JP2016001203A - 回折レンズおよびそれを用いた光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】厚いレンズが用いられている自動車ヘッドランプ光学系や、プロジェクタ照明光学系などのレンズを、その光学性能を維持したまま薄型化すること。【解決手段】複数の段差によって区分された複数の領域を有する光学面を少なくとも一面に有する回折レンズであって、回折レンズのブレーズ波長が、使用する光源の波長スペクトル範囲内にあり、ブレーズ波長における隣接領域間の光路差が光源のコヒーレンス長より長く、ブレーズ波長以外の波長において実質的にフレネルレンズとして作用する構成とした。【選択図】図１

Description

本発明は、カメラ、プロジェクタ、照明装置など、白色光に対して用いる光学レンズ、およびそれを用いた光学装置に関する。

本技術分野の背景技術として、特開２００１−２４９２７１号公報（特許文献１）がある。この公報には、「対物レンズ１０は、両面が非球面である樹脂製単レンズであり、一方のレンズ面１１に光軸を中心とした輪帯状のパターンとして回折レンズ構造が形成されている。レンズ面１１，１２の少なくとも一方は非球面であり、屈折レンズとしては球面収差が補正過剰となっている。回折レンズ構造は、フレネルレンズのように各輪帯の境界に光軸方向の段差を持ち、所定の球面収差を持つことにより、レンズ全体では、屈折率が変化した場合にも球面収差が変化しないよう設計されている。」と記載されている（要約参照）。

また、特開２０１３−１８２２６４号公報（特許文献２）がある。この公報には、「フレネルレンズシート２０におけるフレネルレンズ部２２の形成面とは反対側の面に貼り付けられた第１のマスキングシート３０を用意する工程と、マスキングシート付きフレネルレンズシート１０を加熱して、軟化させる工程と、第１の型面４１の少なくとも一部が曲面となった第１の型４０に、第１のマスクキングシート３０が第１の型面４１側となるようにマスキングシート付きフレネルレンズシート１０を配置し、かつ第１の型面４１に存在する第１の吸引孔４２から空気を吸引して、マスキングシート付きフレネルレンズシート２０を曲面成形する工程とを備える透過型スクリーンの製造方法。」と記載されている。

また、特開２０１３−２００３６７号公報（特許文献３）がある。この公報には、「フレネルレンズ１は、第一面１０が平面であり、第一面１０とは反対側の第二面２０が複数（図示例では、３つ）のレンズ面２１を有している。フレネルレンズ１は、各レンズ面２１それぞれを構成する非球面の中心軸ＣＡ０，ＣＡ１，ＣＡ２を互いに異ならせてあり、１つの像面Ｉ上で各レンズ面２１それぞれの焦点Ｆ（Ｆ０），Ｆ（Ｆ１），Ｆ（Ｆ２）の位置をずらしてある。光学検出器は、このフレネルレンズ１を備える。」と記載されている。

特開２００１−２４９２７１号公報 特開２０１３−１８２２６４号公報 特開２０１３−２００３６７号公報

回折レンズは通常はレーザ光のような単色光源に用いることが想定されており、白色光のような広い波長範囲を有する光源では、波長が回折格子のブレーズ波長からずれるのにしたがって利用効率が低下する。これをなるべく抑えるには、隣接輪帯間の光路差を１波長に抑え、１次回折光を利用する設計とする必要があるが、必要なレンズパワが大きいと輪帯のピッチが細かくなり、加工性が低下する。ｎ次回折光を用いればピッチはｎ倍にできるが、利用効率の低下は大きくなる。１次回折光を用いて効率低下なく広い波長範囲に用いるレンズを実現するためには、加工が可能な程度の輪帯幅となるように回折レンズが担うレンズパワを小さくする必要がある。したがって厚いレンズを薄くするような効果は期待できない。

