(57)【要約】【課題】  携帯電話等のモバイルに搭載可能な薄型の多焦点撮像デバイスを得る。【解決手段】  同一平面上に配置されたイメージセンサーと、該イメージセンサー上の異なる複数の結像エリアにそれぞれ、結像倍率の異なる像を結像させる複数の結像光学系を有する多焦点撮像デバイス。【選択図】      図１                                                          
2005020718.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一平面上に配置されたイメージセンサーと、該イメージセンサー上の異なる複数の結像エリアにそれぞれ、結像倍率の異なる像を結像させる複数の結像光学系を有することを特徴とする多焦点撮像デバイス。
【請求項２】
請求項１記載の多焦点撮像デバイスにおいて、上記複数の結像エリアは、単一のイメージセンサー上に形成されている多焦点撮像デバイス。
【請求項３】
請求項１または２記載の多焦点撮像デバイスにおいて、上記複数の異なる像を結像させる各結像光学系による結像エリアは互いに重複することなく分離している多焦点撮像デバイス。
【請求項４】
請求項２記載の多焦点撮像デバイスにおいて、上記複数の異なる像を結像させる各結像光学系による結像エリアは一部が互いに重複している多焦点撮像デバイス。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項記載の多焦点撮像デバイスにおいて、上記複数の結像エリアのいずれかひとつを選択するために、選択された結像エリア以外の光路を遮蔽する手段を有する多焦点撮像デバイス。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項記載の多焦点撮像デバイスにおいて、上記各結像光学系のいずれかの光学素子が、該光学素子が属する結像光学系とは別の結像光学系の光学素子とモジュール化されている多焦点撮像デバイス。
【請求項７】
請求項６記載の多焦点撮像デバイスにおいて、上記複数の結像光学系の最も物体側には、物体側の面は各結像光学系に共通の平面をなし、像側の面は各結像光学系用のレンズ面からなる外面平面共通光学要素が配置されている多焦点撮像デバイス。
【請求項８】
請求項７記載の多焦点撮像デバイスにおいて、上記外面平面共通光学要素の物体側の平面上では、上記複数の結像光学系の光路の一部が重複している多焦点撮像デバイス。
【請求項９】
請求項７または８記載の多焦点撮像デバイスにおいて、上記外面平面共通光学要素とイメージセンサーとの間に、各結像光学系用のレンズ要素を有するモジュール化された中間光学要素ブロックが配設されている多焦点撮像デバイス。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれか１項記載の多焦点撮像デバイスにおいて、上記複数の結像光学系は、物体側に位置する、各結像光学系用の光学要素を一体化した第一レンズモジュールと、この第一レンズモジュールとイメージセンサーとの間に位置する、各結像光学系用のレンズ要素を一体化した第二レンズモジュールと、複数の結像光学系用の複数の結像エリアを有する単一の上記イメージセンサーとによって構成されている多焦点撮像デバイス。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれか１項記載の多焦点撮像デバイスにおいて、各結像光学系は、光軸方向の相対的な位置だけが異なり、光学面形状、レンズ厚及び光学材料が同一のレンズ要素を少なくとも１つ有する多焦点撮像デバイス。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれか１項記載の多焦点撮像デバイスにおいて、上記複数の結像光学系のうち、少なくとも１つの光学系が他の光学系と焦点距離が異なる多焦点撮像デバイス。
【請求項１３】
請求項１２記載の多焦点撮像デバイスにおいて、上記複数の結像光学系のうち、最も焦点距離が長い光学系の焦点距離は、最も焦点距離が短い光学系の焦点距離の１．５倍以上である多焦点撮像デバイス。
【請求項１４】
請求項１ないし１３のいずれか１項記載の多焦点撮像デバイスにおいて、上記複数の結像光学系のうち少なくとも１つの光学系は、その焦点距離の２００倍以下の距離にある物点に対してのみ合焦するように設定されている多焦点撮像デバイス。
【請求項１５】
請求項１ないし１４のいずれか１項記載の多焦点撮像デバイスにおいて、上記複数の結像エリアの前に、全ての結像エリア用の単一の赤外カットフィルターが配置されている多焦点撮像デバイス。
【請求項１６】
請求項１ないし１５のいずれか１項記載の多焦点撮像デバイスにおいて、上記複数の結像エリアの前に、全ての結像エリア用の単一の光学ローパスフィルターが配置されている多焦点撮像デバイス。
