(57)【要約】【課題】耐熱性及び光学特性に優れた光学センサーを提供する。【解決手段】本発明の光学センサーは、入射光を受光して電気信号に変換する光電変換素子０１３と、光電変換素子０１３を収容するパッケージ０１２と、入射光を透過させ、光電変換素子０１３を保護するカバー材０１１とを有し、カバー材０１１は、光学異方性を有し、かつ２Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導係数を有し、カバー材０１１の光学軸０１４は、カバー材０１１の面内方向を向いている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を受光して電気信号に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子を収容するパッケージと、
前記入射光を透過させ、前記光電変換素子を保護するカバー材と、を有し、
前記カバー材は、光学異方性を有し、かつ２Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導係数を有し、
前記カバー材の光学軸は、該カバー材の面内方向を向いていることを特徴とする光学センサー。
【請求項２】
前記カバー材は水晶で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学センサー。
【請求項３】
前記パッケージは、樹脂で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学センサー。
【請求項４】
前記カバー材は長方形の形状を有し、
前記カバー材の光学軸は、前記面内方向かつ前記長方形の短軸方向を向いていることを特徴と請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学センサー。
【請求項５】
前記カバー材は、１．０ｍｍ未満の厚さを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学センサー。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学センサーを備えた光学機器。
【請求項７】
光学ローパスフィルターを更に有することを特徴とする請求項６に記載の光学機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学センサーに係り、特に撮像装置等の光学機器に用いられる光学センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、光学センサーは、一般的に光電変換素子部とそれを保持するパッケージ、及び、光電変換素子部を保護するためのカバー材から構成される。カバー材は、光電変換素子部に対するゴミの付着や機械的な接触を防ぐために用いられる。
【０００３】
特許文献１では、カバー材として光学ローパスフィルターの機能を有する水晶板を用いることが開示されている。これにより、光学ローパスフィルターを別に設けることなく、構成が簡素化される。特許文献２では、カバー材とパッケージの熱膨張係数が所定の範囲にある撮像素子が開示されている。これにより、カバー材とパッケージの接合応力を小さくし、耐熱性を向上させることができる。このため、撮像素子に加わる応力を抑制して、撮像素子の光学的な位置精度を改善することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−６６６５９号公報
【特許文献２】特開２００６−３０２９９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１では、カバー材が光学ローパスフィルターの機能を有するため、センサーに入射する光束は一定量以上のボケ像となってしまう。また特許文献２では、光学特性の観点からカバー材を選択することについては開示されていない。
【０００６】
そこで本発明は、耐熱性及び光学特性に優れた光学センサーを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面としての光学センサーは、入射光を受光して電気信号に変換する光電変換素子と、前記光電変換素子を収容するパッケージと、前記入射光を透過させ、前記光電変換素子を保護するカバー材とを有し、前記カバー材は、光学異方性を有し、かつ２Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導係数を有し、前記カバー材の光学軸は、該カバー材の面内方向を向いている。
【０００８】
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、耐熱性及び光学特性に優れた光学センサーを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態における光学センサーの概略断面図である。
