JP2003295027A - 芯取り装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レンズの肉厚誤差がある程度生じた場合で
も、そのレンズが鏡筒に組み込まれた状態で全系に与え
る光学性能劣化を抑制すること。 【解決手段】 レンズＧ７の肉厚誤差量を検出する肉厚
誤差量検出手段１３と、レンズＧ７の肉厚誤差量に起因
して変化する光学系全体の球面収差を相殺するように、
検出した肉厚誤差量に応じてレンズＧ８の受面部Ｇ８ａ
の芯取り量を制御する受面部芯取り量制御手段１４とを
有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ビデオカメラやデ
ジタルスチルカメラ等の撮影装置の光学系を構成するレ
ンズの芯取り装置に関し、画素ピッチの小さな撮像素子
においても光学性能の劣化を抑制することが可能な技術
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ビデオカメラ等の撮影装置の撮影光学系
には、一般に複数個のレンズにより構成されており、各
レンズはそれぞれの役割分担をもって、レンズ鏡筒内の
予め定められた所定の位置に組み込まれ保持固定され
る。

【０００３】光学系に要求される光学性能を満たすため
に、組み込まれる各レンズは所定の公差が設定されてお
り、各レンズの製造誤差は所定の公差内に収まるように
加工され、レンズ鏡筒の所定の場所に保持されレンズ系
として組み立てられる。レンズ加工の公差が設定される
主な項目としては ・中心肉厚公差 ：光軸上のレンズ中心肉厚誤差 ・ニュートン公差：光学面の曲率半径誤差でニュートン
原器を当てた時の干渉縞の本数で評価等がある。

【０００４】一般的なレンズ部品の公差を加工難易度別
に示すと以下の表に示すようになる。

【０００５】

【表１】

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】近年、撮像素子の画素
の狭ピッチ化、撮像素子イメージサイズの小型化にとも
ない、レンズ部品に要求される公差が厳しくなってい
る。民生用ビデオカメラ用撮像素子として従来主流であ
った１／２型（イメージサイズφ８ｍｍ）、１／３型
（イメージサイズφ６ｍｍ）、が現在は１／４型（イメ
ージサイズφ４．５ｍｍ）、１／６型（イメージサイズ
φ３ｍｍ）になり、更に１／７型（イメージサイズ２．
６ｍｍ）になろうとしている。

【０００７】光学系仕様の画角が同じ条件設定の場合
は、撮像素子イメージサイズの小型化に伴いレンズ系の
焦点距離が短くなる。たとえば、撮影画角、開放Ｆナン
バーの光学仕様が同じ場合、イメージサークルφ６ｍｍ
で設計されたレンズ系の肉厚、空気間隔、曲率半径、光
線有効径を半分に比例縮小すると焦点距離が半分にな
り、原理的にはイメージサークルφ３ｍｍの光学系にな
る。イメージサークルφ６ｍｍとイメージサークルφ３
ｍｍのこの２本のレンズの幾何光学的な設計基準状態の
光学性能は同等である。

【０００８】しかし、同等の製造誤差をこの２本のレン
ズに与えた場合の製造誤差による光学性能劣化は同等で
はなく、イメージサイズの小さなレンズの方が光学性能
の劣化が大きい。製造誤差による光学性能劣化を同等に
押えるためには、肉厚誤差、空気間隔誤差、曲率半径誤
差の許容公差はイメージサークルφ６ｍｍのレンズに対
し、イメージサークルφ３ｍｍのレンズは厳しく、誤差
量を半分に抑える必要がある。

【０００９】従来、製造誤差による光学性能変化の大き
な光学部品については、設計基準状態に限りなく近づけ
るための高精度加工を行い光学性能を維持する考え方が
一般的であった。

【００１０】レンズ部品の肉厚公差、曲率半径公差を厳
しくすると、加工難易度が高くなり、歩留まりが悪くな
るためコストアップが問題になる。また極端に加工難易
度が高くなると多くの手作業が入るため量産性に問題が
生じる。

【００１１】本発明は、従来のこのような課題を解決す
るためになされたもので、レンズの肉厚誤差がある程度
生じた場合でも、そのレンズが鏡筒に組み込まれた状態
で全系に与える光学特性変化（例えば収差変化）が最小
限となるような手法を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の芯取り装置は、レンズの肉厚誤差量を検出
する検出手段と、肉厚誤差量に起因して変化する光学系
の特性（例えば球面収差）を相殺するように、検出した
肉厚誤差量に応じてレンズの受面部の芯取り量を変える
加工手段とを有することを特徴としている。

【００１３】また、本発明のレンズ鏡筒は、上記本発明
の芯取り装置を用いて加工したレンズを含んだ光学系
と、そのレンズを保持するレンズ保持部材とを有し、加
工されたレンズ受面部を保持部材のレンズ突き当て面に
突き当て位置決めすることにより、肉厚誤差量に起因し
た光学系の特性（例えば球面収差）の変化を抑制するこ
とを特徴としている。

