WO2019180799A1 - 間隔環、レンズ系、間隔環の製造方法及びレンズ系の組立方法 - Google Patents

Abstract

レンズ系の組立が特殊な設備を用いることなく容易に行えながら、レンズ中心間距離を高精度に維持することができる間隔環、レンズ系、間隔環の製造方法及びレンズ系の組立方法を提供する。　円環状又は矩形枠状に構成され、少なくとも一方の主面部１ａが一方側に配置されるレンズ２のレンズ面２ａ周囲側の形状を反転させた形状となっており、一方の主面部１ａをレンズ面２ａ周囲側に面接触させることにより、レンズ２の位置決めを行う。

Description

間隔環、レンズ系、間隔環の製造方法及びレンズ系の組立方法

　本発明は、間隔環、レンズ系、間隔環の製造方法及びレンズ系の組立方法に関し、レンズ系の組立が特殊な設備を用いることなく容易に行えながら、レンズ中心間距離を高精度に維持することができる間隔環、レンズ系、間隔環の製造方法及びレンズ系の組立方法に関する。

　従来、複数のレンズを同一光軸上に配置してレンズ系を構成するには、図５に示すように、各レンズ１０１、１０１間に間隔環１０２を介在させることにより、各レンズ１０１、１０１間の空気間隔を所定の間隔に定めている。しかし、間隔環１０２の厚さを高精度に管理しても、間隔環１０２はレンズ１０１のエッジ部分に当接して位置決めをするため、エッジ部分のわずかな面取りや、エッジ部分の形状精度に影響され、レンズ中心間距離には誤差が発生する。

　近年のレンズ中心間距離の許容誤差が小さくなっている写真用レンズ系や、顕微鏡用対物レンズや投影光学系などの高精度レンズ系では、間隔環１０２の使用によっては、十分な精度維持を図ることができない。

　これらの光学系では、図６に示すように、各レンズ１０１を個々に円環状の金属盤１０３に固定しておき、これらを挿入した鏡筒１０４を透視することにより、鏡筒１０４内における各金属盤１０３の位置及び傾きを把握して、各金属盤１０３を鏡筒１０４内における所定位置に固定するようにしている（特許文献１）。

特開２００４－２１９６０８号公報

　前述のような鏡筒１０４を透視する組立方法は、全てのレンズ１０１を個々に金属盤１０３に固定しなければならないため煩雑であり、また、特殊な透視設備が必要である。

　そこで、本発明は、レンズ系の組立が特殊な設備を用いることなく容易に行えながら、レンズ中心間距離を高精度に維持することができる間隔環、レンズ系、間隔環の製造方法及びレンズ系の組立方法を提供することを課題とする。

　前記課題の解決のため、本発明の請求項１に係る間隔環は、
　円環状又は矩形枠状に構成され、少なくとも一方の主面部が、一方側に配置されるレンズのレンズ面周囲側の形状を反転させた形状となっており、該一方の主面部を該レンズ面周囲側に面接触させることにより、該レンズの位置決めを行う
　ことを特徴とするものである。

　本発明の請求項２に係る間隔環は、請求項１記載の間隔環において、
　一方及び他方の主面部が、一方側に配置される一のレンズ及び他方側に配置される他のレンズのレンズ面周囲側の形状を反転させた形状にそれぞれなっており、該一方の主面部を該一のレンズのレンズ面周囲側に面接触させ、該他方の主面部を該他のレンズのレンズ面周囲側に面接触させることにより、該一方及び該他方のレンズの位置決めを行い、これら各レンズ間相互の位置決めも行う
　ことを特徴とするものである。

　本発明の請求項３に係る間隔環は、請求項１又は２記載の間隔環において、
　ガラス材料により形成されている
　ことを特徴とするものである。

　本発明の請求項４に係るレンズ系は、
　外周縁が円形又は矩形の複数のレンズと、
　前記レンズのうちの一のレンズと、このレンズに隣接する他のレンズとの間に介在されている間隔環とを備え、
　前記間隔環は、前記レンズの外周縁の形状に対応して円環状又は矩形枠状に構成され、一方及び他方の主面部が、一方側に配置された前記一のレンズ及び他方側に配置された前記他のレンズのレンズ面周囲側の形状を反転させた形状にそれぞれなっており、該一方の主面部を該一のレンズのレンズ面周囲側に面接触させ、該他方の主面部を該他方のレンズのレンズ面周囲側に面接触させており、該一方及び該他方のレンズの位置決めを行い、これら各レンズ間相互の位置決めも行っている
　ことを特徴とするものである。

