JP3024134B2 - 屈折率分布型レンズ - Google Patents

屈折率分布型レンズ

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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は光軸に垂直な断面内において屈折率が変化す
る光学部材、所謂屈折率分布型レンズ、及び該屈折率分
布型レンズを複数個用いたレンズアレイに関するもので
ある。
(従来の技術) 従来より屈折率が連続的又はステップ状に変化する材
質を用いた屈折率分布型レンズには種々の種類のものが
知られている。その中でも光軸に対して回転対称な屈折
率分布をもつ型式のものはSELFOCという名で商品化さ
れ、広い範囲で利用されている。このタイプのものは径
方向の屈折率nが、径方向の光軸からの距離をrとした
とき、noとgというパラメーターを用いて という式で表わされる様な分布をもっている。光軸上の
屈折率が高いことにより光線は光軸方向の曲げられる、
即ち正の屈折力をもつ様な作用を受ける。従って、SELF
OCのレンズ長zoとなる様な範囲にとれば正立実像結像系が実現される。
この一つの応用例が正立等倍結像光学系を構成するレン
ズアレイであることは良く知られている。
(発明が解決しようとする問題点) 上記従来例の屈折率分布型レンズの光学性能改善とし
ては色々な項目が挙げられるが、主として軸上の性能に
関するものと軸外の性能に関するものに分類することが
できる。
このうち軸上の収差については既に種々と説明が行わ
れている。屈折率分布n(r)に高次の項を代入し、 という様に4次の分布定数h4を2/3に置くなどして n(r)=nosech(gr) の形に近づけると、軸上の収差はほとんど0にもってい
くことができる。レーザービームの伝播系など軸上しか
用いないシステムではこの改良で充分な効果を得ること
ができる。
しかしながら、複写機等に用いられている正立等倍結
像光学系の様に軸外迄用いる光学系では軸上のみの性能
を改善してもnogzoというパラメーターによって決まる
像面湾曲がどうしても残ってしまう。この為、単レンズ
として軸外を用いる場合にも、またレンズアレイの様に
隣接するレンズと軸外の画像を重ね合せて結像させる様
な場合にも軸外性能の悪化により光学的性能におのずと
限界が出てきていた。
第7図に示した屈折率分布型レンズとしての単レンズ
の結像光束の状態がこの間の事情を表わしている。図
中、1は物体面、2は結像面であり、破線で示されてい
る2aが屈折率分布型単レンズ3の湾曲した像面である。
光線Aは軸上光線、光線Bは軸外光線を表わしている。
レンズ3の下に描かれている3つの分布曲線は左からそ
れぞれレンズ入射部、レンズ中央部、そしてレンズ射出
部での屈折率プロフィルであり、第7図ではいずれも同
じものとなっている。又、第7図での各パラメーターは
表3に示してある通りである。図から簡単に見てとれる
様に、軸外光束に対する像面湾曲は系全体の光学性能を
制約する大きな限界となっている。
本発明は従来系のこの様な軸外光束に対する光学性能
悪化を改善しようとするものである。
(問題点を解決するための手段) 本発明では、このため屈折率分布型単レンズの軸上光
束と軸外光束の光路の違いに着目し、新たに単レンズの
光軸方向に沿っての屈折率分布に新たなパラメーターを
加えることにより、前記問題を解決しようとしたもので
ある。
第7図に示されるSELFOC型の屈折率分布をもつ単レ
ンズの軸上及び軸外光束の振舞いについてもう一度検討
してみる。正立等倍結像なので該レンズはレンズのロッ
ドの内部に中間結像点をもっている。軸上光線について
言えば図中の点Cがこれに相当する。この様に中間結像
点でのレンズの断面を考えてみると軸上光線はレンズの
径方向の中心に、軸外光線はレンズの径方向で言えば周
辺位置に集光し、空間的に分離されていることになる。
本発明では結像光束の光路中に存在する中間結像点付近
の特殊状況に着目する。
本発明ではこのため屈折率分布型レンズの中間結像点
付近、即ち第7図の例で言えばレンズの長さ方向での丁
度中央付近での屈折率分布をレンズの他の断面部分と変
えることにより、軸外光線に発生する像面湾曲を補正す
ることを特徴としている。より具体的には中間結像点付
近で軸上光線の光路についてはほとんど影響を与えず、
軸外光線の光路についてのみ屈折力を弱める方向に屈折
率分布を修正することを本発明では特徴としている。こ
の目的は例えば中間結像点付近での屈折率分布の低次の
定数を他の部分と同様に保ったまま、高次の定数を変化
させて屈折率分布の変化を他の部分より僅かに小さくす
ることにより達成される。式で表現すれば光軸の中心と
周辺との屈折率差Δnをレンズの光軸の進行方向zの関
数として表わした時、第7図で言えば Δn(0)>Δn(zo/2) Δn(zo)>Δn(zo/2) が成立するということである。但し、ここではz=0を
レンズの入射面にとった。
軸外光線が選択的に通る部分での屈折率分布の変化が
