JP2011128297A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】全長の短い小型の撮像装置を提供する。
【解決手段】ＣＣＤ１２とレンズユニット８１と、を具備する撮像装置１であって、レンズユニット８１が、入射光をＣＣＤ１２の周囲に導光するレンズ群８２と、レンズ群８２が導光した光を光軸Ｏ方向に反射し、中央部にＣＣＤ１２が配置されたリングミラー２２と、リングミラー２２が反射した光をＣＣＤ１２に導光する、ＣＣＤ１２と対向する光軸Ｏ上の位置に配置された形状可変ミラー４０と、を有し、レンズユニット８１が格子状に配置された複数のレンズユニット８１を有するレンズユニット基板８０から個片化されたことを特徴とする。
【選択図】図８

Description

本発明は、撮像素子と撮像光学系とを具備する撮像装置に関し、特にウエハレベルチップサイズパッケージ技術を用いて作成された撮像装置に関する。

ＣＣＤまたはＣＭＯＳ等の固体撮像素子を有する撮像装置を具備した電子内視鏡、カメラ付き携帯電話、およびデジタルカメラ等が普及している。撮像装置は、固体撮像素子と、固体撮像素子に被写体の光学像を導光するレンズを有する撮像光学系と、から主要部が構成されている。

撮像装置を小型化し大量生産するために、ウエハレベルチップサイズパッケージ（ＷＣＳＰ）法を用いた撮像装置の製造方法が知られている。例えば、特開２００３−２０４０５３号公報には、ＣＣＤを有する半導体ウエハとレンズ等を有する基板とを接合後に切断することで個片化し、撮像装置を得る方法が開示されている。

しかし、ＷＣＳＰ法を用いて製造された撮像装置は撮像素子と撮像光学系との間に所定の距離が必要であるため全長を短くすることは容易ではなかった。また撮像素子と撮像光学系との間が固定されているためフォーカシング、すなわち焦点合わせを行うことができなかった。

一方、特開２００４−２４７９４７号公報には、形状可変ミラーによってフォーカシングを行う光学装置が開示されている。

特開２００３−２０４０５３号公報 特開２００４−２４７９４７号公報

本発明は、ウエハレベルチップサイズパッケージ法を用いて製造された、全長の短い小型の撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明の実施の形態の撮像装置は、撮像素子と、撮像光学系と、を具備する撮像装置であって、前記撮像光学系が、入射光を前記撮像素子の周囲に導光するレンズ群と、前記レンズ群が前記撮像素子の周囲に導光した光を前記撮像光学系の光軸方向に反射し、中央部に前記撮像素子が配置されたリングミラーと、前記リングミラーが反射した光を前記撮像素子に導光する、前記光軸上の前記撮像素子と対向する位置に配置されたミラーと、を有し、前記撮像光学系が前記格子状に配置された複数の前記撮像光学系を有する接合基板から個片化されたことを特徴とする。

本発明によれば、、ウエハレベルチップサイズパッケージ法を用いて製造された、全長の短い小型の撮像装置を提供できる。

実施の形態の撮像装置の外観図である。 実施の形態の撮像装置の光学部品の配置を説明するための斜視図である。 実施の形態の撮像装置の図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面構造を説明するための模式図である。 実施の形態の撮像装置の形状可変ミラーの配設状態を説明するための斜視図である。 実施の形態の撮像装置の製造方法形状を説明するための斜視図である。 実施の形態の撮像装置の静電駆動形状可変ミラーの断面構造を説明するための模式図である。 実施の形態の撮像装置の電磁駆動形状可変ミラーの断面構造を説明するための模式図である。 実施の形態の撮像装置の光線図である。 実施の形態の撮像装置の光線図である。 実施の形態の撮像装置の光線図である。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態の撮像装置１および撮像装置１の製造方法について説明する。最初に撮像装置１の構造について説明する。図１に示すように撮像装置１は、レンズ基板部５１とレンズ基板部７１とリングミラー基板部２１とがスペーサ基板部６１、３１を介して接合された撮像光学系であるレンズユニット８１を有する。そしてレンズユニット８１は撮像素子基板部であるＣＣＤ基板部１１と接合されて、撮像装置１を構成している。なお、より高い光学特性が必要な撮像装置では、より多くの数のレンズ基板部が接合されているレンズユニットを用いてもよい。

