特開 2024-32347 撮像素子、撮像装置、および撮像装置用基板

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024032347

(43)【公開日】2024-03-12

(54)【発明の名称】撮像素子、撮像装置、および撮像装置用基板

(51)【国際特許分類】

   H01L 27/146 20060101AFI20240305BHJP

   G03B 30/00 20210101ALI20240305BHJP

   G03B 37/00 20210101ALI20240305BHJP

   G03B 19/07 20210101ALI20240305BHJP

   G03B 15/00 20210101ALI20240305BHJP

   H04N 23/55 20230101ALI20240305BHJP

   H04N 23/57 20230101ALI20240305BHJP

   H04N 23/45 20230101ALI20240305BHJP

【ＦＩ】

H01L27/146 D

G03B30/00

G03B37/00 A

G03B19/07

G03B15/00 W

H04N5/225 400

H04N5/225 700

H04N5/225 800

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022135954

(22)【出願日】2022-08-29

(71)【出願人】

【識別番号】000003193

【氏名又は名称】ＴＯＰＰＡＮホールディングス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100139686

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 史朗

(74)【代理人】

【識別番号】100169764

【弁理士】

【氏名又は名称】清水 雄一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100147267

【弁理士】

【氏名又は名称】大槻 真紀子

(72)【発明者】

【氏名】森本 哲郎

(72)【発明者】

【氏名】小野原 淳

【テーマコード（参考）】

2H054

2H059

4M118

5C122

【Ｆターム（参考）】

2H054BB05

2H054BB07

2H059BA01

2H059CA00

4M118AA10

4M118AB01

4M118AB03

4M118BA10

4M118BA14

4M118CA01

4M118CA20

4M118FA06

4M118FA07

4M118GD04

4M118HA25

5C122EA68

5C122FA02

5C122FB05

5C122FC04

5C122FC06

5C122GE05

5C122GE07

5C122GE11

5C122GE19

(57)【要約】

【課題】高速移動に耐えうるセンシングの実現に寄与できる撮像素子を提供する。
【解決手段】撮像素子は、複数のイメージセンサが配列された撮像基板と、イメージセンサ上に配置され、複数のマイクロレンズを有するレンズアレイ７１とを備える。レンズアレイは、第一レンズ７２と、第一レンズ７２より画角の狭い第二レンズ７３とを有する。第一レンズ７２および第二レンズ７３は、複数のイメージセンサを覆うことができる寸法を有する。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のイメージセンサが配列された撮像基板と、
前記イメージセンサ上に配置され、複数のマイクロレンズを有するレンズアレイと、
を備え、
前記レンズアレイは、
第一レンズと、前記第一レンズより画角の狭い第二レンズと、を有し、
前記第一レンズおよび前記第二レンズは、複数のイメージセンサを覆うことができる寸法を有する、
撮像素子。

【請求項2】

前記第一レンズの直径は、前記第二レンズの直径よりも大きい、
請求項１に記載の撮像素子。

【請求項3】

前記第一レンズは、前記撮像基板の平面視中央部に配置され、
前記第二レンズは、前記第一レンズの周囲に複数配置されている、
請求項１に記載の撮像素子。

【請求項4】

合成樹脂で形成された多面体状の本体と、
導電性材料で形成され前記本体を貫通する配線と、
を備える、
撮像装置用基板。

【請求項5】

前記本体の厚さが５ｍｍ以上である、
請求項４に記載の撮像装置用基板。

【請求項6】

前記本体は、
下面と、
前記下面と平行な天面と、
前記天面と辺を共有し、かつ前記天面と鈍角をなす周面と、を有する、
請求項４に記載の撮像装置用基板。

【請求項7】

前記配線は、前記本体の下面から上側の面の一つに達している、
請求項４に記載の撮像装置用基板。

【請求項8】

前記配線は、前記本体の内部において湾曲または屈折している、
請求項４に記載の撮像装置用基板。

【請求項9】

前記天面および前記周面に、立体配線を有するフレキシブル基板が取り付けられている、
請求項６に記載の撮像装置用基板。

【請求項10】

請求項６に記載の撮像装置用基板と、
請求項１に記載の撮像素子と、
を備え、
前記撮像素子は、前記天面および前記周面のそれぞれに取り付けられている、
撮像装置。

【請求項11】

前記天面および前記周面の周縁部に、導電性材料で形成された電磁シールドを有する、
請求項１０に記載の撮像装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、撮像素子、より詳しくは、センシングに適した撮像素子に関する。この撮像素子を用いた撮像装置、ならびにこの撮像装置に適した撮像装置用基板についても言及する。

