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JP5138734B2 - 撮像レンズ、および撮像モジュール - Google Patents

撮像レンズ、および撮像モジュール Download PDF

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Description

本発明は、近い物体の撮影と、遠い物体の撮影と、の両方において、要求された仕様を満足する程度に良好な解像力を有するように構成された撮像モジュール、ならびにこの撮像モジュールを構成するレンズ素子および撮像レンズに関する発明である。
特許文献1には、レンズに電界または磁界を印加して屈折率を変えることにより、レンズの焦点位置を変える、自動焦点調整装置が開示されている。
特許文献2には、被写体までの距離に応じて得られた電気信号を圧電素子に供給し、圧電素子の厚みを変化させることにより、レンズの位置を制御する、光学機器の自動焦点調整方法が開示されている。
特許文献3および4にはそれぞれ、調整レバーを回動させて、レンズの位置を移動させる調整機構を備えた、レンズ調整装置が開示されている。
特許文献5には、透光板‐レンズ間にガスを注入することで、レンズの位置を移動させる、撮像装置が開示されている。
特許文献1〜5に開示されている各技術では、レンズ(レンズ素子)の位置または焦点位置を、物体距離に応じて変化させることにより、近い物体の撮影と、遠い物体の撮影と、の両方において、要求された仕様を満足する程度に良好な解像力を有する光学系を実現している。
特開昭59−022009号公報(1984年 2月 4日公開) 特開昭61−057918号公報(1986年 3月25日公開) 特開平10−104491号公報(1998年 4月24日公開) 特開平10−170809号公報(1998年 6月26日公開) 特開2003−029115号公報(2003年 1月29日公開)
特許文献1〜5に開示されている各技術では、レンズの位置または焦点位置を、物体距離に応じて変化させるための機構が必要であるため、光学系の構造が複雑になるという問題が発生する。
本発明は、上記の問題に鑑みて為された発明であり、その目的は、近い物体の撮影と、遠い物体の撮影と、の両方において、要求された仕様を満足する程度に良好な解像力を有するように構成された、簡素な構造の撮像モジュール、ならびにこの撮像モジュールを構成するレンズ素子および撮像レンズを提供することにある。
本発明のレンズ素子は、上記の問題を解決するために、少なくとも1つのレンズ面が、互いに屈折力の異なる複数の領域から成ることにより、結像可能な物体距離の範囲が広くされたことを特徴としている。
なお、ここで「結像可能な物体距離」とは、光学系が物体の結像を行って得られた像の略全体に関して所望以上の解像力による結像を行うことができるような、換言すれば、該光学系が物体の略全体に対して焦点を合わせることができるような、該光学系と該物体との間隔を意味しているものとする。該光学系には、レンズ素子、撮像レンズ、および撮像モジュール等が挙げられる。また、「レンズ素子」とは、1枚のレンズを意味している。これは、複数のレンズを備えるもの(すなわち、撮像レンズ)との区別を明確にするためである。
上記の構成によれば、同一のあるレンズ面において、互いに屈折力の異なる2つ以上の領域を設けることにより、これらの領域毎に、レンズ素子の光軸方向における集光位置のズレを発生させ、この結果、より広い物体距離の範囲に関して、所望以上の解像力による物体の略全体の結像が可能な、換言すれば、より広い物体距離の範囲に関して、物体の略全体に対して焦点を合わせることが可能な、光学系を実現することが可能となる。
従って、上記の構成によれば、近い物体の撮影と、遠い物体の撮影と、の両方において、要求された仕様を満足する程度に良好な解像力を有するように構成された、簡素な構造の撮像モジュールを、本発明のレンズ素子を用いて構成することが可能となる。
また、本発明のレンズ素子は、上記レンズ面は、上記複数の領域毎に異なる曲率半径を有していることを特徴としている。
上記の構成によれば、少なくとも1つのレンズ面が、互いに屈折力の異なる複数の領域から成るレンズ素子を、容易に作製することができる。
また、本発明のレンズ素子は、上記複数の領域のうち少なくとも1つは、入射された光を回折させる面であることを特徴としている。
上記の構成によれば、少なくとも1つのレンズ面が、互いに屈折力の異なる複数の領域から成るレンズ素子を、容易に作製することができる。
また、本発明の撮像レンズは、物体側から像面側へと向かって順に、開口絞り、正の屈折力を有している第1レンズ、および第2レンズを備えており、上記第1レンズは、本発明のレンズ素子であり、上記第1レンズは、物体側に向けた面が、上記レンズ素子における上記レンズ面であることを特徴としている。
上記の構成によれば、本発明のレンズ素子と同様の効果を奏する、少なくとも2枚のレンズ(レンズ素子)で構成された撮像レンズを実現することが可能となる。
また、本発明の撮像レンズは、上記第2レンズよりも像面側に、正の屈折力を有している第3レンズを備えており、上記第2レンズは、負の屈折力を有しており、上記第3レンズは、像面側に向けた面の中央部分が凹形状であると共に該中央部分の周辺部分が凸形状であることを特徴としている。
上記の構成によれば、本発明のレンズ素子と同様の効果を奏する、3枚のレンズ(レンズ素子)で構成された撮像レンズを実現することが可能となる。
また、本発明の撮像レンズは、上記第2レンズは、像面側に向けた面の中央部分が凹形状であると共に該中央部分の周辺部分が凸形状であることを特徴としている。
上記の構成によれば、本発明のレンズ素子と同様の効果を奏する、2枚のレンズ(レンズ素子)で構成された撮像レンズを実現することが可能となる。
また、本発明の撮像レンズは、Fナンバーは、3.0未満であることを特徴としている。
上記の構成によれば、明るい像を得ることができる。すなわち、本発明においては、明るい像が得られる撮像レンズを用いて、結像可能な物体距離の範囲の広い光学系を得ることができる。なお、Fナンバーを大きくすることでこの範囲を広げることが可能であるが、この場合、像が暗くなる。本発明では、明るい像が得られる光学系においても広い結像可能な物体距離の範囲を得ることができる。
また、本発明の撮像モジュールは、本発明の撮像レンズを備えており、上記撮像レンズの焦点位置を調整するための機構を備えていないことを特徴としている。
上記の構成によれば、本発明のレンズ素子と同様の効果を奏する撮像モジュールを実現することが可能となる。
また、3枚のレンズ(レンズ素子)で構成された撮像レンズを備えた撮像モジュールを実現する場合、簡素な構成で、コンパクトかつ解像力に優れた安価なカメラモジュールを実現することができる。特に、携帯型の機器向けのカメラモジュールでは、3枚のレンズを用いた、物体側から像面側へと向かって順に、開口絞り、正の屈折力を有している第1レンズ、負の屈折力を有しているメニスカスレンズである第2レンズ、および像面側に向けた面の中央部分が凹形状であると共に該中央部分の周辺部分が凸形状である第3レンズを備えている撮像レンズは、コンパクトであると共に高い解像力を実現し得ることから、多く用いられている。従って、本発明の撮像モジュールによれば、撮像レンズの焦点位置を調整するためのフォーカス調整機構を備えていない、安価かつ簡素な構造のカメラモジュールを実現することができる。
また、2枚のレンズ(レンズ素子)で構成された撮像レンズを備えた撮像モジュールを実現する場合も、簡素な構成で、コンパクトかつ解像力に優れた安価なカメラモジュールを実現することができる。特に、携帯型の機器向けのカメラモジュールでは、2枚のレンズを用いた、物体側から像面側へと向かって順に、開口絞り、正の屈折力を有している第1レンズ、および負の屈折力を有している第2レンズを備えている撮像レンズは、コンパクトであると共に高い解像力を実現し得ることから、多く用いられている。従って、本発明の撮像モジュールによれば、撮像レンズの焦点位置を調整するためのフォーカス調整機構を備えていない、安価かつ簡素な構造のカメラモジュールを実現することができる。
