JP4653809B2 - プリズム、それを備えた撮像装置及び照明装置、並びにプリズムの製造方法 - Google Patents

Description

近年、プリズムは、ＤＳＣ（ディジタルスチルカメラ）、ＤＶＣ（ディジタルビデオカメラ）、携帯電話用カメラ、プロジェクションテレビ等の各種光学機器の主要部品として広く用いられ、さらにその用途が拡大されている。一方、各種光学機器の高精密化及び小型軽量化の要求が高まってきている。これに伴い、各種光学機器に用いられるプリズムにおいても、高精密化、高機能化、高強度化等の高性能化が要求される。

一般的な三角柱形状のプリズムは、光学機能面としての３つの側面と、非光学機能面としての両端面とを有している。そして、ガラス製のプリズムの製造方法として、成形用素材を加熱しながら加圧した後冷却する、いわゆるプレス成形法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

上記特許文献１に開示されたプレス成形法によってプリズムを成形すると、各平面が交わる稜線部は、尖鋭に仕上がる。そうすると、このプリズムを取り扱うとき、具体的には、搬送時、光学機器への取り付け時などに、外部からの衝撃により、稜線部にカケやチッピングが発生する虞がある。このため、所望のプリズム性能が得られず、また、光学機器の歩留まりが低下するなどの問題がある。

このような問題に鑑みて、上記稜線部のカケやチッピングを抑制するために、成形後に稜線部を面取りするプリズムが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平７−６９６５１号公報 特開昭６１−１０３１０１号公報

しかしながら、上記特許文献２のプリズムでは、プリズム成形後に後加工することになるため、加工工数が増加し、コストがかかってしまう。また、後加工前のプリズムの稜線部は、尖鋭な状態であることから、依然としてカケやチッピングが生じる問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、カケやチッピングが発生しにくいプリズムを提供することにある。

本発明に係るプリズムは、多角柱形状に形成されたプリズム本体を備えている。プリズム本体の複数の稜線部のうち少なくとも１つがＲ面に形成されている。

本発明に係る撮像装置は、受光素子と、プリズムとを備えている。プリズムは、多角柱形状に形成されたプリズム本体を有している。プリズムは、プリズム本体の複数の稜線部のうち少なくとも１つがＲ面に形成されている。プリズム本体は、互いに垂直である２つの垂直側面と、該２つの垂直側面のそれぞれに対して傾斜する傾斜側面とを有する直角三角柱形状である。プリズム本体は、プリズム本体への入射光が傾斜側面において受光素子に向けて反射されるように配置されている。

本発明に係る照明装置は、光源と、プリズムとを備えている。プリズムは、多角柱形状に形成されたプリズム本体を有している。プリズムは、プリズム本体の複数の稜線部のうち少なくとも１つがＲ面に形成されている。プリズム本体は、互いに垂直である２つの垂直側面と、該２つの垂直側面のそれぞれに対して傾斜する傾斜側面とを有する直角三角柱形状である。プリズム本体は、光源からの光が傾斜側面において反射されるように配置されている。

本発明に係る第１のプリズムの製造方法は、球状の母材を加熱しながらプレス成形する。多角柱形状に形成されたプリズム本体を形成する。プリズム本体の複数の稜線部のうち少なくとも１つをＲ面に形成する。

本発明に係る第２のプリズムの製造方法は、両端面がそれぞれ凸状に膨出した円柱状の母材を加熱しながらプレス成形する。多角柱形状に形成されたプリズム本体を形成する。プリズム本体の複数の稜線部のうち少なくとも１つをＲ面に形成する。

本発明によれば、カケやチッピングが発生しにくいプリズムを提供することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

《発明の実施形態１》
図１は、本発明の実施形態１に係る撮像装置１を示す。撮像装置１は、受光素子１１と、複数のレンズ群（具体的には、第１レンズ群１２、第２レンズ群１３、第３レンズ群１４）と、プリズム３０とを備えている。

