JP2013174784A - カメラモジュール、カメラモジュールの組み付け方法、レンズアレイの製造方法及び金型 - Google Patents

Abstract

【課題】十分な組み付け精度を確保することができ、かつ、部品形状が簡単であり、低コストで小型化、かつ測距精度の高い測距カメラモジュールを提供する。
【解決手段】シリコン基板上に複数の撮像素子を平面状に配列して一体化した二次元センサアレイ４と、複数のレンズ部を配列して一体化したレンズアレイ２と、レンズ部から撮像素子までの結像距離を保持するための保持部材３とを備え、レンズアレイ２に形成された複数のレンズ部により得られる複数の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することのできる測距カメラモジュールにおいて、レンズ部と撮像素子とがそれぞれ１対１で対応するように配置され、レンズアレイのそれぞれのレンズ部の外周にレンズ部と同心円状に段差部７が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、レンズアレイ等の複眼光学系を用いる測距カメラモジュール、測距カメラモジュールの組み付け方法、および測距カメラモジュール用レンズアレイ製造方法及びその金型に関する。

レンズアレイ等の複眼光学系を用いることで、被写体の画像を入力するためのカメラモジュールの薄型・小型化を図ることができる。特に、上記レンズアレイに形成された複数のレンズから視差のある複数の画像を得ることができるため、前記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することのできる非常に薄型・小型の測距カメラモジュールを実現することができることが既に知られている。
これら複眼光学系を用いたカメラモジュールの構成としては、図７の構成例（断面外略図）に示されるようなシリコン基板１０１上に複数の撮像部１０２が平面状に形成配列された二次元センサアレイ１０３と、複数のレンズが配列一体化したレンズアレイ１０４と、前記レンズから撮像部までの結像距離を保持するための保持部材１０５からなり、個々のレンズ１０４ａ、１０４ｂと撮像部が１対１で対応するように配置されたものが知られている。

しかし、このような複眼光学系を用いたカメラモジュール、特に測距モジュールとして適用した場合には、組み付け時にレンズ１０４ａ、１０４ｂと撮像素子１０２との相互間の位置誤差があると、その誤差に起因して演算で算出した視差に誤差が生じ、測定距離の精度が悪化してしまうといった問題が生じる。
図７に示されるような、複数のレンズ及び撮像素子がアレイ化し、一体となって構成された部品を用いた場合には、個々のレンズや撮像素子の間隔（基線長）や回転については、所望の部品公差に加工することで抑えることができる。
しかし、図８に示すように、複数のレンズ１０４、撮像素子１０２がアレイ化されたレンズアレイと二次元センサアレイ１０３そのものが、組み付け時にＸ方向、Ｙ方向（図８（Ａ））や回転方向（図８（Ｂ））でずれると所望の撮像領域での距離画像を得ることができない、両者のＸ方向での間隔が変わるため、視差誤差が生じて結果として測定距離の精度が悪化するといった問題が生じる（図８は二次元センサアレイとレンズアレイのみについて、それらの位置関係を面内方向から示した図である）。
なお、図８およびその他の図において、Ｘ方向は紙面横方向とし、Ｙ方向は紙面縦方向とする。

特許文献１には、複雑でコスト高となる調整機構を用いることなく、簡便に組み立てても距離精度を向上させることができるカメラモジュールを提供する目的で、レンズアレイ、撮像素子、遮光壁の構成からなるカメラモジュールが開示されている。ここでは、遮光壁に、レンズアレイ及び撮像素子を当接するための基準面が設けられおり、前記基準面にレンズアレイ及び撮像素子を当接させることで、お互いに位置決めされる構成が開示されている。
このように、各レンズの光軸と撮像素子との間で高精度な位置決めが求められている。
しかしながら、レンズアレイの外形と撮像素子の外形とを基準として遮光壁の基準面と突き当てているために、レンズアレイ、撮像素子、遮光壁それぞれの外形精度、平坦度、平行度や基準となる外形から各撮像素子やレンズまでの位置精度等の影響を受ける。即ち、それぞれの撮像素子の形状誤差が累積されるため、十分な組み付け精度を確保することが難しいといった問題があった。
また、各構成部品に基準面等が必要となるため、部品形状が複雑化し、コスト増となると同時にカメラモジュール自体も大型化するといった問題があった。

