JP2013218252A - Camera device and range finder - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、撮像レンズと、撮像レンズに入射した被写体像を撮像する固体撮像素子と、を有するカメラ装置、及びこれを備えた測距装置に関し、特に、周囲の温度変化に起因する固体撮像素子の特性低下を抑制することが可能なカメラ装置、及び測距装置に関する。 The present invention relates to a camera apparatus having an imaging lens and a solid-state imaging element that captures a subject image incident on the imaging lens, and a distance measuring apparatus including the same, and more particularly to a solid-state imaging element caused by a change in ambient temperature. The present invention relates to a camera device and a distance measuring device that can suppress a decrease in characteristics of the camera.
特許文献1には、焦点距離固定のカメラ装置の一例である測距装置が記載されている。この測距装置は、撮像レンズ(結像レンズ)と、撮像レンズに入射した被写体像を撮像する固体撮像素子(光センサアレイ)と、撮像レンズと固体撮像素子との間隔を保持する間隔保持部材(レンズ保持部材)と、を備えている。固体撮像素子はCCD保持部材によって保持されており、間隔保持部材には撮像レンズとCCD保持部材が固定されている。
特許文献1においては、撮像レンズと間隔保持部材とCCD保持部材とを同一の樹脂材料(非晶質のシクロオレフィンポリマー)から構成し、互いに接合される各部材の線膨張係数を統一することによって、周囲の温湿度変化に起因する測距精度の低下を抑制している。
In
ここで、固体撮像素子は一般にシリコンウエハ上に半導体技術を使って作られるため、その線膨張係数は約3ppm/℃である。他方、樹脂材料の線膨張係数は数十ppm/℃以上であり、固体撮像素子の材料と比較して、線膨張係数が一桁程度高い。
このため、特許文献1においては、固体撮像素子と樹脂材料との接合部分における熱疲労損傷を完全に除去することは出来ない。さらに、熱疲労損傷により生じる歪は、撮像素子の特性にも悪影響を及ぼすという問題がある。なお、熱疲労損傷とは、温度変化を起因として各部材が受けるダメージのことであり、主にクラック、剥がれ等が含まれる。
本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、熱疲労損傷による歪みを低減することにより固体撮像素子の特性低下を抑制し、信頼性の高いカメラ装置、及びこれを備えた測距装置を提供することを目的とする。
Here, since the solid-state imaging device is generally made on a silicon wafer by using semiconductor technology, its linear expansion coefficient is about 3 ppm / ° C. On the other hand, the linear expansion coefficient of the resin material is several tens of ppm / ° C. or higher, and the linear expansion coefficient is about one digit higher than that of the material of the solid-state imaging device.
For this reason, in
The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and suppresses deterioration in characteristics of a solid-state imaging device by reducing distortion due to thermal fatigue damage, and has a highly reliable camera device and a ranging device including the same. The purpose is to provide.
上記の問題を解決するために本発明は、撮像レンズと、該撮像レンズに入射した被写体像を撮像する撮像領域を有した固体撮像素子と、前記撮像レンズと前記固体撮像素子との間隔を保持する焦点距離保持部材と、を備えたカメラ装置であって、前記焦点距離保持部材は、前記固体撮像素子に固着すると共に、前記固体撮像素子の主材料と線膨張係数が略同一であることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention maintains an imaging lens, a solid-state imaging device having an imaging region for imaging a subject image incident on the imaging lens, and an interval between the imaging lens and the solid-state imaging device. A focal length holding member, wherein the focal length holding member is fixed to the solid-state image sensor and has a linear expansion coefficient substantially the same as that of the main material of the solid-state image sensor. Features.
本発明によれば、間隔保持部材の線膨張係数を、固体撮像素子の主材料の線膨張係数と略同一としたので、間隔保持部材と固体撮像素子との間の熱疲労損傷に起因する歪みや固体撮像素子の特性低下を低減することができる。 According to the present invention, since the linear expansion coefficient of the spacing member is substantially the same as the linear expansion coefficient of the main material of the solid-state image sensor, distortion caused by thermal fatigue damage between the spacing member and the solid-state image sensor. In addition, it is possible to reduce deterioration in characteristics of the solid-state imaging device.
以下、本発明について各実施形態に基づいて詳細に説明する。但し、以下の実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の単なる説明例に過ぎず、範囲をそれのみに限定する主旨ではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on each embodiment. However, the components, types, combinations, shapes, relative arrangements, and the like described in the following embodiments are merely illustrative examples of the present invention unless otherwise specified, and are intended to limit the scope to that only. is not.
本発明は、車載、監視、医療、若しくは測量等の各用途に用いられ、又はロボット若しくはゲーム機等に搭載されて、平面画像撮影、又は立体画像撮影若しくは測距等を行う単眼又は複眼カメラ装置に適用可能な発明である。
以下の実施形態においては、撮像レンズを2つ有するステレオ型の測距装置(複眼カメラ装置)の例により説明するが、本発明は、単一の撮像レンズとこれに対応する撮像領域を有する単眼カメラ装置や、3つ以上の撮像レンズと各撮像レンズに対応した撮像領域を有する複眼カメラ装置に適用することも可能である。
The present invention is a monocular or compound-eye camera device that is used in various applications such as in-vehicle, monitoring, medical, or surveying, or is mounted on a robot or a game machine or the like, and performs planar image shooting, stereoscopic image shooting, distance measurement, or the like. It is an invention applicable to.
In the following embodiments, a stereo range finder (compound-eye camera device) having two imaging lenses will be described as an example. However, the present invention is a monocular having a single imaging lens and an imaging region corresponding thereto. The present invention can also be applied to a camera device or a compound eye camera device having three or more imaging lenses and an imaging region corresponding to each imaging lens.
まず、本発明の実施形態を説明するに先立って、測距装置に採用される三角測量の基本原理について説明する。図14は、三角測量の基本原理を示す図である。
図14には、同一の光学系を有する2台のカメラ102(カメラ102a、102b)により、夫々被写体101を撮影する場合について示している。
カメラ102は、被写体像が入射するレンズ103(103a、103b)と、各レンズ103によって結像された被写体像を夫々撮像する撮像素子104(104a、104b)と、を備えている。カメラ102は、光軸108a、108bが平行となるように夫々ベース基板106上に固定されている。
カメラ102aでは、レンズ103aから入射した被写体像107aは、光軸108aからδ1だけずれて撮像素子104aに投影される。被写体像107aは撮像素子104a上の撮像領域にある多数の受光素子(画素)で受光されて電気信号に変換される。
First, prior to describing the embodiment of the present invention, the basic principle of triangulation employed in the distance measuring device will be described. FIG. 14 shows the basic principle of triangulation.
