JP4448425B2 - 小型撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、画素ずらし法を用いた撮像装置に関する。

近年内視鏡及び小型携帯端末等に使用される撮像装置の進歩によって、小型の撮像装置の高精細化が要求されている。撮像装置を高精細化する方法としては、画素ずらし法が従来から知られている。

図１５は、従来の画素ずらしシステム３００を示す。画素ずらしシステム３００は、撮像対象となる被写体３０１、被写体３０１からの入射光を結像させる撮像レンズ群３０２、撮像レンズ群３０２によって結像された入射光を光電変換するＣＣＤ素子３０３、撮像レンズ群３０２を介した入射光をＣＣＤ素子３０３上においてシフトさせるための光透過板３０４、光透過板３０４の傾斜状態を制御する光透過板制御手段３０５ａ，３０５ｂを有する。ここで光透過板３０４に平行で、紙面左右方向をＸ方向、紙面上下方向をＹ方向とする。光透過板制御手段３０５ａは、光透過板３０４を、Ｘ方向に平行な軸を中心として矢印Ａ方向に回転させて傾斜させる。また光透過板制御手段３０５ｂは、光透過板３０４を、Ｙ方向に平行な軸を中心として矢印Ｂ方向に回転させて傾斜させる。

ＣＣＤ素子３０３には、受光した光が有効に光電変換される感光部と、受光した光が光電変換されない領域である不感帯とがある。被写体３０１からの入射光は、ＣＣＤ素子３０３上の感光部及び不感帯に入射する。光透過板制御手段３０５ａ及び３０５ｂにより光透過板３０４を傾斜させることにより、不感帯に入射していた入射光を、感光部に入射させることができる。これが画素ずらし法の基本原理であり、ＣＣＤ素子３０３の有する画素数を増加させることと同様の高精細化された画像を得ることができる。光透過板制御手段３０５ａ及び３０５ｂの構成例としては、モーターやカムなどの複数の機械部品を用いて光透過板を微小傾斜させる方式や、電磁石を用いて光透過板を傾斜させる方式等がある。

特開平１０−２６０４４８号公報

特許文献１の特開平１０−２６０４４８号には、両端部に電磁軟鉄で形成されたアーマチャが取り付けられた光透過板（平行平板ガラス）を、該アーマチャと電磁石を相互作用させることによって傾斜させる画素ずらし法が適用された撮像装置が記載されている。

上記特許文献１に記載の撮像装置では、光透過板を駆動する部品である電磁石の構造の小型化には限界があるため、撮像装置の構造の小型化が困難である。またモーターやカムなどの複数の機械部品を用いて光透過板を微小傾斜させる方式の撮像装置も構造の小型化が困難である。上述のように、モーターやカムなどの複数の機械部品を用いて光透過板を微小傾斜させる方式や、電磁石を用いて光透過板を傾斜させる方式の画素ずらし法を用いた撮像装置は構造の小型化が困難であるため、設置するスペースが狭い範囲に限定される内視鏡及び小型携帯端末などに適用できないという問題点があった。

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものである。その目的は、小型化された画素ずらし手段を用いた撮像装置を提供することである。

［課題を解決するための手段］
本発明の請求項１に記載の小型撮像装置は、被写体からの入射光を光電変換する撮像素子と、前記入射光を、前記撮像素子面上においてシフトさせる画素ずらし手段と、を有する小型撮像装置であって、前記画素ずらし手段は、電圧が印加される複数の固定電極を有し、前記小型撮像装置に固定された固定電極基板と、半導体で形成され、前記固定電極と対向する位置に配置された複数の可動側電極部を有する可動側電極基板と、前記可動側電極基板に接合され、前記入射光が透過する光透過板と、から構成される光透過板可動部と、を有し、前記固定電極と、前記可動側電極部との静電引力により、前記光透過板が傾斜し前記入射光の光軸がシフトされることに伴いて、前記入射光の前記撮像素子面上における入射位置をシフトさせること、ことを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の小型撮像装置において、前記固定電極基板は、４個の固定電極を有し、前記可動側電極基板は、上記各固定電極に対応する４個の可動側電極部を有することを特徴とする。
本発明の請求項３に記載の小型撮像装置において、前記固定電極基板は第一の固定電極基板と第二の固定電極基板から構成され、前記光透過板可動部は、前記第一の固定電極基板と前記第二の固定電極基板の間に配置される、ことを特徴とする。

本発明の請求項４に記載の小型撮像装置において、前記光透過板可動部は、２枚の光透過板と、１枚の可動側電極基板とから構成される、ことを特徴とする。
本発明の請求項５に記載の小型撮像装置において、前記光透過板可動部は、１枚の光透過板と、２枚の可動側電極基板とから構成される、ことを特徴とする。

