のレンズ素子がそれぞれ、非球面の形状の物体側に第１の表面を有している場合、これをさらに改善することができる。
【００４２】
前方のレンズ素子の両方が、凸面を物体に向けたメニスカスタイプである場合、両者は、フィールド末端から始まる光束の入射角が低減されることになるため、収差寄与に関して最適な形状を有することになる。
【００４３】
第１のレンズが物体側に非球面表面を有する場合に、補正および製造性に関して最適となる。前方の群における負のレンズ上の非球面表面は、光軸からレンズ縁辺に向かって、レンズの倍率を低減することができ、それにより、第１のレンズが、凸側を物体に向けたメニスカスタイプである場合に特に、最も外側の物体フィールドから来て表面に衝突するビームの光線の入射角を低減することができる。
【００４４】
非球面がより多くなると、上述した補正手段が増加することになる。非球面表面の位置は、特定の収差への影響に関して、肝要である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
本発明の他の目的および利点は、明細書および添付の特許請求の範囲を、その中の図面とともに読むことから、把握されるであろう。本発明の、より完全な理解のために、添付図面に関連して行われる、以下の実施形態の説明に対して、参照を設ける。問題を解決する見込みは、実施形態のみに限定されない。例示的な実施形態を、図面に模式的に示す。個々の図面中の同じ参照番号は、同じ、または、機能的に同一の、または、それらの機能に関して対応する、要素を示している。詳細は以下の通りである。
【図１】第１の実施形態に係る光学系と、レンズ系内の関連する光線の位置とを示す。非球面の素子の好ましい位置をも示す。
【図２】図１のレンズの断面図を、群構造、可動の群および非球面レンズ位置を含めて、示す。
【図３】空間周波数に伴うＭＴＦ変動を、図１のレンズに関し異なる画像フィールド高さについて示す。
【図４】異常分散を有する２つのガラスについて、ΔＰｇＦ対アッベ数ｖｄを示す。
【図５】第２の実施形態に対応するレンズの断面図を、基準光線および非球面レンズ素子の位置を含めて、示す。
【図６】図５のレンズの断面図を、群構造、および、集束用に可動とされた下位群を含めて、示す。
【図７】空間周波数に伴うＭＴＦ変動を、図５のレンズに関し異なる画像フィールド高さについて示す。
【図８】第３の実施形態に対応するレンズの断面図を、基準光線および非球面レンズ素子の位置を含めて、示す。
【図９】空間周波数に伴うＭＴＦ変動を、図８のレンズに関し異なる画像フィールド高さについて示す。
【図１０】図８のレンズの断面図を、群構造、および、集束用に移動される下位群を含めて、示す。
【図１１】第４の実施形態に対応するレンズの断面図を、基準光線および非球面レンズ素子の位置を含めて、示す。
【図１２】図１１のレンズの断面図を、群構造、および、集束用に移動される下位群を含めて、示す。
【図１３】空間周波数に伴うＭＴＦ変動を、図１１のレンズに関し異なる画像フィールド高さについて示す。
【図１４】ガラス材料クラスの名称を、屈折率およびアッベ数に応じ、ショットガラスカタログに従って示す。
【００４６】
表の一覧
表１  第１の実施形態についての、個々のレンズの光学倍率
表２  第１の実施形態についての、個々のレンズの形態
表３  第１の実施形態についての、個々のレンズの方位
表４  第１の実施形態についての、個々のレンズのガラスタイプ
表５  第１の実施形態についての、個々のレンズの焦点距離の範囲
表６Ａ  図１に係る対物レンズの実施形態（第１の実施形態）に対応する数値データ
表６Ｂ  図１に係る対物レンズの実施形態（第１の実施形態）の非球面の非球面定数
表７  図１に係る対物レンズ（第１の実施形態）で使用される異なる非球面表面の、異なる単色収差に対する影響
表８  第２の実施形態についての、個々のレンズの光学倍率
表９  第２の実施形態についての、個々のレンズの形態
表１０  第２の実施形態についての、個々のレンズの方位
表１１  第２の実施形態についての、個々のレンズのガラスタイプ
表１２  第２の実施形態についての、個々のレンズの焦点距離の範囲
表１３Ａ  図５に係る対物レンズの実施形態（第２の実施形態）に対応する数値データ
表１３Ｂ  図５に係る対物レンズの実施形態（第２の実施形態）の非球面の非球面定数
表１４  図５に係る対物レンズ（第２の実施形態）で使用される異なる非球面表面の、異なる収差に対する影響
表１５  第３の実施形態についての、個々のレンズの光学倍率
表１６  第３の実施形態についての、個々のレンズの形態
表１７  第３の実施形態についての、個々のレンズの方位
表１８  第３の実施形態についての、個々のレンズのガラスタイプ
表１９  第３の実施形態についての、個々のレンズの焦点距離の範囲
表２０Ａ  図８に係る対物レンズの実施形態（第３の実施形態）に対応する数値データ
表２０Ｂ  図８に係る対物レンズの実施形態（第３の実施形態）の非球面の非球面定数
表２１  図８に係る対物レンズ（第３の実施形態）で使用される異なる非球面表面の、異なる収差に対する影響
表２２  第４の実施形態についての、個々のレンズの光学倍率
表２３  第４の実施形態についての、個々のレンズの形態
表２４  第４の実施形態についての、個々のレンズの方位
表２５  第４の実施形態についての、個々のレンズのガラスタイプ
表２６  第４の実施形態についての、個々のレンズの焦点距離の範囲
表２７Ａ  図１１に係る対物レンズの実施形態（第４の実施形態）に対応する数値データ
表２７Ｂ  図１１に係る対物レンズの実施形態（第４の実施形態）の非球面の非球面定数
表２８  図１１に係る対物レンズ（第４の実施形態）で使用される異なる非球面表面の、異なる収差に対する影響
【発明を実施するための形態】
【００４７】
(第１の実施形態)
図１は、第１の実施形態に対応するレンズの模式図を示しており、約２５ｍｍの固定焦点長および約１．７のＦ値を有する単焦点レンズを表している。光学１０８軸上の左手側の物点から始まる光束は、マージナル光線１１０により制限される。最も外側の可視の物体高さに始まる光束は、主光線１１２周りの対物レンズを通って案内される。
【００４８】
中央に位置決めされた光学系に関し、光軸１０８およびマージナル光線１１０により形成される平面は慣習により、子午面と呼ばれる。主光線１１２も、この子午面内に配置されている。レンズの図示は常に、子午面において、すべてのレンズ素子を切断して行われる。
