JP2008051877A - マイクロレンズ、撮像装置及び携帯端末装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フィルタ特性が入射光の入射角に依存せず、従来のものよりも耐熱性に優れたマイクロレンズと、このマイクロレンズを用いた撮像装置及び携帯端末装置とを提供すること。
【解決手段】撮像装置１０は、被写体からの光量を調節する光学絞り１１と、被写体光を集光するレンズ１２と、固体撮像素子２０とを備え、固体撮像素子２０は、マトリクス状に配列された複数のマイクロレンズ２１ａを備え、マイクロレンズ２１ａは、それぞれ、赤外線を吸収する成分を含むガラス材料を用いて形成され、赤外カットフィルタの機能を有する構成とした。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体撮像素子に設けられるマイクロレンズ及びこのマイクロレンズを用いた撮像装置、携帯端末装置に関する。

従来の撮像装置は、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ：電荷結合素子）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：相補型金属酸化物半導体）等の固体撮像素子を備えている。これらの固体撮像素子には、受光部の集光効率を高めるため、各受光部にマイクロレンズが設けられている。また、固体撮像素子は、可視光線よりも長波長側の赤外線にも高い感度を有するので、自然な色再現を実現するため、入射する赤外線を遮断する必要がある。例えば、従来のものは、多層膜の薄膜コートを施した平板の反射型赤外カットフィルタや、２価の銅イオンがドープされ赤外光を吸収する吸収型赤外カットフィルタ等が固体撮像素子の前面に設けられ、入射する赤外線を遮断するようになっていた。

しかしながら、前述の構成では、反射型赤外カットフィルタや吸収型赤外カットフィルタ等を設けるためのスペースが必要となるので、撮像装置の小型化が図れないという課題があり、この課題の解決を図ることを目的として例えば特許文献１及び２に示されたものが提案されている。

まず、特許文献１に示されたものは、マイクロレンズの表面に赤外線遮断誘電体多層膜の薄膜コートを形成することにより、入射された赤外線を遮断することができるようになっている。また、特許文献２に示されたものは、赤外線吸収機能を有する樹脂塗布液で形成された赤外線吸収層をマイクロレンズの表面又は固体撮像素子の表面に設けることにより、入射された赤外線を遮断することができるようになっている。したがって、特許文献１及び２に示されたものは、赤外カットフィルタを廃止することができるので、撮像装置の小型化を図ることができる。
特開２００４−１３９０３５号公報 特開２００４−２００３６０号公報

しかしながら、マイクロレンズは固定撮像素子の各画素に対応するよう比較的小さく構成されているので、特許文献１に示されたものでは、赤外線遮断誘電体多層膜の薄膜コートを高精度で施すことが困難であり、赤外線の遮断によるフィルタ特性が十分なものとはならないという課題や、マイクロレンズに入射する光線の入射角に応じてフィルタ特性が変化するという課題があった。

また、特許文献２に示されたもののように、赤外線吸収機能を有する樹脂塗布液で赤外線吸収層が形成されたものは、耐熱性に問題があることが知られており、例えば固体撮像素子を実装基板上に２００℃以上の温度でリフロー半田付けする際、赤外線の吸収特性が劣化するという課題があった。

本発明は、従来の課題を解決するためになされたものであり、フィルタ特性が入射光の入射角に依存せず、従来のものよりも耐熱性に優れたマイクロレンズと、このマイクロレンズを用いた撮像装置及び携帯端末装置とを提供することを目的とする。

本発明のマイクロレンズは、被写体を撮像する固体撮像素子に設けられ、ガラス材料で形成されたマイクロレンズにおいて、前記ガラス材料は、赤外線を吸収する成分を含む構成を有している。

この構成により、本発明のマイクロレンズは、赤外線を吸収する成分を含むガラス材料で形成されるので、従来の多層膜を用いたものとは異なり、フィルタ特性が入射光の入射角に依存せず、また、従来のものよりも耐熱性に優れるものとなる。

また、本発明のマイクロレンズは、前記被写体からの光が入射される光軸に対する形状が球面状である構成を有している。

この構成により、本発明のマイクロレンズは、入射光の損失を低減すると共に、赤外カットの機能を有することとなる。

さらに、本発明のマイクロレンズは、前記被写体からの光が入射される光軸に対する形状が非球面状である構成を有している。

この構成により、本発明のマイクロレンズは、被写体像の画質劣化を低減することができる。

さらに、本発明の撮像装置は、マイクロレンズと、前記被写体からの光を集光して被写体像を結像する撮像光学系とを備えた構成を有している。

この構成により、本発明の撮像装置は、フィルタ特性が入射光の入射角に依存せず、従来のものよりも耐熱性に優れたマイクロレンズを備えるので、従来のものよりも色再現性の良い被写体像を得ることができ、リフロー半田付け工程等での加熱による赤外線の吸収特性の劣化を防止することができる。