本発明の請求項６に記載の小型撮像装置において、前記可動側電極基板は、半導体微細加工技術を用いて作製されたシリコン構造物である、ことを特徴とする。

本発明の請求項７に記載の小型撮像装置は、被写体からの入射光を光電変換する撮像素子と、前記入射光を、前記撮像素子面上においてシフトさせる画素ずらし手段と、を有し、一様な磁界中に配置された状態で用いられる小型撮像装置であって、前記画素ずらし手段は、前記入射光が透過する光透過板が接合され、半導体で形成され、渦巻き状の第一の電極が配設され、前記入射光の光軸に垂直な平面とほぼ平行な第一の軸を中心にして回転可能な第一の基板と、内部に前記第一の基板が回転可能に接合され、半導体で形成され、渦巻き状の第二の電極が配設され、第一の軸に直交し且つ前記入射光の光軸に垂直な平面とほぼ平行な第二の軸を中心にして回転可能な第二の基板と、を有し、前記渦巻き状の第一の電極に電流が流されたときに該電流に作用するローレンツ力により、第一の基板は第一の軸を中心に傾斜し、前記渦巻き状の第二の電極に電流が流されたときに該電流に作用するローレンツ力により、第二の基板は第二の軸を中心に傾斜し、各基板が傾斜して前記入射光の光軸がシフトすることに伴い、前記入射光が前記撮像素子面上における入射位置をシフトさせること、を特徴とする。

本発明の請求項８に記載の小型撮像装置において、第一及び第二の基板は、半導体微細加工技術を用いて作製されたシリコン構造物であること、を特徴とする。
本発明の請求項９に記載の小型撮像装置において、前記渦巻き状の第一の電極または前記渦巻き状の第二の電極は、正四角渦巻き状の形状を有すること、を特徴とする。
本発明の請求項１０に記載の小型撮像装置において、前記渦巻き状の第一の電極または前記渦巻き状の第二の電極は、円形渦巻き状の形状を有すること、を特徴とする。
本発明の請求項１１に記載の小型撮像装置において、前記渦巻き状の第一の電極または前記渦巻き状の第二の電極は、多角形渦巻き状の形状を有すること、を特徴とする。

半導体で形成され且つ光透過板が接合された可動側電極基板の可動側電極部と小型撮像装置に固定された固定電極基板の固定電極とを相互作用させる画素ずらし手段を使用することによって、画素ずらし手段を用いた撮像装置の小型化が可能となる。

図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明による小型撮像装置を分解して示した斜視図である。図２は、本発明による小型撮像装置の断面を模式的に示した図である。小型撮像装置１００は、入射光の光軸をシフトする「画素ずらし手段」としての画素ずらし機構１０と、入射光を受光する「撮像素子」としてのＣＣＤ素子５と、画素ずらし機構１０とＣＣＤ素子５を接合するスペーサ３とを備える。画素ずらし機構１０は、上部固定電極基板１３と、下部固定電極基板１５と、光透過板可動部１７と、上部フレーム７と、接合部９Ａを備えた下部フレーム９とを備える。上記記載のスペーサ３、下部固定電極基板１５、上部フレーム７と下部フレーム９、光透過板可動部１７、上部フレーム７、上部固定電極基板１３には、図示されない被写体からの入射光をＣＣＤ素子５に入射させるために、内部に開口部が形成される。光透過板可動部１７は、光透過板１と、平板状の可動側電極基板１１とから構成される。可動側電極基板１１は、複数の支持部１１Ａ（図１では一つ以外は図示省略）と、複数の可動側電極部１２と、本体部１１Ｃとから構成される。光透過板１は、例えばガラスで形成され、ＣＣＤ素子側の表面は反射防止膜で覆われている。光透過板１は、可動側電極基板１１の可動側電極部１２と平行になるように、可動側電極基板１１に接合される。

可動側電極基板１１は、半導体微細加工技術を用いて作製されたシリコン構造物（半導体）で形成される。電極として使用可能であれば、どのような材質の半導体が可動側電極基板１１を構成する素材として使用されてもよい。しかしシリコン単結晶は、非破壊強度が鉄よりも大きい、塑性変形もほとんどない、シリコン表面に比較的簡単に酸化膜を作成できる（導体部分と不導体部分を容易に作成できる）などの特徴がある。よって高濃度でシリコンを含有したシリコン構造物で可動側電極基板を形成することが好ましい。また半導体微細加工技術としては、既知のフォトリソグラフィー、エッチング（Ｄｅｅｐ−ＲＩＥ含む）、薄膜形成、ウェハボンディング等が使用される。

画素ずらし機構１０の下部固定電極基板１５に下部フレーム９が接合され、下部フレーム９には光透過板可動部１７の支持部１１Ａが接合される。下部フレーム９から突出した、複数の（例えば４つの）接合部９Ａと上部フレーム７とが接合される。上部フレーム７は上部固定電極基板１３に接合される。下部固定電極基板１５には、可動側電極部１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄに対応する位置に（可動側電極部１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄに所定の距離だけ離れた位置で略平行に）固定電極１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄが配設される。同様に上部固定電極基板１３には、固定電極１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄが配設される。

次に、小型撮像装置１００の動作を説明する。図１における一点鎖線２は、図示されない被写体から小型撮像装置１００への入射光の光軸を示す。被写体からの入射光は、上部固定電極基板１３の開口部を通過し、上部フレーム７の開口部を通過する。次に光透過板１Ａを透過し、可動側電極基板１１を通過し、光透過板１Ｂを透過し、下部フレーム９、下部固定電極基板１５、スペーサ３を通過し、ＣＣＤ素子５に到達する。ここで固定電極１４及び固定電極１６に所定の電圧を印加すると、光透過板可動部１７は撮像装置１００に対して所定の方向に傾斜する。この傾斜により、光透過板可動部１７に備えられた光透過板１を透過する入射光は、ＣＣＤ素子５の受光面と平行にシフトする。このためＣＣＤ素子５の不感帯に入射していた入射光を、感光部に入射させることが可能となる。

