JP3201394B2 - ｆθレンズ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は炭酸ガスレ−ザの
走査ビームを集光してプリント基板に照射し高速穿孔す
るためのｆθレンズに関する。ｆθレンズという概念自
体は公知である。像面での変位（像高）ｈがビームの入
射角θに比例して変わるというｈ＝ｆθの関係があるレ
ンズの事をいう。ｆθレンズはこれまでレ−ザプリンタ
−、レ−ザＣＯＭシステム（計算機出力マイクロフィル
ムシステム）に用いられてきた。ポリゴンミラーによっ
てビームを走査しこれを集光してドラムに照射するため
に用いる。プリンタ用のｆθレンズについてはすでに幾
つかの発明が成されている。しかしプリンタ用のｆθレ
ンズと本発明が対象にするレ−ザ加工用のｆθレンズは
大きく異なる。プリンタ用光源はＡｌＧａＡｓ等微細な
半導体レ−ザでパワーも弱いし波長は短い。光導電体を
設けたドラムの電荷を除去するのが目的だからテレセン
トリック性も必要でない。

【０００２】これに反してレ−ザ加工用光源は炭酸ガス
レ−ザ、ＹＡＧレ−ザなどであるがパワーは極めて大き
い。レ−ザ波長は長い。穴穿孔の場合テレセントリック
性は不可欠である。プリンタ用ｆθレンズとレ−ザ加工
用ｆθレンズの違いについてはのちに詳しく説明する。
本発明者の知る限り、レ−ザ加工の分野でｆθレンズの
改良などの発明は成されていない。レ−ザ加工でこれま
でｆθレンズが要るような加工が成されていなかったか
らである。ビームを集光するためのレンズやミラーは多
用されるが、いずれも通常のｆｔａｎθレンズであっ
た。レ−ザ加工の分野で新規にｆθレンズが必要とされ
ようとしている理由を述べる。

【０００３】近年の電子機器の高性能化、高機能化に対
応するために、プリント基板への部品実装がますます高
密度となっている。それに伴って、プリント基板の高密
度化、多層化が急速に進んでいる。プリント基板の製造
では、微細かつ高速の穴開け加工技術が不可欠である。
従来も現在も機械的穿孔が主流である。微小なドリル
（マイクロドリル）を回転させながら上下させ機械的に
プリント基板に穴を開けるものである。機械的穿孔はド
リルが上下に動きプリント基板も水平に相対運動するか
ら穿孔速度が遅い。それにドリル刃を余り細くできない
から１００μｍ以下の穴を穿つことはできなかった。従
来のマイクロドリル加工では困難或いは不可能であった
１００μｍ以下の穴あけ加工方法として、レ−ザによる
穴あけ加工が注目されている。これは機械的に基板を削
るのではなく高密度の光エネルギーによってプリント基
板を焼き切って穴をあけるものである。

【０００４】プリント基板のレ−ザ穴あけの原理は、高
繰り返しの短パルスレ−ザをＸ、Ｙ両軸用の二つのガル
バノミラーで高速に偏向し、それをｆθレンズでプリン
ト基板上の目標へ集光、照射して穴をあける。光には質
量がないから慣性がなく偏向速度は極めて速い。機械的
に動くのはガルバノミラーだけである。ガルバノミラー
の慣性が問題になるが、これは十分に軽くできる。穿孔
速度が高速であるという第一の利点がある。それに加え
て１００μｍ径以下の微小穴をも穿孔できるという長所
もある。

【０００５】加工対象となる材料は、エポキシ、ポリイ
ミドなどの樹脂材料である。また、レ−ザは炭酸ガスレ
−ザが主流となっている。発振波長は通常１０．６μｍ
であるが、上記材料の加工性の点から９μｍ台の発振ラ
インを用いることもある。ＹＡＧレ−ザを用いる場合は
１．０６μｍであるが、ここでは９μｍ〜１０．６μｍ
の炭酸ガスレ−ザを光源にする場合について述べる。プ
リント基板穿孔用ｆθレンズは、切断、溶接などのレ−
ザ加工で用いられる通常の集光用レンズ（ｆｔａｎθ）
とは全く異なる。非常に特殊なレンズである。本発明
は、このプリント基板穴あけ加工に用いられるｆθレン
ズに関する。

【０００６】

【従来の技術】本発明は、レ−ザ加工に用いられる新規
なｆθレンズを提案しようとするものである。従来技術
としてはｆθレンズと、レ−ザ加工の二つがある。両方
を説明する必要がある。

【０００７】レ−ザ加工というのは高出力のレ−ザ光を
金属、セラミック、プラスチックなどにあてて、収束光
の熱作用により、切断、溶接、熱処理などを行うもので
ある。炭酸ガスレ−ザ（ＣＯ_２）は、レ−ザ加工用とし
て最も広く普及しているレ−ザである。その高出力性
（最大数十ｋＷ）を生かした切断、溶接などへの適用が
最も多い。レ−ザビームを導き、収束させるためミラー
やレンズなどの光学部品が用いられる。波長が長い赤外
光を用いるので可視光や近赤外光用の材料とは全く違っ
た材料が光学部品として用いられる。高出力レ−ザ用の
光学部品、特にレ−ザを材料表面へ照射するために用い
られる集光光学部品としては数ｋＷの出力まではセレン
化亜鉛（ＺｎＳｅ）製のレンズが好適に用いられる。Ｚ
ｎＳｅは、赤外域で透過率が高く、非常に吸収率が低い
材料である。

【０００８】他にガリウム砒素（ＧａＡｓ）、ゲルマニ
ウム（Ｇｅ）などの赤外用光学材料もある。これらは何
れも１０．６μｍの光に対して低吸収であり透過型光学
部品として用いることができる。しかしこれらの材料の
間にも適不適がある。Ｇｅは１０．６μｍ光に対して屈
折率が非常に大きい（ｎ＝４）ので設計の自由度が高
い。ダイヤモンド工具によって切削でき非球面レンズに
加工できる。優れた材料である。しかしバンドギャップ
が狭いので自由キャリヤが多く加熱されると光の吸収が
急増してしまう。

【０００９】ＺｎＳｅは屈折率はＧｅより低い（ｎ＝
２．４）が、バンドギャップが広いので加熱されても光
の吸収が余り増加しない。ＺｎＳｅは機械加工によって
非球面とすることができる。ＧａＡｓ（ｎ＝３．３）は
屈折率が高く、材料が入手しやすいという利点がある。
しかしこれは機械的手段で切削できず非球面レンズを作
製することができない。球面レンズは研磨だけで造形で
きる。ＧａＡｓの場合は球面レンズとする他はない。こ
れが光学設計を制肘する。１０．６μｍ光に対して、球
面レンズだけならＧａＡｓでも製造できるが、非球面レ
ンズが必要となると、ＺｎＳｅ、Ｇｅに限定される。赤
外材料はいずれも赤外光に対して屈折率が高いので可視
光用のレンズとは著しく異なる点がある。

【００１０】なお、ＺｎＳｅなどが低吸収といっても、
５ｋＷ以上の高出力レ−ザになると透過型光学部品であ
るレンズでは加熱に耐えない。その場合は反射型光学部
品が利用される。集光光学系として例えば軸外し放物面
鏡等の反射鏡が用いられる。反射型であれば殆ど光が内
部に入らないので吸収も少ない。ここではレ−ザ加工用
のレンズを問題にするのでミラーについては説明しな
い。

【００１１】レ−ザ加工に用いられるレンズは平凸レン
ズのような単純な集光レンズであるから通常のｆｔａｎ
θレンズである。だから像の高さ（中心からの距離）は
かならずｆｔａｎθとなる。レ−ザ加工の分野で使われ
るのは通常のｆｔａｎθレンズであった。ｆθレンズは
必要でなかった。だからレ−ザ加工分野でｆθレンズの
従来技術として挙げるべきものはなにもない。

【００１２】レ−ザプリンタの分野ではｆθレンズは既
に実績がある。ＡｌＧａＡｓレ−ザの近赤外光（８００
ｎｍ〜９００ｎｍ）を回転するポリゴンミラーで反射し
帯電した光伝導材料被覆ドラムに当てる。ポリゴンミラ
ーは正多角形の断面をもつ円柱形のミラーで等速回転す
る。ドラム上での走査速度が等速であるためには、反射
ビームのドラムにおける位置ｈとポリゴンミラーの傾斜
角θが比例する必要がある（ｈ＝ｆθ）。それでプリン
タ用の集光レンズにはｆθ性が要求される。

【００１３】レ−ザプリンタ用のレンズとレ−ザ加工用
のレンズでは対象とする光のパワーや波長が全く異な
る。作用も異なる。だから新規に提案するレ−ザ加工ｆ
θレンズと、従来のプリンタ用ｆθレンズは別物である
といえる。プリンタ用の光源はＡｌＧａＡｓ半導体レ−
ザであり波長は近赤外である。光を当てて光伝導体の抵
抗を下げ電荷を除去するだけであるからパワーは極めて
微弱である。ビーム走査の為には高速回転するポリゴン
ミラーが使われる。可視〜近赤外で透明の石英やガラ
ス、透明プラスチックをレンズ材料とすることができ
る。これら可視近赤外材料はいずれも屈折率が低い。例
えば石英はｎ＝１．４程度である。各種ガラスでも１．
５〜１．８で低いものである。同等の屈折を実現するた
め低屈折率材料はより大きい曲率を必要とする。より大
きい曲率を与えると諸収差も変わってくる。屈折率はレ
ンズ設計において重要なパラメータである。同じように
ｆθレンズといっても屈折率が大きく異なると、もはや
別物と言えよう。以下にプリンタ、ファクシミリやＣＯ
Ｍシステム用のｆθレンズの従来技術を幾つか述べる。
尚、ｆθレンズには様々なものが開発され実用化されて
いるが、ここでは本発明に関連するものとしてテレセン
トリックのｆθレンズを挙げる。

【００１４】特開昭５８−８８７１６号「高解像力を
有する等速度走査用レンズ」（発明者；高橋貞利、立岡
正道、出願人；キャノン株式会社）は、ヘリウムネオン
レ−ザ（６３２．８ｎｍ）を光源とした画像記録読み取
り装置に用いるｆθレンズを提案する。目的は偏向器と
走査用レンズの間隔を充分広くとることである。材料の
屈折率はｎ＝１．６〜１．８である。屈折率の低いガラ
スレンズである。４つの群のレンズの集合であり、 第１群＝物界側に凸面を向けた正レンズ 第２群＝物界側に凹面を向けた負メニスカスレンズ 第３群＝２枚以上の正レンズ 第４群＝物界側へ凹面を向けた負レンズ よりなる。

【００１５】物界側というのは物体がある側ということ
で光が入射する側ということである。入射側ということ
もある。反対概念は像面側とか出射側とかである。正レ
ンズというのは光を収束させる作用（すなわち正の屈折
力）があるものである。負レンズというのは光を発散さ
せる作用（負の屈折力）があるものである。メニスカス
というのはレンズの２つの面のうち１つが凹面、もう一
方が凸面であるものをいう。このｆθレンズは最低でも
５枚のレンズの組み合わせよりなる。前焦点と第１レン
ズの第１面の距離を長くするのが目的の一つである。前
焦点〜第１レンズ第１面の距離ｄ_０は焦点距離ｆで正規
化してｄ_０／ｆ＝０．８２〜０．９１となっている。そ
れは偏向器とレンズの距離を広くするという目的を達成
するためである。しかし最後のレンズ面から像面までの
距離ｄ_１０は短く、ｆで正規化してｄ_１０／ｆ＝０．２
２〜０．２６に過ぎない。

【００１６】特開昭５８ー１７４０８号「等速度走査
用レンズ」（発明者；小林祐子、出願人；オリンパス光
学工業株式会社）は、６枚組のレンズを提案している。
屈折率が１．６６のガラスを材料としており、光源は６
３２．８ｎｍのヘリウムネオンレ−ザである。第１レン
ズ＝正レンズ、第２レンズ＝負レンズ、第３レンズ＝物
体側に凹面を有する負メニスカスレンズ、第４レンズ＝
物体側に凹面を有する正メニスカスレンズ、第５レンズ
＝正レンズ、第６レンズ＝正レンズである。

【００１７】さらにｆを焦点距離、ｒ_５を第３レンズの
物体側曲率半径、ｒ_９を第５レンズの物体側の曲率半
径、Ｓを第３レンズの物体側面から第４レンズの像側面
までの軸上距離として、

【００１８】 −０．３ｆ＜ｒ_５＜−０．２６ｆ （１） １５．６ｆ≦｜ｒ_９｜ （２） ０．２７ｆ＜ Ｓ ＜ ０．３１ｆ （３）

【００１９】とする。寸法の絶対値はあまり意味がない
ので、個々のレンズの曲率半径や距離は全体の焦点距離
ｆで割って示す事が多い。レンズは物体側から順に記号
Ｌ_１、Ｌ_２…を付ける。レンズ面も物体側から番号
Ｓ_１、Ｓ_２…を付す。空間間隙、レンズ厚みは区別せず
ｄ_１、ｄ_２、…等と番号を付けることが多い。このｆθ
レンズは第１、２レンズによって正の屈折を与えている
ので強い負の球面収差が発生する。負の球面収差を補正
するために第３レンズの作用で補正する。そのためにｒ
_５に−０．３ｆ〜−０．２６ｆという条件が課される。
Ｓが大きすぎると像面彎曲が過大になり、小さすぎると
歪曲収差が大きくなりすぎるので３番目のＳに関する条
件が定められている。

【００２０】特開平４−９３９１０号「テレセントリ
ックなｆθレンズ」（発明者；小野克昭、出願人；リコ
ー光学株式会社）は、４群よりなるレンズ系を提案して
いる。屈折率１．５〜１．８のガラスレンズを用いる。
第２群は物体側に凹面を向けた負メニスカスレンズで、
第３群は物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズ、第
４群は像側レンズ面が凸面である正レンズである。全系
の焦点距離をｆ、第３群の焦点距離をｆ_３、第２群の物
体側および像側のレンズ面の曲率半径をＲ_３、Ｒ_４、第
２、第３群間の軸上空気間隔をＤ_４、第３群レンズの材
質の屈折率をｎ _３として、

【００２１】０．４＜ｆ／ｆ_３＜０．９５ （４） −０．３＜Ｒ_３／ｆ＜−０．２ （５） −０．４＜Ｒ_４／ｆ＜−０．３ （６） ０＜Ｄ_４／ｆ＜０．０６ （７）１．６＜ｎ_３

