KR100332197B1

KR100332197B1 - 굴절회절 일체형 렌즈 및 이를 이용한 장치

Info

Publication number: KR100332197B1
Application number: KR1020010002863A
Authority: KR
Inventors: 야마가타미치히로; 보쿠가즈타케; 다나카야스히로; 사사노도모히코; 오노슈스케
Original assignee: 모리시타 요이찌; 마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
Priority date: 1997-09-24
Filing date: 2001-01-18
Publication date: 2002-04-12
Also published as: DE69833997D1; KR100413175B1; EP0905531B1; KR20010100031A; KR20010083249A; US20020196428A1; KR100332199B1; US6349000B1; KR100332196B1; EP0905531A3; KR19990030116A; KR20010083250A; KR20010101845A; KR100417159B1; KR20010034934A; US7046350B2; KR100332198B1; TW582549U; EP0905531A2

Abstract

본 발명의 회절렌즈 계산장치는 회절렌즈를 적어도 하나의 윤대(輪帶, 원형띠)로 이루어진 다수의 영역으로 분할하고, 각 영역에 있어서의 회절효율정보를 보존하는 제1기억수단과, 상기 각각의 영역에 대한 중율(重率)의 정보를 보존하는 제2기억수단과, 상기 제1 및 제2기억수단으로부터 정보를 꺼내어서 상기 회절렌즈 전체의 회절효율을 하기 식(1)을 이용해서 계산하는 제1연산수단을 갖는다. 이에 따라 회절렌즈의 회절효율을 간편하게 계산할 수 있다.

j:회절광의 차수를 표시하는 정수

E_j:회절렌즈의 j차 회절광에 대한 회절효율

M:회절효율을 계산하는 영역의 수를 나타내는 양의 정수(M〉1)

m:영역의 번호

η_mj:m번째 영역의 j차 회절광에 대한 회절효율

(제1기억수단에 보존)

W_m:m번째 영역에 대한 중율(제2기억수단에 보존)

Description

굴절회절 일체형 렌즈 및 이를 이용한 장치{REFRACTION-DIFFRACTION INTEGRAL TYPE LENS AND APPARATUS USING THE SAME}

《제1발명에 대하여》

본 제1발명은 회절렌즈(이하, 그레이팅 소자가 부착된 렌즈 또는 회절소자가 부착된 렌즈라고도 한다)에 관한 것으로, 특히 다이아몬드 바이트에 의한 절삭가공으로 얻어진 회절렌즈 혹은 다이아몬드 바이트로 절삭가공한 금형을 이용해서 성형하여 얻어진 회절렌즈의 회절효율계산(시뮬레이션) 기술 및 색지움 회절렌즈의 설계기술에 관한 것이다.

또, 본 제1발명은 그레이팅 소자가 부착된 렌즈에 관한 것으로, 특히 보드 카메라, 감시 카메라 등의 소형촬상장치 및 바코드 리더 등의 판독장치에 관한 것이다.

《제2발명에 대하여》

본 제2발명은 색수차가 양호하게 보정된 판독광학시스템 및 그것을 사용하는화상판독장치 및 바코드 리더에 관한 것이다.

《제1발명에 대하여》

촬상광학시스템이나 판독광학시스템에 있어서는 결상성능이 중요하다. 이 결상성능에 영향을 주는 인자로는 렌즈의 수차, 회절, 먼지 등 광학시스템내의 것과, 환경조건 등 광학시스템외의 것이 있다. 특히, 렌즈의 굴절율이 파장마다 다름에 따라 발생하는 색수차가 결상성능을 열화시키는 하나의 요인이 되고 있다.

그래서, 종래에는 아베수가 다른 몇 개의 렌즈를 조합시킴으로써, 이 색수차의 저감을 도모하고 있으며, 이 기술외에도 색지움 렌즈시스템으로서 이상분산유리를 이용하는 것이 공지되어 있다.

또, 최근에는 색수차의 저감을 도모하는 기술로서, 렌즈 표면에 회절효과를 부여하는 기복형상(릴리프형상)을 형성하여, 색수차를 보정하는 회절소자가 부착된 렌즈가 제안되어 있다. 예를들면, 일본국 특개평8-508116호 공보에 있어서는 가시 전역의 색수차를 단렌즈로 구성된 회절소자가 부착된 렌즈로 보정하는 것이 제안되어 있다.

또, 최근 회절렌즈를 이용해서 색지움 렌즈나 2초점렌즈 등 렌즈의 고기능화를 도모하는 제안이 많이 나와 있다(예를들면 일본국 특개평8-171052호 공보, 동 특원평8-290080호). 이들 회절렌즈의 대부분은 렌즈 혹은 유리 등 평판 표면상에 주기적인 기복형상을 구성하여 이루어진 소위 릴리프형 회절렌즈이다.

릴리프형의 회절렌즈에는 크게 2종류의 가공방법이 있다. 하나는, 다이아몬드 바이트에 의한 절삭가공인데, 그 경우에는 톱니형상의 릴리프(기복형상)를 가공할 수 있다. 다른 하나는, 포토리소그래피에 의한 방법으로, 상기 톱니형상의 릴리프가 계단형상에 근사한 것이 되어 바이너리형이라 불리우고 있다.

회절렌즈를 이용 혹은 설계할 때 회절효율은 중요한 특성치이다.

바이너리형인 경우에는 스완손(Swanson)들 (G.J.Swanson and Wilfird B. Veldkamp, “Diffractive optical elements for use in infrared systems”, Optical Engineering, Vol.28, No.6, (1989)에 의해 제조공정에서 사용하는 마스크의 매수와 회절효율의 관련이 계산되어 일반적으로 공지되어 있다.

또, 피치가 파장에 비해 충분히 길고, 위상변화가 1파장 정도의 주기적인 릴리프형 회절격자의 회절효율은 그 단면형상을 토대로 재료의 굴절율로부터 투과 파면의 위상지연량을 계산하고, 그 값을 푸리에 변환했을 때의 푸리에 계수로서 얻어지는 것(스칼라회절이론)이 일반적으로 공지되어 있다(예를들면 M.C.Hutley, “Diffraction Grating”, Academic Press, Chap. 2, 1982).

도 49(a)는 다이아몬드 바이트를 이용한 회절렌즈용 금형의 가공을 나타내는 개략도이다. 화살표방향으로 자전하는 금형(1901)은 다이아몬드 바이트(1902)에 의해 가공된다. 다이아몬드 바이트는 선단이 예리하여 회절렌즈 또는 회절렌즈용 금형 가공에 적합하다.

도 49(b)는 도 49(a)의 가공부A를 확대한 도면이다. 다이아몬드 바이트의 선단(1903)은 어떤 곡률반경(노즈반경)(1904)을 가진 원호형상이다. 여기서, 설계형상이 2점쇄선(1905)으로 나타낸 바와 같은 톱니형상인 경우라도 그 함몰부는 다이아몬드 바이트 선단부의 곡률반경과 거의 동일한 반경을 가진 원호형상(1906)으로가공되어 버린다.

도 50은 간단히 하기 위해 평판상에 회절렌즈를 형성한 경우의 금형 및 렌즈의 가공을 설명하는 개략단면도이다.

렌즈의 설계형상이 도 50(a)인 경우, 이 렌즈를 제조하기 위한 금형의 설계형상은 도 50(b)와 같이 된다. 그러나, 선단이 소정의 곡률반경을 가진 원호형상의 다이아몬드 바이트(2001)를 이용해서 가공한 경우에는, 도 50(c)에 나타낸 바와 같이 금형 단면에서 오목해진 각부가 둥글게 된다. 그 결과, 성형된 렌즈는 도 50(d)와 같은 릴리프형상이 된다.

또, 도 50(e)는 가공후의 도 50(c)의 금형표면A부를 미세하게 관찰한 경우의 확대단면도이다. 바이트의 이송속도와 바이트의 곡률반경에 의해 미소한 기복으로 이루어진 절삭 흔적(2002)이 남는다. 이 절삭 흔적도 렌즈 표면에 전사된다.

회절렌즈의 회절효율은 릴리프형상의 영향을 받으므로, 이와 같이 렌즈의 제조 과정에서 형상이 열화되었을 경우, 회절효율이 설계값으로부터 벗어나게 되어 버린다.

상술한 바와 같은 회절효율의 변화를 방지하기 위해서는, 선단이 예리한 바이트를 사용하면 되지만, 이 때에는 가공에 필요한 절삭거리가 길어진다든지, 바이트의 마모로 인한 열화가 커진다든지, 바이트 자체가 치핑 등을 일으키기 쉽다는 등 기술적으로 곤란한 과제가 많으며, 결과적으로 생산성을 현저하게 나쁘게 한다.

여기서, 바이트 선단의 곡률반경과, 얻어지는 회절렌즈의 회절효율 관계를 알 수 있다면, 제조공정에서의 회절효율 저하를 허용할 수 있는 범위로 억제하려면, 어떠한 바이트를 선택하면 좋은지를 절삭가공전에 판단할 수 있어서, 필요 이상으로 예리한 바이트를 사용하지 않아도 되기 때문에 생산효율상 유용하다.

또, 회절렌즈설계시에 가공법을 감안하여 회절효율을 계산할 수 있으면, 가공법을 렌즈설계의 파라미터의 하나로 해서 제조하기 쉬운 렌즈를 설계할 수 있다. 따라서, 렌즈설계시에 가공법을 고려하여 최종적으로 얻어지는 회절효율을 간편하게 계산하는 수법이 요구된다.

회절렌즈 응용의 대표적인 예로서 색지움 렌즈를 들 수 있다. 이것은 굴절렌즈의 색수차를 회절렌즈의 색수차로 보정하는 것이다. 이와 같은 렌즈로는, 일본국 특개평6-242373호 공보나 동 특개평8-171052호 공보 등이 공지되어 있다. 상기 양 공보에 개시된 렌즈는 모두 회절렌즈의 윤대(원형띠)수가 많으므로, 다이아몬드 바이트를 이용한 절삭가공 등을 이용해서 렌즈의 금형을 가공한 경우에 가공이 곤란해지고, 또 바이트 정점의 곡률에 의한 형상열화로 인해 회절효율이 저하되어 버린다. 그러나, 상기 양 공보에서는 이들 문제에 대해 설계적인 배려가 되어 있지 않아서 회절효율의 확보와 생산성 확보의 양립이 곤란하였다.

또, 상기 종래의 기술에 있어서는, 그레이팅 소자를 형성하는 기복형상의 간격은 광축을 벗어남에 따라 서서히 작아져 간다. 그 때문에 주변부에서는 그 간격이 미소해져 버리므로, 회절효율이 열화되어 버리거나, 가공이 곤란해지는 등 문제가 발생한다.

또, 반경각이 60도 이상의 광화각 렌즈의 배율 색수차를 1매의 그레이팅 소자면에서 보정하려고 하면, 그레이팅 소자의 초점거리를 짧게 하지 않으면 안된다.그러나, 그와 같이 하면 축상 색수차가 보정 과잉이 되어 버려서 양호한 결상성능을 얻을 수 없다. 또, 기복형상의 수도 많아져 버리므로, 회절효율이 열화되어 버리거나, 가공이 곤란해지는 등 문제가 발생한다.

《제2발명에 대해》

화상정보나 원고, 코드정보 등을 CCD 등의 이미지 센서상에 결상시키는 판독광학시스템으로는 종래부터 여러 가지가 제안되어 있다. 이런 종류의 판독광학시스템에는 원고를 고밀도의 CCD라인 센서위에 투영하기 위해 충분히 높은 MTF를 가질 것이 요구되는데, 그를 위해서는 제수차를 양호하게 보정하는 일이 필요하다.

종래에는, 특히 결상성능열화의 하나의 요인인 색수차를 보정하기 위해, 아베수가 다른 다수매의 렌즈를 조합하였다. 예를들면 일본국 특개평5-119255호 공보에는 3군 3매의 렌즈로 판독광학시스템을 구성함으로써 색수차를 보정하고, 또 렌즈의 재료로서 수지재료를 이용함으로써 저코스트화를 도모하는 기술이 개시되어 있다. 또, 일본국 특개평1-133659호 공보에 있어서 1매의 비구면렌즈에 의해 그 판독광학시스템을 구성한 바코드 리더가 개시되어 있다.

그러나, 상기 일본국 특개평5-119255호 공보에 개시된 판독광학시스템에서는, 다수매의 렌즈를 필요로 하기 때문에, 렌즈의 가공 및 조립공정이라는 관점에서 저코스트화에는 한계가 있었다. 또, 렌즈의 재료로서 수지재료를 이용함으로써 저코스트화를 도모할 수 있으나, 수지재료의 종류는 한정되어 있기 때문에, 색수차의 보정에도 한계가 있었다. 또, 상기 일본국 특개평1-133659호 공보에 개시된 바코드 리더로는 색수차를 보정할 수 없으며, 단파장에서 사용할 필요가 있기 때문에, LED 등의 광원이 필요해지므로 소형화, 저코스트화에는 한계가 있었다.

본 제1발명은 상기의 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 다이아몬드 바이트를 이용한 절삭가공에 의한 렌즈금형을 이용한 렌즈의 회절효율을 간편하게 계산하는 수법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또, 본 제1발명은 다이아몬드 바이트를 이용한 절삭가공에서의 생산성이 뛰어나고, 또 색지움 작용도 충분히 만족할 회절굴절 일체형 렌즈를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또, 본 제1발명은 상기의 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 회절효과를 주는 기복형상의 간격을 연구함으로써, 종래의 회절소자가 부착된 렌즈의 특징을 살리면서 렌즈가공이 용이한 회절소자가 부착된 렌즈를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또, 본 제2발명은 종래 기술에 있어서의 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 렌즈면에 회절효과를 갖게 함으로써, 렌즈의 구성매수를 증가시키지 않고 색수차가 보정된 양호한 결상성능을 발휘시킬 수 있는 판독광학시스템 및 그것을 이용한 화상판독장치 및 바코드 리더를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 제1실시형태에 관한 회절효율 계산장치의 외관도,

도 2는 본 발명의 제1실시형태에 관한 회절효율 계산장치의 블록구성도,

도 3은 본 발명의 제1실시형태에 관한 회절효율 계산장치의 알고리즘 설명도,

도 4는 본 발명의 제1실시형태에 관한 회절효율 계산장치의 데이터 배열의 설명도,

도 5는 본 발명의 제1실시형태에 관한 회절효율 계산장치의 계산 알고리즘 설명도,

도 6은 FFT를 이용한 회절효율 계산법의 알고리즘 설명도,

도 7은 반도체 레이저의 광량 분포의 설명도,

도 8은 본 발명의 제2실시형태에 관한 회절효율 계산장치의 계산 알고리즘 설명도,

도 9는 본 발명의 제3실시형태에 관한 회절효율 계산장치의 알고리즘 설명도,

도 10은 본 발명의 제3실시형태에 있어서의 가공후 릴리프형상의 계산 설명도,

도 11은 본 발명의 제3실시형태에 관한 회절효율 계산장치에서 설계 릴리프형상으로부터 가공후의 릴리프형상을 계산한 예를 나타낸 도면,

도 12는 바이트의 이송속도를 감안하여 가공후의 릴리프형상을 계산하는 알고리즘 설명도,

도 13은 바이트의 이송속도를 감안하여 가공후의 릴리프형상을 계산하는 과정의 설명도,

도 14는 본 발명의 제4실시형태에 관한 회절효율 계산장치의 계산 알고리즘 설명도,

도 15는 제5실시형태에 관한 렌즈형상 계측장치의 구성도,

도 16은 제5실시형태에 관한 렌즈형상 계측장치의 알고리즘 설명도,

도 17은 형상계측데이터로부터 거시적인 곡면형상을 제거하는 데이터처리의 설명도,

도 18은 제6실시형태에 관한 회절효율을 감안한 렌즈설계의 알고리즘 설명도,

도 19는 제9실시형태에 관한 광정보기록 재생장치의 대물렌즈의 개략 형상 및 광로를 나타낸 도면,

도 20은 제10실시형태에 관한 광헤드의 구성도,

도 21은 제11실시형태에 관한 촬상용 렌즈를 나타낸 도면,

도 22는 제12실시형태에 관한 촬상장치의 구성도,

도 23은 본 발명의 제13실시형태에 관한 그레이팅 소자가 부착된 렌즈의 구성을 나타낸 단면도,

도 24는 본 발명의 제13실시형태에 관한 그레이팅 소자가 부착된 렌즈의 광선고(光線高)와 위상지연의 관계를 나타낸 그래프,

도 25는 본 발명의 제13실시형태에 관한 그레이팅 소자가 부착된 렌즈의 광선고와 위상지연의 관계를 나타낸 그래프와, 그것에 의해 형성되는 구체적인 회절소자의 기복형상을 나타낸 개략도,

도 26은 본 발명의 제14실시형태에 관한 그레이팅 소자가 부착된 렌즈의 구성을 나타낸 단면도,

도 27은 본 발명의 제14실시형태에 관한 그레이팅 소자가 부착된 렌즈의 광선고와 위상지연의 관계를 나타낸 그래프와, 그것에 의해 형성되는 구체적인 회절소자의 기복형상을 나타낸 개략도,

도 28은 본 발명의 제15실시형태에 관한 그레이팅 소자가 부착된 렌즈의 구성을 나타낸 단면도,

도 29는 본 발명의 제15실시형태에 관한 그레이팅 소자가 부착된 렌즈의 광선고와 위상지연의 관계를 나타낸 그래프와, 그것에 의해 형성되는 구체적인 회절소자의 기복형상을 나타낸 개략도,

도 30은 본 발명의 제15실시형태에 관한 그레이팅 소자가 부착된 렌즈의 축상광과 축외광에 있어서 광선의 경로를 나타낸 개략도,

도 31은 본 발명의 제16실시형태에 관한 촬상장치의 구성을 나타낸 개략도,

도 32는 본 발명의 제17실시형태에 관한 판독장치의 구성을 나타낸 개략도,

도 33은 본 발명의 제18실시형태에 있어서 판독광학시스템의 일실시예를 나타낸 단면도,

도 34는 도 33에 따른 판독광학시스템의 제수차도,

도 35는 본 발명의 제18실시형태에 있어서 판독광학시스템의 또다른 실시예를 나타낸 단면도,

도 36은 도 35에 따른 판독광학시스템의 제수차도,

도 37은 본 발명의 제19실시형태에 있어서 판독광학시스템의 일실시예를 나타낸 단면도,

도 38은 도 37의 판독광학시스템이 가장 물체측으로 이동했을 때의 제수차도,

도 39는 도 37의 판독광학시스템이 가장 상측으로 이동했을 때의 제수차도,

도 40은 스웨트(Sweatt) 모델의 오차 해석을 설명하기 위한 도면,

도 41은 스웨트(Sweatt) 모델의 오차 해석을 설명하기 위한 도면,

도 42는 그레이팅 소자면으로 교환하기 전의 렌즈 상측면의 확대단면도,

도 43은 도 42에 나타낸 렌즈면을 교환하여 형성된 그레이팅 소자면의 확대단면도,

도 44는 그레이팅 소자면의 키노폼 형상을 나타낸 확대단면도,

도 45는 본 발명의 제20실시형태에 있어서의 화상판독장치를 나타낸 개략구성도,

도 46은 본 발명의 제21실시형태에 있어서의 화상판독장치를 나타낸 개략구성도,

도 47은 본 발명의 제22실시형태에 있어서의 바코드 리더를 나타낸 개략구성도,

도 48은 본 발명의 제23실시형태에 있어서의 바코드 리더를 나타낸 개략구성도,

도 49는 다이아몬드 바이트를 사용한 금형의 절삭가공 개략도,

도 50은 다이아몬드 바이트를 사용한 금형가공과, 그것을 사용해서 성형한 렌즈의 개략도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

101:계산기 본체 102:디스플레이

103:FDD(프로피디스크 드라이브장치)

104:키보드 105:HDD(하드 디스크 드라이브장치)

106:프린터 107:접속케이블

108:프로피디스크 109:광디스크

601:반도체 레이저 602:x축

603:y축 604:렌즈의 유효직경

801:설계 릴리프형상 802:설계 릴리프의 정점

803:가공용 바이트의 노즈 반경과 같은 반경의 원호

804:계산에 의해 구해진 가공후의 릴리프형상

901:릴리프의 설계형상

902:바이트의 이송속도s와 같은 간격으로 평행하게 그은 직선

903:절삭가공후 릴리프형상의 계산결과

1201:피검렌즈 1202:스테이지

1203:스테이지 제어장치 1204:촉침

1205:촉침 제어장치 1206:연산장치

1207:하드 디스크 드라이브장치(HDD)

1208:키보드 1209:디스플레이

1501:광정보 기록재생장치용 대물렌즈

1502:회절렌즈 1503:정보기록매체의 보호수지

1504:입사 광속 1601:레이저 광원

1602:발산광속 1603:콜리메이트렌즈

1604:대략 평행광속 1605:빔 스프리터

1606:광정보 기록재생장치용 대물렌즈

1607:디스크 1608:검출광학시스템

1609:수광소자 1701:촬상용렌즈

1702:회절렌즈 1703:입사광

1704:상평면 1801:촬상용렌즈

1802:CCD디바이스 1803:신호처리회로

1901:금형 1902:다이아몬드 바이트

1903:다이아몬드 바이트의 선단 1904:노즈반경

1905:설계형상 1906:가공후 형상

2001:다이아몬드 바이트 2002:절삭 흔적

2201:형상 계측에 의해 얻어진 데이터

2202:종축(렌즈의 새그량) 2203:횡축(렌즈의 직경)

2204:최소 2승법으로 구한 비구면

2205:계측데이터로부터 비구면을 제거하여 얻어진 릴리프형상

2301:설계 릴리프형상 2302:10㎛ 바이트로 가공한 릴리프형상

2303:설계 릴리프형상 2304:30㎛ 바이트로 가공한 릴리프형상

2305:설계 릴리프형상 2306:설계 릴리프형상

2307:10㎛ 바이트로 가공한 릴리프형상

2308:설계 릴리프형상 2309:30㎛ 바이트로 가공한 릴리프형상

2310:설계 릴리프형상 3001:그레이팅 소자가 부착된 렌즈

3002:평판유리 3005:상면

3011:촬상소자 3012:신호처리회로

3013:광축 3021:이미지센서

3022:신호처리회로 5001:조리개

5002:렌즈 5003:평판

5004:상면(像面) 5050:베이스 비구면

5051:고굴절율면 5052:고굴절율부

5060:그레이팅 소자면 5061:판독광학시스템

5062:이미지센서 5063:회로부

5071:판독광학시스템 5072:구동장치

5073:이미지센서 5074:신호처리회로

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은 이하의 구성으로 한다.

