JP6750216B2 - 撮像モジュール、撮像装置 - Google Patents
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Description
また、携帯端末用カメラに対する、画質や撮影機能の向上等は、常に要求されることである。
前述のように撮像レンズは、複数枚のレンズにより構成されるため、大型であり、ライトフィールドカメラの小型化、薄型化が困難であった。また、隔壁シートを配置する場合には、隔壁とマイクロレンズアレイとの位置合わせが困難であるという問題があった。
第1の発明は、撮像モジュール(10)において撮像素子部(14)よりも光の入射側に配置されるレンズシート(11)であって、シート面に沿って複数の方向に配列され、光の入射側の面に凸状の単位レンズ形状(112)を有する光透過部(111)と、互いに隣り合う前記光透過部間に、各前記光透過部を囲むようにして設けられ、該レンズシートの厚み方向に沿って、前記単位レンズ形状側の面(11a)から反対側である該レンズシートの裏面(11b)側に延びる光吸収部(113)と、を備えるレンズシートである。
第2の発明は、第1の発明のレンズシート(11)において、前記単位レンズ形状(112)は、シート面の法線方向(Z方向)から見た形状が円形状に形成されていること、を特徴とするレンズシートである。
第3の発明は、第1の発明のレンズシート(11)において、前記単位レンズ形状(112)は、シート面の法線方向(Z方向)から見た形状が矩形状に形成されていること、を特徴とするレンズシートである。
第4の発明は、第1の発明から第3の発明までのいずれかのレンズシート(11)において、前記光透過部(111)の屈折率N1と前記光吸収部(113)の屈折率N2とは、N1≦N2を満たすこと、を特徴とするレンズシートである。
第5の発明は、入射する光を電気信号に変換する複数の画素が2次元配列された撮像素子部(14)と、前記撮像素子部よりも光の入射側に配置され、第1の発明から第4の発明までのいずれかの前記レンズシート(11)とを備え、前記レンズシートは、その裏面(11b)が前記撮像素子部と対向するようにして配置されること、を特徴とする撮像モジュール(10)である。
第6の発明は、第5の発明の撮像モジュール(10)において、前記レンズシート(11)と、前記撮像素子部(14)との間に、第1の発明から第4の発明までのいずれかの第2のレンズシート(12)を更に備えること、を特徴とする撮像モジュールである。
第7の発明は、第5の発明又は第6の発明の撮像モジュール(10)を備える撮像装置(1)である。
本明細書中に記載する各部材の寸法等の数値及び材料名等は、実施形態としての一例であり、これに限定されるものではなく、適宜選択して使用してよい。
本明細書中において、形状や幾何学的条件を特定する用語、例えば、平行や直交等の用語については、厳密に意味するところに加え、同様の光学的機能を奏し、平行や直交と見なせる程度の誤差を有する状態も含むものとする。
本明細書中において、シート面とは、各シート状の部材において、そのシート全体として見たときにおける、シートの平面方向となる面を示すものであるとする。
図1は、本実施形態のカメラ1を説明する図である。
図2は、本実施形態の撮像モジュール10を説明する図である。図2(a)は、撮像モジュールの正面側(光が入射する側)から見た正面図であり、図2(b)及び図2(c)は、それぞれ、図2(a)のb部断面図、c部断面図である。図2(b)及び図2(c)に示す各断面図は、光透過部の配列方向(X方向、Y方向)に平行であって、厚み方向から見て互いに隣り合う光透過部の中心部を通り、レンズシートの厚み方向に平行な面における断面形状を示している。
カメラ1は、図1に示すように、開口部20を有する筐体30内に、撮像モジュール10を備えている。また、このカメラ1は、不図示の制御部、記憶部、シャッタ部、シャッタ駆動部等を備えている。
開口部20は、被写体側からの光を、カメラ1の撮像モジュール10へ取り込む部分である。この開口部20には、撮像モジュール10への埃やゴミ等の異物の侵入を防止する等の観点から、開口部20を覆うようにカバーガラス21が配置されている。
