JP2014002222A - Camera unit and range-finding device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、三角測量の原理を用いた測距装置に適用可能なカメラユニット、及びそれを用いた測距装置に関する。 The present invention relates to a camera unit applicable to a distance measuring device using the principle of triangulation, and a distance measuring device using the same.
三角測量に基づいて測距対象物までの距離を求めることのできる小型の測距装置が従来知られている。かかる測距装置においては、測距対象物としての被写体の像をそれぞれ2つの受光素子上に結像させる結像光学系をそれぞれの受光光軸が平行となるよう配置し、各受光素子によって撮影された画像を比較して検出した各画像間のズレに基づいて被写体までの距離を測定する。
すなわち、基線長と呼ばれる2つのレンズの光軸間の距離をD、被写体からレンズまでの距離をL、レンズの焦点距離をfとし、L≫fであるときには、下記の[式1]が成り立つ。そこで、基線長D、およびレンズの焦点距離fは設計値であり既知であるから、[式1]より、視差δを検出すれば被写体までの距離Lを算出することができる。
[式1]L=D・f/δ
従来知られる三角測量の原理を用いた小型の撮像装置には、少なくとも、結像光学系を構成するレンズ、被写体像を撮影する受光素子としての撮像素子、及びレンズのバックフォーカス距離を規定する結像距離保持部材が必要になる。
レンズとしては、一般に樹脂材料を用いた樹脂レンズと、ガラス材料を用いたガラスレンズとが用いられる。それらの線膨張係数は、樹脂材料では数10ppm/℃以上、ガラス材料では10ppm/℃以上である。
Conventionally, a small distance measuring device that can obtain a distance to a distance measuring object based on triangulation is known. In such a distance measuring apparatus, an imaging optical system for forming an image of a subject as a distance measuring object on each of two light receiving elements is arranged so that the respective light receiving optical axes are parallel to each other and photographed by each light receiving element. The distance to the subject is measured on the basis of the deviation between the images detected by comparing the obtained images.
That is, when the distance between the optical axes of the two lenses, called the baseline length, is D, the distance from the subject to the lens is L, and the focal length of the lens is f, and L >> f, the following [Equation 1] holds. . Therefore, since the baseline length D and the focal length f of the lens are design values and are known, the distance L to the subject can be calculated by detecting the parallax δ from [Equation 1].
[Formula 1] L = D · f / δ
Conventionally known small image pickup devices using the principle of triangulation include at least a lens constituting an imaging optical system, an image pickup device as a light receiving element for taking a subject image, and a back focus distance of the lens. An image distance holding member is required.
As the lens, a resin lens using a resin material and a glass lens using a glass material are generally used. Their linear expansion coefficients are several tens of ppm / ° C. or more for resin materials and 10 ppm / ° C. or more for glass materials.
また、撮像素子は一般にシリコンウエハ上に半導体技術を用いて作られており、撮像素子の線膨張係数は約3ppm/℃である。
このレンズと撮像素子の線膨張係数差によって大きな歪が発生し、製造歩留が低下すると問題がある。
また、上述の[式1]における基線長D、およびレンズの焦点距離fの値が環境温度により変化することで、測距精度が低下して、測距装置としての信頼線が損なわれるという問題も生じる。
かかる問題に対し、特許文献1には、測距対象物としての被写体の画像を取得する撮像手段を、結像光学系を構成する一対の結像レンズ(レンズアレイ)及び光センサアレイにより構成し、結像距離保持部材を兼ねたレンズアレイの保持部材と光センサアレイの保持部材とを同一材料(非晶質のシクロオレフィンポリマー等の吸湿性のないプラスチック)から形成することで、周囲の温度、湿度に起因する結像レンズ間とセンサアレイ間のずれをなくし測距精度の向上を図った測距装置が提案されている。
Moreover, the image sensor is generally made on a silicon wafer using a semiconductor technology, and the linear expansion coefficient of the image sensor is about 3 ppm / ° C.
There is a problem that a large distortion occurs due to the difference in linear expansion coefficient between the lens and the image sensor, and the manufacturing yield is lowered.
In addition, since the base line length D and the focal length f of the lens in [Equation 1] described above change depending on the environmental temperature, the ranging accuracy is lowered, and the reliability line as a ranging device is impaired. Also occurs.
In order to deal with such a problem,
しかしながら、特許文献1は、レンズアレイの保持部材とセンサアレイの保持部材の材料であるプラスチック材料(樹脂材料)の線膨張係数は、撮像素子(光センサ)材料と比較して、線膨張係数が一桁程度高くなるため、結像距離保持部材(レンズアレイ保持部材及びセンサアレイ保持部材)/撮像素子間の熱疲労損傷(温度変化によるダメージであり、クラック、剥がれが主なダメージとなる)を完全に除去することは出来なかった。
この熱疲労損傷により生じる歪は撮像素子の特性にも影響を及ぼしていた。
本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、撮像レンズと撮像素子の線膨張係数に差がある場合でも、環境温度変化に強く信頼性の高いカメラユニットを提供することを目的とする。
However, in
The distortion caused by this thermal fatigue damage has also affected the characteristics of the image sensor.
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a highly reliable camera unit that is resistant to environmental temperature changes even when there is a difference in linear expansion coefficient between the imaging lens and the imaging device. And
本発明は、上記の課題を解決するために、請求項1の発明は、被写体で反射された光を結像する複数の撮像レンズと、前記被写体との対向部に前記各撮像レンズを保持する第1保持部を有し、前記第1保持部により保持される前記各撮像レンズを透過した光が夫々通過する複数の開口部を備える第1保持手段と、前記第1保持手段における前記第1保持部に対向する部位に接合されて、前記各開口部を通過した光が結像することにより前記被写体の画像が撮像される複数の撮像手段と、を備え、前記第1保持手段は、前記撮像手段の主材料と略同一の線膨張係数をもつ材料により形成され、前記各撮像レンズは、前記第1保持手段の前記第1保持部に非接着にて保持されているカメラユニットを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a plurality of imaging lenses that form an image of light reflected by a subject, and each of the imaging lenses held at a portion facing the subject. A first holding unit having a first holding unit and having a plurality of openings through which the light transmitted through the imaging lenses held by the first holding unit passes, and the first holding unit; A plurality of imaging means that are joined to a part facing the holding part and image the light of the subject by imaging the light that has passed through each opening, and the first holding means includes The camera unit is formed of a material having substantially the same linear expansion coefficient as the main material of the image pickup means, and each of the image pickup lenses is held by the first holding portion of the first holding means in a non-adhesive manner. To do.
上記のように構成したので、本発明によれば、周囲の温度に起因する測距精度の低下を抑制し、線膨張係数差の影響により生じる各部材間の剥がれや歪みの軽減を図ったカメラユニットを提供することが出来る。 With the above configuration, according to the present invention, a camera that suppresses a decrease in distance measurement accuracy due to the ambient temperature and reduces peeling and distortion between members caused by the difference in linear expansion coefficient is achieved. Units can be provided.
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。
図1は、本発明の実施の形態に適用可能な三角測量による測距の基本原理を説明する図である。
図1において、被写体101からの光を同一の光学系からなる2台のカメラ(第1のカメラ102a、第2のカメラ102b)を配置して撮影する場合を考える。
第1のカメラ102aと第2のカメラ102bは例えばベース基板106上に固定されており、それぞれの光軸が平行になるように配置されている。
第1のカメラ102aでは第1のレンズ103aを通して得た第1の被写体像107aは、第1の被写体像上の同一点がδ1だけ光軸からずれて第1の撮像素子104aに投影され、第1の撮像素子104a上の撮像領域にある多数の受光素子(画素)で受光され電気信号に変換される。
同様に、第2のカメラ102bでは、第2のレンズ103bを通して得た第2の被写体像107bは、被写体像上の同一点がδ2だけ光軸からずれて第2の撮像素子104bに投影され、第2の撮像素子104b上の撮像領域にある多数の受光素子(画素)で受光され電気信号に変換される。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram for explaining the basic principle of distance measurement by triangulation applicable to the embodiment of the present invention.
