JP2017134365A - レンズシート、撮像モジュール、及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微小なレンズ要素群を含む光学系を用いる場合でも当該レンズ要素群に対する他のレンズを必ずしも必要としないレンズシートを提供する。【解決手段】格子状に形成された光を吸収する光吸収部（２３）、及び、光吸収部に囲まれるように配置された光を透過する光透過部（２２）と、シートの平面視で複数の光透過部のそれぞれと同じ位置に配置される複数の単位レンズ要素（２４）と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、２次元画像とともに被写体の奥行情報を取得することも可能であるレンズシート、撮像モジュール、及び撮像装置に関する。

近年、スマートフォンやタブレット等の携帯端末へのカメラの搭載、及び、身につけられる小型カメラの需要等により、カメラの小型化、特に当該カメラのレンズ系部分における薄型化が求められている。

例えば特許文献１には、結像レンズと、マイクロレンズアレイと、光電変換センサを有する撮像装置に関する技術が開示されている。これはライトフィールドカメラ等と呼ばれ、マイクロレンズアレイにより入射光を分割して複数の方向の光を撮影することにより、撮影後に光の入射方向や強度に基づいて画像処理を行うことで画像の焦点距離や被写界深度を変更することができる。すなわち、この画像には奥行き方向の情報も含むことができ、撮像した後に所定の範囲で画像のピントを任意の位置及び範囲で合わせることが可能である。従って、オートフォーカス機能を用いることなくピントを合わせることができ、奥行き方向の情報が含まれているので相対的な距離を測定することもできる。

特表２０１５−５２０９９２号公報

ここで、上記した撮像装置では、マイクロレンズアレイ及び光電変換センサを有しており、ここに含まれる各センサは、どのマイクロレンズからの光を受光すべきかがそれぞれ決められている。従って、予定していないマイクロレンズからの光をセンサが受光してしまうと像の多重が生じてしまう。これに対して従来では、マイクロレンズアレイの入光側に結像光学系（結像レンズ）を配置して光を制御することで像の多重化を防止していた。

しかしながら、このように結像レンズを配置すれば、撮像装置は厚くなる傾向にあり、薄型化に限界があった。

そこで本発明は上記問題点に鑑み、撮像装置や撮像モジュールを薄型化することができるレンズシートを提供することを課題とする。また、これを備える撮像モジュール、及び撮像装置を提供する。

以下、本発明について説明する。ここでは分かり易さのため、図面に付した参照符号を括弧書きで併せて記載するが、本発明はこれに限定されるものではない。

請求項１に記載の発明は、画像センサ（１１）の受光面側に配置されるレンズシート（２０）であって、格子状に形成された光を吸収する光吸収部（２３）、及び、光吸収部に囲まれるように配置された光を透過する光透過部（２２）と、シートの平面視で複数の光透過部のそれぞれと同じ位置に配置される複数の単位レンズ要素（２４）と、を備える、レンズシートである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレンズシート（２０）と、レンズシートの一方側に配置された、複数の光電変換素子が配列された画像センサ（１１）と、を備える撮像モジュール（１０）である。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の撮像モジュール（１０）が筐体（２）の内側に配置される撮像装置（１）である。

本発明によれば、撮像装置や撮像モジュールを薄型化することができる。そして薄型化した場合でも多重像の発生を防止することが可能である。

撮像装置１の外観図である。 撮像モジュール１０の構造を説明する図である。 図３（ａ）はレンズシート２０の斜視図、図３（ｂ）はレンズシート２０を平面視した図である。 レンズシート２０の構造を説明する図である。 レンズシート２０を作製する一場面を表す図である。 レンズシート２０を作製する一場面を表す図である。 レンズシート２０を作製する一場面を表す図である。 図８（ａ）は本発明における結像の例、図８（ｂ）は不具合を生じる結像の例である。

以下、本発明を図面に示す形態に基づき説明する。ただし本発明はこれら形態に限定されるものではない。なお、図面では、理解を容易にするため各部の大きさや形状を模式的に変形や誇張して記載することがある。また、見易さのため繰り返しとなる符号は省略することがある。

図１は１つの形態を説明するための図で、撮像モジュール１０を具備する撮像装置１である携帯型端末１を平面視した図である。このように撮像モジュール１０は、携帯型端末、パソコン、小型カメラ等に搭載されて撮像装置とすることができる。本形態の場合、図１に表れた側に窓が設けられ、ここから撮像モジュール１０に光を取り込み、その反対側の画面により撮像モジュール１０の操作が行われる。従って、撮像モジュール１０は携帯型端末１を構成する筐体２に内臓されることにより配置される。

