JP6137839B2 - Receiving optical system - Google Patents
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Description
この発明は、遠方の点状物体から放たれた微弱な光束を受信して、その光束から信号を検出する受信光学系に関するものである。 The present invention relates to a receiving optical system that receives a weak light beam emitted from a distant point-like object and detects a signal from the light beam.
例えば、以下の特許文献１には、単波長の紫外線を使用する光ピックアップレンズが開示されており、この光ピックアップレンズは、１枚の凸レンズで、０．８以上の大きな開口数を達成しながら、球面収差やコマ収差を補正するために、レンズの両面を１６次非球面で構成している。
ただし、レンズの非球面形状は、非球面性が強い程、製造難易度が上がり、製造コストの増加を招くことが知られている。
For example, Patent Document 1 below discloses an optical pickup lens that uses single-wavelength ultraviolet light, and this optical pickup lens is a single convex lens while achieving a large numerical aperture of 0.8 or more. In order to correct spherical aberration and coma, both surfaces of the lens are composed of 16th-order aspheric surfaces.
However, it is known that the aspherical shape of the lens increases the manufacturing difficulty and increases the manufacturing cost as the asphericity increases.
光ピックアップレンズを用いる製品として、例えば、ＤＶＤやブルーレイディスクドライブなどがあるが、生産台数が年間数１００万台に及ぶような製品であれば、光ピックアップレンズは、精密金型によってモールド加工により製造されるものと思われる。
非球面性が強い転写面を有する精密金型の製造コストは高額であるが、量産効果によって、光ピックアップレンズの製造単価を抑えることができる。
しかしながら、多くの生産数が全く見込めない製品の場合、量産効果を期待することができず、光ピックアップレンズの製造単価を抑えることができない。
Examples of products that use optical pickup lenses include DVDs and Blu-ray disc drives. If the number of products produced is several million a year, the optical pickup lenses can be manufactured by molding with a precision mold. It seems to be done.
The manufacturing cost of a precision mold having a transfer surface with strong asphericity is high, but the manufacturing cost of the optical pickup lens can be reduced by the mass production effect.
However, in the case of a product for which a large number of products cannot be expected at all, mass production effects cannot be expected, and the unit cost of manufacturing an optical pickup lens cannot be suppressed.
また、以下の特許文献２には、単波長の紫外線を使用する露光装置の投影光学系（例えば、２３枚のレンズを使用している投影光学系）が開示されている。
この投影光学系では、０．８程度の大きな像側開口数を確保し、収差を良好に補正しながら、光学系全体のスループットを確保するために、光学系を構成するレンズの厚さを所定の条件式で決定している。
In this projection optical system, in order to ensure a large image-side numerical aperture of about 0.8 and correct aberrations satisfactorily while ensuring the throughput of the entire optical system, the thickness of the lenses constituting the optical system is set to a predetermined value. It is determined by the conditional expression.
特許文献２に開示されている投影光学系では、レンズの枚数を増やすことで、所望の光学性能を確保できるようにしているので、特許文献１のように、高次の非球面のレンズを用いる必要がない。このため、製造難易度が低く、相対的に製造単価が低い球面レンズを用いることができる。
しかしながら、レンズの枚数の増加は、光学系の組立調整に必要な工数が増えるため、レンズ単体のコストダウンが可能であっても、光学系全体では低コスト化できない場合がある。
また、光学系に要求される寸法上の制約により、使用するレンズ枚数が制限される場合もある。
In the projection optical system disclosed in
However, the increase in the number of lenses increases the man-hours required for assembly adjustment of the optical system, so even if the cost of the lens alone can be reduced, the cost of the entire optical system may not be reduced.
In addition, the number of lenses to be used may be limited due to dimensional restrictions required for the optical system.
従来の受信光学系は以上のように構成されているので、大きな開口数を達成しながら、球面収差やコマ収差を補正するには、製造難易度が高い高次の非球面レンズ、あるいは、多数のレンズを使用する必要がある。そのため、製造コストが高くなってしまう課題があった。また、光学系に要求される寸法上の制約により、使用可能なレンズの枚数が制限されて、十分に収差を補正できない場合もあるという課題があった。 Since the conventional receiving optical system is configured as described above, in order to correct spherical aberration and coma aberration while achieving a large numerical aperture, a high-order aspherical lens or a large number of manufacturing difficulty is high. It is necessary to use a lens. Therefore, there is a problem that the manufacturing cost becomes high. In addition, there is a problem that the number of usable lenses is limited due to dimensional restrictions required for the optical system, and aberrations may not be sufficiently corrected.
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、製造難易度が高い高次の非球面レンズや、多数のレンズを使用することなく、大きな開口数を達成しながら、十分に収差を補正することができる受信光学系を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and it is sufficient to achieve a large numerical aperture without using a high-order aspherical lens and a large number of lenses that are difficult to manufacture. An object is to obtain a receiving optical system capable of correcting aberrations.
