JP2007121851A - 撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】複数枚のレンズを駆動する場合でも十分な駆動力を発揮できるアクチュエータを搭載した撮像装置を提供する。
【解決手段】第4レンズL4と、それよりも被写体側の第3レンズL3との当接領域Aの一部が、光軸から最大距離D1の位置に対して光軸直交方向内側に配置されているので、それによりレンズ外径を小さく抑えることができる。又、当接領域Aの一部が、光軸から最小距離D2の位置に対して光軸直交方向外側に配置されているので、光電変換部51aに入射する光束を阻害することがなく、高画質な画像を形成することができる。
【選択図】図3

Description

本発明は、撮像装置に関し、例えばCCD型イメージセンサあるいはCMOS型イメージセンサ等の固体撮像素子を用いた撮像装置などに用いられると好適な撮像装置に関する。
近年、CCD(Charge Coupled Device)型あるいはCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)型の固体撮像素子を用いた撮像装置の高性能化に伴い、オートフォーカス機構(以降AF機構という)を備えた撮像装置が搭載された携帯電話が普及しつつある。
複数のレンズを備えた撮像装置において、1枚のレンズを光軸方向に移動させてフォーカシングを行う場合、レンズの移動により光軸のチルトやシフトが生じると、光学性能が劣化する恐れがある。かかる問題は、アクチュエータとしてボイスコイルモータを用いてレンズを移動させた場合に生じやすい。これに対し、フォーカシング時に複数のレンズを光軸方向に移動させる試みがあり、それによればレンズ間の光軸のチルトやシフトが抑制されるので、高い光学性能を得ることができる。ところが、複数のレンズを移動させるためには、アクチュエータの駆動力を高める必要が生じる。
例えばボイスコイルモータの場合、コイル巻線数の増大、コイル長の増大、電流の増大、磁束密度の高密度化などにより駆動力を高めることができる。しかしながら、一般的に磁束密度は磁石の性能に依存して決まるものであるので、その高密度化を大幅に図ることは困難である。また電流を増大させると発熱量が増大し、駆動対象がプラスチックレンズの場合には、光学性能の低下を招く恐れがある。これに対し、コイル巻線数の増大、コイル長の増大は比較的容易にできるが、アクチュエータの大型化を招くこととなる。
特開2004−347890号公報
ところで、特許文献1に記載の撮像装置は、撮像レンズを構成するレンズ群の外径がほぼ等しくなっており、その光軸直交方向外側に、レンズを駆動するためのアクチュエータを配置しているので、大きな径方向の寸法を有する。このような構成を用いて、例えば4枚のレンズを駆動するためには、更にコイル巻線数の増大、コイル長の増大が必要となり、径方向の寸法が増大することによって、携帯電話機などに搭載することが困難となる。一方、レンズの有効径を小さくすれば、その分だけアクチュエータを大きくできるが、必要な光学特性を確保することが困難となる。
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、コンパクトな構成を有し、複数枚のレンズを駆動する場合でも十分な駆動力を発揮できるアクチュエータを搭載した撮像装置を提供することを目的とする。
請求項1に記載の撮像装置は、
筐体と、
前記筐体に対して光軸方向に移動可能な可動レンズを少なくとも1つ含む撮像レンズと、
受光面を有する固体撮像素子と、
前記可動レンズを光軸方向に駆動する円筒状のアクチュエータと、を有し、
前記可動レンズにおける最も像側の最像側レンズは、前記アクチュエータの内径よりも大きい外径を有し、前記最像側レンズ以外の前記可動レンズは、前記内径の光軸直交方向内側に配置されており、
前記最像側レンズと、それよりも被写体側のレンズとの当接部の少なくとも一部は、前記当接部を通り光軸に直交する面において、光軸から、前記固体撮像素子の受光面に入射する前記撮像レンズの有効光束の外縁までの最大値より光軸直交方向内方であって、且つ光軸から、前記固体撮像素子の受光面に入射する前記撮像レンズの有効光束の外縁までの最小値より光軸直交方向外方に位置することを特徴とする。
本発明によれば、前記最像側レンズは、前記アクチュエータのヨークの内径よりも大きい外径を有するので、その有効径を、十分な光学特性を確保できる程度に拡大することができる。又、前記最像側レンズ以外の前記可動レンズは、前記内径の光軸直交方向内側に配置されているので、前記最像側レンズと、それ以外の前記可動レンズとの外径の差を利用して、前記アクチュエータを配置できるので、コイルの巻線数の増大や長さの増大を図ることができ、駆動力を高めることができる。
