JPWO2017195302A1 - レンズユニットの製造方法、及び撮像装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
レンズユニットの製造方法は、光を透過する透過性材料と、光を遮光する遮光性材料とを切り替えつつ層を形成する層形成工程と、前記層形成工程によって形成される前記層を積層して前記透過性材料によりレンズ(21)を形成するとともに前記遮光性材料により前記レンズを保持する鏡枠(22)を形成する積層工程と、を具備する。
Description
本発明の実施形態は、レンズユニットの製造方法、及び撮像装置の製造方法に関する。
撮像素子に光を結像させるレンズユニットは、レンズとレンズを保持する鏡枠とを備える。レンズは、ガラスまたは樹脂の研削研磨や成形によって形成されることが一般的である。鏡枠は、金属または樹脂を研削研磨、及び又は金型によって成形することにより形成された複数の部材により構成される。レンズユニットは、レンズが鏡枠の複数の部材と組み合わされて鏡枠内に収納されて構成される。
例えば、日本国特開2004−066773号公報には、レンズをインサートし、インサートされたレンズの外周部に鏡枠を成形するレンズ鏡枠一体形成が記載されている。
しかしながら、レンズそのものの加工誤差及びレンズをインサートする際の組立誤差によって、製造されたレンズユニットにばらつきが生じる可能性がある。加工誤差及び組立誤差を小さくするためには、加工及び組立における精度が要求される為、コストが嵩むという課題がある。
本発明は、低コストで光学性能のばらつきの少ないレンズユニットの製造方法、及び撮像装置の製造方法を提供することを目的とする。
一実施形態に係るレンズユニットの製造方法は、光を透過する透過性材料と、光を遮光する遮光性材料とを切り替えつつ層を形成する層形成工程と、前記層形成工程によって形成される前記層を積層して前記透過性材料によりレンズを形成するとともに前記遮光性材料により前記レンズを保持する鏡枠を形成する積層工程と、を具備する。
本発明によれば、低コストで光学性能のばらつきの少ないレンズユニットの製造方法、及び撮像装置の製造方法を提供することができる。
以下、レンズユニットの製造方法、及び撮像装置の製造方法について詳細に説明する。
本実施形態では、3次元データに基づいて立体物を製造する所謂3Dプリンタにより撮像装置に用いられるレンズユニットのレンズと鏡枠とを一体に形成する。なお、3Dプリンタの例として、光(例えば紫外線)により硬化する液体状の樹脂を吐出させ、紫外線により樹脂を硬化させて立体物を形成するインクジェット方式の3Dプリンタを例に挙げて説明するが、3Dプリンタはインクジェット方式に限定されない。3Dプリンタの造形の方式は、如何なるものであってもよい。
また、本実施形態では、3Dプリンタは、光を遮光する樹脂材料(遮光性材料)によってレンズユニットの鏡枠の部分(遮光部分)を形成し、光を透過する樹脂材料(透過性材料)によってレンズユニットのレンズの部分(透明部分)を形成する。具体的には、遮光性材料は、レンズユニットの用途に応じた対象波長の光の吸収が透過性材料に比べて大きい樹脂材料である。即ち、透過性材料は、レンズユニットの用途に応じた対象波長の光の吸収が遮光性材料に比べて小さい樹脂材料である。
また、本実施形態における3次元データは、幅と奥行きと高さとを有する3次元空間内における形状データである。以下、例えば、幅方向をx方向とし、奥行き方向をy方向とし、高さ方向をz方向とする。また、形状データは、ドットの有無、及び材料に関する情報を含む。材料に関する情報は、例えば遮光性材料と透過性材料とのいずれかを示す情報である。なお、3次元データは、例えば3D−CAD、または3D−CGなどのデータが3Dプリンタの分解能に応じて変換されたデータであってもよい。
図1は、一実施形態に係る3Dプリンタ1の例について説明する為の説明図である。3Dプリンタ1は、プリントヘッド2、ステージ3、及び位置決め機構4を備える。
プリントヘッド2は、液体状の樹脂を液滴として吐出する。プリントヘッド2は、第1のノズル11、第2のノズル12、及び紫外線ランプ13を備える。また、プリントヘッド2は、遮光性材料が充填された図示されない第1のインク室、及び透過性材料が充填された図示されない第2のインク室を備える。