この発明に係る受信光学系は、点状の物体から放たれた光束の径を絞る開口絞り部と、開口絞り部により径が絞られた光束を入射する入射面が凸形状のコーニック面であり、その光束を出射する出射面が平面である受信レンズと、受信レンズの出射面から出射された光束を受光して、その光束から信号を検出する信号検出器とを備え、受信レンズの出射面と信号検出器の間が、空気より大きな屈折率を有する媒質で満たされており、受信レンズの入射面におけるコーニック係数が、受信レンズの焦点距離、受信レンズの屈折率、空気より大きな屈折率を有する媒質の屈折率、媒質の厚さ、所望の信号対雑音比に対応する信号検出器における光束の結像スポット直径及び開口数によって決定されているようにしたものである。 The receiving optical system according to the present invention includes an aperture stop portion for reducing a diameter of a light beam emitted from a point-like object, and a conic surface having a convex incident surface on which a light beam whose diameter is reduced by the aperture stop portion is incident. A receiving lens having a flat emitting surface for emitting the light beam, and a signal detector for receiving a light beam emitted from the emitting surface of the receiving lens and detecting a signal from the light beam. And the signal detector are filled with a medium having a refractive index larger than air, and the conic coefficient at the receiving surface of the receiving lens has a focal length of the receiving lens, a refractive index of the receiving lens, and a refractive index larger than that of air. It is determined by the refractive index of the medium, the thickness of the medium, and the imaging spot diameter and numerical aperture of the light beam in the signal detector corresponding to the desired signal-to-noise ratio .
この発明によれば、受信レンズの出射面と信号検出器の間が、空気より大きな屈折率を有する媒質で満たされているように構成したので、製造難易度が高い高次の非球面レンズや、多数のレンズを使用することなく、大きな開口数を達成しながら、十分に収差を補正することができる効果がある。 According to the present invention, since the space between the output surface of the receiving lens and the signal detector is filled with a medium having a refractive index larger than that of air, a high-order aspherical lens having a high manufacturing difficulty or There is an effect that aberrations can be sufficiently corrected while achieving a large numerical aperture without using a large number of lenses.
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による受信光学系を示す構成図である。
図１において、点状物体１は遠方物体における光軸３上の点状光源であり、微弱光（光束）を放っている。
点状物体２は遠方物体における光軸３外の点状光源であり、微弱光（光束）を放っている。
バンドパスフィルタ４は点状物体１，２から放たれた光束に含まれている所望の波長の光を分光する光学部品である。
Embodiment 1 FIG.
1 is a block diagram showing a receiving optical system according to Embodiment 1 of the present invention.
In FIG. 1, a point-like object 1 is a point-like light source on an
The
The
開口絞り部５はバンドパスフィルタ４により分光された所望の波長の光束の半径をＲに絞る光学部品である。
開口絞り部５によって、点状物体１から放たれた光束の径が絞られることで、当該光束の最外殻光線は、符号６のようになる。
受信レンズ７は点状物体１，２から放たれた光束を結像する光学部品であり、開口絞り部５により径が絞られた光束を入射する入射面は凸形状のコーニック面であり、その光束を出射する出射面は平面である。
The
By reducing the diameter of the light beam emitted from the pointed object 1 by the
The
信号検出器９は受信レンズ７の出射面から出射された光束を受光して、その光束から信号を検出する処理器である。
なお、信号検出器９の受光面には、点状物体１，２の像１’，２’が結像される。
図１の受信光学系では、受信レンズ７の出射面と信号検出器９と間には、空気より大きな屈折率を有する媒質（以下、「像界媒質８」と称する）が満たされている。
The signal detector 9 is a processor that receives a light beam emitted from the emission surface of the
Note that images 1 ′ and 2 ′ of the point-
In the receiving optical system of FIG. 1, a medium having a refractive index larger than air (hereinafter referred to as “
次に動作について説明する。
点状物体１，２から放たれた光束はバンドパスフィルタ４に入射されると、バンドパスフィルタ４によって、その光束に含まれている所望の波長の光が分光される。
バンドパスフィルタ４により分光された所望の波長の光束は、開口絞り部５によって径が絞られ、半径Ｒの光束が受信レンズ７の入射面に到達する。
Next, the operation will be described.