【００４９】
本文献の説明内で、かつ、図１に従って、マージナル光線１１０は、光学表面とのすべての交点で、高さＨＭ（光軸に対する距離）を、かつ、主光線１１２は、対応する高さＨＣ（光軸に対する距離）を有し、その結果、すべての表面位置について、主光線高さおよびマージナル光線高さの比率を算定できる。レンズおよび形象の軸対称性を考慮して、比率が１と等しい位置、主光線１１２がマージナル光線１１０と交差する位置という、２つの位置がある。開口絞り１１４で、主光線高さはゼロとなる。画像位置において、マージナル光線高さはゼロとなる。関係ＨＣ／ＨＭ＜０．５を満たす開口絞り周りの空間を、開口絞り近接空間１１８であると定義する。
【００５０】
この開口絞り近接空間１１８に位置する、すべてのレンズ素子／表面は、球面収差に対する増大した影響を有している。これは、特定の表面の３次の球面収差係数（例えば表７を参照）が、表面における第４の倍率の軸方向マージナル光線高さＨＭとともに変化するからである。
【００５１】
さらには、開口絞り近接空間１１８に位置する、すべてのレンズ素子／表面は、コマ収差に対して、増大した影響を有している。これは、特定の表面のコマ収差の３次の係数（例えば表７を参照）が、表面における第３の倍率のマージナル光線高さＨＭ、および、表面における第１の倍率の主光線高さＨＣとともに変化するからである。
【００５２】
開口絞り近接空間１１８の前方の空間は、物体側フィールド近接空間１２０と呼ばれる。開口絞り近接空間１１８の向こうの空間は、画像側フィールド近接空間１２２と呼ばれる。
【００５３】
この空間に配置された光学素子は、歪曲収差に対して、増大した影響を有している。これは、非点収差に対する３次の表面寄与が、関連する光学表面において、第３の倍率の主光線高さとともに変化するからである。これらは、非点収差に対して、増大した影響をも有している。これは、非点収差に対する３次の表面寄与が、第２の倍率のマージナル光線高さおよび第２の倍率の主光線高さとともに、ともに関連する表面上で、変化するからである。
【００５４】
第１の実施形態は、以下のように要約できる。
【００５５】
【表１】
2019194675.tif 000003
【００５６】
＊は非球面を意味する。この対物レンズに他のレンズ素子はない。
【００５７】
この全体的な設定により、本発明の主要な利点が実現できる。
非球面表面は、以下のように配置されるのが好ましい。
−第１の非球面表面１２４が、第１のレンズＬ１の物体側表面上に、すなわち物体側フィールド近接空間１２０に配置されている。
−第２の非球面表面１２６が、第２のレンズＬ２の物体側表面上に、すなわちここでも物体側フィールド近接空間１２０に配置されている。
−第３の非球面表面１２８が、レンズＬ１１の物体側表面上に、すなわち開口絞り近接空間１１８に配置されている。
−第４の非球面表面１３０が、レンズＬ１２の画像側表面上に、すなわちここでも開口絞り近接空間１１８に配置されている。
【００５８】
上に説明したように、これらの位置において、これらは、異なる収差を補正することに対して、非常に強い影響を有している。
【００５９】
第１の実施形態の好適な具体化を、レンズの以下の形態によって、実現することができる。
【００６０】
【表２】
2019194675.tif 000004
【００６１】
さらなる利点が、レンズの以下の方位を使用することにより、実現できる。
【００６２】
【表３】
2019194675.tif 000005
【００６３】
レンズの役割は、物体から出る光線を結束して、それにより画像を形成することであるため、レンズの形状は最適に設計されている。これは、各レンズが、主光線の低減された入射角、または、マージナル光線の低減された入射角を有するからである。これは、画像収差に対する各レンズの寄与の低減を、かつ、補正手段の数の低減をも、可能にする。
【００６４】
さらなる利点が、レンズ用に以下のガラスタイプを使用することにより、実現できる。
【００６５】
【表４】
2019194675.tif 000006
【００６６】
ガラスタイプの定義は、用語集に示す。
【００６７】
レンズは、色収差に対する寄与をも有している。これは、ガラス屈折率が、波長とともに変化するからである。ガラスタイプの選択は、色収差およびすべての単色収差の色相変化を補正するために、重大である。
【００６８】
分散は、収差補正に関連付けられたガラスタイプの主な特性であるため、ガラスタイプ分類には、２つの異なる方法がある。
【００６９】
まず第一に、ガラス材料を、主分散またはアッベ数で特徴付けられる、それらの分散の強度に従って分類できる。そこで、高分散ガラスは、６２未満のアッベ数を有し、低分散ガラスは、６２よりも大きいアッベ数を有する。
【００７０】
第二に、ガラス材料を、短波長領域でのそれらの分散の挙動に従って分類できる。ゆえに、正常分散（それらの大部分は、ショット社のガラスＫ７およびＦ２を通過する相対部分分散対アッベ数の表における線上に配置されている）を有するガラスと、異常な挙動を有するガラス（異常なガラス）とがある。異常なガラスは、スペクトルの短波長領域におけるそれらの相対部分分散の強度に従い、さらに分類できる。そこで、蛍石クラウン（例えば、ショットのＦＫ５１ＡまたはオハラのＳＦＰＬ５１）のような、短波長スペクトルで高分散を有するレンズ、および、重または特殊ショートフリント（例えば、ショットの（ＫｚＦＳＮ５としても知られる）ＮＫＺＦＳ５またはオハラのＳＮＢＨ５といった、図１４のＫｚＦＳを参照）のような、短波長スペクトルで低分散を有するガラスが存在する。（図４も参照のこと。）
【００７１】
さらなる利点が、レンズ用に以下の範囲の焦点距離を使用することにより、実現できる。
【００７２】
【表５】
2019194675.tif 000007
【００７３】
この第１の実施形態に係る数値データを、表６Ａに示す。例示的なガラスタイプを、単なる例として取り上げる。使用する略号は、当業者に周知の商品名に対応している。ドイツのマインツ市にあるショット社または日本のオハラ社により、ガラスタイプが提供され、かつ、商品名が使用されている。
【００７４】
第１の実施形態で使用する非球面１１４用の非球面定数を、図６Ｂに示す。
【００７５】
非球面表面の表面形状は、下記の従来からの公式により決定される。