更に、本発明によれば、前記固体撮像素子の受光面が矩形形状であることに鑑みて、前記受光面に入射する有効光束を阻害しない範囲で、なるべく光軸直交方向内側に、前記最像側レンズと、それよりも被写体側のレンズとの当接部を位置させている。より具体的に述べると、前記最像側レンズと、それよりも被写体側のレンズとの当接部の少なくとも一部は、前記当接部を通り光軸に直交する面において、光軸から、前記固体撮像素子の受光面に入射する前記撮像レンズの有効光束の外縁までの最大値より光軸直交方向内方に位置するようにしているので、それによりレンズ外径を小さく抑えることができる。又、前記当接部の少なくとも一部は、前記当接部を通り光軸に直交する面において、光軸から、前記固体撮像素子の受光面に入射する前記撮像レンズの有効光束の外縁までの最小値より光軸直交方向外方に位置するようにしているので、受光面に入射する光束を阻害することがなく、高画質な画像を形成することができる。
本発明によれば、コンパクトな構成を有し、複数枚のレンズを駆動する場合でも十分な駆動力を発揮できるアクチュエータを搭載した撮像装置を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図1は、本実施の形態にかかる撮像装置を含む撮像装置50の斜視図であり、図2は、図1の撮像装置50をII-II線を含む面で切断して矢印方向に見た図である。
上記撮像装置50は、光電変換部51aを有する固体撮像素子としてのCMOS型イメージセンサ51と、このイメージセンサ51の光電変換部51aに被写体像を撮像させる撮像レンズとしての撮像レンズ10と、イメージセンサ51と撮像レンズ10との間に配置されたIRカットフィルタFと、イメージセンサ51を保持すると共にその電気信号の送受を行う外部接続用端子54(図1)を有する基板52と、撮像レンズを支持する組立筐体20と、フォーカシングレンズを駆動するアクチュエータ(フォーカスアクチュエータともいう)30とを備え、これらが一体的に形成されている。尚、本撮像装置50の光軸方向高さΔは、10mm以下である。
上記イメージセンサ51は、その受光側の平面の中央部に、画素(光電変換素子)が2次元的に配置された、受光部としての光電変換部51aが形成されており、その周囲には信号処理回路(不図示)が形成されている。かかる信号処理回路は、各画素を順次駆動し信号電荷を得る駆動回路部と、各信号電荷をデジタル信号に変換するA/D変換部と、このデジタル信号を用いて画像信号出力を形成する信号処理部等から構成されている。また、イメージセンサ51の受光側の平面の外縁近傍には、多数のパッド(図示略)が配置されており、ワイヤWを介して基板52に接続されている。イメージセンサ51は、光電変換部51aからの信号電荷をデジタルYUV信号等の画像信号等に変換し、ワイヤWを介して基板52上の所定の回路に出力する。ここで、Yは輝度信号、U(=R−Y)は赤と輝度信号との色差信号、V(=B−Y)は青と輝度信号との色差信号である。なお、撮像素子は上記CMOS型のイメージセンサに限定されるものではなく、CCD等の他のものを使用しても良い。
基板52は、その一平面上で上記イメージセンサ51及び外筒21を支持する支持平板52aと、支持平板52aに一端部が接続されたフレキシブル基板52b(図1)とを備えている。
支持平板52aは、表面に設けられた多数の信号伝達用パッドを有しており、これが前述したイメージセンサ51からのワイヤWと接続され、且つフレキシブル基板52bと接続されている。
フレキシブル基板52bは、上記の如くその一端部が支持平板52aと接続され、その他端部に設けられた外部接続用端子54を介して支持平板52aと外部回路(例えば、撮像装置を実装した上位装置が有する制御回路)とを接続し、外部回路からイメージセンサ51を駆動するための電圧やクロック信号の供給を受けたり、また、デジタルYUV信号を外部回路へ出力したりすることを可能とする。さらに、フレキシブル基板52bの長手方向の中間部が可撓性又は変形容易性を備え、その変形により、支持平板52aに対して外部出力端子の向きや配置に自由度を与えている。
遮光性部材からなる組立筐体20は、イメージセンサ51を囲うようにして配置され基板52に対して接着剤Bを用いて下端が接着されてなる下筒21Aと、下筒21Aの上部に取り付けられた短円筒状の上筒21Bとからなる外筒21を含む。
