JP4370654B2 - 眼鏡レンズ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、眼鏡レンズに関し、特に色収差を補正し、周辺部の鮮明度を向上させた薄型軽量の眼鏡レンズに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年眼鏡レンズの厚さや重量を減少させる為に、屈折率の高い素材が開発されている。しかし、プラスチック素材は、屈折率を高めていくと、波長による屈折率の変化が大きくなる傾向にある。素材の色分散を示すアッベ数が小さくなると、レンズの色収差が大きくなり、周辺部に於ける像のにじみが増大し、鮮明度を低下させていた。
【0003】
この問題に鑑み、アッベ数の異なる凹レンズと凸レンズを張り合わせ、色収差を補正する技術が、特開平7−28002号公報に開示されている。しかし、この方法では、凹・凸の2枚のレンズを張り合わせる為、レンズが厚くなり、重量も増してしまう。
【0004】
光学素子の表面に周期的な微細輪帯構造を形成することにより、レンズとしての働きをさせる事が出来る。この様な素子を回折光学素子と呼び、近年その応用開発が盛んに行われている。回折光学素子は、厚みが殆ど無い為、光学系を小型化するのに有利である。又、通常の屈折光学系とは、異なる色分散特性を持っているので、組み合わせて使用することにより、単焦点レンズであっても、色収差を補正することが、出来る。特開平6−242373号公報には、光ピックアップ用対物レンズとして応用した例が、開示されている。又、同様の技術の応用として、眼鏡レンズに回折光学素子を使用した例が、特開平10−339856号公報に開示されている。この発明は、レンズを薄くすることに効果的であり、従来のレンズとほぼ同じ厚さのレンズで、色収差を補正したレンズが得られる。しかし、これらの発明によるレンズは、表面に微細な段差形状を有しており、汚れが付着し易く、付着した油膜等の影響により、回折効率が変化する。又、表面にハードコートや反射防止膜などの機能を付与することが困難であり、形状の精度も厳しい。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は下記の7つの課題を解決するものである。
1.横の色収差を補正し、周辺部の像の鮮明度を向上させたレンズを得る。
2.横の色収差を補正する為にレンズの厚みや重量を増加させない。
3.レンズ表面にハードコート膜、反射防止膜、防曇膜などを設ける。
4.レンズ表面に段差構造を生じさせず、外観を向上する。
5.回折光学素子の製造公差を緩和し、製造誤差による性能低下を防止する。
6.回折光学素子による不要な回折光を減少させる。
7.従来の製造工程の中で、レンズの生産を行えるようにする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の眼鏡レンズは、屈折率の異なる2種類の透明プラスチック光学素材か
ら成り、その境界面の形状が、光軸に対して回転対称な段差から成る回折素子構
造を成しており、さらに、外面側の第一素材の屈折率をn1、アッベ数をν1、内
面側の第二素材の屈折率をn1、アッベ数をν2、回折構造を平均的な曲面で置き
換えた時の第一レンズの度数をD1(ディオプター)、第二レンズの度数をD2(デ
ィオプター)、中心からr(mm)の点に於ける回折構造のピッチをp(mm)、
平均曲面の法線方向に対する回折構造の段差距離をδ(mm)、境界面に入射す
る光線の法線との角度をθ1、射出する光線の角度をθ2とした時、
【0008】
【数5】
が成り立つことが望ましい。
【0009】
さらに、レンズの度数が負の場合は、
【0010】
【数6】
が成り立つことが望ましく、レンズの度数が正の場合は、
【0011】
【数7】
が成り立つことが望ましい。
【0012】
さらに、レンズの度数が負の場合は、ν2<ν1が成り立つことが望ましく、
レンズの度数が正の場合は、ν1<ν2が成り立つことが望ましい。
【0013】
さらに、レンズ外面及び内面に、ハードコート、反射防止膜の内少なくとも1つが形成されていることが望ましい。
【0014】
さらに、2種類の素材の境界面に、反射防止膜を形成して境界面の反射を減少させることが出来る。この時反射防止膜の厚さをd(mm)、屈折率をnとすると、
【0015】
【数8】
が成り立つことが望ましい。
【0016】
さらに、境界面の回折構造は、型によって成形され、レンズの内面側の形状は、球面、非球面、トーリック面、累進面のいずれかであり、機械加工によって形成されることが望ましい。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明のレンズは、レンズ表面の屈折によって生じる色収差を、回折構造によって生じる色収差によって相殺させ、収差量を減少させることにより、像の鮮明度を向上させている。さらに、本発明のレンズは、2種類の素材の境界面上に回折構造を形成し、外部に露出していない為、回折部が汚れることが無く、表面に付着した物質によって、回折効果が影響されることも無い。本発明のレンズの表面は、従来のレンズと同様な曲面で構成されている為、その表面にハードコートや反射防止コートなどを施すことが可能であり、表面に回折構造がある場合に比べ、機能を向上させることが出来る。
