JP2008181075A - 超小型高解像度接合型撮像レンズ - Google Patents

超小型高解像度接合型撮像レンズ Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、4枚のレンズからなる超小型高解像度撮像レンズの組立体を提供する。
【解決手段】本発明は、光軸に沿って被写体から第1レンズL1、第2レンズL2、第3レンズL3及び第4レンズL4の順に配置される超小型高解像度撮像レンズの組立体において、前記第1レンズL1はプラス屈折能を持ち、前記第2レンズL2はマイナス屈折能を有し、前記第1レンズL1及び第2レンズL2は光学ガラス材質であり、前記第1レンズL1の前面及び前記第2レンズL2の後面は共に球面であり、前記第1レンズL1の後面及び前記第2レンズL2の前面は実質的に平面であり、互いに接合されている超小型高解像度撮像レンズの組立体。
【選択図】図2

Description

本発明は、CCD(Charge Coupled Device)及びCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)を使用する小型カメラに適用される撮影レンズに関するものであって、より詳しくは4枚のレンズからなる超小型高解像度撮像レンズの組立体に関する。
モバイルフォンの使用の増大に伴い、要求されるサービスの多様化例えば写真撮影や画像伝送、通信に対する要求が強まっていて、モバイルフォンの機能及びサービスは引き続き発展している。最近には、デジタルカメラ技術とモバイルフォン技術とを融合・拡張した新概念のモバイルフォン、いわばカメラフォンが大きく脚光を浴びている。さらには、デジタルカムコーダー技術をモバイルフォン技術と融合して、数十分以上の動画を貯蔵及び伝送することもできる、いわばカムコーダモバイルフォンの開発も試している。
モバイルフォンだけでなくデジタルカメラ及びPCカメラ等の需要も急増し、これらに用いられているカメラの殆どはCCD及びCMOSを使用する小型カメラである。本発明は、このような小型カメラに適用される超小型高解像度撮像レンズ及びレンズの組立体に関するものである。
球面レンズの製作は長い歴史を有している。しかし、基本的な加工原理は変化されていないまま維持されている。通常の光学ガラス製造工程は、次の通りである。
1)設計されているレンズと類似した形状でありながら、体積は全体的にこれより大きいブランク材料を光学ガラスメーカから入手する。
2)レンズは、設計された形状と類似していながら、それよりやや大きい形状まで高速に研磨する(curve generation又はroughshaping工程)。
3)その後、1次的に粗研磨する(研削工程)。
4)表面の粗さが数ナノメーター程度に研磨する(polishing工程)。
5)レンズの外径を、同心度に合せ設計値に合致するように正確に加工する(centering工程)。
6)レンズを洗浄して必要な光学コーティングを行う。
レンズの製作は、前述した工程を必須的に従わなければならないので、レンズを小さく製作するには限界がある。特に、レンズの厚さがほぼ0.4mm以上にならなければ、工程中で破損が生じて製作が難しくなる。
さらに、レンズの厚さは、中心の厚さと最外郭の厚さを全て考慮しなければならない。即ち、凸レンズの場合は最外郭の厚さに制約があり、凹レンズの場合は中心の厚さに制約がある。
また、レンズの外径のサイズも、工程上の制約によりΦ2mm以上にならなければならない。
前述した理由により、球面光学ガラスレンズのサイズは、種々の制約がある。特に、超小型レンズが要求されるカメラフォン用撮像レンズの場合には、レンズの組立体の光路長に対するより多くの制約がある。
例えば、高解像度に適合した小型レンズは、光学ガラス2枚とプラスチックレンズ2枚
からなるのが望ましい。特に、そのような構成のレンズの組立体は、光学ガラスの屈折率及びアッベ数を、プラスチックレンズの屈折率及びアッベ数と異なるようにすることができるために、色収差補正に有利である。しかし、このような構成のレンズの組立体は、2枚の光学ガラスレンズの厚さにより、光路長が増加してスリム化するのに非常に不利である。
図1は、大韓民国特許第0428242号に開示された図であって、4枚のレンズからなるレンズの組立体が示されている。図1において、第1レンズG1及び第2レンズG2は光学ガラスレンズであり、第3レンズG3及び第4レンズG4はプラスチックレンズである。
