JP2005532589A

JP2005532589A - 光学レンズ要素及びこのレンズ要素を備える光学レンズ装置

Info

Publication number: JP2005532589A
Application number: JP2004519108A
Authority: JP
Inventors: イェレナ、シュレポファ; ヨハン、エフ．ルルクイン
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2002-07-08
Filing date: 2003-07-01
Publication date: 2005-10-27
Also published as: KR20050025321A; EP1521983A1; US20050243429A1; US7530699B2; WO2004005977A1; AU2003244980A1; CN1668941A; CN100406918C

Abstract

本発明による光学レンズ要素（１）は、光学軸（５）を有し、この光学軸に対して垂直に延びる、間隔をおいて平行に配置された表面（１３Ａ、１３Ｂ）を有する周囲を取り巻く搭載部分（７）の中央に配置された中央レンズ要素（３）を備える。この間隔をおいて平行に配置された表面の少なくとも一方には、この搭載部分に入る光を外に導き出すための非ランダムな光散乱構造（２３Ａ、２３Ｂ）が設けられる。この非ランダムな光散乱構造は、これら間隔をおいて平行に配置された表面に対して所定の傾角を有する平行な光散乱面を有するギザギザ部、例えば、レンズ要素の光学軸を中心として配置された同心円状のギザギザ部のアレイを備える。光学レンズ要素は、好ましくは、成形された一体化レンズ要素から成る。この場合、光散乱構造は、この成形光学レンズ要素と共に成形加工にて成形加工され、好ましくは、この成形光学レンズ要素内に成形加工される。更に、本発明による光学レンズ要素と、少なくとも一つの非ランダムな光散乱構造に隣接して設けられた光吸収手段と、を備える光学レンズ装置も提供される。

Description

本発明は、光学軸を有し、この光学軸に対して垂直に延びる、間隔をおいて平行に配置された表面を有する周囲を取り巻く搭載部分の中央に配置された中央レンズ要素を備える光学レンズ要素に係る。

上述のタイプの光学レンズ要素が、例えば、Newton, New Jersey, USAにオフィスを有するThorlabs Inc.社によってインターネット（www.thorlabs.com）上に公開されているパンフレット（ページ153‐157）から知られる。この資料には、全プラスティック製の近接回折が制限された光学要素（all-plastic near diffraction limited optical component）、例えば、双非球形レンズ（bi-aspheric lens）CAY033（f=3.3 mm、0.45NA）を量産するための進歩した成形技術によって製造される多様な一体化プラスティック非球形レンズ要素（integral plastic aspheric lens components）について述べられている。これらオプティクスは、非球形レンズの性能と低価格との両立を図る。光学要素を光学アセンブリ内に搭載するためには、中央レンズ要素を取り巻くように、中央レンズ要素の光学軸に対して垂直に延びる、間隔をおいて平行に配置された表面を有する搭載部分が設けられる。

光学要素に共通の問題として光の散乱がある。一体化光学要素（integral optical element）内でランダムに散乱された光は、用途によって様々な異なる問題を引き起こす。レンズ要素の場合は、迷光（stray light）は、ゴースト(ghost images）、漏光（light leakage）、或いはレンズ要素がその一部を構成する光学系全体から見たときの光の損失(light loss)を招く。ゴースト及び迷光は、非零の反射及び透過係数を有する光学要素の表面からの光の内部反射に起因する。入射光の幾らかは、ある要素の表面を透過するが、幾らかは、同一の表面から反射される。こうして、反射された光は、戻ってきて別の要素の表面に当り、次に、そこから反射され、最終的には、像平面（image plane）或いは検波器へと伝播する。これら複数の反射の結果として、ゴーストや迷光が発生する。

結像レンズは、画像空間内の所定の位置に物体の像を形成するように設計される。システムが良く設計されている場合は、光の殆どは、所定の設計光路を辿る。上述のように、場合によっては、所定の設計光路とは異なる経路を辿ってシステムに光が入ることがある。この光は最終的には、センサに、いわゆる迷光或いはゴーストとして画像として到達する。一体化光学レンズ要素の場合は、中央レンズ要素自体以外のレンズ要素の任意の追加の部分は光学的にレンズ要素に接続され、このため光がこれら追加の部分から出入するために迷光の問題が悪化される。