第1のノズル11は、第1のインク室内の遮光性材料を液滴として吐出する。
第2のノズル12は、第2のインク室内の透過性材料を液滴として吐出する。
紫外線ランプ13は、第1のノズル11及び第2のノズル12から吐出された液滴に対して紫外線を照射することにより液滴を硬化させ、立体物の一部の構造(樹脂構造と称する)を形成する。紫外線ランプ13は、第1のノズル11または第2のノズル12から液滴を吐出した場合に紫外線を出力する構成であってもよいし、常時紫外線を出力する構成であってもよい。
ステージ3は、プリントヘッド2から吐出された液滴を支持する部材である。ステージ3は、面一に形成された造形面を有する。
位置決め機構4は、プリントヘッド2を移動させることにより、プリントヘッド2から吐出された液滴の着弾位置を決める。例えば、位置決め機構4は、プリントヘッド2をステージ3の造形面と平行な幅方向(x方向に対応)及び奥行方向(y方向に対応)に移動させることにより、ステージ3の造形面と平行な面内における液滴の着弾位置を調整する。また、位置決め機構4は、プリントヘッド2をステージ3の造形面と直交する方向(z方向に対応)に移動させることにより、ステージ3の造形面とプリントヘッド2との距離を調整する。
3Dプリンタ1は、位置決め機構4によってx方向及びy方向にプリントヘッド2を移動させつつ、プリントヘッド2からステージ3に対して液滴を吐出することにより、樹脂構造の層を形成する。具体的には、3Dプリンタ1は、位置決め機構4によって3次元データの座標に応じた位置にプリントヘッド2を移動させる。さらに、3Dプリンタ1は、この座標の形状データに応じて、液滴を吐出しないか、第1のノズル11から液滴を吐出するか、第2のノズル12から液滴を吐出するかを判定し、判定結果に応じてプリントヘッド2を動作させる。即ち、3Dプリンタ1は、3次元データに応じて吐出する液滴を透過性材料と遮光性材料とで切り替えつつ層を形成する。これにより3Dプリンタ1は、透過性材料によって形成された透明部分と、遮光性材料によって形成された遮光部分とのうちの少なくとも一方を含む層を形成する。さらに、3Dプリンタ1は、位置決め機構4によってz方向にプリントヘッド2を移動させつつ樹脂の層の形成を行うことにより、上記の層が積層された積層構造の立体物を形成する。
なお、ステージ3の造形面からz方向において離れた位置に樹脂構造を形成する為には、液滴を支える支持部材が必要になる。支持部材は、1つ下の層の樹脂構造であってもよいし、ステージ3の造形面に置かれた何らかの物体であってもよい。図1の例では、支持部材としての基材14がステージ3の造形面に置かれている。
基材14は、例えば上面と底面とを有する円柱状であり、少なくとも底面が面一に構成されている。基材14は、底面がステージ3の造形面に向けられてステージ3に置かれる。底面と上面とは、所定の間隔が置かれて構成されている。即ち、基材14は、ステージ3の造形面から所定の高さの位置に上面を配置する。なお、基材14の上面は、面一に形成されていてもよいし、曲面として形成されていてもよい。
(第1の実施形態)
次に、図2乃至図5を参照しつつ第1の実施形態に係るレンズユニット5の具体的な製造方法について説明する。図2乃至図5の例では、レンズ21の光軸を中心とした軸対称な形状のレンズユニット5を製造する。この為、基材14の円の中心と、レンズユニット5のレンズ21の光軸とを併せてレンズユニット5を製造する。なお、完成したレンズユニット5を被写体に向けたときに被写体側となるレンズユニット5の部位を先端側と称し、像側になる部位を後端側と称する。本実施形態では、樹脂構造を後端側から順に積層していくことによりレンズユニット5を製造する例について説明する。
次に、図2乃至図5を参照しつつ第1の実施形態に係るレンズユニット5の具体的な製造方法について説明する。図2乃至図5の例では、レンズ21の光軸を中心とした軸対称な形状のレンズユニット5を製造する。この為、基材14の円の中心と、レンズユニット5のレンズ21の光軸とを併せてレンズユニット5を製造する。なお、完成したレンズユニット5を被写体に向けたときに被写体側となるレンズユニット5の部位を先端側と称し、像側になる部位を後端側と称する。本実施形態では、樹脂構造を後端側から順に積層していくことによりレンズユニット5を製造する例について説明する。