図３（ａ）は、図１の小型撮像装置を光が入射する側から見た概略図である。図３（ａ）では上部固定電極基板１３（固定電極１４は図示有）と、上部フレーム７は省略して図示されている。図３（ｂ）は、図３（ａ）の小型撮像装置のＡ−Ａ断面を示す断面図である。図３（ｃ）は、図３（ａ）の小型撮像装置のＢ−Ｂ断面を示す断面図である。

可動側電極基板１１の本体部１１Ｃは、本体部１１Ｃの光が入射する側に光透過板１Ａ、ＣＣＤ素子５側に光透過板１Ｂが接合される。本体部１１Ｃは、略正方形の外形を有し、内部に略正方形の開口部を有する板状の半導体である。本体部１１Ｃの４つの各頂点の位置には、可動側電極部１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄが一体形成される。可動側電極部１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄは、図示されるような略Ｌ字状の形状を有する。尚、本体部１１Ｃの外形、及び本体部１１Ｃの開口部の形状は、略正方形に限定されず、円形又は多角形等が適用されてもよい。可動側電極部１２の数も４個に限定されず他の個数が選択されてもよい。

支持部１１Ａは、固定部１１Ｄ及び弾性部１１Ｅから構成される。支持部１１Ａの弾性部１１Ｅは本体部１１Ｃの４辺それぞれに接合され、支持部１１Ａは本体部１１Ｃと一体形成される。支持部１１Ａの固定部１１Ｄは、上部フレーム７及び下部フレーム９に固定される。前述のように４個の可動側電極部１２の光軸方向上下にはそれぞれ、４個ずつの固定電極１４及び固定電極１６が４個の可動側電極部１２に対応する位置に配設される。固定電極１４及び固定電極１６の形状は、可動側電極部１２とほぼ同じ寸法及び形状であることが好ましい。

固定電極１４及び固定電極１６に電圧が印加されると、可動側電極部１２は可動側電極部１２の表面と垂直方向の力を受ける。固定部１１Ｄは上部フレーム７及び下部フレーム９に固定されており、弾性部１１Ｅは変形可能である。そのため、前述の垂直方向の力により、光透過板可動部１７は入射光の光軸に垂直な平面に対して傾斜する。本体部１１Ｃと上部フレーム７及び下部フレーム９とを接合する支持部１１Ａの弾性部１１Ｅの構造は、図１では棒状の構造が図示されているが、図３（ａ）のようなバネ状の構造の方が好ましい。弾性部１１Ｅをバネ状の構造にすることにより、より小さいトルクでより大きく光透過板１を傾斜させることができる。

図４は、図３（ｂ）の右端部を拡大して模式的に示した図である。下部フレーム９はグランド１９に接地されており、固定部１１Ｄは下部フレーム９に固定されているので、可動側電極部１２Ｂは、固定部１１Ｄを介して下部フレーム９と等電位となり接地される。可動側電極部１２Ｂに対応する固定電極１６Ｂに所定の電圧Ｖ１（一例として正の電圧を有する）を印加すると、可動側電極部１２Ｂと固定電極１６Ｂの間に静電引力が発生し、可動側電極部１２Ｂは矢印Ｃ方向に動く。同様に固定電極１４Ｂに所定の電圧Ｖ１‘（一例として正の電圧を有する）を印加すると、可動側電極部１２Ｂと固定電極１４Ｂの間に静電引力が発生し、可動側電極部１２Ｂは矢印Ｄ方向に動く。

図５は、傾斜した光透過板１を透過する入射光の光軸がシフトする様子を示す図である。図５において、矢印２は入射光の光軸、矢印４は光透過板１を透過した透過光の光軸を示す。光透過板１は、厚さＤ及び屈折率ｎ（空気の屈折率を１とした場合）を有し、その表面は入射光の光軸２に垂直な平面に対して角度θ傾斜している。この時光透過板１内での屈折角θｔは、θｔ＝ｓｉｎ^−１（ｓｉｎθ／ｎ）で与えられる。そして入射光の光軸２から透過光の光軸４までの光軸のシフト量ｘはｘ＝Ｄｓｉｎ（θ―θｔ）／ｃｏｓθｔで与えられる。

図６は、傾斜した光透過板可動部１７を示す図である。本例の光透過板可動部１７は、固定電極１４Ａ（１４Ｃ）、固定電極１６Ａ（１６Ｃ）、及び可動側電極部１２Ａ（１２Ｃ）で構成される電極のセットと、固定電極１４Ｂ（１４Ｄ）、固定電極１６Ｂ（１６Ｄ）、及び可動側電極部１２Ｂ（１２Ｄ）で構成される電極のセットを有する。固定電極１６Ａ（１６Ｃ）に電圧Ｖ１（Ｖ４）、固定電極１４Ｂ（１４Ｄ）に電圧Ｖ２‘（Ｖ３‘）を印加すると、図６に示されるように可動側電極部１２Ａ（１２Ｃ）は固定電極１６Ａ（１６Ｃ）の方向に移動し、可動側電極部１２Ｂ（１２Ｄ）は固定電極１４Ｂ（１４Ｄ）の方向に移動する。光透過板可動部１７の表面は入射光の光軸２に垂直な平面に対して角度θ傾斜している。角度θ傾斜すると、本例では光透過板１は２枚あるので入射光の光軸２はシフト量２ｘだけ固定電極１６Ａ（１６Ｃ）から固定電極１６Ｂ（１６Ｄ）に向かう方向にシフトする。

