JPH07507639A - 非球面レンズを有する照射システム - Google Patents

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】 非球面レンズを有する照射システム 本発明は少なくともその一部に非球面レンズを使用する照射システムに関する。

より詳細には、本発明は最小長さを有するとともに、収差の影響を大きく減少さ せたレンズ・システムを提供するために、円錐形レンズ部分と完全に結合した非 球面を有するレンズ部分を含むレンズ・システムに関する。

多くの光学装置は所望の光の照射を得るためにレンズ・システムから有限距離を ともなって離間した位置に配置された光源、及び集光のためにレンズから有限距 離をともなって離間した位置に配置された標的のうちのいづれかを使用するレン ズ・システムを必要とする（逆の問題）。このようなシステムは球面レンズから なる構成要素を使用していることが多く、球面レンズからなる構成要素は球面収 差をもたらす。そして、レンズ・システム自体も全体として比較的大きな長さを 有することがある。レンズ・システムのこの長さはレンズ・システムの実用を困 難にするか、または広さが制限された空間での使用を不可能なものとする。

光肌の且灼 本発明の目的は、改良された照射システムを提供することと、照射システムの設 計方法を確立することにある。

本発明の別の目的は、収差の影響を最小に抑えて所望の照射または集光を行う一 方で、最小長さを有する新たなレンズ・システムを形成することにある。

本発明の更に別の目的は所望の照射を行う一方で、最小長さを有する円錐形レン ズ部分及び非球面レンズ部分を有する改良されたレンズ・システムを形成するこ とにある。

本発明の更に別の目的は、入射光線を円錐形レンズ部分の最小長さを使用して出 射開口（Ｅｘｉｔ　ａｐｅｒｔｕｒｅ）上に結像させる非球面レンズ部分を有す る改良されたテム１０を示す。本発明の特徴を例示する目的において、光線１６ は非球面を有水発明の更に別の目的は非球面を有するとともに、最小球面収差を 提供する新たなレンズ・システムを形成することにある。

本発明の更に別の目的は、改良された照射システムと、光線の制御を行い得る角 度領域内に存在する光線が最小のレンズ長さに位置する出射開口を通過するよう に光線を偏向させて制御する方法とを提供することにある。

本発明の更に別の目的は、最小のレンズ長さを有するとともに、収差の影響を最 小に抑えた円錐形レンズを有する新たな集光レンズ・システムを形成することに ある。

本発明のレンズ・システムに関する他の目的、利点、及びレンズ・システムの操 作方法は、以下の詳細な説明及び図面から明確になるであろう。また、幾つかの 図面において同様な部材は同一符号を付して示す。

Ｚ面Ｑ皿里に説朋 図ＩＡは本発明に基づいて形成されたレンズ・システムを示す。図ＩＢはレンズ ・システム内を互いに隣接して伝搬される２つの光線を示す。図ＩＣは開口上に おける図ＩＢの光線の切片（Ｉｎｔｅｒｃｅｐｔ）の相対的勾配を示す。

図２は球面レンズ・システム及び非球面レンズ・システムにおける受入れ角度に 対する縦横比の変化を示す。

図３Ａは同一の入射角度、出射角度及び屈折率を伴う一方で、異なる長さを有す る球面レンズ・システム及び非球面レンズ・システムの比較例を示す。図３Ｂは それぞれ異なる縦横比を備えた３つの非球面レンズ・システムを示す。

叉施伍の詳細ｌ説朋 本発明に基づいて形成されたレンズ・システムは図中において符号１０で示す。

図ＩＡはレンズ・システム１０内に入射した光の内面全反射を行う反射層（例え ば個体と空気の界面）１４を備えた円錐形レンズ部分１２を有するレンズ・シス するレンズ部分１８（以下、非球面部分１８と称する）へ入射するとともに、集 光レンズとして機能するレンズ・システム内へ入射する。コリメータ・レンズ・ システム１０としての使用方法を含む本発明の特徴は、本明細書の開示から明ら かとなる。