本発明は、複数の撮像素子が平面状に配列された二次元センサアレイと、複数のレンズ部が配列一体化したレンズアレイを用いた測距カメラモジュールにおいて、十分な組み付け精度を確保することができ、かつ、部品形状が簡単であり、低コストで小型化、かつ測距精度の高い測距カメラモジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、基板上に複数の撮像素子を平面状に配列して一体化した二次元センサアレイと、複数のレンズ部を配列して一体化したレンズアレイと、前記レンズ部から撮像素子までの結像距離を保持するための保持部材と、を備えたカメラモジュールにおいて、前記レンズ部と前記撮像素子とがそれぞれ１対１で対応するように配置され、前記レンズアレイのそれぞれのレンズ部の外周にレンズ部と同心円状に段差部が形成されていることを特徴とするカメラモジュールを特徴とする。

本発明によれば、基板上に複数の撮像素子が平面状に形成された二次元センサアレイと、複数のレンズ部が配列一体化したレンズアレイを用意し、前記二次元センサアレイとレンズアレイの組み付けにおいて、１対１で対応する個々のレンズ部と撮像素子を直接アライメントするので、レンズアレイ等の複眼光学系を用いた測距カメラモジュールにおいて、小型、低コストで高精度な測距精度を実現することができる。

本発明の第１実施形態に係わる測距カメラモジュールの構成を示す断面概略図。 第１実施形態における測距カメラモジュールのレンズアレイとの位置を調整する前の状態を示す断面概略図。 図１に示す段差部の変形例を示す図。 第２実施形態におけるレンズアレイの製造方法に関わる金型のキャビティ駒を拡大して示す図。 本発明の第３実施形態に係わる測距カメラモジュールのレンズアレイとの位置を調整する前の状態を示す断面概略図。 二次元センサアレイと保持部材とを予め接合して一体化したことを示す図。 従来の複眼光学系に用いたカメラモジュールの構成を示す断面外略図。 従来の二次元センサアレイとレンズアレイのみについて、それらの位置関係を面内方向から示した図。

以下に、図面を参照して、本発明の実施形態に係わるカメラモジュールの一例としての測距カメラモジュールについて説明する。
本実施形態は、複眼光学系を用いた測距カメラモジュールの構造及び組み付け方法において、以下の特徴を有する。
要するに、シリコン基板上に複数の撮像素子が平面状に形成配列された二次元センサアレイと、複数のレンズ部（レンズ）が配列一体化したレンズアレイと、レンズ部から撮像素子までの結像距離を保持するための保持部材からなり、個々のレンズ部と撮像素子が１対１で対応するように配置された測距カメラモジュールにおいて、レンズアレイの個々レンズ部外周にレンズ部と同心円状に段差部が形成され、段差部の中心座標（レンズ部の光軸に相当する）と撮像素子の中心座標をアライメント用カメラ等で検出し、得られた座標情報に基づいて複数のレンズ部と撮像素子のＸ方向、Ｙ方向、回転方向を調整し組み付けるようにしたことが特徴になっている。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係わる測距カメラモジュール１の構成を示す断面概略図である。
測距カメラモジュール１は、レンズアレイ２、保持部材３、二次元センサアレイ４から構成され、それぞれの部品が積層接合された構造となっている。レンズアレイ２では、両凸レンズからなるレンズ部５を２個配列し、一体化された構造となり、少なくともレンズ部５の二次元センサアレイ４側のレンズ曲面部６の外周には、レンズ部５と同心円状に形成された段差部７が形成されている。
二次元センサアレイ４は、シリコン基板（基板）８上に複数の撮像素子９が平面状に形成配列され、個々のレンズ部５と撮像素子９が１対１で対応するように配置されている。ここで、上述した複数の撮像素子９が平面状に形成配列され二次元センサアレイ４は、半導体ウエハから所望の個数の撮像素子を切り出すことで、容易に低コストで得ることができる。
また保持部材３は、上記レンズ部５の外周に形成された段差部６及び二次元センサアレイ４の撮像素子９の外周１１以上の大きさで形成された開口部１０が、個々のレンズ部５、撮像部９にあわせて２箇所形成されている。ここで、レンズアレイ２の材質は、所望の材料特性（線膨張係数、耐熱性等）、光学特性（屈折率、アッベ数、透過率等）から適宜選択されるものであり、ガラス、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等の材質が選択される。

一方、保持部材３については、外光の影響や隣り合うレンズ部５からの光線のクロストークの影響でフレア等の問題が生じることを避けるため、光を透過しない部材で構成されていることが好ましい。例えば、ＳＵＳ等の金属、着色樹脂、セラミック、シリコン等が選択されることが好ましい。
また、透明部材であってもブラスト処理や塗装等を施し、光が透過しないように処理をしておけば、使用可能である。この場合には、レンズアレイ２と保持部材３を一体化して同時形成することもできる。
一方、レンズアレイ２と保持部材３の線膨張係数が大きく異なると、使用環境温度によってレンズアレイ２に歪が生じる、レンズアレイ２と保持部材３が剥離する、前記構成部材にクラックが発生するといった問題が生じる場合がある。このため、レンズアレイ２に合わせて線膨張係数が近いものを選択することが好ましい。