本発明の一つの目的は、冒頭に説明したようなタイプであって、迷光が像平面に到達することを少なくともある程度まで阻止することで一体化レンズ要素によって生成されるゴーストがより少なくなるような有益な光学レンズ要素を提供することにある。この目的を達成するために、本発明による光学レンズ要素は、光学軸を有し、この光学軸に対して垂直に延びる、間隔をおいて平行に配置された表面を有する周囲を取り巻く搭載部分の中央に配置された中央レンズ要素を備え、前記間隔をおいて平行に配置された表面の少なくとも一方には、搭載部分に入る光を外に導き出すための非ランダムな光散乱構造が設けられ、こうして、従来の技術による上述の問題が、搭載部分の所の迷光を外に導き出すことで軽減される。

本発明の一つの形態は請求項２に記載されるように実現される。光散乱面の傾斜は最適な性能が得られるように選択される。請求項３は一つの現実的な形態を与え、この実施例によると、本発明による光学要素は、殆どの場合、回転体の形状とされるレンズ要素を備える。

本発明の請求項４或いは５とりわけ請求項６に記載の形態にて良好な結果が達成されている。請求項７に記載の形態はより好ましいが、この形態は光学要素の現実的な設計においてより優れた特性を示す。

請求項８とりわけ請求項９に記載の形態は、さらに好しく、光散乱構造を成形加工（molding）によって設けるやり方は本発明の光学レンズ要素に対して用いた場合コスト的に非常に有利となる。更に、光散乱構造を成形加工にて光学要素内に設けるやり方では、この要素の全体としての寸法を同一にとどめることができる上、こうして成形された一体化光学要素（molded integral optical component）の搭載部分の平行な表面からはいかなる突出部も存在しないため、光学要素を光学システム内に搭載する方法の変更を強いられることもない。

本発明による光学レンズ要素は、一つの好ましい実施例においては、請求項1０記載の装置内に用いられる。光学レンズ要素から外に導き出された任意の光は、これによって吸収され、ここから光学要素の外に出るが、こうして、光学レンズ装置内のいたる所に存在する迷光に起因して様々な望ましくない問題が発生することが防止される。

本発明のこれら目的及び特徴が、以下に与えられる一つの好ましい実施例の、添付の図面を参照して、単に例示としての説明を読むことで、一層明白となるものである。

図面を参照すると、光学等級のプラスティックを成形加工することで製造された第一の光学レンズ要素１が示される。この光学レンズ要素１は、光学軸５を有し、この光学軸５に対して垂直に延びる間隔をおいて平行に配置された表面１３Ａ、１３Ｂを有する周囲を取り巻く搭載部分７の中央に配置された中央レンズ要素３を有する。搭載部分７は、フランジ部分９と周辺の環状の下側に延びるスカート部分１１とから構成される。

この第一のレンズ要素１は、第二の一体化された光学レンズ要素１５の上側に配置されるが、この第二の光学レンズ要素１５も光学等級のプラスティックから製造され、この第二の光学レンズ要素１５は、第一のレンズ要素１の光学軸５が中心となるように配置された中央レンズ要素１７を含む。この第二のレンズ要素１５には、適当な台座（図示せず）に搭載するためのスカート部分１９が設けられる。この第一および第二の光学レンズ要素１、１５は、それぞれ、一体となって光学レンズアセンブリ２１を形成する。このような光学レンズアセンブリは、実際には、セル電話（cell phones）或いはパーソナルデジタルアシスタント（personal digital assistants, PDA）内のカメラモジュールのために用いられる。他の用途においては、このレンズアセンブリ２１は、光ディスクプレーヤ（図示せず）の光ディスクから反射されたレーザ光線を像平面２４内にフォーカシングするために用いられる。第一および第二の光学レンズ要素１、１５は、両方とも、それぞれ、回転体として形成され、第一のレンズ要素１のスカート部分１１と第二のレンズ要素１５の上側部分とは、概ね円筒な部分として、これら２つのレンズ要素１、１５の光学軸５を中心として互いにぴったり嵌り込む。

これらレンズ要素１、１５に加えて、このレンズアセンブリ２１は、後に詳細に説明される座金状の光吸収手段２５を備える。

迷光が像平面２４上に投影されるのを防止するために、第一のレンズ要素１の上述の間隔をおいて平行に配置された表面１３Ａ、１３Ｂの、少なくとも一方に、本実施例においては両方には、それぞれ、搭載部分７に入いる光を外に導き出すための非ランダムな光散乱構造２３Ａ、２３Ｂが設けられるが、この構造については後に詳細に説明する。

