JPS61194416A - 屈折率分布型レンズ - Google Patents

屈折率分布型レンズ

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JPS61194416A
JPS61194416A JP60034783A JP3478385A JPS61194416A JP S61194416 A JPS61194416 A JP S61194416A JP 60034783 A JP60034783 A JP 60034783A JP 3478385 A JP3478385 A JP 3478385A JP S61194416 A JPS61194416 A JP S61194416A
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JP
Japan
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lens
aberration
spherical aberration
equation
coma aberration
Prior art date
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Pending
Application number
JP60034783A
Other languages
English (en)
Inventor
Takeshi Baba
健 馬場
Jun Hattori
純 服部
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Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00Simple or compound lenses
    • G02B3/0087Simple or compound lenses with index gradient

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lenses (AREA)

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 (1)技術分野 本発明は、半導体レーザや発光ダイオードのコリメート
用、光ディスクのピックアップ用レンズ等に好適な屈折
率分布型レンズに関する。
(2)従来技術 従来、光軸と垂直な方向に屈折率分布を有するレンズ、
所請ラジアルタイプの屈折率分布型レンストしては、セ
ルフォックレンズ(商品名)が良く知られており、正立
等倍結像素子として複写機等で広く使用されている。
屈折本分布型レンズは製造上微小なレンズを得ることが
容易で、この為近年半導体レーザや発光ダイオードのコ
リメータレンズ、及び光ディスク等のピックアップ用レ
ンズに応用する試みがある。しかし、このようなレンズ
は実用上、大きなNA(開口数)を持ち、し乃・も軸上
だけでなく物体が光軸近傍に存在する時にも回折限界に
近い性能を有している事が必要である。この為、特開昭
58−122512号公報、特開昭59−62815号
公報等ではラジアルタイプの屈折率分布型レンズの両端
面に曲惠をつけることにより前述の性能を得ている。t
〜かし、屈折宅分布型レンズを使用する最大の理由は、
微小な球面レンズの球面加工に比べて両端面を平面研磨
するだけでレンズが得られるという製造上、加工上の長
所にあり、従って屈折率分布型レンズの両端面を球面加
工するととけ望ましくないことであった。
(3)発明の概要 本発明の目的は、従来の欠点を除去し、両端面が平面で
ありながら高性能を有する屈折上分布型レンズを提供す
る事にある。
上記目的を達成する為に、本発明に係る屈折率分布型レ
ンズは、光軸からの距離γに於る屈折率N(γ)が N(r)−No+N1γ2+N2γ’ 十−−(No、
 Nt、N2.−・・・・・・は定数) で表わさh s且つレンズの両端が平面である屈折率分
布型レンズに於て、N1<Oであり、骸屈折率分布型レ
ンズの焦点距離をfルンズ径をa1作動距離Sk′、ミ
クロン単位で表わした使用波長をλとする時、 なる条件を満足する事を特徴としている。
上記条件を満足する事により、レンズの両端を平面とし
た寸まで、半導体レーザや発光ダイオードのコリメータ
レンズ、光ディスクのピックアップ用レンズ等に要求さ
れる球面収差及びコマ収差の収差補正を良好に成し得る
事ができる。
以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。
第1図は本発明に於るパラメータの説明図であり、1は
光軸と垂直な面内で屈折率分布N(r)−No 十N、
γ2+N2γ4+ ・・・・・・・・・・・・・・・・
・・  (1)を有し、両端面が平面である屈折本分布
型レンズ、2け像面である。ここでrけ光軸から半径方
向への距離、No、N1.N2・・・・・・は定数であ
り、特にNl<Qである。H,H’はレンズ1の2つの
主点であり、dは肉厚、aはレンズ径、fけ焦点距離、
Sk′は作動距離である。尚、本説明では便宜上、物体
は無限遠にあるとして説明する。従って、例えば本屈折
率分布型レンズを半導体レーザのコリメータレンズとし
て用いる場合には、半導体レーザは第1図の像面2の位
置に配置されることになる。
又、焦点距離f、作動距離Sk′はパラメータd、No
、N1を用いて、 t =/−2N1/N。
f = 1 /NOt sin (rd)8に’ = 
f cos (td ) と表わすことができる。
さて、通常レンズの光軸付近の結像性能は軸上収差であ
る球面収差と、画角の1次に比例するコマ収差により定
まる。従って、コリメータレンズの如く光軸近傍に物体
を置いて使用するレンズは、特に3次の球面収差と3次
のコマ収差を補正する必要がある。ます球面収差の補正
の為に、屈折率分布の係数N2け次の(2)式の条件を
満たすことが必要である。
ン8k [0,95NO−]+0.08   ・・・・・・・・
・・・・・・・   (2)N2が(2)式の下限を下
回ると球面収差が補正不足となり、上限をこえると球面
収差が補正過剰となる。
第2図を用いて、(2)式の意味をさらに詳しく説明す
る。
Jour 、 Opt 、 Soc 、 Am 、 6
0巻、 1436−1443頁、1970年刊行のJ、
 R5ands ノ論文によれば、N2は3次の各収差
係数と線形な関係にある。従って任意のN。、N1.d
に対し、あるいけ任意のNo、 f 、 Sk’に対し
