特開 2023-45644 シリンドリカルレンズ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023045644

(43)【公開日】2023-04-03

(54)【発明の名称】シリンドリカルレンズ

(51)【国際特許分類】

   G02B 3/00 20060101AFI20230327BHJP

【ＦＩ】

G02B3/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021154181

(22)【出願日】2021-09-22

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）電波資源拡大のための研究開発（ＪＰＪ０００２５４）委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】304021277

【氏名又は名称】国立大学法人 名古屋工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000291

【氏名又は名称】弁理士法人コスモス国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】榊原 久二男

(72)【発明者】

【氏名】グレイ，デレック・ポール

(57)【要約】

【課題】電磁波の入出射方向の指向性に優れたシリンドリカルレンズを提供すること。
【解決手段】本開示技術に係るシリンドリカルレンズ１は、第１面１１と、その裏面である第２面１２とを有し、第１面１１と第２面１２とがいずれも共通する主軸方向Ｙと平行な可展面であり、第１面１１と第２面１２との少なくとも一方が曲面であるシリンドリカルレンズであって、主軸方向Ｙの両端面がいずれも、副軸方向Ｚと平行な直線の集合である可展面であり、主軸方向Ｙの両端面間の長さが、幅方向Ｘ上の位置により異なっているものである。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１面と、前記第１面の裏面である第２面とを有し、前記第１面と前記第２面とがいずれも共通する主軸方向と平行な直線の集合である可展面であり、前記第１面と前記第２面との少なくとも一方が曲面であるシリンドリカルレンズであって、
前記主軸方向の両端面がいずれも、前記主軸方向と直交し前記第１面および前記第２面のいずれとも交差する方向である副軸方向と平行な直線の集合である可展面であり、
前記主軸方向の両端面間の長さが、前記主軸方向と前記副軸方向とのいずれにも直交する方向である幅方向上の位置により異なっているシリンドリカルレンズ。

【請求項2】

請求項１に記載のシリンドリカルレンズであって、
前記主軸方向の両端面間の長さが長い長尺位置と、前記主軸方向の両端面間の長さが短い短尺位置とを有し、
前記長尺位置と前記短尺位置との間で、前記主軸方向の両端面間の長さが連続的に変化しているシリンドリカルレンズ。

【請求項3】

請求項１に記載のシリンドリカルレンズであって、
前記両端面のうち少なくとも一方が、前記主軸方向に突出している凸部と凹んでいる凹部とが前記幅方向に対して反復して設けられている凹凸形状であるシリンドリカルレンズ。

【請求項4】

請求項１に記載のシリンドリカルレンズであって、
前記両端面のうち少なくとも一方が、
前記幅方向の両端の平面部と、
前記平面部と平面部との間に位置し前記平面部に対して前記主軸方向に突出しまたは凹んでいる凹凸部とを有する形状であるシリンドリカルレンズ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示技術は，シリンドリカルレンズに関する。

【背景技術】

【0002】

従来から，種々の分野でシリンドリカルレンズが使用されている。例えば特許文献１では、シリンドリカルレンズを所定のピッチで配列したシリンドリカルレンズアレイを開示している。同文献では、シリンドリカルレンズアレイの用途として露光装置を挙げている。シリンドリカルレンズは露光装置の他にも、電磁波の送受信など様々な用途に使用することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開2005-156817号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら従来のシリンドリカルレンズには、次のような問題点があった。電磁波の送受信に使用する場合の指向性が必ずしもよくないのである。レンズ内で電磁波の定在波が発生することにより、意図しない方向への電磁波の出射が生じるためであると考えられる。

【0005】

本開示技術は，前記した従来の技術が有する問題点を解決するためのものである。すなわちその課題とするところは，電磁波の入出射方向の指向性に優れたシリンドリカルレンズを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示技術の一態様におけるシリンドリカルレンズは、第１面と、第１面の裏面である第２面とを有し、第１面と第２面とがいずれも共通する主軸方向と平行な直線の集合である可展面であり、第１面と第２面との少なくとも一方が曲面であるシリンドリカルレンズであって、主軸方向の両端面がいずれも、主軸方向と直交し第１面および第２面のいずれとも交差する方向である副軸方向と平行な直線の集合である可展面であり、主軸方向の両端面間の長さが、主軸方向と副軸方向とのいずれにも直交する方向である幅方向上の位置により異なっているものである。

