JPWO2006046396A1 - カメラモジュール - Google Patents

Abstract

複数の単レンズ（１１ａ〜１１ｄ）が複数の撮像領域（１７ａ〜１７ｄ）にそれぞれ被写体像を形成し、複数の撮像領域からの電気信号を合成して画像を得る。複数の単レンズはレンズホルダー（１２）に保持され、複数の撮像領域は撮像素子ホルダー（１６）に保持されている。レンズホルダーと撮像素子ホルダーとは対向して配置される。レンズホルダーと撮像素子ホルダーとは別部材からなり、それぞれの材料の線膨張係数は略同一である。レンズホルダー及び撮像素子ホルダーと複数の単レンズとは異なる材料からなる。これにより、温度変化にかかわらず安定して高画質画像を得ることができ、また、被写体までの距離測定を高精度で行うことができる。

Description

本発明は薄型、小型、高精細で、被写体までの距離測定ができ、周辺温度変化に対して性能が安定な複眼式カメラモジュールに関する。

レンズ系を介して被写体像を固体撮像素子上に結像して画像化するカメラモジュールはデジタルスチルカメラや携帯電話用カメラなどに広く用いられている。近年、カメラモジュールには高画素化と低背化の両立が求められている。一般に画素数の増大とともにレンズ系に高解像性が要求されるために、カメラモジュールの光軸方向の厚みが大きくなる傾向がある。これに対して、固体撮像素子の画素ピッチを小さくして同一画素数でも撮像素子のサイズを小さくすることによってレンズ系のスケールダウンを可能にし、高画素化と低背化とが両立されたカメラモジュールを実現する試みが取り組まれている。

しかしながら、固体撮像素子の感度と飽和出力とは画素サイズに比例するために、画素ピッチの縮小化には限界がある。

カメラモジュールとしては、光軸に沿って１又は２以上のレンズが配置された１つのレンズ系と、この光軸上に配置された１つの固体撮像素子とからなる、いわゆる単眼式が一般的である。これに対して、近年、カメラモジュールの薄型化を図るために、同一平面上に配置された複数のレンズ系と、この複数のレンズ系に一対一に対応して同一平面上に配置された複数の撮像領域とからなる、いわゆる複眼式のカメラモジュールが提案されている。

このような複眼式のカメラモジュールの一例が特開２００１−６１１０９号公報に記載されており、これを図１０を用いて説明する。

同一平面上に配置された、焦点距離が数百μｍ程度の複数の微小レンズ１０１ａが一体化されてなるレンズアレイ１０１と、多数の受光素子が単一平面上に配置された受光素子アレイ１０３とが、対向して配置されている。受光素子アレイ１０３の受光領域は、レンズアレイ１０１の複数の微小レンズ１０１ａに一対一に対応する複数の撮像領域に分割されている。１つの微小レンズ１０１ａと、この微小レンズ１０１ａに対応する１つの撮像領域内に含まれる複数の受光素子とが、１つの結像ユニットを構成する。レンズアレイ１０１と受光素子アレイ１０３との間に、結像ユニット間での光信号の混信を避けるための隔壁層１０２が配置されている。結像ユニットごとに、各微小レンズ１０１ａは受光素子アレイ１０３の対応する撮像領域上に被写体像を形成する。被写体に対する各微小レンズ１０１ａの相対位置が異なるために、各結像ユニットに形成される被写体像はわずかに異なる。複数の撮像領域からの信号を演算して、それぞれの被写体像を合成することにより、高解像度の画像が得られる。

レンズアレイ１０１上の各微小レンズ１０１ａは、ガラス基板上にエッチング加工で形成された回折型レンズ又は屈折型レンズである。数百μｍ程度の短焦点距離のレンズを用いることにより、レンズアレイ１０１と受光素子アレイ１０３との距離を非常に小さくし、薄型化を図ることができる。

複眼式のカメラモジュールの別の例が特開２００１−７８２１７号公報に記載されており、これを図１１を用いて説明する。図１１はカメラモジュールの主要部のみを抽出して図示している。３つのレンズ１１１ａ，１１１ｂ、１１１ｃを有するレンズアレイ１１２と、固体撮像素子１１４とが対向して配置されている。レンズアレイ１１２の被写体側の面には、３つのレンズ１１１ａ，１１１ｂ、１１１ｃにそれぞれ対向する位置に緑色分光フィルタ１１３ａ、赤色分光フィルタ１１３ｂ、青色分光フィルタ１１３ｃがそれぞれ設けられている。固体撮像素子１１４のレンズアレイ１１２側の面にも、３つのレンズ１１１ａ，１１１ｂ、１１１ｃにそれぞれ対向する位置に緑色分光フィルタ１１５ａ、赤色分光フィルタ１１５ｂ、青色分光フィルタ１１５ｃがそれぞれ設けられている。これにより、緑色分光フィルタ１１３ａと、レンズ１１１ａと、緑色分光フィルタ１１５ａと、固体撮像素子１１４の緑色分光フィルタ１１５ａが設けられた撮像領域とが、緑色光の結像ユニットを構成する。同様に、赤色分光フィルタ１１３ｂと、レンズ１１１ｂと、赤色分光フィルタ１１５ｂと、固体撮像素子１１４の赤色分光フィルタ１１５ｂが設けられた撮像領域とが、赤色光の結像ユニットを構成し、青色分光フィルタ１１３ｃと、レンズ１１１ｃと、青色分光フィルタ１１５ｃと、固体撮像素子１１４の青色分光フィルタ１１５ｃが設けられた撮像領域とが、青色光の結像ユニットを構成する。３つの結像ユニットからの信号を演算して、それぞれの被写体像を合成することにより、カラー画像が得られる。

複眼式カメラモジュールにおいては、複数の結像ユニットのそれぞれから得られる複数の画像間に生じる視差を利用して被写体までの距離を測定することができる。図１２は視差を用いて被写体までの距離を測定する原理を示した図である。

レンズ１２２ａは被写体１２１からの光を固体撮像素子１２４ａ上に被写体像１２３ａとして結像し、レンズ１２２ｂは被写体１２１からの光を固体撮像素子１２４ｂ上に被写体像１２３ｂとして結像する。このとき、被写体１２１上の同一点からの光は視差Δだけずれて固体撮像素子１２４ａ，１２４ｂにそれぞれ至り、固体撮像素子１２４ａ，１２４ｂ上の画素で受光され、電気信号に変換される。

ここで、レンズ１２２ａ，１２２ｂの光軸間の距離をＤ、レンズと被写体１２１との距離をＧ、レンズの焦点距離をｆとし、距離Ｇが焦点距離ｆに比べて極めて大きいときには次式（１）が成り立つ。

Ｇ＝Ｄｆ／Δ ・・・（１）
レンズ１２２ａ，１２２ｂの光軸間の距離Ｄ、およびレンズの焦点距離ｆは既知である。固体撮像素子１２４ａ，１２４ｂからの電気信号に基づいて固体撮像素子１２４ａ，１２４ｂ間での被写体像１２３ａ，１２３ｂの位置ずれ量、即ち視差Δを求めれば、式（１）より、被写体までの距離Ｇを算出することができる。このように、複眼式カメラモジュールは画像を得るだけでなく測距センサーとしての機能をも有する。

図１１及び図１２の複眼式カメラモジュールにおいては、複数の結像ユニットから得られる複数の画像における同一点を抽出し、この同一点が相互に重なり合うようにして複数の画像を合成することで合成画像を形成する。

しかしながら周辺温度の変化により、レンズとこれに対応する撮像領域との相対的位置が変動すると、合成画像が劣化したり、画像処理時間が非常に増大したりしてしまう。

特開２００１−７８２１７号公報は、周囲温度の変化を±２０℃程度以下と想定し、各撮像領域上に形成される被写体像の同一点の間隔Ａ（ｍｍ）、レンズアレイ１１２の材料の線膨張係数α_Ｌ、固体撮像素子１１４の画素ピッチＰ（ｍｍ）が、
２×Ａ×（α_Ｌ−０．２６×１０^−５）×２０＜Ｐ／２・・・（２）
を満足することを開示している。式（２）の左辺において、「０．２６×１０^−５」は固体撮像素子１１４の線膨張係数であり、「２０」は温度変化量（℃）である。特開２００１−７８２１７号公報では、固体撮像素子１１４の画素ピッチＰが２．８μｍ、対角長２．８ｍｍ、画素数４８万個を想定した例が記載されており、この場合、α_Ｌが１．２×１０^−５のガラス材料がレンズアレイ１１２の材料として有効であると記載されている。

しかしながら、特開２００１−７８２１７号公報で示された式（２）からわかるように、複眼式カメラモジュールにおいて、周辺温度変化に対して安定して良好な画像を得るためには、レンズアレイ材料として線膨張係数の小さい材料を用いることが不可欠となる。その結果、この条件を満たすレンズ用透明材料として、現実的にはガラスを使わざるを得ず、現状の単眼式カメラモジュールに広く使われている樹脂材料に比べると経済性、生産性の上で課題を有する。

また、たとえ線膨張係数の小さいガラス材料を用いても、画素ピッチＰに対する各撮像領域上に形成されるそれぞれの被写体像の同一点の間隔Ａの比Ａ／Ｐを大きくとることができない。これにより、固体撮像素子の画素数の上限は数十万程度に制限されてしまい、高精細の画像が得られない。

また、レンズから被写体までの距離が一定であっても、周辺温度が変化すると視差Δも変化する。これは温度変化によって生じるレンズ間距離の変化量と、撮像領域間距離の変化量とが一致しないためである。これにより、周辺温度の変化があると、式（１）を用いて得られる被写体までの距離Ｇを精度よく測定することができなくなる。

本発明は、上記の従来の課題を解決するものであって、薄型、小型、高精細で、生産性がよく、周辺温度変化に対して性能が安定した複眼式カメラモジュールを提供することを目的とする。

本発明のカメラモジュールは、複数の単レンズと、前記複数の単レンズと一対一に対応する複数の撮像領域とを備える。前記複数の単レンズが前記複数の撮像領域にそれぞれ被写体像を形成し、前記複数の撮像領域からの電気信号を合成して画像を得る。

前記カメラモジュールは、更に、前記複数の単レンズを保持するレンズホルダーと、前記複数の撮像領域を保持する撮像素子ホルダーとを備える。前記レンズホルダーと前記撮像素子ホルダーとは対向して配置される。そして、前記レンズホルダーと前記撮像素子ホルダーとは別部材からなり、それぞれの材料の線膨張係数は略同一である。前記レンズホルダー及び前記撮像素子ホルダーと前記複数の単レンズとは異なる材料からなる。

本発明によれば、周囲の温度が変化しても単レンズとこれに対応する撮像領域との相対的位置ずれが微小であるため、温度変化にかかわらず安定して高画質画像を得ることができ、また、被写体までの距離測定を高精度で行うことができる。また、本発明によれば、薄型、小型、高精細で、生産性の良好なカメラモジュールを提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態１に係るカメラモジュールの概略構成を示した分解斜視図である。 図２は、本発明の実施の形態１に係るカメラモジュールの光軸に沿った断面図である。 図３Ａは、実質的に無限遠に置かれた白色光源を本発明の実施の形態１に係るカメラモジュールの４つの固体撮像素子で撮影したときの光量ピーク位置の一例を示す図である。 図３Ｂは、実質的に無限遠に置かれた白色光源を本発明の実施の形態１に係るカメラモジュールの４つの固体撮像素子で撮影したときの光量分布の一例を示す図である。 図４は、本発明の実施の形態１に係るカメラモジュールの光軸に沿った断面図である。 図５は、本発明の実施の形態１に係るカメラモジュールにおいて、レンズホルダーにレンズを形成し保持させる方法を説明する断面図である。 図６は、図５の方法により得られたレンズ付きレンズホルダーの一例を示した側面図である。 図７は、本発明の実施の形態２に係るカメラモジュールの概略構成を示した分解斜視図である。 図８は、本発明の実施の形態２に係るカメラモジュールの光軸に沿った断面図である。 図９は、本発明の実施の形態３に係るカメラモジュールの光軸に沿った断面図である。 図１０は、従来の複眼式カメラモジュールの一例の概略構成を示した分解斜視図である。 図１１は、従来の複眼式カメラモジュールの別の例の概略構成を示した側面図である。 図１２は、複眼式カメラモジュールにおいて視差を用いて被写体までの距離を測定する原理を示した図である。

