JP2008298968A - レンズユニット、カメラ及び車載カメラシステム - Google Patents

Abstract

【課題】
絞り部材を鏡筒材料より相対的に線膨張係数の大きい材料で形成することで、温度変化の大きい使用環境下でも絞り径の大きさを一定に維持し、光学性能の低下を防止できるレンズユニット、カメラ及び車載カメラシステムを提供する。
【解決手段】
レンズユニットは、少なくとも１以上のレンズと、前記レンズを固定する鏡筒と、前記鏡筒内壁に直接接して又は介在物を介して配置された絞り部材を備えるレンズユニットであって、前記絞り部材の線膨張係数が、前記鏡筒の前記絞り部材と接する部分の線膨張係数よりも大きい材料で形成されている。
【選択図】 図６

Description

本発明は、鏡筒内にレンズと絞り部材を収納した構造のカメラ用レンズユニットに関する。

近年、車両の走行安全性を高めるためにカメラなどの撮像手段を搭載し、得られた車両周辺の撮像画像を利用する装置がいくつも提案されている。

該装置はカメラ用レンズユニットを備えており、該カメラ用レンズユニットは、複数のレンズと、レンズに入ってくる光の量を調整する絞り部材と、を鏡筒内に含んでいる。該装置のような光学機器においては、レンズ間のわずかな位置ずれやレンズへの光の入射範囲のずれ等によって光学性能が著しく低下するため、鏡筒の内径寸法、レンズの外径寸法、絞り部材の内径寸法及びこれらの部材間の距離は高精度に形成されている。

ところが、車両に搭載する車載カメラは、非常に厳しい温度条件にさらされる場合が多く、その使用環境温度の変化に伴う鏡筒の長手方向への熱膨張の影響により、レンズ間距離が変動するためレンズの焦点位置が変化し、光学性能が低下することが問題となる。

上記問題を解決するために、線膨張係数が異なる材料を用いて鏡筒、レンズ鏡枠、及びレンズ接続部材を形成することでレンズの位置を補正し、焦点距離を調整する方法が提案されている（特許文献１）。これにより温度変化が生じても、レンズの焦点位置を一定に維持し光学性能の低下を防止することができる。
特開２００３−１８５９０４号公報

しかしながら、鏡筒及び絞り部材の径方向への熱膨張についてはこれまで何ら考慮されておらず、熱膨張により絞り径が拡大し、設計時に考慮していない余分な光がセンサ面に入射してしまうという問題があった。特に自動車分野ではより安全な自動車を目指してエレクトロニクス化が進み、当該撮影装置についてもますます高性能化及び高精度化が要求されており、レンズへの光の入射範囲のずれが問題となりつつある。
以下に鏡筒及び絞り部材の径方向への熱膨張により発生する光学性能の低下について図２、図３、図４を用いて具体的に説明する。

図１はレンズユニットの構成を模式的に示す断面図である。レンズユニットは、レンズ１ａ、レンズ１ｂ及びレンズ１ｃの３枚のレンズと、これらのレンズを内部に固定し且つ側面からの光を遮断する鏡筒２と、レンズに入ってくる光の量を調整する絞り部材３とを備えている。

図２は図１に示すレンズユニットにおけるレンズ１ａ及び絞り部材３近傍の断面図であって、（Ａ）は常温、（Ｂ）は高温での状態を示している。
ここでレンズユニットの鏡筒２及び絞り部材３はほぼ同一の線膨張係数を有する材料で形成されている。そのため図２（Ａ）に示す常温での絞り部材３の絞り径がｄ１であるのに対し、（Ｂ）に示す高温では鏡筒２及び絞り部材３の径方向の熱膨張により絞り径がｄ２に拡大する。これにより常温での絞り部材３の絞り径ｄ１に対し高温での絞り部材の絞り径ｄ２の方が大きくなり、光が入射し得るレンズ表面の開口部が大きくなる。その開口部が増加した領域はレンズの外周近傍であるが、常温では入射し得なかった当該領域にも光が入射することになる。ここで一般にレンズは外周部に近づくにつれて収差が大きくなる光学特性をもつため、絞り部材を設けて、外周部に光が入らないようにしている。しかしながら高温では鏡筒及び絞り部材の径の膨張により絞り径が拡大しレンズの外周部にも光が入射するため、光学性能が低下するという問題が生じることになる。

