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JP3006611B2 - Design method of lens and optical system - Google Patents

Design method of lens and optical system

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Publication number
JP3006611B2
JP3006611B2 JP11044161A JP4416199A JP3006611B2 JP 3006611 B2 JP3006611 B2 JP 3006611B2 JP 11044161 A JP11044161 A JP 11044161A JP 4416199 A JP4416199 A JP 4416199A JP 3006611 B2 JP3006611 B2 JP 3006611B2
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JP
Japan
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error
lens
evaluation function
tolerance
performance
Prior art date
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Application number
JP11044161A
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Japanese (ja)
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JPH11316338A (en
Inventor
敬司 布施
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Publication date
Application filed by Sumitomo Electric Industries Ltd filed Critical Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority to JP11044161A priority Critical patent/JP3006611B2/en
Publication of JPH11316338A publication Critical patent/JPH11316338A/en
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は製造容易なレンズ
や光学系の設計方法に関する。レンズ系などの設計をす
る際、光学方程式をたててこれを何らかの手段によって
解いてレンズ系を決定する全ての光学パラメ−タの値を
求める。これが適当な解であるかどうかを評価する必要
がある。評価のために評価関数というものを使う。これ
は、光線を追跡して像点での位置誤差や波面収差など各
点におけるなんらかの誤差の二乗の和である。これが小
さい程全体としての誤差が小さい。であるから評価関数
を最小にするパラメータを求めてこれを設計値とするの
である。設計値の良否を評価できる関数であるから評価
関数という。評価関数を最小にする設計値は最も優れた
性能を与えるはずである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of designing a lens and an optical system which are easy to manufacture. When designing a lens system or the like, an optical equation is established and solved by some means to obtain values of all optical parameters that determine the lens system. We need to evaluate whether this is a suitable solution. We use an evaluation function for evaluation. This is the sum of the squares of some error at each point, such as a position error at the image point and a wavefront aberration, following the ray. The smaller this is, the smaller the error is as a whole. Therefore, a parameter that minimizes the evaluation function is obtained and is set as a design value. Since the function can evaluate the quality of the design value, it is called an evaluation function. Design values that minimize the cost function should give the best performance.

【0002】しかし実際には製造誤差がある。誤差のた
め設計値通りには作れない。そこで最低これだけの性能
を与えるには誤差はこれ以下でないといけないという最
大誤差の範囲を決める。誤差の許容範囲である。これが
公差(TOLERANCE )である。設計値通り製造できた時の
性能がいくら優れていても、公差が小さいと製造が難し
い。設計性能も優れ公差が大きいというパラメータの組
を見つけることが重要である。本発明は公差のより大き
い製造容易な光学系の設計方法を与えることを目的とす
る。
However, there are actually manufacturing errors. It cannot be made as designed due to errors. Therefore, the range of the maximum error that the error must be less than this in order to give at least this performance is determined. This is the allowable range of the error. This is the tolerance (TOLERANCE). No matter how good the performance can be when manufactured as designed, manufacturing is difficult if the tolerance is small. It is important to find a set of parameters that have good design performance and large tolerances. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method of designing an easily manufactured optical system having a large tolerance.

【0003】用語について述べる。レンズや光学系を定
義するパラメータには様々なものがあるが、設計する上
で、本発明ではその扱われ方に2つの側面があることを
説明する。一つの側面は、所望の特性を有するレンズや
光学系を設計する上で最適化の計算処理上で変数として
扱われるパラメータと、定数として扱われるパラメータ
がある事である。複数のレンズにより構成される光学系
を考える場合、各レンズの厚み、各面の曲率半径、各レ
ンズ間の間隔などのパラメータは、目的の性能を満足す
るように最適の値を求める計算処理が行われる。このと
き変数とはならない他の定数のパラメータは、既定の値
のままで一定の値を保つ。例えば、光源からレンズまで
の距離、ウインドウの厚みや曲率(=0)、或いは一部
のレンズの形状、レンズ間距離が既定値に固定されるな
どの場合、それらは定数として扱われる。レンズの材質
により決まる屈折率、分散などの物性値やレンズの枚数
は、通常は最適化の計算中に変数として値を変化させる
ことはできないので、変数ではなく定数である(計算処
理の前提条件として扱われる。前提条件の変更として材
質や枚数を変える事は可能である)。
[0003] Terms will be described. There are various parameters for defining a lens and an optical system. In designing, the present invention will explain that there are two aspects in how the parameters are handled. One aspect is that in designing a lens or an optical system having desired characteristics, some parameters are treated as variables in optimization calculation processing and some are treated as constants. When considering an optical system composed of a plurality of lenses, parameters such as the thickness of each lens, the radius of curvature of each surface, and the interval between the lenses are calculated by calculating an optimal value so as to satisfy the target performance. Done. At this time, parameters of other constants that are not variables are kept at predetermined values with the default values. For example, when the distance from the light source to the lens, the thickness and curvature of the window (= 0), the shape of some lenses, and the distance between the lenses are fixed to predetermined values, they are treated as constants. Physical properties such as refractive index and dispersion determined by the material of the lens and the number of lenses are usually constants, not variables, because values cannot be changed as variables during optimization calculations (preconditions for calculation processing). It is possible to change the material and number of sheets as a precondition change).

【0004】もう一つの側面は、後に述べる様に、賦与
誤差を与えるパラメータと、そうでないパラメータであ
る。賦与誤差という言葉は本発明の根本思想であって後
にその意味を述べる。公知の概念ではない。全く新規な
概念である。しかしここでパラメータの種類について述
べておくとのちのち便利であるので賦与誤差によるパラ
メータの区分についても予め説明する。全てのパラメー
タは、設計後にそれを製造するとき大なり小なり必ず製
造誤差を持つ事になる。レンズの厚み、曲率半径、レン
ズ間隔などの変数となるパラメータは上記のように最適
値が求められたとしても、実際に製造される場合には、
厚み誤差、曲率半径誤差、レンズ間隔誤差を持つことに
なる。一方、定数として扱われるパラメータも同様に誤
差を持つ。レンズのウエッジ(楔角)、ディセンタ(軸
ズレ、偏心)、ティルト(傾き)、面精度(面の歪
み)、屈折率の不均一性などは、純粋に製造誤差を表す
パラメータであり、一般には設計上は完全にゼロである
ことが前提となるパラメータである。本発明では、これ
ら全てのパラメータの中から製造誤差が大きく光学性能
を左右するパラメータを選び出して、そのパラメータに
積極的に賦与誤差を与えて最適化処理を行う。賦与誤差
を与えるパラメータは設計上変数として扱われるパラメ
ータであっても、そうでなくても良い。また、ウェッ
ジ、ディセンタなどのような元々誤差を表すパラメータ
であってもよい。賦与誤差を与えられたパラメータは通
常3つの値を持つことになる。あるパラメータの値Pに
賦与誤差±δを与えたとすれば、そのパラメータは中心
値Pとともに、最大値P+δと最小値P−δの3つの値
を持つ。このパラメータが定数であっても変数であって
も、賦与誤差の与え方に違いはない。最適化計算中に変
数の値が変化すれば、その新たな値を基準に賦与誤差が
与えられる。例えば、あるレンズの厚みが変数であっ
て、それに±0.5mmの賦与誤差を与える場合、最適
化計算処理の途中でその厚みの値が10mmであったと
すれば、その厚みは中心値10mmと最大値10mm+
0.5mm=10.5mmと、最小値10mm0−0.
5mm=9.5mmの3つの値を有するとして扱われ
る。計算処理が進んで厚みの値が11mmに変わったと
しても、同じ±0.5mmの賦与誤差が与えられて、そ
の時点で11mm、11.5mm、10.5mmの3つ
の値を有しているとして扱われる。以上の意味で、本発
明ではパラメータを4つに分類することができる。 1.変数であり、賦与誤差を与えるパラメータ。 2.定数であり、賦与誤差を与えるパラメータ。 3.変数であり、賦与誤差を与えないパラメータ。 4.定数であり、賦与誤差を与えないパラメータ。
[0004] Another aspect is, as will be described later, parameters that give an error and those that do not. The term “giving error” is a fundamental idea of the present invention, and its meaning will be described later. It is not a known concept. It is a completely new concept. However, since it is convenient to describe the types of parameters here, the classification of parameters based on applied errors will also be described in advance. All parameters will have greater or lesser manufacturing errors when they are manufactured after design. Parameters that become variables such as lens thickness, radius of curvature, lens spacing, etc., even if optimal values are obtained as described above, when actually manufactured,
It has a thickness error, a curvature radius error, and a lens interval error. On the other hand, parameters treated as constants also have errors. The wedge (wedge angle), decenter (axis deviation, eccentricity), tilt (tilt), surface accuracy (surface distortion), non-uniformity of refractive index, etc. of a lens are parameters that are purely manufacturing errors, and are generally This parameter is assumed to be completely zero in design. In the present invention, a parameter having a large manufacturing error and affecting optical performance is selected from all of these parameters, and an optimization process is performed by positively giving an error to the parameter. The parameter giving the giving error may or may not be a parameter treated as a variable in design. Alternatively, a parameter that originally represents an error, such as a wedge or decenter, may be used. A parameter given an award error will typically have three values. Assuming that a given error ± δ is given to the value P of a certain parameter, that parameter has a central value P and three values of a maximum value P + δ and a minimum value P−δ. Whether this parameter is a constant or a variable, there is no difference in how the giving error is given. If the value of a variable changes during the optimization calculation, an error is given based on the new value. For example, when the thickness of a certain lens is a variable and gives an error of ± 0.5 mm to the lens, and if the value of the thickness is 10 mm in the middle of the optimization calculation process, the thickness is a central value of 10 mm. Maximum value 10mm +
0.5 mm = 10.5 mm, minimum value 10 mm 0-0.
It is treated as having three values of 5 mm = 9.5 mm. Even if the calculation proceeds and the thickness value is changed to 11 mm, the same application error of ± 0.5 mm is given, and at that time, the three values of 11 mm, 11.5 mm, and 10.5 mm are provided. Is treated as In the above sense, the present invention can classify the parameters into four. 1. A parameter that is a variable and gives an award error. 2. A parameter that is a constant and gives the award error. 3. A parameter that is a variable and does not give an award error. 4. A parameter that is constant and does not give an award error.

【0005】[0005]

【従来の技術】図1によって光学系の設計方法の概略を
説明する。レンズ系よりなる光学系を設計するには、レ
ンズの材料(屈折率、分散、吸収係数)、レンズの枚
数、球面、非球面などの形状選定、レンズの相対的な配
置(レンズ間距離、レンズ像面距離)等のパラメータに
ついて初期値を決定しなければならない。またそれらの
パラメータの中で何を変数として解を求めるかを決定す
る。これが基本構成の設定である。その他に光源の波
長、レンズの厚み、材料、全体の寸法などいくつかの拘
束条件がある。これらの拘束条件を考慮し、レンズ面で
の屈折を与える式を立て所望の出力を与えるような条件
を課してレンズの厚み、曲率、非球面係数、間隔などの
変数の解を計算により求める。即ち方程式を解いた変数
の値が解であり、解の集合によって光学系を定義でき
る。
2. Description of the Related Art An outline of a method of designing an optical system will be described with reference to FIG. To design an optical system consisting of a lens system, the lens material (refractive index, dispersion, absorption coefficient), the number of lenses, the shape selection such as spherical and aspherical surfaces, and the relative arrangement of lenses (distance between lenses, lens Initial values for parameters such as image plane distance) must be determined. In addition, what is used as a variable among those parameters to determine a solution is determined. This is the basic configuration setting. There are some other constraints such as the wavelength of the light source, the thickness of the lens, the material, and the overall dimensions. Taking these constraints into account, formulate an equation that gives refraction on the lens surface, impose conditions that give the desired output, and calculate the solution of variables such as lens thickness, curvature, aspheric coefficient, and spacing by calculation. . That is, the value of a variable that solved the equation is a solution, and an optical system can be defined by a set of solutions.

【0006】しかし多くの場合所定の目的を与える方程
式は抽象的で一意的に解を与えることはできない。拘束
条件があっても式の数が足らず、解は幾つもある。また
方程式自体が非線形であるし、非球面レンズを使う場合
はレンズ自体を決める変数も多いのでこれらの式を解析
的に解く事ができないのが殆どである。その場合は様々
の近似式が使われたり光線解析がなされたりして光学系
の変数について解を求める。近似解も幾つも有り得る。
レンズ、ミラーによる所望の屈折や反射を与える式を満
足する解はしばしば無数にあり、一つの解が直ちに適当
なパラメータを与えるということは殆どない。多数の解
が求まるがこれからもっとも適当な解の組を見つける必
要がある。
[0006] In many cases, however, equations that provide a given purpose are abstract and cannot be uniquely solved. Even with constraints, there are not enough equations and there are many solutions. In addition, these equations cannot be solved analytically in most cases because the equations themselves are nonlinear, and when using an aspherical lens, there are many variables that determine the lens itself. In that case, various approximate expressions are used or ray analysis is performed to find solutions for the variables of the optical system. There can be many approximate solutions.
There are often countless solutions that satisfy the equations giving the desired refraction and reflection by the lens and mirror, and it is unlikely that one solution will immediately give the appropriate parameters. Many solutions are found, but it is necessary to find the most appropriate solution set.

【0007】解が適当かどうかを判断するための関数と
して評価関数というものを考える。これは一般に誤差の
二乗を加えたものである。誤差が小さい方が一般には高
性能であるからこれによって製品の性能を評価すること
ができる。さらに評価関数を最小にするという条件によ
って変数を求めることもできる。この発明で評価関数と
いうのは像面のいくつかの点での光学的誤差(収差)の
二乗を適当な重みを付けて足し合わせたものである。も
ちろん収差の種類はいくつもある。そのうち適当な種類
の光学誤差(収差)を採用して評価関数を定義する。レ
ンズを含む光学系評価関数は例えば波面収差を評価関数
の誤差として採用する。あるいは像面の試験点における
光線のズレ(光線収差)を誤差として用いる事もある。
評価関数の誤差は適当なものを随時採用する。
An evaluation function is considered as a function for determining whether a solution is appropriate. This is generally the sum of the squares of the error. In general, the smaller the error, the higher the performance, so that the performance of the product can be evaluated. Further, a variable can be obtained under the condition that the evaluation function is minimized. In the present invention, the evaluation function is obtained by adding the squares of optical errors (aberrations) at some points on the image plane with appropriate weights. Of course, there are many types of aberration. An evaluation function is defined by using an appropriate type of optical error (aberration). As an optical system evaluation function including a lens, for example, wavefront aberration is adopted as an error of the evaluation function. Alternatively, a deviation (ray aberration) of a light ray at a test point on an image plane may be used as an error.
An appropriate error of the evaluation function is adopted as needed.