2019194675.tif 000008
式中、光軸はｚ方向にあると仮定され、ｚ（ｒ）は軸からの距離ｒでの沈下、すなわち、表面の頂点（極）からの、表面の変位のｚ成分である。係数Ｃ１、Ｃ２．．．は、Ｒ（球面表面の曲率半径）およびＫ（円錐定数）により規定される軸対称な二次曲面からの、表面の偏向を表している。
【００７６】
最も重要な収差を補正するのに使用する補正手段は、フィールド近接空間１２０および開口絞り近接空間１１８に配置される。図１によれば、第１および第２の光学素子は、非球面の形状の第１の表面１、３を有している。収差影響比率ＨＣ／ＨＭは、第１の非球面表面１で、４よりも大きくされており、第２の非球面表面３で、２．５よりも大きくされている。
【００７７】
本発明のすべての実施形態に関する、共通の設計原理は、複レンズに非球面が存在しないことである。なぜなら、これらは、製造に非常に経費が掛かり、レンズの難しい中央寄せを必要とするからである。
【００７８】
それに応じて、表７に示すように、これら２つの非球面表面の影響は、歪曲収差および非点収差に対して大きい。
【００７９】
表７は、ＣＯＤＥＶ光学設計ソフトウェアにより与えられる、所与の表面用の３次の（ザイデル）収差寄与を記載している。２つの寄与が記載されている。第一は球面表面寄与、すなわち、球面レンズの寄与である。そして、第二は、表面が非球面の場合にのみ第２の列として記載されているように、非球面の形状の寄与である。
【００８０】
開口絞り近接空間１１８に配置された非球面表面２１および２４が、球面収差およびコマ収差（肉厚タイプにおける影響）に対する最も強い影響を有していることが、表７からも理解できる。
【００８１】
図２には、第１の実施形態に係る光学レンズ系の別の図示があって、３つの光線により、軸ビームおよび最も外側の軸外ビームを示している。システムは、２つの主な群ＬＧ１、ＬＧ２を備えており、第２の群ＬＧ２は、開口絞り１１４と、集束用に、２つの独立して移動するレンズ群ＬＧ２１およびＬＧ２２とを有している。物体が接近したときに集束する際、これらの下位群ＬＧ２１およびＬＧ２２が行う動きを、図２において矢印により示す。
【００８２】
この第１の実施形態において、対物レンズは、この順序で、物体側から画像側に向かって、
−負の屈折力の第１のレンズ群ＬＧ１、および
−続く正の屈折力の第２のレンズ群ＬＧ２
を有している。
【００８３】
これはレトロフォーカスレンズまたは逆望遠レンズの一般的な光学構造に対応しており、広視野を扱うことができる。
【００８４】
対物レンズにおいて、１つよりも多い光学素子が、集束のために独立して移動されるということも、この第１の実施形態の特徴の１つである。より詳しくは、集束のために軸方向に移動される、レンズの２つの群ＬＧ２１、ＬＧ２２がある。これにより、画像内で低い収差水準を維持する集束処理が保証される。これらの２つの下位群の第１の下位群ＬＧ２１は、正の屈折力を有しており、第２のＬＧ２２も、正の屈折力を有している。群とみなされる、第２の下位群ＬＧ２２と画像平面との間の残るレンズＬ１１〜Ｌ１５は、正の屈折力を有している。
【００８５】
ゆえに、第１の実施形態の群構造は、
Ｎ−Ｐ−Ｐ−絞り−Ｐ
と要約することができ、式中、Ｎは負の屈折力を、Ｐは正の屈折力を意味する。
【００８６】
非球面表面は、黒い点により示される。２つの補正用の非球面表面１、３がフィールド近接空間１２０に配置されており、２つの非球面の光学表面２１、２４が開口絞り近接空間１１８に配置されていることも、この第１の実施形態の特徴である。このようにして、球面収差、コマ収差、非点収差および歪曲収差という、４つの主な収差が補正される。
【００８７】
この第１の実施形態には、１つの群中の非球面の素子が互いに隣接して配置されているという、別の特徴がある。これにより、収差に対する補正作用が増加し、より高い次数の収差に対する、選択的な補正作用が可能となる。例えば、第１の非球面の条件は、３次収差に影響するため、２つの非球面の反対の寄与が、この次数の収差に対する作用を低減して、５次以上の次数の収差に対する大きな作用が維持される場合がある。この第１の実施形態では、非球面レンズ素子は、両方の群において、隣接して配置されている。
【００８８】
ＭＴＦ（変調伝達関数）対線対／ｍｍでの空間周波数に関する補正水準を、図３に示す。図３において、物体は、無限距離に配置されていた。算定に使用された波長およびそれらの重みは、以下の通りである。
2019194675.tif 000009
【００８９】
これらは、算定に使用される共通のフラウンホーファー波長であって、ｇおよびｈスペクトル線に関する重みが、他の波長の重みより、それぞれ１３倍低い、３の因数とされている。このスペクトル分布は、共通のセンサのスペクトル感度に対応している。
【００９０】
図３において、Ｆ１は、実像高（ＲＩＨ）がゼロの状態での、光軸上の物体フィールドに関するＭＴＦである。回折限界曲線も、破線によって示されている。Ｆ２〜Ｆ６は、５ｍｍ〜２１．６ｍｍの実像高に対応するフィールド点である。以下の線Ｆ２、Ｆ３．．．中の文字ＲおよびＴは、径方向および接線方向に方位付けられた、線のパターンを意味している。
【００９１】
この第１の実施形態には、１つの群中の非球面の素子１、３、２１、２４が互いに隣接して配置されているという、別の好適な特徴がある。これにより、収差に対する補正作用が増加し、より高い次数の収差に対する、選択的な補正作用が可能となる。例えば、第１の非球面の条件は、３次収差に影響するため、２つの非球面の反対の寄与が、この次数の収差に対する作用を低減して、５次以上の次数の収差に対する大きな作用が維持される場合がある。この第１の実施形態では、非球面レンズ素子１２４、１２６、１２８、１３０は、両方の群において、互いに隣接して配置されている。
【００９２】
色収差は、補正することが非常に重要である。ゆえに、複数の低および異常分散ガラスが、レンズ設計において使用されてきた。
【００９３】
その結果、瞳孔を横切る異なる相対的なフィールド高さおよび波長についての横方向の光線収差は通常、（画像側の４１．２２°の主光線角度に相当する）相対的なフィールド高さが１であったとしても、接線方向の光線およびサジタル光線について、３０μｍ未満のままである。これは、図３に示すＭＴＦ値とも一致している。
【００９４】
