(57)【要約】【課題】近接する固体撮像素子間での入射光の重複を避けつつ、入射光の利用効率を高めることが可能な固体撮像装置及び電子機器を提供する。【解決手段】撮像素子面上にマトリックス状に配置された複数の画素を備え、前記各画素は、少なくとも１つの固体撮像素子と、前記固体撮像素子の被写体側に設けられた少なくとも１つの導光部と、を有し、前記導光部は、当該導光部の導光方向に沿って前記被写体側から前記固体撮像素子側に向かって、第１の透明体と、正の光学的パワーを持つ第１のレンズ群と、開口部を持つ遮光部と、正の光学的パワーを持つ第２のレンズ群と、を順次含む、固体撮像装置を提供する。【選択図】図１
2019220941.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像素子面上にマトリックス状に配置された複数の画素を備え、
前記各画素は、
少なくとも１つの固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の被写体側に設けられた少なくとも１つの導光部と、
を有し、
前記導光部は、当該導光部の導光方向に沿って前記被写体側から前記固体撮像素子側に向かって、
第１の透明体と、
正の光学的パワーを持つ第１のレンズ群と、
開口部を持つ遮光部と、
正の光学的パワーを持つ第２のレンズ群と、
を順次含む、
固体撮像装置。
【請求項２】
前記導光部は、前記第１のレンズ群と前記第２のレンズ群との間で焦点を結ぶケプラー型光学系であり、
前記遮光部の前記開口部は、前記焦点と重なるように設けられる、
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第１のレンズ群の焦点距離ｆｇ１、前記第２のレンズ群の焦点距離ｆｇ２、及び、前記第１のレンズ群と前記第２のレンズ群との間の距離Ｌが、下記の条件式（ａ）を満足する、請求項２に記載の固体撮像装置。
【数１】
2019220941.tif 000009
【請求項４】
前記撮像素子面の中心に位置する前記画素に入射する上光線と下光線とがなす角度θの範囲は、下記の条件式（ｂ）を満足する、請求項３に記載の固体撮像装置。
【数２】
2019220941.tif 000010
上記条件式（ｂ）においては、集光方向を負の値とし、発散方向を正の値とする。
【請求項５】
前記第２のレンズ群の焦点距離ｆｇ２が、下記の条件式（ｃ）を満足する、請求項３に記載の固体撮像装置。
【数３】
2019220941.tif 000011
【請求項６】
前記第１のレンズ群は、前記固体撮像素子側に向かって凸形状を持つ第１のマイクロレンズを含む、
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記第１のマイクロレンズの前記固体撮像素子側の面は、前記画素ごとに、前記撮像素子面に対して異なる角度を持つ、請求項６に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記第１のレンズ群は、前記導光部の前記導光方向に沿って前記被写体側から前記固体撮像素子側に向かって、
前記第１のマイクロレンズと、
前記被写体側に向かって凸形状を持つ第２のマイクロレンズと、
を順次含む、
請求項６に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記第１のレンズ群は、
前記第１のマイクロレンズと前記第２のマイクロレンズとの間に設けられた第４の透明体をさらに含む、
請求項８に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記第１の透明体の前記被写体側の面は、前記画素ごとに、前記撮像素子面に対して異なる角度を持つ、請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
複数の前記第１の透明体は、一体のレンズである、請求項１０に記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記レンズは前記被写体側の面が凹型形状を持つ、請求項１１に記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
前記第１の透明体は、負の光学的パワーを持つレンズである、請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項１４】
前記レンズは、両面が凹面である両凹レンズである、請求項１３に記載の固体撮像装置。
【請求項１５】
前記レンズと第１のレンズ群との間には、空気で満たされた空間が存在する、請求項１４に記載の固体撮像装置。
【請求項１６】
前記第２のレンズ群は、前記被写体側に向かって凸形状を持つ第３のマイクロレンズを含む、
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項１７】
前記第２のレンズ群は、前記導光部の前記導光方向に沿って前記被写体側から前記固体撮像素子側に向かって、
前記固体撮像素子側に向かって凸形状を持つ第４のマイクロレンズと、
前記第３のマイクロレンズと、
を順次含む、
請求項１６に記載の固体撮像装置。
【請求項１８】
前記第２のレンズ群は、
前記第４のマイクロレンズと前記第３のマイクロレンズとを間に設けられた第５の透明体をさらに含む、
請求項１７に記載の固体撮像装置。
【請求項１９】
撮像素子面上にマトリックス状に配置された複数の画素を有する固体撮像装置を備える電子機器であって、
前記各画素は、
少なくとも１つの固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の被写体側に設けられた少なくとも１つの導光部と、
を有し、
前記導光部は、当該導光部の導光方向に沿って前記被写体側から前記固体撮像素子側に向かって、
第１の透明体と、
正の光学的パワーを持つ第１のレンズ群と、
開口部を持つ遮光部と、
正の光学的パワーを持つ第２のレンズ群と、
を順次含む、
電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、固体撮像装置及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
撮像レンズ（対物レンズ）の代わりに、固体撮像素子の単位画素と同レベルの平面サイズを持つ、全長が３ｍｍ以下のマイクロレンズを用いる固体撮像装置としては、例えば、下記特許文献１及び２に開示された装置を挙げることができる。ところで、上述のような固体撮像装置においては、１つの撮像素子平面に複数の固体撮像素子がマトリックス状に近接して配置されている。当該固体撮像装置は、上述の複数の固体撮像素子のそれぞれが取得した撮像情報を１つに合成することにより被写体の像を得ることができる。従って、当該固体撮像装置においては、各固体撮像素子が互いに重複することなく、所定の範囲からの入射光を検出し、検出した入射光に係る撮像情報を得ることが求められることから、各固体撮像素子を含む各画素は、互いに重複しない狭い画角を持つことが好ましい。
【０００３】
そこで、上述のような重複を避けるため、下記特許文献１においては、マイクロレンズと固体撮像素子との間に２つのピンホールを設けており、また、下記特許文献２においては、１つのピンホールを設けている。下記特許文献１及び２においては、上記ピンホールにより各固体撮像素子が検出することができる入射光の範囲を制限することにより、各画素の画角が互いに重複することを避けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５４８８９２８号公報
【特許文献２】特表２００７−５２０７４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１及び２に開示の固体撮像装置においては、ピンホールによって、各固体撮像素子が検出することができる入射光の範囲を制限していることから、入射光の利用効率が低いといえる。
【０００６】
そこで、本開示では、近接する画素の画角の重複を避けつつ、入射光の利用効率を高めることが可能な、新規且つ改良された固体撮像装置及び電子機器を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示によれば、撮像素子面上にマトリックス状に配置された複数の画素を備え、前記各画素は、少なくとも１つの固体撮像素子と、前記固体撮像素子の被写体側に設けられた少なくとも１つの導光部とを有し、前記導光部は、当該導光部の導光方向に沿って前記被写体側から前記固体撮像素子側に向かって、第１の透明体と、正の光学的パワーを持つ第１のレンズ群と、開口部を持つ遮光部と、正の光学的パワーを持つ第２のレンズ群と、を順次含む、固体撮像装置が提供される。
