JP2007108600A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レンズ面間の芯ズレによる光軸ズレが低減でき、レンズの精度の劣化による画像劣化を防止でき、良質な画像が得られる撮像装置を提供すること。
【解決手段】被写体を撮像して画像を生成する半導体撮像素子６と、非球面の単焦点レンズ２および２つの焦点距離を有する二焦点レンズ３と、光線を制限する絞り４とを有し、二焦点レンズ３は、半導体撮像素子６の光入射側にあり、絞り４は、二焦点レンズ３の光入射側にある構成を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に小型の撮像装置に関し、特に複数の焦点距離を有している撮像装置に関する。

従来、複数の焦点を有するレンズを用いた撮像装置としては、特許文献１に開示されているように、２つの焦点を有する撮像レンズにより得られる画像を処理することによって解像度の高い画像にすることが開示してある。さらに、特許文献１には、２つの焦点を有する撮像レンズは、円形のレンズ部の光軸とこのレンズ部の外側にある環状のレンズ部の光軸とが一致するよう同心円状に配置して構成され、また、２つのレンズ部が上下に配置して構成されることが開示してある。

また、特許文献２には、２つのレンズを切り替えることによって２焦点カメラを構成できることが開示されている。この特許文献２では、レンズを切り替えることによって、絞りの位置が物体側に位置する場合と、撮像素子側に位置するようになることが開示してある。
特開２００２−１２３８２５号公報 特開平８−３２０５１７号公報

しかしながら、上述した従来の非球面形状を有する２焦点レンズを用いて、主に携帯機器に搭載するカメラモジュールを構成する場合には、カメラモジュールの小型化、特に薄型化が必須となる。

カメラモジュールの薄型化を実現するためには、レンズの精度を向上させることが要求されることは当然であるが、レンズの精度の向上による影響を如何に受け難くカメラモジュールを構成するかということも重要である。また、カメラモジュールには、光線を制御するための絞りを設けるが、絞りの配置により如何にレンズの精度の劣化を緩和できるかということが、カメラモジュールを量産するためにも重要な課題となってきている。

本発明は、従来の課題を解決するためになされたもので、複数焦点レンズを有する光学系において、レンズ面間の芯ズレ（ディセンター）による光軸ズレが低減でき、レンズの精度の劣化による画像劣化を防止でき、良質な画像が得られる撮像装置を提供するものである。

本発明の撮像装置は、固体撮像素子と、少なくとも２枚のレンズと、光線を制限する絞りとを有し、前記レンズのうち１つは、前記固体撮像素子の光入射側にある複数の焦点距離を有する複数焦点レンズであり、前記絞りは、前記複数焦点レンズの光入射側にある構成を有している。

この構成により、絞りにより入射光が制限され、制限された入射光が複数焦点レンズに入光されることにより、レンズ面間の芯ズレ（ディセンター）によるそれぞれの焦点を有するレンズの光軸ズレが低減でき、レンズの精度の劣化による画像劣化が少なくできる。これにより画像処理する際の解像度の劣化を防止でき良質な画像が得られる。

また、本発明の撮像装置は、前記複数焦点レンズが非球面レンズであり、前記複数焦点レンズを構成する各レンズ部が光軸に対して同心円状に配置されている構成を有している。

この構成により、複数焦点レンズを保持するレンズ保持部材と鏡筒等とを、ネジおよびナット等の公知の係合手段を用いて係合させてレンズ保持部材が回転する、すなわちレンズ部が光軸を中心に回転するため、結像位置におけるバックフォーカスを容易に調整することができる。

さらに、本発明の撮像装置は、前記複数焦点レンズがガラスからなる構成を有している。

この構成により、樹脂レンズと比べて屈折率やアッベ数の選択の自由度が増え、設計の自由度を向上させることができる。

さらに、本発明の撮像装置は、前記複数焦点レンズが樹脂からなる構成を有している。

この構成により、レンズの密度をガラスと比べて小さくできるので、撮像装置の軽量化が可能となる。

以上のように本発明は、複数焦点レンズを有する光学系において、絞りを複数焦点レンズの光入射側に配置しているため、絞りにより入射光が制限され、制限された入射光が複数焦点レンズを有するレンズに入光されることにより、レンズ面間の芯ズレ（ディセンター）による光軸ズレが低減でき、レンズの精度の劣化による画像劣化を防止でき、良質な画像が得られる撮像装置を提供するものである。

