撮像装置
【課題】ピンホールによって多くの光が遮られるので、撮像素子に達する光量が少ない。
【解決手段】撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板に形成された複数の撮像素子と、前記複数の撮像素子に隣接して、前記半導体基板に形成された発光部と、前記複数の撮像素子の光路上に形成され、前記発光部からの光を前記複数の撮像素子の光路に平行であって離間する方向へ方向付けする複数の光学素子と、光学素子と被写体との間の前記光路上に設けられ、前記光学素子からの光を前記被写体へと集光する複数の対物集光部材とを備える。
【解決手段】撮像装置は、半導体基板と、前記半導体基板に形成された複数の撮像素子と、前記複数の撮像素子に隣接して、前記半導体基板に形成された発光部と、前記複数の撮像素子の光路上に形成され、前記発光部からの光を前記複数の撮像素子の光路に平行であって離間する方向へ方向付けする複数の光学素子と、光学素子と被写体との間の前記光路上に設けられ、前記光学素子からの光を前記被写体へと集光する複数の対物集光部材とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、光源と、撮像素子と、撮像素子と被写体との間に配置されたピンホールを備える顕微鏡が開示されている。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］ 特表２００８−５０１９９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述の装置では、ピンホールによって多くの光が遮られるので、撮像素子に達する光量が少ないといった課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様は、半導体基板と、前記半導体基板に形成された複数の撮像素子と、前記複数の撮像素子に隣接して、前記半導体基板に形成された発光部と、前記複数の撮像素子の光路上に形成され、前記発光部からの光を前記複数の撮像素子の光路に平行であって離間する方向へ方向付けする複数の光学素子と、光学素子と被写体との間の前記光路上に設けられ、前記光学素子からの光を前記被写体へと集光する複数の対物集光部材とを備える撮像装置である。
【０００５】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】撮像装置の全体斜視図である。
【図２】撮像部の全体斜視図である。
【図３】撮像部の分解斜視図である。
【図４】図２の一部拡大図である。
【図５】撮像部の縦断面図である。
【図６】撮像部の概略の平面図である。
【図７】撮像装置の制御系を説明するブロック図である。
【図８】高画質撮像モードにおけるビームスポットの動きを説明する図である。
【図９】ＸＹ方向の測距をせずに画像生成する場合のフローチャートである。
【図１０】撮像素子を２次元的に配置した実施形態による撮像部の全体斜視図である。
【図１１】撮像部の縦断面図である。
【図１２】撮像部の概略の平面図である。
【図１３】発光素子と光学素子との間に発散抑制部材を設けた実施形態による撮像部の縦断面図である。
【図１４】発光素子の個数を低減させた実施形態による撮像部の縦断面図である。
【図１５】撮像素子のピッチを変更した実施形態の撮像部の平面図である。
【図１６】撮像素子間に遮光壁を設けた実施形態による撮像部の部分斜視図である。
【図１７】発光素子が複数の撮像素子に光を供給する実施形態による撮像部の部分斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００８】
図１は、撮像装置の全体斜視図である。図１に矢印で示すＸＹＺを撮像装置のＸＹＺ方向とする。また、＋Ｚ方向を上方向、−Ｚ方向を下方向とする。図１に示すように、本実施形態による撮像装置１０は、ベース１２と、撮像部１４と、駆動部１６と、被写体保持部１８と、画像出力部２０と、制御部２２とを備えている。
【０００９】
ベース１２は、台状に形成されている。ベース１２の上面には、駆動部１６と、被写体保持部１８とが載置されている。これにより、ベース１２は、撮像部１４と、駆動部１６と、被写体保持部１８とを直接的または間接的に支持する。
【００１０】
駆動部１６は、撮像部１４の両端を保持しつつ、撮像部１４をＸＹＺ方向に移動させる。駆動部１６は、制御部２２から入力される駆動信号によって制御される。
【００１１】
被写体保持部１８は、被写体ケース２４と、４本の脚部２６とを有する。被写体ケース２４は、撮像用の光を透過可能な材料によって構成されている。被写体ケース２４は、ＸＹ平面に平行な直方体形状に形成されている。被写体ケース２４には、被写体２８が載置される中空状の被写体領域３０が形成されている。尚、被写体２８には、蛍光材料を含ませてもよい。４本の脚部２６は、被写体ケース２４の四隅の下面と、ベース１２の上面との間に配置されている。これにより、４本の脚部２６は、被写体ケース２４を撮像部１４の上方に支持する。
【００１２】
画像出力部２０は、制御部２２によって生成された画像を表示する。画像出力部２０の一例は、液晶ディスプレイである。制御部２２は、撮像装置１０の制御全般を司る。
【００１３】
図２は、撮像部の全体斜視図である。図３は、撮像部の分解斜視図である。図４は、図２の一部拡大図である。図５は、撮像部の縦断面図である。
【００１４】
図２〜図５に示すように、撮像部１４は、被写体領域３０の−Ｚ方向に配置されている。撮像部１４は、駆動部１６によって、ＸＹＺ方向に移動可能に支持されている。撮像部１４は、半導体基板３２と、発光部の一例である発光素子アレイ３４と、撮像素子アレイ３６と、ピンホールアレイ３８と、撮像用集光部材４０と、接着剤４２及び接着剤４４と、光学素子４６と、台座４８と、対物集光部材５０とを備えている。
【００１５】
半導体基板３２は、シリコン（Ｓｉ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）等の半導体材料を含む。半導体基板３２上には、発光素子アレイ３４、及び、撮像素子アレイ３６が形成されて、半導体基板３２は、発光素子アレイ３４、及び、撮像素子アレイ３６を支持する。
【００１６】
発光素子アレイ３４は、半導体基板３２の−Ｙ側の端部に設けられている。発光素子アレイ３４は、半導体基板３２の＋Ｚ面上に半導体製造プロセスによって形成された複数の発光素子５２を有する。尚、発光素子５２の数の一例は、数個から数千個であるが、限定されるものではない。発光素子５２は、Ｘ方向に約１０μｍの幅を有する。尚、発光素子５２の幅は適宜変更してよい。発光素子５２は、平面視において、矩形状に形成されている。複数の発光素子５２は、Ｘ方向に沿って一直線上に配列されている。発光素子５２の一例、レーザダイオードである。図５に示すように、発光素子５２は、発光層５４と、一対のクラッド層５６及びクラッド層５６とを有する。発光層５４は、各発光素子５２に注入された電荷によって発光する。一対のクラッド層５６、５６は、発光層５４の＋Ｚ側の面及び−Ｚ側の面に形成されている。一対のクラッド層５６、５６は、発光層５４で発光された光がＺ方向に導光することを抑制して、光を閉じ込める。発光層５４のＹ側の両面は、鏡面構造を有する。尚、発光層５４の＋Ｙ側の面は、−Ｙ側の面よりも反射率が小さく構成されている。これにより、発光素子５２は、発光層５４で発光された光をクラッド層５６、５６によって閉じ込めて、＋Ｙ方向にレーザ光である光を出射する。
【００１７】
図２〜図５に示すように、撮像素子アレイ３６は、半導体基板３２の＋Ｙ側の端部に設けられている。撮像素子アレイ３６は、発光素子５２の光の出射方向に配置されている。撮像素子アレイ３６は、半導体基板３２の＋Ｚ面上に半導体製造プロセスによって形成された複数の撮像素子５８を有する。これにより、発光素子５２及び撮像素子５８は、半導体基板３２の同一面上に形成されることになる。各撮像素子５８は、発光素子アレイ３４の各発光素子５２の＋Ｙ側に隣接して配置されている。即ち、撮像素子５８及び発光素子５２は、一対一の関係であって、同じ個数配列されている。これにより、各発光素子５２が、１個の撮像素子５８に光を照射することになる。撮像素子アレイ３６の一例は、ＣＣＤ（＝Charge Coupled Device：電荷結合素子）またはＣＭＯＳ（＝Complementary Metal Oxide Semiconductor： 相補型金属酸化膜半導体）イメージセンサである。撮像素子５８は、それらの画素である。撮像素子５８は、受光した光を光電変換して、電気的な信号である撮像信号を出力する。撮像素子５８の一辺は、平面視において、例えば、１０μｍの正方形状に形成されている。撮像素子５８の＋Ｚ面には、光を受光するための受光面６０が形成されている。撮像素子５８は、被写体２８が反射した光を受光面６０によって受光する。そして、撮像素子５８は、受光面６０での受光量に応じた撮像信号に変換して出力する。
【００１８】
ピンホールアレイ３８は、撮像素子アレイ３６の＋Ｚ側の面、即ち、被写体領域３０側に形成されている。ピンホールアレイ３８は、開口部の一例である複数のピンホール６２が形成された遮光部６４を有する。遮光部６４は、撮像素子５８の＋Ｚ側の面に一体的に直接形成されている。これにより、遮光部６４は、撮像素子５８と光学素子４６との間に設けられることになる。遮光部６４は、光を遮蔽可能な材料を含む。遮光部６４は、平面視において、撮像素子アレイ３６と略同じ形状の長方形状に形成されている。遮光部６４は、一定の厚みを有する板状の材料によって構成してもよく、透明な板状部材の一面に形成された遮光膜によって構成してもよい。例えば、遮光部６４は、撮像素子５８の＋Ｚ面にスピンコート法等によって形成した酸化シリコン膜の＋Ｚ面に形成された金属薄膜によって構成してもよい。この場合、フォトリソグラフィー及びエッチング等によって、所定の領域の金属薄膜を除去して、ピンホール６２を形成できる。
【００１９】
複数のピンホール６２は、Ｘ方向に延びる撮像素子アレイ３６の中心線に沿って配列されている。ピンホール６２のピッチは、撮像素子５８のピッチと同じである。これにより、１個のピンホール６２が、いずれか１個の撮像素子５８に対応することになる。各ピンホール６２は、平面視において、円形状に形成されている。ピンホール６２は、撮像素子５８の受光面６０よりも小さい。例えば、撮像素子５８が、一辺が約１０μｍの正方形状である場合、ピンホール６２の直径は、約１μｍである。ピンホール６２は、Ｚ方向において、遮光部６４を貫いている。ピンホール６２は、光を透過可能に構成されている。ピンホール６２は、空間としてもよく、光を透過可能な材料によって埋設されていてもよい。ピンホール６２は、焦点の合った焦点面からの光を通過させる。遮光部６４は、被写体２８に反射された光の一部である焦点のずれた位置からの光を遮光する。
【００２０】
撮像用集光部材４０は、接着剤４２を介して、ピンホールアレイ３８の＋Ｚ側に配置されている。撮像用集光部材４０は、接着剤４２を介して、光学素子４６の−Ｚ側に配置されている。これにより、撮像用集光部材４０は、ピンホールアレイ３８及び撮像素子５８と、光学素子４６との間の光路上に設けられることになる。撮像用集光部材４０は、撮像用ベース部材６６と、複数対の下撮像用凸部６８及び上撮像用凸部７０とを有する。
【００２１】
撮像用ベース部材６６は、ＸＹ平面に平行な板状に形成されている。撮像用ベース部材６６は、撮像素子アレイ３６の＋Ｚ面と略同形状の長方形状に形成されている。撮像用ベース部材６６は、光を透過可能なガラスからなる。尚、撮像用ベース部材６６は、光を透過可能な樹脂等によって構成してもよい。
【００２２】
