JP2015184372A - 光学ユニット、撮像装置および車載カメラシステム - Google Patents

Abstract

【課題】温度環境の変化に対しても光学性能を維持できる光学ユニット、撮像装置および車載カメラシステムを提供する。
【解決手段】負の屈折力を持つ第１レンズ群（第１の光学素子２２および第２の光学素子２３）と、正の屈折力を持つ第２レンズ群（第３の光学素子２４および第５の光学素子２６）と、第１レンズ群を保持する第１の保持部１５ａと、第２レンズ群を保持する第２の保持部１５ｂと、を備え、第１の保持部および第２の保持部は、少なくとも一部の材料について互いに線膨張係数が異なり、高温時は低温時に比べ、第１レンズ群と第２レンズ群の間隔が広くなる。
【選択図】図３

Description

本発明は、温度環境の変化に対しても光学性能を維持できる光学ユニット、撮像装置および車載カメラシステムに関する。

複数のレンズで構成される光学ユニットは、良好な画質を維持するために構成する複数のレンズを適正な位置、状態で保持することが重要である。

例えば、特許文献１には、隣り合うレンズを互いに嵌合可能な構造にすることでレンズ同士を接触させて位置精度を維持する技術が開示されている。

特開２０１０−５４８６６号公報

近年、コストダウン、小型化などの目的からレンズの材料として樹脂が多く用いられるようになっている。樹脂材料のレンズを用いる場合、一般に温度変化に伴うバックフォーカスの変化が大きい。そのため、特許文献１に記載される技術を用いても温度変化が光学性能に影響する可能性がある。

かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、温度環境の変化に対しても光学性能を維持できる光学ユニット、撮像装置および車載カメラシステムを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る光学ユニットは、
負の屈折力を持つ第１レンズ群と、
正の屈折力を持つ第２レンズ群と、
前記第１レンズ群を保持する第１の保持部と、
前記第２レンズ群を保持する第２の保持部と、を備え、
前記第１の保持部および前記第２の保持部は、少なくとも一部の材料について互いに線膨張係数が異なり、
高温時は低温時に比べ、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群の間隔が広くなる。

また、本発明に係る光学ユニットにおいて、
前記第１レンズ群は樹脂材料からなるレンズを含み、前記第２レンズ群は樹脂材料からなるレンズで構成されることが好ましい。

また、本発明に係る光学ユニットにおいて、
前記第１の保持部の線膨張係数が前記第２の保持部の線膨張係数より大きいことが好ましい。

また、本発明に係る光学ユニットにおいて、
温度変化による前記第１レンズ群と前記第２レンズ群の間隔の変化が、温度変化による光学系のバックフォーカスの変動を相殺する方向にはたらくことが好ましい。

また、本発明に係る光学ユニットにおいて、
前記第１レンズ群と前記第２レンズ群との間に弾性部材を備えることが好ましい。

上記課題を解決するために本発明に係る撮像装置は、前記の光学ユニットを備える。

上記課題を解決するために本発明に係る車載カメラシステムは、前記の撮像装置を備える。

本発明に係る光学ユニット、撮像装置および車載カメラシステムによれば、温度環境の変化に対しても光学性能を維持できる。

本発明の第１の実施形態に係る光学ユニットを有する撮像装置の移動体内における設置場所を示す配置図である。 温度変化を説明するための比較例の光学ユニットの断面図である。 図１における光学ユニットの光軸に沿った断面図である。 別の構成例の光学ユニットの光軸に沿った断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る光学ユニットの光軸に沿った断面図である。

（第１の実施形態）
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
まず、本発明の第１の実施形態に係る光学ユニットを有する撮像装置について説明する。図１は、本実施形態に係る光学ユニットを有する撮像装置の移動体における取付け位置を示す配置図である。移動体は例えば車両である。

図１に示すように、光学ユニット１３を有する撮像装置１０は、表示装置１１とともに、移動体１２内に設けられる。撮像装置１０は、移動体１２の何処に設けてもよいが、例えば周辺画像を撮像するために移動体１２の後方外部に固定される。表示装置１１は、運転席から視認可能に設けられる。

光学ユニット１３は、移動体後方の被写体像を撮像装置１０内の撮像素子１４に結像させる。撮像装置１０は撮像素子１４を用いて被写体像を撮像し、表示装置１１に伝達する。表示装置１１は、撮像素子１４から取得する被写体像を表示する。車載カメラシステムは、撮像装置１０および表示装置１１を含み、表示装置１１に被写体像を表示させることで移動体１２の運転支援を行う。

