JP6283943B2

JP6283943B2 - 撮像素子の位置計測方法及び当該方法に用いる投光装置

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Publication number: JP6283943B2
Application number: JP2014131422A
Authority: JP
Inventors: 伸一桂
Original assignee: KATSURA OPTO SYSTEMS CO., LTD.
Current assignee: KATSURA OPTO SYSTEMS CO., LTD.
Priority date: 2014-06-26
Filing date: 2014-06-26
Publication date: 2018-02-28
Anticipated expiration: 2034-06-26
Also published as: JP2016008944A

Description

本発明は、撮影レンズに対する固体撮像素子（以下、単に「撮像素子」とも言う。）の位置及び撮像素子の傾きを測定するための撮像素子の位置計測方法及び当該方法に用いる投光装置に関し、特に、光学チャートを使用せず、簡単な構成を有する投光部から出射される収束光及び発散光の集光スポット（収束光による集光スポット及び発散光による集光スポット）で形成される集光パターンによって、撮影レンズから撮像素子までの距離及び撮像素子の傾きを簡単に測定できるようにした撮像素子の位置計測方法及び、当該方法に用いる複数の投光部で構成される投光装置に関する。

近年、画像を取得する撮像装置（例えば、デジタルカメラや、携帯電話機,ドアホン等の各種電子機器の筐体内に組み込まれているカメラモジュールなどのデジタルカメラ装置）が爆発的に普及しており、多様な分野・用途で利用されている。カメラモジュールは、例えば、特許文献１等に開示されている。

特に、最近のデジタルカメラもカメラモジュールも、撮像素子（例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complimentary Metal Oxide Semiconductor）などの撮像素子）の高画素化が進んでおり、例えば、５００万画素以上の画素数を有する高画素数の撮像素子を使用したものが増えている。

このような高画素数の撮像素子は、開口率が低くなるので、その画素数に見合った解像度の画像を得るには、デジタルカメラ装置の製造段階で、撮影レンズと撮像素子との厳密な位置調整（位置決め）を行う必要がある。

この撮影レンズと撮像素子の位置決めについて、従来では、解像度チャートとも呼ばれる光学チャートを撮影レンズにより撮像素子に結像させ、撮影レンズと撮像素子の間隔（距離）を変え、部分的なコントラストをＭＴＦ（Modulation Transfer Function）法等により、最良コントラスト位置を演算し、撮影レンズに対しての撮像素子の位置（即ち、撮影レンズから撮像素子までの距離）を計測するようにしている。

ここで、図１を参照して、従来の撮影レンズと撮像素子の位置決めの代表例を説明する。

図１に示されたように、均一に照明されているチャート板上に、光学チャートＡ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１及びＥ１が刻まれている。撮影レンズと撮像素子の位置決めの手順として、まず、光学チャートＡ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１及びＥ１を撮影レンズにより、Ａ１’、Ｂ１’、Ｃ１’、Ｄ１’及びＥ１’として撮像素子にそれぞれ結像させる。次に、撮像素子に結像させた光学チャート像（即ち、Ａ１’、Ｂ１’、Ｃ１’、Ｄ１’及びＥ１’）のコントラストを、撮影レンズ又は撮像素子の位置を変化させながら測定し、各光学チャートのコントラスト最良位置を求める。最後に、撮影レンズ又は撮像素子を各光学チャートのコントラスト最良位置になるように調整し、撮影レンズと撮像素子の位置決めを行う。

特開２００３−２１９２８４号公報

しかしながら、上述した従来の撮影レンズと撮像素子の位置決め方法では、次のような問題点がある。

第１の問題点として、ＭＴＦ測定では、コントラストを測定するため、光学チャート面での光強度及び指向性が測定値（測定したコントラスト値）に影響を与える恐れがある。また、第２の問題点として、光学チャート（チャート板）と撮影レンズの光軸（以下、単に「光軸」とも言う。）との垂直度の管理が必要となる。そして、第３の問題点として、撮影レンズ又は撮像素子を移動させて複数位置で測定する必要があるため、測定時間がかかる。

本発明は、上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、光学チャートを必要とせずに、１位置の測定で、撮影レンズから撮像素子までの距離及び撮像素子の傾きを測定できるようにした撮像素子の位置計測方法及び当該方法に用いる投光装置を提供することにある。

本発明は、測定対象レンズとなる撮影レンズから撮像素子までの距離及び前記撮像素子の傾きを同じ構成を有する第１投光部、第２投光部、第３投光部、第４投光部及び第５投光部で構成されている投光装置を用いて測定するための撮像素子の位置計測方法に関し、本発明の上記目的は、前記第１投光部から出射される測定用光は、前記測定対象レンズに垂直に入射するようになっており、前記第２投光部、前記第３投光部、前記第４投光部及び前記第５投光部から出射される測定用光は、いずれも前記投光装置の光軸に対して所定の入射角で、前記測定対象レンズに入射するようになっており、前記各投光部から出射される前記各測定用光は、それぞれ発散光と収束光で構成されており、前記第１投光部から出射される前記測定用光による第１集光パターンを測定することにより、撮影レンズから撮像素子までの距離を求め、前記第２投光部から出射される前記測定用光による第２集光パターン、及び、前記第３投光部から出射される前記測定用光による第３集光パターンを測定することにより、前記撮像素子Ｙ軸方向の傾き角を求め、前記第４投光部から出射される前記測定用光による第４集光パターン、及び、前記第５投光部から出射される前記測定用光による第５集光パターンを測定することにより、前記撮像素子Ｘ軸方向の傾き角を求めることにより、或いは、前記各集光パターンは、前記各収束光による集光スポット及び前記各発散光による集光スポットで形成され、前記各収束光による集光スポット径及び前記各発散光による集光スポット径を測定することにより、前記各集光パターンを測定するようにしていることによって効果的に達成される。