【００１４】また、本発明の撮影装置は、上基本発明の
レンズ鏡筒と、レンズ系によって形成される像を受光す
るＣＣＤやＣＭＯＳ等の光電変換素子とを備えることを
特徴としている。

【００１５】

【発明の実施の形態】一般的な光学系はレンズ鏡筒の所
定の位置に各レンズが保持され構成されている。各レン
ズの光軸と垂直方向の位置決めは、レンズ外径がレンズ
保持部材の内径と嵌合することでなされる。各レンズの
光軸方向の位置決めは、レンズ保持部材の受面部（突き
当て面）にレンズ受面部を突き当てることでなされる。

【００１６】レンズに肉厚誤差が生じた場合、鏡筒内に
保持されるレンズはレンズ肉厚誤差に応じてそのレンズ
前後の空気間隔も従属的に変化する。肉厚誤差が生じた
レンズを含んだ光学系の収差変化は、レンズ肉厚誤差に
起因したものだけでなく、そのレンズ前後の空気間隔変
化をも加味したものとなる。

【００１７】本実施形態では、レンズ肉厚誤差により発
生する収差変化と、そのレンズ前後の空気間隔変化で発
生する収差変化の変化比率に着目し、レンズ肉厚誤差で
発生する収差を従属的に変化する空気間隔変化で相殺す
る方法を提案する。

【００１８】具体的には、レンズ肉厚誤差が発生したレ
ンズの肉厚誤差量を検出し、レンズ肉厚誤差量に応じて
レンズ受面部の芯取り量を適切な比率で制御し芯取り加
工することで、そのレンズがレンズ鏡筒に組み込まれた
状態でのそのレンズの前後の従属的に変化する空気間隔
を制御し、レンズ系で発生する収差を相殺し光学性能劣
化を低減させるものである。

【００１９】初めに本実施形態で想定したレンズ鏡筒の
構成について説明する。図１はレンズ鏡筒の概略図であ
り、図２はそのレンズ鏡筒が備えている光学系の断面
図、図３はその光学系の収差図である。

【００２０】図２に示した光学系の数値データを表２に
示す。表２において、ｆは焦点距離、ＦＮｏ．はＦナン
バー、ωは半画角、ｒｉは物体側より第ｉ番目の面の曲
率半径、ｄｉは物体側より順に第ｉ番目の光学部材肉厚
又は空気間隔、ｎｉとνｉは各々物体側より順に第ｉ番
目の光学部材の屈折率とアッベ数である。＊印を付した
第１２面、第１３面、第１６面は非球面であり、その非
球面形状は、ｋを円錐係数、Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを非球面係
数、ｈを光軸からの高さとするとき、以下の式によって
表現される。

【００２１】

【外１】

【００２２】

【表２】

【００２３】図１，２において、Ｌ１は正の屈折力の第
１レンズ群、Ｌ２は負の屈折力の第２レンズ群、Ｌ３は
正の屈折力の第３レンズ群、Ｌ４は正の屈折力の第４レ
ンズ群であり、物体側から像側へ順にＬ１，Ｌ２，Ｌ
３，Ｌ４の４つのレンズ群が配置されたズームレンズで
ある。またＧｉは物体側から数えて第ｉ番目のレンズを
表す。

【００２４】Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４はそれぞれレンズ
群Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４を保持するレンズ保持部材、
ＳＰは開口絞り、ＩＰは像面であり、ＣＣＤやＣＭＯＳ
等の固体撮像素子（光電変換素子）が配置される。ＧＢ
は光学的ローパスフィルタや赤外カットフィルタ等を想
定して光学設計上の目的で配置したガラスブロックであ
る。

【００２５】広角端（Ｗ端）から望遠端（Ｔ端）へのズ
ーミングに際しては、第２レンズ群Ｌ２が像側へ移動す
ることで変倍を行い、第４レンズ群Ｌ４が物体側へ凸状
の軌跡を描いて移動することで変倍に伴う像面位置の変
動を補正している。また第４レンズ群Ｌ４はフォーカス
用のレンズでもあり、物体側に繰り出すことにより無限
遠物体から至近物体へのフォーカシングを行う。図２に
示されるのは、広角端（Ｗ）、中間ズーム位置（Ｍ）、
望遠端（Ｔ）の各レンズ群の位置である。図３はそれぞ
れ広角端（Ｗ）、中間ズーム位置（Ｍ）、望遠端（Ｔ）
の諸収差図である。

