JP2006058778A - 光学ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、光学系の入射側に後から組み付けられるフレア絞りの開口部分の形状を精度良く維持できる光学ユニットを提供する。
【解決手段】撮像装置（光学ユニット）１０は、第１プリズム１１（光学系）と第２プリズム１２（光学系）とケース３０と入射窓３２と角形枠４０とを備える。第１プリズム１１及び第２プリズム１２は、光軸に沿う面に対して鏡像でかつ回転非対称の自由曲面を有する。ケース３０は、光学系を囲い遮光する。入射窓３２は、ケース３０に開口し光学系に向けて物体からの光束λｉを通過させる。角形枠４０は、入射窓３２に装着されて光束λｉの断面形状を方形に規制するフレア絞り４１が設けられる。この角形枠４０は、フレア絞り４１の内周縁を構成する各辺４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄが互いに合わさる角部４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄで、入射窓３２に対して固定される。
【選択図】 図４

Description

本発明は、散乱光が光学系へ入射されることを防止するフレア絞りを撮像光学系の入射窓に備える光学ユニットに関する。

デジタルカメラやカメラ付携帯電話などに適用されるカメラモジュールとして、共軸光学系の光学ユニットを備える撮像装置がある。光学ユニットは、光軸に対して回転対象に光学面が形成されたレンズを備える。レンズは、遮光性を有した鏡枠に囲われている。レンズの入射側となる鏡枠には、遮光板が接着固定され、フィルタが嵌め込まれている（例えば、特許文献１参照。）。この撮像装置は、レンズとフィルタとの間において、絞りとしての開口を有した絞り板を備えている。絞り板は、レンズ側に接着などにより固定されている。

さらにこの特許文献１には、弾性部材で絞り板を作り、レンズに対して鏡枠を組立てる際に、レンズと鏡枠の間に絞り板を挟み込んで保持することが開示されている。これと同様の方法及び構成で絞り板を組み込んだ撮像装置が、特許文献２に開示されている。いずれの撮像装置の絞り板も、開口部分は、円形である。

入射側にフィルタやカバーガラスが配置される場合、フィルタやカバーガラスが歪むと、結像面における像も歪む。また、絞り板の開口部分の輪郭が歪むと、フレアが生じたり、像の輪郭が欠けるいわゆる「けられ」が生じたりする。このため、フィルタやカバーガラス、及び絞り板の取付構造において、これら部材に歪みを与えないことが重要である。

例えば、特許文献１及び特許文献２の場合、フィルタやカバーガラス及び絞り板は、全周を挟み込むように嵌め込む構造である。この他、フィルタやカバーガラス及び絞り板に歪みを与えない固定方法として、接着固定するか、周辺全体を均等にネジ止め固定する構造とすることが考えられる。
特開２００３−３７７５８号公報 特開２００３−１３４３６３号公報

フレア絞りの効果を十分に発揮するためには、開口部分の輪郭を精度良く作るとともに、光束の有効径に対してぎりぎりに開口部分の直径を設定することが望ましい。ところが、撮像装置を内蔵する機器が小型化されるにつれて、撮像装置及びその光学系も小さくなってきている。そのため、個々の部品に高い寸法精度が要求される。このとき、部品点数が多いと、さらに互いの組立精度が必要となり、製造コストが増大する。そこで、部品点数をできる少なく、かつ、個々の形状及び組立を簡素化することが好ましい。

また、共軸光学系の場合、入射窓に設けられるカバーガラスの保持部材は、円形である。これに対して、結像面に配置される撮像素子は、方形である。方形である撮像素子全体に光を照射するには、この撮像素子に外接する直径の光束が必要である。このとき、フレア絞りの効果を高めるために、撮像素子の大きさぎりぎりに光束があたるように開口部分の口径を設定される。

開口部分を備える絞り部材を係合凸部によってがたつきなく固定する場合、円形の絞り部材は、組立誤差などのわずかなずれによって部分的に拘束され、反径方向に変形する可能性がある。この現象は、熱圧着によって部分的に接合させる場合にも同様のことが起こり得る。絞り部材が変形すると、開口部分は、この影響を受けることで高い精度に形状を維持することができなくなる。その結果、光束の外周部分が欠けるいわゆる「けられ」現象が生じる場合がある。けられが生じると、撮像素子の角部に光があならなくなる可能性がある。そこで、けられが生じないようにするために、一回り開口部分を大きくする必要があるが、そのようにすると、フレア絞りの効果が低下してしまう。

