JP2010152358A - 光学ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】レンズ系の必要とされる形状精度を実現することが可能である光学ユニットを、光学ユニットの寸法の望ましくない増加をもたらすことなく提供すること。
【解決手段】本発明は光学ユニットに関する。本発明はさらに、こうした光学ユニットの使用法に関する。こうした光学ユニットは、物体側から結像表面へ向かう方向に見て、第１基材、第１レンズ要素、平坦な透明中間層、第２レンズ要素、および第２基材を備え、中間層が、結像表面の近くで光学補正機能を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は光学ユニットに関する。本発明はさらに、こうした光学ユニットの使用法に関する。

光学ユニットは、それ自体知られており、とりわけカメラシステムにおいて使用され、こうしたシステムの開発者は、常に、小さく、軽く、薄く、より良い、安価なカメラシステムを得ようと努力する。例えば、本出願人の名義でのＷＯ２００４／０２７８８０から、画像捕捉要素、画像捕捉要素上に物体を投影するレンズ要素、レンズ要素と画像捕捉要素との間に所定の距離を維持するスペーサを備え、その一方でさらに、レンズがその上に配設されるレンズ基材が設けられるカメラシステムが知られている。ＵＳ６，９８５，３０７から、レンズ組立体がさらに知られており、そのレンズ組立体によれば、結像レンズの物体側からＣＣＤなどの画像形成表面までの距離として規定される光路長は短くなければならない。こうしたレンズは、コンパクトレンズと呼ばれることが多く、例えば移動体電話において、光路長は、少なくとも電話自体の厚さより短くなければならない。レンズはさらに、こうしたレンズによって取得される画像が、視覚的に許容されるように構成されなければならない。そのため、ＵＳ６，９８５，３０７は、第１レンズ、第２レンズ、および第３レンズで構成されるレンズ組立体を提供し、そのレンズについての特別な要求が、使用されるレンズの曲率、レンズ間の距離、およびレンズの厚さに関して行われる。ＷＯ２００８／０１１０３から、５つの光学要素がその上に形成される３つの基材層を備えるカメラシステムがさらに知られている。

移動体電話で使用されるカメラモジュールは、益々高い解像度および光学機能を、また、益々小さな寸法内でそれを必要とする。そのため、新しいレンズ系が開発されなければならず、新しいレンズ系は、深いレンズと呼ばれることがある、より大きなサグ高さを有するレンズを備え、そのレンズは、少なくとも過去に生産されたレンズと同じ寸法精度を示さなければならない。現在の生産方法を使用すると、益々深いレンズにおいて、意図する形状または寸法精度を実現するためにかなりの努力が必要とされることに本出願人は気がついた。

国際出願第２００４／０２７８８０号パンフレット 米国特許第６，９８５，３０７号明細書 国際出願第２００８／０１１００３号パンフレット 米国特許第４，６１５，８４７号明細書 国際出願第２００８／１０８０１１号パンフレット 米国特許出願公開第２００５／０４５９７５号明細書 米国特許出願公開第２００６／２６２４１６号明細書

レンズ系の必要とされる形状精度を実現することが可能である光学ユニットを、光学ユニットの寸法の望ましくない増加をもたらすことなく提供することが本発明の目的である。

第１パラグラフで述べる本発明は、物体側から結像表面へ向かう方向に見て、第１基材、第１レンズ要素、平坦な透明中間層、第２レンズ要素、および第２基材を備え、中間層が、結像表面の近くで光学補正機能を有する、光学ユニットが提供されることを特徴とする。

こうした光学ユニットを使用すると、平坦な透明中間層の使用が、こうした透明中間層が使用されない光学ユニットの場合に比べて、比較的深くないレンズを使用することを可能にするレンズ系を製造することが可能であることに本出願人は気がついた。こうして使用される透明中間層は、レンズ機能を持たないが、中間層自体の厚さを通る光線のコース、および、空気と中間層自体の材料の屈折率との間の屈折率遷移に影響を及ぼすことが、この点で（ｉｎ ｔｈｉｓ ｒｅｇａｒｄ）留意されるべきである。特別な実施形態では、第３レンズ要素が、第１レンズ要素から遠方で、第１基材に接して配設される。そのことに加えて、第４レンズ要素が、結像表面の方向に見て、第２基材に接して配設される場合が望ましい。特に、第１レンズ要素および第１基材が、共に第１レンズ群を形成する一体部分であり、第２レンズ要素および第２基材が、共に第２レンズ群を形成する一体部分である。

