JP3657467B2 - Plastic diffraction molded lens and optical system using the lens - Google Patents

Plastic diffraction molded lens and optical system using the lens Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は凸面の基盤上に輪帯状の回折溝が形成された、プラスチック製の回折成形レンズ、特に色収差補正回折成形レンズ、並びに該レンズを用いた光学系に関する。本発明に係る回折成形レンズ及び光学系は、例えばCCDやCMOS等の固体撮像素子を用いた小型カメラの1枚レンズ構成の結像光学系に好適に用いられる。
【0002】
【従来の技術】
例えばCCDやCMOS等の固体撮像素子を用いた小型カメラ等において、凸面の基盤上に輪帯状の回折溝を形成して色収差補正機能を持たせた正レンズを結像用レンズとして用いることは周知となっている。このようなレンズは、色収差補正レンズと呼ばれ、1枚のレンズでも簡便に色収差補正機能を有する結像系を構成し得る等の利点を有している。材料としてプラスチックを採用することで、射出成形に代表されるレプリカ法によるプラスチック成形技術の適用を可能にして、安価で大量に安定した性能の製品を供給出来ることが知られている。
【0003】
ところで、色収差補正レンズのように輪帯状の回折溝による回折作用を利用して色収差を補正するレンズでは、回折溝には可能な限り設計された形状に近い形状を持たせることが性能を維持する上で重要となる。即ち、設計で意図した形状と異なる回折溝が形成された回折成形レンズは、不要な次数の回折光を生成して多重焦点の発生等の性能低下が避けられない。
【0004】
そこで、回折成形レンズの射出成形に用いられる金型のキャビティ形状については、設計通りの回折溝形状に対応した高精度のものとなるよう十分な注意が払われている。ところが、従来の回折成形レンズにおいては、キャビティ形状の精度を確保しても、忠実にキャビティ形状溝形状を写し取った製品を得ることがきわめて難かしかった。
【0005】
このような困難が生じるのは、レンズの表面上に形成される回折溝が同心円環状の閉じた構造を有していることに根本的な原因がある。これを図1を参照して説明する。図1は、同心円環状の回折溝を凸面に備えた従来の回折成形レンズを射出成形によって製造する際の樹脂の流れを順を追って断面図で示したものである。
【0006】
(a)は、溶融樹脂10の先頭部11が金型1のキャビティ2に注入される直前の状態を表わしている。キャビティ2は、同心円環状の回折溝をレンズの凸面上に形成するための回折溝転写部3を有している。キャビティ2をはさんで回折溝転写部3に対向する内面は、緩い凹面4とされている。回折溝転写部3は、緩い凹面4に比して曲率の大きな凹面をベースとして形成されている。符号Aは、金型1を構成する複数の部材の境目で、溶融樹脂10の先頭部11がキャビティ2内に進入して来るに従って排除されるべき気体の逃げ道として利用される。
【0007】
この排除されるべき気体には、樹脂注入前にキャビティ2内に存在していた気体(空気)の他に、溶融樹脂10内に含まれているガスも含まれている。一般にこのような気体の逃げ道は、「ガス抜き路」、あるいは単に「ガス抜き」と呼ばれている。
【0008】
射出により、溶融樹脂10は図1(b)、(c)、(d)に示した如くキャビティ内に注入されて行く。図1(d)は、溶融樹脂10の注入完了直前の状態を表わしている。この過程で、キャビティ2内の気体の殆どは金型1の部材間に確保されたガス抜き路Aを通って外部へ排出される。溶融樹脂10の先頭部11の周辺に残った隙間14を占有している気体も、注入完了時にはガス抜き路Aを通って排出される。
【0009】
ところが、回折溝転写部3では一部の気体が回折溝転写部3の各回折溝内の空隙13内に閉じこめられてしまう現象が起る。これは、図1(d)に示したように、溶融樹脂10は回折溝転写部3に接近して各回折溝に対応した円環状の溝内に進入しようとした時、既に回折溝転写部3が溶融樹脂10で覆われた状態にあり、気体の逃げ道が断たれてしまうからである。
【0010】
空隙13内に閉じこめられた気体(空気及び高温溶融樹脂10から発生したガス)は、溶融樹脂10の十分な溝内への注入を阻害し、溝形状が転写不良により顕著に乱れる。その結果、設計通り(金型通り)の溝形状を持つ回折成形レンズは得られないことになる。特に、回折成形レンズの場合、溝形状の乱れは不要な次数の回折光を発生させ、色収差補正機能等の性能を大きく劣化させる。
【0011】
このような現象は、本例のように、凸面上に回折溝を形成する場合に顕著に現れる傾向がある。これは、凹面上あるいは平面上に回折溝を形成する場合に比して、溶融樹脂が金型の回折溝転写部の凹所を塞いでしまい、そこに逃げ道を断たれた気体を残留させ易いことによるものと思われる。
【0012】
以上のような事情から、従来のプラスチック製の回折成形レンズは、設計上は規則正しい形状の回折溝を有することが意図されていても、実際には設計上の形状との隔たりの大きな回折溝を持つことを容認せざるを得なかった。
【0013】
なお、気体閉じこめによる転写不良を予め見込んだ形状と寸法を金型1の回折溝転写部3に与える手法も利用されているが、意図した溝形状を安定して実現することは難しい。
【0014】
また、当然のことながら、このような従来のプラスチック製の回折成形レンズを結像光学素子として用いた光学系の性能には、多重焦点による結像特性の劣化などの問題が生じていた。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の基本的な目的は、射出成形で代表されるレプリカ法を適用しても回折溝形状の転写不良を生じ難いプラスチック製の回折成形レンズ並びに該レンズを有利な形態で用いた光学系を提供して上記従来技術の問題点を克服することにある。
【0016】
別の観点から言えば、本発明の目的は、回折溝形成部の形状に簡単な変更を施すことで、凸面上の回折溝で特に生じ易かった溝形状の乱れを解消し、凸面の基盤上に輪帯状の回折溝が規則正しく形成されたプラスチック製回折成形レンズ並びに該レンズを有利な形態で用いた光学系を提供することにある。
【0017】
更に別の観点から言えば、本発明は、凸面上に回折溝を備えた製造容易な正のプラスチック製回折成形レンズ並びに該レンズを有利な形態で用いた光学系を提供することにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】
先ず、本発明は上記技術課題を解決するために、少なくとも1つの凸面を有する正レンズであって、該凸面上に回折用の輪帯構造が形成されたプラスチック製の回折成形レンズについて、輪帯構造を横断するように細い凸条部を、その頂部が前記基盤面上に、または前記基盤面と平行で、且つ、前記基盤面より外側に、位置するように形成される態様で設けることを提案する。
【0019】
即ち、先ず輪帯構造を横断するように細い凸条部を設けることで、射出成形を適用した際に回折溝転写部に対してガス抜き路が容易に確保出来るようになる。また、プラスチック製回折成形レンズの製造が容易となり、回折溝形状に乱れがなく、不要次数の回折光の発生の抑制が容易となる。回折用の輪帯構造は、典型的には色収差補正のために形成される。
【0020】
更に、本発明においては、上記凸条部の形成形態について、「その頂部が基盤面上に、または前記基盤面と平行で、且つ、前記基盤面より外側に、位置するように形成されている」、という条件を課している。
【0021】
本発明の典型的な適用対象は、いわゆる色収差補正回折レンズ、即ち、色収差補正のために回折用の輪帯構造を形成したレンズである。
理論的に言えば、輪帯構造を横断するように細い凸条部を設けることは、その部分に他の部分と異なる光学特性を持たせることになり、色収差補正機能等の性能が低下する。しかし、この問題は本発明の意義を失わせるものではない。
【0022】
なぜならば、輪帯構造を横断するように形成される細い凸条部は非常に小サイズ(ガス抜きが可能な程度の幅及び高さ)で良く、従って、凸条部形成の影響はレンズの凸面全体から見れば極く局所的なものに留まる一方、回折溝は凸条部が形成された局所部分を除く広い部分において、設計通りの溝形状が容易に実現されるからである。
【0023】
従来形状のレンズでは、凸条部の形成による性能変化はないものの、色収差補正機能を担う回折溝の形状が設計から離れて乱れてしまう。回折溝の形状の乱れを生む気体の閉じこめは、上述の説明から理解されるように、局所に限定されて起る性質のものでない。
【0024】
従って、理論的に生じ得る凸条部形成による光学特性変化を考慮に入れても、回折溝の形状の正常化(設計通りの形状の実現)によるメリットは十二分に存在する。