In FIG. 1, a case is considered in which light from a
The
In the
Similarly, in the
視差δ(δ1、δ2)は、2つの光軸を含む面内で2つの光軸に垂直な方向にずれとして生じる。よって、被写体101の矢印方向をプラス座標、その反対方向をマイナス座標とした場合、被写体像107aはプラス方向にδ1だけずれ、被写体像107bはマイナス方向にδ2だけずれるので、δ=δ1−(−δ2)で表すことが出来る。
[式1]L=D・f/δ
より、基線長D、およびレンズの焦点距離fは設計値であり既知であるから、視差δを検出すれば被写体までの距離Lを算出することができる。
The parallax δ (δ1, δ2) is generated as a shift in a direction perpendicular to the two optical axes in a plane including the two optical axes. Therefore, when the arrow direction of the
[Formula 1] L = D · f / δ
Accordingly, since the baseline length D and the focal length f of the lens are design values and are known, the distance L to the subject can be calculated by detecting the parallax δ.
以下に、上記したステレオ測距を行う測距装置に適用可能なカメラユニットの構成を瀬説明する。
なお、以下の実施例では、測距装置に用いる2つのカメラを有するステレオカメラユニットを例にあげて説明しているが、それに限らず、3つの以上カメラを備えた複眼カメラ、あるいは単一のカメラを有する単眼カメラにも適用可能であることは言うまでもない。
The configuration of the camera unit applicable to the distance measuring device that performs the above-described stereo distance measurement will be described below.
In the following embodiments, a stereo camera unit having two cameras used in the distance measuring device is described as an example. However, the present invention is not limited to this, and a compound eye camera having three or more cameras or a single camera unit is used. Needless to say, the present invention is also applicable to a monocular camera having a camera.
[第1の実施形態]
図2は、本発明の第1の実施形態にかかるカメラユニットの構成例を示す断面図である。
図2に示すカメラユニットは、図示しない測距用演算回路、デジタル信号プロセッサー(DSP)を含む回路が設けられる電装基板116と、電装基板116上に設けた電極119上に実装された複数、例えば2つの固体撮像素子(第1の固体撮像素子117a、第2の固体撮像素子117b)と、第1の固体撮像素子117a、第2の固体撮像素子117bの一面に設けられた撮像素子(第1の撮像素子114a、第2の撮像素子114b)に被写体像を結像するための撮像レンズ(第1の撮像レンズ111a、第2の撮像レンズ111b)と、撮像レンズを被写体側に有する保持部(第1保持部)113Aに保持しつつ、撮像レンズ(第1の撮像レンズ111a、第2の撮像レンズ111b)から固体撮像素子(第1の固体撮像素子117a、第2の固体撮像素子117b)までの結像距離を保持するための部材である第1保持手段としての結像距離保持部材113と、結像距離保持部材113と共に撮像レンズ(第1の撮像レンズ111a、第2の撮像レンズ111b)を挟み込んで固定する部材である第2保持手段としての撮像レンズ保持部材112と、を備えている。
[First Embodiment]
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration example of the camera unit according to the first embodiment of the present invention.
The camera unit shown in FIG. 2 includes a distance measurement arithmetic circuit, an
図2において、結像距離保持部材113は、撮像レンズ(第1の撮像レンズ111a、第2の撮像レンズ111b)と固体撮像素子(第1の固体撮像素子117a、第2の固体撮像素子117b)における撮像素子114a、114bの形成面の間に設けられている。
第1の撮像レンズ111a、第2の撮像レンズ111bの各光軸中心は、撮像素子114a、114bの各中心と一致するように位置整合されている。
In FIG. 2, the imaging
The optical axis centers of the
撮像レンズ(第1の撮像レンズ111a、第2の撮像レンズ111b)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。なお、ガラスレンズは、樹脂レンズよりも高価でありコスト面では不利であるが、樹脂レンズと比較して線膨張係数が小さく、高い測定精度を確保する上で効果があるため、本発明の構成としては有利である。
なお、本実施形態では、撮像レンズ(第1の撮像レンズ111a、第2の撮像レンズ111b)はガラス材をプレス成形し加工した。
第1の撮像レンズ111a、第2の撮像レンズ111bの光学ガラス材料は、例えば、株式会社住田光学ガラス社製のK−VC78用いることが出来る。
もちろん、第1の撮像レンズ111a、第2の撮像レンズ111bはK−VC78に限られたものではなく、光学ガラス材料であれば光学設計に応じて選択できる。
さらに、撮像レンズ保持部材112と結像距離保持部材113とは、同一部材よりなり、本実施形態では、共にシリコンを用いて作製されている。
As the imaging lens (the
In the present embodiment, the imaging lenses (the
As the optical glass material of the
Of course, the
Furthermore, the imaging
また、撮像手段としての固体撮像素子(第1の固体撮像素子117a、第2の固体撮像素子117b)において、撮像素子(第1の撮像素子114a、第2の撮像素子114b)の受光部の反対側にはTSV(Through Silicon Via)をもって各撮像素子114a、114bの電極を引き出しており、その引き出した電極に半田ボール118を配している。
すなわち、固体撮像素子117(第1の固体撮像素子117a、第2の固体撮像素子117b)は、電装基板116上の電極119に半田ボール118を介してSMT(Surface Mount Technology)実装されている。
更に、半田ボール118による接合の信頼性確保を目的に、半田ボール118で接合した固体撮像素子(第1の固体撮像素子117a、第2の固体撮像素子117b)と電装基板116の間にアンダーフィル剤120を形成している。
Further, in the solid-state image pickup device (first solid-state
That is, the solid-state imaging device 117 (first solid-
Further, for the purpose of ensuring the reliability of the joining with the solder balls 118, an underfill is provided between the solid-state imaging device (the first solid-
第1の固体撮像素子117a、第2の固体撮像素子117bにおいて、夫々第1の撮像素子114a、第2の撮像素子114bが撮像素子面を基準に同一平面上に一列に並んでおり、撮像素子114a、114bの中心間の距離が図1で説明した基線長Dとなるような距離をもって、配置されている。
固体撮像素子(第1の固体撮像素子117a、第2の固体撮像素子117b)としては、CCD(Charge Coupled Device:電荷結合素子)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor:相補型金属酸化膜半導体)を用いることができるが、本実施形態ではCMOSを採用している。
In the first solid-
As the solid-state imaging device (the first solid-
また、2つの撮像レンズ(第1の撮像レンズ111a、第2の撮像レンズ111b)は、それらの中心間距離が基線長D(図1)の距離となり、それぞれの光軸が撮像素子114a、114bの面に対して直交するように配置している。
また、上述の結像距離保持部材113は、第1の撮像レンズ111a、第2の撮像レンズ111bのバックフォーカスを規定できる厚さのシリコンウエハに第1の撮像レンズ111a、111bから固体撮像素子117a、117bまでの光路を確保するための2つの開口(貫通孔)113a、113bが備えている。
なお、開口113a、113bの中心と、第1の撮像レンズ111a、第2の撮像レンズ111bの各光軸とが一致するように構成されている。
結像距離保持部材113の材料には、固体撮像素子(第1の固体撮像素子117a、第2の固体撮像素子117b)の主材料と同じくシリコンを採用している。
The two imaging lenses (the
In addition, the imaging
The centers of the
As the material of the imaging
また、固体撮像素子(第1の固体撮像素子117a、第2の固体撮像素子117b)には、撮像素子114a、114bの保護(キズ防止、ゴミの付着等)を目的に、撮像素子114a、114bの受光部側にカバーガラス115a、115bを設けている。
ここで用いるカバーガラス(カバーガラス115a、115b)は、固体撮像素子117a、117bの線膨張係数に近い材料を用いることが好ましい。本実施例ではα=4.5ppm/℃の線膨張係数を持つAF45(shott製)を用いた。
結像距離保持部材113の材質を、(カバーガラス115を含む)固体撮像素子の線膨張係数と同一のシリコンにしているので、固体撮像素子(第1の固体撮像素子117a、第2の固体撮像素子117b)と結像距離保持部材113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を図ることが出来る。
一対の撮像レンズと一対の撮像素子で挟み込んだ結像距離保持部材113の材質を撮像素子117の線膨張係数と略同一にすることで、結像距離保持部材/撮像素子間に生じる歪を低減でき、撮像素子の特性低下を回避できる。
それにより、このステレオカメラを用いた測距装置の信頼性が向上させることが出来る。
The solid-state imaging devices (the first solid-
The cover glass (
Since the imaging
By making the material of the imaging
Thereby, the reliability of the distance measuring apparatus using this stereo camera can be improved.