また、本発明の撮像モジュールは、所定の像面の位置において、所定の解像力が得られるように、上記レンズ素子の上記複数の領域のそれぞれにおける屈折力が定められていることを特徴としている。
上記の構成によれば、本発明の撮像モジュールにおいて、本発明のレンズ素子の利点を最大限に活かすことができる。すなわち、本発明の撮像モジュールは、像面において、結像可能な物体距離の範囲が広げられることとなる。
また、本発明の撮像モジュールは、像面に配置された固体撮像素子を備えていることを特徴としている。
本発明の撮像モジュールは、結像可能な物体距離の範囲が広くされた光学系であるため、固体撮像素子を備えていることにより、フォーカス調整機構を不要とする製造コストの安価なデジタルカメラを実現することができる。
また、本発明の撮像モジュールは、上記固体撮像素子の画素数は、1.3メガピクセル以上であることを特徴としているのが好ましい。これは、画素数の小さい光学系では、焦点距離が短いことから、焦点を合わせることが可能な範囲が広く、元来の結像可能な物体距離の範囲が広いため、本発明に係る構成の適用は不要であると考えられるためである。
また、本発明の撮像モジュールは、上記撮像レンズを構成する最も像面側のレンズを同一面上に複数備えたレンズアレイと、上記固体撮像素子を同一面上に複数備えたセンサアレイとを、各レンズと各固体撮像素子とが1対1に対応して対向配置されるように接合した後、対向配置された、上記レンズと上記固体撮像素子との組を単位として分割して製造されたものであることを特徴としている。
また、本発明の撮像モジュールは、上記撮像レンズは、複数のレンズから構成されるものであって、上記撮像レンズを構成する、隣り合うレンズの一方を同一面上に複数備えた第1レンズアレイと、該隣り合うレンズの他方を同一面上に複数備えた第2レンズアレイとを、上記第1レンズアレイに備えられた各レンズと、上記第2レンズアレイに備えられた各レンズとが1対1に対応して対向配置されるように貼り合せた後、対向配置された2つの上記レンズの組を単位として分割して製造されたものであることを特徴としている。
上記の構成によれば、大量の撮像モジュールを一括して、かつ短時間で製造することが可能となるため、撮像モジュールの製造コストは、低減することが可能となる。特に、撮像レンズの焦点位置を調整するための機構が不要である本発明の撮像モジュールは、複数のレンズ素子および複数の固体撮像素子がそれぞれ一体化された、簡素化された製造プロセスに適している。反対に、該機構が必要である撮像モジュールは、該機構をウエハレベルにて同一面上に複数備えられるように作製し、固体撮像素子を搭載した後、撮像モジュール毎に切断を行う製造プロセスに適した構造を必要とする。
また、本発明の撮像モジュールは、上記撮像レンズを構成するレンズの少なくとも1つは、熱硬化性樹脂または紫外線硬化性樹脂から成ることを特徴としている。
上記の構成によれば、本発明の撮像レンズを構成するレンズの少なくとも1つを、熱硬化性樹脂またはUV(Ultra Violet:紫外線)硬化性樹脂から成る構成とすることにより、本発明の撮像モジュールの製造段階において、複数のレンズを樹脂に成形して、レンズアレイを作製することが可能となり、さらに、撮像レンズをリフロー実装することが可能となる。熱硬化性樹脂またはUV硬化性樹脂から成るレンズは、撮像モジュールの駆動系の耐熱性を懸念する必要がないことから、この場合、本発明の撮像モジュールは、リフローアブルレンズに適している。
以上のとおり、本発明のレンズ素子は、少なくとも1つのレンズ面が、互いに屈折力の異なる複数の領域から成ることにより、結像可能な物体距離の範囲が広くされたものである。
従って、本発明は、近い物体の撮影と、遠い物体の撮影と、の両方において、要求された仕様を満足する程度に良好な解像力を有するように構成された、簡素な構造の撮像モジュールを実現することが可能であるという効果を奏する。
少なくとも1つのレンズ面の形状を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る撮像レンズの構成を示す断面図である。 少なくとも1つのレンズ面が、互いに屈折力の異なる複数の領域から成っている様子を示す断面図である。 図2に示す撮像レンズのデフォーカスMTFを示すグラフである。 図2に示す撮像レンズのMTF‐像高特性を示すグラフである。 図6(a)は、図2に示す撮像レンズの非点収差の特性を示すグラフであり、図6(b)は、図2に示す撮像レンズの歪曲の特性を示すグラフである。 図2に示す撮像レンズの設計データを示した表である。 図2に示す撮像レンズの比較対象としての、撮像レンズの構成を示す断面図である。 図8に示す撮像レンズのデフォーカスMTFを示すグラフである。 図8に示す撮像レンズのMTF‐像高特性を示すグラフである。 図11(a)は、図8に示す撮像レンズの非点収差の特性を示すグラフであり、図11(b)は、図8に示す撮像レンズの歪曲の特性を示すグラフである。 図8に示す撮像レンズの設計データを示した表である。 図2および図8に示す各撮像レンズの設計仕様を比較する表である。 図2および図8に示す各撮像レンズの、MTF‐物体距離特性を比較するグラフであり、像高h0の場合を示すグラフである。 図2および図8に示す各撮像レンズの、MTF‐物体距離特性を比較するグラフであり、像高h0.6でのタンジェンシャル像面の場合を示すグラフである。 焦点深度を広くする構成と組み合わせた場合における、図2および図8に示す各撮像レンズのデフォーカスMTFを比較するグラフである。 予め定めた基準解像度以上の画像を得るための構成と組み合わせた場合における、図2および図8に示す各撮像レンズのMTF‐物体距離特性を比較するグラフである。
〔実施例〕
(撮像レンズ1の構成)
図2は、本発明の実施の形態に係る撮像レンズ1の構成を示す断面図である。
図2は、撮像レンズ1の、Y(紙面上下)方向およびZ(紙面左右)方向から成る断面を示した図である。Z方向は、物体3側から像面S9側への方向、ならびに、像面S9側から物体3側への方向を示しており、撮像レンズ1の光軸Laは、このZ方向に伸びている。撮像レンズ1の光軸Laに対する法線方向は、ある光軸La上から、X(紙面に対して垂直である)方向およびY方向から成る面上を一直線に伸びていく方向である。
撮像レンズ1は、物体3側から像面S9側へと向かって順に、開口絞り2、正の屈折力(パワー)を有している第1レンズ(レンズ素子)L1、負の屈折力を有している第2レンズL2、正の屈折力を有している第3レンズL3、および、カバーガラスCGを備える構成である。
開口絞り2は、具体的に、第1レンズL1における物体3側に向けた面(少なくとも1つのレンズ面)S1の周囲部分に設けられている。開口絞り2は、撮像レンズ1に入射した光が、第1レンズL1、第2レンズL2、および、第3レンズL3を適切に通過することを可能とするために、入射した光の軸上光線束の直径を制限することを目的に設けられている。
物体3は、撮像レンズ1が結像を行う対象物であり、換言すれば、撮像レンズ1が撮像の対象とする被写体である。図2では便宜上、物体3と撮像レンズ1とが非常に近接しているように図示されているが、実際、物体3と撮像レンズ1との間隔は例えば、最大、無限遠まで選択可能である。
第1レンズL1は、物体3側に向けた面(物体側面)S1が凸形状であり、像面S9側に向けた面(像側面)S2が凹形状である。このような第1レンズL1の構成は、撮像レンズ1の全長に対する、第1レンズL1の全長の比率が大きくなり、これにより、撮像レンズ1の全長に比して、撮像レンズ1全体の焦点距離を長くすることができるため、撮像レンズ1の小型化および低背化が可能となる。第1レンズL1は、アッベ数を56程度と大きくすることで、入射光の分散を小さくしている。第1レンズL1の、特に面S1の形状についての詳細は、後述する。
