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公開番号2020177256
公報種別公開特許公報(A)
公開日20201029
出願番号2020135088
出願日20200807
発明の名称光学部品
出願人住友電気工業株式会社
代理人特許業務法人深見特許事務所
主分類G02B 3/00 20060101AFI20201002BHJP(光学)
要約【課題】優れた機械的強度を有するレンズおよび該レンズを用いた光学部品を提供する。
【解決手段】
優れた機械的強度を有するレンズおよび該レンズを用いた光学部品を提供する。平面視において円形のレンズであって、前記レンズは、レンズ中心における厚みが1mm以上11mm以下、レンズ径が2mm以上50mm以下およびレンズ中心における曲率が-0.5mm-1以上0.5mm-1以下である。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
レンズと、
前記レンズの入射面の少なくとも一部を直接被覆するダイヤモンドライクカーボン膜と、
を備え、
前記レンズは、平面視において円形のレンズであり、
前記レンズは、レンズ中心における厚みが1mm以上11mm以下、レンズ径が2mm以上50mm以下およびレンズ中心における曲率が−0.5mm-1以上0.5mm
-1
以下であり、
前記レンズの材料は、硫化亜鉛であり、
前記レンズは、10GPa以上200GPa以下のヤング率を有し、
前記レンズを保護する保護窓を備えておらず、
前記レンズの有効径からなる光学有効領域の外縁部に連続する縁部を含み、
前記縁部の厚みは、1mm以上である、
光学部品。
続きを表示(約 740 文字)【請求項2】
前記レンズは、前記レンズ中心における厚みと、前記レンズ中心におけるレンズ径とが、下記式(A)の関係を示す、
レンズ径(mm)≦20×厚み(mm)−50 (A)
請求項1に記載の光学部品。
【請求項3】
前記レンズは、両凸レンズである、
請求項1又は請求項2に記載の光学部品。
【請求項4】
前記レンズは、メニスカスレンズである、
請求項1又は請求項2に記載の光学部品。
【請求項5】
前記レンズは、回折レンズであり、
前記回折レンズは、その表面のうち光学有効領域内の面粗さRaの平均値が0.05μm以下である、
請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の光学部品。
【請求項6】
前記レンズは、波長8〜12μmの赤外線を透過する、
請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の光学部品。
【請求項7】
前記レンズは、2.0g/cm
3
以上5.5g/cm
3
以下の密度を有する、
請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の光学部品。
【請求項8】
前記レンズは、10MPa以上300MPa以下の曲げ強度を有する、
請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の光学部品。
【請求項9】
前記ダイヤモンドライクカーボン膜は、0.5μm以上10μm以下の厚みを有する、
請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載の光学部品。
【請求項10】
屋外において使用される、
請求項1〜請求項9のいずれか1項に記載の光学部品。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、レンズおよび該レンズを用いた光学部品に関する。
続きを表示(約 7,600 文字)【背景技術】
【0002】
近年、物体から放射又は放散される熱による赤外線を検知する各種の赤外線検出機器の開発が進められている。これらの赤外線検出機器は、車載カメラ、防犯カメラ、サーモグラフィ、航空機および人工衛星などに用いられ、屋外で使用されることが多い。このような環境下では、赤外線検出機器に飛来物が衝突する場合がある。
【0003】
赤外線検出機器の部品のうち、レンズが飛来物の衝撃で破損すると、赤外線検出機器自体が機能しなくなってしまう。そこで、レンズを外部の飛来物からの衝撃から保護するために、レンズの入射面側の近傍に、たとえばゲルマニウムからなる保護窓を設置する技術が提案されている。
【0004】
例えば、特許文献1(特開2001−057642号公報)には、赤外線を集光し像を結ぶための赤外線レンズと、この赤外線レンズで結像された赤外映像を電気信号に変換する撮像部と、前記赤外線レンズと撮像部を収納するケースと、前記赤外線レンズの赤外線入射側に配置され前記ケースに接合される窓とを備えたことを特徴とする赤外線カメラが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
