WO2006043567A1 - 集光レンズおよび光走査装置 - Google Patents

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WO2006043567A1
WO2006043567A1 PCT/JP2005/019144 JP2005019144W WO2006043567A1 WO 2006043567 A1 WO2006043567 A1 WO 2006043567A1 JP 2005019144 W JP2005019144 W JP 2005019144W WO 2006043567 A1 WO2006043567 A1 WO 2006043567A1
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WO
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lens
divided
condensing
light
lens surface
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Application number
PCT/JP2005/019144
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English (en)
French (fr)
Inventor
Kenichi Hayashi
Original Assignee
Nidec Sankyo Corporation
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1814—Diffraction gratings structurally combined with one or more further optical elements, e.g. lenses, mirrors, prisms or other diffraction gratings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
    • G02B3/08—Simple or compound lenses with non-spherical faces with discontinuous faces, e.g. Fresnel lens

Definitions

  • the present invention relates to a condensing lens and an optical scanning device using the condensing lens.
  • Beam scanning devices are widely used in image forming devices such as laser printers, digital copying machines, and facsimiles, and measuring devices such as bar code readers and inter-vehicle distance measuring devices.
  • the beam scanning device used in the image forming apparatus periodically deflects the laser beam emitted from the laser light source with a polygon mirror, and repeatedly scans the surface to be scanned of the photosensitive member.
  • the beam scanning device used in the measurement device information is detected by receiving a reflected beam reflected by the irradiated object with a photodetector. At that time, the reflected beam is directed to the photodetector at an angle corresponding to the scanning angle by the polygon mirror.
  • a condensing lens: ⁇ shown in Fig. 10 (a) is arranged in the optical path toward the photodetector, and the reflected beam is condensed by this condensing lens: ⁇ .
  • the condensing lens: ⁇ has as large an area as possible so as to guide as much light as possible to the photodetector.
  • a condenser lens! For /, in the case of a bar code reader, the surface is flat so as not to come into contact with goods, etc., and it is required to be thin for the purpose of weight reduction.
  • an object of the present invention is to provide a condensing lens that is excellent in condensing efficiency even when the incident angle is large and is suitable for mass production.
  • a plurality of Fresnel lens-shaped split lens surfaces are formed by grooves on at least one of the light incident surface and the light exit surface.
  • the split lens surface includes a diffractive lens surface on which a plurality of steps are formed.
  • the present invention combines the characteristics as a Fresnel lens and the characteristics as a diffractive lens, and utilizes both refraction and diffraction. For this reason, it is easy to reduce the thickness as compared with a conventional Fresnel lens using only refraction. In addition, since the number of divisions can be reduced, the transmittance is improved with less light vignetting in the grooves generated at the boundary portions of the divided lens surfaces.
  • the groove, the divided lens surface, and the step are formed concentrically.
  • the divided lens surface when a diffraction order of the divided lens surface when the step is not formed on the divided lens surface is 0th order, the divided lens surface is positioned on the lens center side. It is preferable that the diffraction order of the split lens surface to be lower than that of the split lens surface located on the outer peripheral side of the lens.
  • the divided lens surface located on the lens center side is a refractive lens surface on which no step is formed, and the lens A configuration in which the divided lens surface located on the outer peripheral side is a diffractive lens surface on which the step is formed can be employed. With this configuration, since the tangent angle can be reduced on the outer divided lens surface, even a light having a large incident angle can be incident on the lens.
  • each of the plurality of divided lens surfaces is a diffractive lens surface in which the step is formed.
  • the diffraction order of the divided lens surface when the step is not formed on the divided lens surface is 0th order
  • the plurality of divided lens surfaces are closer to the lens center side.
  • the diffraction order of the divided lens surface located may be higher or equal to that of the divided lens surface located on the lens outer peripheral side.
  • the plurality of divided lens surfaces are positioned on the lens center side. It is preferable that the diffraction order of the divided lens surface is higher than or equal to that of the divided lens surface located on the outer peripheral side of the lens.
  • the divided lens surface located on the lens center side is a diffractive lens surface on which the step is formed, and the divided lens surface located on the lens outer peripheral side is formed with the step.
  • a configuration with an unrefracted lens surface is employed, a configuration higher than the split lens surface located on the outer peripheral side of the diffraction order power S lens located on the lens center side can be realized. With this configuration, since the coma aberration can be suppressed, the spot diameter can be reduced.
  • the divided lens surface located closest to the lens center is a diffractive lens surface on which the step is formed, and In the central region of the folded lens surface, it is preferable that the step is provided on a flat surface.
  • both the refractive power and the diffractive power on the diffractive lens surface have a positive power. In this way, since the light collecting power by refraction and the light collecting power by diffraction are combined, the radius of curvature of the diffractive lens surface can be increased.
  • the plurality of divided lens surfaces have different lens shapes, for example.
  • the plurality of divided lens surfaces have different aspheric surfaces.
  • the incident angle range is set to ⁇ °
  • the incident angle is
  • the spot area force at is preferably less than twice the spot area at an incident angle of 0 °. With this configuration, the spot diameter can be reduced in the entire incident angle range. Therefore, even when a multi-resolution photodetector having a high resolution is used as the photodetector, spots can be formed on the divided light detection surface.
  • a direction of the groove located in a boundary region between the divided lens surfaces is substantially parallel to a light refraction direction.
  • the lens material is, for example, greaves.
  • a lens made of resin is inexpensive because it can be manufactured efficiently by molding a mold. It is also suitable for lightweight bags.
  • the plurality of divided lens surfaces may be formed on the light incident surface, and the light emitting surface may be a monotonous flat surface or a curved surface. preferable. With this configuration, it is not necessary to apply a complicated force to the light exit surface.
  • the pitch of the step is expressed by the following formula:
  • ⁇ is the wavelength
  • ⁇ is the refractive index of the lens material
  • the effective diameter is preferably circular.
  • the condensing lens to which the present invention is applied is used in an optical scanning device or the like that condenses the reflected beam, which is reflected by the irradiated object by the condensing lens, on the photodetector.
  • the focal position of the condensing lens when light of a predetermined wavelength is incident at an incident angle of 0 ° is farther than the photodetector when viewed from the condensing lens, and the concentrating lens. It is preferable that the focal position of the divided lens surface located on the outer periphery side of the optical lens is closer to the photodetector than the focal position of the divided lens surface located on the lens center side.
  • FIG. 1 (a), (b), (c), and (d) are explanatory diagrams showing the configuration of a condensing lens according to Embodiment 1 of the present invention, respectively, and an enlarged central region thereof.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing the outer peripheral side region in an enlarged manner, and an explanatory diagram showing another region on the outer peripheral side in an enlarged manner.
  • FIG. 2 (a), (b), (c), and (d) are explanatory views showing the configuration of a condenser lens according to Embodiment 2 of the present invention, respectively, and an enlarged central region thereof is shown.
  • Explanatory diagram, enlarged outer peripheral area It is explanatory drawing which expands and shows another area
  • FIG. 3 (a), (b), (c), and (d) are explanatory views showing the configuration of the condenser lens according to Embodiment 3 of the present invention, respectively, and a part of the central region is enlarged.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing an enlarged view of another region in the central region, and an explanatory diagram showing an enlarged outer peripheral region.
  • FIG. 4 is a graph showing a relationship between an incident angle and a spot area on a photodetector when being collected on a photodetector by a condenser lens according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing a relationship between an incident angle with respect to a condensing lens according to Embodiment 3 of the present invention and a spot shape in a photodetector.
  • FIG. 6 (a), (b), (c), and (d) are explanatory views showing the configuration of the condensing lens according to Embodiment 4 of the present invention, respectively, and a part of the central region is enlarged.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing an enlarged view of another region in the central region, and an explanatory diagram showing an enlarged outer peripheral region.
  • FIG. 7 is a graph showing the focal position for each region of the condenser lens according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram showing a relationship between an incident angle with respect to a condensing lens according to Embodiment 4 of the present invention and a spot shape in a photodetector.
  • FIG. 9 is a graph showing a relationship between an incident angle and a spot area on a photodetector when the light is collected on a photodetector by a condenser lens according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 10 is an explanatory view showing a conventional condensing lens and its problems.
  • FIG. 5 is an explanatory view showing an outer peripheral side region in an enlarged manner and an explanatory view showing another region on the outer peripheral side in an enlarged manner.
  • the condenser lens 1 shown in Figs. 1 (a), (b), (c), and (d) has a photodetector that detects the light reflected from the object irradiated by the scanning beam emitted from the beam scanning device. It is a lens made of resin for condensing light on the lens 9.
  • the Fresnel lens-shaped split lens surfaces 11, 12, 13 are formed on the light incident surface 2 side of the light incident surface 2 and the light exit surface 3 by concentric grooves 21, 22, 23. , 14 are formed in plural.
  • the light exit surface 3 is a monotonous plane or a curved surface.
  • the plurality of divided lens surfaces 11, 12, 13, and 14 include a diffractive lens surface on which a plurality of concentric steps 30 are formed.
  • four divided lens surfaces 11 and 12 are provided.
  • 13 and 14 three divided lens surfaces 12, 13 and 14 are diffractive lens surfaces.
  • the pitch of the step 30 is expressed by the following equation:
  • ⁇ is the wavelength
  • ⁇ is the refractive index of the lens material
  • the height of the step 30 represented by 4. It is more than 5 times the height hi and is wide.
  • the refractive power and the diffractive power at the plurality of divided lens surfaces 11, 12, 13, 14 all have positive power.
  • the plurality of divided lens surfaces 11, 12, 13, and 14 have, for example, different lens shapes, and in this embodiment, a plurality of divided lenses are described as an example of lens design data described later.
  • the surfaces 11, 12, 13, and 14 have different aspheric surfaces.
  • the condensing lens 1 configured as described above has both the characteristics as a Fresnel lens and the characteristics as a diffractive lens. As shown by the light beam LO, both incident light is refracted and diffracted. Then, the light is condensed on the photodetector 9.
  • the direction of the grooves 21, 22, and 23 located in the boundary region between the divided lens surfaces 11, 12, 13, and 14 is, for example, as shown in FIG. It is almost parallel.
  • the lens design data of such a condenser lens 1 is, for example, as follows. In the lens design data described below, the aspherical shape Z (R) of the lens surface is rotationally symmetric and is expressed by the following equation with respect to the radius coordinate r.
  • c is the reciprocal of the radius of curvature R
  • k is the conic constant
  • a and A are 4th and 6th orders, respectively.
  • Optical path difference function ⁇ 2 — 1.136363636
  • the condensing lens 1 of the present embodiment configured as described above has both the characteristics as a Fresnel lens and the characteristics as a diffraction lens, and detects incident light using both refraction and diffraction. Concentrate on vessel 9 For this reason, the lens thickness t can be reduced to, for example, 4 mm, compared to a conventional Fresnel lens that uses only refraction. Further, since the light collecting ability is high, the distance between the condenser lens 1 and the photodetector 9 can be reduced to 18 mm.
  • the number of divisions can be reduced to, for example, four. Therefore, since the number of grooves 21, 22, and 23 is small, the transmittance with less vignetting in the grooves 21, 22, and 23 generated at the boundary portions of the divided lens surfaces 11, 12, 13, and 14 is reduced. improves.