（比較例の光学ユニット）
ここで、本実施形態に係る光学ユニット１３の構成について説明する前に、図２に示される比較例の光学ユニット１１３を用いて、その温度変化の例について説明する。比較例の光学ユニット１１３は、鏡枠１１５、光学系１１６を含んで構成される。図２には、光学ユニット１１３の断面図が示されており、光軸ＡＸ、撮像素子１１４、支持材１２９も示されている。

鏡枠１１５は、光学ユニット１１３の中心軸に関して回転対称に形成される。なお、図２の例では、光学ユニット１１３の中心軸は光軸ＡＸに重なる。鏡枠１１５においては、光軸ＡＸに沿った撮像素子１１４側の方向が結像側方向、反対側の方向が対物側方向に定められる。図２の例では、鏡枠１１５は撮像素子１１４も固定される支持材１２９と接続される。

図２において、光学系１１６は、例えば、第１の光学素子１２２、第２の光学素子１２３、第３の光学素子１２４、第４の光学素子１２５、および第５の光学素子１２６のように複数の光学素子によって構成される。第１の光学素子１２２、第２の光学素子１２３、第３の光学素子１２４、および第５の光学素子１２６は、樹脂製のレンズである。第４の光学素子１２５は開口絞りである。光学系１１６が例えば焦点距離および被写界深度などの所望の光学特性を備えるように、各光学素子が形成され、組合されている。また、各光学素子は例えば勘合、接着等により鏡枠１１５に保持される。

図２では、光学ユニット１１３の温度変化を視覚的に比較できるように、光軸ＡＸよりも紙面上方に常温時の光学ユニット１１３の形状が、光軸ＡＸよりも紙面下方に低温時の光学ユニット１１３の形状が示されている。常温は例えば２５℃であり、光学ユニット１１３は常温において後側焦点が撮像素子１１４上にあるように調整されている。低温は常温よりも低い温度を意味する。また、以下において、高温は常温よりも高い温度を意味する。

図２では、光軸ＡＸよりも紙面上方に常温における光線ＬＴが例示され、光軸ＡＸよりも紙面下方に低温における光線ＬＬが例示されている。なお、図２の例において、光軸ＡＸと光線ＬＴとが交わる点が常温における後側焦点であり、光軸ＡＸと光線ＬＬとが交わる点が低温における後側焦点である。特に屈折力の強いレンズの材料を樹脂とする場合、温度変化に伴うバックフォーカスの変化量は無視できないくらい大きくなり、図２の例では大きな変化量Ｃａを示している。一方、鏡枠１１５も温度変化に伴って伸び縮みするが、その変化量はバックフォーカスの変化量に比べて小さく、図２の例では変化量Ｃｂである。このことは、常温では撮像素子１１４上に適切に結像される被写体像が、低温では適切に結像されないことを意味する。

ここで、図２における変化量Ｃｂをバックフォーカスの変化量Ｃａと等しくできれば、温度変化に伴うバックフォーカスの変化の影響を相殺することができる。例えば、鏡枠１１５の材料を選択して、鏡枠１１５の伸縮による変化量Ｃｂを大きくすることが考えられる。しかし、鏡枠１１５の伸縮を大きくすると、光学系１１６との勘合についても考慮する必要があり、例えば鏡枠１１５と撮像素子１１４とを線膨張係数の大きな特殊材料で結合するといった対応が必要となる。そのような特殊材料は一般に高価、もしくは加工が困難である。よって、コストダウン、小型化などの目的から樹脂製のレンズを多用する光学ユニット１１３において、そのような対応をすることは難しい。また、前記のように光学ユニット１１３は、車載カメラシステムの撮像装置に用いられる場合、車両走行中の振動の影響を受ける駆動部をできるだけ減らすことが求められる。そのため、例えば図２における変化量Ｃｂを変化量Ｃａと等しくするような駆動部を設けることは、光学ユニット１１３を車載カメラシステムに適さないものとする可能性がある。このように、比較例の光学ユニット１１３は、温度環境の変化に対して光学性能を維持することが難しい。

