JP6430206B2

JP6430206B2 - カメラモジュール

Info

Publication number: JP6430206B2
Application number: JP2014212025A
Authority: JP
Inventors: 朋一梅澤; 達也藤浪
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2014-10-16
Filing date: 2014-10-16
Publication date: 2018-11-28
Anticipated expiration: 2034-10-16
Also published as: WO2016060198A1; JP2016080865A

Description

本発明は、レンズを通して被写体を撮像するカメラモジュールに関するものである。

電子機器、例えばデジタルカメラや携帯電話等には、被写体を撮影して画像信号に変換するためのカメラモジュールが内蔵されている。このカメラモジュールは、被写体を撮像する撮像素子と、この撮像素子上に被写体の画像を結像するレンズユニットとを備えている。レンズユニットは、通常、複数のレンズから構成されている。

カメラモジュールでは、不要な入射光や反射光を除去してフレアやゴースト等の発生を防ぎ、撮像画像の画質を向上させることが必要である。このために、不要光をカットするための遮光板を有するレンズユニットや、不要光をカットしつつ反射光を低減するための低光沢度の遮光材を有するレンズ等が提案されている。

特許文献１には、レンズとレンズの間に挿入され、それぞれのレンズ表面等の反射により発生する不要光を他のレンズに入射させない位置に配置された遮光板を有するレンズユニットが開示されている。

また、特許文献２には、遮光材表面での反射光を低減させるために、レンズ表面に凹凸形状を有する遮光材付き光学レンズの製造方法が開示されている。

特開２００９−０４８０２４号公報特開２０１２−２０８３９１号公報

近年のカメラモジュールは、明るさを上げるためのレンズの大口径化と小型化のための薄型化とを両立させることが要求されており、この要求は今後さらに厳しくなるものと予想される。このため、カメラモジュールに搭載される遮光板に入射する光の入射角は更に大きくなるが、この場合でも、遮光板表面における光の反射をより抑制できるような構成が求められる。ここで、入射角は、遮光板表面に対する法線と光の入射方向のなす角度をいう。

しかしながら、特許文献１に開示されたレンズユニットは、近年の薄型化されたカメラモジュールに適用した場合には、遮光板表面における反射光によって、フレアやゴーストが発生するおそれがある。

また、特許文献２に開示されたレンズでは、遮光材表面に凹凸形状を有しているが、開示された凹凸形状では、入射角の大きな光の反射を十分に低減することができず、フレアやゴーストが発生するおそれがある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、入射角の大きな光の反射を低減して、遮光板表面の反射によるフレアやゴーストの発生を抑制する薄型のカメラモジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のカメラモジュールは、複数のレンズおよび少なくとも１枚の遮光板がレンズの光軸方向に積み重ねられたレンズユニットと、レンズユニットを通して被写体を撮像する撮像素子と、を有している。遮光板の少なくとも一部には、遮光板の表面から遮光板の内部に向かって屈折率が増加する反射防止部が設けられ、複数のレンズの表面のうち、最も被写体側の部分から撮像素子までの距離をＴＴＬとし、レンズユニットの合成焦点距離をfとしたとき、ＴＴＬ／ｆ ≦ １．３となっている。上記の反射防止部は、遮光を行う光の波長帯域の中で最も長い波長λＢよりも大きな平均周期を有する粗凹凸構造と、粗凹凸構造上に、遮光を行う光の波長帯域の中で最も短い波長λＡの１／２よりも小さい平均周期を有する微細凹凸構造であるモスアイ構造と、を有し、遮光板は、Ａｌからなる母材を有し、母材は、上記粗凹凸構造を有し、微細凹凸構造がＮｉメッキからなる。

微細凹凸構造の平均高さは、λＢの１／２以上であることが好ましい。

粗凹凸構造の平均高さは、λＢの１／２以上であることが好ましい。

遮光部材は、表面に形成された凹凸による反射防止構造を有することが好ましい。

遮光板は前記レンズに内包されていることが好ましい。

本発明によれば、入射角の大きな光の反射を低減するため、薄型の電子機器への組み込んだ場合でも、フレアやゴーストの発生を抑制することができる。

本発明の電子機器の表面側斜視図である。本発明の電子機器の背面側斜視図である。図１の電子機器の断面図である。本発明のカメラモジュールの断面図である。本発明のレンズユニットの分解斜視図である。第１実施形態の遮光板の説明図である。レンズユニットの部分拡大図である。第２実施形態の遮光板の説明図である。第３実施形態の遮光板の説明図である。第４実施形態のレンズの説明図である。第４実施形態のレンズの製造方法の説明図である。従来の反射防止部の説明図である。従来の反射防止部の説明図である。

