JP2010258636A

JP2010258636A - 撮像素子ユニット

Info

Publication number: JP2010258636A
Application number: JP2009104709A
Authority: JP
Inventors: Sohiko Otsuki; 素比古大槻; Hirofumi Furusawa; 弘文古沢
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2009-04-23
Filing date: 2009-04-23
Publication date: 2010-11-11
Also published as: CN101872034B; KR20100117034A; US20100271482A1; KR101057435B1; CN101872034A

Abstract

【課題】構造の複雑化や高コスト化を招くことなく、可視光の光量が十分な環境のみならず不十分な環境下においても被写体を鮮明に撮像することが可能な撮像素子ユニットを得る。
【解決手段】撮像素子１８のＲ画素、Ｇ画素、及び、Ｂ画素の固有の感度の合成値であるＲＧＢ合算相対感度と、赤外線カットフィルタ１７の透過率特性とによって決定される撮像面１９の相対感度が以下の感度を示すように、赤外線カットフィルタの透過率特性を定める。λ（波長：単位ｎｍ）６５０：相対感度７７±１０、λ７００：相対感度６２±１０、λ７５０：相対感度４４±７、λ８００：相対感度２６±７、λ８５０：相対感度７±５、λ９００：相対感度５±５。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮像素子と赤外線カットフィルタを具備する撮像素子ユニットに関する。

撮像素子（ＣＣＤやＣＭＯＳ）は一般的に、電磁波の広い範囲の波長に対して高いＲＧＢ合算相対感度を示す。そのため撮像素子を具備するカメラモジュールに可視光と赤外光が一緒に入射すると、撮像素子によって撮像された画像の色再現性が悪化してしまう。
そのため従来は撮像素子を具備するカメラモジュールに、４００〜６００ｎｍの波長の可視光をほぼ１００％透過させると共に６５０ｎｍ程度の波長の電磁波を約５０％カットし、さらに波長が７００ｎｍより長い赤外線を殆ど全てカットする赤外光カットフィルタを設けている。

一方、夜間のように可視光の光量が十分でない暗い環境下において被写体を確実に撮像するためには、赤外光を利用しながら撮像を行う必要がある。しかし、上記のような赤外線カットフィルタを設けると撮像素子の６００ｎｍより長い波長に対する相対感度が大幅に低下するため、暗い環境下では赤外光を利用しながら撮像したとしても、被写体像を鮮明に撮像できない。

このような問題を解決するための従来技術としては、例えば特許文献１に開示されたものがある。この公報に開示されたカメラは、撮像素子の撮像面の直前位置と、撮像面の直前位置から退避する位置とに移動可能な赤外線カットフィルタを具備している。
このカメラは、昼間のように可視光の光量が十分な環境下では赤外線カットフィルタを撮像素子の直前に位置させ、夜間のように可視光の光量が不十分な環境下では赤外線カットフィルタを撮像素子の直前から退避させることにより、上記問題を解決している。

実開平２−８８８５１号公報

しかし特許文献１の考案は、赤外線カットフィルタを進退させるための機構が必要なため製造コストが高い。さらに、赤外線カットフィルタを退避させるためのスペースを確保する必要があるので、その分だけカメラモジュールが大型化してしまう。

本発明は、以上の問題意識に基づいてなされたものであり、構造の複雑化や高コスト化を招くことなく、可視光の光量が十分な環境のみならず不十分な環境下においても被写体を鮮明に撮像することが可能な撮像素子ユニットを提供することを目的とする。

撮像素子のＲＧＢ合算相対感度（撮像素子固有の相対感度）は撮像素子を製造した後に変更することはできないが、赤外線カットフィルタを撮像面に被せることにより、撮像素子の実際の相対感度を調整することが可能である。本出願人は、赤外線カットフィルタの透過率特性を工夫して、６００〜９００ｎｍの波長の電磁波に対する撮像素子の相対感度を所定の範囲に設定することにより、可視光を利用した撮像の色再現性の悪化を最小限に抑えつつ、赤外光を利用した撮像を鮮明に行えることを見出した。
このような技術思想に基づく本発明の撮像素子ユニットは、多数のＲ画素、Ｇ画素、及び、Ｂ画素を有する撮像面を備える撮像素子と、該撮像面の直前位置に配置された赤外線カットフィルタと、を備える撮像素子ユニットにおいて、上記Ｒ画素、Ｇ画素、及び、Ｂ画素の固有の感度の合成値であるＲＧＢ合算相対感度と、上記赤外線カットフィルタの透過率特性とによって決定される上記撮像面の相対感度が、６００ｎｍより長い以下の各波長に対してそれぞれ以下の感度を示すように、上記赤外線カットフィルタの透過率特性を定めたことを特徴としている。
λ（波長：単位ｎｍ）相対感度
６５０７７±１０
７００６２±１０
７５０４４± ７
８００２６± ７
８５０７± ５
９００５± ５