【0008】図2は平面波がレンズによって収斂して一
点に結像する図を示す。平面波では波面は平面である
が、レンズによって絞られると波面は球面になる。しか
し実際には厳密な球面波にならないこともある。図3に
それを示す。理想的な波面と実際の波面は食い違う。こ
の違いが波面収差である。波面収差のために結像点で像
が真円からずれる。またスポット径が理想的な場合から
外れてくる。真円度の食い違いも誤差の一種である。ス
ポット径の違いも誤差である。だからこれらの誤差を評
価関数の誤差として採用する事もできる。
FIG. 2 shows a diagram in which a plane wave is converged by a lens and forms an image at one point. In a plane wave, the wavefront is flat, but when converged by a lens, the wavefront becomes spherical. However, it may not actually be an exact spherical wave. FIG. 3 shows this. The ideal wavefront and the actual wavefront differ. This difference is the wavefront aberration. The image deviates from a perfect circle at the image forming point due to the wavefront aberration. Also, the spot diameter deviates from the ideal case. A discrepancy in roundness is also a type of error. The difference in spot diameter is also an error. Therefore, these errors can be adopted as errors of the evaluation function.

【0009】先ほど求めた解により発生する収差を求
め、評価関数を作り、評価関数の値を求める。その値が
解の妥当性を評価している。いくつかの解に対して評価
関数の値が求められる。そのうち評価関数を最小にする
解の組を最適設計値とする。これを最適化計算と呼ぶ。
例えば、収差係数sj というものを想定し、その目標値
をsj0、重みをwj として、評価関数ΦをΦ=Σwj
(sj −sj02 とすることがある。収差の2乗誤差と
して評価関数を定義してこれを最小化する。このように
光学方程式から解を求めて評価関数に入れて解を評価す
るというのが本来の評価関数である。
An aberration generated by the solution obtained above is obtained, an evaluation function is created, and a value of the evaluation function is obtained. The value evaluates the validity of the solution. The value of the evaluation function is determined for some solutions. Among them, a set of solutions that minimizes the evaluation function is defined as an optimal design value. This is called optimization calculation.
For example, assuming that the aberration coefficient is s j , the target value is s j0 , the weight is w j , and the evaluation function Φ is Φ = jw j
(S j −s j0 ) 2 in some cases. An evaluation function is defined as a square error of the aberration and is minimized. The original evaluation function is to obtain a solution from the optical equation and enter the evaluation function to evaluate the solution.

【0010】しかし光学方程式から解を求めることなく
はじめから評価関数によって解を求めることもある。光
学系変数(屈折率、厚み、曲率、非球面係数など)のあ
る初期値を与えこれの評価関数を求め、初期値から変数
に僅かな変化を与えてそれの評価関数を求めて、評価関
数が減少する方向に変数の変化を与えて行くという漸近
的な方法もある。光学変数の具体的な値を仮定すると、
光線追跡できるし光線収差や波面収差が計算可能にな
る。初期値に対して、波面収差、光線収差などを計算し
その結果から波面収差や光線収差などの誤差より構成さ
せる評価関数を計算する。解くのではなくて解をはじめ
から仮定するので光線追跡が可能である。そして初期値
に僅かな偏奇を与えて同様に光線追跡して波面収差、光
線収差などを求め評価関数を計算する。このように解を
次々に仮定してその良否を評価関数によって評価する。
However, a solution may be obtained by an evaluation function from the beginning without obtaining a solution from an optical equation. Given a certain initial value of the optical system variables (refractive index, thickness, curvature, aspheric coefficient, etc.), find its evaluation function, and give a slight change to the variable from the initial value to find its evaluation function. There is also an asymptotic method of giving a change in a variable in the direction of decreasing. Assuming specific values for the optical variables,
Ray tracing can be performed, and ray aberration and wavefront aberration can be calculated. For the initial values, wavefront aberration, ray aberration and the like are calculated, and from the result, an evaluation function composed of errors such as wavefront aberration and ray aberration is calculated. Ray tracing is possible because the solution is assumed from the beginning, not the solution. Then, a slight deviation is given to the initial value, and ray tracing is performed in the same manner to obtain a wavefront aberration, a ray aberration and the like, and an evaluation function is calculated. In this way, assuming solutions one after another, the quality is evaluated by an evaluation function.

【0011】こうして評価関数を最小にする変数の組を
求める。これが最適化計算である。つぎにこの値によっ
て光線や波面の収差がどうなるか、スポットの形状は各
点においてどうなるのか?ということをシミュレーショ
ンする。最適の設計値が決まったので、パラメータを設
計値からずらせて理想状態からの性能の低下を調べる。
性能低下が許容できる範囲の最大誤差を公差として求め
る。これが公差解析である。ここまでの基本構成設定、
最適化計算、シミュレーション、公差解析などが光学設
計である。
In this way, a set of variables that minimizes the evaluation function is obtained. This is the optimization calculation. Next, what happens to the ray and wavefront aberrations depending on this value, and what happens to the spot shape at each point? Simulate that. Now that the optimal design value has been determined, the parameters are shifted from the design value, and a decrease in performance from the ideal state is examined.
The maximum error within a range in which performance degradation can be tolerated is determined as a tolerance. This is the tolerance analysis. Basic configuration settings so far,
Optical design includes optimization calculation, simulation, and tolerance analysis.

【0012】そうして求められた結果に基づいて実際に
光学系を作製する。そして実際に性能を調べる。これが
試作評価である。実際の性能や、製造コスト、作り易さ
などの観点で製品を評価する。評価関数による方法は性
能だけを基準に値を選んでおりコストや作り易さ等は考
慮されていない。だから試作評価は不可欠である。
An optical system is actually manufactured based on the result obtained in this manner. And actually check the performance. This is the prototype evaluation. Evaluate products in terms of actual performance, manufacturing cost, ease of production, etc. In the method based on the evaluation function, the value is selected based only on the performance, and the cost, ease of manufacturing, and the like are not considered. Therefore, prototype evaluation is indispensable.

【0013】試作評価によって満足のゆくものが得られ
ない場合は、初めに戻って基本構成設定の段階からやり
直す。同じ事を繰り返して最終的に最適の変数値(最適
解)の組を求める。この段階までの同じような工程を繰
り返すので、繰り返し回数が多いと、開発期間が長くな
る。開発費用が増大していく。好ましい事ではない。よ
り速く最適の変数を求めたいものである。
If a satisfactory result is not obtained by the evaluation of the prototype, the process returns to the beginning and starts over from the stage of the basic configuration setting. The same is repeated to finally obtain an optimal set of variable values (optimal solutions). Since similar steps up to this stage are repeated, the development period becomes longer if the number of repetitions is large. Development costs increase. Not a good thing. You want to find the optimal variables faster.

【0014】[0014]

【発明が解決しようとする課題】レンズ系の性能の評価
は、収差だけでなくて、コストや製作性も考慮にいれな
ければならない。従来の評価法では、最適と計算された
変数あっても、かならずしも製作容易とは限らない。求
められたレンズの変数はそれが実現されておれば最適の
性能のものを与えるはずである。これを設計性能と呼
ぶ。しかし実際には変数とパラメータには製造誤差があ
るから計算通りのものができない。製造誤差の為に、実
際の性能は、設計性能より低い。
In evaluating the performance of a lens system, not only aberration but also cost and manufacturability must be taken into consideration. In the conventional evaluation method, even if a variable is calculated as optimum, it is not always easy to manufacture. The required lens parameters should give optimal performance if they are realized. This is called design performance. However, in practice, variables and parameters cannot be produced as calculated because of manufacturing errors. Actual performance is lower than design performance due to manufacturing errors.

【0015】ここで性能という言葉を定義する。光学系
には様々の特性があるが個々の特性の集合として、性能
と言う言葉を使う。個々の特性は計量可能であるが、性
能はその集合であるので、当然には計量可能でない。特
性のうちどれを重視しどれを軽視するのかが決まらない
と性能は計量できないわけである。特性の重みは適当に
決められるのでここでは集合特性としての性能は計量可
能と考えることができる。それでここでは性能を計量可
能な統合的な変数とする。
Here, the term performance is defined. An optical system has various characteristics, but the term performance is used as a set of individual characteristics. Individual properties are measurable, but are not, of course, performance because they are a set. Performance cannot be measured unless it is decided which of the characteristics should be emphasized and which should be neglected. Since the weight of the property is appropriately determined, the performance as a set property can be considered to be measurable here. So here, performance is an integrated variable that can be measured.

【0016】個々の特性は、光学系のパラメータ、変数
によって決まる。レンズの厚み、表面裏面の曲率、曲面
の係数、レンズ間の距離など変数となるものの数は多
い。設計というのは、所定の目的の為のこれらの変数の
最適値を決める事である。方程式を満たす変数のことを
ここでは単に「解」とよぶ。個々の変数について一つの
解があり、解の集合が与えられると、設計がなされたと
いうことである。
Each characteristic is determined by parameters and variables of the optical system. The number of variables, such as the thickness of the lens, the curvature of the front and back surfaces, the coefficient of the curved surface, and the distance between the lenses, is large. Design is about determining the optimal values of these variables for a given purpose. A variable that satisfies the equation is simply called a "solution" here. There is one solution for each variable, and given a set of solutions, the design has been made.

【0017】光学系には所定の目的があってこれを達成
するような変数について方程式を立て方程式を解くこと
によって変数の解が求まるのである。ところがしばしば
変数の数よりも方程式の数が少ないので方程式を満足す
る解の組は幾つもある。つまり拘束条件が少ないので、
幾つもの解集合がある。であるから一組の解を求めるだ
けでは設計は終わらない。無限にあるかもしれない解の
集合からさらに最適の組を見いださなければならない。
これは所定の効果を与える方程式だけからは決まらな
い。むしろ個々の光学方程式とは無関係に別個の観点か
ら最適値の組を決める事が多い。
The optical system has a predetermined purpose, and the solution of the variable is obtained by setting an equation for the variable that achieves the purpose and solving the equation. However, because there are often fewer equations than variables, there are several sets of solutions that satisfy the equations. In other words, since there are few constraints,
There are several solution sets. Therefore, just finding a set of solutions does not end the design. We must find a more optimal set from a set of solutions that may be infinite.
This is not determined solely by the equations giving the desired effect. Rather, a set of optimum values is often determined from a different viewpoint independently of the individual optical equations.

【0018】そのための手段が評価関数である。光線収
差や光路差などの光学的誤差の二乗を各点において総和
を取ったものであるが、これが小さいと言う事は性能が
優れているという事である。現在の評価関数は収差の評
価に重点が置かれている。つまり変数の適値が分かった
としてそれらのうち収差を最小にする解を評価関数によ
って決める。収差はその光学系が所定の目的を完全に達
成した場合性能からの実際の性能のズレであるから収差
によって、解を評価するのはいかさまもっともである。
つまり性能を評価して最高の性能を与える解を、無数の
解からただ一つ卓越したものとして選んでいるので、そ
れは直接的な評価法である。
The means for that is an evaluation function. The sum of the squares of optical errors such as ray aberration and optical path difference is calculated at each point. The smaller this value is, the better the performance is. Current evaluation functions focus on the evaluation of aberrations. That is, assuming that the appropriate values of the variables are known, the solution that minimizes the aberration among them is determined by the evaluation function. Since the aberration is a deviation of the actual performance from the performance when the optical system completely achieves the predetermined purpose, it is reasonable to evaluate the solution by the aberration.
In other words, it is a direct evaluation method because the solution that evaluates the performance and gives the best performance is selected as one of the myriad solutions that is outstanding.

【0019】しかしそれは製造容易さという観点から評
価されたものではない。最適値の組によって与えられる
レンズの形状を実際に作ることができればそれだけの優
れた性能が得られるとしても、部品の製造には製造誤差
が必ずあるから、製造誤差のために性能が低下する。あ
るパラメータの製造誤差が致命的であって僅かな製造誤
差であるのに性能が著しく低下してしまう、ということ
がしばしばある。そうするとそのパラメータについては
製造誤差をことさら少なくするように注意を払わなくて
はならない。注意しても製造誤差はあるので、検査して
許容できる誤差範囲にない製品は不合格とする必要があ
る。すると歩留まりが低く高コストになる。
However, it has not been evaluated from the viewpoint of ease of manufacture. Even if the lens shape given by the set of optimum values can be actually produced, even if excellent performance is obtained, since there is always a manufacturing error in the manufacture of the parts, the performance is reduced due to the manufacturing error. Often, the manufacturing error for a given parameter is fatal and a slight manufacturing error can result in significant degradation in performance. Care must then be taken to minimize manufacturing errors for that parameter. Even if careful, there is a manufacturing error, so products that are not inspected and within an allowable error range must be rejected. Then, the yield is low and the cost is high.

【0020】図4は横軸に光学系変数、縦軸下向きに性
能を取ったグラフである。性能を決める光学変数は幾つ
もあるが簡単のために一つだけとしている。性能も抽象
的なものであるが計量可能としている。評価関数を使っ
て最適解を求める場合、例えばロ点を初期値とすると、
評価関数を下げる右方向に変数を偏奇させるとハ点に至
る。これが評価関数の極小を与えるので最適解だという
ことになる。しかしニ点を初期値とすれば変数を少しづ
つ変えて評価関数を最小にするホ点に至る。これが最適
解ということである。チ点を初期値とすると、変数を少
しづつ変更してト点に至る。これが最適解ということに
なる。このように変数の数が多くて拘束条件や屈折条件
が少ないので評価関数最小によって求める最適解が幾つ
もある。しかも最適解は初期値に依存する。すると初期
値の選択が重要だということになる。しかし最適の初期
値を知る方法はない。
FIG. 4 is a graph showing the optical system variables on the horizontal axis and the performance on the vertical axis. There are many optical variables that determine the performance, but only one for simplicity. Although the performance is abstract, it is measurable. When finding the optimal solution using the evaluation function, for example, if the point B is the initial value,
If the variable is biased to the right to lower the evaluation function, a point C is reached. This gives the minimum value of the evaluation function, so it is an optimal solution. However, if the two points are set as the initial values, a variable is gradually changed to a point E where the evaluation function is minimized. This is the optimal solution. When the initial point is the initial point, the variable is changed little by little to reach the initial point. This is the optimal solution. As described above, since the number of variables is large and the constraint conditions and refraction conditions are small, there are several optimal solutions to be obtained by minimizing the evaluation function. Moreover, the optimal solution depends on the initial value. Then the choice of the initial value is important. However, there is no way to know the optimal initial value.

