JP6536412B2 - レンズアレイ光学系の製造方法及びレンズアレイ光学系 - Google Patents

レンズアレイ光学系の製造方法及びレンズアレイ光学系 Download PDF

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Description

本発明は、ガラス製のレンズアレイ光学系の製造方法及びレンズアレイ光学系に関する。
複数のレンズ部を有するレンズアレイ光学系は、複眼撮像装置用の撮像レンズ、一眼レフカメラのオートフォーカスモジュールでの二次結像レンズ、半導体露光装置での照明系レンズ、液晶プロジェクターパネルでの集光レンズ等に用いられている。レンズアレイ光学系は加工性の良い光学プラスチックにより安価に製造できる。しかしながら、光学プラスチックは熱膨張係数が大きいだけでなく、耐久性及び光透過性が劣り、高温又は高湿の苛酷な条件で安定的に使用するには適さない。従って、様々な環境で安定して利用できるようにするためには、熱膨張係数が小さく、高温又は高湿下での耐久性に優れた光学ガラスをレンズアレイ光学系に使用することが求められる。
球面状又は非球面状の多数のレンズを有する光学ガラス製のレンズアレイ光学系の製造方法として、成形型の凹曲率より大きい曲率としたガラス製のプリフォームを各転写部に1つずつ配置し熱プレス成形する方法が提案されている(特許文献1参照)。プリフォームのうち多数のレンズの各光学面を形成するためのキャビティの体積を超える分は、各キャビティの接合部に流出し、一体的に融着する。しかしながら、特許文献1の方法では、金型上の各光学転写面にプリフォームを配置するのに非常に手間がかかるという問題がある。また、プリフォームのばらつきにより、接合部(融着部又は繋ぎ目)にエアが残存し、プリフォームの接合部の強度が低くなるおそれがある。また、レンズ部の数が多くなるに従って、成形が難しくなり、意図した光学面形状を持つレンズアレイを得ることができなくなるという問題もある。
また、別のレンズアレイ光学系の製造方法として、金型を使用せずに、複数の貫通孔が形成されている基板に液状の材料を供給して基板上に複数のレンズを形成する方法も提案されている(特許文献2参照)。しかしながら、特許文献2の方法では、レンズの光学面を非球面形状にすることが難しく、レンズ部の光学面を適切に設計して種々の収差を光学的に補正することができないという問題がある。
また、別の光学ガラス製のレンズアレイ光学系の製造方法として、溶融したガラスを金型に滴下することでレンズを成形する液滴法が知られている。液滴法はガラスの粘度が比較的低い状態で成形が行われるため、光学面形状に対する制約が小さく、また、材料の流動性に起因する成形不良の発生低減が期待できる。液滴法によるレンズアレイの製造方法として、特許文献3には、2×2個の光学転写面を有する一方の金型の中心にガラス滴を滴下し、他方の金型で押圧することにより、2×2個のレンズ部を有するレンズアレイを製造する方法は記載されている。しかしながら、特許文献3には、4×4個や5×5個などの2×2個を超える数のレンズ部が格子状に配列されたレンズアレイを作製することについては記載がない。特許文献3に記載される製造方法に従って、例えば、4×4個の光学転写面の中心部にガラス滴を滴下して、4×4個のレンズ部を有するレンズアレイを得ようとすると、後述するように、ガラスの充填不足の光学転写面を生じるおそれがある。また、特許文献3では、ガラス滴の流れを変える凸部を設け、凸部寄りの縁側に近い傾斜角度の大きい光学面の転写面に沿ってガラス滴が流れるように調整することで、光学面を高精度に転写しようとしている。しかしながら、事前工程として金型にガラス製の凸部を設ける場合、製造コストが増加するおそれがあるし、金型加工時に凸部を形成する場合、金型加工費用が高価になったり、金型寿命に影響が生じたりするという問題がある。なお、複数のガラス滴を個別に各光学転写面に滴下しようとすると、金型への到達タイミングがガラス滴間でずれることに起因して、成形不良を招いたり、金型への到達時に気体巻き込みを生じたりするなどのおそれがある。また、個々のガラス滴の体積が小さくなる結果、冷えて硬くなりやすいため、押圧によって所望の厚みまで成形することが難しくなるという問題も生じる。
特開2010−1177号公報 特開2003−4909号公報 国際公開第2012/36277号
本発明は、製造工程が簡素であり、高精度なガラス製のレンズアレイ光学系を得ることができるレンズアレイ光学系の製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、高い精度を有し、ゴースト低減に有利な構成を持つレンズアレイ光学系を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明に係るレンズアレイ光学系の製造方法は、液滴状の溶融ガラスを複数の液滴状に分割した分割ガラス滴を、正多角形の各頂部に重なるようにそれぞれ配置された3つ以上のレンズ部成形用の第1光学転写面を1つのユニットとして複数のユニットを同一平面に沿って規則的に配列した第1成形型の第1転写面に対して、各ユニットの正多角形の中心部に向けて同時に滴下し、第1転写面上で分割ガラス滴が流動して隣接するユニット間でそれぞれの分割ガラス滴が互いに接続して融合ガラスに形成された後、融合ガラスが完全に固化する前に、複数の第1光学転写面にそれぞれ対応する複数の第2光学転写面を含む第2成形型を、第1成形型上の融合ガラスに対して相対的に押圧して成形し、第1及び第2成形型から離型して複数のレンズ部を備えるガラスの一体物からなるレンズアレイを得る。ここで、正多角形は、厳密なものに限らず、正多角形よりも辺や内角がわずかに揃っていない場合も含む。