（本実施形態に係る光学ユニット）
図３は、本実施形態に係る光学ユニット１３の光軸ＡＸに沿った断面図である。以下に説明するように、光学ユニット１３では、温度変化による第１レンズ群と第２レンズ群の間隔の変化が、温度変化による光学系１６のバックフォーカスの変動を相殺する方向にはたらく。そのため、光学ユニット１３は、駆動部を設けることなく、温度環境の変化に対しても光学性能を維持できる。

光学ユニット１３は、第１の保持部１５ａ、第２の保持部１５ｂ、光学系１６を含んで構成される。図３には、図２の撮像素子１１４、支持材１２９にそれぞれ対応する撮像素子１４、支持材２９も示されている。本実施形態において、第１の保持部１５ａおよび第２の保持部１５ｂは鏡枠である。比較例の光学ユニット１１３とは異なり、光学ユニット１３は、２つの保持部（第１の保持部１５ａ、第２の保持部１５ｂ）を備える。第１の保持部１５ａは第１レンズ群（図３の例では第１の光学素子２２および第２の光学素子２３）を保持する。また、第２の保持部１５ｂは、第２レンズ群（図３の例では第３の光学素子２４および第５の光学素子２６）を保持する。

第１レンズ群は負の屈折力を持ち、第２レンズ群は正の屈折力を持つ。第２レンズ群は樹脂材料からなるレンズで構成され、第１レンズ群は樹脂材料からなるレンズを含む。つまり、第２レンズ群のレンズは全て樹脂製であり、第１レンズ群のレンズは全てまたは一部が樹脂製である。図３の例では、第１の光学素子２２、第２の光学素子２３、第３の光学素子２４、および第５の光学素子２６は、樹脂製のレンズであり、第４の光学素子２５は開口絞りである。しかし、例えば第１レンズ群のうち、第２の光学素子２３が樹脂製であり、第１の光学素子２２が傷のつきにくいガラス製レンズであってもよい。

図３では、第１レンズ群も第２のレンズ群もそれぞれ２枚のレンズを備えるが、構成の一例であって、各レンズ群でレンズの増減があり得る。例えば、第１レンズ群は、負の屈折力を有する単一のレンズで構成されてもよいし、３以上のレンズで構成されてもよい。また、例えば、第２のレンズ群は、正の屈折力を有する単一のレンズで構成されてもよいし、３以上のレンズで構成されてもよい。

本発明では、第２の保持部１５ｂの少なくとも一部（本実施形態では全体）は、第１の保持部１５ａとは線膨張係数の異なる材料からなる。そのため、温度変化による伸縮も第１の保持部１５ａと第２の保持部１５ｂとで異なっている。よって、第１レンズ群と第２レンズ群との間隔を、温度変化に応じて広げる、または狭めることができる。ここで、第１の保持部１５ａの材料、第２の保持部１５ｂの材料の選択は、以下に述べるように、光学ユニット１３の構成によって異なる。

例えば、図３の構成例においては、第１の保持部１５ａおよび第２の保持部１５ｂは、結像側にある支持材２９によって支持される。このとき、第１の保持部１５ａの線膨張係数が第２の保持部１５ｂの線膨張係数より大きい。ここで、第１の保持部１５ａの材料として樹脂を、第２の保持部１５ｂの材料として金属を用いた場合に、第１の保持部１５ａの線膨張係数が第２の保持部１５ｂの線膨張係数より大きくなる。例えば、第１の保持部１５ａの材料が樹脂の１つであるポリカーボネートであるとすると、結晶性や配向によっても異なるが線膨張係数は６５×１０^−６［℃^−１］である。また、例えば第２の保持部１５ｂの材料がアルミニウムであるとすると、線膨張係数は２４×１０^−６［℃^−１］である。これらの線膨張係数は２倍以上異なるため、図３に例示した構成において、高温時は低温時に比べて第１レンズ群と第２レンズ群の間隔が広くなるようにできる。

ここで、図４は光学ユニット１３の別の構成例を示すものである。図４の構成例では、対物側に第１の保持部１５ａ、第２の保持部１５ｂの支持材３１が存在する。つまり、第１の保持部１５ａおよび第２の保持部１５ｂは、対物側にある支持材３１によって支持される。なお、図３と同じ要素については同じ符号を付しており説明を省略する。図４の例では、第１の保持部１５ａの材料として金属を、第２の保持部１５ｂの材料として樹脂を用いる。このとき、低温時に比べて、高温時の第１レンズ群と第２レンズ群の間隔が広くなる。つまり、図４の例では材料の選択が図３の例の場合と逆になるが、高温時に第１レンズ群と第２レンズ群の間隔が広くなるようにできる。