別の態様によると、本発明の撮像素子ユニットは、多数のＲ画素、Ｇ画素、及び、Ｂ画素を有する撮像面を備える撮像素子と、該撮像面の直前位置に配置された赤外線カットフィルタと、を備える撮像素子ユニットにおいて、上記Ｒ画素、Ｇ画素、及び、Ｂ画素の固有の感度の合成値であるＲＧＢ合算相対感度と、上記赤外線カットフィルタの透過率特性とによって決定される上記撮像面の相対感度が、電磁波の波長を横軸にとり各波長に対する上記相対感度を縦軸にとったときに、６５０ｎｍ〜９００ｎｍの各波長に対する上記相対感度が下記のＰ１とＰ２、Ｐ２とＰ４、Ｐ４とＰ６、Ｐ６とＰ５、Ｐ５とＰ３、及び、Ｐ３とＰ１をそれぞれ結んだ直線によって囲まれた範囲内に位置するように、上記赤外線カットフィルタの透過率特性を定めたことを特徴としている。
波長λが６５０ｎｍのときの第１相対感度Ｐ１：８７
波長λが６５０ｎｍのときの第２相対感度Ｐ２：６７
波長λが８５０ｎｍのときの第１相対感度Ｐ３：１２
波長λが８５０ｎｍのときの第２相対感度Ｐ４：２
波長λが９００ｎｍのときの第１相対感度Ｐ５：１０
波長λが９００ｎｍのときの第２相対感度Ｐ６：０

いずれの態様の撮像素子ユニットも車載カメラに内蔵させることが可能である。

本発明の赤外線カットフィルタは撮像素子に対して移動不能であり、撮像素子の直前に配置したままであるが、昼間のように可視光の光量が十分な環境下のみならず、夜間のように可視光の光量が不十分な環境下においても被写体を鮮明に撮像できる。さらに、赤外線カットフィルタを撮像素子に対して移動させる必要がないので、構造が複雑化したり製造コストが高くなることもない。

本発明の一実施形態であるカメラモジュールの縦断面図である。電磁波の波長と撮像素子の相対感度の対応関係を示す分光特性グラフである。（ａ）は実施例１における異なる波長に対する撮像素子固有のＲＧＢ合算相対感度を示す分光特性グラフ、（ｂ）は同実施例における赤外線カットフィルタの透過率を示す分光特性グラフ、（ｃ）は同実施例における赤外線カットフィルタを装着したときの撮像素子の相対感度を示す分光特性グラフ、（ｄ）は（ａ）〜（ｃ）の各グラフを一つにまとめた分光特性グラフである。実施例２の図３と同様の分光特性グラフである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の一実施形態について説明する。
カメラモジュール１０は図１に示す構造であり、図示を省略した自動車に搭載される車載カメラや、建物に固定される監視カメラとして利用可能である。
自身の軸線を中心とする中空の回転体であるホルダ１１の軸線方向の一方の端部は完全に開口しており、他方側の端部の中心部には小径の採光孔１２が穿設してある。ホルダ１１の内部には２枚のレンズ１３、レンズ１４と中心部に中心孔１６を有するスペーサ１５とがホルダ１１の軸線方向に重ねた状態で収納してあり、レンズ１４とスペーサ１５の間には赤外線カットフィルタ（ＩＲＣＦ）１７が固定状態で挟み込んである。
赤外線カットフィルタ１７はガラスからなるフィルタ基板の一方の面（前後いずれでもよい）に赤外光に対する透過率が可視光に対する透過率よりも低い薄膜を設けた積層型（反射型）のものである。この薄膜は、数十〜数百ｎｍの厚さからなる数十枚の層を屈折率及び厚さが異なる層同士を互いに重ねて蒸着したものである。さらに、赤外線カットフィルタ１７のフィルタ基板の他方の面には４００ｎｍ〜９００ｎｍの電磁波に対する反射率が１％以下である反射防止コーティングが形成してある。上記薄膜の各層の枚数、厚さ、屈折率などを適宜選択して赤外線カットフィルタ１７に所望の透過率特性を付与する設計手法は従来より周知である。
ホルダ１１の上記一方の端部には、撮像素子１８（例えばＣＣＤやＣＭＯＳ）と電気的に接続した状態で撮像素子１８を支持した基板２０が固定してあり、撮像素子１８の撮像面１９の表面に固定したカバーガラス（図示略）がスペーサ１５のレンズ１４と反対側の面に接触している。撮像面１９はＧ（緑）、Ｂ（青）、Ｒ（赤）のいずれかの色の原色フィルタによって覆われた多数の画素を具備しており、各画素に光（電磁波）が入射すると各画素は対応するフィルタと同じ色の色信号（電気信号）を発生する。
以上構成のカメラモジュール１０は、採光孔１２、レンズ１３、レンズ１４、赤外線カットフィルタ１７、及び中心孔１６を通り抜けた被写体からの反射光を撮像素子１８の撮像面１９が受光することにより、被写体像の撮像を行う。また、カメラモジュール１０の構成部品のうち赤外線カットフィルタ１７と撮像素子１８が撮像素子ユニットＵの構成要素である。