【背景技術】

【0002】

ドローンを自動運転することにより、各種施設内の監視や搬送等に利用することが期待されている。屋外では、ＧＰＳ（全地球測位システム）による測位が可能であるが、屋内ではＧＰＳが利用できないため、他の手段でドローン自身の測位および周囲環境の把握をすることが必要になる。

【0003】

現状、室内で使用し得る測位手段は、ＳＬＡＭ（Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍａｐｐｉｎｇ）のみである。屋内は狭く、ドローン飛行の障害物となる構造物も屋外に比して著しく多いため、ＳＬＡＭによる高速な測位および周辺マッピングが屋内における自動運転の実現のカギと言える。

【0004】

ＳＬＡＭを稼働させるには、センサによる周囲情報の取得が不可欠である。現在知られているセンサとして、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）センサ（例えば、特許文献１参照。）や、ＬｉＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）センサ等が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】国際公開第２０２０／２５５５９８号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

高速で飛行するドローンに適用することを考えると、上述したセンサはいずれも克服すべき点が存在する。
ＴＯＦセンサは、投光器からの光の飛行時間を用いて距離等を算出するため、投光器とカメラとの距離に応じて奥行計測領域のレンジに限界が生じる。また、動く物体を高速に検出することについてかなりの計算負荷が見込まれる。
ＬｉＤＡＲセンサは、原理上、センサの回転駆動が必須となるため、自身が移動するドローンに対してセンシング速度が追い付かなくなる可能性がある。

【0007】

上記事情を踏まえ、本発明は、高速移動に耐えうるセンシングの実現に寄与できる撮像素子および撮像装置を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、上記撮像装置に好適に適用できる基板を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の第一の態様は、複数のイメージセンサが配列された撮像基板と、イメージセンサ上に配置され、複数のマイクロレンズを有するレンズアレイとを備える撮像素子である。
レンズアレイは、第一レンズと、第一レンズより画角の狭い第二レンズとを有する。第一レンズおよび第二レンズは、複数のイメージセンサを覆うことができる寸法を有する。

【0009】

本発明の第二の態様は、合成樹脂で形成された多面体状の本体と、導電性材料で形成され本体を貫通する配線とを備える撮像装置用基板である。

【0010】

本発明の第三の態様は、第二の態様に係る撮像装置用基板と、
第一の態様に係る撮像素子とを備えた撮像装置である。
撮像装置用基板の本体は、下面と、下面と平行な天面と、天面と辺を共有し、かつ前記天面と鈍角をなす周面とを有し、天面および周面のそれぞれに撮像素子が取り付けられている。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、高速移動に耐えうるセンシングの実現に寄与できる撮像素子および撮像装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の一実施形態に係る撮像装置を示す模式図である。

【図2】同撮像装置の平面図である。

【図3】図２のＩ－Ｉ線における模式断面図である。

【図4】同撮像装置に係る第一素子の模式平面図である。

【図5】同撮像装置に係るコア基板の模式断面図である。

【図6】本発明の変形例に係るコア基板を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明の一実施形態について、図１から図５を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る撮像装置１を示す模式図である。撮像装置１は、略半球状の外観を有し、表面に複数の撮像素子が配置されている。

【0014】

図２は、撮像装置１の平面図である。図３は、図２のＩ－Ｉ線における模式断面図である。図２および図３に示すように、撮像装置１は、多面体状のコア基板（撮像装置用基板）１０と、コア基板１０に取り付けられた複数の撮像素子およびメモリチップ８０とを備えている。
本実施形態において、複数の撮像素子は、平面視正五角形の第一素子５１と、平面視正六角形の第二素子５２との２種類の撮像素子からなる。

【0015】

コア基板１０は、略半球状の外観を有するが、外面は、複数種類の平面で構成されている。本実施形態において、コア基板１０の外面は、正五角形の天面１１と、天面１１の周囲に配置された５つの正六角形の周面１２とを有する。各周面１２は、それぞれ天面１１と一辺を共有している。

【0016】

天面１１と第一素子５１の平面視形状とは概ね同一であり、第一素子５１は、天面１１全体を覆うように天面１１上に配置されている。周面１２と第二素子５２の平面視形状とも概ね同一であり、第二素子５２の各々は、周面１２の一つを覆うように周面１２上に配置されている。

【0017】

第一素子５１および第二素子５２は、本発明に係る撮像素子である。第一素子５１と第二素子５２とは、平面視形状のみ異なっており、基本構造は概ね同一である。
以下、第一素子を用いて、本発明に係る撮像素子の基本構造を説明する。