【0025】
次に本発明は、凸条部の形成による性能変化の影響をより少なくした形態で上述の回折成形レンズを用いた光学系を提案する。
【0026】
本発明に従った光学系は、1枚のプラスチック製の正レンズと絞りを含み、該絞りは正レンズより物体側に配置される。正レンズとして、像面側に凸面を基盤面として有し、その凸面上に回折用の輪帯構造が形成され、輪帯構造を横断するように細い凸条部が設けられたプラスチック製回折成形レンズが使用される。
【0027】
回折用の輪帯構造は、典型的には色収差補正のために形成される。また、このプラスチック製回折成形レンズとしては、上述の凸条部の形成形態に関する条件を満たすものが使用される
【0028】
本発明の光学系では、凸面に回折構造を設けているため、そのレンズの屈折パワー(全体として正;集光作用)の全部または大部分をその凸面に担わせることにより、問題となるレンズ面(ここでは回折構造を設けた凸面)において結像光束がほぼ平行光束となるようにすることが出来る。
【0029】
また、像面側に凸面が来るようにレンズを配置することは、カメラの組立工程等における回折構造の損傷、粉塵付着、異物はまり込みなどを防止する観点から見て有利である。
【0030】
なお、回折構造を横切る凸条部は典型的には凸面の径方向に、輪帯をほぼ直角に横切るように形成される。また、凸条部の形成本数は、必要に応じて適宜選択される。一般に、本数を増やせば射出成形時のガス抜きは容易になるが、光学特性への影響も増大する。従って、両者のバランスを考えて設計的に定められることが好ましい。凸条部を複数形成する場合、周方向に関して集中分布しない形態で放射状に形成されていても良い。
【0031】
【発明の実施の形態】
図2(a)、(b)は、本発明の特徴を備えたプラスチック製回折成形レンズを製造する際に使用される金型(要部部材)の一例を示した図である。図2(a)は図2(b)に斜視図で示した金型(要部部材)の上面図である。
【0032】
図2(a)、(b)を参照すると、金型部材20は回折溝転写部21を備え、この回折溝転写部21内には3本のガス抜き用の溝31、32、33が形成されている。溝33の近傍を例示的に描いた部分抽出拡大図(円囲みC)から理解されるように、ガス抜き用の溝31、32、33は回折溝転写部21の各溝を分断(例えば、22aと22b)するように形成され、その一方の端部は金型部材20の外縁まで延びている。
【0033】
このような金型部材20を用いて射出成形を行なえば、当然、ガス抜き用の溝31、32、33は転写により成形品に凸条部を与える。また、多数の回折構造用転写溝22a、22bは、転写により成形品に多数の嶺部(回折溝)を与える。凸条部は、多数の嶺部(回折溝)を横切るように形成される。
【0034】
ここで重要なことは、成形レンズにこのような凸条部を許容することによってガス抜き用の溝31、32、33を持つ金型部材の使用が可能になったという事実である。これにより、回折溝形成に関する転写不良が解消され、設計通りの溝形状を持つ回折成形レンズが実現されるようになった。
【0035】
図3は、図1と同様の形式で、金型部材20を用いて回折成形レンズを射出成形によって製造する際の樹脂の流れを順を追って断面図で示したものである。
【0036】
(a)は、溶融樹脂10の先頭部11が金型部材20、40間のキャビティ25に注入される直前の状態を表わしている。キャビティ25は、同心円環状の回折溝をレンズの凸面上に形成するための回折溝転写部21を有している。キャビティ25をはさんで回折溝転写部21に対向する内面は、緩い凹面41とされている。回折溝転写部21は、緩い凹面41に比して曲率の大きな凹面をベースとして形成されている。また、上述した形態(図2参照)で、径方向に横切るガス抜き用の溝31、32、33が設けられている。
【0037】
射出により、溶融樹脂10は図3(b)、(c)、(d)に示した如くキャビティ25内に注入されて行く。図3(d)は、溶融樹脂10の注入完了直前の状態を表わしている。この過程で、溶融樹脂10の先頭部11の周辺に残った隙間26を占有している気体は、注入完了時には従来と同じく金型部材20、40間のガス抜き路を通って排出される。
【0038】
一方、回折溝転写部21では一部の気体が回折溝転写部21の各回折溝内の空隙内に残留しようとする傾向が生じる。これは、溶融樹脂10が回折溝転写部21に接近して各回折溝に対応した円環状(正確には弧状)の溝内に進入しようとした時、回折溝転写部21が溶融樹脂10で覆われた状態にあるからである。
【0039】
ところが、図1で説明したケースとは異なり、回折溝転写部21には径方向に横切るガス抜き用の溝31、32、33が設けられているため、大部分の気体は最終的には円環状(正確には弧状)の溝内から脱出し、溝31、32、33を通って外部に排出される。
【0040】
従って、溶融樹脂10の十分な回折溝転写用の溝内への注入が達成され、転写不良による形状の乱れが回避される。その結果、設計通りの溝形状を持つ回折成形レンズが得られることとなる。不要な次数の回折光が発生せず、色収差補正機能等の性能が保たれる。
【0041】
このようなガス抜きは、本例のように、凸面上に回折溝を形成する場合であっても十分確保される。従って、従来困難であった凸面上への回折構造形成も容易に実現出来る。
【0042】
図2に示した金型部材20を用いた場合、ガス抜き用の溝31、32、33の位置に対応して3本の凸条部を有する回折成形レンズが得られる。ガス抜き用の溝を設ける位置、本数を変更すれば、それに応じて、種々の位置に凸条部を有する回折成形レンズが得られる。
【0043】
例えば、ガス抜き用の溝を1本とすれば、図7に示したような回折成形レンズL1が得られる。回折成形レンズL1は基盤面として凸面を有し、その上に回折面DFが形成されている。回折面DFは多数の同心円環状(正確には同心孤状)の回折溝で構成され、それらをほぼ直角に横切るように1本の凸条部PRが形成されている。
【0044】
また、ガス抜き用の溝を放射状に4本とすれば、図8に示したような回折成形レンズL2が得られる。回折成形レンズL2は基盤面として凸面を有し、その上に回折面DFが形成されている。回折面DFは多数の同心円環状(正確には同心孤状)の回折溝で構成され、それらをほぼ直角に横切るように4本の凸条部PR1〜PR4が形成されている。なお、図7、図8において、Sは樹脂注入口側(ゲート側)に対応した凸部を表わしている。
【0045】
次に凸条部の形成形態の例について図4〜図6参照して説明する。なお、これらの図の内、図6については参考例を示すものである。また、図4〜図6は、図3(d)と同様の抽出拡大図付の断面図として描かれている。
【0046】
先ず、図4は最も基本的な例を表わしている。本例では、キャビティCVを形成する金型Mの回折溝転写部の溝の底部Rが乗る凹面Qの一部(線状部分)がガス抜き用の溝GPの頂部を形成している。凹面Qは成形で得られるレンズの基盤面となる凸面に対応している。従って、本例で得られる回折成形レンズの凸条部は、その頂部が同レンズの基盤面上に位置するように形成されることになる。
【0047】
次に、図5は、凸条部の頂部が基盤面と平行で、且つ、基盤面より外側に位置するように形成されるケースを表わしている。即ち、キャビティCVを形成する金型Nの回折溝転写部の溝の底部Rが乗る凹面Q(破線)から一定の深さで凹んだ線状部分Wが溝GPの頂部を形成している。凹面Qは成形で得られるレンズの基盤面となる凸面に対応しているから、成形レンズの凸条部は、基盤面から一定の高さで張り出した嶺を形成する。
【0048】
参考例として示した図6では、キャビティCVを形成する金型Tの回折溝転写部の溝の底部Rが乗る凹面Q(破線)からの深さが外縁部へ向かって深まるように形成された線状部分Yが溝GPの頂部を形成している。凹面Qは成形で得られるレンズの基盤面となる凸面に対応しているから、成形レンズの凸条部は、基盤面からの高さが凸面の外縁部に近づくに従って増す傾向を持つように形成されることになる
【0049】
以上説明したような形状を持つ回折成形レンズを単葉で配置した光学系の例を図9〜図11に示した。なお、図中には光線追跡線が書き込まれている。
【0050】
図9及び図10においては、レンズLS1、LS2は正の屈折パワーを集中した凸面J1、J2と僅かな正の屈折パワーを有する緩い凸面K1、K2をそれぞれ有している。但し、屈折パワーの集中度合が図9の方が図10より強い。
【0051】
図示は省略したが、凸面(回折面)J1、J2上には、指定の設計に従って形成された同心円環状(正確には同心孤状)の回折溝が多数形成されている。そして、これらを横切るように、1本乃至数本の凸条部が凸面J1、J2上に形成されている。凸条部については、既述した任意の形態が採用されて良い。
【0052】
