JPS60129704A - Aspherical optical member for convergence - Google Patents

Aspherical optical member for convergence

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JPS60129704A
JPS60129704A JP23909183A JP23909183A JPS60129704A JP S60129704 A JPS60129704 A JP S60129704A JP 23909183 A JP23909183 A JP 23909183A JP 23909183 A JP23909183 A JP 23909183A JP S60129704 A JPS60129704 A JP S60129704A
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JP
Japan
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lens
light
optical member
aspherical
aspherical optical
Prior art date
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Application number
JP23909183A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroshi Kobayashi
寛 小林
Haruhiko Machida
町田 晴彦
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MACHIDA OPUTO GIKEN KK
Original Assignee
MACHIDA OPUTO GIKEN KK
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Publication date
Application filed by MACHIDA OPUTO GIKEN KK filed Critical MACHIDA OPUTO GIKEN KK
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00Simple or compound lenses
    • G02B3/02Simple or compound lenses with non-spherical faces
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/18Optical objectives specially designed for the purposes specified below with lenses having one or more non-spherical faces, e.g. for reducing geometrical aberration

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  • Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

PURPOSE:To mass-produce a lens for an extremely small spot by using plastic by forming an aspherical surface so that its generating line is a smooth curved line at the center part and beltlike parts which are polygonally sectioned and conneced one after another are formed as the peripheral part. CONSTITUTION:A surface 2a of the condenser lens 2 is plane and the other surface 2b is a smooth hyperboloid of rotation at the center part and has a composite curved line with polygonally sectioned conic rings 3 fromed by connecting polygonal lines to said hyperboloid one after another. This composite curved line is rotated around a center axis to form the shape of the lens. Consequently, aberrations of convergence due to slight errors in curved lines and refractive index are eliminated by the interference of light beams from numbers of belt parts to obtain a light spot extremely close to an ideal focus image. Consequently, even when a plastic material is used, aberrations are hard to generate and the lens for an extremely small spot is mass-produced.

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、収差を殆ど解消し、製造が容易で単色光で好
適に使用し得る集光用非球面光学部材に関するものであ
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an aspherical optical member for condensing light that almost eliminates aberrations, is easy to manufacture, and can be suitably used with monochromatic light.

レーザーそれも半導体レーザーの出現以来、光線を1〜
2)Lmの極小スポットに集光させる用途が多くなって
いる。#に、極小スポット光を利用して円板上の1〜2
1Lmの小さなビット情報を読み出す方式が、デジタル
オーディオ・ディスクや光ビデオディスクなどで採用さ
れている。最近ではその使用数は急増し、これに伴って
プラスチック材料を用いた簡単な構成による、高性能で
安価なレンズの実現を期待する要求が高まりつつある。
Since the advent of semiconductor lasers, lasers have been able to
2) There are many applications in which light is focused on a very small spot of Lm. 1 to 2 on the disk using a very small spot light.
A method for reading out bit information as small as 1 Lm is used in digital audio discs, optical video discs, and the like. Recently, the number of lenses used has increased rapidly, and along with this, there has been an increasing demand for high-performance, inexpensive lenses that have a simple structure using plastic materials.

こうした極小スポット光を得るた、めのレンズとしては
、回転双曲面或いは回転楕円面などの非球面レンズが、
幾何光学的には完全無収差であることが知られており、
最も有力とされている。しかし、これらの非球面レンズ
は後述するように、理想形状からのレンズ形状のずれを
極度に小さくしなければならない。更には、非球面レン
ズは球面レンズのように全領域が同一形状ではないので
、高精度の研摩が不可能に近いほど困難であるために、
これまでにこうした極小スポット光を得るための非球面
レンズの実用化が殆どなされていないのが現状である。
As a lens for obtaining such a tiny spot light, an aspheric lens such as a hyperboloid of revolution or an ellipsoid of revolution is used.
It is known to be completely aberration-free in terms of geometric optics.
considered to be the most powerful. However, as will be described later, the deviation of the lens shape from the ideal shape must be extremely small for these aspheric lenses. Furthermore, unlike spherical lenses, aspherical lenses do not have the same shape over the entire area, making it nearly impossible to polish them with high precision.
At present, very few aspherical lenses have been put to practical use to obtain such extremely small spot light.

仮に、このような非球面レンズの鋳型を高価なT作機械
と熟練した研摩技術で作り上げることに成功したとして
も、プラスチック材料の大きな熱膨張率と大きな圧縮率
のために、この鋳型を用いて作られたプラスチックレン
ズの寸法精度を所要の許容範囲内に納めることは困難で
ある。また、温度の変化や吸湿に伴う形状及び屈折率の
変化によって、レンズの集光特性に著しい変動が生ずる
ために、プラスチック材料による非球面レンズの実用化
ができなかったのである。
Even if it were possible to create a mold for such an aspherical lens using expensive T machine tools and skilled polishing techniques, it would be difficult to use this mold due to the high coefficient of thermal expansion and high compression ratio of the plastic material. It is difficult to keep the dimensional accuracy of manufactured plastic lenses within required tolerances. Furthermore, changes in shape and refractive index due to changes in temperature and moisture absorption cause significant fluctuations in the light-gathering properties of the lens, making it impossible to put aspheric lenses made of plastic materials into practical use.

本発明を明確化するために、プラスチック材料による非
球面レンズの形状誤差と、それに起因する収差の関係が
著しく鋭敏であることを次に理論的に示すことにする。
In order to clarify the present invention, it will be theoretically shown below that the relationship between the shape error of an aspherical lens made of plastic material and the aberration caused by it is extremely sensitive.

ここでは、−例として最も必要性の高い回転双曲面レン
ズについて述べる。
Here, a hyperboloid of rotation lens, which is most necessary, will be described as an example.

第1図に示すような回転双曲面レンズlは、その双曲面
の母線となる双曲線の離心率eが、レンズ材料の光屈折
率nの値と完全に一致していれば、証明は省略するが収
差が発生することはない。即ち、光軸0と垂直な平面1
aに入射した光軸0と平行な光線は、光軸0を中心とし
て双曲線の母線を回転させた回転双曲面のレンズ面1b
で屈折され、幾何光学的には完全に無収差で双曲線の第
2焦点Fに集光する。
For a rotational hyperboloid lens l as shown in Figure 1, if the eccentricity e of the hyperbola that is the generating line of the hyperboloid completely matches the value of the optical refractive index n of the lens material, the proof will be omitted. However, no aberration occurs. That is, plane 1 perpendicular to optical axis 0
A ray parallel to optical axis 0 that is incident on a is a lens surface 1b that is a hyperboloid of revolution that rotates the generating line of the hyperbola around optical axis 0.
The light is refracted at the second focal point F of the hyperbola with no aberration in terms of geometrical optics.

しかしながら実際には1回転双曲面レンズ1を作成する
際の形状誤差の発生は免れ難い。この誤差がもたらす収
差への影響を調べるために、離心laeがεの誤差を有
しており、 e=n+ε …(1) となっている場合に生ずる軸ヒ球面収差Δδの大きさを
計算し図示すると、第2図に示すグラフ図となる。
However, in reality, it is inevitable that a shape error will occur when producing the one-turn hyperboloid lens 1. In order to investigate the influence of this error on the aberrations, we calculated the magnitude of the axial-hypospherical aberration Δδ that occurs when the eccentricity lae has an error of ε and e=n+ε...(1) When illustrated, it becomes a graph diagram shown in FIG.

この計算について部層に説明すると、第3図に示すよう
に双曲線の第1焦点をFl、第2焦点をF、原点と双曲
線の頂点C間の距離をa、原点と第2焦点F間の距離を
aeとしたときの双曲線の母線の方程式は、 x2/a2− y2/(a2(e2−1))= 1 ・
・・(2)と表される。(1)式のような離心率eに微
小量εだけ誤差があったとし、それによって光線が光軸
と交わる位4が、焦点Fからδだけずれるものと考え、
εとδとの関係をめると次の(3)式となる。ただし、
ε、δは微小量であるため、ε2δ2、(6以上の高次
の項は零としてV)る。
To explain this calculation to the members, as shown in Figure 3, the first focus of the hyperbola is Fl, the second focus is F, the distance between the origin and the vertex C of the hyperbola is a, and the distance between the origin and the second focus F is The equation of the generating line of the hyperbola when the distance is ae is x2/a2- y2/(a2(e2-1))=1 ・
...It is expressed as (2). Assume that there is an error in the eccentricity e as shown in equation (1) by a minute amount ε, and that the point 4 where the ray intersects the optical axis is shifted by δ from the focal point F,
The relationship between ε and δ is expressed by the following equation (3). however,
Since ε and δ are minute amounts, ε2δ2 (V with higher order terms of 6 or more being zero).