色収差には、軸方向および横方向という、２つの種類がある。これらの収差を補正するために、低分散ガラスを含めなければならない。ショットガラスカタログによれば、ｇおよびＦフラウンホーファー波長に関する、選択されたガラスタイプの相対部分分散ΔＰｇＦの法線からの逸脱は、下記の式により与えられる。
2019194675.tif 000010
【００９５】
この式中で、ｎｇ、ｎＦ、ｎＣは、フラウンホーファー波長ｇ（４２２．６７０ｎｍ）、Ｆ（４８６．１３４ｎｍ）およびＣ（６５６．２８１°ｎｍ）での、選択したガラスの屈折率とされており、それに対応して、ｖｄは、フラウンホーファー波長ｄ（４６６．８１４ｎｍ）でのガラスタイプのアッベ数とされている。
【００９６】
図４は、２つのショットガラスＮＰＫ５１およびＮＫＺＦＳ１１について、この値ΔＰｇＦを、ガラスチャートＰｇＦ対ｖｄで示す。ＮＫＺＦＳ１１は、ｎｄが１．６３８であり、かつ、ｖｄが４２．４であることを特徴としている。ＮＰＫ５１は、ｎｄが１．５２９であり、かつ、ｖｄが７７．０であることを特徴としている。
【００９７】
ＰｇＦは、上記フラウンホーファー波長ｇおよびＦに関する相対部分分散を意味する。
2019194675.tif 000011
【００９８】
図４の直線は、いわゆる正常な相対部分分散を示している。線は、２つのショットガラスＫ７（ｎｄ＝１．５１、ｖｄ＝６０．４１）およびＦ２（ｎｄ＝１．６２、ｖｄ＝３６．３７）の相対部分分散ＰｇＦにより規定される。
【００９９】
法線からの逸脱としてのΔＰｇＦは、ガラス分散の異常挙動の指標となる。より大きな絶対値は、より強い異常挙動を有するガラス（異常分散ガラス）を、かつ、それゆえに色収差を補正するためのより良い選択肢を示す。他方、低および異常分散ガラスは、それらの製造を困難にする、物理的および科学的な適否を有している。
【０１００】
すべてのレンズの相対部分分散の法線からのすべての逸脱の合計を取得し、かつ、それをレンズの数で除算すると、異常分散を有するレンズの数の指標が得られ、それを、ガラス異常比率（ＧＡＲ）と呼ぶ。
2019194675.tif 000012
【０１０１】
この数字が大き過ぎれば、使用される異常分散ガラスで形成されたレンズが多すぎることになる。この数字が小さ過ぎれば、色収差を補正するための潜在力が十分でない。１２５＜ＧＡＲ＜１７５の間の比率により、色収差を補正するための良好な潜在力が確保されるであろう。
【０１０２】
表６Ａおよび表６Ｂに示すレンズデータを使用すると、１つのフィールド点に関する異なる横方向の収差曲線と、異なる波長とは、非常に低い水準の色収差を示唆する、互いからの非常に小さな逸脱を有している。
【０１０３】
色収差の最良の補正は、異常なガラスのタイプの蛍石クラウンを、正の倍率のレンズで使用し、かつ、重または特殊ショートフリントを負の倍率のレンズで使用した際、レンズが開口絞り近接空間配置されたときに、実現することができる。これらのレンズからの色収差寄与を低減するために、フィールド近接空間において、低分散の異常なガラスを使用すべきである。
【０１０４】
この第１の実施形態では、異常な分散挙動を有する５つのレンズＬ７、Ｌ８、Ｌ９、Ｌ１０およびＬ１２が、開口絞り近接空間１１８に存在する。低および異常分散ガラスは、正の倍率のレンズＬ８（ＮＰＫ５１）、Ｌ１０（ＳＦＰＬ５３）およびＬ１３（ＳＦＰＭ２）で使用され、高および異常分散ガラスは、負の倍率のレンズＬ９（ＮＫＺＦＳ８）で使用される。
【０１０５】
フィールド近接空間１２０、１２２には、低および異常分散ガラスがＬ１（ＳＦＰＭ３）およびＬ１５（ＳＦＰＬ５３）にあって、色収差に対するそれらの影響を低減している。他のすべてのガラスも、法線からの著しい逸脱を有している。
【０１０６】
第１の実施形態に関してＧＡＲ＝１５７。
【第２の実施形態】
【０１０７】
図５は、約３５ｍｍの焦点距離および約１．７のＦ値を有する単焦点レンズという、本発明の第２の実施形態を示している。図５は、マージナル光線および主光線という、軸方向フィールド点および最も外側の軸外フィールド点用の主な光線を有する、本発明の第２の実施形態のレンズ構造を示している。物体側フィールド近接空間５２０は、４つの第１のレンズＬ１〜Ｌ４を有しており、画像側フィールド近接空間５２２は、レンズＬ１４のみを有している。メニスカスタイプ形状を有するレンズＬ１上で、物体側フィールド近接群に、１つの非球面レンズ素子が存在する。レンズＬ５〜Ｌ１３が、開口絞り近接空間５１８内に含まれている。２つの非球面レンズ素子が、図５に示すように、この空間Ｌ１１およびＬ１２に存在する。好ましくは、それらの画像側表面５２６および５２８は非球面とされている。
【０１０８】
第２の実施形態は、以下のように要約できる。
【０１０９】
【表８】
2019194675.tif 000013
【０１１０】
＊は非球面を意味する。この対物レンズに他のレンズ素子はない。
【０１１１】
この全体的な設定により、本発明の主要な利点が実現できる。
非球面表面は、以下のように配置されるのが好ましい。
−第１の非球面表面５２４が、第１のレンズＬ１の物体側表面上に、すなわち物体側フィールド近接空間５２０に配置されている。
−第２の非球面表面５２６は、レンズＬ１１の画像側表面上に、すなわち開口絞り近接空間５１８に配置されている。
−第３の非球面表面５２８は、レンズＬ１２の画像側表面上に、すなわちここでも開口絞り近接空間５１８に配置されている。
【０１１２】
上に説明したように、これらの位置において、これらは、異なる収差を補正することに対して、非常に強い影響を有している。
【０１１３】
第１の実施形態の好適な具体化を、レンズの以下の形態によって、実現することができる。
【０１１４】
【表９】
2019194675.tif 000014
【０１１５】
さらなる利点が、レンズの以下の方位を使用することにより、実現できる。
【０１１６】
【表１０】
2019194675.tif 000015
【０１１７】
さらなる利点が、レンズ用に以下のガラスタイプを使用することにより、実現できる。
【０１１８】
【表１１】
2019194675.tif 000016
【０１１９】
ガラスタイプの定義は、用語集に示す。
【０１２０】
さらなる利点が、レンズ用に以下の範囲の焦点距離を使用することにより、実現できる。
【０１２１】
【表１２】
2019194675.tif 000017
【０１２２】
図５に係る第２の実施形態の対物レンズの数値データを、表１３Ａに示す。
【０１２３】
