專利名稱：光學系統、光學設備和用于布置衍射光學元件的方法
技術領域：
本發明涉及具有衍射光學兀件的一種光學系統和一種光學設備，和一種用于布置衍射光學元件的方法。
背景技術：
具有衍射光學元件的各種光學系統是已知的，并且例如已經提出了在兩個透鏡的膠合表面上布置衍射光學兀件的一種光學系統(例如見日本特開專利公報 No.2002-72081(A))。

發明內容
然而，在具有衍射光學元件的傳統光學系統中，幻像的產生未被考慮，因此可能由于幻像而產生問題。鑒于前述考慮，本發明的一個目的在于提供一種光學系統、一種光學設備和一種用于布置衍射光學元件的方法，其中幻像的產生受到控制。為了實現這個目的，根據本發明的光學系統是這樣一種光學系統，該光學系統按照從物體的次序具有多個透鏡；和具有衍射光柵的衍射光學元件，其中該衍射光學元件設置在該多個透鏡的透鏡表面中的任意一個之上，并且滿足以下條件表達式之一O. 50 < fa/Rd < O. 90 并且I. 10 < fa/Rd < 2. 00，其中fa表示從該多個透鏡中的最靠近物體的透鏡到在其上設置衍射光學元件的透鏡的每一個透鏡的組合焦距，并且Rd表示在其上設置衍射光學元件的透鏡表面的曲率半徑。優選的是這個光學系統的該多個透鏡按照從物體的次序包括具有正光焦度的第一透鏡組，和具有負光焦度的第二透鏡組。在這個光學系統中，優選的是衍射光學元件設置在第一透鏡組的透鏡表面中的任意一個之上。在這個光學系統中，優選的是上述第一透鏡組的透鏡表面中的任意一個是在像側上的透鏡表面。在這個光學系統中，優選的是滿足以下條件表達式O. 50 < fl/fa < O. 80,其中fl表示第一透鏡組的焦距。在這個光學系統中，優選的是衍射光學元件設置在第一透鏡組的透鏡表面中的任意一個之上，并且滿足以下條件表達式
O. 030 < f/fd < O. 060,其中f表示光學系統的焦距，并且fd表示衍射光學元件的焦距。在這個光學系統中，優選的是滿足以下條件表達式O. 50 < L/f < O. 75,其中L表不光學系統的全長(total length),并且f表不光學系統的焦距。優選的是衍射光學元件的衍射光柵具有旋轉對稱形狀。根據本發明的光學設備是包括用于在預定表面上形成物體的像的光學系統的光學設備，并且根據本發明的光學系統被用作該光學系統。根據本發明的用于布置衍射光學元件的方法是在光學系統中用于布置衍射光學元件的方法，該光學系統按照從物體的次序具有多個透鏡和具有衍射光柵的衍射光學元件，這種方法包括在該多個透鏡的透鏡表面中的任意一個之上設置衍射光學元件的步驟， 其中滿足以下條件表達式之一O. 50 < fa/Rd < O. 90 并且I. 10 < fa/Rd < 2. 00，其中fa表示從該多個透鏡中的最靠近物體的透鏡到在其上設置衍射光學元件的透鏡的每一個透鏡的組合焦距，并且Rd表示在其上設置衍射光學元件的透鏡表面的曲率半徑。在用于布置衍射光學元件的方法中，優選的是該多個光學系統按照從物體的次序包括具有正光焦度的第一透鏡組，和具有負光焦度的第二透鏡組。在用于布置衍射光學元件的方法中，優選的是衍射光學元件設置在第一透鏡組的透鏡表面中的任意一個之上。在用于布置衍射光學元件的方法中，優選的是滿足以下條件表達式O. 50 < fl/fa < O. 80，其中fl表示第一透鏡組的焦距。在用于布置衍射光學元件的方法中，優選的是衍射光學元件設置在第一透鏡組的透鏡表面中的任意一個之上，并且滿足以下條件表達式O. 030 < f/fd < O. 060，其中f表示光學系統的焦距，并且fd表示衍射光學元件的焦距。在用于布置衍射光學元件的方法中，優選的是滿足以下條件表達式O. 50 < L/f < O. 75，其中L表不光學系統的全長,并且f表不光學系統的焦距。