KR20130139962A - 집광 렌즈 및 다분할 렌즈 - Google Patents

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condensing
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condensing lens
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가나 오이
다카유키 니시카와
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파나소닉 주식회사
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Abstract

집광 렌즈는 제1 면과는 반대 측의 제2 면으로 이루어지는 렌즈면을 가지는 것이고, 렌즈면이 복수의 렌즈 기능면으로 이루어진다. 집광 렌즈는, 렌즈 기능면 각각이 타원추의 측면의 일부로 이루어지고, 제1 면 위의 각 점의 법선 중 타원추의 측면의 일부로 이루어지는 렌즈 기능면에 교차하는 임의의 법선과, 상기 임의의 법선이 교차하는 렌즈 기능면에 대응하는 타원추의 중심축이, 비평행이고, 또한 서로의 중심축이 비평행이다.

Description

집광 렌즈 및 다분할 렌즈{COLLECTING LENS AND MULTI-SEGMENT LENS}
본 발명은 집광 렌즈 및 다분할 렌즈에 관한 것이다.
종래부터, 도 15에 나타낸 바와 같이, 제1 면이 평면(110), 제2 면이 쌍곡면(120)이고, 쌍곡면(120)의 회전축(C)을 평면(110)의 법선(H)과 각도 θ를 이루도록 경사지게 한 집광 렌즈(101)가 알려져 있다(일본 특허공고공보 제1995-36041호: 특허문헌 1이라고 함). 도 15에 나타낸 구성의 집광 렌즈(101)에서는, 회전축(C)에 대하여 어떤 각도 δ로 입사하여 집광 렌즈(101) 내에서 쌍곡면(120)의 회전축(C)과 평행하게 되는 광선이, 초점(F)에 무수차로 집광된다. 그리고, 각도δ는, 집광 렌즈(101)의 굴절률을 n이라고 하면, 스넬의 법칙, 즉 sin(θ＋δ)=nsinθ를 만족시키는 각도이다. 따라서, 도 15의 집광 렌즈(101)에서는, 축외 수차의 발생을 억제할 수 있고, 평면(110)의 법선(H)에 비스듬히 교차하는 방향으로부터의 광선을 효율적으로 집광하는 것이 가능해진다.
그리고, 특허문헌 1에 개시된 집광 렌즈(101)는 대상으로 하는 광선이 적외선이며, 특허문헌 1에는, 렌즈 재료로서 폴리에틸렌을 사용하는 것이 개시되어 있다.
또한, 특허문헌 1에는, 복수의 집광 렌즈가 배열되고 각 집광 렌즈의 초점이 동일 위치인 다분할 렌즈가 기재되어 있다.
또한, 특허문헌 1에는, 도 16의 A 및 B에 나타낸 바와 같이, 집광 렌즈(101)를 프레넬 렌즈(Fresnel lens)로 하고, 축외 수차의 발생을 억제하기 위해, 제2 면의 각 쌍곡면(121, 122, 123)이 공유하는 회전축(C)을, 제1 면인 평면(110)에 대하여 비스듬히 교차시킨 것이 제안되어 있다. 여기에서, 각 쌍곡면(121, 122, 123) 각각이 렌즈면을 구성하고 있다.
특허문헌 1에는, 도 16의 A 및 B의 집광 렌즈(101)에서는, 각 쌍곡면(121, 122, 123)이 공유하는 회전축(C)과 평면(110)이 이루는 각도에 따라, 초점에 무수차로 집광하는 평행 광선과 평면(110)의 법선(H)과의 사이에 각도를 갖게 할 수 있는 것이 기재되어 있다. 따라서, 도 16의 A 및 B의 집광 렌즈(101)에서는, 축외 수차의 발생을 억제할 수 있고, 평면(110)의 법선(H)에 비스듬히 교차하는 방향으로부터의 광선을 효율적으로 집광하는 것이 가능해진다.
또한, 종래부터, 단일의 원추면을 가지는 액시콘 렌즈(axicon lens)에 비해 초점 심도를 깊게 할 수 있는 액시콘 렌즈가 제안되어 있다(일본 공개특허공보 제2009―82958호: 특허문헌 2라고 함).
특허문헌 2에는, 도 17의 A, B, C에 나타낸 바와 같이, 원추면으로 이루어지는 렌즈면과 광축(OX)이 이루는 각도가 상이한 3개의 렌즈 부재(221a, 221b, 221c)를 준비하고, 3개의 렌즈 부재(221a, 221b, 221c)를 도 17의 D에 나타낸 바와 같이 광축 방향으로 배치시킴으로써, 단일의 원추면을 가지는 액시콘 렌즈에 비하여, 초점 심도(depth of focus)를 깊게 할 수 있는 취지가 기재되어 있다. 또한, 특허문헌 2에는, 전술한 3개의 렌즈 부재(221a, 221b, 221c)를 조합시키면, 3개의 원추면을 가지는 액시콘 렌즈를 얻을 수 있지만, 도 17의 E에 나타낸 바와 같이, 스플라인 곡선(자유 곡선)으로 렌즈면(213)을 구성한 액시콘 렌즈가 제안되어 있다. 이 도 17의 E에 나타낸 구성의 액시콘 렌즈에 있어서도, 단일의 원추면을 가지는 액시콘 렌즈에 비하여, 초점 심도를 깊게 할 수 있다.
또한, 종래부터, 초점 위치를 거의 동일한 것으로 하는 복수 개의 렌즈가 일 평면 상에서 조합된 다분할 렌즈와, 상기 초점 위치에 배치된 수광 소자인 적외선 검지 소자를 구비한 광학식 검지 장치가 제안되어 있다(예를 들면, 일본 특허공보 제3090336호: 특허문헌 3이라고 함, 일본 특허공보 제3090337호: 특허문헌 4라고 함).
특허문헌 3, 4에 개시된 다분할 렌즈의 각 렌즈는, 제1 면이 평면, 제2 면이 제1 면의 법선에 대하여 비스듬히 교차하는 주축(主軸)을 가지는 쌍곡면이다. 또한, 특허문헌 3, 4에 개시된 다분할 렌즈는 대상으로 하는 광선이 적외선이며, 렌즈 재료로서 폴리에틸렌을 사용하는 것이 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 3, 4에는, 다분할 렌즈를 사출 성형에 의해 제작하는 것이 기재되어 있다.
특허문헌 1에 개시된 도 15의 집광 렌즈(101)에서는, 쌍곡면(120)의 회전축(C)이 평면(110)의 법선(H)에 대하여 비스듬히 교차하고 있고, 쌍곡면(120)이 평면(110)의 법선(H)에 대하여 회전 대칭은 아니다. 그러므로, 집광 렌즈(101)나 그 집광 렌즈(101)용의 금형은, 선반 등에 의한 회전 가공으로 제작하는 것이 곤란하다.
또한, 도 16의 A 및 B의 집광 렌즈(101)에서는, 출사면을 구성하는 각 쌍곡면(121, 122, 123)의 회전축(C)이 입사면인 평면(110)의 법선(H)에 대하여 비스듬히 교차하고 있고, 각 쌍곡면(121, 122, 123)이 평면(110)의 법선(H)에 대하여 회전 대칭은 아니다. 그러므로, 집광 렌즈(101)나 집광 렌즈(101)용의 금형을 선반 등에 의한 회전 가공으로 제작하는 것이 곤란하다.
그래서, 전술한 도 15, 도 16의 A 및 B의 집광 렌즈(101)나 집광 렌즈(101)용의 금형의 제작 시에는, 다축 제어의 가공기를 사용하고, 도 18에 나타낸 바와 같이 노즈(nose) 반경(코너 반경이라고도 함)이 수 ㎛인 예리한 바이트(공구)(130)의 날 끝만을 공작물(140)에 점 접촉시켜 미소 피치로 절삭 가공을 행함으로써, 쌍곡면(120, 121, 122, 123) 또는 그 쌍곡면(120, 121, 122, 123)에 따른 곡면을 형성할 필요가 있다. 공작물(140)은 집광 렌즈(101)를 직접 형성하기 위한 기재(基材)나, 금형을 형성하기 위한 기재이다. 그러므로, 전술한 집광 렌즈(101)나 집광 렌즈(101)용 금형의 제작에서의 가공 시간이 길어져, 집광 렌즈(101)의 비용 상승의 요인이 된다.
또한, 전술한 다분할 렌즈는, 각 렌즈의 제2 면이 제1 면의 법선에 대하여 비스듬히 교차한 쌍곡면이며, 제1 면의 법선에 대하여 회전 대칭은 아니기 때문에, 상기 다분할 렌즈용의 금형을 선반 등에 의한 회전 가공으로 제작하는 것이 곤란하다.
또한, 특허문헌 2에 개시된 액시콘 렌즈는, 렌즈 두께 방향에 대하여 비스듬한 방향으로부터 입사하는 광선을 초점에 집광시킬 수 없다. 요컨대, 특허문헌 2에 개시된 액시콘 렌즈는, 특허문헌 1에 개시된 집광 렌즈(101)와 같이 제1 면(평면(110))에 대하여 비스듬한 방향으로부터 입사하는 광선을 초점(F)에 집광시키는 것, 바꾸어 말하면, 렌즈 두께 방향에 대하여 광축이 비스듬히 교차한(경사진) 집광 렌즈(101)와는 용도가 상이하다.
본 발명은 상기 사유를 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 외계로부터 제1 면에 비스듬히 입사하는 입사광을 이용하는 경우에 축외 수차의 발생을 억제하는 것이 가능하고, 또한 저비용화가 가능한 집광 렌즈 및 다분할 렌즈를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 집광 렌즈는, 제1 면과는 반대 측의 제2 면이 적어도 1개의 렌즈면을 포함하는 집광 렌즈로서, 상기 렌즈면은 복수의 렌즈 기능면으로 이루어지고, 상기 각 렌즈 기능면이 타원추의 측면의 일부로 이루어지고, 상기 제1 면 위의 각 점의 법선 중 상기 타원추의 측면의 일부로 이루어지는 상기 렌즈 기능면에 교차하는 임의의 법선과, 상기 임의의 법선이 교차하는 상기 렌즈 기능면에 대응하는 상기 타원추의 중심축이, 비평행(非平行, non-parallel)이고, 또한 서로의 상기 중심축이 비평행인 것을 특징으로 한다.
이 집광 렌즈에 있어서, 바깥쪽에 위치하는 상기 렌즈 기능면에 대응하는 상기 타원추일수록, 상기 중심축과 상기 법선이 이루는 각도가 큰 것이 바람직하다.
이 집광 렌즈에 있어서, 복수의 상기 렌즈면을 가지는 프레넬 렌즈인 것이 바람직하다.
이 집광 렌즈에 있어서, 복수의 상기 렌즈면과 그 복수의 상기 렌즈면보다 안쪽에 있는 중앙 렌즈면을 가지고, 상기 중앙 렌즈면은, 곡률이 연속하여 변화하는 비구면의 일부로 이루어지고, 상기 제1 면 위의 각 점의 법선 중 상기 비구면의 일부로 이루어지는 상기 중앙 렌즈면에 교차하는 임의의 법선과, 상기 임의의 법선이 교차하는 상기 중앙 렌즈면에 대응하는 상기 비구면의 대칭축이, 비평행인 것이 바람직하다.
