JP2023026594A - 光学素子、光学系、および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造時の空気溜りの痕跡が低減されて、高精度で光軸の偏芯を防止できる光学素子を提供する。【解決手段】光学面と、光学面の外周側に位置し、光学素子内部から外部へ向かう法線方向が光軸側を向いているテーパ部と、テーパ部の外周側に位置する側面部とを有し、光軸を含みテーパ部を通る断面において、テーパ部の光軸側の端点から側面部までの、光軸に垂直な直線距離をＡとし、前記直線を基準にしたテーパ部の高さをＢとしたときに、Ｂ／Ａは０．２よりも大きい、光学素子。【選択図】図２

Description

本発明は、光学素子、光学系、および撮像装置に関する。

携帯電話機（スマートフォンを含む。）用や車載用のカメラとして使用されるレンズユニットは、一般に、鏡筒内に複数のレンズ素子が光軸方向に積層されて形成される。各々のレンズ素子の光軸が鏡筒の中心軸から偏芯しないように（光軸がずれないように）レンズユニットを組み立てる必要がある。

特許文献１には、レンズ素子の光軸が偏芯しないようにするために、レンズ素子に設けられたフランジ部と鏡筒側に設けられたフランジ部とをはめ合わせて形成されるレンズユニットが記載されている。具体的には、レンズ素子の周辺部に、テーパ部を有するフランジ部が設けられる。また、鏡筒側に、レンズ素子のフランジ部とはまり合うようなテーパ部を有するフランジ部が設けられる。そして、双方のテーパ部が接するように双方のフランジ部をはめ合うことによって、レンズ素子の光軸を鏡筒の中心軸に一致させる。

特許文献２には、フランジ部を有する光学レンズであって、レンズ面の有効範囲の外側において有効領域（光学面）とフランジ部との間に傾斜部が設けられ、傾斜部における傾斜面が製造時の位置合わせに利用される光学レンズが記載されている。光学レンズの製造時に、レンズ保持部と傾斜面との接触状態に応じてレンズ位置を調整することによって、レンズ成形型の中心軸とレンズの光軸とを合わせる。

特許文献３には、ガラスレンズと他のレンズとが重ね合わされ、それらが鏡筒に収納される光学系が記載されている。ガラスレンズは光学機能部とフランジ部（コバ部）を有し、ガラスレンズにおける周辺部には、光学機能部とフランジ部との間に傾斜部が設けられ、傾斜部におけるテーパ部が製造時の位置合わせに利用される。また、ガラスレンズを成型するときに、成型型内に空隙が生ずることが防止されるとされている。

日本国特許第５２７４８８１号公報 日本国特許第４８７４０８４号公報 日本国特許第６２８０３３７号公報

特許文献２に記載された光学レンズには、素材がガラスである場合、テーパ部を形成するときに十分な形状精度を得るのが難しいという課題がある。樹脂に比べて成形時のガラスの粘度が高く、ガストラップ（空気溜り）が生じやすいからである。

特許文献３に記載されたガラスレンズには、位置合わせのためのテーパ部が形成されているが、テーパ部は、ガラスレンズの内部から外部へ向かう法線が光軸から離れる方向を向くように形成されている。しかし、内部から外部へ向かう法線の方向が光軸の方に向くテーパ部が所望されることもある。特許文献３に記載されたフランジ部の厚さやテーパ部の角度が、内部から外部へ向かう法線の方向が光軸の方に向くテーパ部を形成するときに、どのように適用可能であるのかは定かではない。

本発明は、製造時の空気溜りの痕跡が低減されて、高精度で光軸の偏芯を防止できる光学素子ならびに該光学素子を有する光学系および光学素子を有する撮像装置を提供することを目的とする。

本発明による光学素子は、光学面と、光学面の外周側に位置し、光学素子内部から外部へ向かう法線方向が光軸側を向いているテーパ部と、テーパ部の外周側に位置する側面部とを有し、光軸を含みテーパ部を通る断面において、テーパ部の光軸側の端点から側面部までの、光軸に垂直な直線距離をＡとし、前記直線を基準にしたテーパ部の高さをＢとしたときに、Ｂ／Ａは０．２よりも大きいことを特徴とする。

