JP2006177999A - 集光レンズおよび光走査装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 入射角度が大きい場合でも集光効率に優れ、スポット径が小さく、かつ、量産に適した集光レンズを提供すること。
【解決手段】 集光レンズ1は、ビーム走査装置から出射された走査ビームが被照射物で反射した光を光検出器9に集光させるための樹脂製のレンズであって、光入射面2および光出射面3のうち、光入射面2の側には、同心円状の溝21、22によってフレネルレンズ状の分割レンズ面11、12、13が複数、形成されている。3つの分割レンズ面11、12、13のうち、中央の分割レンズ面11は、同心円状の複数の段差30が形成された回折レンズ面になっている。
【選択図】 図4
【解決手段】 集光レンズ1は、ビーム走査装置から出射された走査ビームが被照射物で反射した光を光検出器9に集光させるための樹脂製のレンズであって、光入射面2および光出射面3のうち、光入射面2の側には、同心円状の溝21、22によってフレネルレンズ状の分割レンズ面11、12、13が複数、形成されている。3つの分割レンズ面11、12、13のうち、中央の分割レンズ面11は、同心円状の複数の段差30が形成された回折レンズ面になっている。
【選択図】 図4
Description
本発明は、集光レンズに関するものである。
ビーム走査装置は、レーザプリンタ、デジタル複写機、ファクシミリなどの画像形成装置や、バーコード読取装置、車間距離測定装置などの測定装置に幅広く使用されている。これらの機器のうち、画像形成装置に用いられているビーム走査装置は、レーザ光源から出射されたレーザビームをポリゴンミラーで周期的に偏向させ、感光体の被走査面上に反復走査する。これに対して、測定装置に用いられているビーム走査装置では、走査ビームが被照射物で反射した反射ビームを光検出器で受光することにより、情報を検出している。このとき、反射ビームは、ポリゴンミラーによる走査角度に対応する角度で光検出器に向かう。光検出器に向かう光路には、図8(a)に示す集光レンズ1′が配置され、この集光レンズ1′によって反射ビームを集光する。ここで、集光レンズ1′は、できるだけ大きな光量を光検出器に導くようにできるだけ広い面積を有している。また、集光レンズ1′に対しては、バーコード読取装置の場合には、商品などに接触しないように表面が平面であって、かつ、軽量化を目的に薄いことが要求されている。
しかしながら、集光レンズ1′において、検出光量を多く確保することを目的に有効面積を広げると、レンズ肉厚が厚くなり、表面の出っ張りが大きくなってしまう。そこで、集光レンズには、図8(b)に示すようなフレネルレンズ1″が用いられることがある。このようなフレネルレンズ1″であれば、表面の平面化と肉薄化の双方をある程度、満たしている。
しかしながら、フレネルレンズ1″の場合には、肉薄化するほどレンズ面の分割数を増やす必要があるため、所望の特性を得ようとすると、製造が困難になるという問題点がある。また、集光レンズには所定の範囲の入射角度をもってビームが入射する。このため、集光レンズへの入射角度が大きい場合には、光検出器の面積から収束光が外れないように集光レンズと光検出器との距離を縮める必要があるが、このようなレイアウトを採用すると、集光力をさらに高める必要があり、そのため、曲率半径を小さくする必要がある。従って、フレネルレンズ1″において分割数をさらに増やすことになるが、このような構造のフレネルレンズ1″の場合、図8(c)の領域A、Bをそれぞれ図8(d)、(e)に拡大して示すように、入射角度が大きい光線L11に溝20′の部分でのケラレが発生し、照度が著しく低下するという問題点がある。
以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、入射角度が大きい場合でも集光効率に優れ、かつ、量産に適した集光レンズを提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明の集光レンズでは、光入射面および光出射面のうちの少なくとも一方に、溝によってフレネルレンズ状の分割レンズ面が複数、形成され、当該複数の分割レンズ面には、複数の段差が形成された回折レンズ面が含まれていることを特徴とする。
本発明において、前記溝、前記分割レンズ面、および前記段差は、同心円状に形成されていることが好ましい。このように構成すると、型材あるいはレンズ素材に段差を形成する際、通常の旋盤加工で加工できる。
本発明において、前記複数の分割レンズ面は、いずれも前記段差が形成された回折レンズ面である構成を採用することができる。
本発明において、前記複数の分割レンズ面のうち、レンズ中心側に位置する分割レンズ面は、前記段差が形成された回折レンズ面であり、レンズ外周側に位置する分割レンズ面は、前記段差の形成されていない屈折面であることが好ましい。このように構成すると、コマ収差を抑制することができるので、スポット径を小さくすることができる。
本発明において、前記複数の分割レンズ面のうち、少なくとも最もレンズ中心側に位置する分割レンズ面は、前記段差が形成された回折レンズ面であり、かつ、当該回折レンズ面の中央領域では、平面に前記段差が付されていることが好ましい。このように構成すると、レンズ厚を薄くすることができるので、フレネルレンズ構造とする際の分割数を少なくすることができる。
本発明では、フレネルレンズとしての特徴と回折レンズとしての特徴とを兼ね備えており、屈折と回折の双方を利用する。このため、屈折のみを利用する従来のフレネルレンズと比較して薄型化が容易である。また、分割数を減らすことができるため、分割レンズ面の境界部分に発生する溝での光のケラレが少なく、透過率が向上する。
本発明において、前記回折レンズ面における屈折力および回折力は、いずれも正のパワーを有していることが好ましい。このように、屈折による集光力と回折による集光力とが合成されるので、回折レンズ面の曲率半径を大きくすることができる。