《제1발명에 대하여》

본 발명의 제1구성에 관한 회절효율 계산장치는, 각각이 적어도 하나의윤대(원형띠)를 포함하는 다수의 영역으로 분할된 회절렌즈의 회절효율을 계산하는 장치에 있어서, 상기 각 영역에 있어서 회절효율의 정보를 보존하는 제1기억수단과, 상기 각각의 영역에 대한 중율(重率)의 정보를 보존하는 제2기억수단과, 상기 제1 및 제2기억수단으로부터 정보를 꺼내고, 상기 회절렌즈 전체의 회절효율을 하기 식(1)을 이용해서 계산하는 제1연산수단을 가진 것을 특징으로 한다.

j:회절광의 차수를 표시하는 정수

E_j:회절렌즈의 j차 회절광에 대한 회절효율

m:영역의 번호

η_mj:m번째 영역의 j차 회절광에 대한 회절효율

(제1기억수단에 보존)

W_m:m번째 영역에 대한 중율(제2기억수단에 보존)

또, 본 발명의 제1구성에 관한 회절효율 계산방법은, 각각이 적어도 하나의 윤대를 포함하는 다수의 영역으로 분할된 회절렌즈의 회절효율을 계산하는 방법에 있어서, 상기 각 영역에 있어서 회절효율의 정보를 보존하는 제1기억순서와, 상기 각각의 영역에 대한 중율의 정보를 보존하는 제2기억순서와, 상기 제1 및 제2기억순서에 의해 보존된 정보를 꺼내고, 상기 회절렌즈 전체의 회절효율을 하기 식(1)을 이용해서 계산하는 제1연산순서를 가진 것을 특징으로 한다.

j:회절광의 차수를 표시하는 정수

E_j:회절렌즈의 j차 회절광에 대한 회절효율

m:영역의 번호

η_mj:m번째 영역의 j차 회절광에 대한 회절효율

(제1기억순서에 의해 보존)

W_m:m번째 영역에 대한 중율(제2기억순서에 의해 보존)

또, 본 발명의 제1구성에 관한 기록매체는, 각각이 적어도 하나의 윤대를 포함하는 다수의 영역으로 분할된 회절렌즈의 회절효율을 계산하는 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독가능한 기록매체에 있어서, 상기 각 영역에 있어서 회절효율의 정보를 보존하는 제1기억순서와, 상기 각각의 영역에 대한 중율의 정보를 보존하는 제2기억순서와, 상기 제1 및 제2기억순서에 의해 보존된 정보를 꺼내고, 상기 회절렌즈 전체의 회절효율을 하기 식(1)을 이용해서 계산하는 제1연산순서를 컴퓨터에 실행시키기 위한 프로그램이 기록된 것을 특징으로 한다.

j:회절광의 차수를 표시하는 정수

E_j:회절렌즈의 j차 회절광에 대한 회절효율

m:영역의 번호

η_mj:m번째 영역의 j차 회절광에 대한 회절효율

(제1기억순서에 의해 보존)

W_m:m번째 영역에 대한 중율(제2기억순서에 의해 보존)

본 발명의 상기 제1의 각 구성에 의하면, 회절렌즈를 다수의 영역으로 분할하고, 각 영역마다 중율을 부여하여 전체의 회절효율을 얻기로 했으므로, 각 영역마다 회절효율이 다른 경우라도 렌즈 전체의 회절효율을 정확하게 효율적으로 계산할 수 있다. 본 발명의 회절효율의 계산은 컴퓨터를 이용해서 실행하는데 적합하다.

또, 본 발명의 제2구성에 관한 회절효율 계산장치는, 각각이 적어도 하나의 윤대를 포함하는 다수의 영역으로 분할된 회절렌즈의 회절효율을 다수의 파장에 대해 계산하는 장치에 있어서, 상기 각 영역에 있어서 다수의 파장에 대한 회절효율의 정보를 보존하는 제1기억수단과, 상기 각각의 영역에 대한 중율의 정보를 보존하는 제2기억수단과, 상기 회절렌즈의 릴리프 단면형상의 정보를 보존하는 제3기억수단과, 다수의 파장 정보를 보존하는 제4기억수단과, 상기 다수의 파장에 대한 회절렌즈 재료의 다수의 굴절율 정보를 보존하는 제5기억수단과, 상기 제3기억수단에 보존하는 상기 회절렌즈의 릴리프 단면형상을 계산하는 제4연산수단과, 상기 제1기억수단에 보존하는 상기 다수의 파장에 대한 상기 각 영역에 있어서의 회절효율을 상기 제3, 제4 및 제5기억수단으로부터 꺼낸 정보를 이용하여 계산하는 제2연산수단과, 상기 제2연산수단을 상기 파장의 수와 같은 회수만큼 반속해서 동작시키는 제3반복수단과, 상기 제3반복수단을 상기 영역의 수와 같은 회수만큼 반복해서 동작시키는 제4반복수단과, 상기 제1 및 제2기억수단으로부터 정보를 꺼내고, 상기 회절렌즈 전체의 회절효율을 하기 식(5)을 이용해서 계산하는 제1연산수단을 가진 것을 특징으로 한다.

j:회절광의 차수를 표시하는 정수

l:파장의 번호

E_jl:첫번째 파장에 있어서 회절렌즈의 j차 회절광에 대한 회절효율

m:영역의 번호

W_m:m번째 영역에 대한 중율

η_mjl:첫번째 파장에 있어서 m번째 영역의 j차 회절광에 대한 회절효율

또, 본 발명의 제2구성에 관한 회절효율 계산방법은, 각각이 적어도 하나의 윤대를 포함하는 다수의 영역으로 분할된 회절렌즈의 회절효율을 다수의 파장에 대해 계산하는 방법에 있어서, 상기 각 영역에 있어서 다수의 파장에 대한 회절효율의 정보를 보존하는 제1기억순서와, 상기 각각의 영역에 대한 중율의 정보를 보존하는 제2기억순서와, 상기 회절렌즈의 릴리프 단면형상의 정보를 보존하는 제3기억순서와, 다수의 파장 정보를 보존하는 제4기억순서와, 상기 다수의 파장에 대한 회절렌즈 재료의 다수의 굴절율 정보를 보존하는 제5기억순서와, 상기 제3기억순서에서 보존되는 상기 회절렌즈의 릴리프 단면형상을 계산하는 제4연산순서와, 상기 제1기억순서에서 보존되는 상기 다수의 파장에 대한 상기 각 영역에 있어서의 회절효율을 상기 제3, 제4 및 제5기억순서에 의해 보존된 정보를 꺼내어서 계산하는 제2연산순서와, 상기 제2연산순서를 상기 파장의 수와 같은 회수만큼 반속해서 행하는 제3반복순서와, 상기 제3반복순서를 상기 영역의 수와 같은 회수만큼 반복해서 행하는 제4반복순서와, 상기 제1 및 제2기억순서에 의해 보존된 정보를 꺼내고, 상기 회절렌즈 전체의 회절효율을 하기 식(5)를 이용해서 계산하는 제1연산순서를 가진 것을 특징으로 한다.

j:회절광의 차수를 표시하는 정수

l:파장의 번호

m:영역의 번호

W_m:m번째 영역에 대한 중율

또, 본 발명의 제2구성에 관한 기록매체는, 각각이 적어도 하나의 윤대를 포함하는 다수의 영역으로 분할된 회절렌즈의 회절효율을 다수의 파장에 대해 계산하는 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독가능한 기록매체에 있어서, 상기 영역에 있어서 다수의 파장에 대한 회절효율 정보를 보존하는 제1기억순서와, 상기 각각의 영역에 대한 중율의 정보를 보존하는 제2기억순서와, 상기 회절렌즈의 릴리프 단면형상의 정보를 보존하는 제3기억순서와, 다수의 파장 정보를 보존하는 제4기억순서와, 상기 다수의 파장에 대한 회절렌즈 재료의 다수의 굴절율 정보를 보존하는 제5기억순서와, 상기 제3기억순서에서 보존된 상기 회절렌즈의 릴리프 단면형상을 계산하는 제4연산순서와, 상기 제1기억순서에서 보존되는 상기 다수의 파장에 대한 상기 각 영역에 있어서의 회절효율을 상기 제3, 제4 및 제5기억순서에 의해 보존된 정보를 꺼내어서 계산하는 제2연산순서와, 상기 제2연산순서를 상기 파장의 수와 같은 회수만큼 반속해서 행하는 제3반복순서와, 상기 제3반복순서를 상기 영역의 수와 같은 회수만큼 반복해서 행하는 제4반복순서와, 상기 제1 및 제2기억순서에 의해 보존된 정보를 꺼내고, 상기 회절렌즈 전체의 회절효율을 하기 식(5)를 이용해서 계산하는 제1연산순서를 컴퓨터에 실행시키기 위한 프로그램이 기록된 것을 특징으로 한다.

j:회절광의 차수를 표시하는 정수

l:파장의 번호

m:영역의 번호

W_m:m번째 영역에 대한 중율

본 발명의 상기 제2의 각 구성에 의하면, 다수의 파장에 대해 회절효율을 계산할 필요가 있는 경우, 비교적 적은 기억용량으로 고속으로 계산할 수 있다.

또, 본 발명의 렌즈형상 계측장치는, 회절렌즈 또는 회절렌즈용 금형으로 이루어진 피계측물의 표면형상을 계측하기 위한 렌즈형상 계측장치에 있어서, 상기 피계측물의 표면형상을 계측하는 형상계측수단과, 상기 형상계측수단에 의해 얻어진 계측데이터로부터 상기 피계측물의 거시적인 구면, 비구면 및 평면의 어느 한성분을 제거하는 연산장치와, 상기 거시적 성분이 제거된 계측데이터에 의거해서 상기 회절렌즈의 회절효율을 계산하는 회절효율 계산장치를 가지며, 상기 회절효율 계산장치가 상기 제1구성에 관한 회절효율 계산장치인 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 회절효율 계산방법은, 회절렌즈 또는 회절렌즈용 금형으로 이루어진 피계측물의 표면형상을 계측함으로써 회절렌즈의 회절효율을 계산하는 방법에 있어서, 상기 피계측물의 표면형상을 계측하는 형상계측순서와, 상기 형상계측순서에 의해 얻어진 계측데이터로부터 상기 피계측물의 거시적인 구면, 비구면 및 평면의 어느 한 성분을 제거하는 연산순서와, 상기 거시적 성분이 제거된 계측데이터에 의거해서 상기 회절렌즈의 회절효율을 계산하는 회절효율 계산순서를 가지며, 상기 회절효율 계산순서로서 상기 제1구성에 관한 회절효율 계산방법을 이용하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 기록매체는, 회절렌즈 또는 회절렌즈용 금형으로 이루어진 피계측물의 표면형상을 계측함으로써 회절렌즈의 회절효율을 계산하는 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독가능한 기록매체에 있어서, 상기 피계측물의 표면형상을 계측하는 형상계측순서와, 상기 형상계측순서에 의해 얻어진 계측데이터로부터 상기 피계측물의 거시적인 구면, 비구면 및 평면의 어느 한 성분을 제거하는 연산순서와, 상기 거시적 성분이 제거된 계측데이터에 의거해서 상기 회절렌즈의 회절효율을 계산하는 회절효율 계산순서를 컴퓨터에 실행시키기 위한 프로그램이 기록되어 있으며, 상기 회절효율 계산순서를 실행시키기 위한 프로그램이 상기 제1구성에 관한 기록매체에 기록된 프로그램인 것을 특징으로 한다.

이러한 각 구성에 의하면, 실제로 얻어진 회절렌즈 또는 회절렌즈 성형용 금형의 릴리프형상을 계측함으로써, 회절렌즈의 회절효율을 얻을 수 있으므로, 얻어진 렌즈나 렌즈 성형용 금형의 형상정밀도가 어느 정도 회절효율에 영향을 주는지를 알 수 있어서, 형상 정밀도의 공차 결정이나 불량품의 선별 등 제품의 품질관리상 유효한 판단재료를 얻을 수 있다. 또한, 실제로 얻어진 릴리프형상으로부터 계산된 회절효율을 설계상의 릴리프형상으로부터 구한 회절효율과 비교함으로써, 회절렌즈 제조공정의 각종 조건과 얻어진 렌즈의 회절효율과의 관계를 알 수 있다. 따라서, 이 관계를 렌즈설계에 투영시킴으로써 최종적으로 얻어지는 회절 렌즈의 회절효율의 정확한 예측과, 최적의 제조조건을 선택할 수 있다.

또, 본 발명의 렌즈설계장치는, 회절렌즈를 설계하기 위한 장치에 있어서, 렌즈의 설계데이터를 입력하는 입력수단과, 상기 설계데이터에 의거해서 얻어진 회절렌즈의 광학성능 및 회절효율을 계산하는 연산수단을 가지며, 상기 회절효율을 계산하는 연산수단이 상기 제1구성에 관한 회절효율 계산장치인 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 렌즈설계방법은, 회절렌즈를 설계하기 위한 방법에 있어서, 렌즈의 설계데이터를 입력하는 입력순서와, 상기 설계데이터에 의거해서 얻어지는 회절렌즈의 광학성능 및 회절효율을 계산하는 연산순서와, 상기 연산순서의 결과에 의거해서 렌즈 성능의 최적화를 행하는 최적화 순서를 가지며, 상기 회절효율을 계산하는 연산순서가 상기 제1구성에 관한 회절효율 계산방법인 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 기록매체는, 회절렌즈를 설계하는 프로그램을 기록한 컴퓨터판독가능한 기록매체에 있어서, 렌즈의 성능평가에 이용하는 평가 함수를 컴퓨터에 실행시키기 위한 프로그램이 기록되어 있으며, 상기 프로그램은 상기 제1구성에 관한 기록매체에 기록된 프로그램을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이러한 각 구성에 의하면, 설계데이터에 의거해서 최종적으로 얻어지는 회절렌즈의 광학특성 및 회절효율을 정확하게 예측할 수 있으므로, 색수차의 보정량과 회절효율 허용량의 양쪽 제약조건을 고려하면서 렌즈설계를 할 수 있다. 따라서, 단시간에 효율적이고 양호한 특성을 가진 회절 렌즈를 설계할 수 있다. 또한, 얻어진 렌즈의 회절효율의 계산에 제조공정의 각종 조건(예를들면 절삭바이트 선단부의 곡률 반경, 바이트의 이송속도 등)과 얻어지는 렌즈의 회절효율과의 관계를 가미함으로써, 렌즈설계와 동시에 최적의 제조조건을 함께 선택할 수 있다.

본 발명에 관한 굴절회절 일체형 렌즈는, 다수의 동심원상의 윤대로 구성된 회절렌즈를, 굴절렌즈중 적어도 하나의 면상에 형성되어 이루어진 굴절회절 일체형 렌즈에 있어서, 하기 식(6)으로 정의되는 k가 0.1≤k를 만족하는 것을 특징으로 한다.

f:상기 굴절회절 일체형 렌즈의 합성초점거리

f_d:회절렌즈의 초점거리

f_g:상기 굴절렌즈의 초점거리

ν_d:상기 회절렌즈의 사용파장영역에 있어서 부분분산계수

ν_g:상기 굴절렌즈의 사용파장영역에 있어서 부분분산계수

상기 구성에 의하면, 다이아몬드 바이트를 이용한 절삭가공에 의해 굴절회절 일체형 렌즈 또는 굴절회절 일체형 렌즈용 성형금형을 높은 생산성으로 제조할 수 있다.

본 발명에 관한 대물렌즈는, 동심원상의 윤대로 구성된 회절렌즈를, 입사면과 사출면으로 구성된 단렌즈중 적어도 하나의 면상에 형성되어 이루어진 굴절회절 일체형 광정보기록 재생장치용 대물렌즈에 있어서, 하기 식(6)으로 정의되는 k가 0.2≤k≤0.6을 만족하는 것을 특징으로 한다.

f:상기 굴절회절 일체형 렌즈의 합성초점거리

f_d:회절렌즈의 초점거리

f_g:상기 굴절렌즈의 초점거리

ν_d:상기 회절렌즈의 사용파장영역에 있어서 부분분산계수

ν_g:상기 굴절렌즈의 사용파장영역에 있어서 부분분산계수

상기 구성에 의하면, 다이아몬드 바이트를 이용한 절삭가공에 의해 대물렌즈 또는 대물렌즈용 성형금형을 제조하는 경우, 양호한 색수차 보정과 렌즈의 생산성을 양립시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 대물렌즈를 구비한 광헤드장치는, 광원의 파장이 변화해도 대물렌즈의 초점거리의 변화가 작고, 또 미광이 감소되므로 양호한 신호출력을 얻을 수 있다. 또, 이와 같은 특성을 가진 대물렌즈를 단렌즈로 구성할 수 있기 때문에 광헤드의 소형화가 가능하다.

본 발명에 관한 촬상용 렌즈는, 동심원상의 윤대로 구성된 회절렌즈를 입사면과 사출면으로 구성된 단렌즈중 적어도 하나의 면상에 형성되어 이루어진 굴절회절 일체형 촬상용 렌즈에 있어서, 하기 식(6)으로 정의되는 k가 0.3≤k를 만족하는 것을 특징으로 한다.

f:상기 굴절회절 일체형 렌즈의 합성초점거리

f_d:회절렌즈의 초점거리

f_g:상기 굴절렌즈의 초점거리

ν_d:상기 회절렌즈의 사용파장영역에 있어서 부분분산계수

ν_g:상기 굴절렌즈의 사용파장영역에 있어서 부분분산계수

상기 구성에 의하면, 다이아몬드 바이트를 이용한 절삭가공에 의해 촬상용 렌즈 또는 촬상용 렌즈용 성형금형을 생산성좋게 제조할 수 있다. 또, 0.4≤k≤0.7을 만족하면, 가공성이 뛰어나고, 결상성능도 양호한 촬상용 렌즈를 얻을 수 있다.따라서, 본 발명의 촬상용 렌즈를 구비한 촬상장치는 색수차가 양호하게 제거되어 플레어가 적은 화상을 얻을 수 있다.

또, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제1구성에 관한 그레이팅 소자가 부착된 렌즈는, 렌즈 표면에 동심형상의 기복형상을 형성하고 회절효과를 줌으로써 색수차가 보정되는 그레이팅 소자가 부착된 렌즈에 있어서, 그레이팅 소자의 초점거리를 f_d, 그레이팅 소자의 중심파장을 λ₁이라 했을 때, 렌즈 중심으로부터 세어서 m번째 기복형상의 피치Pm가 하기 식(7)을 만족하는 것을 특징으로 한다.

식(7)을 만족함으로써 그레이팅 소자면의 작성을 쉽게 할 수 있다. 또, 회절효율의 열화를 방지할 수 있으므로, 불필요한 산란광이 상면(像面)에 투영되어 결상성능을 열화시킨다는 영향을 억제할 수 있다.

본 발명의 제2구성에 관한 그레이팅 소자가 부착된 렌즈는, 렌즈 표면에 동심형상의 기복형상을 형성하여 회절효과를 줌으로써 색수차가 보정되는 그레이팅 소자가 부착된 렌즈에 있어서, 상기 기복형상의 피치가 광축으로부터 떨어진 임의의 위치까지는 서서히 작아져 가고, 상기 위치에서 좀더 벗어남에 따라 서서히 커져 나가는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 구성으로 함으로써, 양호한 색수차 보정기능을 유지하면서 그레이팅 소자면을 쉽게 작성할 수 있다. 또, 회절효율의 열화를 방지할 수 있으므로, 불필요한 산란광이 상면에 투영되어 결상성능을 열화시킨다는 영향을 억제할 수 있다.

