JP4694416B2

JP4694416B2 - 光学素子

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Publication number: JP4694416B2
Application number: JP2006147276A
Authority: JP
Inventors: 清登坂
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2026-05-26
Also published as: JP2007316442A

Description

本発明は、レンズと該レンズの保持枠とが一体化して構成された光学素子に関する。

従来、撮影装置や観察装置等に適用される光学系に含まれるレンズにおいては、結像に寄与する光線の最大入射口径内に入射して屈折しレンズ外周面で反射した光線が、画像のコントラストを低下させる原因であるフレアを生じさせる不要な光線となるのを防止するために、レンズ外周面に光吸収材料を塗布する等して、レンズ外周面で反射する迷光を減衰あるいは消滅させ、結像面に到達しないようにしていた。

図４は、光学系に含まれるレンズと該レンズの保持枠とを有して構成される従来の光学素子の一例を示す一部断面図である。
同図に示した光学素子は、凸メニスカスレンズであるレンズＬ₄₁と、レンズＬ₄₁を保持する艶消し状の黒色のレンズ保持枠Ｋ₄₁とを有して構成されている。レンズＬ₄₁の外周面は、1μ〜数μの粗い状態の面精度を有しており、その外周面上には、0.1〜0.2mm程度の膜厚の光吸収材料の黒色塗料で塗膜Ｍ₄₁を設けている。

この構成により、同図の矢印に示したように、レンズＬ₄₁の最大入射口径内に光線が入射して屈折の法則により屈折したレンズＬ₄₁内の光線がレンズＬ₄₁の外周面に達っしたとしても、前述の粗い面精度を有する外周面とその外周面上に設けられた光吸収材料によって、光線が外周面で反射することなく吸収あるいは減衰され、結像する光路内に進入しないようになっている。

また、同図に示した手法以外にも、不要な光線の結像面への到達を防止する手法として例えば特許文献１には、レンズの凸面に、エッジ部より半径方向内側からレンズ外形に至るまでをマスキング手段によって遮光するようにした撮影レンズが提案されている。
特開２００５−７７６１６号公報

しかしながら、上記のような結像に寄与しない有害な光線の結像面への到達を防止するために図４に示したような構成をとった光学素子の場合、レンズの外周面に塗布する光吸収材料である塗料は、有害光を遮断するために光学性能を確保する寸法精度（一般には0.1mm以下）を超える膜厚0.1〜0.2mmが必要であったり膜厚が不均一であったり、またレンズ保持枠や他の光学素子との嵌合部や接触部においてレンズが傾いたり偏ったりして、必要とする寸法精度の確保が容易でなく、結像性能を低下させることがあった。

本発明は、上記実情に鑑み、レンズとレンズ保持枠とを有して構成される光学素子において、遮光手段や光吸収手段を設けることなく、結像に寄与しない有害且つ不要な迷光を減少させることができる光学素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の態様に係る光学素子は、入射面側の曲面が凹形状をした屈折力が負のレンズと該レンズを保持するレンズ保持枠とが一体化して構成された光学素子であって、前記レンズの屈折率をｎ、前記レンズの入射面側の光線の最大入射口径をφｄ₁、前記レンズの外周径をφｄ₂とするとき、前記レンズにおける、前記入射面側の最大入射口径上の位置と射出面側の前記外周径上の位置との間の光軸方向の距離Ｄは、
D ≦ (d₂-d₁)/2*tan(arcsin(1/n)) （１）
であり、前記レンズにおける入射面側の最大入射口径内に入射した光線は、前記レンズを直接保持する前記保持枠へ照射されないことを特徴とする。

このように、上記の式（１）を満足する光学素子によれば、レンズの入射面側の最大入射口径内に入射し屈折したレンズ内の光線が、この光学素子を含む光学系の光学性能を満たす表面精度を持たない非光学面である、レンズの外周面へ直接進行することがないように、その外周面の光軸方向長さが設けられる。これにより、入射し屈折したレンズ内の光線は、レンズの外周面へ向けて直接進行することなく、レンズの射出面側の光学鏡面内（この光学素子を含む光学系の光学性能を満たす表面精度を持つ光学面内）へ進行、射出することになる。よって、入射し屈折したレンズ内の光線がレンズの外周面で反射するということはなくなり、結像に寄与する光路内に戻る不要な反射光線を無くすことができる。

