JP6979960B2 - レンズユニットおよび撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数のレンズを含むレンズユニット、および、当該レンズユニットを含む撮像装置に関する。

様々な用途に利用されるレンズユニットのレンズには、従来より、反射防止膜が設けられる。特開２００６−１９５１２０号公報に開示されるズームレンズ系では、第１レンズ群において像側に配置されている正メニスカスレンズはプラスチックレンズである。プラスチックレンズにはＡｌ２Ｏ３とＬａ２Ｏ３との混合物である下地層が形成される。下地層上に反射防止膜が形成される。これにより、反射防止膜に生じる応力が緩和され、剥離やクラックの発生が防止される。

特開２００８−２１６９７３号公報に開示される光学部品では、光学樹脂基板と、反射防止膜である光学薄膜層との間に、バインダー層である中間層が設けられる。これにより、２５０℃以上のリフロー処理において、光学樹脂基板と反射防止膜との間における熱膨張率の差による反射防止膜の損傷や剥離が防止される。
特開２００６−１９５１２０号公報 特開２００８−２１６９７３号公報

ところで、レンズユニットの全ての樹脂製のレンズの空気層に隣接する全てのレンズ面において、反射防止膜とレンズ面との間に緩衝層を設けると、レンズユニットの製造コストが増大する。しかし、緩衝層の省略とレンズユニットを介して得られる画像の質との関係は、従来、検討されることはなかった。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、画質の低下を抑制しつつレンズユニットの製造コストを削減することを目的としている。

本発明の例示的な一の実施形態に係るレンズユニットは、光軸に沿って配置された複数のレンズと、前記複数のレンズを支持する支持部と、を備える。前記複数のレンズは、負のパワーを有する樹脂製の負レンズと、正のパワーを有する樹脂製の正レンズと、を含む。前記負レンズの２つのレンズ面の間の距離は、前記光軸上で最小である。前記負レンズの前記２つのレンズ面の少なくとも１つのレンズ面上に、緩衝層と反射防止層とが順に存在する。前記正レンズの２つのレンズ面の少なくとも１つのレンズ面上に、直接的に反射防止層が存在する。前記複数のレンズの数が、５ないし７であり、前記負レンズは、物体側から２番目のレンズである。

本発明によれば、画質の低下を抑制しつつレンズユニットの製造コストを削減することができる。

図１は、第１の実施形態に係る撮像装置の断面図である。 図２は、第２レンズの物体側のレンズ面近傍を拡大して示す図である。 図３は、第２レンズの像側のレンズ面近傍を拡大して示す図である。 図４は、第２の実施形態に係る撮像装置の断面図である。

図１は、本発明の例示的な第１の実施形態に係る撮像装置１の断面図である。撮像装置１は、レンズユニット１１と、撮像素子１２と、回路基板１３と、を含む。レンズユニット１１は、複数のレンズ２０と、絞り３１と、赤外線フィルタ３２と、支持部３３と、を含む。本実施形態では、複数のレンズ２０は、第１レンズ２１１と、第２レンズ２１２と、第３レンズ２１３と、第４レンズ２１４と、第５レンズ２１５と、を含む。以下の説明における「レンズ」は、レンズとして機能する部材、すなわち、レンズ本体のレンズ面上に、必要に応じて所望の機能を有する層が形成されたレンズ部材である。レンズ面上の層は、薄膜である。また、負のパワーを有するレンズを「負レンズ」、正のパワーを有するレンズを「正レンズ」と呼ぶ。複数のレンズ２０は、光軸Ｊ１に沿って配置される。

支持部３３は、複数のレンズ２０と、絞り３１と、赤外線フィルタ３２と、を支持するホルダである。支持部３３は、「鏡筒」あるいは「バレル」とも呼ばれる。本実施形態では支持部３３は樹脂製であるが、樹脂製には限定されない。第１レンズ２１１、第２レンズ２１２、第３レンズ２１３、絞り３１、第４レンズ２１４、第５レンズ２１５および赤外線フィルタ３２は、光軸Ｊ１に沿って、物体側から像側に向かってこの順に配置される。すなわち、これらの構成要素はこの順で光軸Ｊ１上に位置している。回路基板１３は、赤外線フィルタ３２の像側にて支持部３３に取り付けられる。撮像素子１２は、回路基板１３上に実装される。撮像素子１２は、レンズユニット１１の像側に位置する。レンズユニット１１により、撮像素子１２上に像が形成される。撮像素子１２は２次元イメージセンサである。