また、本発明は、本発明の撮像素子の位置計測方法に用いる投光装置に関し、本発明の上記目的は、前記各投光部は光源となる投光素子と、前記投光素子から出射された発散光を平行光にする投光レンズと、前記投光レンズから出射された平行光を入射する集光レンズと、前記集光レンズによる集光後の発散光を入射するシリンドリカルレンズとを具備していることにより、或いは、前記シリンドリカルレンズは、片面がシリンドリカル面で、もう片面は平面である、平凸シリンドリカルレンズであり、前記投光レンズは、コリメータレンズであることによって効果的に達成される。

本発明に係る撮像素子の位置計測方法によれば、光学チャートを使用せず、同じ構成を有する複数の投光部で構成されている本発明の投光装置を用いて、これら複数の投光部から出射される測定用光による集光パターン（発散光入射による集光スポット径及び収束光入射による集光スポット径）を１位置の測定で計測することによって、撮影レンズから撮像素子までの距離、及び撮像素子の傾き（撮像素子Ｘ軸方向の傾き角及び撮像素子Ｙ軸方向の傾き角）を求めることができる。

従来の撮影レンズと撮像素子の位置決めの代表例を説明するための模式図である。本発明に係る投光装置における投光部、投光部から出射される収束光及び発散光、集光スポットを説明するための模式図である。本発明に係る撮像素子の位置計測方法及び投光装置を説明するための模式図である。本発明の投光部Ａの発散光方向の入射様子を説明するための模式図である。本発明の投光部Ａの収束光方向の入射様子を説明するための模式図である。本発明の投光部Ｂ、投光部Ｃ、投光部Ｄ又は投光部Ｅの収束光方向の入射様子を説明するための模式図である。本発明の投光部Ａの発散光方向の入射時における測定対象レンズの発散光側集光点、及び、測定対象レンズの焦点位置から測定対象レンズの発散光側集光点までの距離（測定対象レンズの発散光側集光距離のずれ量Ｚ１）を説明するための模式図である。本発明の投光部Ａの発散光方向の入射時において、撮像素子が測定対象レンズの焦点位置より前方の場合の撮像素子に結像された発散光による集光スポットを説明するための模式図である。本発明の投光部Ａの発散光方向の入射時において、撮像素子が測定対象レンズの焦点位置の場合の撮像素子に結像された発散光による集光スポットを説明するための模式図である。本発明の投光部Ａの発散光方向の入射時において、撮像素子が測定対象レンズの焦点位置より後方の場合の撮像素子に結像された発散光による集光スポットを説明するための模式図である。本発明の投光部Ａの収束光方向の入射時において、測定対象レンズの収束光側集光点、測定対象レンズの焦点位置から測定対象レンズの収束光側集光点までの距離（測定対象レンズの収束光側集光距離のずれ量Ｚ２）、及び、撮像素子が測定対象レンズの焦点位置の場合の撮像素子に結像された収束光による集光スポットを説明するための模式図である。本発明の投光部Ａの収束光方向の入射時において、撮像素子が測定対象レンズの焦点位置より後方の場合の撮像素子に結像された収束光による集光スポットを説明するための模式図である。本発明の投光部Ａ収束光方向の入射時において、撮像素子が測定対象レンズの焦点位置より前方の場合の撮像素子に結像された収束光による集光スポットを説明するための模式図である。本発明の集光パターンのイメージ図である。

本発明は、光学チャートを使用せず、簡単な構成を有する投光部から出射される収束光及び発散光の集光スポット（収束光による集光スポット及び発散光による集光スポット）で形成される集光パターンによって、撮影レンズから撮像素子までの距離、及び撮像素子の傾きを簡単に測定できるようにした撮像素子の位置計測方法、及び、当該方法に用いる複数の投光部で構成される投光装置に関する。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。また、後述する本発明の実施形態では、測定対象であるデジタルカメラ装置として、撮影レンズと撮像素子とを備えるカメラモジュールを用いる。なお、本発明は必ずしも以下の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲を逸脱しない範囲において、その構成を種々に変更し得ることは言うまでも無い。また、測定対象として、カメラモジュールに限定されることはなく、画像を取得する撮像装置、例えば、デジタルカメラを測定対象とすることもできる。

