JP7047902B2 - カメラモジュール、及び光学機器 - Google Patents

Description

本発明は、カメラモジュール、及び光学機器に関する。

従来、複数のカメラモジュールを有することにより、高解像度を実現するカメラモジュールが提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、特許文献１は、さらなる光学性能の向上が要望されているという課題があった。

特開２００５－０５１３１８号公報

本発明の第一の態様に係るカメラモジュールは、光軸に沿って物体側から順に、第１反射部材及び第２反射部材を有して物体の像を形成する単位光学系と、単位光学系により形成された像を撮像する撮像素子と、単位光学系と撮像素子とを有する単位ブロックと、を有し、単位ブロックを複数有し、次式の条件を満足する。
３．０ ＜ Ｍ ＜ ８．０
但し、
Ｍ＝ｆ／ｆ ₁
ｆ：前記単位光学系の全系の焦点距離
ｆ ₁ ：前記第１反射部材の焦点距離

カメラモジュールの外観を示す斜視図である。 カメラモジュールを示す説明図であって、（ａ）は正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ－Ａ断面図である。 カメラモジュールを構成する単位光学系の断面図であって、（ａ）はシュミットカセグレン方式の基本構成を示し、（ｂ）は（ａ）にレンズを加えた構成を示す。 シュミットカセグレン方式及びカセグレン方式の光学系における２次変倍比と非点収差との関係を示すグラフである。 第１光学部材及び第２光学部材の構成を示す説明図である。 光学系ブロック部の構成を示す説明図である。 合焦機構を説明するための説明図である。 カメラモジュールの視野を説明するための説明図であって、（ａ）は望遠端状態を示し、（ｂ）は広角端状態を示す。 変倍機構を説明するための説明図であって、（ａ）は側面図を示し、（ｂ）は変倍方法を説明するための上面図を示し、（ｃ）は側面図を示す。 望遠端状態から広角端状態に変倍するときの各単位光学系の視野の移動方向を示す説明図である。 単位光学系の構成を示す説明図である。 カメラモジュールを備えるカメラの模式図である。 カメラモジュールの製造方法を示すフローチャートである。

以下、好ましい実施形態について図面を参照して説明する。

（カメラモジュール１の構成）
図１及び図２に示すように、本実施形態に係るカメラモジュール１は、単位光学系ＵＬと撮像素子１４との組合わせを有する単位ブロック１０が、２次元状に配列されて構成されている。それぞれの単位ブロック１０において、単位光学系ＵＬにより物体側からの光が結像され、被写体像を撮像素子１４により撮像する。なお、以降の説明では、図１に示すように、カメラモジュール１が、３行３列の合計９個（以下「３×３」と呼ぶ）の単位ブロック１０で構成されている場合について説明するが、２以上の単位ブロック１０で構成することにより同様の効果を得ることができる。１行に含まれる単位ブロック１０の数と１列に含まれる単位ブロック１０の数とは同じでなくてもよい。但し、後述するように、単位ブロック１０を構成する撮像素子の各々から取得された画像を合成する場合、１行に含まれる単位ブロック１０の数と１列に含まれる単位ブロック１０の数とを同じにすることにより、縦方向と横方向とで解像度が同じ画像を生成することができる。

図３（ａ）に示すように、各々の単位ブロック１０の光学系は、いわゆる、シュミットカセグレン方式（或いは、コンパクト・シュミットカセグレン方式）の光学系（以下、「単位光学系」と呼ぶ）ＵＬであって、光軸に沿って物体（被写体）側から順に、物体側の面が高次非球面で構成され、物体からの光が透過する透過部材としての補正板１１と、物体側に凹状の反射面を向け、補正板１１を透過した光を反射する第１反射部材としての主反射鏡１２と、主反射鏡１２と対向するように物体側に配置され、像側（主反射鏡１２側）に凸状の反射面を向け、主反射鏡１２で反射した光を反射する第２反射部材としての副反射鏡１３と、を有して構成されている。なお、主反射鏡１２の中心部には、単位ブロック１０の単位光学系ＵＬの光軸を含むように開口部１２ａが形成されており、副反射鏡１３で反射した光は、この開口部１２ａを通過する。主反射鏡１２の像側には、開口部１２ａに対向するように撮像素子１４が配置されている。また、主反射鏡１２及び副反射鏡１３は、物体からの光を集光するように構成されており、単位ブロック１０は、主反射鏡１２及び副反射鏡１３の焦点（単位光学系ＵＬの焦点）に撮像素子１４が位置するように構成されている。このように、単位光学系ＵＬの光軸は、物体側から順に、補正板１１を透過してから主反射鏡１２で反射されて屈曲し、副反射鏡１３で再び反射されて屈曲する。また、カメラモジュール１を構成する単位光学系ＵＬの光軸は互いに略平行になるように配置されている。なお、単位光学系ＵＬの構成を、上述したように、「光軸に沿って物体側から順に」として説明したが、「光学系の光線の進路に沿って物体側から順に」でもよいし、「光路に沿って」でもよい。また、補正板１１における高次非球面は、物体側の面だけでなく、像側の面に形成されていてもよい。

（単位光学系ＵＬ）
単位ブロック１０を構成する単位光学系ＵＬは、上述したように反射光学系で構成されており、また、主反射鏡１２及び副反射鏡１３で発生する収差は、補正板１１の物体側の面である高次非球面（例えば、４次曲面）で補正されるため、全体としてコマ収差、非点収差、歪曲収差がない画像を得ることができる。なお、図３（ｂ）に示すように、単位光学系ＵＬに、主反射鏡１２の開口部１２ａを通過する光を屈折させる屈折光学系（例えば、レンズ）１５を設けてもよい。また、単位光学系ＵＬは、補正板１１を有しないカセグレン方式の光学系としてもよい。

