JP2005252391A

JP2005252391A - 撮像装置

Info

Publication number: JP2005252391A
Application number: JP2004056662A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Suda; 康夫須田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-03-01
Filing date: 2004-03-01
Publication date: 2005-09-15

Abstract

【課題】光学系にアポダイゼイションフィルターや光学ローパスフィルターを備えることなくＭＴＦを制御した簡単な構成の撮像装置を提供する。
【解決手段】物体像を形成する光学系と、光学系によって形成された物体像を光電変換する複数の受光素子１４を備える撮像素子とを具備し、撮像素子は、光学系の結像光束の利用効率を光束の中心部から周辺部に掛けて低下させる効率調節部１９を、受光素子の構造の一部として備える。
【選択図】図１

Description

本発明はデジタルスティルカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ、撮像機能付き携帯電話、あるいは、焦点調節のための画像を撮像する光学機器用焦点検出装置などの撮像装置の改良に関する。

従来、カラー画像の形成においては、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）などの色フィルターを備えた受光素子をモザイク状に配列した単一の受光素子配列を用いて、単眼光学素子で形成した単一の物体像を捉え、その後の信号処理で受光素子数に相当する輝度情報と色情報を作り出す撮像技術が広く用いられている。

これに対して、本願出願人よって先に出願され既に公開されている特開２００１−０７８２１４号公報に開示の撮像装置は、複眼光学素子を利用して複数の物体像を形成し、それらに対応する複数の受光素子配列でこれらの物体像を捉え、各受光素子配列からの出力を総合して単一のカラー画像を形成する。このような複眼光学素子を用いる撮像装置は薄型化に好適である。

この撮像装置は、絞りの中心部から周辺部にかけて連続的に透過率が低くなるフィルター、所謂アポダイゼイションフィルターを用いて良好なＭＴＦ（Modulation Transfer Function）特性を得るように構成されている。アポダイゼイションフィルターを使用すると、撮像素子の受光素子ピッチで決まるナイキスト周波数以上の空間周波数成分を抑えながら、ナイキスト周波数以下のレスポンスを向上させるように空間周波数特性を制御できる。

こういった複眼撮像装置は僅か２.５ｍｍ程度の装置厚みで１画像あたり３０万画素を超える画像データを出力することができ、薄型化が求められる様々な用途に適用することが可能である。

また、カメラの焦点検出装置に関する技術においては、ＵＳＰ４３８４２１０号公報に開示されているように、結像光路内に光学ローパスフィルターを挿入して焦点検出装置の撮像素子上にナイキスト周波数を超える空間周波数成分が投影されないようにする技術が知られている。ナイキスト周波数以上の空間周波数成分を除去したＭＴＦ特性が得られると、焦点検出装置の撮像素子の出力に所謂折り返し歪みが重畳せず、正確な焦点検出が可能となる。
特開２００１−０７８２１４号公報ＵＳＰ４３８４２１０号公報

しかしながら、上述した従来の技術は、
（１）１枚のレンズの前あるいは後ろにアポダイゼイションフィルターを配置するとディストーション（歪曲収差）が大きくなり、高品位の画像が得られない。また、レンズの内部にアポダイゼイションフィルターを形成するためには、レンズを２体化する必要があって装置が複雑化する。
（２）蒸着や印刷といったアポダイゼイションフィルターの製造工程が複雑で高価である。
（３）あるいは、光学ローパスフィルターのためにコストアップとなる。
といった点で充分なものではなかった。

したがって、本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、光学系にアポダイゼイションフィルターや光学ローパスフィルターを備えることなくＭＴＦを制御した簡単な構成の撮像装置を提供することである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わる撮像装置は、物体像を形成する光学系と、該光学系によって形成された物体像を光電変換する複数の受光素子を備える撮像素子とを具備し、前記撮像素子は、前記光学系の結像光束の利用効率を光束の中心部から周辺部に掛けて低下させる効率調節手段を、前記受光素子の構造の一部として備えることを特徴とする。

また、この発明に係わる撮像装置において、前記効率調節手段は前記受光素子に入射する光の光路中に形成された光拡散層を備えることを特徴とする。

また、この発明に係わる撮像装置において、前記光拡散層はＳｉ₃Ｎ₄とＳｉＯ₂を周期的に配列して構成されることを特徴とする。

また、この発明に係わる撮像装置において、前記効率調節手段は前記受光素子に入射する光の光路中に形成されたマイクロレンズを備えることを特徴とする。

また、この発明に係わる撮像装置において、前記マイクロレンズは、前記受光素子の表面付近に焦点面を有することを特徴とする。

また、この発明に係わる撮像装置において、前記マイクロレンズは、該マクロレンズと前記受光素子の表面との中間位置に焦点面を有することを特徴とする。

また、この発明に係わる撮像装置において、前記効率調節手段は前記受光素子に入射する光の光路中に形成された０.３μｍから９.０μｍの開口を備えることを特徴とする。

また、この発明に係わる撮像装置において、前記効率調節手段は前記受光素子に入射する光の光路中に形成されたマイクロレンズを備え、前記開口は、前記マイクロレンズと前記受光素子の表面との中間位置に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、光学系にアポダイゼイションフィルターや光学ローパスフィルターを備えることなくＭＴＦを制御した簡単な構成の撮像装置を提供することが可能となる。