When the light beams emitted from the point-
The light beam having a desired wavelength dispersed by the
入射面が凸形状のコーニック面で、出射面が平面である受信レンズ７は、開口絞り部５により径が絞られた光束を入射すると、その光束を信号検出器９の受光面上に結像する。
像１’は点状物体１の像であり、像２’は点状物体２の像である。
ただし、図１の受信光学系では、受信レンズ７の出射面と信号検出器９の間が、空気より大きな屈折率ｎ3を有する厚さｄ3の像界媒質８で満たされている。
このため、受信レンズ７の出射面から出射された光束は、像界媒質８を通過した後に、信号検出器９の受光面上に結像される。
When the receiving
The image 1 ′ is an image of the point object 1, and the
However, in the receiving optical system of FIG. 1, the space between the exit surface of the
For this reason, the light beam emitted from the emission surface of the receiving
信号検出器９は、受信レンズ７により結像された点状物体１の像１’を受光して、その像１’に対応する信号（例えば、輝度信号、色信号）を検出する。
また、信号検出器９は、受信レンズ７により結像された点状物体２の像２’を受光して、その像２’に対応する信号（例えば、輝度信号、色信号）を検出する。
The signal detector 9 receives the image 1 ′ of the point-like object 1 imaged by the
The signal detector 9 receives the
ここで、受信レンズ７の入射面（凸面）における非球面形状は、下記の式（１）で与えられる。
なお、式（１）で与えられる非球面形状は、コーニック係数ｋ及び高次非球面係数ａiの絶対値が大きくなる程、非球面性が強くなり、製造難易度が上がる。
Here, the aspherical shape on the incident surface (convex surface) of the
Note that the aspheric shape given by the equation (1) increases in asphericity as the absolute values of the conic coefficient k and the higher-order aspheric coefficient a i increase, and the manufacturing difficulty increases.
次に、信号検出器９の受光面において、像１’，像２’内に収まる光量と、受信光学系で発生する光線収差及び光線収差の補正に必要な非球面形状の関係について説明する。
最初に、信号検出器９の受光面上の像１’，像２’の光量を表すパラメーターである開口数ＮＡについて説明する。
図２は遠方物体の点状光源を撮像する受信光学系を示す模式図である。
図２の例では、受信光学系が屈折率ｎ3の像界媒質で満たされており、点状光源から放たれた半径Ｒ’の光束は、開口絞り部によって半径Ｒに絞られ、半径Ｒの光束が受信レンズに入射されて像を結んでいる。
受信レンズの像の光量は、図２から明らかなように、焦点距離ｆが一定である場合、開口絞り部の半径Ｒが大きくなるほど増加する。
Next, the relationship between the amount of light that falls within the image 1 ′ and the
First, the numerical aperture NA, which is a parameter representing the amount of light of the images 1 ′ and 2 ′ on the light receiving surface of the signal detector 9, will be described.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a receiving optical system for imaging a point light source of a distant object.
In the example of FIG. 2, the receiving optical system is filled with an image field medium having a refractive index n 3 , and the light beam with the radius R ′ emitted from the point light source is narrowed to the radius R by the aperture stop, and the radius R Are incident on the receiving lens to form an image.
As apparent from FIG. 2, the light quantity of the image of the receiving lens increases as the radius R of the aperture stop increases as the focal length f is constant.
像の光量を表すパラメーターである開口数ＮＡは、下記の式（２）で与えられる。
次に、開口数ＮＡと受信レンズ７で発生する光線収差の関係について説明する。
図１の受信光学系において、開口数ＮＡを大きくすると、式（２）のｓｉｎθが増加する。
ｓｉｎθの増加は、受信レンズ７による最外殻光線６の屈折角が大きくなることを意味し、光線収差が増加する原因となる。
この光線収差を補正するために、式（１）で与えられる非球面形状を受信レンズ７の入射面（凸面）に適用するが、補正すべき光線収差量が多いほど、式（１）のコーニック係数ｋや、高次非球面係数ａiの絶対値が大きくなり、非球面性が強くなる。
Next, the relationship between the numerical aperture NA and the light aberration generated in the receiving
In the receiving optical system of FIG. 1, when the numerical aperture NA is increased, sin θ in Expression (2) increases.
The increase in sin θ means that the angle of refraction of the outermost ray 6 by the receiving
In order to correct this ray aberration, the aspherical shape given by the equation (1) is applied to the incident surface (convex surface) of the receiving
したがって、大きな開口数ＮＡを保ちながら、受信レンズ７での光線収差の発生量を抑えて、光線収差の補正に必要な非球面形状の非球面性を弱くするには、式（２）のｓｉｎθを小さくする必要がある。
式（２）のｓｉｎθを小さくするには、式（２）における像界媒質の屈折率ｎ3を大きくとればよい。
そこで、図１の受信光学系では、受信レンズ７の出射面と信号検出器９と間を空気より大きな屈折率ｎ3を有する像界媒質８で満たすようにしている。
Therefore, in order to reduce the amount of light aberration generated in the receiving
In order to reduce sin θ in equation (2), the refractive index n 3 of the image field medium in equation (2) may be increased.