【０００８】
さらに、本開示によれば、撮像素子面上にマトリックス状に配置された複数の画素を有する固体撮像装置を備える電子機器であって、前記各画素は、少なくとも１つの固体撮像素子と、前記固体撮像素子の被写体側に設けられた少なくとも１つの導光部とを有し、前記導光部は、当該導光部の導光方向に沿って前記被写体側から前記固体撮像素子側に向かって、第１の透明体と、正の光学的パワーを持つ第１のレンズ群と、開口部を持つ遮光部と、正の光学的パワーを持つ第２のレンズ群とを順次含む、電子機器が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したように本開示によれば、近接する画素の画角の重複を避けつつ、入射光の利用効率を高めることができる。
【００１０】
なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、または本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本開示の第１の実施形態に係る画素１０の模式図である。
【図２】図１に示される導光部２００における入射光の進行を図示した模式図である。
【図３】本開示の第１の実施形態に係る固体撮像装置１の断面の模式図である。
【図４】本開示の第１の実施形態に係る固体撮像装置１の平面の模式図である。
【図５】本開示の第２の実施形態に係る固体撮像装置１ａの断面の模式図である。
【図６】本開示の第３の実施形態に係る固体撮像装置１ｂの断面の模式図である。
【図７Ａ】本開示の第４の実施形態に係る固体撮像装置１ｃの断面の模式図である。
【図７Ｂ】図７Ａの領域ａの拡大図である。
【図７Ｃ】図７Ｂの領域ｂの拡大図である。
【図８】本開示の第５の実施形態に係る指紋認証装置７００の模式図である。
【図９】本開示の第５の実施形態に係る顔認証装置７１０の模式図である。
【図１０】本開示の第５の実施形態に係る固体撮像装置１の使用方法を説明するための説明図である。
【図１１】比較例に係る画素２０の模式図である。
【図１２Ａ】本開示の第６及び図７の実施形態に係る固体撮像装置１ｄの断面の模式図である。
【図１２Ｂ】図１２Ａの領域ｃの拡大図である。
【図１３】本開示の第８の実施形態に係る画素１０ｃの模式図である。
【図１４】本開示の第８の実施形態に係る指紋認証装置７００ａの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１３】
また、本明細書及び図面において、実質的に同一又は類似の機能構成を有する複数の構成要素を、同一の符号の後に異なる数字を付して区別する場合がある。ただし、実質的に同一又は類似の機能構成を有する複数の構成要素の各々を特に区別する必要がない場合、同一符号のみを付する。また、異なる実施形態の類似する構成要素については、同一の符号の後に異なるアルファベットを付して区別する場合がある。ただし、類似する構成要素の各々を特に区別する必要がない場合、同一符号のみを付する。
【００１４】
また、以下の説明で参照される図面は、本開示の一実施形態の説明とその理解を促すための図面であり、わかりやすくするために、図中に示される形状や寸法、比などは実際と異なる場合がある。さらに、図中に示される各要素は、以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。
【００１５】
なお、以下の説明において、レンズについて用いられる「正のパワー」及び「負のパワー」とは、レンズによって光線を曲げる強さのことを意味し、例えば、レンズの屈折率や曲率を調整することにより、上記パワーは変化する。また、以下の説明において、レンズのパワーのうち「正のパワー」とは、光を集光する方向（レンズの内側）に曲げる強さを意味し、一方、「負のパワー」とは、光を発散する方向（レンズの外側）に曲げる強さを意味する。
【００１６】
また、以下の説明において、主光線とは、光学系（後述する画素１０）の中心を通過する入射光を意味する。さらに、上光線とは、上記光学系の中心軸よりも上側に位置する縁を通過し、固体撮像素子で結像する入射光を意味し、下光線とは、上記光学系の中心軸よりも下側に位置する縁を通過し、固体撮像素子で結像する入射光を意味する。
【００１７】
また、以下の説明において、「画角」とは、各画素１０が検出する画像の範囲（角度）のことを意味する。
【００１８】
なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．本発明者が本開示に係る実施形態を創作するに至った背景
２．第１の実施形態
３．第２の実施形態
４．第３の実施形態
５．第４の実施形態
６．第５の実施形態
７．第６の実施形態
８．第７の実施形態
９．第８の実施形態
１０．まとめ
１１．補足
【００１９】
＜＜１．  本発明者が本開示に係る実施形態を創作するに至った背景＞＞
次に、本開示に係る各実施形態の詳細を説明する前に、本発明者が本開示に係る実施形態を創作するに至った背景について、図１１を参照して説明する。なお、図１１は、比較例に係る画素２０の模式図である。ここで、比較例とは、本発明者が本開示の実施形態をなす前に、検討を重ねていた固体撮像装置の構成のことを意味し、詳細には、ケプラー型光学系でない構成のことを意味する。
【００２０】
先に説明したように、撮像レンズ（対物レンズ）の代わりに、固体撮像素子の単位画素と同レベルの平面サイズを持つマイクロレンズを用いる固体撮像装置としては、例えば、上記特許文献１及び２に開示された装置を挙げることができる。ところで、上述のような固体撮像装置においては、１つの撮像素子平面に複数の固体撮像素子がマトリックス状に近接して配置されている。当該固体撮像装置は、上述の複数の固体撮像素子のそれぞれが取得した撮像情報を１つに合成することにより被写体の像を得ることができる。従って、当該固体撮像装置においては、各固体撮像素子が互いに重複することなく、被写体側からの狭い所定の範囲からの入射光を検出し、検出した入射光に係る撮像情報を得ることが求められることから、各固体撮像素子を含む各画素は、互いに重複しない狭い画角を持つように構成される。
【００２１】
詳細には、比較例に係る固体撮像装置は、図１１の示すような、互いに近接する複数の画素２０を有するものとする。各画素２０は、固体撮像素子３００ａ、３００ｂと、被写体側からの光を各固体撮像素子３００ａ、３００ｂに導く導光部２０２とを有するものとする。なお、図１１においては、左側が被写体側となる。
【００２２】
図１１においては、固体撮像素子３００ａは、実線で示される入射光６００ａ（主光線と、主光線を挟む上光線及び下光線との３つの線で示されている）だけでなく、２点破線で示される入射光６００ｂ（主光線と、主光線を挟む上光線及び下光線との３つの線で示されている）も検出している。なお、入射光６００ｂは、入射光６００ａの主光線に対して５度程度傾いた主光線を持つものと仮定している。
【００２３】
このような場合、具体的には、入射光６００ａは、固体撮像素子３００ａの導光部２０２からはみ出すことなく、固体撮像素子３００ａへ到達する。一方、入射光６００ｂについては、その下光線が近接する固体撮像素子３００ｂの導光部２０２を通過し、固体撮像素子３００ａへ到達する。この入射光６００ｂの下光線は、本来、近接する固体撮像素子３００ｂで検出すべき入射光である。このように本来近接した固体撮像素子３００ｂが検出すべき入射光を、固体撮像素子３００ａが検出してしまった場合、固体撮像素子３００ａ、３００ｂが検出した入射光の撮像情報は、その一部が重複する。その結果、このような場合、固体撮像素子３００ａ、３００ｂのそれぞれが取得した撮像情報を１つに合成しても、被写体の実像とは異なる誤った像を得てしまうこととなる。従って、このようなことを避けるために、固体撮像素子３００ａに入射する入射光６００ｂの下光線を遮光し、各固体撮像素子３００ａ、３００ｂに係る画素２０が重複することのない所定の画角を持つように調整することが求められる。
【００２４】
