(57)【要約】【課題】波長分離精度が高く、高精細な撮像装置を提供する。【解決手段】撮像装置１は、レンズを含む光学系１０と、光学特性が異なる複数のフィルタ領域２２がアレイ状に配列され、光学系１０を通過した光を、フィルタ領域２２毎に波長選択的に透過させるフィルタアレイ２０と、複数のフィルタ領域２２の各々に対応し、アレイ状に配置された複数のサブ画素３２を有するイメージセンサ３０と、フィルタアレイ２０とイメージセンサ３０との間に配置され、複数のフィルタ領域２２の各々を通過した光を、対応するサブ画素３２に入射させるマイクロレンズアレイ４０とを備え、フィルタアレイ２０は、多層薄膜干渉フィルタである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レンズを含む光学系と、
光学特性が異なる複数のフィルタ領域がアレイ状に配列され、前記光学系を通過した光を、前記フィルタ領域毎に波長選択的に透過させるフィルタアレイと、
前記複数のフィルタ領域の各々に対応し、アレイ状に配置された複数の画素を有するイメージセンサと、
前記フィルタアレイと前記イメージセンサとの間に配置され、前記複数のフィルタ領域の各々を通過した光を、対応する前記画素に入射させるアレイ状の光学素子とを備え、
前記フィルタアレイは、多層薄膜干渉フィルタである
撮像装置。
【請求項２】
前記フィルタアレイは、
互いに重複しない第１透過帯域と第２透過帯域とを有する第１バンドパスフィルタと、
互いに重複しない第３透過帯域と第４透過帯域とを有する第２バンドパスフィルタとを備え、
前記第１透過帯域と前記第４透過帯域とは、重複せず、
前記第２透過帯域と前記第３透過帯域とは、重複しており、
前記複数のフィルタ領域には、
前記第１バンドパスフィルタ及び前記第２バンドパスフィルタのうち前記第１バンドパスフィルタのみが設けられた第１フィルタ領域と、
前記第１バンドパスフィルタ及び前記第２バンドパスフィルタのうち前記第２バンドパスフィルタのみが設けられた第２フィルタ領域と、
前記第１バンドパスフィルタ及び前記第２バンドパスフィルタの両方が重ねられた第３フィルタ領域とが含まれる
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記アレイ状の光学素子は、マイクロレンズアレイである
請求項１又は２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記アレイ状の光学素子は、前記イメージセンサ側の第１主面にアレイ状に配置された複数の第１凸レンズを有し、前記フィルタアレイの前記イメージセンサ側の主面に積層されている
請求項３に記載の撮像装置。
【請求項５】
さらに、
前記光学系、前記フィルタアレイ、前記イメージセンサ及び前記アレイ状の光学素子を支持する筐体を備え、
前記アレイ状の光学素子は、前記フィルタアレイ側の第２主面にアレイ状に配置された複数の第２凸レンズを有し、
前記筐体は、前記アレイ状の光学素子を前記フィルタアレイから離して支持する
請求項３に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記複数のフィルタ領域と、前記複数の第２凸レンズとはそれぞれ、１つずつ対応している
請求項５に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記アレイ状の光学素子は、さらに、前記イメージセンサ側の第１主面にアレイ状に配置された複数の第１凸レンズを有し、
前記筐体は、前記アレイ状の光学素子を、前記フィルタアレイ及び前記イメージセンサの各々から離して支持する
請求項５又は６に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記複数のフィルタ領域と、前記複数の第１凸レンズとはそれぞれ、１つずつ対応している
請求項４又は７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、撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、オンチップカラーフィルタを備える固体撮像素子が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−８７７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の固体撮像素子のオンチップカラーフィルタは、着色顔料を分散させた樹脂材料を用いて形成されている。着色顔料を分散させた樹脂材料を用いて形成されたカラーフィルタは、透過帯域が広く、波長分離精度が低いという問題がある。
【０００５】
一方で、カラーフィルタの代わりに、波長分離精度の高いバンドパスフィルタをアレイ状に形成したバンドパスフィルタアレイを用いることが考えられる。しかしながら、バンドパスフィルタアレイは、オンチップカラーフィルタのようにイメージセンサ上に直接形成することが、プロセス上、困難である。このため、バンドパスフィルタアレイとイメージセンサとの間に隙間が生じるために、１つのフィルタ領域を通過した光が１つの画素に集光されずに、別の画素に入射するという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、波長分離精度が高く、高精細な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】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る撮像装置は、レンズを含む光学系と、光学特性が異なる複数のフィルタ領域がアレイ状に配列され、前記光学系を通過した光を、前記フィルタ領域毎に波長選択的に透過させるフィルタアレイと、前記複数のフィルタ領域の各々に対応し、アレイ状に配置された複数の画素を有するイメージセンサと、前記フィルタアレイと前記イメージセンサとの間に配置され、前記複数のフィルタ領域の各々を通過した光を、対応する前記画素に入射させるアレイ状の光学素子とを備え、前記フィルタアレイは、多層薄膜干渉フィルタである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、波長分離精度が高く、高精細な撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態に係る撮像装置の構成を示す断面図である。
