JP2004297398A

JP2004297398A - 撮像光学系及びこれを用いた撮像装置

Info

Publication number: JP2004297398A
Application number: JP2003086187A
Authority: JP
Inventors: Osamu Tsubokura; 理坪倉; Toru Kawana; 徹川名
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2004-10-21

Abstract

【課題】複数の画素を有する撮像装置において簡素化・薄型化にするための部材および構造を提供する。
【解決手段】撮像素子収容用パッケージと、複数の画素を有する撮像素子と、撮像素子をカバーする第一透光性部材と、第一透光性部材の表面側に配されたレンズと、レンズをカバーする第二透光性部材とを有する撮像光学系において、前記第二透光性部材が複屈折物質からなることを特徴とする撮像光学系とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特にビデオカメラやデジタルカメラ、携帯電話用カメラ等のレンズをカバーする透光性部材を有する撮像光学系およびそれを用いた撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
デジタルカメラやデジタルビデオ等の撮像装置の光学系は図５のような構造が一般的である。
【０００３】
各符号は、それぞれ撮像素子収納用パッケージ１、撮像素子２、パッケージカバー材３、光学ローパスフィルタ４、レンズ５、レンズカバー材６を表す。
【０００４】
撮像素子２として、ＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等が用いられ、撮像素子収納用パッケージ１に収納されて外部と電気信号のやりとりを行う。また、撮像素子収納用パッケージ１を外気から保護するパッケージカバー材３としては透明体物質が用いられる。
【０００５】
そして、パッケージカバー材３の表面側には偽色防止、モアレ縞防止のために複屈折板からなる光学ローパスフィルタ４が設置されている。一般的に撮像素子２として用いられるＣＣＤやＣＭＯＳ等は周期的に画素が配列しており、各画素が光の３原色であるＲＧＢのいずれかにしか対応していないため、その画素ピッチより細かい成分が光の信号として入射すると偽色やモアレ縞が発生し全体的な画質を低下させる原因となる。そのため複屈折特性を持つ単結晶材料の透光性基板を光学ローパスフィルタ４として用いて、入射光を所望の距離幅を持たせていくつかの光に分離させ、一つの光成分をいくつかの画素に共有させる事でこれらの問題に対応している。また、この光学ローパスフィルタ４の表面には赤外線遮断層として多層からなる赤外線遮断コートがされているが、このコートは多層膜であるためコートの欠陥が発生しやすく、その欠陥が画像に写るため欠陥規格が厳しく非常に高価な物となっている。
【０００６】
また、光学ローパスフィルタ４の表面側に、複数枚のレンズ５を配置している。そして、レンズ５を保護するために、その前にシャッター式のカバーやガラス・樹脂などのレンズカバー材６が設けられている。
【０００７】
シャッター式のカバーの場合、撮像装置の使用時にこれらのカバーを取り除き、被写体からの光をレンズ５にて撮像素子２に集め画像を取り込むようになっている。このような構成として、シャッター式のカバーを有するものが特許文献１に、手動で開閉するものが特許文献２にそれぞれ開示されている。
【０００８】
近年、デジタルカメラやデジタルビデオ、携帯電話に搭載された撮像光学系等は小型軽量化が進み、電気処理回路やレンズをはじめすべての部分で更なる小型、薄型化が望まれている。
【０００９】
このため、既にこの構造における小型化の例として例えば、特許文献３には、撮像素子収納用パッケージをカバーする部材として複屈折物質を用いることで、薄型化を実現することが提案されている。
【００１０】
〔特許文献１〕
特開２００３−５７７１８号公報
〔特許文献２〕
特開２００３−４３５５５号公報
〔特許文献３〕
特開２００２−２８６９３４号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１、２のようにシャッター式のカバーをレンズカバー材６として用いると、その開閉の機構が複雑になるだけでなく厚みが大きくなり、また、レンズカバー材６としてガラス・樹脂を用いるとシャッター式のカバーと比較して撮像装置を薄型の構成とすることができるが、ガラス・樹脂の硬度が十分に高くないためその表面にキズが付きやすいという欠点があった。
【００１２】
また、特許文献３によっても、未だ十分な薄型化が達成されていないため、より一層の薄型化が求められている。
【００１３】
本発明は、このような事情に基づいてなされたものであり、より簡素化・小型化・薄型化された撮像装置を提供することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、撮像素子収容用パッケージと、複数の画素を有する撮像素子と、撮像素子をカバーする第一透光性部材と、第一透光性部材の表面に配されたレンズと、レンズをカバーする第二透光性部材とを有する撮像光学系において、第二透光性部材が複屈折物質からなることを特徴とする。
【００１５】
好ましくは、前記第二透光性部材が一軸性の単結晶からなり、光学ローパスフィルタとして用いることを特徴とする。また、前記第二透光性部材を複数の板状体から構成してもよい。この第二透光性部材に光学ローパスフィルタの効果を持たせる事により、光学系の短縮が可能になり撮像装置の小型、薄型化を可能にする事ができる。
【００１６】
また、本発明は前記第二透光性部材がサファイア又はダイヤモンドからなることを特徴とする。このように、高硬度・高強度材料を用いることで、より一層の薄型化しつつレンズカバー材としての役割を果たすことができる。