撮像装置１は、後述するようにＷＣＳＰ法により複数の基板が接合された接合基板を個片化して製造されるために外形が四角柱状であり、その中央部に撮像光学系の光軸Ｏを有する。

次に、図２および図３は、図１に示した撮像装置１の構造を説明するための図である。なお図はいずれも説明のための模式図であり、厚さ方向の縮尺も構成要素により異なっている。例えば、厚く図示されている基板部が薄く図示されている基板部よりも厚いとは限らない。また、以下、基板の上面（おもて面）とは被写体側の面を、下面（裏面、）とは被写体と反対側の面を意味する。

図２および図３に示すように、撮像装置１はＣＣＤ１２とレンズユニット８１とを具備し、レンズユニット８１が、入射光を撮像素子であるＣＣＤ１２の周囲に導光するレンズ部７２およびレンズ部５２からなるレンズ群８２と、レンズ群８２がＣＣＤ１２の周囲に導光した光をレンズユニット８１の光軸方向に反射し、中央部にＣＣＤ１２が配置されたリングミラー２２と、リングミラー２２が反射した光をＣＣＤ１２に導光する、ＣＣＤ１２と対向する光軸上の位置に配置されたミラーである形状可変ミラー（以下、「可変ミラー」ともいう。）４０と、を有する。

すなわち、レンズ基板部７１は非球面のレンズ部７２を有し、スペーサ基板部６１はレンズユニット８１の光路領域が空洞部６２となっており、レンズ基板部５１は非球面のレンズ部５２を有し、スペーサ基板部３１はレンズユニット８１の光路領域が空洞部３２となっており、リングミラー基板部２１はドーナツ状のリングミラー２２を有する。撮像素子基板部であるＣＣＤ基板部１１は上面の略中央に半導体回路作成技術を用いて撮像素子であるＣＣＤ１２が配設されている。

ここで、レンズ部７２は負のパワーを有するレンズであり、レンズ部５２は正のパワーを有するレンズである。そして、形状可変ミラー４０はレンズ部５２の下面中央部に配設されている。

なお、スペーサ基板部３１、６１は独立した構成要素ではなく、レンズ基板部５１、７１またはリングミラー基板部２１の一部であってもよい。

図４に示すように、可変ミラー４０は、レンズ基板部５１のレンズ部５２の裏面の中央部に配設され、ミラー付レンズ基板部５１Ｘを構成している。可変ミラー４０の駆動用電極４２とレンズ基板部５１の電極５３とは、例えばワイヤボンディング法による接続線５４により接続されている。または、可変ミラー４０に駆動用電極４２と接続する裏面電極を形成し裏面電極と、レンズ基板部５１に形成した電極配線とを接続してもよい。

次に、図５を用いて実施の形態の撮像装置の製造方法について説明する。図５に示すように、撮像装置１の製造方法では、最初に、レンズ基板７０とスペーサ基板６０と可変ミラー付きレンズ基板５０とスペーサ基板３０とリングミラー基板２０とＣＣＤ基板１０とが作成され、接合工程において基板が接合されて接合基板９０が作成される。すなわち、機能的には、レンズ基板７０とスペーサ基板６０と可変ミラー付きレンズ基板５０とスペーサ基板３０とリングミラー基板２０とが接合された接合基板であるレンズユニット基板８０とＣＣＤ基板１０とが接合されて接合基板９０が作成されるとみなすことができる。

なお、図５においては、それぞれの基板の中で撮像装置１のそれぞれの構成要素が、２×２の格子状に配置された領域を表示しているが、それぞれの基板には１０×１０以上の格子状に配置されており、好ましくは２０×２０以上の格子状に配置されている。また図５においては全ての構成要素を図示していない。

レンズ基板７０は格子状に配置されている複数のレンズ基板部７１を有する。またレンズ基板５０はレンズ基板７０と同じ配置の格子状に配置されている複数のレンズ基板部５１を有する。レンズ基板５０、７０は、例えば２つの金型の間に材料を流し込んだり、平板をプレス成型したりして作成される。

