JP4374078B2 - 複眼カメラモジュール - Google Patents

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Description

本発明は、カメラモジュールに関する。特に、互いに光軸の異なる複数のレンズを用いて被写体を撮像する複眼方式のカメラモジュールに関する。
デジタルビデオやデジタルカメラのような撮像装置では、レンズを介してCCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal−Oxide Semiconductor)等の撮像素子に被写体像を結像させることにより、被写体像を2次元の画像情報に変換する。さらには被写体までの距離を測定するカメラも提案されている。
図16および図17を参照して、特許文献1が開示する、被写体までの距離を測定する複眼方式のカメラモジュールの一例を説明する。図16は、複眼カメラモジュールの分解斜視図であり、図17はその断面図である。
被写体側から順に、絞り部材1121、レンズアレイ1122、遮光ブロック1123、光学フィルタアレイ1124、半導体基板1125が配置されている。半導体基板1125には撮像領域1126が形成されるとともに、駆動回路1127および信号処理回路1128も形成されている。レンズアレイ1122は複数のレンズを備える。絞り部材1121は、レンズアレイ1122の各レンズの光軸と一致する位置にそれぞれ絞り(開口)を備える。光学フィルタアレイ1124は、レンズアレイ1122の各レンズに対応する領域ごとに複数の光学フィルタを備える。光学フィルタアレイ1124は、分光特性が異なる複数種類の光学フィルタで構成されており、撮像領域1126に空隙を隔てて対向している。遮光ブロック1123は、レンズアレイ1122の隣り合うレンズ間の境界、即ち、光学フィルタアレイ1124の隣り合う光学フィルタ間の境界と一致する位置に遮光壁1123aを備えている。
このように構成された複眼カメラモジュールでは、視差のある複数の画像が得られ、この視差画像から視差量を算出し、視差量に基づいて被写体までの距離を算出している。
特開2003−143459号公報
しかしながら、上記の複眼カメラモジュールでは、図17に示すように、不要な入射光(不要光)1172が、遮光ブロック1123の内壁や光学フィルタアレイ1124の端面で反射して、ゴースト像として撮像領域1126に映りこみ、測距精度の著しい低下を招くという問題があった。
本発明は、小型・薄型で基線長が短く、且つ測距精度の高い複眼カメラモジュールを提供する。
本発明の複眼カメラモジュールは、互いに光軸が異なり、且つ同一平面上に配置された少なくとも2つのレンズを有するレンズアレイと、前記2つのレンズのそれぞれに1対1に対応する2つの撮像領域を有する撮像素子と、前記レンズアレイと前記撮像素子との間に配置され、前記2つのレンズのそれぞれを透過した光の光路を分離する遮光壁が設けられた遮光ブロックと、前記遮光ブロックと前記撮像素子との間に配置され、前記2つのレンズを透過した光のうちの特定の波長帯域の光を透過させる光学フィルタと、前記光学フィルタよりも大きな開口部を有する基板とを備え、前記撮像領域および前記光学フィルタは、前記開口部に対応した位置にあり、前記撮像素子は、前記基板のうちの前記レンズアレイ側とは反対側の面に固定されており、前記撮像素子は、前記光学フィルタのうちの前記撮像素子と対向する面と接触しており、前記遮光ブロックは、前記光学フィルタのうちの前記遮光ブロックと対向する面に固定されており、前記2つのレンズの2つの光軸を結ぶ方向において、前記光学フィルタは、前記撮像素子の両端部よりも外側にはみ出した部分を有し、前記遮光ブロックは、前記光学フィルタの前記はみ出した部分に固定されていることを特徴とする。
ある実施形態によれば、前記2つの光軸を結ぶ方向と直交する方向において、前記撮像素子は、前記開口部の両端部よりも外側にはみ出した部分を有し、前記撮像素子の前記はみ出した部分と前記基板とが固定されている。
ある実施形態によれば、前記撮像素子は、前記基板と電気的に接続するための端子を有し、前記撮像領域と前記端子とは、前記撮像素子の同じ面側に位置している。
ある実施形態によれば、前記遮光壁が設けられている範囲における前記遮光ブロックの内壁は、前記2つの光軸を結ぶ方向において、前記撮像素子の両端部よりも外側に位置している。
ある実施形態によれば、前記2つのレンズは、前記遮光ブロックに対して位置決めされている。
ある実施形態によれば、前記光学フィルタのうちの前記撮像素子と対向する面は、前記撮像素子の撮像面と接触している。
ある実施形態によれば、前記撮像素子は、前記撮像素子の外周部において前記基板および前記光学フィルタに接着されており、前記光学フィルタは、前記光学フィルタの外周部において前記基板に接着されている。
ある実施形態によれば、前記撮像素子は、前記撮像素子の外周部において前記基板および前記光学フィルタに接着されており、前記開口部の形状は、前記光学フィルタの外形と実質的に同じであり、前記光学フィルタの少なくとも一部は、前記開口部内に位置している。
本発明によれば、遮光ブロックの内壁および光学フィルタの端面を撮像領域から離すことができるので、不要光が撮像領域に入射することを防止することができる。これにより、測距演算結果の誤差を抑え、測距精度を高めることができる。
また、本発明によれば、撮像素子と撮像光学系との相対的なチルトを抑制することができる。
