JP2004522346A - 集積回路技術による安価な電子カメラ - Google Patents

Abstract

本発明は、画像を可視化するための電子カメラに関する。カメラ（４０）は、感光面（４４）を形成する感光性ピクセルの行列を含む有効面（７９）と、該有効面（７９）上の導電体と、該有効面の反対側にある自由面（１０２）とを有する電子イメージセンサ（４２）、および、センサの感光面上に画像を結像するための少なくても１つのレンズ（５２）を有する光学ユニット（４６）を具備する。カメラの光学ユニットは、センサに対して機械的に固定され、センサの感光面の中央に画像を結像させるために、光学ユニット（７２、７４）とセンサ（７９）の少なくとも２つの位置固定面が直接機械的に接触する。応用：マイクロコンピュータ、携帯電話、デジタル写真装置のための安価な電子カメラ。

Description

【背景技術】
【０００１】
本発明は、量産される小寸法の安価なカメラに関し、特に、集積回路技術を使用して製造された電子センサ上に画像を結像するための光学部品に関するものである。
【０００２】
電子カメラは、従来のカメラの銀塩フィルムの代わりに電子イメージセンサ（または電子チップ）を使用するものである。集積回路技術によって製造される電子センサは、感光面を形成するピクセルの行列を有する電子チップとして作成される。感光ピクセルの行列は、カメラの光学系によってセンサの感光面上に結像された光の画像に対応する電子信号を供給する。信号を処理するための電気系によって、センサの感光面に投影される光の実像に対応する電子信号が生成される。この種のセンサは、例えばデジタルカメラや一般市場向けのデジタル写真装置等の安価なイメージングのために使用される。
【０００３】
小寸法（１ｃｍ³程度）の電子カメラの組立には、従来から使用されている方法が現在に至っても使用されている。
【０００４】
図１に、集積回路技術によって製造した電子イメージセンサ１２およびセンサの感光面１６上に画像を結像するためのレンズ１４を有する従来技術による電子カメラの単純化した実施形態を示す。イメージセンサは、カメラのハウジング２０に固定された印刷回路１８に取り付られており、レンズのサポート２２も同一の印刷回路に固定されている。
【０００５】
図１の従来技術によるカメラの構造には欠点がある。具体的に、光学素子の製造および実装における公差のばらつきによって、レンズからセンサの感光面上に投射される画像の位置が不正確になってしまう。センサに対するレンズの位置を調整すること、特に光軸ＺＺ’に沿ってレンズの焦点を調整することが必要になるので、大量生産コストに影響が出る。
【０００６】
図１の構造では、レンズ１４を、水平方向においては画像がセンサの感光面の全体に行き届くべく中央に合わせるように配置する必要があり、垂直方向においては画像をちょうど感光面上に結像させるように光軸ＺＺ’上に配置させる必要がある。レンズ１４は、レンズの周囲に設けたねじリング２４に固定されており、リングのねじに対応するねじを有するサポート２２にねじ留めすることが可能である。その結果、センサの感光面上に焦点を合わせたり、光学系の実装および製造の公差の相違を補うために、レンズを光軸ＺＺ’に沿って移動することができる。焦点合せが完了すると、例えばリング２４をサポート２２に接着することでレンズの位置を固定することができる。
【０００７】
図１の光学構造は、センサ１２の感光面１６に対するレンズサポート２２の位置のずれによる欠点をさらに有する。図２は、カメラのセンサ１２の感光面１６上の画像３０がずれている様子を示している。画像３０の中央Ｏは、理想的に、センサの感光面１６の対称軸ＸＸ’とＹＹ’の交差点に位置する。センサの感光面に対するレンズサポートの軸ＸＸ’やＹＹ’に沿った水平方向の位置がずれると、画像３２の中央Ｏ’が理論上の中央Ｏからはずれてしまう。このような、センサの感光面に対するサポート２２の位置のずれは、３００μｍ程度にもなり、センサの感光面に結像した画像の位置ずれを生じさせ、特に画像の隅に線形性や感光性の異常を来たすことがある。さらに、位置ずれした画像の縁がレンズサポートやチップ上の素子に投影されると、画像のコントラストを低下させる寄生反射を引き起こすこともある。
【特許文献１】特開平１１−１９１８６５号公報
【特許文献２】米国特許第５２１６８０５号公報（特表平６−５０３６８３号公報）
【特許文献３】特開平１１−３１７８９５号公報
【特許文献４】米国特許第６１１７１９３号公報
【特許文献５】米国特許第５７８３８１５号公報（特開平９−１８１２８７号公報）
【特許文献６】欧州特許出願第０５８５１８６号公報（特開平６−１７７２７１号公報）
