JP6324343B2 - 撮像装置及びカメラ - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置及びカメラに関する。

ＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサなどの撮像装置と、撮像レンズなどの光学系とを組み合わせた撮像機器において、撮像レンズの像面湾曲と呼ばれる収差によって画質が低下する場合がある。像面湾曲による画質の低下を軽減するために、撮像装置の撮像面を湾曲させることが有効である。撮像レンズを交換した場合や、ズームレンズの焦点距離を変更した場合、像面湾曲が変化するため、撮像装置の撮像面の湾曲量を変更する必要が生じる。撮像面の湾曲量を変更する手法として、特許文献１には、機械式アクチュエータ、電界屈曲アクチュエータ、感温型アクチュエータなどを用いて、撮像素子の湾曲の曲率を変化させる方法が開示されている。

特開２００５−２７８１３３号公報

特許文献１に開示された方法では、十分に大きい変位を得ることが難しいため、像面湾曲補正に適した曲面形状に撮像面を湾曲させることに適さない。

本発明は、撮像素子の撮像面の湾曲量を調整するための新たな技術を提供することを目的とする。

上記課題に鑑みて、本発明の実施形態に係る撮像装置は、撮像領域を含む第１面及び第１面とは反対側の第２面を有する撮像素子と、撮像素子の第２面に結合した第３面及び第３面とは反対側の第４面を有する伸縮部材と、撮像素子を実装するための基板と、伸縮部材の第４面と基板との間に配され、伸縮部材と基板とを結合する結合部材と、を備える撮像装置であって、結合部材は、第４面のうちの第１部分と基板との間に位置し、かつ、第４面のうちの第１部分以外の第２部分と基板との間に位置せず、伸縮部材の第３面は、伸縮部材に入力される電気信号に応答して、第２面に沿って伸縮可能であり、伸縮部材の第３面が第２面に沿って伸長するにつれて、第１面の湾曲量及び第２部分と基板との間の距離が大きくなることを特徴とする。

上記手段により、撮像素子の撮像面の湾曲量を調整するための新たな技術が提供される。

本発明の実施形態に係る撮像装置を用いた撮影機器の構成を示す図。 図１の撮像素子及び伸縮部材の拡大図。 図１の伸縮部材の電極の配置図。 図１の伸縮部材と回路基板との電気的な接続方法を示す図。 図１の伸縮部材の伸縮モードを示す図。 図１の撮像素子の湾曲状態を示す図。 図１の結合部材の形状及び配置を示す図。 図７の結合部材の形状及び配置の変形例を示す図。 標準レンズを単レンズで作成した場合の、像面湾曲の曲率半径、各種サイズのイメージセンサでの湾曲量の最大変位量を示す図。 像面湾曲の曲率半径が５００ｍｍの場合の、撮像領域中心からの距離と撮像領域の変位量との関係を示す図。 図２の撮像素子及び伸縮部材の変形例を示す図。

以下、本発明に係る撮像装置の具体的な実施形態を、添付図面を参照して説明する。以下の説明及び図面において、複数の図面に渡って共通の構成については共通の符号を付している。そのため、複数の図面を相互に参照して共通する構成を説明し、共通の符号を付した構成については適宜説明を省略する。

図１に、本実施形態の撮像装置１０９を用いた撮影機器１０１の構成を示す。図１（ａ）は、撮影機器１０１の光学系の断面図を示す。撮影機器１０１は、図１（ａ）に示す左側の光の入射する方向から順に、レンズ１０２と各種の光学フィルタ１０３と撮像装置１０９とを含む。撮像装置１０９は、回路基板１０７と透明蓋体１０４とを用いて気密封止された空間１０８に、撮像素子１０５を含む。図１（ｂ）は、撮像装置１０９の光の入射する面に対して平面視した場合の撮像装置１０９の平面図、図１（ｃ）は、図１（ｂ）のＡ−Ａ’間の断面図である。図１（ｂ）に示すように、撮像素子１０５は、光の入射する撮像面に複数の光電変換部が配された撮像領域１１０と、撮像領域１１０の周辺に周辺回路の配された周辺回路領域１１１とを有する。光電変換部は、例えば２次元アレイ状に配されていてもよいし、また例えばライン状に配されていてもよい。図１（ｃ）に示すように、撮像素子１０５の撮像面とは反対側の面には、板形状の伸縮部材１０６が配される。撮像素子１０５と伸縮部材１０６とは、少なくとも一部が互い結合している。以下、撮像素子１０５の撮像面とは反対側の面を撮像素子１０５の裏面と呼ぶ。本実施形態において、撮像素子１０５の裏面が、伸縮部材１０６に貼り付けられることによって、撮像素子１０５の裏面の全体で伸縮部材１０６と結合している。しかし、撮像素子１０５と伸縮部材１０６との結合は、これに限られることはない。例えば、撮像素子１０５の撮像面に対する平面視において、撮像素子１０５のうち少なくとも撮像領域１１０と伸縮部材１０６との重なる領域で、撮像素子１０５と伸縮部材１０６とが、互いに結合していてもよい。また例えば、撮像素子１０５と伸縮部材１０６との外縁部が互いに結合していてもよい。ここで平面視における複数の部材の重なりとは、本明細書において、上にある部材を透視したときの各部材との重なりを意図する。伸縮部材１０６の撮像素子１０５と結合する面とは反対側の面は、結合部材１１２によって撮像素子１０５を実装するための回路基板１０７と結合されている。伸縮部材１０６と回路基板１０７とが互いに結合することによって、撮像素子１０５の撮像装置１０９内での位置が決定される。以下、伸縮部材１０６の撮像素子１０５と結合する面を伸縮部材１０６の結合面、伸縮部材１０６の撮像素子１０５と結合する面とは反対側の面を伸縮部材１０６の裏面と呼ぶ。