また、線膨張係数の小さいシリコンを結像距離保持部材113に適用しているため、基線長の環境温度依存は小さくなり、距離測定の環境温度依存を抑制することができる。
さらに、撮像レンズ保持部材112と結像距離保持部材113とは、可視光に対して不透明であるので、隣接するカメラ(撮像レンズ、結像距離保持部材、撮像素子の組み合わせ)同士での光のクロストークを防止することが出来る。
撮像レンズ保持部材112及び結像距離保持部材113を構成するシリコンは、可視光域に対して不透明なので、結像距離保持部材113に対して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し、撮像レンズ保持部材112は絞りとして機能する。よって、遮光構造形成の製造工数の削減を図ることが出来る。
In addition, since silicon having a small linear expansion coefficient is applied to the imaging
Furthermore, since the imaging
Since the silicon constituting the imaging
図3は、第1の実施形態において撮像レンズ保持部材に撮像レンズを組み込むための構造を示す図であり、(A)は、撮像レンズを組み込む前の撮像レンズ保持部材の像面側正面図(a)及びA−A’断面図(b)、(B)は撮像レンズの像面側正面図、(C)は、撮像レンズを組み込んだ後の撮像レンズ保持部材の像面側正面図(a)及びA−A’断面図(b)である。
図3(A)に示すように、撮像レンズ保持部材112の第2保持部112Aには第1の撮像レンズ111a、第2の撮像レンズ111bの外形に沿った溝112a、112bが形成されており、その溝に、第1の撮像レンズ111a、第2の撮像レンズ111bをはめ込んで組み付ける。
なお、撮像レンズの外形に合った溝は、結像距離保持部材113側に形成し、その溝に撮像レンズをはめ込むようにしてもよい。また、撮像レンズ保持部材112、結像距離保持部材113の双方に、撮像レンズをはめ込むための溝を形成してもよい。
図3(B)に示すように、第1の撮像レンズ111a、第2の撮像レンズ111bのつばには、鍵ザキ111cが三ヶ所に設けられており、図3(C)に示す組付け時に、溝内で第1の撮像レンズ111a、第2の撮像レンズ111bが回転しないように設計されている。
この形状以外にも、第1の撮像レンズ111a、第2の撮像レンズ111bが回転しないよう自由に設計することができる。
FIG. 3 is a diagram illustrating a structure for incorporating the imaging lens into the imaging lens holding member in the first embodiment, and FIG. 3A is a front view of the imaging surface of the imaging lens holding member before the imaging lens is assembled ( (a) and AA ′ cross-sectional views (b) and (B) are image plane side front views of the imaging lens, and (C) is an image plane side front view of the imaging lens holding member after the imaging lens is assembled (a). ) And AA ′ cross-sectional view (b).
As shown in FIG. 3A,
A groove that matches the outer shape of the imaging lens may be formed on the imaging
As shown in FIG. 3 (B), the
Besides this shape, the
図4は、第1の実施形態に係る測距装置における撮像部(カメラユニット)の製造工程を示す断面図である。
なお、図4において、図2と同じ構成要素には、図2と同じ参照符号を付している。
まず、図4(a)に示すような結像距離保持部材113を準備する。
結像距離保持部材113には2つの開口(貫通孔)113a、113bが形成されている。2つの開口113a、113bの中心間距離が基線長D(図1)の距離になるよう設計されている。なお、図2で説明したように、結像距離保持部材113の母材には、シリコン材を用いた。
上記のように、母材のシリコンは可視光域で不透明な部材なので、隣接する撮像素子114a、114b間を遮光する遮光構造を兼ねることが出来る。そのため、別途遮光構造を作り込む必要がないため、製造コスト削減に繋がる。
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the imaging unit (camera unit) in the distance measuring apparatus according to the first embodiment.
In FIG. 4, the same components as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals as those in FIG.
First, an imaging
The imaging
As described above, since the base silicon is an opaque member in the visible light region, it can also serve as a light shielding structure that shields light between the
次に、図4(b)に示すように、結像距離保持部材113の開口113a、113bの中心に対して、第1の撮像素子114a、第の2の撮像素子114bの中心を位置整合して、固体撮像素子117a、117bを接着固定する。
固体撮像素子(第1の固体撮像素子117a、第2の固体撮像素子117b)は、撮像素子(第1の撮像素子114a、第2の撮像素子114b)の保護(キズ防止、ゴミの付着等)を目的に、撮像素子114a、114bの受光部側にカバーガラス115を設けており、結像距離保持部材113にはカバーガラス115の面(入射面)が接着固定されている。
Next, as shown in FIG. 4B, the centers of the
The solid-state imaging device (first solid-
また、固体撮像素子117a、117bは撮像素子114a、114bの反対側へTSV(Through Silicon Via)によって引き出し電極が形成されており、その電極表面には上述の半田ボール/BGA(Ball Grid Array)118が形成されている。
BGA118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。
合金の成分としては、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-
As the BGA 118, for example, a tin (Sn), silver (Ag), or copper (Cu) based alloy that does not contain lead can be used.
As a component of the alloy, Sn-30% Ag-0.5% Cu is the mainstream. However, if the silver content increases, the cost increases. Therefore, Sn-10% Ag having a low silver composition is used to reduce the cost. -0.7% Cu, Sn-0.3% Ag-0.7% Cu, Sn-0.1% Ag-0.7% Cu, or the like may be used.
次に、図4(c)に示すように、結像距離保持部材113上へ第1の撮像レンズ111a、111bを置き、撮像レンズ保持部材112を結像距離保持部材113上に接着することによって蓋をする。
図4(b)乃至図4(c)に示した、貼り合わせ工程では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、耐熱エポキシ接着剤、変性シリコーン系接着剤等が適している。ここで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)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、一液性が故に取扱が容易な点で生産性の高い材料である。接着剤の厚みは0.2mmに調整した。
Next, as shown in FIG. 4C, the
In the bonding process shown in FIGS. 4B to 4C, an adhesive that can withstand a lead-free reflow process at about 270 ° C. is preferable, and a heat-resistant epoxy adhesive, a modified silicone adhesive, and the like are suitable. Yes. Here, Alemco Bond 570 (Alemco Products, USA), which is a high heat-resistant epoxy adhesive, was used.
Alemcobond 570 is a one-component adhesive having a heat resistant upper limit of 316 ° C. It is a highly productive material that can withstand lead-free reflow and is easy to handle due to its one-part nature. The thickness of the adhesive was adjusted to 0.2 mm.
最後に、図4(d)に示すように、図4(c)で出来た部品におけるBGA118を、電装基板116上の撮像素子基板電極パッド119に位置整合し、リフロー炉に通すことで電気的接続を行った。
更に、電気接続部の信頼性向上のために、アンダーフィル剤120を流し込みBGA118の周辺を固定した。これも、図2において説明したとおりである。
なお、本実施形態において、結像レンズ(第1の撮像レンズ111a、第2の撮像レンズ111b)は、撮像レンズ保持部材112や結像距離保持部材113に接着固定していない。
図3で説明したように、結像レンズを、撮像レンズ保持部材112に設けた溝112a、112b(あるいは、結像距離保持部材113に設けた溝)の中にはめ込んだ状態で、撮像レンズ保持部材112を結像距離保持部材113に貼り付けることによって、結像距離保持部材113と撮像レンズ保持部材112との間に、撮像レンズ(第1の撮像レンズ111a、第2の撮像レンズ111b)を保持する。
本実施形態では、撮像レンズ(第1の撮像レンズ111a、第2の撮像レンズ111b)を、撮像レンズ保持部材112や結像距離保持部材113に接着していないので、これらの部材112、113と撮像レンズとの材料の違いに起因した線膨張係数差により生じる、レンズ歪の発生を抑制することが出来る。
Finally, as shown in FIG. 4D, the BGA 118 in the component made in FIG. 4C is aligned with the image sensor
Further, in order to improve the reliability of the electrical connection portion, an
In the present embodiment, the imaging lens (the
As described with reference to FIG. 3, the imaging lens is held in a state where the imaging lens is fitted in the
In the present embodiment, the imaging lenses (the
また、上記のように線膨張係数が異なる撮像レンズ111a、111bと結像距離保持部材113は接着接合しなくて良い構造をとっているので、周囲の温度(環境温度変化)によるに起因する撮像レンズ/結像距離保持部材間の歪みの発生や、剥離防止を図ることが出来る。
また、第1の実施形態では、2つの撮像レンズ、すなわち第1の撮像レンズ111a、第2の撮像レンズ111bを物理的に分離し、且つ、撮像レンズ保持部材112と結像距離保持部材113との間に(接着せず)挟み込んでいるため、撮像レンズ間の距離の環境温度変化は、撮像レンズ保持部材112と結像距離保持部材113の線膨張係数で決定される。
そして、線膨張係数の小さいシリコンを撮像レンズ保持部材112と結像距離保持部材113の双方に適用しているため、基線長Dの環境温度依存が小さくなり、距離測定の環境温度依存を抑制することが出来、測定精度の向上を図ることが出来る。
それに加えて、2つの撮像レンズを物理的に分断して個々の2つのレンズにして組み付けているため、線膨張係数の違う材料を用いても部材間で生じる温度変化による影響は無視できる。
Further, as described above, the
In the first embodiment, the two imaging lenses, that is, the
Since silicon having a small coefficient of linear expansion is applied to both the imaging
In addition, since the two imaging lenses are physically divided into two individual lenses and assembled, even if materials having different linear expansion coefficients are used, the influence due to temperature change between members can be ignored.
