JP4380593B2 - フレネルレンズ - Google Patents

Description

本発明は、光透過性を有する円盤状の光学基板上に、複数の輪帯領域が中心から外周側に向かって各輪帯ピッチを除々に狭めて設定され、且つ、各輪帯領域内に各三角形状回折格子が形成されたフレネルレンズにおいて、各三角形状回折格子は各輪帯ピッチに合わせて底辺長さを設定した底辺と、底辺と対向して外周側に向けて傾斜させた傾斜面を有する第１回折格子部と、底辺と対向して内周側に向けて傾斜させた傾斜面を有する第２回折格子部とを備え、第１，第２回折格子部の各輪帯ピッチに対する占有比率を略一定に設定した上で、底辺を高さ基準として各三角形状回折格子の高さを、各輪帯領域がそれぞれ要求する光透過率になるように各輪帯領域ごとに可変させることで、各輪帯領域ごとに入射光に対する光透過率を調整して、内周部及び外周部での光量分布を均一化できるように構成したフレネルレンズに関するものである。

最近、回折光学素子の一種であるフレネルレンズは、非球面レンズと組み合わせることにより、光学的な収差を小さな値に設定できる等の理由から、光ディスク装置の光ピックアップや、光通信装置の光学系に多用されている。

この種のフレネルレンズの一例として直角三角形状の回折格子を有するフレネルレンズを、ガラス材を用いて金型により加熱圧縮成形するか、又は、透明樹脂材を用いて金型により射出成形して作製する場合に、フレネルレンズ用の金型をダイヤモンド工具により切削加工して作製する技術的思想が開示されている（非特許文献１）。
光技術コンタクト Ｖｏｌ．２６、Ｎｏ３（１９８８）、Ｐ２０８〜２１２

図１４（ａ），（ｂ）は従来例として直角三角形状の回折格子を有するフレネルレンズを示した平面図，縦断面図、
図１５は図１４に示した従来のフレネルレンズを金型により成形する際に、フレネルレンズ用の金型をダイヤモン工具により切削加工して作製する状態を模式的に示した縦断面図、
図１６は従来のフレネルレンズに、中央部の光束は光強度が強く、且つ、外周部の光束は光強度が弱いレーザー光を入射させた状態を模式的に示した図である。

図１４（ａ），（ｂ）に示したように、従来のフレネルレンズ１００は、光透過性を有するガラス材や透明樹脂材などを用いた円盤状の光学基板（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂａｓｅ Ｐｌａｔｅ）ＯＢＰ上に、複数の輪帯領域（Ｒｉｎｇ Ｚｏｎｅ）ＲＺが中心０を中心にしてリング状の同心円を描き、且つ、中心０から外周側に向かって各輪帯ピッチを除々に狭めて設定されていると共に、各輪帯領域ＲＺ内には直角三角形状の回折格子１０１がそれぞれ形成されている。この際、上記した回折格子１０１は、光学基板ＯＢＰ上で入射光となるレーザー光Ｌが入射する側に仮想に設定した底辺１０１ａと、この底辺１０１ａと対向して入射光回折面となる傾斜面１０１ｂと、位相折り返しポイント面となる垂直面１０１ｃとに囲まれて直角三角形状に形成されている。

そして、各輪帯領域ＲＺ内に形成された各回折格子１０１の回折効果を利用してレンズ機能を持たせている。

ところで、上記した従来のフレネルレンズ１００を例えば光ディスク装置（図示せず）のピックアップの回折光学素子として用いるような場合には、素子としての小型化と、フレネルレンズ１００に入射させるレーザー光のビームパワーを有効利用するために高い回折効率との双方が要求されている。

これらの要求を実現するために、従来のフレネルレンズ１００は、前述したように、ガラス材を用いて金型により加熱圧縮成形するか、又は、透明樹脂材を用いて金型により射出成形して作製されているが、この際、図１５に示したように、フレネルレンズ用の金型１５０が、ダイヤモンド工具１５１により金属製金型母材上で仮想に設定した底辺１５０ａと、この底辺１５０ａに対向した傾斜面１５０ｂと、垂直面１５０ｃとに囲まれて直角三角形状に切削加工して作製されている。

具体的には、図１５に示したように、フレネルレンズ用の金属製金型母材を回転させながらダイヤモンド工具１５１の先端に取り付けたダイヤモンドバイト１５１ａを移動させて直角三角形状の回折格子パターンを刻んでおり、回折格子１０１｛図１４（ｂ）｝の位相分布を直線近似する方法によって、加工時間を短縮できること、切削加工面が良好な表面粗さに保てること等のメリットが得られる。

ここで、フレネルレンズ用の金型１５０において、一つの輪帯領域分の位相形状は略直角三角形であり、フレネルレンズ１００の入射光回折面となる傾斜面１０１ｂ｛図１５（ｂ）｝と対応した傾斜面１５０ｂは輪帯ピッチにおける切削最高高さから最小高さまでを結んだ略直線状になっていると共に、フレネルレンズ１００の位相折り返しポイント面となる垂直面１０１ｃ｛図１５（ｂ）｝と対応した垂直面１５０ｃは金型水平方向に対して略垂直に立ち上がる形状になっている。

そして、ダイヤモンド工具１５１の先端に取り付けたダイヤモンドバイト１５１ａが切削加工面と平行となる際、切削加工面が鏡面状になるので、ダイヤモンドバイト１５１ａを傾斜させて傾斜面１５０ｂを所定の傾斜角を持って切削加工する一方、ダイヤモンドバイト１５１ａを略垂直に起立させて垂直面１５０ｃを略垂直に切削加工することで、フレネルレンズ用の金型１５０が作製されている。

