JPH06331887A

JPH06331887A - 複合レンズ

Info

Publication number: JPH06331887A
Application number: JP5607394A
Authority: JP
Inventors: Koichi Maruyama; 晃一丸山
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1993-03-25
Filing date: 1994-03-25
Publication date: 1994-12-02

Abstract

(57)【要約】【目的】回折格子のパターンを正確に転写することが
でき、かつ、環境の変化により内部屈折率が不均一とな
らずにレンズ性能が安定した色収差補正された複合レン
ズを提供することを目的とする。【構成】環境の変化に対する影響が小さいガラスレン
ズ１を屈折作用を持つレンズとして用い、このガラスレ
ンズに回折素子２を接合して構成される。回折素子２の
ガラスレンズ１に接合されない側の面は、光軸に対して
同心円状の複数の輪帯面が光軸から離れるにしたがって
レンズ厚が厚くなるよう階段状に形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、レンズの色収差補正
に関し、特に単レンズの色収差を回折作用を持つ素子に
より補正する複合レンズに関わる。

【０００２】

【従来の技術】レンズの色収差は構成する物質の特性、
特に分散値によって決まる。分散があればレンズのパワ
ーは波長毎に異なるため、単レンズでは色収差を補正で
きない。そこで、色収差の補正が必要な光学系では、一
般に２枚以上のレンズを組み合わせて分散による波長毎
のパワーの違いを打ち消し合わせることにより色収差を
補正している。

【０００３】これに対して、SPIE Vol. 1354 Internati
onal Lens Design Conference(1990)のApplications of
Diffractive Opticsには、ガラスレンズの一方の面に
光軸を中心とする同心円状の輪帯面を階段状に形成して
回折作用を持たせ、これによりガラスレンズの色収差を
補正する技術が開示されている。ガラスレンズの表面に
輪帯面を階段状に形成するためには、エッチングによる
加工では量産は困難であるため、ガラスモールドの技術
を利用することとなる。この技術を利用すれば、理論的
には色収差が補正されたガラス単レンズを得ることがで
きる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、現実的
には、ガラスの粘性のために上記の回折面のような微細
な構造をモールド型からガラスに正確に転写することは
現在の技術では困難である。回折面が正確に転写できず
に段差部分が滑らかになった場合には、所望する次数の
回折光以外の光が漏れ出すため、このレンズを光情報記
録再生装置に用いると媒体上の光スポットの径が増大
し、光記録書き込み、読み出しの誤り率が増加すること
となり、また、写真レンズへ適用するとフレアーの増
加、解像力の低下を招く。

【０００５】一方、プラスチックレンズは成形型からの
微細構造の転写が容易であり、回折面を作るのには適し
ているが、プラスチックレンズは成形時において既に屈
折率が不均一となる可能性が高い上、使用環境の湿度、
湿度の変化による影響も受け易いため、プラスチックで
上記のような回折面を有するレンズを形成した場合に
は、性能が安定しないという問題がある。

【０００６】内部の屈折率が不均一なプラスチックレン
ズは、収束レンズとして用いるとスポット径の増大を招
き、また、写真レンズなどの大口径のレンズに利用する
と像の劣化が顕著となるため、いずれの用途にも利用が
困難である。

【０００７】

【発明の目的】この発明は、上記の問題に鑑み、回折面
のパターンを正確に転写することができ、かつ、環境の
変化等により内部屈折率の分布が不均一とならずにレン
ズ性能が安定した色収差補正された複合レンズを提供す
ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明にかかる複合レ
ンズは、上記の目的を達成させるため、屈折作用を持つ
レンズには環境の変化に対する影響が小さいガラスレン
ズを用いると共に、このガラスレンズとは独立した回折
素子を接合して構成される。回折素子のガラスレンズに
接合されない側の面は、光軸に対して同心円状の複数の
輪帯面が光軸から離れるにしたがってレンズ厚が厚くな
るよう階段状に形成されている。

