JP6254680B2 - レンズ素子および撮像装置 - Google Patents
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Description
物体側から像面側へと向かって、前段レンズ、後段レンズの順にレンズが配置されており、
上記前段レンズは、
正の屈折力を有しており、
物体側に向けた面の中央部分が凸形状であり、
物体側に向けた面の周辺部分が凹形状であり、
像面側に向けた面の中央部分が凹形状であり、
像面側に向けた面の周辺部分が凸形状であり、
上記後段レンズは、
物体側に向けた面が凹形状であり、
物体側に向けた面の中央部分であり、レンズ面の中心から離れるほど、該レンズ面の物体側への形状変化量が大きくなる後段物側中央領域と、
物体側に向けた面の中間部分であり、レンズ面の中心から離れるほど、上記形状変化量が小さくなる後段物側中間領域とを有しており、
像面側に向けた面が概略平面であり、
上記後段レンズの物体側に向けた面では、レンズ面の中心から上記後段物側中央領域と上記後段物側中間領域との境界までの距離が、レンズ面の中心からレンズ面の縁までの距離の3割以上であり、
像面と上記後段レンズの像面側に向けた面との間隔をCAV、撮像レンズの光学全長をOTLVとすると、数式(1)
CAV/OTLV<0.15 ・・・(1)
を満足し、
上記撮像レンズの焦点距離をfV、上記前段レンズの焦点距離をf5V、上記後段レンズの焦点距離をfcVとすると、数式(2)および(3)
3.4<f5V/fV<5.2 ・・・(2)
−1.7<fcV/fV<−1.1 ・・・(3)
を満足することを特徴としている。
上述したとおり、物体側に向けた面(物側面)が凹面であり、像面側に向けた面(像側面)が平面である平凹レンズを、撮像素子の近傍に設ける構成によって、効果的に収差を補正することができる。凹面が非球面であれば、より効果的な補正が可能となる。
図2は、撮像装置に円筒形状のレンズを設ける各種通常例を示す断面図である。具体的に、図2は、(a)、(b)、および(c)の、撮像装置の要部断面図を、相互に関連付けて図示したものである。
図1において、(a)は本実施の形態に係る撮像装置の主要部の構成を示す断面図であり、(b)は積層基板の上面図であり、(c)は本実施の形態に係るレンズ素子を像面側から見た図である。
図3は、本実施の形態に係る撮像装置の主要部の構成を示す断面図である。図3では、図示を簡潔にするために、図1に示す主要部100と異なる構成およびそれに関連する構成のみを重点的に示している。
図4は、本実施の形態に係る撮像装置の主要部の構成を示す断面図である。図4では、図示を簡潔にするために、図1に示す主要部100と異なる構成およびそれに関連する構成のみを重点的に示している。
各実施の形態に係る撮像装置では、レンズ素子1の側面が遮光されている(すなわち、遮光側面を有している)のが好ましい。ここで、レンズ素子1は厳密には、鍔部14に該当する側面と、鍔部14に該当しない側面との、少なくとも2つの側面を有している。また、各側面に関し、遮光は一部であってもよいし、全部であってもよい。従って、複数の側面の少なくとも1つは、少なくとも一部が遮光されているのが好ましいと言える。
図5は、撮像装置におけるレンズの配置例を示す図である。
図6は、レンズ素子の変形例を示す上面図である。
図7は、本実施の形態に係る撮像装置の主要部の構成を示す断面図である。図7では、図示を簡潔にするために、図1に示す主要部100と異なる構成およびそれに関連する構成のみを重点的に示している。
図8において、(a)は本実施の形態に係る撮像装置の主要部の構成を示す断面図であり、(b)は追加積層基板の上面図である。図8では、図示を簡潔にするために、図1に示す主要部100と異なる構成およびそれに関連する構成のみを重点的に示している。
図9において、(a)は本実施の形態に係る撮像装置の主要部の構成を示す断面図であり、(b)は実装基板の上面図であり、(c)は本実施の形態に係るレンズ素子を物体側から見た図である。
