WO2014129129A1 - 光学レンズ装置 - Google Patents

Abstract

　正の焦点距離を有する第１レンズ（１０）と負の焦点距離を有する第２レンズ（２０）とを備え、各レンズ（１０、２０）が光軸を揃えて積層配置される光学レンズ装置において、各レンズ（１０、２０）は、光が入射する側のレンズ面の曲率半径が光を出射する側よりも小さくなっており、その周囲には、コバ部（１８、２８）が設けられる。そして、各コバ部（１８、２８）は、コバ部の外周部分における光軸に平行な軸方向中央部（Ｑ１、Ｑ２）が、レンズの中心部分（Ｏ１、Ｏ２）及び前記レンズの外周部分における軸方向中央部（Ｐ１、Ｐ２）よりも、光を出射する側に位置するように形成される。これにより、部品点数を増加させることなく、温度変化に伴うレンズ特性の変化を抑制する。

Description

光学レンズ装置 関連出願の相互参照

　本出願は、当該開示内容が参照によって本出願に組み込まれた、２０１３年２月２２日に出願された日本特許出願２０１３－３３４７０を基にしている。

　本開示は、焦点距離が正のレンズと焦点距離が負のレンズとを備えた光学レンズ装置に関する。

　この種の光学レンズ装置においては、温度変化により生じる収差を低減するため、レンズ間を樹脂製の鏡筒部を介して接合し、温度変化に伴う鏡筒部の膨張・収縮によりレンズ間隔を伸縮させて、収差をキャンセルさせることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

　また、光学レンズ装置の収差を低減し得る技術としては、レンズの屈折率を電気信号によって変化させる技術（例えば、特許文献２参照）、アクチュエータを用いてレンズを移動させることで焦点距離を調整する技術（例えば、特許文献３参照）、等も知られている。

特開２００３－６９０８号公報 特開２００８－９００２６号公報 特開２００９－８９３０６号公報

　しかしながら、上記提案の技術では、レンズの屈折率を変化させたり、レンズを移動させたりするためのアクチュエータ、及び、アクチュエータの駆動制御装置が必要となる。最も構成が簡単なものでも、レンズ間隔を変化させるための鏡筒部を設ける必要がある。

　このため、上記提案の技術では、光学レンズ装置において、温度変化によって生じるレンズ特性の変化を抑制することはできるものの、そのための部品点数が増加し、装置の小型化を図ることができなくなる恐れがある。

　本開示は、こうした点に鑑みなされたものであり、光学レンズ装置において、部品点数を増加させることなく、温度変化に伴うレンズ特性の変化を抑制することを目的とする。

　本開示の光学レンズ装置は、正の焦点距離を有する第１レンズと、負の焦点距離を有する第２レンズとからなる複数のレンズを有する。

　そして、第１レンズ及び第２レンズは、それぞれ、光が入射する側のレンズ面の曲率半径（詳しくは、その絶対値）が、光を出射する側のレンズ面の曲率半径（詳しくは、その絶対値）よりも小さくなっている。

　また、複数のレンズの少なくとも一つには、レンズ外周を取り囲むコバ部が設けられている。そして、そのコバ部は、コバ部の外周部分において、レンズの光軸に平行な軸方向中央部が、レンズの中心部分及びレンズの外周部分における軸方向中央部よりも、光を出射する側に位置するように形成されている。

　つまり、コバ部は、第１レンズ若しくは第２レンズの外周部分に、光が入射する側（以下、前方ともいう）よりも光が出射する側（以下、後方ともいう）に向けて大きく張り出すように形成されている。

　このため、このコバ部には、温度が上昇すると、自身の膨張によって、レンズの後方部分を縮径させる方向に力が発生する。

　従って、第１レンズに上記コバ部を設けた場合、コバ部の中心が凸レンズの中心と光軸方向で一致するコバを設けた場合と比較すると、光が入射する前方側のレンズ面の曲率半径が小さくなって、第１レンズの焦点距離が短くなる。第１レンズは、正の焦点距離を有するため、このレンズ面は凸状である。

