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公開番号2025163392
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-10-29
出願番号2024066574
出願日2024-04-17
発明の名称光学設計方法、光学素子、及び光学素子の評価方法
出願人興和株式会社
代理人個人
主分類G02B 13/00 20060101AFI20251022BHJP(光学)
要約【課題】色収差補正に適した光学設計方法、光学素子、及び評価方法を提供する。
【解決手段】第1発明に係る光学設計方法は、従来レンズ、及び微細パターンが形成されたメタレンズを含む光学系を設定する色収差設定ステップを備え、前記色収差設定ステップは、下式(1)に示す前記従来レンズの第1パワーに基づく値と、予め設定された参照値とを比較する比較ステップを含むことを特徴とする。φc₂=-V₁₂₃×hm_a×φm₂/EV₁₂₃・・・(1)ここで、式(1)内の文字は下記の通りである。φc₂:前記従来レンズの前記第1パワー。V₁₂₃:前記従来レンズのアッベ数。hm_a:前記メタレンズに入射させた平行光の高さに対する、近軸光線追跡における前記メタレンズでの光線の高さ。φm₂:前記メタレンズの第2パワー。EV₁₂₃:前記メタレンズの等価アッベ数。(1,2,3は、波長λ₁、λ₂、λ₃に対応する)
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
従来レンズ、及び微細パターンが形成されたメタレンズを含む光学系を設定する色収差設定ステップを備え、
前記色収差設定ステップは、下式（１）に示す前記従来レンズの第１パワーに基づく値と、予め設定された参照値とを比較する比較ステップを含むこと
を特徴とする光学設計方法。
φｃ
2
＝－Ｖ
123
×ｈｍ
a
×φｍ
2
／ＥＶ
123
・・・（１）
φｃ
2
：前記従来レンズの前記第１パワー
Ｖ
123
：前記従来レンズのアッベ数
ｈｍ
a
：前記メタレンズに入射させた平行光の高さに対する、近軸光線追跡における前記メタレンズでの光線の高さ
φｍ
2
：前記メタレンズの第２パワー
ＥＶ
123
：前記メタレンズの等価アッベ数
（１，２，３は、波長λ
1
、λ
2
、λ
3
に対応する）
続きを表示（約 2,100 文字）【請求項２】
前記参照値は３．５を示し、
前記比較ステップは、前記第１パワーに基づく下式（２）を満たすように、前記従来レンズの形状を設定することを含むこと
を特徴とする請求項１記載の光学設計方法。
（Ｎｃ
2
－１）／φｃ
2
≧Ｔｈ・・・（２）
Ｎｃ
2
：前記従来レンズの第二波長の屈折率
Ｔｈ：前記参照値（＝３．５）
【請求項３】
波長λ
1
、λ
2
、λ
3
がｄ線、Ｃ線、Ｆ線の何れかである場合、前記メタレンズのｄ線の等価アッベ数は、－１０以上－３以下を示すこと
を特徴とする請求項２記載の光学設計方法。
【請求項４】
前記色収差設定ステップのあとに、前記メタレンズの有する接合面に、前記従来レンズを接合する接合ステップをさらに備え、
前記接合面は、前記微細パターンとは異なる主面を示し、平面状に形成されること
を特徴とする請求項１～３のうち何れか１項記載の光学設計方法。
【請求項５】
前記接合ステップのまえに、下式（３）を満たす回折光学素子及び前記従来レンズの条件を特定する第１制限条件ステップをさらに備えること
を特徴とする請求項４記載の光学設計方法。
Ｂ１∝λ０（Ｎ１１－Ｎ１２）／（Ｒ×（λ１１－λ１２））・・・（３）
Ｂ１：光学設計ソフトウェアを用いて前記回折光学素子を等価屈折率法でモデル化する際の位相係数
λ０：前記回折光学素子の規格化波長
λ１：軸上色収差補正の対象とする第１補正対象波長
λ２：軸上色収差補正の対象とする第２補正対象波長
Ｎ１１：前記第１補正対象波長に対し、前記従来レンズの有する第１屈折率
Ｎ１２：前記第２補正対象波長に対し、前記従来レンズの有する第２屈折率
Ｒ：前記従来レンズの有する凸面の曲率半径
【請求項６】
前記メタレンズの特徴を代替する前記回折光学素子の一つに含まれるバイナリーオプティクスを含む構成の光学設計に基づき、前記バイナリーオプティクスの有する第１段差パターンを設定する設定ステップと、
予め設定された第１波長に基づき、メタ原子の形状に対する位相の関係を示す第１位相データを算出する第１算出ステップと、
前記第１段差パターンから第１位相パターンを算出し、前記第１位相パターンに対応する前記微細パターンを、前記第１位相データを参照して特定する第１特定ステップと、
を備えること
を特徴とする請求項５記載の光学設計方法。
【請求項７】
前記設定ステップは、前記バイナリーオプティクスと、初期設定用の従来レンズとを併用した構成の光学設計に基づき、前記第１段差パターンを設定すること
を特徴とする請求項６記載の光学設計方法。
【請求項８】
予め設定された前記第１波長とは異なる第２波長に基づき、前記第１位相データとは異なる第２位相データを算出する第２算出ステップと、
前記第２位相データを参照し、前記微細パターンに対応する第２位相パターンを特定する第２特定ステップと、
前記第１位相パターン及び前記第２位相パターンに基づき、前記従来レンズを設計する設計ステップと、
をさらに備えること
を特徴とする請求項７記載の光学設計方法。
