JP6189643B2

JP6189643B2 - カメラ保護カバーおよび撮像装置

Info

Publication number: JP6189643B2
Application number: JP2013114252A
Authority: JP
Inventors: 直人大原; 理洋森島
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-05-30
Filing date: 2013-05-30
Publication date: 2017-08-30
Anticipated expiration: 2033-05-30
Also published as: JP2014232283A

Description

本発明は、車載用カメラ、監視用カメラ等の撮像装置の撮像レンズの保護に用いられる樹脂製の保護カバー、およびその保護カバーを装着した撮像装置に関する。

近年、車載カメラモジュールの需要が増えた事に伴い、様々な環境下で使用される事を想定して対策しなければならなくなってきている。例えば、車体に外装される車載用カメラに用いられる撮像レンズのうち最も物体側に配置される第１レンズは、厳しい環境にさらされる為、樹脂を用いると傷や紫外線等で劣化してしまう。そのため、第１レンズには一般的にガラスが用いられる。あるいは、特許文献１に示されるように、レンズの前面に保護ガラスを設けることで、ほこりや外力からレンズを保護することが必要である。

しかしながら砂漠等の過酷な環境下であると、ガラスであっても品質を長期間維持することは困難であり、都度カメラモジュールごと交換することはコストも手間もかかる。そこで、カメラモジュールの第１レンズを保護する交換可能なカバーを用いて厳しい環境下では定期的に交換するのが好ましい。カバーの材料として、性能的にはガラスが望ましいが、コスト的には樹脂が有利となる。ただし、樹脂は、軽量性、経済性の点でガラスより優れ広く使用されているが、硬度に劣り、擦傷性十分なプラスチック材料は未だ実用化されていない。さらに保護カバーがレンズとしての機能をもつ為、収差が発生し光学性能を劣化させるおそれがある。

特開２０１０−２７１５４５号公報

本発明は、車載カメラや監視カメラ等のカメラの光学系を保護し、耐環境性能に優れ、光学系に対する収差の影響を抑えた樹脂製の球状カバーおよびそのカバーを装着可能な撮像装置を提供する。

上記課題を解決するために、本発明の保護カバーは、撮像レンズと当該撮像レンズを介して結像する物体像を光電変換する撮像素子を備える撮像装置の前記撮像レンズの被写体側に取り付け可能な球状であって、前記撮像レンズの最も物体側のレンズの物体側面と光軸との接点を基準０とし、撮像素子側を正方向として、前記撮像素子に入射する全光線における入射瞳位置の物体側限界をＥＰＯ、撮像素子側限界をＥＰＩとし、カメラモジュールを保護する球状保護カバーの曲率半径および中心位置をそれぞれＲ、Ｔ、前記最も物体側のレンズの物体側面の光線有効径をＹとすると、ＥＰＯ＜Ｔ＜ＥＰＩおよびＲ＞√{（
Ｙ／２）^２＋ＥＰＯ^２}を満足することを特徴とする。

更に好適には、保護カバーの物体側の面にハードコートが形成されていることを特徴とする。

更に好適には、前記ハードコートの膜厚ｄが５μｍ＜ｄ＜１５μｍを満たすことを特徴とする。

更に好適には、前記ハードコートのｄ線の反射率ＲｄがＲｄ＜５．０％および厚み１０μｍにおけるｄ線の吸収率ＫｄがＫｄ＜１．０％を満たすことを特徴とする。

更に好適には、前記ハードコートの−３０℃〜７０℃における熱膨張係数αが１０^−７ｍｍ／℃＜α＜１０^−５ｍｍ／℃を満たすことを特徴とする。

更に好適には、保護カバーがシクロオレフィン樹脂によって形成されることを特徴とする。

更に好適には、前記ハードコートは少なくともアクリル系を含む有機材料およびシリカ系の反応性微粒子を含む無機材料を有するハイブリッド材料によって形成されることを特徴とする。

上記課題を解決するために、本発明の撮像装置は、前記保護カバーを取り付け可能なことを特徴とする。

本発明によれば、車載カメラや監視カメラ等のカメラの光学系を保護し、耐環境性能に優れ、光学系に対する収差の影響を抑えた樹脂製の球状カバーおよびそのカバーを装着可能な撮像装置を提供することができる。