본 발명의 제3구성에 관한 그레이팅 소자가 부착된 렌즈는, 렌즈 표면에 동심형상의 기복형상을 형성하고 회절효과를 줌으로써 색수차가 보정되는 그레이팅 소자가 부착된 렌즈에 있어서, 그레이팅 소자면의 유효반경을 r, 가장 내측에 있는 기복형상의 광축으로부터의 거리를 d라 했을 때, 하기 식(8)을 만족하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 구성으로 함으로써, 배율 색수차의 보정에 특히 유효한 렌즈형상으로 할 수 있음과 동시에, 축상 색수차의 보정 과잉을 억제할 수 있다.

또, 본 발명의 제1 내지 제3의 구성에 관한 그레이팅 소자가 부착된 렌즈에 있어서, 그레이팅 소자면은 키노폼 형상인 것이 바람직하다. 또한, 상기 렌즈가 유리 또는 수지중 어느 하나에 의해 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 전사성이 뛰어난 키노폼 형상을 가진 그레이팅 소자가 부착된 렌즈를 실현할 수 있다.

또, 본 발명의 제1 내지 제3구성에 관한 그레이팅 소자가 부착된 렌즈는 적외흡수재료에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 그레이팅 소자면에 의해 발생하는 적외영역의 불필요한 광이 촬상소자에 투영되어 결상성능을 열화시킨다는 영향을 억제할 수 있으므로, 양호한 결상성능을 유지할 수 있다.

또, 촬상장치를 구성할 때, 본 발명의 제1 내지 제3구성에 관한 그레이팅 소자가 부착된 렌즈와, 촬상소자와, 신호처리회로를 가지는 것이 바람직하다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 소형이면서 결상성능이 매우 양호한 촬상장치를 얻을 수 있다.

또, 판독장치를 구성할 때, 본 발명의 제1 내지 제3의 구성에 관한 그레이팅 소자가 부착된 렌즈와, 이미지 센서와, 신호처리회로를 가지는 것이 바람직하다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 소형이면서 결상성능이 매우 양호한 판독장치를 얻을 수 있다.

《제2발명에 대하여》

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관한 판독광학시스템은, 화상정보나 코드정보를 판독하는 판독광학시스템에 있어서, 적어도 일면에 그레이팅 소자면이 형성된 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이 판독광학시스템의 구성에 의하면, 색수차가 보정된 양호한 결상성능을 가진 판독광학시스템을 실현할 수 있다.

또, 상기 본 발명의 판독광학시스템의 구성에 있어서는, 구동장치에 의해 광축상을 이동하는 것이 가능한 것이 바람직하다. 이 바람직한 예에 의하면, 다른 사이즈의 원고를 판독할 수 있으며, 또 색수차가 보정된 양호한 결상성능을 가진 판독광학시스템을 실현할 수 있다.

또, 이 바람직한 구성에 있어서는, 광학시스템이 가장 물체측으로 이동했을때의 원고의 최대 높이를 Y_w, 가장 상측으로 이동했을 때의 원고의 최대 높이를 Y_t라 했을 때, 하기 식(14)을 만족하는 것이 바람직하다을 특징으로 하는 판독광학시스템.

0.6〈Y_t〈Y_w〈1 ··· (14)

이 바람직한 예에 의하면, 소형이면서 결상성능이 양호한 판독광학시스템을 실현할 수 있다.

또, 상기 본 발명의 판독광학시스템의 구성에 있어서는, 판독광학시스템을 구성하는 렌즈는, 상기 그레이팅 소자면이 형성된 렌즈 1매뿐이고, 상기 렌즈는 상측면이 볼록면이고, 또 양의 굴절력을 가지며, 상기 렌즈의 물체측에는 조리개가 배치되어 있는 것이 바람직하다 이 바람직한 예에 의하면 렌즈의 구성 매수를 증가시키지 않고, 색수차가 보정되며, 또 저렴하고 양호한 결상성능을 가진 판독광학시스템을 실현할 수 있다.

또, 이 바람직한 구성에 있어서는, 상기 렌즈의 물체 측면의 정점곡률반경을 r₁, 상측면의 정점곡률반경을 r₂, 조리개의 직경을 D, 광학시스템 전체 시스템의 초점거리를 f, 상기 렌즈의 그레이팅 소자면의 초점거리를 f_d라 했을 때, 하기 식(9), 식(10), 식(11)을 만족하는 것이 바람직하다.

0.05〈｜r₂/r₁｜〈0.5 ··· (9)

9〈f/D〈16 ··· (10)

0.05〈｜f/f_d｜〈0.15 ··· (11)

이 바람직한 예에 의하면, 이하의 작용효과를 얻을 수 있다. 즉, 먼저, 상기 식(9)를 만족함으로써, 제수차의 밸런스가 잡힌 최적의 렌즈 형상으로 할 수 있다. 또, 상기 식(10)을 만족함으로써, 진동 등에 의한 화상정보의 결락이나 코드정보의 오인식을 방지하기 위한 충분한 피사계 심도를 얻을 수 있다. 또, 상기 식(11)을 만족함으로써 색수차를 양호하게 보정할 수 있다.

이 경우에는 렌즈의 적어도 일면이 광축을 벗어남에 따라 국소적인 곡률반경이 작아지는 비구면인 것이 바람직하다. 이 바람직한 예에 의하면 왜곡 수차와 상면 만곡의 보정에 커다른 효과를 발휘할 수 있다.

또, 상기 본 발명의 판독광학시스템의 구성에 있어서는, 그레이팅 소자면이 형성될 때의 중심파장을 λ₁이라 했을 때, 하기 식(12)를 만족하는 것이 바람직하다.

450nm〈λ₁〈600nm ··· (12)

이 바람직한 예에 의하면, 그레이팅 소자면에 의해 발생하는 불필요한 산란광이 이미지 센서에 투영되어 결상성능을 열화시키는 것을 방지할 수 있다.

또, 이 경우에는 그레이팅 소자면이 키노폼 형상인 것이 바람직하다.

또, 상기 본 발명의 판독광학시스템의 구성에 있어서는, 그레이팅 소자면을 가진 렌즈가 유리 또는 수지중 어느 하나로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이 바람직한 예에 의하면, 전사성이 뛰어난 키노폼 형상을 가진 그레이팅 소자면을 실현할 수 있다.

또, 상기 본 발명의 판독광학시스템의 구성에 있어서는, 그레이팅 소자면을 가진 렌즈가 적외흡수재료로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이 바람직한 예에 의하면, 특히 그레이팅 소자면에 의해 발생하는 적외영역의 불필요한 광이 이미지 센서에 투영되어 결상성능을 열화시키는 것을 방지할 수 있어서 양호한 결상성능을 확보할 수 있다.

또, 상기 본 발명의 판독광학시스템의 구성에 있어서는, 원고의 최대 높이를 Y, 이미지센서의 최대 높이를 y라고 했을 때, 하기 식(13)을 만족하는 것이 바람직하다.

0.2〈y/Y〈0.6 ··· (13)

이 바람직한 예에 의하면, 판독광학시스템의 소형화를 도모할 수 있다.

또, 이 경우에는 자오선 상면(meridional image surface)이 서지탈 상면(sagittal image surface)보다 양호한 결상성능을 가지고 있는 것이 바람직하다. 이 바람직한 예에 의하면, 화상정보나 코드정보의 판독정밀도를 높여서 오인식을 방지할 수 있다.

또, 본 발명에 관한 화상판독장치의 구성은, 상기 본 발명의 판독광학시스템과, 상기 판독광학시스템에 의해 결상된 화상정보를 전기신호로 변환하는 이미지센서와, 상기 전기신호를 처리하고 상기 화상정보를 처리하는 회로부를 구비한 것을 특징으로 한다. 이 화상판독장치의 구성에 의하면, 화상판독장치 전체의 크기를 종래보다 소형으로 하는 것이 가능해짐과 동시에, 결상성능이 양호한 화상판독장치를실현할 수 있다.

또, 본 발명에 관한 바코드 리더의 구성은, 상기 본 발명의 판독광학시스템과, 상기 판독광학시스템에 의해 결상된 바코드정보를 전기신호로 변환하는 이미지센서와, 상기 바코드정보를 해독하는 회로부를 가진 신호처리회로를 구비한 것을 특징으로 한다. 이 바코드 리더의 구성에 의하면, 바코드 리더 전체의 크기를 종래보다 소형으로 하는 것이 가능해짐과 동시에, 결상성능이 양호한 바코드 리더를 실현할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해 도면을 참조하며 구체적으로 설명한다.

《제1발명에 대해》

(제1실시형태)

절삭가공에 의해 제조된 회절렌즈의 경우에는 바이트에 의한 형상변화의 정도가 윤대에 따라 다르다. 윤대의 간격(피치)이 긴 윤대에 있어서는 바이트에 의한 형상 열화의 영향은 상대적으로 적으며, 한편 윤대의 간격이 짧은 윤대에 있어서는 그 영향이 심각해진다.

또, 일반적으로 회절렌즈에 있어서는, 렌즈 중심부의 윤대는 피치가 길고, 주변부를 향함에 따라서 짧아진다.

이 때문에, 렌즈의 중심 부근과 주변 부근에서는 회절효율이 다르게 된다.

렌즈 전체의 회절효율을 알려면 렌즈 부분마다의 회절효율의 가중평균에 의해 구할 수 있다.

(실시예1)

도 1에 본 발명의 제1실시형태에 관한 회절효율 계산장치의 외관도를 나타냈다.

101은 계산기 본체, 102는 디스플레이, 103은 FDD(프로피디스크 드라이브장치), 104는 키보드, 105는 HDD(하드디스크 드라이브장치), 106은 프린터이다. 각 장치는 접속케이블(107)로 계산기본체(101)와 접속되어 있다. 계산기본체(101)의 내부에는 연산장치와, 로컬메모리장치가 내장되어 있다.

도 2는 상기 장치의 구성을 나타낸다. 키보드로부터의 입력 및 FDD에 의해 판독된 데이터는 HDD장치에 보존된다. 연산에 필요한 데이터는 HDD로부터 로컬 메모리에 판독되고, 연산유닛에 의해 필요한 연산이 되며, 결과를 HDD에 보존한다. 계산 결과는 디스플레이 혹은 프린터에 출력한다.

HDD에는 컴퓨터를 이용해서 회절효율을 계산하는 컴퓨터 프로그램이 기록되어 있으며, 연산장치는 HDD로부터 프로그램을 로컬메모리상에 판독하고, 프로그램을 실행한다. 또, 프로그램은 도 1의 프로피디스크(108) 혹은 광디스크(109) 등에 기록해도 된다.

여기서, 본 발명의 「기억수단」이란, 정보를 보존해 두기 위한 수단이며, 프로피디스크, 하드디스크, 로컬 메모리, 광디스크 등의 정보기록매체 혹은 프린터에 의해 인쇄(출력)된 정보기록매체 등을 가리킨다. 또한, 기억순서란, 정보를 보존하는 처리를 말하며, 프로피디스크, 하드디스크, 로컬 메모리, 광메모리 등에의 정보의 기록(보존) 혹은 프린터에 의한 인쇄(출력) 등이 해당한다.

또, 본 발명의 「연산수단」이란, 정보를 이용해서 수치계산을 하기 위한 수단으로, 일반적으로는 계산기의 연산유닛을 가리킨다. 또한, 「연산순서」란, 정보를 이용해서 수치계산을 하는 처리를 말한다.

본 발명의 「반복수단」이란, 계산기의 프로그램에 의해 연산유닛을 반복해서 동작시키는 것을 가리키는데, 계산기의 조작자가 키보드 등의 수단을 통해 계산기에 지시를 보내어서 계산동작을 반복하는 것이어도 된다. 또한, 「반복순서」란, 소정의 수순(처리)을 반복해서 행하는 것을 말한다.

또, 본 발명의 「기억수단으로부터 정보를 꺼낸다」란, FDD를 이용해서 프로피디스크로부터 데이터를 판독하는 것, HDD를 이용해서 하드디스크로부터 데이터를 판독하는 것, 광디스크 드라이브를 이용해서 광디스크로부터 데이터를 판독하는 것, 로컬메모리로부터 데이터를 판독하는 것 및 계산기의 조작자가 인쇄출력된 데이터를 키보드로 입력하는 것 등을 가리킨다.

또, 본 발명의 「프로그램을 기록한 기록매체」란, 프로피디스크, 하드디스크, 광디스크 혹은 프린터에 의한 인쇄출력 등 계산기용 소프트웨어를 보존하기 위한 모든 매체를 가리킨다.

또, 이들 각 수단(순서)은 금후의 계산기 기술의 진전에 따라 신규 수단(순서)이 고안될 가능성이 있으나, 신규로 고안되는 장치 및 방법도 그 기능이 본 발명의 각 수단(순서)과 동일하면 본 발명에 포함됨은 물론이다. 본 발명에 있어서는 상기의 각 수단(순서)은 구체적인 장치 또는 방법에 의존하는 것이 아니라, 각 수단(순서)의 기능에 의존하기 때문이다. 예를들면, 프로피디스크 등의 기억매체 대신으로 네트워크 케이블을 통해 네트워크에 접속되어 있는 정보단말을 이용하고, 상기 정보단말로부터 데이터를 송수신하는 것 등이 고려되는데, 이것은 본 발명에 따른 기억수단으로부터의 정보의 취출에 상당한다.

또, 이하의 설명에서는 중복설명을 피하기 위해 소정의 「수단」을 구비한 「장치」를 중심으로 설명하겠는데, 이들 설명은 동시에 소정의 「순서」를 가진 「방법」에 관한 설명, 또는 소정의 「순서」를 컴퓨터에 실행시키기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터판독가능한 「기록매체」에 관한 설명이면 해석되어야 한다.

본 실시예의 장치는 회절소자를 다수의 영역으로 분할했을 때의 m번째 영역의 j차 회절광의 회절효율을 η_mj라 하고, 각 영역에 대한 중율을 W_m이라 할 때 하기 식(1)을 계산한다.

여기서 식(1)의 계산이 η_mj의 가중평균이 되기 위해서는 W_m이 하기 식(15)를 만족할 필요가 있다.

단, 간편하게 계산을 하는 경우 등에는 반드시 상기 식(15)를 만족하지 않아도 된다.

도 3에 상기를 계산하기 위한 알고리즘을 나타냈다. 본 예에서는 회절렌즈를M개소의 영역으로 분할한 것으로 한다.

기억수단에는 미리 회절렌즈를 M개소의 영역으로 분할했을 때의 각 영역의 회절효율정보와 각 영역의 중율이 보존되어 있다.

도 4는 제1기억수단에 기억되어 있는 회절효율정보와, 제2기억수단에 기억되어 있는 중율정보의 각 기억상태를 나타낸 개념도이다.

도 4(a)는 계산할 회절차수가 0차, -1차, 1차의 3개 차수인 경우의 회절효율정보를 기억하는 제1기억수단의 구성이다. 계산할 차수가 3개인 경우에는 M×3의 요소로 이루어진 2차원의 데이터 배열이 된다. 이와 같은 데이터 배열은 데이터의 보존과 필요한 데이터를 판독할 수 있는 장치이면 계산기의 메인 메모리나 프로피디스크 등 어떤 기억수단상에 구성해도 된다.

도 4(b)는 마찬가지로 각 영역의 중율 정보를 기억하는 제2기억수단의 구성이다. 이것들은 M개의 데이터열이 된다. 이것도 상기와 같이 계산기의 어떤 기억장치를 이용해서 구성해도 상관없다.

본 발명중에서 기억수단이란, 이와 같은 데이터의 배열 혹은 데이터열 혹은 단일한 데이터를 보존해 두기 위한 계산기 본체내 또는 외부의 기억영역을 가리키며, 계산장치를 구성하는 어떤 기억영역상에 구성해도 상관없다. 이하, 개별 기억수단에 대해 어떤 기억영역을 이용할지의 설명은 피하고, 간단히 메모리만 기재하기로 한다.

또, 데이터 배열에 대해서는 그 첨자를 생략하고 기재한 경우에는 배열 전체를 가리키며, 첨자를 붙여서 기재한 경우에는 그 중 단일한 요소를 가리키는 것으로 한다. 예를들면, 도 4의 경우에는 「η」은 (M×3)개의 요소로 이루어진 계산장치상에 확보된 기억영역을 가리키고, 「η₁₀」은 그중 한 개의 요소를 가리킨다.

도 3에 있어서, 제1스텝2101에서는 계산할 회절 차수를 세트한다. 이어지는 스텝2102에서는 메모리E_i의 값을 0으로, 영역의 카운터m를 1에서 초기화한다. 다음 스텝2103에서는 m번째 영역의 I차 회절광의 회절효율정보η_mi와 m번째 영역에 대한 중율W_m을 제1 및 제2기억수단으로부터 각각 판독하고, η_mi와 W_m의 적을 E_i에 가산한다. 다음 스텝2104에서는 전체 영역의 계산이 종료되었는지의 여부를 판정하기 위해 영역카운터m가 M과 같은지의 여부를 조사한다. m=M이 아니면 아직 가산하지 않은 영역이 있으므로, 스텝2105로 진행하고, 영역카운터m를 1개 증가시켜서 스텝2103을 행한다. 또, 2104에서 m=M이면 스텝2106으로 진행한다. 이 2102에서 2015까지의 스텝이 본 발명의 제1연산수단에 상당한다. 2106은 다른 회절 차수의 계산을 할 것인지의 여부를 판단한다. 다른 차수의 회절효율계산이 필요한 경우에는 스텝2107로 진행하고, i에 다음에 계산할 회절차수를 세트하고, 스텝2102 이후의 처리를 다시 한번 행한다. 다른 차수의 계산이 불필요하면 계산을 종료한다.

본 실시예의 장치를 사용함으로써 각 영역마다 회절효율이 다른 렌즈의 렌즈 전체의 회절효율을 효율적이고 정확하게 계산하는 것이 가능해진다.

본 실시예에서는 다수의 회절차수를 계산하는 경우를 예로 들어 설명했으나, 단일한 차수의 계산뿐인 경우에는 도 3에 나타낸 스텝중에서 다수의 차수를 계산하기 위해 준비된 스텝2101, 2106, 2107을 생략한 알고리즘으로 계산이 가능하다.

(실시예2)

실시예1에서는 각 영역의 회절효율을 미리 알고 있고, 계산을 개시하기 전에 이것이 메모리에 보존되어 있는 것을 전제로 했다. 그러나, 실제로는 각 영역의 회절효율을 미리 아는 경우가 많다. 이와 같은 경우, 회절렌즈의 형상이나 굴절율 등을 실측하고, 그 데이터를 이용해서 각 영역의 회절효율을 구하고, 그것을 토대로 렌즈 전체의 회절효율을 계산하게 된다. 이 경우의 계산알고리즘을 나타낸 것이 도5이다.

제3, 제4, 제5 및 제2기억수단인 메모리에는, 각각 차례로 회절렌즈의 릴리프 단면형상데이터, 광원의 파장, 상기 파장에 대한 렌즈 재료의 굴절율 및 각 윤대마다의 중율의 각 정보가 미리 보존되어 있는 것으로 한다.

스텝301에서는 제3기억수단인 메모리에 보존되어 있는 릴리프형상의 데이터를 토대로 렌즈의 윤대 수를 구하고 메모리M에 보존한다. 또, 윤대의 카운터인 메모리m를 1로 초기화한다.

스텝302에서는, 제3기억수단으로부터 m번째 윤대의 릴리프형상 정보를 꺼내고, 제4, 제5기억수단으로부터 각각 파장, 굴절율 정보를 꺼내어서, m번째 윤대의 회절효율을 계산하고, 그 결과를 제1기억수단인 메모리η가 대응하는 영역에 보존한다. 이 스텝302가 본 발명의 제2연산수단이다.

스텝303에서는, 스텝302를 전체 윤대에 대해 행하였는지의 여부를 조사한다. m=M이 성립되지 않는 경우에는 아직 계산하지 않은 윤대가 있는 경우이며, 이 때에는 스텝304로 진행하고, m을 1개 증분하여 다시 한번 302의 스텝을 행한다. 이 303및 304의 스텝이 제1반복수단이다. 또, m=M이 성립된 경우에는 302의 스텝을 모든 윤대에 대해 실행이 되었음을 나타내며, 이 때 제1기억수단인 메모리η에는 모든 윤대의 회절효율이 보존된 상태가 된다.

스텝305는 렌즈 전체의 회절효율을 구하는 스텝이다. 스텝301에서 스텝304까지의 스텝이 모두 실행되면, 제1기억수단인 메모리η에는 모든 윤대의 회절효율이 보존된다. 또, 제2기억수단에는 중율의 정보가 미리 기지(旣知) 정보로서 보존되어 있다. 따라서, 이 스텝305에서 실시예1에서 이미 설명한 알고리즘을 실행함으로써 렌즈 전체의 회절효율을 계산할 수 있다.