レンズアレイではなく物理的に分離(独立)した2つの単レンズを用いた効果について、図1、図2に基づいて詳しく説明する。
例えば、図2の例において、一対の撮像レンズ111a、111bの基線長Dを5mm、各レンズの口径Φを1mmとすると、2つの撮像レンズが一体(レンズアレイ)の場合はレンズ列方向が6mm以上の長さになる。
撮像レンズ111a、111bと結像距離保持部材113との接合面長尺長さAを6mm、結像距離保持部材113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、下記の[式2]と[式3]より、2つの撮像レンズが一体の場合は温度変化Δtが10℃で約4μmの差が生じることになる。
[式2]A×α1×Δt=0.18μm
[式3]A×α2×Δt=4.2μm
一方、2つの撮像レンズが物理的に分断された単レンズにした場合は、レンズ列方向の長さはレンズ口径Φの長さで1mm以上の長さになる。
The effect of using two single lenses that are physically separated (independent) instead of the lens array will be described in detail with reference to FIGS.
For example, in the example of FIG. 2, when the base line length D of the pair of
The joint surface length length A of the
[Formula 2] A × α1 × Δt = 0.18 μm
[Formula 3] A × α2 × Δt = 4.2 μm
On the other hand, when the two imaging lenses are made into a single lens that is physically divided, the length in the lens array direction is equal to or longer than 1 mm in terms of the lens aperture Φ.
撮像レンズ111a、111bと、結像距離保持部材113の接合面長尺長さAを1mm、結像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、
下記の[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にした場合は温度変化Δtが10℃で0.67μmの差が生じることになる。
[式4]A×α1×Δt=0.03μm
[式5]A×α2×Δt=0.7μm
よって、温度変化Δtが10℃の時、撮像レンズと結像距離保持部材の長さの差が、2つの撮像レンズが一体の場合は約4μmだったのに対して、2つの撮像レンズが物理的に分断された単レンズにした場合は0.67μmになることが判る。
The joint surface length length A of the
From the following [Expression 4] and [Expression 5], when the two imaging lenses are made into a single lens that is physically divided, a difference of 0.67 μm occurs at a temperature change Δt of 10 ° C.
[Formula 4] A × α1 × Δt = 0.03 μm
[Formula 5] A × α2 × Δt = 0.7 μm
Therefore, when the temperature change Δt is 10 ° C., the difference in length between the imaging lens and the imaging distance 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 when the single lens is divided into 0.67 μm.
2つの撮像レンズが物理的に分離され、結像距離保持部材にて保持されることで、2つの撮像レンズ間距離の温度特性は、結像距離保持部材113の温度特性でほぼ決定される。
その結像距離保持部材の線膨張係数は、本実施形態では撮像素子の線膨張係数と略同一の約3〜5ppm/℃であり、上述した特許文献1におけるプラスチック材料(樹脂材料)の線膨張係数と比較して一桁程小さくなる。従って、一対の結像レンズ間距離の周囲の温度に起因する変化は小さくでき、測距精度の向上を図ることが出来る。
Since the two imaging lenses are physically separated and held by the imaging distance holding member, the temperature characteristic of the distance between the two imaging lenses is almost determined by the temperature characteristic of the imaging
In this embodiment, the linear expansion coefficient of the imaging distance holding member is about 3 to 5 ppm / ° C., which is substantially the same as the linear expansion coefficient of the image sensor, and the linear expansion of the plastic material (resin material) in
(1)測距精度の向上について
特許文献1では結像レンズと、結像レンズの保持部材と、光センサアレイの保持部材を吸湿性のないプラスチックからなる同一材料により形成すると記載されている。吸湿性のないプラスチックとしては、非晶質のシクロオレフィンポリマーを用いると記載されている。
よって、基線長D(図1参照)の環境温度変化による測距精度は結像レンズの保持部材と、光センサアレイの保持部材の線膨張係数で決まる。非晶質のシクロオレフィンポリマーの線膨張係数は一般に約70ppm/℃である。
例えば、一対の第1のレンズ103a、第2のレンズ103bの基線長Dを5mm、第1のレンズ103a、第2のレンズ103bの中心から被写体までの距離Lを5m、第1のレンズ103a、第2のレンズ103bの焦点距離fを5mmとすると、[式1]から視差δは、
[式6]δ=D・f/L=5μm
となる。
(1) Improvement of ranging
Therefore, the distance measurement accuracy due to the environmental temperature change of the base line length D (see FIG. 1) is determined by the linear expansion coefficient of the holding member of the imaging lens and the holding member of the optical sensor array. The linear expansion coefficient of amorphous cycloolefin polymer is generally about 70 ppm / ° C.
For example, the base line length D of the pair of
[Formula 6] δ = D · f / L = 5 μm
It becomes.
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、上述の特許文献1のように結像距離保持部材にプラスチックを用いた場合は、プラスチックの線膨張係数αが70ppm/℃であるとすると、温度変化Δtが10℃あった場合、
[式7]D×α×Δt=3.5μm
となり、視差が3.5μm変化したのと同等になる。
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。
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, in the case where plastic is used for the imaging distance holding member as in
[Formula 7] D × α × Δt = 3.5 μm
This is equivalent to changing the parallax by 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、本発明の場合、結像距離保持部材113(特許文献1の結像レンズの保持部材と、光センサアレイの保持部材の位置に相当)が撮像素子の線膨張係数と略同一であり、3〜5ppm/℃になるので、従来例と比較して線膨張係数は小さくできるため測定精度の環境温度変化依存は軽減でき、高精度に距離測定が出来る。
本発明のように結像距離保持部材113に撮像素子(第1の撮像素子104a、第2の撮像素子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、
[式8]D×α×Δt=0.15μm
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)の測距誤差で収まることになる。
さらに、撮像素子よりも線膨張係数が大きい撮像レンズ(ガラスレンズまたはプラスチックレンズ)は物理的に分離した2つの単レンズを用いていることで、レンズ間距離の温度依存性は結像距離保持部材の線膨張係数でほぼ決まる構造なので、測定精度の向上を図れる。
On the other hand, in the case of the present invention, the imaging distance holding member 113 (corresponding to the positions of the imaging lens holding member and the photosensor array holding member of Patent Document 1) is substantially the same as the linear expansion coefficient of the image sensor. Since it becomes 3-5 ppm / ° C., the coefficient of linear expansion can be reduced as compared with the conventional example, so that the dependence of measurement accuracy on environmental temperature change can be reduced, and distance measurement can be performed with high accuracy.
When the material substantially the same as the linear expansion coefficient of the image sensor (the
[Formula 8] D × α × Δt = 0.15 μm
This is equivalent to a change in parallax of 0.15 μm.
As a result, if the temperature change is 10 ° C., even if the same distance of 5 m is measured, the distance measurement error is 3% (= 0.15 μm / 5 μm).
Furthermore, the imaging lens (glass lens or plastic lens) having a larger linear expansion coefficient than the imaging device uses two physically separated single lenses, and the temperature dependence of the distance between the lenses is an imaging distance holding member. Since the structure is almost determined by the linear expansion coefficient, the measurement accuracy can be improved.
(2)線膨張係数差の影響により生じる各部材間の剥がれの軽減について
上述の特許文献1では、結像レンズと、結像レンズの保持部材と、光センサアレイの保持部材を吸湿性のないプラスチックからなる同一材料により形成されている。また、吸湿性のないプラスチックとしては、非晶質のシクロオレフィンポリマーを用いている。
光センサアレイはCCDなので、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/℃になる。
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(登録商標)などがある。それらの線膨張係数は約70ppm/℃で、光センサアレイの母材の線膨張係数と比較して約20倍大きい。
そのため、部材間の線膨張係数差が大きいと、熱疲労損傷を受けることになる。熱膨張係数の異なる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レンズと固体撮像素子間の位置ズレが発生し、計測再現性が得られなくなる問題や拘束の弱い所から破壊が始まる問題が生じる。
(2) Reduction of peeling between members caused by the difference in linear expansion coefficient In
Since the optical sensor array is a CCD, it is made on a silicon wafer, so its linear expansion coefficient is about 3 ppm / ° C.
