(57)【要約】【課題】迷光を低減しつつ高画質で小型かつ低価格な光学的ローパスフィルタ機能を備えた撮像素子及びそれを有する撮像装置を提供する。【解決手段】複数の画素を備え、各画素が、光電変換を行う受光部と、当該受光部の入射光側に配置されて画素に対応する色を分離するカラーフィルタと、当該カラーフィルタの入射光側に配置され、入射光を前記受光部に取り込むために集光機能を有するマイクロレンズとを有する撮像素子であって、前記マイクロレンズは対応する画素及び当該対応する画素に隣接する画素に拡がり、各画素においてマイクロレンズは前記マイクロレンズから受光部へ向かう方向において重なり合わないように配置され、前記撮像素子は、前記マイクロレンズに設けられて迷光を低減する迷光低減手段を更に有することを特徴とする撮像素子を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素を備え、各画素が、光電変換を行う受光部と、当該受光部の入射光側に配置されて画素に対応する色を分離するカラーフィルタと、当該カラーフィルタの入射光側に配置され、入射光を前記受光部に取り込むために集光機能を有するマイクロレンズとを有する撮像素子であって、
前記マイクロレンズは対応する画素及び当該対応する画素に隣接する画素に拡がり、各画素においてマイクロレンズは前記マイクロレンズから受光部へ向かう方向において重なり合わないように配置され、
前記撮像素子は、前記マイクロレンズに設けられて迷光を低減する迷光低減手段を更に有することを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
前記マイクロレンズは複数の輪帯を含み、各輪帯の最大光路長差は前記画素に対応する色に応じた光の一波長に設定された構造を有し、前記迷光低減手段は前記構造であることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記迷光低減手段は、前記マイクロレンズの側面に形成された反射膜であることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の撮像素子を有することを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的ローパスフィルタ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ：ＯＬＰＦ）の機能を有し、撮像レンズの予定結像面に配置される撮像素子及びそれを有する撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ビデオカメラなどの撮像装置の普及に伴って、それに使用される高画質で小型かつ低価格な撮像素子を提供する需要が増加している。高画質の要請を満足するために、撮像素子は、被写体上の高周波パターンと撮像素子の画素との間に発生するモアレや偽色を除去するのにＯＬＰＦを用いている。ＯＬＰＦは、従来は撮影レンズの像面側に設けられた３枚の水晶であった。しかし、最近では、ＯＬＰＦの機能を実現する代替的構造も様々提案されてきている。
【０００３】
例えば、特許文献１は、２次元格子パターンを有する２次元位相格子からなるＯＬＰＦを開示している。また、特許文献２は、撮像素子にマイクロレンズ層、透明樹脂層、凸凹形状の格子形状層を順次設けた位相格子型ＯＬＰＦを開示している。
【０００４】
その他の従来技術としては特許文献３がある。
【特許文献１】特開平７−５３９４号（第２〜４頁、第２〜３図等）
【特許文献２】特開平８−２１１３３６号（第４〜５頁、第１図等）
【特許文献３】特許第３７０２４４５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
水晶からなるＯＬＰＦは、高価であると共に設置スペースを要するために小型化を阻害する。一方、特許文献１のＯＬＰＦは、不要な高次回折光を発生し、ＬＰＦ効果を改善しようとすれば低域側の空間周波数のＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）特性まで落ちて画像の精鋭度が低下する。低域側の空間周波数は、一般には、ナイキスト周波数（Ｎｙｑｕｉｓｔ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ：ＮＦ）の半分以下の周波数範囲をいう。また、絞り開口が小さくなると点像光束はパターンの１ピッチ分の光照射ができなくなり、回折現象によるＬＰＦ効果がなくなるだけでなく、格子パターンの影が画像に写り込むという問題が発生する。また、特許文献２は、回折作用によりＬＰＦ効果を持たせるために低域側の空間周波数のＭＴＦ特性まで落ちて画像の精鋭度が低下する。加えて、格子形状層の具体的構成を開示していないために実用性に欠ける。なお、本出願では、画像の精鋭度が低下した状態は解像感が悪いと呼ぶ場合もある。