【００２６】レンズの肉厚又はレンズ間隔ｄｉが変化し
た場合の球面収差変化を算出した値を図４に示す。図４
において、球面収差は広角端（Ｗ端）と望遠端（Ｔ端）
状態での、光線比率７割の球面収差変化量で、各レンズ
肉厚又はレンズ間隔が独立に０．０５ｍｍ増加した場合
の値である。肉厚又は間隔が独立に変化するとは、レン
ズ肉厚が厚くなったり、レンズ間隔が広がったりして
も、他のレンズ間隔への従属関係はなく単純にレンズ全
長が変化した分だけ伸びる状態を言う。

【００２７】図４から第１２番目、第１３番目、第１４
番目の間隔が変化したときの球面収差量変化が大きいこ
とが分かる。第１２番目の間隔は第３レンズ群Ｌ３のレ
ンズＧ７の肉厚、第１３番目の間隔はレンズＧ７とレン
ズＧ８のレンズ間隔、第１４番目の間隔はレンズＧ８の
肉厚である。

【００２８】球面収差変化量の比率に着目すると、第１
１番目と第１２番目と第１３番目の間隔同士の比率が約
０：２：１である。これはレンズＧ７の肉厚誤差が増加
した場合、レンズＧ７の肉厚誤差量の２倍の量を第１３
番目の間隔を減少させることで球面収差が相殺できるこ
とを意味する。

【００２９】また、第１３番目、第１４番目、第１５番
目の間隔同士の球面収差変化量比率に着目すると約１：
２：０である。これはレンズＧ８の肉厚誤差が増加した
場合、レンズＧ８の肉厚誤差量の２倍の量を第１３番目
の間隔を減少させることで球面収差が相殺できることを
意味する。

【００３０】このような肉厚誤差に連動したレンズ間隔
の従属関係を実現するためには、レンズの光軸方向の位
置決めを行っているレンズ受面部の芯取り量を肉厚誤差
に応じて制御すると良い。以下に芯取り装置を用いてそ
れを実現する方法について説明する。

【００３１】（実施例１）図５はレンズＧ７のレンズ受
面部Ｇ７ａの芯取り量を肉厚誤差に応じて制御する場合
の例である。

【００３２】本実施形態の芯取り装置は、固定側ベルク
ランプ１１、可動側ベルクランプ１２、肉厚誤差量検出
手段１３、受面部芯取り量制御手段１４、芯取り砥石１
５で構成される。

【００３３】固定側ベルクランプ１１の先端のカップ１
１ａと可動側ベルクランプ１２先端のカップ１２ａにレ
ンズＧ７が挟み込まれ、クランプ軸に対してレンズＧ７
の光軸出しを行う。可動側ベルクランプ１２の停止位置
を肉厚誤差量検出手段１３で検出することでレンズＧ７
の肉厚誤差量を検出する。レンズＧ７の肉厚誤差量情報
を受面部芯取り量制御手段１４に伝え、レンズＧ７の受
面部Ｇ７ａを芯取り砥石１５で加工し、芯取り量を制御
する。

【００３４】図１に示したようにレンズＧ７は像側の受
面部でレンズ保持部材Ｈ３の突き当て面に突き当て保持
されている。レンズＧ７の肉厚誤差が増加する方向に発
生した場合、レンズＧ７の受面部を肉厚誤差量の２倍の
量削るとレンズＧ７とレンズＧ８の空気間隔が２倍減少
し、レンズＧ６とレンズＧ７の空気間隔が肉厚誤差量の
１倍増加する。このように肉厚誤差量に応じてレンズ受
面部の加工を行って芯取り量を変化させることで、レン
ズＧ７の前後の空気間隔が従属的に変化し、レンズ系の
球面収差発生を相殺させることが可能となる。

【００３５】（実施例２）図６はレンズＧ８のレンズ受
面部Ｇ８ａの芯取り量を肉厚誤差に応じて制御する場合
の例である。芯取り装置を構成する部材については実施
例１と同様である。

【００３６】固定側のベルクランプ１１先端のカップ１
１ａと可動側ベルクランプ１２先端のカップ１２ａにレ
ンズＧ８が挟み込まれ，クランプ軸に対してレンズＧ８
の光軸出しが行われる。可動側ベルクランプ１２の停止
位置を肉厚誤差量検出手段１３によって検出することで
レンズＧ８の肉厚誤差量を検出する。レンズＧ８の肉厚
誤差情報を受面部芯取り量制御手段１４に伝え、レンズ
Ｇ８の受面部Ｇ８ａを芯取り砥石１５で加工し、芯取り
量を制御する。