図２Ａ、２Ｂ及び２Ｃは、図１のレンズアセンブリ２１に入る迷光の様々な例と、光散乱構造２３Ａ、２３Ｂがレンズアセンブリ２１内に存在しないものと想定した状況において、迷光が像平面２４に到達することでもたらされる悪影響について示す。図２Ａは、左上から第一の光学要素１のレンズ要素３に入る光線２５、２７を示す。これら光線２５、２７は、レンズ要素３に入った後に、内部的に、フランジ部分９の下面面１３から上面１３Ａ、スカート部分１１の側面へと反射され、その後、第二の光学要素１５へと入る。この光線は、次に、第二の光学要素のレンズ要素１７の下面の所に現れ、空間を伝播して像平面２４に達する。図２Ａ、Ｂ、Ｃは、光線２５、２７の様々な軌道部分及び角度等の正確な表現ではなく、単に例示であるものと解されるべきである。図２Ｂ及び２Ｃは、第一の光学要素１のレンズ要素３に入る光線２９、３１と、これら光線によって像平面２４に当るまでに辿られる経路を示す。図２Ａの上述の詳細な説明から、これら図面は自明であり、詳しい説明は割愛する。

図１と、とりわけ、図３及び図４からわかるように、この実施例においては、上述の間隔をおいて平行に配置された表面１３Ａ、１３Ｂには、両方とも、上述の搭載部分７に入る光を外に導き出すための、各々の非ランダムな光散乱構造２３Ａ、２３Ｂを設けられる。これら非ランダムな光散乱構造２３Ａ、２３Ｂは、これら間隔をおいて平行に配置された表面１３Ａ、Ｂに対して、それぞれ、所定の傾角α及びβを有する光散乱表面３５、３６を有するギザギザ部（indentations）３３を備える。示される例においては、角度αは約４０度とされ、角度βは約９０度とされる。これらギザギザ部の、正確な向き、深さ、空間角（spacing angle）等は、実験及び計算から決定される。示される実施例においては、光学レンズ要素１は、約６ｍｍなる全直径を有し、中央レンズ要素３の凸状の上側レンズ部分の直径は、約２．９ｍｍなる最大外径を有し、フランジ部分９の厚さは約０．５５ｍｍとされ、ギザギザ部３３の深さは約１００μｍとされる。

示される実施例においては、これらギザギザ部は、レンズ要素３の光学軸５を中心とする同心円状のギザギザ部３３のアレイとして配列される。これらアレイ内のこれらギザギザ部は、光学レンズ要素１の光学軸５を含む平面内に三角形の形状の断面を有する。加えて、全てのギザギザ部３３は、同一形状の断面、つまり、局所的垂線（local perpendicular）に対して非対称な三角形の形状を有する。

示される実施例においては、ギザギザ部３３のこの三角形の形状は、搭載部分７の各々の間隔をおいて配置された平行な表面１３Ｂの平面内に横たわる第一の辺３７と、光学レンズ要素１の光学軸５に対面する三角形の辺上に横たわる第二の辺３６とを有する直角三角形から成る。光散乱構造２３Ａ、２４Ｂは、周知のやり方にて、光学等級のプラスティックから成形することで得られた光学レンズ要素内に成形加工することで得られる。説明の実施例においては、これら光散乱構造２３Ａ、２３Ｂは、これらが、成形された光学レンズ要素１内に一体化されるように成形加工することで得られる。

図４は、点線にて参照符号無しで示される異なる方向から来る光線が、これらギザギザ部３３の内面或いは外面からどのように反射し、斜辺３５及び辺３６によって縁付けられるこれらギザギザ部の透明な表面を通過して外に導き出されるかを示す。この非ランダム光散乱構造２３Ｂに隣接して、光学レンズ要素１から外に導き出された光を吸収するために、座金状の光吸収手段２５が設けられる。

上では、この明細書を書いている時点で出願人にとって本発明を実施するに最も好ましいと思われる形態にて、本発明による光学レンズ要素が説明された。たたし、当業者においては明らかなように、本発明は上で具体的に説明された形態に限定されるものではない。本発明の概念から逸脱することなく様々な修正が可能である。例えば、異なる形状のギザギザ部を有する、複数の別個の光散乱構造を、異なるパターンにて、異なる位置に設けることもできる。光を外に導き出すために、これらギザギザ部の代わりに或いはこれらに加えて凸部(protrusions)を設けることもできる。これら光散乱構造は、レンズ要素の材料を、それらを成形した後に、機械的に除去することによって設けることも、或いは成形後に、ホットスタンピング(hot stamping)等の他の方法によって設けることもできる。図面には示されておらず、独立クレーム１にも記載されてない、このような及びその他の全ての実施形態が本発明の範囲内に入るものと見なされるべきである。

