JP4563681B2 - 正確に整列されたレンズ構造およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、レンズ構造に関し、特に光学素子が非常に正確に整列されたレンズ構造に関する。

光学レンズおよび関連する光学素子はレンズ構造を形成するために製造され、組立てられる。ある応用では、レンズ構造は高い機械的正確度と、温度が適当な範囲で変化したときでも所望の範囲に維持されるように小さい公差を有している必要がある。

高い機械的正確度と小さい公差を有するレンズ構造を製作する通常の方法では、レンズは関係する波長に透明なガラスまたはセラミックレンズ材料から処理される。レンズは適切な製造技術によって処理され、それは通常高い機械的正確度を有することが必要なレンズ構造の場合には最終機械加工を含んでいる。レンズを支持し、保護するために十分の強度の通常金属合金で構成されるハウジングが形成される。このハウジングは、レンズの設置のための取付け部を有しており、適当な製造技術により、典型的には数値制御された工作機械によってレンズとは別に製造される。その後、レンズはハウジングの穴の内部の設置のための各取付け部に別々に組立てられているが、このような通常の製造技術は、機械的変位および角度公差が1.27乃至 0.254マイクロメータ（0.0005乃至0.0001インチ）程度の最終的なレンズ構造を組立てることを可能にするが、それより小さいものは得られていない。このような公差を得るために、レンズとハウジングの機械加工には非常な注意が要求される。組立て構造は高度に熟練した組立て技術者により行われ、種々のレンズおよびハウジングが機械的変位および角度誤差を最小にするように最適の配置を得るために細心の注意が必要とされる。典型的な場合には、組立て技術者は注意深く配置し、最良の配置が得られるまで個々のレンズを円筒形ハウジング内にレンズ相互およびハウジングに対してしばしば再位置調整をする必要がある。素子はその後その位置に固定される。

最終的な組立ては室温で行われる。完成された組立て体が室温よりも高い、或いは低い温度のサービス環境で使用されるとき、最終的なレンズ構造中に残っている誤差はレンズとハウジングの熱膨脹係数の差によってさらに増加する。その結果、機械的な整列、したがってレンズ構造の光学的性能が温度の関数として変化し、劣化がしばしば生じる。

通常の方法は多くの型式の光学システムに対して充分なものである。現在開発中の他の型式のものに対しては、既存の方法は機械的変位および角度誤差を充分に小さく維持することを可能にしない。したがって、レンズ構造の設計、製造、組立てに対する改良された方法が必要とされており、それは、室温および適度に上昇された温度または低下された温度の両方においてさらに誤差の少ないレンズ構造を提供する。本発明はこのような要求を満たし、さらに関連した効果を提供する。

本発明は機械的に正確に整列されたレンズ構造およびその製造方法を提供する。レンズ構造はレンズ間で約1.27マイクロメータ（0.0005インチ）以下の公差、典型的には約 0.254マイクロメータ（0.0001インチ）以下の公差で組立てられることができる。整列公差はハウジングの熱膨張に無関係に、適度の温度変化に対しても維持される。本発明の方法においては、機械的整列を得るために最小の注意でレンズ構造が迅速に組立てられることを可能にする。

本発明によれば、レンズ構造を通過する光路に関してレンズ構造を製造する方法は、第１レンズ中央光学領域と、第１レンズ中央光学領域と第１レンズ周縁との間の第１レンズリムとを有する非プラスチックの第１のレンズを形成する第１の処理と、第１レンズリムに第１レンズの第１の結合表面を形成する第１の機械加工処理とを含んでいる。この方法はさらに、第２レンズ中央光学領域と、第２レンズ中央光学領域と第２レンズ周縁との間の第２レンズリムとを有する非プラスチックの第２のレンズを処理する第２の処理と、第２レンズリムに第２レンズの第１の結合表面を形成する第２の機械加工処理とを含んでいる。第２レンズの第１の結合表面は第１レンズの第１の結合表面に適合した形状である。機械加工処理は精密ダイヤモンドポイントターンにより行われることが好ましい。第１レンズの第１の結合表面は第２レンズの第１の結合表面に対面してそれと接触している。

レンズを構成する材料はプラスチック材料（すなわち有機材料）であってはならない。コストが低いために多くの応用で一般的に使用されているプラスチックレンズは非常に正確な用途には適していない。その理由は機械加工が容易ではなく、充分に緊密な公差内で機械加工することができないからであり、また、公称では同じ材料の部材間の変動が大き過ぎ、また、それらの有する熱膨脹係数が大き過ぎるからである。

