JP2013167840A - 色消しレンズ - Google Patents

Abstract

【課題】赤外光と可視光のように大きく波長が異なる２つの光が入射した際の色収差を好適に補正することができる色消しレンズを提供する。
【解決手段】主波長λ_１を有する光と、この主波長λ_１より短い副波長λ_２を有する光とが入射され、回折面を有する色消しレンズ。主波長λ_１に対する前記回折面の回折次数Ｎ_１＝０であり、かつ、副波長λ_２に対する前記回折面の回折次数Ｎ_２≠０である。
【選択図】図１

Description

本発明は色消しレンズに関する。さらに詳しくは、例えば赤外光と可視光のように大きく波長が異なる２つの光が入射した際に生じる色収差を補正し得る色消しレンズに関する。

１０．６μｍの波長を有する赤外光のＣＯ_２レーザは、金属加工などの用途に広く用いられている。このようなレーザ光を集光するためのレーザ材料として、ゲルマニウム（Ｇｅ）やセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）が多用されている。Ｇｅは可視光を全く透過させないが、ＺｎＳｅは可視光を透過させるため、このＺｎＳｅを用いて、可視光の６３３ｎｍ（Ｈｅ−Ｎｅレーザ）まで充分に透過させるレンズを作製することができる。かかる集光レンズを用いると、可視レーザをＣＯ_２レーザと同じ光軸に沿って入射させ、透過させることができるので、光軸を合わせる調整工程、すなわちアラインメント工程を容易に行うことができる。

しかし、両レーザは波長が異なるので色収差が発生し、可視光の焦点位置はＣＯ_２レーザの焦点位置と大きく離れてしまう。

この色収差を補正する方法として、主材料のＺｎＳｅと色分散特性が異なるＢａＦ_２などの結晶を副材料とする凹レンズを組み合わせることが知られているが、この凹レンズは割れ易く、高価であり、また、特性が不安定であるため、実用化は困難である。

他の補正方法として、回折面を用いた色消しレンズ（回折レンズ）が知られている。この色消しレンズによる色収差補正の原理は、対象となる２つの波長の１次回折光の回折角度の差が、材料の分散特性による屈折角の差と符号が逆で、かつ極めて大きい（波長に敏感である）ことを利用するものである。回折レンズは単一の材料で色収差を補正できるという特長があるが、回折効率の波長依存性が大きいという課題がある。これは、回折面の格子溝の深さは、１つの波長に対して１次光の回折効率が最大（１００％）になるように決められるが、他の波長では１次光の回折効率が低下してしまうためである。

そこで、１次回折光ではなく２次以上の高次回折光を利用する方法が提案されている（例えば、特許文献１〜２参照）。これらは、１次光の回折効率が低くても、２次、３次などの高次回折光の中に高効率となる次数がそれぞれの波長で存在し得るので、それらを好適に組み合わせて利用する方法である。

特開２００５−１００５５１号公報 特開２００５−１４９６２６号公報

しかし、２次以上の高次回折光を利用する従来の方法では、赤外光と可視光のように波長差が大きい場合、後述するように色収差補正を行うことができないという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、赤外光と可視光のように大きく波長が異なる２つの光が入射した際の色収差を好適に補正することができる色消しレンズを提供することを目的としている。

（１）本発明の色消しレンズは、主波長λ_１を有する光と、この主波長λ_１より短い副波長λ_２を有する光とが入射され、回折面を有する色消しレンズであって、
主波長λ_１に対する前記回折面の回折次数Ｎ_１＝０であり、かつ、副波長λ_２に対する前記回折面の回折次数Ｎ_２≠０であることを特徴としている。

本発明の色消しレンズでは、主波長λ_１に対してはゼロ次光を、副波長λ_２に対してはゼロでない回折次数の回折光を最大の回折効率で発生させる回折面とし、主波長λ_１に対しては回折の効果をなくし通常のレンズとして機能させ、副波長λ_２については、発生する屈折の色収差を回折の色収差で相殺している。これにより、赤外光と可視光のように大きく波長が異なる２つの光が入射した場合でも色収差を補正することができる。