【0021】もう一つの問題は、最適値の間での優劣を
決めるのは性能だけでないということである。性能から
言えばホ点がト点より優れている。しかしホ点は極めて
狭い谷になっている。ホ点に決めると僅かな製造誤差が
あっても性能の低下は著しい。ト点は性能はホ点より劣
る。しかし広い谷の中にあるからト点に設計値を決めた
場合かなりの製造誤差があっても性能が低下しない。さ
らに初期値がロにある場合は評価関数を下げて到達した
最適値はハ点になる。ハ点での製造誤差−性能関係はい
っそう緩やかである。実際に光学系を製造する場合何ら
かの製造誤差がつきものであるから、ホ点を設計値とす
ると公差が小さいので、なかなか所望の性能のものを作
る事は難しい。これに反してト点を設計値とすると多少
の製造誤差があっても性能の低下があまりないので製造
容易である。ホ点は許容誤差つまり公差が小さいので製
造困難である。ト点やハ点は公差が大きいので製造容易
である。製造容易と言う観点からいえば性能が最も優れ
ているホ点よりも公差が広いト点やハ点を設計値とする
方がよい。
Another problem is that it is not only performance that determines the order between the optimum values. E point is superior to G point in terms of performance. However, point E is a very narrow valley. If the point E is determined, even if there is a slight manufacturing error, the performance is significantly reduced. The performance of point G is inferior to that of point E. However, since it is in a wide valley, when a design value is determined at the point G, the performance does not decrease even if there is a considerable manufacturing error. Further, when the initial value is at B, the optimal value reached by lowering the evaluation function is the point C. The manufacturing error-performance relationship at the point C is more moderate. When an optical system is actually manufactured, some manufacturing error is involved. Therefore, when the point E is set as a design value, the tolerance is small, and it is difficult to produce a product having desired performance. On the other hand, when the point G is set to the design value, even if there is a slight manufacturing error, the performance is not greatly reduced, so that the manufacturing is easy. The point E is difficult to manufacture because of a small tolerance or tolerance. The point G and the point C have a large tolerance and are easy to manufacture. From the viewpoint of ease of manufacture, it is better to set the point G and point C, which have a wide tolerance, to the design value than the point E, which has the best performance.

【0022】どのような最適値に至るか?ということは
初期値による。しかし初期値だけによるのではなく初期
値からどのように変数を動かすかという順序にも依存す
る。変数を変化させる順序が違うと異なる極小点にいた
る。初期値の選択には任意性があり変数変化の順序も多
様な自由度がある。評価関数最小ということだけでは公
差の広い解に至る事はできない。性能が優れた解に至っ
たとしても公差が狭いと製造困難である。
What is the optimal value? That depends on the initial value. However, it depends not only on the initial value but also on the order in which the variables are moved from the initial value. Different orders of changing variables lead to different minima. The selection of the initial value is arbitrary, and the order of variable changes has various degrees of freedom. Just minimizing the cost function cannot lead to a solution with wide tolerances. Even if a solution with excellent performance is obtained, it is difficult to manufacture if the tolerance is narrow.

【0023】図5に製造誤差と性能の関係を抽象的に示
す。最適値x0 のときに、最大の性能(設計性能)ルが
得られる。最適値から製造誤差があると性能が下降す
る。許される最低の性能(基準値性能)がヌヲだとす
る。性能曲線を基準値が横切る点ヌヲでの誤差を公差±
Δとする。つまり許容される性能降下分に対応する製造
誤差eが公差±Δということになる。性能に影響するパ
ラメータ、変数はたくさんあるので、あるパラメータの
公差は大きく、あるパラメータについては小さいという
事がある。最適値x0 からのズレe=(x−x0 )に対
して、性能が急降下する場合もある。そのようなパラメ
ータが存在する場合、そのパラメータについての加工は
細心の注意を要求するし注意しても不良品が大量に出
る。つまり歩留まりが悪く製造が難しい。
FIG. 5 shows the relationship between the manufacturing error and the performance in an abstract manner. When the optimum value x 0, maximum performance (design performance) yl are obtained. If there is a manufacturing error from the optimum value, the performance drops. Assume that the lowest permissible performance (reference performance) is null. The error at the point ヲ where the reference value crosses the performance curve is the tolerance ±
Δ is assumed. That is, the manufacturing error e corresponding to the allowable performance drop is the tolerance ± Δ. Because there are many parameters and variables that affect performance, some parameters have large tolerances and some have small tolerances. Relative = deviation e from the optimum value x 0 (x-x 0) , in some cases performance swoop. When such a parameter exists, processing of the parameter requires careful attention, and even if it is done, a large number of defective products appear. That is, the yield is poor and the production is difficult.

【0024】単位製造誤差に対する性能降下dS/de
というようなものを抽象的に想定するとはなしが分かり
やすくなる。これが大きいパラメータを含む光学系は、
理想的な値のものができない限り性能は著しく落ちるの
で実際には好ましくない。収差によって解の評価を行う
だけでは、製造誤差の影響は分からない。そこで最適解
が決まった後で、それぞれのパラメ−タの許容誤差つま
り公差が与えられる。同じように厚さが10mmのレン
ズであったとしても、公差が100μmの場合と、公差
が3μmの場合ではその製造の難易度が全然違う。
Performance drop dS / de for unit manufacturing error
It is easy to understand the story of assuming something like this in an abstract manner. An optical system with a large parameter
Unless an ideal value can be obtained, the performance is remarkably reduced, which is not preferable in practice. The effect of the manufacturing error is not understood simply by evaluating the solution based on the aberration. Then, after the optimal solution is determined, the tolerance or tolerance of each parameter is given. Similarly, even if the lens has a thickness of 10 mm, the difficulty in manufacturing the lens is completely different between a case where the tolerance is 100 μm and a case where the tolerance is 3 μm.

【0025】最適解があってそれぞれのパラメータの公
差の組があり、そのうちとくに小さい公差があったりす
ると、その最適解にのっとった製品は製造が困難であ
る。このような製造の難易によって解の評価をするとい
うような視点は従来の光学設計評価にはなかったもので
ある。従来の評価法は実際に製造し易い解を最適解とせ
ずに、収差の小さい性能の高い解を最適解としている。
If there is an optimal solution and there is a set of tolerances for each parameter, and if there is a particularly small tolerance, it is difficult to manufacture a product conforming to the optimal solution. Such a viewpoint of evaluating the solution due to the difficulty of manufacturing has not existed in the conventional optical design evaluation. In the conventional evaluation method, a solution that is small in aberration and has a high performance is determined as an optimal solution without using a solution that is actually easy to manufacture as an optimal solution.

【0026】本発明は従来の設計方法に用いる評価関数
と違って、それによって製作容易かどうかをも知る事が
でき、結果として実際の製作が容易なレンズ系、光学系
のパラメータを求めることを可能にする設計方法を与え
る。
According to the present invention, unlike the evaluation function used in the conventional design method, it is also possible to know whether or not it is easy to manufacture, and as a result, it is necessary to obtain the parameters of the lens system and the optical system that are easy to manufacture. Give design methods to enable.

【0027】[0027]

【課題を解決するための手段】全てのパラメータに誤差
の無い状態S0 のパラメータ組に対する評価関数E
0と、少なくとも一つのパラメータに誤差±δの誤差が
ある状態S1 、S2 …のパラメータ組に対する評価関数
1 、E2 …を適当な重みを掛けて加えた評価関数E=
00 +w11 +w22 …=Σwkk を作り、
これを最小にするようなパラメータの組を求めるのが本
発明の光学系設計方法である。誤差を与えるパラメータ
は高精度で製作するのが難しいパラメ−タを選ぶのが良
い。さらに誤差状態に与える賦与誤差±δは、通常の製
造誤差よりも大きい値にするのが良い。
Means for Solving the Problems] Evaluation All parameters for the parameter sets of the state S 0 no error function E
0, at least one state S 1 has an error of error ± [delta] in the parameter, S 2 ... evaluation function E 1 for parameter group, E 2 ... a multiplying an appropriate weighting added evaluation function E =
w 0 E 0 + w 1 E 1 + w 2 E 2 ... = Σw k E k
The optical system design method of the present invention finds a set of parameters that minimizes this. It is preferable to select a parameter which gives an error and which is difficult to manufacture with high precision. Further, the applied error ± δ given to the error state is preferably set to a value larger than a normal manufacturing error.

【0028】製造の過程で自然に現れる製造誤差ではな
くて、本発明はパラメータに積極的に想定される誤差を
賦与した状態S1 、S2 、…を考える。この誤差は前者
の製造誤差と区別する為に賦与誤差と仮に呼ぶことにす
る。また複数の賦与誤差を含む状態を誤差状態S1 …と
呼ぶ。誤差を与えない状態S0 を無誤差状態と呼ぶ。評
価関数の重み付きの和Σwkk を統合評価関数と呼ぶ
ことにする。
The present invention considers states S 1 , S 2 ,... In which parameters are positively assumed to have errors, rather than manufacturing errors that appear naturally in the manufacturing process. This error is tentatively called an applied error to distinguish it from the former manufacturing error. A state including a plurality of application errors is referred to as an error state S 1 . The state S 0 in which no error is given is called an error-free state. The weighted sum 評 価 w k E k of the evaluation functions will be referred to as an integrated evaluation function.

【0029】図12によって本発明の概略の思想を説明
する。状態S0 は賦与誤差を与えない理想的な状態であ
る(無誤差状態)。その評価関数をE0 とする。これの
他にパラメータPi に誤差+δを与えた状態がS1 (誤
差状態)である。これの評価関数をE1 とする。状態S
2 は同じパラメータPi に−δの誤差を与えた状態であ
る。これの評価関数をE2 とする。パラメータPi が変
数として扱われるならば、これら3つの状態においてパ
ラメータPi はPi 、Pi ±δとなって異なるが、その
ほかのパラメータは共通にして変化させる。二つ以上の
パラメータについて誤差を賦与するようにしても良い。
その場合はS3 、S4 …など多くの状態と評価関数E
3 、E4 、…ができる。全ての変数の値を決めて波面収
差或いは光線収差などをもとめ統合評価関数E=Σwk
k の値を計算し、Eが最小になるような変数の組をも
とめる。これが最適化計算である。適当な変数の組を初
期値としてあたえ、収差を求めて、Eを計算し、変数を
微小変化させて、Eを最小にする変数を決める。
The general idea of the present invention will be described with reference to FIG. The state S 0 is an ideal state in which no giving error is given (no error state). The evaluation function is E 0 . In addition to the state that gave error + [delta] in the parameter P i of this is S 1 (error state). The evaluation function of this and E 1. State S
2 is a state that gave error of -δ to the same parameter P i. The evaluation function of this and E 2. If the parameter P i is treated as a variable, the parameter P i differs in these three states as P i , P i ± δ, but the other parameters are changed in common. An error may be given to two or more parameters.
In that case, many states such as S 3 , S 4, etc. and the evaluation function E
3, E 4, ... can. Determine the values of all the variables to determine the wavefront aberration or ray aberration, etc., and obtain an integrated evaluation function E = Σw k
Calculate the value of E k and find the set of variables that minimizes E. This is the optimization calculation. An appropriate set of variables is given as an initial value, aberration is calculated, E is calculated, and the variable is minutely changed to determine a variable that minimizes E.

【0030】光学変数が求められると結果を評価する。
これが性能解析と公差解析である。本発明は誤差を賦与
した状態S1 、S2 …の評価関数を加えた統合評価関数
を最小にするように変数を最適化するから、賦与誤差を
与えたパラメ−タについて公差が大きくなる。公差が大
きいので製造が容易になる。生産性が上がり製造コスト
も低減することができる。
Once the optical variables have been determined, the results are evaluated.
These are performance analysis and tolerance analysis. In the present invention, the variables are optimized so as to minimize the integrated evaluation function to which the evaluation functions of the states S 1 , S 2, ... To which the error has been added, so that the tolerance for the parameter to which the error has been added becomes large. Manufacturing is facilitated due to large tolerances. Productivity can be increased and manufacturing costs can be reduced.

【0031】[0031]

【発明の実施の形態】本発明は光学パラメ−タのいくつ
かについてわざと誤差を賦与した状態を想定しその評価
関数を、誤差のない評価関数に加えて統合評価関数をつ
くりそれを最小化する変数を求めることによって光学系
を設計する。それによって公差を広げる事ができ製造容
易になる。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention assumes a state where an error is intentionally given to some of the optical parameters, and creates an integrated evaluation function in addition to an evaluation function having no error and minimizes the evaluation function. Design the optical system by finding the variables. As a result, tolerances can be widened and manufacturing becomes easy.

【0032】(1)賦与誤差を賦与するパラメータとい
うのは例えばつぎのようなパラメータである。 ・各面の曲率半径 ・非球面の係数 ・面精度(面の歪み) ・中心厚 ・レンズ間隔 ・屈折率 ・屈折率不均一性 ・ウェッジ ・ティルト ・ディセンタ 等である。光学要素がレンズだけでなくてミラーやその
ほかの素子をも含む場合はそれらの光学パラメータも考
慮に入れる。これらのパラメータから一つ或いは複数個
を選択して誤差を賦与した状態を想定する。特に製作精
度が厳しく要求されるパラメータを選べば良い。
(1) The parameters giving the giving error are, for example, the following parameters.・ Radius of curvature of each surface ・ Coefficient of aspherical surface ・ Surface accuracy (surface distortion) ・ Center thickness ・ Lens spacing ・ Refractive index ・ Non-uniformity of refractive index ・ Wedge ・ Tilt ・ Decenter If the optical elements include not only lenses but also mirrors and other elements, their optical parameters are taken into account. It is assumed that one or a plurality of these parameters are selected to give an error. In particular, it is only necessary to select parameters that require strict production accuracy.

