JPH10274705A - 回折光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回折型レンズをレンズホルダーに装着する場
合に高精度な位置決めを実現し、また、レンズ自体の測
定精度の向上を図る。 【解決手段】 回折型レンズ１ａの表面中心部に突起部
４ａを設ける。この突起部４ａをレンズ中心部の位置合
せや、測定の基準として使用することができるように、
その最大傾き角θを、レンズの屈折率をｎとしたとき、
θ＞７／(ｎ−１)から算出される角度値以上の角度に設
定して、顕微鏡等により視覚的に検出可能な形状に形成
する。また、突起部４ａの存在が光学機能に影響しない
ように底部面積を、回折格子の第１輪帯の面積の１０％
以下とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レンズ作用を有す
る回折光学素子、いわゆる回折型レンズに係り、特に高
精度な位置決めが可能な回折光学素子に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】回折光学素子には、回折構造がプリズム
として作用するようなパターンに成形されたものや、レ
ンズとして作用するもの等がある。このうちレンズ作用
を有する回折光学素子は回折型レンズと呼ばれており、
色収差の補償を要する撮影レンズ等として使用されてい
る。

【０００３】この回折型レンズは、ガラスや光透過性樹
脂等の媒質の屈折率と表面のプロフィールが光学的な影
響を与える従来のレンズとは異なり、レンズ表面に形成
された回折格子の規則的パターンが入射光に与える回折
現象により、入射光が一点に収束し、また、一点から発
散するレンズ作用を生起するものである。したがって、
回折型レンズの表面に形成された回折格子の規則的パタ
ーンは、一点を中心として同心円状に拡がっている関係
から、中心点に最も近い回折格子を第１輪帯と呼び、以
下、第２輪帯、第３輪帯…と呼んでいる。

【０００４】回折型レンズは、樹脂成形用金型を用いた
インジェクション成形、エッチング加工あるいはレーザ
ー加工によって作製することができるが、インジェクシ
ョン成形が量産性に富む利点を有することから一般的に
採用されている。近年、このインジェクション成形法に
使用される金型の製造は、ダイヤモンドバイトを使用し
た切削、いわゆるダイヤモンドターニングが広く用いら
れている。

【０００５】このダイヤモンドターニングによって金型
を作製する場合、同心円状回折パターンの切削時におけ
る周速度は中心に近くなるほど０に近づくことになる
が、このようなダイヤモンドバイトの周速度の変化が原
因となって、金型中心部では突起形状または凹陥形状が
必然的に発生する。従来、この回折型レンズの中心部に
発生する突起部または凹陥部は、レンズ性能に影響しな
いように、視認し得ないように加工するか、あるいは切
削加工により除去していた。

【０００６】ところで、従来の回折型レンズはカメラ等
の製造工程において、レンズホルダーに装着する工程で
は、顕微鏡等の光学拡大装置を用いてレンズ光軸の位置
決めを行っている。この位置決め方法は、第１にはカメ
ラレンズを通して得られる像自体を予め設定されたパタ
ーンにマッチングさせるものであり、第２にはレンズ外
径のはめあい公差を基準として、レンズ光軸を合わせる
ものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、カメラ
レンズを通して得られる像自体を予め設定されたパター
ンにマッチングさせる上記第１の従来方法では、像はカ
メラレンズを構成する複数のレンズによって成立してい
るため、結像位置に遠近が生じるという制約があり、こ
れが適正位置に装着することを困難にしていた。

【０００８】また、レンズ外径のはめあい公差を基準と
してレンズ光軸を合わせる上記第２の従来方法では、レ
ンズ系の目標位置精度を高度に要求されるものでは、レ
ンズ位置を計測して位置決めをする必要が生じるため、
作業工程が煩雑化するという問題点がある。すなわち、
レンズをホルダーに装着する際に最重要なことは、レン
ズのパワーに対応させることであるが、この第２の方法
では、パワーに合わせるべくレンズ外径をマッチングさ
せるようにしていることになり、結果的には間接的な位
置合わせとなるため、位置精度が低下することは避けら
れない。