図７は、光透過板１の傾斜角と光軸のシフト量ｘとの関係を示すグラフである。図７のグラフは、図５に示されるような１枚の光透過板１が傾斜した場合における、傾斜角（ｄｅｇ）とシフト量ｘ（μｍ）との関係を示す。グラフ２１は、光透過板１の厚さＤが１００μｍである場合のグラフである。同様にグラフ２３、２５、２７は、それぞれ厚さＤが２００μｍ、２５０μｍ、５００μｍである場合のグラフである。図５に示すように、傾斜角とシフト量の関係は線形関数で表せる。

図８は、図１における光透過板可動部１７近傍を拡大して示した図である。図８では、支持部１１Ａは省略して示す。可動側電極基板１１の中心をＸＹＺ座標系の原点Ｏとして、可動側電極部１２Ａと可動側電極部１２Ｂとの中間点と原点Ｏを結ぶ方向をＸ軸、可動側電極部１２Ｂと可動側電極部１２Ｄとの中間点と原点Ｏを結ぶ方向をＹ軸、Ｘ軸及びＹ軸と垂直な方向をＺ軸とする。また原点Ｏからみて、可動側電極部１２Ａ及び可動側電極部１２Ｂのある方向をＸ軸＋方向とし、可動側電極部１２Ｂ及び可動側電極部１２Ｄのある方向をＹ軸＋方向とし、入射光が入射してくる方向（被写体がある方向）をＺ軸＋方向とする。光透過板可動部１７の表面のＸＹ平面に対する、ＸＺ平面での傾斜角をθ１で示し、Ｙ軸＋方向から見てＹ軸を中心として反時計周りの傾きを＋θ１とする。光透過板可動部１７の表面のＸＹ平面に対する、ＹＺ平面での傾斜角をΦ１で示し、Ｘ軸＋方向から見てＸ軸を中心として時計周りの傾きを＋Φ１とする。

図９は、画素ずらし機構の駆動シーケンスを示す。傾斜角θ１、Φ１は、固定電極１４及び固定電極１６の各電極に電圧が加えられた時の、光透過板可動部１７の傾斜角を示す。Ｖ１は固定電極１６Ａに印加される電圧、Ｖ２は固定電極１６Ｂに印加される電圧、Ｖ３は固定電極１６Ｄに印加される電圧、Ｖ４は固定電極１６Ｃに印加される電圧、Ｖ１’は固定電極１４Ａに印加される電圧、Ｖ２’は固定電極１４Ｂに印加される電圧、Ｖ３’は固定電極１４Ｄに印加される電圧、Ｖ４’は固定電極１４Ｃに印加される電圧を示す。また横軸は時間を示す。

図９の駆動シーケンスに従って、光透過板可動部１７の傾斜角の動きを説明する。時間ｔ１からｔ２においては、電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３’及びＶ４’が対応する電極に印加される。その結果、可動側電極部１２Ａは固定電極１６Ａに、可動側電極部１２Ｂは固定電極１６Ｂに、可動側電極部１２Ｃは固定電極１４Ｃに、可動側電極部１２Ｄは固定電極１４Ｄに引き付けられ、光透過板可動部１７は＋θ１傾斜する。時間ｔ２からｔ３においては、電圧Ｖ２、Ｖ３、Ｖ１’及びＶ４’が対応する電極に印加され光透過板可動部１７は＋Φ１傾斜する。時間ｔ３からｔ４においては、電圧Ｖ３、Ｖ４、Ｖ１’及びＶ２’が対応する電極に印加され光透過板可動部１７は−θ１傾斜する。時間ｔ４からｔ５においては、電圧Ｖ１、Ｖ４、Ｖ２’及びＶ３’が対応する電極に印加され光透過板可動部１７は−Φ１傾斜する。時間ｔ５からｔ９においては、時間ｔ１からｔ５における動作と同じ動作が繰り返される。

ここまで、光透過板可動部を２枚の光透過板と、１枚の可動側電極基板とにより構成する形態を説明した。次に、光透過板可動部を１枚の光透過板と、２枚の可動側電極基板とにより構成する別の形態を説明する。

図１０（ａ）は、小型撮像装置を光が入射する側から見た概略図である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の小型撮像装置のＣ−Ｃ断面を示す断面図である。図１０（ｃ）は、図１０（ａ）の小型撮像装置のＤ−Ｄ断面を示す断面図である。図１０（ａ）では上部固定電極基板１３（固定電極１４は図示有）と、上部フレーム７は省略して図示されている。

画素ずらし機構１１０は、上部固定電極基板１３と、下部固定電極基板１５と、光透過板可動部１１７と、上部フレーム７と、中央部フレーム２９と、下部フレーム９とを備える。光透過板可動部１１７は、上部可動側電極基板１１１、下部可動側電極基板２１１、及び光透過板１から構成される。光透過板可動部１１７は、下部可動側電極基板２１１の光が入射する側に光透過板１が接合され、光透過板１の光が入射する側に上部可動側電極基板１１１が接合されて構成される。上部可動側電極基板１１１及び下部可動側電極基板２１１は、前述した例の光透過板可動部１７を２枚の光透過板と１枚の可動側電極基板とで構成する形態における可動側電極基板１１と同じ構造及び機能を有する。また上部可動側電極基板１１１は複数の可動側電極部１１２を、下部可動側電極基板２１１は複数の可動側電極部２１２を有する。また上部可動側電極基板１１１、下部可動側電極基板２１１、可動側電極部１１２及び可動側電極部２１２の数字の後にＡ〜Ｅまでの符号が付された部位は、前述した光透過板可動部１７を２枚の光透過板と１枚の可動側電極基板とで構成する形態における可動側電極基板１１及び可動側電極部１２の数字の後にＡ〜Ｅまでの符号が付された部位と同じ構造及び機能を有する。また固定電極１４及び固定電極１６は、図３の例と同じ構造及び機能を有する。

