JP6729681B2

JP6729681B2 - 撮像装置

Info

Publication number: JP6729681B2
Application number: JP2018508104A
Authority: JP
Inventors: 琢治野村; 海生曽
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2017-03-28
Publication date: 2020-07-22
Anticipated expiration: 2037-03-28
Also published as: WO2017170606A1; JPWO2017170606A1

Description

本発明は、保護板、撮像レンズおよび固体撮像素子を有する撮像装置に関する。

デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ等の撮像機器、さらにスマートフォン等に代表される携帯端末には、画像等を表示する表示画面を有する表示装置に加え、被写体を撮像するための撮像装置等の光学装置が搭載される。このような撮像装置は、ＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像素子や該固体撮像素子に取り込む画像を集光させるレンズ、さらに、被写体側に配置して該レンズ、該固体撮像素子等を外圧等から保護するための保護板が設けられる。

このような保護板の一例として、特許文献１には、サファイアやダイアモンドからなる板状の基板の主面のうち被写体側に、光損失を抑えて光利用効率を高めるための反射防止膜を備え、撮像素子側に、赤外線遮断機能を持つ光学多層膜を備えた撮像装置のレンズカバー材が記載されている。

日本国特開２００４−２９７３９８号公報

しかし、サファイアやダイアモンド等の基板は高価であるだけでなく、無機膜である光学多層膜が基板表面に施された特許文献１の保護板の構成は、表面に同様の無機膜を備えない単板の保護板に比べて、外圧、特に押圧に対する強度が低下する問題があった。保護板は、携帯端末等に搭載される撮像装置表面に障害物等が接触して起こり得る破損を抑制するため、とくに高い強度が要求される。しかし、強度維持のために無機膜を備えない構成にすると、空気との界面で発生する反射による光利用効率の低下が発生したり、赤外線遮断機能等の他の光学機能も併せ持つハイブリッド化が実現できない。このように、撮像装置における保護板では、高い強度を得ることと、光利用効率向上を目的とした光学的機能を併せ持つこととがトレードオフの関係にあった。

そこで、本発明は、外部からの接触等による破損の抑制と、高い光利用効率といった光学機能とを両立できる撮像装置を提供することを目的とする。また、本発明は、強度の低下を招くことなく、かつ、高い光利用効率が実現できる等の光学機能を併せ持つ保護板を備えた高機能の撮像装置を提供することを目的とする。

本発明による撮像装置は、撮像素子と、撮像素子に光を集光するレンズと、レンズよりも被写体側に設けられ、外気と接する保護板とを備え、保護板は、ガラス板と、ガラス板の主表面に接して備えられる樹脂層と、樹脂層上に備えられる無機膜とを含み、保護板は、被写体側から、ガラス板、樹脂層、無機膜の順で配置されていることを特徴とする。

また、無機膜は、少なくとも反射防止機能を有する誘電体多層膜であってもよい。

また、保護板は、曲げ弾性率が５００ＭＰａ以上であってもよい。

また、樹脂層は、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ポリシクロオレフィン樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂から選ばれる少なくとも１種の樹脂材料を用いて形成されていてもよい。

また、ガラス板および樹脂層の合計の厚さは、０．０７〜１．１ｍｍであってもよい。

また、樹脂層の厚さは、２０〜１００μｍであってもよい。

また、ガラス板は、化学強化ガラス基板であってもよい。

また、保護板は、ガラス板の被写体側の主表面に第２の反射防止膜が備えられており、保護板の波長４００〜６７０ｎｍの光に対する透過率が９６％以上であってもよい。

また、保護板は、波長４００〜６７０ｎｍの光に対する反射率が２％以下であってもよい。

また、第２の反射防止膜の上に、フッ素を含む材料による防汚膜が形成されていてもよい。

また、保護板は、入射する光の一部を遮蔽する遮光膜を含んでいてもよい。

本発明によれば、外部からの接触等による破損の抑制と、高い光利用効率といった光学機能とを両立できる撮像装置を提供できる。また、本発明によれば、強度の低下を招くことなく、かつ、高い光利用効率が実現できる等の光学機能を併せ持つ保護板を備えた高機能の撮像装置を実現できる。