【0033】(2)賦与すべき誤差±δは、製作精度を
考慮の上、適当な値が設定される。通常の製作誤差以上
の値とするのが望ましい。製作誤差と言うのは製造する
時に偶然に発生する実際の誤差のことであり確率変数で
あるがここではその平均値或いは統計的にある確率で発
生し得る誤差の値(2σ値など)という意味である。賦
与誤差δが小さい状態をS1 、S2 …にするとその状態
に引っ張られてその状態について評価関数が小さい変数
を選んでしまうので公差はあまり広がらない。ところが
賦与誤差δが大きすぎると、S0 、S1 、S2 …の状態
間の相違が大きくなりすぎるので統合評価関数の値が下
がらない。適当な賦与誤差δを選ぶ必要がある。
(2) The error ± δ to be given is set to an appropriate value in consideration of manufacturing accuracy. It is desirable that the value be equal to or larger than a normal manufacturing error. The manufacturing error is an actual error that occurs accidentally during manufacturing and is a random variable. In this case, the average value or an error value (such as a 2σ value) that can statistically occur with a certain probability. It is. When the state in which the applied error δ is small is set to S 1 , S 2, ..., The tolerance is not so widened because the state is pulled and the evaluation function selects a variable with a small evaluation function. However, if the giving error δ is too large, the difference between the states of S 0 , S 1 , S 2 ... Becomes too large, and the value of the integrated evaluation function does not decrease. It is necessary to select an appropriate giving error δ.

【0034】(3)全てのパラメータに初期値を与え
る。これは光学方程式を満足する値というのではなく光
学式をある程度満足させる値に近いといった程度のもの
であってよい。初期値によってそれから到達できる最適
値が左右される。初期値から評価関数が減少する方向に
少しづつ変数の値を変えて評価関数を最小にする変数を
求める。
(3) Give initial values to all parameters. This may be a value close to a value that satisfies the optical equation to some extent, instead of a value that satisfies the optical equation. The initial value determines the optimal value that can be reached from it. A variable that minimizes the evaluation function is obtained by gradually changing the value of the variable in the direction in which the evaluation function decreases from the initial value.

【0035】最適化によって、評価関数Eが十分に小さ
くならない場合は、未だ性能が不十分であるか、或いは
製造誤差の影響が強くて公差が小さすぎるということを
意味する。これは統合評価関数の内訳を見ることにより
判別できる。w/E(k=0,1,2,…)を各
状態Sについて計算すれば、各状態に関する評価関数
が全体の統合評価関数に対しどの程度寄与しているか
(寄与度)を求めることができる。wの寄与度が
まだ大きければ性能不十分である。wの寄与度が
低ければ公差が小さいことを意味する。どの状態の寄与
度が高いかによって、公差が緩くなっていないパラメー
タを見つけられる。このように評価関数Eが小さくなら
ない場合は初期設定が悪いわけである。初期設定を見直
して新たな初期値から評価関数を下げる方向に変数を変
えて評価関数の繰り返し計算を再び行う。
If the evaluation function E does not become sufficiently small by the optimization, it means that the performance is still insufficient, or the influence of the manufacturing error is so strong that the tolerance is too small. This can be determined by looking at the breakdown of the integrated evaluation function. If w k E k / E (k = 0, 1, 2,...) is calculated for each state S k , how much the evaluation function for each state contributes to the entire integrated evaluation function (degree of contribution) Can be requested. contribution of w 0 E 0 is if still greater performance insufficient. the lower the contribution of w 0 E 0 means that tolerance is small. Depending on which state contributes more, a parameter whose tolerance is not loose can be found. If the evaluation function E does not become small, the initial setting is bad. The initial setting is reviewed, and the variable is changed in a direction to lower the evaluation function from the new initial value, and the calculation of the evaluation function is repeated.

【0036】初期値の変更によっても評価関数が十分に
小さくならない場合は、賦与誤差δをすこし小さくして
初期設定し評価関数を減らす方向に変数を変えながら最
小化する。最終的に公差が緩くならない場合もあり得
る。本発明によって、どんな場合でも思いのままに公差
を緩められるわけではない。(本発明によって、光学理
論、すなわち自然現象としての光学現象がくつがえされ
るわけではない。)より性能の高いレンズ、光学系を望
むならば大なり小なり公差は厳しくなる。本発明は所望
の性能を満足する範囲で、できるだけ公差が緩く、製造
容易な解を効率的に見つけ出す方法として有効に働く。 (4)誤差状態Sk が多い場合(kの総数KはPi のi
の総数Iの2倍:K=2I)つまりPi を多数選択した
場合は、評価関数が複雑になる。最適化の計算が長くな
り時間もかかる。それが困るというのであれば、公差解
析の結果を見て、製作上問題となるパラメータに限定し
て誤差を賦与するようにする。そうすると誤差状態の数
Kを減らし計算時間を短縮できる。つまり製造誤差を小
さくするのが難しく要求される公差以下にできないよう
なパラメータを選ぶということである。
If the evaluation function does not become sufficiently small even by the change of the initial value, the given error δ is set to a small value and the initialization is performed to minimize the evaluation function while changing the variables in a direction to reduce the evaluation function. Ultimately, the tolerances may not be loosened. The invention does not always allow the tolerances to be relaxed at will. (The present invention does not override optical theory, that is, optical phenomena as a natural phenomenon.) If a higher performance lens or optical system is desired, the tolerance becomes larger or smaller. The present invention works effectively as a method for efficiently finding a solution which is easy to manufacture and has as close a tolerance as possible within a range satisfying desired performance. (4) When there are many error states S k (the total number K of k is i of P i
2 times the total number I: K = 2I) that is, when the selected number of P i, the evaluation function becomes complicated. Optimization calculations take longer and take more time. If that is not a problem, the results of the tolerance analysis are used to limit the parameters to those that are problematic in manufacturing and to give errors. Then, the number K of error states can be reduced and the calculation time can be reduced. In other words, it is to select a parameter that makes it difficult to reduce the manufacturing error and that cannot be reduced below the required tolerance.

【0037】これまで述べてきたものは賦与誤差ひとつ
について二つの誤差状態を与えた。誤差状態Sk の数を
減らし、しかも公差を広げるためには、つぎのような手
段をとることもできる。一つの誤差状態に二つの異なる
賦与誤差を含ませる方法である。例えばパラメータPi
とパラメータPj を選び、誤差状態S1 はPi について
+δi 、Pj について+δj とし、誤差状態S2 はPi
について−δi 、Pjについて−δj とすることができ
る。S1 (+δi 、+δj )、S2 (−δi ,−δj
とするのである。こうすると賦与誤差の種類は2つあり
誤差状態も二つである。つまり(+δi ,−δj )と
(−δi ,+δj )の状態を省いている。こうすると誤
差状態の数を半分に減らせるので計算時間を短くでき
る。ただし、各誤差の影響が打ち消し合うことのないよ
うに、誤差を与えるパラメータの組み合わせを選択し、
賦与誤差の符号選択を行う必要がある。例えば、あるレ
ンズの厚みと他のレンズの厚みの両者の誤差を一つの状
態に賦与した場合、各誤差の影響が相殺しあって、その
状態に対する評価関数があまり大きな値を持たず、最適
化してもあまり公差を広げられないことがある。あるい
は、曲率半径と厚み、屈折率と曲率半径などでも同様の
ことが起こり得る。このような場合、賦与誤差の符号
(+か−)の組み合わせを変えて、各誤差の影響が相殺
されず強め合うように選択することが必要である。また
は、曲率半径、厚み、屈折率などの軸対称な誤差と、デ
ィセンタ、ティルト、ウェッジのような軸対称でない誤
差を組み合わせてもよい。
The above-described one gives two error states for one applied error. In order to reduce the number of error states S k and widen the tolerance, the following means can be taken. This is a method in which two different applied errors are included in one error state. For example, the parameter P i
And select the parameters P j, the error state S 1 is set to + [delta] i, the P j + [delta] j for P i, the error state S 2 is P i
For -δ i, for P j can be a -δ j. S 1 (+ δ i , + δ j ), S 2 (−δ i , −δ j )
That is. In this case, there are two types of applied errors and two error states. That is, the states of (+ δ i , −δ j ) and (−δ i , + δ j ) are omitted. In this way, the number of error states can be reduced by half, and the calculation time can be shortened. However, to ensure that the effects of each error do not cancel each other,
It is necessary to select the sign of the giving error. For example, if an error of both the thickness of a certain lens and the thickness of another lens is given to one state, the effects of each error cancel each other out, and the evaluation function for that state does not have a very large value. Even so, sometimes the tolerance cannot be widened. Alternatively, the same can occur with the radius of curvature and thickness, the refractive index and radius of curvature, and the like. In such a case, it is necessary to change the combination of the signs (+ or-) of the applied errors so that the influence of each error is not canceled out and selected so as to reinforce each other. Alternatively, an axisymmetric error such as a radius of curvature, a thickness, and a refractive index may be combined with an asymmetric error such as a decenter, a tilt, or a wedge.

【0038】(5)公差解析の判定指標は、像面におけ
る各点での何らかの収差や光路差或いは性能である。 波面収差、光線収差、MTF値、歪曲収差、
f−θ線形性、焦点距離 などである。はf−θレンズだけに使える特殊な性能
である。波面収差()の場合は誤差増大による波面収
差の増大が例えばλ/100以下(λは波長)であるよ
うにする。その他の〜に関しても適当な限界の値を
決める。その限界値を与えるパラメータの設定値(設計
値)からのズレ(誤差)が公差である。
(5) The judgment index of the tolerance analysis is some aberration, optical path difference or performance at each point on the image plane. Wavefront aberration, ray aberration, MTF value, distortion,
f-θ linearity, focal length, etc. Is a special performance that can be used only for the f-θ lens. In the case of the wavefront aberration (), the increase in the wavefront aberration due to the increase in the error is, for example, λ / 100 or less (λ is a wavelength). The appropriate limit value is determined for the other items. The deviation (error) from the set value (design value) of the parameter giving the limit value is the tolerance.

【0039】図6は従来法による評価関数最小化による
設計法を示す。横軸があるパラメータに関する製造誤差
であり縦軸が性能である。初期値では性能は低い。これ
から評価関数がより小さくなるように変数を変更して行
く。初期値から上向きに○が書いてあるがこれが漸近的
に改善された状態である。対象のパラメータが変数とし
て扱われ値が変化する場合には、図4に示すように変数
の基準値自体が変動して性能が上昇してゆく。図4のニ
からホの変化のようなものを図6の初期値から最適解ヨ
までの○の推移によって表現している。最適解はE0
最小にする変数の組である。これはある初期値から始め
て変数を変えた時に最高の性能を与えるものである。と
ころが公差が小さく、ヨタ間でのみ基準性能を与える
が、タからはずれると性能が顕著に低下してしまう。
FIG. 6 shows a design method by minimizing an evaluation function according to a conventional method. The horizontal axis represents the manufacturing error for a certain parameter, and the vertical axis represents the performance. Performance is low by default. From now on, we will change the variables so that the evaluation function becomes smaller. A circle is written upward from the initial value, but this is an asymptotically improved state. When the target parameter is treated as a variable and the value changes, as shown in FIG. 4, the reference value of the variable itself changes and the performance increases. 4 is represented by the transition of the circle from the initial value to the optimal solution in FIG. Optimal solution is the set of variables which minimizes E 0. This gives the best performance when changing variables starting from some initial value. However, the tolerance is small, and the reference performance is given only between the yota.

【0040】図7は本発明の方法による統合評価関数最
小化による設計方法を示す。初期値は任意に選ぶ。初期
値から統合評価関数を減らすように変数を変動させてゆ
く。最小の値を与えるのが最適値レである。誤差状態を
含む統合評価関数を扱うので、公差フが広くなる。広く
レフ間に製造誤差があっても満足できる性能を与えるこ
とができる。
FIG. 7 shows a design method by minimizing the integrated evaluation function according to the method of the present invention. The initial value is arbitrarily selected. Variables are varied so that the integrated evaluation function is reduced from the initial value. It is the optimum value that gives the minimum value. Since the integrated evaluation function including the error state is handled, the tolerance is increased. Satisfactory performance can be provided even if there is a wide manufacturing error between the reflexes.

【0041】光学系を決定するパラメータは幾つもあっ
て、そのうちPi のパラメータだけに誤差±δを与え
る。+δの誤差を与えた状態S1 の評価関数E1 が統合
評価関数に含まれる。統合評価関数を最小化するときE
1 も当然に小さくなるべきである。E1 が小さいという
ことは誤差+δがあっても性能低下が少ないような変数
の組を選んでいるということである。だからパラメータ
i の公差が広くなる。直観的にはそういうことであ
る。しかしこれは厳密な証明はできない。パラメータは
様々であって光学方程式への関与の程度も多様であるか
らである。それ以外のパラメータについては公差が広が
るか狭くなるかは予め分からない。それは実際に計算し
てみないと分からない事である。それ以外のパラメータ
の公差は大きくなるものもあれば小さくなるものもあ
り、あまり変わらないものもある。大きくなる、あるい
はあまり変わらない他のパラメータは全く問題ない。ま
た、元々大きな公差であった他のパラメータが多少小さ
くなっても製造上の問題は生じない。問題となるのは、
他のパラメータの公差が小さくなり、製造精度がその公
差を満足できなくなる場合であるが、仮に、他のパラメ
ータの公差が厳しくなった場合には、そのパラメータに
も誤差を賦与した状態を追加して新たに統合評価関数を
作成し、再び最適化を行う事によって解決できる。
The parameters that determine the optical system there is also a number, gives only an error ± [delta] of which the parameters of the P i. The evaluation function E 1 of the state S 1 to which an error of + δ is given is included in the integrated evaluation function. When minimizing the integrated evaluation function E
One should of course be smaller. That E 1 is small is that you are choosing variables set as even performance degradation when there errors + [delta] is less. So tolerance of parameters P i is widened. That's intuitive. But this cannot be proved rigorously. This is because the parameters are various and the degree of involvement in the optical equation is also various. With respect to other parameters, it is not known in advance whether the tolerance is widened or narrowed. That is something that cannot be understood without actually calculating it. The tolerances of the other parameters are large, some are small, and some are not very different. Other parameters that are larger or do not change much are perfectly fine. Further, even if other parameters, which were originally large tolerances, are slightly reduced, no manufacturing problem occurs. The problem is,
This is the case where the tolerances of other parameters become smaller and the manufacturing accuracy cannot satisfy the tolerances.If the tolerances of other parameters become stricter, a state where an error is given to that parameter is added. A new integrated evaluation function can be created and optimized again.