特開2001−057642号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかし、レンズの近傍に保護窓を設置すると、外部光の透過率が低下するという問題がある。また、保護窓を設置することにより、赤外線検出機器のサイズに制約が生じるという問題もある。外部からの衝撃による光学装置の機能低下を、保護窓を設置せずに防止するためには、レンズ自体の機械的強度を向上させる必要がある。
【0007】
そこで、本目的は、優れた機械的強度を有するレンズおよび該レンズを用いた光学部品を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
[1]本発明の一態様に係るレンズは、平面視において円形のレンズであって、前記レンズは、レンズ中心における厚みが1mm以上11mm以下、レンズ径が2mm以上50mm以下およびレンズ中心における曲率が−0.5mm
-1
以上0.5mm
-1
以下である、レンズである。
【0009】
[2]本発明の一態様に係る光学部品は、上記[1]に記載のレンズと、前記レンズの入射面の少なくとも一部を被覆するダイヤモンドライクカーボン膜とを備えた、光学部品である。
【0010】
[3]本発明の一態様に係る光学部品は、上記[1]に記載のレンズと、前記レンズの入射面の少なくとも一部を被覆する反射防止膜とを備えた、光学部品である。
【発明の効果】
【0011】
上記態様によれば、優れた機械的強度を有するレンズおよび該レンズを用いた光学部品を提供することができる。したがって、レンズを保護するための保護窓の設置が不要となる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
本発明の一態様に係るレンズの平面図である。
図1のレンズのA−A断面図の一例を示す図である。
図1のレンズのA−A断面図の一例を示す図である。
図1のレンズのA−A断面図の一例を示す図である。
図1のレンズのA−A断面図の一例を示す図である。
図1のレンズのA−A断面図の一例を示す図である。
本発明の一態様に係る縁部を含むレンズの概略断面図である。
本発明の一態様に係る縁部を含むレンズの概略断面図である。
本発明の一態様に係る縁部を含むレンズの概略断面図である。
本発明の一態様に係る回折レンズの構成を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
[本発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
【0014】
本発明の一態様に係るレンズは、(1)平面視において円形のレンズであって、前記レンズは、レンズ中心における厚みが1mm以上11mm以下、レンズ径が2mm以上50mm以下およびレンズ中心における曲率が−0.5mm
-1
以上0.5mm
-1
以下である、レンズである。
【0015】
レンズ中心の厚み、レンズ径およびレンズ中心における曲率を前記の範囲とすることで、レンズの機械的強度を向上することができる。
【0016】
(2)前記レンズは、前記レンズ中心における厚みと、前記レンズ中心におけるレンズ径とが、下記式(A)の関係を示すことが好ましい。
【0017】
レンズ径(mm)≦20×厚み(mm)−50 (A)
レンズ中心における厚みとレンズ径とが、上記式(A)の関係を示すと、レンズの機械的強度がより一層向上する。
【0018】
(3)前記レンズは、両凸レンズであることが好ましい。両凸レンズは、広角検出の用途において好適に使用することができる。
【0019】
(4)前記レンズは、メニスカスレンズであることが好ましい。メニスカスレンズは、広角検出から望遠検出まで幅広い用途において好適に使用することができる。
【0020】
(5)前記レンズは、回折レンズであることが好ましい。回折レンズは、優れた空間周波数分解能力を有し、良質な画像を得ることができる。
【0021】
(6)本発明の一態様に係る光学部品は、上記(1)〜(5)のいずれかに記載のレンズと、前記レンズの入射面の少なくとも一部を被覆するダイヤモンドライクカーボン(DLC:Diamond−Like Carbon、以下DLCとも記す)膜(以下、DLC膜とも記す)とを備えた、光学部品である。
【0022】
DLC膜は硬度が非常に高く、機械的強度が優れている。また、DLC膜は光透過率も高い。したがって、レンズ表面にDLC膜を形成すると、光学部品の表面の機械的強度および光透過率を向上することができる。
【0023】
(7)本発明の一態様に係る光学部品は、上記(1)〜(5)のいずれかに記載のレンズと、前記レンズの入射面の少なくとも一部を被覆する反射防止膜(AR膜:Anti−Reflection膜)とを備えた、光学部品である。これにより、レンズの光透過率が向上する。
【0024】
[本発明の実施形態の詳細]
本発明の実施形態に係るレンズおよび光学部品の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。以下、本願の図面において、同一の符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。また、図面における長さ、大きさ、幅などの寸法関係は、図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法を表わしてはいない。