図2において、下筒21Aの内周から光軸直交方向に延在するフランジ部21aには、IRカットフィルタFが取り付けられている。又、フランジ部21aの上面には、保持部材22eに当接するストッパSPが配置されている。
組立筐体20に対して移動可能に配置された移動筒22は、大円筒部22aと、その上端に連結された小円筒部22bと、その上端に形成された小フランジ部22cと、大円筒部22aの下端から半径方向に延在する大フランジ部22dと、大円筒部22aを塞ぐようにして取り付けられる保持部材22eとを有し、物体側から第1レンズL1,第2レンズL2,第3レンズL3,第4レンズL4の順序で、これらを固定的に内包保持している。小フランジ部22cの中央開口が開口絞りSとなっている。
第1レンズL1のフランジ部L1fは、第2レンズL2のフランジ部L2fの上部を内包するようにして突き当て嵌合している。又、第3レンズL3のフランジ部L3fは、第2レンズL2のフランジ部L2fの下部を内包するようにして突き当て嵌合している。第1レンズL1と第2のレンズL2の外径は、第3レンズL3の外径より若干小さくなっている。従って、第1レンズL1を小フランジ部22cに突き当てるようにして、レンズL1〜L3を小円筒部22b内に組み付けたとき、移動筒22に対するレンズの光軸は、小円筒部22bの内周面と第3レンズL3の外径との嵌合により精度良く位置決めされ、且つフランジ部同士の嵌合によって、第3レンズL3の光軸と、第1レンズL1と第2のレンズL2の光軸が精度良く位置決めされることとなる。
一方、後述するように、最像側レンズである第4レンズL4の外周側に設けられた当接面L4pに、第3レンズL3の脚部L3gが当接しているので、それにより移動筒22に対する第4レンズL4の光軸の位置決めを精度良く行える。保持部材22eは、第4レンズL4のフランジ部L4fの下面に取り付けられている。本実施の形態においては、第1レンズL1及び第2レンズL2は、光軸回りに回転対称な断面を有するが、第3レンズL3及び第4レンズL4は、光軸回りに回転非対称な断面を有する。
図3(a)は、第4レンズL4を被写体側から見た図であり、図3(b)は、図3(a)の第4レンズL4をIIIB-IIIB線で切断して矢印方向に見た図である。第4レンズL4は、被写体側の面において、光軸の周囲に略矩形状の光学面L4sを形成し、その光学面L4sの周囲に当接面L4pを形成している。従って、当接面L4pの内周は矩形筒状であり、その外周は円筒状となっており、それ故、第4レンズL4は、光軸回りに回転非対称な断面を有する。なお、当接面L4pには、その矩形筒状内周面につながるようにして、対向する2カ所(図3(a)で上下面)に切欠L4c、L4cが形成されている。
図3(a)において点線で示すように、光学面L4sにはイメージセンサ51の矩形形状の光電変換部(受光面ともいう)51aに受光される有効光束ELが入射する。光電変換部51a以外に結像する光学像は不要光となるので、有効光束ELは、光軸直交方向断面において短辺と長辺とを有する略矩形状となる。当接面L4pを通り光軸に直交する仮想面上において、光軸から有効光束ELの外縁までの最大値(最大距離という)をD1とし、光軸から有効光束ELの外縁までの最小値(最小距離という)をD2とする。
図4(a)は、第3レンズL3を像側から見た図であり、図4(b)は、図4(a)の第3レンズL3をIVB-IVB線で切断して矢印方向に見た図である。第3レンズL3は、像側の面において、光学面L3sの周囲に4つの脚部L3gを形成している。なお、対向する2カ所(図4(a)で上下)の脚部L3gの中央には、円筒状のボスL3b、L3bが突出して形成されている。
第3レンズL3と第4レンズL4とを組み合わせたとき、4つの脚部L3gが当接面L4pに当接するが、このとき第3レンズL3のボスL3b、L3bが第4レンズL4の切欠L4c、L4cに係合し、それによりレンズL3,L4の光軸回りの回り止めが図られる。ここで、脚部L3gと当接面L4pとの当接領域A、Cを図3(a)にハッチングで示している。図3(a)から明らかなように、有効光束ELの短辺方向(図3(a)で上下方向)の当接領域Aは、当接面L4p上において、光軸の近くまで延在しているのに対し、有効光束ELの長辺方向(図3(a)で左右方向)の当接領域Cは、光軸から離れたところで途切れている。これを言い換えると、当接領域Aの一部は、光軸から最大距離D1の位置に対して光軸直交方向内側に配置され、且つ光軸から最小距離D2の位置に対して光軸直交方向外側に配置されていることとなる。即ち、第4レンズL4と、それよりも被写体側の第3レンズL3との当接領域Aの一部が、光軸から最大距離D1の位置に対して光軸直交方向内側に配置されているので、それによりレンズ外径を小さく抑えることができる。又、当接領域Aの一部が、光軸から最小距離D2の位置に対して光軸直交方向外側に配置されているので、光電変換部51aに入射する光束を阻害することがなく、高画質な画像を形成することができる。なお、脚部L3gの数や形状は、以上に限られることはなく、有効光束ELを阻害しない範囲で任意に決定することができる。