本発明の実施形態1に係る複眼カメラモジュールの分解斜視図である。 (a)から(c)は、本発明の実施形態1に係る複眼カメラモジュールの撮像素子近傍を示す図である。 (a)および(b)は、本発明の実施形態1に係る複眼カメラモジュールの上鏡筒を示す図である。 (a)および(b)は、本発明の実施形態1に係る複眼カメラモジュールのレンズアレイを示す図である。 本発明の実施形態1に係る複眼カメラモジュールのレンズアレイおよび上鏡筒の斜視図である。 (a)から(d)は、本発明の実施形態1に係る複眼カメラモジュールの遮光ブロックを示す図である。 本発明の実施形態1に係る複眼カメラモジュールの遮光ブロックおよび上鏡筒の斜視図である。 本発明の実施形態1に係る複眼カメラモジュールの撮像素子と遮光壁の位置関係を示す断面斜視図である。 本発明の実施形態1に係る遮光膜の正面図である。 (a)および(b)は、本発明の実施形態1に係る複眼カメラモジュールの断面図である。 本発明の実施形態1に係る複眼カメラモジュールの断面斜視図である。 (a)から(c)は、本発明の実施形態1に係る光学フィルタと撮像素子の実装状態を示す図である。 (a)および(b)は、本発明の実施形態1に係る撮像素子を基板に固定した状態を示す図である。 本発明の実施形態2に係る複眼カメラモジュールの断面斜視図である。 本発明の実施形態3に係る複眼カメラモジュールの分解斜視図である。 従来の複眼カメラモジュールの分解斜視図である。 従来の複眼カメラモジュールの断面図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態における複眼カメラモジュールを説明する。
(実施形態1)
図1は、本発明の第1の実施形態における複眼カメラモジュール100の分解斜視図である。図1は複眼カメラモジュール100が備える構成要素を示しており、複眼カメラモジュール100には、被写体側から順に、上鏡筒1、レンズアレイ2、遮光膜3、第2の光学フィルタ4、遮光壁5、遮光ブロック6、第1の光学フィルタ7、基板8、撮像素子9が配置されている。
本発明の実施形態の説明では、方向の説明のために、図示したようなXYZ直交座標系を設定する。Z軸は、撮像素子9の撮像面に対し垂直な軸である。Y軸は、Z軸と直交し、レンズアレイ2の2つのレンズの互いの光軸を結ぶ方向に平行な軸である。X軸は、Y軸およびZ軸と直交する軸である。
レンズアレイ2は、互いに光軸が異なり、且つ同一平面上に配置された少なくとも2つのレンズを有する。本実施形態では、レンズアレイ2は、XY平面と平行な同一平面上に配置された2つの単レンズ2aおよび2bを一体に有する。レンズ2aの光軸20a(図10(a))およびレンズ2bの光軸20bは、Z軸と平行であり、かつY軸方向に基線長Lmmだけ離れた位置に配置されている。レンズ2aおよび2bは、例えば、緑色の波長帯域の光に対して要求されるMTF等の光学仕様を満足するように設計されている。
レンズ2aおよび2bの各々は、被写体(図示せず)からの光を、第2の光学フィルタ4および第1の光学フィルタ7を介して、撮像素子9上に結像させる。
第2の光学フィルタ4は、例えば、ガラス基材の表面に誘電体多層膜からなる薄膜を形成して構成されており、レンズアレイ2と遮光ブロック6との間に配置されている。第2の光学フィルタ4は、例えば赤外線カットフィルタであり、近赤外の波長帯域光を遮断している。
第1の光学フィルタ7は、例えば、ガラス基材の表面に誘電体多層膜からなる薄膜を形成して構成されており、撮像素子9の撮像面に当接されている。また、第1の光学フィルタ7は、例えば、緑色の波長帯域と近赤外線波長帯域とを透過する光学フィルタである。
したがって、第1の光学フィルタと第2の光学フィルタを2重に設置する事により、撮像素子に緑色の波長帯域の光線のみを結像させる構成となっている。
撮像素子9は、CCDセンサやCMOSセンサなどの撮像センサであり、縦横方向に2次元配列された多数の画素を備えている。撮像素子9の有効画素領域は、2つの撮像領域9aおよび9bの2つの領域に分割されている。2つの撮像領域9aおよび9bは、2つのレンズ2aおよび2bのそれぞれに1対1に対応しており、それぞれの光軸上に配置されている。
したがって、レンズ2aを透過した光線は、第2の光学フィルタ4、第1の光学フィルタ7を透過し撮像領域9aに結像し、レンズ2bを透過した光線は、第2の光学フィルタ4、第1の光学フィルタ7を透過し撮像領域9bに結像する。即ち、2つの撮像領域9aおよび9b上に、緑色成分からなる被写体像が互いに独立して結像される。
撮像素子9の撮像領域9aおよび9bを構成する各画素は、入射光を光電変換し、光の強度に応じた電気信号(図示せず)をそれぞれ出力する。
撮像素子9は、撮像領域より大きい開口を有する基板8に対し、図1のようにフェイスダウンでフリップチップ実装され、基板8に形成された電気回路と接続されている。撮像素子9から出力された電気信号は、様々な画像処理が施される。例えば、緑色の波長帯域光が結像する撮像領域9aおよび9bが撮像した2つの画像を用いて、画像間の視差量を求め、被写体までの距離を測定することができる。これらの処理はデジタル信号プロセッサ(DSP、図示せず)等を用いて行うことができる。出力した電気信号を用いた画像処理および距離測定処理は、公知の技術を用いることができるので、ここではそれらの処理の詳細な説明は省略する。
複眼カメラモジュール100から被写体までの距離の測定(測距)では、撮像領域9aおよび9bから得られる画像を用いて、三角測量に基づきブロックマッチング等の演算処理により視差量を求め、その視差を用いて被写体までの距離を測定することができる。しかし、組立てばらつきにより演算で求めた視差量に誤差が発生する場合がある。誤差の要因は、レンズアレイ2と撮像素子9との相対的なチルト、光学フィルタ4および7と撮像素子9の相対的なチルト、レンズ2aおよび2bの焦点ズレ、レンズ2aおよび2bと上鏡筒に設けた絞り1aおよび1b間の絞り偏芯等である。
本発明の実施形態における各部品の形状や組立てプロセスを採用することにより、これらの誤差要因を抑制する事ができ、視差抽出、すなわち測距の高精度化を実現することができる。
