JP2006330431A - フレネルレンズ - Google Patents

Abstract

【課題】 フレネルレンズにおいて、入射光を均一に調整する。
【解決手段】 各輪帯領域ＲＺ内に形成された各三角形状回折格子１１は、各輪帯ピッチＲｐ_ｎに合わせて底辺長さを設定した底辺１１ａと、底辺１１ａと対向して外周側に向けて傾斜した傾斜面を有し且つ入射光Ｌに対して特定次数の回折光を回折して所定の集光位置に集光させる第１回折格子部１１ｂと、底辺１１ａと対向して内周側に向けて傾斜した傾斜面を有し且つ第１回折格子部１１ｂと異なる回折次数に入射光Ｌを回折して特定次数以外の回折光を発生させると共に入射光Ｌに対して光透過率を調整する第２回折格子部１１ｃとを備えてなり、底辺１１ａを高さ基準として各三角形状回折格子１１の高さを略一定に設定した上で、第１，第２回折格子部１１ｂ，１１ｃの各輪帯ピッチＲｐ_ｎに対する占有比率を、各輪帯領域ＲＺがそれぞれ要求する光透過率になるように各輪帯領域ＲＺごとに可変させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光透過性を有する円盤状の光学基板上に、複数の輪帯領域が中心から外周側に向かって各輪帯ピッチを除々に狭めて設定され、且つ、各輪帯領域内に各三角形状回折格子が形成されたフレネルレンズにおいて、各三角形状回折格子は各輪帯ピッチに合わせて底辺長さを設定した底辺と、底辺と対向して外周側に向けて傾斜させた傾斜面を有する第１回折格子部と、底辺と対向して内周側に向けて傾斜させた傾斜面を有する第２回折格子部とを備え、底辺を高さ基準として各三角形状回折格子の高さを略一定に設定した上で、第１，第２回折格子部の各輪帯ピッチに対する占有比率を、各輪帯領域がそれぞれ要求する光透過率になるように各輪帯領域ごとに可変させることで、各輪帯領域ごとに入射光に対する光透過率を調整して、内周部及び外周部での光量分布を均一化できるように構成したフレネルレンズに関するものである。

最近、回折光学素子の一種であるフレネルレンズは、非球面レンズと組み合わせることにより、光学的な収差を小さな値に設定できる等の理由から、光ディスク装置の光ピックアップや、光通信装置の光学系に多用されている。

この種のフレネルレンズの一例として直角三角形状の回折格子を有するフレネルレンズを、ガラス材を用いて金型により加熱圧縮成形するか、又は、透明樹脂材を用いて金型により射出成形して作製する場合に、フレネルレンズ用の金型をダイヤモンド工具により切削加工して作製する技術的思想が開示されている（非特許文献１）。
光技術コンタクト Ｖｏｌ．２６、Ｎｏ３（１９８８）、Ｐ２０８〜２１２

図１５（ａ），（ｂ）は従来例として直角三角形状の回折格子を有するフレネルレンズを示した平面図，縦断面図、
図１６は図１５に示した従来のフレネルレンズを金型により成形する際に、フレネルレンズ用の金型をダイヤモン工具により切削加工して作製する状態を模式的に示した縦断面図、
図１７は従来のフレネルレンズに、中央部の光束は光強度が強く、且つ、外周部の光束は光強度が弱いレーザー光を入射させた状態を模式的に示した図である。

図１５（ａ），（ｂ）に示したように、従来のフレネルレンズ１００は、光透過性を有するガラス材や透明樹脂材などを用いた円盤状の光学基板（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂａｓｅ Ｐｌａｔｅ）ＯＢＰ上に、複数の輪帯領域（Ｒｉｎｇ Ｚｏｎｅ）ＲＺが中心０を中心にしてリング状の同心円を描き、且つ、中心０から外周側に向かって各輪帯ピッチを除々に狭めて設定されていると共に、各輪帯領域ＲＺ内には直角三角形状の回折格子１０１がそれぞれ形成されている。この際、上記した回折格子１０１は、光学基板ＯＢＰ上で入射光となるレーザー光Ｌが入射する側に仮想に設定した底辺１０１ａと、この底辺１０１ａと対向して入射光回折面となる傾斜面１０１ｂと、位相折り返しポイント面となる垂直面１０１ｃとに囲まれて直角三角形状に形成されている。

そして、各輪帯領域ＲＺ内に形成された各回折格子１０１の回折効果を利用してレンズ機能を持たせている。

ところで、上記した従来のフレネルレンズ１００を例えば光ディスク装置（図示せず）のピックアップの回折光学素子として用いるような場合には、素子としての小型化と、フレネルレンズ１００に入射させるレーザー光のビームパワーを有効利用するために高い回折効率との双方が要求されている。

これらの要求を実現するために、従来のフレネルレンズ１００は、前述したように、ガラス材を用いて金型により加熱圧縮成形するか、又は、透明樹脂材を用いて金型により射出成形して作製されているが、この際、図１６に示したように、フレネルレンズ用の金型１５０が、ダイヤモンド工具１５１により金属製金型母材上で仮想に設定した底辺１５０ａと、この底辺１５０ａに対向した傾斜面１５０ｂと、垂直面１５０ｃとに囲まれて直角三角形状に切削加工して作製されている。

具体的には、図１６に示したように、フレネルレンズ用の金属製金型母材を回転させながらダイヤモンド工具１５１の先端に取り付けたダイヤモンドバイト１５１ａを移動させて直角三角形状の回折格子パターンを刻んでおり、回折格子１０１｛図１５（ｂ）｝の位相分布を直線近似する方法によって、加工時間を短縮できること、切削加工面が良好な表面粗さに保てること等のメリットが得られる。