下撮像用凸部６８は、下方に突出した部分球体状に形成されている。下撮像用凸部６８は、撮像用ベース部材６６の下面に設けられている。複数の下撮像用凸部６８は、Ｘ方向に沿って配列されている。下撮像用凸部６８のピッチは、撮像素子５８及びピンホール６２のピッチと同じである。下撮像用凸部６８は、接着剤４２に埋め込まれている。これにより、下撮像用凸部６８を含む撮像用集光部材４０は、接着剤４２を介して、ピンホールアレイ３８の上面に固定される。
【００２３】
上撮像用凸部７０は、上方に突出した部分球体状に形成されている。上撮像用凸部７０は、撮像用ベース部材６６の上面に設けられている。上撮像用凸部７０は、下撮像用凸部６８の上方に配置されている。これにより、上撮像用凸部７０のピッチは、撮像素子５８及びピンホール６２のピッチと等しくなる。この結果、一対の下撮像用凸部６８及び上撮像用凸部７０が、各撮像素子５８及び各ピンホール６２に一対一で対応することになる。下撮像用凸部６８と上撮像用凸部７０は、互いの光軸が一致するように配置されている。下撮像用凸部６８及び上撮像用凸部７０は、光を集光可能な凸レンズを構成する。この結果、下撮像用凸部６８及び上撮像用凸部７０は、被写体２８に反射された光であって、光学素子４６を透過して−Ｚ方向に進行する光をピンホール６２及び撮像素子５８へと集光する。尚、ピンホール６２は、下撮像用凸部６８及び上撮像用凸部７０の焦点に配置されている。上撮像用凸部７０は、接着剤４４に埋め込まれている。これにより、上撮像用凸部７０を含む撮像用集光部材４０は、接着剤４４を介して、光学素子４６の下面に固定される。
【００２４】
光学素子４６は、ピンホールアレイ３８及び撮像用集光部材４０の＋Ｚ側の面、即ち、被写体領域３０側の面に設けられている。光学素子４６は、Ｘ方向に延びる三角柱形状の素子本体部７２を有する。素子本体部７２のＹＺ平面に平行な断面は、直角三角形状に形成されている。素子本体部７２の断面の頂点のうち、直角の頂点は、ピンホールアレイ３８の＋Ｙ側の端部に配置されている。素子本体部７２の一面は、ＸＹ平面から傾斜している。この素子本体部７２の傾斜面は、発光素子アレイ３４と対向している。素子本体部７２の傾斜面には、ハーフミラー７４が形成されている。ハーフミラー７４は、ＸＹ平面から４５°傾斜している。ハーフミラー７４は、光の一部を反射して、残りの光を透過する厚みに形成された金属薄膜からなる。一例として、発光素子５２の発光波長に対するハーフミラー７４の反射率の一例は５０％であり、ハーフミラー７４の透過率の一例は５０％である。ハーフミラー７４は、発光素子５２から出射された光の一部を被写体領域３０が配されている＋Ｚ方向に反射する。これにより、光学素子４６は、発光素子５２から出射された光を複数の撮像素子５８の光路に平行であって、離間する方向へと方向付けする。ハーフミラー７４は、被写体２８によって反射された光の一部を透過する。これにより、被写体２８によって反射された光が、撮像用集光部材４０を介してピンホールアレイ３８へと達する。ピンホールアレイ３８に達した光のうち、一部の光は、ピンホール６２を透過して、撮像素子５８に受光される。これにより、光学素子４６は、複数の撮像素子５８の光路上に形成されることになる。
【００２５】
台座４８は、光学素子４６の＋Ｚ側に配置されている。台座４８は、光学素子４６に対して相対移動不能に、対物集光部材５０を固定する。台座４８は、略三角柱形状に形成されている。台座４８のＹＺ平面に平行な断面は、直角三角形状に形成されている。台座４８の傾斜面は、光学素子４６のハーフミラー７４に貼り合わされている。貼り合わされた台座４８と光学素子４６は、略直方体形状となる。また、台座４８の＋Ｚ側の面は、略水平になる。台座４８は、光を透過可能な樹脂からなる。これにより、台座４８は、光学素子４６によって反射された光を対物集光部材５０へと透過させる。また、台座４８は、被写体２８によって反射されて対物集光部材５０を透過した光を光学素子４６へと透過させる。台座４８は、光照射または熱等によって硬化可能な樹脂からなる。これにより、台座４８は、軟性の状態で光学素子４６上に載置される。この後、対物集光部材５０が、台座４８の上面に載置された状態で、台座４８を光または熱等によって硬化する。これにより、台座４８は、対物集光部材５０を光学素子４６に固定する。
【００２６】
対物集光部材５０は、台座４８を介して、光学素子４６の＋Ｚ側に配置されている。対物集光部材５０は、被写体領域３０の−Ｚ側に配置されている。これにより、対物集光部材５０は、光学素子４６と被写体領域３０との間の光路上に設けられることになる。対物集光部材５０は、対物ベース部材７６と、複数対の下対物凸部７８及び上対物凸部８０とを有する。
【００２７】
対物ベース部材７６は、ＸＹ平面に平行な板状に形成されている。対物ベース部材７６は、撮像素子アレイ３６の＋Ｚ面と略同形状の長方形に形成されている。対物ベース部材７６は、光を透過可能なガラスからなる。尚、対物ベース部材７６は、光を透過可能な樹脂等によって構成してもよい。
【００２８】
下対物凸部７８は、下方に突出した部分球体状に形成されている。下対物凸部７８は、対物ベース部材７６の下面に設けられている。複数の下対物凸部７８は、Ｘ方向に沿って配列されている。下対物凸部７８のピッチは、撮像素子５８及びピンホール６２のピッチと同じである。下対物凸部７８は、台座４８の上部に埋め込まれている。これにより、下対物凸部７８を含む対物集光部材５０は、台座４８に固定される。
【００２９】
上対物凸部８０は、上方に突出した部分球体状に形成されている。上対物凸部８０は、対物ベース部材７６の上面に設けられている。上対物凸部８０は、下対物凸部７８の上方に配置されている。これにより、上対物凸部８０のピッチは、撮像素子５８及びピンホール６２のピッチと等しくなる。この結果、一対の下対物凸部７８及び上対物凸部８０が、各撮像素子５８及び各ピンホール６２に一対一で対応することになる。下対物凸部７８と上対物凸部８０は、互いの光軸が一致するように配置されている。下対物凸部７８及び上対物凸部８０は、光を集光可能な凸レンズを構成する。この結果、下対物凸部７８及び上対物凸部８０は、ハーフミラー７４によって反射され＋Ｚ方向に進行する光学素子４６からの光を被写体２８へと解像分解限界まで集光する。また、下対物凸部７８及び上対物凸部８０は、被写体２８に反射されて−Ｚ方向に進行する光を平行光にする。ここで、各組の下対物凸部７８及び上対物凸部８０は、ＸＹ平面に平行な対物ベース部材７６に配置されているので、下対物凸部７８及び上対物凸部８０によって集光された光のビームスポットは、ＸＹ平面に平行な面上に位置する。このビームスポットが形成される面が、焦点面となる。各対の下対物凸部７８と上対物凸部８０の光軸は、撮像用集光部材４０の対応する下撮像用凸部６８及び上撮像用凸部７０の光軸と一致するように設けられている。下対物凸部７８及び上対物凸部８０と、下撮像用凸部６８及び上撮像用凸部７０とによって、被写体２８とピンホール６２とが結像関係となる。
【００３０】
ここで、対物集光部材５０の下対物凸部７８及び上対物凸部８０によって構成される凸レンズの収差は、撮像用集光部材４０の下撮像用凸部６８及び上撮像用凸部７０によって構成される凸レンズの収差よりも小さい。尚、凸レンズの収差は、非球面または球面、表面の粗さ等によって設定すればよい。
【００３１】
図６は、撮像部の概略の平面図と駆動系を説明する図である。図６に示すように、駆動部１６は、Ｘ方向測距部８２と、Ｘ方向駆動部８４と、Ｙ方向測距部８６と、Ｙ方向駆動部８８と、Ｚ方向測距部９０と、Ｚ方向駆動部９２とを備える。尚、Ｘ方向駆動部８４、Ｙ方向駆動部８８、及び、Ｚ方向駆動部９２は、駆動力の発生源として、それぞれボイスコイルモータ等の小型モータ、または、ピエゾ素子を有する。
【００３２】
Ｘ方向測距部８２は、自己の位置と、Ｘ方向における撮像部１４及び被写体２８との距離を測定する。Ｘ方向測距部８２は、その測定した距離を距離情報として出力する。Ｘ方向駆動部８４は、撮像部１４をＸ方向に沿って移動させる。
【００３３】
Ｙ方向測距部８６は、自己の位置と、Ｙ方向における撮像部１４及び被写体２８との距離を測定する。Ｙ方向測距部８６は、その測定した距離を距離情報として出力する。Ｙ方向駆動部８８は、撮像部１４をＹ方向に沿って移動させる。Ｘ方向駆動部８４及びＹ方向駆動部８８は、撮像部１４をＸＹ平面内で走査させて、被写体２８の全体像を撮像させることができる。
【００３４】
Ｚ方向測距部９０は、自己の位置と、Ｚ方向における撮像部１４及び被写体２８との距離を測定する。Ｚ方向測距部９０は、その測定した距離を距離情報として出力する。Ｚ方向駆動部９２は、撮像部１４をＺ方向に沿って移動させる。これにより、Ｚ方向駆動部９２は、対物集光部材５０の下対物凸部７８及び上対物凸部８０によって構成される凸レンズにより集光されたビームスポット９４の焦点を被写体２８の位置に合わせることができる。また、Ｚ方向駆動部９２によって、撮像部１４をＺ方向に移動させることにより、Ｚ方向において異なる位置の被写体２８を撮像することができる。これにより、被写体２８の立体画像を撮像及び生成することができる。
【００３５】
図７は、撮像装置の制御系を説明するブロック図である。撮像装置１０の制御系について説明する。制御部２２は、コンピュータ等を含む。
【００３６】
図７に示すように、制御部２２は、各発光素子５２と、各撮像素子５８と、画像出力部２０と、駆動部１６のＸ方向駆動部８４、Ｙ方向駆動部８８及びＺ方向駆動部９２と、信号を入出力可能に接続されている。
【００３７】
制御部２２には、撮像素子５８から出力される撮像信号が入力される。これにより、制御部２２は、入力された撮像信号に基づいて、被写体２８の画像を生成する。制御部２２は、撮像信号に基づいて、生成した画像信号を画像出力部２０に出力する。画像出力部２０は、画像信号に基づいて、画像を表示する。制御部２２は、発光素子５２にオン・オフ信号を出力する。これにより、発光素子５２のオン・オフが切り替えられる。
【００３８】
Ｘ方向測距部８２、Ｙ方向測距部８６、及び、Ｚ方向測距部９０は、自己の位置から被写体２８及び撮像部１４のＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向の距離を測定して、その距離を測距情報として、制御部２２へと出力する。制御部２２は、Ｘ方向測距部８２、Ｙ方向測距部８６、及び、Ｚ方向測距部９０から入力されるＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向の測距情報に基づいて、撮像部１４と被写体２８との相対位置を算出する。制御部２２は、算出された相対位置に基づいて、駆動部１６のＸ方向駆動部８４、Ｙ方向駆動部８８、及び、Ｚ方向駆動部９２に駆動信号をそれぞれ個別に出力して、撮像部１４をＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向に移動させる。これにより、撮像部１４は、ＸＹ方向に移動して、ＸＹ面内で被写体２８を走査する。また、撮像部１４は、Ｚ方向に移動して、被写体２８の特定領域に対物集光部材５０を合焦させる。
【００３９】
次に、撮像部１４の製造方法について説明する。まず、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、または、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy ）法等の半導体製造プロセスによって、ウエハ状の半導体基板３２の一面に複数の発光素子５２を含む発光素子アレイ３４を形成する。次に、ＭＯＣＶＤ法またはＭＢＥ法等の半導体製造プロセスによって、複数の撮像素子５８を含む撮像素子アレイ３６を半導体基板３２の一面に発光素子アレイ３４と離間させて形成する。尚、撮像素子アレイ３６を先に形成した後に、発光素子アレイ３４を形成してもよい。
【００４０】