【0042】[0042]

【実施例】対象になる光学系はどのようなものであって
も良い。ここでは例としてf−θレンズについて、様々
のパラメータについてプラスマイナスの偏奇を与えて、
評価関数を最小にするような最適解を求め、公差が大き
くなるということを示す。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The optical system of interest may be of any type. Here, for the f-θ lens as an example, plus and minus deviations are given for various parameters,
Find the optimal solution that minimizes the evaluation function, and show that the tolerance increases.

【0043】(A)初期レンズ設定 ○レンズ枚数2枚 材質ZnSe(屈折率n=2.40
3) 第1レンズ 第1面は非球面、第2面は球面 第2レンズ 第1面は球面、 第2面は非球面 ○波長 10.6μm ○入射瞳位置 第1レンズ第1面より物界側50mm ○Fナンバー 6 ○入射角 0゜、8゜、16゜ f−θレンズというのは光軸からθをなす角度で入射し
た光線を像面の中心からfθだけ離れた位置に結像する
ようなレンズである。図18に光学系を示す。レンズは
2枚使われている。平行光をあるθの傾き角でレンズ1
にいれると、レンズ2から出た光線は像面で中心からf
θ離れた点に収束する。例えばθ=0゜の平行光ケ、
フ、コは光軸上のJ点に収束する。θ=8゜の平行光
テ、ア、サは像面で8×Lの位置K点に結像する。θ=
16゜の平行光メ、ミ、シは像面で16×Lの位置M点
に結像する。ここでLは定数である。それぞれ3本の光
線しか書いていないが実際には無数の平行光線が一点に
収束している。
(A) Initial lens setting ○ Number of lenses 2 Material ZnSe (refractive index n = 2.40)
3) 1st lens 1st surface is aspherical surface, 2nd surface is spherical 2nd lens 1st surface is spherical surface, 2nd surface is aspherical surface 波長 wavelength 10.6 μm 入射 entrance pupil position The first lens 1st surface is the object field Side 50mm F-number 6 Incident angles 0 °, 8 °, 16 ° An f-θ lens forms an image of light rays incident at an angle of θ from the optical axis at a position fθ away from the center of the image plane. Such a lens. FIG. 18 shows an optical system. Two lenses are used. The parallel light is converted into a lens 1 at an inclination angle of θ
, The ray coming out of the lens 2 is f
It converges to a point θ away. For example, a parallel light of θ = 0 °,
F and f converge to a point J on the optical axis. The parallel light beams 、, サ, and ゜ of θ = 8 ° form an image at a position K of 8 × L on the image plane. θ =
The 16 ° parallel light beams M, M and C form an image at a position M of 16 × L on the image plane. Here, L is a constant. Although only three rays are written in each case, countless parallel rays actually converge at one point.

【0044】(B)変数設定 各面(4面ある)の曲率半径、厚み(間隔)、非球面係
数、像面位置である。レンズが二つとするので、4つの
曲率半径が変数として存在する。厚みについては二つの
レンズの厚みと、レンズ間の距離がある。第1レンズの
第1面と第2レンズの第2面は非球面としているからそ
れぞれについて非球面係数が変数となる。これは
(B) Variable setting The radius of curvature, thickness (interval), aspheric coefficient, and image plane position of each surface (there are four surfaces). Since there are two lenses, four radii of curvature exist as variables. Regarding the thickness, there are the thicknesses of the two lenses and the distance between the lenses. Since the first surface of the first lens and the second surface of the second lens are aspheric, the aspheric coefficient is a variable for each. this is

【0045】[0045]

【数1】 (Equation 1)

【0046】というように円錐定数(conic constant)
kと半径rの偶数次のべきの係数αjである。cは頂点
曲率(Vertex curvature)である。例えばrの4次、6
次、8次、10次というようにとるとαは4つのパラメ
ータとなる。像面位置は第2レンズからの像面の距離で
ある。このように変数の数が多いので評価関数によって
変数の適否を判断する必要がある。
The conic constant
An even-order power coefficient αj of k and radius r. c is the vertex curvature. For example, the fourth order of r, 6
If it is next, eighth, or tenth, α is four parameters. The image plane position is the distance of the image plane from the second lens. As described above, since the number of variables is large, it is necessary to judge the suitability of the variables using an evaluation function.

【0047】(C)拘束条件 焦点距離 127mm、 レンズ厚み 3.5mm以上15mm以下(C) Constraint conditions: focal length 127 mm, lens thickness 3.5 mm or more and 15 mm or less

【0048】(D)誤差の設定 1.ディセンタ……レンズ中心軸の光学軸からのずれ 2.ティルト……レンズの傾き 3.各面の曲率半径…前面後面の球面の曲率半径 4.非球面係数…ふたつの非球面の係数 5.面精度(面の歪み) 6.屈折率…ZnSeレンズの全体的な屈折率の所定値
からのずれ 7.屈折率不均一性…局所的な屈折率の変動 8.ウエッジ
(D) Setting of Error 1. Decenter: The deviation of the center axis of the lens from the optical axis. 2. Tilt: lens tilt 3. The radius of curvature of each surface: the radius of curvature of the spherical surface on the front and rear surfaces. 4. Aspheric coefficient: coefficient of two aspheric surfaces 5. Surface accuracy (surface distortion) 6. Refractive index: deviation of the overall refractive index of the ZnSe lens from a predetermined value Refractive index non-uniformity: local refractive index fluctuation Wedge

【0049】などである。誤差を賦与すべきパラメータ
は、これらから一つあるいは複数個選択される。例えば
もしもディセンタだけに賦与誤差を与えるとするとつぎ
のようになる。つまりレンズズレの無い場合(S0 )の
評価関数E0 と、±δのレンズの軸ズレの有る場合(S
1 )(S2 )を仮定してそれぞれの評価関数E1 、E 2
を変数の組毎に計算し評価関数の和を最小にする最適の
変数群を求める。全体の評価関数Eは重みw0 、w1
2 を掛けてこれの合計とする。 E=w00 +w11 +w22 (2) である。重みw0 、w1 、w2 は自由に決めて良い。
And so on. Parameters to which errors should be added
Is selected from one or more of them. For example
If we give an error only to the decenter,
become that way. That is, when there is no lens displacement (S0 )of
Evaluation function E0 And the case where there is an axis deviation of ± δ (S
1 ) (STwo ) And each evaluation function E1 , E Two 
Is calculated for each set of variables to minimize the sum of the evaluation functions.
Find a set of variables. The overall evaluation function E is weight w0 , W1,
wTwo And multiply by the sum. E = w0 E0 + W1 E1 + WTwo ETwo (2) Weight w0 , W1 , WTwo Can be freely decided.

【0050】ここではw0 =w1 =w2 =1としてい
る。だから、評価関数は単に E=E0 +E1 +E2 (3) である。賦与すべきディセンタ誤差±δは製作精度のレ
ベルを考慮して適当な値を与える。賦与誤差は製造誤差
よりも大きい値とする方が良い。
Here, it is assumed that w 0 = w 1 = w 2 = 1. Therefore, the evaluation function is simply E = E 0 + E 1 + E 2 (3). The decenter error ± δ to be given is given an appropriate value in consideration of the level of manufacturing accuracy. It is better that the giving error is larger than the manufacturing error.

【0051】ディセンタ誤差の他にその他のパラメータ
に誤差を与えるようにしても良い。例えば1枚目レンズ
の第1面の曲率半径に±1%の誤差を与える。そうする
と、S3 ,S4 という状態が増える。5つの評価関数の
和ができるのでこれを最小にするような変数の組を求め
る。そのようにして最適変数の組が求められたとき、デ
ィセンタ公差、曲率半径公差を求めると、S0 の時の公
差よりも増えている。公差が大きいので製造が容易にな
る。
An error may be given to other parameters in addition to the decenter error. For example, an error of ± 1% is given to the radius of curvature of the first surface of the first lens. Then, the states of S 3 and S 4 increase. Since a sum of five evaluation functions can be obtained, a set of variables that minimizes the sum is obtained. When the set of optimal variables is obtained in this way, when the decenter tolerance and the curvature radius tolerance are obtained, the tolerances are larger than those at S 0 . Manufacturing is facilitated due to large tolerances.

【0052】評価関数として、例えば光線収差を採用す
る。もちろん、波面収差など他の光学的誤差を評価関数
に用いても良い。レンズに収差があると、理想的には像
面上で1点に収斂される筈の光線群が、点々と散らばっ
て像面に到達する。各光線のズレの二乗和をとり、それ
を評価関数としている。
As the evaluation function, for example, ray aberration is adopted. Of course, other optical errors such as wavefront aberration may be used for the evaluation function. If there is an aberration in the lens, a group of rays, which should ideally converge on a single point on the image plane, scatter to points and reach the image plane. The sum of squares of the deviation of each ray is taken and used as an evaluation function.

【0053】図19は入射瞳(entrance pupil)上の光
線の分布を示す例である。ここでは、入射瞳は、レンズ
に入射する光の断面と考えて良い。入射瞳の中の一点
は、一本の光線を意味する。任意の瞳上の位置(Px
y )に好みの数の光線を取って良いが、計算の精度を
上げるためには、光線の数が多くて、瞳全体に広く分布
させる方がよい。ここで(Px 、Py )は瞳上の座標を
示す。瞳の大きさは正規化してあり、半径1の円で表し
ている。しかしながら、計算量を減らし最適化を迅速に
実施するには、光線数があまり多すぎてはならない。図
19に示すものは、18本の光線を取る例である。瞳の
中心から放射状に伸びる6本の直線を取り(それぞれ0
度、60度、120度、180度、240度、300度
の方向)、さらに大きさの異なる3つの輪を取る。3つ
の輪の半径RはそれぞれR=0.3357、0.707
1、0.9420である。これら6本の放射線と3つの
輪の交点に計18本の光線を取る。各光線の重みは、黒
丸がwj =0.048481(12本)、白黒丸がwj
=0.07757(6本)とする。
FIG. 19 is an example showing the distribution of light rays on the entrance pupil. Here, the entrance pupil may be considered as a cross section of light incident on the lens. One point in the entrance pupil means one ray. Any position on the pupil (P x ,
Any number of rays may be used for P y ), but in order to increase the calculation accuracy, the number of rays is preferably large and distributed over the entire pupil. Here, (P x , P y ) indicates coordinates on the pupil. The size of the pupil is normalized and represented by a circle having a radius of 1. However, the number of rays must not be too large in order to reduce the amount of calculation and perform the optimization quickly. FIG. 19 shows an example in which 18 rays are taken. Take six straight lines extending radially from the center of the pupil (each 0
Degrees, 60 degrees, 120 degrees, 180 degrees, 240 degrees, and 300 degrees), and take three rings of different sizes. The radii R of the three rings are R = 0.3357, 0.707, respectively.
1, 0.9420. A total of 18 rays are taken at the intersection of these 6 radiations and 3 rings. The weight of each ray is w j = 0.048481 (12 lines) for a black circle and w j for a black and white circle.
= 0.07757 (six lines).

【0054】各光線が像面でどのような位置にばらつい
て到達するかを計算すると、その位置ズレΔx、Δyが
求まる。Δx、Δyは、全光線の重心位置からのズレの
x成分とy成分である。各光線をj(j=1,2,…,
18)、入射角度0度、8度、16度をf(f=1,
2,3)によって示し、光線毎の重みwj と入射角度毎
の重みwf を掛けて一つの状態Sk に対する評価関数E
k を得る(ここでは単一波長の場合を扱うので省略する
が、複数の波長の光を扱う場合には、各波長にも重みw
λを掛けて和を取る事になる)。Sk に対するEk は Ek =ΣΣwfj (Δxfj 2 +Δyfj 2 ) (4) とする。これは各状態S0 、S1 、S2 、…の評価関数
0 、E1 、E2 、E3、…を与える。本発明は無誤差
状態S0 と誤差を賦与した賦与誤差状態S1 、S 2 、S
3 の各評価関数を加えるので、各状態Sk の重みをwk
として、統合評価関数Eは、 E=Σwkk =ΣΣΣwkfj (Δxkfj 2+Δykfj 2) (5) となる。これを最小化させるように変数を変動させるの
である。
What position each ray varies on the image plane
Is calculated, the positional deviations Δx and Δy are
I get it. Δx and Δy are the deviations of all the rays from the center of gravity.
x component and y component. Each ray is j (j = 1, 2,...,
18), incident angles 0 °, 8 °, and 16 ° are changed to f (f = 1,
2, 3), and the weight w for each rayj And for each incident angle
Weight wf Multiply by one state Sk Evaluation function E for
k (Omit here because we are dealing with a single wavelength case)
However, when dealing with light of a plurality of wavelengths, the weight w
multiply by λ to get the sum). Sk E fork Is Ek = ΣΣwf wj (Δxfj Two + Δyfj Two (4) This is the state S0 , S1 , STwo , ... evaluation function
E0 , E1 , ETwo , EThree,…give. The invention is error free
State S0 Error state S with error and error1 , S Two , S
Three Is added to each state Sk Weight of wk 
The integrated evaluation function E is given by: E = Σwk Ek = ΣΣΣwk wf wj (Δxkfj Two+ Δykfj Two(5) Vary the variables to minimize this
It is.

【0055】上記の評価関数では、レンズによる光の収
斂特性については評価可能である。しかしf−θレンズ
の設計では、もう一つの重要な特性としてf−θ関係の
直線性についても評価可能とする必要がある。(4)は
像面での光線位置ズレを誤差としているからf−θ直線
性評価はこれには含まれない。f−θレンズの場合はさ
らに評価関数を工夫して良好なf−θの間の直線性を得
るように最適化を図る必要がある。
With the above evaluation function, the light convergence characteristic of the lens can be evaluated. However, in designing an f-θ lens, it is necessary to be able to evaluate the linearity of the f-θ relationship as another important characteristic. (4) does not include the f-θ linearity evaluation because the error is the deviation of the light ray position on the image plane. In the case of an f-θ lens, it is necessary to further optimize the evaluation function so as to obtain good linearity between f-θ.