【０００９】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたも
ので、回折型レンズの中心部に突起部または凹陥部を設
けることにより、該レンズをレンズホルダーに装着する
場合に高精度な位置決めを実現するとともに、レンズ自
体の測定精度の向上を図った回折光学素子を提供するこ
とを目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明では、レンズ作用を有する回折光学素子におい
て、レンズ表面の中心部に突起部または凹陥部を設けた
ものとして、該突起部または凹陥部を中心部の位置合せ
や、測定の基準として使用することができるようにして
いる。

【００１１】上記構成において、前記突起部または凹陥
部は、顕微鏡等の光学拡大装置により視覚的に検出可能
な形状に形成することにより、目視検出を容易にするこ
とができる。この場合、突起部または凹陥部の最大傾き
角は、突起部または凹陥部の最大傾き角をθとし、レン
ズの屈折率をｎとしたとき、θ＞７／(ｎ−１)から算出
される角度値以上の角度に設定することにより、視覚的
に検出が可能となる。

【００１２】また、突起部または凹陥部の底部面積は、
回折格子の第１輪帯の面積の１０％以下であれば光学機
能に影響しないことが実験的に確認されている。さら
に、ダイヤモンドチップにより切削加工された金型の場
合、作製過程において突起部または凹陥部が必然的に発
生するものであるため、突起部または凹陥部を必須構成
とする本発明の回折光学素子は、該金型によって成形す
ることが望ましい。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら説明する。図１は本実施形態に係る回折
光学素子としての回折型レンズの中央部分を示してい
る。この図に示す回折型レンズ１ａは、光透過性樹脂か
らなる成型レンズであって、片面に多数の回折格子
２₁，２₂…が同心状に形成されている。これらの回折格
子２₁，２₂…全体の断面形状は、直角三角形が連続する
形状を呈する、いわゆるブレーズ(Blaze)形状に形成さ
れている。また、その第１輪帯の回折格子２₁内となる
中央域３は球面状に形成されていて、該中央域３の中心
部、つまりレンズ中心部に円錐形状の突起部４ａが形成
されている。

【００１４】図２は上記実施形態とは別形態の回折型レ
ンズ１ｂの中央部分を示している。この図に示す回折型
レンズ１ｂも樹脂成型レンズであるが、この実施形態で
はレンズの両面にブレーズ形状の多数の回折格子２₁，
２₂…が同心状に形成されている。また、レンズ両面の
球面状中央域３の中心部には逆円錐形状の凹陥部４ｂが
形成されている。

【００１５】なお、本発明は、レンズ表面の中心部に突
起部４ａまたは凹陥部４ｂが設けられている点に特徴を
有するものであるが、突起部４ａの機能と凹陥部４ｂの
機能は実質的に同等であるので、以下、図１に示した突
起部４ａを有する回折型レンズ１ａについて説明する。

【００１６】図３は図１に示した回折型レンズの成型用
金型の加工時の状態を示している。この図において、５
は回折格子２₁，２₂…側の作製用金型、６は加工装置
（図示せず）に装着された切削用バイトとしてのダイヤ
モンドバイトであって、加工時には金型５が加工装置の
駆動部（図示せず）により軸中心で矢印ｔ方向に回転駆
動されるとともに、ダイヤモンドバイト６がクロス矢印
で示すＸ軸方向、Ｙ軸方向に動作制御され、このダイヤ
モンドバイト６の切削動作によって金型５の被加工面に
ブレーズ型回折格子２₁，２₂…に対応する格子形状２a₁
…が形成される。

【００１７】ダイヤモンドバイト６はバイト本体の先端
部をダイヤモンドチップにより構成したもので、従来よ
りブレーズ型の回折格子形状を加工する場合に最適とさ
れている。本実施形態では、チップ先端Ｒ面の半径が数
μｍオーダー、具体的には最大で３μｍ程度、好ましく
は０.５μｍ程度の先鋭なバイトが使用される。また、
このようにダイヤモンドバイト６を用いる場合、金型５
の構成材料として鉄系材料が考えられるが、鉄系材料は
バイト６の素材である炭素との化学的結合性が強くて使
用不可能であるため、鉄系材料を母材として、その表面
に無電解Ｎｉメッキを施したもの等が好適に使用され
る。

