(57)【要約】      （修正有）【課題】赤外光と可視光のように大きく波長が異なる２つの光が入射した際の色収差を好適に補正することができる色消しレンズを提供する。【解決手段】主波長λ１を有する光と、この主波長λ１より短い副波長λ２を有する光とが入射され、回折面を有する色消しレンズ。主波長λ１に対する前記回折面の回折次数Ｎ１＝０であり、かつ、副波長λ２に対する前記回折面の回折次数Ｎ２≠０である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主波長λ１を有する光と、この主波長λ１より短い副波長λ２を有する光とが入射され、回折面を有する色消しレンズであって、
主波長λ１に対する前記回折面の回折次数Ｎ１＝０であり、かつ、副波長λ２に対する前記回折面の回折次数Ｎ２≠０であることを特徴とする色消しレンズ。
【請求項２】
前記主波長λ１に対する副波長λ２の比（λ２／λ１）が、０．３より小さい請求項１に記載の色消しレンズ。
【請求項３】
前記回折面の格子溝深さをｄとし、主波長λ１でのレンズ材料の屈折率をｎ１とすると、（ｎ１−１）ｄ／λ１＜０．３である請求項１又は請求項２に記載の色消しレンズ。
【請求項４】
主波長λ１が赤外域の範囲である請求項１〜３のいずれか１項に記載の色消しレンズ。
【請求項５】
主波長λ１が１．０μｍ以上である請求項１〜４のいずれか１項に記載の色消しレンズ。
【請求項６】
主波長λ１を有する光が１０．６μｍの波長を有する赤外光のＣＯ２レーザ光であり、副波長λ２を有する光が６３３ｎｍの波長を有するガイド用可視光である請求項１〜５のいずれか１項に記載の色消しレンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は色消しレンズに関する。さらに詳しくは、例えば赤外光と可視光のように大きく波長が異なる２つの光が入射した際に生じる色収差を補正し得る色消しレンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
１０．６μｍの波長を有する赤外光のＣＯ２レーザは、金属加工などの用途に広く用いられている。このようなレーザ光を集光するためのレーザ材料として、ゲルマニウム（Ｇｅ）やセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）が多用されている。Ｇｅは可視光を全く透過させないが、ＺｎＳｅは可視光を透過させるため、このＺｎＳｅを用いて、可視光の６３３ｎｍ（Ｈｅ−Ｎｅレーザ）まで充分に透過させるレンズを作製することができる。かかる集光レンズを用いると、可視レーザをＣＯ２レーザと同じ光軸に沿って入射させ、透過させることができるので、光軸を合わせる調整工程、すなわちアラインメント工程を容易に行うことができる。
【０００３】
しかし、両レーザは波長が異なるので色収差が発生し、可視光の焦点位置はＣＯ２レーザの焦点位置と大きく離れてしまう。
【０００４】
この色収差を補正する方法として、主材料のＺｎＳｅと色分散特性が異なるＢａＦ２などの結晶を副材料とする凹レンズを組み合わせることが知られているが、この凹レンズは割れ易く、高価であり、また、特性が不安定であるため、実用化は困難である。
【０００５】
他の補正方法として、回折面を用いた色消しレンズ（回折レンズ）が知られている。この色消しレンズによる色収差補正の原理は、対象となる２つの波長の１次回折光の回折角度の差が、材料の分散特性による屈折角の差と符号が逆で、かつ極めて大きい（波長に敏感である）ことを利用するものである。回折レンズは単一の材料で色収差を補正できるという特長があるが、回折効率の波長依存性が大きいという課題がある。これは、回折面の格子溝の深さは、１つの波長に対して１次光の回折効率が最大（１００％）になるように決められるが、他の波長では１次光の回折効率が低下してしまうためである。
