专利名称：光学系统、光学设备和用于布置衍射光学元件的方法
技术领域：
本发明涉及具有衍射光学兀件的一种光学系统和一种光学设备，和一种用于布置衍射光学元件的方法。
背景技术：
具有衍射光学元件的各种光学系统是已知的，并且例如已经提出了在两个透镜的胶合表面上布置衍射光学兀件的一种光学系统(例如见日本特开专利公报 No.2002-72081(A))。
发明内容
然而，在具有衍射光学元件的传统光学系统中，幻像的产生未被考虑，因此可能由于幻像而产生问题。鉴于前述考虑，本发明的一个目的在于提供一种光学系统、一种光学设备和一种用于布置衍射光学元件的方法，其中幻像的产生受到控制。为了实现这个目的，根据本发明的光学系统是这样一种光学系统，该光学系统按照从物体的次序具有多个透镜；和具有衍射光栅的衍射光学元件，其中该衍射光学元件设置在该多个透镜的透镜表面中的任意一个之上，并且满足以下条件表达式之一O. 50 < fa/Rd < O. 90 并且I. 10 < fa/Rd < 2. 00，其中fa表示从该多个透镜中的最靠近物体的透镜到在其上设置衍射光学元件的透镜的每一个透镜的组合焦距，并且Rd表示在其上设置衍射光学元件的透镜表面的曲率半径。优选的是这个光学系统的该多个透镜按照从物体的次序包括具有正光焦度的第一透镜组，和具有负光焦度的第二透镜组。在这个光学系统中，优选的是衍射光学元件设置在第一透镜组的透镜表面中的任意一个之上。在这个光学系统中，优选的是上述第一透镜组的透镜表面中的任意一个是在像侧上的透镜表面。在这个光学系统中，优选的是满足以下条件表达式O. 50 < fl/fa < O. 80,其中fl表示第一透镜组的焦距。在这个光学系统中，优选的是衍射光学元件设置在第一透镜组的透镜表面中的任意一个之上，并且满足以下条件表达式
O. 030 < f/fd < O. 060,其中f表示光学系统的焦距，并且fd表示衍射光学元件的焦距。在这个光学系统中，优选的是满足以下条件表达式O. 50 < L/f < O. 75,其中L表不光学系统的全长(total length),并且f表不光学系统的焦距。优选的是衍射光学元件的衍射光栅具有旋转对称形状。根据本发明的光学设备是包括用于在预定表面上形成物体的像的光学系统的光学设备，并且根据本发明的光学系统被用作该光学系统。根据本发明的用于布置衍射光学元件的方法是在光学系统中用于布置衍射光学元件的方法，该光学系统按照从物体的次序具有多个透镜和具有衍射光栅的衍射光学元件，这种方法包括在该多个透镜的透镜表面中的任意一个之上设置衍射光学元件的步骤， 其中满足以下条件表达式之一O. 50 < fa/Rd < O. 90 并且I. 10 < fa/Rd < 2. 00，其中fa表示从该多个透镜中的最靠近物体的透镜到在其上设置衍射光学元件的透镜的每一个透镜的组合焦距，并且Rd表示在其上设置衍射光学元件的透镜表面的曲率半径。在用于布置衍射光学元件的方法中，优选的是该多个光学系统按照从物体的次序包括具有正光焦度的第一透镜组，和具有负光焦度的第二透镜组。在用于布置衍射光学元件的方法中，优选的是衍射光学元件设置在第一透镜组的透镜表面中的任意一个之上。在用于布置衍射光学元件的方法中，优选的是满足以下条件表达式O. 50 < fl/fa < O. 80，其中fl表示第一透镜组的焦距。在用于布置衍射光学元件的方法中，优选的是衍射光学元件设置在第一透镜组的透镜表面中的任意一个之上，并且满足以下条件表达式O. 030 < f/fd < O. 060，其中f表示光学系统的焦距，并且fd表示衍射光学元件的焦距。在用于布置衍射光学元件的方法中，优选的是满足以下条件表达式O. 