JP2004356175A - 撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】像面湾曲、歪曲収差等の複数の収差をバランスよく補正でき、小型でありながら解像度の高い撮像装置を提供する。
【解決手段】撮像装置１０は、撮像光学系１１と、撮像光学系１１を通過した光を受光する撮像素子１２を含み、撮像素子１２は厚み方向に湾曲した多項式面形状を有する。例えば、撮像光学系１１の光軸を含む平面と撮像素子１２との交線が、Ｘ＝Ｂ１Ｙ２＋Ｂ２Ｙ３で表される。
【選択図】 図１
【解決手段】撮像装置１０は、撮像光学系１１と、撮像光学系１１を通過した光を受光する撮像素子１２を含み、撮像素子１２は厚み方向に湾曲した多項式面形状を有する。例えば、撮像光学系１１の光軸を含む平面と撮像素子１２との交線が、Ｘ＝Ｂ１Ｙ２＋Ｂ２Ｙ３で表される。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮像装置に関し、特に、携帯電話機やデジタルカメラ等の携帯情報装置に搭載されるのに適した撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、撮像装置を搭載した携帯情報装置が広く普及している。デジタルカメラや撮像機能付き携帯電話機等は、撮像装置を搭載した携帯情報装置の典型例である。撮像装置はＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサ等の受光素子を用いた撮像素子と、被写体の光学像を撮像素子の受光面に導く撮像光学系とを含んで構成される。そして、撮像機能付きの携帯情報装置の小型化の要請に伴い、それに搭載される撮像装置も小型化することが要求されている。さらに、質の高い画像を広範囲に撮像できるように、撮像画角の増大や解像度の向上などの撮像装置の性能に対する要求も高まってきている。
【０００３】
一般に、撮像装置では、撮像光学系による収差が生じ、撮像装置の設計ではこの収差による像のボケを抑えることが望まれる。この像のボケは、球面収差、非点収差、像面湾曲、歪曲収差などの複数の要因によって生じる。一般的には撮像画角が広くなるほど収差が大きくなり、撮像により得られる画像の画質も低下する。このような収差は、特定の形状のレンズを複数枚組合せて撮像光学系を構成することによって、ある程度補正できる。
【０００４】
また、収差を補正するための別の技術として、撮像素子の受光面を円筒状または球面状に湾曲させた撮像装置が知られている（例えば、特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１５６２７８号公報（第４−５頁、第５図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、収差を補正するためにいくつものレンズを組合せると、撮像光学系が大きくなってしまい、撮像装置の小型化が困難になる。また、撮像光学系のみで収差を補正するには性能限界がある。特許文献１に記載の撮像装置のように、撮像素子を円筒形状や球面形状とすれば、像面湾曲を補正できるが、歪曲収差などの他の収差を同時に補正し、画面の全体でボケのない像を得るには不十分である。
【０００７】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、像面湾曲、歪曲収差等の複数の収差を補正し、小型ながらも広い撮像画角で解像度の高い被写体像を撮像できる撮像装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の撮像装置は、撮像光学系と、前記撮像光学系を通過した光を受光する撮像素子であって、厚み方向に湾曲した多項式面形状を有する撮像素子とを含む。
【０００９】
この構成により、撮像素子の形状を多項式面形状としたので、専ら像面湾曲を補正するだけの単なる円筒形状や球面形状と異なり、像面湾曲、歪曲収差等の複数の収差をバランス良く補正する撮像素子形状の設定が可能となり、小型でありながら解像度の高い撮像装置を実現できる。
【００１０】
また、本発明の撮像装置では、前記多項式面形状は、奇数次項を含む多項式で表される形状である。
【００１１】
この構成により、撮像素子の形状を奇数次項を含む多項式面形状としたので、撮像素子に荷重をかけるという簡単な方法で、像面湾曲、歪曲収差等の複数の収差をバランスよく補正する撮像素子形状を形成できる。
【００１２】
また、本発明の撮像装置では、前記撮像素子は長方形であり、前記撮像素子の最大湾曲量が、前記撮像素子の長辺の長さをＨとしたときに、０．０１８×Ｈ３以上０．０８２×Ｈ３以下である。
【００１３】
この構成により、撮像素子の最大湾曲量が上記の範囲内であれば、撮像素子の中心から周辺にかけて十分な湾曲量が得られるので、撮像素子の湾曲形状を自由に設定できる。したがって、撮像素子の大きさや種類に拘わらず、撮像素子の湾曲形状を形成する際の設計自由度が高くなり、小型で高性能な撮像装置を実現できる。
【００１４】
また、本発明の撮像装置では、前記多項式面形状は、偶数次項のみからなる多項式で表される形状である。
【００１５】
この構成により、撮像素子の形状を偶数次項のみからなる多項式面形状としたので、上記と同様に複数の収差を補正できるとともに、撮像素子の中心から周辺までバランス良く収差を補正でき、解像度の高い撮像装置を実現できる。
【００１６】
また、本発明の撮像装置では、前記撮像素子の厚さが１５μｍ以上１００μｍ以下である。
【００１７】
この構成により、撮像素子を破断させることなく実現可能な厚み方向の湾曲量が大きくなり、撮像素子を任意の多項式面形状に湾曲させることができる。
【００１８】
また、本発明の撮像装置では、前記撮像素子は、ＣＩＦサイズである。
【００１９】
この構成により、携帯情報装置に搭載されるのに適した小型の撮像装置を実現できる。
【００２０】
また、本発明の別の態様は、上記の撮像装置を備えた携帯情報装置である。
【００２１】
この構成により、小型でありながら解像度の高い撮像装置を搭載した携帯情報装置を実現できる。
【００２２】
本発明は、上述したような装置の態様に限定されない。本発明の別の態様は、撮像装置の製造方法およびその製造方法により製造される撮像装置である。
【００２３】
【発明実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【００２４】
図１は、本実施の形態の撮像装置１０の構成を示す図である。撮像装置１０は、撮像光学系１１および撮像素子１２を含む。撮像光学系１１は、絞り１３、レンズ１４およびカバーガラス１５を含む。撮像光学系１１は、図１に示すように、レンズが１枚で構成された１枚レンズタイプである。また、カバーガラス１５は、平行平面板である。被写体からの光は図の左側から入射する。絞り１３の開口を通過した光はレンズ１４およびカバーガラス１５を透過して撮像素子１２の受光面に到達する。なお、各部材は、図示しない保持部材によって保持される。また、撮像素子１２は、図示しないパッケージに収められて撮像装置１０内で保持される。
【００２５】
