JPH01312503A - フレネルレンズ - Google Patents

フレネルレンズ

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JPH01312503A
JPH01312503A JP14312988A JP14312988A JPH01312503A JP H01312503 A JPH01312503 A JP H01312503A JP 14312988 A JP14312988 A JP 14312988A JP 14312988 A JP14312988 A JP 14312988A JP H01312503 A JPH01312503 A JP H01312503A
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JP
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fresnel lens
same plane
annular
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JP14312988A
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Shunsui Kawasaki
川崎 春水
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Pentax Corp
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Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
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  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「技術分野」 本発明は、輪帯幅が一定のフレネルレンズに関する。
「従来技術およびその問題点」 従来コンパクトディスクやレーザプリンタ用の対物レン
ズ、あるいはコリメータレンズとして各種のフレネルレ
ンズが提案されている。その一つは、グレーティングレ
ンズと呼ばれ、フレネル輪帯を鋸歯状断面を持つ形状に
旋削加工したものである。このレンズは、外周に行くほ
ど輪帯幅が狭くなり、開口数の増加に伴って輪帯数が急
激に増加するという性質がある0例えば焦点距離が2μ
m、 Fナンバー1.0のレンズでは、輪帯数が約50
0、輪帯の幅は最外周で約0.6μとなる。このような
輪帯数が多く、かつその幅の微小なレンズの加工は極め
て困難である。このため輪帯数の少ない、言い換えれば
開口数の小さい小口径レンズ(例えば開口数0.15)
 L、か製作されていない、また焦点における集光効率
も高々75%である。
他のフレネルレンズとしては、ホログラムレンズが知ら
れている。しかしこのレンズは、製造工程が煩鉗で、製
作技術も高度で習得し難<、シかも集光効率もかなり小
さい。
このように従来公知のフレネルレンズでは、開口数の大
きなレンズの製作が極めて困難であるか、その加工工程
が複雑であり、集光効率も低い等の欠点を有するもので
あった。
「発明の目的」 本発明は、このような従来のフレネルレンズの欠点を除
去するためになされたもので、その目的は、開口数が大
きく、集光効率が高く、かつ旋削加工やフォトリソグラ
フィーによって比較的容易に製造することができるフレ
ネルレンズを提供することにある。
「発明の概要」 本発明は、輪帯幅の等しいフレネルレンズにおいて、各
輪帯を楔状断面となし、各輪帯の内径および外径から焦
点に至る光路長と、光軸上の基準光路長との差が共に使
用波長の整数倍になるように定め、さらに各楔状断面の
楔角は不変のまま、各頂点が同一平面上に位置するよう
に各輪帯を光軸と平行な方向に移動させた形で出射面を
形成し、入射面に、これら各輪帯の平行移動量に等しい
深さの矩形状断面の環状溝を形成したことを特徴として
いる。
このフレネルレンズによると、従来品に比して出射面の
加工が著しく容易になり、入射面に対する矩形断面溝の
加工を要する点を差し引いても、全体として加工が容易
なフレネルレンズが得られる。
「発明の実施例」 以下図示実施例について本発明を説明する。第1図は本
発明によるフレネルレンズの一実施例を示す模式断面図
である6本フレネルレンズlは、均質で透明な光学材料
、例えばアクリル樹脂等の合成樹脂材料から構成するこ
とができる。このレンズ1は、全口径に渡って等しい輪
帯幅pの輪帯を有する1図示例では、各輪帯幅は20μ
mであり、このレンズの半径r0を0.82mm+とし
、焦点距離fを2mmとすると、輪帯数mゆけ41個で
ある。
このフレネルレンズlは、図の左方の入射面3から光線
が入射し、右方の出射面2から出射する。出射面2は、
各輪帯毎に楔状断面5を有し、これらの楔状断面5の各
山頂A2はすべての輪帯について出射面2の同一面内に
ある。しかしその深さT、T!・t2と楔角αは、輪帯
毎に相異なる0本発明は、このように出射面2番ζおい
ては、楔状断面5の各頂点Atを同一平面に位置させる
ことを第一の特徴としている。
一方、入射面3においては、各輪帯毎に、深さC+Cm
・tlの異なる深さの矩形状断面の環状溝4が形成され
ている。この矩形状断面の環状溝4は。
出射面2側において楔状断面5の各頂点A1を同一平面
に位置させたことによる光路長の変化を補償するために
設けたもので、この矩形状断面の環状溝4が本発明の第
二の特徴である。これらの楔状断面5と環状溝4の各面
は、光学的研磨面に匹敵する精度を有する。
次に、楔状断面5の各頂点A1を同一平面に位置させる
理由、およびこれに対応して矩形状断面の環状溝4を設
ける理由を説明する。
いま第3図に示すように、フレネルレンズlの入射面3
上の点P、に光軸に平行に入射し、出射面2側の楔状断
面5上の点P2を経て焦点Fに達する光を考える。フレ
ネルレンズlの屈折率をn(例えばn:1.51とする
と、この光線の光路長2.は。
β+”nP+Pr+P*Fである。−刀先軸上を通る光
線の光路長2゜は、β。=nQO+OFである0点Oは
、出射面2上の基準点である。これら両光線の光路差へ
β・21−2゜が使用波長ん(例えば・0.5μ)の整
数(m)倍になるようにP2の座標を決めることにより
、楔高さt+、taと楔角αを決める。すなわちΔ(1
= J (f−tl ”+r” +nt−f =mん・
・・00式をtについて解くと。
t=−(b−Jb”−acl/a       ・・・
■(但しa=n”−1,b=−(in先+(n−11f