根據本發明，幻像的產生能夠受到控制。本發明進一步的適用性范圍將根據在下文中給出的詳細說明而變得明顯。然而， 應該理解，詳細說明和具體示例雖然示意了本發明的優選實施例，但是僅僅是為了圖示而給出，因為根據這個詳細說明，對于本領域技術人員而言，在本發明的精神和范圍內的各種改變和修改將變得明顯。附圖簡要說明根據在下文中給出的詳細說明和僅僅為了圖示給出并且因此并非限制本發明的附圖，本發明將得到更加充分地理解。I是描繪根據示例I的遠攝鏡頭的橫截面視2是示出根據示例I的遠攝鏡頭的各種像差的曲線3是描繪在其中產生幻像的光學系統中幻光的光路的4是描繪在滿足條件表達式(I)或者條件表達式(2)的光學系統中幻光的光路圖
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5是描繪根據示例2的遠攝鏡頭的橫截面視6示出根據示例2的遠攝鏡頭的各種像差的曲線圖； 7是描繪根據示例3的遠攝鏡頭的橫截面視8示出根據示例3的遠攝鏡頭的各種像差的曲線圖； 9是描繪數字單反照相機的橫截面視圖；并且 10是描繪用于布置衍射光學元件的方法的流程圖。
具體實施例方式現在將參考附圖描述本發明的實施例。圖9示出具有遠攝鏡頭TL的數字單反照相機CAM，該遠攝鏡頭是根據本發明的光學系統的一個示例。在圖9中所示數字單反照相機 CAM中，來自未被圖示的物體的光被遠攝鏡頭(圖像捕捉鏡頭)TL收集，并且經由快速復原反光鏡M在焦平面板F上形成像。在焦平面板F上形成像的光在五棱鏡P中反射多次并且被引導到接目鏡E。由此使用者能夠經由接目鏡E觀察作為正立的物體的像。如果使用者按下未被圖示的釋放按鈕，則快速復原反光鏡M縮退到光路外，并且被遠攝鏡頭TL收集的來自物體的光在成像元件C上形成物體的像。由此來自物體的光的像在成像元件C上形成，被成像元件C捕捉，并且作為物體的圖像而被記錄在未被圖示的存儲器中。因此使用者能夠使用數字單反照相機CAM拍攝物體。即便使用不具有快速復原反光鏡M的照相機，也能夠獲得與這個照相機CAM相同的效果。圖9中所示數字單反照相機 CAM可以具有可移除遠攝鏡頭TL，或者可以與遠攝鏡頭TL集成。例如，如圖I示出的，遠攝鏡頭TL按照從物體的次序包括多個透鏡L1、L2、......;
和具有衍射光柵(未被圖不)的衍射光學兀件D0E,該衍射光柵相對于光軸具有旋轉對稱形狀，并且衍射光學元件DOE被設置在該多個透鏡LI、L2、……的透鏡表面中的任意一個 (例如第四表面)之上。在具有這種配置的遠攝鏡頭TL中，優選的是滿足以下條件表達式 (I)和(2)之一，其中fa表示從該多個透鏡LI、L2、……中的最靠近物體的透鏡到在其上設置衍射光學元件DOE的透鏡的每一個透鏡的組合焦距，并且Rd表示在其上設置衍射光學元件DOE的透鏡表面的曲率半徑。O. 50 < fa/Rd < O. 90. . . (I)I. 10 < fa/Rd < 2. 00. . . (2)例如使用接觸多層類型衍射光學元件用于本實施例的衍射光學元件D0E，其中兩種類型的衍射元件組成物經由同一衍射光柵接觸，每一種類型的衍射元件組成物由不同材料制成。根據本實施例，該兩種類型的衍射元件組成物的材料是第一紫外線固化樹脂，和不同于第一紫外線固化樹脂的第二紫外線固化樹脂。通常在使用紫外線固化樹脂模制時，應該在周邊區域中設置用于釋放過量樹脂的樹脂池，因此透鏡的外徑應該稍稍增加。為了最小化產品外徑的增加，優選的是，如在圖3中所示，衍射光學元件DOE設置在目標透鏡Ld的