本実施形態の撮像装置の撮像レンズ構成を示す図である。本実施形態における撮像レンズの球面収差、および非点収差、ディスト―ションを示す収差特性図である。本実施形態における撮像レンズと入射瞳の関係を示す図である。本実施形態における本発明を適用した保護カバーを示す図である。本実施形態における撮像レンズの全光線の入射瞳位置を示す図である。本実施形態における撮像レンズに保護カバーを適用した状態での収差特性図である。本実施形態の撮像装置に保護カバーを取り付けた図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。図１に実施の形態の撮像レンズ構成をそれぞれ光学断面で示す。これらの実施形態は、図１の１００に示すように、物体側から順に、第１レンズ１１０、第２レンズ１２０、第３レンズ１３０、開口絞り１４０、第４レンズ１５０、ＩＲＣＦないしカバーガラス１６０、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)やＣＭＯＳ(Complementary Mental-Oxide Semiconductor device)等の撮像素子１７０が配置される４枚構成の撮像レンズ１００である。

そして、第１レンズ１１０は、物体側に凸面を向け負の屈折力を有し撮像側の面が非球面をなすメニスカス凹レンズであり、第２レンズ１２０は、負の屈折力を有し撮像側の面が非球面をなす凹レンズであり、第３レンズ１３０は、物体側の面に凸面を向け正の屈折力を有する両非球面凸レンズであり、第４レンズ１５０は、撮像側の面に凸面を向け正の屈折力を有し両非球面となる凸レンズである。

また、第１レンズ、第２レンズ、第３レンズは樹脂材料により構成されている。このように、樹脂材料で構成することにより、軽量化や低コスト化が実現できるとともに、非球面形状の作製が容易となる。特に、第３レンズ１３０を高分散材料で構成することにより、倍率の色収差を良好に補正することが可能となる。

なお、図１の１００に示すように、物体側より入射した光は、第１レンズ１１０の物体側Ｒ１面１、撮像面側Ｒ２面２、第２レンズ１２０の物体側Ｒ３面３、撮像面側Ｒ４面４、第３レンズ１３０の物体側Ｒ５面５、撮像面側Ｒ６面６、開口絞り１４０の面７、第４レンズ１５０の物体側Ｒ７面８、撮像面側Ｒ８面９、カバーガラス１６０の物体側Ｒ９面１０、撮像面側Ｒ１０面１１を順次通過し撮像素子１７０の結像面１２へと集光される。

撮像レンズ１００における入射瞳は図３に示すような位置となる。入射瞳位置は絞りの中央を通過する主光線の物体側空間の部分を延長して光軸と交わる点であり、前記撮像素子１７０に入射する全光線について考えた場合、最も物体側に位置する入射瞳位置をＥＰＯ、最も撮像素子に位置する入射瞳位置をＥＰＩとする。

撮像レンズ１００には、光軸に平行な光線のみならず、さまざまな角度からの光線が入射し、結像に寄与する。特に車載用カメラや監視用カメラにおいては、広い範囲を撮像する必要があることから広角レンズが多く用いられ、場合によっては画角が１８０°近くに及ぶ魚眼レンズとなることもある。撮像レンズ１００の物体側に保護カバー１８０を設ける場合、このようにさまざまな角度から入射する光線に対して光学性能を劣化させないように考慮することが肝要である。

入射光線に対して光学性能を劣化させる収差等を発生させないためには、保護カバー１８０がレンズとして働かないようにすることで回避が可能である。そのための保護カバー１８０の形状と撮像レンズ１００への取り付け位置について図４を用いて説明する。

図４に示すように、保護カバー１８０を球状に形成して、その球の曲率半径中心が入射瞳の位置となるように配する。このようにすることで、撮像レンズ１００の結像に寄与するさまざまな角度からの光線が保護カバー１８０の球面に対して法線方向から入射することになるので、保護カバー１８０で光線が屈折することが無く、レンズとして働くことが回避でき、収差等の光学性能の劣化を抑えることが可能となる。

しかしながら光学系の入射瞳は、各画角光線によって図５に示すように位置が異なってくる。図５の縦軸は撮像レンズ１００の結像面における光軸中心からの距離を示し、横軸は第１レンズの物体側面の面頂点を基準として撮像素子側を正方向とする入射瞳の位置を示す。撮像レンズ１００において、入射瞳位置は光軸中心から離れるに従って撮像素子側から物体側面へと変化してしまうことが図５から分かる。

従って、保護カバー１８０の曲率半径は一点に決まるものではなく、全光束に対して法線関係が成り立つのは厳密には球状ではない。原理的には非球面形状で保護カバー１８０を作成すれば成立可能であるが高コストになってしまう。そこで、撮像レンズ１００の結像に寄与する全光束の入射瞳位置の物体側限界ＥＰＯと撮像素子側限界ＥＰＩの間に球状の保護カバー１８０の曲率半径中心を配置することで、収差の影響を極力抑えた保護カバー１８０を球形状で安価に実現できる。

