JPH0334043B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は波長および温度に影響されない単一要
素球面光学系に関し、詳細にはレーザ（または他
の単色）光線の集光器および発散器として使用し
うる光学系に関する。

1951年10月16日公告の米国特許第2571657号
（カタジオプトリーレンズ系）明細書にはこの出
願の第１図に非常によく似た系を含む多数のモノ
セントリツクレンズ系が記載される。特願昭55−
141921号には、このような系はモノセントリツク
であるけれど、要素の屈折率ｎ＝1.445を前提に
して第３次および第５次の球面収差に対して補正
しうることが示される。このデザインは縦の色収
差および球面収差の色による差を有し、１つの波
長でしか使用できない。それゆえこのデザインは
波長に影響され、かつ温度が変化すると屈折率が
変化するので、ｎ＝1.445でのみ良好な補正が破
壊される。

偶然にも非モノセントリツク球面単一要素デザ
インは第３次球面収差に対して補正可能であり、
さらに球面収差の色による差または縦の色収差の
１つ、マルチパスデザインの場合は両方に対して
補正できることが明らかになつた。第３次球面収
差および球面収差の色による差に対して補正され
たレーザ集光要素は異なる波長によつて導入され
るただ１つの変化が容易に補正可能な焦点位置の
変化であるため、非常に実用的である。これらの
デザインは球面収差の色による差を示すけれど、
それは大きくないので、広範囲の波長にわたつて
使用することができる。特定の３パスデザイン単
一要素光学系は第３次球面収差、球面収差の色に
よる差および縦の色収差に対して補正可能なこと
も明らかになつた。

２つの要素に分割して同じ熱的性質の材料にマ
ウントした本発明によるレーザ光線集光器は第３
次および第５次の球面収差ならびに球面収差の色
による差に対して補正することができる。

開示されたすべてのデザインは多数の異なる波
長および多数の異なる周囲温度でその補正の破壊
なく使用することができる。

すべてのデザインは厚く、すなわち透明要素の
光軸に沿う最短距離はすべての光学表面の最短半
径の少なくとも1/4である。さらにすべてのシン
グルまたはダブルパス実施例は1.55より小さい屈
折率を有する。

したがつて本発明の目的は波長および温度に影
響されない単一要素光学系を得ることである。

本発明の他の目的は球面のみを使用したこのよ
うな光学系を得ることである。

さらに本発明の目的はレーザ集光器として使用
するために適当な上記特性を有する光学系を得る
ことである。

本発明のもう１つの目的はレーザ光線発散器と
して使用するために適当な上記特性を有する光学
系を得ることである。

さらに本発明の目的はパラボラミラーを使用し
た同じ系に比して大きい視野を有する上記特性の
光学要素を得ることである。

本発明のもう１つの目的は波面歪みの小さい光
学要素を得ることである。

さらに本発明の目的はこのような光学系を２要
素に分割することによつてこの光学系の性能を少
し改善することである。

次に本発明を図面により説明する。すべての図
面にわたつて同じ要素は同じ参照番号を有する。

点光源を得るため集光を必要とするレーザに対
する用途が多数である。光学的メモリーのためミ
クロンサイズの細部の書込または読取を伴う光学
試験および実験はしばしば明るいｆ値の回折制限
されたレーザ集光装置を必要とする。顕微鏡対物
レンズは使用できるけれど、f1.0以上の明るさの
場合作業距離が非常に小さいのが欠点であり、多
くの光学要素は多数のゴーストイメージ、痕跡の
レーザ干渉縞および散乱を生ずる。明るいｆ値の
パラボラミラーはレーザ光線を１点に集光するた
め使用できるけれど、小サイズに製造することが
困難で、費用を要し、かつ視野が非常に狭い。