　本発明の請求項５に係るレンズ系は、請求項４記載のレンズ系において、
　前記間隔環は、ガラス材料により形成されている
　ことを特徴とするものである。

　本発明の請求項６に係る間隔環の製造方法は、
　位置決め対象となる一又は二のレンズのレンズ面を基準として、一方又は両方の主面部が該レンズ面形状を反転させた形状である平板体を形成し、
　前記平板体の中央部分に貫通孔を形成して円環状又は矩形枠状とする
　ことを特徴とするものである。

　本発明の請求項７に係る間隔環の製造方法は、請求項６記載の間隔環の製造方法において、
　ガラス材料により形成する
　ことを特徴とするものである。

　本発明の請求項８に係るレンズ系の組立方法は、
　外周縁が円形の一のレンズ及びこの一のレンズに隣接される他のレンズのレンズ面を基準として、両主面部が前記各レンズのレンズ面形状を反転させた形状である平板体を形成し、
　前記一のレンズ、前記平板体及び前記他のレンズの順に、それぞれのレンズ面と前記平板体の主面部とを面接触させて重ね合わせて接合させて積層体とし、
　前記積層体の外周縁部を研削して矩形状とし、
　前記積層体を前記一のレンズ、前記平板体及び前記他のレンズに分離させ、
　前記平板体の中央部分に貫通孔を形成して矩形枠状の間隔環とし、
　前記一のレンズ、前記平板体及び前記他のレンズの順に、それぞれのレンズ面と前記間隔環の主面部とを面接触させて重ね合わせる
　ことを特徴とするものである。

　本発明においては、間隔環は、少なくとも一方の主面部が、位置決め対象となるレンズのレンズ面周囲側の形状を反転させた形状となっており、該主面部を該レンズ面周囲側に面接触させることにより、該レンズの位置決めを行っている。

　すなわち、本発明は、レンズ系の組立が特殊な設備を用いることなく容易に行えながら、レンズ中心間距離を高精度に維持することができる間隔環、レンズ系、間隔環の製造方法及びレンズ系の組立方法を提供することができるものである。

本発明に係る間隔環を用いて組立てられたレンズ系の縦断面図である。 本発明に係る間隔環の縦断面図である。 本発明に係るレンズ系の組立方法を説明する正面図及び縦断面図である。 本発明に係るレンズ系の組立方法を説明する正面図、平面図及び側面図である。 従来の間隔環を用いて組立てられたレンズ系の縦断面図である。 従来の高精度レンズ系の縦断面図である。

　以下、本発明の実施の形態について、図面に参照して説明する。

〔間隔環及びレンズ系〕
　図１は、本発明に係る間隔環を用いて組立てられたレンズ系の縦断面図である。

　本発明に係る間隔環１は、図１に示すように、円環状又は矩形枠状に構成され、少なくとも一方の主面部１ａが、一方側に配置されるレンズ２のレンズ面２ａ周囲側の形状を反転させた形状となっており、一方の主面部１ａをレンズ面２ａ周囲側に面接触させることにより、レンズ２の位置決めを行うものである。

　レンズ面２ａ周囲側の形状を反転させた形状とは、レンズ面２ａ周囲側の形状に合同な形状であって、レンズ面２ａ周囲側形状が凹なら凸、レンズ面２ａ周囲側の形状が凸なら凹に反転された形状である。このような形状の関係は、型と型からできるものの関係である。