이 집광 렌즈에 있어서, 상기 비구면은 쌍곡면인 것이 바람직하다.
이 집광 렌즈에 있어서, 렌즈 재료가 폴리에틸렌이고, 상기 제1 면이 상기 제2 면 측과는 반대 측으로 볼록해지는 곡면인 것이 바람직하다.
본 발명의 다분할 렌즈는 복수 개의 렌즈가 일면 상에서 조합된 다분할 렌즈이고, 상기 각 렌즈가 상기 집광 렌즈로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
도 1은 실시형태 1의 집광 렌즈의 기하학적인 형상의 설명도이다.
도 2는 실시형태 1의 집광 렌즈의 단면도이다.
도 3은 실시형태 1의 집광 렌즈에 입사하는 광선의 진행 경로의 설명도이다.
도 4의 A는 실시형태 2의 다분할 렌즈의 응용예를 나타낸 개략 단면도이고, 도 4의 B는 실시형태 2의 다분할 렌즈의 응용예에서의 주요부 개략 저면도이다.
도 5는 실시형태 3의 집광 렌즈의 기하학적인 형상의 설명도이다.
도 6은 실시형태 4의 집광 렌즈의 기하학적인 형상의 설명도이다.
도 7은 실시형태 4의 집광 렌즈의 단면도이다.
도 8은 실시형태 4의 집광 렌즈에 입사하는 광선의 진행 경로의 설명도이다.
도 9는 실시형태 4의 집광 렌즈의 제작 방법의 설명도이다.
도 10의 A는 실시형태 5의 다분할 렌즈의 응용예를 나타낸 개략 단면도이고, 도 10의 B는 실시형태 5의 다분할 렌즈의 응용예에서의 주요부 개략 저면도이다.
도 11은 실시형태 6의 집광 렌즈의 기하학적인 형상의 설명도이다.
도 12는 실시형태 6의 집광 렌즈의 제조 방법의 설명도이다.
도 13은 종래의 수차가 없는 렌즈의 원리 설명도이다.
도 14는 실시형태 7의 집광 렌즈의 기하학적인 형상의 설명도이다.
도 15는 종래예의 집광 렌즈의 단면도이다.
도 16의 A는 종래예의 프레넬 렌즈의 평면도이고, 도 16의 B는 종래예의 프레넬 렌즈의 단면도이다.
도 17의 A∼E는 액시콘 렌즈를 설명하기 위한 개략도이다.
도 18은 종래예의 프레넬 렌즈의 제작 방법의 설명도이다.
(실시형태 1)
이하에서는, 본 실시형태의 집광 렌즈(1)에 대하여, 1∼도 3을 참조하면서 설명한다.
본 실시형태의 집광 렌즈(1)는, 제1 면(10)과는 반대 측의 제2 면(20)으로 이루어지는 렌즈면(21)을 가진다. 집광 렌즈(1)는, 광축(도시하지 않음)이 렌즈 두께 방향(도 1의 상하 방향)에 대하여 비스듬히 교차하는(경사지는) 것이다.
렌즈면(21)은 복수의 렌즈 기능면(경사면)(23)으로 이루어진다. 이 렌즈면(21)은 렌즈 두께 방향으로 교차하는 가상면(假想面)(VP)을 경계로 하여 그 가상면(VP)과 이루는 각도가 상이한 렌즈 기능면(23)으로 나뉘어져 있다. 견해를 바꾸면, 집광 렌즈(1)의 제2 면(20) 측은, 도 2에 나타낸 바와 같이, 렌즈 두께 방향에 있어서 1개의 가상면(VP)의 양측에 존재하는 층(251, 252)을 적층하고, 층(251, 252) 사이의 경계를 없애고, 다른 1개의 가상면(VP)의 양측에 존재하는 층(252, 253)을 적층하고, 층(252, 253) 사이의 경계를 없앤 것과 동일한 구조로 되어 있다. 여기에서, 각 가상면(VP)은 렌즈 두께 방향으로 교차하도록 규정하고 있다.
집광 렌즈(1)는, 각 렌즈 기능면(23)이 각각, 타원추(30)의 측면의 일부로 이루어지고, 제1 면(10) 위의 각 점의 법선 중 타원추(30)의 측면의 일부로 이루어지는 렌즈 기능면(23)에 교차하는 임의의 법선과, 그 임의의 법선이 교차하는 렌즈 기능면(23)에 대응하는 타원추(30)의 중심축이, 비평행이고(즉, 경사져 있다), 또한 서로의 중심축이 비평행이다(즉, 경사져 있다). 여기에서, 각 타원추(30)는, 제2 면(20) 측에 정점(頂点)이 위치하는 동시에 제1 면(10) 측에 바닥면(도시하지 않음)이 위치하고 있다. 또한, 각 타원추(30)의 중심축(도시하지 않음)은, 제1 면(10)의 각 점의 각각에 있어서의 법선에 대하여 비스듬히 교차한다. 또한, 집광 렌즈(1)는, 제1 면(10) 상의 점과, 그 점에서의 법선이 렌즈 기능면(23)에 교차하는 점을 연결하는 방향을 렌즈 두께 방향과 규정한 경우, 제1 면(10)이 평면이면, 제1 면(10) 위의 각 점에서의 법선을 따른 방향이 렌즈 두께 방향이 된다. 본 실시형태의 집광 렌즈(1)는, 제1 면(10)이 평면이므로, 각 타원추(30) 각각의 중심축은, 렌즈 두께 방향에 대하여 비스듬히 교차한다. 따라서, 집광 렌즈(1)는, 각 렌즈 기능면(23) 각각이, 제2 면(20) 측에 정점이 위치하는 동시에, 제1 면(10) 측에 바닥면(도시하지 않음)이 위치하고 또한 중심축이 렌즈 두께 방향에 대하여 비스듬히 교차하는 타원추(30)의 측면의 일부에 의해 구성되어 있다. 그리고, 전술한 가상면(VP)은 그 가상면(VP)의 양측에 있는 2개의 렌즈 기능면(23) 각각에 대응하는 2개의 타원추(30)끼리의 교선(交線)을 포함하는 면이다.
또한, 집광 렌즈(1)는, 바깥쪽에 위치하는 렌즈 기능면(23)에 대응하는 타원추(30)일수록, 중심축과 법선이 이루는 각도가 크다.
도 3에는, 제1 면(10)을 입사면, 제2 면(20)을 출사면으로 한 경우에 대하여, 광선의 진행 경로를 가는 실선으로 나타내고 화살표를 부여하고 있다. 본 실시형태의 집광 렌즈(1)에서는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 집광 렌즈(1)의 제1 면(10)의 법선에 비스듬히 교차하는 방향(집광 렌즈(1)의 렌즈 두께 방향으로 비스듬히 교차하는 방향)으로부터 제1 면(10)에 입사한 광선이, 집광 렌즈(1)의 제2 면(20) 측의 1개의 초점 F(F0) 부근에 집광되어 있는 것이 알 수 있다. 제1 면(10)에 입사각 α1로 입사하는 광선은 제1 면(10)에서 굴절하지만, 그 굴절각을 α2라고 하면, α2는 스넬의 법칙에 의해 구할 수 있다. 여기서는, 제1 면(10)이 접하고 있는 매질의 굴절률을 n1, 렌즈 재료의 굴절률을 n2라고 하면, 스넬의 법칙에 의해,
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가 된다. 따라서, 본 실시형태의 집광 렌즈(1)에서는, 일례로서, 매질이 공기로 n1=1, 렌즈 재료가 폴리에틸렌으로 n2=1.53이라고 하고, α1=45°라고 하면, α2= 27.5°가 된다. 본 실시형태의 집광 렌즈(1)에서는, 각 렌즈 기능면(23)을 전술한 타원추(30)의 측면의 일부에 의해 구성함으로써, 굴절각 α2로 굴절한 평행광을 초점(F) 부근에 집광시키는 것이 가능해진다. 이 점에 대해서는, 광선 추적법에 의한 시뮬레이션에 의해 확인하고 있다.
본 실시형태의 집광 렌즈(1)에서는, 제1 면(10)이 평면이므로, 각 가상면(VP)은 제1 면에 평행한 평면이고, 또한 타원추(30)의 중심축은, 제1 면(10) 위의 각 점의 각각에 있어서의 법선에 대하여 비스듬히 교차한다. 그리고, 렌즈 두께 방향을 따른 1개의 가상 직선을 포함하는 단면 형상(여기서는, 제1 면(10)의 법선(H)을 포함하는 단면 형상)에 있어서, 제1 면(10)에 평행한 면과 렌즈 기능면(23)이 이루는 각도는 둔각이다.
본 발명자들은, 축외 수차의 발생을 억제하는 것이 가능하고, 또한 저비용화가 가능하다는 과제를 해결하기 위해, 먼저, 제2 면(20)을, 주축이 제1 면(10)의 법선에 대하여 비스듬히 교차하는 복수의 쌍곡면(이엽(二葉) 쌍곡면의 한쪽의 쌍곡면) 각각의 일부에 의해 구성한 기본 구조에 관하여, 렌즈 두께 방향을 따른 1개의 가상 직선을 포함하는 단면 형상에 있어서, 복수의 쌍곡면 각각의 상기 일부를 직선으로 근사하는 것을 생각하였다.
여기서, 쌍곡면은, 그 쌍곡면의 회전축과 직교하는 단면 위의 각 점에서의 접선의 집합이 원추(원뿔)가 된다. 따라서, 출사면에서의 각 렌즈 기능면의 형상이 입사면의 법선을 회전축으로 하여 회전 대칭이 되는 집광 렌즈에 있어서는, 각 렌즈 기능면을 원추의 측면의 일부에 의해 근사할 수 있다.
그런데, 임의의 평면의 중심을 원점으로 하여, 그 임의의 평면에 있어서 서로 직교하는 x축과 y축을 규정하고, 그 임의의 평면과 직교하는 z축을 규정한 직교 좌표계에 있어서는, 원추의 임의의 점의 좌표를 (x, y, z)로 하고, b, c를 계수로 하여, 원추의 방정식은 하기의 표준형으로 표현된다.
Figure pct00002
이 표준형으로 표현되는 원추에서는, xy 평면에 평행한 면과의 교선이 원이 된다.
따라서, 이 원추를 xy 평면과 평행한 2개의 면으로 잘라낸 원추대에서는, 전술한 기준 구조에서의 쌍곡면의 상기 일부를 근사시킬 수는 없다.
본 발명자들은, 전술한 기준 구조에서의 쌍곡면의 주축에 비스듬히 교차하는 평면과 각 쌍곡면과의 교선이 타원이 되는 점에 주목하고, 렌즈면(21)에서의 복수의 렌즈 기능면(23) 각각을, 제2 면(20) 측에 정점(P)이 위치하는 동시에, 제1 면(10) 측에 바닥면(도시하지 않음)이 위치하고 또한 중심축(도시하지 않음)이 렌즈 두께 방향에 대하여 비스듬히 교차하는 타원추(30)의 측면의 일부에 의해 구성하는 것을 생각하였다.