特別な実施形態では、平坦中間層は、好ましくはガラスで作られる。

平坦中間層がガラスで作られるとき、光学性能が影響をうけうる範囲は、特に、第３レンズ要素および第４レンズ要素が、５０−８０の範囲のアッベ数および１．４５−１．５５の範囲の屈折率を有する場合、特に、第１レンズ要素および第２レンズ要素が、２０−５０の範囲のアッベ数および１．５５−２．００の範囲の屈折率を有する場合にかなりのものであることがわかった。

特別な実施形態では、他方、第１、第２、第３、および第４レンズ要素が、２０−５０の範囲のアッベ数および１．５５−２．００の範囲の屈折率を有する場合が望ましく、その関連で、第１、第２、第３、および第４レンズ要素が、一致するアッベ数および一致する屈折率を有する場合が特に好ましい。

特別な実施形態では、平坦中間層は、好ましくは、いくつかの層で構築される層として構成され、そのため、必要とされるものによって、光学ユニットの光学性能に影響を及ぼすことを可能にする。

結像表面の近くでの考えられる光学補正機能は：
反射防止機能、赤外フィルタリング機能、および絞り機能である。

中間層と第１レンズ要素との間ならびに中間層と第２レンズ要素との間で安定なまた形状精密な接合を実施するために、接着剤が好ましくは使用され、その接着剤は、特に、ＵＶ硬化性接着剤および熱硬化性接着剤の群から選択される。

本発明による光学ユニットにおいて、第３レンズ要素は、好ましくは平凸レンズであり、第１レンズ要素は平凹レンズであり、第２レンズ要素は平凹レンズであり、第４レンズ要素は平凸レンズであり、一方、第４レンズ要素が平凸／平凹レンズである場合が特に好ましい。別の実施形態では、平凸タイプの第１および第２レンズ要素の少なくとも一方を有することが好ましく、一方、残りのレンズ要素は平凹タイプである。こうした実施形態では、レンズ要素の少なくとも１つと基材との間にさらなるスペーサを堆積させることが好ましい。こうしたスペーサの主な機能は機械式である。

光学ユニットの特別な実施形態では、絞りが、第３レンズ要素と第１基材との間に配設されてもよく、または、開口が、第１基材と第１レンズ要素との間に存在してもよい。さらに、さらなる層、すなわち、絞りまたは赤外フィルタが、第２基材の両面に存在する実施形態が考えられる。

本光学ユニットで使用される第１基材と第２基材が共に、特に透明ガラス板を備え、その関連で、特別な実施形態では、第１基材および第２基材のために使用されるガラスが、好ましくは中間層のために使用されるガラスと異なることがさらに留意されうる。特別な実施形態では、第２基材が、同時にセンサスクリーニング板として機能する。

本光学ユニットで使用される中間層は、好ましくは０．２−１０ｍｍの厚さを有する。

目指す目的が、特に、第１、第２、第３、および第４レンズ要素が、複製法を使用することによって、それぞれ、第１基材および第２基材上に形成された場合に達成されうることに本発明者等は気がついた。複製法を使用すると、特に、厳密に予測可能な曲率を有するレンズを製造することが可能であることがわかった。さらに、特別な実施形態では、それぞれのレンズ要素と関連する基材との間に、バッファ層、すなわち、バッファ層を形成する平坦複製層を有することが好ましい。こうした方法および平坦中間層を使用すると、前記平坦中間層上で高い程度の形状精度を示すレンズを複製することが可能であることがさらにわかった。特に、複製法自体に関して、参照により本明細書に組込まれるＵＳ４，６１５，８４７が参照される。

本光学ユニットは、小さな寸法がきわめて重要である画像処理ユニット内、例えば、ＣＣＤまたはＣＭＯＳが使用される、移動体電話、パーソナルコンピュータ、デジタルカメラ、監視カメラなど用のカメラユニット内で特に使用されうる。

本発明を使用すると、第１、第２、第３、および（おそらく）第４レンズについてポリマーを、第１および第２基材について、また、中間層についてもガラス材料を使用して、ポリマーとガラスを組合せることが可能であることがわかった。そのため、比較的厚い基材上で低いサグ高さを有するレンズデザインが使用される。さらなる利点は、平坦ガラス板が、特にこうした表面上でレンズを複製することによって、高い程度の精度を持って働きうることである。

本発明は、ここで、いくつかの例によってより詳細に説明されることになり、その関連で、しかし、本発明はこうした実施形態にいずれの点でも限定されないことが留意されるべきである。

従来技術による光学ユニットを示す図である。 本発明による光学ユニットを示す図である。 従来技術による光学ユニットの別の実施形態を示す図である。 本発明による別の光学ユニットを示す図である。 本発明による光学ユニットが使用されるセンサを示す図である。 図３による光学系の結像品質をグラフで示す図である。 図４による光学系の結像品質をグラフで示す図である。

