专利名称：摄像模块、成像透镜以及码读取方法
技术领域：
本发明涉及一种在拍摄近的被摄体与拍摄远的被摄体的两种情况下均具有良好 的分辨率而能够满足所要求的规格的摄像模块、适于实现该摄像模块的成像透镜、以及用 于使用该摄像模块进行以QR码(quick response code，快速响应码)(注册商标)为代表 的矩阵型二维码的读取的码读取方法。
背景技术：
专利文献1中揭示了，通过对透镜施加电场或磁场来改变折射率，而改变透镜的 焦点位置的自动焦点调整装置。专利文献2中揭示了，通过将根据距被摄体的距离所得的电信号供给至压电元 件，且改变压电元件的厚度，而控制透镜的位置的光学设备的自动焦点调整方法。专利文献3及4中分别揭示了，具备通过转动调整杆来移动透镜的位置的调整机 构的透镜调整装置。专利文献5中揭示了，通过向透光板-透镜之间注入气体而使透镜的位置移动的
摄像装置。在专利文献1 5中所揭示的各技术中，通过根据被摄体的位置来改变透镜的位 置或透镜的焦点位置，而实现了在拍摄近的被摄体与拍摄远的被摄体的两种情况下均具有 良好的分辨率而能够满足所要求的规格的摄像模块。专利文献1 日本专利申请公开公报“特开昭59-022009号公报(1984年2月4日 公开)”专利文献2
日公开)”专利文献3
日公开)”专利文献4
日公开)”专利文献5
日公开)”专利文献6
日公开)”专利文献7
日公开)”
日本专利申请公开公报‘ 日本专利申请公开公报‘ 日本专利申请公开公报‘ 日本专利申请公开公报‘ 日本专利申请公开公报‘
特开昭61-057918号公报(1986年3月25 特开平10-104491号公报(1998年4月24 特开平10-170809号公报(1998年6月26 特开2003-029115号公报(2003年1月29 特开2004-064460号公报(2004年2月26
日本专利申请公开公报“特开2004-301938号公报(2004年10月28
发明内容
在专利文献1 5中所揭示的各技术中，需要用以根据被摄体的位置来改变透镜 的位置或透镜的焦点位置的机构，因此产生摄像模块的构造变得复杂的问题。
本发明鉴于所述问题，其目的在于提供一种在拍摄近的被摄体与拍摄远的被摄体 的两种情况下均具有良好的分辨率而能够满足所要求的规格且构造简单的摄像模块、适于 实现该摄像模块的成像透镜、以及用于使用该摄像模块以高分辨率读取矩阵型二维码的码 读取方法。为了解决所述问题，本发明的摄像模块的特征在于具备成像透镜，其景深被扩大 的同时，像面弯曲被减小；及摄像元件，其设置在从所述成像透镜的相对于来自比规定位置 近的被摄体的白色光的最佳像面的位置，到所述成像透镜的相对于来自比该规定位置远的 被摄体的白色光的最佳像面的位置之间。根据所述构成，成像透镜的景深被扩大，因此能够降低在由近到远的宽广距离范 围内存在的，各被摄体成像所得的像中产生的模糊。而且，成像透镜的像面弯曲被减小，因 此能够降低整个像中的模糊。如上所述，本摄像模块中，使用充分采用用以降低像的模糊的 设计的成像透镜，且将摄像元件设置在所述位置。由此，在本摄像模块中，在拍摄近的被摄 体与拍摄远的被摄体的两种情况下，均能够拍摄到变得清晰的像，因此能够实现在一定程 度上良好的分辨率。即使将成像透镜的位置及成像透镜的焦点位置的双方固定，本摄像模块也可实现 在拍摄近的被摄体与拍摄远的被摄体的两种情况下均具有良好的分辨率而能够满足所要 求的规格。因此，本摄像模块无需用以根据被摄体的位置来改变透镜的位置或透镜的焦点 位置的机构，因此具有使摄像模块的构造变得简单的效果。为了解决所述问题，本发明的成像透镜的特征在于其景深被扩大的同时，像面弯 曲被减小，在从相对于来自比规定位置近的物体的白色光的最佳像面的位置，到相对于来 自比该规定位置远的物体的白色光的最佳像面的位置之间，进行物体的成像。