(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素と、
各々の前記画素上に配置されたマイクロレンズと、
前記マイクロレンズの位置を光軸方向に調整するレンズ調整部と、を備え、
前記画素と前記マイクロレンズとの間に透光性の流体が充填され、
前記レンズ調整部は、前記流体に加える圧力を調整して、前記マイクロレンズの位置を光軸方向に調整する撮像素子モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の撮像素子モジュールにおいて、
複数の前記画素は、撮影光学系の瞳の異なる部分領域を通過する光束をそれぞれ受光し、一対の被写体像の位相差情報を取得する焦点検出画素を含む撮像素子モジュール。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の撮像素子モジュールにおいて、
前記レンズ調整部は、撮影光学系の絞りの変化に応じて、前記マイクロレンズの位置を光軸方向に調整する撮像素子モジュール。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の撮像素子モジュールにおいて、
複数の前記画素は、受光面上に配列され、受光面中央に配置された画素と、受光面周辺部に配置された画素とがそれぞれグループ化され、
前記レンズ調整部は、前記グループ毎に一体化された複数の前記マイクロレンズの位置を、前記グループ毎に光軸方向に調整する撮像素子モジュール。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の撮像素子モジュールにおいて、
複数の前記画素には、それぞれが異なる色成分の光を透過させる複数種類のカラーフィルタが配置され、
前記カラーフィルタの色毎に前記画素がそれぞれグループ化され、
前記レンズ調整部は、前記グループ毎に一体化された複数の前記マイクロレンズの位置を、前記グループ毎に光軸方向に調整する撮像素子モジュール。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の撮像素子モジュールを備えた撮像装置。
【請求項７】
複数の画素を有する撮像素子に取り付けられるマイクロレンズモジュールであって、
各々の前記画素上に配置されるマイクロレンズと、
前記マイクロレンズの位置を光軸方向に調整するレンズ調整部と、
前記画素と前記マイクロレンズとの間に透光性の流体を充填するための空間を形成する空間形成部と、を備え、
前記レンズ調整部は、前記空間に充填される前記流体に加える圧力を調整して、前記マイクロレンズの位置を光軸方向に調整するマイクロレンズモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像素子モジュール、撮像装置およびマイクロレンズモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、撮像素子の各画素には、入射光への感度を高めるためにマイクロレンズが配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２８２１０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
撮像素子のマイクロレンズは、製造工程のばらつき等により、その集光位置が好ましい状態とならないことがある。
【０００５】
上記事情に鑑み、撮像素子のマイクロレンズの集光位置をより好ましく調整するための技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面である撮像素子モジュールは、複数の画素と、各々の画素上に配置されたマイクロレンズと、マイクロレンズの位置を光軸方向に調整するレンズ調整部とを備える。撮像素子モジュールにおいて、画素とマイクロレンズとの間に透光性の流体が充填され、レンズ調整部は、流体に加える圧力を調整して、マイクロレンズの位置を光軸方向に調整する。
本発明の一側面である撮像装置は、上記の撮像素子モジュールを備える。