第１レンズ２１１は、かしめにより支持部３３に固定される。第１レンズ２１１と支持部３３との間には、シール部材３４が配置される。シール部材３４は、例えば、Ｏリングである。第１レンズ２１１およびシール部材３４により、筒状の支持部３３の物体側の開口が密閉される。第２レンズ２１２、第３レンズ２１３、絞り３１および赤外線フィルタ３２は、支持部３３に圧入されている。第４レンズ２１４と第５レンズ２１５とは、接着剤にて接合された接合レンズとなっている。接合レンズは、支持部３３に圧入されている。「圧入されている」という表現は、「圧入された状態である」と同義である。

第１レンズ２１１は、ガラス製である。第２レンズ２１２、第３レンズ２１３、第４レンズ２１４および第５レンズ２１５は、樹脂製である。第１レンズ２１１および第２レンズ２１２は、物体側に凸となる負メニスカスレンズである。第３レンズ２１３は、像側に凸となる負メニスカスレンズである。第４レンズ２１４は、物体側に凸となる負メニスカスレンズである。第５レンズ２１５は、両凸の正レンズである。

第１レンズ２１１の物体側のレンズ面上には、反射防止層が直接的に形成される。反射防止層上には撥水層やその他の機能性層を設けてもよいし、なくてもよい。第１レンズ２１１の像側のレンズ面上には、反射防止層のみが直接的に形成される。以下の説明において「層が形成される」は、「層が存在する」と同義である。

図２は、第２レンズ２１２の物体側のレンズ面５０１近傍を拡大して示す図である。正確には、レンズ面５０１は曲面であるが、図２では直線にて示している。レンズ面５０１上には、すなわち、樹脂製のレンズ本体５１上には、緩衝層５３が直接的に形成される。緩衝層５３上に反射防止層５２が形成される。緩衝層５３により、樹脂であるレンズ本体５１と反射防止層５２との間の熱膨張率の差により反射防止層５２に生じる応力が低減される。その結果、反射防止層５２にクラックが生じることが防止される。

本明細書において、熱膨張率は線膨張率を指す。また、反射防止層の「クラック」とは、反射防止層に生じる微細な割れや微細な剥離等の損傷を意味する。

図３は、第２レンズ２１２の像側のレンズ面５０２近傍を拡大して示す図である。正確には、レンズ面５０２は曲面であるが、図３では直線にて示している。レンズ面５０２上には、反射防止層５２のみが直接的に形成される。

第３レンズ２１３の物体側および像側のレンズ面上には、反射防止層のみが直接的に形成される。第４レンズ２１４の物体側のレンズ面上には、反射防止層のみが直接的に形成される。第４レンズ２１４の像側のレンズ面と第５レンズ２１５の物体側のレンズ面とは接着剤にて接合される。第５レンズ２１５の像側のレンズ面上には、反射防止層のみが直接的に形成される。

図４は、本発明の例示的な第２の実施形態に係る撮像装置１の断面図である。図４では、各レンズを除き、図１に示すものと同様の機能を有する構成要素に同様の符号を付している。図４に示す撮像装置１の基本構造は、図１に示すのと比べて、レンズユニット１１の複数のレンズ２０の数が６である点を除いて同様である。複数のレンズ２０は、第１レンズ２２１と、第２レンズ２２２と、第３レンズ２２３と、第４レンズ２２４と、第５レンズ２２５と、第６レンズ２２６と、を含む。

第１レンズ２２１、第２レンズ２２２、第３レンズ２２３、第４レンズ２２４、絞り３１、第５レンズ２２５、第６レンズ２２６および赤外線フィルタ３２は、光軸Ｊ１に沿って、物体側から像側に向かってこの順に配置される。

第１レンズ２２１は、かしめにより支持部３３に固定される。第１レンズ２２１と支持部３３との間には、シール部材３４が配置される。第２レンズ２２２、第３レンズ２２３、第４レンズ２２４および赤外線フィルタ３２は、支持部３３に圧入されている。絞り３１は、支持部３３の内周面上に形成された微小な突起を利用して、支持部３３内に嵌め込まれて固定されている。第５レンズ２２５と第６レンズ２２６とは、接着剤にて接合された接合レンズとなっており、接合レンズは、支持部３３に圧入されている。