【0007】

上記態様におけるシリンドリカルレンズでは、主軸方向の両端面間の長さが幅方向上の位置により異なっていることにより、主軸方向の両端面の少なくとも一方が非平面となっている。このためレンズ内で電磁波の定在波の発生条件が成立しにくい。このことにより、電磁波の入出射方向の指向性の偏りが生じにくいシリンドリカルレンズとなっている。

【0008】

上記態様におけるシリンドリカルレンズでは、主軸方向の両端面間の長さが長い長尺位置と、主軸方向の両端面間の長さが短い短尺位置とを有し、長尺位置と短尺位置との間で、主軸方向の両端面間の長さが連続的に変化している形状であってもよい。このような形状によっても、主軸方向の両端面の少なくとも一方を非平面とすることができる。

【0009】

上記態様におけるシリンドリカルレンズではあるいは、両端面のうち少なくとも一方が、主軸方向に突出している凸部と凹んでいる凹部とが幅方向に対して反復して設けられている凹凸形状であることとすることができる。このような鋸歯状のギザギザ形状により、主軸方向の両端面の少なくとも一方を非平面とすることができる。

【0010】

上記態様におけるシリンドリカルレンズではもしくは、両端面のうち少なくとも一方が、幅方向の両端の平面部と、平面部と平面部との間に位置し平面部に対して主軸方向に突出している凸部または凹んでいる凹部とを有する形状であることとしてもよい。このような形状でも、平面部と凸部または凹部とでは主軸方向の両端面間の長さが異なっており、両端面の少なくとも一方の少なくとも一部分が非平面となる。

【発明の効果】

【0011】

本構成によれば，電磁波の入出射方向の指向性に優れたシリンドリカルレンズが提供されている。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】第１の形態に係るシリンドリカルレンズの斜視図である。