本発明の一側面であるマイクロレンズモジュールは、複数の画素を有する撮像素子に取り付けられる。マイクロレンズモジュールは、各々の画素上に配置されるマイクロレンズと、マイクロレンズの位置を光軸方向に調整するレンズ調整部と、画素とマイクロレンズとの間に透光性の流体を充填するための空間を形成する空間形成部と、を備える。そして、レンズ調整部は、空間に充填される流体に加える圧力を調整して、マイクロレンズの位置を光軸方向に調整する。
【発明の効果】
【００１３】
レンズ調整部がマイクロレンズの位置を光軸方向に調整することで、マイクロレンズの集光位置をより好ましく調整できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（ａ），（ｂ）：第１実施形態の撮像素子モジュールの構成例を示す断面図
【図２】第１実施形態の撮像素子モジュールを受光面側からみた図
【図３】（ａ）：撮像画素の構成例を示す平面図、（ｂ）：焦点検出画素の構成例を示す平面図
【図４】（ａ）〜（ｃ）：焦点検出画素においてマイクロレンズアレイを移動させたときの焦点位置の変化を示す図
【図５】（ａ）〜（ｃ）：平行光の入射角を鉛直からわずかに傾けて、焦点検出画素においてマイクロレンズアレイを光軸方向に移動させた状態を示す図
【図６】（ａ），（ｂ）：絞りの開口量が異なるときの焦点検出画素への入射光束の例を示す図
【図７】絞りの開口量が小さいときのマイクロレンズの位置調整を示す図
【図８】絞りの開口量が大きいときのマイクロレンズの位置調整を示す図
【図９】第１実施形態の撮像素子モジュールを実装した撮像装置の構成例を示す図
【図１０】第２実施形態での撮像素子モジュールの構成例を示す図
【図１１】第３実施形態での撮像素子モジュールの構成例を示す図
【図１２】マイクロレンズモジュールの構成例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
＜第１実施形態の説明＞
図１は、第１実施形態の撮像素子モジュールの構成例を示す断面図である。第１実施形態の撮像素子モジュール１１は、例えば、デジタルスチルカメラ、ビデオカメラ、携帯電話のカメラモジュールなどの撮像装置に組み込まれる。
【００１６】
第１実施形態の撮像素子モジュール１１は、シリコン基板上にＣＭＯＳ（相補性金属酸化膜半導体）プロセスを使用したＣＭＯＳ型の撮像素子１２を含む。上記の撮像素子１２は、撮像画素と、焦点検出画素との２種類の画素を複数有している。
【００１７】
撮像画素は、被写体の像を撮像して画像信号を生成する画素である。撮像画素には、それぞれが異なる色成分の光を透過させる複数種類のカラーフィルタが所定の色配列で配置されている。そのため、撮像画素は、カラーフィルタでの色分解によって各色に対応するカラーの画像信号を出力する。
【００１８】
焦点検出画素は、一対の受光素子で光学系（撮影レンズなど）の瞳の異なる部分領域を通過する光束をそれぞれ受光し、ＡＦ時に一対の被写体像の位相差情報を取得する。なお、被写体の像の位相差情報を用いて光学系のデフォーカス量を求める位相差ＡＦの手法は公知であるので、その原理説明は省略する。
【００１９】
図２は、第１実施形態の撮像素子モジュール１１を受光面側からみた図である。第１実施形態の例では、撮像素子１２の受光面において、それぞれ横方向に延在する焦点検出画素の配列が３×３の正方格子状に９箇所に配置されている。また、受光面において、焦点検出画素の配列を除く他の部分には撮像画素が配置されている。
【００２０】
ここで、図３（ａ）は撮像画素の構成例を示し、図３（ｂ）は焦点検出画素の構成例を示す。図３（ａ）に示すように、撮像画素は１画素につき１つの電荷蓄積領域（受光素子）を有している。この撮像画素の電荷蓄積領域はほぼ正方形状に形成されている。一方、図３（ｂ）に示すように、焦点検出画素は、１画素につき、射出瞳の像を分割して受光する１対（２個）の電荷蓄積領域ＰＤ１，ＰＤ２を有している。焦点検出画素の電荷蓄積領域ＰＤ１，ＰＤ２は、それぞれ撮像画素の電荷蓄積領域よりも小さな縦長（または横長）の矩形状に形成されており、１画素に２つの電荷蓄積領域ＰＤ１，ＰＤ２が並列に配置されている。