そこで、上記特許文献１及び２に開示された固体撮像装置においては、ピンホールを用いることで多方向から各固体撮像素子に入射する入射光を制限し、各画素が重複することのない所定の画角を持つように調整している。しかしながら、上記特許文献１及び２に開示の固体撮像装置においては、ピンホールによって、各固体撮像素子が検出することができる入射光の範囲を制限していることから、入射光の利用効率が低い。
【００２５】
そこで、このような状況を鑑みて、本発明者は、近接する画素の画角の重複を避けつつ、入射光の利用効率を高めることができないかと鋭意検討を行った。そして、このような検討の中で、本発明者は、固体撮像素子へと光を導く導光部において、固体撮像素子で結像する前に、一度結像するケプラー型光学系を利用することを独自に着想した。
【００２６】
詳細には、ケプラー型光学系ではない比較例においては、本発明者の検討によれば、図１１に示すように、入射光６００ａと入射光６００ｂとは、固体撮像素子３００ａの撮像素子面５０２において結像する。固体撮像素子３００ａに入射する入射光６００ｂの下光線を、ピンホール等を用いて遮光しようとする場合には、入射光６００ａと入射光６００ｂとの重なりが少ない上記結像の箇所で遮光を行うことが好ましい。しかしながら、図１１からわかるように、入射光６００ａ及び入射光６００ｂの結ぶ結像の位置は非常に近接していることから、撮像素子面５０２の近傍においても入射光６００ａと入射光６００ｂとが互いに重なっている。従って、撮像素子面５０２において入射光６００ｂの下光線を遮光しようとする場合には、本来固体撮像素子３００ａで検出すべき入射光６００ａの少なくとも一部を遮光してしまう恐れがある。
【００２７】
一方、本発明者の検討によれば、ケプラー型光学系を利用して固体撮像素子３００で結像する前に、手前で一度結像させるようにした場合には、詳細は後述するが（図２  矢印参照）、手前での入射光６００ａ、６００ｂの結像の位置は、上述の比較例よりも離すことが可能であることが分かった。このような独自の知見を踏まえて、本発明者は、手前で結像する箇所に遮光部２４０（図１  参照）を設けることにより、本来固体撮像素子３００ａで検出すべき入射光６００ａを遮光することなく、入射光６００ｂの下光線を遮光できることを独自に着想した。
【００２８】
すなわち、本発明者は、上述の独自の着想に基づき、ケプラー型光学系を利用することにより、近接する画素２０の画角の重複を避けつつ、本来固体撮像素子３００ａで検出すべき入射光６００ａを遮光することないことから、入射光６００ａの利用効率を高めることができる固体撮像装置を想到したのである。言い換えると、本発明者は、撮像レンズ（対物レンズ）を用いず、固体撮像素子の単位画素と同レベルの平面サイズを持つ、全長が３ｍｍ以下のマイクロレンズを用いる固体撮像装置であって、近接する画素の画角の重複を避けつつ、入射光の利用効率を高めることができる固体撮像装置に係る実施形態を創作するに至った。以下に、本開示に係る実施形態の詳細について順次説明する。
【００２９】
＜＜２．  第１の実施形態＞＞
まずは、本開示の第１の実施形態に係る固体撮像装置１を図１から図４を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る画素１０の模式図であり、図２は、図１に示される導光部２００における入射光の進行を図示した模式図である。また、図３は、本実施形態に係る固体撮像装置１の断面の模式図であり、図４は、本実施形態に係る固体撮像装置１の平面の模式図である。なお、図１から図３においては、図中左側が被写体側となる。
【００３０】
詳細には、固体撮像装置１は、被写体側からの可視光を検出して、被写体を撮像する装置である。当該固体撮像装置１の撮像素子面（像面）には、二次元格子状（マトリックス状）に複数の単位セルが配置されている。当該単位セルは、固体撮像装置１を構成する単位であり、以下の説明においては、画素１０と呼び、撮像画像データにおける画素データをそれぞれ生成する。また、各画素１０は、図１に示すように、少なくとも１つの固体撮像素子３００と、固体撮像素子３００の被写体側に設けられた少なくとも１つの導光部２００とを有する。
【００３１】
固体撮像素子３００は、例えば、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサ又はＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ‐Ｏｘｉｄｅ‐Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサであり、受光した光を光電変換してアナログの電気信号を生成するものである。生成した電気信号は、処理回路等を用いて、撮像画像データにおけるデジタルの画素データに変換される。
【００３２】
また、固体撮像素子３００の被写体側に設けられた導光部２００は、光を固体撮像素子３００へ導くことができる。なお、以下の説明においては、導光部２００の導光方向とは、図１中の左から右へ向かう方向、すなわち、導光部２００が入射光を固体撮像素子３００へ導く方向であるものとする。また、以下の説明において「長さ」とは、特段のことわりが無い限りには、導光方向に沿った長さであるものとする。
【００３３】
詳細には、導光部２００は、図１に示すように、被写体側から固体撮像素子３００側に向かって、透明体（第１の透明体）２１０と、正の光学的パワーを持つレンズ群（第１のレンズ群）２２０と、遮光部２４０と、正の光学的パワーを持つレンズ群（第２のレンズ群）２５０とを含む。本実施形態においては、導光部２００は、レンズ群２２０とレンズ群２５０との間で、一度焦点を結ぶケプラー型光学系をなす（図２  参照）。従って、レンズ群２２０とレンズ群２５０との間の距離Ｌは、レンズ群２２０の焦点距離ｆｇ１及びレンズ群２５０の焦点距離ｆｇ２の和よりも大きいことが求められる。
【００３４】
さらに、被写体側の透明体２１０が負のパワーを持つことも想定される。そのような場合、レンズ群２２０による像は、焦点距離ｆｇ１よりも短い距離の位置に結ばれることとなる。加えて、レンズ群２５０の焦点距離ｆｇ２は、画素１０の平面サイズによる制限を受けるが、レンズ群２２０の焦点距離ｆｇ１は、このような制限を受けることがないことから、長いことも想定される。そこで、本実施形態においては、上述のことを踏まえた上で、レンズ群２２０とレンズ群２５０との間で一度焦点を結ぶケプラー型光学系をなすように、レンズ群２２０の焦点距離ｆｇ１、レンズ群２５０の焦点距離ｆｇ２、及び、レンズ群２２０とレンズ群２５０との距離Ｌが、下記の条件式（ａ）を満足することが好ましい。
【００３５】
【数１】
2019220941.tif 000003
【００３６】
そして、本実施形態においては、図１に示すように、レンズ群２２０とレンズ群２５０との間に位置する焦点と重なる開口部２４０ａを有する、光を遮光する遮光部２４０が設けられている。
【００３７】
また、本実施形態に係る固体撮像装置１においては、撮像素子面（像面）の中心に位置する画素１０に入射する入射光の角度の範囲が以下の条件式（ｂ）を満たすように導光部２００を構成することが好ましい。詳細には、本実施形態に係る固体撮像装置１においては、撮像素子面の中心に位置する画素１０に入射する上光線と下光線とがなす角度θの範囲は、下記の条件式（ｂ）を満足することが好ましい。なお、条件式（ｂ）においては、集光方向を負の値とし、発散方向を正の値としている。
【００３８】
【数２】
2019220941.tif 000004
【００３９】
より具体的には、先に説明したように、固体撮像装置１においては、各画素１０は、近接する画素１０と重複することのない所定の画角を持つように調整することが求められる。そして、上述のような重複を避けるためには、上光線と下光線とがなす角度θは、例えば、１０°以下であることが好ましい。
【００４０】
また、被写体を固体撮像装置１に近接させて使用する場合も想定される。非常に被写体を近接させた場合、上光線と下光線とがなす角度θは、集光方向、すなわち負の値となる。さらに、被写体を固体撮像装置１に近接させて使用する場合、導光部２００を保護するために、カバーガラス４００（図３  参照）や保護膜を設けることが想定される。従って、被写体から導光部２００までの距離よりも、導光部２００の長さが短くなる可能性がある。加えて、パワーが強いマイクロレンズを製造することは難しい。そこで、本実施形態においては、上述のことを踏まえた上で、カバーガラス４００等を形成するガラスの光学特性を考慮すると、上光線と下光線とがなす角度θは、例えば、−１０°以上であることが好ましい。
【００４１】