移動筒22の小円筒部22bの光軸直交方向外方には、円筒状のアクチュエータ30が配置されている。アクチュエータ30は、移動筒22の大フランジ部22dに取り付けられ光軸方向に延在し、光軸を中心として円周方向に巻回して構成された円筒状コイル33と、上筒21Bの上方においてコイル33を内包するように円筒状に配置された磁石32と、磁石32を支持すると共に、上方からコイル33の内周までを覆うようにして、上筒21Bに下端を取り付けられた円筒状のヨーク31とからなっている。なお、磁石32を移動筒22に取り付けて、コイル33を上筒21Bに取り付けても良い。
径の異なるドーナツ円板同士を連結位置の位相をずらせて連結した形状のばね部材27は、その外周側を上筒部21Bの下端近傍に固定し、その内周側を保持部材22eの下面に固定している。一方、ばね部材27に類似の形状を有するばね部材28は、その外周側をヨーク31の上面に固定し、その内周側を移動筒22の上端に固定している。ばね部材27,28は、移動筒22が光軸方向に移動することに応じて付勢力を発生するようになっている。
アクチュエータ30のコイル33のプラス端子は、移動筒22の大フランジ部22dを抜け保持部材22eの外壁を延在する配線H1+を介してばね部材27に接続されている。更に、ばね部材27は上筒21Bの外壁を貫通し下筒21Aの外壁を延在するH2+を介して基板52に接続されている。又、コイル33のマイナス端子は、移動筒22の小円筒部22bの外壁を延在する配線H1−を介してばね部材28に接続されている。ばね部材28はヨーク31,上筒21B、下筒21Aの外壁を延在するH2−を介して基板52に接続されている。ボイスコイルモータの駆動原理は良く知られているので省略するが、外部よりばね部材27,28,配線H1+、H2+、H1−、H2−を介してコイル33に電力を供給することで発生する磁力により、磁石32に対してコイル33を、供給された電力に応じて変位させることができるものである。
撮像レンズ10は、物体側より順に、開口絞りS、正の屈折力を有し物体側に凸面を向けた第1レンズL1、負の屈折力を有する第2レンズL2,正の屈折力を有する第3レンズL3、負の屈折力を有する第4レンズL4とを有している。本実施の形態では、レンズL1、L2、L3、L4がフォーカシングレンズ(可動レンズともいう)を構成するが、レンズL4に比べ、レンズL1〜L3の外径を小さくしているため、この外径差を利用して、大型のアクチュエータ30を搭載できるようになっている。
この撮像レンズ10は、開口絞りS及び各レンズL1、L2、L3、L4を光学系として、固体撮像素子に対して被写体像の結像を行うためのものである。開口絞りSは、撮像レンズ全系のFナンバーを決定する部材である。
撮像レンズ10とイメージセンサ51との間において外筒21のフランジ部21aに保持されたIRカットフィルタFは、例えば略矩形状や円形状に形成された部材である。
さらに、第1レンズL1と第2レンズL2の間及び第2レンズL2と第3レンズL3との間に、遮光マスクを配置しても良く、それにより固体撮像素子に近いレンズL3,L4有効径の外側に不要光が入射することを防止し、ゴーストやフレアの発生を抑えることができる。
本実施の形態によれば、第4レンズL4は、アクチュエータ30のヨーク33の最小内径よりも大きい外径を有するので、その有効径を、十分な光学特性を確保できる程度に拡大することができる。又、第4レンズL4以外のレンズL1〜L3は、ヨーク33の光軸直交方向内側に配置されているので、第4レンズL4と、レンズL1〜L3との外径の差を利用して、アクチュエータ30を配置できるので、コイル33の巻線数の増大や長さの増大を図ることができ、駆動力を高めることができる。
上述した撮像装置50の使用態様について説明する。図5は、撮像装置50を携帯端末としての携帯電話機100に装備した状態を示す図である。また、図6は携帯電話機100の制御ブロック図である。
撮像装置50は、例えば、撮像レンズにおける外筒21の物体側端面が携帯電話機100の背面(液晶表示部側を正面とする)に設けられ、液晶表示部の下方に相当する位置になるよう配設される。
撮像装置50の外部接続用端子54は、携帯電話機100の制御部101と接続され、輝度信号や色差信号等の画像信号を制御部101側に出力する。