上記の本発明のカメラモジュールにおいて、前記複数の撮像領域からの前記電気信号を比較することにより、被写体までの距離を測定することが好ましい。これにより、本発明のカメラモジュールを高精度の測距装置として利用できる。例えば、視野内の一部又は全ての被写体までの距離を測定することが可能になる。

上記の本発明のカメラモジュールにおいて、前記レンズホルダー及び前記撮像素子ホルダーがいずれもシリコンよりなることが好ましい。撮像素子ホルダーの材料がシリコンであれば、撮像素子ホルダーは固体撮像素子やデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）と線膨張係数がほぼ同一になるため、実装や配線形成が容易となり、十分な信頼性を確保することができる。また、レンズホルダーと前記撮像素子ホルダーとが同一材料からなることにより、両者の線膨張係数が同一となるので、温度変化に対する性能変化を抑えることができる。

上記の本発明のカメラモジュールは、更に、前記レンズホルダーと前記撮像素子ホルダーとの間にスペーサを備えることが好ましい。これにより、カメラモジュールの周辺から撮像領域へ不要光が入射するのを防止することができる。

上記の本発明のカメラモジュールにおいて、前記複数の単レンズは互いに独立し分離した樹脂よりなることが好ましい。これにより、各レンズの膨張収縮がレンズ毎に分断されるため、レンズの間隔とは関係なく周辺温度に対して安定な画像を得ることができる。

上記の本発明のカメラモジュールは、更に、前記複数の単レンズと一対一に対応する複数のカラーフィルターを備え、前記複数のカラーフィルターのうちの少なくとも一つは赤色波長帯域の光を前記撮像領域に入射させ、他の少なくとも一つは緑色波長帯域の光を前記撮像領域に入射させ、他の少なくとも一つは青色波長帯域の光を前記撮像領域に入射させることが好ましい。これにより、各レンズは可視光域の全波長帯域を受け持つ必要が無く、赤、緑、青それぞれの波長帯域の光のみに対して収差の少ないレンズであればよく、単レンズで十分な性能を確保できる。従って、カメラ光学系を薄型化することができる。

特に、前記複数のカラーフィルターのうち少なくとも２つは同じ波長帯域の光を透過することが好ましい。これにより、同じ波長帯域の光によって得られた少なくとも２つの被写体像を比較することで視差を求めることができ、カメラから被写体までの距離を測定できる。

上記の本発明のカメラモジュールにおいて、前記複数の単レンズのそれぞれが両面に回折格子を備えていることが好ましい。これにより、収差を少なくでき、細かい画素ピッチの撮像領域の解像度を損なうことなく、高画質な画像を得ることができる。また、非球面レンズと同等の性能をより薄いレンズで得ることができるのでカメラモジュールをより薄型化できる。

上記の本発明のカメラモジュールにおいて、前記複数の単レンズのそれぞれの光軸は、対応する前記撮像領域の受光面と垂直で、且つ前記撮像領域の中心をほぼ通過することが好ましい。これにより、高解像度の像を撮像領域の広い領域上に結像させることができるので、画素数を増やすことで解像度の高い画像を得ることができる。好ましくは、単レンズの光軸と撮像領域の中心とのずれ量は１０μｍ以下である。

上記の本発明のカメラモジュールは、更に、被写体像の焦点位置の検出手段と、前記レンズホルダーと前記撮像素子ホルダーとの光軸に沿った間隔を変化させるするアクチュエータと、前記検出手段が検出した前記焦点位置に応じて前記アクチュエータを駆動する制御手段とを備えることが好ましい。これにより、周辺温度が変化することによって、光軸に沿った方向の焦点位置がずれても、ぼけのない画像を得ることができる。

前記スペーサーは、前記撮像領域に、これに対応する前記単レンズ以外の前記単レンズを通過した光が入射するのを防止することが好ましい。これにより、各撮像領域に、不要な色の光が入射するのを防止し、画像の色再現劣化を防ぐことができる。

上記の本発明のカメラモジュールにおいて、前記レンズホルダーの前記撮像素子ホルダーに対向する面、及び前記撮像素子ホルダーの前記レンズホルダーに対向する面に、表面反射を抑制するコーティングが施されていることが好ましい。これにより、不要な光が撮像領域に入射すること防ぎ、フレアやゴーストの発生を抑止することができる。

前記コーティングが、屈折率２．１、膜厚１４０ｎｍの単層膜からなり、前記単層膜の材料が硫化亜鉛、酸化セリウム、酸化タンタル、酸化チタンのいずれかであることが好ましい。これにより、レンズホルダー、および撮像素子ホルダーがシリコンからなる場合に単層膜で十分な反射防止効果が得られ、不要光の反射を防ぐことができる。

上記の本発明のカメラモジュールにおいて、前記複数の単レンズを保持する前記レンズホルダーは、前記レンズホルダーを一対の成形駒で挟み、前記レンズホルダーと前記一対の成形駒とで形成されたキャビティ内に樹脂を射出成形することにより得られたものであることが好ましい。これにより、簡単な工程で複数のレンズ形成と、レンズホルダー上への各レンズの実装とを同時に行うことができる。

あるいは、上記の本発明のカメラモジュールにおいて、前記複数の単レンズを保持する前記レンズホルダーは、前記レンズホルダーを一対の成形駒で挟み、前記レンズホルダーと前記一対の成形駒とで形成されたキャビティ内に紫外線硬化樹脂を注入し、前記紫外線硬化樹脂に紫外線を照射して硬化させることにより得られたものであることが好ましい。これにより、簡単な工程で複数のレンズ形成と、レンズホルダー上への各レンズの実装とを同時に行うことができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係るカメラモジュールの概略構成を示した分解斜視図、図２は、本実施の形態１に係るカメラモジュールの光軸に沿った断面図である。

４つのレンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは互いに独立した両面非球面単レンズであり、レンズホルダー１２にてほぼ同一平面上に配置され位置決めされている。４つのレンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの各光軸１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄはいずれもレンズホルダー１２の主面の法線と平行である。ここで、図１に示すように、光軸１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄと平行な方向をＺ軸、Ｚ軸に垂直な一方向をＸ軸、Ｚ軸及びＸ軸に垂直な方向をＹ軸とする。レンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは、ＸＹ平面上において、Ｘ軸に平行な直線及びＹ軸に平行な直線により形成される格子点上に配置される。

各レンズの第１面（被写体側の面）には光の３原色である赤、青、緑のいずれかの波長帯の光を透過するカラーフィルターが塗布されている。その結果、レンズ１１ａとレンズ１１ｄは緑色光を透過し、レンズ１１ｂは赤色光を透過し、レンズ１１ｃは青色光を透過する。

レンズホルダー１２はシリコンからなる。レンズを保持する部分には穴あけ加工が施されている。レンズホルダー１２の裏面側（被写体とは反対側の面）には反射を防止するコーティングが施されている。具体的には屈折率２．１、膜厚１４０ｎｍの硫化亜鉛の単層膜が形成されている。屈折率が２．１程度であれば硫化亜鉛に限るものではなく、例えば酸化セリウム、酸化タンタル、酸化チタンなどでもよい。

レンズホルダー１２の被写体とは反対側の面に、遮光スペーサー１４が貼り合わされている。遮光スペーサ１４は、４つのレンズの光軸１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄをそれぞれ中心とする開口（貫通孔）１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄを備える。各開口を形成する内壁面には光の反射防止処理がされている。具体的には、表面での反射を抑制するように、黒塗りをし、表面を荒らすなどによるつや消し処理が施されている。これにより、内壁面で反射した迷光が固体撮像素子に入射することを避けることができる。

遮光スペーサー１４の被写体とは反対側の面に、撮像素子ホルダー１６が貼り合わされている。撮像素子ホルダー１６はシリコンよりなり、そのレンズホルダー１２に対向する面には、レンズホルダー１２に設けたのと同様の、反射を防止するコーティングが施されている。撮像素子ホルダー１６の遮光スペーサー１４側の面に、４つの固体撮像素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄがほぼ同一平面上（ＸＹ平面上）に配置されている。４つのレンズの光軸１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄは４つの固体撮像素子のそれぞれの中心（矩形状の固体撮像素子の対角線の交点）をほぼ通過する。従って、各固体撮像素子の中心間隔と、各レンズの中心間隔とはほぼ等しい。各固体撮像素子は白黒のセンシングを行い、内部にカラーフィルタを有しない。

図２は図１に示したカメラモジュールの光軸１３ａ、１３ｄを含む面での断面図である。撮像素子ホルダー１６上にデジタル信号プロセッサー（ＤＳＰ）を含む基板２１が設けられ、この上に４個の固体撮像素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄが配置されている。

本実施の形態のカメラモジュールでは、単レンズ１１ａ、１１ｄに入射した被写体からの光のうち、緑色の光が固体撮像素子１７ａ、１７ｄにそれぞれ入射する。また、単レンズ１１ｂに入射した被写体からの光のうち、赤色の光が固体撮像素子１７ｂに入射する。また、単レンズ１１ｃに入射した被写体からの光のうち、青色の光が固体撮像素子１７ｃに入射する。このように被写体からの光は緑色波長帯域光、赤色波長帯域光、青色波長帯域光に分離されて固体撮像素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、および１７ｄで撮影される。これら４つの固体撮像素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、および１７ｄで撮影された４個の画像を合成してカラー画像を得る。これらの合成はデジタル信号プロセッサー（ＤＳＰ）により行う。

本実施の形態のカメラモジュールでは、１つのレンズとこれに対応する１つの固体撮像素子とを含む結像ユニットを４つ備えている。

遮光スペーサー１４は、４つの結像ユニットに対応して独立した４つの開口１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄを備えるので、各固体撮像素子に、それぞれに対応するレンズ以外のレンズからの光が入射するのが防止される。従って、画質劣化を防止できる。

被写体に対する４つのレンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの相対位置が異なるために、４つの固体撮像素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄで撮影された４個の画像間には視差に基づくズレが生じる。図１のように対角の象限に配置された緑色波長帯域の光を受ける固体撮像素子１７ａ、１７ｄが撮像した２つの緑色波長帯域画像が一致するように合成すれば、両者間の視差（ズレ）のＸ方向成分及びＹ方向成分を求めることができ、これより、Ｘ方向及びＹ方向における画像の合成規則を導き出すことができる。この２方向の合成規則を適用して赤色波長帯域画像及び青色波長帯域画像を緑色波長帯域画像に合成することで、カラー画像を得ることができる。ここで視差に基づく画像ズレを補正するために２つの緑色波長帯域画像を用いているのは、人間の眼に感じやすい緑色の光信号を多くすることによって鮮明な画像を得ることができるためである。

４つの固体撮像素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、および１７ｄからそれぞれ得られた４個の画像を合成する際の前提として、同じ被写体をとらえている画素が、それぞれの固体撮像素子のどこにあるかを認知する必要がある。その認知方法の一例を図３Ａ及び図３Ｂを用いて説明する。

図３Ａに示すように、実質的に無限遠（例えば１０ｍ離した距離）に置かれた白色光源（実施的に点光源と見なせる光源が好ましい）を撮影し、光量がピークになる位置（画素）を、各固体撮像素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄの原点３１，３２，３３，３４とすることで、各固体撮像素子を構成する多数の画素の位置を特定することが可能になる。カメラモジュールを組み立てた後に、この方法によって各固体撮像素子の原点３１，３２，３３，３４を求めることにより、各固体撮像素子の実装等の組立時に正確な位置合わせが不要となり、カメラモジュールの製作が容易となる。