画素ずらし機構１１０は、下部固定電極基板１５に下部フレーム９が接合され、下部フレーム９には光透過板可動部１１７の下部可動側電極基板２１１の支持部２１１Ａが接合される。支持部２１１Ａには中央部フレーム２９が接合され、中央部フレーム２９には可動側電極部１１２の支持部１１１Ａが接合される。支持部１１１Ａには上部フレーム７が接合される。入射光の光軸をシフトする原理及びシーケンスは、光透過板可動部を２枚の光透過板と、１枚の可動側電極基板とで構成する形態と同様である。

以上のように、固定電極１４及び固定電極１６に印加する電圧を適宜制御することにより、光透過板可動部の傾斜角を自由に設定することが可能となる。よって入射光の光軸を必要量シフトすることが可能となる。上記の構成により小型化された画素ずらし手段を提供することができる。また固定電極には、電流が殆ど流れないため、画素ずらし手段の省電力化が実現できる。

ここまで、可動側電極基板の可動側電極部と、固定電極との間に働く静電引力により駆動される画素ずらし手段を説明した。次に、一様な磁界中に、渦巻き状の電極部が配設された半導体基板を配置することにより駆動される電磁駆動型の画素ずらし手段を説明する。

図１１（ａ）は、電磁駆動型の画素ずらし手段を有する小型撮像装置を光が入射する側から見た概略図である。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の小型撮像装置のＥ−Ｅ断面を示す断面図である。図１１（ｃ）は、図１１（ａ）の小型撮像装置のＦ−Ｆ断面を示す断面図である。

小型撮像装置２００は、入射光の光軸をシフトする「画素ずらし手段」としての画素ずらし機構２１０と、入射光を受光する「撮像素子」としてのＣＣＤ素子５と、画素ずらし機構２１０とＣＣＤ素子５を接合するスペーサ３とを備える。画素ずらし機構２１０は、光透過板可動部２１７と、フレーム３１とを備える。光透過板可動部２１７は、Ｘ軸を中心として回転するＸ軸回転板２０３と、Ｙ軸を中心として回転するＹ軸回転板２０５と、光透過板１とから構成される。Ｘ軸回転板２０３は、Ｘ軸回転板２０３をＹ軸回転板２０５に対してＸ軸を中心にして回転可能に支持する支持部２０３Ａ及び支持部２０３Ｂを有する。Ｙ軸回転板２０５は、Ｙ軸回転板２０５をフレーム３１に対してＹ軸を中心にして回転可能に支持する支持部２０５Ａ及び支持部２０５Ｂを有する。ここで支持部２０３Ａ及び支持部２０３Ｂを結ぶ直線をＸ軸、支持部２０５Ａ及び支持部２０５Ｂを結ぶ直線をＹ軸、Ｘ軸とＹ軸の交点を原点Ｏ、原点Ｏを通りＸ軸及びＹ軸に垂直な軸をＺ軸と定義する。

Ｘ軸回転板２０３及びＹ軸回転板２０５は、略正方形の外形を有し、内部に略正方形の開口部を有する板状の部材であり、シリコン構造物（半導体）で形成される。Ｘ軸回転板２０３は、外郭に頂点２０３Ｃ、２０３Ｄ、２０３Ｅ、２０３Ｆを有する。Ｙ軸回転板２０５は、外郭に頂点２０５Ｃ、２０５Ｄ、２０５Ｅ、２０５Ｆを有する。フレーム３１は、外郭に頂点３１Ｃ、３１Ｄ、３１Ｅ、３１Ｆを有する。光透過板１は、Ｘ軸回転板２０３の開口部を覆うようにして、Ｘ軸回転板２０３の表面と平行になるようにＸ軸回転板２０３へ接合される。

Ｘ軸回転板２０３には、Ｚ軸を中心にして紙面上反時計回りの正四角形渦巻き状に形成された電極２０７が配置される。電極２０７は、Ｘ軸回転板２０３に電流を流すことが可能な細い一筆書きの様態で形成された電極である。電極２０７は、フレーム３１の下方部３１Ａから支持部２０５Ｂを経由して、Ｙ軸回転板２０５に敷設され、支持部２０３Ｂを経由してＸ軸回転板２０３に敷設される。Ｘ軸回転板２０３においては、Ｘ軸回転板２０３の外郭近傍の位置Ｇから電極２０７は、Ｚ軸を中心にして紙面上反時計回り方向にＹ軸と平行になるように９０度折れ曲がる。そして頂点２０３Ｄと２０３Ｆを結ぶ直線に交差する点でＺ軸を中心にして紙面上反時計回り方向にＸ軸と平行になるように９０度折れ曲がる。そして頂点２０３Ｃと２０３Ｅを結ぶ直線に交差する点でＺ軸を中心にして紙面上反時計回り方向にＹ軸と平行になるように９０度折れ曲がる。そして頂点２０３Ｄと２０３Ｆを結ぶ直線に交差する点でＺ軸を中心にして紙面上反時計回り方向にＸ軸と平行になるように９０度折れ曲がる。次に頂点２０３Ｃと２０３Ｅを結ぶ直線に交差する点の手前でＺ軸を中心にして紙面上反時計回り方向にＹ軸と平行になるように９０度折れ曲がる。そして電極２０７は、支持部２０３Ａと２０３Ｂを結ぶ直線に交差する点に達し、Ｘ軸回転板２０３上で反時計回りに一周回転したことになる。