本実施形態に係るカメラモジュール１は、単位ブロック１０の単位光学系ＵＬを、上述したような折り返し光学系（カセグレン方式、シュミットカセグレン方式、またはコンパクト・シュミットカセグレン方式の反射光学系）とすることにより、光学系の長さ（最も物体側の面（図３の場合、補正板１１の物体側の面）から像面（撮像素子１４の撮像面）までの物理的な距離）を屈折光学系で構成した場合に比べて１／２～１／３にすることができる。また、本実施形態に係るカメラモジュール１は、単位ブロック１０を複数備え、各々の単位ブロック１０の撮像素子１４で取得された画像を合成することにより、各々の撮像素子１４の解像度以上の高解像度の画像を取得することができるので、撮像素子１４の大きさを小さくすることができる（各々の撮像素子１４を小さくしてその解像度を低くしても、画像を合成することにより高い解像度の画像を取得することができる）。この撮像素子１４の小型化により、単位ブロック１０の光学系の焦点距離を短くすることができる。したがって、折り返し光学系の採用及び複数の単位ブロック１０による画像の合成効果により、本実施形態に係るカメラモジュール１の全長を、同じ解像度を有する屈折光学系を用いた１つの単位ブロック１０からなるカメラモジュールに比べて、その全長の１／４以下とすることができる。

本実施形態に係るカメラモジュール１を構成する単位ブロック１０の単位光学系ＵＬの各々は、以下の条件式（１）を満足することが望ましい。

３．０ ＜ Ｍ ＜ ８．０ （１）
但し、
Ｍ＝ｆ／ｆ₁
ｆ：単位ブロック１０の単位光学系ＵＬの全系の焦点距離
ｆ₁：主反射鏡１２の焦点距離

条件式（１）は、単位ブロック１０の単位光学系ＵＬをシュミットカセグレン（又はコンパクト・シュミットカセグレン）方式の反射光学系で構成したときの、単位光学系ＵＬの２次変倍比Ｍの適切な範囲を示している。

図４は、カセグレン方式及びシュミットカセグレン方式の反射光学系における、２次変倍比Ｍに対する非点収差を示している。この図４から明らかなように、単位光学系ＵＬをシュミットカセグレン方式（又はコンパクト・シュミットカセグレン方式）の反射光学系で構成した場合、２次変倍比Ｍを５．６とすることにより、非点収差を０にすることができる。したがって、単位光学系ＵＬが条件式（１）を満足することにより、非点収差の発生を抑えることができ、良好な画像を取得することができる。なお、この条件式（１）の効果を確実なものとするために、条件式（１）の下限値を３．５、更に４．０、４．５、５．０とすることがより望ましい。また、この条件式（１）の効果を確実なものとするために、条件式（１）の上限値を７．５、更に７．０、６．５、６．０とすることがより望ましい。

また、本実施形態に係るカメラモジュール１を構成する単位ブロック１０の単位光学系ＵＬの各々は、以下の条件式（２）を満足することが望ましい。

ｆ ＜ ５００ｍｍ （２）
但し、
ｆ：単位ブロック１０の単位光学系ＵＬの全系の焦点距離

条件式（２）は、単位ブロック１０の単位光学系ＵＬをシュミットカセグレン（又はコンパクト・シュミットカセグレン）方式の反射光学系で構成したときの、単位光学系ＵＬの全系の焦点距離の適切な範囲を示している。なお、この条件式（２）の効果を確実なものとするために、条件式（２）の下限値を０．１ｍｍ、更に１ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍとすることがより望ましい。また、この条件式（２）の効果を確実なものとするために、条件式（２）の上限値を３８０ｍｍ、更に２８０ｍｍ、２３０ｍｍ、１９０ｍｍ、１４０ｍｍ、９０ｍｍ、７０ｍｍ、５５ｍｍ、４５ｍｍとすることがより望ましい。

また、本実施形態に係るカメラモジュール１において、単位ブロック１０の単位光学系ＵＬがコンパクト・シュミットカセグレン方式である場合、補正板１１の厚さΔＬは、次式（３）で表される。

ΔＬ ＝ ［（ｈ／ｒ）⁴－１．５（ｈ／ｒ）²］_r
／｛２５６（ｎ－１）Ｐ′³｝＋ｋ （３）
但し、
Ｐ′＝Ｐ₁／Ｇ^1/3
Ｐ₁：主反射鏡１２のＦ値
Ｇ：補正板１１の計算深さの比
ｈ：光軸に垂直な方向の高さ
ｒ：補正板１１の補正半径（曲率半径）
ｎ：補正板１１を構成する媒質の屈折率
ｋ：補正板１１の中心厚

また、本実施形態に係るカメラモジュール１においては、物体からの光を透過させる透過部材を適宜光路上の位置に設けてもよい。透過部材を設けることにより、透過部材に非球面を形成するなどして収差補正が可能になる。透過部材の非球面は、光軸から周辺に向かって少なくとも１つの変曲点を有するのが好ましい。