FIG. 14 shows a case where the
The camera 102 includes a lens 103 (103a, 103b) on which a subject image is incident, and an image sensor 104 (104a, 104b) that captures the subject image formed by each lens 103. The camera 102 is fixed on the
In the
同様に、カメラ102bでは、レンズ103bから入射した被写体像107bは、光軸108bからδ2だけずれて撮像素子104bに投影される。被写体像107bは、撮像素子104b上の撮像領域にある多数の受光素子(画素)で受光されて電気信号に変換される。
各被写体像107の光軸108からの「ずれ」は、2つの光軸108a、108bを含む平面内で、光軸108に垂直な方向(図中左右方向)に生ずる。よって、図中左右方向に座標軸を取り、図中左向きをプラス方向、右向きをマイナス方向に設定すると、被写体像107aは光軸108aに対してプラス方向にδ1だけずれ、被写体像107bは光軸108bに対してマイナス方向にδ2だけずれているので、視差δ=δ1−(−δ2)と表すことができる。
Similarly, in the
The “deviation” of each subject image 107 from the optical axis 108 occurs in a direction perpendicular to the optical axis 108 (left-right direction in the figure) in a plane including the two
ここでレンズ103a、103bの光軸108a、108b間の距離は基線長と呼ばれる。基線長をDとし、被写体101からレンズ103までの距離をL、各レンズ103の焦点距離をfとすると、L≫fである場合には式(1)が成り立つ。
L=D・f/δ ・・・式(1)
基線長D、及びレンズ103の焦点距離fは設計値であり既知の値であるから、視差δを検出すれば、式(1)より被写体101までの距離Lを算出することができる。
Here, the distance between the
L = D · f / δ Formula (1)
Since the baseline length D and the focal length f of the lens 103 are design values and are known values, the distance L to the
〔第一の実施形態〕
本発明の第一の実施形態に係る測距装置について図1、及び図2に基づいて説明する。図1は、本発明の第一の実施形態に係る測距装置の平面図である。図2は、図1に示す測距装置のA−A断面図である。本実施形態に係る測距装置は、2つの撮像レンズを備えた複眼カメラ装置であり、各撮像レンズが夫々物理的に分離されている点、焦点距離保持部材がシリコンから作成されている点、2つの撮像領域を有する固体撮像素子が一の基板上に作成されている点、及び固体撮像素子を搭載する電装基板の一部にスリットが形成されている点に特徴を有している。
測距装置10は、図14に示す三角測量の原理を利用して被写体までの距離を測定する装置である。図2に示すように、測距装置10(複眼カメラ装置)は、互いに離間配置された複数の撮像レンズ11(11a、11b)と、各撮像レンズ11に入射した被写体像を夫々撮像する複数の撮像領域33(33a、33b)を有した固体撮像素子30と、各撮像レンズ11と各撮像領域33との距離を一定に保持する焦点距離保持部材17(間隔保持部材)と、を備えている。
焦点距離保持部材17は、固体撮像素子30に固着している。また、焦点距離保持部材17は、固体撮像素子30の主材料であるシリコンから形成されており、固体撮像素子30の線膨張係数と略同一である。
さらに、測距装置10は、各撮像領域33に対応する複数の電極パッド群41(41a、41b)を有し、各電極パッド群41上に跨がって固体撮像素子30が実装される電装基板40と、を備えている。
2つの撮像レンズ11は、夫々その中心に光軸X(Xa、Xb)を有しており、各撮像レンズ11の中心間距離が基線長D(図14参照)である。各撮像レンズ11a、11bの光軸Xa、Xbは、夫々撮像領域33a、33bに略垂直、且つ互いに平行になるように配置されている。撮像レンズ11a、11bの側壁13(13a、13b:レンズ非加工面)には、黒色塗装を施すか、又は黒色フィルムを貼付して、外乱光の影響を受けないようにする。撮像レンズ11a、11bとしては、例えばガラスレンズ、樹脂レンズを用いることができる。ガラスレンズは、樹脂レンズと比較して線膨張係数が小さいので、本実施形態に用いる撮像レンズの材料として、より適している。ガラスレンズは樹脂レンズよりも高価でコスト面では不利であるが、高い測定精度を確保する上では効果的である。
撮像レンズ11a、11bに対して被写体側には、アパーチャ15(15a、15b)が配置されている。
[First embodiment]
A distance measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a plan view of the distance measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA of the distance measuring device shown in FIG. The distance measuring device according to the present embodiment is a compound eye camera device including two imaging lenses, each imaging lens is physically separated from each other, and the focal length holding member is made of silicon, It is characterized in that a solid-state imaging device having two imaging areas is formed on one substrate and that a slit is formed in a part of an electrical board on which the solid-state imaging device is mounted.
The distance measuring
The focal
Further, the
The two imaging lenses 11 each have an optical axis X (Xa, Xb) at the center thereof, and the distance between the centers of the imaging lenses 11 is the base length D (see FIG. 14). The optical axes Xa and Xb of the
Apertures 15 (15a, 15b) are arranged on the subject side with respect to the
アパーチャ15は、測距装置10に入射する光のうち、撮像レンズ11のレンズ部分以外から測距装置10へ入射する光をカットして、撮像領域33のS/N比を向上させる。アパーチャ15は、例えばSUS430の板材をエッチング加工して撮像レンズ11のレンズ部分に対応する大きさの開口部を形成することにより作製することができる(図1参照)。
焦点距離保持部材17は、撮像レンズ11と撮像領域33との間に配置されている。焦点距離保持部材17は、各撮像レンズ11から各撮像領域33までの焦点距離f(図14参照)を一定に保持する。また、焦点距離保持部材17は、各撮像レンズ11a、11bの光軸Xa、Xbを、夫々撮像領域33a、33bに略垂直、且つ基線長Dを保持しつつ互いに平行になるように保持する。
焦点距離保持部材17は、焦点距離fを規定できる厚さのシリコンウエハに、各撮像レンズ11に入射した被写体像を各撮像領域33に案内する光路となる貫通孔19(19a、19b)を光軸X(Xa、Xb)方向に形成したものである。貫通孔19は、光軸方向と直行する方向における断面の中心が光軸Xと一致するように形成されている。即ち、2つの貫通孔19a、19bの中心間距離が、基線長Dとなるように作製されている。
The
The focal
The focal
固体撮像素子30はシリコンを主材料として作製される。固体撮像素子30は、2つの撮像領域33a、33bを、その中心間距離が基線長Dとなるように、シリコンウエハ31上に一列に並べて配置したものである。2つの撮像領域33a、33bは一つの基板(シリコンウエハ31)上に形成されている。各撮像領域33には、複数の画素が格子状に配置されたCMOSイメージセンサやCCDイメージセンサ等を用いることができる。撮像領域33の受光部側の表面には、撮像領域33の保護(キズ、ゴミの付着等防止)を目的として、カバーガラス35が取り付けられている。
撮像領域33の複数の電極は、シリコンウエハ31内に形成されたTSV(Through Silicon Via:Si貫通電極:不図示)を介して撮像領域33搭載面の反対側(撮像領域33非搭載面、固体撮像素子30の図中下面側)に引き出されている。撮像領域33からTSVを介してシリコンウエハ31の撮像領域33非搭載面に引き出された各電極には、夫々半田ボールを配置している。半田ボールは、格子状に配置されたBGA(Ball Grid Array)であり、夫々の撮像領域33に対応する半田ボールの群が、それぞれ半田ボール群37(37a、37b)を形成している。半田ボール群37は、固体撮像素子30を電装基板40に搭載する際に使用される。
The solid-
The plurality of electrodes in the imaging region 33 are arranged on the opposite side of the imaging region 33 mounting surface (surface on which the imaging region 33 is not mounted, solid) via TSV (Through Silicon Via: not shown) formed in the
電装基板40には、固体撮像素子30の夫々の半田ボールと導通する複数の電極パッドが形成されている。各半田ボール群37に対応する電極パッドの群が、それぞれ電極パッド群41(41a、41b)を構成する。各電極パッド群41a、41bは、夫々撮像領域33a、33bに一対一で対応する。各電極パッド群41には、固体撮像素子30が半田ボール群37を介してSMT(Surface Mount Technology)実装される。固体撮像素子30と電装基板40との間には、半田ボール接合の信頼性確保を目的としてアンダーフィル材49(49a、49b)が充填される。
On the
ここで、図3(a)、(b)は、電装基板の一例を示す平面図である。図示するように、電装基板40の各電極パッド群41a、41b間には、スリット43(43A又は43B:緩衝部)が形成されている。スリット43は、隣接する電極パッド群41a、41b間を分離する空間である。
スリット43は、例えば(a)に示すように電装基板40の端縁から中央部に向けて延びる凹形状のスリット43Aとすることができる。このように、電装基板40の端縁をスリット43Aによって分離する構造としてもよい。また、スリット43は例えば(b)に示すように、電装基板40の端部から中央部に向けて伸びる、電装基板40を貫通する貫通孔としてのスリット43Bとすることもできる。このように、スリット43Bによって電装基板40の端縁を分離せずに、連続させたままの構造としてもよい。このように、本実施形態に係る電装基板40のうち固体撮像素子30が搭載される領域については、スリット43によって隣接する電極パッド群41間が物理的に分離されている。
Here, FIGS. 3A and 3B are plan views showing an example of the electrical board. As shown in the drawing, a slit 43 (43A or 43B: buffer portion) is formed between the
The
アンダーフィル材49は、図2に示すように、撮像領域33a、33bに夫々対応する各半田ボール群37、及び各電極パッド群41を分離した状態に充填される。すなわち、半田ボール群37から電装基板40側では、隣接する各撮像領域に対応する部材が、撮像領域毎に互いに離間して配置されている。また、測距装置10では、焦点距離保持部材17及び固体撮像素子30が一体的に構成されているが、撮像レンズ11部分において物理的に分離した構成となっている。
電装基板40のうち、電極パッド群41が形成されていない領域(固体撮像素子30が搭載されない領域)には、図1、図3に示すように、各撮像領域33からの電気信号を処理して被写体までの距離を算出する測距用演算回路(演算器)45、及びデジタル信号プロセッサ(DSP)47が搭載されている。
As shown in FIG. 2, the underfill material 49 is filled in a state in which the
As shown in FIGS. 1 and 3, an electrical signal from each imaging region 33 is processed in a region where the electrode pad group 41 is not formed (a region where the solid-
次に、本発明の第一の実施形態に係る測距装置の製造方法について説明する。
図4(a)〜(e)は、図1及び図2に示す測距装置の製造工程を示す断面図である。先の図と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明する。
まず、図4(a)に示すように、固体撮像素子30を準備する。固体撮像素子30は2つの撮像領域33a、33bが並列配置された二連のCMOSセンサアレイである。カバーガラス35には、撮像領域33a、33bが形成されているシリコンウエハ31と線膨張係数の近いshott社製のAF45(線膨張係数4.5ppm/℃)を使用した(シリコンの線膨張係数2.8ppm/℃)。
本実施形態では、固体撮像素子30として二連のCMOSセンサアレイを用いているので、一般的な半導体製造工程により固体撮像素子30を製造することができる。従って、2つの撮像領域33a、33b間の距離については、半導体製造工程にて得られる高い精度を確保することができる。また、2つの撮像領域33a、33bが線膨張係数の小さいシリコンウエハ上に形成されているので、環境温度変化に起因する視差変化が小さく抑えられる。このように高い視差精度が得られることで、測距精度が向上する。
Next, a method for manufacturing the distance measuring device according to the first embodiment of the present invention will be described.