図14において、(a)は本実施の形態に係る撮像装置の構成を示す断面図であり、(b)は本実施の形態に係る別の撮像装置の構成を示す断面図である。
ここで、レンズ素子1は、物側面L1が凹面、像側面L2が概略平面であるため、負の屈折力を有する(すなわち、f2<0)。一方、前段レンズ群43およびレンズ素子1が全体で結像レンズを構成するため、前段レンズ群43は、正の屈折力を有する(すなわち、f1>0)。マクロ撮影の際、間隔dは大きくなるので、合成焦点距離fは小さくなる。
開口径Dが一定である場合、FナンバーFは合成焦点距離fに比例する。
図16は、本実施の形態に係る撮像装置の主要部の構成を示す断面図である。
図17は、本実施の形態に係る撮像装置の主要部の構成を示す断面図である。
図21の(a)および(b)は、本実施の形態に係る撮像装置の主要部の構成を示す断面図である。
図22は、本実施の形態に係る撮像装置の主要部の構成を示す断面図である。
図23は、本実施の形態に係る撮像装置の主要部の構成を示す断面図である。
図25の(a)〜(d)は、本実施の形態に係る撮像装置の主要部の構成を示す断面図である。
図26は、レンズ素子1の第1の応用例を示す断面図である。
図27の(a)は、レンズ素子1の第2の応用例の1つを示す平面図および断面図である。図27の(b)は、レンズ素子1の第2の応用例の別の1つを示す平面図である。
図28は、射出成形によって製造されたレンズ素子1の一例を示す平面図である。
撮像装置では、物体側に向けた面(物側面)が凹面であり、像面側に向けた面(像側面)が平面である平凹レンズを、撮像素子の近傍に配置した構成により、効果的に収差を補正することができる。
撮像レンズの基本構成について、図30を参照して説明する。
CAV/OTLV<0.15 ・・・(1)
を満足する。
3.4<f5V/fV<5.2 ・・・(2)
−1.7<fcV/fV<−1.1 ・・・(3)
を満足するのが好ましい。
0.7<OTLV/SDV<1.0 ・・・(4)
を満足する。
各実施の形態14〜22に係る撮像レンズの各種特性について説明するが、説明に先立って、下記に注釈を述べる。
(B)撮像素子の画素ピッチ・・・1.12μm
(C)シミュレーション光源を構成する各波長およびそれらの混合割合・・・450nm:550nm(主波長):650nm=0.16:1:0.56
非点収差を示すグラフにおいて、横軸は法線方向LnVへの光線のズレ(−0.10mm〜+0.10mm)であり、縦軸は像高(下から、像高0割〜像高10割)である。
IMA:0.5867mm・・・像高2割
IMA:1.1734mm・・・像高4割
IMA:1.7601mm・・・像高6割
IMA:2.3468mm・・・像高8割
IMA:2.9335mm・・・最大像高(像高10割)
像高に対するMTF(Modulation Transfer Function:変調伝達関数)の特性を示すグラフにおいて、横軸は像高(0mm〜2.934mm)であり、縦軸はMTF(0〜1.0)である。また、該グラフ中、S1、S2、およびS3は、いずれもサジタル像面における特性であって、空間周波数がそれぞれ、ナイキスト周波数/4、ナイキスト周波数/2、およびナイキスト周波数である場合における特性を示している。また、該グラフ中、T1、T2、およびT3は、いずれもタンジェンシャル像面における特性であって、空間周波数がそれぞれ、ナイキスト周波数/4、ナイキスト周波数/2、およびナイキスト周波数である場合における特性を示している。
Nyq.=1/(撮像素子の画素ピッチ)/2
により算出される。撮像素子の画素ピッチが1.12μmである場合、ナイキスト周波数はおよそ446.42857cyc/mmとなるため、これの近似値であるナイキスト周波数=446.00cyc/mmとして光学特性を測定した。
図30に示す撮像レンズ100Vは、代表的な設計であると言える。撮像レンズ100Vは、明るい像が得られ(Fナンバーが1.60)、かつ低背である。