図2(a)〜(c)を用いて第1の光学フィルタ7と撮像素子9と基板8の構造について説明する。
図2(a)は、基板8に第1の光学フィルタ7と撮像素子9とを実装した状態で被写体側からみた正面図である。図2(b)は、図2(a)のb−b線に沿った断面図であり、図2(c)は、図2(a)のc−c線に沿った断面図である。
基板8には、第1の光学フィルタ7とほぼ同じ大きさの開口部81が形成されており、この開口部81に第1の光学フィルタ7の少なくとも一部が嵌入されている。撮像素子9は、図2(b)から判るように、フェイスダウンでフリップチップ実装され、基板8に形成された電気回路と電気的に接合させている。さらに、第1の光学フィルタ7が撮像素子9の撮像面に当接した状態で、撮像素子9の外周部を取り囲むように接着剤10aを流し込むことにより、撮像素子9が当接している基板8および第1の光学フィルタ7に対し機械的に固定されている。これにより、撮像素子の撮像面へ塵や埃等が侵入することを防止している。なお、撮像素子9には、図2(b)の断面図における上面側の左右両端部近傍に電極が形成されており、フリップチップ実装により撮像素子9のその電極が基板8の下面に形成された電極に接続される。
また、第1の光学フィルタ7の外形は、X方向の幅が、撮像素子9の撮像領域9aおよび9bよりは長く、かつ撮像素子9の電極間距離よりは短くなっている。一方、第1の光学フィルタ7のY方向の幅は、図2(c)から明らかなように、撮像素子9よりも長く構成されている。これにより、Y方向において、第1の光学フィルタ7は、撮像素子9の両端部90よりもはみ出した部分を有する。なお、Y方向は、2つのレンズ2aおよび2bの基線方向であり、撮像素子9の各画素から情報を読み出す方向と同じである。
先に説明したように、第1の光学フィルタ7は、基板8に設けた開口部81に嵌入されており、基板8にフリップチップ実装された撮像素子9の撮像面に当接している。この状態で、第1の光学フィルタ7は、基板8に対して周囲を接着剤10bで固着されている。
したがって、図2(b)に示すように、撮像素子9と基板8とは接着剤10aで周囲が固着され、基板8と第1の光学フィルタ7とは、接着剤10bで周囲を固着されている。この構成により、撮像素子9の撮像面は、基板8および第1の光学フィルタ7により密閉されるため、外部からのゴミの付着などが防止できる。
また、第1の光学フィルタ7を基板8に接着することにより、第1の光学フィルタ7を接着するためのスペースを撮像素子9に設ける必要がないため、モジュールの小型化が実現できる。
また、上記構成では、第1の光学フィルタ7を基板8の開口部81に嵌入し、かつ第1の光学フィルタ7の周辺部で基板8に接着する構成としたが、嵌入または接着のいずれか一方のみであっても、撮像素子9の撮像面が密閉されていれば、撮像面へのゴミ等の付着を防止できる。
図3(a)は、撮像素子9側からみた上鏡筒1の斜視図である。上鏡筒1の撮像素子9側には、レンズアレイ2を保持し固定する凹部12が形成されている。また、保持されたレンズアレイ2の2つレンズ2aおよび2bの各光軸が通過する位置に2つの絞り(開口)1aおよび1bが形成されている。上鏡筒1は光を透過しない材料からなり、絞り1aおよび1b以外から不要な外光がレンズ2aおよび2bに入射するのを防止する。絞り1aおよび1bは、基準面13および14を基準にX方向およびY方向の位置度を規制されており、Y方向に一直線上に配置されている。
図3(b)は、上鏡筒1を被写体側からみた正面図である。上鏡筒1は絞り1aおよび1bを備えるとともに、設定した画角以上の不要な外光を遮蔽するフード11aおよび11bを備えている。フードの形状は、レンズ2aおよび2bで設計された水平、垂直、対角方向の各画角に対応させて、略長方形の形状をしている。
図4(a)は、被写体側から見たレンズアレイ2の斜視図であり、図4(b)は、撮像素子9側から見たレンズアレイ2の斜視図である。レンズアレイ2に形成されたレンズ2aおよび2bは、基準面22および23を基準にX方向およびY方向の位置度を規制されており、Y方向に一直線上に配置されている。
上鏡筒1の凹部12内の基準面13とレンズアレイ2の基準面22とを当接させ、上鏡筒1の基準面14とレンズアレイ2の基準面23とを当接させて、レンズアレイ2を上鏡筒1に嵌入する。これにより、上鏡筒1に設けた2つの絞り1aおよび1bの中心と、レンズ2aおよび2bの光軸とを、X方向およびY方向に位置決めし、絞り偏芯量を設計値以下に抑える。
さらに、上鏡筒1に設けた基準面15とレンズアレイ2に設けた基準面21を当接することで、Z軸方向にレンズアレイ2と上鏡筒1が位置決めされ、レンズと絞りとの光軸方向の位置決めがされる。
上鏡筒1とレンズアレイ2とが、XYZ方向のそれぞれで位置決めされた状態で、上鏡筒1に設けた4つの斜面部16とレンズアレイ2の端面を接着し、上鏡筒1とレンズアレイ2を固定する。図5は、撮像素子9側から見た、接着固定されたレンズアレイ2と上鏡筒1を示す斜視図である。
図6(a)〜(d)に遮光ブロック6を示す。図6(a)は被写体側からみた遮光ブロック6の斜視図であり、図6(b)は被写体側から見た遮光ブロック6の正面図であり、図6(c)は撮像素子9側からみた遮光ブロック6の斜視図であり、図6(d)は撮像素子9側から見た遮光ブロック6の底面図である。
遮光ブロック6には、組立て時の位置決め用の基準面が複数設けられており、X方向には基準面62を、Y方向には基準面61を、Z方向(光軸方向)には基準面65aおよび65bをそれぞれ基準として、各部品の組立ておよび部品同士の位置決めを行なう。ここで、位置決めするのは、レンズアレイ2、遮光壁5、第2の光学フィルタ4である。なお、基準面65aおよび65bは同一平面にある。
