(57)【要約】ほぼ半球形である第一のレンズ (103) と、球形である第二のレンズ (101) と、ほぼ半球形である第三のレンズ (102) と、を含むレンズ系 (100a) 。これらのレンズ同士を、エポキシなどの接着剤 (104, 105) で支えて保持する。こうした接着剤に吸光色素を加えてもよい。本発明はまた、低廉な硝子球レンズを使って半球形レンズをつくることによる、硝子製のレンズ系の低廉な製造方法にも関する。【選択図】図３
2009526268.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凸面およびほぼ平坦な面を有する、第一のレンズと、
ほぼ球形である、第二のレンズと、
凸面およびほぼ平坦な面を有する、第三のレンズと、
前記第二のレンズの一部を前記第一のレンズの前記凸面にて支持し、且つ、前記第二のレンズの別の一部を前記第三のレンズの前記平坦な面にて支持する、第一の支持構造とを含むことを特徴とする、レンズ系。
【請求項２】
ほぼ球形である、第四のレンズと、
凸面およびほぼ平坦な面を有する、第五のレンズと、
前記第四のレンズの一部を前記第三のレンズの前記凸面にて支持し、且つ、前記第四のレンズの別の一部を前記第五のレンズの前記平坦な面にて支持する、第二の支持構造とをさらに含むことを特徴とする、請求項１記載のレンズ系。
【請求項３】
前記支持構造が、前記第二のレンズの周囲に環状に成形された第一の接着剤であり、
前記第一の接着剤が、第一の部位および第二の部位として成形されており、
前記第一の部位と前記第二の部位が異なる
ことを特徴とする、請求項１記載のレンズ系。
【請求項４】
前記支持構造が、前記第四のレンズの周囲に環状に成形された第二の接着剤であり、
前記第二の接着剤が、第三の部位および第四の部位として成形されており、
前記第四の部位と第五の部位が異なる
ことを特徴とする、請求項２記載のレンズ系。
【請求項５】
前記第一のレンズの前記ほぼ平坦な面に結合した、平板状光学素子
をさらに含むことを特徴とする、請求項１記載のレンズ系。
【請求項６】
前記平板状光学素子が、デジタル撮像装置のカバー硝子であることを特徴とする、請求項５記載のレンズ系。
【請求項７】
前記第二のレンズが球レンズであり、且つ、前記第二のレンズの屈折率が、前記第一の接着剤の屈折率よりも小さいことを特徴とする、請求項３記載のレンズ系。
【請求項８】
前記第二のレンズが、クラウン硝子を含むことを特徴とする、請求項７記載のレンズ系。
【請求項９】
前記第一のレンズが、ほぼ半球形であることを特徴とする、請求項１記載のレンズ系。
【請求項１０】
前記第一のレンズが、前記第二のレンズの屈折率よりも大きな屈折率を有する物質を含むことを特徴とする、請求項９記載のレンズ系。
【請求項１１】
前記第一のレンズをなす前記物質が、硝子、石英、金紅石、サファイア、および熔融石英のうちの少なくともひとつを含むことを特徴とする、請求項１０記載のレンズ系。
【請求項１２】
前記第三のレンズが、ほぼ半球形であることを特徴とする、請求項１記載のレンズ系。
【請求項１３】
前記第三のレンズが、前記第二のレンズの屈折率よりも大きな屈折率を有する物質を含むことを特徴とする、請求項１２記載のレンズ系。
【請求項１４】
前記第三のレンズをなす前記物質が、硝子、石英、金紅石、サファイア、および熔融石英のうちの少なくともひとつを含むことを特徴とする、請求項１３記載のレンズ系。
【請求項１５】
前記第一のレンズが、重フリント硝子を含み、像面平坦子として機能することを特徴とする、請求項１記載のレンズ系。
【請求項１６】
前記第一の接着剤が、エポキシであることを特徴とする、請求項３記載のレンズ系。
【請求項１７】
前記第一の接着剤が、吸光色素を、前記第一の接着剤の前記第一の部位と前記第二の部位のうちの少なくとも一方に有することを特徴とする、請求項３記載のレンズ系。
【請求項１８】
前記第一の接着剤が、吸光色素を、前記第一の接着剤の前記第一の部位と前記第二の部位の双方に有することを特徴とする、請求項１７記載のレンズ系。
【請求項１９】
前記第四のレンズが球レンズであり、且つ、前記第四のレンズの屈折率が、前記第二の接着剤の屈折率よりも小さいことを特徴とする、請求項４記載のレンズ系。
【請求項２０】
前記第四のレンズが、クラウン硝子を含むことを特徴とする、請求項１９記載のレンズ系。
【請求項２１】
前記第五のレンズが、ほぼ半球形であることを特徴とする、請求項２記載のレンズ系。
【請求項２２】
前記第五のレンズが、前記第四のレンズの屈折率よりも大きな屈折率を有する物質を含むことを特徴とする、請求項２１記載のレンズ系。
【請求項２３】
前記第五のレンズをなす前記物質が、硝子、石英、金紅石、サファイア、および熔融石英のうちの少なくともひとつを含むことを特徴とする、請求項２２記載のレンズ系。
【請求項２４】
前記第二の接着剤が、エポキシであることを特徴とする、請求項４記載のレンズ系。
【請求項２５】
前記第二の接着剤が、吸光色素を、前記第二の接着剤の前記第三の部位と前記第四の部位のうちの少なくとも一方に有することを特徴とする、請求項４記載のレンズ系。
【請求項２６】
前記第二の接着剤が、吸光色素を、前記第二の接着剤の前記第三の部位と前記第四の部位の双方に有することを特徴とする、請求項２４記載のレンズ系。
【請求項２７】
凸面と、デジタル撮像装置のカバー硝子に結合したほぼ平坦な面と、を含み、且つ、第一の屈折率を有する、第一のレンズと、
ほぼ球形であり、且つ、前記第一のレンズの前記凸面に一部が結合し、且つ、クラウン硝子球レンズであり、且つ、第二の屈折率を有する、第二のレンズと、
凸面と、ほぼ平坦な面と、を含み、且つ、第三の屈折率を有する、第三のレンズであって、ここで、
前記第三のレンズの前記ほぼ平坦な面が、前記第二のレンズの別の一部に結合し、
前記第二の屈折率が、前記第一の屈折率および前記第三の屈折率よりも小さい、