【０００６】
そこで、１次回折光ではなく２次以上の高次回折光を利用する方法が提案されている（例えば、特許文献１〜２参照）。これらは、１次光の回折効率が低くても、２次、３次などの高次回折光の中に高効率となる次数がそれぞれの波長で存在し得るので、それらを好適に組み合わせて利用する方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１００５５１号公報
【特許文献２】特開２００５−１４９６２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、２次以上の高次回折光を利用する従来の方法では、赤外光と可視光のように波長差が大きい場合、後述するように色収差補正を行うことができないという問題がある。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、赤外光と可視光のように大きく波長が異なる２つの光が入射した際の色収差を好適に補正することができる色消しレンズを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）本発明の色消しレンズは、主波長λ１を有する光と、この主波長λ１より短い副波長λ２を有する光とが入射され、回折面を有する色消しレンズであって、
主波長λ１に対する前記回折面の回折次数Ｎ１＝０であり、かつ、副波長λ２に対する前記回折面の回折次数Ｎ２≠０であることを特徴としている。
【００１１】
本発明の色消しレンズでは、主波長λ１に対してはゼロ次光を、副波長λ２に対してはゼロでない回折次数の回折光を最大の回折効率で発生させる回折面とし、主波長λ１に対しては回折の効果をなくし通常のレンズとして機能させ、副波長λ２については、発生する屈折の色収差を回折の色収差で相殺している。これにより、赤外光と可視光のように大きく波長が異なる２つの光が入射した場合でも色収差を補正することができる。
【００１２】
（２）前記（１）の色消しレンズにおいて、前記主波長λ１に対する副波長λ２の比（λ２／λ１）が、０．３より小さいことが好ましい。
【００１３】
（３）前記（１）又は（２）の色消しレンズにおいて、前記回折面の格子溝深さをｄとし、主波長λ１でのレンズ材料の屈折率をｎ１とすると、（ｎ１−１）ｄ／λ１＜０．３であることが好ましい。
【００１４】
（４）前記（１）〜（３）の色消しレンズにおいて、主波長λ１を赤外域の範囲とすることができる。
【００１５】
（５）前記（１）〜（４）の色消しレンズにおいて、主波長λ１を１．０μｍ以上とすることができる。
【００１６】
（６）前記（１）〜（５）の色消しレンズにおいて、主波長λ１を有する光を、１０．６μｍの波長を有する赤外光のＣＯ２レーザ光とし、副波長λ２を有する光を、６３３ｎｍの波長を有するガイド用可視光とすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の色消しレンズによれば、赤外光と可視光のように大きく波長が異なる２つの光が入射した際の色収差を好適に補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施例１に係る色消し集光レンズの光路図である。