撮像光学系１１を通過した平面上の被写体の光学像は、理想的には撮像素子１２の位置で被写体と相似形で平面上に結像するが、現実には撮像光学系１１による収差が生じ、撮像素子１２の位置で理想通りに像が結像することはない。結像点は光の進行方向や光の進行方向と垂直な方向またはそれらの組合せの方向にずれ、しかも、それらのずれは画面内で一様ではない。このような、結像点のずれのうち、像面湾曲すなわち、結像点の集合が湾曲面となる現象に対しては、撮像素子１２自体を結像点の集合が形成する湾曲面と一致させるように湾曲すれば、補正することができる。
【００２６】
しかし、像面湾曲以外の撮像光学系１１による収差（球面収差、非点収差、歪曲収差など）を効果的に補正するためには、これらの収差をも考慮して撮像素子１２の形状を設定することが有効である。そこで、本実施の形態では、撮像素子１２の形状を厚み方向に湾曲した多項式面形状とする。ここで、多項式面形状とは、単純な円筒形状や球面形状ではなく、撮像光学系１１の光軸を含む平面と撮像素子１２の受光面との交線が多項式で表される曲線となる形状をいう。撮像光学系１１の光軸を含むすべての平面と受光面との交線が多項式で表される必要はなく、例えば、撮像素子１２の長辺と平行な平面と受光面との交線が多項式で表されれば、そのような撮像素子１２は多項式面形状である。すなわち、筒の側面のように、一方向にのみ湾曲させた形状であっても、本発明の多項式面形状となり得る。
【００２７】
平面状の撮像素子１２を湾曲させて多項式面形状を形成するために、撮像素子１２の厚さは、１００μｍ以下であることが望ましい。この範囲内であれば、撮像素子１２を破断させることなく実現可能な湾曲量が十分に大きくなり、好適な多項式面形状に湾曲させることができる。撮像素子１２が薄いほど破断を生じない最大湾曲量が大きくなり、設計の自由度が高くなるが、撮像素子１２自体の強度や製造技術による限界を考慮すると、撮像素子１２の厚さは１５μｍ以上であることが望ましい。例えば、撮像素子１２の受光部を約１０μｍとし、撮像素子１２に搭載するオンチップレンズが約３μｍ〜５μｍとして、合わせて１５μｍの厚さとすることができる。撮像素子１２は、四角形（長方形）であって、典型的には１／７インチＣＩＦサイズであるが、例えば１／６インチＣＩＦサイズや１／９．５インチＣＩＦサイズなどでもよい。
【００２８】
次に、上記の条件を満たす撮像装置１０の具体的な構成例を説明する。各構成例の説明において、ｆは全系の焦点距離、ＦはＦナンバー、２ωは撮像画角、Ｒは曲率半径、ｎｄはｄ線に対する屈折率、νｄはアッベ数を示す。以下の構成例では、１／７インチＣＩＦサイズ（３５２画素×２８８画素）の撮像素子を用いた。また、撮像素子１２の有効範囲は、垂直方向１．５５５ｍｍ×水平方向１．９００ｍｍであり、対角方向の長さは２．４５５ｍｍである。さらに、撮像素子１２の材料は単結晶シリコンである。
【００２９】
また、以下の説明では、図１に示すように、撮像光学系１１の光軸と平行な軸をＸ軸として光の進行方向を正の方向とする。そして、撮像光学系１１の光軸と垂直で、かつ撮像素子１２の対角方向と平行な方向をＹ軸とする。また、撮像光学系１１の光軸と撮像素子１２との交点、すなわち撮像素子１２の中心を原点とする。
【００３０】
（第１の構成例）
第１の構成例の撮像装置１０の設計データは下記および表１に示すとおりである。
ｆ ＝ １．５２９２
Ｆ ＝ ２．８
２ω ＝ ８１．１°
【表１】
【００３１】
表１において、「物体面」は被写体の面である。物体面は、曲率半径が無限大すなわち平面である。また、「面１」は、絞り１３の面である。絞り１３には曲率の概念がないため、曲率半径の代りに開口径を記してある。「面２」はレンズ１４の被写体側の面、すなわち被写体像の入射面であり、「面３」はレンズ１４の撮像素子１２側の面、すなわち被写体像の出射面である。「面４」および「面５」は、それぞれカバーガラス１５の被写体側の面および撮像素子１２側の面である。像面は、撮像素子１２の被写体側の面、すなわち被写体像を受光する受光面である。
【００３２】
表１において、「面間隔」は、光の進行方向に隣合うの面までの間隔であり、単位はｍｍである。面２の行の屈折率およびアッベ数はレンズ１４のｄ線に対する屈折率およびレンズ１４のアッベ数であり、面４の行の屈折率およびアッベ数はカバーガラス１５のｄ線に対する屈折率およびカバーガラス１５のアッベ数である。なお、表１についての以上の点は、下記の表２および表３でも同様である。
【００３３】
面２の非球面形状１および面３の非球面形状２は、それぞれ下記の式（１）の各パラメータに下記の値を代入した式で表される形状である。すなわち、Ｘ軸およびＹ軸を含む平面と撮像素子１２の受光面との交線が下記の式（１）に下記の各パラメータを代入した式で表される。
【００３４】
【数１】
Ｘ＝（Ｙ２／Ｒ）／〔１−｛（１＋κ）Ｙ２／Ｒ２｝１／２〕＋Ａ１Ｙ４＋Ａ２Ｙ６＋Ａ３Ｙ８＋Ａ４Ｙ１０ ・・・（１）
非球面形状１のパラメータ：
Ｒ ＝ １．６２０７４９
κ ＝ −０．２９５３０７
Ａ１ ＝ −０．８６０７２９×１０−１
Ａ２ ＝ ０．１３５０９３×１０１
Ａ３ ＝ −０．２７０１７７×１０２
Ａ４ ＝ ０．１６２６０３×１０３
非球面形状２のパラメータ：
Ｒ ＝ −０．９４７９８４
κ ＝ −２．８１４８７４
Ａ１ ＝ −０．１４８０９１
Ａ２ ＝ ０．４１５２４４
Ａ３ ＝ −０．４９１７９９
Ａ４ ＝ ０．２７６８７０
【００３５】
撮像素子１２が有する多項式面形状１は、下記の式（２）の各パラメータに下記の値を代入した式によって表される形状である。
【００３６】
【数２】
Ｘ＝Ｂ１Ｙ２＋Ｂ２Ｙ３ ・・・（２）
多項式面形状１のパラメータ：
Ｂ１ ＝ −０．１４９３２４
Ｂ２ ＝ ０．４０５４５０×１０−１
式（２）からも明らかな通り、多項式面形状１は、その厚み方向に湾曲しており、その形状は撮像素子１２の長辺側である水平方向（Ｙ軸方向）に関して多項式で表される。具体的には、多項式面形状１は、中心からの距離Ｙの２次の項と３次の項の和で表され、奇数次項を含む多項式によって表される形状である。
【００３７】
（第２の構成例）
第２の構成例の撮像装置１０の設計データは下記および表２に示すとおりである。
ｆ ＝ １．５２９２
Ｆ ＝ ２．８
２ω ＝ ８２．０°
【表２】
【００３８】
非球面形状３および非球面形状４は、第１の構成例と同様に式（１）で表されるが、各パラメータは、下記の通りである。
【００３９】
非球面形状３のパラメータ：
Ｒ ＝ １．５３４３１５
κ ＝ −１．６９３１６７
Ａ１ ＝ −０．２７０６４５×１０−１
Ａ２ ＝ −０．１７６０６１×１０１
Ａ３ ＝ ０．２１１２４０×１０２
Ａ４ ＝ −０．６４８３５７×１０２
非球面形状４のパラメータ：
Ｒ ＝ −０．９２７４５５
κ ＝ −３．１２８５０５
Ａ１ ＝ −０．１８６０７９
Ａ２ ＝ ０．３４１７３０
Ａ３ ＝ −０．３０３８００
Ａ４ ＝ ０．１６２３１８
【００４０】
本構成例の撮像素子１２の多項式面形状２も第１の構成例と同様に、Ｙの２次の項および３次の項の和である式（２）で表されるが、各パラメータは下記の通りである。
【００４１】
多項式面形状２のパラメータ：