【０００９】

【実施例】以下、この発明にかかる複合レンズの実施例
を説明する。実施例の複合レンズは、図１(Ａ)に模式的
に示すように、屈折作用を持つガラスレンズ１と、この
ガラスレンズ１の一方の面に接合された透明な回折素子
２とから構成される。回折素子２は、この実施例ではプ
ラスチックにより成形されている。プラスチックは、回
折面の形成が容易であるため、回折素子として用いるの
に適している。なお、ここで透明とは、使用される波長
の光が透過するという意味であり、例えば赤外光を使用
する場合には、肉眼では不透明に見えても赤外光が透過
すればよい。

【００１０】回折素子には、回折のタイプにより振幅型
回折素子及び位相型の回折素子が考えられ、位相型には
屈折率変調型とレリーフ型とがあるが、実施例では光の
利用効率と製造の容易性との点から位相型のレリーフ型
の回折素子を用いている。

【００１１】位相型のレリーフ型回折素子２の非接合側
の面は、図１(Ｂ)に示すように光軸に対して同心円状の
複数の輪帯面３，３，…が光軸Ａｘから離れるにしたが
ってレンズ厚が厚くなるよう階段状に形成されている。

【００１２】厚さｔの媒質を通った光と空気中を通る光
との間に発生する光路長差は、媒質の屈折率をｎとし
て、(ｎ−１)ｔで与えられる。したがって、回折素子２
の隣接する輪帯間の光路に沿った厚さの差は、使用波長
をλとして以下の(１)式で得られるｔ、もしくはその整
数倍とする必要がある。

【００１３】

【数１】ｔ(ｈ)＝λ／(ｎ−１) …(１)

【００１４】また、回折素子の輪帯毎の光軸方向の厚さ
の差ｔによる光路長差ｔ(ｎ−１)と波長λとの比率は、
以下の条件(２)を満たすことが望ましい。

【００１５】

【数２】０．８ ≦ ｔ(ｎ−１)／λ ≦ １０ …(２)

【００１６】一般に、回折素子面は、輪帯毎の光路長差
が一波長分となるよう形成すれば、１次の回折光を用い
ることとなり、波長の変化による波面収差の劣化を抑え
ることができるため、波長変化による回折効率および結
像性能の低下を防ぐことができる。

【００１７】そして、使用波長幅が狭い場合、あるいは
輪帯幅が狭く製造が困難な場合等には、輪帯毎の光路長
差を波長の２倍、あるいは３倍以上の整数倍としても色
収差補正は可能である。ただし、条件(１)の上限を越え
て光路長差を１０波長分以上とすると、従来のフレネル
レンズと同等の構成となり、製作上の誤差による位相整
合のズレが大きくなり易く、かつ、設計波長から離れた
波長の入射光に対して回折素子の効率が低下する。

【００１８】反対に、条件(１)の下限を下回る場合に
は、回折素子の位相整合をとることができず実質的に回
折素子としての機能を果たさない。

【００１９】なお、実施例の複合レンズを光情報記録再
生装置用のレンズのようなＮＡが明るいレンズに利用す
る場合、あるいは画角が広いレンズに用いる場合には、
光路長差ｔ(ｎ−１)と波長λとの比率は、以下の条件
(２)を満たすことが望ましい。

【００２０】

【数３】０．８ ≦ ｔ(ｎ−１)／λ ≦ １ …(２)

【００２１】例えば、光路長差ｔ(ｎ−１)と波長λとの
比率を１とすると、基準波長λ0＝780nmで波長が変動す
る半導体レーザーを光源として用いるレンズを株式会社
オハラのＬＡＬ１３(商品名：ｎ780＝1.68468)を用いて
製作する場合、１輪帯面毎の回折素子の厚さの差ｔは、
以下の(３)式のとおりとなる。