絞りIRは、レンズLS1、LS2より物体側に配置されており、且つ、回折面J1、J2が像面G側を向くように配向されている。像面Gの位置には、例えばCCDアレイが配列される。ガラス板Eは、例えばCCDアレイの窓に相当する。
【0053】
図9、図10に示した光学系では、レンズLS1あるいはLS2の屈折パワー(全体として正;集光作用)の大部分を回折面J1あるいはJ2に与えているため、回折面J1あるいはJ2において結像光束がほぼ平行光束となり、凸条部を設けたことによる特性変化の影響は非常に小さく抑えられている。
【0054】
また、像面G側に凸面が来るようにレンズLS1、LS2を配置しているので、カメラの組立工程等における回折構造の損傷、粉塵付着、異物はまり込みなどを防止する観点から見て有利である。
【0055】
次に、図11においては、レンズLS3はメニスカスレンズを構成している。即ち、正の屈折パワーを集中した凸面J3と小さい負の屈折パワーを有する緩い凹面K3を有している。図示は省略したが、凸面(回折面)J3上には、指定の設計に従って形成された同心円環状(正確には同心孤状)の回折溝が多数形成されている。そして、これらを横切るように、1本乃至数本の凸条部が凸面J3上に形成されている。凸条部については、既述した任意の形態が採用されて良い。
【0056】
回折面J3は像面G側を向くように配向されている。像面Gの位置には、例えばCCDアレイが配列される。ガラス板Eは、例えばCCDアレイの窓に相当する。また、ガラス板Hは、例えば凹面K3の保護窓に相当する。なお、本例における絞りIRは、ガラス板Hの物体側の面の外縁近くに設けられている。
【0057】
本例の光学系でも、レンズLS3の屈折パワー(全体として正;集光作用)の大部分を回折面J3に与えているため、回折面J3において結像光束がほぼ平行光束となり、凸条部を設けたことによる特性変化の影響は非常に小さく抑えられている。また、像面G側に凸面が来るようにレンズLS3を配置しているので、カメラの組立工程等における回折構造の損傷、粉塵付着、異物はまり込みなどを防止する観点から見て有利である。
【0058】
最後に、これら図9〜図11に示した光学系に関して、レンズデータを含む具体的な実施例1〜3を記しておく。なお、これら実施例における回折素子(回折構造を凸面に設けたプラスチック成形レンズ)は、内面に回折溝に対応した加工を施した金型を用いた射出成形法により製作した。金型の加工は、超精密ダイアモンドバイトを用いた旋盤によって行なった。樹脂材料はポリカーボネートで、射出樹脂温度は280℃、金型温度は100℃とした。
【0059】
各実施例1〜3において、回折光学素子の回折構造による光路差変化量は位相関数法を用いて決定した。位相関数法において、回折構造による波面の位相変化は次式で定義される位相関数で表わされる。
φ(r)=2πΦ(r)/λd ・・・(1)
Φ(r)=a12 +a24 +a36 +・・・+a1020 ・・・(2)
ここで、φ(r)は位相関数、Φ(r)は光路差関数、rは光学素子の径方向の距離(光軸上でr=0)、a1 〜a10は、光路差関数の係数であり、λd は回折素子の設計波長を表わす。なお、光学系は回転対称とした。
【0060】
また、各実施例における回折光学素子の回折面は、非球面基盤上に回折構造を形成したものであり、回折構造の光路差関数の値、即ち、非球面基盤からの光路差のずれ量が、設計波長λd の整数倍(−λd 、−2λd 、−3λd 、・・・)となるrの位置で、非球面基盤からの光路差のずれ量を0にリセットするように輪帯を設計・形成し、これを回折構造を持つ回折格子とした。
【0061】
このような方法で輪帯構造を設計・形成出来る理由は、光路差が設計波長λd の整数倍となるところでは、前記式から判るように、回折構造による位相変化が2πの整数倍となり、非球面基盤に対する波面の位相変化が0と等しくなるからである。
【0062】
各実施例において、回折格子の具体的形状として鋸歯形状を採用した。また、各格子ピッチ内における素子の厚み変化は連続的とした。なお、この厚み変化を当該格子ピッチ内における位相変化に正確に対応させたものは、キノフォームと呼ばれている。不要次数の回折光の発生を抑え、高い回折効率を得るためには、鋸歯形状をこのキノフォームに近付けることが望ましい。
【0063】
これに対して、各格子ピッチ内における素子の厚み変化を2進段階的(2レベル、4レベル、8レベル・・・)に設定した形状が知られており、バイナリ形状と呼ばれている。一般に、バイナリ形状の段階数(レベル数)が少ないと位相変化との良好な対応関係(近似)を実現することが困難になり、不要次数の回折光が発生、回折効率の低下などを招き易くなる。このような観点から、バイナリ形状を採用する場合には、段階数は4以上とすることが好ましい。
【0064】
ここで、回折格子を鋸歯形状とした各実施例1〜3に共通して適用される、回折面の形状を具体的に記述する定義式について説明する。
回折面の形状を表現する式として下記の(3)式を採用する。ここで、光軸方向をZ軸、光軸と垂直な径方向の(光軸から測った)距離をrとした。Z(r)はrにおける回折面の位置(Z座標値)を表わしている。

Figure 0003657467
本式の右辺のうち、第1〜第2行は非球面基盤を表わし、第3行及び第4行は、回折格子成分を表わす。特に、第4行は、上述した輪帯形成時(設計時)のリセットに対応している。また、使用されている符号については次の通りである。
【0065】
c;面頂における非球面基盤の曲率
k;円錐係数
4 、A6 、A8 ・・・;各々4次、6次、8次・・・の非球面係数
1 、a2 、a3 ・・・a10;前述した光路差関数(級数表現)の係数
λd ;前出のλd と同じく、回折構造の設計波長
d :設計波長λd における回折構造に使用される光学材料の屈折率
δrF1 、δrF2 、δrF3 ・・・;0または1の値をとるrの関数。添字をrFs(s=1、2、3・・・)とした時、0≦r<Fsでは値0をとり、r≧Fsでは値1をとる。なお、ここでFsは光軸側から数えてs番目の輪帯が始まる段差位置を表わしている。
【0066】
以下の各実施例1〜3においては、回折構造の設計波長λd を550nm(Hgの発光スペクトル線であるe線の波長、546.07nmにほぼ対応)とした。レンズの材質は、上述した通り、回折構造部分を含めてポリカーボネート(屈折率;1.58772)である。従って、前記(3)式の第4行の{}内部分にこれら数値を入れて計算すると、λd /(nd −1)=935.8nmとなる。これは回折溝の深さ(基盤からのずれ)を表わしている。
【0067】
また、データ記述で使用されている諸符号は慣例にならったものであり、その意味は次の通りである。
f;光学系全体の焦点距離(mm)
F/No;Fナンバー
ω;半画角
1 、c2 ・・・;各レンズ面の曲率(mm-1
1 、d2 ・・・;各レンズ面間の間隔(mm)
d1、nd2・・・:各レンズ材料の屈折率(Heのd線=587.56nmでの値を使用)
νd1、νd2・・・:各レンズ材料のアッベ数で、非球面係数及び光路差関数の係数については、前述の定義に従うものとする。
【0068】
Figure 0003657467
なお、本実施例1において、図9中に示した絞りIRが第1面(c1 )に対応する。そして、レンズLS1の物体側の面K1が第2面(c2 )、像面側の面J1が第3面(c3 )にそれぞれ対応する。更に、ガラス板Eの物体側の面が第4面(c4 )、像面側の面が第5面(c5 )に各々対応する。
【0069】
従って、絞りIRとレンズLS1の第1面K1(物体側の面c2 )の間の距離がd1 となる。また、レンズLS1の第1面K1(物体側の面c2 )と同レンズLS1の第2面J1(像面側の面c3 )の間の距離がd2 となり、レンズLS1の第2面J1(像面側の面c3 )とガラス板Eの物体側の面との間の距離がd3 となる。そして、ガラス板Eの物体側の面(c4 )と像面側の面(c5 )との間の距離(ここではガラス板の厚さ)がd4 となり、ガラス板Eの像面側の面(c5 )と像面Gの間の距離がd5 となる。
【0070】
Figure 0003657467
本実施例におけるこれら諸値と図10に示した配置との対応関係は、実施例1の場合と同様である。
即ち、絞りIRが第1面(c1 )に対応する。そして、レンズLS2の物体側の面K2が第2面(c2 )、像面側の面J2が第3面(c3 )にそれぞれ対応する。更に、ガラス板Eの物体側の面が第4面(c4 )、像面側の面が第5面(c5 )に各々対応する。
【0071】
従って、絞りIRとレンズLS2の第1面K2(物体側の面c2 )の間の距離がd1 となる。また、レンズLS2の第1面K2(物体側の面c2 )と同レンズLS2の第2面J2(像面側の面c3 )の間の距離がd2 となり、レンズLS2の第2面J2(像面側の面c3 )とガラス板Eの物体側の面との間の距離がd3 となる。そして、ガラス板Eの物体側の面(c4 )と像面側の面(c5 )との間の距離(ここではガラス板の厚さ)がd4 となり、ガラス板Eの像面側の面(c5 )と像面Gの間の距離がd5 となる。