根据所述构成，本成像透镜的景深被扩大，因此能够降低在由近到远的宽广距离 范围内存在的，各物体成像所得的像中产生的模糊。而且，本成像透镜的像面弯曲减小，因 此能够降低整个像中的模糊。如上所述，使用充分采用用以降低像的模糊的设计的本成像 透镜，在所述位置进行物体的成像。由此，本成像透镜中，在使近的物体成像与使远的物体 成像的两种情况下，通常可形成变得清晰的像，因此能够实现在一定程度上良好的分辨率。即使将位置及焦点位置的双方固定，本成像透镜也可实现在使近的物体成像与使 远的物体成像的两种情况下均具有足够良好的分辨率。因此，在使用本成像透镜所构成的 摄像模块中，无需用以根据被摄体的位置来改变透镜的位置或透镜的焦点位置的机构，因 此具有使摄像模块的构造变得简单的效果。换言之，本成像透镜具有适于实现本摄像模块 的效果。本发明的码读取方法是用于使用所述的本摄像模块，根据通过绿色的单色辐射所 得的像素来读取矩阵型二维码，该码读取方法的特征在于包含以下步骤使用通过所述绿 色的单色辐射所得的像素的间距，求出所述成像透镜及所述摄像元件的各极限分辨性能的 值，将值较低的极限分辨性能作为所述摄像模块的极限分辨性能；根据从所述成像透镜到 比所述规定位置近的被摄体的距离、所述摄像模块的视场角以及所述摄像元件的有效像圈 直径，算出所述成像透镜对于该被摄体所成像的像的倍率；以及根据所述摄像模块的极限 分辨性能与所述倍率，算出所述摄像模块可读取的所述矩阵型二维码的大小。根据所述构成，使用本摄像模块读取矩阵型二维码时，能够实现摄像模块的高分辨率化。[发明的效果]如上所述，本发明的摄像模块具备成像透镜，其景深被扩大的同时，像面弯曲被 减小；及摄像元件，其设置在从所述成像透镜的相对于来自比规定位置近的被摄体的白色 光的最佳像面的位置，到所述成像透镜的相对于来自比该规定位置远的被摄体的白色光的 最佳像面的位置之间。因此，本发明的摄像模块具有如下效果在拍摄近的被摄体与拍摄远的被摄体的 两种情况下，均具有良好的分辨率而能够满足所要求的规格，且构造简单。如上所述，本发明的成像透镜的景深被扩大的同时，像面弯曲被减小，在从相对于 来自比规定位置近的物体的白色光的最佳像面的位置，到相对于来自比该规定位置远的物 体的白色光的最佳像面的位置之间进行物体的成像。因此，本发明的成像透镜具有适于实现本发明的摄像模块的效果。
图1是表示本发明的一实施方式中的摄像模块的概略构成的剖面图。图2是表示本发明的一实施方式中的成像透镜的具体构成例的概略剖面图。图3(a) (c)是表示图2所示的成像透镜的各种像差的特性的图表，图3 (a)中 表示球面像差的特性，图3(b)中表示像散的特性，图3 (c)中表示失真的特性。图4(a)是表示对于来自近的被摄体及远的被摄体的各白色光的成像透镜的两散 焦MTF与摄像元件的位置的关系的图表，图4(b)及(c)分别是个别详细地表示图4(a)所 示的两散焦MTF的图表。图5是表示对于来自近的被摄体及远的被摄体的各白色光的成像透镜的另外两 散焦MTF与摄像元件的位置的关系的图表。图6是表示对于来自近的被摄体及远的被摄体的各白色光的成像透镜的另外两 散焦MTF与摄像元件的位置的关系的图表。图7是表示对于来自近的被摄体及远的被摄体的各白色光的成像透镜的其他两 散焦MTF与摄像元件的位置的关系的图表。图8是表示对于来自远的被摄体的白色光的成像透镜的、与像面弯曲的有无及像 高相对应的各散焦MTF与摄像元件的位置的关系的图表。图9是表示本发明的摄像模块中的相对于从摄像元件到被摄体的距离的，MTF值 的变化的关系的图表。图10(a)及(b)是表示作为图1所示的摄像模块的比较例的摄像模块中，成像透 镜的各种像差的特性的图表，图10(a)中表示像散的特性，图10(b)中表示失真的特性。图11是详细表示对于来自远的被摄体的白色光的与图10相同的成像透镜的散焦 MTF的图表。图12是表示作为本发明的摄像模块的比较例的摄像模块中、相对于从摄像元件 到被摄体的距离的，MTF值的变化的关系的图表。图13是表示对于白色光的本发明及其比较例的各成像透镜的各散焦MTF、对于绿 色的单色辐射的本发明的成像透镜的散焦MTF、以及摄像元件的位置的关系的图表。