4A to 4E are cross-sectional views illustrating the manufacturing steps of the distance measuring device shown in FIGS. 1 and 2. The same components as those in the previous figure will be described with the same reference numerals.
First, as shown in FIG. 4A, a solid-
In this embodiment, since a double CMOS sensor array is used as the solid-
固体撮像素子30は、口径が6インチ、又は12インチのシリコンウエハ31上へ複数の撮像領域(33a、33b・・・)を形成した後、各撮像領域33の受光部側にカバーガラス35を貼り付け、シリコンウエハ31内にTSVを形成し、シリコンウエハ31の基線長Dに合わせて、切断することにより製造される。さらに、TSVを介して撮像領域33非搭載面に引き出された電極の夫々に、半田ボール(半田ボール群37a、37b)を配置することで、固体撮像素子30が完成する。
半田ボールには、例えば鉛を含有しない、錫(Sn)、銀(Ag)、銅(Cu)系の合金を用いることが出来る。Sn−30%Ag−0.5%Cuが主流であるが、銀の含有量が多くなるとコストアップに繋がるため、コストを抑えるために低銀組成のSn−10%Ag−0.7%Cu、Sn−0.3%Ag−0.7%Cu、Sn−0.1%Ag−0.7%Cuなどを用いても構わない。
The solid-
For the solder balls, for example, tin (Sn), silver (Ag), or copper (Cu) based alloys not containing lead can be used. Sn-30% Ag-0.5% Cu is the mainstream, but increasing the silver content leads to an increase in cost. Therefore, in order to reduce costs, Sn-10% Ag-0.7% Cu has a low silver composition. Sn-0.3% Ag-0.7% Cu, Sn-0.1% Ag-0.7% Cu, or the like may be used.
次に、図4(b)に示すように、固体撮像素子30の受光部側にあたるカバーガラス35の表面に、焦点距離保持部材17を接着剤にて直接貼り付ける。このとき、焦点距離保持部材17の貫通孔19a、19bの中心(光軸Xと直行する方向の断面における中心)が、各撮像領域33a、33bの略中心となるよう位置を整合させて取り付ける。
焦点距離保持部材17の母材にはシリコンを用いた。シリコンは可視光域で不透明な材料であり、一方の貫通孔19a内に入射した光が他方の貫通孔19bへ漏れないという効果を発揮する。つまり、焦点距離保持部材17自体が結像光束のクロストークを防止する光遮蔽部材として機能するため、別途光遮蔽部材を作る必要がない。そのため、製造工数が削減されコスト削減に繋がる。仮に別途光遮蔽部材を作製した場合には、環境温度が変化した場合に焦点距離保持部材と光遮蔽部材との間で線膨張係数差による熱疲労が発生する虞があるが、本実施形態においては焦点距離保持部材17が単一の材料から構成されているので、上記熱疲労の問題が発生せず、測距装置10の測定精度や耐久性が向上する。
Next, as shown in FIG. 4B, the focal
Silicon was used for the base material of the focal
また、本実施形態で用いる焦点距離保持部材17の材料には、固体撮像素子30の母材と同一材料のシリコンを用いているので、焦点距離保持部材17と固体撮像素子30の線膨張係数が略同じである。従って、焦点距離保持部材17と固体撮像素子30間における熱疲労の影響は無視できるレベルとなり、固体撮像素子30と焦点距離保持部材17との接合強度の確保が容易になり、部材間の線膨張係数差による熱疲労の軽減が図れることで測距装置の信頼性が向上する。
In addition, since the material of the focal
次に、図4(c)に示すように、焦点距離保持部材17上へ撮像レンズ11a、11bを直接接着する。撮像レンズ11a、11bの各中心(光軸Xa、Xb)が、撮像領域33a、33bの各中心と一致するよう位置を整合させて接着する。
なお、撮像レンズ11a、11bの側壁13a、13bには、黒色塗装を施すか、黒色フィルムを貼付して外乱光の侵入を防止する。
Next, as shown in FIG. 4C, the
Note that the
撮像レンズ11a、11bはガラス材をプレス成形により作製した。撮像レンズ11a、11bの光学ガラス材料には、住田光学のK−VC78を用いた。なお、K−VC78は撮像レンズ11に用いることができる材料の一例であり、光学ガラス材料であれば光学設計に応じて使用できる。
本実施形態においては、2つの撮像レンズ11a、11bを物理的に分離して、焦点距離保持部材17に取り付けたため、環境温度の変動に起因する撮像レンズ11の熱膨張が、撮像レンズ11a、11b間の距離に影響を与えにくい。つまり、環境温度の変動に起因する撮像レンズ11a、11b間の距離変化は、焦点距離保持部材17と固体撮像素子30の線膨張係数で決まる。従って、撮像レンズ11a、11bと撮像領域33a、33bとの位置関係の変化は、環境温度変化に対して鈍感になる。また、線膨張係数の小さいシリコンを焦点距離保持部材17に使用しているため、基線長Dの環境温度依存性が小さくなり、測定精度の環境温度依存性を抑制することができる。
The
In the present embodiment, since the two
次に、図4(d)に示すように撮像レンズ11a、11bの表面にアパーチャ15a、15bを接着剤にて貼り付ける。アパーチャ15a、15bの2つの開口中心が、撮像レンズ11a、11bの各中心(光軸Xa、Xb)と合致するように位置を整合させて貼り付ける。
アパーチャ15は、厚さ0.25mmのSUS430材をエッチングで加工して製造した。アパーチャ15は本実施形態で用いたSUS430材以外のメタル材料を用いてもよい。また、他の材料を用いてもよいし、他の工法により製造してもよい。
Next, as shown in FIG. 4D, the
The
図4(b)〜図4(d)において、固体撮像素子30と焦点距離保持部材17、焦点距離保持部材17と撮像レンズ11、撮像レンズ11とアパーチャ15を夫々接着するための接着剤としては、270℃程度の非鉛系リフロー工程に耐え得る接着剤が好ましく、特に耐熱エポキシ接着剤、変性シリコン系接着剤等が適している。本実施形態においては高耐熱性エポキシ接着剤であるアレムコボンド570(米国 アレムコプロダクツ社が開発)を用いた。アレムコボンド570は耐熱上限が316℃で一液性の接着剤である。非鉛系リフローに耐え、一液性であるために取扱が容易、且つ生産性の高い材料である。なお、接着剤の厚みは0.2mmに調整した。
4 (b) to 4 (d), as the adhesive for bonding the solid-
最後に、図4(e)に示すように、予め測距用演算回路45とデジタル信号プロセッサ47が搭載され、表面に電極パッド群41a、41bが形成された電装基板40を接合する。半田ボール群37a、37bを電装基板40上の各電極パッド群41a、41bに位置整合させ、リフロー炉に通すことで、電装基板40と固体撮像素子30とを電気的・機械的に接続した。更に、接続部の信頼性を向上させるために、固体撮像素子30と電装基板40との間にアンダーフィル材49を流し込み固めた。電装基板40の各電極パッド群41a、41b間はスリット43により互いに離間しており、アンダーフィル材49は、各半田ボール群37間、及び各電極パッド群41間で分離した状態に注入される。
Finally, as shown in FIG. 4 (e), a
以上のように、本実施形態においては、焦点距離保持部材を固体撮像素子の主材料であるシリコンから形成したので、線膨張係数の異なる部品を接合した場合に問題となっていた環境温度変化に伴う熱応力の問題を回避することができ、熱疲労による信頼性低下を抑制できる。
また、線膨張係数の小さいシリコンを焦点距離保持部材に用いているため、基線長の環境温度依存性を小さくすることができる。
焦点距離保持部材に適用しているシリコンは可視光域に対して不透明なので、光遮蔽部材を別途設けなくとも結像光束のクロストークを防止する光遮蔽部材として機能する。よって、遮光構造形成の製造工数の削減が図れる。
さらに、電装基板40の各電極パッド群41a、41b間にはスリット43が形成されており、電装基板40は各電極パッド群41間で物理的に分離した構成である。そのため、環境温度変化に対する電装基板40の熱膨張の影響が、固体撮像素子30へ伝わり難くなり、基線長Dの変化を抑制することができる。従って、環境温度の変化に対する測定精度の低下を抑制できる。
As described above, in the present embodiment, since the focal length holding member is formed of silicon, which is the main material of the solid-state imaging device, the environmental temperature change that has been a problem when parts having different linear expansion coefficients are joined. The accompanying problem of thermal stress can be avoided, and a decrease in reliability due to thermal fatigue can be suppressed.