6像平面側透鏡表面Sd上。通常優選的是，到衍射光學元件的入射光近似垂直地進入該元件，并且近似垂直地發射。然而，如在圖3中所示，如果遠攝鏡頭TL構造為使得入射到在其上設置衍射光學元件DOE的透鏡表面Sd中的光近似垂直地進入透鏡表面Sd中并且近似垂直地發射，則從靠近像平面I的區域反射的光在這個透鏡表面Sd上反射并且再次到達像平面I，即，產生了幻像。在鹵化銀照相機的情形中，靠近像平面I的反射表面是薄膜表面，并且在數字單反照相機的情形中是傳感器表面或者低通濾鏡表面。特別地在數字單反照相機的情形中，產生了明顯的幻像。條件表達式(I)和條件表達式(2)是用于防止幻像[產生]的條件表達式。如果沒有達到條件表達式(I)的下限數值，則到衍射光學元件DOE的入射光的角度過大地增加， 并且衍射效率降低。如果超過條件表達式(I)的上限數值并且表達式的數值變得接近1，則發生幻光問題。如果條件表達式(I)的上限數值是0.88，則能夠良好地呈現本發明的效果。并且如果條件表達式(I)的上限數值是O. 85，則能夠最充分地展示本發明的效果。如果沒有達到條件表達式(2)的下限數值并且表達式的數值變得接近1，則發生幻光問題。并且如果超過表達式(2)的上限數值，則到衍射光學元件DOE的入射光的角度過大地增加，衍射效率降低。如果條件表達式⑵的下限數值是I. 15，則能夠良好地呈現本發明的效果。并且如果條件表達式(2)的下限數值是I. 20，則能夠最充分地展示本發明的效果。圖4示出在當滿足條件表達式(I)或者條件表達式(2)時的情形中在像平面I和透鏡表面Sd(其上設置衍射光學元件D0E)之間的幻光。如圖4示出的，在像平面I上反射的光然后在其上設置衍射光學元件DOE的透鏡表面Sd上反射，并且再次到達像平面I、分散(disperse)，并且不引起幻光問題。通過類似這樣地滿足條件表達式(I)或者條件表達式(2)，能夠實現其中幻像的產生受到控制的光學系統(遠攝鏡頭TL)，和具有這個光學系統的光學設備(數字單反照相機CAM)。如圖I示出地，優選的是使用多個透鏡L1、L2、......的這個遠攝鏡頭TL按照從物
體的次序具有具有正光焦度的第一透鏡組Gl ;和具有負光焦度的第二透鏡組G2。然后能夠獲得具有短的全長的遠攝鏡頭TL，并且在具有短的全長的遠攝鏡頭TL中產生的幻像能夠有效地受到控制。在這個遠攝鏡頭TL中，優選的是衍射光學元件DOE設置在第一透鏡組Gl中的一個透鏡表面(例如第四表面)上。然后寬光進入第一透鏡組G1，因此能夠通過在第一透鏡組Gl中設置衍射光學元件DOE而增強衍射光學元件DOE的效果。在這個遠攝鏡頭TL中，優選的是在第一透鏡組Gl中的一個透鏡表面是在像側上的透鏡表面(例如第四表面)。然后寬光進入第一透鏡組G1，因此能夠通過在第一透鏡組 Gl中設置衍射光學元件DOE而增強衍射光學元件DOE的效果。在這個遠攝鏡頭TL中，優選的是滿足以下條件表達式(3)，其中fl表示第一透鏡組Gl的焦距。O. 50 < fl/fa < O. 80. . . (3)條件表達式(3)規定衍射光學元件DOE的最佳布置。如果沒有達到條件表達式(3)的下限數值，則衍射光學元件DOE太靠近物體，并且由于在衍射光學元件DOE的光柵表面上的漫射，雜散光是顯著的。在另一方面，如果超過條件表達式(3)的上限數值，則衍射光學元件DOE太靠近像平面，并且縱色像差的校正變得困難，并且不能實現作為衍射光學元件DOE優點的短的全長。如果條件表達式(3)的下限數值設定為O. 52，或者如果條件表達式(3)的上限數值是O. 78，則能夠良好地呈現本發明的效果。并且如果條件表達式(3)的下限數值設定為
O.55，或者如果條件表達式(3)的上限數值是O. 75，則能夠最充分地展示本發明的效果。在這個遠攝鏡頭TL中，優選的是衍射光學元件DOE設置在第一透鏡組Gl中的一個透鏡表面上，并且滿足以下條件表達式(4)，其中f表示遠攝鏡頭TL的焦距，并且fd表示衍射光學元件DOE的焦距。O. 030 < f/fd < O. 060. . . (4)條件表達式(4)滿足衍射光學元件DOE的最佳光焦度。如果沒有達到條件表達式