てN2の値を適当な値に定めるととにより、3次球面収
差係数をOにすることができる。
第2図(a) 、 (b) 、 (C)の各々の実線は
、レンズの焦点距離fを1に規格した時の作動距離8に
’と3次球面収差係数の値を0とするN2の値との関係
を示すグラフであり、(a)、(b)。
(C)は各々 NO−2,4,、1,6、]、、 8の
場合を示す。
このよりなN2とSk′、Noとの関係は、と近似でき
る。第2図(a) 、 (b) 、 (C)各々の破線
は上記の(3)式より定めだ関係を示し、実際(3)式
より定めたN2の値を用いて3次球面収差係数1の値を
算出すると、III<0.1 となり、(3)式は実用
上充分良い近似式であると言える。レンズの焦点距離を
1に規格化した時の3次球面収差係数工の値は、実用的
性能の点からおおよそIII≦0.5であることが望ま
しい。従って、N2け(3)式で定まる値を中心にした
ある巾の中の値をとる必要があり、(2)式によって実
用的な範囲に球面収差が補正できる。
次に、コマ収差の影響を除去する為には、レンズ径aが
以下の条件(4)式を満たすことが必要である ここで、λはミクロン単位で表わした使用波長である。
レンズ径aが(4)式の上限をこえるとコマ収差の影響
により、コリメータレンズとしての実用的性能が得られ
ない。又、(4)式の下限を下回るとレンズのNAが小
さくなりやけシ実用的でなくなる。以下(4)式の意味
について説明する。
昭和47年刊行、の松居吉哉著「レンズ設計法」によれ
ば、球面収差が充分補正されているとすると、3次収差
の領域に於ては光軸近傍での波面収差Wけ次の(5)式
のように表される。
I       Ra W〜−一■・y8′・(−7−)  ・・・・・・(5
)ここで、■けレンズの焦点距離を1に規格したときの
3次コマ収差係数、y7′は像高、Rけ入射瞳面上での
入射光線の光軸からの高さであり、(5)式は入射瞳面
上で高さ几を通り、像高yR′に達するメリジオナル光
線の波面収差を示す。尚、球面収差が補正されていれば
コマ収差は入射瞳の位置にtまよらない為、便宜上入射
u醒はレンズの前側主平面の位置にあるとする。又、第
1図にけYiと凡の意味を図示した。
入射瞳の大きさけほぼレンズ径aに等しいから、(5)
式より像高yR′に於る波面収差の最大値マイナス最小
値で定義される残存波面収差Wは、 W−−ユ・yR′・(2f)  ・・・・・・・・(6
)となる。又、像高yu’の最大値は主にレンズ支持機
構の根板的精度により定する。例えば半導体レーザのコ
リメータレンズとして使用する時、半導体レーザをレン
ズの光軸上に正しく配置できればよいが、実際にはレン
ズ鏡筒の加工誤差やレンズ鏡筒と半導体レーザの取り付
は精度の為に半導体レーザは光@V〃・らずれることに
なる。このずれ量は通常100μm程度以下にする事は
困難であり、これ以下に精度を上げようとすると半導体
レーザとレンズとを取りつけた後、改めて半導体レーザ
の位置を調整する必要が生じて実用的でない。
このような事情からレンズの性能としてけ像高yR′が
100μm程度の値をとっても回折限界の性能をもつ事
、即ち周知のように残存波面収差W′が使用波長の%以
下である必要がある。従って、ミクロン単位で表わしだ
使用波長をλとすると、 なる条件が満たされる必要がある。
第3図の実線は、焦点距離を1に規格化した時の作動距
離Sk’と、3次球面収差係数をOとするようにN2を
定めた時の3次コマ収差係数■の関係を示すグラフであ
り、第3図(a)。
(b) 、(C)は各々No=1.4.1.6.1.8
  の場合を示す。このようなSk’ 、 Noと■の
間の関係けと近似できる。第3図(a) 、 (b) 
、 (c)各々の破線V丁上記(8)式より定めた関係
を示す。(7)式と(8)式から解るように、レンズ径
aが(4)式の十限を越えると残存波面収差Wが使用波
長の皆を越えて回折限界の性能が得ら11斤い。又、残
存波面収差を使用1波長の%以下にしても結像性能は人
きく改善をわずに、a/2fで表わさノするレンズのN
Aが必曹以トに小さく々つて17〜まい実月1的でない
。この為にl/ンズ径aが(4)式のF″限を1−回ら
ないことが≦?!41い。
(4)実施例 丁記の表1に本発明に係る屈折本分缶型レンズの実施例
を示す。表1には3つの実施例(a) 、 (11) 
、 (C)が記載さねており、各々について、レンズの
肉厚d、屈折率分布の係数No、 N、、 N2の値、
レンズ径a、レンズの焦点距111f、レンズの作動距
離、及びレンズの焦点距離を1に規格した時の3次球面
収差係数■と3次コマ収差係数■の値を示1−でいる。
尚、いずれの実施例も使用波長λ−〇8μmとして成さ
れたものである。第4図(a)、 (b)、 (C)は
各々表1(a) 、 (b) 、 (c)の実施例に於
る波面収差を示す。尚、第4図の波面収差はレンズの入
射側端面に入射瞳を置いて算出した。
前記(4)式から解る様に、軸上屈折率N。が大きいほ
どNAを大きくする事ができ、望ましくけNo≧1,6
0である。又、8に’/fが小さいはどNAを大きくす
る事が可能であり、望ましくはSk’/f≦0.6  
である。更に、3次球面収差係数■の値が零より大きく
なるほど3次コマ収差係数■の絶対値が若干減少する傾
向にあり、NAを大きく取る事が可能である。
従って、更に望ましくは、 である。
発光グイオード等の波長分布に広が妙を有する光源に、
本発明に係る屈折率分布型レンズをコリメート用として
用いる場合は、前記(4)式に於る使用波長λとして波
長分布のピーク波長を用いるのが適当である。又、レン
ズ径aを前記(4)式の上限値を越える値に設定し、絞
りによって光束を絞ることで実質的に(4)式を満足さ
せる事も可能である。1.か[2カから、通常ラジアル
タイプの屈折率分布型レンズはレンズ周囲よりイオン交
換法等の手段によって屈折率分布を施す為、レンズ径が
大きく々ると著しく製造時間、コストが増大しあまり好
ましくない。
表  1 (5)発明の詳細 な説明した様に、本発明に係る屈折率分布型レンズは、
レンズの端面が平面にも係わらず、球面収差及びコマ収
差を良好に補正し得る高性能レンズである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に於るパラメータの説明図。 と3次球面収差係数が零になるようにN2を定めたB5
の3次:Jマ収K(係数の関係を4くず図。第4図(2
1) 、 (b) 、 (C)は各々不発明の実施例に
於る波面収差図。 1・・ ・・・屈折本分(li型レンズ2・・・・・・
像面