【請求項１７】
請求項１ないし１６のいずれか１項記載の多焦点撮像デバイスにおいて、上記複数の結像光学系の光路を分離する光路分離素子が各結像光学系間に配置されている多焦点撮像デバイス。
【請求項１８】
請求項１ないし１７のいずれか１項記載の多焦点撮像デバイスを備えたモバイル機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄型の多焦点撮像デバイス及びモバイル機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルカメラの小型化高精細化は留まるところを知らず、最近は、カメラとしての形態と、カメラ付き携帯電話（モバイル）との棲み分けが問題になっている。
【特許文献１】特開平１０-１０７９７５号公報
【特許文献２】特開２０００-１０２０４０号公報
【特許文献３】特開２０００-２２７３３２号公報
【特許文献４】特開２００１-６１１０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
現在の棲み分けの境界は、１００万画素程度であると言われているが、モバイル搭載カメラは、薄型化の要求から固定焦点に限られているのが実情であった。
本発明は、携帯電話（モバイル）に搭載可能な薄型の多焦点撮像デバイスを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明による多焦点撮像デバイスは、同一平面上に配置されたイメージセンサー上に異なる複数の結像エリアを設定し、該複数の結像エリアにそれぞれ、結像倍率の異なる像を結像させる複数の結像光学系を設けたことを特徴としている。
【０００５】
複数の結像エリアは、単一のイメージセンサー上に形成されることが好ましい。      
【０００６】
複数の異なる像を結像させる各結像光学系による結像エリアは、互いに重複させることなく分離させることも、一部を重複させて共用することも可能である。
【０００７】
複数の結像エリアのいずれかひとつを機械的に選択するために、選択されたエリア以外の光路を遮蔽する手段を設けることが好ましい。
【０００８】
本発明の多焦点撮像デバイスは、各結像光学系のいずれかの光学素子を、該光学素子が属する結像光学系とは別の結像光学系の光学素子とモジュール化することができる。
【０００９】
具体的には、例えば、複数の結像光学系の最も物体側には、物体側の面が各光学系に共通の平面で、像側の面が各光学系に固有のレンズ面が構成された外面平面共通光学要素を配置することが好ましい。
【００１０】
この外面平面共通光学要素の物体側の平面の一部は、複数の結像光学系の光路として重複させることが可能であり、重複させることで平面的な大きさを縮小できる。
【００１１】
また、この外面平面共通光学要素とイメージセンサーとの間にはさらに、各結像光学系に固有のレンズ要素を有するモジュール化された中間光学要素ブロックを配設することで、構成を単純化し、組立性を高めることができる。
【００１２】
また、本発明の多焦点撮像デバイスでは、別の態様によると、複数の結像光学系を、物体側に位置する、各結像光学系用の光学要素を一体化した第一レンズモジュールと、この第一レンズモジュールとイメージセンサーとの間に位置する、各結像光学系用のレンズ要素を一体化した第二レンズモジュール（中間光学要素ブロック）と、複数の結像光学系用の複数の結像エリアを有する単一の上記イメージセンサーとによって構成することができる。
【００１３】
また複数の結像光学系中のレンズ要素を共通化してコストダウンを図るため、各結像光学系には、光軸方向の相対的な位置だけが異なる共通のレンズ要素を少なくとも１つ設けて、撮影距離や焦点距離を変えることができる。
【００１４】
複数の結像光学系は、撮影距離（焦点位置あるいは結像倍率）を異ならせることができるが、少なくとも１つの光学系の焦点距離を他の光学系の焦点距離と異ならせるのが実際的である。
【００１５】
複数の結像光学系には、例えば望遠、標準、広角に相当する焦点距離を与えることができる。具体的には、最も焦点距離が長い光学系の焦点距離は、最も焦点距離が短い光学系の焦点距離の１．５倍以上とするのがよい。
【００１６】
また、複数の結像光学系中には、マクロに相当する焦点距離を与えることができる。具体的には、その焦点距離の２００倍以下の距離にある物点に対して合焦する結合光学系とすることが好ましい。
【００１７】
複数の結像エリアの前には、イメージセンサーの性質に応じ、全ての結像エリア用の単一の赤外カットフィルター、あるいは単一の光学ローパスフィルターを配置することが好ましい。
【００１８】
