(57)【要約】【課題】イメージセンサの受光面上にマイクロレンズアレイを配置することができ、像面湾曲収差等の結像光学系の収差を容易に改善することができる撮像装置を提供する。【解決手段】撮像装置は、開口部１と、集光レンズ２と、透明材料からなるカバー部材３と、イメージセンサ５と、センサパッケージ７とを備えている。撮像装置の前方の被写体から出た光は、開口部１を通って集光レンズ２に入り、集光レンズ２を透過した後、カバー部材３を経由してイメージセンサ５の受光面５ａに集光される。カバー部材３とイメージセンサ５とは、マイクロレンズアレイの配置が可能な間隔を隔てて接近して配置されている。カバー部材３には、像面湾曲収差を補正する凹面レンズ３ａが一体形成されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
結像レンズによりイメージセンサの受光面に被写体の画像が結像されるようになっている撮像装置において、
凹面レンズと一体化され、イメージセンサに接近した位置で該イメージセンサとは離間して受光面を覆う透明なカバー部材を備えていることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
上記イメージセンサが、結像レンズに対して受光面が凹面状となるように湾曲していることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
上記凹面レンズが、凹面レンズ光軸が凹面状のイメージセンサの中心に一致するように配置されていることを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結像レンズによりイメージセンサの受光面に被写体の画像が結像されるようになっている撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、カメラ搭載携帯電話等の携帯情報端末には撮像装置が用いられるが、この種の撮像装置では、一般に、結像レンズによって、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）等のイメージセンサの受光面上に被写体の画像が結像されるようになっている。かかる従来の撮像装置では、例えば特許文献１に開示されているように、結像光学系の像面湾曲収差を改善するために、イメージセンサの受光面上に、透明樹脂からなる凹面状の収差補正レンズが一体的に形成されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６４−７８２０９号公報（第２頁右下欄、図３）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このように受光面上に収差補正レンズが一体的に形成された撮像装置では、樹脂を所定の凹面状に成形するのが困難であり、精度良く凹面形状を形成することができないといった問題がある。また、この種の撮像装置では、集光効率を高めるために、イメージセンサの画素上にマイクロレンズアレイを配置することがあるが、イメージセンサの受光面に樹脂で収差補正レンズを形成すると、マイクロレンズアレイを配置することができなくなるといった問題がある。
【０００５】
本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、イメージセンサの画素上にマイクロレンズアレイを配置することができ、かつ像面湾曲収差等の結像光学系の収差を容易に改善することができる撮像装置を提供することを解決すべき課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた本発明にかかる撮像装置は、結像レンズ（すなわち、集光レンズ）によりイメージセンサ（例えば、ＣＣＤ）の受光面に被写体の画像が結像されるようになっている撮像装置において、凹面レンズと一体化（ないしは、一体形成）され、イメージセンサに接近した位置で該イメージセンサとは離間して受光面を覆う透明なカバー部材（例えば、カバーガラス）を備えていることを特徴とするものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を具体的に説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる撮像装置の側面断面図である。図１に示すように、この撮像装置は、開口部１（アパーチャ）と、集光レンズ２（結像レンズ）と、透明材料（例えば、アクリル樹脂、ガラス等）からなるカバー部材３と、平板状のイメージセンサ５と、センサパッケージ７とを備えている。なお、以下では便宜上、集光レンズ２とカバー部材３とイメージセンサ５とが一列に並ぶ方向（図１における位置関係では左右方向）にみて、集光レンズ側を「前」といい、イメージセンサ側を「後」ということにする。