δ=(1+n(y/a))2.ae/(−n2−1)・
・・(3)また、y / a = 1のときのδを近軸
光の焦点からのずれとし、δ0とすると、 δ。= (1+n)2aεバn2−1) ・・・(4)
となり、Δδ=δ−δ。を軸上収差と定義すると、 Δ δ = [(1+n(y/a))2/ (n2−1
)−(n+1)/(n−1)] aε−(5)となる。
δ=(1+n(y/a))2. ae/(-n2-1)・
...(3) Also, if δ when y/a = 1 is the deviation from the focus of paraxial light and δ0, then δ. = (1+n)2aεban2-1) ...(4)
So, Δδ=δ−δ. When we define axial aberration, Δ δ = [(1+n(y/a))2/(n2-1
)-(n+1)/(n-1)] aε-(5).

この(5)式は、 Δδ=g・a・ε …(6) と表すことができる。ただし、ここでgは(y/a)と
屈折率nで定まる定数である。つまり、第2図は入射光
がyの高さにX軸っまり光軸Oに平行に入射してくると
し、(y/a)を横軸にとり、離心率eのnからの誤差
〔により生ずる球面収差Δδを表している。また、Δδ
は具体的には第3図に示すように、この近軸光に対する
焦点Fからの種々の高さくy/a)で光軸に平行に入射
してくる近軸光以外の入射光線の光軸O上の収差を表し
ている。
This equation (5) can be expressed as Δδ=g·a·ε (6). However, here, g is a constant determined by (y/a) and the refractive index n. In other words, in Figure 2, it is assumed that the incident light is incident at a height of y along the X axis parallel to the optical axis O, and (y/a) is taken as the horizontal axis, and the error of the eccentricity e from n [by It represents the resulting spherical aberration Δδ. Also, Δδ
Specifically, as shown in Fig. 3, the optical axes of incident rays other than the paraxial rays are incident parallel to the optical axis at various heights y/a) from the focal point F for this paraxial ray. It represents the aberration on O.

第2図から明らかなように、入射光のX軸からの高さy
が大きくなるにつれて屈折率の小さな媒′dはと、球面
収差Δδは加速度的に大きくなることが判る。特に、透
明なプラスチック材料であるアクリルでは、屈折率が1
.491と小さく球面収差が大きい。双曲面レンズの焦
点距#fをレンズlの頂点Cと双曲線の第2焦点Fまで
の距離と定義すると、 f=a (1+e) ・・・(7) となる。
As is clear from Figure 2, the height y of the incident light from the X axis
It can be seen that as the medium 'd has a small refractive index, the spherical aberration Δδ increases with increasing acceleration. In particular, acrylic, a transparent plastic material, has a refractive index of 1.
.. 491, and the spherical aberration is large. When the focal length #f of a hyperboloid lens is defined as the distance from the vertex C of the lens l to the second focal point F of the hyperbola, f=a (1+e) (7).

一般に、焦点のスポット半径R0が最小となる円形開口
の理想レンズでは、Yをレンズに入射する円形の平行光
束の半径、fを焦点距離、入を光の波長とすると、スポ
ット半径R0は、 Ro=1.22・f入/(2Y) ・ (8)で与えら
れることが知られている。この(8)式から明らかなよ
うに、スポット半径R0を小さくするのには、fを小さ
くしかつYを大きくして、レンズの開口を大きくする必
要がある。1例としてf= 5mm、’ Y=3mm 
(レンズ直径6mm)、n=1.491(アクリル)と
すると、(7)式からaは約2mmとなり、(y/a)
は1.5であるから第2図よりgの値は5となる。そこ
で、軸上の球面収差Δδの値は(6)式からlo*@m
mとなる。εを例えば1/2000とすると、第4図に
示すように球面収差Δδは571mになり、双曲面レン
ズでは曲面の母線となる双曲線の離心率eの極めて僅か
な誤差(によって、大きな球面収差Δδを生ずることが
判る。
Generally, in an ideal lens with a circular aperture that minimizes the focal spot radius R0, the spot radius R0 is Ro It is known that it is given by =1.22·f input/(2Y) (8). As is clear from equation (8), in order to reduce the spot radius R0, it is necessary to make f smaller and Y larger, thereby increasing the aperture of the lens. As an example, f=5mm, 'Y=3mm
(lens diameter 6 mm), n = 1.491 (acrylic), from equation (7), a is approximately 2 mm, and (y/a)
is 1.5, so the value of g is 5 from FIG. Therefore, the value of the axial spherical aberration Δδ is obtained from equation (6) by lo*@m
m. If ε is set to 1/2000, for example, the spherical aberration Δδ becomes 571 m as shown in Fig. 4, and in a hyperboloid lens, the large spherical aberration Δδ is It is clear that this occurs.

上述の例から更に明らかなように、双曲面を形成する際
の寸法精度を極めて高くする必要があることは勿論のこ
と、プラスチック材料を使用するとすれば、その屈折率
nの値も正確に一定値でなければならず、また屈折率n
や寸法が温度や湿度によって著しい影響を受けるので、
光スポツト径が環境条件によって変化してしまう。この
重大なる欠陥がプラスチック材料による非球面レンズの
工業化を妨げてきたのである。
As is clear from the above example, not only is it necessary to have extremely high dimensional accuracy when forming a hyperboloid, but if a plastic material is used, the value of its refractive index n must be precisely constant. and the refractive index n
and dimensions are significantly affected by temperature and humidity.
The diameter of the light spot changes depending on the environmental conditions. This serious defect has hindered the industrialization of aspheric lenses made of plastic materials.

本発明の目的は、上述の問題を極めて巧妙に解決し、プ
ラスチック材料を使用しても収差が発生し難く、大量生
産化に適した極小スポット用の集光用非球面光学部材を
提供することにあり、その要旨は、集光特性を有する非
球面光学部材の辺部において、非球面の母線を多数本の
微小な長さの折線で近似し、該折線部を母線と直交する
方向に移動させることにより略平担面の多数個の帯部を
形成したことを特徴とするものである。
An object of the present invention is to provide an aspherical optical member for condensing light for a very small spot, which solves the above-mentioned problems very cleverly, does not easily cause aberrations even when using plastic materials, and is suitable for mass production. The gist of the method is to approximate the generatrix of the aspheric surface with a large number of minutely long broken lines on the sides of an aspherical optical member that has light-converging properties, and move the broken line portion in a direction perpendicular to the generatrix. This feature is characterized in that a large number of belt portions having substantially flat surfaces are formed by this.

次に、第5図以下に図示の実施例により本発明の詳細な
説明する。
Next, the present invention will be explained in detail with reference to the embodiments shown in FIG. 5 and below.

本発明の要点を明らかにするために、第5図(a) 、
 (b)に特長を誇張して描いた集光レンズ2の例を示
す。この集光レンズ2は片方の面2aが平面で、他方の
面2bがほぼ回転双曲面となっている。従来の回転双曲
面との相違は、レンズ2の曲面の中心部分の頂点Cを袷
む直径D0の範囲はレンズ材料の屈折率nと等しい値の
離心率eを有する滑らかな回転双曲面となっているが、
周辺に近い部分はこの回転双曲面に接するように作られ
た円錐面の輪帯3がn本設けられていることである。こ
の円錐輪帯3の幅、つまり第5図(b)に示すΔSの値
は、 Δ5=k(f入)吟 ・・・(8) としたとき、このkの値が2〜0.1の範囲にあるよう
に極めて微細に作られており、(b)に示すように各円
錐輪帯3の断面は双曲線に接する折線状の線分となって
いる。
In order to clarify the main points of the present invention, FIG. 5(a),
(b) shows an example of the condenser lens 2 with its features exaggerated. One surface 2a of this condensing lens 2 is a flat surface, and the other surface 2b is approximately a hyperboloid of rotation. The difference from a conventional hyperboloid of revolution is that the range of the diameter D0 extending over the apex C of the central portion of the curved surface of the lens 2 is a smooth hyperboloid of revolution having an eccentricity e equal to the refractive index n of the lens material. Although,
In the area near the periphery, n conical ring zones 3 are provided so as to be in contact with this rotational hyperboloid. The width of this conical ring zone 3, that is, the value of ΔS shown in FIG. As shown in (b), the cross section of each conical ring zone 3 is a broken line segment tangent to a hyperbola.

