(57)【要約】【課題】  入射角度が大きい場合でも集光効率に優れ、スポット径が小さく、かつ、量産に適した集光レンズを提供すること。【解決手段】  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によってフレネルレンズ状の分割レンズ面１１、１２、１３が複数、形成されている。３つの分割レンズ面１１、１２、１３のうち、中央の分割レンズ面１１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。【選択図】    図４
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【特許請求の範囲】
【請求項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いることを特徴とする集光レンズ。
【請求項２】
請求項１において、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を特徴とする集光レンズ。
【請求項３】
請求項１または２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ことを特徴とする集光レンズ。
【請求項４】
請求項１または２において、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いない屈折面であることを特徴とする集光レンズ。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかにおいて、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を特徴とする集光レンズ。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかにおいて、前記分割レンズ面に前記段差が形成されていないときの当該分割レンズ面の回折次数を０次とした場合、
当該複数の回折レンズ面のうち、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いあるいは等しいことを特徴とする集光レンズ。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかにおいて、入射角度範囲を±θ°としたとき、入射角度がθ°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。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかにおいて、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いることを特徴とする集光レンズ。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかにおいて、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いることを特徴とする集光レンズ。
【請求項１０】
請求項９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いることを特徴とする集光レンズ。
【請求項１１】
請求項９または１０において、所定波長の光が入射角度が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いことを特徴とする集光レンズ。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれかにおいて、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。
【請求項１３】
請求項１ないし１２のいずれかにおいて、レンズ素材が樹脂であることを特徴とする集光レンズ。
【請求項１４】
請求項１ないし１３のいずれかにおいて、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。
【請求項１５】
請求項１ないし１４のいずれかにおいて、前記段差のピッチは、以下の式
ｍλ／（ｎ−１）
但し、ｍは回折次数、λは波長、ｎ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。
【請求項１６】
請求項１ないし１５のいずれかにおいて、有効径が円形であることを特徴とする集光レンズ。
【請求項１７】
請求項１ないし１６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。
【請求項１８】
請求項１７において、所定波長の光が入射角度が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を特徴とする光走査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集光レンズ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、レー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に反復走査する。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。このとき、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８（ａ）に示す集光レンズ１′が配置され、この集光レンズ１′によって反射ビームを集光する。ここで、集光レンズ１′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１′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。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、集光レンズ１′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ってしまう。そこで、集光レンズには、図８（ｂ）に示すようなフレネルレンズ１″が用いられることがある。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。
【０００４】
しかしながら、フレネルレンズ１″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。また、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。このため、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が、このようなレイアウトを採用すると、集光力をさらに高める必要があり、そのため、曲率半径を小さくする必要がある。従って、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が、このような構造のフレネルレンズ１″の場合、図８（ｃ）の領域Ａ、Ｂをそれぞれ図８（ｄ）、（ｅ）に拡大して示すように、入射角度が大きい光線Ｌ１１に溝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。
【０００５】
以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、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。
【課題を解決するための手段】
【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】
本発明において、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、通常の旋盤加工で加工できる。
【０００８】
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。
【０００９】
本発明において、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いない屈折面であることが好ましい。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。
【００１０】
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。
【００１１】
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く、透過率が向上する。
【００１２】
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。
【００１３】
本発明において、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、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が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、スポット径を小さくする有効な手段となる。
【００１４】
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ときには当該分割レンズ面の回折次数を０次とした場合、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。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。
【００１５】
本発明において、入射角度範囲を±θ°としたとき、入射角度がθ°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。
【００１６】
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。