本発明に係る投光装置は、同じ構成を有する複数の投光部で構成されている。そして、本発明に係る撮像素子の位置計測方法では、本発明の投光装置を用いて、測定対象となるカメラモジュールに対し、その撮影レンズ（以下、単に「測定対象レンズ」とも言う。）から撮像素子までの距離、及び当該撮像素子の傾きを測定する。

図２（Ａ）は本発明に係る投光装置における投光部１１０、投光部１１０から出射される収束光、収束光による集光スポット２３０を説明するための模式図である。図２（Ｂ）は本発明に係る投光装置における投光部１１０、投光部１１０から出射される発散光、発散光による集光スポット２４０を説明するための模式図である。また、図３は本発明に係る撮像素子の位置計測方法及び投光装置１００を説明するための模式図である。

図２及び図３を参照して、本発明の投光部、本発明の投光装置、及び本発明の撮像素子の位置計測方法について説明する。

本発明に係る投光装置は、測定用光（発散光及び収束光）を出射する、同じ構成を有する複数の投光部１１０で構成される。本発明の投光装置の一実施例として、例えば、図３に示されるように、本発明の投光装置１００は、同じ構成を有する５つの投光部１１０（以下、これら５つの投光部を、「投光部Ａ」、「投光部Ｂ」、「投光部Ｃ」、「投光部Ｄ」及び「投光部Ｅ」とも言う。）で構成されている。

本発明の投光部１１０は、図２（Ａ）に模式的に示されたようにＹ軸方向に収束光を、図２（Ｂ）に模式的に示されたようにＸ軸方向に発散光を、出射するようになっている。本発明で言う「測定用光」とは、図２に示されたような発散光及び収束光を意味する。

また、本発明に係る撮像素子の位置計測方法では、図３に示されたように、投光装置１００の投光部Ａから出射される測定用光は、撮影レンズ２１０によって撮像素子２２０に集光パターンＡ’として結像され、投光装置１００の投光部Ｂから出射される測定用光は、撮影レンズ２１０によって撮像素子２２０に集光パターンＢ’として結像され、投光装置１００の投光部Ｃから出射される測定用光は、撮影レンズ２１０によって撮像素子２２０に集光パターンＣ’として結像され、投光装置１００の投光部Ｄから出射される測定用光は、撮影レンズ２１０によって撮像素子２２０に集光パターンＤ’として結像され、投光装置１００の投光部Ｅから出射される測定用光は、撮影レンズ２１０によって撮像素子２２０に集光パターンＥ’として結像されるようになっている。

本発明では、これらの集光パターン（集光パターンＡ’、集光パターンＢ’、集光パターンＣ’、集光パターンＤ’及び集光パターンＥ’）を構成する集光スポット（即ち、収束光による集光スポットと発散光による集光スポット）の直径（以下、単に、「収束光による集光スポット径」、「発散光による集光スポット径」とも言う。）を計測することにより、撮影レンズ２１０と撮像素子２２０とを備えるカメラモジュール２００に対し、撮影レンズ２１０（測定対象レンズ）から撮像素子２２０までの距離、及び撮像素子２２０の傾きを求める（測定）するようにしている。

図４は、投光部Ａの発散光方向の入射様子を説明するための模式図である。また、図５は、投光部Ａの収束光方向の入射様子を説明するための模式図である。更に、図６は、投光部Ｂ、投光部Ｃ、投光部Ｄ又は投光部Ｅの収束光方向の入射様子を説明するための模式図である。図４及び図５を参照して、投光部Ａの具体的な構成例を説明する。

図４及び図５に示されたように、投光部Ａは、光源となるレーザーダイオード（ＬＤ）等の投光素子１１１と、投光素子１１１から出射された拡散光を平行光にする投光レンズ１１２と、投光レンズ１１２から出射された平行光を入射する集光レンズ１１３と、集光レンズ１１３による集光後の発散光を入射するシリンドリカルレンズ１１４とを具備している。

本発明で使用されるシリンドリカルレンズ１１４は、片面がシリンドリカル面で、もう片面は平面である、平凸シリンドリカルレンズであり、即ち、Ｙ軸方向に凸レンズの曲率を持つシリンドリカル面で、Ｘ軸方向に曲率のない平面である平凸シリンドリカルレンズである。図４はシリンドリカルレンズ１１４の平面を示しており、集光レンズ１１３による集光後の発散光がシリンドリカルレンズ１１４の平面側（Ｘ軸方向）に入射し、そして、シリンドリカルレンズ１１４から出射された発散光を、本発明の測定用光としての発散光とする。また、図５はシリンドリカルレンズ１１４のシリンドリカル面を示しており、集光レンズ１１３による集光後の発散光がシリンドリカルレンズ１１４のシリンドリカル面側（Ｙ軸方向）に入射し、そして、シリンドリカルレンズ１１４から出射された収束光を、本発明の測定用光としての収束光とする。

本発明では、シリンドリカルレンズ１１４から出射された測定用光（発散光及び収束光）を測定対象レンズ（撮影レンズ２１０）に入射させる。

また、投光部Ａでは、投光素子１１１の光軸、投光レンズ１１２の光軸、集光レンズ１１３の光軸、及びシリンドリカルレンズ１１４の光軸を全て一致させて構成されている。以下、これらの光軸（即ち、Ｚ軸）を単に、「投光装置の光軸」又は「光軸」とも言う。