第2図に示すように、球面収差Δδは集光レンズ2の中
心からの距Myの値か大きくなると急速に増大するが、
(y’/a)が0.75〜1.0程度のときは余り大き
くないことから、先に例示した寸法の双曲レンズでは輪
帯3をレンズ直径の半分位の所から周辺に設けるならば
、第5図に示す輪帯3付きの集光レンズ2の中心部の輪
帯のない部分で生ずる球面収差Δδは小さいので、これ
を無視してもよい。しかし、この部分からの光のみでは
集光レンズ2の開口が小さくなるため、スポット径はレ
ンズ2の全面が理想条件(e=n)を満たしている場合
のそれよりも大きくなり、焦点面上で光振幅の分布は円
形開口のフラウンホーファ回折像として、良く知られて
いるように第6図の実線で示すような振幅分布を示す。
As shown in FIG. 2, the spherical aberration Δδ increases rapidly as the distance My from the center of the condenser lens 2 increases.
When (y'/a) is about 0.75 to 1.0, it is not very large, so in a hyperbolic lens with the dimensions shown above, if the annular zone 3 is provided around half the lens diameter, For example, since the spherical aberration Δδ occurring in the central part of the condensing lens 2 with an annular zone 3 shown in FIG. 5 without an annular zone is small, it can be ignored. However, since the aperture of the condensing lens 2 becomes small if only the light from this part is used, the spot diameter becomes larger than that when the entire surface of the lens 2 satisfies the ideal condition (e=n), and As is well known as a Fraunhofer diffraction image of a circular aperture, the light amplitude distribution shows an amplitude distribution as shown by the solid line in FIG. 6.

なお、この第6図の実線は村田和美著: 「光学」 (
昭和54年10月サイエンス社発行)第98頁、図6.
6と同一のものである。
The solid line in Figure 6 is from Kazumi Murata's "Optics" (
Published by Science Publishing, October 1978), page 98, Figure 6.
It is the same as 6.

即ち第5図に示すように、輪帯3がほぼレンズ直径の半
分(これをDoとする)の所から周辺部に設けられてい
る場合には、この輪帯3の付設されてない部分からの光
による焦点面上の光の振幅が零となる位置つまり焦点F
からの距#Xは、nl= 1 、220f入/ D 。
That is, as shown in FIG. 5, when the annular zone 3 is provided at the periphery from approximately half the lens diameter (this is Do), the annular zone 3 is provided from the part where the annular zone 3 is not attached. The position where the amplitude of the light on the focal plane due to the light is zero, that is, the focal point F
The distance from #X is nl = 1, 220 f/D.

x2=2,23・f入/ D 。x2=2,23・f input/D.

!13= 3 、240f入/ D 。! 13 = 3, 240f included/D.

となる。becomes.

具体的にレンズの形状パラメータをF=5mm、Do 
= 3 mmとすると、これらの値xl、x2、x3、
・・・は近似的に、 !1=2入、x2ヨ3.7入、x345.4λ、・・−
となる。
Specifically, the shape parameters of the lens are F=5mm, Do
= 3 mm, these values xl, x2, x3,
...is approximately, ! 1=2 inputs, x2yo 3.7 inputs, x345.4λ,...-
becomes.

一方、集光レンズ2の周辺部の円錐輪帯3からの光は、
輪帯3からの光が焦点面上で干渉を生じ、第6図の点線
で示すような振幅分布を示すことになる。これについて
の定性的考察は後述することにするが、この第6図の点
線で示された輪帯3からの光分布は、各輪帯3からの光
波の重ね合わせである。従って、レンズ全面からの光に
つl、Nて理論的にフレネル積分を実行することにより
、焦点面上の光スポットの振幅や強度を計算できる。
On the other hand, the light from the conical zone 3 at the periphery of the condenser lens 2 is
The light from the annular zone 3 causes interference on the focal plane, resulting in an amplitude distribution as shown by the dotted line in FIG. Qualitative considerations regarding this will be described later, but the light distribution from the annular zone 3 indicated by the dotted line in FIG. 6 is a superposition of light waves from each annular zone 3. Therefore, by theoretically performing Fresnel integration on the light from the entire surface of the lens, the amplitude and intensity of the light spot on the focal plane can be calculated.

この理論計算の手順を次に説明すると、第7図に示すよ
うに焦点Fを通り光軸Z−Zに垂直な衝立面であるζ−
1面上の焦点Fの近傍の点P’ (円筒座標表示で、R
2O、Zの点)におけるレンズからの光の振幅と位相は
、レンズ表面の任意の点P(r、ψ、2め点)からPo
に届く光波の振幅と位相をめ、これをレンズ表面全面に
亘り重ね合わせることによってめられる。レンズの頂点
Cを通り焦点Fに達する光波の位相を基準にとり、レン
ズ表面のP点を経てPo点に達する光波のこれに対する
位相差をφとする。また、レンズに入射する光の振幅分
布は、回転対称でrのみの関数A(r)で示されるもの
とすれば、Po点における光の位相を含む合成振幅!は
The procedure for this theoretical calculation will be explained next. As shown in Fig. 7, ζ-
A point P' near the focal point F on one plane (in cylindrical coordinates, R
The amplitude and phase of the light from the lens at point 2O, Z) are calculated from any point P (r, ψ, second point) on the lens surface to Po
It is determined by determining the amplitude and phase of the light waves that reach the lens and superimposing them over the entire surface of the lens. The phase of the light wave that passes through the apex C of the lens and reaches the focal point F is taken as a reference, and the phase difference with respect to this of the light wave that passes through the point P on the lens surface and reaches the point Po is defined as φ. Furthermore, if the amplitude distribution of the light incident on the lens is rotationally symmetric and represented by a function A(r) of only r, then the composite amplitude including the phase of the light at point Po! teeth.

でめられる。ただし、 rQはレンズの外径であり、K
は定数である。
I can be fooled. However, rQ is the outer diameter of the lens, and K
is a constant.

レンズ表面の周辺部が円錐輪帯3であることを考1jK
 して輪帯3ごとに積分を実行し、これを全輪帯3に関
して加算し、レンズ中心部の積分値と加え合わせれば、
(10)式の市を計算することができる。この積分は実
際には相当に複雑であり、電子に1算機による数値計算
によらなければ実行できないので、本明細書にその全貌
を詳述することはできないが、計算の結果のみを以下に
図示しておく。即ち、レンズ材料に屈折率がn=1.4
91のアクリルを用いた場合、双曲面平凸レンズの無収
差条件からの(1)式による誤差εの値を、1.491
・(1/1000)、1.491・(2/IC)00)
と大きくしていったときの焦点近傍の光の強度1!12
分布をスポット中心の光強度を1としてそれぞれ第8図
(a) 、 (b)に示す。
Considering that the peripheral part of the lens surface is a conical zone 3, 1jK
If we perform the integration for each ring zone 3, add this for all the ring zones 3, and add it to the integral value at the center of the lens, we get
The city of equation (10) can be calculated. This integral is actually quite complex and can only be performed by numerical calculations using a single calculator for electrons, so it is not possible to explain the whole process in detail in this specification, but only the results of the calculations are presented below. Let me illustrate it. That is, the refractive index of the lens material is n=1.4.
When using No. 91 acrylic, the value of error ε according to equation (1) from the aberration-free condition of the hyperboloid plano-convex lens is 1.491.
・(1/1000), 1.491・(2/IC)00)
The intensity of light near the focal point when increasing is 1!12
The distributions are shown in FIGS. 8(a) and 8(b), respectively, with the light intensity at the center of the spot being 1.