ここで、フレネルレンズ用の金型１５０において、一つの輪帯領域分の位相形状は略直角三角形であり、フレネルレンズ１００の入射光回折面となる傾斜面１０１ｂ｛図１５（ｂ）｝と対応した傾斜面１５０ｂは輪帯ピッチにおける切削最高高さから最小高さまでを結んだ略直線状になっていると共に、フレネルレンズ１００の位相折り返しポイント面となる垂直面１０１ｃ｛図１５（ｂ）｝と対応した垂直面１５０ｃは金型水平方向に対して略垂直に立ち上がる形状になっている。

そして、ダイヤモンド工具１５１の先端に取り付けたダイヤモンドバイト１５１ａが切削加工面と平行となる際、切削加工面が鏡面状になるので、ダイヤモンドバイト１５１ａを傾斜させて傾斜面１５０ｂを所定の傾斜角を持って切削加工する一方、ダイヤモンドバイト１５１ａを略垂直に起立させて垂直面１５０ｃを略垂直に切削加工することで、フレネルレンズ用の金型１５０が作製されている。

この後、作製したフレネルレンズ用の金型１５０を用いて、上記した従来のフレネルレンズ１００をガラス材又は透明樹脂材により成形している。

ところで、光ピックアップ等の光源に使用されている半導体レーザー（図示せず）は光強度分布を持っており、図１７に示した如く、従来のフレネルレンズ１００に、半導体レーザーから出射したレーザー光Ｌを不図示のコリメータレンズで平行光に変換して入射させた時に、一般的に、適宜な位置で断面した時の断面積が略円形であるレーザー光Ｌの光束の中央部は光強度が強く（光量が大きく）、且つ、外周部の光束は光強度が弱い（光量が小さい）傾向がある。このように不均一な光強度分布（光量分布）を持ったレーザー光Ｌの光束を従来のフレネルレンズ１００に入射させて集光した場合、レンズ外周部の光強度が、中央部と比較して弱くなるために、レンズの口径が小さくなった状態と等価な現象となる。このため、レンズの開口数（ＮＡ）が低下し、集光スポットが本来のレンズ設計と比較して、大きくなるといった現象が起き、光学特性の劣化が発生し、問題となっている。

そこで、本発明では、レーザー光を集光するフレネルレンズに、集光機能の他に、レーザー光源の光強度分布（光量分布）を調整する機能を備え、フレネルレンズへの入射光を均一に調整することで、フレネルレンズの中央部と外周部での光量分布を均一とし、前述のＮＡ低下を抑制し、集光スポットの劣化を防止することができる構造形態のフレネルレンズが望まれている。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、請求項１記載の発明は、光透過性を有する光学基板上に複数の輪帯領域が中心から外周側に向かって各輪帯ピッチを除々に狭めて設定され、且つ、各輪帯領域内に各三角形状回折格子が形成されたフレネルレンズにおいて、
前記各三角形状回折格子は、前記光学基板上で入射光が入射する側に前記各輪帯ピッチに合わせて底辺長さを設定した底辺と、前記底辺を透過した前記入射光が出射する側に外周側に向けて傾斜した傾斜面を有し且つ前記入射光に対して特定次数の回折光を回折して所定の集光位置に集光させる第１回折格子部と、前記底辺を透過した前記入射光が出射する側に内周側に向けて傾斜した傾斜面を有し且つ前記第１回折格子部と異なる回折次数に前記入射光を回折して特定次数以外の回折光を発生させると共に前記入射光に対して光透過率を調整する第２回折格子部とを備えてなり、
前記底辺を高さ基準として前記各三角形状回折格子の高さを略一定に設定した上で、前記第１，第２回折格子部の前記各輪帯ピッチに対する占有比率を、前記各輪帯領域がそれぞれ要求する光透過率になるように前記各輪帯領域ごとに可変させたことを特徴とするフレネルレンズである。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のフレネルレンズにおいて、
前記光学基板上でレンズ最外周部の前記輪帯領域内に形成される三角形状回折格子は、前記第１回折格子部のみを有することを特徴とするフレネルレンズである。

請求項１記載のフレネルレンズによると、とくに、光学基板上で中心から外周側に向かって各輪帯ピッチを除々に狭めて設定した各輪帯領域内に形成された各三角形状回折格子は、各輪帯ピッチに合わせて底辺長さを設定した底辺と、底辺と対向して外周側に向けて傾斜させた傾斜面を有する第１回折格子部と、底辺と対向して内周側に向けて傾斜させた傾斜面を有する第２回折格子部とを備え、底辺を高さ基準として各三角形状回折格子の高さを略一定に設定した上で、第１，第２回折格子部の各輪帯ピッチに対する占有比率を、各輪帯領域がそれぞれ要求する光透過率になるように各輪帯領域ごとに可変させているので、本発明に係るフレネルレンズを例えば光ピックアップに適用した時に、フレネルレンズに入射する入射光に光量分布があっても、入射光に対して光量分布を均一に補正して、この入射光を所定の集光位置に集光さることができるので、これにより劣化のない集光スポットを得ることができる。更に、本発明に係るフレネルレンズは、入射光の光強度分布を均一化するのみでなく、組み合わせられる光学系の特性に合わせて、任意な光透過率を設定し、任意な光透過光量分布を得ることができる。

また、請求項２記載のフレネルレンズによると、とくに、光学基板上でレンズ最外周部の輪帯領域内に形成される三角形状回折格子は、第１回折格子部のみを有しているので、１００％の光透過率を得ることができる。

以下に本発明に係るフレネルレンズの一実施例について図１〜図１４を参照して詳細に説明する。

本発明に係るフレネルレンズは、例えば、不図示の光ディスク装置の光ピックアップに取り付けられた非球面を有する対物レンズと組み合わせて適用されている。そして、光ピックアップ内でレーザー光源から出射した不均一な光強度分布（光量分布）を有する光束をフレネルレンズに入射させた時に、フレネルレンズで均一な光強度分布（光量分布）を有する光束に補正して、対物レンズ側に出射できるように構成されている。