50 < L/f < O. 75，其中L表不光学系统的全长,并且f表不光学系统的焦距。根据本发明，幻像的产生能够受到控制。本发明进一步的适用性范围将根据在下文中给出的详细说明而变得明显。然而， 应该理解，详细说明和具体示例虽然示意了本发明的优选实施例，但是仅仅是为了图示而给出，因为根据这个详细说明，对于本领域技术人员而言，在本发明的精神和范围内的各种改变和修改将变得明显。附图简要说明根据在下文中给出的详细说明和仅仅为了图示给出并且因此并非限制本发明的附图，本发明将得到更加充分地理解。I是描绘根据示例I的远摄镜头的横截面视2是示出根据示例I的远摄镜头的各种像差的曲线3是描绘在其中产生幻像的光学系统中幻光的光路的4是描绘在满足条件表达式(I)或者条件表达式(2)的光学系统中幻光的光路图
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5是描绘根据示例2的远摄镜头的横截面视6示出根据示例2的远摄镜头的各种像差的曲线图； 7是描绘根据示例3的远摄镜头的横截面视8示出根据示例3的远摄镜头的各种像差的曲线图； 9是描绘数字单反照相机的横截面视图；并且 10是描绘用于布置衍射光学元件的方法的流程图。
具体实施例方式现在将参考附图描述本发明的实施例。图9示出具有远摄镜头TL的数字单反照相机CAM，该远摄镜头是根据本发明的光学系统的一个示例。在图9中所示数字单反照相机 CAM中，来自未被图示的物体的光被远摄镜头(图像捕捉镜头)TL收集，并且经由快速复原反光镜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镜P中反射多次并且被引导到接目镜E。由此使用者能够经由接目镜E观察作为正立的物体的像。如果使用者按下未被图示的释放按钮，则快速复原反光镜M缩退到光路外，并且被远摄镜头TL收集的来自物体的光在成像元件C上形成物体的像。由此来自物体的光的像在成像元件C上形成，被成像元件C捕捉，并且作为物体的图像而被记录在未被图示的存储器中。因此使用者能够使用数字单反照相机CAM拍摄物体。即便使用不具有快速复原反光镜M的照相机，也能够获得与这个照相机CAM相同的效果。图9中所示数字单反照相机 CAM可以具有可移除远摄镜头TL，或者可以与远摄镜头TL集成。例如，如图I示出的，远摄镜头TL按照从物体的次序包括多个透镜L1、L2、......;
和具有衍射光栅(未被图不)的衍射光学兀件D0E,该衍射光栅相对于光轴具有旋转对称形状，并且衍射光学元件DOE被设置在该多个透镜LI、L2、……的透镜表面中的任意一个 (例如第四表面)之上。在具有这种配置的远摄镜头TL中，优选的是满足以下条件表达式 (I)和(2)之一，其中fa表示从该多个透镜LI、L2、……中的最靠近物体的透镜到在其上设置衍射光学元件DOE的透镜的每一个透镜的组合焦距，并且Rd表示在其上设置衍射光学元件DOE的透镜表面的曲率半径。O. 50 < fa/Rd < O. 90. . . (I)I. 10 < fa/Rd < 2. 00. . . (2)例如使用接触多层类型衍射光学元件用于本实施例的衍射光学元件D0E，其中两种类型的衍射元件组成物经由同一衍射光栅接触，每一种类型的衍射元件组成物由不同材料制成。根据本实施例，该两种类型的衍射元件组成物的材料是第一紫外线固化树脂，和不同于第一紫外线固化树脂的第二紫外线固化树脂。通常在使用紫外线固化树脂模制时，应该在周边区域中设置用于释放过量树脂的树脂池，因此透镜的外径应该稍稍增加。为了最小化产品外径的增加，优选的是，如在图3中所示，衍射光学元件DOE设置在目标透镜Ld的