【図２】実施の形態に係る撮像装置のフィルタアレイの構成を示す斜視図である。
【図３】実施の形態に係るフィルタアレイの単位領域を示す平面図である。
【図４】実施の形態に係るフィルタアレイが備えるマルチバンドパスフィルタの透過特性と、フィルタ領域毎の透過特性とを示す図である。
【図５】実施の形態及び変形例に係る撮像装置による集光効率を示す図である。
【図６】実施の形態の変形例１に係る撮像装置の構成を示す断面図である。
【図７】実施の形態の変形例２に係る撮像装置の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下では、本発明の実施の形態に係る撮像装置について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００１１】
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、例えば、各図において縮尺などは必ずしも一致しない。また、各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
【００１２】
（実施の形態）
［構成］
まず、本実施の形態に係る撮像装置の構成について、図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係る撮像装置１の構成を示す断面図である。
【００１３】
図１に示すように、撮像装置１は、光学系１０と、フィルタアレイ２０と、イメージセンサ３０と、マイクロレンズアレイ４０と、筐体５０とを備える。フィルタアレイ２０、イメージセンサ３０及びマイクロレンズアレイ４０は、筐体５０に収納されており、筐体５０に設けられた開口を塞ぐように光学系１０が配置されている。光学系１０、フィルタアレイ２０、マイクロレンズアレイ４０及びイメージセンサ３０は、この順で配置されている。光学系１０を通過した光が、フィルタアレイ２０及びマイクロレンズアレイ４０をこの順で通過し、イメージセンサ３０に入射する。イメージセンサ３０は、入射光の強度に応じた電気信号（画素信号）を生成して外部に出力する。
【００１４】
以下では、撮像装置１を構成する各構成部材について詳細に説明する。
【００１５】
［光学系］
光学系１０は、レンズを含む。図１では、模式的に１つのレンズを示しているが、光学系１０は、複数のレンズを含んでもよい。例えば、光学系１０は、外部から入射する光（以下、単に入射光と記載する）を複数のレンズによって段階的に集光することで、入射光を平行光にしてフィルタアレイ２０に向けて出射する。
【００１６】
［フィルタアレイ］
図２は、本実施の形態に係るフィルタアレイ２０の構成を示す斜視図である。図２に示すように、フィルタアレイ２０は、第１バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）２４と、第２バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）２５とを備える。図２には示していないが、フィルタアレイ２０は、図１に示すように、基板２１を備える。基板２１上に第１ＢＰＦ２４及び第２ＢＰＦ２５が順に積層されている。基板２１は、透光性を有する透光基材を用いて形成されている。透光基材としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムなどの透明樹脂基板、又は、透明ガラス基板などである。
【００１７】
フィルタアレイ２０は、光学特性が異なる複数のフィルタ領域２２がアレイ状に配列され、光学系１０を通過した光を、フィルタ領域２２毎に波長選択的に透過させる。本実施の形態では、フィルタアレイ２０は、多層薄膜干渉フィルタである。複数のフィルタ領域２２は、第１ＢＰＦ２４と第２ＢＰＦ２５との重複及び非重複の差異によって区分されている。
【００１８】
第１ＢＰＦ２４及び第２ＢＰＦ２５はそれぞれ、互いに重複しない２つの波長領域に光の透過帯域を有するマルチバンドパスフィルタである。第１ＢＰＦ２４及び第２ＢＰＦ２５の各々の透過特性については、図４を用いて後で説明する。
【００１９】
第１ＢＰＦ２４及び第２ＢＰＦ２５はそれぞれ、３層以上の薄膜が積層された多層構造を有する薄膜干渉フィルタである。多層構造を構成する薄膜の膜厚、屈折率及び積層数を適切に設計することで、所望の波長帯域に光の透過帯域を有する第１ＢＰＦ２４及び第２ＢＰＦ２５をそれぞれ実現することができる。
【００２０】
薄膜は、例えば、誘電体材料を用いた無機膜である。具体的には、薄膜は、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）膜、及び、酸化チタン（ＴｉＯｘ）膜などである。各薄膜は、基板２１上に、蒸着、スパッタリングなどによって形成される。第１ＢＰＦ２４及び第２ＢＰＦ２５の各々の膜厚は、例えば１μｍ〜５μｍであるが、これに限らない。
【００２１】