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)光軸からの距離rに於る屈折率N(γ)がN(γ
    )=N_0+N_1γ^2+N_2γ^4+・・・・・
    ・・・・(N_0、N_1、N_2、・・・・・・は定
    数) で表わされ、且つレンズの両端が平面である屈折率分布
    型レンズに於て、N_1<0であり、該屈折率分布型レ
    ンズの焦点距離をf、レンズ径をa、作動距離をSk′
    、ミクロン単位で表わした使用波長をλとする時、 (0.21)/(N_0^3)e×P〔0.95N_0
    ^(^3^/^2^)(Sk′)/f〕−0.08≦N
    _2・f^4≦(0.21)/(N_0^3)e×P〔
    0.95N_0^(^3^/^2^)(Sk′)/f〕
    +0.080.11^3√{λ/([0.4]/[N_
    0^2]+1.1[Sk′]/f])}≦a/(2f)
    ≦0.14^3√{λ/([0.4]/[N_0^2]
    +1.1[Sk′]/f)}なる条件を満足する事を特
    徴とする屈折率分布型レンズ。
JP60034783A 1985-02-22 1985-02-22 屈折率分布型レンズ Pending JPS61194416A (ja)

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JP60034783A JPS61194416A (ja) 1985-02-22 1985-02-22 屈折率分布型レンズ
US06/830,744 US4674843A (en) 1985-02-22 1986-02-19 Gradient index lens

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JP60034783A JPS61194416A (ja) 1985-02-22 1985-02-22 屈折率分布型レンズ

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JPS61194416A true JPS61194416A (ja) 1986-08-28

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US4674843A (en) 1987-06-23

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