Ｂ１ ＝ −０．１９９０９９
Ｂ２ ＝ ０．５４０６００×１０−１
【００４２】
（第３の構成例）
第３の構成例の撮像装置１０の設計データは下記および表３に示すとおりである。
ｆ ＝ １．５２９２
Ｆ ＝ ２．８
２ω ＝ ８２．４°
【表３】
【００４３】
非球面形状５および非球面形状６は、第１および第２の構成例と同様に式（１）で表されるが、各パラメータは、下記の通りである。
【００４４】
非球面形状５のパラメータ：
Ｒ ＝ １．５５７９１８
κ ＝ −０．５９７１９２
Ａ１ ＝ −０．６４０７１０×１０−１
Ａ２ ＝ ０．３９０１４０
Ａ３ ＝ −０．１５８０４７×１０２
Ａ４ ＝ ０．１０８２７０×１０３
非球面形状６のパラメータ：
Ｒ ＝ −０．９２３５４７
κ ＝ −４．６０１０３５
Ａ１ ＝ −０．３９２５９７
Ａ２ ＝ ０．７４２６０７
Ａ３ ＝ −０．６９９８７９
Ａ４ ＝ ０．３１５７９８
【００４５】
第３の構成例では、撮像素子１２も式（１）で表される多項式面形状、すなわち非球面形状とする。式（１）は、偶数次項のみからなる多項式である。第３の構成例の多項式面形状３では、式（１）の各パラメータを以下の通りとする。
【００４６】
多項式面形状３のパラメータ：
Ｒ ＝ −３．７５９４８４
κ ＝ ０
Ａ１ ＝ −０．８１９２５５×１０−１
Ａ２ ＝ ０．４９４５１８×１０−１
Ａ３ ＝ ０
Ａ４ ＝ ０
【００４７】
なお、本構成例の撮像素子１２では、Ｘ軸およびＹ軸に垂直な方向についても多項式面形状３が形成されている。すなわち、Ｘ軸を含み、Ｙ軸に直行する平面と撮像素子１２との交線も、式（１）に上記のパラメータを代入した多項式で表される。
【００４８】
次に、上記第１〜第３の構成例にて設計された撮像装置１０の各種の収差および解像度を説明する。
【００４９】
図２は、第１の構成例にて設計された撮像装置１０の球面収差、非点収差および歪曲収差を示す収差図である。図２に示すように、第１の構成例によれば、１ω＝８１．１°という画角の広さおよびＦ＝２．８という明るさを実現しながらも、歪曲収差が全領域で±２％以下に抑えられており、非点収差が最大で約０．１ｍｍであり像面湾曲は０．２ｍｍ以内であるという良好な性能が実現されている。
【００５０】
図３は、第２の構成例にて設計された撮像装置１０の球面収差、非点収差および歪曲収差を示す収差図である。図３に示すように、第２の構成例によれば、２ω＝８２．０°という画角の広さおよびＦ＝２．８という明るさを実現しながらも、歪曲収差が全領域で±２％以下に抑えられており、非点収差も第１の構成例より軽減されている。
【００５１】
図４は、第３の構成例にて設計された撮像装置１０の球面収差、非点収差および歪曲収差を示す収差図である。図４に示すように、第３の構成例によれば、２ω＝８２．４°という画角の広さおよびＦ＝２．８という明るさを実現しながらも、歪曲収差が全領域で±２％以下に抑えられており、非点収差は第２の構成例よりもさらに軽減されている。
【００５２】
図５および図６は、第１の構成例と第２の構成例にてそれぞれ設計された撮像装置１０の、解像度の指標であるＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を示す図である。図５は、ラジアル方向（放射方向）のＭＴＦ（３０ｌｐ／ｍｍ）示し、図６は、タンジェンシャル方向（同心方向）のＭＴＦ（３０ｌｐ／ｍｍ）を示している。
【００５３】
図５に示す通り、第１の構成例では、ラジアル方向のＭＴＦが中心で９１％、垂直方向の周辺Ｖ（像高６３％、以下単に「周辺Ｖ」と記す）で８３％、水平方向の周辺Ｈ（像高７７％、以下単に「周辺Ｈ」と記す）で７０％である。また、図６に示す通り、第１の構成例では、タンジェンシャル方向のＭＴＦが中心で９１％、周辺Ｖで４４％、周辺Ｈで５１％である。比較例は、撮像光学系を１枚レンズタイプとして、撮像素子を単純な円筒形状とした例である。比較例と第１の構成例とを比較すると、第１の構成例の方が、ラジアル方向のＭＴＦが周辺Ｖで５％、周辺Ｈで６％高い。
【００５４】
第２の構成例では、図５に示すように、ラジアル方向のＭＴＦが中心で９３％、周辺Ｖで８９％、周辺Ｈで８０％である。また、図６に示すように、第２の構成例では、タンジェンシャル方向のＭＴＦが中心で９３％、周辺Ｖで６１％、周辺Ｈで６１％である。第２の構成例と比較例とを比較すると、第２の構成例の方が、ラジアル方向のＭＴＦは周辺Ｖで１１％、周辺Ｈで１６％高く、タンジェンシャル方向のＭＴＦは周辺Ｖで１５％、周辺Ｈで１３％高い。さらに、第１の構成例と第２の構成例とを比較すると、第２の構成例の方が、ラジアル方向のＭＴＦは周辺Ｖで６％、周辺Ｈで１０％高く、タンジェンシャル方向のＭＴＦは周辺Ｖで１７％、周辺Ｈで１０％高い。
【００５５】
図７および図８は、第２の構成例と第３の構成例にてそれぞれ設計された撮像装置１０のＭＴＦを示す図である。図７は、ラジアル方向のＭＴＦ（３０ｌｐ／ｍｍ）示し、図８は、タンジェンシャル方向のＭＴＦ（３０ｌｐ／ｍｍ）を示している。
【００５６】
第３の構成例では、図７に示すように、ラジアル方向のＭＴＦが中心で９４％、周辺Ｖで８８％、周辺Ｈで８５％である。また、図８に示すように、第３の構成例では、タンジェンシャル方向のＭＴＦが中心で９２％、周辺Ｖで５９％、周辺Ｈで５７％である。比較例は、撮像光学系を１枚レンズタイプとして、撮像素子を単純な球面形状とした例である。比較例と第３の構成例とを比較すると、第３の構成例の方が、ラジアル方向のＭＴＦは周辺Ｖで１０％、周辺Ｈで１２％高く、タンジェンシャル方向のＭＴＦは周辺Ｖで１３％、周辺Ｈで９％高い。さらに、第３の構成例は第２の構成例と比較しても、ラジアル方向のＭＴＦは周辺Ｖで５％、周辺Ｈで６％高く、タンジェンシャル方向のＭＴＦは周辺Ｖで１５％、周辺Ｈで６％高い。
【００５７】
上記の第１〜第３の構成例の撮像素子１２の形状は、公知の種々の方法によって形成できるが、特に、平面形状からの変位量が、中心からの距離Ｙの累乗の項の和からなる式で表される多項式面形状１および多項式面形状２は、以下の方法によって容易に形成できる。以下、多項式面形状１および多項式面形状２を形成する方法を説明する。
【００５８】
撮像素子１２は、上記のように厚さＤが１００μｍ以下であるのが望ましく、この範囲内であれば撮像素子１２を厚み方向に十分に湾曲変形できる。撮像素子１２の中心を支点として長辺側である水平方向（長さＨ）の端に、撮像光学系１１の光軸と平行な方向に荷重Ｗをかけて撮像素子１２を湾曲変形させると、湾曲量Ｘは、下記の式（３）で表される。
【数３】
Ｘ＝（Ｗ／６ＥＩ）×｛−Ｙ３＋３Ｙ２（Ｈ／２）｝ ・・・（３）
ただし、Ｙ≧０である。ここで、Ｅはヤング率、Ｉは断面２次モーメントである。
【００５９】
式（３）中の荷重Ｗは、撮像素子１２の厚さＤおよび応力σを用いて下記の式（４）で表される。
【数４】
Ｗ＝σ×（Ｈ／２）×Ｄ ・・・（４）
また、式（３）中のＩは、撮像素子１２の厚さＤおよび水平方向の幅Ｈを用いて下記の（５）式で表される。
【数５】
Ｉ＝（Ｈ／２）×Ｄ３／１２ ・・・（５）
【００６０】
式（４）および式（５）を式（２）に代入すると、湾曲量に関する式（６）が得られる。