【００３７】図１に示したようにレンズＧ８は像側の受
面部でレンズ保持部材Ｈ３の突き当て面に突き当て保持
されている。レンズＧ８の肉厚誤差が増加する方向に発
生した場合、レンズＧ８の肉厚誤差量と同じだけ（１
倍）受面部の芯取り量を減らしコバ部を残すことで、レ
ンズＧ７とレンズＧ８の空気間隔が２倍減少し、レンズ
Ｇ８とレンズＧ９の空気間隔が１倍増加する。このよう
に肉厚誤差量に応じてレンズ受面部の加工を行って芯取
り量を変化させることで、レンズＧ８の前後の空気間隔
が従属的に変化し、レンズ系の球面収差発生を相殺させ
ることが可能となる。

【００３８】実施例１及び実施例２で説明した肉厚誤差
検出は、精度良く作製された基準レンズをベルクランプ
で挟み込んだ状態の可動側ベルクランプ１２の停止位置
を基準とし、実際に加工するレンズをベルクランプで挟
み込んだ状態での可動側ベルクランプ１２の停止位置誤
差から算出する。ベルクランプは圧力をかけて挟み込む
ため、加工回数を重ねると徐々に先端カップ部に磨耗や
変形が生じベルクランプ停止位置に誤差が発生する。対
策として所定回数加工したら再度基準レンズでベルクラ
ンプ停止基準位置を取り直すことが望ましい。また、ベ
ルクランプ先端のカップ部の変形がある程度大きくなる
と、肉厚検出精度が低下するのでカップ部の修正加工を
行うことが望ましい。

【００３９】従来のレンズ芯取りは、固定側ベルクラン
プ１１の位置または、可動側ベルクランプ１２の位置を
基準とし、レンズ肉厚誤差に関係なく一意的に面取り部
芯取り量を設定していた。そのため、本実施形態で説明
したごとく、肉厚誤差量に応じて光学系の収差発生量を
相殺する方向に芯取り量を制御する発想は無かった。

【００４０】なお本実施形態では、球面収差を目的とし
た補正例を示したが、目的にする収差は球面収差に限ら
ず、周辺像面湾曲収差や周辺非点隔差など、それぞれの
レンズ系で肉厚変化による性能劣化が問題となる収差を
目的にすることが可能である。また本発明は収差補正だ
けでなく、焦点距離変化やバックフォーカス変化などの
光学系の特性変化一般の補正にも応用可能である。

【００４１】更に本実施形態の芯取り装置で加工したレ
ンズは、銀塩写真用レンズや観察光学系への適用も可能
であるが、特に撮像素子に像を形成する撮影装置の撮影
光学系に用いれば、画素ピッチの小さな撮像素子であっ
ても良好な画像情報を得ることが可能になり有効であ
る。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
従来の加工難易度レベルのレンズ肉厚加工公差設定で
も、そのレンズが鏡筒に組み込まれた状態で全系に与え
る光学性能劣化（収差変化）を最小限とすることができ
る。特に固体撮像素子に像を形成する撮影装置の撮影光
学系に用いれば、画素ピッチの小さな撮像素子であって
も良好な画像情報を得ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】レンズ鏡筒の概略図である。

【図２】ズームレンズの各ズーム位置での断面図であ
る。

【図３】図２のズームレンズの諸収差図である。

【図４】図２のズームレンズの各間隔変化０．０５ｍｍ
に対する球面収差変化量の値である。

【図５】実施例１の芯取り方法を説明するための芯取り
装置の概略図である。

【図６】実施例２の芯取り方法を説明するための芯取り
装置の概略図である。

【符号の説明】 Ｌ１ 第１レンズ群 Ｌ２ 第２レンズ群 Ｌ３ 第３レンズ群 Ｌ４ 第４レンズ群 Ｈ１ レンズ保持部材 Ｈ２ レンズ保持部材 Ｈ３ レンズ保持部材 Ｈ４ レンズ保持部材 ＳＰ 開口絞り ＩＰ 固体撮像素子 １１ 固定軸側ベルクランプ １２ 可動軸側ベルクランプ １３ 肉厚誤差量検出手段 １４ 受面部芯取り量制御手段 １５ 芯取り砥石

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レンズの肉厚誤差量を検出する検出手段
   と、前記肉厚誤差量に起因して変化する前記レンズが組
   み込まれる光学系の特性を相殺するように、検出した前
   記肉厚誤差量に応じて前記レンズの受面部の芯取り量を
   変える加工手段とを有することを特徴とする芯取り装
   置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の芯取り装置を用いて加工
   したレンズを含んだ光学系と、前記レンズを保持するレ
   ンズ保持部材とを有し、前記レンズの加工された受面部
   を前記保持部材のレンズ突き当て面に突き当て位置決め
   することにより、前記肉厚誤差量に起因した前記光学系
   の特性の変化を抑制することを特徴とするレンズ鏡筒。
3. 【請求項３】 請求項２のレンズ鏡筒と、レンズ系によ
   って形成される像を受光する光電変換素子とを備えるこ
   とを特徴とする撮影装置。