本実施例の撮像レンズ１００では、図５に示されるような特性に基づいて、入射瞳位置の物体側限界ＥＰＯと撮像素子側限界ＥＰＩの間にある第１レンズの物体側面の面頂点から２ｍｍの位置に図４に示すように保護カバー１８０の曲率半径中心を配置して、
また、保護カバー１８０は撮像レンズ１００を保護するために、少なくとも第１レンズを覆う必要がある。そこで、保護カバー１８０の球の曲率半径をＲとし、第１レンズの物体側面の光線有効径をＹとすると、Ｒ＞√{（Ｙ／２）^２＋ＥＰＯ^２}を満足するように保護カバー１８０の球の曲率半径Ｒが決定される。

本実施例の撮像レンズ１００では、図５に示される特性に基づいて、入射瞳位置の物体側限界ＥＰＯと撮像素子側限界ＥＰＩの間にある第１レンズの物体側面の面頂点から２ｍｍの位置を保護カバー１８０の曲率半径中心として、内径６ｍｍ、外径７ｍｍの保護カバー１８０を図４に示すように配置している。

更に、耐環境について、従来監視カメラや車載カメラには第１レンズにガラスが使われている。これは、耐環境性能の中でも擦傷性、薬品性、耐候性の３つに関しては樹脂だと要求を満足できないからである。そのため樹脂にハードコートを施す事で上記３つの耐環境性能を向上させる。

また、本実施形態の保護カバー１８０によれば、ハードコート１９の膜厚ｄが５μｍより大きいので、ハードコートが十分な強度を備えることが可能である。また、本実施形態の撮像光学系によれば、ハードコートの膜厚ｄが１５μｍより小さいので、保護カバー１８０の材料との熱膨張係数αの差に起因するクラックの発生を抑制可能である。

また、本実施形態の保護カバー１８０によれば、ハードコートのｄ線の反射率Ｒｄが５．０％未満且つ厚み１０μｍにおけるｄ線の吸収率Ｋｄが１．０％未満である。ハードコートを施した保護カバー１８０の透過率は、低いと迷光や光量不足の原因となるため高いことが好ましく、ハードコートにおける光量の劣化を抑制することが望まれている。光量の劣化を抑制するために、ハードコートの反射率Ｒｄおよび吸収率Ｋｄの低減化が要求される。ハードコート１９の反射率Ｒｄはハードコート１９の屈折率ｎｄや表面粗さにより調整可能であり、屈折率Ｋｄが高くなりすぎたり、表面粗さが荒れて光が乱反射したりすると反射率が高くなる。上述の反射率Ｒｄを満たすことにより光量の劣化を反射率側から抑制可能である。また、ハードコート１９の吸収率Ｋｄは、ハードコート１９の耐環境性能の向上のために添加する紫外線吸収剤の添加量により調整可能であり、上述の吸収率を満たすことにより、十分な耐紫外線と特性を有しながら光量の劣化を吸収率側から抑制可能である。

また、本実施形態の保護カバー１８０によれば、−３０℃〜７０℃における熱膨張係数αが１０−７ｍｍ／℃＜α＜１０−５ｍｍ／℃である。ハードコートおよび保護カバー１８０の熱膨張係数αの大きな差は、温度変化時に応力がかかりハードコートにクラックが発生する要因となり得る。クラックの発生を抑制するためには、ハードコートの熱膨張係数αが、保護カバー１８０の材料の熱膨張係数αの１／１０から１０倍の範囲に含まれることが要求される。保護カバー１８０の形成に用いられる材料は、一般的に、使用が想定される温度環境である−３０℃〜７０℃において、ｘ×１０−６ｍｍ／℃（ｘは１０未満の正の整数）である。それゆえ、ハードコートが上述の熱膨張特性を有することにより、ハードコートにおけるクラックの発生を抑制可能となる。

また、本実施形態の保護カバー１８０によれば、保護カバー１８０の材料として、シクロオレフィン樹脂を用いるので、上述の屈折力、色分散特性、および吸収特性を備えさせることが可能である。