（第１の実施の形態）
図１から図４は本発明による撮像装置の第１の実施の形態を説明するための図である。

まず、図２は本実施形態の撮像装置を示す側断面図である。

図２において、１は光学素子であるところの凸レンズ、２は凸レンズ１の光軸、３は凸レンズ１によって形成された物体像を電気信号に変換する撮像素子、４は凸レンズ１と撮像素子３を保持し、暗箱としての機能を有する筐体である。凸レンズ１は、説明を簡略化するために単レンズとして図示したが、実際には複数のレンズや反射鏡、あるいは回折光学素子を組み合わせて総合的に正のパワーを持たせた光学素子であっても良い。また、ズーム機能を適用することもできる。さらに、光学素子１にはゴーストやフレアをカットするための遮光のための絞りがあっても良い。

撮像素子３は複数の受光素子を備え、例えば、数百万画素の画像データを得るために数百万個の受光素子を縦横に、あるいは斜め方向に規則的に配列して構成されている。

図１は撮像素子３の受光素子列の拡大断面図である。図１において、１３はシリコン基板、１４はシリコン基板上に形成された光電変換部、１７は各受光素子の電荷蓄積動作や信号読み出し動作を制御するためのアルミニウム配線、１１はマイクロレンズ、１８はマイクロレンズ１１の光軸、１５は所定の色成分を透過させるカラーフィルター、１６は絶縁層、１９は光拡散層である。

各構成要素の材質と屈折率は、次のとおりである。
・マイクロレンズ１１材料：樹脂、屈折率：１.５８
・カラーフィルター１５材料：樹脂、屈折率１.５
・絶縁層１６材料：ＳｉＯ₂、屈折率：１.４６
・光拡散層１９材料：Ｓｉ₃Ｎ₄とＳｉＯ₂の周期構造、屈折率：Ｓｉ₃Ｎ₄＝２.０、ＳｉＯ₂＝１.４６
光拡散層はＳｉ₃Ｎ₄とＳｉＯ₂の周期構造によって入射光を様々な方向に偏向する。この構造は回折格子やＳＷＳ（sub-wave-length structure）である。

マイクロレンズ１１は光電変換部１４への集光効率を高めるためのもので、この構造の受光素子においては光電変換部１４付近に焦点を有している。したがって、凸レンズ１から出射した光束はマイクロレンズ１１の作用で光電変換部１４上に凸レンズ１の瞳像を形成する。ただし、光拡散層１９で、矢印２０のように光線が分散し偏向するので、瞳像はぼやけた状態になる。

その結果、凸レンズ１の瞳上での透過光利用効率は、図３（ａ）に示すようになる。図３（ａ）の横軸は原点を光軸上とした瞳上の位置、縦軸は透過光利用効率である。仮に光拡散層１９が無いとすると、光電変換部１４上での瞳像はある程度シャープに結像され、凸レンズ１の口径かあるいは光電変換部１４の大きさのどちらかに制限されて、所定の瞳上位置で効率が１からゼロに急低下する。図に示す特性３０はこの例であって、光電変換部１４の大きさによる制限で、ａを越える瞳上位置では効率がゼロである。

一方、特性３０は光拡散層１９がある場合を表し、瞳の中央から周辺にかけて滑らかに効率を落とすようになっている。透過光利用効率が変化するということは、見かけ上の光強度が分布を持っているということになり、アポダイゼイションフィルターと同等の意味合いを持つ。図３（ｂ）は図３（ａ）の特性３０に基づく瞳面上の実効光強度分布の模式図である。ＸＹ座標上の中央に瞳面を配置し、実効光強度を濃度で表現している。光軸３３上で実効光強度が最も高く、光軸から離れるほど低くなる。

実効光強度分布はアポダイゼイションフィルターと同様にＭＴＦ特性に強く関係するが、ＭＴＦ特性が光軸からの距離に依存するだけでなく、方向に依存してしまうと、画像上ではあたかも光学素子（レンズ）にアスやクセといった製造誤差があるかに見えてしまうので、実効光強度特性は軸対象であることが好ましい。

実効光強度分布を撮像装置の断面で示したのが図４および図５である。

図４および図５では、実効光強度分布を濃度で表現するために、図２に示した撮像装置の背景を黒くしてある。図４は光軸上の受光素子３７に入射する結像光束を、図５は撮影画面周辺の受光素子３８に入射する結像光束を示している。図４に示した光束３５と図５に示した光束３６は何れも中央に強度の高い部分を有し、光束の周囲に向かって強度が低下している。撮影画面周辺に位置する受光素子３８の凸レンズ１の瞳上の実効光強度分布を調節するには、図１に示したマイクロレンズ１１を偏芯させればよい。