上記レンズアレイ光学系の製造方法では、液滴状の溶融ガラスを第1成形型上のユニットの数に応じて分離させて分割ガラス滴を形成し、成形型上で再度融合ガラスとして一体化した後に、この融合ガラスを成形型によって押圧する。これにより、製造工程が簡素でありながら、精度良く多数のレンズ部の光学面を成形することができ、良好な光学特性を示すレンズアレイを製造することができる。
本発明に係るレンズアレイ光学系は、複数のレンズ部及び2つの主面を備えるガラスの一体物からなり、正多角形の各頂部に重なるようにそれぞれ配置された3つ以上のレンズ部を1つのユニットとして、複数のユニットを同一平面に沿って規則的に配列しており、複数のユニットの隣接する一対のユニット間のいずれか一方の主面に溝部を有する。ここで、溝部の最大幅は、溝部を挟んで隣接する一対のレンズ部間の距離の0.3倍以上0.7倍以下とする。或いは、溝部の最大深さは、溝部を挟まない隣接する一対のレンズ部間の厚みの1/50以上1/5以下とする。或いは、レンズアレイ光学系は、複数のユニットの外側に形成された付加的な複数のレンズ部をさらに備える。

上記レンズアレイ光学系では、ユニットの境界に対応して溝部を有することにより、レンズ部の光学面間内で反射するゴーストを低減することができる。
図1Aは、第1実施形態に係るレンズアレイ光学系のうち第1レンズアレイを説明する平面図であり、図1Bは、レンズアレイ光学系等の断面図である。 図2Aは、第1実施形態に係るレンズアレイ光学系の製造方法に用いる成形装置を説明する図であり、図2Bは、図1Aの第1成形型の転写面を説明する平面図である。 図3Aは、第1実施形態に係るレンズアレイ光学系の製造方法に用いる成形装置を説明する別の図であり、図3B〜3Dは、成形装置のうち分割部材を説明する断面図である。 図4A〜4Fは、成形装置を用いた第1レンズアレイの製造工程について説明する断面図である。 図5A〜5Dは、比較例のレンズアレイ光学系を説明する図である。 第2実施形態に係るレンズアレイ光学系を説明する断面図である。 図7A及び7Bは、第3実施形態に係るレンズアレイ光学系を説明する断面図である。 図8A〜8Cは、第4実施形態に係るレンズアレイ光学系の製造方法に用いる成形装置のうち分割部材の変形例を説明する図である。
〔第1実施形態〕
図1A及び1B等を参照して、本発明の第1実施形態に係る、レンズアレイ光学系の製造方法及び当該製造方法によって製造されるレンズアレイ光学系と、これを用いた複眼撮像装置について説明する。
まず、レンズアレイ光学系20を搭載する撮像装置100について説明する。図1Bに示すように、撮像装置100は、レンズアレイ光学系20に形成された複数のレンズ部を用いて複数の画像を撮影し、1つの画像を再構成する複眼撮像装置である。撮像装置100は、ホルダー10と、レンズアレイ光学系20と、後絞り30と、赤外線カットフィルター40と、撮像素子アレイ50とを有する。
ホルダー10は、レンズアレイ光学系20、後絞り30、赤外線カットフィルター40、及び撮像素子アレイ50を収納し、保持するためのものである。ホルダー10には、複数の段部T1,T2,T3を有する凹部11aが形成されている。凹部11a内には、レンズアレイ光学系20、後絞り30、赤外線カットフィルター40、及び撮像素子アレイ50が順番にセットされる。各部材20,30,40,50は、凹部11aの各段部T1,T2,T3によって直接的に又は間接的に位置決めされる。ホルダー10には、レンズアレイ光学系20の複数の光学面に対応する格子点位置に円形の開口部12が形成されている。ホルダー10は、遮光性の樹脂、例えば黒色顔料等の着色剤を含む液晶ポリマー(LCP)やポリフタルアミド(PPA)等で形成されている。
レンズアレイ光学系20は、第1レンズアレイ21と、第2レンズアレイ22とを有する。第1及び第2レンズアレイ21,22は、光軸OA方向に積層されている。レンズアレイ光学系20は、被写体像を撮像素子アレイ50の撮像面Iに結像させる機能を有する。なお、本実施形態において、光軸OAは、それぞれのレンズアレイ内の各レンズ部の光軸であり、各レンズの光軸OAは、全て平行である。
図1A及び1Bに示すように、レンズアレイ光学系20のうち第1レンズアレイ21は、撮像装置100の最も物体側に配置される。第1レンズアレイ21は、光軸OAに垂直な方向に2次元的に配列された複数の第1レンズ部211を備えている。第1レンズアレイ21は、正方形又は四角形の外形を有する。レンズアレイ光学系20は、後述する成形装置200によって成形されたガラス成形体MPを例えば実線部分L1で切り出したものとすることができる。第1レンズアレイ21内の各第1レンズ部211は、繋がった状態で一体に形成されている。具体的には、第1レンズアレイ21は、第1レンズ本体部21aと、その周囲に一体化された第1フランジ部21bとを一組とする多数の第1レンズ部211を配列したものである。本実施形態において、第1レンズ本体部21aは、破線で示す正多角形の一つである正方形RTの各頂部TPに光軸が一致するようにそれぞれ配置されている。この1つの正方形RTに重なる4つの第1レンズ部211が1つのユニットUTとなっている。図1Aに示す第1レンズアレイ21では、4つのユニットUTが同一平面に沿って規則的に配列している。隣接する第1レンズ部211間の第1フランジ部21bは一体化されている。第1レンズ本体部21aは、物体側に凸形状の非球面である第1光学面21cと、像側に凹形状の非球面である第2光学面21dとを有する。第1フランジ部21bは、第1光学面21cの周囲に広がる平坦な第1フランジ面21eと、第2光学面21dの周囲に広がる平坦な第2フランジ面21fとを有する。第1及び第2フランジ面21e,21fは、光軸OAに垂直なXY平面に対して平行に配置されている。第1光学面21c及び第1フランジ面21eによって第1レンズアレイ21の物体側主面A1が構成され、第2光学面21d及び第2フランジ面21fによって第1レンズアレイ21の像側主面A2が構成される。