図2は、樹脂材料によりレンズユニット5の鏡枠22の一部を形成する工程の例を示す説明図である。以降の図面では、形成した樹脂構造をレンズ21の光軸を含む面で切断した場合の断面として示す。
3Dプリンタ1は、ステージ3上に遮光性材料により鏡枠22を形成する。例えば、3Dプリンタ1は、基材14の外周のステージ3上に遮光性材料により樹脂構造の層を積層する。3Dプリンタ1は、少なくとも基材14の上面と同じ高さまで樹脂構造の層を積層する。
3Dプリンタ1は、ステージ3上に遮光性材料により鏡枠22を形成する。例えば、3Dプリンタ1は、基材14の外周のステージ3上に遮光性材料により樹脂構造の層を積層する。3Dプリンタ1は、少なくとも基材14の上面と同じ高さまで樹脂構造の層を積層する。
図3は、樹脂材料によりレンズユニット5の鏡枠22の一部とレンズ21の一部とを形成する工程の例を示す説明図である。
3Dプリンタ1は、基材14の上面上に透過性材料によりレンズ21を形成するとともに、遮光性材料により鏡枠22をさらに形成する。具体的には、3Dプリンタ1は、プリントヘッド2を移動させつつ、プリントヘッド2がステージ3上の鏡枠22を形成すべき位置に達したときには、第1のノズル11から遮光性材料を吐出させ、プリントヘッド2がステージ3上のレンズ21を形成すべき位置に達したときには、第2のノズル12から透過性材料を吐出させる。
3Dプリンタ1は、基材14の上面上に透過性材料によりレンズ21を形成するとともに、遮光性材料により鏡枠22をさらに形成する。具体的には、3Dプリンタ1は、プリントヘッド2を移動させつつ、プリントヘッド2がステージ3上の鏡枠22を形成すべき位置に達したときには、第1のノズル11から遮光性材料を吐出させ、プリントヘッド2がステージ3上のレンズ21を形成すべき位置に達したときには、第2のノズル12から透過性材料を吐出させる。
図4は、絞り23を形成する工程の例を示す説明図である。
絞り23は、レンズ21を通る光の量を制限する円形絞りである。3Dプリンタ1は、鏡枠22内に遮光性材料により絞り23を形成する。例えば、3Dプリンタ1は、透過性材料により形成したレンズ21上に遮光性材料により絞り23を形成する。3Dプリンタ1は、例えば、レンズ21の光軸を中心とした円形状の領域に開口部を形成し、鏡枠22の内側の他の領域に遮光性材料により樹脂構造を形成することによって絞り23を形成する。
図5は、レンズ21の曲面24を形成する工程の例を示す説明図である。
3Dプリンタ1は、透過性材料により形成したレンズ21上に透過性材料により曲面24を形成する。即ち、3Dプリンタ1は、レンズ21の基材14と対向する面と逆側の面を所定の曲率の曲面24として構成する。
以上の工程により、透過性材料により形成されたレンズ21と、このレンズ21を保持する遮光性材料により形成された鏡枠と、が一体に形成されたレンズユニット5を製造することができる。
次に、上記の工程により製造されたレンズユニット5を用いた撮像装置6の製造方法について説明する。
図6及び図7は、レンズユニット5に撮像素子31を配置する工程の例を示す説明図である。
レンズユニット5は、ステージ3から離されて、基材14が取り除かれることによって使用可能な状態になる。レンズユニット5は、基材14が取り除かれることによりレンズユニット5の後端における鏡枠22の内側に形成された開口部25を有する。
撮像素子31は、光を光電変換し電荷を蓄える画素が複数配列されて構成された撮像面を備える。撮像素子31は、例えば、Charge Coupled Devices(CCD)イメージセンサ、Complementary Metal Oxide Semiconductor(CMOS)イメージセンサ、または他の撮像素子により構成される。撮像素子31は、基板32上に形成される。基板32は、例えば樹脂製であり、上記の開口部25と同様の形状、または開口部25より大きく形成される。