【００２２】という条件が必要だという。第１レンズに
は幾つかの候補がある。物界側に凸面を有する負メニス
カスレンズ、または物界側に凸面を持つ正レンズと、こ
の像側に接合され像側に凹面を有する負レンズ、あるい
は物界側に凸面を向けた正レンズとこの正レンズの像側
に配備され像側に凹面を向けた負レンズ、である。屈折
率は１．６以上が良いという結論をだしているが、高屈
折率の材料がないので上限は１．８程度にすぎない。

【００２３】特公平６−７９１０３号「テレセントリ
ックｆθレンズ」（発明者；城田浩行、出願人；大日本
スクリーン製造株式会社）はレ−ザプリンタ用の光ビー
ム走査装置に用いられるｆθレンズを提案する。５枚組
のレンズである。光源はヘリウムネオンレーザ（６３
２．８ｎｍ）とアルゴンレ−ザ（４８８ｎｍ）である。
屈折率が１．５〜１．８のガラスレンズを用いている。
第１レンズ＝入射側に凹面をもつ正パワーのメニスカス
レンズ、第２レンズ＝入射側に凹面をもつ負パワーのレ
ンズ、第３レンズ＝入射側に凹面をもつ正パワーのメニ
スカスレンズ、第４レンズ＝入射側に凹面をもつ正パワ
ーのメニスカスレンズ、第５レンズ＝入射側は平面で正
パワーを有するレンズである。さらに次の条件を満足す
る。

【００２４】 −０．６５＜ｒ_１／ｆ＜−０．２５ （８） ０．４ ＜ｄ_８／ｆ＜１．１６ （９） １．６１＜ｆ_５／ｆ＜３．５ （１０）

【００２５】ｒ_１は第１レンズＬ_１の前面の曲率半径、
ｄ_８は第４レンズの後面と第５レンズの前面の距離、ｆ
_５は第５レンズの焦点距離、ｆは全系の焦点距離であ
る。

【００２６】特開昭６１−３０２４３号「ｆ・θレン
ズ」（発明者；渋谷真人、出願人；日本光学工業株式会
社）もレ−ザプリンタ、ファクシミリのポリゴンミラー
走査系の後段に設けるｆθレンズを提案している。４群
のレンズよりなる。第１群は負レンズと正レンズよりな
り合わせて負の屈折力を持つ。第２群は物界側に凸のメ
ニスカスレンズである。第３群は像面側に凸のメニスカ
スレンズである。第４群は正、負、正の３つのレンズか
らなり全体として正の屈折力をもつ。合計７枚のレンズ
からなるｆθレンズである。第２群レンズの物界側の面
の曲率半径をｒ _５、第２群レンズ像界側の曲率半径をｒ
_６、第３群の物界側の面の曲率半径をｒ _７、第３群の像
界側の曲率半径をｒ_８，第３群のレンズ中心厚をｄ_７、
第１群と第２群によって形成される入射瞳から第３群前
面までの距離をｌとして_、

【００２７】 ｜ｒ_８｜＞｜ｒ_７｜ （１１） ｌ＞｜ｒ_７｜ （１２） １．０≦（｜ｒ_７｜＋ｄ_７）／｜ｒ_８｜＜１．２ （１３） ０．８＜ｒ_６／ｒ_５＜１．１ （１４）

【００２８】レンズの材質は石英、ガラスなどである。
屈折率は低く、ｎ＝１．４〜１．７７である。光源はＨ
ｅ−Ｎｅレ−ザ（６３２．８ｎｍ）とＹＡＧ（１０６４
ｎｍ）で、両波長に対し色消しされていることに特徴が
ある。可視光用のｆθレンズである。３つのレンズより
なり強い正の屈折力を持つ第４群によって負の歪曲収差
を発生させｆθ性を与える。そのために像面彎曲が発生
する。これを第３群によって補正したい。第３群はビー
ムを拡大するためのもので物界側に凹である。像面彎曲
補正のために第３群のレンズを同心円状のものとする。
ｒ_７が凹面、ｒ _８が凸面であるが、同心状というのを
（１１）によって表現したものである。これは粗すぎる
条件である。

【００２９】そこで式（１３）を同心状を定義するため
に使っている。ｄ_７が第３群レンズ厚みであるが内半径
ｒ_７とｄ_７を足したものが外半径ｒ_８と同一（（｜ｒ_７
｜＋ｄ_７）＝ｒ_８；ｒ_７は負、ｒ_８は正）なら完全に同
心である。同心から２割凸側へのズレを許容するという
のが（１３）の意味である。

【００３０】第４群によって内コマ収差が発生する。第
３群によって外コマ収差を発生させてコマ収差を補正し
たい。第１群、第２群によって発生する入射瞳と第３群
までの距離がｌであるが、第３群の前面の曲率半径ｒ_７
をこれより小さくして外コマ収差を生じさせる。その条
件が（１２）である。第４群によって負の歪曲収差が発
生するが、これを第２群によって補正する。そのため第
２群は屈折力が殆どない（負レンズでも正レンズでもな
い）物界側に凸のメニスカスとする。第２群の前半径が
ｒ_５（正）、後半径がｒ_６（負）であるが、屈折力がな
いというのはｒ _５＝｜ｒ_６｜で示される。これに０．８
〜１．１の幅を付けて、屈折力がない第２群という事を
表現したのが（１４）である。

【００３１】特許第２５５８２５５号「テレセントリ
ックｆ・θレンズ」（発明者；濱田明佳、出願人；ミノ
ルタ株式会社）はレ−ザビームを回転ポリゴンミラーで
走査するレ−ザＣＯＭシステムのｆθレンズを提供す
る。プリンタの場合は焦点距離が２００ｍｍ〜４００ｍ
ｍと長いが、レ−ザＣＯＭの場合は焦点距離が５０ｍｍ
程度と短い。５群のレンズ組よりなるｆθレンズであ
る。第１群は１枚以上の負レンズ、第２群は１〜２枚の
正レンズ、第３群は１枚以上の正レンズ、第４群は３枚
以上のレンズ、第５群はサジタル方向に屈折力の大きな
アナモフィックレンズよりなる。光源はＨｅ−Ｎｅレ−
ザの６３２．８ｎｍである。屈折率はｎ＝１．５〜１．
８である。材料はガラスである。５群よりなり最小枚数
は７枚となる筈であるが、実施例として挙がっているの
は、１１枚レンズ、１０枚レンズ、９枚レンズ、８枚レ
ンズである。

【００３２】０．４＜−β_ｓ＜０．８ （１５） ０≦ｆ_Ｍ／ｒ_Ａ＜１ （１６） ０．６＜ｆ_Ｍ／ｒ_Ｂ＜１ （１７） ０≦−ｆ_Ｍ／ｒ_Ｃ＜１ （１８） ０．４＜ｆ_Ｍ／ｄ_Ｄ＜０．６ （１９）

【００３３】β_ｓは全体系のサジタル側倍率である。ｒ
_Ａは第１群負レンズの像界側曲率半径、ｒ_Ｂは第３群正
レンズの物界側曲率半径、ｒ_Ｃは第４群に存在するメリ
ディオナル側負レンズの物界側曲率半径である。ｄ_Ｄは
レンズ全体の軸上距離である。ｆ_Ｍは全系のメリディオ
ナル側の焦点距離である。メリディオナル側倍率よりも
サジタル倍率の方が大きいように第５群のアナモフィッ
クレンズ（円柱レンズ）を使っている。

【００３４】第３群、第４群のレンズにもアナモフィッ
ク面を形成してもよいと述べている。メリディオナル側
の倍率β_Ｍは実施例においてはいずれも０となってい
る。これは第５群にアナモフィックレンズを使っている
からである。これは一次元走査という限定された目的に
合致するように５群や３群４群に円柱レンズを使ってい
るのである。β_Ｍ＝０というのがこの特徴である。回転
非対称のレンズを使うので二次元走査の場合はもちろん
使えない。

【００３５】特許第２５７６０９５号「テレセントリ
ックｆ・θレンズ」（発明者；濱田明佳、出願人；ミノ
ルタ株式会社）は、ポリゴンミラーで一次元走査される
ビームを集光するための４群のレンズ群からなるｆθレ
ンズを提案している。レ−ザＣＯＭに使用されるｆθレ
ンズである。軸上距離をｄ_Ｄとし、全体の焦点距離をｆ
とした場合、従来のものはｆとｄ_Ｄがほぼ同じ長さであ
ったのでポリゴンミラーまでの距離を充分に取れない、
ということを問題にする。そして、ｆ／ｄ_Ｄが０．４〜
０．７になるようなｆθレンズを提供しようとしてい
る。第１群は少なくとも１枚の負レンズを含む。第２群
は１枚〜２枚の正レンズよりなる。第３群は物界側に凸
面を向けた正の単レンズより成る。第４群は正負正の３
枚レンズ、或いは正正負正の４枚のレンズよりなる。最
小枚数は６枚である。実施例は９枚が１例、８枚が４
例、７枚が７例、６枚が４例である。

【００３６】０≦ｆ／ｒ_Ａ＜１ （２０） ０．６＜ｆ／ｒ_Ｂ＜１ （２１） ０≦−ｆ／ｒ_Ｃ＜１ （２２） ０．４＜ｆ／ｄ_Ｄ＜０．７ （２３）

【００３７】という条件が課される。ｒ_Ａは第１群負レ
ンズの像界側の曲率半径、ｒ_Ｂは第３群単レンズの物界
側曲率半径、ｒ_Ｃは第４群に１枚存在する負レンズの物
界側曲率半径である。ｄ_Ｄは軸上距離、ｆは全レンズ系
の焦点距離である。大きな歪曲収差を発生させｆθ性を
発揮させるための条件が（２０）である。（２０）によ
って歪曲収差が大きく現れるので非点収差、歪曲収差を
補正するのが（２１）である。（２２）は他のレンズで
発生した球面収差とコマ収差を補正する条件である。
（２３）はこの発明の目的に沿うものでレンズと像面、
レンズと走査系の距離を長くするためのものである。

【００３８】このようにｆθレンズについて数多くの提
案がなされているが、いずれも可視光、近赤外光が対象
である。レ−ザプリンタのポリゴンミラーの後段に置か
れてＡｌＧａＡｓ半導体レ−ザビーム走査用に用いられ
る。但しこれらの公報に掲載されている実施例はヘリウ
ムネオン（６３２．８ｎｍ）やアルゴンガスレ−ザ（４
８８ｎｍ）で実験しているが、気体レ−ザの可視光の方
が実験が容易であるからである。実際の用途はＡｌＧａ
Ａｓレ−ザのビーム走査が多いであろう。波長は短く６
００ｎｍ〜９００ｎｍである。レンズは各種のガラスで
ある。この波長域には屈折率の高いものがないので１．
５〜１．８程度の低屈折率材料を使っている。またパワ
ーは弱くて１ｍＷ以下である。帯電した光電導体にビー
ムを走査し帯電を解除するだけであるからテレセントリ
ック性は必ずしも必要ないが、ｆθ線形性向上や焦点合
わせ誤差の影響低減などのため、ここで挙げた６つの従
来技術は全てテレセントリックのｆθレンズとなってい
る。またレンズと像面の距離はプリンタの場合短くても
差し支えない。

【００３９】

【発明が解決しようとする課題】本発明はプリント基板
の穿孔をドリル穿孔よりも高速にするためレ−ザビーム
で穿孔しようとする。そのためにレ−ザビームを二次元
走査して基板に当てる。プリント基板に当て、その部分
を垂直に焼ききって穴を開ける。細い穴を開けるのであ
るから集光しなければならない。走査と集光の前後関係
に二通りある。

【００４０】走査より先に集光するということもできよ
う（集光＋走査）。走査されたビームを集光するという
こともありうる（走査＋集光）。単に切断、溶接などの
レ−ザ加工であれば集光したビームを走査するというこ
とも可能である。この場合どのようなレンズやミラーを
用いてもビームは被加工物の面と垂直にならない。ま
た、像面は平坦でない。反対に走査した後で集光するこ
ともできる。この場合通常のｆｔａｎθレンズを用いる
と走査角とビーム偏向距離が比例しないし、通常はテレ
セントリックでない。切断、溶接などならそれでもよ
い。

【００４１】しかし等間隔に垂直の微小穴を開けるとい
う場合はビームの垂直性が必要である。テレセントリッ
ク性が必要だということである。しかも走査角とビーム
偏向距離ｈが比例している方が好都合である。だからレ
−ザビームによって等間隔に穴を穿つ場合、走査＋集光
系としても、従来のｆｔａｎθレンズは集光レンズとし
て役に立たない。レ−ザによる微小穴穿孔の集光レンズ
としてｆθレンズが必要である。ｆθレンズの新しい用
途である。テレセントリック性がｆθ性よりも重要であ
るともいえる。レ−ザ加工用ｆθレンズは新規なもので
あるから、必要な性能、作用などが理解されていない。
そこで必要とされる性能を予め説明する。

【００４２】［１．ｆθ性］プリント基板加工に用いら
れるｆθレンズの特徴の第１は、その名のごとく、ｆθ
性、すなわちレ−ザの入射角度θに比例して焦点面（加
工材料の表面）上で焦点が移動することである。ここで
ｆはレンズの焦点距離である。つまりガルバノミラーで
偏向されたレ−ザ光が入射角度θ（ラジアン）でレンズ
に入射するとき、焦点の位置（光軸からの高さ）ｈが、

【００４３】ｈ＝ｆθ （２４）

【００４４】となることを意味する。つまりｈとθの関
係が線形である。

【００４５】通常の平凸レンズの場合その関係は、

【００４６】ｈ＝ｆｔａｎθ （２５）

【００４７】となる。関係はごく単純であるが、ｈとθ
の関係が線形でない。カメラ用などの結像レンズではｆ
ｔａｎθ性が重要である。ｆｔａｎθ関係からのズレを
歪曲収差という。この観点に立てばｆθレンズは意図的
に負の歪曲収差（θ＜ｔａｎθなので）をもたせたレン
ズであるということができる。

