JP2016173522A - Lens and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、コーティング膜を有するレンズ、およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a lens having a coating film and a manufacturing method thereof.
従来より、レンズを用いた光学系では、光利用効率を高めるため、レンズの表面に反射防止膜（コーティング膜）を設けることが行われている。反射防止膜は、例えば、フッ化マグネシウム、酸化ジルコニウム等である。 Conventionally, in an optical system using a lens, an antireflection film (coating film) is provided on the surface of the lens in order to increase the light utilization efficiency. Examples of the antireflection film include magnesium fluoride and zirconium oxide.
一方、例えば自動車のヘッドランプに用いられるレンズには、軽量化のために樹脂レンズが用いられるケースが増えている。 On the other hand, for example, in a lens used for a headlamp of an automobile, a case where a resin lens is used to reduce the weight is increasing.
しかしながら、上記の反射防止膜は無機材料であり、樹脂レンズよりも線膨張係数が非常に小さい。そのため、高温環境では樹脂レンズが大きく伸びる一方、その表面の反射防止膜の伸びは小さい。反射防止膜の厚さは薄いため、ランダムなパターンでクラックが発生する。このように反射防止膜にランダムなパターンでクラックが発生すると、以下のような問題が発生する。 However, the antireflection film is an inorganic material and has a linear expansion coefficient much smaller than that of a resin lens. For this reason, the resin lens greatly expands in a high temperature environment, while the antireflection film on the surface has a small elongation. Since the antireflection film is thin, cracks occur in a random pattern. When cracks occur in a random pattern in the antireflection film as described above, the following problems occur.
一つ目は、ランダムなパターンのクラックによって、レンズの外観が意図しないものに変化することである。すなわち、自動車のヘッドランプに用いられるレンズのように、使用者等が視認できるレンズの場合、レンズの外観はデザイン上非常に重要な要素であるが、ランダムなパターンのクラックが発生すると、レンズの外観が意図しない外観に変化する可能性がある。 The first is that the appearance of the lens changes to an unintended one due to random pattern cracks. That is, in the case of a lens that can be visually recognized by a user, such as a lens used in a headlamp of an automobile, the appearance of the lens is a very important element in design, but when a crack in a random pattern occurs, The appearance may change to an unintended appearance.
二つ目は、ランダムなパターンのクラックによって、意図しない光の拡散が発生し、本来の光学系の特性が得られず、光の利用効率が低下する原因となることである。 Second, unintended diffusion of light occurs due to random pattern cracks, the original optical system characteristics cannot be obtained, and light utilization efficiency is reduced.
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、レンズの表面におけるランダムなクラックの発生を抑制することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to suppress the occurrence of random cracks on the surface of a lens.
この課題を解決するために、本発明のレンズは、レンズ基材と、レンズ基材の表面に形成されたコーティング膜と、コーティング膜におけるクラックの発生を制御するクラック制御構造とを備える。 In order to solve this problem, the lens of the present invention includes a lens base material, a coating film formed on the surface of the lens base material, and a crack control structure that controls generation of cracks in the coating film.
また、本発明のレンズの製造方法は、レンズ基材を成形する工程と、レンズ基材の表面にコーティング膜を形成する工程と、コーティング膜におけるクラックの発生を制御するクラック制御構造を形成する工程とを有する。 The lens manufacturing method of the present invention includes a step of forming a lens substrate, a step of forming a coating film on the surface of the lens substrate, and a step of forming a crack control structure for controlling the occurrence of cracks in the coating film. And have.
本発明のレンズによれば、クラック制御構造により、所望のパターンに沿ってクラックを発生させ、ランダムなクラックの発生を抑制することができる。 According to the lens of the present invention, the crack control structure can generate a crack along a desired pattern and suppress the occurrence of a random crack.
