JPH05224005A - Refractive index distribution type lens array body - Google Patents
Refractive index distribution type lens array bodyInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、光情報処理、光コンピ
ューティング、光変換、光インターコネクション、光計
測といった分野で光学系を構成するのに有用な汎用的光
学系に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a general-purpose optical system useful for constructing an optical system in the fields of optical information processing, optical computing, optical conversion, optical interconnection, and optical measurement.
【0002】[0002]
【従来の技術】レンズ、グレーティング、プリズム等を
組み合わせて光学系を構成する場合、各部品の光軸のア
ライメント調整は極めて複雑であり、多くの光学部品或
いは空間変調素子(以下「SLM」と略記する)、ディ
テクタアレイ、LEDアレイ、半導体レーザアレイ(以
下「LDアレイ」と略記する)等の光電子部品を高精度
に位置合わせすることは不可能に近い。2. Description of the Related Art When a lens, a grating, a prism and the like are combined to form an optical system, alignment adjustment of the optical axis of each component is extremely complicated and many optical components or spatial modulators (hereinafter abbreviated as "SLM"). It is almost impossible to accurately align optoelectronic components such as detector arrays, LED arrays, semiconductor laser arrays (hereinafter abbreviated as “LD arrays”).
【0003】さらに、これら部品類のアライメント、固
定のための機構が複雑になることから、光学系の小型化
や組立後の温度変化等に対する信頼性確保が難しいとい
った問題点もある。Further, since the mechanism for aligning and fixing these parts becomes complicated, there is a problem that it is difficult to secure the reliability of the optical system in size and temperature change after assembly.
【0004】このような従来の問題点を解決するために
本発明者は先に、特願平2−253831及び特願平2
−253830によって以下に述べるような光情報伝達
装置とその製造方法を提案した。In order to solve the above-mentioned conventional problems, the present inventor has previously proposed Japanese Patent Application Nos. 2-253831 and 2-2531.
-253830 has proposed the following optical information transmission device and its manufacturing method.
【0005】即ち、上記の先行出願に開示されている装
置は、多数個のレンズを等間隔に同軸上に配列し、各隣
接レンズ間にそれぞれ共役像面を形成し、共役像面間で
の光パターンの空間伝送を行うものである。特に各レン
ズとして屈折率分布型レンズを用いると、各レンズの光
入出力端面がすべて平面となるので、部品挿入の容易
さ、反射防止コーティングが不要になることなど数多く
の利点が生まれる。That is, in the apparatus disclosed in the above-mentioned prior application, a large number of lenses are coaxially arranged at equal intervals, conjugate image planes are formed between adjacent lenses, respectively, and the conjugate image planes between the conjugate image planes are formed. The spatial transmission of the light pattern is performed. In particular, when a gradient index lens is used as each lens, since the light input / output end faces of each lens are all flat, there are many advantages such as ease of component insertion and elimination of antireflection coating.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな屈折率分布型レンズで上記装置を構成しようとする
場合、所望の共役像面間の結像に対して高い分解能を得
るためには、レンズの屈折率分布の最適化が必要とな
る。However, in the case of constructing the above device with such a gradient index lens, in order to obtain high resolution for image formation between desired conjugate image planes, the lens is It is necessary to optimize the refractive index distribution of
【0007】これまで、このような同軸上レンズ配列体
に対する屈折率分布の最適値は明確にはされていなかっ
たが、本発明で規定する条件を満たすようにレンズの屈
折率分布を形成することにより高い分解能が得られるこ
とをシミュレーションにより見いだした。Up to now, the optimum value of the refractive index distribution for such a coaxial lens array has not been clarified, but it is necessary to form the lens refractive index distribution so as to satisfy the conditions specified in the present invention. It was found by simulation that higher resolution can be obtained.