図４及び図５に示された光軸上の点ａは、集光レンズ１１３の集光点を示す。また、図５に示された光軸上の点ｂは、シリンドリカルレンズ１１４の収束光側集光点を示す。

なお、投光素子１１１として、上述したレーザーダイオード（ＬＤ）のほか、発光ダイオードを用いることもできる。また、投光レンズ１１２として、例えば、コリメータレンズを用いることができる。

図３に示された投光装置１００において、投光部Ａから出射される測定用光は、撮影レンズ２１０（測定対象レンズ）に垂直に入射するようになっており、撮影レンズ２１０（測定対象レンズ）から撮像素子２２０に結像された集光パターンＡ’までの距離（以下、この距離をＺ_Ａで表す。）を測定するための測定用光である。つまり、Ｚ_Ａは、撮影レンズ２１０（測定対象レンズ）から、投光部Ａから出射される測定用光によって撮像素子２２０に結像された集光パターンＡ’までの距離である。

本発明では、測定したＺ_Ａを撮影レンズから撮像素子までの距離とする。

図３に示された投光装置１００において、投光部Ｂから出射される測定用光は、投光装置の光軸に対して入射角αで（この入射角αは図６に示されている。）、撮影レンズ２１０（測定対象レンズ）に入射するようになっており、撮影レンズ２１０（測定対象レンズ）から撮像素子２２０に結像された集光パターンＢ’までの距離（以下、この距離をＺ_Ｂで表す。）を測定するための測定用光である。つまり、Ｚ_Ｂは、撮影レンズ２１０（測定対象レンズ）から、投光部Ｂから出射される測定用光によって撮像素子２２０に結像された集光パターンＢ’までの距離である。

図３に示された投光装置１００において、投光部Ｃから出射される測定用光は、投光装置の光軸に対して入射角αで（この入射角αは図６に示されている。）、撮影レンズ２１０（測定対象レンズ）に入射するようになっており、撮影レンズ２１０（測定対象レンズ）から撮像素子２２０に結像された集光パターンＣ’までの距離（以下、この距離をＺ_Ｃで表す。）を測定するための測定用光である。つまり、Ｚ_Ｃは、撮影レンズ２１０（測定対象レンズ）から、投光部Ｃから出射される測定用光によって撮像素子２２０に結像された集光パターンＣ’までの距離である。

本発明では、Ｚ_ＢとＺ_Ｃを測定し、測定したＺ_Ｂと測定したＺ_Ｃの距離差分ｄｚ１から、撮像素子Ｙ軸方向の傾き角γを求めることができる。

図３に示された投光装置１００において、投光部Ｄから出射される測定用光は、投光装置の光軸に対して入射角αで（この入射角αは図６に示されている。）、撮影レンズ２１０（測定対象レンズ）に入射するようになっており、撮影レンズ２１０（測定対象レンズ）から撮像素子２２０に結像された集光パターンＤ’までの距離（以下、この距離をＺ_Ｄで表す。）を測定するための測定用光である。つまり、Ｚ_Ｄは、撮影レンズ２１０（測定対象レンズ）から、投光部Ｄから出射される測定用光によって撮像素子２２０に結像された集光パターンＤ’までの距離である。

図３に示された投光装置１００において、投光部Ｅから出射される測定用光は、投光装置の光軸に対して入射角αで（この入射角αは図６に示されている。）、撮影レンズ２１０（測定対象レンズ）に入射するようになっており、撮影レンズ２１０（測定対象レンズ）から撮像素子２２０に結像された集光パターンＥ’までの距離（以下、この距離をＺ_Ｅで表す。）を測定するための測定用光である。つまり、Ｚ_Ｅは、撮影レンズ２１０（測定対象レンズ）から、投光部Ｅから出射される測定用光によって撮像素子２２０に結像された集光パターンＥ’までの距離である。

本発明では、Ｚ_ＤとＺ_Ｅを測定し、測定したＺ_Ｄと測定したＺ_Ｅの距離差分ｄｚ２から、撮像素子Ｘ軸方向の傾き角δを求めることができる。

本発明の撮像素子の位置計測方法を用いて、撮影レンズから撮像素子までの距離（Ｚ_Ａ）、及び撮像素子の傾き（撮像素子Ｘ軸方向の傾き角δ及び撮像素子Ｙ軸方向の傾き角γ）を測定する際に、投光装置（投光部）と測定対象レンズ（撮影レンズ）の位置関係について、測定対象レンズ（撮影レンズ）への入射角の大きさが測定用光の発散光も測定用光の収束光も同じになるようにするため、図５に示されたように、集光レンズ１１３の集光点ａとシリンドリカルレンズ１１４の収束光側集光点ｂの中間に測定対象レンズ（撮影レンズ２１０）を設置するようにしており、集光レンズ１１３の集光点ａからシリンドリカルレンズ１１４の収束光側集光点ｂまでの距離を２Ｌとすると、集光レンズ１１３の集光点ａから測定対象レンズの設置位置までの距離はＬとなる。

