JPH10133104A

JPH10133104A - 回折手段一体型レンズ

Info

Publication number: JPH10133104A
Application number: JP29008096A
Authority: JP
Inventors: Michihiro Yamagata; 道弘山形; Yasuhiro Tanaka; 康弘田中
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-10-31
Filing date: 1996-10-31
Publication date: 1998-05-22

Abstract

(57)【要約】【課題】回折手段一体型レンズにおける位相格子の設
計の自由度を高くし、レンズ材料や金型の加工を考慮し
た設計を可能にする。【解決手段】少なくとも１つの仮想高屈折率を用いた
レンズと、少なくとも１つ実在の材料の屈折率を用いた
レンズによる接合レンズと仮定して、屈折型レンズの設
計手法を用いて設計し、以下の（１）〜（４）式を用い
て、位相格子の形状に相当する周期が１の周期関数Ｐ
（ｈ）を仮想光屈折率レンズにおける透過光の位相おく
れ（レンズの厚さに（ｎ_h−１）／λを乗じた量）Ｑ
（ｈ）及び補正係数Ｍ（ｈ）により起伏形状Ｆ（ｈ）
（長さの次元）に変換し、実際のレンズの表面における
サグ量Ｓ（ｈ）を得る。【数１】

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回折手段をレンズ
面上に一体成形した回折手段一体型レンズ、特に、回折
手段のレリーフ形状（回折効果を発生させるためにレン
ズ表面に設ける起伏の形状）の設計方法、それに適する
データ変換装置、その製造に適する金型、及び回折手段
一体型レンズを用いた光ヘッド装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、加工技術の飛躍的な発展に伴う加
工の自由度の増加により、光学系の構成において、レン
ズと回折手段（回折効果を用いたレンズのこと、グレー
ティングレンズ等と称されることもある）の双方を用い
る試みが盛んに行われている。従来、回折手段といえ
ば、平面の基板上にエッチング等の半導体素子の製造プ
ロセスを応用する方法が主であった。しかしながら、近
年では、金型をダイヤモンドバイトで切削加工する方法
でも高精度のものが作れるようになり、非球面レンズの
非球面の表面上に回折手段を形成することも可能となっ
た。

【０００３】また、回折手段の設計方法として、Ｓｗｅ
ａｔｔ（ＷｉｌｌｉａｍＣ．Ｓｗｅａｔｔ，”Ｄｅ
ｓｃｒｉｂｉｎｇｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃｏｐｔｉ
ｃａｌｅｌｅｍｅｎｔｓａｓｌｅｎｓｅｓ”，
Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ，Ｖｏｌ．６７，Ｎｏ６（１
９７７））による仮想的な非常に高い屈折率を用いる方
法が知られている。この方法によれば、実在しない仮想
の高い屈折率（例えば１００００）で、非常に薄い肉厚
のレンズを仮定すれば、光学シミュレーション上では回
折手段と等価として扱うことができる。すなわち、従来
の屈折型のレンズ設計用ソフトウェアを用いて、回折手
段の設計及びシミュレーションを行うことができる。そ
のため、例えば、特開平８−４３７６７に記載されてい
るように、上記方法を用いた多くの設計例が提案されて
いる。

【０００４】上記仮想の非常に高い屈折率を用いた設計
法により回折手段一体型レンズを設計した場合、回折手
段部分はあくまでも仮想のレンズでしかない。すなわ
ち、仮想的な非常に高い屈折率の面の頂点曲率半径、非
球面係数等の面形状を定義する設計パラメータはレンズ
の光学シミュレーションには十分であるが、レンズの加
工面の形状を表現したものではない。そのため、別の手
段を講じてレンズの形状に変換する必要がある。その１
つの方法として、本願の発明者らは、先に特開平８−１
７１０５２号公報に記載した方法（第１の方法）を提案
した。しかしながら、第１の方法は、あくまでも回折手
段の段差毎の位相の飛びを最適にする方法であって、回
折効率の調節の自由度は無い。

【０００５】回折手段を含むレンズの設計時において、
回折効率を調節することは重要である。例えば、特開平
８−６２４９３号公報に記載されている光ディスク用対
物レンズでは、０次回折光と１次回折光のそれぞれを用
いて情報の記録又は読み出しを行う。そのため、このよ
うな光学系用の回折素子をレンズに一体化させる場合、
回折効率の調節を行わなければならない。回折効率の調
節の手段として、一般的に、回折面の断面の形状を調節
することが知られている。また、平面上の回折素子の場
合、断面形状を基に回折効率を計算する方法も知られて
いる。そのため、球面又は非球面レンズの表面に回折素
子を設計する場合においても、平面上における断面形状
に基づいて回折効率をシミュレーションできれば有用で
ある。

【０００６】一方、回折手段の表面形状を設計するため
の他の方法（第２の方法）として、例えば、特開平６−
２４２３７３号公報には、回折手段のそれぞれの輪帯毎
に非球面係数を求める方法が開示されている。第２の方
法を用いても、回折手段の表面形状を求めることが可能
ではあるが、回折効率を調節するためには段差の大きさ
を変化させるしかなく、回折素子断面の設計自由度が損
なわれる。

【０００７】また、その他の方法として、特開平７−１
９８９０９号公報には、回折手段の形状として、三角波
形状を光軸からの距離の２乗に応じて変調させる方法
（第３の方法）が開示されている。第３の方法を用いる
ことにより、任意の回折効率を有する回折手段の加工用
の表面形状を得ることができる。しかしながら、回折手
段のレンズ作用に関する設計の部分に関しては設計の自
由度が少ない。例えば、回折手段と屈折レンズを組み合
わせて収差補正を行うような設計の場合に、特に、光デ
ィスク用の高開口数レンズ等のような場合には開口の周
辺部で満足に収差補正ができないことがある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】回折手段一体型レンズ
を加工する方法として、一般的に、金型を切削加工し、
プレス又は射出成形によりレンズを製造することが行わ
れている。金型は、先端が鋭利なダイヤモンドバイトを
用いて切削加工により形成される。レンズ成型用の金型
には微細な形状が刻まれている。回折手段一体型レンズ
等の光学素子の材料としては、一般的にガラスやアクリ
ル等の樹脂が用いられる。ガラス製のレンズは、樹脂製
のレンズに比べて、環境特性に優れる利点を有する。し
かしながら、回折手段一体型レンズの成形の場合、特
に、樹脂に比べてガラスの成形は困難である。

【０００９】また、ガラス成形のためには、成型用金型
の材料として高温に耐えうるものを用いる必要があり、
そのような材料の硬度は一般的に高い。そのため、ガラ
ス成形用の金型の切削加工時において、バイトの先端曲
率半径はなるべく大きいことが望ましい。また、金型の
形状も、急峻な凹部がないように設計しておくことが望
ましい。これらの条件を満足させるためには、回折手段
一体型レンズ設計時においてレリーフ形状の設計自由度
が必要となる。ところが、上記従来の各方法では、レリ
ーフ形状の設計自由度が無く又は小さく、上記ガラスレ
ンズ成形に適する条件を満足させるようなレリーフ形状
を得ることは事実上不可能であった。

【００１０】本発明は上記の点に鑑みてなされたもので
あり、第１に、回折手段設計の自由度が非常に高い仮想
の高屈折率を用いた設計方法を用いつつ、回折効率の調
節の自由度を損なわない回折手段一体型レンズ設計方
法、そのレンズ設計方法に適するデータ変換装置、その
レンズ設計方法により設計された回折手段一体型レン
ズ、回折手段一体型レンズの製造に適する金型、及び回
折手段一体型レンズを用いた光ヘッド装置を提供するこ
とを目的としている。

【００１１】

【課題を解決する手段】上記目的を達成するため、本発
明の回折手段一体型レンズは、レンズの表面上に回折手
段を形成したものであって、少なくとも１つの仮想の高
屈折率を用いたレンズと、少なくとも１つの実在の材料
の屈折率を用いたレンズによる接合レンズであると仮定
して設計され、前記回折手段が形成された面が、上記
（１）〜（４）式で与えられるサグ量Ｓ（ｈ）を有す
る。

