JPS60163009A - プラスチックレンズの設計方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、スチルカメラ、ビデオカメラなどに用いるの
に適し、温度環境などの耐環境耐久性に優れた組レンズ
を得るのに好適なプラスチックレンズの保持装置に関す
る。

〔発明の背景〕

牙１図は、従来のプラスチックレンズの保持手段を示す
断面図である。プラスチックレンズ１．２．３は金属製
の間隔環４ｂ、４ｃ、レンズ押え環４ａ、レンズ受部４
ｄによって金属製鏡筒５に嵌合されて保持される。

プラスチックレンズ１，２．３のつば部１ａ。

２ａ　、３ａはその外径と鋭ｆｉ５の内径との間隔を３
０〜５０μｍＶＣ製作し、嵌合時の偏心などがないよう
に配慮されており、一方、レンズのｆ軸方向に関しては
、レンズ押え環４ａにより間隔環４ｂ　、４ｃを介して
レンズ受部４ｄに、３〜５ゆの荷重でプラスチックレン
ズ１，２．３のつば部１ａ、２ａ、３ａを押し付けて元
軸方向の位置決めを行なうと共に、レンズの倒れを防止
している。

以上の構成からなる組レンズは、常温での光学性能が比
較凶悪くともよいレンズ（たとえば、モニター用レンズ
など）に対しては問題ないが、ビデオカメラ用レンズや
写真レンズなど高い光学性能が要求されるものには不適
当であった。

この理由は、精度の確保されたプラスチックレンズであ
っても、鏡筒に組み込むと締付力によってレンズ面が変
形し、たとえばレンズ面形状が球面のものでも、５〜５
ゆの締付力によって非球面になってしまうためである。

このレンズ面形状の非球面化は、ビデオカメラ用レンズ
などに要求されるレンズ面精度を著しく低下させてしま
う。もちろん締付力を低減することによって、このレン
ズ面の変形は緩和できるが、締付力を減らす事により、
組レンズ内のレンズが鏡筒内でガタつき、正規の位置決
めがなされなくなり、組レンズに大きな衝撃力が作用す
ると光学性能が著しく低下するなどの問題点があり、締
付力をゼロにする事は実用上できず、ある程度の締付力
を付与しておく必要がある。

一方、ビデオカメラの使用温度条件の最高温度を仮に８
０°Ｃとすると、従来の構成による組レンズは、筒部下
から常温下にもどしても、レンズの光学性能が著しく低
下し、常温時の光学性能を維持する事ができない問題点
があった。。

これは、プラスチックレンズの熱膨張に起因しており、
以下の様に推定される。

温度が常温から△Ｔ０Ｃ変化すると、金属製のカンカフ
環と鏡筒に比べて熱膨張係数αが大きいプラスチックレ
ンズは、レンズの外径なりとすると△Ｄ≠Ｄｘα×ΔＴ
で算出される童だけＤが膨張する。通常プラスチックレ
ンズに使われるアクリル樹脂やスチロール樹脂の熱膨張
係数αは７〜１０　Ｘ　１　（１’／’Ｃであり、レン
ズの外径なり一２ｏｍ　とすると、前述の８ｏ０Ｃの温
度テハ、常温から８０°Ｃまでの温度変化△Ｔ−６０°
Ｃでは、△Ｄ−８４〜１２０μｍ膨張する。この熱膨張
は半径方向に限らず、レンズ面、レンズの元軸方向など
あらゆる部位で発生する。このうち、レンズ面の熱膨張
による曲率半径変化は、あらかじめ光学設計で温度補償
を行なうことが可能であり特に問題にはならない。光学
性能の低下要因は、レンズの半径方向および元軸方向の
両者による熱膨張にあり、特に半径方向の熱膨張量が前
記の間隙量を上廻った場合、鏡筒や間隔環でレンズが拘
束され、この結果としてプラスチックレンズ内に応力が
発生し、この応力がレンズ面を変形させることになる。