フレネルレンズは輪帯間の干渉性が無視できる程度に、回折レンズに比べて大きな段差量と広い輪帯幅で、幾何光学的な屈折によりレンズ作用をさせ、容易に薄型レンズが実現できるが、レンズを厚さ方向か半径方向に等間隔に区切り、区切られたレンズを平面的に並べて設計されるので、光路長を考慮した波面収差特性が保証されておらず、光学性能が保証されない問題がある。通常は平面レンズとされ、光学的な屈折曲面上に付加して、レンズパワ配分を考慮した設計などはされていない。

特許文献１では、光ディスクのピックアップ用に温度変化に伴う屈折率変化による屈折レンズの光学特性の劣化を、そのレンズ曲面上に付加した回折レンズで補償する技術が述べられている。しかしピックアップレンズは単色のレーザ光源を想定しており、広い波長範囲を有する白色光では、ブレーズ波長からのずれに伴って回折効率が低下する問題点がある。なるべく回折効率を低下させないようにするためには隣接輪帯間の光路差を１波長に抑え、１次回折光を用いる必要がある。また必要なレンズパワが大きいと、回折構造のピッチが細かくなって製造が難しくなる問題点もある。そのとき高次回折光を用いることができれば、ピッチを広くして製造を容易にしながらレンズパワを大きくすることができるが、上記効率低下の観点から高次回折光を用いることができない。そのため、結局回折レンズに大きなレンズパワを持たせることができない。したがってフレネルレンズのようにレンズを薄くする効果はあまり期待できず、色収差や温度ずれの補償など小さなレンズパワで対応できる使い方しかできない。

特許文献２では、フレネルレンズを曲面の上に形成する技術が述べられているが、曲面はスクリーンの面であり、レンズとして作用する面ではなく、基本的にフレネルレンズは曲面の屈折レンズを区分して平行移動させて平面的に薄型化するレンズであり、収差性能などの光学特性が不十分である問題点がある。

特許文献３ではフレネルレンズの区分された各レンズ領域の焦点位置を異ならせるようにレンズ面をシフトさせることが述べられているが、やはり元の一様な曲面レンズを区分して移動させて薄型化するレンズであり、収差性能などの光学特性が不十分である問題点がある。

以上の課題に鑑み、本願の目的は、厚いレンズが用いられている自動車ヘッドランプ光学系や、プロジェクタ照明光学系などのレンズを、その光学性能を維持したまま薄型化することである。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、請求項１では「複数の段差によって区分された複数の領域を有する光学面を少なくとも一面に有する回折レンズであって、前記回折レンズのブレーズ波長が、使用する光源の波長スペクトル範囲内にあり、前記ブレーズ波長における隣接領域間の光路差が前記光源のコヒーレンス長より長く、前記ブレーズ波長以外の波長において実質的にフレネルレンズとして作用すること」を特徴とする。

回折レンズではブレーズ波長において位相関数から計算される光線の光路が、ブレーズ面で幾何光学的に光線が屈折するものと仮定して計算される光路と一致することはよく知られている。そのため回折レンズもブレーズ波長では幾何光学的屈折レンズと等価と言える。上記特許請求の範囲の記載のように、隣接領域間の光路差が光源のコヒーレンス長より長い場合、従来の回折レンズとして必要な光の干渉が起こらないため、そのようなレンズは実質的に回折レンズではなく、屈折レンズとしてのフレネルレンズとして作用することになる。しかし元々、ブレーズ波長で回折レンズが屈折レンズと等価のため、ブレーズ波長では光の干渉が起こらなくとも、回折レンズは依然として回折レンズであるとも言える。回折レンズであれば、市販の光学設計ソフトウエアで前記した位相関数を用いて、屈折レンズと同様の精密な光学設計が可能である。そこでは回折レンズを屈折曲面上に付加することも容易である。このような特性は従来のフレネルレンズにはない特性である。波長がブレーズ波長からずれた場合、回折レンズとして計算される光路と幾何光学レンズとして計算される光線の光路はずれを生じる。光学設計ソフトウエアで、回折レンズでは、特定の回折次数の光線の光路のみを追跡するが、実際には回折効率が徐々に低下し、隣接する回折次数の光線の回折効率が徐々に大きくなって光のエネルギーは異なる回折角の別の回折次数にシフトすることになる。そうして別のブレーズ波長で再び回折効率が最大となって、屈折レンズと等価な条件が再現される。特定の次数の回折角は波長変化に伴って、光学材料の屈折率分散特性による屈折レンズの屈折角の変化と逆方向に変化する。このため、回折レンズは１次回折光を利用するものが屈折レンズの色収差補正によく利用されてきた。しかし、エネルギーがシフトする隣接次数の回折角は、屈折レンズの屈折角変化と同じ方向に不連続に変化することになる。一方、屈折レンズでは波長変化に伴い、前記屈折率分散特性により屈折角がなめらかに変化するが、そのカーブは前記回折レンズのブレーズ条件の回折角をなめらかにつないだ通常の屈折レンズとしての曲線となる。したがって本願の回折レンズには、いわゆる逆分散特性を用いた屈折レンズの色消し作用はないが、光学設計を行うブレーズ波長から波長ずれがあっても、その光路の変化は通常屈折レンズと同等程度である。