【特許文献７】欧州特許出願第０４００１７６号公報（特開平３−１１７７１号公報）
【発明の開示】
【０００８】
従来技術による電子カメラの課題を解決すべく、本発明は、感光面を形成する感光性ピクセルの行列を含む有効面と、該有効面上の導電体と、該有効面の反対側にある自由面とを有する電子イメージセンサ、および、センサの感光面上に画像を結像するための少なくても１つのレンズを有する光学ユニットを具備する、画像を可視化するための電子カメラであって、光学ユニットがセンサに対して機械的に固定されており、センサの感光面上に画像の位置を合わせるために、少なくとも２つの位置固定面が直接機械的な接触をしており、一方の面が光学ユニットに設けてあり、他方の面がセンサに設けてあることを特徴とする電子カメラを提供する。
【０００９】
光学ユニットと電子センサとの間の機械的位置調整は、一方は光学ユニット上、他方は電子センサ上の２つの位置固定面の間の直接機械的接触によって行われる。直接機械的に接触しているこの２つの位置固定面は、光軸ＺＺ’の位置、および、集束レンズとセンサの感光面との間の距離を高精度に決定するものである。
【００１０】
本発明によるカメラの第１の実施形態によると、光学ユニットと電子センサが、それぞれ、３つの互いに直交する平面を有しており、光学ユニットの平面がそれぞれ電子センサの対応する平行な平面と接触しており、接触している面の対は、いずれも、基準三面体Ｏｘｙｚの３本の軸の両方向のうち少なくとも一方向に、センサに対する光学ユニットの３つの自由度のうち１つを除去するものである。この第１の実施形態は、画像を、製造段階で再現可能な状態で、センサの感光面上に結像し、精確に中央に合わせることを可能にするものである。
【００１１】
非常に安価なカメラに適する好適な実施形態において、集束レンズは光学ユニットの一部を形成し、光学ユニットおよび位置固定面によってセンサに直接的に固定されている。
【００１２】
このカメラの様々な実施形態によると、電子センサが、センサの電気入出力ポートに接続された導電体を含む印刷回路上に設けてある。センサと印刷回路との間の電気接続は、様々な周知の方法によって実現することができる。
【００１３】
第１の方法によると、電子センサが、その自由面を介して導電体を有する印刷回路上に実装されており、有効面の導電体と印刷回路の導電体が、電気接続線によって接続されている。接続線を使用するこの種の接続は、一般的に「ボンディング」と称される。
【００１４】
第２の方法によると、電子センサが、その有効面を介して印刷回路上に実装されており、該印刷回路が、センサの感光面上に光を通すための開口を有する。電気接続は、電子センサと印刷回路との間にはんだのマイクロビーズを溶融することによって形成される。これらのビーズは、電子センサの電気接続と同一平面上に配置され、印刷回路の導電体と対面する。このように、はんだのマイクロビーズを使用して電子センサを実装する方法は、一般的に「フリップチップ」と称される。
【００１５】
本発明は、本発明による電子カメラの各実施形態の説明によって、より明確に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図３は、本発明による電子カメラ４０のＡ’Ａに沿った断面を示す部分図であり、図３ｂは、図３ａのカメラを示す下面図である。
【００１７】
カメラ４０は、感光面４４を形成する感光ピクセルの行列を有する電子イメージセンサ４２（または電子チップ）と、光学ユニット４６とを具備する。
【００１８】
回転軸ＺＺ’を有する円柱状の光学ユニット４６は、同軸ＺＺ’上の第１の円柱壁４８を有する。第１の円柱壁は、その上部が軸ＺＺ’に対して垂直な第２の壁５０によって閉塞されている。第２の壁５０は、その中央に、電子センサ４２の感光面上に画像を結像するためのレンズ５２を有する。
【００１９】
円柱壁４８の下部に、通路５４、５６、５８および６０が設けてあり、電子センサ４２を感光面４４と同一面上で光学ユニット４６に固定するための脚６２、６４、６６および６８を形成している。脚６２、６４、６６および６８はそれぞれ次の特徴を有する。
【００２０】
−平面Ｏｘｙに並行な水平面７２、７４、７６、７８。これらの水平面は、感光面４２と同一面上に電子センサ４２の有効面７９と直接機械的に接触しており、集束レンズ５２を、センサの感光面４４に対してのＺＺ’に沿った長手方向の位置に固定している。そのため、センサの感光面に対するレンズの軸ＺＺ’に沿った垂直方向の位置には、光学ユニットの製造精度に関連する一方向における公差しか関係しない。
【００２１】
