CN102842027B - 摄像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供摄像装置，防止光串扰并将摄像装置的结构简化。摄像装置具备：光透过性的基板(32)、与基板的第一表面(321)对置的多个透镜(44)、形成于基板的第二表面(322)并具有供各透镜的光轴通过的开口部(36)的遮光层(34)、以及以透镜的光轴通过与第二表面隔开间隔对置的受光面(56)的方式配置的多个受光元件(54)。透镜的有效直径(D)、开口部的直径(a)、受光面与遮光层之间的距离(h)、受光面的直径(d)、受光面与透镜的中心的距离(s)、各受光元件的间距(p)以及基板的折射率(n)满足：a＜(h·D+h·d‑s·d)/s以及tan‑1{(p‑a/2‑d/2)/h}＞sin‑1(1/n)。

Description

摄像装置
技术领域
本发明涉及摄像装置。
背景技术
在专利文献1中公开了为了进行生物认证而对生物的静脉图像摄像的摄像装置。如图9所示，专利文献1的摄像装置具备：排列有多个受光元件921的受光部92、包括与各受光元件921对应的透镜(微透镜)941的透镜阵列94以及夹装在受光部92与透镜阵列94之间的遮光层96。遮光层96由遮光性的板状部件构成，具有将光透过性的透光部961填充于与各受光元件921对应的圆筒状的开口部的构造。
专利文献1：日本特开2008-36058号公报
然而，在专利文献1的技术中，存在遮光层96的构造复杂的问题。如果代替专利文献1的遮光层96而采用针对每个受光元件形成具有开口部的薄膜状的遮光层的基板，则可将结构简化，但明显存在来自各透镜以外的光到达与各透镜对应的受光元件的问题(以下将该现象称为“光串扰”)。
发明内容
考虑以上的情况，本发明的目的在于，防止光串扰并简化摄像装置的结构。
为了解决以上的课题，本发明的摄像装置具备：光透过性的第一基板(例如基板32)，该第一基板包括第一表面以及第一表面的相反侧的第二表面；多个透镜，上述多个透镜沿着第一表面配置为平面状，并且各自将入射光聚光；遮光层，该遮光层形成于第二表面，并具有供各透镜的光轴通过的开口部；以及多个受光元件，上述多个受光元件以透镜的光轴通过与第二表面隔开间隔对置的受光面的方式与各透镜对应地配置为平面状，在通过多个透镜中的相互相邻的第一透镜(例如透镜44[1])以及第二透镜(例如透镜44[2])的各自的光轴的基准面内，将与第一透镜对应的开口部的直径(例如直径a)设定为小于基准区域的直径，其中，上述基准区域由从第一透镜的有效直径的周缘(例如点QA1)通过第一透镜的光轴而到达与第一透镜对应的受光元件的受光面的周缘(例如点QA2)的直线(例如直线LA)与第一基板的第二表面的交点(例如交点C1)划定而成，并且，在基准面中的第一透镜的光轴与第二透镜的光轴之间的区域中，通过与第二透镜对应的开口部的周缘(例如点QB1)和与第一透镜对应的受光元件的受光面的周缘(例如点QB2)的直线(例如直线LB)、与第二透镜的光轴所成的角度(例如角度θ)超过相对于第一表面的入射光的最大折射角(例如最大折射角αm)。
在以上的结构中，由于针对每个透镜形成有开口部的遮光层形成于第一基板的第二表面，因此与在遮光性的板状部件的各开口部插入了透光部的专利文献1的结构相比，具有将结构简化的优点。此外，因为与第一透镜对应的开口部的直径小于基准区域的直径(第一条件)，因此通过与第一透镜对应的开口部的光中的、来自第一透镜以外的成分不到达与第一透镜对应的受光元件的受光面。此外，因为将与第二透镜对应的开口部和与第一透镜对应的受光面连结的直线的角度超过最大折射角(第二条件)，因此通过了与第二透镜对应的开口部的光不到达与第一透镜对应的受光元件的受光面。即，能够防止对于各受光元件的光串扰。
在本发明的优选的方式中，各透镜的有效直径D、遮光层的各开口部的直径a、备受光元件的受光面与遮光层的表面之间的距离h、备受光面的直径d、以及各受光面与各透镜的中心之间的距离s满足以下的数学式(A)的关系。
