(57)【要約】【課題】  各結像ユニットにおいて、光損失が少なく、且つ迷光の発生を抑えることができ、周辺部まで高画質の画像を得ることができる撮像装置を提供する。【解決手段】  固体撮像素子１０は、光電変換機能を有する多数の画素１１と、画素１１に一対一に対応する多数の画素レンズ１３とを備える。微小レンズアレイ２０は、複数の微小レンズ２１を備える。１つの微小レンズ２１と複数の画素１１と複数の画素レンズ１３とが１つの結像ユニット４０を構成し、各結像ユニット４０ごとに微小レンズ２１が対応する複数の画素１１に被写体像を結像する。各結像ユニット４０において、各画素レンズ２１の光軸は対応する画素１０の中心線に対して微小レンズ２１の光軸に接近する方向に位置ずれしている。【選択図】  図３
2006019918.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１平面内に配置された光電変換機能を有する多数の画素と、多数の前記画素に一対一に対応して前記画素の入射側に配置された多数の画素レンズとを備える固体撮像素子、及び前記第１平面と平行な第２平面内に配置された複数の微小レンズを備える微小レンズアレイを有し、
１つの前記微小レンズと複数の前記画素と複数の前記画素レンズとが１つの結像ユニットを構成し、
それぞれの前記結像ユニットごとに、前記微小レンズが対応する複数の前記画素に被写体像を結像する撮像装置であって、
それぞれの前記結像ユニットにおいて、それぞれの前記画素レンズの光軸は対応する前記画素の光電変換部分の中心を通る中心線に対して前記微小レンズの光軸に接近する方向に位置ずれしていることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記画素レンズの光軸の、対応する前記画素の光電変換部分の中心を通る中心線に対する位置ずれ量は、前記画素の前記微小レンズの光軸からの距離が大きいほど大きい請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記画素レンズの開口数をＮＡ、前記微小レンズの焦点距離をｆ、１つの前記微小レンズに対応する複数の前記画素が配置された領域に外接する円の直径をＬ、前記第１平面の法線に対して前記画素レンズの入射側の頂点と前記光電変換部分の中心とを結ぶ直線がなす角度をφとしたとき、各結像ユニットにおいて、前記微小レンズの光軸に対して最も遠い位置にある前記画素について下記式（１）を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
ａｒｃｔａｎ（Ｌ／ｆ）−φ≦ａｒｃｓｉｎ  ＮＡ      ・・・（１）
【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。特に、多数の画素を有する固体撮像素子の被写体側に複数の微小レンズを配列した微小レンズアレイを配置した撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年市場規模が大きくなりつつあるデジタルスチルカメラの市場においては、より携帯性に優れた小型・薄型のカメラに対するニーズが高まってきている。信号処理を担うＬＳＩ等の回路部品は、配線パターンの微細化などにより高機能で小型化が進んでいる。また、記録メディアも小型・大容量のものが廉価にて入手できるようになってきている。しかしながら、レンズとＣＣＤやＣＭＯＳなどの固体撮像素子とで構成される撮像系の小型化は未だ十分とは言えず、より携帯性に優れたカメラを実現するためにも小型の撮像系の開発が要望されている。
【０００３】
撮像系の小型化を実現するための構成として、平面上に複数の微小レンズを配列したレンズアレイ光学系を用いたものが知られている。従来の光軸上に複数のレンズを並べた光学系は、光軸方向に長くなるため体積が増大し、またレンズ径が大きいため収差が大きくなるという問題を有していた。これに対して、レンズアレイ光学系は、光軸方向に薄くでき、かつ個々の微小レンズ径が小さいため収差を比較的小さく抑えることが可能である。
【０００４】
このようなレンズアレイを用いた撮像系が特許文献１に開示されている。この撮像系は、被写体側から順に、複数の微小レンズが平面内に配列された微小レンズアレイと、微小レンズと一対一に対応する複数のピンホールが平面内に形成されたピンホールマスクと、各ピンホールを通過した光が結像する像平面とを備える。各微小レンズはピンホールマスク上にそれぞれ被写体の縮小像を形成し、各ピンホールはこの縮小像の互いに異なる部分の光を通過（サンプリング）させる。その結果、像平面上に被写体像が形成される。