5
图14是表示通常摄像时与读取矩阵型二维码时分别应使用的像素的对比的图。图15(a)是详细表示对于来自近的被摄体的白色光的，与图13相同的本发明的成 像透镜的散焦MTF的图表，图15(b)是详细表示对于来自近的被摄体的绿色的单色辐射的， 与图13相同的本发明的成像透镜的散焦MTF的图表。图16是对成像透镜的极限分辨性能的求取方法进行说明的图表。图17是表示摄像元件中的像素间距与摄像元件中的绿色的像素的像素间距的关 系的概略图。图18是对成像透镜的倍率的求取方法进行说明的图。图19是对成像透镜的极限分辨性能的求取方法进行说明的另一图表。图20是表示图1所示的摄像模块的具体构造的一例的剖面图。图21是表示图1所示的摄像模块的具体构造的另一例的剖面图。图22是表示通常的摄像模块的制造方法的剖面图。图23是表示本发明的摄像模块的制造方法的剖面图。[附图标记说明]1-摄像模块2-传感器位置(设置摄像元件的位置)3-成像透镜相对于来自向日葵的白色光为最佳像面的位置4-成像透镜相对于来自树木的白色光为最佳像面的位置5-向日葵(接近摄像模块的被摄体)6-树木(远离摄像模块的被摄体)10-成像透镜11-传感器(摄像元件)12-孔径光阑60-摄像模块61-框架70-摄像模块141-R(通过红色的单色辐射所得的像素)142-G (通过绿色的单色辐射所得的像素)143-B (通过蓝色的单色辐射所得的像素)231-热塑性树脂232-模具233-透镜筒234-镜筒235-传感器241-热硬化性树脂242-阵列状的模具243-阵列状的模具244-阵列状的透镜245-阵列状的透镜
246-阵列状的透镜247-孔径光阑248-传感器248c-传感器的中心249-阵列状的传感器250-摄像模块ρ-传感器的像素的间距ρ'-各G的间距Sl-物体侧的面S2-像侧的面S3-物体侧的面S4-像面侧的面S5-物体侧的面S6-像面侧的面S7-物体侧的面S8-像面侧的面S9-像面PLl-第 1 透镜PL2-第 2 透镜PL3-第 3 透镜CG-玻璃护罩d-从成像透镜到物体(被摄体)为止的距离y_被摄体的大小y' _有效像圈直径θ -半视场角La-光轴
具体实施例方式图1所示的摄像模块1，具备成像透镜10及传感器(摄像元件)11。成像透镜10，进行物体的成像。具体而言，成像透镜10使作为摄像模块1进行拍 摄的对象的被摄体在像面上成像。成像透镜10，只要是采用了扩大景深且减小像面弯曲的设计的周知的透镜系统， 则具体构成并无特别限定。成像透镜10的具体构成的一例后述。所谓景深是指当将相机透镜固定在某透镜设置位置时，无模糊且清晰成像的距相 机最近的点与最远的点之间的距离，即当将透镜相对于某特定距离而对准焦点时，可获得 能够满足的清晰度的整体距离。所谓像面弯曲是指使平面物体处于成像在弯曲而非平面的面上的状态的透镜的 像差。即，若透镜存在该像差，则平面物体的像会弯曲，若使焦点对准图像的中心，则周边部 模糊，反之若使焦点对准周边部，则中心模糊。