  • each divided lens surface 11, 12, 13, 14 has positive power
  • each divided lens surface 11, 12, 13, The radius of curvature of 14 can be increased.
  • each of the plurality of divided lens surfaces 11, 12, 13, and 14 becomes light of a predetermined wavelength. On the other hand, it has a single focus. For this reason, the spot diameter on the photodetector 9 can be reduced.
  • the diffraction order of the divided lens surface 11 located on the lens center side is the 0th order
  • the lens The diffractive orders of the split lens surfaces 12, 13, 14 (diffractive lens surfaces) located on the outer peripheral side are the first order
  • the diffractive order of the split lens surface 11 located on the lens center side is the split order located on the outer peripheral side of the lens.
  • the direction of the grooves 21, 22, and 23 is substantially parallel to the light refraction direction, the light incident on the grooves 21, 22, and 23, as indicated by the light beam L12 in FIG. Irradiation toward the photodetector side can be prevented.
  • the angles of the grooves 21, 22, and 23 are wide, it is easy to process the mold for manufacturing the lens.
  • the light exit surface 3 is a monotonous flat surface or curved surface, the light exit surface 3 does not need to be complicatedly processed.
  • the effective diameter D is circular, there is no problem of coma aberration that occurs at the corners when the effective lens surface is rectangular. Therefore, coma aberration can be suppressed as compared with the case where the effective surface is rectangular, and the spot diameter can be reduced.
  • the pitch of the step 30 is not less than 4.5 times the height hi of the step 30, the number of steps 30 is small. Therefore, the diffraction efficiency can be improved and the transmittance can be improved.
  • FIG. 2 (a), (b), (c), and (d) are explanatory diagrams showing the configuration of the condensing lens according to Embodiment 2 of the present invention, and explanatory diagrams showing an enlarged central region thereof, respectively.
  • FIG. 5 is an explanatory view showing an outer peripheral side region in an enlarged manner and an explanatory view showing another region on the outer peripheral side in an enlarged manner.
  • the condensing lens of the present embodiment has the same basic configuration as that of the first embodiment, so Minutes are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the condensing lens 1 shown in Figs. 2 (a), (b), (c), and (d) is also irradiated with the beam scanning device force.
  • the light exit surface 3 is a monotonous plane or curved surface.
  • each of the plurality of divided lens surfaces 11, 12, 13, and 14 is a diffractive lens surface on which a plurality of concentric steps 30 are formed.
  • the pitch of the step 30 is given by the following equation:
  • ⁇ is the wavelength
  • ⁇ is the refractive index of the lens material
  • the height of the step 30 represented by is hi, 4.5 or more times h2.
  • the refractive power and the diffractive power at the plurality of divided lens surfaces 11, 12, 13, 14 all have positive power.
  • the plurality of divided lens surfaces 11, 12, 13, 14 have, for example, different lens shapes.
  • an example of the lens design data includes a plurality of divided lenses.
  • the surfaces 11, 12, 13, and 14 have different aspheric surfaces.
  • the condensing lens 1 configured as described above has both the characteristics as a Fresnel lens and the characteristics as a diffractive lens, and utilizes both refraction and diffraction of incident light as indicated by the light beam LO. Then, the light is condensed on the photodetector 9.
  • the direction of the grooves 21, 22, and 23 located in the boundary region between the divided lens surfaces 11, 12, 13, and 14 is, for example, the light refraction direction as shown by the light beam L11 in FIG. It is almost parallel.
  • the condensing lens 1 of the present embodiment configured as described above has both the characteristics as a Fresnel lens and the characteristics as a diffraction lens, and detects incident light using both refraction and diffraction. Concentrate on vessel 9 For this reason, the lens thickness t can be reduced to, for example, 5 mm, compared with a conventional Fresnel lens that uses only refraction. In addition, since the light condensing ability is high, the distance between the condensing lens 1 and the light detector 9 can be reduced to 14.5 mm, and the vignetting in the light detector 9 is reduced by the amount of such reduction. be able to.
  • the number of divisions can be reduced to, for example, four. Therefore, since the number of grooves 21, 22, and 23 is small, the transmittance with less vignetting in the grooves 21, 22, and 23 generated at the boundary portions of the divided lens surfaces 11, 12, 13, and 14 is reduced. improves.
  • each of the plurality of divided lens surfaces 11, 12, 13, and 14 with respect to light of a predetermined wavelength. With a single focus. For this reason, the spot diameter on the photodetector 9 can be reduced.
  • the divided lens surfaces 11, 12, and 13 (diffractive lens surfaces) located on the lens center side have a secondary diffraction order
  • the divided lens surfaces 14 (diffractive lens surfaces) located on the lens outer peripheral side The diffraction order is the third order, and the diffraction orders of the split lens surfaces 11, 12, and 13 located on the lens center side are lower than those of the split lens surface 14 located on the lens outer peripheral side. For this reason, since the tangent angle can be reduced even on the outer divided lens surface 14, as shown by the light beam L13 in FIG. Even light having a large angle of incidence can be incident on the condenser lens 1.
  • the light exit surface 3 is a monotonous flat surface or curved surface, it is not necessary to perform complicated processing on the light exit surface 3!
  • the effective diameter D is a circle having a diameter of about 30 ⁇ , there is no problem of coma aberration that occurs at the corner when the effective lens surface is rectangular. Therefore, the coma aberration can be suppressed as compared with the case where the effective surface is rectangular, and the spot diameter can be reduced.
  • the pitch of the step 30 is not less than 4.5 times the height hl and h2 of the step 30, the number of steps 30 is small. Therefore, the diffraction efficiency can be improved and the transmittance can be improved.
  • FIG. 3 (a), (b), (c), and (d) are explanatory views showing the configuration of the condensing lens according to Embodiment 3 of the present invention, respectively, and a part of the central region is enlarged.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing, an explanatory diagram showing another region of the central region in an enlarged manner, and an explanatory diagram showing an outer peripheral region in an enlarged manner.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the incident angle and the spot area at the photodetector when the light is condensed on the photodetector by the condenser lens of the present embodiment.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing the relationship between the incident angle with respect to the condenser lens of the present embodiment and the spot shape in the photodetector.
  • the condensing lens 1 shown in Figs. 3 (a), (b), (c), and (d) is also irradiated with the beam scanning device force.
  • 22 form Fresnel lens-shaped split lens surfaces 11, 12, and 13.
  • the light exit surface 3 is a monotonous plane or curved surface.
  • the direction of the grooves 21 and 22 located in the boundary region between the divided lens surfaces 11, 12, and 13 is substantially parallel to the light refraction direction, as in the first embodiment.
  • a plurality of divided lens surfaces 11, 12, 13 Have different lens shapes, and the plurality of divided lens surfaces 11, 12, and 13 have different aspheric surfaces as a whole.
  • the central lens surface 11 is divided into four annular regions 111, 112, 113, 114, and these annular regions 111, 112, 113, and 114 are all diffractive lens surfaces on which a plurality of concentric steps 30 are formed.
  • the innermost annular zone 111 has a step 30 on the plane
  • the other three annular zones 112, 113, 114, 114 is provided with a step 30 on a predetermined aspherical surface
  • the annular regions 111, 112, 113, 114 are provided with diffraction gratings having different optical path difference functions.
  • the outer divided lens surfaces 12 and 13 are also diffractive lens surfaces on which a step 30 is formed.
  • ⁇ is the wavelength
  • ⁇ is the refractive index of the lens material
  • the refractive power and the diffractive power at the plurality of divided lens surfaces 11, 12, 13 all have positive power.
  • the lens design data of such a condenser lens 1 is, for example, as follows.
  • Optical path difference function ⁇ 2 — 4.54545455
  • Optical axis shift ⁇ — 0.11
  • the condensing lens 1 configured as described above has both the characteristics as a Fresnel lens and the characteristics as a diffraction lens. As shown by the light beam LO, both the refraction and diffraction of incident light are used. Then, the light is condensed on the photodetector 9. Therefore, the lens thickness t can be reduced as compared with the conventional Fresnel lens that uses only refraction. In addition, since the light collecting ability is high, the distance between the condensing lens 1 and the light detector 9 can be reduced to 14.5 mm, and the vignetting in the light detector 9 can be reduced by the amount of such reduction. Can do.
  • Incident angle (°) Horizontal dimension (mm) Vertical dimension (mm) Area (mm 2 )
  • the relationship between the incident angle with respect to the condenser lens 1 and the spot shape in the photodetector 9 is as shown in FIG.
  • the spot area tolerance is 0.5 mm when using a multi-resolution photodetector with a small spot diameter and high resolution in the incident angle range of ⁇ 6 °. 2 is met. Therefore, even when a high-resolution multi-segment photodetector is used as the photodetector 9, spots can be formed on the segmented light detection surface.
  • a step 30 is added to the plane. For this reason, since the lens thickness t can be reduced, the number of divisions can be reduced to three when a Fresnel lens structure is formed. Therefore, since the number of the grooves 21 and 22 is small, the transmittance is improved because the light vignetting in the grooves 21 and 22 generated at the boundary portions of the divided lens surfaces 11, 12 and 13 is small.
  • the refractive power and the diffractive power on the split lens surfaces 11, 12, 13 both have positive power, and are collected using the third order as the diffraction order. Since the optical power is increased, the radius of curvature of each of the divided lens surfaces 11, 12, 13 can be increased.
  • the plurality of divided lens surfaces 11, 12, and 13 have different aspheric surfaces, and each of the plurality of divided lens surfaces 11, 12, and 13 has a predetermined wavelength with an incident angle of 0 °.
  • the focal point of the divided lens surface 12 or the divided lens surface 13 located on the outer peripheral side of the lens is closer to the condenser lens 1 than the focal point of the divided lens surface 11 located on the lens center side. I have such a design. For this reason, the spot diameter on the photodetector 9 can be reduced.
  • the direction of the grooves 21 and 22 is substantially parallel to the direction of light refraction, the light incident on the grooves 21 and 22 is indicated by the light beam L12 in FIGS. 1 (c) and 2 (c). Is irradiated toward the photodetector side. Can be prevented. Further, since the angles of the grooves 21 and 22 are wide, it is easy to process the mold for manufacturing the lens.
  • the light exit surface 3 is a monotonous flat surface or curved surface, the light exit surface 3 does not need to be complicatedly processed.
  • the effective diameter D is a circle having a diameter of about 30 ⁇ , there is no problem of coma generated at the corners when the effective lens surface is rectangular. Therefore, the coma aberration can be suppressed as compared with the case where the effective surface is rectangular, and the spot diameter can be reduced.
  • the pitch of the step 30 has a minimum pitch of about 20 m, while the height h of the step 30 is about 4 ⁇ m, and is not less than 4.5 times the height h of the step 30. Therefore, the transmittance with high diffraction efficiency can be improved.
  • FIG. 6 (a), (b), (c), and (d) are explanatory views showing the configuration of the condensing lens according to Embodiment 4 of the present invention, respectively, and a part of the central region is enlarged.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing, an explanatory diagram showing another region in the central region in an enlarged manner, and an explanatory diagram showing an outer peripheral region in an enlarged manner.