本発明において、前記複数の分割レンズ面は、例えば、互いに異なるレンズ形状を備えている。例えば、前記複数の分割レンズ面は、互いに異なる非球面を備えている。このように各分割レンズ面の形状を最適化すれば、スポット径を小さくすることができる。また、所定波長の光が入射角度が0°で入射したとき、集光レンズにおけるレンズ外周側に位置する前記分割レンズ面の焦点がレンズ中心側に位置する前記分割レンズ面の焦点よりも、集光レンズに近くなるような設計をすることが、スポット径を小さくする有効な手段となる。
本発明において、前記分割レンズ面に前記段差が形成されていないときには当該分割レンズ面の回折次数を0次とした場合、前記複数の分割レンズ面では、レンズ中心側に位置する分割レンズ面の回折次数がレンズ外周側に位置する分割レンズ面よりも高いあるいは等しいことが好ましい。このように構成すると、コマ収差を抑制することができるので、スポット径を小さくすることができる。
本発明において、入射角度範囲を±θ°としたとき、入射角度がθ°におけるスポット面積が、入射角度0°におけるスポット面積の2倍以下であることが好ましい。このように構成すると、入射角度範囲の全域においてスポット径を小さくすることができる。従って、光検出器として、分解能の高い多分割光検出器を用いた場合でも、その分割光検出面にスポットを形成することができる。
本発明において、前記分割レンズ面同士の境界領域に位置する前記溝の方向が光の屈折方向と略平行であることが好ましい。このように構成すると、溝部分に入射した光が光検出器側に向けて照射されるのを防止することができる。また、溝の角度が広がるため、レンズを製造するための金型に対する加工が容易である。また、レンズ素材を加工して集光レンズを製造する場合でも、加工が容易である。
本発明において、レンズ材料は、例えば樹脂である。樹脂製レンズであれば、金型成形により効率よく製造できるなど、安価である。また、軽量化にも適している。
本発明において、前記光入射面および前記光出射面のうち、光入射面に前記複数の分割レンズ面が形成され、光出射面は、単調な平面あるいは曲面であることが好ましい。このように構成すると、光出射面については複雑な加工を施す必要がない。
本発明において、前記段差のピッチは、以下の式
mλ/(n−1)
但し、mは回折次数、λは波長、nはレンズ素材の屈折率
で表される段差高さの4.5倍以上であることが好ましい。このように構成すると、回折効率を向上させることができ、透過率を向上させることができる。
mλ/(n−1)
但し、mは回折次数、λは波長、nはレンズ素材の屈折率
で表される段差高さの4.5倍以上であることが好ましい。このように構成すると、回折効率を向上させることができ、透過率を向上させることができる。
本発明において、有効径が円形であることが好ましい。このように構成すると、有効レンズ面が矩形の場合にその角部で発生するコマ収差が問題点とならないので、コマ収差を抑制でき、スポット径を小さくすることができる。従って、光検出器として、分解能の高い多分割光検出器を用いた場合でも、その分割光検出面面積に収まるスポットを形成することができる。
本発明を適用した集光レンズは、当該集光レンズによって、走査ビームが被照射物で反射した反射ビームを光検出器に集光する光走査装置などに用いられる。
この場合、所定波長の光が入射角度が0°で入射したときの前記集光レンズの焦点位置が、前記集光レンズからみて前記光検出器よりも遠い位置にあり、かつ、前記集光レンズにおけるレンズ外周側に位置する前記分割レンズ面の焦点位置がレンズ中心側に位置する前記分割レンズ面の焦点位置よりも前記光検出器に近いことが好ましい。このように構成すると、集光レンズの対する入射角度範囲においてスポット径のバランスを確保できるので、その結果として、光検出器でのスポット径を小さくすることができる。よって、光検出器として、分解能の高い多分割光検出器を用いた場合でも、その分割光検出面面積に収まるスポットを形成することができる。
本発明を適用した集光レンズは、フレネルレンズとしての特徴と回折レンズとしての特徴とを兼ね備えており、屈折と回折の双方を利用する。このため、屈折のみを利用する従来のフレネルレンズと比較して薄型化が容易である。また、分割数を減らすことができるため、分割レンズ面の境界部分に発生する溝での光のケラレが少なく、透過率が向上する。
図面を参照して、本発明を適用した集光レンズを説明する。
[実施の形態1]
図1(a)、(b)、(c)、(d)はそれぞれ、本発明の実施の形態1に係る集光レンズの構成を示す説明図、その中央領域の一部を拡大して示す説明図、中央領域の別の領域を拡大して示す説明図、および外周領域を拡大して示す説明図である。図2は、本形態の集光レンズによって光検出器に集光した際の入射角度と光検出器でのスポット面積との関係を示すグラフである。図3は、本形態の集光レンズに対する入射角度と、光検出器におけるスポット形状との関係を示す説明図である。
図1(a)、(b)、(c)、(d)はそれぞれ、本発明の実施の形態1に係る集光レンズの構成を示す説明図、その中央領域の一部を拡大して示す説明図、中央領域の別の領域を拡大して示す説明図、および外周領域を拡大して示す説明図である。図2は、本形態の集光レンズによって光検出器に集光した際の入射角度と光検出器でのスポット面積との関係を示すグラフである。図3は、本形態の集光レンズに対する入射角度と、光検出器におけるスポット形状との関係を示す説明図である。
図1(a)、(b)、(c)、(d)に示す集光レンズ1も、実施の形態1と同様、ビーム走査装置から出射された走査ビームが被照射物で反射した光を光検出器9に集光させるための樹脂製のレンズであって、光入射面2および光出射面3のうち、光入射面2の側には、同心円状の溝21、22によってフレネルレンズ状の分割レンズ面11、12、13が形成されている。これに対して、光出射面3は、単調な平面あるいは曲面である。本形態において、分割レンズ面11、12、13同士の境界領域に位置する溝21、22の方向は、実施の形態1と同様、光の屈折方向と略平行である。