以上述べたように、従来の金属製鏡筒によるプラスチッ
クレンズの保持手段は、ビデオカメラ用レンズや写真レ
ンズなど解像度がより優れた光学性能を要求されるもの
に対しては、常温での初期性能ならびに高温での耐久性
能の両者に問題があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、前記した従来のプラスチックレンズの
保持手段の欠点を解消し、常温における光学性能の確保
、ならびに高温にさらされた場合でも常温時の光学性能
を維持し得る組レンズのプラスチックレンズの保持装置
を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明を行なうにあたり、発明者らは以下によるレンズ
面変形挙動の解析実験を行なった。

締付力によるレンズ面の変形は、レンズのつば部に起因
していると考えられたため、以下につば部形状と締付力
がレンズ面の変形に及ぼす影響を解析する。

矛２図および矛６図は、レンズ面の変形解析の説明図で
、牙２図１８１はレンズの平面図、（ｂ）は（ａｌのＡ
　−Ａ’でのレンズの断面図、矛３図は長さ）の素材の
中央にＦ／２の荷重が加わった場合を示す説明図である
。

、１７２図（ｂｌにおいて、長さ！、肉厚ｔ２のつば部
１ａが角度θだけ傾いた状態で、間隔環４ｂ、４Ｃで挾
まれる場合を考え、つば部１ａの中央）／２の位置なＦ
／２の荷重が加わるものとする。

この時、角度θ＝０°のつば平面部１ｂを基準にした光
軸方向の開き−Ｊｉｉｈは、 置で荷重Ｆ／２　が作用した場合の長さ７！／２　での
たわみδは、弾性係数Ｅ、断面二次モーメント■１とし
て次式で与えられる。

矛２図ｔｂｌにおいて、荷重ル゛／２　によりつば部１
ａが曲げられ、角度θ＝０６となった場合には、（１）
式と（２）式が等しくなるから、（１１式−（２）式と
して荷重Ｆを算出すると、 Ｆ　＝　”　Ｅ”　ｔａｎθ、−０，−（５１）２ が得られる。ここで、矛２図のつば部１ａの肉厚ｔ！、
幅すとして■、をｔ、とｂで表現すると、（３１式は次
式のようになる。

２　Ｅ　ｔｉｂ Ｆ　Ｗ　−ｔ　ａ　ｎθ　・・・・・・（４（］２ （４）式は、つば部の角度θをゼロにするための荷重Ｆ
を与える式となる。

−４，５１１２図のプラスチックレンズ１とつげ部１ａ
の付根であるｍｍ断面での荷重Ｆ／２による曲げモーメ
ントＭは、 Ｆ・ノ Ｍ；□　・・・・・（５） であり、この曲げモーメントＭにより、レンズ面１Ｃの
曲率半径Ｒが△Ｒだけ変化したとすると、プラスチック
レンズ１の中心のｎｎ断面の断面二次モーメントなｌ、
として、近似的に下式が成立つ。

（５）式を（６１式に代入してレンズ中心肉厚ｔｉ１幅
すを用いて（６）式から△Ｒ−＆算出すると、を得る。

ここで、（４）式のＦは（７）式のＦと同じでなくては
が得られる。

（８１式において、光学設計により曲率半径Ｒ、中心肉
厚ｔ、が定められるから、曲率半径の変化音ΔＲを小さ
くおさえるためＶＣは、つば部形状を決定する（８）式
の（）内項口である、つば部肉厚ｔ。

角度θ、長さノを適切に定めれば良いことになる。すな
わち、ｔ２およびθをより小さな値で、またノをより大
きな値でつば部を形成させること九より、常温における
レンズ面変化を防止することが可能となる。