a＜(h·D+h ·d-s·d)/s ......(A)
在以上的结构中，由于摄像装置的各要素的尺寸满足数学式(A)的关系，因此通过了与第一透镜对应的开口部的光中的、来自第一透镜以外的成分不到达与第一透镜对应的受光元件的受光面。
在本发明的优选的方式中，遮光层的各开口部的直径a、多个受光元件的间距p、各受光元件的受光面与遮光层的表面之间的距离h、备受光面的直径d、以及第一基板的折射率n满足以下的数学式(B)的关系。
tan-1{(p-a/2-d/2)/h}＞sin-1(1/n) ......(B)
在以上的结构中，由于摄像装置的各要素的尺寸满足数学式(B)的关系，因此通过了与第二透镜对应的开口部的光不到达与第一透镜对应的受光元件的受光面。
本发明的优选的方式的摄像装置具备第二基板(例如基板42)，该第二基板与第一基板的第一表面隔开间隔对置，多个透镜形成于第二基板中的与第一基板对置的面(例如表面421)。在更为优选的方式中，第一基板的热膨胀率与第二基板的热膨胀率相等。在以上的方式中，由于第一基板与第二基板的热膨胀率相同，因此能够防止各透镜与各开口部之间的错位、第一基板以及第二基板的热应力。另一方面，在将多个透镜形成于第一基板的第一表面的结构(例如后述的第二实施方式)中，具有将摄像装置薄型化的优点。
本发明的优选的方式的摄像装置具备第三基板(例如基板52)，该第三基板与第一基板的第二表面隔开间隔对置，多个受光元件形成于第三基板中的与第一基板对置的面(例如表面521)。在更为优选的方式中，第一基板的热膨胀率与第三基板的热膨胀率相等。在以上的方式中，由于第一基板的热膨胀率与第三基板的热膨胀率相同，因此能够防止各开口部与各受光元件之间的错位、第一基板以及第三基板的热应力。
本发明的优选的方式的摄像装置具备光透过性的填充层，该填充层夹装在第二基板与第三基板之间。根据使填充层的折射率与第一基板的折射率大致相同的结构，由于射入到第一基板的光在第一基板与填充层之间的边界面(第二表面)直线前进，因此通过以满足数学式(B)的方式选定各要素的尺寸，能够有效防止光串扰。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式所涉及的摄像装置的剖视图。
图2是摄像装置的分解剖视图。
图3是用于防止光串扰的第一条件的说明图。
图4是用于防止光串扰的第二条件的说明图。
图5是在填充层的内部行进的光的角度的说明图。
图6是第二实施方式所涉及的摄像装置的剖视图。
图7是第三实施方式所涉及的摄像装置的剖视图。
图8是第四实施方式所涉及的摄像装置的剖视图。
图9是专利文献1的摄像装置的剖视图。
具体实施方式
A：第一实施方式
图1是本发明的第一实施方式所涉及的摄像装置100的剖视图，图2是摄像装置100的分解剖视图。摄像装置100是为了进行生物认证而对生物体200(例如人的手指)的静脉图像摄像的生物认证装置(静脉传感器)，如图1以及图2所示，该摄像装置具备遮光基板30、聚光基板40以及受光基板50。聚光基板40夹装在受光基板50与生物体200(被摄体)之间，遮光基板30夹装在聚光基板40与受光基板50之间。
遮光基板30构成为包括基板32和遮光层34。如图2所示，基板32是包括靠聚光基板40侧的表面(以下称为“第一表面”)321和靠受光基板50侧的表面(以下称为“第二表面”)322的光透过性的板状部件。例如优选采用玻璃基板作为基板32。遮光层34是在基板32的第二表面322上形成的遮光性的薄膜。如图2所示，在遮光层34上形成多个开口部36。