この後、作製したフレネルレンズ用の金型１５０を用いて、上記した従来のフレネルレンズ１００をガラス材又は透明樹脂材により成形している。

ところで、光ピックアップ等の光源に使用されている半導体レーザー（図示せず）は光強度分布を持っており、図１６に示した如く、従来のフレネルレンズ１００に、半導体レーザーから出射したレーザー光Ｌを不図示のコリメータレンズで平行光に変換して入射させた時に、一般的に、適宜な位置で断面した時の断面積が略円形であるレーザー光Ｌの光束の中央部は光強度が強く（光量が大きく）、且つ、外周部の光束は光強度が弱い（光量が小さい）傾向がある。このように不均一な光強度分布（光量分布）を持ったレーザー光Ｌの光束を従来のフレネルレンズ１００に入射させて集光した場合、レンズ外周部の光強度が、中央部と比較して弱くなるために、レンズの口径が小さくなった状態と等価な現象となる。このため、レンズの開口数（ＮＡ）が低下し、集光スポットが本来のレンズ設計と比較して、大きくなるといった現象が起き、光学特性の劣化が発生し、問題となっている。

そこで、本発明では、レーザー光を集光するフレネルレンズに、集光機能の他に、レーザー光源の光強度分布（光量分布）を調整する機能を備え、フレネルレンズへの入射光を均一に調整することで、フレネルレンズの中央部と外周部での光量分布を均一とし、前述のＮＡ低下を抑制し、集光スポットの劣化を防止することができる構造形態のフレネルレンズが望まれている。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、請求項１記載の発明は、光透過性を有する光学基板上に複数の輪帯領域が中心から外周側に向かって各輪帯ピッチを除々に狭めて設定され、且つ、各輪帯領域内に各三角形状回折格子が形成されたフレネルレンズにおいて、
前記各三角形状回折格子は、前記光学基板上で入射光が入射する側に前記各輪帯ピッチに合わせて底辺長さを設定した底辺と、前記底辺を透過した前記入射光が出射する側に外周側に向けて傾斜した傾斜面を有し且つ前記入射光に対して特定次数の回折光を回折して所定の集光位置に集光させる第１回折格子部と、前記底辺を透過した前記入射光が出射する側に内周側に向けて傾斜した傾斜面を有し且つ前記第１回折格子部と異なる回折次数に前記入射光を回折して特定次数以外の回折光を発生させると共に前記入射光に対して光透過率を調整する第２回折格子部とを備えてなり、
前記第１，第２回折格子部の前記各輪帯ピッチに対する占有比率を略一定に設定した上で、前記底辺を高さ基準として前記各三角形状回折格子の高さを、前記各輪帯領域がそれぞれ要求する光透過率になるように前記各輪帯領域ごとに可変させたことを特徴とするフレネルレンズである。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のフレネルレンズにおいて、
前記光学基板上でレンズ中心部の前記輪帯領域内に形成される三角形状回折格子は、前記第１回折格子部のみを有することを特徴とするフレネルレンズである。

請求項１記載のフレネルレンズによると、とくに、光学基板上で中心から外周側に向かって各輪帯ピッチを除々に狭めて設定した各輪帯領域内に形成された各三角形状回折格子は、各輪帯ピッチに合わせて底辺長さを設定した底辺と、底辺と対向して外周側に向けて傾斜させた傾斜面を有する第１回折格子部と、底辺と対向して内周側に向けて傾斜させた傾斜面を有する第２回折格子部とを備え、第１，第２回折格子部の各輪帯ピッチに対する占有比率を略一定に設定した上で、底辺を高さ基準として各三角形状回折格子の高さを、各輪帯領域がそれぞれ要求する光透過率になるように各輪帯領域ごとに可変させているので、本発明に係るフレネルレンズを例えば光ピックアップに適用した時に、フレネルレンズに入射する入射光に光量分布があっても、入射光に対して光量分布を均一に補正して、この入射光を所定の集光位置に集光さることができるので、これにより劣化のない集光スポットを得ることができる。更に、本発明に係るフレネルレンズは、入射光の光強度分布を均一化するのみでなく、組み合わせられる光学系の特性に合わせて、任意な光透過率を設定し、任意な光透過光量分布を得ることができる。

また、請求項２記載のフレネルレンズによると、とくに、光学基板上でレンズ中心部の輪帯領域内に形成される三角形状回折格子は、第１回折格子部のみを有しているので、このフレネルレンズ用の金型を作製する際に、レンズ中心部の三角形状回折格子を容易に切削加工することができる。

以下に本発明に係るフレネルレンズの一実施例について図１〜図１３を参照して詳細に説明する。

本発明に係るフレネルレンズは、例えば、不図示の光ディスク装置の光ピックアップに取り付けられた非球面を有する対物レンズと組み合わせて適用されている。そして、光ピックアップ内でレーザー光源から出射した不均一な光強度分布（光量分布）を有する光束をフレネルレンズに入射させた時に、フレネルレンズで均一な光強度分布（光量分布）を有する光束に補正して、対物レンズ側に出射できるように構成されている。

図１（ａ），（ｂ）は本発明に係るフレネルレンズを示した上面図，縦断面図、
図２は本発明に係るフレネルレンズを使用した時に、光学系の光路を説明するための図、
図３は本発明に係るフレネルレンズを使用した時に、光学系の光強度分布及び光透過率を図２中の位置Ｘ１〜Ｘ３に対応して示した図である。

図１（ａ），（ｂ）に示した如く、本発明に係るフレネルレンズ１０は、光透過性を有するガラス基板を用いた円盤状の光学基板（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂａｓｅ Ｐｌａｔｅ）ＯＢＰ上に、複数の輪帯領域（Ｒｉｎｇ Ｚｏｎｅ）ＲＺが中心０を中心にしてリング状の同心円を描き、中心０から外周側に向かって各輪帯ピッチを除々に狭めて設定されている。