図１（ａ），（ｂ）は本発明に係るフレネルレンズを示した上面図，縦断面図、
図２は本発明に係るフレネルレンズを使用した時に、光学系の光路を説明するための図、
図３は本発明に係るフレネルレンズを使用した時に、光学系の光強度分布及び光透過率を図２中の位置Ｘ１〜Ｘ３に対応して示した図である。

図１（ａ），（ｂ）に示した如く、本発明に係るフレネルレンズ１０は、光透過性を有するガラス基板を用いた円盤状の光学基板（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂａｓｅ Ｐｌａｔｅ）ＯＢＰ上に、複数の輪帯領域（Ｒｉｎｇ Ｚｏｎｅ）ＲＺが中心０を中心にしてリング状の同心円を描き、中心０から外周側に向かって各輪帯ピッチを除々に狭めて設定されている。

また、フレネルレンズ１０の各輪帯領域ＲＺ内には各三角形状回折格子１１が各輪帯ピッチに合わせて中心０から外周側に向かって形成されている。

そして、フレネルレンズ１０の各輪帯領域ＲＺ内に形成された各三角形状回折格子１１は、光学基板ＯＢＰ上で入射光となるレーザー光Ｌが入射する側に仮想に設定した底辺１１ａがその底辺長さを各輪帯ピッチに合わせて設定され、且つ、底辺１１ａを透過したレーザー光Ｌが出射する側に第１回折格子部１１ｂが外周側に向けて傾斜した傾斜面を有して形成されていると共に、底辺１１ａを透過したレーザー光Ｌが出射する側に第２回折格子部１１ｃが内周側に向けて傾斜した傾斜面を有して形成されている。

この際、三角形状回折格子１１中の第１回折格子部１１ｂは、輪帯領域ＲＺ内に入射した入射光に対して特定次数の回折光として例えば１次回折光を回折して所定の集光位置（焦点位置）に集光させるレンズ集光作用を備えている。即ち、三角形状回折格子１１中の底辺１１ａと第１回折格子部１１ｂとが成す角が各輪帯ピッチに応じて内周側から外周側に向かうにつれて大きくなり、これに伴って各第１回折格子部１１ｂに平行に入射したレーザー光Ｌは各第１回折格子部１１ｂに応じて入射角が変化するのでこれに応じて屈折角も異なることにより所定の集光位置（焦点位置）に集光させることができる。

一方、三角形状回折格子１１中の第２回折格子部１１ｃは、第１回折格子部１１ｂと異なる回折次数に入射光を回折して特定次数以外（１次回折光以外）の回折光を発生させ、且つ、入射光に対して光透過率を調整する作用を備えている。

従って、三角形状回折格子１１中の第１回折格子部１１ｂは１次回折光回折面となり、一方、第２回折格子部１１ｃは１次回折光以外の回折光への回折面及び位相折り返しポイント面となる。

更に、フレネルレンズ１０の各輪帯領域ＲＺ内に形成された各三角形状回折格子１１は、底辺１１ａから第１，第２回折格子部１１ｂ，１１ｃが交わる頂点までの高さＨ、言い換えると、底辺１１ａを高さ基準として各三角形状回折格子１１の高さＨを全ての輪帯領域ＲＺに対して略一定に設定した上で、第１，第２回折格子部１１ｂ，１１ｃの各輪帯ピッチに対する占有比率を、各輪帯領域ＲＺがそれぞれ要求する必要な光透過率になるように各輪帯領域ＲＺごとに可変させており、これについては後で詳述する。

ここで、フレネルレンズ１０において、複数の輪帯領域ＲＺを、光学基板ＯＢＰの中心０から外周側に向かって順にＲＺ_０，ＲＺ_１，ＲＺ_２，ＲＺ_３，……，ＲＺ_ｎ（但し、ｎ：０以上の正の整数）と設定した場合に、まず、光学基板ＯＢＰの中心０を中心としてｎ番目の輪帯領域ＲＺ_ｎに対応するレンズ半径（輪帯半径）Ｒ_ｎを下記の数１より求めることができる。

この数１中で、Ｒ_ｎはｎ番目のレンズ半径であり、λは入射光の波長であり、入射光として波長λが０．４μｍのレーザー光を用いている。また、ｆ１は三角形状回折格子１１中の第１回折格子部１１ｂによる１次回折光の焦点距離であり、この実施例ではｆ１＝２０ｍｍに設定されている。また、ｄは回折次数であり、この実施例では第１回折格子部１１ｂによる１次回折光を対象にしているのでｄ＝１である。

従って、光学基板ＯＢＰの中心０を中心としてＲＺ_０，ＲＺ_１，ＲＺ_２，ＲＺ_３，……，ＲＺ_ｎに対応してレンズ半径Ｒ_０，Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３，……，Ｒ_ｎが求められる。

次に、光学基板ＯＢＰの中心０を含む輪帯領域ＲＺ_０の輪帯ピッチＲｐ_０は、下記の数２より求めることができる。

次に、上記したｎ＝０の場合を除外して、ｎ番目の輪帯ピッチＲｐ_ｎは、下記の数３より求めることができる。

従って、数２及び数３から、レンズ中心部の輪帯領域ＲＺ_０のみが輪帯ピッチＲｐ_０を半径にして円形に設定されるものの、輪帯領域ＲＺ_１，ＲＺ_２，ＲＺ_３，……，ＲＺ_ｎは、輪帯ピッチＲｐ_１，Ｒｐ_２，Ｒｐ_３，……，Ｒｐ_ｎの各ピッチ幅でリング状に設定されている。

