JPS63188109A - 屈折率分布型光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は、光学系の光通過領域内に屈折率分布を備えた
領域を有する屈折率分布型光学系に関し、特に光源から
射出した発散光を平行光に変換したり、平行光を集斂先
に変換したりするのに好適な屈折率分布型光学系に関す
る。

〔従来技術〕

従来この種の屈折率分布型光学系は、光学系の構成要素
、例えばレンズを光源又は受光素子から所定距離だけ離
した状態で使用するのが一般的である。

特開昭５８−２０５１２２号公報には上述の屈折率分布
型光学系が示されている。この光学系は均質媒質から成
る平凸レンズと両端平面の屈折率分布型レンズとから構
成されるものである。

しかしながら特開昭５８−２０５１３２号公報に示され
る如き従来の光学系は、各要素間の位置合わせに加え、
例えば光源や受光素子と光学系との間隔調整が必要であ
り、組立及び調整作業に多くの時間を費していた。

一方、上述の問題を解消する一つの手段として、光源や
受光素子を光学系の要素に密着させて使用する形態が青
えられる。

この形態の一例として例えば特開昭５８−６８９９０号
公報や特開昭６０−９１８１号公報に示される様に、球
レンズに発光素子等の光源を密着させる方法がある。こ
の方法によれば球レンズの媒質として屈折率２．０前後
のものを使用することにより、発光素子からの発散光を
ほぼ平行な光束に変換出来る。

しかしながら、この種の光学系では、実用上必要な開口
数ＮＡを得ようとすると残存収差が大きくなり精密な目
的には使用出来なくなる。

又、上述の残存収差を補正する為に球レンズ端面を非球
面化する方法も考えられるが、球面収差及びコマ収差を
良好に補正するにはレンズ内部に絞りを設ける必要が生
じ、作製が困難であると共に収差自体の補正も十分とは
言えない。

〔発明の概要〕

本発明の目的は上記従来の問題点に鑑み、組立調整が容
易で高性能を有する屈折率分布型光学系を提供すること
にある。

上記目的を達成する為に本発明に係る屈折率分布型光学
系は、凸面を有し均質媒質から成る第１の領域と、前記
凸面とは反対側で第１の領域と接し且つ光軸と略垂直方
向に屈折率分布を有する第２の領域と、前記第１の領域
とは反対側で第２の領域と接し且つ均質媒質から成る第
３の領域とを有することを特徴としている。

本発明によれば、実用上十分な開口数ＮＡを有し、且つ
又充分に収差補正を行うことが可能な光学系を提供出来
る。

とりわけ光学系の要素の端面に発光素子や受光素子を密
着させて使用することが出来る為、組立調整が容易とな
る。又、本発明の屈折率分布型光学系は実質的に単一構
造を有する為、光学系自体の組立調整が容易で量産性に
も富むものである。

更に前記第１．第２．第３の領域を各々異なる部材で構
成し、互いに貼り合わせて単一構造の光学系とすること
も可能である。この場合、各貼り合わせ面の形状を平面
とする様に夫々の部材の形状を選択するのが好ましい。

本発明の更なる特徴は下記実施例に記載されている。

（実施例） 第１図は本発明に係る屈折率分布型光学系の一実施例を
示す断面図である。

図中、１及び２は均質媒質から成る平凸レンズ、３は光
軸ＡＸに略垂直な方向に屈折率分布を有する両端（光束
人出射面）平面の光学部材であり、平凸レンズ１．２と
光学部材３とで球状レンズを構成している。４は発光素
子、４ａは発光素子４の発光点、Ａは平行光束を示す。

尚ｄ＋、ｄｉ、　　ｓ、は本光学系のパラメータを示す
符号で、各面間の軸上間隔を表わしている。

平凸レンズ１は発光素子４側の面が平面、他方の面が曲
率半径ｒｌの凸面から成るレンズであり、光学部材３の
発光素子４とは反対側の平面と密着している。

一方、平凸レンズ２は発光素子４側の面が曲率半径ｒ、
の凸面、他方の面が平面から成るレンズであり、この他
方の面即ち発光素子４とは反対側の面と光学部材３の発
光素子４側の平面とが密着している。