また、レンズ設計データの一例を後述するように、複数の分割レンズ面11、12、13は、互いに異なるレンズ形状を備えており、複数の分割レンズ面11、12、13は、全体として、互いに異なる非球面を備えている。
さらに、本形態では、複数の分割レンズ面11、12、13のうち、中央のレンズ面11は、4つの輪帯領域111、112、113、114に分割され、これらの輪帯領域111、112、113、114はいずれも、同心円状の複数の段差30が形成された回折レンズ面になっている。ここで、4つの輪帯領域111、112、113、114のうち、最も内側の輪帯領域111では、平面に段差30が付されている一方、他の3つの輪帯領域112、113、114は、所定の非球面に段差30が付され、輪帯領域111、112、113、114には、異なる光路差関数の回折格子が付されている。また、外周側の分割レンズ面12、13も、段差30が形成された回折レンズ面になっている。
なお、段差30のピッチは、以下の式
h=mλ/(n−1)
但し、mは回折次数、λは波長、nはレンズ素材の屈折率
で表される段差30の高さhの4.5倍以上である。
h=mλ/(n−1)
但し、mは回折次数、λは波長、nはレンズ素材の屈折率
で表される段差30の高さhの4.5倍以上である。
また、複数の分割レンズ面11、12、13(回折レンズ面)における屈折力および回折力は、いずれも正のパワーを有している。
このような集光レンズ1のレンズ設計データは、例えば、以下のとおりである。なお、以下に説明するレンズ設計デ−タにおいて、レンズ面の非球面形状Z(R)は、回転対称で、半径座標rに対して下式
Z(R)=cr2/[1+{1−(1+k)c2r2}1/2]
+A4・r4+A6・r6+・・
で表される。cは曲率半径Rの逆数、kは円錐定数、A4、A6・・はそれぞれ、4次、6次・・の非球面係数である。なお、非球面係数の表示において、A−4、A−6、A−8・・・は、それぞれA4、A6、A8・・・を示し、Eに続く数字mは、1×10mを意味する。なお、以下の各設計デ−タは最内周から外周へ向かう順番に記述してある。
Z(R)=cr2/[1+{1−(1+k)c2r2}1/2]
+A4・r4+A6・r6+・・
で表される。cは曲率半径Rの逆数、kは円錐定数、A4、A6・・はそれぞれ、4次、6次・・の非球面係数である。なお、非球面係数の表示において、A−4、A−6、A−8・・・は、それぞれA4、A6、A8・・・を示し、Eに続く数字mは、1×10mを意味する。なお、以下の各設計デ−タは最内周から外周へ向かう順番に記述してある。
このような集光レンズ1のレンズ設計データは、例えば、以下のとおりである。
分割レンズ面11(回折レンズ面)
輪帯領域111
半径 (mm)=0〜2.0
Y曲率半径(R)=無限
コ−ニック定数(k)=0
4次の係数(A−4)=0
6次の係数(A−6)=0
8次の係数(A−8)=0
10次の係数(A−10)=0
回折次数=3
光路差関数R^2=−10.473285
光路差関数R^4=0.008546799
光軸方向シフトΔ=0
輪帯領域112
半径 (mm)=2.0〜5.0
Y曲率半径(R)=18.34390013
コ−ニック定数(k)=1.736310589
4次の係数(A−4)=−5.26E−05
6次の係数(A−6)=0.00E+00
8次の係数(A−8)=0.00E+00
10次の係数(A−10)=0.00E+00
回折次数=3
光路差関数R^2=−4.54545455
光軸方向シフトΔ=−0.11
輪帯領域113
半径 (mm)=5.0〜7.5
Y曲率半径(R)=15.48148913
コ−ニック定数(k)=0.093120451
4次の係数(A−4)=−2.36E−05
6次の係数(A−6)=0.00E+00
8次の係数(A−8)=0.00E+00
10次の係数(A−10)=0.00E+00
回折次数=3
光路差関数R^2=−3.40909091
光軸方向シフトΔ=−0.22
輪帯領域114
半径 (mm)=7.5〜9.0
Y曲率半径(R)=14.22517578
コ−ニック定数(k)=−8.19−05
4次の係数(A−4)=−4.07E−05
6次の係数(A−6)=4.90E−07
8次の係数(A−8)=−2.84E−09
10次の係数(A−10)=−7.57E−11
12次の係数(A−12)=6.40E−13
回折次数=3
光路差関数R^2=−2.84090909
光軸方向シフトΔ=−0.39
溝21
半径 (mm)=9.0〜9.6
Y曲率半径(R)=直線
分割レンズ面12(回折レンズ面)
半径 (mm)=9.6〜12.0
Y曲率半径(R)=14.92917046
コ−ニック定数(k)=−0.63751156
4次の係数(A−4)=0.00E+00
6次の係数(A−6)=7.31E−08
8次の係数(A−8)=−1.86E−10
10次の係数(A−10)=0.00E+00
回折次数=3
光路差関数R^2=−2.27272727
光軸方向シフトΔ=−3.5
溝22
半径 (mm)=12.0〜12.5
Y曲率半径(R)=直線
分割レンズ面13(回折レンズ面)
半径 (mm)=12.5〜15.0
Y曲率半径(R)=15.22547424
コ−ニック定数(k)=−0.73199284
4次の係数(A−4)=1.30E−05
6次の係数(A−6)=5.61E−09
8次の係数(A−8)=0.00E+00
10次の係数(A−10)=0.00E+00
回折次数=3
光路差関数R^2=−1.70454545
光軸方向シフトΔ=−5.8
輪帯領域111
半径 (mm)=0〜2.0
Y曲率半径(R)=無限
コ−ニック定数(k)=0
4次の係数(A−4)=0
6次の係数(A−6)=0
8次の係数(A−8)=0
10次の係数(A−10)=0
回折次数=3
光路差関数R^2=−10.473285
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光軸方向シフトΔ=0