이상, 본 실시예의 장치를 이용함으로써, 개별 윤대의 회절효율정보를 모르더라도 릴리프형상과 굴절율을 알면 렌즈 전체의 회절효율을 계산할 수 있기 때문에, 광학설계상 유익한 정보를 얻는 것이 가능해진다.

(실시예3)

상기의 실시예2에 있어서는 회절렌즈중 하나의 윤대를 하나의 영역으로 분할한 경우의 알고리즘 예를 나타냈다. 회절렌즈 윤대의 피치는 렌즈 중심부에서는 넓고, 주변을 향함에 따라 좁아진다. 여기서, 렌즈 주변부에서는 인접한 윤대끼리의 피치는 거의 같아지는 경우가 있다. 이와 같은 경우에 그와 같은 윤대의 회절효율은 거의 같다고 간주할 수 있다. 따라서, 회절효율이 거의 같다고 보이는 다수의 윤대를 하나의 영역으로 취급하면, 메모리η나 메모리W에 필요한 기억용량을 줄이는 것이 가능하고, 또 계산량도 작아지기 때문에 보다 고속으로 연산할 수 있다.

(실시예4)

회절소자의 미세한 릴리프형상을 토대로 회절효율을 계산하는 방법에는 여러 종류의 방법이 공지되어 있다. 회절렌즈의 경우에는 푸리에 변환을 이용하는 스칼라회절이론에 의해 충분히 만족한 정밀도를 얻을 수 있다. 이 때의 미세한 계산알고리즘을 도 6에 나타냈다.

스텝401에서는 계산하는 윤대의 릴리프 단면형상 데이터를 작업용으로 해서 계산장치상에 확보한 데이터 배열D에 세트한다. 이 때, 데이터배열의 요소수를 2의 누승개로 해 두면 푸리에 변환시에 FFT(고속 푸리에 변환)를 이용할 수 있어서 계산처리를 고속화할 수 있다. 구체적으로는 4096개 정도가 좋다.

계속해서 스텝402에서는 파장λ, 굴절율N을 제3 및 제4기억수단인 메모리로부터 각각 판독하고, 이것을 이용해서 투과광의 복소진폭을 구하여, 데이터 배열D과 같은 수의 요소로 이루어진 계산장치상에 확보한 복소배열P에 보존한다.

다음의 스텝403에서는 복소배열P의 FFT를 행한다. 이 스텝 처리에 의해 복소배열P에 푸리에 계수가 보존된다.

스텝404에서는 복소배열P의 각 요소에 복소공역을 곱하여 실수로 한다. 다음에, 복소배열P의 전체 요소의 합이 1이 되도록 각 요소를 정규화한다. 이에 따라 복소배열P에 각 차수에 대응하는 회절효율이 보존되게 된다.

스텝405에서는 복소배열P로부터 필요한 차수의 회절효율 정보를 판독하고, 제1기억수단인 메모리η에 보존한다.

(제2실시형태)

이제까지 설명한 실시예에 있어서는 회절렌즈를 다수의 영역으로 분할했을때의 각 영역에 대한 중율은 미리 바람직한 값을 기억수단에 보존해 두는 것으로 했다. 그러나, 광원의 강도분포나 회절렌즈의 윤대 직경을 토대로 그것들을 계산할 수 있으면 데이터 입력의 수고를 덜 수 있다.

중율은 회절렌즈의 각 영역에 입사하는 광의 양을 렌즈 전체에 입사하는 광의 양으로 나눈 값을 이용하면 된다.

회절렌즈로의 입사광이 균일한 강도분포를 가지고 있다고 가정할 수 있는 경우에는 각 영역의 면적을 렌즈의 유효직경으로 나눈 값을 중율로 이용함으로써 타당한 계산을 하는 것이 가능해진다.

(실시예5)

각 영역의 면적 정보가 메모리(제6기억수단)에 보존되어 있는 경우의 중율 계산에 대해 설명한다.

회절렌즈의 광속이 투과하는 영역(유효영역)을 M개의 영역으로 분할한 것으로 하고, m번째 영역의 면적을 S_m이라 한다. 먼저, 제6기억수단에 보존되어 있는 각 영역의 면적을 판독하여 그것을 합계내어 유효영역의 면적S_t을 계산한다. 즉, 하기 식(16)을 계산한다.

계속해서 m=1에서 차례로 m=M까지 하기 식(17)을 계산한다.

이상의 계산에 의해 각 윤대의 중율을 계산하는 것이 본 발명의 제3연산수단이다.

얻어진 각 윤대에 대한 중율W_m은 중율의 정보를 보존하는 제2기억수단인 메모리에 보존한다. 이렇게 해서 구한 중률은 하기 식(15)를 만족한다.

따라서, 이 중율과 각 영역의 회절효율에 대한 곱의 합 연산이 각 영역의 회절효율을 대응하는 영역의 면에 가중시킨 가중평균이 된다.

(실시예6)

회절렌즈가 동심원상의 윤대로 구성되어 있는 경우에는 각 윤대의 면적정보 대신 윤대의 반경정보로부터 중율을 계산할 수 있다.

여기서 윤대는 렌즈의 중심으로부터 차례로 세는 것으로 하고, 윤대의 총수가 M인 것으로 한다. 즉, 렌즈 중심의 윤대가 첫번째 윤대이고, 최외주(最外周)의 윤대가 제M번째인 것으로 한다. m번째 윤대의 반경을 R_m으로 표시할 때 최외주의 윤대 반경R_M은 렌즈의 유효반경이 된다. 이 R_M이 제7기억수단인 데이터 배열에 보존되어 있다고 하면 이 R_m을 차례로 판독하고, 제2기억수단인 중율배열W의 각 요소에 하기 식(3) 및 식(4)의 계산결과를 보존한다.

R_m:렌즈 중심으로부터 세어서 m번째 윤대의 반경

W_m:m번째 윤대의 중율

M:윤대의 수

m:윤대를 렌즈의 중심으로부터 차례로 세었을 때의 번호

이에 따라 각 윤대의 면적에 비례하는 중율W_m이 구해진다. 또, 이렇게 해서 구한 중율은 하기 식(15)를 만족한다.

따라서, 이 중율과 각 영역의 회절효율에 대한 곱의 적 연산이 각 영역의 회절효율을 대응하는 영역의 면적에 가중시킨 가중평균이 된다.

(실시예7)

레이저 광원 등을 이용한 경우에는 사출광의 강도분포는 균일하지 않고 가우스분포가 되는 것이 공지되어 있다. 또, 반도체 레이저 등의 경우에 사출광속은 타원형상을 이루고 있다.

도 7(a)는 반도체 레이저로부터의 사출광 소자를 모식적으로 그린 것이다. 반도체 레이저 광원(601)은 사출광속이 타원이고, 타원의 단축방향(x축)(602)과 장축방향(y축)(603)에서는 사출광속의 강도분포가 다르다. 상기 2축의 강도분포는 예를들면 도 7(b)와 같은 분포를 이룬다. 이와 같은 광원을 이용한 경우에는 윤대의 면적에 비례하는 중율을 이용하면 계산결과가 실제로 크게 편의되어 버리기 때문에 바람직하지 않다.

그래서, 도 7(b)와 같이, 빔의 중심강속강도를 1로 해서 정규화했을 때의 x축 및 y축에서의 단면에 있어서 렌즈의 유효직경(604)에서의 강도(정점에 대한 비율)를 I_x, 및 I_y라 하지, 입사광속도가 도 7(b)와 같은 경우에는 이 I_x, 및 I_y의 정보가 있으면 윤대의 면적에 비례한 중율보다 보다 현실적인 각 윤대에의 입사광속도에 비례하는 중율을 계산할 수 있다.

도 8에 구체적인 알고리즘을 나타냈다.

입사광강도정보인 I_x, 및 I_y는 미리 제8기억수단인 메모리에 보존되어 있는 것으로 한다.

스텝(501)에서는 입사광이 도 7(b)에 나타낸 바와 같은 강도분포로 하고, 렌즈에 입사하는 전체 광량을 계산하고, 이 계산결과를 다른 메모리에 보존한다.

다음의 스텝502에서는 윤대 카운터m를 1로 초기화한다.

스텝503에서는 실시예6에서 설명한 제7기억수단에 보존되어 있는 각 윤대의반경 정보와 입사하는 광속의 강도분포에 관한 정보를 이용하여, m번째 윤대에 입사하는 광량을 계산한다. 계속된 스텝504에서는 스텝503에서 구한 m번째 윤대에 입사하는 광량을 메모리에 보존하고 있는 전체 광량으로 나누고, 그 몫을 m번째 윤대의 중율W_m로서 제2기억수단인 중율배열W에 보존한다. 이 스텝503 및 504가 본 발명의 제3연산수단이다.

스텝505에서는 503과 504의 스텝을 윤대의 전부에 대해 실행이 되었는지의 여부를 확인하고, m-M이 성랩되지 않은 경우에는 스텝506으로 진행하여 m을 1개 증분시켜서 스텝503 및 504를 다시 한번 실행한다. 또한, m=M이면 모든 윤대에 대해 503 및 504가 실행되었음을 의미하는데, 이 때 W에는 전체 윤대의 중율정보가 보존된 상태가 된다.

이 알고리즘에 의하면, 각 윤대에 입사하는 광속의 광강도에 거의 비례하는 중율을 구할 수 있다. 또, 이 계산에 의해 구한 중율W_m은 하기 식(15)를 만족한다.

따라서, 이 중율과 각 영역의 회절효율에 대한 곱의 합 연산이 각 영역의 회절효율을 대응하는 영역에 입사하는 광강도에 가중시킨 가중평균이 된다.

따라서, 본 실시예에 의하면 렌즈에 대한 입사광의 강도분포를 감안한 회절효율의 계산이 가능해진다.

(제3실시형태)

이제까지 설명한 실시예의 회절효율 계산장치에서는 릴리프형상을 이미 아는 것으로 것으로 했다. 그러나, 렌즈를 설계한 단계의 설계릴리프형상 데이터와, 가공용 바이트정보 혹은 바이트의 이송속도정보 등을 알면 설계릴리프형상을 토대로 가공후의릴리프형상을 계산하는 것이 가능하다. 즉, 이들 정보를 토대로 설계한 렌즈의 제조에 의한 릴리프형상의 변화를 감안하여 최종적으로 얻어진 렌즈의 회절효율을 계산하는 것이 가능해진다.

또한, 이하의 실시예에서는 바이트를 이용해서 절삭가공한 회절렌즈용 금형을 이용하여 회절렌즈를 성형하는 경우를 예로 설명한다. 그러나, 본 발명은 이와 같은 경우에 한정되지 않으며, 금형을 이용하지 않고 회절렌즈를 직접 바이트로 절삭가공하는 경우에도 똑같이 적용할 수 있다.

(실시예8)

도 9는 본 발명의 제3실시형태에 관한 회절효율 계산장치의 계산알고리즘이다.

먼저 처음에는 계산에 필요한 데이터를 입력한다. 즉, 회절렌즈의 릴리프설계형상, 금형 절삭가공에 사용하는 가공용 바이트의 선단부 반경, 렌즈에 사용되는 광원의 파장 및 렌즈재료의 굴절율을 입력하고, 각각을 차례로 제9, 제10, 제4, 제5의 기억수단인 메모리에 보존한다.

스텝710에서는 회절렌즈의 윤대수를 메모리M에 보존하고, 윤대의 카운터m를 1로 초기화한다.

스텝702는 설계릴리프형상의 정보를 토대로 가공후의 릴리프형상을 구하고,그것을 제3기억수단인 릴리프형상 보존용 메로리에 보존하는 스텝이다.

먼저, 제9 및 제10기억수단인 메모리로부터 제m번째 윤대의 설계릴리프형상 및 가공용 바이트 선단부의 노즈반경 정보t를 각각 꺼낸다.

도 10은 스텝702에 있어서의 처리 과정을 나타낸 것이다. 도 10(a)에 있어서, 801은 톱니형상의 릴리프 설계형상이다. 여기서 렌즈를 금형을 이용하여 프레스성형 혹은 사출성형에 의해 제조하는 경우에는, 금형에서 오목해진 정점(렌즈에서는 볼록해진 정점)을 바이트의 노즈반경t에서 둥글게 한 형상이 가공후의 릴리프형상이 된다. 즉, 릴리프(801)의 경우에는 정점(802)을 반경t에서 둥글게 하면 된다. 그래서, 801에 반경이 t인 원호(803)를 내접시킴으로써, 도 10(b)에 나타낸 가공후의 릴리프형상(804)을 얻는다. 이 804를 제3기억수단인 릴리프형상을 보존하기 위한 메모리에 보존한다. 또, 렌즈재료를 바이트로 절삭하여 렌즈를 제조하는 경우에는, 렌즈의 릴리프에서 오목해진 개소를 반경t에서 둥글게 하면 된다. 이 스텝702)이 본 발명의 제4연산수단이다.

스텝703은 윤대의 회절효율을 계산하는 스텝이다. 이 스텝에서는 예를들면 실시예2에서 설명한 바와 같이, 제3, 제4, 제5기억수단인 메모리로부터 각각 릴리프형상, 파장, 굴절율 정보를 꺼내어서 회절효율을 계산하고, 계산결과를 제1기억수단인 메모리η에 보존한다.

스텝704는 m=M인지의 여부를 확인한다. m=M이 성립되지 않으면 스텝705로 진행하고, m을 1개 증분하여 다시 한번 스텝702 및 703을 반복한다. 이 스텝704 및 705는 제1과 제2반복수단의 양쪽을 겸비한 것이다. 704에서 m=M이 성립되었을 때에는 702 및 703의 스텝을 모든 윤대에 대해 실행이 되었음을 의미하며, 그 때에는 제1기억수단인 메모리η에 각 윤대의 회절효율정보가 보존된 상태가 된다.

스텝706은 각 윤대에 대한 중율W을 구하는 스텝이다. 이스텝의 구체적인 계산내용은 실시예5, 실시예6 혹은 실시예7에서 이미 설명했으므로 생략한다. 스텝706에 의해 얻은 각 윤대의 중률정보는 제2기억수단인 메모리W에 보존된다.

스텝707은 렌즈 전체의 회절효율을 구하는 스텝이다. 구체적인 계산내용은 실시예1과 같으므로 여기서의 설명은 생략한다.

이상 설명한 바와 같이 본 실시예의 장치를 사용함으로써 렌즈의 설계데이터와 가공용 바이트의 정보를 토대로 회절효율을 계산할 수 있다.

또, 참고를 위해 도 11에 본 실시예의 장치에서 계산한 가공후의 릴리프형상의 예를 나타냈다. 2301 및 2306은 각각 피치가 25㎛ 및 127㎛이고, 깊이는 모두 1.292㎛인 릴리프설계형상이다(도 11의 지면상하방향과 수평방향의 축척은 일치하지 않는다). 이 깊이D는 재료의 굴절율n이 1.5262, 광원의 파장λ이 680nm일 때 바로 하기 식(18)을 만족한다.

따라서, 도 11의 설계릴리프(2301, 2306)는 표면반사를 무시할 때 1차 회절광의 회절효율이 100％의 회절효율이 되는 릴리프형상이다. 이와 같은 설계릴리프의 성형용 금형을 노즈반경이 10㎛의 바이트에서 가공했을 경우에 얻어지는 릴리프형상의 계산결과는 각각 2302 및 2307이다. 또, 노즈 반경이 30㎛의 바이트에서 가공했을 경우에 얻어지는 릴리프형상의 계산결과는 각각 2304 및 2309가 된다. 또, 2점쇄선(2303, 2305, 2308, 2310)은 각 윤대의 설계릴리프형상(2301) 또는 (2306)을 나타낸다. 또한, 이들 윤대의 1차 회절광의 회절효율을 FFT를 이용한 방법으로 계산한 결과는, 설계릴리프(2301) 및 (2306)가 100％, 릴리프(2302)가 94.3％, 릴리프(2304)가 90.0％, 릴리프(2307)가 73.5％, 릴리프(2309)가 54.5％이다.

(실시예9)

가공용 바이트의 이송속도에 따라서는 가공후의 릴리프에 절삭 흔적이 남는 경우가 있다. 절삭 흔적에 의해 가공후의 릴리프형상은 주기적인 굴곡부를 가지기 때문에 그 굴곡부에 의한 회절광이 발생한다. 그 결과, 렌즈가 실제로 사용하는 차수의 회절효율이 저하된다. 따라서, 절삭 흔적을 고려한 시뮬레이션을 하면 가공용 바이트의 이송속도와 얻어진 렌즈의 회절효율관계를 알 수 있다. 이것은 렌즈의제조공정을 검토하기 위한 유익한 데이터라 할 수 있다.

이 계산을 하기 위해서는 실시예8의 설명에서 스텝702로 나타낸 제4연산수단으로서 도 12에 나타낸 알고리즘을 이용함으로써 가능해진다. 또한, 도 13은 이 알고리즘을 설명하기 위한 도면이다.

도 13(a)에 있어서, 릴리프의 설계형상은 실선(901)으로 나타낸 톱니형상으로 하고, 가공용 바이트의 노즈반경을 t, 피절삭금형 1회전당 가공바이트의 이송량을 s라 한다, 또, 이들 정보는 미리 각각 차례로 계산장치의 제9, 제10, 제11기억수단에 보존되어 있는 것으로 한다.

도 12에 있어서, 스텝1001에서는 설계릴리프형상을 제9기억수단인 메모리로부터 판독하고, 작업용으로서 일시적으로 계산기의 메모리에 확보한 데이터배열에 보존한다.

다음의 스텝1002에서는 제11기억수단인 메모리S의 값을 이용해서 릴리프상에 바이트선단의 접점을 구하고, 이것을 작업용으로서 일시적으로 계산기의 메모리상에 확보한 접점 보존용 배열P에 보존한다. 구체적으로는 도 13(a)의 릴리프 피치방향(도 13에서는 횡축방향)의 간격이 이송속도s의 평행한 선(902)을 긋고, 상기 선(902)과 설계릴리프(901)와의 교차점(P₁, P₂, P₃, ···, P_G-1, P_G)을 구하고, 그 좌표를 메모리에 보존한다. 또, 여기서는 상기 교차점의 수가 G개소인 것으로 한다.

다음의 스텝1003에서는 카운터g를 1로 초기화한다.

스텝1004에서는 P_g에서 설계릴리프에 접하는 반경t의 원호C_g를 구한다.

스텝1005에서는 1004에서 구한 원호가 설계릴리프형상과 교차하는지의 여부를 체크한다. 교차할 경우(예를들면 도 13에서 원호C_G의 경우) 스텝1007로 진행한다. 교차되지 않는 경우에는 스텝1006으로 진행한다.

스텝1006에서는 상기에서 구한 원호의 형상을 형상보존배열에 보존하고, 스텝1007로 진행한다.

스텝1007에서는 모든 교차점P에 대해 스텝1004를 행했는지의 여부를 확인한다. g=G가 아닌 경우에는 1008로 진행하고, g를 1개 증분하여 다음 계산을 한다. g=G인 경우에는 계산이 종료되었음을 나타낸다.

이상에 의해 형상보존용 배열에는 도 13(b)에 나타낸 절삭의 이송속도를 고려한 가공후의 형상데이터(903)가 보존된다. 이 데이터는 제3기억수단인 메모리에 보존된다.

(제4실시형태)

사진용 렌즈 등 넓은 파장영역에 걸쳐서 사용하는 렌즈의 경우, 회절효율의 계산을 다수의 파장에서 계산할 필요가 있다. 이 경우, 이제까지 설명한 실시예의 계산처리를 필요한 파장분만큼 반복시키면 되는데, 계산하는 파장수에 비례하여 계산량이 증대한다.

여기서, 설계릴리프형상으로부터 가공후의 릴리프형상을 구하는 스텝은 예를들면 실시예8에 나타낸 바와 같은 설계릴리프에 내접된 원호의 방정식을 구하고, 그 포락선을 구하는 스텝이기 때문에 계산량이 많다. 이 가공후의 릴리프형상을 구하는 계산은 어느 파장에 대한 회절효율의 계산이라도 같기 때문에, 한번 릴리프형상을 계산하여 보존하고, 그 결과를 모든 파장의 회절효율계산에 이용함으로써, 이제까지의 실시예에서 설명한 계산방법을 파장의 회수만큼 반복하는 경우에 비해 계산량을 저감하여 처리를 고속화할 수 있다. 중율의 계산에 대해서도 상기와 같다고 할 수 있다

또, 어떤 윤대의 가송후의 릴리프형상을 설계릴리프형상으로부터 구했을 때, 가공후의 릴리프형상을 이용해서 계산하는 모든 파장에 있어서의 회절효율을 차례로 계산하고, 기억수단에는 계산된 회절효율만을 보존하고, 계속해서 다음 윤대의 가공후 릴리프형상을 계산하면 된다. 이와 같은 순서의 계산은 모든 윤대의 가공후의 릴리프형상을 우선 처음으로 계산하고, 그것들을 기억수단에 보존해 두고 나서 기억한 가공후의 릴리프형상을 차례로 판독하여 계산하고자 하는 파장에 있어서의 회절효율을 차례로 계산하는 경우에 비해, 가공후의 릴리프형상데이터는 용량이 크기 때문에 필요로 하는 기억용량을 저감할 수 있는데다 데이터의 판독에 걸리는 시간을 저감할 수 있는 이점이 있다.

