JP2006113176A - レンズ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 温度変動環境下で使用したときの光学特性の温度補償が可能でかつ小型化及び低コスト化が可能な樹脂から構成されるレンズ素子を提供する。
【解決手段】 このレンズ素子は、樹脂からなるレンズ部１１と、レンズ部をその外周のほぼ全面で保持固定し樹脂よりも線膨張係数が低い保持部材１５と、を備え、レンズ部と保持部材との線膨張係数差によって外部の温度変化に応じてレンズ部の主線の位置を変化させる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、光学特性の温度補償が可能なレンズ素子に関するものである。

樹脂からなるプラスチックレンズは、軽量でかつ大量生産に適し、より安価に生産可能であることから各種光学機器に使用されている。しかし、プラスチックレンズは、温度変動が生じる環境で使用すると、ガラスレンズに比べ、温度に対する屈折率変化が大きく、線膨張係数が大きく温度変化により形状が変形し易い、という問題点がある。

下記特許文献１は、レンズ形状及び屈折率が温度により変動することによる像面の移動を温度に応じて撮像面を動かすことで補正するようにしたビデオカメラ用プラスチックレンズの温度補償装置を開示する。しかし、この装置は、温度範囲が狭いときには有効であるが、温度補償範囲が広い場合には（たとえば、−４０℃から８５℃までの範囲）、プラスチックの屈折率変化による焦点距離の変化が補正量を著しく上回り、温度補償できない。

下記特許文献２は、外部温度を測定しその温度データにより機械的にレンズ位置を移動させるようにしたプラスチックレンズの温度補償装置を開示する。しかし、この温度補償装置は、内部に移動機構を設ける必要があるため、比較的スペースに余裕がある場合に限定され、またコストが嵩む。小型化や低コスト化のためにはそのような移動機構を設けることができない。レンズは固定された状態で温度補償を行う必要がある。

また、下記特許文献３，４，５は、温度特性が負のレンズを用い、温度による影響を打ち消すようにした、温度補償された走査光学系、変倍レンズ、光走査装置をそれぞれ開示する。しかし、かかる構成は、レンズ部品が増えスペースも要することから、小型化が要求されている製品には不向きであり、また部品点数が増えることから低コスト化に反し、現実的ではない。

更に、下記特許文献６は、プラスチックレンズの焦点距離の温度変化に伴う変化量を搭載する鏡筒の熱膨張により相殺するようにした、温度補償機能を有する変倍撮像装置を開示する。しかし、かかる装置は、ある程度の大きさがあれば、成り立つが、小型のデバイスであると、温度変化による焦点距離の変動のほうが大きくなり、相殺できない。また、機密性を保つために、金属のステムやキャンを用いて密閉した場合、金属の熱膨張係数はプラスチックのそれに比べ著しく小さく、ますます相殺が不可能になる。
特開昭５８−７１０９号公報 特開平４−３２０２０６号公報 特開平５−３４１２１６号公報 特開平８−３３４６９３号公報 特開平９−１８４９９６号公報 特開２００３−２４８１７１号公報

本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、温度変動環境下で使用したときの光学特性の温度補償が可能でかつ小型化及び低コスト化が可能な樹脂から構成されるレンズ素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によるレンズ素子は、樹脂からなるレンズ部と、前記レンズ部をその外周のほぼ全面で保持固定し前記樹脂よりも線膨張係数が低い保持部材と、を備え、前記レンズ部と前記保持部材との線膨張係数差によって外部の温度変化に応じて前記レンズ部の主線の位置を変化させることを特徴とする。

このレンズ素子によれば、レンズ素子の環境温度が例えば上昇したとき、レンズ部がその外周に膨張しようとするが、レンズ部を外周で保持固定する保持部材がレンズ部よりも線膨張係数が小さいため両者の線膨張係数差に対応してレンズ部の外周への膨張を制限する結果、レンズ部の外周への膨張がレンズ部の主線を移動させようとする動きに変換される。このようにして、環境温度が変化したとき、レンズ部と保持部材との線膨張係数差によって外部の温度変化に応じてレンズ部の主線の位置が変化することで、温度変動より焦点距離等の光学特性が変化しても、その変化量を補償できる。また、樹脂から構成できるので、小型化及び低コスト化が可能である。

上記レンズ素子において前記レンズ部が前記主線に関し非対称形状に構成されることで、主線位置が一方向に移動できる。この場合、前記レンズ部が前記主線に関し略弓形状に構成されることが好ましい。

また、前記レンズ部は、前記保持部材により保持固定される外周側に配置されたリブ部と、前記リブ部よりも内周側に配置されレンズ面を含む光透過部と、を備えることが好ましい。