レンズシート11及びイメージセンサ14は、矩形状の平板状の部材であり、その平板面の幾何学的中心に光軸Oが直交している。
図4は、本実施形態のレンズシート11を説明する図である。図4(a)は、図2(c)に示すレンズシート11の断面(XZ断面)の一部を拡大した拡大図であり、図4(b)では、図4(a)に示す断面の一部をさらに拡大して示している。
レンズシート11は、図2(a)に示すように、シート面に沿ってX方向及びY方向に等間隔に配列される複数の光透過部111と、互いに隣り合う光透過部111間に、各光透過部111を囲むようにして設けられる光吸収部113とを備えている、いわゆるマイクロレンズアレイである。
光透過部111は、光を透過する透明部分であり、被写体側(+Z側)に、凸形状の単位レンズ形状112を有している、いわゆるマイクロレンズである。レンズシート11の被写体側(+Z側)の面は、単位レンズ形状112が複数配列されたレンズ形状面11aとなっている。また、レンズシート11のイメージセンサ14側(+Z側)の面(レンズ形状面11aとは反対側の面)である裏面11bは、略平面状となっている。
このランド部114は、光透過部111と同様に、光を透過する透明部分である。ランド部114は、その厚みができる限り薄い方が好ましく、ランド部114の厚さが0であること(即ち、ランド部114が存在しない形態)が、迷光等を防止し、高画質の画像を提供する観点から理想的である。なお、本実施形態のランド部114は、光透過部111と一体に形成されている。
本実施形態の光透過部111及びランド部114は、ウレタンアクリレート、ポリエステルアクリレート、エポキシアクリレート等の紫外線硬化型樹脂を用いて、紫外線成形法等により形成されている。
なお、これに限らず、光透過部111及びランド部114は、電子線硬化型樹脂等の他の電離放射線硬化型樹脂により形成してもよい。また、光透過部111及びランド部114は、PET(ポリエチレンテレフタレート)樹脂等の熱可塑性樹脂等を用いて熱溶融押出成形法等により形成されてもよいし、ガラスにより形成されてもよい。
レンズシート11のレンズ形状面11aは、光の入射面であるため、反射防止層を形成することにより、レンズシート11と空気との界面となるレンズ形状面11aにおける反射を抑制し、入射光量の増加を図ることができる。
光吸収部113は、図3及び図4に示すように、レンズシート11の厚み方向(Z方向)に平行な断面における断面形状が楔形形状、もしくは、矩形形状に形成されている。ここで、楔形形状とは、一方の端部の幅が広く、他方に向けて次第に幅が狭くなる形状をいい、三角形形状や台形形状等を含む形状をいう。
光吸収部113は、光透過部111内を進む光のうち、隣接する他の光透過部111側へ向かうような迷光を吸収する機能を有する。
光吸収部113に用いられる光吸収材は、可視光領域の光を吸収する機能を有する粒子状等の部材が好適である。このような部材としては、カーボンブラック、グラファイト、黒色酸化鉄等の金属塩、顔料や染料、顔料や染料で着色された樹脂粒子等が挙げられる。
光吸収材としては、カーボンブラック等と上記のような着色された樹脂粒子とを組み合わせて用いてもよい。
光吸収材を含有する樹脂としては、ウレタンアクリレート、エポキシアクリレート等の紫外線硬化型樹脂や電子線硬化型樹脂等の電離放射線硬化型樹脂が挙げられる。
本実施形態の光吸収部113は、カーボンブラックを含有するアクリル系樹脂により形成されている。
光透過部111(単位レンズ形状112)の配列ピッチPは、約20〜230μmとすることが好ましい。
単位レンズ形状112の曲率半径Rは、約10〜180μmとすることが好ましい。
単位レンズ形状112のレンズ開口径D1は、シート面の法線方向から見た場合の単位レンズ形状112の直径であり、約20〜200μmとすることが好ましい。
単位レンズ形状112のレンズ高さH1は、レンズシート11の厚み方向(Z方向)において、光吸収部113のレンズ形状面11a側の面から単位レンズ形状112の最も凸となる頂部t3までの寸法であり、約2〜40μmとすることが好ましい。