本発明による光学系は、前記光学素子を有することを特徴とする。

本発明による撮像装置は、前記光学素子を有することを特徴とする。

本発明によれば、製造時の空気溜りの痕跡が低減されて、高精度で光軸の偏芯を防止することが可能になる光学素子が提供される。

図１は、本発明の一実施形態による光学素子を示す断面図である。 図２は、図１における光学素子のフランジ部の部分を拡大して示す断面図である。 図３は、フランジ部の部分を拡大して示す断面図である。 図４は、ガラスレンズの成形の仕方を模式的に示す説明図である。 図５は、成形中のガラスの広がりを有限要素法でシミュレーションした結果を示す説明図である。 図６は、成形中のガラスの広がりを有限要素法でシミュレーションした結果を示す説明図である。 図７は、Ｂ／Ａの値が大きいほど空気溜りの領域が小さくなる理由を説明するための説明図である。 図８は、第１の実施例のガラスレンズの形状を示す説明図である。 図９は、レンズユニットの一例を模式的に示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

実施形態１
図１は、本発明の一実施形態による光学素子を示す断面図である。図２は、図１における光学素子のフランジ部の部分を拡大して示す断面図である。図１および２に例示されたガラスレンズ１０は、光学素子の一例である。

ガラスレンズ１０は、中央部において、凸状の第１の非球面部１１と、第１の非球面部１１に対向する凹状の第２の非球面部１２とを有する。図１において、ガラスレンズ１０の光軸が一点鎖線で示されている。図１には、光軸における第１の非球面部１１の曲率半径が、光軸における第２の非球面部１２の曲率半径よりも小さいガラスレンズ１０が例示されている。なお、図１に例示されているガラスレンズ１０は、メニスカスタイプの凸レンズである。

以下、第１の非球面部１１の側を上部といい、第２の非球面部１２の側を下部ということがある。また、第１の非球面部１１および第２の非球面部１２を光学面とする。

ガラスレンズ１０は、中央部の外側においてフランジ部１３を有する。また、ガラスレンズ１０は、側面部１６（フランジ部１３の外周の側部）を有する。

フランジ部１３には、側面部１６において、下側に張り出す凸部１４がある。凸部１４のうち、第２の非球面部１２側に、テーパ部１５が形成されている。テーパ部１５は、フランジ部１３の内部から外部へ向かうテーパ部１５の法線の方向（図２における矢印参照）が光軸の方に向くように、凸部１４の内周部（内壁）として形成されている。テーパ部１５と、光軸と直交する平面とがなす角度をθとする。また、フランジ部１３における、第２の非球面部１２とテーパ部１５との間を底部１７と呼ぶ。底部１７は断面視において水平軸（光軸と直交する軸）から傾斜していてもよい。なお、テーパ部１５の上記角度θは、４５°以上９０°以下（又は９０°未満）であればよい。また、断面視において底部１７が水平軸（光軸と直交する軸）となす角度は、０°以上３０°以下であればよい。

なお、図１および図２には、下部にテーパ部１５が形成されているガラスレンズ１０が示されているが、ガラスレンズ１０は、上部にテーパ部を有していてもよい。また、テーパ部は下部と上部の双方にあってもよい。

図２に示すように、光軸を含みテーパ部を通る断面において、テーパ部１５の光軸側の端点と側面部１６との間の水平方向の直線距離をＡとする。また、凸部１４の高さ（テーパ部１５の高さに相当）をＢとする。

ガラスレンズ１０をガラスモールド等で成形する場合に、金型の劣化や成形の過程で生ずる収縮によって、底部１７とテーパ部１５とがある曲率半径を有する曲面をなすように収縮する可能性がある。そのような可能性を考慮して、図３に示すように、光軸を含みテーパ部を通る断面において、底部１７の延長線とテーパ部１５の延長線との交点を基準点として、基準点と側面部１６との間の水平方向の直線距離をＡとしてもよい。なお、図３では、その距離は、Ａ’で示されている。

距離Ａと高さＢとの関係は、後述するガラスレンズ１０の製造上の観点から、以下のような関係であることが好ましい。具体的には、以下のような関係にあると、ガラスレンズ１０をガラスモールド等で成形するときに、空気溜りの発生が低減される。

すなわち、Ｂ／Ａ＞１／５であることが好ましい。Ｂ／Ａ＞１／４であることがより好ましい。Ｂ／Ａ＞１／２であるとさらに好ましい。

一方、高さＢの値が大きいと、ガラスレンズ１０を成形するときにガラス材料の温度を高温から低温に下げる際に、ガラス材料が金型に噛み込む可能性が高まる。そこで、Ｂ／Ａ＜１０であることが好ましく、Ｂ／Ａ＜５であるとより好ましい。なお、Ｂの具体的な数値は、ガラスの成形時の割れを防止するためにも５００μｍ以下が好ましく、２５０μｍ以下が好ましく、１２５μｍ以下だとさらに好ましい。Ａの具体的な数値は、Ｂ／Ａの比率を満たすように設定する。