従って本実施例の光学系は平凸レンズ１．２と光学部材
３とを所定の方法で貼り合わせた単一構造となっている
。

又、発光素子４は平凸レンズ２の凸面に密着しており、
発光素子４の発光点４ａは平凸レンズ２の凸面頂点近傍
に位置する。

光学部材３に形成された屈折率分布は、軸上に於ける屈
折率をＮ　Ｏ％光軸からの距離をρ、距離ρでの屈折率
をＮ（ρ）とすると、Ｎ（ρ）　！ＮＯ＋Ｎ１ｐ”　＋
Ｎ２　ｐ’　＋−で表わされる。尚Ｎｌ、Ｎ２．・・・
は屈折率分布係数を示す。

又、本実施例に於いては平凸レンズ１．２を構成する均
質媒質の屈折率を夫々”　Ｉ　ｒ　１３とする。

第１図に於いて発光素子４の発光点４ａから出射した光
束は平凸レンズ２．光学部材３゜平凸レンズ１を順次通
過し、平凸レンズ１から平行光束λとなって出射する。

ここで発光点４ａから出射した光束は、平凸レンズ２と
光学部材３との赤面、光学部材３の屈折率分布、光学部
材３と平凸レンズ１との界面及び平凸レンズ１と空気と
の界面で屈折を受ける。

本実施例の光学系によれば、構成が単純であるにもかか
わらず発光点４ａから出射した発散光束を収差を良好に
補正した状態で平行光束に変換出来る。これは主として
光学系内の屈折率分布領域を形成したことと、該領域を
光学系内の適当な位置に設定したことによる。この屈折
率分布領域と各屈折面での屈折条件を適宜決めてやるこ
とで球面収差及びコマ収差を良好に補正出来る。

一般にレンズ等の光学素子に屈折率分布を形成すること
で諸収差を補正可能な事は知られている。しかしながら
屈折率分布領域を単純に凸面等の屈折面近傍に形成した
場合、球面収差の補正は可能であるがコマ収差は残存し
てしまう。

従って本実施例の光学系に於いては、屈折率分布領域即
ち光学部材３を平凸レンズ１の凸面から所定距離だけ離
れた位置に配し、高ＮＡに対し球面収差とコマ収差の双
方を補正している。

因みに光学部材３は平凸レンズ１の凸面の曲率中心近傍
に位置している。

又、光学部材３に形成された屈折率分布は、光軸から離
れるに従い漸次屈折率が増加する様な分布を有し、実質
的に負のパワー又は零のパワーを備えたレンズと等価な
機能を果たしている。

従って光学部材３に入射した光線の内光軸から離れた位
置を通る光線程強く発散作用を受けることになり、平凸
レンズ１の凸面での収斂作用に逆らう機能を持つ。平凸
レンズ１の凸面は、軸外特に光軸から大きく離れた位置
を通過する光線はど過剰に屈折してしまう為、この過剰
な屈折作用を屈折率分布で生じる発散作用で打ち消し、
良好な収差補正を行うのである。

以下、本発明の具体的実施例を示す。

下記の表１は本屈折率分布光学系の数値実施例１〜４を
示しており、これらの数値実施例１〜４で表わされる光
学系の概略は前述の第１図に示すレンズ断面図と一致し
ている。

表中ｒ＋＋ｒｚは第１図に於ける平凸レンズ１．２の凸
面の曲率半径、ｎ　ｌ　＊　ｎ　２は同様に平凸レンズ
１．２の屈折率、Ｎｏは第１図に於ける光学部材３の軸
上屈折率、Ｎｌ、Ｎ２゜Ｎｓ、Ｎａは屈折率分布係数、
Δｎは同様に光学部材３の有効径内での最大屈折率差、
ｆは全系の焦点距離、ＮＡは開口数を示す。

又、一実施例１〜４は全て形状に関するパラメータｒ　
ｌ　＊　　ｒ２　＊　ｄｌ　＊　ｄｌ　＊　ａｍが共通
な値となつている。尚ｄｌ　＋　ｄｌ　ｒ　ｄｌは夫々
平凸レンズ１．光学部材３．平凸レンズ２の軸上肉厚を
示す、更に設計は波長λ＝７８０ｎｍの光に対して行っ
た。