一方、前記＋８）式の妥当性を確認するために、種々の
プラスチックレンズにより検証実験を行なった。矛４図
に一例として凸レンズを示す。

プラスチックレンズ１はつば部１ａを持つ外径２０．６
１１＆のもので、各寸法は牙４図に示す通りである。該
プラスチックレンズ１のつば部１ａの角度θは以下のよ
うにして算出した。つば部１ｂの中央部に上下方向に移
動可能な測定子２３を設置し、前記プラスチックレンズ
１０元軸を中心としてレンズを回転させ、測定子２３　
の上下移動量をめる。この上下移動量すなわち、測定子
２６のストローク量をＨとすると、Ｈの半分の値をｈと
して、前記（１）式から角度θを算出する。矛４図のレ
ンズではＨ＝２μｍであったため、ｈ−ｉμｍ　となり
、！＝１，１騰ゆえ、θり０．１０４°となる。曲率半
径ルー２６ｍ、レンズ中心肉厚ｔ、＝６脇、ツバ肉厚ｔ
、＝１．６鵬として、上記！、θの値を（８）式に代入
して△Ｒを算出すると、△ｕ＝０．１２２ｍとなる。一
方、前記（４）式にて荷重Ｆ１をめると、プラスチック
レンズの弾性係数Ｅ−３００ｋｇ／腸２　、　ｔ、＝　
１．６脇、ノ＝１．ｉｍ、θ−０，１０４°、ｂ−１８
として、Ｆ−６，７ユが得られる。そこで、矛４図のプ
ラスチックレンズ１を間隔環で上下に挾み込み、該間隔
環を介して上記３．７　ｋｇ　の荷重を付与した。この
結果、この状態での曲率半径は２６．０１ｍとなり、前
記算出した△Ｆｖ＝０１２２ｍと１ケタ異なった。この
ため種々の形状の凸レンズに対してこのような実験を行
なった所、前記（８）式には補正係数ｍか必要な事が把
握された。すなわち、前記（８）式は とすれば、実験結果と極めて良好に一致することが確認
された。なお、該補正係数ｍの値は凸レンズの場合には
１０、凹レンズの場合は５００が適当であった。一般に
、光学性能の優れた組レンズではレンズ面の曲率半径１
もとこの１もの許がって、一般には（９）を変形して、 す（１０）式の条件を満足するが、矛４図のツバ部の角
度θ＝０．２０８°（ｈ−２７！ｊｍ）　では△Ｒ−め
、この場合にはっは部長さノを増大させるか、もしくは
つば部肉厚ｔ、を減少させる必要がある。

次に、組レンズを高温時にさらした場合について説明す
る。前記したように、プラスチックレンズは高温時に熱
膨張する。金属製鏡筒では、材質がアルミの場合、熱膨
張係数α３は２４×１Ｏ−６１０Ｃである。一方、プラ
スチックレンズの熱膨張係数αｐは前記したように７〜
１０Ｘ１０→１０Ｃであり、鏡筒とプラスチックレンズ
の熱膨張による間隙差△Ｄは、前記したようにＤ＋＝２
０ｍ。

△Ｔ＝６００Ｃでは、△Ｄ＝（αａ−αｐ）Ｘ△ＴＸＤ
−−５５〜−９１μｍとなる。△Ｄが負値の場合、鏡筒
よりプラスチックレンズの熱膨張が大となる事を意味し
ており、上値では前記した常温時の間隙６０〜５０μｍ
を上廻る熱膨張量になることがわかる。このように、高
温時の組レンズ内のプラスチックレンズのレンズ面変形
は、常温時のプラスチックレンズと鏡筒との嵌合時の間
隙を越える熱膨張が主因となるから、これを防止するに
は高温時にプラスチックレンズの熱膨張と共に、鏡筒も
熱膨張させれば良い。この様な観点から、発明者らは鏡
筒をプラスチック化することにした。鏡筒をプラスチッ
ク化した場合、プラスチックレンズと同程度の熱膨張係
数となるため、高温下にさらした場合には鏡筒およびプ
ラスチックレンズは同じように熱膨張することになる。