【0008】本発明の第1の目的は、アライメント、調
整の複雑さ、困難さ、光学系の小型化の困難さ、信頼性
の低さを解決することであり、本発明の第2の目的は、
同軸上レンズ配列体において、各共役像面間の結像に対
して高い分解能を得られる改良技術を提供することであ
る。A first object of the present invention is to solve the complexity and difficulty of alignment and adjustment, the difficulty of miniaturizing an optical system, and the low reliability, and the second object of the present invention. Is
An object of the present invention is to provide an improved technique capable of obtaining high resolution for image formation between conjugate image planes in a coaxial lens array.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】略円筒形状の透明部材の
円筒軸に対して対称な屈折率分布を有するレンズ体を複
数個同軸上に配列してレンズ配列体を構成する。前記レ
ンズ体として、光線入射面と射出面が円筒軸に垂直な平
面で、断面内での屈折率分布が、円筒軸から半径方向の
距離をrとして n(r)=n0[1−(gr)2+h4(gr)4] と表すとき、h4が −0.2≦h4≦0.6 の範囲内にあるものを用いる。このような光学パラメー
タをもった屈折率分布型レンズを、隣接する二個のレン
ズがテレセントリックな配置となるようにする。A lens array is constructed by coaxially arranging a plurality of lens bodies having a refractive index distribution symmetrical with respect to a cylindrical axis of a substantially cylindrical transparent member. In the lens body, the light incident surface and the exit surface are planes perpendicular to the cylinder axis, and the refractive index distribution in the cross section is n (r) = n 0 [1- ( gr) 2 + h 4 when expressed as (gr) 4], h 4 is used which is within the range of -0.2 ≦ h 4 ≦ 0.6. In the gradient index lens having such optical parameters, two adjacent lenses have a telecentric arrangement.
【0010】[0010]
【作用】本発明によれば、屈折率分布型レンズの端面に
接触させて他部品を挿入固定できるため、光学系のアラ
イメント固定が容易であり、またこの時、屈折率分布が
最適化されているため、共役像面間の結像において高い
分解能を得ることができる。According to the present invention, since other components can be inserted and fixed in contact with the end surface of the gradient index lens, alignment fixing of the optical system is easy, and at this time, the refractive index distribution is optimized. Therefore, high resolution can be obtained in the image formation between the conjugate image planes.
【0011】[0011]
【実施例】以下本発明を図面に示した実施例に基づき詳
細に説明する。図1は、本発明に係るレンズ配列体の一
例を示すレンズ光軸に沿った側面図である。図において
1はガラス、セラミクス、プラスチック等からなる基板
であり、この基板1に、屈折率分布型レンズ(以下「ロ
ッドレンズ」と呼ぶ)2が配列固定してある。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described in detail below with reference to the embodiments shown in the drawings. FIG. 1 is a side view along an optical axis of a lens showing an example of a lens array according to the present invention. In the figure, reference numeral 1 denotes a substrate made of glass, ceramics, plastics, etc., on which a gradient index lens (hereinafter referred to as "rod lens") 2 is arranged and fixed.
【0012】ロッドレンズ2は、例えば円柱ロッド状ガ
ラスをイオン交換することによって得られるレンズで、
円柱中心軸線に対して回転対称な、中心から外周方向に
向けて半径方向に略二乗分布で減少するような屈折率分
布をもっており、この屈折率勾配により、ロッド内で光
線が内側に曲げられ凸レンズとして作用する。このよう
なロッドレンズ2を光軸20を共通にして多段に配置し
ている。The rod lens 2 is, for example, a lens obtained by subjecting a cylindrical glass rod to ion exchange,
It has a refractive index distribution that is rotationally symmetric with respect to the central axis of the cylinder and that decreases from the center in the radial direction in a substantially square distribution in the radial direction. Due to this refractive index gradient, the light rays are bent inward in the rod and the convex lens Acts as. Such rod lenses 2 are arranged in multiple stages with the optical axis 20 in common.