【0072】
Figure 0003657467
Figure 0003657467
これら諸値と図11に示した配置との対応関係は、実施例1、2の場合と同様の基本ルールに基づいて定められているが、ガラス板HがレンズLS3の手前側(物体側)に配置されているため、若干の注意が必要である。
【0073】
先ず、絞りIRが第1面(c1 )に対応し、ガラス板Hの物体側の面が第2面(c2 )に対応する。面c12 間の距離がd1 となる。ここで、絞りIRの面はガラス板Hの物体側の面とは別の面として扱われていることに注意が必要である。但し、上記したように、本例における距離d1 は0である。
【0074】
次に、ガラス板Hの像面側の面が第3面(c3 )、レンズLS3の物体側の面K3が第4面(c4 )、像面側の面J3が第5面(c5 )にそれぞれ対応する。更に、ガラス板Eの物体側の面が第6面(c6 )、像面側の面が第7面(c7 )に各々対応する。
【0075】
従って、d2 はガラス板Hの厚さであり、d3 はガラス板Hの像面側の面(c3 )とレンズLS3の第1面K3(物体側の面c4 )との間の距離となる。また、レンズLS3の第1面K3(物体側の面c4 )と同レンズLS3の第2面J3(像面側の面c5 )の間の距離がd4 となる。
【0076】
同様に、レンズLS3の第2面J3(像面側の面c5 )とガラス板Eの物体側の面との間の距離がd5 となり、同ガラス板Eの厚さがd6 となる。そして、ガラス板Eの像面側の面(c7 )と像面Gの間の距離がd7 となる。
【0077】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に従えば、射出成形で代表されるレプリカ法を適用しても回折溝形状の転写不良を生じ難いプラスチック製の回折成形レンズ並びに該レンズを有利な形態で用いた光学系が提供される。即ち、回折溝形成部の形状に簡単な変更を施すことで、凸面上の回折溝で特に生じ易かった溝形状の乱れを解消し、凸面の基盤上に輪帯状の回折溝が規則正しく形成されたプラスチック製回折成形レンズを安価に提供出来る。また、凸面上に回折溝を備えた製造容易な正のプラスチック製回折成形レンズを単葉で配置した簡単で特性の優れた光学系を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 同心円環状の回折溝を凸面に備えた従来の回折成形レンズを射出成形によって製造する際の樹脂の流れを、(a)→(b)→(c)→(d)と順を追って断面図で示したものである。
【図2】 本発明の特徴を備えたプラスチック製回折成形レンズを製造する際に使用される金型(要部部材)の一例を示した図で、(a)は(b)に斜視図で示した金型(要部部材)の上面図である。
【図3】 図1と同様の形式で、金型部材20、40を用いて回折成形レンズを射出成形によって製造する際の樹脂の流れを、(a)→(b)→(c)→(d)と順を追って断面図で示したものである。
【図4】 凸条部の形成形態の1例について説明する図である。
【図5】 凸条部の形成形態の別の例について説明する図である。
【図6】 凸条部の形成形態の参考例について説明する図である。
【図7】 1本の凸条部を有する回折成形レンズの例を表わした図である。
【図8】 4本の凸条部を有する回折成形レンズの例を表わした図である。
【図9】 改良された回折成形レンズを配置した光学系の例を説明する図である。
【図10】 改良された回折成形レンズを配置した光学系の別の1例を説明する図である。
【図11】 改良された別の回折成形レンズを配置した光学系の1例を説明する図である。
【符号の説明】
1 金型
2 キャビティ
3 回折溝転写部
4、41 緩い凹面
10 溶融樹脂
11 溶融樹脂の流れの先頭部
12 回折溝転写部に近接した溶融樹脂
13 回折溝転写部と溶融樹脂の間の隙間(未充填部)
20、40、M、N、T 金型部材
21 回折溝転写部
25、CV キャビティ
31、32、33、GP ガス抜き用の溝
E、H ガラス板
G 像面
IR 絞り
J1、J2、J3 回折面
K1、K2 緩い凸面
K3 緩い凹面
L1、L2、LS1、LS2、LS3 回折成形レンズ
Q 底部Rが乗る凹面
R 回折溝転写部の溝
W 凹面Q(破線)から一定の深さで凹んだ線状部分
Y 深さが外縁部へ向かって深まるように形成された線状部分[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a plastic diffraction molded lens, in particular, a chromatic aberration corrected diffraction molded lens, in which an annular diffraction groove is formed on a convex substrate, and an optical system using the lens. The diffraction shaping lens and the optical system according to the present invention are suitably used for an imaging optical system having a single lens configuration of a small camera using a solid-state imaging device such as a CCD or CMOS.
[0002]
[Prior art]
For example, in a small camera using a solid-state imaging device such as a CCD or CMOS, it is well known that a positive lens having a chromatic aberration correcting function by forming an annular diffraction groove on a convex substrate is used as an imaging lens. It has become. Such a lens is called a chromatic aberration correction lens, and has an advantage that a single lens can easily form an imaging system having a chromatic aberration correction function. It is known that by adopting plastic as a material, it is possible to apply a plastic molding technique by a replica method typified by injection molding, and to supply a product with a stable performance in large quantities at a low cost.
[0003]
By the way, in a lens that corrects chromatic aberration by utilizing the diffraction effect of an annular diffraction groove like a chromatic aberration correction lens, it is possible to maintain the performance by giving the diffraction groove a shape as close to the designed shape as possible. It becomes important in the above. In other words, a diffractive molded lens in which a diffractive groove different from the shape intended by the design is generated, it is inevitable that performance degradation such as generation of multiple focal points is generated by generating diffracted light of an unnecessary order.