これに対して、共軸光学系の撮像装置において、絞り板の開口部分は、撮像素子の受光範囲と相似形で、レンズの外径に対して内接する四角形に設けられる場合がある。しかしながら、このように設けると、無駄なスペースが発生し、撮像装置の小型化には不向きである。

そこで、本発明は、光学系の入射側に後から組み付けられるフレア絞りの開口部分の形状を精度良く維持できる光学ユニットを提供することを目的とする。

本発明に係る光学ユニットは、光学系とケースと入射窓と角形枠とを備える。光学系は、光軸に沿う面に対して鏡像でかつ回転非対称の自由曲面を有する。ケースは、光学系を囲い遮光する。入射窓は、ケースに開口し光学系に向けて物体からの光束を通過させる。角形枠は、入射窓に装着されて光束の断面形状を方形に規制するフレア絞りが設けられる。この角形枠は、フレア絞りの内周縁を構成する各辺が互いに合わさる角部で、入射窓に対して固定される。

角形枠を入射窓にしっかりと固定するために、角部は、一対の辺のそれぞれ両端面となる部位に結合部を設け、この結合部で一対の辺に沿う方向に入射窓の内周面と係合する。この場合、入射窓の内周面と前記角形枠の結合部との一方に凸部が形成され、他方に凹部が形成される。または、角形枠は、結合部で入射窓に熱圧着されることによって、ケースに固定される。

入射窓と角形枠との組立公差を吸収するために、角形枠は、結合部に形成される凸部と、この凸部の基部に設けられて一対の辺に沿う方向に凸部を変位させる弾性構造とを備える。入射窓は、光束を横切る方向に内周面から突出する段差部を有し、この段差部と角形枠の光学系側の端面との間に、入射窓を覆う保護ガラスが挟まれて固定される。また、光学系は、少なくとも１つの屈折面あるいは反射面が自由曲面に形成された２つのプリズムを含む。

本発明に係る撮像装置は、光学系とケースと入射窓と角形枠と撮像素子とを備える。光学系は、２つのプリズムで構成される。プリズムは、光軸に沿う面に対して鏡像でかつ回転非対称の自由曲面に形成された少なくとも１つの屈折面あるいは反射面を有する。ケースは、光学系を囲い遮光する。入射窓は、ケースに開口し光学系に向けて物体からの光束を通過させる。角形枠は、入射窓に装着されてフレア絞りが設けられている。フレア絞りは、光束の断面形状を方形に規制する開口部分が形成される。撮像素子は、開口部分の形状と相似形の方形の受光部を有し、この受光部で光学系から射出される光束を受光して光学系によって形成される被写体の像を電気信号へ変換する。角形枠は、フレア絞りの内周縁を構成する各辺が互いに合わさる角部で、入射窓に対して固定される。

本発明の光学ユニットによれば、角形枠が入射窓に対して角部で固定される。角形枠を保持するために作用する保持力は、角部から角形枠を構成する辺に沿って分散される。このため、角形枠が変形しにくく、フレア絞りの開口部分の形状を理想的な形状に保ちやすい。また、角形枠に対する保持力が辺に沿って作用するため、大きな保持力で押えることができるようになり、角形枠を入射窓にしっかりと固定することができる。

これらの結果、光束の透過断面形状に対してぎりぎりに開口部分の形状を設けることができるので、この光学ユニットに設けられるフレア絞りのフレアの防止効果が高くなる。さらに、保持力は、角形枠の変に沿って作用するため、角形枠全体が経年的にクリープ変形することもない。

したがって、この光学ユニットをデジタルカメラやカメラ付携帯電話などの撮像装置やカメラモジュールに適用することで、フレアの影響が軽減され、光学系の性能を十分に発揮させることができるとともに、品質の良い画像を提供することができる。

本発明の撮像装置によれば、フレア絞りの開口部分の形状と相似形に方形の受光部が設けられた撮像素子を備える。したがって、上記光学ユニットが備える効果に加えて、撮像に寄与する光束の断面形状にあわせて撮像装置の大きさを小さくすることができる。