図２に示すように、第１ＢＰＦ２４及び第２ＢＰＦ２５はそれぞれ、平面視において、ラインアンドスペース状（ストライプ状）に形成されている。第１ＢＰＦ２４のラインとスペースとは、互いに同じ幅であるが、異なっていてもよい。また、複数のラインの各々の幅、及び、複数のスペースの各々の幅は、互いに同じ幅であるが、異なっていてもよい。第２ＢＰＦ２５についても同様である。
【００２２】
本実施の形態では、第１ＢＰＦ２４及び第２ＢＰＦ２５は、それぞれのラインが交差するように設けられている。具体的には、第１ＢＰＦ２４及び第２ＢＰＦ２５は、それぞれのラインが直交している。すなわち、第１ＢＰＦ２４及び第２ＢＰＦ２５の各々のラインは、平面視において重なっている。第１ＢＰＦ２４と第２ＢＰＦ２５とが重複した領域と、重複していない領域とでは、光学特性（具体的には、光の透過帯域）が異なる。これにより、フィルタアレイ２０には、平面視において、光学特性が異なる複数のフィルタ領域２２が形成される。
【００２３】
図３は、本実施の形態に係るフィルタアレイ２０の単位領域２３を示す平面図である。フィルタアレイ２０では、複数の単位領域２３がアレイ状に配置されている。複数の単位領域２３の各々は、複数のフィルタ領域２２から構成されている。具体的には、複数のフィルタ領域２２には、第１フィルタ領域２２ａと、第２フィルタ領域２２ｂと、第３フィルタ領域２２ｃと、全透過領域２２ｄとが含まれる。本実施の形態では、単位領域２３は、２行２列で配列された４つのフィルタ領域２２から構成されている。
【００２４】
第１フィルタ領域２２ａは、第１ＢＰＦ２４及び第２ＢＰＦ２５のうち第１ＢＰＦ２４のみが設けられた領域である。第２フィルタ領域２２ｂは、第１ＢＰＦ２４及び第２ＢＰＦ２５のうち第２ＢＰＦ２５のみが設けられた領域である。第３フィルタ領域２２ｃは、第１ＢＰＦ２４及び第２ＢＰＦ２５の両方が重ねられた領域である。全透過領域２２ｄは、第１ＢＰＦ２４及び第２ＢＰＦ２５のいずれも設けられていない領域である。全透過領域２２ｄを通過する光は、フィルタアレイ２０に入射する入射光そのものである。
【００２５】
本実施の形態では、第１フィルタ領域２２ａ、第２フィルタ領域２２ｂ、第３フィルタ領域２２ｃ及び全透過領域２２ｄの各々の形状及び大きさは、互いに同じである。具体的には、第１フィルタ領域２２ａ、第２フィルタ領域２２ｂ、第３フィルタ領域２２ｃ及び全透過領域２２ｄの各々は、平面視において同じ面積を有する略正方形に形成されている。これにより、各フィルタ領域２２に入射する光の光量を略同じにすることができる。図１に示すように、第１フィルタ領域２２ａ、第２フィルタ領域２２ｂ及び第３フィルタ領域２２ｃの各々は、イメージセンサ３０の第１サブ画素３２ａ、第２サブ画素３２ｂ及び第３サブ画素３２ｃと一対一に対応している。
【００２６】
なお、図１では、説明を簡単にするために、第１ＢＰＦ２４と第２ＢＰＦ２５との積層関係を図示せず、第１フィルタ領域２２ａ、第２フィルタ領域２２ｂ及び第３フィルタ領域２２ｃが一方向に並んで配置されている例を模式的に示している。また、全透過領域２２ｄは図示していない。実際には、図２に示すように、第１ＢＰＦ２４と第２ＢＰＦ２５とは重ねられており（重複部分が第３フィルタ領域２２ｃである）、また、図３に示すように、第１フィルタ領域２２ａと第２フィルタ領域２２ｂとは隣接していない。なお、フィルタ領域の配置は、図３に示した例には限らないので、図１に示したように、一方向に順に並んで配置されていてもよい。
【００２７】
以下では、各ＢＰＦ及び各フィルタ領域２２の光学特性について、図４を用いて説明する。図４は、本実施の形態に係るフィルタアレイ２０が備えるマルチバンドパスフィルタの透過特性と、フィルタ領域２２毎の透過特性とを示す図である。具体的には、図４の（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、第１フィルタ領域２２ａ、第２フィルタ領域２２ｂ及び第３フィルタ領域２２ｃの各々の透過特性を模式的に示している。横軸は波長であり、縦軸は透過率を示している。
【００２８】
第１フィルタ領域２２ａには第１ＢＰＦ２４のみが設けられているので、第１フィルタ領域２２ａの光学特性と第１ＢＰＦ２４の光学特性とが一致する。具体的には、図４の（ａ）に示すように、第１ＢＰＦ２４は、互いに重複しない第１透過帯域６１と第２透過帯域６２とを有する。第１透過帯域６１と第２透過帯域６２との間には、遮断帯域７１が設けられている。
【００２９】
第１透過帯域６１は、例えば、中心波長が約４５０ｎｍで帯域幅が約５０ｎｍの波長帯域である。第１透過帯域６１は、主として青色光（Ｂ）を透過させるための波長帯域である。ここで、中心波長は、帯域幅の中央値における波長である。帯域幅は、絶対的な光の透過率が５０％となる部分での透過帯域の幅である。
【００３０】
第２透過帯域６２は、例えば、第１透過帯域６１より中心波長が大きい波長帯域である。第２透過帯域６２は、例えば、中心波長が約５５０ｎｍで帯域幅が約５０ｎｍの波長帯域である。第２透過帯域６２は、主として緑色光（Ｇ）を透過させるための波長帯域である。
【００３１】
遮断帯域７１は、光の透過率が１０％以下である。なお、第１ＢＰＦ２４は、第１透過帯域６１及び第２透過帯域６２以外に光の透過帯域を有さない。具体的には、第１ＢＰＦ２４では、第１透過帯域６１及び第２透過帯域６２を除いた他の波長帯域における光の透過率が１０％以下である。
【００３２】
本実施の形態では、第１ＢＰＦ２４は、青色光を透過する第１透過帯域６１と緑色光を透過する第２透過帯域６２とを有するので、青色成分及び緑色成分を含む光（シアン光）を透過させる。したがって、第１ＢＰＦ２４のみが設けられた第１フィルタ領域２２ａは、シアン光（Ｃ）を透過させ、かつ、他の色成分（波長成分）の光を実質的に透過させない領域である。
【００３３】