まず、レンズアレイ2の位置決めについて説明する。上鏡筒1に位置決め固定されたレンズアレイ2は、上鏡筒1を組立てた後でもレンズアレイ2の基準面22および23が隠れないように上鏡筒1の接着溝16の寸法が決められている。図5のように、レンズアレイ2の外形よりも上鏡筒1の接着溝寸法16を短く設定することで、レンズアレイ2の基準面22および23を露出させている。
レンズアレイ2に設けた基準面22を遮光ブロック6に設けた基準面61に押し当ててY方向の位置決めをし、レンズアレイ2に設けた基準面23を遮光ブロック6に設けた基準面62に押し当ててX方向の位置決めをする。これにより、上鏡筒1に固定されたレンズアレイ2と遮光ブロック6とをXY方向で位置決めすることができる。これにより、レンズアレイ2の基準面22および23を用いて上鏡筒1および遮光ブロック6のXY方向の位置決めをすることができる。レンズアレイ2を基準に上鏡筒1と遮光ブロック6を位置決めすることで、別部品同士であっても遮光ブロック6の部品精度で位置決めすることが可能となる。
また、Z方向に位置決めするために、レンズアレイ2に設けた基準面24と遮光ブロック6に設けた基準面63を押し当てる。基準面63は、Z方向の基準面65aおよび65bに対し必要なフランジバック距離、平行度が形成されている。レンズアレイ2を遮光ブロック6の各基準面に押し当て固定することで、レンズアレイ2のチルトを抑制し、かつ、フランジバック距離を設計値内に簡易に組立てることができる。遮光ブロック6とレンズアレイ2がXYZ方向に位置決めされた状態で、上鏡筒1と遮光ブロック6とを、遮光ブロック6に設けた接着溝67で接着固定する。図7は、被写体側から見た、接着固定された上鏡筒1と遮光ブロック6とを示す斜視図である。
次に、遮光壁5の位置決めについて説明する。遮光壁5は、2つのレンズのそれぞれを透過した光の光路を分離する。撮像素子9を2つの領域9aおよび9bに分割して撮像するために、遮光壁5は、レンズ2aを通過した光が、このレンズと対応しない撮像領域9bに入射するのを防ぐとともに、その逆の場合の不要光入射を防止する。図8にレンズアレイ2、遮光壁5、撮像素子9の断面斜視図を示す。図8のように、遮光壁5は、撮像素子9の2つの撮像領域9aおよび9bの境界に沿って設けられている。2つの撮像領域9aおよび9bの中心はレンズ2aおよび2bの光軸中心と一致しているため、レンズアレイ2に対して遮光壁5を位置決めすればよい。レンズアレイ2は遮光ブロック6に対して位置決め固定されているので、遮光壁5は遮光ブロック6に対して位置決めすればよいこととなる。遮光壁5は、撮像素子9に対し基線方向であるY方向に領域を2分割すればよいので、遮光ブロック6の基準面61に対して遮光壁5を位置決めする必要がある。
図1のように、遮光壁5には位置決め用に2個の円柱部51aおよび51bを設け、遮光ブロック6には、基準面61に対して位置度を規制した基準穴66aおよび66bを設けてある。基準穴66aおよび66bに円柱51aおよび51bを嵌合させてY方向の位置決めを行なう。そしてZ方向の位置決めは、遮光ブロック6の基準面65aおよび65bと同一面の位置で位置決めする。すなわち、第1の光学フィルタ7の直上に遮光壁5が配置されることになる。遮光ブロック6は、上鏡筒1と同様に光を透過しない材料からなる。さらに遮光壁5および遮光ブロック6の内周面には光の反射が極力小さくなるように、各種表面処理(例えば、粗面化処理、メッキ、黒色化処理など)、シボ加工、テーパを有する遮光面が施されていることが好ましい。
なお、遮光壁面の反射抑制の形状を成型し易くするため、遮光壁5と遮光ブロック6を別体構成にし、組立てにより遮光壁を備える遮光ブロックを構成したが、遮光壁5と遮光ブロック6を一体で成型し、部品コストを低減するとともに、遮光壁の位置精度を高めてもよい。
また、遮光ブロック6のレンズアレイ2側の面には、第2の光学フィルタ4を保持し固定する凹部64aを備える。第2の光学フィルタ4は凹部64a内に嵌入し、遮光ブロック6の基準面65aおよび65bを基準にZ方向に位置規制し、さらに平行度を確保した基準面64bに、第2の光学フィルタ4を当接して固定する。その結果、第2の光学フィルタ4のチルトを抑制することができる。
遮光膜3は、第2の光学フィルタ4とレンズアレイ2の間に配置されている。遮光壁5によって撮像領域を9aおよび9bに2分割しているが、遮光壁5の高さは第2の光学フィルタ4直下までしか構成できない。例えばレンズ2aを通過した光線が、第2の光学フィルタ4内部を通過して撮像領域9bに結像する不要光を防止するため、遮光膜3を第2の光学フィルタ4上に配置する。遮光膜3は、図9に示すように、互いに独立した2つの開口部3aおよび3bを形成するよう配置された遮光部32と、遮光部32を保持する外筒部33とを備える。遮光部32はXY方向で遮光壁5の位置と一致することが望ましく、このことを実現するために、遮光膜3は遮光壁5に対して位置決めする構造を有している。遮光壁5の円柱52aおよび52bに、遮光膜3の基準穴34aおよび34bを嵌合させることで、遮光部32と遮光壁5との位置決めを行なう。その結果、2つの開口部3aおよび3bは、2つのレンズ2aおよび2bの各光軸上にそれぞれ配置される。
レンズアレイ2を固定した上鏡筒1を、遮光壁5を組み立てた遮光ブロック6に位置決め固定した後、レンズ2aおよび2bの各光軸位置を結ぶ方向と、撮像素子9を構成する画素の配列方向とが一致するように、遮光ブロック6が撮像素子9に対して位置決めされて第1の光学フィルタ7上に固定される。