図37は、実施の形態15に係る撮像レンズの構成を示す断面図である。
図43は、実施の形態16に係る撮像レンズの構成を示す断面図である。
図49は、実施の形態17に係る撮像レンズの構成を示す断面図である。
図55は、実施の形態18に係る撮像レンズの構成を示す断面図である。
図61は、実施の形態19に係る撮像レンズの構成を示す断面図である。
図69は、実施の形態20に係る撮像レンズの構成を示す断面図である。
図75は、実施の形態21に係る撮像レンズの構成を示す断面図である。
図81は、実施の形態22に係る撮像レンズの構成を示す断面図である。
図67は、各実施の形態14〜22に係る撮像レンズの比較を行う表である。
(B)撮像素子の画素ピッチ・・・1.12μm
(D)シミュレーション光源を構成する波長・・・550nm
行「Fナンバー」には、撮像レンズのFナンバーを示している。撮像レンズ100V、撮像レンズ200V、撮像レンズ300V、撮像レンズ400V、撮像レンズ700V、撮像レンズ800V、および撮像レンズ900VのFナンバーは、1.60となっている。一方、撮像レンズ500VのFナンバーは、1.54となっており、1.60より小さい。なお、撮像レンズ600VのFナンバーは、1.80となっている。
図68は、各実施の形態14〜22に係る撮像レンズと撮像素子とを備えた撮像装置の概略構成を示す断面図である。
以上に説明した撮像レンズはいずれもレンズが6枚の例であるが、レンズが5枚であってもよい。但し、レンズが5枚である場合においても、少なくとも前段レンズL5Vおよび後段レンズLOCVの構成が維持されている必要がある。
図87は、本実施形態にかかる撮像レンズ1Wの概略構成を示す説明図である。この図に示すように、撮像レンズ1Wは、第1レンズ11W、第2レンズ12W、第3レンズ13W、および第4レンズ14Wからなる上部レンズ15Wと、IRカットガラス(カバーガラス)16Wと、下部レンズ17Wとを備えており、これら各部材が物体側(被写体側、図87の左側)から像面18W側(図87の右側)に向かってこの順で配置されている。また、第1レンズ11Wにおける物体側の面の近傍には開口絞り10Wが設けられている。
次に、撮像レンズ1Wの光学特性を調べるために行ったシミュレーション結果を以下に示す。このシミュレーションでは、図89に示す実施の形態23〜27にかかる撮像レンズ1Wおよび比較例1にかかる撮像レンズについてその光学特性を調べた。
図90は実施の形態23にかかる撮像レンズ1Wの設計データである。また、図91は、実施の形態23にかかる撮像レンズ1Wに関する非点収差、歪曲収差、球面収差、横収差、およびMTF(Modulation Transfer Function)のシミュレーション結果である。
図92は、実施の形態24にかかる撮像レンズ1Wの設計データである。また、図93は、実施の形態24にかかる撮像レンズ1Wに関する非点収差、歪曲収差、球面収差、横収差、およびMTFのシミュレーション結果である。なお、実施の形態24では第4レンズ14Wに低分散材料を適用した。
図94は、実施の形態25にかかる撮像レンズ1Wの設計データである。また、図95は、実施の形態25にかかる撮像レンズ1Wに関する非点収差、歪曲収差、球面収差、横収差、およびMTFのシミュレーション結果である。なお、実施の形態25では、IRカットガラス16Wと下部レンズ17Wとを一体的に形成した。
図96は、実施の形態26にかかる撮像レンズ1Wの設計データである。また、図97は、実施の形態26にかかる撮像レンズ1Wに関する非点収差、歪曲収差、球面収差、横収差、およびMTFのシミュレーション結果である。
図98は、実施の形態27にかかる撮像レンズ1Wの設計データである。また、図99は、実施の形態27にかかる撮像レンズ1Wに関する非点収差、歪曲収差、球面収差、横収差、およびMTFのシミュレーション結果である。