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１の撮像系では、像平面上に形成される被写体像の解像度は微小レンズ（即ちピンホール）の個数および密度によって決まるため、高画質化は困難であった。つまり、対をなす微小レンズとピンホールとからなる構成単位の配置が、得られる画像のサンプリング点の配置を決定するので、高画質化のためには、上記構成単位の個数を多くしてサンプリング点数を増やすとともに、個々の微小レンズを小型化して上記構成単位の配列ピッチを小さくする必要がある。ところが、微小レンズの小型化には限界があるため、高解像度化は困難であった。また、ピンホールによって像平面に達する光束を制限しているため、光量ロスも大きく感度の面でも課題があった。
【０００６】
上記の課題を解決する別のレンズアレイを用いた撮像系が特許文献２に開示されている。この撮像系は、被写体側から順に、複数の微小レンズが平面内に配列された微小レンズアレイと、各微小レンズアレイからの光信号が互いに混信しないように分離するための格子枠状の隔壁からなる隔壁層と、平面内に配置された多数の光電変換素子とを備える。１つの微小レンズと、これに対応する、隔壁層によって分離された１つの空間と、複数の光電変換素子とが、１つの結像ユニットを構成する。個々の結像ユニットにおいて、微小レンズが、対応する複数の光電変換素子上に被写体像を結像する。これにより、結像ユニットごとに撮影画像が得られる。この撮影画像の解像度は１つの結像ユニットを構成する光電変換素子の数（画素数）に対応する。被写体に対する個々の微小レンズの相対的位置が異なることにより、複数の光電変換素子上に形成される被写体像の結像位置が結像ユニットごとに異なる。その結果、得られる撮影画像は結像ユニットごとに異なる。この互いに異なる複数の撮影画像を信号処理することにより、一つ画像を得ることができる。この撮像系では、個々の結像ユニットを構成する画素数は少ないため、個々の結像ユニットから得られる撮影画像の画質は低いが、複数の結像ユニットにおいてそれぞれ得られる少しずつずれた撮影画像を用いて信号処理して画像を再構築することにより、多数の光電変換素子で撮影した場合と同様の画質の映像を得ることができる。
【特許文献１】特公昭５９−５００４２号公報
【特許文献２】特開２００１−６１１０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の特許文献２の撮像系では、結像ユニットを構成する複数の光電変換素子のうち、微小レンズの光軸から離れた位置（即ち周辺部）に配置された光電変換素子ほど、光束の入射角が増大する。
【０００８】
その結果、大きな入射角で入射する光束が、光電変換素子の周囲の構造物によりけられ、光損失を生じる。これにより、各結像ユニットにおいて、周辺部の光電変換素子ほど出力信号強度が低下してしまい、複数の結像ユニットから得られた複数の撮影画像を再構築して得られる１つの画像の画質が低下してしまう。また、光電変換素子に入射しない光束は、内部反射などにより意図しない光電変換素子に入射して、画質低下を招く原因にもなる。
【０００９】
本発明は、従来の以上のような問題を解決し、各結像ユニットにおいて、光損失が少なく、且つ迷光の発生を抑えることができ、周辺部まで高画質の画像を得ることができる撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明の撮像装置は、第１平面内に配置された光電変換機能を有する多数の画素と、多数の前記画素に一対一に対応して前記画素の入射側に配置された多数の画素レンズとを備える固体撮像素子、及び前記第１平面と平行な第２平面内に配置された複数の微小レンズを備える微小レンズアレイを有する。１つの前記微小レンズと複数の前記画素と複数の前記画素レンズとが１つの結像ユニットを構成し、それぞれの前記結像ユニットごとに、前記微小レンズが対応する複数の前記画素に被写体像を結像する。
【００１１】
そして、それぞれの前記結像ユニットにおいて、それぞれの前記画素レンズの光軸は対応する前記画素の光電変換部分の中心を通る中心線に対して前記微小レンズの光軸に接近する方向に位置ずれしている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、受光部に入射する光束の入射角が適切に設定され、光束がけられることを抑えることができる。従って、光損失が少なく、且つ迷光の発生を抑えることができるので、周辺部まで高画質画像を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