実質的に無限遠の略点光源でも、一つの画素だけがその像を撮像するわけではない。略白色光源からの光の固体撮像素子の受光面での光量分布は例えば図３Ｂのようになる。この場合には、画素３５ａ，３５ｂ，３５ｃのうち、受光光量が最大となる画素３５ｂを、この固体撮像素子の原点とする。

このようにして特定した各固体撮像素子の原点に基づいて、結像ユニット間の上述した視差を求めることができる。

次に、本実施の形態のカメラモジュールにおいて周辺温度が変化したときの影響について図４を用いて説明する。図４は図２と同様に本実施の形態のカメラモジュールの光軸１３ａ、１３ｄを含む面での断面図である。

図３Ａ及び図３Ｂを用いて説明した各固体撮像素子の原点を特定する操作を行った後に、周辺温度が△τ（℃）だけ上昇したとする。

このとき、レンズホルダー１２及び撮像素子ホルダー１６はそれぞれ膨張するので、レンズの中心間隔及び固体撮像素子の中心間隔は広がる。レンズの中心間隔の変化量と固体撮像素子の中心間隔の変化量とが相違すれば、予め特定した各固体撮像素子上の上記の原点位置にずれが発生することになる。

各レンズ直径をＬ（ｍｍ）、レンズ、固体撮像素子、レンズホルダー、及び撮像素子ホルダーの線膨張係数をそれぞれα、β、γ、δとし、対角方向に隣り合う光軸１３ａ，１３ｄ（または１３ｂ，１３ｃ）間の間隔をＤとしたとき、周辺温度が△τ（℃）だけ上昇することによる、各固体撮像素子上での原点ずれ量△ｄは次式で与えられる。

△ｄ＝Ｄ・｜γ−δ｜・△τ／２ ・・・（３）
式（３）より、本実施の形態のカメラモジュールでは原点ずれ量△ｄは、レンズ及び固体撮像素子の線膨張係数α，β、レンズ直径Ｌにはまったく無関係であることがわかる。

例として、固体撮像素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄが各々１００万個の画素（受光部）を有し、対角方向（光軸１３ａ，１３ｄを結ぶ方向）における画素ピッチが２．８μｍである場合、それぞれの固体撮像素子の対角線長さＴは約２．８ｍｍである。各レンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの直径Ｌを１．６ｍｍ、焦点距離を２．５ｍｍとする。レンズ材料として一般的に用いられているポリオレフィン系の熱可塑性樹脂（例えば日本ゼオン社、ＺＥＯＮＥＸ４８０、線膨張係数αは６×１０^−５）を想定する。

レンズ光軸間距離Ｄが固体撮像素子の対角線長さＴよりやや大きい３ｍｍとし、周辺温度変化Δτが２０℃であるときに、原点ずれ量△ｄが画素ピッチ２．８μｍの１０分の１以下になる条件は式（３）を用いると、
｜γ−δ｜≦０．９４×１０^−５／℃ ・・・（４）
である。ここで、原点ずれ量△ｄの許容上限値を画素ピッチの１０分の１としたのは、合成した画像の解像度劣化を抑えるのに必要な画像合成精度がこの程度であることに基づく。

上記の式（４）の関係を満足するようにレンズホルダー１２及び撮像素子ホルダー１６の材料を選択すれば、固体撮像素子１７ａ、１７ｄの各原点を特定した後、原点特定時の温度に対して２０℃程度の温度変化が生じても原点位置は実質的に不変で画像合成には影響が生じないことがわかる。

具体的には、例えばレンズホルダー１２の材料が石英（線膨張係数が０．０４×１０^−５）、撮像素子ホルダー１６の材料がシリコン（０．３×１０^−５）である場合は式（４）を満足する。

このように、本実施の形態のカメラモジュールにおいては、使用時に温度変化があっても、４つの固体撮像素子により得た４個の画像を合成してカラー画像を得る際の演算を変更する必要がない。即ち、温度変化にかかわらず、同じ画素を原点として同じ条件で画像合成を行えばよい。よって、デジタル信号プロセッサー（ＤＳＰ）を簡素化できる。このように、本実施の形態により、薄型で、周辺温度変化に対して劣化のない、１００万画素以上の高精細画像を得ることができる。

また、固体撮像素子１７ａ、１７ｄが撮像した２つの緑色波長帯域画像を比較し、その視差を算出し、式（１）を用いて演算することによって、カメラから被写体までの距離を測定することができる。このとき、上記式（４）を満足する場合には、周辺温度変化が２０℃程度以下であれば、これによる視差への影響は画素ピッチの１０分の１以下、すなわち０．２８μｍ以下に抑えられる。したがって、本実施の形態のカメラモジュールによれば、使用時に温度変化があっても、被写体までの距離測定における精度の劣化はまったく問題にならない。

本実施の形態では、レンズホルダー１２及び撮像素子ホルダー１６の各材料が略同一の線膨張係数を有していればよい。一般に固体撮像素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄやデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）の基板の材料はシリコンを主成分とする。撮像素子ホルダー１６の線膨張係数が、この上に搭載される固体撮像素子やデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）の線膨張係数と略同一であれば、実装、配線形成、そり防止、信頼性向上に有利である。従って、撮像素子ホルダー１６の材料はシリコンが好ましい。更に、周辺温度変化Δτの変化による原点ずれ量Δｄを小さくするために、レンズホルダー１２の材料もシリコンが好ましい。

本実施の形態の複眼式カメラモジュールでは、被写体からの光は結像ユニットごとに緑色波長帯域光、赤色波長帯域光、青色波長帯域光に分離され、それぞれの固体撮像素子は３原色のうちのいずれかの色の画像を撮像する。ここで、緑色波長帯域光の画像を撮像する結像ユニットの数は２つである。この２つの結像ユニットで得た２つの緑色画像を比較し、視差を求めることにより、被写体までの距離を測定し、且つ、緑、赤、青の各色画像を合成してカラー画像を得ている。同色の画像を比較することで、より正確に視差を求めることができるので、距離測定の精度を向上することができ、また、高画質のカラー画像を得ることができる。

本実施の形態の複眼式カメラモジュールでは、被写体からの光は結像ユニットごとに緑色波長帯域光、赤色波長帯域光、青色波長帯域光に分離され、それぞれの固体撮像素子は３原色のうちのいずれかの色の画像を撮像する。しかしながら、本発明のカメラモジュールはこのような方式に限定されない。例えば、各結像ユニットで色分離を行わず、各固体撮像素子がフルカラーの画像を撮像する複眼式カメラモジュール（例えば特開２００１−６１１０９号公報参照）であってもよい。この方式でも各固体撮像素子で得たカラー画像を一つの画像に合成する処理は必要であり、その場合も上記に述べた原点画素の特定が必要である。従って、本発明は複眼式カメラモジュール全般にわたって広く適用できる。

次に本実施の形態のカメラモジュールにおいて、レンズホルダー１２に各レンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを光軸のずれなく形成し保持させる方法を図５を用いて説明する。

本実施の形態のカメラモジュールでは、レンズホルダー１２と固体撮像素子ホルダー１６とが相互に独立した別部材からなるため、以下に説明するようなレンズ形成方法を採用することができる。

予め作製したレンズホルダー１２をレンズ形状の反転形状がそれぞれ形成された上下の成形駒５１ａ、５１ｂで挟み込む。このとき、成形駒５１ａ、５１ｂのそれぞれの基準面５２ａ、５２ｂは、成形駒５１ａ、５１ｂにそれぞれ形成された反転したレンズ形状の光軸５３ａ、５３ｂと垂直である。上側の成形駒５１ａの基準面５２ａとレンズホルダー１２の上面５５ａとを密着させ、下側の成形駒５１ｂの基準面５２ｂとレンズホルダー１２の下面５５ｂとを密着させることにより、光軸５３ａ，５３ｂと平行な方向において、レンズホルダー１２と成形駒５１ａ，５１ｂとを相対的に位置規制する。更に、レンズホルダー１２の周縁に形成されたストッパ５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄを上下の成形駒５１ａ，５１ｂの側面に当接させることにより、光軸５３ａ，５３ｂと直交する方向において、レンズホルダー１２と成形駒５１ａ，５１ｂとを相対的に位置規制する。これらにより、上側の成形駒５１ａに形成された反転したレンズ形状の光軸５３ａと、下側の成形駒５１ｂに形成された反転したレンズ形状の光軸５３ｂとが一致する。この状態で成形駒のゲート（図示せず）から加熱して低粘度となった熱可塑性樹脂を、レンズホルダー１２に形成された開口と成形駒５１ａ、５１ｂとによって形成されたキャビティ５６に流し込んで射出成形を行う。

このような方法により、任意の非球面形状を有するレンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを得ることができ、しかも、各レンズの光軸１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄをレンズホルダー１２の法線と平行にして各レンズをレンズホルダー１２に位置決めして保持させることができる。

レンズ成形した後、図６のように、隣り合うレンズ間のレンズホルダー１２の表面に樹脂層６１が付着することがある。この樹脂層６１は、レンズの信頼性や画像において問題となることがあるので、後加工で除去し、各レンズを互いに分離、独立させることが望ましい。

図５では成形駒５１ａ、５１ｂがそれぞれ複数のレンズの反転形状を有する例を説明したが、１つのレンズの反転形状を有する成形駒をレンズホルダー１２の上下に各４つ配置して４つのレンズを成形しても良い。

図５ではレンズ材料として熱可塑性樹脂を用いたが、透明な紫外線硬化樹脂を用いることも可能である。成形駒内へのレンズ材料の充填方法としては図５の場合と同様にゲートを用いてもよい。石英など紫外線を透過する素材からなる成形駒を用いることにより、成形駒を通じてレンズ材料に紫外線を照射して、図５の場合と同様にレンズホルダー１２にレンズを一体に成形することができる。

従来から、透明で樹脂より線膨張係数が小さな基材、例えばガラス板の表面に、種々の方法で樹脂レンズを形成する方法が用いられている。しかしながら、この方法では、両面が曲面であるレンズを形成することは困難であった。これに対して、上記の方法を用いればレンズの両面の形状を自由に設定できる。例えば両面非球面レンズや両面回折格子レンズなどを作成でき、このようなレンズを用いることにより、従来では実現が困難であった、解像度の高い画像を得ることができる。この高解像度の画像を画素ピッチの細かい固体撮像素子で解像すれば、より高精度で視差を求めることができるので、被写体までの距離測定精度は一層向上する。

（実施の形態２）
図７は本発明の実施の形態２に係るカメラモジュールの概略構成を示した分解斜視図、図８は、本実施の形態２に係るカメラモジュールの光軸に沿った断面図である。

４つのレンズ７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄは互いに独立した両面回折格子付きの非球面単レンズであり、レンズホルダー７２にてほぼ同一平面上に配置されて位置決めされている。４つのレンズ７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄの光軸７３ａ、７３ｂ、７３ｃ、７３ｄはいずれもレンズホルダー７２の主面の法線と平行である。ここで、図７に示すように、光軸７３ａ、７３ｂ、７３ｃ、７３ｄと平行な方向をＺ軸、Ｚ軸に垂直な一方向をＸ軸、Ｚ軸及びＸ軸に垂直な方向をＹ軸とする。レンズ７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄは、ＸＹ平面上において、Ｘ軸に平行な直線及びＹ軸に平行な直線により形成される格子点上に配置される。

レンズ７１ａとレンズ７１ｄは緑色の光に対して回折効率と結像性能が最適化された両面回折格子付きの非球面単レンズであり、レンズ７１ｂは赤色の光に対して回折効率と結像性能が最適化された両面回折格子付きの非球面単レンズであり、レンズ７１ｃは青色の光に対して回折効率と結像性能が最適化された両面回折格子付きの非球面単レンズである。

