JPWO2017195691A1 - 光学レンズおよび光学レンズの製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明に係る光学レンズは、入射面と、入射面に対向する出射面を備え、リング状のレーザ光を形成するために用いられる光学レンズであって、入射面と出射面は、共通の光軸を有するとともに、光軸に直交し、入射面は、凹の円錐形状を有し、出射面は、凸形状を有する。

Description

本発明は、リング状レーザ光を形成することができる円錐面を含む光学レンズおよび光学レンズの製造方法に関するものである。

片面が凸形状もしくは凹形状の円錐面であるレンズは、アキシコンレンズと呼ばれている。このアキシコンレンズは、光源から出射された光をその光軸にそって集光することで、リング状レーザ光を作るために用いられる。アキシコンレンズによって成形されるリング状レーザ光の直径は、照射距離が長くなるとともに大きくなるが、リングの幅は、一定を保つような特性を有するように成形することができる。

この特性は、伝搬によってビームが広がらないベッセルビームの特徴に近く、リングを成形するレーザ光の強度は、照射距離にかかわらず等しくなる。また、深い焦点深度をもつレーザ光を成形することも可能である。これらの特性から、アキシコンレンズは、外科手術の際の角膜物質の切除などに使用され、レーザ顕微鏡、レーザ加工装置など、広く適用されている。

上述したアキシコンレンズより成形されるリング状レーザ光を用いる場合には、例えば、リング状レーザ光を対となるアキシコンレンズに入射させて平行化（コリメート）する、あるいは、リング状レーザ光を球面レンズに入射させるなど、他のレンズと組み合わせて用いることが一般的である。

また、リング状レーザ光を得るためには、レーザ光の光軸がアキシコンレンズの円錐頂点を通るように、アキシコンレンズの位置を光学レンズホルダーなどで調整する必要がある。

しかしながら、上述した方法では、複数枚のレンズが必要となり、また、レンズそれぞれについて保持部材が必要となる。このため、コストがかかるという欠点を有する。

また、要求されるリング形状とするためには、それぞれのレンズについて光軸を一致させて配置し、かつ、その間隔や設置角度などの位置調整を精密に行う必要がある。しかしながら、円錐頂点を光軸と一致させることは、非常に難しい。また、複数枚のレンズを設置するため、手間がかかり、調整誤差が大きくなるという欠点も有する。

そこで、円錐面を含み、複数枚のレンズを必要としない従来の光学装置として、出射面に円錐形状で構成された第１の凹部と、出射面と反対の面に円柱状の第２の凹部をもつ導光板を備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、位置調整を容易にする従来の光学装置として、光軸に直交する第１の方向には凸レンズの特性をもち、光軸および第１の方向に直交する第２の方向には凹レンズの特性をもつレンズを備えたものがある（例えば、特許文献２参照）。

特許第５３６０１７２号公報 特開２００１−２８２４４６号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。特許文献１に係る発明は、導光板を用いて構成されている。このような構成により、第１の円錐形状の凹部は、入射したレーザ光を全反射するため、リング状レーザ光を成形することはできない。

また、特許文献２に係る発明は、第１の方向および第２の方向ともに、円錐形状ではない。このため、特許文献２によっても、リング状レーザ光は、成形できない。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、安価に製造が可能であり、かつ位置調整が容易な構成により、リング状レーザ光を形成することができる、円錐面を含む光学レンズおよび光学レンズの製造方法を得ることを目的とする。

本発明に係る光学レンズは、第１の面と、第１の面に対向する第２の面とを備え、リング状のレーザ光を形成するために用いられる光学レンズであって、第１の面と第２の面は、共通の光軸を有するとともに、光軸に直交し、第１の面は、凹の円錐形状を有し、第２の面は、凸形状を有するものである。

また、本発明に係る光学レンズの製造方法は、第１の面を形成するための第１の金型と、第２の面を形成するための第２の金型を、中心軸を一致させて対向配置し、プレス成形または射出成形によりレンズを製造する工程を有するものである。