　この間隔環１は、位置決め対象となるレンズの周縁が円形の場合には円環状に構成され、後述するようにレンズの周縁が矩形の場合には、矩形枠状に構成されることが好ましい。

　この間隔環１は、多くの場合、２枚のレンズの間に介在されて、これらレンズの相対位置関係を規定するために使用される。すなわち、この間隔環１は、図１に示すように、一方及び他方の主面部１ａ、１ｂが、一方側に配置される一のレンズ２及び他方側に配置される他のレンズ３のレンズ面２ａ、３ａ周囲側の形状を反転させた形状にそれぞれなっており、該一方の主面部１ａを該一のレンズ２のレンズ面２ａ周囲側に面接触させ、該他方の主面部１ｂを該他のレンズ３のレンズ面３ａ周囲側に面接触させることにより、該一方及び該他方のレンズ２、３の位置決めを行い、これら各レンズ２、３間相互の位置決めも行っている。

　そして、この間隔環１及び各レンズ２、３は、鏡筒４内に収納されてレンズ系を構成している。さらに間隔環及びレンズの枚数が多くなっても同様である。

　鏡筒４の一端側（図１中左側）は、開放端の内周部にフランジ７が形成されて、最も一端端のレンズ２の外径よりも開口部の内径が小さくなっている。このフランジ７が、最も一端端のレンズ２の鏡筒４の端部における位置決めをしている。鏡筒４の他端側（間隔環１及び各レンズ２、３が鏡筒４内に挿入される側）は開放端となされ、ネジ環５が螺入されており、ネジ環５が最も他端端のレンズ６を押さえている。これらフランジ７及びネジ環５のレンズ２、６に当接する部分は、間隔環１と同じように、レンズ２、６に対して、面接触する形状としておくことが好ましい。

　この間隔環１においては、従来の間隔環のような、レンズのエッジ部分に当接することによる問題は発生しない。そのため、この間隔環は、各レンズ２、３間の空気間隔を正確に高精度に規定することができる。

　また、この間隔環１においては、レンズ２、３に対して面接触するので、レンズ２、３が間隔環１に押接しても、レンズ２、３の変形や欠けが抑えられる。

　この間隔環１を構成する材料は、金属材料、合成樹脂（プラスチック）材料、ガラス材料、セラミック材料など、必要な剛性（各レンズ２、３からの押圧力により変形されない程度の剛性）を有する材料であれば、特に限定されない。間隔環１をガラス材料により形成する場合、レンズ２、３を構成する光学材料のいずれかと同一材料により形成してもよいし、光学材料ではない不透明な「結晶化ガラス」により形成することが好ましい。レンズ２、３を構成する光学材料のいずれかと同一材料を用いれば、熱膨張率がレンズ２、３のいずれかと同一となり、好ましい。また、間隔環１をガラス材料により構成する場合には、レンズの加工技術（研削及び研磨、又は金型による成型）を応用して構成することができる。

　また、ガラス材料、セラミック材料、低膨張金属のように、熱膨張係数が低い材料により間隔環１を構成することも好ましい。例えば、リソグラフィー用の高精度レンズ系では、熱膨張や金属の（残留応力による）経年変形を防ぐために金枠材料の熱処理が欠かせないが、熱膨張係数が低い材料で間隔環１を構成すれば、環境の熱的変化に強いレンズ系が実現できる。低膨張金属、セラミックスでも、ガラス材料と同等の形状、精度に加工することができる。

　さらに、この間隔環１には、以下のような効果もある。すなわち、従来の間隔環は、レンズに接合して使用することは考えられないのに対し、この間隔環１は、レンズ間の空気間隔を高精度に維持しながら、レンズに接合されて使用することができる。例えば、レンズの組立において色収差の補正に正負２枚のレンズの組み合わせを使用するが、これらは接合したほうが性能も安定し、取り扱いも容易になる。

　間隔環１をレンズに接合する場合には、間隔環１の側面に空気抜きの穴か溝を形成する必要がある。それでも、偏芯や間隔誤差がクリティカルなレンズブロックを予め調整して固定しておくことができるので、製造時の精度安定に大きな効果が見込まれる。これは、レンズを枠に接着してから切削する従来方法に比較すると、製造が著しく容易となることから、対物レンズの製造などでは大きなコストダウンを図ることができる。

〔間隔環の製造方法〕
　図２は、本発明に係る間隔環の縦断面図である。

　図２に示すように、前述のような間隔環１、８を製造するには、まず、位置決め対象となる一又は二のレンズのレンズ面を基準として、一方又は両方の主面部１ａ、１ｂ、８ａ、８ｂが、該レンズ面形状を反転させた形状である平板体９、１０を作成する（なお、ここでは２個の間隔環１、８について説明するが、製造は１個ずつ行う）。この平板体９、１０の中心厚は、位置決め対象となるレンズのレンズ面間隔に一致している。