さらに、本実施形態においては、撮像素子面の中心に位置する画素１０に入射する上光線と下光線とがなす角度θの範囲は、−２°≦θ≦２°であることがより好ましい。
【００４２】
さらに、本実施形態においては、レンズ群２５０の焦点距離ｆｇ２が、下記の条件式（ｃ）を満足することが好ましい。
【００４３】
【数３】
2019220941.tif 000005
【００４４】
具体的には、本実施形態に係る固体撮像装置１においては、複数の画素１０は、数ｍｍ以下、０．６μｍ程度以上のサイズであると想定される。従って、このような画素１０のサイズによる制限を受けることから、レンズ群２５０の焦点距離ｆｇ２は、０．０００５ｍｍよりも大きくなることと想定される。また、本実施形態に係る固体撮像装置１においては、導光部２００の長さは、当該導光部２００が画素１０に含まれることを考慮すると、３ｍｍ以下となると想定される。従って、本実施形態においては、レンズ群２５０の焦点距離ｆｇ２は、３ｍｍ未満であることが求められる。
【００４５】
さらに、本実施形態においては、レンズ群２５０の焦点距離ｆｇ２は、１ｍｍ＞ｆｇ２＞０．０００３ｍｍであることがより好ましい。
【００４６】
次に、このような本実施形態に係る導光部２００の作用、すなわち、導光部２００における光の進み方を、図２を参照して説明する。なお、図２においては、わかりやすくするために遮光部２４０の図示を省略している。
【００４７】
図２には、２つの入射光６００ａ、６００ｂが図示されている。詳細には、入射光６００ａとして、固体撮像素子３００の撮像素子面に垂直な主光線とともに、当該主光線を中心とした上光線と下光線とが図示されている。また、入射光６００ｂとして、入射光６００ａの主光線に対して５度程度傾いた主光線とともに、当該主光線を中心とした上光線と下光線とが図示されている。なお、入射光６００ｂの下光線は、導光部２００からはみ出ていることから、隣接する固体撮像素子３００で検出されるべきであり、言い換えると、遮光すべき入射光であるものとする。
【００４８】
図２に示すように、本実施形態においては、レンズ群２２０とレンズ群２５０との間で一度焦点を結ぶケプラー型光学系であることから、入射光６００ａと入射光６００ｂとは結像位置５００において、結像する。本発明者の検討によれば、結像位置５００において、入射光６００ａの結像と入射光６００ｂの結像とは、２．３μｍ程度離すことができる。一方、図２に示すように、再度結像する撮像素子面５０２では、入射光６００ａの結像と入射光６００ｂの結像とは、０．６μｍ程度しか離れていない。
【００４９】
詳細には、撮像素子面５０２においては、入射光６００ａの結像と入射光６００ｂの結像とは非常に近接しており、入射光６００ａと入射光６００ｂとが互いに重なっている。従って、撮像素子面５０２において入射光６００ｂを遮光しようとした場合、本来固体撮像素子３００で検出すべき入射光６００ａの少なくとも一部を遮光してしまう恐れがあり、このような場合、入射光６００ａの利用効率を低下させることとなる。また、被写体側（画素１０の左側）で入射光６００ｂを遮光することも考えられるが、被写体側においても、入射光６００ａと入射光６００ｂとが互いに重なっていることから、入射光６００ａの少なくとも一部を遮光してしまう恐れがある。
【００５０】
一方、本実施形態においては、結像位置５００においては、入射光６００ａの結像と入射光６００ｂの結像とは十分に離れている。従って、結像位置５００に、遮光部２４０を設けることにより、本来固体撮像素子３００で検出すべき入射光６００ａを遮光することなく、入射光６００ｂを遮光することができる。すなわち、本実施形態によれば、撮像レンズを用いず、固体撮像素子の単位画素と同レベルの平面サイズを持つマイクロレンズを用いる固体撮像装置１において、近接する画素１０の画角の重複を避けつつ、入射光６００ａの利用効率を高めることができる。
【００５１】
より具体的には、図１に示すように、導光部２００は、透明体２１０を有する。当該透明体２１０は、例えば、ｄ線屈折率１．５５の長さ５０μｍの透明体である。
【００５２】
レンズ群２２０は、図１に示すように、固体撮像素子３００側に向かって凸形状を持つマイクロレンズ（第１のマイクロレンズ）２２２と、被写体側に向かって凸形状を持つマイクロレンズ（第２のマイクロレンズ）２２６と、マイクロレンズ２２２とマイクロレンズ２２６とを間に設けられた透明体（第４の透明体）２２４とを含む。より具体的には、マイクロレンズ２２２は、例えば、ｄ線屈折率１．９の５μｍ厚のレンズ材であり、レンズの曲率が−１５μｍである。マイクロレンズ２２６は、例えば、ｄ線屈折率１．９の１μｍ厚のレンズ材であり、レンズの曲率が１５μｍである。また、透明体２２４は、例えば、ｄ線屈折率１．４８の３μｍ厚の透明体である。なお、マイクロレンズ２２２、２２６は、回折素子等で実現してもよい。
【００５３】
また、導光部２００は、レンズ群２２０とレンズ群２５０との間に、透明体（第２の透明体）２３０を含む。具体的には、透明体２３０は、例えば、ｄ線屈折率１．５５の長さ７０μｍの透明体である。また、透明体２３０には、上述の遮光部２４０が設けられている。当該遮光部２４０は、先に説明したように中央に開口部２４０ａを持つ開口遮光体である。
【００５４】
さらに、レンズ群２５０は、図１に示すように、固体撮像素子３００側に向かって凸形状を持つマイクロレンズ（第４のマイクロレンズ）２５２と、被写体側に向かって凸形状を持つマイクロレンズ（第３のマイクロレンズ）２５６と、マイクロレンズ２５２とマイクロレンズ２５６とを間に設けられた透明体（第５の透明体）２５４とを含む。より具体的には、マイクロレンズ２５２は、例えば、ｄ線屈折率１．９の１μｍ厚のレンズ材であり、レンズの曲率が−７μｍである。マイクロレンズ２５６は、例えば、ｄ線屈折率１．９の１μｍ厚のレンズ材であり、レンズの曲率が７μｍである。また、透明体２５４は、例えば、ｄ線屈折率１．４８の２μｍ厚の透明体である。なお、マイクロレンズ２５２、２５６は、回折素子等で実現してもよい。
【００５５】
さらに、導光部２００は、レンズ群２５０と固体撮像素子３００との間に、透明体（第３の透明体）２６０をさらに有する。具体的には、透明体２６０は、例えば、ｄ線屈折率１．５５の長さ１７μｍの透明体である。
【００５６】
なお、上述したレンズ材及び透明体は、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ガラス等により形成することができる。
【００５７】
すなわち、本実施形態においては、導光部２００は、被写体側の透明体２１０から固体撮像素子３００に至るまで、空気以外の透明な媒質で埋められていることが好ましい。
【００５８】
このような画素１０を複数並べて構成した固体撮像装置１の詳細を図３及び図４を参照して説明する。図３に示すように、複数の画素１０が並べられ、複数の画素１０の被写体側の上には、カバーガラス４００が設けられている。言い換えると、カバーガラス４００は、複数の画素１０に共通して、透明体２１０の被写体側の面上に設けられる。また、当該カバーガラス４００は、例えば、ｄ線屈折率１．５５で４５μｍ厚のガラス材からなる。
【００５９】
また、図３においては、上述した透明体２１０は、２つの透明体２１０ｂ、２１０ｃからなる。詳細には、透明体２１０ｂは、例えば、ｄ線屈折率１．５５で５μｍ厚の透明体であり、透明体２１０ｃは、ｄ線屈折率１．９で５μｍの主光線を屈折させる役割を持つ透明体である。なお、導光部２００の他の要素については、上述した図１の導光部２００と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００６０】
図３においては、例えば縦方向に１３個の画素１０が並べられ、各画素１０においては、画角の中心を通過する光軸が、撮像素子面５０２の中心に位置する画素１０の画角の中心を通過する光軸（当該光軸は、撮像素子面に垂直）に対して、図中上から順に、−３１．３°、−２５．１°、−１９．８°、−１４．８°、−９．９°、−４．６°、０°、４．９°、９．９°、１４．８°、１９．８°、２５．１°、３１．３°傾くようになっている。本実施形態においては、上述のように傾けることで、複数の画素１０の全体で所望の画角を有する固体撮像装置１を構成することができる。なお、例えば、複数の固体撮像素子３００が並べられた撮像素子面５０２の１辺の長さは、約１５２.２μｍとなる。
【００６１】