【0018】

図４は、第一素子５１の平面図である。第一素子５１は、複数のイメージセンサを有する撮像基板６１と、撮像基板６１上に配置されたレンズアレイ７１とを備えている。
イメージセンサとしては、ＣＭＯＳやＣＣＤ等を例示できる。撮像基板６１の材料は、例えばＳｉであるが、イメージセンサを電気的に機能させることが可能な材料であれば特に限定されない。
イメージセンサは、撮像基板の一方の面に設けられている。複数のイメージセンサは、平面視において二次元配列されており、各イメージセンサが画素又は画素の一部として機能する。イメージセンサの配列態様としては、平面視四角形のイメージセンサを二次元マトリクス状に配列した例や、平面視六角形のイメージセンサをハニカム状に配列した例等が挙げられる。

【0019】

レンズアレイ７１は、複数のマイクロレンズを有する。本実施形態において、レンズアレイ７１は、第一レンズ７２と、第一レンズ７２よりも小さい第二レンズ７３との２種類のマイクロレンズを有している。
図４に示すように、第一レンズ７２は、第一素子５１の平面視中央部に位置し、複数の第二レンズ７３がその周囲に位置している。第一レンズ７２および第二レンズ７３の直径は、いずれもイメージセンサの平面視寸法よりも大きいため、第一レンズ７２および第二レンズ７３の下に、それぞれ複数のイメージセンサが位置している。イメージセンサは、第二レンズ７３に比しても著しく小さいため、図４では図示を省略している。

【0020】

第一レンズ７２と第二レンズ７３とは、大きさだけでなく、画角も異なっている。具体的には、第一レンズ７２の画角は、第二レンズの画角よりも大きい。例えば、以下のような組み合わせを例示できる。
・第一レンズ；広角レンズ（画角が６０°程度以上）、第二レンズ：望遠レンズ（画角が３０°程度以下）
・第一レンズ；標準レンズ（画角が４５°前後）、第二レンズ：望遠レンズ
・第一レンズ；広角レンズ、第二レンズ：標準レンズ
上記例に限らず、第一レンズおよび第二レンズの画角は適宜設定できる。第一レンズと第二レンズとの画角の差は１０°以上であることが好ましい。

【0021】

第一レンズ７２および第二レンズ７３の直径も、適宜設定できるが、第一レンズ７２の直径が第二レンズ７３の２倍以上であることが好ましい。

【0022】

図３に示すように、第一素子５１および第二素子５２の下面には、複数のイメージセンサと接続された接続端子５５が設けられている。これらの接続端子は、コア基板１０の天面１１および周面１２に設けられた配線と接触しており（詳細は後述）、これにより第一素子５１および第二素子５２とコア基板１０とが電気的に接続されている。

【0023】

図５に、コア基板１０単体の模式断面図を示す。コア基板１０は、コア基板１０の基本形状を規定する本体１１１と、本体１１１に取り付けられた複数のフレキシブル基板１５１とを有する。
本体１１１の高さ寸法は、立体配線を有する一般的な基板の厚さよりも著しく大きく、例えば５ｍｍ程度である。

【0024】

本体１１１は、天面１１および周面１２と、下面１１２とを有し、全体として略半球状に形成されている。本体１１１は、概ね合成樹脂で形成され、内部に金属等の導電性材料からなる複数の配線１１３が配置されている。各配線の一方の端部は、天面１１および複数の周面１２のいずれか一つに達し、もう一方の端部は、下面１１２に達している。
下面１１２から天面１１または周面１２に至るまでの配線１１３の形状には特に制限はなく、図５に示すような直線状、直線が１回以上折れ曲がった屈折状、曲線状等のいずれであってもよい。このような本体１１１は、例えば、合成樹脂材料および導電性材料を用いた３Ｄプリンティング技術により作製できる。

【0025】

フレキシブル基板１５１は、誘電率の低い絶縁性材料からなるシート１５２と、このシートを厚さ方向に貫通する立体配線１５３とを備えた公知の構成を有する。シート材料の誘電率は１０以下であることが好ましい。
各フレキシブル基板１５１の平面視形状は、取り付けられる本体の面と概ね同形同大である。立体配線１５３のうち、本体１１１に対向する第一面１５１ａ上に形成された部位は、本体１１１の面上に露出した配線１１３と電気的に接続されている。立体配線１５３のうち、第一面１５１ａと反対側の第二面１５１ｂ上に形成された部位は、図３に示すように、第一素子５１および第二素子５２の下面に設けられた接続端子５５と電気的に接続されている。
フレキシブル基板１５１を、本体１１１や第一素子５１、第二素子５２等と接合する手段については特に制限はなく、導電性接着剤等を例示できる。