撮像素子9は、第1の光学フィルタ7のうちの撮像素子9と対向する面と接触している。遮光ブロック6は、第1の光学フィルタ7のうちの遮光ブロック6と対向する面に固定されている。第1の光学フィルタ7は、図2に示したように、撮像素子9の撮像面に当接されている。第1の光学フィルタ7は基材をガラスで構成しているため、フィルタ両面同士は限りなく平行に近い。このため、遮光ブロック6の基準面65aおよび65bが当接する第1の光学フィルタ7の面は、撮像面と平行であると言える。したがって、遮光ブロック6の基準面65aを、第1の光学フィルタ7の撮像素子9よりも外側にはみ出した部分7aに当接させ、同様に、基準面65bを、撮像素子9よりも外側にはみ出した部分7bに当接させることで、レンズアレイ2と撮像素子9の相対的なチルトを抑制でき、かつ焦点位置ズレも限りなくゼロにすることが可能となる。
ステレオ視により被写体までの距離を演算する際、視差量を抽出する必要がある。2つの撮像領域9aおよび9bから得られる画像の一方を基準画像とし、他方を参照画像とし、基準画像と同一の対応点を参照画像上で探索することで視差量を演算する。このため、いずれか一方の撮像領域にのみ、不要な反射光が映り込むと測距精度を著しく劣化させる要因となる。
複眼カメラモジュール100では、基線方向において、第1の光学フィルタ7の外形を、撮像素子9よりも外側にはみ出すように設け、その外側にはみ出した部分7aおよび7bに組立て基準面を設けている。図10(a)および(b)は、複眼カメラモジュール100の断面図である。図10(a)は、第1の光学フィルタ7のはみ出した部分7bの周囲を拡大した図も示している。
第1の光学フィルタ7の基線方向の端面の位置は、はみ出した部分7aおよび7bの幅だけ撮像素子9から離れているため、第1の光学フィルタ7の基線方向の端面によって反射された不要光72が、撮像領域9aあるいは9bに映り込むことを防止できる。
また、遮光ブロック6は、第1の光学フィルタ7のはみ出した部分7aおよび7bに固定され、遮光壁5が設けられている範囲における遮光ブロック6の内壁69は、基線方向(Y方向)において、撮像素子9の両端部よりも外側に位置している。これにより、遮光ブロック6の内壁69を撮像領域9aあるいは9bから離すことができため、内壁69によって反射された不要光72が、撮像領域9aあるいは9bに映り込むことを防止できる。また、遮光ブロック6に設けた第2の基準面を形成するための遮光ブロック内の梁68を、できるだけ撮像領域から離すことにより、梁68に不要光が反射し、撮像領域9aあるいは9bに映り込むことも防止できる。
なお、第1の光学フィルタ7の基線方向と直交する方向(X方向)の端面による不要反射光は、撮像領域9aと撮像領域9bとに同時に映り込むため、この不要反射光の測距精度に対する影響は小さい。このため、第1の光学フィルタ7の基線方向と直交する方向の端面の位置は、撮像領域に近くしても測距精度に大きく影響しない。このような構成により、測距精度を高くしつつ装置の小型化も実現できる。
このように本実施形態では、第1の光学フィルタ7の外形を、基線方向において、撮像素子9よりも両外側にはみ出した部分7aおよび7bを形成し、そのはみ出した部分7aおよび7bを基準面とし、遮光ブロック6の基準面65aおよび65bに当接させている。これにより、小型化が実現できるとともに、第1の光学フィルタ7の端面からの不要光の測距精度への影響を低減することができる。
ここで、第1の光学フィルタ7の基材はガラスと説明したが、フィルタ両面の平行度を確保できれば、樹脂で構成してもよい。樹脂基材のフィルタを採用することで、ガラス基材に比べて、フィルタ端面のチッピングによるゴミが撮像面に侵入することを低減できる。
また、図10(b)に示すように、基線方向と直交する方向(X方向)において、撮像素子9は、基板8の開口部の両端部80よりも外側にはみ出した部分90aを有している。はみ出した部分90aには、基板8と電気的に接続される電極端子91が設けられている。はみ出した部分90aと基板8の裏面とが固定され、電極端子91が基板8と電気的に接続される。ここで、基板8の裏面とは、基板8のうちのレンズアレイ2側とは反対側の面である。撮像素子9では、撮像領域9aおよび9bと電極端子91とは、撮像素子9の同じ面側(撮像面側)に位置している。しかし、基板8の開口部よりも外側に電極端子91を位置させることにより、第1の光学フィルタ7を撮像面に接触させる構成においても、基板8の裏面側に電極端子91を接続することができる。なお、電極端子91の周囲はアンダーフィル剤で補強していてもよい。
図11に、本実施形態の複眼カメラモジュールをXZ平面およびYZ平面で切断したときの断面斜視図を示す。図11において、撮像素子9の直上に当接された第1の光学フィルタ7のはみ出した部分7a(および7b)に、遮光ブロック6の基準面65a(および65b)を当接させている。また、レンズアレイ2は基準面63、第2の光学フィルタ4は基準面64bにそれぞれ当接させ位置決めされており、その結果、撮像素子9との相対的なチルトを、遮光ブロック6に設けた各基準面の平行度の値まで抑えることができる。
上述した構成をとることで、レンズの焦点ズレの要因は、遮光ブロック6の基準面間距離(すなわち基準面65aおよび65bから基準面63までの間の距離)のばらつきだけとなる。また、レンズを一体で形成していることにより、同一波長を透過させる各レンズのフランジバック差も非常に小さくすることができる。
また、上鏡筒1に設けた基準面とレンズアレイ2に設けた各基準面をそれぞれ当接させて位置決めして固定することで、レンズ2aおよび2bの光軸位置と絞り1aおよび1b中心のズレである絞り偏芯を抑制でき、その結果、発生する視差の誤差量は無視することができる。
また、第1の光学フィルタ7を、基線方向において、撮像素子の撮像領域よりも両外側にはみ出した形状とし、そのはみ出した部分に遮光ブロック6の基準面65aおよび65bを当接させることで、不要反射光を気にすることなく、撮像素子9の有効撮像領域を最大限活用できる。また、その結果、各レンズ2aおよび2b間隔すなわち基線長を長くすることができ、測距性能を向上させることが可能となる。