　このような平板体９、１０を作成するには、位置決め対象となるレンズそのものを型（の一部）として用いて、射出成型やプレス成型によって作成することができる。レンズそのものを用いなくとも、そのレンズを成型するための型によって成型された別部材を型として使用することもできる。

　このような平板体９、１０をなす材料としては、前述したように、種々の材料を用いることができる。

　次に、平板体９、１０の中央部分に貫通孔１１、１２を形成して、円環状又は矩形枠状とすることにより、間隔環１、８が製造できる。貫通孔１１、１２の周囲側の両主面部１ａ、１ｂ、８ａ、８ｂは、位置決め対象となるレンズのレンズ面周囲側の形状を反転させた形状の面が残ったものである。

〔レンズ系の組立方法〕
　次に、複数の矩形状のレンズから構成されるレンズ系を組立てるための本発明に係るレンズ系の組立方法について説明する。

　現在一般に使用されている光学系は、その大多数が、外周縁が円形のレンズと円筒形の鏡筒を基本とした保持部品とで構成されている。これは、外周縁が矩形状など、円形以外の形状を有するレンズでは、精度の高い組立が困難であることが一因である。しかし、撮像素子や画像表示画面（ディスプレイ）は矩形状であり、撮像レンズや投影レンズとしては外周縁が円形である必要はない。例えば、立体撮影等において、複数の撮像素子をできるだけ接近させて配置したいという要望には、円形レンズでは限界がある。

　そこで、本発明においては、前述した間隔環を応用し、レンズ間の空気間隔をガラス等の物体で埋める手法を用いて、外周縁が円形以外の形状をしたレンズ間の空気間隔の精度維持や光軸合わせが良好に行える組立方法を提案する。

　図３は、本発明に係るレンズ系の組立方法を説明する正面図及び縦断面図である。

　図４は、本発明に係るレンズ系の組立方法を説明する正面図、平面図及び側面図である。

　このレンズ系の組立方法においては、まず、図３（ａ）に示すように、外周縁が円形の複数のレンズ１３、１４、１５を用意する。そして、図３（ｂ）に示すように、複数のレンズ１３、１４、１５の所定の空気間隔に対応した形状の平板体１６、１７を作成する。これら平板体１６、１７は、両主面部が、レンズ１３、１４、１５のレンズ面形状を反転させた形状であり、前述した間隔環の製造工程における平板体と同様のものである。これら平板体１６、１７の材料は、前述したように、合成樹脂材料や金属材料、ガラス材料等、種々のものを使用できる。

　そして、図３（ｃ）に示すように、各レンズ１３、１４、１５及び各平板体１６、１７を所定の順序で重ね合わせ、各レンズ１３、１４、１５のレンズ面と平板体１６、１７の主面部とを面接触させて接合させて接合させ、積層体１８とする。この接合には、熱可塑性の接着剤（ヤニバリ）を用いることができる。

　次に、積層体１８の外周縁を研削加工し、各レンズ１３、１４、１５及び各平板体１６、１７の外周縁を、積層体１８の状態のままで矩形状に加工する。ここで、各レンズ１３、１４、１５及び各平板体１６、１７は、接合することなく個々に外周縁を矩形状に加工することもできるが、積層体１８として加工することが、それぞれの形状を一致させることができ、加工工数の点からも好ましい。

　そして、積層体１８を各レンズ１３、１４、１５及び各平板体１６、１７に分離させる。各レンズ１３、１４、１５は、図４（ａ）に示すように、外周縁が矩形状となっている。

　各平板体１６、１７は、図４（ｂ）に示すように、中央部分に貫通孔を形成して矩形枠状の間隔環とすることもできるし、その一部分のみをスペーサとして使用することもできる。いずれの場合も、各レンズ１３、１４、１５のレンズ面に面接触する主面部の少なくとも一部を残すようにする。