【００１７】
そして、本発明は前記第二透光性部材の表面またはその間に赤外線遮断層を備えたことを特徴とする。ここで、赤外線遮断層としては、赤外線遮断コートや赤外線遮断ガラスが含まれる。これにより、赤外線に対して非常に感度が高いＣＣＤやＣＭＯＳについて撮像した画像が赤みを帯びる傾向を防止することができ、また、赤外線遮断コートがされている場所が撮像素子から遠くなるため、欠陥規格を緩和する事ができコスト的に安価にする事ができる。
【００１８】
更に、本発明は上記撮像光学系を用いて撮像装置を提供することを目的とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の撮像光学系を図１に示す。
【００２０】
セラミックスからなる凹部を有する撮像素子収納用パッケージ１の凹部にＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子２を配置し、パッケージカバー材３をなす第一透光性部材により撮像素子をカバーする。第一透光性部材として、ガラスが用いられ、その表面側にアクリルなどからなるレンズ５を配する。なお、材料については、これらに限定されるものではなく、各要素の材料として公知のものをそれぞれ用いることができる。
【００２１】
そして、レンズ５の被写体側にレンズカバー材６をなす第二透光性部材を光学系のカバーとして設置する。このレンズカバー材６の材料としては複屈折特性を有する透光性物質で有れば樹脂やガラスでも良く、その他の結晶材料でも良い。
【００２２】
本発明では、このレンズカバー材６をなす第二透光性部材として複屈折物質を用いることにより、光学ローパスフィルタと兼用することができる。この場合、特性の精度を高め、安定性を向上するには一軸性の単結晶材料を用いる事が好ましい。具体的には、サファイア、水晶、方解石、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、四硼酸リチウム、ルチル、イットリウム酸バナジウムそしてダイヤモンドが挙げられる。
【００２３】
なお、本発明における光学ローパスフィルターとは、映像の空間周波数の高い部分、すなわち撮像素子の画素ピッチの１／２より細かな成分をいくつかの成分に分離するフィルタのことで、複屈折物質を用いることにより平面基板の状態で被写体からの入射光を分離しぼかすことで高周波成分を除去するものである。
【００２４】
ここで、図２にて光学ローパスフィルタを構成する複屈折板について説明する。ここで、レンズカバー材６は、主面が光軸７と呼ばれる結晶軸に対して（９０°−θ）の角度で傾くように切り出されたものであり、上記主面に垂直に入射する入射光８は光軸７と角度θで傾斜するように配置されている。この場合、複屈折特性によって一つの入射光８は常光と異常光に分離し２つの出射光９を得ることができる。
【００２５】
この時の２つの出射光９の分離幅ｄはレンズカバー材６の厚みｔ、第二透光性部材の屈折率ｎｏ、ｎｅ、光軸７と入射光８との角度をθとして次式で表される。
【００２６】
ｄ＝ｔ・（ｎｏ^２−ｎｅ^２）・ｔａｎθ／（ｎｏ^２ｔａｎ^２θ＋ｎｅ^２）
また、２つの出射光９の分離方向は主面に対しての光軸７の投影角度により決定される。
【００２７】
これにより第二透光性部材の主面の切り出し角度を制御する事で、入射光を所望の距離幅を持たせていくつかの光に分離させることができる。ここで、分離幅ｄを大きくしたい場合には、θの値を４３．９°とすれば良い。このようにθを選択することにより、複屈折板の厚みを薄くすることができる。尚、複屈折板を所定の厚みを保つために、θの値を調整することにより、所望の分離幅ｄを得ることができる。
【００２８】
この分離光は撮像素子２を構成する各画素の配列方向に準じた方向に制御する必要がある。
【００２９】
このため、撮像素子２に対してレンズカバー材６の設置回転角度を制御できるように、レンズカバー材６の外形に少なくとも一つの直線形状の端面を設けておくことが好ましい。例えば、図３に示すようにレンズカバー材６が角形状であれば、その一辺を基準にして撮像素子２との回転角を制御する。また、レンズカバー材６が丸形状であれば、少なくとも一辺の直線形状の端面１０を付け制御する。
【００３０】
これにより、レンズカバー材６から出射した光は、レンズ５で被写体の像の成分が撮像素子２に写されるよう合わされ、各素子に取り込まれることで偽色及びモアレ縞を防止することができる。
【００３１】
また分離光を２つ以上にしたい場合は、光軸７の向きやレンズカバー材６の厚みｔ、主面に対する光の入射角度に注意して、数枚の一軸性単結晶を貼り合わせればよい。この場合数枚の一軸性単結晶材料は同一種類の素材でも異なる種類の物でも構わない。またこのときは透光性の接着剤を用いても良いし直接接合しても構わない。レンズカバー材６は単板にしても数枚の接着にしても、その主面に接する物の材質に応じた反射防止膜（図示せず）を施す方が光の透過率を高くする事ができ好ましい。
【００３２】
さらに、本発明の他の実施形態を説明する。図４に示す構造のように、レンズカバー材６をなす第二透光性部材として複屈折物質を用いるとともに、撮像素子２を収納しているパッケージカバー材３をなす第一透光性部材も複屈折物質を用いる事で光学ローパスフィルタとしての効果も高くなる。すなわち、２枚以上の複屈折板を別々に配置することで光を分離する効果を高め、パッケージカバー材３を光学ローパスフィルタと兼用することで、光学系のさらなる短縮が可能になる。
【００３３】
また、表１に示すようにサファイアやダイヤモンドはビッカース硬度（ＭＰａ）がレンズカバー材として一般的に使われいる合成石英、硼珪酸ガラス及びフロートガラスより高いため、外側からの外力によるキズの発生を防止することができる利点がある。
【００３４】
【表１】