さらに、第2の光学フィルタ4のチルトを抑制するため、遮光ブロック6に設けた基準面64bに撮像素子9の有効撮像領域より大きい第2の光学フィルタ4を当接させることで、レンズアレイ1と同様にチルトを抑制することができる。
以上のように、本発明の第1の実施形態によれば、組立て時に複雑で、高コストな調整機構を設けることなく、簡易な組立てを行なっても、被写体までの距離を測定する際に発生する視差誤差を極めて小さくすることができ、距離測定精度を向上させることが可能となる。
なお、本実施形態では、2つの撮像領域はほぼ等分されていたが、本発明はこれに限定されず、たとえば、発生する視差を考慮した非均等の領域であってもよい。
また、レンズを一体で成形し、かつできる限り対称な形状で作製することで、線膨張係数が一様で形状がほぼ対称なため、温度変化に対する形状の変化も一様となる。そのためサーミスタ等を用いて温度を検出することで、各温度でのレンズ間距離を推定でき、その結果、各レンズの光軸位置の変化を推定することで温度変化による視差量を補正し、距離測定精度を確保することが可能となる。
次に図12および図13を参照して、第1の光学フィルタ7、基板8および撮像素子9のより具体的な構造および寸法の一例を説明する。
図12は、第1の光学フィルタ7と撮像素子9の実装状態を示す図であり、図12(a)は、被写体側から見たときの正面図であり、図12(b)はY方向に沿った断面図であり、図12(c)はX方向に沿った断面図である。
前記第1の光学フィルタ7と撮像素子9の中心を合致させ、それぞれの辺がX方向とY方向に平行になるよう位置決めして密着させる。第1の光学フィルタ7と撮像素子9は、それぞれの長辺側と短辺側をY方向とX方向にセンター振り分けして密着させている。図中に示した寸法で説明すると、第1の光学フィルタ7は8×4.5mm、撮像素子は6.6×5.4mmである。
密着させたとき、寸法の違いから、撮像素子9のX方向では片端に0.45mmのはみ出し部が生じるが、ここには基板8と電気的に接続される電極端子91が複数個形成されている。
また、Y方向では、第1の光学フィルタ7が撮像素子9の片端より0.7mmはみ出す構造となり、鏡筒基準面71、72、73および74がこのはみ出し部の4隅に当接される。
第1の光学フィルタ7のはみ出し部の背面と撮像素子9端面の立ち壁とに接着剤10aを適量流し込み、第1の光学フィルタ7と撮像素子9を固定している。
図13は、撮像素子9を基板8に固定した状態を示す図であり、図13(a)は被写体側から見たときの正面図であり、図13(b)はX方向に沿った断面図である。
基板8には、第1の光学フィルタ7とほぼ同じ大きさの開口部81が形成されており、この開口部81に第1の光学フィルタ7が嵌入されている。第1の光学フィルタ7と開口部81の1辺の隙間は、例えば0.05mm程度である。
撮像素子9は、フェイスダウンでフリップチップ実装され、基板8に形成された電気回路と電気的に接合されている。第1の光学フィルタ7が撮像素子9の撮像面に当接した状態で、撮像素子9の周囲を取り囲むように接着剤10a、10bを流し込むことにより、撮像素子9は、当接している基板8および第1の光学フィルタ7に対し機械的に固定される。これにより、撮像素子9の撮像面への塵や埃等が侵入することを防止している。なお、撮像領域9aおよび9bの寸法は、約5.7×4.3mmであり、長辺および短辺ともに第1の光学フィルタ7に覆われる構造となっている。
(実施形態2)
図14は、本発明の第2の実施形態の複眼カメラモジュール110を、XZ平面およびYZ平面で切断したときの断面斜視図である。第1の実施形態の複眼カメラモジュール100と異なるのは、第2の光学フィルタ4および遮光膜3を備えていない点と、遮光壁501の形状および第1の光学フィルタ701の分光特性が異なっている点である。
第1の実施形態では、第1の光学フィルタ7と第2の光学フィルタ4の2枚で、緑色光のみを透過する分光特性を確保していた。これに対し第2の実施形態では、必要な光学フィルタの分光特性を、第1の光学フィルタ701の1枚だけで実現させている。
本実施形態2では、第2の光学フィルタ4が不要になるため、遮光壁501は、レンズアレイ2における撮像素子側のレンズ直下まで、遮光壁の高さを高くすることが可能となる。その結果、第2の光学フィルタ4内部を透過する不要光を遮蔽するための遮光膜3も不要となる。
複眼カメラモジュール110の構成により、複眼カメラモジュール100と同様に、撮像素子、レンズアレイおよび光学フィルタの相対的なチルト、絞り偏芯を抑制しながらも、部品点数を削減し低コスト化を実現する事が可能となる。
なお、上記説明では、緑色光のみの波長を透過させる光学フィルタの例を説明したが、近赤外光を透過するフィルタ等、単波長の光線のみを透過させるよう第1の光学フィルタ701を構成させても同様な効果が得られることは言うまでもない。なお、レンズアレイ2の各レンズは選択した波長で光学特性が最適に成るよう設計されていることは言うまでもない。
(実施形態3)
図15は、本発明の実施形態3における複眼カメラモジュール120の分解斜視図である。実施形態1の複眼カメラモジュール100は、レンズアレイのレンズ個数が2つの2眼のカメラモジュールであったが、複眼カメラモジュール120は、レンズアレイのレンズ個数が4つの4眼のカメラモジュールである。