[0004]
Therefore, sufficient attention is paid to the cavity shape of the mold used for the injection molding of the diffractive molded lens so as to have a high accuracy corresponding to the designed diffraction groove shape. However, in the conventional diffraction molded lens, even if the accuracy of the cavity shape is ensured, it has been extremely difficult to obtain a product faithfully copying the cavity shape groove shape.
[0005]
Such difficulty is caused by the fact that the diffraction grooves formed on the surface of the lens have a concentric annular closed structure. This will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the flow of resin when a conventional diffractive lens having a concentric annular diffraction groove on its convex surface is manufactured by injection molding.
[0006]
(A) represents a state immediately before the leading portion 11 of the molten resin 10 is injected into the cavity 2 of the mold 1. The cavity 2 has a diffraction groove transfer portion 3 for forming concentric annular diffraction grooves on the convex surface of the lens. The inner surface facing the diffraction groove transfer portion 3 across the cavity 2 is a loose concave surface 4. The diffraction groove transfer portion 3 is formed based on a concave surface having a larger curvature than the loose concave surface 4. Reference symbol A is used as a gas escape route to be removed as the leading portion 11 of the molten resin 10 enters the cavity 2 at the boundary between a plurality of members constituting the mold 1.
[0007]
The gas to be excluded includes gas contained in the molten resin 10 in addition to the gas (air) present in the cavity 2 before the resin injection. In general, such a gas escape path is called a “gas vent” or simply “gas vent”.
[0008]
By injection, the molten resin 10 is injected into the cavity as shown in FIGS. 1B, 1C, and 1D. FIG. 1D shows a state immediately before the completion of the injection of the molten resin 10. In this process, most of the gas in the cavity 2 is discharged to the outside through the gas vent passage A secured between the members of the mold 1. The gas occupying the gap 14 remaining around the top portion 11 of the molten resin 10 is also discharged through the gas vent path A when the injection is completed.
[0009]
However, in the diffraction groove transfer part 3, a phenomenon occurs in which part of the gas is trapped in the gap 13 in each diffraction groove of the diffraction groove transfer part 3. As shown in FIG. 1 (d), when the molten resin 10 approaches the diffraction groove transfer portion 3 and tries to enter the annular groove corresponding to each diffraction groove, the diffraction groove transfer portion is already present. This is because 3 is in a state covered with the molten resin 10 and the gas escape route is cut off.
[0010]
The gas confined in the gap 13 (air and gas generated from the high-temperature molten resin 10) hinders injection of the molten resin 10 into a sufficient groove, and the groove shape is significantly disturbed due to poor transfer. As a result, a diffractive molded lens having a groove shape as designed (as in the mold) cannot be obtained. In particular, in the case of a diffractive molded lens, the disorder of the groove shape generates diffracted light of an unnecessary order and greatly deteriorates the performance such as the chromatic aberration correction function.
[0011]
Such a phenomenon tends to be prominent when a diffraction groove is formed on a convex surface as in this example. This is because compared with the case where the diffraction grooves are formed on the concave surface or on the flat surface, the molten resin closes the concave portions of the diffraction groove transfer portion of the mold, and it is easy to leave the gas whose escape path is cut off. It seems to be due to this.
[0012]
For the above reasons, the conventional plastic diffractive molded lens is designed to have a diffraction groove having a regular shape in design, but actually has a diffraction groove having a large distance from the design shape. I had to accept it.
[0013]
In addition, although the technique of giving the shape and dimension which anticipated the transfer defect by gas confinement beforehand to the diffraction groove transfer part 3 of the metal mold | die 1 is utilized, it is difficult to implement | achieve the intended groove shape stably.
[0014]
As a matter of course, the performance of an optical system using such a conventional plastic diffractive molded lens as an imaging optical element has problems such as degradation of imaging characteristics due to multiple focal points.
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, a basic object of the present invention is to make a plastic diffraction molded lens that does not easily cause a transfer failure of a diffraction groove shape even when a replica method represented by injection molding is applied, and an optical device using the lens in an advantageous form. It is to provide a system to overcome the problems of the prior art.
[0016]
From another point of view, the object of the present invention is to provide a simple change to the shape of the diffractive groove forming portion, thereby eliminating the irregularity of the groove shape that is particularly likely to occur in the diffractive groove on the convex surface. Another object of the present invention is to provide a plastic diffractive molded lens in which ring-shaped diffraction grooves are regularly formed and an optical system using the lens in an advantageous form.
[0017]
From another point of view, the present invention is to provide a positive plastic diffractive molded lens having a diffractive groove on a convex surface and an optical system using the lens in an advantageous form.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
  First, in order to solve the above technical problem, the present invention relates to a plastic diffractive molded lens having at least one convex surface, in which a diffractive annular zone structure is formed on the convex surface. A thin ridge to cross the structureThe top portion is formed on the base surface or parallel to the base surface and outside the base surface.Propose to provide.
[0019]
  That is,FirstBy providing the thin ridges so as to cross the annular structure, a gas venting path can be easily secured to the diffraction groove transfer part when injection molding is applied.In addition, the plastic diffractive molded lens can be easily manufactured, and the diffraction groove shapeThere is no disturbance, and it becomes easy to suppress the generation of diffracted light of unnecessary order. A diffractive annular zone structure is typically formed for chromatic aberration correction.
[0020]
  Furthermore, in the present invention, regarding the formation form of the above-mentioned ridge portion, “the top portion is formed on the base surface or parallel to the base surface and outside the base surface. ”Is imposed.
[0021]
A typical application object of the present invention is a so-called chromatic aberration correcting diffractive lens, that is, a lens having a diffraction ring structure for correcting chromatic aberration.
Theoretically speaking, providing a thin ridge so as to cross the annular structure gives the portion different optical characteristics from other portions, and the performance of the chromatic aberration correction function and the like is lowered. However, this problem does not lose the significance of the present invention.
[0022]
This is because the thin ridges formed so as to cross the annular structure may be very small in size (width and height enough to allow degassing). This is because, as viewed from the entire convex surface, it remains extremely local, whereas the diffraction groove can easily achieve the designed groove shape in a wide portion excluding the local portion where the ridge portion is formed.
[0023]
In the lens having the conventional shape, although the performance does not change due to the formation of the ridge portion, the shape of the diffraction groove responsible for the chromatic aberration correction function is disturbed apart from the design. As understood from the above description, the confinement of the gas that causes the disturbance of the shape of the diffraction groove is not of a nature that occurs locally.
[0024]
Therefore, even if the change in optical characteristics due to the formation of convex portions that can occur theoretically is taken into consideration, there are more merits due to normalization of the shape of the diffraction groove (realization of the shape as designed).
[0025]
Next, the present invention proposes an optical system using the above-described diffractive molded lens in a form in which the influence of the performance change due to the formation of the ridge is reduced.
[0026]
  The optical system according to the present invention comprises a single piecePlasticA positive lens and a stop are included, and the stop is disposed closer to the object side than the positive lens. As a positive lens, a plastic diffractive molding that has a convex surface on the image surface side as a base surface, a diffraction ring zone structure is formed on the convex surface, and a thin ridge is provided so as to cross the ring zone structure A lens is used.
[0027]
  A diffractive annular zone structure is typically formed for chromatic aberration correction. This plastic diffractive molded lensas,Formation form of the above-mentioned ridgesThose that meet the conditions for.
[0028]
In the optical system of the present invention, since the diffractive structure is provided on the convex surface, a problem lens surface can be obtained by causing the convex surface to bear all or most of the refractive power (positive as a whole; condensing action) of the lens. The imaging light beam can be made to be a substantially parallel light beam (here, a convex surface provided with a diffractive structure).
[0029]
In addition, it is advantageous to dispose the lens so that the convex surface comes to the image surface side from the viewpoint of preventing the diffraction structure from being damaged, dust adhesion, foreign matter jamming, etc. in the camera assembly process or the like.