そして、フレネルレンズ１０のレンズ半径の最大値に対応するｎの最大値を例えば１４０に設定した場合に、ｎを０〜１４０の範囲で順次可変しながらλ＝０．４μｍ，ｆ１＝２０ｍｍ，ｄ＝１を数１に代入してレンズ半径Ｒ_ｎを計算し、この後、数２及び数３により、例えば、輪帯領域ＲＺ_ｎと対応したレンズ半径Ｒ_ｎが光学基板ＯＢＰの中心０を含んだ０μｍ近傍（ＲＺ_０），５００μｍ（ＲＺ_１５），１０００μｍ（ＲＺ_６２），レンズ最外周部に位置する１５００μｍ（ＲＺ_１４０）における輪帯ピッチＲｐ_ｎをそれぞれ求めると、１２６．５μｍ（Ｒｐ_０），１６．１μｍ（Ｒｐ_１５），８．０μｍ（Ｒｐ_６２），５．４μｍ（Ｒｐ_１４０）が得られ、以下、ここで得られたレンズ半径Ｒ_ｎ及び輪帯ピッチＲｐ_ｎの各値を使用して説明する。

尚、実施例のフレネルレンズ１０を設計する場合には、全ての輪帯領域ＲＺ_ｎ（ｎ＝０〜１４０）に対応したレンズ半径Ｒ_ｎ及び輪帯ピッチＲｐ_ｎを求めれば良い。

次に、三角形状回折格子１１中の底辺１１ａから第１，第２回折格子部１１ｂ，１１ｃが交わる頂点までの高さＨ、言い換えると、底辺１１ａを高さ基準として三角形状回折格子１１の高さＨは、一般的に下記の数４より求めることができる。

この数４中で、Ｈは三角形状回折格子１１の高さ、λは光源の波長、ｄは回折次数で１以上の整数、ｋはフレネルレンズ１０の屈折率である。

この実施例では三角形状回折格子１１中の第１回折格子部１１ｂは、１次回折構造の回折格子を使用しているので、λを０．４０μｍ、ｄを１、ｋを１．４６とすると、三角形状回折格子１１の高さＨは０．８６９μｍとなり、この三角形状回折格子１１の高さＨは入射光の１波長λ分の位相差を有することになる。

従って、フレネルレンズ１０において、各輪帯領域ＲＺ内の各三角形状回折格子１１を金型により成形する場合に、先に図１６を用いて従来技術で説明したようにフレネルレンズ用の金型１５０を上記した各設計仕様に合わせてダイヤモンド工具１５１により作製すれば良いものである。

次に、上記構成による本発明に係るフレネルレンズ１０を使用するにあたって、図２に示したように、位置Ｘ１を入射光となるレーザー光Ｌと対応した位置とし、また、位置Ｘ２をフレネルレンズ１０と対応した位置とし、また、位置Ｘ３を出射光と対応した位置とし、更に、位置Ｘ４を出射光の集光位置とした場合に、レーザー光源（図示せず）から出射したレーザー光Ｌをコリメータレンズ（図示せず）で平行光に変換して、適宜な位置で断面した時の断面形状が略円形であるレーザー光Ｌの平行光をフレネルレンズ１０の一方の面から入射させ、他方の面上で複数の輪帯領域ＲＺ内にそれぞれ形成した三角形状回折格子１１中の第１，第２回折格子部１１ｂ，１１ｃにより回折させてから出射させた時に、とくに、第１回折格子部１１ｂで回折された１次回折光が光軸Ｋ上で焦点距離ｆ１に対応した所定の集光位置に集光され、且つ、第２回折格子部１１ｃで回折された１次回折光以外の回折光が第１回折格子部１１ｂとは異なる回折位置に回折されるようになっている。

ここで、図３中で点線を用いて示した如く、断面形状が略円形であるレーザー光Ｌの平行光をフレネルレンズ１０に入射した時に、図２に示した位置Ｘ１における入射光束の光強度分布は光軸Ｋを中心にして対称であると仮定した場合、半導体レーザーの特性により、中央部の光強度を１００％とすると、レンズ半径が５００μｍ，１０００μｍ，１５００μｍでは光強度がそれぞれ、９７．５％，９０．０％，７７．５％に低下しており、中央部が凸状に突出した凸型の光強度分布特性となっている。

このように中央部が凸型の光強度分布を持った入射光束を、先に図１７用いて説明したように従来のフレネルレンズ１００で集光すると、レンズ外周部の光量が、中央部と比較して小さくなるために、レンズの口径が小さくなった状態と等価な現象となり、レンズの開口数（ＮＡ）が低下し、集光スポットが本来のレンズ設計と比較して、大きくなるといった現象が起き、光学特性の劣化が発生する。

この問題を解決する為に、図２中の位置Ｘ２におけるフレネルレンズ１０上での光束の光透過率分布において、図３中で実線を用いて示したように、レンズ半径が０μｍ，５００μｍ，１０００μｍ，１５００μｍで必要な光透過率が、それぞれ７７．５％， ７９．５％， ８６．１％， １００％になるように設定し、即ち、位置Ｘ１における凸型の光強度分布特性に対して反転させて、位置Ｘ２で中央部が凹状にへこんだ凹型の光透過率分布特性になるように逆補正している。

この設定により、入射光がフレネルレンズ１０を透過して出射した時に、図２に示した位置Ｘ３における出射光の光強度分布は、図３中で一点鎖線を用いて示したように、入射光量とフレネルレンズ透過率との積となり、その結果フラットなものとなる。

これにより、フレネルレンズ１０の外周部の光量が、中央部と略等しくなるので、レンズの口径は変化しない状態と等価になり、レンズの開口数（ＮＡ）は変化せず、集光スポットが本来のレンズ設計と比較して、大きくなるといった現象が発生しなくなる。