(4)的下限數值，則不能充分地展示衍射光學元件DOE的效果，并且不能實現作為衍射光學元件DOE優點的短的全長。如果超過條件表達式(4)的上限數值，則衍射光學元件DOE的光焦度變得太強，并且衍射光柵的節距(Pitch)變得太短，這降低了衍射效率。如果條件表達式(4)的下限數值是O. 032，或者如果條件表達式(4)的上限數值是
O.057，則能夠良好地呈現本發明的效果。并且如果條件表達式(4)的下限數值是O. 033，或者如果條件表達式(4)的上限數值是O. 055，則能夠最充分地展示本發明的效果。在這個遠攝鏡頭TL中，優選的是滿足以下條件表達式(5)，其中L表示遠攝鏡頭 TL的全長，并且f表示遠攝鏡頭TL的焦距。O. 50 < L/f < O. 75. . . (5)條件表達式(5)是與遠攝比有關的條件表達式。如果沒有達到條件表達式(5)的下限數值，即，如果光學全長(total optical length)變短,貝U在第一透鏡組Gl中產生的包括球面像差的各種像差增加，并且不能被足夠地校正。在另一方面，如果超過條件表達式
(5)的上限數值，即，如果光學全長變長，則第一透鏡組Gl的光焦度變弱，并且所要求的衍射光學元件DOE的光焦度也變弱，并且在期望波長范圍中的縱色像差不能被足夠地校正。如果條件表達式(5)的下限數值是O. 55，或者如果條件表達式(5)的上限數值是
O.73，則能夠良好地呈現本發明的效果。如果條件表達式(5)的下限數值是O. 60，或者如果條件表達式(5)的上限數值是O. 70，則能夠最充分地展示本發明的效果。現在將參考

圖10描述一種用于在具有上述配置的遠攝鏡頭TL中布置衍射光學元件DOE的方法。首先，將衍射光學元件DOE設置在遠攝鏡頭TL的每一個透鏡L1、L2、…… 的預定透鏡表面(例如第四表面)上(步驟SI)。然后將每一個透鏡L1、L2、……，連同衍射光學元件DOE —起組裝到柱形鏡筒中(步驟S2)。當將每一個透鏡組裝到鏡筒中時，可以按照沿著光軸的次序一次一個地將每一個透鏡組裝到鏡筒中，或者可以將部分或者全部透鏡集成在保持部件上并且然后組裝到鏡筒中。在將每一個透鏡組裝到鏡筒中之后，在每一個透鏡均被組裝在鏡筒中的狀態中檢查是否形成物像，即，每一個透鏡的中心是否對準 (步驟S3)。在檢查到像形成之后，檢查遠攝鏡頭TL的各種操作(步驟S4)。各種操作的示例有聚焦操作，其中從處于長距離的物體到處于短距離的物體執行聚焦的透鏡組沿著光軸移動；和手動模糊校正操作，其中移動至少一部分透鏡從而得到垂直于光軸的分量。檢查各種操作的順序是任意的。根據這種方法，能夠實現其中幻像的產生受到控制的光學系統(遠攝鏡頭TL)。根據本實施例，通過在如上所述光學系統中適當地使用衍射光學元件D0E，實現了一種遠攝光學系統(遠攝鏡頭TL)和一種使用這個光學系統的光學設備(數字單反照相機)，該遠攝光學系統具有帶有低遠攝比(鏡頭全長是短的)的高光學性能，同時良好地校正包括色差的各種像差。示例(示例 I)將參考附圖解釋本申請的示例。現在將參考圖I、圖2和表格I描述示例I。圖I 是根據示例I的遠攝鏡頭TL的橫截面視圖。根據示例I的遠攝鏡頭TL按照從物體的次序包括具有正光焦度的第一透鏡組Gl ;具有負光焦度的第二透鏡組G2 ;和具有負光焦度的第三透鏡組G3。第一透鏡組Gl按照從物體的次序包括是雙凸正透鏡的第一透鏡LI ;是具有面向物體的凸形表面的正彎月形透鏡的第二透鏡L2 ;是膠合透鏡的第三透鏡L3 ;和是膠合透鏡的第四透鏡L4，并且衍射光學元件DOE設置在第二透鏡L2中在像平面I側上的透鏡表面上。