【００２１】
図１に戻って、撮像素子１２の受光面において、各画素の上にはそれぞれマイクロレンズ１３が配置されている。ここで、各マイクロレンズ１３は、光軸方向（図中上下方向）へ移動可能な透光性基板１４の上に形成されている。そのため、複数のマイクロレンズ１３は、透光性基板１４と一体となってマイクロレンズアレイをなしている。
【００２２】
また、撮像素子モジュール１１は、マイクロレンズ１３の位置を光軸方向に調整するレンズ調整部１５を有している。以下、レンズ調整部１５の構成を説明する。
【００２３】
撮像素子１２の画素とマイクロレンズアレイとに挟まれた第１の空間１６は、ピエゾ素子などの圧電素子１７によって加圧される第２の空間１８と接続されている。そして、第１の空間１６および第２の空間１８には、透光性および流動性を有する流体であるゲル状樹脂が充填されている。なお、撮像素子１２の各画素の上面には、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等の層間絶縁膜（不図示）が形成されており、ゲル状樹脂によって撮像素子１２の動作に支障をきたすことはない。
【００２４】
上記の圧電素子１７は、コントローラ１９によって制御される。コントローラ１９によって圧電素子１７を駆動させると、第２の空間１８の一面（図中の上面）が圧電素子１７で撓められて押圧される。これにより、第２の空間１８のゲル状樹脂は第１の空間１６に押し出されるとともに、第１の空間１６ではゲル状樹脂の動きによってマイクロレンズアレイが図中上側に移動する。一方、コントローラ１９によって圧電素子１７の動作を停止させると、第２の空間１８の撓みがなくなって第１の空間１６から第２の空間１８にゲル状樹脂が流れ込む。これにより、第１の空間１６ではゲル状樹脂の動きによってマイクロレンズアレイが図中下側に移動する。したがって、コントローラ１９は、圧電素子１７で第２の空間１８への圧力を調整することにより、パスカルの原理でマイクロレンズ１３の位置を光軸方向に調整できる。このように、第１実施形態の撮像素子モジュール１１は、圧電素子１７によってマイクロレンズ１３の焦点位置を調整するレンズ調整部１５を有するので、製造時に生じるマイクロレンズ１３の位置のばらつきを簡単に校正できる。
【００２５】
なお、第１実施形態での撮像素子モジュール１１の製造では、撮像素子１２の受光面上にゲル状樹脂を塗布し、ゲル状樹脂の上側にマイクロレンズアレイを形成する手順によって第１の空間１６を形成すればよい。また、第１実施形態での撮像素子モジュール１１の製造において、ゲル状樹脂の代わりにダミーの樹脂を塗布し、ダミーの樹脂の上にマイクロレンズアレイを形成し、その後にダミーの樹脂とゲル状樹脂とを置換してもよい。
【００２６】
以下、図４、図５を参照しつつ、第１実施形態の撮像素子モジュール１１でのマイクロレンズ１３の位置調整の動作例を説明する。以下の説明では、焦点検出画素の出力を用いて、マイクロレンズアレイの光軸方向位置を焦点検出画素に適した位置に調整する例を説明する。なお、マイクロレンズ１３の位置調整は、撮像素子の検査工程で行われてもよく、ユーザが任意のタイミングで実行してもよい。
【００２７】
図４（ａ）〜（ｃ）は、焦点検出画素においてマイクロレンズアレイを光軸方向に移動させたときの焦点位置の変化をそれぞれ示している。図４は、いずれも焦点検出画素に平行光が入射された状態を示している。図４（ａ）は、マイクロレンズ１３の焦点位置が撮像素子の受光面よりも手前にある状態を示している。図４（ｂ）は、マイクロレンズ１３の焦点位置が撮像素子の受光面上にある状態を示している。図４（ｃ）は、マイクロレンズ１３の焦点位置が撮像素子の受光面よりも奥にある状態を示している。第１実施形態の撮像素子モジュール１１は、圧電素子１７の動作によってマイクロレンズアレイを光軸方向に移動できるので、マイクロレンズ１３の焦点位置を調整しうることが分かる。
【００２８】