つまり、Ｌは本発明の投光装置の既知パラメータで、測定対象レンズを設置するための固定値であり、集光レンズ１１３の集光点ａからシリンドリカルレンズ１１４の収束光側集光点ｂまでの距離の半分はＬとなる。

本発明では、集光レンズ１１３の集光点ａとシリンドリカルレンズ１１４の収束光側集光点ｂの中間に測定対象レンズ（撮影レンズ２１０）を設置することにより、測定用光の発散光の測定対象レンズへの入射角の大きさは、測定用光の収束光の測定対象レンズへの入射角の大きさと等しくなる。以下、測定用光の発散光の測定対象レンズへの入射角をθとするとともに、測定用光の収束光の測定対象レンズへの入射角をもθとする。また、このθを単に、「測定用光の測定対象レンズへの入射角」とも言う。

図７は、本発明の投光部Ａの発散光方向の入射時における測定対象レンズの発散光側集光点、及び、測定対象レンズの焦点位置から測定対象レンズの発散光側集光点までの距離（測定対象レンズの発散光側集光距離のずれ量Ｚ１）を説明するための模式図である。図７を参照して、測定対象レンズの発散光側集光距離のずれ量Ｚ１の算出方法について説明する。

本発明では、本発明の投光部Ａの発散光方向の入射時において、図７に示されたように、点ｐ１、点ｐ２及び点ｐ３で構成される三角形と、点ｐ１、点ｐ４及び点ｐ５で構成される三角形は相似であるため、また、測定対象レンズの焦点位置における点ｐ４点ｐ５間距離は２ｆθであるため、下記数１が成立する。
（数１）
Ｚ１／（ｆ＋Ｚ１）＝２ｆθ／ｄ
ただし、ｆは測定対象レンズの焦点距離であり、θは測定用光（発散光）の測定対象レンズへの入射角であり、ｄは測定対象レンズの有効口径（入射瞳）である。

上記数１から、下記数２が得られる。
（数２）
ｄ・Ｚ１＝２ｆθ（ｆ＋Ｚ１）
上記数２から、下記数３が得られる。
（数３）
Ｚ１＝２ｆ^２θ／（ｄ−２ｆθ）
本発明では、測定用光（発散光）が近軸光線であるため、θを（ｄ／２）／Ｌで近似した上で、上記数３を整理すると、下記数４が得られる。
（数４）
Ｚ１＝ｆ^２／（Ｌ−ｆ）
このように、本発明では、Ｌもｆも既知であるため、上記数４に基づいて、測定対象レンズの発散光側集光距離のずれ量Ｚ１を算出することができる。

図８は、本発明の投光部Ａの発散光方向の入射時において、撮像素子が測定対象レンズの焦点位置より前方の場合の撮像素子に結像された発散光による集光スポットを説明するための模式図である。図９は、本発明の投光部Ａの発散光方向の入射時において、撮像素子が測定対象レンズの焦点位置の場合の撮像素子に結像された発散光による集光スポットを説明するための模式図である。図１０は、本発明の投光部Ａの発散光方向の入射時において、撮像素子が測定対象レンズの焦点位置より後方の場合の撮像素子に結像された発散光による集光スポットを説明するための模式図である。

本発明の投光部Ａにおいて、図８、図９及び図１０に示されたように、測定対象レンズの発散光側集光点（測定対象レンズの焦点距離ｆ＋測定対象レンズの発散光側集光距離のずれ量Ｚ１）までの任意の測定対象レンズから撮像素子までの距離Ｚでの撮像素子上の発散光による集光スポット径ｄ’は、下記数５で表せる。ちなみに、図８、図９及び図１０に示されている距離Ｚは、図３に示されている撮影レンズ２１０から撮像素子２２０に結像された集光パターンＡ’までの距離Ｚ_Ａである。

また、図８は撮像素子が測定対象レンズ（撮影レンズ２１０）の焦点位置より前方の場合（Ｚ＜ｆ）を示しており、図９は撮像素子が測定対象レンズ（撮影レンズ２１０）の焦点位置の場合（Ｚ＝ｆ）を示しており、図１０は撮像素子が測定対象レンズ（撮影レンズ２１０）の焦点位置より後方の場合（Ｚ＞ｆ）を示している。図８、図９及び図１０では、下記数５が成立する。
（数５）
（ｆ＋Ｚ１−Ｚ）／（ｆ＋Ｚ１）＝ｄ’／ｄ
ただし、Ｚは測定対象レンズから撮像素子までの距離であり、ｄ’は測定対象レンズから撮像素子までの距離Ｚでの撮像素子上の発散光による集光スポット径である。

上記数５から、下記数６が得られる。
（数６）
Ｚ＝−（（ｆ＋Ｚ１）／ｄ）ｄ’＋（ｆ＋Ｚ１）
上記数６から分かるように、距離Ｚ（距離Ｚ_Ａ）は、撮像素子上の発散光による集光スポット径ｄ’と一次式で表される。