レンズシート11の総厚さTは、レンズシート11の厚み方向(Z方向)において、単位レンズの頂部t3から裏面11bまでの寸法であり、約30〜480μmである。
光吸収部113の高さH2は、レンズシート11の厚み方向(Z方向)における光吸収部113の寸法であり、約20〜470μmとすることが好ましい。
光吸収部113と光透過部111との界面がシート面の法線方向となす角度θは、0°≦θ≦10°とすることが好ましい。角度θを上述の範囲内とすることにより、紫外線硬化樹脂の賦形による製造をする場合、金型からの離型が容易になる、という効果を奏することができる。また、レンズシート11をイメージセンサ14に貼り付けた場合において、光吸収部113の影となる部分減らし、イメージセンサ14の有効画素数を多く保つため、楔形の光吸収部113の全体の幅D2を小さくするのが好ましく、なおかつ、光吸収部113の高さH2を高く設定する場合、光吸収部の上端と下端の幅の差を極力小さくした方が良いということがあるので、上述の範囲が好ましい。
レンズシート11は、上記寸法範囲で形成されることによって、その焦点距離が約24〜300μm(空気中の換算値)となる。
レンズシート11の製造に用いられる成形型40は、図5(a)及び図5(b)に示すように、銅板上に光透過部111(単位レンズ形状112)に対応する未貫通の穴形状41がドリルによって複数形成されることによって製造される。
ここで、ドリルは、その先端部が曲率半径Rの曲面状に形成され、また、その先端部の直径がレンズ開口径D1と同寸法に形成されている。また、ドリルの径は、先端部から離れるにつれて太くなるように形成されており、ドリルの周側面がドリルの回転軸に対して角度θで傾斜している。そのため、銅板に設けられる穴形状41は、光透過部111に設けられる単位レンズ形状112の形状に対応した形状に形成されることとなる。
レンズシート11の製造方法の一例は、以下の通りである。
まず、図6(a)に示すように、PET樹脂製等の基材用のシート状の部材(以下、基材層という)51を用意し、図6(b)に示すように、その片面にメラミン樹脂やアクリル樹脂等を塗布して硬化させ、剥離層52を形成する。
次に、図6(d)に示すように、光透過部111間の溝部分に、光吸収部113を形成する材料(光吸収材を含有した液状のバインダ)をワイピング(スキージング)して充填し、硬化させて、光吸収部113を形成する。ここで、光透過部111を囲むようにして光吸収部113を適正に形成する観点から、光吸収部113を形成する材料のワイピングは、複数の方向から行われるのが望ましい。
その後、所定の大きさに裁断して整え、図6(e)に示すように、剥離層52ごと基材層51を剥離する。そして、不図示の反射防止層を単位レンズ形状112のレンズ形状面11a(表面)に形成する等し、図6(f)に示すように、レンズシート11が形成される。
例えば、基材層51及び剥離層52は、基材層に予め剥離層が形成されている汎用の部材を使用してもよい。また、基材層51は、上記の材料に限らず、トリアセチルセルロース(TAC)、ポリエステル、ポリカーボネート(PC)、ポリウレタン系樹脂、ポリアクリル系樹脂等を用いて形成してもよいし、剥離層52は、上記の材料に限らず、シリコーン系材料やフッ素化合物系材料等を用いて形成してもよい。
また、例えば、基材層51が剥離層52を有しておらず、光透過部111及び光吸収部113を形成後に、基材層51に相当する部分を削る等により、レンズシート11を形成してもよい。
また、例えば、光吸収部113は、光透過部111間の溝部分に光吸収部113を形成する材料を、真空充填等により充填して形成されるようにしてもよいし、毛細管現象を利用した充填方法により形成されるようにしてもよい。
接合層15は、粘着剤又は接着剤により形成され、光透過性を有している。この接合層15の屈折率N3は、レンズシート11及び接合層15の界面における光の屈折を防止する観点から、レンズシート11の光透過部111の屈折率N1と等しいことが好ましい。
また、イメージセンサ14は、駆動時に発熱し、約40℃前後まで表面温度が上昇する。そのため、イメージセンサ14の発熱によるレンズシート11の反り等の変形を抑制する観点から、接合層15は、耐熱性を有することが好ましい。