本発明の多焦点撮像デバイスは、携帯電話を初めとするモバイル機器に搭載して有用である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、超薄型で携帯電話等のモバイルに搭載可能な多焦点撮像デバイスを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１、図２は、本発明による多焦点カラー撮像デバイスを携帯電話１０に搭載した概念図である。携帯電話１０には、その一面に撮像窓１１が形成され、他面に表示手段としてのＬＣＤパネル１２が設けられている。
【００２１】
撮像窓１１（携帯電話１０）内には、平面的に分布する４個の結像エリア（画像形成エリア）を有する多焦点撮像デバイス２０が位置している。図３ないし図７に示す多焦点撮像デバイス２０は、物体側から順に、外面平面共通光学要素２１、異なる光軸上に位置する４個の異なる光学要素２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ及び２２Ｄ、共通の赤外カットフィルタ２３、及び単一のカラーイメージセンサー（カラーＣＣＤ、固体撮像素子）２４が位置している。
【００２２】
外面平面共通光学要素２１は、物体側の面が平面２１ｐをなす入射面からなり、像側の面が各結像光学系用のレンズ面２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ及び２１Ｄをなしており、これらレンズ面２１Ａないし２１Ｄは、光学要素２２Ａないし２２Ｄ（各結像光学系用のレンズ要素）と協働して、焦点距離（結像倍率）の異なる４個の結像光学系Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを構成している。赤外カットフィルタ２３は、４個の結像光学系ＡないしＤをカバーする単一の平行平面板である。赤外カットフィルタ２３に代えて、４個の結像光学系ＡないしＤをカバーする単一の光学ローパスフィルターを設置することもできる。４個の結像光学系の間には各光路を分離する光路分離素子としての光路分離壁２８が設置されている。    
【００２３】
４個の結像光学系ＡないしＤによる像は、単一のイメージセンサー２４上の異なるエリアに結像する。この実施形態では、イメージセンサー２４の矩形の結像エリアを２×２に４分割している。イメージセンサー２４のサイズと画素数を、１／４” （対角線長）と１２８０×１０２４（≒１．３Ｍ）とすると、一つの結像エリアのサイズと画素数は、例えば、１／８”と６４０×５１２（≒０．３Ｍ）とすることができる。
【００２４】
結像光学系Ａは、外面平面共通光学要素２１の像側の面２１Ａを凹面、光学要素２２Ａを正レンズの構成とし、広角焦点距離の結像光学系を構成し、遠距離物体（結像光学系Ａの焦点距離の１０００倍程度の物体）に対して合焦させた状態で固定している。
【００２５】
結像光学系Ｂは、結像光学系Ａのマクロ状態を構成するマクロ撮影光学系である。外面平面共通光学要素２１の像側の面２１Ｂと光学要素２２Ｂはそれぞれ、結像光学系Ａの面２１Ａと光学要素２２Ａと同一であるが、光学要素（正レンズ）２２Ｂを光学要素２２Ａより物体寄りに設置することによって、マクロ域物体（近接物体、結像光学系Ｂの焦点距離の２００倍以下の物体）に対して合焦する光学系を構成している。
【００２６】
結像光学系Ｄは、望遠焦点距離の結像光学系であり、外面平面共通光学要素２１の像側の面２１Ｄを凸面、光学要素２２Ｄを正レンズで構成することにより、全長を長くすることなく結像光学系Ａの約３倍の焦点距離の結像光学系を構成している。
【００２７】
結像光学系Ｃは、結像光学系Ａと結像光学系Ｄの中間の焦点距離を有する結像光学系で、外面平面共通光学要素２１のレンズ面２１Ｃと光学要素２２Ｃは、結像光学系Ａのレンズ面２１Ａと光学要素２２Ａと同じであるが、光学要素（正レンズ）２２Ｃを光学要素（正レンズ）２２Ａより物体寄りに位置する固有の光学要素として全系として結像光学系Ａの約２倍の焦点距離の結像光学系を構成している。
【００２８】
イメージセンサー２４は、図８に示すように、演算処理装置（ＣＰＵ）３０に接続されており、レリーズスイッチ３２を押すと、イメージセンサー２４上の４つの結像エリアの画像信号、つまりＡないしＤを介して結像した異なる焦点距離の画像信号が演算処理装置３０内に取り込まれる。選択手段３３は、予めまたは撮像後に、４つの画像信号から一つを選択し、ＬＣＤパネル（表示手段）１２に表示する。演算処理装置３０には、記憶手段３４が備えられており、選択した画像を記憶する。
【００２９】
すなわち、各結像光学系Ａ〜Ｄの画像は、イメージセンサー２４の独立した領域に画像を作るので、同時に複数の画像を得ることが可能である。勿論、光路を機械的に選択したり、画像処理等によりソフト的に選択することで、単一の結像光学系のみの画像を得ることも可能である。
【００３０】