각 렌즈 기능면(23)에 대해서는, 직선(40)(도 1에서는 파선(破線)으로 나타내고 있다)의 집합(직선군)에 의해 만들어지는 연속면이고, 직선군을 구성하는 모든 직선(40)이 교차하는 1점이 전술한 타원추(30)의 정점(P)이 되어 있다. 따라서, 전술한 각 층(251, 252, 253)의 두께가 미소하면, 쌍곡면의 일부를 타원추(30)의 측면의 일부에 의해 근사할 수 있어 렌즈 두께 방향을 따른 1개의 가상 직선을 포함하는 단면 형상에 있어서, 쌍곡면의 상기 일부를 직선으로 근사할 수 있다. 그리고, 도 1에서는, 2개의 가상면(VP) 중 아래의 가상면(VP)의 아래쪽에 있는 렌즈 기능면(23)에 대응하는 타원추(30)의 정점(P)을 P1으로 하고 있다. 또한, 도 1에서는, 아래의 가상면(VP)의 위쪽에 있는 렌즈 기능면(23)에 대응하는 타원추(30)의 정점(P)을 P2로 하고 있다. 또한, 도 1에서는, 위의 가상면(VP)의 위쪽에 있는 렌즈 기능면(23)에 대응하는 타원추(30)의 정점(P)을 P3으로 하고 있다.
임의의 평면의 중심을 원점으로 하여, 그 임의의 평면에 있어서 서로 직교하는 x축과 y축을 규정하고, 그 임의의 평면과 직교하는 z축을 규정한 직교 좌표계에 있어서는, 타원추의 임의의 점의 좌표를 (x, y, z)로 하고, a, b, c를 계수로 하여, 타원추의 방정식은 하기의 표준형으로 표현된다.
Figure pct00003
이 표준형으로 표현되는 타원추에서는, xy 평면과 평행한 면과의 교선이 타원이 된다. 여기서, 도 1∼도 3의 왼쪽 아래에 도시한 직교 좌표계와 같이, 렌즈 두께 방향과 직교하는 면 내(여기서는, 제1 면(10)에 평행한 면 내)에서 x축과 y축을 규정하고 렌즈 두께 방향을 따른 z축을 규정한 직교 좌표계에 대하여, 적절한 좌표 변환을 행하여 새로운 직교 좌표계를 규정함으로써, 렌즈 두께 방향에 대하여 비스듬히 교차하는 타원추(30)를 전술한 표준형으로 나타낼 수 있다.
이하에서는, 설명의 편의상, 도 1의 집광 렌즈(1)에 있어서, 3개의 타원추(30)에 각각 상이한 부호를 부여하여 설명한다. 여기서는, 중앙의 렌즈 기능면(23)에 대응하는 것을 타원추 300, 중앙의 렌즈 기능면(23)에 가장 가까운 렌즈 기능면(23)에 대응하는 것을 타원추 301, 중앙의 렌즈 기능면(23)에 2번째로 가까운 렌즈 기능면(23)에 대응하는 것을 타원추 302로 한다. 요컨대, 중앙의 렌즈 기능면(23)에 대응하는 타원추(30)를 제외한 타원추(30) 중, 중앙의 렌즈 기능면(23)에 가까운 측에서부터 차례로 세어 n(n≥1)번째의 렌즈 기능면(23)에 대응하는 것을 타원추 30n으로 한다. 또한, 여기서는, 각 타원추(300, 301, 302) 각각의 정점(P, P, P)을 정점 P0, P1, P2로 하고, 각 타원추(300, 301, 302) 각각의 중심축을 CA0, CA1, CA2로 한다. 요컨대, 여기서는, 중앙의 렌즈 기능면(23)에 가까운 측에서부터 차례로 세어 n(n≥1)번째의 렌즈 기능면(23)에 대응하는 타원추(30n)의 정점을 Pn으로 하고, 그 타원추(30n)의 중심축을 CAn으 한다. 그리고, 각 타원추(300, 301, 302) 각각에 대하여, 정점(P0, P1, P2)을 원점으로 하여, 중심축(CA0, CA1, CA2)을 z축으로 하고, z축과 직교하는 단면에서의 타원의 장경(長徑) 방향을 따라 x축, 단경(短徑) 방향을 따라 y축을 규정한 직교 좌표계를 정의한다. 그러면 각 타원추(300, 301, 302)의 식은, 각 직교 좌표계에 있어서, 전술한 타원추의 방정식(표준형)으로 나타낼 수 있다.
일 실시예의 집광 렌즈(1)로서, 각각 타원추(30)의 측면의 일부로 이루어지는 3개의 렌즈 기능면(23)을 구비한 것을 예시한다. 이 일 실시예의 집광 렌즈(1)에 있어서, 3개의 타원추(30) 중 중앙의 렌즈 기능면(23)에 대응하는 것을 타원추 300, 더 바깥쪽의 렌즈 기능면(23)에 대응하는 것을 타원추 301, 더욱더 바깥쪽의 렌즈 기능면(23)에 대응하는 것을 타원추 302로 한다. 이 일 실시예의 집광 렌즈(1)에서는, 제2 면(20)의 고저차(t)(도 1 참조)를 3㎜, 렌즈 재료를 굴절률이 1.53인 폴리에틸렌으로 한 경우, 전술한 타원추의 방정식(표준형)에서의 계수 a, b, c가 표 1에 나타낸 값이 된다. 단, 표 1에 나타낸 계수 a, b, c는, 집광 렌즈(1)의 제1 면(10)에 평행한 상면(像面)(I)으로부터 제1 면(10)에 평행한 기준면(여기서는, 정점(P0)의 위치로부터 렌즈 두께 방향에 있어서 제1 면(10) 측으로 전술한 고저차(t)만큼 이격된 점을 포함하고 또한 제1 면(10)에 평행한 면)까지의 거리(d)(도 1 참조)를 10㎜로 하고, 입사각 45°로 입사하는 광선을 초점(F)에 집광시키는 것을 전제 조건으로 하여 구한 값이다. 그리고, 각 정점(P0, P1, P2)의 상대적인 위치 관계에 대해서는, 예를 들면, 집광 렌즈(1)의 초점(F)을 원점으로 하고, 초점(F)을 포함하는 상면(I) 상에 서로 직교하는 X축, Y축을 규정하고, 상면(I)과 직교하는 방향으로 Z축을 규정한 직교 좌표계를 정의한 경우, 정점(P0, P1, P2)의 좌표 (X, Y, Z)로 나타낼 수 있다. 이 일 실시예에서는, P0=(―6.78, 0, 7.00), P1=(―5.63, 0, 6.40), P2=(―4.97, 0, 6.05)가 된다.
[표 1]
Figure pct00004
또한, 이 일 실시예의 집광 렌즈(1)는, 타원추(300)에 대하여, 정점(P0)을 원점으로 하여, 중심축(CA0)이 제1 면(10)에 교차하는 점에 세운 법선(H0)과 중심축(CA0)이 이루는 각도를 θ0, 타원추(301)에 대하여, 정점(P1)을 원점으로 하여, 중심축(CA1)이 제1 면(10)에 교차하는 점에 세운 법선(H1)과 중심축(CA1)이 이루는 각도를 θ1, 타원추(302)에 대하여, 정점(P2)을 원점으로 하여, 중심축(CA2)이 제1 면(10)에 교차하는 점에 세운 법선(H2)과 중심축(CA2)이 이루는 각도를 θ2라고 하면, θ0∼θ2는, 하기의 표 2에 나타낸 값이 된다.
[표 2]
Figure pct00005
표 2로부터, 집광 렌즈(1)는, 렌즈 기능면(23)에 교차하는 임의의 법선과, 그 임의의 법선이 교차하는 렌즈 기능면(23)에 대응하는 타원추(30)의 중심축이, 비평행이고, 또한 타원추(300, 301, 302)의 중심축이 서로 비평행인 것이 알 수 있다.
또한, 표 2로부터, 집광 렌즈(1)는, 바깥쪽에 위치하는 렌즈 기능면(23)에 대응하는 타원추(30)일수록, 중심축과 법선이 이루는 각도가 큰 것을 알 수 있다.
본 실시형태의 집광 렌즈(1)에서는, 렌즈 두께 방향을 따른 1개의 가상 직선을 포함하는 단면 형상에 있어서, 렌즈면(21)에서의 복수의 렌즈 기능면(23) 각각의 형상이 직선이 된다. 이로써, 본 실시형태의 집광 렌즈(1)에서는, 바이트를 공작물(집광 렌즈(1)를 직접 형성하기 위한 기재나, 금형을 형성하기 위한 기재)에 대하여 기울여 날의 측면을 선 접촉시켜 절삭 가공을 행함으로써, 렌즈면(21) 또는 렌즈면(21)에 따른 곡면의 형성이 가능해진다. 따라서, 본 실시형태의 집광 렌즈(1)에서는, 집광 렌즈(1)나 집광 렌즈(1)용의 금형의 제작 시에 있어서 바이트에 의한 공작물의 가공 시간을 단축하는 것이 가능해진다. 집광 렌즈(1)의 재료인 렌즈 재료에 대해서는, 광선의 파장 등에 따라 적절히 선택하면 되고, 예를 들면, 플라스틱(폴리에틸렌, 아크릴 수지 등), 유리, 실리콘, 게르마늄 등에서, 적절히 선택하면 된다. 예를 들면, 광선의 파장이 적외선의 파장 영역에 있는 경우에는, 폴리에틸렌, 실리콘, 게르마늄 등을 선택하면 되고, 광선의 파장이 가시광의 파장 영역에 있는 경우에는, 아크릴 수지, 유리 등을 선택하면 된다. 또한, 금형의 재료는 특별히 한정하는 것은 아니지만, 예를 들면, 인청동 등을 채용할 수 있다. 그리고, 금형을 사용하여 집광 렌즈(1)를 성형하는 경우에는, 예를 들면, 사출 성형법이나 압축 성형법 등에 의해 성형하면 된다.
이상 설명한 본 실시형태의 집광 렌즈(1)는, 제1 면(10)과는 반대 측의 제2 면(20)이 1개의 렌즈면(21)을 가지는 것이고, 렌즈면(21)이 복수의 렌즈 기능면(23)으로 이루어지고, 각 렌즈 기능면(23)이 타원추(30)의 측면의 일부에 의해 구성되어 있다. 여기서, 본 실시형태의 집광 렌즈(1)는, 제1 면(10) 위의 각 점의 법선 중 타원추(30)의 측면의 일부로 이루어지는 렌즈 기능면(23)에 교차하는 임의의 법선과, 그 임의의 법선이 교차하는 렌즈 기능면(23)에 대응하는 타원추(30)의 중심축이, 비평행이다. 또한, 복수의 렌즈 기능면(23)은 서로의 중심축이 비평행이다. 따라서, 본 실시형태의 집광 렌즈(1)에서는, 외계로부터 제1 면(10)에 비스듬히 입사하는 입사광을 이용하는 경우에 축외 수차의 발생을 억제하는 것이 가능하고, 또한 저비용화가 가능해진다. 이 집광 렌즈(1)에 있어서는, 바깥쪽에 위치하는 렌즈 기능면(23)에 대응하는 타원추(30)일수록, 중심축과 법선이 이루는 각도가 큰 것이 바람직하다. 이로써, 집광 렌즈(1)는, 축외 수차의 발생을 더욱 억제하는 것이 가능해지고, 또한 저비용화가 가능해진다.