【００２２】

【数４】ｔ＝0.78O×10^-3／(ｎ−１) ＝ 0.78O×10^-3/0.68468 ＝ 1.14×10^-3 …(３)

【００２３】１．１４μmの厚さの差は微細であるた
め、現在のガラスモールドの技術ではガラスの粘性によ
り型のパターンを正確に転写することができない。この
ため、プラスチック製の回折素子２を用いている。

【００２４】

【実施例１】図２は、この発明の実施例１にかかる複合
レンズを用いた光学系を示す。この例では、複合レンズ
を光ディスク装置の対物レンズとして用いている。図中
左側から入射した平行光束は、ガラスレンズ１と回折素
子２とから成る対物レンズにより、光ディスクのカバー
ガラスＤの内側(図中右側)に位置する記録面に収束され
る。

【００２５】図中左側となる最も物体側の面が回折素子
面として作用する輪帯を形成した不連続面であり、その
巨視的形状であるベースカーブは非球面である。ガラス
レンズ１は、両面球面のレンズである。

【００２６】実施例１の具体的な数値構成は、表１に示
される。表中の記号λ0は使用波長、ｆは焦点距離、Ｎ
Ａは開口数、ｒは曲率半径、ｄはレンズ厚もしくは空気
間隔、ｎdはｄ線における屈折率、νdはアッベ数、ｎ78
0は波長780nmにおける屈折率である。また、図３は、こ
の構成による770nm,780nm,790nmの球面収差により示さ
れる色収差、非点収差(S:サジタル、M:メリディオナル)
を示す。

【００２７】

【表１】

【００２８】複合レンズの第１面の形状は、光軸からの
距離ｈの点の非球面のサグ量Ｘ(h)を以下の(４)式で定
義したとき、表２に示した各係数により与えられる。
(４)式は、普通の非球面表現形式にΔNの項が追加され
たものである。Ｎは高さｈの点の属す輪帯番号であり、
非球面を規定する各係数はＮの関数となる。なお、INT
(x)は、ｘの整数部分を取り出す関数である。

【００２９】

【数５】Ｘ(h)＝ｈ²／(ｒN×(１＋√(１−(１＋ＫN)×ｈ²／ｒN²))) ＋Ａ4N×ｈ⁴＋Ａ6N×ｈ⁶＋Ａ8N×ｈ⁸＋Ａ10N×ｈ¹⁰＋ΔN …(４) ただし、ｒは非球面頂点の曲率半径、Ｋは円錐係数、Ａ
4,Ａ6,Ａ8,Ａ10はそれぞれ４次、６次、８次、１０次の
非球面係数である。

【００３０】

【表２】Ｎ＝ INT(7.20×ｈ²＋0.33×ｈ⁴＋0.5) ｒN ＝ 2.700＋5.13×10^-4×ＮＫN ＝ −0.5000 Ａ4N ＝ −1.570×10^-3＋1.00×10^-6×ＮＡ6N ＝ −1.900×10^-4＋3.02×10^-7×ＮＡ8N ＝ −1.900×10^-5＋1.51×10^-8×ＮＡ10N ＝ −9.000×10^-7 ΔN ＝ −0.001510 ×Ｎ

【００３１】対物レンズを高屈折率ガラスを用いて製造
する場合には、非球面を用いなくとも高ＮＡの対物レン
ズとして十分な性能を得ることができるため、この実施
例のように球面レンズを用いることができる。

【００３２】

【実施例２】図４は、この発明の実施例２にかかる複合
レンズを用いた光学系を示す。この例でも、複合レンズ
を光ディスク装置用の対物レンズとして用いている。具
体的な数値構成は表３に示されている。この複合レンズ
は、第１面が回折面であり、第３面が通常の滑らかな非
球面である。図５は、この構成による諸収差を示す。