尚、レンズを射出した後の光線については、例えば、結像に寄与する光路から離れたところで、この光学素子を含む光学系ユニット内（例えば撮影レンズ内）の所定の部位により遮蔽したり減衰させたりして消滅させることもできる。一般に、光学素子から離れた位置においての光線のエネルギーの減衰は大きく、且つ、遮光効果は大きい。

本発明の第２の態様に係る光学素子は、前記第１の態様において、当該光学素子の結像に寄与する前記入射面側の最大入射口径内に入射した光線の前記射出面側の射出位置は、当該光学素子を含む光学系の光学性能を満たす表面精度を有する光学表面内である、ことを特徴とする。

本発明によれば、レンズとレンズ保持枠とが一体化して構成された光学素子において、遮光手段や光吸収手段を設けることなく、結像に寄与しない有害且つ不要な迷光を減少させることができるので、フレアが減少し、像性能を向上させることができる。また、レンズ保持枠の表面処理や光学素子の塗装が不要となるので、寸法精度が安定し、光学性能を向上させることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る光学素子の一部断面図である。
同図に示した光学素子１は、複数のレンズで構成された光学系（不図示）の複数番目のレンズＬ₁₁と該レンズＬ₁₁の保持枠（以下「レンズ保持枠」という）Ｋ₁₁とが一体化して構成された光学素子である。

同図において、ｘ₁ｘ₁´は、レンズＬ₁₁の光軸である。
レンズＬ₁₁は、入射面側が凹面の凸メニスカスレンズである。
レンズＬ₁₁において、口径φｄ₁₁は、入射面側の光線の入射する最大入射口径である。曲率半径Ｒ₁₁は、その最大入射口径φｄ₁₁上の位置における曲率半径である。曲率半径Ｒ₁₂は、射出面側の光線の射出位置における曲率半径である。口径φｄ₁₂は、レンズＬ₁₁の外周径である。Ｄ₁₁は、レンズＬ₁₁の外周面（外周部）の光軸ｘ₁ｘ₁´方向長さである。但し、Ｄ₁₁は、最大入射口径上の位置と射出面側の外周径φｄ₁₂上の位置との間の光軸ｘ₁ｘ₁´方向長さでもある。ｌ₁₁は、レンズ保持枠Ｋ₁₁のレンズＬ₁₁との嵌合長さである。Ｗ₁₁は、レンズＬ₁₁の外周面である。また、レンズＬ₁₁の屈折率はｎ₁₁とし、レンズＬ₁₁の外周面Ｗ₁₁は鏡面状に仕上げられているものとする。

本実施例では、最大入射口径φｄ₁₁＝12mm、最大入射口径上の位置における曲率半径Ｒ₁₁＝25mm、射出面側の射出位置における曲率半径Ｒ₁₂＝13.5mm、レンズＬ₁₁の外周径φｄ₁₂＝17mm、レンズＬ₁₁の外周面の光軸ｘ₁ｘ₁´方向長さＤ₁₁＝2.059mm、レンズ保持枠Ｋ₁₁のレンズＬ₁₁との嵌合長さｌ₁₁＝1.5mm、レンズＬ₁₁の屈折率ｎ₁₁＝1.56883であるとする。

レンズ保持枠Ｋ₁₁は、レンズＬ₁₁を保持し、レンズＬ₁₁の外周面Ｗ₁₁と嵌合し、レンズＬ₁₁と一体化して構成されている。また、レンズ保持枠Ｋ₁₁は、艶消し状の黒色に仕上げられている。

このような構成の光学素子１は、上記の式（１）を満足する。
すなわち、式（１）の左辺は、
D ＝Ｄ₁₁＝2.059
となる。

式（１）の右辺は、
(d₂-d₁)/2*tan(arcsin(1/n)) ＝ (17-12)/2*tan(arcsin(1/1.56883))
＝ 3.022
となる（但し、d₂=ｄ₁₂, d₁=ｄ₁₁, n=ｎ₁₁)。

よって、左辺 ≦ 右辺となり、上記の式（１）を満足する。
尚、この式（１）の右辺は、レンズＬ₁₁の最大入射口径φｄ₁₁上の光線の入射位置からの光軸ｘ₁ｘ₁´方向長さであって、且つ、その入射位置に入射し屈折した光線が外周面Ｗ₁₁へ向けて直接進行しないようにするために必要な最大の外周面Ｗ₁₁の光軸ｘ₁ｘ₁´方向長さＤ₁₁を表しており、仮に、この長さよりも外周面Ｗ₁₁の光軸ｘ₁ｘ₁´方向長さが大きい場合には、レンズＬ₁₁へ入射し屈折した光線が外周面Ｗ₁₁へ向けて直接進行することとなり、その光線が外周面Ｗ₁₁で全反射するとなると、その反射光が結像に寄与する光線束内に進入して結像に有害な結果をもたらすこととなる。