（２）前記（１）の色消しレンズにおいて、前記主波長λ_１に対する副波長λ_２の比（λ_２／λ_１）が、０．３より小さいことが好ましい。

（３）前記（１）又は（２）の色消しレンズにおいて、前記回折面の格子溝深さをｄとし、主波長λ_１でのレンズ材料の屈折率をｎ_１とすると、（ｎ_１−１）ｄ／λ_１＜０．３であることが好ましい。

（４）前記（１）〜（３）の色消しレンズにおいて、主波長λ_１を赤外域の範囲とすることができる。

（５）前記（１）〜（４）の色消しレンズにおいて、主波長λ_１を１．０μｍ以上とすることができる。

（６）前記（１）〜（５）の色消しレンズにおいて、主波長λ_１を有する光を、１０．６μｍの波長を有する赤外光のＣＯ_２レーザ光とし、副波長λ_２を有する光を、６３３ｎｍの波長を有するガイド用可視光とすることができる。

本発明の色消しレンズによれば、赤外光と可視光のように大きく波長が異なる２つの光が入射した際の色収差を好適に補正することができる。

実施例１に係る色消し集光レンズの光路図である。 実施例２に係る色消し集光レンズの光路図である。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の色消しレンズの実施の形態を詳細に説明する。

本発明では、色収差を補正する色消しレンズとして屈折機能及び回折機能を有するレンズ（以下、単に「回折レンズ」ともいう）を用いているが、この回折レンズのパワー（屈折力。焦点距離の逆数）をＰとし、そのうち屈折のパワーをＰ_Ｒ、回折のパワーをＰ_Ｄとすると、
Ｐ＝Ｐ_Ｒ＋Ｐ_Ｄ ・・・・・・（１）
Ｐ_Ｒ∝ｎ−１ ・・・・・・（２）
Ｐ_Ｄ∝Ｎλ ・・・・・・（３）
の関係がある。ここで、ｎはレンズ材料の屈折率、Ｎは回折次数である。

対象とする２つの波長のうち長いほうを主波長λ_１とし、短いほうを副波長λ_２とし、さらにそれぞれの波長でのレンズ材料の屈折率をｎ_１、ｎ_２とする（ｎ_１＜ｎ_２）と、２つの波長でのパワーの差ΔＰは、屈折及び回折のそれぞれについて
ΔＰ_Ｒ＝Ｐ_Ｒ１−Ｐ_Ｒ２＝Ｐ_Ｒ１（ｎ_１−ｎ_２）／（ｎ_１−１） ・・・・・・（４）
ΔＰ_Ｄ＝Ｐ_Ｄ１−Ｐ_Ｄ２＝Ｐ_Ｄ１（Ｎ_１λ_１−Ｎ_２λ_２）／Ｎ_１λ_１ ・・・・・・（５）
が成立する。ここで、Ｎ_１、Ｎ_２は各波長に対する回折次数であり、Ｎ_１≠Ｎ_２のときは、各波長で異なる回折次数を利用することを意味する。また、Ｐ_Ｒ１、Ｐ_Ｄ１は波長λ_１での屈折、回折のパワーである。
色収差補正が成立する条件は、
ΔＰ_Ｒ＋ΔＰ_Ｄ＝０ ・・・・・・（６）
であることが分かる。

スカラー回折理論より、Ｎ次回折光の回折効率η_Ｎは、次の式（７）で求められることが知られている。
η_Ｎ（λ）＝｛ｓｉｎｃ（φ（λ）−Ｎ）｝^２ ・・・・・・（７）
ここで、関数ｓｉｎｃは、
ｓｉｎｃ（Ｘ）＝ｓｉｎ（πＸ）／πＸ ・・・・・・（８）
を意味する関数である。また、φ（λ）は、
φ（λ）＝（ｎ−１）ｄ／λ ・・・・・・（９）
であり、波長λに対して１次回折光の効率が１００％となる格子溝の深さλ／（ｎ−１）に対する実際の格子溝の深さｄの比率を表している。