Amorphous cycloolefin polymers include heat-resistant polycarbonate and ZEONEX (registered trademark). Their linear expansion coefficient is about 70 ppm / ° C., which is about 20 times larger than the linear expansion coefficient of the matrix of the optical sensor array.
Therefore, if the difference in coefficient of linear expansion between members is large, thermal fatigue damage will occur. In a device composed of parts having different coefficients of thermal expansion, the problem of thermal stress accompanying 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 lens and the solid-state imaging device, resulting in a problem that measurement reproducibility cannot be obtained, or a problem that damage starts from a place where the constraint is weak.
本発明は結像距離保持部材(特許文献1の結像レンズの保持部材と、光センサアレイの保持部材の位置に当る)を撮像素子の線膨張係数と略同一にすることで、結像距離保持部材と撮像素子間での熱疲労損傷を軽減している。
さらに、撮像素子よりも線膨張係数が大きい撮像レンズ(ガラスレンズまたはプラスチックレンズ)は物理的に分離した2つの単レンズを用いていることで、レンズ間距離の温度依存性は結像距離保持部材の線膨張係数でほぼ決まる構造なので、測定精度の向上を図れる。
但し、撮像レンズと結像距離保持部材とは線膨張係数差が大きいため、物理的に分離した2つの単レンズを用いて熱疲労損傷の軽減を図っている。それに加えて、撮像レンズの外形形状に合わせて落とし込む形状をもった撮像レンズ保持部材と結像距離保持部材で保持して、撮像レンズと結像距離保持部材は接着固定していないので、環境温度変化による部材間の剥離を回避できる。
In the present invention, the imaging distance holding member (corresponding to the positions of the holding member of the imaging lens and the holding member of the optical sensor array in Patent Document 1) is made substantially the same as the linear expansion coefficient of the image sensor, thereby forming the imaging distance. Thermal fatigue damage between the holding member and the image sensor is reduced.
Furthermore, the imaging lens (glass lens or plastic lens) having a larger linear expansion coefficient than the imaging device uses two physically separated single lenses, and the temperature dependence of the distance between the lenses is an imaging distance holding member. Since the structure is almost determined by the linear expansion coefficient, the measurement accuracy can be improved.
However, since the imaging lens and the imaging distance holding member have a large difference in linear expansion coefficient, thermal fatigue damage is reduced by using two physically separated single lenses. In addition, the imaging lens holding member and the imaging distance holding member, which have a shape to be dropped according to the outer shape of the imaging lens, are held and the imaging lens and the imaging distance holding member are not bonded and fixed. Separation between members due to changes can be avoided.
[第2の実施形態]
図5は、本発明の第2の実施形態に係るカメラユニットの構成を示す断面図である。
本実施形態では、結像距離保持部材、撮像レンズ保持部材にセラミックを採用している。
固体撮像素子217(第1の固体撮像素子217a、第2の固体撮像素子217b)は、2つの撮像素子214a、214bが撮像素子面を基準に同一平面上に一列に並んでおり、その撮像素子中心間距離が基線長になるよう距離を置いて配置されている。
固体撮像素子(第1の個体撮像素子217a、第2の個体撮像素子217b)としては、図2に示した第1の実施形態と同様に、CCDやCMOSを用いることができるが、本実施例ではCMOSを採用している。
2つの撮像レンズ(第1の撮像レンズ211a、第2の撮像レンズ211b)は、中心間距離を基線長D(図1)の距離とし、各撮像レンズ(第1の撮像レンズ211a、第2の撮像レンズ211b)の光軸が撮像素子(第1の撮像素子214a、第2の撮像素子214b)の面に対して直交するように配置している。
[Second Embodiment]
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration of a camera unit according to the second embodiment of the present invention.
In the present embodiment, ceramic is used for the imaging distance holding member and the imaging lens holding member.
The solid-state imaging device 217 (first solid-
As the solid-state imaging device (first solid-
The two imaging lenses (the
撮像レンズ211a、211b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ことは第1の実施形態と同様である。
第1保持手段としての結像距離保持部材213は、被写体側の第1保持部213Aに配置した撮像レンズ(第1の撮像レンズ211a、第2の撮像レンズ211b)から固体撮像素子(第1の固体撮像素子217a、第2の固体撮像素子217b)までの結像距離を保持するための結像距離保持部材であり、撮像レンズの各光軸をそれぞれ中心とする開口(貫通孔)213a、213bを備えている。
As the
The imaging
また、結像距離保持部材213は、撮像レンズ(第1の撮像レンズ211a、第2の撮像レンズ211b)に対して被写体とは反対側の像面側と固体撮像素子(第1の固体撮像素子217a、第2の固体撮像素子217b)の撮像素子214a、214bの形成面の間に設けられている。
撮像レンズ保持部材212は、撮像レンズ(第1の撮像レンズ211a、第2の撮像レンズ211b)上に位置し、像面側の第2保持部212Aにおいて、結像距離保持部材213と共に、撮像レンズを挟み込んでいる。
撮像レンズ保持部材212の具体的な構造は、図3に示した第1の実施形態の撮像レンズ保持部材112と同様である。
本実施例では、撮像レンズ保持部材212に炭化珪素(SiC)系のセラミックス材料を適用した。
The imaging
The imaging
The specific structure of the imaging
In this embodiment, a silicon carbide (SiC) ceramic material is applied to the imaging
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は、炭化珪素(SiC)系のセラミックス材料が3〜4ppm/℃、窒化珪素(Si3N4)のセラミックス材料が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(第1の固体撮像素子217a、第2の固体撮像素子217b)の線膨張係数と略同一にできるため、結像距離保持部材213の材料としては適している。
撮像素子と結像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。
基線長の環境温度依存は小さくなり、距離測定の環境温度依存を抑制できる。そのため、測距装置の信頼性が向上する。
なお、固体撮像素子(第1の固体撮像素子217a、第2の固体撮像素子217b)の主材料であるシリコンウエハの線膨張係数は約3ppm/℃であり、固体撮像素子のカバーガラスに使用されている材料はshott社製のAF45で、その線膨張係数は4.5ppm/℃である。
Silicon carbide (SiC) -based and silicon nitride (Si 3 N 4 ) -based ceramic materials, which are covalent bonding materials having strong bonding forces between atoms, are composed of silicon carbide (SiC) -based ceramic materials at 3 to 4 ppm / ° C. Many ceramic materials of silicon (Si 3 N 4 ) having a linear expansion coefficient of 2 to 3 ppm / ° C. have been commercialized, and solid-state image sensors (first solid-
Ensuring the bonding strength between the imaging element and the imaging distance holding member is facilitated, and thermal fatigue due to the difference in linear expansion coefficient between the members can be reduced.
The dependence of the baseline length on the environmental temperature is reduced, and the dependence of the distance measurement on the environmental temperature can be suppressed. Therefore, the reliability of the distance measuring device is improved.
In addition, the linear expansion coefficient of the silicon wafer which is the main material of the solid-state image sensor (the first solid-
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、新たにクロストークを防止する光遮蔽部材を付与する必要が無い。よって、遮光構造形成の製造工数の削減、コストの削減が図れる。
固体撮像素子(第1の固体撮像素子217a、第2の固体撮像素子217b)は撮像素子(第1の撮像素子214a、第2の撮像素子214b)の保護(キズ防止、ゴミの付着等)を目的に、撮像素子214(第1の撮像素子214a、第2の撮像素子214b)の受光部側にカバーガラス215を設けている。
また、撮像素子(第1の撮像素子214a、第2の撮像素子214b)の受光部の反対側にはTSV(Through Silicon Via)をもって各撮像素子214a、214bの電極を引き出しており、その引き出した電極に半田ボール218a、218bを配している。
電装基板216は、測距用演算回路、デジタル信号プロセッサー(DSP)を含む回路が設けられている。電装基板216上の電極219には、固体撮像素子217a、217bが半田ボール218a、218bを介してSMT(Surface Mount Technology)実装している。更には半田ボール218a、218b接合の信頼性確保を目的にアンダーフィル剤220を半田ボール218a、218bで接合した固体撮像素子217a、217bと電装基板216の間に形成する。
In addition, silicon carbide-based and silicon nitride-based ceramics are opaque to the visible light range, and the material itself has a light shielding effect, and it is necessary to newly provide a light shielding member for preventing crosstalk. No. Therefore, it is possible to reduce the number of manufacturing steps for forming the light shielding structure and the cost.