小さいということは屈折力が弱くなる。即ち結像点が後
の方向にずれることを意味している。この結果、前記屈
折率分布型単レンズの子午断面での像面湾曲を補正する
ことができる。
本発明の結果を正立等倍結像のレンズアレイに適用す
れば像面湾曲に起因する像のぼけが補正され、アレイと
してのMTFを各空間周波数にわたって向上させることが
できる。
(実施例) 第1図は本発明の第1実施例を示したものである。第
7図の場合と同じく1は物体面、2は結像面、3が屈折
率分布型レンズを示しており、光線Aは軸上光線、光線
Bは軸外光線を表わしている。レンズの下に描かれてい
るものを第7図と同じく左からレンズ入射部、中間結像
点であるレンズ中央部及びレンズ射出部での屈折率分布
をプロフィルである。
第7図の従来例の場合にはこの3つのプロフィルが同
一であったが、第1図の第1実施例では Δna≡Δn(zo/2)<Δno≡Δn(0) Δna<Δn(zo) となっている所が異る点である。
表1に示したのは具体的な設計値例である。中央部の
中間結像点での屈折率差Δna=0.0130に対し、両端での
屈折率差は0.0133となっている。また、Δn(z)の変
化、即ち光軸中心と周辺との屈折率差の光軸方向の変化
は、例えば正弦波的又は直線的な変化となっている。
本実施例に示される様な屈折率分布の差の変化は小さ
いものなので、従来の屈折率分布型単レンズを製造する
工程に大規模な変更を加えずに容易に実現することが可
能である。通常、屈折率分布型レンズはイオン交換を利
用して作製成される。本実施例に示した様な0.0003とい
うレンズ中央部とレンズ両端部における屈折率差の違い
であれば、部分的なロッド表面にイオン交換促進剤もし
くは抑圧剤を塗布したりするロッドの表面処理法や、ロ
ーカルな電場の印加、ローカルな温度勾配中でのイオン
交換、或いはイオン交換時間を中央部と両端部で変化さ
せる等、通常の工程の中で管理している項目をパラメー
ターとして制御してやることにより、その様なレンズは
容易に実現できる。
本実施例における球面収差を第2図、非点収差及び像
面湾曲を第3図に示す。第3図で点線で示されているの
が子午断面、実線で示されているのが球欠断面での像面
特性である。第7図に示した従来型のsech分布のレンズ
の収差を示す第8図、第9図と第2図、第3図を比較し
てみると子午断面内での像面湾曲が大幅に改善され、ほ
ぼ補正されている状態になっていることがわかる。
また本実施例では光軸に沿ってのΔnの変化を正弦波
状と仮定したが、勿論他の分布、例えば階段状に変化さ
せたりすることによっても本発明の目的は実現される。
第4図に示したのは本発明の第2実施例である。この
例ではΔna<Δnoを実現する手段として3枚の屈折率分
布型レンズが重ねて用いられている。第4図の例ではレ
ンズの下に示された3つの屈折率分布の図に示されるよ
うに、中央の1枚のレンズのΔnが両端のレンズのΔn
に比べて小さくなっている。このようにすることによ
り、第1図に示した第1実施例と同じく子午断面内での
像面湾曲を補正することができる。
表2に示すのは第4図の系の構成データの一例であ
る。この表に示されている様なnoとgを共通にしたレン
ズパラメーターにおいても、高次の分布定数であるh4
変えてΔnをほんのわずか変化させるだけで子午断面の
像面湾曲を補正することができる。第5図及び第6図に
示した表2のパラメーターによる球面非点及び非点収
差、像面湾曲の収差図が本実施例の効果を示している。
第4図の系の3枚のレンズは共通系として構成されて
いれば良いので、図の様に密着して貼り合せの様になっ
ていても、レンズ間に空気等の等方性の屈折率物質をは
さみ込んでいても一向に差しつかえが無い。また本レン
ズ系をレンズアレイに応用する場合には、アレイを構成
するレンズ間相互のクロストークを防止しておけば、断
面上の配列が全く等しい3つのレンズアレイを個々の光
軸を合わせて直列に重ねてやれば良いことになる。
この時、3段のレンズアレイのうち中央のレンズアレ
イのみは、それをはさむレンズアレイとはイオン交換条
件がわずかに異ったものを使用すれば良い。
この結果レンズアレイを構成する個々のレンズを第4
図に示す系と全く同一のものとすることができる。
本発明による第1図あるいは第4図に見られる様な屈
折率分布型レンズを正立等倍結像のレンズアレイに用い
れば、像の重なり合う部分において、像面湾曲によるぼ
けが補正されていることになる。この為、アレイ全体と
してアレイ方向のMTFの向上が達成される。
本発明の実施例ではg等の値を同一とした例えばかり
を挙げたが、屈折率分布を表わすパラメーターno,g,h4
等を光軸方向であるzの関数としてより一般的に表わす
と次のようになる。即ち、本発明の対象となる屈折率分
布型のレンズは光軸であるz軸に垂直な断面内で光軸上
で最も屈折率が高く、光軸から離れるにつれ屈折率が低
くなる。
n2(r,z)=no 2(z){1−g2(z)r2 +h4(z)g4(z)r4+h6(z)g6(z)r6+‥‥} という光軸に対し回転対称な屈折率分布をもっている。