という第三のレンズと、
前記第一のレンズと前記第二のレンズと前記第三のレンズとを結合させる機能を有する、支持構造と、
上述した撮像レンズ系を介して画像を撮るための撮像装置と
を含み、前記撮像レンズ系は前記第一のレンズおよび前記第二のレンズおよび前記第三のレンズを含む
ことを特徴とする、撮像系。
【請求項２８】
前記支持構造が、接着剤であることを特徴とする、請求項２７記載の撮像系。
【請求項２９】
前記撮像レンズ系が、
ほぼ球形であり、且つ、前記第三のレンズの前記凸面に一部が結合し、且つ、クラウン硝子球レンズである、第四のレンズと、
凸面およびほぼ平坦な面を有する、第五のレンズと
をさらに含み、ここで、
前記第五のレンズの前記ほぼ平坦な面が、前記第四のレンズの別の一部に結合し、また、
前記支持構造が、前記第三のレンズと前記第四のレンズと前記第五のレンズとを結合させる機能をさらに有する
ことを特徴とする、請求項２７記載の撮像系。
【請求項３０】
複数の光センサーに関連する複数のマイクロレンズを有するセンサー表面を含んだデジタル撮像装置と、
レンズ系と
を含む撮像系であって、ここで、
前記レンズ系が、
凸面およびほぼ平坦な面を有する、第一のレンズと、
ほぼ球形である、第二のレンズと、
凸面およびほぼ平坦な面を有する、第三のレンズと、
前記第二のレンズの一部を前記第一のレンズの前記凸面にて支持し、且つ、前記第二のレンズの別の一部を前記第三のレンズの前記平坦な面にて支持する、支持構造と
を含み、また、
前記デジタル撮像装置と前記レンズ系とが、間に空気層を挟みつつ光学的に整列する
ことを特徴とする、撮像系。
【請求項３１】
前記支持構造が、前記第二のレンズの周囲に環状に成形された第一の接着剤であり、ここで前記第一の接着剤は、第一の部位および第二の部位として成形され、前記第一の部位と前記第二の部位は異なる、ということを特徴とする、請求項３０記載の撮像系。
【請求項３２】
前記レンズ系が、
ほぼ球形である、第四のレンズと、
凸面およびほぼ平坦な面を有する、第五のレンズと、
前記第四のレンズの一部を前記第三のレンズの前記凸面にて支持し、且つ、前記第四のレンズの別の一部を前記第五のレンズの前記平坦な面にて支持する、第二の支持構造とをさらに含むことを特徴とする、請求項３０記載の撮像系。
【請求項３３】
前記支持構造が、前記第四のレンズの周囲に環状に成形された第二の接着剤であり、ここで前記第二の接着剤は、第三の部位および第四の部位として成形され、前記第三の部位と前記第四の部位は異なる、ということを特徴とする、請求項３２記載の撮像系。
【請求項３４】
前記第二のレンズが球レンズであり、且つ、前記第二のレンズの屈折率が、前記第一の接着剤の屈折率よりも小さいことを特徴とする、請求項３１記載の撮像系。
【請求項３５】
前記第一のレンズがほぼ半球形であり、且つ、前記第一のレンズが、前記第二のレンズの屈折率よりも大きい屈折率を有する物質を含むことを特徴とする、請求項３０記載の撮像系。
【請求項３６】
前記第三のレンズがほぼ半球形であり、且つ、前記第三のレンズが、前記第二のレンズの屈折率よりも大きい屈折率を有する物質を含むことを特徴とする、請求項３０記載の撮像系。
【請求項３７】
前記第一のレンズが、重フリント硝子を含み、像面平坦子として機能することを特徴とする、請求項３０記載の撮像系。
【請求項３８】
前記第一の接着剤が、エポキシであることを特徴とする、請求項３１記載の撮像系。
【請求項３９】
前記第一の接着剤が、吸光色素を、前記第一の接着剤の前記第一の部位と前記第二の部位のうちの少なくとも一方に有することを特徴とする、請求項３１記載のレンズ系。
【請求項４０】
前記第二の接着剤が、吸光色素を、前記第二の接着剤の前記第三の部位と前記第四の部位のうちの少なくとも一方に有することを特徴とする、請求項３３記載の撮像系。
【請求項４１】
半導体ダイと、
前記半導体ダイに含まれる、画像を撮るための画素アレイと、
レンズ系と
を含む撮像モジュールであって、
前記撮像モジュールは前記レンズ系を介して画像を捉え、また
前記レンズ系が前記画素アレイと光学的に整列し、また、
前記レンズ系が、
凸面およびほぼ平坦な面を有する、第一のレンズと、
ほぼ球形である、第二のレンズと、
凸面およびほぼ平坦な面を有する、第三のレンズと、
前記第二のレンズの一部を前記第一のレンズの前記凸面にて支持し、且つ、前記第二のレンズの別の一部を前記第三のレンズの前記平坦な面にて支持する、第一の接着剤とを含み、また、
前記第一の接着剤が、前記第二のレンズを囲む
ことを特徴とする、撮像モジュール。
【請求項４２】
前記レンズ系を内包する鏡胴を支持する外殻を含んだレンズ部材
をさらに含むことを特徴とする、請求項４１記載の撮像モジュール。
【請求項４３】
前記半導体ダイの上面の端に近接して配置された、バンプパッド接続子と、
前記バンプパッド接続子に近接した、導電膜と、
前記導電膜に近接し、且つ、導電線、および、光を前記画素アレイへと導くことのできる開口部、を含んだ、可撓線と、
前記可撓線に近接し電気的に接続した、接続子と
をさらに含むことを特徴とする、請求項４１記載の撮像モジュール。
【請求項４４】
撮像レンズ系の製造方法であって、
撮像面に近接して、カバー硝子を配置するステップと、
前記カバー硝子に近接して、凸面およびほぼ平坦な面を有する第一のレンズを配置するステップと、
前記第一のレンズに近接して、ほぼ球形である第二のレンズを配置し、このとき前記第一のレンズの前記凸面を前記第二のレンズの一部に結合させるようにするステップと、
前記第二のレンズに近接して、凸面およびほぼ平坦な面を有する第三のレンズを配置し、このとき前記第三のレンズの前記平坦な面を前記第二のレンズの別の一部に結合させ
るようにするステップと、
前記第一のレンズと前記第二のレンズと前記第三のレンズとを共に結合するステップと
を含むことを特徴とする、方法。