第4図に示したように、レンズ表面に円錐輪帯がない場
合には、εの値が俤か172000の場合ですら幾何光
学的収差が軸上球面収差で約5pLmとなり、大きな焦
点像のぼけが生じてしまうのに比べて、円錐輪帯3が存
在する場合にはεが約3/1000の場合つまりl/2
000の約6倍の6の場合でも、中心付近の光スポツト
径には殆ど変化が見られない、これは、実際に円錐輪帯
を例えば特開昭57−15664号公報に開示されてい
る2次曲面創成法を用いて、アクリル酸の双曲レンズを
切削し実験によりこれを確かめたところ、第8図に示す
結果とほぼ一致する結果が得られた。また、この試作レ
ンズの瀘度を室温から80℃まで変化させて光スポット
の形状を調べたが、測定誤差の範囲で殆ど変化がなかっ
た。更に、試作レンズを80℃の温水を入れた魔法瓶に
24時間浸しておき、含浸された水分最を重量比で約0
.3%とし、これを取り出してスポット形状を測定した
が、殆ど変化が見られなかった。
As shown in Fig. 4, when there is no conical ring on the lens surface, even when the value of ε is 172,000, the geometrical optical aberration is axial spherical aberration of about 5 pLm, which causes a large focal image. Compared to blurring, when ε is about 3/1000, that is, l/2 when conical zone 3 exists.
Even in the case of 6, which is about 6 times as large as 000, there is almost no change in the diameter of the light spot near the center. When a hyperbolic lens of acrylic acid was cut using the next-order surface generation method and this was confirmed through experiments, results were obtained that were almost consistent with the results shown in FIG. 8. Furthermore, the shape of the light spot was examined by changing the degree of stability of this prototype lens from room temperature to 80° C., but there was almost no change within the range of measurement error. Furthermore, the prototype lens was soaked in a thermos flask containing warm water at 80°C for 24 hours, and the impregnated water content was reduced to approximately 0 by weight.
.. When the sample was taken out and the spot shape was measured, almost no change was observed.

レンズ形状の変化は0.1pm程度の精度で計測しなけ
れば、スポット形状の微小な変化と対応する形状変化を
測定できないので、これらの温度、及び含湿量の変化に
伴うレンズ形状の変化の数値的な測定は不可能であった
が、これらのパラメータ及びレンズ形状の変化の全てを
含めて、円錐輪帯3を有するアクリル製の双曲平凸レン
ズのスポット形状は、はぼ理想焦点像に保持されるとい
う驚異的な成果を得ることができた0輪帯の存在しない
双曲平凸レンズでは、これらのパラメータ変動はこの実
験で行われた変動値の約176の変動に対しでも、理想
焦点像からのずれがかなりの大きさで観測されるという
事実と比べるとき、本発明の意義の重要性は明白である
If changes in lens shape are not measured with an accuracy of about 0.1 pm, minute changes in spot shape and corresponding shape changes cannot be measured. Although numerical measurements were not possible, including all of these parameters and changes in the lens shape, the spot shape of the acrylic hyperbolic plano-convex lens with the conical ring zone 3 is approximately equal to the ideal focal image. With a hyperbolic plano-convex lens that does not have a 0-ring zone, we were able to obtain an amazing result in which the ideal focus was maintained, even for approximately 176 fluctuations in these parameter fluctuations performed in this experiment. The significance of the invention becomes clear when compared with the fact that the deviations from the image are observed to be of considerable magnitude.

本発明の詳細な説明及び実験データの説明は上述した通
りであるが、理論が複雑であり、本明細書で詳述するこ
とができないので、その本質を判り易くするために、正
確さを欠くが次のような定性的考察を述べる。
Although the detailed explanation of the present invention and the explanation of the experimental data are as described above, the theory is too complex to be explained in detail in this specification. presents the following qualitative considerations.

光波は振幅と位相を有するので、この重ね合わせを直感
的に理解するためには、光波の複素表示を2次元ベクト
ルとして表示することが便利である。即ち、複素数A・
exp(iψ)は、第9図に示−すようにガウス平面上
で実軸からψの傾きを有する長さAのベクトルで表示す
ることとし、これらの加算は、ベクトル合成で行うもの
とする。
Since light waves have amplitude and phase, in order to intuitively understand this superposition, it is convenient to represent the complex representation of light waves as a two-dimensional vector. That is, the complex number A.
As shown in Figure 9, exp(iψ) is expressed as a vector of length A having an inclination of ψ from the real axis on the Gaussian plane, and these additions are performed by vector composition. .

以下に、この複素ベクトルにより光の振幅と位相を表示
し考察を進めることにする。第10図(a)は1本の円
錐輪帯3から出た光の焦点面S上への投射の様子を示し
ている。ただし、この第10図は光軸0を含む平面状断
面で考察したものであり、実際の回転レンズでは第10
図を光軸Oを中心として回転させた光波の分布となる。
Below, we will proceed with the discussion by displaying the amplitude and phase of light using this complex vector. FIG. 10(a) shows how light emitted from one conical zone 3 is projected onto the focal plane S. However, this Fig. 10 is a planar cross section that includes the optical axis 0, and in an actual rotating lens, the 10th
The distribution of light waves is obtained by rotating the diagram around the optical axis O.

この輪帯3の一方の側3aと、光軸を挟んで対称の反対
側3bから出射した光線は、輪帯3の幅A2A3(=Δ
S)が(8)式のような値を持っているので余り広がら
ずにほぼ平行に進み、焦点面S上ではその回折の零次光
が第10図(a)のQ+〜Q2間に投射され、1次以上
の高次光はQ1〜Q2の外側に拡散している0輪帯3か
ら焦点面Sまでの距離夕Cdpi)k輪帯3の幅ΔSの
比p/ΔSがΔS/入と同程度の大きさであるために、
この回折はフレネル回折となり零次光の強度に比してl
1次以上の高次光の強度は著しく小さい。
The light rays emitted from one side 3a of this annular zone 3 and the symmetrical opposite side 3b across the optical axis have a width A2A3 (=Δ
Since S) has the value shown in equation (8), it does not spread much and travels almost parallel, and on the focal plane S, the zero-order light of that diffraction is projected between Q+ and Q2 in Figure 10 (a). The distance from the annular zone 3 to the focal plane S is the ratio p/ΔS of the width ΔS of the annular zone 3, which is the same as ΔS/in. Because of the size of
This diffraction becomes Fresnel diffraction, which is l compared to the intensity of the zero-order light.
The intensity of the first-order and higher-order light is extremely small.

そこで零次光についてのみ考察し、近似的に光束が平行
に進むものとする0円錐輪帯3の一方の側3aからの光
と、他方の側3bからの光が焦点面S上で干渉し合う領
域での両光束の交叉の様子を第10図(b)に拡大して
示す、第1o図(a)の円錐輪帯3上の1点A、及びB
、が、それぞれ点線で示す理想双曲面つまり離心率eが
屈折率nに等しい双曲面に接している点であるとすれば
、点A、、B、からの光線Lal 、 Lblは共に焦
点Fを通ることになる。従って1円錐輪帯3の一方の側
3aのA2−A3間、及び他方の側3bのB、〜B3間
から出射した光線の大部分は、焦点面S上のQl”Q7
間に達し、両光線は互いに干渉し合うことになる。焦点
面S上の1点Q+では、第1O図(a)の円錐輪帯3の
一方の側3aの点A2からの光線La2 と他方の側3
bの点B3からの光線Lb3が干渉し合う0点A2〜A
3からの光線Laの内、接点A、からの光線Lalは接
点B′1がらの光線Lb、と焦点Fの位置で交叉し、そ
の位相が等しいので強め合う、また、光の波面は進行方
向に対して垂直であるから、第10図(a)の円錐輪帯
3の上側3aの点A、からの光線La1の波面が焦点F
に達したときには、光線La2の波面は点C2,光線L
a3は点c3に達しており、幅A2A3の部分から出た
光線Laの波面は直線02FC3となっている。同様に
、その同時刻に円錐輪帯3の下側3bからの光線Lbの
波面は、点D2D3を結ぶ直線D2FD3となっている
。そこで焦点Fの波面を位相零とすると、第10図(b
)の焦点面S上で焦点Fから上方に距#Xの点Xでの光
線Laの位相φa(x)は、直線XKの長さをZaとす
ると、 φa(x)= 2 π* Za/λ ・(11)であり
、同一点での光線Lbの位相φb(x)は、直線XHの
長さをzbとすると、 φb01)= −2π・Zb/入 ・(12)である。
Therefore, we will consider only the zero-order light, and assume that the light flux approximately travels in parallel.The area where the light from one side 3a of the 0-cone ring zone 3 and the light from the other side 3b interfere with each other on the focal plane S. Figure 10(b) shows an enlarged view of the intersection of the two light beams at points A and B on the conical ring zone 3 in Figure 1o(a).
, respectively, are points touching an ideal hyperboloid shown by a dotted line, that is, a hyperboloid whose eccentricity e is equal to the refractive index n, then the rays Lal and Lbl from points A, , and B both have a focal point F. I will pass. Therefore, most of the light rays emitted from between A2 and A3 on one side 3a of one conical ring zone 3 and between B and B3 on the other side 3b are transmitted to Ql"Q7 on the focal plane S.
The two rays will interfere with each other. At one point Q+ on the focal plane S, the ray La2 from the point A2 on one side 3a of the conical zone 3 in Fig. 1O(a) and the ray La2 on the other side 3
0 points A2 to A where the rays Lb3 from point B3 of b interfere with each other
Among the rays La from contact point A, the ray Lal from contact point A intersects with the ray Lb from contact point B'1 at the focal point F, and their phases are equal, so they strengthen each other, and the wavefront of the light is in the traveling direction. Therefore, the wavefront of the ray La1 from the point A on the upper side 3a of the conical ring zone 3 in FIG. 10(a) is at the focal point F.
When the wavefront of the ray La2 reaches the point C2, the ray L
a3 has reached point c3, and the wavefront of the light ray La emitted from the width A2A3 is a straight line 02FC3. Similarly, at the same time, the wavefront of the light ray Lb from the lower side 3b of the conical ring zone 3 becomes a straight line D2FD3 connecting the points D2D3. Therefore, if the wavefront at the focal point F is set to zero phase, Fig. 10 (b
), the phase φa(x) of the ray La at a point X at a distance #X upward from the focal point F on the focal plane S of λ·(11), and the phase φb(x) of the light ray Lb at the same point is φb01)=−2π·Zb/in (12), where zb is the length of the straight line XH.