Therefore, in the receiving optical system of FIG. 1, the space between the exit surface of the receiving
一般に、デジタルカメラのような撮像光学系の像界媒質は、屈折率１．０の空気であるが、この実施の形態１では、空気より大きな屈折率ｎ3を有しているため、式（２）のｓｉｎθが小さくなる。このため、像界媒質が空気である場合よりも、受信レンズ７で発生する光線収差を抑えることができ、その結果、光線収差の補正に必要な非球面形状の非球面性を弱くして、製造難易度を下げることができる。
In general, an image field medium of an imaging optical system such as a digital camera is air having a refractive index of 1.0. However, in the first embodiment, since the refractive index n 3 is larger than that of air, the expression ( The sin θ of 2) becomes small. For this reason, it is possible to suppress the ray aberration generated in the receiving
ここで、像界媒質８としては、例えば、ＬＥＤ発光面の密封等に使用される「透明なゲル状の電子部品用密封材」などを使用することができる。
また、検出器の受光面上に配線が無い信号検出器９が実装される場合（例えば、裏面照射型検出器）、受信レンズ７の出射面と信号検出器９の受光面上に、平板のガラスや樹脂を密着させるようにしてもよい。
Here, as the
Further, when the signal detector 9 having no wiring is mounted on the light receiving surface of the detector (for example, a back-illuminated detector), a flat plate is formed on the output surface of the receiving
次に、受信レンズ７の出射面と信号検出器９間の像界が空気である場合と、空気より大きな屈折率ｎ3を有する媒質で満たされている場合との実施例を明示する。
図３は物体距離ｓ＝∞、波長１．５μｍ、開口絞り部５と受信レンズ７の入射面（凸面）との間の距離ｔ＝０、焦点距離ｆ＝２０ｍｍ、開口数ＮＡ＝０．６（開口絞り部５の半径Ｒ＝１２ｍｍ）、受信レンズ７の硝材屈折率＝１．８の受信光学系において、像界媒質８の屈折率がｎ3＝１．０の場合に、球面収差を回折限界付近に補正するレンズデータを示す説明図である。
図４は物体距離ｓ＝∞、波長１．５μｍ、開口絞り部５と受信レンズ７の入射面（凸面）との間の距離ｔ＝０、焦点距離ｆ＝２０ｍｍ、開口数ＮＡ＝０．６（開口絞り部５の半径Ｒ＝１２ｍｍ）、受信レンズ７の硝材屈折率＝１．８の受信光学系において、像界媒質８の屈折率がｎ3＝１．５の場合に、球面収差を回折限界付近に補正するレンズデータを示す説明図である。
Next, an embodiment in which the image field between the emission surface of the receiving
FIG. 3 shows an object distance s = ∞, a wavelength of 1.5 μm, a distance t = 0 between the
FIG. 4 shows an object distance s = ∞, a wavelength of 1.5 μm, a distance t = 0 between the
図３のように、像界媒質８の屈折率がｎ3＝１．０である場合、球面収差を補正するには、放物面（ｋ＝−１）ベースの６次非球面が必要である。
一方、図４のように、像界媒質８の屈折率がｎ3＝１．５である場合、球面収差を補正する際、４次や６次の非球面項を用いずに、放物面と比べて非球面性が弱い楕円面（−１＜ｋ＜０）を用いて実現することができる。
上記の例では、球面収差の補正について示したが、他の光線収差の補正でも、同様の効果が得られる。
As shown in FIG. 3, when the refractive index of the
On the other hand, when the refractive index of the
In the above example, correction of spherical aberration is shown, but the same effect can be obtained by correcting other ray aberrations.
以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、受信レンズ７の出射面と信号検出器９の間が、空気より大きな屈折率ｎ3を有する像界媒質８で満たされているように構成したので、製造難易度が高い高次の非球面レンズや、多数のレンズを使用することなく、大きな開口数ＮＡを達成しながら、十分に収差を補正することができる効果を奏する。
As apparent from the above, according to the first embodiment, the space between the exit surface of the receiving
また、受信レンズ７の出射面と信号検出器９の間を空気より大きな屈折率ｎ3を有する像界媒質８で満たすことで、次のような効果も得られる。
受信光学系の開口数ＮＡが大きい場合、像界が空気であれば、最外殻光線６が受信レンズ７に用いられる硝材の臨界角を超えると全反射が発生して、最外殻光線６が受信レンズ７を透過することができず、信号検出器９に到達することができない。しかし、空気より大きな屈折率ｎ3を有する像界媒質８で満たすことで、受信レンズ７の出射面における臨界角を大きくできるため、像界が空気の場合と比べて、開口数ＮＡの大きな受信光学系を実現することができる。
Further, by filling the space between the output surface of the receiving
When the numerical aperture NA of the receiving optical system is large and the image field is air, total reflection occurs when the outermost shell ray 6 exceeds the critical angle of the glass material used for the receiving
また、この実施の形態１によれば、受信レンズ７の出射面が平面であるため、受信光学系の組立性を容易にする効果がある。
図５は受信光学系のパッケージ例を示す構成図である。
図５において、受信レンズ７の出射面が平面であるため、受信レンズ７の出射面と、鏡筒１１における平面のかかり部１２とを密着させることができる。
このため、鏡筒１１の中心軸と受信レンズ７の光軸３とを容易に平行にすることができるようになり、その結果、受信レンズ７の傾きによる信号検出器９の受光面上での像の片ボケを発生し難くすることができて、組立性が容易になる。
また、受信レンズ７の出射面が平面であるため、信号検出器９が実装されている基盤１０の間に、中空の円柱形状をなす簡単な形のスペーサーを挟むことができるようになり、容易に像界媒質９を密封することが可能になる。
Further, according to the first embodiment, since the output surface of the
FIG. 5 is a configuration diagram showing a package example of the receiving optical system.