図２は、本実施形態における測距カメラモジュール１のレンズアレイ２との位置を調整する前の状態を示す断面概略図である。ここで、図２の右側には、レンズアレイ２及び二次元センサアレイ４それぞれを保持部材３との接合面側から（それぞれ図２中の矢印（Ｃ）及び（Ｄ）の方向から）見た図を示している。
本実施形態では、レンズアレイ２のレンズ部５の外周に同心円状に形成された段差部７のエッジを図示しないアライメントカメラで認識させ、その中心（Ａ）、（Ａ‘）の座標を抽出する。一方、二次元センサアレイ４の撮像素子９外周１１についても同様に認識させ、その中心（Ｂ）、（Ｂ’）の座標を抽出する。次いで、中心（Ａ）、（Ａ‘）の座標、中心（Ｂ）、（Ｂ’）の（Ｘ、Ｙ）座標が一致するように、レンズアレイ２と二次元センサアレイ４とのＸ方向、Ｙ方向、回転方向の位置を調節し、その後、レンズアレイ２、保持部材３、二次元センサアレイ４を積層接合するように組み付ける。

本実施形態によれば、レンズ部５の中心と段差部７の中心は、同一部品であるため両者の位置精度は、数ミクロンレベルで一致しているおり、レンズ部５の中心と段差構造部７の中心位置座標はほぼ同一とみなすことができる。
従って、レンズアレイ２のレンズ部５の外周に同心円状に形成された段差部７と二次元センサアレイ４に形成されている撮像素子９の中心を直接アライメントすることができ、二次元センサアレイ４と、レンズアレイ２のＸ方向、Ｙ方向、回転方向のずれを高精度に位置合わせすることができ、測距精度の高い測距カメラモジュール１を提供することができる。
また、位置合わせするための基準面等の必要がなく、各部品の構造が非常に簡素であり、同時にコスト低減、小型化を実現することができる。
なお、図２の右側に図示されるレンズアレイ２を保持部材３との接合面側から見た図にあるレンズ部５と同心円状の破線は、（Ｅ）部拡大図に示すレンズアレイ２のレンズ部５の曲面部６と平坦部１２の境界１３を示している。本実施形態においては、レンズ部５の曲面部６と平坦部１２の境界１３から、レンズ部５の中心を抽出しても良い。但し、境界１３がエッジ形状となると、レンズアレイ２を加工（成形）する際に応力が集中し、レンズ部５に歪が発生するため好ましくない。

一般的には、境界１３の角にＲを設けて応力の集中を緩和させる必要がある。その場合には、境界１３は明確な輪郭が形成されず、その位置をアライメントとして正確なレンズ部５の中心を抽出することはできない。本実施形態で説明したように、境界１３から離れた位置に段差部７を形成し、段差部７のエッジをアライメントすることで、上述したレンズ部５に歪が発生することを防ぎかつ、段差部７のエッジ部を検出することで精度良くレンズ部５の中心座標を抽出することができる。
なお、ここで本実施形態における測距カメラモジュール１で正確な位置関係が求められるのは、レンズアレイ２と二次元センサアレイ４である。保持部材３については、前述した、レンズアレイ２と二次元センサアレイ４の位置決めほど精度を求められるものではない。保持部材３は、レンズ部５を透過する光線が、センサに到達する途中で保持部材３の内部壁面にけられない大きさ以上の開口部１０を有し、組み付け時に位置されていれば良い。
このように、レンズアレイに形成された段差部と二次元センサアレイに形成された撮像部の中心を直接アライメントすることで、複数の撮像部が平面状に形成配列された２次元センサアレイと、複数のレンズが配列して一体化したレンズアレイのＸ方向、Ｙ方向、回転方向のずれを高精度に位置合わせすることができ、測距精度の高い測距カメラモジュールを提供することができる。また、位置合わせするための基準面等の必要がなく、各部品の構造が非常に簡素であり、同時にコスト低減、小型化を実現することができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係わるレンズアレイ２の製造方法について説明する。切削等で個々に作製するとコスト高になるため、射出成形やプレス成形のようにレンズアレイ２の反転形状が加工された金型の転写面を転写する方法で作製される。図４に、本実施形態におけるレンズアレイ２の製造方法に関わる金型のキャビティ駒１４を拡大して示す。
本実施形態において、レンズアレイ２を作製するための金型は、図４に示すように、レンズ部５の外形に相当する部分が入れ子になり、入れ子がキャビティ駒１４に圧入された構造となっている。このとき、図４（Ａ）、（Ｂ）で示すように、前記入れ子１４がキャビティ駒１５の平坦部１２（図２（Ｅ）参照）に対して突出（『でっぱる』）高さもしくは陥没（『へこむ』）深さで設計し、圧入することで、レンズ部５の外周に段差部７を、特別な加工を施すことなく容易に形成することができる。