【００３３】

【表３】

【００３４】第１面の形状は、光軸からの距離ｈの点の
非球面のサグ量Ｘ(h)を前記の(４)式で定義したとき、
表４に示した各係数により与えられる。

【００３５】

【表４】Ｎ＝ INT(4.41×ｈ²＋0.20×ｈ⁴＋0.5) ｒN ＝ 2.182＋5.14×10^-4 ×ＮＫN ＝ −0.3610 Ａ4N ＝ −1.731×10^-3＋1.27×10^-6×ＮＡ6N ＝ −2.010×10^-4＋4.23×10^-7×ＮＡ8N ＝ −3.170×10^-5−6.04×10^-9×ＮＡ10N ＝ 6.000×10^-7＋6.04×10^-9×Ｎ ΔN ＝ −0.001510 ×Ｎ

【００３６】また、第３面の非球面形状は、光軸からの
距離ｈの点の非球面のサグ量Ｘ(h)を以下の(５)式で定
義したとき、表５に示した各係数により与えられる。記
号の意味は、前記の(４)式と同一である。

【００３７】ガラスモールドレンズの硝材は、屈折率が
低い方が低温での成形が可能であるため、ガラスレンズ
をモールド法で作る場合には、低屈折率の硝材を利用す
ることが望ましい。そして、その場合には、実施例２の
ように貼合わせ面でない側の面を非球面とすることによ
り、高ＮＡの対物レンズとして十分な程度に収差を補正
することができる。

【００３８】

【数６】Ｘ(h)＝ｈ²／(ｒ×(１＋√(１−(１＋Ｋ)×ｈ²／ｒ²))) ＋Ａ4×ｈ⁴＋Ａ6×ｈ⁶＋Ａ8×ｈ⁸＋Ａ10×ｈ¹⁰ …(５)

【００３９】

【表５】ｒ＝ -9.585 Ｋ＝ 0.000 Ａ4 ＝ 1.320×10^-2 Ａ6 ＝ -2.520×10^-3 Ａ8 ＝ 5.580×10^-4 Ａ10 ＝ -5.340×10^-5

【００４０】なお、図６は、色収差以外は実施例２と同
程度の性能を持つ両面非球面単レンズの従来例を示す。
具体的な数値構成は表６、非球面係数は表７に示される
通りである。この構成による諸収差は、図７に示され
る。図５と図７とを比較することにより、回折素子を設
けたことによる色収差補正効果は明らかとなる。

【００４１】

【表６】

【００４２】

【表７】第１面第２面ｒ＝ 2.206 ｒ＝ -9.585 Ｋ＝ -0.328 Ｋ＝ 0.000 Ａ4 ＝ -0.150×10^-2 Ａ4 ＝ 0.132×10^-1 Ａ6 ＝ -0.167×10^-3 Ａ6 ＝ -0.252×10^-2 Ａ8 ＝ -0.305×10^-4 Ａ8 ＝ 0.558×10^-3 Ａ10 ＝ 0.800×10^-6 Ａ10 ＝ -0.534×10^-4

【００４３】実施例１、２によれば、上述した従来の非
球面レンズとほぼ同じ大きさ重さで色収差が補正された
対物レンズを提供することができる。また、屈折力を持
つ部分がガラスレンズであるため、結像性能が湿度変化
の影響を受けず、かつ、温度変化にも影響を受け難い。

【００４４】

【実施例３】図８は、この発明の実施例３にかかる複合
レンズを用いた光学系を示す。この実施例では、複合レ
ンズを光ディスク装置のコリメートレンズとして用いて
いる。図中右側の平行平面板Ｃは、半導体レーザーのカ
バーガラスである。具体的な数値構成は表８に示されて
いる。この例では、第１面が通常の非球面であり、第３
面が回折面である。図９は、この構成による諸収差をそ
れぞれ示す。