輪帯領域112
半径 (mm)=2.0〜5.0
Y曲率半径(R)=18.34390013
コ−ニック定数(k)=1.736310589
4次の係数(A−4)=−5.26E−05
6次の係数(A−6)=0.00E+00
8次の係数(A−8)=0.00E+00
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回折次数=3
光路差関数R^2=−4.54545455
光軸方向シフトΔ=−0.11
輪帯領域113
半径 (mm)=5.0〜7.5
Y曲率半径(R)=15.48148913
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6次の係数(A−6)=0.00E+00
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回折次数=3
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光軸方向シフトΔ=−0.22
輪帯領域114
半径 (mm)=7.5〜9.0
Y曲率半径(R)=14.22517578
コ−ニック定数(k)=−8.19−05
4次の係数(A−4)=−4.07E−05
6次の係数(A−6)=4.90E−07
8次の係数(A−8)=−2.84E−09
10次の係数(A−10)=−7.57E−11
12次の係数(A−12)=6.40E−13
回折次数=3
光路差関数R^2=−2.84090909
光軸方向シフトΔ=−0.39
溝21
半径 (mm)=9.0〜9.6
Y曲率半径(R)=直線
分割レンズ面12(回折レンズ面)
半径 (mm)=9.6〜12.0
Y曲率半径(R)=14.92917046
コ−ニック定数(k)=−0.63751156
4次の係数(A−4)=0.00E+00
6次の係数(A−6)=7.31E−08
8次の係数(A−8)=−1.86E−10
10次の係数(A−10)=0.00E+00
回折次数=3
光路差関数R^2=−2.27272727
光軸方向シフトΔ=−3.5
溝22
半径 (mm)=12.0〜12.5
Y曲率半径(R)=直線
分割レンズ面13(回折レンズ面)
半径 (mm)=12.5〜15.0
Y曲率半径(R)=15.22547424
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4次の係数(A−4)=1.30E−05
6次の係数(A−6)=5.61E−09
8次の係数(A−8)=0.00E+00
10次の係数(A−10)=0.00E+00
回折次数=3
光路差関数R^2=−1.70454545
光軸方向シフトΔ=−5.8
このように構成した集光レンズ1は、フレネルレンズとしての特徴と、回折レンズとしての特徴とを兼ね備えており、光線L0で示すように、入射光を屈折と回折の双方を利用して光検出器9に集光する。このため、屈折のみを利用する従来のフレネルレンズと比較して、レンズ厚tを薄型化できる。また、集光能力が高いため、集光レンズ1と光検出器9との距離を14.5mmにまで縮めることができ、このように縮めた分、光検出器9でのケラレを低減することができる。
なお、集光レンズ1によって光検出器9に集光した際の入射角度と光検出器9でのスポット面積との関係は、図2に示す通りである。すなわち、入射角とスポットの縦寸法および横寸法は、以下に示す結果
入射角(°) 横寸法(mm) 縦寸法(mm) 面積(mm2)
0 0.5 0.5 0.25
1 0.5 0.5 0.25
3 0.5 0.5 0.25
4 0.5 0.6 0.30
5 0.5 0.8 0.40
6 0.5 1.0 0.50
7 0.7 1.2 8.4
になっている。
入射角(°) 横寸法(mm) 縦寸法(mm) 面積(mm2)
0 0.5 0.5 0.25
1 0.5 0.5 0.25
3 0.5 0.5 0.25
4 0.5 0.6 0.30
5 0.5 0.8 0.40
6 0.5 1.0 0.50
7 0.7 1.2 8.4
になっている。
また、集光レンズ1に対する入射角度と、光検出器9におけるスポット形状との関係は、図3に示す通りである。図2および図3より、本実施例は、入射角範囲±6°においてスポット径が小さく、分解能の高い多分割光検出器を用いた場合のスポット面積の許容範囲である0.5mm2を満たしている。従って、光検出器9として、分解能の高い多分割光検出器を用いた場合でも、その分割光検出面にスポットを形成することができる。
また、回折と屈折とを併用し、かつ、最も内側の輪帯領域111では、平面に段差30が付されている。このため、レンズ厚tを薄くすることができるので、フレネルレンズ構造とする際、その分割数を3つにまで減らすことができる。従って、溝21、22の数が少ない分、分割レンズ面11、12、13の境界部分に発生する溝21、22での光のケラレが少なく、透過率が向上する。
また、本形態において、分割レンズ面11、12、13(回折レンズ面)における屈折力および回折力はいずれも正のパワーを有し、かつ、回折次数として3次を利用して集光力を高めてあるため、各分割レンズ面11、12、13の曲率半径を大きくすることができる。
また、複数の分割レンズ面11、12、13は、互いに異なる非球面を備えており、さらに、複数の分割レンズ面11、12、13の各々が、入射角度0°の所定波長の光に対して、レンズ外周側に位置する分割レンズ面12あるいは分割レンズ面13の焦点がレンズ中心側に位置する前記分割レンズ面11の焦点よりも、集光レンズ1に近くなるような設計をしている。このため、光検出器9上でのスポット径を小さくすることができる。
また、溝21、22の方向が光の屈折方向と略平行であるため、図1(d)において矢印L12で示す光線のように、溝21、22に入射した光が光検出器側に向けて照射されるのを防止することができる。また、溝21、22の角度が広いため、レンズを製造するための金型に対する加工が容易である。