第１レンズ２２１は、ガラス製である。第２レンズ２２２、第３レンズ２２３、第４レンズ２２４、第５レンズ２２５および第６レンズ２２６は、樹脂製である。第４レンズ２２４はガラス製でもよい。第１レンズ２２１および第２レンズ２２２は、物体側に凸となる負メニスカスレンズである。第３レンズ２２３は、像側に凸となる負メニスカスレンズである。第４レンズ２２４は、両凸の正レンズである。第５レンズ２２５は、物体側に凸となる負メニスカスレンズである。第６レンズ２２６は、両凸の正レンズである。

第１レンズ２２１の物体側のレンズ面上には、反射防止層が直接的に形成される。反射防止層上には撥水層やその他の機能性層を設けてもよいし、なくてもよい。第１レンズ２２１の像側のレンズ面上には、反射防止層のみが直接的に形成される。第２レンズ２２２の物体側のレンズ面上には、緩衝層が直接的に形成される。緩衝層上には反射防止層が形成される。第２レンズ２２２の像側のレンズ面上には、反射防止層のみが直接的に形成される。緩衝層により、第１の実施形態と同様に、第２レンズ２２２の物体側のレンズ面上の反射防止層にクラックが生じることが防止される。

第３レンズ２２３および第４レンズ２２４の物体側および像側のレンズ面上には、反射防止層のみが直接的に形成される。第５レンズ２２５の物体側のレンズ面上には、反射防止層のみが直接的に形成される。第５レンズ２２５の像側のレンズ面と第６レンズ２２６の物体側のレンズ面とは接着剤にて接合される。第６レンズ２２６の像側のレンズ面上には、反射防止層のみが直接的に形成される。

ところで、上記２つの実施形態において、全ての樹脂製のレンズの全てのレンズ面上に緩衝層を設けると、レンズユニット１１の製造コストが増大する。ここで、負レンズでは光軸Ｊ１上においてレンズ面の間の距離が最も小さい。正確には、負レンズにおいて、レンズとして機能する部位の厚さが光軸Ｊ１上において最も小さく、レンズとして機能する部位のうち、外周部は厚い。そのため、負レンズでは、温度が高くなると外周部が大きく膨張する傾向があり、中央に大きな応力が発生する。

一方、正レンズでは、レンズとして機能する部位の厚さが光軸Ｊ１上において最も大きく、レンズとして機能する部位のうち、外周部は薄い。そのため、正レンズでは温度上昇により生じる応力は、負レンズと比較すると相対的に小さい。その結果、レンズ面上に直接的に反射防止層を設けた場合、負レンズでは正レンズよりも反射防止層にクラックが生じる可能性が高い。このことから、レンズユニット１１の製造コストを削減するには、いずれかの正レンズにおいて緩衝層を省くことが好ましいといえる。もちろん、負レンズにおいても緩衝層を省くことが可能な場合は省かれてよい。

一般的に表現すれば、好ましいレンズユニット１１では、いずれかの負レンズの２つのレンズ面の少なくとも１つのレンズ面上に、緩衝層と反射防止層とが順に存在し、いずれかの正レンズの２つのレンズ面の少なくとも１つのレンズ面上に、直接的に反射防止層が存在する。これにより、画質の低下を抑制しつつレンズユニット１１の製造コストを削減することができる。反射防止層が設けられるレンズ面は、空気層に隣接するレンズ面である。さらに好ましくは、複数のレンズ２０に含まれる正のパワーを有する全ての樹脂製の正レンズのレンズ面のうち、空気層に隣接する全てのレンズ面上に直接的に反射防止層が存在する。これにより、レンズユニット１１の製造コストをさらに削減することができる。

ここで、負レンズは、負メニスカスレンズ、両凹レンズ、または、平凹レンズである。正レンズは、正メニスカスレンズ、両凸レンズ、または、平凸レンズである。

負レンズにおいて正レンズよりも温度上昇による発生応力が大きいという特性は、レンズの外周が支持部３３により保持される場合に顕著になる。さらには、負レンズの樹脂材料の熱膨張率が支持部３３の熱膨張率よりも大きい場合や、負レンズの外周全体が支持部３３により保持される場合や、負レンズが支持部３３に圧入される場合や、負レンズがメニスカスレンズの場合にさらに顕著になる。