物体側主面A1の、隣接する一対のユニットUT間には、これらの境界に対応して溝部21gが形成されている。つまり、溝部21gは、レンズアレイ光学系20の物体側に配置される。これにより、物体側から第1レンズアレイ21内に入射し像側主面A2で反射され、2つの主面A1,A2間で全反射を繰り返しながら第1レンズアレイ21内を伝播しようとする光が、溝部21gによって第1レンズアレイ21外へ導かれることにより、ゴーストの発生を効果的に抑制することができる。溝部21gのX方向又はY方向の最大幅は、溝部21gを挟んで隣接する一対の第1レンズ部211間の距離Lの0.3倍以上0.7倍以下とすることが好ましい。また、溝部21gのZ方向の最大深さは、溝部21gを挟まない隣接する一対の第1レンズ部211間の第1フランジ部21bの厚みTの1/50以上1/5以下とすることが好ましい。溝部21gの最大幅を上記範囲にすることにより、また、溝部21gの最大深さを上記範囲にすることにより、第1レンズアレイ21を所望の強度に維持しつつ、ゴーストの低減を図ることができる。
レンズアレイ光学系20のうち第2レンズアレイ22は、撮像装置100の最も像側に配置される。なお、第2レンズアレイ22の基本的な構造は、第1レンズアレイ21の構造と略同様であり、同様の部分は適宜省略して説明する。第2レンズアレイ22は、第1レンズアレイ21と同様に、光軸OAに垂直な方向に2次元的に配列された複数の第2レンズ部221を備えている。第2レンズ部221の第2レンズ本体部22aについても、第1レンズ本体部21aと同様に、正方形の各頂部にそれぞれ配置されている。この1つの正方形の領域に重なる4つの第2レンズ部221が1つのユニットとなっている。各第2レンズ部221は、第2レンズ本体部22aと、その周囲に一体化された第2フランジ部22bとで構成される。隣接する第2レンズ部221間の第2フランジ部22bは一体化されている。第2レンズ本体部22aは、物体側に凹形状の非球面である第3光学面22cと、像側に凸形状の非球面である第4光学面22dとを有する。第2フランジ部22bは、第3光学面22cの周囲に広がる平坦な第3フランジ面22eと、第4光学面22dの周囲に広がる平坦な第4フランジ面22fとを有する。第3及び第4フランジ面22e,22fは、光軸OAに垂直なXY平面に対して平行に配置されている。第2レンズ部221は、第1レンズ部211とともに撮像レンズ20uとしての機能を有する。第3光学面22c及び第3フランジ面22eによって第2レンズアレイ22の物体側主面が構成され、第4光学面22d及び第4フランジ面22fによって第2レンズアレイ22の像側主面が構成される。
第2レンズアレイ22の第2フランジ面22e側のうち隣接する一対のユニット間には、溝部22gが形成されている。つまり、溝部22gは、レンズアレイ光学系20の第1レンズアレイ21側又は像側に配置される。溝部22gの寸法(最大幅、最大深さ等)は、第1レンズアレイ21の溝部21gと同様である。
第1及び第2レンズアレイ21,22は、詳細は後述するが、ガラスのプレス成形によって形成される。
後絞り30は、外形が正方形又は四角形の板状部材であり、レンズアレイ光学系20と赤外線カットフィルター40との間に設けられている。後絞り30は、第1及び第2レンズアレイ21,22の第1及び第2レンズ本体部21a,22aに対応する位置に正方形又は四角形の開口部30aが形成されている。後絞り30は、撮像素子アレイ50へ入射する迷光を遮断する。後絞り30を赤外線カットフィルター40上に印刷等で形成してもよい。
赤外線カットフィルター40は、正方形又は四角形の板状部材であり、後絞り30と撮像素子アレイ50との間に設けられている。赤外線カットフィルター40は、赤外線を反射させる機能を有する。
撮像素子アレイ50は、第1及び第2レンズアレイ21,22の各第1及び第2レンズ部211,221によって形成された被写体像を検出するものである。撮像素子アレイ50は、光軸OAに垂直な方向に2次元的に配列された撮像素子を備える撮像部50aを内蔵している。また、撮像素子アレイ50のレンズアレイ光学系20側には、透明な平行平板50bが撮像素子アレイ50等を覆うように配置・固定されている。撮像部50aは、固体撮像素子アレイからなるセンサーチップである。撮像部50aの光電変換部(不図示)は、CCDやCMOSからなり、入射光をRGB毎に光電変換し、そのアナログ信号を出力する。受光部としての光電変換部の表面は、撮像面(被投影面)Iとなっている。撮像素子アレイ50は、不図示の配線基板によって固定されている。この配線基板は、外部回路から撮像部50aを駆動するための電圧や信号の供給を受けたり、検出信号を上記外部回路へ出力したりする。
以下、レンズアレイ光学系20を構成する第1及び第2レンズアレイ21,22を製造するための成形装置200について説明する。
図2Aに示すように、成形金型300を組み込んだ成形装置200は、原材料であるガラスを溶融して直接プレスする加圧成形のための装置である。成形装置200は、主要な部材である成形金型300の他に、第1及び第2レンズアレイ21,22の製造にあたって成形金型300に移動、開閉動作等を行わせるための制御駆動装置200a、ガラス滴形成装置200b(図3A等参照)等をさらに備える。第2レンズアレイ22の製造方法は、第1レンズアレイ21の製造方法と同様であるため、以下、主に第1レンズアレイ21について説明する。
成形金型300は、固定側の第1成形型61と、可動側の第2成形型62とを備える。成形の際、第1成形型61は固定状態に維持され、第2成形型62は第1成形型61に対向するように移動して、両型61,62を互いに突き合わせるような型閉じが行われる。