【数６】
Ｘ＝（２σ／ＥＤ２）×｛−Ｙ３＋３Ｙ２×（Ｈ／２）｝ ・・・（６）
【００６１】
式（６）の右辺は、Ｙの２次の項とＹの３次の項との和である。したがって、式（６）は、上記の多項式面形状１および２の式（２）と同じ形の式である。式（６）は、水平方向に関する奇数次項を含む多項式であり、荷重Ｗによって形成される撮像素子１２の形状は、Ｘ軸を含んでＹ軸と平行な平面との交線が奇数次項を含む多項式で表される多項式面形状である。撮像素子１２は、単結晶シリコンであり、一般的に、そのヤング率はＥ＝１．９×１０９Ｎ／ｍｍ２、最大応力はσ（ｍａｘ）＝７×１０４Ｎ／ｍｍ２である。これらの物性値を式（６）に代入すると、長辺側の最端（Ｙ＝Ｈ／２）での最大湾曲量Ｗ（ｍａｘ）は、式（７）で表される。
【数７】
Ｘ（ｍａｘ）＝４σ（Ｈ／２）３／ＥＤ２＝１．８４×１０−５×Ｈ３／Ｄ２・・・（７）
【００６２】
ここで、式（７）からも明らかな通り、撮像素子１２が薄いほどより大きく湾曲させることができる。上記の第１〜第３の構成では、撮像素子１２の厚さＤが、それぞれ２９μｍ以下、２５μｍ以下、２０μｍ以下であるので、各値を長辺方向の長さＨ＝１．９ｍｍとともに式（７）に値を代入すると、周辺での最大湾曲量は、それぞれ約１５０μｍ、約２００μｍ、約２２０μｍとなる。
【００６３】
なお、上記の式（６）は、Ｙ軸方向を水平方向としたものであるので、この式（６）を対角方向に座標変換すると、対角方向の湾曲量Ｗは、式（８）で表される。
【数８】
Ｘ＝（２σ／ＥＤ２）×｛−Ｙ３ｃｏｓ３θ＋３Ｙ２ｃｏｓ２θ×（Ｈ／２）｝・・・（８）
ただし、θは水平方向と対角方向とのなす角度であり、したがって、ｃｏｓθ＝（水平方向の長さ）／（対角方向の長さ）である。
【００６４】
本実施の形態では、θ＝３９．９°である。この角度θと、上述したσ、ＥおよびＨの値を式（８）に代入し、さらに、第１の構成例ではＤ＝２９μｍを、第２の構成例ではＤ＝２５μｍをそれぞれ式（８）に代入すると、上記の多項式面形状１および多項式面形状２が得られる。
【００６５】
なお、第１および第２の構成例では、撮像素子１２の形状をＹの２次の項と３次の項の和、すなわちＹの３次式で表される多項式面形状としたが、Ｙの累乗の項の和からなる他の式、すなわちＹのｎ次式で表される多項式面形状も、上記と同様に容易に形成できる。例えば、撮像素子１２の端部に荷重をかける代りにモーメントをかけると、Ｙの２次式で表される多項式面形状を形成できる。また、撮像素子１２の中心から端部に至るまで一様に分布荷重をかけると、Ｙの４次式で表される多項式面形状を形成できる。
【００６６】
以上説明したように、撮像装置１０を円筒形状や球面形状などの単純な形状ではなく、多項式面形状とすることにより、撮像光学系１１だけでは補正しきれない収差を補正する撮像装置の設計が可能となり、小型かつ高性能な撮像装置を実現できる。
【００６７】
また、第１および第２の構成例のような奇数次項を含む多項式面形状は、撮像素子１２に荷重をかけるなどの簡単な方法で形成できる。撮像素子１２の形状を偶数次項のみの多項式面形状である非球面形状とすれば、撮像素子１２の中心から周辺までバランス良く収差を補正できる。
【００６８】
第１および第２の構成例の場合には、撮像素子１２の最大湾曲量は、撮像素子１２の水平方向の長さＨ［μｍ］に対して、０．００１８×Ｈ３以上０．０８２×Ｈ３以下であることが望ましい。ここで、最大湾曲量とは、平面状の撮像素子を湾曲させたときの平面からの変位が最も大きい部分での変位量を意味し、通常は周辺部の変位量である。最大湾曲量が上記の範囲内であれば、撮像素子１２の中心から周辺にかけて十分な湾曲量が得られるので、湾曲形状を自由に設定できる。したがって、撮像素子１２の大きさや種類に係わらず、湾曲形状を形成する際の設計自由度が高くなり、小型で高性能な撮像装置を実現できる。さらに、上記のように設計の自由度が高くなるので、公差を考慮した、製造が容易な撮像装置を実現できる。
【００６９】
また、撮像素子１２の厚さを、製造可能な厚さから好適な湾曲形状を形成可能な厚さまでの範囲である１５μｍ以上１００μｍ以下とすれば、十分な最大湾曲量が得られる。
【００７０】
なお、上記の実施の形態では、多項式面形状の例として、Ｙの２次の項および３次の項の和からなる多項式面形状および非球面形状を説明したが、撮像素子１２の形状はこれらに限られない。すなわち、撮像素子１２の形状は、像面湾曲のみではなく歪曲収差などを含めた複数の収差を補正できる多項式面形状であれば、上記の例以外の多項式面形状であってもよい。
【００７１】
次に、以上説明した撮像装置１０を搭載した携帯情報装置の実施の形態を説明する。
【００７２】
図９は、本実施の形態の携帯情報装置である携帯電話機２０を示している。携帯電話装置２０は、上側筐体２１と下側筐体２２とが蝶番部２３を介して折りたたみ可能な構成を有する。上側筐体２１は、スピーカ部２４、電波の送受信を行うアンテナ部２５、撮像装置１０およびユーザへのメッセージや撮像装置１０で撮像された画像を表示する表示部２６を含む。下側筐体２２は、ユーザが各種の入力を行うキー部２７および音声通話の際に用いるマイク部２８を含む。
【００７３】
携帯電話機２０では、撮像装置１０を用いて撮像された被写体像が表示部２６に表示される。また、キー部２７を操作することにより、撮像装置１０で撮像された被写体像を図示しないメモリに記憶できる。
【００７４】
なお、本発明の携帯情報装置は携帯電話機に限定されない。携帯情報装置は、例えば、ＰＤＡ（パーソナル・デジタル・アシスタント）や、パーソナルコンピュータ、パーソナルコンピュータの外付け機器等も含む。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、撮像装置の撮像素子の形状を厚み方向に湾曲した多項式面形状とすることにより、像面湾曲、歪曲収差等の複数の収差をバランスよく補正でき、小型でありながら解像度の高い撮像装置を実現できるというすぐれた効果を有する撮像装置を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の撮像装置の構成を示す図
【図２】本発明の第１の構成例の撮像装置の収差図
【図３】本発明の第２の構成例の撮像装置の収差図
【図４】本発明の第３の構成例の撮像装置の収差図
【図５】本発明の第１および第２の構成例の撮像装置のラジアル方向のＭＴＦを示す図
【図６】本発明の第１および第２の構成例の撮像装置のタンジェンシャル方向のＭＴＦを示す図
【図７】本発明の第２および第３の構成例の撮像装置のラジアル方向のＭＴＦを示す図
【図８】本発明の第２および第３の構成例の撮像装置のタンジェンシャル方向のＭＴＦを示す図
【図９】本発明の実施の形態の携帯情報装置である携帯電話機を示す図
【符号の説明】
１０ 撮像装置
１１ 撮像光学系
１２ 撮像素子
１３ 絞り
１４ レンズ
１５ カバーガラス