そこで、本実施形態においては、図３に示すように、主光線を屈折させる役割の透明体２１０ｃの表面が、図中上から順に、−４１°、−４１°、−４１°、−３４．５°、−２５．５°、−１２．７５°、０°、１２．７５°、２５.５°、３４．５°、４１、４１°、４１°傾けられるように、各透明体２１０ｃが設けられることが好ましい。さらに、本実施形態においては、図３中一番上の画素１０のレンズ群２２０のマイクロレンズ２２２により、４．８μｍ上方に入射光を偏心させ、図３中上から２番目の画素１０のレンズ群２２０のマイクロレンズ２２２により２．４μｍ上方に入射光を偏心させる。図３中下から２番目の画素１０のレンズ群２２０のマイクロレンズ２２２により２．４μｍ下方に入射光を偏心させ、図３中一番下の画素１０のレンズ群２２０のマイクロレンズ２２２により４．８μｍ下方に入射光を偏心させる。その結果、本実施形態によれば、複数の画素１０の全体で、所望の画角を有する固体撮像装置１を構成することができる。すなわち、本実施形態に係る固体撮像装置１は、撮像レンズ（対物レンズ）を有していなくても、所定の画角を有する撮像装置（カメラ）として機能することができる。
【００６２】
すなわち、本実施形態においては、各透明体２１０ｃは、当該透明体２１０ｃの被写体側の面が、画素１０ごとに、撮像素子面５０２に対して異なる角度を持つように設けられる。また、本実施形態においては、本実施形態においては、各マイクロレンズ２２２は、当該マイクロレンズ２２２の固体撮像素子３００側の面が、画素１０ごとに、撮像素子面５０２に対して異なる角度を持つように設けられる。具体的には、本実施形態においては、画素１０の位置毎に、透明体２１０ｃの被写体側の面及びマイクロレンズ２２２の固体撮像素子３００側の面を順次傾けて入射光を屈折させる。そして、入射光が異なる傾きの面で屈折することにより、画素１０毎に主光線の角度が互いに異なるようになり、複数の画素１０の全体で所望の画角を有する固体撮像装置１を構成することができる。なお、本実施形態においては、１つの画素１０毎にではなく、所定の数の画素１０毎に、当該透明体２１０ｃ及びマイクロレンズ２２２の面が、撮像素子面５０２に対して異なる角度を持つように設けられてもよい。また、本実施形態においては、面の角度によって入射光を屈折させるのではなく、例えば、透明体２１０ｂ、２１０ｃの屈折率の違いを利用して、屈折させてもよい。
【００６３】
本実施形態においては、先に説明したように、入射光は、レンズ群２２０とレンズ群２５０との間で一度結像し、再度、固体撮像素子３００の撮像素子面５０２で結像する。また、１つの画素１０は、当該画素１０の有する固体撮像素子３００の撮像素子面５０２に垂直な光軸を、少なくとも、レンズ群２５０の固体撮像素子３００側の面から固体撮像素子３００までの間において有している。
【００６４】
次に、図４を参照して、本実施形態に係る固体撮像装置１の平面構成を説明する。図４においては、小さな矩形が個々の画素１０を示し、矢印５０４が、画角の中心を通過する光軸の方向を示している。図４においては、縦方向及び横方向に沿って１３個ずつの画素１０が並ぶ固体撮像装置１が示されているが、本実施形態においては、画素１０の数や配置については、図４に示される形態に限定されるものではなく、適宜選択することができる。
【００６５】
なお、上述の説明においては、画素１０は、１つの固体撮像素子３００と１つの導光部２００とを有するものして説明したが、本実施形態においては、これに限定されるものではなく、画素１０は、複数の固体撮像素子３００と導光部２００とを有していてもよい。この場合、１つの画素１０内の複数の固体撮像素子３００は、共通する主光線を持つこととなる。
【００６６】
以上のように、本実施形態によれば、撮像レンズ（対物レンズ）の代わりに、固体撮像素子の単位画素と同レベルの平面サイズを持つマイクロレンズを用いる固体撮像装置１において、近接する画素１０の画角の重複を避けつつ、入射光の利用効率をより高めることができる。
【００６７】
また、本実施形態によれば、撮像レンズ（対物レンズ）を用いないことから、一般的な撮像レンズを使用することが難しい、赤外光を検出する固体撮像装置を安価に製造することが可能となる。さらに、本実施形態によれば、撮像レンズを用いないことから、色収差がない固体撮像装置１を提供することができる。例えば、本実施形態を赤外光と可視光とを同時に検出する固体撮像装置１に適用した場合、赤外光と可視光とにフォーカス差が生じることを抑えることができる。
【００６８】
また、上述した本実施形態に係る固体撮像装置１は、撮像レンズを有していないことから、半導体製造工程によって製造することが可能である。その結果、本実施形態によれば、製造コストの増加を抑えることができる。
【００６９】
＜＜３．  第２の実施形態＞＞
次に、本開示の第２の実施形態に係る固体撮像装置１ａを、図５を参照して説明する。図５は、本実施形態に係る固体撮像装置１ａの断面の模式図である。
【００７０】
上述した第１の実施形態においては、レンズ群２２０、２５０とともに、それぞれ２つのマイクロレンズ２２２、２２６、２５２、２５６が含まれていた。一方、本実施形態においては、図５に示すように、第１の実施形態に係るレンズ群２２０、２５０の代わりに、それぞれ１つのマイクロレンズ２２２ａ、２５６ａが含まれている。詳細には、マイクロレンズ２２２ａは、第１の実施形態に係るレンズ群２２０のマイクロレンズ２２２に相当し、マイクロレンズ２５６ａは、第１の実施形態に係るレンズ群２５０のマイクロレンズ２５６に相当する。第２の実施形態においては、上述以外の点では、第１の実施形態と共通し、導光部２００ａは、第１の実施形態と同様に、マイクロレンズ２２２ａとマイクロレンズ２５６ａとの間で焦点を結ぶケプラー型光学系となる。なお、本実施形態における導光部２００ａの作用は、第１の実施形態と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。なお、マイクロレンズ２２２ａ、２５６ａは、第１の実施形態と同様に、回折素子等で実現してもよい。
【００７１】
＜＜４．  第３の実施形態＞＞
次に、本開示の第３の実施形態に係る固体撮像装置１ｂを、図６を参照して説明する。図６は、本実施形態に係る固体撮像装置１ｂの断面の模式図である。
【００７２】
上述した第１の実施形態においては、カバーガラス４００を用いて導光部２００を保護するようにしていた。一方、本実施形態においては、図６に示すように、カバーガラス４００が設けられていなくてもよく、空気から直接導光部２００へ入射光が入射し、透明体２１０等によって入射光を屈折させてもよい。第３の実施形態においては、上述以外の点では、第１の実施形態と共通し、導光部２００は、第１の実施形態と同様に、レンズ群２２０とレンズ群２５０との間で焦点を結ぶケプラー型光学系となる。なお、本実施形態における導光部２００の作用は、第１の実施形態と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
【００７３】
＜＜５．  第４の実施形態＞＞
さらに、本開示の第４の実施形態に係る固体撮像装置１ｃを、図７Ａから図７Ｃを参照して説明する。図７Ａは、本実施形態に係る固体撮像装置１ｃの断面の模式図である。また、図７Ｂは、図７Ａの領域ａの拡大図であり、図７Ｃは、図７Ｂの領域ｂの拡大図である。
【００７４】
上述した第３の実施形態においては、固体撮像装置１ｂは、空気から直接入射した主光線を屈折させる役割の複数の透明体２１０を持っていた。一方、本実施形態においては、固体撮像装置１ｃは、複数の透明体２１０を一体とした、連続した凹面を持つ１つのレンズを持つ。
【００７５】
図７Ａに示すように、本実施形態においては、複数の画素１０ｃに共通する透明体２１０ａとして、凹面（凹型形状）を持つレンズが設けられている。詳細には、図７Ａの領域ａの拡大図である図７Ｂに示すように、複数の画素１０ｂが並べられており、複数の画素１０ｂに共通する透明体２１０ａは、各画素１０ｂの主光線を順次屈折させるように被写体側に凹面を有する。本実施形態においては、当該透明体２１０ａは、曲率半径４．１ｍｍの透明体であり、例えば、固体撮像装置１ｃは、縦横２．４ｍｍ×３．２ｍｍの範囲内の最大半径２ｍｍの平面に、４００個×５３３個並べられた固体撮像素子３００を有する。さらに、各画素１０ｂは、図７Ｂの領域ｂの拡大図である図７Ｃに示すように、導光部２００ｂを有する。第４の実施形態においては、上述以外の点では、第１の実施形態と共通し、導光部２００ｂは、第１の実施形態と同様に、レンズ群２２０とレンズ群２５０との間で焦点を結ぶケプラー型光学系となる。なお、本実施形態における導光部２００ｂの作用は、第１の実施形態と同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。本実施形態によれば、このような構成により、例えば、最大全画角４０°を持つ２１．３万画素の固体撮像装置１ｃを形成することができる。