レンズアレイ201は、XY面と平行な同一平面上に配置された4つの単レンズ201a〜201dを一体に有する。4つのレンズ201a〜201dの各光軸はZ軸と平行であり、XY面に平行な仮想の長方形の4つの頂点に配置されている。レンズ201a〜201dのうち2個は、それぞれ光の3原色のうちの赤、青、緑のいずれかの波長帯域の光に対して要求されるMTF等の光学仕様を満足するよう設計されており、残りの2個は近赤外光の波長帯域の光に対して要求されるMTF等の光学仕様を満足するように設計されている。具体的には、レンズ201a、201bは緑色、レンズ201c、201dは近赤外の各波長帯域の光に最適に設計されている。レンズ201aと201bはステレオ視するためのレンズペアであり、基線方向(Y方向)にL1mm離れて配置している。レンズ201cと201dはステレオ視するためのレンズペアであり、基線方向(Y方向)にL1mm離れて配置している。レンズ201a〜201dは、ガラスあるいはプラスチックなどの材料を用いて一体に形成されている。そして、同一波長間、例えば緑−緑あるいは近赤外−近赤外の各レンズ間のフランジバックずれを極力ゼロにするよう考慮されている。
レンズアレイ201は上鏡筒101と位置決めされて固定される。第1の実施例と同様にX方向、Y方向にそれぞれに設けた各基準面同士を当接させてXY方向に位置決めして、固定される。その結果、レンズ201aに対応する絞り101a、レンズ201bに対応する絞り101b、レンズ201cに対応する絞り101c、レンズ201dに対応する絞り101dの各偏芯ズレは最小限に抑えられる。
レンズ201a〜201dの各々は、被写体(図示せず)からの光を、第2の光学フィルタ401aおよび401b、第1の光学フィルタ711を通過させた後、撮像素子9上に結像させる。
第2の光学フィルタ401aおよび401bは、レンズアレイ201と遮光ブロック601との間に配置されている。第2の光学フィルタ401aおよび401bも、レンズアレイ201と同様に、XY面と平行な同一平面上に配置されている。第2の光学フィルタ401aは近赤外波長域をカットする分光特性を有し、逆に第2の光学フィルタ401bは可視光波長域をカットする分光特性を有している。そして、同一の波長帯域の光を透過させる光学フィルタは一体で形成されている。光学フィルタ401aは、撮像素子9の撮像領域91aおよび91b上に、光学フィルタ401bは、撮像素子9の撮像領域91cおよび91d上にそれぞれ配置される。また、第1の光学フィルタ711は、緑色の波長域と近赤外波長域の両方を透過する分光特性を有しており、第1の実施形態と同様に撮像素子9の撮像面に当接されている。
撮像素子9は、CCDから成り、縦横方向に2次元配列された多数の画素を備えている。撮像素子9の有効画素領域は、4つの撮像領域91a〜91dに分割されている。4つの撮像領域91a〜91dは、4つのレンズ201a〜201dの各光軸上にそれぞれ配置されている。これにより、4つの撮像領域91a〜91d上に、赤、緑、青、近赤外のうちのいずれかの波長成分のみからなる被写体像がそれぞれ独立して形成される。具体的には、レンズ201aを通過した被写体からの光が、第2の光学フィルタ401a、第1の光学フィルタ711を透過し、緑色の波長帯域光のみが撮像領域91a上に被写体像を結像する。同様に、レンズ201bを通過した被写体からの光が、第2の光学フィルタ401a、第1の光学フィルタ711を透過し緑色の波長帯域光のみが撮像領域91b上に被写体像を結像する。レンズ201cを通過した被写体からの光が、第2の光学フィルタ401b、第1の光学フィルタ711を透過し近赤外の波長帯域光のみが撮像領域91c上に被写体像を結像する。レンズ201dを通過した被写体からの光が、第2の光学フィルタ401b、第1の光学フィルタ711を透過し近赤外の波長帯域光のみが撮像領域91d上に被写体像をそれぞれ独立して結像する。
上鏡筒101は、レンズアレイ201の4つレンズ201a〜201dに対応して4つの絞り101a〜101dが形成されている。上鏡筒101は光を透過しない材料からなり、絞り101a〜101d以外から不要な外光がレンズ1a〜1dに入射するのを遮蔽する。
遮光壁501は、Z軸に平行で遮光ブロック601の約中心を通る軸に対して十字状に配置され、実施形態1と同様に遮光ブロック601と位置決めされ固定される。遮光壁の1面はXZ面に沿っており、他の1面はYZ面に沿っている。遮光壁501を遮光ブロック601に組み込むことで、4つの開口を形成し、その開口は、4つのレンズ201a〜201dの各光軸上にそれぞれ配置される。
遮光壁501が撮像素子9の有効画素領域を4つの撮像領域91a〜91dに分割するとともに、例えば、レンズ201aを通過した光が隣接する他の撮像領域91bおよび91cに不要光として侵入するのを防止している。
遮光膜301も、第1の実施形態と同様、例えば、レンズ201aを通過した光が、第2の光学フィルタ401aおよび401b内部を通過し、隣接する他の撮像領域91bおよび91cに不要光として侵入するのを防止している。遮光膜301は、図15に示すように、互いに独立した4つの開口部301a〜301dを形成するように十字状に配置されており、遮光壁501と同様に、1辺はXZ面に沿っており、もう一方の辺はYZ面に沿っている。4つの開口部301a〜301dは、4つレンズ201a〜201dの各光軸上にそれぞれ配置される。そして、実施形態1と同様に、遮光膜301に設けた基準穴を遮光壁501の基準軸と嵌合させて位置決めし、固定する。
基板8には、第1の光学フィルタ711とほぼ同じ大きさの開口部が設けられており、この開口部に第1の光学フィルタ7が嵌入されている。撮像素子9は、フェイスダウンでフリップチップ実装され、基板8に形成された電気回路と電気的に接合させている。さらに、第1の光学フィルタ711が撮像素子9の撮像面に当接した状態で、撮像素子9の周囲を取り囲むように接着剤を流し込むことにより、撮像素子9が当接している基板8および第1の光学フィルタ711に対し機械的に固定されている。これにより、撮像素子の撮像面への塵や埃等が侵入することを防止している。なお、撮像素子9には、上面のX方向両端部に電極が形成されており、フリップチップ実装により撮像素子9の上面両端部の電極が基板8の下面に形成された電極に接続される。