レンズ・システム１０において、円錐形レンズ部分１２は屈折率“ｎ”を有して いる。レンズ部分１２は内面全反射を行う円錐体として形成されているが、金属 反射層を有する円錐体（Ｍｅｔａｌｌｉｃ　ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇｃｏｎｅ）と して形成することが可能であり、レンズ部分１２は非球面部分１８と完全に結合 されている。レンズ・システム１０はその長手方向に延びる中心光軸２０を有す る。円錐形レンズ部分１２は半径ｒを備えた入射開口（Ｅｎｔｒａｎｃｅ　ａｐ ｅｒｔｕｒｅ）　２２と、半径ｒ′を備えた出射開口２４を有する。非球面レン ズ部分１８はレンズ・システム１０の長さ方向に延びる中心光軸２０に対して入 射角度θ（約２４度未満）を伴ってその表面に入射した光線１６を円錐形レンズ 部分での反射の後に、以下の数式１式％（１） θ“＝媒体中における出射角度（Ｏｕｔｐｕｔ　ａｎｇｌｅ）θ’＝ｙｒ／２− θ−５ｉｎ−’（ｃｏｓ２θ／ｎ）　（２）ｎ＝前記屈折率 に基づく最小長さｌ（円錐形レンズ部分１２の長さ）に位置する出射開口２４上 で結像させる表面形状を有する。

前記の数式の条件を満たすレンズ・システム１０とは別に、外周端縁に入射した 光線（以下、外周端縁先線と称する）２６．２８　（図ＩＢ参照）は出射開口２ ４におけるそれぞれの切片３０．３２の微分係数（Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）が正 の値となるような切片を形成する必要がある（特定の切片、及び切片の正の勾配 を表示する図ＩＣの円形領域３４を参照）。

角度θが≦±２４度の範囲内である場合、非球面部分１８は十分な結像能力を示 す。角度θがこの角度を越える場合、結像能力は収差の増大によって制限される 。

図２に更に明確に示すように、受入れ角度が約２４度未満の場合、球面レンズ要 素３６は実質的に縦横比（レンズ部分１８におけるレンズ長さのレンズ最大幅に 対する割合）を増大させる。図３Ａは完全な球面レンズの構成要素３６と、非球 面部分３８とを示す比較例であり、長さｌは球面システム４ｏの方がかなり長く なっている。光源４２から発せられた光線を出射角度１度、入射角度４２度、及 び屈折率ｎ＝１．５を伴って照射する場合、非球面レンズ３８は表面角度（Ｌｅ ｎｓ　５ｕｒｆａｃｅ　ａｎｇｌｅ）　４２度を有する一方、完全な球面レンズ の構成要素３６は表面角度２３度を有する。図３Ｂは非球面レンズ部分１８とし て使用される異なった角度の広がりを示す各種の非球面レンズの例を示す。

図１の非球面レンズ部分１８は、最も好ましくは楕円面、放物面及び双曲面のう ちの少なくとも１つの形状を有することが可能である。非球面部分１８が屈折率 の逆数と同一の偏心（１／ｎ）を有する楕円面の場合、θが０度である光線１６ は開口２４の近傍に位置する焦点面上にフォーカスされる。この際、全ての光線 の光路の長さは同一である。この特徴は球面収差を伴うことなく軸から逸れた像 （Ｏｆｆ　ａｘｉｓ　ｉｍａｇｅ）を形成する能力と、長さｌを備えた非常に短 い円錐形レンズ部分１８とを使用者に提供する。このレンズ・システムは使用者 に対して出力モードに設定された光源４２の使用を許容し、約±２４度未満の角 度領域全体にわたる光線のビームを形成する。