図３を用いて収差についてさらに詳しく説明する。図３は一例としてレンズのＴＡＮＧＥＮＴＡＬ方向の収差を示す図であり、横軸はレンズ径方向の位置、縦軸は波長８μｍでの収差を示している。また、横軸の中央はレンズ中央の位置、両端はレンズの最外周の位置に対応しており、ｄ１は図３（Ａ）における常温での絞り部材３の絞り径、ｄ２は図３（Ｂ）における高温での絞り部材の絞り径に対応している。これよりレンズ外周に近づくにつれ収差は大きくなることが分かる。そこで所定の光学性能を発揮させるために、レンズ外周部の収差の大きい範囲に光を入射させないように、絞り部材を用いてレンズに入射させる範囲を制限する設計を行っている。しかしながら温度変化により絞り径が拡大すれば収差が大きいレンズ外周領域にも光が入射するため、レンズユニットを介して得られる映像がぼけるなど光学性能が低下するという問題が発生することになる。

本発明は、温度変化の大きい使用環境下でも絞り径の変化を抑制でき、光学性能の低下を防止できるカメラ用レンズユニット、カメラ及び車載カメラシステムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１発明に係るレンズユニットは、少なくとも１以上のレンズと、前記レンズを固定する鏡筒と、前記鏡筒内壁に直接接して又は介在物を介して配置された絞り部材を備えるレンズユニットであって、前記絞り部材の線膨張係数が、前記鏡筒の、前記絞り部材と直接又は介在物を介して接する部分の線膨張係数よりも大きいことを特徴とする。

絞り部材を形成する材料は鏡筒を形成する材料より線膨張係数が大きい。このため高温時において、熱膨張により鏡筒の内径が拡大する方向に膨張しようとするが、絞り部材はそれ以上に径方向に膨張しようとするものの相対的に鏡筒の膨張量が小さいため、絞り部材の径方向へ拡大する熱膨張が抑制されることになり、これにより逆に絞り径が縮小する方向に膨張させられることになる。従ってこの熱膨張を考慮した設計を行うことにより絞り径の変化を抑制することができ、温度変化が生じても安定した光学性能を有するレンズユニットを提供することができ得る。以下に絞り径の変化を抑制でき得る仕組みについて図４及び図５を用いてより具体的に説明する。

図４は図２のレンズユニットをレンズの表面方向からみた正面図であって、（Ａ）は常温、（Ｂ）は高温での状態を示しており、従来のカメラ用レンズユニットの熱膨張の状態を説明している。
ここで鏡筒２及び絞り部材３はほぼ同一の線膨張係数を有する材料で形成されている。このため（Ｂ）に示すように高温になると鏡筒２及び絞り部材３は熱膨張により径方向に拡大するため常温時の絞り径ｄ１にくらべ高温時の絞り径ｄ２は大きくなる。そのため収差の大きいレンズ外周部へも光が進入するため、光学性能が低下することになる。

図５はレンズユニットをレンズの表面方向からみた正面図であって、（Ａ）は常温、（Ｂ）は高温での状態を示しており、本発明に係るカメラ用レンズユニットの熱膨張の状態を説明している。
ここで、絞り部材３ａは鏡筒２を形成する材料に比べて線膨張係数の大きい材料で形成されている。このため、（Ｂ）に示すように高温になり温度が上昇すると鏡筒２は熱膨張により径方向に拡大する。しかし、絞り部材３ａを形成する材料の線膨張係数の方が鏡筒２を形成する材料より大きいため、絞り部材３ａの径方向の膨張は鏡筒２と接する外径が熱膨張により拡大する以上に膨張しようとするものの相対的に鏡筒２の熱膨張が小さいため、絞り部材３ａの径方向へ拡大しようとする熱膨張は抑制される。このため逆に内径は小さくなる方向に膨張させられることになり、高温時の絞り径ｄ３は従来のレンズユニットの高温時の絞り径ｄ２ほど大きくはならない。従って絞り部材３ａの材料として適切な線膨張係数の材料を選択することで高温時での絞り径の変化を抑制することが可能となる。これにより収差が大きいレンズ外周部への光の進入を防止でき、絞り径が多少大きくなったとしても従来より影響は小さくでき、温度変化が生じても安定した光学性能を有するレンズユニットを提供することができる。

さらに、鏡筒と絞り部材の間に介在物が存在する場合であっても、絞り部材がこの介在物を介して鏡筒と接する部分の熱膨張を考慮した設計を行うことで、同様に温度変化が生じても安定した光学性能を有するレンズユニットを提供することができる。

