(57)【要約】光学系により結像される彎曲した像面を平坦化する機能を有するフィールドフラットナーであって、フィールドフラットナーを構成する材料の屈折率が２以上であり、光軸を含み光軸方向に切断されたフィールドフラットナーの断面形状が光軸から周縁に向けて階段形状を成すように形成され、この階段形状における光軸方向に面を成す段差部の軸方向高さが使用する光線の波長の２倍以上とされている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学系により結像される彎曲した像面を平坦化する機能を有するフィールドフラットナーであって、フィールドフラットナーを構成する材料の屈折率が２以上であり、光軸を含み光軸方向に切断されたフィールドフラットナーの断面形状が光軸から周縁に向けて階段形状を成すように形成され、この階段形状における光軸方向に面を成す段差部の軸方向高さが使用光線の波長の２倍以上であることを特徴とするフィールドフラットナー。
【請求項２】
前記フィールドフラットナーにおいて、結像光学系のＦ値がＦ、許容されるぼけのスポットサイズ直径がＤ、上記フィールドフラットナーの屈折率がｎ、大気の屈折率がｎ０であるとき、前記フィールドフラットナーの階段形状における光軸方向に面を成す段差部の軸方向高さｄが使用する光線の波長の２倍以上であり、かつ、
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という関係を満たすことを特徴とする請求の範囲第１項記載のフィールドフラットナー。
【請求項３】
前記フィールドフラットナーにおいて、結像光学系のＦ値がＦ、焦点距離がｆ、フィールドフラットナーがないときの彎曲した像面の曲率半径がＲ、像面とフィールドフラットナーの間隔が１、許容されるぼけのスポットサイズ直径がＤであるとき、前記フィールドフラットナーの階段形状におけるｍ＋１番目の段差部の半径ｒｍ＋１とｍ番目の段差部の半径ｒｍとの差Δｒｍが
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という関係を満たすことを特徴とする請求の範囲第１項記載のフィールドフラットナ。
【請求項４】
前記フィールドフラットナーにおいて、結像光学系のＦ値がＦ、焦点距離がｆ、フィールドフラットナーがないときの彎曲した像面の曲率半径がＲ、像面とフィールドフラットナーの間隔がｌ、許容されるぼけのスポットサイズ直径がＤであるとき、前記フィールドフラットナーの階段形状におけるｍ＋１番目の段差部の半径ｒｍ＋１とｍ番目の段差部の半径ｒｍとの差Δｒｍが
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という関係を満たすことを特徴とする請求の範囲第２項記載のフィールドフラットナ。
【請求項５】
前記フィールドフラットナーにおいて、前記階段形状における光軸と直交する方向に面を成す輪帯部が曲面に形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項〜第４項のいずれか１項に記載のフィールドフラットナー。
【請求項６】
前記フィールドフラットナーにおいて、前記階段形状における光軸方向に面を成す段差部が、この段差部を通る主光線と平行に形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項〜第４項のいずれか１項に記載のフィールドフラットナー。
【請求項７】
前記フィールドフラットナーにおいて、光軸周辺の中央部の厚みを最も薄くする部分が、貫通孔として形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項〜第４項のいずれか１項に記載のフィールドフラットナー。
【請求項８】
前記フィールドフラットナーにおいて、前記フィールドフラットナーを構成する材料をゲルマニウムとすることを特徴とする請求の範囲第１項〜第４項のいずれか１項に記載のフィールドフラットナー。
【請求項９】
前記フィールドフラットナーにおいて、前記フィールドフラットナーを構成する材料をシリコンとすることを特徴とする請求の範囲第１項〜第４項のいずれか１項に記載のフィールドフラットナー。
【請求項１０】
前記フィールドフラットナーにおいて、前記フィールドフラットナーを構成する材料をカルコゲナイトガラスとすることを特徴とする請求の範囲第１項〜第４項のいずれか１項に記載のフィールドフラットナー。