In FIG. 5, since the emission surface of the
Therefore, the central axis of the
Further, since the output surface of the receiving
なお、この実施の形態１では、受信レンズ７が１種類の硝材からなる１枚の凸レンズであるため、色収差については補正することができない。
遠方の物体である点状物体１，２から放たれる光が白色光のような広い波長幅を有する場合、受信レンズ７の色収差を無視できるレベルの波長幅まで分光を行う必要があるため、図１の受信光学系では、バンドパスフィルタ４を用いている。
In the first embodiment, since the receiving
When the light emitted from the pointed
実施の形態２．
この実施の形態２では、信号検出器９の受光面が、単一のフォトダイオードのように、受信光学系の光軸３付近の小さな領域だけに存在している場合について説明する。
図６はこの発明の実施の形態２による受信光学系の信号検出器９の信号検出例を示す模式図である。図６において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
図６では、遠方の物体から放たれた輝度Ｌの光束が、バンドパスフィルタ４、開口絞り部５、受信レンズ７及び像界媒質８を透過した後、多数の画素で構成される信号検出器９上に結像し、信号Ｓと雑音Ｎを含んでいる信号が検出される例を示している。
In the second embodiment, a case will be described in which the light receiving surface of the signal detector 9 exists only in a small region near the
FIG. 6 is a schematic diagram showing a signal detection example of the signal detector 9 of the receiving optical system according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 6, the same reference numerals as those in FIG.
In FIG. 6, a light detector having a luminance L emitted from a distant object passes through the
図６の信号検出器９における１画素の面積がＡ、受信レンズ７が無収差であるとすると、１画素で検出される信号Ｓは、下記の式（３）で与えられる。
信号検出器９が信号を検出する上で、検出する信号の信号量が重要であるが、式（４）の信号対雑音比ＳＮＲも重要である。
図１の受信レンズ７による点状物体１，２の像１’，２’の結像スポット直径ｐが収差によって広がり、信号検出器９の画素サイズより大きくなると、式（４）の信号対雑音比ＳＮＲが低下する。
例えば、結像スポット直径ｐが作る面積が、信号検出器９における１画素の面積Ａのｎ倍に広がると、式（４）の信号対雑音比ＳＮＲは、１／√ｎに低下する。
しかしながら、受信光学系で要求される信号対雑音比ＳＮＲが、式（４）で与えられる値の１／√ｎでもよければ、受信レンズ７の結像スポット直径ｐは、信号検出器９における画素ｎ個分のサイズでもよいことになる。
When the signal detector 9 detects a signal, the signal amount of the signal to be detected is important, but the signal-to-noise ratio SNR in Expression (4) is also important.
When the imaging spot diameter p of the images 1 ′ and 2 ′ of the point-
For example, when the area formed by the imaging spot diameter p increases to n times the area A of one pixel in the signal detector 9, the signal-to-noise ratio SNR in Expression (4) decreases to 1 / √n.
However, if the signal-to-noise ratio SNR required in the receiving optical system may be 1 / √n of the value given by the equation (4), the imaging spot diameter p of the receiving
したがって、所望の信号対雑音比ＳＮＲから必要な受信レンズ７の結像スポット直径ｐが決まる。
所望の信号対雑音比ＳＮＲが式（４）で与えられる値より小さいため、結像スポット直径ｐを信号検出器９の１画素の面積Ａより大きくできる場合には、受信レンズ７の収差を残存させることを意味し、受信レンズ７の入射面（凸面）の非球面性を弱くすることができる。
なお、所望の信号対雑音比ＳＮＲであるが、例えば、ノイズＮと信号Ｓを有意に分離するには、少なくとも信号対雑音比ＳＮＲが１以上である必要がある。
Therefore, the necessary imaging spot diameter p of the receiving
Since the desired signal-to-noise ratio SNR is smaller than the value given by Equation (4), if the imaging spot diameter p can be made larger than the area A of one pixel of the signal detector 9, the aberration of the receiving
Note that the signal-to-noise ratio SNR is desired. For example, in order to significantly separate the noise N and the signal S, at least the signal-to-noise ratio SNR needs to be 1 or more.