The solid-state image sensor (first solid-
In addition, the electrodes of the
The
図6は、第2の実施形態において、撮像レンズ保持部材と結像距離保持部材に撮像レンズ(第1の撮像レンズ211a、第2の撮像レンズ211b)を組み込むための構造を示す図であり、(A)は、撮像レンズを組み込む前の撮像レンズ保持部材の像面側正面図(a)及びA−A’断面図(b)、(B)は撮像レンズの像面側正面図(a)及びA−A’断面図(b)、(C)は、撮像レンズ211を組み込む前の結像距離保持部材213の像面側正面図(a)及びA−A’断面図(b)、(D)は、撮像レンズ211を組み込んだ後の、カメラユニット要部の像面側正面図(a)及びA−A’断面図(b)である。
図6(A)に示すように、撮像レンズ保持部材212と結像距離保持部材213には撮像レンズ(第1の撮像レンズ211a、第2の撮像レンズ211b)の外形に沿った溝212a、212bが形成されており、その溝212a、212bに第1の撮像レンズ211a、第2の撮像レンズ211bをはめ込んで組み付ける。
第1の撮像レンズ211a、第2の撮像レンズ211bのつばには、鍵ザキ211cが三ヶ所に設けられており、撮像レンズ(第1の撮像レンズ211a、第2の撮像レンズ211b)が、溝212a、212b内で回転しないように設計されている。
FIG. 6 is a diagram showing a structure for incorporating an imaging lens (
As shown in FIG. 6A, the imaging
この形状以外にも、撮像レンズ(第1の撮像レンズ211a、第2の撮像レンズ211b)が回転しないよう自由に設計することができる。
なお、撮像レンズの外形に合った溝は、結像距離保持部材213の第1保持部213A側に形成しても、撮像レンズ保持部材212の第2保持部212A側に形成してもよく、さらに、撮像レンズ保持部材212、結像距離保持部材213の双方に撮像レンズをはめ込むための溝を形成してもよい。
Besides this shape, the imaging lens (the
The groove that matches the outer shape of the imaging lens may be formed on the
[第3の実施形態]
図7は、本発明の第3の実施形態に係る測距装置の構成を示す断面図である。
本実施形態では、撮像レンズ保持部材312と結像距離保持部材313にガラス材料を採用している。
固体撮像素子(第1の固体撮像素子317a、第2の固体撮像素子317b)は、2つの撮像素子314a、314bが一列に並んでおり、その撮像素子中心間距離が基線長D(図1)に値する構成をとっている。
2つの撮像レンズ(第1の撮像レンズ311a、第2の撮像レンズ311b)は、中心間距離を基線長Dの距離とし、各撮像レンズ(第1の撮像レンズ311a、第2の撮像レンズ311b)の光軸は各撮像素子(第1の撮像素子314a、第2の撮像素子314b)に略直交し、且つ互いに平行となるように配置している。
撮像レンズ(第1の撮像レンズ311a、第2の撮像レンズ311b)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。
撮像レンズ(第1の撮像レンズ311a、第2の撮像レンズ311b)に対して、被写体側に、撮像レンズ保持部材としてのアパーチャ312が設けられている。
結像距離保持部材は、撮像レンズ(第1の撮像レンズ311a、第2の撮像レンズ311b)から、固体撮像素子(第1の固体撮像素子317a、第2の固体撮像素子317b)までの結像距離を保持するための部材であり、各撮像レンズ(第1の撮像レンズ311a、第2の撮像レンズ311b)の各光軸をそれぞれ中心とする開口(貫通孔)313a、313bを備えている。
また、結像距離保持部材313は、各撮像レンズ(第1の撮像レンズ311a、第2の撮像レンズ311b)に対して、被写体とは反対側の像面側と固体撮像素子317a、317bの撮像素子314a、314bの形成面の間に設けられている。
[Third Embodiment]
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a configuration of a distance measuring apparatus according to the third embodiment of the present invention.
In the present embodiment, a glass material is used for the imaging lens holding member 312 and the imaging
In the solid-state imaging device (the first solid-
The two imaging lenses (the
As the imaging lens (
An aperture 312 as an imaging lens holding member is provided on the subject side with respect to the imaging lenses (the
The imaging distance holding member forms an image from the imaging lens (the
In addition, the imaging
図8は、第3の実施形態において、結像距離保持部材に撮像レンズを組み込むための構造を示す図であり、(A)は、撮像レンズを組み込む前の結像距離保持部材の像面側正面図(a)及びA−A’断面図(b)、(B)は、撮像レンズの像面側正面図、(C)は、撮像レンズを組み込んだ後の結像距離保持部材の像面側正面図(a)及びA−A’断面図(b)である。
図8(A)に示すように、結像距離保持部材313における被写体側の第1保持部313Aには撮像レンズ(第1の撮像レンズ311a、第2の撮像レンズ311b)の外形に沿った溝313c、313dが形成されおり、その溝313c、313dに、撮像レンズ(第1の撮像レンズ311a、第2の撮像レンズ311b)をはめ込んで組み付ける。
図8(B)に示すように、撮像レンズ311a、311bのつばには鍵ザキ311cが三ヶ所に設けられており、溝313c、313d内で撮像レンズ311a、311bが回転しないように設計されている。
この形状以外にも、撮像レンズ311a、311bが回転しないよう自由に設計することができる。
なお、撮像レンズの外形に合った溝は、結像距離保持部材313の第1保持部313A側に形成しても、撮像レンズ保持部材312の第2保持部312A側に形成してもよく、さらに、撮像レンズ保持部材312、結像距離保持部材313の双方に撮像レンズをはめ込むための溝を形成してもよい。
FIG. 8 is a diagram illustrating a structure for incorporating an imaging lens into the imaging distance holding member in the third embodiment. FIG. 8A is an image plane side of the imaging distance holding member before the imaging lens is incorporated. Front view (a) and AA ′ cross-sectional views (b) and (B) are image plane side front views of the imaging lens, and (C) is an image plane of the imaging distance holding member after the imaging lens is incorporated. It is a side front view (a) and AA 'sectional drawing (b).
As shown in FIG. 8A, the
As shown in FIG. 8B, the collars of the
In addition to this shape, the
The groove that matches the outer shape of the imaging lens may be formed on the
第2保持手段としての撮像レンズ保持部材(アパーチャ)312は、像面側の第2保持部312Aにおいて、結像距離保持部材213と共に撮像レンズ(第1の撮像レンズ311a、第2の撮像レンズ311b)を挟み込んでいる。
なお、撮像レンズ保持部材312及び結像距離保持部材313の材料としては、テンパックスガラスまたはパイレックス(登録商標)ガラスが適している。
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3.7ppm/℃の線膨張係数を持ち、固体撮像素子317a、317bの線膨張係数と略同一とすることが出来る。
本実施形態では結像距離保持部材313の母材313−1にテンパックスガラスを用いた。
The imaging lens holding member (aperture) 312 serving as the second holding unit is provided with the imaging
As a material for the imaging lens holding member 312 and the imaging
Tempax glass has a linear expansion coefficient of 3.2 ppm / ° C., and Pyrex (registered trademark) glass has a linear expansion coefficient of 3.7 ppm / ° C., and can be made substantially the same as the linear expansion coefficients of the solid-
In this embodiment, Tempax glass is used for the base material 313-1 of the imaging
結像距離保持部材313の母材313−1はテンパックスガラス、パイレックス(登録商標)ガラスの他に、同様の線膨張係数を有することからAF45、AF32も適用可能である。
ガラスのように可視光域で透明な母材313−1からなる結像距離保持部材313には、撮像素子314a、314b間のクロストークを抑制する手段として、光遮蔽機能が必要になる。
本実施形態では、結像距離保持部材313の母材313−1に光遮蔽膜313−2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313−2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。
撮像レンズ保持部材(アパーチャ)312の母材312−1には、結像距離保持部材313の母材313−1と同じ材料のテンパックスガラスを用いた。
結像距離保持部材の場合と同様に、撮像レンズ保持部材312の母材312−1としてはテンパックスガラス、パイレックス(登録商標)ガラスの他にAF45、AF32も、その線膨張係数から適用可能である。また、結像距離保持部材313の母材313−1と異なる材料でも何ら問題はない。
Since the base material 313-1 of the imaging
The imaging
In the present embodiment, crosstalk is suppressed by adding a light shielding film 313-2 to the base material 313-1 of the imaging
The light shielding film 313-2 is formed by forming a chromium or nickel metal film. As a film forming method, a vacuum deposition method, a sputtering method, a plating method, or the like is effective. In particular, the plating method is more practical in securing the adhesion of the film.