聚光基板40构成为包括基板42和多个透镜(微透镜)44。基板42是热膨胀率(线膨胀系数)与基板32相等的光透过性的板状部件。基板42的厚度为0.5mm左右。例如与遮光基板30的基板32相同，优选采用玻璃基板作为基板42。多个透镜44形成于基板42中的、与遮光基板30的第一表面321对置的表面421，并排列成矩阵状。各透镜44是用于将来自生物体200侧的入射光聚光的凸透镜。另外，可将基板42与多个透镜44一体形成。将透镜44的曲率半径设定为例如160μm左右。
如图1所示，规定基板32与基板42之间的间隔，以使得多个透镜44的表面与遮光基板30的第一表面321对置并接触。遮光层34的各开口部36是与聚光基板40的各透镜44一一对应形成的近似圆形的透光区域。透镜44的光轴通过与该透镜44对应的开口部36的中心。
受光基板50构成为包括基板52和多个受光元件54。基板52是热膨胀率(线膨胀系数)与基板32以及基板42相等的光透过性板状部件。例如与遮光基板30的基板32、聚光基板40的基板42相同，优选采用玻璃基板作为基板52。遮光基板30与受光基板50通过填充于二者之间的填充层60(粘结剂)而相互固定。填充层60由折射率与基板32相等的光透过性材料(例如树脂材料)形成。
如图2所示，多个受光元件54形成于基板52中的、与遮光基板30的第二表面322对置的表面521，并排列成矩阵状。各受光元件54生成同射入与第二表面322对置的近似圆形的受光面56的光量对应的检测信号。聚光基板40的各透镜44与受光基板50的各受光元件54一一对应。具体而言，透镜44的光轴通过与该透镜44对应的受光元件54的受光面56的中心。另外，在受光基板50的制造中可以采用例如2009-200104号公报所公开的技术。
在以上的结构中，如图1箭头所示，由配置在规定的位置(例如隔着生物体200而与聚光基板40相反的一侧)的光源(省略图示)产生的照射光在生物体200的内部的静脉透过或反射而射入聚光基板40，并且在被各透镜44聚光后通过遮光层34的开口部36到达受光元件54的受光面56。即，对生物体200的静脉图像进行摄像。遮光层34的各开口部36作为限制射入与该开口部36对应的受光元件54的入射光的单元发挥作用。
根据以上结构，由于针对每个受光元件54形成有开口部36的遮光层34形成于基板32的第二表面322，因此与采用在遮光性的板状部件的开口部填充有透光部961的图9的遮光层34的专利文献1的技术相比，具有将摄像装置100的结构简化的优点。
然而，在专利文献1的技术中，受光部92由硅形成，透镜阵列94由石英玻璃形成，遮光层96由树脂材料形成。即，各要素的热膨胀率显著不同。因此，例如存在很难使透镜941、遮光层96的透光部961以及受光元件921之间的各位置高精度地匹配的问题。此外，还存在各要素产生由热膨胀率的差异引起的热应力的问题。另一方面，在第一实施方式中，由于基板32、基板42以及基板52的热膨胀率相同，因此具有能够防止透镜44、开口部36以及受光元件54的位置的误差、并且能够抑制各要素(聚光基板40、遮光基板30以及受光基板50)中的热应力的产生的优点。但是，如果热膨胀率的差异不成为问题，则也能够采用使基板32与基板42的热膨胀率不同的结构、或者使基板42与基板52的热膨胀率不同的结构。
以防止光串扰的方式选定摄像装置100的各要素的尺寸。如图3以及图4所示，着眼于聚光基板40的多个透镜44中的任意一个透镜44[1]和与透镜44[1]邻接的一个透镜44[2]，对各要素的尺寸的条件进行详细说明。在以下的说明中，为了方便而对与透镜44[1]对应的要素(光轴A、开口部36、受光元件54、受光面56)的符号附加标记[1]，并对与透镜44[2]对应的要素的符号附加标记[2]。图3以及图4是通过透镜44[1]的光轴A[1]和透镜44[2]的光轴A[2]的平面(以下称为“基准面”)上的摄像装置100的剖视图。其中，在图3以及图4中，从防止附图复杂化的目的出发，省略了各要素的剖面线。