図100は、比較例1にかかる撮像レンズの設計データである。比較例1では、下部レンズ17Wとして、物体側の面が変曲点を有さない凹形状であり、像面側の面が平面であるレンズを用いた。また、図101は、比較例1にかかる撮像レンズに関する非点収差、歪曲収差、球面収差、横収差、およびMTFのシミュレーション結果である。
図102は、撮像レンズ1Wのその他の構成例の概略を示す断面図である。説明を簡潔にするために、図102には、撮像レンズ1Wの構成のうち、上部レンズ15Wおよび下部レンズ17Wのみを示している。
本発明の態様1に係るレンズ素子は、物体側に向けられ、非球面かつ凹面である物側面と、像面側に向けられ、平面状である像側面とを備えており、上記像側面の外形の形状が、概略矩形である。
本発明は、下記のように解釈することも可能である。
物体側から像面側へと向かって、前段レンズ、後段レンズの順にレンズが配置されており、
上記前段レンズは、
正の屈折力を有しており、
物体側に向けた面の中央部分が凸形状であり、
物体側に向けた面の周辺部分が凹形状であり、
像面側に向けた面の中央部分が凹形状であり、
像面側に向けた面の周辺部分が凸形状であり、
上記後段レンズは、
物体側に向けた面が凹形状であり、
物体側に向けた面の中央部分であり、レンズ面の中心から離れるほど、該レンズ面の物体側への形状変化量が大きくなる後段物側中央領域と、
物体側に向けた面の中間部分であり、レンズ面の中心から離れるほど、上記形状変化量が小さくなる後段物側中間領域とを有しており、
像面側に向けた面が概略平面であり、
上記後段レンズの物体側に向けた面では、レンズ面の中心から上記後段物側中央領域と上記後段物側中間領域との境界までの距離が、レンズ面の中心からレンズ面の縁までの距離の3割以上であり、
像面と上記後段レンズの像面側に向けた面との間隔をCAV、撮像レンズの光学全長をOTLVとすると、数式(1)
CAV/OTLV<0.15 ・・・(1)
を満足する。
上記撮像レンズの焦点距離をfV、上記前段レンズの焦点距離をf5V、上記後段レンズの焦点距離をfcVとすると、数式(2)および(3)
3.4<f5V/fV<5.2 ・・・(2)
−1.7<fcV/fV<−1.1 ・・・(3)
を満足する。
像面と上記前段レンズの像面側に向けた面の中心との間隔が、0.8mm以上である。
上記異なる態様1から3のいずれかの撮像レンズと、
上記撮像レンズの像面に配置されている撮像素子とを備えている撮像装置であって、
物体側から像面側へと向かって順に、開口絞り、第1レンズ、第2レンズ、第3レンズ、第4レンズ、上記前段レンズ、上記後段レンズが配置されており、
上記第1レンズは、
正の屈折力を有しており、
物体側に向けた面が凸形状であり、
上記第2レンズは、
負の屈折力を有しているメニスカスレンズであり、
物体側に向けた面が凸形状であり、
上記第3レンズは、
正の屈折力を有しており、
像面側に向けた面が凸形状であり、
上記第4レンズは、
負の屈折力を有しているメニスカスレンズであり、
物体側に向けた面が凹形状であり、
上記撮像素子の対角のセンササイズをSDVとすると、数式(4)
0.7<OTLV/SDV<1.0 ・・・(4)
を満足する。
上記第2レンズのアッベ数が30以下であり、
上記第4レンズの屈折率が1.6以上である。
2 撮像素子
3 受光部
4 積層基板(素子収納部)
4´´ 実装基板
5 開口部
6 積層基板の上面
7 赤外線カットガラス
8 レンズ
9 フリップチップボンド
10 実装部品
11 物体
12 像側面の縁
13 段差部
14 鍔部
15 段差部の端部
16 スペース
17 突出部
18 突出部の端部
19 ゲートカット部
20 ボンディングワイヤ
21 センサカバー(素子収納部)
22 開口部
23 鍔受け部
24 鍔受け部の上面(素子収納部の上面)
25 接着剤
26 追加積層基板
27 開口部
28 レンズ素子の側面
29 追加積層基板の上面
30 レンズバレル
31 周辺構造体
32 変曲点
33 突出部
34 金型
35 樹脂
36 樹脂被成形物
37 成形型
38 基材
39 撮像装置筐体
40 コイル
41 マグネット