第２フィルタ領域２２ｂには第２ＢＰＦ２５のみが設けられているので、第２フィルタ領域２２ｂの光学特性と第２ＢＰＦ２５の光学特性とが一致する。具体的には、図４の（ｂ）に示すように、第２ＢＰＦ２５は、互いに重複しない第３透過帯域６３と第４透過帯域６４とを有する。第３透過帯域６３と第４透過帯域６４との間には、遮断帯域７２が設けられている。
【００３４】
第３透過帯域６３は、例えば、中心波長が約５５０ｎｍで帯域幅が約５０ｎｍの波長帯域である。第３透過帯域６３は、主として緑色光を透過させるための波長帯域である。
【００３５】
第４透過帯域６４は、例えば、第３透過帯域６３より中心波長が大きい波長帯域である。第４透過帯域６４は、例えば、中心波長が約６５０ｎｍで帯域幅が約５０ｎｍの波長帯域である。第４透過帯域６４は、主として赤色光を透過させるための波長帯域である。
【００３６】
遮断帯域７２は、光の透過率が１０％以下である。なお、第２ＢＰＦ２５は、第３透過帯域６３及び第４透過帯域６４以外に光の透過帯域を有さない。具体的には、第２ＢＰＦ２５では、第３透過帯域６３及び第４透過帯域６４を除いた他の波長帯域における光の透過率が１０％以下である。
【００３７】
本実施の形態では、第２ＢＰＦ２５は、緑色光を透過する第３透過帯域６３と赤色光を透過する第４透過帯域６４とを有するので、緑色成分及び赤色成分を含む光（イエロー光）を透過させる。したがって、第２ＢＰＦ２５のみが設けられた第２フィルタ領域２２ｂは、イエロー光（Ｙ）を透過させ、かつ、他の色成分（波長成分）の光を実質的に透過させない領域である。
【００３８】
図４の（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１ＢＰＦ２４の第２透過帯域６２と第２ＢＰＦ２５の第３透過帯域６３とは、重複している。具体的には、第２透過帯域６２と第３透過帯域６３とは、一致している。また、第１透過帯域６１と第４透過帯域６４とは重複していない。
【００３９】
なお、第２透過帯域６２と第３透過帯域６３とは、完全に一致していなくてもよい。具体的には、第２透過帯域６２と第３透過帯域６３とで、帯域幅、立ち上がり時及び立ち下がり時の波長、並びに、透過率の平均値及び最大値などが互いに異なっていてもよい。例えば、第２透過帯域６２が第３透過帯域６３に含まれていてもよく、第３透過帯域６３が第２透過帯域６２に含まれていてもよい。例えば、第２透過帯域６２の大部分（例えば帯域幅の９０％以上）と、第３透過帯域６３の大部分とが一致していてもよい。
【００４０】
本実施の形態では、第１透過帯域６１〜第４透過帯域６４の各々における光の透過率は、９０％以上である。当該光の透過率は、９５％以上でもよい。なお、透過帯域における光の透過率は、例えば、透過帯域の中心波長における透過率である。また、第１透過帯域６１〜第４透過帯域６４の各々の中心波長及び帯域幅は、上記例に限らない。帯域幅は、例えば、２０ｎｍ〜８０ｎｍの範囲内で定められた値であってもよい。
【００４１】
第３フィルタ領域２２ｃには、第１ＢＰＦ２４と第２ＢＰＦ２５とが重ねられて配置されているので、第３フィルタ領域２２ｃの光学特性は、第１ＢＰＦ２４と第２ＢＰＦ２５とを掛け合わせた光学特性になる。
【００４２】
具体的には、図４の（ｃ）に示すように、第３フィルタ領域２２ｃは、透過帯域６５として、第２透過帯域６２（第３透過帯域６３）のみを有する。本実施の形態では、第２透過帯域６２は、緑色成分を透過させるので、第３フィルタ領域２２ｃは、緑色光（Ｇ）を透過させ、かつ、他の色成分（波長成分）の光を実質的に透過させない領域である。
【００４３】
なお、本実施の形態では、第２透過帯域６２と第３透過帯域６３とが重複（具体的には一致）している例について示したが、これに限らない。例えば、第２ＢＰＦ２５は、第３透過帯域６３の代わりに第１透過帯域６１を有してもよい。あるいは、第１ＢＰＦ２４は、第２透過帯域６２の代わりに第４透過帯域６４を有してもよい。
【００４４】
［イメージセンサ］
イメージセンサ３０は、複数のフィルタ領域２２の各々に対応し、アレイ状に配置された複数のサブ画素３２を有する。イメージセンサ３０は、ＣＣＤイメージセンサ又はＣＭＯＳイメージセンサなどである。
【００４５】
本実施の形態では、図１に示すように、イメージセンサ３０は、基板３１と、基板３１に形成された複数のサブ画素３２と、オンチップマイクロレンズ３４とを備える。オンチップマイクロレンズ３４は、基板３１の光入射面側に配置されている。オンチップマイクロレンズ３４は、複数のサブ画素３２に一対一で対応する複数のレンズが設けられており、イメージセンサ３０に入射する光をサブ画素３２に集光するための光学素子の一例である。
【００４６】
複数のサブ画素３２の各々は、例えば、フォトダイオード又はフォトトランジスタなどを含み、受光した光を光電変換することで、受光強度に応じた画素信号を出力する。複数のサブ画素３２には、第１サブ画素３２ａ、第２サブ画素３２ｂ及び第３サブ画素３２ｃが含まれる。
【００４７】
第１サブ画素３２ａには、第１フィルタ領域２２ａを通過した光が入射する。第１フィルタ領域２２ａがシアン光（Ｃ）を透過するので、第１サブ画素３２ａは、シアン光を受光して光電変換することで、シアン光の受光強度に応じた画素信号を出力する。
【００４８】
第２サブ画素３２ｂには、第２フィルタ領域２２ｂを通過した光が入射する。第２フィルタ領域２２ｂがイエロー光（Ｙ）を透過するので、第２サブ画素３２ｂは、イエロー光を受光して光電変換することで、イエロー光の受光強度に応じた画素信号を出力する。
【００４９】
第３サブ画素３２ｃには、第３フィルタ領域２２ｃを通過した光が入射する。第３フィルタ領域２２ｃが緑色光（Ｇ）を透過するので、第３サブ画素３２ｃは、緑色光を受光して光電変換することで、緑色光の受光強度に応じた画素信号を出力する。
【００５０】