回折効率η_Ｎ（λ）が最大効率の１００％になるのは、式（７）よりＮ＝φ（λ）のときであるので、これを式（９）に代入すると、
Ｎ＝（ｎ−１）ｄ／λ ・・・・・・（１０）
となる。
したがって、主波長λ_１について回折次数Ｎ_１のときの回折効率が１００％となるように、格子溝深さをｄ＝Ｎ_１λ_１／（ｎ_１−１）としたとき、副波長λ_２の回折効率が最も高くなる条件は、
Ｎ_２≒Ｎ_１×（ｎ_２−１）／（ｎ_１−１）×λ_１／λ_２ ・・・・・・（１１）
のときとなる。ここで、「≒」を用いたのは回折次数Ｎ_１、Ｎ_２が整数だからである。

仮に、式（１１）の「≒」が「＝」であったとして、これを式（５）に代入すると、
ΔＰ_Ｄ＝Ｐ_Ｄ１{１−（ｎ_２−１）／（ｎ_１−１）}
＝Ｐ_Ｄ１（ｎ_１−ｎ_２）／（ｎ_１−１） ・・・・・・（１２）
となり、Ｐ_Ｄ１の係数が式（４）の右辺のＰ_Ｒ１の係数と全く同一になることが分かる。したがって、式（６）が成り立つためには、Ｐ_Ｒ１＝−Ｐ_Ｄ１でなければならない。しかし、この場合、式（１）より、回折レンズのパワーＰ＝０となってしまい、レンズとして機能しないことが分かる。

例えば、主波長λ_１＝１０．６μｍ、副波長λ_２＝６３３ｎｍ、レンズ材料をＺｎＳｅ（ｎ_１＝２．４０、ｎ_２＝２．５９）とすると、格子溝深さをＮ_１＝１に対して１００％となるようにｄ＝１０．６／（２．４０−１）＝７．６μｍとした場合、副波長λ_２では、式（１１）よりＮ_２＝（２．５９−１）／（２．４０−１）×１０．６／０．６３３＝１９．０１８・・・から、回折次数Ｎ_２＝１９のときに回折効率η_１９（λ_２）≒１００％となることが分かる。しかし、この場合、式（４）、（５）より、
ΔＰ_Ｒ＝Ｐ_Ｒ１×（２．４０−２．５９）／（２．４０−１）≒−０．１３６×Ｐ_Ｒ１
ΔＰ_Ｄ＝Ｐ_Ｄ１（１０．６−１９×０．６３３）／１０．６≒−０．１３５×Ｐ_Ｄ１
となり、式（６）が成立するためには、Ｐ_Ｒ１≒−Ｐ_Ｄ１でなければならない。しかし、この場合、式（１）より、回折レンズのパワーＰ≒０となってしまい、レンズとして機能しないことが分かる。

前述したように、波長１０．６μｍと６３３ｎｍのように波長差が大きい場合、２波長色消しの条件式（６）とレンズ機能の条件式（１）とが両立し得ないことが分かる。特許文献１〜２などの従来技術において、色収差補正が達成されているのは、波長の差が前記の２波長間ほど大きくないことに他ならない。このことを以下に示す。

式（１１）の右辺は整数とは限らないので、右辺を四捨五入することで、最も近い整数Ｎ_２が決定されると考えられる。この四捨五入によって発生する調整係数をＣとすると、式（１１）は、
Ｎ_２＝Ｎ_１×（ｎ_２−１）／（ｎ_１−１）×λ_１／λ_２＋Ｃ ・・・・・・（１３）
と記述することができる。ただし、−０．５＜Ｃ≦０．５である。ここで式（１３）を式（５）に代入すると、
ΔＰ_Ｄ＝Ｐ_Ｄ１×{（ｎ_１−ｎ_２）／（ｎ_１−１）−Ｃ／Ｎ_１×λ_２／λ_１} ・・・・・・（１４）
となる。これを式（４）とともに、式（６）に代入すると、
ΔＰ_Ｒ＋ΔＰ_Ｄ＝Ｐ_１×（ｎ_１−ｎ_２）／（ｎ_１−１）−Ｐ_Ｄ１×Ｃ／Ｎ_１×λ_２／λ_１＝０ ・・・・・・（１５）
となる。つまり、全体でのレンズパワーＰ_１≠０のときに色消しの条件式（１５）が成り立つためには、Ｃ／Ｎ_１×λ_２／λ_１≠０でなければならない。