レンズ基板５０、７０の材料としては、透明材料であれば、ガラス、ポリカーボネート、ポリエステル、アクリル等を用いることができる。また単一の材料に限らず、例えば樹脂とガラスとの複合部材であってもよい。さらに、全てが透明材料から作成されている必要はなく、少なくとも撮像光学系の光路に相当する部分であるレンズ部５２、７２が透明材料で作成されていればよい。

スペーサ基板３０はレンズ基板７０と同じ配置の格子状に配置されている複数のスペーサ基板部３１を有する。スペーサ基板６０はレンズ基板７０と同じ配置の格子状に配置されている複数のスペーサ基板部６１を有する。スペーサ基板３０、６０は、レンズ基板７０等と同様のガラス、または透明樹脂材料から作成してもよいが、透明である必要はなく、ＡＢＳ樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、金属、シリコン、セラミック材料等から作成してもよい。

なお、レンズ基板５０、７０のレンズ部５２、７２以外の部分およびスペーサ基板３０、６０が遮光材料により作成されている撮像装置は外乱光の影響を受けにくい。

ＣＣＤ基板１０としてシリコン基板を用いることにより、ＣＣＤ１２を内部に作成することができる。なお撮像素子としてはＣＭＯＳ等を用いてもよいし、別途、ＣＣＤ基板を個片化し作成した撮像素子チップであるＣＣＤチップ部品をＣＣＤ基板部１１に配設してもよい。

ＣＣＤチップ部品を有する撮像装置は、１枚のＣＣＤ基板から、より多くのＣＣＤチップを作成できることがあり、低コストとなることがある。

次に、接合工程において、レンズ基板７０とスペーサ基板６０と可変ミラー付きレンズ基板５０とスペーサ基板３０とリングミラー基板２０とＣＣＤ基板１０とが接合されて接合基板９０が作成される。なお、図５においては、レンズ基板７０とスペーサ基板６０とが接合された接合基板と、スペーサ基板３０とリングミラー基板２０とＣＣＤ基板１０とが接合された接合基板とが、可変ミラー付きレンズ基板５０を介して接合される場合を示している。

接合工程では接合面に接着剤が塗布される。接着剤としては公知の各種接着剤を用いることができる。なお接着剤は接合する接合面の全面に塗布する必要はなく、公知の方法、例えばインクジェット法により所定の領域のみに塗布してもよい。

接着剤が塗布された基板は重ね合わせた状態で、加圧しながら接着剤を硬化処理することにより接合される。なお、全ての基板を一度に接合する必要はなく、また接合する順番も下方または上方の基板から接合する必要もないし、レンズユニット基板８０を作成後に、レンズユニット基板８０とＣＣＤ基板１０とを接合する必要もない。すなわち、最終的にレンズユニット基板８０とＣＣＤ基板１０とが接合されていればよい。また接着剤を用いないで、高温状態とした樹脂基板を接合してもよい。さらに必要に応じて、接着剤硬化後に接合基板の全体としての平面度調整等が行われる。

次に個片化工程において、接合基板９０が切断線Ｋに沿って切断されることにより、それぞれの撮像装置１に個片化される。個片化工程において、接合基板９０は固定用フィルム等（不図示）で固定した状態で、切断され個片化される。切断にはワイヤーソー、ブレードダイシング装置、またはレーザーダイシング装置等を用いることができる。そして、切断後に固定用フィルム等から個々の撮像装置１が分離される。

なお、撮像装置１の製造方法としては、最後に、撮像光学系である個片化されたレンズユニット８１と個片化されたＣＣＤ基板部１１とを接合する方法も用いることができる。すなわち、接合工程においてレンズ基板７０とスペーサ基板６０と可変ミラー付きレンズ基板５０とスペーサ基板３０とリングミラー基板２０とを接合してレンズユニット基板８０を作成する。そして個片化工程においてレンズユニット基板８０を切断し、個々のレンズユニット８１に個片化する。一方、ＣＣＤ基板１０も個々のＣＣＤ基板部１１に個片化する。そして、レンズユニット８１とＣＣＤ基板部１１は接合される。