図２（ａ）に、図１（ｃ）に示す断面図のうち撮像素子１０５と伸縮部材１０６とを拡大した断面図を示す。本実施形態において、伸縮部材１０６は、入力される電気信号に応答して、撮像素子１０５の裏面に沿って伸縮可能である。電気信号は例えば撮影機器１０１の制御部から伸縮部材１０６に供給される。伸縮部材１０６が伸長すると、伸縮部材１０６の結合面と裏面との両方が伸長する。伸縮部材１０６が収縮すると、伸縮部材１０６の結合面と裏面との両方が収縮する。撮像素子１０５と伸縮部材１０６とは、互いに結合されているため、伸縮部材１０６の結合面が伸長したとき、図２（ｂ）に示すように撮像素子１０５は、伸長しながら撮像面を上にして凹形状に湾曲する。以下、別段の定めがない限り、撮像面を上にして凹形状に湾曲することを単に湾曲すると表す。

例えば伸縮部材１０６に電気信号が入力されていない場合、伸縮部材１０６は、図２（ａ）のように平坦な状態を保つ。これに対して伸縮部材１０６に第１の電気信号が入力されると伸縮部材は、図２（ａ）の状態から伸長し、図２（ｂ）に示すように撮像素子１０５の撮像面が湾曲する。次に第１の電気信号とは異なる第２の電気信号を伸縮部材１０６に入力する。第２の電気信号が入力された伸縮部材１０６は、第１の電気信号が入力されたときよりも伸長し、このため撮像素子１０５の撮像面の湾曲量は、第１の電気信号が入力されたときよりも大きくなる。次いで、再び第１の電気信号が伸縮部材１０６に入力されると、伸縮部材１０６は、第２の電気信号が入力されたときの長さから第１の電気信号が入力されたときの長さへと収縮する。このとき撮像素子１０５の撮像面の湾曲量は、第２の電気信号が入力されたときよりも小さくなる。更に電気信号が入力されなくなった場合、伸縮部材１０６は平坦な状態に戻る。上述とは逆に、例えば電気信号を入力しない場合、撮像面が凹形状に湾曲した状態を保ち、電気信号を入力したとき伸縮部材１０６が平坦に近づき、撮像面の湾曲量が小さくなってもよい。

このように伸縮部材１０６が、入力された電気信号に応答して伸長すると撮像面の湾曲量が該電気信号の入力される伸長前の状態よりも大きくなる。同様に、入力された電気信号によって伸縮部材１０６が収縮すると撮像面の湾曲量が該電気信号の入力される収縮前の状態よりも小さくなる。つまり、入力される電気信号に応答して伸縮する伸縮部材１０６の伸縮量に応じて、撮像素子１０５の湾曲量を変化させることが可能となる。ここで、撮像面の湾曲量とは、湾曲後の撮像面の縁と、湾曲前（すなわち、撮像面が平坦である場合）の撮像面の縁との間の距離のことである。伸縮部材１０６の伸縮量とは、伸縮変形後の伸縮部材１０６の長さから伸縮変形前（すなわち、伸縮部材１０６が平坦である場合）の長さを減算した長さのことである。撮像素子１０５が伸長しながら湾曲した場合に、撮像素子１０５の撮像領域１１０の表面には、平坦な状態と比較して大きな引張応力が発生する。

特許文献１には、電界屈曲アクチュエータに撮像素子を貼り付けることで、撮像素子を湾曲させる方法が示されている。この方法では、電界屈曲アクチュエータの撮像素子を貼り付けた面を収縮させることによって、撮像素子の湾曲量が大きくなるように電界屈曲アクチュエータが変形する。このため撮像素子を湾曲させる際に、撮像素子の表面に圧縮応力が働く。この圧縮応力よって、撮像素子の暗電流が増加してしまう可能性がある。一方、本実施形態において、撮像素子１０５は、伸縮部材１０６に引っ張られながら湾曲するので、撮像領域１１０の表面には引張応力が働く。このため、引張応力によって撮像素子１０５の暗電流を低減させつつ、湾曲量を変化させることが可能となる。

