JPS63239402A - 光学装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、光デイスク装置あるいは光フアイバ通信等に
適した光学装置に関する。

従来の技術 近年半導体レーザ（以下ＬＤと記す）をはじめとする光
技術の進展に伴い、光ディスク、光フアイバ通信、光プ
リンタ等の応用機器が開発され、　　、各種光学素子の
設計、製作技術の研究が続けられている。レンズは結像
手段の主役として、コンピュータ設計を駆使した非球面
構成のものが実用化されてきているが、一層の小型、軽
量化と低価格化をめざした、高精度のフレネルレンズが
開発されつつある。第６図は理想的なフレネルレンズの
構成を模式的に示したもので、入射波面１はフレネルレ
ンズ２を通過するとき凹凸差ｈ！１１の段差を有する一
端で所定の位相変移を与えられ、あたかも凸レンズを透
過したと同様な作用を受けて変換された波面３を生′じ
、点３０に収束する。

このようなフレネルレンズは、光軸中心の輪帯状パター
ンで構成され、波長λ、！１１番目の輪帯半径ｒｆｉと
すると焦点距離ｆは以下の関係式で与えられる。

ｒ１１１２　＝　（ｍλ＋ｆ）２−ｆ２（ＩＩＩ：１，
２，３．・・・・・・）即ち　ｒｍ＝　　Ｊｚｍ　Ａ　
）’　＋　ｚｍ　Ａｆ　　・−団−（１）他方、ハイブ
リッド型の非球面レンズとして第８図に示すようにガラ
ス体球面レンズ４に対してゆるやかなカーブを有する非
球面部分５および５ｏをプラスチックス媒体で形成して
所望の波面変換″１ｎ→“３′を実現する方法も実用化
されている。

発明が解決しようとする問題点 しかし、前者の構成ではレンズ周辺部で輪帯間隔が極め
て狭くなり、製作誤差が大きくなってレンズ収差増大と
集光効率の低下が避けられず、また後者では微小レンズ
になると非球面金型製作の他、プラスチック膜形成制御
条件が極めて厳しく所望の精度を実現できないという問
題があった。

高精度のフレネルレンズは、たとえば電子ビーム露光装
置（ＴＡＢ装置と略す）を用いてフォトレジスト膜上に
描画して得ることができるが、大面積にわたって１μｍ
以下の間隔で輪帯を形成しようとすると、電子ビーム光
学の収差補正の問題や、露光膜に照射される電子相互の
反撥作用等によって理想的なパターン形状からのズレを
生じ、凹凸断面が第７図ａに示すように間隔Δｍに対し
、大略鋸歯状形の一端でα＝０となるべき一端にダレが
できてしまう。フレネルレンズ単体で１μｍ程度の集光
性能を得ようとすると、Δ！、Ｉ−１μｍ（ｍ：最外周
輪帯）として、設計通υ（式（１））の描画を実現しな
ければならないが、露光膜厚約１μ程度の媒体を用いる
条件下ではゴ；（１とすることは容易でない。また同図
すに示すように輪帯の巾Δｊが小さくなるに従って露光
柱側の応答が不良となる不都合も生じる。

第８図の場合、非球面素子５は、紫外線硬化樹脂のごと
き媒体を金型とガラスレンズ４の間で成型して得られて
いるが、温度変化に伴う媒質の屈折率変化、膨張収縮な
どの影響を受は難いように設計する必要があるので、は
とんど集光作用（パワー）をもたない薄膜平板形状に限
定される。

本発明は、微小光学系を高精度で実現するために従来技
術の問題点を乗越えて為されたもので、設計、製造過程
に過電の負担の矛盾を生じることなく所望の光学装置を
提供することを目的とする。

問題点を解決するための手段 本発明は、 （１）　　フレネルレンズ方式における輪帯状位相パタ
ーンによる高精度の波面制御技術。

（１１）ハイブリッド非球面レンズ方式におけるレンズ
機能の分割・分担による相補効果。

の２つを組合わせ、新たなハイブリッド型式によって簡
単かつ高精度の収差補正光学系を実現したものである。

作用 すなわち、本発明では、波面変換の主要部分、たとえば
、平面波から球面波への変換は単レンズあるいはホログ
ラム素子によっておこない、これらに伴う収差の補正を
平板状位相素子で高精度に行うものである。