ＣＣＤやＣＭＯＳなどに代表される固体撮像素子では、光電変換を行う光電変換部分（以下、「受光部」という）は、その撮像素子の一部を占めるに過ぎず、且つ撮像素子の表面に配置されているわけではない。したがって、一般に、撮像素子上に入射する光束は、その入射角が大きいと、受光部の周囲の構造物によりけられ、反射され、受光部に入射することができない。
【００１４】
ところが、本発明の上記の撮像装置によれば、各結像ユニットにおいて、微小レンズから受光部に入射する光束の光路を画素レンズにより受光部の方向へ曲げることができ、受光部への入射角を小さくすることができる。従って、光損失が少なく、且つ迷光の発生を抑えることができるので、周辺部まで高画質の画像を得ることができる。
【００１５】
上記の本発明の撮像装置において、前記画素レンズの光軸の、対応する前記画素の光電変換部分の中心を通る中心線に対する位置ずれ量は、前記画素の前記微小レンズの光軸からの距離が大きいほど大きいことが好ましい。これにより、微小レンズの光軸からの距離が大きいために、微小レンズからの光束の入射角が大きくなっても、光束の光路を画素レンズにより受光部の方向へ大きく曲げることができるので、各受光部への入射角を小さくすることができる。従って、各結像ユニットにおいて、微小レンズの光軸から遠い画素の受光部ほど入射光量が低下し、これにより出力信号強度が低下するという問題を解消できる。その結果、周辺部まで高画質の画像を得ることができる。
【００１６】
また、上記の本発明の撮像装置において、前記画素レンズの開口数をＮＡ、前記微小レンズの焦点距離をｆ、１つの前記微小レンズに対応する複数の前記画素が配置された領域に外接する円の直径をＬ、前記第１平面の法線に対して前記画素レンズの入射側の頂点と前記光電変換部分の中心とを結ぶ直線がなす角度をφとしたとき、各結像ユニットにおいて、前記微小レンズの光軸に対して最も遠い位置にある前記画素について、
ａｒｃｔａｎ（Ｌ／ｆ）−φ≦ａｒｃｓｉｎ  ＮＡ      ・・・（１）
を満足することが好ましい。
【００１７】
これにより、受光部に入射する光束の入射角が適切に規制され、光束がけられることがない。よって、光損失を一層低減でき、且つ迷光の発生を一層抑えることができる。
【００１８】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１９】
図１は本発明の一実施形態に係る撮像装置の概略構成を示した斜視図、図２は本発明の一実施形態に係る撮像装置の隣り合う２つの微小レンズ２１の光軸を含む面で切断した断面図である。
【００２０】
図１および２において、１０は第１平面内に縦横方向に配列された多数の画素１１を備える固体撮像素子（例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ）、２０は、第１平面と平行で且つ離間した第２平面内に縦横方向に配列された複数の微小レンズ２１を備える微小レンズアレイである。１つの微小レンズ２１に対して複数の画素１１が対応する。固体撮像素子１０は、光電変換を行う光電変換部分（受光部）１２を各画素１１ごとに備え、更に、多数の画素１１の入射側に画素１１に一対一に対応して多数の画素レンズ１３を備えている。
【００２１】
被写体からの光束は複数の微小レンズ２１に入射して、各微小レンズ２１は、対応する複数の画素１１上に被写体像を形成する。３０は、微小レンズ２１からの光がその微小レンズ２１には対応しない画素１１に入射して、クロストークが生じるのを防止するために、微小レンズ２１の配置に対応して格子枠状に配置された隔壁層である。
【００２２】
１つの微小レンズ２１と、隔壁層３０により分割された１つの空間と、該微小レンズ２１に対応する複数の画素１１と、この複数の画素にそれぞれ対応する複数の画素レンズ１３とが、１つの結像ユニット４０を構成する。
【００２３】
なお、隔壁層３０は、異なる結像ユニット４０の微小レンズ２１からの光束が画素１１に入射するのを問題のない程度に防止できるのであれば、省略可能である。
【００２４】
図３は、図２に示した撮像装置の断面図のうちの１つの結像ユニット４０の拡大断面図である。図３では隔壁層３０は省略している。
【００２５】
ＣＣＤやＣＭＯＳなどに代表される固体撮像素子１０において、各画素１１に配置された光電変換を行う受光部（光電変換部分）１２は、一般に、固体撮像素子１０の表面ではなく、図２及び図３のように凹部内の底部に配置されている。従って、受光部１２に入射できる光線の入射角度には上限が存在する。図３から明らかなように、微小レンズ２１の光軸２１ａから遠い位置にある受光部１２ほど、微小レンズ２１からの光線の入射角度が大きくなる。
【００２６】