図7に示されるように、撮像素子31が搭載された基板32をレンズユニット5の開口部25に配置する。例えば、撮像素子31の撮像面の中心と、レンズユニット5のレンズ21の光軸との位置を合わせて基板32をレンズユニット5の開口部25に配置する。これにより、撮像素子31の撮像面にレンズユニット5のレンズ21によって像が結像される。
以上の工程により、レンズユニット5と、レンズユニット5のレンズ21により結像された被写体像を電気信号(画像信号)に変換する撮像素子31と、を備える撮像装置6を製造することができる。
なお、上記の実施形態では、レンズユニット5を製造した後に撮像素子31が搭載された基板32をレンズユニット5の開口部25に配置することにより撮像装置6を製造すると説明したが、この構成に限定されない。撮像素子31が搭載された基板32を上記の基材の代わりにステージ3上に配置して鏡枠22及びレンズ21を形成してもよい。即ち、撮像素子31を鏡枠22及びレンズ21を形成する段階で組み込んでもよい。
上記の実施形態によると、3Dプリンタ1は、透過性材料により形成されたレンズ21と、このレンズ21を保持する遮光性材料により形成された鏡枠22と、を一体にレンズユニット5として形成する為、従来のレンズユニットの製造に必要なレンズと鏡枠との位置合わせなどを行う必要がなくなる。この結果、レンズユニットの製造のばらつき及びコストを抑えることができる。
また、上記の実施形態によると、3Dプリンタ1は、レンズユニット5の鏡枠22内に遮光性材料によって絞り23を樹脂構造によって形成する。この構成によると、絞り23の搭載方法及び組み込み位置などの制約が無くなる為、レンズユニット5の設計の自由度が向上する。
(第2の実施形態)
次に、図8乃至図12を参照しつつ第2の実施形態に係るレンズユニット5Aの具体的な製造方法について説明する。なお、第1の実施形態と同じ構成には同じ参照符号を付し詳細な説明を省略する。なお、第2の実施形態は、第1の実施形態の図2乃至図5までの工程と同じ工程によって、図5のレンズユニット5と同様の樹脂構造を形成する。
次に、図8乃至図12を参照しつつ第2の実施形態に係るレンズユニット5Aの具体的な製造方法について説明する。なお、第1の実施形態と同じ構成には同じ参照符号を付し詳細な説明を省略する。なお、第2の実施形態は、第1の実施形態の図2乃至図5までの工程と同じ工程によって、図5のレンズユニット5と同様の樹脂構造を形成する。
図8は、樹脂材料によりレンズユニット5Aの鏡枠22Aの一部を形成する工程の例を示す説明図である。
3Dプリンタ1は、レンズ21Aより高い位置まで遮光性材料により樹脂構造の層を積層することにより鏡枠22Aを形成する。例えば、3Dプリンタ1は、鏡枠22Aの先端の面である端面に内側段差部26Aを形成する。内側段差部26Aは、鏡枠22Aの端面から内面に亘って形成された段差である。内側段差部26Aは、例えば鏡枠22Aの内径に相似した形状で形成される。
図9は、レンズユニット5の先端にレンズ21Aを覆う保護用のカバープレート27Aを形成する工程の例を示す説明図である。
内側段差部26Aの形状に合うガラス製の円形形状のカバープレート27Aを内側段差部26Aに落とし込み、カバープレート27Aを内側段差部26Aに接着する。これにより、カバープレート27Aは、レンズユニット5のレンズ21Aを保護することが可能になる。なお、カバープレート27Aは、あらかじめ3Dプリンタ1が透過性材料により内側段差部26Aの形状に合わせて形成したものであってもよい。この場合、カバープレート27Aを内側段差部26Aに落とし込むことによってレンズユニット5Aに装着する。
次に、上記の図6及び図7と同様に撮像素子31をレンズユニット5Aに装着することにより撮像装置6Aを製造し、撮像装置6Aを3Dプリンタ1のステージ3に配置する。図10は、撮像装置6Aを3Dプリンタ1のステージ3に配置した例を示す。3Dプリンタ1は、撮像素子31により生成される画像信号に応じてレンズユニット5Aのレンズ21Aの光学性能を測定する。3Dプリンタ1は、例えば、予め決められた強度の光をレンズユニット5Aの先端側から入射させた場合に撮像素子31により生成される画像信号に応じてレンズユニット5Aのレンズ21Aの光学性能を測定する。具体的には、3Dプリンタ1は、画像信号に応じてレンズ21Aの焦点距離や画角、各種収差による像品位の低下度を光学性能として測定する。