6像平面侧透镜表面Sd上。通常优选的是，到衍射光学元件的入射光近似垂直地进入该元件，并且近似垂直地发射。然而，如在图3中所示，如果远摄镜头TL构造为使得入射到在其上设置衍射光学元件DOE的透镜表面Sd中的光近似垂直地进入透镜表面Sd中并且近似垂直地发射，则从靠近像平面I的区域反射的光在这个透镜表面Sd上反射并且再次到达像平面I，即，产生了幻像。在卤化银照相机的情形中，靠近像平面I的反射表面是薄膜表面，并且在数字单反照相机的情形中是传感器表面或者低通滤镜表面。特别地在数字单反照相机的情形中，产生了明显的幻像。条件表达式(I)和条件表达式(2)是用于防止幻像[产生]的条件表达式。如果没有达到条件表达式(I)的下限数值，则到衍射光学元件DOE的入射光的角度过大地增加， 并且衍射效率降低。如果超过条件表达式(I)的上限数值并且表达式的数值变得接近1，则发生幻光问题。如果条件表达式(I)的上限数值是0.88，则能够良好地呈现本发明的效果。并且如果条件表达式(I)的上限数值是O. 85，则能够最充分地展示本发明的效果。如果没有达到条件表达式(2)的下限数值并且表达式的数值变得接近1，则发生幻光问题。并且如果超过表达式(2)的上限数值，则到衍射光学元件DOE的入射光的角度过大地增加，衍射效率降低。如果条件表达式⑵的下限数值是I. 15，则能够良好地呈现本发明的效果。并且如果条件表达式(2)的下限数值是I. 20，则能够最充分地展示本发明的效果。图4示出在当满足条件表达式(I)或者条件表达式(2)时的情形中在像平面I和透镜表面Sd(其上设置衍射光学元件D0E)之间的幻光。如图4示出的，在像平面I上反射的光然后在其上设置衍射光学元件DOE的透镜表面Sd上反射，并且再次到达像平面I、分散(disperse)，并且不引起幻光问题。通过类似这样地满足条件表达式(I)或者条件表达式(2)，能够实现其中幻像的产生受到控制的光学系统(远摄镜头TL)，和具有这个光学系统的光学设备(数字单反照相机CAM)。如图I示出地，优选的是使用多个透镜L1、L2、......的这个远摄镜头TL按照从物
体的次序具有具有正光焦度的第一透镜组Gl ;和具有负光焦度的第二透镜组G2。然后能够获得具有短的全长的远摄镜头TL，并且在具有短的全长的远摄镜头TL中产生的幻像能够有效地受到控制。在这个远摄镜头TL中，优选的是衍射光学元件DOE设置在第一透镜组Gl中的一个透镜表面(例如第四表面)上。然后宽光进入第一透镜组G1，因此能够通过在第一透镜组Gl中设置衍射光学元件DOE而增强衍射光学元件DOE的效果。在这个远摄镜头TL中，优选的是在第一透镜组Gl中的一个透镜表面是在像侧上的透镜表面(例如第四表面)。然后宽光进入第一透镜组G1，因此能够通过在第一透镜组 Gl中设置衍射光学元件DOE而增强衍射光学元件DOE的效果。在这个远摄镜头TL中，优选的是满足以下条件表达式(3)，其中fl表示第一透镜组Gl的焦距。O. 50 < fl/fa < O. 80. . . (3)条件表达式(3)规定衍射光学元件DOE的最佳布置。如果没有达到条件表达式(3)的下限数值，则衍射光学元件DOE太靠近物体，并且由于在衍射光学元件DOE的光栅表面上的漫射，杂散光是显著的。在另一方面，如果超过条件表达式(3)的上限数值，则衍射光学元件DOE太靠近像平面，并且纵色像差的校正变得困难，并且不能实现作为衍射光学元件DOE优点的短的全长。如果条件表达式(3)的下限数值设定为O. 52，或者如果条件表达式(3)的上限数值是O. 78，则能够良好地呈现本发明的效果。并且如果条件表达式(3)的下限数值设定为