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮像装置に関し、特に、携帯電話機やデジタルカメラ等の携帯情報装置に搭載されるのに適した撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、撮像装置を搭載した携帯情報装置が広く普及している。デジタルカメラや撮像機能付き携帯電話機等は、撮像装置を搭載した携帯情報装置の典型例である。撮像装置はＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサ等の受光素子を用いた撮像素子と、被写体の光学像を撮像素子の受光面に導く撮像光学系とを含んで構成される。そして、撮像機能付きの携帯情報装置の小型化の要請に伴い、それに搭載される撮像装置も小型化することが要求されている。さらに、質の高い画像を広範囲に撮像できるように、撮像画角の増大や解像度の向上などの撮像装置の性能に対する要求も高まってきている。
【０００３】
一般に、撮像装置では、撮像光学系による収差が生じ、撮像装置の設計ではこの収差による像のボケを抑えることが望まれる。この像のボケは、球面収差、非点収差、像面湾曲、歪曲収差などの複数の要因によって生じる。一般的には撮像画角が広くなるほど収差が大きくなり、撮像により得られる画像の画質も低下する。このような収差は、特定の形状のレンズを複数枚組合せて撮像光学系を構成することによって、ある程度補正できる。
【０００４】
また、収差を補正するための別の技術として、撮像素子の受光面を円筒状または球面状に湾曲させた撮像装置が知られている（例えば、特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１５６２７８号公報（第４−５頁、第５図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、収差を補正するためにいくつものレンズを組合せると、撮像光学系が大きくなってしまい、撮像装置の小型化が困難になる。また、撮像光学系のみで収差を補正するには性能限界がある。特許文献１に記載の撮像装置のように、撮像素子を円筒形状や球面形状とすれば、像面湾曲を補正できるが、歪曲収差などの他の収差を同時に補正し、画面の全体でボケのない像を得るには不十分である。
【０００７】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、像面湾曲、歪曲収差等の複数の収差を補正し、小型ながらも広い撮像画角で解像度の高い被写体像を撮像できる撮像装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の撮像装置は、撮像光学系と、前記撮像光学系を通過した光を受光する撮像素子であって、厚み方向に湾曲した多項式面形状を有する撮像素子とを含む。
【０００９】
この構成により、撮像素子の形状を多項式面形状としたので、専ら像面湾曲を補正するだけの単なる円筒形状や球面形状と異なり、像面湾曲、歪曲収差等の複数の収差をバランス良く補正する撮像素子形状の設定が可能となり、小型でありながら解像度の高い撮像装置を実現できる。
【００１０】
また、本発明の撮像装置では、前記多項式面形状は、奇数次項を含む多項式で表される形状である。
【００１１】
この構成により、撮像素子の形状を奇数次項を含む多項式面形状としたので、撮像素子に荷重をかけるという簡単な方法で、像面湾曲、歪曲収差等の複数の収差をバランスよく補正する撮像素子形状を形成できる。
【００１２】
また、本発明の撮像装置では、前記撮像素子は長方形であり、前記撮像素子の最大湾曲量が、前記撮像素子の長辺の長さをＨとしたときに、０．０１８×Ｈ３以上０．０８２×Ｈ３以下である。
【００１３】
この構成により、撮像素子の最大湾曲量が上記の範囲内であれば、撮像素子の中心から周辺にかけて十分な湾曲量が得られるので、撮像素子の湾曲形状を自由に設定できる。したがって、撮像素子の大きさや種類に拘わらず、撮像素子の湾曲形状を形成する際の設計自由度が高くなり、小型で高性能な撮像装置を実現できる。
【００１４】
また、本発明の撮像装置では、前記多項式面形状は、偶数次項のみからなる多項式で表される形状である。
【００１５】
この構成により、撮像素子の形状を偶数次項のみからなる多項式面形状としたので、上記と同様に複数の収差を補正できるとともに、撮像素子の中心から周辺までバランス良く収差を補正でき、解像度の高い撮像装置を実現できる。
【００１６】
また、本発明の撮像装置では、前記撮像素子の厚さが１５μｍ以上１００μｍ以下である。
【００１７】
この構成により、撮像素子を破断させることなく実現可能な厚み方向の湾曲量が大きくなり、撮像素子を任意の多項式面形状に湾曲させることができる。
【００１８】
また、本発明の撮像装置では、前記撮像素子は、ＣＩＦサイズである。
【００１９】
この構成により、携帯情報装置に搭載されるのに適した小型の撮像装置を実現できる。
【００２０】
また、本発明の別の態様は、上記の撮像装置を備えた携帯情報装置である。
【００２１】
この構成により、小型でありながら解像度の高い撮像装置を搭載した携帯情報装置を実現できる。
【００２２】
本発明は、上述したような装置の態様に限定されない。本発明の別の態様は、撮像装置の製造方法およびその製造方法により製造される撮像装置である。
【００２３】
【発明実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【００２４】
図１は、本実施の形態の撮像装置１０の構成を示す図である。撮像装置１０は、撮像光学系１１および撮像素子１２を含む。撮像光学系１１は、絞り１３、レンズ１４およびカバーガラス１５を含む。撮像光学系１１は、図１に示すように、レンズが１枚で構成された１枚レンズタイプである。また、カバーガラス１５は、平行平面板である。被写体からの光は図の左側から入射する。絞り１３の開口を通過した光はレンズ１４およびカバーガラス１５を透過して撮像素子１２の受光面に到達する。なお、各部材は、図示しない保持部材によって保持される。また、撮像素子１２は、図示しないパッケージに収められて撮像装置１０内で保持される。
【００２５】
撮像光学系１１を通過した平面上の被写体の光学像は、理想的には撮像素子１２の位置で被写体と相似形で平面上に結像するが、現実には撮像光学系１１による収差が生じ、撮像素子１２の位置で理想通りに像が結像することはない。結像点は光の進行方向や光の進行方向と垂直な方向またはそれらの組合せの方向にずれ、しかも、それらのずれは画面内で一様ではない。このような、結像点のずれのうち、像面湾曲すなわち、結像点の集合が湾曲面となる現象に対しては、撮像素子１２自体を結像点の集合が形成する湾曲面と一致させるように湾曲すれば、補正することができる。
【００２６】
しかし、像面湾曲以外の撮像光学系１１による収差（球面収差、非点収差、歪曲収差など）を効果的に補正するためには、これらの収差をも考慮して撮像素子１２の形状を設定することが有効である。そこで、本実施の形態では、撮像素子１２の形状を厚み方向に湾曲した多項式面形状とする。ここで、多項式面形状とは、単純な円筒形状や球面形状ではなく、撮像光学系１１の光軸を含む平面と撮像素子１２の受光面との交線が多項式で表される曲線となる形状をいう。撮像光学系１１の光軸を含むすべての平面と受光面との交線が多項式で表される必要はなく、例えば、撮像素子１２の長辺と平行な平面と受光面との交線が多項式で表されれば、そのような撮像素子１２は多項式面形状である。すなわち、筒の側面のように、一方向にのみ湾曲させた形状であっても、本発明の多項式面形状となり得る。