図11は、レンズユニット5Aのカバープレート27A上に補償光学系28Aを形成する工程の例を示す説明図である。3Dプリンタ1は、測定結果に基づいてカバープレート27Aに透過性材料によって補償光学系を形成する。3Dプリンタ1は、例えば、予め設定された条件を記憶するメモリを備える。3Dプリンタ1は、レンズ21Aの光学性能の測定結果がメモリに記憶された条件を満たしているか否かを判定し、測定結果が条件を満たしていないと判定した場合、測定結果に応じて予め記憶された形状を透過性材料をカバープレート27Aに積層することによって補償光学系28Aを形成する。例えば、3Dプリンタ1は、測定された焦点距離が予め設定された距離よりも長い場合に補償光学系28Aとして大きな曲率(R)の凸レンズ形状をカバープレート27A上に形成し、測定された焦点距離が予め設定された距離よりも短い場合に補償光学系28Aとして大きな曲率(R)の凹レンズ形状をカバープレート27A上に形成することによって、レンズユニット5Aの光学特性を補償する。なお、補償光学系28Aとして形成される樹脂構造は、単純なR形状でなく異方的な3次元形状であってもよい。
図12は、レンズユニット5Aのカバープレート27Aの周縁部に封止29Aを形成する工程の例を示す説明図である。
例えばレンズユニット5Aに別体として形成されたカバープレート27Aを組わせる場合、内側段差部26Aは、カバープレート27Aの寸法公差を吸収可能に形成されている必要がある。この為、内側段差部26Aの側面とカバープレート27Aの周縁部との間に隙間ができる可能性がある。そこで、3Dプリンタ1は、内側段差部26Aの側面とカバープレート27Aとの間に透過性材料または遮光性材料を積層することにより封止29Aを形成する。このように形成された封止29Aは、レンズユニット5A内の気密性を高めることができる。
上記の実施形態によると、3Dプリンタ1は、レンズユニット5Aに撮像素子31が搭載された基板32を装着する際に生じる組立誤差に起因するレンズ21Aの光学性能のばらつきを、補償光学系28Aによって吸収することが可能になる。
なお、3Dプリンタ1は、上記の第1の実施形態で示したレンズユニット5のレンズ21の曲面24に遮光性材料を積層することにより、レンズ21の曲面24上の光が透過する領域を制限するフレア絞り30を形成する構成であってもよい。
図13は、フレア絞り30を形成する工程の例を示す説明図である。3Dプリンタ1は、例えば、撮像素子31に応じたレンズ21の曲面24上の有効領域を開口とした遮光性材料の樹脂構造の層をフレア絞り30として形成する。フレア絞り30は、レンズユニット5の鏡枠22内に撮像に関係の無い光が入射することを防ぐことができる。
また、上記の第2の実施形態では、カバープレート27Aに補償光学系28Aを形成する例について説明したがこの構成に限定されない。3Dプリンタ1は、第1の実施形態で示したレンズユニット5のレンズ21の曲面24上に補償光学系28を形成する構成であってもよい。
図14は、レンズ21の曲面24上に補償光学系28を形成する工程の例を示す説明図である。この場合、3Dプリンタ1は、第2の実施形態と同様に、レンズユニット5に撮像素子31を組み合わせて撮像装置6を製造する。さらに3Dプリンタ1は、撮像素子31により生成された画像信号に応じてレンズ21の光学特性を測定し、測定結果に応じて透過性材料をレンズ21の曲面24上に積層することによって補償光学系28を形成する。
また、上記の実施形態では、レンズユニット5は、レンズ21の光軸を中心とした軸対象な形状であると説明したが、この構成に限定されない。従来の方法によるとレンズを製造する際のガラスまたは樹脂の研削研磨を容易にするためにレンズを円形に製造しているが、3Dプリンタ1を用いてレンズユニットを製造する場合、如何なる形状でも同様の工程によってレンズユニットを製造することができる。