【請求項１１】
前記フィールドフラットナーにおいて、前記階段形状がエッチングにより形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項〜第４項のいずれか１項に記載のフィールドフラットナー。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、カメラ用結像光学系などに用いられるフィールドフラットナーに関し、特に、彎曲した像面の平坦化を行うフィールドフラットナーに関するものである。
背景技術
一般的に、結像光学系においてはペツバルの定理から、光学系を構成する光学素子のｉ番目の面の曲率半径をｒｉ、屈折率をｎｉとするとき、ペツバル和Σ
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が０でないときには像面が彎曲することが知られている。カメラのフィルムや検出器は通常平面形状をしているので、このような彎曲した像面と一致させることができず、その差が画像のぼけとして現れ画質が著しく劣化する。このことから、像面彎曲を除去する機能を持つフィールドフラットナーと呼ばれる光学素子が用いられている。
図５は例えばＲＵＤＯＬＦ　ＫＩＮＧＳＬＡＫＥ，”ＬＥＮＳ　ＤＥＳＩＧＮ　ＦＵＮＤＡＭＥＮＴＡＬＳ”（ＡＣＡＤＥＭＩＣ　ＰＲＥＳＳ社　１９７８年発行）に示されたフィールドフラットナーを図面化したものである。この図５において、１は結像光学系であり、この光学系だけを用いた場合には像面に彎曲が見られる。２はフィールドフラットナーであり、結像光学系１による像面の彎曲を除去する機能を持つ。３は像面であり、フィールドフラットナー２により像面彎曲を除去した結果平面となったものである。
従来のフィールドフラットナーはペツバル和を基に設計される。すなわち、結像光学系１の持つペツバル和がΣｏｐｔとなるときには、フィールドフラットナー２の持つペツバル和が−Σｏｐｔとなるように形状を設計することで全体のペツバル和を０とし、３次収差の範囲で像面３の彎曲を除去するように設計される。例えば、フィールドフラットナー２の形状を物側面が曲率半径ｒｆｆを持ち、像側面が平面としたときには、
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とすればよい。
従来のフィールドフラットナー２は片面もしくは両面が球面で構成され、屈折力を用いて焦点位置を変化させることで像面を平坦化していた。この場合、フィールドフラットナー２の像側面を球面とし、物側面を平面として、かつフィールドフラットナー２が像面と密着しているときには、３次収差の範囲では像面の彎曲を除去する光学素子としてのみ機能する。しかし、上記３つの条件を１つでも満たさないときには、フィールドフラットナー２の持つ屈折力が結像性能に対しても影響を及ぼし、新たな収差を発生するという問題があった。特に、撮像するための検出器を用いるときには、フィールドフラットナー２を検出器と密着させることができないので、新たな収差が発生し、画質が劣化する。
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、屈折力による収差の発生しないフィールドフラットナーを得ることを目的とする。
発明の開示
本発明は、結像光学系により結像される彎曲した像面を平坦化する機能を備えたフィールドフラットナーであって、フィールドフラットナーを構成する材料の屈折率が２以上であり、光軸を含み光軸方向に切断されたフィールドフラットナーの断面形状が光軸から周縁に向けて階段形状を成すように形成され、さらに、この階段形状における光軸方向に面を成す段差部の軸方向高さが使用光線の波長の２倍以上であることを特徴とする。このことによって、フィールドフラットナーの中心を通過する光の結像点までの距離とフィールドフラットナーの中心から離れた部分を通る光の結像点までの距離とが均一化され、結像光学系による収差が補正され、断面が鋸刃形状ではあるが平坦化された像面が得られる。また、フィールドフラットナーを構成する材料の屈折率が２以上であることにより、前記鋸刃形状の像面における平面からのずれを小さくし、像のぼけを許容される範囲内に抑制することができる。