【請求項９】
従来レンズ、及び微細パターンが形成されたメタレンズを備え、
前記従来レンズは、下式（１）を満たすこと
を特徴とする光学素子。
φｃ
2
＝－Ｖ
123
×ｈｍ
a
×φｍ
2
／ＥＶ
123
・・・（１）
φｃ
2
：前記従来レンズの第１パワー
Ｖ
123
：前記従来レンズのアッベ数
ｈｍ
a
：前記メタレンズに入射させた平行光の高さに対する、近軸光線追跡における前記メタレンズでの光線の高さ
φｍ
2
：前記メタレンズの第２パワー
ＥＶ
123
：前記メタレンズの等価アッベ数
（１，２，３は、波長λ
1
、λ
2
、λ
3
に対応する）
【請求項１０】
波長λ
1
、λ
2
、λ
3
がｄ線、Ｃ線、Ｆ線の何れかである場合、前記第１パワーに基づく下式（２）の参照値Ｔｈは、３．５を示すこと
を特徴とする請求項９記載の光学素子。
（Ｎｃ
2
－１）／φｃ
2
≧Ｔｈ・・・（２）
Ｎｃ
2
：前記従来レンズの屈折率
Ｔｈ：前記参照値（＝３．５）
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
この発明は、光学設計方法、光学素子、及び光学素子の評価方法に関する。
続きを表示（約 1,800 文字）【背景技術】
【０００２】
メタレンズは、薄くて軽いレンズとして注目され、研究開発が進められている。メタレンズの結像性能は、回折作用に基づいており、従来のレンズの屈折作用とは異なる。このため、メタレンズでは色収差が逆に発生するという現象が起こる。この現象を利用して、メタレンズと従来のレンズとを併用する場合、色収差補正を高性能に、かつ薄くて軽い構成で実現できる可能性がある。しかし、このような設計手法は、これまで提案されていなかった。
【０００３】
そこで、本発明者らは、非特許文献１に記載されているように、メタレンズの「等価アッベ数」を提案した。この「等価アッベ数」は、メタレンズの色収差補正の能力を定量的に評価する基準として用いることができる。この「等価アッベ数」を、従来のレンズの色収差補正の式に適用した場合、メタレンズと従来のレンズとを併用した結像系の設計手法における初期設定が可能になり得る。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
稲秀樹他、メタレンズの等価アッベ数、日本光学会年次学術講演会 Optics & Photonics Japan 2023 Sapporo［講演予稿集］、一般社団法人日本光学会、１０６頁、２０２３年１１月２０日発行（公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発明者らは、上述した「等価アッベ数」を提案し、色収差補正の式に適用することを検討したが、その過程で問題に直面した。その問題を説明する前に、従来レンズの色収差補正の式について説明する。
【０００６】
図２０は、従来例における２つの従来レンズＬａ、Ｌｂを用いた結像系の模式図を示す。ここで、各従来レンズＬａ、Ｌｂのレンズ厚さ及び間隔ｅ´をゼロ（０）とした場合、色収差補正の式は、下式（５０１）として知られている。
ｆａ／ｖｂ＋ｆｂ／ｖａ＝０・・・（５０１）
ここで、式（５０１）内の文字は下記の通りである。
ｆａ：従来レンズＬａの焦点距離
ｆｂ：従来レンズＬｂの焦点距離
ｖａ：従来レンズＬａに使用する硝材のアッベ数
ｖｂ：従来レンズＬｂに使用する硝材のアッベ数
【０００７】
なお、上述したアッベ数は、下式（５０２）として知られている。
Ｖ＝（Ｎ２－１）／（Ｎ１－Ｎ３）・・・（５０２）
ここで、式（５０２）内の文字は下記の通りである。
Ｖ：硝材のアッベ数
Ｎ１：任意の波長λ１における硝材の屈折率
Ｎ２：波長λ１よりも長い任意の波長λ２における硝材の屈折率
Ｎ３：波長λ２よりも長い任意の波長λ３における硝材の屈折率
【０００８】
以下、色収差補正の式を「等価アッベ数」に適用した場合の問題点について説明する。図２１は、従来例における従来レンズＬｃ、及び微細パターンが形成されたメタレンズＬｍを用いた結像系の模式図を示す。
【０００９】
下式（５０３）は、式（５０１）に対してメタレンズＬｍの等価アッベ数を適用した式を示し、下式（５０４）は、式（５０３）を変形した式を示す。
ｆｃ／Ｅｖ＋ｆｍ／ｖｃ＝０・・・（５０３）
－Ｅｖ／ｖｃ＝ｆｃ／ｆｍ・・・（５０４）
ここで、式（５０３）及び式（５０４）内の文字は下記の通りである。
ｆｃ：従来レンズＬｃの焦点距離
ｆｍ：メタレンズＬｍの焦点距離
ｖｃ：従来レンズＬｃに使用する硝材のアッベ数
Ｅｖ：メタレンズＬｍの等価アッベ数
【００１０】
ここで、等価アッベ数Ｅｖの値は、従来レンズＬｃに使用する硝材のアッベ数ｖｃに比べて絶対値が小さい。即ち、式（５０４）より、従来レンズＬｃの焦点距離ｆｃは、メタレンズＬｍの焦点距離ｆｍよりも小さくなる傾向を示す。また、メタレンズＬｍは、焦点距離ｆｍを小さくするほど、特徴を活かし易くなる。このため、メタレンズＬｍの本来の役割を追求した場合、焦点距離ｆｍを極力小さくすることが重要となる。そして、メタレンズＬｍの焦点距離ｆｍの縮小化に伴い、従来レンズＬｃの焦点距離ｆｃを縮小させる必要があり、結果として従来レンズＬｃの有する曲率半径の縮小化が求められる。
（【００１１】以降は省略されています）

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