以满足用于防止光串扰的第一条件(图3)和第二条件(图4)的方式选定摄像装置100的各要素的尺寸。第一条件是通过开口部36[1]的光中的、仅透过了透镜44[1]的光射入受光元件54[1]的受光面56[1](即，从透镜44[1]以外的区域到来并通过了开口部36[1]的光到达受光面56[1]的外侧)的条件。第二条件是透过了开口部36[2]的光不射入受光元件54[1]的受光面56[1](到达受光面56[1]的外侧)的条件。以下，分别对第一条件以及第二条件进行详细说明。
第一条件
如图3所示，在基准面内假想直线LA。直线LA是从透镜44[1]的周缘上的点QA1出发、与透镜44[1]的光轴A[1]交叉并到达受光元件54[1]的受光面56[1]的周缘上的点QA2的直线。在基准面内，点QA1与点QA2隔着光轴A[1]而位于相反侧。利用直线LA与遮光基板30的基板32的第二表面322的交点C1来划定基准区域R。即，基准区域R是将第二表面322与光轴A[1]的交点C0设为中心并将交点C1设为圆周上的点的、直径为a0的圆形区域。基准区域R的直径a0相当于交点C0与交点C1之间的距离(即半径)的2倍。
根据图3可知，如果以开口部36[1]的直径a小于基准区域R的直径a0(a＜a0)的方式选定各开口部36的直径a，则从透镜44[1]以外的区域到来并通过了开口部36[1]的光到达受光面56[1]的外侧。即，满足第一条件。
根据图3，从几何学上理解为，基准区域R的直径a0、受光面56[1]的直径d、受光面56[1](基板52的表面521)与遮光层34的表面之间的距离h以及沿光轴A[1]的距离x满足以下的数学式(a1)的条件。如图3所示，距离x是从直线LA与光轴A[1]的交点C2到受光面56[1]的距离。
a0/(h-x)＝d/x ......(a1)
从数学式(a1)导出以下的数学式(a2)。
a0＝d(h-x)/x ......(a2)
此外，透镜44[1]的直径(有效直径)D、受光面56[1]与透镜44[1]的中心(基板42的表面421)之间的距离s满足以下的数学式(a3)。
D/(s-x)＝d/x ......(a3)
从数学式(a3)导出以下的数学式(a4)。
x＝d·s/(D+d) ......(a4)
将数学式(a4)代入数学式(a1)，从而导出以下的数学式(a5)。
a0＝(h·D+h·d-s·d)/s ......(a5)
根据开口部36[1]的直径a小于基准区域R的直径a0(a＜a0)这样的上述的条件和数学式(a5)，导出以下的表示第一条件的数学式(A)。以满足数学式(A)的方式选定遮光层34的各开口部36的直径a。
a＜(h·D+h·d-s·d)/s ......(A)
第二条件
如图4所示，在基准面内假想直线LB。直线LB是在透镜44[1]的光轴A[1]与透镜44[2]的光轴A[2]之间的区域内、通过开口部36[2]的周缘上的点QB1与受光元件54[1]的受光面56[1]的周缘上的点QB2的直线。直线LB与透镜44[2]的光轴A[2]形成角度θ。
根据图4可知，如果直线LB的角度θ超过αm(θ＞αm)，则通过了开口部36[2]的光不到达受光面56[1]，其中，该αm是通过开口部36[2]并在填充层60的内部行进的光与光轴A[2]所成的角度α的最大值(以下称为“最大折射角”)。即，满足第二条件。
如图5所示，假想光以入射角αin从空气中射入到遮光基板30的基板32的第一表面321的情况。用包括基板32的折射率n的以下的数学式(b1)表示入射角αin与第一表面321上的折射角α之间的关系。
sin(α)＝sin(αin)/n ......(b1)
若假定填充层60的折射率与基板32的折射率n相同，则射入到基板32的第一表面321的光在基板32与填充层60之间的边界面(第二表面322)直线前进，并以满足数学式(b1)的折射角α透过填充层60的内部。由于填充层60的内部的最大折射角αm相当于将数学式(b1)的入射角αin设为90°的情况(sin(αm)＝sin(90°)/n)，因此导出以下的表示最大折射角αm的数学式(b2)。