本発明によれば、１つのレンズおよび保持部材で光源から発光される光をリング状レーザ光に成形することが可能になるとともに、プレス成形または射出成型によりレンズを製造できる構成を備えている。この結果、安価に製造が可能であり、かつ位置調整が容易な構成により、リング状レーザ光を形成することができる、円錐面を含む光学レンズおよび光学レンズの製造方法を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る円錐面を含む光学レンズを３次元座標軸とともに示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る円錐面を含む光学レンズの、ｘ−ｚ断面図である。 本発明の実施の形態１に係る円錐面を含む光学レンズについて、光源から入射するレーザ光の屈折を示すｘ−ｚ断面図である。 本発明の実施の形態１に係る円錐面を含む光学レンズをプレス成形により製造するための説明図である。 本発明の実施の形態２に係る円錐面を含む光学レンズの、ｘ−ｚ断面図である。 本発明の実施の形態２に係る円錐面を含む光学レンズについて、光源から入射するレーザ光の屈折を示すｘ−ｚ断面図である。 本発明の実施の形態３に係る円錐成分を含む非球面形状の入射面を備えた光学レンズの、ｘ−ｚ断面図である。 本発明の実施の形態４に係る円錐面を含む光学レンズの、ｘ−ｚ断面図である。 本発明の実施の形態４に係る円錐面を含む光学レンズについて、光源から入射するレーザ光の屈折を示すｘ−ｚ断面図である。

以下、本発明の円錐面を含む光学レンズおよび光学レンズの製造方法の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。なお、各図において同一の符号を用いたものは、実質的に同様の構成を示す。また、以下の実施の形態において、レンズの入射面と出射面を逆にして光軸に設置することも可能である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る円錐面を含む光学レンズ１を３次元座標軸とともに示す斜視図である。図１中のＸ方向が、光源２より出射したレーザ光が進行する方向であり、光軸方向である。

本実施の形態１における光学レンズ１は、円形の入射面３と出射面４、およびその側面で構成されている。光源２からのレーザ光を入射する入射面３は、凹となる円錐形状の面を有している。一方、出射面４は、凸の球面形状を有している。なお、入射面３は、光源２に向けて設置されている。

この図１においては、レンズ１を保持する保持部材、位置調整のための光学レンズホルダーおよびステージ、レンズ１を冷却するための空冷もしくは水冷装置などは、図示を省略している。

図２は、本発明の実施の形態１に係る円錐面を含む光学レンズ１の、ｘ−ｚ断面図である。図２に示すように、入射面３は、Ｘ軸方向の光軸Ｏを中心にもち、また、光軸Ｏを軸とした凹の円錐形状を含む。具体的には、入射面３に成形したＸ軸方向に対して凹となる円錐形状の面において、円錐の頂点となる点Ｔは、光軸Ｏに重なり、底面Ａ−Ａが光軸Ｏに直交している。

一方、出射面４は、凸の球面形状であり、その中心は、光軸Ｏ上にあり、球面の成形面Ｂ−Ｂは、光軸に直交している。このように、本実施の形態１における円錐面を含む光学レンズ１は、入射面３と出射面４が互いに平行するアキシコンレンズと、凸の球面レンズが一体になった形状および特性を有するとともに、互いに平行する面は、光軸に対して直交している。

次に、図３を用いて、レンズの寸法および光源２から出射した光の経路について詳細に説明する。図３は、本発明の実施の形態１に係る円錐面を含む光学レンズ１について、光源から入射するレーザ光の屈折を示すｘ−ｚ断面図である。

光源２から出射したレーザ光は、コリメートレンズなどで光軸Ｏと平行のレーザ光として成形され、光学レンズ１の入射面３に到達する。このとき、レーザ光の直径ｄは、入射面３の円錐形状の最大直径Ｄよりも小さくなければならない。