また、第１実施形態でマイクロレンズ１３の位置調整を行う場合、平行光の入射角を鉛直からわずかに傾けた状態とし、焦点検出画素の出力を用いて位置調整を行えばよい。図５（ａ）〜（ｃ）は、平行光の入射角を鉛直から図中左側にわずかに傾けて、焦点検出画素においてマイクロレンズアレイを光軸方向に移動させた状態をそれぞれ示している。図５（ａ）〜（ｃ）において、マイクロレンズ１３の光軸方向位置は上側から下側に順次移動している。また、図５（ｂ）は、マイクロレンズ１３の焦点位置が撮像素子の受光面上にある状態を示している。
【００２９】
図５では、平行光の入射角を鉛直から図中左側にわずかに傾けているため、マイクロレンズアレイを上下に移動させると、焦点検出画素の受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の出力比が変化する。そして、マイクロレンズ１３の焦点位置が撮像素子の受光面上にあるとき（図５（ｂ））には、焦点検出画素において図中左側の受光素子ＰＤ１の出力が最も小さくなる。
【００３０】
撮像素子モジュール１１のコントローラ１９は、圧電素子１７でマイクロレンズアレイを移動させつつ、焦点検出画素の受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の出力をモニタする。そして、平行光を鉛直から図中左側にわずかに傾けて入射させている場合、コントローラ１９は、受光素子ＰＤ１の出力が極小値となるマイクロレンズアレイの位置を求めればよい。以上の動作により、コントローラ１９は、マイクロレンズ１３の光軸方向位置を焦点検出画素に適した位置に調整できる。なお、上記の焦点位置の調整は１画素の出力でも可能であるが、コントローラ１９は複数の受光素子ＰＤ１，ＰＤ２の出力を平均化することで、マイクロレンズ１３の焦点位置をより精度よく受光面に合わせることが可能となる。
【００３１】
さらに、第１実施形態の撮像素子モジュール１１は、撮影光学系の絞りの変化に応じて、マイクロレンズ１３の光軸方向位置を調整してもよい。図６は、絞りの開口量が異なるときの焦点検出画素への入射光束の例を示す図である。絞りの開口量が小さいとき（Ｆ値：大）には、図６（ａ）に示すように、受光素子に投影される像の重心を十分に分離することが難しくなる場合がある。一方、絞りの開口量が大きいとき（Ｆ値：小）には、図６（ｂ）に示すように、受光素子に投影される像が画素の受光素子の領域よりも広がってしまうことがある。
【００３２】
そこで、第１実施形態でのコントローラ１９は、撮影光学系の絞りが変化したときに、以下のようにマイクロレンズ１３の光軸方向の位置を調整する。まず、絞りの開口量が小さくなるときには、コントローラ１９は、マイクロレンズアレイを図中上側に移動させて、マイクロレンズ１３の焦点位置を受光素子から遠ざける（図７参照）。これにより、受光素子に投影される像の重心が画素の中央部から外側に広がるので、焦点検出画素による焦点検出が容易となる。一方、絞りの開口量が大きくなるときには、コントローラ１９は、マイクロレンズアレイを図中下側に移動させて、マイクロレンズ１３の焦点位置を受光素子に近づける（図８参照）。これにより、受光素子に投影される像の広がりが画素の中央部に縮まるので、焦点検出画素による焦点検出が容易となる。
【００３３】
例えば、Ｆ１．４、Ｆ５．６、Ｆ１６の絞りでは撮像素子への光束の入射角がそれぞれ異なるため、マイクロレンズの最適な焦点位置はＦ値によって相違する。従来の撮像素子では、マイクロレンズの焦点位置は所定のＦ値に最適化されるため、Ｆ値によっては焦点検出画素の性能が十分に発揮できない場合もありうる。これに対し、第１実施形態の撮像素子モジュール１１では、マイクロレンズの光軸方向位置を絞りの変化に応じて調整できるので、絞りのＦ値にかかわらず焦点検出画素の性能を確保できる。
【００３４】
＜撮像装置の構成例＞
また、図９は、第１実施形態の撮像素子モジュール１１を実装した撮像装置（電子カメラ）の構成例を示す図である。図９の撮像装置は、撮影光学系２１と、レンズドライバ２２と、絞り２３と、絞りドライバ２４と、撮像素子モジュール１１と、Ａ／Ｄ変換部２５と、画像処理エンジン２６と、メモリ２７と、記録Ｉ／Ｆ２８と、操作部２９とを有している。ここで、レンズドライバ２２、絞りドライバ２４、撮像素子モジュール１１、Ａ／Ｄ変換部２５、メモリ２７、記録Ｉ／Ｆ２８、操作部２９は、それぞれ画像処理エンジン２６と接続されている。なお、操作部２９は、ユーザのＦ値の手動入力等を受け付ける。