【図２】実施例２に係る色消し集光レンズの光路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の色消しレンズの実施の形態を詳細に説明する。
【００２０】
本発明では、色収差を補正する色消しレンズとして屈折機能及び回折機能を有するレンズ（以下、単に「回折レンズ」ともいう）を用いているが、この回折レンズのパワー（屈折力。焦点距離の逆数）をＰとし、そのうち屈折のパワーをＰＲ、回折のパワーをＰＤとすると、
Ｐ＝ＰＲ＋ＰＤ      ・・・・・・（１）
ＰＲ∝ｎ−１      ・・・・・・（２）
ＰＤ∝Ｎλ      ・・・・・・（３）
の関係がある。ここで、ｎはレンズ材料の屈折率、Ｎは回折次数である。
【００２１】
対象とする２つの波長のうち長いほうを主波長λ１とし、短いほうを副波長λ２とし、さらにそれぞれの波長でのレンズ材料の屈折率をｎ１、ｎ２とする（ｎ１＜ｎ２）と、２つの波長でのパワーの差ΔＰは、屈折及び回折のそれぞれについて
ΔＰＲ＝ＰＲ１−ＰＲ２＝ＰＲ１（ｎ１−ｎ２）／（ｎ１−１）      ・・・・・・（４）
ΔＰＤ＝ＰＤ１−ＰＤ２＝ＰＤ１（Ｎ１λ１−Ｎ２λ２）／Ｎ１λ１      ・・・・・・（５）
が成立する。ここで、Ｎ１、Ｎ２は各波長に対する回折次数であり、Ｎ１≠Ｎ２のときは、各波長で異なる回折次数を利用することを意味する。また、ＰＲ１、ＰＤ１は波長λ１での屈折、回折のパワーである。
色収差補正が成立する条件は、
ΔＰＲ＋ΔＰＤ＝０      ・・・・・・（６）
であることが分かる。
【００２２】
スカラー回折理論より、Ｎ次回折光の回折効率ηＮは、次の式（７）で求められることが知られている。
ηＮ（λ）＝｛ｓｉｎｃ（φ（λ）−Ｎ）｝２      ・・・・・・（７）
ここで、関数ｓｉｎｃは、
ｓｉｎｃ（Ｘ）＝ｓｉｎ（πＸ）／πＸ      ・・・・・・（８）
を意味する関数である。また、φ（λ）は、
φ（λ）＝（ｎ−１）ｄ／λ      ・・・・・・（９）
であり、波長λに対して１次回折光の効率が１００％となる格子溝の深さλ／（ｎ−１）に対する実際の格子溝の深さｄの比率を表している。
【００２３】
回折効率ηＮ（λ）が最大効率の１００％になるのは、式（７）よりＮ＝φ（λ）のときであるので、これを式（９）に代入すると、
Ｎ＝（ｎ−１）ｄ／λ      ・・・・・・（１０）
となる。
したがって、主波長λ１について回折次数Ｎ１のときの回折効率が１００％となるように、格子溝深さをｄ＝Ｎ１λ１／（ｎ１−１）としたとき、副波長λ２の回折効率が最も高くなる条件は、
Ｎ２≒Ｎ１×（ｎ２−１）／（ｎ１−１）×λ１／λ２      ・・・・・・（１１）
のときとなる。ここで、「≒」を用いたのは回折次数Ｎ１、Ｎ２が整数だからである。
【００２４】
仮に、式（１１）の「≒」が「＝」であったとして、これを式（５）に代入すると、
ΔＰＤ＝ＰＤ１{１−（ｎ２−１）／（ｎ１−１）}
＝ＰＤ１（ｎ１−ｎ２）／（ｎ１−１）      ・・・・・・（１２）
となり、ＰＤ１の係数が式（４）の右辺のＰＲ１の係数と全く同一になることが分かる。したがって、式（６）が成り立つためには、ＰＲ１＝−ＰＤ１でなければならない。しかし、この場合、式（１）より、回折レンズのパワーＰ＝０となってしまい、レンズとして機能しないことが分かる。
【００２５】
例えば、主波長λ１＝１０．６μｍ、副波長λ２＝６３３ｎｍ、レンズ材料をＺｎＳｅ（ｎ１＝２．４０、ｎ２＝２．５９）とすると、格子溝深さをＮ１＝１に対して１００％となるようにｄ＝１０．６／（２．４０−１）＝７．６μｍとした場合、副波長λ２では、式（１１）よりＮ２＝（２．５９−１）／（２．４０−１）×１０．６／０．６３３＝１９．０１８・・・から、回折次数Ｎ２＝１９のときに回折効率η１９（λ２）≒１００％となることが分かる。しかし、この場合、式（４）、（５）より、