また、フレネルレンズ１０の各輪帯領域ＲＺ内には各三角形状回折格子１１が各輪帯ピッチに合わせて中心０から外周側に向かって形成されている。

そして、フレネルレンズ１０の各輪帯領域ＲＺ内に形成された各三角形状回折格子１１は、光学基板ＯＢＰ上で入射光となるレーザー光Ｌが入射する側に仮想に設定した底辺１１ａがその底辺長さを各輪帯ピッチに合わせて設定され、且つ、底辺１１ａを透過したレーザー光Ｌが出射する側に第１回折格子部１１ｂが外周側に向けて傾斜した傾斜面を有して形成されていると共に、底辺１１ａを透過したレーザー光Ｌが出射する側に第２回折格子部１１ｃが内周側に向けて傾斜した傾斜面を有して形成されている。

尚、図１（ａ），（ｂ）中において、レンズ中心部の輪帯領域内には底辺１１ａと対向して第１回折格子部１１ｂのみが形成されているが、これについては後で述べる。

この際、三角形状回折格子１１中の第１回折格子部１１ｂは、輪帯領域ＲＺ内に入射した入射光に対して特定次数の回折光として例えば１次回折光を回折して所定の集光位置（焦点位置）に集光させるレンズ集光作用を備えている。即ち、三角形状回折格子１１中の底辺１１ａと第１回折格子部１１ｂとが成す角が各輪帯ピッチに応じて内周側から外周側に向かうにつれて大きくなり、これに伴って各第１回折格子部１１ｂに平行に入射したレーザー光Ｌは各第１回折格子部１１ｂに応じて入射角が変化するのでこれに応じて屈折角も異なることにより所定の集光位置（焦点位置）に集光させることができる。

一方、三角形状回折格子１１中の第２回折格子部１１ｃは、第１回折格子部１１ｂと異なる回折次数に入射光を回折して特定次数以外（１次回折光以外）の回折光を発生させ、且つ、入射光に対して光透過率を調整する作用を備えている。

従って、三角形状回折格子１１中の第１回折格子部１１ｂは１次回折光回折面となり、一方、第２回折格子部１１ｃは１次回折光以外の回折光への回折面及び位相折り返しポイント面となる。

更に、フレネルレンズ１０の各輪帯領域ＲＺ内に形成された各三角形状回折格子１１は、第１，第２回折格子部１１ｂ，１１ｃの各輪帯ピッチＲｐ_ｎに対する占有比率を全ての輪帯領域ＲＺに対して略一定に設定した上で、底辺１１ａから第１，第２回折格子部１１ｂ，１１ｃが交わる頂点までの高さＨ_ｎ（Ｈ_０，Ｈ_１，Ｈ_２，Ｈ_３，……，Ｈ_ｎ、 但し、ｎ：０以上の正の整数）、言い換えると、底辺１１ａを高さ基準として各三角形状回折格子１１の高さＨ_ｎを、各輪帯領域ＲＺがそれぞれ要求する光透過率になるように各輪帯領域ＲＺごとに可変させており、内周側から外周側に向かうにつれて高さＨ_ｎが徐々に高くなっているが、これについては後で詳述する。

ここで、フレネルレンズ１０において、複数の輪帯領域ＲＺを、光学基板ＯＢＰの中心０から外周側に向かって順にＲＺ_０，ＲＺ_１，ＲＺ_２，ＲＺ_３，……，ＲＺ_ｎ（但し、ｎ：０以上の正の整数）と設定した場合に、まず、光学基板ＯＢＰの中心０を中心としてｎ番目の輪帯領域ＲＺ_ｎに対応するレンズ半径（輪帯半径）Ｒ_ｎを下記の数１より求めることができる。

この数１中で、Ｒ_ｎはｎ番目のレンズ半径であり、λは入射光の波長であり、入射光として波長λが０．４μｍのレーザー光を用いている。また、ｆ１は三角形状回折格子１１中の第１回折格子部１１ｂによる１次回折光の焦点距離であり、この実施例ではｆ１＝２０ｍｍに設定されている。また、ｄは回折次数であり、この実施例では第１回折格子部１１ｂによる１次回折光を対象にしているのでｄ＝１である。

従って、光学基板ＯＢＰの中心０を中心としてＲＺ_０，ＲＺ_１，ＲＺ_２，ＲＺ_３，……，ＲＺ_ｎに対応してレンズ半径Ｒ_０，Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３，……，Ｒ_ｎが求められる。

次に、光学基板ＯＢＰの中心０を含む輪帯領域ＲＺ_０の輪帯ピッチＲｐ_０は、下記の数２より求めることができる。

次に、上記したｎ＝０の場合を除外して、ｎ番目の輪帯ピッチＲｐ_ｎは、下記の数３より求めることができる。

従って、数２及び数３から、レンズ中心部の輪帯領域ＲＺ_０のみが輪帯ピッチＲｐ_０を半径にして円形に設定されるものの、輪帯領域ＲＺ_１，ＲＺ_２，ＲＺ_３，……，ＲＺ_ｎは、輪帯ピッチＲｐ_１，Ｒｐ_２，Ｒｐ_３，……，Ｒｐ_ｎの各ピッチ幅でリング状に設定されている。

そして、フレネルレンズ１０のレンズ半径の最大値に対応するｎの最大値を例えば１４０に設定した場合に、ｎを０〜１４０の範囲で順次可変しながらλ＝０．４μｍ，ｆ１＝２０ｍｍ，ｄ＝１を数１に代入してレンズ半径Ｒ_ｎを計算し、この後、数２及び数３により、例えば、輪帯領域ＲＺ_ｎと対応したレンズ半径Ｒ_ｎが光学基板ＯＢＰの中心０を含んだ０μｍ近傍（ＲＺ_０），５００μｍ（ＲＺ_１５），１０００μｍ（ＲＺ_６２），レンズ最外周部に位置する１５００μｍ（ＲＺ_１４０）における輪帯ピッチＲｐ_ｎをそれぞれ求めると、１２６．５μｍ（Ｒｐ_０），１６．１μｍ（Ｒｐ_１５），８．０μｍ（Ｒｐ_６２），５．４μｍ（Ｒｐ_１４０）が得られ、以下、ここで得られたレンズ半径Ｒ_ｎ及び輪帯ピッチＲｐ_ｎの各値を使用して説明する。