また、光出射面3は、単調な平面あるいは曲面であるため、光出射面3については複雑な加工を施す必要がない。
さらに、本形態では、有効径Dが約30Φの円形であるため、有効レンズ面が矩形の場合にその角部で発生するコマ収差の問題がない。それ故、有効面が矩形の場合と比較してコマ収差を抑制できるため、スポット径を小さくすることができる。
さらにまた、段差30のピッチは、段差30の高さhが約4μmに対して、最小ピッチが約20μmであり、段差30の高さhの4.5倍以上であるため、回折効率が高く、透過率を向上させることができる。
なお、本形態において、複数の分割レンズ面のいずれにおいても回折次数が等しいので、レンズ中心側に位置する分割レンズ面の回折次数がレンズ外周側に位置する分割レンズ面よりも低い場合と比較してコマ収差を抑制することができるため、スポット径を小さくすることができる。また、このような構成に代えて、レンズ中心側に位置する分割レンズ面の回折次数がレンズ外周側に位置する分割レンズ面よりも高い構成であってもよい。このように構成すると、コマ収差をより効果的に抑制することができるので、スポット径をさらに小さくすることができる。
[実施の形態2]
図4(a)、(b)、(c)、(d)はそれぞれ、本発明の実施の形態2に係る集光レンズの構成を示す説明図、その中央領域の一部を拡大して示す説明図、中央領域の別の領域を拡大して示す説明図、および外周領域を拡大して示す説明図である。図5は、本形態の集光レンズの各領域毎の焦点位置を示すグラフである。図6は、本形態の集光レンズに対する入射角度と、光検出器におけるスポット形状との関係を示す説明図である。図7は、本形態の集光レンズによって光検出器に集光した際の入射角度と光検出器でのスポット面積との関係を示すグラフである。
図4(a)、(b)、(c)、(d)はそれぞれ、本発明の実施の形態2に係る集光レンズの構成を示す説明図、その中央領域の一部を拡大して示す説明図、中央領域の別の領域を拡大して示す説明図、および外周領域を拡大して示す説明図である。図5は、本形態の集光レンズの各領域毎の焦点位置を示すグラフである。図6は、本形態の集光レンズに対する入射角度と、光検出器におけるスポット形状との関係を示す説明図である。図7は、本形態の集光レンズによって光検出器に集光した際の入射角度と光検出器でのスポット面積との関係を示すグラフである。
図4(a)、(b)、(c)、(d)に示す集光レンズ1も、実施の形態1と同様、ビーム走査装置から出射された走査ビームが被照射物で反射した光を光検出器9に集光させるための樹脂製のレンズであって、光入射面2および光出射面3のうち、光入射面2の側には、同心円状の溝21、22によってフレネルレンズ状の分割レンズ面11、12、13が形成されている。これに対して、光出射面3は、単調な平面あるいは曲面である。本形態において、分割レンズ面11、12、13同士の境界領域に位置する溝21、22の方向は、実施の形態1と同様、光の屈折方向と略平行である。
また、レンズ設計データの一例を後述するように、複数の分割レンズ面11、12、13は、互いに異なるレンズ形状を備えており、複数の分割レンズ面11、12、13は、全体として、互いに異なる非球面を備えている。
さらに、本形態では、複数の分割レンズ面11、12、13のうち、中央のレンズ面11は、4つの輪帯領域111、112、113、114に分割され、これらの輪帯領域111、112、113、114はいずれも、同心円状の複数の段差30が形成された回折レンズ面になっている。ここで、4つの輪帯領域111、112、113、114のうち、最も内側の輪帯領域111は平面になっている一方、他の3つの輪帯領域112、113、114は、所定の非球面になっており、輪帯領域111、112、113、114には、異なる光路差関数の回折格子が付されている。また、分割レンズ面11における屈折力および回折力は、いずれの正のパワーを有している。なお、段差30のピッチは、以下の式
h=mλ/(n−1)
但し、mは回折次数、λは波長、nはレンズ素材の屈折率
で表される段差30の高さhの4.5倍以上である。これらの構成は、実施の形態1と同様である。
h=mλ/(n−1)
但し、mは回折次数、λは波長、nはレンズ素材の屈折率
で表される段差30の高さhの4.5倍以上である。これらの構成は、実施の形態1と同様である。
これに対して、本形態では、実施の形態1と違って、外周側の分割レンズ面12、13は、段差30の形成されていない屈折レンズ面になっている。
このような集光レンズ1のレンズ設計データは、例えば、以下のとおりである。
分割レンズ面11(回折レンズ面)
輪帯領域111
半径 (mm)=0〜2.0
Y曲率半径(R)=無限
コ−ニック定数(k)=0
4次の係数(A−4)=0
6次の係数(A−6)=0
8次の係数(A−8)=0
10次の係数(A−10)=0
回折次数=3
光路差関数R^2=−10.473285
光路差関数R^4=0.008546799
光軸方向シフトΔ=0
輪帯領域112
半径 (mm)=2.0〜5.0
Y曲率半径(R)=18.34390013
コ−ニック定数(k)=1.736310589
4次の係数(A−4)=−5.26E−05
6次の係数(A−6)=0.00E+00
8次の係数(A−8)=0.00E+00
10次の係数(A−10)=0.00E+00
回折次数=3
光路差関数R^2=−4.54545455
光軸方向シフトΔ=−0.11
輪帯領域113
半径 (mm)=5.0〜7.5
Y曲率半径(R)=15.48148913
コ−ニック定数(k)=0.093120451
4次の係数(A−4)=−2.36E−05
6次の係数(A−6)=0.00E+00
8次の係数(A−8)=0.00E+00
10次の係数(A−10)=0.00E+00
回折次数=3
光路差関数R^2=−3.40909091
光軸方向シフトΔ=−0.22
輪帯領域114
半径 (mm)=7.5〜9.0