第１の機械加工処理ステップは約1.27マイクロメータより小さい公差で第１レンズの第１の結合表面を第１レンズのリムに機械加工するステップを含んでいることが好ましい。第２の機械加工処理ステップは約1.27マイクロメータより小さい公差で第２レンズの第１の結合表面を第２レンズのリムに機械加工するステップを含んでいることが好ましい。したがって、第１レンズと第２レンズは約1.27マイクロメータ以下（好ましくは 0.254マイクロメータ以下）の第１レンズ／第２レンズ公差範囲内で整列される。これらの公差は機械加工の公差の限界により決定され、今後、さらに機械加工の公差が改善されればさらに改善される可能性がある。

第１レンズの第１の結合表面は、典型的に光路に対して約４５度より小さい角度で傾斜した垂線、好ましくは実質上光路に平行な垂線を有する第１レンズの軸方向位置設定表面と、光路に対して約４５度より大きい角度で傾斜した垂線、好ましくは実質上光路に垂直な垂線を有する第１レンズの案内表面とを含んでいる。同様に第２レンズの第１の結合表面は、光路に対して約４５度より小さい角度で傾斜した垂線、好ましくは実質上光路に平行な垂線を有する第２レンズの軸方向位置設定表面と、光路に対して約４５度より大きい角度で傾斜した垂線、好ましくは実質上光路に垂直な垂線を有する第２レンズの案内表面とを含んでいる。

本発明の方法はまた、内壁とこの内壁から半径方向内側に突出しているハウジング結合表面とを有するハウジングを形成する処理を含むことができる。レンズグループ結合表面がレンズグループの１つの部材に機械加工されてハウジング結合表面がレンズグループ結合表面に適合する形状に形成され、それによりレンズグループとハウジングは約1.27マイクロメータ以下のレンズグループ／ハウジング公差範囲内で整列される。組立てステップにおいては、ハウジング結合表面がレンズグループ結合表面に対して対面して接触するようにハウジングの内壁内にレンズグループを組立て、弾性バイアス手段を使用してレンズグループ結合表面をハウジング結合表面に押付けるステップを含んでいる。

２つのレンズのこの基本的な構造は直接第１および第２レンズと接触する付加的なレンズに拡張され、また、第１および第２レンズから隔てられているが、レンズ構造の全てのレンズに対して高度に正確なレンズ構造が実現されるような方法で製造され、組立てられた付加的にレンズに拡張されることができる。

第１の場合には、第１の機械加工処理のステップは、第１レンズの第１の結合表面と反対側に位置されている第１レンズの第２の結合表面を形成するステップを含んでいる。その方法はさらに、非プラスチックの第３レンズを処理する第３の処理を含み、この第３レンズは第３レンズ中央光学領域と、この第３レンズ中央光学領域と第３レンズ周縁との間に位置する第３レンズリムとを有し、この第３レンズリムに第３レンズの第１の結合表面が機械加工により形成される。組立てステップは、第１レンズの第２の結合表面が第３レンズのリムの第１の結合表面と対面してそれと接触されるように第１レンズと第３レンズを組立てるステップを含んでおり、それにより第１レンズと第３レンズは約1.27マイクロメータを越えない、好ましくは 0.254マイクロメータ以下の第１レンズ／第３レンズ公差範囲内で整列される。

第２の場合には、第２の機械加工処理ステップは、第２レンズの第１の結合表面と反対側に位置されている第２レンズの第２の結合表面を形成するステップを含んでいる。その方法はさらに、スペーサ管を処理し、スペーサ管を機械加工して第２レンズの第２の結合表面に適合した形状のスペーサ管の第１の結合表面と、スペーサ管の第１の結合表面と反対側に位置されているスペーサ管の第２の結合表面とを形成する処理とを含んでいる。この方法はさらに非プラスチックの第４レンズを処理する第４の処理を含み、第４レンズは中央光学領域とその中央光学領域と第４レンズの周縁との間に位置する第４レンズのリムとを有し、第４レンズのリムには、スペーサ管の第２の結合表面に適合した形状の第４レンズの第１の結合表面が機械加工により形成される。組立てステップは、スペーサ管の第１の結合表面が第２レンズの第２の結合表面と対面してそれと接触されるようにスペーサ管と第２レンズを組立てるステップを含んでおり、それによりスペーサ管と第４レンズは約1.27マイクロメータ以下、好ましくは 0.254マイクロメータ以下のスペーサ管／第４レンズ公差範囲内で整列される。