上記特許において、第1レンズG1は凸レンズであり、最外郭部の最小厚さを確保しなければならず、第2レンズG2は凹レンズであり、中心部の最小厚さを確保するために一定の厚さ以上になる。即ち、第1レンズは、通常の工程を勘案した場合、最外郭部の最小厚さが0.4mm以上にしなければならないので、中心の厚さは1mm以上にしなければならない。第2レンズG2は、中心の厚さが0.3mm以上にならなければならない。このとき、第1レンズG1及び第2レンズG2が必要とする中心の最小厚さは1.3mm以上になる。
若し、球面ガラスレンズを使用せず非球面ガラスモールドを適用する時と比べた場合、ガラスモールドレンズの厚さが0.6mmであるので、組立体の長さが0.7mm以上厚くなり、長さにおいて非常に不利である。
従来の技術では、高解像度用レンズの組立体の長さを低減するために、プラスチックレンズのみを使用する場合がある。
しかしながら、前述した場合は、非球面レンズの表面の粗さがガラスレンズより大きいので、粗い微細構造における光路の微細誤差が生じて鮮明な映像を得るのが難しい。通常的に、プラスチックレンズの表面の粗さ(Rmax)は数十ナノメータであるが、ガラスレンズの表面の粗さは数ナノミリメータである。表面の粗さが累積される場合には、映像の鮮明度が低下することにつながる。
もう一つの従来の代案としては、ガラスモールドレンズを適用する場合である。この場合、ガラスモールドレンズが高価なので価格競争力を失う。ガラスモールドレンズの場合、金型費用が高く金型寿命が短いので製品単価を上昇させ、作製工程も複雑である。まず、旧態のガラスボールレンズを製作し、これをガラスモールドマシンによりモードしなければならない。
韓国特許第0428242号
本発明の目的は、製造単価の上昇や複雑な工程の追加をしなくても、高解像度(2Mピクセル以上)をサポートしながらも光路長を大幅に低減した、超小型レンズの組立体を提供することにある。
本発明の他の目的は、2枚の光学レンズの体積を1枚以下の水準に低下させることができる新しい球面ガラス加工方式を提供することにある。
前記目的を達成するために、本発明は、光軸に沿って被写体から第1レンズL1、第2
レンズL2、第3レンズL3及び第4レンズL4の順に配置される超小型高解像度撮像ンズ組立体において、前記第1レンズL1はプラス屈折能を、前記第2レンズL2はマイナス屈折能を有し、前記第1レンズL1及び第2レンズL2は光学ガラス材質であり、互いに接合されているレンズの組立体を提供することにある。
前記第3レンズL3及び第4レンズL4は、プラスチック材質であって、互いに分離されていて、少なくとも一面が非球面であり、前記第1レンズL1の前面及び前記第2レンズL2の後面は共に球面であり、前記第1レンズL1の後面(接合面)及び前記第2レンズL2の前面(接合面)は実質的に平面であるのが望ましい。
前記第1レンズL1の外郭の厚さ(T1_edge)及び前記第2レンズL2の中心の厚さ(T2_center)は、T1_edge<0.3mm、T2_center<0.3mmの条件を充たし、前記第1レンズL1及び前記第2レンズL2の屈折能の和(P12)と、レンズ全体の屈折能(P)とは、P12/P>0.8の関係を充たすのが望ましい。
第3レンズL3の屈折能(P3)と第4レンズL4の屈折能(P4)は、各々−0.2超過、0.2未満の範囲にあり得る。
前記第1レンズL1又は前記第2レンズL2は、紫外線反射コーティングされていて、第1レンズL1のアッベ数V1及び第2レンズL2のアッベ数V2は、|V1−V2|>15の関係を充たすのが望ましい。
前記第2レンズL2と第3レンズL3との間に配置されている絞りをさらに含むことができ、赤外線反射コーティングされた別途のガラス板をさらに含むことができる。
本発明は、光軸に沿って被写体から第1レンズL1、第2レンズL2、第3レンズL3及び第4レンズL4の順に配置されている超小型高解像度撮像レンズの組立体を製造する方法であって、前記第1及び第2レンズL2各々の一面を平坦化する段階と、前記第1レンズL1及び第2レンズL2の平坦面を互いに接合する段階と、前記接合された第1レンズL1及び第2レンズL2各々の他面を加工する段階と、前記第3レンズL3及び第4レンズL4を配置する段階とを含むレンズ組立体の製造方法を提供する。
前記他面を加工する段階は、前記第1レンズL1の他面は、プラス屈折能を有するように加工する段階と、前記第2レンズL2の他面は、マイナス屈折能を有するように加工する段階とを含むことができる。
本発明によれば、比較的単純な工程により、高解像度でありながらTTLを大幅低減できるレンズを提供できる。
以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