図３は、図１に示す段差部の変形例を示す図である。
本実施形態では、レンズ部５の外周に形成される構造は図１に示すような段差部７の形状に限定されることなく、例えば、図３（Ｂ）に示すように、直角三角形状に陥没した段差形状、図３（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、凹部１６、凸部１７となる段差形状としても良い。
また、段差部７ａ、７ｂ、１６、１７はアライメント用カメラでエッジを検出できればよく、図３（Ｃ）に示すような矩形形状ではなく、テーパ形状としても良い。この場合は、加工時の離型性が向上するといったメリットがある。

ここで、レンズアレイ２を製造するための金型のキャビティ駒１４の製造方法について説明する。
自由曲面加工機を用いれば、複雑形状の機械加工が可能であり、図４に示すように、レンズアレイ２を転写するためのキャビティ駒１４の加工において、バイト１８をＸ方向、Ｙ方向に送り、レンズ部５及び平坦部１２（図２（Ｅ）参照）の転写面を同時加工することができる。
この場合、加工工数が減り、段取りが少なくなるといった効果がある。但し、レンズ部５の転写面１９の精度を得るために、送りピッチを短くする必要があり、一度に加工する時間が非常に長くなるといった問題が生じ、その場合は、バイト１８の磨耗の影響でレンズ部５の転写面１９の形状において精度の悪化が生じる。

一方、図３に示すように、レンズ部５を転写させる部分だけを入れ子構造とした場合は工数が増えるが、レンズ部５の入れ子１５が回転対象形状であるため、図３（Ｂ）に示すように、ワーク（入れ子１５）を回転して加工することができる。
即ち、超精密旋盤を用いて高速（短時間）に精度良く加工が可能となり、上述したバイト１８による磨耗の影響を避けることができる。
図３に示すように、レンズ部５の転写面１９を入れ子構造として金型を形成することは、容易に段差部７を形成できるだけでなく、転写面１９の形状精度を確保する上でも有効な構成である。
このように、レンズ部外形に段差形状を容易かつ低コストに形成することができる。また、入れ子形状とすることで、転写駒の形状精度を出すことが容易、すなわち、転写品であるレンズ部の形状精度を高いレンズアレイを得ることができる。

＜第３実施形態＞
図５は、本発明の第３実施形態に係わる測距カメラモジュール１のレンズアレイ２との位置を調整する前の状態を示す断面概略図である。本実施形態では、レンズアレイ２と保持部材３は予め接合して一体化されており、一体化されたレンズアレイ２、保持部材３と、二次元センサアレイ４の位置調整をするようになっている。
なお、図５の右側には、レンズアレイ２と保持部材３の一体化品と２次元センサアレイ４の接合面側から（それぞれ図２中の小矢印（Ｃ）及び（Ｄ）の方向から）見た図を示している。
本実施形態における保持部材３の開口部１０は、少なくともレンズアレイ２のレンズ部５の外周に形成された同心円状の段差部７のエッジ外形より大きく形成され、保持部材３の開口部１０側から段差部７が認識できるように予め一体化されている。
本実施形態においては、１眼で上下に視野レンズがつき同軸観察が可能なカメラ（図示しない）をレンズアレイ２と保持部材３の一体化品と二次元センサアレイ４の接合面に挿入する。

第１実施形態にあっては、レンズアレイ２、二次元センサアレイ４のレンズ部５及び撮像素子９の外周１１を別々に検出してその中心座標を抽出するように構成した。
これに対して、本実施形態では、１つのカメラで同時に両者を認識し、その中心座標の位置ずれ量を算出することができる。即ち設備や組み付け工程の簡素化し、そのタクトを短くすることができる。
また、図６に示すように、二次元センサアレイ２と保持部材３とを予め接合して一体化し、レンズアレイ２と一体化された二次元センサアレイ２、保持部材３の位置調整をするようにしても良い。この場合、１眼で上下に視野レンズがつき同軸観察が可能なカメラをレンズアレイ２と、保持部材３と２次元センサアレイ４の接合面に挿入することで、前述と同様の効果が得られる。
なお、本実施形態では、保持部材３の開口部１０は、少なくとも二次元センサアレイ２に形成された撮像素子９の外周１１より大きく形成され、保持部材３の開口部１０側から撮像素子の外周１１の外形が認識できるように予め一体化されている。