　一方、第２レンズに上記コバ部を設けた場合、コバ部の中心が凹レンズの中心と光軸方向で一致するコバを設けた場合と比較すると、光が入射する前方側のレンズ面の曲率半径が大きくなって、負の焦点距離が長くなる。第２レンズは、負の焦点距離を有するため、このレンズ面は凹状である。

　第２レンズは、第１レンズとの組み合わせにより、第１レンズ単体で生じる正の焦点距離を補正するのに用いられるため、第２レンズにおける負の焦点距離が長くなると、光学レンズ装置全体の焦点距離は短くなる。

　このため、温度上昇により、各レンズの屈折率が小さくなって、光学レンズ装置全体の焦点距離が長くなった場合に、第１レンズと第２レンズのレンズ形状の変化によって、その焦点距離の変化を抑制することができる。

　このように、本開示の光学レンズ装置によれば、温度変化に伴い各レンズの屈折率が変化することによって生じる焦点位置の変化を、レンズ周囲に上記コバ部を設けるだけで抑制することができる。

　従って、本開示の光学レンズ装置によれば、従来のようにアクチュエータや鏡筒部等を別途設けることなく、温度変化によって生じるレンズ特性の変化を抑制することができる。延いては、良好なレンズ特性を有する光学レンズ装置を小型化することができる。

実施形態の光学レンズ装置の構成を表し、（ａ）は側面図、（ｂ）は断面図である。 光学レンズ装置を構成する第１レンズ及び第２レンズのコバ部の形状を説明する説明図である。 温度変化に対するレンズ形状の変化を説明する説明図である。 第１レンズの形状変化を測定する測定方法を説明する説明図である。 第１レンズの形状変化の測定結果を表す説明図である。 第２レンズの形状変化を測定する測定方法を説明する説明図である。 第２レンズの形状変化の測定結果を表す説明図である。 コバ部周囲に環状部を設けた光学レンズ装置を表す説明図である。 環状部の有無による形状変化の違いを測定する測定方法を説明する説明図である。 環状部の有無による形状変化の違いの測定結果を表す説明図である。 光学レンズ装置の他の構成例を表す説明図である。

　以下に本開示の実施形態を図面と共に説明する。

　なお、各実施形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には、同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各実施形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組合せが可能であることを明示している部分同士の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示してなくとも実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。

　図１に示すように、本実施形態の光学レンズ装置は、正の焦点距離を有する第１レンズ１０と、負の焦点距離を有する第２レンズ２０とを有する。

　第１レンズ１０は、物体からの光が入射する前方側のレンズ面１２が凸状に形成された所謂凸レンズであり、そのレンズ面１２の曲率半径ｒ１は、光を出射する後方側のレンズ面１４の曲率半径ｒ２よりも小さくなっている。

　第２レンズ２０は、物体からの光が入射する前方側のレンズ面２２が凹状に形成された所謂凹レンズであり、そのレンズ面２２の曲率半径ｒ３は、光を出射する後方側のレンズ面２４の曲率半径ｒ４よりも小さくなっている。

　第１レンズ１０及び第２レンズ２０は、合成樹脂にて構成されており、各レンズ１０、２０の径方向外周には、各レンズ１０、２０のレンズ部１６、２６の外周を取り囲むように、コバ部１８、２８が一体形成されている。

　そして、各レンズ１０、２０は、光軸３０を一致させた状態（換言すれば光軸３０を揃えた状態）で、第１レンズ１０が物体側となるよう配置されている。

　また、各レンズ１０、２０において、コバ部１８、２８は、レンズ部１６、２６の外周部分よりも肉厚になっており、各レンズ１０、２０は、そのコバ部１８、２８を介して互いに積層されている。

　なお、この積層部分（詳しくはコバ部１８とコバ部２８との間）には、接着剤、スペーサ、遮光材等が設けられることがあるが、この点については、本開示の主要部ではないので詳細な説明は省略する。

　また、図２に示すように、コバ部１８、２８は、それぞれ、コバ部１８、２８の外周部分において、光軸３０に平行な軸方向中央部Ｑ１、Ｑ２が、レンズ部１６、２６の中心部分Ｏ１、Ｏ２及び外周部分における軸方向中央部Ｐ１、Ｐ２よりも後方側に位置するように形成されている。