また、本実施形態の保護カバー１８０によれば、ハードコートは少なくともアクリル系を含む有機材料およびシリカ系の反応性微粒子を含む無機材料を有するハイブリッド材料によって形成される。アクリル系を含む有機材料は紫外線により硬化可能であって、例えばシリコン系のように熱硬化性の有機材料に比べて、硬化速度が速く、使用エネルギーが少なく、工程の連続化が可能であって、溶剤が不要であって、低温で硬化可能なため樹脂製保護カバー１８０への適用可能であるという効果を有する。一方、アクリル系を含む有機材料は、粘度の高い多官能オリゴマー成分を多量に含むため、コーティング液の配合作業性および塗装作業性を低下させる。また、アクリル系を含む有機材料の硬化における収縮率は、ハードコートの材料としては比較的大きいため、硬化時に反りおよび内部応力の発生要因となり得る。シリカ系の反応性微粒子を含む無機材料は、コーティング液の粘度の増加の抑制効果およびアクリル系を含む有機材料の収縮率の低減化効果を有する。それゆえ、本実施形態では、上述のハイブリッド材料を用いてハードコートを形成することにより、アクリル系有機材料を用いることによる上述の効果を得ながら、コーティング液の配合作業性および塗装作業性の低下を抑制し且つ収縮率の低減化が可能である。さらに、シリカ系の反応性微粒子を含む無機材料は、有機材料に比べて耐擦傷が高く、全体としての耐擦傷性の向上が可能である。また、さらに、シリカ系の反応性微粒子を含む無機材料は、アクリル系を含む有機材料に比べて架橋密度が低いため硬化による残留応力が低い。したがって、シリカ系の反応性微粒子を含む無機材料を用いることにより、環境の変化によって受ける影響の表層および内部における差が、アクリル系を含む有機材料に比べて小さく、全体としての耐候性の向上が可能である。

また、本実施形態の保護カバー１８０は、外部に設置されることが多いと想定されるため、高湿の外気にさらされたり、液体が付着したりする場合もある。保護カバー１８０はハードコートにより覆われてはいるが、ハードコートを通して僅かながら水分は浸透するため、保護カバー１８０が吸湿し、屈折率が変化したり、膨張して形状が変化したりし得る。そのため、保護カバー１８０には吸水率の低い材料を使うことが好ましく、具体的には０．１％未満の吸水率で屈折率および形状の変化を抑制することが望ましい。

図１の１００Ａに示すように、第１レンズ１１０の厚さとなるＲ１面１とＲ２面２間の距離をＤ１、第１レンズ１１０のＲ２面２と第２レンズ１２０のＲ３面３までの距離をＤ２、第２レンズ１２０の厚さとなるＲ３面３とＲ４面４間の距離をＤ３、第２レンズ１２０のＲ４面４と第３レンズ１３０のＲ５面５間の距離をＤ４、第３レンズ１３０の厚さとなるＲ５面５とＲ６面６間の距離をＤ５、第３レンズ１３０のＲ６面６と開口絞り１４０の面７までの距離をＤ６、開口絞り１４０の面７と第４レンズ１５０のＲ７面８間の距離をＤ７、第４レンズ１５０の厚さとなるＲ７面８とＲ８面９間の距離をＤ８、第４レンズ１５０のＲ８面９とカバーガラス１６０の物体側Ｒ９面１０間の距離をＤ９、カバーガラス１６０の厚さとなるＲ９面１０とＲ１０面１１間の距離をＤ１０、カバーガラス１６０のＲ１０面１１と結像面１２間の距離をＤ１１とする。

なお、以下の数値実施例の中で記載されるレンズの非球面の形状は次式で表される。物体側から像面側へ向かう方向を正として、ｋを円錐係数、Ａは４次の非球面係数を、Ｂは６次の非球面係数を、Ｃは８次の非球面係数を、Ｄは１０次の非球面係数としたとき次式で表される。ｈは光線の高さ、ｃは中心曲率半径の逆数を、Ｚは面頂点に対する接平面からの深さを、それぞれ表している。

以下に、撮像レンズ１００の具体的な数値による実施例を示す。実施例の数値において、焦点距離、Ｆナンバー、水平画角、垂直画角、像高、レンズ全長、バックフォーカス（ＢＦ）は次の表１に記載の通りである。

実施の形態１における撮像レンズ１００の基本構成は図１に示され、各数値データ（設定値）は表２に、球面収差、および非点収差を示す収差図は図２にそれぞれ示される。図２は、実施例において、左が球面収差を、中央が非点収差を、右がディストーションを示している。球面収差図の縦軸は、瞳径を１に正規化したもので、非点収差図の縦軸は像高を表し、実線Ｍはメリジオナル像面の値、破線Ｓはサジタル像面の値をそれぞれ示している。ディストーション図の縦軸が像高、横軸がディストーションを示している。図２からわかるように、実施例によれば、球面、非点の諸収差が良好に補正され、結像性能に優れた撮像レンズ１００が得られる。図１に示すように、第１レンズ１１０は物体側に凸面を向けたメニスカス形状、第２レンズ１２０は両面凹となる形状、第３レンズ１３０は両凸形状、開口絞り１４０の像側に配置される第４レンズ１５０は両側に凸面を向けた両凸形状を有する。樹脂レンズはそれぞれ非球面を有する。