本実施の形態では、フィルタアレイ２０と同様に、４つのサブ画素３２が、１つの単位画素３３を構成している。具体的には、第１フィルタ領域２２ａに対応する第１サブ画素３２ａと、第２フィルタ領域２２ｂに対応する第２サブ画素３２ｂと、第３フィルタ領域２２ｃに対応する第３サブ画素３２ｃと、全透過領域２２ｄに対応する第４サブ画素（図示せず）とで、単位画素３３が構成されている。単位画素３３は、フィルタアレイ２０の単位領域２３に一対一に対応している。なお、全透過領域２２ｄを通過した光が入射する第４サブ画素から生成される画素信号は、ノイズ成分の除去などに利用することができる。
【００５１】
［マイクロレンズアレイ（アレイ状の光学素子）］
マイクロレンズアレイ４０は、複数のフィルタ領域２２の各々を通過した光を、対応するサブ画素３２に入射させるアレイ状の光学素子の一例である。マイクロレンズアレイ４０は、フィルタアレイ２０とイメージセンサ３０との間に配置されている。
【００５２】
本実施の形態では、図１に示すように、マイクロレンズアレイ４０は、第１基材４１と、複数の第１凸レンズ４２とを有する。複数の第１凸レンズ４２は、第１基材４１の主面であって、イメージセンサ３０側の主面４１ａにアレイ状に配置されている。複数の第１凸レンズ４２は、フィルタアレイ２０の複数のフィルタ領域２２と、イメージセンサ３０の複数のサブ画素３２との各々に一対一に対応している。例えば、複数の第１凸レンズ４２の個数は、複数のフィルタ領域２２の個数と同じであり、複数のサブ画素３２の個数と同じである。
【００５３】
複数の第１凸レンズ４２の形状は、例えば、半球又は半楕円球などのドーム形状であるが、これらに限定されない。例えば、フィルタアレイ２０を光入射面側から正面視した場合に、第１凸レンズ４２と、対応するフィルタ領域２２と、対応するサブ画素３２とは、重なるように配置されている。
【００５４】
マイクロレンズアレイ４０は、フィルタアレイ２０のイメージセンサ３０側の主面に積層されている。マイクロレンズアレイ４０は、例えば、接着性のシートなどを介してフィルタアレイ２０に接着されている。
【００５５】
マイクロレンズアレイ４０は、例えば、アクリル又はポリカーボネートなどの透光性の樹脂材料、又は、透光性のガラス材料を用いて一体的に形成されている。複数の第１凸レンズ４２は、空気（空気層）に接触しており、空気との屈折率差によって第１凸レンズ４２から出射する光を、対応するサブ画素３２に集光する。
【００５６】
本実施の形態では、フィルタアレイ２０とイメージセンサ３０との間にマイクロレンズアレイ４０が設けられていることで、フィルタアレイ２０の各フィルタ領域２２を通過した光の、対応するサブ画素３２への集光効率を高めることができる。集光効率の向上の効果を確認するために、発明者らはシミュレーションを行った。シミュレーション結果については、図５を用いて後で説明する。
【００５７】
［筐体］
筐体５０は、光学系１０、フィルタアレイ２０、イメージセンサ３０及びマイクロレンズアレイ４０を支持する。筐体５０は、例えば、遮光性を有する樹脂材料を用いて形成されており、外光（ノイズ成分）がイメージセンサ３０に入射するのを抑制することができる。
【００５８】
筐体５０は、例えば、円筒又は角筒などの有底筒体形状を有する。筐体５０の開口には、光学系１０が設けられ、筐体５０の底部の内側にイメージセンサ３０が配置されている。
【００５９】
筐体５０は、フィルタアレイ２０及びマイクロレンズアレイ４０を支持する支持部５１を有する。支持部５１は、マイクロレンズアレイ４０をイメージセンサ３０から離して支持する。具体的には、マイクロレンズアレイ４０とイメージセンサ３０のオンチップマイクロレンズ３４との間には、隙間、すなわち、空気層が設けられている。支持部５１は、筐体５０に設けられた溝（凹部）又は突起であり、フィルタアレイ２０に設けられた突起又は溝に係止することで、フィルタアレイ２０を支持する。なお、支持部５１は、マイクロレンズアレイ４０に設けられた突起又は溝に係止することで、マイクロレンズアレイ４０を支持してもよい。
【００６０】
フィルタアレイ２０とイメージセンサ３０とは、例えば、０．５ｍｍ空けて配置されている。このため、マイクロレンズアレイ４０とイメージセンサ３０とは、例えば、０ｍｍより大きく０．５ｍｍより小さい距離を空けて配置されている。
【００６１】
［信号処理］
続いて、本実施の形態に係るフィルタアレイ２０を用いた信号処理方法について説明する。信号処理方法は、例えば、撮像装置１が備える信号処理回路（図示せず）が行う。
【００６２】
信号処理回路は、単位画素３３毎に、各サブ画素３２から画素信号を取得する。具体的には、信号処理回路は、第１フィルタ領域２２ａを透過した光（シアン光）の受光信号である第１信号Ｓ１を第１サブ画素３２ａから取得する。信号処理回路は、第２フィルタ領域２２ｂを透過した光（イエロー光）の受光信号である第２信号Ｓ２を第２サブ画素３２ｂから取得する。信号処理回路は、第３フィルタ領域２２ｃを透過した光（緑色光）の受光信号である第３信号Ｓ３を第３サブ画素３２ｃから取得する。第１信号Ｓ１、第２信号Ｓ２及び第３信号Ｓ３はそれぞれ、シアン光（Ｃ）、イエロー光（Ｙ）、及び、緑色光（Ｇ）の強度に応じた電気信号である。
【００６３】
信号処理回路は、第１信号Ｓ１から第３信号Ｓ３を減算することで、第１透過帯域６１の光に相当する信号を生成する。具体的には、第２透過帯域６２及び第３透過帯域６３に相当する緑色成分が打ち消されて、第１透過帯域６１に相当する青色成分のみが残るので、青色光（Ｂ）の強度に応じた色信号を生成することができる。
【００６４】
信号処理回路は、第２信号Ｓ２から第３信号Ｓ３を減算することで、第４透過帯域６４の光に相当する信号を生成する。具体的には、第２透過帯域６２及び第３透過帯域６３に相当する緑色成分が打ち消されて、第４透過帯域６４に相当する赤色成分のみが残るので、赤色光（Ｒ）の強度に応じた色信号を生成することができる。