【請求項４５】
前記第一のレンズおよび前記第二のレンズおよび前記第三のレンズの周囲に、第一の接着剤を注入することで、前記第一のレンズおよび前記第二のレンズおよび前記第三のレンズを通る光路を維持しつつ、前記第一のレンズおよび前記第二のレンズおよび前記第三のレンズを結合させるステップ
をさらに含むことを特徴とする、請求項４４記載の方法。
【請求項４６】
前記第三のレンズに近接して、ほぼ球形である第四のレンズを配置し、このとき前記第三のレンズの前記凸面を前記第四のレンズの一部に結合させるようにするステップと、
前記第四のレンズに近接して、凸面およびほぼ平坦な面を有する第五のレンズを配置し、このとき前記第五のレンズの前記平坦な面を前記第四のレンズの別の一部に結合させるようにするステップと、
前記第三のレンズと前記第四のレンズと前記第五のレンズとを共に結合するステップと
をさらに含むことを特徴とする、請求項４４記載の方法。
【請求項４７】
前記第三のレンズおよび前記第四のレンズおよび前記第五のレンズの周囲に、第二の接着剤を注入することで、前記第一のレンズおよび前記第二のレンズおよび前記第三のレンズおよび前記第四のレンズおよび前記第五のレンズを通る光路を維持しつつ、前記第三のレンズおよび前記第四のレンズおよび前記第五のレンズを結合させるステップ
をさらに含むことを特徴とする、請求項４６記載の方法。
【請求項４８】
撮像面内に組み込まれた所定の長さを持つ支柱を用いて、前記カバー硝子を、前記撮像面から前記所定の長さをとって配置することを特徴とする、請求項４４記載の方法。
【請求項４９】
前記第一のレンズの前記ほぼ平坦な面が、前記カバー硝子と結合することを特徴とする、請求項４４記載の方法。
【請求項５０】
前記第一の接着剤が、エポキシであることを特徴とする、請求項４５記載の方法。
【請求項５１】
前記エポキシが、紫外光硬化性であることを特徴とする、請求項５０記載の方法。
【請求項５２】
前記エポキシが、熱硬化性であることを特徴とする、請求項５０記載の方法。
【請求項５３】
前記第一の接着剤が、吸光色素を含むことを特徴とする、請求項４５記載の方法。
【請求項５４】
前記第二の接着剤が、エポキシであることを特徴とする、請求項４７記載の方法。
【請求項５５】
前記エポキシが、紫外光硬化性であることを特徴とする、請求項５４記載の方法。
【請求項５６】
前記エポキシが、熱硬化性であることを特徴とする、請求項５５記載の方法。
【請求項５７】
前記第二の接着剤が、吸光色素を含むことを特徴とする、請求項４７記載の方法。
【請求項５８】
前記第二のレンズが、硝子球レンズ製造工程から得られるものであることを特徴とする、請求項４４記載の方法。
【請求項５９】
前記第一のレンズおよび前記第三のレンズが、所定の厚さになるまで一端を研磨された球レンズから得られるものであることを特徴とする、請求項４４記載の方法。
【請求項６０】
前記研磨が、化学・機械的研磨工程を経て行われるものであることを特徴とする、請求項５９記載の方法。
【請求項６１】
複数の球レンズを、アレイ保持具に収めることで、前記複数の球レンズを同時に研磨できることを特徴とする、請求項５９記載の方法。
【請求項６２】
前記複数の球レンズを保持する前記アレイ保持具が、大型の板同士の間に挟まれるように位置し、同時に前記所定の厚さにまで研磨されることを特徴とする、請求項６１記載の方法。
【請求項６３】
前記レンズの前記所定の厚さが、前記板同士の間に挿入された支柱および終点検出器を用いて制御されることを特徴とする、請求項６２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置の分野に関し、具体的には、イメージセンサー用の一体型レンズ系に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ダイを含んだ集積回路、例えば電荷結合素子（CCD）センサーや相補型金属酸化物半導体（CMOS）センサーなどは、光撮像用途に汎く使われている。こうしたセンサーでは通常、単独のチップ上の画素アレイとして並ぶ幾千幾百万という数の画素セルを有している。画素セルは光を電気信号へと変換し、こうした電気信号は、保存しておいてから処理器（プロセッサ）などの電子装置によって呼び出せる。
【０００３】
半導体ダイは通常、撮像装置（デジタルカメラなど）内に封入されている。図１は、従来技術にかかるイメージセンサーモジュール2 を分解図で示したものである。モジュール
2 は、緩衝材 6 の上に置かれた半導体ダイ 4 を有し、さらには、半導体ダイ 4 の上面の四辺に近接した一連のバンプパッド接続子 8 をも有する。半導体ダイ 4 は、画素アレイ 5 を含む。導電膜 10 が、可撓線（flex tape） 12 を ダイ 4 および接続子 8 に接続している。可撓線 12 は、接続子 14 に繋がる導線を有し、且つ、画素アレイへと光を通す開口部 16 を持つ。妨撓材 18 はモジュール 2 をさらに補強する。赤外（IR）フィルター 20 を画素アレイとレンズ部材 22 との間の光路内に整列配置できる。こうした赤外フィルターは、可撓線 12 上に接着する。レンズ部材 22 には、鏡胴 26 を支える外殻
24 が含まれ、鏡胴 26 には画素アレイ上に光を合焦するためのレンズ系が内包される。レンズ系は鏡胴 26 内に整列配置され、半導体ダイ 4 上の画素アレイの表面から焦点距離をとって固定される。このようにして、鮮明な画像が得られる。
【０００４】