z=0を該屈折率分布型レンズの入射面、zoをレンズの
長さとしたときzoとなる範囲に設定され正立実像を結ぶ様に設定されてい
る。この様なレンズにおいてレンズの最大半径をroとし
たとき、屈折率差 Δn(z)=n(0,z)−n(ro,z) が次の2つの条件 を満足する様に光軸方向に連続的、又はステップ状に屈
折率変化をもたせることが本発明の表現であると言え
る。この条件を満足することで子午断面での像面湾曲は
実施例に見られるように補正されるのである。
表1 レンズ径 ;1.1mm レンズ長zo =14.804mm 中心屈折率no =1.6197 2次分布定数g=0.23271 4次分布定数h4(zo/2) =1.47 h4(0)=h4(zo)=0.10 屈折率差Δna =0.0130 (中央) Δn =0.0133 (両端) 表2 レンズ径 ;1.1mm レンズ長zo =14.804mm(6.0+2.804+6.0) 中心屈折率no =1.6197(共通) 2次分布定数g=0.23271(共通) 4次分布定数h4(zo/2) =9 h4(0)=h4(zo)=0.6 屈折率差Δna =0.0114 (中央) Δn =0.0132 (両端) 表3 レンズ径 ;1.1mm レンズ長zo =14.804mm 中心屈折率no =1.6197 2次分布定数g=0.23271 4次分布定数h4=0.667(sech分布) 屈折率差Δna =Δn=0.0132 (発明の効果) 以上説明したように、本発明では従来型の屈折率分布
型レンズにおいて、光軸方向であるz方向にも連続的あ
るいはステップ状に屈折率分布をもたせることにより、
子午断面での像面湾曲を補正することを可能としたもの
である。この様に子午断面での像面湾曲を補正したレン
ズをアレイ状に並べればアレイとしてのMTFが向上し、
高解像の画像を得ることができる。複写機やファクシミ
リなどにおいて高画質化は非常に重要な技術的課題であ
り、本発明の効果は非常に大きいと言える。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1実施例の屈折率分布型単レンズの
光路図及び該レンズの前面中央部及び像面での径方向の
屈折率分布を示す図、第2図は表1に示す数値を有する
レンズの球面収差、第3図は表1に示す数値を有するレ
ンズの像面特性を示す図、第4図は本発明の第2実施例
における光路図及びレンズの前面、中央部後面での径方
向の屈折率分布を表わした図、第5図は表2に示す数値
を有するレンズの球面収差、第6図は表2に示す数値を
有するレンズの像面特性を示す図、第7図は従来最も良
いとされてきたsech(gr)型の屈折率分布型レンズの光
路図及び該レンズの前面、中央部後面での径方向の屈折
率分布を表わした図、第8図はsech(gr)型の屈折率分
布型のレンズの球面収差、第9図は該レンズの像面特性
を示す図である。 図中、1は物体面、2は像面、2aの破線はレンズ系によ
る湾曲した像面、3は屈折率分布型レンズ、Aは軸上光
線、Bは軸外光線、Cは軸上光線の中間結像点である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02B 3/00 - 3/14 G02B 9/00 - 17/08 G02B 21/02 - 21/04 G02B 25/00 - 25/04

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光軸に垂直な断面内において、光軸上の屈
    折率が最も高く光軸から離れるにつれて屈折率が低くな
    り、かつ該光軸に関して回転対称型の屈折率分布をもつ
    屈折率分布型レンズにおいて、該レンズのレンズ長を正
    立実像を行う長さにとると共に、該レンズの中間結像点
    付近での屈折率分布が該レンズの入射部及び射出部付近
    の屈折率分布と異っており、該レンズの中間結像点付近
    の光軸に垂直な断面での光軸中心と周辺との屈折率差
    が、該レンズの入射部及び射出部付近の断面での光軸中
    心と周辺との屈折率差より小さくなるように該光軸方向
    に屈折率の変化をもっていることを特徴とする屈折率分
    布型レンズ。
  2. 【請求項2】前記光軸方向の屈折率変化が連続的に変化
    することを特徴とする請求項1記載の屈折率分布型レン
    ズ。
  3. 【請求項3】前記光軸方向の屈折率変化がステップ状に
    なっていることを特徴とする請求項1記載の屈折率分布
    型レンズ。
  4. 【請求項4】前記ステップ状の屈折率変化を屈折率分布
    の異なる複数個の屈折率分布型レンズを光軸を合致させ
    て組み合せて構成したことを特徴とする請求項3記載の
    屈折率分布型レンズ。
  5. 【請求項5】請求項1から4のいずれか1項の屈折率分
    布型レンズを複数個配列し、正立実像結像系を構成した
    ことを特徴とする光学系。
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