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非球面レンズとは?特徴やメリットについて

非球面レンズは、レンズ面が球面ではないレンズのことです。自由度が高い非球面を用いたレンズを採用することで、球面レンズだけでは補正しきれなかった収差を抑えることができるようになります。

これにより、製品の小型化、軽量化、さらにはコストダウンまで可能にするのが非球面レンズです。しかしその製造には、非常にレベルの高い製造技術が必要となります。

ここでは、非球面レンズの特徴やメリット・デメリット、加工方法についてまとめて解説いたします。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

集光・発散の原理と面の種別によるレンズの分類

レンズには様々な種類があります。レンズの集光・発散の原理と面の種別で大きく分類すると、下記のように分類することができます。

 

 

①~⑤のレンズは、レンズ表面の屈折のみで集光・発散作用を持つレンズで、このうち①~④は表面が連続した滑らかな面であるのに対し、⑤はレンズ表面が不連続なゾーンに分割されているレンズです。

一方、⑥は、レンズ内部の屈折率を均質ではなく分布を持たせ、⑦は、屈折ではなく表面の回折作用を利用して光を集光・発散させます。

②~④は、連続した滑らかな球面ではないレンズ面持つレンズで、広い意味での非球面レンズと呼ばれます。②はその中でもレンズ光軸に対し軸対称(回転対称)な非球面を持つレンズで、結像光学系で良く用いられます。③~④はレンズ光軸に対して軸対称(回転対称)を持たない非球面で、主に照明・集光光学系に用いられます。

>>球面レンズの問題点とは?

 

 

非球面レンズとは

非球面レンズとは、レンズ面が球面ではないレンズのことです。

非球面レンズの特徴

非球面は、レンズ光軸に対して軸対称性(回転対称性)を持つ軸対称非球面と、軸対称性を持たない非球面の2つに分類されます。それぞれの非球面には特徴があります。

収差を低減できる

軸対称非球面は、形状としては、回転放物面、回転双曲面、回転楕円面、回転4次曲面などが挙げられます。結像光学系においては、このような軸対称非球面を用いることで形状の自由度が増え、球面レンズだけでは困難であった収差を抑えることができるようになります。

また、軸対称非球面を照明・集光光学系に用いると、一様な照度分布を実現できたり、光線コントロールの自由度を増やす事ができます。

あらたな機能を付与できる

軸対称(回転対称)でない非球面は、結像光学系においては、例えば縦横の結像倍率を変化させることができます。また、照明・集光光学系では、点状の光源から出た光をライン状に投射したりできます。このように軸対称(回転対称)でない非球面は球面レンズだけでは成しえないあらたな機能を実現させることができます。

 

非球面レンズのメリット

ここでは、結像光学系における軸対称(回転対称)非球面のメリット・デメリットを考えてみましょう。メリットは大きく3つあります。

レンズ枚数の削減が可能

結像光学系では、像のボケや歪といった収差を低減するために複数の球面レンズを組み合わせて使用します。非球面レンズを使用すれば、同じ性能でレンズ枚数を削減する事ができます。例えば、球面レンズ5枚構成であったものを、球面レンズ2枚+非球面レンズ2枚の合計4枚で同等の性能を実現する事ができます。

 

レンズユニットの小型・軽量化が可能

レンズ枚数が少なくなれば、その分小型・軽量化が可能になります。

光学製品のコスト削減

レンズ枚数が少なくなれば、レンズ材料の削減や加工コストの低減、組立工数も削減可能となり、全体的なコストダウンにつなげることができます。

 

 

非球面レンズのデメリット

しかし、非球面レンズにもデメリットがございます。

少量生産だと高価である

ガラスの球面レンズは、一面ずつ研磨加工しますが、非球面レンズを一面ずつ研削・研磨加工すると大変高価になってしまいます。そのため、非球面形状は金型に加工しておき、それをガラスやプラスチックに転写・成形するという加工方法が一般的です。

転写・成形に要する時間は球面の研磨加工より短時間で済むものの、あらかじめ精密な非球面金型を製作する必要があるため、その分のコストがかかります。そのため事前に生産数量に応じたコストを想定して、非球面の採否を検討しておく必要があります。

加工難易度が高い

球面は球面上のどの位置においても曲率半径が同じという特徴があり、この事が研磨しやすく高い精度が得られることにつながっています。一方で、非球面レンズは位置に応じて曲率半径を変化させる事が必要であり、精密な金型加工とその非球面形状を精密に転写・成形させる技術が必要となります。

 

 

非球面レンズの製造

金型の非球面形状をレンズに転写・成形して非球面レンズを製造する方法では、超精密金型加工技術、超精密転写・成形技術、そしてこれらの面形状の精密測定・評価技術の3つの技術が必要となります。

光学設計技術ナビでは、業界最先端の超精密加工機を用いて非球面形状をサブミクロンオーダーで加工し、この非球面を高度なノウハウがミックスされた成形技術で転写し、これらの 非球面形状を超精密3次元測定器の測定・評価により品質を保証することで、高精度な非球面レンズを製造しております。

 

 

 

非球面レンズの製造なら、光学設計技術ナビまで!

光学設計技術ナビを運営する株式会社トヨテックでは、オプトメカトロニクスの総合光学メーカーとして、お客様のニーズにあわせてゼロから設計開発を行い、製品化までを一貫サポートしております。非球面レンズの製造はもちろんのこと、レンズコアの超精密加工から、システムや周辺部品も含めたレンズユニットの設計・組立まで、ワンストップで製造いたします。


「こんな製品がほしいんだけど...」「レンズでこんなことってできるの...?」を実現するのが、光学設計のプロ集団である光学設計技術ナビです。光学設計にお悩みの方は、光学設計技術ナビまでお気軽にご相談下さい。