結像光束の利用効率を光束の中心部から周辺部にかけて低下させると、光学素子の実質的なＭＴＦを、撮像素子の受光素子ピッチで決まるナイキスト周波数を超える高周波域でレスポンスが低く、ナイキスト周波数以下の周波数域でレスポンスが高いといった極めて望ましい特性とすることができる。したがって、モアレが少なく、しかもメリハリのある高精細な画像が得られる。

また、デフォーカス像のＭＴＦにおいて高周波成分が顕著に低下するので、柔らかく好ましいボケ味が得られるという効果も大きい。

（第２の実施の形態）
図６から図１１は本発明による第２の実施の形態を説明するための図である。

第２の実施の形態では、光学素子からの光束を反射して光電変換部に導く屈折率分布構造を備えた撮像素子と複眼光学素子とを用いた撮像装置に対して、光学素子の結像光束の利用効率を光束の中心部から周辺部にかけて低下させる効率調節手段を適用している。

複眼撮像装置では光学系の光軸と受光素子との位置合わせが極めて重要であって、僅かな量であっても光軸がずれるのを嫌うために、複眼のそれぞれは１枚のレンズで構成するのが望ましい。１枚のレンズで構成された光学系では、通常、良好な光学収差補正はできないが、結像光束の利用効率を調節する効率調節手段を用いることによって、充分な光学特性を引き出すことが可能である。

まず、図７は本実施形態の撮像装置を示す図である。

図７（ａ）は撮像装置の平面図、図７（ｂ）は側面図、図７（ｃ）は撮像装置の一要素である半導体回路を形成した撮像素子の平面図である。

図７に示す撮像装置５１１は複眼光学素子５１２と撮像素子５０３が一体化され、センサパッケージやレンズ鏡筒を必要としない構造となっている。図７（ｂ）の上方向から光学素子５１２に入射した物体光が、撮像素子５０３上に複数の物体像を形成し、撮像素子５０３内の受光素子にて光電変換を行う。撮像素子５０３はＣＣＤやＣＭＯＳセンサである。

複眼光学素子５１２は１枚の基板と結像作用光学系であるところの４つの凸レンズからなる板状透明体である。図中５０１は結像作用光学系である凸レンズ６００ａ，６００ｂ，６００ｃ，６００ｄを成形するための光学素子基板である。なお、凸レンズ６００ｂ，６００ｄは図７（ｂ）に示す断面では表われない。

光学素子５１２は平面ガラス基板である光学素子基板５０１の上面と下面にレプリカ製法で樹脂製の非球面凸レンズを付加した構造となっている。他に凸レンズ部を樹脂としたインジェクション成形、コンプレッション成形等の手法で基板と一体に形成する方法、あるいは、全体をガラスとするガラスモールド成形や全体を樹脂とするインジェクション成形も選択し得る。

光学素子基板５０１の下面には不要な光をカットする遮光層と赤外線カットフィルターが形成されている。

撮像素子５０３上には光学素子５１２によって４つの物体像が形成され、これらが撮像素子上に設けられた４つの受光素子配列８２０ａ，８２０ｂ，８２０ｃ，８２０ｄで光電変換され、電気信号として捉えられる。図７（ｃ）に示す受光素子配列８２０ａ，８２０ｂ，８２０ｃ，８２０ｄは多数の受光素子を二次元方向に並べた配列である。この４つの受光素子配列には緑色透過（Ｇ）フィルター、赤色透過（Ｒ）フィルター、青色透過（Ｂ）フィルター、更に緑色透過（Ｇ）フィルターが形成され、３原色に色分解された４つの画像を取り出すことができる。

撮像素子５０３と光学素子５１２との距離は透明ガラス製のスペーサ５２２と光学素子５１２を接着している熱紫外線硬化型エポキシ樹脂５０４の厚さによって調整する。スペーサ５２２と撮像素子５０３間には開口５１７ａを有するＴＡＢフィルム５１７を挟み込み、金バンプを介して撮像素子とＴＡＢフィルム５１７とを電気的に接続する。さらにＴＡＢフィルム５１７は不図示の外部の電気回路と接続される。

受光素子配列を被写体上に逆投影した時の受光素子像の位置関係は、受光素子配列８２０ａ，８２０ｂ，８２０ｃ，８２０ｄの各受光素子の空間的な位相が配列間でずれた形となり、被写体上ではベイヤー配列のカラーフィルターを持った撮像素子と同等のサンプリングを行うこととなる。

単一の撮影レンズを用いる撮像系との比較において、受光素子ピッチを固定して考えると、撮像素子上に２行２列の受光素子を一組として原色カラーフィルターを形成したベイヤー配列方式に比較し、この複眼方式は物体像の大きさが１／√４になる。これに伴って撮影レンズの焦点距離はおよそ１／√４＝１／２にまで短くできる。したがって、カメラの薄型化に対して極めて有利である。