レンズホルダー７２はシリコンからなり、実施の形態１のレンズホルダー１２と同様であるので詳細な説明を省略する。

レンズホルダー７２の被写体とは反対側の面に、遮光スペーサー７４が貼り合わされている。遮光スペーサ７４は、４つのレンズの光軸７３ａ、７３ｂ、７３ｃ、７３ｄが通過する１つの開口（貫通孔）７７を備える。遮光スペーサー７４は、カメラモジュールの周辺から各固体撮像素子に入射する光を遮る。開口７７を形成する内壁面には光の反射防止処理がなされている。具体的には、表面での反射を抑制するように、黒塗りをし、表面を荒らすなどによるつや消し処理が施されている。これにより、内壁面で反射した迷光が固体撮像素子に入射することを避けることができる。

遮光スペーサー７４の被写体とは反対側の面に、撮像素子ホルダー７５が貼り合わされている。撮像素子ホルダー７５はシリコンよりなり、そのレンズホルダー７２に対向する面には、レンズホルダー７２に設けたのと同様の、反射を防止するコーティングが施されている。撮像素子ホルダー７５の遮光スペーサー７４側の面に、４つの固体撮像素子７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄがほぼ同一平面上（ＸＹ平面上）に配置されている。４つのレンズの光軸７３ａ、７３ｂ、７３ｃ、７３ｄは４つの固体撮像素子のそれぞれの中心（矩形状の固体撮像素子の対角線の交点）をほぼ通過する。従って、各固体撮像素子の中心間隔と、各レンズの中心間隔とはほぼ等しい。

緑色の光に対して最適化されたレンズ７１ａ、７１ｄに対応する固体撮像素子７６ａ、７６ｄの内部（受光部よりもレンズ側）には緑の波長帯の光を透過するカラーフィルタが設けられており、同様に、赤色の光に対して最適化されたレンズ７１ｂに対応する固体撮像素子７６ｂの内部（受光部よりもレンズ側）には赤の波長帯の光を透過するカラーフィルタが設けられており、青色の光に対して最適化されたレンズ７１ｃに対応する固体撮像素子７６ｃの内部（受光部よりもレンズ側）には青の波長帯の光を透過するカラーフィルタが設けられている。

図８は図７に示したカメラモジュールの光軸７３ａ、７３ｄを含む面での断面図である。撮像素子ホルダー７５上にデジタル信号プロセッサー（ＤＳＰ）を含む基板８１が設けられ、この上に４個の固体撮像素子７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄが配置されている。

本実施の形態のカメラモジュールでは、各レンズ７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄに入射した被写体からの光は、それぞれ対向する固体撮像素子７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄへ到達する。固体撮像素子７６ａ、７６ｃは、その内部に設けられた緑のカラーフィルタにより、緑色の光を検知する。同様に、固体撮像素子７６ｂは赤色の光を検知し、固体撮像素子７６ｄは青色の光を検知する。これら４つの固体撮像素子７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、および７６ｄで撮影された４個の画像を合成してカラー画像を得る。これらの合成はデジタル信号プロセッサー（ＤＳＰ）により行う。

本実施の形態のカメラモジュールにおける画像処理手順、各固体撮像素子の原点位置特定、周辺温度変化による原点位置ずれ、レンズ材料、レンズホルダーへのレンズの保持方法は、実施の形態１と同じであるのでこれらの説明は省略する。

本実施の形態のカメラモジュールは両面回折格子付きの非球面レンズを用いているために、収差を少なくできる。よって、細かい画素ピッチの固体撮像素子の解像度を損なうことなく、高画質な画像を得ることができる。また、非球面レンズと同等の性能をより薄いレンズ厚みで得ることができるのでカメラモジュールをより薄型化できる。

一方、回折格子付きレンズには表面に微細な形状を付与する必要があるため、レンズ材料がガラスの場合は金型成形を用いたレンズ加工は必ずしも生産性がよいとはいえない。成形回数が増えるとともに、金型である成形駒表面にコーティングされた保護膜が磨耗もしくは変形するために、形状精度が早期に劣化するからである。しかしながら、本実施の形態のカメラモジュールではレンズ材料として樹脂を用いることができるため、金型の耐久性が格段に向上し、これに伴って安く且つ大量に両面回折格子付きの非球面レンズを作成することができる。回折格子を作成する方法としては、金型成形の他にドライエッチングや切削加工があるが、ドライエッチングでは任意の曲面上に回折格子を加工することは困難であり、切削加工ではレンズの１面ごとに加工する必要があり、いずれも生産性に劣るなどの課題を有している。金型成形が両面回折格子付きの非球面レンズの加工法として最も適している。これは本実施の形態のカメラモジュールの利点の一つである。

（実施の形態３）
本実施の形態におけるカメラモジュールの光軸７３ａ，７３ｄを含む面での断面図を図９に示す。本実施の形態のカメラモジュールは、撮像素子ホルダー７５をレンズホルダー７２に対して光軸に沿って相対的に移動させるアクチュエーター９０を付加した点で、図８に示した実施の形態２のカメラモジュールと相違する。実施の形態２のカメラモジュールと同一の構成部材には同一の符号を付してそれらの説明を省略する。

アクチュエーター９０は、圧電素子９１、その長手方向をＺ軸に平行に配置された棒状の駆動軸９２、Ｚ方向に対向する一対の支持ブロック９３ａ，９３ｂ、及び、摩擦稼動部９４を含む。圧電素子９１の一端は支持ブロック９３ａに固定され、他端は駆動軸９２の一端に接続されている。駆動軸９２の他端は支持ブロック９３ｂに固定されている。一対の支持ブロック９３ａ，９３ｂは筐体９８の内壁面に固定されている。駆動軸９２は摩擦稼働部９４を貫通し、摩擦力により摩擦稼働部９４を保持している。摩擦稼働部９４は、連結アーム９５を介して撮像素子ホルダー７５を保持している。

撮像素子ホルダー７５は複数のアクチュエーター９０を介して筐体９８内に保持されている。

圧電素子９１にゆっくり電圧を加えて伸長させて駆動軸９２とともに摩擦稼動部９４をＺ軸に沿って移動させた後、急に電圧を除くと、圧電素子９１は瞬時に縮んで元に戻るが、摩擦稼動部９４は慣性で動かない。

あるいは、圧電素子９１に急峻に立ち上がる電圧を加えると駆動軸９２は瞬時に移動するが摩擦稼動部９４は慣性で移動しない。従って、摩擦稼働部９４は駆動軸９２に対してＺ軸方向に相対的に移動する。その後、圧電素子９１に印加した電圧をゆっくり除くと、摩擦稼動部９４は駆動軸９２とともに移動する。

このような動作を繰り返すことにより、摩擦稼動部９５をＺ軸方向に移動させることができる。複数のアクチュエーター９０を同期して駆動すれば、摩擦稼動部９５を介して撮像素子ホルダー７５、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を含む基板８１、及び４つの固体撮像素子７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄを一体にしてＺ軸方向に移動させることができる。

本実施の形態のカメラモジュールは、更に、焦点位置を検出する手段と、その焦点位置に応じて圧電素子９１への電圧制御を行う制御手段とを備えたオートフォーカス機能付きのカメラモジュールである。焦点位置の検出方法としては、特に制限はなく、例えば固体撮像素子から得た画像から視野中央部の被写体像のコントラストを解析し、そのコントラストが向上するようにアクチュエータ９０を駆動する方法などを用いることができる。圧電素子９１の制御手段としては、特に制限はなく、圧電素子を用いたアクチュエーター用の周知の駆動回路を用いることができる。

周辺温度が変化した場合、実施の形態１，２にて述べたようにレンズ間の間隔及び固体撮像素子間の間隔に変化が生じるが、同時にＺ軸方向、すなわちレンズの光軸方向に焦点位置ずれが発生する。光軸方向の焦点位置ずれは、温度変化によるレンズの厚み及び形状の変化やレンズ材質の屈折率の変化に起因する。Ｆナンバーが小さくて明るいレンズほど焦点深度が浅いため、温度変化による焦点位置ずれは画像の劣化として表れやすい。

本実施の形態のカメラモジュールでは、光軸方向に固体撮像素子を移動することができるので、周辺温度の変化により被写体像の結像位置が光軸方向にシフトしても、これを補正することが容易である。従って、温度変化による画質劣化が更に低減されたカメラモジュールを実現できる。

なお、本実施の形態では固体撮像素子を移動させたが、レンズを移動してもかまわない。また、アクチュエータとしては、例えば電磁方式など、変位を制御できる方式であれば、圧電素子を利用したものに限定されない。

図９では実施の形態２で説明した遮光スペーサー７４の図示を省略している。レンズホルダー７２と撮像素子ホルダー７５との間隔を可変にするために、本実施の形態では、図示しない遮光スペーサーは、撮像素子ホルダー７５及びレンズホルダー７２のうちの一方とは分離している必要がある。あるいは、筐体９８に遮光機能を付与することにより、遮光スペーサー７４を省略しても良い。

また、本実施の形態では、実施の形態２のカメラモジュールにアクチュエーターを付加した例を示したが、実施の形態１のカメラモジュールにアクチュエーターを付加することもできる。

実施の形態１〜３のカメラモジュールでは、４つのレンズにそれぞれ対応する４つの固体撮像素子を用いた。しかしながら、本発明のカメラモジュールはこれに限定されない。例えば、単一の固体撮像素子を用い、これを４つのレンズにそれぞれ対応するように４つの撮像領域に分割してもよい。この場合には、固体撮像素子の実装が容易になり、低コスト化できる。この場合であっても、分割された４つの撮像領域の各原点画素を特定する作業は必要である。

実施の形態１〜３のカメラモジュールでは、固体撮像素子の画素は、４つのレンズの光軸の配置と対応するように、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿って格子点状に配置されていた。しかしながら、本発明のカメラモジュールはこれに限定されない。例えば、画素が、対角位置に配置されたレンズの光軸を結ぶ方向（実施の形態１であれば、光軸１３ａ，１３ｄを結ぶ方向、及び光軸１３ｂ，１３ｃを結ぶ方向）に沿って格子点状に配置されていても良い。また、画素は、格子点状に配置されていなくても良い。

以上に説明した実施の形態は、いずれもあくまでも本発明の技術的内容を明らかにする意図のものであって、本発明はこのような具体例にのみ限定して解釈されるものではなく、その発明の精神と請求の範囲に記載する範囲内でいろいろと変更して実施することができ、本発明を広義に解釈すべきである。

本発明によれば、薄型、小型、高精細で周辺温度変化に対しても安定な画像を得ることができるカメラモジュールを実現できる。このため、本発明は、携帯機器搭載用のカメラ、監視用カメラ、あるいは車載用のカメラ等の用途に好ましく利用することが可能である。

本発明は薄型、小型、高精細で、被写体までの距離測定ができ、周辺温度変化に対して性能が安定な複眼式カメラモジュールに関する。

レンズ系を介して被写体像を固体撮像素子上に結像して画像化するカメラモジュールはデジタルスチルカメラや携帯電話用カメラなどに広く用いられている。近年、カメラモジュールには高画素化と低背化の両立が求められている。一般に画素数の増大とともにレンズ系に高解像性が要求されるために、カメラモジュールの光軸方向の厚みが大きくなる傾向がある。これに対して、固体撮像素子の画素ピッチを小さくして同一画素数でも撮像素子のサイズを小さくすることによってレンズ系のスケールダウンを可能にし、高画素化と低背化とが両立されたカメラモジュールを実現する試みが取り組まれている。

しかしながら、固体撮像素子の感度と飽和出力とは画素サイズに比例するために、画素ピッチの縮小化には限界がある。

カメラモジュールとしては、光軸に沿って１又は２以上のレンズが配置された１つのレンズ系と、この光軸上に配置された１つの固体撮像素子とからなる、いわゆる単眼式が一般的である。これに対して、近年、カメラモジュールの薄型化を図るために、同一平面上に配置された複数のレンズ系と、この複数のレンズ系に一対一に対応して同一平面上に配置された複数の撮像領域とからなる、いわゆる複眼式のカメラモジュールが提案されている。