【００１７】
本発明において、レンズ材料は、例えば樹脂である。樹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、軽量化にも適している。
【００１８】
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加工を施す必要がない。
【００１９】
本発明において、前記段差のピッチは、以下の式
ｍλ／（ｎ−１）
但し、ｍは回折次数、λは波長、ｎ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。
【００２０】
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、その分割光検出面面積に収まるスポットを形成することができる。
【００２１】
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。
【００２２】
この場合、所定波長の光が入射角度が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、集光レンズの対する入射角度範囲においてスポット径のバ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、その分割光検出面面積に収まるスポットを形成することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明を適用した集光レンズは、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
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。
【００２５】
［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２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３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。
【００２６】
図１（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。
【００２７】
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。
【００２８】
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っている。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１１１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。
【００２９】
なお、段差３０のピッチは、以下の式
ｈ＝ｍλ／（ｎ−１）
但し、ｍは回折次数、λは波長、ｎ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。
【００３０】
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。
【００３１】
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）ｃ2ｒ2｝1/2］
＋Ａ4・ｒ4＋Ａ6・ｒ6＋・・
で表される。ｃは曲率半径Ｒの逆数、ｋは円錐定数、Ａ4、Ａ6・・はそれぞれ、４次、６次・・の非球面係数である。なお、非球面係数の表示において、Ａ−４、Ａ−６、Ａ−８・・・は、それぞれＡ4、Ａ6、Ａ8・・・を示し、Ｅに続く数字ｍは、１×１０mを意味する。なお、以下の各設計デ−タは最内周から外周へ向かう順番に記述してある。
【００３２】
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。
【００３３】
分割レンズ面１１（回折レンズ面）
輪帯領域１１１
半径  (mm)＝0〜2.0
Y曲率半径（Ｒ）＝無限
コ−ニック定数（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
輪帯領域１１２
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＋00
回折次数＝3
光路差関数R^2＝−4.54545455
光軸方向シフトΔ＝−0.11
輪帯領域１１３
半径  (mm)＝5.0〜7.5
Y曲率半径（Ｒ）＝15.48148913
コ−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＋00
８次の係数（Ａ−８）＝0.00E＋00
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
輪帯領域１１４
半径  (mm)＝7.5〜9.0
Y曲率半径（Ｒ）＝14.22517578
コ−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
溝２１
半径  (mm)＝9.0〜9.6
Y曲率半径（Ｒ）＝直線
分割レンズ面１２（回折レンズ面）
半径  (mm)＝9.6〜12.0
Y曲率半径（Ｒ）＝14.92917046
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）＝7.31E−08
８次の係数（Ａ−８）＝−1.86E−10
10次の係数（Ａ−10）＝0.00E＋00
回折次数＝3
光路差関数R^2＝−2.27272727
光軸方向シフトΔ＝−3.5
溝２２
半径  (mm)＝12.0〜12.5
Y曲率半径（Ｒ）＝直線
分割レンズ面１３（回折レンズ面）
半径  (mm)＝12.5〜15.0
Y曲率半径（Ｒ）＝15.22547424
コ−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＋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
【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Ｌ０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。
【００３５】
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２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
入射角（°）  横寸法（ｍｍ）  縦寸法（ｍｍ）  面積（ｍｍ2）
０            ０．５          ０．５          ０．２５
１            ０．５          ０．５          ０．２５
３            ０．５          ０．５          ０．２５
４            ０．５          ０．６          ０．３０
５            ０．５          ０．８          ０．４０
６            ０．５          １．０          ０．５０
７            ０．７          １．２          ８．４
になっている。
【００３６】
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３に示す通りである。図２および図３より、本実施例は、入射角範囲±６°においてスポット径が小さく、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きる。
【００３７】
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く、透過率が向上する。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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（ｄ）において矢印Ｌ１２で示す光線のように、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。
【００４１】
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い。
【００４２】
さらに、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。
【００４３】
さらにまた、段差３０のピッチは、段差３０の高さｈが約４μｍに対して、最小ピッチが約２０μｍであり、段差３０の高さｈの４．５倍以上であるため、回折効率が高く、透過率を向上させることができる。
【００４４】
なお、本形態において、複数の分割レンズ面のいずれにおいても回折次数が等しいので、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場合と比較してコマ収差を抑制することができるため、スポット径を小さくすることができる。また、このような構成に代えて、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構成であってもよい。このように構成すると、コマ収差をより効果的に抑制することができるので、スポット径をさらに小さくすることができる。
【００４５】
［実施の形態２］
図４（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５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６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７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。
【００４６】
