KR19990077870A

KR19990077870A - 촬상 장치

Info

Publication number: KR19990077870A
Application number: KR1019990008564A
Authority: KR
Inventors: 이와사키마사노리
Original assignee: 이데이 노부유끼; 소니 가부시끼 가이샤
Priority date: 1998-03-17
Filing date: 1999-03-15
Publication date: 1999-10-25
Also published as: JPH11266000A; KR100587995B1; DE19910383A1; US6788472B1; JP4487323B2

Abstract

촬상(撮像)장치에 있어서, 광축과 수직의 단면(斷面) 내에서 광축으로부터의 거리의 제곱에 대략 비례한 굴절률 분포를 가지는 단일 굴절률 분포 렌즈를 결상(結像) 렌즈로서 촬상 소자의 촬상면 근방에 배설한다. 구체적으로는, 예를 들면 유기 용제 등에 의한 접착에 의해 촬상 소자와 렌즈와의 위치 관계를 고정한다. 그리고, 굴절률 분포 렌즈의 광 입사면에는 적외선 컷 필터를 형성한다.

Description

촬상 장치 {IMAGE PICKUP DEVICE}

본 발명은 촬상 소자와 그 촬상면에 결상(結像)하는 렌즈로 이루어지는 촬상 장치에 관한 것이다.

최근, 고체 촬상 소자와 그 촬상면에 결상하는 렌즈로 이루어지는 촬상 장치가 카메라에 사용되도록 되어 왔다. 그리고, 그와 같은 촬상 장치는 일반적으로 렌즈로서 굴절률이 균일한 광학렌즈가 사용되고 있다.

이와 같은 렌즈로서 굴절률이 균일한 것을 사용한 촬상 장치는 렌즈와 고체 촬상 소자와의 사이에는 굴절된 광선이 집광되어 고체 촬상 소자의 촬상면에 결상하기 위해, 유한(有限)이지만 상당한 크기의 광학 거리가 필요하다. 따라서, 렌즈 제1면(입사측의 면)과 고체 촬상 소자의 촬상면 사이의 광학 거리로서 렌즈두께와, 결상까지의 거리와의 합을 필요로 한다.

그런데, 전술한 종래의 촬상 장치에 의하면, 렌즈 제1면(입사측의 면)과 고체 촬상 소자의 촬상면 사이의 광학 거리로서 렌즈두께와 결상까지의 거리의 합을 필요로 했으므로, 광학계 전체의 길이를 짧게 하는 것이 매우 어려웠다. 그러므로, 촬상 장치나 그것을 사용한 카메라에 대한 소형화의 요청에 부응할 수 없었다.

또, 전술한 종래의 촬상 장치에 의하면, 렌즈를 촬상 소자와 적당히 이간하여 소정의 위치 관계로 부착하기 위해, 렌즈 홀더를 사용하여 렌즈를 부착한 경우, 렌즈와 렌즈 홀더와의 위치 관계의 오차와, 이 렌즈 홀더와 고체 촬상 소자와의 위치 관계의 오차가 조립 오차로서 발생할 가능성이 있다. 따라서, 오차를 작게 하는 것이 어렵다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것이며, 렌즈와 촬상 소자로 이루어지는 촬상 장치의 길이를 보다 짧게 할 수 있도록 하고, 나아가서는 렌즈와 촬상 소자와의 위치 관계의 오차를 보다 작게 할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 촬상 장치(撮像裝置)의 하나의 실시예를 나타낸 단면도.

도 2는 본 발명의 촬상 장치에 의해 얻어지는 광학 특성인 MTF의 공간 주파수·변조 관계도의 하나의 예를 나타낸 도면.

도 3은 본 발명의 촬상 장치에 의해 얻어지는 광학 특성인 MTF의 디포커싱 포지션(defocusing position)·변조 관계도의 하나의 예를 나타낸 도면.

도 4는 본 발명의 촬상 장치의 다른 실시예를 나타낸 단면도.