照射への画素応答を高めるために、マイクロレンズ 32 のアレイを、画素アレイ 5 中の感光性画素セル 28 の各々の上に配置できる（図２Ａおよび図２Ｂの撮像装置 50 を参照）。こうしたマイクロレンズ 32 を使って、光電装置（画素セル 28 の光ダイオードなど）上に電磁気照射を合焦する。アレイ中のマイクロレンズ 32 それぞれの中心を、対応する画素 28 の中心に合わせて並べるようにしてもよい。あるいは、アレイ中のマイクロレンズ 32 それぞれの中心を、光センサーへの直射光を遮って優勢な光入射角に適応させるよう、対応する画素 28 の中心からずらして並べるようにしてもよい。こうした角度のことをよく、光学系の主光線角（Chief Ray Angle; CRA）と呼ぶ。CRAは、モジュールの光学中心を基準とした画素の位置に依存する。
【０００５】
半導体に基づくイメージセンサーを、より小型および／もしくは携帯型である用途（デジタルカメラや携帯電話など）に使うようになってくるにつれて、求められるセンサー画素の大きさが、3 μm未満にまで縮小している。こうした小型化にともなって、鏡胴 26 内の撮像レンズの配置の正確さと空間的な安定性とに求められる程度が高くなっている。典型的には、レンズの焦点面は焦点位置から±10 μmよりも大きくずれるべきではない。現行のレンズ部材によく使われているプラスチックレンズと装着部は、屈折率と機構的な寸法が温度に依って激しく変動してしまうので、プラスチックレンズを使っている限りは、焦点ずれを小さく維持するという要請を叶えるのは難しい。硝子レンズは安定性は高いのだが、費用が嵩んでしまう。硝子レンズの既知の製造方法は高くつくため、携帯型イメージセンサーに硝子レンズを使うのを躊躇っても不思議ではない。したがって、安定な硝子撮像レンズ系を低廉に製造する別の手法を見出すのが望ましいと云える。
【発明の開示】
【０００６】
本発明では、デジタル撮像装置用の、低廉な硝子撮像レンズ系を提供する。
【０００７】
本発明の例示的な実施形態においては、ほぼ半球形（hemispherical）である第一のレンズ、球形である第二のレンズ、およびほぼ半球形である第三のレンズ、を有するレンズ系を提供する。これらのレンズはエポキシ（エポキシ樹脂）などの接着剤を以って共に保持される。この接着剤には吸光色素を含めてもよい。本発明はまた、硝子を用いたレンズ系の低廉な製造方法にも関する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
上述した本発明の特徴については、以降の詳細な記載を付随する図面を参照しつつ読むことで明瞭に理解できるであろう。
【０００９】
以降の詳細な説明では付随の図面を参照する。この図面は明細書の一部をなし、本発明を実施可能な特定の実施形態を例示の目的を以って描いている。これらの実施形態群は、当業者が本発明を実施する上で充分な程度に詳細に記載されている。そして、本発明の本質と範囲から逸脱することなく、他の実施形態を利用したり変更を加えたりできることについても理解されたい。記載した処理工程（ステップ）の進行は、本発明の実施形態の例であるが、それら工程の順番は本明細書に記載したものに限定されるわけではなく、当該技術分野において公知であるように（特定の順番で行う必要がある工程群を除き）変更をしてもよい。
【００１０】
本発明は、撮像装置用の硝子レンズ系、および、そうしたレンズ系の低廉な製造方法に関する。複硝子レンズ系はデジタル撮像装置にとって理想的な手法である。硝子レンズの表面品質はプラスチックレンズよりも良好に保たれ、且つ硝子レンズは収縮することがない。しかしながら従来の硝子レンズ系の製造方法はきわめて高価であるため、こうしたレンズ系はデジタル撮像装置には費用的に使いづらいと云える。
【００１１】
より詳細に後述するように、本発明にかかるレンズ系には、間に空隙を挟むことなく並べて接着剤で結合された、三個から五個の硝子部品を含む。これらのレンズ部品は「硝子」からできていると称しているが、何かほかの透明な材料からつくったものであってもかまわない。そうした材料としては例えば、石英、金紅石、サファイア、熔融石英、などの当該技術分野にて公知な材料がある。また、接着剤を本明細書中では「エポキシ」と呼んでいるが、そうした接着剤として、熱可塑性プラスチック、ゲル、もしくは当該技術分野にて公知である何かほかの適切な接着剤を用いてもよい。
【００１２】
図３は、本発明の第一実施形態例にかかる、レンズ系 100a の断面図を描いている。中央の球レンズ 101 は低屈折率硝子（クラウン硝子など）であり、高屈折率のエポキシ 104, 105 に囲まれている。このエポキシ 104, 105 は、球レンズを囲む環状構造をしている。見方を変えると、エポキシ 104, 105 は、高屈折率硝子からつくられた二つの半球形レンズ 102, 103 の間に挟まれるように位置している。後方の半球形レンズ 103 は、重フリント硝子（heavy flint）からつくられており、像面平坦子として機能し、主光線角（CRA）の最大値を適切なところにとどめる。なお、CRAによって、撮像装置から得られる（対象物の実際のサイズとの比としての）画像サイズが決まってくる。平坦な硝子板であるカバー硝子 106 は、イメージセンサー 108 の上に位置し、空隙 107 をカバー硝子 106 とイメージセンサー 108 との間にとってある。工程中には、イメージセンサー 108 内に組み込まれた支柱 109 を用いて空隙 107 を維持している。空隙 107 により、レンズ系 100a を組み立てた後の焦点調節が可能となり、しかも同時にイメージセンサー 108 の表面のマイクロレンズ 32 （図２Ｂ）の適切な動作に必要な空気界面（air interface）も得られる。支柱 109 の長さを所望の長さへと削りこんで、焦点調節を行ってもよい。
【００１３】
高い光学的解像度を得るには、レンズ系 100a のための硝子材料とエポキシ材料の適切な組み合わせを択べばよい。硝子部品とエポキシ部品の屈折率の違いから、光学系に大きな視野角を与えることができる。また、分散率の違いから、色収差を適切に補正できる。レンズ系 100a で高解像度を得るために、レンズ系 100a の各レンズの動作スペクトル範囲を、三原色のうちの一色に限定してもよい。温度・圧力・湿度の変動を受けても光学的性能を望むままに長期間安定させるには、環境的に安定な硝子材料、金属材料、およびセラミック材料のみを択ぶようにする。