次に、図６、図８を用いて受光素子の構造について説明する。

図８は図７（ｃ）に示した撮像素子の詳細平面図である。

図８において、８２０ａ，８２０ｂ，８２０ｃ，８２０ｄは受光素子配列であって、説明のために各受光素子配列は５行７列の３５受光素子としている。実際には５００行７００列程度の配列にして解像度を高め、光精細な画像を得る。なお、受光素子配列８２０ａ，８２０ｂ，８２０ｃ，８２０ｄを囲んでいる破線は配列の位置についての理解を助けるためのもので、実際に撮像素子上に描かれているわけではない。１０１は受光素子の表面にあるマイクロレンズ、１０２はマイクロレンズ１０１の奥に位置する高屈折率層である。マイクロレンズ１０１はこの方向の平面図で見るとほぼ正方形であるが、その立体構造は軸対称型の凸型非球面を正方形に切り出した形状となっている。

また、マイクロレンズの光軸はこの正方形の中心にあり、これに対して高屈折率層１０２は各受光素子配列の中心から離れるほど大きく偏芯している。これは、光学素子からの光束を効率よく光電変換部に導くためである。後述するように、この受光素子は光学素子からの光束を反射して光電変換部に導く屈折率分布構造を持っているので、マイクロレンズの偏芯に関する製造誤差の許容量を大きくすることができるようになっている。

さらに、５１４は受光素子配列８２０ａ，８２０ｂ，８２０ｃ，８２０ｄからの出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路、５１５は受光素子配列８２０ａ，８２０ｂ，８２０ｃ，８２０ｄの光電変換動作のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータ、５１６は画像処理回路である。受光素子をＣＭＯＳセンサとすれば、半導体チップ５０３にこれらの回路を搭載するのは容易である。

図６は図７（ｃ）に示す受光素子列１１１の拡大断面図である。受光素子列１１１は中央部の連続する４つの受光素子を受光素子配列８２０ｂから抽出した。

図６において、１０３はシリコン基板、１０４はシリコン基板上に形成された光電変換部、１０７は各受光素子の電荷蓄積動作や信号読み出し動作を制御するためのアルミニウム配線、１０１は前述したマイクロレンズ、１０８はマイクロレンズ１０１の光軸、１０５は所定の色成分を透過させるカラーフィルター、１０６は低屈折率層、１０２は低屈折率層１０６とともに屈折率分布構造を形成する高屈折率層、１０９は光拡散層である。

各構成要素の材質と屈折率は、次のとおりである。
・マイクロレンズ１０１材料：樹脂、屈折率：１.５８
・カラーフィルター１０５材料：樹脂、屈折率：１.５
・低屈折率層１０６材料：ＳｉＯ₂、屈折率：１.４６
・高屈折率層１０２材料：Ｓｉ₃Ｎ₄、屈折率：２.０
・光拡散層１０９材料：Ｓｉ₃Ｎ₄とＳｉＯ₂の周期構造、屈折率：Ｓｉ₃Ｎ₄＝２.０、ＳｉＯ₂＝１.４６
光拡散層はＳｉ₃Ｎ₄とＳｉＯ₂の周期構造によって入射光を様々な方向に偏向する。この構造は回折格子やＳＷＳ（sub-wave-length struｃture）である。

マイクロレンズ１０１は光電変換部１０４への集光効率を高めるためのもので、この構造の受光素子に於いては高屈折率層１０２の中央部付近に焦点を有している。したがって、光学素子５１２の凸レンズ６００ｂから出射した光束はマイクロレンズ１０１の作用で高屈折率層１０２の内部に凸レンズ６００ｂの瞳像を形成する。ただし、光拡散層１０９で、光線が分散し偏向するので、瞳像はぼやけた状態である。

また、高屈折率層１０２は低屈折率層１０６によって周囲を覆われており、高屈折率層１０２から低屈折率層１０６との界面に臨界角を超えて入射した光は全反射する。この構造は、画面の周辺部において受光素子に斜入射する光線を光電変換部に導くためのものである。

高屈折率層１０２を低屈折率層１０６で取り囲んだ屈折率構造は、一旦アルミニウム配線１０７を十分覆う高さまでフラットに形成したＳｉＯ₂を四角柱状に部分的にエッチングで除去した後、そこにＳｉ₃Ｎ₄を埋め込み、さらに平滑化してその上にＳｉＯ₂層を乗せるといった方法で作製する。

図９と図１０は受光素子へ入射する光の挙動を説明するための図で、図９は画面中央部の受光素子の一つを抜き出した図、図１０は画面周辺部の受光素子の一つを抜き出した図である。