尚、実施例のフレネルレンズ１０を設計する場合には、全ての輪帯領域ＲＺ_ｎ（ｎ＝０〜１４０）に対応したレンズ半径Ｒ_ｎ及び輪帯ピッチＲｐ_ｎを求めれば良い。

次に、上記構成による本発明に係るフレネルレンズ１０を使用するにあたって、図２に示したように、位置Ｘ１を入射光となるレーザー光Ｌと対応した位置とし、また、位置Ｘ２をフレネルレンズ１０と対応した位置とし、また、位置Ｘ３を出射光と対応した位置とし、更に、位置Ｘ４を出射光の集光位置とした場合に、レーザー光源（図示せず）から出射したレーザー光Ｌをコリメータレンズ（図示せず）で平行光に変換して、適宜な位置で断面した時の断面形状が略円形であるレーザー光Ｌの平行光をフレネルレンズ１０の一方の面から入射させ、他方の面上で複数の輪帯領域ＲＺ内にそれぞれ形成した三角形状回折格子１１中の第１，第２回折格子部１１ｂ，１１ｃにより回折させてから出射させた時に、とくに、第１回折格子部１１ｂで回折された１次回折光が光軸Ｋ上で焦点距離ｆ１に対応した所定の集光位置に集光され、且つ、第２回折格子部１１ｃで回折された１次回折光以外の回折光が第１回折格子部１１ｂとは異なる回折位置に回折されるようになっている。

ここで、図３中で点線を用いて示した如く、断面形状が略円形であるレーザー光Ｌの平行光をフレネルレンズ１０に入射した時に、図２に示した位置Ｘ１における入射光束の光強度分布は光軸Ｋを中心にして対称であると仮定した場合、半導体レーザーの特性により、中央部の光強度を１００％とすると、レンズ半径が５００μｍ，１０００μｍ，１５００μｍでは光強度がそれぞれ、９７．５％，９０．０％，７７．５％に低下しており、中央部が凸状に突出した凸型の光強度分布特性となっている。

このように中央部が凸型の光強度分布を持った入射光束を、先に図１６用いて説明したように従来のフレネルレンズ１００で集光すると、レンズ外周部の光量が、中央部と比較して小さくなるために、レンズの口径が小さくなった状態と等価な現象となり、レンズの開口数（ＮＡ）が低下し、集光スポットが本来のレンズ設計と比較して、大きくなるといった現象が起き、光学特性の劣化が発生する。

この問題を解決する為に、図２中の位置Ｘ２におけるフレネルレンズ１０上での光束の光透過率分布において、図３中で実線を用いて示したように、レンズ半径が０μｍ，５００μｍ，１０００μｍ，１５００μｍで必要な光透過率が、それぞれ７７．５％， ７９．５％， ８６．１％， １００％になるように設定し、即ち、位置Ｘ１における凸型の光強度分布特性に対して反転させて、位置Ｘ２で中央部が凹状にへこんだ凹型の光透過率分布特性になるように逆補正している。

この設定により、入射光がフレネルレンズ１０を透過して出射した時に、図２に示した位置Ｘ３における出射光の光強度分布は、図３中で一点鎖線を用いて示したように、入射光量とフレネルレンズ透過率との積となり、その結果フラットなものとなる。

これにより、フレネルレンズ１０の外周部の光量が、中央部と略等しくなるので、レンズの口径は変化しない状態と等価になり、レンズの開口数（ＮＡ）は変化せず、集光スポットが本来のレンズ設計と比較して、大きくなるといった現象が発生しなくなる。

但し、出射光の光強度分布がフラットになった際、全体の光量は低下するが、高輝度レーザー等の、より光量の大きいレーザー光源を使用すれば、光量の低下は防止できる。

次に、本発明に係るフレネルレンズ１０において、各輪帯領域ＲＺ（ＲＺ_０，ＲＺ_１，ＲＺ_２，ＲＺ_３，……，ＲＺ_ｎ）内で各三角形状回折格子１１を各輪帯ピッチＲｐ_ｎ（Ｒｐ_０，Ｒｐ_１，Ｒｐ_２，Ｒｐ_３，……，Ｒｐ_ｎ）に合わせて中心０から外周側に向かって形成した時に、外周側，内周側に向けてそれぞれ傾斜させた第１，第２回折格子部１１ｂ，１１ｃの各輪帯ピッチＲｐ_ｎに対する占有比率を略一定に設定した上で、底辺１１ａを高さ基準として各三角形状回折格子１１の高さＨ_ｎを、各輪帯領域ＲＺがそれぞれ要求する光透過率になるように各輪帯領域ＲＺごとに可変させて、フレネルレンズ１０上で図３中で実線を用いて示したような位置Ｘ２における凹型の光透過率分布が得られるように補正する構造及び方法について、図４〜図１３を用いて説明する。