また伸縮部材１０６は、撮像素子１０５に対して面で撮像素子１０５に力を及ぼすことが可能である。このため、特許文献１に示される撮像素子の中央部を固定し周縁部をアクチュエータによって押し上げて湾曲させる構造と比較して、局所的な力が掛かり難く、撮像素子１０５の撮像面を、像面湾曲補正に適した曲面形状に湾曲させることが容易となる。

図３に、伸縮部材１０６を伸縮させるための電気信号を入力する電極の配置を示す。伸縮部材１０６は、板状の伸縮部１２６と、伸縮部１２６に対して撮像素子１０５の側に配された第１の電極１１３と、伸縮部１２６に対して撮像素子１０５とは反対側に配された第２の電極１１４とを含む。第１の電極１１３と第２の電極１１４とは、撮像素子１０５の撮像面に対する平面視において、撮像素子１０５のうち少なくとも撮像領域１１０と重なるように配される。第１の電極１１３と第２の電極１１４とは、図３（ａ）に示すように、伸縮部材１０６の結合面と裏面とのそれぞれ全面を覆っていてもよい。例えばデジタルカメラなどに使用する撮像装置の場合、レンズ駆動系のモーターが発する磁気ノイズが、撮像画像に悪影響を及ぼす場合がある。しかしながら、撮像素子の近傍に、撮像素子を覆うように電極を配することで、レンツの法則により電極に渦電流が流れ、打ち消し磁界が発生する。この電極は撮像素子に近い程、また電気抵抗が低い程、磁気ノイズの打ち消し効果は高くなり、撮像画像の高画質化が実現される。本実施形態において、撮像素子１０５と電極を有する伸縮部材１０６とは、近接しているため、このノイズによる影響を低減し、撮像画像の高画質化が実現可能である。

第１及び第２の電極１１３、１１４の配置は、図３（ａ）に示す配置に限られるわけではない。例えば図３（ｂ）に示すように、伸縮部材１０６の結合面に配された第１の電極１１３を一部縮小し、第２の電極１１４を伸縮部材１０６の側面（第２の電極１１４ａ）及び結合面（第２の電極１１４ｂ）まで延長する構成としてもよい。このような構成とすることで、例えば第１及び第２の電極１１３、１１４と回路基板１０７との接続を伸縮部材１０６の結合面からとることが可能となる。このとき、伸縮部材１０６の結合面の第１の電極１１３及び第２の電極１１４ｂの境界付近では、電界の向きが他の部分と比較して乱れる可能性がある。この場合、例えば図３（ｃ）に示すように、伸縮部材１０６の結合面に回り込む第２の電極１１４ｂを小型化することによって、第１の電極１１３と第２の電極１１４との間の電界の均一性が改善される。

次いで図４を用いて、伸縮部材１０６の第１及び第２の電極１１３、１１４と回路基板１０７の電気的な接続方法について説明する。図４（ａ）は、図３（ａ）に示した第１及び第２の電極１１３、１１４の配された伸縮部材１０６と回路基板１０７との電気的な接続方法を示す概念図である。撮像素子１０５の撮像面には端子１１６が形成され、端子１１６は、回路基板１０７に形成された端子１１８とワイヤ１１９によって接続される。また、撮像素子１０５の撮像面の端子１１６は、貫通電極１１７によって撮像素子１０５の裏面に導通されており、伸縮部材１０６の第１の電極１１３と電気的に接続される。これによって、第１の電極１１３と、回路基板１０７とが電気的に接続される。第２の電極１１４は回路基板１０７に形成された電極１２０と導電部材１１５を介して接続されている。これによって、第２の電極１１４と、回路基板１０７とが電気的に接続される。導電部材１１５は、例えば半田を用いてもよいし、また例えば導電性接着剤や異方性導電膜（ＡＣＦ）を用いてもよい。