画素レンズ１３は、「オンチップレンズ」とも呼ばれ、受光部１２以外のところに結像しようとする光束を受光部１２に導く。画素レンズ１３の配置ピッチはほぼ等間隔であり、受光部１２の配置ピッチよりも小さい。図３に示すように、微小レンズ２１の光軸２１ａ上又はその近傍に位置する一つの受光部１２の中心線（受光部１２の中心を通る第１平面に垂直な直線）１２ａと、この受光部１２に対応する画素レンズ１３の光軸１３ａとはほぼ一致する。即ち、この受光部１２の中心線１２ａと、この受光部に対応する画素レンズ１３の光軸１３ａとは、微小レンズ２１の光軸２１ａとほぼ一致する。この画素レンズ１３を除く他の画素レンズ１３の光軸１３ａは、対応する受光部１２の中心線１２ａに対して、光軸２１ａに接近する方向に第１平面内において位置ずれしている。光軸１３ａの中心線１２ａに対する位置ずれ量は、光軸２１ａからの距離が大きい画素ほど大きい。
【００２７】
光軸２１ａと平行な方向から見たとき、画素レンズ１３の有効径は、対応する受光部１２の受光領域より大きい。
【００２８】
このように、受光部１２より大きな有効径を有する画素レンズ１３を受光部１２の入射側に設け、更に、画素レンズ１３の光軸１３ａを対応する画素１１の受光部１２の中心線１２ａに対して微小レンズ２１の光軸２１ａに接近する方向に位置ずれさせることにより、集光効率を改善し、光量ロスを低減し、受光感度を向上させることができる。また、受光部１２以外の部分で反射して生じる迷光を低減し、これによる画質劣化を低減できる。
【００２９】
なお、上記の実施形態では画素レンズ１３の配置ピッチは等間隔としたが、本発明はこれに限定されず、画素レンズ１３の配置ピッチが異なっていてもよい。
【００３０】
また、上記の実施形態では微小レンズ２１の光軸２１ａと、一つの受光部１２の中心線１２ａと、この受光部１２に対応する画素レンズ１３の光軸１３ａとがほぼ一致していたが、本発明はこれに限定されない。即ち、何れの受光部１２の中心線１２ａも微小レンズ２１の光軸２１ａと一致していなくても良く、また、全ての画素において、画素レンズ１３の光軸１３ａがこれに対応する受光部１２の中心線１２ａに対して位置ずれしていても良い。
【００３１】
図４は、受光部１２近傍の拡大断面図である。図４において、１０ａは、受光部１２が配置された第１平面の法線である。θは受光部１２に入射可能な光線の最大入射角である。αは微小レンズ２１からの光線２の受光部１２に対する入射角である。画素レンズ１３が受光部１２に対して位置ずれしているので、画素レンズ１３の入射側の頂点とこの画素レンズ１３に対応する受光部１２の中心とを結ぶ直線１３ｂに対して角度θ以下の角度の光線であれば、受光部１２に入射することができる。φは直線１３ｂと、受光部１２が配置された第１平面の法線１０ａとがなす角度である。微小レンズ２１からの光線２が、けられることなく受光部１２に入射するためには、α−φ≦θである必要がある。
【００３２】
ここで、画素レンズ１３の開口数をＮＡとすると、最大入射角θはＮＡに依存し、θ＝ａｒｃｓｉｎ  ＮＡがほぼ成立する。また、図３に示すように、微小レンズ２１の焦点距離をｆ、１つの微小レンズ２１に対応する複数の画素１１が配置された領域（即ち、固体撮像素子１０のうち、１つの結像ユニット４０の光軸２１ａに沿った投影領域）に外接する円４１（図１参照）の直径をＬとすると、光軸２１ａから最も遠い画素（受光部１２）において入射角α＝ａｒｃｔａｎ（Ｌ／ｆ）である。従って、
ａｒｃｔａｎ（Ｌ／ｆ）−φ≦ａｒｃｓｉｎ  ＮＡ      ・・・（１）
を満足する必要がある。
【００３３】
本実施形態では、光軸２１ａから最も遠い画素１１の受光部１２について上記式（１）を満たすようにＬ、ｆ、φおよびＮＡの値を設定している。光軸２１ａから最も遠い画素１１の受光部１２について上記式（１）を満足するとき、微小レンズ２１からの光束は、対応する全ての受光部１２に、固体撮像素子１０の構造物によってけられることなく入射する。より正確には、上記式（１）を満足するとき、微小レンズ２１からの光束が無収差の場合には、損失なく光束が受光部１２に入射し、収差を含む場合には、光束の損失を最低限に抑えることができる。
【００３４】
なお、上記において、光軸２１ａは上記外接円４１の中心をほぼ通過し、この外接円４１の直径Ｌは、通常は、微小レンズ２１の有効部に外接する円の直径に一致する。更に、本実施形態では、光軸２１ａに沿って見た結像ユニット４０の形状は略正方形であるから、直径Ｌはこの正方形の対角線の長さに一致する。但し、光軸２１ａに沿って見た結像ユニット４０の形状は略正方形である必要はなく、長方形であってもよい。長方形の場合にも直径Ｌは対角線の長さに一致する。
【００３５】
次に、固体撮像素子１０の各受光部１２に入射した光束から画像を得る方法を図５（Ａ）及び図５（Ｂ）を用いて説明する。