円錐面を構成するｘ−ｚ断面の二等辺三角形において、円錐の頂点Ｔに対する頂角をθとする。頂角θは、求めるリング形状レーザ光のリング径に応じて、
９０°≦θ＜１８０°
の範囲の値を取ることができる。

入射面３に到達したレーザ光は、入射面３に入射した後、頂角θとガラスの屈折率ｎの関数として、光路が屈折されることとなる。このとき、屈折した光路と光軸の角度をα／２とする。その後、レンズ内を透過するレーザ光は、光軸を中心とするリング状となる。

レンズ内を透過したレーザ光は、次に、出射面４に到達する。ここで、本実施の形態１における出射面４は、上述したように、凸の球面形状で成形されている。このため、その特性より、屈折率ｎと表面の曲率から、レーザ光は、光路が屈折されることとなる。

その後、レーザ光は、空気層へ出射され、リング状レーザ光は、凸の球面形状の焦点ｆｓに向かい、その幅ｔを低減し、焦点上で幅ｔを０とした後、幅ｔが増加しながら拡散していく。

リング状レーザ光の直径は、レンズからの距離に応じて異なる。このため、レンズの円錐の頂角θおよび球面形状の曲率を適切な値に設計することで、必要とされる直径のリング状レーザ光を得ることができる。

なお、本実施の形態１のレンズは、ガラスからなり、例えば、プレス成形で製造される。あるいは、円錐面は、研削および研磨で製造され、球面の円弧は、研磨によって製造されることも可能である。また、光源の種類、出力および波長によっては、射出成形したポリカーボネート等の樹脂レンズも選択できる。

図４は、本発明の実施の形態１に係る円錐面を含む光学レンズ１をプレス成形により製造するための説明図である。より具体的には、プレス成形における金型６とガラス７を示した模式図である。

プレス成形の場合、金型６をガラス７に転写させるため、金型６の金型面は、入射面３を形成するための上金型６ａにおいては、凸型の円錐面となり、出射面４を形成するための下金型６ｂにおいては、レンズ形状を反転させた凹型の形状になる。

これらの金型６ａ、６ｂを、例えば、図４に示すように円筒形状の胴８を用いて、中心軸を一致させながら、一方が上下にスライドするように配置する。そして、金型６ａ、６ｂ間にガラス７を挟み、高温下で圧力をかけることによって、レンズ１を製作する。

ここで、金型６ａ、６ｂ、および胴８は、例えば、数μｍの精度で製作することができる。このため、金型６ａ、６ｂと、胴８の嵌合を高精度に製作することにより、従来は位置を合わせることが困難であった円錐形状の中心軸と凸の球面形状の中心軸とを、高精度で合致させることができる。

また、成形後のガラス７が胴８の内部壁面に接して充填されるように、ガラス７の体積、あるいは金型６および胴８の形状を設計することで、レンズ外径の中心とレンズの中心軸が一致して、芯取り加工が不要となる。

以上のように、実施の形態１によれば、求めるリング状レーザ光をレンズ１個で実現できる。このため、複数枚のレンズと各々の保持部材が不要となり、部品点数が減らせ、コストが低減できる。さらに、複数のレンズの位置調整も不要となる。

また、プレス成形あるいは射出成形でレンズを製作した場合には、円錐形状の中心軸と凸の球面形状の中心軸とを高精度で合致させることができるため、調整による誤差も低減できる。さらに、レンズ外径の中心とレンズの中心軸が一致するように、ガラスの体積や金型および胴形状を設計することで、芯取り加工も不要とすることができる。

実施の形態２．
先の実施の形態１では、プレス成形による製造を前提に、出射面４が凸の球面形状として形成された、円錐面を含む光学レンズ１について説明した。これに対して、本実施の形態２では、出射面４を凸の非球面形状とする場合について説明する。出射面４を非球面とすることで、より収差のない光路を成形することが可能となる。