しかしながら、前述のように、光学素子１は、レンズＬ₁₁の外周面の光軸ｘ₁ｘ₁´方向長さＤ₁₁（式（１）の左辺）が、式（１）の右辺よりも小さくなり、上記の式（１）を満足するので、レンズＬ₁₁の入射面側の最大入射口径φｄ₁₁内に入射し屈折したレンズＬ₁₁内の光線は、外周面Ｗ₁₁へ向けて直接進行することなく、レンズＬ₁₁の射出面側の光学鏡面内（この光学素子１を含む光学系の光学性能を満たす表面精度を持つ光学面内）へ進行、射出することになる。尚、本実施例では、レンズＬ₁₁の射出面側の曲面の全てを光学鏡面とする。

よって、入射し屈折したレンズＬ₁₁内の光線がレンズＬ₁₁の外周面Ｗ₁₁で反射するということはなくなり、結像に寄与する光路内に戻る不要な反射光線を無くすことができる。
同図の矢印で示した光線の例によれば、レンズＬ₁₁の入射面側の最大入射口径φｄ₁₁上の位置に入射角（入射する光線と入射位置における曲面の法線とのなす角度）ｉ₁₁＝68.984°で入射した光線は、屈折角（屈折後の光線と入射位置における曲面の法線とのなす角度）α₁₁＝36.514°で屈折し、レンズＬ₁₁内を射出面側へ進行する。そして、レンズＬ₁₁の射出面に対し入射角（射出面に入射する光線と射出面上の入射位置における曲面の法線とのなす角度）β₁₁＝11.378°で入射して、空気中へ射出角（射出後の光線と射出位置における曲面の法線とのなす角度）γ₁₁＝18.029°で射出する。

従って、レンズＬ₁₁に入射する如何なる光線も、外周面Ｗ₁₁へ向けて直接進行することなく、レンズＬ₁₁の射出面側の光学鏡面内へ進行、射出することになる。
以上、本実施例に係る光学素子１によれば、遮光手段や光吸収手段を設けることなく、結像に寄与しない有害且つ不要な迷光を減少させることができるので、フレアが減少し、像性能を向上させることができる。また、レンズ保持枠Ｋ₁₁の表面処理や光学素子１の塗装が不要となるので、寸法精度が安定し、光学性能を向上させることができる。

図２は、本発明の実施例２に係る光学素子の一部断面図である。
同図に示した光学素子２は、複数のレンズで構成された光学系（不図示）の複数番目のレンズＬ₂₁と該レンズＬ₂₁の保持枠（以下「レンズ保持枠」という）Ｋ₂₁とが一体化して構成された光学素子である。

同図において、ｘ₂ｘ₂´は、レンズＬ₂₁の光軸である。
レンズＬ₂₁は、入射面側が凹面の凹メニスカスレンズである。
レンズＬ₂₁において、口径φｄ₂₁は、入射面側の光線の入射する最大入射口径である。曲率半径Ｒ₂₁は、その最大入射口径φｄ₂₁上の位置における曲率半径である。曲率半径Ｒ₂₂は、射出面側の光線の射出位置における曲率半径である。口径φｄ₂₂は、レンズＬ₂₁の外周径である。Ｄ₂₁は、レンズＬ₂₁の外周面（外周部）の光軸ｘ₂ｘ₂´方向長さである。但し、Ｄ₂₁は、最大入射口径φｄ₂₁上の位置と射出面側の外周径φｄ₂₂上の位置との間の光軸ｘ₂ｘ₂´方向長さでもある。ｌ₂₁は、レンズ保持枠Ｋ₂₁のレンズＬ₂₁との嵌合長さである。Ｗ₂₁は、レンズＬ₂₁の外周面である。また、レンズＬ₂₁の屈折率はｎ₂₁とし、レンズＬ₂₁の外周面Ｗ₂₁は鏡面状に仕上げられている。

本実施例では、最大入射口径φｄ₂₁＝12mm、最大入射口径φｄ₂₁上の位置における曲率半径Ｒ₂₁＝16.5mm、射出面側の射出位置における曲率半径Ｒ₂₂＝40mm、レンズＬ₂₁の外周径φｄ₂₂＝17mm、レンズＬ₂₁の外周面の光軸ｘ₂ｘ₂´方向長さＤ₂₁＝1.96mm、レンズ保持枠Ｋ₂₁のレンズＬ₂₁との嵌合長さｌ₂₁＝1.5mm、レンズＬ₂₁の屈折率ｎ₂₁＝1.62041であるとする。

