(57)【要約】      （修正有）【課題】光学系最終面からの光束の射出角度の増大に対応可能で、撮像光学系の変倍による射出瞳位置の変化にも対応可能な撮像装置及びそれを備えた光学装置を得ること。【解決手段】複数の受光素子よりなる受光素子アレイ５４と該複数の受光素子の各々に対応して複数の集光性のマイクロレンズが配置されたマイクロレンズアレイ５３を曲面状に配置したことで薄型のレンズの光学系の最終面からの光束の射出角度の増大に対応可能となる。又マイクロレンズアレイ５３を湾曲可能にし、曲面の曲率を変更可能とすることで変倍や交換等で射出瞳位置が変化しても対応可能である。【選択図】        図５
2004248018.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の受光素子と、該複数の受光素子の各々に対応して複数の集光性のマイクロレンズが配設されたマイクロレンズアレイと、を有する固体撮像装置において、
該マイクロレンズアレイを、曲面状に配置したことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記マイクロレンズアレイは、前記固体撮像装置の長辺方向に曲面が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記曲面は、球面であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
複数の受光素子と、該複数の受光素子の各々に対応して複数の集光性のマイクロレンズが配設されたマイクロレンズアレイとを有する固体撮像装置において、
該マイクロレンズアレイは湾曲可能であり、該マイクロレンズアレイの曲率を曲率調整部材により変更することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項５】
前記曲率は、撮像光学系に対応して変更することを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
撮像光学系と、請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像装置を備えたことを特徴とする光学機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＣＤ型イメージセンサ或いはＣＭＯＳ型イメージセンサ等の固体撮像装置に関し、特にマイクロレンズの使用により、シェーディング補正の可能な固体撮像装置及びそれを備える光学機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ビデオカメラ、電子スチルカメラ、カメラ内蔵携帯端末等において、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅｄ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）型イメージセンサやＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型イメージセンサ等の固体撮像装置が広く使用されている。これらの固体撮像装置は光検出効率を高めるために、複数の受光素子の光入射面側に受光素子の各々に対応して集光性のマイクロレンズが配設されているのが一般的である。このマイクロレンズにより、固体撮像装置の小型化及び多画素化に伴う受光素子面積の縮小に起因する検出感度の低下を防止している。
【０００３】
図１は、従来のカラー固体撮像装置の構造の要部断面図である。同図において、半導体基板１０面上に複数の受光素子１２（１２ａ、１２ｂ〜）と各受光素子に発生蓄積した電荷を転送するための複数の転送部１３（１３ａ、１３ｂ〜）を設けている。さらに各受光素子１２の光入射側にゼラチン又はカゼイン等の赤色Ｒ、緑色Ｇ、青色Ｂに染色したカラーフィルタ１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂ・・・を形成した後、各々のカラーフィルタの光入射側に複数のマイクロレンズ１５（１５ａ、１５ｂ、〜）が設けられている。このマイクロレンズは、公知の透明な樹脂を材料としフォトリソグラフィ技術と樹脂の熱流動性を利用した技術の併用で形成されるものである。
【０００４】
一方、固体撮像装置の前方に配置される撮像光学系の射出瞳位置は、一般に有限距離であり、この有限距離の射出瞳位置に対応して集光性のマイクロレンズの配列ピッチを受光素子の配列ピッチより像高が高くなるに従って順次小さく形成し、周辺部のシェーディングを補正するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