【０００８】
そして、この撮像装置では、撮像装置の前方の被写体（図示せず）から出た光（物体光）が、開口部１を通って集光レンズ２に入り、集光レンズ２を透過した後、カバー部材３を経由してイメージセンサ５の受光面５ａ（すなわち、画素面）に集光される。かくして、基本的には、集光レンズ２によりイメージセンサ５の受光面５ａに、被写体の画像が結像される。
【０００９】
センサパッケージ７は、前側が開口する容器状のものであって、その内部にイメージセンサ５が、受光面５ａが前向きとなるように固定されている。そして、センサパッケージ７の前側の開口端にカバー部材３が取り付けられ、イメージセンサ５は、センサパッケージ７内の閉じられた空間部に収容されている。したがって、イメージセンサ５の受光面５ａを、埃や湿気などから確実に保護することができる。
【００１０】
ここで、カバー部材３とイメージセンサ５とは、若干の間隔を隔てて接近して配置されている。そして、カバー部材３には凹面レンズ３ａが一体形成されている。すなわち、カバー部材３の前面には凹部（例えば、球面状凹部）が形成される一方、後面は平面とされ、これにより、カバー部材３自体が凹面レンズとなっている。
【００１１】
かくして、この撮像装置では、上記構成により、イメージセンサ５の受光面５ａの直前（直上）に位置するカバー部材３ないし凹面レンズ３ａにより、像面湾曲収差を効果的に補正することができる。
まず、図２を参照しつつ、像面湾曲収差の発生メカニズムないし発生原因を説明する。一般に、例えばカメラ搭載携帯電話等に用いられるこの種の撮像装置では、光学系の小型化及び低コスト化を図るためにレンズの枚数を低減しつつ、好ましくは単レンズを用いて、高解像度な映像を得ることが望まれている。そこで、この実施の形態１では、集光レンズ２として単レンズを用いている。
【００１２】
図２に示すように、集光レンズ２として単レンズを用いた場合、集光レンズ２の光軸を通る光線３０と、イメージセンサ５の受光面の周辺に入射する光線３１とを比べると、集光レンズ２からイメージセンサ５の受光面５ａまでの光路に沿った距離、すなわち光路長は、当然周辺の光線３１の方が長い。このため、集光レンズ２の光軸を通る光線３０の集光点の位置に受光面５ａを合わせると、周辺の光線３１の集光点は、受光面５ａよりも前側に浮き上がることになる。このため、すべての光線の集光点を結んで形成される集光面２０は、その側面断面でみれば、直線状である受光面５ａに対して、周辺部ほど前側となるように湾曲する曲線状のものとなる。このように集光面２０が平面とならないことを像面湾曲収差という。
【００１３】
次に、図３を参照しつつ、本発明にかかる凹面レンズ３ａにより像面湾曲収差を効果的に低減ないし補正することができる原理ないし理由を説明する。図３に示すように、凹面レンズ３ａの光軸と一致する仮想光線１０（直線）と、この光軸から距離ｒを隔てた、仮想光線１０と平行な仮想光線１１（直線）とについて考える。ここで、凹面レンズ３ａは、片側（後面）が平面であり、もう片側（前面）が半径Ｒの曲率を有しているとする。このとき、図３中の距離ｄは次の式１で表される。
【００１４】
【数１】
ｄ＝Ｒ−（Ｒ２−ｒ２）１／２…………………………………………式１
ここで、仮想光線１０と仮想光線１１との光路長差Δは次の式２で表される。
【数２】
Δ＝ｄ（１−１／ｎ）………………………………………………式２
式２において、ｎは、凹面レンズ３ａを構成する透明材料の屈折率である。
【００１５】
したがって、凹面レンズ３ａを用いた場合、光軸から距離ｒだけ離れた仮想光線１１の光路長は、光軸と一致する仮想光線１０の光路長に比べてΔだけ短くなる。つまり、図１ないし図２に示す例に即していえば、凹面レンズ３ａを用いれば、周辺の光線３１は、集光レンズ２の光軸から離間するほど、この光軸を通る光線３０に比べて光路長が短くなる。