アッベ数とは、光の分散に対する屈折度の比を示した、光学媒質の定数である。すなわち、アッベ数とは、異なった波長の光を異なった方向へ屈折させる度合であり、高いアッベ数の媒質は、異なった波長に対しての光線の屈折の度合による分散が少なくなる。
レンズにおける「凹形状」および「凹面」はいずれも、レンズが中空に曲がっている部分、すなわち、レンズが内側に曲がっている部分を示している。レンズにおける「凸形状」および「凸面」はいずれも、レンズの球状表面が外側に曲がっている部分を示している。
ここで、厳密に言えば、開口絞り2は、第1レンズL1の凸形状である面S1が、開口絞り2よりも物体3側に突出するように設けられているが、このように面S1が開口絞り2よりも物体3側に突出しているか否かについては、特に限定されない。開口絞り2は、その代表的な位置が、第1レンズL1の代表的な位置よりも物体3側となるような配置関係でさえあれば十分である。
第2レンズL2は、物体3側に向けた面S3が凹面となっており、像面S9側に向けた面S4が凸面となっている、周知のメニスカスレンズである。第2レンズL2が、物体3側に凹面を向けたメニスカスレンズである場合は、第2レンズL2の屈折力を維持しつつ、ペッツヴァル和(光学系による平面物体の像の湾曲の軸上特性)を小さくすることができるため、非点収差、像面湾曲、およびコマ収差を低減することができる。第2レンズL2は、アッベ数を26程度と小さくすることで、入射光の分散を大きくしている。アッベ数の大きな第1レンズL1と、アッベ数の小さな第2レンズL2と、を組み合わせた構成は、色収差の補正の観点において有効である。
第3レンズL3は、物体3側に向けた面S5が凹形状である。さらに、第3レンズL3は、像面S9側に向けた面S6のうち、中心s6およびその近傍に対応する中央部分c6が凹形状であると共に、中央部分c6の周りである周辺部分p6が凸形状である。つまり、第3レンズL3の面S6は、窪んでいる中央部分c6と、出張っている周辺部分p6と、が切り替わる変曲点を有する変極面であると解釈することができる。ここで言う変曲点とは、レンズにおける有効半径内でのレンズ断面形状の曲線において、非球面頂点の接平面が光軸と垂直な平面となるような非球面上の点を意味する。
面S6に上記変曲点を有している第3レンズL3を備えた撮像レンズ1では、中央部分c6を通過する光線が、Z方向における、より物体3側にて結像可能となると共に、周辺部分p6を通過する光線が、Z方向における、より像面S9側にて結像可能となる。このため、撮像レンズ1は、中央部分c6における凹形状と、周辺部分p6における凸形状と、の具体的な形状に応じて、像面湾曲をはじめとする各種収差を補正することが可能となる。
第2レンズL2、および第3レンズL3としてはいずれも、物体3側に向けた面および像面S9側に向けた面の両方が非球面のレンズを適用している。両面が非球面の第2レンズL2は、特に非点収差および像面湾曲を大幅に補正することが可能である。両面が非球面の第3レンズL3は、特に非点収差、像面湾曲、および歪曲を大幅に補正することが可能である。さらに、両面が非球面の第3レンズL3は、撮像レンズ1におけるテレセントリック性を向上させることができるため、NA(numerical aperture:開口数)を小さくすることにより、撮像レンズ1では、被写界深度を簡単に拡げることができる。
以上の構成である、第1レンズL1、第2レンズL2、および第3レンズL3を備えた、図2に示す撮像レンズ1では、被写界深度を拡げることができ、さらに、像面湾曲を小さくすることができる。
カバーガラスCGは、第3レンズL3と像面S9との間に設けられている。カバーガラスCGは、像面S9に対して被覆されることで、物理的ダメージ等から像面S9を保護するためのものである。カバーガラスCGは、物体3側に向けた面S7と、像面S9側に向けた面S8と、を有している。
像面S9は、撮像レンズ1の光軸Laに対して垂直で、像が形成される面であり、実像は、像面S9に置かれた図示しないスクリーン上で観察することができる。
なお、撮像レンズ1は、Fナンバーが3.0未満であるのが好ましく、これにより、明るい像を得ることができる。撮像レンズ1のFナンバーは、撮像レンズ1の等価焦点距離を、撮像レンズ1の入射瞳径で割った値で表される。
また、撮像レンズ1は、第1レンズL1、第2レンズL2、および第3レンズL3という、3枚のレンズを備える構成であったが、本発明の撮像レンズにおけるレンズの枚数は、3枚に限定されず、例えば2枚であってもよい。撮像レンズ1を、2枚のレンズの構成へと変更する場合、第3レンズL3を省略し、第2レンズL2を、像面S9側に向けた面の中央部分が凹形状であると共に該中央部分の周辺部分が凸形状である(つまり、図2に示す第3レンズL3と同様の)形状とすればよい。
(第1レンズの構成)
ここからは、第1レンズL1の、特に面S1の形状についての説明を行う。
図3は、第1レンズL1のレンズ面である面S1が、複数の領域AおよびBから成っている様子を示す断面図である。図3を参照した説明では、本発明に係る各領域に関する説明を行うに過ぎないので、便宜上図3では、第1レンズL1を従来一般的な、球面形状であるレンズとして図示している。
なお、面S1は、図2においては有効口径に該当する部分のみが図示されていたが、図3においてはさらに、該有効口径の周囲部分に設けられた、第1レンズL1のコバ(レンズコバ)が図示されている。第1レンズL1に限らず、撮像レンズ1を構成する各レンズは、有効口径の周囲部分にコバが設けられているのが一般的である。また、図3では便宜上、第1レンズL1における面S2側、ならびに、開口絞り2(図2参照)の図示を省略している。
図3において、第1レンズL1は、面S1が、中心s1およびその近傍に対応する領域Aと、領域Aの周りである領域Bと、に領域分けされている。
図1は、面S1の具体的な形状をグラフとして示したものであり、このグラフにおいて、横軸には光軸Laに対する法線方向における面S1の位置を、縦軸には面S1の形状(換言すれば、光軸La方向における面S1の位置)を、それぞれ示している。
図1に示すグラフにおいて、面S1の形状は、実線により示している。図1の実線のグラフに示すとおり、面S1は、領域Aと領域Bとで、曲率半径が互いに異なっている。より具体的には、図1においては、領域Aが円1の弧に対応する一方、領域Bが円1よりも半径の大きな円2の弧に対応する。従って、第1レンズL1の面S1は、領域Aの曲率半径よりも、領域Bの曲率半径のほうが大きくなっていることが分かる。
このように、第1レンズL1の面S1は、複数の領域AおよびB毎に異なる曲率半径を有している構成である。
そして、領域AおよびBは、互いに曲率半径が異なっている構成であるため、互いに屈折力が異なっている構成である。つまり、第1レンズL1は、1つのレンズ面である面S1が、互いに屈折力の異なる複数の領域AおよびBから成る構成であると解釈することができる。
ここで、各領域AおよびBの屈折力は、予め定められた所望の解像力が得られるように、互いに異ならせる。領域AおよびBは、互いに屈折力が異なるため、Z方向(図2参照)における最良像面位置(物体の結像位置)が異なる。領域AおよびBは、設定する像面S9(図2参照)の位置において、予め定められた所望の解像力が得られる程度に、互いに異なる屈折力を有するような構成とする。つまり、各領域AおよびBにおける屈折力は、設定される像面S9の位置において、所定の解像力が得られるように決定されているのが好ましい。各領域AおよびBの屈折力を決定するために、各領域AおよびBの曲率半径を互いに異ならせる場合、さらには、1つのレンズ面において互いに異なる領域AおよびBを決定する場合においても同様に、予め定められた所望の解像力が得られるように設定する。
反面、各領域AおよびBの、屈折力および曲率半径の好ましい値については、対応する光学系における上記所望の解像力の程度に応じて様々な値となり得ることから、一概に特定することが困難である。