表　　　１ 実施例１゜ Ｎ　Ａ　−０，３５、ｆ　−５，３４ ｒ１冨ａＯ１ｒ、５＝−５，０、 ｄｌ＝４．５、ａ、＝ｔ、０１ｄｓ＝４．５、ｎ、＝ｌ
Ｏ１ｎ、＝Ｚ。

Ｎｏ　”１．５、Ｎｌ　＝１．３２３０７Ｘ１０−２Ｎ
２　＝３．９２４６１Ｘ１０−’ Ｎｓ　＝−２，２２６４６ｘｌＯ−’ Ｎ４”−５，４７８１Ｘ　１０−’ Δｎ＝０．０１９７ 実施例２゜ ＮＡツ０．３５、ｆ冨５．３０ ｒ、ｗ５．ｏ、ｒ２＝−５，０ ｄ、＝４．５、ｄ２＝１．０、ｄ３＝４．５ｎｔ＝１．
９４４１０、ｎ＝−１，９４４１ＯＮｏ−１，５、Ｎ、
＝Ｏ Ｎｔ　＝４．１７０５１Ｘ１０−” Ｎｓ　”−１，８４４５４Ｘ１０−’ Ｎ４雪−５．４７８ｔｘｌＯ−’ Δ　ｎ＝ｏ、ｏ０５３ 実施例３゜ ＮＡ＝０．３５、ｆ　＝　５．３１ ｒ１＝５．０、ｒ、　＝−５、Ｏ ｄ、＝４．５、ｄ２＝１．０、ｄ、＝４．５ｎ＋　＝ｌ
Ｏ，ｎ＝　＝２．０ Ｎｏ＝１．５４、　　Ｎ１工１．１８４２５Ｘ１０−”
Ｎ２　＝３．９１２８８ｘ　１０−’ Ｎ３　＝−１，１６３９０Ｘ１０−’ Ｎ４　＝−７，７９２１４ｘ　１０−’Δ　ｎ−０，０
１７８ 実施例４゜ Ｎ　Ａ　＝　０．３５、ｆ雪５．２５ ｒ、＝５．０、ｒ２＝−５，０ ｄ、＝４．５、ｄ２＝１．０、ｄ、＝４．５ｎｌ　＝２
．．０％ｎ２　＝２ｈＯ Ｎ０＝ｔ、６１、Ｎ、＝９．６２３６０Ｘ１０−’Ｎ２
　＝３．８８２３２ｘｌＯ−’ Ｎ３　＝−１，５６１６８Ｘ１０−’ Ｎ４　＝−１，４１２４０ｘｌＯ−’ Δｎ＝ｏ、ｏ１４９ 第２図（Ａ）〜（Ｃ）は上記数値実施例中の実施例３に
示される光学系の収差図を示し、ここでは波面収差を記
す。

第２図に於いて（Ａ）は第１図に示す発光点４ａが光軸
から軸外に０．１ｍｍ１！ｆｆれた位置にある場合、（
Ｂ）は発光点４ａが光軸から軸外に０．０５ｍｍ１ｉれ
た位置にある場合、（Ｃ）は発光点４ａが光軸上にある
場合の波面収差を示す。′ 尚Ｍはメリジオナル方向、Ｓはサジタル方向を示してい
る。

第２図（Ａ）〜（Ｃ）の収差図から解る通り、本屈折率
分布型光学系によれば収差を良好に補正することが出来
る。又ここでは一一例として表１の実施例３に関しての
み収差図を示したが、他の実施例に関しても同等の性能
が得られた。

以上、本発明の一実施例を具体的に説明したが、本発明
の屈折率分布型光学系の形態は上記実施例に限られるも
のではない。

上記実施例では、本屈折率分布型光学系の用途として発
散光を平行光に変換する形態を示しているが、例えば光
束を収斂させる集光レンズとしても使用出来る。これは
第１図に於いて平行光束りを入射光として考えれば容易
に理解出来る。

又、第１図に於ける発光素子４としては、半導体レーザ
ー、ＬＥＤ、ピンホール面を備えた光源、光ファイバー
の出射端等がある。更に上記集光レンズとして本光学系
を使用する際、本光学系に密着させ使用する受光素子と
しては、フォトトランジスタ、ＣＣＤなどの光センサや
光ファイバーの入射端及びアルミニウム膜などの反射膜
等がある。

表１に示した数値実施例ではｄ、−ｄ３、ｎｌ　＝ｎ２
４２．０の場合に関し示しであるが、ｄｌ　／ｄ３　、
ｎｌ　／ｎ２の値は如何なる値でも構わない。

又、同数値実施例に示された光学系によれば、光学部材
３の肉厚が光学系全体の肉厚の１／１０程度となってい
るが、この肉厚比も仕様、製作上の問題に適宜対応して
任意に設定出来る。

