JP7124366B2 - 撮像素子固定構造及び撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置に搭載される撮像素子の固定構造、及び撮像装置に関する。

近年の撮像装置では、装置の小型化や、撮像する画像の高解像度化が進んでいる。それに伴い、撮像光学系に対する撮像素子の位置精度が光学性能に及ぼす影響が大きくなっている。そのため、撮像光学系に対して撮像素子を高精度に位置を定めて保持する必要がある。

撮像素子は、撮像光学系を保持する本体部材に対して固定される。撮像素子を支持する基板が撮像素子よりも大きい場合、撮像素子の周囲の基板領域に対して保持部材を固定するのが一般的である。このような既存の固定構造とは異なるものとして、撮像素子の外周部に保持部材を配置して接着する技術が提案されている（特許文献１）。

特許第５７５４２７１号公報

特許文献１の固定構造では、撮像素子の外形形状よりも外側に保持部材が配置されるため、撮像面に対して垂直な方向での厚みを抑えられるが、その一方で、撮像面に沿う方向での小型化には制約があった。

本発明は、以上の問題意識に基づいてなされたものであり、撮像面に沿う方向で省スペースに撮像素子を保持可能な撮像素子固定構造を提供することを目的とする。

本発明は、撮像光学系と、前記撮像光学系により形成された像を受光する撮像素子とを有し、前記撮像素子の撮像面のうち、前記撮像光学系による像を受光する有効領域外の周縁領域に対して、前記撮像光学系を保持する本体部材を固定し、前記本体部材は、前記撮像光学系を構成するプリズムを保持するプリズム枠であり、前記プリズム枠のうち前記プリズムの両側面を保持する一対の側壁部、または前記一対の側壁部に対して固定される一対の保持部材が、前記撮像面の前記周縁領域に固定されることを特徴とする。

本発明によれば、撮像素子の撮像面のうち、撮像光学系による像を受光する有効領域外の周縁領域を利用して本体部材を固定したことにより、撮像面に沿う方向において省スペースな構造で撮像素子の保持を行うことができる。

本実施形態の撮像装置の斜視図である。 撮像装置を構成する２つの鏡筒を分割した状態の斜視図である。 撮像装置を側方から見た図である。 撮像素子ユニットを撮像面側から見た図である。 保持部材を介して第３プリズム枠に撮像素子ユニットを組み付けた状態の斜視図である。 第３プリズム枠から撮像素子ユニットと保持部材を分解した状態の斜視図である。 撮像素子固定構造の断面図である。 撮像素子固定構造の第１の変形例を示す断面図である。 撮像素子固定構造の第２の変形例を示す断面図である。 撮像素子固定構造の第３の変形例を示す断面図である。

以下、図面を参照して、本発明を適用した実施形態の撮像装置を説明する。本実施形態の撮像装置１０は、同一形状の２つの鏡筒１１Ａ、１１Ｂ（図２）を対称に組み合わせて構成される。以下の説明中の前、後、上、下、左、右の各方向は、各図に記載した矢線方向を基準とする。

個々の鏡筒１１Ａ、１１Ｂはそれぞれ、撮像光学系を構成する光学要素として、物体側から順に、前群Ｆ、第１プリズムＰ１、第２プリズムＰ２、後群（図示略）、第３プリズムＰ３を有する。第３プリズムＰ３の出射面に対向する位置に撮像素子２０が配置されている。

鏡筒１１Ａと鏡筒１１Ｂは、互いの前群Ｆが前後逆向きになり、且つ互いの前群Ｆの光軸が同軸上に並ぶように組み合わされる。鏡筒１１Ａの第１プリズムＰ１と鏡筒１１Ｂの第１プリズムＰ１は、互いの斜面が背中合わせに近接して配置されている。鏡筒１１Ａの第１プリズムＰ１は、前群Ｆから入射した光束を左方に反射し、鏡筒１１Ｂの第１プリズムＰ１は、前群Ｆから入射した光束を右方に反射する。鏡筒１１Ａ、１１Ｂのそれぞれの第２プリズムＰ２は、第１プリズムＰ１で反射された光束を下方に反射する。鏡筒１１Ａの第３プリズムＰ３は、第２プリズムＰ２で反射されて後群（図示略）を通った光束を右方に反射する。鏡筒１１Ｂの第３プリズムＰ３は、第２プリズムＰ２で反射されて後群（図示略）を通った光束を左方に反射する。