【図２】光学異方性を有する材料の内部での偏光分離現象の概略説明図である。
【図３】光学異方性を有する材料の界面での偏光分離現象の概略説明図である。
【図４】比較例としての光学センサーの概略断面図である。
【図５】実施例１における光学センサーの概略断面図である。
【図６】実施例２における光学センサーの概略断面図である。
【図７】本実施形態におけるデジタルカメラの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態における光学センサーの概略断面図である。０１１はカバー材、０１２はパッケージ、０１３は光電変換素子、０１４はカバー材０１１の光学軸である。光電変換素子０１３は、入射光を受光して電気信号に変換する。パッケージ０１２は、光電変換素子０１３を収容する。カバー材０１１は、入射光を透過させ、光電変換素子０１３を保護する。
【００１３】
本実施形態において、カバー材０１１の熱伝導係数は２Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。カバー材０１１がこのような大きな熱伝導係数を有することにより、放熱効果を大きくすることができる。また、放熱効果が大きいと、熱の集中を抑制することができ、耐熱性に優れた光学センサーを提供することが可能となる。カバー材０１１の熱伝導係数は、４Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらには５Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることがより好ましい。
【００１４】
本実施形態において、パッケージ０１２は樹脂で構成されている。樹脂材は一般的に熱伝導係数が低いため、パッケージ０１２による放熱効果は低い。このため、本実施形態のように、カバー材０１１の熱伝導係数を大きくすることで、カバー材０１１からの放熱効果によって光学センサーとしての耐熱性を向上させることができる。ただし本実施形態では、パッケージ０１２とカバー材０１１の熱膨張係数の差が５×１０−６／℃以下に設計されていることが好ましい。
【００１５】
本実施形態では、上記を満たすカバー材０１１が光学異方性を有する材料であることを特徴としている。このような材料では、その光学軸の向きや異方性の大きさに応じて、入射光束が分離し、像がボケるという性質を有する。本実施形態のカバー材０１１は、光学異方性を有する材料で構成されるが、カバー材０１１の面法線方向から入射する光がその光学異方性により偏光分離されないように構成されている。このような構成によれば、カバー材０１１での像のボケ量を少なくすることができる。
【００１６】
次に、光学異方性を有する材料を用いた場合に像がボケる現象について、簡単に説明する。光学異方性を持つ材料で像がボケる現象、又は、入射光束が分離する現象は、大きく分けて２種類ある。すなわち、異方性による材料の内部での偏光分離現象と、複屈折による材料の界面での偏光分離現象である。
【００１７】
上記分離現象のうち前者の偏光分離現象は、光学ローパスフィルターで利用される現象である。図２は、材料の内部での偏光分離現象の概略説明図である。０２１は光学異方性を持つ部材（媒質）、０２２は部材０２１の光学軸、０２３は入射光、０２４、０２５は射出される偏光（経路）である。部材０２１の光学軸０２２は、部材０２１の厚さ方向（図２中の上下方向）に対して４５度傾いている。なお、図２では部材０２１が正結晶である場合を示している。
【００１８】
部材０２１への入射光０２３のうち、偏光０２４は光学軸０２２に対して直交する方向に振動する光であり、図２ではＳ偏光である。部材０２１に垂直に入射した偏光０２４は、部材０２１の内部をそのまままっすぐ進むように透過する。一方、偏光０２５は光学軸０２２に対して斜めに振動する光であり、図２ではＰ偏光である。このような偏光０２５は、部材０２１内で斜めに進行する。その方向は、部材０２１の厚さ方向を基準として角度φで表され、具体的には以下の式（１）で表される。
【００１９】
【数１】
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【００２０】
ここで、ｎｏは部材０２１の常光線屈折率、ｎｅは部材０２１の異常光線屈折率、θは光学軸０２２と偏光０２５の振動方向のなす角度である。式（１）より、光学軸０２２に対して直交および平行方向に振動する光以外の光は、部材０２１の厚さ方向を基準として斜めに進む。この現象により、偏光０２４、０２５は互いに部材０２１の内部で分離する。
【００２１】