図４は本発明に係るフレネルレンズにおいて、一つの輪帯領域内に形成した三角形状回折格子の高さを説明するために拡大して示した図であり、（ａ）は三角形状回折格子が直角三角形の場合を示し、（ｂ）は三角形状回折格子中の第２回折格子部１１ｃに対してダイヤモンド工具の最大切削各角度を例えば７５°に設定した場合を示した図、
図５は本発明に係るフレネルレンズにおいて、一つの輪帯領域内に形成した三角形状回折格子の高さと１次回折光回折効率との関係を示した図、
図６は本発明に係るフレネルレンズにおいて、レンズ半径１５００μｍにおける輪帯ピッチ５．４μｍ内での三角形状回折格子の高さを示した図、
図７は本発明に係るフレネルレンズにおいて、レンズ半径１５００μｍにおける輪帯ピッチ５．４μｍ内での三角形状回折格子の回折光強度を示した図、
図８は本発明に係るフレネルレンズにおいて、レンズ半径１０００μｍにおける輪帯ピッチ８．０μｍ内での三角形状回折格子の高さを示した図、
図９は本発明に係るフレネルレンズにおいて、レンズ半径１０００μｍにおける輪帯ピッチ８．０μｍ内での三角形状回折格子の回折光強度を示した図、
図１０は本発明に係るフレネルレンズにおいて、レンズ半径５００μｍにおける輪帯ピッチ１６．１μｍ内での三角形状回折格子の高さを示した図、
図１１は本発明に係るフレネルレンズにおいて、レンズ半径５００μｍにおける輪帯ピッチ１６．１μｍ内での三角形状回折格子の回折光強度を示した図、
図１２は本発明に係るフレネルレンズにおいて、レンズ半径０μｍ近傍における輪帯ピッチ１２６．５μｍ内での三角形状回折格子の高さを示した図、
図１３は本発明に係るフレネルレンズにおいて、レンズ半径０μｍ近傍における輪帯ピッチ１２６．５μｍ内での三角形状回折格子の回折光強度を示した図である。

まず、図４（ａ）に示した如く、横軸に輪帯ピッチＲｐ_ｎを示し、縦軸に位相差λを示した場合に、一つの輪帯ピッチＲｐ_ｎ内に形成された三角形状回折格子１１が直角三角形であると仮定すると、底辺１１ａから直角三角形の頂点までの高さＨは、一般的に下記の数４より求めることができる。

この数４中で、Ｈは直角三角形状の回折格子（１１）の高さ、λは光源の波長、ｄは回折次数で１以上の整数、ｋはフレネルレンズ１０の屈折率である。

上記した直角三角形状の回折格子（１１）中の第１回折格子部１１ｂは、１次回折構造の回折格子を使用しているので、λを０．４０μｍ、ｄを１、ｋを１．４６とすると、直角三角形状の回折格子（１１）の高さＨは０．８６９μｍとなり、この直角三角形状の回折格子（１１）の高さＨは入射光の１波長λ分の位相差を有することになり、且つ、直角三角形状の回折格子（１１）の１次回折光回折効率は１００％となる。

ところで、前述したように、フレネルレンズ１０をガラス材を用いて金型で成形する場合に、フレネルレンズ用の金型を作製する際に、ダイヤモンド工具の先端形状からの加工限界、あるいは成形時の型抜きを考慮し、直角三角形の９０°部分の角度を、図４（ｂ）に示したように９０°よりも小さい角度で例えば７５°にダイヤモンド工具の最大切削角度を設定する場合がある。

この場合に、三角形状回折格子１１中で底辺１１ａと第２回折格子部１１ｃとが成す角が７５°となり、この時に最大回折効率が得られる三角形状回折格子１１の高さＨ_ｎは、底辺１１ａから第１，第２回折格子部１１ｂ，１１ｃが交わる頂点までの高さ、言い換えると、底辺１１ａを高さ基準とした時の三角形状回折格子１１の高さになり、この時の高さＨ_ｎは直角三角形の高さＨよりも当然低くなっている。この際、三角形状回折格子１１中の第２回折格子部１１ｃに対するダイヤモンド工具の切削角度が小さくなると、三角形状回折格子１１の高さＨ_ｎは低くなる。

また、各輪帯領域ＲＺ_ｎごとに輪帯ピッチＲｐ_ｎの値を正規化して１．００と設定した場合に、図４（ａ）に示した直角三角形の回折格子（１１）では一つの輪帯ピッチＲｐ_ｎ内に第１回折格子部１１ｂのみが占有している一方、図４（ｂ）に示した三角形状回折格子１１では一つの輪帯ピッチＲｐ_ｎ内に第１回折格子部１１ｂと第２回折格子部１１ｃとが（１．００−α）：αの占有比率でそれぞれ占有しており、この時に、αは０から０．１以内の所定値に設定される。

更に、図４（ｂ）中で、一つの輪帯ピッチＲｐ_ｎ内に形成した三角形状回折格子１１において、底辺１１ａと対向して外周側に向かって傾斜させた傾斜面を有する第１回折格子部１１ｂは、入射光に対して１次回折光のみを回折して、この１次回折光を光軸Ｋ（図２）上で所定の集光位置に集光する機能を備えているものであり、一方、底辺１１ａと対向して内周側に向かって傾斜させた傾斜面を有する第２回折格子部１１ｃは、入射光に対して１次回折光以外の回折光を回折して第１回折格子１１とは異なる回折位置に回折する機能を備えているものである。

ここで、フレネルレンズ１０（図１）中で最も大きな光透過率を必要とするレンズ最外周部のレンズ半径１５００μｍにおける輪帯ピッチ５．４μｍの場合に、図４（ａ）に示した直角三角形の回折格子（１１）では前述したように１００％の１次回折光回折効率が得られるものの、図４（ｂ）に示したように三角形状回折格子１１中の第２回折格子部１１ｃに対してダイヤモンド工具の最大切削角度を例えば７５°に設定して三角形状回折格子１１を形成すると、フレネルレンズ１０（図１）のレンズ最外周部での最高光透過率は低下するが、フレネルレンズ１０（図１）に対して目的である光透過量の光量分布への均一化を図ることができ、この際、必然的に、三角形状回折格子１１の高さＨ_ｎが０．８３３μｍと算出され、且つ、５．４μｍの輪帯ピッチに対して第１回折格子部１１ｂの占有比率が０．９５９、第２回折格子部１１ｃの占有比率が０．０４１と算出され、即ち、αが０．０４１となる。

この際、輪帯領域ＲＺ内の１次回折光回折効率は、三角形状回折格子１１の位相分布をフーリエ変換することによって算出されることが一般に行われており、レンズ半径１５００μｍにおける輪帯ピッチ５．４μｍの場合でダイヤモンド工具の最大切削角度を例えば７５°に設定した時に１次回折光回折効率が９１．７％となる。