더 설명하면, 본 실시형태의 집광 렌즈(1)에서는, 렌즈면(21)이, 렌즈 두께 방향으로 교차하는 가상면(VP)을 경계로 하여 그 가상면(VP)과 이루는 각도가 상이한 렌즈 기능면(23)으로 나뉘어져 있다. 그리고, 본 실시형태의 집광 렌즈(1)에서는, 각 렌즈 기능면(23)이, 제2 면(20) 측에 정점(P)이 위치하는 동시에, 제1 면(10) 측에 바닥면이 위치하고 또한 중심축이 렌즈 두께 방향에 대하여 비스듬히 교차하는 타원추(30)의 측면의 일부에 의해 구성되어 있다. 따라서, 본 실시형태의 집광 렌즈(1)에서는, 렌즈 두께 방향에 대하여 광축이 비스듬히 교차한다. 또한, 본 실시형태의 집광 렌즈(1)에서는, 축외 수차의 발생을 억제하는 것이 가능하고, 또한 저비용화가 가능해진다. 특히, 본 실시형태의 집광 렌즈(1)에서는, 집광 렌즈(1)의 대(大)구경화를 도모하는 경우에, 공작물(집광 렌즈(1)를 직접 형성하기 위한 기재나, 금형을 형성하기 위한 기재)에 대한 가공 시간의 대폭적인 단축을 도모하는 것이 가능해지고, 저비용화를 도모할 수 있다.
또한, 본 실시형태의 집광 렌즈(1)에서는, 각 가상면(VP)을 렌즈 두께 방향으로 교차하도록 규정하도록 하고 있으므로, 각 렌즈 기능면(23)의 설계가 용이하게 되는 동시에, 전술한 절삭 가공을 행하는 경우에 바이트의 높이 조정이 용이하게 된다. 또한, 본 실시형태의 집광 렌즈(1)에서는, 렌즈 형상의 정밀도를 검사할 때, 각 렌즈 기능면(23)의 경사를 계측함으로써, 용이하게 검사할 수 있게 되고, 제조 비용의 저비용화를 도모된다. 그리고, 가상면(VP)의 수는 2개에 한정되지 않고, 1개라도 되고, 3개 이상이라도 된다. 요컨대, 가상면(VP)의 수는 단수라도, 복수라도 된다.
(실시형태 2)
본 실시형태에서는, 다분할 렌즈의 응용예로서, 도 4의 A 및 B에 나타낸 구성의 센서 장치를 예시한다.
이 센서 장치에서는, 인쇄 배선판으로 이루어지는 회로 기판(8)에 패키지(4)가 실장되어 있다. 이 패키지(4)는 원반형의 스템(5)과, 이 스템(5)에 접합되는 바닥이 있는 원통형의 캡(6)과, 이 캡(6)의 바닥부에 형성된 개구부(6a)를 폐색(閉塞)하도록 배치되고 원하는 광선을 투과하는 기능을 가지는 광선 투과 부재(7)로 구성되어 있다. 또한, 패키지(4) 내에는, 광전 변환 소자(2)를 유지한 소자 지지 부재(예를 들면, MID 기판 등)(3)가 수납되어 있다. 그리고, 센서 장치는, 다분할 렌즈(100)를 가지는 커버 부재(9)가 패키지(4)를 덮도록 회로 기판(8)의 일 표면 측에 배치되어 있다. 여기에 있어서, 광전 변환 소자(2)로서는, 예를 들면, 초전(焦電) 소자 등의 적외선 센서 소자나, 포토다이오드(photodiode) 등의 수광 소자 등을 사용할 수 있다. 그리고, 광전 변환 소자(2)로서 적외선 센서 소자를 사용하는 경우에는, 광선 투과 부재(7)로서 실리콘 기판이나 게르마늄 기판 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 이 경우, 패키지(4)는, 스템(5)과 캡(6) 양쪽 모두를 금속 재료에 의해 형성하고, 광선 투과 부재(7)와 캡(6)을 도전성 재료에 의해 접합하는 것이 바람직하다. 또한, 이 경우, 센서 장치는, 커버 부재(9)와 패키지(4) 사이의 공간의 공기층이 단열층으로서 기능한다.
다분할 렌즈(100)는, 복수 개의 렌즈(100a)가 일면(도시한 예에서는, 일 평면) 상에서 조합된 것이며, 각 렌즈(100a) 각각이, 실시형태 1에서 설명한 집광 렌즈(1)에 의해 구성되어 있다. 단, 각 집광 렌즈(1)는, 각각의 광축(도시하지 않음)이 광전 변환 소자(2)의 소정의 수광면를 지나도록 설계되어 있다.
따라서, 본 실시형태에 있어서의 다분할 렌즈(100)에서는, 외계로부터 각 집광 렌즈(1)의 제1 면(10)에 비스듬히 입사하는 입사광을 이용하는 경우에 축외 수차의 발생을 억제하는 것이 가능하고, 또한 저비용화가 가능해진다.
요컨대, 본 실시형태에서의 다분할 렌즈(100)에서는, 렌즈 두께 방향에 대하여 광축이 비스듬히 교차하고, 또한 축외 수차의 발생을 억제할 수 있는 동시에, 저비용화가 가능해진다. 또한, 센서 장치에서는, 광전 변환 소자(2)로서, 예를 들면, 적외선 센서 소자를 사용한 경우에, 센서 장치로서 검지 영역이 넓은 적외선 센서를 실현하는 것이 가능해진다.
전술한 적외선 센서 소자를 구성하는 초전형(焦電型) 적외선 검지 소자로서는, 예를 들면, 1개의 초전체(焦電體) 기판에 4개의 소자 요소(element)(수광부)가 형성된 쿼드 타입(quad type)의 초전 소자를 사용할 수 있다. 센서 장치의 검지 영역은 적외선 센서 소자와 다분할 렌즈(100)에 의해 정해진다. 따라서, 센서 장치의 검지 영역에는, 각 집광 렌즈(1)마다, 소자 요소의 수의 검지 빔이 설정된다. 검지 빔은, 적외선 센서 소자로의 적외선의 입사량이 피크 부근이 되는 작은 범위로서, 검지 대상의 물체로부터의 적외선을 검출하는 유효 영역이며, 검출 영역이라고도 한다. 도 4의 A 및 B에 나타낸 센서 장치에서는, 다분할 렌즈(100)가 8개의 집광 렌즈(1)에 의해 구성되어 있으므로, 검지 영역 내에 8×4개의 검지 빔이 설정된다. 그리고, 다분할 렌즈(100)에서의 집광 렌즈(1)의 수는 특별히 한정하는 것은 아니다. 또한, 초전형 적외선 검지 소자로서는, 쿼드 타입의 초전 소자에 한정되지 않고, 예를 들면, 1개의 초전체 기판에 2개의 소자 요소(수광부)가 형성된 듀얼 타입(dual type)의 초전 소자 등을 사용할 수도 있다.
(실시형태 3)
이하에서는, 본 실시형태의 집광 렌즈(1)에 대하여, 도 5를 참조하면서 설명한다.
본 실시형태의 집광 렌즈(1)의 기본 구성은 실시형태 1과 거의 동일하다. 본 실시형태의 집광 렌즈(1)는, 제1 면(10)의 형상이 실시형태 1과 상위하다. 그리고, 실시형태 1과 동일한 구성요소에는 동일한 부호를 부여하여 설명을 생략한다.
그런데, 실시형태 1, 2의 집광 렌즈(1)에서는, 렌즈 재료로서 폴리에틸렌을 채용한 경우, 렌즈 두께(두께)가 1㎜라도, 제1 면(10)에 수직 입사하는 파장 10㎛부근의 적외선의 투과율이 40%이고, 렌즈 두께가 두꺼워질수록 투과율이 저하된다. 그리고, 집광 렌즈(1)의 렌즈 두께 방향에 대하여 경사진 방향으로부터 입사하는 입사광은, 집광 렌즈(1)의 최대 렌즈 두께(최대 두께)보다 광로 길이가 길어져 투과율이 지나치게 낮아질 염려가 있다. 또한, 폴리에틸렌에 의해 형성된 집광 렌즈(1)에서는, 두께의 변화가 큰 경우, 사출 성형의 냉각, 고화(固化) 과정에서 생기는 수축 불균일 등에 의해, 함몰 자국(sink mark)이 발생하고, 외관이 손상될 염려가 있다.
그래서, 렌즈 재료로서 폴리에틸렌을 채용하고 사출 성형에 의해 제작하는 경우, 집광 렌즈(1)는, 예를 들면, 도 5에 나타낸 바와 같이, 제1 면(10)을 제2 면(20) 측과는 반대 측으로 볼록해지는 곡면으로 하는 것이 바람직하다. 이 경우, 렌즈 두께 방향은, 제1 면(10) 위의 각 점의 각각에 있어서의 법선 방향이다. 본 실시형태의 집광 렌즈(1)는, 제1 면(10)을 제2 면(20) 측과는 반대 측으로 볼록해지는 곡면으로 함으로써, 너울거림의 방향을 한 방향으로 억제하는 것이 가능해지고, 외관이 손상되는 것을 방지하는 것이 가능해진다.
도 5에 나타낸 예에서는, 제1 면(10)이 곡률 반경이 큰 구면(곡률이 작은 곡면)의 일부로 이루어지지만, 구면의 일부로 한정하는 것은 아니다. 여기서, 곡률 반경이 크다는 것은, 제1 면(10)을 평면으로 간주할 수 있는 정도의 곡률 반경을 의미하고 있지만, 제1 면(10)의 곡률 반경에 대해서는, 집광 렌즈(1)의 렌즈 직경 등에 기초하여 적절히 설계하면 된다.
즉, 집광 렌즈(1)는, 축외 수차가 허용값을 넘지 않는 범위(예를 들면, 전술한 광전 변환 소자(2)의 크기 이하)로, 제1 면(10)의 곡률을 설계하면, 렌즈 재료로서 폴리에틸렌을 채용하고 또한 렌즈 두께의 박형화를 도모하면서도, 축외 수차의 발생을 억제하면서, 함몰 자국이나 너울거림의 발생을 억제하는 것이 가능해진다. 본 명세서에서는, 이와 같은 곡률을 가지는 제1 면(10)과 평면으로 이루어지는 제1 면(10)을 포함하는 형태를, 평면형의 제1 면(10)이라고 부르기로 한다. 도 4의 A 및 B를 참조하면서 설명한 집광 렌즈(1)에서의 제1 면(10)에 대해서도, 제2 면(20) 측과는 반대 측으로 볼록해지는 곡면으로 하는 것이 바람직하다.
(실시형태 4)
이하에서는, 본 실시형태의 집광 렌즈(1)에 대하여, 도 6∼도 8을 참조하면서 설명한다. 그리고, 실시형태 1과 동일한 구성요소에는 동일한 부호를 부여하여 설명을 적절히 생략한다.