「第１実施形態」
本発明の電子機器の一例として、図１及び図２にスマートフォン１０を示す。図１に示すように、スマートフォン１０は、その片面にタッチパネル形式の表示入力部１１を有し、表示入力部１１が指などで操作されることで所定の指示がスマートフォン１０に与えられる。また、図２に示すように、スマートフォン１０のもう一方の面にはカメラモジュール２０が設けられ、このカメラモジュール２０を用いて静止画や動画を撮影することができる。カメラモジュール２０で撮影された静止画や動画は、表示入力部１１に表示させることができる。

図３は、スマートフォン１０の断面図であり、スマートフォン１０に搭載された状態のカメラモジュール２０を示しているカメラモジュール２０の光軸Ａｘは、スマートフォン１０の厚み方向と一致している。

図４は、カメラモジュール２０の断面図である。カメラモジュール２０は、レンズユニット２１、フォーカス駆動部２２、撮像素子２３が筐体２４の内部に設けられている。

ここで、カメラモジュール２０の作用について説明する。スマートフォン１０によって被写体が撮影されるとき、カメラモジュールに設けられたＡＦ制御部（図示せず）によって、フォーカス駆動部２２がレンズユニット２１を光軸Ａｘの方向に駆動し、レンズユニット２１と撮像素子２３との距離が調整されることで、ピント調整が行われる。

レンズユニット２１の開口部２８から入る被写体光は、レンズ２６によって、撮像素子２３上に集光され、被写体像が結像される。撮像素子２３は、撮像情報を電気信号に変換し、スマートフォン１０の制御部（図示せず）に電気信号を送る。

図５はレンズユニット２１の分解斜視図である。レンズユニットは、円筒状のレンズバレル２５、５枚のレンズ２６Ａ〜２６Ｅ、３枚の遮光板２７Ａ〜２７Ｃからなる。レンズ２６としては、凸レンズや凹レンズ等、種々のレンズを用いることができる。また、レンズの曲面は、球面であってもよく、非球面であってもよい。レンズ２６Ａ〜Ｅおよび遮光板２７Ａ〜Ｃは、レンズバレル２５の内部に組み込まれ、レンズバレル２５の内周部に設けられた段差部２９によって光軸方向の位置が決められている。

図６に示すように、遮光板２７は、母材３０としてＡｌ（アルミニウム）が用いられ、その表面には、Ｎｉ（ニッケル）からなる微細凹凸構造３１を有するモスアイ構造が形成され、反射防止部３２を形成している。微細凹凸構造３１は、先端が細く根元が太い円錐形状の突起を複数配列することによって形成される。モスアイ構造においては、突起の材料と、隣接する突起間を占有する光の媒質との体積比率が、突起の先端から根元に向かって徐々に変化するため、見かけ上の屈折率がゆるやかに変化する。そのため、微細凹凸構造３１への入射光は、光の反射や屈折が生じにくくなり、微細凹凸構造３１で吸収される。ここで、光の媒質は、微細凹凸構造３１がレンズ外の大気中に存在する場合は空気であり、レンズ内に存在する場合にはレンズ材料である。

微細凹凸構造３１の平均周期は、遮光板２７が遮光する光の波長帯域の中で最も短い波長λＡの１／２よりも小さくなっている。ここで、微細凹凸構造３１の周期とは、隣り合う凸部の頂点（Crest）間または谷底（Root）間の距離であり、図６においてＰＳ１で示した距離のことである。平均周期は、微細凹凸構造３１の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）により観察し、隣り合う１１個の凹凸の頂点間、もしくは谷底間の距離１０箇所を計測し、その平均値を算出することで求めることができる。また、遮光する光の波長帯域とは、カメラモジュール２０が通常のカメラモジュールであれば、３６０〜８３０ｎｍ（可視光域）であり、赤外線カメラモジュールであれば、７００〜２５００ｎｍである。