以下、本発明の実施の形態に係る撮像装置について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る撮像装置の要部構成を示す断面図である。図１に示した撮像装置１は、鏡筒５の中に非球面の単焦点レンズ２と、本発明の複数焦点レンズの一例とする２つの焦点距離を有する非球面レンズ３（以下、二焦点レンズ３と略す。）とが一定の間隔を隔てて、それぞれレンズの光軸Ｌを一致させて配置して構成されている。

二焦点レンズ３は、焦点距離の長い遠レンズ部３Ａと、遠レンズ部３Ａよりも焦点距離の短い近レンズ部３Ｂとが、光軸Ｌを一致するように同心円状に配置されており、１つのレンズとして構成されている。

半導体撮像素子６は、鏡筒５の下側であって二焦点レンズ３よりも下に配置されている。すなわち、半導体撮像素子６の光入射側には、二焦点レンズ３が配置されている。また、絞り４は、二焦点レンズ３の光入射側に配置されている。鏡筒５の内部には、例えば、図示しない赤外光を制限するＩＲカットフィルターが設けられている。

本発明の実施の形態では、単焦点レンズ２および二焦点レンズ３は、アクリル系の樹脂で構成されており、更に具体的な例としては、ゼオネックス（登録商標）を用いている。単焦点レンズ２および二焦点レンズ３は、図示しないレンズ保持部材により所定の距離を隔てて接着剤により固定されている。また、レンズ保持部材および鏡筒５は、ネジとナットによって係合されており、レンズ保持部材の回転により半導体撮像素子６との距離（バックフォーカス）を調整できるように構成されている。

ここで、本発明の実施の形態に係る撮像装置の動作について説明する。

まず、被写体から入光した光は、単焦点レンズ２を通過して、光線を制限する絞り４により、光線の入射角が制限されて二焦点レンズ３に入光し、二焦点レンズ３は、それぞれの焦点距離に対応した像を結ぶ。また、入光された光のうち不要な赤外光は、図示しないＩＲカットフィルターにより制限されて、半導体撮像素子６により光電変換されて画像信号として取り出される。

取り出された画像信号は、二焦点レンズ３により遠・近の画像が混在し、半導体撮像素子６によって図示しない回路部に出力される。図示しない回路部は、画像のボケている部分を改質して解像度のよい画像にするための画像処理を行う。この改質に関しては、前述の特許文献１に開示されている方法で行っても他の方法で行っても良い。

なお、本発明の実施の形態における半導体撮像素子６は、例えば、□２．８μｍのピクセルサイズで原色フィルターを用いたベイヤー配列を有する総画素数１．３ＭピクセルのＳＸＧＡであり、１５ｆｐｓのフレームレートでプログレッシブスキャンを行う。被写体からの光束は単焦点レンズ２を通過し絞り４によって入射角を制限されている。

なお、図２は、絞り４の位置が単焦点レンズ２に対して半導体撮像素子６と反対側に配置された従来の構成を表した図である。

図３には、本発明の実施の形態における二焦点レンズの概要を示している。図３（Ａ）には、二焦点レンズ３の断面図を示しており、図３（Ｂ）には、二焦点レンズ３の平面図を示している。二焦点レンズ３は、焦点距離の長い遠レンズ部３Ａと、遠レンズ部３Ａよりも焦点距離の短い近レンズ部３Ｂとが、光軸Ｌを共通するよう同心円状に配置されており、１つのレンズとして構成されている。

本発明の実施の形態における二焦点レンズ３においては、例えば、焦点距離の長い遠レンズ部３Ａの焦点距離を３．８ｍｍ、近レンズ部３Ｂの焦点距離を３．６ｍｍとし、射出瞳位置とＦナンバーは同じ値とする。これにより結像面におけるそれぞれのレンズの画像情報として同様の情報量が半導体撮像素子６に入力されるようにしてある。

遠レンズ部３Ａおよび近レンズ部３Ｂは、焦点距離が異なり、レンズの中での屈折率が同じであるため、それぞれのレンズの曲率が異なる。従って、レンズの境界面は、不連続面となっている。一般に不連続面に入光される光は、ゴーストやフレアなどを発生しやすく、光の入射角が大きくなれば更に顕著となる。

一方、撮像装置１によって構成されるカメラモジュールは、携帯電話機などの携帯端末装置に実装されることを主眼にしたものであり、携帯端末装置に実装されるカメラモジュールは、薄型化することが望ましい。携帯端末装置を薄型化するには、カメラモジュールの光学系の薄型化が必須となる。このため、高屈折率材料を活用したり、入射角を大きく設定したりせざるを得ない。従って、図２に示した従来の撮像装置の構成を変更し、図１に示したように二焦点レンズ３の直前に絞り４を配置することによって、入射角を制限することが効果的である。