【0056】例えば、0度、8度、16度の3つの入射
角度を取るときの像面での各焦点J、K、Mの位置hJ
(=0),hK 、hM は、その時点での光学系のパラメ
ータについて光線追跡することによって計算によって求
められる。このとき、入射角度8度に対し16度は丁度
2倍の角度と成っているので、理想的なf−θに直線性
が成り立つのであれば、2hK =hM となるはずであ
る。そこで、f−θの直線性を評価する関数として、 EL =(2hK −hM2 (6) を取る。入射角度を3つよりも多く設定し、式(6)の
ような関数を多数立てて、それらの総和を取れば、f−
θの直線性を詳細に評価することもできる。式(5)と
同時に、式(6)のような評価関数も最小化するように
変数の値を最適化する。
For example, the positions h J of the focal points J, K, and M on the image plane when three incident angles of 0 °, 8 °, and 16 ° are taken.
(= 0), h K , h M are obtained by calculation by ray tracing the parameters of the optical system at that time. At this time, since the angle of incidence is just twice as large as the angle of incidence of 8 degrees with respect to the angle of incidence of 8 degrees, it should be 2h K = h M if the ideal f-θ has linearity. Therefore, as a function for evaluating the linearity of the f-θ, E L = take (2h K -h M) 2 ( 6). If more than three incident angles are set, a number of functions as in equation (6) are set, and their sum is taken, f−
The linearity of θ can be evaluated in detail. At the same time as Expression (5), the value of the variable is optimized so as to minimize the evaluation function as in Expression (6).

【0057】また、焦点距離、レンズの厚み範囲などの
拘束条件についても、評価関数の中に組み込んで良い。
焦点距離fを目的の値、例えば127mmとするため
に、 e1 =(f−127)2 (7) によって表される評価関数を取ることができる。レンズ
の厚みtを目的の範囲、例えば3.5mm以上15mm
以下とするためには、評価関数として、 e2 =α(t−3.5)2 +β(t−15)2 (8) を取る。但し係数αは、t>3.5mmのときα=0、
t≦3.5mmの時α=1の値を取るものとする。同じ
く係数βはt<15mmのときβ=0、t≧15mmの
ときβ=1の値を取るものとする。だからこれは厚みt
が3.5mm〜15mmでは0となり、この範囲をはず
れると正の値になる。このように拘束条件をも評価関数
によって表現できる。このような拘束条件に関する評価
関数ec (e1 ,e2 ,…)をそれぞれ適当な重みwc
を掛けて足し合わせることにより、全ての拘束条件に関
する評価関数Eにまとめ、 Ec =Σwcc (9) となる。
Further, constraints such as the focal length and the thickness range of the lens may be incorporated in the evaluation function.
In order to set the focal length f to a target value, for example, 127 mm, an evaluation function represented by e 1 = (f-127) 2 (7) can be taken. Set the thickness t of the lens to a target range, for example, 3.5 mm or more and 15 mm.
In order to make the following, e 2 = α (t−3.5) 2 + β (t−15) 2 (8) is taken as the evaluation function. However, the coefficient α is α = 0 when t> 3.5 mm,
When t ≦ 3.5 mm, α = 1. Similarly, the coefficient β assumes a value of β = 0 when t <15 mm and a value of β = 1 when t ≧ 15 mm. So this is the thickness t
Is 0 in the range of 3.5 mm to 15 mm, and becomes a positive value outside this range. As described above, the constraint condition can also be expressed by the evaluation function. The evaluation function e c (e 1 , e 2 ,...) Relating to such a constraint condition is set to an appropriate weight w c
The by summing over, summarized in the evaluation function E c for all of the constraints, the E c = Σw c e c ( 9).

【0058】以上に示したような、3つの評価関数
(5)、(6)、(9)の総和を取って統合評価関数を
完成させる。適当な重みwA 、wL 、wC を掛けて総和
を取る。統合評価関数Eは E=wA Σwkk +wLL +wCC (10) となる。重みwA 、wL 、wC は、Σwkk 、EL
C の各評価関数をバランス良く最小化させるように働
く。ここでは単純にwA =wL =wC =1として E=Σwkk +EL +EC (11) とする。この統合評価関数を最小化するように変数を最
適化する計算を行う。最適解を求めることにより、各状
態での光線収差に加え、f−θ直線性、拘束条件のそれ
ぞれについて、最も良好となるパラメータ値の組が求め
られる。
The integrated evaluation function is completed by taking the sum of the three evaluation functions (5), (6), and (9) as described above. Multiply by the appropriate weights w A , w L , and w C and take the sum. Integrated evaluation function E becomes E = w A Σw k E k + w L E L + w C E C (10). The weights w A , w L , w C are given by Σw k E k , E L ,
It works to minimize each evaluation function of E C in a well-balanced manner. Here, it is simply assumed that w A = w L = w C = 1 and E = Σw k E k + E L + E c (11). Calculation for optimizing variables so as to minimize the integrated evaluation function is performed. By finding the optimal solution, the best set of parameter values is obtained for each of the f-θ linearity and the constraint condition in addition to the ray aberration in each state.

【0059】まず従来の方法に従ってS0 の場合の最適
設計をする。評価関数はE=E0 +EL +EC である。
図8にこれを示す。光源から出た光はポリゴンミラーや
ガルバノメータミラーなどの偏向装置により偏向され
て、それにより決まる入射角度でレンズに入射し、レン
ズによって絞られて像面に収束する。ここでは3つの偏
向された光を例として示すが、この数は任意である。レ
ンズの曲率、厚みなどが変数になる。レンズが2つ以上
あればレンズ間隔も変数である。レンズの形状、寸法な
どに一定の制限条件が課されているのでその範囲で変数
を様々に変化させる。これはディセンタも曲率半径など
も誤差を与えずに、従来法に従って評価関数を計算す
る。評価関数が最小になる変数の(最適)値を求める。
これから変数の公差を求めるものである。それによると
ディセンタ公差は±40μmであった。第1レンズの曲
率半径公差は±0.066%である。いずれの公差も小
さいものであって製造困難である。
First, an optimal design for S 0 is performed according to the conventional method. The evaluation function is E = E 0 + E L + E C.
FIG. 8 illustrates this. Light emitted from the light source is deflected by a deflecting device such as a polygon mirror or a galvanometer mirror, enters a lens at an incident angle determined thereby, is converged by the lens, and converges on an image plane. Here, three deflected lights are shown as an example, but this number is arbitrary. The curvature and thickness of the lens are variables. If there are two or more lenses, the lens spacing is also a variable. Since certain restrictions are imposed on the shape, dimensions, and the like of the lens, variables are variously changed within the range. In this method, the evaluation function is calculated according to the conventional method without giving any error to the decenter and the radius of curvature. Find the (optimum) value of the variable that minimizes the evaluation function.
This is to find the tolerance of the variable. As a result, the decenter tolerance was ± 40 μm. The radius of curvature tolerance of the first lens is ± 0.066%. Both tolerances are small and difficult to manufacture.

【0060】[実施例1(±160μmのディセン
タ)]ディセンタ誤差の無いS0 状態の他に2つの誤差
付与状態を考える。図9に説明図を示す。光学系の変数
として、レンズの前面後面の曲率、レンズ厚、レンズ間
隔などがある。ディセンタがない場合を左に示す。光源
からの光線がレンズによって3つの位置に収斂される。
それの評価関数をE0 とする。この場合は波面収差では
なくて光線収差を採用している。入射角度は例えば0
度、8度、16度の方向である。
Embodiment 1 (Decenter of ± 160 μm) In addition to the S 0 state having no decenter error, two error giving states will be considered. FIG. 9 shows an explanatory diagram. The variables of the optical system include the curvature of the front and rear surfaces of the lens, the lens thickness, the lens interval, and the like. The case without decenter is shown on the left. Light rays from the light source are converged by the lens into three positions.
Let its evaluation function be E 0 . In this case, ray aberration is adopted instead of wavefront aberration. The incident angle is, for example, 0
Degrees, 8 degrees and 16 degrees.

【0061】ディセンタ誤差±160μmを与えた状態
をS1 (−160μm),S2 (+160μm)とす
る。これらについても光線収差を採用する。それぞれの
場合の評価関数をE0 、E1 、E2 とする。それぞれの
状態に対して光学変数を与える。形状、寸法などに制限
条件が課されている。制限条件内で変数を変えて、統合
評価関数E=E0 +E1 +E2 +EL +EC を計算し
(wk =1;k=0,1,2)これを最小にする変数の
組を求めた。その場合のディセンタ公差は公差解析の結
果±202μmであった。公差が約5倍に大きくなるの
で製造が容易になる。それだけでなく性能も向上する。
S 1 (−160 μm) and S 2 (+160 μm) when the decenter error ± 160 μm is given. Ray aberration is also adopted for these. The evaluation functions in each case are E 0 , E 1 , and E 2 . Optical variables are given for each state. Restrictions are imposed on the shape and dimensions. By changing the variables within the restriction conditions, the integrated evaluation function E = E 0 + E 1 + E 2 + E L + E C is calculated (w k = 1; k = 0, 1, 2). I asked. The decenter tolerance in that case was ± 202 μm as a result of the tolerance analysis. The manufacturing becomes easy because the tolerance is increased about five times. Not only that, but performance is also improved.

【0062】図20は従来法によって無誤差状態の評価
関数を最小化して求めた光学パラメータによって決まる
f−θレンズについて、特性をシミュレーションにより
解析評価した結果の一例である。
FIG. 20 shows an example of the result of analyzing and evaluating the characteristics of the f-θ lens determined by the optical parameters obtained by minimizing the evaluation function in the error-free state by the conventional method.

【0063】[0063]

【表1】 [Table 1]

【0064】[0064]

【表2】 [Table 2]

【0065】製造誤差としてディセンタ誤差160μm
を賦与し、そのときの像面での集光スポットの強度分布
を等高線で示したものである。これは図18のJ点、K
点、M点、即ち入射角度が0度、8度、16度の場合に
ついて、点像強度分布関数(point spread function )
を計算した結果である。図20で、集光スポットの強度
は、中心が高く、外に広がるに従って低くなる、鋭い山
の形を等高線で表示している。0度(J点)のスポット
は殆ど真円に近い等高線になっている。それに対して、
16度(M点)のスポットは、楕円形に長く歪んでい
る。これは、設定したディセンタ誤差160μmによっ
て、M点のように、入射角度が大きくなるにつれてスポ
ットが歪んでしまい、良好な特性が得られない事を示し
ている。
As a manufacturing error, a decenter error is 160 μm.
Is given, and the intensity distribution of the condensed spot on the image plane at that time is shown by contour lines. This is the point J, K in FIG.
Point spread function (point spread function) for points M and M, that is, when the incident angles are 0 degrees, 8 degrees, and 16 degrees.
Is the result of calculating. In FIG. 20, the intensity of the condensed spot is represented by a contour line with a sharp mountain shape that is higher at the center and lower as it spreads out. The spot at 0 degrees (point J) is a contour line almost close to a perfect circle. On the other hand,
The spot at 16 degrees (point M) is long and elliptical. This indicates that, due to the set decenter error of 160 μm, the spot is distorted as the incident angle increases, as at point M, and good characteristics cannot be obtained.

【0066】一方、図21は本発明によってディセンタ
誤差±160μmを賦与した誤差状態を設定した統合評
価関数を取り、それを最小化して求めた光学パラメータ
によって決まるf−θレンズについて、上記と同じよう
にディセンタ誤差160μmを設定し特性をシミュレー
ションした結果である。
On the other hand, FIG. 21 shows an integrated evaluation function in which an error state in which a decenter error ± 160 μm is given according to the present invention is set, and the f-θ lens determined by the optical parameter obtained by minimizing the integrated evaluation function is the same as described above. Is a result of simulating characteristics by setting a decenter error of 160 μm.

【0067】[0067]

【表3】 [Table 3]

【0068】[0068]

【表4】 [Table 4]

【0069】このレンズでは、ディセンタの公差が±2
02μmまで緩くなっているので、160μmのディセ
ンタ誤差があっても、入射角度0度、8度、16度のい
ずれのスポットも歪まず真円形の回転対称な等高線を描
いている。図20の従来法と比較すると、本発明の優れ
ている事が分かる。
This lens has a decenter tolerance of ± 2.
Since the spots are loosened to 02 μm, even if there is a decenter error of 160 μm, any of the spots at the incident angles of 0 °, 8 °, and 16 ° does not distort and draws a true circular rotationally symmetric contour. It can be seen that the present invention is superior to the conventional method shown in FIG.

【0070】[実施例2(±160μmのディセンタ誤
差と±1%の曲率半径誤差;その1)]ディセンタ誤差
±160μmに加えて、第1レンズの第1面の曲率半径
に±1%の誤差を賦与した。
Example 2 (± 160 μm decenter error and ± 1% radius of curvature error; part 1) In addition to ± 160 μm decenter error, ± 1% error in the radius of curvature of the first surface of the first lens Was given.

【0071】[0071]

【表5】 [Table 5]

【0072】[0072]

【表6】 [Table 6]

【0073】S1 (−160μm)、S2 (+160μ
m)、S3 (−1%)、S4 (+1%)とS0 を加えた
5つの状態について評価関数E=E0 +E1 +E2 +E
3 +E4 +EL +EC を計算しこれを最小にする変数の
組を求めた。この場合の第1レンズの第1面の曲率半径
公差は±0.770%となった。S0 の状態のみ扱う従
来設計の公差の10倍以上に増えているからより製造容
易になる。また、ディセンタの公差も±180μmとな
り、従来設計の±40μmよりも大きく緩和された。
S 1 (-160 μm), S 2 (+160 μm)
m), S 3 (−1%), S 4 (+ 1%) and S 0 , the evaluation function E = E 0 + E 1 + E 2 + E
3 + E 4 + E L + E C was calculated, and a set of variables that minimized this was determined. In this case, the curvature radius tolerance of the first surface of the first lens was ± 0.770%. It is more easily manufactured because increasing more than 10 times that of the conventional design tolerances handle only states of S 0. In addition, the tolerance of the decenter is also ± 180 μm, which is more relaxed than ± 40 μm of the conventional design.