【００１４】
図４に示したように、レンズ系の第二実施形態 100a' では、アポディゼーションのかかった光学絞り 111 が得られる。アポディゼーションのかかった光学絞り 111 によって、レンズ系 100a' はレンズ系 100a よりも開口を小さくできる。こうしたことを行うには、エポキシを注入する際に、エポキシ 104', 105' の一方もしくは双方に適切な量の吸光色素を混ぜ込めばよい。吸光色素の混入により、レンズ系 100a' の開口 110 は（レンズ系 100a のそれに較べて）小さくなる。図４では、エポキシ 104' およびエポキシ 105' の双方に色素を入れたレンズ系 100a' を描いているが、上述したように、望むならばエポキシ 104' かエポキシ 105' かの一方だけに色素を注入するようにもできる。
【００１５】
本発明の第三の実施形態を図５に示した。この実施形態には、五つの硝子部品がレンズ
101, 102, 103, 112, 113 として含まれている。第三の実施形態のレンズ系 100b は、第一実施形態（図３）のレンズ系 100a の構造に加えてさらに、環状エポキシ 114, 115 に囲まれた追加の球レンズ 112 および半球形レンズ 113 を有する。図６に示すように、レンズ系 100b' にかかる第四の実施形態のエポキシ 104', 105', 114', 115' のうちの任意の一つ以上のものに吸光色素を混ぜて、第二実施形態 100a' （図４）と同様に、アポディゼーションのかかった光学絞り 116 をつくることも可能である。
【００１６】
本発明にしたがって設計された光学レンズ系により、以下に挙げるような望ましい特性を持つレンズ系が得られる。すなわち、レンズ系が、撮像用途の範囲を押さえた10°から65°の対角方向視野角（FOV）を有すること。個々のレンズの撮像領域の大きさが、1/4"以下の形式に対応すること。レンズの解像度が、ミリメートルあたり200ラインでの変調伝達関数が40%に至るようにできること。光学的設計が、高精度な製造工程にそぐうものであって、且つ環境条件の変化に対して良好な安定性を呈すること。レンズの背面と、撮像面との間に空隙を挟み込むことで、焦点調節が可能な光学設計であること。レンズについての主光線角（CRA）の最大値が、約30度以下になるよう抑えられること。
【００１７】
より詳しくは後述するが、本発明にかかるレンズ系の組立方法は、低廉且つ精確である。本発明にかかる設計には、球レンズ（球形硝子部品）と、部分的に研いだ球レンズとのみを組み込んでおり、これらは高精度に製造可能なものである。本発明にかかるレンズ系の製造工程フローを、図７および図８に示した。
【００１８】
球形の硝子球レンズは、ステップ S1 にて、従来技術にかかる精密で低廉な硝子球の製造工程（例えば許容誤差1 μm）を用いて製造される。こうした硝子球レンズは、本発明の種々の実施形態において、球形レンズ 101, 112 として使用できる。ステップ S2 では、これらの球形の硝子球レンズを所定の厚みになるまで化学・機械研磨（CMP）工程などで研磨して、半球形レンズをつくることもできる。なお、球レンズ 101, 112 として用いる球形の硝子球レンズは、ステップ S2 で半球形レンズをつくるために使う球形の硝子球レンズの材質とは違う類の材質であってもよい、ということを理解されたい。これらの半球形レンズは、本発明の種々の実施形態において、レンズ 102, 103, 113 として使用できる。半球形レンズ 102, 103, 113 の厚さは、本レンズ系の種々の実施形態の焦点を決める助けとなる。
【００１９】
本発明にかかる撮像レンズ系 100a, 100a', 100b, 100b' の設計は、調整が容易で、焦点合わせの不要な（focus-free）部材を目的としている。ステップ S3 では、イメージセンサー 108 の製造中にシリコンに組み込む基準支柱 109 の上に高精度に研磨したカバー硝子 106 を載せることで、カバー硝子 106 を、イメージセンサー 108 の表面から精確な或る高さに来るように配置する。ステップ S4 では、半球形レンズ 103 の平坦な面を、カバー硝子 106 を基準として置く（図３、図４、図５、図６参照）。中央の球レンズ 101 は、完全に球対称であって、ステップ S5 にて二つの半球形レンズ 102, 103 の間に挟んだ際に、角度調節をする必要が無いようになっている。ステップ S6 では、半球形である第二のレンズ 102 を、中央の球レンズ 101 に隣接させる。その後ステップ S7 では、エポキシ 104, 105 をレンズ 101, 102, 103 の周りに注入して、レンズ系 100a を固定する。このエポキシ 104, 105 を用いることで、特定のエポキシの選択に依りレンズ系
100a の屈折率を補正できる。エポキシ 104, 105 は紫外（UV）光硬化性であってもよいし、熱硬化性であってもよい。また、エポキシ 104, 105 には吸光色素を任意に含めることもできる。
【００２０】
別の手法として、画素アレイに対応したレンズ系のアレイを製造してもよい。この場合、ステップ S2 にて、球形の硝子球レンズのアレイをアレイ保持構造物内に収めて研磨することで、研磨後にできあがる半球形レンズ群が共線関係にある平面を持つことになる。ステップ S4 では、半球形レンズ 103 のアレイが、カバー硝子面に隣接して置かれる。ステップ S6 では、基準支柱を用いて、カバー硝子表面を基準として、精確に或る空隙をとることで、半球形レンズ 102 のアレイ保持構造物全体をいちどきに整列させることもできる。残りのステップ S1, S3, S5, S7 は、上記と同様に仕上げる。