伸縮部材１０６と回路基板１０７との電気的な接続は、上述の形態に限られるものではない。図４（ｂ）及び図４（ｃ）に、伸縮部材１０６と回路基板１０７との電気的な接続の変形例について示す。図４（ｂ）では、伸縮部材１０６が、撮像素子１０５よりも一回り大きく形成された場合を示す。このため伸縮部材１０６の第１の電極１１３の一部が、伸縮部材１０６の結合面に露出しており、貫通電極１１７を形成せずにワイヤ１１９によって回路基板１０７の端子１１８に接続することが可能となる。また図４（ｃ）は、図３（ｂ）、（ｃ）に示した第１及び第２の電極１１３、１１４が配された伸縮部材１０６と回路基板１０７との電気的な接続方法を示す概念図である。伸縮部材１０６の結合面の第１の電極１１３を一部縮小し、第２の電極１１４が伸縮部材１０６の側面を経由して伸縮部材１０６の結合面まで延伸している場合を示す。伸縮部材１０６は、撮像素子１０５よりも一回り大きく形成され、第１の電極１１３と、第２の電極１１４との、それぞれ一部が、伸縮部材１０６の結合面に露出している。第１の電極１１３はワイヤ１１９によって回路基板１０７の端子１１８に、第２の電極１１４はワイヤ１２１によって回路基板１０７の端子１２２にそれぞれ接続される。この構成を用いることによって、撮像素子１０５の貫通電極１１７や結合部材１１２の導電部材１１５など複雑な加工をすることを必要とせず、伸縮部材１０６の第１及び第２の電極１１３、１１４と回路基板１０７とを電気的に接続することが可能となる。上記した何れの場合においても、伸縮部材１０６と回路基板１０７とは、別途、結合部材１１２によって互いに結合、固定される。

次に、伸縮部材１０６の具体的な構成を説明する。伸縮部材１０６の伸縮部１２６に圧電素子を用い、撮像素子１０５を湾曲させることができる。圧電素子は、その分極方向と電圧印加方法の組み合わせで、様々な振動モードを得ることが可能である。このため、例えば第１の電極１１３と第２の電極１１４との間に、伸縮部材１０６に入力する電気信号として電圧を印加する。伸縮部材１０６の伸縮部１２６が薄板形状の圧電素子である場合、厚み方向に分極させた圧電素子に第１及び第２の電極１１３、１１４から分極方向と同じ方向に、直流の電圧を印加すると、伸縮部１２６は、印加した電圧に応答し、撮像素子１０５の裏面に沿って面方向に伸縮する。圧電素子を用いる構成以外には、伸縮部材１０６にヒーターを設け、ヒーターに電気信号を与えることで発生するジュール熱を利用して、伸縮部１２６を熱膨張により伸縮させることもできる。

例えば撮像素子を用いたデジタルカメラで動画撮影をする場合、一般的な撮影条件は６０ｆｐｓであり、このときのフレーム間隔は１６．７ミリ秒である。熱を利用する場合、伸縮部材１０６の発熱、熱拡散、冷却には時間がかかるため、撮像素子を湾曲させる際の、応答性を向上させることが難しい。また、熱を用いると、撮像素子の暗電流が増加するため、画質面でも影響がある。一方、圧電素子の電気信号に対する応答速度は、ミリ秒オーダーである。圧電素子の応答速度は、動画撮影のフレーム間隔と比較して十分に小さく、このため動画撮影中のズーム倍率変更にも追従することが可能である。本実施形態において、リアルタイムで撮像素子１０５の湾曲量を変化、制御することが可能となり、応答性の向上が可能となる。

伸縮部材１０６は、厚み方向の分極における振動モードとして、例えば図５に示す２つのモードを用いることが可能である。図５（ａ）は面方向に等方的に、伸縮部材１０６の中央から放射状に伸縮するモードであり、例えばアレイ状に光電変換部が配された撮像素子１０５と貼り合わせることによって、撮像素子１０５は、球面形状に変形する。このためデジタルカメラやビデオカメラなど二次元映像を取得する撮像素子に適用することによって、理想的な像面湾曲の補正が可能となる。また図５（ｂ）は、長方形状の伸縮部材１０６の長辺方向に伸縮するモードである。例えばライン状に光電変換部が配された撮像素子１０５と貼り合わせることによって円筒面に湾曲する。このため複写機などに使用される縮小光学系を有するラインセンサに適用することによって、理想的な像面湾曲の補正が可能となる。ここで本実施形態における中央について説明する。中央の範囲とは、まず対象となる部材の幾何学的重心に一致する点を中心点、この中心点を通る線を中心線とする。この中心線を４等分した際に、中心を一端とする線分から当該線分の他端までの距離が、中央の範囲と定義される。

次に伸縮部材１０６の伸縮部１２６に上述した圧電素子を用い、撮像素子１０５をシリコン基板に形成する場合について説明する。このため撮像素子１０５は、シリコン層を有する。シリコンのヤング率は、１３×１０^１０Ｎ／ｍ^２程度であるのに対して、圧電素子を形成するセラミック材のヤング率は、４〜６×１０^１０Ｎ／ｍ^２と小さい。このため、撮像素子１０５を効率的に湾曲させるためには、撮像素子１０５を形成するシリコン基板を薄化し、シリコン層の強度を下げる必要がある。撮像素子１０５のヤング率をＥ_Ｓｉ、厚みをｔ_Ｓｉ、伸縮部材１０６のヤング率Ｅ_ｐ、厚みｔ_ｐとしたとき、以下の式となるように撮像素子１０５及び伸縮部材１０６を形成する。