【００１６】
そして、前記のとおり、凹面レンズ３ａを用いない場合、周辺の光線３１の光路長は、集光レンズ２の光軸から離間するほど、光軸を通る光線３０の光路長より長くなり、像面湾曲収差が生じる。しかし、凹面レンズ３ａを設けた場合、周辺の光線３１の光路は、光軸から離間するほど短くなるので、光軸を通る光線３０と周辺の光線３１との間の光路長の差は低減ないし解消され、像面湾曲収差が低減ないし解消される。これが、凹面レンズ３ａにより像面湾曲収差を低減ないし補正することができる原理である。
【００１７】
例えば、凹面レンズ３ａの曲率Ｒ及び距離ｒが次の値であるとする。
Ｒ＝２．０ｍｍ
ｒ＝０．８ｍｍ
この場合、式１及び式２によれば、距離ｄは、次の値となる。
ｄ＝０．１７ｍｍ
【００１８】
そして、例えば、凹面レンズ３ａの屈折率ｎが１．５であれば、仮想光線１０と仮想光線１１との光路長の差Δは、次の値となる。
Δ＝５６μｍ
したがって、この凹面レンズ３ａを設ければ、光軸から距離ｒだけ離れた光線については、光路長を５６μｍだけ短縮することができることになる。
もちろん、実際のレンズ設計においては、凹面レンズ３ａへの入射光は必ずしも平行光線ではなく、またレンズ界面で屈折を受けるので、上述の計算例のような単純な見積もりとは異なるが、像面湾曲収差を補正するための原理はこのようなものである。
【００１９】
この凹面レンズ３ａによる像面湾曲収差の補正効果は、凹面レンズ３ａが受光面５ａに近いほど大きくなる。なぜなら、図１から明らかなとおり、凹面レンズ３ａが受光面５ａに近い方が、各画角の集光光線が分離されているからである。なお、式１及び式２から明らかなとおり、光軸からの距離ｒが長い方が光路長差Δは大きくなり、像面湾曲収差は低減される。
【００２０】
しかしながら、一般に、撮像装置には、イメージセンサの受光面を埃や湿気等から保護するために、イメージセンサの前にカバーガラスが設けられる。したがって、従来の撮像装置において、上記原理により像面湾曲収差を低減ないし解消しようとして、単純にカバーガラスの前に凹面レンズを配置しても、凹面レンズをイメージセンサの受光面に十分に接近させることはできない。なお、カバーガラスとイメージセンサの受光面との間のわずかな間隙に凹面レンズを配置することは、事実上不可能であろう。
【００２１】
これに対して、実施の形態１にかかる撮像装置では、凹面レンズ３ａを一体化したカバー部材３を用いることにより、凹面レンズ３ａをイメージセンサ５の受光面５ａのごく近傍にまで接近させることができる。このため、上記原理により、像面湾曲収差を非常に効果的にかつ容易に低減ないし解消することができる。
【００２２】
ところで、例えば前記の特許文献１にも開示されているように、従来の撮像装置では、イメージセンサの受光面上に、樹脂等で凹面レンズを形成している例もある。しかし、かかる撮像装置では、前記のとおり、樹脂等で凹面レンズを成形することが非常に難しく、凹面レンズの凹面形状を精度良く形成することはできない。
【００２３】
これに対して、実施の形態１にかかる撮像素子では、カバー部材３ないし凹面レンズ３ａの材料として樹脂材料（プラスチック）を用いる場合は、金型樹脂成形等により、非常に容易にかつ高精度で凹面レンズ３ａの凹面形状を形成することができる。また、ガラス材料を用いる場合は、ガラス研磨等により、非常に容易にかつ高精度で凹面レンズ３ａの凹面形状を形成することができる。
【００２４】
また、前記のとおり、イメージセンサの受光面上に樹脂材料等で凹面レンズを形成した場合、イメージセンサの画素上への集光効率を高めるためのマイクロレンズアレイを配置することは不可能である。これに対して、実施の形態１にかかる撮像素子では、前記のとおり、カバー部材３ないし凹面レンズ３ａとイメージセンサ５の受光面５ａとは接近しているものの、接触しているわけではないので、マイクロレンズアレイを支障なく配置することができる。
【００２５】
以上、実施の形態１にかかる撮像素子では、凹面レンズ３ａがカバー部材３に一体化されているので、凹面レンズ３ａがイメージセンサ５の受光面５ａのごく近くに配置され、像面湾曲収差が容易にかつ効果的に低減ないし補正される。また、凹面レンズ３ａを別体で設ける必要がないので、部品点数が少なくなる。ここで、凹面レンズ３ａが一体化されたカバー部材３をイメージセンサ５とパッケージングすれば、撮像装置が簡素化ないし小型化される。