ΔＰＲ＝ＰＲ１×（２．４０−２．５９）／（２．４０−１）≒−０．１３６×ＰＲ１
ΔＰＤ＝ＰＤ１（１０．６−１９×０．６３３）／１０．６≒−０．１３５×ＰＤ１
となり、式（６）が成立するためには、ＰＲ１≒−ＰＤ１でなければならない。しかし、この場合、式（１）より、回折レンズのパワーＰ≒０となってしまい、レンズとして機能しないことが分かる。
【００２６】
前述したように、波長１０．６μｍと６３３ｎｍのように波長差が大きい場合、２波長色消しの条件式（６）とレンズ機能の条件式（１）とが両立し得ないことが分かる。特許文献１〜２などの従来技術において、色収差補正が達成されているのは、波長の差が前記の２波長間ほど大きくないことに他ならない。このことを以下に示す。
【００２７】
式（１１）の右辺は整数とは限らないので、右辺を四捨五入することで、最も近い整数Ｎ２が決定されると考えられる。この四捨五入によって発生する調整係数をＣとすると、式（１１）は、
Ｎ２＝Ｎ１×（ｎ２−１）／（ｎ１−１）×λ１／λ２＋Ｃ    ・・・・・・（１３）
と記述することができる。ただし、−０．５＜Ｃ≦０．５である。ここで式（１３）を式（５）に代入すると、
ΔＰＤ＝ＰＤ１×{（ｎ１−ｎ２）／（ｎ１−１）−Ｃ／Ｎ１×λ２／λ１}    ・・・・・・（１４）
となる。これを式（４）とともに、式（６）に代入すると、
ΔＰＲ＋ΔＰＤ＝Ｐ１×（ｎ１−ｎ２）／（ｎ１−１）−ＰＤ１×Ｃ／Ｎ１×λ２／λ１＝０    ・・・・・・（１５）
となる。つまり、全体でのレンズパワーＰ１≠０のときに色消しの条件式（１５）が成り立つためには、Ｃ／Ｎ１×λ２／λ１≠０でなければならない。
【００２８】
従来の色収差補正の波長範囲は、可視光ならば４００〜７００ｎｍ、紫外〜近赤外ならば３００ｎｍ〜１μｍ、あるいは赤外域では３〜５μｍや８〜１２μｍなどがある。従来技術における波長差の範囲であれば、２つの波長の比λ２／λ１＝０．３〜０．７程度であり、Ｃ／Ｎ１×λ２／λ１≠０が容易に成立する。しかし、前出のλ１＝１０．６μｍとλ２＝６３３ｎｍのように波長差が大きいと、波長比がλ２／λ１≒０．０６と非常に小さくなり、Ｃ／Ｎ１×λ２／λ１≒０となってしまうため、式（１５）の色消し条件が成立しなくなる。
【００２９】
そこで、本発明の色消しレンズでは、波長λ１、λ２（λ１＞λ２）の２つの波長のうち、主波長λ１に対しては回折次数Ｎ１＝０、すなわちゼロ次光（回折のパワーＰＤ１＝０）を、副波長λ２に対しては、ゼロでない回折次数Ｎ２≠０の回折光を最大の回折効率で発生させる回折面としている。このとき、式（５）の波長間でのパワー差は、ＰＤ１＝０より、
ΔＰＤ＝−ＰＤ２      ・・・・・・（１６）
となり、色消しの式（６）は、
ΔＰＫ−ＰＤ２＝０      ・・・・・・（１７）
となる。すなわち、主波長λ１に対しては回折の効果はないので、通常の屈折レンズとして機能し、副波長λ２については、発生する屈折の色収差を回折の色収差で相殺する。
【００３０】
主波長λ１に対してゼロ次光の最大回折効率とする条件は、式（１０）より、
Ｎ１＝０≒（ｎ１−１）ｄ／λ１      ・・・・・・（１８）
であるので、ｄ／λ１≒０ということになる。すなわち、格子溝の深さｄが、主波長λ１に比べて十分に小さいということである。
【００３１】
格子溝の深さｄと主波長λ１のゼロ次回折効率η０（λ１）との関係は、式（７）〜（９）より