このような複眼式のカメラモジュールの一例が特許文献１に記載されており、これを図１０を用いて説明する。

同一平面上に配置された、焦点距離が数百μｍ程度の複数の微小レンズ１０１ａが一体化されてなるレンズアレイ１０１と、多数の受光素子が単一平面上に配置された受光素子アレイ１０３とが、対向して配置されている。受光素子アレイ１０３の受光領域は、レンズアレイ１０１の複数の微小レンズ１０１ａに一対一に対応する複数の撮像領域に分割されている。１つの微小レンズ１０１ａと、この微小レンズ１０１ａに対応する１つの撮像領域内に含まれる複数の受光素子とが、１つの結像ユニットを構成する。レンズアレイ１０１と受光素子アレイ１０３との間に、結像ユニット間での光信号の混信を避けるための隔壁層１０２が配置されている。結像ユニットごとに、各微小レンズ１０１ａは受光素子アレイ１０３の対応する撮像領域上に被写体像を形成する。被写体に対する各微小レンズ１０１ａの相対位置が異なるために、各結像ユニットに形成される被写体像はわずかに異なる。複数の撮像領域からの信号を演算して、それぞれの被写体像を合成することにより、高解像度の画像が得られる。

レンズアレイ１０１上の各微小レンズ１０１ａは、ガラス基板上にエッチング加工で形成された回折型レンズ又は屈折型レンズである。数百μｍ程度の短焦点距離のレンズを用いることにより、レンズアレイ１０１と受光素子アレイ１０３との距離を非常に小さくし、薄型化を図ることができる。

複眼式のカメラモジュールの別の例が特許文献２に記載されており、これを図１１を用いて説明する。図１１はカメラモジュールの主要部のみを抽出して図示している。３つのレンズ１１１ａ，１１１ｂ、１１１ｃを有するレンズアレイ１１２と、固体撮像素子１１４とが対向して配置されている。レンズアレイ１１２の被写体側の面には、３つのレンズ１１１ａ，１１１ｂ、１１１ｃにそれぞれ対向する位置に緑色分光フィルタ１１３ａ、赤色分光フィルタ１１３ｂ、青色分光フィルタ１１３ｃがそれぞれ設けられている。固体撮像素子１１４のレンズアレイ１１２側の面にも、３つのレンズ１１１ａ，１１１ｂ、１１１ｃにそれぞれ対向する位置に緑色分光フィルタ１１５ａ、赤色分光フィルタ１１５ｂ、青色分光フィルタ１１５ｃがそれぞれ設けられている。これにより、緑色分光フィルタ１１３ａと、レンズ１１１ａと、緑色分光フィルタ１１５ａと、固体撮像素子１１４の緑色分光フィルタ１１５ａが設けられた撮像領域とが、緑色光の結像ユニットを構成する。同様に、赤色分光フィルタ１１３ｂと、レンズ１１１ｂと、赤色分光フィルタ１１５ｂと、固体撮像素子１１４の赤色分光フィルタ１１５ｂが設けられた撮像領域とが、赤色光の結像ユニットを構成し、青色分光フィルタ１１３ｃと、レンズ１１１ｃと、青色分光フィルタ１１５ｃと、固体撮像素子１１４の青色分光フィルタ１１５ｃが設けられた撮像領域とが、青色光の結像ユニットを構成する。３つの結像ユニットからの信号を演算して、それぞれの被写体像を合成することにより、カラー画像が得られる。

複眼式カメラモジュールにおいては、複数の結像ユニットのそれぞれから得られる複数の画像間に生じる視差を利用して被写体までの距離を測定することができる。図１２は視差を用いて被写体までの距離を測定する原理を示した図である。

レンズ１２２ａは被写体１２１からの光を固体撮像素子１２４ａ上に被写体像１２３ａとして結像し、レンズ１２２ｂは被写体１２１からの光を固体撮像素子１２４ｂ上に被写体像１２３ｂとして結像する。このとき、被写体１２１上の同一点からの光は視差Δだけずれて固体撮像素子１２４ａ，１２４ｂにそれぞれ至り、固体撮像素子１２４ａ，１２４ｂ上の画素で受光され、電気信号に変換される。

ここで、レンズ１２２ａ，１２２ｂの光軸間の距離をＤ、レンズと被写体１２１との距離をＧ、レンズの焦点距離をｆとし、距離Ｇが焦点距離ｆに比べて極めて大きいときには次式（１）が成り立つ。

Ｇ＝Ｄｆ／Δ ・・・（１）
レンズ１２２ａ，１２２ｂの光軸間の距離Ｄ、およびレンズの焦点距離ｆは既知である。固体撮像素子１２４ａ，１２４ｂからの電気信号に基づいて固体撮像素子１２４ａ，１２４ｂ間での被写体像１２３ａ，１２３ｂの位置ずれ量、即ち視差Δを求めれば、式（１）より、被写体までの距離Ｇを算出することができる。このように、複眼式カメラモジュールは画像を得るだけでなく測距センサーとしての機能をも有する。

図１１及び図１２の複眼式カメラモジュールにおいては、複数の結像ユニットから得られる複数の画像における同一点を抽出し、この同一点が相互に重なり合うようにして複数の画像を合成することで合成画像を形成する。

しかしながら周辺温度の変化により、レンズとこれに対応する撮像領域との相対的位置が変動すると、合成画像が劣化したり、画像処理時間が非常に増大したりしてしまう。

特許文献２は、周囲温度の変化を±２０℃程度以下と想定し、各撮像領域上に形成される被写体像の同一点の間隔Ａ（ｍｍ）、レンズアレイ１１２の材料の線膨張係数α_L、固体撮像素子１１４の画素ピッチＰ（ｍｍ）が、
２×Ａ×（α_L−０．２６×１０^-5）×２０＜Ｐ／２ ・・・（２）
を満足することを開示している。式（２）の左辺において、「０．２６×１０^-5」は固体撮像素子１１４の線膨張係数であり、「２０」は温度変化量（℃）である。特許文献２では、固体撮像素子１１４の画素ピッチＰが２．８μｍ、対角長２．８ｍｍ、画素数４８万個を想定した例が記載されており、この場合、α_Lが１．２×１０^-5のガラス材料がレンズアレイ１１２の材料として有効であると記載されている。
特開２００１−６１１０９号公報 特開２００１−７８２１７号公報

しかしながら、特許文献２で示された式（２）からわかるように、複眼式カメラモジュールにおいて、周辺温度変化に対して安定して良好な画像を得るためには、レンズアレイ材料として線膨張係数の小さい材料を用いることが不可欠となる。その結果、この条件を満たすレンズ用透明材料として、現実的にはガラスを使わざるを得ず、現状の単眼式カメラモジュールに広く使われている樹脂材料に比べると経済性、生産性の上で課題を有する。

また、たとえ線膨張係数の小さいガラス材料を用いても、画素ピッチＰに対する各撮像領域上に形成されるそれぞれの被写体像の同一点の間隔Ａの比Ａ／Ｐを大きくとることができない。これにより、固体撮像素子の画素数の上限は数十万程度に制限されてしまい、高精細の画像が得られない。

また、レンズから被写体までの距離が一定であっても、周辺温度が変化すると視差Δも変化する。これは温度変化によって生じるレンズ間距離の変化量と、撮像領域間距離の変化量とが一致しないためである。これにより、周辺温度の変化があると、式（１）を用いて得られる被写体までの距離Ｇを精度よく測定することができなくなる。

本発明は、上記の従来の課題を解決するものであって、薄型、小型、高精細で、生産性がよく、周辺温度変化に対して性能が安定した複眼式カメラモジュールを提供することを目的とする。

本発明のカメラモジュールは、複数の単レンズと、前記複数の単レンズと一対一に対応する複数の撮像領域とを備える。前記複数の単レンズが前記複数の撮像領域にそれぞれ被写体像を形成し、前記複数の撮像領域からの電気信号を合成して画像を得る。

前記カメラモジュールは、更に、前記複数の単レンズを保持するレンズホルダーと、前記複数の撮像領域を保持する撮像素子ホルダーとを備える。前記レンズホルダーと前記撮像素子ホルダーとは対向して配置される。そして、前記レンズホルダーと前記撮像素子ホルダーとは別部材からなり、それぞれの材料の線膨張係数は略同一である。前記レンズホルダー及び前記撮像素子ホルダーと前記複数の単レンズとは異なる材料からなる。

本発明によれば、周囲の温度が変化しても単レンズとこれに対応する撮像領域との相対的位置ずれが微小であるため、温度変化にかかわらず安定して高画質画像を得ることができ、また、被写体までの距離測定を高精度で行うことができる。また、本発明によれば、薄型、小型、高精細で、生産性の良好なカメラモジュールを提供することができる。

上記の本発明のカメラモジュールにおいて、前記複数の撮像領域からの前記電気信号を比較することにより、被写体までの距離を測定することが好ましい。これにより、本発明のカメラモジュールを高精度の測距装置として利用できる。例えば、視野内の一部又は全ての被写体までの距離を測定することが可能になる。

上記の本発明のカメラモジュールにおいて、前記レンズホルダー及び前記撮像素子ホルダーがいずれもシリコンよりなることが好ましい。撮像素子ホルダーの材料がシリコンであれば、撮像素子ホルダーは固体撮像素子やデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）と線膨張係数がほぼ同一になるため、実装や配線形成が容易となり、十分な信頼性を確保することができる。また、レンズホルダーと前記撮像素子ホルダーとが同一材料からなることにより、両者の線膨張係数が同一となるので、温度変化に対する性能変化を抑えることができる。

上記の本発明のカメラモジュールは、更に、前記レンズホルダーと前記撮像素子ホルダーとの間にスペーサを備えることが好ましい。これにより、カメラモジュールの周辺から撮像領域へ不要光が入射するのを防止することができる。

上記の本発明のカメラモジュールにおいて、前記複数の単レンズは互いに独立し分離した樹脂よりなることが好ましい。これにより、各レンズの膨張収縮がレンズ毎に分断されるため、レンズの間隔とは関係なく周辺温度に対して安定な画像を得ることができる。

上記の本発明のカメラモジュールは、更に、前記複数の単レンズと一対一に対応する複数のカラーフィルターを備え、前記複数のカラーフィルターのうちの少なくとも一つは赤色波長帯域の光を前記撮像領域に入射させ、他の少なくとも一つは緑色波長帯域の光を前記撮像領域に入射させ、他の少なくとも一つは青色波長帯域の光を前記撮像領域に入射させることが好ましい。これにより、各レンズは可視光域の全波長帯域を受け持つ必要が無く、赤、緑、青それぞれの波長帯域の光のみに対して収差の少ないレンズであればよく、単レンズで十分な性能を確保できる。従って、カメラ光学系を薄型化することができる。

特に、前記複数のカラーフィルターのうち少なくとも２つは同じ波長帯域の光を透過することが好ましい。これにより、同じ波長帯域の光によって得られた少なくとも２つの被写体像を比較することで視差を求めることができ、カメラから被写体までの距離を測定できる。

上記の本発明のカメラモジュールにおいて、前記複数の単レンズのそれぞれが両面に回折格子を備えていることが好ましい。これにより、収差を少なくでき、細かい画素ピッチの撮像領域の解像度を損なうことなく、高画質な画像を得ることができる。また、非球面レンズと同等の性能をより薄いレンズで得ることができるのでカメラモジュールをより薄型化できる。

上記の本発明のカメラモジュールにおいて、前記複数の単レンズのそれぞれの光軸は、対応する前記撮像領域の受光面と垂直で、且つ前記撮像領域の中心をほぼ通過することが好ましい。これにより、高解像度の像を撮像領域の広い領域上に結像させることができるので、画素数を増やすことで解像度の高い画像を得ることができる。好ましくは、単レンズの光軸と撮像領域の中心とのずれ量は１０μｍ以下である。

上記の本発明のカメラモジュールは、更に、被写体像の焦点位置の検出手段と、前記レンズホルダーと前記撮像素子ホルダーとの光軸に沿った間隔を変化させるするアクチュエータと、前記検出手段が検出した前記焦点位置に応じて前記アクチュエータを駆動する制御手段とを備えることが好ましい。これにより、周辺温度が変化することによって、光軸に沿った方向の焦点位置がずれても、ぼけのない画像を得ることができる。