従来の色収差補正の波長範囲は、可視光ならば４００〜７００ｎｍ、紫外〜近赤外ならば３００ｎｍ〜１μｍ、あるいは赤外域では３〜５μｍや８〜１２μｍなどがある。従来技術における波長差の範囲であれば、２つの波長の比λ_２／λ_１＝０．３〜０．７程度であり、Ｃ／Ｎ_１×λ_２／λ_１≠０が容易に成立する。しかし、前出のλ_１＝１０．６μｍとλ_２＝６３３ｎｍのように波長差が大きいと、波長比がλ_２／λ_１≒０．０６と非常に小さくなり、Ｃ／Ｎ_１×λ_２／λ_１≒０となってしまうため、式（１５）の色消し条件が成立しなくなる。

そこで、本発明の色消しレンズでは、波長λ_１、λ_２（λ_１＞λ_２）の２つの波長のうち、主波長λ_１に対しては回折次数Ｎ_１＝０、すなわちゼロ次光（回折のパワーＰ_Ｄ１＝０）を、副波長λ_２に対しては、ゼロでない回折次数Ｎ_２≠０の回折光を最大の回折効率で発生させる回折面としている。このとき、式（５）の波長間でのパワー差は、Ｐ_Ｄ１＝０より、
ΔＰ_Ｄ＝−Ｐ_Ｄ２ ・・・・・・（１６）
となり、色消しの式（６）は、
ΔＰ_Ｋ−Ｐ_Ｄ２＝０ ・・・・・・（１７）
となる。すなわち、主波長λ_１に対しては回折の効果はないので、通常の屈折レンズとして機能し、副波長λ_２については、発生する屈折の色収差を回折の色収差で相殺する。

主波長λ_１に対してゼロ次光の最大回折効率とする条件は、式（１０）より、
Ｎ_１＝０≒（ｎ_１−１）ｄ／λ_１ ・・・・・・（１８）
であるので、ｄ／λ_１≒０ということになる。すなわち、格子溝の深さｄが、主波長λ_１に比べて十分に小さいということである。

格子溝の深さｄと主波長λ_１のゼロ次回折効率η_０（λ_１）との関係は、式（７）〜（９）より
η_０（λ_１）＝｛ｓｉｎｃ（φ（λ_１））｝^２＝{ｓｉｎｃ（（ｎ_１−１）ｄ／λ_１）}^２ ・・・・・・（１９）
により計算することができる。ここでφ（λ_１）とη_０（λ_１）との関係を計算すると、以下の表１のようになる。

表１より、例えばゼロ次光の回折効率を５０％以上にするためには（ｎ_１−１）ｄ／λ_１＜０．６とする必要がある。また、回折効率を８０％以上にするために、（ｎ_１−１）ｄ／λ_１＜０．４とする必要がある。更に、高出力レーザ用の場合には、回折効率９０％以上にするために、（ｎ_１−１）ｄ／λ_１＜０．３とする必要がある。