図９において１１９と１２０は凸レンズ６００ｂの瞳の周辺を発して受光素子１１７に入射する光線である。受光素子１１７は受光素子配列８２０ｂの中央部に位置し、凸レンズ６００ｂが形成するイメージサークルの中心であるため、光線１１９と光線１２０は光軸１０８に対して等しい角度だけ逆方向に倒れている。また、光線１１９と光線１２０は高屈折率層１０２内の領域１２３と領域１２４で瞳端部の像を形成し、そのあと拡がりながら光電変換部１０４に入射して、電気信号に変換される。ただし、光拡散層１０９で、矢印１３０のように光線が分散し偏向するので、瞳像はぼやけた状態になり、しかも一部の光線は高屈折率層１２０に入ることができなくなる。

一方、図１０において１２１と１２２は凸レンズ６００ｂの瞳の周辺を発して受光素子１１８に入射する光線である。屈折率分布構造によれば、光電変換部の面積が拡大されたのと等価となるので、受光素子配列へ斜めに入射する光の利用効率が高い。受光素子配列へ斜めに入射する光を有効に利用できる性質を活用すると、焦点距離の短い光学系の採用によるより薄型の複眼撮像装置を実現することが出来る。

受光素子１１８は受光素子配列８２０ｂの周辺部に位置し、凸レンズ６００ｂが形成するイメージサークルの周辺であるため、光線１２１と光線１２２は光軸１０８に対して異なる角度だけ傾いている。また、光線１２１と光線１２２は高屈折率層１０２内の領域１２５と領域１２６で瞳端部の像を形成する。そのあと拡がりながら、一部は高屈折率層１０２と低屈折率層１０６の界面の領域１２７で全反射し、低屈折率層１０６に抜けることなく効率よく光電変換部１０４に入射して、電気信号に変換される。ただし、光拡散層１０９で、矢印１３１のように光線が分散し偏向するので、瞳像はぼやけた状態になり、しかも一部の光線は高屈折率層１２０に入ることができなくなる。

このような光拡散層１０９の光拡散作用により、第１の実施の形態にて示したのと同様の透過光利用効率が得られる。

実効光強度分布を撮像装置の断面で示した模式図が図１１である。

図４、図５と同様に図１１では実効光強度分布を濃度で表現している。

図１１において、１４６は複眼光学素子、１４０ａと１４０ｃは４つの凸レンズの内の２つ、１４１ａは凸レンズ１４０ａの光軸、１４１ｃは凸レンズ１４０ｃの光軸、１４２は複眼光学素子１４６によって形成された物体像を電気信号に変換する撮像素子、１４３は複眼光学素子１４６と撮像素子１４２を保持し、暗箱としての機能を有する筐体である。１４４は凸レンズ１４０ａを透過して光軸１４１ａ上の受光素子に物体像を形成する光束、１４５は凸レンズ１４０ｃを透過して光軸１４１ｃ上の受光素子に物体像を形成する光束である。

光束１４４と光束１４５は何れも中央に強度の高い部分を有し、光束の周囲に向かって強度が低下している。

また、前述のように大変厳しい製造誤差を要求されるので、複眼のそれぞれは１枚のレンズで構成するのが望ましい。１枚のレンズで構成された光学系で、絞りをレンズの前側か後ろ側に配置すると、かなり大きなディストーションが発生するが、本実施形態の受光素子構造を用いると実質的に両凸レンズの内部に絞りを形成したのと等価であるから、ディストーションを小さく抑えることができる。

（第３の実施の形態）
図１２は本発明による撮像装置の第３の実施の形態を説明するための図であって、撮像素子の受光素子列の拡大断面図である。

図１２において、３１３はシリコン基板、３１４はシリコン基板上に形成された光電変換部、３１７は各受光素子の電荷蓄積動作や信号読み出し動作を制御するためのアルミニウム配線、３１１はマイクロレンズ、３１８はマイクロレンズ３１１の光軸、３１５は所定の色成分を透過させるカラーフィルター、３１６は絶縁層である。

各構成要素の材質と屈折率は、次のとおりである。
・マイクロレンズ３１１材料：樹脂、屈折率：１.５８
・カラーフィルター３１５材料：樹脂、屈折率：１.５
・絶縁層３１６材料：ＳｉＯ₂、屈折率：１.４６
マイクロレンズ３１１は光電変換部３１４への集光効率を高めるためのもので、この構造の受光素子に於いては３２０で示した位置に焦点を有している。したがって、光学素子から出射した光束はマイクロレンズ３１１の作用で点３２０付近に光学素子の瞳像を形成する。

焦点位置３２０はアルミニウム配線３１７とカラーフィルター３１５の中間にあって、光電変換部３１４までは、通常、数μｍ程度離れている。

図１３は撮像素子の受光素子に入射する光線のトレース図である。

マイクロレンズ３１１は、およそ円盤状にエッチングした樹脂を高温下で溶融させ、樹脂の表面張力の作用を用いて球面形状に成形する。したがって、容易に球面収差を残存させることができ、マイクロレンズ３１１の中央部を通過した光線に比べて周辺部を通過した光線は一点に集光する偏角よりも強く曲げることができる。この結果、図１３に示すように焦点位置３２０の前後での瞳像のボケ具合は大きく異なって、焦点位置３２０よりマイクロレンズ３１１側では瞳像のエッジがはっきりし、反対側では瞳像のエッジが不鮮明になる。この性質を利用して、光電変換部３１４よりも手前で焦点を結ばせ、光電変換部３１４上にはエッジが不鮮明な瞳像を投影することによって、瞳上での透過光利用効率が滑らかに変化する特性を得ることができる。