1979年度のOptical Society meeting in
Rochester N.Yで本出願人は第１図に非常によ
く似た単一要素モノセントリツクカタジオプトリ
ー系を発表した。この系はモノセントリツクであ
るけれど、要素の屈折率がｎ＝1.445であること
を前提にして第３次および第５次の両方の球面収
差に対して補正される。この系はペツツバル湾曲
以外の単色収差なしに明るいｆ値できわめて高い
性能を出す。この系は縦の色収差および球面収差
の色による差を有するので、このデザインは要素
を２種のガラスに分割して色消しない限り、単色
光使用のみに適する。

要素がｎ＝1.445の屈折率を有しない場合、第
３次および第５次球面収差はモノセントリツク条
件を除かない限り補正されない。それによつてさ
らに他の単色収差が導入される。モノセントリツ
クではないけれど、第３次および第５次球面収差
に対して補正された種々の材料の単一要素デザイ
ンを研究している間に、球面収差の色による差は
ほとんど補正されていることが明らかになつた。
これに反しモノセントリツクデザインはかなりの
量の球面収差の色による差を有した。

そこでモノセントリツクでない高い性能の系を
デザインした。次に温度の影響を調べた。それは
これらの系のいくつかは温度に非常に敏感なこと
が明らかであつたからである。そして大きい温度
範囲にわたつて性能が変化しないことを見いだし
た。最近再び単一要素のモノセントリツク系であ
る前記米国特許第2571657号明細書のデザインを
研究し、以前の温度に関する解析を再現すること
を試みた。意外にもこの特許の系は温度に対し不
感受性でないことが明らかになつた。この系は非
常に敏感ではないけれど、上記非モノセントリツ
ク系の大きい不感受性を示さない。これについて
考察した結果、モノセントリツクデザインと非モ
ノセントリツクデザインの間には大きい重要な差
が認められた。コンピユータで検討した結果、前
記特許の系は球面収差の色による差に対して補正
されていないことが明らかになつた。これはこの
系では波長または温度のいずれか１つによつて球
面収差が変化することを表わす。次にモノセント
リツクでないデザインを調べ、球面収差の色によ
る差は非モノセントリツクデザインではほとんど
補正されていることが明らかになつた。モノセン
トリツクから離れることによつて第３次および第
５次球面収差は正確に補正することができた。そ
して第３次および第５次球面収差を正確に補正す
ることによつて球面収差の色による差は完全では
ないけれど、ほとんど消滅した。次に球面収差の
色による差は所望により他の条件の１つを棄てる
ことにより完全に消滅させ、補正することができ
ると考えた。この場合第５次球面収差を棄てるこ
とを選び、それ以上これを補正することを試みな
かつた。第３次球面収差および球面収差の色によ
る差を補正しようとした。これを実施したとき波
長および温度に完全に不感受性であるけれど、第
５次球面収差を補正したときほど性能がよくない
系が得られた。しかし第３次球面収差、第５次球
面収差および球面収差の色による差の３つの条件
のうち選択により２つだけを単一要素およびダブ
ルパスによつて補正することができる。

第１図は第３次球面収差および球面収差の色に
よる差を補正したモノセントリツクでないデザイ
ンを示す。最適のf1.0デザインは半径−1.0569の
球面１２および光軸１８に沿つた厚さ1.4867の要
素１６上の半径−2.7174の球面ミラー１４からな
る。第５次球面収差は非常に小さいけれど、これ
は球面収差の色による差と同時に補正することは
できない。いずれか１つを制御できるけれど、両
方同時にはできない。縦の色収差も存在するの
で、焦点は波長によりずれる。しかし性能は波長
により変化しない。

第２図は小さいレーザ光線集光器として使用す
るために便利な2.5cmの焦点距離を有する第１図
に示すf1.0デザインの波面歪みを示す。波面品質
はλ＝0.6328μで±λ／20である。このデザイン
は第３次、第５次球面収差およびデフオーカス
を、球面収差の色による差（すなわち第３次球面
収差の色による差）をゼロにしながら最高性能を
得るようにバランスさせることにより最適にし
た。