次に、図６および図７を用いて可変ミラーの構成例について説明する。図６は静電駆動型の可変ミラー４０の構造を示す図である。可変ミラー４０は、支持台４４Ｄの上面に支持された変形自在な表面層が反射面４０Ｒとなる薄膜４４Ａと、薄膜を支持するドーナツ状の中間基板４４Ｂと、支持台４４Ｄ上に薄膜４４Ａに対し所定の間隔を設けて配置した複数の電極４４Ｃとを有している。

薄膜４４Ａはアルミニウム等の反射率が高く導電性を有する金属膜、または、金属膜と樹脂膜との積層膜である。複数の電極４４Ｃは、紙面垂直方向にも分割されており、それぞれの電極４４Ｃは端部電極４４Ｅを有する。このため、図示しない電源部からの電圧は、薄膜４４Ａとそれぞれの電極４４Ｃとの間に選択的に印加できる。
なお、図５において貫通電極２４、３４は、ＣＣＤ基板１０の可変ミラー駆動回路（不図示）と、図４で示したレンズ基板部５１の電極５３とを接続する。

可変ミラー４０は、個々の部品を作成し組み立てるのではなく、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)技術により作成される。例えばシリコン基板へのエッチング／成膜により作成される。ＭＥＭＳ可変ミラーは小型であるため撮像装置１に適している。

静電駆動型の可変ミラー４０においては、薄膜４４Ａの形状は印加する電極の位置および印加する電圧に応じた静電力により変形する。なお、薄膜４４Ａを非導電体により作成し、その裏面、すなわち電極４４Ｃとの対向面に導電層を形成してもよい。

次に、図７は電磁駆動型の可変ミラー４０Ｍの構造を示す図である。支持台４４Ｇの内部底面上には永久磁石４４Ｊが、頂面上には窒化シリコンまたはポリイミド等からなる基板４４Ｆの周縁部が載置固定されており、基板４４Ｆの表面には表面層が反射面４０Ｒとなる薄膜４４Ａが形成されている、そして基板４４Ｆの下面には複数のコイル４４Ｈが２次元的に配設されており、コイル４４Ｈはそれぞれ電源部４８に接続されている。

電磁駆動型の可変ミラー４０Ｍにおいては、薄膜４４Ａの形状は電流を印加するコイル４７の位置および印加する電流に応じた電磁力により変形する。すなわち、永久磁石との間に働く電磁力で各コイルは反発または吸着され、薄膜４４Ａを変形させる。コイル４４Ｈは薄膜コイル等を用いると製作が容易で、かつ、剛性を下げられるのでミラーが変形しやすい。

なお、可変ミラーを変形するときに、単純に、より凹形状とするだけでよい場合には、静電駆動型の可変ミラー４０においては電極４４Ｃは分割されている必要はなく、電磁駆動型の可変ミラー４０Ｍにおいてはコイル４４Ｈは１個でよい。

さらに、可変ミラーの駆動力としては、静電気力または電磁力に加えて、圧電力、磁歪力または流体圧力等から選ばれる駆動力または前記駆動力の２種類以上を用いてもよい。２つ以上の異なる駆動力を用いる可変ミラーは、大きな変形と微細な変形とを同時に実現でき、精度の良い鏡面が実現できる。

次に、図８〜図１０を用いて、実施の形態の撮像装置１の動作について説明する。図８に示すように被写体２からの入射光としての光線Ｌ１、Ｌ２は、撮像装置１の負のパワーを有するレンズ部７２により光軸Ｏから遠ざかる方向に屈折する。このため入射光は可変ミラー４０が配設され光路が塞がれているレンズ部５２の中央部には導光されない。そして正のパワーを有するレンズ部５２の外周部に導光された入射光は、さらに集光されてＣＣＤ１２の周囲に配置されたリングミラー２２の反射面に導光される。すなわち、負のパワーを有するレンズ部７２と正のパワーを有するレンズ部５２からなるレンズ群８２は、入射光をＣＣＤ１２の周囲に導光する。

リングミラー２２は、レンズ群８２がＣＣＤ１２の周囲に導光した光をレンズユニット８１の光軸方向に反射する。リングミラーが反射した光は、可変ミラー４０の反射面４０Ｒでさらに反射され、ＣＣＤ１２に導光される。