一方、後者の複屈折による偏光分離特性は、異方性材料が有する一般的な現象である。図３は、複屈折による偏光分離現象の概略説明図である。０３１は光学異方性を有する部材、０３２は部材０３１の光学軸、０３３は入射光、０３４、０３５は射出される偏光（経路）である。部材０３１の光学軸０３２は、部材０３１の厚さ方向に平行である。なお、図３では部材０３１が正結晶の場合を示す。
【００２２】
異方性を有する部材０３１においては、入射する偏光ごとに屈折率が異なる。このため、偏光０３４、０３５ごとに異なる屈折率でスネルの法則が成り立ち、偏光０３４、０３５ごとに屈折角が変化する。この現象が複屈折と呼ばれる。これを考慮すると、光学異方性を有する部材を用いた場合、全ての入射角に対してこの現象は防ぐことは困難であり、偏光ごとに光は分離する。
【００２３】
前述のように、光学異方性を有する材料を用いた場合、入射光は、２種類の現象によって偏光ごとに分離する。また厳密には、斜入射で入った光でも部材の内部での偏光分離現象が生じうる。すなわち、光学異方性を有する材料をカバー材０１１として用いると、入射光が一定の入射角を有する場合、偏光ごとに分離する現象は避けられない。カバー材０１１での入射光束の分離が大きいと、像自体がボケて光学性能が劣化する。
【００２４】
そこで、本実施形態のカバー材０１１は、カバー材０１１の面法線方向からの入射光が光学異方性により偏光分離されないように構成されている。換言すると、カバー材０１１の光学軸０１４がカバー材０１１の面法線方向、又は、面内方向に向いていることを意味する。このような構成によれば、カバー材０１１の面法線方向からの入射光に関して、式（１）における角度θは、０度又は９０度となる。このとき、式（１）における角度φは０度となり、面法線方向からの入射光がカバー材０１１の内部で偏光分離する現象は起こらなくなる。これにより、入射光のボケを低減させることができる。
【００２５】
一方、前記のように構成しても、面法線方向とは異なる方向（斜め方向）からの光（斜入射光）のボケを抑制することはできない。そこで本実施形態のカバー材０１１は、その光学軸０１４がカバー材０１１の面内方向を向くように構成されている。このような構成によれば、異方性材料をカバー材０１１として用いた場合に、斜入射光を含めてもさらにボケ量を低減することができる。
【００２６】
次に、ボケ量を低減させることができる理由について、簡単に説明する。前述のように、入射光は２つの偏光分離現象によりボケる。斜入射光に対しては、この２つの現象は同時に発生し、かつそれぞれが独立している。
【００２７】
斜入射光は、まず、異方性材料の界面で生じる複屈折により、偏光ごとに分離する。その後、それぞれの偏光ごとに、その振動方向と光学軸の向きに対して式（１）で与えられた角度φだけずれる。光学軸の向きを面法線方向に設定した場合、複屈折による分離方向と式（１）による分離方向は一致する。そのため、偏光が分離するそれぞれの現象は強めあう。一方、光学軸の向きを面内方向に設定した場合、複屈折による分離方向と式（１）による分離方向は反対方向となる。そのため、偏光が分離するそれぞれの現象は相殺されて弱めあう。これは、異方性材料が正結晶又は負結晶のいずれでも成り立つ。このように、異方性材料の光学軸の向きは、面法線方向よりも面内方向としたほうがボケ量をより効果的に抑制することができる。
【００２８】
また本実施形態では、カバー材０１１を平面方向から見た場合に、カバー材０１１は略長方形の形状を有する。ここで略長方形とは、厳密な長方形だけでなく実質的に長方形と評価される形状を含む意味である。さらに、カバー材０１１は、その光学軸０１４が面内方向かつ長方形の短軸方向を向くように構成されている。このような構成により、異方性材料であるカバー材０１１の内部で生じる光のボケをさらに低減することができる。
【００２９】
カバー材０１１の光学軸０１４がカバー材０１１の面内方向を向くように設定すると、カバー材０１１への入射光の方向によってボケ量が変化する。光の入射方向によって、偏光と光学軸の関係性が変化する。同一角度で入射すると仮定した場合、光学軸に沿って入射する光よりも光学軸に直交して入射する光の方が、光のボケ量は小さい。そこで、長方形に切り出された異方性材料であるカバー材０１１の場合、光学軸０１４の向きを長方形の短軸方向に設定することで、光学軸１０４に沿って入射する光の入射角度を抑制することができる。このため、カバー材０１１全体として、入射角度に対する光のボケ量を抑制することが可能となる。
【００３０】
また本実施形態では、カバー材０１１の厚さは１．０ｍｍ未満であることが好ましい。カバー材０１１は、光学異方性を有するが、その厚さが厚すぎるとボケ量が比例して大きくなる。カバー材０１１は、十分な封止効果が発揮可能に構成されていれば、その厚さは薄いほうがよい。カバー材０１１の厚さは、０．８ｍｍ未満であることが好ましく、０．６ｍｍ未満であればより好ましい。
【００３１】
以下、具体的数値を用いた実施例について、比較例とともに説明する。しかし、本発明はその要旨内で応用が可能であり、これらの記載に限定されるものではない。