【００３５】
撮影光学系２１は、例えばズームレンズやフォーカスレンズなどの複数のレンズを含む。フォーカスレンズの位置は、レンズドライバ２２によって光軸方向に調整される。なお、図９では、簡単のため撮影光学系２１を１枚のレンズで図示する。絞り２３は、複数の絞り羽根を動かすことで撮像素子モジュール１１に入射する単位時間当たりの光量を調節する。絞り２３の開口量（Ｆ値）は、絞りドライバ２４によって調整される。
【００３６】
撮像素子モジュール１１の撮像素子は、撮影光学系２１による結像を撮像する。上記の撮像素子の出力は、Ａ／Ｄ変換部２５を介して画像処理エンジン２６に接続されている。
【００３７】
画像処理エンジン２６は、撮像装置の動作を統括的に制御するプロセッサである。例えば、画像処理エンジン２６は、焦点検出画素の出力を用いて撮影光学系２１のＡＦを実行する。また、画像処理エンジン２６は、撮像画素の画像信号に各種の画像処理を施して画像のデータを生成する。
【００３８】
また、画像処理エンジン２６は、撮像画素の出力を用いたＡＥ演算により、撮影ジーンに相応する絞り値を求める。そして、画像処理エンジン２６は、絞りドライバ２４を介して絞り２３の開口量を調節する。このとき、画像処理エンジン２６は、絞り値に応じて撮像素子モジュール１１のマイクロレンズの位置を調節してもよい。
【００３９】
メモリ２７は、画像のデータを一時的に記憶するメモリであって、例えば揮発性の記憶媒体であるＳＤＲＡＭである。記録Ｉ／Ｆ２８は、不揮発性の記憶媒体２８ａを接続するためのコネクタを有している。そして、記録Ｉ／Ｆ２８は、コネクタに接続された記憶媒体２８ａに対して画像のデータの書き込み／読み込みを実行する。
【００４０】
＜第２実施形態の説明＞
図１０は、第２実施形態での撮像素子モジュール１１ａの構成例を示す図である。第２実施形態は、マイクロレンズ１３を光軸方向に調整してシェーディング補正を行う例を説明する。第２実施形態での撮像素子モジュール１１ａは、焦点検出画素を有しない撮像素子に適用するものであってもよい。
【００４１】
なお、以下の実施形態の撮像素子モジュールにおいて、第１実施形態と共通の構成には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００４２】
第２実施形態の撮像素子モジュール１１ａでは、図１０に示すように、受光面中央部の画素と受光面周辺部の画素とがそれぞれグループ化されており、マイクロレンズアレイはグループごとに分割されている。そして、受光面中央部の画素のグループと、受光面周辺部の画素のグループとは、それぞれ独立したレンズ調整部１５を有している。これにより、第２実施形態の撮像素子モジュール１１ａでは、受光面中央部のマイクロレンズアレイと、受光面周辺部のマイクロレンズアレイとを独立して光軸方向に移動させることができる。なお、受光面中央部の画素のグループに対応するレンズ調整部１５について、第１の空間１６および第２の空間１８を接続する管路（図中破線で示す）は、例えば画素間の配線部分に配置すればよい（図１０参照）。
【００４３】
そして、第２実施形態の撮像素子モジュール１１ａは、受光面中央部のマイクロレンズアレイに対して、受光面周辺部のマイクロレンズアレイを受光素子に近づけるように調整する。第２実施形態の撮像素子モジュール１１ａは、上記のマイクロレンズ１３の位置調整により、撮像素子のシェーディングを緩和できる。
【００４４】
＜第３実施形態の説明＞
図１１は、第３実施形態での撮像素子モジュール１１ｂの構成例を示す図である。第３実施形態では、撮像素子がカラーラインセンサである例を説明する。
【００４５】