この後、撮像素子アレイ３６の撮像素子５８の上面にシリコン酸化膜を形成する。次に、シリコン酸化膜の上面にフォトリソグラフィー技術によって、レジスト膜を形成する。この後、金属薄膜を蒸着した後、レジスト膜とともにレジスト膜上の金属薄膜を除去する。これにより、複数のピンホール６２が形成された遮光部６４を有するピンホールアレイ３８が撮像素子アレイ３６上に完成する。
【００４１】
次に、撮像用集光部材４０を、ピンホールアレイ３８の上面に、接着剤４２を介して、設置する。尚、撮像用集光部材４０の製造方法は、まず、ガラスからなる撮像用ベース部材６６の上下面に成形型を配置する。この後、成形型の内部に樹脂を注入して、ＵＶ等の光照射または加熱等によって樹脂を硬化させる。これにより、撮像用ベース部材６６の上下面に下撮像用凸部６８及び上撮像用凸部７０が形成されて、撮像用集光部材４０が完成する。
【００４２】
次に、別工程によって製造された光学素子４６を、接着剤４４を介して、撮像用集光部材４０の上面に設置する。この後、軟性の樹脂からなる台座４８を介して、下対物凸部７８が、台座４８に埋め込まれるように、対物集光部材５０を光学素子４６の上面に設置する。尚、対物集光部材５０は、上述した撮像用集光部材４０と同様の工程によって製造される。次に、台座４８が、光照射または加熱によって硬化される。これにより、撮像用集光部材４０が固定される。この結果、撮像部１４が完成する。
【００４３】
次に、上述した撮像装置１０の撮像動作及び画像生成動作を説明する。撮像動作は、通常撮像モード、高画質撮像モードに分けて説明する。
【００４４】
通常撮像モードでは、制御部２２は、発光素子アレイ３４の各発光素子５２へとオン信号を出力する。これにより、発光素子５２は、レーザ光である光を照射する。照射された光は、＋Ｙ方向に進行して、光学素子４６のハーフミラー７４に達する。光の一部は、ハーフミラー７４によって、＋Ｚ方向に反射される。＋Ｚ方向に進行する光は、対物集光部材５０によって被写体領域３０に載置された被写体２８へと集光される。この後、被写体２８が存在しない領域に達した光は、＋Ｚ方向に進行する。一方、被写体２８に達した光は、被写体２８によって−Ｚ方向に反射される。
【００４５】
−Ｚ方向に進行する光の一部は、対物集光部材５０によって集光された後、光学素子４６のハーフミラー７４を透過して、素子本体部７２の内部を−Ｚ方向へと進行する。この後、光は、素子本体部７２の−Ｚ面から出射して、撮像用集光部材４０に入射する。光は、撮像用集光部材４０によって、ピンホール６２へと集光されて、ピンホール６２を通過する。この後、光は、撮像素子５８の受光面６０に達する。撮像素子５８は、受光面６０にて受光量に応じた電気信号である撮像信号を制御部２２へと出力する。次に、制御部２２は、Ｘ方向測距部８２及びＹ方向測距部８６から入力される測距情報に基づいて、Ｘ方向駆動部８４及びＹ方向駆動部８８を制御して、撮像部１４を撮像素子５８のピッチの長さである１０μｍＹ方向に移動させる。この後、上述した動作を繰り返すことによって、撮像素子５８がＹ方向の異なる位置の被写体２８の画像を撮像して、それぞれの領域の撮像信号を制御部２２に出力する。
【００４６】
次に、制御部２２は、Ｙ方向において異なる領域で被写体２８を撮像した撮像素子５８から入力された撮像信号に基づいて、画像を合成する。次に、制御部２２は、生成した画像を画像信号として、画像出力部２０に出力する。画像出力部２０は、受信した画像信号に基づいて、被写体２８の画像を表示する。尚、画像の生成は、撮像動作と平行して実行してもよい。
【００４７】
更に、被写体２８の立体画像を生成する場合は、制御部２２は、Ｚ方向測距部９０からの測距情報に基づいて、Ｚ方向駆動部９２を制御して、撮像部１４をＺ方向に移動させて、上述の動作を繰り返す。そして、Ｚ方向の異なる位置の被写体２８の画像を生成して、合成することにより被写体２８の立体画像を生成すればよい。
【００４８】
図８は、高画質撮像モードにおけるビームスポットの動きを説明する図である。高画質撮像モードでは、制御部２２は、Ｘ方向測距部８２及びＹ方向測距部８６から入力された測距情報に基づいて、Ｘ方向駆動部８４及びＹ方向駆動部８８を制御して、撮像素子５８のピッチの長さ以下の距離、好ましくは、ビームスポット９４の直径以下の距離、撮像部１４をＸ方向及びＹ方向に移動させる。そして、撮像素子５８が、各場所で被写体２８を撮像して、撮像信号を出力する。この後、撮像部１４を撮像素子５８のピッチの長さ移動させて、撮像を繰り返す。これにより、分解能を向上させて高画質画像を生成する。図８に示すように、例えば、制御部２２が、Ｘ方向駆動部８４またはＹ方向駆動部８８を制御して、撮像部１４をＸ方向またはＹ方向に約３μｍ移動させる。尚、撮像素子５８のピッチは１０μｍとし、撮像用集光部材４０によって集光された光のビームスポット９４の直径は４μｍ以上、撮像素子５８のピッチである１０μｍ以下とする。この撮像部１４の移動を繰り返する。これにより、ビームスポット９４は、約３μｍずつ移動して、図８の実線で示す位置から点線で示す８個所のそれぞれに矢印に沿って移動する。尚、９個所のビームスポット９４が互いに重なるように、撮像部１４を移動させることが好ましい。撮像素子５８が、実線及び点線で示す９個所で被写体２８を撮像して、それぞれの位置での撮像信号を制御部２２へと出力する。制御部２２は、入力された撮像信号に基づいて、画像を生成することにより、通常撮像モードの９倍の解像度の画像を生成することができる。更に、ビームスポット９４を、撮像素子５８の上面の面内で１６個所または２５個所移動させて、解像度を１６倍または２５倍に上げてもよい。
【００４９】
図９は、ＸＹ方向の測距をせずに画像生成する場合のフローチャートである。高画質モードと同様に撮像部１４を駆動して、図９のフローチャートに基づいて、画像が生成される。まず、制御部２２は、複数の画像の相対位置を、各画像の被写体２８の位置から算出する（Ｓ１０）。尚、被写体２８の輪郭等の形状情報から複数の画像の相対位置を算出してもよい。次に、算出された相対位置に基づいて生成された基準グリッドに各画像のピクセル座標を当てはめる（Ｓ１２）。
【００５０】
次に、制御部２２は、各撮像素子５８から入力されたピクセルデータを、最も近い画像である最近基準ピクセル座標に当てはめる（Ｓ１４）。この後、制御部２２は、欠落ピクセルへの補間データを作成する（Ｓ１６）。
【００５１】
次に、制御部２２は、複数画像の重複している個所を平均化する平均指示がユーザによって入力されている場合（Ｓ１８：Ｙｅｓ）、再度、ステップＳ１０以降を繰り返す。一方、制御部２２は、複数画像の平均指示がユーザによって入力されていない場合（Ｓ１８：Ｎｏ）、画像データを生成した後（Ｓ２０）、間引きデータを作成して出力する（Ｓ２２２）。これにより、高画質モードの画像よりも画質が向上した画像が出力されて、画像生成が終了する。これにより、撮像装置１０は、ＸＹ方向の測距をせずに画像を生成することができる。尚、ステップＳ１８とステップＳ２０との間に、画像ボケを低減するデコンボリューション処理を加えてもよい。
【００５２】
上述したように撮像装置１０は、対物集光部材５０を光学素子４６と被写体２８との間に設けている。これにより、撮像装置１０では、光学素子４６が反射した光を対物集光部材５０によって集光させて、被写体２８に照射することができる。これにより、撮像素子５８に達する光量を増大させることができるので、撮像された画像の画質を向上させることができる。更に、撮像装置１０は、各ピンホール６２の上方に撮像用集光部材４０を設けている。これにより、撮像装置１０は、被写体２８によって反射された光を撮像用集光部材４０によりピンホール６２へと集光させて、より撮像素子５８に達する光を増大させることができる。
【００５３】
撮像装置１０は、半導体基板３２の同一面上に発光素子アレイ３４の発光素子５２及び撮像素子アレイ３６の撮像素子５８を形成している。これにより、撮像素子５８は、被写体２８が透過した光ではなく、発光素子５２から出射されて被写体２８が反射した光によって撮像できる。この結果、撮像装置１０は、光を透過しない被写体２８を撮像することができる。
【００５４】
撮像装置１０は、半導体基板３２上に発光素子５２及び撮像素子５８を形成している。これにより、撮像装置１０は、撮像部１４を小型化できる。また、発光素子５２と撮像素子５８との位置合わせ等の組み立て工程を省略することができるので、撮像装置１０は、製造工程を簡略化できる。
【００５５】
撮像装置１０は、撮像素子５８の上方にピンホール６２が形成された遮光部６４を設けている。これにより、撮像装置１０は、焦点からずれた位置から被写体２８によって反射された光を遮光部６４によって遮光するとともに、焦点の合った位置から被写体２８によって反射された光を通過させる。また、対物集光部材５０及び撮像用集光部材４０によって、被写体２８とピンホール６２とを結像関係にしつつ、遮光部６４によって焦点のずれた光を遮光することにより、フレネル回折による画像の劣化を抑制できる。
【００５６】
図１０は、撮像素子を２次元的に配置した実施形態による撮像部の全体斜視図である。図１１は、撮像部の縦断面図である。図１２は、撮像部の概略の平面図である。
【００５７】
図１０〜図１２示すように、撮像部１１４では、複数の発光素子アレイ３４、複数の撮像素子アレイ３６、複数の光学素子４６、複数の撮像用集光部材４０、複数の対物集光部材５０が、半導体基板３２上にＹ方向に配列されている。
【００５８】
これにより、発光素子５２及び撮像素子５８が、Ｘ方向及びＹ方向に２次元的に配列される。一例として、発光素子５２及び撮像素子５８は、Ｘ方向及びＹ方向に数個から数千個、配列される。尚、配列される数は適宜変更してよい。また、撮像用集光部材４０の下撮像用凸部６８及び上撮像用凸部７０と、対物集光部材５０の下対物凸部７８とが、２次元的に配列されている。尚、発光素子アレイ３４の−Ｙ側であって、撮像素子アレイ３６の＋Ｙ側に、遮光部材を設けてもよい。これにより、発光素子５２から出射されてハーフミラー７４を透過した光が、Ｙ方向に隣接する撮像素子アレイ３６の列へと進行することを抑制できる。遮光部材の一例は、素子本体部７２の＋Ｙ面に形成された遮光膜である。
【００５９】
本実施形態では、各発光素子５２から出射された光は、＋Ｙ方向に進行して、光学素子４６のハーフミラー７４によって＋Ｚ方向へと反射される。光は、対物集光部材５０によって集光された後、被写体２８によって反射される。この後、光は、対物集光部材５０、光学素子４６を通過した後、撮像用集光部材４０によってピンホール６２へと集光される。集光された光は、ピンホール６２を通過して、撮像素子５８に受光される。撮像素子５８は、受光した光に対応する撮像信号を制御部２２へと出力する。この後、被写体２８の平面積が、撮像部１１４の平面積よりも大きい場合、制御部２２は、撮像素子５８の撮像信号と同時に入力されるＸ方向測距部８２及びＹ方向測距部８６から測距情報に基づいて、Ｘ方向駆動部８４及びＹ方向駆動部８８を制御して、撮像部１１４をＸ方向またはＹ方向に移動させて、異なる領域の被写体２８を撮像する。これにより、制御部２２が、画像を生成する。
【００６０】
本実施形態においては、撮像部１１４の撮像素子５８が２次元的に配列されているので、より多くの撮像信号を一度に出力できる。このため、本実施形態では、単眼の顕微鏡に比べて、撮像時の撮像部１１４のＸＹ方向の移動を低減することができるので、撮像に必要な時間を低減できる。尚、本実施形態においても、上述の高画質モードを適用して、画質を向上させてもよい。これにより、本実施形態では、撮像時間を低減しつつ、画質を向上させることができる。
【００６１】
図１３は、発光素子と光学素子との間に発散抑制部材を設けた実施形態による撮像部の縦断面図である。図１３に示すように、本実施形態による撮像部２１４では、発散抑制部材９６が光学素子４６の−Ｙ側の面に設けられている。これにより、発散抑制部材９６は、発光素子アレイ３４の発光素子５２と光学素子４６との間に設けられることになる。