【0025】
[実施の形態1]
本発明の一実施の形態に係るレンズについて、図1〜図6を用いて説明する。
【0026】
図1は、本発明の一実施の形態に係るレンズ1の平面図を示す図である。図1に示されるように、レンズ1は平面視において円形状を有する。なお、本明細書において、平面視とは、レンズを入射面側から見た場合を意味する。
【0027】
レンズ1の形状は、レンズとしての機能を果たすものであれば特に限定されない。レンズ1をレンズ中心Cを通るA−A線で切断した場合の断面図の例を、図2〜図6に示す。なお、本明細書中、レンズ中心Cとは、レンズ平面視におけるレンズの中心を意味する。図2に示されるレンズ21は、平凸レンズである。図3に示されるレンズ31は、凸メニスカスレンズ又は凹メニスカスレンズである。図4に示されるレンズ41は、両凸レンズである。図5に示されるレンズ51は、平凹レンズである。図6に示されるレンズ61は、両凹レンズである。図2〜図6では、図面の上部側が入射面側になるように描かれているが、入射面側は図面の下部側であっても構わない。また、レンズは、表面が球面の球面レンズ、表面が非球面の非球面レンズ、表面が回折面の回折レンズ、表面が複数の球面、非球面、回折面を有するレンズアレイのいずれも用いることができる。
【0028】
レンズ1は、レンズ中心Cにおける厚みが1mm以上11mm以下である。なお、本明細書において、レンズ中心Cにおける厚みとは、レンズ入射面側の表面のレンズ中心Cから、レンズ出射面側の表面までのレンズ断面厚みを意味する。たとえば、図2のd1、図3のd2、図4のd3、図5のd4、図6のd5に該当する長さである。
【0029】
レンズのレンズ中心における厚みが1mm未満であると、レンズの強度が小さく、レンズが十分な機械的強度を有することができない。一方、レンズのレンズ中心における厚みが11mmを超えると、レンズの光透過性が低下してしまう。レンズのレンズ中心における厚みは、1mm以上11mm以下が好ましく、1.5mm以上8mm以下がさらに好ましい。
【0030】
レンズ1は、レンズ径が2mm以上50mm以下である。なお、本明細書において、レンズ径とは、レンズに入射可能な平行光の直径で定義される、レンズの有効径(レンズの光学機能面の径)を意味する。
【0031】
レンズ径が50mmを超えると、レンズの強度が小さく、レンズが十分な機械的強度を有することができない。レンズ径が小さいほどレンズ強度は大きくなるが、実用上および製造上の観点から、レンズ径は2mm以上である。レンズ径は、5mm以上40mm以下が好ましい。
【0032】
本実施の形態において、レンズは、図7〜図9に示されるように、レンズの有効径からなる光学有効領域の外縁部に連続する縁部3を含むことができる。縁部3は、レンズを赤外線検出機器の本体に装着するために設けられる部材である。縁部3の厚みd23は、強度の観点から、1mm以上が好ましい。また、縁部3は、レンズの小型化のために、表面に段差を有する形状とすることもできる。
【0033】
レンズ1は、レンズ中心における曲率が−0.5mm
-1
以上0.5mm
-1
以下である。なお、本明細書において、レンズ中心における曲率とは、レンズが球面レンズの場合は、レンズの曲率半径の逆数の値であり、レンズが非球面レンズの場合は、下記の式(1)で表記される非球面定数の曲率Cの値である。
【0034】
【0035】
(上記式(1)中、Zはサグ量(レンズの光軸に平行な方向に対する)、Cは曲率、rは光軸からの距離、Kは円錐定数、Aiはi次非球面係数を示す。)
なお、本明細書において、レンズ中心における曲率とは、レンズ入射面側のレンズ中心における曲率と、レンズ出射面側のレンズ中心における曲率の両方を含むものとする。したがって、「レンズ中心における曲率が−0.5mm
-1
以上0.5mm
-1
以下である」とは、レンズ入射面側のレンズ中心における曲率と、レンズ出射面側のレンズ中心における曲率の両方が−0.5mm
-1
以上0.5mm
-1
以下であることを意味する。
【0036】
レンズ中心Cにおける曲率が−0.5mm
-1
未満または0.5mm
-1
を超えると、曲率の絶対値が大きいほどレンズ強度は大きくなるが、実用上および製造上の観点から、レンズ中心Cにおける曲率は−0.5mm
-1
以上0.5mm
-1
以下である。レンズ中心Cにおける曲率は、−0.4mm
-1
以上0.4mm
-1
以下が好ましい。
【0037】
前記レンズは、前記レンズ中心における厚みと、前記レンズ中心におけるレンズ径とが、下記式(A)の関係を示すことが好ましい。
【0038】
レンズ径(mm)≦20×厚み(mm)−50 (A)
レンズ中心における厚みとレンズ径とが、上記式(A)の関係を示すと、レンズの機械的強度がより一層向上し、IK01等級と同水準以上の機械的強度を得ることができる。レンズの機械的強度の向上の観点から、レンズ中心における厚みとレンズ径とは、下記式(B)の関係を示すことがより好ましい。