若传感器11中入射表示成像透镜10使被摄体成像而形成的像的光，则传感器11 将入射的光转换为电信号并加以输出，由此可在显示装置(未图示)上显示该被摄体。作为 传感器 11，可使用以 CCD (ChargeCoupled Device 电荷耦合元件)及 CMOS (Complementary Metal OxideSemiconductor 互补金属氧化物半导体)等为代表的固态摄像元件等。设置传感器11的位置(以下称作“传感器位置”)2是在，从成像透镜10的相对于 来自向日葵5的白色光的最佳像面的位置3，到成像透镜10的相对于来自树木6的白色光 的最佳像面的位置4之间。所谓最佳像面是表示光的聚光率或分辨率为最大的成像面的， 一般的技术用语。向日葵5是由摄像模块1所拍摄的被摄体的一例，且表示其位置接近摄像模块1 的被摄体。向日葵5例如距离摄像模块1约300mm。而且，详细而言，位置3是，成像透镜 10使如向日葵5等接近摄像模块1的被摄体成像时的最佳像面。树木6是由摄像模块1所拍摄的被摄体的一例，且表示其位置远离摄像模块1的 被摄体。树木6例如距离摄像模块1约1500mm。而且，详细而言，位置4是，成像透镜10使 如树木6等远离摄像模块1的被摄体成像时的最佳像面。至于接近摄像模块1的被摄体与远离摄像模块1的被摄体的区分，例如将距传感 器11的距离小于作为基准的距离(规定距离)的被摄体设为接近摄像模块1的被摄体，将 大于该作为基准的距离的被摄体设为远离摄像模块1的被摄体即可。另外，根据该方法实 施区分时，将所述作为基准的距离设为如下距离即可在存在当拍摄近的被摄体与拍摄远 的被摄体时透镜的位置及/或透镜的焦点位置彼此不同的两种拍摄模式的先前普通的摄 像模块中，适于切换这两种拍摄模式的、从该摄像模块的摄像元件到该被摄体的距离。所述的作为基准的距离等，用以区分接近摄像模块1的被摄体与远离摄像模块1 的被摄体的临界距离(规定距离)存在于任何一种摄像模块1中，但每个摄像模块1的具 体值，根据成像透镜10的特性、传感器11的最终配置位置、以及摄像模块1的大小等，而变 化。应理解为，对于每个摄像模块1，用以区分靠近摄像模块1的被摄体与远离摄像模块1 的被摄体的临界距离是，根据摄像模块1的各种设计及特性而适当地决定的。图2中表示成像透镜10的具体构成的一例。成像透镜10中最重要的是扩大景深 及减小像面弯曲，并非是提高正焦位置上的分辨率。如图2所示，成像透镜10具备孔径光阑12、第1透镜PL1、第2透镜PL2、第3透镜 PL3以及玻璃护罩(保护构件)CG。第1透镜PLl中，作为进行成像的对象的物体侧的面(物体侧面)为Si，成像透镜 10的像面侧的面(像侧面)为S2。第2透镜PL2中，物体侧的面为S3，成像透镜10的像面 侧的面为S4。第3透镜PL3中，物体侧的面为S5，成像透镜10的像面侧的面为S6。玻璃护 罩CG中，物体侧的面为S7，成像透镜10的像面侧的面为S8。成像透镜10的像面为S9，对 应于传感器位置2 (参照图1)。孔径光阑12，设置成包围第1透镜PLl的面Sl的周围。孔径光阑12是，以限制入 射至成像透镜10的光的轴上光束的直径为目的而设置的，以便可使入射至成像透镜10的 光适当地通过第1透镜PLl、第2透镜PL2以及第3透镜PL3。第1透镜PLl是，朝向物体侧的面Sl为凸面的周知的凹凸透镜。当第1透镜PLl 为凸面朝向物体侧的凹凸透镜时，第ι透镜PLl的全长相对于成像透镜10的全长的比率变
8大，由此，可使成像透镜10整体的焦距比成像透镜10的全长更长，因此可实现成像透镜10 的小型化及低矮化。第1透镜PL1，通过使阿贝数增大为56左右，而减小入射光的分散。第2透镜PL2是，朝向物体侧的面S3为凹面的周知的凹凸透镜。当第2透镜PL2 为凹面朝向物体侧的凹凸透镜时，既可维持第2透镜PL2的折射能力，又可减小珀兹伐和 (Petzval sum)(光学系统中的平面物体的像的弯曲的轴上特性)，因此可减少像散、像面弯 曲以及彗星像差。第2透镜PL2，通过使阿贝数减小为34左右，而增大入射光的分散。组合阿贝数大的第1透镜PLl与阿贝数小的第2透镜PL2的构成，就校正色差的 观点而言为有效。第1透镜PLl、第2透镜PL2以及第3透镜PL3均适用非球面的透镜。非球面的第1透镜PL1，特别是可大幅校正球面像差。非球面的第2透镜PL2，特 别是可大幅校正像散及像面弯曲。非球面的第3透镜PL3，特别是可大幅校正像散、像面弯 曲以及失真。此外，非球面的第3透镜PL3，可提高成像透镜10中的远心性，因此通过减小 NA (numerical aperture 数值孔径)，在成像透镜10中可简单地扩大景深。根据以上内容，在图2所示的成像透镜10中，可扩大景深，并且可减小像面弯曲。玻璃护罩CG，设置成夹持在第3透镜PL3与传感器11 (参照图1)之间。玻璃护罩 CG，被覆在传感器11上，来保护传感器11免受物理伤害等。[表1]中表示成像透镜10的透镜系统的设计式的一例。[表1]