ガラスレンズ１０に成形されるガラス材料として、各種のガラスを使用可能であるが、ガラス材料の金型への噛み込みを防止するために、線膨張係数が小さいガラス材料を選択することが好ましい。例えば、ガラス材料は、線膨張係数が１０×１０^－６／℃以下であることが好ましく、９×１０^－６／℃以下であると、より好ましく、８×１０^－６／℃以下であると、さらに好ましい。

また、テーパ部１５は、ガラスレンズ１０の光軸を中心に３６０°の範囲で形成されることが好ましいが、製造時のばらつきや空気溜りの発生によって、一部が欠ける可能性がある。その場合、テーパ部１５は、２７０°以上の範囲で形成されることが好ましい。

光軸を含みテーパ部を通る断面において、テーパ部１５の長さは、３０μｍ以上あることが好ましい。３０μｍ以上あると、他のレンズとの位置合わせを精度よく行うことができる。同じ観点から、底部１７の断面視での長さは、５０μｍ以上であるとより好ましい。

本実施形態において、光学素子はガラスレンズ１０であるが、これに限定されず透光性の材料、例えば透光性の樹脂からなるレンズであってもよい。また、ガラスレンズ１０の下部の形状は非球面であるが、球面でも平坦でもよい。

さらに、テーパ部１５はフランジ部１３に設けられているが、光学素子がフランジ部１３を有さないときには、本実施形態の底部１７にテーパ部１５を設けてもよい。フランジ部１３の有無に関わらず、テーパ部１５は、光学面（第２の非球面部）の外周側に位置し、光学面（具体的には、第２の非球面部１２）および底部１７とテーパ部１５とによって形成される部分が凹状であってよい。

また、テーパ部１５が確実に形成されるようにするために、ガラスレンズ１０の外径は小さい方が好ましい。例えば、１０ｍｍ以下が好ましく、６ｍｍ以下であるとより好ましい。なお、ガラスレンズ１０の外径は１ｍｍ以上が好ましい。

次に、ガラスレンズ１０の成形の仕方を説明する。図４は、ガラスレンズ１０の成形の仕方を模式的に示す説明図である。ガラスレンズ１０は、ガラスモールドで成形される。

図４の（ａ）に示すように、第１の非球面部１１を規定する第２の型２２に、ガラス材料（プリフォーム）２４を載置する。プリフォーム２４をガラス転移点以上の温度で加熱し、第２の非球面部１２を規定する第１の型２１でプリフォーム２４を加圧する。その結果、図４の（ｂ）に示すように、ガラス部材２５が得られる。なお、そのようにして成形されたガラス部材２５が、ガラスレンズ１０に相当する。また、ガラス部材２５の外径は、円筒状の第３の型２３で規定される。

図５および図６に、外径が４ｍｍのガラスレンズ１０を対象として、成形中のガラスの広がりを有限要素法でシミュレーションした結果が示されている。すなわち、ガラスレンズ１０の成形中のプリフォーム２４の状態が示されている。

図５の（ａ１），（ａ２）には、例１が示されている。図５の（ｂ１），（ｂ２）には、例２が示されている。図５の（ｃ１），（ｃ２）には、例３が示されている。図６の（ａ１），（ａ２）には、例４が示されている。図６の（ｂ１），（ｂ２）には、例５が示されている。図６の（ｃ１），（ｃ２）には、例６が示されている。

例１では、θ（図１参照）を５５°、距離Ａ（図２参照）を０．５ｍｍ、高さＢ（図２参照）を０．１ｍｍとした。図５の（ａ１）には、プリフォーム２４が第１の型２１における凹部（フランジ部１３における凸部１４を転写するための部位）の底に接した時点の状態が示されている。図５の（ａ２）には、プリフォーム２４がさらに流動した時点の状態が示されている。

例２では、θを５５°、距離Ａを０．３５ｍｍ、高さＢを０．１ｍｍとした。図５の（ｂ１）には、プリフォーム２４が第１の型２１における凹部の底に接した時点の状態が示されている。図５の（ｂ２）には、プリフォーム２４がさらに流動した時点の状態が示されている。

例３では、θを５５°、距離Ａを０．２ｍｍ、高さＢを０．１ｍｍとした。図５の（ｃ１）には、プリフォーム２４が第１の型２１における凹部の底に接した時点の状態が示されている。図５の（ｃ２）には、プリフォーム２４がさらに流動した時点の状態が示されている。