請求項２ではより具体的に「前記光源の波長スペクトル範囲を、ピーク波長のスペクトル強度の１／ｅ^2のスペクトル強度を持つ範囲２Δλで定義するとき、前記ブレーズ波長λBに対して、前記隣接領域間の光路差が、λB^2／Δλ以上であること」を特徴とする。この式は光源のスペクトルがガウス分布をしていると仮定した場合の波束の振幅が１／ｅ＾２に減衰する全幅の近似式であり、スペクトルが複雑な場合は必ずしもコヒーレンス長を厳密に反映しない可能性があるが、コヒーレンス長の目安として用いることができる。

請求項３ではより具体的に「前記光源が、前記波長スペクトル範囲２００ｎｍ以上の非レーザ光源であって、前記光路差が前記ブレーズ波長の５倍以上であること」を特徴とする。

請求項４ではより具体的に「前記領域は同心円状の輪帯領域であること」を特徴とする。

請求項５では「前記複数の領域を有する光学面の段差を大局的に包絡した包絡面の軸上曲率が、前記回折レンズを構成する他の面の軸上曲率と異なり、実質的にレンズとして作用する曲面であること」を特徴とする。これは従来のフレネルレンズにはない特徴である。

請求項６では「前記複数の段差によって区分された複数の領域を有する面の回折レンズパワ成分が、前記回折レンズ全体のパワと同じ符号であること」を特徴とする。回折レンズ構造により負担するレンズパワ成分が基本的にレンズ全体の屈折力に直接寄与するように設計することにより、等価な屈折レンズの屈折面の屈折力を回折レンズで負担できるようになるので、等価な屈折レンズの面曲率を小さくし、レンズを薄くすることが可能となる。

請求項７では「前記回折レンズが全体の形状として凸面と凹面で構成されたメニスカスレンズであること」を特徴とする。回折レンズ化する等価な元の屈折レンズを薄型化するのに伴い、曲率を単に小さくするだけでなく、さらに凹面にして軸上厚を薄くすることも可能である。この場合、レンズの実際の軸方向の占有厚さとしては、軸上厚でなく凸面側面頂点と凹面側レンズエッジ部によって律束されることになり、凹面にする寄与が少ないが、プラスチック射出成型などで量産するときに樹脂内部の放熱がしやすく、量産性が向上する。

請求項８では「前記複数の段差によって区分された領域の、段差からもう一方の段差までの幅が、狭くても２０μｍ以上であること」を特徴とする。ダイヤモンドバイトによる金型加工ではあまり輪帯構造が微細だと、加工ができない問題があるので、ある程度の幅を保つことが望ましい。

請求項９では「前記複数の段差の深さが浅くとも４μｍ以上であること」を特徴とする。請求項８と同様に、ダイヤモンドバイトによる金型加工ではあまり段差が浅いと加工が難しい場合がある。