【００７６】
＜＜６．  第５の実施形態＞＞
上述した本開示の各実施形態に係る固体撮像装置１は、指紋認証装置７００、顔／虹彩認証装置７１０、研究用観察装置等の電子機器に適用されることができる。そこで、図８から図１０を参照して、本実施形態に係る固体撮像装置１の適用例について説明する。図８は、本実施形態に係る指紋認証装置７００の模式図であり、図９は、本実施形態に係る顔認証装置７１０の模式図である。さらに、図１０は、本実施形態に係る固体撮像装置１の使用方法を説明するための説明図であって、詳細には、固体撮像装置１を研究用観察装置に適用した場合を説明する説明図である。
【００７７】
まず、図８を参照して、本実施形態に係る指紋認証装置７００を説明する。当該指紋認証装置７００は、指紋認証を行う装置であり、指紋を検出する指紋センサ部として、本実施形態に係る固体撮像装置１を含む。さらに、指紋認証装置７００は、処理部７０２や表示部７０４を含む。処理部７０２は、固体撮像装置１によって検出された指紋に対して認証を行う装置であり、例えば、パーソナルコンピュータによって実現される。また、表示部７０４は、固体撮像装置１によって検出された指紋や認証結果を表示する装置であり、例えば、ＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ  Ｒａｙ  Ｔｕｂｅ）ディスプレイ装置、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）装置、ＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）装置等により実現される。
【００７８】
詳細には、固体撮像装置１は、処理部７０２からの制御に従って、手指９００の指紋を撮像し、画像データを、信号線を介して処理部７０２へ送信する。そして、処理部７０２は、受信した画像データと、予め処理部７０２に登録された、指紋の画像である登録情報とを比較して、認証の成否を判定する。そして、処理部７０２は、認証結果や撮像した指紋の画像を表示部７０４に出力する。
【００７９】
なお、上記指紋認証装置７００は、指紋の認証だけでなく、ユーザの静脈を認証する装置であることもできる。
【００８０】
次に、図９を参照して、本実施形態に係る顔認証装置７１０を説明する。当該顔認証装置７１０は、顔認証を行う装置であり、顔を撮像する撮像部として、本実施形態に係る固体撮像装置１を含む。さらに、顔認証装置７１０は、上述の指紋認証装置７００と同様に、処理部７０２や表示部７０４を含む。処理部７０２は、固体撮像装置１によって撮像された顔画像に対して認証を行う装置であり、例えば、パーソナルコンピュータによって実現される。また、表示部７０４は、固体撮像装置１によって撮像された顔画像や認証結果を表示する装置であり、例えば、ＣＲＴディスプレイ装置等により実現される。なお、顔認証装置７１０の動作は、上述した指紋認証装置７００とほぼ同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。また、上記顔認証装置７００は、顔の認証だけでなく、虹彩を認証する装置であることもできる。
【００８１】
なお、本実施形態に係る固体撮像装置１は、手指９００の指紋等のような、固体撮像装置１に近接する被写体を撮像することが可能である。従って、本実施形態によれば、例えば、指紋認証／虹彩認証／静脈認証と顔認証とを同時に行う認証装置の固体撮像装置１を提供することが可能となる。
【００８２】
さらに、図１０を参照して、固体撮像装置１を細胞等の試料９０４の研究用観察装置に適用した場合を説明する。詳細には、本実施形態に係る固体撮像装置１は、カバーガラス４０２に搭載した細胞等の試料９０４を近接した位置から観察する装置に適用することができる。図１０に示すように、本実施形態に係る固体撮像装置１は、試料９０４を搭載するカバーガラス４０２と接するように配置することができる。このように配置された固体撮像装置１は、対物レンズを有しない顕微鏡のように機能することができ、簡単な構成ながら、試料９０４を詳細に観察することができる。言い換えると、例えば、上記固体撮像装置１は、細胞やウイルス等を判別、選別、分離するためのレンズレス顕微鏡等の研究用又は医療用観察装置として機能することができる。なお、当該カバーガラス４０２は、ガラス材に限定されるものではなく、透明な部材であれば、ＰＥＴ（Ｐｏｌｙ-Ｅｔｈｙｌｅｎｅ  Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ)樹脂等であってもよい。
【００８３】
また、本実施形態においては、カバーガラス４００の前後や、各種のマイクロレンズの間、近傍等に、バンドパスフィルタ等の光学部材が設けられていてもよい。
【００８４】
なお、本実施形態に係る固体撮像装置１は、上述の指紋認証装置７００、顔認証装置７１０、研究用観察装置に適用されることに限定されるものではない。例えば、本実施形態に係る固体撮像装置１は、静脈認証を行うための静脈認証装置、虹彩認証を行うための虹彩認証装置や、細胞やウイルス等を判別、分離するためのレンズレス顕微鏡等の研究用又は医療用観察装置、半導体装置やガラスの検査に用いる各種の検査装置、接触型複写機等の様々な電子機器に適用されることができる。
【００８５】
＜＜７．第６の実施形態＞＞
次に、本開示の第６の実施形態に係る固体撮像装置１ｄを、図１、及び、図１２Ａ、図１２Ｂを参照して説明する。図１２Ａは、本実施形態に係る固体撮像装置１ｄの断面の模式図である。また、図１２Ｂは、図１２Ａの領域ｃの拡大図である。本実施形態においては、上述した第１の実施形態と異なり、カバーガラス４００の代わりに、両凹レンズ４０４（両面が凹面であるレンズ）が用いられる。さらに、本実施形態においては、両凹レンズ４０４から空間（空気で満たされた空間）を隔てて、画素１０ｂが配置される。また、本実施形態においては、画素１０ｂは、図１で示される第１の実施形態の画素１０と異なり、透明体２１０を有しない導光部２００ｃと、固体撮像素子３００とからなる。
【００８６】
本実施形態においては、図１２Ａに示すように、画素１０ｄが複数並べられ、複数の画素１０ｂの被写体側の上には、両凹レンズ４０４が設けられている。両凹レンズ４０４は、すなわち、負のパワーを持つレンズである。本実施形態においては、このような負のパワーを持つ両凹レンズ４０４を用いることにより、精密な位置合わせを不要にし、且つ、光を大幅に曲げることなく効果的に画素１０ｂに光を集光することができる。具体的には、両凹レンズ４０４は、曲率半径−９ｍｍの球面、レンズの中心厚み０．３３ｍｍ、曲率半径３．４７ｍｍであるレンズであり、ゼオン社のゼオネックスｚ３００ｒ相当のプラスチック製の両凹レンズであることができる。なお、本実施形態においては、両凹レンズ４０４は、負のパワーを持つレンズの代わりに回折格子であってもよい。また、本実施形態においては、両凹レンズ４０４の画素側の中心から０．７１ｍｍ離隔して、画素１０ｂが配置される。
【００８７】
図１２Ｂに示すように、例えば縦方向に１３個の画素１０ｂが並べられ、各画素１０ｂにおいては、画角の中心を通過する光軸が、撮像素子面５０２の中心に位置する画素１０ｂの画角の中心を通過する光軸（当該光軸は、撮像素子面に垂直）に対して、図１２Ｂ中上から順に、−２９．５°、−２２．５°、−１７．１°、−１２．３°、−７．９°、−３．９°、０°、３．９°、７．９°、１２．３°、１７．１°、２２．５°、２９．５°傾くようになっている。本実施形態においては、上述のように傾けることで、複数の画素１０ｂの全体で所望の画角を有する固体撮像装置１ｄを構成することができる。なお、例えば、複数の固体撮像素子３００が並べられた撮像素子面５０２の１辺の長さは、約１．１２２ｍｍとなる。なお、本実施形態に係る固体撮像装置１ｄの平面は、図４を参照して説明した第１の固体撮像装置１の平面と同様であるため、ここでは、本実施形態に係る固体撮像装置１ｄの平面の説明を省略する。
【００８８】
また、本実施形態に係る画素１０ｂを、図１を参照して説明すると、図１で示される第１の実施形態の画素１０と異なり、透明体２１０を有しない導光部２００ｃと、固体撮像素子３００とからなる。具体的には、導光部２００ｃは、被写体側から固体撮像素子３００側に向かって、正の光学的パワーを持つレンズ群２２０と、遮光部２４０と、正の光学的パワーを持つレンズ群２５０とを含む。