撮像素子１８の撮像面１９の各画素固有の感度は電磁波の波長に応じて異なり、撮像面１９の全ての画素固有の感度を合成することによりＲＧＢ合算相対感度が得られる。
赤外線カットフィルタ１７は上記薄膜の各層の枚数、厚さ、屈折率などを適宜選択することにより、４００ｎｍ〜６５０ｎｍ（あるいは６５０ｎｍ付近）の波長の電磁波に対しては極めて大きい透過率（９０％以上）を示し、６５０ｎｍ（あるいは６５０ｎｍ付近）より長い波長の電磁波に対しては波長が長くなるにつれて透過率が徐々に低下するように、その透過率特性を設定してある。

このような機能を有する赤外線カットフィルタ１７を撮像素子１８の撮像面１９の直前に配置しているので、撮像面１９の実際の感度である相対感度はＲＧＢ合算相対感度とは異なる。即ち、撮像面１９の相対感度は、４００ｎｍ〜６５０ｎｍの波長の電磁波に関してはＲＧＢ合算相対感度と殆ど変わらないが、６５０ｎｍ〜９００ｎｍの波長の電磁波についてはＲＧＢ合算相対感度に比べて低下している。具体的には、横軸に電磁波の波長をとり、縦軸に相対感度をとった図２の分光特性グラフに示すように、６５０ｎｍ〜８５０ｎｍに対応する部分はほぼ直線的に右肩下がりとなり、８５０〜９００ｎｍでは緩やかな勾配となる（波長が６５０ｎｍより短い範囲、及び、９００ｎｍより長い範囲については省略）。この６５０ｎｍ〜９００ｎｍの波長に対応する部分をより詳しく説明すると、この波長範囲に対応する撮像面１９の相対感度は、波長λが６５０ｎｍのときの第１相対感度Ｐ１（第１相対感度はＭＡＸＩＭＵＭ値。以下同じ）と波長λが６５０ｎｍのときの第２相対感度Ｐ２（第２相対感度はＭＩＮＩＭＵＭ値。以下同じ）、Ｐ２と波長λが８５０のときの第２相対感度Ｐ４、Ｐ４と波長λが９００ｎｍのときの第２相対感度Ｐ６、Ｐ６と波長λが９００ｎｍのときの第１相対感度Ｐ５、Ｐ５と波長８５０ｎｍのときの第１相対感度Ｐ３、Ｐ３と第１相対感度Ｐ１をそれぞれ結んだ直線によって囲まれた領域Ａ内に位置する。さらに、６５０ｎｍ、７００ｎｍ、７５０ｎｍ、８００ｎｍ、８５０ｎｍ、９００ｎｍの各波長と撮像面１９の相対感度の関係は以下の表のようになる（相対感度は、各波長におけるセンター値と、センター値からの許容ずれ量（±）で表している）。
λ（波長：単位ｎｍ）相対感度（a.u.=arbitrary unit）
６５０７７±１０
７００６２±１０
７５０４４± ７
８００２６± ７
８５０７± ５
９００５± ５