〔実施例〕
次に本発明の色消しレンズの実施例を説明するが、本発明はもとよりかかる実施例にのみ限定されるものではない。
実施例として、ＣＯ_２レーザ加工用機に用いられる色消しレンズを作製した。ＣＯ_２レーザ加工には、赤外光（主波長λ_１＝１０．６μｍ）とガイド光としての可視光（副波長λ_２＝６３３ｎｍ）とが用いられる。この２つの光の波長差が従来技術における波長差に比べて極端に大きいことは、前述した通りである。そこで、副波長６３３ｎｍにおいて回折作用をもたせようとすると、まず、主波長１０．６μｍの光線だけで幾何収差の補正を行い、その後副波長６３３ｎｍの光線だけに関して付加した回折面のみの最適化によって、焦点距離、バックフォーカスなどを主波長１０．６μｍのときのそれらと同一になるようにする。すなわち、軸上色収差及び倍率色収差の補正により、２つの波長に関して同一の焦点位置に同一の大きさの画像を結像させることができる。こうすることで、色消しレンズを設計することができる。

[実施例１]
レンズ材料としてＺｎＳｅを用い、以下に示す仕様のレーザ加工機用の色消し集光レンズ１を作製した。実施例１に係る色消し集光レンズ１の光路図を図１に示す。
波長：主波長λ_１＝１０．６μｍ（ＣＯ_２レーザ）
副波長λ_２＝６３３ｎｍ（Ｈｅ−Ｎｅレーザ）
焦点距離：１００ｍｍ（両波長とも）
屈折率：ｎ_１＝２．４０
ｎ_２＝２．５９
レンズ径：φ３８．１ｍｍ
中心厚：３ｍｍ
エッジ厚：１．７ｍｍ
第１面形状：凸球面、曲率半径 １００ｍｍ
第２面形状
（ベース面）凹非球面
曲率半径：３４２．２ｍｍ
コーニック係数：−１．０２１
４次非球面係数：６．１７０×１０^−８／ｍｍ^３
（回折面）２次位相係数：６．８３３ラジアン／ｍｍ^２
４次位相係数：−１．６３２×１０^−４ラジアン／ｍｍ^４
格子溝深さ：ｄ＝０．３９８μｍ
波長１０．６μｍに対する回折効率：９９．１％（０次）
波長６３３ｎｍに対する回折効率：１００％（１次）
バックフォーカス（第２面から焦点までの距離）：９８．３ｍｍ
コーティング：両面反射防止膜付き

回折面がなかった場合、副波長６３３ｎｍの焦点距離は８８．２ｍｍ、バックフォーカスは８６．４ｍｍとなり、主波長１０．６μｍの焦点距離１００ｍｍやバックフォーカス９８．３ｍｍに比べてかなり短くなる。本実施例では、回折面があることで色収差が補正でき、回折面の色消しが極めて有効に機能していることが分かる。回折効率は、（ｎ_１−１）ｄ／λ_１≒０．０５３と非常に小さいので、両波長ともほぼ１００％と高く、良好な特性であった。

[実施例２]
レンズ材料としてＺｎＳｅを用い、以下に示す仕様の２枚組構成のレーザ加工機用の色消し集光レンズ１１を作製した。色消し集光レンズ１１は、レーザ源側の第１レンズ１１ａと、被加工物側の第２レンズ１１ｂとからなる。実施例２に係る色消し集光レンズ１１の光路図を図２に示す。
波長：主波長λ_１＝１０．６μｍ（ＣＯ_２レーザ）
副波長λ_２＝６３３ｎｍ（Ｈｅ−Ｎｅレーザ）
焦点距離：１００ｍｍ（両波長とも）
画角：±５度
屈折率：ｎ_１＝２．４０
ｎ_２＝２．５９
<第１レンズ>
レンズ径：φ４２ｍｍ
中心厚：５ｍｍ
エッジ厚：３．６ｍｍ
第１面形状：
（ベース面）凸非球面
曲率半径：５７．３２ｍｍ
コーニック係数：０．２３５８
４次非球面係数：−２．３４４×１０^−７／ｍｍ^３
６次非球面係数：−１．４２９×１０^−１０／ｍｍ^５
（回折面）２次位相係数：５．１００ラジアン／ｍｍ^２
格子溝深さ：ｄ＝０．３９８μｍ
波長１０．６μｍに対する回折効率：９９．１％（０次）
波長６３３ｎｍに対する回折効率：１００％（１次）
第２面形状：凹球面、曲率半径７８．１９ｍｍ
＜第２レンズ＞
レンズ径：φ２５ｍｍ
中心厚：５ｍｍ
エッジ厚：４．１ｍｍ
第１面形状：
（ベース面）凸非球面
曲率半径：２２．１９ｍｍ
コーニック係数：−０．１４１５
４次非球面係数：−１．１４７×１０^−７／ｍｍ^３
（回折面）２次位相係数：５．３４７ラジアン／ｍｍ^２
格子溝深さ：ｄ＝０．３９８μｍ
波長１０．６μｍに対する回折効率：９９．１％（０次）
波長６３３ｎｍに対する回折効率：１００％（１次）
第２面形状：凹球面、曲率半径２０．５３ｍｍ
第１レンズー絞り間距離：７５．９ｍｍ
バックフォーカス（第２面から焦点までの距離）：３１．９ｍｍ
コーティング：両面反射防止膜付き