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权利要求
1.一种摄像模块，其特征在于具备成像透镜，其景深被扩大的同时，像面弯曲被减小；及摄像元件，其设置在从所述成像透镜的相对于来自比规定位置近的被摄体的白色光的 最佳像面的位置，到所述成像透镜的相对于来自比该规定位置远的被摄体的白色光的最佳 像面的位置之间。
2.根据权利要求1所述的摄像模块，其特征在于所述摄像元件，可仅输出与通过绿色 的单色辐射所得的像素相关的信息。
3.根据权利要求2所述的摄像模块，其特征在于所述摄像元件，设置在所述成像透镜 的相对于来自比所述规定位置近的被摄体的所述绿色的单色辐射的最佳像面的位置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的摄像模块，其特征在于所述摄像元件的像素 的间距为2. 5μπι以下。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的摄像模块，其特征在于所述成像透镜是隔着 用以保护所述摄像元件的保护构件而载置在该摄像元件上。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的摄像模块，其特征在于所述成像透镜的F数 为3以下。
7.一种成像透镜，其特征在于其景深被扩大的同时，像面弯曲被减小，在从相对于来自比规定位置近的物体的白色光的最佳像面的位置，到相对于来自比该 规定位置远的物体的白色光的最佳像面的位置之间进行物体的成像。
8.一种码读取方法，用于使用摄像模块，根据通过绿色的单色辐射所得的像素来读取 矩阵型二维码，所述摄像模块具备成像透镜，其景深被扩大的同时，像面弯曲被减小；及 摄像元件，其设置在从所述成像透镜的相对于来自比规定位置近的被摄体的白色光的最佳 像面的位置，到所述成像透镜的相对于来自比该规定位置远的被摄体的白色光的最佳像面 的位置之间；且所述摄像元件可仅输出与通过绿色的单色辐射所得的像素相关的信息，所 述码读取方法的特征在于包含以下步骤使用通过所述绿色的单色辐射所得的像素的间距，求出所述成像透镜及所述摄像元件 的各极限分辨性能的值，将值较低的极限分辨性能作为所述摄像模块的极限分辨性能；根据从所述成像透镜到比所述规定位置近的被摄体的距离、所述摄像模块的视场角以 及所述摄像元件的有效像圈直径，算出所述成像透镜对于该被摄体所成像的像的倍率；以 及根据所述摄像模块的极限分辨性能与所述倍率，算出所述摄像模块可读取的所述矩阵 型二维码的大小。
全文摘要
本发明涉及摄像模块、成像透镜以及码读取方法。为了实现在拍摄近的被摄体与拍摄远的被摄体的两种情况下均具有良好的分辨率而能够满足所要求的规格，且构造简单的摄像模块，摄像模块具备成像透镜，其景深被扩大的同时，像面弯曲被减小；及传感器，其设置在从成像透镜的相对于来自向日葵的白色光的最佳像面的位置，到成像透镜的相对于来自树木的白色光的最佳像面的位置之间。
文档编号G06K7/10GK101995644SQ20101024923
公开日2011年3月30日 申请日期2010年8月6日 优先权日2009年8月7日
发明者北村和也, 花户宏之, 重光学道 申请人:夏普株式会社