まず、図2A及び2Bを参照しつつ第1成形型61について説明する。第1成形型61は、型本体61aと、支持部61bと、ヒーター部61cとを備える。第1成形型61のうち型本体61aは円筒状であり、第1転写面61dを有する。第1転写面61dは、第1レンズアレイ21のうち第1光学面21cを形成するための複数の第1光学転写面61fと、第1フランジ面21eを形成するための第1フランジ転写面61gとを含む。第1光学転写面61fは、第1レンズアレイ21の第1レンズ本体部21aの位置に対応しており、破線で示す正方形RTの各頂部TPに中心が一致するようにそれぞれ配置されている。この1つの正方形RTに重なる4つの第1光学転写面61fを1つのユニットとして、その周囲の第1フランジ転写面61gととともに1つの第1ユニット転写面UTv1を構成している。第1ユニット転写面UTv1は、格子状又はマトリックス状に配列される。詳細は後述するが、第1転写面61dに滴下される分割ガラス滴K(図3A参照)は、液滴状の溶融ガラスが複数の液滴状に分割されたものであり、分割ガラス滴Kの滴下位置61mは、第1ユニット転写面UTv1の中心部であり、分割ガラス滴Kの滴下位置61mも格子状又はマトリックス状に配列することになる。第1フランジ転写面61gは、第1転写面61d上に2次元的に配列された複数の第1光学転写面61fを除いた型面として、各第1光学転写面61fの外縁から他の第1光学転写面61f又は第1転写面61dの周辺に向けて延びている。ユニット転写面UTv1を格子状に配列すること(具体的には、平面格子の各点に配置すること)により、複数の第1光学転写面61fが格子状に配列され、分割ガラス滴Kの滴下位置も格子状に配列することになるので、第1光学転写面61fに対する分割ガラス滴Kの広がりを均一にしやすくなる。また、第1光学転写面61fを格子状に配列することで、分割ガラス滴Kを1つのユニット転写面UTv1の中心に滴下すると、それぞれの第1光学転写面61fまでの距離が等しくなり、溶融ガラスの挙動が各第1光学転写面61fで類似したものになる。従って、レンズ部211間の品質ばらつきが少ない安定した成形を行うことができる。特に、第1光学転写面61fを四角形格子状に配列することにより、マトリクス状にレンズ部211が配置されたレンズアレイ光学系20を精度良く作製することができる。
第1成形型61の支持部61bの根元に設けたヒーター部61cには、型本体61aを適度に加熱するための電気ヒーター61hが内蔵されている。
次に、第2成形型62について説明する。図2Aに示すように、第2成形型62は、型本体62aと、支持部62bと、ヒーター部62cとを備える。
第2成形型62のうち型本体62aは円筒状であり、第2転写面62dを有する。第2転写面62dは、第1レンズアレイ21のうち第2光学面22cを形成するための複数の第2光学転写面62fと、第2フランジ面22eを形成するための第2フランジ転写面62gとを含む。第2光学転写面62fは、第1レンズアレイ21の第1レンズ本体部21aの位置に対応しており、第1光学転写面61fと同様に、正方形の各頂部に中心が一致するようにそれぞれ配置されている。この1つの正方形に重なる4つの第2光学転写面62fを1つのユニットとして、その周囲の第2フランジ転写面62gととともに1つの第2ユニット転写面UTv2を構成している。第2光学転写面62fは、図2Bの第1光学転写面61fと同様に格子状に配列される。
第2成形型62の支持部62bの根元に設けたヒーター部62cには、型本体62aを適度に加熱するための電気ヒーター62hが内蔵されている。
第2成形型62と第1成形型61とは、加圧成形時において、第2成形型62の第2転写面62dと、第1成形型61の第1転写面61dとがそれぞれ同軸に配置され、プレス時及び冷却時に互いに所定間隔だけ離間する等、適切な位置関係を保つものとなっている。
制御駆動装置200aは、成形金型300による第1レンズアレイ21の成形のために、電気ヒーター61h,62hへの給電の制御や、第1成形型61及び第2成形型62の開閉動作等の成形金型300を組み込んだ成形装置200全体の制御を行う。なお、制御駆動装置200aに駆動された第2成形型62は、図2Aに示すように、水平なAB方向に移動可能であるとともに、鉛直のCD方向に移動可能になっている。例えば両型61,62を合わせて型閉じを行う際には、まず第1成形型61の上方位置に第2成形型62を移動させて両型61,62の軸CX1,CX2を一致させ、延いては上側の第2光学転写面62fと下側の第1光学転写面61fとをそれぞれ一致させ、第2成形型62を降下させて第1成形型61側に所定の力で押し付ける。
図3Aに示すように、ガラス滴形成装置200bは、原材料供給部71と、分割部材72とを有する。原材料供給部71及び分割部材72は不図示のヒーターにより加熱され、原材料供給部71内のガラスを溶融状態にしており、分割部材72を通過するガラスの溶融状態を維持している。原材料供給部71は、制御駆動装置200aにより移動や溶融ガラスGの滴下タイミングが制御される。
原材料供給部71は、不図示の坩堝等で溶融させた溶融ガラスGを溜めており、所定のタイミングで溶融ガラスGをノズル71aから吐出することにより、液滴状の溶融ガラスGである溶融ガラス滴GDを滴下させて、分割部材72に供給する部分である。
分割部材72は、原材料供給部71から供給された単一の溶融ガラス滴GDから複数の分割ガラス滴Kを形成するためのものである。この分割部材72は、原材料供給部71の下部に設けられたノズル71aの直下に配置されている。図3B〜3Dに示すように、分割部材72は、本体部72aと、仕切りプレート72bとを有する。
分割部材72の本体部72aは、原材料供給部71のノズル71aに対向する位置に貫通孔72cを有する。貫通孔72cの内径は、原材料供給部71のノズル71aから滴下される溶融ガラス滴GDの外径と略同一又はやや小さい。本体部72aは、原材料供給部71から供給された溶融ガラス滴GDを貫通孔72cに導くとともに、溶融ガラス滴GDの飛散を防止する。