撮像装置１のレンズユニット８１は上記のように反射型の撮像系であるため、短い全長であるにも関わらず光路長は長い。このため撮像装置１は、ＷＣＳＰ技術を用いて製造されている撮像装置であるが、特に全長が短い小型化を実現している。すなわち、撮像装置１は大量に一括生産可能であり、高歩留まり、低コストが実現できるだけでなく、全長の短い小型の撮像装置であるため内視鏡、特にカプセル型内視鏡に好ましく用いることができる。

さらに、すでに説明しているように、撮像装置１のレンズユニット８１は可変ミラー４０を有する。ここで図９および図１０は、可変ミラー４０の作用を説明するための、図８の一部に相当する拡大図であり、図の上側が被写体側である。

図９に示す状態は、可変ミラー４０の反射面４０Ｒで反射された光線Ｌ１、Ｌ２が、ＣＣＤ１２の撮像面１２Ａにおいて交わらない状態、すなわち撮像画像のピントが合っていない状態を示している。ここで、撮像装置１は可変ミラー４０の反射面４０Ｒの形状を変化することができる。例えば、図１０に示すように反射面４０Ｒを僅かに凹形状とすることにより、光線Ｌ１、Ｌ２が、ＣＣＤ１２の撮像面１２Ａにおいて交わる合焦状態とすることができる。

すなわち、撮像装置１は全長が短く小型であるだけでなく、形状可変ミラー４０の形状の変化にともなうレンズユニット８１の光路長の変化により、フォーカシング動作を行うことができる。すなわち、本発明によれば撮像装置の焦点合わせを行うために必要なファーカシング機構をＷＣＳＰ法を用いて撮像装置内に組み込むことが容易であり、全長の短い小型の撮像装置を提供できる。

以上のように本発明は上述した実施の形態、変形例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等ができる。

１…撮像装置、２…被写体、１０…ＣＣＤ基板、１１…ＣＣＤ基板部、１２Ａ…撮像面、２０…リングミラー基板、２１…リングミラー基板部、２２…リングミラー、３０…スペーサ基板、３１…スペーサ基板部、３２…空洞部、３２…スペーサ基板部、４０…形状可変ミラー、４０Ｍ…形状可変ミラー、４０Ｒ…反射面、４２…駆動用電極、４４Ｈ…コイル、４４Ｊ…永久磁石、４８…電源、５０…レンズ基板、５１…レンズ基板部、５１Ｘ…可変ミラー付レンズ基板部、５２…レンズ部、５３…電極、５４…接続線、６０…スペーサ基板、６１…スペーサ基板部、６２…空洞部、７０…レンズ基板、７１…レンズ基板部、７２…レンズ部、８０…レンズユニット基板、８１…レンズユニット、８２…レンズ群、９０…接合基板、Ｋ…切断線、Ｏ…光軸

Claims (6)

1. 撮像素子と、撮像光学系と、を具備する撮像装置であって、
   前記撮像光学系が、
   入射光を前記撮像素子の周囲に導光するレンズ群と、
   前記レンズ群が前記撮像素子の周囲に導光した光を前記撮像光学系の光軸方向に反射し、中央部に前記撮像素子が配置されたリングミラーと、
   前記リングミラーが反射した光を前記撮像素子に導光する、前記光軸上の前記撮像素子と対向する位置に配置されたミラーと、を有し、
   前記撮像光学系が前記格子状に配置された複数の前記撮像光学系を有する接合基板から個片化されたことを特徴とする撮像装置。
2. 格子状に配置された複数の前記撮像素子を有する撮像素子基板が、前記複数の前記撮像光学系を有する接合基板と接合され個片化された、前記撮像光学系と前記撮像素子を有する撮像素子基板部とを具備することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記レンズ群が少なくとも１枚の負のパワーを有するレンズと、少なくとも１枚の正のパワーを有するレンズと、を有す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. 前記ミラーが形状可変ミラーであることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
5. 前記形状可変ミラーの形状の変化にともなう前記撮像光学系の光路長の変化により、フォーカシング動作を行うことを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
6. 前記形状可変ミラーが静電駆動方式または電磁駆動方式であることを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。

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