【0013】本発明では各ロッドレンズ2によって等倍
結像系を構成し、さらに多段に配置したロッドレンズの
各共役像面I1,I2・・・が共通になるようにそれぞれ
のロッドレンズの距離を調整して固定する。即ち、同軸
20上に配列したロッドレンズの共役結像面がすべて相
互に共通になるような等倍結像系を構成する。図1でI
1〜I4はすべて共役な等倍結像面になっている。実際に
は1つの等倍(−1倍)結像系は、図2に示すように2
個のロッドレンズをテレセントリックな配置として構成
される。In the present invention, each rod lens 2 constitutes an equal-magnification image forming system, and further, the respective rod lenses are arranged so that the conjugate image planes I 1 , I 2, ... Of the rod lenses arranged in multiple stages become common. Adjust and fix the distance. That is, a unity-magnification imaging system is configured such that the conjugate imaging planes of the rod lenses arranged on the coaxial 20 are common to each other. I in Figure 1
All 1 to I 4 are conjugate equal-magnification image planes. In practice, one unity-magnification (-1 ×) imaging system is
The rod lenses are arranged in a telecentric arrangement.
【0014】図2のようなテレセントリック光学系によ
って、フーリエ変換面に適当な絞りを入れる等の方法
で、像面の各点における明るさと解像度を等しくするこ
とができ、また像面各点から射出する主光線を、各共役
像面位置ですべて光軸に平行にすることができ、多段の
カスケード結像が可能となる。With the telecentric optical system as shown in FIG. 2, the brightness and resolution at each point on the image plane can be made equal by, for example, providing an appropriate stop on the Fourier transform plane, and the light exits from each point on the image plane. The principal rays of light can be made parallel to the optical axis at each conjugate image plane position, and multistage cascade imaging is possible.
【0015】また本発明では、このようなロッドレンズ
を用いたテレセントリック光学系の結像において、最も
高い解像度が得られるようにロッドレンズの屈折率分布
形状を設定している。すなわち、ロッドレンズの断面内
で、円筒軸上の屈折率をn0として軸から距離rの点に
おける屈折率n(r)をFurther, in the present invention, in the image formation of the telecentric optical system using such a rod lens, the refractive index distribution shape of the rod lens is set so as to obtain the highest resolution. That is, in the cross section of the rod lens, the refractive index n (r) at a point at a distance r from the axis is defined as n 0 , which is the refractive index on the cylindrical axis.
【数1】 n(r)=n0[1−(gr)2+h4(gr)4] 式1 と記述する。式1でgは集光パワーを表すパラメータで
あり、またh4は収差の大小をコントロールするパラメ
ータであると言える。N (r) = n 0 [1- (gr) 2 + h 4 (gr) 4 ] Formula 1 is described. It can be said that in Expression 1, g is a parameter representing the focusing power, and h 4 is a parameter for controlling the magnitude of aberration.
【0016】これまで、ロッドレンズの連続媒質の中を
伝播するメリディオナル光線の無収差条件はUntil now, the aberration-free condition for meridional rays propagating in the continuous medium of a rod lens has been
【数2】 n(r)=n0sech(gr) =n0{1−1/2(gr)2+5/6(gr)4−61/90(g r)6+・・} 式2 として解析的に得られていた(例えばS.Kwakam
iand J.Nishizawa,IEEE Tra
ns.Microwave Theory and T
echniques,16(1968)814)。[Number 2] n (r) = n 0 sech (gr) = n 0 {1-1 / 2 (gr) 2 +5/6 (gr) 4 -61/90 (g r) 6 + ··} Formula 2 Was obtained analytically as (for example, S. Kwakam
iand J. Nishizawa, IEEE Tra
ns. Microwave Theory and T
echniques, 16 (1968) 814).