【００１２】上記構成において、前記周期関数Ｐ（ｘ）
が上記（５）式を満足することが好ましい。また、前記
周期関数Ｐ（ｘ）として略鋸歯状波形を有する関数を用
いることが好ましい。また、前記回折手段の起伏形状に
おける凸部の頂上の内角の最小値をφとして、φ＞１３
５゜の条件を満足することが好ましい。

【００１３】また、少なくとも１枚以上の上記いずれか
の構成を有する回折手段一体型レンズを用いて組レンズ
を構成することが好ましい。また、前記回折手段一体型
レンズを巨視的に見た場合に、光軸を含み前記光軸に平
行な断面形状と同じ断面形状を有する仮想の屈折レンズ
の色収差を、前記回折手段により補正することが好まし
い。また、前記回折手段の回折光のうち１次回折光及び
０次回折光をそれぞれ異なった位置に集光させることが
好ましい。

【００１４】本発明の回折手段一体型レンズの設計方法
は、前記回折手段一体型レンズを、実在しない仮想の高
屈折率を用いたレンズと、少なくとも１つの実在の材料
の屈折率を用いたレンズによる接合レンズであると仮定
し、屈折型レンズの設計方法を用いて前記仮想の高屈折
率を用いたレンズの設計を行い、上記（１）〜（３）式
を用いて前記仮想の高屈折率を用いたレンズの設計デー
タから前記回折手段の起伏形状に変換する。

【００１５】上記方法において、前記回折手段の起伏形
状を球面又は非球面に施すために、以下の（４）式で与
えられるサグ量Ｓ（ｈ）を用いたことが好ましい。ま
た、前記（５）式で表された周期関数Ｐ（ｘ）を用いる
ことが好ましい。また、前記回折手段の起伏形状におけ
る凸部分の頂上の内角の最小値をφとして、φ＞１３５
゜の条件を満足させることが好ましい。

【００１６】本発明のデータ変換装置は、情報入力手段
と、情報出力手段と、演算手段と、情報保持手段を具備
し、レンズの設計データを基にレンズ加工用のサグ量に
変換するのに用いるものであって、前記レンズは少なく
とも一面に回折手段が形成された回折手段一体型レンズ
であって、少なくとも１つの仮想の高屈折率を用いたレ
ンズと、少なくとも１つの実在の材料の屈折率を用いた
レンズによる接合レンズであると仮定して設計され、前
記回折手段を形成した面のサグ量Ｓ（ｈ）が、上記
（１）〜（４）式により与えられることを特徴とする。

【００１７】本発明の回折手段一体型レンズの成形用金
型は、表面に形成された回折手段成型用の微細な起伏形
状が前記（１）〜（４）式により与えられるサグ量Ｓ
（ｈ）で与えられることを特徴とする。上記構成におい
て、前記回折手段の起伏形状における凸部分に対応する
前記金型表面の凹部の底面の内角の最小値をφとして、
φ＞１３５゜の条件を満足させることが好ましい。ま
た、前記金型表面に形成された回折手段成型用の微細な
起伏形状はバイトにより切削加工され、前記バイトの先
端曲率半径をｒとして、１０μｍ＜ｒ＜５０μｍの条件
を満足することが好ましい。

【００１８】本発明の光ヘッド装置は、光源と、前記光
源からの光束を情報記録媒体上に集光する集光手段と、
情報記録媒体からの反射光又は透過光を検出するための
検出手段を有し、前記集光手段として上記色収差補正回
折手段一体型レンズ又は上記二焦点回折手段一体型レン
ズを用いたことを特徴とする。

【００１９】

【発明の実施の形態】

（第１の実施形態）本発明の回折手段一体型レンズ及び
その設計方法に関する第１の実施形態について図面を参
照しつつ説明する。図１は本発明の回折手段一体型レン
ズの光軸を含み光軸に平行な断面の形状を示す図であ
り、図２は図１におけるＡ部の拡大図である。

【００２０】図１に示すように、回折手段一体型レンズ
１の第１面（図中左側の面）には、位相型の回折格子
（位相格子）２が形成されている。本発明の位相格子レ
リーフ（ｒｅｌｉｅｆ）型であり、面の起伏により透過
する光束に回折現象を発生させる。実際には、位相格子
２の起伏は非常に小さいため、本発明の回折手段一体型
レンズ１を巨視的に見れば、一般的な屈折型レンズ形状
をしている。巨視的な表面形状を一点鎖線（以下、表面
曲線とする）３で表す。一方、微視的に見れば、図２に
示すように位相格子２はレリーフの起伏形状を有する。

【００２１】図２において、直線４は光軸と平行であ
り、直線４と表面曲線３の交点及び直線４と位相格子２
との交点の長さＤ（巨視的な断面形状と実際のレリーフ
形状との間隔を光軸に平行な方向に測った長さ）が位相
格子２のレリーフの微視的な起伏を表す。

【００２２】回折手段を含む光学系の光学設計法とし
て、仮想の非常に高い屈折率を用いる方法が知られてい
る。この方法によれば、実在のレンズの表面に接する仮
想の非常に高い屈折率のレンズ（仮想高屈折率レンズ）
を仮定し、また仮想高屈折率レンズのレンズ厚さを非常
に薄く設定し、いわゆる仮想接合レンズを構成する。こ
のとき、仮想高屈折率レンズによる屈折作用が回折手段
の回折作用と等価となる。この方法により、通常のレン
ズ設計プログラムを用いて回折手段一体型のレンズの設
計が可能となる。

【００２３】一方、回折効率等の観点から位相格子の断
面形状の設計ができる。図３に位相格子の設計形状の一
例を示す。波長をλ、位相格子の材料の屈折率をｎ_cと
し、位相格子の起伏の高さＨ＝λ／（ｎ_c−１）とする
とき、この位相格子２２に垂直に入射し、位相格子を透
過する光束に位相格子が与える位相遅れ量（位相の変化
量）は図４に示すようになる。図４に示す関数をフーリ
エ変換を用いた演算を行うことにより回折効率の計算が
できる。

【００２４】ここで、設計データ上、図３に示す位相格
子を仮想接合レンズ上に形成する手順を説明する。ま
ず、図４に示す関数を１周期が１となるように周期方向
に正規化する。また、位相軸方向は波長を単位として正
規化する。こうして求まる関数が本発明における周期関
数Ｐ（ｘ）である。図５は図３の位相格子の周期関数Ｐ
（ｘ）を示す。

【００２５】次に、設計データ上、仮想接合レンズにお
いて、軸上物点から発する光線を光線追跡し、仮想高屈
折率レンズと実在のレンズとの接合面における光軸から
の高さｈに対応した、実在のレンズ中での光線が光軸と
なす角θ（ｈ）及び仮想高屈折率レンズ中での光路に沿
った長さＬ（ｈ）を求める。このＬ（ｈ）を用いて、以
下の（３）式で表されるＱ（ｈ）を計算する。ｎ_hは仮
想の非常に高い屈折率である。Ｑ（ｈ）は、仮想高屈折
率レンズを透過する際の波面の位相遅れ量を、波長を単
位として表したものである。

【数５】

【００２６】また、θ（ｈ）を用いて、以下の（２）式
で表されるＭ（ｈ）を計算する。ｎは実在のレンズ材料
の屈折率である。Ｍ（ｈ）は補正項であり、レンズ面の
傾斜により光線が屈折し、結果として回折手段に対して
斜めに入射してしまい、回折手段の起伏の大きさが小さ
くなってしまうのを補正する。

【数６】

【００２７】こうして求まったＱ（ｈ）及びＭ（ｈ）を
用いて、以下の（１）式で表されるＦ（ｈ）を計算す
る。Ｆ（ｈ）は、図４に示す位相格子に相当する回折手
段の起伏形状を表す。