第１レンズ群１２は、外光が入射するように、撮像装置１から露出するように配置されている。第１レンズ群１２から入射した外光は、プリズム３０に入射する。入射した光は、プリズム３０により異なる光軸方向の光に変換される。変換された光は、第２レンズ群１３及び第３レンズ群１４により、受光素子１１上に結像される。結像された画像は、受光素子１１において電気信号に変換出力され、図示しない記録部（例えば、メモリ等）に記録される仕組みとなっている。なお、受光素子１１は、例えば、電荷結合素子（ＣＣＤ）や、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）等によって構成することができる。

プリズム３０は、多角柱形状（切頭多角錐を含む）に形成されたプリズム本体３１を備えている。プリズム本体３１の複数の稜線部３５，３６のうち少なくとも１つがＲ面に形成されている。このため、Ｒ面に形成された稜線部３５，３６においては、カケやチッピングを抑制することができる。

プリズム本体３１では、多角柱の複数の側面３２が光学機能面、両端面３３ａ，３３ｂが非光学機能面を構成している。なお、ここで光学機能面とは、必要な光を透過又は反射させ、実際に使用する光学機能を有する面を含む面であり、非光学機能面とは、該光学機能を有さない面である。そして、隣接する側面３２と端面３３ａ，３３ｂとの間に形成される稜線部３５がＲ面に形成されている。さらに、隣接する側面３２同士の間に形成される稜線部３６がＲ面に形成されている。このため、Ｒ面に形成された稜線部３５，３６においては、カケやチッピングを抑制することができる。

プリズム３０のカケやチッピングを抑制し、高い光学性能を確保するためには、プリズム本体３１の複数の稜線部３５，３６の全てがＲ面に形成されていることが好ましい。

例えば、図２に示すように、プリズム本体３１は、互いに直交する２つの直交側面と、該直交側面のそれぞれに対して傾斜する傾斜側面とを有する直角三角柱形状に形成されていてもよい。プリズム本体３１では、直交側面が光入射面３２ａ及び光出射面３２ｂ、傾斜側面が光反射面３２ｃを構成している。プリズム３０は、光入射面３２ａから垂直に入射した光が、光反射面３２ｃにより反射されて、光出射面３２ｂから出射するように形成されている。プリズム３０は、撮像装置１において、光入射面３２ａが第１レンズ群１２側に、光出射面３２ｂが第２レンズ群１３側になるように配置されている。

そして、プリズム本体３１において、隣接する第１端面３３ａと、光入射面３２ａ、光出射面３２ｂ、光反射面３２ｃとの間の各稜線部３５ａ，３５ｂ，３５ｃがＲ面に形成されている。プリズム本体３１において、隣接する第２端面３３ｂと、光入射面３２ａ、光出射面３２ｂ及び光反射面３２ｃとの間の各稜線部３５ｄ，３５ｅ，３５ｆがＲ面に形成されている。このため、Ｒ面に形成された稜線部３５ａ〜３５ｆにおいては、カケやチッピングを抑制することができる。

さらに、プリズム本体３１において、隣接する光入射面３２ａと光出射面３２ｂとの間、光出射面３２ｂと光反射面３２ｃとの間及び光反射面３２ｃと光入射面３２ａとの間に形成される各稜線部３６ａ，３６ｂ，３６ｃがＲ面に形成されている。このため、搬送時、光学機器への取り付け時などに、外部からの衝撃により、稜線部３５，３６のカケやチッピングの発生を抑制止することができるので、プリズム３０の歩留まりの低下を抑制することができるとともに、高品位なプリズムを提供することができる。

プリズム３０の材質は特に限定されるものではなく、例えば、プラスチック製又はガラス製（結晶化ガラス製を含む）であってもよい。しかし、特にガラス製であることが好ましい。ガラス製とすることによって、プリズム３０を高い形状精度、高耐熱性、高い機械的耐久性、高い均質性を実現することができる。また、ガラスは熱膨張係数及び光弾性定数が比較的小さいため、撮像装置１の温度が上昇した場合であっても、プリズム３０に歪みが発生しにくく、プリズム３０の光学的性能が劣化しにくい。

さらに、ガラス製の場合、プリズム３０の屈折率を比較的高くすることが容易である。プリズム３０の屈折率を高くすることにより、撮像装置１の光学系（レンズ群１２〜１４、プリズム３０及び受光素子１１）の光路長を短くすることができる。よって、撮像装置１をよりコンパクトにすることができる。