図２は撮像モジュール１０の構成を説明する概念的な断面図である。図２からわかるように、撮像モジュール１０は、レンズシート２０、画像センサ１１、及び画像処理装置１２を有して構成されている。

レンズシート２０は、複数の単位レンズ要素２４を含み、入射した光を画像センサ１１上に集まるべき光線群に分解し、画像センサ１１に出光する光学素子である。図２にはレンズシート２０のひとつの断面が現れている。また、図３（ａ）にはレンズシート２０の一部の斜視図、図３（ｂ）にはレンズシート２０を単位レンズ要素２４側から平面視した図を示した。ここで図３（ｂ）には破線で光吸収部２３も併せて示している。
図４には図２の一部を拡大してレンズシート２０の構造を説明するための図を表した。

レンズシート２１は、シート面に平行な方向に沿って光吸収部２３が格子状に形成されており、当該格子状の光吸収部２３の間に光透過部２２が配置されている。そして、レンズシート２０の平面視で光透過部２２となる位置に単位レンズ要素２４が設けられている。また、本形態で光透過部２２、及び光吸収部２３は略台形又は長方形の断面を有している。

光透過部２２は光を透過させることを主要の機能とする部位であり、本形態では図２、図４に表れるように断面において、一方のシート面側に長い下底、その反対側である他方のシート面側に短い上底を有する略台形、又は長方形の断面形状を有する要素である。光透過部２２は、格子状である光吸収部２３の間に配置されており、光吸収部２４に囲まれるように構成されている。従って、光透過部２２は、頂部を除外した四角錐、又は四角柱状である。
なお、本形態では隣り合う光透過部２２は長い下底側で連結され、土台部２５とされている。土台部２５は可能な限り薄いことが好ましい。これにより迷光を抑制することができ、高い画質を得ることができる。

光透過部２２は屈折率がＮｔとされている。屈折率Ｎｔの値は特に限定されることはないが、屈折率Ｎｔは１．３８以上、１．６０以下であることが好ましい。屈折率が１．３８より小さい材料は入手性に問題を生じる虞があり、屈折率が１．６０より大きくなると割れが発生しやすい材料となる場合が多い。

このような光透過部２２は例えばウレタンアクリレート、ポリエステルアクリレート、エポキシアクリレート等の紫外線硬化型樹脂、電子線硬化型樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの熱可塑性樹脂等、により形成することができる。

光吸収部２３は光透過部２２を囲むようにして格子状に配置された、光を吸収する部位である。そして光透過部２２が台形断面の場合には光吸収部２３も台形断面となり、光吸収部２３の短い上底が光透過部２２の下底側を向き、光吸収部２３の長い下底が光透過部２２の上底側となる。一方光透過部２２が長方形断面の場合には光吸収部２３も長方形断面となる。
光吸収部２３は、屈折率がＮｒとされるとともに、光を吸収することができるように構成されている。具体的には屈折率がＮｒであるバインダーに光吸収粒子が分散される。屈折率Ｎｒは、光透過部２２の屈折率Ｎｔ以上の屈折率であることが好ましい。このように、光吸収部２３の屈折率を光透過部２２の屈折率以上とすることにより、光透過部２２と光吸収部２３との界面で全反射することなく光が光吸収部２３に入り、適切に光を吸収することができる。
屈折率Ｎｒの値は特に限定されることはなく、光透過部２２と同様に考えることができる。

バインダーとして用いられる材料は特に限定されないが、例えば、ウレタン（メタ）アクリレート、ポリエステル（メタ）アクリレート、エポキシ（メタ）アクリレート、およびブタジエン（メタ）アクリレート等の光硬化型樹脂組成物を挙げることができる。

本形態で用いられる光吸収粒子は、樹脂微粒子と、その樹脂微粒子の表面を被覆する色材層とからなる。

樹脂微粒子としては、メラミンビーズ、アクリルビーズ、アクリル−スチレンビーズ、ポリカーボネートビーズ、ポリエチレンビーズ、ポリスチレンビーズ、塩ビビーズ等、特に制限されることなく使用することができる。その中でも特に、アクリル架橋重合体、スチレン架橋重合体、またはアクリル−スチレン共重合体を好適に使用することが可能である。
樹脂微粒子は、透明なものも使用できるが、顔料または染料等で着色された樹脂を用いることが好ましく、必要に応じて特定の波長を選択的に吸収するものであってよいが、好ましくは黒色に着色された樹脂微粒子が用いられる。

