JP2005045733A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 通常撮影とマクロ撮影とを容易かつ高精度に切り換え可能な固体撮像装置を安価に提供する。
【解決手段】 通常撮影に対してマクロ撮影では結像位置が遠くなるためレンズの光軸上に結像位置を調節する結像位置調整手段７を設けてある。結像位置調整手段７はマクロ撮影では通常撮影に対してどれだけ結像位置が遠くなるかを計算して、その差を調節するのに適する厚さの透明板８を光軸に対して進退可能に設けてある。結像位置調整手段７は、揺動式やレシプロ式あるいは平行移動機構などにより透明板を光軸に対して進退可能としてある。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体撮像装置に関するものである。

最近の固体撮像装置（デジタルカメラ）は、レンズと被写体との間の距離を３００ｍｍ以下とするいわゆるマクロ撮影機能を備えたものが多くなっている。マクロ撮影は通常撮影と比べてレンズと結像位置との距離が長くなるため、そのままシャッタを切ってしまうと、いわゆるピンボケ撮影となってしまう。そこで、その差の距離だけレンズを移動させ、あるいは結像位置を調整するためのマクロレンズを設けるなどして鮮明な撮像を得るようにしている。

このようなマクロ撮影機能を得るための手段として、レンズの位置を調整する場合は、その機構は複雑なものとなるため、固体撮像装置のコストを上昇させる問題がある。また、マクロレンズを採用する場合は、固体撮像装置のレンズの前方に装着することになるが、そのための着脱操作が面倒である他、固体撮像装置とは別に携帯しなければならない煩雑さも加わる。本発明の目的はマクロ撮影を容易にする手段として構成が簡単かつ操作上の煩わしさのないものとするための結像位置調整手段を備えた固体撮像装置を提供することにある。

本発明の固体撮像装置は、撮像素子を搭載する基板と、上記の撮像素子に被写体像を結像する光学レンズを保持するレンズホルダと、上記の光学レンズと上記の撮像素子との間に移動可能に設けられるとともに、上記の光学レンズによる上記の被写体像の結像位置を調節する結像位置調整手段とにより構成してあるところに特徴がある。結像位置調整手段はマクロ撮影など被写体の結像位置が変化する場合に、通常撮影の場合と同一の結像位置になるように調節するためのものである。これは光学レンズと撮像素子との間隔が固定されている場合に進退可能に設けられた結像位置調整手段をこれらの両者間に設けることにより撮像領域を切り換え可能とするものである。

上記の結像位置調整手段は、光学レンズと撮像素子との間に進出する進出位置と、光学レンズと撮像素子との間から退出する退出位置とへ移動し、これらの進出位置及び退出位置において、第１撮像領域及びこの第１撮像領域よりも近い第２撮像領域に位置する被写体像を結像可能とする透明板を備えている。ここで第１撮像領域とは、被写体像が光学レンズを通して撮像素子上に結像可能とする距離範囲をさす。また、第２撮像領域とは上記の第１撮像領域よりも近く、かつそのままでは撮像素子上に結像不可能な距離範囲を指す。結像位置調整手段は操作により上記の透明板を進退させ、被写体像の位置がいずれの領域にあるかに対応して結像位置を調節可能とすることにより被写体像を撮像素子上に結像可能とする。

上記の透明板は板厚が小さいため、製造上及び強度上の問題があることから他の手段として上記の結像位置調整手段を、第１撮像領域に位置する被写体像を結像可能な第１板厚部と、この第１撮像領域よりも近い第２撮像領域に位置する被写体像を結像可能な第２板厚部とを有する透明板を備えたものとしてある。この透明板の第１板厚部は強度的に必要な厚さに予め設定しておき、第２板厚部はこれに結像位置の調節に必要な板厚を加えたものとしてある。第１撮像領域の結像位置は第１板厚部により調節された位置に設定し、第２撮像領域の被写体像の結像位置は第２板厚部により調節された位置すなわち、第１板厚部により調節された位置と同じ位置に設定される。結像位置調整手段は被写体像の位置に対応して上記の板厚部を切り換えることにより撮像素子上に結像可能とする。