また、プリズム３０の屈折率を高くすることによって、光反射面３２ｃの光反射率を向上することができる。光反射面３２ｃは、光入射面３２ａからプリズム本体３１に垂直に入射した可視光（波長が３００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の光）の光反射率が９０％以上であることが好ましい。さらには、９５％以上であることが好ましい。このような高い反射率を実現する観点から、プリズム３０のｄ線（波長が５８９ｎｍの光）の屈折率が１．６以上であることが好ましい。さらには、１．６５以上であることが好ましい。また、プリズム３０は、可視光の透過率が高いものであることが好ましい。

例えば、プリズム３０の屈折率が低い場合（例えば、プリズム３０が低屈折率ガラスやプラスチックで形成されている場合）には、光反射面３２ｃ上に光反射膜（図示せず）を形成してもよい。このことによって、光反射面３２ｃにおける光反射率を向上することができる。従って、光の高い利用効率を実現することができる。なお、光反射膜は、例えば、金、アルミ等によって形成することができる。

図３に、プリズム３０の製造装置４０の一部断面を示す。製造装置４０は、プリズム３０を成形する成形型４１を備えている。成形型４１は、対をなす上型４２及び下型４３と、この上型４２及び下型４３とが摺動可能に装入される胴型４４とを有している。これらの型の成形面側、すなわち、母材５０が装入される内部空間４８を形成する面側は、プリズム３０の光学機能面を成形するために所望精度の形状に加工されている。上型４２、下型４３及び胴型４４は、これらを高強度にするためには、超硬合金製とすることが好ましい。また、上型４２、下型４３及び胴型４４の材料として、ステンレス鋼（例えば、ＳＴＡＶＡＸ、ウッデホルム社製）を用いてもよい。さらに、プリズム３０の離型性の向上、成形型４１の酸化及び腐食抑制のために、成形型４１の成形面に保護膜を施してもよい。例えば、無電解ニッケルメッキを施してもよい。

上記上型４２の上部には、変温可能であり、上型４２を上下動させるプレスヘッド４５が取り付けられている。プレスヘッド４５には、押圧手段４６が備えられている。下型４３の下部には、変温可能なプレスステージ４７が取り付けられている。

次に、上記製造装置４０を用いたプリズム３０の製造方法について説明する。

まず、上記成形型４１の胴型４４内で上型４２及び下型４３により区画形成される内部空間４８に、母材５０を装入する。母材５０は、例えばガラス製（住田光学ガラス社、Ｋ−ＶＣ７８等）である。母材５０は、図４に示すように、両端面がそれぞれ凸状に膨出した円柱状に形成されている。この場合、母材５０の円柱の側面が、上型４２及び下型４３に狭持されるように、母材５０を装入する。また、母材５０は、図５に示すように、球状に形成されていてもよい。

次に、プレスヘッド４５及びプレスステージ４７によって、上型４２及び下型４３を加熱する。上型４２及び下型４３の加熱により、母材５０を所定の温度まで加熱する。母材５０は、例えば、屈伏点付近（例えば、５７０℃付近）まで加熱される。

次に、シリンダ４６の駆動により、プレスヘッド４５を下降させ、母材５０をプレス成形する。プレス成形は、上型４２と下型４３との相対位置関係をプレス成形完了時において、母材５０の体積が、成形型４１の内部空間４８の体積よりも小さい条件を満たす範囲に変化させることにより行う。

上記上型４２と下型４３との相対位置関係を維持したまま、加熱を停止する。そして、プレスヘッド４５及びプレスステージ４７によって、母材５０の温度が、Ｔｇ（ガラス転移点）付近になるまで冷却する。

最後に、シリンダ４６の駆動により、プレスヘッド４５を上昇させ、上型４２を胴型４４内から取り出して成形型４１を開く。そして、成形されたプリズム３０を取り出す。

上記製造方法により製造されたプリズム３０は、各稜線部３５，３６がＲ面に形成されている。このため、光学機能面及び非光学機能面の形成と同時に、各稜線部３５，３６がＲ面に形成されるので、後加工を行わずにカケやチッピングを防止することができるとともに、プリズム３０の歩留まりの低下を防止することができる。

