(57)【要約】      （修正有）【課題】小型軽量で高品質のカラー映像を得られる撮像素子を提供する。【解決手段】1個の撮像センサーを3波長域（ＲＧＢ）に分割し、夫々に対応する3個のレンズを配置する光学系において、レンズ、ＩＲカットフィルター、カラー(ＲＧＢ)フィルター、マイクロレンズから光学系が構成され、レンズ５，６，７とＩＲカットフィルターとカラー(ＲＧＢ)フィルター２，３，４とマイクロレンズ８および撮像センサー９を機能的に一体化し、３波長域（ＲＧＢ）それぞれの収差を減らすべく最適設計されたレンズを採用する。【選択図】図１
2010041516.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
1個の撮像センサーを3波長域（ＲＧＢ）の領域に分割し、夫々に対応する3個のレンズを配置する光学系において、レンズ、ＩＲカットフィルター、カラー(ＲＧＢ)フィルター、マイクロレンズから光学系が構成され、レンズとＩＲカットフィルターとカラー(ＲＧＢ)フィルターとマイクロレンズおよび撮像センサーを機能的に一体化させたことを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
請求項１においてレンズに直接カラー(ＲＧＢ)フィルター及びＩＲカットフィルターを施したことを特徴とする撮像素子。
【請求項３】
請求項１においてガラス板に直接カラー(ＲＧＢ)フィルター及びＩＲカットフィルターを施したことを特徴とする撮像素子。
【請求項４】
請求項１において各レンズから撮像センサーに至る光学系を遮蔽壁で分離させたことを特徴とする撮像素子。
【請求項５】
請求項１において単一レンズの全長（絞りから焦点までの距離）が
1.7＞全長/ｆ＞1.2
の範囲にあることを特徴とする撮像素子。
【請求項６】
請求項５においてレンズの両面が非球面であり、Ｒ1面は凸面をしており、Ｒ2面の中心部は凸面をしており周辺部の於いて凹面になる形状をしている正レンズである非球面の形状に於いて光軸からの高さｈが0.5×ｆ に於けるＲ1面のサグ量Ｓｇ1が
0.2６＞Ｓｇ1/ｆ＞0.20
の範囲にあり、且つ光軸からの高さｈが0.２５×ｆ に於けるＲ1面のサグ量Ｓｇ２が
0.０５４＞Ｓｇ２/ｆ＞0.０４４
の範囲にあり、且つ光軸からの高さｈが0.４２×ｆ に於けるＲ２面のサグ量Ｓｇ３が
0＞Ｓｇ３/ｆ＞−0.０３５
の範囲にあり、且つ光軸からの高さｈが0.２１×ｆ に於けるＲ２面のサグ量Ｓｇ４が
0.0２＞Ｓｇ4/ｆ＞０
の範囲にあることを特徴とする撮像素子。
【請求項７】
請求項５において焦点距離ｆ に対するフィルターの厚さｔ の比が
0.１５＞ｔ/ｆ＞0.0６３
の範囲にあることを特徴とする撮像素子。
【請求項８】
請求項４において撮像センサーの画素領域の対角Ｌ に対する焦点距離ｆ の比が
0.９５＞ｆ/Ｌ＞0.７９
の範囲にあることを特徴とする撮像素子。
【請求項９】
請求項５においてレンズの屈折率ｎｄが
１．６２＞ｎｄ＞１．４５
の範囲にあることを特徴とする撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はカラー映像を撮影するための撮像素子すなわち光学レンズ付きＣＣＤ／ＣＭＯＳ撮像センサーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来カラー映像を撮影するための撮像素子としては３板式の撮像素子が使用されていた。これはレンズを通った映像はプリズムによりＲＧＢ成分に分割され、各ＲＧＢ成分専用の撮像センサーで受光するというもので、３色分離用のプリズムや各ＲＧＢ成分用の撮像センサーが必要となるため、重量、容積ともに大きなものとなりコスト高となってしまう欠点があった。しかも、プリズムの貼り合わせなど構造が立体的で複雑となり製造に高度な技術と多くの工程を必要とし、必然的に高価なものになってしまうという欠点があった。
【０００３】