O.55，或者如果条件表达式(3)的上限数值是O. 75，则能够最充分地展示本发明的效果。在这个远摄镜头TL中，优选的是衍射光学元件DOE设置在第一透镜组Gl中的一个透镜表面上，并且满足以下条件表达式(4)，其中f表示远摄镜头TL的焦距，并且fd表示衍射光学元件DOE的焦距。O. 030 < f/fd < O. 060. . . (4)条件表达式(4)满足衍射光学元件DOE的最佳光焦度。如果没有达到条件表达式
(4)的下限数值，则不能充分地展示衍射光学元件DOE的效果，并且不能实现作为衍射光学元件DOE优点的短的全长。如果超过条件表达式(4)的上限数值，则衍射光学元件DOE的光焦度变得太强，并且衍射光栅的节距(Pitch)变得太短，这降低了衍射效率。如果条件表达式(4)的下限数值是O. 032，或者如果条件表达式(4)的上限数值是
O.057，则能够良好地呈现本发明的效果。并且如果条件表达式(4)的下限数值是O. 033，或者如果条件表达式(4)的上限数值是O. 055，则能够最充分地展示本发明的效果。在这个远摄镜头TL中，优选的是满足以下条件表达式(5)，其中L表示远摄镜头 TL的全长，并且f表示远摄镜头TL的焦距。O. 50 < L/f < O. 75. . . (5)条件表达式(5)是与远摄比有关的条件表达式。如果没有达到条件表达式(5)的下限数值，即，如果光学全长(total optical length)变短,贝U在第一透镜组Gl中产生的包括球面像差的各种像差增加，并且不能被足够地校正。在另一方面，如果超过条件表达式
(5)的上限数值，即，如果光学全长变长，则第一透镜组Gl的光焦度变弱，并且所要求的衍射光学元件DOE的光焦度也变弱，并且在期望波长范围中的纵色像差不能被足够地校正。如果条件表达式(5)的下限数值是O. 55，或者如果条件表达式(5)的上限数值是
O.73，则能够良好地呈现本发明的效果。如果条件表达式(5)的下限数值是O. 60，或者如果条件表达式(5)的上限数值是O. 70，则能够最充分地展示本发明的效果。现在将参考
图10描述一种用于在具有上述配置的远摄镜头TL中布置衍射光学元件DOE的方法。首先，将衍射光学元件DOE设置在远摄镜头TL的每一个透镜L1、L2、…… 的预定透镜表面(例如第四表面)上(步骤SI)。然后将每一个透镜L1、L2、……，连同衍射光学元件DOE —起组装到柱形镜筒中(步骤S2)。当将每一个透镜组装到镜筒中时，可以按照沿着光轴的次序一次一个地将每一个透镜组装到镜筒中，或者可以将部分或者全部透镜集成在保持部件上并且然后组装到镜筒中。在将每一个透镜组装到镜筒中之后，在每一个透镜均被组装在镜筒中的状态中检查是否形成物像，即，每一个透镜的中心是否对准 (步骤S3)。在检查到像形成之后，检查远摄镜头TL的各种操作(步骤S4)。各种操作的示例有聚焦操作，其中从处于长距离的物体到处于短距离的物体执行聚焦的透镜组沿着光轴移动；和手动模糊校正操作，其中移动至少一部分透镜从而得到垂直于光轴的分量。检查各种操作的顺序是任意的。根据这种方法，能够实现其中幻像的产生受到控制的光学系统(远摄镜头TL)。根据本实施例，通过在如上所述光学系统中适当地使用衍射光学元件D0E，实现了一种远摄光学系统(远摄镜头TL)和一种使用这个光学系统的光学设备(数字单反照相机)，该远摄光学系统具有带有低远摄比(镜头全长是短的)的高光学性能，同时良好地校正包括色差的各种像差。示例(示例 I)将参考附图解释本申请的示例。现在将参考图I、图2和表格I描述示例I。图I 是根据示例I的远摄镜头TL的横截面视图。根据示例I的远摄镜头TL按照从物体的次序包括具有正光焦度的第一透镜组Gl ;具有负光焦度的第二透镜组G2 ;和具有负光焦度的第三透镜组G3。