仕切りプレート72bは、溶融ガラス滴GDを複数の分割ガラス滴Kに分裂させる部材である。仕切りプレート72bは、本体部72aの内部すなわち貫通孔72c内に配置された断面が十字形状を有する部材であり、4つの板部分を組み合わせたものとみることができる。仕切りプレート72b及び本体部72aは一体物であってもよい。仕切りプレート72bによって貫通孔72c内に複数の開口72dが形成されており、これらの開口72dは、第1成形型61に設けられたユニット転写面UTv1の数に対応している。本実施形態においては、ユニットUTが4つ設けられているため、4つの開口72dが設けられている。また、各開口72dは、形成される分割ガラス滴Kがユニット転写面UTv1の中心部に滴下されるように配置される。ここでは、4つの開口72dの中心部を結んだ形状と、4つのユニット転写面UTv1の中心部を結んだ形状とは相似形としている。このようにすることで、分割ガラス滴Kがユニット転写面UTv1の中心部に重なるように滴下されやすくなる。仕切りプレート72bの材料としては、SUS(ステンレス鋼)等の耐熱性のある金属や合金を用いることができる。仕切りプレート72bの表面には、CrコートやPt−Irコート等の処理を施すことが好ましい。コート層を設けることにより、仕切りプレート72bへのガラスの付着を防止することができる。仕切りプレート72bの板部分の厚さは、例えば1mm程度にすることができる。
以上のように、溶融ガラスGは、原材料供給部71のノズル71aから溶融ガラス滴GDとして分割部材72の本体部72aに供給され、仕切りプレート72bを通過する際に分割され、分割部材72の出口から個別に滴下されることにより複数の分割ガラス滴Kとなる。分割部材72を用いることにより、分割部材72の開口に応じて分割ガラス滴Kの大きさや数を制御することができる。なお、仕切りプレート72bの厚みにより、分割ガラス滴Kの落下位置を調整することができる。
以下、図4A〜4F等を参照して、図2A等に示す成形金型300を用いた複数の第1レンズアレイ21を含むガラス成形体MPの製造方法について説明する。
まず、図3A及び図4Aに示すように、ガラス滴形成装置200bの分割部材72を第1成形型61の第1転写面61dの中心部(具体的には、図2Bに示す複数のユニット転写面UTv1全体の中心部)に、仕切りプレート72bの中心が一致するように第1成形型61の上方に配置する。分割部材72において、原材料供給部71のノズル71aから滴下した溶融ガラス滴GDを受け、溶融ガラス滴GDから複数の液滴状に分割された分割ガラス滴Kを分割部材72の各開口72dから第1転写面61d上に自然滴下させる。複数の分割ガラス滴Kは、対応するユニット転写面UTv1の正方形の中心部(図2Bに示す滴下位置61m)に向けて同時に滴下される(滴下工程)。この際、溶融ガラスGの滴下に先立って、第1転写面61dを電気ヒーター61hにて、第1レンズアレイ21の原材料である光学素子用の溶融ガラス滴GDのガラス転移点温度程度の温度に加熱しておく。各分割ガラス滴Kは、互いに略等しい体積を有しており、全体としてガラス成形体MPの体積に略等しい所望の重量となっている。ここで、溶融ガラスGに用いる原材料のガラスとしては、例えば、リン酸塩系ガラス等が用いられる。なお、分割ガラス滴Kの滴下後はガラス滴形成装置200bを第2成形型62の昇降に邪魔にならない位置へ退避させておく。また、分割部材72を退避させるタイミングは早い方がよい。
図4B及び4Cに示すように、分割ガラス滴Kは、滴下後において、各ユニットUTの第1転写面61d上で流動して広がり、第1光学転写面61fや第1フランジ転写面61gを満たす。その後、図4Dに示すように、隣接するユニット転写面UTv1間でそれぞれのユニット転写面UTv1に滴下された分割ガラス滴Kは、互いに接続し、融合ガラスFGとなる。この際、第1成形型61の第1転写面61d側の融合ガラスFGの中心部分には、十字状の空間が生じる。この空間は最終的に上述した溝部21gとなる。図4Eに示すように、融合ガラスFGが完全に固化する前であり加圧変形可能な温度の間に、第1成形型61上の融合ガラスFGに第2成形型62を相対的に押圧して成形する(成形工程)。この際、第1成形型61の上方位置に第2成形型62を移動させて両型61,62の軸CX1,CX2を一致させ、延いては上側の第2光学転写面62fと下側の第1光学転写面61fとをそれぞれ一致させた状態で押圧する。なお、第2成形型62は、第1成形型61と同程度の温度に加熱されている。
次に、融合ガラスFGの温度が漸次低下していくことにより、第1レンズアレイ21の第1及び第2光学面21c,21dと、第1及び第2フランジ面21e,21fとを含むガラス成形体MPが成形される。ガラス成形体MPを十分に冷却した後、第1成形型61及び第2成形型62の加圧を解除して、図4Fに示すように、第2成形型62を上昇させることにより、ガラス成形体MPを離型し、型外へ取り出す(取出工程)。
取出工程後、ガラス成形体MPは、外側の第1フランジ部21bをダイサー等を利用して切断線DL(図4F参照)に沿って切り出すことで正方形又は四角形に整形して図1B等に示すような第1レンズアレイ21を得る(切出工程)。
第2レンズアレイ22についても第1レンズアレイ21と同様に製造する。その後、第1及び第2レンズアレイ21,22を第2光学面21dと第3光学面22cとが互いに対向するように積層した状態で接着剤によって接合する。これにより、図1B等に示すレンズアレイ光学系20が形成される。その後、レンズアレイ光学系20やその他の部材30,40,50をホルダー10に組み込むことにより、撮像装置100が完成する。