また、本実施形態に係るカメラモジュール１を構成する単位ブロック１０の単位光学系ＵＬの各々は、以下の条件式（４）を満足することが望ましい。

－０．１ ＜ ｆ／ｆａ ＜ ０．１ （４）
但し、
ｆａ：透過部材の焦点距離
ｆ：単位ブロック１０の単位光学系ＵＬの全系の焦点距離

なお、複数の単位ブロック１０の単位光学系ＵＬは、上述したように、同一の光学特性（例えば、焦点距離）で構成してもよいし、少なくとも１つの単位ブロック１０の単位光学系ＵＬを他と異なる光学特性で構成してもよい。また、全ての撮像素子１４が単位光学系ＵＬの焦点上に配置されているだけでなく、少なくとも１つの撮像素子１４が焦点から光軸方向にずれて配置されるように構成してもよい。

（カメラモジュール１の組立構造）
次に、本実施形態に係るカメラモジュール１の組立構造について説明する。図１及び図２に示すように、本実施形態に係るカメラモジュール１は、補正板１１（透過部材）及び副反射鏡１３（第２反射部材）が形成された第１光学部材１１０と、主反射鏡１２（第１反射部材）が形成された第２光学部材１２０と、第１光学部材１１０と第２光学部材１２０との間に配置され、単位ブロック１０同士の境界に設けられて、光線が隣の単位ブロック１０に入射することを防止する隔壁部材１３０と、撮像素子１４が配置された撮像部１４０とで構成されている。

第１光学部材１１０は、図５（ａ）に示すように、光を透過する媒質で形成された平行平面ガラス板１１１の上面（単位光学系ＵＬにおいて物体側の面）に、光を透過する媒質であるポリマーをインプリントすることで複数の補正板１１が形成される（図１の例では、３×３の９個の補正板１１が形成される）。なお、第１光学部材１１０は、補正板１１がインプリントされた基板材から切り出して作成してもよい。また、平行平面ガラス板１１１の下面（単位光学系ＵＬにおいて像側の面）に、光を反射する反射部材がマスクコーティングされ、複数の副反射鏡１３が形成される（図１の例では、３×３の９個の副反射鏡１３が形成される）。このように、一枚の平行平面ガラス１１１の両面に複数の補正板１１及び複数の副反射鏡１３を形成することにより、例えば、図１に示す３×３の９個の単位ブロック１０のぞれぞれの補正板１１及び副反射鏡１３を一回の工程で製造することができる。

第２光学部材１２０は、図５（ｂ）に示すように、光を透過する媒質で形成された平行平面ガラス板１２１の上面に、光を反射する反射部材がマスクコーティングされ、複数の主反射鏡１２が形成される（図１の例では、３×３の９個の主反射鏡１２が形成される）。なお、平行平面ガラス板１２１を、光を透過する媒質で形成することにより、各単位ブロック１０において、主反射鏡１２がマスクコーディングされない部分を形成することにより、開口部１２ａを形成することができる。このように、一枚の平行平面ガラス１２１の片面（単位光学系ＵＬにおいて物体側の面）に主反射鏡１２を形成することにより、例えば、図１に示す３×３の単位ブロック１０のぞれぞれの主反射鏡１２を一回の工程で製造することができる。

なお、図３（ｂ）に示すように、単位光学系ＵＬにレンズ等の屈折光学系１５を設ける場合は、平行平面ガラス板１２１に光線を屈折させることのできるレンズ面を形成してもよい。

図６に示すように、隔壁部材１３０は、単位ブロック１０の単位光学系ＵＬを区分する光学隔壁格子で構成されている。隔壁部材１３０の物体側には、第１光学部材１１０が配置され、隔壁部材１３０の像側には、第２光学部材１２０が配置される。隔壁部材１３０の物体側に第１光学部材１１０を固定し、隔壁部材１３０の像側に第２光学部材１２０を固定することにより、隔壁部材１３０は、単位ブロック１０の単位光学系ＵＬの光線が隣り合う単位ブロック１０に入射するのを防止すると同時に、第１光学部材１１０と第２光学部材１２０の位置決めも行うことができる。なお、以降の説明において、一体に構成された、第１光学部材１１０、第２光学部材１２０及び隔壁部材１３０を、光学系ブロック部１００と呼ぶ。隔壁部材１３０の隔壁は、金属又はポリマーなどの光を遮断する効果のある材料で構成されており、厚さは０．５～１．０ｍｍ程度である。また、隔壁内部は、各々の単位ブロック１０を光学的に外部から遮断するとともに反射を防止するために、反射防止の塗装がなされている（例えば、黒色に塗装されている）ことが望ましい。また、隔壁内は空洞（空気が充填された状態）でも良いし、光を透過する媒質が充填されていてもよい。

図１に示すように、撮像部１４０は、複数の撮像素子１４が各単位光学系ＵＬに対応する位置に配置されている。後述するように、光軸に沿った方向における撮像部１４０に対する光学系ブロック部１００の位置は固定でもよいし、可変でもよい。

（合焦について）
本実施形態に係るカメラモジュール１の最至近距離については、５０乃至１００倍程度の倍率になる距離を基準に決定することができる。換言すると、本実施形態に係るカメラモジュール１の最至近距離は、焦点距離によって異なることなる。以下の表１に、本実施形態に係るカメラモジュール１が、焦点距離が３５ｍｍカメラに換算したときに３００ｍｍ、５００ｍｍ、１０００ｍｍ相当の望遠光学系に相当するときの、倍率と無限遠から最至近距離までの単位光学系ＵＬの繰り出し量との関係を示す。なお、上述したように、単位光学系ＵＬは、光学系ブロック部１００として一体に構成されているため、第１光学部材１１０と隔壁部材１３０と第２光学部材１２０とが一体で撮像素子１４から離れるように物体方向に移動する。つまり、複数（本実施形態では９個）の補正板１１と複数（本実施形態では９個）の副反射鏡１３とが一体に形成されており、複数（本実施形態では９個）の主反射鏡１２も一体に形成されており、各単位ブロック１０を隔壁する隔壁部材も一体に形成されているので、複数（本実施形態では９個）の単位光学系ＵＬは一体に移動することが可能である。