【００３５】
さらに、撮像装置の光学系を短縮し装置の小型化を図るためにはこのレンズカバー材６の厚みを薄くする事が望ましく、そのためには複屈折物質として強度、剛性の強い材料の方が良く、サファイアが好ましい。表１に示すように、サファイアの抗折強度（ＭＰａ）及びヤング率（ＭＰａ）は、レンズカバー材として一般的な合成石英、硼珪酸ガラス及びフロートガラスよりも高い。これより、例えば、従来一般的に用いられていた合成石英の厚み約０．５８ｍｍに対し、サファイアを用いることで同等の強度を維持しつつ約０．２ｍｍの薄さを実現することが可能となる。
【００３６】
また、撮像素子２であるＣＣＤやＣＭＯＳは赤外線に対して非常に感度が高く、撮像した画像が赤みを帯びる傾向があるため一般的に好みに合わせて一定の波長以上の光を遮断する事が好ましい。このためレンズカバー材６に赤外線遮断層（図示せず）を形成することが好ましい。この赤外線遮断層として、赤外線遮断コートを用いることができる。レンズカバー材６に赤外線遮断コートを設けることで、撮像素子２からの距離が拡がるため、欠陥が画像として写ることを防止できる。逆に被写体側の最表面にあるため目視で確認される外観規格が適用され、等級にもよるが、欠陥の大きさに対する規格を約５０μｍ程度に緩めても問題が無くなり、全体的に歩留まりが向上した。なお図５に示す従来の構成では、光学ローパスフィルタ４は撮像素子２の約１〜５ｍｍ前に置かれているため、これらに欠陥があると画像として写りやすくなり、約３０μｍ以下程度の規格が必要であった。
【００３７】
また、赤外線遮断ガラスを貼り付ける事も可能でそれらコートとガラスを併用しても良い。このときの欠陥規格は撮像素子２の感度や距離により変動する。この赤外線遮断コートや赤外線遮断ガラスの貼付場所はレンズカバー材６の被写体側でも撮像素子側でも構わないが、非常にキズつきやすい事から撮像素子側に貼り付ける方が好ましい。また、レンズカバー材６が複数の板状体からなる場合には、その間に赤外線遮断コートや赤外線遮断ガラスを挟み込むように形成させることができる。
【００３８】
これらの撮像光学系を用いて、撮像素子から得られる電気信号の処理回路を備えれば撮像装置とすることができる。この撮像装置としては、例えば、デジタルカメラ、デジタルビデオそして携帯端末などが該当する。この撮像装置は従来よりも簡素化、小型化、薄型化が可能となる。
【００３９】
【実施例】
本発明の実施例として、図１に示す撮像光学系を作成した。レンズカバー材６をなす第二透光性部材としてサファイアを用いた。結晶の光軸より４５度傾けた主面を持つようにＸ線回折装置を用いて測定しながらダイヤモンドブレードやダイヤモンドホイールを用いて１６×１２ｍｍのサイズに切り出し、その両主面が鏡面になるまで炭化珪素や窒化硼素、炭化硼素、ダイヤモンド等を用いて機械研磨して、その後コロイダルシリカを用いて化学研磨を行った。厚みｔを０．７６ｍｍに仕上げ、光の分離幅ｄが約３．４５μｍになるようにした。
【００４０】
このサファイア基板の主面のうち被写体側の面に空気に対する反射防止膜を施し、撮像素子２側の面には赤外線を反射するのに高屈折の膜と低屈折の膜を交互に約３０層の多層膜を施した赤外線遮断コートを行った。その面に厚み０．４ｍｍの赤外線遮断ガラスを紫外線硬化型の接着剤を用いて貼り付けた。このときの分光特性は図６に示すように、波長７５０ｎｍ〜１１００ｎｍの赤外光を９９％以上遮断できることがわかる。また、可視光波長４００ｎｍ〜５５０ｎｍの可視光の透過率が８５％以上で、半値波長（透過率５０％）が６３０ｎｍ±１０ｎｍとなり、人の感度に近い状態の映像を得ることが可能となる。
【００４１】