　つまり、コバ部１８、２８は、レンズ部１６、２６の外周部分に、光が入射する側（以下、前方ともいう）よりも光が出射する側（以下、後方ともいう）に向けて張り出すように形成されている。

　なお、図２において、レンズ部１６、２６の外周部分における軸方向中央部Ｐ１、Ｐ２は、前方側のレンズ面１２、２２の外周と、後方側のレンズ面１４、２４の外周とを結ぶ線の中心に位置するものとして記載されている。

　しかし、このレンズ部１６、２６の外周・中央部Ｐ１、Ｐ２は、前方側のレンズ面１２、２２の外周から光軸３０に平行な軸方向に引き出した線上にあってもよい。或いは、後方側のレンズ面１４、２４の外周から光軸３０に平行な軸方向に引き出した線上にあってもよい。

　このように構成された第１レンズ１０及び第２レンズ２０においては、温度が上昇すると、コバ部１８、２８の膨張によって、コバ部１８、２８に、各レンズ１０、２０における後方のレンズ面１４、２４を縮径させる方向に力が発生する。

　すなわち、図２（ａ）に示すように、第１レンズ１０においては、温度が上昇するとコバ部１８が、レンズ部１６の径方向に伸張するだけでなく、レンズ部１６の後方でレンズ部１６の内側方向（図に示す矢印方向）にも伸張し、レンズ部１６の後方を縮径させる。

　この結果、第１レンズ１０においては、温度が上昇すると、前方のレンズ面１２の曲率半径ｒ１が小さくなり、レンズ面１２が図に点線で示すように変化する。

　また、図２（ｂ）に示すように、第２レンズ２０においては、温度が上昇するとコバ部２８が、レンズ部２６の径方向に伸張するだけでなく、レンズ部２６の後方でレンズ部２６の内側方向（図に示す矢印方向）にも伸張し、レンズ部１６の後方を縮径させる。

　この結果、第２レンズ２０においては、温度が上昇すると、前方のレンズ面２４の曲率半径ｒ３が大きくなり、レンズ面２２が図に点線で示すように変化する。

　従って、本実施形態の光学レンズ装置によれば、温度変化によって、第１レンズ１０及び第２レンズ２０の屈折率が変化しても、その屈折率変化によって生じる各レンズ１０、２０の焦点位置の変化を、第１レンズ１０及び第２レンズ２０の形状変化によって相殺することができる。換言すれば、光学レンズ装置全体の焦点位置が、両レンズ１０，２０の形状変化によって相殺される。

　よって、本実施形態の光学レンズ装置によれば、所望のレンズ特性を得るための装置や部品を別途設けることなく、温度変化によって生じる収差を低減することができ、光学レンズ装置の小型化を図ることができる。

　次に、この効果を裏付けるために行った実験結果について説明する。
＜第１レンズ１０による効果＞
　光学レンズにおいては、樹脂製のものであっても、ガラス製のものであっても、温度が上昇すると屈折率が小さくなり、温度が低下すると屈折率が大きくなる。

　従って、図３に点線で示すように、正の焦点距離を有する光学レンズにおいては、レンズの温度が常温よりも高い高温になると、焦点距離が常温時よりも長くなる。一方、レンズの温度が常温よりも低温になると、焦点距離が常温時よりも短くなる。

　これに対し、正の焦点距離を有する光学レンズにおいては、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、光が入射する前方側のレンズ面の曲率半径ｒが、基本的な形状１の場合よりも小さい、形状２になると、焦点距離が短くなる。逆に、前方側のレンズ面の曲率半径ｒが、基本的な形状１の場合よりも大きい、形状３になると、焦点距離が長くなる。

　従って、正の焦点距離を有する第１レンズ１０においては、図３に示すように、常温時には形状１となり、高温時には形状２となり、低温時には形状３となるようにすれば、第１レンズ１０の屈折率変化に伴う焦点距離の変化を、第１レンズ１０の形状変化によって相殺することが可能となる。