さらに、本発明の携帯端末装置は、撮像装置を備えた構成を有している。

この構成により、本発明の携帯端末装置は、従来のものよりも色再現性の良い被写体像を得ることによって、使用者の認証精度を従来のものよりも向上させることができる。

本発明は、フィルタ特性が入射光の入射角に依存せず、従来のものよりも耐熱性に優れるマイクロレンズと、このマイクロレンズを用いた撮像装置及び携帯端末装置とを提供することができるものである。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

（第１の実施の形態）
まず、本発明に係るマイクロレンズを用いた撮像装置の構成について説明する。

図１に示すように、本実施の形態における撮像装置１０は、被写体からの光量を調節する光学絞り１１と、被写体光を集光するレンズ１２（１２ａ及び１２ｂを含む。）と、固体撮像素子２０とを備えている。ここで図１は、撮像装置１０の主要部の概念図であり、撮像装置１０は、詳細には以下のように構成されている。

光学絞り１１は、結像性能を向上させるため、透過する光線の範囲を制限させる遮へい板で構成されている。

レンズ１２は、例えばガラスやプラスチックの材料で形成され、被写体像を固体撮像素子２０の受光部（図示省略）に結像するようになっている。なお、レンズ１２は、本発明の撮像光学系を構成している。

固体撮像素子２０は、被写体側の面に設けられたマイクロレンズアレイ２１と、被写体を撮像する撮像部２２とを備えている。撮像部２２は、例えばＣＣＤやＣＭＯＳのイメージセンサで構成され、マトリクス状に配列された複数の画素を有し、例えば１／４インチサイズ（水平：３．４５６ｍｍ×垂直：２．５９２ｍｍ×対角：４．３２ｍｍ）で約１３０万画素のベイヤ配列の素子を含む。

具体的には、固体撮像素子２０は、図２に示すように構成されている。図２（ａ）は固体撮像素子２０の概念的な構成を示す平面図、図２（ｂ）は固体撮像素子２０の部分断面を概念的に示す断面図、図２（ｃ）は固体撮像素子２０の他の態様の部分断面を概念的に示す断面図である。

図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、マイクロレンズアレイ２１は、マトリクス状に配列された複数のマイクロレンズ２１ａを備えている。撮像部２２は、カラーフィルタ２２ａと、遮光層２２ｂと、画素２２ｃとを備えている。

マイクロレンズ２１ａは、それぞれ、被写体光が入射する側の面と、撮像部２２側の面とに一定の曲率を有する凸レンズ形状で形成され、各画素２２ｃに対応した位置に設けられており、各画素２２ｃに入射する被写体光の集光率を高めるようになっている。なお、マイクロレンズ２１ａの形状は、図２（ｂ）に示すものに限定されるものではなく、例えば図２（ｃ）に示すように、被写体光が入射する側の面を凸レンズ形状とし、撮像部２２側の面を平面形状としてもよい。また、マイクロレンズ２１ａは、通常のガラス成形レンズと同じガラス転写方式により製造することができる。

マイクロレンズ２１ａは、赤外線を吸収する成分を含むガラス材料、例えば２価の銅イオンがドープされたガラス材料を用いて形成され、赤外カットフィルタの機能を有する構成となっている。具体的なガラス材料としては、例えば松浪硝子工業株式会社のＢＳシリーズ、旭テクノグラス株式会社のＮＦ−５０等を用いることができる。

ここで、本実施の形態におけるマイクロレンズ２１ａの分光特性を従来のものと比較して説明する。

まず、多層膜で形成された従来の赤外カットフィルタの分光特性は、図３に示すようなものである。図３は、入射角０、１０、２０及び３０度の光の波長に対する透過率のデータを示したものであり、従来のものは、入射する光の入射角に応じて透過率が変化している。これに対し、本実施の形態におけるマイクロレンズ２１ａの分光特性は、図４に示すように、入射する光の入射角には依存しない特性を有している。

したがって、本実施の形態におけるマイクロレンズ２１ａを用いることにより、入射角に依存しない分光特性が得られると共に、赤外線の影響による被写体像の輪郭のぼけや、被写体像の全体に赤みがかかり、色再現性が劣化すること等を防止することができる。また、本実施の形態におけるマイクロレンズ２１ａは、赤外線を吸収する成分を含むガラス材料を用いる構成としたので、赤外線吸収機能を有する樹脂塗布液で赤外線吸収層が形成された従来のものよりも耐熱性を向上させることができ、固体撮像素子２０や電子部品等を実装基板上に２００℃以上の温度でリフロー半田付けを実施しても赤外線の吸収特性が劣化することはない。

