JP7420511B2

JP7420511B2 - 膜付きレンズ、レンズユニットおよびカメラモジュール

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Publication number: JP7420511B2
Application number: JP2019157769A
Authority: JP
Inventors: 章稲葉; 雄輔馬場; 孝行杉目; 秀樹篠原
Original assignee: Maxell Ltd
Current assignee: Maxell Ltd
Priority date: 2019-08-30
Filing date: 2019-08-30
Publication date: 2024-01-23
Anticipated expiration: 2039-08-30
Also published as: JP2021036284A; JP2024024110A

Description

本発明は、膜付きレンズ、レンズユニットおよびカメラモジュールに関し、特に、自動車等の車両に搭載される車載カメラに設けられ得る膜付きレンズ、レンズユニットおよびカメラモジュールに関する。

近年、自動車に車載カメラを搭載し、駐車をサポートしたり、画像認識により衝突防止を図ったりすることが行なわれており、さらにそれを自動運転に応用する試みもなされている。また、このような車載カメラのカメラモジュールは、一般に、複数のレンズが光軸に沿って並べられて成るレンズ群と、このレンズ群を収容保持する鏡筒と、レンズ群の少なくとも一個所のレンズ間に配置される絞り部材とを有するレンズユニットを備える（例えば、特許文献１参照）。

前記構成のレンズユニット（カメラモジュール）は、車載カメラに限らず、様々な光学機器で使用され得るが、とりわけ、寒冷地で外部環境に晒される場合には、レンズの凍結やレンズへの着雪が想定し得るため、一般に融雪機能等を備えるようになっている。具体的には、例えば、図５に示されるように、鏡筒１２０内に収容保持されたレンズ群Ｌのうち最も物体側に位置されて鏡筒１２０から露出される（外部環境に晒される）第１のレンズ１０１を暖めるべく、第１のレンズ１０１の像側に面する表面１０１ａと第１のレンズ１０１に隣接する第２のレンズ１０２の物体側に面する表面１０２ａとの間にヒータ１３０、例えばＰＴＣ（positive temperature coefficient）ヒータを介挿するようにしている。

特開２０１３－２３１９９３号公報

ところで、このようなヒータ１３０を備えるレンズユニットでは、ヒータ１３０から発せられる熱がレンズ表面上の反射防止膜に悪影響を及ぼす場合がある。すなわち、第１の屈折率を有する蒸着材料から形成される第１の膜と、第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有する蒸着材料から形成される第２の膜とを交互に積層して成る一般的な反射防止膜では、多くの場合、セラミック材料（ＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３など）やチタン系材料（ＴｉＯ_２など）が用いられ、例えば、第１の膜がＳｉＯ_２を主成分とする材料から成り、第２の膜がＡｌ_２Ｏ_３やＴｉＯ_２を主成分とする材料から成るが、そのような反射膜が特にヒータの熱を直接に受ける第１のレンズ１０１の表面に設けられる場合には、反射防止膜がヒータから熱を繰り返し受け続ける結果、膜構造の劣化を引き起こし、損傷を受け易くなる。

特にセラミック材料は、比較的低い温度差であっても、長期間にわたって熱衝撃を繰り返し受けると、熱衝撃疲労により材質が劣化して亀裂等の損傷を生じることが知られており、そのため、ヒータ１３０によって第１のレンズ１０１の温度が一般に１２０℃程度にまでしか至らないとはいえ、そのような温度の熱を長期間にわたって繰り返し受ける反射防止膜のセラミック材料は、耐熱衝撃性が高いＳｉＯ_２は別として、この温度を上回る耐熱衝撃性を有するＡｌ_２Ｏ_３などにおいてさえ、表面にクラック等が発生することが避けられなくなる。そのようなクラックは、レンズユニットの光学特性に悪影響を及ぼし得るため、確実に防止されなければならない。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、レンズを暖めるヒータの熱によってレンズ表面上の反射防止膜が悪影響を受けないようにする膜付きレンズ、レンズユニットおよびカメラモジュールを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、鏡筒の物体側の端部に設けられるとともに、表面に反射防止膜が形成されてなる膜付きレンズであって、
前記反射防止膜は、第１の屈折率を有する第１の材料から形成される第１の膜と、第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有する第２の材料から形成される第２の膜とを交互に積層して成り、
前記第１の材料および前記第２の材料は、その耐熱衝撃性が５００℃以上であることを特徴とする。