撮像素子１０５のヤング率と厚みの３乗との積が、伸縮部材１０６のヤング率と厚みの３乗との積よりも小さくなるように形成することで、伸縮部材１０６の伸縮力を効率よく撮像素子１０５に伝達し、湾曲させることが可能となる。

また撮像素子１０５は撮像の際、発熱することが考えられる。伸縮部材１０６の線膨張係数が、例えば撮像素子１０５の形成されたシリコン基板の線膨張係数と異なる場合、温度変化によって湾曲量が変化してしまう可能性がある。これに対して、伸縮部材１０６の撮像素子１０５と結合する面の方向の線膨張係数を、撮像素子１０５の線膨張係数と同等にすることで、温度変化に起因する湾曲量の変化を抑制することが可能となる。撮像素子１０５がシリコン層を含む場合、伸縮部材１０６の撮像素子１０５と結合する面方向の線膨張係数をシリコンと同程度の値、例えば、３．０ｐｐｍ／Ｋ以上、４．０ｐｐｍ／Ｋ以下にすることが好ましい。このようにすることによって、発熱時の湾曲量の変化を抑制することが可能となる。

ここで、撮像素子１０５と伸縮部材１０６との結合する部分に関して説明する。撮像素子は一般的に赤外光にも感度を有する。このため撮像素子の裏面側に赤外光を反射する部材が存在すると、撮像素子を透過した赤外光が反射部材によって反射され画素に再入射し、ゴーストを発生することがある。本実施形態において、伸縮部材１０６の結合面に配される第１の電極１１３は、赤外光を反射する可能性が高い。このため、伸縮部材１０６の第１の電極１１３で反射した赤外光が、撮像素子１０５に再入射する可能性がある。この第１の電極１１３による赤外光の反射を防止するため、図５（ｃ）に示すように伸縮部材１０６と撮像素子１０５との間には、光を吸収するための部材５０１が配され、部材５０１を介し伸縮部材１０６と撮像素子１０５とが結合する。例えば部材５０１は、光吸収係数の大きな黒色の樹脂である。光を吸収するための部材５０１は、撮像面に対する平面視において、少なくとも撮像領域１１０と重なる領域に配されるとよい。また例えば、図５（ｃ）に示すように、第１の電極１１３を覆うように部材５０１が配されてもよいし、伸縮部材１０６の結合面を覆うように部材５０１が配されもよい。また、この光を吸収するための部材５０１が、撮像素子１０５と伸縮部材１０６とを結合するための部材として用いられてもよい。これによって撮像装置１０９の製造工程の工程数を抑制することが可能となる。例えば部材５０１は、光吸収係数の大きな黒色の樹脂を用いた接着材であり、これによって撮像素子１０５と伸縮部材１０６とを結合してもよい。例えば撮像素子１０５と伸縮部材１０６との結合する全面を、部材５０１によって結合してもよい。光を吸収する黒色の部材や、黒色の接着剤などの光を吸収し結合するための部材５０１を用いることによって、赤外光の反射によるゴーストの発生を抑制することが可能となる。

図６〜１０を用いて伸縮部材１０６と、回路基板１０７とを結合する位置について説明する。図６（ａ）は、球面形状に湾曲した撮像素子１０５の底点から外縁までの距離ｒと、撮像素子１０５の表面に垂直な方向への当該外縁の変位量Ｚとの関係を示す。撮像素子１０５が長方形状である場合の、円筒形状の湾曲における中心線から短辺までの接線方向の距離ｒと、撮像素子１０５の表面に垂直な方向への当該外縁の変位量Ｚとの関係も同様の関係である。湾曲面の曲率半径をＲとしたとき、変位量Ｚは式（２）で表すことが出来る。

図６（ｂ）に湾曲した撮像素子１０５の平面図を示し、図６（ｃ）に湾曲した長方形上の撮像素子１０５の平面図を示す。図６（ｂ）、（ｃ）の実線は湾曲面の等高線を示す。式（２）から明らかなように、球面形状の湾曲面の等高線は、図６（ｂ）に示す底点を中心とした同心円状になる。また円筒形状の湾曲面の等高線は、図６（ｃ）のような中心線からの距離が等しい平行線状になる。伸縮部材１０６と結合した撮像素子１０５を回路基板１０７に接着固定する場合、撮像素子１０５の変形を阻害しないように伸縮部材１０６と回路基板１０７とを結合するとよい。例えばシリコーン樹脂などの比較的弾性率の低い材料を用いれば、その形状に対する制限が少なくなる。より好ましくは、球面形状の湾曲の場合、前述の等高線を外縁とする同心円状又は円環形状の結合部材を、円筒形状の湾曲の場合、前述の等高線を互いに向かい合う２辺とする矩形状の結合部材を、それぞれ配するとよい。これらの形状とすることによって湾曲の等方性を阻害することなく、伸縮部材１０６と回路基板１０７とを結合することが可能となる。