第２の実施形態で使用する非球面用の非球面定数を、表１３Ｂに示す。
【０１２４】
第２の実施形態で使用する異なる非球面表面の、異なる収差に対する影響を、表１４に示す。
【０１２５】
レンズのフィールド近接群に含まれる非球面表面１の非点収差および歪曲収差に対する（肉厚タイプにおける）寄与が、大きな因数によって、球面収差およびコマ収差に対する同じ表面１の寄与よりも大きくされていることが、明瞭に理解できる。レンズの開口近接群中の位置に対応して、レンズＬ１１およびＬ１２上の２つの非球面表面は、球面収差およびコマ収差に対し（肉厚タイプにおいて）大きな作用を有しており、非点収差および歪曲収差に対して、より少ない作用を有している。非球面レンズ素子のこの分布を使用して、画像収差の最適な補正が実現される。
【０１２６】
図５の対物レンズのレンズの群分けを、図６において見ることができる。図２と同様、軸ビームおよび最も外側の軸外ビームを３つの光線により示す。システムはここでも、２つの主な群ＬＧ１、ＬＧ２を備えており、第２の群ＬＧ２はここでも、集束用に、開口絞り５１４と、２つの独立して移動するレンズ群ＬＧ２１ｍＬＧ２２とを有している。
【０１２７】
この第２の実施形態において、レンズは、この順序で、物体側から画像側に向かって、
−負の屈折力の第１のレンズ群ＬＧ１、および
−続く正の屈折力の第２のレンズ群ＬＧ２
を有している。
【０１２８】
対物レンズにおいて、１つよりも多い光学素子が、集束のために独立して移動されるということも、この第２の実施形態の特徴の１つである。より詳しくは、集束のために軸方向に移動される、レンズの２つの群ＬＧ２１、ＬＧ２２がある。これにより、画像内で低い収差水準を維持する集束処理が保証される。これらの２つの下位群の第１の下位群ＬＧ２１は、正の屈折力を有しており、第２のＬＧ２２も、正の屈折力を有している。群とみなされる、第２の下位群ＬＧ２２と画像平面との間の残るレンズＬ１１〜Ｌ１４は、正の屈折力を有している。
【０１２９】
ゆえに、第２の実施形態の群構造は、
Ｎ−Ｐ−Ｐ−絞り−Ｐ
と要約することができ、式中、Ｎは負の屈折力を、Ｐは正の屈折力を意味する。
【０１３０】
非球面表面は、黒い点により示される。１つの補正用の非球面表面１がフィールド近接空間５２０に配置されており、２つの非球面の光学表面２２、２４が開口絞り近接空間５１８に配置されている。このようにして、ここでも、球面収差、コマ収差、非点収差および歪曲収差という、４つの主な収差が補正される。
【０１３１】
第１の群中の第１の２つのレンズＬ１、Ｌ２はメニスカスタイプであり、第１のレンズＬ１は、物体側で非球面の形状１を有している。これは、補正および製造性にとって最適である。
【０１３２】
図７は、ＭＴＦ対空間周波数を、異なる画像フィールド高さについて示す。記号は、図３のものに対応する。
【０１３３】
この実施形態についても、横方向の光線収差は通常、接線方向の光線およびサジタル光線の両方について、３０μｍ未満である。
【０１３４】
表１３Ａ中のレンズデータから、異常分散を有する多数のガラスが使用されていることが理解できる。
【０１３５】
この第２の実施形態では、異常な分散挙動を有する７つのレンズＬ５、Ｌ６、Ｌ８、Ｌ９、Ｌ１０、Ｌ１１およびＬ１２が、開口絞り近接空間５１８に存在する。低および異常分散ガラスは、正の倍率のレンズＬ８（ＳＦＰＬ５１）、Ｌ１０（ＳＦＰＬ５１）およびＬ１２（ＳＦＰＭ２）で使用され、高および異常分散ガラスは、負の倍率のレンズＬ９（ＮＫＺＦＳ５）で使用される。
【０１３６】
フィールド近接空間５２０、５２２には、低および異常分散ガラスがＬ１（ＳＦＰＭ３）およびＬ１４（ＳＦＰＬ５１）にあって、色収差に対するそれらの影響を低減している。他のすべてのガラスも、法線からの著しい逸脱を有している。
【０１３７】
第２の実施形態に関するＧＡＲは１４６である。
【第３の実施形態】
【０１３８】
図８は、第２の実施形態と異なる構成を有する約３５ｍｍの焦点距離および約１．７のＦ値を有する第２の単焦点レンズという、本発明の第３の実施形態を示している。図８において、マージナル光線および主光線という、軸方向フィールド点および最も外側の軸外フィールド点用の主な光線を有する、本発明の第３の実施形態のレンズ構造を理解できる。物体および画像側のフィールド近接空間８２０、８２２が、レンズＬ１〜Ｌ６およびＬ１４を有している。開口絞り近接空間は、７つのレンズＬ７〜Ｌ１３を有している。物体側フィールド近接空間８２０には、２つの非球面レンズＬ１、Ｌ２がある。両方のレンズはメニスカス形状とされており、非球面表面１、３は、物体に向かって凸側にある。開口絞り近接空間８１８には、開口絞り８１４の直後に、１つの非球面レンズ素子Ｌ１１があるのみである。
【０１３９】
第３の実施形態は、以下のように要約できる。
【０１４０】
【表１５】
2019194675.tif 000018
【０１４１】
＊は非球面を意味する。この対物レンズに他のレンズ素子はない。
【０１４２】
この全体的な設定により、本発明の主要な利点が実現できる。
非球面表面は、以下のように配置されるのが好ましい。
−第１の非球面表面８２４が、第１のレンズＬ１の物体側表面上に、すなわち物体側フィールド近接空間８２０に配置されている。
−第２の非球面表面８２６が、レンズＬ２の物体側表面上に、すなわちここでも物体側フィールド近接空間８２０に配置されている。
−第３非球面表面８２８が、レンズＬ１１の画像側表面上に、すなわち開口絞り近接空間８１８に配置されている。
【０１４３】
上に説明したように、これらの位置において、これらは、異なる収差を補正することに対して、非常に強い影響を有している。
【０１４４】
第１の実施形態の好適な具体化を、レンズの以下の形態によって、実現することができる。
【０１４５】
【表１６】
2019194675.tif 000019
【０１４６】
さらなる利点が、レンズの以下の方位を使用することにより、実現できる。
【０１４７】
【表１７】
2019194675.tif 000020
【０１４８】
さらなる利点が、レンズ用に以下のガラスタイプを使用することにより、実現できる。
【０１４９】
【表１８】
2019194675.tif 000021
【０１５０】
ガラスタイプの定義は、用語集に示す。
【０１５１】
さらなる利点が、レンズ用に以下の範囲の焦点距離を使用することにより、実現できる。
【０１５２】
【表１９】