　そこで、第１レンズ１０に関しては、レンズ部１６の周囲に設けるコバ部１８の形状の違いで、高温・低温時にレンズ形状がどのように変化するかを、２つのレンズＡ、Ｂを用いて測定した。

　なお、レンズＡは、図４（ｃ）に示すように、所定の焦点距離を有する凸レンズに対し、本実施形態と同様に、コバ部の中心が、凸レンズの中心よりも後方側に位置するように、コバ部を設けることにより構成されている。

　また、レンズＢは、図４（ｄ）に示すように、レンズＡと同じ凸レンズに対し、コバ部の中心が凸レンズの中心と光軸方向で一致するように、コバ部を設けることにより構成されている。

　このように構成された２つのレンズＡ、Ｂの形状を、高温時と低温時とでそれぞれ測定した。

　この結果、高温時には、図５（ａ－１）に示すように、レンズＡの前方側のレンズ面の曲率半径が、レンズＢの曲率半径よりも小さくなることがわかった。なお、図５（ａ－２）は、高温時のレンズＡ、Ｂのレンズ面の位置ずれを、「Ａ－Ｂ」値として、レンズの径ｒごとに計算した結果を表している。

　また、低温時には、図５（ｂ－１）に示すように、レンズＡの前方側のレンズ面の曲率半径が、レンズＢの曲率半径よりも大きくなることがわかった。なお、図５（ｂ－２）は、低温時のレンズＡ、Ｂのレンズ面の位置ずれを、「Ａ－Ｂ」値として、レンズの径ｒごとに計算した結果を表している。

　そして、この測定結果から、正の焦点距離を有する第１レンズ１０においては、本開示のようにコバ部１８を設けることで、高温時及び低温時に、第１レンズ１０のレンズ形状が、屈折率の変化に伴い生じる焦点距離の変化を低減するように変化し、上述した効果が得られることを確認できた。
＜第２レンズ２０による効果＞
　図６（ａ）に示すように、負の焦点距離を有する光学レンズにおいては、光が入射する前方側のレンズ面の曲率半径ｒが、基本的な形状１の場合よりも大きい、形状２になると、負の焦点距離が長くなる。逆に、前方側のレンズ面の曲率半径ｒが、基本的な形状１の場合よりも小さい、形状３になると、負の焦点距離が短くなる。

　本実施形態の光学レンズ装置において、第２レンズ２０は、第１レンズ１０との組み合わせにより、第１レンズ１０単体で生じる正の焦点距離を補正するのに用いられる。

　このため、図６（ｂ）に示すように、第２レンズ２０における負の焦点距離が長くなると、光学レンズ装置全体の焦点距離（正の焦点距離）は、短くなる。また逆に、第２レンズ２０における負の焦点距離が短くなると、光学レンズ装置全体の焦点距離（正の焦点距離）は、長くなる。

　従って、負の焦点距離を有する第２レンズ２０においては、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、常温時には形状１となり、高温時には形状２となり、低温時には形状３となるようにするとよい。つまり、このようにすれば、屈折率変化に伴う光学レンズ装置全体の焦点距離の変化を、第２レンズ２０の形状変化によって低減することが可能となる。

　そこで、第２レンズ２０に関しては、レンズ部２６の周囲に設けるコバ部２８の形状の違いで、高温・低温時にレンズ形状がどのように変化するかを、２つのレンズＣ、Ｄを用いて測定した。

　なお、レンズＣは、図６（ｃ）に示すように、所定の焦点距離を有する凹レンズに対し、本実施形態と同様に、コバ部の中心が、凹レンズの中心よりも後方側に位置するように、コバ部を設けることにより構成されている。

　また、レンズＤは、図６（ｄ）に示すように、レンズＣと同じ凹レンズに対し、コバ部の中心が凹レンズの中心と光軸方向で一致するように、コバ部を設けることにより構成されている。

　このように構成された２つのレンズＣ、Ｄの形状を、高温時と低温時とでそれぞれ測定した。

　この結果、高温時には、図７（ａ－１）に示すように、レンズＣの前方側のレンズ面の曲率半径が、レンズＤの曲率半径よりも大きくなることがわかった。なお、図７（ａ－２）は、高温時のレンズＣ、Ｄのレンズ面の位置ずれを、「Ｃ－Ｄ」値として、レンズの径ｒごとに計算した結果を表している。