第一透镜组Gl按照从物体的次序包括是双凸正透镜的第一透镜LI ;是具有面向物体的凸形表面的正弯月形透镜的第二透镜L2 ;是胶合透镜的第三透镜L3 ;和是胶合透镜的第四透镜L4，并且衍射光学元件DOE设置在第二透镜L2中在像平面I侧上的透镜表面上。衍射光学元件DOE是接触多层类型衍射光学元件，其中两种类型的衍射元件组成物经由同一衍射光栅接触，每一种类型的衍射元件组成物由不同材料制成，并且基本衍射光栅 (相对于光轴具有旋转对称形状的衍射光栅)由两种类型的紫外线固化树脂形成。第二透镜组G2包括是胶合透镜的第五透镜L5。第三透镜组G3按照从物体的次序包括是胶合透镜的第六透镜L6 ;是胶合透镜的第七透镜L7 ;是单透镜的第八透镜L8 ;是胶合透镜的第九透镜L9 ;和是单透镜的第十透镜L10。孔径光阑S设置在第二透镜组G2和第三透镜组G3之间。在下面示出的表格I到表格3列出了关于根据示例I到示例3的远摄镜头的每一个数据数值。在每一个表格中的[总体数据]中，f是焦距，FNO是F数，ω是半视角(最大入射角单位是“。”)，Y是像高，Bf是后焦距离(空气换算长度)，并且L是镜头全长 (空气换算长度)。在[透镜数据]中，表面编号是从物体侧起算的透镜表面的编号，ri是从物体侧起算的第i透镜表面的曲率半径，di是从物体起算的从第i透镜表面到第i+Ι透镜表面的透镜厚度或者空气间隔，nd是在d线(波长λ = 587. 6nm)处的折射率，并且vd 是在d线(波长λ = 587. 6nm)处的阿贝数。在[衍射表面数据]中示出的衍射表面的相位形式Ψ由以下表达式(6)给出，其中h表示相对于光轴沿着竖直方向的高度，m表示衍射光的衍射级次，λ O表示设计波长，并且Ci表示相位系数(其中i = 1,2,3、......) οψ (h, m) = {2 31 /(mX λ O)} X (C2 Xh2+C4Xh4+C6 Xh6· ··)··· (6)在任意波长λ和任意衍射级次m下衍射表面的光焦度Φ 由以下表达式(J)给出，其中Cl表示在最低级次下的相位系数。φ Οι，m) = -2 X Cl XmX λ / λ O. · · (7)在[衍射表面数据]中，示出了相位系数，其中“Ε-η”表示“Χ10_η”。在全部数据数值中，“mm”通常用于焦距f、曲率半径ri、表面距离di和其它长度的单位，但是该单位不限于“mm”，因为即便光学系统成比例地扩大或者成比例地减小，也获得了相同的光学性能。同样对于在以后述及的示例2和示例3的数据数值，使用了与这个示例相同的符号。表格I不出不例I的每一个数据数值。在表格I中的表面编号I到29对应于在图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)
[总体数据]
f = 291. 00
FNO = 4. I
2 ω = 8. 5
Y = 21. 64
Bf = 54. 79
L = 189.71
[透镜数据]
表面
编号
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
权利要求
1.一种光学系统，所述光学系统按照从物体的次序包括多个透镜；和具有衍射光栅的衍射光学元件，所述衍射光学元件设置在所述多个透镜的透镜表面中的任意一个之上，并且满足以下条件表达式之一0.50 < fa/Rd < O. 901.10 < fa/Rd < 2. 00其中fa表示从所述多个透镜中的最靠近物体的透镜到在其上设置所述衍射光学元件的透镜的每一个透镜的组合焦距，并且Rd表示在其上设置所述衍射光学元件的透镜表面的曲率半径。
2.根据权利要求I的光学系统，其中所述光学系统的所述多个透镜按照从物体的次序包括具有正光焦度的第一透镜组，和具有负光焦度的第二透镜组。