【００６２】
発散抑制部材９６は、抑制基材９７と、コリメータレンズ９８とを有する。抑制基材９７は、ガラス板からなる。コリメータレンズ９８は、抑制基材９７の＋Ｙ側面及び−Ｙ側面にわたって設けられている。コリメータレンズ９８は、発光素子５２から出射された光の発散を抑制して、平行光へと変換して、光学素子４６のハーフミラー７４へと光を進行させる。これにより、発光素子５２が発光ダイオード等によって構成されている場合でも、光の発散を抑制することができる。この結果、本実施形態では、被写体２８に反射されて撮像素子５８に受光される光を増大させることができる。尚、発散抑制部材９６は、発散する光を平行光に変換するコリメータレンズ９８に代えて、発光素子５２から出射された光の発散を抑制できる程度の部材を設けてもよい。
【００６３】
図１４は、発光素子の個数を低減させた実施形態による撮像部の縦断面図である。図１４に示すように、本実施形態による撮像部３１４では、複数の撮像素子５８及び複数の光学素子４６が、発光素子５２の発光方向であるＹ方向に沿って、１個の発光素子５２に対応して配列されている。これにより、１個の発光素子５２が、複数の光学素子４６に光を供給することになる。光学素子４６のハーフミラー７４は、発光方向に進行する光の一部を透過して、残りを反射する。ここで、光学素子４６のハーフミラー７４は、発光素子５２から離れるにいくにつれて、反射率が高くなり、透過率が減少する。即ち、光学素子４６のうち、最も発光素子５２に近い光学素子４６のハーフミラー７４の反射率は、次に発光素子５２に近い光学素子４６のハーフミラー７４の反射率よりも低い。このように、複数の光学素子４６のハーフミラー７４の反射率は、発光素子５２から離れるにつれて、低くなる。
【００６４】
ここで、発光素子５２から出射された光は、発光素子５２から離れるにつれて、光学素子４６に達しにくくなる。しかし、反射率を上述のように発光素子５２から離れるにつれて徐々に高くすることにより、光学素子４６のハーフミラー７４によって反射される光を、Ｙ方向の位置によらず、平均化することができる。また、本実施形態では、発光素子５２の個数を低減できるので、撮像部３１４の構成を簡略化できる。
【００６５】
尚、図１４に示す実施形態において、それぞれのハーフミラー７４の分光透過率特性を変えてもよい。例えば、発光素子５２を白色光源として、発光素子５２に最も近いハーフミラー７４は赤色の光の反射率を高く設定し、次のハーフミラー７４は緑色の光の反射率を高く設定し、発光素子５２から最も遠いハーフミラー７４は青色の光の反射率を高く設定すればよい。
【００６６】
図１５は、撮像素子の隣接間隔を変更した実施形態の撮像部の平面図である。図１５に示すように、本実施形態の撮像部４１４では、隣接する撮像素子５８と撮像素子５８とのＸ方向の隣接間隔Ｐが、対物集光部材５０の下対物凸部７８及び上対物凸部８０によって集光された光のビームスポット９４の直径Ｄよりも小さい。尚、本実施形態においては、Ｙ方向が撮像部４１４の主走査方向である。従って、主走査方向と交差する方向における撮像素子５８の隣接間隔が、「隣接間隔Ｐ」となる。本実施形態では、撮像素子５８の隣接間隔Ｐが、ビームスポット９４の直径Ｄよりも小さいので、撮像部４１４をＹ方向に走査しつつ、撮像すると、隣接するビームスポット９４が重複する。これにより、より微細な画像を生成することができる。尚、主走査方向に走査した後、副走査方向であるＸ方向に撮像部４１４を走査してもよい。
【００６７】
図１６は、撮像素子間に遮光壁を設けた実施形態による撮像部の部分斜視図である。図１６に示すように、本実施形態の撮像部５１４では、撮像素子５８と撮像素子５８との間に遮光壁９９が設けられている。遮光壁９９は、半導体基板３２の＋Ｚ面に立設されている。遮光壁９９は、撮像素子５８から対物集光部材５０のＸ側の側面と対向するように配置されている。遮光壁９９のＹ方向の長さは、撮像素子５８のＹ方向の長さよりも長い。遮光壁９９の高さは、半導体基板３２の＋Ｚ面から対物集光部材５０の上対物凸部８０の頂点までの高さよりも高い。これにより、遮光壁９９は、撮像素子５８から対物集光部材５０の側面を覆うことができる。この結果、被写体２８に反射されて撮像素子５８に受光されるべき光が、隣接される撮像素子５８に受光されることを低減できる。
【００６８】
図１７は、発光素子が複数の撮像素子に光を供給する実施形態による撮像部の部分斜視図である。図１７に示すように、本実施形態の撮像部６１４では、発光部６３４が、１個の発光素子５２と、拡散部材６５３とを備える。
【００６９】
発光素子５２は、半導体基板３２の＋Ｘ側の端部に設けられている。拡散部材６５３は、半導体基板３２の＋Ｚ面に設けられている。拡散部材６５３は、発光素子５２の−Ｘ側の側面から半導体基板３２の−Ｘ側端部にわたって設けられている。拡散部材６５３は、撮像素子５８と離間した位置に配置されている。拡散部材６５３の＋Ｚ面、−Ｘ面、−Ｙ面は、光を反射可能に構成されている。拡散部材６５３は、光を拡散可能な材料からなる。これにより、拡散部材６５３は、発光素子５２から入射された光を拡散しつつ、Ｘ方向へと導光させる。そして、拡散部材６５３は、＋Ｙ面から光学素子４６の方向へと光を出射する。本実施形態では、発光素子５２の個数を低減することができるので、製造プロセスを簡略化することができる。
【００７０】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００７１】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【００７２】
上述した実施形態を部分的に変更した実施形態について説明する。
【００７３】
上述した実施形態では、撮像用集光部材４０を設けたが、撮像用集光部材４０は、省略してもよい。上述した実施形態では、ピンホール６２が形成されたピンホールアレイ３８を設けたが、ピンホールアレイ３８は省略してもよい。
【００７４】
上述した実施形態では、対物集光部材５０、撮像用集光部材４０等の集光部材にガラスからなるベース基材を設けたが、各集光部材からベース基材を省略して、樹脂のみによって構成してもよい。上述した実施形態では、ハーフミラー７４を有する光学素子４６を例に説明したが、ハーフミラーの代わりに偏光ビームスプリッタを光学素子に設けてもよい。発光素子５２をレーザによって構成する場合、ビームエキスパンダを発光素子５２と光学素子４６との間に設けてもよい。
【００７５】
発光素子５２が異なる波長、即ち、異なる色の光を出射可能に構成してもよい。例えば、赤色、緑色、青色の光を出射可能な発光素子５２を周期的に配置してもよい。この場合、対物集光部材５０、撮像用集光部材４０は、集光する光の色に合わせて色収差が小さくなるように形成することが好ましい。
【００７６】
発光素子５２が複数の異なる色、例えば３色の異なる色を発光可能に構成してもよい。赤色の光を発光する発光素子５２と、緑色の光を発光する発光素子５２と、青色の光を発光する発光素子５２とを半導体基板３２上に周期的に配列してもよい。この場合、撮像素子アレイ３６は、いずれかの色の光の受光率が高い複数種の撮像素子５８を含む。複数の撮像素子５８には、発光素子５２が照射する赤色の光を受光して電気信号に変更する撮像素子５８と、発光素子が照射する緑色の光を受光して電気信号に変換する撮像素子５８と、発光素子が照射する青色の光を受光して電気信号に変換する撮像素子５８とが含まれる。これらの撮像素子５８は、周期的に配列されている。
【００７７】
各撮像素子に、複数層、例えば、三層の受光層を設けて、各受光層で異なる色の光を受光するように構成してもよい。例えば、最上層の受光層で最も吸収されやすい青色の光を受光して、次の受光層で緑色の光を受光して、最下層の受光層で最も吸収されにくい赤色の光を受光するように構成してもよい。
【００７８】
上述の実施形態では、発光素子５２から出射した光によって被写体２８を撮像したが、被写体２８を透過した光によって、被写体２８を撮像してもよい。これにより、発光素子５２の消費電力を低減しつつ、自然光等によって被写体２８を撮像できる。
【符号の説明】
【００７９】
１０ 撮像装置
１２ ベース
１４ 撮像部
１６ 駆動部
１８ 被写体保持部
２０ 画像出力部
２２ 制御部
２４ 被写体ケース
２６ 脚部
２８ 被写体
３０ 被写体領域
３２ 半導体基板
３４ 発光素子アレイ
３６ 撮像素子アレイ
３８ ピンホールアレイ
４０ 撮像用集光部材
４２ 接着剤
４４ 接着剤
４６ 光学素子
４８ 台座
５０ 対物集光部材
５２ 発光素子
５４ 発光層
５６ クラッド層
５８ 撮像素子
６０ 受光面
６２ ピンホール
６４ 遮光部
６６ 撮像用ベース部材
６８ 下撮像用凸部
７０ 上撮像用凸部
７２ 素子本体部
７４ ハーフミラー
７６ 対物ベース部材
７８ 下対物凸部
８０ 上対物凸部
８２ Ｘ方向測距部
８４ Ｘ方向駆動部
８６ Ｙ方向測距部
８８ Ｙ方向駆動部
９０ Ｚ方向測距部
９２ Ｚ方向駆動部
９４ ビームスポット
９６ 発散抑制部材
９７ 抑制基材
９８ コリメータレンズ
９９ 遮光壁
１１４ 撮像部
２１４ 撮像部
３１４ 撮像部
４１４ 撮像部
５１４ 撮像部
６１４ 撮像部
６３４ 発光部
６５３ 拡散部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、光源と、撮像素子と、撮像素子と被写体との間に配置されたピンホールを備える顕微鏡が開示されている。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］ 特表２００８−５０１９９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述の装置では、ピンホールによって多くの光が遮られるので、撮像素子に達する光量が少ないといった課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様は、半導体基板と、前記半導体基板に形成された複数の撮像素子と、前記複数の撮像素子に隣接して、前記半導体基板に形成された発光部と、前記複数の撮像素子の光路上に形成され、前記発光部からの光を前記複数の撮像素子の光路に平行であって離間する方向へ方向付けする複数の光学素子と、光学素子と被写体との間の前記光路上に設けられ、前記光学素子からの光を前記被写体へと集光する複数の対物集光部材とを備える撮像装置である。
【０００５】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】撮像装置の全体斜視図である。
【図２】撮像部の全体斜視図である。
【図３】撮像部の分解斜視図である。
【図４】図２の一部拡大図である。
【図５】撮像部の縦断面図である。
【図６】撮像部の概略の平面図である。
【図７】撮像装置の制御系を説明するブロック図である。
【図８】高画質撮像モードにおけるビームスポットの動きを説明する図である。
【図９】ＸＹ方向の測距をせずに画像生成する場合のフローチャートである。
【図１０】撮像素子を２次元的に配置した実施形態による撮像部の全体斜視図である。
【図１１】撮像部の縦断面図である。
【図１２】撮像部の概略の平面図である。
【図１３】発光素子と光学素子との間に発散抑制部材を設けた実施形態による撮像部の縦断面図である。
【図１４】発光素子の個数を低減させた実施形態による撮像部の縦断面図である。
【図１５】撮像素子のピッチを変更した実施形態の撮像部の平面図である。
【図１６】撮像素子間に遮光壁を設けた実施形態による撮像部の部分斜視図である。
【図１７】発光素子が複数の撮像素子に光を供給する実施形態による撮像部の部分斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００８】