【００８９】
より具体的には、本実施形態においては、レンズ群２２０は、固体撮像素子３００側に向かって凸形状を持つマイクロレンズ２２２と、被写体側に向かって凸形状を持つマイクロレンズ２２６と、マイクロレンズ２２２とマイクロレンズ２２６とを間に設けられた透明体２２４とを含む。より具体的には、マイクロレンズ２２２は、例えば、ｄ線屈折率１．９の５μｍ厚のレンズ材であり、レンズの曲率が−１５μｍである。マイクロレンズ２２６は、例えば、ｄ線屈折率１．９の１μｍ厚のレンズ材であり、レンズの曲率が１５μｍである。また、透明体２２４は、例えば、ｄ線屈折率１．４８の３μｍ厚の透明体である。なお、マイクロレンズ２２２、２２６は、回折素子等で実現してもよい。
【００９０】
また、導光部２００ｃは、レンズ群２２０とレンズ群２５０との間に、透明体２３０を含む。具体的には、透明体２３０は、例えば、ｄ線屈折率１．５５の長さ５０μｍの透明体である。また、透明体２３０には、上述の遮光部２４０が設けられている。当該遮光部２４０は、先に説明したように中央に開口部２４０ａを持つ開口遮光体である。
【００９１】
さらに、レンズ群２５０は、固体撮像素子３００側に向かって凸形状を持つマイクロレンズ２５２と、被写体側に向かって凸形状を持つマイクロレンズ２５６と、マイクロレンズ２５２とマイクロレンズ２５６とを間に設けられた透明体２５４とを含む。より具体的には、マイクロレンズ２５２は、例えば、ｄ線屈折率１．９の１μｍ厚のレンズ材であり、レンズの曲率が−６μｍである。マイクロレンズ２５６は、例えば、ｄ線屈折率１．９の１μｍ厚のレンズ材であり、レンズの曲率が６μｍである。また、透明体２５４は、例えば、ｄ線屈折率１．４８の２μｍ厚の透明体である。なお、マイクロレンズ２５２、２５６は、回折素子等で実現してもよい。
【００９２】
さらに、導光部２００ｃは、レンズ群２５０と固体撮像素子３００との間に、透明体２６０をさらに有する。具体的には、透明体２６０は、例えば、ｄ線屈折率１．５５の長さ２０．１μｍの透明体である。
【００９３】
以上のように、本実施形態によれば、このような負のパワーを持つ両凹レンズ４０４を用いることにより、精密な位置合わせを不要にし、且つ、光を大幅に曲げることなく効果的に画素１０ｂに光を集光することができる。
【００９４】
＜＜８．第７の実施形態＞＞
次に、両凹レンズ４０４の変形例である、本開示の第７の実施形態に係る固体撮像装置１ｄを、図１２Ａ及び図１２Ｂを参照して説明する。本実施形態においては、上述した第６の実施形態と異なる両凹レンズ４０４を用いるものの、画素１０ｂについては、第６の実施形態と共通する。
【００９５】
本実施形態においては、図１２Ａに示すように、画素１０ｄが複数並べられ、複数の画素１０ｂの被写体側の上には、両凹レンズ４０４が設けられている。両凹レンズ４０４は、すなわち、負のパワーを持つレンズである。本実施形態においても、このような負のパワーを持つ両凹レンズ４０４を用いることにより、精密な位置合わせを不要にし、光を大幅に曲げることなく、効果的に画素１０ｂに光を集光することができる。具体的には、両凹レンズ４０４は、曲率半径−１３．２ｍｍの球面、レンズの中心厚み０．３３ｍｍ、曲率半径５ｍｍであるレンズであり、ＨＯＹＡ社のＴＡＦＤ５５相当の両凹ガラスレンズであることができる。また、本実施形態においては、両凹レンズ４０４の画素側の中心から０．５ｍｍ離隔して、画素１０ｂが配置される。
【００９６】
図１２Ｂに示すように、例えば縦方向に１３個の画素１０ｂが並べられ、各画素１０ｂにおいては、画角の中心を通過する光軸が、撮像素子面５０２の中心に位置する画素１０ｂの画角の中心を通過する光軸（当該光軸は、撮像素子面に垂直）に対して、図１２Ｂ中上から順に、−３８．３°、−２９．５°、−２２．８°、−１６．７°、−１０．８°、−５．３°、０°、５．３°、１０．８°、１６．７°、２２．８°、２９．８°、３８．３°傾くようになっている。本実施形態においては、上述のように傾けることで、複数の画素１０ｂの全体で所望の画角を有する固体撮像装置１ｄを構成することができる。なお、例えば、複数の固体撮像素子３００が並べられた撮像素子面５０２の１辺の長さは、約０．９１２ｍｍとなる。なお、本実施形態に係る固体撮像装置１ｄの平面は、図４を参照して説明した第１の固体撮像装置１の平面と同様であるため、ここでは、本実施形態に係る固体撮像装置１ｄの平面の説明を省略する。
【００９７】
以上のように、本実施形態によれば、このような負のパワーを持つ両凹レンズ４０４を用いることにより、精密な位置合わせを不要にし、且つ、光を大幅に曲げることなく効果的に画素１０ｂに光を集光することができる。
【００９８】
なお、上述した第６及び第７の実施形態においては、両凹レンズ４０４、すなわち、被写体側の負のパワーを持つレンズを１枚のレンズで実現するものとして説明した。しかしながら、これら実施形態においては、被写体側の負のパワーを持つレンズを１枚のレンズで実現することに限定されるものではなく、２枚以上のレンズで実現してもよく、特に限定されるものではない。
【００９９】
＜＜９．第８の実施形態＞＞
また、本発明の実施形態においては、画素の構成を変形することもできる。例えば、画素１０の変形例を、図１３を参照して、本発明の第８の実施形態として説明する。図１３は、本実施形態に係る画素１０ｃの模式図である。
【０１００】
図１３に示すように、上述した第１の実施形態においては、導光部２００のレンズ群２２０、２５０を２枚のマイクロレンズによって実現したが、本実施形態の画素１０ｃの有する導光部２００ｄにおいては、レンズ群２２０、２５０の代わりに、１枚のマイクロレンズ２２８、２５８で実現してもよい。本実施形態においては、このような構成を採用することにより、部品点数を減らし、固体撮像装置１ｅの製造コストの増加を抑えることができる。
【０１０１】
なお、本実施形態においては、導光部２００のレンズ群２２０、２５０の一方を２枚のマイクロレンズによって実現し、他方を１枚のマイクロレンズで実現してもよく、また、３枚以上のマイクロレンズで実現してもよく、特に限定されるものではない。
【０１０２】
また、本実施形態に係る指紋認証装置７００ａの模式図である図１４に示すように、画素１０ｃを用いた固体撮像装置１ｅは、指紋認証装置７００ａに適用することが可能である。なお、図１４では、固体撮像装置１ｅと手指９００との間には、カバーガラス４００が存在するものものとして図示しているが、本実施形態のおいては、図１４に示される構成例に限定されるものではない。本実施形態においては、例えば、カバーガラス４００の代わりに、上述した第６及び第７の実施形態の被写体側の負のパワーを持つレンズ（両凹レンズ４０４）を用いてもよく、また、カバーガラス４００や被写体側の負のパワーを持つレンズを介さずに直接手指９００と接するような構成としてもよい。
【０１０３】
以上のように、本実施形態によれば、部品点数を減らし、固体撮像装置１ｅの製造コストの増加を抑えることができる。
【０１０４】
＜＜１０．  まとめ＞＞
以上のように、本開示の実施形態によれば、近接する画素１０の画角の重複を避けつつ、入射光の利用効率を高めることができる。
【０１０５】
さらに、本開示の実施形態に係る固体撮像装置１又は電子機器が用いられることによって、例えば下記に示す効果が奏される。なお、本実施形態に係る固体撮像装置１又は電子機器が用いられることにより奏される効果が、下記に示す例に限られないことは、言うまでもない。
【０１０６】
（１）
本開示の実施形態によれば、撮像レンズ（対物レンズ）を用いず、固体撮像素子の単位画素と同レベルの平面サイズを持つ、全長が１ｍｍ以下のマイクロレンズを用いる固体撮像装置において、入射光の利用効率をより高めることができる。
（２）
本開示の実施形態によれば、一般的な撮像レンズを使用することが難しい、赤外光を検出する固体撮像装置を安価に製造することが可能となる。
（３）
本開示の実施形態によれば、撮像レンズを用いないことから、色収差がない固体撮像装置を提供することができる。
（４）
本開示の実施形態によれば、半導体製造工程によって固体撮像装置を製造することが可能であることから、製造コストを抑えた固体撮像装置及びこれを含む電子機器の製造が可能となる。
（５）