In addition, since silicon having a small linear expansion coefficient is used for the focal length holding member, the dependency of the baseline length on the environmental temperature can be reduced.
Since silicon applied to the focal length holding member is opaque to the visible light region, it functions as a light shielding member that prevents crosstalk of the imaged light beam without providing a separate light shielding member. Therefore, the number of manufacturing steps for forming the light shielding structure can be reduced.
Furthermore, a
〔第二の実施形態〕
本発明の第二の実施形態に係る測距装置について、図5に基づいて説明する。図5は、本実施形態に係る測距装置を示す断面図である。この断面図は、図1のA−A断面に相当する。本実施形態においては、焦点距離保持部材にセラミックスを使用した点に特徴がある。第一の実施形態と同一の部材には同一の符号を付してその説明を省略する。
測距装置50の焦点距離保持部材51は、撮像レンズ11から撮像領域33までの焦点距離f(図14参照)を一定に保持する部材であり、撮像レンズ11と撮像領域33との間に配置されている。焦点距離保持部材51には、各撮像レンズ11に入射した被写体像を各撮像領域33に案内する光路となる貫通孔19(19a、19b)が光軸X(Xa、Xb)方向に形成されている。貫通孔19は、光軸方向と直行する方向における断面の中心が光軸Xと一致するように形成されている。
[Second Embodiment]
A distance measuring apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view showing the distance measuring apparatus according to the present embodiment. This sectional view corresponds to the AA section of FIG. The present embodiment is characterized in that ceramics are used for the focal length holding member. The same members as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
The focal
本実施形態において焦点距離保持部材51の材料には、原子間の結合力が強い共有結合材料である炭化珪素(SiC)系及び窒化珪素(Si3N4)系のセラミックス材料を用いることができる。
炭化珪素系のセラミックス材料は3〜4ppm/℃、窒化珪素のセラミックス材料は2〜3ppm/℃の線膨張係数を持つものが多く製品化されており、母材をシリコンとする固体撮像素子30の線膨張係数(2.8ppm/℃)と略同一にできる。
また、炭化珪素系、窒化珪素系のセラミックスは可視光域に対して不透明であり、この材料自体が光遮蔽効果を有しており、第一の実施形態と同様に、新たに光遮蔽部材を付与する必要が無い。
In this embodiment, the material of the focal
Many silicon carbide ceramic materials having a linear expansion coefficient of 3 to 4 ppm / ° C. and silicon nitride ceramic materials having a coefficient of linear expansion of 2 to 3 ppm / ° C. have been commercialized. It can be made substantially the same as the linear expansion coefficient (2.8 ppm / ° C.).
In addition, silicon carbide-based and silicon nitride-based ceramics are opaque to the visible light region, and the material itself has a light shielding effect. As in the first embodiment, a new light shielding member is added. There is no need to grant.
以上のように本実施形態によれば、炭化珪素(SiC)系のセラミックス材料は3〜4ppm/℃、窒化珪素(Si3N4)のセラミックス材料は2〜3ppm/℃の線膨張係数を持つものが多く製品化されており、固体撮像素子30の線膨張係数と略同一にできるので、固体撮像素子30と焦点距離保持部材51との間の線膨張係数差による熱疲労の軽減が図れる。そのため、測距装置の信頼性が向上する。
炭化珪素系、窒化珪素系のセラミックスは可視光域に対して不透明であり、この材料自体が光遮蔽効果を有しているので、光遮蔽部材を別途設けなくとも結像光束のクロストークを防止する光遮蔽部材として機能するため、加工工数を削減することができ、光遮蔽部材も不要となるため低コスト化に繋がる。
As described above, according to the present embodiment, the silicon carbide (SiC) -based ceramic material has a linear expansion coefficient of 3 to 4 ppm / ° C., and the silicon nitride (Si 3 N 4 ) ceramic material has a linear expansion coefficient of 2 to 3 ppm / ° C. Many products have been commercialized and can be made substantially the same as the linear expansion coefficient of the solid-
Silicon carbide-based and silicon nitride-based ceramics are opaque to the visible light region, and the material itself has a light shielding effect, so that crosstalk of the imaged light beam can be prevented without providing a separate light shielding member. Since it functions as a light shielding member, the number of processing steps can be reduced, and the light shielding member is not required, leading to cost reduction.