図７に、球面形状に湾曲する撮像素子１０５を含む撮像装置７０９の例を示す。図７は、撮像装置７０９の上面図と、上面図に示すＡ−Ａ’間及びＢ−Ｂ’間における断面図とを示す。ここで、撮像装置７０９は略長方形状であり、Ａ−Ａ’間及びＢ−Ｂ’間は、撮像素子１０５の撮像領域１１０の中心を通り、それぞれ撮像装置７０９の長辺及び短辺に平行で、撮像素子１０５の撮像面に垂直な断面である。伸縮部材１０６と回路基板１０７とを結合する結合部材１１２の回路基板１０７に対する投影形状は、撮像素子１０５の撮像面に対する平面視において、撮像領域１１０の中央と重なる円形状を有してもよい。撮像素子１０５に、面方向に等方的に撮像領域の中央に対して放射状に伸縮する伸縮部材１０６を貼り付け伸縮させた場合、撮像素子１０５及び伸縮部材１０６は、球面形状に湾曲する。円形状の結合部材１１２を用いて伸縮部材１０６と回路基板１０７とを結合することによって、球面形状の湾曲の等方性を阻害することなく結合することが可能となる。ここで中央とは、上述の伸縮部材１０６で説明した中央の定義と同様である。

図８に、円筒形状に湾曲する撮像素子１０５を含む撮像装置８０９の例を示す。この場合、撮像装置８０９は、リニアセンサであってよい。リニアセンサとは、撮像素子１０５における長手方向と平行な辺の長さと短手方向の平行な辺の長さの比が、２：１〜２０：１程度のものである。図８は撮像装置８０９の上面図と、上面図に示すＡ−Ａ’間及びＢ−Ｂ’間における断面図とを示す。ここで、撮像装置８０９は略長方形状であり、Ａ−Ａ’間及びＢ−Ｂ’間は、撮像素子１０５の撮像領域１１０の中心を通り、それぞれ撮像装置１０９の長辺及び短辺に平行で、撮像素子１０５の撮像面に垂直な断面である。伸縮部材１０６と回路基板１０７とを結合する結合部材１１２の回路基板１０７に対する投影形状は、撮像素子１０５の撮像面に対する平面視において、撮像面の辺に沿った輪郭を有していてもよい。このような形状で結合部材１１２を配することで、円筒形状の湾曲の等方性を阻害することなく伸縮部材１０６と回路基板１０７とを結合することが可能となる。また撮像素子１０５の中央を固定することで、例えば撮像素子１０５の湾曲量を、工学系の焦点距離に応じて変化させた場合にも、撮像エリア中心部の撮像素子１０５のレンズに対する相対位置が変化することがない。これによって、焦点ずれを防止することが可能となる。この構成は、例えば縮小光学系を有する複写機などのリニアイメージセンサに対して最適である。

しかしながら、結合部材１１２の面積が大きくなるにつれ、結合部材１１２の外縁部において伸縮部材１０６と回路基板１０７との間の距離が離れるようになる。このため、結合部材１１２の厚みに対する伸び量の割合が増加し、結合部材１１２が破断する場合や、剥がれが生じる場合があり、これによって撮像素子１０５の湾曲が阻害される可能性がある。結合部材１１２として、例えばシリコーン樹脂を厚み１００μｍ程度で使用した場合、許容される伸び率は５０％程度であり、式（２）における変位量Ｚが５０μｍ程度の領域まで用いることができる。

レンズ光学系の像面湾曲量を端的に表す指標としてペッツバール和というものがある。ペッツバール和は式（３）に示すように、レンズの屈折率ｎ_ｉと焦点距離ｆ_ｉとの積の逆数和が、像面湾曲の曲率半径ρの逆数に等しい関係にあるというものである。

式（３）から分かるように、ρ＝∞（１／ρ＝０）のとき、像面湾曲の形状は平面となり、ρが小さい程湾曲量が大きくなる。一般的な光学ガラスであるＢＫ７（屈折率：１．５８６８０）を使用して、一眼レフデジタルカメラに使用されている標準レンズ（焦点距離３５〜５０ｍｍ）を単レンズで作成した場合の像面湾曲の曲率半径ρと変位量Ｚとの関係を図９に示す。図９には、各種サイズのイメージセンサを使用した場合の最大の変位量Ｚを示している。図９より、像面湾曲の曲率半径ρは、５５〜８０ｍｍ程度であり、撮像素子の表面に垂直な湾曲量Ｚは、例えば３５ｍｍフルサイズセンサーの場合で３．０〜４．４ｍｍ程度になることが分かる。実際のレンズでは負の焦点距離を有する凹レンズを組み合わせて像面湾曲を抑制するため、式（３）よって導出された図９に記載の数値の１／１０程度（０．３０〜０．４４ｍｍ）の値に像面湾曲による変異量を抑え込むことは、さほど困難ではない。このときの像面湾曲の曲率半径は５００〜８００ｍｍ程度となる。