レンズ構造は光路に沿って延在し、レンズグループを具備している。レンズグループの非プラスチックの第１レンズは、光路中に位置する中央光学領域と、この中央光学領域と第１レンズの周縁との間の、光路から外れた位置の第１レンズのリムとを有している。第１レンズのリムは第１レンズの第１の結合表面を有している。レンズグループの非プラスチックの第２レンズは光路中に位置する中央光学領域と、この中央光学領域と第２レンズの周縁との間の、光路から外れた位置の第２レンズのリムとを有している。第２レンズのリムは、第１レンズの第１の結合表面に適合した形状でそれに対面してそれと接触している第２レンズの第１の結合表面を含んでいる。第１レンズと第２レンズは約1.27マイクロメータ以下の第１レンズ／第２レンズ公差範囲内で整列される。前述した以外の特徴、その他の特徴がレンズ構造中に含まれてもよい。

随意的に非透過性被覆が種々のレンズおよびスペーサ管の結合表面に含まれている接触部分を覆って形成されることが好ましい。この非透過性被覆は、接触している結合表面を通過して光路26に入る迷光を阻止する。各接触素子対の接触している結合表面の一方または双方に空気を逃がすための半径方向の溝が機械加工で形成されて、組立てられたレンズ構造の内部と外部空気圧力との間の圧力等化を可能にしてもよい。非透過性被覆は結合表面を構成していない各レンズのリムへ被覆されてもよいが、これらの表面（結合表面以外の表面）は接触しないでそれらの間には小さい空隙212 を有するので、迷光は顕著な程度にそれを透過することはない。

通常の高精密レンズ構造では、個々のレンズは直接ハウジングの内壁に取付けられる。レンズの機械的整列は各レンズのハウジングに対する相互関係およびハウジングとレンズの材料の特性（特に熱膨張係数）に依存する。レンズ構造の組立て中の整列は困難で熟練した作業を必要とする。本発明の方法では、実質的に良好な整列と、温度変化により整列が失われることに対する抵抗力が、レンズの材料として機械加工が容易で、高度に安定な非プラスチック材料を使用し、説明された方法でハウジング内にレンズ素子を位置させることによって達成され、レンズは互いに直接（または同じ材料を使用するレンズ間の中間スペーサにより）接合される。組立て中の整列はレンズグループを組立て、レンズグループをハウジング中に配置し、それを所定の位置に弾性的に押付けることによって達成することができる。

本発明のその他の特徴および効果は、本発明の原理を例示として示している添付図面を参照にした好ましい実施形態の詳細な説明により明白になるであろう。しかしながら、本発明の技術的範囲はこの好ましい実施形態に限定されるものではない。

図１はハウジング22を含むレンズ構造20を示しており、そのハウジング22は光路26に沿って配置されたレンズグループ24を含んでいる。レンズグループ24は図１では十分に示されていないが、図２では見ることができる。好ましい実施形態では、レンズ構造20と、ハウジング22と、レンズグループ24とは光路26を中心にしてほぼ軸対称である（ハウジング22の外部の取付け構造のような付随的な構造は除かれる）。

図２および３を参照すると、レンズ構造20は任意の動作タイプおよび形状の非プラスチックの第１のレンズ30を含むレンズグループ24を有している。（レンズグループの素子のここでの説明においてはある環境で使用されているような情景に最も近いレンズをレンズ１と呼び、その次に近いレンズをレンズ２と呼ぶような慣例にはしたがわない。）第１レンズ30は光路26中に位置する第１レンズ中央光学領域32と、第１レンズ30の中央光学領域32と第１レンズ周縁部分36との間に位置する第１レンズリム34とを有している。ここで説明する全てのレンズにおいて、中央光学領域32は任意の曲率を有し、光路26中で光学特性を有している。本発明の方法はレンズの中央光学領域の曲率および光学特性によって限定されない。第１レンズリム34は光路の外側の半径方向外側に位置している。第１レンズリム34は第１レンズの第１の結合表面38を含んでいる（ここで説明する全ての結合表面において、第１レンズの第１の結合表面38は軸対称構造の場合にリム34の周囲に延在することが好ましい）。

さらにレンズ構造20は、光路26中にある第２レンズ中央光学領域52とこの中央光学領域52と第２レンズ周縁部分56との間に位置する第２レンズリム54とを有している非プラスチックの第２のレンズ50を含んでいる。第２レンズリム54は光路26の外側の半径方向外側に位置している。第２レンズリム54は第１レンズの第１の結合表面38に適合し、第１レンズの第１の結合表面38に対して接触している。