なお、上記において、「光軸を含み光軸方向に切断されたフィールドフラットナーの断面形状が光軸から周縁に向けて階段形状を成す」とは、階段状の段差がフィールドフラットナーの物側面または像側面のいずれか一面のみに形成されている場合（この場合はフィールドフラットナーの他の面に階段状の段差が形成されない）と、階段状の段差がフィールドフラットナーの物側面および像側面の両面に振り分けて形成される場合とを含む。また、「階段形状における光軸方向に面を成す段差部の軸方向高さ」とは、上述のように階段状の段差がフィールドフラットナーの物側面および像側面の両面に振り分けて形成される場合には、この両面に形成された段差部の軸方向高さを足し算したものをいう。
また、このようなフィールドフラットナーは、結像光学系のＦ値をＦ、許容されるぼけのスポットサイズ直径をＤ、上記フィールドフラットナーを構成する材料の屈折率をｎ、大気の屈折率をｎｏとしたときに、前記フィールドフラットナーの階段形状における光軸方向に面を成す段差部の軸方向高さｄが、使用する光線の波長の２倍以上であって、かつ、
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なる式を満たすように設計することにより、段差部によるぼけを許容範囲内とした平坦形状の像面を得ることができる。
また、結像光学系のＦ値をＦ、焦点距離をｆ、フィールドフラットナーがないときの彎曲した像面の曲率半径をＲ、像面とフィールドフラットナーとの間隔をｌ、許容されるぼけのスポットサイズ直径をＤとしたときに、前記フィールドフラットナーの階段形状におけるｍ＋１番目の段差部の半径ｒｍ＋１とｍ番目の段差部の半径ｒｍとの差Δｒｍが
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なる式を満たすように設計することにより、より一層平坦な形状の像面を得ることができる。
また、前記フィールドフラットナーにおいて、前記階段形状における光軸と直交する方向に面を成す輪帯部は、曲面に形成したものでもよい。このように構成すると、コマ収差などの収差を低減し、結像性能を向上させることができる。
また、前記フィールドフラットナーにおいて、前記階段形状における光軸方向に面を成す段差部は、この段差部を通る主光線と平行に形成したものでもよい。このように構成すると、段差部を通る光線を最小とすることができ、迷光によるコントラストの低下を抑えることができる。
前記フィールドフラットナーを構成する材料としては、ゲルマニウム、シリコンまたはカルコゲナイトガラスが適している。
また、前記フィールドフラットナーは、最も薄くなる部分を貫通孔として形成してもよい。このように構成すると、平板によってわずかながらも発生する収差を完全に除去することができ、また、吸収が大きい材料を用いた場合に問題となる透過率の低下を回避することができる。
また、前記フィールドフラットナーは、前記階段形状をエッチングにより加工することができる。このように構成すると、前記階段形状を高精度に、かつ同時に多数のフィールドフラットナーを加工することが可能となり、効率的に生産を行うことができる。
発明を実施するための最良の形態
実施の形態１．
図１および図２において、１は結像光学系、２はフィールドフラットナーであり、結像光学系１による像面の彎曲を除去する機能を持つ。３はフィールドフラットナー２により理想的に平坦化された場合の仮想的修正像面、４はフィールドフラットナーがない場合の像面、５は本実施の形態１のフィールドフラットナー２により修正される現実的な像面である。なお、図２では、図１フィールドフラットナー２と、像面４，５とを対向的に記載して、像面補正の様子を図解したものである。
図１および図２から分かるように、光軸を含み光軸方向に切断されたフィールドフラットナー２の断面形状は、光軸周辺の中心部が最も薄く、光軸から周縁にいくほど厚くなる階段形状を成すように形成されている。なお、本明細書においては、前記階段形状における光軸と直交する方向に形成された階段面を輪帯部２ａと称し、前記階段形状における光軸方向に形成された階段面を段差部２ｂと称する。
そして、段差部２ｂを形成する面は、この場合実施の形態１においては、光軸を中心軸とした円柱形状をなすように形成されている。また、階段形状における光軸方向に面を成す段差部の軸方向高さを使用する光線の波長より大きな寸法とする。