本発明者らは、長期間にわたって繰り返しレンズを加温する融雪用ヒータがレンズ上の反射防止膜に悪影響を与える原因として、反射防止膜を形成する材料の耐熱衝撃性が大きく関与していることを突き止め、様々な実験を繰り返した結果、特に例えば１２０℃程度までレンズを加温する融雪用ヒータにおいては、特に、反射防止膜が、第１の屈折率を有する第１の材料から形成される第１の膜と、第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有する第２の材料から形成される第２の膜とを交互に積層して成る場合に、第１および第２の材料の耐熱衝撃性が５００℃以上であれば、反射防止膜がヒータの熱によって経時的劣化を引き起こして損傷に至ることを防止でき、膜強度を所望の強度に維持できることを見出した。

すなわち、本発明の上記構成によれば、反射防止膜を形成する第１および第２の材料の耐熱衝撃性が５００℃以上であるため、この反射防止膜を伴う上記膜付きレンズがヒータ（特に１２０℃程度までレンズを加温する融雪用ヒータ）と共に使用されてヒータからの熱を長期間にわたって繰り返し受けても、反射防止膜に悪影響が及ぶことを防止できる。これは、特に、比較的低い温度差であっても、長期間にわたって熱衝撃を繰り返し受けると、熱衝撃疲労により材質が劣化して亀裂等の損傷を生じ得るセラミック材料を第１および第２の材料として使用する場合に有益となり得る。

なお、上記構成において、材料の耐熱衝撃性は、ＪＩＳＲ１６４８：２００２に規定される「ファインセラミックスの熱衝撃試験方法」に準じて評価測定されるものとする。また、上記構成において、反射防止膜は、膜付きレンズの少なくとも物体側に面する表面に設けられるが、膜付きレンズの像側に面する表面に設けられても構わない。さらに、上記構成において、膜付きレンズは、ガラス製であってもよく、あるいは、樹脂製であっても構わない。

また、本発明の上記構成において、第１および第２の材料としてセラミック材料が使用される場合には、第１の材料がＳｉＯ_２を主成分とし、第２の材料がＳｉ_３Ｎ_４を主成分とすることが好ましい。これによれば、特に熱伝導率が良好なＳｉ_３Ｎ_４の使用により、ヒータの熱を効率良く伝えることができ、例えばヒータにより膜付きレンズの表面の雪を融かす場合には、その融雪時間を短くすることが可能となる。

また、本発明の上記構成では、反射防止膜上に親水膜が設けられることが好ましい。このように、反射防止膜上に撥水膜ではなく親水膜を設けると、特に膜付きレンズが融雪用ヒータと共に使用されて該ヒータにより膜付きレンズの表面の雪を融かす場合において、親水膜の親水作用に起因して、撥水膜と比べ、融雪時間を短くできるとともに、膜付きレンズの視認性も高めることができる。すなわち、反射防止膜上に撥水膜を設けると、撥水作用下において水滴の球状化が促されるため、面積が小さい水滴をヒータにより加熱することとなって、伝熱面積が制限されて加熱効率が下がり、融雪時間が長くなるが、反射防止膜上に親水膜を設けると、親水作用下においてレンズ面に付着する細かい水滴が表面自由エネルギーの高い親水膜上にわたって拡がって薄い水膜となるため、面積が大きい水膜をヒータにより加熱することとなって、伝熱面積が拡大して加熱効率が上がり、融雪時間を短くすることができる。また、親水膜によれば、視認性を低下させる水滴を膜状に広げるため、視認性を高めることもできる。