衍射光學元件DOE是接觸多層類型衍射光學元件，其中兩種類型的衍射元件組成物經由同一衍射光柵接觸，每一種類型的衍射元件組成物由不同材料制成，并且基本衍射光柵 (相對于光軸具有旋轉對稱形狀的衍射光柵)由兩種類型的紫外線固化樹脂形成。第二透鏡組G2包括是膠合透鏡的第五透鏡L5。第三透鏡組G3按照從物體的次序包括是膠合透鏡的第六透鏡L6 ;是膠合透鏡的第七透鏡L7 ;是單透鏡的第八透鏡L8 ;是膠合透鏡的第九透鏡L9 ;和是單透鏡的第十透鏡L10。孔徑光闌S設置在第二透鏡組G2和第三透鏡組G3之間。在下面示出的表格I到表格3列出了關于根據示例I到示例3的遠攝鏡頭的每一個數據數值。在每一個表格中的[總體數據]中，f是焦距，FNO是F數，ω是半視角(最大入射角單位是“。”)，Y是像高，Bf是后焦距離(空氣換算長度)，并且L是鏡頭全長 (空氣換算長度)。在[透鏡數據]中，表面編號是從物體側起算的透鏡表面的編號，ri是從物體側起算的第i透鏡表面的曲率半徑，di是從物體起算的從第i透鏡表面到第i+Ι透鏡表面的透鏡厚度或者空氣間隔，nd是在d線(波長λ = 587. 6nm)處的折射率，并且vd 是在d線(波長λ = 587. 6nm)處的阿貝數。在[衍射表面數據]中示出的衍射表面的相位形式Ψ由以下表達式(6)給出，其中h表示相對于光軸沿著豎直方向的高度，m表示衍射光的衍射級次，λ O表示設計波長，并且Ci表示相位系數(其中i = 1,2,3、......) οψ (h, m) = {2 31 /(mX λ O)} X (C2 Xh2+C4Xh4+C6 Xh6· ··)··· (6)在任意波長λ和任意衍射級次m下衍射表面的光焦度Φ 由以下表達式(J)給出，其中Cl表示在最低級次下的相位系數。φ Οι，m) = -2 X Cl XmX λ / λ O. · · (7)在[衍射表面數據]中，示出了相位系數，其中“Ε-η”表示“Χ10_η”。在全部數據數值中，“mm”通常用于焦距f、曲率半徑ri、表面距離di和其它長度的單位，但是該單位不限于“mm”，因為即便光學系統成比例地擴大或者成比例地減小，也獲得了相同的光學性能。同樣對于在以后述及的示例2和示例3的數據數值，使用了與這個示例相同的符號。表格I不出不例I的每一個數據數值。在表格I中的表面編號I到29對應于在圖I中的表面I到29。在示例I中，第五表面是衍射表面。(表格I)
[總體數據]
f = 291. 00
FNO = 4. I
2 ω = 8. 5
Y = 21. 64
Bf = 54. 79
L = 189.71
[透鏡數據]
表面
編號
1
2
3
4
5
6
7
8
ridindvd
222.2236.511.696855.5
-1018.7570.25
94.0196.701.516864.1
201.9010.201.527833.4
201.9010.201.557150.0 (衍射表面)
201.9011.23
62.10210.501.487570.4
452.3883.001.749535.3
10
權利要求
1.一種光學系統，所述光學系統按照從物體的次序包括多個透鏡；和具有衍射光柵的衍射光學元件，所述衍射光學元件設置在所述多個透鏡的透鏡表面中的任意一個之上，并且滿足以下條件表達式之一0.50 < fa/Rd < O. 901.10 < fa/Rd < 2. 00其中fa表示從所述多個透鏡中的最靠近物體的透鏡到在其上設置所述衍射光學元件的透鏡的每一個透鏡的組合焦距，并且Rd表示在其上設置所述衍射光學元件的透鏡表面的曲率半徑。