電極２０７は、前述の回転を数回繰り返してＺ軸を中心にして紙面上反時計回りの正四角形渦巻き状の形状を形成し、支持部２０３Ａと２０３Ｂを結ぶ直線に支持部２０３Ａ側で交差する点Ｈに達する。電極２０７は、点Ｈから交錯する渦巻き状の電極２０７部分と絶縁されて支持部２０３Ａを経由してＹ軸回転板２０５に敷設され、Ｙ軸回転板２０５上で支持部２０５Ａまで敷設される。最後に、支持部２０５Ａを経由してフレーム３１の上方部３１Ｂに接続される。

Ｙ軸回転板２０５には、Ｚ軸を中心にして紙面上反時計回りの正四角形渦巻き状に形成された電極２０９が配置される。電極２０９は、Ｙ軸回転板２０５に電流を流すことが可能な細い一筆書きの様態で形成された電極である。電極２０９は、フレーム３１の下方部３１Ａから支持部２０５Ｂを経由して、Ｙ軸回転板２０５に敷設される。Ｙ軸回転板２０５においては、Ｙ軸回転板２０５の外郭近傍の位置Ｊから電極２０９は、Ｚ軸を中心にして紙面上反時計回り方向にＸ軸と平行になるように９０度折れ曲がる。そして頂点２０５Ｃと２０５Ｅを結ぶ直線に交差する点でＹ軸と平行になるように９０度折れ曲がる。そして頂点２０５Ｄと２０５Ｆを結ぶ直線に交差する点でＺ軸を中心にして紙面上反時計回り方向にＸ軸と平行になるように９０度折れ曲がる。次に頂点２０５Ｃと２０５Ｅを結ぶ直線に交差する点でＺ軸を中心にして紙面上反時計回り方向にＹ軸と平行になるように反時計回り方向に９０度折れ曲がる。次に頂点２０５Ｄと２０５Ｆを結ぶ直線に交差する点の手前でＺ軸を中心にして紙面上反時計回り方向にＸ軸と平行になるように反時計回り方向に９０度折れ曲がる。そして電極２０９は、支持部２０５Ａと２０５Ｂを結ぶ直線に交差する点に達し、Ｙ軸回転板２０５上で反時計回りに一周回転したことになる。

電極２０９は、前述の回転を数回繰り返してＺ軸を中心にして紙面上反時計回りの正四角形渦巻き状の形状を形成し、支持部２０５Ａと２０５Ｂを結ぶ直線に支持部２０５Ａ側で交差する点Ｋに達する。電極２０９は、点Ｋから交錯する渦巻き状の電極２０９部分と絶縁されて支持部２０５Ａを経由してフレーム３１に敷設される。尚電極２０７及び電極２０９は、互いに交錯する部分は絶縁が施されている。また、電極２０７及び電極２０９は、正四角形渦巻き状の形状としたが、Ｘ軸回転板２０３及びＹ軸回転板２０５の形状に応じて円形又は多角形渦巻き状の形状としてもよい。

図１２は、磁界が加えられた図１１の小型撮像装置を光が入射する側から見た図である。小型撮像装置２００には、フレーム頂点３１Ｄからフレーム頂点３１Ｆを結ぶ線に平行で、フレーム頂点３１Ｄからフレーム頂点３１Ｆに向かう方向の一様な磁界２２１が加えられている。磁界２２１は、例えば磁石などの磁界発生手段２１９Ａ及び磁界発生手段２１９Ｂによって発生する。磁界発生手段２１９ＡのＮ極は、フレーム頂点３１Ｄと対向する位置にある。磁界発生手段２１９ＢのＳ極は、フレーム頂点３１Ｆと対向する位置にある。磁界発生手段２１９Ａ及び２１９Ｂが配置される位置は、フレーム３１上又は小型撮像装置２００の外部などが考えられる。

図１３は、電流が加えられた図１１の小型撮像装置を光が入射する側から見た図である。電流Ｉｘが、フレーム３１の下方部３１Ａから上方部３１Ｂまで流れるように電極２０７に加えられる。同様に電流Ｉｙが、フレーム３１の下方部３１Ａから上方部３１Ｂまで流れるように電極２０９に加えられる。なお本例では、電流Ｉｘ及び電流Ｉｙは直流電流であり、下方部３１Ａから上方部３１Ｂまで流れる電流を＋電流、上方部３１Ｂから下方部３１Ａまで流れる電流を−電流とする。