【0026】

上記のように構成された本実施形態に係る撮像装置１の使用時の動作について説明する。
撮像装置１を用いて撮像を行うと、第一素子５１および第二素子５２に設けられた第一レンズ７２の画角と第二レンズ７３の画角とが異なっているため、第一レンズ７２に入射する光線と、第二レンズ７３に入射する光線との重なりが多く生じる。その結果、第一レンズが配置されたイメージセンサの取得した画像信号と、第二レンズが配置されたイメージセンサの取得した画像信号との間に、共通する位置に対応する情報が多く存在することになる。
したがって、撮像装置１により取得した画像に基づいて、公知の近接光線空間画像やデプス画像を生成したり、オプティカルフローを計算したりすることが効率よく行える。これにより、高速移動に耐えうるセンシングを実現でき、例えば、撮像装置１をドローンの平面視における四方に取り付けることで、ＧＰＳの利用できない屋内において、ドローンを好適に自動運転することに寄与できる。

【0027】

本実施形態に係る撮像装置１においては、多面体状のコア基板１０の天面および周面に本実施形態に係る撮像素子である第一素子５１および第二素子５２が取り付けられているため、サイズを大きくせずに広範囲にわたり測距に有用な撮像を行うことができる。

【0028】

コア基板１０は、天面および周面を有する多面体状の本体１１１を備えるため、第一素子５１および第二素子５２を安定して取り付けることができ、ドローンの飛行中党委においても、安定した撮像を行うことができる。
さらに、本体１１１内に配線１１３が設けられているため、下面１１２と平行でない周面１２に取り付けられた第二素子５２からも好適に下面に取り付けられたメモリチップ８０まで撮像信号を伝送できる。加えて、配線１１３が本体１１１により支持および保護されているため、配線の断線等も生じにくい。

【0029】

以上説明したように、コア基板１０、第一素子５１、および第二素子５２を備える撮像装置１は、装着した機器において周囲の迅速なセンシングを可能とし、当該機器の円滑な自動運転に大きく寄与できる。その適用範囲は、上述したドローンには限られず、各種のロボットや、車両等の各種移動手段に広く適用できる。さらには、スマートフォン等の各種携帯端末に適用することで、使用者が歩きながら安全に当該端末を使用することも可能となる。

【0030】

以上、本発明の各実施形態について説明したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更、組み合わせなども含まれる。以下にいくつか変更を例示するが、これらはすべてではなく、それ以外の変更も可能である。これらの変更は自由に組み合わせることができる。

【0031】

実施形態では、素子の平面視中央部に第一レンズが、その周囲に第二レンズが配置された例を示したが、平面視中央部に第二レンズが、その周囲に第一レンズが配置されても光線の重なりが生じやすくなり、同様の効果を得ることができる。

【0032】

コア基板の外形は、上述したものには限られない。例えば、正十二面体や正二十面体を半分に切った形状であってもよいし、公知のジオデシックドーム状であってもよい。ただし、正対する方向の好適な画像を取得したい場合は、天面が水平となる、すなわち、天面と下面とが平行となるように形状を設定することが好ましい。
実施形態を含めて、上述した形状においては、いずれも天面と辺を共有する周面とが鈍角をなしている。このような形状であれば、広範囲の撮像が可能となるとともに、第一素子に入射する光線と第二素子に入射する光線との重なりが生じやすくなり、測距も好適に行うことができる。

【0033】

本発明に係るコア基板は、本体とフレキシブル基板とを備えるものには限定されない。例えば、フレキシブル基板における立体配線が複雑な形状でない等の場合は、フレキシブル基板に相当する部位を含めて３Ｄプリンティング技術等で作成し、コア基板を本体のみからなる構成としてもよい。

【0034】

図６に示す変形例のように、天面１１および周面１２の辺に沿って、導電性材料で形成された電磁シールド２００が設けられてもよい。このようにすると、第一素子と第二素子との間の混線を抑制することができる。電磁シールドの材質は、配線と概ね同様のものを使用でき、銅、アルミニウム、銀等を例示でき、複数の材料で形成されてもよい。
電磁シールドは、必ずしも連続している必要はなく、隙間を開けて断続的に設けられてもよい。また、シールドは、フレキシブル基板や第一素子、第二素子に設けられてもよい。

【符号の説明】

【0035】

１ 撮像装置
１０ コア基板（撮像装置用基板）
１１ 天面
１２ 周面
１３ 配線
５１ 第一素子（撮像素子）
５２ 第二素子（撮像素子）
６１ 撮像基板
７１ レンズアレイ
７２ 第一レンズ
７３ 第二レンズ
１１１ 本体
１１２ 下面
１５１ フレキシブル基板
２００ 電磁シールド

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】