【００１８】そして、金型５の中心突起部４ａのプロフ
ィール４aaは、ブレーズ格子形状２a₁…を作製するプロ
フィールに加えてＹ方向に微少送りすることにより、容
易に加工することができる。このように先端曲率の小さ
いバイト６で加工する必要のある回折型レンズ１ａでは
特に突起部４ａのプロフィール４aaの形成が容易である
ため、ダイヤモンドバイト６を用いて切削加工された金
型５によって回折型レンズ１ａを成形するようにすれ
ば、金型５の作製過程において突起部４ａのプロフィー
ル４aaが極めて簡単に作製することができる。

【００１９】本実施形態では、回折型レンズ１ａの突起
部４ａは、回折格子２₁，２₂…の同心円状パターンの中
心を定めることを目的として形成されており、したがっ
て該突起部４ａは顕微鏡レベルの光学拡大装置を使用す
ることにより、視覚的に検出可能な形状に形成されるこ
とを要する。このように顕微鏡等により目視が容易とな
る程度まで突起部４ａを出現させることにより、該突起
部４ａをレンズ中心部の位置合せや測定の基準位置とし
て使用することができ、後述するレンズホルダーへの装
着等を高精度に行うことができるものとなる。

【００２０】図４は上記構成の金型５を用いて成形され
た回折型レンズ１ａにおける突起部４ａの形状を示して
いる。また、図７は従来、金型作製の際に生じていた不
都合な形態の凹陥部４ｂ′を例示している。図７に示す
レンズ中心部の凹陥部４ｂの発生は次のようなプロセス
によって生じる。

【００２１】すなわち、ダイヤモンドバイトによる切削
加工の場合、前述のようにレンズ中央域では周辺域と比
較して周速度が遅くなる。突起部４ａまたは凹陥部４
ｂ′は、この加工速度の相違によって、形状精度が出な
いことによって発生するものである。しかしながら、従
来では突起部４ａまたは凹陥部４ｂ′がレンズ中心部に
可及的に生じないように作製することが主たる留意点で
あったため、ダイヤモンドバイトはチップ先端Ｒ部の半
径が約１mm程度と大径のものを使用しており、したがっ
て突起部または凹陥部は極端に先鋭な形状にならない。
そして、図７に示した凹陥部４ｂ′のように、緩くうね
った形状を呈するので、目視では確認できない。

【００２２】これに対し、図４に示した本実施形態の回
折型レンズ１ａにおける突起部４ａの場合、該回折型レ
ンズ１ａの成形用金型５を作成するにあたって、前述の
ように先端半径が小さく先鋭なダイヤモンドバイト６を
用いているので、目視可能な突起部４ａの加工が可能と
なる。この突起部４ａの形状としては、前述の円錐形の
他、半球形、または先端部が部分球面形状を呈し、底部
側が円錐形状を呈する合成形状が考えられる。

【００２３】この突起部４ａが顕微鏡等により目視可能
な形状となるための条件は、突起部４ａの傾斜面の最大
角度によって決まる。すなわち、突起部４ａに入射する
ときの光の傾きは、突起部４ａの最大傾き角をθ（ラジ
アン）とし、屈折率をｎとすると、ほぼ(ｎ−１)θで決
まる。

【００２４】いま、ＦＮｏ４程度光が広がれば傾き角の
光が目に入りにくいと仮定すると、７°光が曲がればよ
いことになり、ｎ＝１.５とすれば、傾き角θは１４°以
上あればよいことが判明している。したがって、突起部
４ａの最大傾き角θは、下記数式から算出される角度値
以上の角度に設定すれば、顕微鏡等による目視が可能と
なる。 θ＞７／(ｎ−１) なお、図２に示した凹陥部４ｂについても、上記数式に
よって最大傾き角θを得ることができる。

【００２５】また、突起部４ａの底部面積は、第１輪帯
の回折格子２₁に囲まれたエリア面積の１０％未満であ
れば光学機能に影響しないと言える。すなわち、回折格
子２₁，２₂…の効率は、設計波長では計算上１００％で
あるが、格子の作製精度によって、約１０〜１５％低下
するのが一般的であり、突起部４ａが形成されているこ
とによる光学機能への影響も１０％未満であれば許容限
界であると言える。