上記の各撮像領域は被写体像の位置に応じて区分可能であるが、上記の第１撮像領域を通常撮像領域とし、上記の第２撮像領域をマクロ撮像領域とするように光学レンズ及び透明板を設定することにより通常撮影モードとマクロ撮影モードとの切り換えが容易な固定撮像装置を安価に提供可能となる。

本発明によれば、簡単な構成で固体撮像装置からの距離を異にする撮像領域に対応して結像位置を容易に切り換え可能となる。特に通常撮像領域とマクロ撮像領域とのいずれかの被写体像を撮影する際には、透明板の厚さを正確に算出して決定した厚さのものを採用可能となるので、マクロ撮影におけるピンボケ撮影となることを免れることが出来る。

本発明の実施の一形態例について、図面を参照して説明する。本発明の固体撮像装置はレンズとＣＣＤ等の撮像素子（以下「ＣＣＤ」という。）との間の光軸上に、通常撮影とマクロ撮影とのモード切り換えを可能とするために後述の結像位置調整手段を設けたものである。ここでは初めに固体撮像装置の基本構成について図７を参照して説明し、その後に実施例としてこの固体撮像装置に結像位置調整手段を設けたものについて説明する。

図７に示すように、この固体撮像装置は制御用回路基板としてフレキシブルプリント基板（以下「ＦＰＣ」という。）を使用している。ＦＰＣ１の表面にＣＣＤ２が固着してあり、ＣＣＤはＦＰＣの上面に形成してある回路パターンに接続されている。ＣＣＤ２は表面に撮像面２ａが、裏面に接続端子が設けてあるタイプのもので、撮像面２ａをレンズ４側に向けてＦＰＣ１に接続してある。ＦＰＣ１の表面側には、ＣＣＤ２の撮像面２ａ上に撮像可能な位置に、筒状のカメラユニット３が接着剤を用いて固定してある。カメラユニット３は、レンズホルダ３１とフレーム３２とを螺合させ、レンズホルダ３１内に光学レンズ４などの光学部材を挿入し、レンズ押え３３で光学レンズ４を脱出不能に保持したものからなる。レンズ押え３３は外周から突出させた爪３３ａを、レンズホルダ３１の内周面に設けた突部３１ａに係止させることにより固定されている。レンズホルダ３１をフレーム３２に対して回転させることにより、光学レンズ４と撮像面２ａとの距離を調整でき、ピントの合わせ込みが可能である。レンズ押え３３とレンズホルダ３１とには、外部からの光を光学レンズ４から撮像面２ａに導く開口３３ｂ及び３１ｂが設けてある。

ＦＰＣ１には光の透過性があるため、ＦＰＣ１の裏面側にはＣＣＤ２を中心とするカメラユニット３の位置に対応して遮光部材５を配置するとともに、軟質のＦＰＣの強度を補うプラスチック製の補強部材６を配置してある。遮光部材５はペースト状の銀またはアルミニウムをＦＰＣ１の裏面に塗布することにより設けてある。遮光部材５の設け方はこれに限らず、補強部材６の表面または裏面に塗布して設けるようにしてもよい。または、箔状または薄板状の銀やアルミニウムをＦＰＣ１と補強部材６との間に挟持させてもよい。ＦＰＣ１及び薄いプラスチック板である補強部材６は、通常は光を安全に遮断できないので、遮光部材５を設けることで、カメラユニット３の内部に撮像を妨げる光が入射することを防止している。遮光部材６として硬質の部材を用いれば、補強部材を兼ねることが可能であり、前記の補強部材６を省略できるので構成の簡素化に役立つ。

同図（ｂ）は裏面図であって、遮光部材５が補強部材６よりも大きく形成されており、補強部材６から遮光部材５が突出している。これは、製造時に遮光部材５を設けるときの位置精度を高くする必要を無くするためである。しかし、遮光部材の位置精度をある程度高くした場合は、補強部材６と遮光部材５とは同じ大きさであってもよい。ＦＰＣ１の先端には接続パターン１０が形成されており、その先端部は本体側の回路との接続部となっている。