【0018】
本発明のレンズは、2種類の素材の屈折率差によって回折作用を生じさせるので、0.01以上の屈折率の差が無いと、回折構造の段差寸法が大きくなり過ぎる。又、屈折率差が大き過ぎると、回折部に於いて不要な散乱光が増大する為、0.4以下にすることが望ましい。従って、第一素材の屈折率をn1、第二素材の屈折率をn2とした時、
【0019】
【数9】
が成り立つことが望ましい。
【0020】
さらに、本発明の眼鏡レンズは、回折構造によって発生する色収差と屈折によって発生する色収差を相殺させている為、その構造に一定の制限が生じる。第一素材のアッベ数をν1、第二素材のアッベ数をν2、回折構造を平均的な曲面で置き換えた時の第一レンズの度数をD1(ディオプター)、第二レンズの度数をD2(ディオプター)とすると、中心からr(mm)の点に於けるF線とC線の偏角(θF、θC)の差Δθは、
【0021】
【数10】
で与えられる。一方回折格子による1次の回折角φは、光線の波長をλ(mm)、ピッチをp(mm)とすると、
【0022】
【数11】
で与えられる。従って、F線とC線の回折角(φF、φC)の差Δφは、
【0023】
【数12】
となる。屈折によって生じる色収差と、回折によって生じる色収差が相殺する為には、Δφ=−Δθとなっていれば良く、実用上は、Δφ=−0.5Δθ程度の補正量でも、十分な改善効果が得られる。従って、
【0024】
【数13】
を満足していれば、十分な収差補正が出来る。
【0025】
また、回折構造のピッチがあまり小さくなり過ぎると散乱が増加するので、
【0026】
【数14】
を満たしていることが望ましい。
【0027】
さらに、平均曲面の法線方向に対する回折構造の段差距離をδ(mm)、境界
面に入射する光線の法線との角度をθ1、射出する光線の角度をθ2とした時、段
差構造によって1波長分の光路長差が生じる為には、
【0028】
【数15】
であれば良い。さらに、具体的には、
【0029】
【数16】
であれば、十分な回折効率が得られる。設計の主波長λとしては、眼鏡レンズの場合、500(nm)〜580(nm)の光を考えれば良いので、結局、
【0030】
【数17】
であれば良い。
【0031】
さらに、回折素子の色収差特性から、レンズ全体の度数の符号と、回折光学素子の度数の符号は、同じでなければならないので、負の度数のレンズの場合は、
【0032】
【数18】
正度数のレンズの場合は、
【0033】
【数19】
であることが、望ましい。
【0034】
又、回折構造の段差部分による不要な散乱光を減少させる為には、使用する光線と段差部分が、平行に近い程良い。従って、段差部分の光軸に対する角度が、光軸から離れるに従って大きくなる様に構成することが望ましい。
【0035】
さらに、可視光の範囲で高い回折効率を維持する為には、各波長に於いて、
【0036】
【数20】
が成り立っていれば良い。その為には、n2<n1の時にはν2<ν1、n1<n2の時にはν1<ν2であることが望ましい。
【0037】
さらに、本発明による眼鏡レンズは、その表面が従来のレンズと同様な平滑な曲面によって構成されている為、その上にハードコート膜や反射防止膜を形成することが出来る。
【0038】
さらに、本発明による眼鏡レンズは、回折構造部に於ける反射を減らす事によって、レンズの外観を良くすることが出来る。この場合、形成する反射防止膜は、単純な一層のコートで十分な効果があり、その膜の厚さをd(mm)、屈折率をnとすると、
【0039】
【数21】
が成り立つことが望ましい。
【0040】
さらに、本発明によるレンズの製造工程としては、量産性を考慮すれば、回折構造部を型によって形成することが望ましい。この時、回折構造を持つ型と通常の曲面形状を持つ型を組み合わせて、一旦レンズを成形し、その後成形したレンズと曲面型の間に別の素材を流入し、レンズとして成形する。この場合、内面側の素材の厚みは、度数調整の為の機械加工を施す余地を残す為に、外面側より厚くする。外面側の素材の厚みとしては、レンズとしての度数が不要なので、極めて薄くても良く、スピンコート等の手法で、回折構造の上にモノマーを塗布して形成することも可能である。
【0041】
通常在庫のレンズは、加工しろを含めて厚めに成形しておき、お客様からの注文に応じて内面側を機械加工して、最終製品とする。本発明のレンズも、型成形の段階では、厚いブランクを作っておき、その後に内面を非球面、トーリック面、累進面等に加工すれば良い。この様な製造方法は、機械加工を施す内側表面に回折構造を有していないことから可能となることで、特開平10−339856号公報に開示されている様な内面に回折構造を持つレンズでは、不可能である。
【0042】
次に、本発明の眼鏡レンズについて実施例により説明する。
【0043】
(実施例1)