小型撮像装置２００に上述のような磁界２２１が加えられている状態で、下方部３１Ａから上方部３１Ｂまで流れる電流＋Ｉｘが電極２０７に加えられると、フレミングの左手の法則に従った電磁力によりＸ軸回転板２０３は、Ｘ軸＋方向から見てＸ軸を中心として反時計回りに傾斜する。ＸＹ平面に対する該傾斜角を＋θ２とする。電流−Ｉｘが電極２０７に加えられると、Ｘ軸回転板２０３は、Ｘ軸＋方向から見てＸ軸を中心として時計回りに傾斜する。ＸＹ平面に対する該傾斜角を−θ２とする。

同様に、下方部３１Ａから上方部３１Ｂまで流れる電流＋Ｉｙが電極２０９に加えられると、Ｙ軸回転板２０５は、Ｙ軸＋方向から見てＹ軸を中心として反時計回りに傾斜する。ＸＹ平面に対する該傾斜角を＋Φ２とする。電流−Ｉｙが電極２０９に加えられると、Ｙ軸回転板２０５は、Ｙ軸＋方向から見てＹ軸を中心として時計回りに傾斜する。ＸＹ平面に対する該傾斜角を−Φ２とする。

図１４は、電磁駆動型の画素ずらし機構の駆動シーケンスを示す。縦軸θ２のグラフは、電流Ｉｘが電極２０７に加えられた時のＸ軸回転板２０３の傾斜角を示す。縦軸Φ２のグラフは、電流Ｉｙが電極２０９に加えられた時のＹ軸回転板２０５の傾斜角を示す。縦軸Ｉｘのグラフは、電極２０７に加えられる電流を示す。縦軸Ｉｙのグラフは、電極２０９に加えられる電流を示す。図１４に示される全てのグラフの横軸は、時間を示す。

図１４に示される駆動シーケンスに従って、Ｘ軸回転板２０３及びＹ軸回転板２０５の動作を説明する。時間ｔ１からｔ２にかけて、電流＋Ｉｘが電極２０７に加えられると、Ｘ軸回転板２０３は＋θ２傾斜する。時間ｔ２からｔ３にかけて、電流＋Ｉｙが電極２０９に加えられ、Ｙ軸回転板２０５は＋Φ２傾斜する。時間ｔ３からｔ４にかけて、電流−Ｉｘが電極２０７に加えられ、Ｘ軸回転板２０３は−θ２傾斜する。時間ｔ４からｔ５にかけて、電流−Ｉｙが電極２０９に加えられ、Ｙ軸回転板２０５は−Φ２傾斜する。時間ｔ５からｔ９にかけては、時間ｔ１からｔ５までと同じ動作が繰り返される。

以上説明したように、電流ＩｘをＸ軸回転板２０３の電極２０７に、電流ＩｙをＹ軸回転板２０５の電極２０９に適宜加えることにより、Ｘ軸回転板２０３及びＹ軸回転板２０５の傾斜角を自在に制御することが可能となる。よって入射光の光軸を必要量シフトすることが可能となる。上記の構成により小型化された画素ずらし手段を提供することができる。

なお上述の手段の他に、画素ずらし手段には、電圧を印加することで形状が変形する圧電素子を用いた圧電駆動方式や熱膨張率の違いを利用した熱駆動方式等がある。これら圧電駆動方式や熱駆動方式の画素ずらし手段に、半導体微細加工技術を利用することにより、画素ずらし手段を小型化することが可能となる。

図１は、本発明による小型撮像装置を分解して示した斜視図である。 図２は、本発明による小型撮像装置の断面を模式的に示した図である。 図３（ａ）は、図１の小型撮像装置を光が入射する側から見た概略図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の小型撮像装置のＡ−Ａ断面を示す断面図である。図３（ｃ）は、図３（ａ）の小型撮像装置のＢ−Ｂ断面を示す断面図である。 図４は、図３（ｂ）の右端部を拡大して模式的に示した図である。 図５は、傾斜した光透過板を透過する入射光の光軸がシフトする様子を示す図である。 図６は、傾斜した光透過板可動部を示す図である。 図７は、光透過板の傾斜角と光軸のシフト量ｘとの関係を示すグラフである。 図８は、図１における光透過板可動部近傍を拡大して示した図である。 図９は、画素ずらし機構の駆動シーケンスを示す。 図１０（ａ）は、小型撮像装置を光が入射する側から見た概略図である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の小型撮像装置のＣ−Ｃ断面を示す断面図である。図１０（ｃ）は、図１０（ａ）の小型撮像装置のＤ−Ｄ断面を示す断面図である。 図１１（ａ）は、電磁駆動型の画素ずらし手段を有する小型撮像装置を光が入射する側から見た概略図である。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の小型撮像装置のＥ−Ｅ断面を示す断面図である。図１１（ｃ）は、図１１（ａ）の小型撮像装置のＦ−Ｆ断面を示す断面図である。 図１２は、磁界が加えられた図１１の小型撮像装置を光が入射する側から見た図である。 図１３は、電流が加えられた図１１の小型撮像装置を光が入射する側から見た図である。 図１４は、電磁駆動型の画素ずらし機構の駆動シーケンスを示す。 図１５は、従来の画素ずらしシステムを示す。