このデザインはシヨツトBK−７ガラスを使用
する。このガラスは使用する透過窓のスペクトル
範囲（0.3〜2.3μ）にわたつてｎ＝1.49〜1.55に変
化する屈折率を有する。この著しく広いスペクト
ル範囲にわたつて波面品質はλ＝0.6328μに対し
てλ／100以下しか変化しない。第１図の系をつ
くるためどんなガラスを使用してもかまわないほ
ど不感受性である。軽クラウンガラスから重フリ
トガラスへ切替え、すべての半径を変化せずに保
持すれば、性能はほとんど変化しない。

それゆえ第１図のデザインは明るいｆ値の高性
能レーザ光線集光器を形成し、これは紫外線から
1.06μ以上のすべてのレーザに使用することがで
きる。焦点２０の位置は異なる波長のレーザを使
用すると少し変化する。それはこのデザインは波
面品質は影響されないけれど、縦の色収差は補正
されないからである。さらに単一要素の“均一
な”温度変化の影響はきわめて小さい。単一要素
デザインなので、熱膨張は要素の寸法を少し変化
するだけであり、性能に影響をおよぼさない。他
面数100℃の範囲にわたる温度による屈折率の変
化はすでに試験したスペクトル範囲に対するより
はるかに小さい。実際に絶対0゜近くからBK−７
ガラスの融点近くまでの温度変化による性能変化
はスペクトル帯域の0.3〜2.3μの変化と同程度で
ある。これはもちろん温度勾配または材料の不均
質性がないことを前提とする。

有効視野はコマ収差によつて制限され、かなり
小さい。しかし同じ焦点距離およびｆ値を有する
パラボラミラーの回折制限された視野より６倍大
きい。

第３図はもつと近づきやすい焦点位置２０を得
るため第１図の系を切断する方法を示す。それに
よつてもちろん同時にｆ値は暗くなる。有限の共
役デザインに変化することもできる。

第１図のデザインは第５次球面収差が非常に小
さいけれど、要素を第４図に示すように２つに分
割することによつて第３次および第５次球面収差
ならびに球面収差の色による差をすべて補正する
ことができる。第４図に示すようにミラー面２２
は要素２４から空間２６によつて分離される。ミ
ラーマウント２７、要素２４およびこれらをいつ
しよに支持するリングホルダ２８はすべて同じ材
料（たとえばBK−７ガラスまたは溶融シリカ）
からつくられる。この手段により温度不感受性が
維持される。

高次収差に対し最適化されていない１つのデザ
インは半径−6.000の球面３０、半径−13.729の
球面３２を使用し、ミラー２２は同様球面であ
り、有利に同じ半径−13.729であり、要素２４は
光軸３４に沿つた厚さが5.702、軸３４に沿つた
空間２６の厚さは2.553である。

光学試験の多くの場合、近づきうる点光源を有
する必要はなく、虚の点光源も同様有用である。
このような場合のため以下に述べる有利な単一要
素デザインがある。目標はつねにデザインが均一
な温度または波長変化に不感受性であるように要
素を配置することである。

第５図はこのような系のもつとも簡単なものを
示す。この系は要素内部の光軸３９上に焦点３８
を有する非常に厚いレンズ３６である。発散出力
４０は光学試験用の虚の点光源を生ずる。正の表
面４２および実質的平面４４を有する要素は明る
さがf2.5である。このようなデザインでは第３次
球面収差および縦の色収差の両方を補正すること
ができるけれど、球面収差の色による差は制御で
きない。均一な温度変化または波長変化は虚の点
光源の位置に影響しないけれど、波面品質は球面
収差の色による差のため変化する。このデザイン
も大きい第５次球面収差を有する。

第６図は明るいｆ値で優れた性能を有する系を
示す。この系はアクロマチツクであり、球面収差
の色による差はやはり補正されない。第７図は出
力が入力光線からそれるように系を串分に切断す
る方法を示す。この場合ももちろんｆ値は暗くな
る。