図２は、上記の従来のカラー固体撮像装置の周辺部の構造の要部断面図である。同図において左側が撮像光学系光軸のある方向であり、マイクロレンズ１５の光軸１５Ａ、カラーフィルタ１４の中心を１４Ａ、受光素子１２の中心を１２Ａで示してある。図示のように、受光素子の中心１２Ａとカラーフィルタの中心１４Ａとマイクロレンズの光軸１５Ａは、撮像光学系最終面からの光束の射出角度に対応し、それぞれＭ、Ｎだけずれて形成され受光効率を高めていた。
【０００６】
また、マイクロレンズの屈折力を異ならせ、中心部に比べて周辺部で強くしたものや、受光素子の配列周期を中心部に比べ周辺部で長くし、マイクロレンズは同一周期として周辺部のシェーディングを補正するものも知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特許第２６００２５０号公報
【０００８】
【特許文献２】
特許第３１７０８４７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述の特許文献１及び２に記載の固体撮像装置は、撮像光学系の小型化に伴う射出瞳位置の有限距離化に対応し、撮像光学系の射出瞳位置と撮像装置のあらかじめ設定された射出瞳位置がほぼ合致する場合には効果的である。このため、撮像装置に対応すべく、撮像光学系を設定するのが通常であった。
【００１０】
しかし近年、撮像光学系は極度に薄型化することが可能となり、カメラ外観部の厚みにして１０数ｍｍ程度の中に内蔵できるものや、携帯端末の厚み方向に内蔵可能なものが実用化され、市販されるようになった。この薄型化された撮像光学系は、その薄型化の故に光学系最終面からの光束の射出角度は、画面端部で従来の２倍程度まで大きくなっている。
【００１１】
一方、近年のビデオカメラ、電子スチルカメラでは焦点距離比３倍以上の高変倍ズームレンズを搭載するのが一般的である。またカメラ内蔵携帯端末においてもズーム化の提案がなされる状況となっている。この変倍可能なズーム光学系の場合は、射出瞳位置が焦点距離の変化に応じて移動するのが一般的である。
【００１２】
図３は、マイクロレンズピッチを周辺にゆくに伴い減少させた撮像素子の射出瞳位置と受光量減少率の一例のグラフである。同図において横軸は射出瞳位置、縦軸は受光量減少率である。この撮像素子は、像面から物体側３５ｍｍに射出瞳位置があるように設定されたものであり、図示のように３５ｍｍ位置が最も減少率が小さく、その前後では減少率が増大する。即ち、射出瞳位置を固定化した従来の固体撮像装置では、原理的にはズーム変倍領域の一部でしか対応できていないのが現状である。
【００１３】
本発明は上記問題に鑑み、光学系最終面からの光束の射出角度の増大に対応可能で、撮像光学系の変倍による射出瞳位置の変化にも対応可能な撮像装置及びそれを備えた光学装置を得ることを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は、複数の受光素子と、該複数の受光素子の各々に対応して複数の集光性のマイクロレンズが配設されたマイクロレンズアレイと、を有する固体撮像装置において、該マイクロレンズアレイを、曲面状に配置したことを特徴とする固体撮像装置、とすることで薄型のレンズの光学系最終面からの光束の射出角度の増大に対応可能となる。
【００１５】
本発明のマイクロレンズアレイは、撮像装置の長辺方向に曲面を形成すること、或いは球面であること、が好ましい。
【００１６】
また、複数の受光素子と、該複数の受光素子の各々に対応して複数の集光性のマイクロレンズが配設されたマイクロレンズアレイとを有する固体撮像装置において、該マイクロレンズアレイは湾曲可能であり、該マイクロレンズアレイの曲率を曲率調整部材により変更することを特徴とする固体撮像装置、とすることで変倍や交換等で撮像光学系の射出瞳位置が変化しても、それに対応可能な撮像装置を得ることが可能となる。
【００１７】
更に、本発明の撮像装置の曲率は、撮像光学系に対応して変更すること、とすることが好ましい。
【００１８】
加えて、撮像光学系と、上記のいずれかの固体撮像装置を備えた光学機器とすることで、本発明に係るシェーディング補正のなされた光学装置を得ることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態により本発明を詳しく説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２０】
以下、まず第一の発明について、説明する。
図４は、第一の発明に係る撮像装置１１の一部省略断面図である。同図は光軸Ｏを含む撮像装置長辺方向の断面を示している。同図において、（Ａ）は光軸Ｏ近傍、（Ｂ）は中間像高（例えば４〜６割像高）、（Ｃ）は周辺像高（例えば８〜１０割像高）における受光素子１２とマイクロレンズ１５の位置関係を示したものである。マイクロレンズ１５と受光素子１２の間に配置されるカラーフィルタは、同図では省略した。
【００２１】