結像光学系だけを用いた場合には、図２における像面４のように、像面に彎曲が見られるが、上記構成のフィールドフラットナー２を用いることにより、光軸とその周辺部との間で結像点までの距離の均一化を図って、結像光学系における収差を補正し、図１における像面３のように平面状に像面彎曲を除去する。なお、実際上は、フィールドフラットナー２は断面を階段状にして結像までの距離を是正するものであるため、現実的には、図２における像面５のように鋸刃形状に補正される。
この点をさらに詳しく説明する。一般的に、屈折率ｎの媒質を長さｌ伝搬した後では、空気中のみを伝搬するときよりも焦点位置が（１／ｎｏ−１／ｎ）×ｌ後方に移動する。本実施の形態１においては、フィールドフラットナー２の中心から離れた領域を通過する像高が高い光線ほど、厚い部分を通るため、それに応じて焦点位置が移動する。したがって、結像点までの距離が均一化され、周縁ほど像面が後方に移動することになる。この結果、フィールドフラットナー２の階段形状に対応し、断面が鋸刃形状に補正された像面５となる。
この鋸刃形状における平面からのずれは像にぼけを生じさせる。なお、この鋸刃形状における平面からのずれは、フィールドフラットナー２の輪帯部２ａの半径と段差部２ｂの高さに関係する。したがって、フィールドフラットナー２の輪帯部２ａの半径と段差部２ｂの高さは、補正した像面５の生じる像のぼけが許容される範囲となるように設計する必要がある。なお、図２における像面４，５は結像光学系における収差の影響を誇張して画かれている。また、本実施の形態１のフィールドフラットナー２では、輪帯部２ａの形状は平面であり屈折力を持たないので、結像性能に影響を与えず新たな収差を発生することはない。
次に、上記段差部２ｂの影響についてさらに説明する。本実施の形態のフィールドフラットナー２の持つ段差部２ｂを通る光線は、迷光となり、結像に寄与する光量が減少する。図３は、段差部２ｂの影響による光量の減少を示し、結像に寄与する光量は段差部２ｂの両側で減少することを示している。光量が減少する領域幅ｓを、許容されるぼけより小さい領域とするためには、段差部２ｂの高さを小さくする必要がある。このためには、少なくともフィールドフラットナー２の屈折率が２以上であることが必要である。この条件を満たす材料としては、例えば、赤外領域ではゲルマニウムの屈折率が約４、シリコンの屈折率が約３．４、カルコゲナイトガラスの屈折率が約２．５であるので、これら材料はフィールドフラットナー２の材料として適しているといえる。
この実施の形態１のフィールドフラットナー２の形状は、例えば以下のような方法で近似的に設計することができる。結像光学系１のＦ値がＦ、許容されるぼけのスポットサイズ直径がＤであるとすると、許容される焦点位置の差δは、
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となる。これが補正した像面５において許容できる最大の焦点位置の差、つまり鋸刃形状のエッジ部分の高さとなる。一方、フィールドフラットナー２の屈折率がｎ、大気の屈折率がｎｏであり、フィールドフラットナー２の段差部２ｂの高さをｄとすると、像面に、次式により与えられる焦点位置の差δ
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の段差が生じる。以上より、フィールドフラットナー２に許容される段差部２ｂの高さｄは
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となる。なお、段差部２ｂの高さｄが使用する光線の波長と同程度である場合には回析現象が起こるため、迷光が発生し光量損失が起こる。このため、高さｄは使用する光線の波長に対して十分大きく、例えば使用する光線の波長の少なくとも２倍以上とする必要がある。
また、段差部２ｂのｍ番目の半径ｒｍについては例えば以下のように設計することができる。図４に光路図を示す。彎曲した像面４の曲率半径をＲ、曲率中心から像点を見込む角をφとすると、平面からの焦点位置の差δは
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となる。上述の通り、各段差部２ｂでの許容される焦点位置の差は２ＦＤ以下である。したがって、ｍ番目の段差部２ｂで許容される焦点位置の差δｍは
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である。光学系の焦点距離をｆ、像面とフィールドフラットナーの間隔をｌ、像側の主点からｍ番目の段差部を見込む角をθとすると、段差部の半径ｒｍは