【００４８】上記の関係式（２４）から、ｈ＝ｈ_１の位
置に穴をあける場合に、ｆθレンズでは

【００４９】θ_１＝ｈ_１／ｆ （２６）

【００５０】の入射角度となるようにガルバノミラーを
振る（振り角をαとすると、α＝θ_１／２）が、平凸レ
ンズでは、

【００５１】 θ_１＝ｔａｎ^−１（ｈ_１／ｆ） （２７）

【００５２】の入射角度としなければならない。つまり
像面での中心からの距離ｈ_１と振り角θ_１の間に正比例
関係がない。ｈ_１を像面で等間隔に変化させようとする
場合、振り角θ_１は等間隔に振ってはいけないことにな
る。中心付近で大きく周辺部で小さく振る必要がある。
これはガルバノミラー駆動系を工夫して実現する可能性
はある。しかしそれだけでは足らない。また、ポリゴン
ミラーで偏向する場合は大きな問題となり得る。つまり
平凸レンズの場合ｆ−θ非線形という難点がある。

【００５３】ガルバノミラーでビームを等角速度で振る
というような場合ｆθレンズは卓越した長所がある。ガ
ルバノミラーの角速度ω＝ｄα／ｄｔが一定であるなら
ば、ｆθレンズでは焦点の像面での移動速度ｖは、

【００５４】 ｖ＝ｄｈ／ｄｔ＝ｆｄθ／ｄｔ＝２ｆｄα／ｄｔ＝２ｆω （２８）

【００５５】となって一定となる。これがｆθレンズの
長所である。

【００５６】平凸レンズではｈとθの間の線形性がない
のでこのような単純な関係にない。

【００５７】 ｖ＝ｄｈ／ｄｔ＝ｆsec^２θｄθ／ｄｔ＝２ｆsec^２θｄα／ｄｔ＝２ｆωsec^２ θ（２９）

【００５８】既に述べたように、ｆθレンズは、レ−ザ
プリンタなどのビーム走査になくてはならないレンズと
なっている。その理由は上記のようなミラーの振れ角θ
と移動距離ｈの線形性にある。

【００５９】レ−ザプリンタのビーム偏向は多くはポリ
ゴンミラーが用いられている。これは正多角形の柱体で
ある。揺動でなく回転する。ポリゴンミラーの角速度ω
は一定である。したがってレンズに入るビームの入射角
度の時間変化が一定となる。一定速度でドラム表面を長
手方向にビーム走査するためには、ｆθレンズが必要に
なる。そのため、レ−ザプリンタなどのビーム走査光学
系ではｆθレンズが用いられている。レ−ザプリンタ用
のｆθレンズは既に幾つも製造販売されている。前節で
従来技術として幾つかを既に説明した。

【００６０】ここで問題にするのはレ−ザ穴あけであ
る。レ−ザビームを反射するのはポリゴンミラーでなく
ガルバノミラーである。ガルバノミラーは回転するので
なく往復揺動する。ガルバノミラーは角速度を一定にし
て振り角を制御するのではない。角度制御は任意性があ
る。角速度も様々にすることができる。（２７）を満足
するようにガルバノミラーを揺動することはできる。そ
れでは、レンズのｆθ性は必要ないのか？というとそう
ではない。

【００６１】一次元走査のレ−ザプリンタの場合とは異
なり、プリント基板加工では、二つのガルバノミラーに
より二次元走査が行われる。二次元走査ということが一
次元走査の場合に比べて問題をより困難なものにしてい
る。二つのガルバノミラーは、それぞれが干渉しないよ
う（接触しないよう）に一定の距離をおいて配置され
る。

【００６２】従ってガルバノミラーによる二次元走査の
場合、ビームの偏向点が二つあることになる。そのた
め、一次元走査とは異なる二次元的な歪曲、すなわち位
置決め誤差が生じる。これは少し分かりにくいが次のよ
うな事である。二次元走査といっても一点でミラーが二
次元方向（Ｘ、Ｙ）に独立に曲がるならそれに対向する
平面には正方形状の走査領域を描くことができる。しか
し実際にはＸ方向の偏向ビームをＹ方向にさらに偏向す
るのであるから、Ｘ方向の偏向位置によってＹ方向の偏
向範囲が変わってくる。Ｘ、Ｙ方向独立のビーム偏向を
すると対向する平面に投影された走査領域は正方形にな
らない。Ｘ方向には膨らみＹ方向には縮むというような
変形をする。これが位置決め誤差である。

【００６３】プリント基板加工機では、その位置決め誤
差を補正するようにガルバノミラーの角度が制御され
る。つまり一方の偏向角によって、他方の偏向角を調整
して、操作領域が正方形になるように修正する。ガルバ
ノミラーの揺動角（振れ角θ）を高速で調整して位置決
め誤差をガルバノミラーで補正できる。要求される位置
決め性能は例えば穿孔速度が毎秒５００点以上、誤差±
２０μｍ以下というような厳しいものである。極めて高
速かつ高精度が要求される。その補正制御上、レンズの
ｆθ性、すなわち、振り角と位置の線形性（ｈ＝ｆθ）
が重要となるのである。

【００６４】つまり（２７）のようにガルバノミラーを
非線形に揺動させることはできるが位置決め誤差を補正
するためにもガルバノミラー運動を微調整しなければい
けない。両者をガルバノミラー運動によって高速で補正
するというのは難しい。だからレンズにｆθ性があった
方が良い。レンズがｆθ性を持つならガルバノミラーは
位置決め誤差補正だけを行えば良いのである。つまりレ
ンズのｆθ性はガルバノミラー制御系の負担を軽減でき
る。

【００６５】［２．テレセントリック性］第２の特徴は
テレセントリック性である。むしろこちらの方が重要な
性質である。プリント基板など被加工物は１０μｍ以上
の厚みを持っている。被加工物の上面と下面で同じ位置
に穴が真っ直ぐに貫通していなければ、各面にある配線
の接続がうまくゆかない。つまり面に垂直な穴を開けな
ければならないという事である。垂直な穴をあけるため
には、レ−ザビームが加工物表面に対し垂直に照射され
ることが必要となる。そのためには、ｆθレンズからの
出射光ビームは、入射角度θに拘らず、焦点面（像面）
のどの位置に焦点を結ぶ場合にも光軸に平行な収束光と
なっていることが要求される。

【００６６】このように出射ビームがいたるところで光
軸に平行であることをテレセントリック性という。その
ためには像面よりもレンズが大きいことが必要である。
テレセントリック性はレンズの大型化を要求する。出射
ビームの光軸平行からのズレをテレセントリックエラー
と呼ぶ。焦点面（像面）垂直からのズレと言っても良
い。プリント基板加工では、テレセントリックエラーと
して例えば６度以下であることが要求される。このエラ
ー値は一次元走査で考えるならば非常に大きな値であ
る。しかしながら、後述のように二つのガルバノミラー
による二次元走査では完全テレセントリックはあり得な
いので、６度以下にすることは大きな困難性を有してい
る。

【００６７】一方レ−ザプリンタでは帯電されて光導電
体ドラムの表面にビームを照射して、トナーが付着する
領域としない領域をドットで作製する。穴をあけるので
ないからテレセントリック性は不要である。テレセント
リックなｆθレンズが使われていないわけではない（従
来例に有り）。ただし、これらは主にｆθ線形性の点で
の有利性を利用しているにすぎない（一般にテレセント
リックの方がｆθ線形性が高い）。

【００６８】ガルバノミラー、ｆθレンズを用いる走査
式レ−ザマーカーも基本的には、材料表面へのマーキン
グである。だからそのｆθレンズはテレセントリック性
がない。ｆθ性だけを持つレンズである。一般にテレセ
ントリック性のレンズは大型となり設計も難しい。プリ
ント基板レ−ザ加工用のレンズはテレセントリック性は
不可欠でありｆθ性も要求されるという難しい大型のレ
ンズなのである。

【００６９】［３．回折限界集光性］第３の特徴はこの
レンズが回折限界の集光性を持たなければならないとい
う点である。これも分かりにくい条件である。微小穴を
穿つのであるから集光スポット径は小さいほど良い。無
限小の径のビームをプリント基板にあてると微小な穴を
開けることができる。幾何光学的には集光点に穴位置を
合わせて無限小スポット径となるようにしても光には回
折があるからスポット径は無限小にならない。回折は波
長λが大きいほど、焦点距離ｆが大きいほど顕著であ
る。反対に入射ビーム径Ｂが太いほど回折は効きにく
い。幾何光学的には０であるが回折の為にスポット径が
有限になるがその最小のスポット径を回折限界のスポッ
ト径ｂという。 例えば、入射ビームが理想的なガウス
分布の強度を持つならば、その集光スポット径ｂは、

【００７０】ｂ＝４λｆ／πＢ （３０）

【００７１】で与えられる。ここで、ガウシアンビーム
のビーム径は中心強度のｅ^−２の強度に低下する位置を
ビーム径として直径Ｂを定義する。レンズによって絞り
得る最小のビーム径が回折限界スポット径ｂである。レ
ンズによってはそれ以下にできない限界のビーム広がり
ということである。このような性質はこれまでのレ−ザ
プリンタ用ｆθレンズ、レ−ザマーカー用ｆθレンズに
はさほど要求されなかった。これは用途に依存する。ま
た、使用されるレーザの波長、レンズの焦点距離、要求
される集光スポットのサイズ、走査域内でのそのバラツ
キなどと関連する。従来のｆθレンズは、レーザ穴あけ
加工で要求されるような高い集光性が要求されてはいな
かった。

【００７２】 レ−ザ穴開け加工レンズにどうして回折
限界の集光性がなければならないか？ということを説明
する。それは穴加工精度の厳しい要求のためである。プ
リント基板加工の穴径の微小化とともに、走査領域内で
の穴径のバラツキが小さいこと（数％以下など）、穴の
真円度が高い事（例えば９５％以上）が要求される。ま
た、像面が極めて完全な平面に近いこと、すなわち像面
彎曲が小さいこと（ｆｌａｔ ｆｉｅｌｄ）もプリント
基板穴あけ加工用ｆθレンズに要求される重要な特性で
ある。像面が平坦でないと走査領域内の穴径バラツキが
大きくなってしまう。

【００７３】プリント基板穴あけ加工用ｆθレンズの主
な仕様について説明する。焦点距離は６０〜１２０ｍｍ
程度である。走査領域は３０ｍｍ×３０ｍｍ（対角線長
４２．４ｍｍ）〜５０ｍｍ×５０ｍｍ（対角線長７０．
７ｍｍ）であってかなり広い。Ｆナンバー（ｆ／Ｄ）は
２〜６で明るくなければならない。また、軸外でもケラ
レ（vignetting）があってはならない。

【００７４】ケラレというのはレンズの周辺でレンズ枠
に遮られてその分、光量が減ることをいう。カメラなど
では周辺での光量減少や解像力低下が問題とならないレ
ベルでケラレが許されるが、穴開け加工用レンズではケ
ラレがないというのが条件となる。つまりビームが入射
する範囲全てをカバーできるような広い面積のレンズを
製造しなければならない。

【００７５】炭酸ガスレ−ザなので波長が９μｍ〜１
０．６μｍであり長い。レンズと被加工物（プリント基
板）の距離を長くとる必要があるから、焦点距離ｆも長
く（６０〜１２０ｍｍ程度）なる。（３０）の分子のλ
ｆが大きくなる。それで最小スポット径ｂそのものが大
きくなってしまう。ところが穴径はますます小さくなり
精度要求は厳しい。そのためＦナンバーが小さく明るい
レンズでなければならないのである。

【００７６】また、レ−ザ光の入射角θによらず、あら
ゆる位置で回折限界の集光性が得られるということが要
求される。それには諸収差（球面収差、コマ収差、非点
収差、像面彎曲）が良好に補正されたレンズとしなけれ
ばならない。これは大層難しい要求である。前記の平凸
レンズではこのように広い走査領域において回折限界の
集光性をもつことはできない。またレ−ザプリンタや、
マーカ用のｆθレンズも回折限界の集光性とはなってい
ないのが殆どである。

【００７７】［４．入射側作動距離が長い事］プリント
基板加工用ｆθレンズに要求される特徴としては、上記
の他に、次のようなものもある。従来のプリンタ用ミラ
ーはビームを一次元走査するだけである。一次元走査で
あればｆθレンズの前側焦点の位置にポリゴンミラーや
ガルバノミラーのような偏向手段を一つ設ければ良い。
それで偏向角θに拘らずテレセントリック性が達成され
る。しかし問題とするプリント基板加工用ミラーはビー
ムを二次元走査する。プリント基板加工は二次元走査な
ので偏向手段が直交方向に２つ必要である。たとえば偏
向用のガルバノミラーを２個用いる必要がある。つまり
偏向点が二つある。二つのミラー間の距離は、ミラーが
干渉しないように充分な距離を取る必要がある。だから
原理的にもＸ、Ｙ両方向で完全なテレセントリック性を
得る事はできない。

【００７８】そこで通常は前側焦点を挟んで２個のガル
バノミラーを配置する。つまり二個のガルバノミラーの
中間に前側焦点が来るようにする。そうすることによっ
てＸ方向、Ｙ方向のそれぞれにできるだけテレセントリ
ックエラーを小さくするようにしている。前側焦点とい
うのはそこに点光源をおくとレンズを通過したビームが
軸に平行なビームになる点ということである。平行ビー
ムを入射するとレンズを透過して一点に収束するがその
点を後側焦点という。或いは前焦点、後焦点ということ
もある。一つのガルバノミラーは前側焦点から物界側
に、もう一つのガルバノミラーは前焦点からレンズ側に
配置し、Ｘ、Ｙ方向にテレセントリック性からの外れを
均一に配分している。

【００７９】そのため、レーザ穴開け加工用ｆθレンズ
では、二つの偏向手段を配置するために、前側焦点から
レンズマウントの入射側端面までの距離（ここでは入射
側作動距離と呼ぶ）を充分に大きくすることが要求され
る。例えば、その距離はレンズの焦点距離の０．３〜
０．６倍ほども必要になる（焦点距離ｆ＝１００ｍｍで
３０〜６０ｍｍ）。

【００８０】［５．出射側作動距離が長い事］レ−ザ加
工で被処理物に穴を開けると破片や灰成分が飛んで来て
レンズを汚す恐れもある。プリント基板加工時に加工物
から飛来する異物によるレンズの汚れや損傷を低減しな
ければならない。そのためレンズマウントの出射側端面
から像面までの距離（ここでは出射側作動距離と呼ぶ）
を大きく取る必要がある。例えば、ｆ＝１００ｍｍに対
し、７０〜１００ｍｍの出射側作動距離を要する。