ここで、信号検出器９がフォトダイオードであり、そのフォトダイオードが受信光学系の光軸３上にある場合、受信レンズ７の入射面（凸面）である非球面で補正すべき収差は球面収差である。
所望の結像スポット直径ｐとなる球面収差を残存させるために必要な受信レンズ７の入射面（凸面）のコーニック係数ｋは、下記の式（５）で得られる値、または、その値の近傍値である。
The conic coefficient k of the incident surface (convex surface) of the receiving
図７は物体距離ｓ＝∞、波長１．５μｍ、開口絞り部５と受信レンズ７の入射面（凸面）との間の距離ｔ＝０、焦点距離ｆ＝２０ｍｍ、開口数ＮＡ＝０．６（開口絞り部５の半径Ｒ＝１２ｍｍ）、受信レンズ７の硝材屈折率＝１．８、像界媒質８の屈折率がｎ3＝１．５の受信光学系において、光軸上の結像スポット直径ｐが１００μｍになるように、球面収差を残存させるコーニック係数ｋを式（５）から求めた場合のレンズデータを示す説明図である。
球面収差を回折限界まで補正している場合の図４のコーニック係数ｋと比べて、球面収差を残存させた図７のコーニック係数ｋは、値が小さいことがわかる。
FIG. 7 shows an object distance s = ∞, a wavelength of 1.5 μm, a distance t = 0 between the
It can be seen that the value of the conic coefficient k of FIG. 7 in which the spherical aberration remains is smaller than that of the conic coefficient k of FIG. 4 when the spherical aberration is corrected to the diffraction limit.
実施の形態３．
この実施の形態３では、受信光学系が、一定の間隔で長尺型の受光面が配置されている信号検出器９を適用する場合について説明する。
図８はこの発明の実施の形態３による受信光学系の信号検出器９の受光面を示す平面図である。
図８の信号検出器９では、複数の長尺型受光面２１が一定の間隔で配置されており、受光感度を有していない領域２２が存在している。
In the third embodiment, a case will be described in which the reception optical system uses a signal detector 9 in which long light receiving surfaces are arranged at regular intervals.
FIG. 8 is a plan view showing the light receiving surface of the signal detector 9 of the receiving optical system according to
In the signal detector 9 of FIG. 8, a plurality of long
点状物体１の像１’に係る画角と、点状物体２の像２’に係る画角とが異なるため、図９に示すように、像１’の結像スポットの位置と、像２’の結像スポットの位置とが異なる。図９の例では、２３が像１’の結像スポット、２４が像２’の結像スポットである。
したがって、図８の信号検出器９を用いる場合、図９に示すように、結像スポット直径ｐが、画角ｗによらずに、長尺型受光面２１の配置間隔以上の一定値を有している必要があり、このときに補正すべき受信レンズ７の光線収差は、画角ｗに依存するコマ収差である。
一方、球面収差は、結像スポット直径ｐを得るために残存させる必要がある。
Since the angle of view related to the image 1 ′ of the point-like object 1 and the angle of view related to the
Therefore, when the signal detector 9 of FIG. 8 is used, as shown in FIG. 9, the imaging spot diameter p has a constant value equal to or larger than the arrangement interval of the long
On the other hand, the spherical aberration needs to remain in order to obtain the imaging spot diameter p.
上記実施の形態１，２では、開口絞り部５が受信レンズ７の入射面（凸面）側に配置されているものを示したが、収差理論によれば、図１の受信光学系において、開口絞り部５と受信レンズ７の入射面（凸面）との間の距離がｔ＝０である場合、受信レンズ７の入射面（凸面）として如何なるコーニック面を用いても、コマ収差量をコントロールすることができない。
したがって、開口絞り部５と受信レンズ７の入射面（凸面）との間の距離がｔ＝０である場合、コマ収差を補正するには、少なくとも１枚以上のレンズを増やす必要があるが、レンズ枚数の増加は受信光学系のコスト増加を招いてしまう。
In the first and second embodiments, the
Therefore, when the distance between the
一方、収差理論によれば、開口絞り部５と、受信レンズ７の入射面（凸面）とを離して、距離ｔ＞０とすれば、コマ収差量をコントロールすることができる。
この実施の形態３では、開口絞り部５と受信レンズ７の入射面（凸面）との間の距離をｔ＞０とし、かつ、受信レンズ７の入射面（凸面）としてコーニック面を用いることで、レンズ枚数を増やすことなくコマ収差の補正を行うとともに、球面収差を残存させて所望の結像スポット直径ｐを得ることができるようにする。
On the other hand, according to the aberration theory, the amount of coma aberration can be controlled if the
In the third embodiment, the distance between the
以下、コマ収差を補正しながら、所望の結像スポット直径ｐを得るコーニック係数ｋの条件について説明する。
まず、開口絞り部５と受信レンズ７の入射面（凸面）間の距離ｔが、式（６）の方程式を満足している必要がある。
First, the distance t between the
コマ収差を補正しながら、所望の結像スポット直径ｐを得るコーニック係数ｋは、式（６）の方程式を満足している距離ｔ等を用いることで、下記の式（９）から得られる。また、式（９）で得られる値の近傍値でもよい。
実施の形態４．
この実施の形態４では、信号検出器９の受光面が、２次元ＣＣＤやＣＭＯＳセンサのように、多数の画素（受光感度を有する画素）で構成されている場合について説明する。
図１０はこの発明の実施の形態４による受信光学系の信号検出器９の受光面を示す平面図である。
図１０において、３０は受光感度を有する画素である。
In the fourth embodiment, a case will be described in which the light receiving surface of the signal detector 9 is composed of a large number of pixels (pixels having light receiving sensitivity) like a two-dimensional CCD or CMOS sensor.