【0017】しかしながら図2に示すようなテレセント
リック光学系では必ずしも上記条件が最適ではなく、本
発明者らは新たに、テレセントリック光学系に対して光
線追跡シミュレーションを行い、屈折率分布の最適値を
求めた。However, in the telecentric optical system as shown in FIG. 2, the above conditions are not necessarily optimum, and the present inventors newly performed a ray tracing simulation for the telecentric optical system to obtain the optimum value of the refractive index distribution. It was
【0018】図3はシミュレーションに用いた光学系の
光路断面図で、光学系の一例として、レンズ径4mm、
レンズ長4.2mm、軸上屈折率n0=1.608、g
パラメータ=0.1533、開口絞り径=2mmとし、
h4を変数として各像高での等倍共役面での集光スポッ
トを光線追跡により計算した。作動距離Wdは、各計算
時にWd=5.3〜5.5mmの付近で集光スポットの
最良位置に設定した。FIG. 3 is a sectional view of the optical path of the optical system used in the simulation. As an example of the optical system, the lens diameter is 4 mm,
Lens length 4.2 mm, on-axis refractive index n 0 = 1.608, g
Parameter = 0.1533, aperture stop diameter = 2 mm,
Using h 4 as a variable, the focused spot on the equal-magnification conjugate plane at each image height was calculated by ray tracing. The working distance Wd was set to the best position of the focused spot in the vicinity of Wd = 5.3 to 5.5 mm in each calculation.
【0019】図4は軸上物点の結像における共役像面上
のスポットダイヤグラムと、集光スポットの幾何光学的
な径を示した計算結果である。同図から、連続媒質中で
の無収差条件(式2)であるh4=5/6=0.833
よりも、本テレセントリック光学系ではh4=0.58
6の方が収差が小さいことがわかる。FIG. 4 is a calculation result showing the spot diagram on the conjugate image plane in the image formation of the on-axis object point and the geometrical optical diameter of the focused spot. From the figure, h 4 = 5/6 = 0.833 which is an aberration-free condition (equation 2) in a continuous medium.
Than in this telecentric optical system, h 4 = 0.58
It can be seen that the aberration of 6 is smaller.
【0020】しかしながらh4=0.586では、図5
に示すように軸外結像で非点収差が大きく発生する。例
えば同じ光学系で像高1.2mmの範囲内で集光スポッ
トの劣化を低く抑えようとすると、図6の計算結果に示
されるようにh4=0.117〜−0.117の範囲に
する必要がある。However, in the case of h 4 = 0.586, as shown in FIG.
As shown in (3), a large astigmatism occurs in off-axis imaging. For example when you suppress low the deterioration of the focusing spot within the image height 1.2mm in the same optical system, the range of h 4 = 0.117~-0.117 as shown in the calculation result of FIG. 6 There is a need to.
【0021】以上の結果から、利用しようとする像面が
比較的小さい場合はh4〜0.586とすることが望ま
しく、また比較的大きい場合はh4=0.117〜−
0.117程度にすることが望ましいと言える。従って
これらを合わせて、本発明で扱うテレセントリック光学
系に対しては、h4をおよそ−0.2〜0.6の範囲内
に設定することにより、解像度の高い良好な結像が実現
できると言える。From the above results, it is desirable to set h 4 to 0.586 when the image surface to be used is relatively small, and h 4 = 0.117 to − when it is relatively large.
It can be said that about 0.117 is desirable. Therefore, in combination with these, for the telecentric optical system handled in the present invention, by setting h 4 within a range of approximately −0.2 to 0.6, it is possible to realize good imaging with high resolution. I can say.
【0022】なお、このようなテレセントリック光学系
は、充分に長いロッドレンズをガラスやセラミクスの基
板上に固定した後、スライシングマシン等を用いて、レ
ンズ長およびレンズ間空隙が所定長さとなるようにレン
ズを分断する溝を形成することによって作製することが
できる。あるいは、予め端面研磨した個々のロッドレン
ズを同軸上に配列固定してもよい。In such a telecentric optical system, a sufficiently long rod lens is fixed on a glass or ceramic substrate, and then a slicing machine or the like is used so that the lens length and the inter-lens gap become a predetermined length. It can be manufactured by forming a groove that divides the lens. Alternatively, individual rod lenses whose end faces have been polished in advance may be coaxially arranged and fixed.