本発明の実施形態によるレンズの組立体は、4枚のレンズからなる。第1レンズL1及び第2レンズL2は球面ガラス材質であり、レンズの長さを低減するために接合形態であり、第3レンズL3及び第4レンズL4は非球面プラスチックレンズである。
図2は、本発明の実施形態によるレンズの組立体及び光路を示す図である。
図2において、物体は左側に、撮像素子は右側にあり、左側のレンズから第1レンズL1、第2レンズL2、第3レンズL3、第4レンズL4が配置される。尚、第4レンズL4の右側には、赤外線を遮断するために赤外線遮断フィルター30を追加に設けることも可能である。赤外線遮断フィルター30を通過した光が、像面10にて結像される。
同図に示すように、本発明によるレンズの組立体は、球面ガラスレンズである第1レンズL1及び第2レンズL2が接合された形態であり、第3レンズL3及び第4レンズL4はプラスチック非球面レンズ2枚から構成される。ここで、第3レンズL3は球面収差を補正し、第4レンズL4は上面彎曲収差を補正するフィールドフタットナー(Field
Flattner)の役割を行う。尚、第3レンズL3は少なくとも一面が非球面であり、第4レンズL4は両面共に非球面であることが好ましい。本発明の技術的要旨に該当する第1レンズL1及び第2レンズL2につきましては以下に詳述する。
第1レンズL1の最外郭の厚さは0.03mm、第2レンズL2の中心の厚さは0.1mmである。本実施形態において、第1レンズL1と第2レンズL2とを合算した中心の厚さは0.6mmである。本発明の実施形態の第1レンズL1及び第2レンズL2は、従来の製作方式によっては製作が不可能である。
このようなレンズを製作するために、本発明では、第1レンズL1及び第2レンズL2各々の一面を平面に設計し、第1レンズL1及び第2レンズL2の平面側を互いに接合した後、加工する。
本実施形態による第1レンズL1及び第2レンズL2の構成は図3に示し、具体的な数値は、次の通りである。
第1レンズL1
前面の曲率半径:1.9mm、後面の曲率半径:Infinity、中心の厚さ:0.5mm、外径:Φ2.5mm
第2レンズL2
前面の曲率半径:Infinity、後面の曲率半径:3.9mm、中心の厚さ:0.1mm、外径:Φ2.5mm
表1は、本発明による実施形態のレンズデータである。
Figure 2008181075
(OBJ:物体面、STO:絞り、IMG:イメージ、Infinity:平面)
非球面係数は、次の表2の通りである。
Figure 2008181075
本実施形態によるレンズの組立体の非球面方程式は、次の数式の通りである。
Figure 2008181075
但し、Xはレンズの頂点から光軸方向への撓み量(sag)、Yは光軸からの高さ、Rはレンズの頂点における曲率半径、Kは円錐定数、A、B、C、D、E、Fは各々第4次、第6次、第8次、第10次、第12次、第14次の非球面係数である。
本発明の実施形態によるレンズの組立体における屈折能分布は、第1レンズL1及び第2レンズL2のガラス接合レンズが大部分の屈折能を担当し、第3レンズL3及び第4レンズL4が収差補正の役割をするので屈折能が非常に弱い。本実施形態において、全体屈折能は0.28、ガラス接合レンズの屈折能は0.26、第3レンズL3の屈折能は−0.01、第4レンズL4の屈折能は0.02である。
即ち、第1レンズL1及び第2レンズL2のガラス接合レンズの屈折能は、全体屈折能の93%である。
通常のレンズにおいて絞り(STO)の位置は、一般的にレンズの中央に位置するのが有利である。しかし、絞りを中央に位置させる場合、主光線角度(CRA;chief ray angle)では不利になる。これを克服するには、レンズの長さが長くなる短所があるが、不要な光の遮断に有利であり、作製公差に鈍感であるとの長所がある。本発
明では、絞りの位置を第2レンズL2と第3レンズL3との間に位置させ、製作公差に対する敏感度を低減しながら、CRAを25度程度にして長さを短縮した。
本発明において、ガラスレンズの材料を異にし色収差をうまく補正することができる。本発明において、第1レンズL1及び第2レンズL2は、レンズの組立体光路の長さ低減に有利になるように、高い屈折率を有する材料を選び、色収差の補正に有利になるように、互いに異なるアッベ数を有する材料を選定した。
本実施形態における第1レンズL1及び第2レンズL2の屈折率(Nd)、アッベ数(Vd)は、
第1レンズL1 Nd:1.883 Vd:40.8
第2レンズL2 Nd:1.923 Vd:20.9
であて、屈折率はいずれも1.8以上であり、アッベ数は20程度の差がある。
本実施形態において、センサーのイメージサイズ:4.4mm、F数:2.8、CRA:25degree、TTL(レンズ前面からイメージ面までの長さ):4.1mmである。