符号の説明

１ 光透過板
１Ａ 光透過板
１Ｂ 光透過板
２ 入射光の光軸
３ スペーサ
４ 透過光の光軸
５ ＣＣＤ素子
７ 上部フレーム
９ 下部フレーム
９Ａ 接合部
１０ 画素ずらし機構
１１ 可動側電極基板
１１Ａ 支持部
１１Ｃ 本体部
１１Ｄ 固定部
１１Ｅ 弾性部
１２ 可動側電極部
１２Ａ 可動側電極部
１２Ｂ 可動側電極部
１２Ｃ 可動側電極部
１２Ｄ 可動側電極部
１３ 上部固定電極基板
１４Ａ 固定電極
１４Ｂ 固定電極
１４Ｃ 固定電極
１４Ｄ 固定電極
１５ 下部固定電極基板
１６ 固定電極
１６Ａ 固定電極
１６Ｂ 固定電極
１６Ｃ 固定電極
１６Ｄ 固定電極
１７ 光透過板可動部
２９ 中央部フレーム
３１ フレーム
１００ 小型撮像装置
１１０ 画素ずらし機構
１１１ 上部可動側電極基板
１１２ 可動側電極部
１１７ 光透過板可動部
２００ 小型撮像装置
２０３ Ｘ軸回転板
２０３Ａ 支持部
２０３Ｂ 支持部
２０５ Ｙ軸回転板
２０５Ａ 支持部
２０５Ｂ 支持部
２０７ 電極
２０９ 電極
２１０ 画素ずらし機構
２１１ 下部可動側電極基板
２１２ 可動側電極部
２１７ 光透過板可動部
２１９ 磁界発生手段
３００ 画素ずらしシステム
３０１ 被写体
３０２ 撮像レンズ群
３０３ ＣＣＤ素子
３０４ 光透過板
３０５ａ 光透過板制御手段
３０５ｂ 光透過板制御手段

Claims (11)

1. 被写体からの入射光を光電変換する撮像素子と、
   前記入射光を、前記撮像素子面上においてシフトさせる画素ずらし手段と、を有する小型撮像装置であって、
   前記画素ずらし手段は、
   電圧が印加される複数の固定電極を有し、前記小型撮像装置に固定された固定電極基板と、
   半導体で形成され、前記固定電極と対向する位置に配置された複数の可動側電極部を有する可動側電極基板と、前記可動側電極基板に接合され、前記入射光が透過する光透過板と、から構成される光透過板可動部と、を有し、
   前記固定電極と、前記可動側電極部との静電引力により前記光透過板が傾斜して前記入射光の光軸がシフトされることに伴い、前記入射光の前記撮像素子面上における入射位置をシフトさせること、
   を特徴とする小型撮像装置。
2. 前記固定電極基板は、４個の前記固定電極を有し、
   前記可動側電極基板は、各固定電極に対応する４個の前記可動側電極部を有する、
   を特徴とする請求項１に記載の小型撮像装置。
3. 前記固定電極基板は第一の固定電極基板と第二の固定電極基板から構成され、
   前記光透過板可動部は、前記第一の固定電極基板と前記第二の固定電極基板の間に配置されること、
   を特徴とする請求項１または２に記載の小型撮像装置。
4. 前記光透過板可動部は、２枚の光透過板と、１枚の可動側電極基板とから構成されること、
   を特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の小型撮像装置。
5. 前記光透過板可動部は、１枚の光透過板と、２枚の可動側電極基板とから構成されること、
   を特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の小型撮像装置。
6. 前記可動側電極基板は、半導体微細加工技術を用いて作製されたシリコン構造物であること、
   を特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の小型撮像装置。
7. 被写体からの入射光を光電変換する撮像素子と、
   前記入射光を、前記撮像素子面上においてシフトさせる画素ずらし手段と、を有し、
   一様な磁界中に配置された状態で用いられる小型撮像装置であって、
   前記画素ずらし手段は、
   前記入射光が透過する光透過板が接合され、半導体で形成され、渦巻き状の第一の電極が配設され、前記入射光の光軸に垂直な平面とほぼ平行な第一の軸を中心にして回転可能な第一の基板と、
   内部に前記第一の基板が回転可能に接合され、半導体で形成され、渦巻き状の第二の電極が配設され、第一の軸に直交し且つ前記入射光の光軸に垂直な平面とほぼ平行な第二の軸を中心にして回転可能な第二の基板と、を有し、
   前記渦巻き状の第一の電極に電流が流されたときに該電流に作用するローレンツ力により、該第一の基板は前記第一の軸を中心に傾斜し、
   前記渦巻き状の第二の電極に電流が流されたときに該電流に作用するローレンツ力により、該第二の基板は前記第二の軸を中心に傾斜し、
   各基板が傾斜して前記入射光の光軸がシフトすることに伴い、前記入射光の前記撮像素子面上における入射位置をシフトさせること、
   を特徴とする小型撮像装置。
8. 前記第一及び第二の基板は、半導体微細加工技術を用いて作製されたシリコン構造物であること、
   を特徴とする請求項７に記載の小型撮像装置。
9. 前記渦巻き状の第一の電極または前記渦巻き状の第二の電極は、正四角渦巻き状の形状を有すること、
   を特徴とする請求項７または８に記載の小型撮像装置。
10. 前記渦巻き状の第一の電極または前記渦巻き状の第二の電極は、円形渦巻き状の形状を有すること、
    を特徴とする請求項７または８に記載の小型撮像装置。
11. 前記渦巻き状の第一の電極または前記渦巻き状の第二の電極は、多角形渦巻き状の形状を有すること、
    を特徴とする請求項７または８に記載の小型撮像装置。

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