なお、負号は遅れ位相を意味する。光箪Laが光軸とな
す角θaは、光線Lbが光軸となす角θbと等しいので
、これを共にθと表すと、Za= ’Zb= * Si
lθ ・’ (13)となる。そこで、 φa(x)=φb(x)= 2 πX sinθ/入・
(14)となる。
Note that the negative sign means a delayed phase. The angle θa that the light cabinet La makes with the optical axis is equal to the angle θb that the light ray Lb makes with the optical axis, so if both are expressed as θ, then Za= 'Zb= * Si
lθ ・' (13). Therefore, φa(x) = φb(x) = 2 πX sinθ/in
(14).

考察を容易にするために、全ての円錐輪帯3から焦点面
Sに達する光波の振幅は等しいと仮定する。輪帯3が集
光レンズ2の直径Dnの約半分の所即ち直径がDoの所
からレンズ周辺部分までの間に配列されているとすれば
1輪帯3からの光線が光軸となす角θは、θwinつま
り直径Doの所の輪帯3からの光線が光軸となす角から
最大値θwaxつまり直径Dnの所の輪帯3からの光線
が光軸となす角まで変化するので、点Xでの光波の位相
差φは(14)式のように1輪帯3が集光レンズ2の周
辺部に近い程大きくなる。そこで1輪帯3にレンズ中心
部に近い方から1.2、・番−と番号をつけ岐外側の輪
帯3をn番目とし、それぞれの輪帯3から点Xに同時に
達する光波の、焦点Fの光波の位相を基準とした位相差
を輪帯3の上側部からの光に対してはφa1、φa2、
・・争、φan、輪帯3の下側部からの光に対してはφ
bl。
For ease of discussion, it is assumed that the amplitudes of the light waves reaching the focal plane S from all conical zones 3 are equal. If the annular zone 3 is arranged between approximately half the diameter Dn of the condensing lens 2, that is, from the point with a diameter Do to the lens periphery, then the angle that the ray from the annular zone 3 makes with the optical axis is Since θ changes from θwin, that is, the angle that the ray from the annular zone 3 at the diameter Do makes with the optical axis, to the maximum value θwax, that is, the angle that the ray from the annular zone 3 at the diameter Dn makes with the optical axis, the point The phase difference φ of the light wave in Therefore, the first ring zone 3 is numbered 1.2, .- from the one closest to the center of the lens, and the outer ring zone 3 is numbered n, and the focal point of the light wave that reaches point X from each ring zone 3 simultaneously. For the light from the upper side of the annular zone 3, the phase difference based on the phase of the light wave of F is φa1, φa2,
...for light from the lower part of ring zone 3, φan,
bl.

φb2、・・・、φbnとする。すると、輪帯3の上側
3aからの光波の位相φa1〜φanは進み、下側3b
からの光波の位相φh1〜φbnは遅れとなる。
It is assumed that φb2, . . . , φbn. Then, the phases φa1 to φan of the light waves from the upper side 3a of the annular zone 3 advance, and the phases of the light waves from the upper side 3b of the annular zone 3 advance.
The phases φh1 to φbn of the light waves from are delayed.

第11図はこの各輪帯3からの光波の位相の関係を示す
1例である。最小の位相角φal、φb1は(14)式
のθをθwinとして、 φal= 2πx*5in(0m1n)/入φbl= 
−2πx * 5in(θ1n)/入で与えられ、最大
の位相角φan、φbnは、φan= 2πx@5in
(θwax) /λφbn= −2πx a 5in(
θwax)/λで与えられる。
FIG. 11 is an example showing the phase relationship of the light waves from each annular zone 3. The minimum phase angles φal and φb1 are calculated as follows, where θ in equation (14) is θwin, φal=2πx*5in(0m1n)/input φbl=
-2πx*5in(θ1n)/in, and the maximum phase angles φan and φbn are φan=2πx@5in
(θwax) /λφbn= −2πx a 5in(
It is given by θwax)/λ.

いま−例として、先に例示したf=5mm、レンズ直径
D=6mm、ewn=1.491 (アクリル)の場合
でにおいて、はぼレンズ直径りの半分の所から周辺まで
輪帯3が存在している場合について考察してみる。この
場合には、レンズの最外側の輪帯3から焦点Fに達する
光が光軸となす角0max(f)正弦の値5in(θw
ax)は0.427となり、輪帯3の最も内側の所から
焦点Fに達する光が光軸となす角θminの正弦の値5
injθ5in)は0.268となる。従って、 φa+=−φbls2πX’/λ5in(θl1lin
)=O,535πx/入 ・(15) φan=−φbn=o、854wx/入・(1B)とな
り、この平均値φan=−φbnの値は、φa;−φb
出0.7wx/入 ・(17)となる。
As an example, in the case of f = 5 mm, lens diameter D = 6 mm, and ewn = 1.491 (acrylic) as shown above, there is an annular zone 3 from half of the lens diameter to the periphery. Let's consider the case where In this case, the angle that the light that reaches the focal point F from the outermost ring zone 3 of the lens makes with the optical axis is 0max (f), the value of the sine of 5 inches (θw
ax) is 0.427, and the value of the sine of the angle θmin between the optical axis and the light that reaches the focal point F from the innermost part of the annular zone 3 is 5.
injθ5in) is 0.268. Therefore, φa+=-φbls2πX'/λ5in(θl1lin
)=O, 535πx/in (15) φan=-φbn=o, 854wx/in (1B), and the value of this average value φan=-φbn is φa;-φb
Output 0.7wx/input (17).

φalからφanまでのベクトルを合成した合成ベクト
ルは、はぼφalとφanの中間の位相の所に生ずるの
で、φa、φbを合成ベクトルの位相とみなすことにす
る。XがOから次第に大きくなると1位相角φa1〜φ
anは0から次第に大きくなってゆく、このベクトルと
φb1〜φbnのベクトルを合成した総合ベクトルは、
XXOのときにφa1〜φanが全てOなので最大とな
り、焦点Fの所で最大の振幅を有することを示す、Xが
0より少し大となると、φal=π/3、φan= 2
π/3となるときに、平均位相φdはπ/2、φbは−
π/2となるので、両者の合成ベクトルは零となり振幅
が零となって、それはχ=0.7入の場合である。更に
Xが大となると、総合振幅は負つまり位相がπとなり、
次に平均位相φaが一3/2πのときφbが一3/2π
となり互いに打消し合うので総合振幅が零となり、それ
はx=2.1人の場合である0次に総合振幅が零となる
のは、φa= 5 / 2 tc、φa = −572
にの場合でX=3.6入のときに当り、それまでは振幅
は正である0次に零となるのはx=5入、その次はX=
6.4人となり1wi輻はXの値が大きくなる程小さく
なる。これらの考察に基づいて振幅とXの関係を図示す
ると、はぼ第12図に示すようになる。
Since the composite vector obtained by combining the vectors from φal to φan is generated at a phase approximately between φal and φan, φa and φb are considered to be the phases of the composite vector. When X gradually increases from O, 1 phase angle φa1~φ
an gradually increases from 0, and the total vector that combines this vector and the vectors φb1 to φbn is:
When XXO, φa1 to φan are all O, so they are maximum and have the maximum amplitude at the focal point F. When X becomes slightly larger than 0, φal=π/3, φan=2
When π/3, the average phase φd is π/2 and φb is -
Since π/2, the combined vector of both becomes zero and the amplitude becomes zero, which is the case when χ=0.7. When X becomes even larger, the total amplitude becomes negative, that is, the phase becomes π,
Next, when the average phase φa is 13/2π, φb is 13/2π
Since they cancel each other out, the total amplitude becomes zero, and this is the case where x = 2.1 people.The zero-order total amplitude becomes zero because φa = 5 / 2 tc, φa = -572
In the case of
There are 6.4 people, and 1wi convergence becomes smaller as the value of X becomes larger. Based on these considerations, the relationship between the amplitude and X is illustrated in FIG. 12.