図１に示す光学ユニット１０は、第１基材２を備え、第１基材２上にレンズ３が配設され、レンズ３は、レンズ５に当接し、レンズ５は、第２基材４上に配設される。

図２では、本発明による光学ユニット２０は、概略的に示され、そのユニットは、第１基材２、レンズ３を備え、レンズ３は、レンズ３の全長に沿って透明中間層６を備え、透明中間層６はさらに、第２基材４上に配設されたレンズ５を備える。中間層６の使用は、図１に示す光学ユニット１０の場合と同じ光学性能を実現するためにより小さな高さを有するレンズを使用することを可能にする。特定の実施形態では、レンズ３と基材２との間に、かつ／または、レンズ５と基材４との間にバッファ層、すなわち、バッファ層を形成する平坦複製層（図示せず）が存在することが好ましい。

図３は、従来技術による光学ユニット３０を概略的に示し、物体側から結像表面の方向に見て、それぞれ、第３レンズ７、第１基材２、第１レンズ３、第２レンズ５、第２基材４、および第４レンズ８を備える。図はまた、光学ユニット３０を通る光路を示し、光線は、結像センサ９（ＣＭＯＳ）上で捕捉される。特定の実施形態では、レンズ７と基材２との間に、かつ／または、レンズ８と基材４との間にバッファ層、すなわち、バッファ層を形成する平坦複製層を有することが好ましい。

図４は、本発明による光学ユニット４０を通る光路を概略的に示し、ユニットは、物体側から結像表面の方向に見て、第３レンズ７、第１基材２、第１レンズ３、平坦透明中間層６、第２レンズ５、第２基材４、および最後に第４レンズ８を備える。レンズ７ならびにレンズ３は、好ましくは、複製法によって第１基材２上に形成される。同じ選好が、第２基材４上のレンズ５およびレンズ８の形成に関して適用される。前記２つの部分が、複製法によって形成された後、２つの部分は、接着層によって中間層６に恒久的に接合され、接着層は、好ましくは、ＵＶ硬化性接着剤または熱硬化性接着剤の群から選択され、一方で、レンズ３と中間層６との間、他方で、レンズ５と中間層６との間に設けられる。その後、全体が硬化し、光学ユニット４０が得られる。こうした光学ユニット４０では、好ましくは、第１および第２基材２、４については共にガラスタイプＳｃｈｏｔｔ Ｂ２７０が、中間層６についてはＳｃｈｏｔｔ Ｄ２６３Ｔが使用される。第１、第２、第３、および第４レンズのために使用される樹脂成分が互いに一致する場合、１．５６５の屈折率値および４０．８のアッベ数が良好な光学性能をもたらすであろう。しかし、同じ樹脂を第３および第４レンズについて使用することも可能であり、第１および第２レンズについての１．５６５の屈折率値および４０．８のアッベ数と組合せて、１．５１０の屈折率値および６０．０のアッベ数が良好な光学性能をもたらす。

図５は、本発明による光学センサ５０を概略的に示し、図では、先に説明した図１から図４で使用されるのと同じ参照数字が、適用可能である場合使用される。特に、絞り１６は、光学ユニット５０内でレンズ５と第２基材４との間に配設される。こうして得られるレンズ７、第１基材２、レンズ３、中間層６、レンズ５、第２基材４、およびレンズ８の組立体は、スペーサ１１を介して、カバー板１２、カラーフィルタ１３、ＣＭＯＳ層１５、およびボールグリッドアレイ１４を備える結像センサ上に設置される。一方で、スペーサ１１と画像センサとの間、他方で、スペーサ１１と第４レンズ８との間の接着は、接着層（図示せず）を使用することによって得られる。特定の実施形態では、赤外フィルタ１７が、中間層６の表面上で、レンズ５と中間層６との間に存在することが望ましい。こうした構造の利点は、レンズ５が「清潔な」第２基材上で複製されうることである。赤外フィルタを備える基材上でレンズを複製することが、曲率の問題をもたらす可能性があることに本発明者等は気がついた。そのため、いくつかの実施形態では、赤外層は、中間層６上に既に存在し、赤外層が、その後、レンズ５に密着して配設されることになることが望ましい。

図６および図７から、図４による本光学系の結像品質は、図３による光学系の結像品質に一致することが明らかである。

２ 第１基材
３、５、７、８ レンズ
４ 第２基材
６ 中間層
９ 結像センサ
１１ スペーサ
１２ カバー板
１３ カラーフィルタ
１４ ボールグリッドアレイ
１５ ＣＭＯＳ層
１６ 絞り
１７ 赤外フィルタ
２０、３０、４０、５０ 光学ユニット

Claims (30)