−軸ＺＺ’に平行な一対の垂直面８０ａおよび８０ｂ、８２ａおよび８２ｂ、８４ａおよび８４ｂ、８６ａおよび８６ｂ。各対の垂直面は互いに直交し、各脚の水平面７２、７４、７６、７８と直交し、電子センサの縁８８、９０、９２、９４の垂直面と接触する。
【００２２】
機械的に接触する光学ユニット４６およびセンサ４２の垂直面は、集束レンズ５２を、センサの感光面に対して、平面Ｏｘｙ内に、水平に保持するためのものである。集束レンズ５２のセンサの感光面４４に対する位置には、光学ユニットの製造精度とセンサ４２の製造精度に関連する２つの公差しか関係しない。
【００２３】
光学ユニットとセンサの各位置固定面の間の機械的接触は、光学ユニットおよびセンサの製造公差を選択することによって、機械の分野において周知な方法によって実現することができる。例えば、所望の位置精度を得るために、接触する面の間にセンサを挟むことでセンサが光学ユニットの脚の間に保持されるようにこの公差を設定することができる。
【００２４】
センサは、感光面を有する有効面７９の反対側にある自由面１０２を介して印刷回路１００上に実装される。印刷回路は、カメラのハウジング１０４によって機械的に支持される。
【００２５】
電子センサの電気出力点１０７（または金属領域）と印刷回路の導電体は、電気接続１０６によって接続され、電子カメラのピクセルの信号を処理するためのセンサと電気系（図示せず）との間に電気接続を形成している。
【００２６】
光学ユニットは、さらに、印刷回路１００に固定された保持片１０８の補助によって、電子センサと直接接触した状態で軸ＺＺ’上の位置に保持される。保持片は、光学ユニットを電子センサ４２に対して押圧する力を有するものである。
【００２７】
図４ａは、図３ａのカメラの変形のＢＢ’に沿った部分断面図であり、図４ｂは図４ａのカメラの下面図である。この形態では、電子センサ４２が、「フリップチップ」実装方法に従って、感光面４４を有する有効面７９側を介して印刷回路１１０上に実装されている。そのため、カメラのハウジング１１１に固定された印刷回路１１０は、電子センサの水平および垂直位置固定面と機械的に接触する光学ユニット４６の各脚６２、６４、６６、６８を通すための開口１１２、１１４、１１６、１１８を有する。センサの有効面（７９）の導電体を印刷回路１１０の導電体に接続するための電気接続は、センサを印刷回路上に実装するための「フリップチップ」技術に従ってはんだのマイクロビーズ１２０によって形成される。
【００２８】
図５は、集束レンズ５２を含む光学ユニット４６を示す斜視図である。本発明による図３ａおよび４ａの実施形態において、光学ユニット４６と集束レンズ５２は、透明なプラスチックを使用して一体的に成型される。光学ユニットは、集束レンズ５２のみが露出された状態で、光に対して不透明な層で被覆される。図５に光学ユニットの不透明な表面を示すが、レンズは光に対して透明である。成型の精度は数μｍ程度であるが、これは本発明によるカメラの光学ユニットおよびセンサの位置精度に相応である。
【００２９】
通常はシリコンからなる電子センサの隅には、光学ユニットの脚の垂直および水平面に対面する基準領域が設けてある。これらの基準領域は１ｍｍ²程度のものであり、電気出力領域を有する必要はない。電子センサ（電子センサの感光領域）と光学系（出力ジオプトリ）の有効部の間の公差は、光学ユニットの幾何学的公差に限られる。
【００３０】
この種の実装技術によって得られる精度は約１０μｍ程度である。この公差は、５ｍｍ未満の焦点距離を有する調整不可な固定光学系に適している。
【００３１】
本発明のカメラの他の利点として、光学ユニットの寸法が、シリコン製のイメージセンサの寸法と同程度である。そのため、イメージセンサの光学ユニットを組立てる際に、シリコンに傷を付けない程度の力を掛けることが可能である。
【００３２】
本発明によるカメラは、非常に小型であり、調整をせずに無限大において約３０ｃｍの焦点深度を得ることができるので、カメラのピントを合わせることが望ましくないマイクロコンピュータや携帯電話等の電子器具に導入することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、従来技術による電子カメラを示す部分図である。
【図２】図２は、図１のカメラのセンサの感光面上の画像の位置ずれを示すものである。
【図３】図３ａは、本発明による電子カメラを示す部分断面図である。図３ｂは、図３ａのカメラを示す下面図である。
【図４】図４ａは、図３ａのカメラの変形構造を示すものである。図４ｂは、図４ａのカメラを示す下面図である。
【図５】図５は、図３ａおよび４ａのカメラの光学系を示す斜視図である。