図1に本発明の実施例1の形態を示す。第一素材1に屈折率1.71、アッベ数36、第二素材2に屈折率1.66、アッベ数32の物を用い、その境界面に回折構造3を形成している。レンズの度数は、−10(ディオプター)、第一素材の中心厚は、0.2mm、第二素材の中心厚は、1.0mmである。回折構造3の段差は、実際には非常に微細で、図に表せない程の物であるが、図1では、誇張して描いている。図2は、この回折構造3の一部を拡大して示した物である。回折構造の段差部分の光軸に対する角度αは、光軸から離れるに従って、大きくなる。これは、段差部分が、なるべく光線の方向と平行になっている方が、光線の散乱が少なく、像の質が良くなるからである。本実施例のレンズの場合、第一素材の屈折率が、第二素材の屈折率より大きいことにより、回折光学素子の度数を負にしつつ、図2の構造をとる事が出来る。本実施例におけるレンズの回折構造の段差寸法δは、約0.012mmとなっており、外面に回折構造を設けた場合の段差寸法約0.0008mmに比べ、約15倍になっている。この分回折構造部の製造公差や面荒さも緩くなり、製造しやすい設計となっている。図3は、中心からの距離rと回折構造のピッチpの逆数Nとの関係を示したグラフである。図4は、中心から20mmの点に於ける横の色収差を示したグラフである。回折構造を使用せず、屈折率1.66、アッベ数32の単一の素材で同じ度数のレンズを作成した従来例(点線)に対して、回折構造を有する本発明の場合(実線)には、格段に収差が改善されている事が判る。
【0044】
(実施例2)
図5に本発明の実施例2の形態を示す。第一素材1に屈折率1.66、アッベ数32、第二素材2に屈折率1.71、アッベ数36の物を用い、その境界面に回折構造3を形成している。レンズの度数は、+6(ディオプター)、第一素材の中心厚は、0.2mm、第二素材の中心厚は、10.0mmである。実施例1と同様に、回折構造の段差部分の光軸に対する角度αは、光軸から離れるに従って、大きくなる。これは、段差部分が、なるべく光線の方向と平行になっている方が、光線の散乱が少なく、像の質が良くなるからである。本実施例のレンズの場合、第二素材の屈折率が、第一素材の屈折率より大きいことにより、回折光学素子の度数を正にしつつ、この様な構造をとる事が出来る。本実施例におけるレンズの回折構造の段差寸法δは約0.01mmで、外面に回折構造を設けた場合の段差寸法に比べ遙かに大きくなっており、実施例1と同様に製造公差が緩く、製造しやすい設計となっている。図6は、中心からの距離rと回折構造のピッチpの逆数Nとの関係を示したグラフである。図7は、中心から20mmの点に於ける横の色収差を示したグラフである。回折構造を使用せず、屈折率1.71、アッベ数36の単一の素材で同じ度数のレンズを作成した従来例(点線)に対して、回折構造を有する本発明の場合(実線)には、格段に収差が改善されている事が判る。
【0045】
【発明の効果】
本発明によれば、色分散の大きい光学材料を用いても、レンズの厚みを増す事無く、色収差の少ないレンズが得られる。しかも、回折構造部が外部に露出していない為、汚れ等によって回折効率が変化することが無く、レンズ表面にハードコート膜や反射防止膜を設けることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1のレンズの形態を示す図。
【図2】実施例1の回折構造部の拡大図。
【図3】実施例1の回折構造のピッチと中心からの距離の関係を示す図。
【図4】実施例1の横の色収差を示す図。
【図5】実施例2のレンズの形態を示す図。
【図6】実施例2の回折構造のピッチと中心からの距離の関係を示す図。
【図7】実施例2の横の色収差を示す図。
【符号の説明】
1 眼鏡レンズの第一素材
2 眼鏡レンズの第二素材
3 回折構造
4 回折構造の段差部分
5 回折構造を平均化した曲面
6 入射光線
7 射出光線
8 平均曲面の法線
Claims (9)
- 屈折率の異なる2種類の透明プラスチック光学素材から成り、そ
の境界面の形状が、光軸に対して回転対称な段差から成る回折素子構造を成して
おり、
外面側の第一素材の屈折率をn 1 、アッベ数をν 1 、内面側の第二素材の屈折率をn 2 、
アッベ数をν 2 、回折構造を平均的な曲面で置き換えた時の第一レンズの度数をD 1
(ディオプター)、第二レンズの度数をD 2 (ディオプター)、中心からr(mm)
の点に於ける回折構造のピッチをp(mm)、平均曲面の法線方向に対する回折構
造の段差寸法をδ(mm)、境界面に入射する光線の法線との角度をθ 1 、射出する
光線の角度をθ 2 とした時、
- 回折構造の段差部分の光軸に対する角度が、光軸から離れるに従
って大きくなることを特徴とする請求項2または3に記載の眼鏡レンズ。 - 素材のアッベ数ν 1 、ν 2 に対して、ν 2 <ν 1 が成り立つ事を特徴
とする請求項2に記載の眼鏡レンズ。 - 素材のアッベ数ν 1 、ν 2 に対して、ν 1 <ν 2 が成り立つ事を特徴
とする請求項3に記載の眼鏡レンズ。 - レンズ外面及び内面に、ハードコート、反射防止膜の内少なくと
も1つが形成されていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に眼鏡
レンズ。 - 境界面の回折構造は、型によって成形され、内面側の形状は、
球面、非球面、トーリック面、累進面のいずれかであり、機械加工によって形成
されることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の眼鏡レンズ。
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