【００２１】
図７の製造フロー工程から得られる構造物は、本発明の第一実施形態例 100a （図３）である。エポキシ 104, 105 の注入の際には、所望であれば、任意に吸光色素をエポキシ
104', 105' に混ぜて、第二実施形態 100a' （図４）のアポディゼーションのかかった光学絞り 111 をつくることもできる。
【００２２】
図８には、五つのレンズを具えたレンズ系 100b の製造に必要な追加の製造工程を示してある。ステップ S8 では、追加の球レンズ 112 を、半球形レンズ 102 に隣接させて置く。ステップ S9 では、半球形レンズ 113 を球レンズ 112 に隣接させて置く。ステップ
S10 では、エポキシ 114, 115 を注入してレンズ 112, 113 をとり囲むことで、レンズ系 100b （図５）を作成する。また、吸光色素を混ぜ込んだエポキシ 114', 115' で、レンズ系 100b' （図６）をつくることも任意に可能である。
【００２３】
図９には、例示的なCMOS撮像装置 1100 を示している。この撮像装置 1100 に併せて、本発明にかかるレンズ部材を、画素アレイ 1105 上に画像を合焦するようにして使用できる。CMOS撮像装置 1100 の画素アレイ 1105 は、図１の半導体ダイ 4 に実装された画素アレイ 5 に対応してもよい。このCMOS画素アレイ回路は従来技術にかかるものなので、本明細書では簡単に述べるにとどめる。アレイ 1105 の行線は、行アドレスデコーダー 1120 に応じて行駆動子 1110 により選択的に活性化される。列駆動子 1160 および列アドレスデコーダー 1170 も、撮像装置 1100 に含まれる。撮像装置 1100 は、アドレスデコーダー 1120, 1170 ならびに行駆動子 1110 を制御するタイミング・制御回路 1150 により操作される。
【００２４】
列駆動子 1160 に接続するサンプル・ホールド回路 1161 は、選択された画素についての画素リセット信号 Vrst と画素画像信号 Vsig を読み出す。各画素について、差分信号
(Vrst-Vsig) を差動増幅器 1162 で増幅し、アナログ→デジタル変換器（ADC） 1175 でデジタル化する。アナログ→デジタル変換器 1175 は、デジタル化した画素信号を、デジ
タル画像を形成して出力する画像処理器 1180 へと渡す。
【００２５】
図１０には、典型的な処理系である系 440 を示している。系 440 には、本発明にかかる撮像装置 450 （図９に示した撮像装置 1100 など）が含まれる。処理系 440 は、デジタル回路（撮像センサー装置を含んでもよい）を有する系の例である。限定をするわけではないが、こうした系としては、コンピュータシステム、カメラシステム、スキャナー、マシンビジョン、車輌誘導システム、テレビ電話、監視システム、オートフォーカスシステム、天文追跡システム、動き検出システム、画像安定システム、または、撮像装置を用いるその他のシステム、が含まれうる。
【００２６】
系 440 （カメラシステムなど）は一般に中央処理ユニット（CPU） 444 （マイクロプロセッサなど）を含み、このCPU 444 は入出力（I/O）装置 446 とバス 452 を介して通信する。系 440 には、本発明の実施形態にかかるレンズ系を有する撮像装置 450 が含まれる。撮像装置 450 もまた、系 440 とバス 452 を介して通信する。
【００２７】
処理系 440 には、ランダムアクセスメモリ（RAM） 448 も含まれ、さらにコンピュータシステムの場合には、フロッピーディスクドライブ 454 、コンパクトディスク（CD）ROMドライブ 456 、もしくはフラッシュメモリ 458 などの周辺機器を含めてもよい。こうした周辺機器も、CPU 444 とバス 452 を介して通信する。フロッピーディスクドライブ 454 、CD-ROMドライブ 456 、もしくはフラッシュメモリ 458 は、撮像装置 450 が撮った画像を保存する。撮像装置 450 は、集積回路（メモリストレージを有しても有しなくともよい）として構築される。また、撮像装置 450 は、本発明にかかる撮像レンズ系を含む。
【００２８】
さらには、本発明にかかるレンズ系を、図１のイメージセンサーモジュール 2 の鏡胴 26 内に、従来のレンズ系に代えて収めることも可能と考えられる。
【００２９】
本明細書に記載した実施形態群からわかるように、本発明は、デジタル撮像装置（CMOS撮像装置もしくはCCD撮像装置など）で用いる撮像レンズ系を包摂する。
【００３０】
上述した記載と図面は、本発明の特徴と効果を得られる実施形態例を示すためのものに過ぎない。本明細書には本発明の実施形態例を記載しているが、本発明の本質もしくは範囲から逸脱することなく多様な変形（材料の置換をも含む）を実施可能である。したがって、上述の記載とそれに付随した図面は、本発明の特徴と効果を得られる実施形態例を示すものに過ぎない。つまり本発明を、本明細書に示し記載した実施形態に限定する企図は無い。本発明は、付随の請求項の範囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】従来技術にかかる典型的な半導体イメージセンサーモジュールを示す。
【図２Ａ】従来技術にかかる、マイクロレンズアレイを有する撮像装置の側方断面図である。
【図２Ｂ】図２Ａのマイクロレンズアレイの上面図である。
【図３】本発明の第一実施形態例にかかる、レンズ系を描いたものである。
【図４】本発明の第二実施形態例にかかる、レンズ系を描いたものである。
【図５】本発明の第三実施形態例にかかる、レンズ系を描いたものである。
【図６】本発明の第四実施形態例にかかる、レンズ系を描いたものである。