なお、親水膜は、例えば、テーピングによるマスキングを伴ってまたは伴うことなく、蒸着、塗布、スプレー、ディッピング法等によって形成することもできるが、膜の密着強度を高めるという観点では、親水膜を蒸着によって形成することが好ましい。特に、反射防止膜上に親水膜を蒸着によって設けると、とりわけ、レンズがガラスレンズである場合に、そのレンズ表面に対する親水膜の密着性改善に寄与し得る。すなわち、一般に、レンズ面上に直接に親水膜を形成する場合には、レンズ面と親水膜との密着性を高めるために、親水膜全体の組成をレンズのそれに適合させる必要があり、手間がかかるとともに、コストもかかるが、本発明の上記構成のようにレンズ表面上に反射防止膜を介して親水膜を形成する場合には、反射防止膜の一般的な成分であるＳｉＯ_２が反射防止膜と親水膜との界面に介在することとなるため、親水膜と反射防止膜との密着性に関する相性が良好となり、したがって、反射防止膜とガラス面との間の界面でのみ密着性向上のための組成改質等を行なうだけで済む。そのため、大きな手間やコストがかからず、親水膜を常に同じ仕様のまま使用して、同じ密着力を安定して実現できる。

また、上記構成において、親水膜とは、親水性を有する薄膜のことであり、親水膜に対する水滴の接触角が４０度以下となるものをいう。これに対し、撥水膜とは、撥水性を有する薄膜のことであり、撥水膜に対する水滴の接触角が９０度以上となるものをいい、この点で親水膜と区別される。この場合、接触角の測定は、静滴法（Ａ・ｈａｌｆ－ａｎｇｌｅ・Ｍｅｔｈｏｄ）を用いるものとし、膜の形成されたレンズ面に、レンズ面の影響を受けにくいように２．５マイクロリットルの水滴を滴下し、液滴の左右端点を結ぶ曲面は直線と見做して、水滴の接触角を測定するものとする。

また、本発明は、複数のレンズが当該レンズの光軸に沿って並べられたレンズ群と、このレンズ群が収納される鏡筒とを備えるレンズユニットであって、
前記鏡筒の物体側の開口部に上記構成の膜付きレンズが設けられ、この膜付きレンズの像側に面する表面と前記膜付きレンズに隣接するレンズの物体側に面する表面との間にヒータが介挿されていることを特徴とする。

このように、上記構成の膜付きレンズは、ヒータと共に使用される場合に、その本来の特徴を発揮し、前述した優れた作用効果を奏することができる。
なお、本発明の上記構成において、「ヒータ」としては、例えば、ＰＴＣ（positive temperature coefficient）ヒータを挙げることができる。また、上記構成では、ヒータと隣接接触する膜付きレンズがガラスレンズの場合、その像側に面する表面に、遮光、ゴースト防止のための墨塗り処理が施されてもよい。

また、本発明は、前記レンズユニットを備えるカメラモジュールも提供する。このようなカメラモジュールも前述の膜付きレンズおよびレンズユニットと同様の作用効果を得ることができる。

本発明によれば、反射防止膜を形成する第１および第２の材料の耐熱衝撃性が５００℃以上であるため、この反射防止膜を伴う膜付きレンズがヒータと共に使用されてヒータからの熱を長期間にわたって繰り返し受けても、反射防止膜に悪影響が及ぶことを防止できる。

ヒータを備える本発明の一実施の形態に係るレンズユニットの概略断面図である。図１のレンズユニットの膜付きレンズの反射防止膜の積層構造を模式的に示す概略図である。（ａ）は、反射防止膜上に撥水膜が設けられた場合におけるヒータ熱の伝わり方を模式的に示す概略図、（ｂ）は、反射防止膜上に親水膜が設けられた場合におけるヒータ熱の伝わり方を模式的に示す概略図である。図１のレンズユニットを備えるカメラモジュールの概略断面図である。ヒータを備える従来のレンズユニットの概略断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
なお、以下で説明される本実施の形態のレンズユニットは、特に車載カメラ等のカメラモジュール用のものであり、例えば、自動車の外表面側に固定して設置され、配線は自動車内に引き込まれてディスプレイやその他の装置に接続される。また、図１～図５において複数のレンズについては第１のレンズを除きハッチングを省略している。