【数７】

【００２８】次に、本実施形態における実際の演算を図
６及び図７を用いて視覚化する。図６において、（ａ）
は周期関数Ｐ（ｘ）のグラフであり、Ｘ軸（縦軸）は周
期方向の座標を表す（単位は特になし）。横軸は位相お
くれを波長λを単位として正規化したものである。
（ｂ）は周期関数Ｐ（ｘ）にλ／（ｎ−１）を乗じたも
のであり、横軸を長さの次元に換算したものである。
（ｃ）はＱ（ｈ）のグラフであり、横軸はレンズ中心か
らの高さｈを表し、単位はｍｍである。また、縦軸は仮
想高屈折率レンズを光が透過するときの位相のおくれ量
（又はレンズの厚さに（ｎ_h−１）／λを乗じた量）を
表す。（ｄ）は（ｂ）のグラフをＱ（ｈ）を用いて変換
したグラフを示す。この変換により、縦軸及び横軸とも
長さの次元になる。図では横軸の単位をｍｍ、縦軸の単
位をμｍとしている。（ｅ）は補正係数Ｍ（ｈ）のグラ
フである。横軸はレンズ中心からの高さｈを表す。縦軸
はｈ＝０の時、Ｍ（０）＝１であり、無次元の量であ
る。（ｆ）は上記Ｆ（ｈ）のグラフであり、縦軸の単位
はμｍである。このＦ（ｈ）が計算上の位相格子の微視
的な起伏形状に相当する。

【００２９】図７の（ｆ）は、図６の（ｆ）を再度記載
したものである。（ｇ）は回折手段一体型レンズにおけ
る位相格子が形成される面の巨視的な形状を表す。縦軸
及び横軸共に単位はｍｍである。実際には、起伏形状が
Ｆ（ｈ）で表された位相格子を球面又は非球面上に形成
する必要がある。そのため、図７（ｈ）に示すように、
（ｆ）に示す位相格子の起伏形状Ｆ（ｈ）とレンズの巨
視的な表面形状Ｄ（ｈ）を重ねあわせる必要がある。そ
のため、最終的には以下の（４）式で表されるＳ（ｈ）
を計算する。

【数８】

【００３０】なお、図７の（ｇ）及び（ｈ）おいて、縦
軸の正の方向をその他のグラフとは反転させている。
（ｈ）において、実線は、実際の回折手段一体型レンズ
の位相格子が形成された面の形状であるＳ（ｈ）を表
す。また、一点鎖線は前記位相格子が形成される面の巨
視的な形状を表す。Ｆ（０）は、光軸上における位相格
子の巨視的なレンズの頂点からのシフト量である。この
用にして、実際の回折手段一体型レンズの回折手段が施
された面の形状が求められる。

【００３１】

【実施例１】以下に具体的な数値実施例１について説明
する。以下の（表１）は、仮想の高屈折率を用いて設計
した光ディスク用の対物レンズのレンズ設計データであ
る。このレンズの開口数（ＮＡ）は０．５５、焦点距離
は３．０ｍｍである。本レンズは、屈折レンズの軸上色
収差を回折レンズにより補正する色消しレンズである。
（表１）において、第２面〜第４面が仮想高屈折率レン
ズと実在の材料とからなるレンズの接合部であり、高屈
折率レンズ面に相当するものが第２面、接合面に相当す
るものが第３面である。第５面から第６面が情報記録媒
体の保護樹脂であり、本レンズは第６面上に結像する。

【００３２】本設計データの概略光路図を図８に示す。
図８において、５１は本発明の回折手段一体型レンズで
あり、５２は情報記録媒体の保護樹脂、５３の面が回折
手段を形成したレンズ面である。また、第２面、第３面
及び第４面は以下の（６）式で表される非球面である。
各面における非球面係数を以下の（表２）に示す。

【数９】

【表１】

【表２】

【００３３】ここで、レンズ面上に形成する位相格子と
して、図９に示す周期関数Ｐ（ｘ）を用いる。これは、
レンズ成型用の金型をバイトを用いて加工することを考
慮したものである。すなわち、図３に示すような断面の
位相格子をバイトを用いて加工した場合、位相格子で凸
になる部分は金型においては凹となるため、加工用バイ
トの先端曲率半径により、図１０に示すように先端部は
必ず丸みを有する。そのため、設計時には良好な回折効
率であっても、実際に製造すると回折効率が低下する。
この傾向は、特にレンズ周辺部では格子のピッチが小さ
くなるため深刻である。

【００３４】実施例１に用いた図９に示す周期関数Ｐ
（ｘ）では、設計時の回折効率は若干低下するが、加工
後にバイトの丸みによる形状ずれの影響は受けにくくな
る。図１１は図３に示した位相格子に対応する周期関数
Ｐ（ｘ）と実施例１の周期関数Ｐ（ｘ）との違いを理解
しやすいように重ね書きしたものである。図１１におい
て、実線が実施例１の周期関数Ｐ（ｘ）であり、破線が
図３に示した位相格子に対応する周期関数Ｐ（ｘ）であ
る。

【００３５】また、図１２には、それぞれの位相格子を
形成するための金型を、一定の先端曲率半径を有するバ
イトを用いて加工したときの様子を模式的に示す。な
お、図中の円はバイトの先端曲率半径に相当する。図１
２において、（ａ）は図３に示すような位相格子用の金
型のレンズ中心付近の形状を示し、（ｂ）はそのレンズ
の外周部付近の形状を示す。（ｃ）は実施例１の位相格
子用の金型のレンズ中心付近の形状を示し、（ｄ）はそ
のレンズの外周部付近の形状を示す。

【００３６】図１２の（ａ）と（ｂ）とを比較した場
合、位相格子のピッチはレンズ外周部ほど小さくなるた
め、点線で示す計算上の形状と実線で示す実際の形状と
の誤差は、外周部ほど大きくなる。このことは、レンズ
の内周部と外周部とで回折効率が異なることを意味し、
結像性能が劣化する。一方、実施例１の（ｃ）と（ｄ）
とを比較した場合、レンズ中心付近でもレンズ外周部付
近でも、形状劣化の程度はほぼ同じであるため、レンズ
全域に亘ってほぼ均一な回折効率を有し、良好な結像性
能を確保することができる。

【００３７】続いて、Ｑ（ｈ）の計算を行う。まず、
（表１）及び（表２）の光学系において光線追跡を実施
する。その結果に基づいて、光線が仮想高屈折率レンズ
を透過するときの位相変化量を計算する。また同時に第
３面目の屈折後に光線が光軸となす角を計算し、Ｍ
（ｈ）を求める。実施例１におけるＱ（ｈ）及びＭ
（ｈ）の計算結果を図１３及び図１４に示す。こうして
求めた、Ｑ（ｈ）をＰ（ｘ）に代入して、Ｐ（Ｑ
（ｈ））を求める。Ｐ（Ｑ（ｈ））の計算結果を図１５
に示す。続いて、これにＭ（ｈ）にλ／（ｎ−１）を乗
じてＦ（ｈ）を求める。この結果を図１６に示す。これ
が、実施例１の回折手段一体型レンズのレリーフの起伏
に相当する。

【００３８】最終的には、第３面の非球面係数により求
まるサグ量と図１６に示すグラフで与えられるサグ量の
和が回折レンズ一体型レンズの表面のサグ量となる。レ
ンズのサグ量の一部を図１７に示す。図１７において、
実線１４６は実施例１のレンズのサグ量をプロットした
ものであり、破線１４７は設計データの接合面の非球面
をプロットしたものである。なお、図１７では、レリー
フ形状を理解しやすいように、レリーフ形状を誇張して
描いている。

【００３９】（第２の実施形態）次に、本発明の回折手
段一体型レンズ及びその設計方法に関する第２の実施形
態について説明する。回折手段一体型レンズにおいて、
レンズの表面上に回折手段を形成する場合、回折手段を
形成した後の回折手段のレリーフ深さの平均と、回折手
段を形成する前のレンズ形状との差が十分小さいことが
望ましい。言い換えれば、回折手段を形成した後のレン
ズ形成面の巨視的な断面形状が設計非球面形状からずれ
ないことが望ましい。以下の（７）式の左辺が誤差量を
表し、この誤差が０であることが理想的である。