【図７】本発明の第一実施形態例および第二実施形態例にかかる製造ステップを示すフローチャートである。
【図８】図７のフローチャートの続きとして、本発明の第三実施形態例および第四実施形態例にかかる追加製造ステップを示すフローチャートである。
【図９】本発明の実施形態と組み合わせて用いる、CMOSイメージセンサーを描いたものである。
【図１０】本発明のいずれかの実施形態にかかる、レンズ系を具えた撮像装置を有する計算機系の図解である。
【図１】
2009526268.tif 000003
【図２Ａ】
2009526268.tif 000004
【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年10月7日(2008.10.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凸面およびほぼ平坦な面を有する、第一のレンズと、
ほぼ球形である、第二のレンズと、
凸面およびほぼ平坦な面を有する、第三のレンズと、
前記第二のレンズの一部を前記第一のレンズの前記凸面にて支持し、且つ、前記第二のレンズの別の一部を前記第三のレンズの前記平坦な面にて支持する、第一の支持構造とを含むことを特徴とする、レンズ系。
【請求項２】
ほぼ球形である、第四のレンズと、
凸面およびほぼ平坦な面を有する、第五のレンズと、
前記第四のレンズの一部を前記第三のレンズの前記凸面にて支持し、且つ、前記第四のレンズの別の一部を前記第五のレンズの前記平坦な面にて支持する、第二の支持構造とをさらに含むことを特徴とする、請求項１記載のレンズ系。
【請求項３】
前記第一の支持構造が、前記第二のレンズの周囲に環状に成形された第一の接着剤であり、
前記第一の接着剤が、第一の部位および第二の部位として成形されており、
前記第一の部位と前記第二の部位が異なり、
前記第二の支持構造が、前記第四のレンズの周囲に環状に成形された第二の接着剤であり、
前記第二の接着剤が、第三の部位および第四の部位として成形されており、
前記第三の部位と前記第四の部位が異なる
ことを特徴とする、請求項１記載のレンズ系。
【請求項４】
前記第一のレンズの前記ほぼ平坦な面に結合した、平板状光学素子
をさらに含むことを特徴とする、請求項１記載のレンズ系。
【請求項５】
前記平板状光学素子が、デジタル撮像装置のカバー硝子であることを特徴とする、請求項４記載のレンズ系。
【請求項６】
前記第二のレンズが球レンズであり、且つ、前記第二のレンズの屈折率が、前記第一の接着剤の屈折率よりも小さいことを特徴とする、請求項３記載のレンズ系。
【請求項７】
前記第二のレンズが、クラウン硝子を含むことを特徴とする、請求項６記載のレンズ系。
【請求項８】
前記第一のレンズが、ほぼ半球形であることを特徴とする、請求項１記載のレンズ系。
【請求項９】
前記第一のレンズが、前記第二のレンズの屈折率よりも大きな屈折率を有する物質を含むことを特徴とする、請求項８記載のレンズ系。
【請求項１０】
前記第一のレンズをなす前記物質が、硝子、石英、金紅石、サファイア、および熔融石英のうちの少なくともひとつを含むことを特徴とする、請求項９記載のレンズ系。
【請求項１１】
前記第三のレンズが、ほぼ半球形であることを特徴とする、請求項１記載のレンズ系。
【請求項１２】
前記第三のレンズが、前記第二のレンズの屈折率よりも大きな屈折率を有する物質を含むことを特徴とする、請求項１１記載のレンズ系。
【請求項１３】
前記第三のレンズをなす前記物質が、硝子、石英、金紅石、サファイア、および熔融石英のうちの少なくともひとつを含むことを特徴とする、請求項１２記載のレンズ系。
【請求項１４】
前記第一のレンズが、重フリント硝子を含み、像面平坦子として機能することを特徴とする、請求項１記載のレンズ系。
【請求項１５】
前記第一の接着剤が、エポキシであることを特徴とする、請求項３記載のレンズ系。
【請求項１６】
前記第一の接着剤が、吸光色素を、前記第一の接着剤の前記第一の部位と前記第二の部位のうちの少なくとも一方に有することを特徴とする、請求項３記載のレンズ系。
【請求項１７】
前記第一の接着剤が、吸光色素を、前記第一の接着剤の前記第一の部位と前記第二の部位の双方に有することを特徴とする、請求項１６記載のレンズ系。
【請求項１８】
前記第四のレンズが球レンズであり、且つ、前記第四のレンズの屈折率が、前記第二の接着剤の屈折率よりも小さいことを特徴とする、請求項３記載のレンズ系。
【請求項１９】
前記第四のレンズが、クラウン硝子を含むことを特徴とする、請求項１８記載のレンズ系。
【請求項２０】
前記第五のレンズが、ほぼ半球形であることを特徴とする、請求項２記載のレンズ系。
【請求項２１】
前記第五のレンズが、前記第四のレンズの屈折率よりも大きな屈折率を有する物質を含むことを特徴とする、請求項２０記載のレンズ系。
【請求項２２】
前記第五のレンズをなす前記物質が、硝子、石英、金紅石、サファイア、および熔融石英のうちの少なくともひとつを含むことを特徴とする、請求項２１記載のレンズ系。
【請求項２３】
前記第二の接着剤が、エポキシであることを特徴とする、請求項３記載のレンズ系。
【請求項２４】
前記第二の接着剤が、吸光色素を、前記第二の接着剤の前記第三の部位と前記第四の部位のうちの少なくとも一方に有することを特徴とする、請求項３記載のレンズ系。
【請求項２５】
前記第二の接着剤が、吸光色素を、前記第二の接着剤の前記第三の部位と前記第四の部位の双方に有することを特徴とする、請求項２３記載のレンズ系。
【請求項２６】
凸面と、デジタル撮像装置のカバー硝子に結合したほぼ平坦な面と、を含み、且つ、第一の屈折率を有する、第一のレンズと、
ほぼ球形であり、且つ、前記第一のレンズの前記凸面に一部が結合し、且つ、クラウン硝子球レンズであり、且つ、第二の屈折率を有する、第二のレンズと、