図１は、ヒータを備える本発明の一実施の形態に係るレンズユニット１１を示している。図示のように、本実施の形態のレンズユニット１１は、例えば金属製の円筒状の鏡筒（バレル）１２と、鏡筒１２の段付きの内側収容空間Ｓ内に配置される複数のレンズ、例えば、物体側から、第１のレンズ１３、第２のレンズ１４、第３のレンズ１５、および、第４のレンズ１６から成る４つのレンズと、絞り部材２２とを備えている。絞り部材２２は、本実施の形態では、第３のレンズ１５と第４のレンズ１６との間に介挿されており、透過光量を制限し、明るさの指標となるＦ値を決定する「開口絞り」またはゴーストの原因となる光線や収差の原因となる光線を遮光する「遮光絞り」である。このようなレンズユニット１１を備える車載カメラは、レンズユニット１１と、図示しないイメージセンサを有する基板と、当該基板を自動車等の車両に設置する図示しない設置部材とを備えるものである。

鏡筒１２の内側収容空間Ｓ内に組み込まれて収容保持される複数のレンズ１３，１４，１５，１６は、それぞれの光軸を一致させた状態で積み重ねられて配置されており、１つの光軸Ｏに沿って各レンズ１３，１４，１５，１６が並べられた状態となって、撮像に用いられる一群のレンズ群Ｌを構成している。特に、本実施の形態では、第１のレンズ１３が球面ガラスレンズであり、第２のレンズ１４、第３のレンズ１５、および、第４のレンズ１６がそれぞれ樹脂製のレンズであるが、これに限定されない。例えば第２～第４のレンズがガラス製のレンズであってもよく、第１のレンズおよび鏡筒１２が樹脂によって形成されてもよい。なお、鏡筒１２の物体側の端部（開口部）に設けられる第１のレンズ１３は、後述するように、反射防止膜および親水膜を伴う膜付きレンズとなっている。したがって、以下では、第１のレンズ１３を膜付きレンズと称する場合もある。なお、第２のレンズ１４、第３のレンズ１５、および、第４のレンズ１６にも反射防止膜は設けられている。

鏡筒１２の物体側の端部（図１において上端部）にはキャップ２３が螺着されており、このキャップ２３によってレンズ群Ｌの最も物体側に位置される第１のレンズ１３が鏡筒１２の物体側の端部に固定されている。無論、鏡筒１２が樹脂により形成されている場合には、鏡筒１２の物体側の端部を径方向内側にカシメることによって第１のレンズ１３が鏡筒１２の物体側の端部に固定されてもよい。

また、鏡筒１２の像側の端部（図１において下端部）には、第４のレンズ１６よりも径の小さい開口部を有する内側フランジ部２４が設けられている。この内側フランジ部２４と前記キャップ２３とにより、鏡筒１２内にレンズ群Ｌを構成する複数のレンズ１３，１４，１５，１６と絞り部材２２とが光軸方向で保持固定されている。

最も物体側に位置される第１のレンズ１３の像側に面する表面１３ｂの外周環状部位と鏡筒１２との間にはシール部材としてのＯリング２６が設けられ、これらの間を鏡筒１２の物体側端部で封止した状態となっている。これにより、レンズユニット１１の物体側の端部から鏡筒１２内に水や塵埃等の微粒子が浸入するのを防止している。なお、鏡筒１２の外周面には、鏡筒１２を車載カメラに設置する際に用いられる外側フランジ部２５が鏡筒１２の外周面に鍔状に設けられている。

また、本実施の形態では、鏡筒１２から露出される（外部環境に晒される）第１のレンズ１３を必要に応じて（融雪等を目的として）暖めるべく、第１のレンズ１３の像側に面する表面１３ｂと第１のレンズ１３に隣接する第２のレンズ１４の物体側に面する表面１４ａとの間に環状のヒータ４０が介挿されている。特に、本実施の形態では、ヒータ４０がＰＴＣ（positive temperature coefficient）ヒータとして形成され、例えば１２０℃程度まで第１のレンズ１３を加温する。なお、ヒータ４０は導線７３を介して図示しない電源から給電される。