前記リブ部は、前記レンズ面を除いた前記光透過部よりも厚く構成されていることで、光透過部における主線移動に効果的である。この場合、前記リブ部は、前記光透過部に向けて厚さが次第に薄くなるように傾斜した傾斜部を備えることで、光透過部における主線移動に更に効果的である。

また、前記レンズ面は前記主線の位置が変化する反対側に設けられ、前記主線の位置が変化する側は前記光透過部及び前記リブ部を含めてほぼフラットに構成されることで、レンズ部を主線に関し非対称形状に構成でき、レンズ部の主線の位置をフラットに構成された側に変化させることができる。

また、光軸と直交する方向から前記主線の位置が変化する反対側に傾斜したアーム部を前記リブ部と前記光透過部との間に設けることで、光透過部において主線を比較的大きく移動させることができるとともに、光透過部において変形が生じ難くなる。

また、前記レンズ面を前記主線の位置が変化する反対側に設けることで、非対称形状とすることができる。

また、前記レンズ面は、前記主線の位置が変化する側に設けられた曲率半径の大きいレンズ面と、前記主線の位置が変化する反対側に設けられた曲率半径の小さいレンズ面と、を有することで、非対称形状とすることができるとともに、曲率半径の大きいレンズ面がしなるように変形しても、そのレンズ面は曲率が大きいため、焦点距離の変化に与える影響は小さい。

また、前記リブ部は、前記主線の位置が変化する側が前記主線の位置が変化する反対側よりも光軸方向に関し長く突き出すように構成されることで、温度変化によるしなり量の左右のバランスが崩れ、主線の移動量を適正化できる。

また、前記保持部材により保持固定される前記リブ部の外周面は、前記主線の位置が変化する側の径が反対側よりも大きくなるように傾斜することで、主線の移動量を大きくできる。

また、前記リブ部は、その外周面及び前記主線の位置が変化する反対側の側面が前記保持部材により保持固定されることで、温度上昇によるリブ部の側面の移動を抑えることで、主線の移動量を大きくできる。

また、本発明による別のレンズ素子は、樹脂からなるレンズ部と、前記レンズ部をその外周のほぼ全面で保持固定し前記樹脂よりも線膨張係数が低い保持部材と、を備え、前記レンズ部は、前記保持部材により保持固定される外周側に配置され厚さが比較的厚いリブ部と、前記リブ部よりも内周側に配置されレンズ面を含む光透過部と、前記リブ部と前記光透過部との間に配置されたアーム部と、を備え、前記レンズ部は前記アーム部が光軸と直交する方向に対し傾斜することで全体として略弓形状に構成され、前記レンズ部と前記保持部材との線膨張係数差によって外部の温度変化に応じて前記光透過部における前記レンズの主線の位置を前記略弓形状の凸側に変化させることを特徴とする。

このレンズ素子によれば、レンズ素子の環境温度が例えば上昇したとき、レンズ部がその外周に膨張しようとするが、レンズ部を外周で保持固定する保持部材がレンズ部よりも線膨張係数が小さいため両者の線膨張係数差に対応してレンズ部の外周への膨張を制限する結果、レンズ部の外周への膨張がレンズ部の主線を移動させようとする動きに変換され、また、アーム部を設けたことで光透過部において主線を比較的大きく移動させることができるとともに、光透過部において変形が生じ難くなる。このようにして、環境温度が変化したとき、レンズ部と保持部材との線膨張係数差によって外部の温度変化に応じてレンズ部の主線の位置が変化することで、温度変動より焦点距離等の光学特性が変化しても、その変化量を補償できる。また、樹脂から構成できるので、小型化及び低コスト化が可能である。

上記レンズ素子において前記レンズ面は前記主線の位置が変化する反対側に設けられていることが好ましい。

また、前記リブ部は、その外周面及び前記主線の位置が変化する反対側の側面が前記保持部材により保持固定されることで、温度上昇によるリブ部の側面の移動を抑えることで、主線の移動量を大きくできる。

上述の各レンズ素子において、前記レンズ部は前記保持部材に接着、圧入または超音波溶着により保持固定されることが好ましい。

なお、レンズの主線とは、レンズの主点を通る光軸に対する垂直線であり、主点とはレンズの軸上共役点の物体側、像側の点をいう。

本発明によれば、温度変動環境下で使用したときの光学特性の温度補償が可能でかつ小型化及び低コスト化が可能な樹脂から構成されるレンズ素子を提供できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。

最初に、本発明のレンズ素子による光学特性の温度補償の原理について図１〜図４を参照して説明する。

図１は、樹脂の屈折率変化と周囲温度変化の関係を示す図である。図２はレンズを含む光学系の光路図である。図３は図２の光学系でＬを一定（１０ｍｍ）にしたときのレンズの温度変化による焦点距離の変動量及びレンズの変位必要量を示す図である。図４は図２のレンズの温度変化による焦点距離の変化量を示す図である。