Tempax glass made of the same material as the base material 313-1 of the imaging
As in the case of the imaging distance holding member, AF45 and AF32 can be applied from the linear expansion coefficient in addition to Tempax glass and Pyrex (registered trademark) glass as the base material 312-1 of the imaging lens holding member 312. is there. Further, there is no problem even if the material is different from the base material 313-1 of the imaging
結像距離保持部材313同様に撮像レンズ保持部材312の母材312−1にも光遮蔽膜312−2を形成して、クロストークを抑制するための光遮蔽機能を持たせた。
撮像レンズ保持部材312の光遮蔽膜312−2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。
本実施形態では撮像レンズ保持部材312と結像距離保持部材313の接着面には光遮蔽膜312−2、313−2は形成せずに、ガラス面で接着している。この手法には、レーザー溶着装置を使って容易に接合できるメリットがある。
撮像レンズ保持部材312と結像距離保持部材313の接着面に光遮蔽膜312−2、313−2を設けて、接着剤で接合しても使用上問題ないことは既にわかっている。
固体撮像素子(第1の固体撮像素子317a、第2の固体撮像素子317b)は撮像素子(第1の撮像素子314a、第2の固体撮像素子314b)の保護(キズ防止、ゴミの付着等)を目的に、撮像素子の受光部側にカバーガラス315を設けている。また、撮像素子(第1の撮像素子314a、第2の固体撮像素子314b)の受光部の反対側にはTSV(Through Silicon Via)をもって固体撮像素子(第1の固体撮像素子317a、第2の固体撮像素子317b)の電極を引き出しており、その引き出した電極に半田ボール318a、318bを配している。
電装基板316は、測距用演算回路、デジタル信号プロセッサー(DSP)を含む回路が設けられている。電装基板316上の電極319には、固体撮像素子317a、317bが半田ボール318a、318bを介してSMT(Surface Mount Technology)実装している。更には半田ボール318a、318b接合の信頼性確保を目的にアンダーフィル剤220を半田ボール318a、318bで接合した固体撮像素子(第1の固体撮像素子317a、第2の固体撮像素子317b)と電装基板316の間に形成する。
Similar to the imaging
The light shielding film 312-2 of the imaging lens holding member 312 is formed by depositing a chromium or nickel metal film. As a film forming method, a vacuum deposition method, a sputtering method, a plating method, or the like is effective. In particular, the plating method is more practical in securing the adhesion of the film.
In this embodiment, the light shielding films 312-2 and 313-2 are not formed on the bonding surfaces of the imaging lens holding member 312 and the imaging
It has already been found that there is no problem in use even if the light shielding films 312-2 and 313-2 are provided on the bonding surface between the imaging lens holding member 312 and the imaging
The solid-state imaging device (first solid-
The
ガラス(パイレックス(登録商標)ガラス、テンパックスガラス、AF45、AF32)は固体撮像素子(第1の固体撮像素子317a、第2の固体撮像素子317b)の線膨張係数と略同一にできるので、撮像素子と結像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を図ることが出来る。そのため、測距装置の信頼性が向上する。
結像距離保持部材313の線膨張係数を、固体撮像素子(第1の固体撮像素子317a、第2の固体撮像素子317b)の線膨張係数と略同一にできるため、撮像レンズ(第1の撮像レンズ311a、第2の撮像レンズ311b)及び固体撮像素子(第1の固体撮像素子317a、第2の固体撮像素子317b)と結像距離保持部材313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。
2つの撮像レンズを繋ぐ結像距離保持部材と撮像レンズ保持部材に線膨張係数の小さいガラス(パイレックス(登録商標)ガラス、テンパックスガラス、AF45、AF32)を適用しているため、基線長の環境温度依存は小さくなり、距離測定の環境温度依存を抑制できる。
Glass (Pyrex (registered trademark) glass, Tempax glass, AF45, AF32) can be made substantially the same as the linear expansion coefficient of the solid-state imaging device (first solid-
Since the linear expansion coefficient of the imaging
Since a glass (Pyrex (registered trademark) glass, Tempax glass, AF45, AF32) having a small linear expansion coefficient is applied to the imaging distance holding member that connects the two imaging lenses and the imaging lens holding member, the environment of the baseline length The temperature dependence is reduced, and the environmental temperature dependence of distance measurement can be suppressed.
[第4の実施形態]
図9は、本発明の第4の実施形態にかかる測距装置の構成を示す断面図である。
図9に示すように、本実施形態では、2つの固体撮像素子417a、417bが、物理的に分離されている電装基板416上に実装されている。
2つの撮像レンズ(第1の撮像レンズ411a、第2の撮像レンズ411b)は中心間距離が基線長の距離とし、各撮像レンズ411a、411bの光軸は撮像素子414a、414bに略垂直でお互い平行になうよう配置している。撮像レンズ(第1の撮像レンズ411a、第2の撮像レンズ411b)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。
結像距離保持部材413は、撮像レンズ(第1の撮像レンズ411a、第2の撮像レンズ411b)から固体撮像素子(第1の固体撮像素子417a、第2の固体撮像素子417b)までの結像距離を保持するための部材であり、撮像レンズ411a、411bの各光軸がそれぞれの中心となす開口(貫通孔)413a、413bを備える。
結像距離保持部材413は撮像レンズ(第1の撮像レンズ411a、第2の撮像レンズ411b)と固体撮像素子417の撮像素子(第1の撮像素子414a、第2の撮像素子414b)形成面の間に設けられている。結像距離保持部材413としては固体撮像素子417a、417bの主材料と同じシリコンを採用している。
[Fourth Embodiment]
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a configuration of a distance measuring apparatus according to the fourth embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 9, in this embodiment, two solid-
The two imaging lenses (the
The imaging
The imaging
固体撮像素子(第1の固体撮像素子417a、第2の固体撮像素子417b)の主材料はシリコンの他に第二の実施例で適用したセラミックス材料(炭化珪素(SiC)系材料、窒化珪素(Si3N4)系材料等)や、第三の実施例で適用したガラス材料(テンパックスガラス、パイレックス(登録商標)ガラス、AF45、AF32等)である。
撮像レンズ保持部材412は、撮像レンズ(第1の撮像レンズ411a、第2の撮像レンズ411b)上に位置し、結像距離保持部材413と共に撮像レンズ411a、411bを挟み込んでいる。
固体撮像素子(第1の固体撮像素子417a、第2の固体撮像素子417b)は、撮像素子(第1の撮像素子414a、第2の撮像素子414b)の保護(キズ防止、ゴミの付着等)を目的に、撮像素子(第1の撮像素子414a、第2の撮像素子414b)の受光部側にカバーガラス415を設けている。また、撮像素子(第1の撮像素子414a、第2の撮像素子414b)の受光部の反対側にはTSV(Through Silicon Via)をもって各撮像素子(第1の撮像素子414a、第2の撮像素子414b)の電極を引き出しており、その引き出した電極に半田ボール418a、418bを配している。
The main material of the solid-state imaging device (first solid-
The imaging
The solid-state image sensor (first solid-
電装基板416は、測距用演算回路、デジタル信号プロセッサー(DSP)を含む回路が設けられている。電装基板416上の電極419には、固体撮像素子417a、417bが半田ボール418a、418bを介してSMT(Surface Mount Technology)実装している。更には半田ボール418a、418b接合の信頼性確保を目的にアンダーフィル剤220を半田ボール418a、418bで接合した固体撮像素子417a、417bと電装基板416の間に形成する。
尚、電装基板416は、撮像素子414a、414bの引き出し電極間で少なくとも分離されている。
本実施例では2つの固体撮像素子417a、417bを実装する位置の中間にスリット(切り込み)を入れた電装基板416を採用している。電装基板416は二股に分かれた物でも良い。
電装基板416が2つの固体撮像素子417a、417bに対応する電極パッド間419で物理的に分離しているので、固体撮像素子417a、417b及び結像距離保持部材413との線膨張係数差による半田ボール418a、418bへかかる歪を少なくすることが出来る。よって、製造歩留、信頼性が向上する。
The
Note that the
In this embodiment, an
Since the
図10は本発明の測距装置を用いたシステム構成図である。
本システムは、電装基板1001、カメラA1002、カメラB1003、処理基板1004、PC1005、外部通信部1006から構成されている。
電装基板1001は、カメラA1002、カメラB1003から電気信号を引き出す基板である。
カメラA1002、カメラB1003はステレオカメラの左目、右目に当たるカメラである。
FIG. 10 is a system configuration diagram using the distance measuring apparatus of the present invention.
