JP2008003466A - レンズ光学系及び光電式エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】最小限のコストアップで、且つ、比較的簡単な構成で、レンズ焦点距離の温度変化を軽減する。
【解決手段】プラスチックレンズ１２又はプラスチックレンズアレイ１４を含むレンズ光学系において、前記プラスチックレンズ１２又はプラスチックレンズアレイ１４の熱膨張を、ガラス基板２０、又は、例えば光路用の透光穴３２が形成された金属板３０、３４により機械的に拘束して、温度変化によるレンズ曲率Ｒの変化を制御することで、焦点位置Ｆの温度変化を軽減する。
【選択図】図４

Description

本発明は、レンズ光学系及び光電式エンコーダに係り、特に、リニアスケールや各種の光学機器に用いるのに好適な、プラスチックレンズの温度変化による焦点距離の変化を緩和することが可能なレンズ光学系、該レンズ光学系を備えた片側及び両側テレセントリック光学系、及び、これらを備えた光電式エンコーダに関する。

光学機器に使用される光学レンズの一つに、プラスチック製のレンズ（プラスチックレンズと称する）がある。このプラスチックレンズは、比較的安価であることや、非球面形状を実現し易いという利点がある一方、温度変化に対する焦点位置の変化が大きいという欠点がある。

この焦点位置の変化の主な要因として、温度変化に対するレンズの屈折率の変化と、熱膨張によるレンズ曲率の変化が挙げられる。即ち、図１に示すような両凸球面レンズのプラスチックレンズ１０を例にとって説明すると、焦点距離ｆと、屈折率ｎ、入側及び出側のレンズ曲率Ｒ_１、Ｒ_２、レンズ厚みｄの間には、次式の関係がある。

１／ｆ＝（ｎ−１）×｛（１／Ｒ_１）−（１／Ｒ_２）
＋｛（ｎ−１）^２／ｎ｝×｛ｄ／（Ｒ_１×Ｒ_２）｝ …（１）

一般に、温度が上昇すると、屈折率ｎは小さくなり、レンズ曲率Ｒ_１、Ｒ_２は大きくなる。よって、いずれの変化も焦点距離ｆが大きくなる方向に作用する。逆に温度が下降した場合には、焦点距離ｆが小さくなる方向に作用する。

一般にプラスチックレンズの屈折率の変化や熱膨張による焦点距離ｆの変化は、ガラス製のレンズ（ガラスレンズと称する）の１０倍以上になり、影響が大きいので、これを緩和する対策を採る必要がある。

例えば特許文献１には、凸レンズと凹レンズ等、形態の違うレンズを複数枚組合せて配列したハイブリッドレンズとすることで、屈折率の変化による焦点位置の変化を相殺することが記載されている。

また、特許文献２には、本発明と逆に、プラスチックレンズに何ら外力を与えることなく、半径方向に移動してプラスチックレンズを保持するレンズ支持部材により、温度及び湿度の変化によるプラスチックレンズの膨張・収縮を吸収して、プラスチックレンズの内部応力の発生を防止し、形状歪みによる屈折率の変化のない保持を可能にしたレンズ保持装置が記載されている。

特開平９−４３５０８号公報 特開平８−２０１６７４号公報

しかしながら特許文献１に記載されたようなハイブリッドレンズは、レンズ枚数の増大によるコストアップや光軸調整の難しさが課題となる。

一方、特許文献２に記載のレンズ保持装置は、本発明とは逆に、プラスチックレンズに何ら外力を与えることなく保持するものであり、レンズ焦点距離の温度補償を行うことはできなかった。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、最小限のコストアップで、且つ、比較的簡単な構成で、レンズ焦点距離の温度補償を可能とすることを課題とする。

本発明は、プラスチックレンズを含むレンズ光学系において、前記プラスチックレンズの熱膨張を機械的に拘束して、温度変化によるレンズ曲率の変化を制御することで、焦点位置の温度変化を軽減するレンズ拘束手段を備えることにより、前記課題を解決したものである。

