従来のレンズ設計概念を超える

アクロマティックレンズは、最も一般的に用いられる光学部品の一つです。同レンズは色収差を補正して、少なくとも２つの光の波長を同一焦点上に結ばせるために、2枚のレンズ素子を接着固定する構成を歴史的にとってきました。単一材料の非球面アクロマートレンズは、複数の材料の代わりに独自の形状を用いることでアクロマティックな性能を実現させるという、従来の概念を超える新たなタイプのレンズです。本レンズは、従来のアクロマートよりも広い帯域幅があり、複数の材料間の熱膨張係数 (CTE) の差異がなく、また複数の材料を接着する接合樹脂が不要になることから、ハイパワーレーザーに対応できるといった特徴を備えています。

既存の概念は破られるためにある

アクロマティックレンズは、低屈折率の正のクラウンガラス素子と、高屈折率の負のフリントガラス素子の2枚のレンズ素子を接合させた構成を通常とります。単一材料の非球面アクロマートレンズは、革新的で複雑な非球面形状を用いることで、複数の材料を使用する必要性を省きます (Figure 1).

Figure 1: MATLABの単一材料の非球面アクロマートのレイアウト。レンズ口径の半分のみを図解。

本レンズを設計及び最適化するには、特注の光学設計コードを開発する必要がありました。なぜなら、Zemax、OpticStudio® および SynopsisのCode Vといった利用可能な光学設計プログラムにはこうした複雑な非球面を定義する能力が備わっていなかったからです。特注のMATLABコードは、一般に受け入れられている非球面の数学的表現にかかる制約を取り除くことで、設計の自由度がより高くなっています。特注コード開発に関する詳細は、SPIE LASE 2020で公開されている会議の議事録で見つけることができます。¹

単一材料の非球面アクロマートの利点

単一材料の非球面アクロマートレンズは、従来の複数材料によるアクロマートレンズに対していくつかの利点があります。アクロマティックレンズでは、色的な焦点シフトを最小化することに特に関心が集まります。他のバンド内波長の色的な分散を最小限に抑えた上で複数の波長を光軸上の単一スポットに集めることが通常求められるからです。Figure 2は、単一材料のアクロマートレンズと同等の従来型ダブレットレンズの名目の色的焦点シフトを比較したもので、単一材料のアクロマートレンズが軸上で従来のダブレットレンズを大幅に上回っているのがわかります。

Figure 2: 焦点距離100mm、NA0.097の単一材料アクロマートレンズの名目の色的焦点シフトは10µmで、焦点距離100mm、NA0.013のアクロマティックダブレットレンズ (#32-327) の名目シフトの200µmより20倍改善している。

単一材料のアクロマートレンズは、従来の複数材料のアクロマートレンズに対してよりハイパワーなレーザーに対応します。これは、従来型で異材料を接着するために必要だった光学接着剤を必要としないからです。一般的に、接着剤のレーザー損傷閾値は、従来のアクロマティックダブレットレンズのレーザー損傷閾値の制限要因になります。²

接着剤がないことで複数の材料間でのCTE差が生じないため、単一材料のアクロマートレンズに熱的安定性ももたらします。従来のアクロマティックダブレットレンズにおけるクラウンガラスとフリントガラスのCTE差は、熱に起因する応力とデフォーカスにつながる可能性があります。

製造上の課題

単一材料のアクロマートレンズのその独自の形状は、他の多くの光学部品よりも製造することを難しくします。エドモンド・オプティクスは、光学用のプラスティックで一般的に使用されるZeonex E48Rをダイヤモンドターニング加工して、単一材料のアクロマートレンズを製造しています。 また、ゲルマニウムやシリコンを始めとする他の材料をダイヤモンドターニング加工することもできます。

こうしたレンズは、必要な形状に成形するため、従来の研削研磨ではなく、ダイヤモンドターニング加工により製造されなくてはなりません。表面と裏面間のアライメントを微調整するため、数度にわたる反復作業が必要となります。これは、形状測定データのフィードバックループと、平坦な環状ゾーンや外径を含むダイヤモンドターニングデータムのキネマティックな位置ぎめを行うことで可能になります。¹

現実世界での性能テスト

製造された単一材料のアクロマートレンズの性能が、その名目上の性能とどの程度一致しているかを評価するため、Optikos 社のMTF測定器とバンド幅10nmの一連の光学フィルターを用いて450-650nmのさまざまな波長でのベストフォーカスポイントを測定することで、18個のサンプルレンズの色的焦点シフトを定量化しました (Figure 2)。テストの詳細は、SPIE LASE 2020会議の議事録で確認することができます。¹

単一材料非球面アクロマートの18サンプルの色的焦点シフトは、49〜75µmの範囲内でした。参考までに、Figure 2における同等のアクロマティックダブレットレンズは、同じ方法を用いて測定され、約210µmの色的焦点シフトがありました。単一材料のアクロマートレンズは、その名目上の性能と比較した場合、製造公差のためにある程度の性能低下が見られましたが、従来のアクロマティックダブレットレンズより3倍も優れていました (Figure 3)。

Figure 3: 18個の異なる単一材料アクロマティックレンズの色的焦点シフトの測定値と従来のアクロマティックダブレットレンズのそれとの比較。単一材料アクロマートの色的焦点シフトが大幅に少ないことがわかる