【0074】[実施例3(±160μmのディセンタ誤
差と±1%の曲率半径誤差;その2)]ディセンタ誤差
±160μmと同時に第1レンズの第1面の曲率半径に
±1%の誤差を与えた。
Example 3 (± 160 μm decenter error and ± 1% curvature radius error; part 2) Simultaneously with ± 160 μm decenter error, ± 1% error is given to the radius of curvature of the first surface of the first lens. Was.

【0075】[0075]

【表7】 [Table 7]

【0076】[0076]

【表8】 [Table 8]

【0077】S1 (−160μm、−1%)、S2 (+
160μm、+1%)とS0 を加えた3つの状態につい
て評価関数E=E0 +E1 +E2 +EL +EC を計算し
これを最小にする変数の組を求めた。この場合、ディセ
ンタ公差は±201μmに、第1レンズの第1面の曲率
半径公差は±0.645%となった。S0 の状態のディ
センタ公差の約5倍の公差になり、曲率半径については
約10倍に増えているからより製造容易になる。
S 1 (-160 μm, -1%), S 2 (+
(160 μm, + 1%) and S 0 were added, and an evaluation function E = E 0 + E 1 + E 2 + E L + E C was calculated, and a set of variables minimizing this was obtained. In this case, the decenter tolerance was ± 201 μm, and the curvature radius tolerance of the first surface of the first lens was ± 0.645%. The tolerance is about 5 times the decenter tolerance in the state of S 0 , and the radius of curvature is increased to about 10 times, so that manufacturing becomes easier.

【0078】[実施例4(±0.2mmのレンズ厚み、
レンズ間隔誤差)]これまでに述べたものはディセンタ
誤差とレンズの曲率半径の誤差に関するものであった。
次にレンズ厚みとレンズ間隔に誤差を与えて評価関数を
作ってこれを最小化した。
Example 4 (± 0.2 mm lens thickness,
Lens spacing error)] The above description relates to the decenter error and the error in the radius of curvature of the lens.
Next, an error was given to the lens thickness and the lens interval to create an evaluation function, which was minimized.

【0079】[0079]

【表9】 [Table 9]

【0080】[0080]

【表10】 [Table 10]

【0081】誤差を与えた状態は6つある。第1レンズ
の厚みについて±0.2mmの誤差を付与した状態がS
1 、S2 、レンズ間隔に±0.2mmの誤差を与えた状
態がS3 、S4 である。第2レンズ厚みに±0.2mm
の誤差を与えた状態がS5 、S6 である。そして、統合
評価関数E=E0 +E1 +E2 +E3 +E4 +E5 +E
6 +EL +EC を最小にするような変数の組を求めた。
0 を最小にするだけの変数の組の場合は、レンズ厚
み、間隔の公差が±0.08mmであったが、6つの誤
差を含む状態の統合評価関数を最小にする変数の組で
は、厚み間隔の公差が±0.23mmに増大した。公差
が約3倍になっているのでより製造容易な訳である。
There are six states where an error is given. The state where an error of ± 0.2 mm is given to the thickness of the first lens is S
S 3 and S 4 are states where an error of ± 0.2 mm is given to 1 , S 2 and the lens interval. ± 0.2 mm for the thickness of the second lens
State that gave the error is S 5, S 6. Then, the integrated evaluation function E = E 0 + E 1 + E 2 + E 3 + E 4 + E 5 + E
A set of variables that minimized 6 + E L + E C was determined.
In the case of a set of variables that only minimizes E 0 , the tolerance of the lens thickness and the interval was ± 0.08 mm, but in the set of variables that minimizes the integrated evaluation function including six errors, The tolerance of the thickness interval has increased to ± 0.23 mm. This is easier to manufacture because the tolerance is tripled.

【0082】[実施例5(±0.02の屈折率誤差)]
第1レンズ、第2レンズともにZnSeの赤外光用の材
料を使う。屈折率は2.403とするのが通常である
が、これに対して±0.02の屈折率誤差を付与した状
態を考える。
Example 5 (Refractive index error of ± 0.02)
For both the first lens and the second lens, a material for infrared light of ZnSe is used. The refractive index is usually set to 2.403, but a state where a refractive index error of ± 0.02 is given to this is considered.

【0083】[0083]

【表11】 [Table 11]

【0084】[0084]

【表12】 [Table 12]

【0085】S0 は屈折率誤差のない状態である。S1
は第1レンズの屈折率に+0.02の誤差がある状態、
2 は第1レンズの屈折率に−0.02の誤差がある状
態、S3 は第2レンズの屈折率に+0.02の誤差を与
えた状態、S4 は第2レンズの屈折率に−0.02の誤
差を与えた状態である。これらの5つの状態の評価関数
をEj (j=0,…,4)とする。統合評価関数E=E
0 +E1 +E2 +E3+E4 +EL +EC を最小にする
光学変数を求めた。誤差を与えないS0 最小として求め
た変数に対して屈折率公差は±0.00782である
が、統合評価関数を最小にする変数に対する屈折率公差
は±0.0115であった。約5割増加している。
S 0 is a state where there is no refractive index error. S 1
Is a state where the refractive index of the first lens has an error of +0.02,
S 2 is a state in which the refractive index of the first lens has an error of -0.02, S 3 state gave an error of +0.02 to the refractive index of the second lens, S 4 are the refractive index of the second lens This is a state where an error of −0.02 is given. The evaluation functions of these five states are E j (j = 0,..., 4). Integrated evaluation function E = E
Optical variables that minimize 0 + E 1 + E 2 + E 3 + E 4 + E L + E C were determined. The refractive index tolerance was ± 0.00782 for the variable determined as the S 0 minimum that does not give an error, while the refractive index tolerance for the variable that minimized the integrated evaluation function was ± 0.0115. It has increased by about 50%.

【0086】[実施例6(±0.2mmのレンズ厚み間
隔誤差と±10分のティルト誤差)]実施例4のレンズ
厚み、間隔に加えて、レンズのティルト誤差として±1
0分を賦与したものを考える。実施例4ではレンズ厚
み、間隔の公差が緩くなったが、逆にティルトの公差は
従来法の±10.7分に対し、実施例4で±3.8分に厳
しくなった。そこで、本実施例では、レンズ厚み、間隔
に加えティルトの誤差も賦与して、それらすべての公差
が増大することを示す。
Example 6 (± 0.2 mm lens thickness interval error and ± 10 minute tilt error) In addition to the lens thickness and interval of Example 4, ± 1 is set as the lens tilt error.
Consider what has been given 0 minutes. In the fourth embodiment, the tolerances of the lens thickness and the interval are loosened, but the tolerance of the tilt is strictly ± 3.8 minutes in the fourth embodiment, compared with ± 10.7 minutes in the conventional method. Therefore, in the present embodiment, it is shown that an error of the tilt is given in addition to the lens thickness and the interval, and that all the tolerances are increased.

【0087】[0087]

【表13】 [Table 13]

【0088】[0088]

【表14】 [Table 14]

【0089】S1 〜S6 は実施例4と同じである。S
1 、S2 は第1レンズの厚みについて±0.2mmの誤
差を付与した状態、S3 ,S4 はレンズ間隔に±0.2
mmの誤差を与えた状態である。S5 、S6 は第2レン
ズ厚みに±0.2mmの誤差を与えた状態である。S7
は第1レンズに+10分のティルト誤差を賦与したもの
である。S8 は第1レンズに−10分のティルト誤差を
賦与した状態である。S 9 は第2レンズに+10分のテ
ィルト誤差を与えた状態、S10は第2レンズに−10分
のティルト誤差を与えたものである。それらの評価関数
として、E1 〜E 10を対応させ、統合評価関数E=E0
+E1 +……+E9 +E10+EL +EC を考える。ティ
ルト誤差を賦与していない評価関数E=E0 +E1 +…
…+E6 +EL +EC の実施例4の場合ティルト公差は
±3.8分であった。ここでティルト誤差±10分を加
えると、ティルト公差が±8.1分に増加した。約2倍
に増えているので製造容易である。レンズ厚み、レンズ
間隔の公差は±0.25mmになった。
S1 ~ S6 Is the same as in the fourth embodiment. S
1 , STwo Is an error of ± 0.2 mm for the thickness of the first lens.
State with difference, SThree , SFourIs ± 0.2 for lens spacing
mm is given. SFive , S6 Is the second ren
This is a state in which an error of ± 0.2 mm has been given to the gap thickness. S7 
Is the first lens with a +10 minute tilt error
It is. S8 Gives a -10 minute tilt error to the first lens
This is the state that has been granted. S 9 Is +10 minutes for the second lens.
State with tilt error, STenIs -10 minutes for the second lens
Is given. Their evaluation function
As E1 ~ E TenAnd the integrated evaluation function E = E0
+ E1 + ... + E9 + ETen+ EL + EC think of. Tea
Evaluation function E = E with no default error0 + E1 + ...
… + E6 + EL + EC In the case of the fourth embodiment, the tilt tolerance is
± 3.8 minutes. Here, a tilt error ± 10 minutes is added.
As a result, the tilt tolerance increased to ± 8.1 minutes. About twice
It is easy to manufacture. Lens thickness, lens
The tolerance of the interval became ± 0.25 mm.

【0090】[実施例7(±5分のウエッジ誤差)]第
2レンズのウエッジ誤差として±5分を設定した。
Example 7 (Wedge Error of ± 5 Minutes) ± 5 minutes was set as the wedge error of the second lens.

【0091】[0091]

【表15】 [Table 15]

【0092】[0092]

【表16】 [Table 16]

【0093】S1 は+5分のウエッジ誤差を賦与した状
態である。S2 は−5分のウエッジ誤差を賦与した状態
である。従来法E0 だけの評価ではウエッジ誤差は±
1.9分であった。E=E0 +E1 +E2 +EL +EC
を最小にすることによってウエッジ公差が±2.7分に
改善された。0.8分拡大するので製造容易になる。
[0093] S 1 is in a state of being endowed with wedge error of + 5 minutes. S 2 is a state in which endow wedge error of -5 minutes. Wedge error in the evaluation of only the conventional method E 0 is ±
It was 1.9 minutes. E = E 0 + E 1 + E 2 + E L + E C
Minimizing the wedge tolerance was improved to ± 2.7 minutes. The production becomes easy because it is enlarged by 0.8 minutes.

【0094】[実施例8(屈折率分布の不均一性)]レ
ンズは一定の屈折率を持つと仮定して計算してきた。屈
折率全体の揺らぎについては実施例5で±0.02の誤
差を賦与したものを説明した。ここでは一様な屈折率の
揺らぎではなくて空間的な不均一性を扱う。
[Embodiment 8 (Nonuniformity of refractive index distribution)] Calculations have been made on the assumption that the lens has a constant refractive index. As for the fluctuation of the entire refractive index, the example in which the error of ± 0.02 was given in the fifth embodiment was described. Here, spatial non-uniformity is treated instead of uniform refractive index fluctuation.

【0095】[0095]

【表17】 [Table 17]

【0096】[0096]

【表18】 [Table 18]

【0097】第2レンズにつぎの式で表現されるような
半径に依存する屈折率不均一があるとする。
It is assumed that the second lens has a non-uniform refractive index depending on the radius as expressed by the following equation.

【0098】 n=n0 +Ar2 +Br4 (r=(x2 +y21/2 ) (12) n0 =2.403 S0 はA=0、B=0の屈折率均一状態である(n=n
0 )。S1 はA=+5×10-7、B=−4×10-10
屈折率不均一の状態である。S2 はA=−5×10-7
B=+4×10-10 の屈折率不均一の状態である。S0
だけの評価関数E0 を最小化したものでは屈折率不均一
(inhomogeneity )の公差が±0.0000193であ
った。本発明に従って、統合評価関数E=E0 +E1
2 +EL +EC を最小化して変数を最適化したもの
は、屈折率不均一性公差は±0.0000267に改善
された。約4割公差が増大した事になる。
N = n 0 + Ar 2 + Br 4 (r = (x 2 + y 2 ) 1/2 ) (12) n 0 = 2.403 S 0 is a state in which the refractive index is uniform at A = 0 and B = 0. (N = n
0 ). S 1 is a non-uniform refractive index state where A = + 5 × 10 −7 and B = −4 × 10 −10 . S 2 is A = −5 × 10 −7 ,
B = + 4 × 10 −10 with non-uniform refractive index. S 0
When only the evaluation function E 0 was minimized, the tolerance of the refractive index inhomogeneity was ± 0.0000193. According to the present invention, the integrated evaluation function E = E 0 + E 1 +
The optimization of the variables by minimizing E 2 + E L + E C improved the index non-uniformity tolerance to ± 0.0000267. This means that the tolerance has increased by about 40%.

【0099】[実施例9(非球面レンズ)]次に単純な
非球面レンズの集光レンズを例に、実施例1〜8とは異
なるパラメータに誤差を賦与して評価関数を設定し、そ
れを最小化するような変数を求める事で、f−θレンズ
の場合同様公差が大きくなる事を示す。
Ninth Embodiment (Aspherical Lens) Next, taking a simple aspherical lens as an example, an evaluation function is set by giving an error to parameters different from those in the first to eighth embodiments. By finding a variable that minimizes, it is shown that the tolerance increases as in the case of the f-θ lens.

【0100】(A)初期レンズ設定。 レンズ枚数1枚 材質ZnSe(屈折率n=2.40
3) 第1面は凸面の非球面、第2面は凹面の球面。 波長 10.6μm 入射瞳径 φ50.8mm 入射角度 0度(垂直入射のみ) レンズは、ZnSe製でメニスカス形状を有し、第1面
が非球面である。入射光は波長10.6μmの赤外光で
平行光が垂直入射するのみである。
(A) Initial lens setting. Number of lenses 1 Material ZnSe (refractive index n = 2.40
3) The first surface is a convex aspheric surface, and the second surface is a concave spherical surface. Wavelength 10.6 μm Entrance pupil diameter φ50.8 mm Incident angle 0 ° (only vertical incidence) The lens is made of ZnSe and has a meniscus shape, and the first surface is aspherical. The incident light is only infrared light having a wavelength of 10.6 μm and parallel light is perpendicularly incident.