また、第２発明に係るレンズユニットにおいては、第１発明において、前記絞り部材の線膨張係数（Ａ）と、前記鏡筒の、前記絞り部材と直接又は介在物を介して接する部分の線膨張係数（Ｂ）の比（Ａ／Ｂ）が２以上であることを特徴とする。

絞り径の大きさを一定に維持し得るには、線膨張係数、温度変化などを考慮して設計を行うことが必要となるが、鏡筒と絞り部材の形成材料において現実的には使用環境温度である−５０℃から１２５℃での平均線膨張係数の比（Ａ／Ｂ）が２以上であることが好ましい。該平均線膨張係数の比が２未満では温度変化に追随して絞り径の変化を抑制することが困難であり、５以上では実用的な材料がないためである。

また、第３発明に係るレンズユニットは、第１発明又は第２発明において、前記鏡筒を形成する材料がアルミ二ウム又はアルミニウム合金であり、前記絞り部材を形成する材料が、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート又はポリブチレンテレフタレートであることを特徴とする。

これらの材料はアルミニウム又はアルミニウム合金の線膨張係数２３．１×１０^−６に対し、例えばポリカーボネートは６５．０×１０^−６と約３倍であり、上記線膨張係数の比（Ａ／Ｂ）２以上の範囲に入っているため、上述の通り、高温時でも絞り径の変化を抑制することができ、安定した光学性能を有するレンズユニットを提供することができ得る。
また、これらの材料は遠赤外線用カメラに用いるレンズユニットであれば、遠赤外線域（波長８〜１２μｍ）において光を遮断する特性を有していればよく、可視光用カメラに用いるレンズユニットであれば、可視域（波長０．４５〜０．６５ｎｍ）において光を遮断する特性を有していれば、絞り部材としての機能を果たし得る。

また、第４発明に係るカメラは、第１発明乃至第３発明のいずれかに記載のレンズユニットと、前記レンズユニットによって結像された像を撮像する撮像素子とで構成され、安定した光学性能を有するカメラを提供することができる。

また、第５発明に係る車載カメラシステムは、第４発明に記載のカメラと、前記レンズユニットによって結像された像を撮像する撮像素子とで構成され、高精度な車載カメラシステムを提供することができる。

本発明によれば、温度変化の大きい使用環境下でも絞り径の変化を抑制でき、光学性能の低下を防止できるカメラ用レンズユニット、カメラ及び車載カメラシステムを提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を実施例により説明する。

（実施の形態１）
図６はレンズユニットのレンズ及び絞り部材近傍の断面図であって、（Ａ）は常温（２５℃）、（Ｂ）は高温（１２５℃）での状態を示している。ここで、絞り部材３ａは鏡筒２を形成する材料に比べて線膨張係数の大きい材料で形成されている。レンズ１ａは鏡筒２の内部に固定・保持されており、絞り部材２はレンズ１ａより被写体側に鏡筒２の内部に固定・保持されている
この構成において２５℃から１２５℃に温度が上昇した場合、鏡筒２は熱膨張により径方向に拡大する。しかし、絞り部材３ａはそれ以上に径方向に膨張しようとするものの相対的に鏡筒２の膨張量が小さいため、絞り部材３ａの径方向へ拡大する熱膨張が抑制されることになり、これにより逆に絞り径が縮小する方向に膨張させられることになり、１２５℃での絞り径ｄ３は２５℃での絞り径ｄ１と比して絞り径の変化が抑制され得る。

ここで、温度変化が生じても絞り径の変化を抑制するためには、絞り部材３ａの線膨張係数（以下、Ａとする）と鏡筒２の線膨張係数（以下、Ｂとする）がＡ＞Ｂの関係にあればよく、現実的には使用環境温度である−５０℃から１２５℃での平均線膨張係数の比（Ａ／Ｂ）が２以上であることが好ましい。

また、絞り部材の材料としては、ポリカーボネートの他、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート又はポリブチレンテレフタレートなど、鏡筒の材料より線膨張係数の大きい材料であれば、本願発明の効果がある限りにおいて、他の材料であってもよい。

また、常温（２５℃）よりも低温である環境で使用した場合は、絞り部材及び鏡筒は高温時とは逆に収縮するが、絞り部材の熱収縮量は鏡筒の熱収縮量より大きいため、結果として絞り径の変化は抑制されることになり、同様の効果を奏する事は言うまでもない。

なお、レンズはＺｎＳ、Ｇｅ、カルコゲナイドガラス、ＺｎＳｅ、Ｓｉなどで形成され、さらに鏡筒と絞り部材は介在物を介して接していてもよく、その介在物としては、エポキシ接着剤、アルミウム、アルミニウム合金、真鍮又は樹脂などが挙げられる。