そこで、最も曲率半径の小さく変位量Ｚの大きい曲率半径が５００ｍｍの場合について、撮像領域の中心からの距離ｒと撮像領域の変位量Ｚとの関係の計算結果を図１０に示す。図１０には、各種サイズのイメージセンサの大きさを合わせて示している。先に求めた結合部材１１２の許容伸び量である５０μｍ程度の湾曲量になるのは半径７ｍｍ付近であることが分かる。このことから、２／３インチ程度の撮像素子までの場合、伸縮部材１０６と回路基板１０７との結合を全面で行ってよいことが分かる。撮像素子のサイズが１インチ以上の撮像素子では、伸縮部材１０６と回路基板１０７との結合を撮像領域中心から半径７ｍｍ内に結合部材１１２の配置を抑えることで、変形を阻害することなく結合することが可能となる。さらに結合部材１１２の形状が、撮像領域中心を中心とする同心円形状で有れば対称性の阻害を抑制できるのでより好適である。

結合部材１１２の配される領域に関して、面内一軸方向に伸縮する特性が付与されているリニアセンサの場合も、伸縮軸と平行な方向の断面においては面方向に等方的に伸縮する特性が付与されている場合の撮像領域中心をとおる断面と同様に説明できる。すなわち、撮像領域中心からの半径を撮像領域中心軸からの距離に置き換えることが可能であり、詳細な説明は省略する。

本実施形態において、撮像装置１０９は、撮像素子１０５と伸縮部材１０６とを、回路基板１０７に結合部材１１２を介して結合する形態を示したが、これに限られるものではない。例えば図１１（ａ）に示すように、撮像素子１０５を実装するための回路基板１０７が面方向に伸縮し、回路基板１０７に撮像素子１０５が貼り付けられていてもよい。回路基板１０７が伸縮することによって、図１１（ｂ）に示すように撮像素子１０５は、撮像面を上にして凹形状に湾曲することが可能となる。

また本実施形態において、撮像素子１０５は、表面照射型の撮像素子でもよいし、裏面照射型の撮像素子でもよい。撮像素子１０５が、裏面照射型である場合、その製造過程で支持基板を必要とする。裏面照射型の撮像装置において、撮像素子１０５の光電変換部が配された半導体層の厚さは１００μｍ以下であり、典型的には１０μｍ以下である。裏面照射型の撮像装置において、撮像素子１０５の光電変換部が配された半導体層（シリコン層）と支持基板との距離は１０００μｍ以下であり、典型的には１００μｍ以下である。このとき、伸縮部材１０６を撮像素子１０５の支持基板とすることで、追加の部材、工程を必要とすることなく可変湾曲機能を付与することが可能となる。これによって最小限度のコスト及び工数の追加で湾曲量可変の裏面照射型撮像装置を形成することが可能となる。

以下、上記の実施形態に係る撮像装置の応用例として、この撮像装置が組み込まれたカメラについて例示的に説明する。カメラの概念には、撮影を主目的とする装置のみならず、撮影機能を補助的に有する装置（例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末等）も含まれる。また、カメラは例えばカメラヘッドなどのモジュール部品であってもよい。カメラは、上記の実施形態として例示された本発明に係る撮像装置と、この撮像装置から出力される信号を処理する信号処理部とを含む。この信号処理部は、例えば、撮像装置で得られた信号に基づくデジタルデータを処理するプロセッサを含みうる。このデジタルデータを生成するためのＡ／Ｄ変換器を、撮像装置の半導体基板に設けてもよいし、別の半導体基板に設けてもよい。

１０５ 撮像素子、１０６ 伸縮部材、１０９ 撮像装置、１１０ 撮像領域

Claims (15)