図１は、第１の実施形態における撮像装置の例を示す構成図である。図２は、保護板に加える外圧とガラス板表面の欠陥から発する亀裂のメカニズムの説明図であり、（ａ）は実施形態の保護板の模式図であり、（ｂ）は樹脂層を備えない、即ちガラス板の主表面に接して無機膜が備えられた保護板の模式図である。図３は、第２の実施形態における撮像装置の保護板の他の例を示す構成図である。図４は、第３の実施形態における撮像装置の保護板の例を示す構成図である。

［第１の実施形態］
図１は、本実施形態に係る撮像装置１０の例を示す構成図である。撮像装置１０は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子５０と、固体撮像素子５０に画像光を集光させるレンズ４０と、レンズ等を保護する保護板２０とを備える。なお、保護板２０は、レンズ４０より被写体側に備えられ外気と接する位置に設けられていればよい。なお、これら（固体撮像素子５０、レンズ４０および保護板２０等）が筐体１５によって固定されている。また、レンズ４０は、図示するような単レンズに限らず、複数のレンズ群も含む。

保護板２０は、被写体側より、ガラス板２１、樹脂層２２および無機膜３１を備える。無機膜３１の例としては、とくに所定の波長の光の反射を低減する反射防止機能を有する反射防止膜として機能するものが挙げられる。また、他の例としては、所定の近赤外光を遮断する近赤外線カットフィルタ機能を有する近赤外線カットフィルタとして機能するものが挙げられる。なお、無機膜３１は、これら両方の機能を併せ持っていてもよい。以下、無機膜３１が、反射防止機能を有する反射防止膜である場合を例に用いて説明する。その際、後述する第２の実施形態における反射防止膜３２と区別するため、便宜的に本実施形態における無機膜３１を第１の反射防止膜３１といい、第２の実施形態における反射防止膜３２を第２の反射防止膜３２という場合がある。

図１には、保護板２０において、ガラス板２１、樹脂層２２および無機膜３１がこの順に隣接して配される例が示されているが、無機膜３１は、樹脂層２２と必ずしも接していなくてもよい。即ち、樹脂層２２と無機膜３１との間に他の光学機能層が備わってもよい。なお、樹脂層２２は、ガラス板２１の半被写体側の主表面に接して備えられるものとする。

ガラス板２１は、平板状に限らず、撮像機器の筐体の形状に合わせる等して、所定の曲率を有する曲面状でもよい。また、ガラス板２１の厚さは一定のものに限らず、分布を有してもよい。ガラス板２１に用いるガラス材料は、とくに限定されないが、高い強度を有する材料であればより薄くでき、透過率をより高められるので好ましい。また、ガラス板２１の基となるガラス基板としては、化学強化ガラス基板がより好ましい。なお、化学強化ガラス基板とは、化学処理によって、曲げや落下衝撃に対する強度を高くしたガラス基板のことをいう。

ガラス板２１の厚さは、０．０５ｍｍ以上、１ｍｍ以下が好ましい。例えば、ガラス板２１の厚さが０．０５ｍｍ未満であると、所望の強度が得られないおそれがあり、また、１ｍｍ超であると、とくに携帯端末に搭載される撮像装置の場合に小型化の実現が困難となるおそれがある。なお、ガラス板２１の厚さは、０．１０ｍｍ以上がより好ましく、０．１５ｍｍ以上がさらに好ましい。また、ガラス板２１の厚さは、０．４０ｍｍ以下がより好ましく、０．３５ｍｍ以下がさらに好ましい。