２つの異なる方法をレンズ・システム１０の設計に用いることができる。第１の 方法では、適切なレンズの構成要素（例えば楕円形）を選択することにより球面 収差を減少させている。レンズ・システム１０は前記の数式（１）に基づいて、 円錐形レンズ部分１８の長さを最小に維持する必要がある。次の段階はレンズ・ システムが負のコマ収差を形成することを確認するために選択されたレンズ構成 要素を確認することを含む。即ち、入射開口の外周端縁に位置する互いに隣接す る光線が出射開口において正の値を有する光線の切片を形成することを確認する （以前に説明済み）。

第２の設計方法では、極端な画角θ（一般的に約±２４度未満）を有する光線の 完全な結像条件を満たすレンズを形成することが可能である。次いで、この解（ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）は完全な解を得るために中心光軸２０の周囲を回動される。

以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、当業者は本発明の範囲を逸 脱することなく、本発明を変更することができる。

受入れ角度（度）

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. １．その内部に存在する光線の内面反射を行う円錐形レンズ部分と、前記円錐形 レンズ部分に完全に結合された非球面を有するレンズ部分とを有し、 ここで前記複数のレンズ部分がその長さ方向に延ひる中心光軸を有し、前記円錐 形レンズ部分が半径ｒ及びｒ′をそれぞれ備えた入射開口及び出射開口を有し、 前記非球面レンズ部分が前記長さ方向に延びる中心光軸に対して約２４度未満の 入射角θを伴ってその表面に入射した光線を、前記円錐形レンズ部分での反射の 後に、以下の数式 Ｉ＝（ｒ＋ｒ′）／（ｔａｎθ′） ｒｓｉｎθ＝（ｒ′ｓｉｎθ′′）（１）θ′′＝媒体中における出射角度 θ′＝π／２−θ−ｓｉｎ−１（ｃｏｓ２θ／ｎ）（２）ｎ＝前記屈折率 に基づく最小長さ１に位置する前記出射開口上で結像させる表面形状を更に有し 、外周端縁光線か前記出射開口面上における光線の切片を同光線の切片の微分係 数が正の値となるように限定することからなるレンズ・システム。
2. ２．前記非球面を有するレンズ部分が楕円面、放物面及び双曲面のうちの少なく ともいづれか１つを有することを特徴とする請求項１に記載のレンズ・システム 。
3. ３．前記非球面レンズ部分が球面を構成する要素を全く含まず、これにより球面 収差を伴わない結像を行うことを特徴とする請求項１に記載のレンズ・システム 。
4. ４．前記非球面レンズ部分が前記屈折率の逆数と同一の偏心をその楕円面上に有 することを特徴とする請求項１に記載のレンズ・システム。
5. ５．最小長さを有するレンズ・システムであって、前記レンズ・システムはその 内部に存在する光線の内面反射または金属反射を行わせる円錐形レンズ部分と、 前記円錐形レンズ部分と完全に結合された非球面レンズ部分とを有し、 ここで前記複数のレンズ部分はその長さ方向に延びる中心光軸を有し、前記円錐 形レンズ部分は特徴的な係数ｎと、半径ｒ及びｒ′をそれぞれ備えた入射開口及 び出射開口と、前記長さ方向に延びる中心光軸に対する光線の角度θ及び前記係 数ｎの関数として決定された前記最小長さとを有し、前記非球面レンズ部分は前 記中心光軸から逸れて前記非球面レンズ部分の外周端縁に人的した光線を斜視角 を伴って前記出射開口上に入射させ、かつこれを通過させる表面形状を更に有し 、前記斜視角は前記円錐形レンズ部分内における前記中心光軸に対する角度θ′ と、ｔａｎθ′の関数として定義される前記最小長さとを限定することからなる レンズ・システム。