これに対して単板式撮像素子が開発されている。撮像センサー上にベイヤ配列カラーフィルターを載せるというもので、プリズムを使わずに済むため、その分重量、容積を減らすことが可能となる。しかし、ベイヤ配列カラーフィルターは画素ピッチで細かいＲＧＢフィルターを並べて設けてあるため、３板式撮像素子に比較して色解像度がＲＢで全画素数の１／４、Ｇで１／２になる。しかも光学系と撮像センサーの主光線入射角が適合しないと、色クロストークが発生する、色補間処理の影響で偽色が発生する、画素ピッチが微小になると折り返しによりモアレが発生するなどの欠点があった。その上、撮像センサー全体の対角をカバーする必要があるので、どうしてもレンズの光学長が大きくなり、撮像素子のコンパクト化には限界があった。
【０００４】
また、３板方式にしろ、単板方式にしろ、本来ＲＧＢ波長毎に収差をとるためにレンズの形状を最適化する必要があるのに各ＲＧＢ成分に対して一つのレンズを共用するので、必然的に映像の劣化を避けることは困難であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は第一に小型軽量でしかも優れた撮像機能を有する撮像素子を提供することにある。
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は第二にはレンズに所要の機能膜を施すことにより、部品点数を減らすことにより、より工程数を減らし安価な撮像素子を提供することにある。
【０００７】
そして本発明が解決しようとする課題は第三にはガラス板に所要の機能膜を施すことにより、部品点数を減らすことにより、より工程数を減らし安価な撮像素子を提供することにある。
【０００８】
そして本発明が解決しようとする課題は第四にはＲＧＢに分光された光を撮像センサーの対応する各ＲＧＢ領域により分離度を上げて集光させることにより、色感度の高い撮像素子を提供することにある。
【０００９】
そして本発明が解決しようとする課題は第五には小型でかつ画面周辺部において十分な性能を持つ撮像素子を提供することにある。
【００１０】
そして本発明が解決しようとする課題は第六にはＲＧＢ波長毎に収差を取り除き得るレンズをそれぞれ提供し、画像前面にわたって各収差の少ない十分な性能を有する撮像素子用レンズを提供することにある。
【００１１】
そして本発明が解決しようとする課題は第七には軽量薄型でしかも変形の少ないフィルターを有する撮像素子を提供することにある。
【００１２】
そして本発明が解決しようとする課題は第八には一般撮影に適した画角を有する撮像素子を提供することにある。
【００１３】
そして本発明が解決しようとする課題は第九には上記の各課題を解決するために必要な屈折率の範囲のレンズを備えた撮像素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この課題を解決する手段としては第一に1個の撮像センサーを3波長域（ＲＧＢ）の領域に分割し、夫々に対応する3個のレンズを配置する光学系において、レンズ、ＩＲカットフィルター、カラー（ＲＧＢ）フィルター、マイクロレンズから光学系が構成され、レンズとＩＲカットフィルターとカラー（ＲＧＢ）フィルターとマイクロレンズおよび撮像センサーを機能的に一体化させたことを特徴とする撮像素子によって解決される。
【００１５】
こうすることによって、容積、重量増の原因となっているプリズム除去を可能にするとともに専用の３個の撮像センサーを使用する必要がなくなる。又、ベイヤ配列カラーフィルターを使わないので、色解像度の劣化がなく、色クロストーク、偽色、モアレの発生の可能性もなくなる。そして一つのレンズで撮像センサーの画素領域の三分の一をカバーすれば良いので、レンズの光学長が小さくなり撮像素子全体のコンパクト化が可能となる。
【００１６】
この課題を解決する手段としては第二に前記撮像素子においてレンズに直接カラー（ＲＧＢ）フィルター及びＩＲカットフィルターを施したことを特徴とする撮像素子によって解決される。
【００１７】