10 is a plan view showing a light receiving surface of a signal detector 9 of a receiving optical system according to
In FIG. 10,
点状物体１の像１’に係る画角と、点状物体２の像２’に係る画角とが異なるため、図１１に示すように、像１’の結像スポットの位置と、像２’の結像スポットの位置とが異なる。図１１の例では、３１が像１’の結像スポット、３２が像２’の結像スポットである。
受信レンズ７の結像スポット特性は、所望の結像スポット直径がｐである場合、図１１に示すように、信号検出器９の対角端に対応する画角ｗにおける像２’の結像スポット直径がｐであればよい。
これは、信号検出器９の対角端に対応する画角ｗでの球面収差やコマ収差を含んでいる結像スポット直径をｐにすることを意味する。
しかしながら、コマ収差を含んでいる結像スポットの形状は点対称ではなく、軸対象な分布をしているため、上記実施の形態２，３のように、結像スポット径を円の直径として定義することができない。
よって、この実施の形態４では、受信レンズ７の結像スポット直径ｐをｒｍｓ結像スポット直径ｐrmsとして定義する。図１１において、３３は像２’のｒｍｓ結像スポットである。
Since the angle of view related to the image 1 ′ of the pointed object 1 and the angle of view related to the
As shown in FIG. 11, when the desired imaging spot diameter is p, the imaging spot characteristic of the receiving
This means that the imaging spot diameter including spherical aberration and coma aberration at the angle of view w corresponding to the diagonal end of the signal detector 9 is set to p.
However, since the shape of the imaging spot including coma is not point-symmetric but has an axial distribution, the imaging spot diameter is defined as the diameter of a circle as in the second and third embodiments. Can not do it.
Therefore, in the fourth embodiment, the imaging spot diameter p of the receiving
以下、結像スポット直径ｐをｒｍｓ結像スポット直径ｐrmsとして定義し、ｒｍｓ結像スポット直径ｐrmsを得るコーニック係数ｋの条件について説明する。
まず、コマ収差量をコントロールすることができるようにするため、上記実施の形態３と同様に、開口絞り部５と受信レンズ７の入射面（凸面）との間の距離をｔ＞０とする。
ｒｍｓ結像スポット直径ｐrmsを得るコーニック係数ｋは、下記の式（１０）に対して、下記の式（１１）〜式（１３）を代入することで得られる値、または、その値の近傍値である。
First, in order to be able to control the amount of coma, the distance between the
The conic coefficient k for obtaining the rms imaging spot diameter p rms is a value obtained by substituting the following equations (11) to (13) into the following equation (10), or the vicinity of the value: Value.
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。 In the present invention, within the scope of the invention, any combination of the embodiments, or any modification of any component in each embodiment, or omission of any component in each embodiment is possible. .
１，２ 点状物体、１’，２’ 点状物体１，２の像、３ 光軸、４ バンドパスフィルタ、５ 開口絞り部、６ 光束の最外殻光線、７ 受信レンズ、８ 像界媒質、９ 信号検出器、１０ 基盤、１１ 鏡筒、１２ かかり部、２１ 長尺型受光面、２２ 受光感度を有していない領域、３０ 受光感度を有する画素、３１ 像１’の結像スポット、３２ 像２’の結像スポット、３３ 像２’のｒｍｓ結像スポット。
1, 2 Point object, 1 ', 2' Image of
Claims (6)
上記開口絞り部により径が絞られた光束を入射する入射面が凸形状のコーニック面であり、上記光束を出射する出射面が平面である受信レンズと、
上記受信レンズの出射面から出射された光束を受光して、上記光束から信号を検出する信号検出器とを備え、
上記受信レンズの出射面と上記信号検出器の間が、空気より大きな屈折率を有する媒質で満たされており、
受信レンズの入射面におけるコーニック係数が、
上記受信レンズの焦点距離、上記受信レンズの屈折率、空気より大きな屈折率を有する媒質の屈折率、上記媒質の厚さ、所望の信号対雑音比に対応する信号検出器における光束の結像スポット直径及び開口数によって決定されている
ことを特徴とする受信光学系。 An aperture stop for reducing the diameter of the light beam emitted from the point-like object;
A receiving lens on which an incident surface on which a light beam whose diameter is reduced by the aperture stop is incident is a convex conic surface, and an output surface on which the light beam is emitted is a plane;
A signal detector that receives a light beam emitted from the emission surface of the receiving lens and detects a signal from the light beam;
The space between the output surface of the receiving lens and the signal detector is filled with a medium having a refractive index larger than air ,
The conic coefficient at the entrance surface of the receiving lens is
The focal spot of the receiving lens, the refractive index of the receiving lens, the refractive index of a medium having a refractive index greater than air, the thickness of the medium, and the imaging spot of the light beam in the signal detector corresponding to the desired signal-to-noise ratio A receiving optical system characterized by being determined by a diameter and a numerical aperture .