なお、本実施形態１では、光入射面３２ａと光出射面３２ｂとは直交しているが、これらは、直交していなくてもよい。

また、本実施形態１では、プリズム３０は、光入射面３２ａから、入射した光が光反射面３２ｃにより反射されて、光出射面３２ｂから出射するように形成されているが、第１レンズ群１２からの光が、光反射面３２ｃの外面により反射されて、第２レンズ群１３側に出射されるように形成されてもよい。すなわち、プリズム３０が外面反射型のプリズムとして構成されていてもよい。

《発明の実施形態２》
上記実施形態１において、プリズム３０を用いた撮像装置１について説明したが、プリズム３０は、撮像装置１以外の光学装置にも用いることができる。例えば、照明装置にも用いることができる。本実施形態２では、プリズム３０を備えた照明装置２について、図６を参照しながら詳細に説明する。なお、本実施形態２の説明において、図２〜図５と同じ構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

図６は、本実施形態２に係る照明装置２を示す。本発明の実施形態２に係る照明装置２は、光源５１と、レンズ群（第１レンズ群５２，第２レンズ群５３及び第３レンズ群５４）と、プリズム３０とを備えている。なお、本実施形態２においては、光源５１側が、プリズム本体３１の光入射面３２ａに、第１レンズ群５２側が光反射面３２ｃになるようにプリズム３０が配置される。

光源５１は、例えば、平行光又は拡散光を出射する光源である。光源５１から出射された光は、第１レンズ群５２と第２レンズ群５３とを透過してプリズム３０の光入射面３２ａに入射する。プリズム３０に入射した光は、光反射面３２ｃで反射されて光出射面３２ｂから出射する。プリズム３０から出射した光は第３レンズ群５４を透過して照明装置２から出射される仕組みとなっている。

以上説明したように、本発明は、プリズム、それを備えた撮像装置及び照明装置、並びにプリズムの製造方法等について有用である。

図１は、本発明の実施形態１に係る撮像装置の主要部の構成を表す図である。 図２は、実施形態１に係るプリズムを示す斜視図である。 図３は、プリズムを形成するための製造装置の構成を表す断面図である。 図４は、両端面がそれぞれ凸状に膨出した円柱状に形成されている母材を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 図５は、球状の母材を示す側面図である。 図６は、本発明の実施形態２に係る照明装置の主要部の構成を表す図である。

符号の説明

１ 撮像装置
２ 照明装置
１１ 受光素子
３０ プリズム
３１ プリズム本体
３２ 側面
３２ａ 光入射面（垂直側面）
３２ｂ 光出射面（垂直側面）
３２ｃ 光反射面（傾斜側面）
３３ａ，３３ｂ 端面
３５，３６ 稜線部
４２ 上型
４３ 下型
４４ 胴型
４８ 内部空間
５０ 母材
５１ 光源

Claims (16)