換言すれば、撮像素子上の発散光による集光スポット径ｄ’だけを測定すれば、上記のように、ｆ、Ｚ１及びｄが既知のため、上記数６に基づき、距離Ｚ（距離Ｚ_Ａ）を求めることができる。

図１１は、本発明の投光部Ａの収束光方向の入射時において、測定対象レンズの収束光側集光点、測定対象レンズの焦点位置から測定対象レンズの収束光側集光点までの距離（測定対象レンズの収束光側集光距離のずれ量Ｚ２）、及び、撮像素子が測定対象レンズの焦点位置の場合の撮像素子に結像された収束光による集光スポットを説明するための模式図である。図１２は、本発明の投光部Ａの収束光方向の入射時において、撮像素子が測定対象レンズの焦点位置より後方の場合の撮像素子に結像された収束光による集光スポットを説明するための模式図である。図１３は、本発明の投光部Ａ収束光方向の入射時において、撮像素子が測定対象レンズの焦点位置より前方の場合の撮像素子に結像された収束光による集光スポットを説明するための模式図である。

図１１を参照して、測定対象レンズの収束光側集光距離のずれ量Ｚ２の算出方法について説明する。

本発明では、本発明の投光部Ａの収束光方向の入射時において、本発明の投光部Ａの発散光方向の入射時と同じように、図１１に示されたように、下記数７が成立する。
（数７）
Ｚ２／（ｆ−Ｚ２）＝２ｆθ／ｄ
ただし、ｆは測定対象レンズの焦点距離であり、θは測定用光（収束光）の測定対象レンズへの入射角であり、ｄは測定対象レンズの有効口径（入射瞳）である。

上記数７から、下記数８が得られる。
（数８）
ｄ・Ｚ２＝２ｆθ（ｆ−Ｚ２）
上記数８から、下記数９が得られる。
（数９）
Ｚ２＝２ｆ^２θ／（ｄ＋２ｆθ）
本発明では、測定用光（収束光）が近軸光線であるため、θを（ｄ／２）／Ｌで近似した上で、上記数９を整理すると、下記数１０が得られる。
（数１０）
Ｚ２＝ｆ^２／（Ｌ＋ｆ）
このように、本発明では、Ｌもｆも既知であるため、上記数１０に基づいて、測定対象レンズの収束光側集光距離のずれ量Ｚ２を算出することができる。

本発明の投光部Ａにおいて、図１１、図１２及び図１３に示されたように、測定対象レンズの収束光側集光点（測定対象レンズの焦点距離ｆ−測定対象レンズの収束光側集光距離のずれ量Ｚ２）から後方の任意の測定対象レンズから撮像素子までの距離Ｚでの撮像素子上の収束光による集光スポット径ｄ’’は、下記数１１で表せる。ちなみに、図１１、図１２及び図１３に示されている距離Ｚは、図３に示されている撮影レンズ２１０から撮像素子２２０に結像された集光パターンＡ’までの距離Ｚ_Ａである。

また、図１３は撮像素子が測定対象レンズ（撮影レンズ２１０）の焦点位置より前方の場合（Ｚ＜ｆ）を示しており、図１１は撮像素子が測定対象レンズ（撮影レンズ２１０）の焦点位置の場合（Ｚ＝ｆ）を示しており、図１２は撮像素子が測定対象レンズ（撮影レンズ２１０）の焦点位置より後方の場合（Ｚ＞ｆ）を示している。図１１、図１２及び図１３では、下記数１１が成立する。
（数１１）
Ｚ−（ｆ−Ｚ２）／（ｆ−Ｚ２）＝ｄ’’／ｄ
ただし、Ｚは測定対象レンズから撮像素子までの距離であり、ｄ’’は測定対象レンズから撮像素子までの距離Ｚでの撮像素子上の収束光による集光スポット径である。

上記数１１から、下記数１２が得られる。
（数１２）
Ｚ＝（（ｆ−Ｚ２）／ｄ）ｄ’’＋（ｆ−Ｚ２）
上記数１２から分かるように、距離Ｚ（距離Ｚ_Ａ）は、撮像素子上の収束光による集光スポット径ｄ’’と一次式で表される。

換言すれば、撮像素子上の収束光による集光スポット径ｄ’’だけを測定すれば、上記のように、ｆ、Ｚ２及びｄが既知のため、上記数１２に基づき、距離Ｚ（距離Ｚ_Ａ）を求めることができる。

上記数６より撮像素子上の発散光による集光スポット径ｄ’の式に変形すると、下記数１３が得られる。
（数１３）
ｄ’＝（−Ｚ＋（ｆ＋Ｚ１））／（（ｆ＋Ｚ１）／ｄ）
また、上記数１２より撮像素子上の収束光による集光スポット径ｄ’’の式に変形すると、下記数１４が得られる。
（数１４）
ｄ’’＝（Ｚ−（ｆ−Ｚ２））／（（ｆ−Ｚ２）／ｄ）
このように、数１３は本発明の投光部Ａにおいて、発散光入射による集光スポット径ｄ’を表しており、また、数１４は本発明の投光部Ａにおいて、収束光入射による集光スポット径ｄ’’を表している。