請求項１０では「請求項１に記載の回折レンズを用いた光学装置」であることを特徴とする。本願レンズを用いることで、等価な屈折レンズを性能を保ったまま薄型化できるので、レンズを用いるカメラや、プロジェクタや、照明装置など、白色光を用いる光学装置一般について、軽量化や小型化が可能となる。

特許文献１での、回折レンズを白色光に用いる場合の回折効率低下は、隣接輪帯間の干渉性をなくすことによって、フレネルレンズとして作用させ、効率低下を抑えることができる。このとき回折レンズの設計としては高次回折光を用いるので、１次回折光を用いる場合に対して、輪帯幅、段差深さとも、回折次数の倍率で大きくできる。これによってダイヤモンドバイトによる金型の切削加工が容易になる。またそれによりレンズパワも大きくすることができるので、フレネルレンズのようにレンズの薄型化に寄与することが可能となる。

特許文献２、特許文献３での、フレネルレンズを用いる場合の収差性能は、回折レンズにおける位相関数設計により、容易に最適化が可能となる。このためフレネルレンズに比べて光学性能が向上する。回折レンズであるため、回折面は通常のレンズパワのある曲面に付加することができ、フレネルレンズよりも光学設計の自由度が高まり、光学性能が向上する。そのため屈折レンズで構成された既存の光学系で曲率が大きいレンズ面を、まったく光学的に等価なまま回折面の包絡面としての曲率を小さくし、レンズの厚さを薄くすることが可能となる。

以上をまとめるならば、従来の屈折レンズと等価なレンズをその光学性能を維持したまま薄型化することができ、量産性にすぐれた低コストで高性能なレンズを提供することができる。またそれらを用いた光学装置では、装置の軽量化や小型化ができ、安価に高品質の光学装置を提供することが可能となる。

実施例１の回折レンズを示す図である。 実施例１の回折レンズの輪帯形状を示す図である。 実施例１の回折レンズが互換性を考慮した元の通常レンズを示す図である。 実施例１の放射照度シミュレーション結果比較図である。 実施例１に用いる白色ＬＥＤ光源スペクトルの例を示す図である。 実施例１の回折格子の回折効率の波長依存性のシミュレーション結果を示す図である。 実施例１の回折格子の回折角の波長依存性のシミュレーション結果を示す図である。 実施例２が互換性を持つ元の通常レンズを含むプロジェクタ照明光学系の構成図である。 実施例２で用いる３色ＬＥＤの波長スペクトルの例を示す図である。 実施例２の回折レンズの位相関数による光線追跡結果例を示す図である。 実施例２の回折レンズの輪帯形状設計結果による光線追跡結果例を示す図である。 実施例２の回折面形状設計結果例を示す図である。 実施例２の輪帯形状の係数を示す図である。 実施例２の１３次回折光の位相分布（上図）と輪帯形状のベース非球面形状からの偏差を示す図（下図）である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

本実施例では、光源からの光をコリメートする自動車のヘッドランプなどを想定した照明光学装置用レンズの例を説明する。
図１は、本実施例の回折レンズの設計結果の例を示す図である。回折レンズ１０１は、光源１０２からの発散光を平行光に変換するレンズであり、概形は入射面１０３が凹面、出射面１０４が凸面となったメニスカスレンズである。このレンズは図３に示す焦点距離５７ｍｍ、口径６２ｍｍの通常レンズと同等の機能を有するレンズとして設計した回折レンズである。出射面１０４には図中、中心部の表面形状の拡大図に示している通り、段差によって区分された軸対称な輪帯領域が形成された回折レンズ形状が形成されている。回折次数は３０次、輪帯数は２２０本あり、輪帯幅は一番狭いところでも９０μｍ、段差は一番内側の輪帯で３３．５μｍである。このような輪帯幅と深さであれば、ダイヤモンドバイトによる金型切削加工は容易に行える。入射面形状、および出射面の輪帯面各中間点と段差中間点を結ぶ包絡面の形状は、いずれも以下の非球面形状を表す数式１で記述される。