このため、鏡筒内のプラスチックレンズは、鏡筒に拘束
さハ、ることなく、自由に膨張できレンズ面変形は発生
しない。

以上は、鏡筒の肉厚がごく薄い薄肉鏡筒の場合であり、
高温下の熱によりプラスチック鏡筒全体が一様に加熱さ
れる場合である。しかし鏡筒の肉厚が厚くなった場合に
は、高温下にさらした直後では、肉厚方向に熱伝導遅れ
による温度分布を生じ、鏡筒よりもプラスチックレンズ
の熱膨張が先行する事がある。この場合、プラスチック
レンズの膨張が鏡筒内で拘束され、鏡筒からプラスチッ
クレンズに対して見かけ上圧締力を及ぼす事になり、こ
の結果レンズ面に変形をもたらしてしまう。この変形は
、鏡筒の温度分布が一様になった定常状態でも塑性変形
として残り、常温下に戻したあとでも復活する事はない
。

実際のプラスチック鏡筒では、熱伝導の点から肉厚を薄
くする事が好ましいが、組レンズの強度ならびに耐久性
などの観点からは肉厚を厚（する必要がある。

このため、強度と熱伝導の観点から実験を行なったとこ
ろ、鏡筒肉厚ｔは２≦ｔ≦５（Ｂ）が良好であることが
わかった。他方、プラスチックレンズと鏡筒との嵌合間
隙は、１０μｍ位でも問題ないが、組レンズの生産性の
面から６０〜４０μｍが良好であった。

また、高温時には矛１図の組レンズ内のプラスチックレ
ンズのつば部１ａが光軸方向に熱膨張する。このたぬ、
矛１図のレンズ押えｆｉ４ａを剛体にしてお（と、プラ
スチックレンズ１のレンズ面が変形するために、本発明
の組レンズでは、レンズ押え環４ａの一部に弾性部材を
併用するか、もしくは間隙環４ｂ　、４Ｃの間に弾性部
材を挿入するなどして、元軸方向にプラスチックレンズ
が移動し得るような構成とした。

一方、矛２図（ａｌに示すようにプラスチックレンズ１
は、射出成形などで製作されるが、この場合には材料注
入口であるゲート６が必要となる。鏡筒に嵌合する場合
には、該ゲート６は切＠されて嵌合時に支障のないよう
配慮される。

しかし、ゲート６を切断したプラスチックレンズ１は、
発明者らの実験によると、８０°Ｃの高温におよそ８時
間さらしたのち、常温下でつば平面部１ｂの平面度音測
定したところ、牙２図（ａｔのゲート６付近のゲート平
面部６ａが異常隆起する事が判明した。この隆起量は、
プラスチックレンズ１の光軸方向におよそ５μｍ生じ、
その幅はゲート部！中心とした左右幅で５〜７藤あり、
この局所的な隆起量がツバ平面部１ｂの平面度を悪化さ
せることがわかった。この局所的な隆起の原因は、つば
平面部１ｂでの成形による残留歪によるもので、常温下
で凍結されている歪が、高温下で解放されるアニール現
象である。これを防止するには、たとえばつば部１ｂの
外径を大きめに成形し、二次加工で所望の外径に仕上げ
、つば部に前記残留歪を残さない実作方法などが考えら
れる。しかし、この方法は二次加工を伴うため、この加
工による加工機へのプラスチックレンズの芯出し、保持
に手間がかかり、また加工時の切屑がレンズ面などに付
着するため、ややもずとプラスチックレンズの洗浄を必
要とする。

このように、つば部外径を拡大した二次加工併用方式は
、コスト的にも高価となるため得策であるとは言えない
。このため、高温下での、！２図１８１のゲート平面部
６ａの隆起による組レンズの光学性能低下を防止するた
めに、ゲート平面部６ａにあらかじめ凹部を付与して製
作するか、もしくはゲート平面部６ａに当接する間隔環
の一部を凹状にしておくなどの対策を講じることによっ
て、高温下でのレンズ面変形を防止するようにした。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の具体的な実施例を図面を用いて詳細に説
明する。