上記数１３、数１４及び図１４の集光パターンのイメージ図を参照すれば分かるように、本発明では、撮像素子が測定対象レンズの焦点位置より前方の場合に、発散光入射による集光スポット径ｄ’（即ち、図８のｄ’）は、収束光入射による集光スポット径ｄ’’（即ち、図１３のｄ’’）より大きい。

また、撮像素子が測定対象レンズの焦点位置の場合に、発散光入射による集光スポット径ｄ’（即ち、図９のｄ’）は、収束光入射による集光スポット径ｄ’’（即ち、図１１のｄ’’）と等しい。

更に、撮像素子が測定対象レンズの焦点位置より後方の場合に、発散光入射による集光スポット径ｄ’（即ち、図１０のｄ’）は、収束光入射による集光スポット径ｄ’’（即ち、図１２のｄ’’）より小さい。

本発明では、投光部Ａからの発散光入射（Ｘ軸方向）による集光スポット径ｄ’、と投光部Ａからの収束光入射（Ｙ軸方向）による集光スポット径ｄ’’を同時に測定し、測定して得られたｄ’及びｄ’’のうち、値の大きい方を、距離Ｚ（距離Ｚ_Ａ）を求める際に必要な集光スポット径として用いるようにしている。

即ち、測定して得られたｄ’及びｄ’’のうち、ｄ’の値が大きい場合に、ｄ’を用い、上記数６に基づき、距離Ｚ（距離Ｚ_Ａ）を求めるようにする。また、測定して得られたｄ’及びｄ’’のうち、ｄ’’の値が大きい場合に、ｄ’’を用い、上記数１２に基づき、距離Ｚ（距離Ｚ_Ａ）を求めるようにする。

本発明では、撮像素子をＺ軸ステージなどで移動させながら、集光スポット径とＺ距離の測定を行うキャリブレーションを行えば、集光スポット径から距離Ｚ（距離Ｚ_Ａ）を物理量として求めることができる。

以上のように、本発明では、投光部Ａから出射される測定用光による集光パターンＡ’を測定することにより、即ち、投光部Ａからの発散光入射による集光スポット径ｄ’、と投光部Ａからの収束光入射による集光スポット径ｄ’’を同時に測定することにより、撮影レンズから撮像素子までの距離Ｚ_Ａを求めることができる。

以上では、本発明の投光部Ａと撮影レンズから撮像素子までの距離Ｚ_Ａの測定原理ついて説明した。

本発明では、上述したように、投光部Ｂ、投光部Ｃ、投光部Ｄ及び投光部Ｅから出射される測定用光は、いずれも投光装置の光軸に対して入射角αで（この入射角αは図６に示されている。）、測定対象レンズに入射するようになっている。撮影レンズ２１０（測定対象レンズ）から撮像素子２２０に結像された集光パターンＢ’までの距離Ｚ_Ｂ、撮影レンズ２１０（測定対象レンズ）から撮像素子２２０に結像された集光パターンＣ’までの距離Ｚ_Ｃ、撮影レンズ２１０（測定対象レンズ）から撮像素子２２０に結像された集光パターンＤ’までの距離Ｚ_Ｄ、及び撮影レンズ２１０（測定対象レンズ）から撮像素子２２０に結像された集光パターンＥ’までの距離Ｚ_Ｅの測定原理は、撮影レンズから撮像素子までの距離Ｚ（撮影レンズ２１０（測定対象レンズ）から撮像素子２２０に結像された集光パターンＡ’までの距離Ｚ_Ａ）と同じであるため、その説明は省略する。

本発明では、図６に示されたように、投光部Ｂから出射される測定用光は、入射角αで撮影レンズ２１０（測定対象レンズ）に入射するように設置される。投光部Ｂによる集光パターンＢ’は、撮像素子２２０の中央（即ち、投光部Ａによる集光パターンＡ’の中心）からｆαの位置にある（図３参照）。つまり、集光パターンＡ’の中心から集光パターンＢ’の中心までの距離はｆαになる。

また、図６に示されたように、投光部Ｃから出射される測定用光も同様に、入射角αで撮影レンズ２１０（測定対象レンズ）に入射するように設置され、図３に示されたように、投光部Ｂとは反対側のｆαの位置へ集光パターンＣ’が結像される。

本発明では、集光パターンＢ’及び集光パターンＣ’を測定することにより、Ｚ_ＢとＺ_Ｃを求めることができ、求めたＺ_Ｂと求めたＺ_Ｃの距離差分ｄｚ１から、下記数１５に基づいて、撮像素子Ｙ軸方向の傾き角γを求めることができる。
（数１５）
γ＝arctan（ｄｚ１／２ｆα）
ただし、ｄｚ１はＺ_ＢとＺ_Ｃの距離差分である。

同様に、本発明では、図６に示されたように、投光部Ｄから出射される測定用光は、入射角αで撮影レンズ２１０（測定対象レンズ）に入射するように設置される。投光部Ｄによる集光パターンＤ’は撮像素子２２０の中央（即ち、投光部Ａによる集光パターンＡ’の中心）からｆαの位置にある（図３参照）。つまり、集光パターンＡ’の中心から集光パターンＤ’の中心までの距離はｆαになる。