2019194675.tif 000022
【０１５３】
図８に係る第３の実施形態の対物レンズの数値データを、表２０Ａに示す。
【０１５４】
第３の実施形態で使用する非球面用の非球面定数を、表２０Ｂに示す。
【０１５５】
収差補正に対する、異なる非球面表面の影響を、表２１に示す。非球面表面の影響は、ここでも肉厚タイプで最大となっている。表２１のデータから、物体側フィールド近接空間８２０にある非球面表面１、３は主に、非点収差および歪曲収差を補正し、開口絞り近接空間８１８にある非球面表面２１は主に、球面収差およびコマ収差を制御することが明らかである。
【０１５６】
ガラス材料の選択には、異常分散を有するが、１５７の値にＧＡＲを維持し、それゆえに最適な限界の間にある、複数のガラスが含まれる。
【０１５７】
表２０Ａ中のレンズデータから、異常分散を有する多数のガラスが使用されていることが理解できる。
【０１５８】
この第３の実施形態では、異常な分散挙動を有する５つのレンズＬ８、Ｌ９、Ｌ１０、Ｌ１１およびＬ１２が、開口絞り近接空間に存在する。低および異常分散ガラスは、正の倍率のレンズＬ８（ＳＦＰＭ３）、Ｌ１０（ＳＦＰＬ５１）およびＬ１２（ＳＦＰＭ２）で使用され、高および異常分散ガラスは、負の倍率のレンズＬ９（ＮＫＺＦＳ８）およびＬ１１（ＳＬＡＨ５８）で使用される。
【０１５９】
フィールド近接空間には、低および異常分散ガラスがＬ１（ＳＦＰＬ５１）およびＬ１４（ＳＦＰＬ５３）にあって、色収差に対するそれらの影響を低減している。他のすべてのガラスも、法線からの著しい逸脱を有している。
【０１６０】
ＭＴＦを図９に示す。変調伝達関数ＭＴＦは、異なる画像フィールド高さに関する空間周波数に対して、表される。記号は、図３のものに対応する。
【０１６１】
この実施形態に関し、横方向の光線収差は通常、接線方向の光線およびサジタル光線の両方について、３０μｍ未満である。
【０１６２】
この第３の実施形態中のレンズについての群分布を、図１０に示す。記号は、図２のものに対応する。
【０１６３】
これらの２つの下位群の第１の下位群ＬＧ２１は、正の屈折力を有しており、第２のＬＧ２２も、正の屈折力を有している。群とみなされる、第２の下位群ＬＧ２２と画像平面との間の残るレンズＬ１１〜Ｌ１４は、正の屈折力を有している。
【０１６４】
ゆえに、第３の実施形態の群構造は、
Ｎ−Ｐ−Ｐ−絞り−Ｐ
と要約することができ、式中、Ｎは負の屈折力を、Ｐは正の屈折力を意味する。
【０１６５】
第２および第３の実施形態は、同じ３５ｍｍという焦点距離および１．７という開口値Ｆ値を有する、２つの対物レンズである。２つの構成は、類似の補正手段をも有しているが、２つの異なる仕方で分布されている。図５および表１３Ａに係る第２の実施形態では、開口絞り近接空間８１８に２つの非球面の素子Ｌ１１、Ｌ１２が、かつ、フィールド近接空間に１つの非球面の素子Ｌ１が存在する。図８および表２０Ａに係る第３の実施形態では、フィールド近接空間に２つの非球面の素子Ｌ１、Ｌ２が、かつ、開口絞り近接空間８１８に１つの非球面の素子Ｌ１１が存在する。これら２つの技術はともに、上述したように、最適に補正されたレンズにつながっていく。
【第４の実施形態】
【０１６６】
図１１は、約５０ｍｍの焦点距離および約１．７のＦ値を有する単焦点レンズという、本発明の第４の実施形態を示している。
【０１６７】
図１１は、マージナル光線および主光線を、最も外側のフィールド点、および、これらの光線の間の交点から示している。第１の実施形態を説明するのに使用された近接空間の定義によれば、この実施形態にも３つの空間が存在する。物体側フィールド近接空間１１２０は、レンズＬ１〜Ｌ５を含んでおり、第２のレンズＬ２上に１つの非球面の素子１１２４を有している。画像側のフィールド近接空間１１２２は、Ｌ１３およびＬ１４を備えている。レンズＬ１４は非球面レンズ素子である。開口絞り近接空間１１１８は、レンズＬ６〜Ｌ１２を含んでおり、非球面レンズ素子Ｌ１０を含んでいる。
【０１６８】
第４の実施形態は、以下のように要約できる。
【０１６９】
【表２２】
2019194675.tif 000023
【０１７０】
＊は非球面を意味する。この対物レンズに他のレンズ素子はない。
【０１７１】
この全体的な設定により、本発明の主要な利点が実現できる。
非球面表面は、以下のように配置されるのが好ましい。
−第１の非球面表面１１２４は、第２のレンズＬ２の物体側表面上に、すなわち物体側フィールド近接空間１１２０に配置されている。
−第２の非球面表面１１２６が、レンズＬ１０の物体側表面上に、すなわち開口絞り近接空間１１１８に配置されている。
−第３の非球面表面１１２８が、レンズＬ１４の物体側表面上に、すなわち画像側フィールド近接空間１１２２に配置されている。
【０１７２】
上に説明したように、これらの位置において、これらは、異なる収差を補正することに対して、非常に強い影響を有している。
【０１７３】
第１の実施形態の好適な具体化を、レンズの以下の形態によって、実現することができる。
【０１７４】
【表２３】
2019194675.tif 000024
【０１７５】
さらなる利点が、レンズの以下の方位を使用することにより、実現できる。
【０１７６】
【表２４】
2019194675.tif 000025
【０１７７】
さらなる利点が、レンズ用に以下のガラスタイプを使用することにより、実現できる。
【０１７８】
【表２５】
2019194675.tif 000026
【０１７９】
ガラスタイプの定義は、用語集に示す。
【０１８０】
さらなる利点が、レンズ用に以下の範囲の焦点距離を使用することにより、実現できる。
【０１８１】
【表２６】
2019194675.tif 000027
【０１８２】
図１１に係る第４の実施形態の対物レンズの数値データを、表２７Ａに示す。
【０１８３】
第４の実施形態で使用する非球面用の非球面定数を、表２７Ｂに示す。
【０１８４】
レンズの焦点距離が、より大きくされているため、フィールド近接空間は、２５ｍｍおよび３５ｍｍ焦点距離対物レンズ内の対応する空間と比較して、低減される。結果として、表２８で理解できるように、非球面表面の寄与は、マージナル光線高さに依存する収差について増加する。
【０１８５】
表２８は、異なる収差の補正に対する、非球面表面の寄与を示している。非球面表面の影響は、ここでも肉厚タイプで最大となっている。
【０１８６】