〔第三の実施形態〕
本発明の第三の実施形態に係る測距装置について、図6、及び図7に基づいて説明する。図6は、本実施形態に係る測距装置を示す断面図である。この断面図は、図1のA−A断面に相当する。図7は、図6に示す測距装置のB−B断面図である。本実施形態においては、焦点距離保持部材にガラス材料を用いると共に、クロムやニッケルの金属膜を光遮蔽部材とした点に特徴がある。第一、及び第二の実施形態と同一の部材には同一の符号を付してその説明を省略する。
測距装置60の焦点距離保持部材61は、撮像レンズ11から撮像領域33までの焦点距離f(図14参照)を一定に保持する部材であり、撮像レンズ11と撮像領域33との間に配置されている。焦点距離保持部材61には、各撮像レンズ11に入射した被写体像を各撮像領域33に案内する光路となる貫通孔19(19a、19b)が光軸X(Xa、Xb)方向に形成されている。貫通孔19は、光軸方向と直行する方向における断面の中心が光軸Xと一致するように形成されている。
[Third embodiment]
A distance measuring apparatus according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is a cross-sectional view showing the distance measuring apparatus according to the present embodiment. This sectional view corresponds to the AA section of FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view of the distance measuring apparatus shown in FIG. The present embodiment is characterized in that a glass material is used for the focal length holding member, and a chromium or nickel metal film is used as a light shielding member. The same members as those in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
The focal
本実施形態において焦点距離保持部材61の材料には、テンパックスガラスまたはパイレックス(登録商標)ガラスを用いることができる。
テンパックスガラスは3.2ppm/℃、パイレックス(登録商標)ガラスは3.2ppm/℃の線膨張係数を持ち、母材をシリコンとする固体撮像素子30の線膨張係数(2.8ppm/℃)と略同一にできる。
本実施形態においては焦点距離保持部材61の母材(本体)63にテンパックスガラスを用いた。焦点距離保持部材61の母材63としては、テンパックスガラスやパイレックス(登録商標)ガラスの他にも、AF45、AF32、Tempax Float(Shott社の登録商標)も、線膨張係数がシリコンと近いことから適用可能である。但し、これらは薄板ガラスとして市販されている材料でありガラスの厚さに制限があるため、そのまま利用するには、焦点距離が短い短焦点測距測定用の測距装置に使用用途が限定される。また、短焦点測距測定以外の測距装置に用いるためには、複数枚のガラスを張り合わせるなどの工夫が必要になり、工数が増えることとなる。その点、テンパックスガラスやパイレックス(登録商標)ガラスは、市販されているガラス厚の種類が豊富なため、様々な焦点距離の測距装置に適用可能であり、より選択性の幅が広がる。更には、汎用材料が使えるため、材料コストを抑えられる点で有利になる。
焦点距離保持部材61の母材63として、ガラスのように可視光域で透明な材料を用いる場合は、撮像領域33のクロストーク抑制手段としての光遮蔽機能が必要になる。本実施形態では、焦点距離保持部材61の母材63に光遮蔽膜65を付加することで、クロストークの抑制を図っている。光遮蔽膜65はクロムやニッケルの金属膜を成膜して形成する。成膜方法としては真空蒸着法、スパッタ法、メッキ法などが有効である。特に膜の密着性を確保する上でメッキ法がより実用的である。
In this embodiment, Tempax glass or Pyrex (registered trademark) glass can be used as the material of the focal
Tempax glass has a linear expansion coefficient of 3.2 ppm / ° C., Pyrex (registered trademark) glass has a linear expansion coefficient of 3.2 ppm / ° C., and the linear expansion coefficient (2.8 ppm / ° C.) of the solid-
In this embodiment, Tempax glass is used for the base material (main body) 63 of the focal
When a material transparent in the visible light region such as glass is used as the
以上のように本実施形態においては、焦点距離保持部材の母材としてガラス材料を用いた。ガラス材料は光学研磨で広い範囲に渡り、平坦、平滑な接合面確保が可能となり、撮像レンズと撮像領域との間隔を均一にできるため左右での画像ズレが抑制される。
また、焦点距離保持部材の線膨張係数を、固体撮像素子の線膨張係数と略同一にできるため、撮像レンズ及び固体撮像素子と焦点距離保持部材との接合強度の確保が容易になり、部材間の線膨張係数差による熱疲労の軽減が図れることで測距装置の信頼性が向上する。
なお、テンパックスガラスまたはパイレックス(登録商標)ガラスのガラス材は可視光を透過するので、被写体像を撮像領域に案内する光路としての貫通孔を形成しなくとも測距は可能であり、この場合には製造コストの低減が図れる。
As described above, in this embodiment, a glass material is used as the base material of the focal length holding member. The glass material can cover a wide range by optical polishing, and a flat and smooth joining surface can be secured. Since the distance between the imaging lens and the imaging region can be made uniform, the image shift between the left and right is suppressed.
In addition, since the linear expansion coefficient of the focal length holding member can be substantially the same as the linear expansion coefficient of the solid-state imaging device, it is easy to ensure the bonding strength between the imaging lens and the solid-state imaging device and the focal length holding member, and The reliability of the distance measuring device is improved by reducing thermal fatigue due to the difference in linear expansion coefficient.
Since Tempax glass or Pyrex (registered trademark) glass material transmits visible light, distance measurement is possible without forming a through hole as an optical path for guiding the subject image to the imaging region. The manufacturing cost can be reduced.
〔第四の実施形態〕
本発明の第四の実施形態について図8及び図9に基づいて簡単に説明する。図8は、第四の実施形態に係る測距装置の平面図である。図9は、図8に示す測距装置のC−C断面図である。第一の実施形態と同一の部材には同一の符号を付してその説明を省略する。
図示するように、本実施形態における測距装置70の電装基板71には図1や図2等に示したようなスリット43が形成されておらず、電装基板71は矩形状である。なお、電装基板71に、図1に示した測距用演算回路45やDSP47を搭載してもよい。
測距装置70を構成するその他の部材は第一の実施形態と同様であり、焦点距離保持部材17はシリコンから形成されている。
このように、本実施形態においては、焦点距離保持部材を固体撮像素子の主材料の線膨張係数と同一であるシリコンとしたので、線膨張係数の異なる部品を接合した場合に問題となっていた環境温度変化に伴う熱応力の問題を回避することができるので、熱疲労による信頼性低下を抑制できる。
また、線膨張係数の小さいシリコンを結像距離保持部材に適用しているため、基線長の環境温度依存性を小さくすることができる。
さらに、結像距離保持部材に適用しているシリコンは可視光域に対して不透明なので、光遮蔽部材を別途設けなくとも結像光束のクロストークを防止する光遮蔽部材として機能する。よって、遮光構造形成の製造工数の削減が図れる。
なお、第二の実施形態や第三の実施形態に示した焦点距離保持部材を用いてもよい。
[Fourth embodiment]
A fourth embodiment of the present invention will be briefly described with reference to FIGS. FIG. 8 is a plan view of a distance measuring apparatus according to the fourth embodiment. 9 is a cross-sectional view taken along the line CC of the distance measuring device shown in FIG. The same members as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
As shown in the figure, the
Other members constituting the
As described above, in this embodiment, since the focal length holding member is made of silicon having the same linear expansion coefficient as that of the main material of the solid-state imaging device, there is a problem when parts having different linear expansion coefficients are joined. Since the problem of thermal stress associated with environmental temperature changes can be avoided, a decrease in reliability due to thermal fatigue can be suppressed.
In addition, since silicon having a small linear expansion coefficient is applied to the imaging distance holding member, the dependency of the baseline length on the environmental temperature can be reduced.
Further, since silicon applied to the imaging distance holding member is opaque with respect to the visible light region, it functions as a light shielding member for preventing crosstalk of the imaging light beam without providing a separate light shielding member. Therefore, the number of manufacturing steps for forming the light shielding structure can be reduced.
In addition, you may use the focal distance holding member shown in 2nd embodiment or 3rd embodiment.
〔第五の実施形態〕
本発明の第五の実施形態に係る測距装置について、図10に基づいて説明する。図10は、測距装置の断面図であり、図8のC−C断面に相当する図である。本実施形態に係る測距装置は、物理的に分離された2つの固体撮像素子を備え、2つの固体撮像素子を実装する電装基板が矩形状である(スリットが形成されていない)点に特徴がある。以下、第一乃至第四の実施形態と同一の部材には同一の符号を付してその説明を省略する。
測距装置80は、各撮像レンズ11a、11bに入射した被写体像を夫々撮像する撮像領域33(33a、33b)を有した2つの固体撮像素子30(30a、30b)を備えている。各撮像領域33は、異なる基板(シリコンウエハ31a、31b)上に形成されており、各撮像領域33の受光部側の表面には、撮像領域33の保護(キズ、ゴミの付着等防止)を目的として、夫々カバーガラス35(35a、35b)が取り付けられている。
測距装置80において各固体撮像素子30a、30bは、その撮像面(撮像領域33a、33bの表面)が同一平面上となり、且つ、2つの撮像領域33a、33bの中心間距離が基線長D(図14参照)となるように一列に並べて配置されている。
各固体撮像素子30は、例えば口径が6インチ、又は12インチのシリコンウエハ31上へ複数の撮像領域(33a、33b・・・)を形成した後、各撮像領域33の受光部側にカバーガラス35を貼り付け、シリコンウエハ31内にTSVを形成し、シリコンウエハ31を固体撮像素子30(30a、30b・・・)ごとに切断することにより製造される。さらに、TSVを介して撮像領域33非搭載面に引き出された電極の夫々に、半田ボール(半田ボール群37a、37b)を配置することで、固体撮像素子30が完成する。
[Fifth embodiment]
A distance measuring apparatus according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a cross-sectional view of the distance measuring device, which corresponds to the CC cross section of FIG. The distance measuring device according to this embodiment includes two physically separated solid-state imaging elements, and the electrical board on which the two solid-state imaging elements are mounted is rectangular (no slit is formed). There is. Hereinafter, the same members as those in the first to fourth embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
The
In the
Each solid-
次に、測距装置の製造方法について説明する。
図11(a)〜(e)は、図10に示す測距装置の製造工程を示す断面図である。図10と同一の構成要素には同一の符号を付して説明する。また、以下では、主として第一の実施形態(図4)に示す製造工程と異なる行程について説明し、同一の行程については説明を省略する。
まず、図11(a)に示すように、焦点距離保持部材17を準備する。焦点距離保持部材17の母材はシリコンである。
次に、図11(b)に示すように、焦点距離保持部材17の貫通孔19形成方向の一方の面に2つの固体撮像素子30a、30bを夫々接着固定する。焦点距離保持部材17には、固体撮像素子30a、30bのカバーガラス35a、35bを夫々接着固定する。接着の際、各貫通孔19a、19bの中心(貫通孔19の伸びる方向と直交する方向の断面における中心)が、各撮像領域33a、33bの中心となるように位置を整合させる。
図11(c)以降の接着工程は、第一の実施形態(図4(c)以降)と同様であるため、説明を省略する。
Next, a method for manufacturing the distance measuring device will be described.