表２は、実施例における撮像レンズ１００の各面番号に対応した絞り、各レンズの曲率半径Ｒ、間隔Ｄ、屈折率Ｎｄ、およびアッべ数νｄを示している。表３は、所定面の非球面係数を示している。
＜数値実施例＞

図６は、保護カバー１８０を装着した撮像レンズ１００の収差特性図で、左が球面収差を、中央が非点収差を、右がディストーションを示している。球面収差図の縦軸は、瞳径を１に正規化したもので、非点収差図の縦軸は像高を表し、実線Ｍはメリジオナル像面の値、破線Ｓはサジタル像面の値をそれぞれ示している。ディストーション図の縦軸が像高、横軸がディストーションを示している。図６からわかるように、保護カバー１８０を装着しても、球面、非点の諸収差は図２に示す保護カバー１８０を装着しないときの諸特性に比べて優位な差は無く良好であり、結像性能に優れた撮像レンズ１００の光学特性が維持されている。

図７に本発明による撮像装置２００に保護カバー１８０を装着した実施形態の断面図を示す。撮像レンズ１００は筐体１９０によって位置関係を規定、保持される。保護カバー１８０の取り付け時における最も撮像素子側の内周には筺体側への取り付けのためのねじもしくは突起や溝１８１が形成されており、筺体側の外周にはそれに対応して螺合するねじもしくは嵌合する溝や突起１９１が設けられている。撮像装置２００への保護カバー１８０の取り付けにあたって、これらのねじによる螺合もしくは突起と溝を嵌合させることにより、撮像装置２００に対する保護カバー１８０の固定に併せて図４に示されるような位置が規定されて、耐環境性能に優れ、収差の影響を抑えて結像性能に優れた撮像装置２００が実現できる。

本発明を諸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。従って、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。

１００，１００Ａ・・・撮像レンズ
１１０・・・第１レンズ
１２０・・・第２レンズ
１３０・・・第３レンズ
１４０・・・開口絞り
１５０・・・第４レンズ
１６０・・・カバーガラス（またはＩＲＣＦ）
１７０・・・撮像素子（または撮像面・結像面）
１８０・・・保護カバー
１９０・・・筐体
２００・・・撮像装置

Claims

撮像レンズと当該撮像レンズを介して結像する物体像を光電変換する撮像素子を備える撮像装置の前記撮像レンズの被写体側に取り付け可能な球状の保護カバーであって、
前記撮像レンズの最も物体側のレンズの物体側面と光軸との接点を基準０とし、撮像素子側を正方向として、前記撮像素子に入射する全光線における入射瞳位置の物体側限界をＥＰＯ、撮像素子側限界をＥＰＩとし、カメラモジュールを保護する球状保護カバーの曲率半径および中心位置をそれぞれＲ、Ｔ、前記最も物体側のレンズの物体側面の光線有効径をＹとすると、ＥＰＯ＜Ｔ＜ＥＰＩおよびＲ＞√{（Ｙ／２）^２＋ＥＰＯ^２}を満足することを特徴とする。
保護カバーの物体側の面にハードコートが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の保護カバー。
前記ハードコートの膜厚ｄが５μｍ＜ｄ＜１５μｍを満たすことを特徴とする請求項２に記載の保護カバー。
前記ハードコートのｄ線の反射率ＲｄがＲｄ＜５．０％および厚み１０μｍにおけるｄ線の吸収率ＫｄがＫｄ＜１．０％を満たすことを特徴とする請求項２もしくは３に記載の保護カバー。
前記ハードコートの−３０℃〜７０℃における熱膨張係数αが１０−７ｍｍ／℃＜α＜１０−５ｍｍ／℃を満たすことを特徴とする請求項２乃至４に記載の保護カバー。
保護カバーがシクロオレフィン樹脂によって形成されることを特徴とする請求項２乃至５に記載の保護カバー。
前記ハードコートは少なくともアクリル系を含む有機材料およびシリカ系の反応性微粒子を含む無機材料を有するハイブリッド材料によって形成されることを特徴とする請求項２乃至６に記載の保護カバー。
請求項１乃至７に記載の保護カバーを取り付け可能な撮像装置。