図６や図７に示すように、第３プリズムＰ３は、後群に対向する入射面Ｐ３ａと、撮像素子２０に対向する出射面Ｐ３ｂと、入射面Ｐ３ａと出射面Ｐ３ｂの間に位置して反射面を形成する斜面Ｐ３ｃとを有する。出射面Ｐ３ｂは、撮像素子２０側に突出する凸面となっている。第３プリズムＰ３の側部には、入射面Ｐ３ａ及び斜面Ｐ３ｃに対して略垂直で互いに平行な一対の側面Ｐ３ｄが形成されている。

鏡筒１１Ａの撮像素子２０は撮像面を左方に向けて配置され、鏡筒１１Ｂの撮像素子２０は撮像面を右方に向けて配置される。図４や図６に示すように、撮像素子２０の撮像面は矩形であり、矩形のカバーガラス２１によって撮像面が覆われている。本発明における撮像面は、カバーガラス２１により覆われた状態を含む概念とする。

撮像素子２０の裏面（撮像面とは反対側の面）には基板２２が設けられており、基板２２にコネクタ２２ａが形成されている。撮像光学系により形成された被写体像は、撮像素子２０の撮像面上に結像し、光電変換されて画像信号が生成される。基板２２からコネクタ２２ａを介して、撮像装置１０に設けた別の基板（図示略）に対して画像信号が送られる。撮像素子２０と基板２２を組み合わせたものを撮像素子ユニット２３と呼ぶ。鏡筒１１Ａの撮像素子ユニット２３と鏡筒１１Ｂの撮像素子ユニット２３は、互いの基板２２の裏面（撮像素子２０が設けられている側とは反対側の面）が背中合わせとなるように配置されている。

各鏡筒１１Ａ、１１Ｂの撮像光学系は、１８０度より広い画角を有しており、撮像素子２０の撮像面内にイメージサークルＲ（図４）が収まる全周（円周）魚眼レンズである。すなわち、撮像素子２０の撮像面のうちイメージサークルＲの範囲内が、撮影時に画像の形成に用いられる有効領域である。そして、各鏡筒１１Ａ、１１Ｂの撮像素子２０に結像した２つの像を合成することにより４πラジアンの立体角内の像を得る、全天球型の撮像システムとなっている。

各鏡筒１１Ａ、１１Ｂの撮像光学系は、複数のプリズム（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）を用いて光路を複数回屈曲させることにより、前後方向に薄型に構成されている。また、各鏡筒１１Ａ、１１Ｂは互いの撮像素子ユニット２３を左右方向に並べて（背中合わせに）配置し、且つ撮像素子２０の撮像面の短辺方向が前後方向に向き長辺方向が上下方向に向くように配置されている。これにより、２つの鏡筒１１Ａ、１１Ｂにおける撮像システム全体が前後方向に薄型になり、鏡筒１１Ａ、１１Ｂ間の視差を少なくして高品質な全天球画像を得ることが可能となっている。

鏡筒１１Ａ、１１Ｂはそれぞれ、撮像光学系を保持する本体部材として、前群Ｆを保持する前群枠１２、第１プリズムＰ１及び第２プリズムＰ２を保持するベース枠１３、後群を保持する後群枠１４、第３プリズムＰ３を保持する第３プリズム枠１５を有している。前群枠１２、ベース枠１３、後群枠１４、第３プリズム枠１５は、それぞれプラスチック等の成形品として形成される。ベース枠１３に対して前群枠１２及び後群枠１４が固定され、後群枠１４に対して第３プリズム枠１５が固定される。さらに、第３プリズム枠１５に対して撮像素子ユニット２３が固定される。

以下、各鏡筒１１Ａ、１１Ｂにおける撮像素子２０の固定構造について説明する。図５から図７に示すように、第３プリズム枠１５は、第３プリズムＰ３の一対の側面Ｐ３ｄを保持する一対の側壁部１５ａと、斜面Ｐ３ｃを保持する斜壁部１５ｂとを有する。第３プリズム枠１５の上端側には、上方に向けて開口する筒状の入射側接続部１５ｃが形成されている。入射側接続部１５ｃは、後群枠１４の下端部に接着で固定される。第３プリズム枠１５の下端側には下方突出部１５ｄが形成されている。第３プリズム枠１５はさらに、一対の側壁部１５ａよりも側方に突出する一対の側方突出部１５ｅと、下方突出部１５ｄから側方に突出する一対の側方突出部１５ｆとを有している。側方突出部１５ｅと側方突出部１５ｆは上下方向に離間して対向している。