図５の（ａ１），（ｂ１），（ｃ１）に示すように、プリフォーム２４が第１の型２１における凹部の底に接したときに、第１の型２１における凹部に空気溜り２６が出現する。空気溜り２６は、図５の（ａ１）に示す例では顕著に表れるが、Ｂ／Ａの値が大きくなるにつれて、小さくなっている（図５の（ｂ１），（ｃ１）参照）。

図６には、図５に示された例に比べて、Ｂ／Ａの値を大きくした場合の例が示されている。

具体的には、例４では、θを５５°、距離Ａを０．３５ｍｍ、高さＢを０．１ｍｍとした（注：例２と同じ）。図６の（ａ１）には、プリフォーム２４が第１の型２１における凹部の底に接した時点の状態が示されている。図６の（ａ２）には、プリフォーム２４がさらに流動した時点の状態が示されている。

例５では、θを５５°、距離Ａを０．３５ｍｍ、高さＢを０．１６ｍｍとした。図６の（ｂ１）には、プリフォーム２４が第１の型２１における凹部の底に接した時点の状態が示されている。図６の（ｂ２）には、プリフォーム２４がさらに流動した時点の状態が示されている。

例６では、θを５５°、距離Ａを０．３５ｍｍ、高さＢを０．２４ｍｍとした。図６の（ｃ１）には、プリフォーム２４が第１の型２１における凹部の底に接した時点の状態が示されている。図６の（ｃ２）には、プリフォーム２４がさらに流動した時点の状態が示されている。

例１～例６に関わる数値を下記の表に示す。

図５に示された各例と図６に示された各例とを比較すると、Ｂ／Ａの値が大きいほど、空気溜り２６の領域が小さくなることがわかる。

例えば、例２および例４では、空気溜り２６が生ずるが、空気溜り２６は、許容できる程度の大きさである。例３および例５では、空気溜り２６の大きさは小さくなっている。例６では、空気溜り２６の発生はほぼ認められない。

空気溜り２６の領域が小さくなるということは、成形品（ガラスレンズ１０）において空気溜り２６の痕跡が小さくなって、第１の型２１における凹部の形状が正確にプリフォーム２４に転写されているということに相当する。すなわち、テーパ部１５を高精度に形成できることに繋がる。

Ｂ／Ａの値が大きいほど、空気溜り２６の領域が小さくなる理由を、図７の説明図を参照して説明する。

Ｂ／Ａの値が小さいと、図７の（ａ）に示すように、加圧されたプリフォーム２４は、第３の型２３の内壁に接する前に、第１の型２１における凹部の底に接する。その場合、プリフォーム２４と第１の型２１における凹部の底との間に空気溜り２６が生ずる。その結果、第１の型２１における凹部の形状がプリフォーム２４に正確に転写されない。すなわち、ガラスレンズ１０のフランジ部１３における凸部１４（図１参照）が所望の形状にならない。すなわち、テーパ部１５の形状の精度が低下する。

Ｂ／Ａの値が大きい場合には、図７の（ｂ）に示すように、加圧されたプリフォーム２４は、第１の型２１における凹部の底に接する前に、第３の型２３の内壁に接する。その状態でプリフォーム２４が流動することによって、プリフォーム２４は、第１の型２１における凹部の底に向かって均一に流下する可能性が高まる。その結果、空気溜り２６が発生する可能性が低下する。よって、ガラスレンズ１０のフランジ部１３における凸部１４（図１参照）は、ほぼ所望の形状になる。すなわち、高精度でテーパ部１５が形成される。

ガラスレンズ１０の成形の仕方、および成形のために用いられる金型の形状をあらためて説明する。

第１の型２１における、フランジ部１３の凸部１４におけるテーパ部１５を形成する部位は、型内部から外部へ向かう法線の方向が光軸から離れる方を向くような傾斜部として形成されている。すなわち、プリフォーム２４に、凸部１４の形状を転写可能に形成されている。なお、第１の型２１の当該部位は、Ｂ／Ａ＞０．２を満たすように形成される。

そのように形成された部位を有する第１の型２１を含む金型を用いて、高い転写精度で、テーパ部１５が成形される。

以下、第１の実施形態のガラスレンズ１０の具体的な一例を説明する。図８に示すように、本実施例では、第１の非球面部１１が上部に向かって凸であり、第２の非球面部１２が下部に対して凹であるガラスレンズ１０を使用した。第１の非球面部１１を凸面といい、第２の非球面部１２を凹面という。凸面の非球面の近似曲率半径は１．１３ｍｍである。凹面の非球面の近似曲率半径は、１．７６ｍｍである。図８の（ａ）に、本実施例のガラスレンズ１０の一部の形状が示されている。