【0101】(B)変数設定 第1、第2面の曲率半径、非球面係数(k、α1 、α
2 、α3 、α4 )、厚み、像面位置を変数とする。
(B) Variable setting The radii of curvature of the first and second surfaces and the aspheric coefficients (k, α 1 , α
2 , α 3 , α 4 ), thickness, and image plane position are variables.

【0102】(C)拘束条件 焦点距離 95.25mm レンズ厚み 3mm以上12mm以下 面精度の誤差(Fringes Irregularity)を問題にする。
これは理想曲面からのズレである。波長0.633μm
のHe−Neレ−ザを基準波長として適当な干渉計を用
いて測定することができる。ズレの大きさを干渉縞の本
数で表す。例えば図15に示すようにx軸方向とy軸方
向の断面それぞれで曲率のズレがある場合を考える。こ
こでレンズの軸をz軸とし、z軸に垂直な面内にX軸、
Y軸をとる。すなわち回転対称でないシリンドリカルな
歪が生じている。このとき、干渉縞は図16のようにな
る。縦方向と横方向の縞の本数の差を取って面の歪を表
す。
(C) Constraint Conditions Focal length 95.25 mm Lens thickness 3 mm or more and 12 mm or less The problem of surface precision error (Fringes Irregularity) is a problem.
This is a deviation from the ideal curved surface. Wavelength 0.633 μm
Can be measured using an appropriate interferometer with the He-Ne laser as a reference wavelength. The magnitude of the deviation is represented by the number of interference fringes. For example, consider a case where there is a deviation in curvature in each of the cross sections in the x-axis direction and the y-axis direction as shown in FIG. Here, the axis of the lens is the z axis, and the X axis is in a plane perpendicular to the z axis.
Take the Y axis. That is, cylindrical distortion that is not rotationally symmetric occurs. At this time, the interference fringes are as shown in FIG. The difference between the number of stripes in the vertical direction and the number of stripes in the horizontal direction is expressed as surface distortion.

【0103】[0103]

【表19】 [Table 19]

【0104】[0104]

【表20】 [Table 20]

【0105】面精度誤差を含まない状態S0 のみを含め
た評価関数E=E0 +Ec を最小にする変数の組(従来
例2)では、面精度公差は±2.97本であった。
In the set of variables minimizing the evaluation function E = E 0 + E c including only the state S 0 not including the surface accuracy error (conventional example 2), the surface accuracy tolerance was ± 2.97 lines. .

【0106】本発明の思想に従って、±5本の縞本数が
現れるようなシリンドリカルな面精度誤差のある状態S
1 、S2 を仮定し、これらの評価関数E1 、E2 を加え
た統合評価関数E=E0 +E1 +E2 +Ec を最小にす
る変数を求めた(実施例9)。
According to the concept of the present invention, a state S having a cylindrical surface precision error such that ± 5 stripes appear.
1, assuming S 2, it was determined these evaluation functions E 1, E 2 integrated evaluation function E = E 0 + E 1 + E 2 + E c a to minimize variables added (Example 9).

【0107】[0107]

【表21】 [Table 21]

【0108】[0108]

【表22】 [Table 22]

【0109】これによると面精度の公差は±4.67本
にまで改善された。
According to this, the tolerance of the surface accuracy was improved to ± 4.67 lines.

【0110】[0110]

【発明の効果】本発明は、光学パラメータのうち一つあ
るいは複数のパラメータPi について±δの誤差を含ま
せた状態S1 、S2 …を考えこれらの評価関数E1 、E
2 、…を無誤差状態S0 の評価関数E0 に加えた統合評
価関数E0 +E1 +E2 …を作り、変数を変えながら、
これを最小にする変数を探すようになっている。誤差を
賦与した状態を考えたパラメータPi については公差が
広がる。公差が大きくなるので製造容易になる。
The present invention considers states S 1 , S 2 ... In which an error of ± δ is included in one or a plurality of parameters P i among the optical parameters, and evaluates these evaluation functions E 1 , E 2.
2, integrated assessment was added to the ... to the evaluation function E 0 of the non-error state S 0 function E 0 + E 1 + E 2 ... to make a, while changing the variable,
It looks for variables that minimize this. The parameters P i thought the state was endowed with error is spread tolerance. Manufacturing becomes easy because the tolerance is increased.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】レンズ設計法の概略説明図。FIG. 1 is a schematic explanatory view of a lens design method.

【図2】平面波がレンズによって球面波に変換された場
合の波面の変化を示す図。
FIG. 2 is a diagram showing a change in wavefront when a plane wave is converted into a spherical wave by a lens.

【図3】理想の波面からの実際の波面の食い違いが波面
収差であることを説明する図。
FIG. 3 is a view for explaining that a difference between an actual wavefront and an ideal wavefront is a wavefront aberration.

【図4】光学系変数の関数として性能が変動するが変数
の変化が僅かな場合でも性能変化が大きい時と、変数変
化が大きくても性能低下が少ない時があることを説明す
る図。
FIG. 4 is a diagram for explaining that performance varies as a function of an optical system variable, but there is a case where a performance change is large even when a change of a variable is small, and a case where performance degradation is small even when a variable change is large.

【図5】光学系の性能が製造誤差とともに減少するが性
能低下がある基準値までは許容されるとしその誤差を公
差とする事を説明するグラフ。
FIG. 5 is a graph illustrating that the performance of an optical system decreases with a manufacturing error, but the performance is allowed to be reduced to a reference value, and the error is used as a tolerance.

【図6】従来法に従って、誤差を与えない評価関数E0
で光学パラメータを決定した時は公差が小さくなること
を説明する図。
FIG. 6 shows an evaluation function E 0 giving no error according to a conventional method.
FIG. 4 is a diagram for explaining that a tolerance is reduced when an optical parameter is determined in FIG.

【図7】本発明の思想に従っていくつかのパラメータに
誤差を与えて、誤差を含む状態の評価関数を、誤差を含
まない評価関数に加えた統合評価関数を最小にするよう
にパラメータを選んだ場合に公差が広がり、製造容易に
なることを説明する図。
FIG. 7 shows an example in which some parameters are given errors according to the concept of the present invention, and parameters are selected so that an evaluation function in a state including an error and an integrated evaluation function added to an evaluation function containing no error are minimized. FIG. 7 is a diagram for explaining that tolerances are widened in the case and manufacturing becomes easy.

【図8】誤差を賦与しない状態の評価関数E0 を最小に
することによって光学パラメータを求める従来法の手順
を説明する図。
FIG. 8 is a view for explaining a procedure of a conventional method for obtaining an optical parameter by minimizing an evaluation function E 0 in a state where no error is given.

【図9】±δのディセンタ誤差を賦与した状態の評価関
数E1 、E2 を、誤差を与えない状態の評価関数E0
加えた統合評価関数を作りこれを最小化することによっ
てパラメータを決める本発明の手順を説明する図。
FIG. 9 shows an integrated evaluation function obtained by adding the evaluation functions E 1 and E 2 in a state where a decenter error of ± δ is given to an evaluation function E 0 in a state where no error is given, and minimizing the integrated function to set parameters. The figure explaining the procedure of this invention to determine.

【図10】誤差を与えない状態の評価関数を最小化して
パラメータを決定する従来の方法によると、製造誤差が
わずかであっても収差の増加が著しくて公差が広く取れ
ないということを説明するグラフ。横軸は製造誤差であ
りさまざまなパラメータの誤差を纏めて表現している。
FIG. 10 explains that according to the conventional method of determining a parameter by minimizing an evaluation function in a state where no error is given, even if a manufacturing error is slight, an aberration increases significantly and a wide tolerance cannot be obtained. Graph. The abscissa represents the manufacturing error, which expresses the errors of various parameters collectively.

【図11】誤差を与えた状態の評価関数と誤差のない状
態の評価関数とを加えた統合評価関数を最小化してパラ
メータを決定する本発明の方法によれば、製造誤差が多
少有っても収差の増加は僅かであり、公差を広くとれる
ことを説明するグラフ。横軸は製造誤差でありさまざま
なパラメータの誤差を纏めて表現している。縦軸は収差
であるがこれは性能一般に拘る収差を示し光線追跡に於
ける位置のズレや波面収差など適当な収差を選ぶことが
できる。
FIG. 11 shows a method according to the present invention for determining a parameter by minimizing an integrated evaluation function obtained by adding an evaluation function in an error-given state and an evaluation function in an error-free state; Is a graph for explaining that the increase in aberration is slight and the tolerance can be widened. The abscissa represents the manufacturing error, which expresses the errors of various parameters collectively. The vertical axis indicates the aberration, which indicates an aberration related to the performance in general, and an appropriate aberration such as a positional deviation or a wavefront aberration in ray tracing can be selected.

【図12】誤差を賦与した状態についての評価関数を用
いる本発明の設計方法の流れを説明する図。
FIG. 12 is a view for explaining the flow of the design method of the present invention using an evaluation function for a state where an error is given.

【図13】2枚のレンズの軸がずれた状態を示す図。こ
れがディセンタ誤差である。
FIG. 13 is a diagram showing a state where axes of two lenses are shifted. This is the decenter error.

【図14】(1)は2枚のレンズのうち一方のレンズ光
軸が傾いた状態を示す図。ティルト誤差である。(2)
はレンズの厚みが均一でなくて楔型に変化している状態
を示す図。これがウエッジである。
FIG. 14A is a diagram illustrating a state in which the optical axis of one of two lenses is inclined. This is the tilt error. (2)
FIG. 4 is a diagram showing a state in which the thickness of the lens is not uniform and changes in a wedge shape. This is the wedge.

【図15】シリンドリカルな面の歪を示すグラフ。実線
は理想のレンズ曲面を示し、破線が実際のレンズ曲面を
示す。曲面であるから2次元的な広がりをもつ。ここで
はxz断面と、yz断面をしめす。y方向には理想曲面
どおりであるが、x方向には理想曲面からずれていると
いう有り様を示す。
FIG. 15 is a graph showing distortion of a cylindrical surface. A solid line indicates an ideal lens curved surface, and a broken line indicates an actual lens curved surface. Since it is a curved surface, it has a two-dimensional spread. Here, an xz section and a yz section are shown. This indicates that the surface is the same as the ideal curved surface in the y direction, but deviates from the ideal curved surface in the x direction.

【図16】図15のようなx方向に曲面のずれをもつレ
ンズのHe−Neレ−ザ(波長λ=0.633μm)に
よる干渉縞を示す。
FIG. 16 shows interference fringes by a He-Ne laser (wavelength λ = 0.633 μm) of a lens having a curved surface shifted in the x direction as shown in FIG.

【図17】第1面が凸面(非球面)、第2面が凹面(球
面)である非球面レンズにおいて平行光が一点に収斂さ
れることを示す図。
FIG. 17 is a diagram showing that parallel light is converged at one point in an aspheric lens having a first surface that is convex (aspheric surface) and a second surface that is concave (spherical).

【図18】f−θレンズにおいて0度、8度、16度の
入射角度でレンズに入射した光が像面上にそれぞれ異な
る位置へ収斂される様子を示す図。
FIG. 18 is a diagram showing a state in which light incident on the lens at angles of incidence of 0 °, 8 °, and 16 ° in the f-θ lens is converged to different positions on the image plane.

【図19】f−θレンズの実施例に於いて入射瞳内に1
8本の光線を取る例を示す図。
FIG. 19 shows an example of an f-θ lens in the entrance pupil.
The figure which shows the example which takes eight light rays.

【図20】従来法にしたがって誤差を与えない状態S0
の評価関数E0 を最小にすることによって求められた光
学パラメータによって決定されるf−θレンズに160
μmのディセンタ誤差を与えた場合に、0゜、8゜、1
6゜の各入射角度について像面上での集光スポットの強
度分布を等高線によって示す図。
FIG. 20 shows a state S 0 in which no error is given according to the conventional method.
Of the f-θ lens determined by the optical parameters obtained by minimizing the evaluation function E 0 of
When a decenter error of μm is given, 0 °, 8 °, 1 °
The figure which shows the intensity distribution of the condensed spot on an image plane for each incident angle of 6 degrees by a contour line.

【図21】本発明にしたがって、ディセンタ誤差を与え
た誤差状態の評価関数E1 、E2 を、誤差を与えない状
態S0 の評価関数E0 に加えた統合評価関数Eを最小に
することによって求められた光学パラメータによって決
定されるf−θレンズに160μmのディセンタ誤差を
加えた場合に、0゜、8゜、16゜の各入射角度につい
て像面上での集光スポットの強度分布を等高線によって
示す図。
According FIG. 21 the present invention, to the evaluation function E 1, E 2 of the error state gave decenter error, minimizes the integrated evaluation function E was added to the evaluation function E 0 state S 0 which does not give error When a decenter error of 160 μm is added to the f-θ lens determined by the optical parameters determined by the above, the intensity distribution of the condensed spot on the image plane is obtained for each of the incident angles of 0 °, 8 °, and 16 °. The figure shown by a contour line.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02B 13/00 G06F 17/50 JICSTファイル(JOIS) [レンズ*設計*評価関数*公差]──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) G02B 13/00 G06F 17/50 JICST file (JOIS) [Lens * design * evaluation function * tolerance]

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 光学系を決定する全ての光学パラメータ
に関し誤差の無い状態S0 のパラメータ組に対する評価
関数E0 と、少なくとも一つの光学パラメータに誤差±
δの誤差がある状態S1 、S2 …に対する評価関数E
1 、E2 …を適当な重みを掛けて加えた評価関数E=w
00 +w11 +w22 …=Σwkk を作り、こ
れを最小にするような光学パラメータの組を求めること
を特徴とするレンズ及び光学系の設計方法。
And 1. A rating function E 0 for the parameter sets of states S 0 no error For all optical parameters determining the optical system, an error ± at least one optical parameter
The evaluation function E for the states S 1 , S 2 ...
An evaluation function E = w obtained by adding 1 , E 2 .
0 E 0 + w 1 E 1 + w 2 E 2 ... = make? W k E k, lenses and the design method of the optical system and obtaining a set of optical parameters such as this to a minimum.
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