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１のレンズ１について説明する。図１（Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態１のレンズ１（図２）を構成するレンズ基材１０を示す側断面図および正面図である。レンズ基材１０は樹脂で構成されている。樹脂は、ポリカーボネートまたはアクリル等の一般的な透明樹脂であればよい。図１（Ａ）に示すように、レンズ基材１０は、凸面である表面１１を有している。なお、表面１１は凸面に限らず、凹面であってもよい。図１に示す符号Ａは、レンズ光軸である。
Hereinafter, the
レンズ基材１０の表面１１には、クラック制御構造２０が設けられている。このクラック制御構造２０は、レンズ基材１０の表面に形成されるコーティング膜３０（図２）におけるクラックの発生を制御するためのものである。
A
クラック制御構造２０は、レンズ基材１０の表面に形成された溝部２１で構成されている。クラック制御構造２０を構成する溝部２１は、レンズ光軸Ａの方向に見て、図１（Ｂ）に示すように格子状（網の目状）のパターンをなすように形成されている。なお、図１（Ｂ）では、溝部２１の形成パターンを分かり易く示すため、便宜上、溝部２１を黒い帯のように図示している。
The
図２は、溝部２１が形成されたレンズ基材１０に、反射防止膜であるコーティング膜３０を形成してなるレンズ１を示す図を示す。コーティング膜３０は、例えば、フッ化マグネシウム等で形成されている。コーティング膜３０の厚さは、レンズ１が透過する光の波長と同じオーダーである。なお、コーティング膜３０は、反射防止膜に限定されるものではなく、他の用途であってもよい。コーティング膜３０は、溝部２１が形成されたレンズ基材１０の表面１１に、例えば蒸着によって形成される。
FIG. 2 is a diagram showing a
図３（Ａ）および（Ｂ）は、レンズ１が高温環境に置かれた状態を示す側断面図および正面図である。レンズ１が例えば自動車のヘッドランプ用のレンズとして使用される場合には、ヘッドランプの熱により加熱される。そのような高温環境では、樹脂で形成されたレンズ基材１０は大きく伸びる一方、無機材料で形成されたコーティング膜３０の伸びは小さいため、コーティング膜３０に大きな引張応力が作用する。
3A and 3B are a side sectional view and a front view showing a state in which the
コーティング膜３０のうち、溝部２１に形成された部分には、溝部２１以外の領域に形成された部分よりも大きな引張応力が作用する。そのため、図３（Ａ）に示すように、溝部２１に沿ってクラックＣが発生する。すなわち、図３（Ｂ）に示すように、溝部２１のパターン（ここでは格子状のパターン）に沿ったクラックＣが形成される。
In the
なお、図３（Ａ）では、溝部２１内に付着したコーティング膜３０が全て剥がれているように示しているが、実際には、応力が最も集中した部分（形状の変化が最も大きい部分）にひび状のクラックが発生する。
In FIG. 3A, the
この点についてさらに説明する。コーティング膜３０に作用する引張応力は、レンズ基材１０の伸び量とコーティング膜３０の伸び量との差が大きいほど大きい。レンズ基材１０の伸び量とコーティング膜３０の伸び量との差は、レンズ基材１０の線膨張係数α１とコーティング膜３０の線膨張係数α２の差に、コーティング膜３０の初期状態（常温環境）の寸法Ｌを乗算したものである。そのため、コーティング膜３０に作用する引張応力σと、コーティング膜３０の初期状態の寸法Ｌと、レンズ基材１０の線膨張係数α１と、コーティング膜３０の線膨張係数α２との間には、以下の式（１）が成立する。
σ∝Ｌ×（α１−α２） … （１）
This point will be further described. The tensile stress acting on the
σ∝L × (α1-α2) (1)
この引張応力σが閾値を超えると、コーティング膜３０にクラックが発生する。言い換えると、引張応力σが閾値を超えない（すなわちクラックを発生させない）範囲で、寸法Ｌの上限値が存在する。本実施の形態では、コーティング膜３０においてクラックが発生しない領域の最大寸法（すなわち、図１（Ｂ）に示したクラック制御構造２０の格子状パターンの対角寸法ｄ）を、上述した寸法Ｌの上限値以下に設定する。このように設定すれば、溝部２１に沿ってのみクラックを発生させ、溝部２１以外ではクラックを発生させないようにすることができる。
When this tensile stress σ exceeds a threshold value, a crack occurs in the