そこで、フレネルレンズ１０に対してレンズ半径が０μｍ，５００μｍ，１０００μｍ，１５００μｍで必要な光透過率は、前述したように、それぞれ７７．５％， ７９．５％， ８６．１％， １００％であるが、金型製作の容易性、型抜きの容易性を考慮した場合に、上記したレンズ半径１５００μｍにおける輪帯ピッチ５．４μｍの場合でダイヤモンド工具の最大切削角度を例えば７５°に設定した時に得られた１次回折光回折効率９１．７％を基準の補正値に設定して、レンズ半径が０μｍ，５００μｍ，１０００μｍでもレンズ半径１５００μｍの場合を基準して補正し、即ち、レンズ半径が０μｍ，５００μｍ，１０００μｍ，１５００μｍで必要な光透過率７７．５％， ７９．５％， ８６．１％， １００％に対して補正値０．９１７をかけて補正し、それぞれ、７１．０％， ７２．９％，７８．９％， ９１．７％を必要な補正光透過率としても、フレネルレンズ１０（図１）に対して目的である光透過量の光量分布への均一化を図ることができる。

更に、上記したレンズ半径１５００μｍにおける輪帯ピッチ５．４μｍの場合でダイヤモンド工具の最大切削角度を例えば７５°に設定した時に得られた輪帯ピッチ内での第１，第２回折格子部１１ｂ，１１ｃの占有比率（０．９５９：０．０４１）を一定に固定した状態で、三角形状回折格子１１中の底辺１１ａから第１，第２回折格子部１１ｂ，１１ｃが交わる頂点までの高さＨ_ｎ、言い換えると、底辺１１ａを高さ基準として三角形状回折格子１１の高さＨ_ｎを、各輪帯領域ＲＺがそれぞれ要求する補正後の光透過率（補正光透過率）になるように各輪帯領域ＲＺごとに可変させている。

上記に伴って、図５は、輪帯ピッチ内での第１，第２回折格子部１１ｂ，１１ｃの占有比率（０．９５９：０．０４１）を一定に固定した状態で、三角形状回折格子１１の高さＨ_ｎを変化させた時の１次回折光回折効率を示している。

この図５において、横軸は三角形状回折格子１１の高さＨ_ｎの相対値を示していて、最大値１．００が０．８３３μｍに対応し、相対値を０．６５から１．００まで変化させているので、実質的には０．５４１μｍから０．８３３μｍまで変化させていることになる。この際、相対値が１．００の時にダイヤモンド工具の最大切削角度は７５．０°となり、相対値が０．６５の時に切削角度は６７．７°となる。一方、縦軸は、１次回折光回折効率（％）を示し、三角形状回折格子１１の位相分布を、フーリエ変換することにより、１次回折光における光強度を算出したものである。

この図５より、三角形状回折格子１１の高さＨ_ｎの相対値が、０．６５， ０．８０，
０．９０， １．００と変化した時に、１次回折光回折効率は、それぞれ６１．３％，
８０．６％， ８８．７％， ９１．７％となり、三角形状回折格子１１の高さＨ_ｎ
を変化させた場合に連続的に１次回折光回折効率を制御できることがわかる。

そして、図５のように、三角形状回折格子１１の高さＨ_ｎと１次回折光回折効率の関係をテーブルとして持つことにより、逆に、１次回折光回折効率、すなわちフレネルレンズ１０の必要な補正光透過率に対応して三角形状回折格子１１の高さＨ_ｎを求めることができる。

以下、一つの輪帯領域ＲＺ_ｎのレンズ半径Ｒ_ｎと対応した輪帯ピッチＲｐ_ｎ内で三角形状回折格子１１の高さＨ_ｎを求める具体例について順を追って説明する。

まず、図６に示した如く、フレネルレンズ１０（図１）の光学基板ＯＢＰ上において、前述したように、レンズ最外周部に位置する輪帯領域ＲＺ_１４０と対応したレンズ半径１５００μｍにおける輪帯ピッチＲｐ_１４０は５．４μｍであり、且つ、フレネルレンズ用の金型を作製する時にこの輪帯ピッチ内で三角形状回折格子１１中の第２回折格子部１１ｃに対するダイヤモンド工具の最大切削角度が７５°に設定されていると共に、三角形状回折格子１１の構成は、５．４μｍの輪帯ピッチに対して第１回折格子部１１ｂの占有比率が０．９５９、第２回折格子部１１ｃの占有比率が０．０４１に設定されている。

そして、輪帯領域ＲＺ_１４０内で要求される三角形状回折格子１１の必要な補正光透過率は前述したように９１．７％である。この場合、図５に示した特性曲線において１次回折光回折効率の値が必要な補正光透過率の値と等価であるものとすると、図５に示した特性曲線中の１次回折光回折効率９１．７％の値から三角形状回折格子１１の高さＨ_ｎが相対値で１．００であると読み取れるので、この相対値１．００に対応して三角形状回折格子１１の高さＨ_ｎは０．８３３μｍである。

この際、レンズ半径１５００μｍにおける輪帯ピッチ５．４μｍ内での回折次数における回折光強度を図７に示す。図７中で横軸は−９次から＋９次までの次数を示し、縦軸は最大値を２５５として規格化された回折光強度を示す。この図７から明らかなように、回折光の９１．７％がレンズ集光を担う＋１次の次数に集中している。

次に、図８に示した如く、フレネルレンズ１０（図１）の光学基板ＯＢＰ上において、前述したように、輪帯領域ＲＺ_６２と対応したレンズ半径１０００μｍにおける輪帯ピッチＲｐ_６２は８．０μｍであり、且つ、三角形状回折格子１１の構成は、図６の場合と同様に、８．０μｍの輪帯ピッチに対して第１回折格子部１１ｂの占有比率が０．９５９、第２回折格子部１１ｃの占有比率が０．０４１に設定されている。