光学ユニット１３の構成について図３および図４に示される具体例で説明したが、前記のように、光学ユニット１３では、温度変化による第１レンズ群と第２レンズ群の間隔の変化が、光学系１６の全体のバックフォーカスの変動を相殺する方向にはたらいている。

光学ユニット１３では、第１の保持部１５ａと第２の保持部１５ｂとで線膨張係数が異なる材料を用いるため、例えば低温時には第１レンズ群と第２レンズ群の間隔（図３、図４における第２の光学素子２３と第３の光学素子２４との間隔）が狭くなる。この間隔が狭くなるとバックフォーカスは長くなる。一方、図２で示されるように、低温時の後側焦点（光軸ＡＸと光線ＬＬとが交わる点）は、常温時の後側焦点（光軸ＡＸと光線ＬＴとが交わる点）よりも第５の光学素子１２６に近くなっている。つまり、屈折率の温度変化については、低温時にはバックフォーカスが短くなる。したがって、本実施形態の光学ユニット１３は、光学系１６の屈折率の温度変化（低温時にはバックフォーカスが短くなる方向）を、第１レンズ群と第２レンズ群との間隔の温度変化（低温時にはバックフォーカスが長くなる方向）で打ち消して、全体としてバックフォーカスの変動を抑制することが可能となる。なお、高温時には、光学系１６の屈折率に関してはバックフォーカスが長くなる方向であり、第１レンズ群と第２レンズ群との間隔の温度変化に関してはバックフォーカスが短くなる方向である。そのため、全体としてバックフォーカスの変動を抑制することが可能となる。

以上に説明したように、本実施形態に係る光学ユニット１３は、温度環境の変化に対してもバックフォーカスの変動を抑制することができ、光学性能を維持できる。このとき、光学系１６の屈折率の温度変化を第１レンズ群と第２レンズ群との間隔の温度変化で打ち消すので、駆動部による物理的な移動を行うものではない。よって、光学ユニット１３は、車載カメラシステムの撮像装置１０に好適に適用することができる。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る光学ユニットについて説明する。図５は、本実施形態に係る光学ユニット１３ａの光軸ＡＸに沿った断面図である。なお、第１の実施形態に係る光学ユニット１３と同じ要素については、図３、図４と同じ符号を付しており説明を省略する。

光学ユニット１３ａは、第１の実施形態に係る光学ユニット１３と異なり弾性部材２８を備える。光学ユニット１３ａは、弾性部材２８を用いて、第１レンズ群、第２レンズ群をそれぞれ第１の保持部１５ａ、第２の保持部１５ｂに保持させる。

第１の実施形態に係る光学ユニット１３では、例えば勘合、接着等によって、第１レンズ群、第２レンズ群をそれぞれ第１の保持部１５ａ、第２の保持部１５ｂに保持させている。しかし、一般に光学ユニット１３は小型化が要求され、例えば第１レンズ群と第２レンズ群の間隔が狭い場合がある。このとき、例えば第１の保持部１５ａ、第２の保持部１５ｂを、それぞれ第１レンズ群、第２レンズ群を保持するための突起部を有する形状とすることが難しい場合がある。また、カシメ等を用いて第１レンズ群、第２レンズ群がそれぞれ第１の保持部１５ａ、第２の保持部１５ｂに保持されるようにすることも、難しい場合がある。また、接着材によって固定する手法では、第１レンズ群、第２レンズ群をそれぞれ第１の保持部１５ａ、第２の保持部１５ｂに接着した後に、レンズの位置を調整することは一般に困難である。

そこで、光学ユニット１３ａは、弾性部材２８を第１レンズ群と第２レンズ群との間に設けることで、第１レンズ群、第２レンズ群をそれぞれ第１の保持部１５ａ、第２の保持部１５ｂに保持させる。ここで、弾性部材２８としては、例えば、金属製または樹脂製のバネ、ゴム等を用いることができる。また、図５の例では、２つの弾性部材２８が用いられているが、弾性部材２８は１つ以上であればいくつ使用されてもよい。