図１に示すように、樹脂の屈折率は周囲温度によって変動し、温度が高くなるに従い屈折率は小さくなる。なお、図１における樹脂の主な物性値は次のとおりである。
ポアソン比：０．３５
線膨張係数：７×１０^−５Ｋ
ヤング率：３２００ＭＰａ

図２の焦点距離ｆのレンズを含む光学系において、次式（１）が成り立つ。
（１／ａ）＋（１／ｂ）＝１／ｆ ・・・（１）

ｂ／ａ＝ｍ（倍率）とすると、式（１）から次の式（２）、式（３）を得ることができる。
ａ＝ｆ（１＋（１／ｍ）） ・・・（２）
ｂ＝ｆ（１＋ｍ） ・・・（３）

図２のレンズを図１の樹脂製とすると、そのレンズの焦点距離は温度変動により変化し、温度が高くなると、焦点距離が長くなる。図２でＬ＝１０ｍｍとしたときのレンズの温度変化（温度変化ｄｔ＝６０℃）による焦点距離ｆの変動量ｄｆは、倍率ｍにより図３のように変化する。このとき、図２のレンズ及び点Ｂが固定であり、点Ａが変動可能とすると、距離ａの変動量ｄａは、倍率ｍにより図３のように変化する（図３に、温度変化ｄｔ＝３０℃、６０℃の場合を示す）。そこで、Ｌが一定であり（点Ａ、Ｂを固定）、倍率ｍを変えたとき、レンズの主軸の光軸上での移動が必要である。

一方、上記レンズの通常の温度変化による焦点距離の変化量ｄｆ／ｄｔは、次の式（４）のようになる。
df/dt＝-(f/(n-1))・dn/dt−((1/(f^２(n-1)))・dr/dt
＝-(f/(n-1))・α_ｎ−((1/(f^２(n-1)))・α ・・・（４）
ここで、
α：線膨張係数、α_ｎ：屈折率の温度変化率、ｄｔ：温度変化量、ｄｒ：レンズの曲率半径の変化量

上記式（４）に基づいた温度と焦点距離の変化量との関係は図４のようになり、図のように焦点距離が変化するので、従来のままでは、温度が２０℃から８０℃まで変化したとき、焦点距離は最大１１μｍほど変化することになり、光学系の結合効率の低下につながる。上記光学系では、もともとの焦点距離が１０ｍｍ程度であるので、この変化量は大きい。また、この焦点距離の変化を補正するには、倍率を変えるか、または、対物位置を焦点距離の位置に移動させるかが必要である。本実施の形態では、温度上昇のとき、レンズの焦点距離が短くなるようにレンズの主線を移動させている。

次に、本実施の形態によるレンズ素子の各例について図５乃至図１２を参照して説明する。図５乃至図１２は本実施の形態による第１乃至第８のレンズ素子を概略的に示す側面図である。

〈第１のレンズ素子〉

図５に示す第１のレンズ素子１０は、例えば環状オレフィンポリマー樹脂からなるレンズ部１１と、レンズ部１１をレンズ部１１の外周面１１ａで保持固定し樹脂よりも線膨張係数が低い例えば鉄鋼材料やセラミックスからリング状に構成された保持部材１５と、を備える。レンズ部１１は保持部材１５の内周面で接着剤により堅く保持され固定されている。

レンズ部１１は、保持部材１５により保持固定されるように配置されたリブ部１３と、リブ部１３よりも内周側に配置されレンズ面１２ａを含む光透過部１２と、を備える。

リブ部１３は、レンズ面１２ａを除いた光透過部１２よりも厚く構成され、また、レンズ面１２ａ側において光透過部１２に向けて厚さが次第に薄くなるように傾斜した傾斜部１３ａを備える。

光透過部１２はレンズ面１２ａと反対側にほぼ平坦な平坦面１２ｂを有し、レンズ部１１は、レンズ面１２ａと反対側では、光透過部１２及びリブ部１３を含めてほぼフラットに構成されている。

上述のように、図５のレンズ素子１０は、厚く構成されたリブ部１３が傾斜部１３ａによりレンズ面１２ａ側で厚さが次第に薄く構成される一方、レンズ面１２ａの反対側はほぼフラットに構成されるので、光軸に直交する主線方向に関して非対称な形状で片平レンズ状となっている。

レンズ部１１を構成する環状オレフィンポリマー樹脂及び保持部材１５を構成する鉄鋼材料の物性値の例を次の表１に示す。

図５のレンズ素子１０によれば、レンズ素子１０の環境温度が上昇したとき、レンズ部１１がその外周に向けて膨張しようとするが、保持部材１５はレンズ部１１の外周に位置し、レンズ部１１よりも線膨張係数が小さいため両者の線膨張係数差に対応してレンズ部１１の外周への膨張を制限する結果、レンズ部１１の外周への膨張がレンズ部１１の主線を移動させようとする動きに変換される。レンズ素子１０は、図５のように主線方向に非対称となっているため、レンズ部１１の主線の位置は、図５の右方のフラット面側に移動する。