1. 物体側から結像表面へ向かう方向に見て、第１基材、第１レンズ要素、平坦な透明中間層、第２レンズ要素、および第２基材を備え、中間層が、結像表面の近くで光学補正機能を有する、光学ユニット。
2. 第３レンズ要素が、第１レンズ要素から遠方で、第１基材に接して配設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. 第４レンズ要素が、結像表面の方向に見て、第２基材に接して配設されることを特徴とする、請求項１および２の一方または両方に記載の光学ユニット。
4. 平坦中間層がガラスで作られることを特徴とする、請求項１に記載の光学ユニット。
5. 平坦中間層がいくつかの層を備えてもよいことを特徴とする、請求項１に記載の光学ユニット。
6. 平坦中間層が反射防止機能を有することを特徴とする、請求項１に記載の光学ユニット。
7. 平坦中間層が赤外フィルタ機能を有することを特徴とする、請求項１に記載の光学ユニット。
8. 平坦中間層が絞り機能を有することを特徴とする、請求項１に記載の光学ユニット。
9. 中間層が、接着剤によって第１レンズ要素および第２レンズ要素に接続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。
10. 前記接着剤が、ＵＶ硬化性接着剤および熱硬化性接着剤の群から選択されたことを特徴とする、請求項９に記載の光学ユニット。
11. 第３レンズ要素が平凸レンズであることを特徴とする、請求項１から１０の１つまたは複数の項に記載の光学ユニット。
12. 第１レンズ要素が平凹レンズであることを特徴とする、請求項１から１１の１つまたは複数の項に記載の光学ユニット。
13. 第２レンズ要素が平凹レンズであることを特徴とする、請求項１から１２の１つまたは複数の項に記載の光学ユニット。
14. 第４レンズ要素が平凸レンズであることを特徴とする、請求項１から１３の１つまたは複数の項に記載の光学ユニット。
15. 第４レンズ要素が平凸／平凹レンズであることを特徴とする、請求項１４に記載の光学ユニット。
16. 絞りが、第３レンズ要素と第１基材との間に配設されることを特徴とする、請求項１から１５の１つまたは複数の項に記載の光学ユニット。
17. 開口が、第１基材と第１レンズ要素との間に存在することを特徴とする、請求項１から１６の１つまたは複数の項に記載の光学ユニット。
18. 第１基材と第２基材が共に、透明ガラス板を備えることを特徴とする、請求項１から１７の１つまたは複数の項に記載の光学ユニット。
19. 第１基材および第２基材のために使用されるガラスが、中間層のために使用されるガラスと異なることを特徴とする、請求項１８に記載の光学ユニット。
20. 中間層が０．２−１０ｍｍの厚さを有することを特徴とする、請求項１から１９の１つまたは複数の項に記載の光学ユニット。
21. 第１、第２、第３、および第４レンズ要素が、複製法を使用することによって、それぞれ、第１基材および第２基材上に形成されたことを特徴とする、請求項１から２０の１つまたは複数の項に記載の光学ユニット。
22. 第１レンズ要素および第１基材が、共に第１レンズ群を形成する一体部分であり、第２レンズ要素および第２基材が、共に第２レンズ群を形成する一体部分であることを特徴とする、請求項１から２１の１つまたは複数の項に記載の光学ユニット。
23. 第１レンズ要素と第１基材との間に、バッファ層を形成する平坦複製層が存在することを特徴とする、請求項１から２２の１つまたは複数の項に記載の光学ユニット。
24. 第２レンズ要素と第２基材との間に、バッファ層を形成する平坦複製層が存在することを特徴とする、請求項１から２３の１つまたは複数の項に記載の光学ユニット。
25. 第３レンズ要素および第４レンズ要素が、５０−８０の範囲のアッベ数および１．４５−１．５５の範囲の屈折率を有することを特徴とする、請求項１から２４の１つまたは複数の項に記載の光学ユニット。
26. 第１レンズ要素および第２レンズ要素が、２０−５０の範囲のアッベ数および１．５５−２．００の範囲の屈折率を有することを特徴とする、請求項１から２５の１つまたは複数の項に記載の光学ユニット。
27. 第１、第２、第３、および第４レンズ要素が、２０−５０の範囲のアッベ数および１．５５−２．００の範囲の屈折率を有することを特徴とする、請求項１から２６の１つまたは複数の項に記載の光学ユニット。
28. 第１、第２、第３、および第４レンズ要素が、一致するアッベ数および一致する屈折率を有することを特徴とする、請求項１から２７の１つまたは複数の項に記載の光学ユニット。
29. 第２基材が、同時にセンサスクリーニング板として機能することを特徴とする、請求項１から２８の１つまたは複数の項に記載の光学ユニット。
30. 画像処理ユニット、特に、カメラユニットにおける請求項１から２９の１つまたは複数の項に記載の光学ユニットの使用。

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