尚、同数値実施例では光学系全体の肉厚を１０として規
格を行っているが、本発明の光学系の大きさは用途、仕
様に併せて任意の大きさをとるべきである。

第３図は第１図に示した屈折率分布型光学系の変形例を
示す断面図である。図中２１は平行平板を示し、第１図
に示された部材と同一部材には同じ符号を符し、ここで
は説明を省略する。

先に示した第１図の光学系に於いて、発光素子４に接す
る部材は平凸レンズ２であり、発光素子４の発光点４ａ
は平凸レンズ２の凸面と密着している。しかしながら発
光素子４に接する部材の発光点４ａ側の屈折面は、ある
程度以上の曲率半径を与えることにより収差には影響を
及ぼさない。

従って本実施例の光学系では平凸レンズ２の代わりに平
行平板２１を配し、平凸レンズ１と光学部材３と平行平
板２１とを貼り合わせて系を構成している。尚、平行平
板２１は均質媒質から成るものである。

本実施例の構成によれば、平凸レンズ２の代わりに単純
な形状を持つ平行平板２１を用いる為、作製が容易にな
る。その上、光学系の要素端面に密着させる受光素子や
発光素子の端面が通常平面であることから、平行平板２
１を使用することは密着の容易性からも有効である。

又、第３図の断面図に示す構成であっても、光学性能の
点では第１図の断面図に示す構成と何ら変わりはない。

即ち第３図に示される光学系に於いても良好に収差が補
正し得る。この際の波面収差は第２図に示されたものと
同等である。

尚、第３図に示される光学系の数値実施例はあえて示さ
ない。なぜならば先に表１に示した実施例に於いてｒ２
＝■とするだけで、本実施例の数値実施例として十分通
用するからである。

又、当然のことながら本光学系を構成する各要素の光線
が通過しない部分は必ずしも必要ではない。この−例を
示したのが第４図（Ａ）〜（Ｄ）である。

同図（Ａ）、（Ｂ）は屈折率分布を有する光学部材３の
光線の通過しない部分を切断した場合の形状である。本
発明の光学系に用いられる様な光軸に対し垂直方向に屈
折率勾配をもつタイプの光学部材（屈折率分布型レンズ
）は、屈折率分布形成法の制約を受けて直径の大きいも
のが作製しにくい。従って、このような径が小さい形状
はど製作に関しては有利である。

又、径の小さいものを用いると、それだけ屈折率差Δｎ
を小さく押えることが出来、同様に製作上有利である。

又、表１に示した数値実施例に於ける屈折率差Δｎも光
線の通過する部分だけを考えた場合のものである。

尚、表１の各実施例に於けるΔｎの値は０．０２以内に
納まフており、通常のイオン交換法で容易に作製可能で
ある。

第４図（Ｃ）、ＣＤ）は平凸レンズ１及び平凸レンズ２
又は平行平板２１についても光線の通過しない部分を切
断した場合の形状である。

尚ここでは光学部材３と平凸レンズ２又は平行平板２１
と発光素子４の直径が同じように描かれているが、同じ
である必要はない。

次に本発明の光学系では、適当な個所に遮光の為の絞り
を設けてもよいものとする。

第４図（Ｅ）、（Ｆ）はそれぞれ同図（Ａ）。

（Ｂ）に示す光学系の光学部材３の周囲に絞りＳを設け
たものである。又、同図（Ｇ）、（Ｈ）はそれぞれ同図
（Ｃ）、（Ｄ）の光学系の平凸レンズ１の凸面近傍に絞
りＳを設けたものである。この絞りＳの位置は図示され
た場所に限定されるものではなく、用途に応じて適切と
思われる位置に置いて良い。又、絞りＳは特定の遮光部
材で構成するだけでなく、遮光材料を本光学系の構成要
素の一部に塗布することによって形成してもよい。

次に本発明の光学系の応用例について述べる。

第５図（Ａ）は本発明の光学系に発光素子として半導体
レーザー４１を接着した装置を示す。

同図の４１ａ、４１ｂは半導体レーザー４１の発光点で
ある。ここではこれらの発光点４１ａ。

４１ｂは独立にＯＮ１０　Ｆ　Ｆが可能であるとする。

同図（Ａ）の装置は全体として平行レーザービーム射出
光源装置５を形成している。第５図（Ｂ）は第５図（Ａ
）の光源装置５を用いて構成したレーザービームプリン
ターを示すものである。同図に於いて５は平行レーザー
ビーム射出用光源装置、６はポリゴンミラー、７はｆ−
θレンズ、８は感光ドラムである。感光ドラム８の感光
面に於いて、レーザービームの走査方向と２個のスポッ
トの配列方向が直交するように光源装置５が配置されて
いる。このプリンターは同時に２本のレーザービームで
情報を書き込む為、プリント速度の向上などに大きな効
果がある。尚、本実施例ではレーザーの発光点の数を２
個としているが、これに限定するものではなく、３個以
上でも又従来どうり１個として使用してもよい。