αm＝sin-1(1/n) ......(b2)
另一方面，根据图4，从几何学上理解为，用以下的数学式(b3)表示在与第二表面322平行的方向上的、点QB1与点QB2之间的距离z。数学式(b3)的符号p表示受光元件54[1]与受光元件54[2]的间距(即，受光面56[1]与受光面56[2]的中心间的距离)。
z＝p-a/2-d/2 ......(b3)
因此，直线LB与光轴[2]之间的角度θ满足包括距离z和上述的距离h(受光面56[2]与遮光层34的表面之间的距离)的以下的数学式(b4)。
tan(θ)＝z/h
＝(p-a/2-d/2)/h ......(b4)
从数学式(b4)导出以下的数学式(b5)。
θ＝tan-1{(p-a/2-d/2)/h} ......(b5)
根据直线LB的角度θ大于最大折射角αm(θ＞αm)这样的上述的条件和数学式(b2)以及数学式(b5)，导出以下的表示第二条件的数学式(B)。
tan-1{(p-a/2-d/2)/h}＞sin-1(1/n) ......(B)
以满足数学式(A)以及数学式(B)的方式选定摄像装置100的各要素的尺寸。因此，从透镜44[1]以外的区域到来并通过了开口部36[1]的光不射入受光面56[1](数学式(A)：第一条件)，并且通过了开口部36[2]的光不射入受光面56[1](数学式(B)：第二条件)。即，根据第一实施方式，能够防止对于各受光元件54的光串扰。
例如，在将透镜44的直径D、受光元件54之间的间距p以及距离h设为100μm，将受光元件54的直径d设为10μm，将距离s设为400μm的情况下，数学式(A)的右边为17.5μm。因此，在满足数学式(A)的范围内，将各开口部36的直径a设定为例如15μm。此外，以以上的条件为基础，角度θ(数学式(B)的左边)约为41.19°。在将基板32以及填充层60的折射率n设为1.53的情况下，由于最大折射角αm约为40.81°，因此满足数学式(B)的条件。如上所述，由于满足数学式(A)以及数学式(B)双方的条件，所以能够防止对于各受光元件54的光串扰。
B：第二实施方式
以下对本发明的第二实施方式进行说明。其中，对于以下例示的各构成中的作用、功能与第一实施方式相同的要素，通用以上的说明中所参照的符号，并适当地省略各要素的详细说明。
图6是第二实施方式的摄像装置100的剖视图。如图6所示，在第二实施方式的摄像装置100中，多个透镜44形成于遮光基板30的基板32中的、靠生物体200侧的第一表面321。与第一实施方式相同，各透镜44将来自生物体200的光聚光。
在第二实施方式中也以满足第一条件和第二条件的方式选定摄像装置100的各要素的尺寸。因此，能够实现与第一实施方式相同的效果。此外，在第二实施方式中，由于多个透镜44形成于基板32，因此不需要第一实施方式的基板42。因此，与第一实施方式相比，能够实现摄像装置100的薄型化。
C：第三实施方式
图7是第三实施方式的摄像装置100的剖视图。如图7所示，第三实施方式的摄像装置100是在聚光基板40上追加了遮光层46的结构，该遮光层46夹装在基板42与多个透镜44之间。在遮光层46上形成有与各透镜44对应的圆形的开口部461。利用各透镜44将从生物体200射入到基板42的光中的、通过了开口部461的光聚光。
第三实施方式中的数学式(A)的尺寸D是遮光层46的开口部461的直径。即，第一实施方式中的透镜44的直径和第三实施方式的开口部461的直径概括为透镜44的有效直径D。在第三实施方式中也能实现与第一实施方式相同的效果。
D：第四实施方式
图8是第四实施方式的摄像装置100的剖视图。如图8所示，第四实施方式的摄像装置100是在受光基板50上追加了遮光层58的结构，该遮光层58覆盖基板52的表面521。在遮光层58上形成有与各受光元件54对应的圆形的开口部581。透过了基板32以及填充层60的光通过开口部581并射入受光元件54。