このような接合層15としては、エポキシ樹脂製、ウレタン樹脂製等の粘着剤、接着剤が好適である。
なお、接合層15は、その屈折率N3が光透過部111の屈折率N1よりも小さいものも適用可能である。このような接合層15としては、例えば、シリコーン系粘着剤等が挙げられる。
レンズシート11は、光学的には、マイクロレンズが2次元方向(X方向及びY方向)に配置され、マイクロレンズ間に遮光壁が形成された状態に略等しい。
イメージセンサ14を構成する複数の画素は、イメージセンサ14の受光面である被写体側の表面に、2次元方向に配列されている。本実施形態では、イメージセンサ14の画素は、左右方向及び上下方向(X方向及びY方向)に複数配列されているものとする。
このようなイメージセンサ14としては、例えば、CCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等が好適に用いられる。
本実施形態では、このイメージセンサ14として、CMOSが用いられている。
そして、イメージセンサ14の受光面上には、このレンズシート11により結像された像が、それぞれ重なることなく形成される。
撮影時、撮像モジュール10により得られた、各画素が検出した入射光の強度及び入射方向の情報は、記憶部に記憶され、また、制御部により各種演算等が行われることにより、その焦点距離や被写界深度等を変更した(リフォーカス処理を行った)画像データとして生成可能である。
一般的に、ライトフィールドカメラでは、マイクロレンズアレイの1つのマイクロレンズに対して所定の領域内に位置する複数個の画素141(画素群)が対応している。そして、それぞれのマイクロレンズによる像が、例えば、図7(a)に示すように、対応する領域内に投影されることが重要である。
また、従来のライトフィールドカメラは、撮像レンズや、マイクロレンズアレイとは別体の光線分割用の隔壁シート等が必要である。しかし、本実施形態によれば、いずれも不要であるので、ライトフィールドカメラとしても、薄型化及び軽量化、生産コストの低減等を図ることができる。
以下に、レンズシート11の別な形態について説明する。
図8は、レンズシート11の別な形態の一例を示す図である。図8(a)は、図3(a)に対応する断面図であり、図8(b)は、図4(a)に対応する断面図である。
図8(a)及び図8(b)に示すように、レンズシート11は、裏面11b側に基材層51が一体に積層された形態としてもよい。
図9は、撮像モジュールの別な形態を示す図である。
撮像モジュール10は、図9に示すように、レンズシート11とイメージセンサ14との間に、レンズシート11と同様な形態を有するレンズシート12を更に設けるようにした形態としてもよい。例えば、レンズの収差の補正等が必要な場合に有効である。
この場合、レンズシート12がイメージセンサ14に対して接合層15により接合される。レンズシート12は、単位レンズ形状122が設けられるレンズ形状面12aを、レンズシート11側に向くようにして配置されてもよく、また、イメージセンサ14側を向くようにして配置されてもよい。また、レンズシート12の単位レンズ形状122の各寸法は、レンズシート11と同等にしてもよく、また相違するようにしてもよい。
このとき、レンズシート11の裏面11b(イメージセンサ14側(−Z側)の面)が、イメージセンサ14の受光面の傷つきを防止したり、イメージセンサ14とレンズシート11との光学密着を防止したりする観点から、裏面11bを微細凹凸形状が形成されたマット面とすることが好ましい。
また、接合層15を設けない場合、レンズシート11とイメージセンサ14との間にスペーサを配置する等して、イメージセンサ14とレンズシート11との光学密着やイメージセンサ14の受光面の傷付き等を防止してもよい。
図10は、レンズシート11の単位レンズ形状112の別な形態を示す図である。図10(a)は、レンズシート11の厚み方向の被写体側から見た正面図である。図10(b)、図10(c)は、それぞれ図10(a)のb部断面図、c部断面図である。