外面平面共通光学要素２１の物体側の面が平面２１ｐとなっており、図４ないし図７に示すように、複数の結像光学系ＡないしＤの光路はレンズ面の一部を共有して使用している。
【００３１】
１つの光軸上を各レンズ群が相対移動することによって焦点距離を変更する通常のズームレンズカメラも、近年のように電気制御でズーミングさせる場合には複数の不連続な焦点距離ステップを有するのが普通であるから、この実施形態の撮像デバイスは、３ステップ（４ステップ）の焦点距離を有するズームレンズカメラとみることができ、より多数の結像光学系を備えれば、さらに上記通常のズームレンズカメラに近づく。勿論、記憶された画像信号は、送信することができるが、本発明はこれら送信手段を問わない。
【００３２】
図９ないし図１１の実施形態は、各結像光学系Ａ〜Ｄの光学要素２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄを単一のモジュール（中間光学要素ブロック、合成樹脂材料の成形体）から構成した例である。すなわち、外面平面共通光学要素２１を第１レンズモジュールとし、光学要素（レンズ）２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄを第２レンズモジュール２２上に形成している。図３ないし図７で示した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付している。このようにモジュール化すると、組立、調整が簡単になり、小型薄型の多焦点撮像デバイスを容易に得ることができる。
【００３３】
次に、図１２、図１３は、イメージセンサー２４を２分割で使用する実施形態、すなわち、２つの結像光学系Ａ、Ｂを構成する例を示している。縦横比４：３のイメージセンサー２４は、図１２に示すように、画素を無駄なく使うべく中央部で２分割されている。結像光学系Ａ、Ｂに共通の赤外カットフィルタ２３、及び単一のカラーイメージセンサー（カラーＣＣＤ）２４は、上述の実施形態と同一の要素である。結像光学系Ａ、Ｂは、第１レンズモジュール（外面平面共通光学要素）２５、第２レンズモジュール（中間光学要素ブロック、合成樹脂材料の成形体）２６、及び第３レンズモジュール（中間光学要素ブロック、合成樹脂材料の成形体）２７によって構成されており、第１レンズモジュール２５の第１面は平面２５ｐからなっている。
【００３４】
第１レンズモジュール２５の第２面のレンズ面２５Ａ、２５Ｂは同一であり、第２レンズモジュール２６の第１レンズ２６Ａと第２レンズ２６Ｂは、光軸方向位置を異ならせた同一レンズ形状をなし、第３レンズモジュール２７の第１レンズ２７Ａと第２レンズ２７Ｂは同一である。そして、図の下段の結像光学系Ｂの第２レンズ２６Ｂは上段の結像光学系Ａの第２レンズ２６Ａより物体側に位置していて、上段は遠距離物体に合焦する撮影光学系、下段は近距離物体（マクロ）に合焦する撮影光学系を構成している。第１レンズモジュール２５と第２レンズモジュール２６の間、赤外カットフィルタ２３の前方、及び赤外カットフィルタ２３とイメージセンサー２４の間にはそれぞれ、光路分離壁２８ａ、２８ｂ、２８ｃが配置されていて、結像光学系Ａ、Ｂによる画像が同一のイメージセンサー２４上に分離させて（互いに重複することなく）形成される。
【００３５】
この多焦点撮像デバイスでは、使用時にいずれかの画像を選択することも可能であるし、また、同時に遠距離、近距離の画像を処理することにより、コントラストの高いほうの画像をソフト的に判別して自動記録することも可能である。また、フォーカシング機構を機械的に持たなくてすむので、光軸方向に非常に薄い空間に、広い距離範囲の物体を高いコントラストで撮影可能な光学系を収納することが可能となる。
【００３６】
図１４は、図１２、図１３の実施形態の変形例で、第１レンズモジュール（外面平面共通光学要素）２５、第２レンズモジュール２６、及び第３レンズモジュール２７に構成するレンズ面形状の別の例である。図１３の実施形態と同様に、第１レンズモジュール２５のレンズ面２５Ａ、２５Ｂは同一であり、第２レンズモジュール２６の第１レンズ２６Ａと第２レンズ２６Ｂは、光軸方向位置を異ならせた同一レンズ形状をなし、第３レンズモジュール２７の第１レンズ２７Ａと第２レンズ２７Ｂは同一である。図の下段の結像光学系Ｂの第２レンズ２６Ｂは上段の結像光学系Ａの第２レンズ２６Ａより物体側に位置していて、上段は短い焦点距離（広い画角）、下段は長い焦点距離（狭い画角＝高い倍率）の撮影光学系を構成している。
【００３７】
この実施形態においても、前述の遠距離、近距離用光学系と同様に、各レンズを全く移動させることなく、広い画角と狭い画角（高い倍率）の撮影が可能である。レンズを移動させてズームや焦点距離切替えを行う従来の撮影光学系と比較し、移動機構が必要ないため、光学系を狭い空間に効率良く収納することが可能である。また、耐衝撃性に優れ、コスト的にも有利である。