反射防止部３２は、少なくとも、レンズバレル２５に組み込まれた状態で光が入射する部分の一部に設けられるが、光が入射する部分の全部に設けてもよく、あるいは遮光板２７の表面全体に設けてもよい。微細凹凸構造３１が、上記のような平均周期を有することにより、反射防止部３２は、表面から内部に向かって屈折率が増加し、反射防止部３２の表面における光の反射を低減することができ、反射防止部３２の表面上で反射した光が撮像素子２３に入射するのを防いで、ゴーストやフレアの発生を低減することができる。

微細凹凸構造３１は、Ａｌ（アルミニウム）の母材３０にＮｉ（ニッケル）メッキすることで形成される。微細凹凸構造３２を形成するためのニッケルのメッキ処理としては、例えば、エビナ電化工業の黒色メッキ技術が用いられる（http://www.ebinadk.com/technology/tech/detail02.html参照）。なお、微細凹凸構造３１は、母材の上にエネルギー硬化性樹脂を塗布し、塗布されたエネルギー硬化性樹脂を微細な凹凸構造が形成された型によって型押した後、紫外線等を照射したり、加熱したりして、エネルギー硬化性樹脂を硬化することで形成してもよい。

本実施形態の遮光板の作用について、図７を用いて説明する。上記のとおり、遮光板２７の反射防止部３２は、微細凹凸構造３１を有することにより、表面から内部に向かって徐々に屈折率が増加するので、反射防止部３２の表面における反射光を低減することができる。カメラモジュール２０の薄型化（低背化）が進められるにつれ、遮光板２７Ｃには、遮光板２７Ｃの法線Ｖと遮光板２７Ｃに入射する光線Ｌとがなす入射角θの大きい光線も入射するようになってくる。具体的には、図４に示すように、レンズ２６Ａの表面の最も被写体側の部分から撮像素子までの距離をＴＴＬ（ｍｍ）とし、レンズ２６Ａ〜Ｅの合成焦点距離ｆ（ｍｍ）としたとき、ＴＴＬ／ｆ≦１．３となると、その傾向は顕著となる。

ところで、遮光板表面における反射光を低減する方法としては、本発明のように、屈折率を遮光板の表面から内部に向かって増加させる方法以外に、光を遮光板の表面で散乱させる方法や、光の干渉を利用する方法が従来から存在する。

図１２には、表面に遮光する光の帯域の波長よりも大きい凹凸構造４１が母材４２の上に形成された遮光板４０を示す。遮光板４０に、入射角が小さい光線が入射したときには、凹凸構造４１の作用によって光が散乱し、撮像素子に入射する不要光を低減することができる。しかし、入射角の大きい光線が入射すると、遮光板４０は、肉眼で観察すると白く光るように見え、十分に不要光を低減することができなくなる。ここで、不要光とは、レンズ表面等の反射により発生し、フレアやゴーストの原因となる有害光をいう。

図１３には、光の干渉を利用した反射防止膜５１を母材５２の上に有する遮光板５０を示す。遮光板５０において、反射防止膜５１に光Ｌ１が入射したときの反射防止膜５１の表面で反射する光Ｌ１Ａと、反射防止膜５１と母材５２の界面で反射する光Ｌ１Ｂとの光路差Δｌ（ｎｍ）は、反射防止膜５１の膜厚をＤ（ｎｍ）とすると、Δｌ＝２Ｄ／ｃｏｓθとなる。Δｌが、入射する光の波長λｎｍの１／２となるとき、Ｌ１ＡとＬ１Ｂの位相が１８０°ずれるため、互いに強度を弱め合って反射防止効果が最大となる。そのため、反射防止膜の膜厚Ｄは、θが小さいときに合わせてＤ＝４／λとして設けられることが一般的である。しかし、このように膜厚Ｄをｄ＝４／λと設定すると、θの大きい光線も遮光板５０に入射する場合には、光路差がλ／２から大きくずれてしまうため、反射防止効果を得ることができず、十分に不要光を低減することができなくなる。

一方、本発明のように、屈折率を遮光板の表面から内部に向かって増加させる方法では、入射角による反射防止効果の変化が小さく、反射防止部３２の表面における光の反射を低減することができるため、近年の薄型化されたカメラモジュールに用いられる遮光板の反射防止の方式として好適である。