（表１）倍率と無限遠から最至近距離までの光学系の繰り出し量との関係
３５ｍｍカメラ換算の焦点距離
倍率 ３００ ５００ １０００
100 0.20[mm] 0.33[mm] 0.67[mm]
50 0.40[mm] 0.67[mm] 1.30[mm]

また、以下の表２に、本実施形態に係るカメラモジュール１が、焦点距離が３５ｍｍカメラに換算したときに３００ｍｍ、５００ｍｍ、１０００ｍｍ相当の望遠光学系に相当するときの、倍率と最至近距離との関係を示す。

（表２）倍率と最至近距離との関係
３５ｍｍカメラ換算の焦点距離
倍率 ３００ ５００ １０００
100 2.0[m] 3.4[m] 6.6[m]
50 1.0[m] 1.7[m] 3.3[m]

ここで、複数の単位光学系ＵＬで構成される本実施形態に係るカメラモジュール１の焦点ずれ量は、単位光学系ＵＬを有する単位ブロック１０の撮像素子１４の各々から取得される画像を用いて算出することが可能である。本実施形態では、３×３の９個の単位ブロック１０を有しているため、単位ブロック１０間のピッチを６ｍｍとすると、Ｓ／Ｎ比で考えれば、実効的な基線長は９の平方根倍、すなわち、２０ｍｍ程度になる。

本実施形態に係るカメラモジュール１の合焦は、全体繰り出し方式とし、光学系ブロック部１００（第１光学部材１１０、第２光学部材１２０及び隔壁部材１３０）を一体に物体側に移動させることにより行う。すなわち、合焦時に、撮像部１４０に対する光学系ブロック部１００の距離を変化させる。例えば、図７に示すように、合焦機構１５０として、隔壁部材１３０の外周面にピン１５１を取り付け、モータ等の駆動部１５４により駆動されるボールネジ１５３に取り付けられた楔部材１５２によりピン１５１を押し上げることにより、カメラモジュール１の光学系ブロック部１００、すなわち、単位光学系ＵＬ全体を物体側（図７における矢印方向）に移動させることにより、合焦を行う。カメラモジュール１の単位光学系ＵＬの全体の移動量（繰り出し量）は、表１に示した最至近距離までの繰り出し量に等しい。したがって、３５ｍｍカメラで３００ｍｍ相当で、５０倍のカメラモジュール１において、最大０．４ｍｍ（表２に示すように、距離１．０ｍ）の繰り出し量となり、１０００ｍｍ相当で、５０倍のカメラモジュール１において、最大１．３ｍｍ（距離３．３ｍ）の繰り出し量となる。

（変倍について）
本実施形態に係るカメラモジュール１は、複数の単位ブロック１０で構成されているが、各々の単位ブロック１０を構成する単位光学系ＵＬの光軸は互いに略平行になるように配置されている。そのため、複数の単位光学系ＵＬの視野はほぼ重なっている（図８（ａ）に示す視野ｆｖｔ）。一方、本実施形態に係るカメラモジュール１は、複数の単位ブロック１０で構成されていることから、各々の単位ブロック１０を構成する単位光学系ＵＬの光軸を折り曲げることにより、各々の単位光学系ＵＬの視野が重ならないようにすることにより、このカメラモジュール１全体の視野を広げることができる。例えば、図８（ｂ）に示すように、３×３の単位ブロック１０を構成する３×３の単位光学系ＵＬのうち、中心の単位ブロック１０の単位光学系ＵＬの光軸は変更せず、周辺の８個の単位ブロック１０の単位光学系ＵＬの光軸を、互いの視野が重ならない方向に折り曲げることにより、全体で広い視野を実現できる。例えば、３×３の単位ブロック１０を有する場合、図８（ｂ）の視野ｆｖｗとして示すように視野ｆｖｔの３倍にすることができる。

具体的な変倍方法としては、図９（ａ）に示すように、光学系ブロック部１００の物体側に、フィールドレンズ状のプリズムブロック（フィールドプリズムである偏向光学系）１６０を配置する。図１０に示すように、プリズムブロック１６０は、中心の単位光学系ＵＬｃに対しては、平行平板として構成されており（すなわち、中心の単位光学系ＵＬの光軸を折り曲げない）、また、中心の単位光学系ＵＬの周りに配置された単位光学系ＵＬの光軸は、外側に折り曲げてから入射されるように構成されている。具体的には、上下方向（垂直隣）に位置する単位光学系ＵＬｕ，ＵＬｄの光軸は垂直方向に折り曲げ、左右方向（水平隣）に位置する単位光学系ＵＬｌ，ＵＬｒの光軸は水平方向に折り曲げ、斜め方向に位置する単位光学系ＵＬｕｌ，Ｕｌｕｒ，ＵＬｄｌ，ＵＬｄｒの光軸は、斜め方向（矩形の視野の対角線方向）に折り曲げる。図１０は、単位光学系ＵＬ毎に、折り曲げる方向を矢印で示している。

以下の表３に、プリズムブロック１６０の基材（媒質）の屈折率が１．５であるとしたときに、プリズムブロック１６０の中心の単位光学系ＵＬの面に対する、周辺の単位光学系ＵＬに対する面の角度θの関係を示す。なお、この表３は、本実施形態に係るカメラユニット１が、３５ｍｍカメラに換算したときの焦点距離が３００ｍｍ、５００ｍｍ、１０００ｍに対応する焦点距離であるときに、図８（ｂ）のように各々の単位光学系ＵＬの視野が重ならず、且つ、隙間が生じない（すなわち、９つの視野が密接した状態になる）ときの、水平隣、及び、垂直隣との角度θを示している。