図１は、撮像装置の全体斜視図である。図１に矢印で示すＸＹＺを撮像装置のＸＹＺ方向とする。また、＋Ｚ方向を上方向、−Ｚ方向を下方向とする。図１に示すように、本実施形態による撮像装置１０は、ベース１２と、撮像部１４と、駆動部１６と、被写体保持部１８と、画像出力部２０と、制御部２２とを備えている。
【０００９】
ベース１２は、台状に形成されている。ベース１２の上面には、駆動部１６と、被写体保持部１８とが載置されている。これにより、ベース１２は、撮像部１４と、駆動部１６と、被写体保持部１８とを直接的または間接的に支持する。
【００１０】
駆動部１６は、撮像部１４の両端を保持しつつ、撮像部１４をＸＹＺ方向に移動させる。駆動部１６は、制御部２２から入力される駆動信号によって制御される。
【００１１】
被写体保持部１８は、被写体ケース２４と、４本の脚部２６とを有する。被写体ケース２４は、撮像用の光を透過可能な材料によって構成されている。被写体ケース２４は、ＸＹ平面に平行な直方体形状に形成されている。被写体ケース２４には、被写体２８が載置される中空状の被写体領域３０が形成されている。尚、被写体２８には、蛍光材料を含ませてもよい。４本の脚部２６は、被写体ケース２４の四隅の下面と、ベース１２の上面との間に配置されている。これにより、４本の脚部２６は、被写体ケース２４を撮像部１４の上方に支持する。
【００１２】
画像出力部２０は、制御部２２によって生成された画像を表示する。画像出力部２０の一例は、液晶ディスプレイである。制御部２２は、撮像装置１０の制御全般を司る。
【００１３】
図２は、撮像部の全体斜視図である。図３は、撮像部の分解斜視図である。図４は、図２の一部拡大図である。図５は、撮像部の縦断面図である。
【００１４】
図２〜図５に示すように、撮像部１４は、被写体領域３０の−Ｚ方向に配置されている。撮像部１４は、駆動部１６によって、ＸＹＺ方向に移動可能に支持されている。撮像部１４は、半導体基板３２と、発光部の一例である発光素子アレイ３４と、撮像素子アレイ３６と、ピンホールアレイ３８と、撮像用集光部材４０と、接着剤４２及び接着剤４４と、光学素子４６と、台座４８と、対物集光部材５０とを備えている。
【００１５】
半導体基板３２は、シリコン（Ｓｉ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）等の半導体材料を含む。半導体基板３２上には、発光素子アレイ３４、及び、撮像素子アレイ３６が形成されて、半導体基板３２は、発光素子アレイ３４、及び、撮像素子アレイ３６を支持する。
【００１６】
発光素子アレイ３４は、半導体基板３２の−Ｙ側の端部に設けられている。発光素子アレイ３４は、半導体基板３２の＋Ｚ面上に半導体製造プロセスによって形成された複数の発光素子５２を有する。尚、発光素子５２の数の一例は、数個から数千個であるが、限定されるものではない。発光素子５２は、Ｘ方向に約１０μｍの幅を有する。尚、発光素子５２の幅は適宜変更してよい。発光素子５２は、平面視において、矩形状に形成されている。複数の発光素子５２は、Ｘ方向に沿って一直線上に配列されている。発光素子５２の一例、レーザダイオードである。図５に示すように、発光素子５２は、発光層５４と、一対のクラッド層５６及びクラッド層５６とを有する。発光層５４は、各発光素子５２に注入された電荷によって発光する。一対のクラッド層５６、５６は、発光層５４の＋Ｚ側の面及び−Ｚ側の面に形成されている。一対のクラッド層５６、５６は、発光層５４で発光された光がＺ方向に導光することを抑制して、光を閉じ込める。発光層５４のＹ側の両面は、鏡面構造を有する。尚、発光層５４の＋Ｙ側の面は、−Ｙ側の面よりも反射率が小さく構成されている。これにより、発光素子５２は、発光層５４で発光された光をクラッド層５６、５６によって閉じ込めて、＋Ｙ方向にレーザ光である光を出射する。
【００１７】
図２〜図５に示すように、撮像素子アレイ３６は、半導体基板３２の＋Ｙ側の端部に設けられている。撮像素子アレイ３６は、発光素子５２の光の出射方向に配置されている。撮像素子アレイ３６は、半導体基板３２の＋Ｚ面上に半導体製造プロセスによって形成された複数の撮像素子５８を有する。これにより、発光素子５２及び撮像素子５８は、半導体基板３２の同一面上に形成されることになる。各撮像素子５８は、発光素子アレイ３４の各発光素子５２の＋Ｙ側に隣接して配置されている。即ち、撮像素子５８及び発光素子５２は、一対一の関係であって、同じ個数配列されている。これにより、各発光素子５２が、１個の撮像素子５８に光を照射することになる。撮像素子アレイ３６の一例は、ＣＣＤ（＝Charge Coupled Device：電荷結合素子）またはＣＭＯＳ（＝Complementary Metal Oxide Semiconductor： 相補型金属酸化膜半導体）イメージセンサである。撮像素子５８は、それらの画素である。撮像素子５８は、受光した光を光電変換して、電気的な信号である撮像信号を出力する。撮像素子５８の一辺は、平面視において、例えば、１０μｍの正方形状に形成されている。撮像素子５８の＋Ｚ面には、光を受光するための受光面６０が形成されている。撮像素子５８は、被写体２８が反射した光を受光面６０によって受光する。そして、撮像素子５８は、受光面６０での受光量に応じた撮像信号に変換して出力する。
【００１８】
ピンホールアレイ３８は、撮像素子アレイ３６の＋Ｚ側の面、即ち、被写体領域３０側に形成されている。ピンホールアレイ３８は、開口部の一例である複数のピンホール６２が形成された遮光部６４を有する。遮光部６４は、撮像素子５８の＋Ｚ側の面に一体的に直接形成されている。これにより、遮光部６４は、撮像素子５８と光学素子４６との間に設けられることになる。遮光部６４は、光を遮蔽可能な材料を含む。遮光部６４は、平面視において、撮像素子アレイ３６と略同じ形状の長方形状に形成されている。遮光部６４は、一定の厚みを有する板状の材料によって構成してもよく、透明な板状部材の一面に形成された遮光膜によって構成してもよい。例えば、遮光部６４は、撮像素子５８の＋Ｚ面にスピンコート法等によって形成した酸化シリコン膜の＋Ｚ面に形成された金属薄膜によって構成してもよい。この場合、フォトリソグラフィー及びエッチング等によって、所定の領域の金属薄膜を除去して、ピンホール６２を形成できる。
【００１９】
複数のピンホール６２は、Ｘ方向に延びる撮像素子アレイ３６の中心線に沿って配列されている。ピンホール６２のピッチは、撮像素子５８のピッチと同じである。これにより、１個のピンホール６２が、いずれか１個の撮像素子５８に対応することになる。各ピンホール６２は、平面視において、円形状に形成されている。ピンホール６２は、撮像素子５８の受光面６０よりも小さい。例えば、撮像素子５８が、一辺が約１０μｍの正方形状である場合、ピンホール６２の直径は、約１μｍである。ピンホール６２は、Ｚ方向において、遮光部６４を貫いている。ピンホール６２は、光を透過可能に構成されている。ピンホール６２は、空間としてもよく、光を透過可能な材料によって埋設されていてもよい。ピンホール６２は、焦点の合った焦点面からの光を通過させる。遮光部６４は、被写体２８に反射された光の一部である焦点のずれた位置からの光を遮光する。
【００２０】
撮像用集光部材４０は、接着剤４２を介して、ピンホールアレイ３８の＋Ｚ側に配置されている。撮像用集光部材４０は、接着剤４２を介して、光学素子４６の−Ｚ側に配置されている。これにより、撮像用集光部材４０は、ピンホールアレイ３８及び撮像素子５８と、光学素子４６との間の光路上に設けられることになる。撮像用集光部材４０は、撮像用ベース部材６６と、複数対の下撮像用凸部６８及び上撮像用凸部７０とを有する。
【００２１】
撮像用ベース部材６６は、ＸＹ平面に平行な板状に形成されている。撮像用ベース部材６６は、撮像素子アレイ３６の＋Ｚ面と略同形状の長方形状に形成されている。撮像用ベース部材６６は、光を透過可能なガラスからなる。尚、撮像用ベース部材６６は、光を透過可能な樹脂等によって構成してもよい。
【００２２】
下撮像用凸部６８は、下方に突出した部分球体状に形成されている。下撮像用凸部６８は、撮像用ベース部材６６の下面に設けられている。複数の下撮像用凸部６８は、Ｘ方向に沿って配列されている。下撮像用凸部６８のピッチは、撮像素子５８及びピンホール６２のピッチと同じである。下撮像用凸部６８は、接着剤４２に埋め込まれている。これにより、下撮像用凸部６８を含む撮像用集光部材４０は、接着剤４２を介して、ピンホールアレイ３８の上面に固定される。
【００２３】
上撮像用凸部７０は、上方に突出した部分球体状に形成されている。上撮像用凸部７０は、撮像用ベース部材６６の上面に設けられている。上撮像用凸部７０は、下撮像用凸部６８の上方に配置されている。これにより、上撮像用凸部７０のピッチは、撮像素子５８及びピンホール６２のピッチと等しくなる。この結果、一対の下撮像用凸部６８及び上撮像用凸部７０が、各撮像素子５８及び各ピンホール６２に一対一で対応することになる。下撮像用凸部６８と上撮像用凸部７０は、互いの光軸が一致するように配置されている。下撮像用凸部６８及び上撮像用凸部７０は、光を集光可能な凸レンズを構成する。この結果、下撮像用凸部６８及び上撮像用凸部７０は、被写体２８に反射された光であって、光学素子４６を透過して−Ｚ方向に進行する光をピンホール６２及び撮像素子５８へと集光する。尚、ピンホール６２は、下撮像用凸部６８及び上撮像用凸部７０の焦点に配置されている。上撮像用凸部７０は、接着剤４４に埋め込まれている。これにより、上撮像用凸部７０を含む撮像用集光部材４０は、接着剤４４を介して、光学素子４６の下面に固定される。
【００２４】
光学素子４６は、ピンホールアレイ３８及び撮像用集光部材４０の＋Ｚ側の面、即ち、被写体領域３０側の面に設けられている。光学素子４６は、Ｘ方向に延びる三角柱形状の素子本体部７２を有する。素子本体部７２のＹＺ平面に平行な断面は、直角三角形状に形成されている。素子本体部７２の断面の頂点のうち、直角の頂点は、ピンホールアレイ３８の＋Ｙ側の端部に配置されている。素子本体部７２の一面は、ＸＹ平面から傾斜している。この素子本体部７２の傾斜面は、発光素子アレイ３４と対向している。素子本体部７２の傾斜面には、ハーフミラー７４が形成されている。ハーフミラー７４は、ＸＹ平面から４５°傾斜している。ハーフミラー７４は、光の一部を反射して、残りの光を透過する厚みに形成された金属薄膜からなる。一例として、発光素子５２の発光波長に対するハーフミラー７４の反射率の一例は５０％であり、ハーフミラー７４の透過率の一例は５０％である。ハーフミラー７４は、発光素子５２から出射された光の一部を被写体領域３０が配されている＋Ｚ方向に反射する。これにより、光学素子４６は、発光素子５２から出射された光を複数の撮像素子５８の光路に平行であって、離間する方向へと方向付けする。ハーフミラー７４は、被写体２８によって反射された光の一部を透過する。これにより、被写体２８によって反射された光が、撮像用集光部材４０を介してピンホールアレイ３８へと達する。ピンホールアレイ３８に達した光のうち、一部の光は、ピンホール６２を透過して、撮像素子５８に受光される。これにより、光学素子４６は、複数の撮像素子５８の光路上に形成されることになる。
【００２５】
台座４８は、光学素子４６の＋Ｚ側に配置されている。台座４８は、光学素子４６に対して相対移動不能に、対物集光部材５０を固定する。台座４８は、略三角柱形状に形成されている。台座４８のＹＺ平面に平行な断面は、直角三角形状に形成されている。台座４８の傾斜面は、光学素子４６のハーフミラー７４に貼り合わされている。貼り合わされた台座４８と光学素子４６は、略直方体形状となる。また、台座４８の＋Ｚ側の面は、略水平になる。台座４８は、光を透過可能な樹脂からなる。これにより、台座４８は、光学素子４６によって反射された光を対物集光部材５０へと透過させる。また、台座４８は、被写体２８によって反射されて対物集光部材５０を透過した光を光学素子４６へと透過させる。台座４８は、光照射または熱等によって硬化可能な樹脂からなる。これにより、台座４８は、軟性の状態で光学素子４６上に載置される。この後、対物集光部材５０が、台座４８の上面に載置された状態で、台座４８を光または熱等によって硬化する。これにより、台座４８は、対物集光部材５０を光学素子４６に固定する。