  • FIG. 7 is a graph showing the focal position for each region of the condenser lens of this embodiment.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram showing the relationship between the incident angle with respect to the condenser lens of the present embodiment and the spot shape in the photodetector.
  • FIG. 9 is a graph showing the relationship between the incident angle and the spot area at the light detector when the light is condensed on the light detector by the condensing lens of this embodiment.
  • the condensing lens 1 shown in Figs. 6 (a), (b), (c), and (d) is also irradiated with the beam scanning device force.
  • 22 form Fresnel lens-shaped split lens surfaces 11, 12, and 13.
  • the light exit surface 3 is a monotonous plane or curved surface.
  • the direction of the grooves 21 and 22 located in the boundary region between the divided lens surfaces 11, 12, 13 and 14 is substantially parallel to the light refraction direction, as in the first embodiment.
  • the plurality of divided lens surfaces 11, 12, and 13 have different lens shapes, and the plurality of divided lens surfaces 11, 12, and 13
  • the body has different aspheric surfaces.
  • the central lens surface 11 is divided into four annular regions 111, 112, 113, 114, and these annular regions 111, 112, 113, and 114 are all diffractive lens surfaces on which a plurality of concentric steps 30 are formed.
  • the innermost annular zone 111 is a flat surface, while the other three annular zones 112, 113, 114 are predetermined.
  • the zone regions 111, 112, 113, and 114 are aspheric and have diffraction gratings with different optical path difference functions. Further, the refractive power and the diffractive power at the split lens surface 11 have any positive power.
  • the pitch of the step 30 is the following formula
  • ⁇ is the wavelength
  • ⁇ is the refractive index of the lens material
  • the divided lens surfaces 12 and 13 on the outer peripheral side are formed with a step 30 and become refractive lens surfaces.
  • the lens design data of such a condenser lens 1 is, for example, as follows.
  • Optical path difference function ⁇ 2 — 4.54545455
  • Optical axis shift ⁇ — 0.11
  • the focal positions of the central lens surface 11 annular zones 111, 112, 113, 114) and the outer refractive lens surfaces (divided lens surfaces 12, 13)
  • the focal position of the condenser lens 1 when light of a predetermined wavelength is incident at an incident angle of 0 ° is farther from the light detector 9 as viewed from the condenser lens 1.
  • the focal position of the divided lens surfaces 12 and 13 located on the lens outer peripheral side of the condenser lens 1 is larger than the focal position of the divided lens surface 11 (annular zones 111, 112, 113, 114) located on the lens center side. Close to photodetector 9. That is, the distance from the photodetector 9 at the focal position of each region is under the following conditions.
  • the condensing lens 1 configured as described above has both the characteristics as a Fresnel lens and the characteristics as a diffractive lens, and uses both refraction and diffraction of incident light as indicated by the light beam LO. Then, the light is condensed on the photodetector 9. Therefore, the lens thickness t can be reduced as compared with the conventional Fresnel lens that uses only refraction. In addition, since the light collecting ability is high, the distance between the condensing lens 1 and the light detector 9 can be reduced to 14.5 mm, and the vignetting in the light detector 9 can be reduced by the amount of such reduction. Can do.
  • the refractive power and the diffractive power at the split lens surface 11 both have positive power, and the light collecting power is enhanced by using the third order as the diffraction order.
  • the radius of curvature of the split lens surface 11 can be increased.
  • the plurality of divided lens surfaces 11, 12, 13 have different aspheric surfaces, and each of the plurality of divided lens surfaces 11, 12, 13 has a predetermined wavelength with an incident angle of 0 °.
  • the focal point of the divided lens surface 12 or the divided lens surface 13 located on the outer periphery side of the lens is closer to the condenser lens than the focal point of the divided lens surface 11 located on the lens center side. It is designed like this. For this reason, the spot diameter on the photodetector 9 can be reduced.
  • the direction of the grooves 21 and 22 is substantially parallel to the light refraction direction, the light incident on the grooves 21 and 22 as described with reference to FIG. 1 (c) and FIG. 2 (c). It is possible to prevent the light from being irradiated toward the photodetector side. Further, since the angles of the grooves 21 and 22 are wide, it is easy to process the mold for manufacturing the lens.
  • the light exit surface 3 is a monotonous flat surface or curved surface, it is not necessary to perform complicated processing on the light exit surface 3!
  • the pitch of the step 30 is about 20 m, while the height h of the step 30 is about 4 m.
  • the effective diameter D is a circle having a diameter of about 30 ⁇ , there is no problem of coma generated at the corner when the effective lens surface is rectangular. Therefore, the coma aberration can be suppressed as compared with the case where the effective surface is rectangular, and the spot diameter can be reduced.
  • the split lens surface 11 located on the lens center side among the plurality of split lens surfaces 11, 12, and 13 is a diffractive lens surface on which a step 30 is formed, and the lens outer peripheral side.
  • the split lens surfaces 12 and 13 positioned in the refracting lens surface are refractive lens surfaces in which the step 30 is not formed. For this reason, coma can be suppressed as compared with the third embodiment.
  • the spot diameter can be reduced so as to show the relationship between the incident angle with respect to the condenser lens 1 and the spot shape at each distance of the focal position force.
  • the focal position force of the condenser lens 1 when light of a predetermined wavelength is incident at an incident angle of 0 ° is detected from the viewpoint of the condenser lens 1.
  • the divided lens surface 11 (ring zone regions 111, 112) is located farther than the device 9 and the focal position of the divided lens surfaces 12 and 13 located on the lens outer peripheral side of the condenser lens 1 is located on the lens center side. 113, 114) closer to the photodetector 9 than the focal position. Therefore, the balance of the spot diameter can be ensured in the incident angle range with respect to the condenser lens 1.
  • ⁇ is the following condition:
  • the incident angle is 7 to indicate the relationship between the incident angle when the light is condensed on the light detector 9 by the condensing lens 1 of this embodiment and the spot area on the light detector 9.
  • the spot area at 0 ° can be suppressed to less than twice the spot area at an incident angle of 0 °. That is, according to the present embodiment, the following results are obtained for the incident angle and the vertical and horizontal dimensions of the spot.
  • Incident angle (°) Horizontal dimension ( mm) Vertical dimension ( mm) Area ( mm
  • the spot diameter in the entire incident angle range is within the allowable range of the spot area when using a multi-segment photodetector with high resolution. It meets certain 0. 5mm 2. Therefore, even when a high-resolution multi-divided photo detector is used as the photo detector, spots can be formed on the divided photo detection surface.
  • the condensing lens 1 of the present embodiment is used in an optical scanning device having an incident angle range of ⁇ 9 °, the incident angle is 7 ° or more, and vignetting is caused by the area of the photodetector 9. As shown in Fig. 8, it is apparently reduced. Even in this case, the allowable range of the spot area is 0.5m. If m 2 is satisfied, a high-resolution multi-segment photodetector can be used as the photodetector 9.
  • the condensing lens for condensing the light reflected by the irradiated object by the scanning beam emitted from the beam scanning device has been described.
  • the present invention is not limited to such applications, and a large area and a thin shape are required. Apply the present invention to the condensing lens for other purposes.
  • the condensing lens in which the grooves 21, 22, 23, the divided lens surfaces 11, 12, 13, 14, and the step 30 are formed concentrically has been described.
  • a groove or a step is formed in parallel to the axis of the cylindrical lens.
  • the condensing lens according to the present invention has both the characteristics as a Fresnel lens and the characteristics as a diffractive lens, and utilizes both refraction and diffraction. Therefore, it is easy to reduce the thickness as compared with a conventional Fresnel lens that uses only refraction. In addition, since the number of divisions can be reduced, light vignetting in the grooves generated at the boundary portions of the divided lens surfaces is reduced, and the transmittance is improved. Therefore, it is possible to improve the detection sensitivity and reduce the size of the optical scanning device.