上記受信レンズの入射面におけるコーニック係数ｋが、下記の式によって決定されている
The conic coefficient k at the entrance surface of the receiving lens is determined by the following equation:
上記開口絞り部により径が絞られた光束を入射する入射面が凸形状のコーニック面であり、上記光束を出射する出射面が平面である受信レンズと、
上記受信レンズの出射面から出射された光束を受光して、上記光束から信号を検出する信号検出器とを備え、
上記受信レンズの出射面と上記信号検出器の間が、空気より大きな屈折率を有する媒質で満たされており、
受信レンズの入射面におけるコーニック係数が、
上記受信レンズの焦点距離、上記受信レンズの屈折率、空気より大きな屈折率を有する媒質の屈折率、上記媒質の厚さ、所望の信号対雑音比に対応する信号検出器における光束の結像スポット直径、開口絞り部により絞られる光束の半径及び上記開口絞り部と上記受信レンズの入射面間の距離によって決定されている
ことを特徴とする受信光学系。 An aperture stop for reducing the diameter of the light beam emitted from the point-like object;
A receiving lens on which an incident surface on which a light beam whose diameter is reduced by the aperture stop is incident is a convex conic surface, and an output surface on which the light beam is emitted is a plane;
A signal detector that receives a light beam emitted from the emission surface of the receiving lens and detects a signal from the light beam;
The space between the output surface of the receiving lens and the signal detector is filled with a medium having a refractive index larger than air,
The conic coefficient at the entrance surface of the receiving lens is
The focal spot of the receiving lens, the refractive index of the receiving lens, the refractive index of a medium having a refractive index greater than air, the thickness of the medium, and the imaging spot of the light beam in the signal detector corresponding to the desired signal-to-noise ratio diameter, an aperture stop unit radius and receiving optics you characterized in that it is determined by the distance between the incident surface of the aperture stop unit and the receiving lens of the light beam narrowed by.
上記開口絞り部と上記受信レンズの入射面間の距離ｔが下記の方程式を満足する条件の下で、
Corresponding to the desired signal-to-noise ratio, the focal length of the receiving lens is f, the refractive index of the receiving lens is n 2 , the refractive index of a medium having a refractive index greater than air is n 3 , the thickness of the medium is d 3 . When the imaging spot diameter of the light beam in the signal detector is p, the radius of the light beam focused by the aperture stop is R, and the distance between the aperture stop and the incident surface of the receiving lens is t,
Under the condition that the distance t between the aperture stop and the incident surface of the receiving lens satisfies the following equation:
上記開口絞り部により径が絞られた光束を入射する入射面が凸形状のコーニック面であり、上記光束を出射する出射面が平面である受信レンズと、
上記受信レンズの出射面から出射された光束を受光して、上記光束から信号を検出する信号検出器とを備え、
上記受信レンズの出射面と上記信号検出器の間が、空気より大きな屈折率を有する媒質で満たされており、
受信レンズの入射面におけるコーニック係数が、
上記受信レンズの焦点距離、上記受信レンズの屈折率、上記受信レンズの入射面における近軸曲率半径、空気より大きな屈折率を有する媒質の屈折率、上記媒質の厚さ、信号検出器における光束の所望の結像スポット直径、上記信号検出器の対角端、開口絞り部により絞られる光束の半径及び上記開口絞り部と上記受信レンズの入射面間の距離によって決定されている
ことを特徴とする受信光学系。 An aperture stop for reducing the diameter of the light beam emitted from the point-like object;
A receiving lens on which an incident surface on which a light beam whose diameter is reduced by the aperture stop is incident is a convex conic surface, and an output surface on which the light beam is emitted is a plane;
A signal detector that receives a light beam emitted from the emission surface of the receiving lens and detects a signal from the light beam;
The space between the output surface of the receiving lens and the signal detector is filled with a medium having a refractive index larger than air,
The conic coefficient at the entrance surface of the receiving lens is
The focal length of the receiving lens, the refractive index of the receiving lens, the paraxial radius of curvature at the entrance surface of the receiving lens, the refractive index of a medium having a refractive index greater than air, the thickness of the medium, the luminous flux of the signal detector It is determined by the desired imaging spot diameter, the diagonal end of the signal detector, the radius of the light beam focused by the aperture stop, and the distance between the aperture stop and the incident surface of the receiving lens. receiving optical system that.
上記受信レンズの入射面におけるコーニック係数ｋが、下記の式によって決定されている
The conic coefficient k at the entrance surface of the receiving lens is determined by the following equation:
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