【図2】図１のシリンドリカルレンズの平面図である。

【図3】入出射の指向性を説明する正面図である。

【図4】図１のシリンドリカルレンズによる電磁波の入出射強度分布の例を比較例とともに示すグラフ（その１）である。

【図5】図１のシリンドリカルレンズによる電磁波の入出射強度分布の例を比較例とともに示すグラフ（その２）である。

【図6】図１のシリンドリカルレンズによる電磁波の入出射強度分布の例を比較例とともに示すグラフ（その３）である。

【図7】図１のシリンドリカルレンズによる電磁波の入出射強度分布の例を比較例とともに示すグラフ（その４）である。

【図8】図１のシリンドリカルレンズによる電磁波の入出射強度分布の例を比較例とともに示すグラフ（その５）である。

【図9】第２の形態に係るシリンドリカルレンズの斜視図である。

【図10】第２の形態に係るシリンドリカルレンズの平面図である。

【図11】図９のシリンドリカルレンズによる電磁波の入出射強度分布の例を比較例とともに示すグラフ（その１）である。

【図12】図９のシリンドリカルレンズによる電磁波の入出射強度分布の例を比較例とともに示すグラフ（その２）である。

【図13】図９のシリンドリカルレンズによる電磁波の入出射強度分布の例を比較例とともに示すグラフ（その３）である。

【図14】図９のシリンドリカルレンズによる電磁波の入出射強度分布の例を比較例とともに示すグラフ（その４）である。

【図15】図９のシリンドリカルレンズによる電磁波の入出射強度分布の例を比較例とともに示すグラフ（その５）である。

【図16】第３の形態に係るシリンドリカルレンズの平面図である。

【図17】第４の形態に係るシリンドリカルレンズの平面図である。

【図18】図１６、図１７のシリンドリカルレンズによる電磁波の入出射強度分布の例を示すグラフ（その１）である。

【図19】図１６、図１７のシリンドリカルレンズによる電磁波の入出射強度分布の例を示すグラフ（その２）である。

【図20】図１６、図１７のシリンドリカルレンズによる電磁波の入出射強度分布の例を示すグラフ（その３）である。

【図21】図１６、図１７のシリンドリカルレンズによる電磁波の入出射強度分布の例を示すグラフ（その４）である。

【図22】図１６、図１７のシリンドリカルレンズによる電磁波の入出射強度分布の例を示すグラフ（その５）である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下，本開示技術を具体化した実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。図１に、第１の形態に係るシリンドリカルレンズ１を示す。図１のシリンドリカルレンズ１は、第１面１１と、第２面１２とを有している。第２面１２は第１面１１の裏面に相当する。第１面１１および第２面１２はいずれも、シリンドリカルレンズ１の主軸方向Ｙと平行な直線の集合である可展面である。可展面とは、伸縮なく平面に展開可能な面のことである。

【0014】

図１のシリンドリカルレンズ１では、第１面１１が曲面であり第２面１２は平面である。第１面１１と第２面１２とのいずれもが曲面であってもよい。シリンドリカルレンズ１は幅方向Ｘの両端よりも中央が厚い凸レンズ状のものであるが、凹レンズ状のものであってもよい。

【0015】

シリンドリカルレンズ１は、第１面１１および第２面１２の他に、端面１３、１４を有している。一般的なシリンドリカルレンズでは、端面１３、１４に相当する面は平面である。しかし本形態のシリンドリカルレンズ１では、端面１３、１４は非平面である。具体的には端面１３、１４は、鋸歯状のギザギザ形状とされている。言い換えると端面１３、１４は、主軸方向Ｙに突出している凸部と凹んでいる凹部とが幅方向Ｘに対して反復して設けられている凹凸形状である。シリンドリカルレンズ１の平面図を図２に示す。シリンドリカルレンズ１のサイズはむろん限定されないが、一例を示せば、全長Ｌが３６ｍｍ、全幅Ｗが３０ｍｍ、ギザギザ形状の凹凸深さＤが６ｍｍ、ギザギザ形状のピッチＰが２ｍｍ、最厚箇所の厚さＴ（図３参照）が８ｍｍである。

【0016】

シリンドリカルレンズ１では、端面１３、１４のギザギザ形状のため、図１中の主軸方向Ｙの長さが、幅方向Ｘ上の位置により異なっている。例えば図２中の全長Ｌは、ギザギザ形状の凸部同士が主軸方向Ｙに対面している箇所における長さである。ギザギザ形状の凹部同士が主軸方向Ｙに対面している箇所における長さは、（Ｌ－２Ｄ）となる。このようにシリンドリカルレンズ１では、主軸方向Ｙの長さが、図１中の幅方向Ｘ上の位置により異なっている。

【0017】

ただし端面１３、１４は、副軸方向Ｚに対しては傾斜していない。つまり端面１３、１４は、副軸方向Ｚと平行な直線の集合である可展面である。副軸方向Ｚは、主軸方向Ｙと直交し、第１面１１および第２面１２のいずれとも交差する方向である。副軸方向Ｚはシリンドリカルレンズ１の厚み方向であるといえる。幅方向Ｘは、主軸方向Ｙと副軸方向Ｚとのいずれにも直交する方向である。

【0018】

シリンドリカルレンズ１は、図１中のホーンアンテナ２０とともに、電磁波の送受信を行うアンテナシステムとして用いることができる。シリンドリカルレンズとホーンアンテナ２０とを相対的に幅方向Ｘに移動させることで、電磁波の入出射方向の天頂角θ（図３参照）を走査することができる。

【0019】

本形態のシリンドリカルレンズ１は、端面１３、１４のギザギザ形状により、電磁波の入出射方向の指向性に偏りがない、という利点を有している。このことを、図４～図８のグラフにより説明する。これらのグラフは、図３の配置でホーンアンテナ２０から電磁波を出射した時における、シリンドリカルレンズ１の上方にて実際に測定される出射強度の分布をプロットしたものである。その際、ホーンアンテナ２０の幅方向Ｘの位置は、電磁波の出射強度が最大となる方向、つまり狙い方向が、天頂角θにして次の角度となるように調節した。 ・図４……０° ・図５……５°
・図６……１０° ・図７……１５° ・図８……２０°