また、本実施の形態では、ガラス製の第１のレンズ１３の物体側に面する表面１３ａおよび像側に面する表面１３ｂの凹面部位にそれぞれ反射防止膜３０が設けられている。これらの反射防止膜３０は、第１のレンズ１３の少なくとも有効径の範囲にわたって設けられる。また、物体側に面するレンズ表面１３ａに設けられる反射防止膜３０上にはさらに親水膜３２が設けられる。なお、明確に図示しないが、ヒータ４０と隣接接触する第１のレンズ１３の像側に面する表面１３ｂの部位には、遮光、ゴースト防止のための墨塗り処理が施されている。

図２に明確に示されるように、膜付きレンズとしての第１のレンズ１３の表面１３ａ，１３ｂ上に設けられる反射防止膜３０（図２には、表面１３ａ上に設けられる反射防止膜３０が親水膜３２と共に描かれている）は、第１の屈折率を有する第１の材料としてのＳｉＯ_２から形成される或いはＳｉＯ_２を主成分とする第１の材料から形成される第１の膜３０ｂと、第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有する第２の材料としてのＳｉ_３Ｎ_４から形成される或いはＳｉ_３Ｎ_４を主成分とする第２の材料から形成される第２の膜３０ａとを交互に積層して成り、第１のレンズ１３の表面１３ａ，１３ｂ上に例えば蒸着によって形成される。ここで、例えば、第１の材料は屈折率１．４６の低屈折率材料であり、第２の材料は屈折率２．０２の高屈折率材料である。この場合、第１の材料であるＳｉＯ_２は、１０００℃を超える耐熱衝撃性を有しており、また、第２の材料であるＳｉ_３Ｎ_４は、６００～６５０℃の耐熱衝撃性を有している。また、各膜３０ａ，３０ｂの膜厚はそれぞれ、ＳｉＯ_２層（第１の膜３０ｂ）が５ｎｍ～１５０ｎｍ、Ｓｉ_３Ｎ_４層（第２の膜３０ａ）が５ｎｍ～１００ｎｍとなっている。特に、本実施の形態の反射防止膜３０は、全体として６つの層が積層されて成り、全厚が２４０ｎｍに設定されている。
なお、図２では、レンズ１３の表面１３ａの次に第２の膜３０ａ、その次に第１の膜３０ｂの順番で積層されているが、第２の膜３０ａと第１の膜３０ｂとが入れ替わっても構わない。具体的には、レンズ表面１３ａ／第１の膜３０ｂ／第２の膜３０ａ／第１の膜３０ｂ／第２の膜３０ａ／・・・として最適な厚さとして構成しても構わない。

また、図４は、フィルタ１００が装着された以上のような構成を成すレンズユニット１１を有する本実施の形態のカメラモジュール３００の概略断面図である。図示のように、カメラモジュール３００は、外装部品である上ケース（カメラケース）３０１と、レンズユニット１１を保持するマウント（台座）３０２とを備えている。また、カメラモジュール３００は、シール部材３０３およびパッケージセンサ（撮像素子）３０４を備えている。

上ケース３０１は、レンズユニット１１の物体側の端部を露出させるとともに他の部分を覆う部材である。マウント３０２は、上ケース３０１の内部に配置されており、レンズユニット１１の雄ねじ１１ａと螺合する雌ねじ３０２ａを有する。シール部材３０３は、外側フランジ部２５上に載置された状態で上ケース３０１の内面とレンズユニット１１の鏡筒１２の外周面１２ａとの間に介挿された部材であり、上ケース３０１の内部の気密性を保持するための部材である。

パッケージセンサ３０４は、マウント３０２の内部に配置されており、かつ、レンズユニット１１により形成される物体の像を受光する位置に配置されている。また、パッケージセンサ３０４は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等を備えており、レンズユニット１１を通じて集光されて到達する光を電気信号に変換する。変換された電気信号は、カメラにより撮影された画像データの構成要素であるアナログデータやデジタルデータに変換される。