そして、輪帯領域ＲＺ_６２内で要求される三角形状回折格子１１の必要な補正光透過率は前述したように７８．９％である。この場合、図５に示した特性曲線中の１次回折光回折効率７８．９％の値から三角形状回折格子１１の高さＨ_ｎが相対値で０．７９１であると読み取れるので、この相対値０．７９１に対応して三角形状回折格子１１の高さＨ_ｎは０．６５９μｍである。更に、フレネルレンズ用の金型を作製する時に、この輪帯ピッチ内で三角形状回折格子１１中の第２回折格子部１１ｃへの切削角度は６３．５°になる。

この際、レンズ半径１０００μｍにおける輪帯ピッチ８．０μｍ内での回折次数における回折光強度を図９に示す。この図９で明らかなように、メインの＋１次の回折光の他に、０次、＋２次、及び、−１次以上の高次光が僅かに存在し、これらが、集光位置とは異なる方向に入射光を回折し、輪帯ピッチ８．０μｍ内での光透過率を下げている。

次に、図１０に示した如く、フレネルレンズ１０（図１）の光学基板ＯＢＰ上において、前述したように、輪帯領域ＲＺ_１５と対応したレンズ半径５００μｍにおける輪帯ピッチＲｐ_１５は１６．１μｍであり、且つ、三角形状回折格子１１の構成は、図６及び図８の場合と同様に、１６．１μｍの輪帯ピッチに対して第１回折格子部１１ｂの占有比率が０．９５９、第２回折格子部１１ｃの占有比率が０．０４１に設定されている。

そして、輪帯領域ＲＺ_１５内で要求される三角形状回折格子１１の必要な補正光透過率は前述したように７２．９％である。この場合、図５に示した特性曲線中の１次回折光回折効率７２．９％の値から三角形状回折格子１１の高さＨ_ｎが相対値で０．７４３であると読み取れるので、この相対値０．７４３に対応して三角形状回折格子１１の高さＨ_ｎは０．６１９μｍである。更に、フレネルレンズ用の金型を作製する時に、この輪帯ピッチ内で三角形状回折格子１１中の第２回折格子部１１ｃへの切削角度は４３．３°になる。

この際、レンズ半径５００μｍにおける輪帯ピッチ１６．１μｍ内での回折次数における回折光強度を図１１に示す。この図１１で明らかなように、メインの＋１次の回折光の他に、０次、＋２次、及び、−１次以上の高次光が図９の場合よりも多く存在し、これらが、集光位置とは異なる方向に入射光を回折し、輪帯ピッチ１６．１μｍ内での光透過率を下げている。

次に、図１２に示した如く、フレネルレンズ１０（図１）の光学基板ＯＢＰ上において、前述したように、輪帯領域ＲＺ_０と対応したレンズ半径０μｍ近傍における輪帯ピッチＲｐ_０は１２６．５μｍであり、且つ、三角形状回折格子１１の構成は、図６及び図８並びに図１０の場合と同様に、１２６．５μｍの輪帯ピッチに対して第１回折格子部１１ｂの占有比率を０．９５９、第２回折格子部１１ｃの占有比率を０．０４１に設定しても良いが、レンズ中心部では第２回折格子部１１ｃによる位相折り返しポイント面を削除しても光透過率の性能に影響を与えないために、ここでは輪帯ピッチ１２６．５μｍ内に第１回折格子部１１ｂのみを占有させることで三角形状回折格子１１が直角三角形になり、フレネルレンズ用の金型を作製する際にレンズ中心部の三角形状回折格子１１を容易に切削加工することができる。

そして、輪帯領域ＲＺ_０内で要求される三角形状回折格子１１の必要な補正光透過率は前述したように７１．０％である。この場合、図５に示した特性曲線中の１次回折光回折効率７１．０％の値から三角形状回折格子１１の高さＨ_ｎが相対値で０．７１３であると読み取れるので、この相対値０．７１３に対応して三角形状回折格子１１の高さＨ_ｎは０．５９４μｍである。更に、フレネルレンズ用の金型を作製する時に、レンズ中心部では第２回折格子部１１ｃによる位相折り返しポイント面が削除されているために、第２回折格子部１１ｃに対するダイヤモンド工具の切削角度は存在せず、第１回折格子部１１ｂのみを切削加工すれば良い。

この際、レンズ半径０μｍ近傍における輪帯ピッチ１２６．５μｍ内での回折次数における回折光強度を図１３に示す。この図１３で明らかなように、メインの＋１次の回折光の他に、０次、＋２次、及び、−１次以上の高次光が図１１の場合よりも僅かに多く存在し、これらが、集光位置とは異なる方向に入射光を回折し、輪帯ピッチ１２６．５μｍ内での光透過率を下げている。

以上のように、全ての輪帯領域ＲＺ_ｎ（但し、ｎ＝０〜１４０）に対応してレンズ半径Ｒ_ｎ及び輪帯ピッチＲｐ_ｎを求めて、各輪帯領域ＲＺ_ｎ内で各輪帯ピッチＲｐ_ｎに対応して形成した各三角形状回折格１１の必要な補正光透過率を求め、各三角形状回折格１１の高さＨ_ｎを各輪帯ピッチＲｐ_ｎごとに求めれば良い。

上述したように、本発明に係るフレネルレンズ１０では、各輪帯領域ＲＺ_ｎと対応した各輪帯ピッチＲｐ_ｎ内に各三角形状回折格子１１を形成した際、各三角形状回折格子１１中の第１，第２回折格子部１１ｂ，１１ｃの各輪帯ピッチＲｐ_ｎに対する占有比率を略一定に設定した上で、底辺１１ａを高さ基準として各三角形状回折格子１１の高さＨ_ｎを、各輪帯領域ＲＺ_ｎがそれぞれ要求する光透過率になるように各輪帯領域ＲＺ_ｎごとに可変させているので、本発明に係るフレネルレンズ１０を例えば光ピックアップに適用した時に、フレネルレンズ１０に入射する入射光に光量分布があっても、入射光に対して光量分布を均一に補正して、この入射光を所定の集光位置に集光さることができるので、これにより劣化のない集光スポットを得ることができる。