【0023】[0023]
【発明の効果】本発明により、従来極めて困難であった
光部品の挿入、位置決めを容易に行え、かつテレセント
リック光学系の屈折率分布最適化により、高分解能の光
学系を構成することができる。According to the present invention, it is possible to easily insert and position an optical component, which has been extremely difficult in the past, and to construct a high resolution optical system by optimizing the refractive index distribution of the telecentric optical system.
【図1】本発明の一実施例を示す側断面図FIG. 1 is a side sectional view showing an embodiment of the present invention.
【図2】図1の実施例で、テレセントリック光学系1ユ
ニットについての光路に沿う断面図FIG. 2 is a sectional view taken along the optical path of the telecentric optical system 1 unit in the embodiment of FIG.
【図3】シミュレーションに用いた光学系の光路に沿う
断面図FIG. 3 is a sectional view taken along the optical path of the optical system used for the simulation.
【図4】図3のテレセントリック光学系の軸上結像にお
ける集光スポットの大きさの計算結果を示す図FIG. 4 is a diagram showing a calculation result of the size of a focused spot in the on-axis imaging of the telecentric optical system of FIG.
【図5】図3のテレセントリック光学系の軸上結像の最
良条件における各像高でのスポットダイアグラムを計算
した結果を示す図5 is a diagram showing a result of calculating a spot diagram at each image height under the best condition of on-axis imaging of the telecentric optical system of FIG.
【図6】図3のテレセントリック光学系の像高2.4m
mの範囲内での集光スポットの大きさを計算した結果を
示す図6 is an image height 2.4 m of the telecentric optical system of FIG.
The figure which shows the result of having calculated the size of the focused spot in the range of m.
1 基板 2 屈折率分布型ロッドレンズ 3 挿入光部品 20 レンズ光軸 1 substrate 2 gradient index rod lens 3 insertion optical component 20 lens optical axis
Claims (1)
対称な屈折率分布を有するレンズ体を複数個同軸上に配
列したレンズ配列体であって、前記レンズ体の光線入射
面と射出面は円筒軸に垂直な平面であって、前記レンズ
配列体の隣接する二個のレンズはテレセントリックな配
置になっており、かつ前記レンズの屈折率分布を、断面
内で円筒軸から半径方向の距離をrとして n(r)=n0[1−(gr)2+h4(gr)4] と表すとき、h4が −0.2≦h4≦0.6 の範囲内にあることを特徴とする屈折率分布型レンズ配
列体。1. A lens array in which a plurality of lens bodies having a refractive index distribution symmetrical with respect to a cylindrical axis of a transparent member having a substantially cylindrical shape are coaxially arranged, and the lens body has a light incident surface and an exit surface. The surface is a plane perpendicular to the cylinder axis, two adjacent lenses of the lens array are arranged in a telecentric manner, and the refractive index distribution of the lenses is measured in the radial direction from the cylinder axis in the cross section. When n (r) = n 0 [1- (gr) 2 + h 4 (gr) 4 ] is expressed with r as a distance, h 4 is in the range of −0.2 ≦ h 4 ≦ 0.6. A characteristic gradient index lens array.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2286992A JPH05224005A (en) | 1992-02-07 | 1992-02-07 | Refractive index distribution type lens array body |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2286992A JPH05224005A (en) | 1992-02-07 | 1992-02-07 | Refractive index distribution type lens array body |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH05224005A true JPH05224005A (en) | 1993-09-03 |
Family
ID=12094704
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2286992A Pending JPH05224005A (en) | 1992-02-07 | 1992-02-07 | Refractive index distribution type lens array body |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH05224005A (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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-
1992
- 1992-02-07 JP JP2286992A patent/JPH05224005A/en active Pending
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