歪曲収差に対する、フィールド近接空間１１２０、１１２２における非球面表面３、２６の効果が、大きな因数によって、同じ収差に対する、開口絞り近接空間１１１８における非球面表面１８の効果よりも大きくされていることが、明瞭に理解できる。球面収差に対する、開口近接非球面表面１８の作用も、大きな因数によって、同じ収差に対する、２つのフィールド近接非球面表面３、２６の作用よりも強くされている。
【０１８７】
レンズは、図１２に示唆するように、群に分けることのできる複数のレンズ素子を備えている。記号は、図２のものに対応する。
【０１８８】
図１２に示すように、レンズは、１つの非球面レンズ素子Ｌ２を備える第１の群ＬＧ１、ならびに、２つの非球面レンズ素子Ｌ１０およびＬ１４を備える第２の群ＬＧ２という、２つの群に分割できる。ＬＧ２は、ＬＧ２１およびＬＧ２２を集束するために移動できる、２つの下位群を有している。
【０１８９】
２つの下位群ＬＧ２１、ＬＧ２２は、正の屈折力を有している。群とみなされる、第２の下位群ＬＧ２２と画像平面との間の残るレンズＬ１１〜Ｌ１４も、正の屈折力を有している。
【０１９０】
ゆえに、第４の実施形態の群構造は、
開口絞り１１１４がＬＧ２２の一部とされている状態で、Ｎ−Ｐ−Ｐ−絞り−Ｐ
と要約することができ、式中、Ｎは負の屈折力を、Ｐは正の屈折力を意味する。
【０１９１】
このレンズの性能を、図１３に示す。変調伝達関数ＭＴＦは、図１３において、異なる画像フィールド高さに関する空間周波数に対して、表される。記号は、図３のものに対応する。
【０１９２】
この図から理解できるであろうが、対物レンズ内での非球面レンズ素子の最適な分布による、顕著な性能が存在する。
【０１９３】
使用されるガラス材料を、表２７Ａに記載する。当業者であれば、ＧＡＲ比率が、このレンズについて、１５１の値を有し、それゆえに最適な限界の間にあることを、容易に理解するであろう。
【０１９４】
本発明を、多数の特定の実施形態と併せて説明および例示してきたが、当業者であれば、ここに例示し、説明および請求した、本発明の原理から逸脱することなく、変更および修正を行ってもよいことを理解するであろう。本発明は、それらの精神または本質的な特徴を逸脱することなく、他の特定の形態で実施してもよい。記載の実施形態は、すべての点で、例示的であるとみなされ、限定的であるとはみなされない。ゆえに、発明の範囲は、上記説明によってではなく、添付の特許請求の範囲によって示唆される。
【０１９５】
多様な焦点距離を有する多くの対物レンズを、本出願中に開示した対物レンズのタイプに応じて、形成することができる。記載の実施形態を実現できるだけでなく、全系列の対物レンズを、本発明の教示に基づき実現できる。これは、所望の焦点距離と記載の実施形態の焦点距離との比率により、すべての距離および径を単純に縮尺変更することにより、少なくとも可能となる。
【用語集】
【０１９６】
対物レンズ
対物レンズ、または、短縮して対物、は、観察されている物体からの光を集め、光線を集束して、通常は画像センサまたはフィルム上に、実像を生成する光学素子である。対物レンズ（ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ  ｌｅｎｓ）は、対物レンズ（ｏｂｊｅｃｔ  ｌｅｎｓ）、または単にレンズとも呼ばれる。
【０１９７】
光学素子
この明細書中で、光学素子は、単レンズまたは複レンズまたはレンズ群を意味する。
【０１９８】
レンズ
レンズは、単レンズまたは対物レンズを意味する。
【０１９９】
レンズ素子
レンズ素子は、単レンズまたは複レンズを指す。
【０２００】
レンズ群
レンズ群は、１つまたはそれ以上のレンズ素子を備える、レンズ素子の群である。
【０２０１】
Ｆ値
カメラレンズなどの光学系のＦ値は、入射瞳の直径に対する、システムの焦点距離の比率である。入射瞳は、レンズ系の前面を通じて「見られる」、物理的な開口絞りの光学画像である。
【０２０２】
フルサイズ画像センサ
フルサイズという用語は、３５ｍｍフォーマットフィルム、すなわち３６ｍｍ×２４ｍｍ、と同じサイズの画像センサフォーマットの略記として使用される。
【０２０３】
マージナル光線
Ｍ．Ｊ．Ｋｉｄｇｅｒの「Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｄｅｓｉｇｎ」、ＳＰＩＥ  Ｐｒｅｓｓ、Ｂｅｌｌｉｎｇｈａｍ、ＷＡ  ２００１によれば、マージナル光線は、物体の中心および開口絞りの縁を通過する光線であると定義される。
【０２０４】
ＨＭ
マージナル光線は、光学表面とのすべての交点で、光軸に対する距離ＨＭを有している。
【０２０５】
子午面
中央に位置決めされた光学系に関し、光軸およびマージナル光線により形成される平面は慣習により、子午面と呼ばれる。
【０２０６】
主光線
Ｍ．Ｊ．Ｋｉｄｇｅｒの「Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｄｅｓｉｇｎ」、ＳＰＩＥ  Ｐｒｅｓｓ、Ｂｅｌｌｉｎｇｈａｍ、ＷＡ  ２００１によれば、主光線は、物体平面における軸外点からの、開口絞りの中心を通過する光線であると定義される。本文献で使用した説明では、最も外側の物体フィールド点の主光線が考察されている。
【０２０７】
ＨＣ
最も外側の物体フィールド点からの主光線は、光学表面とのすべての交点で、光軸に対する距離ＨＣを有している。
【０２０８】
開口絞り近接空間
関係ＨＣ／ＨＭ＜０．５を満たす開口絞り周りの空間を、開口絞り近接空間であると定義する。表面は、この特定の表面に関しＨＣ／ＨＭ＜０．５であれば、開口絞り近接空間内にあると言われる。レンズは、レンズの両面が開口絞り近接空間内にあれば、開口絞り近接空間内にあると言われる。ときとして、レンズの表面の一方のみが、開口絞り近接空間内にある。
【０２０９】
フィールド近接空間
開口絞り近接空間の前方および向こうの空間は、フィールド近接空間と呼ばれる。換言すれば、フィールド近接空間は、関係ＨＣ／ＨＭ＞＝０．５を満たす空間である。通常、対物レンズにはフィールド近接空間が、１つは対物レンズの物体側に、かつ、１つは画像側に存在する。表面は、この特定の表面に関しＨＣ／ＨＭ＞＝０．５であれば、フィールド近接空間内にあると言われる。レンズは、レンズの両面がフィールド近接空間内にあれば、フィールド近接空間内にあると言われる。ときとして、レンズの表面の一方のみが、フィールド近接空間内にあり、他方が、開口絞り近接空間内にある場合がある。