【００８１】しかしながら入射側作動距離と出射側作動
距離の増大は通常、相反する関係にある。入射側作動距
離を大きくすると出射側作動距離は小さくなるし、出射
側作動距離を大きくすると入射側作動距離は小さくな
る。その限界はレンズの構成で決まる。前述の要請か
ら、出射側作動距離、入射側作動距離ともにできるだけ
大きくできるようなレンズ構成が必要となる。

【００８２】［６．複雑な収差を補正する必要性］二つ
のガルバノミラーが一定距離を置いて配置されビームが
二次元走査されるためレンズ系で生じる諸収差は極めて
複雑な様相を帯びる。Ｘ軸上、或いはＹ軸上の走査だけ
を考える場合には、レンズ系は回転対称系であるので取
り扱いは従来のように一次元走査でよい。しかしなが
ら、Ｘ、Ｙ両成分を含む走査（例えば対角方向など）の
場合は、Ｘ、Ｙの偏向点が異なるためにレンズ系はもは
や回転対称系でなくなる。そのため、レンズ系で生じる
諸収差は、回転対称でなくなり取り扱いが複雑になる。

【００８３】収差を補正するために複数のレンズを組み
合わせるということが昔からなされる。レ−ザを光源と
するので屈折率分散（ｄｎ／ｄλ）による色収差の問題
はない。しかし単色光でも様々の収差がありうる。球面
収差、非点収差、コマ収差、像面彎曲などである。

【００８４】球面収差というのは光軸上の物体から出た
光線が光軸と成す角度ｕ（あるいはレンズに入射する光
線の高さ）によって光軸上の異なる点に像を形成すると
いうものである。球面収差がある場合、近軸光線（ｕ→
０）による焦点と、軸から離れた光線による焦点は一致
しない。凸球面レンズの場合、近軸光線による焦点が最
も遠く軸から離れた光線による焦点はレンズに近い。こ
の収差は光軸外に物体が存在する場合にも同じ量だけ発
生する。

【００８５】非点収差というのは物点が光軸上にない場
合に物点と光軸を含む面（メリディオナル面）に含まれ
る光線（子午光線；メリディオナル光線；meridional r
ays）が作る像の位置と、物点と光軸を含む面に直角な
面（サジタル面；sagittal）に含まれる光線が作る像の
位置とが異なるということである。メリディオナル焦点
とサジタル焦点が食い違うといってもよい。また、メリ
ディオナル像面の彎曲とサジタル像面の彎曲の差ともみ
なせる。メリディオナル面とサジタル面でレンズの曲率
が異なるから収束点が違うのである。

【００８６】コマ収差というのは、サジタル面に対して
非対称に光線が異なる高さで像面と交差するというもの
である。軸外の物体点ｐから出た主光線（レンズ中心を
通る光線）が作る像をＰとする。光軸に直角でＰを通る
面を像面Ｑと呼ぶ。主光線に対して一定頂角ｕを持つ円
錐状ビームが屈折し像面Ｑを切る点がＰでない場合コマ
収差があるという。円錐状ビームが屈折しＱ面と交差す
る線は近似の範囲では円となる。頂角ｕをパラメータと
して像面Ｑに交差線を幾つも書く事ができる。交差線の
集合はＰを頂点とする６０度の扇型に内接する。扇型が
Ｐ点より外側にあるとき外方コマという。扇型の広がり
がＰ点より内側のとき内方コマという。

【００８７】像面彎曲というのは広がりを持った平面物
体の像が軸方向に歪んで、平面にならず凹面になったり
凸面になったり彎曲することである。また、像の歪み、
歪曲というのは、例えば正方形物体の像の辺が凹凸曲線
になるように像面上で歪むことである。このように収差
には幾つもの種類がある。一次元走査の場合はビームは
ある子午面だけを動くから収差も比較的単純である。

【００８８】二次元走査の場合ビームはある子午面だけ
を動くのではない。そのため収差は極めて複雑になる。
例えば歪曲は、いわゆる樽型、糸巻き型のような単純な
形式ではなくなる。これがガルバノミラーの角度補正を
複雑化する。また像面彎曲も凹面或いは凸面の回転対称
な彎曲とはならない。特に対角方向の端部で極端に像面
が反ることがある。このように、二次元走査用のｆθレ
ンズは一次元走査のｆθレンズの場合よりも諸収差の補
正がむずかしい。これがプリント基板穴開け用ｆθレン
ズの設計をなおいっそう困難にする。

【００８９】本発明は、これらプリント基板穴あけ加工
の二次元走査光学系用レンズとして要求される諸条件を
満足し、広い走査範囲にわたって高いｆθ線形性、テレ
セントリック性、回折限界の集光性を実現することので
きるｆθレンズを提供することを目的とする。

【００９０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明者は、物界側より順に、物界側に凸の正レン
ズよりなる第１群、物界側に凹の負のレンズよりなる第
２群、全体として正の屈折力をもつ第３群よりなり、前
記第３群が正レンズのみの１成分、あるいは物界側から
順に正レンズと負レンズ、または正レンズと正レンズの
２成分を有することを特徴とするｆθレンズを発明し
た。

【００９１】さらに、前記第２群の焦点距離をｆ_２、前
記第３群の焦点距離ｆ_３、全系の焦点距離をｆ、全系の
前側焦点から後側焦点までの距離をｄとするとき次の
（ａ）〜（ｃ）の条件を満足するようにする。

【００９２】 （ａ）−２．２≦ｆ_２／ｆ≦−０．３ （３１） （ｂ） ０．４≦ｆ_３／ｆ≦０．９ （３２） （ｃ） １．８≦ｄ／ｆ≦２．４ （３３）

【００９３】また、各レンズの材質は、セレン化亜鉛
（ＺｎＳｅ）或いはゲルマニウム（Ｇｅ）を用いる。球
面レンズの場合はガリウム砒素（ＧａＡｓ）を用いるこ
ともできる。さらに、各レンズの少なくとも１個を非球
面レンズとするとよい。非球面レンズはＺｎＳｅ、Ｇｅ
を材料としダイヤモンド工具で切削加工する。ＺｎＳ
ｅ、Ｇｅはダイヤモンド工具で切削できるが、ＧａＡｓ
は切削できない。

【００９４】

【発明の実施の形態】上記のように構成される本発明の
ｆθレンズは次のように作用する。第１群は、物界側に
凸面を有する、すなわち第１面が凸面の正レンズであ
る。このレンズを偏向点から比較的大きく離して配置す
ることにより、負の歪曲を発生させている。第２群、第
３群で生じる強い歪曲は、それぞれ符号が異なり相殺さ
れる。だから第１群がレンズ全体のｆθ性の調整を担っ
ている。球面収差は大きくないが、コマ収差、非点収差
は適度にあり、後続の群（第２群、第３群）とのバラン
スを取っている。

【００９５】一方、第１面が仮に凹面であるとすると、
正レンズの場合には、負の歪曲収差を発生させてｆθ性
をもたせることができるが、他の収差が余り大きくない
ため、後群（第２群、第３群）とのバランスが悪くな
り、結果として良好なｆθ性、集光性を得る事ができな
い。また負レンズの場合には、正の歪曲となり、それ自
体ではｆθ性を得る事ができない。そこで第３群の負の
歪曲とのバランスでｆθ性をもたせることになる。この
場合、他の収差をバランスさせるために、第１群の負レ
ンズは曲率のきつい薄いドーム状のレンズとなる傾向に
ある。ところがその形状自体製作困難であったり、性能
達成上必要となる公差が非常に厳しくなるなどの問題が
生ずる。また第１面が凹面であると、凹面のサグ、すな
わちレンズ中心から端へかけて面が物界側に張り出すた
め、自ずと入射側作動距離は、凸面の場合より短くなっ
てしまう。このように第１面を凸面とすることは、入射
側作動距離を長く取るという目的にも有効に働く。

【００９６】第２群は、物界側に凹の負レンズよりな
る。第１群による入射瞳の像は物界側にあるので、その
方向に凹面を向ける。これによって、この面で発生する
コマ収差、非点収差を抑えるとともに、正の球面収差を
発生させて第３群の負の球面収差を補正する。それと共
に負のペッツバール和を発生させて第３群の正のそれと
バランスを取っている。また第２面ではコマ収差、非点
収差を発生させて、第１群や第３群で発生するそれらの
収差を補正している。

【００９７】第３群は、全体として正の屈折力を持って
いる。構成は、正レンズのみの１成分か、または正レン
ズ２成分、或いは物界側から順に正レンズと負レンズの
２成分とすることができる。大きな屈折力をもたせる事
によって、レンズ全体のＦナンバーを小さくし明るくし
ている。また第２群との組み合わせによってテレセント
リックなｆθレンズを形成している。負の第２群と正の
第３群との組み合わせを取る事によって、出射側作動距
離を長く取っている。第２群で生じる正の歪曲収差は、
第３群で発生する負の歪曲収差によって補正される。と
同時に、第２群と共に高次の歪曲収差を発生して、全走
査域でのｆθ性を確保している。また第１群の高次の像
面彎曲を補正し、像面を平坦化している。

【００９８】上記以外にも、各群はそれぞれに他の群で
生じる諸収差をバランスさせて、レンズ全体として、良
好な特性が得られるように構成されている。また、特に
非球面レンズを用いる場合は、各群の作用は上記の限り
ではない。上記のレンズ構成において、下記の条件
（ａ）〜（ｃ）が満たされるようにした場合には、各収
差のバランスを良好に保つことができる。

【００９９】 （ａ）−２．２≦ｆ_２／ｆ≦−０．３ （３１） （ｂ） ０．４≦ｆ_３／ｆ≦０．９ （３２） （ｃ） １．８≦ｄ／ｆ≦２．４ （３３）

【０１００】ここで、ｆ_２、ｆ_３はそれぞれ第２群、第
３群の焦点距離、ｆは全系の焦点距離、またｄは全系の
前側焦点から後側焦点までの距離である。

【０１０１】条件（ａ）は、第２群の焦点距離（屈折
力）に関する条件である。ｆ_２／ｆが下限を越えると、
第２群第２面でのコマ収差、非点収差の補正が不十分と
なり、特に二次元走査領域の対角方向の端部で集光性が
悪化する。また、第１面での正の球面収差が大きくない
ため他の群とのバランスが崩れる傾向にある（ただし、
非球面を用いれば補正可能である）。逆に上限を越える
と、諸収差のバランスが崩れ、特に非点収差が大きくな
る。二つの偏向点の内レンズから遠い側での偏向では、
メリディオナル像面がｕｎｄｅｒ側に、サジタル像面が
ｏｖｅｒ側に彎曲しているため、非点収差が大きい。二
次元走査領域の対角端で、これにより集光性が大きく悪
化する。一方、レンズに近い側の偏向点については、メ
リディオナル像面が大きくサジタル側に動いて高次の像
面彎曲が顕著となり、ｏｖｅｒ側に大きく曲がった像面
となってしまう。

【０１０２】条件（ｂ）は、第３群の焦点距離（屈折
力）に関する条件である。ｆ_３／ｆが下限を越えると、
屈折力のバランスの関係から、条件（ａ）の上限を越え
た場合と同様の特性劣化が見られる。第３群で発生する
コマ収差、非点収差が大きくなり第２群とのバランスが
崩れる。それにより、特に走査領域の端部での集光性が
低下する。また、第２群との歪曲収差のバランスを取る
と、ペッツバール和が補正過剰となり、高次の像面彎曲
によりｏｖｅｒ側に像面がまがる。逆に、ｆ_３／ｆが上
限を越えた場合には、他群との球面収差、コマ収差、非
点収差のバランスが悪くなる。また高次の収差が発生し
て、走査領域の広い範囲に渡って集光性が低下する。ま
た第２群との歪曲収差のバランスを取ると、ペッツバー
ル和が正となり像面彎曲が生じる。さらに、入射側作動
距離は短くなる傾向にある。

【０１０３】条件（ｃ）は、レンズ系の全長に関する条
件である。ｄ／ｆが下限を越えると、負の歪曲が大きく
なりすぎ、高次の歪曲による補正を取っても、ｆθの直
線性が低下する。また入射側、出射側ともに作動距離が
小さくなる。一方上限を越えると、各群のバランスが崩
れて、コマ収差、非点収差が大きくなり集光性が低下す
る。また、像面彎曲やｆθ性も良くない。

【０１０４】レンズの材質は、セレン化亜鉛（ＺｎＳ
ｅ）或いはゲルマニウム（Ｇｅ）を用いるのが好まし
い。球面レンズとするならＧａＡｓも利用できる。これ
らは、赤外域で高透過率で低吸収の材料である。高出力
のレ−ザに向いている。ＺｎＳｅは、ある程度可視域で
の透明性もあるので、光学系のセッティングで用いられ
るガイド光（Ｈｅ−Ｎｅレ−ザ、半導体レ−ザなど）を
透過させるという点でより好ましい。ＺｎＳｅ、Ｇｅ、
ＧａＡｓとも非常に屈折率が高い。ＺｎＳｅは２．４０
３、Ｇｅは４．００３、ＧａＡｓは３．２７５である。
一般に屈折率の高い材料によってレンズを作ると曲率が
より小さくても良く、より薄肉にできる。曲率が小さい
から収差の絶対値も少ない。通常のｆｔａｎθレンズで
あっても高屈折率材料を使うのは有利なことである。

【０１０５】高屈折率材料であるＧｅ、ＧａＡｓ、Ｚｎ
Ｓｅを本発明のｆθレンズに用いるとさらに有利であ
る。高屈折率材料は小さい曲率であっても強い屈折力が
得られる。より曲率を減らすことが可能だから、収差を
低減できる。すでに述べたようにｆθレンズは多様な収
差が複雑に現れる。特に二次元走査型の場合は収差が複
雑にからみあう。だから収差の絶対値が小さいというの
は設計を容易にする。とくにＧｅは屈折率が非常に高い
ので、強い正の屈折力を得るために第３群の構成レンズ
に用いると良い。ＺｎＳｅの場合よりも薄いレンズで実
現できるし、第３群に高屈折率の材料を用いる事は像面
彎曲の補正にも有利に働く。