以上に説明したように、本実施形態に係る光学ユニット１３ａは、例えば第１レンズ群と第２レンズ群の間隔が狭い場合でも弾性部材２８によって、これらを第１の保持部１５ａ、第２の保持部１５ｂに保持させることができる。そのため、光学ユニット１３ａは、第１実施形態の光学ユニット１３の効果に加えて、さらなる小型化を実現可能である。また、弾性部材２８を設けた後でレンズの位置を調整することも比較的容易である。

本発明を図面や実施形態に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各手段、各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段やステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

例えば、図３〜図５に示される光学ユニット１３、１３ａの構成では、負の屈折力を持つ第１レンズ群よりも正の屈折力を持つ第２レンズ群の方が結像側（撮像素子１１４の側）に配置されている。しかし、第２レンズ群よりも第１レンズ群の方が結像側に配置されてもよい。また、図３〜図５に示される光学ユニット１３、１３ａの例では、第１の保持部１５ａと第２の保持部１５ｂの材料の組み合わせは、樹脂と金属であったが、この組み合わせに限定されるものではない。例えば、樹脂に代えて硬質ガラス（線膨張係数は８．５×１０^−６［℃^−１］）を用いてもよい。また、金属はアルミニウムに限られるものではなく、例えば、鉄（線膨張係数は１２×１０^−６［℃^−１］）等を用いてもよい。

また、第１の保持部１５ａ、第２の保持部１５ｂに使われる材料は単一の材料に限られない。例えば、第１の保持部１５ａおよび第２の保持部１５ｂの少なくとも一方が、異なる材料からなる複数の部分を接続した構成であってもよい。このとき、第１の保持部１５ａおよび第２の保持部１５ｂは、少なくとも一部の材料について、互いに線膨張係数が異なる。例えば、第１の保持部１５ａはポリカーボネートとアルミニウムとを接続した構成であり、第２の保持部１５ｂの材料はアルミニウムだけであるとする。このとき、第１の保持部１５ａの一部の材料であるポリカーボネートについては、第２の保持部１５ｂの材料（アルミニウム）とは線膨張係数が異なる。この例の場合も、温度変化による伸縮が第１の保持部１５ａと第２の保持部１５ｂとで異なるため、第１レンズ群と第２レンズ群の間隔が温度によって変化し、光学系１６の全体のバックフォーカスの変動を相殺することが可能である。

１０ 撮像装置
１１ 表示装置
１２ 移動体
１３ 光学ユニット
１３ａ 光学ユニット
１４ 撮像素子
１５ａ 第１の保持部
１５ｂ 第２の保持部
１６ 光学系
２２ 第１の光学素子
２３ 第２の光学素子
２４ 第３の光学素子
２５ 第４の光学素子
２６ 第５の光学素子
２８ 弾性部材
３１ 支持材
１１３ 光学ユニット
１１４ 撮像素子
１１５ 鏡枠
１１６ 光学系
１２２ 第１の光学素子
１２３ 第２の光学素子
１２４ 第３の光学素子
１２５ 第４の光学素子
１２６ 第５の光学素子
１２９ 支持材

Claims (7)

1. 負の屈折力を持つ第１レンズ群と、
   正の屈折力を持つ第２レンズ群と、
   前記第１レンズ群を保持する第１の保持部と、
   前記第２レンズ群を保持する第２の保持部と、を備え、
   前記第１の保持部および前記第２の保持部は、少なくとも一部の材料について互いに線膨張係数が異なり、
   高温時は低温時に比べ、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群の間隔が広くなる光学ユニット。
2. 前記第１レンズ群は樹脂材料からなるレンズを含み、前記第２レンズ群は樹脂材料からなるレンズで構成される請求項１に記載の光学ユニット。
3. 前記第１の保持部の線膨張係数が前記第２の保持部の線膨張係数より大きい請求項１または２に記載の光学ユニット。
4. 温度変化による前記第１レンズ群と前記第２レンズ群の間隔の変化が、温度変化による光学系のバックフォーカスの変動を相殺する方向にはたらく請求項１から３に記載の光学ユニット。
5. 前記第１レンズ群と前記第２レンズ群との間に弾性部材を備える請求項１から４に記載の光学ユニット。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の光学ユニットを備える撮像装置。
7. 請求項６に記載の撮像装置を備える車載カメラシステム。

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