第１レンズの第１の結合表面38は光路26に対して約４５度より小さい傾斜角度の第１レンズ軸方向位置設定表面40および光路26に対して約４５度より大きい傾斜角度の第１レンズ案内表面42とを有している。（通常のように表面とラインとの間の角度とは表面に垂直なライン、すなわち、表面の垂線によって特定される。）同様に、第２レンズの第１の結合表面58は光路26に対して約４５度より小さい傾斜角度の第２レンズ軸方向位置設定表面60および光路26に対して約４５度より大きい傾斜角度の第２レンズ案内表面62とを有している。最も好ましいのは、第１レンズの軸方向位置設定表面40の垂線が光路26に実質上平行であり、第１レンズの案内表面42が光路26に実質上垂直であり、第２レンズの軸方向位置設定表面60の垂線が光路26に実質上平行であり、第２レンズの案内表面62が光路26に実質上垂直であることである（ここで説明した全ての軸方向位置設定表面および案内表面は同じ方位を有しており、好ましい方位である）。軸方向位置設定表面40，60の間の面接触は光路26の方向のレンズ30, 50の互いに平行な位置を定めている。案内表面42, 62の間の面接触は光路26に垂直で外方向の互いの位置を定めている。

このレンズ30, 50の位置設定方法は通常の方法と対照的である。通常の方法では、各レンズはハウジングに固定され、それ故それらの位置設定および公差はハウジングとハウジングに対する固定方法によって決定される。本発明ではレンズ30, 50は相互に直接接触して位置される。

第１レンズ30と第２レンズ50は約1.27マイクロメータ以下、好ましくは約 0.254マイクロメータ以下の第１レンズ／第２レンズの公差内で相互に整列される。これは各レンズの平坦な結合表面が非常に正確で、通常のＤＰＴ機械加工動作により生成される光軸に垂直であることを意味している。これはまた、各結合レンズ結合案内直径が各レンズの光軸に対して非常に正確に同心であり、それ故、各レンズの光軸は同軸であり、結合レンズの光軸と角度的に整列していることを意味している。これらの公差は通常のレンズ構造では得ることができない。

機械的構造における“公差”の概念は、それを超過してはならない特定の公称値からの寸法または角度の許容可能な偏差値を表している。（“公差”は通常ある値からの正または負の変化と考えられ、時には＋／−数の項で与えられる。この明細書では“＋／−”は公差値から省略されて公差の絶対値だけが示されているが、“＋／−”は存在するものとして理解すべきである。）公差が小さくなると公称の寸法または角度と比較して実際の寸法または角度はより一層厳密に制限される。それ故、機械的な構造では小さい公差ほど達成することが困難である。ある光学システムでは２つのレンズの整列の2.54マイクロメータ（0.001 インチ）の公差は許容可能であるが、別の場合には完全な整列からの大きい公差が光学システムの許容できない大きな性能の劣化を生じる。したがって特定された公差は大きさの変化またはより小さいものを含んでいるが、特定された公差はより小さい公差を含んではいない。換言すると、例えば、2.54マイクロメータの公差は1.27マイクロメータの公差を含まず、或いは明瞭にするものではない。その理由は、2.54マイクロメータの公差を得るために使用される機械的技術は1.27マイクロメータの公差を得るために使用される機械的技術を導かないからである。

本発明の小さい公差は、部分的には機械加工された表面として第１レンズの第１の結合表面38および第２レンズの第１の結合表面58のそれぞれを製造することにより達成される。最も好ましいのは、結合表面38と58がそれぞれ正確なダイヤモンドポイントターン加工により形成された表面であることである。光学領域32および42の形状はダイヤモンドポイントターン加工により正確に機械加工されることができ、同じ方法は結合表面38と58を機械加工するために使用できる。機械加工動作については以下詳細に説明する。

第１レンズ30と第２レンズ50が一緒に組立てられるとき、第１レンズの第１の結合表面38と第２レンズの第１の結合表面58との間の適合は非常に正確であり、２つのレンズ30と50との間の容積空間は隔離される。このトラップされる容積の空間と外部圧力との間の圧力の等化を可能にするために、図４に示されるように第１レンズの第１の結合表面38に形成された溝43のような半径方向に延在する空気を逃がす溝43が第１レンズの第１の結合表面38と第２レンズの第１の結合表面58のいずれかに形成される。このような空気を逃がす溝43が使用される場合には、通常レンズグループ24の各レンズ対の間に設けられる。