なお、前述のように、図１は撮像装置１０の主要部を示した概念図であるが、撮像装置１０は、主要部以外の構成として図示しない機構部や電気回路部を備えている。機構部としては、例えば、レンズ１２に取り付けられて被写体像のピントや画角を調整するレンズ調整機構部等がある。また、電気回路部としては、例えば各機構部を駆動する駆動回路や、固体撮像素子２０を駆動するためのタイミングパルスを発生するパルス発生回路等がある。

次に、本実施の形態における撮像装置１０の動作について図１を用いて説明する。

まず、被写体光は、光学絞り１１を通過し、レンズ１２に入射される。次いで、被写体光は、レンズ１２によって集光され、マイクロレンズアレイ２１に出射される。ここで、マイクロレンズアレイ２１に入射した被写体光は、マイクロレンズ２１ａによって、その赤外線成分が吸収され、撮像部２２の画素２２ｃに集光される。その結果、固体撮像素子２０からは、従来のものよりも色再現性に優れた良好な画質の被写体像のデータが出力される。

以上のように、本実施の形態における撮像装置１０によれば、マイクロレンズアレイ２１を構成する各マイクロレンズ２１ａは、赤外線を吸収する成分を含むガラス材料で形成される構成としたので、入射角に依存しない分光特性が得られると共に、赤外線の影響による被写体像の輪郭のぼけや、被写体像の全体に赤みがかかること等を防止することができ、被写体画像の画質を向上させることができる。

また、本実施の形態における撮像装置１０によれば、従来のもののように、反射型赤外カットフィルタや吸収型赤外カットフィルタ等を設けるためのスペースを必要としないので、装置の小型化を図ることができる。

また、本実施の形態におけるマイクロレンズ２１ａは、赤外線を吸収する成分を含むガラス材料を用いる構成としたので、赤外線吸収機能を有する樹脂塗布液で赤外線吸収層が形成された従来のものよりも耐熱性を向上させることができ、固体撮像素子２０や電子部品等を実装基板上に２００℃以上の温度でリフロー半田付けを実施しても赤外線の吸収特性が劣化することはない。

（第２の実施の形態）
本発明に係る撮像装置の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態における撮像装置の構成は、第１の実施の形態における撮像装置１０（図１参照）と比べ、マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズの形状が異なるものである。すなわち、第１の実施の形態における撮像装置１０は、一定の曲率を有する凸レンズ形状で形成されたマイクロレンズ２１ａを備えているが、本実施の形態における撮像装置は、マイクロレンズの形状が軸対称非球面であることを特徴としている。なお、マイクロレンズ以外の構成は、第１の実施の形態における撮像装置１０と同様であり、説明を省略する。

本実施の形態におけるマイクロレンズの形状は、一般的に式（１）の高次の多項式で表される非球面レンズである。ここで、Ｚはマイクロレンズの光軸方向の座標、ｒはマイクロレンズの半径方向の光軸からの座標、ｃはマイクロレンズの頂点における曲率、Ｋ及びＡ_ｎは非球面係数、ｎは整数（ｎ＝１、２・・・）を示す。

本実施の形態における撮像装置の光学性能は、レンズ１２の性能が大部分を占めるが、レンズ１２だけで取りきれない各収差に対して、マイクロレンズの形状を一般的な非球面レンズと同様な非球面形状にすることにより、本実施の形態における撮像装置は、収差を軽減させて被写体像の画質を向上させることができる。

（第３の実施の形態）
本発明に係る携帯端末装置としての携帯電話装置について説明する。

図５に示すように、本実施の形態における携帯電話装置３０は、第１の実施の形態における撮像装置１０を公知のカメラ付き携帯電話装置に搭載したものである。すなわち、携帯電話装置３０は、被写体を撮像する撮像装置１０と、上側筐体３１と、下側筐体３２と、上側筐体３１と下側筐体３２とを連結する蝶番部３３と、画像やメッセージを表示するディスプレイ３４と、音を出力するスピーカ部３５と、電波を捕捉するアンテナ部３６と、ユーザが情報を入力するキーボード部３７と、音声を入力するマイク部３８とを備えている。

したがって、本実施の形態における携帯電話装置３０は、第１の実施の形態における撮像装置１０を備えることにより、カメラとして使用される際に、入射角に依存しない分光特性が得られると共に、赤外線の影響による被写体像の輪郭のぼけや、被写体像の全体に赤みがかかること等を防止することができ、被写体画像の画質を向上させることができる。