【数１０】

【００４０】実際に誤差を０にするのは極めて困難であ
るため、以下の（５）式の範囲にあれば誤差を許容する
ことができる。誤差量が上限を越えても下限を越えても
設計レンズの巨視的な断面形状が本来の設計非球面形状
とずれが大きくなり、結果として金型加工及びレンズ成
形の加工マージンを狭くしてしまうため望ましくない。

【数１１】

【００４１】

【実施例２】次に、数値実施例２について説明する。こ
の実施例２おいてもレンズ設計データは上記（表１）を
用いるものとする。実施例２おいて、周期関数Ｐ（ｘ）
として、図１８に示すような形状を用いる。回折効率は
実施例１の場合と同じであるが、上記（７）式の条件を
満足する形状である。実施例２におけるＰ（Ｑ（ｈ））
の計算結果を図１９に、Ｆ（ｈ）の計算結果を図２０
に、レンズのサグのプロットの一部を図２１にそれぞれ
示す。図２１において、実線１８２が実施例２における
レンズのサグ量をプロットしたものであり、破線１８１
が設計データの接合面の非球面をプロットしたものであ
る。なお、図２１では、レリーフ形状を理解しやすいよ
うに、レリーフ形状を誇張して描いている。

【００４２】図２１から明らかなように、周期関数Ｐ
（ｘ）が（５）式を満足する場合、微視的なレリーフの
起伏の平均的な深さと回折レンズを形成する前のレンズ
の非球面形状のずれが小さくなり、巨視的な断面形状と
設計非球面のずれが小さくなることがわかる。

【００４３】上記第２の実施形態の回折手段一体型レン
ズにおける周期関数Ｐ（ｘ）として、レンズの表面の起
伏の凸の部分の内角を緩和できるようなＰ（ｘ）を選択
した。バイトによる金型の切削加工を考慮して、Ｐ（Ｑ
（ｈ））の内角の最小値φの最適な範囲を以下に説明す
る。

【００４４】レンズにおいて凸になる部分は金型にでは
凹になる。この凹の部分を先端曲率半径がｒのバイトを
用いて金型加工した状態の模式図を図２２に示す。図２
２において、実線が加工用のバイトであり、破線が設計
のレリーフ形状である。加工用のバイトの先端は有限の
曲率半径を持つため、金型で凹になる部分は必ず設計形
状とレリーフ形状との間にズレを生じる。ここで、加工
用バイトの先端曲率半径をｒとし、レリーフの凸部の内
角をφとするとき、図中ｅで表した誤差量は、次の
（８）式で表される。

【数１２】

【００４５】例えば設計時に周期関数Ｐ（ｘ）として、
図３の位相格子におけるＰ（ｘ）の関数を用いた場合、
φは最大でも９０゜未満にしかならない。このとき、ｒ
として３μｍの先端曲率半径のバイトを用いて加工した
としても１．２μｍの加工誤差が発生してしまい、回折
効率が設計値から大きくずれてしまう。加工誤差を減ら
すためにはバイトの先端曲率半径をさらに小さくすれば
よいが、このときには加工性が低下したり、バイトがチ
ッピングを起こしやすくなる。そのため、バイトの先端
曲率半径をさらに小さくすることは望ましくない。そこ
で、内角であるφを緩和する必要があり、少なくともφ
＞１３５゜になるようなＰ（ｘ）を選択することが望ま
しい。さらに望ましくはφ＞１６０゜とする。φ＞１３
５゜であれば先端曲率半径が１０μｍ程度の加工用バイ
トを用いたとしても加工誤差を０．８μｍ程度までに抑
えることができる。また、φ＞１６０゜の場合には、先
端曲率半径が３０μｍの場合でも、前記の誤差量ｅを１
μｍ程度に抑えることが可能となり加工性に優れる。ま
た、先端曲率半径が１０μｍ程度のバイトを用いれば、
０．３５μｍ程度の誤差となるため高精度でかつ加工性
に優れる。

【００４６】上記本発明の回折手段一体型レンズの材料
として、ガラスを用いる。ガラスは樹脂に比べると温度
変化等による性能劣化が少ないという利点を有する。し
かしながら、ガラスの成形温度は樹脂の成形温度よりも
高いため、金型材料への制約が大きく、従来の設計方法
では切削加工による加工可能な形状が限定されていた。
本願発明の回折手段一体型レンズの設計方法によれば、
上述のようにレンズの材料及び金型材料の制約を考慮し
たレリーフ設計が可能である。

【００４７】（第３の実施形態）次に、本発明の回折手
段一体型レンズの応用として、色消しレンズに関する第
３の実施形態について説明する。回折素子一体型レンズ
の軸上色収差と屈折レンズの軸上色収差を組み合わせて
色消しレンズを構成する例は多く知られている。このよ
うなレンズの設計法の１つとして、前述の仮想の非常に
高い屈折率を用いた接合レンズによる方法を応用する。

【００４８】色消しレンズにおいては回折効率が１００
％であることが望ましい、しかしながら、上述のよう
に、バイトを用いた切削加工においては必ずバイト先端
の曲率半径により加工形状が劣化する。これは、回折レ
ンズのピッチが細かくなるレンズの外周部ほど著しくな
る。レンズの回折効率が中央部と周辺部とで異なる場
合、レンズの開口数（ＮＡ）が実質的に低下したのと同
じであり、結像性能が劣化する。この問題は、光ディス
ク用対物レンズ等の場合に、特に問題となる。むしろ設
計回折効率が１００％でなくても、レンズの中心部から
周辺部に亘って形状劣化が少なくなることが望ましい。
より具体的には、レリーフ形状が上記φ＞１３５°又は
φ＞１６０°を満足することが好ましい。この場合、レ
ンズ周辺部のピッチの細かい部分でも加工誤差を十分小
さくすることが可能であるため、レンズの開口全域に亘
って、一様な回折効率を得ることが可能となる。また、
周期関数Ｐ（ｘ）が（５）式又は（７）式を満足すれば
レンズの巨視的な断面形状と設計データの接合面の非球
面形状とのずれが少なくなる。

【００４９】

【実施例３】上記第３の実施形態における数値実施例３
について説明する。実施例３を説明するための仮想の高
屈折率を用いた設計データは上記（表１）及び（表２）
に示した色消しレンズのものを用いる。ここでは、周期
関数Ｐ（ｘ）として図２３に示す関数を用いる。一般的
に知られている回折効率が１００％となるための関数と
実施例３の周期関数Ｐ（ｘ）の差を図２４に示す。図
中、実線が実施例３の周期関数Ｐ（ｘ）であり、破線が
理論的に１００％の回折効率を得るための関数である。
なお、いずれも（５）式の条件を満足するものである。
実施例３の周期関数Ｐ（ｘ）では、頂点の角度を緩和し
たことによる回折効率の低下を防ぐために、全体的に形
状を変化させている。

【００５０】実施例３におけるＰ（Ｑ（ｈ））の計算結
果を図２５に示す。最終的な微視的なレリーフ形状を表
すＦ（ｈ）の計算結果を図２６に示す。このＦ（ｈ）に
おいて、最小の内角φ＝１３８゜である。このとき１０
μｍのバイトを用いても（８）式で表される誤差は０．
７μｍ程度にしかならず、加工のしやすさと、加工誤差
の少なさを両立できる。図２７は最終的に得られるレン
ズのサグの一部分である。図２７において、実線が実施
例３のレンズのサグ量をプロットしたものであり、破線
は（表１）及び（表２）の設計データにおける接合面の
非球面をプロットしたものである。また図２７から明ら
かなように、実施例３のレンズは巨視的な形状と設計デ
ータの接合面の非球面形状とのずれが少なくなっている
ことがわかる。なお、図２７では、レリーフ形状を理解
しやすいように、レリーフを誇張して描いている。

【００５１】（第４の実施形態）次に、本発明の回折素
子一体型レンズを二焦点レンズに応用した第４の実施形
態について説明する。光ディスクに用いられる対物レン
ズは、情報記録用の媒体の情報記録面にレーザからの光
束を良好に収束させるが、情報記録媒体には情報記録面
を保護するための保護樹脂が重ねられている。一般に、
光ディスク用対物レンズでは、光が保護樹脂を透過する
際に発生する球面収差を補正できるように、球面収差を
レンズ自体に持たせた構成となっている。ここで、保護
樹脂の厚さが変化すると保護樹脂により発生する収差量
が異なることから、レンズはある一定の保護樹脂の厚さ
に対して設計されている。