また、1つのレンズ面において互いに異なる領域AおよびBを決定する場合においても同様に、通常は各領域の特定が困難であるが、この場合、以下の推奨条件が考えられる。すなわち、撮像レンズ1の面S1が、N(Nは2以上の自然数)個の上記領域から成り、かつ、略球面のレンズ面形状である場合、N個の各領域は、面S1を物体3側(上面)から見て、面S1の有効口径の約1/Nの寸法を占めるような、円形または該円形を取り囲むドーナツ型の領域とすれば、容易に決定することができる。
なお、撮像レンズ1は、第1レンズL1の面S1のみが、互いに屈折力の異なる複数の領域(領域AおよびB)から成る構成としているが、これに限定されず、面S1〜面S6のうち、任意の1面または複数の面が、互いに屈折力の異なる複数の領域から成る構成としてもよい。また、3枚以外の枚数のレンズを備える撮像レンズであっても同様に、該撮像レンズを構成する全てのレンズ面のうち、任意の1面または複数の面が、互いに屈折力の異なる複数の領域から成る構成としてもよい。また、第1レンズL1は、面S1が、互いに屈折力の異なる2つの領域(領域AおよびB)から成る構成としているが、これに限定されず、互いに屈折力の異なる3つ以上の領域から成る構成としてもよい。このことは、第1レンズL1の面S1以外のレンズ面が、互いに屈折力の異なる複数の領域から成る構成とする場合においても同様である。これらの構成を適用する場合、撮像レンズは、Z方向(図2参照)における、物体の結像を行う箇所を、2つ以上有することとなる。これにより、より効果的な、被写界深度の広い撮像レンズを実現でき得る。例えば、これらの構成の撮像レンズは、像高に応じて、光線が異なるレンズ領域を通過するようなレンズ面が、互いに屈折力の異なる複数の領域から成る場合に際して、有効である。該レンズ面では、像高毎に異なる屈折力の作用を与える必要があるため、これらの構成を適用することが好適である。
さらに、レンズ面における複数の領域毎に屈折力を異ならせる構成は、これらの領域毎に曲率半径を異ならせる構成に限定されず、少なくとも1つの領域に対応するレンズ面を、入射光を回折させるような、いわゆる回折面とすることも有効である。レンズ面における曲率半径の変更だけでなく、レンズ面の回折面への変更によっても、該レンズ面に対して容易に屈折力を付与することが可能である。
(第1レンズL1および撮像レンズ1の作用)
第1レンズL1は、レンズ面S1が、互いに屈折力の異なる複数の領域AおよびBから成ることにより、結像可能な物体距離の範囲が広くされている。
なお、ここで「結像可能な物体距離」とは、第1レンズL1を備える光学系が物体3の結像を行って得られた像の略全体に関して所望以上の解像力による結像を行うことができるような、換言すれば、該光学系が物体3の略全体に対して焦点を合わせることができるような、該光学系と物体3との間隔を意味しているものとする。該光学系には、第1レンズL1自身、撮像レンズ1、および後述する撮像モジュール等が挙げられる。
面S1において、領域AおよびBを設けることにより、領域AおよびB毎に、Z方向における集光位置のズレを発生させ、この結果、より広い物体距離の範囲に関して、所望以上の解像力による物体3の略全体の結像が可能な、換言すれば、より広い物体距離の範囲に関して、物体3の略全体に対して焦点を合わせることが可能な、光学系を実現することが可能となる。
従って、第1レンズL1は、近い物体の撮影と、遠い物体の撮影と、の両方において、要求された仕様を満足する程度に良好な解像力を有するように構成された、簡素な構造の撮像モジュールを構成するために用いることが可能である。
面S1は、領域AおよびB毎に異なる曲率半径を有していてもよいし、領域Aおよび/またはBは、入射光を回折させる回折面であってもよい。
これにより、面S1が、互いに屈折力の異なる複数の領域AおよびBから成る第1レンズL1を、容易に作製することができる。
また、撮像レンズ1は、物体3側から像面S9側へと向かって順に、開口絞り2、正の屈折力を有している第1レンズL1、および第2レンズL2を備えている。加えて、撮像レンズ1は、第2レンズL2よりも像面S9側に、正の屈折力を有している第3レンズL3を備えており、第2レンズL2は、負の屈折力を有しており、第3レンズL3は、像面S9側に向けた面S6の中央部分c6が凹形状であると共に周辺部分p6が凸形状である構成が考えられる。または、第2レンズL2は、像面S9側に向けた面S4の中央部分が凹形状であると共に該中央部分の周辺部分が凸形状である構成も考えられる。
これにより、第1レンズL1と同様の効果を奏する、少なくとも2枚のレンズで構成された撮像レンズ1を実現することが可能となる。
また、撮像レンズ1のFナンバーが3.0未満である場合、明るい像が得られる撮像レンズ1を用いて、結像可能な物体距離の範囲の広い光学系を得ることができる。なお、Fナンバーを大きくすることでこの範囲を広げることが可能であるが、この場合、像が暗くなる。Fナンバーが3.0未満である撮像レンズ1は、明るい像が得られる光学系においても広い結像可能な物体距離の範囲を得ることができる。
(撮像レンズ1の光学特性および設計データ)
以下、撮像レンズ1の光学特性および設計データについての説明を行う。
なお、上記光学特性および設計データの測定にあたって、以下の条件を考慮した。
・物体距離は、1700mm(撮像レンズ1の過焦点距離とほぼ等しい)とする。
・図示しないシミュレーション光源として、次の重みづけによる(白色を構成する各波長の混合割合が、下記のように調整された)白色光を用いる。
404.66nm=0.13
435.84nm=0.49
486.1327nm=1.57
546.07nm=3.12
587.5618nm=3.18
656.2725nm=1.51
・物体距離を過焦点距離(約1700mm)としたときの最良像面位置の付近に、撮像レンズ1のフォーカスを調整する。
・像面S9にセンサ(固体撮像素子)を配置し、該センサとして、画素数が2メガピクセル(2Mクラスのセンサ)であり、サイズが1/5型であるものを適用する。
(撮像レンズ1のMTF特性)
図4は、撮像レンズ1の、デフォーカスMTF、すなわち、縦軸に示したMTF(単位:無)と、横軸に示したフォーカスシフト位置(単位:mm)と、の関係を示すグラフである。
図5は、撮像レンズ1の、縦軸に示したMTFと、横軸に示した像高(単位:mm)と、の関係を示すグラフである。
なお、MTF(Modulation Transfer Function:変調伝達関数)とは、像面を光軸方向に移動させていったときの、像面に形成される像のコントラスト変化を示す指標である。このMTFが大きいほど、像面に形成された像が、高い解像力により結像されていると判断することができる。
また、本実施の形態に示す像高は、撮像レンズ1によって物体3を結像して形成された像の、中心を基準とした高さを、絶対値で、または、最大像高に対する割合で表現している。像高を、最大像高に対する割合で表現している場合、該割合と絶対値との間に、それぞれ以下の対応関係を有しているものとする。
0mm=像高h0(像の中心)
0.175mm=像高h0.1(像の中心から、最大像高の1割に該当する高さ)
0.35mm=像高h0.2(像の中心から、最大像高の2割に該当する高さ)
0.7mm=像高h0.4(像の中心から、最大像高の4割に該当する高さ)
1.05mm=像高h0.6(像の中心から、最大像高の6割に該当する高さ)
1.4mm=像高h0.8(像の中心から、最大像高の8割に該当する高さ)
1.75mm=像高h1.0(最大像高)
図4は、空間周波数が「ナイキスト周波数/4」である場合の、像高h0、像高h0.2、像高h0.4、像高h0.6、像高h0.8、および、像高h1.0の各々に関する、タンジェンシャル像面(T)およびサジタル像面(S)における各特性を例示している。
図5は、空間周波数が「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」である場合の、像高h0〜像高h1.0に関する、タンジェンシャル像面およびサジタル像面における各特性を例示している。