小型のレンズユニット１１では、通常、複数のレンズ２０の数が５、６または７の場合、物体側から２番目のレンズが、樹脂製レンズのうち最も物体側のレンズとなる。そのため、２番目のレンズの劣化が画質に最も影響を与える。したがって、物体側から２番目のレンズが樹脂製の負レンズである場合、このレンズの少なくとも一方のレンズ面上に緩衝層と反射防止層とがこの順で存在し、他の負レンズおよび正レンズのレンズ面には反射防止層が直接的に存在することが好ましい。

さらに、２番目のレンズの物体側のレンズ面は像側のレンズ面よりも画質に影響を与えるため、上記実施形態では、第２レンズ２１２，２２２の物体側のレンズ面上にのみ緩衝層と反射防止層とが順に存在する。また、第２レンズ２１２，２２２の像側のレンズ面上に直接的に反射防止層が存在する。これにより、取得される画像の質の低下を抑制しつつレンズユニット１１の製造コストを大幅に削減することができる。もちろん、第２レンズ２１２，２２２の像側のレンズ面と反射防止層との間にも緩衝層が設けられてよい。さらには、樹脂製の全ての負レンズの空気層に隣接する全てのレンズ面上に、緩衝層と反射防止層とが順に存在してもよい。

次に、第２レンズの具体例と耐熱試験について説明する。この具体例では、第１の実施形態と同様のレンズユニットを想定しているが、第２レンズの両レンズ面上に緩衝層および反射防止層が順に形成される。

第２レンズのレンズ本体の樹脂としては、ＪＳＲ株式会社製のＡＲＴＯＮ（登録商標）を用いた。光軸に沿って見た場合の物体側のレンズ面の直径は５．４ｍｍ、像側のレンズ面の直径は２．３ｍｍであり、中心厚は０．９ｍｍである。レンズ本体は負のパワーを有するメニスカスレンズである。レンズ本体は射出成形により製造された。

レンズ本体の樹脂材料としては、様々なものが利用可能である。例えば、非結晶ポリオレフィン樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂が利用可能である。樹脂製の他のレンズに関しても同様である。

緩衝層用のコーティング液として、アモルファスシリカ、アクリル樹脂、光重合開始剤、および、ＰＧＭ（プロピレングリコールモノメチルエーテル）を主成分とする溶剤、を所望の割合で混合した液を調製した。コーティング液を、レンズ本体の物体側のレンズ面にスピンコート法により塗布し、コーティング液に積算光量１５０００ｍＪ／ｃｍ２の紫外線を照射し、コーティング液を硬化させた。その後、レンズ本体の像側のレンズ面上にも同様の操作を行った。両レンズ面には厚さ３μｍの緩衝層が形成された。

緩衝層の厚さは、１μｍ以上３μｍ以下であることが好ましい。緩衝層の厚さが１μｍ以下であると緩衝効果が低下する。緩衝層の厚さが３μｍ以上であると塗りムラが生じ易い。

反射防止層の設計波長λは５００ｎｍとした。反射防止層は、レンズ本体に近い側から、二酸化ケイ素（１８．１ｎｍ）／酸化チタン（１５．０ｎｍ）／二酸化ケイ素（３１．２ｎｍ）／酸化チタン（５１．５ｎｍ）／二酸化ケイ素（１４．２ｎｍ）／酸化チタン（３５．９ｎｍ）／二酸化ケイ素（９１．８ｎｍ）の薄膜が積層されたものである。ここで、二酸化ケイ素の屈折率は約１．４６、酸化チタンの屈折率は約２．３８であった。ただし、形成条件によって屈折率が若干変化するため、膜厚の調整が行われた。

次に、第１の実施形態と同様の第１レンズ、第３ないし第５レンズのレンズ面に、適宜、反射防止層を直接的に形成した。第１レンズないし第５レンズを用いて第１の実施形態と同様のレンズユニットを組み立て、耐熱試験を行った。

また、第２レンズに緩衝層を設けない同様のレンズユニットを比較例として製造し、耐熱試験を行った。

耐熱試験では、レンズユニットを大気オーブンに入れ、９０℃から１０℃おきに温度を上昇させた。各温度で１０００時間放置した後に反射防止層のクラックの観察を行った。クラックが発生する温度を耐熱温度とした。クラックの有無の判別は、顕微鏡にて目視にて行った。サンプル数を３とし、３サンプルの平均を最終的な耐熱温度とした。