このように、本実施の形態では、高温環境でコーティング膜３０にクラックＣが発生する際に、ランダムにクラックＣを発生させるのではなく、クラック制御構造２０（溝部２１）に沿ってクラックＣを発生させる。言い換えると、予め決められた位置にクラックＣを発生させる。
As described above, in the present embodiment, when the crack C is generated in the
そのため、クラック制御構造２０（溝部２１）を、レンズ１の外観上のデザインを考慮したパターンで形成すれば、そのパターンに沿ってクラックＣが発生するため、ランダムなクラックの発生によって意図しない外観が生じることがない。すなわち、レンズ１の外観が意図しない外観に変化することを防止することができる。
Therefore, if the crack control structure 20 (groove portion 21) is formed in a pattern that takes into consideration the design on the appearance of the
また、コーティング膜３０のクラックでは光の拡散が発生するため、ランダムにクラックが発生すると、意図しない光の拡散が発生し、光量損失が生じる可能性がある。しかしながら、本実施の形態では、クラック制御構造２０のパターンに沿ってクラックが発生するため、クラックでの光の拡散を予め考慮に入れて光学系を設計することができる。そのため、光量損失を抑えて光の利用効率を向上することができる。
In addition, since light diffusion occurs in the cracks in the
また、クラック制御構造２０のパターンに沿って（すなわち予め決められた位置で）クラックが発生するため、クラックで生じる光の拡散を利用して一定の作用効果を得る（例えば、レンズで生じる収差をぼかす等）といった活用も可能になる。 In addition, since a crack is generated along the pattern of the crack control structure 20 (that is, at a predetermined position), a certain effect is obtained by utilizing the diffusion of light generated by the crack (for example, the aberration generated in the lens is reduced). Such as blurring).
なお、本実施の形態ではレンズ基材１０に溝部２１を形成するため、この溝部２１において、溝部２１が形成されていない領域とは異なる光の屈折および拡散が生じる。そのため、コーティング膜３０のクラックでの光の拡散に加えて、レンズ基材１０の溝部２１での光の屈折および拡散を考慮して、光学系を設計する。
In this embodiment, since the
図４（Ａ）は、レンズ１の製造方法の一例を示す流れ図である。この例では、まず、レンズ基材１０を、例えば金型を用いた樹脂成形によって成形し（ステップＳ１０１）、得られたレンズ基材１０の表面１１を切削加工することにより溝部２１（クラック制御構造２０）を形成する（ステップＳ１０２）。その後、溝部２１が形成されたレンズ基材１０の表面１１に、コーティング膜３０を蒸着により形成する（ステップＳ１０３）。これにより、図２に示したレンズ１が得られる。
FIG. 4A is a flowchart illustrating an example of a method for manufacturing the
また、図４（Ｂ）は、レンズ１の製造方法の他の例を示す流れ図である。この例では、レンズ基材１０を金型を用いて樹脂成形する際に、溝部２１（クラック制御構造２０）をレンズ基材１０と一体に形成する（ステップＳ１１１）。その後、溝部２１が形成されたレンズ基材１０の表面１１に、コーティング膜３０を蒸着により形成する（ステップＳ１１２）。
FIG. 4B is a flowchart showing another example of the manufacturing method of the
変形例．
図５（Ａ）は、本実施の形態の第１の変形例におけるクラック制御構造２０を示す正面図である。この第１の変形例のクラック制御構造２０は、レンズ基材１０の表面１１に、同心円状のパターンに沿って溝部２２を形成したものである。溝部２２の形成パターンは、レンズ中心に対して等間隔に配置されて半径方向に伸びる８本の直線と、レンズ中心に対して同心状に配置された半径の異なる３つの円とを有しているが、このようなパターンに限定されるものではない。
Modified example.