【0020】

図４～図８ではまた、比較例のグラフを重ねて示している。比較例は、本形態のシリンドリカルレンズ１の代わりに従来型の端面が平面であるシリンドリカルレンズを使用した場合のものである。

【0021】

図４～図８の各グラフを見るといずれのグラフでも、出射強度が、狙いとする出射角度θの辺りで最大となり、そこから離れるほど小さくなる全体的な傾向が見て取れる。しかし出射角度θによる出射強度の変化には、そのような全体的な傾向の他に細かな揺らぎもある。その細かな揺らぎは、本形態のグラフにもあることはあるが、各図中に矢印Ｆで例示するように比較例の方が本形態よりも顕著である。

【0022】

この出射強度の揺らぎは、シリンドリカルレンズの内部における定在波の発生に起因すると考えられる。定在波が発生している状況では、電磁波の入出射が阻害され、出射強度・受信感度が弱いと考えられる。定在波による入出射の阻害が、実際にどのような入出射方向に対して起こるかは、電磁波の波長やシリンドリカルレンズのサイズ、ホーンアンテナ２０の位置による狙い方向、といった要因により様々であり、図４～図８に示したのはその一例である。ただし、シリンドリカルレンズの形状により、定在波が発生しやすい形状のものである場合（上記の比較例）に、定在波が発生しにくい形状のものである場合（上記の本形態）よりも揺らぎが激しいという傾向は変わらない。

【0023】

上記の比較例のように出射強度の揺らぎが顕著に見られるものでは、電磁波の波長や狙い方向によっては、揺らぎにより入出射強度がグラフ上でボトムとなる方向と、狙い方向とが一致してしまう可能性がある。その場合、そのアンテナシステムは、その波長およびその入出射方向に対しては指向性が悪い、ということになる。定在波が発生しやすい形状のシリンドリカルレンズを用いているとこのようなことが起こりやすい。つまり、指向性に偏りがある、ということである。

【0024】

これに対して本形態では、全体に揺らぎが少ないので、特定の波長および特定の入出射方向に対して指向性が悪い、ということが起こりにくい。つまり、指向性が安定している、ということである。本形態のシリンドリカルレンズ１で定在波が発生しにくい理由はむろん、両端面１３、１４が非平面であることにある。両端面が平面である比較例の場合には波長と入出射方向とレンズサイズとの関係で比較的容易に、シリンドリカルレンズの全体にて定在波発生の条件が満たされてしまうのに対して、本形態では、両端面１３、１４が非平面であることにより定在波発生の条件が場所により異なるため、定在波発生の条件が満たされる確率が低いのである。このようにして、本形態のシリンドリカルレンズ１とホーンアンテナ２０とのセットをアンテナシステムとして用いる場合には安定した指向性が得られるのである。

【0025】

本開示技術を具体化したシリンドリカルレンズは、図１、図２に示したものには限られない。図９、図１０に、第２の形態のシリンドリカルレンズ３を示す。シリンドリカルレンズ３は、主軸方向Ｙの長さが連続的に変化している形状のものである。そして、幅方向両端を主軸方向Ｙの長さが短い短尺位置とし、中央を主軸方向Ｙの長さが長い長尺位置としている。このため両端面１３、１４が全体に凸状をなしている。シリンドリカルレンズ３の第１面１１、第２面１２については、シリンドリカルレンズ１については説明したのと特に変わるところはない。第２面１２は、図９中ではあたかも凸面であるように見えるが平面である。ただし第２面１２が曲面であってもよい。シリンドリカルレンズ３のサイズはむろん限定されないが、一例を示せば、全長Ｌが３５ｍｍ、全幅Ｗが３０ｍｍ、端面の凹凸差Ｄが５ｍｍ、最厚箇所の厚さＴが８ｍｍである。