【００２７】
平面状の撮像素子１２を湾曲させて多項式面形状を形成するために、撮像素子１２の厚さは、１００μｍ以下であることが望ましい。この範囲内であれば、撮像素子１２を破断させることなく実現可能な湾曲量が十分に大きくなり、好適な多項式面形状に湾曲させることができる。撮像素子１２が薄いほど破断を生じない最大湾曲量が大きくなり、設計の自由度が高くなるが、撮像素子１２自体の強度や製造技術による限界を考慮すると、撮像素子１２の厚さは１５μｍ以上であることが望ましい。例えば、撮像素子１２の受光部を約１０μｍとし、撮像素子１２に搭載するオンチップレンズが約３μｍ〜５μｍとして、合わせて１５μｍの厚さとすることができる。撮像素子１２は、四角形（長方形）であって、典型的には１／７インチＣＩＦサイズであるが、例えば１／６インチＣＩＦサイズや１／９．５インチＣＩＦサイズなどでもよい。
【００２８】
次に、上記の条件を満たす撮像装置１０の具体的な構成例を説明する。各構成例の説明において、ｆは全系の焦点距離、ＦはＦナンバー、２ωは撮像画角、Ｒは曲率半径、ｎｄはｄ線に対する屈折率、νｄはアッベ数を示す。以下の構成例では、１／７インチＣＩＦサイズ（３５２画素×２８８画素）の撮像素子を用いた。また、撮像素子１２の有効範囲は、垂直方向１．５５５ｍｍ×水平方向１．９００ｍｍであり、対角方向の長さは２．４５５ｍｍである。さらに、撮像素子１２の材料は単結晶シリコンである。
【００２９】
また、以下の説明では、図１に示すように、撮像光学系１１の光軸と平行な軸をＸ軸として光の進行方向を正の方向とする。そして、撮像光学系１１の光軸と垂直で、かつ撮像素子１２の対角方向と平行な方向をＹ軸とする。また、撮像光学系１１の光軸と撮像素子１２との交点、すなわち撮像素子１２の中心を原点とする。
【００３０】
（第１の構成例）
第１の構成例の撮像装置１０の設計データは下記および表１に示すとおりである。
ｆ ＝ １．５２９２
Ｆ ＝ ２．８
２ω ＝ ８１．１°
【表１】
表１において、「物体面」は被写体の面である。物体面は、曲率半径が無限大すなわち平面である。また、「面１」は、絞り１３の面である。絞り１３には曲率の概念がないため、曲率半径の代りに開口径を記してある。「面２」はレンズ１４の被写体側の面、すなわち被写体像の入射面であり、「面３」はレンズ１４の撮像素子１２側の面、すなわち被写体像の出射面である。「面４」および「面５」は、それぞれカバーガラス１５の被写体側の面および撮像素子１２側の面である。像面は、撮像素子１２の被写体側の面、すなわち被写体像を受光する受光面である。
【００３２】
表１において、「面間隔」は、光の進行方向に隣合うの面までの間隔であり、単位はｍｍである。面２の行の屈折率およびアッベ数はレンズ１４のｄ線に対する屈折率およびレンズ１４のアッベ数であり、面４の行の屈折率およびアッベ数はカバーガラス１５のｄ線に対する屈折率およびカバーガラス１５のアッベ数である。なお、表１についての以上の点は、下記の表２および表３でも同様である。
【００３３】
面２の非球面形状１および面３の非球面形状２は、それぞれ下記の式（１）の各パラメータに下記の値を代入した式で表される形状である。すなわち、Ｘ軸およびＹ軸を含む平面と撮像素子１２の受光面との交線が下記の式（１）に下記の各パラメータを代入した式で表される。
【００３４】
【数１】
Ｘ＝（Ｙ２／Ｒ）／〔１−｛（１＋κ）Ｙ２／Ｒ２｝１／２〕＋Ａ１Ｙ４＋Ａ２Ｙ６＋Ａ３Ｙ８＋Ａ４Ｙ１０ ・・・（１）
非球面形状１のパラメータ：
Ｒ ＝ １．６２０７４９
κ ＝ −０．２９５３０７
Ａ１ ＝ −０．８６０７２９×１０−１
Ａ２ ＝ ０．１３５０９３×１０１
Ａ３ ＝ −０．２７０１７７×１０２
Ａ４ ＝ ０．１６２６０３×１０３
非球面形状２のパラメータ：
Ｒ ＝ −０．９４７９８４
κ ＝ −２．８１４８７４
Ａ１ ＝ −０．１４８０９１
Ａ２ ＝ ０．４１５２４４
Ａ３ ＝ −０．４９１７９９
Ａ４ ＝ ０．２７６８７０
【００３５】
撮像素子１２が有する多項式面形状１は、下記の式（２）の各パラメータに下記の値を代入した式によって表される形状である。
【００３６】
【数２】
Ｘ＝Ｂ１Ｙ２＋Ｂ２Ｙ３ ・・・（２）
多項式面形状１のパラメータ：
Ｂ１ ＝ −０．１４９３２４
Ｂ２ ＝ ０．４０５４５０×１０−１
式（２）からも明らかな通り、多項式面形状１は、その厚み方向に湾曲しており、その形状は撮像素子１２の長辺側である水平方向（Ｙ軸方向）に関して多項式で表される。具体的には、多項式面形状１は、中心からの距離Ｙの２次の項と３次の項の和で表され、奇数次項を含む多項式によって表される形状である。
【００３７】
（第２の構成例）
第２の構成例の撮像装置１０の設計データは下記および表２に示すとおりである。
ｆ ＝ １．５２９２
Ｆ ＝ ２．８
２ω ＝ ８２．０°
【表２】
非球面形状３および非球面形状４は、第１の構成例と同様に式（１）で表されるが、各パラメータは、下記の通りである。
【００３９】
非球面形状３のパラメータ：
Ｒ ＝ １．５３４３１５
κ ＝ −１．６９３１６７
Ａ１ ＝ −０．２７０６４５×１０−１
Ａ２ ＝ −０．１７６０６１×１０１
Ａ３ ＝ ０．２１１２４０×１０２
Ａ４ ＝ −０．６４８３５７×１０２
非球面形状４のパラメータ：
Ｒ ＝ −０．９２７４５５
κ ＝ −３．１２８５０５
Ａ１ ＝ −０．１８６０７９
Ａ２ ＝ ０．３４１７３０
Ａ３ ＝ −０．３０３８００
Ａ４ ＝ ０．１６２３１８
【００４０】
本構成例の撮像素子１２の多項式面形状２も第１の構成例と同様に、Ｙの２次の項および３次の項の和である式（２）で表されるが、各パラメータは下記の通りである。
【００４１】
多項式面形状２のパラメータ：
Ｂ１ ＝ −０．１９９０９９
Ｂ２ ＝ ０．５４０６００×１０−１
【００４２】
（第３の構成例）
第３の構成例の撮像装置１０の設計データは下記および表３に示すとおりである。
ｆ ＝ １．５２９２
Ｆ ＝ ２．８
２ω ＝ ８２．４°
【表３】
非球面形状５および非球面形状６は、第１および第２の構成例と同様に式（１）で表されるが、各パラメータは、下記の通りである。
【００４４】
非球面形状５のパラメータ：
Ｒ ＝ １．５５７９１８
κ ＝ −０．５９７１９２
Ａ１ ＝ −０．６４０７１０×１０−１
Ａ２ ＝ ０．３９０１４０
Ａ３ ＝ −０．１５８０４７×１０２
Ａ４ ＝ ０．１０８２７０×１０３
非球面形状６のパラメータ：
Ｒ ＝ −０．９２３５４７
κ ＝ −４．６０１０３５
Ａ１ ＝ −０．３９２５９７
Ａ２ ＝ ０．７４２６０７
Ａ３ ＝ −０．６９９８７９
Ａ４ ＝ ０．３１５７９８
【００４５】
第３の構成例では、撮像素子１２も式（１）で表される多項式面形状、すなわち非球面形状とする。式（１）は、偶数次項のみからなる多項式である。第３の構成例の多項式面形状３では、式（１）の各パラメータを以下の通りとする。