即ち、高解像度でありながらTTLを大幅低減できるレンズである。
図4は、本発明による他の一の実施形態を示す図であって、図4に示すレンズの組立体のデータは、表3及び表4に示した通りである。
Figure 2008181075
(OBJ:物体面、STO:絞り、IMG:イメージ、Infinity:平面)
Figure 2008181075
表3はレンズデータであり、表4は非球面係数である。
本発明の実施形態において、第1レンズL1’の最外郭の厚さは、外径がΦ2.5mmの場合は0.019mmである。第2レンズL2’の中心の厚さは0.08mmである。
このような場合、携帯電話等の厚さが漸次薄くなる趨勢であって、レンズ組立体の厚さも、より薄くなる必要がある。即ち、少なくとも4枚のレンズを含まれるレンズ組立体において、第1レンズL1’の最外郭部の厚さが0.4mm未満、第2レンズL2’の中心部の厚さが0.3mm未満のものが要求されるし、好ましくは第1レンズL1’の最外郭部の厚さ及び第2レンズL2’の中心部の厚さが0.3mm未満のものが良い。
本発明における屈折能の分布は、ガラス接合レンズが大部分の屈折能を担い、第3レンズL3’及び第4レンズL4’は収差補正の役割をしていて屈折能が非常に弱い。本実施例において、全体の屈折能は0.2218、ガラス接合レンズの屈折能は0.2212、第3レンズL3’の屈折能は−0.06、第4レンズL4’の屈折能は0.03である。
即ち、ガラス接合レンズの屈折能は、全体屈折能の99.7%である。
本発明において、ガラスレンズの材料を異にして色収差をうまく補正することができる。本発明において、第1レンズL1’及び第2レンズL2’は、長さの低減に有利になるように、高い屈折率を有する材料を選び、色収差の補正に有利になるように、互いに異なるアッベ数を有する材料を選定した。
本実施形態における第1レンズL1’及び第2レンズL2’の屈折率(Nd)、アッベ数(Vd)は、
第1レンズL1’ Nd:1.873 Vd:54.7
第2レンズL2’ Nd:1.674 Vd:29.4
である。屈折率はいずれも1.65以上であり、アッベ数は15程度の差がある。
本実施形態において、センサーのイメージサイズ:5.7mm、F数:2.8、CRA:25.2degree、TTL(レンズ前面からイメージ面までの長さ):5.0mmである。
即ち、高解像度でありながらTTLを大幅に低減できるレンズである。
図5は、本発明によるレンズ作製工程を示す図である。
同図に示すように、ブランク状態の第1レンズL1及び第2レンズL2を用意してから、次の過程に沿って2つの光学レンズを1枚の光学レンズの厚さに加工できる。
1.第1レンズL1の後面S12及び第2レンズL2の前面S21を平面化する工程を実施する。
(curve generation→grinding→polishing)
2.第1レンズL1及び第2レンズL2の平面S12、S21を紫外線接合方式にて接合する。
3.第1レンズL1の前面S11の曲面作製工程を実施する。
(curve generation→grinding→polishing)
4.第2レンズL2の後面S22の曲面作製工程を実施する。
(curve generation→grinding→polishing)
5.センタリング工程を実施する。
6.両面無反射コーティング。
本発明によるレンズの組立体が可能である理由は、レンズの組立体の第1レンズL1及び第2レンズL2であるガラスレンズ2枚を接合して1つのレンズに製作できるためである。
一般的な場合、接合面が曲率を有していて、第1レンズL1及び第2レンズL2各面の曲率半径の頂点を一致させることができない。このような現象を一般的に「偏心」という。本発明の場合、接合面を平面に設計し、前記工程での問題点を解決することができる。
本発明の実施形態において、第1レンズL1の最外郭の厚さは、外径がΦ2.5mmの場合は0.03mmである。第2レンズL2の中心の厚さは0.1mmである。
即ち、レンズ組立体に含まれて、お互いに隣接する凸レンズと凹レンズにおいて、凸レンズの最外郭部の厚さ及び凹レンズの中心部の厚さが0.3mm未満になるように、新しく進歩したレンズ加工方式を提供することが可能となる。
なお、本発明の実施形態について詳しく説明したが、該当技術分野にて通常の知識を有する者であれば、本発明の要旨から逸脱しない範囲内で多様な変形または変更が可能であると思われ、本発明の権利範囲は、請求項の範囲により定められるべきである。