【０１０６】さらにＺｎＳｅ、Ｇｅの両材料は、ともに
超精密切削加工により高精度に非球面に加工できるとい
う利点もある。超精密切削加工は、高い輪郭精度を持っ
た天然ダイヤモンド結晶製のバイトを用いた旋削加工
で、サブミクロン以下の形状精度で非球面を創成可能な
加工方法である。またバイト、加工条件の最適化により
表面粗さも研磨に匹敵する滑らかさが得られる。

【０１０７】非球面の採用は、レンズ系の収差補正に高
い自由度を与える。残留球面収差の補正はもちろんのこ
と、軸外の諸収差の補正にも有効である。例えば、広い
範囲を二次元走査する時の非点収差や像面彎曲の補正に
役立つ。また非球面が高次収差の補正に有効であること
は言うまでもない。各レンズの内、少なくとも１個を非
球面レンズとすれば、その効果が期待できる。

【０１０８】どのレンズを非球面レンズとするかによっ
て、効果は異なる。大まかには、第１群や第２群に非球
面を採用する場合、主に球面収差やコマ収差の補正に有
利である。第３群に非球面を採用する場合、非点収差、
像面彎曲、歪曲に対して働きが大きい。

【０１０９】また屈折力の大きい面を非球面化すること
も収差補正上好ましい。複数のレンズを非球面化するこ
とも、個々のレンズに意図的に大きな収差をもたせて、
その相殺により高い特性を得るような構成を取ることが
できるので好都合である。構成レンズの枚数を少なくす
ることや、できるだけ薄いレンズでコスト低減を図るこ
とにもつながる。但し、偏心などの製造誤差の影響が大
きくなる事があるので注意を要する。そのほか、非球面
レンズ製造上の制限（曲率、レンズ径、サグ量など）を
受ける場合があるが、それを除けば、基本的にどの面を
非球面化するのかは設計上任意である。特性、製作性、
コストなどを総合的に評価し、最も効果の出る形式で採
用すれば良い。

【０１１０】上記のように構成したｆθレンズは、プリ
ント基板加工用に要求される仕様をすべて満足すること
ができる。高屈折率材料を使い、厚い材料を用いないの
で、コスト低減を図ることができる。個々のレンズの製
作、マウントへの組立も比較的容易に実現できる。

【０１１１】

【実施例】次に本発明の実施例１〜６と比較例Ａ〜Ｆを
示す。全ての実施例、比較例で共通の仕様は、焦点距離
ｆ＝１００ｍｍ、Ｆナンバー４、走査領域５０ｍｍ×５
０ｍｍ、波長λ＝１０．６μｍ（炭酸ガスレ−ザ）であ
る。尚、実施例、比較例では、入射光は平行光（すなわ
ち物体点が無限遠にある）としているが、プリント基板
加工で多く用いられるマスク転写方式のように、物体点
（ピンホールマスク）が有限距離にある場合も本発明の
ｆθレンズを用いることができる。ただし、この場合に
は像面彎曲、ｆθ性などの収差が異なって現れるので、
レンズの各パラメータを変更し、それ用の設計とする必
要がある。また、集光スポット径は式（３０）では表せ
なくなり、ピンホール径、光学系の転写倍率、ピンホー
ルからの回折光の大きさとレンズの入射瞳の大きさなど
が関係するようになる。その説明は、ここでは割愛す
る。各実施例のレンズデータ、非球面データを表１〜１
１に示す。図１〜図２４には、各実施例のレンズの断面
図および収差曲線図を示す。ここで非球面式は、ｒ＝
（Ｘ^２＋Ｙ^２）^１／２を光軸からの距離とすると、

【０１１２】

【数１】

【０１１３】と表される。ここで、ｃ：頂点曲率、ｋ：
円錐定数、α_ｉ：非球面係数である。なお、二次元走査
の結果を簡単なグラフでは表せないので、収差曲線図
は、前側焦点を偏向点とする一次元走査の収差を表して
いる。従って必ずしも二次元走査時のレンズの特性を表
していない。そこで表１２に、二次元走査時の主な走査
位置について波面収差のＲＭＳ値を示した。全ての実施
例で、走査領域のどの場所でもＲＭＳ値はλ／１４以下
（＝０．７１４λ）であり、回折限界の特性が得られて
いる。また、図示はしないが、各実施例とも二次元走査
でのテレセントリックエラーは走査全領域で５度以下で
ある。

【０１１４】また表１３は前記の条件（ａ）〜（ｃ）の
値を各実施例についてまとめたものである。以下、実施
例毎に説明する。

【０１１５】［実施例１：全部が球面レンズ；４枚レン
ズ（図１〜４）］非球面レンズを用いると設計自由度が
高まるし収差を補正するのも楽であると述べたが、本発
明のｆθレンズは球面レンズだけでも構成することがで
きる。図１は実施例１にかかるｆθレンズのレンズ構成
を示す。図２は球面収差の光線高さ依存性を、図３は非
点収差の入射角度分布を、図４はｆθ性の入射角度変化
を示す。収差の図は縦軸が光線高さ（図２）、あるいは
光線の入射角度（図３、４）である。横軸が縦収差（図
２、３）あるいはｆθ性からのズレ（図４）をしめす。
ΔＭはメリディオナル像面、ΔＳはサジタル像面を示
す。従って、非点収差の図は像面彎曲の様子も示してい
る。

【０１１６】非点収差、ｆθ性の図は光軸を含む面（子
午面）での角度θの変化に応じたものである。それは一
次元走査の場合であれば全ての走査域を含む。全ての走
査点での非点収差やｆθ性を表すことになる。本発明で
はその事情が異なる。一次元走査でなくて二次元走査型
である。だからこれは前側焦点に偏向点がある場合の一
次元走査の収差を示すだけである。二次元走査での収差
を表現するのは容易でない。やむをえず一次元の表示を
している。しかしこれは二次元走査時の収差の状況が全
くわからないというのではない。二次元で（Ｘ，Ｙ）の
点に走査する場合に（Ｘ^２＋Ｙ^２）^１／２＝ｒの点をみ
れば、ある程度は収差の状況がわかる。しかしながら、
あくまで目安的なものであって、本当の二次元走査の収
差を表しているとは限らない。二次元走査時の特性評価
はより複雑である。その一つが波面収差の分布の解析で
あり、表１２ではそれを示している。

【０１１７】焦点距離を１００ｍｍとしている。焦点距
離を正規化の底として、全ての距離を焦点距離を１とし
て表現すると一般性が得られる。ｆ＝１００ｍｍとする
と計算に便利であるから以後も共通にそのように設定す
る。が、実際にｆ＝１００ｍｍでなければならないとい
うことではない。像面は５０ｍｍ×５０ｍｍである。ｈ
＝ｆθであるから、像面の角度範囲が０．５ラジアン×
０．５ラジアンということである。角度に直すと、２
８．６５゜×２８．６５゜である。これは第４象限まで
ある正方形である。第１象限だけだとｘ方向が０゜〜１
４．３２゜、Ｙ方向が０゜〜１４．３２゜である。対角
線の端点は、これに２^１／２をかけて２０．２５゜とな
る。縦座標の端は対角線の頂点にあたり２０．３゜と表
示されている。

【０１１８】レンズ系の３つの群を物界側からＧ_１、Ｇ
_２、Ｇ_３と表現する。レンズも物界側から順にＬ_１、Ｌ
_２、Ｌ_３、Ｌ_４と表現する。Ｌ_１はＧ_１に、Ｌ_２はＧ_２
に、Ｌ_３、Ｌ_４はＧ_３に属する。この例は４枚の球面レ
ンズからなるｆθレンズである。前側焦点から出た３本
の平行ビームがレンズによって屈折し像面に照射される
有り様を９本の光線で表現している。一つの角度に対し
上中下３本の光線を描いている。これは入射瞳の大きさ
を表す。上中下３本のビームの他に実際には無数の平行
な光線があるがいずれも像面の同じ点（正確にはその近
傍）に集光される。その関係がｈ＝ｆθなのである。

【０１１９】表１にレンズのパラメータを示す。１枚の
レンズは２面をもつが、レンズ面については前面後面を
区別せず物界側からＳ_１、Ｓ_２、…、Ｓ_８とする。ｊ番
目のレンズＬ_ｊの前面はＳ_２ｊ−１、後面はＳ_２ｊであ
る。球面レンズの場合は曲率半径によって曲面を表現で
きる。曲率半径の単位はｍｍである。球面の中心が像面
側にある場合、曲率半径の符号を正とし、中心が物界側
の場合曲率半径の符号は負とする。だから符号がレンズ
の凹凸を表現しているのではない。

【０１２０】

【表１】

【０１２１】厚み、間隔というのは、偏向点（入射瞳）
からＬ_１までの間隔、Ｌ_１の厚み、Ｌ_１とＬ_２の間隔、
Ｌ_２の厚み、…、Ｌ_４と像面距離というように光軸上で
空間距離、レンズ厚みを順に並べたものである。一次元
走査では、偏向点は前側焦点に合致させるので、第１番
目の間隔４２．６１８ｍｍというのは前側焦点とＬ_１の
Ｓ_１面までの距離である。６．７００ｍｍというのはレ
ンズＬ_１の中心厚みである。Ｌ_１の前後面の曲率半径が
与えられるから中心厚みを決めると全ての箇所での厚み
は決まる。次の２８．９００ｍｍというのは、Ｌ_１のＳ
_２面とＬ_２のＳ _３面の距離である。間隔、厚みの最後の
７２．１４３ｍｍというのはＬ_４のＳ_８面と像面の距離
である。屈折率の欄はレンズの屈折率を表す。初めの数
値はＬ_１の屈折率は２．４０３であるということをしめ
す。Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_４はｎ＝２．４０３であるが、これ
はＺｎＳｅを材料としているということである。Ｌ_３は
４．００３であり、これはＧｅレンズを意味する。空隙
部の屈折率は１であるがこれは記さない。

【０１２２】第１群Ｇ_１はただひとつの物界側に凸であ
る正のレンズＬ_１を持つ。物界側に凸の正レンズという
のは、曲率半径８２．９３３ｍｍ（Ｓ_１）、１４７．９
９５ｍｍ（Ｓ_２）という事から分かる。符号が正である
から両面ともに物界側に凸である。前面の曲率半径が後
面より短い（Ｓ_１＜Ｓ_２）から正の屈折力をもつ。正レ
ンズというのは収束性のあるレンズである。レンズＬ_ｊ
の前面曲率半径Ｓ_２ｊ−１と後面曲率半径Ｓ_２ｊの間に
０＜Ｓ_２ｊ−１＜Ｓ_２ｊ、あるいはＳ_２ｊ−１＞０＞Ｓ
_２ｊ、または０＞Ｓ_２ｊ＞Ｓ_２ｊ−１という関係があれ
ば正の屈折力があり正レンズである。Ｓ_２ｊ−１正、Ｓ
_２ｊ負なら両凸レンズ、Ｓ_２ｊ−１正、Ｓ_２ｊ正或いは
Ｓ_２ｊ−１負、Ｓ_２ｊ負ならメニスカスレンズである。
負レンズというのは発散性のあるレンズのことである。
レンズＬ_ｊの前面曲率半径Ｓ_２ｊ−１と後面曲率半径Ｓ
_２ｊの間に０＞Ｓ_２ｊ−１＞Ｓ_２ｊ、あるいはＳ
_２ｊ−１＜０＜Ｓ_２ｊ、または０＜Ｓ_２ｊ＜Ｓ_２ｊ−１
という関係があれば負の屈折力があり負レンズである。
Ｓ_２ｊ−１負、Ｓ_２ｊ正なら両凹レンズ、Ｓ
_２ｊ−１正、Ｓ_２ｊ正或いはＳ_２ｊ−１負、Ｓ_２ｊ負な
らメニスカスレンズである。

【０１２３】最初に物界側に凸の正レンズを置いたとい
うことが本発明の特徴の一つである。ここではＳ_１＝８
２．９９３ｍｍ、Ｓ_２＝１４７．９９５ｍｍの正メニス
カスレンズである。材質はＺｎＳｅでｎ＝２．４０３で
ある。前節で説明した従来例５、６、７はいずれも最初
に凹面をもつ負レンズをもうけている。凹面負レンズで
まずビームを広げてしまい広いビーム広がりを早々に得
ようとしているのである。また、従来例４は最初に凹面
をもつ正レンズを設けている。それはビームを歪曲させ
ずに収束性を与えるためである。本発明はそのような途
を取らない。最初のレンズＬ_１では物界側に凸の正レン
ズを持ち、歪曲も収束性も与えている。Ｇ_１（Ｌ_１）の
目的は負の歪曲を与えてｆθ性を得ようとしている。こ
の点で本発明のｆθレンズは、従来例４、５、６、７と
異なる。ところが先に述べた従来例１、２、３は最初の
レンズは物界側に凸の正レンズであるから本発明とその
点で共通する。

【０１２４】第２群Ｇ_２は一つの負レンズＬ_２よりな
る。これも本発明の特徴である。Ｇ_１でビームを収束さ
せたのでＧ_２に凹レンズを使ってビームを拡大する。負
レンズだということはＳ_３＝−２６４．８５０ｍｍ、Ｓ
_４＝１２９．４５１ｍｍということから分かる。第１群
による入射瞳の像は物界側にあるから凹面を物界側に向
けて、この面でのコマ収差、非点収差の発生を抑制して
いる。さらに正の球面収差を発生させ第３群によって生
じる負の球面収差を打ち消す。一方、第２面では、コマ
収差、非点収差を発生させて、他群とのバランスを取っ
ている。第３群が正の像面彎曲（正のペッツバール和）
を発生するので第２群では負の像面彎曲（負のペッツバ
ール和）を発生させ像面彎曲を打ち消すのである。

【０１２５】また第２群Ｌ_２は凹レンズなので正の歪曲
収差を発生させる。第２群には正の球面収差、正の歪曲
収差、負の像面彎曲を発生させるという積極的な役割が
与えられている。そのためにＧ_２（Ｌ_２）の焦点距離ｆ
_２がかなり短いものになっている。ｆ_２は負数であるか
ら絶対値で表現すると、０．３ｆ≦｜ｆ_２｜≦２．２ｆ
である。これはかなり曲率の大きい負レンズであること
を第２群に対して要求している。球面を有する薄肉レン
ズの焦点距離ｆは