レンズ保持枠Ｋ₂₁は、レンズＬ₂₁を保持し、レンズＬ₂₁の外周面Ｗ₂₁と嵌合し、レンズＬ₂₁と一体化して構成されている。また、レンズ保持枠Ｋ₂₁は、艶消し状の黒色に仕上げられている。

このような構成の光学素子２は、上記の式（１）を満足する。
すなわち、式（１）の左辺は、
D ＝Ｄ₂₁＝1.96
となる。

式（１）の右辺は、
(d₂-d₁)/2*tan(arcsin(1/n)) ＝ (17-12)/2*tan(arcsin(1/1.62041))
＝ 3.188
となる（但し、d₂=ｄ₂₂, d₁=ｄ₂₁, n=ｎ₂₁)。

よって、左辺 ≦ 右辺となり、上記の式（１）を満足する。
このように、上記の式（１）を満足する光学素子２によれば、レンズＬ₂₁の入射面側の最大入射口径φｄ₂₁内に入射し屈折したレンズＬ₂₁内の光線は、外周面Ｗ₂₁へ向けて直接進行することなく、レンズＬ₂₁の射出面側の光学鏡面内（この光学素子２を含む光学系の光学性能を満たす表面精度を持つ光学面内）へ進行、射出することになる。尚、本実施例でも、レンズＬ₂₁の射出面側の曲面の全てを光学鏡面とする。

よって、入射し屈折したレンズＬ₂₁内の光線がレンズＬ₂₁の外周面Ｗ₂₁で反射するということはなくなり、結像に寄与する光路内に戻る不要な反射光線を無くすことができる。
同図の矢印で示した光線の例によれば、レンズＬ₂₁の入射面側の最大入射口径φｄ₂₁上の位置に入射角ｉ₂₁＝51.894°で入射した光線は、屈折角α₂₁＝29.052°で屈折し、レンズＬ₂₁内を射出面側へ進行する。そして、レンズＬ₂₁の射出面に対し入射角β₂₁＝38.107°で入射して、空気中へ射出角γ₂₁＝90°で射出する。

従って、レンズＬ₂₁に入射する如何なる光線も、外周面Ｗ₂₁へ向けて直接進行することなく、レンズＬ₂₁の射出面側の光学鏡面内へ進行、射出することになる。
以上、本実施例に係る光学素子２によっても、実施例１に係る光学素子１と同様の効果を得ることができる。

図３は、本発明の実施例３に係る光学素子の一部断面図である。
同図に示した光学素子３は、複数のレンズで構成された光学系（不図示）の複数番目のレンズＬ₃₁と該レンズＬ₃₁の保持枠（以下「レンズ保持枠」という）Ｋ₃₁とが一体化して構成された光学素子である。また、本実施例に係る光学素子３においては、入射面側に、レンズＬ₃₁の入射面側に入射する光線の最大入射口径を決定するように、別の枠Ｋ₃₂も、一体として構成されている。

同図において、ｘ₃ｘ₃´は、レンズＬ₃₁の光軸である。
レンズＬ₃₁は、両凹レンズである。
レンズＬ₃₁において、口径φｄ₃₁は、光線の入射角を光軸ｘ₃ｘ₃´に垂直としたときの、入射面側の光線の入射する最大入射口径である。曲率半径Ｒ₃₁は、その最大入射口径φｄ₃₁上の位置における曲率半径である。曲率半径Ｒ₃₂は、射出面側の光線の射出位置における曲率半径である。口径φｄ₃₂は、レンズＬ₃₁の外周径である。Ｄ₃₁は、レンズＬ₃₁の外周面（外周部）の光軸ｘ₃ｘ₃´方向長さである。但し、Ｄ₃₁は、最大入射口径φｄ₃₁上の位置と射出面側の外周径φｄ₃₂上の位置との間の光軸ｘ₃ｘ₃´方向長さでもある。ｌ₃₁は、レンズ保持枠Ｋ₃₁のレンズＬ₃₁との嵌合長さである。Ｗ₃₁は、レンズＬ₃₁の外周面である。また、レンズＬ₃₁の屈折率はｎ₃₁とする。