도 5 (A) 내지 5 (C)는 본 발명에 의한 촬상 장치의 굴절률 분포 렌즈의 서로 다른 변형예를 나타낸 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 굴절률 분포 렌즈, 2: 광축, 3: 접착제(유기 용제(有機溶劑)), 4: 촬상 소자 , 5: 촬상면, 6: 적외선 컷 필터, 7: 적외선 흡수 광학소자.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 촬상(撮像) 장치는, 광축과 수직의 단면(斷面) 내에서 광축으로부터의 거리의 제곱에 대략 비례한 굴절률 분포를 가지는 하나의 굴절률 분포 렌즈를 결상(結像) 렌즈로서 촬상 소자의 촬상면 근방에 배설한 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명의 촬상 장치에 의하면, 렌즈로서 굴절률 분포 렌즈를 사용하므로, 렌즈의 길이(두께)를 사행(蛇行) 주기 P=0.5π+nπ(n=0, 1, 2, …)로 하면, 렌즈 입사측 단면(端面)으로부터 평행광으로서 입사된 무한원(無限遠)의 상(像)은 렌즈 출사측 단면에서 결상한다. 따라서, 렌즈 출사측 단면의 근방에 있는 촬상 소자의 촬상면에 그 상이 결상되어, 렌즈와 촬상 소자와의 사이에 큰 간격을 형성할 필요가 없다. 따라서, 광학계의 길이를 짧게 할 수 있어, 촬상 장치의 소형화, 특히 박형화(薄型化)를 할 수 있다.

그리고, 렌즈를 촬상 소자 근방에 배설할 수 있으므로, 유기 용제 등에 의한 접착에 의해 촬상 소자와 렌즈와의 위치 관계를 고정할 수 있고, 이에 따라 렌즈의 촬상 소자에 대한 위치 결정에 개재(介在)하는 오차 요인을 적게 할 수 있고, 나아가서는 위치 결정 정밀도를 높게 할 수 있다.

본 발명의 촬상 장치는 기본적으로는, 광축과 수직의 단면 내에서 광축으로부터의 거리의 제곱에 대략 비례한 굴절률 분포를 가지는 하나의 굴절률 분포 렌즈를 결상 렌즈로서 촬상 소자의 촬상면 근방에 배설한 것을 특징으로 한다. 그리고, 렌즈 길이는 사행 주기 P=0.5π+nπ(n=0, 1, 2, …)로 하는 것이 바람직하다. 특히, n이 작을 수록(예를 들면 n=0) 렌즈 길이를 짧게 할 수 있으므로 바람직하다고 할 수 있다.

본 발명의 촬상 장치는 홀더에 굴절률 분포 렌즈와 촬상 소자를 지지함으로써 굴절률 분포 렌즈와 촬상 소자와의 위치 관계를 규정한다고 하는 형태로 실시할 수 있지만, 굴절률 분포 렌즈를 직접 촬상 소자에 접착한다고 하는 형태로도 실시할 수 있다. 이 경우, 접착제로서 렌즈나 촬상 소자에 악영향을 끼치지 않는 재질의 것을 고르도록만 하면, 굴절률 분포 렌즈와 촬상 소자와의 위치 관계를 매우 정확하게 제어할 수 있다고 하는 이점이 있다.

또, 굴절률 분포 렌즈의 광 입사면에 적외광을 반사하는 광학 박막을 배설하도록 해도 되고, 또는 굴절률 분포 렌즈의 광 입사면측에 적외광을 흡수하는 흡수 수단을 배설해도 된다. 이와 같은 구조로서, 적외광을 차단할 수 있기 때문이다.

또한, 굴절률 분포 렌즈로서 그 한 쪽 또는 양 쪽의 단면에 곡률을 가지게 한 것을 사용하도록 해도 된다. 이 경우, 굴절률 분포에 의한 광학 특성은 그 곡률에 의해 변화하게 되고, 그리고 굴절률 분포에 의한 광학 특성과 곡률에 의한 광학 특성이 합성된 것이 렌즈의 광학 특성으로 된다. 이와 같이, 본 발명에는 여러 가지의 실시형태가 있다.

본 발명에서 “촬상 소자”라 함은, CCD(전하 결합 소자), CMOS 이미지 센서와 같이, 물체로부터의 광 화상을 받아들여 그 화상에 대응하는 전기적 신호를 출력할 수 있는 임의의 부재를 의미한다.