但し、出射光の光強度分布がフラットになった際、全体の光量は低下するが、高輝度レーザー等の、より光量の大きいレーザー光源を使用すれば、光量の低下は防止できる。

次に、本発明に係るフレネルレンズ１０において、各輪帯領域ＲＺ（ＲＺ_０，ＲＺ_１，ＲＺ_２，ＲＺ_３，……，ＲＺ_ｎ）内で各三角形状回折格子１１を各輪帯ピッチＲｐ_ｎ（Ｒｐ_０，Ｒｐ_１，Ｒｐ_２，Ｒｐ_３，……，Ｒｐ_ｎ）に合わせて中心０から外周側に向かって形成した時に、底辺１１ａを高さ基準として各三角形状回折格子１１の高さＨを略一定に設定した上で、外周側，内周側に向けてそれぞれ傾斜させた第１，第２回折格子部１１ｂ，１１ｃの各輪帯ピッチＲｐ_ｎに対する占有比率を、各輪帯領域ＲＺがそれぞれ要求する光透過率になるように各輪帯領域ＲＺごとに可変させて、フレネルレンズ１０上で図３中で実線を用いて示したような位置Ｘ２における凹型の光透過率分布が得られるように補正する構造及び方法について、図４〜図１３を用いて説明する。

図４は本発明に係るフレネルレンズにおいて、一つの輪帯領域内に形成した三角形状回折格子中の第１，第２回折格子部を説明するために拡大して示した図、
図５は本発明に係るフレネルレンズにおいて、輪帯ピッチに対する第２回折格子部の比率を可変した時に、１次回折光回折効率を示した図、
図６は本発明に係るフレネルレンズにおいて、レンズ半径１５００μｍにおける輪帯ピッチ５．４μｍ内での三角形状回折格子中の第１回折格子部を示した図、
図７は本発明に係るフレネルレンズにおいて、レンズ半径１５００μｍにおける輪帯ピッチ５．４μｍ内での三角形状回折格子の回折光強度を示した図、
図８は本発明に係るフレネルレンズにおいて、レンズ半径１０００μｍにおける輪帯ピッチ８．０μｍ内での三角形状回折格子中の第１，第２回折格子部の占有比率を示した図、
図９は本発明に係るフレネルレンズにおいて、レンズ半径１０００μｍにおける輪帯ピッチ８．０μｍ内での三角形状回折格子の回折光強度を示した図、
図１０は本発明に係るフレネルレンズにおいて、レンズ半径５００μｍにおける輪帯ピッチ１６．１μｍ内での三角形状回折格子中の第１，第２回折格子部の占有比率を示した図、
図１１は本発明に係るフレネルレンズにおいて、レンズ半径５００μｍにおける輪帯ピッチ１６．１μｍ内での三角形状回折格子の回折光強度を示した図、
図１２は本発明に係るフレネルレンズにおいて、レンズ半径０μｍ近傍における輪帯ピッチ１２６．５μｍ内での三角形状回折格子中の第１，第２回折格子部の占有比率を示した図、
図１３は本発明に係るフレネルレンズにおいて、レンズ半径０μｍ近傍における輪帯ピッチ１２６．５μｍ内での三角形状回折格子の回折光強度を示した図である。

図４中で、一つの輪帯ピッチＲｐ_ｎ内に形成した三角形状回折格子１１において、横軸に輪帯ピッチＲｐ_ｎを示し、縦軸に位相差λを示した場合に、底辺１１ａと対向して外周側に向かって傾斜させた傾斜面を有する第１回折格子部１１ｂは、入射光に対して１次回折光のみを回折して、この１次回折光を光軸Ｋ（図２）上で所定の集光位置に集光する機能を備えているものであり、一方、底辺１１ａと対向して内周側に向かって傾斜させた傾斜面を有する第２回折格子部１１ｃは、入射光に対して１次回折光以外の回折光を回折して第１回折格子１１とは異なる回折位置に回折する機能を備えているものであり、且つ、底辺１１ａから第１，第２回折格子部１１ｂ，１１ｃが交わる頂点までの高さＨが入射光の１波長λ分の位相差に設定されて、この位相差に対応して０．８６９μｍとなっている。

また、第２回折格子部１１ｃは、各輪帯領域ＲＺ_ｎごとに輪帯ピッチＲｐ_ｎの値を正規化して１．００と設定した場合に、この輪帯ピッチＲｐ_ｎに対する第２回折格子部１１ｃの比率α（但し、αは後述する図５に基づいて０≦α≦０．２の範囲とする）が各輪帯ピッチＲｐ_ｎごとにそれぞれ所定の値に設定されており、これについては後で後述する。

ここで、図４に示したように、輪帯ピッチＲｐ_ｎ内に形成した三角形状回折格子１１中の第１，第２回折格子部１１ｂ，１１ｃにおいて、底辺１１ａを高さ基準として三角形状回折格子１１の高さＨを０．８６９μｍに略一定に保った上で、一つの輪帯領域ＲＺ_ｎ内における輪帯ピッチＲｐ_ｎに対する第２回折格子部１１ｃの比率αを０〜０．２の範囲内で可変した時に、１次回折光回折効率は図５に示した特性曲線となる。

この図５中に示された１次回折光回折効率の値は、三角形状回折格子１１の位相分布を、フーリエ変換することにより、１次回折光における強度を算出したものである。

この図５において、横軸は輪帯ピッチに対する第２回折格子部の比率αを示し、縦軸は１次回折光回折効率（％）を示している。

そして、図５より、底辺を高さ基準として三角形状回折格子の高さを略一定に設定した上で、輪帯ピッチに対する第２回折格子部の比率αを０， ０．０５， ０．１， ０．１５， ０．２と変化させた時に、１次回折光回折効率は、それぞれ、１００％， ９１．９％， ７９．９％， ７０．１％， ６０．７％となる。