以上のようにして、図５のレンズ素子１０では、環境温度が上昇したとき、レンズ部１１と保持部材１５との線膨張係数差によって外部の温度変化に応じてレンズ部１１の主線の位置が図の右方に変化する。このようにして、温度上昇による樹脂の屈折率変化により、レンズ部１１のレンズ面１２ａによる焦点距離が長く変化しても、その変化量を補償できる。

〈第２のレンズ素子〉

次に、第２のレンズ素子２０について説明する。図６の第２のレンズ素子２０は、樹脂からなるレンズ部２１と、レンズ部２１をその外周面２１ａで保持固定する図５と同様の保持部材２５と、を備える。レンズ部２１は保持部材２５の内周面で接着剤により堅く保持され固定されている。

レンズ部２１は、保持部材２５により保持固定されるように配置されたリブ部２３と、リブ部２３よりも内周側に配置され両側にレンズ面２２ａと２２ｂを有する光透過部２２と、を備える。

リブ部２３は、レンズ面２２ａ，２２ｂを除いた光透過部２２よりも厚く構成され、また、両側において光透過部２２に向けて厚さが次第に薄くなるように傾斜した傾斜部２３ａ，２３ｂを備える。

光透過部２２のレンズ面２２ｂは反対側のレンズ面２２ａよりも曲率半径が大きく構成されている。このように、図６のレンズ素子２０は、曲率半径が比較的大きいレンズ面２２ｂと小さいレンズ面２２ａとを光透過部２２に有するので、光軸に直交する主線方向に関して非対称な形状となっている。レンズ部２１及び保持部材２５は表１と同一の各材料で構成できる。

図６のレンズ素子２０によれば、温度の上昇により、レンズ部２１と保持部材２５との線膨張係数差によって外部の温度変化に応じて、レンズ部２１では、レンズ部２１の主線が曲率半径の大きいレンズ面２２ｂに向けて図６の右方に移動する。このようにして、温度上昇による樹脂の屈折率変化により、レンズ部２１のレンズ面２２ａ、２２ｂによる焦点距離が長く変化しても、その変化量を補償できる。また、このとき、主線の移動とともにレンズ面２２ｂ全体がしなるように変形するが、レンズ面２２ｂはもともと曲率が大きいため、焦点距離の変化に与える影響は小さい。

〈第３のレンズ素子〉

次に、第３のレンズ素子３０について説明する。図７の第３のレンズ素子３０は、図５のレンズ素子１０と基本的に同様の構成であり、樹脂からなるレンズ部３１と、レンズ部３１をその外周面３１ａで保持固定し樹脂よりも線膨張係数が低い例えば鉄鋼材料やセラミックスからリング状に構成された保持部材３５と、を備える。レンズ部３１は保持部材３５の内周面で接着剤により堅く保持され固定されている。レンズ部３１及び保持部材３５は表１と同一の各材料で構成できる。

レンズ部３１は、基本的に図５のレンズ部１１と同様の構成であり、レンズ面３２ａを含む光透過部３２と、傾斜面３３ａをレンズ面３２ａ側に有するリブ部３３と、を備える。レンズ部３１の外周面３１ａが光軸方向に対し傾斜しており、この傾斜した外周面３１ａに対応して保持部材３５の内周面も傾斜している。即ち、リブ部３３の外周面（外周面３１ａに相当）がフラット面側（主線を移動したい側で図７の右方）における径が反対側の径よりも大きくなるように傾斜している。リブ部３３は、傾斜面３３ａ，３１ａによりレンズ面３２ａ側に山形形状になっている。

図７のレンズ素子３０によれば、環境温度が上昇したとき、レンズ部３１と保持部材３５との線膨張係数差によって外部の温度変化に応じてレンズ部３１の主線の位置が図の右方に変化するが、リブ部３３の傾斜構造により図５の場合よりも主線の移動量を大きくできる。このようにして、温度上昇による樹脂の屈折率変化により、レンズ部３１のレンズ面３２ａによる焦点距離が長く変化しても、その変化量を補償できる。

〈第４のレンズ素子〉

次に、第４のレンズ素子４０について説明する。図８の第４のレンズ素子４０は、図７の構成に図６の曲率の大きいレンズ面を組み合わせたものであり、樹脂からなるレンズ部４１と、レンズ部４１をその外周面４１ａで保持固定し樹脂よりも線膨張係数が低い例えば鉄鋼材料やセラミックスからリング状に構成された保持部材４５と、を備える。レンズ部４１は保持部材４５の内周面で接着剤により堅く保持され固定されている。レンズ部４１及び保持部材４５は表１と同一の各材料で構成できる。

