JP5250575B2 - カメラ装置 - Google Patents

Description

本発明は、車載用のカメラ装置に関する。

固定焦点カメラ装置は、一般的なカムコーダやデジタルスチルカメラで用いられているような、オートフォーカス機能を持たず、レンズと撮像素子が固定されている装置である。構造が単純であり、コスト，振動耐久性などに優れ、車載などに搭載されるカメラ装置は、この構成を用いるものが多い。

近年、車載カメラを用いて、画像処理を行い、白線や障害物などを検出し、車両を制御する装置が普及しつつある。画像処理を行うカメラでは鮮明な画像を必要としており、温度変化に関わらず、常に焦点があっているものが、より高い性能を引き出せるものと考えられている。

ここで、撮像素子をカメラ本体に対して撮像光軸方向に前後移動可能に支持し、撮像素子を撮影光軸方向に移動させる駆動手段を備える固定焦点カメラ装置が開示されている（特許文献１参照）。駆動手段としては、圧電素子やステッピングモータが用いられ、温度検出手段としては、温度センサが用いられている。

特開平８−１１４７３６号公報

特許文献１によれば、駆動手段や温度検出手段を制御するための回路や駆動装置が必要なため、部品が増え、カメラ装置の小型化や低コスト化が困難、という課題がある。

そこで本発明の目的は、部品数を増やすことなく、温度変化における性能劣化の少ないカメラ装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の望ましい態様の一つは次の通りである。

本カメラ装置は、撮像レンズと、撮像チップを封印するパッケージを備えた撮像素子と、レンズ保持部材と、回路基板と、レンズ保持部材と回路基板とを接続するネジと、撮像素子と回路基板の間に配置された焦点距離保持部材と、を有し、撮像レンズの主点と撮像チップ間の距離Ｌ１、撮像チップとパッケージ間の距離ｄ、レンズ保持部材の線膨張係数α１、焦点距離保持部材の線膨張係数α２、撮像素子のパッケージの線膨張係数α３、焦点距離保持部材の厚さｔとした場合、Ｌ１×α１＝ｔ×α２＋ｄ×α３を満たす。

本発明によれば、部品数を増やすことなく、温度変化における性能劣化の少ないカメラ装置を提供することができる。

実施例１の説明図。 レンズの解像度の説明図。 実施例２の説明図。 ステレオカメラシステムの図。 従来構造による温度と解像度の変化を示す図。 実施例１及び２による温度と解像度の変化を示す図。

以下、図面を用いて実施例について説明する。

図１は固定焦点カメラ装置の構成図である。

固定焦点カメラ装置は、撮像レンズ１０，撮像素子２０，レンズ保持部材３０，焦点距離保持部材４０，回路基板５０、及び、ネジ６０から構成される。撮像レンズ１０は光を結像するためのレンズ玉１１、及び、レンズ玉１１を固定するレンズ鏡筒１２から構成される。

撮像素子２０は、複数の光電変換画素を有し、画像転送する機能を持つ半導体（以下撮像チップ２１）と、撮像チップ２１を封印するパッケージ２２（但し光路はカバーガラス２３などで確保される）と、撮像チップを電気的に接続するためのワイヤーボンディング２４と、ワイヤーボンディング２４と回路基板５０と電気的に接続するリードフレーム２５から構成される。撮像チップ２１としては、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどがある。

回路基板５０は、撮像レンズ１０を電気的に駆動し、撮像レンズ１０の出力を映像出力、或いは画像処理する回路を有する基板である。回路基板５０と撮像レンズ１０は半田により固定され、電気的な接続を確実のものにしている。

焦点距離保持部材４０は、回路基板５０のＡ面と撮像素子２０のパッケージのＢの間に挟みこむように設置する。

ネジ６０はレンズ保持部材３０と回路基板５０を固定するためのものであり、これにより撮像チップ２１とレンズ玉１１は固定される。

撮像レンズ１０とレンズ保持部材３０は、撮像レンズ１０と撮像素子２０のピントがあうよう、組立て時に位置決めされた後、接着剤などにより固定される。

ここでは、レンズ保持部材３０，レンズ鏡筒１２は、以後の計算の簡略化のために同材料とする。

図１における固定焦点カメラ装置の構成図において、回路基板５０のＡ面からレンズの主点Ｓまでの距離をＬ１、レンズ保持部材３０とレンズ鏡筒１２の材料の線膨張係数をα１、焦点距離保持部材４０の線膨張係数をα２、撮像素子２０のパッケージ２２の線膨張率をα３、撮像チップ２１とパッケージ２２裏面Ｂまでの距離をｄ、及び、焦点距離保持部材４０の厚みをｔとする。この時、
Ｌ１×α１＝ｔ×α２＋ｄ×α３が成立する構造とする。