[0030]
The ridges that cross the diffractive structure are typically formed in the radial direction of the convex surface so as to cross the annular zone substantially at a right angle. In addition, the number of protrusions formed is appropriately selected as necessary. Generally, if the number is increased, degassing at the time of injection molding becomes easy, but the influence on the optical characteristics also increases. Therefore, it is preferable to determine the design in consideration of the balance between the two. When a plurality of ridges are formed, they may be formed radially in a form that is not concentrated and distributed in the circumferential direction.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIGS. 2A and 2B are views showing an example of a mold (main part member) used in manufacturing a plastic diffractive molded lens having the characteristics of the present invention. Fig.2 (a) is a top view of the metal mold | die (main part member) shown by the perspective view in FIG.2 (b).
[0032]
Referring to FIGS. 2A and 2B, the mold member 20 includes a diffraction groove transfer portion 21, and three gas venting grooves 31, 32, and 33 are formed in the diffraction groove transfer portion 21. Has been. As can be understood from the partial extraction enlarged view (circle C) illustrating the vicinity of the groove 33 exemplarily, the degassing grooves 31, 32, 33 divide each groove of the diffraction groove transfer portion 21 (for example, 22a and 22b), one end of which extends to the outer edge of the mold member 20.
[0033]
When injection molding is performed using such a mold member 20, naturally, the degassing grooves 31, 32, and 33 give convex portions to the molded product by transfer. In addition, a large number of diffraction structure transfer grooves 22a and 22b give a large number of flanges (diffraction grooves) to the molded product by transfer. The protruding portion is formed so as to cross a large number of flanges (diffraction grooves).
[0034]
What is important here is the fact that it is possible to use a mold member having degassing grooves 31, 32, 33 by allowing such a convex portion on the molded lens. As a result, the transfer defect related to the formation of the diffraction groove is eliminated, and a diffraction molded lens having a groove shape as designed is realized.
[0035]
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the flow of resin when a diffraction molding lens is manufactured by injection molding using the mold member 20 in the same manner as FIG.
[0036]
(A) represents a state immediately before the leading portion 11 of the molten resin 10 is injected into the cavity 25 between the mold members 20 and 40. The cavity 25 has a diffraction groove transfer portion 21 for forming a concentric annular diffraction groove on the convex surface of the lens. The inner surface facing the diffraction groove transfer portion 21 across the cavity 25 is a loose concave surface 41. The diffraction groove transfer portion 21 is formed based on a concave surface having a larger curvature than the loose concave surface 41. Further, in the above-described form (see FIG. 2), gas venting grooves 31, 32, 33 are provided that cross in the radial direction.
[0037]
By injection, the molten resin 10 is injected into the cavity 25 as shown in FIGS. 3 (b), 3 (c), and 3 (d). FIG. 3D shows a state immediately before the injection of the molten resin 10 is completed. In this process, the gas occupying the gap 26 remaining around the top portion 11 of the molten resin 10 is discharged through the gas venting path between the mold members 20 and 40 when the injection is completed.
[0038]
On the other hand, in the diffraction groove transfer portion 21, a part of gas tends to remain in the gaps in the diffraction grooves of the diffraction groove transfer portion 21. This is because when the molten resin 10 approaches the diffraction groove transfer portion 21 and attempts to enter an annular (exactly arc-shaped) groove corresponding to each diffraction groove, the diffraction groove transfer portion 21 is made of the molten resin 10. It is because it is in a covered state.
[0039]
However, unlike the case described with reference to FIG. 1, the diffraction groove transfer portion 21 is provided with degassing grooves 31, 32, 33 that traverse in the radial direction. It escapes from the inside of the annular (exactly arcuate) groove and is discharged to the outside through the grooves 31, 32 and 33.
[0040]
Accordingly, sufficient injection of the molten resin 10 into the groove for transferring the diffraction groove is achieved, and the shape disturbance due to transfer failure is avoided. As a result, a diffraction molded lens having a groove shape as designed can be obtained. Unnecessary orders of diffracted light are not generated, and performance such as a chromatic aberration correction function is maintained.
[0041]
Such venting is sufficiently ensured even when a diffraction groove is formed on the convex surface as in this example. Therefore, formation of a diffractive structure on a convex surface, which has been difficult in the past, can be easily realized.
[0042]
When the mold member 20 shown in FIG. 2 is used, a diffractive molded lens having three convex portions corresponding to the positions of the gas venting grooves 31, 32, 33 is obtained. If the position and number of the gas vent grooves are changed, diffractive molded lenses having convex strips at various positions can be obtained accordingly.
[0043]
For example, if one groove for degassing is provided, a diffraction molded lens L1 as shown in FIG. 7 is obtained. The diffractive molded lens L1 has a convex surface as a base surface, and a diffractive surface DF is formed thereon. The diffractive surface DF is composed of a large number of concentric annular (exactly concentric arcs) diffraction grooves, and one ridge portion PR is formed so as to cross them substantially at a right angle.
[0044]
Further, if the gas venting grooves are radially four, a diffractive molded lens L2 as shown in FIG. 8 can be obtained. The diffractive molded lens L2 has a convex surface as a base surface, and a diffractive surface DF is formed thereon. The diffractive surface DF is composed of a large number of concentric annular (exactly concentric arcs) diffraction grooves, and four protruding strips PR1 to PR4 are formed so as to cross them substantially at right angles. 7 and 8, S represents a convex portion corresponding to the resin injection port side (gate side).
[0045]
  Next, the form of protrusionsExample4 to 6TheBrowseTheoryLight up.Of these figures, FIG. 6 shows a reference example. Also,4 to 6 are drawn as cross-sectional views with an enlarged enlarged view similar to FIG. 3 (d).
[0046]
First, FIG. 4 shows the most basic example. In this example, a part (linear portion) of the concave surface Q on which the bottom R of the groove of the diffraction groove transfer portion of the mold M forming the cavity CV rides forms the top of the gas venting groove GP. The concave surface Q corresponds to a convex surface that is a base surface of a lens obtained by molding. Therefore, the convex strip portion of the diffraction molded lens obtained in this example is formed so that the top portion thereof is located on the base surface of the lens.
[0047]
Next, FIG. 5 shows a case formed so that the top of the ridge is parallel to the base surface and located outside the base surface. That is, the linear portion W that is recessed at a certain depth from the concave surface Q (broken line) on which the groove bottom R of the diffraction groove transfer portion of the mold N forming the cavity CV is formed forms the top of the groove GP. Since the concave surface Q corresponds to a convex surface that is a base surface of a lens obtained by molding, the convex strip portion of the molded lens forms a ridge that protrudes from the base surface at a certain height.
[0048]
  Shown as a reference exampleIn FIG. 6, the linear portion Y formed so that the depth from the concave surface Q (broken line) on which the groove bottom portion R of the diffraction groove transfer portion of the mold T that forms the cavity CV rides increases toward the outer edge portion. The top of the groove GP is formed. Since the concave surface Q corresponds to the convex surface that becomes the base surface of the lens obtained by molding, the convex strip portion of the molded lens is formed so that the height from the base surface tends to increase as it approaches the outer edge of the convex surface. Will be.
[0049]
Examples of the optical system in which the diffractive lens having the shape as described above is arranged as a single leaf are shown in FIGS. In the figure, ray tracing lines are written.
[0050]
9 and 10, the lenses LS1 and LS2 have convex surfaces J1 and J2 with concentrated positive refractive power and loose convex surfaces K1 and K2 with a slight positive refractive power, respectively. However, the degree of concentration of refractive power is stronger in FIG. 9 than in FIG.
[0051]
Although not shown, on the convex surfaces (diffractive surfaces) J1 and J2, a large number of concentric annular (exactly concentric arcs) diffraction grooves formed according to a specified design are formed. One or several ridges are formed on the convex surfaces J1 and J2 so as to cross these. Any form described above may be adopted for the ridges.
[0052]
The stop IR is disposed on the object side of the lenses LS1 and LS2, and is oriented so that the diffraction surfaces J1 and J2 face the image plane G side. For example, a CCD array is arranged at the position of the image plane G. The glass plate E corresponds to, for example, a window of a CCD array.