본 실시형태의 집광 렌즈(1)는, 제1 면(10)과는 반대 측의 제2 면(20)이 복수 개(도시한 예에서는, 3개)의 렌즈면(21)을 가지고 있는 점 등이 실시형태 1과 상위하다. 이 집광 렌즈(1)는, 실시형태 1과 마찬가지로, 광축(도시하지 않음)이 렌즈 두께 방향(도 6의 상하 방향)에 대하여 비스듬히 교차한다(경사진다). 이 프레넬 렌즈(1)는 중심 렌즈부(1a)와, 중심 렌즈부(1a)를 에워싸는 복수 개(도시한 예에서는, 2개)의 원형 밴드형 렌즈부(1b)를 가지고 있다. 그리고, 원형 밴드형 렌즈부(1b)의 수는 특별히 한정되지 않고, 3개 이상이라도 좋다.
각 원형 밴드형 렌즈부(1b)는, 제2 면(20) 측에 산(山)부(11b)를 가지고 있다(도 7 참조). 산부(11b)는 중심 렌즈부(1a) 측의 측면으로 이루어지는 상승면(비렌즈면)(22)과, 중심 렌즈부(1a) 측과는 반대 측의 측면으로 이루어지는 렌즈면(21)을 가지고 있다. 따라서, 프레넬 렌즈(1)의 제2 면(20)은, 각 원형 밴드형 렌즈부(1b) 각각에서의 렌즈면(21)을 가지고 있다. 또한, 프레넬 렌즈(1)의 제2 면(20)은 중심 렌즈부(1a)에서의 렌즈면(21)도 가지고 있다.
요컨대, 본 실시형태의 집광 렌즈(1)는, 복수의 렌즈면(21)을 가지고, 각 렌즈면(21) 중 중앙의 렌즈면(21)을 가지는 중심 렌즈부(1a)로 중심 렌즈부(1a)를 에워싸는 복수의 원형 밴드형 렌즈부(1b)를 가지고 있으면 된다. 집광 렌즈(1)는, 볼록 렌즈에 비해 두께를 얇게 할 수 있는 프레넬 렌즈이며, 중심 렌즈부(1a)의 렌즈면(21)이 볼록면으로 되어 있다.
각 렌즈면(21)은 복수의 렌즈 기능면(23)으로 이루어진다. 각 렌즈면(21)은 렌즈 두께 방향으로 교차하는 가상면(VP)을 경계로 하여, 가상면(VP)과 이루는 각도가 상이한 렌즈 기능면(23)으로 나뉘어져 있다. 견해를 바꾸면, 집광 렌즈(1)의 제2 면(20) 측은, 도 7에 나타낸 바와 같이, 렌즈 두께 방향에 있어서 가상면(VP)의 양측에 존재하는 층(251, 252)을 적층하고, 층(251, 252) 사이의 경계를 없앤 것과 동일한 구조로 되어 있다.
집광 렌즈(1)는, 각 렌즈 기능면(23)이 각각, 타원추(30)(도 6 참조)의 측면의 일부로 이루어지고, 제1 면(10) 위의 각 점의 법선 중 타원추(30)의 측면의 일부로 이루어지는 렌즈 기능면(23)에 교차하는 임의의 법선과, 그 임의의 법선이 교차하는 렌즈 기능면(23)에 대응하는 타원추(30)의 중심축이, 비평행이고(즉, 경사져 있다), 또한 서로의 중심축이 비평행이다(즉, 경사져 있다). 여기에 있어서, 각 타원추(30)는, 제2 면(20) 측에 정점이 위치하는 동시에, 제1 면(10) 측에 바닥면(도시하지 않음)이 위치하고 있다. 또한, 각 타원추(30)의 중심축(도시하지 않음)은, 제1 면(10)의 각 점의 각각에 있어서의 법선에 대하여 비스듬히 교차한다. 또한, 집광 렌즈(1)는, 제1 면(10) 상의 점과 그 점에서의 법선이 렌즈 기능면(23)에 교차하는 점을 연결하는 방향을 렌즈 두께 방향으로 규정한 경우, 제1 면(10)이 평면이면, 제1 면(10) 위의 각 점에서의 법선에 따른 방향이 렌즈 두께 방향이 된다. 본 실시형태의 집광 렌즈(1)는, 제1 면(10)이 평면이므로, 각 타원추(30) 각각의 중심축은 렌즈 두께 방향에 대하여 비스듬히 교차한다. 따라서, 집광 렌즈(1)는, 각 렌즈 기능면(23) 각각이, 제2 면(20) 측에 정점이 위치하는 동시에, 제1 면(10) 측에 바닥면(도시하지 않음)이 위치하고 또한 중심축이 렌즈 두께 방향에 대하여 비스듬히 교차하는 타원추(30)의 측면의 일부에 의해 구성되어 있다.
또한, 집광 렌즈(1)는, 바깥쪽에 위치하는 렌즈 기능면(23)에 대응하는 타원추(30)일수록, 중심축과 법선이 이루는 각도가 크다. 가상면(VP)은, 렌즈 두께 방향으로 교차하도록 규정하고 있다. 그리고, 전술한 가상면(VP)은, 그 가상면(VP)의 양측에 있는 2개의 렌즈 기능면(23) 각각에 대응하는 2개의 타원추(30)끼리의 교선을 포함하는 면이다.
도 8에는, 제1 면(10)을 입사면, 제2 면(20)을 출사면으로 한 경우에 대하여, 광선의 진행 경로를 가는 실선으로 나타내고 화살표를 부여하고 있다. 본 실시형태의 집광 렌즈(1)에서는, 도 8에 나타낸 바와 같이, 집광 렌즈(1)의 제1 면(10)의 법선에 비스듬히 교차하는 방향(집광 렌즈(1)의 렌즈 두께 방향으로 비스듬히 교차하는 방향)으로부터 제1 면(10)에 입사한 광선이, 집광 렌즈(1)의 제2 면(20) 측의 1개의 초점 F(F0)부근에 집광되어 있는 것이 알 수 있다. 제1 면(10)에 입사각 α1로 입사하는 광선은, 제1 면(10)에서 굴절하지만, 그 굴절각을α2라고 하면, α2는 스넬의 법칙에 의해 구할 수 있다. 여기서는, 제1 면(10)이 접하고 있는 매질의 굴절률을 n1, 렌즈 재료의 굴절률을 n2라고 하면, 스넬의 법칙에 의해,
Figure pct00006
가 된다. 따라서, 본 실시형태의 집광 렌즈(1)에서는, 일례로서, 매질이 공기로 n1=1, 렌즈 재료가 폴리에틸렌으로 n2= 1.53이라고 하고, α1=45°라고 하면, α2= 27.5°가 된다. 본 실시형태의 집광 렌즈(1)에서는, 각 렌즈 기능면(23)을 전술한 타원추(30)의 측면의 일부에 의해 구성함으로써, 굴절각 α2로 굴절한 평행광을 초점(F) 부근에 집광시키는 것이 가능해진다. 이 점에 대해서는, 광선 추적법에 의한 시뮬레이션에 의해 확인하고 있다.
본 실시형태의 집광 렌즈(1)에서는, 제1 면(10)이 평면이고, 또한 타원추(30)의 중심축은 제1 면(10) 위의 각 점의 각각에 있어서의 법선에 대하여 비스듬히 교차한다(도 8 중에는 1개의 법선만 일점 쇄선으로 나타내고 있다). 그리고, 렌즈 두께 방향을 따른 1개의 가상 직선을 포함하는 단면 형상(여기서는, 제1 면(10)의 법선을 포함하는 단면 형상)에 있어서, 제1 면(10)에 평행한 면과 각 렌즈면(21)이 이루는 각도는 둔각이며, 제1 면(10)에 평행한 면과 각각의 상승 면(22)이 이루는 각도는 거의 직각이다.
그런데, 프레넬 렌즈의 입사면인 평면의 법선을 포함하는 단면 형상에 있어서 각 렌즈면의 단면 형상이 직선이면, 도 9에 나타낸 바와 같이 바이트(130)를 공작물(140)에 대하여 기울여 날의 측면을 선 접촉시켜 절삭 가공을 행함으로써, 렌즈면 또는 렌즈면에 따른 곡면의 형성이 가능하므로, 가공 시간을 대폭 단축하는 것이 가능해진다. 여기서, 출사면에서의 각 렌즈면의 형상이 입사면의 법선을 회전축으로 하여 회전 대칭이 되는 프레넬 렌즈에 있어서는, 각 렌즈면을 원추대의 측면에 의해 근사시킴으로써, 각 렌즈면의 단면 형상을 직선으로 할 수 있다는 것이 알려져 있다(미국특허 제4787722호 명세서).
그리고, 미국특허 제4787722호 명세서에 개시된 프레넬 렌즈는, 대상으로 하는 광선이 적외선이고, 미국 특허 제4787722호 명세서에는, 렌즈 재료로서, 폴리에틸렌을 사용하는 것이 개시되어 있다.
또한, 출사면에서의 각 렌즈면의 형상이 입사면의 법선을 회전축으로 하여 회전 대칭이 되는 프레넬 렌즈에 있어서, 각 렌즈면을 원추대의 측면에 더욱 근사한 것에서는, 축외 수차가 발생한다.
본 발명자들은, 축외 수차의 발생을 억제하는 것이 가능하고, 또한 저비용화가 가능하다고 하는 과제를 해결하기 위해, 먼저, 제2 면(20)을, 주축이 제1 면(10)의 법선에 대하여 비스듬히 교차하는 복수의 쌍곡면(이엽 쌍곡면 중 한쪽의 쌍곡면) 각각의 일부에 의해 구성한 기본 구조에 관하여, 렌즈 두께 방향을 따른 1개의 가상 직선을 포함하는 단면 형상에 있어서, 복수의 쌍곡면 각각의 상기 일부를 직선으로 근사시키는 것을 생각하였다.
그런데, 임의의 평면의 중심을 원점으로 하여, 그 임의의 평면에 있어서 서로 직교하는 x축과 y축을 규정하고, 그 임의의 평면과 직교하는 z축을 규정한 직교 좌표계에 있어서는, 원추의 임의의 점의 좌표를 (x, y, z)로 하고, b, c를 계수로 하여, 원추의 방정식은 하기의 표준형으로 표현된다.
Figure pct00007
이 표준형에 의해 표현되는 원추에서는, xy 평면과 평행한 면과의 교선이 원이된다.
따라서, 이 원추를 xy 평면과 평행한 2개의 면으로 잘라낸 원추대에서는, 전술한 기준 구조에서의 각 쌍곡면 각각의 상기 일부를 근사시킬 수는 없다.
본 발명자들은, 전술한 기준 구조에서의 각 쌍곡면의 주축에 비스듬히 교차하는 평면과 각 쌍곡면과의 교선이 타원이 되는 점에 주목하고, 각 렌즈면(21)에서의 복수의 렌즈 기능면(23) 각각을, 제2 면(20) 측에 정점(P)이 위치하는 동시에, 제1 면(10) 측에 바닥면(도시하지 않음)이 위치하고 또한 중심축(도시하지 않음)이 렌즈 두께 방향에 대하여 비스듬히 교차하는 타원추(30)의 측면의 일부에 의해 구성하는 것을 생각하였다.