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Abstract

　集光レンズ（１）は、ビーム走査装置から出射された走査ビームが被照射物で反射した光を光検出器（９）に集光させるための樹脂製のレンズであって、光入射面（２）および光出射面（３）のうち、光入射面（２）の側には、同心円状の溝（２１、２２、２３）によってフレネルレンズ状の分割レンズ面（１１、１２、１３、１４）が複数、形成されている。４つの分割レンズ面（１１、１２、１３、１４）のうち、３つの分割レンズ面（１２、１３、１４）は、同心円状の複数の段差（３０）が形成された回折レンズ面になっている。

Description

明 細 書
集光レンズおよび光走査装置
技術分野
[0001] 本発明は、集光レンズおよびこの集光レンズを用いた光走査装置に関するもので ある。
背景技術
[0002] ビーム走査装置は、レーザプリンタ、デジタル複写機、ファクシミリなどの画像形成 装置や、バーコード読取装置、車間距離測定装置などの測定装置に幅広く使用され ている。これらの機器のうち、画像形成装置に用いられているビーム走査装置は、レ 一ザ光源から出射されたレーザビームをポリゴンミラーで周期的に偏向させ、感光体 の被走査面上で反復走査させる。これに対して、測定装置に用いられているビーム 走査装置では、走査ビームが被照射物で反射した反射ビームを光検出器で受光す ることにより、情報を検出している。そのとき、反射ビームは、ポリゴンミラーによる走査 角度に対応する角度で光検出器に向かう。光検出器に向かう光路には、図 10 (a)に 示す集光レンズ:^ が配置され、この集光レンズ:^ によって反射ビームを集光する 。ここで、集光レンズ:^ は、できるだけ大きな光量を光検出器に導くようにできるだけ 広い面積を有している。また、集光レンズ！/ に対しては、バーコード読取装置の場 合には、商品などに接触しないように表面が平面であって、かつ、軽量化を目的に薄 いことが要求されている。
[0003] し力しながら、集光レンズ:^ において、検出光量を多く確保することを目的に有効 面積を広げると、レンズ肉厚が厚くなり、表面の出っ張りが大きくなつてしまう。そこで 、集光レンズには、図 10 (b)に示すようなフレネルレンズ!/ 力 S用いられることがある。
[0004] このようなフレネルレンズ 1"であれば、表面の平面化と肉薄化の双方をある程度、 満たしている。しかしながら、フレネルレンズ！/ の場合には、肉薄化するほどレンズ 面の分割数を増やす必要があるため、所望の特性を得ようとすると、製造が困難にな るという問題点がある。集光レンズには所定の範囲の入射角度をもってビームが入射 するため、集光レンズへの入射角度が大きい場合には、光検出器の面積から収束光 が外れないように集光レンズと光検出器との距離を縮める必要がある。但し、このよう なレイアウトを採用すると、フレネルレンズ！/の集光力をさらに高める必要があるた め、曲率半径を小さくする必要がある。その結果、フレネルレンズ 1" において分割 数をさらに増やすことになる力 このような構造のフレネルレンズ 1〃の場合、図 10 (c )の領域 A、 Bをそれぞれ図 10 (d)、 (e)に拡大して示すように、入射角度が大き!/ヽ光 線 L14では溝 20' の部分でのケラレが発生し、照度が著しく低下するという問題点 がある。さらに、フレネルレンズ！/ の外周部では、レンズの接線角が大きくなるため、 図 10 (d)に示す光線 L15のように、レンズに入射できず、照度が低下してしまうという 問題点がある。
発明の開示
[0005] 本発明の課題は、以上の問題点に鑑みて、入射角度が大きい場合でも集光効率 に優れ、かつ、量産に適した集光レンズを提供することにある。
[0006] 上記課題を解決するために、本発明の集光レンズでは、光入射面および光出射面 のうちの少なくとも一方に、溝によってフレネルレンズ状の分割レンズ面が複数、形成 され、当該複数の分割レンズ面には、複数の段差が形成された回折レンズ面が含ま れていることを特徴とする。
[0007] 本発明では、フレネルレンズとしての特徴と回折レンズとしての特徴とを兼ね備えて おり、屈折と回折の双方を利用する。このため、屈折のみを利用する従来のフレネル レンズと比較して薄型化が容易である。また、分割数を減らすことができるため、分割 レンズ面の境界部分に発生する溝での光のケラレが少なぐ透過率が向上する。
[0008] 本発明にお 、て、前記溝、前記分割レンズ面、および前記段差は、同心円状に形 成されていることが好ましい。このように構成すると、型材あるいはレンズ素材に段差 を形成する際、通常の旋盤加工により加工できる。
[0009] 本発明において、前記分割レンズ面に前記段差が形成されていない場合の当該 分割レンズ面の回折次数を 0次としたとき、前記複数の分割レンズ面のうち、レンズ中 心側に位置する分割レンズ面の回折次数がレンズ外周側に位置する分割レンズ面よ りも低いことが好ましい。この場合、前記複数の分割レンズ面のうち、レンズ中心側に 位置する分割レンズ面は、前記段差の形成されていない屈折レンズ面であり、レンズ 外周側に位置する分割レンズ面は、前記段差が形成された回折レンズ面である構成 を採用することができる。このように構成すると、外周側の分割レンズ面では接線角を 小さくすることができるため、入射角が大きな光であってもレンズに入射させることが できる。
[0010] 本発明において、前記複数の分割レンズ面は、いずれも前記段差が形成された回 折レンズ面である構成を採用することができる。
[0011] このような構成において、前記分割レンズ面に前記段差が形成されていない場合 の当該分割レンズ面の回折次数を 0次としたとき、前記複数の分割レンズ面のうち、 レンズ中心側に位置する分割レンズ面の回折次数がレンズ外周側に位置する分割 レンズ面よりも低い構成を採用することができる。このように構成すると、外周側の分 割レンズ面では接線角を小さくすることができるため、入射角が大きな光であってもレ ンズに入射させることができる。
[0012] このような構成において、前記分割レンズ面に前記段差が形成されていない場合 の当該分割レンズ面の回折次数を 0次としたとき、前記複数の分割レンズ面では、レ ンズ中心側に位置する分割レンズ面の回折次数がレンズ外周側に位置する分割レ ンズ面よりも高いあるいは等しくしてもよい。このように構成すると、コマ収差を抑制す ることができるので、スポット径を小さくすることができる。
[0013] 本発明において、前記分割レンズ面に前記段差が形成されていない場合の当該 分割レンズ面の回折次数を 0次としたとき、前記複数の分割レンズ面では、レンズ中 心側に位置する分割レンズ面の回折次数がレンズ外周側に位置する分割レンズ面よ りも高い、あるいは等しいことが好ましい。例えば、前記複数の分割レンズ面のうち、 レンズ中心側に位置する分割レンズ面は、前記段差が形成された回折レンズ面であ り、レンズ外周側に位置する分割レンズ面は、前記段差の形成されていない屈折レ ンズ面である構成を採用すれば、レンズ中心側に位置する分割レンズ面の回折次数 力 Sレンズ外周側に位置する分割レンズ面よりも高 、構成を実現できる。このように構 成すると、コマ収差を抑制することができるので、スポット径を小さくすることができる。
[0014] 本発明において、前記複数の分割レンズ面のうち、少なくとも最もレンズ中心側に 位置する分割レンズ面は、前記段差が形成された回折レンズ面であり、かつ、当該回 折レンズ面の中央領域では、平面に前記段差が付されていることが好ましい。このよ うに構成すると、レンズ厚を薄くすることができるので、フレネルレンズ構造とする際の 分割数を少なくすることができる。
[0015] 本発明において、前記回折レンズ面における屈折力および回折力は、いずれも正 のパワーを有していることが好ましい。このように、屈折による集光力と回折による集 光力とが合成されるので、回折レンズ面の曲率半径を大きくすることができる。
[0016] 本発明にお 、て、前記複数の分割レンズ面は、例えば、互いに異なるレンズ形状を 備えている。例えば、前記複数の分割レンズ面は、互いに異なる非球面を備えている 。このように各分割レンズ面の形状を最適化すれば、複数の分割レンズ面が所定波 長の光に対して単一の焦点を備えている構成を実現でき、スポット径を小さくすること ができる。また、所定波長の光が入射角度 0° で入射したとき、集光レンズにおけるレ ンズ外周側に位置する前記分割レンズ面の焦点がレンズ中心側に位置する前記分 割レンズ面の焦点よりも、集光レンズに近くなるような設計をすることができ、このよう な構成はスポット径を小さくする有効な手段となる。
[0017] 本発明に係る集光レンズにおいて、入射角度範囲を士 θ ° としたとき、入射角度が
θ。 におけるスポット面積力 入射角度 0° におけるスポット面積の 2倍以下であるこ とが好ましい。このように構成すると、入射角度範囲の全域においてスポット径を小さ くすることができる。従って、光検出器として、分解能の高い多分割光検出器を用い た場合でも、その分割光検出面にスポットを形成することができる。
[0018] 本発明において、前記分割レンズ面同士の境界領域に位置する前記溝の方向が 光の屈折方向と略平行であることが好ましい。このように構成すると、溝部分に入射し た光が光検出器側に向けて照射されるのを防止することができる。また、溝の角度が 広がるため、レンズを製造するための金型に対する加工が容易である。また、レンズ 素材を加工して集光レンズを製造する場合でも、加工が容易である。
[0019] 本発明にお 、て、レンズ材料は、例えば榭脂である。榭脂製レンズであれば、金型 成形により効率よく製造できるなど、安価である。また、軽量ィ匕にも適している。
[0020] 本発明において、前記光入射面および前記光出射面のうち、光入射面に前記複 数の分割レンズ面が形成され、光出射面は、単調な平面あるいは曲面であることが 好ましい。このように構成すると、光出射面については複雑な力卩ェを施す必要がない
[0021] 本発明において、前記段差のピッチは、以下の式
m X / (n- l)
但し、 mは回折次数、 λは波長、 ηはレンズ素材の屈折率
で表される段差高さの 4. 5倍以上であることが好ましい。このように構成すると、回折 効率を向上させることができ、透過率を向上させることができる。
[0022] 本発明において、有効径が円形であることが好ましい。このように構成すると、有効 レンズ面が矩形の場合にその角部で発生するコマ収差が問題点とならないので、コ マ収差を抑制でき、スポット径を小さくすることができる。従って、光検出器として、分 解能の高い多分割光検出器を用いた場合でも、その分割光検出面の面積に収まる スポットを形成することができる。
[0023] 本発明を適用した集光レンズは、当該集光レンズによって、走査ビームが被照射物 で反射した反射ビームを光検出器に集光する光走査装置などに用いられる。
[0024] この場合、所定波長の光が入射角度 0° で入射したときの前記集光レンズの焦点 位置が、前記集光レンズからみて前記光検出器よりも遠い位置にあり、かつ、前記集 光レンズにおけるレンズ外周側に位置する前記分割レンズ面の焦点位置がレンズ中 心側に位置する前記分割レンズ面の焦点位置よりも前記光検出器に近いことが好ま しい。このように構成すると、集光レンズに対する入射角度範囲においてスポット径の ノ《ランスを確保できるので、その結果として、光検出器でのスポット径を小さくすること ができる。よって、光検出器として、分解能の高い多分割光検出器を用いた場合でも 、その分割光検出面の面積に収まるスポットを形成することができる。
図面の簡単な説明
[0025] [図 1] (a)、 (b)、 (c)、 (d)はそれぞれ、本発明の実施の形態 1に係る集光レンズの構 成を示す説明図、その中央領域を拡大して示す説明図、外周側領域を拡大して示 す説明図、および外周側の別の領域を拡大して示す説明図である。