（実施の形態２）
次に、本実施形態にかかるレンズユニットがカメラに適用された場合について説明する。図７は本発明の実施の形態４に係るカメラの構造を表す模式図である。当該カメラは、レンズユニット４と、撮像素子５と、信号処理部６と、画像メモリ７と、通信インタフェース８とを備えている。

このように本実施形態に係るレンズユニットを用いて、例えば遠赤外線カメラを構成し車載カメラとして用いれば、真夏など温度変化が大きい時期においても、昼間若しくは夜間において車両の前方の物体（人等）が発する遠赤外線を受光することにより、車両前方の画像を安定して且つ高精度で撮像し得る。

（実施の形態３）
次に、本実施形態に係るレンズユニットが車載用の車載遠赤外線カメラシステムに適用された場合について説明する。図８は本発明の実施の形態５に係る車載遠赤外線カメラシステムが搭載された車両を上部から見た平面模式図である。当該車載遠赤外線カメラシステムは、車両の前端部等に設置された遠赤外線カメラ９と、遠赤外線カメラが撮像した画像を表示部に表示させる制御部１０と、車室内における運転席から視認可能な位置に設けられた液晶表示装置等によりなる表示部１１とを備えて構成されている。

このように本実施形態に係るレンズユニットを用いて車載遠赤外線カメラシステムを構成することにより、真夏など温度変化が大きい時期においても、高解像度であって、明るくコントラストも高い安定した画像が得られる。これによって、夜間であっても景色が明るい夏季の映像（夏季の映像は背景と人（歩行者等）との輝度差が小さくなる）であっても、画像中の人を認識することができる。

上記において、本発明の実施の形態及び実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態及び実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。

レンズユニットの構成を模式的に示す断面図である。 図１に示すレンズユニットにおけるレンズ１ａ及び絞り部材３近傍の断面図であって、（Ａ）は常温、（Ｂ）は高温での状態を示す。 レンズの収差を示す図の一例である。 図２のレンズユニットをレンズの表面方向からみた正面図であって、（Ａ）は常温、（Ｂ）は高温での状態を示しており、従来のカメラ用レンズユニットの熱膨張の状態を説明するものである。 レンズユニットをレンズの表面方向からみた正面図であって、（Ａ）は常温、（Ｂ）は高温での状態を示しており、本発明に係るカメラ用レンズユニットの熱膨張の状態を説明するものである。 本発明の実施の形態１におけるレンズユニットのレンズ及び絞り部材近傍の断面図であって、（Ａ）は常温、（Ｂ）は高温での状態を示す。 本発明の実施の形態２におけるカメラの構造を表す模式図である。 本発明の実施の形態３における車載遠赤外線カメラシステムが搭載された車両を上部から見た平面模式図である。

符号の説明

１ レンズ
２ 鏡筒
３ 絞り部材
３ａ 絞り部材
４ レンズユニット
５ 撮像素子
６ 信号処理部
７ 画像メモリ
８ 通信インタフェース部
９ 遠赤外線カメラ
１０ 制御部
１１ 表示部
ｄ１ 絞り径
ｄ２ 絞り径
ｄ３ 絞り径

Claims (5)

1. 少なくとも１以上のレンズと、前記レンズを固定する鏡筒と、前記鏡筒内壁に直接接して又は介在物を介して配置された絞り部材を備えるレンズユニットであって、
   前記絞り部材の線膨張係数が、前記鏡筒の、前記絞り部材と直接又は介在物を介して接する部分の線膨張係数よりも大きいことを特徴とする、レンズユニット。
2. 請求項１に記載のレンズユニットにおいて、
   前記絞り部材の線膨張係数（Ａ）と、前記鏡筒の、前記絞り部材と直接又は介在物を介して接する部分の線膨張係数（Ｂ）の比（Ａ／Ｂ）が２以上であることを特徴とする、レンズユニット。
3. 請求項１又は請求項２に記載のレンズユニットにおいて、
   前記鏡筒を形成する材料がアルミ二ウム又はアルミニウム合金であり、前記絞り部材を形成する材料が、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート又はポリブチレンテレフタレートであることを特徴とする、レンズユニット。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のレンズユニットと、
   前記レンズユニットによって結像された像を撮像する撮像素子と、
   を備えることを特徴とするカメラ。
5. 請求項４に記載のカメラと、
   前記カメラによって撮像された画像を表示する表示手段と、
   を備えることを特徴とする、車載カメラシステム。

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