また、本実施の形態における携帯電話装置３０は、上側筐体３１と下側筐体３２とが蝶番部３３を介して折りたたみ可能な構成であり、携帯電話装置３０を図５に示すように開いた状態で、携帯電話装置３０の使用者を撮像装置１０が撮像することができるようになっている。また、携帯電話装置３０は、撮像装置１０によって取得される使用者の撮像データに基づき、正規の使用者として予め登録された人物か否かを認証する顔画像認証の機能を有しており、正規に登録された人物のみが使用できるようセキュリティが確保されている。

第１の実施の形態において説明したように、撮像装置１０は、従来のものよりも色再現性に優れた良好な画質の被写体像のデータを取得することができるので、本実施の形態における携帯電話装置３０は、従来のものよりも短時間で精度の高い認証を行うことができる。また、本実施の形態における携帯電話装置３０は、前述のような撮像装置１０を備えているので、従来のものよりも顔画像認証の機能を複雑化してセキュリティをさらに高めることができ、その場合でも携帯電話装置としての利便性を低下させることがないという効果を有する。

以上のように、本実施の形態における携帯電話装置３０によれば、撮像装置１０を備える構成としたので、カメラとして使用される際に、入射角に依存しない分光特性が得られると共に、赤外線の影響による被写体像の輪郭のぼけや、被写体像の全体に赤みがかかること等を防止することができ、被写体画像の画質を向上させることができる。

また、本実施の形態における携帯電話装置３０によれば、被写体画像の画質を向上させることができる撮像装置１０を備える構成としたので、従来のものよりも短時間で精度の高い認証を行うことができる。

また、本実施の形態における携帯電話装置３０によれば、反射型赤外カットフィルタや吸収型赤外カットフィルタ等を設けるためのスペースを必要としない撮像装置１０を備える構成としたので、装置の小型化を図ることができる。

なお、前述の実施の形態において、携帯電話装置３０は、上側筐体３１と下側筐体３２とが蝶番部３３を介して折りたたみ可能な構成であり、撮像装置１０が上側筐体３１に搭載されている例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、様々な形態の携帯情報装置に適用可能である。たとえば、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の携帯情報装置などにも応用することができる。

また、近年車載用途などにもカメラが多用されるようになり、これらに対しても本発明の撮像装置１０を応用することも可能である。その他、ＤＳＣ（デジタル静止カメラ）やカムコーダ等のような色再現性に重点がおかれる機器、監視カメラのような視認性の向上に重点が置かれる機器等に対しても本発明の撮像装置１０を応用することができ、これらの機器の小型化を図ることができる。

以上のように、本発明に係るマイクロレンズは、フィルタ特性が入射光の入射角に依存せず、従来のものよりも耐熱性に優れるという効果を有し、固体撮像素子に設けられるマイクロレンズ及びこのマイクロレンズを用いた撮像装置、携帯端末装置等として有用である。

本発明に係る撮像装置の主要部の構成例を示す概念図 本発明に係る撮像装置における固体撮像素子の構成例を示す概念図 （ａ）本発明に係る固体撮像素子の平面概念図 （ｂ）本発明に係る固体撮像素子の断面概念図 （ｃ）本発明に係る固体撮像素子の他の態様の断面概念図 従来の撮像装置の分光特性を示す図 本発明に係る撮像装置の分光特性を示す図 本発明に係る携帯電話装置の構成例を示す概念図

符号の説明

１０ 撮像装置
１１ 光学絞り
１２（１２ａ、１２ｂ） レンズ（撮像光学系）
２０ 固体撮像素子
２１ マイクロレンズアレイ
２１ａ マイクロレンズ
２２ 撮像部
２２ａ カラーフィルタ
２２ｂ 遮光層
２２ｃ 画素
３０ 携帯電話装置（携帯端末装置）
３１ 上側筐体
３２ 下側筐体
３３ 蝶番部
３４ ディスプレイ
３５ スピーカ部
３６ アンテナ部
３７ キーボード部
３８ マイク部

Claims (5)

1. 被写体を撮像する固体撮像素子に設けられ、ガラス材料で形成されたマイクロレンズにおいて、前記ガラス材料は、赤外線を吸収する成分を含むことを特徴とするマイクロレンズ。
2. 前記被写体からの光が入射される光軸に対する形状が球面状であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロレンズ。
3. 前記被写体からの光が入射される光軸に対する形状が非球面状であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロレンズ。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のマイクロレンズと、前記被写体からの光を集光して被写体像を結像する撮像光学系とを備えたことを特徴とする撮像装置。
5. 請求項４に記載の撮像装置を備えたことを特徴とする携帯端末装置。

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