【００４６】
多項式面形状３のパラメータ：
Ｒ ＝ −３．７５９４８４
κ ＝ ０
Ａ１ ＝ −０．８１９２５５×１０−１
Ａ２ ＝ ０．４９４５１８×１０−１
Ａ３ ＝ ０
Ａ４ ＝ ０
【００４７】
なお、本構成例の撮像素子１２では、Ｘ軸およびＹ軸に垂直な方向についても多項式面形状３が形成されている。すなわち、Ｘ軸を含み、Ｙ軸に直行する平面と撮像素子１２との交線も、式（１）に上記のパラメータを代入した多項式で表される。
【００４８】
次に、上記第１〜第３の構成例にて設計された撮像装置１０の各種の収差および解像度を説明する。
【００４９】
図２は、第１の構成例にて設計された撮像装置１０の球面収差、非点収差および歪曲収差を示す収差図である。図２に示すように、第１の構成例によれば、１ω＝８１．１°という画角の広さおよびＦ＝２．８という明るさを実現しながらも、歪曲収差が全領域で±２％以下に抑えられており、非点収差が最大で約０．１ｍｍであり像面湾曲は０．２ｍｍ以内であるという良好な性能が実現されている。
【００５０】
図３は、第２の構成例にて設計された撮像装置１０の球面収差、非点収差および歪曲収差を示す収差図である。図３に示すように、第２の構成例によれば、２ω＝８２．０°という画角の広さおよびＦ＝２．８という明るさを実現しながらも、歪曲収差が全領域で±２％以下に抑えられており、非点収差も第１の構成例より軽減されている。
【００５１】
図４は、第３の構成例にて設計された撮像装置１０の球面収差、非点収差および歪曲収差を示す収差図である。図４に示すように、第３の構成例によれば、２ω＝８２．４°という画角の広さおよびＦ＝２．８という明るさを実現しながらも、歪曲収差が全領域で±２％以下に抑えられており、非点収差は第２の構成例よりもさらに軽減されている。
【００５２】
図５および図６は、第１の構成例と第２の構成例にてそれぞれ設計された撮像装置１０の、解像度の指標であるＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を示す図である。図５は、ラジアル方向（放射方向）のＭＴＦ（３０ｌｐ／ｍｍ）示し、図６は、タンジェンシャル方向（同心方向）のＭＴＦ（３０ｌｐ／ｍｍ）を示している。
【００５３】
図５に示す通り、第１の構成例では、ラジアル方向のＭＴＦが中心で９１％、垂直方向の周辺Ｖ（像高６３％、以下単に「周辺Ｖ」と記す）で８３％、水平方向の周辺Ｈ（像高７７％、以下単に「周辺Ｈ」と記す）で７０％である。また、図６に示す通り、第１の構成例では、タンジェンシャル方向のＭＴＦが中心で９１％、周辺Ｖで４４％、周辺Ｈで５１％である。比較例は、撮像光学系を１枚レンズタイプとして、撮像素子を単純な円筒形状とした例である。比較例と第１の構成例とを比較すると、第１の構成例の方が、ラジアル方向のＭＴＦが周辺Ｖで５％、周辺Ｈで６％高い。
【００５４】
第２の構成例では、図５に示すように、ラジアル方向のＭＴＦが中心で９３％、周辺Ｖで８９％、周辺Ｈで８０％である。また、図６に示すように、第２の構成例では、タンジェンシャル方向のＭＴＦが中心で９３％、周辺Ｖで６１％、周辺Ｈで６１％である。第２の構成例と比較例とを比較すると、第２の構成例の方が、ラジアル方向のＭＴＦは周辺Ｖで１１％、周辺Ｈで１６％高く、タンジェンシャル方向のＭＴＦは周辺Ｖで１５％、周辺Ｈで１３％高い。さらに、第１の構成例と第２の構成例とを比較すると、第２の構成例の方が、ラジアル方向のＭＴＦは周辺Ｖで６％、周辺Ｈで１０％高く、タンジェンシャル方向のＭＴＦは周辺Ｖで１７％、周辺Ｈで１０％高い。
【００５５】
図７および図８は、第２の構成例と第３の構成例にてそれぞれ設計された撮像装置１０のＭＴＦを示す図である。図７は、ラジアル方向のＭＴＦ（３０ｌｐ／ｍｍ）示し、図８は、タンジェンシャル方向のＭＴＦ（３０ｌｐ／ｍｍ）を示している。
【００５６】
第３の構成例では、図７に示すように、ラジアル方向のＭＴＦが中心で９４％、周辺Ｖで８８％、周辺Ｈで８５％である。また、図８に示すように、第３の構成例では、タンジェンシャル方向のＭＴＦが中心で９２％、周辺Ｖで５９％、周辺Ｈで５７％である。比較例は、撮像光学系を１枚レンズタイプとして、撮像素子を単純な球面形状とした例である。比較例と第３の構成例とを比較すると、第３の構成例の方が、ラジアル方向のＭＴＦは周辺Ｖで１０％、周辺Ｈで１２％高く、タンジェンシャル方向のＭＴＦは周辺Ｖで１３％、周辺Ｈで９％高い。さらに、第３の構成例は第２の構成例と比較しても、ラジアル方向のＭＴＦは周辺Ｖで５％、周辺Ｈで６％高く、タンジェンシャル方向のＭＴＦは周辺Ｖで１５％、周辺Ｈで６％高い。
【００５７】
上記の第１〜第３の構成例の撮像素子１２の形状は、公知の種々の方法によって形成できるが、特に、平面形状からの変位量が、中心からの距離Ｙの累乗の項の和からなる式で表される多項式面形状１および多項式面形状２は、以下の方法によって容易に形成できる。以下、多項式面形状１および多項式面形状２を形成する方法を説明する。
【００５８】
撮像素子１２は、上記のように厚さＤが１００μｍ以下であるのが望ましく、この範囲内であれば撮像素子１２を厚み方向に十分に湾曲変形できる。撮像素子１２の中心を支点として長辺側である水平方向（長さＨ）の端に、撮像光学系１１の光軸と平行な方向に荷重Ｗをかけて撮像素子１２を湾曲変形させると、湾曲量Ｘは、下記の式（３）で表される。
【数３】
Ｘ＝（Ｗ／６ＥＩ）×｛−Ｙ３＋３Ｙ２（Ｈ／２）｝ ・・・（３）
ただし、Ｙ≧０である。ここで、Ｅはヤング率、Ｉは断面２次モーメントである。
【００５９】
式（３）中の荷重Ｗは、撮像素子１２の厚さＤおよび応力σを用いて下記の式（４）で表される。
【数４】
Ｗ＝σ×（Ｈ／２）×Ｄ ・・・（４）
また、式（３）中のＩは、撮像素子１２の厚さＤおよび水平方向の幅Ｈを用いて下記の（５）式で表される。
【数５】
Ｉ＝（Ｈ／２）×Ｄ３／１２ ・・・（５）
【００６０】
式（４）および式（５）を式（２）に代入すると、湾曲量に関する式（６）が得られる。
【数６】
Ｘ＝（２σ／ＥＤ２）×｛−Ｙ３＋３Ｙ２×（Ｈ／２）｝ ・・・（６）
【００６１】
式（６）の右辺は、Ｙの２次の項とＹの３次の項との和である。したがって、式（６）は、上記の多項式面形状１および２の式（２）と同じ形の式である。式（６）は、水平方向に関する奇数次項を含む多項式であり、荷重Ｗによって形成される撮像素子１２の形状は、Ｘ軸を含んでＹ軸と平行な平面との交線が奇数次項を含む多項式で表される多項式面形状である。撮像素子１２は、単結晶シリコンであり、一般的に、そのヤング率はＥ＝１．９×１０９Ｎ／ｍｍ２、最大応力はσ（ｍａｘ）＝７×１０４Ｎ／ｍｍ２である。これらの物性値を式（６）に代入すると、長辺側の最端（Ｙ＝Ｈ／２）での最大湾曲量Ｗ（ｍａｘ）は、式（７）で表される。
【数７】
Ｘ（ｍａｘ）＝４σ（Ｈ／２）３／ＥＤ２＝１．８４×１０−５×Ｈ３／Ｄ２・・・（７）
【００６２】
ここで、式（７）からも明らかな通り、撮像素子１２が薄いほどより大きく湾曲させることができる。上記の第１〜第３の構成では、撮像素子１２の厚さＤが、それぞれ２９μｍ以下、２５μｍ以下、２０μｍ以下であるので、各値を長辺方向の長さＨ＝１．９ｍｍとともに式（７）に値を代入すると、周辺での最大湾曲量は、それぞれ約１５０μｍ、約２００μｍ、約２２０μｍとなる。