この課題を解決する手段としては第三にガラス板に直接カラー（ＲＧＢ）フィルター及びＩＲカットフィルターを施したことを特徴とする撮像素子によって解決される。
【００１８】
この課題を解決する手段としては第四に各レンズから撮像センサーに至る光学系を遮蔽壁で分離させたことを特徴とする撮像素子によって解決される。
【００１９】
この課題を解決する手段としては第五に単一レンズが全長（絞りから焦点までの距離が
1.7＞全長/ｆ＞1.2
の範囲にあることを特徴とする撮像素子によって解決される。
全長／ｆが１．７を超えるとレンズが大きくなり過ぎ、センサーの撮像領域を有効に使用できなくなる。
又全長／ｆが１．２以下になると画面周辺部において十分な性能を保つことができない。
【００２０】
この課題を解決する手段としては第六に次の特徴を持つレンズを採用することによって解決される。すなわち、レンズの両面が非球面であり、Ｒ1面は凸面をしており、Ｒ2面の中心部は凸面をしており周辺部の於いて凹面になる形状をしている正レンズである非球面の形状に於いて光軸からの高さｈが0.5×ｆ に於けるＲ1面のサグ量Ｓｇ1が
0.2６＞Ｓｇ1/ｆ＞0.20
の範囲にあることである。
【００２１】
ここでサグ量とはレンズ各面と光軸の交点を含む光軸と直交する平面を基準に、光軸からの距離ｈ に対して平面から面の形状までの距離をサグ量とする。
【００２２】
平面よりレンズ面が凸面の様にレンズ内側に位置する場合をサグ量は＋と、平面よりレンズ面が凹面の様にレンズ外側に位置する場合をサグ量は−と表記する。
【００２３】
Ｓｇ1/ｆが０．２６を超えると画面周辺部の性能が悪化してしまう。そしてＳｇ1/ｆが０．２０以下になると、画面の中間部と周辺部の性能が悪化してしまう。
【００２４】
そして且つ光軸からの高さｈが0.２５×ｆに於けるＲ1面のサグ量Ｓｇ２が
0.０５４＞Ｓｇ２/ｆ＞0.０４４
の範囲にあることであり、Ｓｇ２/ｆ がこの範囲以外では画面中間部の性能が悪化してしまう。
【００２５】
そして且つ光軸からの高さｈが0.４２×ｆに於けるＲ２面のサグ量Ｓｇ３が
0＞Ｓｇ３/ｆ＞−0.０３５
の範囲にあることであり、Ｓｇ３/ｆが０を超えた場合は画面周辺部に向かって像がレンズ側に倒れてしまい、−０．０３５以下では画面周辺部に向かって像が上記とは逆方向に倒れてしまう。
【００２６】
そして且つ光軸からの高さｈが0.２１×ｆに於けるＲ２面のサグ量Ｓｇ４が
0.0２＞Ｓｇ4/ｆ＞０
の範囲にあることであり、Ｓｇ4/ｆが０．０２を超えると画面中間部の性能が悪化してしまう。
【００２７】
この様にＲＧＢ波長毎に収差を減らすための最適のレンズを準備したため、極めて高品質のカラー映像の再現が可能となる。
【００２８】
この課題を解決する手段としては第七に焦点距離ｆ に対するフィルターの厚さｔ の比が
0.１５＞ｔ/ｆ＞0.0６３
の範囲にあることを特徴とする撮像素子により解決される。ｔ／ｆ がこの範囲よりも大きくなると、重量、大きさともに大きくなり、本発明の目的を達成することができない。又、この範囲以下になると成膜による歪みや変形が大きくなり、所望の画像特性を保ち得ない。
【００２９】
この課題を解決する手段としては第八にて撮像センサーの有効範囲の対角Ｌに対する焦点距離ｆの比が
0.９５＞ｆ/Ｌ＞0.７９
の範囲にあることを特徴とする撮像素子により解決される。
【００３０】
この課題を解決する手段としては第九にレンズの屈折率ｎｄが
１．６２＞ｎｄ＞１．４５
の範囲にあることを特徴とする撮像素子によって解決される。
【発明の効果】
【００３１】
1個の撮像センサーを3波長域（ＲＧＢ）の領域に分割し、夫々に対応する3個のレンズを配置する光学系において、レンズ、ＩＲカットフィルター、カラー(ＲＧＢ)フィルター、マイクロレンズから光学系が構成され、レンズとＩＲカットフィルターとカラー(ＲＧＢ)フィルターとマイクロレンズおよび撮像センサーを機能的に一体化させ、３波長域（ＲＧＢ）それぞれの収差を減らすべく最適設計されたレンズを使用したため、上記実施例に示すように各波長にわたって、球面収差、非点収差、歪曲収差が少ない、しかも軽量コンパクトな撮像素子を得ることに成功した。