レンズ部４１は、レンズ面４２ａとレンズ面４２ａよりも曲率半径の大きいレンズ面４２ｂを含む光透過部４２と、傾斜面４３ａをレンズ面４２ａ側に有するリブ部４３と、を備える。レンズ部４１の外周面４１ａが光軸方向に対し傾斜しており、この傾斜した外周面４１ａに対応して保持部材４５の内周面も傾斜している。即ち、リブ部４３の外周面（外周面４１ａに相当）がレンズ面４２ｂ側（主線を移動したい側で図８の右方）における径が反対側の径よりも大きくなるように傾斜している。リブ部４３は、傾斜面４３ａ，４１ａによりレンズ面４２ａ側に山形形状になっている。

図８のレンズ素子４０によれば、環境温度が上昇したとき、レンズ部３１と保持部材３５との線膨張係数差によって外部の温度変化に応じてレンズ部３１の主線の位置が図の右方に変化するが、リブ部４３の傾斜構造により図６の場合よりも主線の移動量を大きくできる。このようにして、温度上昇による樹脂の屈折率変化により、レンズ部４１のレンズ面４２ａ、４２ｂによる焦点距離が長く変化しても、その変化量を補償できる。

また、図８のレンズ素子４０では、図７のレンズ素子３０に比べて、主線の移動側が片平形状ではなく、曲率半径の大きいレンズ面４２ｂによる局面であるので、しなりによる曲率半径の変化が焦点距離の変化に影響し難くなる。

〈第５のレンズ素子〉

次に、第５のレンズ素子５０について説明する。図９の第５のレンズ素子５０は、リブ部５３の長さを主線の前後（光軸と直交する面の前後）で変えることで、温度上昇によるレンズのしなり量の左右のバランスを崩すことにより、主線の動く量を適正化したものである。

レンズ素子５０は、樹脂からなるレンズ部５１と、レンズ部５１をその外周面５１ａで保持固定し樹脂よりも線膨張係数が低い例えば鉄鋼材料やセラミックスからリング状に構成された保持部材５５と、を備える。レンズ部５１は保持部材５５の内周面で接着剤により堅く保持され固定されている。レンズ部５１及び保持部材５５は表１と同一の各材料で構成できる。

レンズ部５１は、レンズ面５２ａとレンズ面５２ａよりも曲率半径の大きいレンズ面５２ｂを含む光透過部５２と、両側に傾斜面５３ａ，５３ｂに有するリブ部５３と、を備える。

リブ部５３は、曲率半径の大きいレンズ面５２ｂ側に長さの長い突き出し部５３ｄと、曲率半径の小さいレンズ面５２ａ側に長さの短い突き出し部５３ｃと、を有する。

図９のレンズ素子５０によれば、環境温度が上昇したとき、レンズ部５１と保持部材５５との線膨張係数差によって外部の温度変化に応じてレンズ部５１の主線の位置が図の右方に変化するが、リブ部５３の長さが突き出し部５３ｄで長いので、図８でリブ部４３の径を大きくしたのと同じように、レンズ部５１の左右で外周距離が異なることにより線膨張の量が相違し、この相違によりレンズ部５１にしなりが出て主線の移動がなされる。そのため、この量を適当に選ぶことにより適当な移動距離を選択できる。このようにして、温度上昇による樹脂の屈折率変化により、レンズ部５１のレンズ面５２ａ、５２ｂによる焦点距離が長く変化しても、その変化量を補償できる。

〈第６のレンズ素子〉

次に、第６のレンズ素子６０について説明する。図１０の第６のレンズ素子６０は、樹脂からなるレンズ部６１と、レンズ部６１をその外周面６１ａで保持固定する図５と同様の保持部材３５と、を備える。レンズ部６１は保持部材６５の内周面で接着剤により堅く保持され固定されている。レンズ部６１及び保持部材６５は表１と同一の各材料で構成できる。

レンズ部６１は、保持部材６５により保持固定されるように配置され厚さが比較的厚く傾斜面６３ａをレンズ面６２ａ側に有するリブ部６３と、リブ部６３よりも内周側に配置されレンズ面６２ａを含む光透過部６２と、リブ部６３と光透過部６２との間に配置されたアーム部６４と、を備える。光透過部６２のレンズ面６２ａの反対側はほぼフラットな平坦面６２ｂになっている。

アーム部６４は光軸と直交する方向に対し傾斜角θで若干傾斜することで、レンズ部６１は、光透過部６２の平坦面６２ｂ側に凸となって、全体として略弓形状に構成されている。なお、傾斜角θは、１０乃至４０度の範囲が好ましく、１４乃至３５度の範囲が更に好ましい。