FIG. 5A is a front view showing a
図５（Ｂ）は、溝部２２（クラック制御構造２０）を形成したレンズ基材１０の表面１１にコーティング膜３０を形成した状態を示す正面図である。この第１の変形例では、高温環境において、コーティング膜３０に、溝部２２（クラック制御構造２０）に沿ってクラックＣが発生する。すなわち、同心円状のパターンに沿ってクラックＣが発生する。
FIG. 5B is a front view showing a state in which the
図６（Ａ）は、本実施の形態の第２の変形例におけるクラック制御構造２０を示す正面図である。この第２の変形例のクラック制御構造２０は、レンズ基材１０の表面１１に、放射状（より具体的には、蜘蛛の巣状）のパターンに沿って溝部２３を形成したものである。溝部２３の形成パターンは、レンズ中心に対して等間隔に配置されて半径方向に伸びる１２本の直線と、レンズ中心に対して同心状に配置された３つの正六角形とを有しているが、このようなパターンに限定されるものではない。
FIG. 6A is a front view showing a
図６（Ｂ）は、溝部２３（クラック制御構造２０）を形成したレンズ基材１０の表面１１にコーティング膜３０を形成した状態を示す正面図である。この第２の変形例では、高温環境において、コーティング膜３０に、溝部２３（クラック制御構造２０）に沿ってクラックＣが発生する。すなわち、放射状（より具体的には、蜘蛛の巣状）のパターンに沿ってクラックＣが発生する。
FIG. 6B is a front view showing a state in which the
このように、クラック制御構造２０のパターンは、良好な外観を呈するように設計者が自由に決定することができる。また、上述した格子状、同心円状および放射状以外のパターンを用いてもよい。
Thus, the pattern of the
図７（Ａ）は、本実施の形態の第３の変形例におけるクラック制御構造２０を備えたレンズ１を示す側断面図である。上述した実施の形態１および第１、第２の変形例では、クラック制御構造２０が溝部２１（２２，２３）で構成されていた。この第３の変形例のクラック制御構造２０は、レンズ基材１０の表面１１に突出形成された凸部（山形形状）２４で構成されている。
FIG. 7A is a side cross-sectional view showing the
凸部２４は、レンズ光軸Ａの方向に見て、例えば、図１（Ｂ）に示した格子状パターンに沿って形成される。凸部２４（クラック制御構造２０）が形成されたレンズ基材１０の表面１１には、コーティング膜３０が蒸着により形成され、レンズ１が得られる。
The
レンズ１が高温環境に置かれると、コーティング膜３０のうち、凸部２４に形成された部分に他の部分よりも大きな引張応力が作用する。そのため、図７（Ｂ）に示すように、凸部２４に沿ってクラックＣが発生する。すなわち、凸部２４のパターン（例えば格子状パターン）に沿ったクラックＣが形成される。
When the
なお、図７（Ｂ）では、凸部２４に付着したコーティング膜３０が剥がれているように示しているが、実際には、応力が最も集中した部分（形状の変化が最も大きい部分）にひび状のクラックが発生する。
In FIG. 7B, the
なお、第３の変形例の凸部２４（クラック制御構造２０）は、図１（Ｂ）に示した格子状パターンに限らず、図５（Ａ）に示した同心円状パターン、または図６（Ａ）に示した放射状パターンに沿って形成してもよい。また、これら以外のパターンに沿って形成してもよい。 In addition, the convex part 24 (crack control structure 20) of a 3rd modification is not restricted to the grid | lattice-like pattern shown to FIG. 1 (B), The concentric pattern shown to FIG. 5 (A), or FIG. You may form along the radial pattern shown to A). Moreover, you may form along patterns other than these.