樹脂層２２は、ガラス板２１の主表面に接して備えられる。樹脂層２２に用いられる材料は、透明な樹脂材料であればとくに限定されず、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリエステル系樹脂、シリコーン系樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリウレア系樹脂、エチレン−酢酸ビニル共重合樹脂、ポリビニルブチラール樹脂等のポリビニルアルコール樹脂変性材料、シクロオレフィンポリマー樹脂、ポリスチレン系樹脂、透明なフッ素樹脂、透明なポリアミド樹脂、透明なポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂等が挙げられる。この中でもポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ポリシクロオレフィン樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂が入手性等の観点から好ましく、例えば、樹脂層２２は、これら樹脂材料の少なくとも１種を用いて形成されていてもよい。

樹脂層２２は、樹脂層２２の材料となる液体を、スピンコート方式、インクジェット方式、転写方式、スクリーン印刷方式等により塗布することで作製できる。また、ガラス板２１と樹脂層２２との密着性を強化するために、ガラス板２１の主面にシランカップリング剤による表面処理を施すとよい。シランカップリン剤としては、例えば、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、Ｎ−β−（アミノエチル）−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−β−（アミノエチル）−Ｎ’−β−（アミノエチル）−γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、γ−アニリノプロピルトリメトキシシランのようなアミノシラン類や、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、β−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシランのようなエポキシシラン類、ビニルトリメトキシシラン、Ｎ−β−（Ｎ−ビニルベンジルアミノエチル）−γ−アミノプロピルトリメトキシシランのようなビニルシラン類、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、γ−クロロプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン等を使用できる。上記以外に、樹脂層２２がフィルム状の樹脂材料からなる場合、ガラス板２１と熱圧着させることで、ガラス板２１と樹脂層２２とを密着させてもよい。

樹脂層２２の厚さは、２０μｍ以上、１００μｍ以下が好ましい。例えば、樹脂層２２の厚さが２０μｍ未満であると、保護板２０が高強度を実現できなくなるおそれがあり、また、１００μｍ超であると、樹脂層２２と無機膜３１との屈折率差の関係で無機膜３１としての機能（例えば、反射防止特性）を低下させるおそれがある。なお、樹脂層２２の厚さは、３０μｍ以上がより好ましく、５０μｍ以上がさらに好ましい。また、樹脂層２２の厚さは、９０μｍ以下がより好ましく、８０μｍ以下がさらに好ましい。

また、ガラス板２１と樹脂層２２の合計の厚さは、０．０７ｍｍ以上、１．１ｍｍ以下が好ましい。例えば、ガラス板２１と樹脂層２２の合計の厚さが０．０７ｍｍ未満であると、保護板２０が高強度を実現できなくなるおそれがあり、また、１．１ｍｍ超であると、撮像装置の小型化の実現が困難となるおそれがある。なお、ガラス板２１と樹脂層２２の合計の厚さは、０．１０ｍｍ以上がより好ましく、０．１５ｍｍ以上がさらに好ましい。また、ガラス板２１と樹脂層２２の合計の厚さは、０．４０ｍｍ以下がより好ましく、０．３５ｍｍ以下がさらに好ましい。

第１の反射防止膜３１は、相対的に高屈折率を示す高屈折率膜と、低屈折率を示す低屈折率膜が交互に備えられた誘電体多層膜であってもよい。第１の反射防止膜３１は、典型的には２種の無機膜、例えば、高屈折率膜としてＴｉＯ_２膜、低屈折率膜としてＳｉＯ_２膜が挙げられる。第１の反射防止膜３１は、高透過性を必要とする波長の光、例えば、可視光に対して反射率を低減できればよい。また、第１の反射防止膜３１は、波長４００〜６７０ｎｍの可視光反射率を低減させるとともに、例えば、所定の近赤外光を遮断する近赤外線カットフィルタ機能を有するように構成してもよい。