いま前述の例のように、この双曲集光レンズ2の直径を
6mm、焦点距離fを5mmとし、円錐輪帯3のない部
分の直径はレンズ直径の半分の3mmとする。そこで(
8)式を用いて、この輪帯3のない部分のレンズのみの
理想焦点半径R0をめると、入=O,8p、mの場合に
は、第6図の実線の曲線が示すように、 RO=1.22・5−0.8/3 中1.6ルm出2人 ・・・(18) となる。ξれは焦点における零次光の振幅が零の所の半
径を意味している。そこで、集光レンズ2の全面からの
光の振幅の合成を得るには、集光レンズ2の中心部の直
径3mmの部分の光つまり第6図の実線と、その外側の
部分の円錐輪帯3からの光つまり一第6図の点線とを合
成1ればよい。この合成結果は第13図に示すように回
折の零次光が鋭くなり、1次以上の高次の回折光は弱く
なり、極めて良好なスポットを得ることができる。
As in the above-mentioned example, the diameter of the hyperbolic condenser lens 2 is 6 mm, the focal length f is 5 mm, and the diameter of the portion without the conical zone 3 is 3 mm, which is half the lens diameter. Therefore(
Using equation 8), we calculate the ideal focal radius R0 of only the part of the lens without the annular zone 3, and when input = O, 8p, m, we get the solid curve in Figure 6. , RO=1.22・5-0.8/3 2 people with 1.6 m out...(18). ξ means the radius at which the amplitude of the zero-order light at the focal point is zero. Therefore, in order to obtain a composite of the amplitudes of light from the entire surface of the condensing lens 2, it is necessary to combine the light from the 3 mm diameter portion at the center of the condensing lens 2, that is, the solid line in FIG. It is sufficient to combine the light from 3, that is, with the dotted line in FIG. As a result of this synthesis, as shown in FIG. 13, the zero-order diffracted light becomes sharp, and the first-order and higher-order diffracted lights become weaker, making it possible to obtain an extremely good spot.

本発明で提案している円錐輪帯3の効果は、双曲面の離
心率eが屈折率nから若干狂ったe=n十εの場合など
に特に顕著であることを次に述べる。第14図は離心率
eの誤差εが負の場合を例としている。離心率eが小さ
くなると、レンズ2の周辺部での双曲線母線の接線の傾
斜が小さくなってくるので、周辺部の円錐輪帯3からの
光線は、第10図に示す場合よりも焦点面Sの前で中心
光線が交叉する。仮に輪帯3が存在しなければ、第14
図に示す実線のように幾何光学的にも焦点Fには光は集
光されずに、横方向の球面収差により点F′からF”ま
での間に分布することになるi しかしながら、円錐輪帯3がレンズ2の周辺部に存在す
る場合には、第14図に示すように光線Laは焦点面S
のQal〜Qaz間に照射され、光線LbはQb、〜Q
b2間に照射される。このように光線LaとLbは完全
には重ならないが、近軸光線の焦点Fの近傍、つまりQ
aI”Qaz間で光線Laと1.bとが重なり干渉する
。この干渉パターンは焦点Fの近傍では全く第12図と
同様゛である。しかし、一部の光線はQb+〜Qa1及
びQbz〜Qa2間のように、輪帯3の上下両部分の光
が重なり5合わず、焦点Fから遠い距離の所に拡散し、
中心の光量が若干失なわれたことになる。輪帯3が存在
しない場合の離心率eの屈折率nからのずれが小さけれ
ば横収差量は2〜3gm以内にとどまり、光線の移動量
はこの横収差量とほぼ同一であるから、輪帯3からの光
線の焦点面での幅は前出の例のレンズでは20〜30g
mであるが、これが僅か2〜3pmずれたのみとなり焦
点近傍の光振幅分布は殆ど変化しない。このように輪帯
3が存在する場合には、実質的には離心”Jeの狂いが
あってもスポット形状が殆ど変化することはない。
It will be described next that the effect of the conical ring zone 3 proposed in the present invention is particularly remarkable when the eccentricity e of the hyperboloid is slightly deviated from the refractive index n, e=n+ε. FIG. 14 shows an example in which the error ε of the eccentricity e is negative. As the eccentricity e becomes smaller, the slope of the tangent to the hyperbolic generatrix at the periphery of the lens 2 becomes smaller, so that the rays from the conical zone 3 at the periphery are closer to the focal plane S than in the case shown in FIG. The central rays intersect in front of. If ring zone 3 does not exist, the 14th
As shown by the solid line in the figure, the light is not focused at the focal point F in terms of geometrical optics, but is distributed between points F' and F'' due to lateral spherical aberration. When the band 3 is present at the periphery of the lens 2, the ray La is shifted to the focal plane S as shown in FIG.
is irradiated between Qal and Qaz, and the light beam Lb is Qb, ~Q
Irradiated during b2. In this way, the rays La and Lb do not overlap completely, but near the focal point F of the paraxial ray, that is, Q
The rays La and 1.b overlap between aI''Qaz and interfere with each other. This interference pattern is exactly the same as that shown in FIG. As shown in the middle, the light from both the upper and lower parts of the annular zone 3 overlaps 5 and does not match, and is diffused at a far distance from the focal point F.
This means that some of the light intensity at the center has been lost. If the deviation of the eccentricity e from the refractive index n in the absence of the annular zone 3 is small, the amount of lateral aberration will remain within 2 to 3 gm, and the amount of movement of the light ray is almost the same as this amount of lateral aberration, so the annular zone The width of the ray from 3 at the focal plane is 20-30g for the lens in the previous example.
m, but this is only shifted by 2 to 3 pm, and the light amplitude distribution near the focal point hardly changes. When the annular zone 3 exists in this way, the spot shape will hardly change even if there is a deviation in the eccentricity "Je."

理想双曲面からの狂いは離心率eの誤差のみではなく、
製作時に生ずる他の原因、例えば材料の膨張、収縮や屈
折率nの変化、更に吸湿による変形や屈折率の変化など
によっても生ずる。本発明によるレンズ周辺の円錐輪帯
3付きの双曲面レンズは、こうした他の原因による収差
をも一挙に除去することができることは、前述の説明か
ら容易に理解できるであろう、更に、本発明の輪帯3を
有する実施例は双曲面レンズにのみとどまるものではな
く、回転楕円面レンズ、回転放物面鏡のように非球面を
用いた光学部材には極めて有用である。その理由は、も
しこれらの非球面が正確に作られていれば、焦点Fに集
まってくる光の位相は完全に一致しているため、若干の
誤差がある場合でもこの同一位相条件が近似的に成立し
、上記干渉効果によるスポット像の尖鋭化が生ずるから
である。
The deviation from the ideal hyperboloid is not only due to the error in the eccentricity e,
It also occurs due to other causes that occur during manufacturing, such as expansion and contraction of the material, changes in the refractive index n, deformation due to moisture absorption, and changes in the refractive index. It will be easily understood from the above description that the hyperboloid lens with the conical ring zone 3 around the lens according to the present invention can eliminate aberrations caused by these other causes at once.Furthermore, the present invention The embodiment having the annular zone 3 is not limited to hyperboloid lenses, but is extremely useful for optical members using aspheric surfaces such as ellipsoidal lenses and paraboloidal mirrors of revolution. The reason is that if these aspherical surfaces are made accurately, the phases of the light converging at the focal point F will be completely the same, so even if there is a slight error, this same phase condition will be approximate. This is because the above interference effect causes the spot image to become sharper.