図５は、本発明の実施の形態２に係る円錐面を含む光学レンズ１の、ｘ−ｚ断面図である。以降では、先の実施の形態１と異なる点を中心に説明する。

先の実施の形態１では、凸の球面形状を出射面４として用いていた。しかしながら、球面のみで構築されたレンズでは、例えば、大口径のレンズが必要となった場合など、口径が大きくなるに従って球面収差が大きくなり、焦点がぼけるといった弊害の元となる。そこで、本実施の形態２では、出射面４を非球面とすることで、収差をなくすことを可能としている。

次に、図６を用いて、レンズの寸法および光源２から出射した光の経路について説明する。図６は、本発明の実施の形態２に係る円錐面を含む光学レンズ１について、光源から入射するレーザ光の屈折を示すｘ−ｚ断面図である。

なお、図６では、図６（ａ）として断面図を示すとともに、図６（ｂ）として非球面形状での焦点ｆｓ近傍の拡大図を示している。さらに、図６（ｂ）との比較を行うために、図６（ｃ）として、先の実施の形態１で説明した球面形状での焦点ｆｓ近傍の拡大図を示している。

光源２から出射されたレーザ光が出射面４に到るまでの光路は、先の実施の形態１における図３に示した経路と同様である。ここで、本実施の形態２における出射面４は、非球面形状で形成されている。このため、非球面形状の特性により、屈折率ｎと表面形状から、レーザ光の光路が屈折される。その後、レーザ光は、空気層へ出射され、リング状レーザ光は、非球面形状に合わせて、ある１点ｆｓに向かい、その幅ｔを低減し収束する。

ここで、例えば、大口径のレンズを用いた場合、先の実施の形態１のような凸の球面レンズでは、図６（ｃ）に示すように、焦点位置に収差が生じる。これに対して、本実施の形態２のような非球面レンズでは、図６（ｂ）に示すように、焦点ｆｓに光束を収束させることが可能であり、球面収差をなくすことができる。そして、本実施の形態２におけるリング状レーザ光は、収束する点ｆｓ上で幅ｔを０とした後、再び幅ｔを増加させながら、拡散していく。

以上のように、実施の形態２によれば、出射面４を非球面形状とすることで、例えば、大口径のレンズを用いた場合でも、収差なく幅の薄いリング形状を得ることが可能となる。収束する点ｆｓの位置およびリング状レーザ光の直径は、非球面形状に応じて異なる。このため、レンズの円錐の頂角θおよび非球面形状の曲率を適切に設計することで、必要とする直径のリング状レーザ光を得ることができる。

なお、本実施の形態２のレンズは、ガラスからなり、先の図４で示したプレス成形を前提とする。また、光源の種類、出力および波長によっては、射出成形したポリカーボネート等の樹脂レンズも選択できる。

プレス成形の場合、金型６をガラス７に転写させるため、金型面は、入射面３の金型においては、凸型の円錐面となり、出射面４の金型においては、非球面レンズの形状を反転させた凹型の形状になる。

実施の形態３．
本実施の形態３は、先の実施の形態１において凸の球面形状であった出射面４を平面とし、入射面３に円錐成分を含む非球面形状を構成する場合について説明する。出射面４を平面とすることで、プレス成形で使用する金型６を簡易な構造とすることができ、また、金型６の嵌合による誤差をなくすことが可能となる。なお、［発明を実施するための形態］の冒頭でも説明したように、入射面と出射面を逆にして光軸に設置することも可能である。

図７は、本発明の実施の形態３に係る円錐成分を含む非球面形状の入射面を備えた光学レンズ１の、ｘ−ｚ断面図である。以降では、先の実施の形態１と異なる点を中心に説明する。

図７の断面図として示されたように、入射面３は、Ｘ軸方向の光軸Ｏを中心にもち、光軸Ｏを軸とした凸の非球面形状を含む。ここで、非球面形状は、凸の球面もしくは非球面形状に、アキシコンの円錐成分を重ね合わせた形状である。また、出射面４は、平面である。このとき、入射面３と、出射面４は、平行である。