【００３８】
図１５、図１６は、イメージセンサー２４に、広角側と望遠側の結像領域に重複部分ＡＢを設けることにより分割前後で撮像画面の縦横比を維持しつつ、全撮像素子を有効に利用する実施形態を示している。この実施形態では、広角焦点距離および望遠焦点距離の二つの結像光学系Ａ、Ｂが、同様に、第１レンズモジュール（外面平面共通光学要素）２５、第２レンズモジュール２６、及び第３レンズモジュール２７によって構成されていて、第１レンズモジュール２５の２つのレンズ面２５Ａと２５Ｂ、及び第３レンズモジュール２７の２つのレンズ面２７Ａと２７Ｂはそれぞれ同一である。一方、第２レンズモジュール２６の２つのレンズ２６Ａ、２６Ｂはそれぞれ広角用、望遠用の固有のレンズにより構成されている。
【００３９】
この実施形態では、イメージセンサー２４上で画像の重複部分があるため、選択した結像光学系以外の光路を遮蔽するような光路選択手段（光路を遮蔽する手段）２９を第２レンズモジュール２６と第３レンズモジュール２７の間に設けている。
【００４０】
図１７は、イメージセンサー２４に設定する２つの結像エリアを重複させることなく、各結像エリアの縦横比を、元のイメージセンサー２４の縦横比を維持して分割した例である。
【００４１】
イメージセンサー２４は、単一の基板であることが好ましいが、一平面状（上）に配置されている限り、複数枚に分割されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明による多焦点撮像デバイスを携帯電話に搭載したときの外観例である。
【図２】同携帯電話の表示手段（ＬＣＤ）の外観例である。
【図３】本発明による多焦点撮像デバイスの一実施形態を示す正面図である。
【図４】図３のIV-IVに沿う断面図である。
【図５】図３のV-Vに沿う断面図である。
【図６】図３のVI-VIに沿う断面図である。
【図７】図３のVII-VIIに沿う断面図である。
【図８】本発明による多焦点撮像デバイスのブロック図である。
【図９】本発明による多焦点撮像デバイスのレンズモジュールの構成例を示す斜視図である。
【図１０】図９の上段の結像光学系の横断面図である。
【図１１】図９の下段の結像光学系の横断面図である。
【図１２】結像光学系が２つで結像エリアが独立している本発明による多焦点撮像デバイスの正面図である。
【図１３】図１２のXIII-XIII線に沿う断面図である。
【図１４】図１３の断面図に対応させて描いた、他の多焦点撮像デバイスの実施形態を示す断面図である。
【図１５】結像光学系が２つで結像エリアが一部重複している本発明による多焦点撮像デバイスの正面図である。
【図１６】図１５のXVI-XVI線に沿う断面図である。
【図１７】イメージセンサーに設定する２つの結像エリアを重複させることなく、各結像エリアの縦横比を元のイメージセンサーの縦横比を維持して分割した例を示す正面図である。
【符号の説明】
【００４３】
Ａ  Ｂ  Ｃ  Ｄ  結像光学系
１０  携帯電話
１１  撮像窓
１２  ＬＣＤパネル（表示手段）
２０  多焦点撮像デバイス
２１  ２５  外面平面共通光学要素（第１レンズモジュール）
２１ｐ  平面
２２Ａ  ２２Ｂ  ２２Ｃ  ２２Ｄ  光学要素（レンズ要素、レンズ面）
２２  第２レンズモジュール（中間光学要素ブロック）
２３  赤外カットフィルタ
２４  イメージセンサー
２６  ２７  レンズモジュール（中間光学要素ブロック）
２８  ２８ａ  ２８ｂ  ２８ｃ  光路分離壁（光路分離素子）
２９  光路選択手段（光路を遮蔽する手段）
３０  演算処理装置
３２  レリーズスイッチ
３３  選択手段
３４  記憶手段
【図１】
2005020718.tif 000003
【図２】
2005020718.tif 000004
【図３】
2005020718.tif 000005
【図４】
2005020718.tif 000006
【図５】
2005020718.tif 000007
【図６】
2005020718.tif 000008
【図７】
2005020718.tif 000009
【図８】
2005020718.tif 000010
【図９】
2005020718.tif 000011
【図１０】
2005020718.tif 000012
【図１１】
2005020718.tif 000013
【図１２】
2005020718.tif 000014
【図１３】
2005020718.tif 000015
【図１４】
2005020718.tif 000016
【図１５】
2005020718.tif 000017
【図１６】
2005020718.tif 000018
【図１７】
2005020718.tif 000019