上述したように、ガラスモールドで図８の（ａ）に示される形状をプリフォーム２４に転写した。なお、θ＝６８．８゜、Ｂ／Ａ＝０．５２の形状となっている。

形成されたガラスレンズ１０の形状が、図８の（ｂ）に示されている。図８の（ｂ）に示されているように、Ａ＝０．２２６ｍｍ、Ｂ＝０．１１７ｍｍであった。なお、Ａ’＝０．１８７ｍｍであった。Ｂ／Ａ＝０．５２であり、Ｂ／Ａ’＝０．６３である。すなわち、ともに、Ｂ／Ａ＞０．２の条件を満たす。

図９は、レンズユニットの一例を模式的に示す断面図である。図９に示すレンズユニット３０は、鏡筒３３に、ガラスレンズ１０と他のレンズ素子３２とが組み込まれた構造になっている。なお、図９には、両凸のガラスレンズ１０が例示されている。ガラスレンズ１０のテーパ部が、レンズ素子３２のテーパ部と接するようにして、ガラスレンズ１０とレンズ素子３２とが調芯される。

上述したように、ガラスレンズ１０のテーパ部は精度よく所望の形状に形成されているので、ガラスレンズ１０とレンズ素子３２とが高精度で調芯される。すなわち、レンズユニット３０において、容易に、ガラスレンズ１０とレンズ素子３２の光軸の偏芯が生じないようにすることができる。

なお、図９に例示されたレンズユニット３０では、ガラスレンズ１０は、１つの他のレンズ素子３２と組み合わされているが、ガラスレンズ１０と複数の他のレンズ素子とが組み合わされたレンズユニットを作製する場合にも、本発明によるガラスレンズ１０を適用することができる。

本発明の光学素子の実施形態および実施例を説明したが、上記の実施形態および実施例の光学素子は、種々の光学系に適用（例えば、組込）可能である。

光学系として、例えば、上記の光学素子と共働するレンズ、反射防止フィルやバンドパスフィルタなどの光学フィルタ、カバーガラス、絞り等がある。ただし、それらは一例であって、上記の光学素子の適用対象はそれらに限られない。

また、上記の光学素子は、カメラなどの撮像装置に適用されることが想定される。

本発明を詳細に、また特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく、様々な変更や修正を加えることができることは、当業者にとって明らかである。
本出願は、２０１８年３月３０日出願の日本特許出願２０１８－０６７０４７に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

１０ ガラスレンズ
１１ 第１の非球面部
１２ 第２の非球面部
１３ フランジ部
１４ 凸部
１５ テーパ部
１６ 側面部
１７ 底部
２１ 第１の型
２２ 第２の型
２３ 第３の型
２４ プリフォーム
２５ ガラス部材
２６ 空気溜り（ガストラップ）
３０ レンズユニット
３２ レンズ素子
３３ 鏡筒

Claims (8)

1. 光学面と、
   前記光学面の外周側に位置するテーパ部と、
   前記テーパ部の外周側に位置する側面部とを有し、
   前記テーパ部は、光学素子内部から、前記テーパ部を通して外部へ向かう法線方向が光軸側を向いており、
   光軸を含みテーパ部を通る断面において、前記テーパ部の光軸側の端点から前記側面部までの、光軸に垂直な直線距離をＡとし、前記直線を基準にした前記テーパ部の高さをＢとしたときに、Ｂ／Ａは０．２よりも大きく、１０よりも小さい、
   ガラスレンズである、光学素子。
2. Ｂ／Ａは０．２５よりも大きい、請求項１に記載の光学素子。
3. Ｂ／Ａは０．５よりも大きい、請求項２に記載の光学素子。
4. 前記Ｂの値が５００μｍ以下である、請求項１～３のいずれか１項に記載の光学素子。
5. 前記テーパ部は、前記光学面の外側に設けられたフランジ部に設けられている、請求項１～４のいずれか一項に記載の光学素子。
6. 前記フランジ部は、凸部を有し、
   前記テーパ部は、前記凸部の内壁として形成されている、
   請求項５に記載の光学素子。
7. 請求項１～６のいずれか一項に記載の光学素子を有する光学系。
8. 請求項１～６のいずれか一項に記載の光学素子を有する撮像装置。

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