42 板バネ
43 前段レンズ群
44 側面部分(傾斜)
45 金型(下)
46 迷光
47 フリップチップ基板(素子収納部)
48 バンプ
49 マイクロレンズ群
50 光線
51 空気
52 突出部
53 フリップチップ基板の上面
54 スペース
55 素子接着部
56 開口部
57 フィルム
58 変曲点
59 ゲート
601 撮像装置
L1 物側面
L2 像側面
La 光軸
Ln 法線方向
M0 開口絞り
M1 第1レンズ
M2 第2レンズ
M3 第3レンズ
M4 第4レンズ
SL1 物側面の外形のサイズ
SL2 像側面の外形のサイズ
Z1 離間距離
1V 撮像装置
2V、100V、200V、300V、400V、500V、600V、700V、800V、900V 撮像レンズ
3V 撮像素子
LOCV 後段レンズ
L1V 第1レンズ
L2V 第2レンズ
L3V 第3レンズ
L4V 第4レンズ
L5V 前段レンズ
c9V 中央部分
p9V 周辺部分
s9V 前段レンズの物体側に向けた面
c10V 中央部分
p10V 周辺部分
s10V 前段レンズの像面側に向けた面
ct10V 前段レンズの像面側に向けた面の中心
c13V 後段物側中央領域
m13V 後段物側中間領域
s13V 後段レンズの物体側に向けた面
ct13V 後段レンズの物体側に向けた面の中心
ed13V 後段レンズの物体側に向けた面の縁
s14V 後段レンズの像面側に向けた面
s15V 像面
1W 撮像レンズ
11W 第1レンズ
12W 第2レンズ
13W 第3レンズ
14W 第4レンズ
15W 上部レンズ
16W IRカットガラス
17W 下部レンズ
18W 像面
DW 撮像素子の受光面対角線長
FBW 上部レンズの焦点距離
OTLW 撮像レンズの光学全長
dW 下部レンズ近接距離
fW 撮像レンズ全体の焦点距離
f4W 第4レンズの焦点距離
fcW 下部レンズの焦点距離
Claims (20)
- 物体側に向けられ、非球面かつ凹面である物側面と、
像面側に向けられ、平面状である像側面とを備えており、
上記像側面の外形の形状が、概略矩形であり、
上記像側面に、上記像側面と撮像素子との間隔を規定するための突出部を有しているレンズ素子であって、
上記像側面に対して上記物側面が、上記レンズ素子の光軸に対する法線方向に突出した部分として形成された鍔部を有していることを特徴とするレンズ素子。 - 上記レンズ素子を通過した光を受光する受光部の形状に応じて、上記像側面の外形のサイズが定められていることを特徴とする請求項1に記載のレンズ素子。
- 上記物側面の外形の形状が、円形、または、該円形に内接する少なくとも1つの線で該円形を切断してなる形状であることを特徴とする請求項1または2に記載のレンズ素子。
- 上記像側面に、ナノインプリントによって形成された凹凸を有していることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のレンズ素子。
- 物体側に向けられ、非球面かつ凹面である物側面と、
像面側に向けられ、平面状である像側面とを備えており、
上記像側面の外形の形状が、概略矩形であるレンズ素子であって、
上記像側面の縁に隣接する傾斜を有しており、
上記傾斜の傾斜角度は、上記レンズ素子の光軸に対して40°以上であることを特徴とするレンズ素子。 - 請求項1から5のいずれか1項に記載のレンズ素子を備えていることを特徴とする撮像装置。
- 物体側に向けられ、非球面かつ凹面である物側面と、像面側に向けられ、平面状である像側面とを備えており、上記像側面の外形の形状が、概略矩形であるレンズ素子と、
上記レンズ素子を通過した光を受光する受光部を有している撮像素子と、
上記撮像素子を収納する素子収納部とを備えており、
上記レンズ素子は、上記像側面に対して上記物側面が、上記レンズ素子の光軸に対する法線方向に突出した部分として形成された鍔部を有しており、