【００２６】
対物集光部材５０は、台座４８を介して、光学素子４６の＋Ｚ側に配置されている。対物集光部材５０は、被写体領域３０の−Ｚ側に配置されている。これにより、対物集光部材５０は、光学素子４６と被写体領域３０との間の光路上に設けられることになる。対物集光部材５０は、対物ベース部材７６と、複数対の下対物凸部７８及び上対物凸部８０とを有する。
【００２７】
対物ベース部材７６は、ＸＹ平面に平行な板状に形成されている。対物ベース部材７６は、撮像素子アレイ３６の＋Ｚ面と略同形状の長方形に形成されている。対物ベース部材７６は、光を透過可能なガラスからなる。尚、対物ベース部材７６は、光を透過可能な樹脂等によって構成してもよい。
【００２８】
下対物凸部７８は、下方に突出した部分球体状に形成されている。下対物凸部７８は、対物ベース部材７６の下面に設けられている。複数の下対物凸部７８は、Ｘ方向に沿って配列されている。下対物凸部７８のピッチは、撮像素子５８及びピンホール６２のピッチと同じである。下対物凸部７８は、台座４８の上部に埋め込まれている。これにより、下対物凸部７８を含む対物集光部材５０は、台座４８に固定される。
【００２９】
上対物凸部８０は、上方に突出した部分球体状に形成されている。上対物凸部８０は、対物ベース部材７６の上面に設けられている。上対物凸部８０は、下対物凸部７８の上方に配置されている。これにより、上対物凸部８０のピッチは、撮像素子５８及びピンホール６２のピッチと等しくなる。この結果、一対の下対物凸部７８及び上対物凸部８０が、各撮像素子５８及び各ピンホール６２に一対一で対応することになる。下対物凸部７８と上対物凸部８０は、互いの光軸が一致するように配置されている。下対物凸部７８及び上対物凸部８０は、光を集光可能な凸レンズを構成する。この結果、下対物凸部７８及び上対物凸部８０は、ハーフミラー７４によって反射され＋Ｚ方向に進行する光学素子４６からの光を被写体２８へと解像分解限界まで集光する。また、下対物凸部７８及び上対物凸部８０は、被写体２８に反射されて−Ｚ方向に進行する光を平行光にする。ここで、各組の下対物凸部７８及び上対物凸部８０は、ＸＹ平面に平行な対物ベース部材７６に配置されているので、下対物凸部７８及び上対物凸部８０によって集光された光のビームスポットは、ＸＹ平面に平行な面上に位置する。このビームスポットが形成される面が、焦点面となる。各対の下対物凸部７８と上対物凸部８０の光軸は、撮像用集光部材４０の対応する下撮像用凸部６８及び上撮像用凸部７０の光軸と一致するように設けられている。下対物凸部７８及び上対物凸部８０と、下撮像用凸部６８及び上撮像用凸部７０とによって、被写体２８とピンホール６２とが結像関係となる。
【００３０】
ここで、対物集光部材５０の下対物凸部７８及び上対物凸部８０によって構成される凸レンズの収差は、撮像用集光部材４０の下撮像用凸部６８及び上撮像用凸部７０によって構成される凸レンズの収差よりも小さい。尚、凸レンズの収差は、非球面または球面、表面の粗さ等によって設定すればよい。
【００３１】
図６は、撮像部の概略の平面図と駆動系を説明する図である。図６に示すように、駆動部１６は、Ｘ方向測距部８２と、Ｘ方向駆動部８４と、Ｙ方向測距部８６と、Ｙ方向駆動部８８と、Ｚ方向測距部９０と、Ｚ方向駆動部９２とを備える。尚、Ｘ方向駆動部８４、Ｙ方向駆動部８８、及び、Ｚ方向駆動部９２は、駆動力の発生源として、それぞれボイスコイルモータ等の小型モータ、または、ピエゾ素子を有する。
【００３２】
Ｘ方向測距部８２は、自己の位置と、Ｘ方向における撮像部１４及び被写体２８との距離を測定する。Ｘ方向測距部８２は、その測定した距離を距離情報として出力する。Ｘ方向駆動部８４は、撮像部１４をＸ方向に沿って移動させる。
【００３３】
Ｙ方向測距部８６は、自己の位置と、Ｙ方向における撮像部１４及び被写体２８との距離を測定する。Ｙ方向測距部８６は、その測定した距離を距離情報として出力する。Ｙ方向駆動部８８は、撮像部１４をＹ方向に沿って移動させる。Ｘ方向駆動部８４及びＹ方向駆動部８８は、撮像部１４をＸＹ平面内で走査させて、被写体２８の全体像を撮像させることができる。
【００３４】
Ｚ方向測距部９０は、自己の位置と、Ｚ方向における撮像部１４及び被写体２８との距離を測定する。Ｚ方向測距部９０は、その測定した距離を距離情報として出力する。Ｚ方向駆動部９２は、撮像部１４をＺ方向に沿って移動させる。これにより、Ｚ方向駆動部９２は、対物集光部材５０の下対物凸部７８及び上対物凸部８０によって構成される凸レンズにより集光されたビームスポット９４の焦点を被写体２８の位置に合わせることができる。また、Ｚ方向駆動部９２によって、撮像部１４をＺ方向に移動させることにより、Ｚ方向において異なる位置の被写体２８を撮像することができる。これにより、被写体２８の立体画像を撮像及び生成することができる。
【００３５】
図７は、撮像装置の制御系を説明するブロック図である。撮像装置１０の制御系について説明する。制御部２２は、コンピュータ等を含む。
【００３６】
図７に示すように、制御部２２は、各発光素子５２と、各撮像素子５８と、画像出力部２０と、駆動部１６のＸ方向駆動部８４、Ｙ方向駆動部８８及びＺ方向駆動部９２と、信号を入出力可能に接続されている。
【００３７】
制御部２２には、撮像素子５８から出力される撮像信号が入力される。これにより、制御部２２は、入力された撮像信号に基づいて、被写体２８の画像を生成する。制御部２２は、撮像信号に基づいて、生成した画像信号を画像出力部２０に出力する。画像出力部２０は、画像信号に基づいて、画像を表示する。制御部２２は、発光素子５２にオン・オフ信号を出力する。これにより、発光素子５２のオン・オフが切り替えられる。
【００３８】
Ｘ方向測距部８２、Ｙ方向測距部８６、及び、Ｚ方向測距部９０は、自己の位置から被写体２８及び撮像部１４のＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向の距離を測定して、その距離を測距情報として、制御部２２へと出力する。制御部２２は、Ｘ方向測距部８２、Ｙ方向測距部８６、及び、Ｚ方向測距部９０から入力されるＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向の測距情報に基づいて、撮像部１４と被写体２８との相対位置を算出する。制御部２２は、算出された相対位置に基づいて、駆動部１６のＸ方向駆動部８４、Ｙ方向駆動部８８、及び、Ｚ方向駆動部９２に駆動信号をそれぞれ個別に出力して、撮像部１４をＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向に移動させる。これにより、撮像部１４は、ＸＹ方向に移動して、ＸＹ面内で被写体２８を走査する。また、撮像部１４は、Ｚ方向に移動して、被写体２８の特定領域に対物集光部材５０を合焦させる。
【００３９】
次に、撮像部１４の製造方法について説明する。まず、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、または、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy ）法等の半導体製造プロセスによって、ウエハ状の半導体基板３２の一面に複数の発光素子５２を含む発光素子アレイ３４を形成する。次に、ＭＯＣＶＤ法またはＭＢＥ法等の半導体製造プロセスによって、複数の撮像素子５８を含む撮像素子アレイ３６を半導体基板３２の一面に発光素子アレイ３４と離間させて形成する。尚、撮像素子アレイ３６を先に形成した後に、発光素子アレイ３４を形成してもよい。
【００４０】
この後、撮像素子アレイ３６の撮像素子５８の上面にシリコン酸化膜を形成する。次に、シリコン酸化膜の上面にフォトリソグラフィー技術によって、レジスト膜を形成する。この後、金属薄膜を蒸着した後、レジスト膜とともにレジスト膜上の金属薄膜を除去する。これにより、複数のピンホール６２が形成された遮光部６４を有するピンホールアレイ３８が撮像素子アレイ３６上に完成する。
【００４１】
次に、撮像用集光部材４０を、ピンホールアレイ３８の上面に、接着剤４２を介して、設置する。尚、撮像用集光部材４０の製造方法は、まず、ガラスからなる撮像用ベース部材６６の上下面に成形型を配置する。この後、成形型の内部に樹脂を注入して、ＵＶ等の光照射または加熱等によって樹脂を硬化させる。これにより、撮像用ベース部材６６の上下面に下撮像用凸部６８及び上撮像用凸部７０が形成されて、撮像用集光部材４０が完成する。
【００４２】
次に、別工程によって製造された光学素子４６を、接着剤４４を介して、撮像用集光部材４０の上面に設置する。この後、軟性の樹脂からなる台座４８を介して、下対物凸部７８が、台座４８に埋め込まれるように、対物集光部材５０を光学素子４６の上面に設置する。尚、対物集光部材５０は、上述した撮像用集光部材４０と同様の工程によって製造される。次に、台座４８が、光照射または加熱によって硬化される。これにより、撮像用集光部材４０が固定される。この結果、撮像部１４が完成する。
【００４３】
次に、上述した撮像装置１０の撮像動作及び画像生成動作を説明する。撮像動作は、通常撮像モード、高画質撮像モードに分けて説明する。
【００４４】
通常撮像モードでは、制御部２２は、発光素子アレイ３４の各発光素子５２へとオン信号を出力する。これにより、発光素子５２は、レーザ光である光を照射する。照射された光は、＋Ｙ方向に進行して、光学素子４６のハーフミラー７４に達する。光の一部は、ハーフミラー７４によって、＋Ｚ方向に反射される。＋Ｚ方向に進行する光は、対物集光部材５０によって被写体領域３０に載置された被写体２８へと集光される。この後、被写体２８が存在しない領域に達した光は、＋Ｚ方向に進行する。一方、被写体２８に達した光は、被写体２８によって−Ｚ方向に反射される。
【００４５】
−Ｚ方向に進行する光の一部は、対物集光部材５０によって集光された後、光学素子４６のハーフミラー７４を透過して、素子本体部７２の内部を−Ｚ方向へと進行する。この後、光は、素子本体部７２の−Ｚ面から出射して、撮像用集光部材４０に入射する。光は、撮像用集光部材４０によって、ピンホール６２へと集光されて、ピンホール６２を通過する。この後、光は、撮像素子５８の受光面６０に達する。撮像素子５８は、受光面６０にて受光量に応じた電気信号である撮像信号を制御部２２へと出力する。次に、制御部２２は、Ｘ方向測距部８２及びＹ方向測距部８６から入力される測距情報に基づいて、Ｘ方向駆動部８４及びＹ方向駆動部８８を制御して、撮像部１４を撮像素子５８のピッチの長さである１０μｍＹ方向に移動させる。この後、上述した動作を繰り返すことによって、撮像素子５８がＹ方向の異なる位置の被写体２８の画像を撮像して、それぞれの領域の撮像信号を制御部２２に出力する。
【００４６】
次に、制御部２２は、Ｙ方向において異なる領域で被写体２８を撮像した撮像素子５８から入力された撮像信号に基づいて、画像を合成する。次に、制御部２２は、生成した画像を画像信号として、画像出力部２０に出力する。画像出力部２０は、受信した画像信号に基づいて、被写体２８の画像を表示する。尚、画像の生成は、撮像動作と平行して実行してもよい。
【００４７】
更に、被写体２８の立体画像を生成する場合は、制御部２２は、Ｚ方向測距部９０からの測距情報に基づいて、Ｚ方向駆動部９２を制御して、撮像部１４をＺ方向に移動させて、上述の動作を繰り返す。そして、Ｚ方向の異なる位置の被写体２８の画像を生成して、合成することにより被写体２８の立体画像を生成すればよい。