【００２６】
実施の形態２．
以下、図４を参照しつつ本発明の実施の形態２にかかる撮像装置を説明する。ただし、実施の形態２にかかる撮像装置は、図１に示す実施の形態１にかかる撮像装置と多くの共通点を有するので、以下では説明の重複を避けるため、主として実施の形態１と異なる点を説明する。なお、図４に示す撮像装置の構成要素中、図１に示す撮像装置の構成要素と共通なものには、同一の参照番号を付している。
【００２７】
一般に、凹面レンズをイメージセンサの受光面の直上に配置すると、周辺に行くほど、イメージセンサの受光面への光線の入射角が大きくなり、イメージセンサの受光面の構造物によるシェーディングが発生し、周辺光量の減少が大きくなる。
【００２８】
そこで、図４に示すように、実施の形態２にかかる撮像装置では、集光レンズ２に対して受光面６ａが凹面状となるように湾曲したイメージセンサ６を用いている。そして、カバー部材３と一体化された凹面レンズ３ａは、その光軸が凹面状のイメージセンサ６の受光面６ａの中心に一致するように配置されている。つまり、凹面レンズ３ａは、イメージセンサ６の受光面６ａの直上に配置されている。その他の点は、実施の形態１の場合と同様である。
【００２９】
かくして、実施の形態２にかかる撮像装置では、基本的には、実施の形態１にかかる撮像装置と同様の作用・効果が得られる。さらに、イメージセンサ６ないしその受光面６ａが湾曲しているので、像面湾曲収差を効果的に低減しつつ、周辺光量の減少を防止することができる。すなわち、一般に、イメージセンサ直上に凹面レンズを配置すると、イメージエリア端部でのイメージセンサへの光線の入射角が大きくなり、周辺光量の減少を招く。しかし、実施の形態２にかかる撮像装置では、凹面レンズ３ａと湾曲したイメージセンサ６とに像面湾曲収差の改善を分担させることができるので、周辺光量の減少を低減することができる。
【００３０】
なお、実施の形態２にかかる撮像装置における周辺光量の減少の改善効果は、次の２つの原理に基づく。
（第１の原理）
イメージセンサ６ないし受光面６ａを湾曲させ、かつ凹面レンズ３ａを用いて像面湾曲収差を低減すれば、凹面レンズ３ａの曲率を小さくすることができる。これにより、受光面６ａに対する周辺光の入射角が小さくなる。
（第２の原理）
イメージセンサ６の受光面６ａが凹状に湾曲していると、この湾曲により光軸と垂直な平面から傾いた角度だけ受光面６ａに対する周辺光の入射角が小さくなる。
【００３１】
上記２つの原理により入射角が小さくなると、周辺光量の減少を改善することができる。なお、凹面レンズのみによる場合に比べて、像面湾曲収差以外の収差の発生を抑制することができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明にかかる撮像装置では、イメージセンサのごく近傍に、凹面レンズが一体化された透明なカバー部材が設けられているので、像面湾曲収差を容易にかつ効果的に補正することができ、またイメージセンサの受光面にマイクロレンズアレーを配置することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる撮像装置の側面断面図である。
【図２】像面湾曲収差が発生するメカニズムを示す図である。
【図３】像面湾曲を低減するための原理を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２にかかる撮像装置の側面断面図である。
【符号の説明】
１  開口部、  ２  集光レンズ、  ３  カバー部材、  ３ａ  凹面レンズ、  ５  イメージセンサ、  ５ａ  受光部、  ６  イメージセンサ、  ６ａ  受光部、  ７  センサパッケージ、  １０  仮想光線、  １１  仮想光線、  ２０  集光面、  ３０  光軸を通る光線、  ３１  周辺の光線。
【図１】
2004302095.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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