図４（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。
【００４７】
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。
【００４８】
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っている。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１１１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＝ｍλ／（ｎ−１）
但し、ｍは回折次数、λは波長、ｎ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１と同様である。
【００４９】
これに対して、本形態では、実施の形態１と違って、外周側の分割レンズ面１２、１３は、段差３０の形成されていない屈折レンズ面になっている。
【００５０】
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。
【００５１】
分割レンズ面１１（回折レンズ面）
輪帯領域１１１
半径  (mm)＝0〜2.0
Y曲率半径（Ｒ）＝無限
コ−ニック定数（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
輪帯領域１１２
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＋00
回折次数＝3
光路差関数R^2＝−4.54545455
光軸方向シフトΔ＝−0.11
輪帯領域１１３
半径  (mm)＝5.0〜7.5
Y曲率半径（Ｒ）＝15.48148913
コ−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＋00
８次の係数（Ａ−８）＝0.00E＋00
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
輪帯領域１１４
半径  (mm)＝7.5〜9.0
Y曲率半径（Ｒ）＝14.22517578
コ−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
溝２１
半径  (mm)＝9.0〜9.6
Y曲率半径（Ｒ）＝直線
分割レンズ面１２（屈折レンズ面）
半径  (mm)＝9.6〜12.0
Y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＋00
光軸方向シフトΔ＝−4.4
溝２２
半径  (mm)＝12.0〜12.8
Y曲率半径（Ｒ）＝直線
分割レンズ面１３（屈折レンズ面）
半径  (mm)＝12.8〜15.0
Y曲率半径（Ｒ）＝12.98095761
コ−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＋00
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
【００５２】
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５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
焦点位置の光検出器９からの距離
分割レンズ面１１
輪帯領域１１１      ０．４１ｍｍ
輪帯領域１１２      ０．４３ｍｍ
輪帯領域１１３      ０．４７ｍｍ
輪帯領域１１４      ０．４５ｍｍ
分割レンズ面１２        ０．２１ｍｍ
分割レンズ面１３        ０．１９ｍｍ
になっている。
【００５３】
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Ｌ０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。
【００５４】
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く、透過率が向上する。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
また、溝２１、２２の方向が光の屈折方向と略平行であるため、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。
【００５８】
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い。
【００５９】
さらに、段差３０のピッチは、段差３０の高さｈが約４μｍに対して最小ピッチが約２０μｍであり、段差３０の高さｈの４．５倍以上であるため、回折効率が高く、透過率を向上させることができる。
【００６０】
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。
【００６１】
しかも、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面である。このため、実施の形態１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７に、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を示すように、スポット径を小さくすることができる。
【００６２】
また、本形態では、図５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。従って、集光レンズ１に対する入射角度範囲においてスポット径のバランスを確保できる。
【００６３】
それ故、本形態では、入射角度範囲を±θ°としたとき、θは、以下の条件
θ＝±７°
であるが、図７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
入射角（°）  横寸法（ｍｍ）  縦寸法（ｍｍ）  面積（ｍｍ2）
０            ０．５          ０．５          ０．２５
１            ０．５          ０．５          ０．２５
３            ０．５          ０．５          ０．２５
４            ０．５          ０．５          ０．２５
５            ０．５          ０．６          ０．３０
６            ０．５          ０．８          ０．４０
７            ０．３          １．０          ０．３
８            ０．５          １．０          ０．５
９            ０．７          ０．７          ０．４９
が得られる。よって、本形態では、実施の形態１と比較しても、入射角度範囲の全域においてスポット径が小さく、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。
【００６４】
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６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０．５ｍｍ2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。
【００６５】
［他の実施の形態］
上記形態では、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もよい。
【００６６】
また、上記形態では、溝２１、２２、分割レンズ面１１、１２、１３、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、トーリックレンズやシリンドリカルレンズに適用してもよく、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。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【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２】本発明の実施の形態１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３】本発明の実施の形態１に係る集光レンズ対する入射角度と、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４】（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５】本発明の実施の形態２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６】本発明の実施の形態２に係る集光レンズ対する入射角度と、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７】本発明の実施の形態２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８】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】
【００６８】
１  集光レンズ
２  光入射面
３  光出射面
９  光検出器
１１、１２、１３  分割レンズ面
２１、２２  溝
３０  段差
１１１、１１２、１１３、１１４  輪帯領域
【図１】
2006177999.tif 000003
【図２】
2006177999.tif 000004
【図３】
2006177999.tif 000005
【図４】
2006177999.tif 000006
【図５】
2006177999.tif 000007
【図６】
2006177999.tif 000008
【図７】
2006177999.tif 000009
【図８】
2006177999.tif 000010