従って、輪帯ピッチＲｐ_ｎに対して第２回折格子部１１ｃの比率αを変化させた場合に、連続的に１次回折光回折効率を制御できることがわかる。これにより、各輪帯領域ＲＺ_ｎ内に形成した三角形状回折格子１１中で第１回折格子部１１ｂと第２回折格子部１１ｃとの占有比率を輪帯ピッチＲｐ_ｎに対して調整することができる。

そして、図５に示したように、輪帯ピッチに対する第２回折格子部の比率αと、１次回折光回折効率との関係をテーブルとして持つことにより、逆に、１次回折光回折効率、すなわち各輪帯領域ＲＺ_ｎ内に形成した各三角形状回折格子１１の必要な光透過率に対応して、第２回折格子部１１ｃの比率αを求めることができるので、当然、三角形状回折格子１１中の第１，第２回折格子部１１ｂ，１１ｃの占有比率がわかる。

以下、一つの輪帯領域ＲＺ_ｎのレンズ半径Ｒ_ｎと対応した輪帯ピッチＲｐ_ｎ内で三角形状回折格子１１中の第１，第２回折格子部１１ｂ，１１ｃの占有比率を求める具体例について順を追って説明する。

まず、図６に示した如く、フレネルレンズ１０（図１）の光学基板ＯＢＰ上において、前述したように、レンズ最外周部に位置する輪帯領域ＲＺ_１４０と対応したレンズ半径１５００μｍにおける輪帯ピッチＲｐ_１４０は５．４μｍであり、この輪帯領域ＲＺ_１４０内で要求される三角形状回折格子１１の必要な光透過率は１００％である。この場合、図５に示した特性曲線において１次回折光回折効率の値が必要な光透過率の値と等価であるものとすると、図５に示した特性曲線中の１次回折光回折効率１００％の値から輪帯ピッチに対する第２回折格子部１１ｃの比率αが０であると読み取れるので、三角形状回折格子１１の構成は、５．４μｍの輪帯ピッチに対して第１回折格子部１１ｂのみで占有すれば良い。この時、三角形状回折格子１１の高さＨは入射光の１波長λ分の位相差に対応して０．８６９μｍとなっている。

この際、レンズ半径１５００μｍにおける輪帯ピッチ５．４μｍ内での回折次数における回折光強度を図７に示す。図７中で横軸は−９次から＋９次までの次数を示し、縦軸は最大値を２５５として規格化された回折光強度を示す。この図７から明らかなように、回折光の全てがレンズ集光を担う＋１次の次数に集中している。

次に、図８に示した如く、フレネルレンズ１０（図１）の光学基板ＯＢＰ上において、前述したように、輪帯領域ＲＺ_６２と対応したレンズ半径１０００μｍにおける輪帯ピッチＲｐ_６２は８．０μｍであり、この輪帯領域ＲＺ_６２内で要求される三角形状回折格子１１の必要な光透過率は８６．１％である。この場合、図５に示した特性曲線中の１次回折光回折効率８６．１％の値から輪帯ピッチに対する第２回折格子部１１ｃの比率αが０．０６９であると読み取れるので、三角形状回折格子１１の構成は、８．０μｍの輪帯ピッチに対して第１回折格子部１１ｂの占有比率を０．９３１、第２回折格子部１１ｃの占有比率を０．０６９に設定すれば良い。この時も、三角形状回折格１１の高さＨは入射光の１波長λ分の位相差に対応して０．８６９μｍとなっている。

この際、レンズ半径１０００μｍにおける輪帯ピッチ８．０μｍ内での回折次数における回折光強度を図９に示す。この図９で明らかなように、メインの＋１次の回折光の他に、＋２次、＋３次、及び、−３次以上の高次光が僅かに存在し、これらが、集光位置とは異なる方向に入射光を回折し、輪帯ピッチ８．０μｍ内での光透過率を下げている。

次に、図１０に示した如く、フレネルレンズ１０（図１）の光学基板ＯＢＰ上において、前述したように、輪帯領域ＲＺ_１５と対応したレンズ半径５００μｍにおける輪帯ピッチＲｐ_１５は１６．１μｍであり、この輪帯領域ＲＺ_１５内で要求される三角形状回折格子１１の必要な光透過率は７９．５％である。この場合、図５に示した特性曲線中の１次回折光回折効率７９．５％の値から輪帯ピッチに対する第２回折格子部１１ｃの比率αが０．１０２であると読み取れるので、三角形状回折格子１１の構成は、１６．１μｍの輪帯ピッチに対して第１回折格子部１１ｂの占有比率を０．８９８、第２回折格子部１１ｃの占有比率を０．１０２に設定すれば良い。この時も、三角形状回折格１１の高さＨは入射光の１波長λ分の位相差に対応して０．８６９μｍとなっている。

この際、レンズ半径５００μｍにおける輪帯ピッチ１６．１μｍ内での回折次数における回折光強度を図１１に示す。この図１１で明らかなように、メインの＋１次の回折光の他に、＋２次、＋３次、及び、−３次以上の高次光が前記した図９の場合よりも僅か多く存在し、これらが、集光位置とは異なる方向に入射光を回折し、輪帯ピッチ１６．１μｍ内での光透過率を下げている。

次に、図１２に示した如く、フレネルレンズ１０（図１）の光学基板ＯＢＰ上において、前述したように、輪帯領域ＲＺ_０と対応したレンズ半径０μｍ近傍における輪帯ピッチＲｐ_０は１２６．５μｍであり、この輪帯領域ＲＺ_０内で要求される三角形状回折格子１１の必要な光透過率は７７．５％である。この場合、図５に示した特性曲線中の１次回折光回折効率７７．５％の値から輪帯ピッチに対する第２回折格子部１１ｃの比率αが０．１１３であると読み取れるので、三角形状回折格子１１の構成は、１２６．５μｍの輪帯ピッチに対して第１回折格子部１１ｂの占有比率を０．８８７、第２回折格子部１１ｃの占有比率を０．１１３に設定すれば良い。この時も、三角形状回折格１１の高さＨは入射光の１波長λ分の位相差に対応して０．８６９μｍとなっている。