3.根据权利要求2的光学系统，其中所述衍射光学元件设置在所述第一透镜组的透镜表面中的任意一个之上。
4.根据权利要求2的光学系统，其中所述第一透镜组的透镜表面中的任意一个是在像侧上的透镜表面。
5.根据权利要求2的光学系统，其中满足以下条件表达式O. 50 < fl/fa < O. 80其中fl表示所述第一透镜组的焦距。
6.根据权利要求2的光学系统，其中所述衍射光学元件设置在所述第一透镜组的透镜表面中的任意一个之上，并且满足以下条件表达式O. 030 < f/fd < O. 060其中f表示所述光学系统的焦距，并且fd表示所述衍射光学元件的焦距。
7.根据权利要求I的光学系统，其中满足以下条件表达式O. 50 < L/f < O. 75其中L表示所述光学系统的全长，并且f表示所述光学系统的焦距。
8.根据权利要求I的光学系统，其中所述衍射光学元件的所述衍射光栅具有旋转对称形状。
9.一种包括用于在预定表面上形成物体的像的光学系统的光学设备，这个光学系统是根据权利要求I的光学系统。
10.一种在光学系统中用于布置衍射光学元件的方法，所述光学系统按照从物体的次序具有多个透镜和具有衍射光栅的衍射光学元件，所述方法包括在所述多个透镜的透镜表面中的任意一个之上设置所述衍射光学元件，并且满足以下条件表达式之一0.50 < fa/Rd < O. 90 1.10 < fa/Rd < 2. 00其中fa表示从所述多个透镜中的最靠近物体的透镜到在其上设置所述衍射光学元件的透镜的每一个透镜的组合焦距，并且Rd表示在其上设置所述衍射光学元件的透镜表面的曲率半径。
11.根据权利要求10的用于布置衍射光学元件的方法，其中所述光学系统的所述多个透镜按照从物体的次序包括具有正光焦度的第一透镜组，和具有负光焦度的第二透镜组。
12.根据权利要求11的用于布置衍射光学元件的方法，其中所述衍射光学元件设置在所述第一透镜组的透镜表面中的任意一个之上。
13.根据权利要求11的用于布置衍射光学元件的方法，其中满足以下条件表达式O.50 < fl/fa < O. 80其中fl表示所述第一透镜组的焦距。
14.根据权利要求11的用于布置衍射光学元件的方法，其中所述衍射光学元件设置在所述第一透镜组的透镜表面中的任意一个之上，并且满足以下条件表达式O.030 < f/fd < O. 060其中f表示所述光学系统的焦距，并且fd表示所述衍射光学元件的焦距。
15.根据权利要求10的用于布置衍射光学元件的方法，其中满足以下条件表达式O.50 < L/f < O. 75其中L表示所述光学系统的全长，并且f表示所述光学系统的焦距。
全文摘要
本发明涉及光学系统、光学设备和用于布置衍射光学元件的方法。一种远摄镜头(TL)按照从物体的次序具有多个透镜(L1、L2、……)和具有衍射光栅的衍射光学元件(DOE)，该衍射光栅相对于光轴具有旋转对称形状，其中衍射光学元件(DOE)设置在该多个透镜(L1、L2、……)的透镜表面中的任意一个之上，并且满足条件表达式0.50＜fa/Rd＜0.90或者1.10＜fa/Rd＜2.00，其中fa表示从该多个透镜(L1、L2、……)中的最靠近物体的透镜(L1)到在其上设置衍射光学元件(DOE)的透镜(L2)的每一个透镜的组合焦距，并且Rd是在其上设置衍射光学元件(DOE)的透镜表面的曲率半径。
文档编号G02B5/18GK102590914SQ20121000991
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月13日 优先权日2011年1月13日
发明者藤本诚 申请人:株式会社尼康