また、第1の光学フィルタ7の外形は、X軸方向は、撮像素子9の撮像領域より大きく、かつ撮像素子9の電極同士のX軸方向の距離よりは短くなっている。一方、Y軸方向では、撮像素子9よりも両外側にはみ出して構成されている。なお、Y軸方向は、ペアとなるレンズ201aおよび201bの基線方向であり、撮像素子の各画素を読み出す方向と同じである。
また、第1の光学フィルタ711は、基板8にフリップチップ実装された撮像素子9の撮像面に当接した状態で、基板8に対して周辺部を接着剤10bで固着されている。
以上のように構成された複眼カメラモジュールで、被写体までの距離を測定するために、同一波長の画像、即ち、撮像領域91aおよび撮像領域91b、あるいは撮像領域91cおよび撮像領域91dから得られる画像から、三角測量に基づきブロックマッチング等の演算処理により視差量を求め、その視差を用いて被写体までの距離を測定することができる。本実施形態では、緑色の波長域と近赤外の波長域との2つの波長域の撮影画像を用いて測距しているため、昼夜を問わず測距が可能となる。また、日向、日陰等の明るさが極端に異なる環境下においても、2波長で測距しているため、日向は緑色の波長域で、日陰は近赤外の波長域で測距することにより、測距精度を明るさによらず確保することが可能となる。
また、本実施形態では、緑色用のレンズペアと近赤外光用のレンズペアにより測距する構成について説明したが、上述した例によらず、4眼とも緑あるいは4眼とも近赤外と4眼すべて同一波長域とすることで、距離測定のため視差を演算する方向がX方向あるいはレンズ対角方向も可能となり、1方向の視差探索に比べて、測距精度を確保するこが可能となる。
4眼ともに単波長で光学系を構成した場合、第2の実施形態で説明したように、第1の光学フィルタに必要な波長を透過する分光特性を備えることで、遮光膜301、第2の光学フィルタ401aおよび401bを省略することができ、部品点数を削減することが可能となる。
本発明の複眼カメラモジュールは、画像情報を用いて被写体までの距離を測定する技術分野において特に有用である。例えば、本発明は、小型、薄型でカメラ機能を備えた携帯電話、デジタルスチルカメラ、監視用カメラ、車載カメラなどに適用することができる。
1 上鏡筒
2 レンズアレイ
3 遮光膜
4 第2の光学フィルタ
5 遮光壁
6 遮光ブロック
7 第1の光学フィルタ
8 基板
9 撮像素子
1a、1b 絞り
2a、2b レンズ
9a、9b 撮像領域
13、14、15 上鏡筒基準面
22、23、24 レンズ基準面
61、62、63、64b、65a、65b 遮光ブロック基準面
7a、7b 第1の光学フィルタ基準面

Claims (8)

  1. 互いに光軸が異なり、且つ同一平面上に配置された少なくとも2つのレンズを有するレンズアレイと、
    前記2つのレンズのそれぞれに1対1に対応する2つの撮像領域を有する撮像素子と、
    前記レンズアレイと前記撮像素子との間に配置され、前記2つのレンズのそれぞれを透過した光の光路を分離する遮光壁が設けられた遮光ブロックと、
    前記遮光ブロックと前記撮像素子との間に配置され、前記2つのレンズを透過した光のうちの特定の波長帯域の光を透過させる光学フィルタと、
    前記光学フィルタよりも大きな開口部を有する基板と、
    を備え、
    前記撮像領域および前記光学フィルタは、前記開口部に対応した位置にあり、
    前記撮像素子は、前記基板のうちの前記レンズアレイ側とは反対側の面に固定されており、
    前記撮像素子は、前記光学フィルタのうちの前記撮像素子と対向する面と接触しており、
    前記遮光ブロックは、前記光学フィルタのうちの前記遮光ブロックと対向する面に固定されており、
    前記2つのレンズの2つの光軸を結ぶ方向において、前記光学フィルタは、前記撮像素子の両端部よりも外側にはみ出した部分を有し、
    前記遮光ブロックは、前記光学フィルタの前記はみ出した部分に固定されている、複眼カメラモジュール。
  2. 前記2つの光軸を結ぶ方向と直交する方向において、前記撮像素子は、前記開口部の両端部よりも外側にはみ出した部分を有し、
    前記撮像素子の前記はみ出した部分と前記基板とが固定されている、請求項1に記載の複眼カメラモジュール。
  3. 前記撮像素子は、前記基板と電気的に接続するための端子を有し、
    前記撮像領域と前記端子とは、前記撮像素子の同じ面側に位置している、請求項2に記載の複眼カメラモジュール。
  4. 前記遮光壁が設けられている範囲における前記遮光ブロックの内壁は、前記2つの光軸を結ぶ方向において、前記撮像素子の両端部よりも外側に位置している、請求項1に記載の複眼カメラモジュール。
  5. 前記2つのレンズは、前記遮光ブロックに対して位置決めされている、請求項1に記載の複眼カメラモジュール。
  6. 前記光学フィルタのうちの前記撮像素子と対向する面は、前記撮像素子の撮像面と接触している、請求項1に記載の複眼カメラモジュール。
  7. 前記撮像素子は、前記撮像素子の外周部において前記基板および前記光学フィルタに接着されており、
    前記光学フィルタは、前記光学フィルタの外周部において前記基板に接着されている、請求項1に記載の複眼カメラモジュール。
  8. 前記撮像素子は、前記撮像素子の外周部において前記基板および前記光学フィルタに接着されており、
    前記開口部の形状は、前記光学フィルタの外形と実質的に同じであり、
    前記光学フィルタの少なくとも一部は、前記開口部内に位置している、請求項1に記載の複眼カメラモジュール。
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