（表３）プリズムブロックの角度
３５ｍｍカメラ換算の焦点距離
３００ ５００ １０００
水平隣 13.3° 8.0° 4.0°
垂直隣 9.1° 5.5° 2.8°

表３から明らかなように、例えば、本実施形態に係るカメラモジュール１が、３５ｍｍカメラに換算して３００ｍｍ相当である場合、中心の単位光学系ＵＬのプリズムに対して、水平隣のプリズムの角度θを１３．３°とし、垂直隣のプリズムの角度θを９．１°としたプリズムブロック１６０を取り付けることにより、視野が３倍になることから、焦点距離が１／３になるため、１００ｍｍ相当に変倍することができる。また同様に、上記角度の半分の、水平隣及び垂直隣のプリズムの角度が６．７°及び４．６°で構成されたプリズムブロック１６０を取り付けることにより、２００ｍｍ相当に変倍することができる。

例えば、図９（ｂ），（ｃ）に示すように、光を透過する媒質で形成された平行平面ガラス板１６１上に、上述したプリズムブロック１６０が形成されていない領域１６０ａ、水平隣及び垂直隣の角度θが６．７°及び４．６°のプリズムブロック１６０が形成された領域１６０ｂ、並びに、平隣及び垂直隣の角度θが１３．３°及び９．１°のプリズムブロック１６０が形成された領域１６０ｃを形成し、この平行平面ガラス板１６１を、光学系ブロック部１００に対してスライドさせることにより、上述した領域１６０ａを選択すると、カメラモジュール１の焦点距離は３５ｍｍカメラに換算して３００ｍｍとなり、領域１６０ｂを選択すると、３５ｍｍカメラに換算して２００ｍｍとなり、領域１６０ｃを選択すると、３５ｍｍカメラに換算して１００ｍｍとなるため、段階的な変倍を実現することができる。

なお、プリズムブロック１６０として、液晶素子を用いれば、光軸を折り曲げる角度を連続的に変化させることができ、連続的な変倍を実現することができる。具体的には、単位ブロック１０（単位光学系ＵＬ）毎に液晶素子を配置し、図１０に示す方向へ光を偏光するように構成し、また、液晶素子へ加える電圧を変えることで、プリズム量を変化させる。なお、液晶素子は一つの偏光方向にしか対応していないため、配向を変えた同様の液晶素子を積層するか、１／２波長板を挟んで同じ液晶素子を積層する必要がある。

なお、以上で説明した条件及び構成は、それぞれが上述した効果を発揮するものであり、全ての条件及び構成を満たすものに限定されることはなく、いずれかの条件又は構成、或いは、いずれかの条件又は構成の組み合わせを満たすものでも、上述した効果を得ることが可能である。

次に、本実施形態に係るカメラモジュール１を備えた光学機器であるカメラを図１２に基づいて説明する。このカメラ６０は、上述したカメラモジュール１と、制御部２０と、記憶部３０と、入力部４０と、表示部５０と、を有して構成されている。なお、制御部２０は、ＣＰＵ等の演算処理装置である。また、記憶部３０は、ＲＡＭやハードディスク、ＳＳＤ等の記憶装置である。また、入力部４０は、カメラであればレリーズボタンであり、表示部５０は、液晶表示装置等である。

本カメラ６０において、不図示の物体（被写体）からの光は、複数の単位ブロック１０の各々の単位光学系ＵＬで集光されて、撮像素子１４の撮像面上に被写体像を形成する。そして、撮像素子１４に設けられた光電変換素子により被写体像が光電変換されて被写体の画像が生成される。この画像は、制御部２０により、カメラ６０に設けられた表示部５０に表示される。また、撮影者によって入力部４０が操作されると、撮像素子１４により光電変換された画像が制御部２０により取得された後、合成処理がされ、合成画像として記憶部３０に記憶される。このようにして、撮影者は本カメラ６０による被写体の撮影を行うことができる。なお、制御部２０の機能のうち、複数の撮像素子１４から画像を取得して合成画像を生成する機能を、カメラモジュール１側に設けてもよいし、外部の機器に設けて適宜送受信することとしてもよい。

以下、本実施形態に係るカメラユニット１の製造方法の概略を、図１３を参照して説明する。まず、補正板１１及び副反射鏡１３が形成された第１光学部材１１０、主反射鏡１２が形成された第２光学部材１２０、隔壁部材１３０、及び撮像素子１４が配置された撮像部１４０を準備する（ステップＳ１００）。そして、第１光学部材１１０、第２光学部材１２０及び隔壁部材１３０が組み付けられた光学系ブロック部１００を配置し（ステップＳ２００）、光学系ブロック部１００の複数の単位光学系ＵＬと撮像素子１４とが位置整合するように、撮像部１４０を配置する（ステップＳ３００）。このようにしてカメラモジュール１を製造する。

以上のような構成により、高解像度で、高い光学性能を有し、小型化されたカメラモジュール１、このカメラモジュール１を有する光学機器（カメラ６０）、及びカメラモジュール１の製造方法を提供することができる。