矛５図は本発明によるビデオカメラ用ズームレンズの半
断面図である。ズームレンズ１０は、光学系の分類から
、フォーカス部７．ズーム部８、そしてマスター部９に
大別される。本実施例では該・マスター部９へ適用した
場合の実施例について説明する。

矛５図において、肉厚２腸のポリカーボネート樹脂製の
プラスチック鏡筒５′のレンズ”１　部４　ｄ　’にプ
ラスチックレンズ１１を当接するように嵌合させ、しか
るのち間隔環１６ａ　を嵌合させて前記プラスチックレ
ンズ１１　を保持させる。次にガラスレンズ１２をプラ
スチック鏡筒５゛に嵌合し、間隔環１６ｂ　を嵌合させ
、こののちプラスチックレンズ１３と間隔環１６Ｃ，プ
ラスチックレンズ１４　と間隔環１６ｄ、そしてプラス
チックレンズ１５を各々順次嵌合させたのち、弾性部材
１６ｅを嵌合してねじ１７により、レンズ押え環４　ａ
’を介して各レンズを締付ける。プラスチック鏡筒５゛
の一端には、ビデオカメラ本体（図示せず）への取付具
１８が果合されており、他端はぬじ１９によりレンズ枠
２０に固定される。

以上が本発明の一実施例によるプラスチックレンズ４枚
、ガラスレンズ１枚で構成される、ズームレンズのマス
ター部の全体構成である。

矛５図のプラスチックレンズ１１　、Ｌ５，１４．１５
の形状寸法な矛６図のｌａｌ　、　ｆｂｌ　、　（ｃｌ
　、　（ｄｉに断面図で示す。これらのレンズのつば部
形状は、前記したつば平面部の起伏量を表わすＨ（これ
を平面度と称す）を２μｍ以下で製作する事をねらうと
共に、組レンズの締付力Ｆ−３ｋｇになるよう配慮して
選定した。

べて７　Ｘ　１０’の許容値内に入っており、また荷ｆ
ｉＦ”はｌｄｌの２．５３　ｋｇを最大に（ａｌの０．
８２に９までとなっているため、それぞれのレンズは締
付力３ｋｇで十分である事が判断できる。なお、荷重Ｆ
の最大値は、衝撃力によるレンズの位置ズレを防止する
観点から組レンズの最低締付力が５００ｇ位であるため
、Ｆｍａｘ≧５００ｇにすることが必要である。

矛６図に示したプラスチックレンズのうち、プラスチッ
クレンズ１４（矛６図（Ｃ））について矛７図に斜視図
を示す。牙７図の１４ａはつば部であり、該つば部１４
ａＫゲート６゛があるが、矛７図はゲート６′を切断し
たのちの図を示している。

該ゲート６′付近につば平面部１４ｂを基準とした凹部
２１　が表裏２ケ所設けられている。該凹部２１　の深
さｄ、は０６賜で付与した。また該凹部２１の幅Ｗ、は
１０膳としたが、７〜１０鵡位にとれば問題ない。つば
平面部の四部は、プラスチックレンズ１４に限らず、矛
６図（ａｌ〜ｔｄｌの４種のレンズすべてに付与するこ
とができる。この四部の付与は、たとえば射出成形でプ
ラスチックレンズを製作する場合には、形状を賦形する
全型の平面部に凸状個所を設けておくことにより容易に
得ることができる。

矛８図は、牙７図のプラスチックレンズに凹部な設ける
代りに、間隔環に凹部を付与した他の実施例を示したも
のである。矛８図の間隔環１６Ｃに幅Ｗ、が１０騒、深
さｄ、が０．５語の四部２２を表裏に設けたもので、こ
れらの加工は機械加工などで容易に実施できる。

以上述べたプラスチックレンズと間隔環は１、ＩＦ５図
の弾性部材１６ｅを介して締付力３に＆でねじ１７によ
りプラスチック鏡筒５′内で保持される。

プラスチック鏡筒５′の材質は、本実施例においては前
記したようにポリカーボネート樹脂を用いたが、プラス
チックレンズの熱膨張係数とほぼ同値のものであれば何
でも良い。ただし、組レンズとしての強度、耐久性を考
慮した上で鏡筒材質を選定する必要がある。