同図（ｃ）は固体撮像装置の平面図であって、ＦＰＣ１にカメラユニット３が搭載されている。カメラユニット３を搭載するＦＰＣの部分１ａは、他のＦＰＣの部分よりも若干大きく形成されており、この部分１ａの裏面側に、遮光部材５と補強部材６が設けられている。したがって、軟質のＦＰＣ１であっても、安全にＣＣＤ２及びカメラユニット３の内部の遮光性が充分に得られるようになっている。

本発明は上記の固体撮像装置に結像位置調整手段を設けたものであり、これにより通常撮影モードとマクロ撮影モードとを切り換え可能としたものである。すなわち、通常撮影の場合には結像位置がＣＣＤ２の表面２ａと一致しているが、マクロ撮影の場合にはこれが一致しないので、結像位置調整手段をレンズの光軸上に進出させ、結像位置をＣＣＤ２の撮像面２ａと一致させることによりいわゆるピンボケのない撮像を得ることが出来るようにしたものである。

ここで、結像位置調整手段の原理について説明する。図４に示すように、光学レンズ（凸レンズ）Ｒの前方（左方）の無限大距離に位置する被写体像Ｓ１をレンズＲでとらえると、周知の通り、この像は光学レンズＲの後方の距離ｆ１（焦点距離）に位置する第１位置Ｃ１に結像する。したがって通常撮影の場合には、第１位置Ｃ１にＣＣＤ２の撮像面が位置するようにしておけばよい。

これに対しレンズＲの前方の短い距離ｄに被写体像Ｓ２がある場合には、これをレンズＲでとらえようとすると、この被写体像Ｓ２は上記の第１位置Ｃ１よりもδだけ遠い第２位置Ｃ２に結像する。したがって至近距離からの撮影は、結像位置がずれてしまうためにいわゆるピンボケ撮影となってしまう。この場合には光学レンズＲを被写体側にδだけ微少移動させることによりＣＣＤ２上に結像させることが可能ではあるが、構造的に複雑化する問題があることについては上述の通りである。ところで上記の場合における結象位置の差δの値は次式で求められる。

δ＝ｆ２−ｆ１≒（ｆ１）² /d （１）

因みに上式でｆ１＝１．６ｍｍ、ｄ＝３００ｍｍとすると、

δ＝１．６^２ /３００≒８．５μｍ

となる。したがって光学レンズＲを８．５μｍだけ被写体側に後退させる必要があるが、標準の物体位置を３００ｍｍに設定する場合、このずれ量は予め光学レンズとＣＣＤとの間の距離を調節してあるので、特にレンズ等の移動を要しないものとなっている。

次に、例えばｄ＝５０ｍｍの場合は、結像位置の移動量を上式に当てはめて計算すると、

δ＝１．６^２ /５０≒５１．２μｍ

となるが、前記の初期調整量を差し引くとΔ＝５１．２−８．５≒４３μｍとなる。すなわち、この光学レンズを備えた固体撮像装置で５０ｍｍ前方の被写体像を撮影するためには、４３μｍだけ光学レンズの位置を後退させないとピンボケ撮影となることを意味する。

そこで本発明は上記の結像位置のずれを調整するために、図５に示すように、光学レンズＲと第１位置Ｃ１との間の光軸上に結像位置調整手段としての透明板Ｇを矢印で示してあるように進退可能に設けようにしてある。これにより被写体像Ｓ２が第２位置Ｃ２に結像する筈であったものを、第１位置Ｃ１に結像させるように調節することにより鮮明な撮像が得られる。同図において、透明板Ｇの屈折率をｎ、結像位置の調整量をΔとすると、

Δ≒｛（ｎ−１）／ｎ｝ｔ （２）

という式が与えられるので、これを変形すると透明板の厚さ（ｔ）は、

ｔ≒Δ｛ｎ／（ｎ−１）｝ （３）

となる。ここで透明板として石英ガラス（ｎ＝１．５２）を採用し、上記の計算値Δ＝４３μｍを上記（３）式に当てはめて計算すると、ｔ≒１２３μｍとなる。この厚さ（ｔ）の透明板Ｇを光学レンズ４と第１位置Ｃ１との間の光軸上に設けると、これがない場合には被写体像Ｓ２の結像位置が第２位置Ｃ２であったものが、Δだけ移動して第１位置Ｃ１と一致するのでピンボケのない撮影が可能となる。