【００６５】
信号処理回路は、第３信号Ｓ３をそのまま、緑色光（Ｇ）の強度に応じた色信号として利用することができる。
【００６６】
以上のようにして、信号処理回路は、ＲＧＢの各々の色信号を生成することができる。このように、本実施の形態に係るフィルタアレイ２０を利用することで、２つのフィルタ（第１ＢＰＦ２４及び第２ＢＰＦ２５）から３つの波長成分の信号を生成することができる。つまり、少ないフィルタ数で多くの波長成分を取り出すことができる。
【００６７】
［効果など］
以上のように、本実施の形態に係る撮像装置１は、レンズを含む光学系１０と、光学特性が異なる複数のフィルタ領域２２がアレイ状に配列され、光学系１０を通過した光を、フィルタ領域２２毎に波長選択的に透過させるフィルタアレイ２０と、複数のフィルタ領域２２の各々に対応し、アレイ状に配置された複数のサブ画素３２を有するイメージセンサ３０とを備える。撮像装置１は、さらに、フィルタアレイ２０とイメージセンサ３０との間に配置され、複数のフィルタ領域２２の各々を通過した光を、対応するサブ画素３２に入射させるアレイ状の光学素子であるマイクロレンズアレイ４０を備える。フィルタアレイ２０は、多層薄膜干渉フィルタである。
【００６８】
これにより、フィルタアレイ２０は多層薄膜干渉フィルタであるので、顔料系のカラーフィルタに比べて高い波長分離性を実現できる。さらに、フィルタアレイ２０の各フィルタ領域２２を通過した光を、マイクロレンズアレイ４０によって、対応するサブ画素３２に集光するため、集光効率を高めることができる。
【００６９】
ここで、集光効率の向上を確かめるために行ったシミュレーション結果について、図５を用いて説明する。図５は、本実施の形態に係る撮像装置１による集光効率を示す図である。なお、図５では、後述する変形例に係る撮像装置による集光効率も合わせて示している。
【００７０】
図５に示す比較例に係る撮像装置は、本実施の形態に係る撮像装置１からマイクロレンズアレイ４０を除いた構成である。また、集光効率は、フィルタアレイ２０に入射する光の角度に応じて３種類の光についてシミュレーションを行った結果を示している。３種類の光は、具体的には、光学系１０の光軸に沿った光（入射角０°）、入射角が約１０．６°となる光、及び、入射角が約１７．３５°となる光である。
【００７１】
集光効率は、フィルタアレイ２０のフィルタ領域２２に集光した光のうち、イメージセンサ３０の対応するサブ画素３２に入射する光の割合である。つまり、フィルタ領域２２に所定の入射角で入射した光の全てが、対応するサブ画素３２に入射した場合、集光効率は１００％となる。
【００７２】
図５に示すように、比較例では、光軸上を進行した光の集光効率が約６．６％となった。斜め入射の２つの光の集光効率も約５．７％と約１．３％となった。つまり、マイクロレンズアレイ４０を設けていない場合、フィルタアレイ２０の１つのフィルタ領域２２で集光した光の大部分が、対応するサブ画素３２には入射しないことが分かる。
【００７３】
一方で、本実施の形態では、光軸上を進行した光の集光効率は、略１００％であった。斜め入射の２つの光の集光効率も約９５．８％と約８１．３％であった。このように、マイクロレンズアレイ４０を設けることで、劇的に集光効率が向上することが分かる。
【００７４】
以上のことから、本実施の形態によれば、波長分離精度が高く、高精細な撮像装置１を実現することができる。
【００７５】
また、例えば、フィルタアレイ２０は、互いに重複しない第１透過帯域６１と第２透過帯域６２とを有する第１ＢＰＦ２４と、互いに重複しない第３透過帯域６３と第４透過帯域６４とを有する第２ＢＰＦ２５とを備える。第１透過帯域６１と第４透過帯域６４とは、重複せず、第２透過帯域６２と第３透過帯域６３とは、重複している。複数のフィルタ領域２２には、第１ＢＰＦ２４及び第２ＢＰＦ２５のうち第１ＢＰＦ２４のみが設けられた第１フィルタ領域２２ａと、第１ＢＰＦ２４及び第２ＢＰＦ２５のうち第２ＢＰＦ２５のみが設けられた第２フィルタ領域２２ｂと、第１ＢＰＦ２４及び第２ＢＰＦ２５の両方が重ねられた第３フィルタ領域２２ｃとが含まれる。
【００７６】
これにより、第１ＢＰＦ２４及び第２ＢＰＦ２５の各々が、互いに重複しない２つの透過帯域を有するマルチバンドパスフィルタである。マルチバンドパスフィルタは、透過帯域以外の波長帯域の光を十分に減衰させることができる。したがって、第１ＢＰＦ２４及び第２ＢＰＦ２５の少なくとも一方が設けられた各フィルタ領域を通過した光に含まれるノイズ成分を十分に小さくすることができる。すなわち、ＳＮ比を高めることができ、波長分離（色分離）の精度を高めることができる。
【００７７】
また、本実施の形態に係る撮像装置１によれば、２つのマルチバンドパスフィルタによって３つの波長帯域に相当する色信号を生成することができる。つまり、少ない数のフィルタによって、フィルタ数より多い波長帯域の色信号を生成することができる。フィルタ数の削減により、フィルタアレイ２０の軽量化、製造工程の簡略化及び低コスト化などを実現することができる。
【００７８】
例えば、製造工程におけるアライメント（位置合わせ）工程の数を減らすことができる。例えば、ＲＧＢの３つのバンドパスフィルタを備えるフィルタアレイを製造する場合は、少なくとも２回のアライメントが必要になる。これに対して、本実施の形態では、第１ＢＰＦ２４と第２ＢＰＦ２５との位置合わせを１回行うだけでよい。
【００７９】
また、例えば、マイクロレンズアレイ４０は、イメージセンサ３０側の主面４１ａにアレイ状に配置された複数の第１凸レンズ４２を有し、フィルタアレイ２０のイメージセンサ３０側の主面に積層されている。