각 렌즈 기능면(23)에 대해서는, 직선(40)(도 6에서는 파선으로 나타내고 있다)의 집합(직선군)에 의해 만들어지는 연속면이고, 직선군을 구성하는 모든 직선(40)이 교차하는 1점이 전술한 타원추(30)의 정점(P)이 되어 있다. 따라서, 각 층(251, 252)(도 7 참조)의 두께가 미소하면, 쌍곡면의 일부를 타원추(30)의 측면의 일부에 의해 근사할 수 있어, 렌즈 두께 방향을 따른 1개의 가상 직선을 포함하는 단면 형상에 있어서, 쌍곡면의 상기 일부를 직선으로 근사할 수 있다. 그리고, 도 6에서는, 중심 렌즈부(1a)에 있어서 가상면(VP)의 아래쪽에 있는 렌즈 기능면(23)에 대응하는 타원추(30)의 정점(P)을 P01, 가상면(VP)의 위쪽에 있는 렌즈 기능면(23)에 대응하는 타원추(30)의 정점(P)을 P02로 하고 있다. 마찬가지로, 중심 렌즈부(1a)에 가까운 측의 원형 밴드형 렌즈부(1b)에 있어서 가상면(VP)의 아래쪽에 있는 렌즈 기능면(23)에 대응하는 타원추(30)의 정점(P)을 P11, 가상면(VP)의 위쪽에 있는 렌즈 기능면(23)에 대응하는 타원추(30)의 정점(P)을 P12로 하고 있다. 또한, 중심 렌즈부(1a)로부터 먼 쪽의 원형 밴드형 렌즈부(1b)에 있어서 가상면(VP)의 아래쪽에 있는 렌즈 기능면(23)에 대응하는 타원추(30)의 정점(P)을 P21, 가상면(VP)의 위쪽에 있는 렌즈 기능면(23)에 대응하는 타원추(30)의 정점(P)을 P22로 하고 있다.
임의의 평면의 중심을 원점로 하여, 그 임의의 평면에 있어서 서로 직교하는 x축과 y축을 규정하고, 그 임의의 평면과 직교하는 z축을 규정한 직교 좌표계에 있어서는, 타원추의 임의의 점의 좌표를 (x, y, z)로 하고, a, b, c를 계수로 하여, 타원추의 방정식은 하기의 표준형으로 표현된다.
Figure pct00008
이 표준형으로 표현되는 타원추에서는, xy 평면과 평행한 면과의 교선이 타원이 된다. 여기서, 도 6∼도 8의 왼쪽 아래에 도시한 직교 좌표계와 같이, 렌즈 두께 방향과 직교하는 면 내(여기서는, 제1 면(10)에 평행한 면 내)에서 x축과 y축을 규정하고 렌즈 두께 방향을 따른 z축을 규정한 직교 좌표계에 대하여, 적절한 좌표 변환을 행하여 새로운 직교 좌표계를 규정함으로써, 렌즈 두께 방향에 대하여 비스듬히 교차하는 타원추(30)를 전술한 표준형으로 나타낼 수 있다.
이하에서는, 설명의 편의상, 도 6의 집광 렌즈(1)에 있어서, 6개의 타원추(30)에 각각 상이한 부호를 붙여 설명한다. 여기서는, 중심 렌즈부(1a)의 렌즈면(21)에 대응하는 2개의 타원추(30, 30)를 각각 타원추 3001, 3002라고 한다. 또한, 중앙의 렌즈면(21)에 가장 가까운 제1 원형 밴드가 되는 렌즈면(21)에 대응하는 2개의 타원추(30, 30)를 각각 타원추 3011, 3012라고 하고, 중앙의 렌즈면(21)에 2번째로 가까운 제2 원형 밴드가 되는 렌즈면(21)에 대응하는 2개의 타원추(30, 30)를 각각 타원추 3021, 3022라고 한다. 요컨대, 중앙의 렌즈면(21)에 대응하는 타원추(30)를 제외한 타원추(30) 중, 중앙의 렌즈면(21)에 가까운 쪽에서부터 차례로 세어 n(n≥1)번째의 제n 원형 밴드가 되는 렌즈면(21)에 대응하는 2개의 타원추(30, 30) 중 중심 렌즈부(1a)에 가까운 타원추(30)를 타원추 30n1라고 하고, 중심 렌즈부(1a)에서 먼 타원추(30)를 타원추 30n2라고 한다. 또한, 여기서는, 각 타원추(3001, 3002, 3011, 3012, 3021, 3022)각각의 정점(P, P, P, P, P, P)을 정점 P01, P02, P11, P12, P21, P22라고 하고, 각 타원추(3001, 3002, 3011, 3012, 3021, 3022) 각각의 중심축을 CA01, CA02, CA11, CA12, CA21, CA22라고 한다. 요컨대, 여기서는, 제n 원형 밴드가 되는 렌즈면(21)에 대응하는 타원추 30n1, 30n2의 정점을 Pn1, Pn2라고 하고, 그 타원추 30n1, 30n2의 중심축을 CAn1, CAn2라고 한다. 그리고, 각 타원추(3001, 3002, 3011, 3012, 3021, 3022) 각각에 대하여, 정점 P01, P02, P11, P12, P21, P22를 원점으로 하여, 중심축 CA01, CA02, CA11, CA12, CA21, CA22를 z축으로 하고, z축과 직교하는 단면에서의 타원의 장경 방향을 따라 x축, 단경 방향을 따라 y축을 규정한 직교 좌표계를 정의한다. 그러면 각 타원추(3001, 3002, 3011, 3012, 3021, 3022)의 식은, 각각의 직교 좌표계에 있어서, 전술한 타원추의 방정식(표준형)으로 나타낼 수 있다.
일 실시예의 집광 렌즈(1)로서, 각각 타원추(30)의 측면의 일부로 이루어지는 6개의 렌즈 기능면(23)을 구비한 것을 예시한다. 이 일 실시예의 집광 렌즈(1)에 있어서, 6개의 타원추(30) 중 중앙의 렌즈면(21)에 대응하는 2개의 타원추(30, 30)를 타원추 3001, 3002라고 하고, 제1 원형 밴드가 되는 렌즈면(21)에 대응하는 2개의 타원추(30, 30)를 타원추 3011, 3012라고 하고, 제2 원형 밴드가 되는 렌즈면(21)에 대응하는 2개의 타원추(30, 30)를 타원추 3021, 3022라고 한다. 이 일 실시예의 집광 렌즈(1)에서는, 제2 면(20)의 고저차(t)(여기서는, 원형 밴드형 렌즈부(1b)에 있어서 초점(F)에 가장 가까운 점에서의 산부(11b)의 높이)를 1㎜, 렌즈 재료를 굴절률이 1.53인 폴리에틸렌으로 한 경우, 전술한 타원추의 방정식(표준형)에서의 계수 a, b, c가 표 3에 나타낸 값이 된다. 단, 표 3에 나타낸 계수 a, b, c는, 집광 렌즈(1)의 제1 면(10)에 평행한 상면(I)에서부터 제1 면(10)에 평행한 기준면(산부(11b)의 골을 포함하는 평면)까지의 거리(d)를 10㎜로 하고, 입사각이 45°로 입사하는 광선을 초점(F)에 집광시키는 것을 전제 조건으로서 구한 값이다. 그리고, 각 정점 P01, P02, P11, P12, P21, P22의 상대적인 위치 관계에 대해서는, 예를 들면, 집광 렌즈(1)의 초점(F)을 원점으로 하고, 초점(F)을 포함하는 상면(I) 상에 서로 직교하는 X축, Y축을 규정하고, 상면(I)과 직교하는 방향으로 Z축을 규정한 직교 좌표계를 정의한 경우, 정점 P01, P02, P11, P12, P21, P22의 좌표 (X, Y, Z)에 의해 나타낼 수 있다. 이 일 실시예에서는, P01=(―8.89, 0, 9.00), P02=(―8.12, 0, 8.60), P11=(―7.08, 0, 7.70), P12=(―6.59, 0, 7.44), P21=(―5.86, 0, 6.75), P22=(―5.52, 0, 6.57)가 된다.
[표 3]
Figure pct00009
또한, 이 일 실시예의 집광 렌즈(1)는, 각도 θ01, θ02, θ11, θ12, θ21, θ22가, 표 4에 나타낸 값이 된다. 여기서, 각도 θ01은, 타원추(3001)에 대하여, 정점(P01)을 원점으로 하여, 중심축(CA01)이 제1 면(10)에 교차하는 점에 세운 법선(H01)과 중심축(CA01)이 이루는 각도이다. 또한, 각도 θ02는, 타원추(3002)에 대하여, 정점(P02)을 원점으로 하여, 중심축(CA02)이 제1 면(10)에 교차하는 점에 세운 법선(H02)와 중심축(CA02)이 이루는 각도이다. 또한, 각도 θ11은, 타원추(3011)에 대하여, 정점(P11)을 원점으로 하여, 중심축(CA11)이 제1 면(10)에 교차하는 점에 세운 법선(H11)과 중심축(CA11)이 이루는 각도이다. 또한, 각도 θ12는, 타원추(3012)에 대하여, 정점(P12)을 원점으로 하여, 중심축(CA12)이 제1 면(10)에 교차하는 점에 세운 법선(H12)과 중심축(CA12)이 이루는 각도이다. 또한, 각도 θ21은, 타원추(3021)에 대하여, 정점(P21)을 원점으로 하여, 중심축(CA21)이 제1 면(10)에 교차하는 점에 세운 법선(H21)과 중심축(CA21)이 이루는 각도이다. 또한, 각도 θ22는 타원추(3022)에 대하여, 정점(P22)를 원점으로 하여, 중심축(CA22)이 제1 면(10)에 교차하는 점에 세운 법선(H22)과 중심축(CA22)이 이루는 각도이다.
[표 4]
Figure pct00010
표 4로부터, 집광 렌즈(1)는, 렌즈 기능면(23)에 교차하는 임의의 법선과, 그 임의의 법선이 교차하는 렌즈 기능면(23)에 대응하는 타원추(30)의 중심축이, 비평행이고, 또한 타원추(3001, 3002, 3011, 3012, 3021, 3022)의 중심축이 서로 비평행인 것을 알 수 있다.
또한, 표 4로부터, 집광 렌즈(1)는, 제1 면(10) 위의 각 점에서의 법선과, 그 법선이 교차하는 제2 면(20)의 각 렌즈 기능면(23)의 중심축이 이루는 각도가, 바깥쪽의 원형 밴드형 렌즈부(1b)일수록 큰 것을 알 수 있다. 요컨대, 집광 렌즈(1)는, 바깥쪽에 위치하는 렌즈 기능면(23)에 대응하는 타원추(30)일수록, 중심축과 법선이 이루는 각도가 크다. 단, 여기에 있어서, 바깥쪽에 위치한다는 것은, 제1 면(10)으로부터 거의 동일한 높이 위치에 있는 렌즈 기능면(23)에서의 상대적인 위치 관계를 의미하고 있다.