【００６３】
なお、上記の式（６）は、Ｙ軸方向を水平方向としたものであるので、この式（６）を対角方向に座標変換すると、対角方向の湾曲量Ｗは、式（８）で表される。
【数８】
Ｘ＝（２σ／ＥＤ２）×｛−Ｙ３ｃｏｓ３θ＋３Ｙ２ｃｏｓ２θ×（Ｈ／２）｝・・・（８）
ただし、θは水平方向と対角方向とのなす角度であり、したがって、ｃｏｓθ＝（水平方向の長さ）／（対角方向の長さ）である。
【００６４】
本実施の形態では、θ＝３９．９°である。この角度θと、上述したσ、ＥおよびＨの値を式（８）に代入し、さらに、第１の構成例ではＤ＝２９μｍを、第２の構成例ではＤ＝２５μｍをそれぞれ式（８）に代入すると、上記の多項式面形状１および多項式面形状２が得られる。
【００６５】
なお、第１および第２の構成例では、撮像素子１２の形状をＹの２次の項と３次の項の和、すなわちＹの３次式で表される多項式面形状としたが、Ｙの累乗の項の和からなる他の式、すなわちＹのｎ次式で表される多項式面形状も、上記と同様に容易に形成できる。例えば、撮像素子１２の端部に荷重をかける代りにモーメントをかけると、Ｙの２次式で表される多項式面形状を形成できる。また、撮像素子１２の中心から端部に至るまで一様に分布荷重をかけると、Ｙの４次式で表される多項式面形状を形成できる。
【００６６】
以上説明したように、撮像装置１０を円筒形状や球面形状などの単純な形状ではなく、多項式面形状とすることにより、撮像光学系１１だけでは補正しきれない収差を補正する撮像装置の設計が可能となり、小型かつ高性能な撮像装置を実現できる。
【００６７】
また、第１および第２の構成例のような奇数次項を含む多項式面形状は、撮像素子１２に荷重をかけるなどの簡単な方法で形成できる。撮像素子１２の形状を偶数次項のみの多項式面形状である非球面形状とすれば、撮像素子１２の中心から周辺までバランス良く収差を補正できる。
【００６８】
第１および第２の構成例の場合には、撮像素子１２の最大湾曲量は、撮像素子１２の水平方向の長さＨ［μｍ］に対して、０．００１８×Ｈ３以上０．０８２×Ｈ３以下であることが望ましい。ここで、最大湾曲量とは、平面状の撮像素子を湾曲させたときの平面からの変位が最も大きい部分での変位量を意味し、通常は周辺部の変位量である。最大湾曲量が上記の範囲内であれば、撮像素子１２の中心から周辺にかけて十分な湾曲量が得られるので、湾曲形状を自由に設定できる。したがって、撮像素子１２の大きさや種類に係わらず、湾曲形状を形成する際の設計自由度が高くなり、小型で高性能な撮像装置を実現できる。さらに、上記のように設計の自由度が高くなるので、公差を考慮した、製造が容易な撮像装置を実現できる。
【００６９】
また、撮像素子１２の厚さを、製造可能な厚さから好適な湾曲形状を形成可能な厚さまでの範囲である１５μｍ以上１００μｍ以下とすれば、十分な最大湾曲量が得られる。
【００７０】
なお、上記の実施の形態では、多項式面形状の例として、Ｙの２次の項および３次の項の和からなる多項式面形状および非球面形状を説明したが、撮像素子１２の形状はこれらに限られない。すなわち、撮像素子１２の形状は、像面湾曲のみではなく歪曲収差などを含めた複数の収差を補正できる多項式面形状であれば、上記の例以外の多項式面形状であってもよい。
【００７１】
次に、以上説明した撮像装置１０を搭載した携帯情報装置の実施の形態を説明する。
【００７２】
図９は、本実施の形態の携帯情報装置である携帯電話機２０を示している。携帯電話装置２０は、上側筐体２１と下側筐体２２とが蝶番部２３を介して折りたたみ可能な構成を有する。上側筐体２１は、スピーカ部２４、電波の送受信を行うアンテナ部２５、撮像装置１０およびユーザへのメッセージや撮像装置１０で撮像された画像を表示する表示部２６を含む。下側筐体２２は、ユーザが各種の入力を行うキー部２７および音声通話の際に用いるマイク部２８を含む。
【００７３】
携帯電話機２０では、撮像装置１０を用いて撮像された被写体像が表示部２６に表示される。また、キー部２７を操作することにより、撮像装置１０で撮像された被写体像を図示しないメモリに記憶できる。
【００７４】
なお、本発明の携帯情報装置は携帯電話機に限定されない。携帯情報装置は、例えば、ＰＤＡ（パーソナル・デジタル・アシスタント）や、パーソナルコンピュータ、パーソナルコンピュータの外付け機器等も含む。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、撮像装置の撮像素子の形状を厚み方向に湾曲した多項式面形状とすることにより、像面湾曲、歪曲収差等の複数の収差をバランスよく補正でき、小型でありながら解像度の高い撮像装置を実現できるというすぐれた効果を有する撮像装置を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の撮像装置の構成を示す図
【図２】本発明の第１の構成例の撮像装置の収差図
【図３】本発明の第２の構成例の撮像装置の収差図
【図４】本発明の第３の構成例の撮像装置の収差図
【図５】本発明の第１および第２の構成例の撮像装置のラジアル方向のＭＴＦを示す図
【図６】本発明の第１および第２の構成例の撮像装置のタンジェンシャル方向のＭＴＦを示す図
【図７】本発明の第２および第３の構成例の撮像装置のラジアル方向のＭＴＦを示す図
【図８】本発明の第２および第３の構成例の撮像装置のタンジェンシャル方向のＭＴＦを示す図
【図９】本発明の実施の形態の携帯情報装置である携帯電話機を示す図
【符号の説明】
１０ 撮像装置
１１ 撮像光学系
１２ 撮像素子
１３ 絞り
１４ レンズ
１５ カバーガラス
Claims (7)
- 撮像光学系と、
前記撮像光学系を通過した光を受光する撮像素子であって、厚み方向に湾曲した多項式面形状を有する撮像素子と
を含むことを特徴とする撮像装置。 - 前記多項式面形状は、奇数次項を含む多項式で表される形状であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
- 前記撮像素子は長方形であり、
前記撮像素子の最大湾曲量が、前記撮像素子の長辺の長さをＨとしたときに、０．０１８×Ｈ３以上０．０８２×Ｈ３以下であることを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。 - 前記多項式面形状は、偶数次項のみからなる多項式で表される形状であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
- 前記撮像素子の厚さが１５μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
- 前記撮像素子は、ＣＩＦサイズであることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
- 請求項６に記載の撮像装置を備えたことを特徴とする携帯情報装置。
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