前記スペーサーは、前記撮像領域に、これに対応する前記単レンズ以外の前記単レンズを通過した光が入射するのを防止することが好ましい。これにより、各撮像領域に、不要な色の光が入射するのを防止し、画像の色再現劣化を防ぐことができる。

上記の本発明のカメラモジュールにおいて、前記レンズホルダーの前記撮像素子ホルダーに対向する面、及び前記撮像素子ホルダーの前記レンズホルダーに対向する面に、表面反射を抑制するコーティングが施されていることが好ましい。これにより、不要な光が撮像領域に入射すること防ぎ、フレアやゴーストの発生を抑止することができる。

前記コーティングが、屈折率２．１、膜厚１４０ｎｍの単層膜からなり、前記単層膜の材料が硫化亜鉛、酸化セリウム、酸化タンタル、酸化チタンのいずれかであることが好ましい。これにより、レンズホルダー、および撮像素子ホルダーがシリコンからなる場合に単層膜で十分な反射防止効果が得られ、不要光の反射を防ぐことができる。

上記の本発明のカメラモジュールにおいて、前記レンズホルダーに保持された前記複数の単レンズは、前記レンズホルダーを一対の成形駒で挟み、前記レンズホルダーと前記一対の成形駒とで形成されたキャビティ内に樹脂を射出成形することにより得られたものであることが好ましい。これにより、簡単な工程で複数のレンズ形成と、レンズホルダー上への各レンズの実装とを同時に行うことができる。

あるいは、上記の本発明のカメラモジュールにおいて、前記レンズホルダーに保持された前記複数の単レンズは、前記レンズホルダーを一対の成形駒で挟み、前記レンズホルダーと前記一対の成形駒とで形成されたキャビティ内に紫外線硬化樹脂を注入し、前記紫外線硬化樹脂に紫外線を照射して硬化させることにより得られたものであることが好ましい。これにより、簡単な工程で複数のレンズ形成と、レンズホルダー上への各レンズの実装とを同時に行うことができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係るカメラモジュールの概略構成を示した分解斜視図、図２は、本実施の形態１に係るカメラモジュールの光軸に沿った断面図である。

４つのレンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは互いに独立した両面非球面単レンズであり、レンズホルダー１２にてほぼ同一平面上に配置され位置決めされている。４つのレンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの各光軸１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄはいずれもレンズホルダー１２の主面の法線と平行である。ここで、図１に示すように、光軸１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄと平行な方向をＺ軸、Ｚ軸に垂直な一方向をＸ軸、Ｚ軸及びＸ軸に垂直な方向をＹ軸とする。レンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは、ＸＹ平面上において、Ｘ軸に平行な直線及びＹ軸に平行な直線により形成される格子点上に配置される。

各レンズの第１面（被写体側の面）には光の３原色である赤、青、緑のいずれかの波長帯の光を透過するカラーフィルターが塗布されている。その結果、レンズ１１ａとレンズ１１ｄは緑色光を透過し、レンズ１１ｂは赤色光を透過し、レンズ１１ｃは青色光を透過する。

レンズホルダー１２はシリコンからなる。レンズを保持する部分には穴あけ加工が施されている。レンズホルダー１２の裏面側（被写体とは反対側の面）には反射を防止するコーティングが施されている。具体的には屈折率２．１、膜厚１４０ｎｍの硫化亜鉛の単層膜が形成されている。屈折率が２．１程度であれば硫化亜鉛に限るものではなく、例えば酸化セリウム、酸化タンタル、酸化チタンなどでもよい。

レンズホルダー１２の被写体とは反対側の面に、遮光スペーサー１４が貼り合わされている。遮光スペーサ１４は、４つのレンズの光軸１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄをそれぞれ中心とする開口（貫通孔）１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄを備える。各開口を形成する内壁面には光の反射防止処理がされている。具体的には、表面での反射を抑制するように、黒塗りをし、表面を荒らすなどによるつや消し処理が施されている。これにより、内壁面で反射した迷光が固体撮像素子に入射することを避けることができる。

遮光スペーサー１４の被写体とは反対側の面に、撮像素子ホルダー１６が貼り合わされている。撮像素子ホルダー１６はシリコンよりなり、そのレンズホルダー１２に対向する面には、レンズホルダー１２に設けたのと同様の、反射を防止するコーティングが施されている。撮像素子ホルダー１６の遮光スペーサー１４側の面に、４つの固体撮像素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄがほぼ同一平面上（ＸＹ平面上）に配置されている。４つのレンズの光軸１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄは４つの固体撮像素子のそれぞれの中心（矩形状の固体撮像素子の対角線の交点）をほぼ通過する。従って、各固体撮像素子の中心間隔と、各レンズの中心間隔とはほぼ等しい。各固体撮像素子は白黒のセンシングを行い、内部にカラーフィルタを有しない。

図２は図１に示したカメラモジュールの光軸１３ａ、１３ｄを含む面での断面図である。撮像素子ホルダー１６上にデジタル信号プロセッサー（ＤＳＰ）を含む基板２１が設けられ、この上に４個の固体撮像素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄが配置されている。

本実施の形態のカメラモジュールでは、単レンズ１１ａ、１１ｄに入射した被写体からの光のうち、緑色の光が固体撮像素子１７ａ、１７ｄにそれぞれ入射する。また、単レンズ１１ｂに入射した被写体からの光のうち、赤色の光が固体撮像素子１７ｂに入射する。また、単レンズ１１ｃに入射した被写体からの光のうち、青色の光が固体撮像素子１７ｃに入射する。このように被写体からの光は緑色波長帯域光、赤色波長帯域光、青色波長帯域光に分離されて固体撮像素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、および１７ｄで撮影される。これら４つの固体撮像素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、および１７ｄで撮影された４個の画像を合成してカラー画像を得る。これらの合成はデジタル信号プロセッサー（ＤＳＰ）により行う。

本実施の形態のカメラモジュールでは、１つのレンズとこれに対応する１つの固体撮像素子とを含む結像ユニットを４つ備えている。

遮光スペーサー１４は、４つの結像ユニットに対応して独立した４つの開口１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄを備えるので、各固体撮像素子に、それぞれに対応するレンズ以外のレンズからの光が入射するのが防止される。従って、画質劣化を防止できる。

被写体に対する４つのレンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの相対位置が異なるために、４つの固体撮像素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄで撮影された４個の画像間には視差に基づくズレが生じる。図１のように対角の象限に配置された緑色波長帯域の光を受ける固体撮像素子１７ａ、１７ｄが撮像した２つの緑色波長帯域画像が一致するように合成すれば、両者間の視差（ズレ）のＸ方向成分及びＹ方向成分を求めることができ、これより、Ｘ方向及びＹ方向における画像の合成規則を導き出すことができる。この２方向の合成規則を適用して赤色波長帯域画像及び青色波長帯域画像を緑色波長帯域画像に合成することで、カラー画像を得ることができる。ここで視差に基づく画像ズレを補正するために２つの緑色波長帯域画像を用いているのは、人間の眼に感じやすい緑色の光信号を多くすることによって鮮明な画像を得ることができるためである。

４つの固体撮像素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、および１７ｄからそれぞれ得られた４個の画像を合成する際の前提として、同じ被写体をとらえている画素が、それぞれの固体撮像素子のどこにあるかを認知する必要がある。その認知方法の一例を図３Ａ及び図３Ｂを用いて説明する。

図３Ａに示すように、実質的に無限遠（例えば１０ｍ離した距離）に置かれた白色光源（実施的に点光源と見なせる光源が好ましい）を撮影し、光量がピークになる位置（画素）を、各固体撮像素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄの原点３１，３２，３３，３４とすることで、各固体撮像素子を構成する多数の画素の位置を特定することが可能になる。カメラモジュールを組み立てた後に、この方法によって各固体撮像素子の原点３１，３２，３３，３４を求めることにより、各固体撮像素子の実装等の組立時に正確な位置合わせが不要となり、カメラモジュールの製作が容易となる。

実質的に無限遠の略点光源でも、一つの画素だけがその像を撮像するわけではない。略白色光源からの光の固体撮像素子の受光面での光量分布は例えば図３Ｂのようになる。この場合には、画素３５ａ，３５ｂ，３５ｃのうち、受光光量が最大となる画素３５ｂを、この固体撮像素子の原点とする。

このようにして特定した各固体撮像素子の原点に基づいて、結像ユニット間の上述した視差を求めることができる。

次に、本実施の形態のカメラモジュールにおいて周辺温度が変化したときの影響について図４を用いて説明する。図４は図２と同様に本実施の形態のカメラモジュールの光軸１３ａ、１３ｄを含む面での断面図である。

図３Ａ及び図３Ｂを用いて説明した各固体撮像素子の原点を特定する操作を行った後に、周辺温度が△τ（℃）だけ上昇したとする。

このとき、レンズホルダー１２及び撮像素子ホルダー１６はそれぞれ膨張するので、レンズの中心間隔及び固体撮像素子の中心間隔は広がる。レンズの中心間隔の変化量と固体撮像素子の中心間隔の変化量とが相違すれば、予め特定した各固体撮像素子上の上記の原点位置にずれが発生することになる。

各レンズ直径をＬ（ｍｍ）、レンズ、固体撮像素子、レンズホルダー、及び撮像素子ホルダーの線膨張係数をそれぞれα、β、γ、δとし、対角方向に隣り合う光軸１３ａ，１３ｄ（または１３ｂ，１３ｃ）間の間隔をＤとしたとき、周辺温度が△τ（℃）だけ上昇することによる、各固体撮像素子上での原点ずれ量△ｄは次式で与えられる。

△ｄ＝Ｄ・｜γ−δ｜・△τ／２ ・・・（３）
式（３）より、本実施の形態のカメラモジュールでは原点ずれ量△ｄは、レンズ及び固体撮像素子の線膨張係数α，β、レンズ直径Ｌにはまったく無関係であることがわかる。

例として、固体撮像素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄが各々１００万個の画素（受光部）を有し、対角方向（光軸１３ａ，１３ｄを結ぶ方向）における画素ピッチが２．８μｍである場合、それぞれの固体撮像素子の対角線長さＴは約２．８ｍｍである。各レンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの直径Ｌを１．６ｍｍ、焦点距離を２．５ｍｍとする。レンズ材料として一般的に用いられているポリオレフィン系の熱可塑性樹脂（例えば日本ゼオン社、ＺＥＯＮＥＸ４８０、線膨張係数αは６×１０^-5）を想定する。

レンズ光軸間距離Ｄが固体撮像素子の対角線長さＴよりやや大きい３ｍｍとし、周辺温度変化Δτが２０℃であるときに、原点ずれ量△ｄが画素ピッチ２．８μｍの１０分の１以下になる条件は式（３）を用いると、
｜γ−δ｜≦０．９４×１０^-5／℃ ・・・（４）
である。ここで、原点ずれ量△ｄの許容上限値を画素ピッチの１０分の１としたのは、合成した画像の解像度劣化を抑えるのに必要な画像合成精度がこの程度であることに基づく。

上記の式（４）の関係を満足するようにレンズホルダー１２及び撮像素子ホルダー１６の材料を選択すれば、固体撮像素子１７ａ、１７ｄの各原点を特定した後、原点特定時の温度に対して２０℃程度の温度変化が生じても原点位置は実質的に不変で画像合成には影響が生じないことがわかる。

具体的には、例えばレンズホルダー１２の材料が石英（線膨張係数が０．０４×１０^-5）、撮像素子ホルダー１６の材料がシリコン（０．３×１０^-5）である場合は式（４）を満足する。