(실시예10)

도 14는 제4실시형태에 관한 회절효율 계산장치의 알고리즘 설명도이다.

미리 제9, 제10, 제4, 제5, 제7기억수단인 메모리에는 각각 차례로 렌즈의 릴리프 설계형상정보, 가공용 바이트의 정보, 다수의 파장정보, 상기 다수의 파장에 대응하는 굴절율정보 및 회절렌즈의 윤대 반경 정보가 보존되어 있는 것으로 한다.

스텝1101은 계산을 개시하기 위해 초기화하는 스텝이며, 제1, 제2 및 제3기억수단인 메모리를 계산장치상에 확보하고, 렌즈의 윤대수를 M으로, 계산하는 파장수를 L로, 메모리m를 1로 초기화한다.

스텝1102는 제9 및 제10메모리로부터 릴리프의 설계형상 및 바이트의 노즈반경의 정보를 꺼내고, 윤대 가공후의 릴리프형상을 계산하고, 제3기억수단인 메모리에 보존한다. 이 스텝의 상세한 계산내용은 실시예8의 스텝702에 상당한다. 이 스텝1102가 본 발명의 제4연산수단에 상당한다.

스텝1103에서는 파장카운터를 1로 초기화한다. 계속되는 스텝1104에서는 제3, 제4, 제5기억수단인 메모리로부터 가공후의 릴리프형상, 첫번째에 상당하는파장, 첫번째의 파장에 대한 재료의 굴절율 정보를 각각 꺼내어서 회절효율을 계산하고, 제1정보기억수단인 메모리에 보존한다. 이 스텝1104가 제2연산수단이다.

스텝1105에서는 1=L인지의 여부를 판단한다. 1=L이면 1104의 스텝을 파장 전부에 대해 실행이 되었음을 의미하며 다음의 1107로 진행한다. 1=L이 성립되지 않은 경우에는 아직 계산하지 않은 파장이 있음을 의미하므로, 스텝1106으로 진행하고, 1을 1개만 증가시켜서 1104의 스텝을 다시 한번 실행한다. 이 스텝1105 및 1106은 제3반복수단에 상당한다.

스텝1107에서는 m=M인지의 여부를 판단한다. m=M이면 1102, 1103, 1104의 스텝을 윤대 전부에 대해 실행되었음을 의미하므로, 다음의 1109로 진행한다. m=M이 성립되지 않은 경우에는 아직 계산하지 않은 윤대가 있음을 의미하므로, 스텝1108로 진행하고, m을 1개만 증가시켜서 1102, 1103, 1104의 스텝을 다시 한번 실행한다. 이 스텝1107 및 1108은 제4반복수단이다.

스텝1109에서는 제7기억수단인 메모리로부터 윤대의 반경 정보를 꺼내어서 중율을 계산하고, 중율을 보존하기 위한 제2기억수단인 메모리에 보존한다. 이 스텝의 계산내용은 실시예6에서 이미 설명한 내용과 같다. 또, 제2기억수단에 보존하는 중율에 관한 정보는 윤대의 반경으로부터 계산하는 실시예6의 방법이 아니라 제2실시형태의 실시예5 또는 실시예7의 방법으로 계산해도 된다.

스텝1110에서는 파장카운터인 1을 1로 초기화한다. 다음의 스텝1111에서는 제1 및 제2기억수단으로부터 첫번째 파장에 대한 윤대마다의 회절효율정보 및 윤대의 중율정보를 꺼내어서 첫 번째 파장에 대한 렌즈 전체의 굴절율을 계산한다. 스텝1112에서는 1=L인지의 여부를 판단한다. 1=L이면 1111의 스텝을 파장 전부에 대해 실행되었음을 의미하므로 계산을 종료한다. 1=L이 성립되지 않은 경우에는 아직 계산하지 않은 파장이 있음을 의미하므로 스텝1113으로 진행하고, 1을 1개만 증가시켜서 1111의 스텝을 다시 한번 실행한다. 이 스텝1110, 1111, 1112, 1113에 의해 하기 식(5)가 실행된다.

j:회절광의 차수를 표시하는 정수

l:파장의 번호

m:영역의 번호

W_m:m번째 영역에 대한 중율

이 스텝1110, 1111, 1112, 1113은 제1연산수단이다.

본 실시예에 나타낸 계산알고리즘을 이용하면 비교적 적은 기억용량으로 고속으로 다파장을 계산하는 것이 가능해진다. 따라서, 카메라용 렌즈 등 넓은 파장영역에서 이용하는 렌즈를 설계할 때에는 계산시간을 단축할 수 있어서 특히 유용하다.

(제5실시형태)

제조된 회절렌즈나 렌즈성형용 금형의 형상은 표면조도계 등의 초정밀 형상평가장치를 이용해서 계측하는 것이 가능하다. 회절렌즈의 제조상 렌즈나 렌즈성형용 금형의 형상정밀도가 어느 정도 회절효율에 영향을 주는지를 아는 것은 공차의 결정이나 불량품 선별 등 제품의 품질관리상 중요하다.

(실시예11)

도 15는 제5실시형태에 관한 렌즈형상 계측장치의 구성도이다.

피검렌즈(1201)는 스테이지(1202)상에 배치된다. 스테이지(1202)는 스테이지 제어장치(1203)에 의해 수평방향으로 이동한다. 촉침(1204)은 렌즈에 접하도록 촉침제어장치(1205)에 의해 수직방향으로 이동하도록 제어되고 있다.

스테이지 제어장치(1203) 및 촉침제어장치(1205)는 스테이지 좌표Y 및 촉침의 좌표Z를 연산장치(1206)에 전송한다. 스테이지 좌표Y와 그것에 대응하는 촉침의 좌표Z 그룹으로 구성된 데이터열이 렌즈의 형상정보가 된다. 하드디스크 드라이브장치(HDD)(1207)에는 컴퓨터를 이용해서 회절효율을 계산하는 프로그램이 기록되어 있으며, 연산장치(1206)는 이것을 판독함으로써 장치를 제어하고 데이터를 구한다. 회절효율의 계산에 필요한 데이터는 키보드(1208)로부터 입력한다. 디스플레이(1209)에는 계산결과나 계측한 형상정보 등을 표시한다.

도 16은 본 실시예의 컴퓨터를 이용해서 회절효율을 계산하는 소프트웨어의 알고리즘이다.

스텝1301은 데이터입력을 하는 스텝이며, 계측용 피검렌즈의 계측범위, 샘플링 개수 등의 형상계측용 데이터와, 유리재료의 굴절율, 파장 등의 회절효율에 필요한 데이터를 입력한다.

스텝1302는 형상을 계측하는 스텝이며, 스테이지1202를 스테이지 제어장치(1203)를 이용해서 수평방향으로 움직이게 하면서 그 때의 스테이지 좌표 데이터와, 촉침제어장치(1205)로부터의 촉침의 좌표데이터를 계산기의 메모리영역에 미리 확보한 계측데이터배열U에 보존한다.

여기서 도 17(a)의 실선(2201)은 표면조도계를 이용해서 굴절회절 일체형 렌즈를 계측한 경우의 데이터예이다. 종축(2202)은 피측정렌즈의 광축과 일치하고, 종축방향은 렌즈의 새그량에 상당한다. 횡축(2203)은 렌즈의 렌즈 중심으로부터 외주에 대한 방향(반경방향)과 일치한다.

다음의 스텝1303에서는 계측데이터가 금형인지 렌즈인지를 판단한다. 계측데이터가 렌즈이면 스텝1305로 진행하며, 계측데이터가 금형의 계측데이터인 경우에는 스텝1304로 진행하고, 이 스텝1304에서 데이터를 반전시켜서 렌즈형상의 데이터를 만들고, 그것을 계측데이터배열U에 보존한다.

스텝1305는 계측한 형상데이터를 최소 이승법 등을 이용해서 비구면, 구면 혹은 평면에 피팅한다. 계속된 1306의 스텝에서는 스텝1305에서 구한 비구면, 구면 혹은 평면형상을 계측데이터배열U에서 제거하고, 릴리프형상배열L에 보존한다.

이 1305 및 1306의 처리를 설명하는 도면이 도 17이다. 회절렌즈의 회절효율 연산에는 렌즈 표면의 미시적인 길복형상이 중요하다. 그러나, 표면조도계 등과 같은 형상계측장치를 이용해서 회절렌즈를 계측한 경우에는 실선(2201)으로 나타낸 바와 같이 미시적인 기복형상이 거시적인 곡면형상에 중첩된 상태에서 계측된다. 그 때문에, 계측데이터로부터 렌즈의 거시적인 곡면형상데이터를 제거하는 처리가 필요하다. 도 17(a)의 파선(2204)은 스텝1305에서 구한 비구면 다항식을 플롯한 것이다. 도 17(b)에 나타낸 릴리프형상(2205)은 스텝1306에 의해 계측데이터(2201)로부터 거시적 형상데이터(2204)를 제거한 결과이다. 이 릴리프형상(2205)은 형상배열L에 보존된다.

스텝1307에서는 윤대카운터m를 1로 초기화하고, 스텝1308에서는 제m번재 윤대의 회절효율을 계산하여 제1기억수단인 메모리에 보존한다. 스텝1309에서는 모든 윤대에 대해 계산이 되었는지의 여부를 확인하고, 아직 계산하지 않은 윤대가 있으면 스텝1310에서 m을 1개 증분하여 스텝1308을 반복한다. 스텝1309에서 모든 윤대에 대해 계산이 종료되었음을 확인한 경우에는 스텝1311로 진행하고, 여기서 각 윤대에 대한 중율을 계산하고, 제2기억수단인 메모리에 보존한다. 스텝1312에서는 제1 및 제2기억수단인 메모리로부터 윤대마다의 회절효율과 윤대마다의 중율 정보를 꺼내어서 렌즈 전체의 회절효율을 구한다. 스텝1307∼1312에 의한 렌즈 전체의 회절효율 계산은 제1실시형태 또는 제2실시형태에 설명한 본 발명의 회절효율 계산장치를 사용하여 계산할 수 있다.

또, 본 실시예에서는 촉침식 형상계측장치를 이용해서 설명했으나, 이것이 광학식 비접촉 형상계측기나 원자간력을 이용한 형상계측기 등 다른 형상계측장치라도 똑같이 동작한다는 것은 두말할 필요도 없다.

이상 본 실시형태에서 설명한 형상계측장치를 이용하면 계측한 회절렌즈 또는 회절렌즈용 금형의 형상으로부터 회절효율을 쉽게 계산하는 것이 가능해진다.

(제6실시형태)

도 18은 제6실시형태에 관한 회절효율을 감안한 렌즈설계의 알고리즘 설명도이다.

먼저, 렌즈의 목표사양을 결정하고(스텝1401), 계속해서 렌즈의 초기파라미터를 입력한다(스텝1402). 계속해서 입력된 렌즈 파라미터에 대해 광선을 추적하여 광학성능을 계산하고(스텝1403), 성능이 목표 사양을 만족하는지의 여부를 확인한다(스텝1404). 여기서 성능이 만족되면 스텝1406으로 진행하고, 그렇지 않으면 스텝1405에서 렌즈의 파라미터를 수정하고, 다시 한번 광학성능을 평가하는 스텝1403을 반복한다.

스텝1406에서는 가공을 감안한 회절효율을 계산한다. 이 계산은 본 발명의 제3실시형태에서 설명한 회절효율 계산장치를 사용해서 행할 수 있다.

스텝1407에서 계산으로 얻어진 회절효율이 시스템 설계상의 조건을 만족하는의 여부를 검토하고, 회절효율이 만족이면 설계를 완료하고(스텝1408), 회절효율이 불만이면 회절렌즈의 파라미터를 수정하고(스텝1405), 광학성능의 계산스텝1403으로 복귀한다.

회절효율을 개선하도록 파라미터를 수정하는 것은 회절렌즈의 피치를 넓히는 방향으로 렌즈데이터를 보정하게 된다. 이 때 특히 렌즈 외주부의 피치가 좁은 곳을 넓히면 회절효율의 개선에는 효과가 있다. 이 때에는 회절렌즈 피치의 수정에의해 발생하는 수차를 굴절렌즈의 비구면 계수를 수정함으로써 보정할 필요가 있다.

또, 회절렌즈 전체의 파워를 작게 해도 결과적으로 회절렌즈의 피치를 넓히는 것이 가능하여 회절효율 개선에 효과가 있다. 이 경우에는 회절렌즈에 의해 색수차 보정 등을 행한 경우에는 색수차 보정량이 작아지지만, 본 수법을 이용해서 설계함으로써 색수차의 보정량과, 회절효율 허용량의 양쪽 제약조건을 감안하여 렌즈설계를 하는 것이 가능하다.

또, 본 발명의 회절효율을 계산하는 방법을 렌즈 설계 소프트에 넣으면 상술한 공정을 간소화하면서 보다 바람직한 설계해를 얻는 것이 가능해진다. 보다 구체적으로는 렌즈설계의 메리트펑션(평가함수)의 하나로서 가공을 감안한 회절효율을 사용할 수 있도록 하면 된다. 이것은 렌즈설계소프트에 본 발명의 회절효율을 계산하는 프로그램을 짜 넣는 것 만으로도 쉽게 실현이 가능하다. 이렇게 하면 설계자는 수차조건 등과 같이 회절효율을 평가함수로서 요구하는데, 예를들면 DLS법 등 널리 알려진 최적화 기술을 이용해서 평가함수를 극소로 하는 설계해를 얻는 것이 가능해진다.

이상 본 실시형태에서 설명한 바와 같이, 렌즈설계시에 가공도 감안하여 회절효율을 알 수 있으면 회절효율에 대한 제약이 엄격한 광학시스템을 설계하는 경우에 유효하다.

(제7실시형태)

여기서는 제6실시형태의 렌즈설계장치를 이용해서 설계한 렌즈에 대해 설명한다.

본 실시형태에서는 굴절렌즈의 색수차를 회절렌즈에서 보정하는 색지움 렌즈의 설계를 예로 설명한다. 렌즈 설계시에 회절효율을 개선하도록 렌즈의 설계데이터를 수정하는 것은 회절렌즈의 피치를 넓히도록 피치를 수정하게 된다. 피치 수정의 방법에는 이하의 두가지 방법이 있다.

하나는 회절렌즈의 초점거리를 길게 하는 것이다. 이렇게 함으로써 전체적으로 피치를 넓히는 것이 가능해져서 회절효율이 개선된다. 렌즈 전체의 합성초점거리가 일정해지는 제약하에 회절렌즈의 초점거리를 길게 한 경우, 굴절렌즈의 초점거리를 그것에 따라 짧게 할 필요가 있기 때문에, 결과적으로 색수차 보정조건을 만족할 수 없어서 색수차가 보정부족이 되는 광학특성을 가진 렌즈가 된다.

또 하나는 렌즈 주변부의 피치를 넓히는 것이다. 이것은 주변부의 피치가 좁은 부분에서 회절효율의 저하가 눈에 띄기 때문에, 이것을 방지하는 데 효과가 있다. 이 경우에는 렌즈의 중심 근방을 투과하는 광속은 색수차가 보정되고 있으나, 렌즈의 주변부를 지나는 광속에 대해서는 색수차가 보정부족이 되는 렌즈 특성을 갖는다.

또, 상기의 두가지 방법을 복합한 렌즈도 설계할 수 있다. 즉, 회절렌즈의 초점거리를 색지움조건에서 약간 길게 설정하고, 또 렌즈 주변의 피치를 정규 피치로부터 약간 넓히기로 한다. 이와 같이 설계한 경우, 전체적인 색수차의 보정부족량 및 렌즈 주변부를 투과하는 광속에 대핸 색수차 보정부족량은 각각 독립해서 회절효율을 개선하는 경우보다 적게 되어, 결과적으로 광학 특성의 열화를 적게 할수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 제6실시형태의 렌즈설계장치를 이용해서 설계한 색수차 보정렌즈는 색수차 보정이 보정부족경향이 되지만, 그 만큼 다이아몬드 바이트를 이용한 절삭가공으로 제조했을 때, 제조에 의한 회절효율 저하가 적은 렌즈를 얻을 수 있다.

(제8실시형태)

여기서는 제8실시형태에 관한 굴절회절 일체형 렌즈에 대해 설명한다. 굴절회절 일체형 렌즈란, 다수의 동심원상의 윤대로 구성되는 회절렌즈를 굴절렌즈중 적어도 하나의 면상에 구성하여 이루어진 렌즈를 말한다.

렌즈의 설계중심파장을 λ₁, 그 전후의 파장을 λ₂, λ₃이라 한다. 각 파장에 있어서 렌즈 재료의 굴절율을 각각 n₁, n₂및 n₃라 할 때, 굴절렌즈의 사용파장영역에 있어서 부분분산계수ν_g및 회절렌즈의 사용파장영역에 있어서 부분분산계수ν_d를 하기 식(19), 식(20)과 같이 정의한다.

또, 굴절렌즈의 초점거리를 f_g, 회절렌즈의 초점거리를 f_d, 합성초점거리를f라 할 때, 하기 식(21)

을 만족하도록 초점거리를 선택하면 λ₁, λ₂, λ₃의 각 파장에 있어서 색수차가 제거된다.

여기서 일반적인 광학기기의 설계상 색수차에 대해서는 얼마간의 허용범위가 있으며, 유리렌즈나 수지렌즈단체의 색수차의 절반정도까지 저감되면 충분한 경우가 많다. 이 경우에는 하기의 식(21)을 하기 식(22)로 바꿔 쓸 수 있다.

여기서 k는 소위 유리(또는 수지)렌즈단체의 색수차를 어느 정도까지 제거하는 것인지를 나타내는 계수이며, k=0일 때에는 색수차가 0인 상태이고, k=1인 경우에는 회절렌즈를 이용하지 않은 경우가 된다.

여기서

0.1≤k≤0.9

는 회절효율을 양호하게 확보하면서 색수차 보정을 하기 위한 조건으로, k가 하한을 초과하면 윤대수가 많은 렌즈가 되고, 윤대의 피치가 좁아져 버리기 때문에, 만족한 회절효율을 얻기 위해서는 예리한 바이트를 이용할 필요가 있으므로, 생산성이 나빠진다. 또, 상한을 초과하면 색수차의 보정을 만족하게 행할 수 없어서 회절렌즈를 일체화한 효과가 불충분해진다.

또, 0.2≤k≤0.8

을 만족하면 더욱 바람직하다.

(제9실시형태)

도 19는 제9실시형태에 관한 광정보기록 재생장치에 사용되는 대물렌즈의 개략 형상 및 광로를 나타낸다.

1501은 본 발명의 광정보기록 재생장치용 대물렌즈로서, 굴절렌즈의 입사면측에 회절렌즈(1502)를 형성한 굴절회절 일체형 렌즈이다. 1503은 정보기록매체의 보호수지이고, 1504는 입사광속을 나타낸다.

광정보기록 재생장치에 있어서 광원의 레이저는 출력을 바꾸었을 때 발신파장이 바뀌어 버리므로, 대물렌즈는 파장 변화에 의한 초점거리의 변화가 적은 것이 바람직하다. 본 실시형태에 나타낸 렌즈는 굴절렌즈와, 회절렌즈가 서로 양의 굴절력을 가지며, 굴절렌즈의 색수차를 회절렌즈에서 보정하는 구성으로 되어 있다.

여기서 광정보기록 재생장치용 반도체 레이저 광원의 파장 변동은 수 nm정도이므로, 설계 파장 ±10nm 범위에서의 색지움을 고려하면 된다. 즉, λ₂=λ₁-10nm, λ₃=λ₁+10nm로 해서 부분분산을 계산하면 된다.

여기서 렌즈의 개구수(NA)를 N이라 할 때 회절렌즈의 최소 피치p는 개략 하기 식(23)으로 표시할 수 있다.

여기서 광정보기록 재생장치는 광원파장λ이 650nm∼800nm, NA가 0.45∼0.65 정도이다.

또, 일반적으로 렌즈용 금형을 바이트를 이용해서 절삭가공하는 경우, 절삭바이트 선단의 노즈반경이 10㎛ 정도이면 생산성이 좋아진다. 그보다 작은 바이트는 회절효율을 개선할 수는 있으나, 생산성이 나빠지기 때문에 바람직하지 않다.

여기서 상기의 계수k에 대해

0.2≤k≤0.6

은 광정보기록 재생장치의 대물렌즈로서 적합한 k의 범위이다. k가 하한을 하회하는 경우에는, 노즈반경이 10㎛ 정도의 바이트를 이용해서 렌즈 또는 렌즈용 금형을 가공할 경우에 상술한 최소 피치p가 짧아져서 회절효율의 저하를 초래한다. 또, k가 상기 식의 상한을 초과한 경우에는, 색수차 보정의 효과가 작아져서 회절렌즈를 일체화시킨 장점을 충분히 발휘할 수 없다.