l。
c= io+ん)”+2mλf−r”)となる。
そしてこの0式に基づき、各輪帯の内径r+、rzに関
する楔高さ1+、1*を求め、各楔高さαを次式■によ
って計算する。
a=tan−’(ft+−t*l/p)  + HH■
このようにして求めた楔高さt+、tx、Q(μm)と
楔角α(°)を第1表(a)に、またこの場合のフレネ
ルレンズ1°の形状を第2図に示した。この第1表およ
び第2図から明らかなように、以上の計算結果を単純に
表わしたフレネルレンズl。
は、その楔高さ1+がOにならない、すなわちt、≦0
、t2<0で、各輪帯毎にその値が異なる。
このようなフレネルレンズ1°は、各輪帯の楔の山頂A
tが同一面上に揃っていないから、レンズ加工時の位置
制御が煩雑で、加工上の誤差を生じやすい。
本発明によるフレネルレンズlは、この問題点を解決す
るために、まず楔の山頂A、を全部の輪帯について出射
面2上の同一平面に位置させている(1+・0)、これ
により、出射面2側の楔状断面5の加工が容易になり、
製作誤差が著しく軽減される。
このように各輪帯の山頂熱を同一平面に位置させるには
、該当する輪帯をtlだけ光軸と平行な方向に移動させ
(第2図において右方に移動させ)、楔面A1B+を楔
面AJaにする。しかしこの移動により、光路長は(n
−11t+だけ増加する。これを補償して光路長を元通
りの値にするために、第1図に示すように、入射面3側
に、その輪帯の光軸方向の平行移動量に対応させて深さ
tlの矩形状断面の環状渦4を設ける。これが本発明の
第二の特徴である。矩形状断面環状溝4の深さは、当然
各輪帯のtlの値に対応する。
第1表(b)は1本発明によるフレネルレンズ1の各輪
帯の楔状断面5の深さT+Tz・t2と楔角αを5輪帯
毎に示したものである0以上の説明から明らかなように
、すべての輪帯においてtl=oであり、またαの値自
体は、第1表(a)と等しい。
第1表(b)においては、矩形状断面溝4の深さtlが
表われていないが、これは第1表(a)におけるり、の
値である。またmは輪帯番号、rlは輪帯の内径(μm
)である。
このような矩形状断面の環状渦4の加工は、例えばホト
レジスト膜を各輪帯毎に露光制御することにより、所望
の深さtlを実現することが可能でII  II  I
I  II  II  II  II  II  II
   II  II  II  II  II  II
  II  II  IIeIetepeIe+e+b
e+e+    bae+ae+e+e+aesII 
 II  II  II  II  II  II  
II  II   II  II  If  II  
II  II  II  II  II+I 4−1 
epeppue   pu、tppeeuueII  
II  II  II  II  II  II  I
I  II   II  II  II  II  I
I  II  II  II  lI4−3 +1 u
 +1 pphup   poeohpwpuII  
II  II  II  II  II  II  I
I  II   II  II  II  II  I
I  II  II  II  IIL+u14L−+
i−+!L+−1w    +−+l−+!1w+−+
1−+1w−1−+ロクロー〇−〇lnロ ローローロ
の〇−〇II  II  II  II  II  I
I  II  II  II   II  II  I
I  II  II  II  II  II  II
臼εEEEEEE日  己臼巳e#eae巳ある。また
楔状断面5の加工には、例えばCNC旋盤加工や、電子
ビーム・リソグラフィー法を適用することができる0本
発明によるフレネルレンズlは、第2図のフレネルレン
ズl°に比較して、入射面3に対する矩形状断面の環状
渦4の加工が付加されることとなるが、この加工の付加
は、楔状断面5の各頂点位置を異ならせることに比較し
て、はるかに容易であり、よって本発明のフレネルレン
ズ1の優位性が理解される。
第4図は、本発明のフレネルレンズlの焦面における回
折光の強度分布(−点鎖線)を理想レンズであるフラウ
ンホーファー回折像(点線)と比較して示したものであ
る。照明は光軸に平行な平行光とし、横軸Xは焦面にお
ける半径方向の座標(μm)、縦軸Iはフラウンホーフ
ァー回折像の中心強度を1に正規化した回折像の光強度
である。
なお第4図に実線で示した曲線は、楔の山頂A1を同一
平面に位置させ、入射面3(第2図)上に矩形状断面溝
4を形成しない場合、つまり光路長の補償を行なわない
場合の回折像である(楔角αは第1表(a)のまま)、
このように楔の山頂A2を揃えただけでは、光強度は著
しく低下し、回折像は広範囲に拡散してしまう。
また第4図から分かるように、焦点F(x・0)におけ
る集光効率は約84%で、他の種類のフレネルレンズよ
りも著しく大きい、さらに本発明のフレネルレンズ1は
、集光スポット径が回折限界に極めて近くて小さい。
「発明の効果」 以上のように本発明のフレネルレンズは、輪帯幅が一定
のフレネルレンズにおいて、楔状断面の各輪帯の山頂が
同一平面に位置しているため、山頂の位置が輪帯毎に異
なる従来のフレネルレンズに比して、楔状断面の加工が
著しく容易になる。
すなわち旋削やリソグラフィーによって容易に加工する
ことができる。楔状断面と反対側の面には、各輪帯毎に
矩形状断面溝の加工を要するが、この矩形状断面溝の加
工は、楔状断面の各頂点の位置を同一平面から個々にず
らせて加工する困難さに比して、はるかに容易であり、
よって本発明のフレネルレンズは、全体としてその製造
が容易である。また本発明のフレネルレンズは、集光ス
ポット径が回折限界に極めて近くて小さく、かつ集光効
率が高いという利点を有する。さらに輪帯幅が等しいの
で、大口径で、開口数の大きいレンズが比較的容易に得
られる。このようなフレネルレンズは、例えば光ディス
ク等の光学情報処理装置の微小光学素子や、プロジェク
ションTV用の大口径レンズとして、多大の用途を期待
し得るものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明によるフレネルレンズの一実施例を示す
、要部の縦断面図、第2図はフレネルレンズの楔角と楔
高さの計算に基づいて作図したレンズの断面図、第3図
は楔高さと楔角を計算するための光路図、第4図はフレ
ネルレンズの焦面における回折像の光強度分布を示すグ
ラフである。 l・・・フレネルレンズ、2・・・出射面、3・・・入
射面、4・・・矩形状断面の環状溝、5・・・楔状断面
。 tt、ti・・・楔高さ、α・・・楔角、A+、Ax・
・・楔の山頂。 特許出願人  旭光学工業株式会社 同代理人    三 浦 邦 夫 同   笹山善美