前記プラスチックレンズはレンズアレイとすることができる。

又、前記レンズ拘束手段は、プラスチックレンズが固定されるガラス基板、又は、光路用の透光穴が形成された金属板とすることができる。

更に、前記金属板に、プラスチックレンズを他の部材に取り付けるための取付手段を設けることができる。

又、前記のレンズ光学系を含んで片側又は両側テレセントリック光学系を構成することができる。

本発明は、又、前記のレンズ光学系を備えたことを特徴とする光電式エンコーダを提供するものである。

本発明によれば、最小限のコストアップで、且つ、比較的簡単な構成で、レンズ焦点距離の温度変化を軽減することができる。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明の第１実施形態は、図２に示す如く、平面のガラス基板２０の上に、凸型の球面プラスチックレンズ１２を成形又は接着して一体化したものである。

成形手法は、例えばＵＶ硬化型樹脂や熱硬化型樹脂を用いたスタンパー成形、熱硬化性／熱可塑性樹脂を用いた熱圧縮成形、射出成形、トランスファーモールド等により一体成形することができる。あるいは、例えばエポキシ系又はアクリル系接着剤等の強固な接着剤を用いて、ガラス基板２０の表面にプラスチックレンズ１２を一体的に接着することができる。

このレンズのガラス（２０）とプラスチック（１２）の界面は強固に一体化するため、温度変化による熱膨張は図３に示す如くとなる。

即ち、図３（Ａ）に示すプラスチックのみの場合、温度上昇に伴ってプラスチックレンズ１２のレンズ曲率Ｒが大きくなるが、図３（Ｂ）に示す本発明によるガラスとプラスチックの組合せの場合、図の縦方向の熱膨張がガラス基板２０によって拘束されるため、温度上昇によりレンズ曲率Ｒは小さくなる。これらの機械的挙動によるレンズ焦点位置の変化を図４に示す。

図４（Ａ）のプラスチックのみの場合、温度上昇率の屈折率変化による焦点距離変化Δｆ_１と、レンズ曲率変化による焦点距離変化Δｆ_２が同じ方向であるため、両者の相互作用で、温度上昇時の焦点距離変化Δｆ_２が、次式に示す如く大きくなる。

Δｆ＝Δｆ_１＋Δｆ_２ …（２）

一方、図４（Ｂ）に示す、本発明によるガラスとプラスチックの組合せの場合、温度上昇時の屈折率変化による焦点距離変化Δｆ_１と、レンズ曲率変化による焦点距離変化Δｆ_２が反対の方向であるため、互いの影響を打ち消し合う作用を持ち、温度上昇時の焦点距離変化Δｆが、次式に示す如く小さくなる。

Δｆ＝Δｆ_１−Δｆ_２ …（３）

従って、プラスチックレンズ１２の熱膨張を、ガラス基板２０などにより機械的に拘束し、温度変化によるレンズ曲率Ｒの変化を制御することで、Δｆを０に近づけて、焦点距離を温度補償することが可能となる。

なお、図２は、片側のみの凸型球面レンズの例を示したものであるが、これは、Δｆ＝０に近づけることを前提とした、両凸球面や凹型球面（片側又は両側）、非球面（凸型、凹型、片側、両側）などでもよい。

次に、本発明の第２実施形態を説明する。

この第２実施形態は、図５（Ａ）（断面図）及び（Ｂ）（側面図）に示す如く、第１実施形態の平面ガラス基板を金属のリング状平板（金属板）３０に変更し、その上に凸型の球面プラスチックレンズ１２を成形又は接着することで、プラスチックレンズ１２の熱膨張を機械的に拘束し、焦点距離の温度補償を行うようにしたものである。

前記金属板３０は、エッチングプレートなどの薄物を用い、レンズ光軸を中心とした光路用の透光穴３２が形成されている。この透光穴３２は、レンズ有効径と等価の大きさであればよい。

次に本発明の第３実施形態を説明する。

この第３実施形態は、図６（Ａ）（断面図）及び（Ｂ）（側面図）に示す如く、第２実施形態のリング状の金属板３０の代わりに長方形の金属板３４を用いて、レンズを筺体などに取り付けるためのねじ穴３６を一体で形成できるようにしたものである。