上述した形状は、以下に示す奇数次非球面式で表すことができ、α₁ｒ¹項のα₁が０以外の値となっている。

なお、上式における各係数は、以下の内容を意味している。
ｚ：光軸方向の座標
ｒ：光軸からの距離
ｃ：曲率半径の逆数
ｋ：コーニック係数
α₁〜α₈：非球面係数

先の実施の形態１では、円錐面を入射面３として、凸の球面形状を出射面４として用いていた。このため、プレス成形で使用する金型は、高価であり、また、形状が複雑なほど価格が高くなる。さらに、プレス成形では、金型を用いることで高精度なレンズを成形できる一方で、わずかながら金型の嵌合によってレンズの入射面と出射面に誤差が生じる。

そこで、出射面４を平面とし、入射面３に円錐成分を含む非球面形状を成形することで、金型形状を単純化することができる。この結果、金型にかかる費用を低減し、さらに、金型の嵌合による誤差も低減することが可能となる。

以上のように、実施の形態３によれば、出射面を平面形状とした上で、円錐成分を含む非球面形状として入射面を形成するようなレンズ構造を備えている。この結果、金型のコスト低減、および金型の嵌合による誤差の低減を図ることができる。

なお、本実施の形態３のレンズは、ガラスからなり、先の図４で示したプレス成形で製造される。また、光源の種類、出力および波長によっては、射出成形したポリカーボネート等の樹脂レンズも選択できる。

プレス成形の場合、金型６をガラス７に転写させるため、金型面は、入射面３の金型においては、奇数次非球面のレンズの形状を反転させた凹型の形状となり、出射面４の金型においては、平面形状になる。

実施の形態４．
先の実施の形態１では、プレス成形による製造を前提に、出射面４が凸の球面形状として形成された、円錐面を含む光学レンズ１について説明した。これに対して、本実施の形態４では、出射面４を凸の円錐形状とする場合について説明する。出射面４を円錐形状とすることで、平行なリング状レーザ光を、より容易に成形することが可能となる。

図８は、本発明の実施の形態４に係る円錐面を含む光学レンズ１の、ｘ−ｚ断面図である。以降では、先の実施の形態１と異なる点を中心に説明する。

先の実施の形態１では、凸の球面形状を出射面４として用いていた。しかしながら、球面で構築されたレンズでは、平行のリング状レーザ光を得ることはできない。アキシコンレンズをもう１つ用いることで、平行のリング状レーザ光を成形することはできる。ただし、入射面３の円錐頂点Ｔと、もう一方のアキシコンレンズの頂点を同じ光軸に設置するのは難しい。

そこで、本実施の形態４では、出射面４を凸の円錐面とする構成を採用している。このような構成を備えることで、プレスの段階で入射面３の円錐頂点Ｔと出射面４の円錐頂点を同じ光軸に合わせて成形することができる。この結果、高度な位置調整を必要とせずに平行のリング状レーザ光を得ることが可能となる。

図８の断面図として示されたように、出射面４は、Ｘ軸方向の光軸Ｏを中心にもち、また、光軸Ｏを軸とした凸の円錐形状を含む。具体的には、出射面４に成形されたＸ軸方向に凸となる円錐形状の面において、円錐の頂点となる点Ｋは、光軸Ｏに重なり、底面Ｂ−Ｂが光軸に直交している。

このとき、入射面３に成形されている円錐の底面Ａ−Ａと、出射面４に成形されている円錐の底面Ｂ−Ｂは、平行であることを特徴とする。このように、本レンズの入射面３と出射面４は、互いに円錐形状をもったアキシコンレンズが、光軸を回転中心として並んで配置されている特性をもつ。

次に、図９を用いて、レンズの寸法および光源２から出射した光の経路について詳細に説明する。図９は、本発明の実施の形態４に係る円錐面を含む光学レンズ１について、光源から入射するレーザ光の屈折を示すｘ−ｚ断面図である。

光源２から出射されたレーザ光が出射面４に到るまでの光路は、先の実施の形態１における図３に示した経路と同様である。ここで、本実施の形態４における出射面４は、入射面３と相対する凸の円錐形状で成形されている。