　また、低温時には、図７（ｂ－１）に示すように、レンズＣの前方側のレンズ面の曲率半径が、レンズＤの曲率半径よりも小さくなることがわかった。なお、図７（ｂ－２）は、低温時のレンズＣ、Ｄのレンズ面の位置ずれを、「Ｃ－Ｄ」値として、レンズの径ｒごとに計算した結果を表している。

　そして、この測定結果から、負の焦点距離を有する第２レンズ２０においては、本開示のようにコバ部２８を設けることで、高温時及び低温時に、第２レンズ２０のレンズ形状が、各レンズ１０、２０の屈折率の変化に伴い生じる光学レンズ装置全体の焦点距離の変化を低減するように変化し、上述した効果が得られることを確認できた。
（変形例）
　なお、本実施形態の光学レンズ装置においては、図８に例示するように、第１レンズ１０及び第２レンズ２０のコバ部１８、２８の周囲に環状部４０を設け、温度変化によるコバ部１８、２８の外周方向への形状変化を抑制するようにしてもよい。

　そして、このようにすれば、温度変化によってレンズ部１６、２６及びコバ部１８、２８が膨張しても、コバ部１８、２８が外周方向に広がらないので、レンズ部１６、２６をより大きく変形させることができる。

　よって、図８に示す光学レンズ装置によれば、第１レンズ１０及び第２レンズ２０が熱膨張率の小さい樹脂若しくはガラスで構成されていて、温度が上昇した際のコバ部１８、２８の形状変化が小さいときにでも、レンズ部１６、２６の形状を変化させて、レンズ特性を改善することが可能となる。

　なお、環状部４０としては、コバ部１８、２８の外周方向への形状変化を抑制できるように、第１レンズ１０及び第２レンズ２０よりも熱膨張率の低い材料で構成すればよい。例えば、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等の合成樹脂を用いるようにすれば、コバ部１８、２８の周囲に容易に形成することができる。

　次に、環状部４０による上記効果を裏付けるために行った実験結果について説明する。
＜環状部４０による効果＞
　この効果については、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、コバ部の周囲に環状部を設けたレンズＥと、環状部を設けていないレンズＦとを用い、レンズＥ、Ｆ毎に、高温・低温時にレンズ形状がどのように変化するかを測定することにより確認した。

　なお、レンズＦは、図４（ｃ）に示したレンズＡと同様、所定の焦点距離を有する凸レンズにコバ部を設けたものであり、レンズＥは、レンズＦのコバ部周囲に更に環状部を設けたものである。

　そして、レンズ形状の測定の結果、高温時には、図１０（ａ－１）に示すように、レンズＥの前方側のレンズ面の曲率半径が、レンズＦの曲率半径よりも小さくなることがわかった。なお、図１０（ａ－２）は、高温時のレンズＥ、Ｆのレンズ面の位置ずれを、「Ｅ－Ｆ」値として、レンズの径ｒごとに計算した結果を表している。

　また、低温時には、図１０（ｂ－１）に示すように、レンズＥの前方側のレンズ面の曲率半径が、レンズＦの曲率半径よりも大きくなることがわかった。なお、図１０（ｂ－２）は、低温時のレンズＥ、Ｆのレンズ面の位置ずれを、「Ｅ－Ｆ」値として、レンズの径ｒごとに計算した結果を表している。

　そして、この測定結果から、本開示のコバ部を設けたレンズにおいては、コバ部周囲に環状部を設けることで、高温時及び低温時に、レンズ形状が、環状部を設けていないレンズに比べてより大きく変化することを確認できた。

　以上、本開示の実施形態及びその変形例について説明したが、本開示は上記実施形態及び変形例に記載のものに限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内にて種々の態様をとることができる。

　例えば、図１１（ａ）に示すように、環状部４０には、光学レンズ装置の前方側でコバ部（この場合第１レンズ１０のコバ部１８）を覆う絞り部４２を一体形成するようにしてもよい。そして、この場合、環状部４０及び絞り部４２を、光を遮断可能な材料にて構成することで、周囲からレンズ内に不要な光が侵入するのを防止することができる。