なお、上記ナイキスト周波数は、像面S9に配置されるセンサ(固体撮像素子)のナイキスト周波数に対応する値とされており、該センサの画素ピッチから計算される、解像可能な空間周波数の値である。具体的に、該センサのナイキスト周波数Nyq.(単位:lp/mm)は、
Nyq.=1/(センサの画素ピッチ)/2
により算出される。
図4に示すとおり、撮像レンズ1は、0mmのフォーカスシフト位置に該当する像面S9(図2参照)において、像高h0〜像高h1.0のどの像高においても、タンジェンシャル像面およびサジタル像面共に、0.2以上の高いMTF特性を有しており、撮像レンズ1によって物体3を結像して形成された像の中心から周辺まで、優れた解像力を有していると言える。
図5において、グラフ51は「ナイキスト周波数/4」に相当する空間周波数でのサジタル像面のMTFを、グラフ52は同空間周波数でのタンジェンシャル像面のMTFを、それぞれ示している。図5において、グラフ53は「ナイキスト周波数/2」に相当する空間周波数でのサジタル像面のMTFを、グラフ54は同空間周波数でのタンジェンシャル像面のMTFを、それぞれ示している。図5において、グラフ55は「ナイキスト周波数」に相当する空間周波数でのサジタル像面のMTFを、グラフ56は同空間周波数でのタンジェンシャル像面のMTFを、それぞれ示している。
図5に示すとおり、撮像レンズ1は、グラフ56において、像高h0.3(0.525mm)以上でのMTFが0.2未満となっているが、グラフ51〜グラフ55において、像高h0〜像高h1.0のどの像高においても0.2以上の高いMTF特性を有している。
(撮像レンズ1の収差特性)
図6(a)は、撮像レンズ1の、縦軸に示した像高(単位:割合、すなわち、像高h0〜像高h1.0)と、横軸に示した非点収差(単位:mm)と、の関係を示すグラフである。
図6(b)は、撮像レンズ1の、縦軸に示した像高(単位:割合、すなわち、像高h0〜像高h1.0)と、横軸に示した歪曲(単位:%)と、の関係を示すグラフである。
図6(a)および(b)によれば、撮像レンズ1は、非点収差および歪曲共に、良好に補正されたものであると言える。
(撮像レンズ1の設計データ)
図7は、撮像レンズ1の設計データを示した表である。図7に示す各項目の定義は、以下のとおりである。
「要素」:撮像レンズの各構成要素。すなわち、「L1」は第1レンズL1を、「L2」は第2レンズL2を、「L3」は第3レンズL3を、「CG」はカバーガラスCGを、「像面」は像面S9を、それぞれ意味している。
「Nd(材料)」:撮像レンズの各構成要素の、d線(波長:587.6nm)に対する屈折率。
「νd(材料)」:撮像レンズの各構成要素の、d線に対するアッベ数。
「面」:撮像レンズの各構成要素の各面。すなわち、「S1」〜「S9」は各々、面S1〜面S8ならびに像面S9を意味している。なお、「S1」は、開口絞り2が設けられている位置にさらに該当する。
「曲率半径」:面S1〜面S6の各レンズ面の曲率半径。面S1に関しては、「A」に領域A(図1参照)における曲率半径を、「B」に領域B(図1参照)における曲率半径を、それぞれ示している。単位はmm。
「中心厚」:対応する面の中心から、像面S9側に向かって次の面の中心までの、光軸La方向(図2のZ方向)の距離。単位はmm。
「有効半径」:面S1〜面S6の各レンズ面の有効半径、すなわち、光束の範囲を規制可能な円領域の半径。単位はmm。
「非球面係数」:面S1〜面S6の各レンズ面の、非球面を構成する非球面式(1)における、i次の非球面係数Ai(iは4以上の偶数)。なお、非球面式(1)において、Zは光軸方向(図2のZ方向)の座標であり、xは光軸に対する法線方向(図2のX方向)の座標であり、Rは曲率半径(曲率の逆数)であり、Kはコーニック(円錐)係数である。
Figure 0005138734
なお、図7に示すグラフにおいては、後述する撮像レンズ71(図8参照)と異なる数値部分(図12参照)のブロックを、塗りつぶして表示した。
図7に示すグラフからも明らかであるとおり、撮像レンズ1の面S1においては、領域Aにおける曲率半径(0.89300mm)と、領域Bにおける曲率半径(0.90000mm)と、が互いに異なっている。これにより、撮像レンズ1の面S1においては、領域Aにおける屈折力と、領域Bにおける屈折力と、が互いに異なっている構成が実現されている。
〔比較例〕
(撮像レンズ71の光学特性および設計データ)
ここからは、撮像レンズ1の比較対象としての、撮像レンズ71の光学特性および設計データについて、説明を行う。
撮像レンズ71は、図8に示すとおり、概略的には撮像レンズ1(図2参照)と同様の構成であるが、第1レンズL1の面S1は、その全領域において同一の屈折力とされている。
なお、上記光学特性および設計データの測定にあたって、撮像レンズ1と同様の条件を考慮した。
(撮像レンズ71のMTF特性)
図9は、撮像レンズ71の、デフォーカスMTF、すなわち、縦軸に示したMTF(単位:無)と、横軸に示したフォーカスシフト位置(単位:mm)と、の関係を示すグラフである。
図10は、撮像レンズ71の、縦軸に示したMTFと、横軸に示した像高(単位:mm)と、の関係を示すグラフである。
すなわち、図9および図10は、各々、図4および図5と対応するグラフとなっており、測定結果以外の内容に関しては、図4と図9とで、また、図5と図10とで、それぞれ共通である。また、図10にグラフ101〜106は、各々、図5にグラフ51〜56に対応する。
図9および図10によれば、撮像レンズ71は、デフォーカスMTFおよびMTF‐像高特性共に、撮像レンズ1よりも僅かに良好なMTFを有していると言える。
(撮像レンズ71の収差特性)
図11(a)は、撮像レンズ71の、縦軸に示した像高(単位:割合、すなわち、像高h0〜像高h1.0)と、横軸に示した非点収差(単位:mm)と、の関係を示すグラフである。
図11(b)は、撮像レンズ71の、縦軸に示した像高(単位:割合、すなわち、像高h0〜像高h1.0)と、横軸に示した歪曲(単位:%)と、の関係を示すグラフである。
図11(a)および(b)によれば、撮像レンズ71は、撮像レンズ1と同程度に、非点収差および歪曲共に、良好に補正されたものであると言える。
(撮像レンズ71の設計データ)
図12は、撮像レンズ71の設計データを示した表である。図12に示す各項目の定義は、図7の設計データと同様である。
撮像レンズ71の第1レンズL1の面S1は、その全領域で同一の曲率半径を有する球面形状であり、図1および図3に係る、領域AおよびBの区別ならびに領域毎に曲率半径を異ならせる構成が適用されていない。従って、面S1の曲率半径は、単一の値(0.90053298mm)となっている。そして、このように撮像レンズ71は、撮像レンズ1と異なる構成であることに伴い、像面S9の位置も、併せて変更されている。図12によれば、撮像レンズ71の像面S9は、第3レンズL3の面S6と、カバーガラスCGの面S7と、の間の距離を変化させて、撮像レンズ1の像面S9の位置に対する変更を図っている。その他、撮像レンズ71において、有効半径以外の各パラメータは、撮像レンズ1と同じである。
〔実施例と比較例との対比〕
(撮像レンズの設計仕様)
図13は、像面S9にセンサ(固体撮像素子)を配置して撮像モジュールを構成した場合における、撮像レンズ1の設計仕様と、撮像レンズ71の設計仕様と、を比較する表である。図13に示す各項目の定義は、以下のとおりである。
「画素サイズ」:上記センサの画素のサイズ(センサ画素ピッチ)。単位はμm(マイクロメートル)。
「画素数」:上記センサの画素の個数を、H(水平)およびV(垂直)という2次元のパラメータで示している。
「サイズ」:上記センサのサイズを、D(対角)、H(水平)、およびV(垂直)という3次元のパラメータで示している。単位はmm。
「通常設計」:撮像レンズ71の各仕様であるということを意味している。