本発明の方法によって形成されるレンズに生じる１つの問題は、リム34および54と、それぞれの結合表面38と58とが非常に正確に整列されるため、迷光がそれぞれのレンズの中央の光学領域32および52に通過することを可能にする意図しない光伝送構造が形成されることである。このような迷光の侵入を阻止するために光非透過性の被覆44が少なくとも各結合表面38と58中に含まれるリム34と54の部分を覆って被覆される。（リム34と54の他の部分は互いに接触しないから、それ故、迷光の伝送は非常に少ない。）被覆44は光の通路を遮断するバッフルとして作用するが、高度に正確な整列により、存在しても妨害するような光学素子間の部品を付加することはない。好ましい実施例では、被覆44は例えば約1000オングストロームの厚さで蒸着した酸化チタニウム（ＴｉＯ）である。そのような被覆44は典型的にレンズグループ24の各レンズのリムの結合表面上に被着される。酸化チタニウム被覆は低い光透過性と所望の低い反射率を有する。被覆44はまた金属でもよいが、金属は反射率が高い。被覆44が被覆されないレンズ構造の部分は被覆44の被着処理中マスクされる。

図２および３のレンズ構造20において、第１レンズ30はさらに第１レンズの第１の結合表面38と反対側に位置する第１レンズの第２の結合表面45を備えている。この第１レンズの第２の結合表面45は表面40および42と同様の第１レンズの第２の軸方向位置設定表面46と第１レンズの第２の案内表面47とを備えている。レンズグループ24はさらに非プラスチックの第３レンズ70を含み、この第３レンズ70は光路26中に位置する第３レンズの中央光学領域72と、この中央光学領域72と第３レンズ周縁76との間の第３レンズリム74とを有しており、光路26の半径方向外側に位置している。第３レンズリム74は第１レンズの第２の結合表面45に適合した形状で結合表面45に対面し接触している第３レンズの第１の結合表面78を有している。したがって、第３レンズの第１の結合表面78は第３レンズの軸方向位置設定表面80と第３レンズの案内表面82とを備えていることが好ましい。第３レンズの軸方向位置設定表面80は第１レンズの第２の軸方向位置設定表面46と対面して接触し、第３レンズの案内表面82は第１レンズの第２の案内表面47と対面して接触している。第１レンズ30と第３レンズ70は約1.27マイクロメータ以下、好ましくは約 0.254マイクロメータ以下の第１レンズ／第３レンズの公差内で接触により整列される。

レンズ対30と50との間およびレンズ対30と70との間の間隔は、間隔が大きくなり過ぎない限り光路26に平行に測った各リムの選択された長さにより制御されることができる。しかしながら、場合によってはレンズはリムを長く、或いは短くすることにより実際に得られるよりもさらに離して位置させなければならない。その場合には、任意の所望の長さのスペーサ管がレンズ間の間隔を増加させるために使用されてもよく、そのようなスペーサ管の使用は図２および３のレンズグループ24中に示されている。この場合に第２レンズ50はさらに第２レンズの第１の結合表面58と反対側に位置する第２レンズの第２の結合表面64を備えている。第２レンズの第２の結合表面64は第２レンズの第２の軸方向位置設定表面66と第２レンズの第２の案内表面68とを備えていることが好ましい。レンズグループ24はさらにスペーサ管90を備え、そのスペーサ管90は第２レンズの第２の結合表面64に適合した形状を有して結合表面64に対面してそれと接触しているスペーサ管の第１結合表面92とを有している。すなわち、スペーサ管の第１結合表面92は各結合表面66および68に適合した形状でそれと対面し接触しているスペーサ管の第１の軸方向位置設定表面94と第１の案内表面96とを備えていることが好ましい。スペーサ管90は貫通孔100 を有する細長い中空のスペーサ管本体98を有し、光路26は貫通孔100 を通過する。この実施例の場合は、第２レンズ50と反対側のスペーサ管90の端部には別のレンズがあり、スペーサ管本体98の反対側の端部にはスペーサ管の第２結合表面102 がスペーサ管第１結合表面92と反対側に配置されている。スペーサ管の第２結合表面102 はスペーサ管第２の軸方向位置設定表面104 とスペーサ管の第２の案内表面106 とを備えていることが好ましい。スペーサ管90はレンズ自身ではなく２個のレンズの間隔を隔てるものであるがレンズグループ24内に含まれている。

レンズグループ24はさらに非プラスチックの第４レンズ110 を備えており、この第４レンズ110 は光路26中に位置する第４レンズの中央光学領域112 と、この中央光学領域112 と第４レンズ110 の周縁116 との間の第４レンズリム114 とを有している。第４レンズリム114 はスペーサ管の第２の結合表面102 に適合した形状で結合表面102 に対面し接触している第４レンズの第１の結合表面118 を有している。したがって、第４レンズの第１の結合表面118 は第４レンズの軸方向位置設定表面120 と第４レンズの案内表面122 とを備えていることが好ましい。第４レンズの軸方向位置設定表面120 はスペーサ管の第２の軸方向位置設定表面104 と対面して接触し、第４レンズの案内表面122 はスペーサ管の第２の案内表面106 と対面して接触している。スペーサ管90と第４レンズ110 は約1.27マイクロメータ以下、好ましくは約 0.254マイクロメータ以下のスペーサ管／第４レンズの公差内でこれらの介在接触により整列されている。