【００３６】
図５（Ａ）に示すように、結像ユニット４０ごとに、微小レンズアレイ２０の微小レンズ２１は、被写体９０の像９１を固体撮像素子１０上に結像する。固体撮像素子１０の各受光部１２は入射した光束を光電変換する。ここで、固体撮像素子１０の垂直軸をｘ軸、水平軸をｙ軸とし、位置（ｘ，ｙ）にある受光部１２からの信号をＩ（ｘ，ｙ）とすると、固体撮像素子１０に含まれる全ての受光部１２についての信号Ｉ（ｘ，ｙ）が読み出される（ステップ１０１）。
【００３７】
次に、この各受光部１２からの信号Ｉ（ｘ，ｙ）を結像ユニット４０ごとに分割する。即ち、図５（Ｂ）に示すように、受光部１２がｍ列×ｎ行に配置された結像ユニット４０内の第ｉ列、第ｋ行の位置にある受光部１２の位置を（ｉ，ｋ）(m,n)とし、この受光部１２からの信号をＩ（ｉ，ｋ）(m,n)とすると、上記各信号Ｉ（ｘ，ｙ）を結像ユニット４０内における信号Ｉ（ｉ，ｋ）(m,n)として取り扱う。この結果、結像ユニット４０ごとにｍ列×ｎ行の画素からなる画像が再構成される（ステップ１０３）。
【００３８】
その後、異なる結像ユニット４０間において、信号Ｉ（ｉ，ｋ）(m,n)を処理して１枚の画像を再構築する（ステップ１０５）。この信号処理としては、上記特許文献２に記載された方法を用いることができ、その詳細説明を省略する。結像ユニット４０内における被写体像９１の形成位置が結像ユニット４０ごとに異なるために、位置（ｉ，ｋ）が同じ受光部１２からの信号Ｉ（ｉ，ｋ）(m,n)は結像ユニット４０ごとに異なる。従って、１つの結像ユニット４０に含まれる受光部１２の数（ｍ×ｎ個）を遙かに超えた高解像度の画像が得られる。
【００３９】
本実施形態によれば、各結像ユニット４０において、微小レンズ２１からの光束は、全ての受光部１２に、固体撮像素子１０の構造物によってけられることなく入射する。従って、受光部１２に、その位置にかかわらず、充分な光が入射し、高コントラストの信号Ｉ（ｘ，ｙ）が得られる。その結果、被写体の微細な構造まで再構築することができる。
【００４０】
また、上記の信号処理において、被写体９０の同一位置の信号の強度が結像ユニット４０ごとに異なると、再構築される画像のコントラストや解像度が低下するなどの画質劣化を生じる。本実施形態の撮像装置は、上記の式（１）を満足することにより、各結像ユニット４０を構成する全ての受光部１２に、光束がけられなく入射するので、結像ユニット４０間において、被写体９０の同一位置の信号の強度差を小さくすることができる。この結果、高画質画像を得るとができる。
【００４１】
さらに、光束のけられを抑えることができるので、反射した光束が意図しない受光部１２に入射するのを低減できる。従って、迷光による画質劣化を防止できる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明の撮像装置の利用分野は特に限定されないが、薄型で高画質画像を得ることができるので、特に小型、薄型の携帯機器などに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る撮像装置の概略構成を示した斜視図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係る撮像装置の隣り合う２つの微小レンズの光軸を含む面での断面図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係る撮像装置の一つの結像ユニットを示す拡大断面図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態に係る撮像装置における受光部近傍の拡大断面図である。
【図５】図５（Ａ）は、本発明の一実施形態に係る撮像装置において、固体撮像素子からの信号の処理の概略を示した図である。図５（Ｂ）は、本発明の一実施形態形態に係る撮像装置において、結像ユニットを構成する受光部を示した斜視図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０  固体撮像素子
１０ａ  第１平面の法線
１１  画素
１２  受光部（光電変換部分）
１２ａ  受光部の中心線
１３  画素レンズ
１３ａ  画素レンズの光軸
２０  微小レンズアレイ
２１  微小レンズ
２１ａ  微小レンズの光軸
３０  隔壁層
４０  結像ユニット
【図１】
2006019918.tif 000003
【図２】
2006019918.tif 000004
【図３】
2006019918.tif 000005
【図４】
2006019918.tif 000006
【図５】
2006019918.tif 000007