「S1複合面」:撮像レンズ1の各仕様であるということを意味している。
「Fナンバー」:各撮像レンズ1および71のFナンバー。
「焦点距離」:各撮像レンズ1および71の焦点距離。単位はmm。
「画角」:各撮像レンズ1および71の画角、すなわち、各撮像レンズ1および71により結像可能な角度を、対角、水平、および垂直という3次元のパラメータで示している。単位はdeg(°)。
「光学歪」:各撮像レンズ1および71の、図6(b)および図11(b)に示した歪曲のうち、像高h0.6、像高h0.8、および、像高h1.0のそれぞれにおける歪曲の具体的な数値。単位は%。
「TV歪」:各撮像レンズ1および71のTV(Television)歪み(いわゆる、テレビディストーション)。単位は%。
「周辺光量比」:各撮像レンズ1および71の周辺光量比のうち、像高h0.6、像高h0.8、および、像高h1.0のそれぞれにおける各周辺光量比(像高h0での光量に対する、光量の割合)。単位は%。
「主光線入射角度」:像高h0.6、像高h0.8、および、像高h1.0のそれぞれにおける、各撮像レンズ1および71の主光線角度(Chief Ray Angle:CRA)。単位はdeg(°)。
「光学全長」:各撮像レンズ1および71の光学全長、すなわち、開口絞り2が光を絞る部分から像面S9までの距離。なお、撮像レンズの光学全長とは、光学特性に対して或る影響を与える全構成要素の、光軸方向における寸法の総計を意味している。単位はmm。
「カバーガラス厚」:各撮像レンズ1および71に備えられたカバーガラスCGの厚み。単位はmm。
「過焦点距離」:各撮像レンズ1および71の過焦点距離、すなわち、被写界深度の最遠点が無限遠にまで拡がるように焦点合わせをした時の物体距離(レンズから被写体までの距離)。単位はmm。
図13からも明らかであるとおり、撮像レンズ1と撮像レンズ71とは、設計仕様がほとんど同じである。
(撮像レンズの、物体距離に対するMTF特性)
図14は、撮像レンズ1および71の、縦軸に示したMTF(単位:無)と、横軸に示した物体距離(単位:mm)と、の関係を示すグラフであって、像高h0における同関係を示している。
図15は、撮像レンズ1および71の、縦軸に示したMTF(単位:無)と、横軸に示した物体距離(単位:mm)と、の関係を示すグラフであって、像高h0.6でのタンジェンシャル像面における同関係を示している。
なお、図14および図15において、実線で示した特性は「S1複合面」すなわち撮像レンズ1の特性であり、破線で示した特性は「通常設計」すなわち撮像レンズ71の特性である。
図14のグラフに関して、空間周波数は、142.9lp/mmで表示した。この空間周波数は、解像度約600TV本に相当する。MTF閾値(撮像レンズにおいて結像可能とみなせる、最小のMTF値)を0.25とした場合、撮像レンズ1における結像可能(解像可能)な最も近い物体距離(約300mm)は、撮像レンズ71における同物体距離(約400mm)に対して約100mm近くなっている。つまり、像高h0に関して、撮像レンズ1は、撮像レンズ71よりも、結像可能な物体距離の範囲が広くなっている。また、撮像レンズ1は、撮像レンズ71よりも、物体距離の変化に依存した、MTF変化の度合が小さくなっている。
図15のグラフに関して、空間周波数は、119.0lp/mmで表示した。この空間周波数は、解像度約550TV本に相当する。MTF閾値(撮像レンズにおいて結像可能とみなせる、最小のMTF値)を0.25とした場合、撮像レンズ1における結像可能(解像可能)な最も近い物体距離(約280mm)は、撮像レンズ71における同物体距離(約340mm)に対して約60mm近くなっている。つまり、像高h0.6に関しても、撮像レンズ1は、撮像レンズ71よりも、結像可能な物体距離の範囲が広くなっている。また、撮像レンズ1は、撮像レンズ71よりも、物体距離の変化に依存した、MTF変化の度合が小さくなっている。
以上、図14および図15から分かる、物体距離に対するMTF特性より、面S1が互いに屈折力の異なる領域AおよびBからなる構成の撮像レンズ1は、該構成でない撮像レンズ71よりも、結像可能な物体距離の範囲が広くされている。
(本発明の撮像モジュールについて)
本発明の撮像モジュールは、撮像レンズ1を備えており、撮像レンズ1の焦点位置を調整するためのフォーカス調整機構を備えていない構成である。これにより、撮像レンズ1の第1レンズL1と同様の効果を奏する撮像モジュールを実現することが可能となる。
また、3枚のレンズで構成された撮像レンズ1を備えた撮像モジュールを実現する場合、簡素な構成で、コンパクトかつ解像力に優れた安価なカメラモジュールを実現することができる。特に、携帯型の機器向けのカメラモジュールでは、開口絞り2、第1レンズL1、メニスカスレンズ等の第2レンズL2、および第3レンズL3を備えている撮像レンズ1は、コンパクトであると共に高い解像力を実現し得ることから、多く用いられている。従って、上記撮像モジュールによれば、撮像レンズ1の焦点位置を調整するためのフォーカス調整機構を備えていない、安価かつ簡素な構造のカメラモジュールを実現することができる。
また、2枚のレンズで構成された撮像レンズを備えた撮像モジュールを実現する場合も、簡素な構成で、コンパクトかつ解像力に優れた安価なカメラモジュールを実現することができる。特に、携帯型の機器向けのカメラモジュールでは、2枚のレンズを用いた、物体側から像面側へと向かって順に、開口絞り、正の屈折力を有している第1レンズ、および負の屈折力を有している第2レンズを備えている撮像レンズは、コンパクトであると共に高い解像力を実現し得ることから、多く用いられている。従って、上記撮像モジュールによれば、撮像レンズの焦点位置を調整するためのフォーカス調整機構を備えていない、安価かつ簡素な構造のカメラモジュールを実現することができる。
また、上記撮像モジュールは、設定される像面S9の位置において、所定の解像力(MTF等)が得られるように、領域AおよびBのそれぞれにおける屈折力が決定されているのが好ましい。
これにより、上記撮像モジュールにおいて、第1レンズL1の利点を最大限に活かすことができる。すなわち、上記撮像モジュールは、像面S9において、結像可能な物体距離の範囲が広げられることとなる。
また、上記撮像モジュールは、像面S9に配置されたセンサ(固体撮像素子)を備えているのが好ましい。
上記センサは、撮像レンズ1における像面S9に配置されているものであり、撮像レンズ1によって物体3を結像して形成された像を、光信号として受光し、この光信号を電気信号へと変換するものである。上記センサは、CCD(Charge Coupled Device:電荷結合素子)またはCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor:相補型金属酸化膜半導体)により構成される固体撮像素子に代表される、周知の電子撮像素子等で構成されている。
上記撮像モジュールは、結像可能な物体距離の範囲が広くされた光学系であるため、上記センサを備えていることにより、フォーカス調整機構を不要とする製造コストの安価なデジタルカメラを実現することができる。
また、上記センサの画素数は、1.3メガピクセル以上であるのが好ましい。これは、画素数の小さい光学系では、焦点距離が短いことから、焦点を合わせることが可能な範囲が広く、元来の結像可能な物体距離の範囲が広いため、第1レンズL1に係る構成の適用は不要であると考えられるためである。
さらに、上記撮像モジュールに係る技術は、従来一般的な製造方法により製造される撮像モジュールに適用可能である他、ウエハレベルレンズプロセスによって製造可能な撮像モジュールへの適用が期待できる。