【０１２６】 ｆ^−１＝（ｎ−１）｛ρ_１ ^−１−ρ_２ ^−１｝ （３５）

【０１２７】によって与えられる。ρ_１、ρ_２はレンズ
前後球面の曲率半径、ｎは屈折率である。ｎ＝２．４０
３、ρ_１＝−２６４．８５０ｍｍ、ρ_２＝１２９．４５
１ｍｍを代入し、ｆ＝−６２ｍｍとなる。屈折率の強い
凹レンズである。

【０１２８】この計算においても屈折率ｎが大きいこと
の利益が容易に分かる。石英程度の屈折率であるとｎ＝
１．４であるから（ｎ−１）が０．４しかない。同じｆ
＝−６２ｍｍを得るには、ρ_１＝ρ_２＝−７８ｍｍにな
ってしまい、曲率の大きなレンズとなってしまう。

【０１２９】この実施例では、全体の焦点距離ｆは１０
０ｍｍであるが、第２群の焦点距離ｆ_２＝−６３ｍｍと
なっている。ｆ_２が短いというのは面の曲率が大きいと
いう事である。ｆ_２／ｆ＝−０．６３であるから、−
２．２〜−０．３という範囲に入っている。

【０１３０】第３群は正レンズ２枚を並べたものであ
る。Ｌ_３は平凸のように見えるが前面はわずかに凹面に
なっている。Ｌ_３は図１では平坦に見えているがＧｅで
あるから焦点距離は短いのである。（３４）の（ｎ−
１）が３．００３となって石英などの場合の７倍にもな
る。Ｌ_３に関し、ρ_１＝−３９９４．６０３ｍｍ、ρ_２
＝−２１７．２７１を（３５）に入れると、Ｌ_３は焦点
距離が７６．５ｍｍと短いのである。第３群のもう一つ
のレンズＬ_４は正のメニスカスであるが、ｎが２．４０
３（ＺｎＳｅ）である。ρ_１＝９３．９６０ｍｍ、ρ_２
＝１２４．２９７ｍｍであるから、焦点距離は２７４ｍ
ｍである。

【０１３１】Ｌ_３とＬ_４を合わせて焦点距離ｆ_３＝５７
ｍｍである。第３群の５７ｍｍというのは極めて短い焦
点距離であって、ビームを強く軸心側へ曲げる作用があ
る。これにより強い負の球面収差、正の像面彎曲を発生
させている。条件（ｂ）はｆ_３が小さく第３群の正の屈
折力が強いことを要求している。実施例１では全体の焦
点距離ｆ（１００ｍｍ）に対する比ｆ_３／ｆは０．５７
である。条件（ｂ）はこれが０．４〜０．９であること
を求めているが、この範囲に入る。

【０１３２】［実施例２：全部のレンズが非球面を持
つ；４枚レンズ（図５〜８）］図５は実施例２にかかる
ｆθレンズのレンズ構成を示す。図６は球面収差を、図
７は非点収差を、図８はｆθ性を示す。

【０１３３】非球面レンズを用いると設計自由度が高ま
るし収差を補正するのも楽であると述べた。実施例２は
４枚のレンズを使うが、その全てのレンズが非球面をど
ちらか一面に持つようにしたものである。表２にレンズ
の曲率半径、屈折率などパラメータを示す。Ｌ_１の像面
側（Ｓ_２）、Ｌ_２の像面側（Ｓ_４）、Ｌ_３の像面側（Ｓ
_６）、Ｌ_４の物界側（Ｓ_７）が非球面となっている。非
球面の係数は別の表３に示す。

【０１３４】

【表２】

【０１３５】

【表３】

【０１３６】４枚のレンズの内、第１、２、４レンズは
ｎ＝２．４０３のＺｎＳｅを用いている。第３レンズは
ｎ＝４．００３のＧｅによって作製している。ｆ＝１０
０ｍｍ、ｆ_２＝−１６９ｍｍ、ｆ_３＝８５ｍｍ、ｄ＝２
２６ｍｍである。だからｆ_２／ｆ＝−１．６９、ｆ_３／
ｆ＝０．８５、ｄ／ｆ＝２．２６である。前記の（ａ）
〜（ｃ）の条件範囲にある。ｆ_３／ｆが境界値に近い。
サジタル側の非点収差ΔＳが１２゜以上で増大してい
る。それ以外の性能は満足すべきものである。ｆθ性は
優れており、０．００５％以下のずれしかない。

【０１３７】［実施例３：２枚のレンズが非球面をも
つ；４枚レンズ（図９〜図１２）］図９は実施例３にか
かるｆθレンズのレンズ構成を示す。図１０は球面収差
を、図１１は非点収差を、図１２はｆθ性を示す。

【０１３８】実施例３は４枚のレンズを使うが、そのう
ち２枚のレンズＬ_１、Ｌ_２が非球面をどちらか一面に持
つようにしたものである。Ｌ_１の像面側（Ｓ_２）、Ｌ_２
の像面側（Ｓ_４）が非球面となっている。表４に実施例
３のｆθレンズのパラメータを示す。非球面の係数は別
の表５に示す。

【０１３９】

【表４】

【０１４０】

【表５】

【０１４１】４枚のレンズの内、第１、２、４レンズは
ｎ＝２．４０３のＺｎＳｅを用いている。第３レンズは
ｎ＝４．００３のＧｅによって作製している。ｆ＝１０
０ｍｍ、ｆ_２＝−７２ｍｍ、ｆ_３＝６２ｍｍ、ｄ＝２２
７ｍｍである。だからｆ_２／ｆ＝−０．７２、ｆ_３／ｆ
＝０．６２、ｄ／ｆ＝２．２７である。前記の（ａ）〜
（ｃ）の条件範囲にある。ｄ／ｆが境界値に近い。球面
収差がやや大きめである。メリディオナル像面の彎曲Δ
Ｍが１２゜で極大０．１８になる。ｆθ性は１４゜で
０．０８５％の極大値を示す。

【０１４２】［実施例４：全部のレンズが非球面を持
つ；３枚レンズ（図１３〜図１６）］図１３は実施例４
にかかるｆθレンズのレンズ構成を示す。図１４は球面
収差を、図１５は非点収差を、図１６はｆθ性を示す。

【０１４３】この実施例は３枚レンズのｆθレンズを提
供する。第３群がＬ_３だけよりなる。実施例４は３枚の
レンズを使うが、その全てのレンズが非球面をどちらか
一面に持つようにしたものである。表６にレンズの曲率
半径、屈折率などパラメータを示す。Ｌ_１の物界側（Ｓ
_１）、Ｌ_２の像面側（Ｓ_４）、Ｌ_３の像面側（Ｓ_６）が
非球面となっている。非球面の係数は別の表７に示す。

【０１４４】

【表６】

【０１４５】

【表７】

【０１４６】３枚のレンズの内、第１、２レンズはｎ＝
２．４０３のＺｎＳｅを用いている。第３レンズはｎ＝
４．００３のＧｅによって作製している。ｆ＝１００ｍ
ｍ、ｆ_２＝−２１５ｍｍ、ｆ_３＝８０ｍｍ、ｄ＝２１３
ｍｍである。だからｆ_２／ｆ＝−２．１５、ｆ_３／ｆ＝
０．８０、ｄ／ｆ＝２．１３である。前記の（ａ）〜
（ｃ）の条件範囲にある。ｆ_２／ｆが境界値に近い。メ
リディオナル像面の彎曲ΔＭが１２゜で極大０．１６
を、サジタルのそれΔＳが２０．３゜で最大の０．３を
とる。それ以外の性能は満足すべきものである。

【０１４７】［実施例５：全部のレンズが非球面を持
ち、ＺｎＳｅレンズ；４枚レンズ（図１７〜図２０）］
図１７は実施例５にかかるｆθレンズのレンズ構成を示
す。図１８は球面収差を、図１９は非点収差を、図２０
はｆθ性を示す。

【０１４８】非球面レンズを用いると設計自由度が高ま
るし収差を補正するのも楽である。実施例５は４枚のレ
ンズを使うがその全てのレンズが非球面をどちらか一面
に持つようにしたものである。これは全部のレンズをＺ
ｎＳｅにして、Ｇｅを用いていない。表８にレンズの曲
率半径、屈折率などパラメータを示す。Ｌ_１の物界側
（Ｓ_１）、Ｌ_２の物界側（Ｓ_３）、Ｌ_３の像面側
（Ｓ_６）、Ｌ_４の物界側（Ｓ_７）が非球面となってい
る。非球面の係数は別の表９に示す。

【０１４９】

【表８】

【０１５０】

【表９】

【０１５１】４枚のレンズ全て（第１、２、３、４レン
ズ）がｎ＝２．４０３のＺｎＳｅを用いている。ｆ＝１
００ｍｍ、ｆ_２＝−３１ｍｍ、ｆ_３＝４９ｍｍ、ｄ＝２
１０ｍｍである。だからｆ_２／ｆ＝−０．３１、ｆ_３／
ｆ＝０．４９、ｄ／ｆ＝２．１０である。前記の（ａ）
〜（ｃ）の条件範囲にある。ｆ_２／ｆが境界値（−０．
３）に近い。ｆ_３／ｆも境界値（０．４）に近い。Ｌ_３
は屈折率の低いＺｎＳｅであるが像面側Ｓ_６の曲率が大
きいから短い焦点距離ｆ_３が得られている。球面収差は
小さい。ΔＳ、ΔＭともに小さい。ｆθ性も０．０４％
以下と良好である。

【０１５２】［実施例６：全部のレンズが非球面を持
ち、ＺｎＳｅレンズ；４枚レンズ（図２１〜図２４）］
図２１に実施例６にかかるｆθレンズのレンズ構成を示
す。図２２は球面収差を、図２３は非点収差を、図２４
はｆθ性を示す。

【０１５３】実施例６は実施例５に似たレンズ構成にな
っている。全てのレンズがＺｎＳｅであってＧｅを使わ
ない。実施例５と同じように、実施例６は４枚のレンズ
を使うがその全てのレンズが非球面をどちらか一面に持
つようにしたものである。表１０にレンズの曲率半径、
屈折率などパラメータを示す。Ｌ_１の物界側（Ｓ_１）、
Ｌ_２の物界側（Ｓ_３）、Ｌ_３の像面側（Ｓ_６）、Ｌ_４の
物界側（Ｓ_７）が非球面となっている。非球面の係数は
別の表１１に示す。

【０１５４】

【表１０】

【０１５５】

【表１１】

【０１５６】４枚のレンズからなるが、第１、２、３、
４レンズは全てｎ＝２．４０３のＺｎＳｅを用いてい
る。ｆ＝１００ｍｍ、ｆ_２＝−３２ｍｍ、ｆ_３＝４５ｍ
ｍ、ｄ＝２０７ｍｍである。だからｆ_２／ｆ＝−０．３
２、ｆ_３／ｆ＝０．４５、ｄ／ｆ＝２．０７である。前
記の（ａ）〜（ｃ）の条件範囲にある。これらの値は実
施例５に近いものである。ｆ_２／ｆが境界値（−０．
３）に近い。ｆ_３／ｆも境界値（０．４）に近い。Ｌ_３
は屈折率の低いＺｎＳｅであるが像面側Ｓ_６の曲率が大
きいから短い焦点距離ｆ_３が得られている。球面収差は
小さい。ΔＳ、ΔＭが実施例５に比べて大きくなってい
る。ｆθ性は実施例５より改善されている。１７゜で極
大値０．０２を取るがすぐに減少に転ずる。

【０１５７】［実施例における二次元走査型領域での波
面収差］表１２に実施例１〜６の像面４点での波面収差
の二乗平均の平方根（（＜ΣΔ _ｉｊ ^２／Ｎ＞）^１／２；
ＲＭＳ）の値をしめす。二次元走査であるから走査点が
多い。全ての点での波面収差を計算することはできるし
本発明者は計算をしている。が、場所をとるので表記す
るのは難しい。走査領域はｘ方向が−２５ｍｍ〜＋２５
ｍｍ、ｙ方向が−２５ｍｍ〜＋２５ｍｍである。第４象
限まである。対称なので第１象限に限ることができる。
第１象限でも中心と端の４点だけをしめす。原点は
（０，０）であり、ｘ軸上の端点は（２５，０）であ
る。ｙ軸上の端点は（０，２５）である。対角線上の端
点は（２５，２５）である。座標の単位はｍｍである。
実際にはビーム角度を振っている。ｈ＝ｆθであるか
ら、一次元走査であれば端点での角度は０．２５ラディ
アンであり、１４．３２゜である。しかしながら、この
解析は二次元走査であるためＸ、Ｙ方向それぞれに角度
の補正を行っている。従って、前記角度とは少し異なる
角度を与えている。のちに比較例に対しては表２５に示
す。

【０１５８】像面の中心（原点）でＲＭＳが最小にな
る。原点では何れの比較例もλ／１４（０．７１４λ）
よりもかなり小さい。ここでλ＝１０．６μｍであるか
ら、λ／１４＝０．７５７１μｍであるが、実施例の原
点でのＲＭＳ波面収差は０．１５μｍに満たない。

【０１５９】振り角θが増えると波面収差が増える。し
かしこれは一様でない。波面収差の増減の態様は実施例
ごとに異なる。多くの例で（２５，２５）の画像の対角
線の終端部で波面収差が最も大きくなる。対角線端点で
も実施例５は波面収差が小さい。λ／２２にすぎない。
球面レンズだけの実施例１は波面収差が最も大きく０．
０７０λになる。しかしこれでもλ／１４以下である。
本発明は波面収差がλ／１４以下であることを要求す
る。これら実施例はすべてその要求を満足している。

【０１６０】

【表１２】

【０１６１】［実施例における３つの条件の値の一覧］
実施例に対して（ａ）〜（ｃ）の条件を要求するが、 （ａ） ｆ_２／ｆ＝−２．２〜−０．３ （ｂ） ｆ_３／ｆ＝０．４〜０．９ （ｃ） ｄ／ｆ＝１．８〜２．４ たくさんの実施例があって分かりにくいので、ここでパ
ラメータ条件に対する実施例の値を一覧表にして示す。
のちに比較例を６つ示すが、これらのパラメータ条件の
表２６と比較するとその類比が分かる。