[図 2] (a)、 （b)、 （c)、 （d)はそれぞれ、本発明の実施の形態 2に係る集光レンズの構 成を示す説明図、その中央領域を拡大して示す説明図、外周側領域を拡大して示 す説明図、および外周側の別の領域を拡大して示す説明図である。
[図 3] (a)、 （b)、 （c)、 （d)はそれぞれ、本発明の実施の形態 3に係る集光レンズの構 成を示す説明図、その中央領域の一部を拡大して示す説明図、中央領域の別の領 域を拡大して示す説明図、および外周領域を拡大して示す説明図である。
[図 4]本発明の実施の形態 3に係る集光レンズによって光検出器に集光した際の入 射角度と光検出器でのスポット面積との関係を示すグラフである。
[図 5]本発明の実施の形態 3に係る集光レンズに対する入射角度と、光検出器にお けるスポット形状との関係を示す説明図である。
[図 6] (a)、 （b)、 （c)、 （d)はそれぞれ、本発明の実施の形態 4に係る集光レンズの構 成を示す説明図、その中央領域の一部を拡大して示す説明図、中央領域の別の領 域を拡大して示す説明図、および外周領域を拡大して示す説明図である。
[図 7]本発明の実施の形態 4に係る集光レンズの領域毎の焦点位置を示すグラフで ある。
[図 8]本発明の実施の形態 4に係る集光レンズに対する入射角度と、光検出器にお けるスポット形状との関係を示す説明図である。
[図 9]本発明の実施の形態 4に係る集光レンズによって光検出器に集光した際の入 射角度と光検出器でのスポット面積との関係を示すグラフである。
[図 10]従来の集光レンズおよびその問題点を示す説明図である。
符号の説明
1 集光レンズ
2 光入射面
3 光出射面
9 光検出器
I I、 12、 13、 14 分割レンズ面
21、 22、 23 溝
30 段差
I I I、 112、 113、 114 輪帯領域
発明を実施するための最良の形態 [0027] 図面を参照して、本発明を適用した集光レンズを説明する。
[0028] [実施の形態 1]
図 1 (a)、（b)、 （c)、 （d)はそれぞれ、本発明の実施の形態 1に係る集光レンズの構 成を示す説明図、その中央領域を拡大して示す説明図、外周側領域を拡大して示 す説明図、および外周側の別の領域を拡大して示す説明図である。
[0029] 図 1 (a)、 (b)、 (c)、 (d)に示す集光レンズ 1は、ビーム走査装置から出射された走 查ビームが被照射物で反射した光を光検出器 9に集光させるための榭脂製のレンズ である。この集光レンズ 1において、光入射面 2および光出射面 3のうち、光入射面 2 の側には、同心円状の溝 21、 22、 23によってフレネルレンズ状の分割レンズ面 11、 12、 13、 14が複数、形成されている。これに対して、光出射面 3は、単調な平面ある いは曲面である。
[0030] 複数の分割レンズ面 11、 12、 13、 14には、同心円状の複数の段差 30が形成され た回折レンズ面が含まれており、本形態では、 4つの分割レンズ面 11、 12、 13、 14 のうち、 3つの分割レンズ面 12、 13、 14が回折レンズ面になっている。
[0031] ここで、段差 30のピッチは、以下の式
hl =m l / (n- l)
但し、 mは回折次数、 λは波長、 ηはレンズ素材の屈折率
で表される段差 30の高さ hiの 4. 5倍以上であり、広い。
[0032] また、本形態では、複数の分割レンズ面 11、 12、 13、 14 (回折レンズ面）における 屈折力および回折力はいずれも正のパワーを有する。
[0033] また、複数の分割レンズ面 11、 12、 13、 14は、例えば、互いに異なるレンズ形状を 備えており、本形態では、レンズ設計データの一例を後述するように、複数の分割レ ンズ面 11、 12、 13、 14は、互いに異なる非球面を備えている。
[0034] このように構成した集光レンズ 1は、フレネルレンズとしての特徴と、回折レンズとし ての特徴とを兼ね備えており、光線 LOで示すように、入射光を屈折と回折の双方を 利用して光検出器 9に集光する。ここで、分割レンズ面 11、 12、 13、 14同士の境界 領域に位置する溝 21、 22、 23の方向は、例えば、図 1 (c)に光線 L11で示すように、 光の屈折方向と略平行である。 [0035] このような集光レンズ 1のレンズ設計データは、例えば、以下のとおりである。なお、 以下に説明するレンズ設計デ―タにおいて、レンズ面の非球面形状 Z(R)は、回転 対称で、半径座標 rに対して下式
Z (R) = cr2/ [ 1 + { 1— ( 1 + k) c V } 12]
+A -r4+A · +··
4 6
で表される。 cは曲率半径 Rの逆数、 kは円錐定数、 A、 A · ·はそれぞれ、 4次、 6次 ·
4 6
•の非球面係数である。なお、非球面係数の表示において、 Α—4、 Α—6、 Α—8· · · は、それぞれ A、 A、 A · · ·を示し、 Eに続く数字 mは、 1 X 10mを意味する。なお、以
4 6 8
下の各設計データは最内周力 外周へ向力 順番に記述してある。
[0036] 設計データ
分割レンズ面 1 1 (屈折レンズ面）
半径 （腿） =0〜8.5
Y曲率半径 (R) =11.8
コ一ニック定数 (k) =0.33427513
4次の係数 （A— 4) =-2.57E-05
6次の係数 （A— 6) =-2.56E-06
8次の係数 （A— 8) =3.89E-08
10次の係数 （A— 10) =-3.20E-10
回折次数 =0
光路差関数 ΙΓ2=0
光軸方向シフト Δ=0
[0037] 溝 21
半径 (mm) =8.5~10.6
Y曲率半径 (R) =直線
分割レンズ面 1 2 (回折レンズ面）
半径 (mm)=10.6~13.8
Y曲率半径 (R) =14.5106212
コ一ニック定数 (k) = - 1.22252023
4次の係数 （A— 4) =3.21E-05
6次の係数 （A— 6) =-3.29E-08
8次の係数 （A— 8) =3.20E-10
10次の係数 （A— 10) =-7.70E-13
回折次数 =1
光路差関数 ΙΓ2= -2.272727273
光軸方向シフト Δ =— 4 [0038] 溝 22
半径 (mm) =13.8—15.6
Y曲率半径 (R) =直線
分割レンズ面 1 3 (回折レンズ面）
半径 =15.6〜18.0
γ曲率半径 (R) =15.81927282
コ一ニック定数 (k) =-1.380370538
4次の係数 （A— 4) =2.92E-05
6次の係数 （A— 6) =— 1.31E— 08
8次の係数 （A— 8) =7.74E-11
10次の係数 (A-10) =— 1.03E— 13
回折次数 =1
光路差関数 R"2=-l.136363636
光軸方向シフト Δ =— 9
[0039] 溝 2 3
半径 =18.0〜： 19.6
Υ曲率半径 (R) =直線
分割レンズ面 14 (回折レンズ面）
半径 (mm)=19.6~22.0
Y曲率半径 (R) =17.44361546
コ一ユック定数 （k) =-1.31833077
4次の係数 （A— 4) =1.99E-05
6次の係数 （A— 6) =2.03E-09
8次の係数 （A— 8) =1.28E-11
10次の係数 （A— 10) =— L30E— 14
回折次数 =1
光路差関数 Ι 2=— 1.136363636
光軸方向シフト Δ =— 13
[0040] このように構成した本形態の集光レンズ 1は、フレネルレンズとしての特徴と、回折レ ンズとしての特徴とを兼ね備えており、入射光を屈折と回折の双方を利用して光検出 器 9に集光する。このため、屈折のみを利用する従来のフレネルレンズと比較して、レ ンズ厚 tを例えば 4mmまで薄型化できる。また、集光能力が高いため、集光レンズ 1 と光検出器 9との距離を 18mmにまで縮めることができる。
[0041] また、回折を併用したため、分割数を例えば、 4つにまで減らすことができる。従つ て、溝 21、 22、 23の数が少ない分、分割レンズ面 11、 12、 13、 14の境界部分に発 生する溝 21、 22、 23での光のケラレが少なぐ透過率が向上する。
[0042] さらに、複数の分割レンズ面 11、 12、 13、 14 (回折レンズ面）における屈折力およ び回折力はいずれも正のパワーを有するため、各分割レンズ面 11、 12、 13、 14の 曲率半径を大きくすることができる。 [0043] さらにまた、複数の分割レンズ面 11、 12、 13、 14は、互いに異なる非球面を備えて いるため、複数の分割レンズ面 11、 12、 13、 14の各々が所定波長の光に対して単 一の焦点を備えている。このため、光検出器 9上でのスポット径を小さくすることがで きる。
[0044] また、段差 3が形成されて ヽな 、分割レンズ面 11の回折次数を 0次とした場合、レ ンズ中心側に位置する分割レンズ面 11の回折次数が 0次である一方、レンズ外周側 に位置する分割レンズ面 12、 13、 14 (回折レンズ面）の回折次数が 1次であり、レン ズ中心側に位置する分割レンズ面 11の回折次数は、レンズ外周側に位置する分割 レンズ面 12、 13、 14よりも低い。このため、外周側の分割レンズ面 12、 13、 14でも 接線角を小さくすることができるため、図 1 (c)に光線 L13で示すように、入射角が大 きな光であっても、集光レンズ 1に入射させることができる。
[0045] また、溝 21、 22、 23の方向が光の屈折方向と略平行であるため、図 1 (c)に光線 L 12で示すように、溝 21、 22、 23に入射した光が光検出器側に向けて照射されるのを 防止することができる。また、溝 21、 22、 23の角度が広いため、レンズを製造するた めの金型に対する加工が容易である。
[0046] また、光出射面 3は、単調な平面あるいは曲面であるため、光出射面 3については 複雑な加工を施す必要がな!、。
[0047] さらに、本形態では、有効径 Dが円形であるため、有効レンズ面が矩形の場合にそ の角部で発生するコマ収差の問題がない。それ故、有効面が矩形の場合と比較して コマ収差を抑制できるため、スポット径を小さくすることができる。
[0048] さらにまた、段差 30のピッチは、段差 30の高さ hiの 4. 5倍以上であるため、段差 3 0の数が少ない。それ故、回折効率を向上させることができ、透過率を向上させること ができる。
[0049] [実施の形態 2]
図 2 (a)、（b)、 （c)、 （d)はそれぞれ、本発明の実施の形態 2に係る集光レンズの構 成を示す説明図、その中央領域を拡大して示す説明図、外周側領域を拡大して示 す説明図、および外周側の別の領域を拡大して示す説明図である。なお、本形態の 集光レンズは、基本的な構成が実施の形態 1と同様であるため、互いに対応する部 分には同一の符号を付してそれらの詳細な説明を省略する。
[0050] 図 2 (a)、（b)、 （c)、 （d)に示す集光レンズ 1も、実施の形態 1と同様、ビーム走査装 置力 出射された走査ビームが被照射物で反射した光を光検出器 9に集光させるた めの榭脂製のレンズであって、光入射面 2および光出射面 3のうち、光入射面 2の側 には、同心円状の溝 21、 22、 23によってフレネルレンズ状の分割レンズ面 11、 12、 13、 14が複数、形成されている。これに対して、光出射面 3は、単調な平面あるいは 曲面である。
[0051] 本形態では、複数の分割レンズ面 11、 12、 13、 14はいずれも、同心円状の複数 の段差 30が形成された回折レンズ面になっている。
[0052] ここで、段差 30のピッチは、以下の式
hl =m l / (n- l)
h2=m l / (n- l)
但し、 mは回折次数、 λは波長、 ηはレンズ素材の屈折率
で表される段差 30の高さ hi、 h2の 4. 5倍以上である。
[0053] また、本形態では、複数の分割レンズ面 11、 12、 13、 14 (回折レンズ面）における 屈折力および回折力はいずれも正のパワーを有する。