【実施例】
【００３２】
本発明の実施例として撮像素子の断面図を図１に示す。基板１０の上に撮像センサー９を貼り付け、さらにその上にマイクロレンズ８を一体化した。そして遮蔽壁により撮像センサー９とマイクロレンズ８をＲ、Ｇ、Ｂ領域に分離し、それぞれの領域にプラスチックレンズ５，６，７及びＲ，Ｇ，ＢフィルターとＩＲカットフィルターを一体化したもの及び絞り１を順次設けた。
【００３３】
プラスチックレンズはＺＥＯＮＥＸ  Ｅ４８Ｒ（商品名）使用した場合の設計結果を下記の表に示す。
波長λが５５０ｎｍ、焦点距離ｆが３．３３１９８ｍｍ、バックフォーカスが２．１７ｍｍ、Ｆナンバーが２．８の場合下記の表の数値を用いて設計した結果、図２の球面収差図、図３の非点収差図、図４の歪曲収差図を得た。なお、サグ量は下記の計算式を用いて計算した。
【数１】
2010041516.tif 000003
各光学面の特性
【表１】
2010041516.tif 000004
非球面係数
【表２】
2010041516.tif 000005
サグ量
【表３】
2010041516.tif 000006
【００３４】
波長λが４５０ｎｍ、焦点距離ｆが３．３３１９4ｍｍ、バックフォーカスが２．１５８ｍｍ、Ｆナンバーが２．８の場合下記の表の数値を用いて設計した結果、図５の球面収差図、図６の非点収差図、図７の歪曲収差図を得た。
各光学面の特性
【表４】
2010041516.tif 000007
非球面係数
【表５】
2010041516.tif 000008
サグ量
【表６】
2010041516.tif 000009
【００３５】
波長λが6５０ｎｍ、焦点距離ｆが３．３３２０２ｍｍ、バックフォーカスが２．１８４ｍｍ、Ｆナンバーが２．８の場合下記の表の数値を用いて設計した結果、図８の球面収差図、図９の非点収差図、図１０の歪曲収差図を得た。
各光学面の特性
【表７】
2010041516.tif 000010
非球面係数
【表８】
2010041516.tif 000011
サグ量
【表９】
2010041516.tif 000012
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の撮像素子の断面図である。
【図２】本発明のレンズの波長５５０ｎｍでの球面収差図である。
【図３】本発明のレンズの波長５５０ｎｍでの非点収差図である。
【図４】本発明のレンズの波長５５０ｎｍでの歪曲収差図である。
【図５】本発明のレンズの波長４５０ｎｍでの球面収差図である。
【図６】本発明のレンズの波長４５０ｎｍでの非点収差図である。
【図７】本発明のレンズの波長４５０ｎｍでの歪曲収差図である。
【図８】本発明のレンズの波長６５０ｎｍでの球面収差図である。
【図９】本発明のレンズの波長６５０ｎｍでの非点収差図である。
【図１０】本発明のレンズの波長６５０ｎｍでの歪曲収差図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  ・・・絞り
２  ・・・Ｒフィルター、IRカットフィルター
３  ・・・Gフィルター、IRカットフィルター
４  ・・・Ｂフィルター、IRカットフィルター
５  ・・・Ｒレンズ
６  ・・・Ｇレンズ
７  ・・・Ｂレンズ
８  ・・・マイクロレンズ
９  ・・・撮像センサー
１０・・・基板
【図１】
2010041516.tif 000013
【図２】
2010041516.tif 000014
【図３】
2010041516.tif 000015
【図４】
2010041516.tif 000016
【図５】
2010041516.tif 000017
【図６】
2010041516.tif 000018
【図７】
2010041516.tif 000019
【図８】
2010041516.tif 000020
【図９】
2010041516.tif 000021
【図１０】
2010041516.tif 000022