上記レンズアレイ光学系の製造方法によれば、溶融ガラス滴GDを第1成形型61上の第1転写面61dのユニット転写面UTv1の数に応じて分離させて分割ガラス滴Kを形成し、第1成形型61上に滴下する。つまり、溶融ガラス滴GDを直接第1成形型61に供給するのではなく、分割を経た上で第1成形型61に到達させる。従って、個々の分割ガラス滴Kは溶融ガラス滴GDよりも体積が減少し、第1成形型61へ到達する際の衝撃が小さくなり、第1成形型61上で広がる速度が抑えられることで、気泡巻き込みを生じることなく、第1及び第2転写面61d,62dの通りにガラスが充填し転写される。また、得ようとする第1レンズ部211のサグ量が大きく、第1光学転写面61fが深い場合であっても、充填不足や転写不良が生じにくい。また、1つの溶融ガラス滴GDを落下させて分割部材72で複数の分割ガラス滴Kを生成するので、各分割ガラス滴Kをほぼ同時に第1成形型61に到達させることができる。従って、第1成形型61への到達タイミングが分割ガラス滴K間でずれることに起因する成形不良が防止され、また、時系列に各光学転写面61fに分割ガラス滴Kを配置する必要がないため、押圧までに分割ガラス滴Kが冷えて硬くなり所望の厚みまで成形できなくなることが回避される。さらに、第1成形型61上で再度融合ガラスFGとして一体化させてから第1及び第2成形型61,62によって押圧するので、第1及び第2レンズ部211,221の第1〜第4光学面21c,21d,22c,22dの転写性を均一に安定させることができる。また、融合ガラスFGにおいて各ユニット転写面UTv1に対応する領域内外において界面が生じにくくなり、第1及び第2レンズアレイ21,22の内部欠陥やクラックの発生を防ぐことができ、強度の低下を抑えることができる。また、ガラス滴が分割された状態では、供給されるガラスの大きさにある程度のばらつきが生じたとしても、各ユニット転写面UTv1の中心部に各分割ガラス滴Kを同時に滴下させ、滴下後に融合ガラスFGとして1つにまとまるので、各分割ガラス滴Kが対応する第1光学転写面61fを満たすのに必要な量以上の体積を有しておりさえすれば、ばらつきの影響は解消される。これにより、滴下量の厳密な管理が不要となる。また、第1成形型61上で1つになりガラスの全体の体積が大きくなることで、ガラスの蓄熱がされ、ガラスの内部まで冷える時間が長くなる。これにより、レンズ部211,221が薄くなり過ぎたり厳しい成形条件で成形せざるを得なくなったりすることを避けて安定した精度での成形を実現でき、延いては、金型寿命を長くすることができる。また、分割ガラス滴Kを第1光学面21cに対応する第1光学転写面61f以外の位置に滴下することにより、第1光学転写面61f等に滴下痕(微小な空気溜まり)が形成されることを防ぐことができる。このようにして、本実施形態のレンズアレイ光学系の製造方法においては、製造工程が簡素でありながら、精度良くレンズ部211,221の光学面21c,21d,22c,22dを成形することができ、良好な光学特性を示すレンズアレイ21,22を製造することができる。なお、ガラスの供給側の面(第1成形型61側の面、すなわち第1及び第2レンズアレイ21,22の第1及び第4フランジ面21e,22f)には、個々のガラスが繋がった部分に十字状に極浅い溝が形成され、これらが図1で説明した溝部21g,22gとなる。これらの溝部21g、22gにおいても、第1及び第2レンズアレイ21,22の内部には境界がなく、強度、脈理等の部品性能に問題はない。
なお、上述したように、ガラス滴を分割を経て第1成形型61に到達させることで、第1成形型61上で広がる速度が抑えられるので、特許文献3に記載されるようなガラス滴の流れを変えるための凸部を成形型上に設けなくても(すなわち、ユニット転写面UTv1の中心部が平坦なままでも)、第1及び第2転写面61d,62dへ良好にガラスを充填することができる。しかしながら、充填性をさらに良好にしたいのであれば、ユニット転写面UTv1の中心部に凸部を形成してもよい。
図5Dに示すように、同一面に多数の光学面24cが配置された構成のレンズ部241を1つの溶融ガラスを滴下することにより製造しようとすると、滴下中心25から光学面24cに対応する転写面までの位置により滴下時に金型と供給ガラスとの間に空気が残ることによる転写不良が発生しやすくなる。例えば、図5Aに示すように、4×4個の光学転写面の中心に1つのガラス滴を滴下する場合、滴下中心25から最も近い領域AR1(図5D参照)において、レンズ部241には転写不良は生じないが、図5B及び5Cに示すように、滴下中心25から遠い領域AR2,AR3(図5D参照)において、レンズ部241には滴下中心25から放射線上に延びる方向であって、転写面の内側に転写されていない部分26が残る場合がある。この場合、領域AR3のレンズ部241は、領域AR2のレンズ部241よりも滴下中心25から離れているため、概して、転写しない部分26が大きくなる。
〔第2実施形態〕
以下、本発明に係る第2実施形態のレンズアレイ光学系について説明する。第2実施形態のレンズアレイ光学系は、第1実施形態のレンズアレイ光学系を変形したものであり、特に説明しない事項は、第1実施形態と同様である。
図6に示すように、レンズアレイ光学系20は、第1、第2及び第3レンズアレイ21,22,23を有する。
レンズアレイ光学系20のうち第1レンズアレイ21は、撮像装置100の最も物体側に配置される。第1レンズアレイ21の物体側主面の第1フランジ面21eのうち隣接する一対のユニットUT間には、溝部21gが形成されている。つまり、溝部21gは、レンズアレイ光学系20の物体側に配置される。