なお、像高とは像面上での光軸からの距離を言い、受光部の半対角長に対する割合で表示されるものである。また受光部は長方形であり、長辺方向とはこの受光部の長辺に平行な方向をいう。
【００２２】
同図に示すように、撮像光学系最終面３１から射出される光束は、周辺部へゆくに伴い、光軸に対し傾斜角が増加するようになる。これらの光束は、複数のマイクロレンズ１５が配設されたマイクロレンズアレイ３２を、図のように曲面状に湾曲することで、対応する各々の受光素子に導かれる。
【００２３】
個々のマイクロレンズ１５と対応する受光素子１２は、この湾曲により、それぞれ位置関係が異なるようになる。例えば、中間像高（Ｂ）ではマイクロレンズ１５の中心と受光素子１２の中心は、図示のようにｄ１だけズレが生じる。また周辺像高（Ｃ）ではマイクロレンズ１５の中心と受光素子１２の中心は、ｄ２だけズレが生じ、光軸Ｏ近傍のズレをｄ０とすると、ｄ２＞ｄ１＞ｄ０となる。
【００２４】
即ち、本発明によれば複数のマイクロレンズ１５が配設されたマイクロレンズアレイ３２を、従来のようにマイクロレンズ配列ピッチを変化させずとも、周辺部の撮像光学系最終面からの光束の射出角度に対応させ、曲面状に湾曲させることで、受光効率を高めることができ、周辺部のシェーディング補正が可能となる。このことは、異なる光学系に対しては、使用される光学系の特性に合わせてマイクロレンズアレイ３２の曲率を変更するだけで最適の状態を作り出すことができ極めて量産性に優れるものとなる。
【００２５】
なお、本例では固体撮像装置の長辺方向に曲面が形成されたもので説明したが、この曲面は、球面であるとより好ましく、球面の場合は各像高位置に対しより正確な補正が可能となる。
【００２６】
次に、第二の発明について説明する。
図５は、第二の発明に係る撮像装置４１の一部省略断面図である。同図はズーム変倍撮影レンズと撮像装置４１の、光軸Ｏを含む長辺方向の断面を示している。図５（ａ）はワイド時、図５（ｂ）はテレ時の状態を示している。
【００２７】
図５において、４２は第一レンズ群、４３は絞りシャッターユニット、４４は第二レンズ群、４５は第三レンズ群、４６は赤外カットフィルタ及びオプチカルローパスフィルタ（ＯＬＰＦ）である。これら光学部材の後方に、マイクロレンズアレイの４隅を押圧することで曲率を変化させる、曲率調整部材としての押圧部材５１と撮像素子４１が配置される。撮像素子４１は、カバーガラス５２、曲面状に湾曲可能なマイクロレンズアレイ５３、受光素子アレイ５４とこれらを包み込むパッケージ５５を有して構成されている。
【００２８】
第一レンズ群４２、絞りシャッターユニット４３、第二レンズ群４４、第三レンズ群４５は、例えばカム筒の回転により、図示矢印のようにそれぞれの間隔を変化させワイドからテレへと焦点距離の変更（ズーミング）が可能となっている。第三レンズ群４５は、このズーミングでの移動以外に単独で光軸方向に移動可能とされており、被写体距離に応じフォーカシングをおこなうようになっている。
【００２９】
一方、押圧部材５１は開口部５０を有し、ズーミングに連動して図示のように移動可能となっている。この押圧部材５１は４箇所（図示では２箇所）の突起部５１ａ、５１ｂを有し、それぞれがパッケージ５５に設けられた穴から撮像装置４１内部へ突出し、曲面状に湾曲可能なマイクロレンズアレイ５３に当接している。
【００３０】
この押圧部材５１は、ワイド時には像面から遠い位置にあり、ズーミングに伴い像面に近づく方向に移動する。これにより突起部５１ａ、５１ｂも同様に移動し、当接しているマイクロレンズアレイ５３の４隅を押圧する。このためマイクロレンズアレイ５３の曲率は、ズーミングに伴い図示のようにワイド時は大きく、テレ時は小さくなるよう湾曲する。
【００３１】
これにより、マイクロレンズアレイ５３内に配置されている個々のマイクロレンズとそれに対応する受光素子の位置ズレ量が、撮影光学系の焦点距離に応じて変化することになる。より具体的には、周辺部においてはワイド時にズレ量が大きく、テレ時にはズレ量が小さくなり、変倍に伴う撮像光学系最終面からの光束の射出角度の変化に対応することが可能となる。
【００３２】
図６は、押圧部材５１の駆動機構の一例である。同図は押圧部材５１をＯＬＰＦ側から見た斜視図である。
【００３３】
押圧部材５１のＯＬＰＦ側には、対角に直進ガイド筒６１ａ、６１ｂとガイドピン６２ａ、６２ｂが配置されガイドピンの外周を摺動可能となっている。別の対角には、ネジ穴を有するボス６３ａ、６３ｂが配置され、このネジ穴に累合するスクリュー６４ａ、６４ｂがかみ合わされている。このスクリュー６４ａ、６４ｂにはそれぞれ歯車６５ａ、６５ｂが固着されており、歯車６６ａ、６６ｂと噛み合うよう配置されている。この歯車６６ａ、６６ｂは、カム筒に設けられたカム筒歯車６７と噛み合わされている。（図は、６６ａ側のみ示してある）