焦点距離2.5cmに対しシヨツトBK−７ガラスを
使用した第６図に示すデザインによるf1.0アクロ
マチツク光線発散器４６は僅かに正に湾曲した球
面の入射面４８およびこれより小さい半径の球面
ミラー５０を有する。このデザインは第３次球面
収差および縦の色収差に対し補正され、λ＝
0.6328μで±λ／８の破面歪みを生ずる。第７図
のデザインは第６図と同じであるけれど、影を避
けるため半分に切断した。ｆ値は2.5である。

種類の異なる系が第８図に示され、この場合出
力は第５図と同様入力光線の方向へ進む。

単色性能はきわめて良好であり、他の系のデザ
インよりコンパクトである。このf1.0デザインは
焦点距離2.5cmの場合λ＝0.6328μでλ／８の破面
歪を生ずる。

第８図デザインの場合要素５６は中心部６０を
除いてミラー化した後方球面５８および中心部６
２がミラー化された前方球面を有する。光線は左
側から入り球面５８で反射され、球面６２で再び
反射され、要素５６内の光軸６６上の焦点６４に
集光した後、球面５８の孔６０を通つて出る。要
素５６は第３次球面収差および縦の色収差に対し
補正されているけれど、球面収差の色による差は
補正されず、かつかなり大きい影を有する。この
形式の他の実施例を第９図に示す。このデザイン
もアクロマチツクであり、かつ第３次球面収差が
補正される。このデザインは図示の形ではあまり
有用でないけれど、第１０図は入力光線を１方へ
ずらすことにより出力光線がさらに有利に射出す
ることを示す。第９図の要素６８は部分反射性後
方球面７０および中心をミラー化した前方球面７
２を有する。このデザインの実際の利点は球面収
差の色による差を補正しうることである。単一要
素がｎ＝1.71の屈折率を有し、厚さおよび半径が
適正に選ばれる場合、球面収差の色による差は縦
の色収差および第３次球面収差とともに正確に補
正される。他のいずれのデザインも屈折率に関係
なくすべての３つの収差を同時に補正することは
できない。シヨツトガラスSF−１は第９および
第１０図の系にはほぼ適当な屈折率を有し、きわ
めて大きい温度および波長範囲にわたつて１定性
能および１定の虚の焦点位置が得られる。非球面
を有しない単一要素だけでこのように多くの効果
が達成されることはきわめて意外である。第１０
図の要素７４は上部がミラー化された後方球面７
６を有し、その前方球面７７はこのミラー化され
た部分より下方へずれたミラー部分７８を有す
る。

上記説明において“球面”とは平らな表面すな
わち曲率半径無限大の表面をも表わすものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による集光器の断面図、第２図
は第１図集光器によつて生ずる破面歪を示すダイ
ヤグラム、第３図は第１図光学要素の半分からな
る集光器、第４図は２要素集光器、第５図は第３
次球面収差のないアクロマチツク光線発散器、第
６図はf1.0光線発散器、第７図は第６図要素の半
分からなる単一要素光線発散器、第８図は３パス
光線発散器、第９図は第３次球面収差を補正した
３パス光線発散器、第１０図は影を生じない同様
の３パス光線発散器のそれぞれ光路を示す断面図
である。 １２……球面、１４……球面ミラー、１８……
光軸、２０……焦点。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ａ 単一透明要素を有し、 Ｂ 該要素上に第１および第２球面が設けられ、
   その第１球面が負の湾曲を有しかつ第２球面が
   ミラーであり、該要素上の前記表面はそれぞれ ａ 共通の軸および ｂ 異なつた曲率中心 を有し、 Ｃ 前記要素は溶融シリカおよびBK−７からな
   る群から選択され、かつ前記第１球面の半径は
   −1.0569であり、前記第２球面の半径は−
   2.7174であり、かつ前記要素の光軸に沿つた厚
   さは1.4867であり、 Ｄ 前記球面の半径および前記要素の屈折率は別
   の光学表面なしで３次の球面収差および球面収
   差の色収差を補正するように選択されているこ
   とを特徴する光学系。