[0054] また、複数の分割レンズ面 11、 12、 13、 14は、例えば、互いに異なるレンズ形状を 備えており、本形態では、レンズ設計データの一例を後述するように、複数の分割レ ンズ面 11、 12、 13、 14は、互いに異なる非球面を備えている。
[0055] このように構成した集光レンズ 1は、フレネルレンズとしての特徴と、回折レンズとし ての特徴とを兼ね備えており、光線 LOで示すように、入射光を屈折と回折の双方を 利用して光検出器 9に集光する。ここで、分割レンズ面 11、 12、 13、 14同士の境界 領域に位置する溝 21、 22、 23の方向は、例えば、図 2 (c)に光線 L11で示すように、 光の屈折方向と略平行である。
[0056] このような集光レンズ 1のレンズ設計データは、例えば、以下のとおりである。 [0057] 分割レンズ面 1 1 (回折レンズ面） 半径 （mm)=0〜9.5
Y曲率 径 （R) =12.44212513 コ一ニック定数 （k) =-0.57600452 4次の係数 （A— 4) =1.7459E-05 6次の係数 （A— 6) =-3.4237E-07 8次の係数 （A— 8) =4.50666E-09 10次の係数 （A— 10) =— 2E— 11 回折次数 =2
光路差関数 R 2= -2.840909091 光軸方向シフト Δ=0
[0058] 溝 2 1
半径 (mm) =9.5〜10.8 Y曲率半径 (R) =直線
分割レンズ面 1 2 (回折レンズ面） 半径 (mm)=10.8~14.4 Y曲率半径 (R) =14.20502747 コ— ック定数 (k) = - 1.144824178 4次の係数 （A— 4) =3.45202E-05 6次の係数 （A— 6) =-1.16675E-08 8次の係数 （A— 8) =1.39156E-10 10次の係数 （A— 10) =-2.10401E-13 回折次数 =2
光路差関数 R"2=— 2.272727273 光軸方向シフト Δ =— 4.6
[0059] 溝 22
半径 （mm)=14.4〜15.8 Y曲率半径 (R) =直線
分割レンズ面 1 3 (回折レンズ面）
半径 （mm)=15.8〜18.4 Y曲率半径 (R) =15.26028785 コ一ニック定数 (k) =-1.771677837 4次の係数 （A— 4) =4.79866E-05 6次の係数 （A— 6) =— 3.96942E— 08 8次の係数 （A— 8) =1.31887E-10 10次の係数 （A— 10) =— 1.45567E—13 回折次数 =2
光路差関数 R"2=-l.136363636 光軸方向シフト Δ =— 10 [0060] 溝 2 3
半径 (mm) = 18. 4~20. 0
Y曲率半径 (R) =直線
分割レンズ面 1 3 (回折レンズ面）
半径 （mm) =20. 0〜22. 0
Y曲率半径 (R) = 17. 64423345
コ一ユック定数 ( k ) = - 1. 268024731
4次の係数 （A— 4 ) =2. 09441E-05
6次の係数 （A— 6 ) =5. 02943E-09
8次の係数 （A— 8 ) = 1. 16161E— 11
10次の係数 （A— 10) =— 1. 3599E— 14
回折次数 =3
光路差関数 R"2= - l. 136363636
光軸方向シフト Δ =— 13
[0061] このように構成した本形態の集光レンズ 1は、フレネルレンズとしての特徴と、回折レ ンズとしての特徴とを兼ね備えており、入射光を屈折と回折の双方を利用して光検出 器 9に集光する。このため、屈折のみを利用する従来のフレネルレンズと比較して、レ ンズ厚 tを例えば 5mmまで薄型化できる。また、集光能力が高いため、集光レンズ 1 と光検出器 9との距離を 14. 5mmにまで縮めることができ、このように縮めた分、光検 出器 9でのケラレを低減することができる。
[0062] また、回折を併用したため、分割数を例えば、 4つにまで減らすことができる。従つ て、溝 21、 22、 23の数が少ない分、分割レンズ面 11、 12、 13、 14の境界部分に発 生する溝 21、 22、 23での光のケラレが少なぐ透過率が向上する。
[0063] また、本形態において、分割レンズ面 11、 12、 13、 14 (回折レンズ面）における屈 折力および回折力はいずれも正のパワーを有するため、各分割レンズ面 11、 12、 1 3、 14の曲率半径を大きくすることができる。
[0064] また、複数の分割レンズ面 11、 12、 13、 14は、互いに異なる非球面を備えている ため、複数の分割レンズ面 11、 12、 13、 14の各々が所定波長の光に対して単一の 焦点を備えている。このため、光検出器 9上でのスポット径を小さくすることができる。
[0065] また、レンズ中心側に位置する分割レンズ面 11、 12、 13 (回折レンズ面）の回折次 数が 2次であり、レンズ外周側に位置する分割レンズ面 14 (回折レンズ面）の回折次 数が 3次であり、レンズ中心側に位置する分割レンズ面 11、 12、 13の回折次数は、 レンズ外周側に位置する分割レンズ面 14よりも低い。このため、外周側の分割レンズ 面 14でも接線角を小さくすることができるため、図 2 (c)に光線 L13で示すように、入 射角が大きな光であっても、集光レンズ 1に入射させることができる。
[0066] また、溝 21、 22、 23の方向が光の屈折方向と略平行であるため、図 2 (c)に光線 L 12で示すように、溝 21、 22、 23に入射した光が光検出器側に向けて照射されるのを 防止することができる。また、溝 21、 22、 23の角度が広いため、レンズを製造するた めの金型に対する加工が容易である。
[0067] また、光出射面 3は、単調な平面あるいは曲面であるため、光出射面 3については 複雑な加工を施す必要がな!、。
[0068] さらに、本形態では、有効径 Dが約 30 Φの円形であるため、有効レンズ面が矩形の 場合にその角部で発生するコマ収差の問題がない。それ故、有効面が矩形の場合と 比較してコマ収差を抑制できるため、スポット径を小さくすることができる。
[0069] さらにまた、段差 30のピッチは、段差 30の高さ hl、 h2の 4. 5倍以上であるため、段 差 30の数が少ない。それ故、回折効率を向上させることができ、透過率を向上させる ことができる。
[0070] [実施の形態 3]
図 3 (a)、（b)、 （c)、 （d)はそれぞれ、本発明の実施の形態 3に係る集光レンズの構 成を示す説明図、その中央領域の一部を拡大して示す説明図、中央領域の別の領 域を拡大して示す説明図、および外周領域を拡大して示す説明図である。図 4は、 本形態の集光レンズによって光検出器に集光した際の入射角度と光検出器でのスポ ット面積との関係を示すグラフである。図 5は、本形態の集光レンズに対する入射角 度と、光検出器におけるスポット形状との関係を示す説明図である。
[0071] 図 3 (a)、（b)、 （c)、 （d)に示す集光レンズ 1も、実施の形態 1と同様、ビーム走査装 置力 出射された走査ビームが被照射物で反射した光を光検出器 9に集光させるた めの榭脂製のレンズであって、光入射面 2および光出射面 3のうち、光入射面 2の側 には、同心円状の溝 21、 22によってフレネルレンズ状の分割レンズ面 11、 12、 13が 形成されている。これに対して、光出射面 3は、単調な平面あるいは曲面である。本 形態において、分割レンズ面 11、 12、 13同士の境界領域に位置する溝 21、 22の方 向は、実施の形態 1と同様、光の屈折方向と略平行である。
[0072] また、レンズ設計データの一例を後述するように、複数の分割レンズ面 11、 12、 13 は、互いに異なるレンズ形状を備えており、複数の分割レンズ面 11、 12、 13は、全 体として、互いに異なる非球面を備えている。
[0073] さらに、本形態では、複数の分割レンズ面 11、 12、 13のうち、中央のレンズ面 11は 、 4つの輪帯領域 111、 112、 113、 114に分割され、これらの輪帯領域 111、 112、 113、 114はいずれも、同心円状の複数の段差 30が形成された回折レンズ面になつ ている。ここで、 4つの輪帯領域 111、 112、 113、 114のうち、最も内側の輪帯領域 1 11では、平面に段差 30が付されている一方、他の 3つの輪帯領域 112、 113、 114 は、所定の非球面に段差 30が付され、輪帯領域 111、 112、 113、 114には、異なる 光路差関数の回折格子が付されている。また、外周側の分割レンズ面 12、 13も、段 差 30が形成された回折レンズ面になっている。
[0074] なお、段差 30のピッチは、以下の式
h=m l / (n- l)
但し、 mは回折次数、 λは波長、 ηはレンズ素材の屈折率
で表される段差 30の高さ hの 4. 5倍以上である。
[0075] また、複数の分割レンズ面 11、 12、 13 (回折レンズ面）における屈折力および回折 力は、いずれも正のパワーを有している。
[0076] このような集光レンズ 1のレンズ設計データは、例えば、以下のとおりである。
[0077] 分割レンズ面 1 1 (回折レンズ面）
輪帯領域 1 1 1
半径 (mm) =0~2. 0
Y曲率半径 (R) =無限
コ一ユック定数 ( k ) =0
4次の係数 （A— 4 ) =0
6次の係数 （A— 6 ) =0
8次の係数 （A— 8 ) =0
10次の係数 （A— 10) =0
回折次数 =3
光路差関数 IT 2=— 10. 473285
光路差関数 Ι 4=0. 008546799
光軸方向シフト Δ =0 [0078] 輪帯領域 i 1 2
半径 （mm)=2.0〜5.0 Y曲率半径 （R) =18.34390013 コ一ニック定数 (k) =1.736310589 4次の係数 （A— 4) =-5.26E-05 6次の係数 （A— 6) =0.00E+OO 8次の係数 （A— 8) =0.00E十 00 10次の係数 （A— 10) =0.00E+00 回折次数 =3
光路差関数 Ι 2=— 4.54545455 光軸方向シフト Δ =— 0.11
[0079] 輪帯纖 1 1 3
半径 （mm)=5.0〜7.5 γ曲率半径 (R) =15.48148913 コ一ニック定数 (k) =0.093120451 4次の係数 (A-4) =-2.36E-05 6次の係数 （A— 6) =0.00E+OO 8次の係数 （A— 8) =0.00E+OO 10次の係数 （A— 10) =0.00E+00 回折次数 =3
光路差関数 R~2= -3.40909091 光軸方向シフト Δ =— 0.22
[0080] 輪帯領域 n 4
半径 (mm) =7.5~9.0
γ曲率半径 (R) =14.22517578 コ一ニック定数 (k) =-8.19-05 4次の係数 （A— 4) =— 4.07E— 05 6次の係数 （A— 6) =4.90E-07 8次の係数 （A— 8) =-2.84E-09 10次の係数 （A— 10) =-7.57E-11 12次の係数 (A-12) =6.40E-13 回折次数 =3
光路差関数 R"2= -2.84090909 光軸方向シフト Δ =— 0.39
[0081] 溝 2 1
半径 (mm) =9.0〜9.6
Y曲率半径 (R) =直線
分割レンズ面 1 2 (回折レンズ面）
半径 (mm) =9.6〜12.0
Y曲率半径 (R) =14.92917046
コ一ニック定数 (k) =-0.63751156
4次の係数 （A— 4) =0.00E+00
6次の係数 （A— 6) =7.31E— 08
8次の係数 （A— 8) =— 1.86E— 10
10次の係数 （A— 10) =0.00E+OO
回折次数 =3
光路差関数 R 2= -2.27272727
光軸方向シフト Δ =— 3.5
[0082] 溝 22
半径 （mm)=12 -。〜 12.5