この際、レンズ半径０μｍ近傍における輪帯ピッチ１２６．５μｍ内での回折次数における回折光強度を図１３に示す。この図１３で明らかなように、メインの＋１次の回折光の他に、＋２次、＋３次、及び、−３次以上の高次光が前記した図１１の場合よりも僅か多く存在し、これらが、集光位置とは異なる方向に入射光を回折し、輪帯ピッチ１２６．５μｍ内での光透過率を下げている。

以上のように、全ての輪帯領域ＲＺ_ｎ（但し、ｎ＝０〜１４０）に対応してレンズ半径Ｒ_ｎ及び輪帯ピッチＲｐ_ｎを求めて、各輪帯領域ＲＺ_ｎ内で各輪帯ピッチＲｐ_ｎに対応して形成した各三角形状回折格１１の必要な光透過率を求め、各三角形状回折格１１中の第１，第２回折格子部１１ｂ，１１ｃの各輪帯ピッチＲｐ_ｎに対する占有比率を各輪帯ピッチＲｐ_ｎごとに求めれば良い。

上述したように、本発明に係るフレネルレンズ１０では、各輪帯領域ＲＺ_ｎと対応した各輪帯ピッチＲｐ_ｎ内に各三角形状回折格子１１を形成した際、各三角形状回折格子１１中の底辺１１ａを高さ基準として各三角形状回折格子１１の高さを略一定に設定した上で、第１，第２回折格子部１１ｂ，１１ｃの各輪帯ピッチピッチＲｐ_ｎに対する占有比率を、各輪帯領域ＲＺ_ｎがそれぞれ要求する光透過率になるように各輪帯領域ＲＺ_ｎごとに可変させているので、本発明に係るフレネルレンズ１０を例えば光ピックアップに適用した時に、フレネルレンズ１０に入射する入射光に光量分布があっても、入射光に対して光量分布を均一に補正して、この入射光を所定の集光位置に集光さることができるので、これにより劣化のない集光スポットを得ることができる。

尚、上記した実施例では、三角形状回折格子１１中の第１，第２回折格子部１１ｂ，１１ｃに、１次回折構造を使用しているが、この回折次数に限定されるものでなく、２次、３次等、より高次な回折構造でも同様な機能を備えることができる。

また、本発明に係るフレネルレンズ１０の用途は、実施例で挙げたような、入射光の光強度分布を均一化するのみでなく、組み合わせられる光学系の特性に合わせて、任意な光透過率を設定し、任意な光透過光量分布を得ることができる。

次に、本発明に係るフレネルレンズ１０を一部変形させた変形例について図１４を用いて説明する。

図１４は本発明に係るフレネルレンズを一部変形させた時に、レンズ半径１５００μｍにおける輪帯ピッチ５．４μｍ内での三角形状回折格子中の第１，第２回折格子部の占有比率を示した図である。

上述したように、本発明に係るフレネルレンズ１０では、便宜上、輪帯領域ＲＺ_１４０と対応したレンズ半径１５００μｍにおける輪帯ピッチＲｐ_１４０が５．４μｍ内で要求される三角形状回折格子１１の必要な光透過率を１００％としているが、この場合、先に図６を用いて説明したように三角形状回折格子１１は直角三角形となり、フレネルレンズ用の金型を製作する際、垂直に立ち上がる面を加工しなければならない。

しかしながら、実際には、本発明に係るフレネルレンズ１０に対応したフレネルレンズ用の金型を作製する際に、ダイヤモンド工具の形状からの加工限界、あるいは成形時の型抜き性等を考慮し、直角三角形の９０°部分の角度を、９０°よりも小さい角度にダイヤモンド工具の最大切削角度を設定する場合がある。

即ち、図１４に示したように、輪帯領域ＲＺ_１４０と対応したレンズ半径１５００μｍにおける輪帯ピッチＲｐ_１４０は５．４μｍであり、この輪帯領域ＲＺ_１４０内での三角形状回折格子１１の高さは０．８６９μｍであるが、三角形状回折格子１１の底辺１１ａと第２回折格子部１１ｃとが成す傾斜角を例えば７５°に設定すると、フレネルレンズ用の金型を作製する時に、第２回折格子部１１ｃに対してダイヤモンド工具の切削最大角度も７５°になり、切削加工が容易となる。これに伴って、フレネルレンズ１０（図１）のレンズ最外周部での最高光透過率は低下するが、フレネルレンズ１０に対して目的である光透過量の光量分布への均一化を図ることができ、この際、フレネルレンズ１０の最外周のレンズ半径１５００μｍにおける三角形状回折格子１１中で、必然的に、第２回折格子部１１ｃの占有割合が０．０４１、第１回折格子部１１ｂの占有割合が０．９５９となると共に、三角形状回折格子１１の高さが０．８３３μｍと低くなり、この時に、１次回折光回折効率は先に示した図５より９１．３％となる。

従って、レンズ半径１５００μｍにおける三角形状回折格子１１の第２回折格子部１１ｃの切削最大角度７５°における光透過率９１．３％を基準の補正値として、レンズ半径が０μｍ，５００μｍ，１０００μｍ，１５００μｍにおける各三角形状回折格子１１の必要な光透過率７７．５％， ７９．５％， ８６．１％， １００％に対して補正する。