本発明に係る第１の実施形態の光学ユニットを適用したデジタルカメラを例に、図１から図７を参照して説明する。デジタルカメラ１は、図１に示すように、ハウジング２の外部に面して、レリーズボタン３、フラッシュ４、ファインダ光学系５、撮像光学系６、及び画像表示部７（図２参照）が設けられている。レリーズボタン３は、操作部の一つである。

ハウジング２は、図２に示すように、撮像光学系６の主要部を構成する撮像装置１０、処理手段としての画像処理回路２１、記録手段としての記録部２２などを内蔵している。画像処理回路２１は、撮像装置１０によって得られる画像情報を含む電気信号に所定の電気的処理を施すことにより、画像データを得る機能を有している。記録部２２は、画像処理回路２１からの画像データを一時的に保管したり、適用される記録媒体に記録するための記録手段として機能する。撮像装置１０に入射される被写体からの光束λｉが通過する窓６ａがハウジング２に設けられている。

撮像装置１０は、図３及び図４にも示すように、第１プリズム１１と第２プリズム１２とケース３０と角形枠４０と保護ガラス１４と撮像素子１５と撮像素子用基板１６とを備えている。第１プリズム１１と第２プリズム１２とは、それぞれ自由曲面プリズムであって、光学系を構成している。なお、本明細書において「自由曲面」とは、光軸に沿う面に対して鏡像でかつ回転非対称な面であり、「自由曲面プリズム」とは、自由曲面を屈折面あるいは反射面の少なくともいずれかに有しているプリズムのことである。また、第１プリズム１１、第２プリズム１２、ケース３０、角形枠４０、保護ガラス１４によって光学ユニットを構成している。

第１プリズム１１は、第１入射面１１ａと第１反射面１１ｂと第１射出面１１ｃとを備え、このうち第１入射面１１ａと第１反射面１１ｂとが自由曲面に形成されている自由曲面プリズムである。第２プリズム１２は、第２入射面１２ａと２つの第２反射面１２ｂ，１２ｃと第２射出面１２ｄとを備え、２つの第２反射面１２ｂ，１２ｃと第２射出面１２ｄとが自由曲面に形成された自由曲面プリズムである。第１プリズム１１と第２プリズム１２とは、保持部材３１を挟んで相対的に位置決めされている。

物体からの光束λｉは、図２及び図４に示すように、第１入射面１１ａから入射し、第１反射面１１ｂで反射された後、第１射出面１１ｃから射出される。第１プリズム１１の第１射出面１１ｃから射出された光束λｍは、第２入射面１２ａから入射し、２つの第２反射面１２ｂ，１２ｃでそれぞれ反射された後、第２射出面１２ｄから射出される。第２射出面１２ｄから射出された光束λｏは、結像面Ａで物体像を形成する。

ケース３０は、第１プリズム１１及び第２プリズム１２を囲う箱形に形成されており、入射窓３２以外からの光を遮光する。入射窓３２は、第１入射面１１ａに向けて物体からの光束λｉを通過させる。入射窓３２は、ケース３０の外壁よりも被写体側に突出する取付座３３が設けられている。この取付座３３には、図３及び図４にに示すように角形枠４０が装着されている。

角形枠４０は、被写体側に面してフレア絞り４１が一体に形成されている。フレア絞り４１は、光束λｉの断面形状を方形に規制し、フレアの発生を防止する。角形枠４０は、フレア絞り４１の内周縁を構成する各辺４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄが互いに合わさる角部４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄで入射窓３２に対して固定されている。具体的には、図７に示すように、一対となる辺４２ｂ，４２ｄの両端面となる部分に結合部４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄを有している。結合部４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄは、一対の辺４２ｂ，４２ｄに沿う方向に入射窓３２の内周面と係合する。

本実施形態において、結合部４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄは、凸形状に形成されており、これと対応する入射窓３２の内周面には、凹部３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄが形成されている。角部４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄで入射窓３２と係合されていれば、入射窓３２の内周面と結合部４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄとのどちらか一方に凸部が形成され他方にこれと対応する凹部が形成されていれば良い。