다음에, 본 발명을 도시한 실시예에 따라 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명 에 의한 촬상 장치의 하나의 실시형태를 나타낸 단면도이다. 이 도면에서, 도면 부호 (1)은 굴절률 분포 렌즈이며, 원주형(圓柱形)으로 형성되고, 그 굴절률은 광축(2)과 수직의 단면 내에서 그 광축(2)으로부터의 거리의 제곱에 대략 비례한 분포를 가지고 있다. 이 굴절률 분포 렌즈(1)는 그 광 출사측 단면(端面)에서 얇고 투명한 예를 들면 유기 용제로 형성된 접착제(3)에 의해 고체 촬상 소자(4)의 촬상면(5)에 접착되어 있다. 도면 부호 (6)은 이 굴절률 분포 렌즈(1)의 광 입사면에 배설된 적외선 컷(infrared-ray cut) 필터막으로, 예를 들면 증착(蒸着)에 의해 형성되어 있으며, 적외광을 반사한다.

이 굴절률 분포 렌즈(1)는, 예를 들면 파장 680nm의 광에 대하여 굴절률 분포 정수 √A=0.43, 광축 상의 굴절률 N(상기 사행 주기 P를 표현하는 식에 있어서의 n과는 상이함.)=1.658, 사행 주기 P=0.5π(즉, 사행 주기 P식에 있어서의 n=0의 경우)인 때에는 그 길이(렌즈 길이) Z가 다음의 식으로 표현된다.

Z=사행 주기 P/굴절률 분포 정수=(0.5π)/√A=3.653mm

그리고, 이 경우, 접착제(3)의 두께는 무시하고, 굴절률 분포 렌즈(1)의 출사측 단면이 직접 촬상면에 접해 있는 것으로 하고, 또 적외선 컷 필터막(6)의 존재(두께, 특성)를 무시하고 계산한다. 상기 식에서 A는 포커싱 파라미터(focusing parameter)이다.

이 때 렌즈 직경은 1.8mm이다. 따라서, 본 실시예의 굴절률 분포 렌즈(1)가 10분의 1 인치의 촬상 소자(4)에 최적이다. 이는 10분의 1 인치의 촬상 소자(4)는 그 대각선 길이가 1.8mm와 같기 때문이다. 즉, 이와 같은 렌즈(1)를 그 10분의 1 인치의 촬상 소자(4) 위에 배설함으로써 대각 화각(對角畵角) 100deg의 화상을 얻을 수 있다. 추가하여, 적외선 컷 필터(6)가 있으므로, 이와 같이 얻은 화상에서 적외선 화상을 제거한 화상을 얻을 수 있다.

도 1 중에는 축상(軸上) 광로와 주변 광로를 나타냈다. 축상 광로는 렌즈(1)의 광축(2)과 평행으로 진행하여 굴절률 분포 렌즈(1)에 입사하고, 이 렌즈(1) 내에서 그 출사측 단면 또는 출사 단면 이후에서의 광축과 축상 광로가 교차하는 곳에 수속(收束)된다.

도 2, 도 3은 이 때 얻어지는 광학 특성인 MTF(modulation transfer factor)를 나타내는 것으로, 도 2는 횡축이 공간 주파수(spatial frequency[cycle/mm]), 종축이 변조(modulation)이고, 도 3은 횡축이 디포커싱 포지션(defocusing position(mm)), 종축이 변조(modulation)이다.

그리고, 상기 촬상 장치는 어디까지나 본 발명의 하나의 실시예로, 본 발명은 여러가지의 양태로 실시할 수 있다. 먼저, 적외선 컷은 그 실시예와 같이, 적외광을 적외선 컷 필터막(6)에 의해 반사함으로써 행하도록 해도 되고, 도 4에 나타낸 바와 같이, 그에 대신하여 적외선을 흡수하는 광학 소자(7)를 굴절률 분포 렌즈(1)의 광 입사면측에 배설하고, 이에 의해 차단하도록 해도 된다.

또, 도 5 (A) 내지 (C)에 나타낸 바와 같이. 굴절률 분포 렌즈(1)로서 광 입사면과 광 출사면의 양면에 또는 일면에 곡률을 형성한 것(1a, 1b, 1c)을 사용하도록 해도 된다.

이와 같이 한 경우에는, 굴절률 분포에 의한 광학 특성과 곡률에 의한 광학 특성을 합성한 특성이 굴절률 분포 렌즈(1)의 특성으로 된다. 즉, 굴절률 분포 렌즈의 한 쪽 또는 양 쪽의 단면(표면)에 곡률을 가지게 했으므로, 그 곡률에 의해서도 렌즈 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 굴절률 분포에 의한 렌즈 효과와 곡률에 의한 렌즈 효과의 총합에 의해 동일 렌즈 효과를 보다 얇은 굴절률 분포 렌즈에 의해 얻을 수 있다.