具体例を挙げれば、レンズ保持部材３０とレンズ鏡筒１２の材質をアルミ（α１＝２１×１０^-6）、Ｌ１を１０mm、撮像素子２０のパッケージ２２の材質をレジンモールド（α２＝１７×１０^-6）、撮像チップ２１とパッケージ２２の裏面Ｂまでの距離ｄを１mm、及び、焦点距離保持部材の材質をＰＢＴ（α３＝１１０×１０^-6）とした場合、焦点距離保持部材の厚みｔは、
ｔ＝（１０mm×２１×１０^-6−１mm×１７×１０^-6）／１１０×１０^-6
＝１.７５mm
となる。

次に、レンズの焦点距離と解像度の関係を図２に示す。

撮像レンズ１０の主点Ｓと撮像チップ２１の距離Ｌ１と解像度の関係を図２に示す。Ｌ１が撮像レンズ１０の持つ焦点距離ｆと一致すれば、焦点は合致する。組立て時は調整によって、理想位置に固定することが可能であるが、温度変化によってこの距離が保たれなくなり、近くなっても遠くなっても解像度が低下する。部材の温度収縮は、部材の材料の線膨張率と、部材の長さ（厚み）と、変化温度の比例関係にある。

今、前述した材料，寸法で温度変化ΔＴ＝６０℃あった場合を考えると、撮像レンズ１０の焦点Ｓが回路基板５０のＡ面から膨張する距離をΔＬ１とすると、
ΔＬ１＝α１×Ｌ１×ΔＴ
＝２１×１０^-6×１０mm×６０＝１２.６μｍ
撮像チップ２１が回路基板５０のＡ面から膨張する距離をΔＬ２とすると、
ΔＬ２＝（α２×ｄ＋α３×ｔ）×ΔＴ
＝（１７×１０^-6×１mm＋１１０×１０^-6×１.７５mm）
＝１２.６μｍ
ΔＬ１＝ΔＬ２
よって回路基板５０のＡ面からの膨張距離は撮像レンズ１０の焦点Ｓと撮像チップ２１は等しくあり、これらの位置関係は保たれることがわかる。

以下、図面３を用いて実施例２について説明する。

図３は固定焦点カメラ装置の構成図である。

固定焦点カメラ装置は、撮像レンズ１０，撮像素子２０，レンズ保持部材３０，回路基板５０、及び、ネジから６０構成される。回路基板５０と撮像素子２０のパッケージは雇などを用いてクリアランスＸを確保する。

撮像素子２０のリードフレーム２５の材料は、レンズ鏡筒１２とレンズ保持部材３０と同じ材料である。クリアランスＸは、Ｌ１と同寸法とする。

撮像素子２０のリードフレーム２５及びレンズ鏡筒１２とレンズ保持部材３０がアルミであり、その線膨張率をα１＝２１×１０^-6とし、Ｘ＝Ｌ１＝１０mm、温度変化ΔＴ＝６０℃とし、撮像レンズ１０の焦点Ｓが回路基板５０のＡ面から膨張する距離をΔＬ１とすると、
ΔＬ１＝α１×Ｌ１×ΔＴ
ΔＸ＝α１×Ｘ×ΔＴ
Ｌ１＝Ｘ
よって
ΔＬ１＝ΔＸ
よって回路基板５０のＡ面からの膨張距離は撮像レンズ１０の焦点Ｓと撮像チップ２１は等しくあり、これらの位置関係は保たれることがわかる。

図１における固定焦点カメラの構成図において、回路基板のＡ面から、レンズの主点におけるまでの距離をＬ１とし、前記レンズ保持部材及び前記レンズ鏡筒の材料の線膨張係数はα１とする。リードフレームの線膨張係数をα２とする。