Y曲率半径 (R) =直線
分割レンズ面 1 3 (回折レンズ面）
半径 (mm) =12.5—15.0
Y曲率半径 (R) =15.22547424
コ一ニック定数 (k) =-0.73199284
4次の係数 （A— 4) =1.30E-05
6次の係数 （A— 6) =5.61E— 09
8次の係数 （A— 8) =0.00E十 00
10次の係数 （A— 10) =0.00E+00
回折次数 =3
光路差関数 R"2=— 1.70454545
光軸方向シフト Δ =— 5.8
[0083] このように構成した集光レンズ 1は、フレネルレンズとしての特徴と、回折レンズとし ての特徴とを兼ね備えており、光線 LOで示すように、入射光を屈折と回折の双方を 利用して光検出器 9に集光する。このため、屈折のみを利用する従来のフレネルレン ズと比較して、レンズ厚 tを薄型化できる。また、集光能力が高いため、集光レンズ 1と 光検出器 9との距離を 14.5mmにまで縮めることができ、このように縮めた分、光検 出器 9でのケラレを低減することができる。
[0084] なお、集光レンズ 1によって光検出器 9に集光した際の入射角度と光検出器 9での スポット面積との関係は、図 4に示す通りである。すなわち、入射角とスポットの縦寸 法および横寸法は、以下に示す結果になっている。 [0085]
入射角 （° ) 横寸法 （mm) 縦寸法 （mm) 面積 （mm2)
0 0. 5 0 . 5 0 . 2 5
1 0. 5 0 . 5 0 . 2 5
3 0. 5 0 . 5 0 . 2 5
4 0. 5 0 . 6 0 . 3 0
5 0. 5 0 . 8 0 . 4 0
6 0. 5 1 . 0 0 . 5 0
7 0. 7 1 . 2 8 . 4
[0086] また、集光レンズ 1に対する入射角度と、光検出器 9におけるスポット形状との関係 は、図 5に示す通りである。図 4および図 5に示すように、本例では、入射角範囲 ± 6 ° においてスポット径が小さぐ分解能の高い多分割光検出器を用いた場合のスポッ ト面積の許容範囲である 0. 5mm2を満たしている。従って、光検出器 9として、分解 能の高い多分割光検出器を用いた場合でも、その分割光検出面にスポットを形成す ることがでさる。
[0087] また、回折と屈折とを併用し、かつ、最も内側の輪帯領域 111では、平面に段差 30 が付されている。このため、レンズ厚 tを薄くすることができるので、フレネルレンズ構 造とする際、その分割数を 3つにまで減らすことができる。従って、溝 21、 22の数が 少ない分、分割レンズ面 11、 12、 13の境界部分に発生する溝 21、 22での光のケラ レが少なぐ透過率が向上する。
[0088] また、本形態において、分割レンズ面 11、 12、 13 (回折レンズ面）における屈折力 および回折力はいずれも正のパワーを有し、かつ、回折次数として 3次を利用して集 光力を高めてあるため、各分割レンズ面 11、 12、 13の曲率半径を大きくすることがで きる。
[0089] また、複数の分割レンズ面 11、 12、 13は、互いに異なる非球面を備えており、さら に、複数の分割レンズ面 11、 12、 13の各々が、入射角度 0° の所定波長の光に対 して、レンズ外周側に位置する分割レンズ面 12あるいは分割レンズ面 13の焦点がレ ンズ中心側に位置する前記分割レンズ面 11の焦点よりも、集光レンズ 1に近くなるよ うな設計をしている。このため、光検出器 9上でのスポット径を小さくすることができる。
[0090] また、溝 21、 22の方向が光の屈折方向と略平行であるため、図 1 (c)や図 2 (c)に 光線 L12で示すように、溝 21、 22に入射した光が光検出器側に向けて照射されるの を防止することができる。また、溝 21、 22の角度が広いため、レンズを製造するため の金型に対する加工が容易である。
[0091] また、光出射面 3は、単調な平面あるいは曲面であるため、光出射面 3については 複雑な加工を施す必要がな!、。
[0092] さらに、本形態では、有効径 Dが約 30 Φの円形であるため、有効レンズ面が矩形の 場合にその角部で発生するコマ収差の問題がない。それ故、有効面が矩形の場合と 比較してコマ収差を抑制できるため、スポット径を小さくすることができる。
[0093] さらにまた、段差 30のピッチは、段差 30の高さ hが約 4 μ mに対して、最小ピッチが 約 20 mであり、段差 30の高さ hの 4. 5倍以上であるため、回折効率が高ぐ透過 率を向上させることができる。
[0094] [実施の形態 4]
図 6 (a)、（b)、 （c)、 （d)はそれぞれ、本発明の実施の形態 4に係る集光レンズの構 成を示す説明図、その中央領域の一部を拡大して示す説明図、中央領域の別の領 域を拡大して示す説明図、および外周領域を拡大して示す説明図である。図 7は、 本形態の集光レンズの各領域毎の焦点位置を示すグラフである。図 8は、本形態の 集光レンズに対する入射角度と、光検出器におけるスポット形状との関係を示す説明 図である。図 9は、本形態の集光レンズによって光検出器に集光した際の入射角度と 光検出器でのスポット面積との関係を示すグラフである。
[0095] 図 6 (a)、 (b)、 (c)、 (d)に示す集光レンズ 1も、実施の形態 1と同様、ビーム走査装 置力 出射された走査ビームが被照射物で反射した光を光検出器 9に集光させるた めの榭脂製のレンズであって、光入射面 2および光出射面 3のうち、光入射面 2の側 には、同心円状の溝 21、 22によってフレネルレンズ状の分割レンズ面 11、 12、 13が 形成されている。これに対して、光出射面 3は、単調な平面あるいは曲面である。本 形態において、分割レンズ面 11、 12、 13、 14同士の境界領域に位置する溝 21、 22 の方向は、実施の形態 1と同様、光の屈折方向と略平行である。
[0096] また、レンズ設計データの一例を後述するように、複数の分割レンズ面 11、 12、 13 は、互いに異なるレンズ形状を備えており、複数の分割レンズ面 11、 12、 13は、全 体として、互いに異なる非球面を備えている。 [0097] さらに、本形態では、複数の分割レンズ面 11、 12、 13のうち、中央のレンズ面 11は 、 4つの輪帯領域 111、 112、 113、 114に分割され、これらの輪帯領域 111、 112、 113、 114はいずれも、同心円状の複数の段差 30が形成された回折レンズ面になつ ている。ここで、 4つの輪帯領域 111、 112、 113、 114のうち、最も内側の輪帯領域 1 11は平面になっている一方、他の 3つの輪帯領域 112、 113、 114は、所定の非球 面になっており、輪帯領域 111、 112、 113、 114には、異なる光路差関数の回折格 子が付されている。また、分割レンズ面 11における屈折力および回折力は、いずれ の正のパワーを有している。なお、段差 30のピッチは、以下の式
h=m l / (n- l)
但し、 mは回折次数、 λは波長、 ηはレンズ素材の屈折率
で表される段差 30の高さ hの 4. 5倍以上である。これらの構成は、実施の形態 3と同 様である。
[0098] これに対して、本形態では、実施の形態 3と違って、外周側の分割レンズ面 12、 13 は、段差 30の形成されて ヽな 、屈折レンズ面になって 、る。
[0099] このような集光レンズ 1のレンズ設計データは、例えば、以下のとおりである。
[0100] 分割レンズ面 1 1 (回折レンズ面）
輪帯領域 1 1 1
半径 （mm) =0〜2. 0
Y曲率半径 (R) =無限
コ—ユック定数 ( k ) =0
4次の係数 （A— 4 ) =0
6次の係数 （A— 6 ) =0
8次の係数 （A— 8 ) =0
10次の係数 （A— 10) =0
回折次数 =3
光路差関数 R"2=— 10. 473285
光路差関数 R"4=0. 008546799
光軸方向シフト Δ =0 0101] 輸帯領域 1 1 2
半径 （mm)=2.0〜5.0
Y曲率半径 (R) =18.34390013 コ—ニック定数 (k) =1.736310589 4次の係数 （A— 4) =-5.26E-05 6次の係数 （A— 6) =0.00E+00 8次の係数 （A— 8) =0.00E+00 10次の係数 （A— 10) =0.00E+OO 回折次数 =3
光路差関数 Ι 2 =— 4.54545455 光軸方向シフト Δ =— 0.11
[0102] 輪帯領域 i丄 3
半径 =5.0〜7.5
γ曲率半径 (R) =15.48148913 コ一ニック定数 (k) =0.093120451 4次の係数 （A— 4) =-2.36E-05 6次の係数 （A— 6) =0.00E+O0 8次の係数 （A— 8) =0.00E+O0 10次の係数 （A— 10) =0.00E+00 回折次数 =3
光路差関数 R"2 = -3.40909091 光軸方向シフト Δ =— 0.22
[0103] 輪帯領域 1 14
半径 （mm)=7.5〜9.0
Y曲率半径 (R) =14.22517578 コ一ニック定数 (k) =-8.19E-05 4次の係数 （A— 4) =-4.07E-05 6次の係数 （A— 6) =4.90E-07 8次の係数 （A— 8) =-2.84E-09 10次の係数 （A— 10) =-7.57E-11 12次の係数 （A— 12) =6.40E-13 回折次数 =3
光路差関数 R"2 = -2.84090909 光軸方向シフト Δ =— 0.39
[0104] 溝 21
半径 =9.0〜9.6 Υ曲率半径 (R) =直線 分割レンズ面 1 2 (屈折レンズ面）
半径 =9.6〜： L2.0 Υ曲率半径 (R) =11.7642015 コ—ニック定数 (k) =-0.63751156 4次の係数 （A— 4) =0.00E+00 6次の係数 （A— 6) =1.03E-07 8次の係数 （A— 8) =-4.34E-10 10次の係数 （A— 10) =0.00E+O0 光軸方向シフト Δ =— 4.4 [0105] 溝 22
半径 （mm)=12.0〜12.8
Y曲率半径 (R) =直線
分割レンズ面 1 3 (屈折レンズ面）
半径 =12.8〜15.0
Y曲率半径 (R) =12.98095761
コ一ニック定数 (k) =-0.73662318
4次の係数 （A— 4) =1.55E-05
6次の係数 （A— 6) =8.38E-09
8次の係数 （A— 8) =0.00E+OO
10次の係数 (A-10) =0.00E+00
10次の係数 （A— 10) =0.00E+00
光軸方向シフト Δ =— 7.5
[0106] このように構成した集光レンズ 1において、中央のレンズ面 11 (輪帯領域 111、 112 、 113、 114)、および外周側の屈折レンズ面 (分割レンズ面 12、 13)の焦点位置は、 図 7に示すように、所定波長の光が入射角度 0° で入射したときの集光レンズ 1の焦 点位置が、集光レンズ 1からみて光検出器 9よりも遠い位置にあり、かつ、集光レンズ 1におけるレンズ外周側に位置する分割レンズ面 12、 13の焦点位置がレンズ中心側 に位置する分割レンズ面 11 (輪帯領域 111、 112、 113、 114)の焦点位置よりも光 検出器 9に近い。すなわち、各領域の焦点位置の光検出器 9からの距離は、以下に 示す条件になっている。
[0107] 分割レンズ面 n 焦点位置の光検出器 9からの距離
輪帯領域 1 1 1 41 mm
輪帯領域 1 12 43mm
輪帯領域 1 13 4 mm
輪帯領域 1 14 45 mm
分割レンズ面 1 2 21 mm
分割レンズ面 1 3 19 mm
[0108] このように構成した集光レンズ 1は、フレネルレンズとしての特徴と、回折レンズとし ての特徴とを兼ね備えており、光線 LOで示すように、入射光を屈折と回折の双方を 利用して光検出器 9に集光する。このため、屈折のみを利用する従来のフレネルレン ズと比較して、レンズ厚 tを薄型化できる。また、集光能力が高いため、集光レンズ 1と 光検出器 9との距離を 14.5mmにまで縮めることができ、このように縮めた分、光検 出器 9でのケラレを低減することができる。