【００４８】
図８は、高画質撮像モードにおけるビームスポットの動きを説明する図である。高画質撮像モードでは、制御部２２は、Ｘ方向測距部８２及びＹ方向測距部８６から入力された測距情報に基づいて、Ｘ方向駆動部８４及びＹ方向駆動部８８を制御して、撮像素子５８のピッチの長さ以下の距離、好ましくは、ビームスポット９４の直径以下の距離、撮像部１４をＸ方向及びＹ方向に移動させる。そして、撮像素子５８が、各場所で被写体２８を撮像して、撮像信号を出力する。この後、撮像部１４を撮像素子５８のピッチの長さ移動させて、撮像を繰り返す。これにより、分解能を向上させて高画質画像を生成する。図８に示すように、例えば、制御部２２が、Ｘ方向駆動部８４またはＹ方向駆動部８８を制御して、撮像部１４をＸ方向またはＹ方向に約３μｍ移動させる。尚、撮像素子５８のピッチは１０μｍとし、撮像用集光部材４０によって集光された光のビームスポット９４の直径は４μｍ以上、撮像素子５８のピッチである１０μｍ以下とする。この撮像部１４の移動を繰り返する。これにより、ビームスポット９４は、約３μｍずつ移動して、図８の実線で示す位置から点線で示す８個所のそれぞれに矢印に沿って移動する。尚、９個所のビームスポット９４が互いに重なるように、撮像部１４を移動させることが好ましい。撮像素子５８が、実線及び点線で示す９個所で被写体２８を撮像して、それぞれの位置での撮像信号を制御部２２へと出力する。制御部２２は、入力された撮像信号に基づいて、画像を生成することにより、通常撮像モードの９倍の解像度の画像を生成することができる。更に、ビームスポット９４を、撮像素子５８の上面の面内で１６個所または２５個所移動させて、解像度を１６倍または２５倍に上げてもよい。
【００４９】
図９は、ＸＹ方向の測距をせずに画像生成する場合のフローチャートである。高画質モードと同様に撮像部１４を駆動して、図９のフローチャートに基づいて、画像が生成される。まず、制御部２２は、複数の画像の相対位置を、各画像の被写体２８の位置から算出する（Ｓ１０）。尚、被写体２８の輪郭等の形状情報から複数の画像の相対位置を算出してもよい。次に、算出された相対位置に基づいて生成された基準グリッドに各画像のピクセル座標を当てはめる（Ｓ１２）。
【００５０】
次に、制御部２２は、各撮像素子５８から入力されたピクセルデータを、最も近い画像である最近基準ピクセル座標に当てはめる（Ｓ１４）。この後、制御部２２は、欠落ピクセルへの補間データを作成する（Ｓ１６）。
【００５１】
次に、制御部２２は、複数画像の重複している個所を平均化する平均指示がユーザによって入力されている場合（Ｓ１８：Ｙｅｓ）、再度、ステップＳ１０以降を繰り返す。一方、制御部２２は、複数画像の平均指示がユーザによって入力されていない場合（Ｓ１８：Ｎｏ）、画像データを生成した後（Ｓ２０）、間引きデータを作成して出力する（Ｓ２２２）。これにより、高画質モードの画像よりも画質が向上した画像が出力されて、画像生成が終了する。これにより、撮像装置１０は、ＸＹ方向の測距をせずに画像を生成することができる。尚、ステップＳ１８とステップＳ２０との間に、画像ボケを低減するデコンボリューション処理を加えてもよい。
【００５２】
上述したように撮像装置１０は、対物集光部材５０を光学素子４６と被写体２８との間に設けている。これにより、撮像装置１０では、光学素子４６が反射した光を対物集光部材５０によって集光させて、被写体２８に照射することができる。これにより、撮像素子５８に達する光量を増大させることができるので、撮像された画像の画質を向上させることができる。更に、撮像装置１０は、各ピンホール６２の上方に撮像用集光部材４０を設けている。これにより、撮像装置１０は、被写体２８によって反射された光を撮像用集光部材４０によりピンホール６２へと集光させて、より撮像素子５８に達する光を増大させることができる。
【００５３】
撮像装置１０は、半導体基板３２の同一面上に発光素子アレイ３４の発光素子５２及び撮像素子アレイ３６の撮像素子５８を形成している。これにより、撮像素子５８は、被写体２８が透過した光ではなく、発光素子５２から出射されて被写体２８が反射した光によって撮像できる。この結果、撮像装置１０は、光を透過しない被写体２８を撮像することができる。
【００５４】
撮像装置１０は、半導体基板３２上に発光素子５２及び撮像素子５８を形成している。これにより、撮像装置１０は、撮像部１４を小型化できる。また、発光素子５２と撮像素子５８との位置合わせ等の組み立て工程を省略することができるので、撮像装置１０は、製造工程を簡略化できる。
【００５５】
撮像装置１０は、撮像素子５８の上方にピンホール６２が形成された遮光部６４を設けている。これにより、撮像装置１０は、焦点からずれた位置から被写体２８によって反射された光を遮光部６４によって遮光するとともに、焦点の合った位置から被写体２８によって反射された光を通過させる。また、対物集光部材５０及び撮像用集光部材４０によって、被写体２８とピンホール６２とを結像関係にしつつ、遮光部６４によって焦点のずれた光を遮光することにより、フレネル回折による画像の劣化を抑制できる。
【００５６】
図１０は、撮像素子を２次元的に配置した実施形態による撮像部の全体斜視図である。図１１は、撮像部の縦断面図である。図１２は、撮像部の概略の平面図である。
【００５７】
図１０〜図１２示すように、撮像部１１４では、複数の発光素子アレイ３４、複数の撮像素子アレイ３６、複数の光学素子４６、複数の撮像用集光部材４０、複数の対物集光部材５０が、半導体基板３２上にＹ方向に配列されている。
【００５８】
これにより、発光素子５２及び撮像素子５８が、Ｘ方向及びＹ方向に２次元的に配列される。一例として、発光素子５２及び撮像素子５８は、Ｘ方向及びＹ方向に数個から数千個、配列される。尚、配列される数は適宜変更してよい。また、撮像用集光部材４０の下撮像用凸部６８及び上撮像用凸部７０と、対物集光部材５０の下対物凸部７８とが、２次元的に配列されている。尚、発光素子アレイ３４の−Ｙ側であって、撮像素子アレイ３６の＋Ｙ側に、遮光部材を設けてもよい。これにより、発光素子５２から出射されてハーフミラー７４を透過した光が、Ｙ方向に隣接する撮像素子アレイ３６の列へと進行することを抑制できる。遮光部材の一例は、素子本体部７２の＋Ｙ面に形成された遮光膜である。
【００５９】
本実施形態では、各発光素子５２から出射された光は、＋Ｙ方向に進行して、光学素子４６のハーフミラー７４によって＋Ｚ方向へと反射される。光は、対物集光部材５０によって集光された後、被写体２８によって反射される。この後、光は、対物集光部材５０、光学素子４６を通過した後、撮像用集光部材４０によってピンホール６２へと集光される。集光された光は、ピンホール６２を通過して、撮像素子５８に受光される。撮像素子５８は、受光した光に対応する撮像信号を制御部２２へと出力する。この後、被写体２８の平面積が、撮像部１１４の平面積よりも大きい場合、制御部２２は、撮像素子５８の撮像信号と同時に入力されるＸ方向測距部８２及びＹ方向測距部８６から測距情報に基づいて、Ｘ方向駆動部８４及びＹ方向駆動部８８を制御して、撮像部１１４をＸ方向またはＹ方向に移動させて、異なる領域の被写体２８を撮像する。これにより、制御部２２が、画像を生成する。
【００６０】
本実施形態においては、撮像部１１４の撮像素子５８が２次元的に配列されているので、より多くの撮像信号を一度に出力できる。このため、本実施形態では、単眼の顕微鏡に比べて、撮像時の撮像部１１４のＸＹ方向の移動を低減することができるので、撮像に必要な時間を低減できる。尚、本実施形態においても、上述の高画質モードを適用して、画質を向上させてもよい。これにより、本実施形態では、撮像時間を低減しつつ、画質を向上させることができる。
【００６１】
図１３は、発光素子と光学素子との間に発散抑制部材を設けた実施形態による撮像部の縦断面図である。図１３に示すように、本実施形態による撮像部２１４では、発散抑制部材９６が光学素子４６の−Ｙ側の面に設けられている。これにより、発散抑制部材９６は、発光素子アレイ３４の発光素子５２と光学素子４６との間に設けられることになる。
【００６２】
発散抑制部材９６は、抑制基材９７と、コリメータレンズ９８とを有する。抑制基材９７は、ガラス板からなる。コリメータレンズ９８は、抑制基材９７の＋Ｙ側面及び−Ｙ側面にわたって設けられている。コリメータレンズ９８は、発光素子５２から出射された光の発散を抑制して、平行光へと変換して、光学素子４６のハーフミラー７４へと光を進行させる。これにより、発光素子５２が発光ダイオード等によって構成されている場合でも、光の発散を抑制することができる。この結果、本実施形態では、被写体２８に反射されて撮像素子５８に受光される光を増大させることができる。尚、発散抑制部材９６は、発散する光を平行光に変換するコリメータレンズ９８に代えて、発光素子５２から出射された光の発散を抑制できる程度の部材を設けてもよい。
【００６３】
図１４は、発光素子の個数を低減させた実施形態による撮像部の縦断面図である。図１４に示すように、本実施形態による撮像部３１４では、複数の撮像素子５８及び複数の光学素子４６が、発光素子５２の発光方向であるＹ方向に沿って、１個の発光素子５２に対応して配列されている。これにより、１個の発光素子５２が、複数の光学素子４６に光を供給することになる。光学素子４６のハーフミラー７４は、発光方向に進行する光の一部を透過して、残りを反射する。ここで、光学素子４６のハーフミラー７４は、発光素子５２から離れるにいくにつれて、反射率が高くなり、透過率が減少する。即ち、光学素子４６のうち、最も発光素子５２に近い光学素子４６のハーフミラー７４の反射率は、次に発光素子５２に近い光学素子４６のハーフミラー７４の反射率よりも低い。このように、複数の光学素子４６のハーフミラー７４の反射率は、発光素子５２から離れるにつれて、低くなる。
【００６４】
ここで、発光素子５２から出射された光は、発光素子５２から離れるにつれて、光学素子４６に達しにくくなる。しかし、反射率を上述のように発光素子５２から離れるにつれて徐々に高くすることにより、光学素子４６のハーフミラー７４によって反射される光を、Ｙ方向の位置によらず、平均化することができる。また、本実施形態では、発光素子５２の個数を低減できるので、撮像部３１４の構成を簡略化できる。
【００６５】
尚、図１４に示す実施形態において、それぞれのハーフミラー７４の分光透過率特性を変えてもよい。例えば、発光素子５２を白色光源として、発光素子５２に最も近いハーフミラー７４は赤色の光の反射率を高く設定し、次のハーフミラー７４は緑色の光の反射率を高く設定し、発光素子５２から最も遠いハーフミラー７４は青色の光の反射率を高く設定すればよい。
【００６６】
図１５は、撮像素子の隣接間隔を変更した実施形態の撮像部の平面図である。図１５に示すように、本実施形態の撮像部４１４では、隣接する撮像素子５８と撮像素子５８とのＸ方向の隣接間隔Ｐが、対物集光部材５０の下対物凸部７８及び上対物凸部８０によって集光された光のビームスポット９４の直径Ｄよりも小さい。尚、本実施形態においては、Ｙ方向が撮像部４１４の主走査方向である。従って、主走査方向と交差する方向における撮像素子５８の隣接間隔が、「隣接間隔Ｐ」となる。本実施形態では、撮像素子５８の隣接間隔Ｐが、ビームスポット９４の直径Ｄよりも小さいので、撮像部４１４をＹ方向に走査しつつ、撮像すると、隣接するビームスポット９４が重複する。これにより、より微細な画像を生成することができる。尚、主走査方向に走査した後、副走査方向であるＸ方向に撮像部４１４を走査してもよい。
【００６７】