単レンズあるいはホログラム等を単体で使用する場合に
波面変換で発生する収差は、（１］設計系、（１１）実
際のレンズ系とも正確に一致して把握でき、容易に光線
追跡可能であり、したがって補正すべき波面の制御量も
正確に計算できる。一方補正板としての平板位相パター
ンは設計・製作とも高精度に実現でき、全光学系として
問題点が解決されている。

実施例 本発明の詳細な説明するにあたシ、本発明に共通する基
礎として、補正すべき波面収差に相当する位相差を実現
する方法を述べる。第９図は補正前の波面φ。に対して
、補正後の波面（参照球面）φ、の関係を説明しており
、φ。とφ、の差（波面収差）Ｗ（ｒ）に等しい位相差
を逆位相で補正する収差分布−ｗ　（ｒ）と、これを平
板状レンズ（位相輪帯パターン）に展開した位相パター
ンの断面分布ｈ　（ｒ）を示す。ここでｒは光軸対称に
輪帯状に形成されるパターンの位置座標を表わし、媒体
の屈折率ｎ５光波長λとすると位相パターンの段差ｈλ
は （ｎ−１）ｈλ＝λ　　　　・・・・・・・・・　＠）
とされる。補正収差量ｗ　（ｒ）は、同図に示されるよ
う、位相差λごとに輪帯ｚ、　、　ｚ２．・・・・・・
、Ｚｊ。

・・・・・・に分割されて平板状に展開され位相板を形
成する。

各輪帯の断面形状は、フレネルレンズの輪帯と同様、鋸
歯状波形としてはＸ１００％の集光性能が得られること
は当該業者にとって明らかである。

さて第１図すは本発明の第１実施例であって、同図ａに
示す平凸レンズ２ｏに、第９図で説明した収差補正素子
２１を平面側に配置することによって、同図ａの出射波
面φ２の波面収差を補正し、点３ｏに収束する球面波φ
。を実現している。ここで球面を用いた単レンズ２０と
素子２０は空間的に離して用いることができるほか、接
着して一体化してもよく、さらに、第６図すに示すよう
に低融点ガラスを金型（球面および本発明の輪帯パター
ンの逆相パターン）で成形して製作することも可能であ
る。１μオーダの微細パターンをニッケルメッキ等のプ
ロセスを用いてスタンパ−マスタに仕上げる技術は、光
ディスク、あるいはホログラム複製の分野で既に実用化
されて衆知のものとなっている。本実施例では、光軸方
向にはｙ平行な単色の平面波λを回折限界で集光するよ
うな用途に適し、たとえば光ディスクのピッアップ光学
系に応用することを目的としている。

第２図は本発明の第２実施例として、第８図のような光
学系のみならず、もっと一般的に若干のパワーをもたせ
た輪帯パターン設計を可能としたものである。レンズ４
００を通過後の収差を含む波面φ２（ｒ）を位相板ＳＯ
Ｏを用いて球面波φ。に変換することができる。

ここでレンズ４００に入射する波面φ、は、第１図の平
行平面波入射の条件と異なり収差を含む波面φ１として
いる。φ２（ｒ）が既知であればよく、φ２→φ０の変
換で若干のパワーを素子６００にもだせることが可能で
ある。

第３図は本発明の第３の実施例を説明しており、平面型
分布屈折率レンズ７の収差補正用素子７１を組合わせて
用いている。

第４図は本発明の第４の実施例として、波長λ１のコヒ
ーレント光を用いて記録、作成されたホログラムレンズ
６を波長λ２の光波で使用する場合の収差補正光学系で
あって、ホログラムレンズの色収差（λ１中λ２）に対
して輪帯パターン６１を設けることによって、再生光波
は所定の回折限界のスポット３１に集光できる。ここで
、共役波面８１も収差補正されることは勿論である。１
例としてλ　：４８８ｎｕ（アルゴンレーザ）、λ２＝
８３０ｎｍ　（半導体レーザ）のような組合せにおいて
ホログラムレンズとのハイブリッド構成の回折限界結像
光学系が得られる。