本実施例では、最大入射口径φｄ₃₁＝12mm、最大入射口径上の位置における曲率半径Ｒ₃₁＝45mm、射出面側の射出位置における曲率半径Ｒ₃₂＝150mm、レンズＬ₃₁の外周径φｄ₃₂＝15mm、レンズＬ₃₁の外周面の光軸ｘ₃ｘ₃´方向長さＤ₃₁＝1.089mm、レンズ保持枠Ｋ₃₁のレンズＬ₃₁との嵌合長さｌ₃₁＝0.5mm、レンズＬ₃₁の屈折率ｎ₃₁＝1.69895であるとする。

レンズ保持枠Ｋ₃₁は、レンズＬ₃₁を保持し、レンズＬ₃₁の外周面Ｗ₃₁と嵌合し、レンズＬ₃₁と一体化して構成されている。また、レンズ保持枠Ｋ₃₁および枠Ｋ₃₂は、艶消し状の黒色に仕上げられている。

このような構成の光学素子３は、上記の式（１）を満足する。
すなわち、式（１）の左辺は、
D ＝Ｄ₃₁＝1.089
となる。

式（１）の右辺は、
(d₂-d₁)/2*tan(arcsin(1/n)) ＝ (15-12)/2*tan(arcsin(1/1.69895))
＝ 2.060
となる（但し、d₂=ｄ₃₂, d₁=ｄ₃₁, n=ｎ₃₁)。

よって、左辺 ≦ 右辺となり、上記の式（１）を満足する。
このように、上記の式（１）を満足する光学素子３によれば、レンズＬ₃₁の入射面側の最大入射口径内に入射し屈折したレンズＬ₃₁内の光線は、外周面Ｗ₃₁へ向けて直接進行することなく、レンズＬ₃₁の射出面側の光学鏡面内（この光学素子３を含む光学系の光学性能を満たす表面精度を持つ光学面内）へ進行、射出することになる。よって、入射し屈折したレンズＬ₃₁内の光線がレンズＬ₃₁の外周面で反射するということはなくなり、結像に寄与する光路内に戻る不要な反射光線を無くすことができる。

同図の矢印で示した光線の例によれば、レンズＬ₃₁の入射面側の最大入射口径φｄ₃₁上の位置に最大入射角（入射する光線と入射位置における曲面の法線とのなす最大角度）ｉ₃₁＝29.373°で入射した光線は、屈折角（屈折後の光線と入射位置における曲面の法線とのなす角度）α₃₁＝16.781°で屈折し、射出角（射出後の光線と射出位置における曲面の法線とのなす角度）γ₃₁＝50.266°で射出する。

従って、レンズＬ₃₁に入射する如何なる光線も、外周面Ｗ₃₁へ向けて直接進行することなく、レンズＬ₃₁の射出面側の光学鏡面内へ進行、射出することになる。
以上、本実施例に係る光学素子３によっても、実施例１に係る光学素子と同様の効果を得ることができる。

以上、実施例１、２、及び３について説明したが、各実施例においては、光学素子のレンズとして、入射面側の曲面が凹形状の負の屈折力を有する非球面レンズを適用することもできる。この場合には、入射位置の曲面の曲率半径として、入射位置における近似曲率半径を適用すればよい。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良及び変更を行っても良いのはもちろんである。

実施例１に係る光学素子の一部断面図である。実施例２に係る光学素子の一部断面図である。実施例３に係る光学素子の一部断面図である。光学系に含まれるレンズと該レンズの保持枠とを有して構成される従来の光学素子の一例を示す一部断面図である。

符号の説明

１、２、３光学素子

Claims

入射面側の曲面が凹形状をした屈折力が負のレンズと該レンズを保持するレンズ保持枠とが一体化して構成された光学素子であって、
前記レンズの屈折率をｎ、前記レンズの入射面側の光線の最大入射口径をφｄ₁、前記レンズの外周径をφｄ₂とするとき、前記レンズにおける、前記入射面側の最大入射口径上の位置と射出面側の前記外周径上の位置との間の光軸方向の距離Ｄは、
D ≦ (d₂-d₁)/2*tan(arcsin(1/n)) （１）
であり、
前記レンズにおける入射面側の最大入射口径内に入射した光線は、前記レンズを直接保持する前記保持枠へ照射されないことを特徴とする光学素子。
当該光学素子の結像に寄与する前記入射面側の最大入射口径内に入射した光線の前記射出面側の射出位置は、当該光学素子を含む光学系の光学性能を満たす表面精度を持つ光学表面内である、
ことを特徴とする請求項１記載の光学素子。