次に、本発明をプラスチックレンズアレイに適用した第４実施形態を図７に示す。

本実施形態は、第１実施形態と同様に、平面のガラス基板２０上に、複数の凸型のプラスチックレンズ１２を成形又は接着することで、プラスチック製のレンズアレイ（以下プラスチックレンズアレイと称する）１４としたものである。ガラス基板２０上にプラスチックレンズアレイ１４を一体化する方法は、第１実施形態と同様の方法を用いることができる。

又、温度補償の原理も第１実施形態と同じであるので説明は省略する。

更に、図５に示した第２実施形態あるいは図６に示した第３実施形態と同様にガラス基板２０を金属板３０又は３４に変更することもできる。

次に、第４実施形態のレンズアレイを結像用の片側テレセントリック光学系に適用した本発明の第５実施形態を図８に示す。

この片側テレセントリック光学系４０は、第４実施形態と同様のプラスチックレンズアレイ１４と、該プラスチックレンズアレイ１４の各レンズの焦点位置に配設されたアパーチャアレイ４２を含む。

このような結像光学系（４０）では、各レンズの焦点距離変化が解像度変化に直結するが、第４実施形態のレンズアレイを用いることで、温度変化による解像度変化が緩和される。

なお、図８は、片側のテレセントリック光学系４０を示すが、これは第４実施形態のレンズアレイを用いた結像用の両側テレセントリック光学系でも同様である。又、レンズアレイのみでなく、第１乃至第３実施形態の単レンズを用いた結像用の片側テレセントリック光学系、両側テレセントリック光学系でも同様である。

次に、第４実施形態のレンズアレイを光電式エンコーダに適用した本発明の第６実施形態を図９に示す。図において、５０はスケール、５２は受光アレイ素子である。

温度変化により焦点位置が変化するとエンコーダの出力が劣化するが、本発明に係るレンズやレンズアレイを用いた光電式エンコーダでは、これが緩和される。

温度変化による焦点位置の変化を説明するための光路図 本発明の第１実施形態の構成を示す断面図 本発明の原理を説明するための（Ａ）プラスチックのみの場合及び（Ｂ）ガラスとプラスチックを組合せた場合の温度変化による熱膨張を示す断面図 同じく温度変化によるレンズ焦点位置の変化を示す光路図 本発明の第２実施形態の構成を示す（Ａ）断面図及び（Ｂ）側面図 本発明の第３実施形態の構成を示す（Ａ）断面図及び（Ｂ）側面図 本発明の第４実施形態の構成を示す断面図 本発明の第５実施形態の構成を示す光路図 本発明の第６実施形態の構成を示す光路図

符号の説明

１０、１２…プラスチックレンズ
１４…プラスチックレンズアレイ
２０…ガラス基板
３０、３４…金属板
３２…透光穴
３６…ねじ穴
４０…片側テレセントリック光学系
４２…アパーチャアレイ
５０…スケール
５２…受光アレイ素子

Claims (8)

1. プラスチックレンズを含むレンズ光学系において、
   前記プラスチックレンズの熱膨張を機械的に拘束して、温度変化によるレンズ曲率の変化を制御することで、焦点位置の温度変化を軽減するレンズ拘束手段を備えたことを特徴とするレンズ光学系。
2. 前記プラスチックレンズがレンズアレイであることを特徴とする請求項１に記載のレンズ光学系。
3. 前記レンズ拘束手段が、プラスチックレンズが固定されるガラス基板であることを特徴とする請求項１又は２に記載のレンズ光学系。
4. 前記レンズ拘束手段が、プラスチックレンズが固定される、光路用の透光穴が形成された金属板であることを特徴とする請求項１又は２に記載のレンズ光学系。
5. 前記金属板に、プラスチックレンズを他の部材に取付けるための取付手段が設けられていることを特徴とする請求項４に記載のレンズ光学系。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載のレンズ光学系を含んで片側テレセントリック光学系が構成されていることを特徴とするレンズ光学系。
7. 請求項１乃至５のいずれかに記載のレンズ光学系を含んで両側テレセントリック光学系が構成されていることを特徴とするレンズ光学系。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載のレンズ光学系を備えたことを特徴とする光電式エンコーダ。

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