上記鍔部および上記素子収納部によって、上記像側面より上記物体側で上記レンズ素子が支持されていることを特徴とする撮像装置。 - 物体側に向けられ、非球面かつ凹面である物側面と、像面側に向けられ、平面状である像側面とを備えており、上記像側面の外形の形状が、概略矩形であるレンズ素子と、
上記レンズ素子を通過した光を受光する受光部を有している撮像素子と、
上記撮像素子を収納する素子収納部とを備えており、
上記レンズ素子は、上記像側面に対して上記物側面が上記レンズ素子の光軸に対する法線方向に突出した部分として形成された鍔部と、上記鍔部から上記レンズ素子の光軸方向に突出した部分として形成された段差部とを有しており、
上記段差部および上記素子収納部によって、上記像側面より上記物体側で上記レンズ素子が支持されていることを特徴とする撮像装置。 - 上記撮像装置は、
上記レンズ素子より上記物体側に配置された、少なくとも1枚のレンズからなる前段レンズ部と、
上記レンズ素子を固定した状態で上記前段レンズ部を移動させる移動機構とを備えており、
上記前段レンズ部を構成するレンズのうち、最も上記レンズ素子に近いレンズの少なくとも1つのレンズ面は、凹形状と凸形状との境界である変曲点を有していることを特徴とする請求項7または8に記載の撮像装置。 - 上記前段レンズ部を収納するレンズバレルを備えていないことを特徴とする請求項9に記載の撮像装置。
- 上記撮像素子が搭載される実装基板と、
上記撮像素子と上記実装基板とを電気的に接続するボンディングワイヤとを備えており、
上記ボンディングワイヤと上記レンズ素子とが接触していないことを特徴とする請求項7から10のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 上記レンズ素子の光軸方向に沿った、上記鍔部と上記像側面との離間距離が0.15mm以上であることを特徴とする請求項7から11のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 上記素子収納部は、所定の配線パターンを有していることを特徴とする請求項8に記載の撮像装置。
- 上記レンズ素子の光軸方向において、上記鍔部と上記素子収納部とが離間されていることを特徴とする請求項13に記載の撮像装置。
- 上記レンズ素子の光軸方向に、上記像側面と上記撮像素子とが接していることを特徴とする請求項7から14のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 上記像側面に突出部が形成されており、
上記突出部の端部が上記撮像素子に当接することで、上記像側面と上記撮像素子との間隔が規定されていることを特徴とする請求項7から14のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 上記レンズ素子が上記素子収納部に載せられており、
上記レンズ素子の光軸方向に、上記素子収納部が上記撮像素子に当接することで、上記像側面と上記撮像素子との間隔が規定されていることを特徴とする請求項7から14のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 上記素子収納部は、上記レンズ素子の光軸方向に開口した、上記物側面の外形のサイズより小さい開口部を有しており、
上記物側面は、上記開口部より上記像面側に配置されていることを特徴とする請求項7から17のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 上記レンズ素子に赤外線を吸収する材料を含んでいることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載のレンズ素子。
- 上記レンズ素子は、赤外線から上記像面を保護する赤外線カットガラスと一体的に形成されていることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載のレンズ素子。
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