上記の計算式は理論値であり、実際には結像位置調整手段による結像位置の調節は、光学レンズを含む固体撮像装置の構成により、どのように切り換えるかが判断されるようにしてある。図５において、Ｄ１は初期設定状態で撮影可能な領域を示しており、これを第１撮像領域とし、Ｄ２は被写体像の結像位置を調節することにより撮影可能な領域を示しており、これを第２撮像領域とする。なお、Ｄ０は結像位置を調節してもピンボケのない撮影が不可能な領域を示している。通常は第１撮像領域Ｄ１が通常撮像領域、第２撮像領域Ｄ２がマクロ撮像領域となる。第２撮像領域Ｄ２に位置する被写体像Ｓ２を撮影するためには、結像位置調整手段の透明板Ｇを設ける必要があることについては上述の通りである。

第１撮像領域Ｄ１に位置する被写体像Ｓ１の撮影と、第２撮像領域Ｄ２に位置する被写体像Ｓ２の撮影との切り換えを透明板Ｇの進退動作により行うものにあっては、上述の通り、透明板の厚さ（ｔ）が０．１２ｍｍ（１２３μｍ）であるとすると、組立作業や強度上の問題を生じるおそれがある。そこで、本発明は図６に示すように、１枚の透明板Ｇ２を板厚の異なる範囲を有するものとし、薄い方の範囲を第１撮影領域Ｄ１用に、厚い方の範囲を第２撮像領域Ｄ２用に切り換え可能とすることにより上述の板厚による問題に対しての解決を図ってある。板厚の差は上述の計算値により採用された厚さ（ｔ）となるので、例えば薄い方の厚さを０．５ｍｍとすると厚い方の厚さはこれに０．１２ｍｍを加えた０．６２ｍｍとなる。この場合、第１撮像領域Ｄ１に位置する被写体像Ｓ１を撮影する場合には板厚の薄い方の範囲（第１板厚部）を光学レンズＲと結像位置Ｃ３との間に進出させ、この透明板Ｇがないときの結像位置（図示略）に対してこれを上記の結像位置Ｃ３に移動させておく。

これに対し、第２撮像領域Ｄ２にある被写体像Ｓ２を撮影する際には、図６に示してあるように、板厚の厚い方の範囲（第２板厚部）を光学レンズＲと第１撮像領域にある被写体の結像位置Ｃ３との間に進出させることにより、上記の第４位置Ｃ４に結像されるべきであったものが調節された位置Ｃ３に結像する。この結果、いずれかの板厚部を光学レンズＲと第３結像位置Ｃ３との間に進出させることにより、選択した撮像領域の被写体像を位置Ｃ３に結像可能となる。第１撮像領域Ｄ１は通常撮像領域に、第２撮像領域Ｄ２をマクロ撮像領域に該当することについては上記の場合と同様である。

図１に示すように、この実施例の固体撮像装置の基本的な構成は、上述の固体撮像装置と同じものであり、これに上述の結像位置調整手段７を設けたものである。結像位置調整手段７を構成する透明板としては、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタアクリルレート、ｎ＝１．４９）を採用してある。結像位置調整手段７の透明板８は、厚さ（ｔ）を上記の計算値による０．１２ｍｍとし、これをフレーム３２内にレバーホルダ９で揺動可能に保持したした状態に設けたものからなる。レバーホルダ９は虫眼鏡のフレームに似た平面形状をしており、把手の部分に相当するレバー部９ａの中間位置がフレーム３２の内周部に固着してある支持部材１０に、ピン１０ａを介して揺動自在に支持してある。透明板８は円板状に形成してあり、板面が光軸と直交するようにリング状に形成されているレバーホルダの枠部９ｂに保持されている。また、レバーホルダ９をフレーム３２の筒部から外部へ突出させるための窓部３２ｂには、遮光手段（図示略）を設けてフレーム内に光が入らないようにしてある。