図１６は、撮像素子間に遮光壁を設けた実施形態による撮像部の部分斜視図である。図１６に示すように、本実施形態の撮像部５１４では、撮像素子５８と撮像素子５８との間に遮光壁９９が設けられている。遮光壁９９は、半導体基板３２の＋Ｚ面に立設されている。遮光壁９９は、撮像素子５８から対物集光部材５０のＸ側の側面と対向するように配置されている。遮光壁９９のＹ方向の長さは、撮像素子５８のＹ方向の長さよりも長い。遮光壁９９の高さは、半導体基板３２の＋Ｚ面から対物集光部材５０の上対物凸部８０の頂点までの高さよりも高い。これにより、遮光壁９９は、撮像素子５８から対物集光部材５０の側面を覆うことができる。この結果、被写体２８に反射されて撮像素子５８に受光されるべき光が、隣接される撮像素子５８に受光されることを低減できる。
【００６８】
図１７は、発光素子が複数の撮像素子に光を供給する実施形態による撮像部の部分斜視図である。図１７に示すように、本実施形態の撮像部６１４では、発光部６３４が、１個の発光素子５２と、拡散部材６５３とを備える。
【００６９】
発光素子５２は、半導体基板３２の＋Ｘ側の端部に設けられている。拡散部材６５３は、半導体基板３２の＋Ｚ面に設けられている。拡散部材６５３は、発光素子５２の−Ｘ側の側面から半導体基板３２の−Ｘ側端部にわたって設けられている。拡散部材６５３は、撮像素子５８と離間した位置に配置されている。拡散部材６５３の＋Ｚ面、−Ｘ面、−Ｙ面は、光を反射可能に構成されている。拡散部材６５３は、光を拡散可能な材料からなる。これにより、拡散部材６５３は、発光素子５２から入射された光を拡散しつつ、Ｘ方向へと導光させる。そして、拡散部材６５３は、＋Ｙ面から光学素子４６の方向へと光を出射する。本実施形態では、発光素子５２の個数を低減することができるので、製造プロセスを簡略化することができる。
【００７０】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００７１】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【００７２】
上述した実施形態を部分的に変更した実施形態について説明する。
【００７３】
上述した実施形態では、撮像用集光部材４０を設けたが、撮像用集光部材４０は、省略してもよい。上述した実施形態では、ピンホール６２が形成されたピンホールアレイ３８を設けたが、ピンホールアレイ３８は省略してもよい。
【００７４】
上述した実施形態では、対物集光部材５０、撮像用集光部材４０等の集光部材にガラスからなるベース基材を設けたが、各集光部材からベース基材を省略して、樹脂のみによって構成してもよい。上述した実施形態では、ハーフミラー７４を有する光学素子４６を例に説明したが、ハーフミラーの代わりに偏光ビームスプリッタを光学素子に設けてもよい。発光素子５２をレーザによって構成する場合、ビームエキスパンダを発光素子５２と光学素子４６との間に設けてもよい。
【００７５】
発光素子５２が異なる波長、即ち、異なる色の光を出射可能に構成してもよい。例えば、赤色、緑色、青色の光を出射可能な発光素子５２を周期的に配置してもよい。この場合、対物集光部材５０、撮像用集光部材４０は、集光する光の色に合わせて色収差が小さくなるように形成することが好ましい。
【００７６】
発光素子５２が複数の異なる色、例えば３色の異なる色を発光可能に構成してもよい。赤色の光を発光する発光素子５２と、緑色の光を発光する発光素子５２と、青色の光を発光する発光素子５２とを半導体基板３２上に周期的に配列してもよい。この場合、撮像素子アレイ３６は、いずれかの色の光の受光率が高い複数種の撮像素子５８を含む。複数の撮像素子５８には、発光素子５２が照射する赤色の光を受光して電気信号に変更する撮像素子５８と、発光素子が照射する緑色の光を受光して電気信号に変換する撮像素子５８と、発光素子が照射する青色の光を受光して電気信号に変換する撮像素子５８とが含まれる。これらの撮像素子５８は、周期的に配列されている。
【００７７】
各撮像素子に、複数層、例えば、三層の受光層を設けて、各受光層で異なる色の光を受光するように構成してもよい。例えば、最上層の受光層で最も吸収されやすい青色の光を受光して、次の受光層で緑色の光を受光して、最下層の受光層で最も吸収されにくい赤色の光を受光するように構成してもよい。
【００７８】
上述の実施形態では、発光素子５２から出射した光によって被写体２８を撮像したが、被写体２８を透過した光によって、被写体２８を撮像してもよい。これにより、発光素子５２の消費電力を低減しつつ、自然光等によって被写体２８を撮像できる。
【符号の説明】
【００７９】
１０ 撮像装置
１２ ベース
１４ 撮像部
１６ 駆動部
１８ 被写体保持部
２０ 画像出力部
２２ 制御部
２４ 被写体ケース
２６ 脚部
２８ 被写体
３０ 被写体領域
３２ 半導体基板
３４ 発光素子アレイ
３６ 撮像素子アレイ
３８ ピンホールアレイ
４０ 撮像用集光部材
４２ 接着剤
４４ 接着剤
４６ 光学素子
４８ 台座
５０ 対物集光部材
５２ 発光素子
５４ 発光層
５６ クラッド層
５８ 撮像素子
６０ 受光面
６２ ピンホール
６４ 遮光部
６６ 撮像用ベース部材
６８ 下撮像用凸部
７０ 上撮像用凸部
７２ 素子本体部
７４ ハーフミラー
７６ 対物ベース部材
７８ 下対物凸部
８０ 上対物凸部
８２ Ｘ方向測距部
８４ Ｘ方向駆動部
８６ Ｙ方向測距部
８８ Ｙ方向駆動部
９０ Ｚ方向測距部
９２ Ｚ方向駆動部
９４ ビームスポット
９６ 発散抑制部材
９７ 抑制基材
９８ コリメータレンズ
９９ 遮光壁
１１４ 撮像部
２１４ 撮像部
３１４ 撮像部
４１４ 撮像部
５１４ 撮像部
６１４ 撮像部
６３４ 発光部
６５３ 拡散部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板に形成された複数の撮像素子と、
前記複数の撮像素子に隣接して、前記半導体基板に形成された発光部と、
前記複数の撮像素子の光路上に形成され、前記発光部からの光を前記複数の撮像素子の光路に平行であって離間する方向へ方向付けする光学素子と、
前記光学素子と被写体との間の前記光路上に設けられ、前記光学素子からの光を前記被写体へと集光する対物集光部材と
を備える撮像装置。
【請求項２】
前記光学素子と撮像素子との光路上に設けられ、前記被写体によって反射された光を前記撮像素子へと集光する撮像用集光部材を
更に備える請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記対物集光部材の収差は、前記撮像用集光部材の収差よりも小さい
請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記発光部と前記光学素子との間に設けられ、前記発光部からの光の発散を抑制する発散抑制部材を
更に備える請求項１から３のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記光学素子と撮像素子との間に設けられ、前記被写体によって反射された光の一部を通過させる開口部が形成された遮光部を
更に備える請求項１から４のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記発光部は、異なる色の光を発光する複数の発光素子を含み、
前記対物集光部材は、異なる色に対応して形成されている
請求項１から５のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記複数の撮像素子の走査方向と交差する方向における撮像素子と撮像素子との隣接間隔は、前記対物集光部材により集光されたビームスポットの直径よりも小さい請求項１から６のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記発光部の発光方向に沿って、前記複数の撮像素子及び複数の光学素子が配列され、
前記光学素子は、前記発光方向に進行する光の一部を透過する
請求項１から７のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記複数の光学素子は、前記発光部から離れるにしたがって、光の透過率が減少する
請求項８に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記複数の撮像素子の間に設けられた、遮光壁を
更に備える請求項１から９のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板に形成された複数の撮像素子と、
前記複数の撮像素子に隣接して、前記半導体基板に形成された発光部と、
前記複数の撮像素子の光路上に形成され、前記発光部からの光を前記複数の撮像素子の光路に平行であって離間する方向へ方向付けする光学素子と、
前記光学素子と被写体との間の前記光路上に設けられ、前記光学素子からの光を前記被写体へと集光する対物集光部材と
を備える撮像装置。
【請求項２】
前記光学素子と撮像素子との光路上に設けられ、前記被写体によって反射された光を前記撮像素子へと集光する撮像用集光部材を
更に備える請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記対物集光部材の収差は、前記撮像用集光部材の収差よりも小さい
請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記発光部と前記光学素子との間に設けられ、前記発光部からの光の発散を抑制する発散抑制部材を
更に備える請求項１から３のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記光学素子と撮像素子との間に設けられ、前記被写体によって反射された光の一部を通過させる開口部が形成された遮光部を
更に備える請求項１から４のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記発光部は、異なる色の光を発光する複数の発光素子を含み、
前記対物集光部材は、異なる色に対応して形成されている
請求項１から５のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記複数の撮像素子の走査方向と交差する方向における撮像素子と撮像素子との隣接間隔は、前記対物集光部材により集光されたビームスポットの直径よりも小さい請求項１から６のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記発光部の発光方向に沿って、前記複数の撮像素子及び複数の光学素子が配列され、
前記光学素子は、前記発光方向に進行する光の一部を透過する
請求項１から７のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記複数の光学素子は、前記発光部から離れるにしたがって、光の透過率が減少する
請求項８に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記複数の撮像素子の間に設けられた、遮光壁を
更に備える請求項１から９のいずれか１項に記載の撮像装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１２−１８５３８４（Ｐ２０１２−１８５３８４Ａ）
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４９３１２（Ｐ２０１１−４９３１２）
【出願日】平成２３年３月７日（２０１１．３．７）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月７日（２０１１．３．７）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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