第３プリズム枠１５と撮像素子２０の間に封止部材２５が挿入される。封止部材２５は弾性変形可能な材質（ゴム等）からなり、第３プリズムＰ３の出射面Ｐ３ｂを囲む環状部２５ａを有する。封止部材２５は、第３プリズム枠１５の側壁部１５ａとカバーガラス２１との間に弾性変形した状態で挟持され、第３プリズムＰ３と撮像素子２０の間を、外部空間に対して密閉された防塵構造にさせる（図７参照）。また、封止部材２５を構成する材質は遮光性を有しており、第３プリズムＰ３から撮像素子２０までの光路を封止部材２５で囲むことによって、外部からの光の入射を防いでいる。

撮像素子２０を含む撮像素子ユニット２３は、保持部材３０を介して第３プリズム枠１５に固定される。第３プリズム枠１５の一対の側壁部１５ａに対して一対の保持部材３０が固定され、該一対の保持部材３０が撮像素子２０の撮像面（カバーガラス２１）上に固定される。

図６に示すように、各保持部材３０は、撮像素子２０の撮像面の長辺に沿って上下方向に延びる撮像素子固定部３０ａと、撮像素子固定部３０ａの長手方向の中央部分から突出するプリズム枠固定部３０ｂとを有する。撮像素子固定部３０ａは、長手方向の両端でプリズム枠固定部３０ｂの厚みよりも大きい幅を有しており、長手方向の中央に進むにつれて撮像素子固定部３０ａの幅を徐々に小さくさせるテーパー部３０ｃを有している。

各保持部材３０の一方の側部では、撮像素子固定部３０ａとプリズム枠固定部３０ｂが互いに凹凸のないフラットな外側面３０ｄを形成する。各保持部材３０の他方の側部では、プリズム枠固定部３０ｂがフラットな内側面３０ｅを形成しているのに対し、撮像素子固定部３０ａ（テーパー部３０ｃ含む）が内側面３０ｅに対して側方に突出している。但し、各保持部材３０の長手方向の中央領域では、内側面３０ｅからの撮像素子固定部３０ａの突出箇所が存在せず、実質的にプリズム枠固定部３０ｂの厚みのみで保持部材３０が構成されている。

一対の保持部材３０は、互いの内側面３０ｅが対面する向きで、前後方向に対称な位置関係で配置される。そして、一対の保持部材３０のそれぞれの内側面３０ｅを、第３プリズム枠１５の一対の側壁部１５ａの側面に対して側方から当接させる。各保持部材３０は、側方突出部１５ｅと側方突出部１５ｆの間にプリズム枠固定部３０ｂを位置させることで、第３プリズム枠１５に対する概略位置が定まる。そして、各保持部材３０を第３プリズム枠１５に接着で固定する。

図７に示すように、第３プリズム枠１５に取り付けられた一対の保持部材３０の外側面３０ｄの間隔が、撮像素子２０の撮像面の短辺方向におけるカバーガラス２１の長さと概ね同じである（厳密には、一対の外側面３０ｄの間隔の方が僅かに小さい）。そのため、一対の保持部材３０を撮像素子２０の撮像面に対して正対させると、各保持部材３０の撮像素子固定部３０ａが、撮像素子２０の撮像面のうち長辺部の周縁部に対向する。この保持部材３０と撮像素子２０（カバーガラス２１）の対向部分を接着することにより、撮像素子２０を含む撮像素子ユニット２３が第３プリズム枠１５に対して固定される。

より詳しくは、図４に示すように、撮像素子２０の撮像面上には、長辺方向（上下方向）の両側に、撮像光学系のイメージサークルＲの範囲を外れる第１の領域Ｅ１と第２の領域Ｅ２が存在する。第１の領域Ｅ１と第２の領域Ｅ２はそれぞれ、撮像面の長辺（前後方向における撮像素子２０の縁部）に近づくにつれて上下方向に広くなる。そして、一対の保持部材３０のそれぞれの撮像素子固定部３０ａは、第１の領域Ｅ１と第２の領域Ｅ２が最も上下方向に広くなっている撮像面の四隅付近で、第１の領域Ｅ１及び第２の領域Ｅ２に対向して、カバーガラス２１に対して接着されている。