FIGS. 11A to 11E are cross-sectional views illustrating manufacturing steps of the distance measuring device shown in FIG. The same components as those in FIG. 10 are described with the same reference numerals. Moreover, below, the process different from the manufacturing process mainly shown in 1st embodiment (FIG. 4) is demonstrated, and description is abbreviate | omitted about the same process.
First, as shown in FIG. 11A, a focal
Next, as shown in FIG. 11B, the two solid-
Since the adhesion process after FIG.11 (c) is the same as that of 1st embodiment (after FIG.4 (c)), description is abbreviate | omitted.
以上のように、本実施形態においては、焦点距離保持部材を固体撮像素子の主材料であるシリコンから形成したので、熱膨張係数の異なる部品を接合した場合に問題となっていた環境温度変化に伴う熱応力の問題を回避することができ、熱疲労による信頼性低下を抑制できる。
また、線膨張係数の小さいシリコンを焦点距離保持部材に用いているため、基線長の環境温度依存性を小さくすることができる。
焦点距離保持部材に適用しているシリコンは可視光域に対して不透明なので、光遮蔽部材を別途設けなくとも結像光束のクロストークを防止する光遮蔽部材として機能する。よって、遮光構造形成の製造工数の削減が図れる。
なお、第二の実施形態や第三の実施形態に示した焦点距離保持部材を適用してもよい。
As described above, in this embodiment, since the focal length holding member is formed of silicon, which is the main material of the solid-state imaging device, the environmental temperature change that has been a problem when parts having different thermal expansion coefficients are joined is used. The accompanying problem of thermal stress can be avoided, and a decrease in reliability due to thermal fatigue can be suppressed.
In addition, since silicon having a small linear expansion coefficient is used for the focal length holding member, the dependency of the baseline length on the environmental temperature can be reduced.
Since silicon applied to the focal length holding member is opaque to the visible light region, it functions as a light shielding member that prevents crosstalk of the imaged light beam without providing a separate light shielding member. Therefore, the number of manufacturing steps for forming the light shielding structure can be reduced.
In addition, you may apply the focal distance holding member shown in 2nd embodiment or 3rd embodiment.
〔第六の実施形態〕
本発明の第六の実施形態に係る測距装置について、図12に基づいて説明する。図12は、測距装置の断面図であり、図1のA−A断面に相当する図である。以下、第一乃至第五の実施形態と同一の部材には同一の符号を付してその説明を省略する。
本実施形態に係る測距装置90は、第五の実施形態と同様に物理的に分離された2つの固体撮像素子30(30a、30b)を備え、且つ各固体撮像素子30を搭載する電装基板40の一部には、第一の実施形態と同様にスリット43が形成されている。
2つの固体撮像素子30a、30bの製造方法については、第五の実施形態と同様である。また、電装基板40には、図3(a)、(b)に示した電装基板の何れを用いても良い。測距装置90は、図11に示した第五の実施形態と同様の工程にて製造することができる。もちろん、焦点距離保持部材17の代わりに、第二の実施形態や第三の実施形態に示した焦点距離保持部材を適用してもよい。
以上のように本実施形態によれば、電装基板に緩衝部としてのスリットを形成して、隣接する電極パッド群間を物理的に分離したので、環境温度変化に対する電装基板40の熱膨張の影響が、固体撮像素子30へ伝わり難くなり、基線長Dの変化を抑制することができる。従って、環境温度の変化に対する測定精度の低下を抑制できる。
[Sixth embodiment]
A distance measuring apparatus according to a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a cross-sectional view of the distance measuring device, and corresponds to a cross section AA in FIG. Hereinafter, the same members as those in the first to fifth embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
A
About the manufacturing method of the two solid-
As described above, according to the present embodiment, slits as buffer portions are formed in the electrical board, and the adjacent electrode pad groups are physically separated, so the influence of the thermal expansion of the
〔測距システム〕
第一乃至第六の実施形態に示した測距装置を用いた測距システムの例について説明する。図13は、本発明の各実施形態に係る測距装置を搭載した測距システムの構成図である。以下においては、第五の実施形態に示した測距装置を搭載した例により説明する。
測距システム110は、測距装置80と、電装基板71と電気的に接続されると共に、電装基板71から取り出された電気信号に対して所定の処理を行う処理基板111と、処理基板111において処理された電気信号を受信して測距に関わる情報を表示する表示端末113と、を備えている。
[Ranging system]
An example of a distance measuring system using the distance measuring apparatus shown in the first to sixth embodiments will be described. FIG. 13 is a configuration diagram of a ranging system equipped with a ranging device according to each embodiment of the present invention. In the following, an example in which the distance measuring device shown in the fifth embodiment is mounted will be described.
The
処理基板111は、測距用演算回路45及びデジタル信号プロセッサ(DSP)47を有しており、各撮像領域33からの電気信号を受信し、各撮像領域33によって撮像された複数の被写体像に基づいて、距離判定をするための演算や各種の画像処理を行う。なお、第一の実施形態(図1)には、電装基板上に測距用演算回路及びDSPを搭載した測距装置の例を示したが、図8及び図13に示すように、演算回路及びDSPを電装基板から分離した構成としてもよい。
表示端末113は、表示機能のみを有する端末であってもよいし、入力機能や各種の演算機能を備えた端末であってもよい。後者の例としては、例えばタッチパネル式の専用端末や、ディスプレイを含むコンピュータ装置を挙げることができる。表示端末113には、例えば、数値(距離)のみ、撮像領域33によって撮像された画像と数値とを合わせて、或いは撮像領域33によって撮像された画像に対して演算により求められた数値に基づく所定の処理を施した画像等が表示される。
さらに、処理基板111と不図示の外部装置との間で通信を行う外部通信部115を備えても良い。例えば、撮影トリガーとなる信号を処理基板111に与えたり、処理基板111の動作状態を監視したり、処理基板111から測距に関わる判定結果を受け取ること等が、外部通信部115を介して可能となる。なお、外部装置としては、例えばPLC(Programmable Logic Controller)等の制御装置を用いることができる。
The processing board 111 includes a distance
The
Furthermore, you may provide the
〔実施形態の効果について〕
以下、本発明の各実施形態が奏する効果について詳細に説明する。
第一に、線膨張係数差に起因して間隔保持部材と固体撮像素子との間で発生する歪を軽減し、撮像素子の特性低下を防止する効果を有する。
特許文献1において被写体像を撮像する光センサアレイは、固体撮像素子(CCD)であり、固体撮像素子はシリコンウエハ上に作られることから、その線膨張係数は約3ppm/℃である。また、撮像レンズと間隔保持部材とCCD保持部材と、吸湿性のない同一の樹脂材料(非晶質のシクロオレフィンポリマー)により形成している。非晶質のシクロオレフィンポリマーには耐熱ポリカーボネート、ゼオネックス(日本ゼオン株式会社の登録商標)などがある。それらの線膨張係数は約70ppm/℃であり、光センサアレイの母材(シリコン)の線膨張係数と比較して約20倍大きい。
このように、互いに接合された部材間の線膨張係数差が大きいと、各部材が熱疲労損傷を受けることになる。線膨張係数の異なる複数の部品から構成されるデバイスでは、温度変化に伴う熱応力の問題を避けることができない。熱変形を抑えるために拘束を強めると大きな応力が働き、構造的に弱い所から破壊が始まる。逆に拘束を弱くすると撮像レンズと固体撮像素子間の位置ズレが発生し、拘束の弱い所から破壊が始まる問題や、計測再現性が得られなくなるといった問題が生じる。
本発明の実施形態においては、焦点距離保持部材(特許文献1のレンズ保持部材とCCD保持部材に相当する部材)を、固体撮像素子の線膨張係数と略同一にすることで、焦点距離保持部材と撮像素子との間における熱疲労損傷を軽減している。
[Effects of the embodiment]
Hereinafter, the effect which each embodiment of the present invention has is explained in detail.