例えば、上で説明された実施例においては、図４に示されるギザギザ部３３は、同一形状の断面を有し、この三角形の形状は、局所垂直に対して非対称とされる。ただし、同一の好ましい効果を、異なる形状の断面を有するギザギザ部を有する光学要素にて達成することもできる。

更に、当業者においては明らかなように、光は、図１及び４に示される座金型の光吸収手段２５とは異なる手段によって吸収することもできる。例えば、光吸収手段は、光線がその光学要素或いはレンズアセンブリに入る、光学要素或いはレンズアセンブリの側面に設けることもできる。

更に、上で説明された実施例は成形された光学レンズ要素に係るが、当業者においては明白なように、代替の形態として、光学レンズ要素は、例えば、プレスされたガラスの光学要素、或いは機械加工されたガラス若しくはプラスティックの光学要素であっても構わない。

本発明による光学レンズ要素並びにさらなる光学レンズ要素を備える光学レンズアセンブリの断面の側面図である。図１の光学アセンブリ内で発生し得る、このアセンブリの表面によって反射され、本発明の光散乱構造が存在しない場合は、このアセンブリの像平面内の望ましくない迷光パターンに寄与するであろう光線の様々な典型的な経路を簡略的に示す図である。図１の光学アセンブリ内で発生し得る、このアセンブリの表面によって反射され、本発明の光散乱構造が存在しない場合は、このアセンブリの像平面内の望ましくない迷光パターンに寄与するであろう光線の様々な典型的な経路を簡略的に示す図である。図１の光学アセンブリ内で発生し得る、このアセンブリの表面によって反射され、本発明の光散乱構造が存在しない場合は、このアセンブリの像平面内の望ましくない迷光パターンに寄与するであろう光線の様々な典型的な経路を簡略的に示す図である。図１の１セクションの拡大図であり、光学レンズアセンブリの詳細を示す図である。図１及び図３の細部の拡大図であり、本発明による一体化光学レンズ要素から光がどのようにして外に導き出されるかを示す図である。

Claims

光学軸を有し、この光学軸に対して垂直に延びる、間隔をおいて平行に配置された表面を有する周囲を取り巻く搭載部分の中央に配置された中央レンズ要素を備え、間隔をおいて平行に配置された前記表面の少なくとも一方には、前記搭載部分に入る光を外に導き出すための非ランダムな光散乱構造が設けられることを特徴とする光学レンズ要素。
非ランダムな前記光散乱構造は、間隔をおいて平行に配置された前記表面に対して所定の傾角を有する平行な光散乱面を有するギザギザ部を備えることを特徴とする請求項１記載の光学レンズ要素。
前記ギザギザ部は前記レンズ要素の前記光学軸を中心として配置された同心円状のギザギザ部の少なくとも一つのアレイを有することを特徴とする請求項２記載の光学レンズ要素。
前記少なくとも一つのアレイ内の前記ギザギザ部は、前記レンズ要素の前記光学軸が位置する平面内に三角形の形状の断面を有することを特徴とする請求項２または３記載の光学レンズ要素。
全てのギザギザ部は少なくとも一つのアレイ内においては同一形状の断面を有することを特徴とする請求項４記載の光学レンズ要素。
前記三角形の形状は局所的垂線に対して非対称とされることを特徴とする請求項４或いは５記載の光学レンズ要素。
前記三角形の形状は、前記搭載部の各々の前記間隔をおいて平行に配置された表面の平面内に横たわる第一の辺と、前記中心軸に対面する前記三角形の辺上に横たわる第二の辺とを有する直角三角形から成ることを特徴とする請求項６記載の光学レンズ要素。
前記光散乱構造は、前記成形光学レンズ要素と共に成形加工することで得られることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の光学レンズ要素。
前記光散乱構造は、前記成形光学レンズ要素内に成形加工することで得られることを特徴とする１乃至８のいずれかに記載の光学レンズ要素。
少なくとも一つの非ランダムな光学レンズ構造に隣接して光吸収手段が設けられたことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の光学レンズ要素を備える光学レンズ装置。