【０１６２】

【表１３】

【０１６３】［比較例Ａ（ｆ_２／ｆが下限より小さい場
合；ｆ_２／ｆ＝−２．４）］本発明のｆθレンズは、ｆ
_２、ｆ_３、ｄに対して（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の条件を
課している。この条件に含まれるようなｆθレンズを作
るべきだというのが本発明の主張である。この条件は試
行錯誤の末に本発明者が発見したものである。条件から
外れた範囲のｆθレンズも多数試作しており、その内の
ごく一部を次に示す。実施例と比較しやすくするため
に、可能な限り仕様は実施例と共通にしている。焦点距
離ｆ＝１００ｍｍ、Ｆナンバーは４、走査領域は５０ｍ
ｍ×５０ｍｍの正方形である。波長はλ＝１０．６μｍ
である。

【０１６４】条件（ａ）はｆ_２／ｆが−２．２〜−０．
３の間にあるべきだというものであるが、比較例Ａはｆ
_２／ｆが−２．２より小さいものである。図２５に比較
例Ａのレンズの配置をしめす。図２６は球面収差を、図
２７は非点収差を、図２８はｆθ性を示す。図２５を一
見すれば実施例４（ｆ_２／ｆ＝−２．１５）に似た配置
であることがわかる。凹レンズであるＬ_２の前後面の曲
率の差が小さくなっている。

【０１６５】Ｇ_２のＬ_２の焦点距離はｆ_２＝−２４０ｍ
ｍである。だからｆ_２／ｆ＝−２．４である。図２７
（比較例Ａ）と図１５（実施例４）の非点収差を比べる
と比較例Ａの非点収差が増大していることがわかる。ま
た１０゜付近でのｆθからのズレが大きくなっている。

【０１６６】

【表１４】

【０１６７】

【表１５】

【０１６８】ｆ_２／ｆが下限（−２．２）を越えるとい
うのは第２群のレンズＬ_２の凹面の曲率が小さくなると
いうことである。それによって、第２群第２面でのコマ
収差、非点収差の補正が不十分となる。特に二次元走査
領域の対角方向の端部での集光性が悪化する。だから−
２．２≦ｆ_２／ｆである必要がある。また、第１面での
正の球面収差が大きくないため他の群とのバランスが崩
れる傾向にある。ただし非球面を使えば補正可能であ
る。

【０１６９】［比較例Ｂ（ｆ_２／ｆが上限を越える場
合；ｆ_２／ｆ＝−０．２６）］条件（ａ）はｆ_２／ｆが
−２．２〜−０．３の間にあることを要求する。比較例
Ｂは、比較例Ａとは逆にｆ_２／ｆが−０．３より大きい
ものである。図２９に比較例Ｂのレンズの配置をしめ
す。図３０は球面収差を、図３１は非点収差を、図３２
はｆθ性を示す。図２９を一見すれば実施例５（ｆ_２／
ｆ＝−０．３１）に似た配置であることがわかる。ただ
し凹レンズであるＬ_２の両側の曲率が大きくなってい
る。

【０１７０】Ｇ_２のＬ_２の焦点距離はｆ_２＝−２６ｍｍ
である。だからｆ_２／ｆ＝−０．２６である。図３１
（比較例Ｂ）と図１９（実施例５）の非点収差を比べる
と比較例Ｂの非点収差が顕著に増大していることがわか
る。また球面収差も大きい。端部付近でのｆθからのズ
レが大きくなっている。

【０１７１】

【表１６】

【０１７２】

【表１７】

【０１７３】ｆ_２／ｆが上限（−０．３）を越えるとい
うのは第２群のレンズＬ_２の凹面の曲率が大きくなると
いうことである。図１７（実施例５）と図２９（比較例
Ｂ）を比べるとそれがわかる。ｆ_２／ｆが上限を越える
と、諸収差のバランスが崩れ、特に非点収差が大きくな
る。２つの偏向点の内、レンズから遠い側での偏向で
は、メリディオナル像面がｕｎｄｅｒ側に、サジタル像
面がｏｖｅｒ側に湾曲するために図３１のように非点収
差が大きい。二次元走査領域の対角方向の端部での集光
性が大きく悪化する。一方、レンズの近い側の偏向点に
ついては、メリディオナル像面が大きくサジタル側に動
いて、高次の像面彎曲が顕著となるためにｏｖｅｒ側に
大きく曲がった像面となってしまう。だからｆ_２／ｆ≦
−０．３である必要がある。

【０１７４】［比較例Ｃ（ｆ_３／ｆが下限より小さい場
合、ｆ_３／ｆ＝０．３８）］条件（ｂ）はｆ_３／ｆが
０．４〜０．９の間にあることを要求する。比較例Ｃ
は、ｆ_３／ｆが０．４より小さいものである。図３３に
比較例Ｃのレンズの配置をしめす。図３４は球面収差
を、図３５は非点収差を、図３６はｆθ性を示す。図３
３を一見すれば実施例６（ｆ_３／ｆ＝０．４５）に似た
配置であることがわかる。ただしＧ_３に含まれる二つの
平凸レンズＬ_３、Ｌ_４の凸面の曲率が大きくなってい
る。そのためｆ_３が短くなっている。Ｇ_３（Ｌ_３、
Ｌ_４）の焦点距離はｆ_３＝３８ｍｍである。だからｆ_３
／ｆ＝０．３８である。０．４より小さい。図３４（比
較例Ｃ）と図２２（実施例６）を比べると比較例Ｃの球
面収差が顕著に増大していることがわかる。また１２゜
を越える角度での非点収差も大きい。端部付近でのｆθ
からのズレが大きくなっている。

【０１７５】

【表１８】

【０１７６】

【表１９】

【０１７７】ｆ_３／ｆが下限（０．４）を越えるという
のはＧ_３のレンズの曲率が大きすぎるという事である。
０．４＞ｆ_３／ｆの場合、屈折力のバランスの関係か
ら、条件（ａ）の上限を越えた場合（ｆ_２／ｆ＞−０．
３）と同じような特性の劣化が見られる。第３群の曲率
が大きすぎるから、第３群で発生するコマ収差、非点収
差が大きくなる。第２群のコマ収差、非点収差とのバラ
ンスが崩れる。それにより、特に走査領域の端部での集
光性が低下する。また第２群との歪曲収差のバランスを
取ると、ペッツバール和が補正過剰となる。高次の像面
彎曲によりｏｖｅｒ側に像面が曲がる。

【０１７８】［比較例Ｄ（ｆ_３／ｆが上限を越える場
合；ｆ_３／ｆ＝０．９９）］条件（ｂ）はｆ_２／ｆが
０．４〜０．９の間にあることを要求する。比較例Ｄ
は、比較例Ｃとは逆にｆ_２／ｆが０．９より大きいもの
である。図３７に比較例Ｄのレンズの配置をしめす。図
３８は球面収差を、図３９は非点収差を、図４０はｆθ
性を示す。図３７を一見すれば実施例２（ｆ_３／ｆ＝
０．８５）に似た配置であることがわかる。ただし正の
屈折力をもつＧ_３の屈折力がより弱くなっている。

【０１７９】Ｇ_３（Ｌ_３＋Ｌ_４）の焦点距離はｆ_３＝９
９ｍｍである。だからｆ_３／ｆ＝０．９９である。図３
９（比較例Ｄ）と図７（実施例２）の非点収差を比べる
と比較例Ｄの非点収差が増大していることがわかる。図
３８から球面収差は小さいことが分かる。図４０からｆ
θ性も良いという事がわかる。

【０１８０】

【表２０】

【０１８１】

【表２１】

【０１８２】ｆ_３／ｆが上限（０．９）を越えるという
のはＧ_３のレンズの曲率が小さすぎるという事である。
ｆ_３／ｆが上限を越えた（ｆ_３／ｆ＞０．９）場合、第
３群と、他群の球面収差、コマ収差、非点収差のバラン
スが悪くなる。また高次の収差が発生して走査領域の広
い範囲に渡って集光性が低下する。また第２群との歪曲
収差のバランスを取ると、ペッツバール和が正となり像
面彎曲が生じる。さらに、入射側作動距離が短くなる傾
向にある。

【０１８３】［比較例Ｅ（ｄ／ｆが下限より小さい場
合、ｄ／ｆ＝１．７７）］条件（ｃ）はｄ／ｆが１．８
〜２．４の間にあることを要求する。これは入射側作動
距離と出射側作動距離がかなり長いということを意味す
る。比較例Ｅはｄ／ｆを下限１．８より小さくしたもの
である。図４１に比較例Ｅのレンズの配置をしめす。図
４２は球面収差を、図４３は非点収差を、図４４はｆθ
性を示す。図４１を一瞥すれば実施例１（ｄ／ｆ＝１．
８８）に似た配置であることがわかる。実施例１と同様
に非球面を全く使わず、球面レンズだけでｆθレンズを
構成している。ただしｄ＝１７７ｍｍであるから、ｄ／
ｆは１．７７である。これは前側焦点とＬ_１の間隔３
１．７５０ｍｍと、Ｌ_３と像面の間隔６６．４２０ｍｍ
が短いことに一つの原因がある。

【０１８４】図４３（比較例Ｅ）と図３（実施例１）の
非点収差を比べると比較例Ｅの非点収差が増大している
ことがわかる。図２と図４２の比較から球面収差は実施
例１よりむしろ小さいことが分かる。しかし図４４から
ｆθ性はかなり悪いという事がわかる。

【０１８５】

【表２２】

【０１８６】ｄ／ｆが下限（１．８）より小さい場合、
負の歪曲が大きくなりすぎる。高次の歪曲による補正を
しても、ｆθ性の直線性が低下する。これは図４４を見
れば分かる。また、入射側作動距離、出射側作動距離と
もに小さくなる。

【０１８７】［比較例Ｆ（ｄ／ｆが上限を越える場合、
ｄ／ｆ＝２．４３）］条件（ｃ）はｄ／ｆが１．８〜
２．４の間にあることを要求する。これは入射側作動距
離と出射側作動距離がかなり長いということを意味す
る。しかしこれらをむりに長くしてもその他の点に無理
が生ずる。比較例Ｆはｄ／ｆを２．４より大きくしたも
のである。図４５に比較例Ｆのレンズの配置をしめす。
図４６は球面収差を、図４７は非点収差を、図４８はｆ
θ性を示す。ｄ＝２４３ｍｍであるから、ｄ／ｆは２．
４３である。これはＬ_２とＬ_３の間隔２５．５００ｍｍ
と、Ｌ_３とＬ_４の間隔２９．５００ｍｍが長いことに一
つの原因がある。

【０１８８】図４７の非点収差をみると、メリディオナ
ル、サジタルとも小さい角度でも像面が大きく移動する
ということがわかる。ΔＭは１２゜で０．６にもなる。
２０゜では−０．４になり変動も大きい。ΔＳも１５゜
で０．３になる。図４８からｆθ性が極めて劣悪だとい
うこともわかる。１４゜のときにｆθ性からのずれが
０．１６％にもなる。これはＬ_１の屈折力が小さく負の
歪曲が大きくないことによる。

【０１８９】

【表２３】

【０１９０】

【表２４】

【０１９１】ｄ／ｆが上限（２．４）より大きい場合、
各群のバランスが崩れて、コマ収差、非点収差が大きく
なる。集光性が低下する。また像面彎曲が強く現れ、ｆ
θ性も良くない。

【０１９２】［比較例における二次元走査型領域での波
面収差］表２５に比較例Ａ〜Ｆの像面４点での波面収差
の二乗平均の平方根（ＲＭＳ）の値をしめす。実施例の
場合の表１２に対応する。像面での走査範囲が２５ｍｍ
×２５ｍｍの正方形である。走査領域は４象限あるが、
第１象限だけを示す。原点（０，０）とｘ軸上の端点
（２５，０）、ｙ軸上の端点（０，２５）、対角線上の
端点（２５，２５）の４点を代表として示す。もちろん
穴穿孔すべき全ての離散点について波面収差は計算され
ているがここでは記さない。

【０１９３】

【表２５】

【０１９４】像面の中心（原点）でＲＭＳが最小にな
る。原点では何れの比較例もλ／１４（０．７１４λ）
よりかなり小さい。これは実施例と同様である。が、振
り角θが増えると波面収差が大きく増える。比較例Ａ、
Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｆにおいては（２５，２５）の画像の対角
線の終端部で波面収差がλ／１４以上になる。比較例Ｆ
は、（０，２５）でもλ／１４を越える。本発明は波面
収差がλ／１４以下であることを要求する。これら比較
例はその要求にそうことができない。比較例Ｅは全面で
波面収差がλ／１４以下であり集光性は合格であるが、
ｆθ性が劣ることやｄが小さくて入射側作動距離、出射
側作動距離が狭いという問題がある。レンズと像面との
距離が短いのでレ−ザ加工による燃焼屑などがレンズに
飛来しレンズを汚染するというような問題がある。ま
た、入射側作動距離が小さいので、二つのガルバノミラ
ーを配置する空間が不足する。

【０１９５】［比較例における３つの条件の値の一覧］
本発明は実施例に対して（ａ）〜（ｃ）の条件を要求す
るが、

【０１９６】（ａ） ｆ_２／ｆ＝−２．２〜−０．３ （ｂ） ｆ_３／ｆ＝０．４〜０．９ （ｃ） ｄ／ｆ＝１．８〜２．４

【０１９７】比較例として挙げているものは何れかのパ
ラメータがこの範囲からずれているものである。たくさ
んの比較例があって分かりにくいので、ここでパラメー
タ条件に対する比較例の値を一覧表にして示す。先に６
つの実施例を述べ、パラメータ条件を表１３にして示し
た。表２６と表１３とを比較すると実施例と比較例の僅
かなパラメータの違いが分かる。

【０１９８】

【表２６】 この表で＊を付したものが条件（ａ）〜（ｃ）からそれ
ている値である。

【０１９９】

【発明の効果】炭酸ガスレ−ザなどの強力な赤外光レ−
ザビームを二次元走査し集光して被処理物に照射し被処
理物に複数の穴を穿孔するレ−ザ加工のためのｆθレン
ズを初めて与える。炭酸ガスレ−ザなどの赤外光に対し
て吸収が少なく透明で、２以上の屈折率（ｎ＞２）を持
ち耐熱性のある材料からなる。ｆθレンズとして目的、
作用、構造、材料などで全く新規なものである。プリン
タ用のｆθレンズは一次元走査であるが、ここでは二次
元走査型とする。二次元走査型ｆθレンズとしては最初
のものである。先に類例をみない。二次元走査で対角線
端部でも波面収差がλ／１４以下であるから多数の微小
径の穴を正しく縦に丸く穿孔できる。