本発明のさらに別の実施例として第５図ａは第４図すの
ホログラム６の記録面６０とは反対側の面６１に輪帯パ
ターンを一体成形したも゛ので、たどえば、フォトレジ
スト膜を基板６０片側に塗布し、電子ビームあるいはレ
ーザビーム等の手段を用いて輪帯パターン６１は直接描
画できる。微細加工手段自体は金型による転写複製も可
能であるし、ダイヤモンドカッターによる微細加工技術
も公知である。

発明の効果 以上、本発明は従来もっとも正確かつ安価に設計、量産
されている球面レンズ、もしくは相当光学素子に対し、
設計・製作が高精度かつ容易な輪帯状パターンを収差補
正素子として一体化することにより、とくに単色光源を
用いる光学系で良好な波面収差補正が可能となる。すな
わち回折限界の解像特性と小型軽量で低価格のハイブリ
ッド光゛学素子を実現できる効果を有するものである。

さらにまた、ホログラフィを応用した結像光学系におい
て、従来は記録と像再生過程で波長が異なるコヒーレン
ト光を用いて生じる波面収差は、補正が困難であったが
、本発明によって平板状の輪帯位相パターンを組合せた
収差補正が容易に可能となり、ホログラムとの良好な整
合性によって、従来困難とされた光走査光学系、顕微鏡
等への応用を実現可能とするものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す光学装置の概略構成を
示す断面図、第２図〜第４図は本発明の別の実施例の概
略構成を示す断面図、第６図は従来の輪帯パターンを用
いた理想的なフレネルレンズの断面図、第７図は同レン
ズを実際に製作した場合の断面形状を説明するための説
明図、第８図は従来の非球面素子作成の一方式を示す概
略断面図、第９図は本発明の輪帯パターン作成の原理図
である。 ２ｏ・・・・・・球面レンズ、２１・・・・・・輪帯パ
ターン、３０・・・・・・集光帯。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 ｑｒ−一築ノ＼°ヴ−ン 第４図 ’ｆｏ。 第５図 第　６　図 第　７　図 第８図 第９図 ｎ（ｒｌ　−ＬＡ／（ｒ）　　　　　　　　Ｊ（Ｊ手続
補正書（方劫 １事件の表示 昭和６１年特許願第２６４６２１、 発明の名称 光学装置 ３補正をする者 事件との関係　　　　　　特　　許　　出　　　願　　
大佐　所　　大阪府門真市大字門″ｆＡ１００６番地名
　称　（５８２）松下電器産業株式会社代表者　　　　
谷　　井　　昭　　雄 ４代理人　〒５７１ 住　所　　大阪府門真市大字門真１００６番地松下電器
産業株式会社内 を「第２図〜＠６図」に補正いたします。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）入射波面に対して所定の位相変移を与える平板状
   光学素子を少なくとも具備し、該素子はレンズあるいは
   ホログラムもしくは屈折率分布型レンズ等に附随する波
   面収差相当の位相差を補正する凹凸構造が輪帯パターン
   状の位相分布をなして形成され、前記凹凸段差は所定波
   長λの透過光に対して各々＋２πもしくは−２πに等し
   い位相変移を与える如く微細加工をされた様態のもとに
   被補正光学系と一体化して構成されたことを特徴とする
   光学装置。
2. （２）被補正光学系を単一の凸レンズとした特許請求の
   範囲第１項記載の光学装置。
3. （３）被補正光学系が、分布屈折率型平板マイクロレン
   ズである特許請求の範囲第１項記載の光学装置。
4. （４）被補正光学系が、波長λ＿１の２波面による干渉
   縞の様態で形成されたホログラムレンズであって、波長
   λ＿２の再生光源に対して収差補正を可能とした特許請
   求の範囲第１項記載の光学装置。