尚、上記した実施例では、三角形状回折格子１１中の第１，第２回折格子部１１ｂ，１１ｃに、１次回折構造を使用しているが、この回折次数に限定されるものでなく、２次、３次等、より高次な回折構造でも同様な機能を備えることができる。

また、本発明に係るフレネルレンズ１０の用途は、実施例で挙げた、入射光の光強度分布を均一化するのみでなく、組み合わせられる光学系の特性に合わせて、任意な光透過率を設定し、任意な光透過光量分布を得ることができる。

（ａ），（ｂ）は本発明に係るフレネルレンズを示した上面図，縦断面図である。 本発明に係るフレネルレンズを使用した時に、光学系の光路を説明するための図である。 本発明に係るフレネルレンズを使用した時に、光学系の光強度分布及び光透過率を図２中の位置Ｘ１〜Ｘ３に対応して示した図である。 本発明に係るフレネルレンズにおいて、一つの輪帯領域内に形成した三角形状回折格子の高さを説明するために拡大して示した図であり、（ａ）は三角形状回折格子が直角三角形の場合を示し、（ｂ）は三角形状回折格子中の第２回折格子部１１ｃに対してダイヤモンド工具の最大切削各角度を例えば７５°に設定した場合を示した図である。 本発明に係るフレネルレンズにおいて、一つの輪帯領域内に形成した三角形状回折格子の高さと１次回折光回折効率との関係を示した図である。 本発明に係るフレネルレンズにおいて、レンズ半径１５００μｍにおける輪帯ピッチ５．４μｍ内での三角形状回折格子の高さを示した図である。 本発明に係るフレネルレンズにおいて、レンズ半径１５００μｍにおける輪帯ピッチ５．４μｍ内での三角形状回折格子の回折光強度を示した図である。 本発明に係るフレネルレンズにおいて、レンズ半径１０００μｍにおける輪帯ピッチ８．０μｍ内での三角形状回折格子の高さを示した図である。 本発明に係るフレネルレンズにおいて、レンズ半径１０００μｍにおける輪帯ピッチ８．０μｍ内での三角形状回折格子の回折光強度を示した図である。 本発明に係るフレネルレンズにおいて、レンズ半径５００μｍにおける輪帯ピッチ１６．１μｍ内での三角形状回折格子の高さを示した図である。 本発明に係るフレネルレンズにおいて、レンズ半径５００μｍにおける輪帯ピッチ１６．１μｍ内での三角形状回折格子の回折光強度を示した図である。 本発明に係るフレネルレンズにおいて、レンズ半径０μｍ近傍における輪帯ピッチ１２６．５μｍ内での三角形状回折格子の高さを示した図である。 本発明に係るフレネルレンズにおいて、レンズ半径０μｍ近傍における輪帯ピッチ１２６．５μｍ内での三角形状回折格子の回折光強度を示した図である。 （ａ），（ｂ）は従来例として直角三角形状の回折格子を有するフレネルレンズを示した平面図，縦断面図である。 図１４に示した従来のフレネルレンズを金型により成形する際に、フレネルレンズ用の金型をダイヤモン工具により切削加工して作製する状態を模式的に示した縦断面図である。 従来のフレネルレンズに、中央部の光束は光強度が強く、且つ、外周部の光束は光強度が弱いレーザー光を入射させた状態を模式的に示した図である。

符号の説明

１０…本発明に係るフレネルレンズ、
１１…三角形状回折格子、
１１ａ…底辺、１１ｂ…第１回折格子部、１１ｃ…第２回折格子部、
ＯＢＰ…光学基板、０…光学基板の中心、
Ｋ…光軸、Ｌ…入射光（レーザー光）、
ＲＺ（ＲＺ_０，ＲＺ_１，ＲＺ_２，ＲＺ_３，……，ＲＺ_ｎ）…輪帯領域、
Ｒ_ｎ（Ｒ_０，Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３，……，Ｒ_ｎ）…レンズ半径、
Ｒｐ_ｎ（Ｒｐ_０，Ｒｐ_１，Ｒｐ_２，Ｒｐ_３，……，Ｒｐ_ｎ）…輪帯ピッチ。

Claims (2)

1. 光透過性を有する光学基板上に複数の輪帯領域が中心から外周側に向かって各輪帯ピッチを除々に狭めて設定され、且つ、各輪帯領域内に各三角形状回折格子が形成されたフレネルレンズにおいて、
   前記各三角形状回折格子は、前記光学基板上で入射光が入射する側に前記各輪帯ピッチに合わせて底辺長さを設定した底辺と、前記底辺を透過した前記入射光が出射する側に外周側に向けて傾斜した傾斜面を有し且つ前記入射光に対して特定次数の回折光を回折して所定の集光位置に集光させる第１回折格子部と、前記底辺を透過した前記入射光が出射する側に内周側に向けて傾斜した傾斜面を有し且つ前記第１回折格子部と異なる回折次数に前記入射光を回折して特定次数以外の回折光を発生させると共に前記入射光に対して光透過率を調整する第２回折格子部とを備えてなり、
   前記第１，第２回折格子部の前記各輪帯ピッチに対する占有比率を略一定に設定した上で、前記底辺を高さ基準として前記各三角形状回折格子の高さを、前記各輪帯領域がそれぞれ要求する光透過率になるように前記各輪帯領域ごとに可変させたことを特徴とするフレネルレンズ。
2. 前記光学基板上でレンズ中心部の前記輪帯領域内に形成される三角形状回折格子は、前記第１回折格子部のみを有することを特徴とする請求項１記載のフレネルレンズ。
   
   

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