図１０のレンズ素子６０によれば、環境温度が上昇したとき、レンズ部６１と保持部材６５との線膨張係数差によって外部の温度変化に応じてレンズ部６１の主線の位置が図の右方に変化するが、リブ部６３と光透過部６２との間の傾斜したアーム部６４により主線の移動量を大きくできるとともに、光透過部６２の平坦面６２ｂ側における変形を低く抑えることができる。このようにして、温度上昇による樹脂の屈折率変化により、レンズ部６１のレンズ面６２ａによる焦点距離が長く変化しても、その変化量を補償できる。

〈第７のレンズ素子〉

次に、第７のレンズ素子７０について説明する。図１１の第７のレンズ素子７０は、保持部材７５がレンズ部７１の主線の移動方向と反対側でリブ部７３を囲むようなリング形状に構成されたものである。

第７のレンズ素子７０は、樹脂からなるレンズ部７１と、レンズ部７１を保持固定し樹脂よりも線膨張係数が低い例えば鉄鋼材料やセラミックスからリング状に構成された保持部材７５と、を備える。レンズ部７１は保持部材７５の内周面で接着剤により堅く保持され固定されている。レンズ部７１及び保持部材７５は表１と同一の各材料で構成できる。

レンズ部７１は、保持部材７５により保持固定されるように配置され厚さが比較的厚くかつ主線方向に延びた保持側面７３ａをレンズ面７２ａ側に有するリブ部７３と、リブ部７３よりも内周側に配置されレンズ面７２ａを含む光透過部７２と、リブ部７３と光透過部７２との間に配置されたアーム部７４と、を備える。光透過部７２のレンズ面７２ａの反対側はほぼフラットな平坦面７２ｂになっている。

保持部材７５はリブ部７３の保持側面７３ａを保持するように光軸に向けて突き出した突き出し部７５ａを有し、レンズ部７１を外周面７１ａ及び保持側面７３ａで保持固定する。

アーム部７４は光軸と直交する方向に対し図１０と同様に若干傾斜することで、レンズ部７１は、光透過部７２の平坦面７２ｂ側に凸となって、全体として略弓形状に構成されている。

図１１のレンズ素子７０によれば、環境温度が上昇したとき、レンズ部７１と保持部材７５との線膨張係数差によって外部の温度変化に応じてレンズ部７１の主線の位置が図の右方に変化するが、保持部材７５の突き出し部７５ａによりリブ部７３の保持側面７３ａにおける主線の移動方向の反対方向における熱膨張を制限するので、傾斜したアーム部７４による効果と相俟って、主線の移動量を大きくできる。このようにして、温度上昇による樹脂の屈折率変化により、レンズ部７１のレンズ面７２ａによる焦点距離が長く変化しても、その変化量を補償できる。

〈第８のレンズ素子〉

次に、第８のレンズ素子８０について説明する。図１２の第８のレンズ素子８０は、図１０のレンズ部のアーム部の傾斜角を大きくし保持部材を図１１の形状と同様に構成したものである。

第８のレンズ素子７０は、樹脂からなるレンズ部８１と、レンズ部８１を保持固定し図１１と同様に構成された保持部材８５と、を備える。レンズ部８１は保持部材８５の内周面で接着剤により堅く保持され固定されている。レンズ部８１及び保持部材８５は表１と同一の各材料で構成できる。

レンズ部８１は、保持部材８５により保持固定されるように配置され厚さが比較的厚くかつ主線方向に延びた保持側面８３ａをレンズ面８２ａ側に有するリブ部８３と、リブ部８３よりも内周側に配置されレンズ面８２ａを含む光透過部８２と、リブ部８３と光透過部８２との間に配置されたアーム部８４と、を備える。光透過部８２のレンズ面８２ａの反対側はほぼフラットな平坦面８２ｂになっている。リブ部８３は光軸と平行方向にアーム部８４の厚さよりもかなり厚くなっている。

保持部材８５はリブ部８３の保持側面８３ａを保持するように光軸に向けて突き出した突き出し部８５ａを有し、レンズ部８１を外周面８１ａ及び保持側面８８３ａで保持固定する。

アーム部８４は光軸と直交する方向に対し傾斜角θ’で傾斜しており、レンズ部８１は、光透過部８２の平坦面８２ｂ側に凸となって、全体として略弓形状に構成されている。傾斜角θ’は１０乃至４０度の範囲が好ましく、１４乃至３５度の範囲が更に好ましい。

図１２のレンズ素子８０によれば、環境温度が上昇したとき、レンズ部８１と保持部材８５との線膨張係数差によって外部の温度変化に応じてレンズ部８１の主線の位置が図の右方に変化するが、保持部材８５の突き出し部８５ａによりリブ部８３の保持側面８３ａにおける主線の移動方向の反対方向における熱膨張を制限するので、傾斜角θ’が比較的大きいアーム部８４による効果と相俟って、主線の移動量を大きくできる。このようにして、温度上昇による樹脂の屈折率変化により、レンズ部８１のレンズ面８２ａによる焦点距離が長く変化しても、その変化量を補償できる。