図15及び図16は、レンズユニット5及びレンズユニット5Aとは異なる形状で製造したレンズユニット5Bの例を示す説明図である。
レンズユニット5Bのレンズ21Bは、装着される撮像素子31の撮像面に結像される光が通る領域をカバーする範囲の有効領域を有する。有効領域は、結像対象の撮像素子31の撮像面の形状により定まる形状である。有効領域は、撮像素子31の撮像面に入射する光が透過するレンズ21B上の領域である。レンズ21Bは、製造誤差を考慮した上で少なくとも有効領域よりも大きい形状で形成されていればよい。例えば、3Dプリンタ1は、有効領域の形状により定まる形状でレンズ21Bの外形を形成する。具体的には、3Dプリンタ1は、図15及び16に示されるように、有効領域に相似した形状でレンズ21Bの外形を形成する。また、3Dプリンタ1は、レンズ21Bに対応した形状で鏡枠22Bの内部の形状を形成する。このような構成によると、レンズ21Bは、有効領域をカバーする通常の円形のレンズに比べて、撮像面に入射しない光が通る部分が無い為、レンズ21Bの有効領域外を通って鏡枠22B内に入射する光をカットすることができ、不要光の発生を抑制することができる。また、円形のレンズを用いたレンズユニットに比べてコンパクトに構成することができる。また、コンパクトに構成できる為、レンズユニット5の製造に要する樹脂材料を削減することができる。
なお、上記の実施形態では、樹脂構造をレンズユニット5の後端側から順に積層していくことによりレンズユニット5を製造する例について説明したがこの構成に限定されない。樹脂構造を積層する向きは、如何なる方向であってもよい。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
Claims (10)
- 光を透過する透過性材料と、光を遮光する遮光性材料とを切り替えつつ層を形成する層形成工程と、
前記層形成工程によって形成される前記層を積層して前記透過性材料によりレンズを形成するとともに前記遮光性材料により前記レンズを保持する鏡枠を形成する積層工程と、
を具備するレンズユニットの製造方法。 - 前記レンズを通る光の量を制限する円形絞りを前記鏡枠内に形成する工程をさらに具備する請求項1に記載のレンズユニットの製造方法。
- 前記レンズの面上の光が透過する領域を制限するフレア絞りを形成する工程をさらに具備する請求項1に記載のレンズユニットの製造方法。
- 前記レンズの外形は、結像対象の撮像素子の形状により定まる前記レンズの面上の有効領域に相似した形状で形成される請求項1に記載のレンズユニットの製造方法。
- 前記透過性材料により平板状であり且つ前記レンズを覆うカバープレートを形成する工程をさらに具備する請求項1に記載のレンズユニットの製造方法。
- 光を透過する透過性材料によって形成される透明部分と光を遮光する遮光性材料によって形成される遮光部分とのうちの少なくとも一方を含む層を積層して、前記透明部分によりレンズを形成するとともに前記遮光部分により前記レンズを保持する鏡枠を形成するレンズユニットの製造方法。
- 光を透過する透過性材料と、光を遮光する遮光性材料とを切り替えつつ層を形成する層形成工程と、
前記層形成工程によって形成される前記層を積層して前記透過性材料によりレンズを形成するとともに前記遮光性材料により前記レンズを保持する鏡枠を形成する積層工程と、
前記レンズの焦点位置に撮像素子を配置する撮像素子配置工程と、
を具備する撮像装置の製造方法。 - 前記撮像素子により前記レンズの光学性能を測定する測定工程と、
前記測定工程による結果に基づいて前記レンズに補償光学系を形成する補償光学系形成工程と、
をさらに具備する請求項7に記載の撮像装置の製造方法。 - 前記透過性材料により平板状であり且つ前記レンズを覆うカバープレートを形成する工程をさらに具備する請求項7に記載の撮像装置の製造方法。
- 前記撮像素子により前記レンズの光学性能を測定する測定工程と、
前記測定工程による結果に基づいて前記カバープレートに補償光学系を形成する補償光学系形成工程と、
をさらに具備する請求項9に記載の撮像装置の製造方法。
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