Claims (9)

1. 感光面（１６、４４）を形成する感光性ピクセルの行列を含む有効面（７９）と、該有効面（７９）上の導電体と、該有効面の反対側にある自由面（１０２）とを有する電子イメージセンサ（１２、４２）、および、センサの感光面上に画像を結像するための少なくても１つのレンズ（１４、５２）を有する光学ユニット（２２、４６）を具備する、画像を可視化するための電子カメラであって、光学ユニット（５２）がセンサ（４２）に対して機械的に固定されており、センサの感光面（４４）上に画像の位置を合わせるために、少なくとも２つの位置固定面が直接機械的な接触をしており、一方の面が光学ユニットに設けてあり、他方の面がセンサに設けてあることを特徴とする電子カメラ。
2. 光学ユニット（４６）と電子センサ（４２）が、それぞれ、３つの互いに直交する平面を有しており、光学ユニットの平面（７２、７４、７６、７８、８０ａ、８０ｂ、８２ａ、８２ｂ、８４ａ、８４ｂ、８６ａ、８６ｂ）がそれぞれ電子センサの対応する平行な平面（７９、８８、９０、９２、９４）と接触しており、接触している面の対は、いずれも、基準三面体Ｏｘｙｚの３本の軸の両方向のうち少なくとも一方向に、センサに対する光学ユニットの３つの自由度のうち１つを除去するものであることを特徴とする請求項１に記載の電子カメラ。
3. 集束レンズ（５２）が、光学ユニット（４６）と一体になっており、光学ユニットおよび位置固定面によってセンサ（４２）に対して直接的に固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電子カメラ。
4. 電子センサ（４２）が、その自由面（１０２）を介して導電体を有する印刷回路（１００）上に実装されており、有効面（７９）の導電体と印刷回路（１００）の導電体が、電気接続線（１０６）によって接続されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電子カメラ。
5. 電子センサ（４２）が、その有効面（７９）を介して印刷回路（１１０）上に実装されており、該印刷回路（１１０）が、センサの感光面（４４）上に光を通過させるための開口を有し、センサの有効面の導電体を印刷回路の導電体と接続させるための電気接続がはんだマイクロビーズ（１２０）からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電子カメラ。
6. 回転軸ＺＺ’を有する円柱状の光学ユニット（４６）が、同回転軸ＺＺ’を有する第１の円柱壁（４８）を含み、該第１の円柱壁が、その上部において軸ＺＺ’に対して垂直な第２の壁（５０）によって閉塞されており、該第２の壁（５０）が、その中央に、電子センサ（４２）の感光面上に画像を結像するためのレンズ（５２）を有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の電子カメラ。
7. 円柱壁が、その下部に通路（５４、５６、５８、６０）が設けてあることによって、感光面（４４）と同じ面上で光学ユニット（４６）を電子センサ（４２）上に固定するための脚（６２、６４、６６、６８）を有しており、該脚（６２、６４、６６、６８）が、いずれも、
   −感光面（４４）と同一面上の電子センサ（４２）の有効面（７９）と直接機械的な接触を有し、集束レンズ（５０）を、センサの該感光面（４４）に対して軸ＺＺ’に沿った長手方向の位置に保持する、平面Ｏｘｙに対して平行な水平面（７２、７４、７６、７８）、および
   −軸ＺＺ’に対して平行な一対の垂直面（８０ａおよび８０ｂ、８２ａおよび８２ｂ、８４ａおよび８４ｂ、８６ａおよび８６ｂ）であって、該一対の垂直面は互いに平行であり、各脚の水平面（７２、７４、７６、７８）に対して平行である一対の垂直面が、電子センサの縁（８８、９０、９２，９４）の垂直面と接触している一対の垂直面
   を具備することを特徴とする請求項６に記載の電子カメラ。
8. 光学ユニット（４６）と集束レンズ（５２）が、透明なプラスチックを使用して一体的に成型されており、光学ユニットが、光に対して透明な集束レンズ（５２）を露出した状態で残しておきながら、光に対して不透明な層によって被覆されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の電子カメラ。
9. 光学ユニット（４６）が、光学ユニットを電子センサに対して保持するための力を有する、印刷回路に固定された保持片（１０８）の補助によって、電子センサ（４２）と直接接触した状態で、軸ＺＺ’上の位置に保持されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の電子カメラ。

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