また、図６に示されたように、投光部Ｅから出射される測定用光も同様に、入射角αで撮影レンズ２１０（測定対象レンズ）に入射するように設置され、図３に示されたように、投光部Ｄとは反対側のｆαの位置へ集光パターンＥ’が結像される。

本発明では、集光パターンＤ’及び集光パターンＥ’を測定することにより、Ｚ_ＤとＺ_Ｅを求めることができ、求めたＺ_Ｄと求めたＺ_Ｅの距離差分ｄｚ２から、下記数１６に基づいて、撮像素子Ｘ軸方向の傾き角δを求めることができる。
（数１６）
δ＝arctan（ｄｚ２／２ｆα）
ただし、ｄｚ２はＺ_ＤとＺ_Ｅの距離差分である。

以上のように、本発明の撮像素子の位置計測方法によれば、光学チャートを使用せず、同じ構成を有する「投光部Ａ」、「投光部Ｂ」、「投光部Ｃ」、「投光部Ｄ」及び「投光部Ｅ」で構成されている本発明の投光装置１００を用いて、これらの投光部から出射される測定用光による集光パターン（発散光入射による集光スポット径及び収束光入射による集光スポット径）を１位置の測定で計測することによって、撮影レンズから撮像素子までの距離（Ｚ_Ａ）、及び撮像素子の傾き（撮像素子Ｘ軸方向の傾き角δ及び撮像素子Ｙ軸方向の傾き角γ）を求めることができる。

また、本発明では、撮影レンズ２１０（測定対象レンズ）に対して、撮像素子２２０が傾いていた場合に、撮像素子Ｘ軸方向の傾き角δ及び撮像素子Ｙ軸方向の傾き角γが３°であっても、集光スポット径が０.２％以下の変化量であるため、測定距離値に与える影響は実用上問題ない。

本発明によれば、撮影レンズから撮像素子までの距離（Ｚ_Ａ）、及び撮像素子の傾き（撮像素子Ｘ軸方向の傾き角δ及び撮像素子Ｙ軸方向の傾き角γ）が一回の測定で算出できることにより、デジタルカメラ装置（例えば、カメラモジュール）の製造段階で、撮影レンズと撮像素子との位置調整（位置決め）をリアルタイムで値を確認しながら、行えるメリットは大きく、カメラモジュールの位置調整時間の短縮等に貢献することができる。

１００投光装置
１１０,Ａ,Ｂ,Ｃ,Ｄ,Ｅ投光部
１１１投光素子（光源）
１１２投光レンズ（コリメータレンズ）
１１３集光レンズ
１１４シリンドリカルレンズ
２００カメラモジュール
２１０撮影レンズ（測定対象レンズ）
２２０撮像素子
２３０収束光による集光スポット
２４０発散光による集光スポット
Ａ’,Ｂ’,Ｃ’,Ｄ’,Ｅ’ 集光パターン

Claims

測定対象レンズとなる撮影レンズから撮像素子までの距離及び前記撮像素子の傾きを、同じ構成を有する第１投光部、第２投光部、第３投光部、第４投光部及び第５投光部で構成されている投光装置を用いて測定するための撮像素子の位置計測方法であって、
前記第１投光部から出射される測定用光は、前記測定対象レンズに垂直に入射するようになっており、
前記第２投光部、前記第３投光部、前記第４投光部及び前記第５投光部から出射される測定用光は、いずれも前記投光装置の光軸に対して所定の入射角で、前記測定対象レンズに入射するようになっており、
前記各投光部から出射される前記各測定用光は、それぞれ発散光と収束光で構成されており、
前記第１投光部から出射される前記測定用光による第１集光パターンを測定することにより、撮影レンズから撮像素子までの距離を求め、
前記第２投光部から出射される前記測定用光による第２集光パターン、及び、前記第３投光部から出射される前記測定用光による第３集光パターンを測定することにより、前記
撮像素子Ｙ軸方向の傾き角を求め、
前記第４投光部から出射される前記測定用光による第４集光パターン、及び、前記第５投光部から出射される前記測定用光による第５集光パターンを測定することにより、前記
撮像素子Ｘ軸方向の傾き角を求めることを特徴とする撮像素子の位置計測方法。
前記各集光パターンは、前記各収束光による集光スポット及び前記各発散光による集光スポットで形成され、
前記各収束光による集光スポット径及び前記各発散光による集光スポット径を測定することにより、前記各集光パターンを測定するようにしている請求項１に記載の撮像素子の位置計測方法。
前記各投光部は光源となる投光素子と、前記投光素子から出射された発散光を平行光にする投光レンズと、前記投光レンズから出射された平行光を入射する集光レンズと、前記集光レンズによる集光後の発散光を入射するシリンドリカルレンズとを具備している請求項１又は請求項２に記載の撮像素子の位置計測方法に用いる投光装置。
前記シリンドリカルレンズは、片面がシリンドリカル面で、もう片面は平面である、平凸シリンドリカルレンズであり、前記投光レンズは、コリメータレンズである請求項３に記載の投光装置。