【００５２】一方、回折レンズを応用することによっ
て、複数の保護樹脂の厚さに対して良好な収差補正をす
ることが可能となる。例えば、０次回折光を０．６ｍ
ｍ、１次回折光を１．２ｍｍの保護樹脂に対して良好な
結像性能を得るようにすることも可能である。この場合
には、まず、通常のレンズ設計法により、０．６ｍｍ用
の対物レンズを設計し、続いて、前記設計したレンズ
と、仮想の非常に高い屈折率で、厚さが０のレンズによ
る接合レンズを形成し、前記接合レンズの非常に高い屈
折率の面の非球面係数、頂点曲率半径等の変数を１．２
ｍｍ厚さの保護樹脂に対して良好な結像性能となるよう
に設計すればよい。

【００５３】二焦点レンズ用の位相格子のレリーフ形状
はまず、回折効率の比（上記例の場合、０次回折光と１
次回折光の回折効率の比）を一定の公差の範囲内に収め
る必要があり、かつ、不要な回折光の発生が少ないこと
が望ましい。そのため、周期関数Ｐ（ｘ）のパターンが
任意に選択できる必要がある。また、二焦点レンズにお
いては０次回折光も用いるため、巨視的な断面形状が前
記仮想の高屈折率を用いた設計の設計データにおける接
合面の形状とのずれが少ないことが望ましい。このため
の条件として、周期関数Ｐ（ｘ）が（５）式又は（７）
式を満足することが必要である。さらに、Ｆ（ｈ）の凸
部の内角の最小値φが、φ＞１３５°又はφ＞１６０°
を満足する形状である場合、加工用バイトの先端曲率に
よるレリーフ形状の劣化が少なくすることが可能であ
り、特に回折効率の仕様に厳しい二焦点レンズにとって
は好適である。

【００５４】

【実施例４】次に、第４の実施形態における数値実施例
４について説明する。実施例４の二焦点レンズの設計デ
ータを（表３）、（表４）及び（表５）に示す。このレ
ンズデータは光ディスク装置用の対物レンズの設計例で
ある。この設計は２種類の厚さの情報記録媒に対応し、
０次回折光を０．６ｍｍの媒体用に、１次回折光を１．
２ｍｍの媒体用にそれぞれ用いる。０次回折光及び１次
回折光共に、それぞれ良好に収差が除去されている。
（表３）のデータが１次回折光に、（表４）のデータが
０次回折光に相当する。また、材料として、一般に用い
られているガラスを用いて設計した。レンズの仕様は、
１．２ｍｍ媒体用の場合、焦点距離３．４７ｍｍ、開口
数（ＮＡ）０．４３である。また、０．６ｍｍ用の場
合、焦点距離３．３ｍｍ、開口数０．６である。また、
設計波長は６６０ｎｍである。

【００５５】（表３）及び（表４）中、第３面〜第４面
が対物レンズ、第５面〜第６面が情報記録媒体の保護樹
脂である。また、第２面が仮想の非常に高い屈折率を用
いた回折レンズの設計面である。また、第２面、第３面
及び第４面はそれぞれ（６）式で表現される非球面であ
る。それぞれの面の非球面係数は（表５）に示す。（表
３）及び（表４）に示すそれぞれの場合における概略光
路図を図２８に示す。図２８中、光軸よりも上半分が
（表３）に示す１次回折光の光路図であり、下半分が
（表４）に示す０次回折光の光路図である。また、２５
１が回折レンズ一体型の二焦点レンズ、２５２は厚さが
１．２ｍｍの情報記録媒体の保護樹脂、２５３は厚さが
０．６ｍｍの情報記録媒体の保護樹脂、２５４の面は回
折レンズを形成したレンズ面、２５５は１次回折光の光
束、２５６は０次回折光の光束である。

【表３】

【表４】

【表５】

【００５６】実施例４のレンズにおいて、回折レンズの
回折効率は、０次回折光と１次回折光の比が１：１にな
るものとする。回折効率が前記条件を満足する形状を表
す周期関数Ｐ（ｘ）の一例として、図２９に示すような
形状が知られている。ところが、このような形状では２
次回折光が発生する上に、加工が困難な形状になってし
まうため好ましくない。実施例４では、周期関数Ｐ
（ｘ）として図３０に示す形状を用いる。この形状によ
れば、０次回折光の回折効率と１次回折光の回折効率の
強度比を１：１にでき、かつ、２次回折光の発生量を低
減することができる。また、図３０の周期関数Ｐ（ｘ）
は（５）式を満足する。

【００５７】次に、図３０に示す周期関数Ｐ（ｘ）に相
当するレリーフ形状を非球面上に形成する手順について
説明する。まず、（表３）及び（表５）に示すの光学系
において光線追跡を実施する。これにより、第２面から
第３面を光線が透過するときの位相変化量と第３面に入
射するときの光線の高さの関係を表す関数Ｑ（ｈ）およ
び、第３面における屈折後の角度を用いて（２）式を計
算し、Ｍ（ｈ）を算出する。Ｑ（ｈ）及びＭ（ｈ）の計
算結果を図３１及び図３２に示す。こうして求めた、Ｑ
（ｈ）をＰ（ｘ）に代入し、Ｐ（Ｑ（ｈ））を求める。
Ｐ（Ｑ（ｈ））の計算結果を図３３に示す。続いて、こ
れにＭ（ｈ）にλ／（ｎ−１）をかけて図３４に示すＦ
（ｈ）が求まる。この図に示す量が、回折レンズの微視
的なレリーフ形状に相当する。

【００５８】最終的には、第３面の非球面係数により求
まるサグ量と図３４に示すグラフで与えられるサグ量の
和が回折手段一体型レンズの表面のサグ量となる。この
一部を図３５に示す。図３５において、実線は実施例４
のレンズのサグ量をプロットしたものであり、破線は設
計データの接合面の非球面をプロットしたものである。
なお、図３５では、レリーフ形状を理解しやすくするた
めに、レリーフ形状を誇張して描いてある。図３５から
明らかなように、周期関数Ｐ（ｘ）が（１５）式を満足
する場合には、微視的なレリーフの起伏の平均的な深さ
と回折レンズを形成しないレンズの非球面形状のずれが
小さくなり、巨視的な断面形状と設計非球面のずれが小
さくなることがわかる。これにより、高精度な結像性能
を確保することが可能となる。

【００５９】なお、実施例４のＦ（ｈ）の凸部の内角の
最小値φ＝１６０゜であり、（７）式を満足する形状で
ある。そのため、加工による形状劣化が少なくてすむた
め、生産性も良好となる。さらに、実施例４のレンズの
材質はガラスであるため、温度変化に対する性能劣化が
少ない。

【００６０】上記各実施例では、本発明の回折手段一体
型レンズを色消しレンズや二焦点レンズに応用したが、
組レンズに応用することも可能である。一般に、組レン
ズを構成するレンズ要素に、回折手段一体型レンズを用
いてレンズ枚数を削減することは知られている。回折手
段一体型レンズとして、本発明のレンズを用いることに
より、回折効率の設計の自由度を高めることが可能であ
り、レンズ全体の性能向上を図ることが十分に可能とな
る。

【００６１】（第５の実施形態）次に、本発明のデータ
変換装置に関する第５の実施形態について説明する。従
来より、非球面形状の設計データをレンズ形状に変換す
るデータ変換装置が知られているが、それらは全て
（１）式の多項式を計算するものであって、光線追跡機
能を有していなかった。しかしながら、本発明のデータ
変換装置においては、（６）式の巨視的な形状と、
（１）式の微視的な形状を計算してレンズのサグ量を計
算するものであるため、光線追跡機能と、周期関数Ｐ
（ｘ）の入力、保存機能を有する特徴がある。本装置に
おいて、レンズのサグ量は（４）式で表される。これ
は、一般に（１）式で表される微視的なレリーフの起伏
形状が、光軸上で必ずしも０になっていないことから、
これを補正するための項を付加したものである。