ウエハレベルレンズプロセスとは、樹脂等の被成形物に対して、例えばアレイ金型を用いて、その同一面上に第1レンズL1を複数、成形または造形することで、第1レンズL1を複数備えた第1レンズアレイを作製する。第2レンズL2を複数備えた第2レンズアレイ、および、第3レンズL3を複数備えた第3レンズアレイについても、同様の要領で作製する。さらに、同一面上にセンサを複数備えたセンサアレイを用意する。そして、各第1レンズL1と、各第2レンズL2と、各第3レンズL3と、各センサとが、1対1に対応して対向配置されるように、第1レンズアレイ、第2レンズアレイ、および、第3レンズアレイを貼り合わせ、それに、必要に応じてカバーガラスCGを介して、センサアレイを搭載すると共に、開口絞り2を取り付ける。対向配置された、開口絞り2、第1レンズL1、第2レンズL2、第3レンズL3、および、センサの一組み合わせを単位として分割することにより、撮像モジュールを製造する製造プロセスである。この製造プロセスによれば、大量の撮像モジュールを一括して、かつ短時間で製造することが可能となるため、撮像モジュールの製造コストは、低減することが可能となる。
上記ウエハレベルレンズプロセスでは、大量の撮像モジュールを一括して、かつ短時間で製造することが可能となるため、撮像モジュールの製造コストは、低減することが可能となる。特に、撮像レンズ1の焦点位置を調整するための機構が不要である撮像モジュールは、第1レンズL1、第2レンズL2、第3レンズL3、および複数のセンサがそれぞれ一体化された、簡素化された製造プロセスに適している。反対に、該機構が必要である撮像モジュールは、該機構をウエハレベルにて同一面上に複数備えられるように作製し、センサを搭載した後、撮像モジュール毎に切断を行う製造プロセスに適した構造を必要とする。
また、ウエハレベルレンズプロセスにより製造される撮像モジュールは、撮像レンズ1を構成するレンズの少なくとも1つは、熱硬化性樹脂または紫外線硬化性樹脂から成るのが好ましい。
撮像レンズ1を構成するレンズの少なくとも1つを、熱硬化性樹脂またはUV硬化性樹脂から成る構成とすることにより、撮像モジュールの製造段階において、複数のレンズを樹脂に成形して、レンズアレイを作製することが可能となり、さらに、撮像レンズ1をリフロー実装することが可能となる。熱硬化性樹脂またはUV硬化性樹脂から成るレンズは、撮像モジュールの駆動系の耐熱性を懸念する必要がないことから、この場合、上記撮像モジュールは、リフローアブルレンズに適している。
(その他:本発明と組み合わせるのが好ましい構成1)
以上の、本発明の撮像モジュールの構成と組み合わせるべく、本発明の撮像モジュールは、被写界深度が拡げられたと共に、像面湾曲が小さくされた撮像レンズと、所定位置よりも近い物体からの白色光に対する、撮像レンズの最良像面の位置から、該所定位置よりも遠い物体からの白色光に対する、撮像レンズの最良像面の位置まで、の間に設けられたセンサと、を備える構成であってもよい。なお、この場合、被写界深度を拡げる程度ならびに像面湾曲を小さくする程度は、センサの位置において、できるだけ高い解像力(MTF等)が得られる程度とすればよい。
上記の構成によれば、撮像レンズは、被写界深度が拡げられているため、近くから遠くまでの広い距離範囲に存在する、各物体を結像した像に発生するボケが低減される。また、撮像レンズは、像面湾曲が小さくされているため、像の全体において、ボケが低減される。このように、像のボケを低減するための工夫が十分に施された撮像レンズを用いて、撮像モジュールでは、センサを上述の位置に設けているのが好ましい。これにより、この撮像モジュールでは、近い物体を撮影する場合と、遠い物体を撮影する場合との両方において平均的に、ボケの低減された像が撮影できるため、解像力をある程度良好にすることができる。
この撮像モジュールは、撮像レンズの位置、および、撮像レンズの焦点位置の両方を固定しても、近い物体の撮影と、遠い物体の撮影と、の両方において、要求された仕様を満足する程度に良好な解像力を有するものとすることができる。従って、この撮像モジュールは、レンズの位置、または、レンズの焦点位置を、物体の位置に応じて変化させるための機構が不要であるため、撮像モジュールの構造が簡単になる。
また、上記センサは、緑の単色放射から得られた画素に関する情報のみを出力することが可能なものであってもよい。
上記の構成によれば、センサが出力した、緑の単色放射から得られた画素に関する情報に基づいた読取処理により、マトリクス型二次元コードの読取が可能となる。
また、上記センサは、上記所定位置よりも近い物体からの上記緑の単色放射に対する、上記撮像レンズの最良像面の位置に設けられていてもよい。
上記の構成によれば、センサに対しては、細かい構造のマトリクス型二次元コードを認識させることが可能となる。このため、より細かな構造のマトリクス型二次元コードの読取が可能となる。
また、上記センサは、画素のピッチが2.5μm以下であってもよい。
上記の構成によれば、高画素の撮像素子の性能を十分活かした撮像モジュールを実現することができる。
また、上記撮像レンズは、上記センサを保護するための保護部材を介して、該センサに載せられていてもよい。
上記の構成によれば、上記撮像モジュールは、撮像レンズを収容するための筐体(筐枠)を省略することが可能になるため、該筐体を省略することにより、小型化および低背化、さらには低コスト化が実現可能となる。
また、上記撮像レンズは、Fナンバーを3以下とすることにより、受光光量を増大させることができるため、像を明るくすることが可能となる。さらに、色収差が良好に補正されるため、高い解像力を得ることができる。
上記撮像レンズは、被写界深度が拡げられていると共に、像面湾曲が小さくされており、所定位置よりも近い物体からの白色光に対する最良像面の位置から、該所定位置よりも遠い物体からの白色光に対する最良像面の位置まで、の間において、物体の結像を行うものであってもよい。
上記の構成によれば、撮像レンズは、被写界深度が拡げられているため、近くから遠くまでの広い距離範囲に存在する、各物体を結像した像に発生するボケが低減される。また、撮像レンズは、像面湾曲が小さくされているため、像の全体において、ボケが低減される。このように、像のボケを低減するための工夫が十分に施された撮像レンズを用いて、物体の結像は、上述の位置にて行う。これにより、撮像レンズでは、近い物体を結像する場合と、遠い物体を結像する場合との両方において平均的に、ボケの低減された像が結像できるため、解像力をある程度良好にすることができる。
この撮像レンズは、位置および焦点位置の両方を固定しても、近い物体の結像と、遠い物体の結像と、の両方において、十分に良好な解像力を有するものとすることが可能なものである。従って、この撮像レンズを用いて構成した撮像モジュールでは、レンズの位置、または、レンズの焦点位置を、物体の位置に応じて変化させるための機構が不要であるため、撮像モジュールの構造が簡単になるという効果を奏する。換言すれば、この撮像レンズは、上記撮像モジュールを実現するのに好適である。
さらに、コード読取方法は、上記撮像モジュールを使用して、緑の単色放射から得られた画素に基づいて、マトリクス型二次元コードを読み取るためのコード読取方法であって、上記緑の単色放射から得られた画素のピッチを用いて、上記撮像レンズおよび上記センサの各限界解像性能の値を求め、値の低いほうを上記撮像モジュールの限界解像性能とする工程と、上記撮像レンズから上記所定位置よりも近い物体までの距離と、上記撮像モジュールの画角と、上記センサの有効像円径と、から、該物体に対する上記撮像レンズが結像する像の倍率を算出する工程と、上記撮像モジュールの限界解像性能と、上記倍率と、から、上記撮像モジュールが読取可能な、上記マトリクス型二次元コードのサイズを算出する工程と、を含んでもよい。
上記の構成によれば、上記撮像モジュールを用いた、マトリクス型二次元コードの読取時において、撮像モジュールの高解像力化を図ることができる。
図16は、本項目に係る撮像モジュールに対して、撮像レンズ1の第1レンズL1の面S1(図1参照)を、適用した場合(すなわち、S1複合面)と適用しない場合(すなわち、通常設計)との、デフォーカスMTF、すなわち、縦軸に示したMTF(単位:無)と、横軸に示したフォーカスシフト位置(単位:mm)と、の関係を示すグラフである。