[0053]
In the optical system shown in FIGS. 9 and 10, most of the refractive power (positive as a whole; condensing action) of the lens LS1 or LS2 is given to the diffractive surface J1 or J2. The image light beam becomes a substantially parallel light beam, and the influence of the characteristic change due to the provision of the ridge portion is suppressed to be very small.
[0054]
Further, since the lenses LS1 and LS2 are arranged so that the convex surface comes to the image plane G side, it is advantageous from the viewpoint of preventing damage to the diffractive structure, dust adhesion, foreign matter jamming, etc. in the camera assembly process. is there.
[0055]
Next, in FIG. 11, the lens LS3 constitutes a meniscus lens. That is, it has a convex surface J3 that concentrates positive refractive power and a loose concave surface K3 that has small negative refractive power. Although not shown, on the convex surface (diffractive surface) J3, a large number of concentric annular (exactly concentric arc) diffraction grooves formed in accordance with a designated design are formed. And 1 thru | or several protrusions are formed on the convex surface J3 so that these may be crossed. Any form described above may be adopted for the ridges.
[0056]
The diffractive surface J3 is oriented so as to face the image plane G side. For example, a CCD array is arranged at the position of the image plane G. The glass plate E corresponds to, for example, a window of a CCD array. Moreover, the glass plate H is corresponded to the protective window of the concave surface K3, for example. The diaphragm IR in this example is provided near the outer edge of the object-side surface of the glass plate H.
[0057]
Even in the optical system of this example, most of the refractive power (positive as a whole; condensing action) of the lens LS3 is given to the diffractive surface J3, so that the imaging light beam becomes a substantially parallel light beam on the diffractive surface J3. The influence of the characteristic change due to the provision of is kept very small. Further, since the lens LS3 is disposed so that the convex surface comes to the image plane G side, it is advantageous from the viewpoint of preventing damage to the diffractive structure, dust adhesion, foreign matter jamming, etc. in the camera assembly process.
[0058]
Finally, specific examples 1 to 3 including lens data will be described with respect to the optical systems shown in FIGS. The diffractive element (plastic molded lens having a diffractive structure provided on the convex surface) in these examples was manufactured by an injection molding method using a mold whose inner surface was processed corresponding to the diffraction groove. The mold was processed by a lathe using an ultra-precision diamond bite. The resin material was polycarbonate, the injection resin temperature was 280 ° C., and the mold temperature was 100 ° C.
[0059]
In each of Examples 1 to 3, the amount of change in optical path difference due to the diffractive structure of the diffractive optical element was determined using the phase function method. In the phase function method, the phase change of the wavefront due to the diffractive structure is expressed by a phase function defined by the following equation.
φ (r) = 2πΦ (r) / λd                           ... (1)
Φ (r) = a1 r2 + A2 rFour + AThree r6 + ... + aTenr20         ... (2)
Here, φ (r) is a phase function, Φ (r) is an optical path difference function, r is a radial distance of the optical element (r = 0 on the optical axis), a1 ~ ATenIs the coefficient of the optical path difference function and λd Represents the design wavelength of the diffraction element. The optical system was rotationally symmetric.
[0060]
Further, the diffractive surface of the diffractive optical element in each embodiment is a diffractive structure formed on an aspherical substrate, and the value of the optical path difference function of the diffractive structure, that is, the amount of deviation of the optical path difference from the aspherical substrate is , Design wavelength λd Integer multiple (−λd , -2λd -3λd The annular zone was designed and formed so as to reset the deviation amount of the optical path difference from the aspherical base to 0 at the position of r as shown in FIG.
[0061]
The reason why the ring zone structure can be designed and formed in this way is that the optical path difference is the design wavelength λ.d This is because the phase change due to the diffractive structure is an integral multiple of 2π, and the phase change of the wavefront with respect to the aspherical surface becomes equal to 0, as can be seen from the above equation.
[0062]
In each example, a sawtooth shape was adopted as a specific shape of the diffraction grating. Further, the change in the thickness of the element within each lattice pitch was made continuous. In addition, what made this thickness change correspond correctly to the phase change in the said grating | lattice pitch is called a kinoform. In order to suppress generation of unnecessary order diffracted light and to obtain high diffraction efficiency, it is desirable to bring the sawtooth shape closer to this kinoform.
[0063]
On the other hand, a shape in which the change in the thickness of the element within each lattice pitch is set in a binary step (2 levels, 4 levels, 8 levels,...) Is known, and is called a binary shape. In general, if the number of steps (number of levels) in a binary shape is small, it becomes difficult to achieve a good correspondence (approximation) with the phase change, and diffracted light of an unnecessary order is generated, and the diffraction efficiency is likely to decrease. Become. From such a viewpoint, when the binary shape is adopted, the number of stages is preferably 4 or more.
[0064]
Here, a definition formula that specifically describes the shape of the diffraction surface, which is commonly applied to each of the first to third embodiments in which the diffraction grating has a sawtooth shape, will be described.
The following formula (3) is adopted as a formula for expressing the shape of the diffractive surface. Here, the optical axis direction is the Z axis, and the radial distance (measured from the optical axis) perpendicular to the optical axis is r. Z (r) represents the position (Z coordinate value) of the diffraction surface at r.
Figure 0003657467
Of the right side of this equation, the first and second rows represent the aspherical surface, and the third and fourth rows represent the diffraction grating components. In particular, the fourth row corresponds to the above-described reset at the time of ring zone formation (design time). Further, the codes used are as follows.
[0065]
c: Curvature of aspherical base at the top
k: cone coefficient
AFour , A6 , A8 ... 4th, 6th, 8th ... aspherical coefficients
a1 , A2 , AThree ... aTen; Coefficient of optical path difference function (series expression) described above
λd ; Λ mentioned aboved Same as diffractive structure design wavelength
nd : Design wavelength λd Refractive index of optical materials used for diffractive structures in
δrF1 , ΔrF2 , ΔrF3 ... A function of r taking a value of 0 or 1. When the subscript is rFs (s = 1, 2, 3,...), 0 ≦ r <Fs takes value 0, and r ≧ Fs takes value 1. Here, Fs represents a step position where the s-th annular zone starts from the optical axis side.
[0066]
In each of the following Examples 1 to 3, the design wavelength λ of the diffractive structured Was 550 nm (corresponding approximately to the wavelength of e-line, which is an emission spectrum line of Hg, 546.07 nm). As described above, the material of the lens is polycarbonate (refractive index: 1.58772) including the diffraction structure portion. Therefore, when these numerical values are put in the part in {} of the fourth line of the above equation (3) and calculated, λd / (Nd -1) = 935.8 nm. This represents the depth of the diffraction groove (deviation from the substrate).
[0067]
Further, the various codes used in the data description are in accordance with the convention, and their meanings are as follows.
f: Focal length of the entire optical system (mm)
F / No; F number
ω: Half angle of view
c1 , C2 ... curvature of each lens surface (mm-1)
d1 , D2 .... Distance between lens surfaces (mm)
nd1, Nd2...: Refractive index of each lens material (He d line = 587.56 nm value is used)
νd1, Νd2...: Abbe number of each lens material, and the aspherical coefficient and the coefficient of the optical path difference function are as defined above.
[0068]
Figure 0003657467
In the first embodiment, the diaphragm IR shown in FIG.1 ). The object-side surface K1 of the lens LS1 is the second surface (c2 ), The surface J1 on the image plane side is the third surface (cThree ) Respectively. Furthermore, the object side surface of the glass plate E is the fourth surface (cFour ), The image side surface is the fifth surface (cFive ) Respectively.
[0069]
Accordingly, the iris IR and the first surface K1 of the lens LS1 (surface c on the object side)2 ) Is d1 It becomes. Further, the first surface K1 of the lens LS1 (surface c on the object side)2 ) And the second surface J1 (image surface side surface c) of the lens LS1.Three ) Is d2 The second surface J1 of the lens LS1 (surface c on the image plane side)Three ) And the object-side surface of the glass plate E is dThree It becomes. And the object side surface of the glass plate E (cFour ) And the image side surface (cFive ) (In this case, the thickness of the glass plate) is dFour The surface on the image plane side of the glass plate E (cFive ) And the image plane G is dFive It becomes.