第2レンズアレイ22は、第1レンズアレイ21と第3レンズアレイ23との間に配置される。第2レンズアレイ22の像側主面の第4フランジ面22f側のうち隣接する一対のユニット間には、溝部22gが形成されている。つまり、溝部22gは、もう一方のレンズアレイ(本実施形態では第3レンズアレイ23)に向かい合う主面に配置される。溝部22gは、第2レンズアレイ22と第3レンズアレイ23との接合面の空気抜きとして機能する。
第3レンズアレイ23は、撮像装置100の最も像側に配置される。第3レンズアレイ23は、第1レンズアレイ21等と同様に、光軸OAに垂直な方向に2次元的に配列された複数の第3レンズ部231で構成されている。図示を省略するが、第3レンズ本体部23aについても、第1レンズ本体部21aと同様に、正方形の各頂部にそれぞれ配置されている。この1つの正方形の領域内に含まれる4つの第3レンズ部231が1つのユニットとなっている。各第3レンズ部231は、第3レンズ本体部23aと、その周囲に一体化された第3フランジ部23bとで構成される。隣接する各第3レンズ部231の第3フランジ部23bは一体化されている。第3レンズ本体部23aは、物体側に凹形状の非球面である第5光学面23cと、像側に凸形状の非球面である第6光学面23dとを有する。第3フランジ部23bは、第5光学面23cの周囲に広がる平坦な第5フランジ面23eと、第6光学面23dの周囲に広がる平坦な第6フランジ面23fとを有する。第5及び第6フランジ面23e,23fは、光軸OAに垂直なXY平面に対して平行に配置されている。第3レンズ部231は、第1及び第2レンズ部211,221とともに撮像レンズ20uとしての機能を有する。
第3レンズアレイ23の物体側主面の第6フランジ面23f側のうち隣接する一対のユニット間には、溝部23gが形成されている。つまり、溝部23gは、レンズアレイ光学系20の像側に配置される。
〔第3実施形態〕
以下、本発明に係る第3実施形態のレンズアレイ光学系の製造方法及びレンズアレイ光学系について説明する。第3実施形態は、第1実施形態を変形したものであり、特に説明しない事項は、第1実施形態と同様である。
図7A及び7Bに示すように、第1レンズアレイ21を含むガラス成形体MPを形成する際に、複数のユニットUTの外側に付加的な複数のレンズ部LPを設けてもよい。図7Aは、マトリクス配列された5×5個の第1レンズ部211を持つ第1レンズアレイ21を得るために、マトリクス配列された6×6個の光学転写面を持つ成形型で成形を行う例を示し、図7Bは、千鳥配列された18個の第1レンズ部211を持つ第1レンズアレイ21を得るために、千鳥配列された27個の光学転写面を持つ成形型で成形を行う例を示している。このように、第1レンズアレイ21の最外周に、必要な個数よりも多い少なくとも1つのレンズ部LPを設けることにより、成形が安定し、精度良く第1レンズアレイ21を成形することができる。必要な個数よりも多いレンズ部を形成した後、必要に応じてレンズ部LPを後工程で除去してもよい。図7Aの例のように、列方向及び行方向のうち少なくとも一方において奇数個の第1レンズ部211を有する第1レンズアレイ21を得たい場合、6×6個の第1レンズ部211を形成した後、二点鎖線L2の位置で切断し、外側のレンズ部LPすなわち最外周に位置する少なくとも1つのレンズ部を捨てレンズ部として除去することで、5×5個の第1レンズ部211を配置する第1レンズアレイ21を作製することができる。列方向のみ又は行方向のみ切断すれば、5×6個又は6×5個の第1レンズ部211を有する第1レンズアレイ21を作製することもできる。また、図7Bに示すように、正三角形の頂点に配置される3つの第1レンズ部211を1つのユニットとして複数のユニットを配列し、全体として27個の第1レンズ部211を千鳥配置した場合も、外側のレンズ部LPを切断して除去することにより、18個の第1レンズ部211を有する第1レンズアレイ21を作製することができる。つまり、成形後に外側の不要なレンズ部LPを切断して除去することにより、列及び/又は行方向における第1レンズ部211の数を偶数から奇数へあるいはその逆へと調整することができ、また、成形のみでは得ることが難しい配列で配置された第1レンズ部211を有する第1レンズアレイ21を得ることができる。なお、図7Bに示す例において、切断ラインを直線的にした場合、レンズ部LPが切断ラインに重なる場合は、これを迂回するように切断してもよい。
〔第4実施形態〕
以下、本発明に係る第4実施形態のレンズアレイ光学系の製造方法について説明する。第4実施形態のレンズアレイ光学系の製造方法は、第1実施形態のレンズアレイ光学系の製造方法を変形したものであり、特に説明しない事項は、第1実施形態と同様である。
図8A及び8Bに示すように、分割部材172は、図3B〜3Dに示す分割部材72の本体部72aの下端を延長し、仕切りプレート72bや開口72dの下端よりも鉛直方向下方に延びる外枠又は外枠部72fを有する。この場合、外枠部72fにおいて、複数の分割ガラス滴Kを独立して1つに留めやすくなり、分割ガラス滴Kの大きさや滴下位置のばらつきをより抑えることができる。
貫通孔を形成する本体の外観形状は、図8A及び8Bに示すような四角柱形状でもよいし、図8Cに示すような円柱形状でもよい。
また、本体部72aと仕切りプレート72bの長さをともに長くして、分割ガラス滴Kの大きさや滴下位置のばらつきを抑えるようにしてもよい。
以上、本実施形態に係るレンズアレイ光学系の製造方法等について説明したが、本発明に係るレンズアレイ光学系の製造方法等は上記のものには限られない。例えば、上記実施形態において、第1レンズアレイ21の第1レンズ部211等の形状、配置、数等は、適宜変更することができる。例えば、第1レンズ部211等を正三角形の格子状に配列してもよい。
ユニットUTを構成する第1レンズ部211を正方形や正三形のような正多角形の頂点に配置する場合における、正多角形は厳密なものではなく若干の誤差があってもよい。つまり、本願明細書においては、レンズアレイ光学系に求められる光学性能の許容誤差範囲内であれば、ユニットを構成するレンズ配置に関する多角形の各辺の長さにばらつきがあったとしても正多角形であるものとみなす。