これを撮像装置のレンズカバー材６をなす第二透光性部材として用いて、ズームレンズ群、１／１．８インチ３００万画素のＣＣＤを搭載した撮像素子２を使用し画質を確認した。
【００４２】
その結果、画質は単板仕様の光学ローパスフィルタ４を用いた図５の従来例と比較して同じ程度にモアレ縞や偽色の防止もできており問題はなかった。また、図５によるものでは従来のシャッター式のカバーの厚みが約２ｍｍであり、本発明の第二透光性部材の総厚みが１．２ｍｍであるため約０．８ｍｍ縮小することができ、さらに従来例と比べて光学ローパスフィルタ４が取り除かれた分の約１．２ｍｍの光学系の短縮もあり、合計で約２ｍｍの光学系の短縮になり撮像装置自体も薄型化にする事ができた。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、撮像素子収容用パッケージと、複数の画素を有する撮像素子と、撮像素子をカバーする第一透光性部材と、第一透光性部材の表面に配されたレンズと、レンズをカバーする第二透光性部材とを有する撮像光学系において、第二透光性部材が複屈折物質からなることとしたことにより、光学ローパスフィルタを兼用することができるため、撮像装置の光学系において簡素化、小型化が図れる。特に、サファイア等の高硬度部材を用いる事でシャッター式のカバー機構を取り除いてもレンズを傷つけることなく取り扱えるようになる。また、サファイアにする事で剛性があるためカバーの薄板化も可能となる。
【００４４】
さらに、このレンズカバー材を赤外線遮断コートや赤外線遮断ガラスと複合させる事で撮像素子としてＣＣＤやＣＭＯＳを用いた場合に赤外線の吸収による撮像した画像が赤みを帯びる現象を防止することができる。また、赤外線遮断コートをこの透光性部材に施す事で撮像素子から距離的に遠くなるため欠陥規格が緩和でき歩留まりが上がりコスト的に安価にする事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の撮像光学系を示す図である。
【図２】本発明の撮像光学系における一軸性結晶の複屈折板の光の分離を示す図である。
【図３】本発明の撮像光学系に用いる第二透光性部材の形状の一例を示す図である。
【図４】本発明の撮像光学系の他の実施形態を示す図である。
【図５】従来の撮像装置の光学系を示す図である。
【図６】本発明の撮像光学系で用いる透光性部材に赤外線遮断層を形成したときの透過率を示す図である。
【符号の説明】
１：撮像素子収納用パッケージ
２：撮像素子
３：パッケージカバー材
４：光学ローパスフィルタ
５：レンズ
６：レンズカバー材
７：光軸
８：入射光
９：出射光
１０：端面

Claims

撮像素子収容用パッケージと、複数の画素を有する撮像素子と、撮像素子をカバーする第一透光性部材と、第一透光性部材の表面側に配されたレンズと、レンズをカバーする第二透光性部材とを有する撮像光学系において、前記第二透光性部材が複屈折物質からなることを特徴とする撮像光学系。
前記第二透光性部材が一軸性の単結晶からなることを特徴とする請求項１記載の撮像光学系。
前記第二透光性部材を光学ローパスフィルタとして用いることを特徴とする請求項１記載の撮像光学系。
前記第二透光性部材が、複数の板状体からなることを特徴とする請求項１記載の撮像光学系。
前記第二透光性部材がサファイアまたはダイヤモンドからなることを特徴とする請求項１記載の撮像光学系。
前記第二透光性部材の表面またはその間に赤外線遮断層を備えたことを特徴とする請求項１記載の撮像光学系。
前記第一透光性部材が複屈折物質からなることを特徴とする請求項１記載の撮像光学系。
前記請求項１乃至７のいずれかに記載の撮像光学系を用いたことを特徴とする撮像装置。