（比較例１）
図４は、比較例としての光学センサーの概略断面図である。０４１はカバー材であり、水晶の板から構成されている。０４２はパッケージであり、耐熱ガラスから構成されている。０４３は光電変換素子、０４４はカバー材０４１の光学軸、０４５はカバー材０４１の上面である。カバー材０４１を形成する水晶は、正結晶タイプの異方性材料である。光学軸０４４は、カバー材０４１の厚さ方向に対して４５度傾いており、かつ、カバー材０４１の長軸方向（ｘ方向）を向いている。カバー材０４１を構成する水晶の熱伝導係数は８．０Ｗ／ｍ・Ｋであり、水晶の厚さは０．５ｍｍである。本比較例は、光学軸の向きが本発明の条件を満たしていない。カバー材０４１に入射角２０度で入射した光のボケ量は、ｘ方向で２．６〜３．３μｍとなる。このように、本比較例の構成では、ボケ量が数μｍ以上と極めて大きくなる。
【実施例１】
【００３２】
図５は、実施例１における光学センサーの概略断面図である。０５１はカバー材であり、水晶の板から構成されている。０５２はパッケージであり、樹脂材から構成されている。０５３は光電変換素子、０５４はカバー材０５１の光学軸、０５５はカバー材０５１の上面である。カバー材０５１を構成する水晶は、正結晶タイプの異方性材料である。光学軸０５４は、カバー材０５１の面内方向（ＸＹ平面内の方向）を向いており、より具体的には、短軸方向(ｙ方向)を向いている。水晶の厚さは０．５ｍｍである。また、水晶の熱伝導係数は９．３Ｗ／ｍ・Ｋである。本実施例は、本発明の要件を全て満たしている。カバー材０５１に入射角２０度で入射した光のボケ量は、ｘ方向で０．６７μｍ、ｙ方向で０．７０μｍとなる。このように本実施例によれば、比較例と比べて、入射角度に対するボケ量が極めて小さくなる。
【実施例２】
【００３３】
図６は、実施例２における光学センサーの概略断面図である。０６１はカバー材であり、水晶の板から構成されている。０６２はパッケージであり、セラミック材から構成されている。０６３は光電変換素子、０６４はカバー材０６１の光学軸、０６５はカバー材０６１の上面である。カバー材０６１を構成する水晶は、正結晶タイプの異方性材料である。光学軸０６４は、カバー材０６１の面法線方向を向いている。水晶の厚さは０．５ｍｍである。また、水晶の熱伝導係数は５．４Ｗ／ｍ・Ｋである。本実施例は、本発明の要件を満たしている。カバー材０６１に入射角２０度で入射した光のボケ量は、ｘ方向で１．３６μｍ、ｙ方向で１．３６μｍとなる。このように本実施例によれば、比較例と比べて、入射角度に対するボケ量が小さくなる。
このような反射率を抑制可能な光学センサー（光学素子）は、デジタルカメラ等、多くの光学機器で適して用いられる。図7は、本実施形態の光学素子を備えた光学機器（デジタルカメラ）の概略構成図である。０７０はカメラ本体、０７１は撮影光学系である。０７２はカメラ本体０７０に内蔵され、撮影光学系０７１によって形成された被写体像を受光するＣＣＤセンサーやＣＭＯＳセンサー等の固体撮像素子（光電変換素子）である。固体撮像素子０７２は、上記各実施例における光学センサーの光電変換素子に相当する。０７３は固体撮像素子０７２によって光電変換された被写体像に対応する情報を記録するメモリ、０７４は液晶ディスプレイパネル等によって構成され、固体撮像素子０７２上に形成された被写体像を観察するための電子ビューファインダである。
本実施形態によれば、固体撮像素子０７２（光学センサー）を備えることにより、耐候性及び光学性能に優れた光学機器を提供することができる。また、本実施形態における固体撮像素子０７２とは別に光学ローパスフィルターを備えることが好ましい。光学センサーと光学ローパスフィルターの機能を分けることで、それぞれの性能を効果的に発揮させ、光学機器としての機能をより向上させることができる。
【００３４】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、光電変換素子を有する光学センサーに関し、放熱性や光学性能に優れた素子及びそれを備えた光学機器として、産業上の利用可能性を有する。
【符号の説明】
【００３６】
０１１、０４１、０５１、０６１  カバー材
０１２、０４２、０５２、０６２  パッケージ
０１３、０４３、０５３、０６３  光電変換素子
０１４、０２２、０３２、０４４、０５４、０６４  光学軸
０２３、０３３  入射光
【図１】
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【図２】
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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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