η０（λ１）＝｛ｓｉｎｃ（φ（λ１））｝２＝{ｓｉｎｃ（（ｎ１−１）ｄ／λ１）}２      ・・・・・・（１９）
により計算することができる。ここでφ（λ１）とη０（λ１）との関係を計算すると、以下の表１のようになる。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
表１より、例えばゼロ次光の回折効率を５０％以上にするためには（ｎ１−１）ｄ／λ１＜０．６とする必要がある。また、回折効率を８０％以上にするために、（ｎ１−１）ｄ／λ１＜０．４とする必要がある。更に、高出力レーザ用の場合には、回折効率９０％以上にするために、（ｎ１−１）ｄ／λ１＜０．３とする必要がある。
【００３４】
〔実施例〕
次に本発明の色消しレンズの実施例を説明するが、本発明はもとよりかかる実施例にのみ限定されるものではない。
実施例として、ＣＯ２レーザ加工用機に用いられる色消しレンズを作製した。ＣＯ２レーザ加工には、赤外光（主波長λ１＝１０．６μｍ）とガイド光としての可視光（副波長λ２＝６３３ｎｍ）とが用いられる。この２つの光の波長差が従来技術における波長差に比べて極端に大きいことは、前述した通りである。そこで、副波長６３３ｎｍにおいて回折作用をもたせようとすると、まず、主波長１０．６μｍの光線だけで幾何収差の補正を行い、その後副波長６３３ｎｍの光線だけに関して付加した回折面のみの最適化によって、焦点距離、バックフォーカスなどを主波長１０．６μｍのときのそれらと同一になるようにする。すなわち、軸上色収差及び倍率色収差の補正により、２つの波長に関して同一の焦点位置に同一の大きさの画像を結像させることができる。こうすることで、色消しレンズを設計することができる。
【００３５】
[実施例１]
レンズ材料としてＺｎＳｅを用い、以下に示す仕様のレーザ加工機用の色消し集光レンズ１を作製した。実施例１に係る色消し集光レンズ１の光路図を図１に示す。
波長：主波長λ１＝１０．６μｍ（ＣＯ２レーザ）
副波長λ２＝６３３ｎｍ（Ｈｅ−Ｎｅレーザ）
焦点距離：１００ｍｍ（両波長とも）
屈折率：ｎ１＝２．４０
ｎ２＝２．５９
レンズ径：φ３８．１ｍｍ
中心厚：３ｍｍ
エッジ厚：１．７ｍｍ
第１面形状：凸球面、曲率半径  １００ｍｍ
第２面形状
（ベース面）凹非球面
曲率半径：３４２．２ｍｍ
コーニック係数：−１．０２１
４次非球面係数：６．１７０×１０−８／ｍｍ３
（回折面）２次位相係数：６．８３３ラジアン／ｍｍ２
４次位相係数：−１．６３２×１０−４ラジアン／ｍｍ４
格子溝深さ：ｄ＝０．３９８μｍ
波長１０．６μｍに対する回折効率：９９．１％（０次）
波長６３３ｎｍに対する回折効率：１００％（１次）
バックフォーカス（第２面から焦点までの距離）：９８．３ｍｍ
コーティング：両面反射防止膜付き
【００３６】
回折面がなかった場合、副波長６３３ｎｍの焦点距離は８８．２ｍｍ、バックフォーカスは８６．４ｍｍとなり、主波長１０．６μｍの焦点距離１００ｍｍやバックフォーカス９８．３ｍｍに比べてかなり短くなる。本実施例では、回折面があることで色収差が補正でき、回折面の色消しが極めて有効に機能していることが分かる。回折効率は、（ｎ１−１）ｄ／λ１≒０．０５３と非常に小さいので、両波長ともほぼ１００％と高く、良好な特性であった。
【００３７】
[実施例２]
レンズ材料としてＺｎＳｅを用い、以下に示す仕様の２枚組構成のレーザ加工機用の色消し集光レンズ１１を作製した。色消し集光レンズ１１は、レーザ源側の第１レンズ１１ａと、被加工物側の第２レンズ１１ｂとからなる。実施例２に係る色消し集光レンズ１１の光路図を図２に示す。