このように、撮像素子２０の撮像面の周縁領域（第１の領域Ｅ１、第２の領域Ｅ２）に対して各保持部材３０を固定したことにより、一対の保持部材３０は、前後方向における撮像素子２０の撮像面の幅（短辺方向の長さ）の範囲内に収まっている（図５、図７参照）。一対の保持部材３０が固定される第３プリズム枠１５の一対の側壁部１５ａも同様に、前後方向における撮像素子２０の撮像面の幅（短辺方向の長さ）の範囲内に収まっている。また、個々の保持部材３０は、上下方向においても撮像素子２０の撮像面の長さ（長辺方向の長さ）の範囲内に収まっている（図５参照）。従って、一対の保持部材３０を介して撮像素子２０を第３プリズム枠１５に固定させる固定構造は、撮像素子２０の撮像面に沿う方向へのサイズ増大を生じさせることなく、撮像装置１０全体のコンパクト化に大きく寄与している。

特に、図３に示すように、本実施形態の撮像装置１０は、前群Ｆの一部が前後に突出している以外は、撮像素子２０の撮像面の短辺と同程度の幅の範囲内に略全体が収まるように、前後方向にコンパクトに構成されている。仮に、撮像素子２０の撮像面ではなく外周部分に対して第３プリズム枠１５を固定させるような固定構造を採用した場合、図３に示す前後方向の幅内に鏡筒１１Ａ、１１Ｂを収めることはできなくなる。これに対し、本実施形態の固定構造を用いることで、撮像素子２０に対する前後方向への保持部材３０の張り出しを防いで、極めて省スペースに撮像素子２０の固定を実現できる。

撮像素子２０に対して保持部材３０が固定されるのは、図４に示す撮像光学系のイメージサークルＲの外側の領域である。各保持部材３０は、テーパー部３０ｃによって撮像素子固定部３０ａの長手方向の中央部分の幅を絞ることによって、イメージサークルＲにより規定される有効撮像領域を遮らないように構成されている。従って、光学性能を悪化させることなく、撮像素子固定構造の小型化が実現される。

撮像素子２０と第３プリズム枠１５の間に保持部材３０を介在させることにより、少ない量の接着剤で撮像素子２０の固定が可能になる。接着剤の量が少なければ、接着剤の硬化時の収縮や熱による変形量を抑えられる。その結果、撮像素子２０を高精度に保持することができる。また、一対の保持部材３０を用いて撮像素子２０の両縁部分を保持することにより、各保持部材３０が撮像素子２０の有効撮像領域を遮らずに、安定した撮像素子２０の保持を行うことができる。

保持部材３０は、平滑なカバーガラス２１に対する接着で固定される。そのため、保持部材３０の固定には、硬化するまで流れ落ちずにカバーガラス２１への付着状態を維持できる、ある程度粘度の高い接着剤を用いることが好ましい。

本実施形態の保持部材３０は、撮像素子固定部３０ａのうちカバーガラス２１に対向する面（保持部材３０側の接着面）が平面になっている。これと異なり、接着の作業性の向上や接着強度の強化を図るべく、保持部材３０側の接着面に、接着剤溜まり用の凹部等を形成することも可能である。

図８に示す第１の変形例は、先に説明した実施形態の保持部材３０を用いずに、第３プリズム枠１５（側壁部１５ａ）と撮像素子２０（２１）の間に接着剤３１を充填して撮像素子２０を固定させたものである。封止部材２５は、第３プリズムＰ３と撮像素子２０の間を密閉及び遮光すると共に、撮像光学系のイメージサークルＲ（図４）内に接着剤３１を流入させない防護壁としても機能する。よって、光学性能に影響を及ぼさない撮像素子２０の周縁領域のみが接着剤３１による接着領域として用いられ、先に説明した実施形態と同様の効果を得ることができる。

図９に示す第２の変形例は、先に説明した実施形態から封止部材２５を除いたものである。第３プリズム枠１５や保持部材３０によって撮像素子２０周りの十分な防塵性能や遮光性能が得られる場合には、このように封止部材２５を省略した構成を選択することも可能である。

図１０に示す第３の変形例は、先に説明した実施形態の保持部材３０に相当する部分を、第３プリズム枠１５に一体的に形成した構成である。別言すれば、第３プリズム枠１５が別部材を介さず直接に撮像素子２０の撮像面に固定される構成である。図１０の第３プリズム枠１５は、一対の側壁部１５ａの先端にそれぞれ保持脚３５を有する。各保持脚３５は、撮像光学系のイメージサークルＲ（図４）と重ならない第１の領域Ｅ１と第２の領域Ｅ２（図４）で、撮像素子２０の撮像面（カバーガラス２１）に当接して接着固定される。図１０の構成は、撮像素子ユニット２３が第３プリズム枠１５に対して直接に固定されるので、部品点数が少なく、固定構造の簡略化を図ることができる。