単位レンズ形状112(光透過部111)は、図10(a)に示すように、レンズシート11のシート面の法線方向(Z方向)から見た形状が矩形状(正方形状)に形成されるようにしてもよい。この場合、単位レンズ形状112は、被写体側(+Z側)に膨らんだ略四角錐形状に形成される。具体的には、単位レンズ形状112は、図10(b)及び図10(c)に示すように、四角錐形状の角部(頂部や稜線)が面取りされ、曲面状に形成された形態となる。
また、単位レンズ形状112(光透過部111)は、レンズシート11のシート面の法線方向(Z方向)から見た形状が多角形状となる略多角錐形状に形成され、その略多角錐形状がシート面の被写体側(+Z側)に膨らみ、角部(頂部や稜線)が面取りされた形態となるようにしてもよい。
以上説明した各実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の範囲内である。
(1)上述の実施形態において、撮像モジュール10及びカメラ1は、レンズシート11とイメージセンサ14との間に、赤外線を遮蔽する赤外線遮蔽層が設けられるようにしてもよい。これにより、昼間撮影時において、画像にノイズを発生させる赤外線(特に、波長域が700〜1100μmである近赤外線)を遮蔽することができ、良好な映像を撮影することができる。
なお、この場合、夜間撮影時において撮像モジュール10に入射する赤外光が遮蔽されてしまうのを防ぐために、カメラ1には、赤外線遮蔽層を光軸O上から退避させる退避機構等を設ける必要がある。
また、赤外線遮蔽層は、例えば、レンズシート11のレンズ形状面11a側に配置されるようにしてもよく、イメージセンサ14よりも被写体側であれば、特にその位置を限定されるものでない。
また、赤外線遮蔽層は、赤外線を反射することにより遮蔽する場合、例えば、酸化亜鉛、酸化チタン、ITO、ATO等のスパッタリング膜、蒸着膜等(高屈折率層と低屈折率層の多層誘電膜等)により形成される。
また、例えば、23.6×15.8mm、36×24mm、43.8×32.8mm等の大きな受光面を有するイメージセンサ14を使用することにより、ノイズの低減や取得する焦点距離や被写界深度等の情報の精度や情報量の向上を図り、画質のさらなる向上や、カメラの性能向上を図ってもよい。
10 撮像モジュール
11 レンズシート
111 光透過部
112 単位レンズ形状
113 光吸収部
14 イメージセンサ
15 接合層
20 開口部
30 筐体
40 成形型
41 穴形状
Claims (4)
- 入射する光を電気信号に変換する複数の画素が2次元配列された撮像素子部と、
前記撮像素子部よりも光の入射側に配置されるレンズシートとを備え、
前記レンズシートは、
その裏面が前記撮像素子部と対向するようにして配置され、
シート面に沿って複数の方向に配列され、光の入射側の面に凸状の単位レンズ形状を有する光透過部と、
互いに隣り合う前記光透過部間に、各前記光透過部を囲むようにして設けられ、該レンズシートの厚み方向に沿って、前記単位レンズ形状側の面から反対側である該レンズシートの裏面側に延びる光吸収部と、
を備え、
前記単位レンズ形状は、シート面の法線方向から見た形状が円形状に形成されており、
前記光透過部のうち前記単位レンズ形状以外の部分は、円錐台形状に形成されており、
前記光吸収部は、前記光透過部の円錐台形状の側面を覆うようにして形成され、前記側面と、シート面の法線方向とのなす角度θが、θ≦10°であり、
前記単位レンズ形状は、前記撮像素子部の複数の画素に対応するように配置されること、
を特徴とする撮像モジュール。 - 請求項1に記載の撮像モジュールにおいて、
前記光透過部の屈折率N1と前記光吸収部の屈折率N2とは、N1≦N2を満たすこと、
を特徴とする撮像モジュール。 - 請求項1又は請求項2に記載の撮像モジュールにおいて、
前記レンズシートと、前記撮像素子部との間に、請求項1又は請求項2に記載の第2のレンズシートを更に備えること、
を特徴とする撮像モジュール。 - 請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の撮像モジュールを備える撮像装置。
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