【０２００】レ−ザパワーもプリンタはｍＷのオーダー
であるが、レ−ザ穿孔はｋＷ級のピークパワーを持つパ
ルスレ−ザである。パワーが１万倍〜１００万倍も違
う。発熱量も異なるが、発熱にも耐える耐熱性のある材
料を選んでいる。また、いわゆるレーザ損傷に対する耐
光強度も高い材料を選定している。さらに、波長も違
う。Ｈｅ−Ｎｅやアルゴンレ−ザ、ＡｌＧａＡｓ半導体
レ−ザの場合は、４００ｎｍ〜９００ｎｍであるが、本
発明は９μｍ〜１０．６μｍの遠赤外光を対象にする。
このような遠赤外光に対し吸収が小さく透明であり強力
なレ−ザを照射しても発熱が十分に低く抑えられ、ま
た、その熱に耐える。

【０２０１】広い二次元走査範囲にわたって高いｆθ線
形性、テレセントリック性、回折限界の集光性を実現す
ることのできるプリント基板穴あけ加工のための二次元
走査光学系用ｆθレンズを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１にかかるｆθレンズのレンズ配置と光
線軌跡を示す断面図。Ｇ_１は第１群、Ｇ_２は第２群、Ｇ
_３は第３群のレンズ群をしめす。Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、Ｌ
_４はレンズ符号である。３本の平行線で平行ビームを示
す。平行ビームが像面で一点に集光される。

【図２】実施例１のｆθレンズの球面収差の光線高さ分
布を示すグラフ。縦軸は入射光線の高さ（一目盛り１．
２５ｍｍに相当）、横軸は球面収差の大きさ。

【図３】実施例１のｆθレンズの非点収差の角度分布を
示すグラフ。縦軸は平行ビームのレンズへの入射角θ
（一目盛り２度）、横軸は、ΔＭがメリディオナル焦点
の位置を、ΔＳがサジタル焦点の位置を示し、その差が
非点収差である。

【図４】実施例１のｆθレンズのｆθ性の角度分布を示
すグラフ。縦軸は平行ビームのレンズへの入射角θ（一
目盛り２度）、横軸はｆθ性からのズレを示す（％）。

【図５】実施例２にかかるｆθレンズのレンズ配置と光
線軌跡を示す断面図。Ｇ_１は第１群、Ｇ_２は第２群、Ｇ
_３は第３群のレンズ群をしめす。Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、Ｌ
_４はレンズ符号である。

【図６】実施例２のｆθレンズの球面収差の光線高さ分
布を示すグラフ。縦軸は入射光線の高さ（一目盛り１．
２５ｍｍ）、横軸は球面収差の大きさ。

【図７】実施例２のｆθレンズの非点収差の角度分布を
示すグラフ。縦軸は平行ビームのレンズへの入射角θ
（一目盛り２度）、横軸は、ΔＭがメリディオナル焦点
の位置を、ΔＳがサジタル焦点の位置を示し、その差が
非点収差である。

【図８】実施例２のｆθレンズのｆθ性の角度分布を示
すグラフ。縦軸は平行ビームのレンズへの入射角θ（一
目盛り２度）、横軸はｆθ性からのズレを示す（％）。

【図９】実施例３にかかるｆθレンズのレンズ配置と光
線軌跡を示す断面図。Ｇ_１は第１群、Ｇ_２は第２群、Ｇ
_３は第３群のレンズ群をしめす。Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、Ｌ
_４はレンズ符号である。

【図１０】実施例３のｆθレンズの球面収差の光線高さ
分布を示すグラフ。縦軸は入射光線の高さ（一目盛り
１．２５ｍｍ）、横軸は球面収差の大きさ。

【図１１】実施例３のｆθレンズの非点収差の角度分布
を示すグラフ。縦軸は平行ビームのレンズへの入射角θ
（一目盛り２度）、横軸は、ΔＭがメリディオナル焦点
の位置を、ΔＳがサジタル焦点の位置を示し、その差が
非点収差である。

【図１２】実施例３のｆθレンズのｆθ性の角度分布を
示すグラフ。縦軸は平行ビームのレンズへの入射角θ
（一目盛り２度）、横軸はｆθ性からのズレを示す
（％）。

【図１３】実施例４にかかるｆθレンズのレンズ配置と
光線軌跡を示す断面図。Ｇ_１は第１群、Ｇ_２は第２群、
Ｇ_３は第３群のレンズ群をしめす。Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３は
レンズ符号である。

【図１４】実施例４のｆθレンズの球面収差の光線高さ
分布を示すグラフ。縦軸は入射光線の高さ（一目盛り
１．２５ｍｍ）、横軸は球面収差の大きさ。

【図１５】実施例４のｆθレンズの非点収差の角度分布
を示すグラフ。縦軸は平行ビームのレンズへの入射角θ
（一目盛り２度）、横軸は、ΔＭがメリディオナル焦点
の位置を、ΔＳがサジタル焦点の位置を示し、その差が
非点収差である。

【図１６】実施例４のｆθレンズのｆθ性の角度分布を
示すグラフ。縦軸は平行ビームのレンズへの入射角θ
（一目盛り２度）、横軸はｆθ性からのズレを示す
（％）。

【図１７】実施例５にかかるｆθレンズのレンズ配置と
光線軌跡を示す断面図。Ｇ_１は第１群、Ｇ_２は第２群、
Ｇ_３は第３群のレンズ群をしめす。Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、
Ｌ _４はレンズ符号である。

【図１８】実施例５のｆθレンズの球面収差の光線高さ
分布を示すグラフ。縦軸は入射光線の高さ（一目盛り
１．２５ｍｍ）、横軸は球面収差の大きさ。

【図１９】実施例５のｆθレンズの非点収差の角度分布
を示すグラフ。縦軸は平行ビームのレンズへの入射角θ
（一目盛り２度）、横軸は、ΔＭがメリディオナル焦点
の位置を、ΔＳがサジタル焦点の位置を示し、その差が
非点収差である。

【図２０】実施例５のｆθレンズのｆθ性の角度分布を
示すグラフ。縦軸は平行ビームのレンズへの入射角θ
（一目盛り２度）、横軸はｆθ性からのズレを示す
（％）。

【図２１】実施例６にかかるｆθレンズのレンズ配置と
光線軌跡を示す断面図。Ｇ_１は第１群、Ｇ_２は第２群、
Ｇ_３は第３群のレンズ群をしめす。Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、
Ｌ _４はレンズ符号である。

【図２２】実施例６のｆθレンズの球面収差の光線高さ
分布を示すグラフ。縦軸は入射光線の高さ（一目盛り
１．２５ｍｍ）、横軸は球面収差の大きさ。

【図２３】実施例６のｆθレンズの非点収差の角度分布
を示すグラフ。縦軸は平行ビームのレンズへの入射角θ
（一目盛り２度）、横軸は、ΔＭがメリディオナル焦点
の位置を、ΔＳがサジタル焦点の位置を示し、その差が
非点収差である。

【図２４】実施例６のｆθレンズのｆθ性の角度分布を
示すグラフ。縦軸は平行ビームのレンズへの入射角θ
（一目盛り２度）、横軸はｆθ性からのズレを示す
（％）。

【図２５】比較例Ａにかかるｆθレンズのレンズ配置と
光線軌跡を示す断面図。Ｇ_１は第１群、Ｇ_２は第２群、
Ｇ_３は第３群のレンズ群をしめす。Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３は
レンズ符号である。

【図２６】比較例Ａのｆθレンズの球面収差の光線高さ
分布を示すグラフ。縦軸は入射光線の高さ（一目盛り
１．２５ｍｍ）、横軸は球面収差の大きさ。

【図２７】比較例Ａのｆθレンズの非点収差の角度分布
を示すグラフ。縦軸は平行ビームのレンズへの入射角θ
（一目盛り２度）、横軸は、ΔＭがメリディオナル焦点
の位置を、ΔＳがサジタル焦点の位置を示し、その差が
非点収差である。

【図２８】比較例Ａのｆθレンズのｆθ性の角度分布を
示すグラフ。縦軸は平行ビームのレンズへの入射角θ
（一目盛り２度）、横軸はｆθ性からのズレを示す
（％）。

【図２９】比較例Ｂにかかるｆθレンズのレンズ配置と
光線軌跡を示す断面図。Ｇ_１は第１群、Ｇ_２は第２群、
Ｇ_３は第３群のレンズ群をしめす。Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、
Ｌ _４はレンズ符号である。

【図３０】比較例Ｂのｆθレンズの球面収差の光線高さ
分布を示すグラフ。縦軸は入射光線の高さ（一目盛り
１．２５ｍｍ）、横軸は球面収差の大きさ。

【図３１】比較例Ｂのｆθレンズの非点収差の角度分布
を示すグラフ。縦軸は平行ビームのレンズへの入射角θ
（一目盛り２度）、横軸は、ΔＭがメリディオナル焦点
の位置を、ΔＳがサジタル焦点の位置を示し、その差が
非点収差である。

【図３２】比較例Ｂのｆθレンズのｆθ性の角度分布を
示すグラフ。縦軸は平行ビームのレンズへの入射角θ
（一目盛り２度）、横軸はｆθ性からのズレを示す
（％）。

【図３３】比較例Ｃにかかるｆθレンズのレンズ配置と
光線軌跡を示す断面図。Ｇ_１は第１群、Ｇ_２は第２群、
Ｇ_３は第３群のレンズ群をしめす。Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、
Ｌ _４はレンズ符号である。

【図３４】比較例Ｃのｆθレンズの球面収差の光線高さ
分布を示すグラフ。縦軸は入射光線の高さ（一目盛り
１．２５ｍｍ）、横軸は球面収差の大きさ。

【図３５】比較例Ｃのｆθレンズの非点収差の角度分布
を示すグラフ。縦軸は平行ビームのレンズへの入射角θ
（一目盛り２度）、横軸は、ΔＭがメリディオナル焦点
の位置を、ΔＳがサジタル焦点の位置を示し、その差が
非点収差である。

【図３６】比較例Ｃのｆθレンズのｆθ性の角度分布を
示すグラフ。縦軸は平行ビームのレンズへの入射角θ
（一目盛り２度）、横軸はｆθ性からのズレを示す
（％）。

【図３７】比較例Ｄにかかるｆθレンズのレンズ配置と
光線軌跡を示す断面図。Ｇ_１は第１群、Ｇ_２は第２群、
Ｇ_３は第３群のレンズ群をしめす。Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、
Ｌ _４はレンズ符号である。

【図３８】比較例Ｄのｆθレンズの球面収差の光線高さ
分布を示すグラフ。縦軸は入射光線の高さ（一目盛り
１．２５ｍｍ）、横軸は球面収差の大きさ。

【図３９】比較例Ｄのｆθレンズの非点収差の角度分布
を示すグラフ。縦軸は平行ビームのレンズへの入射角θ
（一目盛り２度）、横軸は、ΔＭがメリディオナル焦点
の位置を、ΔＳがサジタル焦点の位置を示し、その差が
非点収差である。

【図４０】比較例Ｄのｆθレンズのｆθ性の角度分布を
示すグラフ。縦軸は平行ビームのレンズへの入射角θ
（一目盛り２度）、横軸はｆθ性からのズレを示す
（％）。

【図４１】比較例Ｅにかかるｆθレンズのレンズ配置と
光線軌跡を示す断面図。Ｇ_１は第１群、Ｇ_２は第２群、
Ｇ_３は第３群のレンズ群をしめす。Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、
Ｌ _４はレンズ符号である。

【図４２】比較例Ｅのｆθレンズの球面収差の光線高さ
分布を示すグラフ。縦軸は入射光線の高さ（一目盛り
１．２５ｍｍ）、横軸は球面収差の大きさ。

【図４３】比較例Ｅのｆθレンズの非点収差の角度分布
を示すグラフ。縦軸は平行ビームのレンズへの入射角θ
（一目盛り２度）、横軸は、ΔＭがメリディオナル焦点
の位置を、ΔＳがサジタル焦点の位置を示し、その差が
非点収差である。

【図４４】比較例Ｅのｆθレンズのｆθ性の角度分布を
示すグラフ。縦軸は平行ビームのレンズへの入射角θ
（一目盛り２度）、横軸はｆθ性からのズレを示す
（％）。

【図４５】比較例Ｆにかかるｆθレンズのレンズ配置と
光線軌跡を示す断面図。Ｇ_１は第 _１群、Ｇ_２は第２群、
Ｇ_３は第３群のレンズ群をしめす。Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、
Ｌ _４はレンズ符号である。

【図４６】比較例Ｆのｆθレンズの球面収差の光線高さ
分布を示すグラフ。縦軸は入射光線の高さ（一目盛り
１．２５ｍｍ）、横軸は球面収差の大きさ。

【図４７】比較例Ｆのｆθレンズの非点収差の角度分布
を示すグラフ。縦軸は平行ビームのレンズへの入射角θ
（一目盛り２度）、横軸は、ΔＭがメリディオナル焦点
の位置を、ΔＳがサジタル焦点の位置を示し、その差が
非点収差である。

【図４８】比較例Ｆのｆθレンズのｆθ性の角度分布を
示すグラフ。縦軸は平行ビームのレンズへの入射角θ
（一目盛り２度）、横軸はｆθ性からのズレを示す
（％）。

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 9/00 - 17/08 G02B 21/02 - 21/04 G02B 25/00 - 25/04

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭酸ガスレ−ザ或いはＹＡＧレ−ザの赤
   外光レ−ザビームを二次元走査し集光して被処理物に照
   射し被処理物に複数の穴を穿孔するレ−ザ加工のため
   に、二次元走査ビームを集光するレンズであって、赤外
   光に対して透明で２以上の屈折率を持つ材料からなり、
   物界側より順に、物界側に凸の正レンズよりなる第１
   群、物界側に凹の負レンズよりなる第２群、正レンズの
   みの１成分、或いは物界側から順に正レンズと負レンズ
   又は正レンズと正レンズの２成分を有し全体として正の
   屈折率を持つ第３群よりなり、第２群レンズの焦点距離
   をｆ_２、第３群レンズの焦点距離をｆ_３、全系の焦点距
   離をｆ、全系の前側焦点から後側焦点までの距離をｄと
   して、 −２．２≦ｆ_２／ｆ≦−０．３ ０．４≦ｆ_３／ｆ≦０．９ １．８≦ｄ／ｆ≦２．４ なる条件を満たすことを特徴とするｆθレンズ。