따라서, 촬상 장치의 보다 소형화, 박형화를 할 수 있다.

본 발명의 제1 양태의 촬상 장치에 의하면, 광축과 수직인 단면 내에서 광축으로부터의 거리의 제곱에 대략 비례한 굴절률 분포를 가지는 하나의 굴절률 분포 렌즈를 결상 렌즈로서 사용했으므로, 렌즈의 길이(두께)를 사행 주기 P=0.5π+nπ(n=0, 1, 2, …)로 함으로써, 렌즈 입사측 단면으로부터 평행광으로서 입사된 무한원의 상은 렌즈 출사측 단면에서 결상하도록 할 수 있다. 따라서, 굴절률 분포 렌즈의 근방에 촬상 소자의 촬상면을 위치하게 할 수 있어, 렌즈와 촬상 소자와의 사이에 간격을 형성할 필요가 없다. 따라서, 광학계의 길이를 작게 할 수 있고, 촬상 장치의 소형화를 달성할 수 있다.

본 발명의 제2 양태의 촬상 장치에 의하면, 굴절률 분포 렌즈를 촬상 소자의 촬상면 근방에 접착제에 의해 접착함으로써, 굴절률 분포 렌즈와 촬상 소자와의 사이의 위치 결정에 관해 개재되는 오차 요인이 적어 매우 고정밀도로 위치 결정할 수 있다.

본 발명의 제3 양태의 촬상 장치에 의하면, 굴절률 분포 렌즈의 광 입사면에 적외광을 반사하는 광학 박막을 배설했으므로, 렌즈로 들어가려고 하는 적외광을 그 박막에 의해 반사하여 촬상 소자에 적외광이 들어가는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 제4 양태의 촬상 장치에 의하면, 굴절률 분포 렌즈의 광 입사면측에 적외광을 흡수하는 광학 소자를 배설했으므로, 렌즈로 들어가려고 하는 적외광을 그 소자에 의해 흡수하여 촬상 소자에 적외광이 들어가는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 제5 양태의 촬상 장치에 의하면, 굴절률 분포 렌즈의 한 쪽 또는 양 쪽의 단면(표면)에 곡률을 가지게 했으므로, 그 곡률에 의해서도 렌즈 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 굴절률 분포에 의한 렌즈 효과와 곡률에 의한 렌즈 효과의 총합에 의해 동일 렌즈 효과를 보다 얇은 굴절률 분포 렌즈에 의해 얻을 수 있다. 따라서, 촬상 장치의 보다 소형화, 박형화를 할 수 있다.

Claims

광축과 수직인 단면(斷面) 내에서 광축으로부터의 거리의 제곱에 대략 비례한 굴절률 분포를 가지는 하나의 굴절률 분포 렌즈를 결상(結像)렌즈로서 촬상(撮像)소자의 촬상면 근방에 배설한 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
제1항에 있어서, 상기 굴절률 분포 렌즈를 상기 촬상 소자의 촬상면에 접착제에 의해 접착한 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
제1항에 있어서, 상기 굴절률 분포 렌즈의 광 입사면에 적외광을 반사하는 광학 박막을 배설한 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
제1항에 있어서, 상기 굴절률 분포 렌즈의 광 입사면측에 적외광을 흡수하는 적외광 흡수수단을 배설한 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
제1항에 있어서, 상기 굴절률 분포 렌즈의 한쪽 또는 양쪽의 표면에 곡률을 가지게 한 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
단일 굴절률 분포 렌즈를 결상렌즈로서 촬상 소자의 촬상면 근방에 배설하고, 상기 굴절률 분포 렌즈의 렌즈 길이는, 촬상 장치의 사용 파장에 대하여 사행(蛇行) 주기 P = 0.5π + nπ(n = 0, 1, 2, …)를 상기 굴절률 분포 렌즈의 굴절률 분포 정수로 나눈 값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
제6항에 있어서, 상기 굴절률 분포 렌즈의 굴절률 분포가 광축과 수직인 단면 내에서 광축으로부터의 거리의 제곱에 대략 비례하는 것을 특징으로 하는 촬상 장치.
제6항에 있어서, 상기 굴절률 분포 렌즈를 상기 촬상면에 접착제에 의해 접착한 것을 특징으로 하는 촬상 장치.