1. 多角柱形状に形成されたプリズム本体を備え、
   上記プリズム本体の複数の稜線部のうち少なくとも１つがＲ面に形成されており、
   上記プリズム本体は、多角柱の複数の側面が光学機能面として構成され、多角柱の両端面が非光学機能面として構成され、
   隣接する上記光学機能面と非光学機能面との間に形成される稜線部がＲ面に形成されているプリズム。
2. 請求項１のプリズムにおいて、
   上記プリズム本体は、多角柱の複数の側面及び両端面のそれぞれが、光学機能面又は非光学機能面として構成され、
   隣接する上記光学機能面同士の間に形成される稜線部がＲ面に形成されているプリズム。
3. 請求項１のプリズムにおいて、
   上記複数の稜線部の全てがＲ面に形成されているプリズム。
4. 請求項１のプリズムにおいて、
   上記プリズム本体は、互いに垂直である２つの垂直側面と、該２つの垂直側面のそれぞれに対して傾斜する傾斜側面とを有する直角三角柱形状であるプリズム。
5. 請求項４のプリズムにおいて、
   上記傾斜側面には反射膜が設けられているプリズム。
6. 請求項４のプリズムにおいて、
   上記プリズム本体は、上記２つの垂直側面の一方から当該垂直側面に対して垂直に入射した可視光の上記傾斜側面による反射率が９０％以上であるプリズム。
7. 請求項１のプリズムにおいて、
   上記プリズム本体は、ガラス製であるプリズム。
8. 請求項１のプリズムにおいて、
   上記プリズム本体は、そのｄ線に対する屈折率が１．６５以上であるプリズム。
9. 受光素子と、
   多角柱形状に形成されたプリズム本体を有し、該プリズム本体の複数の稜線部のうち少なくとも１つがＲ面に形成されており、上記プリズム本体は、多角柱の複数の側面が光学機能面として構成され、多角柱の両端面が非光学機能面として構成され、隣接する上記光学機能面と非光学機能面との間に形成される稜線部がＲ面に形成されているプリズムと、
   を備え、
   上記プリズム本体は、互いに垂直である２つの垂直側面と、該２つの垂直側面のそれぞれに対して傾斜する傾斜側面とを有する直角三角柱形状であるとともに、上記プリズム本体への入射光が上記傾斜側面において上記受光素子に向けて反射されるように配置されている撮像装置。
10. 請求項９の撮像装置において、
    上記プリズム本体は、上記入射光が上記２つの垂直側面のうち一方から入射し、他方から出射するように配置されている撮像装置。
11. 光源と、
    多角柱形状に形成されたプリズム本体を有し、該プリズム本体の複数の稜線部のうち少なくとも１つがＲ面に形成されており、上記プリズム本体は、多角柱の複数の側面が光学機能面として構成され、多角柱の両端面が非光学機能面として構成され、隣接する上記光学機能面と非光学機能面との間に形成される稜線部がＲ面に形成されているプリズムと、
    を備え、
    上記プリズム本体は、互いに垂直である２つの垂直側面と、該２つの垂直側面のそれぞれに対して傾斜する傾斜側面とを有する直角三角柱形状であるとともに、上記光源からの光が上記傾斜側面において反射されるように配置されている照明装置。
12. 請求項１１の照明装置において、
    上記プリズムは、上記光源からの光が上記２つの垂直側面のうち一方から入射し、他方から出射するように配置されている照明装置。
13. 多角柱形状に形成されたプリズム本体を備え、該プリズム本体の複数の稜線部のうち少なくとも１つがＲ面に形成されており、上記プリズム本体は、多角柱の複数の側面が光学機能面として構成され、多角柱の両端面が非光学機能面として構成され、隣接する上記光学機能面と非光学機能面との間に形成される稜線部がＲ面に形成されているプリズムを製造するための方法であって、
    球状の母材を加熱しながらプレス成形することにより上記プリズムを得ることを特徴とするプリズムの製造方法。
14. 請求項１３のプリズムの製造方法において、
    上記プレス成形は、対をなす上型及び下型と、該上型及び下型が摺動可能に挿入される胴型とを用い、該胴型内に上記上型及び下型により区画形成される内部空間に上記母材を装入し、上記上型と上記下型との相対位置関係を上記プレス成形完了時において上記母材の体積が上記内部空間の体積よりも小さい条件を満たす範囲に変化させることにより行うプリズムの製造方法。
15. 多角柱形状に形成されたプリズム本体を備え、該プリズム本体の複数の稜線部のうち少なくとも１つがＲ面に形成されており、上記プリズム本体は、多角柱の複数の側面が光学機能面として構成され、多角柱の両端面が非光学機能面として構成され、隣接する上記光学機能面と非光学機能面との間に形成される稜線部がＲ面に形成されているプリズムを製造するための方法であって、
    両端面がそれぞれ凸状に膨出した円柱状の母材を加熱しながらプレス成形することにより上記プリズムを得ることを特徴とするプリズムの製造方法。
16. 請求項１５のプリズムの製造方法において、
    上記プレスは、対をなす上型及び下型と、該上型及び下型が摺動可能に挿入される胴型とを用い、該胴型内に上記上型及び下型により区画形成される内部空間に上記母材を装入し、上記上型と上記下型との相対位置関係を上記プレス完了時において上記母材の体積が上記内部空間の体積よりも小さい条件を満たす範囲まで変化させることにより行うプリズムの製造方法。

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