2.根據權利要求I的光學系統，其中所述光學系統的所述多個透鏡按照從物體的次序包括具有正光焦度的第一透鏡組，和具有負光焦度的第二透鏡組。
3.根據權利要求2的光學系統，其中所述衍射光學元件設置在所述第一透鏡組的透鏡表面中的任意一個之上。
4.根據權利要求2的光學系統，其中所述第一透鏡組的透鏡表面中的任意一個是在像側上的透鏡表面。
5.根據權利要求2的光學系統，其中滿足以下條件表達式O. 50 < fl/fa < O. 80其中fl表示所述第一透鏡組的焦距。
6.根據權利要求2的光學系統，其中所述衍射光學元件設置在所述第一透鏡組的透鏡表面中的任意一個之上，并且滿足以下條件表達式O. 030 < f/fd < O. 060其中f表示所述光學系統的焦距，并且fd表示所述衍射光學元件的焦距。
7.根據權利要求I的光學系統，其中滿足以下條件表達式O. 50 < L/f < O. 75其中L表示所述光學系統的全長，并且f表示所述光學系統的焦距。
8.根據權利要求I的光學系統，其中所述衍射光學元件的所述衍射光柵具有旋轉對稱形狀。
9.一種包括用于在預定表面上形成物體的像的光學系統的光學設備，這個光學系統是根據權利要求I的光學系統。
10.一種在光學系統中用于布置衍射光學元件的方法，所述光學系統按照從物體的次序具有多個透鏡和具有衍射光柵的衍射光學元件，所述方法包括在所述多個透鏡的透鏡表面中的任意一個之上設置所述衍射光學元件，并且滿足以下條件表達式之一0.50 < fa/Rd < O. 90 1.10 < fa/Rd < 2. 00其中fa表示從所述多個透鏡中的最靠近物體的透鏡到在其上設置所述衍射光學元件的透鏡的每一個透鏡的組合焦距，并且Rd表示在其上設置所述衍射光學元件的透鏡表面的曲率半徑。
11.根據權利要求10的用于布置衍射光學元件的方法，其中所述光學系統的所述多個透鏡按照從物體的次序包括具有正光焦度的第一透鏡組，和具有負光焦度的第二透鏡組。
12.根據權利要求11的用于布置衍射光學元件的方法，其中所述衍射光學元件設置在所述第一透鏡組的透鏡表面中的任意一個之上。
13.根據權利要求11的用于布置衍射光學元件的方法，其中滿足以下條件表達式O.50 < fl/fa < O. 80其中fl表示所述第一透鏡組的焦距。
14.根據權利要求11的用于布置衍射光學元件的方法，其中所述衍射光學元件設置在所述第一透鏡組的透鏡表面中的任意一個之上，并且滿足以下條件表達式O.030 < f/fd < O. 060其中f表示所述光學系統的焦距，并且fd表示所述衍射光學元件的焦距。
15.根據權利要求10的用于布置衍射光學元件的方法，其中滿足以下條件表達式O.50 < L/f < O. 75其中L表示所述光學系統的全長，并且f表示所述光學系統的焦距。
全文摘要
本發明涉及光學系統、光學設備和用于布置衍射光學元件的方法。一種遠攝鏡頭(TL)按照從物體的次序具有多個透鏡(L1、L2、……)和具有衍射光柵的衍射光學元件(DOE)，該衍射光柵相對于光軸具有旋轉對稱形狀，其中衍射光學元件(DOE)設置在該多個透鏡(L1、L2、……)的透鏡表面中的任意一個之上，并且滿足條件表達式0.50＜fa/Rd＜0.90或者1.10＜fa/Rd＜2.00，其中fa表示從該多個透鏡(L1、L2、……)中的最靠近物體的透鏡(L1)到在其上設置衍射光學元件(DOE)的透鏡(L2)的每一個透鏡的組合焦距，并且Rd是在其上設置衍射光學元件(DOE)的透鏡表面的曲率半徑。
文檔編號G02B5/18GK102590914SQ20121000991
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月13日 優先權日2011年1月13日
發明者藤本誠 申請人:株式會社尼康