The system includes an
An
Cameras A1002 and B1003 are cameras corresponding to the left and right eyes of the stereo camera.
処理基板(視差演算手段)1004は、カメラAおよびカメラBで撮影された画像を受信し、寸法判定をするための演算、主に画像処理を行う。
PC1005は処理基板1004と通信可能であり、画像処理のパラメータの指定や撮影された画像や処理基板1004で処理された画像を表示する。PCの代わりにタッチパネル式の専用端末などを用意してもよい。
外部通信部1006は処理基板1004と通信を行う。例えば、撮影トリガーを処理基板1004に与える、処理基板1004の動作状態を監視する、処理基板1004から判定結果を受け取ることなどが可能である。一般に外部通信部1006はPLC(Programmable Logic Controller)と接続される。
The processing board (parallax calculation means) 1004 receives images taken by the camera A and the camera B and performs calculations for determining the dimensions, mainly image processing.
The
The external communication unit 1006 communicates with the
101 被写体、102a、102b カメラ、103a、103b レンズ、104a、104b 撮像素子、106 ベース基板、107a、107b 被写体像、111a、111b 撮像レンズ、111c 鍵ザキ、112 撮像レンズ保持部材、112a 溝、113 結像距離保持部材、113a 開口、114a、114b 撮像素子、115a、115b カバーガラス、116 電装基板、117a、117b 固体撮像素子、118a、118b 半田ボール、119 撮像素子基板電極パッド、120 アンダーフィル剤、211a、211b 撮像レンズ、211c 鍵ザキ、212 撮像レンズ保持部材、212a 溝、213 結像距離保持部材、214a、214b 撮像素子、215a、215b カバーガラス、216 電装基板、217a、217b 固体撮像素子、218a、218b 半田ボール、219 電極、220 アンダーフィル剤、311a 撮像レンズ、311b 撮像レンズ、311c 鍵ザキ、312 アパーチャ、312−1 母材、312−2 光遮蔽膜、313 結像距離保持部材、313−1、母材、313−2 光遮蔽膜、313c 溝、314a、314b 撮像素子、315a、315b カバーガラス、316 電装基板、317a、317b 固体撮像素子、318a、318b 半田ボール、319 電極、411a、411b 撮像レンズ、412 撮像レンズ保持部材、413 結像距離保持部材、414a、414b 撮像素子、415a、415b カバーガラス、416 電装基板、417a、417b 固体撮像素子、418a、418b 半田ボール、419 電極、1001 電装基板、1002 カメラA、1003 カメラB、1004 処理基板、1005 PC、1006 外部通信部 101 Subject, 102a, 102b Camera, 103a, 103b Lens, 104a, 104b Imaging element, 106 Base substrate, 107a, 107b Subject image, 111a, 111b Imaging lens, 111c Keyaki, 112 Imaging lens holding member, 112a Groove, 113 Connection Image distance holding member, 113a Aperture, 114a, 114b Image sensor, 115a, 115b Cover glass, 116 Electrical board, 117a, 117b Solid image sensor, 118a, 118b Solder ball, 119 Image sensor substrate electrode pad, 120 Underfill agent, 211a , 211b imaging lens, 211c keyaki, 212 imaging lens holding member, 212a groove, 213 imaging distance holding member, 214a, 214b imaging element, 215a, 215b cover glass, 216 Substrate, 217a, 217b Solid-state imaging device, 218a, 218b Solder ball, 219 Electrode, 220 Underfill agent, 311a Imaging lens, 311b Imaging lens, 311c Keyaki, 312, Aperture, 312-1 Base material, 312-2 Light shielding film 313 Imaging distance holding member, 313-1, base material, 313-2 light shielding film, 313c groove, 314a, 314b image sensor, 315a, 315b cover glass, 316 electrical board, 317a, 317b solid-state image sensor, 318a, 318b Solder balls, 319 electrodes, 411a, 411b Imaging lens, 412 Imaging lens holding member, 413 Imaging distance holding member, 414a, 414b Imaging element, 415a, 415b Cover glass, 416 Electrical board, 417a, 417b Solid imaging element, 41 a, 418b solder ball 419 electrode, 1001 electrical substrate, 1002 a camera A, 1003 camera B, 1004 substrate, 1005 PC, 1006 external communication unit
Claims (9)
前記被写体との対向部に前記各撮像レンズを保持する第1保持部を有し、前記第1保持部により保持される前記各撮像レンズを透過した光が夫々通過する複数の開口部を備える第1保持手段と、
前記第1保持手段における前記第1保持部に対向する部位に接合されて、前記各開口部を通過した光が結像することにより前記被写体の画像が撮像される複数の撮像手段と、を備え、
前記第1保持手段は、前記撮像手段の主材料と略同一の線膨張係数をもつ材料により形成され、
前記各撮像レンズは、前記第1保持手段の前記第1保持部に非接着にて保持されていることを特徴とするカメラユニット。 A plurality of imaging lenses that image light reflected from the subject;
A first holding unit that holds each imaging lens at a portion facing the subject, and a plurality of openings through which light transmitted through the imaging lenses held by the first holding unit passes. 1 holding means;
A plurality of imaging units that are joined to a portion of the first holding unit facing the first holding unit, and that image the light of the subject by imaging the light that has passed through the openings. ,
The first holding means is formed of a material having substantially the same linear expansion coefficient as the main material of the imaging means,
Each of the imaging lenses is held by the first holding portion of the first holding means in a non-adhering manner.
前記第1保持手段の前記第1保持部を有する側に接合され、前記第1保持手段との間で、前記各撮像レンズを固定する第2保持手段を備え、
前記第2保持手段は、前記第1保持手段と略同一の線膨張係数をもつ材料により形成されていることを特徴とするカメラユニット。 The camera unit according to claim 1,
A second holding unit that is bonded to the first holding unit on the side having the first holding unit and fixes each of the imaging lenses with the first holding unit;
The camera unit, wherein the second holding means is formed of a material having substantially the same linear expansion coefficient as the first holding means.
前記各撮像レンズは、前記第1保持手段の前記第1保持部及び前記第2保持手段の前記第1保持手段と対向する第2保持部の少なくとも一方に設けられた溝部内に保持されることを特徴とするカメラユニット。 The camera unit according to claim 2,
Each imaging lens is held in a groove provided in at least one of the first holding unit of the first holding unit and the second holding unit facing the first holding unit of the second holding unit. A camera unit characterized by
前記各撮像レンズは、前記第2保持手段に接着固定されていないことを特徴とするカメラユニット。 The camera unit according to claim 2 or 3,
Each of the imaging lenses is not bonded and fixed to the second holding unit.
前記第1保持手段及び前記第2保持手段はシリコンからなることを特徴とするカメラユニット。 The camera unit according to any one of claims 2 to 4,
The camera unit, wherein the first holding means and the second holding means are made of silicon.
前記第1保持手段及び前記第2保持手段は、炭化珪素(SiC)系または窒化珪素(Si3N4)のセラミックスからなることを特徴とするカメラユニット。 The camera unit according to any one of claims 2 to 4,
The camera unit, wherein the first holding means and the second holding means are made of ceramics of silicon carbide (SiC) or silicon nitride (Si 3 N 4 ).
前記第1保持手段及び前記第2保持手段はガラス材料からなり、表面に遮光膜が形成されていることを特徴としたカメラユニット。 The camera unit according to any one of claims 2 to 4,
The camera unit, wherein the first holding means and the second holding means are made of a glass material, and a light shielding film is formed on a surface thereof.
前記複数の撮像手段を表面実装した電装基板を備え、該電装基板は、各撮像手段の実装位置ごとに、少なくとも部分的に分割されていることを特徴とするカメラユニット。 The camera unit according to any one of claims 1 to 7,
A camera unit comprising an electrical board on which the plurality of imaging means are surface-mounted, and the electrical board is at least partially divided for each mounting position of the imaging means.
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