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)輪帯幅の等しいフレネルレンズにおいて、各輪帯
    を楔状断面となし、 各輪帯の内径および外径から焦点に至る光路長と、光軸
    上の基準光路長との差が共に使用波長の整数倍になるよ
    うに定め、 さらに各楔状断面の楔角は不変のまま、各頂点が同一平
    面上に位置するように各輪帯を光軸と平行な方向に移動
    させた形で出射面を形成し、入射面に、これら各輪帯の
    平行移動量に等しい深さの矩形状断面の環状溝を形成し
    たことを特徴とするフレネルレンズ。
JP14312988A 1988-06-10 1988-06-10 フレネルレンズ Granted JPH01312503A (ja)

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JP14312988A JPH01312503A (ja) 1988-06-10 1988-06-10 フレネルレンズ

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JP14312988A JPH01312503A (ja) 1988-06-10 1988-06-10 フレネルレンズ

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JPH0563761B2 JPH0563761B2 (ja) 1993-09-13

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1186914A2 (en) * 2000-09-08 2002-03-13 Canon Kabushiki Kaisha Diffractive optical element and optical system having the same

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP1186914A2 (en) * 2000-09-08 2002-03-13 Canon Kabushiki Kaisha Diffractive optical element and optical system having the same
EP1186914A3 (en) * 2000-09-08 2004-05-12 Canon Kabushiki Kaisha Diffractive optical element and optical system having the same
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