【００４５】

【表８】

【００４６】第１面の非球面形状は、光軸からの距離ｈ
の点の非球面のサグ量Ｘ(h)を前記の(５)式で定義した
とき、表９に示した各係数により与えられる。

【００４７】

【表９】ｒ＝ 7.231 Ｋ＝ −0.5933 Ａ４＝ 0.000 Ａ６＝ −3.440×10^-7 Ａ８＝ −4.370×10^-9 Ａ１０＝ 0.000

【００４８】また、第３面の形状は、光軸からの距離ｈ
の点のサグ量Ｘ(h)を以下の(６)式で表したときに、表
１０に示す係数で与えられる。

【００４９】

【数７】Ｘ(h)＝ΔN …(６)

【００５０】

【表１０】Ｎ＝INT(2.61×ｈ²−0.0212×ｈ⁴＋0.5) ΔN＝0.001510×Ｎ

【００５１】レンズのNAが大きい場合、レンズ周辺部で
は光線が回折素子に対して斜めに入射するため、ほぼ垂
直に入射する中心部と比較すると、厚さが同一でも光線
が通過する光路長が長くなる。したがって、輪帯ごとの
位相差を中心部、周辺部のいずれにおいても同一にする
ためには、周辺に向かうに伴って輪帯毎の厚さの差を小
さくしてゆく必要がある。

【００５２】例えば、この実施例で用いる程度のＮＡを
持つレンズにおいては、最周辺部の輪帯における輪帯毎
の厚さの差を中心部の輪帯における差より約１％小さく
することにより位相を連続させることができる。ただ
し、全域に亙って輪帯毎の厚さの差を同一にしても、そ
れによる位相飛びは実用上は問題とならないため、この
実施例ではΔNをＮの一次関数として輪帯毎の厚さの差
を中央と周辺とで同一に設定している。

【００５３】なお、この実施例のようにＮＡが高くない
レンズの場合には、回折面を平面のみで構成することは
型加工、形状測定が容易となるために望ましい。

【００５４】

【実施例４】図１０は、この発明の実施例４の複合レン
ズを望遠レンズに適用した光学系を示している。具体的
な数値構成は表１１に示されている。表中の記号ωは半
画角、ｆbはバックフォーカスである。

【００５５】この望遠レンズは、最も物体側の第１レン
ズの図中左側となる物体側面に熱硬化型プラスチックで
形成される回折素子が接合されているが、回折素子の厚
さが薄いため、図１０上では第１面と第２面とを重複さ
せて示してある。

【００５６】この望遠レンズは、435〜656nmが使用波長
帯域であり、回折素子設計時の基準波長λ0は546.07nm
である。図１１は、この構成による諸収差をそれぞれ示
す。

【００５７】

【表１１】

【００５８】第１面の形状は、光軸からの距離ｈの点の
サグ量Ｘ(h)を以下の(７)式で表すとき、表１２に示さ
れる係数により与えられる。第１レンズの有効半径は5
2.3mmであり、その第１面は133の輪帯状の面で構成され
る回折面である。

【００５９】

【数８】Ｘ(h)＝ｒN×(1−√(１−ｈ²／ｒN²))＋ΔN …(７)

【００６０】

【表１２】Ｎ＝INT(4.43×10^-2×ｈ²＋1.54×10^-6×ｈ⁴＋0.5) rN＝135.029＋3.58×10^-4×Ｎ ΔN＝−0.001041×Ｎ

【００６１】なお、図１２は、上記実施例４の望遠レン
ズの最も物体側の複合レンズを回折素子を持たない単レ
ンズに置き換え、それより物体側に回折素子が接合され
た色収差補正フィルターを設けた例を示す。回折素子
は、色収差補正フィルターの像側面に接合されている。
ただし、この例でも回折素子の厚さが薄いため、図１２
中では第２面と第３面とを重複して示してある。

【００６２】このレンズの具体的な数値構成は表１３に
示すとおりであり、第５面以降は実施例４の第３面以降
と同一であり、また、収差等の性能も実施例４と同一で
ある。