具体的には、レンズ半径が０μｍ，５００μｍ，１０００μｍ，１５００μｍにおける各三角形状回折格子１１の必要な光透過率７７．５％、 ７９．５％、 ８６．１％、 １００％に対して、０．９１３の補正係数をそれぞれ掛けた値、７０．７％， ７２．５％， ７８．６％， ９１．３％を必要な補正光透過率として使用すれば、前述の目的である、光量分布の均一化を達成できる。そして、必要な補正光透過率に対応して第２回折格子部１１ｃの比率αを先の図５から求め、第１，第２回折格子部１１ｂ，１１ｃの占有比率を各輪帯領域ＲＺごとに変化させてフレネルレンズ状に形成することで、この変形例でも実施例と略同様に所望の光透過率を得ることができる。

（ａ），（ｂ）は本発明に係るフレネルレンズを示した上面図，縦断面図である。 本発明に係るフレネルレンズを使用した時に、光学系の光路を説明するための図である。 本発明に係るフレネルレンズを使用した時に、光学系の光強度分布及び光透過率を図２中の位置Ｘ１〜Ｘ３に対応して示した図である。 本発明に係るフレネルレンズにおいて、一つの輪帯領域内に形成した三角形状回折格子中の第１，第２回折格子部を説明するために拡大して示した図である。 本発明に係るフレネルレンズにおいて、輪帯ピッチに対する第２回折格子部の比率を可変した時に、１次回折光回折効率を示した図である。 本発明に係るフレネルレンズにおいて、レンズ半径１５００μｍにおける輪帯ピッチ５．４μｍ内での三角形状回折格子中の第１回折格子部を示した図である。 本発明に係るフレネルレンズにおいて、レンズ半径１５００μｍにおける輪帯ピッチ５．４μｍ内での三角形状回折格子の回折光強度を示した図である。 本発明に係るフレネルレンズにおいて、レンズ半径１０００μｍにおける輪帯ピッチ８．０μｍ内での三角形状回折格子中の第１，第２回折格子部の占有比率を示した図である。 本発明に係るフレネルレンズにおいて、レンズ半径１０００μｍにおける輪帯ピッチ８．０μｍ内での三角形状回折格子の回折光強度を示した図である。 本発明に係るフレネルレンズにおいて、レンズ半径５００μｍにおける輪帯ピッチ１６．１μｍ内での三角形状回折格子中の第１，第２回折格子部の占有比率を示した図である。 本発明に係るフレネルレンズにおいて、レンズ半径５００μｍにおける輪帯ピッチ１６．１μｍ内での三角形状回折格子の回折光強度を示した図である。 本発明に係るフレネルレンズにおいて、レンズ半径０μｍ近傍における輪帯ピッチ１２６．５μｍ内での三角形状回折格子中の第１，第２回折格子部の占有比率を示した図である。 本発明に係るフレネルレンズにおいて、レンズ半径０μｍ近傍における輪帯ピッチ１２６．５μｍ内での三角形状回折格子の回折光強度を示した図である。 本発明に係るフレネルレンズを一部変形させた時に、レンズ半径１５００μｍにおける輪帯ピッチ５．４μｍ内での三角形状回折格子中の第１，第２回折格子部の占有比率を示した図である。 （ａ），（ｂ）は従来例として直角三角形状の回折格子を有するフレネルレンズを示した平面図，縦断面図である。 図１５に示した従来のフレネルレンズを金型により成形する際に、フレネルレンズ用の金型をダイヤモン工具により切削加工して作製する状態を模式的に示した縦断面図である。 従来のフレネルレンズに、中央部の光束は光強度が強く、且つ、外周部の光束は光強度が弱いレーザー光を入射させた状態を模式的に示した図である。

符号の説明

１０…本発明に係るフレネルレンズ、
１１…三角形状回折格子、
１１ａ…底辺、１１ｂ…第１回折格子部、１１ｃ…第２回折格子部、
ＯＢＰ…光学基板、０…光学基板の中心、
Ｋ…光軸、Ｌ…入射光（レーザー光）、
ＲＺ（ＲＺ_０，ＲＺ_１，ＲＺ_２，ＲＺ_３，……，ＲＺ_ｎ）…輪帯領域、
Ｒ_ｎ（Ｒ_０，Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３，……，Ｒ_ｎ）…レンズ半径、
Ｒｐ_ｎ（Ｒｐ_０，Ｒｐ_１，Ｒｐ_２，Ｒｐ_３，……，Ｒｐ_ｎ）…輪帯ピッチ。

Claims (2)

1. 光透過性を有する光学基板上に複数の輪帯領域が中心から外周側に向かって各輪帯ピッチを除々に狭めて設定され、且つ、各輪帯領域内に各三角形状回折格子が形成されたフレネルレンズにおいて、
   前記各三角形状回折格子は、前記光学基板上で入射光が入射する側に前記各輪帯ピッチに合わせて底辺長さを設定した底辺と、前記底辺を透過した前記入射光が出射する側に外周側に向けて傾斜した傾斜面を有し且つ前記入射光に対して特定次数の回折光を回折して所定の集光位置に集光させる第１回折格子部と、前記底辺を透過した前記入射光が出射する側に内周側に向けて傾斜した傾斜面を有し且つ前記第１回折格子部と異なる回折次数に前記入射光を回折して特定次数以外の回折光を発生させると共に前記入射光に対して光透過率を調整する第２回折格子部とを備えてなり、
   前記底辺を高さ基準として前記各三角形状回折格子の高さを略一定に設定した上で、前記第１，第２回折格子部の前記各輪帯ピッチに対する占有比率を、前記各輪帯領域がそれぞれ要求する光透過率になるように前記各輪帯領域ごとに可変させたことを特徴とするフレネルレンズ。
2. 前記光学基板上でレンズ最外周部の前記輪帯領域内に形成される三角形状回折格子は、前記第１回折格子部のみを有することを特徴とする請求項１記載のフレネルレンズ。
   
   

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