6. ６．前記受入れ角度θは球面収差を含まない結像を行うために前記長さ方向に延 ひる中心光軸に対して約±２４度未満の角度をなすことを特徴とする請求項５に 、記載のレンズ・システム。
7. ７．前記非球面レンズ部分の表面形状が楕円形を含むことを特徴とする請求項５ に記載のレンズ・システム。
8. ８．前記レンズ・システムが集光器を含むことを特徴とする請求項５に記載のレ ンズ・システム。
9. ９．前記レンズ・システムは前記円錐形レンズ部分の先端に配置された光源を有 するとともに、球面収差を含まない光の照射が可能なことを特徴とする請求項５ に記載のレンズ・システム。
10. １０．前記レンズ・システムがその非球面レンズ部分側において、レンズ・シス テムの長さより長い距離をともなってレンズ・システムから離間した位置に配置 された光源を有するとともに、前記光源の光を集光させた像であって球面収差を 含まない像を形成可能なことを特徴とする請求項５に記載のレンズ・システム。
11. １１．光線が最小長さを有するレンズ・システムによって光学的に処理されるレ ンズ・システムの製造方法であって、 （ａ）その内部に存在する光線の反射を行わせる円錐形レンズ部分を形成する工 程と、 （ｂ）外周端縁光線であって前記非球面レンズ部分の一端に正接する第１の外周 端縁光線が、以下の数式 Ｉ＝（ｒ＋ｒ′）／（ｔａｎθ′） ｒｓｉｎθ＝（ｒ′ｓｉｎθ′′）（１）θ′′＝媒体中での出射角度 θ′＝π／２−θ−ｓｉｎ−１（ｃｏｓ２θ／ｎ）（２）ｎ＝前記の屈折率 で定義される円錐形レンズ部分の最小長さ１を伴う光路であって、前記中心光軸 に対して角度θをなす光路上を伝搬されるように、前記長さ方向に延びる中心光 軸から逸れて入射した光線を導く表面形状を有する非球面レンズ部分を形成する 工程と、 を有するレンズ・システムの製造方法。
12. １２．レンズ・システムの長さ方向に延びる中心光軸から逸れてレンズ・システ ム上に入射した光線を球面収差をともなうことなく制御する方法であって、（ａ ）（ｉ）その内部に存在する光線の内面全反射を行わせる固体円錐形レンズ部分 と、 （ｉｉ）前記固体円錐形レンズ部分に対して完全に結合された固体非球面レンズ 部分であって、前記レンズ部分が長さ方向に延びる中心光軸を有し、前記固体非 球面レンズ部分は外周端縁光線であって前記非球面レンズ部分の一端に正接する 第１の外周端縁光線が、以下の数式 Ｉ＝（ｒ＋ｒ′）／（ｔａｎθ′） ｒｓｉｎθ＝（ｒ′ｓｉｎθ′′）（１）θ′′＝媒体中での出射角度 θ′＝π／２−θ−ｓｉｎ−１（ｃｏｓ２θ／ｎ）（２）ｎ＝前記の屈折率 で定義される円錐形レンズ部分の最小長さ１を伴う光路であって、前記中心光軸 に対して角度θをなす光路上を伝搬されるように、前記長さ方向に延びる中心光 軸から逸れて入射した光線を導く表面形状を有する固体非球面レンズ部分とを含 むレンズ・システムを提供する工程と、（ｂ）前記レンズ・システムを光源に対 して選択された位置へ配置する工程と、ここで前記選択された位置が前記光源か ら発せられた光を前記長さ方向に延びる中心光軸から逸れた受入れ角度で入射さ せることと、（ｃ）使用者が所望する方法にて球面収差を伴うことなく光を照射 する工程とを含む方法。
13. １３．前記受入れ角度は約２４度未満であるとともに、前記長さ方向に延びる中 心光軸に対して０度以上の絶対値を有することを特徴とする請求項１２に記載の 方法。
14. １４．前記光源が前記レンズ・システムから大きく離間した位置に配置され、光 は前記レンズ・システムによって集光され、球面収差を伴わない像を形成するこ とを特徴とする請求項１２に記載の方法。
15. １５．前記光源が前記円錐形レンズ部分の先端付近に配置され、光源から発せら れた光は前記非球面レンズ部分の表面から出射し、これによって収差を伴わない 光線の照射が行われることを特徴とする請求項１２に記載の方法。