レンズグループ24の種々の素子30, 50, 70, 90および110 は共に結合されて動作可能な技術により取付けられている。１つの方法では、各素子の結合表面が接触される前に接着剤が各結合表面に付着され、或いは結合表面が接触された後に接着剤が外部に付着されている。しかしながら、必要な公差が非常に小さいときには接着剤は使用されないことが好ましい。その理由は接着剤フィルムの厚さは均一ではないからである。接着剤の厚さの不均一は接触する素子間に楔効果を生じて角度不整列を生じさせる可能性がある。素子が非永久的に接合される別の場合には、楔効果による不均一は生じないから、結合表面が接触され、その後ハウジング22または外部の機械的クリップが使用されて以下詳細に説明するようにレンズグループ24を一体に保持することもできる。

好ましい方法において、それはレンズグループ24の種々の素子を一緒に保持し、素子を保護し、素子に対する外部取付け部を設けるために、内壁130 を有するハウジング22が設けられる。ハウジングの結合表面132 は内方に突出した肩部としてハウジング22の内壁130 から内方に突出して形成されている。ハウジング結合表面132 は上述した他の結合表面と同様に構成されることが好ましく、ハウジング軸方向位置設定表面134 とハウジング案内表面136 とを備えている。さらに、レンズグループ24の一方の端部において、この実施例では第３レンズの第１の結合表面78と反対側に位置された第３レンズのリム74にレンズグループ結合表面150 が設けられている。レンズグループ結合表面150 はレンズグループ軸方向位置設定表面152 とレンズグループ案内表面154 とを備えていることが好ましい。ハウジングの結合表面132 はレンズグループ結合表面150 に適合した形状であり、レンズグループ結合表面150 に対面してそれと接触している。レンズグループ24とハウジング22は約1.27マイクロメータ以下、好ましくは約 0.254マイクロメータ以下のレンズグループ／ハウジングの公差内で整列される。

弾性バイアス素子138 はレンズグループ結合表面150 と反対側のレンズグループ24の端部に配置されている。弾性バイアス素子138 はレンズグループ24をバイアスして力を加えてレンズグループ結合表面150 をハウジング結合表面132 に押付ける。弾性バイアス素子138 は任意の型式のものでよい。示された実施例では、弾性バイアス素子138 はクリップ140 を含み、それはハウジング22の内壁130 の凹部142 に結合している。弾性材料のＯリング144 はクリップ140 と第４レンズのリム114 の傾斜部124 との間に位置して、第４レンズにバイアス力を与えてレンズグループ24をハウジング結合表面132 に押付けている。Ｏリング144 の弾性はハウジング22とレンズグループ24との間の熱膨張係数の差による寸法の変化を吸収するのに充分である。

ハウジング22をレンズグループ24に取付けるこの方法は重要な利点を与える。レンズグループ24の個々のレンズは直接ハウジングに固定されない。事実、レンズグループ24とハウジング22の内壁130 との間には小さい空隙210 が存在する。ハウジング22とレンズグループ24との間の熱膨張の差はレンズ間の相対的な間隔を変化させず、またレンズ間の機械的方位の公差を変化させない。レンズはそれらの機械的方位を変化させることなく単に間隔を変化させるだけであり、その間隔の変化は多くの応用で許容可能な程度の変形しか生じない。

レンズ30, 50, 70，110 およびスペーサ管90は構造的に一体であることが好ましい（すなわち、それぞれ材料の単一の部材から形成されるが、同じ材料のブランクを出発物質として形成されることは必要ではない）。レンズ30, 50, 70，110 は関係する波長の光に透明な非プラスチック材料で構成される。可視光範囲の応用に対して好ましい非プラスチック材料はガラスであり、中間波長の赤外線光範囲応用に対して好ましい非プラスチック材料はシリコンである。特定の波長範囲に適合するために選択される他の材料もまた使用可能である。前述したように素子30, 50, 70, 90および110 はプラスチックまたはその他の有機材料で形成されてはならない。プラスチックレンズは廉価であるために多くの応用で使用されているが、本発明のような高精度の応用に対しては適切ではない。それは、それらは充分に厳密な機械的公差で機械加工することができないからである。その理由は、それらの熱膨脹係数の変化が大きく、また、それらの光学特性が温度変化によって大きく変化するからである。スペーサ管90はレンズ30, 50, 70，110 と同じ材料で形成されることが好ましい。特定の熱膨脹係数のような特定の特性を得るために、スペーサ管90に対して異なった材料を使用することも可能である。