次に、本実施形態に係る撮像装置に備えられる保護板２０の強度特性について図面を用いて説明する。図２は、２種の保護板についてガラス板２１に接して加圧したときに保護板に発生する欠陥の拡張と破壊のメカニズムを模式化した図である。ここで、図２（ａ）は、本実施形態の保護板２０の模式図であり、図２（ｂ）は、樹脂層２２を備えない、即ちガラス板２１の主表面に接して無機膜３１が備えられた保護板８０の模式図である。

図２には、ガラス板２１の表面にキズ等の欠陥６０を有する場合について、その拡張の様子が模式化して示されている。ガラス板２１の表面に欠陥６０がある場合、それの先端部分における引張応力σ_cは、ガラス板２１本来の引張応力σ_aを大きく超える。例えば、引張応力σ_cは、引張応力σ_aの数十倍になる場合がある。以下では、そのような欠陥６０がある場合を考える。図２に示すように、ガラス板２１表面の中心部において、厚さ方向（図中の矢印方向）に圧力を加えると、保護板は撓むようにして変形する。このとき、図２（ａ）に示すように、一般にガラス板２１に比べて引張応力が小さい無機多層膜からなる第１の反射防止膜３１とガラス板２１との間に樹脂層２２が介在すると、樹脂層２２が緩衝機能を発して、ガラス板表面に生じる欠陥６０からの破壊進行が抑制される。

一方、図２（ｂ）に示すように、表面に欠陥６０を有するガラス板２１主表面に第１の反射防止膜３１が接して備えられる保護板８０の場合、緩衝機能を持たない第１の反射防止膜３１が、圧力を増加して第１の反射防止膜３１に割れが生じると、その割れを起点として、ガラス板２１の表面の欠陥６０から亀裂６０ａが生じる。そして、結果的に、保護板８０全体の（破壊）強度を低下させる。このように、ガラス板２１と第１の反射防止膜３１との間に、ガラス板２１に接して樹脂層２２を備えることにより、保護板２０は、ガラス板２１の表面に形成された欠陥６０を起点とする亀裂の進行を抑制でき、外圧に対して高い耐久性、即ち、高い破壊強度が得られる。

このように、本実施形態の撮像装置１０における保護板２０の曲げ弾性率は、高いほどその破壊強度は増加するが、５００ＭＰａ以上であれば外圧に対する一定の耐久性が得られるので好ましい。また、保護板２０の曲げ弾性率は、１０００ＭＰａ以上であればより好ましく、２０００ＭＰａ以上であればさらに好ましい。

また、保護板２０は、入射光に対して散乱が小さいことで、光利用効率が高められるので好ましい。本発明の撮像装置における保護板２０は、とくに可視光の利用効率が高いことが好ましく、ＣＩＥが規定する標準光源に相当するＤ６５光源が保護板２０の法線方向から入射したときのＨａｚｅ値が１％以下であればよい。また、保護板２０は、Ｄ６５光源に対するＨａｚｅ値が、０．４％以下が好ましく、０．１％以下がより好ましい。

［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態を説明する。以下では、本実施形態に係る撮像装置について、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。図３は、第２の実施形態に係る撮像装置における保護板２０ａの例を示す構成図である。図３に示す保護板２０ａは、第１の実施形態の保護板２０の構成に加えて、ガラス板２１のうち樹脂層２２側の主表面とは反対側、即ち被写体側の主表面に第２の反射防止膜３２を備えている点が異なる。なお、本実施形態に係る撮像装置はとくに図示しないが、図１の撮像装置１０において保護板２０の代わりに保護板２０ａを備えるものに相当する。なお、本実施形態の保護板２０ａの場合、被写体側から、第２の反射防止膜３２、ガラス板２１、樹脂層２２、無機膜（第１の反射防止膜）３１の順に配置される。

第２の反射防止膜３２は、波長４００〜６７０ｎｍの可視光反射率を低減させればよく、例えば、可視光反射率の低減とともに所定の近赤外光を遮断する近赤外線カットフィルタ機能を有する構成でもよい。