First, it has the effect of reducing the distortion generated between the spacing member and the solid-state image sensor due to the difference in linear expansion coefficient, and preventing the deterioration of the characteristics of the image sensor.
The optical sensor array that captures a subject image in
Thus, if the difference in linear expansion coefficient between the members joined to each other is large, each member is subject to thermal fatigue damage. In a device composed of a plurality of parts having different linear expansion coefficients, the problem of thermal stress accompanying a temperature change cannot be avoided. When restraint is strengthened to suppress thermal deformation, a large stress works, and destruction starts from a structurally weak place. On the other hand, if the constraint is weakened, a positional deviation occurs between the imaging lens and the solid-state imaging device, which causes a problem that destruction starts from a place where the constraint is weak and a problem that measurement reproducibility cannot be obtained.
In the embodiment of the present invention, the focal length holding member (the member corresponding to the lens holding member and the CCD holding member of Patent Document 1) is made substantially the same as the linear expansion coefficient of the solid-state imaging device, so that the focal length holding member is obtained. The thermal fatigue damage between the sensor and the image sensor is reduced.
さらに、本実施形態においては、撮像レンズとして物理的に分離した2つの単レンズを用いることにより、熱疲労損傷の軽減を図っている。
つまり、カメラ装置において撮像レンズには、ガラスレンズ又は樹脂レンズが用いられる。ガラスや樹脂は、固体撮像素子に比べて線膨張係数が非常に大きい。言い換えれば、撮像レンズと焦点距離保持部材の線膨張係数差が大きい。そこで、本実施形態の測距装置においては、物理的に分離した2つの単レンズを用いた。このように各撮像レンズを物理的に分離することによって、撮像レンズ間距離が撮像レンズの線膨張係数の影響を受けにくくなる。つまり、レンズ間距離の温度依存性は、焦点距離保持部材の線膨張係数でほぼ決まるため、熱疲労損傷を軽減し、測定精度が向上する。
Furthermore, in this embodiment, thermal fatigue damage is reduced by using two single lenses that are physically separated as the imaging lens.
That is, a glass lens or a resin lens is used as the imaging lens in the camera device. Glass and resin have a very large linear expansion coefficient compared with a solid-state image sensor. In other words, the linear expansion coefficient difference between the imaging lens and the focal length holding member is large. Therefore, in the distance measuring apparatus of the present embodiment, two physically separated single lenses are used. By physically separating the imaging lenses in this way, the distance between the imaging lenses is less affected by the linear expansion coefficient of the imaging lens. That is, the temperature dependence of the inter-lens distance is almost determined by the linear expansion coefficient of the focal length holding member, so that thermal fatigue damage is reduced and measurement accuracy is improved.
具体例を用いて説明すると、図14に示す一対のレンズ103a、103bの基線長Dを5mm、レンズ103a、103bのレンズ口径Φを1mmとすると、2つのレンズ103が一体構成の場合は、図中左右方向のレンズ長さが6mm以上となる。仮に、撮像レンズと焦点距離保持部材の接合面の長さAを6mm、焦点距離保持部材の線膨張係数α1を3ppm/℃、撮像レンズの線膨張係数α2を70ppm/℃とした時、温度変化Δtが10℃あった場合、
焦点距離保持部材の熱膨張量は、
A×α1×Δt=6mm×3ppm/℃×10℃=0.18μm ・・・式(2)
撮像レンズの熱膨張量は、
A×α2×Δt=6mm×70ppm/℃×10℃=4.2μm ・・・式(3)
よって、式(2)と式(3)より、2つの撮像レンズが一体構成の場合は、10℃の温度変化があった場合に、焦点距離保持部材と撮像レンズとの間で約4μmの熱膨張差が生じることになる。
To explain using a specific example, when the base length D of the pair of
The amount of thermal expansion of the focal length holding member is
A × α1 × Δt = 6 mm × 3 ppm / ° C. × 10 ° C. = 0.18 μm Formula (2)
The thermal expansion of the imaging lens is
A × α2 × Δt = 6 mm × 70 ppm / ° C. × 10 ° C. = 4.2 μm Formula (3)
Therefore, from the formulas (2) and (3), in the case where the two imaging lenses are integrated, when there is a temperature change of 10 ° C., a heat of about 4 μm is generated between the focal length holding member and the imaging lens. An expansion difference will occur.
一方、2つの撮像レンズが物理的に分断された単レンズである場合は、図中左右方向のレンズ長さはレンズ口径Φで決まり、この例の場合は1mm以上の長さになる。撮像レンズと焦点距離保持部材の接合面長さAを1mm、焦点距離保持部材の線膨張係数α1を3ppm/℃、撮像レンズの線膨張係数α2を70ppm/℃とした時、温度変化Δtが10℃あった場合、
焦点距離保持部材の熱膨張量は、
A×α1×Δt=1mm×3ppm/℃×10℃=0.03μm ・・・式(4)
撮像レンズの熱膨張量は、
A×α2×Δt=1mm×70ppm/℃×10℃=0.7μm ・・・式(5)
よって、式(4)と式(5)より、2つの撮像レンズが物理的に分断された単レンズである場合は10℃の温度変化があった場合に、焦点距離保持部材と撮像レンズとの間で0.67μmの熱膨張差が生じることになる。
On the other hand, when the two imaging lenses are physically separated single lenses, the lens length in the left-right direction in the figure is determined by the lens aperture Φ, and in this example, the length is 1 mm or more. When the joint surface length A between the imaging lens and the focal length holding member is 1 mm, the linear expansion coefficient α1 of the focal length holding member is 3 ppm / ° C., and the linear
The amount of thermal expansion of the focal length holding member is
A × α1 × Δt = 1 mm × 3 ppm / ° C. × 10 ° C. = 0.03 μm Formula (4)
The thermal expansion of the imaging lens is
A × α2 × Δt = 1 mm × 70 ppm / ° C. × 10 ° C. = 0.7 μm (5)
Therefore, from the equations (4) and (5), when the two imaging lenses are physically separated single lenses, when there is a temperature change of 10 ° C., the focal length holding member and the imaging lens Thus, a difference in thermal expansion of 0.67 μm occurs.
よって、温度変化Δtが10℃の時、撮像レンズと焦点距離保持部材の熱膨張差が、2つの撮像レンズが一体構成の場合は約4μmだったのに対して、2つの撮像レンズが物理的に分離した単レンズである場合は0.67μmになることが判る。
以上のように、撮像レンズを物理的に分離することで、基線長方向における撮像レンズの一体的に連続する長さを短縮し、焦点距離保持部材との間における連続的な接合長さを短縮することによって、撮像レンズと焦点距離保持部材との間の熱疲労損傷を軽減している。
Therefore, when the temperature change Δt is 10 ° C., the difference in thermal expansion between the imaging lens and the focal length holding member is about 4 μm when the two imaging lenses are integrated, whereas the two imaging lenses are physically It can be seen that it is 0.67 μm in the case of a single lens separated into two.
As described above, by physically separating the imaging lens, the integrally continuous length of the imaging lens in the baseline length direction is shortened, and the continuous joining length with the focal length holding member is shortened. By doing so, thermal fatigue damage between the imaging lens and the focal length holding member is reduced.
第二に、測距精度を向上させる効果を有する。
特許文献1においては、撮像レンズと間隔保持部材とCCD保持部材とを、吸湿性のない同一の樹脂材料(非晶質のシクロオレフィンポリマー)により形成している。よって、基線長D(図14参照)の環境温度に起因する変化は、これらの部材を形成する樹脂材料の線膨張係数で決まる。上述の通り、非晶質のシクロオレフィンポリマーの線膨張係数は約70ppm/℃である。
例えば、図14に示す一対のレンズ103a、103bの基線長Dを5mm、レンズ103a、103bの中心から被写体までの距離Lを5m、レンズ103a、103bの焦点距離fを5mmとすると、三角測量の基本原理を示す式(1)から、視差δは、
δ=D・f/L=5mm・5mm/5m=5μm ・・・式(6)
となる。
すなわち、この測距装置では、5μmの視差δが検出されたときに、距離Lを5mと認識する。
例えば、従来例のように間隔保持部材に樹脂を用いた場合は、樹脂の線膨張係数αが70ppm/℃であるとすると、温度変化Δtが10℃あった場合、間隔保持部材の熱膨張量は、
D×α×Δt=3.5μm ・・・式(7)
となり、視差が3.5μm変化したと同等になる。
この結果、温度変化が10℃あると同じ距離5mを測距しても70%(=3.5μm/5μm)もの大きな測距誤差が発生することになる。
Second, it has the effect of improving the ranging accuracy.