Y曲率半径(R)=14.22517578
コ−ニック定数(k)=−8.19E−05
4次の係数(A−4)=−4.07E−05
6次の係数(A−6)=4.90E−07
8次の係数(A−8)=−2.84E−09
10次の係数(A−10)=−7.57E−11
12次の係数(A−12)=6.40E−13
回折次数=3
光路差関数R^2=−2.84090909
光軸方向シフトΔ=−0.39
溝21
半径 (mm)=9.0〜9.6
Y曲率半径(R)=直線
分割レンズ面12(屈折レンズ面)
半径 (mm)=9.6〜12.0
Y曲率半径(R)=11.7642015
コ−ニック定数(k)=−0.63751156
4次の係数(A−4)=0.00E+00
6次の係数(A−6)=1.03E−07
8次の係数(A−8)=−4.34E−10
10次の係数(A−10)=0.00E+00
光軸方向シフトΔ=−4.4
溝22
半径 (mm)=12.0〜12.8
Y曲率半径(R)=直線
分割レンズ面13(屈折レンズ面)
半径 (mm)=12.8〜15.0
Y曲率半径(R)=12.98095761
コ−ニック定数(k)=−0.73662318
4次の係数(A−4)=1.55E−05
6次の係数(A−6)=8.38E−09
8次の係数(A−8)=0.00E+00
10次の係数(A−10)=0.00E+00
10次の係数(A−10)=0.00E+00
光軸方向シフトΔ=−7.5
輪帯領域111
半径 (mm)=0〜2.0
Y曲率半径(R)=無限
コ−ニック定数(k)=0
4次の係数(A−4)=0
6次の係数(A−6)=0
8次の係数(A−8)=0
10次の係数(A−10)=0
回折次数=3
光路差関数R^2=−10.473285
光路差関数R^4=0.008546799
光軸方向シフトΔ=0
輪帯領域112
半径 (mm)=2.0〜5.0
Y曲率半径(R)=18.34390013
コ−ニック定数(k)=1.736310589
4次の係数(A−4)=−5.26E−05
6次の係数(A−6)=0.00E+00
8次の係数(A−8)=0.00E+00
10次の係数(A−10)=0.00E+00
回折次数=3
光路差関数R^2=−4.54545455
光軸方向シフトΔ=−0.11
輪帯領域113
半径 (mm)=5.0〜7.5
Y曲率半径(R)=15.48148913
コ−ニック定数(k)=0.093120451
4次の係数(A−4)=−2.36E−05
6次の係数(A−6)=0.00E+00
8次の係数(A−8)=0.00E+00
10次の係数(A−10)=0.00E+00
回折次数=3
光路差関数R^2=−3.40909091
光軸方向シフトΔ=−0.22
輪帯領域114
半径 (mm)=7.5〜9.0
Y曲率半径(R)=14.22517578
コ−ニック定数(k)=−8.19E−05
4次の係数(A−4)=−4.07E−05
6次の係数(A−6)=4.90E−07
8次の係数(A−8)=−2.84E−09
10次の係数(A−10)=−7.57E−11
12次の係数(A−12)=6.40E−13
回折次数=3
光路差関数R^2=−2.84090909
光軸方向シフトΔ=−0.39
溝21
半径 (mm)=9.0〜9.6
Y曲率半径(R)=直線
分割レンズ面12(屈折レンズ面)
半径 (mm)=9.6〜12.0
Y曲率半径(R)=11.7642015
コ−ニック定数(k)=−0.63751156
4次の係数(A−4)=0.00E+00
6次の係数(A−6)=1.03E−07
8次の係数(A−8)=−4.34E−10
10次の係数(A−10)=0.00E+00
光軸方向シフトΔ=−4.4
溝22
半径 (mm)=12.0〜12.8
Y曲率半径(R)=直線
分割レンズ面13(屈折レンズ面)
半径 (mm)=12.8〜15.0
Y曲率半径(R)=12.98095761
コ−ニック定数(k)=−0.73662318
4次の係数(A−4)=1.55E−05
6次の係数(A−6)=8.38E−09
8次の係数(A−8)=0.00E+00
10次の係数(A−10)=0.00E+00
10次の係数(A−10)=0.00E+00
光軸方向シフトΔ=−7.5
このように構成した集光レンズ1において、中央のレンズ面11(輪帯領域111、112、113、114)、および外周側の屈折レンズ面(分割レンズ面12、13)の焦点位置は、図5に示すように、所定波長の光が入射角度0°で入射したときの集光レンズ1の焦点位置が、集光レンズ1からみて光検出器9よりも遠い位置にあり、かつ、集光レンズ1におけるレンズ外周側に位置する分割レンズ面12、13の焦点位置がレンズ中心側に位置する分割レンズ面11(輪帯領域111、112、113、114)の焦点位置よりも光検出器9に近い。すなわち、各領域の焦点位置の光検出器9からの距離は、以下に示す条件
焦点位置の光検出器9からの距離
分割レンズ面11
輪帯領域111 0.41mm
輪帯領域112 0.43mm
輪帯領域113 0.47mm
輪帯領域114 0.45mm
分割レンズ面12 0.21mm
分割レンズ面13 0.19mm
になっている。
焦点位置の光検出器9からの距離
分割レンズ面11
輪帯領域111 0.41mm
輪帯領域112 0.43mm
輪帯領域113 0.47mm
輪帯領域114 0.45mm
分割レンズ面12 0.21mm
分割レンズ面13 0.19mm
になっている。
このように構成した集光レンズ1は、フレネルレンズとしての特徴と、回折レンズとしての特徴とを兼ね備えており、光線L0で示すように、入射光を屈折と回折の双方を利用して光検出器9に集光する。このため、屈折のみを利用する従来のフレネルレンズと比較して、レンズ厚tを薄型化できる。また、集光能力が高いため、集光レンズ1と光検出器9との距離を14.5mmにまで縮めることができ、このように縮めた分、光検出器9でのケラレを低減することができる。