こういった作用により、第１の実施の形態にて示したのと同様の透過光利用効率が得られる。

ここではマイクロレンズを撮像素子の表面に形成したが、内層レンズとして表面と光電変換部との中間位置に形成しても良い。

（第４の実施の形態）
図１４は本発明による撮像装置の第４の実施の形態を説明するための図であって、一眼レフカメラの斜視図である。

図１４において、４０１は物体像を形成するための結像レンズ、４０２は結像レンズ４０１の光軸である。結像レンズ４０１は不図示のエネルギー源と不図示の駆動機構により結像位置を光軸４０２の方向に調節することができる。結像レンズ４０１は単焦点レンズの他にズームレンズやシフトレンズであっても良い。また、種々の特性（Ｆナンバーや焦点距離など）をもった結像レンズに交換可能であっても良い。

結像レンズ４０１から出射した光束は斜設されたハーフミラー４０３で透過光と反射光に分割される。４０４は反射光を接眼レンズ４０９に導くためのペンタダハプリズム、４０５は透過光を反射収斂する楕円表面鏡である。楕円表面鏡４０５の背後には不図示のフォーカルプレーンシャッターと撮像面となるエリアセンサーが配置されている。ハーフミラー４０３で反射した光束はペンタダハプリズム４０４を通って接眼レンズ４０９から射出し、カメラの使用者は接眼レンズ４０９を通して物体像を正立正像として観察することができる。また、撮像状態ではハーフミラー４０３と楕円表面鏡４０５は撮影光路から退避し、フォーカルプレーンシャッターが開いて、エリアセンサーに適正な光量を露光する。

４０６は曲面鏡、４０７は射出面に４つの楕円凸面４０７ａ，４０７ｂ，４０７ｃ，４０７ｄを備えた再結像レンズ、４０８は焦点検出用の撮像素子であって、楕円表面鏡４０５を含め、これらは位相差検出方式の焦点検出装置を構成する要素である。再結像レンズ４０７は本発明で言うところの光学素子である。

楕円表面鏡４０５で反射した光束は曲面鏡４０６でさらに反射し、再結像レンズ４０７に入射する。楕円表面鏡４０５は撮像面の手前に配置されているので、楕円表面鏡４０５と曲面鏡４０６の間に物体の１次像が形成される。さらに、前述のように再結像レンズが４つの射出面４０７ａ，４０７ｂ，４０７ｃ，４０７ｄを有しているので、これらの作用によって撮像素子４０８上には４つの２次物体像が形成される。

楕円表面鏡４０５は結像レンズ４０１の射出瞳と再結像レンズ４０７の入射瞳を共役な関係に置く作用を有し、再結像レンズ４０７を通って焦点検出に供される光束が結像レンズ４０１の射出瞳上を通過する領域を規制している。一般に、位相差検出方式の焦点検出で焦点検出光束が結像レンズ４０１でけられると、焦点検出精度の低下を招くために、けられが生じないような焦点検出光束を設定する必要がある。特に、結像レンズが交換可能な撮像システムでは、想定する射出瞳を交換用結像レンズ群の代表的な位置として、どの結像レンズが装着されても焦点検出光束がけられないことを保証する。

４１０はゴーストの発生を防ぐための多孔マスクである。多孔マスク４１０は４つの開口を有し、これらの開口は再結像レンズ４０７の有効光束が余裕を持って通過できるような大きさとなっている。また、曲面鏡４０６には温度や湿度に依存する形状の変化を抑えるためにシリカ等のフィラーを充填した樹脂を用い、鏡面部分にフィラーが出ないように成形する。
再結像レンズ４０７は酸化ニオブのナノスケール粒子をアクリルに均一分散させたコンポジット材で成形され、入射面には赤外光を反射するための誘電体多層膜が形成されている。したがって、撮像素子４０８上に形成された物体の２次像は赤外光成分を除いたものとなり、撮像素子４０８に４００ｎｍよりも長い光の波長に対して感度を持たせることで、可視光に対するセンサー出力を得ることができる。結像レンズ４０１が形成した可視光の物体像を撮像する場合には、可視光に対するセンサー出力を得て、可視光を基にした焦点検出を行うのが望ましい。

図１５は撮像素子４０８の受光素子部の断面図である。

図１５において、光は上方から撮像素子に入射する。撮像素子４０８はオンチップマイクロレンズを有するＣＭＯＳ型のセンサーで、このマイクロレンズの働きで焦点検出光束のＦナンバーを規定できる。