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となる。一方、θとφの間には近似的に
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という関係があるので、結局
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となる。これより、前述の輪帯部２ａの半径を定めるものとして、ｍ＋１番目の段差部の半径ｒｍ＋１とｍ番目の段差部の半径ｒｍとの差Δｒｍは
2002050596.tif 000015
となる。
上記の説明では像面が物側に彎曲した例について示したが、像面が逆側に彎曲している場合には、光軸を含み光軸方向に切断されたフィールドフラットナーの断面形状は、中心が厚く、周縁にいくほど薄い構造にすればよい。また、他の形状においてもフィールドフラットナーの各部の厚さを同様に定めることができる。すなわち、像面が物側に彎曲している位置に結像する光線の通る部分では厚く、逆側に彎曲している位置に結像する部分では薄くすればよい。
実施の形態２
実施の形態１ではフィールドフラットナー２の階段形状を物側面に設けたが、階段形状は像側面に設けても同様の効果が得られる。あるいは段差部２ｂの高さを物側面と像側面に振り分けて両面ともに階段形状としても同様の効果が得られる。この場合、前述の段差部２ｂの高さｄは、物側面における段差部の高さとと像側面における段差部の高さとを足し算したものとすればよい。
実施の形態３
実施の形態１及び２では、フィールドフラットナー２の輪帯部２ａを平面としたが、この輪帯部２ａを曲面としてもよい。また、フィールドフラットナー２の片面（階段形状を形成した面の反対側の面、すなわち階段形状を形成しない面）を平面としたが、この片面を曲面としてもよい。
上記のように、輪帯部及び片面を曲面とすることにより、コマ収差などの収差を低減し、結像性能を向上させることができる。
実施の形態４
実施の形態１から３ではフィールドフラットナー２の段差部２ｂを光軸を中心軸とした円柱形状としたが、段差部２ｂをその部分を通る主光線と平行な面、すなわち円錐状の曲面としてもよい。このように構成することにより、段差部を通って迷光となる光線が減少し、結像に寄与しない光量が減少する。このように段差部を成す面を主光線と平行にすることによって、段差部を通る光線を最小とすることができ、迷光によるコントラストの低下を抑えることができる。
実施の形態５
実施の形態１から４におけるフィールドフラットナー２は最も薄くなる部分を貫通孔としてもよい。例えば像面が物側に彎曲する場合は、実施の形態１では中央部が最も薄くなるフィールドフラットナーを用いるが、この部分を貫通孔として形成してもよい。このことにより、中央部を貫通孔としない場合における中央部の平板によってわずかながらも発生する収差を、完全に除去することができる。また、吸収が大きい材料を用いた場合に問題となる透過率の低下も回避することができる。
実施の形態６
実施の形態１から５におけるフィールドフラットナー２において、前記階段形状をエッチングにより加工することができる。フィールドフラットナー２をエッチングで加工することにより高精度でかつ同時に多数のフィールドフラットナー２を加工することが可能なので、効率的に生産を行うことができる。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明に係るフィールドフラットナーは、顕微鏡から遠距離通信システムまで彎曲した像面の平坦化を必要とする広範囲の用途に応用することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、この発明の実施の形態１に係るフィールドフラットナーの構造説明図である。図２は、像面が物側に彎曲しているときのフィールドフラットナーの補正作用を説明する説明図である。図３は、図１記載のフィールドフラットナーにおける段差部の影響による光量の減少を説明する説明図である。図４は、ｍ番目の段差部の光路を示す説明図である。図５は、従来のフィールドフラットの一例を示す構造図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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