以下、本願の各実施例を、図面に基づいて説明する。なお、図１１は、各実施例に係るカメラモジュール１を構成する単位光学系ＵＬの断面図である。

（第１実施例）
第１実施例は、単位光学系ＵＬをコンパクト・シュミットカセグレン方式で構成した場合であって、３５ｍｍカメラに換算したときに、焦点距離が５００ｍｍになるカメラモジュール１の構成である。なお、撮像素子１４は、２メガピクセルで、１／６インチの撮像素子であり、その大きさは、２．４ｍｍ×１．８ｍｍであるとする。

以下の表４に、第１実施例における単位光学系ＵＬの諸元を示す。ここで、ｆ₁は主反射鏡１２の焦点距離を、ｒ₁は主反射鏡１２の曲率半径を、ｆ₂は副反射鏡１３の焦点距離を、ｒ₂は副反射鏡１３の曲率半径を、ｆは全系の焦点距離を、Ｒは副反射鏡１３から主反射鏡１２までの光軸上の距離を、Ｄは補正板１１の最も物体側の面から主反射鏡１２までの光軸上の距離を、ＴＬは全長であって、補正板１１の最も物体側の面から像面Ｉまでの光軸上の距離を、ＦＮｏはＦナンバーを、Ｍは２次変倍比を、それぞれ表している。

ここで、以下の全ての諸元値において掲載されている焦点距離、曲率半径、その他長さの単位は一般に「ｍｍ」が使われるが、光学系は、比例拡大または比例縮小しても同等の光学性能が得られるので、これに限られるものではない。また、これらの符号の説明及び諸元表の説明は以降の実施例においても同様である。

（表４）第１実施例－単位光学系ＵＬ
ｆ₁ ＝ 6.12
ｒ₁ ＝ 12.24
ｆ₂ ＝ 0.75
ｒ₂ ＝ 1.50
ｆ ＝ 34.3
Ｒ ＝ 5.5
Ｄ ＝ 6.0
ＴＬ＝ 9.4
ＦＮＯ＝ 5.7
Ｍ ＝ 5.60

また、次の表５に、上述した単位光学系ＵＬを、３×３の９個で構成したカメラモジュール１の諸元を示す。なお、合成Ｆナンバーは、９個の単位光学系ＵＬの各々による画像を合成して得られた画像のＦナンバーである。３×３の単位光学系ＵＬで構成しているため、全体でのＦナンバー（合成Ｆナンバー）は、各々の単位光学系ＵＬのＦナンバーの１／３になる。また、大きさは、カメラモジュール１を物体側から見たときの、横方向×縦方向×深さ方向（光軸方向）の長さを示している。また、変倍（ズーム）は、望遠端状態と広角単状態の３５ｍｍカメラに換算したときの焦点距離を示している。

（表５）第１実施例－カメラモジュール１
焦点距離 34.3[mm]
合成Ｆナンバー 1.9
大きさ 19.0×12.6×9.4[mm]
分解能 10M
最大倍率 50
最至近距離 1.7[m]
合焦時の繰り出し量 0.67[mm]
変倍（ズーム） 500-167[mm]

このように、カメラモジュール１の単位光学系ＵＬをコンパクト・シュミットカセグレン方式とすることにより、３５ｍｍカメラ換算で焦点距離が５００ｍｍの望遠光学系でありながら、全長を焦点距離に比べてかなり短くすることができる。また、コンパクト・シュミットカセグレン方式であるため、アプラナート光学系（球面収差、コマ収差及び非点収差がない光学系）とすることができる。そして、厚さ（光軸方向の長さ）が１０ｍｍより小さいカメラモジュール１を実現することができる。

（第２実施例）
第２実施例は、単位光学系ＵＬをコンパクト・シュミットカセグレン方式で構成した場合であって、３５ｍｍカメラに換算したときに、焦点距離が３００ｍｍになるカメラモジュール１の構成である。なお、撮像素子１４は、第１実施例と同様に、２メガピクセルで、１／６インチの撮像素子であり、その大きさは、２．４ｍｍ×１．８ｍｍであるとする。

以下の表６に、第２実施例における単位光学系ＵＬの諸元を示す。

（表６）第２実施例－単位光学系ＵＬ
ｆ₁ ＝ 3.67
ｒ₁ ＝ 7.34
ｆ₂ ＝ 0.45
ｒ₂ ＝ 0.90
ｆ ＝ 20.6
Ｒ ＝ 3.3
Ｄ ＝ 3.6
ＴＬ＝ 5.64
ＦＮＯ＝ 3.4
Ｍ ＝ 5.61

また、次の表７に、上述した単位光学系ＵＬを、３×３の９個で構成したカメラモジュール１の諸元を示す。

（表７）第２実施例－カメラモジュール１
焦点距離 20.6[mm]
合成Ｆナンバー 1.1
大きさ 19.0×12.6×5.7[mm]
分解能 10M
最大倍率 50
最至近距離 1.0[m]
合焦時の繰り出し量 0.40[mm]
変倍（ズーム） 300-100[mm]

このように、カメラモジュール１の単位光学系ＵＬをコンパクト・シュミットカセグレン方式とすることにより、３５ｍｍカメラ換算で焦点距離が３００ｍｍの望遠光学系でありながら、全長を焦点距離に比べてかなり短くすることができる。また、コンパクト・シュミットカセグレン方式であるため、アプラナート光学系（球面収差、コマ収差及び非点収差がない光学系）とすることができる。そして、厚さ（光軸方向の長さ）が１０ｍｍより小さいカメラモジュール１を実現することができる。