ここでｚは光軸方向を正とする面のサグ量、ｒは半径座標、ｃは面曲率、ｋは円錐係数、Ａ４、Ａ６，Ａ８は非球面係数である。これらの値を図中に表で示している。またこの非球面の記述式は図３の元のレンズでも同様の定義である。軸上厚さは通常レンズが２２．７ｍｍなのに対して、回折レンズで１５．４ｍｍであり、約３０％薄くなっている。

回折面の位相関数は、回折面を付加する面（ここでは出射面側）で透過する光に加わる位相の値を、ラジアンを単位として回折面を付加する面の口径半径で規格化された半径座標ρに対して表す関数であり、数式２で定義される。

ここでΦは位相値、Ｍは回折次数、αｉは２ｉ次の位相関数係数である。符号は光路差と同じ符号である。もし平面に回折面を付加して入射する平行光を凸レンズのように集光するレンズとする場合、回折面から焦点までの幾何学的な長さは光軸上より周辺部で長くなるので、それを同じ光路差になるように回折面でマイナスの位相差を与える。このとき光の位相波面を焦点に向かう収束球面波とするためには、半径の２乗に比例する成分が支配的である。したがって回折面によるレンズパワの符号は位相関数の２次の係数の符号から判断できる。図１の位相関数の係数の表では、２次の係数α２がマイナスであるため、このレンズに付加された回折面は、凸レンズとして光を収束するレンズパワを持っていることがわかる。これはレンズ全体のレンズパワと同じ方向であり、第１面が凹面となって逆方向のレンズパワとなっていることを打ち消す方向に作用している。

図２は、図１の回折面の各輪帯の面形状を示す図である。中心の円形領域を第０輪帯とし、以下内側から第１、第２、・・・と番号付けしたとき第ｍ輪帯面形状は、数式３のように、６次のべき多項式の係数によって表現されている。図２では、輪帯番号ｍ＝０〜１０と、２１０〜２１９について示す。

ここでｚｍは第ｍ輪帯面の光軸方向を正とする面のサグ量、ａｍ０は第ｍ輪帯の０次の面係数、ａｍ２は第ｍ輪帯の２次の面係数、ａｍ４は第ｍ輪帯の４次の面係数、ａｍ６は第ｍ輪帯の６次の面係数、ｒｍ−１は第ｍ輪帯の内側境界半径、ｒｍは第ｍ輪帯の外側境界半径である。第ｍ輪帯の外側境界半径は第ｍ＋１輪帯の内側境界半径と同じである。これらの輪帯面形状は、回折レンズの位相関数から、変換されたものである。ここでは位相関数値をＭ・λＢごとに分割する半径位置を境界半径として輪帯境界を求め、その中間位相値をとる半径座標において、輪帯包絡面を交差し、輪帯境界で光路差がＭλとなる条件から、各輪帯面の面係数を決めている。

図４は、得られたレンズ面形状を用いて、ブレーズ波長の点光源からの光が１００ｍ先に形成する放射照度を計算した結果を示す図である。通常レンズと回折レンズでほぼ同じ特性を示していることがわかる。回折レンズは位相関数を用いた計算結果と、位相関数から輪帯面形状に変換したあとの面での計算結果を合わせて示している。ここでは用いる光源として白色ＬＥＤなどを想定しているが、ブレーズ波長でないと位相関数の計算結果と回折格子の輪帯面形状の計算結果は一致しなくなる。それは、位相関数の計算が回折レンズとしての特定回折次数の光線を計算するのに対して、輪帯面形状での計算は回折次数に無関係な幾何光学的な屈折角による計算であるからである。これについては後で説明する。