　なお、絞り部４２の開口は、図１１（ａ）に示すように、光学レンズ装置の最前面に配置されるレンズ部の径に対応させても良く、図１１（ｂ）に示すように、レンズ部の径よりも若干大きくしてもよい。

　また、このように環状部４０に絞り部４２を一体形成する場合、環状部４０の絞り部４２とは反対側に挟持突部４４（保持部）を設けるようにしても良い。この挟持突部４４は、光学レンズ装置の後方端縁に係合して、絞り部４２との間で各レンズ１０、２０を積層方向に挟持するものである。

　なお、挟持突部４４は、所謂凸条として、光学レンズ装置の後方端縁全周にわたって形成してもよく、光学レンズ装置の後方端縁の複数箇所に分散して設けるようにしてもよい。

　また、上記実施形態では、光学レンズ装置は、第１レンズ１０と第２レンズ２０とからなる一対のレンズにて構成されるものとして説明した。しかしながら、例えば、図１１（ｃ）に例示するように、色収差を低減するために、第１レンズ１０及び第２レンズ２０の一方若しくは両方を複数備えたものであってもよい。

　また、光学レンズ装置を構成する複数のレンズのうち、一部のレンズに、本開示のコバ部を設け、残りのレンズには、図４（ｄ）、図６（ｄ）に示したように、レンズ中心と中心位置が一致したコバ部を設けるようにしてもよい。

　また、図１１（ｃ）に例示するように、コバ部周囲に設ける環状部４０についても、光学レンズ装置を構成するレンズの一部に設けるようにしてもよい。

　また更に、上記実施形態では、第１レンズ１０及び第２レンズ２０は、樹脂製であるものとして説明した。これは、カラス製のレンズに比べ、樹脂製のレンズの方が温度変化に対する屈折率の変化が大きく、本開示による効果を発揮し易いためである。

　しかし、ガラス製のレンズでも、温度変化に対する屈折率の変化は生じるので、第１レンズ１０及び第２レンズ２０の少なくとも一方をガラスで構成してもよい。

Claims (6)

1. 　正の焦点距離を有し、光が入射する側のレンズ面の曲率半径をｒ１、光を出射する側のレンズ面の曲率半径をｒ２とすると、｜ｒ１｜＜｜ｒ２｜の関係がある第１レンズ（１０）と、
   　負の焦点距離を有し、光が入射する側のレンズ面の曲率半径をｒ３、光を出射する側のレンズ面の曲率半径をｒ４とすると、｜ｒ３｜＜｜ｒ４｜の関係がある第２レンズ（２０）と、
   　からなる複数のレンズを備え、該複数のレンズを、光軸を揃えて配置してなる光学レンズ装置であって、
   　前記複数のレンズの少なくとも一つは、レンズの外周を取り囲むコバ部（１８、２８）を備え、
   　前記コバ部は、当該コバ部の外周部分における前記光軸に平行な軸方向中央部（Ｑ１，Ｑ２）が、前記レンズの中心部分（Ｏ１，Ｏ２）及び前記レンズの外周部分における軸方向中央部（Ｐ１，Ｐ２）よりも、光を出射する側に位置するように形成されている光学レンズ装置。
2. 　少なくとも前記コバ部を有するレンズは、樹脂にて構成されている請求項１に記載の光学レンズ装置。
3. 　前記コバ部の周囲に、温度変化によるコバ部の外周方向への形状変化を抑制する環状部（４０）が設けられている請求項１または請求項２に記載の光学レンズ装置。
4. 　前記環状部は、熱硬化性樹脂若しくは熱可塑性樹脂にて構成されている請求項３に記載の光学レンズ装置。
5. 　前記環状部は、光が入射する側において前記コバ部を覆うように設けられた絞り部（４２）を備える請求項３または請求項４に記載の光学レンズ装置。
6. 　前記環状部は、光が出射する側に設けられて前記絞り部との間で前記複数のレンズを挟持する保持部（４４）を備えている請求項５記載の光学レンズ装置。

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