以上の各変形例から分かるように、撮像素子２０の撮像面に対して固定される本体部材の形態や種類は様々な構成から選択が可能である。

本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨内における変更や改良が可能である。例えば、上記実施形態は、第３プリズムＰ３を保持する第３プリズム枠１５に対する撮像素子２０の固定構造に適用したものであるが、第３プリズム枠１５以外の本体部材を撮像素子の固定の対象とすることも可能である。

上記実施形態の第３プリズム枠１５は、第３プリズムＰ３の一対の側面Ｐ３ｄに沿う一対の側壁部１５ａを有し、この一対の側壁部１５ａが撮像素子２０の撮像面の長辺に沿って延びる形状となっている。そのため、一対の側壁部１５ａに固定される一対の保持部材３０や、一対の側壁部１５ａと一体に形成した一対の保持脚３５を、撮像素子２０の撮像面に対して固定させている。

これと異なり、撮像素子２０の直前に配置される光学要素が円筒状外面を有するレンズ（群）の場合、撮像素子２０の撮像面に固定される本体部材が、レンズ（群）を保持する円筒形状の部材となる可能性もある。この場合、撮像素子２０の撮像面の第１の領域Ｅ１と第２の領域Ｅ２（図４）に対して固定可能な部位を、円筒形状の本体部材の端部に設けるとよい。

本発明は、上記実施形態のように、撮像光学系が全周魚眼レンズである撮像装置において特に有用である。全周魚眼レンズであると、撮像素子の撮像面のうち四隅を含む比較的広い領域が、撮像光学系による像の受光に用いられない周縁領域となるため（図４参照）、光学性能を損なわずに撮像面上への本体部材の固定を行いやすくなる。但し、全周魚眼レンズ以外の撮像光学系であっても、撮像面上に本体部材を固定可能な周縁領域を有するものであれば、本発明を適用可能である。

１０ ：撮像装置
１１Ａ ：鏡筒
１１Ｂ ：鏡筒
１２ ：前群枠
１３ ：ベース枠
１４ ：後群枠
１５ ：第３プリズム枠（本体部材）
１５ａ ：側壁部
１５ｂ ：斜壁部
１５ｃ ：入射側接続部
１５ｄ ：下方突出部
１５ｅ ：側方突出部
１５ｆ ：側方突出部
２０ ：撮像素子
２１ ：カバーガラス
２２ ：基板
２２ａ ：コネクタ
２３ ：撮像素子ユニット
２５ ：封止部材
２５ａ ：環状部
３０ ：保持部材（本体部材）
３０ａ ：撮像素子固定部
３０ｂ ：プリズム枠固定部
３０ｃ ：テーパー部
３０ｄ ：外側面
３０ｅ ：内側面
３１ ：接着剤
３５ ：保持脚
Ｅ１ ：第１の領域
Ｅ２ ：第２の領域
Ｆ ：前群
Ｐ１ ：第１プリズム
Ｐ２ ：第２プリズム
Ｐ３ ：第３プリズム
Ｐ３ａ ：入射面
Ｐ３ｂ ：出射面
Ｐ３ｃ ：斜面
Ｐ３ｄ ：側面
Ｒ ：イメージサークル

Claims (4)

1. 撮像光学系と、前記撮像光学系により形成された像を受光する撮像素子とを有し、
   前記撮像素子の撮像面のうち、前記撮像光学系による像を受光する有効領域外の周縁領域に対して、前記撮像光学系を保持する本体部材を固定し 、
   前記本体部材は、前記撮像光学系を構成するプリズムを保持するプリズム枠であり、
   前記プリズム枠のうち前記プリズムの両側面を保持する一対の側壁部、または前記一対の側壁部に対して固定される一対の保持部材が、前記撮像面の前記周縁領域に固定される ことを特徴とする撮像素子固定構造。
2. 前記撮像光学系は、前記撮像面内にイメージサークルが収まる全周魚眼レンズであり、前記イメージサークルの内側が前記有効領域であり、前記イメージサークルの外側が前記周縁領域である、請求項１記載の撮像素子固定構造。
3. 前記撮像面は略矩形であり、前記撮像面の四隅が前記周縁領域に含まれる、請求項２記載の撮像素子固定構造。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の撮像素子固定構造を有する撮像装置。

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