図５は、用いる白色ＬＥＤの波長スペクトルの例を示す図である。白色ＬＥＤでは青色ＬＥＤの光で蛍光体を照射し、蛍光体から発生する波長の長い蛍光と合わせて白色としているため、スペクトルは青色にピークがあり、赤色に広がったピークが重なったような形となっている。ここからブレーズ波長５００ｎｍ、スペクトルの１／ｅ＾２強度半幅Δλ＝１２０ｎｍと読み取るとすれば、請求項２に記載の必要な光路差は約２．１μｍとなる。これに対して本実施例における光路差は、段差が３３．５μｍであることからこれに樹脂材料の屈折率１．４９と空気の屈折率の差０．４９を乗じて、１６．４μｍである。したがって２．１μｍよりは十分に大きく、異なる輪帯を透過した光は干渉せず、透過光は幾何光学的な光線追跡結果に従うことが期待される。もし仮に見積もられたこのコヒーレンス長ぎりぎりに回折次数を選ぶとするならば、ブレーズ波長５００ｎｍの場合２１００／５００＝４．２であり、回折次数として５次以上は必要であることが予想される。５次のブレーズ回折格子の輪帯段差はブレーズ波長を５００ｎｍとするならば、０．５μｍ×５次／０．４９＝５．１μｍである。

図６は、実施例の回折レンズに合わせて、格子ピッチ９０μｍ、ブレーズ波長５００ｎｍ、ブレーズ次数３０次の一様な等間隔の直線ブレーズ回折格子による回折効率の波長分布の計算結果を示す図である。横軸が波長、縦軸が回折効率であり、凡例の数字が回折次数を示す。このように高次回折格子ではそれぞれの次数の回折効率が狭い波長範囲でピークを持つことがわかる。ブレーズ次数の３０次の回折光は指定通り、５００ｎｍ近辺で回折効率が最大となっている。ブレーズ回折格子でありながら、それぞれの次数のピークの回折効率が１に達していないのは、のこぎり波状の凹凸形状で屈折する光線が格子斜面で屈折するときに、実際には段差によって幾何学的に遮蔽される領域があるためである。このとき格子の材料としてＰＭＭＡ（アクリル）を仮定しており、ブレーズ深さは２９．４μｍであった。ブレーズ深さは回折角に依存するため、輪帯位置によって厳密には異なる値となる。このように回折レンズの特定次数の回折光の回折効率は、波長がその次数のブレーズ波長からずれると、急激に効率が低下する。これに対して本願のレンズは図中破線で示しているようにそれぞれの次数のピークをつないだ形で、広い波長範囲で高い回折効率が連続的に維持できる。わずかに傾きを持っているのは、屈折率の波長分散特性により、短い波長で屈折角が大きくなると、段差部で遮蔽される面積が増えるためである。

図７は、図６に回折効率を示したブレーズ回折格子の格子面に垂直に入射する光線が回折される回折角の計算結果を波長に対して示した図である。四角形の凡例のジグザグとしたカーブが最大回折効率となる次数の回折光の回折角、三角形の凡例のなめらかな右下がりの曲線が、格子材料の波長分散特性を考慮した格子面における幾何光学的な屈折角である。輪帯間の光路差が光のコヒーレンス長より大きく、輪帯間の干渉性がないと仮定できる場合には光線は幾何光学的な屈折をすると考えられる。これがフレネルレンズとして作用する状態である。縦の破線の平行線は、図６において各回折次数の光が回折効率のピーク値を持つ波長位置、すなわちブレーズ波長を示している。最大回折効率の回折角のカーブがジグザグと段差を持つのは、回折角が次数ごとに異なり、曲線の段差位置の波長において最大回折効率の回折次数が隣接次数に不連続に入れ替わるからである。この結果からもわかるように、ジグザグの曲線となめらかな右下がりの曲線と縦のまっすぐな破線が常に１点で交わっており、最大回折効率の次数の回折角は、ブレーズ波長において幾何光学的な屈折光線の屈折角に一致していることがわかる。したがって輪帯間の光路差が光のコヒーレンス長よりも長く、光の干渉が起こらない条件においても、ブレーズ波長では回折レンズと同じレンズ作用を示し、それはすなわちブレーズ波長においては依然として回折レンズであることを示している。そのためブレーズ波長においては回折レンズとしてのレンズ設計が可能であり、そこからずれた波長の屈折角は回折レンズの回折角とは厳密には異なるものの、複数の次数の回折光の平均的な回折角に相当しているものと考えられる。そのため、波面収差的にも十分使用に耐える光学設計が可能である。