또, 0.3≤k≤0.55

는 NA가 0.5 이상인 고(高) NA렌즈의 경우에 회절효율을 만족하게 확보하기 위한 조건이다. NA가 높은 경우 최소 피치는 좁아지기 때문에 k의 하한을 크게 할 필요가 있으며, 또한 고NA렌즈는 초점심도가 짧기 때문에 상한을 0.55 정도로 할 필요가 있다.

(실시예12)

광학시스템 전체 시스템의 초점거리가 3mm인 경우에 굴절렌즈와 회절렌즈의 합성시스템(굴절회절 일체형 렌즈)으로 광헤드용 렌즈를 설계한 예를 나타낸다.

설계에 이용한 렌즈 재료의 각 파장에 대한 굴절율을 표1에 나타냈다.

파장(nm)	굴절율
λ₁	680	1.526231
λ₂	670	1.526554
λ₃	690	1.525920

이 때의 ν_g및 ν_d는

ν_g= 830.01735

ν_d= -34

가 된다.

합성초점거리 f=3.0mm의 조건하에서 상기 계수k를 세가지로 바꾸었을 때의 설계 결과를 표2∼표4에 나타냈다. 표중 회절효율은 노즈반경이 10㎛인 바이트를 이용해서 가공한 경우의 회절효율을 본 발명의 회절효율 계산장치를 이용해서 계산한 결과이다.

k	0
f	3.0
f_g	3.122889
f_d	76.236825
윤대수	27
최소피치	31.3㎛
회절효율	84.8％

k	0.3
f	3.0
f_g	3.084978
f_d	108.90975
윤대수	19
최소피치	44.9㎛
회절효율	89.3％

k	0.55
f	3.0
f_g	3.0540816
f_d	169.41517
윤대수	12
최소피치	69.8㎛
회절효율	92.3％

이상에서 0.3≤k로 함으로써 회절효율을 개선할 수 있다.

계속해서 합성초점거리를 5mm로 한 경우와 같은 설계 결과를 하기 표5∼표7에 나타냈다.

k	0
f	5.0
f_g	5.204815
f_d	127.06138
윤대수	44
최소피치	31.5㎛
회절효율	85.0％

k	0.3
f	5.0
f_g	5.14163
f_d	181.51625
윤대수	31
최소피치	45.0㎛
회절효율	89.3％

k	0.55
f	5.0
f_g	5.09136
f_d	282.35861
윤대수	20
최소피치	70.2㎛
회절효율	93.1％

계속해서 초점거리가 3mm이고, 다른 재료를 사용한 경우를 나타냈다.

설계에 사용한 렌즈 재료의 각 파장에 대한 굴절율을 표8에 나타냈다.

파장(nm)	굴절율
λ₁	680	1.511272
λ₂	670	1.511567
λ₃	690	1.510987

이 때의 ν_g및 ν_d는

ν_g= 881.50345

ν_d= -34.0

이 된다. 설계 결과를 표9∼표11에 나타냈다.

k	0
f	3.0
f_g	3.1157114
f_d	80.779716
윤대수	25
최소피치	33.5㎛
회절효율	85.6％

k	0.3
f	3.0
f_g	3.08007158
f_d	115.39959
윤대수	18
최소피치	47.6㎛
회절효율	89.7％

k	0.55
f	3.0
f_g	3.0509885
f_d	179.51048
윤대수	12
최소피치	74.0㎛
회절효율	93.2％

이상의 표에 나타낸 설계예에서 재료나 초점거리에 상관없이 k를 일정한범위로 함으로써 회절효율을 개선할 수 있다.

또한, 본 실시예에 있어서 회절렌즈의 m번째 윤대반경r_m은 하기 식(24)에 의해 계산했다.

윤대 반경의 계산법은 가상의 고굴절율을 이용하는 방법 등 외에도 공지되어 있다. k가 일정한 범위내에 들어가도록 굴절렌즈와 회절렌즈의 초점거리를 선택함으로써 회절효율을 해치지 않고 가공성이 뛰어난 굴절회절 색지움 렌즈를 설계할 수 있다는 본원의 취지는 다른 방법을 이용해서 윤대 반경을 설계하는 경우에도 같은효과를 가짐은 두말할 필요도 없이 자명하다.

또, 본 실시예에서는 광헤드용 렌즈로 했으나, 광원이 반도체 레이저와 같은 정도의 파장 변동을 가진 광학시스템이라면 본원 발명의 범위에서 렌즈설계를 함으로써 회절효율과 색수차 보정의 양립을 실현할 수 있음은 물론이다.

또, 본 실시예에 있어서는 회절렌즈를 렌즈의 입사면측에 형성하는 구성으로 설명했으나, 렌즈의 사출면측에 회절렌즈를 형성하는 구성으로 하는 경우에도 같은 효과를 가짐은 물론이다.

(제10실시형태)

다음에 본 발명의 제10실시형태에 관한 광헤드의 구성에 대해 도면을 참조하면서 설명한다.

도 20은 본 실시형태의 광헤드 구성도이다.

반도체 레이저 광원(1601)으로부터의 발산광속(1602)은 콜리메이트렌즈(1603)에 의해 대략 평행광속(1604)이 되고, 빔 스프리터(1605)를투과하며, 본 발명의 광정보기록 재생장치용 대물렌즈(1606)에 의해 디스크(1607)에 집광된다. 디스크(1607)로부터의 반사광은 본 발명의 광정보기록 재생장치용 대물렌즈(1606)에 의해 대략 평행광속이 되어 빔 스프리터(1605)에 반사되어 검출광학시스템(1608)에 의해 수광소자(1609)에 집광된다.

여기서 반도체 레이저 광원(1601)은 정보 기록시와 재생시에 출력을 변화시키기 때문에 파장이 약간 변화한다. 대물렌즈(1606)로서 제9실시형태에서 설명한 대물렌즈를 이용하고 있으므로, 색수차에 의한 대물렌즈의 초점거리 변화가 작다. 또, 회절렌즈의 회절효율도 양호하기 때문에 광속을 줄일 수 있으므로 양호한 신호출력을 얻을 수 있다.

(제11실시형태)

계속해서 본 발명의 제11실시형태에 관한 촬상용 렌즈에 대해 도면을 이용해서 설명한다.

도 21은 본 발명의 촬상용 렌즈의 구성도이다. 1701은 본 발명의 촬상용 렌즈로서 굴절렌즈의 입사면측에 다수의 동심원상의 윤대로 구성된 회절렌즈(1702)를 형성한 굴절회절 일체형 렌즈이다. 입사광(1703)은 렌즈에 의해 상평면(1704)에 결상된다.

본 렌즈에 있어서 굴절렌즈 및 회절렌즈 모두 양의 굴절력을 가진 구성으로 되어 있으며, 굴절렌즈의 색수차를 회절렌즈를 이용해서 보정하고 있다.

촬상용 렌즈의 경우에는 사용하는 파장영역이 넓고, 기준파장λ₁의 회절효율뿐만 아니라 λ₂및 λ₃의 회절효율에 대해서도 배려가 필요해진다. 기준파장 이외에서 회절효율이 저하된 경우, 렌즈에 의해 얻어진 상이 플레어를 포함하는 화상이 되어 바람직하지 않다.

본 발명의 촬상용 렌즈는 상기 계수k가 하기의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.

0.3≤k

k가 상기 식의 하한을 초과하면 만족한 회절효율을 얻기 위해 매우 예리한 바이트를 이용해서 가공할 필요가 있으므로 렌즈의 생산성을 떨어뜨린다.

또

0.4≤k≤0.7

을 만족하는 것이 바람직하다. 본 식의 하한은 F넘버가 0.5 정도의 밝은 렌즈에 있어서 만족한 회절효율을 얻기 위한 조건이고, 상한은 잔존 색수차를 굴절렌즈단체의 경우 절반까지 저감하기 위한 조건이다.

(실시예13)

여기서는 회절효율과 굴절렌즈의 합성초점거리가 5mm, F넘버가 1.55의 렌즈에 대해 k의 값을 바꾼 3가지 설계예에 대해 비교 검토한다.

λ₁, λ₂, λ₃은 가시광역을 사용할 것을 고려하여 각각 d선(587.6nm), F선(486.1nm), C선(656.3nm)로 했다.

표12에 설계에 이용한 기준파장과 그 파장에 있어서 렌즈 재료의 굴절율을나타냈다.

표13, 표15, 표14는 각각 k=0, 0.4, 0.7인 경우의 설계이고, 표중 회절효율은 노즈반경이 10㎛의 바이트를 이용해서 가공한 경우의 회절효율을 본 발명의 회절효율 계산장치를 이용해서 계산한 결과이다.

k=0인 경우에는 윤대수는 많고, 최소 피치는 작다. 결과적으로 노즈반경이 10㎛의 바이트를 이용해서 가공했다고 해도 회절효율을 만족스럽게 확보할 수 없다.

이에 대해 k=0.4로서 설계한 경우에는 노즈반경이 10㎛의 바이트를 이용하더라도 양호한 회절효율을 확보할 수 있어서 생산성이 좋다. k=0.7로 하면 좀더 좋아짐을 알 수 있다.

또, 본 실시예에 있어서 회절렌즈의 m번째 윤대 반경r_m은 하기 식(24)을 이용해서 계산했다.

윤대 반경의 계산법은 가상의 고굴절율을 이용하는 방법외에도 공지되어 있다. k가 일정한 범위내에 들어가도록 굴절렌즈와 회절렌즈의 초점거리를 선택함으로써 회절효율을 해치지 않고 가공성이 뛰어난 굴절회절 색지움 렌즈를 설계할 수 있다는 본원의 취지는 다른 방법을 이용해서 윤대 반경을 설계한 경우에도 같은 효과를 가짐은 두말할 필요 없이 자명하다.

또, 본 실시예에 있어서는 λ₁, λ₂, λ₃으로서 각각 d선, F선, C선을 이용했으나, 이것은 대상으로 하는 피사체의 스펙트럼 분포 및 촬상소자의 감도특성 등을 고려하여 변경해도 된다. 파장을 변경한 경우에도 본 발명에 나타낸 방법으로 설계하면 회절효율과 색수차의 보정 양쪽을 감안한 설계해를 얻을 수 있음은 물론이다.

또, 본 실시예에 있어서는 회절렌즈를 렌즈의 입사면측에 형성하는 구성으로 설명했으나, 렌즈의 사출면측에 회절렌즈를 형성하는 구성으로 한 경우에도 같은 효과를 가짐은 물론이다.

(제12실시형태)

다음에 본 발명의 제12실시형태에 관한 촬상장치에 대해 도면을 참조하면서 설명하다.

도 22에 나타낸 촬상장치는 본 발명의 촬상용 렌즈(1801), CCD디바이스(1802) 및 신호처리회로(1803)를 이용해서 구성되어 있다.

굴절회절 일체형 렌즈(1801)는 CCD디바이스(1802)상에 피사체를 결상한다. CCD디바이스(1802)는 광학상을 전기신호로 변환한다. CCD디바이스(1802)로부터 출력된 전기신호는 신호처리회로(1803)에 의해 화상데이터로 가공된다.

여기서 굴절회절 일체형 렌즈로는 본 발명의 제11실시형태의 렌즈를 사용하고 있다. 그 때문에 회절렌즈 일체형 단렌즈로 색수차 제거를 행하더라도 회절효율이 양호하고 플레어가 적은 화상출력을 얻을 수 있다.

(제13실시형태)

회절소자가 부착된 렌즈에 있어서 기복형상의 반경은 인접한 기복형상 끼리 그 위상차가 2π의 정수배(또는 광로길이가 파장의 정수배)만큼 편의된 위치를 산출함으로써 결정된다. 이와 같이 하면 회절소자가 부착된 렌즈에 평면파가 입사되었을 때 회절소자가 부착된 렌즈로부터의 출사광은 2π씩 위상의 점프가 있는 계단형상의 파면이 되지만, 인접한 기복형상끼리 새로운 등위상면을 형성하여, 마치 위상이 고른 파인 것 같이 전파되어 나간다. 이 기복형상의 반경은 하기 식(24)에 의해 구할 수 있다.

여기서 r_m은 기복형상의 반경, m은 렌즈 중심으로부터 센 기복형상의 번호, λ₁은 회절소자의 중심파장, f_d는 그레이팅 소자의 초점거리이다.

이하에 본 발명의 제13실시형태에 관한 그레이팅 소자가 부착된 렌즈에 대해 도면을 참조하면서 설명한다.

도 23은 제13실시형태에 관한 그레이팅 소자가 부착된 렌즈구성을 나타낸 단면도, 도 24는 제13실시형태에 관한 그레이팅 소자가 부착된 렌즈의 광선고와 이상지연의 관계를 나타낸 그래프, 도 24는 구체적인 회절소자의 기복형상을 나타내고 있으며, 여기서 도 25(a)는 상기 식(24)에 의해 구해진 회절소자의 기복형상을, 도 25(b)는 본 실시형태에 관한 회절소자의 기복형상을 나타낸 개략도이다.

도 23에 있어서, 본 실시형태에 관한 그레이팅 소자가 부착된 렌즈는 물체측(도면중 좌측)으로부터 그레이팅 소자가 부착된 렌즈(3001), 수정 필터나 촬상 디바이스의 페이스 플레이트 등에 광학적으로 등가인 평판(3002) 및 상면(3005)의 차례로 배치되어 있다.

본 발명의 제13실시형태에 관한 그레이팅 소자가 부착된 렌즈(3001)의 그레이팅 소자면에 형성되어 있는 기복형상은 렌즈 중심으로부터 세어서 m번째에 있어서 기복형상의 피치P_m가 그레이팅 소자의 초점거리를 f_d, 그레이팅 소자가 형성될 때의 중심파장을 λ₁이라 했을 때, 상기 식(7)의 조건식을 만족하고 있다. 이 조건식을 만족함으로써 광선고와 위상지연의 관계를 나타내는 곡선은 도 24에 나타낸 범위에 존재하게 된다.

이와 같이 함으로써 구체적인 회절소자의 기복형상은 도 25(b)에 나타낸 바와 같이 도 25(a)와 비교해서 기복형상의 피치가 넓으며, 또 기복형상의 수도 대폭적으로 삭감할 수 있는 형상으로 할 수 있다. 그 결과, 그레이팅 소자면의 작성을 쉽게 할 수 있다. 또, 회절효율의 열화를 방지할 수 있으므로, 불필요한 산란광이 상면에 투영되어 결상성능을 열화시킨다는 영향을 억제할 수 있다. 이 조건식이 만족되지 않는 경우에는 기복형상의 수가 증대하고, 또 기복형상의 피치가 좁아지므로, 회절효율의 열화로 이어짐과 동시에, 가공도 곤란해져 버린다.

또, 이 그레이팅 소자면은 도 25에 나타낸 바와 같은 키노폼형상으로 구성되는 것이 바람직하며, 상기 그레이팅 소자가 부착된 렌즈는 유리성형 및 수지성형중 어느 하나에 의해 작성되는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써 전사성이 뛰어난 키노폼형상을 가진 그레이팅 소자가 부착된 렌즈를 실현할 수 있다.

또, 상기 그레이팅 소자가 부착된 렌즈는 적외흡수재료에 의해 작성되어도 된다. 이와 같은 구성으로 함으로써 그레이팅 소자면에 의해 발생하는 적외영역의 불필요 광이 촬상소자에 투영되어 결상성능을 열화시키는 것을 억제할 수 있으므로, 양호한 결상성능을 유지할 수 있다.

(제14실시형태)

다음에 본 발명의 제14실시형태에 관한 그레이팅 소자가 부착된 렌즈에 대해 도면을 참조하면서 설명한다

도 26은 제14실시형태에 관한 그레이팅 소자가 부착된 렌즈 렌즈구성을 나타낸 단면도, 도 27은 제14실시형태에 관한 그레이팅 소자가 부착된 렌즈의 광선고와 위상지연의 관계를 나타낸 그래프와 그것에 의해 형성되는 구체적인 회절소자의 기복형상을 나타낸 개략도이다.

도 26에 있어서 본 실시형태에 관한 그레이팅 소자가 부착된 렌즈는 물체측(도면중 좌측)으로부터 그레이팅 소자가 부착된 렌즈(3001), 수정필터나 촬상디바이스의 페이스 플레이트 등에 광학적으로 등가인 평판(3002) 및 상면(3005)의 차례로배치되어 있다.

이 그레이팅 소자가 부착된 렌즈(3001)의 그레이팅 소자면에 형성되어 있는 기복형상은 도 27의 광선고와 위상지연의 관계를 나타낸 곡선으로부터 도출되어 있으며, 상기 위상지연이 2π의 정수배 위치에 기복형상이 형성되어 있다. 즉, 기복형상의 피치는 광축으로부터 떨어진 임의의 위치까지는 서서히 작아지고 있으며, 상기 위치로부터 좀더 떨어짐에 따라서 서서히 커지는 구성으로 되어 있다.

이와 같은 구성으로 함으로써 렌즈 주변부에 있어서 기복형상의 피치를 크게 할 수 있으므로, 가공이 용이한 그레이팅 소자가 부착된 렌즈를 실현할 수 있다. 또, 렌즈 주변부에 있어서 기복형상의 피치를 크게 할 수 있으므로, 회절효율의 열화를 방지할 수 있다. 그 결과 불필요한 산란광이 상면에 투영되어 결상성능을 열화시킨다는 영향을 억제할 수 있다.

또, 이 그레이팅 소자면은 도 27에 나타낸 바와 같은 키노폼형상으로 구성되는 것이 바람직하고, 그레이팅 소자면을 가진 렌즈는 유리성형 및 수지성형중 어느 하나에 의해 작성되는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써 전사성이 뛰어난 키노폼형상을 가진 그레이팅 소자가 부착된 렌즈를 실현할 수 있다.

또한, 상기 그레이팅 소자가 부착된 렌즈는 적외흡수재료에 의해 작성되어도 된다. 이와 같은 구성으로 함으로써 그레이팅 소자면에 의해 발생하는 적외영역의 불필요한 광이 촬상소자에 투영되어 결상성능을 열화시키는 것을 억제할 수 있으므로, 양호한 결상성능을 유지할 수 있다.

(제15실시형태)

다음에 본 발명의 제15실시형태에 관한 그레이팅 소자가 부착된 렌즈에 대해 도면을 참조하면서 설명한다.

도 28은 제15실시형태에 관한 그레이팅 소자가 부착된 렌즈의 렌즈구성을 나타낸 단면도, 도 29는 제15실시형태에 관한 그레이팅 소자가 부착된 렌즈의 광선고와 위상지연의 관계를 나타낸 그래프와 그것에 의해 형성되는 구체적인 회절소자의 기복형상을 나타낸 개략도이다.

도 28에 있어서 본 실시형태에 관한 그레이팅 소자가 부착된 렌즈는, 물체측(도면중 좌측)으로부터 그레이팅 소자가 부착된 렌즈(3001), 수정필터나 촬상디바이스의 페이스 플레이트 등에 광학적으로 등가인 평판(3002) 및 상면(3005)의 차례로 배치되어 있다. 이 그레이팅 소자가 부착된 렌즈(3001)의 그레이팅 소자면에 형성되어 있는 기복형상은 도 29의 광선고와 위상지연의 관계를 나타내는 곡선으로부터 도출되어 있으며, 이 제15실시형태에 있어서의 그레이팅 소자가 부착된 렌즈(3001)는 그레이팅 소자면의 유효반경을 r, 렌즈중심으로부터 세어서 가장 내측에 있는 기복형상의 광축으로부터의 거리를 d라 했을 때 상기 식(8)을 만족한다.

상기 식(8)을 만족함으로써 배율 색수차의 보정에 특히 유효한 렌즈형상으로 할 수 있으며, 특히 60도 이상의 화각을 가진 확각렌즈의 경우에 유효하다. 즉, 상기 식(8)을 만족하고 형성된 회절소자가 부착된 렌즈에 있어서는, 도 30에 나타낸 바와 같이 축상광이 입사된 경우에는, 그 광속직경에 회절소자면의 기복형상이 거의 포함되지 않기 때문에 회절효과가 작아서, 축상 색수차의 보정에는 효과를 얻을 수 없다. 한편, 축외광이 입사된 경우에는 충분한 수의 기복형상이 광속직경에 포함되기 때문에 회절효과가 크고, 배율 색수차의 보정에 유효해진다.

상기 조건식의 상한을 초과하면 배율 색수차의 충분한 보정을 할 수 없게 된다. 상기 조건식의 하한을 초과하면 충분한 배율 색수차 보정을 하려고 하면 축상 색수차가 보정 과잉이 되어 버려서 양호한 결상성능을 얻을 수 없게 된다. 또한 기복형상의 수도 증가하기 때문에 회절효율의 열화에 이어진다.

또, 이 그레이팅 소자면은 도 29에 나타낸 바와 같은 키노폼형상으로 구성되는 것이 바람직하고, 상기 그레이팅 소자면을 가진 렌즈는 유리성형 및 수지성형의 어느 하나에 의해 작성되는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써 전사성이 뛰어난 키노폼형상을 가진 그레이팅 소자가 부착된 렌즈를 실현할 수 있다.