直線状の切削刃或いは平研削面板を2次曲線に接するよ
うに移動させ、レンズ材料を回転させながら回転2次曲
面を創成する、例えば前述の特開昭57−15664号
公報に記載する2次曲面の創成などに際しては、切削刃
等は光軸を中心として回転している2次曲面の表面に接
しながら徐々に移動しながら、その2次曲面を高精度で
仕上げてゆくので、2次曲面の光軸の廻りの回転軸と切
削刃等の送り速度の組合わせを調整すれば、集光レンズ
2に第15図(a) 、 (b)に示す螺旋状の円錐輪
帯3を作り上げることができる。この螺旋状円錐輪帯3
においても、前述の円錐輪帯3と全く同様に光線の殆ど
が、中央部の光の集まる焦点Fに集光し、既に説明した
実施例と同様に極小の光スポットを形成することができ
る。このような螺旋状の円錐輪帯3の製作法は、その機
械的精度も高くまた機械の操作上も極めて便利であり、
比較的安価な機械で極めて高性能な集光レンズ2を製作
できることになる。
A linear cutting blade or a flat grinding face plate is moved so as to be in contact with a quadratic curve, and a rotating quadratic curved surface is created while rotating the lens material. When creating a curved surface, the cutting blade etc. gradually moves while touching the surface of the quadratic curved surface that is rotating around the optical axis and finishes the quadratic curved surface with high precision. By adjusting the combination of the rotation axis around the optical axis and the feed rate of the cutting blade, etc., it is possible to create a spiral conical ring zone 3 on the condenser lens 2 as shown in FIGS. 15(a) and 15(b). I can do it. This spiral conical ring zone 3
In this case, most of the light rays are condensed at the focal point F at the center, just like the above-mentioned conical ring zone 3, and an extremely small light spot can be formed as in the embodiments already described. This method of manufacturing the spiral conical ring zone 3 has high mechanical precision and is extremely convenient for machine operation.
This means that an extremely high-performance condensing lens 2 can be manufactured using a relatively inexpensive machine.

更に本発明の意義は、プラスチック材料で高性能な集光
レンズを大量生産するに際して特に明らかである。即ち
、前述の2次曲面への接線に対応する切削刃等で仕上げ
た凸形回転2次曲面を母型として凹形の鋳型を作成し、
これを用いて熱硬化性樹脂の射出成形成いは熱硬化性樹
脂の注型により2次曲面レンズを製作すれば、大量に2
次曲面を用いた高性能の集光レンズを生産することがで
きる。もともと、射出成形や注型によりレンズを成形す
る場合には、樹脂の熱膨張率に基づくひけや重合度の変
化などによって表面形状の微少な変化や屈折率の変化が
生ずる。従って、もし円錐輪帯3によるスポット形状の
保持効果がなければ、直径1〜27tmという極小光ス
ポ−/ 卜は、このような量産レンズによっては実現す
ることは不可能である。しかしながら、本発明による円
錐輪帯3はその1つ1つの幅Asが数10gmと小さい
ので、ひけや重合度の変動による緩やかな変形を受け難
く、先に述べた理由によって常に正確な集光を実現でき
るのである。更にプラスチックレンズでは、温度や吸湿
度の変化に伴ってその集光特性に著しい劣化が発生する
ものであるが、本発明による輪帯3を設ければこれらの
原因による集光特性の劣化をも防止することができる。
Further, the significance of the present invention is particularly apparent when mass-producing high-performance condensing lenses made of plastic materials. That is, a concave mold is created using a convex rotational quadratic curved surface finished with a cutting blade or the like corresponding to the tangent to the quadratic curved surface as a matrix,
If this is used to manufacture quadratic curved lenses by injection molding of thermosetting resin or casting of thermosetting resin, a large quantity of 2
It is possible to produce a high-performance condensing lens using a curved surface. Originally, when lenses are molded by injection molding or casting, minute changes in surface shape and changes in refractive index occur due to sink marks and changes in the degree of polymerization based on the coefficient of thermal expansion of the resin. Therefore, if the conical zone 3 does not have the effect of maintaining the spot shape, it would be impossible to realize an extremely small light spot with a diameter of 1 to 27 tm using such a mass-produced lens. However, since the conical ring zone 3 according to the present invention has a width As of several tens of gm, it is difficult to undergo gradual deformation due to sink marks or changes in the degree of polymerization, and for the reasons mentioned above, it is difficult to always accurately focus light. It can be achieved. Furthermore, with plastic lenses, their light-gathering properties are subject to significant deterioration due to changes in temperature and moisture absorption; however, by providing the annular zone 3 according to the present invention, the deterioration of light-gathering properties due to these causes can be avoided. It can be prevented.

第16図(a) 、 (Nは更に本発明の他の実施例の
レンズ4を示し、周辺部に接線状の折線1有する双曲線
の母線を、その中心軸から平行で一定の距離をおいた軸
の廻りに回転させて生ずる曲面を一方の側4bに有し、
他面4aをこの回転軸に垂直な平面としたものである。
FIG. 16(a), (N further indicates a lens 4 of another embodiment of the present invention, in which a hyperbolic generatrix having a tangential broken line 1 at the periphery is parallel to the central axis and set at a constant distance. One side 4b has a curved surface created by rotation around the axis,
The other surface 4a is a plane perpendicular to this rotation axis.

そして、リング状の頂点の周辺に先の実施例と同様に輪
帯5が形成されている。このレンズ4は第17図に示す
ように、平面側4aに垂直に入射した光軸0と平行な光
線を焦点Fを連続して形成した太さ1〜2gmの極細の
リング状に集光することができる。
Then, an annular zone 5 is formed around the ring-shaped apex as in the previous embodiment. As shown in FIG. 17, this lens 4 condenses light rays parallel to the optical axis 0 that are perpendicularly incident on the plane side 4a into an extremely thin ring shape with a thickness of 1 to 2 gm that continuously forms a focal point F. be able to.

なお、本発明は回転2次曲面のレンズ或いは鏡について
のみ限定されるものではない、第18図は本発明の他の
実施例を示し、双曲線の母線と垂直な方向に平行移動さ
せて形成した所謂かまぼこレンズと呼ばれる双曲面柱状
レンズ6であり、面6b側の双曲線の母線の中央部は滑
らかな双曲線となっており、双曲線の中心軸から辺の方
にずれた部分を双曲線に接する折線で近似した近似双曲
線を、母線に垂直な方向に移動させてストライプ状の帯
部7が形成されている。この帯部7は先に説明した輪帯
3.5と同じ役割を有している。レンズ6の反対側の面
6aは双曲線の中心軸と直交する平面となっており、平
行光線を第18図に示すように平面側6aから双曲線の
中心軸つまりレンズ6の光軸0に平行に入射させれば、
極めて尖鋭な焦@FFを′得ることができる。この焦線
FFの太さは1〜2ILm程度とすることが可能であり
、このような極細の光の直線像は多くの用途に有効であ
る。なお、同様にしてストライプ状の帯部7を有する非
球面のトーリックレンズの実現も可能である。
Note that the present invention is not limited to lenses or mirrors having a rotational quadratic curved surface. FIG. 18 shows another embodiment of the present invention, in which a lens or mirror is formed by moving parallel in a direction perpendicular to the generatrix of a hyperbola. It is a hyperboloid columnar lens 6 called a so-called kamaboko lens, and the central part of the hyperbolic generatrix on the surface 6b side is a smooth hyperbola, and the part deviated from the central axis of the hyperbola toward the side is a broken line tangent to the hyperbola. A striped band portion 7 is formed by moving the approximate hyperbola in a direction perpendicular to the generatrix. This band 7 has the same role as the ring 3.5 described above. The opposite surface 6a of the lens 6 is a plane perpendicular to the central axis of the hyperbola, and parallel rays are directed from the flat side 6a parallel to the central axis of the hyperbola, that is, the optical axis 0 of the lens 6, as shown in FIG. If it is incident,
An extremely sharp focus @FF can be obtained. The thickness of this focal line FF can be about 1 to 2 ILm, and such an extremely thin linear image of light is effective for many uses. Note that it is also possible to realize an aspherical toric lens having striped band portions 7 in the same manner.