これにより、焦点距離の変更に伴いカム筒が回転し、このカム筒に設けられたカム筒歯車６７の回転が歯車６６ａ、６６ｂ、歯車６５ａ、６５ｂを介しスクリュー６４ａ、６４ｂを回転させ、累合するボス６３ａ、６３ｂにより、押圧部材５１を光軸方向に移動させることができる。この押圧部材５１の移動により前述のマイクロレンズアレイ５３の曲率を変化させることができる。
【００３４】
なお、本形態ではカム筒の回転に連動して押圧部材５１を移動させたが、独立にアクチュエータを用いてもよいし、その他公知の機構でもよいのは勿論である。
【００３５】
図７は、本発明の撮像装置１１を搭載した携帯端末の一例を示した図である。同図に示すように、携帯端末は、例えば折りたたみ式携帯電話機Ｔ（以下携帯電話機Ｔと称す）であり、表示画面Ｄを備えたケースとしての上筐体７１と、操作ボタンＰを備えた下筐体７２とがヒンジ７３を介して連結されている。撮像装置１１は撮像光学系と共に、上筐体７１内の表示画面Ｄの下方に内蔵されており、撮像光学系及び撮像装置１１が上筐体７１の外表面側から光を取り込めるよう配置されている。
【００３６】
このように携帯電話機Ｔに、上述の撮像装置１１を内蔵することにより、軽量薄型の、カメラ内蔵の携帯電話機Ｔを得ることができる。なお、携帯電話機Ｔのその他の構成要素は公知であるため、説明を省略する。
【００３７】
図８は、本発明の撮像装置４１を適用したズームカメラの外観図の一例である。図８（ａ）はカメラ前面の斜視図、図８（ｂ）はカメラ背面の斜視図である。
【００３８】
図８（ａ）において、８１はズーム変倍撮影レンズでありこの後方に本発明の撮像装置４１が内蔵される。８２はファインダ窓、８３はレリーズ釦、８４はフラッシュ発光部、８６はマイク、８７はストラップ取り付け部、８８はＵＳＢ端子である。８９はレンズカバーであり、不使用時は撮影レンズ８１は沈胴する。
【００３９】
図８（ｂ）において、９１はファインダ接眼部、９２は赤と緑の表示ランプであり、ＡＦやＡＥの情報をレリーズ釦８３が押圧された時、発光もしくは点滅により撮影者に表示するものである。９３はズーム釦であり、ズームアップ、ズームダウンをおこなう釦である。９４はスピーカであり、マイク８６で録音した音声の再生や、レリーズ音等を発するものである。９５はメニュー／セット釦、９６は選択釦で４方向スイッチであり、１００はモニターＬＣＤで画像やその他文字情報等を表示する。メニュー／セット釦９５で、モニターＬＣＤ１００上に各種のメニューを表示させ、選択釦９６で選択し、メニュー／セット釦９５で確定させる機能を有している。９７は再生釦で、撮影した画像の再生をおこなう釦である。９８はディスプレイ釦で、モニターＬＣＤ１００に表示された画像やその他文字情報の表示や消去を選択する釦である。９９は消去釦で、撮影記録した画像の消去をおこなう釦である。１０１は三脚穴、１０２は電池／カード蓋である。電池／カード蓋１０２の内部には、本カメラの電源を供給する電池と、撮影した画像を記録するカード型のリムーバブルメモリが装填されるようになっている。
【００４０】
このようにズーム変倍撮影レンズ搭載カメラに、本発明の撮像装置４１を搭載することにより、変倍域の全域で射出瞳位置の変化に対応でき、全変倍領域でシェーディング補正が可能なカメラを得ることができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、光学系最終面からの光束の射出角度の増大に対応可能で、撮像光学系の変倍による射出瞳位置の変化にも対応可能な撮像装置及びそれを備えた光学装置を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のカラー固体撮像装置の構造の要部断面図である。
【図２】従来のカラー固体撮像装置の周辺部の構造の要部断面図である。
【図３】マイクロレンズピッチを周辺にゆくに伴い減少させた撮像素子の射出瞳位置と受光量減少率の一例のグラフである。
【図４】第一の発明に係る撮像装置の一部省略断面図である。
【図５】第二の発明に係る撮像装置の一部省略断面図である。
【図６】押圧部材の駆動機構の一例である。
【図７】本発明の撮像装置を搭載した携帯端末の一例を示した図である。
【図８】本発明の撮像装置を適用したズームカメラの外観図の一例である。
【符号の説明】
４１  撮像装置
４２  第一レンズ群
４３  絞りシャッターユニット
４４  第二レンズ群
４５  第三レンズ群
４６  赤外カットフィルタ及びオプチカルローパスフィルタ
５１  押圧部材
５２  カバーガラス
５３  マイクロレンズアレイ
５４  受光素子アレイ
５５  パッケージ
【図１】
2004248018.tif 000003
【図２】
2004248018.tif 000004
【図３】
2004248018.tif 000005
【図４】
2004248018.tif 000006
【図５】
2004248018.tif 000007
【図６】
2004248018.tif 000008
【図７】
2004248018.tif 000009
【図８】
2004248018.tif 000010