なお、本実施の形態および各変形例では、クラック制御構造２０を構成する溝部２１（２２，２３）を底の丸い溝部とし、凸部２４を先端の丸い凸部としたが、このような構成に限定されるものではない。例えば、Ｖ字溝のように底の尖った溝部あるいはプリズムのように先端の尖った凸部であってもよい。
In addition, in this Embodiment and each modification, although the groove part 21 (22,23) which comprises the
以上説明したように、本発明の実施の形態１および各変形例では、レンズ１にクラック制御構造２０を設けたため、コーティング膜３０にクラックが発生する際に、ランダムにクラックを発生させるのではなく、所望のパターンに沿ってクラックを発生させることができる。そのため、レンズ１の外観が意図しない外観に変化することを防止することができる。また、ランダムなクラックの発生による意図しない光の拡散を抑制し、光の利用効率を向上することができる。
As described above, in
また、クラック制御構造２０を、レンズ基材１０の表面１１に設けた溝部２１（２２，２３）または凸部２４で構成することにより、簡単な構成で、所望のパターンに沿ってクラックを発生させる機能を実現することができる。
Further, by forming the
また、クラック制御構造２０は、レンズ基材１０の表面１１を加工して形成することができ、あるいは、レンズ基材１０の成形時に一体成形することもできるため、簡単な製造工程でクラック制御構造２０を実現することができる。
Moreover, since the
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。上述した実施の形態１ではレンズ基材１０にクラック制御構造２０を設けたが、この実施の形態２では、コーティング膜３０にクラック制御構造４０を設けている。
Embodiment 2. FIG.
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment described above, the
図８は、実施の形態２におけるレンズ１（レンズ基材１０、コーティング膜３０およびクラック制御構造４０）の構成、およびレンズ基材１０の表面１１にコーティング膜３０およびクラック制御構造４０を形成する工程を示す図である。
FIG. 8 shows the configuration of the lens 1 (
実施の形態２のクラック制御構造４０は、コーティング膜３０に形成された溝部４１で形成されている。この溝部４１は、コーティング膜３０を形成する工程で形成される。すなわち、コーティング膜３０を蒸着によって形成する際に、蒸着材料５０（例えば、フッ化マグネシウム）とレンズ基材１０の表面１１との間にマスク５１を配置する。
The
蒸発した蒸着材料は、レンズ基材１０の表面１１に付着するが、マスク５１の影となった部分には蒸着材料が付着しないか、あるいは付着量が少ない。そのため、レンズ基材１０の表面１１のうち、マスク５１の影となった部分には溝部４１が形成される。
The evaporated vapor deposition material adheres to the
マスク５１の影となった部分に蒸着材料が付着しない場合には、溝部４１は、コーティング膜３０の表裏を貫通する貫通溝となる。一方、マスク５１の影となった部分に蒸着材料が付着し、その付着量が少ない場合には、溝部４１はコーティング膜３０の表裏を貫通しない有底溝（言い換えるとコーティング膜３０の薄肉部）となる。図８に示した溝部４１は、有底溝である。
When the deposition material does not adhere to the shadowed portion of the
クラック制御構造４０は、実施の形態１と同様、例えば格子状パターン（図１（Ｂ））、同心円状パターン（図５（Ａ））または放射状パターン（図６（Ａ））に沿って形成することができる。
As in the first embodiment, the
溝部４１がコーティング膜３０の表裏を貫通する貫通溝である場合には、コーティング膜３０は溝部４１によって最初から分断された状態である。すなわち、溝部４１が形成された時点で、コーティング膜３０にクラックが発生した状態と同じ状態になっている。
When the
一方、溝部４１がコーティング膜３０の表裏を貫通しない有底溝である場合には、コーティング膜３０は溝部４１によって分断されていない。この場合には、高温環境でコーティング膜３０にクラックが発生する。
On the other hand, when the
すなわち、実施の形態１で説明したように、高温環境では、樹脂で形成されたレンズ基材１０は大きく伸びる一方、無機材料で形成されたコーティング膜３０の伸びは小さいため、コーティング膜３０に大きな引張応力が作用する。このとき、コーティング膜３０に溝部４１が存在すると、その溝部４１に応力が集中し、クラックが発生する。そのため、コーティング膜３０には、溝部４１のパターンに沿ったクラックが発生する。
That is, as described in the first embodiment, in a high temperature environment, the