1. 撮像領域を含む第１面及び前記第１面とは反対側の第２面を有する撮像素子と、
   前記撮像素子の前記第２面に結合した第３面及び前記第３面とは反対側の第４面を有する伸縮部材と、
   前記撮像素子を実装するための基板と、
   前記伸縮部材の前記第４面と前記基板との間に配され、前記伸縮部材と前記基板とを結合する結合部材と、
   を備える撮像装置であって、
   前記結合部材は、前記第４面のうちの第１部分と前記基板との間に位置し、かつ、前記第４面のうちの前記第１部分以外の第２部分と前記基板との間に位置せず、
   前記伸縮部材の前記第３面は、前記伸縮部材に入力される電気信号に応答して、前記第２面に沿って伸縮可能であり、
   前記伸縮部材の前記第３面が前記第２面に沿って伸長するにつれて、前記第１面の湾曲量及び前記第２部分と前記基板との間の距離が大きくなることを特徴とする撮像装置。
2. 撮像領域を含む第１面及び前記第１面とは反対側の第２面を有する撮像素子と、
   前記撮像素子の前記第２面に結合した伸縮部材と、を備える撮像装置であって、
   前記伸縮部材は、前記伸縮部材に入力される電気信号に応答して、前記第２面に沿って伸縮可能であり、
   前記伸縮部材が前記第２面に沿って伸長するにつれて、前記第１面の湾曲量が大きくなり、
   前記伸縮部材が、前記撮像素子を実装するための基板であることを特徴とする撮像装置。
3. 撮像領域を含む第１面及び前記第１面とは反対側の第２面を有する撮像素子と、
   前記撮像素子の前記第２面に結合した伸縮部材と、を備える撮像装置であって、
   前記伸縮部材は、前記伸縮部材に入力される電気信号に応答して、前記第２面に沿って伸縮可能であり、
   前記伸縮部材が前記第２面に沿って伸長するにつれて、前記第１面の湾曲量が大きくなり、
   前記撮像素子の線膨張係数と、前記伸縮部材の線膨張係数とが、互いに等しいことを特徴とする撮像装置。
4. 撮像領域を含む第１面及び前記第１面とは反対側の第２面を有する撮像素子と、
   前記撮像素子の前記第２面に結合した伸縮部材と、を備える撮像装置であって、
   前記伸縮部材は、前記伸縮部材に入力される電気信号に応答して、前記第２面に沿って伸縮可能であり、
   前記伸縮部材が前記第２面に沿って伸長するにつれて、前記第１面の湾曲量が大きくなり、
   前記撮像素子がシリコン層を有し、
   前記伸縮部材の線膨張係数が、３．０ｐｐｍ／Ｋ以上、４．０ｐｐｍ／Ｋ以下であることを特徴とする撮像装置。
5. 前記撮像装置は、前記撮像素子を実装するための基板を更に含み、
   前記伸縮部材が、前記基板に結合部材を介して結合され、
   前記結合部材が、前記第１面に対する平面視において、前記撮像領域の中央に重なる円形状を有することを特徴とする請求項３または４に記載の撮像装置。
6. 前記撮像装置は、前記撮像素子を実装するための基板を更に含み、
   前記伸縮部材が、前記基板に結合部材を介して結合され、
   前記結合部材が、前記第１面に対する平面視において、前記第１面の辺に沿った輪郭を有することを特徴とする請求項３または４に記載の撮像装置。
7. 前記伸縮部材は、
   板状の伸縮部と、
   前記伸縮部に対して前記撮像素子の側に配された第１の電極と、
   前記伸縮部に対して前記撮像素子の側とは反対側に配された第２の電極と、を含み、
   前記第１面に対する平面視において、前記第１の電極及び前記第２の電極は、前記撮像素子のうち少なくとも前記撮像領域に重なるように配され、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に印加された電圧に応答して、前記伸縮部が前記第２面に沿って伸縮することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の撮像装置。
8. 前記伸縮部材が、圧電素子であることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の撮像装置。
9. 前記撮像素子は、光電変換部が配された半導体層を含み、
   前記半導体層の厚さが１００μｍ以下であり、前記半導体層と前記伸縮部材との距離が１０００μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の撮像装置。
10. 前記伸縮部材と前記撮像素子との間には、黒色の樹脂が配されていることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の撮像装置。
11. 前記第１面に対する平面視において、前記撮像素子のうち少なくとも前記撮像領域と前記伸縮部材とが重なる領域で、前記撮像素子と前記伸縮部材とが、互いに結合していることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の撮像装置。
12. 前記撮像素子のヤング率と厚みの３乗との積が、前記伸縮部材のヤング率と厚みの３乗との積よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項に記載の撮像装置。
13. 前記伸縮部材が、前記第１面に対する平面視において、前記第２面に沿って、前記伸縮部材の中央から放射状に伸縮することを特徴とする請求項１乃至１２の何れか１項に記載の撮像装置。
14. 前記撮像領域が、前記第１面に対する平面視において、長辺と短辺とを有する長方形状を有し、
    前記伸縮部材が、前記長辺の方向に伸縮することを特徴とする請求項１乃至１３の何れか１項に記載の撮像装置。
15. 請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の撮像装置と、
    前記撮像装置によって得られた信号を処理する信号処理部と、
    を備えることを特徴とするカメラ。