〈応用例〉

次に、上述のレンズ素子を用いた光通信モジュールに適用した例について図１３を参照して説明する。図１３は本実施の形態のレンズ素子を用いた光通信モジュールの例を概略的に示す図である。

図１３の光通信モジュールは、レーザ光源１０１から出射したレーザ光がレンズ素子１００により光ファイバ１０２の入射面１０３に集光させ、光信号を光ファイバ１０２を通して外部に送信するように構成され、筐体１０４内にレーザ光源１０１、レンズ素子１００及び光ファイバ１０２の入射面１０３側が固定して配置されている。レンズ素子１００は図５乃至図１２のいずれかのレンズ素子であってよい。

従来の光通信モジュールでは使用環境温度が上昇したとき、樹脂からなるレンズの屈折率が低下し、焦点距離が長くなり、焦点位置がずれる結果、光ファイバの入射面において結合効率が低下してしまったのであるが、図１３の光通信モジュールによれば、温度上昇に伴い、レンズ素子１００の主線の位置が光ファイバ１０２側に移動する結果、焦点距離の温度変化を補償でき、焦点位置のずれを抑えることができ、結合効率の低下を防止できる。

次に、本発明を実施例１乃至７により更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

実施例１乃至７は、上述の図５乃至図１０，図１２にそれぞれ対応するレンズ素子であり、それらの具体的な寸法等を図１４乃至図２０に示す。各実施例１〜７において、環境温度を２０℃から８０℃に比較的緩やかに上昇させたとき（温度変動ΔＴ＝６０℃）、各レンズ素子の主線移動量を測定した結果を下に示す。なお、必要とされる主線移動量は、図２，図３において倍率５倍として、１８．４μｍ（ΔＴ＝６０℃）である。

実施例１（図１４）：２．８５μｍ
実施例２（図１５）：１．８５μｍ
実施例３（図１６）：４．１７μｍ
実施例４（図１７）：７．４２μｍ
実施例５（図１８）：９．４５μｍ
実施例６（図１９）：１４．２μｍ
実施例７（図２０）：１８．４μｍ

上記結果から、実施例４〜７が必要な主線移動量について比較的良好な結果が得られた。

以上のように本発明を実施するための最良の形態及び実施例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。例えば、レンズは保持部材に接着により固定されているが、本発明はこれに限定されず、他の固定方法を用いてもよく、例えば、レンズを保持部材の内周に圧入するようにしてもよい。また、超音波溶着を用いることもできる。

また、保持部材を構成する材料として、鉄鋼やセラミックスがあるが、使用する樹脂よりも線膨張係数が小さければ、他の材料であってもよいことは勿論であり、例えば、線膨張係数が鉄鋼と同程度のガラスフェラ混合の液晶ポリマ（例えば、新日本石油化学株式会社製の「ザイダー」）等であってもよい。また、温度上昇により収縮するような特殊材料（例えば、日本板硝子株式会社製のマイナス膨張セラミックス「ＣＥＲＳＡＴ」）であってもよい。

また、本発明によるレンズ素子は、光通信モジュール以外の機器・装置にも応用可能であって、例えば、光記録媒体に対し記録・再生を行うための光ピックアップ装置等に適用可能である。

樹脂の屈折率変化と周囲温度変化の関係を示す図である。 本実施の形態を説明するためのレンズを含む光学系の光路図である。 図２の光学系でＬを一定（１０ｍｍ）にしたときのレンズの温度変化による焦点距離の変動量及びレンズの変位必要量を示す図である。 図２のレンズの温度変化による焦点距離の変化量を示す図である。 本実施の形態による第１のレンズ素子を概略的に示す側面図である。 本実施の形態による第２のレンズ素子を概略的に示す側面図である。 本実施の形態による第３のレンズ素子を概略的に示す側面図である。 本実施の形態による第４のレンズ素子を概略的に示す側面図である。 本実施の形態による第５のレンズ素子を概略的に示す側面図である。 本実施の形態による第６のレンズ素子を概略的に示す側面図である。 本実施の形態による第７のレンズ素子を概略的に示す側面図である。 本実施の形態による第８のレンズ素子を概略的に示す側面図である。 本実施の形態のレンズ素子を用いた光通信モジュールの例を概略的に示す図である。 実施例１のレンズ素子を示す図である。 実施例２のレンズ素子を示す図である。 実施例３のレンズ素子を示す図である。 実施例４のレンズ素子を示す図である。 実施例５のレンズ素子を示す図である。 実施例６のレンズ素子を示す図である。 実施例７のレンズ素子を示す図である。