この結像位置調整手段７は、通常撮影の場合には、図１（ｂ）に２点鎖線で示すように、透明板８を光学レンズと４とＣＣＤ２との間から退出した位置に保持するようにしてある。そして、マクロ撮影の場合にはレバーホルダ９の先端部９ａを操作することにより、透明板８を光学レンズと４とＣＣＤ２との間に進出させ、この進出位置に保持可能に切り換えることにより結像位置を調節可能となっている。この結像位置調整手段７の構成は、このままでは安定性に欠けるので、実際にはガイドを設けるなどして常に決まった位置で揺動可能に保持させることが望ましい。実施例１における撮像領域や結像位置調整手段７の作用は、図５を用いた既述の説明がそのまま当てはまる。但し、ここでは図５に示した光学レンズの符号Ｒは４に、透明板Ｇは８に変わっている。

実施例２は、図２に示すように、図６で説明したものをそのまま上述の固体撮像に適用したものである。これは、結像位置調整手段１７の透明板１８を、図６に示す第１撮像領域Ｄ１の被写体Ｓ１の結像位置を、予め第１位置Ｃ３に位置するように調節可能な板厚（ｔ１）の第１板厚部１８ａと、第２撮像領域Ｄ２の被写体Ｓ２の結像位置を同じく調節可能な板厚（ｔ２）の第２板厚部とを有するもので構成したものである。すなわち、１枚の透明板１８に厚さｔ１の部分と、このｔ１に実施例１で採用した透明板８の厚さｔを加えた厚さｔ２の部分とを有するように段差を設けたものとしてある。実施例２は図６に示す撮像領域に応じていずれかの板厚部を選択して光学ガラス４とＣＣＤ２との間に位置させるようにしたものである。

具体的には、第１撮像領域ｄ１の被写体像Ｓ１を撮影するときには、薄い方の厚さｔ１の部分である第１板厚部１８ａを光学ガラス４とＣＣＤ２との間に位置させればよい。これに対し、第２撮像領域ｄ２の被写体像Ｓ２を撮影するときには、厚さｔ２の部分である第２板厚部１８ｂを光学ガラス４とＣＣＤ２との間に位置させるように切り換えればよい。実施例１における撮影領域や結像位置調整手段７の作用は、既述の図６参照の説明がそのまま当てはまる。但し、ここでは図６に示した光学レンズの符号Ｒは４に、透明板Ｇ２は１８に変わっている。

この結像位置調整手段１７を上述の固体撮像装置に装着するためには、例えば図２に示すように、透明板１８をレシプロホルダ１９のホルダ部１９ａに保持させ、このホルダ部の両側から延びているスライド部１９ｂ，１９ｃをフレーム３２の筒部から外部へ突出するように挿通したものとする。撮像領域の選択に応じてスライド部１９ｂ又は１９ｃを押し込むように操作することにより、任意の板厚部への切り換えが可能となる。切り換え手段としては公知の機構を採用すればよい。

実施例３の結像位置調整手段２７は、実施例２と同様の第１板厚部２８ａと第２板厚部２８ｂとに区分してなる透明板２８を、実施例１と同様のレバーホルダ２９で保持するようにしたものである。実施例１と異なり透明板２８は第１板厚部２８ａと第２板厚部２８ｂとを有するため全体的に細長くなっている。ここでは透明板２８の平面形状をレバーの揺動軌跡に対応するように円弧状のまゆ形に形成し、中央部に段差を横断させることにより第１板厚部２８ａと第２板厚部２８ｂとに区分してある。レバー部２９ａはピン３０ａを介してフレーム３２の筒部の内側に揺動自在に支持可能としてあることについては実施例１と同様である。ただし、フレームの外部に突出するレバー部２９ａの端部を操作することにより、いずれかの板厚部が光学レンズ４とＣＣＤ２との間の光軸上に位置させることができるので、レバー部の揺動角は実施例１に比べて極めて小さいものとなる。その他の構成は実施例１と同様である。