第３実施形態の撮像素子は、Ｒの画像信号を出力する第１画素列と、Ｇの画像信号を出力する第２画素列と、Ｂの画像信号を出力する第３画素列とが並列に配置されている。撮像素子のマイクロレンズアレイは各画素列で分割されている。そして、各々の画素列は、それぞれ独立したレンズ調整部１５を有している。
【００４６】
これにより、第３実施形態の撮像素子モジュール１１ｂでは、各画素列でマイクロレンズアレイを独立して光軸方向に移動させることができる。そして、第３実施形態では、上記のマイクロレンズの位置調整により、カラーラインセンサの色収差を補正できる。
【００４７】
＜実施形態の補足事項＞
（ａ）本発明の撮像素子モジュールは、撮像素子１２のチップ上にレンズ調整部１５を一体化したものであってもよい。また、本発明の撮像素子モジュールは、撮像素子１２とレンズ調整部１５とが別部品であってもよい。
【００４８】
また、図１２に示すように、マイクロレンズアレイおよびレンズ調整部１５を撮像素子１２に取り付けることで上記実施形態の撮像素子モジュールをなすマイクロレンズモジュール３１も、本発明の技術的範囲に含まれる。
【００４９】
（ｂ）第１実施形態では焦点検出画素を基準としてマイクロレンズの焦点位置を調整する例を説明した。しかし、第１実施形態の撮像素子モジュール１１の構成は、撮像画素のみの撮像素子の場合にも同様に適用できる。
【００５０】
（ｃ）上記実施形態の撮像素子モジュールでは、流体の圧力でマイクロレンズ１３を移動させるレンズ調整部１５の例を説明した。しかし、本発明のレンズ調整部は、例えばネジ送り機構や超音波モータ等を用いて、マイクロレンズアレイを機械的に移動させるものでもよい。
【００５１】
（ｄ）上記実施形態の撮像素子モジュールでは、撮像素子の受光面とマイクロレンズアレイとの間にゲル状樹脂を充填する例を説明した。しかし、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、撮像素子の受光面とマイクロレンズアレイとの間に透光性を有する液体や気体を充填してもよい。
【００５２】
（ｅ）上記の第３実施形態では、カラーラインセンサの色別にマイクロレンズの焦点位置を調整する例を説明した。しかし、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、撮ベイヤ配列の撮像素子について、各画素のマイクロレンズの位置を色別に調整する撮像素子モジュールも含む。
【００５３】
（ｆ）上記実施形態では、撮像素子モジュールが実装される撮像装置の一例として電子カメラを説明した。しかし、本発明の撮像装置は、上記実施形態に限定されることなく、例えば、携帯電話のカメラモジュールや、顕微鏡などであってもよい。
【００５４】
以上の詳細な説明により、実施形態の特徴点および利点は明らかになるであろう。これは、特許請求の範囲が、その精神および権利範囲を逸脱しない範囲で前述のような実施形態の特徴点および利点にまで及ぶことを意図するものである。また、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、あらゆる改良および変更に容易に想到できるはずであり、発明性を有する実施形態の範囲を前述したものに限定する意図はなく、実施形態に開示された範囲に含まれる適当な改良物および均等物によることも可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１１，１１ａ，１１ｂ…撮像素子モジュール、１２…撮像素子、１３…マイクロレンズ、１５…レンズ調整部、１６…第１の空間、１７…圧電素子、１８…第２の空間、１９…コントローラ、２１…撮影光学系、２３…絞り、２６…画像処理エンジン、３１…マイクロレンズモジュール
【図１】
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【図２】
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【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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