入射窓３２は、光束λｉを横切る方向に内周面から内側に突出する段差部３４を有している。この段差部３４には、保護ガラス１４が図４、図５、図６に示すように嵌め込まれる。保護ガラス１４は、入射窓３２に装着される角形枠４０の第１プリズム１１側の端面によって全周にわたって押さえつけらて固定されている。したがって、像のゆがみの原因となる保護ガラス１４の歪みを防止することができる。

撮像素子１５は、撮像素子用基板１６に実装されており、フレア絞り４１の開口部分４１ａの形状と相似形の方形の受光部１５ａを有している。撮像素子用基板１６は、固定フレーム３５に取り付けられる。固定フレーム３５とケース３０との相対位置を調整して固定することによって、撮像素子１５は、受光部１５ａが結像面Ａに位置するように配置される。

撮像素子１５は、例えばフォトトランジスタなど光を電気信号に変換する半導体素子が受光部１５ａに多数配置されたＣＣＤ（Charged-Coupled Device）である。撮像素子用基板１６には、撮像素子１５と画像処理回路２１との間の連係を取る撮像素子ＩＦ（インターフェイス）回路が実装される。

以上のように、フレア絞り４１は、角形枠４０と一体成形されており、この角形枠４０は、入射窓３２に対して角部４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄで固定される。本実施形態では、図７に示すように、辺４２ｂ，４２ｄの端面に結合部４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄを設けている。角形枠４０に作用する保持力は、辺４２ｂ，４２ｄに沿って作用するので、角形枠４０の形状が変形しにく、経年的なクリープ変形に対しても、有効である。したがって、フレア絞り４１の形状が、理想的な形状に維持される。また、第１プリズム１１の第１入射面１１ａに対し、ぎりぎりにフレア絞り４１の開口部分４１ａを設けることができるため、光束λｉの通過効率を高くすることができる。

さらに、撮像素子１５の受光部１５ａが方形であることに対して、光学系の入射部である第１入射面１１ａ及び射出部である第２射出面もそれぞれ方形であり、さらに第１入射面１１ａに取り付けられるフレア絞り４１の開口部分４１ａも方形である。光学ユニット全体が、撮像素子１５に対して無駄スペースのない形状であり、撮像装置１０全体の大きさを小型化することに適している。

角形枠４０は、フレア絞り４１が一体に成形され、保護ガラス１４を固定する保持具としての機能も有している。また、角形枠４０は、はめ込むことで固定される。したがって、部品点数が減りかつ組立も容易である。

本発明に係る第２の実施形態の撮像装置１０の角形枠４０と入射窓３２との接合部分について、図８及び図９を参照して説明する。なお、第１の実施形態に記載の撮像装置１０の構成と同じ機能を有する構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施形態では、角形枠４０は、結合部４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄにおいて入射窓３２と熱圧着で固定される。熱圧着するための圧着端子７０は、図８に示すように、角形枠４０を構成する辺４２ｂ，４２ｄに沿う方向に入射窓３２の取付座３３の外側から押し当てられる。したがって、圧着工程による荷重は、辺４２ｂ，４２ｄに沿って作用するため、フレア絞り４１に歪みを発生させない。

本発明に係る第３の実施形態の撮像装置の角形枠４０の結合部４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄについて、図１０を参照して説明する。なお、第１及び第２の実施形態に記載の角形枠４０の構成と同じ機能を有する構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。また、撮像装置全体は、第１及び第２の実施形態と同じであるので、説明を省略する。

角形枠４０を第１プリズム１１側の端面側から見た状態を図１０に示す。この角形枠４０は、結合部４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄに凸部が形成され、この凸部の基部にスリット４５が設けられている。各スリット４５は、辺４２ｂ，４２ｄに沿う方向に凸部を変位させる弾性構造の一例である。このようにスリット４５を設けることで、角形枠４０を固定するための荷重を効果的に緩和させることができ、フレア絞り４１に歪みが発生することを防止することができる。

また、スリット４５を設けることで、角形枠４０と入射窓３２の内周面との嵌め合い公差に裕度を与えることができるようになる。つまり、互いの寸法精度にゆとりを持たせることができるため、製造コストを抑えることができる。

上述の第１から第３の実施形態において、結合部４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄは、辺４２ｂ，４２ｄの両端部だけでなく、角部４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄにおける辺４２ａ，４２ｃの両端部となる位置にも設けても良い。