次に本発明の光学系の他の応用例について述べる。

第６図（Ａ）は光ファイバー人出力装置の一実施例を示
す。本実施例は本屈折率分布型光学系に於いて、発光素
子又は受光素子として光ファイバー９を用いた例である
。

本装置によれば、収差の発生を抑えたまま平行光を効率
良くファイバー９に入力したり、また逆にファイバー９
からの出射光をある幅をもつ平行光に変換して出力した
りすることができる。

第６図（Ｂ）は本屈折率分布型光学系を２個対向させて
配置した光フアイバー結合装置１０を示す。

本装置によれば、ファイバー９′からの出射光をファイ
バー９に効率良く入射することができる。

尚、第５図及び第６図で示した応用例の光学系は、第４
図（Ｆ）の形態を有しているが、これに限定されるもの
でないことは言うまでもない。

以上説明した各実施例、応用例に示された本屈折率分布
型光学系は、３つの部材を貼り合わせることにより単一
構造の光学系を構成したものであった。

しかしながら本発明によれば、単一部材の特定の領域に
光軸と直交する方向へ屈折率が変化する屈折率分布をも
つ領域を形成し、該部材の端面に曲面を形成することに
より上記各実施例の光学系と等価な光学系を得ることが
できる。

この様に単一部材を用いることにより作製が更に容易と
なることは言うまでもない。又この場合も曲面と屈折率
分布領域とは特定間隔だけ離して配した方が良い。

従って本発明の主たる特徴を再度述べると、少なくとも
３つの互いに隣接する領域を有し、該領域の中間部を屈
折率分布領域とし、該領域に隣接する領域を均質媒質で
形成し、全系の光束入射面の少なくとも一方を曲面とし
たことである。

〔発明の効果〕

以上、本発明に係る屈折率分布型光学系は、単一構造か
ら成る単純な構成でありながら、諸収差を良好に補正し
得る優れた光学系である。

特に光学系の構成要素の端面に発光素子や受光素子を密
着し、発光（又は光源）装置や受光装置として用いるの
が効果的であり、実用的なＮＡの範囲に於いて球面収差
とコマ収差の双方を良好に補正することが可能である。

この様な効果を持つことにより、発光素子や受光素子と
光学系との間隔調整が不要となり、光学系の構成要素間
の位置合わせが不要となることをも含めて、光学系や該
光学系を使用する装置の組立調整が容易になる。従って
低コスト化、簡素化に大幅に寄与することが出来る。

又、光学系を構成する各要素も容易に入手可能で単純な
構成であり、作成に手間がかからない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る屈折率分布型光学系の一実施例を
示す断面図。 第２図は第１図に示す光学系の具体例の波面収差図。 第３図は第１図の実施例の変形例を示す断面図。 第４図（Ａ）〜（Ｈ）は本発明に係る屈折率分布型光学
系の他の実施例を示す断面図。 第５図（Ａ）、（Ｂ）は本屈折率分布型光学系の応用例
を示す図。 第６図（Ａ）、（Ｂ）は本屈折率分布型光学系の他の応
用例を示す図。 １　、２−−−−−一平凸レンズ ３　−−−−−−−−−一屈折率分布を有する光学部材
４−−−−−−−一−−発光素子 ４　ａ　　−−−−−−−一発光点 ぶ一一−−−−−−−−平行光束 Ａ　Ｘ　−−−−−−−一光軸

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）凸面を有し均質媒質から成る第１の領域と、前記
   凸面とは反対側で前記第１の領域と接し且つ光軸と略垂
   直方向に屈折率分布を有する第２の領域と、前記第１の
   領域とは反対側で前記第２の領域に接し且つ均質媒質か
   ら成る第３の領域とを有することを特徴とする屈折率分
   布型光学系。
2. （２）前記第１、第２、第３の領域が各々異なる部材か
   ら成り、互いに貼り合わせて構成されたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第（１）項記載の屈折率分布型光学系
   。