또한, 상기 그레이팅 소자가 부착된 렌즈는 적외흡수재료에 의해 작성되어도 된다. 이와 같은 구성으로 함으로써 그레이팅 소자면에 의해 발생하는 적외영역의 불필요한 광이 촬상소자에 투영되고, 결상성능을 열화시키는 영향을 억제할 수 있어서 양호한 결상성능을 유지할 수 있다.

(제16실시형태)

다음에 본 발명의 제16실시형태에 관한 촬상장치의 구성에 대해 도면을 참조하면서 설명한다.

도 31에 나타낸 촬상장치는 본 발명의 그레이팅 소자가 부착된 렌즈(3001), 촬상소자(3011) 및 신호처리회로(3012)로 구성되어 있다. 3013은 광축이다.

그레이팅 소자가 부착된 렌즈로는 본 발명의 제13실시형태 내지 제15실시형태에 관한 그레이팅 소자가 부착된 렌즈의 어느 하나가 이용되고 있다. 본 발명의상기 각 실시형태에 관한 그레이팅 소자가 부착된 렌즈는 소형이면서 렌즈작성도 쉽기 때문에 매우 저렴한 소형촬상장치를 구성하는데 적합한다.

따라서, 본 발명에 관한 그레이팅 소자가 부착된 렌즈를 이용해서 촬상장치를 구성하면 장치 전체의 크기를 종래보다 소형화하는 것이 가능함과 동시에 결상성능이 양호하면서 매우 저렴한 소형 촬상장치를 얻을 수 있다.

(제17실시형태)

다음에 본 발명의 제17실시형태에 관한 판독장치의 구성에 대해 도면을 참조하면서 설명한다.

도 32에서 나타내고 있는 판독장치는 본 발명의 그레이팅 소자가 부착된 렌즈(3001), 이미지센서(3021) 및 신호처리회로(3022)로 구성되어 있다. 3013은 광축이다.

그레이팅 소자가 부착된 렌즈로는 본 발명의 제13실시형태 내지 제15실시형태에 관한 그레이팅 소자가 부착된 렌즈중 어느 하나가 이용되고 있다. 본 발명의 상기 각 실시형태에 관한 그레이팅 소자가 부착된 렌즈는 넓은 파장범위에서 색수차가 양호하게 보정되고 있다. 또, 화각도 크고, 종래의 광학시스템보다 작아지고 있기 때문에 소형 판독장치를 구성하는데 적합하다.

따라서, 본 발명에 관한 그레이팅 소자가 부착된 렌즈를 이용해서 판독장치를 구성하면 판독장치 전체의 크기를 종래보다 소형화하는 것이 가능함과 동시에, 결상성능이 양호하면서 매우 저렴한 판독장치를 얻을 수 있다.

《제2발명에 대해》

이하 실시형태를 이용해서 본 제2발명의 좀더 구체적으로 설명한다.

설명에 즈음해서 먼저 본 발명에 있어서 그레이팅 소자의 설계방법에 대해 설명한다.

그레이팅 소자는 회절현상을 이용한 광학소자이다. 굴절소자가 짧은 파장에 대해 높은 굴절율을 가지는 데 반해, 그레이팅 소자는 긴 파장쪽이 회절각도가 커지기 때문에 색수차에 대한 행동이 굴절소자와는 반대가 된다. 또, 그레이팅 소자의 분산은 사용 파장의 윤대에 의해 결정되지만, 일반적으로 컬러화상의 경우, 촬영에 필요한 파장대역은 430nm∼630nm 정도가 좋고, 이 경우에 있어서 그레이팅 소자의 분산은 마이너스값이 된다. 이 그레이팅 소자를 양의 굴절력을 가진 굴절소자와 조합할 때에는 양의 굴절력을 가진 그레이팅 소자를 이용함으로써 색지움을 할 수 있다.

이 그레이팅 소자의 구체적인 설계법으로는, William C. Sweatt에 의해 제안된 고굴절율법(Describing holographic potical elements as lenses:Journal of Optical Society of America, Vol. 67, No. 6, June 1977 참조)을 이용했다. 이것은 그레이팅 소자의 광선 행동을 가상의 고굴절율에 의한 굴절현상으로 바꿀 수 있음을 나타낸 것으로, 굴절율이 무한대일 때에는 회절소자와 완전히 일치한다는 것이다. 그러나, 실제 계산시에는 무한대의 굴절율을 정의할 수 없기 때문에, 어떤 값으로 설정할 필요가 있다. 이하에 고굴절율법과 실제의 회절격자의 오차에 대해 설명한다.

도 40, 도 41에 Sweatt 모델의 오차 해석에 대해 나타냈다.

회절(도 40 참조)은 하기 식(25)를 이용해서 풀 수 있다.

n₁sinθ₁-n₂sinθ₂=λ/d ··· (25)

이것에 대해 굴절(도 41 참조)은 제1면과 제2면에서 2회 발생하기 때문에, 스넬의 법칙을 2회 적용할 필요가 있다. 1회째 스넬법칙의 적용을 하기 식(26)으로 표시하고, 2회째 스넬법칙의 적용을 하기 식(27)로 표시했다.

n₁sinθ₁=n_hsinθ_h··· (26)

n_hsin(θ_h+ψ_h)=n₂sinθ₂··· (27)

여기서 θ_h≪1로 하면 상기 식(25)∼식(27)로부터 2개의 출사각도의 차는 λ/d·n_h가 된다. 또, 렌즈의 초점거리를 f라 하면 상면위에서의 광선위치의 오차Δ는 하기 식(28)과 같이 표기된다.

Δ=λ·f/d·n_h··· (28)

여기서, 예를들면 파장 550nm, 초점거리f=5mm, 그레이팅의 피치 20㎛, 고굴절율n_h=5501이라 하면, 상면위에서의 광선 위치의 오차는 Δ=0.025㎛이 된다. 이것은 설계상 고려해야 할 값의 10분의 1 이하이며, 문제가 없는 레벨이다. 이 때문에 고굴절율법으로 설계하는 경우의 굴절율을 파장의 10배 ＋1로 설정했다. 플러스1(＋1)로 한 것은 1차 회절광을 이용하는 경우, 그레이팅의 피치는 높이가 λ/(n-1)마다 결정되기 때문이다. 즉, 굴절율n이 10λ ＋1이면 0.1nm마다 피치를 새겨 나가면 됨을 알 수 있다. 이것은 고굴절율층의 새그량이 2.5nm이면 윤대수는 25가 된다. 단, 실제의 윤대수는 광선의 굴절방향도 고려할 필요가 있기 때문에, 면에 수직한 방향에서 잰 새그량만을 이용해서 정확하게 계산할 수는 없으나, 주변을 보는데에는 유효하다.

(제18실시형태)

이하에 본 발명의 제18실시형태에 있어서의 판독광학시스템에 대해 도 33, 도 35를 참조하면서 설명한다.

도 33, 도 35는 각각 제18실시형태의 구체적 수치예인 실시예14, 실시예15에 관한 판독광학시스템의 렌즈구성을 나타내는 단면도이다.

도 33, 도 35에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태에 있어서의 판독광학시스템은 물체측(도면중 좌측)으로부터 차례로 배치된 조리개(5001)와, 렌즈(5002)와, 촬상디바이스의 페이스 플레이트에 광학적으로 등가인 평판(5003)에 의해 구성되어 있다. 또한, 도 33, 도 35중 5004는 상면이다.

이 판독광학시스템을 구성하는 렌즈(5002)는 상측면이 볼록면으로 되어 있으며, 또 이 상측면에 양의 굴절력을 가진 그레이팅 소자면(5060)이 형성되어 있다. 또, 렌즈(5002)는 물체 측면이 광축을 벗어남에 따라 국소적인 곡률반경이 작아지는 비구면으로 되어 있다.

각각의 실시예에 있어서 렌즈(5002) 상측면의 후술하는 수치는 그레이팅 소자면(5060)으로 변환하기 전의 값을 나타내고 있으며, 이 수치에 의거해서 그레이팅 소자면(5060)이 형성된다. 구체적으로는 설계시에 도 42에 나타낸 바와 같이,베이스 비구면(5050)(실시예14, 15에 있어서의 정점곡률반경r₃을 가진 제3면)위에 고굴절율면(5051)(실시예14, 15에 있어서의 정점곡률반경r₂를 가진 제2면)을 가지며, 그 사이에 고굴절율부(5052)를 가진 상태를 상정하고, 이들 베이스 비구면(5050)과 고굴절율면(5051)으로 구성된 상측면과 같은 효과를 얻을 수 있도록 상기의 방법을 이용해서 도 43에 나타낸 바와 같은 그레이팅 소자면(5060)으로 변환한다.

또, 그레이팅 소자면(5060)은 도 44에 나타낸 바와 같은 키노폼형상으로 구성되어 있으며, 그레이팅 소자면(5050)을 가진 렌즈(5002)는 유리성형 또는 수지성형중 어느 하나에 의해 형성된다. 이에 따라 전사성이 뛰어난 키노폼형상을 가진판독광학시스템을 실현할 수 있다.

또, 그레이팅 소자면(5060)을 가진 렌즈(5002)를 적외선 커트 유리 등의 적외흡수재료에 의해 형성함으로써 전사성이 뛰어난 키노폼형상을 가지며, 또 그레이팅 소자면(5060)에 의해 발생하는 적외영역의 불필요한 광이 이미지센서에 투영되어 결상성능이 열화되는 것을 방지하므로, 양호한 결상성능을 확보할 수 있는 판독광학시스템을 실현할 수 있다.

본 실시형태에 있어서는 렌즈(5002)의 물체 측면(제1면)의 정점곡률반경을 r₁, 상측면의 정점곡률반경을 r₂, 조리개(5001)의 직경을 D, 광학시스템 전체 시스템의 초점거리를 f, 그레이팅 소자면(5060)의 초점거리를 f_d로 하고, 하기 식(9), 식(10), 식(11)을 만족함으로써 이하의 작용효과를 얻을 수 있다.

0.05〈｜r₂/r₁｜〈0.5 ··· (9)

9〈f/D〈16 ··· (10)

0.05〈｜f/f_d｜〈0.15 ··· (11)

먼저, 상기 식(9)를 만족함으로써 제수차의 밸런스가 잡힌 최적의 렌즈형상으로 할 수 있다. 그러나, 상기 식(9)에서 벗어나면 축외광의 입사각도가 커지고, 그 결과 축외성능의 열화나 축외광에 있어서 회절효율의 열화로 이어져서 플레어가 발생되어 버린다. 또, 상측면의 정점곡률반경r₂이 작아지면 렌즈 제조가 곤란해지기 때문에 수율이 나빠져서 비용상승으로 이어진다.

또, 상기 식(10)을 만족함으로써 진동 등에 의한 화상정보의 결락이나 코드정보의 오인식을 방지하기 위한 충분한 피사계 심도를 얻을 수 있다. 그러나, 상기 식(10)에서 벗어나면 화상정보나 코드정보를 판독하기 위한 충분한 밝기를 얻을 수 없거나 혹은 충분한 피사계 심도를 얻을 수 없기 때문에, 화상정보의 결락이나 코드정보의 오인식을 일으켜 버린다.

또, 상기 식(11)을 만족함으로써 색수차를 양호하게 보정할 수 있다. 그러나, 상기 식(11)로부터 벗어나면 색수차의 보정 부족 혹은 보정 과잉이 되어 양호한 결상성능을 얻는 것이 곤란해진다.

또, 상기한 바와 같이 렌즈(5002)중 적어도 일면을 광축을 벗어남에 따라 국소적인 곡률반경이 작아지는 비구면형상으로 하는 것은 왜곡 수차와 상면 만곡의 보정에 커다란 효과를 발휘한다.

또, 그레이팅 소자면(5060)이 형성될 때의 중심파장을 λ₁로 하고, 하기 식(12)를 만족함으로써 그레이팅 소자면(5060)에 의해 발생하는 불필요 산란광이 이미지 센서에 투영되어 결상성능이 열화되는 것을 방지할 수 있다.

450nm〈λ₁〈600nm ··· (12)

그러나, 상기 식(12)에서 벗어나면 이미지 센서의 파장감도에 대해 불필요 산란광의 강도가 강해져서 플레어가 발생되어 버린다.

또, 상기 판독광학시스템에 있어서 원고의 최대높이를 Y, 이미지 센서의 최대높이를 y라 하고, 하기 식(13)의 조건식을 만족함으로써, 상기 판독광학시스템의 소형화를 달성할 수 있다.

0.2〈y/Y〈0.6 ···· (13)

그러나, 상기 식(13)의 조건식에서 벗어나면, 물상간(物像間) 거리가 길어짐과 동시에, 왜곡 수차 및 상면 만곡이 열화되어 양호한 결상성능을 얻을 수 없게 되거나 혹은 소망하는 원고 판독 사이즈에 대해 그 일부분밖에 판독할 수 없게 됨에 따라 조작성, 응답성이 나빠진다.

또, 상기 판독광학시스템을 자오선 상면이 서지탈 상면보다 양호한 결상성능을 가진 구성으로 함으로써 코드정보의 판독 정밀도를 높여서 오인식을 방지할 수 있다.

이하에 본 실시형태의 구체적인 수치예로서 실시예14, 15를 나타냈다. f는 전체시스템의 합성초점거리, F_no는 F넘버, 2ω는 화상을 표시하고 있다. 실시예중r₁, r₂, r₃는 차례로 물체측의 렌즈면(제1면)의 정점곡률반경, 상측면의 고굴절율면(제2면)의 정점곡률반경, 상측면의 베이스 비구면(제3면)의 정점곡률반경을 나타내며, d₁, d₂, d₃는 차례로 조리개(5001)와 렌즈(5002)의 제1면과의 면간격, 제1면과 제2면의 면간격(렌즈의 두께), 제2면과 제3면의 면간격을 나타내며, n, ν는 각각 렌즈 재료의 d선에 있어서 굴절율과 아베수이다. 또, 비구면형상을 가진 면(실시예중 면No의 가로에 *표로 표시)의 비구면형상은 하기 식(29)에 의해 규정되어 있다.

단, 상기 식(29)에 있어서,

Z:광축으로부터의 높이가 y일 때의 새그량

y:광축으로부터의 높이

c:비구면 정점의 곡률

k:원추 정수

D, E, F, G:비구면 계수

로 한다.

이하, 실시예14에 대한 구체적 수치예를 나타낸다. 이 중에서 고굴절율법에 의해 설계된 고굴절면에는 면No의 가로에 ○표를 표시하고 있다.

(실시예14)

f=24.4

F_no=15.2, 2ω=50.0

Y=25.0, y=10.5

면No	r	d	n	ν
조리개		d₁=0.5
1*	r₁=-13.2300	d₂=5.0	1.5240	56.7
2*○	r₂=-7.60302	d₃=0.0	5877	-3.45
3*	r₃=-7.60300

또한, *표를 붙인 면은 비구면이고, 그 비구면 계수는 하기에 나타냈다.

	제1면	제2면	제3면
k	0.0	0.0	0.0
D	-1.23566×10^-3	1.17662×10^-4	1.17649×10^-4
E	6.16012×10^-4	-1.94690×10^-6	-1.94714×10^-6
F	0.0	0.0	0.0
G	0.0	0.0	0.0

도 34에 본 실시예의 판독광학시스템에 있어서의 제수차를 나타냈다.

이 도 34의 각 수차도에 있어서 (a), (b), (c), (d), (e)는 각각 구면 수차(mm), 비점 수차(mm), 왜곡 수차(％), 축상 색수차(mm), 배율 색수차(mm)를 표시하고 있다 도 34(a)의 구면 수차도에 있어서 실선은 d선이고, 파선은 정현조건이다. 도 34(b)의 비점 수차도에 있어서 실선은 서지탈 상면곡면이고, 파선은 자오선 상면곡면이다. 도 34(d)의 축상 색수차도에 있어서 실선은 d선, 파선은 F선, 일점쇄선은 C선에 대한 값이다. 도 34(e)의 배율 색수차도에 있어서 파선은 F선, 일점쇄선은 C선에 대한 값이다. 이러한 수차도에서 알 수 있듯이, 본 실시예에 의하면 색수차가 양호하게 보정되고, 결상성능이 양호한 판독광학시스템을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

다음에 실시예15에 대한 구체적 수치를 이하에 나타냈다.

(실시예15)

f=17.0

F_no=10.4, 2ω=56.5

Y=32.5, y=10.5

면No	r	d	n	ν
조리개		d₁=2.8
1*	r₁=-11.5083	d₂=2.6	1.5298	55.7
2*○	r₂=-5.63147	d₃=0.0	5877	-3.45
3*	r₃=-5.63145

	제1면	제2면	제3면
k	0.0	0.0	0.0
D	-2.01753×10^-3	-1.35383×10^-4	-1.35410×10^-4
E	5.50497×10^-4	-8.57270×10^-6	-8.57284×10^-6
F	-1.17212×10^-4	-2.27625×10^-7	-2.27024×10^-7
G	5.67473×10^-6	-1.49093×10^-7	-1.49150×10^-7

도 36에 본 실시예의 판독광학시스템에 있어서의 제수차를 나타냈다.

이 도 36의 각 수차도에 있어서 (a), (b), (c), (d), (e)는 각각 구면 수차(mm), 비점 수차(mm), 왜곡 수차(％), 축상 색수차(mm), 배율 색수차(mm)를 표시한다. 도 36(a)의 구면 수차도에 있어서 실선은 d선이고, 파선은 정현조건이다. 도 36(b)의 비점 수차도에 있어서 실선은 서지탈 상면곡면이고, 파선은 자오선 상면곡면이다. 도 36(d)의 축상 색수차도에 있어서 실선은 d선, 파선은 F선, 일점쇄선은 C선에 대한 값이다. 도 34(e)의 배율 색수차도에 있어서 파선은 F선, 일점쇄선은 C선에 대한 값이다. 이러한 수차도에서 알 수 있듯이, 본 실시예에 의하면 색수차가 양호하게 보정되고, 결상성능이 양호한 판독광학시스템을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

또, 본 실시형태에 있어서는 렌즈(5002)의 상측면에 그레이팅 소자면에 형성된 구성의 판독광학시스템을 예로 들어 설명했으나, 본 발명은 이 구성에 한정이 되는 것은 아니며, 렌즈(5002)의 물체 측면에 그레이팅 소자면이 형성된 구성이어도 상관없다.

(제19실시형태)

다음에 본 발명의 제19실시형태에 있어서의 판독광학시스템에 대해 도 37을 참조하면서 설명한다.

도 37은 제19실시형태의 구체적 수치예인 실시예16에 관한 판독광학시스템의 렌즈구성을 나타낸 단면도이다.

도 37에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태에 있어서의 판독광학시스템은, 물체측(도면중 좌측)으로부터 차례로 배치된 조리개(5001)와, 렌즈(5002)와, 촬상디바이스의 페이스 플레이트에 광학적으로 등가인 평판(5003)에 의해 구성되어 있으며, 도시하지 않은 구동장치에 의해 광축상을 이동함으로써 다른 사이즈의 원고를 판독할 수 있게 되어 있다. 또, 도 37중 5004는 상면이다.

이 판독광학시스템을 구성하는 렌즈(5002)는 상측면이 볼록면으로 되어 있으며, 광축을 벗어남에 따라 국소적인 곡률반경이 작아지는 비구면으로 되어 있다. 또, 렌즈(5002)에는 상측면에 양의 굴절력을 가진 그레이팅 소자면(5060)이 형성되어 있다.

하기 실시예16에 있어서 렌즈(5002) 상측면의 후술하는 수치는 그레이팅 소자면(5060)에 변환하기 전의 값을 나타내고 있으며, 이 수치에 의거해서 그레이팅 소자면(5060)이 형성된다. 구체적으로는 설계시에 도 42에 나타낸 바와 같이, 베이스 비구면(5050)(실시예16에 있어서의 정점곡률반경r₃을 가진 제3면)위에 고굴절율면(5051)(실시예16에 있어서의 정점곡률반경r₂를 가진 제2면)을 가지며, 그 사이에 고굴절율부(5052)를 가진 상태를 상정하고, 이들 베이스 비구면(5050)과 고굴절율면(5051)으로 구성된 상측면과 같은 효과를 얻을 수 있도록 상기의 방법을 이용해서 도 43에 나타낸 바와 같은 그레이팅 소자면(5060)으로 변환한다.

또, 그레이팅 소자면(5060)은 도 44에 나타낸 바와 같은 키노폼형상으로 구성되어 있으며, 그레이팅 소자면(5060)을 가진 렌즈(5002)는 유리성형 또는 수지성형중 어느 하나에 의해 형성된다. 이에 따라 전사성이 뛰어난 키노폼형상을 가진판독광학시스템을 실현할 수 있다.

또, 그레이팅 소자면(5060)을 가진 렌즈(5002)를 적외흡수재료에 의해 형성함으로써 전사성이 뛰어난 키노폼형상을 가지며, 또 그레이팅 소자면(5060)에 의해 발생하는 불필요 산란광이 이미지센서에 투영되어 결상성능이 열화되는 것을 방지하여 양호한 결상성능을 확보할 수 있는 판독광학시스템을 실현할 수 있다.