ハウジング22は金属で構成されることが好ましく、最も好ましいのは公称の組成が、Ｔｉと、６重量％のＡｌと、４重量％のバナジウムとを含むＴｉ-6Ａｌ-4Ｖのようなチタニウム合金である。その理由は好ましい高精度のダヤモンドポイントターン加工処理によって機械加工できるからである。ニッケル合金、アルミニウム合金、ベリリウム合金およびな他のチタニウム合金のような他の材料も同様に使用可能である。

図５はレンズ構造20の好ましい製造方法を示している。第１レンズ30は工程170 において処理されて形成され、工程172 で第１の機械加工をされる。第２レンズ50は工程176 で処理されて形成され、工程178 で第２の機械加工をされる。第３レンズ70が使用される場合には、第３レンズ70は工程182 で処理されて形成され、工程184 で第３の機械加工をされる。第４レンズ110 が使用される場合には、第４レンズ110 は工程188 で処理されて形成され、工程190 で第４の機械加工をされる。スペーサ管90が使用される場合には、スペーサ管90は工程188 で処理されて形成され、工程190 で機械加工される。ハウジングが使用される場合には、工程196 で処理されて、工程196 で機械加工される。機械加工処理工程172, 178, 184, 190はレンズグループ24の各素子に対して、それぞれの場合のリムおよび光学領域を含む前述した特徴を生成する。すなわち、各素子の中央光学領域（レンズについて）は結合表面（すなわち軸方向位置設定表面および案内表面）と同じ設定で機械加工され、各レンズおよびスペーサ管のこれらの異なった部分が互いに所望の空間的関係および所望の公差を有する。機械加工は精密ダイヤモンドポイントターン加工によることが好ましく、それはここで設定された公差に対して要求される寸法精度を達成することを可能にする。精密ダイヤモンドポイントターン加工は素子30, 50, 70, 110, 90 の材料の候補である非プラスチックの、硬い材料について行われることができる。プラスチックその他の有機材料は柔らかすぎるために使用できない。また多くの金属も使用できない。

これらの方法は、約1.27マイクロメータ以下、多くの場合に約 0.254マイクロメータ以下のレンズ構造における公差を得ることができることが明らかにされた。ここで説明した種々の特徴とする形態を含む結合表面およびここで使用されている空気を逃がす溝43はこのような機械加工工程によって所望の機械加工をされることができる。

素子が機械加工された後、被覆44が工程174, 180, 186, 192で各レンズ30, 50, 70, 110 のリムの所望の非結合表面部分に被覆される。被覆は、付着されてはならない部分に付着するのを阻止するために適当な形状のマスクを使用して電子ビーム蒸着によって行われることが好ましい。

機械加工され被覆された素子は工程198 で適切に組立てられる。組立てを行うために、レンズグループ24の各素子は各結合表面を接触させて配置し、精密な機械加工された表面により非常に正確なレンズグループの整列を生成する。レンズグループ24は結合表面132 と150 が接触するまでハウジング22の内部に挿入され、Ｏリング144 が配置され、クリップ140 が凹部142 に挿入される。この組立て方法の簡単さによって、過度の強調はできない利点がある。通常の光学構造では組立ては典型的に高度に熟練した組立て技術者によって試行錯誤手順により最小の整列変化を求めて長い時間をかけて行われている。この面倒な組立ては本発明の方法によって回避することができる。

本発明は図２および３に示されたレンズ構造と図５に示された方法を使用して実施されることができる。

説明のために本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、種々の変更および強化が本発明の技術的範囲を逸脱することなく行われることが可能である。したがって本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載によってのみ限定されるものである。

レンズ構造の斜視図。 図１の線２−２に沿って切断したレンズ構造の断面図。 図１および２のレンズ構造の、図２と同じように見た分解した断面図。 第１のレンズの溝を形成された実施形態の斜視図。 本発明を実施する好ましい方法のブロック図。

Claims (5)