【０２１０】
異常なガラス
異常分散ガラスを参照のこと
【０２１１】
ガラス材料クラス
ガラス材料クラスの名称を、屈折率およびアッベ数に応じ、図１４に示す。
【０２１２】
低分散ガラス
低分散ガラスは、６２以上のアッベ数ｖｄを有するガラスである。
【０２１３】
異常分散ガラス
異常分散を有するガラスは、相対部分分散ΔＰｇＦの法線からの逸脱が、絶対値で、少なくとも０，００５であるガラスと定義される。
【０２１４】
相対部分分散ＰｇＦ
光学ガラスの相対部分分散ＰｇＦは、フラウンホーファー波長ｇおよびＦについて、下記のように定義される。
2019194675.tif 000028
この式中で、ｎｇ、ｎＦ、ｎＣは、対応して、フラウンホーファー波長ｇ（４２２．６７０ｎｍ）、Ｆ（４８６．１３４ｎｍ）およびＣ（６５６．２８１°ｎｍ）での、選択したガラスの屈折率とされている。
【０２１５】
相対部分分散ΔＰｇＦの法線からの逸脱
ｇおよびＦフラウンホーファー波長に関する選択されたガラスの法線からの相対部分分散ΔＰｇＦの逸脱は、下記の式により与えられる。
2019194675.tif 000029
この式中で、ｎｇ、ｎＦ、ｎＣは、フラウンホーファー波長ｇ（４２２．６７０ｎｍ）、Ｆ（４８６．１３４ｎｍ）およびＣ（６５６．２８１°ｎｍ）での、選択したガラスの屈折率とされており、それに対応して、ｖｄは、フラウンホーファー波長ｄ（４６６．８１４ｎｍ）でのガラスタイプのアッベ数とされている。
【０２１６】
ＧＡＲ
レンズの数で除算し１０＾４で乗算した、すべてのレンズの相対部分分散の法線からのすべての逸脱の絶対値の合計を、ガラス異常比率（ＧＡＲ）と呼ぶ。
2019194675.tif 000030
これは、異常分散を有するレンズの数の指標として機能する。
【０２１７】
【表６Ａ】
2019194675.tif 000031
2019194675.tif 000032
【０２１８】
【表６Ｂ】
2019194675.tif 000033
【０２１９】
【表７】
2019194675.tif 000034
2019194675.tif 000035
【０２２０】
【表１３Ａ】
2019194675.tif 000036
2019194675.tif 000037
【０２２１】
【表１３Ｂ】
2019194675.tif 000038
【０２２２】
【表１４】
2019194675.tif 000039
【０２２３】
【表２０Ａ】
2019194675.tif 000040
【０２２４】
【表２０Ｂ】
2019194675.tif 000041
【０２２５】
【表２１】
2019194675.tif 000042
【０２２６】
【表２７Ａ】
2019194675.tif 000043
【０２２７】
【表２７Ｂ】
2019194675.tif 000044
【０２２８】
【表２８】
2019194675.tif 000045
【符号の説明】
【０２２９】
１０８  光軸
１１０  マージナル光線
１１２  主光線
１１４  開口絞り
１１８  開口絞り近接空間
１２０  物体側フィールド近接空間
１２２  画像側フィールド近接空間
１２４  非球面表面
１２６  非球面表面
１２８  非球面表面
１３０  非球面表面
５０８  光軸
５１０  マージナル光線
５１２  主光線
５１４  開口絞り
５１８  開口絞り近接空間
５２０  物体側フィールド近接空間
５２２  画像側フィールド近接空間
５２４  非球面表面
５２６  非球面表面
５２８  非球面表面
８０８  光軸
８１０  マージナル光線
８１２  主光線
８１４  開口絞り
８１８  開口絞り近接空間
８２０  物体側フィールド近接空間
８２２  画像側フィールド近接空間
８２４  非球面表面
８２６  非球面表面
８２８  非球面表面
１１０８  光軸
１１１０  マージナル光線
１１１２  主光線
１１１４  開口絞り
１１１８  開口絞り近接空間
１１２０  物体側フィールド近接空間
１１２２  画像側フィールド近接空間
１１２４  非球面表面
１１２６  非球面表面
１１２８  非球面表面
ＨＭ  マージナル光線高さ
ＨＣ  主光線高さ
【先行技術文献】
【特許文献】
【０２３０】
【特許文献１】米国特許第７，４４６，９４４Ｂ２号明細書
【特許文献２】米国特許第８，５０８，８６４Ｂ２号明細書
【非特許文献】
【０２３１】
【非特許文献１】Ｉ．Ｎｅｉｌ：「Ｈｉｇｈ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｗｉｄｅ  ａｎｇｌｅ  ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ  ｌｅｎｓ  ｓｙｓｔｅｍｓ  ｗｉｔｈ  ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｆｏｃｕｓｉｎｇ  ｏｐｔｉｃｓ  ａｎｄ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ａｓｐｈｅｒｉｃ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｖｉｓｉｂｌｅ  ｗａｖｅｂａｎｄ」、ＳＰＩＥ（国際光工学会）ＶＯＬ２７７４、ｐ．２１６−２４２
【図１】
2019194675.tif 000046
【図２】
2019194675.tif 000047
【図３】
2019194675.tif 000048
【図４】
2019194675.tif 000049
【図５】
2019194675.tif 000050
【図６】
2019194675.tif 000051
【図７】
2019194675.tif 000052
【図８】
2019194675.tif 000053
【図９】
2019194675.tif 000054
【図１０】
2019194675.tif 000055
【図１１】
2019194675.tif 000056
【図１２】
2019194675.tif 000057
【図１３】
2019194675.tif 000058
【図１４】
2019194675.tif 000059
【外国語明細書】
2019194675000001.pdf
2019194675000002.pdf
2019194675000003.pdf
2019194675000004.pdf