入射面３に成形されている頂点Ｔにおける頂角θと、出射面４に成形されている頂点Ｋにおける頂角θの角度は、同一であり、出射面４におけるレーザ光が光軸に平行になるように設計されている。また、出射面４に成形されている円錐形状の最大直径Ｄ’は、出射面４に到達した際のリングの直径よりも大きくなるよう設計されている。

これにより、光路は、空気層へ出射される際、平行のリング状レーザ光となる。リング状レーザ光の直径は、頂角θおよび円錐の頂点ＴとＫの距離に応じて異なる。このため、レンズの円錐の頂角θおよび各々の距離を適切に設計することで、必要とする直径のリング状レーザ光を得ることができる。

ここで、凸の球面レンズでは、出射面４からの距離によって得られるリング状レーザ光の直径が異なる。これに対して、アキシコンレンズでは、出射面４からどの位置でも同じ幅のリング状レーザ光を得ることができる。

以上のように、実施の形態４によれば、入射面と出射面に同一の頂角を有し、同一の光軸上に配置されたアキシコンレンズを用いたレンズ構造を備えている。この結果、平行なリング状レーザ光を、容易に得ることができる。

なお、本実施の形態４のレンズは、ガラスからなり、例えば、先の図４で示したプレス成形で製造される。また、光源の種類、出力および波長によっては、射出成形したポリカーボネート等の樹脂レンズも選択できる。

プレス成形の場合、金型６をガラス７に転写させるため、金型面は、入射面３は凸型、出射面４は凹型の円錐面となる。この金型６を高精度に製作することで、光軸のずれをなくすことが可能となる。

１ 光学レンズ、２ 光源、３ 入射面（第１の面、または第２の面）、４ 出射面（第２の面、または第１の面）、５ ホルダー、６ 金型、７ ガラス、８ 胴。

本発明に係る光学レンズは、第１の面と、第１の面に対向する第２の面とを備え、リング状のレーザ光を形成するために用いられる光学レンズであって、第１の面と第２の面は、共通の光軸を有するとともに、光軸に直交し、第１の面は、凹の円錐形状を有し、第２の面は、凸の非球面形状を有するものである。

Claims (7)

1. 第１の面と、前記第１の面に対向する第２の面とを備え、リング状のレーザ光を形成するために用いられる光学レンズであって、
   前記第１の面と前記第２の面は、共通の光軸を有するとともに、前記光軸に直交し、
   前記第１の面は、凹の円錐形状を有し、
   前記第２の面は、凸形状を有する
   光学レンズ。
2. 前記第２の面は、球面の一部となる球面形状として形成された前記凸形状を有する
   請求項１に記載の光学レンズ。
3. 前記第２の面は、非球面形状として形成された前記凸形状を有する
   請求項１に記載の光学レンズ。
4. 前記第２の面は、円錐形状として形成された前記凸形状を有し、
   前記第１の面の円錐形状の頂角と前記第２の面の円錐形状の頂角とは同一の大きさである
   請求項１に記載の光学レンズ。
5. 前記第１の面は、前記円錐形状の頂角が９０°以上１８０°未満である
   請求項１から４のいずれか１項に記載の光学レンズ。
6. 第１の面と、前記第１の面に対向する第２の面とを備え、リング状のレーザ光を形成するために用いられる光学レンズであって、
   前記第１の面と前記第２の面は、共通の光軸を有するとともに、前記光軸に直交し、
   前記第１の面は、平面形状を有し、
   前記第２の面は、奇数次の項を含む非球面式で表され、円錐成分を含む凸の非球面形状を有する
   光学レンズ。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載された光学レンズの製造方法であって、
   前記第１の面を形成するための第１の金型と、前記第２の面を形成するための第２の金型を、中心軸を一致させて対向配置し、プレス成形または射出成形によりレンズを製造する工程を有する
   光学レンズの製造方法。

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