仮に撮像面１９の相対感度がこの範囲の数値より低くなると赤外光に対する感度が落ちるので、夜間のように可視光の光量が不十分な環境下において赤外光（車の照明光や建物の照明等に含まれる赤外光）を利用して撮像しても、撮像素子１８によって被写体像を鮮明に撮像することはできない。一方、相対感度がこの範囲の数値より大きくなると、昼間のように可視光の光量が十分な環境下において撮像しても、撮像素子１８が赤外光（太陽光線に含まれる赤外光など）の影響を大きく受けてしまうので、撮像された画像の色再現性は悪化する。例えば、従来の赤外線カットフィルタのように６５０ｎｍ程度の波長の電磁波を約５０％カットし、波長が７００ｎｍより長い赤外線を殆ど全てカットする場合は、夜間のように可視光の光量が不十分な環境下においては赤外光を利用しても撮像素子１８によって被写体像を鮮明に撮像することはできない。
これに対して本実施形態では赤外線カットフィルタ１７の透過率特性を工夫することにより撮像面１９の相対感度が６５０ｎｍ〜９００ｎｍの波長に対して上記条件を満たすようにしているので、赤外線カットフィルタ１７を撮像素子１８の直前に配置したままであるにも拘わらず、昼夜を問わずに被写体像を鮮明に撮像できる。さらに、赤外線カットフィルタ１７を撮像素子１８に対して移動させる必要がないので、カメラモジュール１０の構造が複雑化したり製造コストが高くなることもない。

なお、赤外線カットフィルタ１７を上記のような積層型（反射型）フィルタとせずに、例えば五酸化リンや三酸化アルミ二ウムなどを含有する所謂吸収型フィルタとしてもよい。含有物の種類、含有量などを適宜調整して赤外線カットフィルタ１７に所望の透過率特性を付与する設計手法も従来より周知である。
また、赤外線カットフィルタ１７は上記のように片面にのみ上記薄膜を形成するのでなく、両面に上記薄膜を形成してもよい。さらに、赤外線カットフィルタ１７の反射防止コーティングを省略して、赤外線カットフィルタ１７のフィルタ基板と撮像素子１８のカバーガラス（図示略）とを、フィルタ基板の屈折率とカバーガラスの屈折率に合わせた光学接着剤で接着してもよい。さらに、赤外線カットフィルタ１７からフィルタ基板と反射防止コーティングを省略して、赤外線カットフィルタ１７の上記薄膜を撮像素子１８のカバーガラスの表面に施してもよい。
さらにカメラモジュール１０に、波長が８００〜９００ｎｍの赤外光を発する赤外線光源（例えば赤外線ＬＥＤ）を設けて、夜間のように可視光の光量が十分でないときに当該赤外線光源から被写体に向けて赤外線を照射しても良い。

続いて本発明の実施例について説明する。
[実施例１]
実施例１の赤外線カットフィルタ１７の透過率特性と撮像素子１８のＲＧＢ合成相対感度は図３（ａ）〜（ｄ）のグラフに示す通りである。
撮像素子１８の撮像面１９は、６００ｎｍよりやや長い波長の電磁波に対して最も高いＲＧＢ合算相対感度を示し、当該波長より波長が長くなるとＲＧＢ合算相対感度が徐々に低下する。そして、８３０ｎｍ程度の波長の電磁波に対して再度高いＲＧＢ合算相対感度を示し、波長が８３０ｎｍより長くなるとＲＧＢ合算相対感度は再び低下する。
しかし、撮像素子１８の直前に赤外線カットフィルタ１７を位置させたときの撮像面１９の相対感度はＲＧＢ合算相対感度とは異なる感度となる。即ち、４００ｎｍ〜６５０ｎｍの波長（可視光）に関してはＲＧＢ合算相対感度とほぼ同じであるが、６５０ｎｍ〜９００ｎｍに対応する部分はほぼ直線的に右肩下がりとなる（図示は省略しているが、９００ｎｍより長い波長に対する透過率はほぼゼロ）。
このように実施例１の撮像面１９は４００ｎｍ〜６００ｎｍの波長の電磁波（可視光）に対して高い相対感度を示すので、昼間のように可視光の光量が十分な環境下において被写体を鮮明に撮像できる。また、夜間のように可視光の光量が不十分な環境下においては赤外光を利用することにより被写体像を鮮明に撮像できる。