1. レンズ構造を製造する方法において、
   レンズ構造を通る光路を構成している第１レンズ中央光学領域と、第１レンズ中央光学領域と第１レンズ周縁との間の第１レンズリムとを有する非プラスチックの第１レンズを形成する処理ステップと、
   第１レンズリム中に機械加工処理によって第１レンズの第１の結合表面を形成する機械加工処理ステップと、
   レンズ構造を通る光路を構成している第２レンズ中央光学領域と、第２レンズ中央光学領域と第２レンズ周縁との間の第２レンズリムとを有する非プラスチックの第２レンズを形成する処理ステップと、
   第２レンズリム中に機械加工処理によって前記第１レンズの第１の結合表面に適合する形状の第２レンズの第１の結合表面を形成する機械加工処理ステップとを含み、
   前記第１レンズの第１の結合表面を形成する機械加工処理ステップは前記光路に平行に延在する垂線を有する第１レンズ軸方向位置設定表面を機械加工する処理ステップと、前記光路に垂直に延在する垂線を有する第１レンズ案内表面を機械加工する処理ステップとを含んでおり、
   前記第２レンズの第１の結合表面を形成する機械加工処理ステップは前記光路に平行に延在する垂線を有する第２レンズ軸方向位置設定表面を機械加工する処理ステップと、前記光路に垂直に延在する垂線を有する第２レンズ案内表面を機械加工する処理ステップとを含んでおり、
   さらに、第１レンズの第１の結合表面が第２レンズの第１の結合表面に対面してそれと接触するように第１レンズと第２レンズとを結合して組立てて第１レンズ中央光学領域と第２レンズ中央光学領域とによってレンズ構造を通る光路を設定するステップを含んでいるレンズ構造の製造方法。
2. 第１および第２レンズの機械加工処理ステップの少なくとも一方は、機械加工されている結合表面中に半径方向の空気を逃がすための溝を形成するステップを含んでいる請求項１記載の方法。
3. さらに、内壁とこの内壁から半径方向内側に突出しているハウジング結合表面を有するハウジングを処理し、
   第１レンズと第２レンズとを含むレンズグループにレンズグループ結合表面を機械加工により形成し、
   ハウジング結合表面はレンズグループ結合表面に適合するように形成されており、
   さらに、組立てステップは、
   ハウジング結合表面がレンズグループ結合表面に対して対面して接触するように内壁内にレンズグループを組立て、
   弾性バイアス素子を使用してレンズグループ結合表面をハウジング結合表面に押付けるステップを含んでいる請求項１記載の方法。
4. 第１レンズの第１の結合表面を形成する機械加工処理ステップにおいてさらに、第１レンズの第１の結合表面と反対側に位置されている第１レンズの第２の結合表面を機械加工処理によって形成し、
   レンズ構造の製造方法はさらに、第３レンズ中央光学領域と、第３レンズ中央光学領域と第３レンズ周縁との間の第３レンズリムとを有する非プラスチックの第３のレンズを形成する第３の処理ステップと、
   第３レンズリムに第３レンズの第１の結合表面を形成する第３の機械加工処理ステップとを含み、
   組立てステップは
   第１レンズの第２の結合表面が第３レンズの第１の結合表面に対面してそれと接触するように第１レンズを第３レンズに結合して組立てるステップを含んでおり、
   第１レンズと第３レンズは1.27マイクロメータ以下の第１レンズ／第３レンズ公差内で整列される請求項１記載の方法。
5. 第２レンズの第１の結合表面を機械加工処理するステップにおいてさらに、第２レンズの第１の結合表面と反対側に位置されている第２レンズの第２の結合表面を形成し、
   レンズ構造の製造方法はさらに、
   スペーサ管を形成し、
   そのスペーサ管を機械加工して第２レンズの第２の結合表面に適合する形状のスペーサ管の第１の結合表面と、スペーサ管の第１の結合表面と反対側に位置されているスペーサ管の第２の結合表面とを形成するスペーサ管処理ステップを含み、
   さらに、第４レンズ中央光学領域と、第４レンズ中央光学領域と第４レンズ周縁との間の第４レンズリムとを有する非プラスチックの第４のレンズを形成する処理ステップと、
   第４レンズリムに第４レンズの第１の結合表面を形成する第４の機械加工処理ステップとを含み、
   第４レンズの第１の結合表面はスペーサ管の第２の結合表面に適合した形状であり、
   組立てステップは
   スペーサ管の第１の結合表面が第２レンズの第２の結合表面に対面してそれと接触するようにスペーサ管を第２レンズに結合して組立て、
   第４レンズの第１の結合表面がスペーサ管の第２の結合表面に対面してそれと接触するように第４レンズをスペーサ管に結合して組立てるステップを含んでおり、
   スペーサ管と第４レンズは1.27マイクロメータ以下のスペーサ管／第４レンズ公差内で整列される請求項１記載の方法。

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