「第２施形態」
第１実施形態では、表面に微細凹凸構造３１を有する遮光板２７が用いられているが、母材の上に複数の層を有する遮光板を用いることもできる。図８に示した遮光板６０は、母材６２に、黒色塗料層６３および反射防止層６４からなる反射防止部６１が設けられている。本実施形態において黒色塗料層６３は、キヤノン化成株式会社製ＧＴ２０を母材６２に塗布した後、乾燥させることで設けた。また、反射防止層６４は、Ａｌ２Ｏ３層を真空蒸着法にて設けた。Ｊ，Ａ．ＷｏｏｌｌａｍＪａｐａｎ社製のエリプソメータＶＡＳＥを使用して屈折率を測定したところ、黒色塗料層６３の屈折率は、波長５４６ｎｍのとき１．７、反射防止層６４の屈折率は、波長５４６ｎｍのとき１．４であった。このように、複数の層を設けて、遮光板６０に設けた反射防止部６１の屈折率を、表面から内部に向かって増加させることで、反射防止部６４の表面における光の反射を低減することができる。

「第３実施形態」
さらに別の実施形態として、粗凹凸構造と微細凹凸構造とを有する遮光板を用いることもできる。図９に示す遮光板７０は、平均周期が遮光を行う光の波長帯域の中で最も長い波長よりも大きな周期を有する粗凹凸構造７４を有する母材７２と、粗凹凸構造７４上に形成された微細凹凸構造７３とを有する反射防止部７１を有している。

ここで、母材７２は、Ａｌ（アルミニウム）からなり、粗凹凸構造７４は、母材７２を硝酸電解処理することにより、形成される。また、微細凹凸構造７３は、Ｎｉメッキによって形成される。

粗凹凸構造７４は、サンドブラストによって形成してもよい。微細凹凸構造７３は母材の上にエネルギー硬化性樹脂を塗布し、微細な凹凸構造が形成された型を用いて塗布されたエネルギー硬化性樹脂を型押した後、紫外線等を照射したり、加熱したりして、エネルギー硬化性樹脂を硬化することで形成してもよい。

粗凹凸構造７４は、遮光板７０が遮光を行う光の波長帯域の中で最も長い波長λＢよりも大きな平均周期を有する。ここで、周期とは、粗凹凸構造７４の隣り合う凸部の頂点間の距離であり、図９に示すＰＬで示した距離のことである。また、遮光する光の波長帯域とは、カメラモジュール２０が通常のカメラモジュールであれば、３６０〜８３０ｎｍ（可視光域）であり、赤外線カメラモジュールであれば、７００〜２５００ｎｍである。

また、粗凹凸構造７４の平均高さは、上記λＢの１／２以上となっている。ここで、粗凹凸構造の高さとは、図９においてＨＬで示した高さのことであり、平均高さは、粗凹凸構造７４の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）により観察し、隣り合う１０個の凹凸の頂点（Crest）の高さを計測し、その平均値を算出することで求めることができる。粗凹凸構造７４が、このような大きさの凹凸となっていることで、後述の微細凹凸構造７３が、母材から剥離しにくくなるとともに、反射防止部７１の表面における光の反射をより低減することができる。

微細凹凸構造７３は、Ｎｉメッキによって形成されるモスアイ構造であり、微細凹凸構造７３の平均周期は、遮光板７０が遮光する光の波長帯域の中で最も短い波長λＡの１／２よりも小さくなっている。ここで、遮光する光の波長帯域とは、カメラモジュール２０が通常のカメラであれば、３６０〜８３０ｎｍの可視光であり、赤外線カメラであれば、７００〜２５００ｎｍである。微細凹凸構造７３の周期とは、微細凹凸構造７３の隣合う凸部間の距離、すなわち図９において、ＰＳ２で示した距離であり、平均周期は、微細凹凸構造７３の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）により観察し、隣り合う１１個の凹凸の頂点（Crest）間、もしくは谷底（Root）間の距離１０箇所を計測し、その平均値を算出することで求めることができる。また、微細凹凸構造７３の平均高さは、上記λＢの１／２以上となっている。ここで、微細凹凸構造７３の高さとは、図９においてＨＳで示した高さであり、平均高さは、微細凹凸構造３１の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）により観察し、隣り合う１０個の凹凸の頂点（Crest）の高さを計測し、その平均値を算出することで求めることができる。

微細凹凸構造７３が上記のような大きさの凹凸となっていることで、反射防止部７１の表面における光の反射をより低減することができる。

「第４実施形態」
本発明のカメラモジュールでは、２６Ａのレンズおよび遮光板２７Ａの替わりに、以下のレンズおよび遮光板を用いることもできる。図１０に示すレンズ８０は、遮光板８１を内包している。また、遮光板８１には図示しない反射防止部を有しており、反射防止部には、図示しない微細凹凸構造と粗凹凸構造とが設けられている。