このように、本実施の形態のカメラモジュールにおいては、使用時に温度変化があっても、４つの固体撮像素子により得た４個の画像を合成してカラー画像を得る際の演算を変更する必要がない。即ち、温度変化にかかわらず、同じ画素を原点として同じ条件で画像合成を行えばよい。よって、デジタル信号プロセッサー（ＤＳＰ）を簡素化できる。このように、本実施の形態により、薄型で、周辺温度変化に対して劣化のない、１００万画素以上の高精細画像を得ることができる。

また、固体撮像素子１７ａ、１７ｄが撮像した２つの緑色波長帯域画像を比較し、その視差を算出し、式（１）を用いて演算することによって、カメラから被写体までの距離を測定することができる。このとき、上記式（４）を満足する場合には、周辺温度変化が２０℃程度以下であれば、これによる視差への影響は画素ピッチの１０分の１以下、すなわち０．２８μｍ以下に抑えられる。したがって、本実施の形態のカメラモジュールによれば、使用時に温度変化があっても、被写体までの距離測定における精度の劣化はまったく問題にならない。

本実施の形態では、レンズホルダー１２及び撮像素子ホルダー１６の各材料が略同一の線膨張係数を有していればよい。一般に固体撮像素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄやデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）の基板の材料はシリコンを主成分とする。撮像素子ホルダー１６の線膨張係数が、この上に搭載される固体撮像素子やデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）の線膨張係数と略同一であれば、実装、配線形成、そり防止、信頼性向上に有利である。従って、撮像素子ホルダー１６の材料はシリコンが好ましい。更に、周辺温度変化Δτの変化による原点ずれ量Δｄを小さくするために、レンズホルダー１２の材料もシリコンが好ましい。

本実施の形態の複眼式カメラモジュールでは、被写体からの光は結像ユニットごとに緑色波長帯域光、赤色波長帯域光、青色波長帯域光に分離され、それぞれの固体撮像素子は３原色のうちのいずれかの色の画像を撮像する。ここで、緑色波長帯域光の画像を撮像する結像ユニットの数は２つである。この２つの結像ユニットで得た２つの緑色画像を比較し、視差を求めることにより、被写体までの距離を測定し、且つ、緑、赤、青の各色画像を合成してカラー画像を得ている。同色の画像を比較することで、より正確に視差を求めることができるので、距離測定の精度を向上することができ、また、高画質のカラー画像を得ることができる。

本実施の形態の複眼式カメラモジュールでは、被写体からの光は結像ユニットごとに緑色波長帯域光、赤色波長帯域光、青色波長帯域光に分離され、それぞれの固体撮像素子は３原色のうちのいずれかの色の画像を撮像する。しかしながら、本発明のカメラモジュールはこのような方式に限定されない。例えば、各結像ユニットで色分離を行わず、各固体撮像素子がフルカラーの画像を撮像する複眼式カメラモジュール（例えば特許文献１参照）であってもよい。この方式でも各固体撮像素子で得たカラー画像を一つの画像に合成する処理は必要であり、その場合も上記に述べた原点画素の特定が必要である。従って、本発明は複眼式カメラモジュール全般にわたって広く適用できる。

次に本実施の形態のカメラモジュールにおいて、レンズホルダー１２に各レンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを光軸のずれなく形成し保持させる方法を図５を用いて説明する。

本実施の形態のカメラモジュールでは、レンズホルダー１２と固体撮像素子ホルダー１６とが相互に独立した別部材からなるため、以下に説明するようなレンズ形成方法を採用することができる。

予め作製したレンズホルダー１２をレンズ形状の反転形状がそれぞれ形成された上下の成形駒５１ａ、５１ｂで挟み込む。このとき、成形駒５１ａ、５１ｂのそれぞれの基準面５２ａ、５２ｂは、成形駒５１ａ、５１ｂにそれぞれ形成された反転したレンズ形状の光軸５３ａ、５３ｂと垂直である。上側の成形駒５１ａの基準面５２ａとレンズホルダー１２の上面５５ａとを密着させ、下側の成形駒５１ｂの基準面５２ｂとレンズホルダー１２の下面５５ｂとを密着させることにより、光軸５３ａ，５３ｂと平行な方向において、レンズホルダー１２と成形駒５１ａ，５１ｂとを相対的に位置規制する。更に、レンズホルダー１２の周縁に形成されたストッパ５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄを上下の成形駒５１ａ，５１ｂの側面に当接させることにより、光軸５３ａ，５３ｂと直交する方向において、レンズホルダー１２と成形駒５１ａ，５１ｂとを相対的に位置規制する。これらにより、上側の成形駒５１ａに形成された反転したレンズ形状の光軸５３ａと、下側の成形駒５１ｂに形成された反転したレンズ形状の光軸５３ｂとが一致する。この状態で成形駒のゲート（図示せず）から加熱して低粘度となった熱可塑性樹脂を、レンズホルダー１２に形成された開口と成形駒５１ａ、５１ｂとによって形成されたキャビティ５６に流し込んで射出成形を行う。

このような方法により、任意の非球面形状を有するレンズ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを得ることができ、しかも、各レンズの光軸１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄをレンズホルダー１２の法線と平行にして各レンズをレンズホルダー１２に位置決めして保持させることができる。

レンズ成形した後、図６のように、隣り合うレンズ間のレンズホルダー１２の表面に樹脂層６１が付着することがある。この樹脂層６１は、レンズの信頼性や画像において問題となることがあるので、後加工で除去し、各レンズを互いに分離、独立させることが望ましい。

図５では成形駒５１ａ、５１ｂがそれぞれ複数のレンズの反転形状を有する例を説明したが、１つのレンズの反転形状を有する成形駒をレンズホルダー１２の上下に各４つ配置して４つのレンズを成形しても良い。

図５ではレンズ材料として熱可塑性樹脂を用いたが、透明な紫外線硬化樹脂を用いることも可能である。成形駒内へのレンズ材料の充填方法としては図５の場合と同様にゲートを用いてもよい。石英など紫外線を透過する素材からなる成形駒を用いることにより、成形駒を通じてレンズ材料に紫外線を照射して、図５の場合と同様にレンズホルダー１２にレンズを一体に成形することができる。

従来から、透明で樹脂より線膨張係数が小さな基材、例えばガラス板の表面に、種々の方法で樹脂レンズを形成する方法が用いられている。しかしながら、この方法では、両面が曲面であるレンズを形成することは困難であった。これに対して、上記の方法を用いればレンズの両面の形状を自由に設定できる。例えば両面非球面レンズや両面回折格子レンズなどを作成でき、このようなレンズを用いることにより、従来では実現が困難であった、解像度の高い画像を得ることができる。この高解像度の画像を画素ピッチの細かい固体撮像素子で解像すれば、より高精度で視差を求めることができるので、被写体までの距離測定精度は一層向上する。

（実施の形態２）
図７は本発明の実施の形態２に係るカメラモジュールの概略構成を示した分解斜視図、図８は、本実施の形態２に係るカメラモジュールの光軸に沿った断面図である。

４つのレンズ７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄは互いに独立した両面回折格子付きの非球面単レンズであり、レンズホルダー７２にてほぼ同一平面上に配置されて位置決めされている。４つのレンズ７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄの光軸７３ａ、７３ｂ、７３ｃ、７３ｄはいずれもレンズホルダー７２の主面の法線と平行である。ここで、図７に示すように、光軸７３ａ、７３ｂ、７３ｃ、７３ｄと平行な方向をＺ軸、Ｚ軸に垂直な一方向をＸ軸、Ｚ軸及びＸ軸に垂直な方向をＹ軸とする。レンズ７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄは、ＸＹ平面上において、Ｘ軸に平行な直線及びＹ軸に平行な直線により形成される格子点上に配置される。

レンズ７１ａとレンズ７１ｄは緑色の光に対して回折効率と結像性能が最適化された両面回折格子付きの非球面単レンズであり、レンズ７１ｂは赤色の光に対して回折効率と結像性能が最適化された両面回折格子付きの非球面単レンズであり、レンズ７１ｃは青色の光に対して回折効率と結像性能が最適化された両面回折格子付きの非球面単レンズである。

レンズホルダー７２はシリコンからなり、実施の形態１のレンズホルダー１２と同様であるので詳細な説明を省略する。

レンズホルダー７２の被写体とは反対側の面に、遮光スペーサー７４が貼り合わされている。遮光スペーサ７４は、４つのレンズの光軸７３ａ、７３ｂ、７３ｃ、７３ｄが通過する１つの開口（貫通孔）７７を備える。遮光スペーサー７４は、カメラモジュールの周辺から各固体撮像素子に入射する光を遮る。開口７７を形成する内壁面には光の反射防止処理がなされている。具体的には、表面での反射を抑制するように、黒塗りをし、表面を荒らすなどによるつや消し処理が施されている。これにより、内壁面で反射した迷光が固体撮像素子に入射することを避けることができる。

遮光スペーサー７４の被写体とは反対側の面に、撮像素子ホルダー７５が貼り合わされている。撮像素子ホルダー７５はシリコンよりなり、そのレンズホルダー７２に対向する面には、レンズホルダー７２に設けたのと同様の、反射を防止するコーティングが施されている。撮像素子ホルダー７５の遮光スペーサー７４側の面に、４つの固体撮像素子７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄがほぼ同一平面上（ＸＹ平面上）に配置されている。４つのレンズの光軸７３ａ、７３ｂ、７３ｃ、７３ｄは４つの固体撮像素子のそれぞれの中心（矩形状の固体撮像素子の対角線の交点）をほぼ通過する。従って、各固体撮像素子の中心間隔と、各レンズの中心間隔とはほぼ等しい。

緑色の光に対して最適化されたレンズ７１ａ、７１ｄに対応する固体撮像素子７６ａ、７６ｄの内部（受光部よりもレンズ側）には緑の波長帯の光を透過するカラーフィルタが設けられており、同様に、赤色の光に対して最適化されたレンズ７１ｂに対応する固体撮像素子７６ｂの内部（受光部よりもレンズ側）には赤の波長帯の光を透過するカラーフィルタが設けられており、青色の光に対して最適化されたレンズ７１ｃに対応する固体撮像素子７６ｃの内部（受光部よりもレンズ側）には青の波長帯の光を透過するカラーフィルタが設けられている。

図８は図７に示したカメラモジュールの光軸７３ａ、７３ｄを含む面での断面図である。撮像素子ホルダー７５上にデジタル信号プロセッサー（ＤＳＰ）を含む基板８１が設けられ、この上に４個の固体撮像素子７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄが配置されている。

本実施の形態のカメラモジュールでは、各レンズ７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄに入射した被写体からの光は、それぞれ対向する固体撮像素子７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄへ到達する。固体撮像素子７６ａ、７６ｄは、その内部に設けられた緑のカラーフィルタにより、緑色の光を検知する。同様に、固体撮像素子７６ｂは赤色の光を検知し、固体撮像素子７６ｃは青色の光を検知する。これら４つの固体撮像素子７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、および７６ｄで撮影された４個の画像を合成してカラー画像を得る。これらの合成はデジタル信号プロセッサー（ＤＳＰ）により行う。

本実施の形態のカメラモジュールにおける画像処理手順、各固体撮像素子の原点位置特定、周辺温度変化による原点位置ずれ、レンズ材料、レンズホルダーへのレンズの保持方法は、実施の形態１と同じであるのでこれらの説明は省略する。

本実施の形態のカメラモジュールは両面回折格子付きの非球面レンズを用いているために、収差を少なくできる。よって、細かい画素ピッチの固体撮像素子の解像度を損なうことなく、高画質な画像を得ることができる。また、非球面レンズと同等の性能をより薄いレンズ厚みで得ることができるのでカメラモジュールをより薄型化できる。