波長：主波長λ１＝１０．６μｍ（ＣＯ２レーザ）
副波長λ２＝６３３ｎｍ（Ｈｅ−Ｎｅレーザ）
焦点距離：１００ｍｍ（両波長とも）
画角：±５度
屈折率：ｎ１＝２．４０
ｎ２＝２．５９
<第１レンズ>
レンズ径：φ４２ｍｍ
中心厚：５ｍｍ
エッジ厚：３．６ｍｍ
第１面形状：
（ベース面）凸非球面
曲率半径：５７．３２ｍｍ
コーニック係数：０．２３５８
４次非球面係数：−２．３４４×１０−７／ｍｍ３
６次非球面係数：−１．４２９×１０−１０／ｍｍ５
（回折面）２次位相係数：５．１００ラジアン／ｍｍ２
格子溝深さ：ｄ＝０．３９８μｍ
波長１０．６μｍに対する回折効率：９９．１％（０次）
波長６３３ｎｍに対する回折効率：１００％（１次）
第２面形状：凹球面、曲率半径７８．１９ｍｍ
＜第２レンズ＞
レンズ径：φ２５ｍｍ
中心厚：５ｍｍ
エッジ厚：４．１ｍｍ
第１面形状：
（ベース面）凸非球面
曲率半径：２２．１９ｍｍ
コーニック係数：−０．１４１５
４次非球面係数：−１．１４７×１０−７／ｍｍ３
（回折面）２次位相係数：５．３４７ラジアン／ｍｍ２
格子溝深さ：ｄ＝０．３９８μｍ
波長１０．６μｍに対する回折効率：９９．１％（０次）
波長６３３ｎｍに対する回折効率：１００％（１次）
第２面形状：凹球面、曲率半径２０．５３ｍｍ
第１レンズー絞り間距離：７５．９ｍｍ
バックフォーカス（第２面から焦点までの距離）：３１．９ｍｍ
コーティング：両面反射防止膜付き
【００３８】
回折面がなかった場合、副波長６３３ｎｍの焦点距離は８８．８ｍｍ、バックフォーカスは２１．７ｍｍとなり、主波長１０．６μｍの焦点距離１００ｍｍやバックフォーカス３１．９ｍｍに比べてかなり短くなる。本実施例では、回折面があることで色収差が補正でき、回折面の色消しが極めて有効に機能していることが分かる。回折効率は、実施例１と同様に高かった。
【００３９】
また、画角±５度による最大像高さは８．７ｍｍであるが、２つの波長間での像高差は０．０２ｍｍまで補正されており、倍率色収差も良好に補正されていることが分かる。
【００４０】
〔その他の変形例〕
なお、今回開示された実施の形態はすべての点において単なる例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、前記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。
【００４１】
例えば、前述した実施の形態では、ＣＯ２レーザ加工機に用いられる色消しレンズについて説明したが、ＣＯレーザやＹＡＧレーザなど他のレーザを利用した加工機にも本発明の色消しレンズを用いることができる。すなわち、主波長としては１０．６μｍに限定されるものではなく、他の波長を有するレーザ光を主波長とする加工機にも本発明の色消しレンズを用いることができる。
【００４２】
また、前述した実施の形態では、主波長をＣＯ２レーザの波長である１０．６μｍとして説明しているが、これに限定されるものではなく、例えば赤外域の範囲のものとすることができ、また、具体的には１．０μｍ以上のものとすることができる。
【００４３】
また、主波長に対する副波長の比として、６３３ｎｍ／１０．６μｍ≒０．０６を例示している。この比は、本発明において特に限定されるものではないが、通常、０．３よりも小さいことが、本発明の効果が十分に得られるという点からは好ましい。
【符号の説明】
【００４４】
１      色消し集光レンズ（実施例１）
１１      色消し集光レンズ（実施例２）
【図１】
2013167840.tif 000004
【図２】
2013167840.tif 000005