従来技術を示す図である。 本発明の実施形態により4枚のレンズからなる超小型高解像度撮像レンズ及びその光路を示す図である。 図2の第1レンズL1及び第2レンズL2の構成をより具体的に示す図である。 本発明において他の一つの実施形態により構成された超小型高解像度撮像レンズ及びその光路を示す図である。 本発明の実施形態によるレンズ作製工程を示す図である。
符号の説明
10 像面
30 赤外線遮断フィルター

Claims (14)

  1. 光軸に沿って被写体から第1レンズL1、第2レンズL2、第3レンズL3及び第4レンズL4の順に配置されている超小型高解像度撮像レンズの組立体において、
    前記第1レンズL1はプラス屈折能を、前記第2レンズL2はマイナス屈折能を有し、
    前記第1レンズL1及び第2レンズL2は光学ガラス材質であり、前記第1レンズL1の前面及び前記第2レンズL2の後面は共に球面であり、前記第1レンズL1の後面及び前記第2レンズL2の前面は実質的に平面であって、互いに接合されていることを特徴とするレンズの組立体。
  2. 前記第3レンズL3及び第4レンズL4は、プラスチック材質であり、互いに分離されていて、少なくとも一面は非球面であることを特徴とする請求項1記載のレンズの組立体。
  3. 前記第1レンズL1の外郭の厚さ(T1_edge)及び前記第2レンズL2の中心の厚さ(T2_center)は、T1_edge<0.3mm、T2_center<0.3mmの条件を充たすことを特徴とする請求項1記載のレンズの組立体。
  4. 前記第1レンズL1及び前記第2レンズL2の屈折能の和(P12)と、全てのレンズの屈折能(P)は、P12/P>0.8の関係を充たすことを特徴とする請求項1記載のレンズの組立体。
  5. 前記第3レンズL3の屈折能(P3)及び第4レンズL4の屈折能(P4)は、各々−0.2超過、0.2未満の範囲にあることを特徴とする請求項1記載のレンズの組立体。
  6. 前記第1レンズL1のアッベ数(Abbe number)(V1)及び第2レンズL2のアッベ数(V2)は、|V1−V2|>15の関係を充たすことを特徴とする請求項1記載のレンズの組立体。
  7. 光軸に沿って被写体から第1レンズL1、第2レンズL2、第3レンズL3及び第4レンズL4の順に配置される超小型高解像度撮像レンズの組立体において、
    前記第2レンズL2と第3レンズL3との間に配置される絞りを包含し、
    前記第1レンズL1及び第2レンズL2は光学ガラス材質であり、前記第1レンズL1の前面及び前記第2レンズL2の後面は全て球面であり、前記第1レンズL1の後面及び前記第2レンズL2の前面は実質的に平面であって互いに接合されていることを特徴とするレンズの組立体。
  8. 前記第3レンズL3及び第4レンズL4は、プラスチック材質であって、互いに分離されており、少なくとも一面が非球面であることを特徴とする請求項7記載のレンズの組立体。
  9. 前記第1レンズL1の外郭の厚さ(T1_edge)及び前記第2レンズL2の中心の厚さ(T2_center)は、T1_edge<0.3mm、T2_center<0.3mmの条件を充たすことを特徴とする請求項7記載のレンズの組立体。
  10. 前記第1レンズL1及び前記第2レンズL2の屈折能の和(P12)と、レンズ全体の屈折能(P)は、P12/P>0.8の関係を充たすことを特徴とする請求項7記載のレンズの組立体。
  11. 第3レンズL3の屈折能(P3)及び第4レンズL4の屈折能(P4)は、各々−0.
    2超過、0.2未満の範囲にあることを特徴とする請求項7記載のレンズの組立体。
  12. 第1レンズL1のアッベ数V1及び第2レンズL2のアッベ数V2は、|V1−V2|>15の関係を充たすことを特徴とする請求項7記載のレンズの組立体。
  13. 光軸に沿って被写体から第1レンズL1、第2レンズL2、第3レンズL3及び第4レンズL4の順に配置されている超小型高解像度撮像レンズの組立体の製造方法において、
    前記第1レンズL1及び第2レンズL2各々の一面を平坦化する段階と、
    前記第1レンズL1及び第2レンズL2の平坦面を互いに接合する段階と、
    前記接合された第1レンズL1及び第2レンズL2の各々の他面を加工する段階と、
    前記第3レンズL3及び第4レンズL4を配置する段階を含むことを特徴とするレンズの組立体の製造方法。
  14. 前記他面を加工する段階は、
    前記第1レンズL1の他面は、プラス屈折能を有するように加工する段階と、
    前記第2レンズL2の他面は、マイナス屈折能を持つように加工する段階を含むことを特徴とする請求項13記載のレンズの組立体製造方法。
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