このように、第２の実施形態の撮像装置における保護板２０ａは、外気との両界面に反射防止膜を備えることで、とくに可視光の利用効率を高められる。このような構成により、保護板２０ａは、波長４００〜６７０ｎｍの可視光に対して、例えば９６％以上の透過率を実現できる。なお、保護板２０ａの波長４００〜６７０ｎｍの可視光に対する透過率は、９７％以上であれば好ましく、９８％以上であればより好ましい。また、保護板２０ａは、このような構成により、両面から入射する波長４００〜６７０ｎｍの両界面における可視光反射率として、２％以下を実現できる。なお、保護板２０ａの、両面から入射する波長４００〜６７０ｎｍの両界面における可視光反射率は、１％以下であれば好ましく、０．５％以下であればより好ましい。

［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態を説明する。以下では、本実施形態に係る撮像装置について、第２の実施形態と異なる点を中心に説明する。図４は、第３の実施形態に係る撮像装置における保護板２０ｂの例を示す構成図である。図４に示す保護板２０ｂは、第２の実施形態の保護板２０ａの構成に加えて、第１の反射防止膜３１上に遮光膜２４を備えている点、および第２の反射防止膜３２上に防汚層２３を備えている点が異なる。

遮光膜２４は、絞りとして機能し、第１の反射防止膜３１の周辺部に備えられ、中心部は開口している。遮光膜２４の材料としては、遮光性を有する材料が使用できる。なお、図４には、第１の反射防止膜３１の上に備えられる例が示されているが、遮光膜２４は、絞り機能が実現できればとくに配置の制限はない。ただし、遮光膜２４の配置としては、例えば、固体撮像素子５０側に備えられていると、固体撮像素子５０から反射される迷光に対する遮光性がより高まる効果が期待できる。

また、保護板２０ｂのように、最外部（最も被写体側）に防汚層２３を有することで、外部からの指紋残り等の汚れを低減できる効果が期待できる。防汚層２３は、ＡＦＰ（Anti-Finger Print）と呼ばれるものであってもよい。例えば、防汚層２３は、以下の化１に示される防汚コーティング剤により形成されていてもよい。防汚層２３は、保護板の指紋残りを防いだり、指紋残りを簡単に拭き取ったりできる機能を有していてもよい。

化１に示される防汚コーティング剤は、フッ素化シランを含有するコーティング組成物を適用することで生成するフッ素化シロキサンを含み、式中：Ｒ_fは１つ以上の酸素原子を任意に含む全フッ素化基であり；Ｒ¹は１つ以上の酸素、窒素又は硫黄から選ばれるヘテロ原子で置換されるかまたはカルボニル、アミド又はスルホンアミドから選ばれる官能基で置換されるかした、２〜１６個の炭素原子を含有する二価のアルキレン基、アリーレン基、またはそれらの混合物であり；Ｒ²は低級アルキル基であり；Ｘはハロゲン、低級アルコキシ基、またはアシルオキシ基であり、但し、もしＸ基がアルコキシ基を含む場合は、少なくとも１つのアシルオキシ基またはハロゲン基が存在し；ｘは０または１である。

（実施例１）
実施例１は、ガラス板２１として、厚さ０．１ｍｍのガラス基板を準備し、ガラス基板の一方の主表面にシランカップリング処理をした。そして、シランカップリング処理した主表面にポリイミドの樹脂溶液をスピンコート法で塗布した後、加熱乾燥し、厚さ２３μｍのポリイミドの樹脂層２２を得た。その後、樹脂層２２の表面に、ＴｉＯ_２膜とＳｉＯ_２膜とを交互に積層して無機膜（第１の反射防止膜）３１を形成し、保護板２０を得た。このとき、無機膜３１側における可視光反射率は２％以下であり、Ｄ６５光源におけるＨａｚｅ値は０．４％以下であった。