色材層を構成して樹脂微粒子の表面を被覆する色材としては、光を吸収するものであれば特に制限されることなく使用することができ、着色されたフィラーやカーボンブラックを挙げることができる。
着色フィラーとしては、例えば、ポリマーに顔料を分散させた着色フィラーを好適に使用することができ、例えば、メタクリル酸メチルやスチレン等のモノマーに顔料を添加し、重合して得られた樹脂等を好適に使用することができる。顔料としては、公知の有機系顔料や無機系顔料を使用でき、例えば、カーボンブラック、アニリンブラック、ペリレンブラック等の有機系黒色顔料や、銅、鉄、クロム、マンガン、コバルト等を含有した無機系黒色顔料やチタンブラック等を好適に使用することができる。
カーボンブラックは、平均粒子径が１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下のものを好適に使用することができ、例えば、ファーネスブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック、カーボンナノチューブ、カーボンファイバー等が使用できる。また、市販のものを使用することもでき、例えば、ＨＣＦシリーズ、ＭＣＦシリーズ、ＲＣＦシリーズ、ＬＦＦシリーズ（いずれも三菱化学株式会社製）、バルカンシリーズ（キャボット社製）、ケッチェンシリーズ（ライオン株式会社製）等を好適に使用することができる。

ここで、本形態の光吸収粒子は、その平均粒子径は１μｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。ここで「平均粒子径」とは、光吸収粒子を１００個電子顕微鏡で観察してその直径を計り、算術平均した直径を意味する。
また、バインダーと光吸収粒子との質量部の比は、バインダーが１００質量部に対して、光吸収粒子の質量部が１０以上２０以下であることが好ましい。これにともなって、光吸収の観点から光吸収粒子の光学濃度が２．４以上４．７以下であることが好ましい。

本形態では光透過部２２と光吸収部２３との界面（台形断面の脚部）が断面において一直線状となる例を示したが、これに限らず折れ線状、凸である曲面状、凹である曲面状等であってもよい。また、複数の光透過部２２及び光吸収部２３で断面形状が同じであってもよいし、必要に応じて所定の規則性を有して異なる断面形状であってもよい。
また、当該断面は必ずしも等脚台形である必要はなく、一方の脚と他方の脚とが線対称でなく、一方と他方とで傾斜角度や形状が異なるように構成してもよい。

次に単位レンズ要素２４について説明する。単位レンズ要素２４は、図２〜図４よりわかるように、本形態では断面で曲線部を有する凸状であり、土台部２５の面のうち、該土台部２５を挟んで、光透過部２２とは反対側の面に配列されている。図３（ａ）、図３（ｂ）からわかるように、単位レンズ要素２４は各光透過部２２に対応するように設けられおり、光透過部２２と単位レンズ要素２４とはレンズシート２０を平面視して同じ位置になるように位置づけられる。
このレンズシート２０の単位レンズ要素２４はマイクロレンズとして効果を奏するように光を制御する。すなわち、レンズシート２０を透過した光が単位レンズ要素２４により画像センサ１１の受光面に焦点を結ぶように集光される。従って、単位レンズ要素２４の曲率半径Ｒや屈折率はこのように光を制御できるように決められている。
そのための単位レンズ要素２４の断面形状は特に限定されることはなく、楕円の一部、円弧、及び多角形状であってもよく、これらが組み合わされた形状であってもよい。

また、単位レンズ要素２４の表面には、反射防止機能を有する層が形成されてもよい。この層は、フッ化マグネシウムや二酸化ケイ素、フッ素系コーティング剤などのような反射防止機能を有する材料を所定の膜厚でコーティングすることにより形成することができる。

レンズシート２０は、特に限定されることはないが、例えば次のように光透過部２２、光吸収部２３、及び単位レンズ要素２４が形成される。図４に記号を付した。
光透過部２２、光吸収部２３、及び単位レンズ要素２４の配列ピッチＰは２０μｍ以上１８０μｍ以下とすることが好ましい。
このとき、光透過部２２のうち、単位レンズ要素２４が配置された側とは反対側のピッチ方向（幅方向）の大きさＤ_ｔは、２０μｍ以上１８０μｍ以下が好ましい。また、単位レンズ要素２４が配置された側とは反対側の面における光吸収部２３のピッチ方向（幅方向）の大きさＷは２μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましい。
単位レンズ要素２４の幅方向の大きさＤ_ｌも２０μｍ以上１８０μｍ以下であることが好ましい。