また、本実施例の弾性部材は硬度６０のフッ素ゴムの１
謳角の角形断面形状を有する環状物で製作した。

なお、組レンズの締付力３ゆの設定は矛５図のねじ１７
の締付トルクを指針として実施した。

牙９図は締付力とトルクの関係を示すグラフであるが、
マスター部単品で牙９図のグラフを作成しておき、締付
力（荷重）３ｋｇに相当するトルクを算出するようにし
ておくと好都合である。

本実施例では、矛５図のねじ１７の締付トルクはｔ８ゆ
１である。

以上述べた本発明によるビデオカメラ用レンズを常温下
、および高温下（８０°Ｃ）にさらしたが、常温時の優
れた光学性能を維持していることが確認され、実用上例
ら問題のない事を確認した。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように、本発明のプラスチックレン
ズの保持装置を用いる事によって、ビデオカメラ用レン
ズや写真レンズなど萬い光学性能を要求されるレンズに
も、プラスチックレンズを使用することが可能となるた
め、従来のガラスレンズを用いたズームレンズに（らべ
て、大幅なコスト低減ならびに軽量化を実現することが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

矛１図は従来のプラスチックレンズの保持手段を示す断
面図、矛２図および矛３図はプラスチックレンズの説明
図、牙４図は本発明による実験用レンズの断面図、矛５
図は本発明によるズームレンズの一実施例を示す半断面
図、牙６図は本発明によるプラスチックレンズの実施例
を示す断面図、牙７図は本発明によるプラスチックレン
ズの一実施例の斜視図、矛８図は間隔環の一実施例を示
す斜視図、矛９図は締付力とトルクの関係を示す説明図
である。 １４・・・プラスチックレンズ、１４ａ・・・つば部、
１４ｂ・・・つば平面部、２１・・・凹部、１６Ｃ・・
間隔環２２・・・凹部、ＩＳｅ・・・弾性部材、５°・
・・プラスチック鏡筒、１９・・・ねじ、４　ａ’・・
・レンズ押え環、４ｄ’・・・レンズ受部。 扇１　麿 第　２麿 ノρ。 ＬＡ′ 第３η

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　少なくとも１枚のプラスチックレンズと、レンズ
   受部を有する鏡筒と、上記プラスチックレンズを上記鏡
   筒内で光軸方向および光軸方向と直角のレンズ径方向に
   所定の位置決めを行なう間隔環およびレンズ押え環とを
   有する組レンズにおいて、上記プラスチックレンズの外
   周部に幅ノ、厚さｔ３、平面度Ｈのつば部を設け、この
   つば部を上記間隔環に当接させて、上記レンズ押え環に
   より弾性部材を介して上記プラスチックレンズを保持し
   、上記プラスチックレンズの曲率半径をＲ１中心肉の関
   係を満すように上記つげ部を形成したことを特徴とする
   プラスチックレンズの保持装置。 ２、上記プラスチックレンズの弾性係数なＥとズに Ｆ　二　２ＥＨ１ｌ／　ノ３ 与えることにより各レンズを締めつけるようにしたこと
   を特徴とする特許請求の範囲牙１項記載のプラスチック
   レンズの保持装置。 ６、上記Ｆの最大値が５００ｔｇ１以上としたことを特
   徴とする特許請求の範囲矛２項記載のプラスチックレン
   ズの保持装置。 ４、　上記プラスチックレンズおよび間隔環の互いに当
   接する部位の少なくとも一方の平面部の一部に凹部な設
   けたことを特徴とする特許請求の範囲矛１項ないし矛３
   項のいずれかに記載のプラスチックレンズの保持装置。 ５、上記鏡筒がプラスチックで構成されたことを特徴と
   する特許請求の範囲矛１項ないし矛４項のいずれかに記
   載のプラスチックレンズの保持装置。