本項目に係る撮像モジュールによれば、被写界深度を拡げることにより、デフォーカスMTFを示す曲線の傾きが、全体的に比較的緩やかになることにより、比較的広いフォーカスシフト位置の範囲において、MTF値が良好となる。該撮像モジュールに対して、面S1(図1参照)を備える撮像レンズ1を適用することで、デフォーカスMTFを示す曲線の傾きが、全体的にさらに緩やかになることにより、さらに広いフォーカスシフト位置の範囲において、MTF値が良好となる。
(その他:本発明と組み合わせるのが好ましい構成2)
以上の、本発明の撮像モジュールの構成と組み合わせるべく、本発明の撮像モジュールは、回転対称な結像光学系と、上記結像光学系により生成された画像信号に対し画像処理を行う画像処理部とを備える撮像モジュールであって、上記結像光学系には、撮像レンズと、上記撮像レンズによって結像された光を画像信号に変換するセンサとが設けられ、上記撮像レンズは、サジタル像面の最良像面の位置と、タンジェンシャル像面の最良像面の位置とが、予め定められた基準解像度を得ることが可能な被写体(物体)撮影可能範囲に応じたズレ量で、光軸方向にずれるように構成され、上記画像処理部は、上記センサにより変換された画像信号に対し、サジタル方向の解像度およびタンジェンシャル方向の解像度のうち一方が上記基準解像度以上のときに他方を上記基準解像度以上とする画像処理を行ってもよい。
上記の構成によれば、サジタル方向の解像度およびタンジェンシャル方向の解像度のうちいずれか一方が基準解像度を満たす範囲であれば、画像処理が行われることによって、両方が基準解像度を満たすことになる。これにより、画像信号で表される画像全体の解像度が基準解像度以上となる。
ゆえに、解像性能が上がり、サジタル方向の解像度およびタンジェンシャル方向の解像度のうちいずれか一方が基準解像度を満たす範囲が焦点深度となるので、サジタル像面の最良像面の位置とタンジェンシャル像面の最良像面の位置とをずらしている分、焦点深度を広くすることが可能となる。また、焦点深度はズレ量に合わせて広げることができるので、被写界深度を設計に応じて広げることが可能となる。
よって、サジタル像面およびタンジェンシャル像面のうち、一方を近接距離物体の結像位置とし、他方を遠距離物体の結像位置とすれば、上記撮像レンズおよび上記センサを固定配置とした場合であっても、近接距離物体から遠距離物体までの広い範囲の撮影において、予め定めた基準解像度以上の画像を得ることが可能となる。
また、上記撮像モジュールでは、焦点調整機構を用いること無く所望の解像度の画像を得ることが可能となるので、焦点調整機構が不要となるため、撮像モジュールの構造を簡単にすることが可能となる。
したがって、近接〜遠距離の広い範囲の撮影において、要求された仕様を満足する程度に良好な解像力を得ることができ、かつ、簡単な構造の撮像モジュールを提供することが可能となる。
また、上記ズレ量は、下記数式(2)
Figure 0005138734
(dnear:上記基準解像度で被写体を撮影することが可能な最も近接した位置から、上記結像レンズまでの距離,f:焦点距離,Δ’:焦点深度,Pdiff:上記ズレ量)
を満たすように定められていることが好ましい。
図17は、本項目に係る撮像モジュールに対して、撮像レンズ1の第1レンズL1の面S1(図1参照)を、適用した場合(すなわち、S1複合面)と適用しない場合(すなわち、通常設計)との、縦軸に示したMTF(単位:無)と、横軸に示した物体距離(単位:mm)と、の関係を示すグラフである。
図17に示すグラフでは、本項目に係る撮像モジュールに対して、面S1(図1参照)を備える撮像レンズ1を備える構成を適用することで、図14および図15に示すグラフと、非常に類似した現象が認められる。すなわち、物体距離の変化に依存した、MTF変化の度合は、撮像レンズ1を備える構成によって、撮像レンズ1を備えない構成よりも小さくなっているため、図14および図15に係る説明の場合と同様に、結像可能な物体距離の範囲は広くでき得る。
さらに、本項目に係る撮像モジュールの構成(図17参照)は、先の項目における焦点深度を広くする構成(図16参照)と組み合わせても良い。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
本発明は、近い物体の撮影と、遠い物体の撮影と、の両方において、要求された仕様を満足する程度に良好な解像力を有するように構成された撮像モジュール、ならびにこの撮像モジュールを構成するレンズ素子および撮像レンズに利用することができる。
1 撮像レンズ
2 開口絞り
3 物体
L1 第1レンズ(レンズ素子)
L2 第2レンズ
L3 第3レンズ
AおよびB 領域(互いに屈折力の異なる複数の領域)
S1 第1レンズにおける物体側に向けた面(少なくとも1つのレンズ面)
S6 第3レンズにおける像面側に向けた面
S9 像面
c6 中央部分
p6 周辺部分

Claims (9)

  1. レンズの枚数が3枚である撮像レンズであって、
    物体側から像面側へと向かって順に、開口絞り、正の屈折力を有している上記レンズの1枚である第1レンズ、および上記レンズの1枚である第2レンズを備えており、
    上記第1レンズは、少なくとも1つのレンズ面が、互いに屈折力の異なる複数の球面領域から成り、上記レンズ面は、上記複数の球面領域毎に異なる曲率半径を有しているレンズ素子であり、
    上記第1レンズは、物体側に向けた面が、上記レンズ素子における上記レンズ面であり、
    上記第2レンズよりも像面側に、正の屈折力を有している上記レンズの1枚である第3レンズを備えており、
    上記第2レンズは、負の屈折力を有しており、
    上記第3レンズは、像面側に向けた面の中央部分が凹形状であると共に該中央部分の周辺部分が凸形状であることを特徴とする撮像レンズ。
  2. Fナンバーは、3.0未満であることを特徴とする請求項1に記載の撮像レンズ。
  3. 請求項1または2に記載の撮像レンズを備えており、
    上記撮像レンズの焦点位置を調整するための機構を備えていないことを特徴とする撮像モジュール。
  4. 所定の像面の位置において、所定の解像力が得られるように、上記レンズ素子の上記複数の球面領域のそれぞれにおける屈折力が定められていることを特徴とする請求項3に記載の撮像モジュール。
  5. 像面に配置された固体撮像素子を備えていることを特徴とする請求項3または4に記載の撮像モジュール。
  6. 上記固体撮像素子の画素数は、1.3メガピクセル以上であることを特徴とする請求項5に記載の撮像モジュール。
  7. 上記撮像レンズを構成する最も像面側のレンズを同一面上に複数備えたレンズアレイと、上記固体撮像素子を同一面上に複数備えたセンサアレイとを、各レンズと各固体撮像素子とが1対1に対応して対向配置されるように接合した後、
    対向配置された、上記レンズと上記固体撮像素子との組を単位として分割して製造されたものであることを特徴とする請求項5または6に記載の撮像モジュール。
  8. 上記撮像レンズは、複数のレンズから構成されるものであって、
    上記撮像レンズを構成する、隣り合うレンズの一方を同一面上に複数備えた第1レンズアレイと、該隣り合うレンズの他方を同一面上に複数備えた第2レンズアレイとを、上記第1レンズアレイに備えられた各レンズと、上記第2レンズアレイに備えられた各レンズとが1対1に対応して対向配置されるように貼り合せた後、
    対向配置された2つの上記レンズの組を単位として分割して製造されたものであることを特徴とする請求項3〜7のいずれか1項に記載の撮像モジュール。
  9. 上記撮像レンズを構成するレンズの少なくとも1つは、熱硬化性樹脂または紫外線硬化性樹脂から成ることを特徴とする請求項3〜8のいずれか1項に記載の撮像モジュール。
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