본 실시형태의 집광 렌즈(1)에서는, 렌즈 두께 방향을 따른 1개의 가상 직선을 포함하는 단면 형상에 있어서, 각 렌즈면(21)에서의 복수의 렌즈 기능면(23) 각각의 형상이 직선이 된다. 이로써, 본 실시형태의 집광 렌즈(1)에서는, 도 9에 나타낸 바와 같이 바이트(130)를 공작물(프레넬 렌즈(1)를 직접 형성하기 위한 기재나, 금형을 형성하기 위한 기재)(140)에 대하여 기울여 날의 측면을 선 접촉시켜 절삭 가공을 행함으로써, 렌즈면(21) 또는 렌즈면(21)에 따른 곡면의 형성이 가능해진다. 따라서, 집광 렌즈(1)에서는, 집광 렌즈(1)나 집광 렌즈(1)용의 금형의 제작 시에 있어서 바이트에 의한 공작물의 가공 시간을 단축하는 것이 가능해진다. 집광 렌즈(1)의 재료인 렌즈 재료에 대해서는, 광선의 파장 등에 따라 적절히 선택하면 되고, 예를 들면, 플라스틱(폴리에틸렌, 아크릴 수지 등), 유리, 실리콘, 게르마늄 등에서, 적절히 선택하면 된다. 예를 들면, 광선의 파장이 적외선의 파장 영역에 있는 경우에는, 폴리에틸렌, 실리콘, 게르마늄 등을 선택하면 되고, 광선의 파장이 가시광의 파장 영역에 있는 경우에는, 아크릴 수지, 유리 등을 선택하면 된다. 또한, 금형의 재료는 특별히 한정하는 것은 아니지만, 예를 들면, 인청동 등을 채용할 수 있다. 그리고, 금형을 사용하여 집광 렌즈(1)를 성형하는 경우에는, 예를 들면, 사출 성형법이나 압축 성형법 등에 의해 성형하면 된다.
이상 설명한 본 실시형태의 집광 렌즈(1)는, 제1 면(10)과는 반대 측의 제2 면(20)이 복수(도 6의 예에서는, 3개)의 렌즈면(21)을 가지는 것이며, 각 렌즈면(21) 각각이, 복수의 렌즈 기능면(23)(도 6의 예에서는, 2개)으로 이루어지고, 각 렌즈 기능면(23)이 타원추(30)의 측면의 일부에 의해 구성되어 있다. 여기서, 본 실시형태의 집광 렌즈(1)는, 제1 면(10) 위의 각 점의 법선 중 타원추(30)의 측면의 일부로 이루어지는 렌즈 기능면(23)에 교차하는 임의의 법선과, 그 임의의 법선이 교차하는 렌즈 기능면(23)에 대응하는 타원추(30)의 중심축이, 비평행이다. 또한, 복수의 렌즈 기능면(23)은 서로의 중심축이 비평행이다. 따라서, 본 실시형태의 집광 렌즈(1)에서는, 외계로부터 제1 면(10)에 비스듬히 입사하는 입사광을 이용하는 경우에 축외 수차의 발생을 억제하는 것이 가능하고, 또한 저비용화가 가능해진다. 이 집광 렌즈(1)에 있어서는, 바깥쪽에 위치하는 렌즈 기능면(23)에 대응하는 타원추(30)일수록, 중심축과 법선이 이루는 각도가 큰 것이 바람직하다. 이로써, 집광 렌즈(1)는, 축외 수차의 발생을 더욱 억제하는 것이 가능해지고, 또한 저비용화가 가능해진다.
더 설명하면, 본 실시형태의 집광 렌즈(1)에서는, 각 렌즈면(21)이, 렌즈 두께 방향으로 교차하는 가상면(VP)을 경계로 하여 가상면(VP)과 이루는 각도가 상이한 렌즈 기능면(23)으로 나뉘어져 있다. 그리고, 본 실시형태의 집광 렌즈(1)에서는, 각 렌즈 기능면(23)이, 제2 면(20) 측에 정점(P)이 위치하는 동시에, 제1 면(10) 측에 바닥면이 위치하고 또한 중심축이 렌즈 두께 방향에 대하여 비스듬히 교차하는 타원추(30)의 측면의 일부에 의해 구성되어 있다. 따라서, 본 실시형태의 집광 렌즈(1)에서는, 렌즈 두께 방향에 대하여 광축이 비스듬히 교차한다. 또한, 본 실시형태의 집광 렌즈(1)에서는, 축외 수차의 발생을 억제하는 것이 가능하고, 또한 저비용화가 가능해진다.
또한, 본 실시형태의 집광 렌즈(1)에서는, 가상면(VP)을 렌즈 두께 방향으로 교차하도록 규정하도록 하고 있으므로, 각 렌즈 기능면(23)의 설계가 용이하게 되는 동시에, 전술한 절삭 가공을 행하는 경우에 바이트(130)의 높이 조정이 용이하게 된다. 또한, 본 실시형태의 집광 렌즈(1)에서는, 렌즈 형상의 정밀도를 검사할 때, 각 렌즈 기능면(23)의 경사를 계측함으로써, 용이하게 검사할 수 있게 되고, 제조 비용의 저비용화를 도모할 수 있다.
(실시형태 5)
본 실시형태에서는, 다분할 렌즈의 응용예로서, 도 10의 A 및 B에 나타낸 구성의 센서 장치를 예시한다.
이 센서 장치에서는, 인쇄 배선판으로 이루어지는 회로 기판(8)에, 패키지(4)가 실장되어 있다. 이 패키지(4)는, 원반형의 스템(5)과, 이 스템(5)에 접합되는 바닥이 있는 원통형의 캡(6)과, 이 캡(6)의 바닥부에 형성된 개구부(6a)를 폐색하도록 배치되고 원하는 광선을 투과하는 기능을 가지는 광선 투과 부재(7)로 구성되어 있다. 또한, 패키지(4) 내에는, 광전 변환 소자(2)를 유지한 소자 지지 부재(예를 들면, MID 기판 등)(3)가 수납되어 있다. 그리고, 센서 장치는, 다분할 렌즈(100)를 가지는 커버 부재(9)가, 패키지(4)를 덮도록 회로 기판(8)의 일 표면 측에 배치되어 있다. 여기에 있어서, 광전 변환 소자(2)로서는, 예를 들면, 초전 소자 등의 적외선 센서 소자나, 포토다이오드 등의 수광 소자 등을 사용할 수 있다. 그리고, 광전 변환 소자(2)로서 적외선 센서 소자를 사용하는 경우에는, 광선 투과 부재(7)로서 실리콘 기판이나 게르마늄 기판 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 이 경우, 패키지(4)는 스템(5)과 캡(6) 양쪽 모두 금속 재료에 의해 형성하고, 광선 투과 부재(7)와 캡(6)을 도전성 재료에 의해 접합하는 것이 바람직하다. 그리고, 이 경우, 커버 부재(9)와 패키지(4) 사이의 공간의 공기층이, 단열층으로서 기능한다.
다분할 렌즈(100)는, 복수 개의 렌즈(100a)가 일면(도시한 예에서는, 일 평면) 상에서 조합된 것이며, 각 렌즈(100a)가, 실시형태 4에서 설명한 집광 렌즈(1)에 의해 구성되어 있다. 단, 인접하는 집광 렌즈(1)는, 중첩되도록 배치되어 있고, 원형 밴드형 렌즈부(1b)의 일부를 노치(notch)한 형상으로 되어 있다. 또한, 각 집광 렌즈(1)는, 광축(도시하지 않음)이 광전 변환 소자(2)의 소정의 수광면을 지나도록 설계되어 있다.
따라서, 본 실시형태에서의 다분할 렌즈(100)에서는, 축외 수차의 발생을 억제하는 것이 가능하고, 또한 저비용화가 가능해진다. 또한, 본 실시형태의 센서 장치에서는, 광전 변환 소자(2)로서, 예를 들면, 적외선 센서 소자를 사용한 경우에, 센서 장치로서 검지 영역의 넓은 적외선 센서를 실현하는 것이 가능해진다.
전술한 적외선 센서 소자를 구성하는 초전형 적외선 검지 소자로서는, 예를 들면, 1개의 초전체 기판에 4개의 소자 요소(수광부)가 형성된 쿼드 타입의 초전 소자를 사용할 수 있다. 센서 장치의 검지 영역은, 적외선 센서 소자와 다분할 렌즈(100)에 의해 정해진다. 따라서, 센서 장치의 검지 영역에는, 각 집광 렌즈(1)마다, 소자 요소의 수의 검지 빔이 설정된다. 검지 빔은 적외선 센서 소자로의 적외선의 입사량이 피크 부근이 되는 작은 범위로서, 검지 대상의 물체로부터의 적외선을 검출하는 유효 영역이며, 검출 영역이라고도 한다. 도 10의 A 및 B에 나타낸 센서 장치에서는, 다분할 렌즈(1)이 8개의 집광 렌즈(1)에 의해 구성되어 있으므로, 검지 영역 내에 8×4개의 검지 빔이 설정된다. 그리고, 다분할 렌즈(100)에서의 집광 렌즈(1)의 수는 특별히 한정하는 것은 아니다.
(실시형태 6)
이하에서는, 본 실시형태의 집광 렌즈(1)에 대하여, 도 11을 참조하면서 설명한다.
본 실시형태의 집광 렌즈(1)의 기본 구성은 실시형태 4와 거의 동일하며, 복수의 렌즈면(21) 중 중앙의 렌즈면(21)을, 회전축이 렌즈 두께 방향에 대하여 비스듬히 교차하고 또한 곡률이 연속하여 변화하는 비구면인 쌍곡면(25)의 일부로 이루어지는 중앙 렌즈면(21a)에 의해 구성하고 있는 점이 상위하다. 그리고, 실시형태 4와 동일한 구성요소에는 동일한 부호를 부여하여 설명을 생략한다.
실시형태 4의 집광 렌즈(1)와 같이, 복수의 렌즈면(21) 모두를 타원추(30)의 일부에 의해 구성할 수 있다. 그러나, 복수의 렌즈면(21) 모두를 타원추(30)의 일부에 의해 구성한 경우에는, 중심 렌즈부(1a)의 렌즈면(21)이 타원추(30)의 정점(P)을 포함하게 되어, 이 정점(P)에 있어서 곡면이 불연속이 되기 때문에, 정점(P)을 지나는 광선이 초점(F)에 집광되기 어렵다.
이에 대하여, 본 실시형태의 집광 렌즈(1)에서는, 복수의 렌즈면(21)보다 안쪽에 있는 중앙 렌즈면(21a), 바꾸어 말하면, 중심 렌즈부(1a)의 렌즈면인 중앙 렌즈면(21a)을, 전술한 쌍곡면(25)의 일부로 하고 있다.
따라서, 본 실시형태의 집광 렌즈(1)는, 실시형태 4의 집광 렌즈(1)에 비하여, 수차를 작게 하는 것이 가능해지고, 집광 성능을 향상시키는 것이 가능해진다. 따라서, 본 실시형태의 집광 렌즈(1)를 실시형태 5에서 설명한 센서 장치에 응용하면, 감도를 향상시키는 것이 가능해진다.