　そして、図４（ｃ）に示すように、各レンズ１３、１４、１５及び各平板体１６、１７から形成されたスペーサ又は間隔環を、それぞれのレンズ面と主面部とを面接触させて所定の順序で重ね合わせる。このとき、各レンズ１３、１４、１５及び各スペーサ又は間隔環は、基板材料（ベース）１９上に固定してもよい。

　なお、この説明では３枚構成のレンズ系を示したが、レンズの構成枚数は特に限定されない。

　このようにして組立てられたレンズ系は、３Ｄディスプレイなど投影光学系の光学系ユニットの積み重ねや、中心間距離を近くしなくてはいけない立体視光学系に好ましく用いることができる。また、物体面や像面を傾斜させるために用いられる「シャインプルーフ光学系」の軸外しレンズ配置にも応用することができる。

　１　間隔環
　１ａ、１ｂ　主面部
　２、３　レンズ
　２ａ　レンズ面
　４　鏡筒
　９、１０　平板体
　１１、１２　貫通孔

Claims (8)

1. 　円環状又は矩形枠状に構成され、少なくとも一方の主面部が、一方側に配置されるレンズのレンズ面周囲側の形状を反転させた形状となっており、該一方の主面部を該レンズ面周囲側に面接触させることにより、該レンズの位置決めを行う
   　ことを特徴とする間隔環。
2. 　一方及び他方の主面部が、一方側に配置される一のレンズ及び他方側に配置される他のレンズのレンズ面周囲側の形状を反転させた形状にそれぞれなっており、該一方の主面部を該一のレンズのレンズ面周囲側に面接触させ、該他方の主面部を該他のレンズのレンズ面周囲側に面接触させることにより、該一方及び該他方のレンズの位置決めを行い、これら各レンズ間相互の位置決めも行う
   　ことを特徴とする請求項１記載の間隔環。
3. 　ガラス材料、セラミックス又は低膨張金属により形成されている
   　ことを特徴とする請求項１又は２記載の間隔環。
4. 　外周縁が円形又は矩形の複数のレンズと、
   　前記レンズのうちの一のレンズと、このレンズに隣接する他のレンズとの間に介在されている間隔環とを備え、
   　前記間隔環は、前記レンズの外周縁の形状に対応して円環状又は矩形枠状に構成され、一方及び他方の主面部が、一方側に配置された前記一のレンズ及び他方側に配置された前記他のレンズのレンズ面周囲側の形状を反転させた形状にそれぞれなっており、該一方の主面部を該一のレンズのレンズ面周囲側に面接触させ、該他方の主面部を該他方のレンズのレンズ面周囲側に面接触させており、該一方及び該他方のレンズの位置決めを行い、これら各レンズ間相互の位置決めも行っている
   　ことを特徴とするレンズ系。
5. 　前記間隔環は、ガラス材料、セラミックス又は低膨張金属により形成されている
   　ことを特徴とする請求項４記載のレンズ系。
6. 　位置決め対象となる一又は二のレンズのレンズ面を基準として、一方又は両方の主面部が該レンズ面形状を反転させた形状である平板体を形成し、
   　前記平板体の中央部分に貫通孔を形成して円環状又は矩形枠状とする
   　ことを特徴とする間隔環の製造方法。
7. 　ガラス材料、セラミックス又は低膨張金属により形成する
   　ことを特徴とする請求項６記載の間隔環の製造方法。
8. 　外周縁が円形の一のレンズ及びこの一のレンズに隣接される他のレンズのレンズ面を基準として、両主面部が前記各レンズのレンズ面形状を反転させた形状である平板体を形成し、
   　前記一のレンズ、前記平板体及び前記他のレンズの順に、それぞれのレンズ面と前記平板体の主面部とを面接触させて重ね合わせて接合させて積層体とし、
   　前記積層体の外周縁部を研削して矩形状とし、
   　前記積層体を前記一のレンズ、前記平板体及び前記他のレンズに分離させ、
   　前記平板体の中央部分に貫通孔を形成して矩形枠状の間隔環とし、
   　前記一のレンズ、前記平板体及び前記他のレンズの順に、それぞれのレンズ面と前記間隔環の主面部とを面接触させて重ね合わせる
   　ことを特徴とするレンズ系の組立方法。

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