本発明で使用する複合曲線に使用する折線の各線分は、
完全な直線でなくとも、これらのレンズの焦点距離fよ
りも1桁程度以上に大きな曲率半径を有する凸状又は凸
状円弧、或いは他の曲線などの近似直線でもよいことは
云うまでまでもない、また、折線同志の接合部分の角が
製作工程中に何らかの原因で多少大められたとしても、
この丸められた部分の幅が各折線の長さに比して十分に
小さければ問題はない、このような誤差が許容されるこ
とは、この光学部材の製作技術上に極めて柔軟な自由度
を与えるものである。
Each line segment of the broken line used in the compound curve used in the present invention is
Needless to say, it does not have to be a perfect straight line, but may be an approximate straight line such as a convex shape or a convex arc having a radius of curvature that is about one order of magnitude larger than the focal length f of these lenses, or other curved lines. ,Also, even if the corners of the joints of the folded lines are slightly enlarged for some reason during the manufacturing process,
There is no problem as long as the width of this rounded part is sufficiently small compared to the length of each folded line.The fact that such an error is allowed gives an extremely flexible degree of freedom in the manufacturing technology of this optical member. It is something to give.

このように本発明に係る集光用非球面光学部材において
は、用いられる非球面の母線は、双曲線、放物線及び楕
円などの2次曲線などの他に如何なる高次曲線でもよく
、その中心部を滑らかな曲線とし、周辺部にこの曲線の
例えば接線す吹々と接続して作った断面折線の帯部を接
続させた複合曲線であることに特色がある0本発明はこ
のような複合曲線を中心軸又はこれと平行な軸の廻りで
回転させるか、或いは例えば回転半径を無限大としたと
き、つまり平行移動をさせるかして作成した近似曲面を
有する光学部材を提案したものであり、製作時の曲面或
いは屈折率の僅かな誤差に基づく集光の収差を、多数の
帯部からの光線の干渉を利用して打ち消し、理想レンズ
からのパラメータ変動にも拘らず、理想焦点像に極めて
近い光スポットが得られるように工夫したものである。
As described above, in the aspherical optical member for focusing light according to the present invention, the generatrix of the aspherical surface used may be any higher-order curve, such as a quadratic curve such as a hyperbola, a parabola, or an ellipse, and the center portion thereof may be The present invention is characterized in that it is a compound curve that is a smooth curve and has a band of cross-sectional broken lines made by connecting, for example, tangents of this curve to the peripheral part. It proposes an optical member having an approximate curved surface created by rotating it around the central axis or an axis parallel to the central axis, or by, for example, making the radius of rotation infinite, that is, by moving it in parallel. Focusing aberrations due to slight errors in the curved surface or refractive index are canceled out by using the interference of light rays from multiple bands, and the image is extremely close to the ideal focused image despite parameter variations from the ideal lens. It was devised so that a light spot could be obtained.

従って、従来から極めて高い工作精度を必要とするため
に量産に適さなかった例えば2次曲面集光レンズを、本
発明によって初めてプラスチック材料などで量産化し得
るようにしたものであり、各種用途におけるその波及的
効果は極めて大きい。
Therefore, the present invention has made it possible for the first time to mass produce quadratic curved condensing lenses, which were not suitable for mass production because they required extremely high machining precision, for the first time using plastic materials. The ripple effect is extremely large.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は双曲面レンズの説明図、第2図は軸上球面収差
の屈折率を基にしたグラフ図、第3図は双曲線の説明図
、第4図は収差Δδの説明図、第5図以下は本発明に係
る集光用非球面光学部材の実施例を示し、第5図(a)
は双曲面レンズの正面図、(b)はその側面図、第6図
は回折像の振幅特性図、第7図は輪帯付きレンズの光波
動の収束計算の原理的説明図、第8図は輪帯付きレンズ
の焦点像の計算結果の説明図、第9図は2次元ベクトル
図、第10図(a)は焦点面への投射波面図、(b、)
はその拡大図、第11図は光の位相関係のベクトル図、
第12図、第13図は回折像の振幅特性図、第14図は
離心率の誤差がある場合の焦点面への投射波面図、第1
5図(a)は輪帯を螺旋状としたレンズの正面図、(b
)はその側面図、第16図(a)は光軸を2つ有するレ
ンズの正面図、(b)はその側面図、第17図はその光
路図、第18図は双曲面柱状レンズの斜視図である。 符号2は集光レンズ、3.5は輪帯、4.6はレンズ、
7は帯部である。 特許出願人 有限会社マチダオプト技研代 理 人 弁
理士 日 比 谷 征 彦、a、)!を矢B。 第1図 第10図 第11図 中CII〜Φan Φb1〜Φb1 転り今ベアhし第
12図 8B15図 (a) (b) 第16図
Figure 1 is an illustration of a hyperbolic lens, Figure 2 is a graph based on the refractive index of axial spherical aberration, Figure 3 is an illustration of a hyperbola, Figure 4 is an illustration of aberration Δδ, and Figure 5 is an illustration of aberration Δδ. The following figures show examples of the aspherical optical member for condensing light according to the present invention, and FIG. 5(a)
is a front view of a hyperboloid lens, (b) is a side view thereof, Fig. 6 is an amplitude characteristic diagram of a diffraction image, Fig. 7 is an explanatory diagram of the principle of calculating the convergence of light waves of a lens with annular zones, Fig. 8 is an explanatory diagram of the calculation result of the focal image of a lens with an annular zone, Figure 9 is a two-dimensional vector diagram, Figure 10 (a) is a diagram of the projected wavefront on the focal plane, (b, )
is an enlarged view, and Figure 11 is a vector diagram of the phase relationship of light.
Figures 12 and 13 are amplitude characteristic diagrams of the diffraction image, Figure 14 is a diagram of the projected wavefront on the focal plane when there is an eccentricity error, and Figure 1
Figure 5 (a) is a front view of a lens with a spiral ring zone, (b)
) is a side view of the lens, FIG. 16(a) is a front view of a lens with two optical axes, FIG. 16(b) is a side view thereof, FIG. 17 is an optical path diagram thereof, and FIG. 18 is a perspective view of a hyperboloid prismatic lens. It is a diagram. 2 is a condenser lens, 3.5 is an annular zone, 4.6 is a lens,
7 is the obi part. Patent applicant Machida Opto Gikenyo Co., Ltd. Patent attorney Yukihiko Hibiya, a)! Arrow B. Figure 1 Figure 10 Figure 11 CII ~ Φan Φb1 ~ Φb1 Turn now bear h Figure 12 Figure 8B15 (a) (b) Figure 16

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、集光特性を有する非球面光学部材の辺部において、
非球面の母線を多数本の微小な長さの折線で近似し、該
折線部を母線と直交する方向に移動させることにより略
平担面の多数個の帯部を形成したことを特徴とする集光
用非球面光学部材。 2、fを非球面光学部材の焦点距離、入を光の波長とし
たとき、前記折線の長さΔSが(f/λ)′/Iの00
1〜2倍の値となるようにした特許請求の範囲第1項に
記載の集光用非球面光学部材。 3、前記帯部は回転非球面レンズの周辺に輪帯状に形成
した特許請求の範囲第1項に記載の集光用非球面光学部
材。 4、前記輪帯状の帯部を螺旋状に形成した特許請求の範
囲第3項に記載の集光用非球面光学部材。 5、前記帯部は非球面柱状レンズの辺部にストライプ状
に形成した特許請求の範囲第1項に記載の集光用非球面
光学部材。 6、前記非球面光学部材の材質をプラスチックとする特
許請求の範囲第1項に記載の集光用非球面光学部材。
[Claims] 1. In the side portion of the aspherical optical member having light condensing properties,
The generating line of the aspherical surface is approximated by a large number of broken lines of minute length, and the broken line portions are moved in a direction perpendicular to the generating line to form a large number of band portions having a substantially flat surface. Aspherical optical member for focusing light. 2. When f is the focal length of the aspherical optical member and input is the wavelength of light, the length ΔS of the broken line is (f/λ)'/I of 00
The aspherical optical member for condensing light according to claim 1, wherein the aspherical optical member has a value of 1 to 2 times. 3. The aspherical optical member for condensing light according to claim 1, wherein the band portion is formed in an annular shape around the rotating aspherical lens. 4. The aspherical optical member for condensing light according to claim 3, wherein the annular band portion is formed in a spiral shape. 5. The aspherical optical member for condensing light according to claim 1, wherein the band portion is formed in a stripe shape on the side of the aspherical columnar lens. 6. The aspherical optical member for condensing light according to claim 1, wherein the material of the aspherical optical member is plastic.
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