図１５において、１５１はシリコン基板、１５２は埋め込みフォトダイオードの光電変換部、１５３はポリシリコン配線層、１５４はアルミニウムあるいは銅の第１配線層、１５５はアルミニウムあるいは銅を用いた不透明の第２配線層、１５６はシリコン酸化膜、疎水性多孔質シリカ、シリコン酸化窒化膜、およびシリコン窒化膜などによる層間絶縁膜とパッシベーション膜、１５８はマイクロレンズ、１５７は第２配線層からマイクロレンズまでの距離を高精度に設定するための平坦化層である。第２配線層１５５は離散的に設けられた開口を有した金属膜であって、開口以外は可視光を通さない。したがって、第２配線層１５５は撮像素子１０８を動作させる電気的な機能と受光光束の角度特性を制御する光学的な機能を併せ持っている。平坦化層１５７は熱硬化型の樹脂や紫外線硬化型の樹脂をスピンコートした後にキュアするとか、樹脂フィルムを接着するといった手法で形成される。

各光電変換部１５２の端部には不図示の回路部が接続されている。回路部内には転送スイッチとしてはたらく転送用ＭＯＳトランジスタ、リセット電位を供給するリセット用ＭＯＳトランジスタ、ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ、選択的にソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタから信号を出力させるための選択用ＭＯＳトランジスタ等を有する。

ここで、マイクロレンズ１５８は、樹脂、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、などで形成され、単に集光のためではなく結像のために使用するので軸対称型の球面レンズ、あるいは軸対称型の非球面レンズである。対称軸１６０を持つ形状であるために平面的に見ると円形であるが、一画素に複数のマイクロレンズを設けて、１画素の受光面積を大きく維持することも出来る。こうすれば、低輝度の物体に対しても十分な撮像素子出力が得られる。さらに、光の表面反射を抑制するために、マイクロレンズの表面に低屈折率の薄膜や可視光の波長以下の微細構造（所謂Sub-Wavelength Structure）を形成しても良い。

再結像レンズ４０７から出射した光束は撮像素子４０８のマイクロレンズ１５８に先ず入射し、次に第２配線層に設けられた開口１５５ａを通り抜けた成分が光電変換部１５２に入射して、電気信号に変換される。開口を形成するための遮光層と第２配線層を兼用したので、開口のための遮光層を特別に設ける必要が無く撮像素子の構成を簡略化することが出来ている。

ここで、再結像レンズ４０７の結像光束の利用効率について考える。仮に、マイクロレンズ１５８が完全に無収差の理想レンズであったとしても、開口１５５ａの寸法が小さいとＦナンバーで決まる回折限界によって開口１５５ａの逆投影像はシャープな像にはならない。一般に、ＭＴＦ特性のレスポンスは回折限界によって空間周波数の増加と共に単調に減少し、特定の周波数でゼロとなる。この周波数のことをカットオフ周波数と呼び、カットオフ周波数Nは次式で表される。

Ｎ＝１／（Ｆλ）
ここで、Ｆは理想レンズのＦナンバー、λは光の波長である。

受光素子のピッチが２μｍから２０μｍ程度の可視光を撮像する撮像装置を想定し、例えば、Ｆ＝５、λ＝０.０００５ｍｍとすれば、カットオフ周波数は４００本／ｍｍということになる。これを波長に換算すると０.００２５ｍｍであり、数μｍ程度の大きさの物体は像のコントラストが下がってシャープに結像できないことが分かる。このように回折限界による像の劣化が大きい結像の領域では、マイクロレンズ１５８の幾何光学的な収差をどんなに改善しても像のコントラストの改善にはほとんど寄与しない。

ところが、逆にこういった特性を用いると、光学素子の結像光束の利用効率を光束の中心部から周辺部にかけて低下させる効率調節手段として利用することが出来る。

図１５に示した第２配線層１５５の開口１５５ａの寸法を０.３μｍから９.０μｍ程度の小さい値に設定すると、マイクロレンズ１５８による逆投影像の輪郭はボケることになる。図１７は、再結像レンズ４０７の射出瞳上での開口１５５ａのマイクロレンズ１５８による逆投影像を示し、１４３ａ，１４３ｂ，１４３ｃ，１４３ｄは各受光素子の開口１５５ａがマイクロレンズ１５８によって再結像レンズ４０７の射出瞳上に逆投影された像である。各受光素子の開口１５５ａの像が４つの凸レンズの射出瞳上で重なるようにマイクロレンズの偏芯量が設定されている。