凸面と、ほぼ平坦な面と、を含み、且つ、第三の屈折率を有する、第三のレンズであって、ここで、
前記第三のレンズの前記ほぼ平坦な面が、前記第二のレンズの別の一部に結合し、
前記第二の屈折率が、前記第一の屈折率および前記第三の屈折率よりも小さい、
という第三のレンズと、
前記第一のレンズと前記第二のレンズと前記第三のレンズとを結合させる機能を有する、支持構造と、
上述した撮像レンズ系を介して画像を撮るための撮像装置と
を含み、前記撮像レンズ系は前記第一のレンズおよび前記第二のレンズおよび前記第三のレンズを含む
ことを特徴とする、撮像系。
【請求項２７】
前記支持構造が、接着剤であることを特徴とする、請求項２６記載の撮像系。
【請求項２８】
前記撮像レンズ系が、
ほぼ球形であり、且つ、前記第三のレンズの前記凸面に一部が結合し、且つ、クラウン硝子球レンズである、第四のレンズと、
凸面およびほぼ平坦な面を有する、第五のレンズと
をさらに含み、ここで、
前記第五のレンズの前記ほぼ平坦な面が、前記第四のレンズの別の一部に結合し、また、
前記支持構造が、前記第三のレンズと前記第四のレンズと前記第五のレンズとを結合させる機能をさらに有する
ことを特徴とする、請求項２６記載の撮像系。
【請求項２９】
撮像レンズ系の製造方法であって、
撮像面に近接して、カバー硝子を配置するステップと、
前記カバー硝子に近接して、凸面およびほぼ平坦な面を有する第一のレンズを配置するステップと、
前記第一のレンズに近接して、ほぼ球形である第二のレンズを配置し、このとき前記第一のレンズの前記凸面を前記第二のレンズの一部に結合させるようにするステップと、
前記第二のレンズに近接して、凸面およびほぼ平坦な面を有する第三のレンズを配置し、このとき前記第三のレンズの前記平坦な面を前記第二のレンズの別の一部に結合させるようにするステップと、
前記第一のレンズと前記第二のレンズと前記第三のレンズとを共に結合するステップ
と
を含むことを特徴とする、方法。
【請求項３０】
前記第一のレンズおよび前記第二のレンズおよび前記第三のレンズの周囲に、第一の接着剤を注入することで、前記第一のレンズおよび前記第二のレンズおよび前記第三のレンズを通る光路を維持しつつ、前記第一のレンズおよび前記第二のレンズおよび前記第三のレンズを結合させるステップ
をさらに含むことを特徴とする、請求項２９記載の方法。
【請求項３１】
前記第三のレンズに近接して、ほぼ球形である第四のレンズを配置し、このとき前記第三のレンズの前記凸面を前記第四のレンズの一部に結合させるようにするステップと、
前記第四のレンズに近接して、凸面およびほぼ平坦な面を有する第五のレンズを配置し、このとき前記第五のレンズの前記平坦な面を前記第四のレンズの別の一部に結合させるようにするステップと、
前記第三のレンズと前記第四のレンズと前記第五のレンズとを共に結合するステップと
をさらに含むことを特徴とする、請求項２９記載の方法。
【請求項３２】
前記第三のレンズおよび前記第四のレンズおよび前記第五のレンズの周囲に、第二の接着剤を注入することで、前記第一のレンズおよび前記第二のレンズおよび前記第三のレンズおよび前記第四のレンズおよび前記第五のレンズを通る光路を維持しつつ、前記第三のレンズおよび前記第四のレンズおよび前記第五のレンズを結合させるステップ
をさらに含むことを特徴とする、請求項３１記載の方法。
【請求項３３】
撮像面内に組み込まれた所定の長さを持つ支柱を用いて、前記カバー硝子を、前記撮像面から前記所定の長さをとって配置することを特徴とする、請求項２９記載の方法。
【請求項３４】
前記第一のレンズの前記ほぼ平坦な面が、前記カバー硝子と結合することを特徴とする、請求項２９記載の方法。
【請求項３５】
前記第一の接着剤が、エポキシであることを特徴とする、請求項３０記載の方法。
【請求項３６】
前記エポキシが、紫外光硬化性であることを特徴とする、請求項３５記載の方法。
【請求項３７】
前記エポキシが、熱硬化性であることを特徴とする、請求項３５記載の方法。
【請求項３８】
前記第一の接着剤が、吸光色素を含むことを特徴とする、請求項３０記載の方法。
【請求項３９】
前記第二の接着剤が、エポキシであることを特徴とする、請求項３２記載の方法。
【請求項４０】
前記エポキシが、紫外光硬化性であることを特徴とする、請求項３９記載の方法。
【請求項４１】
前記エポキシが、熱硬化性であることを特徴とする、請求項３９記載の方法。
【請求項４２】
前記第二の接着剤が、吸光色素を含むことを特徴とする、請求項３２記載の方法。
【請求項４３】
前記第二のレンズが、硝子球レンズ製造工程から得られるものであることを特徴とする、請求項２９記載の方法。
【請求項４４】
前記第一のレンズおよび前記第三のレンズが、所定の厚さになるまで一端を研磨された
球レンズから得られるものであることを特徴とする、請求項２９記載の方法。
【請求項４５】
前記研磨が、化学・機械的研磨工程を経て行われるものであることを特徴とする、請求項４４記載の方法。
【請求項４６】
複数の球レンズを、アレイ保持具に収めることで、前記複数の球レンズを同時に研磨できることを特徴とする、請求項４４記載の方法。
【請求項４７】
前記複数の球レンズを保持する前記アレイ保持具が、大型の板同士の間に挟まれるように位置し、前記複数の球レンズが同時に前記所定の厚さにまで研磨されることを特徴とする、請求項４６記載の方法。
【請求項４８】
前記レンズの前記所定の厚さが、前記板同士の間に挿入された支柱および終点検出器を用いて制御されることを特徴とする、請求項４７記載の方法。
【国際調査報告】
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2009526268.tif 000015
2009526268.tif 000016
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