回路基板のＡ面と撮像チップまでの距離は前述したようにクリアランスＸをとる。又、レンズ鏡筒１２及びレンズ保持部材３０とリードフレーム２５が異種材料で有る場合は、レンズ鏡筒１２及びレンズ保持部材３０の線膨張率α１とし、リードフレーム２５の線膨張率α２とした場合は、
Ｘ＝Ｌ１×α１／α２
が成立するようなクリアランスとした場合でも同様の効果が得られる。

上記実施例は、２つのカメラでステレオ視するシステムに効果がある。図４にステレオカメラシステムの図を示す。ステレオカメラシステムは右カメラ１００と左カメラ１０１とそれらを構造的に支えるベース１０２から構成される。

ステレオカメラシステムは、一方のカメラに映る対象物をもう一方のカメラで同じ形状の対象物を探索し、視差値を求め、対象物までの距離を算出する。よって左右の解像度が異なると、対象物が同じ物と認識されず、探索ができない。

従来の構造による解像度とレンズ主点Ｓと撮像チップ２１までの距離と温度変化の関係を図５（Ａ），図５（Ｂ）に示す。

図５（Ａ）は右カメラの解像度とレンズ主点Ｓと撮像チップ２１までの距離の関係図を、図５（Ｂ）は左カメラの解像度とレンズ主点Ｓと撮像チップ２１までの距離の関係図を示す。初期状態（組立状態）では、いずれも同じ解像度であり、レンズ主点Ｓと撮像チップ２１までの距離と理想焦点距離との差の絶対値は同じであり、右カメラは理想焦点距離に対して距離が短く、左カメラは長い状態である。

固定焦点のカメラ装置のピント調整は、レンズ主点Ｓと撮像チップ２１までの距離を調整するわけではなく、撮像素子に映る画質で調整しているため、誤差がある場合、このような状態が発生し得る。

温度変化があると、右カメラはレンズ主点Ｓと撮像チップ２１までの距離は理想の焦点距離に近づき解像度が向上する方向にあり、左カメラはレンズ主点Ｓと撮像チップ２１までの距離は理想の焦点距離から離れる方向にあり、解像度が低下する。左右のカメラの解像度は著しく異なると、対象物が同じ物と認識されず、測距性能が温度変化により低下する。

一方、上記実施例によれば、図６（Ａ），図６（Ｂ）に示すように温度変化は極力抑えられ、温度変化があっても安定した性能を提供することが可能である。

１０ 撮像レンズ
１１ レンズ玉
１２ レンズ鏡筒
２０ 撮像素子
２１ 撮像チップ
２２ パッケージ
２３ カバーガラス
２４ ワイヤーボンディング
２５ リードフレーム
３０ レンズ保持部材
４０ 焦点距離保持部材
５０ 回路基板
６０ ネジ

Claims (3)

1. 撮像レンズと、
   撮像チップを封印するパッケージを備えた撮像素子と、
   レンズ保持部材と、
   回路基板と、
   前記レンズ保持部材と前記回路基板とを接続するネジと、
   前記撮像素子と前記回路基板の間に配置された焦点距離保持部材と、を有し、
   前記撮像レンズの主点と前記撮像チップ間の距離Ｌ１、前記撮像チップと前記パッケージ間の距離ｄ、前記レンズ保持部材の線膨張係数α１、前記焦点距離保持部材の線膨張係数α２、前記撮像素子の前記パッケージの線膨張係数α３、前記焦点距離保持部材の厚さｔとした場合、Ｌ１×α１＝ｔ×α２＋ｄ×α３を満たすカメラ装置。
2. 前記焦点距離保持部材はプラスチックを材料とする、請求項１記載のカメラ装置。
3. 撮像レンズと、撮像チップを封印するパッケージを備えた撮像素子と、レンズ保持部材と、回路基板と、前記レンズ保持部材と前記回路基板とを接続するネジと、前記撮像素子と前記回路基板の間に配置された焦点距離保持部材と、を有する第１のカメラ及び第２のカメラと、
   前記第１のカメラと前記第２のカメラを構造的に支えるベースと、を有する、請求項１又は請求項２記載のカメラ装置。

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