【００６２】一般に、レンズ設計装置においては、装置
の機能をユーザーに合わせて改善できるようにマクロ言
語（プログラミング言語）を具備したものが多い。この
マクロ言語を用いて本データ変換装置を構成することに
より、レンズデータの入出力機能及び光線追跡機能はレ
ンズ設計装置に備わった機能であるため、データを入力
し直す必要がなく、作業を容易にするだけでなく、デー
タの入力ミスの発生をなくすことができる。また、光学
設計者が加工形状の見当をつけることができるため、加
工形状までを勘案した光学設計が可能となる。

【００６３】

【実施例５】本発明のデータ変換装置の概略構成を図３
６に示す。レンズの設計データ及び周期間数Ｐ（ｘ）の
入力はキーボードより行われ、メモリに保存される。Ｃ
ＰＵは演算を行う部分であり、メモリ上のデータを用い
て光線追跡等の各種演算処理を行い、結果をメモリに保
存する。また、それらの演算結果等の情報はディスプレ
イ上に表示される。フロッピーディスクドライブには、
本発明のデータ変換装置のアルゴリズムを実行するため
のプログラムが保存されている。

【００６４】図３７は本発明のデータ変化装置のアルゴ
リズムを示す図である。ここで、仮想の高屈折率のデー
タは（６）式で表す非球面を用いたデータであるとす
る。まず、本装置に仮想の高屈折率を用いたレンズ設計
データ及び周期関数Ｐ（ｘ）を力する。ここで、周期関
数Ｐ（ｘ）として、加工用のバイトの先端曲率半径及び
被加工物の材料特性を考慮して、レンズに要求される回
折効率を満足するものを用いる。ここからは、入力され
た設計データを用いて光線追跡を実施しながら、逐次計
算していく。

【００６５】まず、ｈを０に初期化し、ｈ＝０の光線追
跡を実施する。その結果より、Ｑ（ｈ）及びＭ（ｈ）を
計算する。次に、周期関数Ｐ（ｘ）を用いて（１）式を
計算する。続いて、接合面の非球面のサグ量（６）式を
計算し、（４）式のＳ（ｈ）を求める。次に、ｈを微増
させ光線追跡からＤ（ｈ）を求めるまでを繰り返す。こ
の微増させる間隔はＮＣ加工機の送り刻みにあわせる。
最終的にｈがレンズの加工径になるまで上述の計算を行
うことにより、ｈとそれに対応するサグ量Ｓ（ｈ）の表
が得られる。

【００６６】（第６の実施形態）続いて、本発明のレン
ズ成型用金型に関する第６の実施形態について説明す
る。図３８は、回折手段一体型レンズ成型用の金型加工
の概略手順を説明する図である。まず、ダイヤモンド砥
石を用いた研削加工より粗加工を行う。このときの形状
は高屈折率を用いた設計データにおける接合面の非球面
データにあわせて行う。続いて、切削加工用の加工層を
スパッタ法により形成し、続いてダイヤモンドバイトに
より、精密切削加工を行い、位相格子のレリーフ形状を
加工する。

【００６７】このとき、レリーフの微細な凹凸形状が角
度の急な凹部を有する場合、加工用バイトの先端曲率半
径を十分に小さくしなければ（例えば３μｍ程度）加工
による誤差が発生する（図２２参照）。しかしながら、
このような場合には、加工用バイトの磨耗が激しくなる
上に、加工時にチッピングを起こしやすく、さらには加
工後の面の面粗度も悪くなる。さらには、ガラス製形用
の金型の場合には、高温の成形に耐えうる金属を用いて
構成する必要がある。一般に、そのような金属材料は高
硬度であり、加工性が悪くなるため、なるべく先端曲率
半径の大きなバイトを用いることが望ましい。

【００６８】上記課題を解決するためには、Ｆ（ｈ）の
内角の最小値であるφが数φ＞１３５°又はφ＞１６０
°の条件を満足することが望ましい。これは加工誤差を
少なくするための条件である。また、加工後の表面の面
粗度の向上及びバイトの長寿命化及びより堅い金属材料
を安定して切削するためには、切削用バイトの先端曲率
半径ｒが満足すべき最適な領域がある。３０μｍ＜ｒ＜
５０μｍは、そのための条件であり、上限を越えると、
設計形状と金型形状との誤差が大きくなる。また、下限
を越えるとバイトの寿命が極端に短くなってしまい、安
定した製造が困難となる。さらに望ましくは１０μｍ＜
ｒ＜５０μｍを満足すればよい。このときには加工後の
面粗度が改善されかつ高硬度の金型材料の切削が可能と
なる。

【００６９】第６の実施形態における周期関数Ｐ（ｘ）
の具体的例は、先に説明した実施例３及び４において用
いた周期関数Ｐ（ｘ）が挙げられる。実施例３の周期関
数Ｐ（ｘ）を用いた場合、Ｆ（ｈ）の凸部の最小の内角
は１６０゜である。このとき、加工誤差の許容度を１μ
ｍとすると、先端曲率半径が３０μｍのバイトを用いて
加工することが可能であり、ガラス成形に耐えうる金型
材料を十分に安定して加工することができ、長寿命の金
型を実現することができる。

【００７０】実施例４の周期関数Ｐ（ｘ）を用いた場
合、Ｆ（ｈ）の凸部の最小の内角は１３９゜である。こ
のとき、加工誤差の許容度を１μｍとすると、先端曲率
半径が１４μｍのバイトを用いて加工することが可能で
あり、ガラス成形に耐えうる金型材料を十分に安定して
加工することができ、長寿命の金型を実現できる。

【００７１】（第７の実施形態）次に、本発明の光ヘッ
ド装置に関する第７の実施形態について説明する。情報
の再生と記録の両方を行う光ヘッド装置においては、情
報の記録時には再生時よりもレーザの出力光の強度を強
くする。このとき、レーザの発信波長もそれにつれて変
動してしまう。このとき、対物レンズに色収差が残って
いると対物レンズのフォーカスがディスクの記録面から
はずれてしまい、情報の正確な記録、再生ができなくな
る。しかし、本発明の回折手段一体型色消しレンズを用
いた場合には、色収差の発生がないため、波長変動の影
響を受けにくい。また、本発明の回折手段一体型レンズ
では、回折効率がレンズの開口全体で一様であるため、
集光性能にも優れる。

【実施例６】本発明の回折手段一体型色消しレンズを用
いた光ヘッド装置の好適な実施例６について説明する。
図３９は実施例６の光ヘッド装置の概略構成図である。
半導体レーザ３６１からの発散光束３６２はコリメート
レンズ３６３により平行光に変換され、ビームスプリッ
タ３６４を透過し、本発明の回折手段一体型色消しレン
ズ３６５により情報記録媒体３６６の記録面上に集光さ
れる。情報記録媒体３６６からの反射光は、対物レンズ
３６５により平行光に変換された後、ビームスプリッタ
３６４により反射され、検出光学系のレンズ系３６７に
より受光素子３６８に結像される。実施例６の光ヘッド
装置では、対物レンズ３６５として、実施例３に示した
レンズを用いている。そのため、本光ヘッド装置におい
ては、対物レンズの色収差が除去されており、波長変動
の影響を受けにくい。また、本発明の色収差補正レンズ
は回折効率がレンズ開口全体において一様であるため、
集光性能にも優れる利点を有する。

【００７２】（第８の実施形態）次に、本発明の光ヘッ
ド装置に関する第８の実施形態について説明する。高密
度記録用の光ディスク装置においては、情報記録媒体の
厚さが薄いほうが収差的な観点から望ましい。しかしな
がら、薄型の情報記録媒体専用のレンズでは従来からあ
る厚い保護樹脂の媒体が再生できない。しかし、本発明
の回折手段を一体化させた二焦点レンズを用いることに
より、厚さの異なる２種類の媒体を良好に再生できる光
ヘッド装置を構成することができる。