【００６３】

【表１３】

【００６４】第３面の形状は、光軸からの距離ｈの点の
サグ量Ｘ(h)を前記の(６)式で表すとき、表１４に示す
係数により与えられる。

【００６５】

【表１４】Ｎ＝INT(4.43×10^-2×ｈ²＋1.51×10^-6×ｈ⁴＋0.5) ΔN＝0.001041×Ｎ

【００６６】図１３は、実施例４と同等の性能で回折素
子を用いずに硝材の組合わせにより色収差を補正した望
遠レンズを示す。具体的な数値構成は、表１５に示され
る通りである。この構成による諸収差は、図１４に示さ
れるとおりである。図１１と図１４とを比較することに
より、回折素子を用いることにより他の性能を変化させ
ずに色収差のみを非常に良好に補正できることが理解で
きる。

【００６７】

【表１５】

【００６８】なお、上記の実施例では、この発明の複合
レンズを光ディスク用のレンズ、あるいは望遠レンズに
適用した例についてのみのべたが、これら以外にも画角
が著しく広くなければ、他の光学系にも適用することで
きる。

【００６９】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、屈折作用を持つレンズと回折作用を持つ素子とを別
個の部材として形成して接合することにより、それぞれ
の作用に適した材料を選択することができ、例えばガラ
スレンズとプラスチック製の回折素子とを組み合せた場
合には、環境の変化による性能への影響を受け難く、か
つ、回折パターンを正確に転写することができる色収差
が補正された複合レンズを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例にかかる複合レンズを模式的に示し、
(Ａ)が側面図、(Ｂ)が平面図である。

【図２】実施例１にかかる複合レンズを利用した対物
レンズのレンズ図である。

【図３】図２の対物レンズの諸収差図である。

【図４】実施例２にかかる複合レンズを利用した対物
レンズのレンズ図である。

【図５】図４の対物レンズの諸収差図である。

【図６】実施例２の比較例としての回折素子を持たな
い対物レンズのレンズ図である。

【図７】図６の対物レンズの諸収差図である。

【図８】実施例３にかかる複合レンズを利用したコリ
メートレンズのレンズ図である。

【図９】図８のコリメートレンズの諸収差図である。

【図１０】実施例４にかかる複合レンズを利用した望
遠レンズのレンズ図である。

【図１１】図１０の望遠レンズの諸収差図である。

【図１２】実施例４の変形例としてフィルターに回折
素子を設けた望遠レンズのレンズ図である。

【図１３】実施例４の比較例としての回折素子を持た
ない対物レンズのレンズ図である。

【図１４】図１３の対物レンズの諸収差図である。

【符号の説明】

１…ガラスレンズ２…回折素子３…輪帯面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】屈折作用を持つガラスレンズと、一方の面で前記ガラスレンズに接合され、他方の面に光
軸に対して同心円状の複数の輪帯面が前記光軸から離れ
るにしたがってレンズ厚が厚くなるよう階段状に形成さ
れている透明な回折素子とから構成されることを特徴と
する複合レンズ。
【請求項２】前記回折素子は、プラスチックにより形成
されていることを特徴とする請求項１に記載の複合レン
ズ。
【請求項３】さらに、以下の条件を満足することを特徴
とする請求項１に記載の複合レンズ。０.８≦ｔ(ｎ-１)／λ≦１０ただし、λ：使用波長、ｔ：光軸方向への１輪帯ごとの回折素子の厚さの差、ｎ：回折素子を構成する媒質の屈折率である。
【請求項４】前記ガラスレンズの前記回折素子が接合さ
れない側の面は、連続した非球面であることを特徴とす
る請求項１に記載の複合レンズ。
【請求項５】前記複数の輪帯面は、前記光軸に対して垂
直な平面であることを特徴とする請求項１に記載の複合
レンズ。
【請求項６】請求項１の複合レンズと、屈折作用を持つ
単一または複数のレンズとを組み合わせて構成されるこ
とを特徴とするレンズ系。