以上説明したように、本実施の形態によれば、反射防止膜３０を形成する第１および第２の材料（ＳｉＯ_２，Ｓｉ_３Ｎ_４）の耐熱衝撃性が５００℃以上であるため、この反射防止膜３０を伴う膜付きレンズ１３がヒータ４０からの熱を長期間にわたって繰り返し受けても、反射防止膜３０に悪影響が及ぶことを防止できる。これは、特に、本実施の形態のように、比較的低い温度差であっても、長期間にわたって熱衝撃を繰り返し受けると、熱衝撃疲労により材質が劣化して亀裂等の損傷を生じ得るセラミック材料を第１および第２の材料として使用する場合に有益となり得る。

また、本実施の形態では、反射防止膜３０の第２の材料として熱伝導率が良好なＳｉ_３Ｎ_４を使用しているため、ヒータ４０の熱を効率良く伝えることができ、ヒータ４０により膜付きレンズ１３の表面の雪を融かす場合には、その融雪時間を短くすることが可能となる。

また、本実施の形態では、反射防止膜３０上に撥水膜ではなく親水膜３２が設けられているため、親水膜３２の親水作用に起因して、撥水膜と比べ、融雪時間を短くできるとともに、膜付きレンズ１３の視認性も高めることができる。すなわち、図３の（ａ）に示されるように反射防止膜３０上に撥水膜１５０を設けると、撥水作用下において水滴８０の球状化が促されるため、面積が小さい水滴８０をヒータ４０により加熱する（図３には、熱の伝わり方向が矢印で示される）こととなって、伝熱面積が制限されて加熱効率が下がり、融雪時間が長くなるが、図３の（ｂ）に示されるように反射防止膜３０上に親水膜３２を設けると、親水作用下においてレンズ１３の表面に付着する細かい水滴が表面自由エネルギーの高い親水膜上にわたって拡がって薄い水膜８２となるため、面積が大きい水膜８２をヒータ４０により加熱することとなって、伝熱面積が拡大して加熱効率が上がり、融雪時間を短くすることができる。また、親水膜３２によれば、視認性を低下させる水滴８０を膜状に広げるため、視認性を高めることもできる。

以上、特定の実施の形態に関連して本発明を説明してきたが、本発明は、前述した実施の形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。例えば、本発明において、レンズ、鏡筒などの形状、反射防止膜、ヒータの形成形態は、前述した実施の形態に限定されない。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、前述した実施の形態の一部または全部を組み合わせてもよく、あるいは、前述した実施の形態のうちの１つから構成の一部が省かれてもよい。

１１レンズユニット
１２鏡筒
１３第１のレンズ
１４第２のレンズ
３０反射防止膜
３２親水膜
４０ヒータ
３００カメラモジュール
Ｌレンズ群
Ｏ光軸

Claims

複数のレンズが当該レンズの光軸に沿って並べられたレンズ群と、このレンズ群が収納される鏡筒とを備えるレンズユニットであって、
前記鏡筒に収納された前記レンズ群の最も物体側の第１のレンズが膜付きレンズであり、
前記第１のレンズの像側に面する表面と前記第１のレンズにその像側で隣接する第２のレンズの物体側に面する表面との間にヒータが介挿され、
前記第１のレンズの表面には、第１の屈折率を有する第１の材料から形成される第１の膜と、第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有する第２の材料から形成される第２の膜とを交互に積層して成る反射防止膜が形成され、
前記第１の材料がＳｉＯ_２を主成分とし、前記第２の材料がＳｉ_３Ｎ_４を主成分とすることを特徴とするレンズユニット。
前記第１のレンズの物体側に面する表面上の前記反射防止膜上に親水膜が設けられることを特徴とする請求項１に記載の膜付きレンズユニット。
請求項１または２に記載のレンズユニットを備えるとともに、前記レンズユニットにより形成される像を受光する位置に撮像素子が配置されることを特徴とするカメラモジュール。