[0109] また、回折と屈折とを併用し、かつ、最も内側の輪帯領域 111では、平面に段差 30 が付されている。このため、レンズ厚 tを薄くすることができるので、フレネルレンズ構 造とする際、その分割数を 3つにまで減らすことができる。従って、溝 21、 22の数が 少ない分、分割レンズ面 11、 12、 13の境界部分に発生する溝 21、 22での光のケラ レが少なぐ透過率が向上する。
[0110] また、分割レンズ面 11 (回折レンズ面）における屈折力および回折力は、いずれも 正のパワーを有し、かつ、回折次数として 3次を利用して集光力を高めてあるため、 分割レンズ面 11の曲率半径を大きくすることができる。
[0111] また、複数の分割レンズ面 11、 12、 13は、互いに異なる非球面を備えており、さら に、複数の分割レンズ面 11、 12、 13の各々が、入射角度 0° の所定波長の光に対 して、レンズ外周側に位置する分割レンズ面 12あるいは分割レンズ面 13の焦点がレ ンズ中心側に位置する前記分割レンズ面 11の焦点よりも、前記集光レンズに近くな るような設計をしている。このため、光検出器 9上でのスポット径を小さくすることがで きる。
[0112] また、溝 21、 22の方向が光の屈折方向と略平行であるため、図 1 (c)や図 2 (c)を 参照して説明したように、溝 21、 22に入射した光が光検出器側に向けて照射される のを防止することができる。また、溝 21、 22の角度が広いため、レンズを製造するた めの金型に対する加工が容易である。
[0113] また、光出射面 3は、単調な平面あるいは曲面であるため、光出射面 3については 複雑な加工を施す必要がな!、。
[0114] さらに、段差 30のピッチは、段差 30の高さ hが約 4 mに対して最小ピッチが約 20
/z mであり、段差 30の高さ hの 4. 5倍以上であるため、回折効率が高ぐ透過率を向 上させることができる。
[0115] さらにまた、本形態では、有効径 Dが約 30Φの円形であるため、有効レンズ面が矩 形の場合にその角部で発生するコマ収差の問題がない。それ故、有効面が矩形の 場合と比較してコマ収差を抑制できるため、スポット径を小さくすることができる。
[0116] し力も、本形態では、複数の分割レンズ面 11、 12、 13のうち、レンズ中心側に位置 する分割レンズ面 11は、段差 30が形成された回折レンズ面であり、レンズ外周側に 位置する分割レンズ面 12、 13は、段差 30の形成されていない屈折レンズ面である。 このため、実施の形態 3と比較して、コマ収差を抑制することができるので、また、図 9 に、集光レンズ 1に対する入射角度と、焦点位置力 の各距離におけるスポット形状 との関係を示すように、スポット径を小さくすることができる。
[0117] また、本形態では、図 7を参照して説明したように、所定波長の光が入射角度 0° で 入射したときの集光レンズ 1の焦点位置力 集光レンズ 1からみて光検出器 9よりも遠 い位置にあり、かつ、集光レンズ 1におけるレンズ外周側に位置する分割レンズ面 12 、 13の焦点位置がレンズ中心側に位置する分割レンズ面 11 (輪帯領域 111、 112、 113、 114)の焦点位置よりも光検出器 9に近い。従って、集光レンズ 1に対する入射 角度範囲にぉ 、てスポット径のバランスを確保できる。
[0118] それ故、本形態では、入射角度範囲を士 θ ° としたとき、 Θは、以下の条件
Θ = ± 7。
であるが、図 9に、本形態の集光レンズ 1によって光検出器 9に集光した際の入射角 度と光検出器 9でのスポット面積との関係を示すように、入射角度が 7° におけるスポ ット面積が、入射角度 0° におけるスポット面積の 2倍以下に抑えることができる。す なわち、本形態によれば、入射角とスポットの縦寸法および横寸法は、以下に示す結 果が得られる。
[0119] 入射角 （° ) 横寸法 （mm) 縦寸法 （mm) 面積 （mm
0 0. 5 0 . 5 0 . 2 5
1 0. 5 0 . 5 0 . 2 5
3 0. 5 0 . 5 0 . 2 5
4 0. 5 0 . 5 0 . 2 5
5 0. 5 0 . 6 0 . 3 0
6 0. 5 0 . 8 0 . 4 0
7 0. 3 1 . 0 0 . 3
8 0. 5 1 . 0 0 . 5
9 0. 7 0 . 7 0 . 4 9
[0120] よって、本形態では、実施の形態 3と比較しても、入射角度範囲の全域においてス ポット径カ 、さぐ分解能の高い多分割光検出器を用いた場合のスポット面積の許容 範囲である 0. 5mm2を満たしている。従って、光検出器として、分解能の高い多分割 光検出器を用いた場合でも、その分割光検出面にスポットを形成することができる。
[0121] なお、本形態の集光レンズ 1を、入射角度範囲が ± 9° の光走査装置に用いた場 合、入射角度が 7° 以上の場合、光検出器 9の面積によってケラれ、図 8に示すよう に、見かけ上、縮小されている。この場合でも、スポット面積の許容範囲である 0. 5m m2を満たしていれば、光検出器 9として、分解能の高い多分割光検出器を用いること ができる。
[0122] [他の実施の形態]
上記形態では、ビーム走査装置力 出射された走査ビームが被照射物で反射した 光を集光させるための集光レンズを説明したが、このような用途に限らず、大面積で 薄型が要求される集光レンズであれば、他の用途に集光レンズに本発明を適用して ちょい。
[0123] また、上記形態では、溝 21、 22、 23、分割レンズ面 11、 12、 13、 14、および段差 30が同心円状に形成されている集光レンズを説明したが、本発明は、トーリックレン ズゃシリンドリカルレンズに適用してもよぐシリンドリカルレンズに本発明を適用する 場合には、溝や段差はシリンドリカルレンズの軸線に平行に形成されることになる。 産業上の利用可能性
[0124] 以上説明したように、本発明に係る集光レンズでは、フレネルレンズとしての特徴と 回折レンズとしての特徴とを兼ね備えており、屈折と回折の双方を利用する。このた め、屈折のみを利用する従来のフレネルレンズと比較して薄型化が容易である。また 、分割数を減らすことができるため、分割レンズ面の境界部分に発生する溝での光の ケラレが少なく、透過率が向上する。それ故、光走査装置において検出感度の向上 や小型化を図ることができる。

Claims

請求の範囲
[1] 光入射面および光出射面のうちの少なくとも一方に、溝によってフレネルレンズ状 の分割レンズ面が複数、形成され、
当該複数の分割レンズ面には、複数の段差が形成された回折レンズ面が含まれて
V、ることを特徴とする集光レンズ。
[2] 請求項 1にお 、て、前記溝、前記分割レンズ面、および前記段差は、同心円状に 形成されて 、ることを特徴とする集光レンズ。
[3] 請求項 2において、前記分割レンズ面に前記段差が形成されていない場合の当該 分割レンズ面の回折次数を 0次としたとき、
前記複数の分割レンズ面のうち、レンズ中心側に位置する分割レンズ面の回折次 数がレンズ外周側に位置する分割レンズ面よりも低いことを特徴とする集光レンズ。
[4] 請求項 2にお 、て、前記複数の分割レンズ面のうち、レンズ中心側に位置する分割 レンズ面は、前記段差の形成されていない屈折レンズ面であり、レンズ外周側に位置 する分割レンズ面は、前記段差が形成された回折レンズ面であることを特徴とする集 光レンズ。
[5] 請求項 2にお ヽて、前記複数の分割レンズ面は、 Vヽずれも前記段差が形成された 回折レンズ面であることを特徴とする集光レンズ。
[6] 請求項 5において、前記分割レンズ面に前記段差が形成されていない場合の当該 分割レンズ面の回折次数を 0次としたとき、
前記複数の分割レンズ面のうち、レンズ中心側に位置する分割レンズ面の回折次 数がレンズ外周側に位置する分割レンズ面よりも低いことを特徴とする集光レンズ。
[7] 請求項 5において、前記分割レンズ面に前記段差が形成されていない場合の当該 分割レンズ面の回折次数を 0次としたとき、
前記複数の分割レンズ面のうち、レンズ中心側に位置する分割レンズ面の回折次 数がレンズ外周側に位置する分割レンズ面よりも高 、、ある 、は等し 、ことを特徴と する集光レンズ。
[8] 請求項 2において、前記分割レンズ面に前記段差が形成されていない場合の当該 分割レンズ面の回折次数を 0次としたとき、 前記複数の分割レンズ面のうち、レンズ中心側に位置する分割レンズ面の回折次 数がレンズ外周側に位置する分割レンズ面よりも高 、、ある 、は等し 、ことを特徴と する集光レンズ。
[9] 請求項 2にお 、て、前記複数の分割レンズ面のうち、レンズ中心側に位置する分割 レンズ面は、前記段差が形成された回折レンズ面であり、レンズ外周側に位置する分 割レンズ面は、前記段差の形成されて!ヽな 、屈折レンズ面であることを特徴とする集 光レンズ。
[10] 請求項 2において、前記複数の分割レンズ面のうち、少なくとも最もレンズ中心側に 位置する分割レンズ面は、前記段差が形成された回折レンズ面であり、かつ、当該回 折レンズ面の中央領域では、平面に前記段差が付されて 、ることを特徴とする集光 レンズ。
[11] 請求項 2において、入射角度範囲を ± θ ° としたとき、入射角度が 0 ° におけるス ポット面積が、入射角度 0° におけるスポット面積の 2倍以下であることを特徴とする 集光レンズ。
[12] 請求項 2において、前記回折レンズ面における屈折力および回折力は、いずれの 正のパワーを有して 、ることを特徴とする集光レンズ。
[13] 請求項 2にお 、て、前記複数の分割レンズ面は、互いに異なるレンズ形状を備えて
V、ることを特徴とする集光レンズ。
[14] 請求項 13において、前記複数の分割レンズ面は、互いに異なる非球面形状を備え て 、ることを特徴とする集光レンズ。
[15] 請求項 14において、前記複数の分割レンズ面は、所定波長の光に対して単一の 焦点を備えて 、ることを特徴とする集光レンズ。
[16] 請求項 13において、所定波長の光が入射角度 0° で入射したとき、レンズ外周側 に位置する前記分割レンズ面の焦点がレンズ中心側に位置する前記分割レンズ面 の焦点よりも集光レンズ自身に近 、ことを特徴とする集光レンズ。
[17] 請求項 2において、前記分割レンズ面同士の境界領域に位置する前記溝の方向が 光の屈折方向と略平行であることを特徴とする集光レンズ。
[18] 請求項 2において、レンズ素材が榭脂であることを特徴とする集光レンズ。
[19] 請求項 2において、前記光入射面および前記光出射面のうち、光入射面に前記複 数の分割レンズ面が形成され、光出射面は、単調な平面あるいは曲面であることを特 徴とする集光レンズ。
[20] 請求項 2において、前記段差のピッチは、以下の式
m X / (n- l)
但し、 mは回折次数、 λは波長、 ηはレンズ素材の屈折率
で表される段差高さの 4. 5倍以上であることを特徴とする集光レンズ。
[21] 請求項 2において、有効径が円形であることを特徴とする集光レンズ。
[22] 請求項 1ないし 21のいずれかに規定する集光レンズによって、走査ビームが被照 射物で反射した反射ビームを光検出器に集光することを特徴とする光走査装置。
[23] 請求項 22において、所定波長の光が入射角度 0° で入射したときの前記集光レン ズの焦点位置が、前記集光レンズ力 みて前記光検出器よりも遠い位置にあり、かつ 前記集光レンズにおけるレンズ外周側に位置する前記分割レンズ面の焦点位置が レンズ中心側に位置する前記分割レンズ面の焦点位置よりも前記光検出器に近いこ とを特徴とする光走査装置。
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