（第３実施例）
第３実施例は、単位光学系ＵＬをコンパクト・シュミットカセグレン方式で構成した場合であって、３５ｍｍカメラに換算したときに、焦点距離が１０００ｍｍになるカメラモジュール１の構成である。なお、撮像素子１４は、第１実施例と同様に、２メガピクセルで、１／６インチの撮像素子であり、その大きさは、２．４ｍｍ×１．８ｍｍであるとする。

以下の表８に、第３実施例における単位光学系ＵＬの諸元を示す。

（表８）第３実施例－単位光学系ＵＬ
ｆ₁ ＝ 12.24
ｒ₁ ＝ 24.5
ｆ₂ ＝ 1.50
ｒ₂ ＝ 3.00
ｆ ＝ 68.6
Ｒ ＝ 11.0
Ｄ ＝ 12.0
ＴＬ＝ 18.8
ＦＮＯ＝ 11.4
Ｍ ＝ 5.60

また、次の表９に、上述した単位光学系ＵＬを、３×３の９個で構成したカメラモジュール１の諸元を示す。

（表９）第３実施例－カメラモジュール１
焦点距離 68.6[mm]
合成Ｆナンバー 3.8
大きさ 19.0×12.6×18.8[mm]
分解能 10M
最大倍率 50
最至近距離 3.3[m]
合焦時の繰り出し量 1.30[mm]
変倍（ズーム） 1000-333[mm]

このように、カメラモジュール１の単位光学系ＵＬをコンパクト・シュミットカセグレン方式とすることにより、３５ｍｍカメラ換算で焦点距離が１０００ｍｍの望遠光学系でありながら、全長を焦点距離に比べてかなり短くすることができる。また、コンパクト・シュミットカセグレン方式であるため、アプラナート光学系（球面収差、コマ収差及び非点収差がない光学系）とすることができる。そして、厚さ（光軸方向の長さ）が２０ｍｍより小さいカメラモジュール１を実現することができる。

（参考例）
参考例として、以下の表１０に、単位光学系ＵＬをシュミットカセグレン方式で構成した場合であって、３５ｍｍカメラに換算したときに、焦点距離が３００ｍｍになる単位光学系ＵＬの諸元を示す。なお、この参考例においても、撮像素子１４は、第１実施例と同様に、２メガピクセルで、１／６インチの撮像素子であり、その大きさは、２．４ｍｍ×１．８ｍｍであるとする。

（表１０）参考例
ｆ₁ ＝ 14.3
ｒ₁ ＝ 28.6
ｆ₂ ＝ 14.3
ｒ₂ ＝ 28.6
ｆ ＝ 24.0
Ｒ ＝ 10.0
Ｄ ＝ 14.3
ＴＬ＝ 15.9

単位光学系ＵＬを、シュミットカセグレン方式で構成すると、３５ｍｍカメラ換算したときに、焦点距離が３００ｍｍになる望遠光学系でありながら、全長を焦点距離に比べて短くすることができるとともに、像面湾曲がない、すなわちペッツバール和がゼロの光学系を構成することができる。しかしながら、コンパクト・シュミットカセグレン方式に比べて、全長が長くなってしまう。

以上のように、本実施形態に係るカメラモジュール１によると、コンパクト・シュミットカセグレン方式の単位光学系ＵＬを、複数個アレイ状に配置することにより、解像度が高く、且つ、薄い（光軸方向の大きさが小さい）、望遠カメラのモジュールを提供することができる。

本実施形態に係るカメラモジュール１は、上述したように、２枚の平面光学部材（平行平面ガラス板１１１，１２１）のそれぞれの上に、補正板１１、主反射鏡１２及び副反射鏡１３をインプリントやマスクコーティングで形成することができるとともに、第１光学部材１１０と第２光学部材１２０を隔壁部材１３０と組み合わせることで完成する。したがって、本実施形態に係るカメラモジュールは、単位光学系ＵＬをそれぞれ構成してから複数個配置して１つの光学系ブロック部１００とするよりも簡単な工程で製造することができる。

ここで、第１光学部材１１０に含まれる補正板１１の個数と副反射鏡１３の個数とは等しい。また、第１光学部材１１０に含まれる副反射鏡１３の個数と第２光学部材１２０に含まれる主反射鏡１２の個数とは等しい。また、光学系ブロック部１００に含まれる単位光学系ＵＬの個数と、隔壁部材１３０により隔離できる単位光学系ＵＬの個数とは等しい。

なお、本実施形態では補正板１１を設けることとしたが、この限りではなく、補正板１１を設けずに平行平面ガラス板１１１の上面のままとしてもよい。また、本実施形態では補正板１１と副反射鏡１３とは一体にせずに、別体とし、補正板１１の位置もこの限りではない。また、補正板１１の形状に特に限定はなく、適宜変更可能である。

また、本実施形態では平行平面ガラス板１１１，１２１に副反射鏡１３と主反射鏡１２をそれぞれ設けることとしたが、ガラス板の形状や材質に制限は無く、平行または平面でなくてもよく、樹脂材料の板部材でもよい。

また、主反射鏡１２、副反射鏡１３などの形成方法も適宜変更可能であり、第１光学部材１１０と第２光学部材１２０とを形成してから組み合わせることとしたが、基準となる板部材の面上に順次第１光学部材１１０や第２光学部材１２０および隔壁部材１３０を形成していくこととしてもよい。

隔壁部材１３０により隔壁される領域の平面視形状（単位光学系ＵＬを撮像素子１４に入射する光軸に沿った方向から見た際の形状）は、撮像素子１４の平面視形状と同等が好ましい。例えば、撮像素子１４の平面視形状が長方形の場合、隔壁部材１３０により隔壁される領域の平面視形状も長方形が好ましい。また、主反射鏡１２の平面視形状や副反射鏡１３の平面視形状も、適宜変更可能であり、撮像素子１４の平面視形状と同等が好ましい。開口部１２ａ、補正板１１、屈折光学系１５の平面視形状も、適宜変更可能であり、撮像素子１４の平面視形状と同等が好ましい。