【００２６】図５は顕微鏡を用いて本実施形態の回折型
レンズ１ａをレンズホルダーに装着する状態を示してい
る。この図において、７は顕微鏡、８はレンズホルダー
である。回折格子面を有するレンズ１ａの光軸Ｌを合わ
せるように、該レンズ１ａをレンズホルダー８内で位置
決めする場合に、突起部４ａを中心位置の目標として使
用する。これにより、顕微鏡７でレンズホルダー８上に
おけるレンズ１ａの中心位置を決めることが容易にな
り、高精度な位置決めを行うことができる。また、レン
ズホルダー８上で突起部４ａを中心部に合わせ、光軸Ｌ
と一致させた後は、該レンズ１ａの周辺をレンズホルダ
ー８に接着等の手法により固定する。

【００２７】図６は本実施形態に従って作製した回折型
レンズを触針式測定機により測定した例を示している。
この図に示す回折型レンズは、回折格子２₁，２₂…のブ
レーズの高さは約１μｍである。このように微小な回折
格子２₁，２₂…を備えたレンズの場合、触針式測定機の
測定針がレンズ中心を正確に通るようにして測定しない
と、測定誤差が生じるが、このような測定を行う場合に
も、中心部に突起部４ａが存在することにより、該突起
部４ａに測定針が接触したことの検出の有無により、レ
ンズ中心を通って測定されたか、否かが容易に判定され
るので、正確な測定が可能となる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によるとき
は、回折光学素子のレンズ表面の中心部に突起部または
凹陥部を設けたものとしているので、該突起部または凹
陥部を利用して例えばレンズホルダーに回折光学素子を
装着する際の位置決めを容易に行うことができる。ま
た、回折光学素子のレンズ形状を測定するに際して、突
起部または凹陥部が正確に測定し得たか、否かの基準と
なるので、精度よく形状測定を行うことができるなど、
従来に見られない優れた効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態に係る回折光学素子とし
て片面に回折格子が形成された回折型レンズの中央域を
示す断面図。

【図２】 本発明の他の実施形態に係る回折光学素子と
して両面に回折格子が形成された回折型レンズの中央域
を示す断面図。

【図３】 図１に示した回折型レンズの成型用金型の加
工時の状態を模式的に示す要部拡大図。

【図４】 突起部の形状を示す要部拡大図。

【図５】 顕微鏡を用いて回折型レンズをレンズホルダ
ーに装着する状態を示す図。

【図６】 回折型レンズを触針式測定機で測定した例を
示す図。

【図７】 従来の不都合な形態の凹陥部の一例を示す要
部拡大図。

【符号の説明】

１ａ 回折型レンズ １ｂ 回折型レンズ ２₁，２₂… 回折格子 ２a₁… 金型の回折格子形状 ３ 回折型レンズの中央域 ４ａ 突起部 ４ｂ 凹陥部 ５ 金型 ６ ダイヤモンドバイト ７ 顕微鏡 ８ レンズホルダー

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レンズ作用を有する回折光学素子におい
   て、レンズ表面の中心部に突起部または凹陥部が設けら
   れていることを特徴とする回折光学素子。
2. 【請求項２】 突起部または凹陥部は、光学拡大装置に
   より視覚的に検出可能な形状に形成されている請求項１
   に記載の回折光学素子。
3. 【請求項３】 突起部または凹陥部の最大傾き角が、下
   記数式から算出される角度値以上の角度に設定されてい
   る請求項２に記載の回折光学素子。 θ＞７／(ｎ−１) 但し、θ：突起部または凹陥部の最大傾き角、ｎ：屈折
   率。
4. 【請求項４】 突起部または凹陥部の底部面積は、回折
   格子の第１輪帯のエリアの１０％未満に設定されている
   請求項１〜３のいずれかに記載の回折光学素子。
5. 【請求項５】 ダイヤモンドチップにより切削加工され
   た金型によって成形されている請求項１〜４のいずれか
   に記載の回折光学素子。