このようなレンズ８０の作成方法を、図１１を用いて説明する。まず、透明な樹脂からなる第１プリフォーム８２に遮光板８１を仮組みし、金型ユニット９０の中に投入する（Ａ）。次いで、透明な樹脂からなる第２プリフォーム８３を金型ユニット９０内に投入して、第１プリフォーム８２上に重なるように配置する（Ｂ）。この状態でヒータ（図示せず）により、第１金型９１および第２金型９２を加熱し、第１プリフォーム８２及び第２プリフォーム８３をガラス転移温度Ｔｇまで加熱する。

加熱後、第１金型９１と第２金型９２により、第１プリフォーム８２及び第２プリフォーム８３が圧縮成形される（Ｃ）。圧縮成形後、第１プリフォーム８２及び第２プリフォーム８３は圧力を維持したまま冷却される。圧縮状態が保たれたまま冷却されることにより、成形した形状が固定化される。第１プリフォーム８２は、第２プリフォーム８３との間に、遮光板８１を挟み込んだ状態で第２プリフォーム８３と一体化される。圧縮成形後、成形されたレンズ８０が金型ユニット９０から取り出される（Ｄ）。

このように、遮光板８１がレンズ８０に内包されることで、破損しやすい微細凹凸構造が表面に露出せず、取扱いが容易になる。

なお、本実施形態では、レンズ２６Ａおよび遮光板２７Ａの代替として、遮光板８１を内包したレンズ８０を例示したが、任意のレンズに遮光板を内包させることができ、たとえば、レンズ２６Ｅに遮光板２７Ｃを内包させてもよい。

また、本実施形態では、レンズ用プリフォームとして透明な樹脂が用いられているが、これに限られるものではなく、たとえばガラスや、赤外線を透過し可視光を透過させない樹脂等であってもよい。

上記各実施形態において、反射防止部が、遮光板の一部に設けられた例が図示されているが、本発明はこれに限られるものでなく、遮光板表面の全部に反射防止部を設けてもよい。

上記実施形態では、電子機器としてスマートフォン１０が例示されているが、本発明はこれに限られるものではなく、カメラモジュールが用いられる電子機器であればよい。特に、スマートフォン１０、タブレット端末、めがね型ウェアラブル端末、腕時計型ウェアラブル端末等、カメラモジュールの薄型化が必要な携帯型の電子機器に好適である。

本発明は、上記各実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない限り種々の構成を採り得ることはもちろんである。例えば、上述の種々の実施形態や種々の変形例を適宜組み合わせることも可能である。

１０スマートフォン（電子機器）
２６、８０レンズ
２７、６０、７０、８１遮光板
２０カメラモジュール
２１レンズユニット
２３撮像素子
３２、６１、７１反射防止部
３１、７３微細凹凸構造
７４粗凹凸構造
３０、７２母材

Claims

複数のレンズおよび少なくとも１枚の遮光板が、前記レンズの光軸方向に積み重ねられたレンズユニットと、前記レンズユニットを通して被写体を撮像する撮像素子と、を有するカメラモジュールであって、
前記遮光板の少なくとも一部には、前記遮光板の表面から前記遮光板の内部に向かって屈折率が増加する反射防止部が設けられ、
前記複数のレンズの表面のうち、最も被写体側の部分から前記撮像素子までの距離をＴＴＬとし、前記レンズユニットの合成焦点距離をfとしたとき、ＴＴＬ／ｆ ≦ １．３となっており、
前記反射防止部は、
遮光を行う光の波長帯域の中で最も長い波長λＢよりも大きな平均周期を有する粗凹凸構造と、
前記粗凹凸構造上に、遮光を行う光の波長帯域の中で最も短い波長λＡの１／２よりも小さい平均周期を有する微細凹凸構造であるモスアイ構造と、を有し、
前記遮光板は、Ａｌからなる母材を有し、前記母材は、前記粗凹凸構造を有し、
前記微細凹凸構造がＮｉメッキからなることを特徴とするカメラモジュール。
前記微細凹凸構造の平均高さが、前記λＢの１／２以上であることを特徴とする請求項１に記載のカメラモジュール。
前記粗凹凸構造の平均高さが、λＢの１／２以上であることを特徴とする請求項２に記載のカメラモジュール。
前記遮光板が前記レンズに内包されていることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載のカメラモジュール。