回折面がなかった場合、副波長６３３ｎｍの焦点距離は８８．８ｍｍ、バックフォーカスは２１．７ｍｍとなり、主波長１０．６μｍの焦点距離１００ｍｍやバックフォーカス３１．９ｍｍに比べてかなり短くなる。本実施例では、回折面があることで色収差が補正でき、回折面の色消しが極めて有効に機能していることが分かる。回折効率は、実施例１と同様に高かった。

また、画角±５度による最大像高さは８．７ｍｍであるが、２つの波長間での像高差は０．０２ｍｍまで補正されており、倍率色収差も良好に補正されていることが分かる。

〔その他の変形例〕
なお、今回開示された実施の形態はすべての点において単なる例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、前記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。

例えば、前述した実施の形態では、ＣＯ_２レーザ加工機に用いられる色消しレンズについて説明したが、ＣＯレーザやＹＡＧレーザなど他のレーザを利用した加工機にも本発明の色消しレンズを用いることができる。すなわち、主波長としては１０．６μｍに限定されるものではなく、他の波長を有するレーザ光を主波長とする加工機にも本発明の色消しレンズを用いることができる。

また、前述した実施の形態では、主波長をＣＯ_２レーザの波長である１０．６μｍとして説明しているが、これに限定されるものではなく、例えば赤外域の範囲のものとすることができ、また、具体的には１．０μｍ以上のものとすることができる。

また、主波長に対する副波長の比として、６３３ｎｍ／１０．６μｍ≒０．０６を例示している。この比は、本発明において特に限定されるものではないが、通常、０．３よりも小さいことが、本発明の効果が十分に得られるという点からは好ましい。

１ 色消し集光レンズ（実施例１）
１１ 色消し集光レンズ（実施例２）

Claims (6)

1. 主波長λ_１を有する光と、この主波長λ_１より短い副波長λ_２を有する光とが入射され、回折面を有する色消しレンズであって、
   主波長λ_１に対する前記回折面の回折次数Ｎ_１＝０であり、かつ、副波長λ_２に対する前記回折面の回折次数Ｎ_２≠０であることを特徴とする色消しレンズ。
2. 前記主波長λ_１に対する副波長λ_２の比（λ_２／λ_１）が、０．３より小さい請求項１に記載の色消しレンズ。
3. 前記回折面の格子溝深さをｄとし、主波長λ_１でのレンズ材料の屈折率をｎ_１とすると、（ｎ_１−１）ｄ／λ_１＜０．３である請求項１又は請求項２に記載の色消しレンズ。
4. 主波長λ_１が赤外域の範囲である請求項１〜３のいずれか１項に記載の色消しレンズ。
5. 主波長λ_１が１．０μｍ以上である請求項１〜４のいずれか１項に記載の色消しレンズ。
6. 主波長λ_１を有する光が１０．６μｍの波長を有する赤外光のＣＯ_２レーザ光であり、副波長λ_２を有する光が６３３ｎｍの波長を有するガイド用可視光である請求項１〜５のいずれか１項に記載の色消しレンズ。

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