また、回折と屈折とを併用し、かつ、最も内側の輪帯領域111では、平面に段差30が付されている。このため、レンズ厚tを薄くすることができるので、フレネルレンズ構造とする際、その分割数を3つにまで減らすことができる。従って、溝21、22の数が少ない分、分割レンズ面11、12、13の境界部分に発生する溝21、22での光のケラレが少なく、透過率が向上する。
また、分割レンズ面11(回折レンズ面)における屈折力および回折力は、いずれも正のパワーを有し、かつ、回折次数として3次を利用して集光力を高めてあるため、分割レンズ面11の曲率半径を大きくすることができる。
また、複数の分割レンズ面11、12、13は、互いに異なる非球面を備えており、さらに、複数の分割レンズ面11、12、13の各々が、入射角度0°の所定波長の光に対して、レンズ外周側に位置する分割レンズ面12あるいは分割レンズ面13の焦点がレンズ中心側に位置する前記分割レンズ面11の焦点よりも、前記集光レンズに近くなるような設計をしている。このため、光検出器9上でのスポット径を小さくすることができる。
また、溝21、22の方向が光の屈折方向と略平行であるため、を参照して説明したように、溝21、22に入射した光が光検出器側に向けて照射されるのを防止することができる。また、溝21、22の角度が広いため、レンズを製造するための金型に対する加工が容易である。
また、光出射面3は、単調な平面あるいは曲面であるため、光出射面3については複雑な加工を施す必要がない。
さらに、段差30のピッチは、段差30の高さhが約4μmに対して最小ピッチが約20μmであり、段差30の高さhの4.5倍以上であるため、回折効率が高く、透過率を向上させることができる。
さらにまた、本形態では、有効径Dが約30Φの円形であるため、有効レンズ面が矩形の場合にその角部で発生するコマ収差の問題がない。それ故、有効面が矩形の場合と比較してコマ収差を抑制できるため、スポット径を小さくすることができる。
しかも、本形態では、複数の分割レンズ面11、12、13のうち、レンズ中心側に位置する分割レンズ面11は、段差30が形成された回折レンズ面であり、レンズ外周側に位置する分割レンズ面12、13は、段差30の形成されていない屈折面である。このため、実施の形態1と比較して、コマ収差を抑制することができるので、また、図7に、集光レンズ1に対する入射角度と、光検出器9におけるスポット形状との関係を示すように、スポット径を小さくすることができる。
また、本形態では、図5を参照して説明したように、所定波長の光が入射角度0°で入射したときの集光レンズ1の焦点位置が、集光レンズ1からみて光検出器9よりも遠い位置にあり、かつ、集光レンズ1におけるレンズ外周側に位置する分割レンズ面12、13の焦点位置がレンズ中心側に位置する分割レンズ面11(輪帯領域111、112、113、114)の焦点位置よりも光検出器9に近い。従って、集光レンズ1に対する入射角度範囲においてスポット径のバランスを確保できる。
それ故、本形態では、入射角度範囲を±θ°としたとき、θは、以下の条件
θ=±7°
であるが、図7に、本形態の集光レンズ1によって光検出器9に集光した際の入射角度と光検出器9でのスポット面積との関係を示すように、入射角度が7°におけるスポット面積が、入射角度0°におけるスポット面積の2倍以下に抑えることができる。すなわち、本形態によれば、入射角とスポットの縦寸法および横寸法は、以下に示す結果
入射角(°) 横寸法(mm) 縦寸法(mm) 面積(mm2)
0 0.5 0.5 0.25
1 0.5 0.5 0.25
3 0.5 0.5 0.25
4 0.5 0.5 0.25
5 0.5 0.6 0.30
6 0.5 0.8 0.40
7 0.3 1.0 0.3
8 0.5 1.0 0.5
9 0.7 0.7 0.49
が得られる。よって、本形態では、実施の形態1と比較しても、入射角度範囲の全域においてスポット径が小さく、分解能の高い多分割光検出器を用いた場合のスポット面積の許容範囲である0.5mm2を満たしている。従って、光検出器として、分解能の高い多分割光検出器を用いた場合でも、その分割光検出面にスポットを形成することができる。
θ=±7°
であるが、図7に、本形態の集光レンズ1によって光検出器9に集光した際の入射角度と光検出器9でのスポット面積との関係を示すように、入射角度が7°におけるスポット面積が、入射角度0°におけるスポット面積の2倍以下に抑えることができる。すなわち、本形態によれば、入射角とスポットの縦寸法および横寸法は、以下に示す結果
入射角(°) 横寸法(mm) 縦寸法(mm) 面積(mm2)
0 0.5 0.5 0.25
1 0.5 0.5 0.25
3 0.5 0.5 0.25
4 0.5 0.5 0.25
5 0.5 0.6 0.30
6 0.5 0.8 0.40
7 0.3 1.0 0.3
8 0.5 1.0 0.5
9 0.7 0.7 0.49
が得られる。よって、本形態では、実施の形態1と比較しても、入射角度範囲の全域においてスポット径が小さく、分解能の高い多分割光検出器を用いた場合のスポット面積の許容範囲である0.5mm2を満たしている。従って、光検出器として、分解能の高い多分割光検出器を用いた場合でも、その分割光検出面にスポットを形成することができる。
なお、本形態の集光レンズ1を、入射角度範囲が±9°の光走査装置に用いた場合、入射角度が7°以上の場合、光検出器9の面積によってケラれ、図6に示すように、見かけ上、縮小されている。この場合でも、スポット面積の許容範囲である0.5mm2を満たしていれば、光検出器9として、分解能の高い多分割光検出器を用いることができる。
[他の実施の形態]
上記形態では、ビーム走査装置から出射された走査ビームが被照射物で反射した光を集光させるための集光レンズを説明したが、このような用途に限らず、大面積で薄型が要求される集光レンズであれば、他の用途に集光レンズに本発明を適用してもよい。
上記形態では、ビーム走査装置から出射された走査ビームが被照射物で反射した光を集光させるための集光レンズを説明したが、このような用途に限らず、大面積で薄型が要求される集光レンズであれば、他の用途に集光レンズに本発明を適用してもよい。