符号の説明

１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０ レンズ素子
１１，２１，３１，４１，５１，６１，７１，８１ レンズ部
１１ａ，２１ａ，３１ａ，４１ａ，５１ａ，６１ａ，７１ａ，８１ａ 外周面
１２，２２，３２，４２，５２，６２，７２，８２ 光透過部
１３，２３，３３，４３，５３，６３，７３，８３ リブ部
１５，２５，３５，４５，５５，６５，７５，８５ 保持部材
６４，７４，８４ アーム部
１００ レンズ素子
１０１ レーザ光源
１０２ 光ファイバ
１０３ 入射面
１０４ 筐体
ｆ 焦点距離
ｍ 倍率

Claims (18)

1. 樹脂からなるレンズ部と、前記レンズ部をその外周のほぼ全面で保持固定し前記樹脂よりも線膨張係数が低い保持部材と、を備え、
   前記レンズ部と前記保持部材との線膨張係数差によって外部の温度変化に応じて前記レンズ部の主線の位置を変化させることを特徴とするレンズ素子。
2. 前記レンズ部が前記主線に関し非対称形状に構成されていることを特徴とする請求項１に記載のレンズ素子。
3. 前記レンズ部が前記主線に関し略弓形状に構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のレンズ素子。
4. 前記レンズ部は、前記保持部材により保持固定される外周側に配置されたリブ部と、前記リブ部よりも内周側に配置されレンズ面を含む光透過部と、を備えることを特徴とする請求項１，２または３に記載のレンズ素子。
5. 前記リブ部は、前記レンズ面を除いた前記光透過部よりも厚く構成されていることを特徴とする請求項４に記載のレンズ素子。
6. 前記リブ部は、前記光透過部に向けて厚さが次第に薄くなるように傾斜した傾斜部を備えることを特徴とする請求項４に記載のレンズ素子。
7. 前記レンズ面は前記主線の位置が変化する反対側に設けられ、
   前記主線の位置が変化する側は前記光透過部及び前記リブ部を含めてほぼフラットに構成されていることを特徴とする請求項４，５または６に記載のレンズ素子。
8. 光軸と直交する方向から前記主線の位置が変化する反対側に傾斜したアーム部を前記リブ部と前記光透過部との間に設けることを特徴とする請求項４，５または６に記載のレンズ素子。
9. 前記レンズ面を前記主線の位置が変化する反対側に設けることを特徴とする請求項４乃至８のいずれか１項に記載のレンズ素子。
10. 前記レンズ面は、前記主線の位置が変化する側に設けられた曲率半径の大きいレンズ面と、前記主線の位置が変化する反対側に設けられた曲率半径の小さいレンズ面と、を有することを特徴とする請求項４乃至９のいずれか１項に記載のレンズ素子。
11. 前記リブ部は、前記主線の位置が変化する側が前記主線の位置が変化する反対側よりも光軸方向に関し長く突き出すように構成されていることを特徴とする請求項４乃至１０のいずれか１項に記載のレンズ素子。
12. 前記保持部材により保持固定される前記リブ部の外周面は、前記主線の位置が変化する側の径が反対側よりも大きくなるように傾斜していることを特徴とする請求項４乃至１１のいずれか１項に記載のレンズ素子。
13. 前記リブ部は、その外周面及び前記主線の位置が変化する反対側の側面が前記保持部材により保持固定されることを特徴とする請求項４乃至１２のいずれか１項に記載のレンズ素子。
14. 樹脂からなるレンズ部と、前記レンズ部をその外周のほぼ全面で保持固定し前記樹脂よりも線膨張係数が低い保持部材と、を備え、
    前記レンズ部は、前記保持部材により保持固定される外周側に配置され厚さが比較的厚いリブ部と、前記リブ部よりも内周側に配置されレンズ面を含む光透過部と、前記リブ部と前記光透過部との間に配置されたアーム部と、を備え、
    前記レンズ部は前記アーム部が光軸と直交する方向に対し傾斜することで全体として略弓形状に構成され、
    前記レンズ部と前記保持部材との線膨張係数差によって外部の温度変化に応じて前記光透過部における前記レンズの主線の位置を前記略弓形状の凸側に変化させることを特徴とするレンズ素子。
15. 前記レンズ面は前記主線の位置が変化する反対側に設けられていることを特徴とする請求項１４に記載のレンズ素子。
16. 前記リブ部は、その外周面及び前記主線の位置が変化する反対側の側面が前記保持部材により保持固定されることを特徴とする請求項１４または１５に記載のレンズ素子。
17. 前記レンズ部は前記保持部材に接着または圧入により保持固定されていることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載のレンズ素子。
18. 前記レンズ部は前記保持部材に超音波溶着により保持固定されていることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載のレンズ素子。
    
    

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