【0039】
レンズ径(mm)≦24×厚み(mm)−79 (B)
前記レンズは、両凸レンズであることが好ましい。両凸レンズは、広角検出の用途において好適に使用することができる。
【0040】
前記レンズは、メニスカスレンズであることが好ましい。メニスカスレンズは、広角検出から望遠検出まで幅広い用途において好適に使用することができる。
【0041】
前記レンズは、回折レンズであることが好ましい。回折レンズとは、光の回折現象を利用して光の進行方向を変化させることにより集光等を行うレンズであり優れた空間周波数分解能力を有し、良質な画像を得ることができる。回折レンズの一例について、図10を用いて説明する。図10は、本発明の一態様に係る回折レンズの構成を示す概略断面図である。回折レンズ71は、円盤状の形状を有し、一方の主面72は凸形状、他方の主面73は平面形状を有している。また、一方の主面72は、突出部11と溝部12とが繰り返し形成された領域である光学有効領域10を含んでいる。光学有効領域10は、上記突出部11と溝部12とが形成されていない縁部3により取り囲まれている。さらに、上記突出部11および溝部12は、光軸A’を中心として一方の主面72に同心円状に形成されている。
【0042】
回折レンズは、表面のうち光学有効領域内の面粗さRaの平均値が0.05μm以下であることが好ましく、さらに当該表面のうち光学有効領域内における面粗さRaの差が0.04μm以下であることがより好ましい。これによると、回折レンズの光学特性を大幅に向上させることが可能となる。ここで、光学有効領域とは、レンズの表面のうち、レンズの使用状態において光が入射または/および出射可能な領域をいう。また、上記面粗さRaの平均値は、たとえば光学有効領域内の任意の5箇所の面粗さを測定し、その平均を算出することにより調査することができる。さらに、上記面粗さRaの差は、たとえば光学有効領域内の任意の5箇所の面粗さを測定し、その最大値と最小値の差を算出することにより調査することができる。
【0043】
レンズ1を構成する基材の材質は、赤外線を透過する材料であれば特に限定されず、たとえば、硫化亜鉛(ZnS)、セレン化亜鉛(ZnSe)、ゲルマニウム、カルコゲナイドガラス、シリコンなどを用いることができる。
【0044】
レンズ1を構成する基材は、ヤング率が10GPa以上200GPa以下であることが好ましい。これによると、優れた機械的強度を有するレンズを得ることができる。
【0045】
レンズ1を構成する基材は、曲げ強度が10MPa以上300MPa以下であることが好ましい。これによると、優れた機械的強度を有するレンズを得ることができる。
【0046】
レンズ1を構成する基材は、密度が2.0g/cm
3
以上5.5g/cm
3
以下であることが好ましい。これによると、優れた機械的強度を有するレンズを得ることができる。
【0047】
レンズ1は、たとえば下記の製造方法によって得ることができる。まず、原料粉末を準備する。この工程では、平均粒径1〜3μm、純度が95%以上である原料粉末を準備することが好ましい。
【0048】
次に、成形工程が実施される。この工程では、たとえば超硬合金、工具鋼などからなる硬質の金型を使用した一軸式金型プレスを用いた成形により、前工程において準備された原料粉末がプレス成形されて、所望の概略形状を有する成形体が作製される。
【0049】
次に、予備焼結工程が実施される。この工程では、成形工程において作製された成形体に対して、たとえば30Pa以下の真空雰囲気下または大気圧の窒素ガス等の不活性雰囲気下で500℃以上1000℃以下の温度に加熱され、0.5時間以上15時間以下保持される熱処理が実施されて、予備焼結体が作製される。これにより、たとえば相対密度55〜80体積%程度の予備焼結体が得られる。
【0050】
次に、加圧焼結工程が実施される。この工程では、予備焼結工程において作製された予備焼結体が、型により拘束されつつ加圧され、かつ加熱されることにより変形されて、加圧焼結体が作製される。具体的には、まず、たとえばガラス状カーボンからなり、鏡面研磨された拘束面を有する1対の型(上型および下型)の間に予備焼結体を載置する。そして、当該1対の型を用いて予備焼結体をたとえば温度550℃以上1200℃以下、圧力10MPa以上300MPa以下の条件で1分以上60分以下保持して、加圧しつつ加熱する。これにより、上記予備焼結体が加圧されつつ焼結され、加圧焼結体が得られる。なお、回折レンズを作製する場合は、拘束面が、突出部を成形する突出部成形部と、溝部を成形する溝部成形部とを含む型を用いることにより、突出部と溝部を有する回折面を形成することができる。その後、必要に応じて焼結体に対して仕上げ加工が実施される。この仕上げ加工は、加圧焼結工程が完了した時点において、焼結体が目的の形状となっている場合、省略することができる。
(【0051】以降は省略されています)

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