このように逆投影像の輪郭がボケているということは、逆投影像の輪郭付近で開口１５５ａを通過できる光量が徐々に変化していることを意味している。

図１６は実効光強度分布を撮像装置の断面で示した模式図である。

図４、図５、図１１と同様に図１６では実効光強度分布を濃度で表現している。図１６において、４０７は再結像レンズ、４０７ａと４０７ｂは４つの凸レンズの内の２つ、４４１ａは凸レンズ４０７ａの光軸、４４１ｂは凸レンズ４０７ｂの光軸、４０８は再結像レンズ４０７によって形成された物体像を電気信号に変換する撮像素子、４４３は再結像レンズ４０７と撮像素子４０８を保持し、暗箱としての機能を有する筐体である。４４４は凸レンズ４０７ａを透過して光軸４４１ａ上の受光素子に物体像を形成する光束、４４５は凸レンズ４０７ｂを透過して光軸４４１ｂ上の受光素子に物体像を形成する光束である。

光束４４４と光束４４５は何れも中央に強度の高い部分を有し、光束の周囲に向かって強度が低下している。

結像光束の利用効率を光束の中心部から周辺部にかけて低下させると、再結像レンズ４０７の実質的なＭＴＦを、撮像素子４０８の受光素子ピッチで決まるナイキスト周波数を超える高周波域でレスポンスが低く、ナイキスト周波数以下の周波数域でレスポンスが高いといった極めて望ましい特性とすることができる。したがって、撮像素子の出力に折り返し歪みが生じることがなく、この出力を用いることによって、高精度な焦点検出が可能となる。

以上説明したように、上記の実施形態によれば、撮像装置の光学素子にアポダイゼイションフィルターを用いることなく、光学素子の実質的なＭＴＦを、撮像素子の受光素子ピッチで決まるナイキスト周波数を超える高周波域でレスポンスが低く、ナイキスト周波数以下の周波数域でレスポンスが高いといった極めて望ましい特性とすることができた。

レンズの内部にアポダイゼイションフィルターを形成するためにレンズを２体化する必要がないので、装置の構成が複雑化しない。この効果は特に複眼光学素子を用いる際に有効である。

また、ＭＴＦを制御すると、デフォーカス像のＭＴＦにおいて高周波成分が顕著に低下するので、柔らかく好ましいボケ味を得ることができた。

１枚のレンズで構成された光学系で、絞りをレンズの前側か後ろ側に配置すると、かなり大きなディストーションが発生するが、本実施形態の受光素子構造を用いると実質的に両凸レンズの内部に絞りを形成したのと等価であるから、ディストーションを小さく抑えることができた。

アポダイゼイションフィルターを必要としないので、撮像装置のコストを極めて安価にすることができた。

光学ローパスフィルターを必要としないので、撮像装置のコストを極めて安価にすることができた。

焦点検出装置に適用した場合、高い焦点検出精度を得ることができた。

撮像素子の受光素子列の拡大断面図である。撮像装置を示す断面図である。図３（ａ）は瞳上での透過光利用効率を表す図、図３（ｂ）は瞳面上の実効光強度分布の模式図である。光軸上の受光素子３７に入射する結像光束を表す図である。撮影画面周辺の受光素子３８に入射する結像光束を表す図である。受光素子列１１１の拡大断面図である。図７（ａ）は撮像装置の平面図、図７（ｂ）は側面図、図７（ｃ）は撮像装置の一要素である半導体回路を形成した撮像素子の平面図である。撮像素子の詳細平面図である。画面中央部の受光素子の一つを抜き出した図である。画面周辺部の受光素子の一つを抜き出した図である。実効光強度分布を撮像装置の断面で示した模式図である。撮像素子の受光素子列の拡大断面図である。撮像素子の受光素子に入射する光線のトレース図である。一眼レフカメラの光学系の斜視図である。撮像素子１０８の受光素子部の断面図である。実効光強度分布を撮像装置の断面で示した模式図である。再結像レンズ４０７の射出瞳上での開口１５５ａのマイクロレンズ１５８による逆投影像を示した図である。

符号の説明

１９光拡散層
１０９光拡散層
１０２高屈折率層
３１１，１５８マイクロレンズ
１５５第２配線層

Claims

物体像を形成する光学系と、
該光学系によって形成された物体像を光電変換する複数の受光素子を備える撮像素子とを具備し、
前記撮像素子は、前記光学系の結像光束の利用効率を光束の中心部から周辺部に掛けて低下させる効率調節手段を、前記受光素子の構造の一部として備えることを特徴とする撮像装置。
前記効率調節手段は前記受光素子に入射する光の光路中に形成された光拡散層を備えることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記光拡散層はＳｉ₃Ｎ₄とＳｉＯ₂を周期的に配列して構成されることを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
前記効率調節手段は前記受光素子に入射する光の光路中に形成されたマイクロレンズを備えることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記マイクロレンズは、前記受光素子の表面付近に焦点面を有することを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
前記マイクロレンズは、該マクロレンズと前記受光素子の表面との中間位置に焦点面を有することを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
前記効率調節手段は前記受光素子に入射する光の光路中に形成された０.３μｍから９.０μｍの開口を備えることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記効率調節手段は前記受光素子に入射する光の光路中に形成されたマイクロレンズを備え、前記開口は、前記マイクロレンズと前記受光素子の表面との中間位置に配置されていることを特徴とする請求項７に記載の撮像装置。