[実施例２]
続いて実施例２について説明する。
実施例２の赤外線カットフィルタ１７の透過率特性と撮像素子１８のＲＧＢ合成相対感度は図４のグラフに示す通りである。
撮像素子１８の撮像面１９は８００ｎｍ程度の波長に対して最も高いＲＧＢ合算相対感度を示し、これより波長が長くなるとＲＧＢ合算相対感度が徐々に低下する。
一方、撮像素子１８の直前に赤外線カットフィルタ１７を位置させたときの撮像面１９の相対感度は、４００ｎｍ〜６５０ｎｍの波長（可視光）に関してはＲＧＢ合算相対感度とほぼ同じであるが、６５０ｎｍ〜９００ｎｍに対応する部分はほぼ直線的に右肩下がりとなる（図示は省略しているが、９００ｎｍより長い波長に対する透過率はほぼゼロ）。
このように実施例２の撮像面１９は４００ｎｍ〜６００ｎｍの波長の電磁波（可視光）に対して高い相対感度を示すので、昼間のように可視光の光量が十分な環境下において被写体を鮮明に撮像できる。また、夜間のように可視光の光量が不十分な環境下においては赤外光を利用することにより被写体像を鮮明に撮像できる。

１０カメラモジュール
１１ホルダ
１２採光孔
１３１４レンズ
１５スペーサ
１６中心孔
１７赤外線カットフィルタ
１８撮像素子
１９撮像面
２０基板
Ｕ撮像素子ユニット

Claims

多数のＲ画素、Ｇ画素、及び、Ｂ画素を有する撮像面を備える撮像素子と、
該撮像面の直前位置に配置された赤外線カットフィルタと、を備える撮像素子ユニットにおいて、
上記Ｒ画素、Ｇ画素、及び、Ｂ画素の固有の感度の合成値であるＲＧＢ合算相対感度と、上記赤外線カットフィルタの透過率特性とによって決定される上記撮像面の相対感度が、６００ｎｍより長い以下の各波長に対してそれぞれ以下の感度を示すように、上記赤外線カットフィルタの透過率特性を定めたことを特徴とする撮像素子ユニット。
λ（波長：単位ｎｍ）相対感度
６５０７７±１０
７００６２±１０
７５０４４± ７
８００２６± ７
８５０７± ５
９００５± ５
多数のＲ画素、Ｇ画素、及び、Ｂ画素を有する撮像面を備える撮像素子と、
該撮像面の直前位置に配置された赤外線カットフィルタと、を備える撮像素子ユニットにおいて、
上記Ｒ画素、Ｇ画素、及び、Ｂ画素の固有の感度の合成値であるＲＧＢ合算相対感度と、上記赤外線カットフィルタの透過率特性とによって決定される上記撮像面の相対感度が、電磁波の波長を横軸にとり各波長に対する上記相対感度を縦軸にとったときに、６５０ｎｍ〜９００ｎｍの各波長に対する上記相対感度が下記のＰ１とＰ２、Ｐ２とＰ４、Ｐ４とＰ６、Ｐ６とＰ５、Ｐ５とＰ３、及び、Ｐ３とＰ１をそれぞれ結んだ直線によって囲まれた範囲内に位置するように、上記赤外線カットフィルタの透過率特性を定めたことを特徴とする撮像素子ユニット。
波長λが６５０ｎｍのときの第１相対感度Ｐ１：８７
波長λが６５０ｎｍのときの第２相対感度Ｐ２：６７
波長λが８５０ｎｍのときの第１相対感度Ｐ３：１２
波長λが８５０ｎｍのときの第２相対感度Ｐ４：２
波長λが９００ｎｍのときの第１相対感度Ｐ５：１０
波長λが９００ｎｍのときの第２相対感度Ｐ６：０
請求項１または２記載の撮像素子ユニットにおいて、
上記撮像素子ユニットが車載カメラに内蔵したものである撮像素子ユニット。