このように、測距カメラモジュールに適用されるレンズアレイの製造方法において、レンズアレイの反転形状が加工された金型を転写することで製造され、金型はレンズアレイのレンズ部を入れ子構造とし、入れ子と金型の段差部とを用いて、レンズアレイのそれぞれのレンズ部の外周にレンズ部と同心円状に段差部を形成することで、複数の撮像素子が平面状に形成配列された２次元センサアレイと、複数のレンズ部が配列して一体化したレンズアレイのＸ方向、Ｙ方向、回転方向のずれを高精度に位置合わせすることができ、測距精度の高い測距カメラモジュールを提供することができる。また、位置合わせするための基準面等の必要がなく、各部品の構造が非常に簡素であり、同時にコスト低減、小型化を実現することができる。
このように、測距カメラモジュールに適用されるレンズアレイを製造するための金型において、レンズアレイの反転形状となる、レンズアレイのレンズ部を入れ子構造とし、レンズアレイのそれぞれのレンズ部の外周に形成されるレンズ部と同心円状の段差部を有することで、レンズ部外形に段差形状を容易かつ低コストに形成することができる。また、入れ子形状とすることで、転写駒の形状精度を出すことが容易、すなわち、転写品であるレンズ部の形状精度を高いレンズアレイを得ることができる。

＜他の実施形態＞
第１乃至第３実施形態では、レンズ部５が２個配列されたレンズアレイ２について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、レンズ部５が２個以上形成される場合についても適用することができる。

１ 測距カメラモジュール、２ レンズアレイ、３ 保持部材、４ 二次元センサアレイ、５ レンズ部、６ 曲面部、７ 段差部、８ シリコン基板、９ 撮像部、１０ 開口部、１１ 撮像部の外周、１２ 平坦部、１３ 曲面部と平坦部の境界、１４ キャビティ駒、１５ 入れ子、１６ 凹部、１７ 凸部、１８ バイト、１９ 転写面

特開２００９−１６４６５４号公報

Claims (7)

1. 基板上に複数の撮像素子を平面状に配列して一体化した二次元センサアレイと、
   複数のレンズ部を配列して一体化したレンズアレイと、
   前記レンズ部から撮像素子までの結像距離を保持するための保持部材と、を備えたカメラモジュールにおいて、
   前記レンズ部と前記撮像素子とがそれぞれ１対１で対応するように配置され、前記レンズアレイのそれぞれのレンズ部の外周にレンズ部と同心円状に段差部が形成されていることを特徴とするカメラモジュール。
2. 前記段差部は、突起または陥没した直角三角形状、凹形状または凸形状からなることを特徴とする請求項１記載のカメラモジュール。
3. 請求項１または２記載のカメラモジュールの組み付け方法において、
   前記レンズアレイのそれぞれのレンズ部の外周にレンズ部と同心円状に形成された段差部の外形と、複数の撮像素子が平面状に配列一体化された二次元センサアレイの撮像素子の外形とを認識し、それぞれの中心座標を抽出し、得られた中心座標情報に基づいて、レンズアレイと二次元センサアレイのＸ方向、Ｙ方向、回転方向の位置が合うように調整して組み付けることを特徴とするカメラモジュールの組み付け方法。
4. 請求項１または２記載のカメラモジュールに適用されるレンズアレイの製造方法において、
   前記レンズアレイの反転形状が加工された金型を転写することで製造され、
   前記金型は、前記レンズアレイのレンズ部を入れ子構造とし、前記入れ子と金型の段差部とを用いて、前記レンズアレイのそれぞれのレンズ部の外周にレンズ部と同心円状に段差部を形成することを特徴とするレンズアレイの製造方法。
5. 前記段差部は、突起または陥没した直角三角形状、凹形状または凸形状からなることを特徴とする請求項４記載のレンズアレイの製造方法。
6. 請求項１または２記載のカメラモジュールに適用されるレンズアレイを製造するための金型において、
   前記レンズアレイの反転形状となる、前記レンズアレイのレンズ部を入れ子構造とし、前記レンズアレイのそれぞれのレンズ部の外周に形成されるレンズ部と同心円状の段差部を有することを特徴とする金型。
7. 前記段差部は、突起または陥没した直角三角形状、凹形状または凸形状からなることを特徴とする請求項６記載の金型。

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