一方、レンズシート２０の厚さＴは、単位レンズ要素２４の頂部から、その反対側の面までの距離であり、３０μｍ以上４８０μｍ以下であることが好ましい。
このうち、光透過部２２、及び光吸収部２３の厚さＴ_１は２０μｍ以上４７０μｍ以下であることが好ましい。
土台部２５の厚さＴ_２は１μｍ以上５０μｍ以下である。これにより、迷光や光透過部２２に入射した光が、隣接する他の光透過部２２側に進んでしまうことを抑制することができる。
そして単位レンズ要素２４の厚さＴ_３は、２μｍ以上４０μｍ以下であることが好ましい。

また、単位凸レンズ要素２４の曲率半径Ｒは１０μｍ以上１８０μｍ以下であることが好ましい。これにより光学密着を抑制することができる。曲率半径Ｒが１０μｍより小さいと単位レンズ要素２４としての光学的効果（レンズとしての効果）を得られない。一方曲率半径Ｒが１８０μｍよりも大きいと単位レンズ要素が平坦な形状に近くなり、光学密着が生じやすい。
さらに、光透過部２２と光吸収部２３との界面がシート面法線（厚さ方向）と成す角θは０度以上１０度以下が好ましい。０度では光透過部及び光吸収部が断面において長方形となる。

以上のようなレンズシート２０は例えば次のように作製することができる。図５〜図７に説明のための図を示した。
はじめに光吸収部２３を形成する。すなわち、図５からわかるように、光吸収部２３の形状を転写することができる金型と基材３０との間に、光吸収部を構成する硬化前の組成物を供給し、適切な方法により硬化させて第一の中間シート３１を得る。この第一の中間シート３１は基材３０の一方の面に光吸収部２３が形成されたシートである。なお、基材３０は後で剥離するので、基材３０の表面には剥離しやすい加工がなされていることが好ましい。

次に、図６に示したように、作製した第一の中間シート３１の光吸収部２３側から硬化する前の光透過部２２を構成する組成物を供給する。これにより光吸収部２３に囲まれた凹部に当該組成物を充填する。また、当該凹部を越えて組成物を供給することにより土台部も形成する。組成物の供給方法は特に限定されることはないが、インサート射出成型やインクジェット充填を挙げることができる。
その後、適切は方法で組成物を硬化させることにより光透過部２２及び土台部２５を形成し、第二の中間シート３２を得る。この第二の中間シート３２は基材３０の一方の面に光吸収部２３、光透過部２２及び土台部２５が形成されたシートである。

次に、図７に示したように作製した第二の中間シート３２のうち土台部２５が形成された部位に対して適切な位置に単位レンズ要素２４を配置する。これは例えば、単位レンズ要素２４を構成する硬化前の組成物をインクジェット方式で供給し、その後に適切な方法で硬化させることにより行うことができる。

そして、基材３０を剥離して、適切な大きさに裁断することによりレンズシート２０を得る。なお、基材３０の剥離は第二の中間シート３２を得て単位レンズ要素２４を形成する前に行ってもよい。

以上の方法によれば効率よくレンズシート２０を作製することができる。また、この方法にれば、光吸収部に光吸収粒子を確実に適切な場所にのみ配置することができ、意図していない場所に光吸収粒子が残留などすることなどを防止することができる。

図２に戻って画像センサ１１について説明する。画像センサ１１は、受光面で受光した光を電気信号に変換して出力する、いわゆる光電変換素子を複数配列してなるセンサである。画像センサ１１には、複数の素子が２次元方向に配列されており、各素子により、その素子に入射した光の強度を検出することができる。そしてこの各素子が各画素を形成する。
画像センサ１１を構成する複数の素子は、画像センサ１１の受光面である被写体側（レンズシート２０側）の表面に２次元方向に配列されている。
このような画像センサ１１を構成する素子としては例えばＣＣＤやＣＭＯＳを挙げることができる。