また、上記実施形態において、レンズアレイを2枚や3枚積層したが、1枚のみでレンズアレイ光学系20として用いてもよい。この場合、溝部21gが形成される第1フランジ面21e側を物体側に配置することが好ましい。
第1レンズアレイ21、第2レンズアレイ22等は、同様の方法によって作製され同様の構造を有するものに限らない。例えば第2レンズアレイ22については、第1レンズアレイ21のような溝部21g,22g,23gを設けない構造又は形状とすることもできる。
また、上記実施形態において、分割部材72の溶融ガラス滴GDを分割する部材として、仕切りプレート72bを用いたが、ワイヤーを用いて十字状にしてもよい。また、仕切りプレート72bの形状は、ユニットUTを構成する第1レンズ部211等の配置によって適宜変更することができる。
また、上記実施形態において、第1成形型61の第1光学転写面61fの形状は凹形状が好ましいが、第2成形型62の第2光学転写面62fの形状は凹形状でも凸形状でもよい。また、第1光学面〜第4光学面21c,21d,22c,22dの形状は非球面としたが、これに限るものではなく、求められる性能や用途に合わせて、適宜最適な形状を採用すればよい。
また、上記実施形態において、撮像部50aを2次元的に配列させた撮像素子アレイ50を用いたが、アレイ状のものに限らず、全面が撮像素子であるものを設けてもよい。

Claims (14)

  1. 液滴状の溶融ガラスを複数の液滴状に分割した分割ガラス滴を、正多角形の各頂部に重なるようにそれぞれ配置された3つ以上のレンズ部成形用の第1光学転写面を1つのユニットとして複数の前記ユニットを同一平面に沿って規則的に配列した第1成形型の第1転写面に対して、前記各ユニットの前記正多角形の中心部に向けて同時に滴下し、
    前記第1転写面上で前記分割ガラス滴が流動して隣接するユニット間でそれぞれの前記分割ガラス滴が互いに接続して融合ガラスに形成された後、前記融合ガラスが完全に固化する前に、複数の前記第1光学転写面にそれぞれ対応する複数の第2光学転写面を含む第2成形型を、前記第1成形型上の前記融合ガラスに対して相対的に押圧して成形し、
    前記第1及び第2成形型から離型して複数のレンズ部を備えるガラスの一体物からなるレンズアレイを得る、レンズアレイ光学系の製造方法。
  2. 複数の前記ユニットは、格子状に配列される、請求項1に記載のレンズアレイ光学系の製造方法。
  3. 複数の前記第1光学転写面は、矩形格子状に配列し、
    前記正多角形は、正方形である、請求項1及び2のいずれか一項に記載のレンズアレイ光学系の製造方法。
  4. 複数の開口を有する分割部材に対して、前記液滴状の溶融ガラスを滴下することにより、前記液滴状の溶融ガラスが複数の液滴状に分割された前記分割ガラス滴を得る、請求項1から3までのいずれか一項に記載のレンズアレイ光学系の製造方法。
  5. 前記分割部材は前記開口の下部に外枠を有する、請求項4に記載のレンズアレイ光学系の製造方法。
  6. 前記レンズアレイの最外周に位置する少なくとも1つのレンズ部を切断によって除去する、請求項1から5までのいずれか一項に記載のレンズアレイ光学系の製造方法。
  7. 複数のレンズ部及び2つの主面を備えるガラスの一体物からなり、
    正多角形の各頂部に重なるようにそれぞれ配置された3つ以上の前記レンズ部を1つのユニットとして、複数の前記ユニットを同一平面に沿って規則的に配列しており、
    複数の前記ユニットの隣接する一対のユニット間のいずれか一方の主面に溝部を有し、
    前記溝部の最大幅は、前記溝部を挟んで隣接する一対のレンズ部間の距離の0.3倍以上0.7倍以下である、レンズアレイ光学系。
  8. 複数のレンズ部及び2つの主面を備えるガラスの一体物からなり、
    正多角形の各頂部に重なるようにそれぞれ配置された3つ以上の前記レンズ部を1つのユニットとして、複数の前記ユニットを同一平面に沿って規則的に配列しており、
    複数の前記ユニットの隣接する一対のユニット間のいずれか一方の主面に溝部を有し、
    前記溝部の最大深さは、前記溝部を挟まない隣接する一対のレンズ部間の厚みの1/50以上1/5以下である、レンズアレイ光学系。
  9. 複数のレンズ部及び2つの主面を備えるガラスの一体物からなり、
    正多角形の各頂部に重なるようにそれぞれ配置された3つ以上の前記レンズ部を1つのユニットとして、複数の前記ユニットを同一平面に沿って規則的に配列しており、
    複数の前記ユニットの隣接する一対のユニット間のいずれか一方の主面に溝部を有し、
    複数の前記ユニットの外側に形成された付加的な複数のレンズ部をさらに備える、レンズアレイ光学系。
  10. 複数の前記ユニットは、格子状に配列される、請求項7から9までのいずれか一項に記載のレンズアレイ光学系。
  11. 複数の前記レンズ部は、矩形格子状に配列し、
    前記正多角形は、正方形である、請求項7から10までのいずれか一項に記載のレンズアレイ光学系。
  12. 前記溝部は物体側の主面に配置される、請求項7から11までのいずれか一項に記載のレンズアレイ光学系。
  13. 光軸方向に積層された複数のレンズアレイを備え、該複数のレンズアレイのうち少なくとも1つが、請求項7から12までのいずれか一項に記載のレンズアレイ光学系である、レンズアレイ光学系。
  14. 前記少なくとも1つのレンズアレイは、他のレンズアレイに対向する側の主面に前記溝部が設けられている、請求項13に記載のレンズアレイ光学系。
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