なお、上記各実施例において、透明板８、１８及び２８の材質としてＰＭＭＡを採用しているが、これに限らず適宜変更可能である。例えば、各透明板の材質として赤外線カットフィルタ等の光学フィルタの機能を有する材質を採用すれば、別途光学フィルタを備える必要が無くなり、構成の簡略化が可能となる。

また、各実施例では、透明板８、１８及び２８をそれぞれレバーホルダ９、レシプロホルダ１９及びレバーホルダ２９の移動によって進退させていたが、各透明板を進退する手段はこれに限定されるものではない。例えば、各透明板に磁石を設け、フレーム３２の外側から磁力を作用させることにより、磁力を利用して透明板を進退させても良い。このようにすれば、フレーム３２に透明板の進退用の窓部３２ｂが不要となるので、不要な外来光が入射することを防止できる。

また、実施例２及び実施例３において、透明板１８、２８にそれぞれ板厚の異なる２つの板厚部を設けることにより、異なる２つの撮像領域に位置する被写体の撮像を可能としたが、本発明は各透明板をそれぞれ屈折率の異なる２つの材質で構成しても同様の効果が得られる。

また、実施例２及び実施例３では、板厚部を２種類としてあるが、これを３種類以上として、撮像領域を細分化することによりきめ細かな撮影をすることも可能である。また、上述の結像位置調整手段の構成は例示であり、その他、固体撮像装置の特性に応じたものを採用可能である。その他フレームなどは結像位置調整手段の構造により他の名称で呼ばれるものもあるが、本発明は名称に左右されるものではなく、光学レンズとＣＣＤとの間の光軸上に透明板を移動可能に設けるものであればよい。

光学レンズと撮像素子との間に結像位置調整手段としてのレンズを設け、これを移動させることにより通常撮影とマクロ撮影との切り換えを容易に行うことができるようにしたものであり、各種の固体撮像装置に適用可能である。

本発明の実施例１の構成を示しており、（ａ）は断面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 実施例２の構成を示しており、（ａ）は断面図、（ｂ）は結像位置調整手段の要部の平面図、（ｃ）は実施例２の透明板の拡大断面図である。 実施例３の結像位置調整手段の平面図である。 被写体像の位置と結像位置との関係を示す参考図である。 透明板による結像位置の変化を示す説明図である。 異なる板厚部を有する透明板による結像位置の変化を示す説明図である。 本発明を適用する固体撮像装置の基本構成を示すものであり（ａ）は断面図、（ｂ）は裏面図、（ｃ）は平面図である。

符号の説明

１ 基板
２ 撮像素子（ＣＣＤ）
２ａ 撮像面
３ カメラユニット
４ 光学レンズ
７，１７，２７ 結像位置調整手段
８，１８，２８ 透明板
１８ａ，２８ａ 第１板厚部
１８ｂ，２８ｂ 第２板厚部
３１ レンズホルダ
ｄ１，ｄ２ 撮像領域
Ｓ１，Ｓ２ 被写体像

Claims (4)

1. 撮像素子を搭載する基板と、
   上記撮像素子に被写体像を結像する光学レンズを保持するレンズホルダと、
   上記光学レンズと上記撮像素子との間に移動可能に設けられるとともに、上記光学レンズによる上記被写体像の結像位置を調節する結像位置調整手段と
   を備えていることを特徴とする固体撮像装置。
2. 請求項１において、上記結像位置調整手段は、上記光学レンズと上記撮像素子との間に進出する進出位置と、当該光学レンズと当該撮像素子との間から退出する退出位置とへ移動し、上記進出位置及び上記退出位置において、第１撮像領域及び当該第１撮像領域よりも近い第２撮像領域に位置する被写体像を結像可能とする透明板を備えていることを特徴とする固体撮像装置。
3. 請求項１において、上記結像位置調整手段は、第１撮像領域に位置する被写体像を結像可能な第１板厚部と、上記第１撮像領域よりも近い第２撮像領域に位置する被写体像を結像可能な第２板厚部とを有する透明板を備えていることを特徴とする固体撮像装置。
4. 請求項２又は３において、上記第１撮像領域は通常撮像領域であり、上記第２撮像領域はマクロ撮像領域であることを特徴とする固定撮像装置。
   

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