本実施形態では不透過部材として隔壁部材１３０を設けたが、単位光学系ＵＬの光線が隣り合う単位光学系ＵＬに入射するのを抑制できれば適宜変更可能である。例えば、すりガラスなどの拡散部材でもよい。また、不透過部材は、完全に光線の入射を抑制する必要はなく、撮像素子１４に影響のない程度（例えば、入射光に対する２０％）に光線の入射を抑制できればよい。

なお、本実施形態では、９個の単位光学系が全て同じものとして説明したが、焦点距離や撮影距離やＦナンバーなどの光学特性の異なる単位光学系を複数組み合わせて１つの光学機器としてもよい。その場合、本実施形態のようなコンパクト・シュミットカセグレン方式の単位光学系を少なくとも１つ備えることとすると、望遠距離の撮影が可能となり好ましい。

また、光学特性の異なる単位光学系を複数組み合わせる場合、９個の主反射鏡（または副反射鏡）のうちの一部の形状を変えてもよく、９個の補正板のうちの一部の焦点距離を変えてもよく、９個の単位光学系にそれぞれ焦点距離が異なる屈折光学系を配置してもよい。

また、９個の単位光学系のうちの少なくとも１つを照明光学系としてもよい。その場合、本実施形態の単位光学系ＵＬの撮像素子１４をＬＥＤなどの照明部に置き換えただけでもよく、照明部からの光が入射する領域では反射鏡や補正板を省略してもよい。

また、合焦などの際には９個の単位光学系ＵＬが一体となって移動することとしたが、少なくとも一部の単位光学系ＵＬと撮像素子１４との距離を変えるように移動させてもよい。

１ カメラモジュール １０ 単位ブロック １１ 補正板（透過部材）
１２ 主反射鏡（第１反射部材） １３ 副反射鏡（第２反射部材）
１４ 撮像素子 ６０ カメラ（光学機器）
１００ 光学系ブロック部 １１０ 第１光学部材 １２０ 第２光学部材
１３０ 隔壁部材 １４０ 撮像部
１６０ プリズムブロック（偏向光学系） ＵＬ 単位光学系

Claims (18)

1. 光軸に沿って物体側から順に、第１反射部材及び第２反射部材を有して物体の像を形成する単位光学系と、
   前記単位光学系により形成された前記像を撮像する撮像素子と、
   前記単位光学系と前記撮像素子とを有する単位ブロックと、を有し、
   前記単位ブロックを複数有し、
   次式の条件を満足するカメラモジュール。
   ３．０ ＜ Ｍ ＜ ８．０
   但し、
   Ｍ＝ｆ／ｆ ₁
   ｆ：前記単位光学系の全系の焦点距離
   ｆ ₁ ：前記第１反射部材の焦点距離
2. 前記単位光学系は、前記物体からの光を透過させる透過部材を有する
   請求項１に記載のカメラモジュール。
3. 前記透過部材は、非球面を有する
   請求項２に記載のカメラモジュール。
4. 前記非球面は、光軸から周辺に向かって少なくとも１つの変曲点を有する
   請求項３に記載のカメラモジュール。
5. 次式の条件を満足する
   請求項２～４のいずれか一項に記載のカメラモジュール。
   －０．１ ＜ ｆ／ｆａ ＜ ０．１
   但し、
   ｆ：前記単位光学系の全系の焦点距離
   ｆａ：前記透過部材の焦点距離
6. 前記透過部材は前記第２反射部材と一体である
   請求項２～５のいずれか一項に記載のカメラモジュール。
7. 前記単位ブロック同士の境界に不透過部材または拡散部材を有する
   請求項１～６のいずれか一項に記載のカメラモジュール。
8. 前記不透過部材または前記拡散部材は、前記第１反射部材と前記第２反射部材との間に位置する
   請求項７に記載のカメラモジュール。
9. 複数の前記第１反射部材は一体に形成されている
   請求項１～８のいずれか一項に記載のカメラモジュール。
10. 複数の前記第２反射部材は一体に形成されている
    請求項１～９のいずれか一項に記載のカメラモジュール。
11. 複数の前記透過部材は一体に形成されている請求項２～１０のいずれか一項に記載のカメラモジュール。
12. 複数の前記不透過部材または前記拡散部材は一体に形成されている
    請求項７～１１のいずれか一項に記載のカメラモジュール。
13. 前記単位光学系は、次式の条件を満足する
    請求項１～１２のいずれか一項に記載のカメラモジュール。
    ｆ ＜ ５００ｍｍ
    但し、
    ｆ：前記単位光学系の全系の焦点距離
14. 合焦に際し、前記撮像部と前記単位光学系の少なくとも一部との距離を変化させる
    請求項１～１３のいずれか一項に記載のカメラモジュール。
15. 前記複数の単位光学系の少なくとも一つの光軸を折り曲げる偏向光学系を有する
    請求項１～１４のいずれか一項に記載のカメラモジュール。
16. 前記単位ブロックは９個である
    請求項１～１５のいずれか一項に記載のカメラモジュール。
17. 前記複数の撮像素子から取得した画像を合成した画像を生成する制御部を有する
    請求項１～１６のいずれか一項に記載のカメラモジュール。
18. 請求項１～１７のいずれか一項に記載のカメラモジュールを有する光学機器。

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