【００７３】

【実施例７】本発明の回折手段一体型二焦点レンズを用
いた光ヘッド装置の好適な実施例７について説明する。
実施例７の光ヘッド装置の概略構成図は図３９と同じで
ある。半導体レーザ３６１からの発散光束３６２はコリ
メートレンズ３６３により平行光に変換された後、ビー
ムスプリッタ３６４を透過し、本発明の回折手段一体型
二焦点レンズ３６５により情報記録媒体３６６の記録面
上に集光される。情報記録媒体からの反射光は、対物レ
ンズ３６５により平行光に変換された後、ビームスプリ
ッタ３６４により反射され、検出光学系のレンズ系３６
７により受光素子３６８に結像される。

【００７４】実施例７においては、対物レンズ３６５と
して、実施例４において説明した二焦点レンズを用いて
いるため、情報記録媒体３６６の厚さが０．６ｍｍであ
っても、また１．２ｍｍであっても、良好に再生するこ
とができる。

【００７５】なお、上記角実施形態の説明中、位相格子
を形成する面をすべて非球面で説明したが、レンズ面が
球面であっても非球面と同様の効果を奏することはいう
までもない。また、高屈折率を用いた設計データにおい
て、接合面の定義式が（６）式とは異なった多項式を用
いる非球面形状（例えばスプライン関数を用いたような
もの）であっても、本質的に本発明は同様の効果を奏す
る。さらに、本発明の第７及び第８の実施形態では、光
ディスク用の対物レンズを例示して説明したが、この用
途に限定されるものではなく、ビデオカメラ、ボードカ
メラ等に用いられる撮像用のレンズや、レーザビームプ
リンタ等の走査光学系用のレンズ、ヘッドアップディス
プレイ装置や投写型テレビジョン等に用いる像投影用の
レンズであってもよい。

【００７６】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明の回折手段
一体型レンズ及びその製造方法によれば、（１）〜
（３）式を用いることにより、仮想の高屈折率を用いた
仮想の屈折型接合レンズの設計データを位相格子の実際
の起伏（レリーフ）形状に変換することができる。特
に、周期関数Ｐ（ｘ）を任意に設定することが可能であ
るため、レンズの加工性及び回折効率等を考慮した設計
が可能であり、設計の自由度を著しく高めることが可能
となる。また、（４）式を用いることにより、位相格子
を球面又は非球面上に形成することができ、直接回折手
段一体型レンズの位相格子形成面の実際の形状を得るこ
とができる。

【００７７】また、位相格子のレリーフ形状として
（５）式を満足させることにより、レンズの巨視的な断
面形状と、仮想高屈折率を用いた仮想接合レンズの接合
面の非球面形状とのずれを十分小くすることができる。
そのため、非球面形状のずれに起因する性能劣化を抑制
することができる。

【００７８】また、位相格子のレリーフ形状Ｆ（ｈ）の
凸部の内角の最小値をφとして、φ＞１３５°を満足さ
せることにより、金型をバイトで切削加工する際のバイ
トの先端の曲率半径を大きくすることができる。その結
果、バイトの磨耗も少なく、加工時にピッチングを起こ
すこともなく、加工後の金型の面粗度も劣化せず、金型
加工が容易になり、加工誤差による形状劣化の影響を受
けにくい。特に、レンズ材料としてガラス性を用いるこ
とができ、回折手段一体型レンズ特有の効果を有しつ
つ、温度の変化による性能劣化が少ないという利点を有
する。

【００７９】また、本発明の回折手段一体型レンズは高
屈折率法により設計され、巨視的な断面形状が（６）式
で表され、そのレリーフ形状を（１）式を用いて設計し
たので、屈折レンズの色収差を位相格子の色収差で補正
することができ、単レンズながら色消しレンズを実現す
ることができる。また、組レンズのうち、少なくとも１
枚のレンズを本発明の回折手段一体型レンズを用いるこ
とにより、レンズの高機能化を図りつつ、良好な回折効
率を確保することができる。また、本発明の回折手段一
体型レンズの位相格子により回折される光のうち、例え
ば０次回折光と１次回折光をそれぞれ異なった位置に集
光させることができ、二焦点レンズを実現することがで
きる。

【００８０】上記色消しレンズを光ヘッド装置の対物レ
ンズとして用いることにより、例えばレーザー光源の波
長変動による影響を小さくすることができる。また、単
レンズであるので、光ヘッド装置の光学系を小さくする
ことが可能である。また、上記二焦点レンズを光ヘッド
装置の対物レンズとして用いることにより、１つの対物
レンズにより保護樹脂層の厚さの異なる２種類の上方記
録媒体を再生することができる。

【００８１】また、本発明のデータ変換装置によれば、
（６）式の巨視的な形状と、（１）式の微視的な形状を
計算してレンズのサグ量を得ることができ、光線追跡機
能、周期関数Ｐ（ｘ）の入力及び保存機能を有する。ま
た、（４）式で表されるレンズのサグ量を用いてレンズ
加工用のＮＣプログラムを作成することが可能である。
また、高屈折率を用いた設計データから直接に、切削加
工用バイトの先端の頂点曲率半径に対応するツールオフ
セットを考慮したＮＣプログラムを出力することができ
るため、データの誤入力等の混乱を未然に防ぐことが可
能であり、製造管理上有効である。

【００８２】また、本発明の回折手段一体型のレンズ用
金型は、上記データ変換装置により得られたサグ量に基
づいて切削加工されているため、ガラス材料を用いて本
発明の回折手段一体型レンズを容易に、かつ安定して量
産することができる。特に、金型を切削加工する際のバ
イトの先端の曲率半径ｒが、１０μｍ＜ｒ＜５０μｍの
条件を満足することにより、金型の材料としてガラス成
形に耐えうる高硬度の材料を用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の回折手段一体型のレンズの概略構成を
示す断面図

【図２】図１におけるＡ部の拡大断面図

【図３】位相格子の一例を示す図

【図４】図３に示す位相格子を透過した波面の位相遅れ
を示す図

【図５】図３の位相格子の周期関数Ｐ（ｘ）を示す図

【図６】本発明の回折手段一体型レンズの設計方法を視
覚化するための図

【図７】本発明の回折手段一体型レンズの設計方法を視
覚化するための図

【図８】本発明の実施例１のレンズの光路図

【図９】実施例１における周期関数Ｐ（ｘ）を示す図

【図１０】バイトを用いて位相格子用金型を加工する際
の設計値と実際の加工形状との誤差を示す図

【図１１】図７に示す実施例１の周期関数Ｐ（ｘ）と図
３に示す周期関数Ｐ（ｘ）を重ねて描いた図

【図１２】位相格子形成用金型をバイトを用いて加工し
たときの様子を模式的に示す図であり、（ａ）は図３に
示すような位相格子用の金型のレンズ中心付近の形状、
（ｂ）はそのレンズの外周部付近の形状、（ｃ）は実施
例１の位相格子用の金型のレンズ中心付近の形状、
（ｄ）はそのレンズの外周部付近の形状を示す。