In
For example, if the base line length D of the pair of
δ = D · f / L = 5 mm · 5 mm / 5 m = 5 μm (6)
It becomes.
That is, in this distance measuring apparatus, when a parallax δ of 5 μm is detected, the distance L is recognized as 5 m.
For example, when resin is used for the spacing member as in the conventional example, assuming that the linear expansion coefficient α of the resin is 70 ppm / ° C., if the temperature change Δt is 10 ° C., the thermal expansion amount of the spacing member Is
D × α × Δt = 3.5 μm (7)
This is equivalent to a change in parallax of 3.5 μm.
As a result, if the temperature change is 10 ° C., a distance measurement error as large as 70% (= 3.5 μm / 5 μm) occurs even if the same distance of 5 m is measured.
一方、本実施形態においては、焦点距離保持部材(特許文献1の間隔保持部材とCCD保持部材に相当する部材)の線膨張係数が、固体撮像素子の線膨張係数と略同一の約3ppm/℃に設定されている。従って、従来例と比較して線膨張係数を小さくできるため、測定精度の環境温度変化依存性を軽減でき、環境温度が昇降した場合であっても測距精度を維持することが出来る。
本発明のように結像距離保持部材に撮像素子104a、104bの線膨張係数と略同一の材料を用いた場合は、線膨張係数αが3ppm/℃であるとすると、温度変化Δtが10℃あった場合、
D×α×Δt=0.15μm ・・・式(8)
となり、視差が0.15μm変化したと同等になる。
この結果、温度変化が10℃あると同じ距離5mを測距しても3%(=0.15μm/5μm)の測定誤差で収まることになる。
On the other hand, in the present embodiment, the linear expansion coefficient of the focal length holding member (the member corresponding to the interval holding member and the CCD holding member in Patent Document 1) is approximately 3 ppm / ° C., which is substantially the same as the linear expansion coefficient of the solid-state imaging device. Is set to Therefore, since the linear expansion coefficient can be reduced as compared with the conventional example, the dependency of the measurement accuracy on the environmental temperature change can be reduced, and the distance measurement accuracy can be maintained even when the environmental temperature rises and falls.
When a material substantially the same as the linear expansion coefficient of the
D × α × Δt = 0.15 μm (8)
This is equivalent to a change in parallax of 0.15 μm.
As a result, even if the same distance of 5 m is measured when the temperature change is 10 ° C., the measurement error falls within 3% (= 0.15 μm / 5 μm).
第三に、部品点数増によるコストアップの抑制を図ることができる。
例えば、特許文献2では、少なくとも単レンズ(2個)、レンズホルダー、遮光スペーサ、撮像領域(固体撮像素子2個)、基板、撮像素子ホルダーの6種類、8個の部品が必要になる。
一方、本発明では、図2、5、6に示すように、撮像レンズ11(2個)、焦点距離保持部材17(遮光スペーサに対応)、二連の撮像領域33を含む固体撮像素子30(1個)、電装基板40(2個)の4種類、6個の部品で従来例と同等以上の性能が得られ、部品点数を減らしコストダウンを図ることができる。
Third, it is possible to suppress an increase in cost due to an increase in the number of parts.
For example, in
On the other hand, in the present invention, as shown in FIGS. 2, 5, and 6, the solid-state imaging device 30 (including the imaging lens 11 (two), the focal length holding member 17 (corresponding to the light shielding spacer), and the two imaging regions 33). 1 type) and 4 types and 6 parts of the electrical board 40 (2 pieces), the same or better performance as the conventional example can be obtained, and the number of parts can be reduced and the cost can be reduced.
第四に、装置の小型化を図ることができる。
例えば、特許文献2では固体撮像素子を、デジタル信号プロセッサ(DSP)を含む基板へ搭載し、その基板を撮像素子ホルダー上に搭載している。さらにその基板の外周を覆うように遮光スペーサを撮像素子ホルダーに接合している。そのため、撮像面の面積は基板の面積に遮光スペーサ―の壁厚分を加えた大きさとなる。
一方、本発明では焦点距離保持部材17、51、61を固体撮像素子30の外周に合わせて組み付けるため、撮像面の面積は固体撮像素子30の面積になる。言い換えれば、撮像面の面積は撮像領域33に焦点距離保持部材17、51、61の壁厚分を加えた大きさとなり、測距用演算回路45やデジタル信号プロセッサ47を含む電装基板40のサイズによらず決定される。従って、装置の小型を図ることができる。
Fourth, the apparatus can be reduced in size.
For example, in
On the other hand, in the present invention, since the focal
10…測距装置、11…撮像レンズ、13…側壁、15…アパーチャ、17…焦点距離保持部材、19…貫通孔、30…固体撮像素子、31…シリコンウエハ、33…撮像領域、35…カバーガラス、37…半田ボール群、40…電装基板、41…電極パッド群、43…スリット、45…測距用演算回路、47…デジタル信号プロセッサ(DSP)、49…アンダーフィル材、50…測距装置、51…焦点距離保持部材、60…測距装置、61…焦点距離保持部材、63…母材、65…光遮蔽膜、70…測距装置、71…電装基板、80…測距装置、90…測距装置、101…被写体、102…カメラ、103…レンズ、104…撮像素子、106…ベース基板、107…被写体像、108…光軸、110…測距システム、111…処理基板、113…表示端末、115…外部通信部、D…基線長、f…焦点距離、X…光軸
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記焦点距離保持部材は、前記固体撮像素子に固着すると共に、前記固体撮像素子の主材料と線膨張係数が略同一であることを特徴とするカメラ装置。 A camera apparatus comprising: an imaging lens; a solid-state imaging device having an imaging region for imaging a subject image incident on the imaging lens; and a focal length holding member that holds an interval between the imaging lens and the solid-state imaging device Because
The focal length holding member is fixed to the solid-state image sensor, and has a linear expansion coefficient substantially the same as the main material of the solid-state image sensor.
前記固体撮像素子は、前記各撮像レンズに入射した被写体像を夫々撮像する複数の撮像領域を有していることを特徴とする請求項1に記載のカメラ装置。 A plurality of the imaging lenses spaced apart from each other;
The camera device according to claim 1, wherein the solid-state imaging device has a plurality of imaging regions that respectively capture subject images incident on the imaging lenses.
前記焦点距離保持部材には、前記撮像レンズに入射した前記被写体像を前記撮像領域に案内する光路となる貫通孔が光軸方向に形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のカメラ装置。 The focal length holding member is made of silicon,
The through-hole serving as an optical path for guiding the subject image incident on the imaging lens to the imaging region is formed in the focal length holding member in the optical axis direction. Camera device.
前記焦点距離保持部材には、前記撮像レンズに入射した前記被写体像を前記撮像領域に案内する光路となる貫通孔が光軸方向に形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のカメラ装置。 The focal length holding member is made of silicon carbide or silicon nitride ceramics,
The through-hole serving as an optical path for guiding the subject image incident on the imaging lens to the imaging region is formed in the focal length holding member in the optical axis direction. Camera device.
前記電装基板は、前記各電極パッド群間に形成された緩衝部を有することを特徴とする請求項2又は6に記載のカメラ装置。 It has a plurality of electrode pad groups corresponding to each imaging region, and includes an electrical board on which the solid-state imaging device is mounted across each electrode pad group,
The camera device according to claim 2, wherein the electrical board has a buffer portion formed between the electrode pad groups.
前記撮像領域からの電気信号を処理する測距用演算回路、及びデジタル信号プロセッサと、を備えたことを特徴とする測距装置。 The camera device according to any one of claims 1 to 7,
A ranging apparatus comprising: a ranging calculation circuit that processes an electrical signal from the imaging region; and a digital signal processor.
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2012
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