【００８０】
これにより、図５を用いて説明したように、フィルタ領域２２に集光した光を高い集光効率で対応するサブ画素３２に集光させることができる。このため、波長分離精度が高く、高精細な撮像装置１を実現することができる。
【００８１】
また、例えば、複数のフィルタ領域２２と、複数のサブ画素３２と、複数の第１凸レンズ４２とはそれぞれ、１つずつ対応している。
【００８２】
これにより、フィルタ領域２２と、サブ画素３２と、第１凸レンズ４２とが１つずつ対応しているので、各々の設計及び配置が簡単になる。このため、高精細な撮像装置１を容易に実現することができる。
【００８３】
（変形例）
続いて、実施の形態の変形例１及び２について説明する。
【００８４】
以下で示す変形例では、マイクロレンズアレイの構成が実施の形態とは異なっている。以下の説明では、実施の形態との相違点を中心に説明し、共通点の説明を省略又は簡略化する。
【００８５】
［変形例１］
図６は、本変形例に係る撮像装置１０１の構成を示す断面図である。
【００８６】
図６に示すように、撮像装置１０１は、実施の形態に係る撮像装置１と比較して、マイクロレンズアレイ４０及び筐体５０の代わりに、マイクロレンズアレイ１４０及び筐体１５０を備える点が相違する。
【００８７】
マイクロレンズアレイ１４０は、複数の第２凸レンズ１４２を有する。複数の第２凸レンズ１４２は、フィルタアレイ２０側の主面４１ｂにアレイ状に配置されている。複数の第２凸レンズ１４２は、フィルタアレイ２０の複数のフィルタ領域２２と、イメージセンサ３０の複数のサブ画素３２との各々に一対一に対応している。例えば、複数の第２凸レンズ１４２の個数は、複数のフィルタ領域２２の個数と同じであり、複数のサブ画素３２の個数と同じである。
【００８８】
第２凸レンズ１４２の形状は、例えば、半球又は半楕円球などのドーム形状であるが、これらに限定されない。例えば、フィルタアレイ２０を光入射面側から正面視した場合に、第２凸レンズ１４２と、対応するフィルタ領域２２と、対応するサブ画素３２とは、重なるように配置されている。
【００８９】
本変形例では、マイクロレンズアレイ１４０は、筐体１５０によって支持されている。筐体１５０は、マイクロレンズアレイ１４０をフィルタアレイ２０から離して支持する。具体的には、筐体１５０は、図１に示すように、フィルタアレイ２０を支持する支持部１５１と、マイクロレンズアレイ１４０を支持する支持部１５２とを有する。
【００９０】
支持部１５１は、筐体１５０に設けられた溝（凹部）又は突起であり、フィルタアレイ２０に設けられた突起又は溝に係止することで、フィルタアレイ２０を支持する。支持部１５２は、筐体１５０に設けられた溝（凹部）又は突起であり、マイクロレンズアレイ１４０に設けられた突起又は溝に係止することで、マイクロレンズアレイ１４０を支持する。
【００９１】
なお、マイクロレンズアレイ１４０とフィルタアレイ２０との間の距離は、例えば、０ｍｍより大きく０．５ｍｍより小さい距離である。マイクロレンズアレイ１４０の第２凸レンズ１４２は、フィルタアレイ２０には接触せずに、間に空気層が介在している。マイクロレンズアレイ１４０は、例えば、イメージセンサ３０よりもフィルタアレイ２０に近い位置に配置されている。
【００９２】
以上のように、本変形例に係る撮像装置１０１は、例えば、光学系１０、フィルタアレイ２０、イメージセンサ３０及びマイクロレンズアレイ１４０を支持する筐体１５０を備える。マイクロレンズアレイ１４０は、フィルタアレイ２０側の主面４１ｂにアレイ状に配置された複数の第２凸レンズ１４２を有する。筐体１５０は、マイクロレンズアレイ１４０をフィルタアレイ２０から離して支持する。
【００９３】
図５に示すように、本変形例では、光軸上を進行した光の集光効率は、約９３．７％であった。また、斜め入射の２つの光の集光効率も約９５．６％と約７５．４％となった。このように、本変形例に係る撮像装置１０１においても、実施の形態に係る撮像装置１と同等の集光効率を実現することができる。
【００９４】
また、例えば、複数のフィルタ領域２２と、複数のサブ画素３２と、複数の第２凸レンズ１４２とはそれぞれ、１つずつ対応している。
【００９５】
これにより、フィルタ領域２２と、サブ画素３２と、第２凸レンズ１４２とが１つずつ対応しているので、各々の設計及び配置が簡単になる。このため、高精細な撮像装置１０１を容易に実現することができる。
【００９６】
［変形例２］
図７は、本変形例に係る撮像装置２０１の構成を示す断面図である。
【００９７】
図７に示すように、撮像装置２０１は、変形例１に係る撮像装置１０１と比較して、マイクロレンズアレイ１４０の代わりに、マイクロレンズアレイ２４０を備える点が相違する。
【００９８】
マイクロレンズアレイ２４０は、複数の第１凸レンズ４２と、複数の第２凸レンズ１４２とを有する。すなわち、マイクロレンズアレイ２４０は、フィルタアレイ２０側とイメージセンサ３０側との両側に凸レンズが設けられている。第１凸レンズ４２及び第２凸レンズ１４２はそれぞれ、実施の形態及び変形例１で示したものと同じである。
【００９９】
本変形例では、マイクロレンズアレイ２４０は、筐体１５０によって支持されている。筐体１５０は、マイクロレンズアレイ２４０をフィルタアレイ２０及びイメージセンサ３０の各々から離して支持する。具体的には、筐体１５０は、図１に示すように、フィルタアレイ２０を支持する支持部１５１と、マイクロレンズアレイ２４０を支持する支持部１５２とを有する。支持部１５２は、筐体１５０に設けられた溝（凹部）又は突起であり、マイクロレンズアレイ２４０に設けられた突起又は溝に係止することで、マイクロレンズアレイ２４０を支持する。
【０１００】