一方、回折格子付きレンズには表面に微細な形状を付与する必要があるため、レンズ材料がガラスの場合は金型成形を用いたレンズ加工は必ずしも生産性がよいとはいえない。成形回数が増えるとともに、金型である成形駒表面にコーティングされた保護膜が磨耗もしくは変形するために、形状精度が早期に劣化するからである。しかしながら、本実施の形態のカメラモジュールではレンズ材料として樹脂を用いることができるため、金型の耐久性が格段に向上し、これに伴って安く且つ大量に両面回折格子付きの非球面レンズを作成することができる。回折格子を作成する方法としては、金型成形の他にドライエッチングや切削加工があるが、ドライエッチングでは任意の曲面上に回折格子を加工することは困難であり、切削加工ではレンズの１面ごとに加工する必要があり、いずれも生産性に劣るなどの課題を有している。金型成形が両面回折格子付きの非球面レンズの加工法として最も適している。これは本実施の形態のカメラモジュールの利点の一つである。

（実施の形態３）
本実施の形態におけるカメラモジュールの光軸７３ａ，７３ｄを含む面での断面図を図９に示す。本実施の形態のカメラモジュールは、撮像素子ホルダー７５をレンズホルダー７２に対して光軸に沿って相対的に移動させるアクチュエーター９０を付加した点で、図８に示した実施の形態２のカメラモジュールと相違する。実施の形態２のカメラモジュールと同一の構成部材には同一の符号を付してそれらの説明を省略する。

アクチュエーター９０は、圧電素子９１、その長手方向をＺ軸に平行に配置された棒状の駆動軸９２、Ｚ方向に対向する一対の支持ブロック９３ａ，９３ｂ、及び、摩擦稼動部９４を含む。圧電素子９１の一端は支持ブロック９３ａに固定され、他端は駆動軸９２の一端に接続されている。駆動軸９２の他端は支持ブロック９３ｂに固定されている。一対の支持ブロック９３ａ，９３ｂは筐体９８の内壁面に固定されている。駆動軸９２は摩擦稼働部９４を貫通し、摩擦力により摩擦稼働部９４を保持している。摩擦稼働部９４は、連結アーム９５を介して撮像素子ホルダー７５を保持している。

撮像素子ホルダー７５は複数のアクチュエーター９０を介して筐体９８内に保持されている。

圧電素子９１にゆっくり電圧を加えて伸長させて駆動軸９２とともに摩擦稼動部９４をＺ軸に沿って移動させた後、急に電圧を除くと、圧電素子９１は瞬時に縮んで元に戻るが、摩擦稼動部９４は慣性で動かない。

あるいは、圧電素子９１に急峻に立ち上がる電圧を加えると駆動軸９２は瞬時に移動するが摩擦稼動部９４は慣性で移動しない。従って、摩擦稼働部９４は駆動軸９２に対してＺ軸方向に相対的に移動する。その後、圧電素子９１に印加した電圧をゆっくり除くと、摩擦稼動部９４は駆動軸９２とともに移動する。

このような動作を繰り返すことにより、摩擦稼動部９４をＺ軸方向に移動させることができる。複数のアクチュエーター９０を同期して駆動すれば、摩擦稼動部９４を介して撮像素子ホルダー７５、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を含む基板８１、及び４つの固体撮像素子７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄを一体にしてＺ軸方向に移動させることができる。

本実施の形態のカメラモジュールは、更に、焦点位置を検出する手段と、その焦点位置に応じて圧電素子９１への電圧制御を行う制御手段とを備えたオートフォーカス機能付きのカメラモジュールである。焦点位置の検出方法としては、特に制限はなく、例えば固体撮像素子から得た画像から視野中央部の被写体像のコントラストを解析し、そのコントラストが向上するようにアクチュエータ９０を駆動する方法などを用いることができる。圧電素子９１の制御手段としては、特に制限はなく、圧電素子を用いたアクチュエーター用の周知の駆動回路を用いることができる。

周辺温度が変化した場合、実施の形態１，２にて述べたようにレンズ間の間隔及び固体撮像素子間の間隔に変化が生じるが、同時にＺ軸方向、すなわちレンズの光軸方向に焦点位置ずれが発生する。光軸方向の焦点位置ずれは、温度変化によるレンズの厚み及び形状の変化やレンズ材質の屈折率の変化に起因する。Ｆナンバーが小さくて明るいレンズほど焦点深度が浅いため、温度変化による焦点位置ずれは画像の劣化として表れやすい。

本実施の形態のカメラモジュールでは、光軸方向に固体撮像素子を移動することができるので、周辺温度の変化により被写体像の結像位置が光軸方向にシフトしても、これを補正することが容易である。従って、温度変化による画質劣化が更に低減されたカメラモジュールを実現できる。

なお、本実施の形態では固体撮像素子を移動させたが、レンズを移動してもかまわない。また、アクチュエータとしては、例えば電磁方式など、変位を制御できる方式であれば、圧電素子を利用したものに限定されない。

図９では実施の形態２で説明した遮光スペーサー７４の図示を省略している。レンズホルダー７２と撮像素子ホルダー７５との間隔を可変にするために、本実施の形態では、図示しない遮光スペーサーは、撮像素子ホルダー７５及びレンズホルダー７２のうちの一方とは分離している必要がある。あるいは、筐体９８に遮光機能を付与することにより、遮光スペーサー７４を省略しても良い。

また、本実施の形態では、実施の形態２のカメラモジュールにアクチュエーターを付加した例を示したが、実施の形態１のカメラモジュールにアクチュエーターを付加することもできる。

実施の形態１〜３のカメラモジュールでは、４つのレンズにそれぞれ対応する４つの固体撮像素子を用いた。しかしながら、本発明のカメラモジュールはこれに限定されない。例えば、単一の固体撮像素子を用い、これを４つのレンズにそれぞれ対応するように４つの撮像領域に分割してもよい。この場合には、固体撮像素子の実装が容易になり、低コスト化できる。この場合であっても、分割された４つの撮像領域の各原点画素を特定する作業は必要である。

実施の形態１〜３のカメラモジュールでは、固体撮像素子の画素は、４つのレンズの光軸の配置と対応するように、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿って格子点状に配置されていた。しかしながら、本発明のカメラモジュールはこれに限定されない。例えば、画素が、対角位置に配置されたレンズの光軸を結ぶ方向（実施の形態１であれば、光軸１３ａ，１３ｄを結ぶ方向、及び光軸１３ｂ，１３ｃを結ぶ方向）に沿って格子点状に配置されていても良い。また、画素は、格子点状に配置されていなくても良い。

以上に説明した実施の形態は、いずれもあくまでも本発明の技術的内容を明らかにする意図のものであって、本発明はこのような具体例にのみ限定して解釈されるものではなく、その発明の精神と請求の範囲に記載する範囲内でいろいろと変更して実施することができ、本発明を広義に解釈すべきである。

本発明によれば、薄型、小型、高精細で周辺温度変化に対しても安定な画像を得ることができるカメラモジュールを実現できる。このため、本発明は、携帯機器搭載用のカメラ、監視用カメラ、あるいは車載用のカメラ等の用途に好ましく利用することが可能である。

図１は、本発明の実施の形態１に係るカメラモジュールの概略構成を示した分解斜視図である。 図２は、本発明の実施の形態１に係るカメラモジュールの光軸に沿った断面図である。 図３Ａは、実質的に無限遠に置かれた白色光源を本発明の実施の形態１に係るカメラモジュールの４つの固体撮像素子で撮影したときの光量ピーク位置の一例を示す図である。 図３Ｂは、実質的に無限遠に置かれた白色光源を本発明の実施の形態１に係るカメラモジュールの４つの固体撮像素子で撮影したときの光量分布の一例を示す図である。 図４は、本発明の実施の形態１に係るカメラモジュールの光軸に沿った断面図である。 図５は、本発明の実施の形態１に係るカメラモジュールにおいて、レンズホルダーにレンズを形成し保持させる方法を説明する断面図である。 図６は、図５の方法により得られたレンズ付きレンズホルダーの一例を示した側面図である。 図７は、本発明の実施の形態２に係るカメラモジュールの概略構成を示した分解斜視図である。 図８は、本発明の実施の形態２に係るカメラモジュールの光軸に沿った断面図である。 図９は、本発明の実施の形態３に係るカメラモジュールの光軸に沿った断面図である。 図１０は、従来の複眼式カメラモジュールの一例の概略構成を示した分解斜視図である。 図１１は、従来の複眼式カメラモジュールの別の例の概略構成を示した側面図である。 図１２は、複眼式カメラモジュールにおいて視差を用いて被写体までの距離を測定する原理を示した図である。

Claims (15)

1. 複数の単レンズと、前記複数の単レンズと一対一に対応する複数の撮像領域とを備え、前記複数の単レンズが前記複数の撮像領域にそれぞれ被写体像を形成し、前記複数の撮像領域からの電気信号を合成して画像を得るカメラモジュールであって、
   更に、前記複数の単レンズを保持するレンズホルダーと、前記複数の撮像領域を保持する撮像素子ホルダーとを備え、
   前記レンズホルダーと前記撮像素子ホルダーとは対向して配置され、
   前記レンズホルダーと前記撮像素子ホルダーとは別部材からなり、それぞれの材料の線膨張係数は略同一であり、
   前記レンズホルダー及び前記撮像素子ホルダーと前記複数の単レンズとは異なる材料からなることを特徴とするカメラモジュール。
2. 前記複数の撮像領域からの前記電気信号を比較することにより、被写体までの距離を測定する請求項１に記載のカメラモジュール。
3. 前記レンズホルダー及び前記撮像素子ホルダーがいずれもシリコンよりなる請求項１に記載のカメラモジュール。
4. 更に、前記レンズホルダーと前記撮像素子ホルダーとの間にスペーサを備える請求項１に記載のカメラモジュール。
5. 前記複数の単レンズは互いに独立し分離した樹脂よりなる請求項１に記載のカメラモジュール。
6. 更に、前記複数の単レンズと一対一に対応する複数のカラーフィルターを備え、
   前記複数のカラーフィルターのうちの少なくとも一つは赤色波長帯域の光を前記撮像領域に入射させ、他の少なくとも一つは緑色波長帯域の光を前記撮像領域に入射させ、他の少なくとも一つは青色波長帯域の光を前記撮像領域に入射させる請求項１に記載のカメラモジュール。
7. 前記複数のカラーフィルターのうち少なくとも２つは同じ波長帯域の光を透過する請求項６に記載のカメラモジュール。
8. 前記複数の単レンズのそれぞれが両面に回折格子を備えている請求項１に記載のカメラモジュール。
9. 前記複数の単レンズのそれぞれの光軸は、対応する前記撮像領域の受光面と垂直で、且つ前記撮像領域の中心をほぼ通過する請求項１に記載のカメラモジュール。
10. 更に、被写体像の焦点位置の検出手段と、前記レンズホルダーと前記撮像素子ホルダーとの光軸に沿った間隔を変化させるするアクチュエータと、前記検出手段が検出した前記焦点位置に応じて前記アクチュエータを駆動する制御手段とを備える請求項１に記載のカメラモジュール。
11. 前記スペーサーは、前記撮像領域に、これに対応する前記単レンズ以外の前記単レンズを通過した光が入射するのを防止する請求項３に記載のカメラモジュール。
12. 前記レンズホルダーの前記撮像素子ホルダーに対向する面、及び前記撮像素子ホルダーの前記レンズホルダーに対向する面に、表面反射を抑制するコーティングが施されている請求項１に記載のカメラモジュール。
13. 前記コーティングが、屈折率２．１、膜厚１４０ｎｍの単層膜からなり、前記単層膜の材料が硫化亜鉛、酸化セリウム、酸化タンタル、酸化チタンのいずれかである請求項１２に記載のカメラモジュール。
14. 前記複数の単レンズを保持する前記レンズホルダーは、前記レンズホルダーを一対の成形駒で挟み、前記レンズホルダーと前記一対の成形駒とで形成されたキャビティ内に樹脂を射出成形することにより得られたものである請求項１に記載のカメラモジュール。
15. 前記複数の単レンズを保持する前記レンズホルダーは、前記レンズホルダーを一対の成形駒で挟み、前記レンズホルダーと前記一対の成形駒とで形成されたキャビティ内に紫外線硬化樹脂を注入し、前記紫外線硬化樹脂に紫外線を照射して硬化させることにより得られたものである請求項１に記載のカメラモジュール。

Images