【図１３】（表１）及び（表２）の設計データにおける
Ｑ（ｈ）の計算結果を示す図

【図１４】（表１）及び（表２）の設計データにおける
Ｍ（ｈ）の計算結果を示す図

【図１５】実施例１におけるＰ（Ｑ（ｈ））を示す図

【図１６】実施例１におけるのＦ（ｈ）を示す図

【図１７】実施例１のレンズの断面形状の一部分の拡大
図

【図１８】実施例２における周期関数Ｐ（ｘ）を示す図

【図１９】実施例２におけるＰ（Ｑ（ｈ））の計算結果
を示す図

【図２０】実施例２におけるＦ（ｈ）の計算結果を示す
図

【図２１】実施例２のレンズの断面形状の一部分の拡大
図

【図２２】バイトの先端曲率半径による誤差を説明する
ための図

【図２３】実施例３における周期関数Ｐ（ｘ）を示す図

【図２４】実施例３における周期関数Ｐ（ｘ）と図３に
示す周期関数Ｐ（ｘ）を重ね書きした図

【図２５】実施例３におけるＰ（Ｑ（ｈ））の計算結果
を示す図

【図２６】実施例３におけるＦ（ｈ）の計算結果を示す
図

【図２７】実施例３におけるレンズの断面形状の一部分
の拡大図

【図２８】（表３）、（表４）及び（表５）に示す設計
データのレンズの光路図

【図２９】実施例４における周期関数Ｐ（ｘ）を示す図

【図３０】１次回折光と０次回折光の比が等しくなる周
期関数Ｐ（ｘ）の一例を示す図

【図３１】（表３）及び（表５）のデータにおけるＱ
（ｈ）の計算結果を示す図

【図３２】（表３）及び（表５）のデータにおけるＭ
（ｈ）の計算結果を示す図

【図３３】実施例４におけるＰ（Ｑ（ｈ））を示す図

【図３４】実施例４におけるＦ（ｈ）の計算結果を示す
図

【図３５】実施例４におけるレンズの断面形状の一部分
の拡大図

【図３６】実施例５のデータ変換装置の概略構成を示す
図

【図３７】実施例５のデータ変換装置のアルゴリズムを
示す図

【図３８】本発明の回折手段一体型レンズ成形用金型の
加工手順の説明図

【図３９】本発明の光ヘッド装置の概略構成を示す図

【符号の説明】

１・・・回折手段一体型のレンズ２・・・回折手段を形成したレンズ面３・・・回折手段を形成した面の巨視的な形状４・・・光軸に平行な直線２２・・・回折格子５１・・・本発明の回折レンズ一体型のレンズ５２・・・情報記録媒体の保護樹脂５３・・・回折レンズを形成した面７１・・・加工用バイトの先端曲率半径の円７２・・・設計レリーフ形状１４１・・・回折レンズ一体型レンズの断面形状１４２・・・接合面の非球面の形状１８１・・・回折レンズ一体型レンズの断面形状１８２・・・接合面の非球面の形状１９１・・・加工用バイトの先端１９２・・・設計レリーフ形状２４１・・・回折レンズ一体型レンズの断面形状２４２・・・接合面の非球面の形状２５１・・・本発明の回折レンズ一体型のレンズ２５２・・・情報記録媒体の保護樹脂（１．２ｍｍ）２５３・・・情報記録媒体の保護樹脂（０．６ｍｍ）２５４・・・回折レンズを形成した面２５５・・・１次回折光の光束２５６・・・０次回折光の光束３２１・・・回折レンズ一体型レンズの断面形状３２２・・・接合面の非球面の形状３６１・・・半導体レーザ３６２・・・光源３６３・・・コリメートレンズ３６４・・・ビームスプリッタ３６５・・・対物レンズ３６６・・・情報記録媒体３６７・・・検出レンズ系３６８・・・受光素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レンズの表面上に回折手段を形成した回
折手段一体型レンズであって、少なくとも１つの仮想の
高屈折率を用いたレンズと、少なくとも１つの実在の材
料の屈折率を用いたレンズによる接合レンズであると仮
定して設計され、前記回折手段が形成された面が、以下
の（１）〜（４）式で与えられるサグ量Ｓ（ｈ）（レン
ズと光軸との交点におけるレンズの接平面とレンズ表面
との距離）を有する回折手段一体型レンズ。【数１】
【請求項２】前記周期関数Ｐ（ｘ）が（５）式を満足
することを特徴とする請求項１記載の回折手段一体型レ
ンズ。【数２】だだし、ｍは正整数又は０
【請求項３】前記周期関数Ｐ（ｘ）として略鋸歯状波
形を有する関数を用いたことを特徴とする請求項２記載
の回折手段一体型レンズ。
【請求項４】前記回折手段の起伏形状における凸部の
頂上の内角の最小値をφとして、φ＞１３５゜の条件を
満足することを特徴とする請求項１から３のいずれかに
記載の回折手段一体型レンズ。
【請求項５】複数のレンズからなる組レンズであっ
て、前記組レンズを構成するレンズのうち少なくとも１
枚以上のレンズが請求項１から４のいずれかに記載の回
折手段一体型レンズを用いたことを特徴とする組レン
ズ。
【請求項６】前記回折手段一体型レンズを巨視的に見
た場合に、光軸を含み前記光軸に平行な断面形状と同じ
断面形状を有する仮想の屈折レンズの色収差を、前記回
折手段により補正した請求項１から４のいずれかに記載
の色収差補正回折手段一体型レンズ。
【請求項７】前記回折手段の回折光のうち１次回折光
及び０次回折光をそれぞれ異なった位置に集光させるこ
とを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の二焦
点回折手段一体型レンズ。
【請求項８】レンズの表面上に回折手段を形成した回
折手段一体型レンズの設計方法であって、前記回折手段
一体型レンズを、実在しない仮想の高屈折率を用いたレ
ンズと、少なくとも１つの実在の材料の屈折率を用いた
レンズによる接合レンズであると仮定し、屈折型レンズ
の設計方法を用いて前記仮想の高屈折率を用いたレンズ
の設計を行い、【数３】上記（１）〜（３）式を用いて前記仮想の高屈折率を用
いたレンズの設計データから前記回折手段の起伏形状に
変換する回折手段一体型レンズの設計方法。
【請求項９】前記回折手段の起伏形状を球面又は非球
面に施すために、以下の（４）式で与えられるサグ量Ｓ
（ｈ）を用いたことを特徴とする請求項８記載の回折手
段一体型レンズの設計方法。【数４】
【請求項１０】前記（５）式で表された周期関数Ｐ
（ｘ）を用いることを特徴とする請求項８又は９記載の
回折手段一体型レンズの設計方法。
【請求項１１】前記回折手段の起伏形状における凸部
分の頂上の内角の最小値をφとして、φ＞１３５゜の条
件を満足させることを特徴とする請求項８から１０のい
ずれかに記載の回折手段一体型レンズの設計方法。
【請求項１２】情報入力手段と、情報出力手段と、演
算手段と、情報保持手段を具備し、レンズの設計データ
を基にレンズ加工用のサグ量に変換するのに用いるデー
タ変換装置であって、前記レンズは少なくとも一面に回
折手段が形成された回折手段一体型レンズであって、少
なくとも１つの仮想の高屈折率を用いたレンズと、少な
くとも１つの実在の材料の屈折率を用いたレンズによる
接合レンズであると仮定して設計され、前記回折手段を
形成した面のサグ量Ｓ（ｈ）が、前記（１）〜（４）式
により与えられることを特徴とするデータ変換装置。
【請求項１３】回折手段一体型レンズの成形用金型で
あって、表面に形成された回折手段成型用の微細な起伏
形状が前記（１）〜（４）式により与えられるサグ量Ｓ
（ｈ）で与えられることを特徴とする回折手段一体型レ
ンズ成形用金型。
【請求項１４】前記回折手段の起伏形状における凸部
分に対応する前記金型表面の凹部の底面の内角の最小値
をφとして、φ＞１３５゜の条件を満足させることを特
徴とする請求項１３記載の回折手段一体型レンズ成形用
金型。
【請求項１５】前記金型表面に形成された回折手段成
型用の微細な起伏形状はバイトにより切削加工され、前
記バイトの先端曲率半径をｒとして、１０μｍ＜ｒ＜５
０μｍの条件を満足することを特徴とする請求項１３又
は１４記載の回折手段一体型レンズ成型用金型。
【請求項１６】光源と、前記光源からの光束を情報記
録媒体上に集光する集光手段と、情報記録媒体からの反
射光又は透過光を検出するための検出手段を有する光ヘ
ッドであって、前記集光手段として請求項６に記載した
色収差補正回折手段一体型レンズを用いたことを特徴と
する光ヘッド装置。
【請求項１７】光源と、前記光源からの光束を情報記
録媒体上に集光する集光手段と、情報記録媒体からの反
射光又は透過光を検出するための検出手段を有する光ヘ
ッドであって、前記集光手段として請求項７に記載した
二焦点回折手段一体型レンズを用いたことを特徴とする
光ヘッド装置。