作製した保護板２０をボールオンリング（ＢＯＲ）試験により破壊強度を測定した。具体的には、φ６ｍｍの開口部を有するステンレスリングの治具上に、作製した保護板２０を、上面がガラス基板面となるように、即ち無機膜３１が形成されている側が下方にくるように載置し、開口部の中心位置に、直径１０ｍｍの剛球体を接触させる。その状態から、該剛球体を、押し速度１ｍｍ／ｍｉｎの条件下で荷重し、保護板が破壊したときの破壊荷重（単位：Ｎ）を測定した。測定された破壊荷重（単位：Ｎ）をＢＯＲ強度［Ｎ］とし、ＢＯＲ強度の平均（本実施例では１０回）を面強度［Ｎ］として評価する。このとき、本実施例における面強度は、６５［Ｎ］であった。

（比較例１）
比較例１は、樹脂層２２を備えない以外は実施例１と同じ構成の保護板８０を作製した。作製した保護板８０について、実施例１と同様に面強度を測定したところ、６［Ｎ］であり、実施例１と比べて大きく強度が低下した。

（参考例１）
参考例１は、φ７．５ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍのサファイアガラス基板を準備した。そして、該サファイアガラス基板について、実施例１と同様の方法で面強度を測定したところ、面強度は６３［Ｎ］であった。このように、実施例１の保護板は、サファイア基板と同等の面強度が得られることがわかった。

本出願は、２０１６年３月３１日出願の日本特許出願、特願２０１６−０７１９２７に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

本発明は、撮像素子に限らず、内部に光を透過させるなどの光学機能を必要とするカバーガラスを有する装置において、光学機能の向上と外圧によるによる破損の抑制とを両立させる目的であれば、好適に適用可能である。

１０撮像装置
１５筐体
２０、８０保護板
２０ａ、２０ｂ保護板
２１ガラス板
２２樹脂層
２３防汚層
２４遮光膜
３１無機膜（第１の反射防止膜）
３２第２の反射防止膜
４０レンズ
５０固体撮像素子
６０欠陥
６０ａ亀裂

Claims

撮像素子と、
前記撮像素子に光を集光するレンズと、
前記レンズよりも被写体側に設けられ、外気と接する保護板とを備え、
前記保護板は、
ガラス板と、前記ガラス板の主表面に接して備えられる樹脂層と、前記樹脂層上に備えられる無機膜とを含み、
前記保護板は、被写体側から、前記ガラス板、前記樹脂層、前記無機膜の順で配置されている
ことを特徴とする撮像装置。
前記無機膜は、少なくとも反射防止機能を有する誘電体多層膜である
請求項１に記載の撮像装置。
前記保護板は、曲げ弾性率が５００ＭＰａ以上である
請求項１または請求項２に記載の撮像装置。
前記樹脂層は、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ポリシクロオレフィン樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂から選ばれる少なくとも１種の樹脂材料を用いて形成されている
請求項１〜３いずれか１項に記載の撮像装置。
前記ガラス板および前記樹脂層の合計の厚さは、０．０７〜１．１ｍｍである
請求項１〜４いずれか１項に記載の撮像装置。
前記樹脂層の厚さは、２０〜１００μｍである
請求項５に記載の撮像装置。
前記ガラス板は、化学強化ガラス基板である
請求項１〜６いずれか１項に記載の撮像装置。
前記保護板は、前記ガラス板の被写体側の表面に第２の反射防止膜が備えられており、
前記保護板の波長４００〜６７０ｎｍの光に対する透過率が９６％以上である
請求項１〜７いずれか１項に記載の撮像装置。
前記保護板は、波長４００〜６７０ｎｍの光に対する反射率が２％以下である
請求項８に記載の撮像装置。
前記第２の反射防止膜の上に、フッ素を含む材料による防汚膜が形成されている
請求項８または請求項９に記載の撮像装置。
前記保護板は、入射する光の一部を遮蔽する遮光膜を含む
請求項１〜１０いずれか１項に記載の撮像装置。