また、上記形態では、溝21、22、分割レンズ面11、12、13、および段差30が同心円状に形成されている集光レンズを説明したが、本発明は、トーリックレンズやシリンドリカルレンズに適用してもよく、シリンドリカルレンズに本発明を適用する場合には、溝や段差はシリンドリカルレンズの軸線に平行に形成されることになる。
1 集光レンズ
2 光入射面
3 光出射面
9 光検出器
11、12、13 分割レンズ面
21、22 溝
30 段差
111、112、113、114 輪帯領域
2 光入射面
3 光出射面
9 光検出器
11、12、13 分割レンズ面
21、22 溝
30 段差
111、112、113、114 輪帯領域
Claims (18)
- 光入射面および光出射面のうちの少なくとも一方に、溝によってフレネルレンズ状の分割レンズ面が複数、形成され、
当該複数の分割レンズ面には、複数の段差が形成された回折レンズ面が含まれていることを特徴とする集光レンズ。 - 請求項1において、前記溝、前記分割レンズ面、および前記段差は、同心円状に形成されていることを特徴とする集光レンズ。
- 請求項1または2において、前記複数の分割レンズ面は、いずれも前記段差が形成された回折レンズ面であることを特徴とする集光レンズ。
- 請求項1または2において、前記複数の分割レンズ面のうち、レンズ中心側に位置する分割レンズ面は、前記段差が形成された回折レンズ面であり、レンズ外周側に位置する分割レンズ面は、前記段差の形成されていない屈折面であることを特徴とする集光レンズ。
- 請求項1ないし4のいずれかにおいて、前記複数の分割レンズ面のうち、少なくとも最もレンズ中心側に位置する分割レンズ面は、前記段差が形成された回折レンズ面であり、かつ、当該回折レンズ面の中央領域では、平面に前記段差が付されていることを特徴とする集光レンズ。
- 請求項1ないし5のいずれかにおいて、前記分割レンズ面に前記段差が形成されていないときの当該分割レンズ面の回折次数を0次とした場合、
当該複数の回折レンズ面のうち、レンズ中心側に位置する分割レンズ面の回折次数がレンズ外周側に位置する分割レンズ面よりも高いあるいは等しいことを特徴とする集光レンズ。 - 請求項1ないし6のいずれかにおいて、入射角度範囲を±θ°としたとき、入射角度がθ°におけるスポット面積が、入射角度0°におけるスポット面積の2倍以下であることを特徴とする集光レンズ。
- 請求項1ないし7のいずれかにおいて、前記回折レンズ面における屈折力および回折力は、いずれの正のパワーを有していることを特徴とする集光レンズ。
- 請求項1ないし8のいずれかにおいて、前記複数の分割レンズ面は、互いに異なるレンズ形状を備えていることを特徴とする集光レンズ。
- 請求項9において、前記複数の分割レンズ面は、互いに異なる非球面形状を備えていることを特徴とする集光レンズ。
- 請求項9または10において、所定波長の光が入射角度が0°で入射したとき、レンズ外周側に位置する前記分割レンズ面の焦点がレンズ中心側に位置する前記分割レンズ面の焦点よりも集光レンズ自身に近いことを特徴とする集光レンズ。
- 請求項1ないし11のいずれかにおいて、前記分割レンズ面同士の境界領域に位置する前記溝の方向が光の屈折方向と略平行であることを特徴とする集光レンズ。
- 請求項1ないし12のいずれかにおいて、レンズ素材が樹脂であることを特徴とする集光レンズ。
- 請求項1ないし13のいずれかにおいて、前記光入射面および前記光出射面のうち、光入射面に前記複数の分割レンズ面が形成され、光出射面は、単調な平面あるいは曲面であることを特徴とする集光レンズ。
- 請求項1ないし14のいずれかにおいて、前記段差のピッチは、以下の式
mλ/(n−1)
但し、mは回折次数、λは波長、nはレンズ素材の屈折率
で表される段差高さの4.5倍以上であることを特徴とする集光レンズ。 - 請求項1ないし15のいずれかにおいて、有効径が円形であることを特徴とする集光レンズ。
- 請求項1ないし16のいずれかに規定する集光レンズによって、走査ビームが被照射物で反射した反射ビームを光検出器に集光することを特徴とする光走査装置。
- 請求項17において、所定波長の光が入射角度が0°で入射したときの前記集光レンズの焦点位置が、前記集光レンズからみて前記光検出器よりも遠い位置にあり、かつ、
前記集光レンズにおけるレンズ外周側に位置する前記分割レンズ面の焦点位置がレンズ中心側に位置する前記分割レンズ面の焦点位置よりも前記光検出器に近いことを特徴とする光走査装置。
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2004
- 2004-12-20 JP JP2004368270A patent/JP2006177999A/ja active Pending
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7733580B2 (en) | 2006-11-06 | 2010-06-08 | Panasonic Corporation | Light emitting module and light receiving module |
JP2009008707A (ja) * | 2007-06-26 | 2009-01-15 | Panasonic Corp | 光受信器 |
US7813055B2 (en) | 2007-06-26 | 2010-10-12 | Panasonic Corporation | Light receiver and Fresnel lens used therein |
JP2019174647A (ja) * | 2018-03-28 | 2019-10-10 | 伊藤光学工業株式会社 | 眼鏡用レンズ |
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