図９は、実施の形態２におけるレンズ１の製造方法を示す流れ図である。図９に示すように、レンズ基材１０を、例えば金型を用いた樹脂成形によって成形したのち（ステップＳ２０１）、得られたレンズ基材１０の表面１１に、コーティング膜３０を蒸着により形成する（ステップＳ２０２）。このとき、図８に示したように、蒸着材料５０とレンズ基材１０の表面１１との間にマスク５１を配置し、マスク５１の影になった部分に溝部４１（貫通溝または有底溝）を形成する。
FIG. 9 is a flowchart showing a method for manufacturing the
以上説明したように、本発明の実施の形態２によれば、レンズ１にクラック制御構造４０を設けたことにより、実施の形態１と同様、所望のパターンに沿ってクラックを発生させ、ランダムなクラックの発生を防止することができる。そのため、レンズ１の外観が意図しない外観に変化することを防止することができる。また、ランダムなクラックの発生による意図しない光の拡散を抑制し、光の利用効率を向上することができる。
As described above, according to the second embodiment of the present invention, the
また、実施の形態１と異なり、クラック制御構造４０がコーティング膜３０に形成した溝部４１で構成されるため、レンズ基材１０に溝部または凸部を形成する必要がない。そのため、レンズ基材１０の溝部または凸部での光の屈折および拡散を考慮する必要がなく、コーティング膜３０に発生したクラックによる光の拡散のみを考慮すれば良い。
Further, unlike the first embodiment, the
上述した各実施の形態および各変形例では、レンズの一面（表面）にクラック制御構造を設けた例について説明したが、レンズの複数の面にクラック制御構造を設けてもよい。また、コーティング膜は、蒸着によって形成されるものに限らず、レンズの面に形成されるものであればよい。 In each of the above-described embodiments and modifications, the example in which the crack control structure is provided on one surface (surface) of the lens has been described. However, the crack control structure may be provided on a plurality of surfaces of the lens. Further, the coating film is not limited to the one formed by vapor deposition, but may be any film formed on the lens surface.
本発明は、例えば、自動車のヘッドランプに用いられるレンズに用いられるが、コーティング膜を有するレンズであれば、どのような用途のレンズに適用してもよい。 The present invention is used for, for example, a lens used for an automobile headlamp, but may be applied to a lens for any application as long as it has a coating film.
１ レンズ、 １０ レンズ基材、 １１ 表面、 ２０，４０ コーティング制御構造、 ２１，２２，２３，４１ 溝、 ２４ 凸部、 ３０ コーティング膜、 ５０ 蒸着材料、 ５１ マスク、 Ａ 光軸、 Ｃ クラック。
DESCRIPTION OF
Claims (16)
前記レンズ基材の表面に形成されたコーティング膜と、
前記コーティング膜におけるクラックの発生を制御するクラック制御構造と
を備えたことを特徴とするレンズ。 A lens substrate;
A coating film formed on the surface of the lens substrate;
A lens comprising: a crack control structure that controls generation of cracks in the coating film.
前記レンズ基材の表面にコーティング膜を形成する工程と、
前記コーティング膜におけるクラックの発生を制御するクラック制御構造を形成する工程と
を有することを特徴とするレンズの製造方法。 Forming a lens substrate;
Forming a coating film on the surface of the lens substrate;
Forming a crack control structure for controlling the generation of cracks in the coating film.
16. The step of forming the crack control structure includes forming the crack control structure so as to form a lattice, concentric, or radial pattern when viewed from the direction of the optical axis of the lens. The method for producing a lens according to any one of the above.
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