[0070]
Figure 0003657467
The correspondence between these various values in the present embodiment and the arrangement shown in FIG. 10 is the same as in the first embodiment.
That is, the iris IR is the first surface (c1 ). The object-side surface K2 of the lens LS2 is the second surface (c2 ), The surface J2 on the image plane side is the third surface (cThree ) Respectively. Furthermore, the object side surface of the glass plate E is the fourth surface (cFour ), The image side surface is the fifth surface (cFive ) Respectively.
[0071]
Accordingly, the diaphragm IR and the first surface K2 of the lens LS2 (object-side surface c)2 ) Is d1 It becomes. The first surface K2 of the lens LS2 (object-side surface c2 ) And the second surface J2 (image surface side surface c) of the lens LS2Three ) Is d2 The second surface J2 of the lens LS2 (image surface side surface c)Three ) And the object-side surface of the glass plate E is dThree It becomes. And the object side surface of the glass plate E (cFour ) And the image side surface (cFive ) (In this case, the thickness of the glass plate) is dFour The surface on the image plane side of the glass plate E (cFive ) And the image plane G is dFive It becomes.
[0072]
Figure 0003657467
Figure 0003657467
The correspondence relationship between these values and the arrangement shown in FIG. 11 is determined based on the same basic rules as in the first and second embodiments, but the glass plate H is on the front side (object side) of the lens LS3. Because it is arranged in, it needs some attention.
[0073]
First, the iris IR is the first surface (c1 ), The object side surface of the glass plate H is the second surface (c2 ). Surface c1 c2 The distance between is d1 It becomes. Here, it should be noted that the surface of the diaphragm IR is treated as a surface different from the object-side surface of the glass plate H. However, as described above, the distance d in this example1 Is 0.
[0074]
Next, the image side surface of the glass plate H is the third surface (cThree ), The object side surface K3 of the lens LS3 is the fourth surface (cFour ), The surface J3 on the image plane side is the fifth surface (cFive ) Respectively. Further, the object side surface of the glass plate E is the sixth surface (c6 ), The image side surface is the seventh surface (c7 ) Respectively.
[0075]
Therefore, d2 Is the thickness of the glass plate H, dThree Is the surface on the image plane side of the glass plate H (cThree ) And the first surface K3 of the lens LS3 (surface c on the object side)Four ). Further, the first surface K3 of the lens LS3 (surface c on the object side)Four ) And the second surface J3 (image surface side surface c) of the lens LS3.Five ) Is dFour It becomes.
[0076]
Similarly, the second surface J3 (image surface side surface c) of the lens LS3.Five ) And the object-side surface of the glass plate E is dFive The thickness of the glass plate E is d6 It becomes. And the image side surface (c of the glass plate E)7 ) And the image plane G is d7 It becomes.
[0077]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a plastic diffractive molded lens that hardly causes a transfer failure of the diffractive groove shape even when a replica method represented by injection molding is applied, and the lens are used in an advantageous form. An optical system is provided. That is, by making a simple change to the shape of the diffraction groove forming portion, the irregularity of the groove shape that was particularly likely to occur in the diffraction groove on the convex surface was eliminated, and the annular diffraction grooves were regularly formed on the convex substrate. Plastic diffractive molded lenses can be provided at low cost. In addition, it is possible to provide a simple and excellent optical system in which a positive plastic diffractive molded lens having a diffraction groove on a convex surface is disposed as a single leaf.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows the flow of resin when manufacturing a conventional diffractive molded lens having a concentric annular diffraction groove on a convex surface by injection molding in the order of (a) → (b) → (c) → (d). It is shown in a sectional view later.
FIG. 2 is a view showing an example of a mold (main part member) used when manufacturing a plastic diffractive molded lens having the characteristics of the present invention, and (a) is a perspective view of (b). It is a top view of the shown metal mold | die (main part member).
FIG. 3 shows the flow of resin when a diffractive molded lens is manufactured by injection molding using the mold members 20 and 40 in the same manner as in FIG. 1, and (a) → (b) → (c) → ( d) are shown in cross-sectional view in order.
[Fig.4] Forming the ridges1 ofIt is a figure explaining an example.
[Fig.5] Forming the ridgesAnother example ofIt is a figure explaining about.
FIG. 6 shows the formation form of the ridges.referenceIt is a figure explaining an example.
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a diffractive molded lens having one convex portion.
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a diffractive molded lens having four ridges.
FIG. 9 is a diagram for explaining an example of an optical system in which an improved diffraction molded lens is arranged.
FIG. 10 is a diagram for explaining another example of an optical system in which an improved diffraction molded lens is arranged.
FIG. 11 is a diagram illustrating an example of an optical system in which another improved diffractive molding lens is disposed.
[Explanation of symbols]
  1 Mold
  2 cavity
  3 Diffraction groove transfer section
  4, 41 Loose concave surface
  10 Molten resin
  11 Leading part of molten resin flow
  12 Molten resin close to the diffraction groove transfer section
  13 Gap between diffraction groove transfer part and molten resin (unfilled part)
  20, 40, M, N, T Mold member
  21 Diffraction groove transfer section
  25, CV cavity
  31, 32, 33, GP Degassing groove
  E, H glass plate
  G Image plane
  IR aperture
  J1, J2, J3 Diffraction surface
  K1, K2 Loose convex surface
  K3 Loose concave surface
  L1, L2, LS1, LS2, LS3 Diffraction molded lens
  Q Concave surface with bottom R
  R Groove of diffraction groove transfer section
  W A linear part recessed at a certain depth from the concave surface Q (dashed line)
  Y A linear part formed so that the depth increases toward the outer edge.

Claims (5)

少なくとも1つの凸面を基盤面として有するプラスチック製の正レンズであって、
前記凸面上に回折用の輪帯構造が形成されるとともに、前記輪帯構造を横断するように細い凸条部が設けられており、
前記凸条部は、その頂部が前記基盤面上に、または前記基盤面と平行で、且つ、前記基盤面より外側に、位置するように形成されている、前記回折成形レンズ。
A plastic positive lens having at least one convex surface as a base surface,
Wherein the ring-shaped structure for diffraction is formed on the convex surface Rutotomoni, and narrow convex portion is provided so as to cross the ring-shaped structure,
The diffractive molded lens, wherein the convex portion is formed such that a top portion thereof is positioned on the base surface or parallel to the base surface and outside the base surface.
前記回折用の輪帯構造が色収差補正のために形成されたものである、請求項1に記載された回折成形レンズ。 The ring-shaped structure for diffraction and is formed for chromatic aberration correction, it has been diffraction molded lens according to claim 1. 1枚のプラスチック製の正レンズと絞りを含む光学系であって、前記絞りが前記正レンズより物体側に配置され、An optical system including a single plastic positive lens and a diaphragm, wherein the diaphragm is disposed closer to the object side than the positive lens;
前記正レンズは、像面側に凸面を基盤面として有し、  The positive lens has a convex surface as a base surface on the image surface side,
前記凸面上には回折用の輪帯構造が形成されるとともに、前記輪帯構造を横断するように細い凸条部が設けられており、A diffraction ring zone structure is formed on the convex surface, and a thin ridge is provided so as to cross the ring zone structure,
前記凸条部は、その頂部が前記基盤面上に、または前記基盤面と平行で、且つ、前記基盤面より外側に、位置するように形成されている、前記光学系。The optical system, wherein the convex portion is formed such that a top portion thereof is positioned on the base surface or parallel to the base surface and outside the base surface.
前記回折成形レンズの全体として正の屈折パワーの大半が前記凸面に与えられている、請求項3に記載された光学系。The optical system according to claim 3, wherein most of the refractive power of the entire diffractive molded lens is given to the convex surface. 前記回折用の輪帯構造が色収差補正のために形成されたものである、請求項3または請求項4に記載された光学系。 The optical system according to claim 3 or 4, wherein the diffraction ring zone structure is formed for correcting chromatic aberration .
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