本発明に係る第１の実施形態の撮像装置を内蔵するカメラを示す斜視図。 図１に示したカメラのブロック図。 図２に示した撮像装置の斜視図。 図３に示した撮像装置の断面図。 図３に示した撮像装置の角形枠を入射窓から分解した斜視図。 図３に示した撮像装置の角形枠を入射窓から分解した断面図。 図５に示した角形枠を下から見た底面図。 本発明に係る第２の実施形態の撮像装置の角形枠を熱圧着する状況を概念的に示す斜視図。 図８中のＦ９−Ｆ９線に沿って示すフレア絞り及びその周辺の断面図。 本発明に係る第３の実施形態の撮像装置の角形枠の第１プリズム側から示す斜視図。

符号の説明

１…デジタルカメラ、１０…撮像装置、１１…第１プリズム（光学系）、１１ａ…第１入射面（自由曲面）、１１ｂ…第１反射面（自由曲面）、１２…第２プリズム（光学系）、１２ｂ，１２ｃ…第２反射面（自由曲面）、１２ｄ…第２射出面（自由曲面）、１４…保護ガラス、１５…撮像素子、３０…ケース、３２…入射窓、３３…取付座、３４…段差部、４０…角形枠、４１…フレア絞り、４１ａ…開口部分、４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ…辺、４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ…角部、４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ…結合部、４５…スリット（弾性構造）、λｉ，λｍ，λｏ…光束、Ａ…結像面。

Claims (8)

1. 光軸に沿う面に対して鏡像でかつ回転非対称の自由曲面を有する光学系と、
   前記光学系を囲い遮光するケースと、
   前記ケースに開口し前記光学系に向けて物体からの光束を通過させる入射窓と、
   前記入射窓に装着されて前記光束の断面形状を方形に規制するフレア絞りが設けられる角形枠とを備え、
   前記角形枠は、前記フレア絞りの内周縁を構成する各辺が互いに合わさる角部で前記入射窓に対して固定されることを特徴とする光学ユニット。
2. 前記角部は、一対の辺のそれぞれ両端面となる部位に結合部を有し、
   この結合部が前記一対の辺に沿う方向に前記入射窓の内周面と係合することによって、前記角形枠が前記入射窓に固定されることを特徴とする請求項１に記載の光学ユニット。
3. 前記入射窓の内周面と前記角形枠の結合部との一方に凸部が形成され、他方に凹部が形成されることを特徴とする請求項２に記載の光学ユニット。
4. 前記角形枠は、前記結合部で前記入射窓に熱圧着されることによって、前記ケースに固定されることを特徴とする請求項２に記載の光学ユニット。
5. 前記角形枠は、前記結合部に形成される凸部と、この凸部の基部に設けられて前記辺に沿う方向に前記凸部を変位させる弾性構造とを備えることを特徴とする請求項２に記載の光学ユニット。
6. 前記入射窓は、前記光束を横切る方向に内周面から突出する段差部を有し、
   この段差部と前記角形枠の光学系側の端面との間に、前記入射窓を覆う保護ガラスが挟まれて固定されることを特徴とする請求項１に記載の光学ユニット。
7. 前記光学系は、少なくとも１つの屈折面あるいは反射面が前記自由曲面に形成された２つのプリズムを含むことを特徴とする請求項１に記載の光学ユニット。
8. 光軸に沿う面に対して鏡像でかつ回転非対称の自由曲面に形成された少なくとも１つの屈折面あるいは反射面を有する２つのプリズムで構成される光学系と、
   前記光学系を囲い遮光するケースと、
   前記ケースに開口し前記光学系に向けて物体からの光束を通過させる入射窓と、
   前記入射窓に装着されて前記光束の断面形状を方形に規制する開口部分が形成されたフレア絞りが設けられる角形枠と、
   前記開口部分の形状と相似形の方形の受光部で前記光学系から射出される光束を受光して前記光学系によって形成される被写体の像を電気信号へ変換する撮像素子と
   を備え、
   前記角形枠は、前記フレア絞りの内周縁を構成する各辺が互いに合わさる角部で前記入射窓に対して固定されることを特徴とする撮像装置。

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