본 실시형태의 집광 렌즈(1)에서는, 중심 렌즈부(1a)의 중앙 렌즈면(21a)을 쌍곡면(25)의 일부에 의해 구성함으로써, 쌍곡면(25) 이외의 비구면의 일부에 의해 구성하는 경우와 비교하여, 수차를 작게 하는 것이 가능하게 된다. 중심 렌즈부(1a)의 중앙 렌즈면(21a)이 쌍곡면(25)의 일부인 경우, 집광 렌즈(1)용의 금형의 제작 시에는, 예를 들면, 도 12에 나타낸 바와 같이, 바이트(130)의 구조면(131)을 렌즈면(21)에 따른 곡면에 대하여 수직이 되도록 기울이면서 움직임으로써 가공할 수 있다. 이 경우에는, 바이트(130)의 노즈 반경이, 쌍곡면(25)의 곡률 반경보다 작으면 가공할 수 있으므로, 중앙 렌즈부(1a)의 중앙 렌즈면(21a)이 쌍곡면(25)의 일부라도 가공 시간을 단축하는 것이 가능해진다.
본 실시형태의 집광 렌즈(1)에서는, 중심 렌즈부(1a)의 중앙 렌즈면(21a)이 쌍곡면(25)에 한정되지 않고, 대칭축이 렌즈 두께 방향에 대하여 비스듬히 교차하고 또한 곡률이 연속하여 변화하는 비구면이면, 실시형태 4의 집광 렌즈(1)에 비하여, 집광 성능을 향상시키는 것이 가능해진다. 요컨대, 집광 렌즈(1)는, 복수의 렌즈면(21)보다 안쪽에 있는 중앙 렌즈면(21a)을, 곡률이 연속하여 변화하는 비구면의 일부로 하고, 제1 면(10) 위의 각 점의 법선 중 비구면의 일부로 이루어지는 중앙 렌즈면(21a)에 교차하는 임의의 법선과, 그 임의의 법선이 교차하는 중앙 렌즈면(21a)에 대응하는 비구면의 대칭축(비구면이 쌍곡면(25)인 경우에는 쌍곡면(25)의 회전축(OP1))이, 비평행인(즉, 경사져 있는) 것이 바람직하고, 이로써, 집광 성능을 향상시키는 것이 가능해진다. 여기에 있어서, 집광 렌즈(1)는, 이 비구면에서의 대칭축과, 중앙의 렌즈면(21)을 제1 면(10)의 중심축에 평행한 방향으로 투영했을 때의 제1 면(10)에서의 투영 영역에서의 각 점의 법선이, 비평행이면 된다.
그런데, 종래부터, 수차가 없는 렌즈로서, 무수차 렌즈가 알려져 있다(예를 들면, 쿠보타 히로시(久保田宏)저, "광학(光學)", 제12판, 가부시키가이샤 이와나미쇼텐 1986년 4월 9일, p. 282―283 참조).
도 13에 나타낸 바와 같은 렌즈면(71)을 가지는 렌즈에 있어서, 렌즈의 광축(Opa)에 평행한 광선(Lb)을, 광로 길이를 일정하게 초점(F)에 집광하기 위해서는, RF=HF가 될 필요가 있다. R은 렌즈면(71)의 굴절점, H는 굴절점(R)에서 광축(Opa) 상에 수선(垂線)을 내렸을 때의 교점(굴절점(R)에서 광축(Opa)에 내린 수선의 발)이며, RF는 굴절점(R)과 초점(F) 사이의 광로 길이, HF는 교점(H)과 초점(F) 사이의 광로 길이이다. RF=HF의 조건을 만족시키기 위해서는, 렌즈면(71)을 쌍곡면 또는 타원면으로 할 필요가 있는 것이 알려져 있다. 여기서, 렌즈면(71)이 쌍곡면인 경우에는, 렌즈 재료의 굴절률을 n, 렌즈의 백포커스를 f라고 하면, 렌즈면(71)은, 하기의 식 (1)로 주어진다.
Figure pct00011
단, 이 식은, 렌즈의 초점(F)을 원점으로 하고, 광축(Opa) 상에 z축을 가지고, 광축(Opa)과 직교하는 면 내에서 서로 직교하는 x축 및 y축을 가지는 직교 좌표를 규정했을 때의, 렌즈면(71) 상의 임의의 점의 좌표를 (x, y, z)로 한 경우에 얻어지는 식이다. 또한, 식 (1)의 a, b, c는, 식 (2), 식 (3), 식 (4)로 각각 주어진다.
Figure pct00012
도 11의 집광 렌즈(1)에 있어서, 중심 렌즈부(1a)의 중앙 렌즈면(21a)이 되는 쌍곡면(25)은, 초점(F)을 원점, 쌍곡면(25)의 회전축(OP1)을 z축으로 하여, z축에 각각 직교하는 x축, y축을 가지는 직교 좌표계를 정의하면, 전술한 식 (1)로 표현된다.
제1 면(10)에 대하여 입사각 45°로 입사하는 광선을 초점(F)에 집광시키는 경우, 중심 렌즈부(1a)의 쌍곡면(25)의 회전축(OP1)과 제1 면(10)의 법선이 이루는 각도는, 스넬의 법칙에 의해, 27.5°로 하면 된다. 즉, 회전축(OP1)은 제1 면(10)의 법선에 대하여 27.5°만큼 기울이면 된다.
(실시형태 7)
이하에서는, 본 실시형태의 집광 렌즈(1)에 대하여, 도 14를 참조하면서 설명한다.
본 실시형태의 집광 렌즈(1)의 기본 구성은 실시형태 4와 거의 동일하다. 본 실시형태의 집광 렌즈(1)는, 제1 면(10)의 형상이 실시형태 4와 상위하다. 그리고, 실시형태 4와 동일한 구성요소에는 동일한 부호를 부여하여 설명을 생략한다.
그런데, 실시형태 4∼6의 집광 렌즈(1)에서는, 렌즈 재료로서 폴리에틸렌을 채용한 경우, 렌즈 두께가 1㎜라도, 제1 면(10)에 수직 입사하는 파장 10㎛ 부근의 적외선의 투과율이 40%이고, 렌즈 두께가 두꺼워질수록 투과율이 저하된다. 그리고, 집광 렌즈(1)의 제1 면(10)에 대하여 수직이 아닌 방향으로부터 입사하는 입사광은, 집광 렌즈(1)의 최대 렌즈 두께(최대 두께)보다 광로 길이가 길어져 투과율이 지나치게 낮아질 염려가 있다. 또한, 폴리에틸렌에 의해 형성된 집광 렌즈(1)에서는, 두께의 변화가 큰 경우, 사출 성형의 냉각, 고화(固化) 과정에서 생기는 불균일한 수축 등에 의해, 함몰 자국(싱크 마크)이 발생하여, 외관이 손상될 염려가 있다.
그래서, 렌즈 재료로서 폴리에틸렌을 채용하고 사출 성형에 의해 제작하는 경우, 집광 렌즈(1)는, 예를 들면, 도 14에 나타낸 바와 같이, 제1 면(10)을 제2 면(20) 측과는 반대 측으로 볼록해지는 곡면으로 하는 것이 바람직하다. 이 경우, 렌즈 두께 방향은, 제1 면(10) 위의 각 점의 각각에 있어서의 법선 방향이다. 본 실시형태의 집광 렌즈(1)는, 제1 면(10)을 제2 면(20) 측과는 반대 측으로 볼록해지는 곡면으로 함으로써, 너울거림 방향을 한 방향으로 억제하는 것이 가능해지고, 외관이 손상되는 것을 방지할 수 있게 된다.
도 14에 나타낸 예에서는, 제1 면(10)이 곡률 반경이 큰 구면(곡률이 작은 곡면)의 일부로 이루어지지만, 구면의 일부로 한정하는 것은 아니다. 여기서, 곡률 반경이 크다는 것은, 제1 면(10)을 평면으로 간주할 수 있는 정도의 곡률 반경을 의미하고 있지만, 제1 면(10)의 곡률 반경에 대해서는, 집광 렌즈(1)의 렌즈 직경 등에 기초하여 적절히 설계하면 된다.
즉, 집광 렌즈(1)는, 축외 수차가 허용값을 넘지 않는 범위(예를 들면, 전술한 광전 변환 소자(2)의 크기 이하)로, 제1 면(10)의 곡률을 설계하면, 렌즈 재료로서 폴리에틸렌을 채용하고 또한 렌즈 두께의 박형화를 도모하면서도, 축외 수차의 발생을 억제하면서, 함몰 자국이나 너울거림의 발생을 억제할 수 있게 된다. 본 명세서에서는, 이와 같은 곡률을 가지는 제1 면(10)과 평면으로 이루어지는 제1 면(10)을 포함하는 형태를, 평면형의 제1 면(10)이라고 하기로 한다. 도 10의 A 및 B, 도 11 각각을 참조하면서 설명한 각각의 집광 렌즈(1)에서의 제1 면(10)에 대해서도, 제2 면(20) 측과는 반대 측으로 볼록해지는 곡면으로 하는 것이 바람직하다.

Claims (7)

  1. 제1 면과는 반대 측의 제2 면이 적어도 1개의 렌즈면을 포함하는 집광 렌즈로서,
    상기 렌즈면은 복수의 렌즈 기능면으로 이루어지고, 상기 각 렌즈 기능면이 타원추의 측면의 일부로 이루어지고,
    상기 제1 면 위의 각 점의 법선 중 상기 타원추의 측면의 일부로 이루어지는 상기 렌즈 기능면에 교차하는 임의의 법선과, 상기 임의의 법선이 교차하는 상기 렌즈 기능면에 대응하는 상기 타원추의 중심축이, 비평행이고, 또한 서로의 상기 중심축이 비평행인
    집광 렌즈.
  2. 제1항에 있어서,
    바깥쪽에 위치하는 상기 렌즈 기능면에 대응하는 상기 타원추일수록, 상기 중심축과 상기 법선이 이루는 각도가 큰, 집광 렌즈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    복수의 상기 렌즈면을 포함하는 프레넬 렌즈인, 집광 렌즈.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    복수의 상기 렌즈면과 상기 복수의 상기 렌즈면보다 안쪽에 있는 중앙 렌즈면을 포함하고, 상기 중앙 렌즈면은, 곡률이 연속하여 변화하는 비구면의 일부로 이루어지고,
    상기 제1 면 위의 각 점의 법선 중 상기 비구면의 일부로 이루어지는 상기 중앙 렌즈면에 교차하는 임의의 법선과, 상기 임의의 법선이 교차하는 상기 중앙 렌즈면에 대응하는 상기 비구면의 대칭축이, 비평행인, 집광 렌즈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 비구면은 쌍곡면인, 집광 렌즈.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    렌즈 재료가 폴리에틸렌이며,
    상기 제1 면이 상기 제2 면 측과는 반대 측으로 볼록해지는 곡면인, 집광 렌즈.
  7. 복수 개의 렌즈가 일면 상에서 조합된 다분할 렌즈로서,
    상기 각 렌즈가 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 집광 렌즈로 이루어지는 다분할 렌즈.
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