また逆に、高次回折レンズをコヒーレンス長の長い光源に用いるとこのように回折角が急峻にジグザグに変化する回折光が生じ、照明光学系や結像光学系には適さないが、光源にコヒーレンス長の短い光源を用いて干渉性をなくすと、通常のレンズ同様に屈折角がなめらかに変化する特性が得られ、色消しの設計も行いやすい。

また色収差特性についても本願回折レンズは通常の回折レンズと異なる。図７において回折格子の最大回折効率の回折光の回折角は次数がジャンプする不連続点を除き常に傾きが右上がりなのに対して、幾何光学的屈折光線は常に右下がりである。これは色収差の表れる波長変化の方向が、回折レンズと、屈折レンズおよび回折レンズの輪帯間の干渉性をなくした本願回折レンズとでは、色収差の表れ方が逆方向であることを示している。これは本願回折レンズが、通常の屈折レンズと同じ方向であることも示している。

本願の回折レンズを自動車のヘッドランプなどの光学装置に適用することにより、既存のレンズの光学性能を維持したままレンズの薄型化が可能となり、装置の小型軽量化が可能となる。またレンズ部材が薄くなるため金型成形工程での冷却時間の短縮が可能となり、既存設備での生産量が向上し、製造コストを相対的に下げることが可能となる。これによりレンズを利用する光学装置の低価格化にもつながる。

本実施例では、液晶プロジェクタなどにおいて、ＬＥＤの出射光を液晶変調素子に照明する光学系に用いられるレンズへの実施例を示す。
図８は、本実施例でモデルとする通常レンズの例を示す図である。単色ＬＥＤ光源８０１からの光を第１レンズ８０２と第２レンズ８０３によって拡散板面８０４に照明する光学系である。この厚さの厚い第１レンズ８０２を本願回折レンズにより薄型化し置き換える。レンズ材質はＰＭＭＡ、レンズ形状と軸上レンズ厚は図中に示す通りである。面形状は数式１に示した非球面式で記述される。これらの値から第１レンズの焦点距離は４．３ｍｍであることがわかる。図は簡単のため１色のＬＥＤ光学系を示しているが、実際に使用する際にはレンズ８０３と拡散面８０４の間に、図示しない波長合成プリズムを用いて、同様の光学系による３つの波長の光を合成し、同一の拡散板面８０４を同時に３つの波長で照明する。

図９は、青、緑、赤の３色の単色ＬＥＤの波長スペクトルの例を示す。単色とは言え、半導体レーザとは異なり、それぞれ波長広がりを持っている。たとえば緑の波長では、ピークの波長が５２０ｎｍ、波長スペクトルの半幅が約４０ｎｍであるので、コヒーレンス長を０．５２＾２／０．０４＝６．８μｍと見積もられ、輪帯間の光路差を緑の波長に対して約１３λ与えれば干渉性のない回折レンズが実現できる。

図１０は、図８の第１レンズ８０３と同じレンズ作用を持つ回折レンズ１００１を位相関数により設計した結果を示す図である。第１面の曲率半径がマイナスであることから、面の曲率中心は面より入射側にあり、第１面は凹面であることがわかる。したがって全体としてメニスカスレンズ形状となっている。レンズ厚は５．５ｍｍに薄型化されている。回折面はレンズの出射面側第２面上に形成されることを想定している。各面の面形状および第２面上の回折レンズ位相関数の係数は図中に示す通りである。ここで位相関数の２次の係数α２がマイナスの符号であることから、回折面は凸レンズとして作用する正のレンズパワを持つことがわかる。したがって回折面がレンズ全体のパワ成分と同符号である。