更には、遠レンズ部３Ａと近レンズ部３Ｂとの光軸Ｌが一致するように配置されている二焦点レンズ３を製作するには、金型を用いた射出成形を行う。成形したレンズは、成形時の樹脂の流れ、収縮異方性、成型機の特にプラテン面の温度分布などによって光軸精度におけるバラツキを持ってしまう。

このバラツキを持つ二焦点レンズ３において、半導体撮像素子６で１画素分のズレに相当する光軸精度をシミュレーションにより求めたところ、二焦点レンズ３の前に絞りを置いた図１に示した形態の場合では、１６μｍの偏芯まで許容でき、単焦点レンズ２の前に絞りを置いた図２に示した形態の場合では、１．５μｍ の偏芯で光軸が１画素分ずれることが判った。

つまり、絞り４を二焦点レンズ３の前に置いた場合には、二焦点レンズ３の精度の許容範囲が拡大できるので、カメラモジュールの量産が容易となりカメラモジュールの薄型化が容易に実現できることがわかる。

より詳細に説明するため、シミュレーション結果から得られた、光軸精度としての偏芯と半導体撮像素子６での画素のズレとの関係を図４に示す。図４においては、横軸に二焦点レンズ３の光軸の偏芯量をとり、縦軸に像ズレ量を示している。また、１画素分のズレに相当する２．８μｍのところに破線を設けている。

なお、シミュレーション結果７ａは、図１に示した本発明の実施の形態と対応し、シミュレーション結果７ｂは、図２に示した実施の形態と対応する。本発明の実施の形態によれば、偏芯に対して、二焦点レンズ３の直前に絞り４を配置することによって、ロバストを向上できることが理解できる。

また、前述したようにバックフォーカスを調整する際には、鏡筒５との間でネジとナットによって係合されているレンズ保持部材を回転することで調整する。レンズ保持部材を回転させてバックフォーカスを調整する際にも、単焦点レンズ２が光軸に対して回転対称で、二焦点レンズ３が１６μｍまで偏芯を許容できることにより、光軸ズレの許容量が大きいため、製造工程での歩留まりが低下することがない。また、通常のレンズ成形は、偏芯が５μｍ程度の精度であるため、この精度は撮像装置１の許容範囲であり、通常のレンズを用いた撮像装置１の量産が可能となる。

本発明の実施の形態では、単焦点レンズ２および二焦点レンズ３として、樹脂のレンズを用いたが、ガラス成形により非球面形状を有するレンズを用いることもできる。ガラス成形によるレンズを用いた場合、樹脂のレンズと比較して屈折率やアッベ数の選択の自由度が増えるために、柔軟な設計ができ設計の自由度を向上させ、線膨張係数が低いので使用温度範囲を拡大できる効果を奏する。

以上のように、本発明は、複数焦点レンズの直前に入射光を制限する絞りを配置することにより、レンズ面間の芯ズレ（ディセンター）による光軸ズレが低減でき、複数焦点レンズを用いるカメラモジュールの薄型化が容易に実現できるという効果を有し、携帯電話などの携帯機器に搭載するカメラモジュール等として有用である。

本発明の実施の形態に係る撮像装置の要部構成を示す断面図 従来の例における撮像装置の要部構成を示す断面図 本発明の実施の形態に係る二焦点レンズの構成図 偏芯と画素のズレとの関係を表した図

符号の説明

１ 撮像装置
２ 単焦点レンズ
３ 二焦点レンズ
３Ａ 遠レンズ部
３Ｂ 近レンズ部
４ 絞り
５ 鏡筒
６ 半導体撮像素子
７ａ、７ｂ シミュレーション結果

Claims (4)

1. 固体撮像素子と、少なくとも２枚のレンズと、光線を制限する絞りとを有し、
   前記レンズのうち１つは、前記固体撮像素子の光入射側にある複数の焦点距離を有する複数焦点レンズであり、前記絞りは、前記複数焦点レンズの光入射側にあることを特徴とする撮像装置。
2. 前記複数焦点レンズが非球面レンズであり、前記複数焦点レンズを構成する各レンズ部が光軸に対して同心円状に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記複数焦点レンズがガラスからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記複数焦点レンズが樹脂からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の撮像装置。

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