一方、携帯電話機100は、図6に示すように、各部を統括的に制御すると共に、各処理に応じたプログラムを実行する制御部(CPU)101と、番号等をキーにより支持入力するための入力部60と、所定のデータの他に撮像した画像や映像等を表示する表示部70と、外部サーバとの間の各種清報通信を実現するための無線通信部80と、携帯電話機100のシステムプログラムや各種処理プログラム及び端末ID等の必要な諸データを記憶している記憶部(ROM)91と、制御部101によって実行される各種処理プログラムやデータ、若しくは処理データ、或いは撮像装置50により撮像データ等を一時的に格納する作業領域として用いられる及び一時記憶部(RAM)92とを備えている。
携帯電話機100を把持する撮影者が、被写体に対して撮像装置50の撮像レンズ10の光軸を向けると、イメージセンサ51に画像信号が取り込まれるが、例えば像面AF処理などを行うことで、ピントズレを検出できる。制御部101は、このピントズレを解消する方向にレンズL1〜L4を駆動するように、アクチュエータ30に対して電力を供給するので、外部接続用端子54より配線H1+、H2+、H1−、H2−を介してコイル33に電力が供給される。これにより発生した磁力と、変形したばね部材27,28の付勢力とを釣り合わせることにより、移動筒22と共に最適な合焦位置にレンズL1〜L4を移動させ且つ保持することができるので、適切なオートフォーカス動作を実現できる。なお、電力供給の中断により、アクチュエータ30の駆動力が消失すれば、移動筒22は元の位置へと復帰する。
所望のシャッタチャンスで、図5に示すボタンBTを撮影者が押すことでレリーズが行われ、画像信号が撮像装置50に取り込まれることとなる。撮像装置50から入力された画像信号は、上記携帯電話機100の制御系に送信され、記憶部92に記憶されたり、或いは表示部70で表示され、さらには、無線通信部80を介して映像情報として外部に送信されることとなる。
以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。例えば、可動レンズはレンズL1〜L4のいずれか1枚以上であれば良く、更にレンズ総数は4枚に限られない。
本実施の形態にかかる撮像装置50の斜視図である。 図1の撮像装置50をII-II線を含む面で切断して矢印方向に見た図である。 図3(a)は、第4レンズL4を被写体側から見た図であり、図3(b)は、図3(a)の第4レンズL4をIIIB-IIIB線で切断して矢印方向に見た図である。 図4(a)は、第3レンズL3を像側から見た図であり、図4(b)は、図4(a)の第3レンズL3をIVB-IVB線で切断して矢印方向に見た図である。 撮像装置50を携帯端末としての携帯電話機100に装備した状態を示す図である。 携帯電話機100の制御ブロック図である。
符号の説明
10 撮像レンズ
20 組立筐体
21 外筒
21A 下筒
21B 上筒
21a フランジ部
21b 凹部
22 移動筒
22a 大円筒部
22b 小円筒部
22c 小フランジ部
22d 大フランジ部
22e 保持部材
27 ばね部材
28 ばね部材
30 アクチュエータ
31 ヨーク
32 磁石
33 コイル
50 撮像装置
51 イメージセンサ
51a 光電変換部
52 基板
54 外部接続用端子
60 入力部
70 表示部
80 無線通信部
92 記憶部
100 携帯電話機
101 制御部
B 接着剤
BT ボタン
F カットフィルタ
H1+、H2+、H1−、H2− 配線
L1〜L4 レンズ
S 開口絞り
W ワイヤ

Claims (1)

  1. 筐体と、
    前記筐体に対して光軸方向に移動可能な可動レンズを少なくとも1つ含む撮像レンズと、
    受光面を有する固体撮像素子と、
    前記可動レンズを光軸方向に駆動する円筒状のアクチュエータと、を有し、
    前記可動レンズにおける最も像側の最像側レンズは、前記アクチュエータの内径よりも大きい外径を有し、前記最像側レンズ以外の前記可動レンズは、前記内径の光軸直交方向内側に配置されており、
    前記最像側レンズと、それよりも被写体側のレンズとの当接部の少なくとも一部は、前記当接部を通り光軸に直交する面における、光軸から、前記固体撮像素子の受光面に入射する前記撮像レンズの有効光束の外縁までの最大値より光軸直交方向内方であって、且つ光軸から、前記固体撮像素子の受光面に入射する前記撮像レンズの有効光束の外縁までの最小値より光軸直交方向外方に位置することを特徴とする撮像装置。
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