緩衝層を設ける場合、第２レンズの耐熱温度は１２０℃であった。一方、緩衝層を設けない比較例では、第２レンズの耐熱温度は９０℃であった。既述のように、樹脂と反射防止層との熱膨張率は大きく異なるが、上記耐熱試験にて示されるように、緩衝層により、高温下にて反射防止層のクラックの発生が防止される。

反射防止層は、上記例には限定されず、様々な多層の無機酸化膜が利用可能である。例えば、反射防止層が３層構造の場合は、設計波長をλとして、反射防止層を構成する各層（以下、「要素層」という。）の厚さをλ／４としたり、レンズ面に近い第１要素層とレンズ面から遠い第３要素層の厚さをλ／４とし、中間の第２要素層の厚さをλ／２とする構成が採用可能である。設計波長λは、可視光の中心波長である５００ｎｍ付近が好ましい。要素層の材料としては、酸化ケイ素、酸化チタン、チタン酸ランタン、酸化タンタル、酸化ニオブ等を挙げることができる。反射防止層により樹脂製のレンズの透過率が向上する。

１２０℃という耐熱温度は、車載用の撮像装置に適している。特に、レンズユニット１１の最も物体側のレンズまたは当該レンズの外に配置される保護部材が車外に露出する場合に適している。そのため、１２０℃以上の耐熱温度を有するレンズユニット１１は、自動運転等の高画質のセンシング用撮像装置に利用されることが好ましい。もちろん、レンズユニット１１は単純なモニタ用としても利用可能である。

上記撮像装置１およびレンズユニット１１では、様々な変形が可能である。

レンズユニット１１におけるレンズの数は５ないし７には限定されず、４以下でも８以上でもよい。第１レンズ２１１，２２１は樹脂製でもよい。光軸Ｊ１も直線には限定されず、折れ曲がってもよい。支持部３３は、レンズの外周全体を保持するものである必要はなく、外周の一部を保持するものでもよい。レンズが別のホルダに保持された状態で支持部３３に支持されてもよい。

上記実施形態では、レンズ面上に緩衝層が直接的に接して存在し、緩衝層上に反射防止層が直接的に接して存在するが、レンズ面上に緩衝層と反射防止層とがこの順で存在するのであれば、他の層が存在してもよい。緩衝層および反射防止層が設けられる樹脂製の負レンズは、物体側から２番目以外のレンズであってもよい。

レンズユニット１１に対する撮像素子１２の固定方法は、様々に変更されてよい。撮像装置１は、車載以外の目的に用いられてもよい。

上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。

本発明は、様々な用途のレンズユニットに利用可能であり、使用環境が高温になる、または、高温になる可能性があるレンズユニットに適している。

１ 撮像装置
１１ レンズユニット
１２ 撮像素子
２０ 複数のレンズ
３３ 支持部
５２ 反射防止層
５３ 緩衝層
２１２，２２２ 第２レンズ（負レンズ）
２１５ 第５レンズ（正レンズ）
２２４ 第４レンズ（正レンズ）
２２６ 第６レンズ（正レンズ）
５０１，５０２ レンズ面
Ｊ１ 光軸

Claims (5)

1. 光軸に沿って配置された複数のレンズと、
   前記複数のレンズを支持する支持部と、
   を備え、
   前記複数のレンズが、
   負のパワーを有する樹脂製の負レンズと、
   正のパワーを有する樹脂製の正レンズと、
   を含み、
   前記負レンズの２つのレンズ面の間の距離が、前記光軸上で最小であり、
   前記負レンズの前記２つのレンズ面の少なくとも１つのレンズ面上に、緩衝層と反射防止層とが順に存在し、
   前記正レンズの２つのレンズ面の少なくとも１つのレンズ面上に、直接的に反射防止層が存在し、
   前記複数のレンズの数が、５ないし７であり、
   前記負レンズは、物体側から２番目のレンズである、レンズユニット。
2. 前記複数のレンズに含まれる正のパワーを有する全ての樹脂製の正レンズのレンズ面のうち、空気層に隣接する全てのレンズ面上に直接的に反射防止層が存在する、請求項１に記載のレンズユニット。
3. 前記負レンズの物体側のレンズ面上に、前記緩衝層と前記反射防止層とが順に存在する、請求項１または請求項２のいずれかに記載のレンズユニット。
4. 前記負レンズの像側のレンズ面上に直接的に反射防止層が存在する、請求項３に記載のレンズユニット。
5. 請求項１ないし４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の像側に位置する撮像素子と、を備える、撮像装置。

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