画像処理装置１２は、画像センサ１１で得られた電気信号を受信して画像処理をして奥行情報等を生成する手段である。画像処理装置１２は、いわゆる演算基板により形成されており、中央演算子（ＣＰＵ）、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有して形成され、ＲＯＭに記憶されたプログラムに基づいて中央演算子で演算を行うことで画像処理を行う。

以上のような、レンズシート２０、画像センサ１１、及び画像処理装置１２は例えば次のように組み合わされて撮像モジュール１０とされている。すなわち、図２に示したように、図２の紙面左側の被写体にレンズシート２０の単位レンズ要素２４が向くようにレンズシート２０を配置する。

そして、画像センサ１１と画像処理装置１２とが電気的に接続されデータを通信することができるように構成されている。

撮像モジュール１０には、上記に加えて赤外線遮蔽層や反射防止層を設けてもよい。これにより入射光量の向上や、赤外線（特に近赤外線）によるノイズの低減を図ることができる。

以上のような撮像モジュール１０を備える撮像装置１は例えば次のように作用する。
被写体からの光は撮像モジュール１０のレンズシート２０内に進み、単位レンズ要素２４により集光される。また、光透過部２２内をシート法線方向に対して大きな角度をなす方向に進む光の少なくとも一部は光吸収部２３に入射して吸収される。レンズシート２０を透過した光は画像センサ１１の受光面で焦点を結ぶ。従って、画像センサ１１の受光面上には、このマイクロレンズとして単位レンズ要素２４により結像された像が、それぞれ重なることなく形成される。

本形態では、単位レンズ要素２４の１つ１つに対して、画像センサ１１の複数の素子のいずれかが対応するように配置されている。そして、撮影時には、各素子には、対応する単位レンズ要素２４により分割された光が入射し、各素子により光の強度が検出される。また、各素子と、単位レンズ要素と、の関係から素子に入射した光の入射方向が検出可能となる。
このようにして得られた各素子が検出した入射光の強度及び入射方向の情報は、上記画像処理装置１２により演算され、撮影後に焦点距離や被写界深度を変更した画像データを生成可能である。

図８は、本形態の撮像モジュール１０における画像センサ１１の受光面上での結像の様子を説明する図である。
一般的に、ライトフィールドカメラでは、マイクロレンズアレイの１つのマイクロレンズに対して、画像センサ１１の所定の領域内に位置する複数の素子が対応している。そして、それぞれのマイクロレンズによる像が、対応する領域内のみに投影されることが重要である。
このとき、例えば図８（ｂ）に示したように、各マイクロレンズの像が隣の領域等に投影され、像が重なると、被写体面上で異なる位置と角度を有する光が同一の素子に入射するクロストークという現象が生じ、光の入射方向や強度を分解できなくなる。
これを解消するために、従来のライトフィールドカメラでは、マイクロレンズアレイよりも被写体側に結像レンズを設ける必要があった。

これに対して、本形態によれば、光吸収部２３が備えられているので、領域外に進行しようとする光をここで吸収し、図８（ａ）に示したようにクロストークを生じさせることなく単位レンズ要素２４により集光された光を画像センサ１１の対応する領域の素子に入射させることができる。これにより素子は、入射光の強度と入射方向の情報を高精度で出力することができる。

従って、本形態によれば、結像レンズ等の他の光学系を必要とすることなく、撮像モジュールの厚さを薄く、軽量化を図ることができる。例えば画像処理装置、及び画像センサ以外の光学系において厚さを数１０μｍ以上数１００μｍ以下の程度に抑えることが可能となる。これにより、撮像装置の外観も向上させることができる。
また製造の観点からも、結像光学系が不要となるので製造コストを抑制することが可能となる。

１ 撮像装置
２ 筐体
１０ 撮像モジュール
１１ 画像センサ
１２ 画像処理装置
２０ レンズシート
２２ 光透過部
２３ 光吸収部
２４ 単位レンズ要素
２５ 土台部

Claims (3)

1. 画像センサの受光面側に配置されるレンズシートであって、
   格子状に形成された光を吸収する光吸収部、及び、前記光吸収部に囲まれるように配置された光を透過する光透過部と、
   シートの平面視で複数の前記光透過部のそれぞれと同じ位置に配置される複数の単位レンズ要素と、を備える、レンズシート。
2. 請求項１に記載のレンズシートと、
   前記レンズシートの一方側に配置された、複数の光電変換素子が配列された画像センサと、を備える撮像モジュール。
3. 請求項２に記載の撮像モジュールが筐体の内側に配置される撮像装置。

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