第四实施方式中的数学式(A)以及数学式(B)的尺寸d是遮光层58的开口部581的直径。即，受光元件54的表面中的、向开口部581的内侧露出的区域作为受光面56发挥作用。在第四实施方式中也能实现与第一实施方式相同的效果。
符号说明：
100...摄像装置；200...生物体；30...遮光基板；32...基板(第一基板)；321...第一表面；322...第二表面；34...遮光层；36...开口部；40...聚光基板；42...基板(第二基板)；44...透镜；46...遮光层；461...开口部；50...受光基板；52...基板(第三基板)；54...受光元件；56...受光面；58...遮光层；581...开口部；60...填充层。

Claims (9)

1.一种摄像装置，其特征在于，
该摄像装置具备：
光透过性的第一基板，该第一基板包括第一表面以及所述第一表面的相反侧的第二表面；
多个透镜，所述多个透镜沿着所述第一表面配置为平面状，并且各自将入射光聚光；
遮光层，该遮光层形成于所述第二表面，并具有供所述各透镜的光轴通过的开口部；以及
多个受光元件，所述多个受光元件以所述透镜的光轴通过与所述第二表面隔开间隔对置的受光面的方式与所述各透镜对应地配置为平面状，
在通过所述多个透镜中的相互相邻的第一透镜以及第二透镜的各自的光轴的基准面内，将与所述第一透镜对应的所述开口部的直径设定为小于基准区域的直径，其中，所述基准区域由从所述第一透镜的有效直径的周缘通过所述第一透镜的光轴而到达与所述第一透镜对应的所述受光元件的所述受光面的周缘的直线与所述第一基板的所述第二表面的交点划定而成，并且，在所述基准面中的所述第一透镜的光轴与所述第二透镜的光轴之间的区域中，通过与所述第二透镜对应的所述开口部的周缘和与所述第一透镜对应的所述受光元件的所述受光面的周缘的直线、与所述第二透镜的光轴所成的角度超过入射光相对于所述第一表面的最大折射角，
所述各透镜的有效直径D、所述遮光层的所述各开口部的直径a、所述各受光元件的所述受光面与所述遮光层的表面之间的距离h、所述各受光面的直径d、以及所述各受光面与所述各透镜的中心之间的距离s满足以下的数学式(A)的关系：
a＜(h·D+h·d-s·d)/s……(A)。
2.根据权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，
所述遮光层的所述各开口部的直径a、所述多个受光元件的间距p、所述各受光元件的所述受光面与所述遮光层的表面之间的距离h、所述各受光面的直径d、以及所述第一基板的折射率n满足以下的数学式(B)的关系：
tan-1{(p-a/2-d/2)/h}＞sin-1(1/n)……(B)。
3.根据权利要求1或2所述的摄像装置，其特征在于，
所述摄像装置具备第二基板，该第二基板与所述第一基板的所述第一表面隔开间隔对置，
所述多个透镜形成于所述第二基板中的与所述第一基板对置的面。
4.根据权利要求3所述的摄像装置，其特征在于，
所述第一基板的热膨胀率与所述第二基板的热膨胀率相等。
5.根据权利要求1或2所述的摄像装置，其特征在于，
所述多个透镜形成于所述第一基板的所述第一表面。
6.根据权利要求3所述的摄像装置，其特征在于，
所述摄像装置具备第三基板，该第三基板与所述第一基板的所述第二表面隔开间隔对置，
所述多个受光元件形成于所述第三基板中的与所述第一基板对置的面。
7.根据权利要求6所述的摄像装置，其特征在于，
所述第一基板的热膨胀率与所述第三基板的热膨胀率相等。
8.根据权利要求6所述的摄像装置，其特征在于，
所述摄像装置具备光透过性的填充层，该填充层夹装在所述第二基板与所述第三基板之间。
9.根据权利要求8所述的摄像装置，其特征在于，
所述填充层的折射率与所述第一基板的折射率相等。
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