본 실시형태에 있어서는 렌즈(5002)의 물체 측면(제1면)의 정점곡률반경을 r₁, 상측면의 정점곡률반경을 r₂, 조리개(5001)의 직경을 D, 광학시스템 전체 시스템의 초점거리를 f, 그레이팅 소자면(5060)의 초점거리를 f_d로 하고, 하기 식(9),식(10), 식(11)을 만족함으로써 이하의 작용효과를 얻을 수 있다.

0.05〈｜r₂/r₁｜〈0.5 ··· (9)

9〈f/D〈16 ··· (10)

0.05〈｜f/f_d｜〈0.15 ··· (11)

먼저, 상기 식(9)를 만족함으로써 제수차의 밸런스가 잡힌 최적의 렌즈형상으로 할 수 있다. 그러나, 상기 식(9)에서 벗어나면 축외광의 입사각도가 커지는데, 그 결과 축외성능의 열화나 축외광에 있어서의 회절효율 열화로 이어져서 플레어가 발생된다. 또, 상측면의 정점곡률반경r₂이 작아지면 렌즈 제조가 곤란해지기 때문에 수율이 나빠져서 비용상승으로 이어진다.

또, 상기 식(10)을 만족함으로써 진동 등에 의한 화상정보의 결락이나 코드정보의 오인식을 방지하기 위한 충분한 피사계 심도를 얻을 수 있다. 그러나, 상기 식(10)에서 벗어나면 화상정보나 코드정보를 판독하기 위한 충분한 밝기를 얻을 수 없거나 또는 충분한 피사계 심도를 얻을 수 없기 때문에 화상정보의 결락이나 코드정보의 오인식을 일으킨다.

또, 상기한 바와 같이 렌즈(5002)중 적어도 일면을 광축을 벗어남에 따라 국소적인 곡률반경이 작아지는 비구면형상으로 하는 것은 왜곡 수차와 상면 만곡의보정에 커다란 효과를 발휘한다.

또, 그레이팅 소자면(5060)이 형성될 때의 중심파장을 λ₁로 하고, 하기 식(12)를 만족함으로써, 그레이팅 소자면(5060)에 의해 발생하는 불필요 산란광이 이미지 센서에 투영되어 결상성능이 열화되는 것을 방지할 수 있다.

450nm〈λ₁〈600nm ··· (12)

또, 상기 판독광학시스템에 있어서 원고의 최대높이를 Y, 이미지 센서의 최대높이를 y라 하고 하기 식(13)의 조건식을 만족함으로써, 상기 판독광학시스템의 소형화를 달성할 수 있다.

0.2〈y/Y〈0.6 ···· (13)

그러나, 상기 식(13)의 조건식에서 벗어나면, 물상간 거리가 길어짐과 동시에, 왜곡 수차 및 상면 만곡이 열화되어 양호한 결상성능을 얻을 수 없게 되거나 또는 소망하는 원고 판독 사이즈에 대해 그 일부분밖에 판독할 수 없게 됨에 따라 조작성, 응답성이 나빠진다.

또, 상기 판독광학시스템에 있어서, 상기 판독광학시스템이 가장 물체측으로 이동했을 때의 원고의 최대 높이를 Y_w, 가장 상측으로 이동했을 때의 원고의 최대 높이를 Y_t라 하고, 하기 식(14)를 만족함으로써, 소형이면서 결상성능이 양호한 판독광학시스템을 실현할 수 있다.

0.6〈Y_t/Y_w〈1 ··· (14)

그러나, 상기 식(14)로부터 벗어나면 렌즈의 이동량이 커지고, 장치의 소형화를 달성할 수 없게 됨과 동시에, 양호한 결상성능도 얻을 수 없게 된다.

이하에, 본 실시형태의 구체적인 수치예로서 실시예16을 나타냈다. f는 전체시스템의 합성초점거리, F_no는 F넘버, 2ω는 화상을 표시한다. 실시예중 r₁, r₂, r₃는 차례로 물체측 렌즈면(제1면)의 정점곡률반경, 상측면 고굴절율면(제2면)의 정점곡률반경, 상측면 베이스 비구면(제3면)의 정점곡률반경을 나타내며, d₁, d₂, d₃는 차례로 조리개(5001)와 렌즈(5002) 제1면의 면간격, 제1면과 제2면의 면간격(렌즈의 두께), 제2면과 제3면의 면간격을 나타내고, n, ν는 각각 렌즈 재료의 d선에 있어서 굴절율과 아베수이다. 또, 비구면형상을 가진 면(실시예중의 면No의 가로에 *표로 표시)의 비구면형상은 하기 식(29)에 의해 규정된다.

단, 상기 식(29)에 있어서,

Z:광축으로부터의 높이가 y일 때의 새그량

y:광축으로부터의 높이

c:비구면 정점의 곡률

k:원추정수

D, E, F, G:비구면 계수

라 한다.

이하, 실시예16에 대한 구체적 수치예를 나타낸다. 이 중에서 고굴절율법에 의해 설계된 고굴절면에는 면No의 가로에 ○표를 표시하고 있다.

(실시예16)

f=17.2

F_no=10.4, 2ω=55.4∼52.7

면No	r	d	n	ν
원고위치		(가변)
조리개		d₁=2.8
1*	r₁=-11.6748	d₂=2.6	1.5298	55.7
2*○	r₂=-5.71453	d₃=0.0	5877	-3.45
3*	r₃=-5.71451

	d
Yw=25.0	51.0
Yt=32.5	62.4

	제1면	제2면	제3면
k	0.0	0.0	0.0
D	-2.06110×10^-3	-1.29557×10^-4	-1.29590×10^-4
E	5.32089×10^-4	-7.96984×10^-6	-7.96763×10^-6
F	-1.22456×10^-4	-2.04872×10^-7	-2.04907×10^-7
G	8.67146×10^-6	-1.30728×10^-7	-1.30735×10^-7

도 38, 도 39에 본 실시예에 따른 판독광학시스템에 있어서의 제수차를 나타냈다.

여기서 도 38은 판독광학시스템이 가장 물체측으로 이동했을 때의 수차도이고, 도 39는 판독광학시스템이 가장 상측으로 이동했을 때의 수차도이다. 이 도 38, 도 39의 각 수차도에 있어서 (a), (b), (c), (d), (e)는 각각 구면 수차(mm), 비점 수차(mm), 왜곡 수차(％), 축상 색수차(mm), 배율 색수차(mm)를 표시한다. 도 38(a) 및 도 39(a)의 구면 수차도에 있어서 실선은 d선이고, 파선은 정현조건이다. 도 38(b) 및 도 39(b)의 비점 수차도에 있어서 실선은 서지탈 상면곡면이고, 파선은 자오선 상면곡면이다. 도 38(d) 및 도 39(d)의 축상 색수차도에 있어서 실선은 d선, 파선은 F선, 일점쇄선은 C선에 대한 값이다. 도 38(e) 및 도 39(e)의 배율 색수차도에 있어서 파선은 F선, 일점쇄선은 C선에 대한 값이다. 이러한 수차도에서 알 수 있듯이, 본 실시예에 의하면 색수차가 양호하게 보정되고, 결상성능이 양호한 판독광학시스템을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

또, 본 실시형태에서는 렌즈(5002)의 상측면에 그레이팅 소자면이 형성된 구성의 판독광학시스템을 예로 들어 설명했으나, 본 발명은 이 구성에 한정되는 것이 아니며, 렌즈(5002)의 물체 측면에 그레이팅 소자면이 형성된 구성이어도 상관없다.

(제20실시형태)

다음에 본 발명의 제20실시형태에 있어서의 화상판독장치에 대해 도 45를 참조하면서 설명한다.

도 45는 본 발명의 제20실시형태에 있어서 화상판독장치를 나타내는 개략구성도이다.

도 45에 나타낸 바와 같이, 화상판독장치는 판독광학시스템(5061)과, 판독광학시스템(5061)에 의해 결상된 화상정보를 전기신호로 변환하는 이미지센서(5062)와, 상기 전기신호를 처리하고 상기 화상정보를 처리하는 회로부(5063) 등에 의해 구성되어 있다.

판독광학시스템(5061)으로는 상기 제18실시형태에 있어서의 판독광학시스템이 이용된다. 상기 제18실시형태에 있어서의 판독광학시스템은 넓은 파장범위에 걸쳐서 색수차가 양호하게 보정되고, 화각도 크며, 또 종래의 광학시스템보다도 작아지고 있기 때문에, 소형의 화상판독장치를 구성하는 데 적합하다.

이상과 같이 상기 제18실시형태에 있어서의 판독광학시스템을 이용해서 화상판독장치를 구성하면 화상판독장치 전체의 크기를 종래보다 소형으로 하는 것이 가능해짐과 동시에, 결상성능이 양호한 화상판독장치를 얻을 수 있다.

(제21실시형태)

다음에 본 발명의 제21실시형태에 있어서의 화상판독장치에 대해 도 46를 참조하면서 설명한다.

도 46은 본 발명의 제21실시형태에 있어서의 화상판독장치를 나타내는 개략구성도이다.

도 46에 나타내는 바와 같이, 화상판독장치는 판독광학시스템(5071)과, 판독광학시스템(5071)을 구동하는 구동장치(5072)와, 판독광학시스템(5071)에 의해 결상된 화상정보를 전기신호로 변환하는 이미지센서(5062)와, 상기 전기신호를 처리하고 상기 화상정보를 처리하는 회로부(5063) 등으로 구성되어 있다.

판독광학시스템(5071)으로는 상기 제19실시형태에 있어서의 판독광학시스템이 이용되고 있다. 상기 제19실시형태에 있어서의 판독광학시스템은 넓은 파장범위에 걸쳐서 색수차가 양호하게 보정되고, 화각도 크며, 또 종래의 광학시스템보다도 작아지고 있기 때문에, 소형의 화상판독장치를 구성하는 데 적합하다.

이상과 같이 상기 제19실시형태에 있어서의 판독광학시스템을 이용해서 화상판독장치를 구성하면 화상판독장치 전체의 크기를 종래보다 소형으로 하는 것이 가능해짐과 동시에, 결상성능이 양호한 화상판독장치를 얻을 수 있다.

(제22실시형태)

다음에 본 발명의 제22실시형태에 있어서의 바코드 리더에 대해 도 47을 참조하면서 설명한다.

도 47은 본 발명의 제22실시형태에 있어서의 바코드 리더를 나타내는 개략구성도이다.

도 47에 나타낸 바와 같이, 바코드 리더는 판독광학시스템(5061)과, 판독광학시스템(5061)에 의해 결상된 바코드정보를 전기신호로 변환하는 이미지센서(5073)와, 상기 바코드정보를 해독하는 회로부를 가진 신호처리회로(5074) 등으로 구성되어 있다.

판독광학시스템(5061)으로는 상기 제18실시형태에 있어서의 판독광학시스템이 이용되고 있다. 상기 제18실시형태에 있어서의 판독광학시스템은 넓은 파장범위에 걸쳐서 색수차가 양호하게 보정되고 있기 때문에, LED 등의 광원이 불필요해지고, 화각도 크며, 또 종래의 광학시스템보다도 작아지기 때문에, 소형의 바코드 리더를 구성하는 데 적합하다.

이상과 같이 상기 제18실시형태에 있어서의 판독광학시스템을 이용해서 바코드 리더를 구성하면 바코드 리더 전체의 크기를 종래보다 소형으로 하는 것이 가능해짐과 동시에, 결상성능이 양호한 바코드 리더를 얻을 수 있다.

(제23실시형태)

다음에 본 발명의 제23실시형태에 있어서의 바코드 리더에 대해 도 48을 참조하면서 설명한다.

도 48은 본 발명의 제23실시형태에 있어서의 바코드 리더를 나타내는 개략구성도이다.

도 48에 나타낸 바와 같이, 바코드 리더는 판독광학시스템(5071)과, 판독광학시스템(5071)을 구동하는 구동장치(5072)와, 판독광학시스템(5071)에 의해 결상된 바코드정보를 전기신호로 변환하는 이미지센서(5073)와, 상기 바코드정보를 해독하는 회로부를 가진 신호처리회로(5074) 등으로 구성되어 있다.

판독광학시스템(5071)으로는 상기 제19실시형태에 있어서의 판독광학시스템이 이용되고 있다. 상기 제19실시형태에 있어서의 판독광학시스템은 넓은 파장범위에 걸쳐서 색수차가 보정되고 있기 때문에, LED 등의 광원이 불필요해지고, 화각도 크며, 종래의 광학시스템보다도 작아지고 있기 때문에, 소형의 바코드 리더를 구성하는 데 적합하다.

이상과 같이 상기 제19실시형태에 있어서의 판독광학시스템을 이용해서 바코드 리더를 구성하면 바코드 리더 전체의 크기를 종래보다 소형으로 하는 것이 가능해짐과 동시에, 결상성능이 양호한 바코드 리더를 얻을 수 있다.

《제1발명에 대해》

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 회절효율 계산장치에 의하면 회절렌즈를 다수의 영역으로 분할하고, 각 영역마다 중율을 부여하여 전체의 회절효율을 얻기로 했으므로, 각 영역마다 회절효율이 다른 경우라도 렌즈 전체의 회절효율을 정확하고 효율적으로 계산할 수있다. 본 발명의 회절효율계산은 컴퓨터를 이용해서 실행하는 데 적합하다.

또, 본 발명의 렌즈형상 계측장치에 의하면, 실제로 얻어진 회절렌즈 또는 회절렌즈 성형용 금형의 릴리프형상을 계측함으로써, 회절렌즈의 회절효율을 얻을 수 있으므로, 얻어진 렌즈나 렌즈성형용 금형의 형성정밀도가 어느 정도 회절효율에 영향을 주는 것인지를 알 수 있으며, 형상정밀도의 공차 결정이나 불량품의 선별 등 제품의 품질관리상의 유효한 판단재료를 얻을 수 있다. 또, 실제로 얻어진 릴리프형상으로부터 계산된 회절효율을 설계상의 릴리프형상으로부터 구한 회절효율과 비교함으로써, 회절렌즈 제조공정의 각종 조건과 얻어진 렌즈의 회절효율과의 관계를 알 수 있다. 따라서, 이 관계를 렌즈 설계에 반영시킴으로써 최종적으로 얻어지는 회절렌즈의 회절효율의 정확한 예측과, 최적한 제조조건의 선택이 가능해진다.

또, 본 발명의 렌즈설계장치에 의하면, 설계데이터에 의거해서 최종적으로 얻어지는 회절렌즈의 광학특성 및 회절효율을 정확하게 예측할 수 있으므로, 색수차의 보정량과 회절효율 허용량의 양쪽 제약조건을 고려하면서 렌즈설계를 할 수 있다. 따라서, 단시간에 효율적이고 양호한 특성을 가진 회절렌즈를 설계할 수 있다. 또, 얻어지는 렌즈의 회절효율계산에 제조 공정의 각종 조건과 얻어지는 렌즈의 회절효율과의 관계를 가미함으로써, 렌즈설계와 동시에 최적의 제조조건을 아울러 선택할 수 있다.

또, 본 발명의 굴절회절 일체형 렌즈에 의하면, 다이아몬드 바이트를 이용한 절삭가공에 의해 굴절회절 일체형 렌즈 또는 굴절회절 일체형 렌즈용 성형금형을 높은 생산성으로 제조할 수 있다.

또, 본 발명의 대물렌즈에 의하면, 다이아몬드 바이트를 이용한 절삭가공에 의해 대물렌즈 또는 대물렌즈용 성형금형을 제조하는 경우, 양호한 색수차보정과 렌즈의 생산성을 양립시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 대물렌즈를 구비한 광헤드장치는, 광원의 파장이 변화하더라도 대물렌즈 초점거리의 변화가 작고, 또 미광을 감소할 수 있으므로 양호한 신호출력을 얻을 수 있다. 또한, 이와 같은 특성을 가진 대물렌즈를 단렌즈로 구성할 수 있기 때문에, 광헤드의 소형화가 가능하다.

또, 본 발명의 촬상용 렌즈에 의하면, 다이아몬드 바이트를 이용한 절삭가공에 의해 촬상용 렌즈 또는 촬상용 렌즈용 성형금형을 높은 생산성으로 제조할 수 있다. 또, 0.4≤k≤0.7을 만족하면, 가공성이 뛰어나고, 결상성능도 양호한 촬상용 렌즈를 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명의 촬상용 렌즈를 구비한 촬상장치는 색수차가 양호하게 제거되어 플레어가 작은 화상을 얻을 수 있다.

또, 본 발명의 그레이팅 소자가 부착된 렌즈에 의하면, 회절소자의 기복형상을 소망하는 형상으로 함으로써, 회절효율의 열화를 방지하고, 가공이 쉬운 그레이팅 소자가 부착된 렌즈를 제공하는 것이 가능해진다.

또, 본 발명의 그레이팅 소자가 부착된 광학시스템은, 촬상장치 및 판독장치를 구성하는데 적합하기 때문에, 이것을 이용해서 촬상장치, 판독장치를 구성함으로써, 종래보다 소형이면서 결상성능이 매우 양호한 촬상장치 및 판독장치를 제공할 수 있다.

《제2발명에 대하여》

본 제2발명에 의하면, 렌즈면에 회절효과를 갖게 하는 것, 즉 판독광학시스템을 구성하는 렌즈에 그레이팅 소자면을 형성함으로써, 렌즈의 구성 매수를 증가시키지 않고, 가시 전역에 걸쳐서 색수차가 보정된 양호한 결상성능을 가진 판독광학시스템을 실현하는 것이 가능해진다.또, 이 판독광학시스템을 이용해서 화상판독장치 및 바코드 리더를 구성함으로써, 종래보다 소형이면서 결상성능이 양호한 화상판독장치 및 바코드 리더를 실현할 수 있다.

Claims

다수의 동심원상의 윤대로 구성된 회절렌즈를, 굴절렌즈의 입사면 또는 사출면 중 적어도 어느 하나의 면상에 형성시켜 이루어진 굴절회절 일체형 렌즈에 있어서, 하기 식(6)으로 정의되는 k가 0.1≤k를 만족하는 것을 특징으로 하는 굴절회절 일체형 렌즈.

f:상기 굴절회절 일체형 렌즈의 합성초점거리

f_d:회절렌즈의 초점거리

f_g:상기 굴절렌즈의 초점거리

ν_d:상기 회절렌즈의 사용파장영역에 있어서 부분분산계수

ν_g:상기 굴절렌즈의 사용파장영역에 있어서 부분분산계수
제1항에 있어서, 상기 k가 0.2≤k≤0.8을 만족하는 것을 특징으로 하는 굴절회절 일체형 렌즈.
동심원상의 윤대로 구성된 회절렌즈를, 입사면과 사출면으로 구성된 단렌즈중 적어도 하나의 면상에 형성되어 이루어진 굴절회절 일체형 광정보기록 재생장치용 대물렌즈에 있어서, 하기 식(6)으로 정의되는 k가 0.2≤k≤0.6을 만족하는 것을 특징으로 하는 대물렌즈.

f:상기 굴절회절 일체형 렌즈의 합성초점거리

f_d:회절렌즈의 초점거리

f_g:상기 굴절렌즈의 초점거리

ν_d:상기 회절렌즈의 사용파장영역에 있어서 부분분산계수

ν_g:상기 굴절렌즈의 사용파장영역에 있어서 부분분산계수
제3항에 있어서, 상기 k가 0.3≤k≤0.55를 만족하는 것을 특징으로 하는 대물렌즈.
광원과, 상기 광원으로부터의 광속을 분리하는 광속분리수단과, 상기 광원의 광속을 정보기록매체에 집광하기 위한 집광수단과, 상기 정보기록매체로부터의 반사 혹은 투과광속을 수광하는 수광소자로 이루어진 광헤드장치에 있어서, 상기 집광수단이 청구범위 제3항 또는 제4항에 청구된 대물렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 광헤드장치.
동심원상의 윤대로 구성된 회절렌즈를 입사면과 사출면으로 구성된 단렌즈중 적어도 하나의 면상에 형성되어 이루어진 굴절회절 일체형 촬상용 렌즈에 있어서, 하기 식(6)으로 정의되는 k가 0.3≤k를 만족하는 것을 특징으로 하는 촬상용 렌즈.

f:상기 굴절회절 일체형 렌즈의 합성초점거리

f_d:회절렌즈의 초점거리

f_g:상기 굴절렌즈의 초점거리

ν_d:상기 회절렌즈의 사용파장영역에 있어서 부분분산계수

ν_g:상기 굴절렌즈의 사용파장영역에 있어서 부분분산계수
제6항에 있어서, 상기 k가 0.4≤k≤0.7을 만족하는 것을 특징으로 하는 촬상용 렌즈.
청구범위 제6항 또는 제7항에 청구된 촬상용 렌즈와, 촬상소자와, 신호처리회로를 가진 것을 특징으로 하는 촬상장치.