図１１は、図１０の位相関数を用いた設計結果から、輪帯面形状に変換した設計結果を示す図である。図８と同等の光学特性が実現できていることがわかる。

図１２は、図１１の回折レンズ１１０１の回折面形状全体図（左側）とその光軸近傍の拡大図（右側）である。図中、輪帯面形状と、回折面を形成する前のベース非球面形状を重ねて示している。回折面は輪帯中央と段差中央でベース面と一致していることがわかる。

図１３は、輪帯面形状の係数を示す図である。輪帯数は２５輪帯、輪帯幅は狭くとも４０μｍあることがわかる。なお最外周は輪帯幅としては狭いが、実際上は有効径外に輪帯を連続して形成できるので、加工上の問題は生じない。

図１４は、回折レンズで付加される位相（上図）と、ベース面形状からの輪帯面の形状偏差（サグ量）（下図）を示す。回折次数は１３次のため、位相は位相関数値が±６．５λの範囲で折り畳まれており、隣接輪帯間では１３λの位相差が生じることがわかる。このような付加位相分布を反映し、ベース面と輪帯面との形状偏差が形成されていることがわかる。ただし周辺部ほど面の傾斜が大きくなるため、一定の位相差を生じさせるための段差量は大きくなっている。

本願の回折レンズをプロジェクタなどの照明光学系に適用することにより、従来のレンズ性能を維持したまま、レンズの薄型化が実現でき、装置の小型軽量化が可能となる。またレンズ部材が薄くなるため金型成形工程での冷却時間の短縮が可能となり、既存設備での生産量が向上し、製造コストを相対的に下げることが可能となる。これによりレンズを利用する光学装置の低価格化にもつながる。

１０１ 実施例１の回折レンズ、
１０２ ＬＥＤ光源、
１０３ 入射面（第１面）、
１０４ 出射面（第２面）、
３０１ 実施例１の回折レンズが同等のレンズ作用を有する元の通常レンズ、
８０１ ＬＥＤ光源、
８０２ 実施例２の回折レンズ（第１レンズ）、
８０３ 実施例２の第２レンズ、
８０４ 拡散板面。

Claims (10)

1. 複数の段差によって区分された複数の領域を有する光学面を少なくとも一面に有する回折レンズであって、
   前記回折レンズのブレーズ波長が、使用する光源の波長スペクトル範囲内にあり、前記ブレーズ波長における隣接領域間の光路差が前記光源のコヒーレンス長より長く、前記ブレーズ波長以外の波長において実質的にフレネルレンズとして作用することを特徴とする回折レンズ。
2. 前記光源の波長スペクトル範囲を、ピーク波長のスペクトル強度の１／ｅ^2のスペクトル強度を持つ範囲２Δλで定義するとき、前記ブレーズ波長λBに対して、前記隣接領域間の光路差が、λB^2／Δλ以上であることを特徴とする請求項１に記載の回折レンズ。
3. 前記光源が、前記波長スペクトル範囲２００ｎｍ以上の非レーザ光源であって、前記光路差が前記ブレーズ波長の５倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の回折レンズ。
4. 前記領域は同心円状の輪帯領域であることを特徴とする請求項１に記載の回折レンズ。
5. 前記複数の領域を有する光学面の段差を大局的に包絡した包絡面の軸上曲率が、前記回折レンズを構成する他の面の軸上曲率と異なり、実質的にレンズとして作用する曲面であることを特徴とする請求項１に記載の回折レンズ。
6. 前記複数の段差によって区分された複数の領域を有する面の回折レンズパワ成分が、前記回折レンズ全体のパワと同じ符号であることを特徴とする請求項１に記載の回折レンズ。
7. 前記回折レンズが全体の形状として凸面と凹面で構成されたメニスカスレンズであることを特徴とする請求項１に記載の回折レンズ。
8. 前記複数の段差によって区分された領域の、段差からもう一方の段差までの幅が、狭くても２０μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の回折レンズ。
9. 前記複数の段差の深さが浅くとも４μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の回折レンズ。
10. 請求項１に記載の回折レンズを用いた光学装置。

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