【0026】

シリンドリカルレンズ３でも、シリンドリカルレンズ１について説明したのと同様にして優れた指向性が得られる。図１１～図１５に、シリンドリカルレンズ１についての図４～図８に相当するグラフを示す。図１１～図１５では、シリンドリカルレンズ３を使用した場合の出射強度分布のグラフを、比較例のグラフとともに示している。シリンドリカルレンズ１の場合と同様に、比較例のグラフと比較していずれの狙い方向でも、揺らぎの少ない優れた出射強度分布となっている。

【0027】

本開示技術の第３の形態のシリンドリカルレンズ４を図１６に示す。シリンドリカルレンズ４は、主軸方向Ｙの長さが連続的に変化している形状のものである点で、図９のシリンドリカルレンズ３と共通する。ただしシリンドリカルレンズ４では、シリンドリカルレンズ３とは逆に、幅方向両端を長尺位置とし、中央を短尺位置としている。このため両端面１３，１４が全体に凹状をなしている。

【0028】

本開示技術の第４の形態のシリンドリカルレンズ２を図１７に示す。シリンドリカルレンズ２は、端面１３、１４の形状を、幅方向両端の平面部１６と、それらの間の凸部１５とにより構成される形状としたものである。凸部１５は、平面部１６に対して主軸方向Ｙに突出している部分である。その曲面形状は半楕円状としている。凸部１５と平面部１６とでは主軸方向Ｙの長さが異なっている。

【0029】

シリンドリカルレンズ４、２の第１面、第２面については、シリンドリカルレンズ１、３について説明したのと特に変わるところはない。シリンドリカルレンズ４、２のサイズはむろん限定されないが、一例を示せば、全長Ｌ、全幅Ｗ、最厚箇所の厚さＴについてはシリンドリカルレンズ３について挙げた例と同サイズを挙げることができる。シリンドリカルレンズ２の凸部１５の幅Ｑについては２０ｍｍを挙げることができる。

【0030】

シリンドリカルレンズ４、２でも、シリンドリカルレンズ１、３について説明したのと同様にして優れた指向性が得られる。図１８～図２２に、シリンドリカルレンズ１についての図４～図８に相当するグラフを示す。図１８～図２２では、比較例のグラフは載せていないが、シリンドリカルレンズとホーンアンテナとのアンテナシステムにおけるシリンドリカルレンズとして、図１７のものを使用した場合、図１６のものを使用した場合のそれぞれの出射強度分布を示している。これらを図４～図８における比較例のグラフと比較するといずれも、揺らぎの少ない優れた出射強度分布となっている。

【0031】

以上詳細に説明したように本実施の形態のシリンドリカルレンズ１～４では、主軸方向Ｙの端面を非平面とすることにより、主軸方向Ｙの端面間の長さが幅方向Ｘ上の位置により異なる形状となっている。これにより、電磁波の入出射方向の指向性に優れたシリンドリカルレンズ１～４が実現されている。

【0032】

なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，シリンドリカルレンズ１～４において、両端面の凹凸差Ｄが異なっていてもよい。さらに、両端面のうち一方を平面とし、もう一方の端面のみを図示したような非平面としたものであってもよい。両端面の形状は、必ずしも上下対称でなくてもよいし左右対称でなくてもよい。図２、図１０、図１６、図１７に示した端面形状のうち異なるものを１つのシリンドリカルレンズにおいて組み合わせて使用してもよい。

【0033】

図１のシリンドリカルレンズ１の場合、ギザギザ形状のピッチＰ、凹凸深さＤについて、上下で違っていてもよいし、幅方向に対して一定でなくてもよい。ピッチＰが一定である場合、上下で位相がずれていてもよい。図１７のシリンドリカルレンズ２において、凸部１５の部分を、平面部１６に対して主軸方向Ｙに凹んでいる凹部としてもよい。曲面形状は半楕円には限られない。図１０、図１６のシリンドリカルレンズ３、４において、長尺位置、短尺位置のいずれもが複数箇所に存在するものであってもよい。また、両端面の波形の位相がずれていてもよい。

【符号の説明】

【0034】

１～４ シリンドリカルレンズ
１１ 第１面
１２ 第２面
１３ 端面
１４ 端面
１５ 凸部
１６ 平面部
Ｘ 幅方向
Ｙ 主軸方向
Ｚ 副軸方向

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】