本開示の実施形態によれば、近接した被写体の撮像が可能であることから、固体撮像装置のカバーガラス又は当該固体撮像装置に近接して設けられたカバーガラス上の被写体を撮像することが可能である。従って、本開示の実施形態によれば、例えば、指紋認証／虹彩認証／静脈認証と顔認証とを同時に行う認証装置の固体撮像装置を提供することが可能となる。
（６）
本開示の実施形態によれば、例えば、細胞の選別や、ウイルスの判別等に用いることができるレンズレス顕微鏡を提供することが可能となる。
【０１０７】
なお、本開示の実施形態においては、上述の固体撮像素子３００は、ＣＣＤ（イメージセンサ又はＣＭＯＳイメージセンサであることができる。
【０１０８】
＜＜１１．  補足＞＞
以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
【０１０９】
また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。
【０１１０】
なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）
撮像素子面上にマトリックス状に配置された複数の画素を備え、
前記各画素は、
少なくとも１つの固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の被写体側に設けられた少なくとも１つの導光部と、
を有し、
前記導光部は、当該導光部の導光方向に沿って前記被写体側から前記固体撮像素子側に向かって、
第１の透明体と、
正の光学的パワーを持つ第１のレンズ群と、
開口部を持つ遮光部と、
正の光学的パワーを持つ第２のレンズ群と、
を順次含む、
固体撮像装置。
（２）
前記導光部は、前記第１のレンズ群と前記第２のレンズ群との間で焦点を結ぶケプラー型光学系であり、
前記遮光部の前記開口部は、前記焦点と重なるように設けられる、
上記（１）に記載の固体撮像装置。
（３）
前記第１のレンズ群の焦点距離ｆｇ１、前記第２のレンズ群の焦点距離ｆｇ２、及び、前記第１のレンズ群と前記第２のレンズ群との間の距離Ｌが、下記の条件式（ａ）を満足する、上記（２）に記載の固体撮像装置。
【数４】
2019220941.tif 000006
（４）
前記撮像素子面の中心に位置する前記画素に入射する上光線と下光線とがなす角度θの範囲は、下記の条件式（ｂ）を満足する、上記（３）に記載の固体撮像装置。
【数５】
2019220941.tif 000007
上記条件式（ｂ）においては、集光方向を負の値とし、発散方向を正の値とする。
（５）
前記第２のレンズ群の焦点距離ｆｇ２が、下記の条件式（ｃ）を満足する、上記（３）又は（４）に記載の固体撮像装置。
【数６】
2019220941.tif 000008
（６）
前記第１のレンズ群は、前記固体撮像素子側に向かって凸形状を持つ第１のマイクロレンズを含む、
上記（１）〜（５）のいずれか１つに記載の固体撮像装置。
（７）
前記第１のマイクロレンズの前記固体撮像素子側の面は、前記画素ごとに、前記撮像素子面に対して異なる角度を持つ、上記（６）に記載の固体撮像装置。
（８）
前記第１のレンズ群は、前記導光部の前記導光方向に沿って前記被写体側から前記固体撮像素子側に向かって、
前記第１のマイクロレンズと、
前記被写体側に向かって凸形状を持つ第２のマイクロレンズと、
を順次含む、
上記（６）又は（７）に記載の固体撮像装置。
（９）
前記第１のレンズ群は、
前記第１のマイクロレンズと前記第２のマイクロレンズとの間に設けられた第４の透明体をさらに含む、
上記（８）に記載の固体撮像装置。
（１０）
前記第１の透明体の前記被写体側の面は、前記画素ごとに、前記撮像素子面に対して異なる角度を持つ、上記（１）〜（９）のいずれか１つに記載の固体撮像装置。
（１１）
複数の前記第１の透明体は、一体のレンズである、上記（１０）に記載の固体撮像装置。
（１２）
前記レンズは前記被写体側の面が凹型形状を持つ、上記（１１）に記載の固体撮像装置。
（１３）
前記第１の透明体は、負の光学的パワーを持つレンズである、上記（１）に記載の固体撮像装置。
（１４）
前記レンズは、両面が凹面である両凹レンズである、上記（１３）に記載の固体撮像装置。
（１５）
前記レンズと第１のレンズ群との間には、空気で満たされた空間が存在する、上記（１４）に記載の固体撮像装置。
（１６）
前記第２のレンズ群は、前記被写体側に向かって凸形状を持つ第３のマイクロレンズを含む、
上記（１）〜（１２）のいずれか１つに記載の固体撮像装置。
（１７）
前記第２のレンズ群は、前記導光部の前記導光方向に沿って前記被写体側から前記固体撮像素子側に向かって、
前記固体撮像素子側に向かって凸形状を持つ第４のマイクロレンズと、
前記第３のマイクロレンズと、
を順次含む、
上記（１６）に記載の固体撮像装置。
（１８）
前記第２のレンズ群は、
前記第４のマイクロレンズと前記第３のマイクロレンズとを間に設けられた第５の透明体をさらに含む、
上記（１７）に記載の固体撮像装置。
（１９）
前記複数の画素に共通して、複数の前記第１の透明体の前記被写体側の面上に設けられたカバーガラスをさらに備える、上記（１）〜（１２）のいずれか１つに記載の固体撮像装置。
（２０）
前記導光部は、前記第１のレンズ群と前記２のレンズ群との間に、第２の透明体をさらに含む、上記（１）〜（１２）のいずれか１つに記載の固体撮像装置。
（２１）
前記導光部は、前記２のレンズ群と前記固体撮像素子との間に、第３の透明体をさらに含む、上記（１）〜（１２）のいずれか１つに記載の固体撮像装置。
（２２）
撮像素子面上にマトリックス状に配置された複数の画素を有する固体撮像装置を備える電子機器であって、
前記各画素は、
少なくとも１つの固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の被写体側に設けられた少なくとも１つの導光部と、
を有し、
前記導光部は、当該導光部の導光方向に沿って前記被写体側から前記固体撮像素子側に向かって、
第１の透明体と、
正の光学的パワーを持つ第１のレンズ群と、
開口部を持つ遮光部と、
正の光学的パワーを持つ第２のレンズ群と、
を順次含む、
電子機器。
【符号の説明】
【０１１１】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ    固体撮像装置
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、２０    画素
２００、２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２０２    導光部
２１０、２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ、２２４、２３０、２５４、２６０    透明体
２２０、２５０    レンズ群
２２２、２２２ａ、２２６、２２８、２５２、２５６、２５６ａ、２５８    マイクロレンズ
２４０    遮光部
２４０ａ    開口部
３００、３００ａ、３００ｂ    固体撮像素子
４００、４０２    カバーガラス
４０４    両凹レンズ
５００    結像位置
５０２    撮像素子面
５０４    矢印
６００ａ、６００ｂ    入射光
７００、７００ａ    指紋認識装置
７０２    処理部
７０４    表示部
７０６    信号線
７１０    顔認証装置
９００    手指
９０２    顔
９０４    試料
ａ、ｂ、ｃ、ｄ    領域
【図１】
2019220941.tif 000012
【図２】
2019220941.tif 000013
【図３】
2019220941.tif 000014
【図４】
2019220941.tif 000015
【図５】
2019220941.tif 000016
【図６】
2019220941.tif 000017
【図７Ａ】
2019220941.tif 000018
【図７Ｂ】
2019220941.tif 000019
【図７Ｃ】
2019220941.tif 000020
【図８】
2019220941.tif 000021
【図９】
2019220941.tif 000022
【図１０】
2019220941.tif 000023
【図１１】
2019220941.tif 000024
【図１２Ａ】
2019220941.tif 000025
【図１２Ｂ】
2019220941.tif 000026
【図１３】
2019220941.tif 000027
【図１４】
2019220941.tif 000028