なお、マイクロレンズアレイ２４０とフィルタアレイ２０との間の距離、及び、マイクロレンズアレイ２４０とイメージセンサ３０との間の距離はそれぞれ、例えば、０ｍｍより大きく０．５ｍｍより小さい距離である。マイクロレンズアレイ２４０の第１凸レンズ４２は、イメージセンサ３０に接触せずに、間に空気層が介在している。同様に、マイクロレンズアレイ２４０の第２凸レンズ１４２は、イメージセンサ３０に接触せずに、間に空気層が介在している。マイクロレンズアレイ２４０は、例えば、イメージセンサ３０とフィルタアレイ２０との中央に配置されている。
【０１０１】
以上のように、本変形例に係る撮像装置２０１では、例えば、マイクロレンズアレイ２４０は、イメージセンサ３０側の主面４１ａにアレイ状に配置された複数の第１凸レンズ４２と、フィルタアレイ２０側の主面４１ｂにアレイ状に配置された複数の第２凸レンズ１４２とを有する。筐体１５０は、マイクロレンズアレイ２４０を、フィルタアレイ２０及びイメージセンサ３０の各々から離して支持する。
【０１０２】
図５に示すように、本変形例では、光軸上を進行した光の集光効率は、略１００％であった。また、斜め入射の２つの光の集光効率も約９６．６％と約９１．６％となった。このように、本変形例に係る撮像装置２０１では、実施の形態に係る撮像装置１よりも更に優れた集光効率を実現することができる。
【０１０３】
また、例えば、複数のフィルタ領域２２と、複数のサブ画素３２と、複数の第１凸レンズ４２と、複数の第２凸レンズ１４２とはそれぞれ、１つずつ対応している。
【０１０４】
これにより、フィルタ領域２２と、サブ画素３２と、第１凸レンズ４２と、第２凸レンズ１４２とが１つずつ対応しているので、各々の設計及び配置が簡単になる。このため、高精細な撮像装置１を容易に実現することができる。
【０１０５】
（その他）
以上、本発明に係る撮像装置について、上記の実施の形態及びその変形例に基づいて説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。
【０１０６】
例えば、上記の実施の形態では、マイクロレンズアレイ及びフィルタアレイが筐体によって支持されている例について示したが、これに限らない。例えば、マイクロレンズアレイは、イメージセンサとの間を充填する樹脂材料によって支持されていてもよい。このとき、樹脂材料としては、マイクロレンズアレイの凸レンズと屈折率が異なる材料を利用する。これにより、フィルタ領域を通過した光を、マイクロレンズアレイの凸レンズによって、対応するサブ画素に効果的に入射させることができる。
【０１０７】
また、例えば、上記の実施の形態では、２つのマルチバンドパスフィルタを重ねて配置したが、これに限らない。例えば、フィルタ領域毎にマトリクス状にバンドパスフィルタを形成してもよい。例えば、赤色光のみを透過するＢＰＦと、緑色光のみを透過するＢＰＦと、青色光のみを透過するＢＰＦとがベイヤー配列で配置されていてもよい。各フィルタ領域には、１つのみのＢＰＦが設けられ、複数のＢＰＦが重複したフィルタ領域が設けられていなくてもよい。
【０１０８】
また、例えば、上記の実施の形態では、１つの基板２１上に第１ＢＰＦ２４及び第２ＢＰＦ２５を積層したが、これに限らない。２つの基板の一方に第１ＢＰＦ２４を積層し、他方に第２ＢＰＦ２５を積層してもよい。第１ＢＰＦ２４が積層された基板と、第２ＢＰＦ２５が積層された基板とを貼り合わせることで、フィルタアレイを形成することができる。
【０１０９】
また、例えば、上記の実施の形態では、第１ＢＰＦ２４及び第２ＢＰＦ２５が２つの透過帯域を有する例について示したが、３つ以上の透過帯域を有してもよい。
【０１１０】
また、例えば、上記の実施の形態では、各ＢＰＦの透過帯域が理想的な透過特性（立ち上がり及び立ち下がりが急峻な矩形状）を有する例について示したが、これに限らない。例えば、各ＢＰＦの透過帯域は、ガウス関数の形状を有してもよい。
【０１１１】
また、例えば、アレイ状の光学素子は、ドット状に凸レンズが形成されたマイクロレンズアレイに限らない。例えば、各フィルタ領域及び各サブ画素がライン状に形成されている場合、アレイ状の光学素子は、ライン状に凸レンズが形成された素子でもよい。また、例えば、マイクロレンズアレイは、複数の凹レンズが形成されていてもよい。
【０１１２】
また、例えば、アレイ状の光学素子のフィルタ領域の数とイメージセンサの画素数は必ずしも一致しなくてもよい。例えば、イメージセンサの４画素に対してフィルタ領域１つを対応させてもよく、あるいは、イメージセンサの９画素に対してフィルタ領域１つを対応させたりしてもよい。
【０１１３】
その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。
【符号の説明】
【０１１４】
１、１０１、２０１  撮像装置
１０  光学系
２０  フィルタアレイ
２２  フィルタ領域
２２ａ  第１フィルタ領域
２２ｂ  第２フィルタ領域
２２ｃ  第３フィルタ領域
２４  第１ＢＰＦ（第１バンドパスフィルタ）
２５  第２ＢＰＦ（第２バンドパスフィルタ）
３０  イメージセンサ
３２  サブ画素
４０、１４０、２４０  マイクロレンズアレイ（光学素子）
４１ａ  主面（第１主面）
４１ｂ  主面（第２主面）
４２  第１凸レンズ
５０、１５０  筐体
６１  第１透過帯域
６２  第２透過帯域
６３  第３透過帯域
６４  第４透過帯域
１４２  第２凸レンズ
【図１】
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【図２】
2018139394.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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