【０００６】
このため、本発明者はマイクロレンズにＯＬＰＦ機能を持たせることを検討した。しかし、この場合、マイクロレンズの側面が露出して迷光が発生するおそれがあることを発見した。
【０００７】
そこで、本発明は、迷光を低減しつつ高画質で小型かつ低価格なＯＬＰＦ機能を備えた撮像素子及びそれを有する撮像装置を提供することを例示的目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面としての撮像素子は、複数の画素を備え、各画素が、光電変換を行う受光部と、当該受光部の入射光側に配置されて画素に対応する色を分離するカラーフィルタと、当該カラーフィルタの入射光側に配置され、入射光を前記受光部に取り込むために集光機能を有するマイクロレンズとを有する撮像素子であって、前記マイクロレンズは対応する画素及び当該対応する画素に隣接する画素に拡がり、各画素においてマイクロレンズは前記マイクロレンズから受光部へ向かう方向において重なり合わないように配置され、前記撮像素子は、前記マイクロレンズに設けられて迷光を低減する迷光低減手段を更に有することを特徴とする。
【０００９】
本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、迷光を低減しつつ高画質で小型低価格なＯＬＰＦ機能を備えた撮像素子及びそれを有する撮像装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
まず、デジタルカメラのＭＴＦ特性について説明する。
【００１２】
ＭＴＦ特性は、結像性能を空間周波数（本／ｍｍ）により表記する指標で像の鮮鋭度を表す。ＭＴＦ特性には、撮像レンズのＭＴＦ特性、水晶からなるＯＬＰＦによるＭＴＦ特性、マイクロレンズの開口形状によるＭＴＦ特性、検出された光電変換情報の画像信号処理によるＭＴＦ特性がある。ここで、「マイクロレンズの開口」とは、マイクロレンズにおいて入射光が通過する有効領域である。これら４種類のＭＴＦ特性の積により総ＭＴＦ特性が決定される。なお、以下の説明では、これらの４種類のＭＴＦ特性を順に第１乃至第４のＭＴＦ特性と呼ぶ場合がある。
【００１３】
撮像素子はＮＦによって再現可能な空間周波数の限界が決定される。水平及び垂直方向のＮＦは、画素ピッチ（画素の一辺の寸法）をｐとすると次式で規定される。
【００１４】
【数１】
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【００１５】
ＮＦ以上で総ＭＴＦ特性が大きい値を示すと、実際の像とは異なる画情報になってしまう。特に、単板のカラー撮像素子においては、ＮＦ近傍の像は実際の色とは異なる偽色モアレが生じて撮像性能を劣化させる。このため、第２のＭＴＦ特性は、ＮＦより若干高い周波数でゼロとなるように設定される。
【００１６】
第１及び第４のＭＴＦ特性も偽色対策を採る必要がある。しかし、第１のＭＴＦ特性は、一般に解像感を上げるために十分に高いＭＴＦ特性を持たせており、第４のＭＴＦ特性は像のパターンにより特性が異なる。このため、第２及び第３のＭＴＦ特性の合成ＭＴＦ特性を設定することにより、撮像素子の偽色対策を採るのが一般的である。
【００１７】
第３のＭＴＦ特性は、マイクロレンズの開口幅をＷ、空間周波数をｕとすると次式によって与えられる。
【００１８】
【数２】
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【００１９】
一方、水晶を使用したＯＬＰＦによる正方４点分離型ＯＬＰＦの水平方向のＭＴＦ特性（第２のＭＴＦ特性）は、分離幅をｄ、空間周波数をｕとすると次式で与えられる。なお、分離幅ｄは、水晶を使用したＯＬＰＦを光が通過することによって生じた常光線と異常光線の分離した距離であり、ＯＬＰＦの厚さに比例するものである。
【００２０】
【数３】
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【００２１】
一般的な撮像素子の開口は画素ピッチｐに対して理想的にはｐ×ｐの矩形マイクロレンズ開口になるように設定される。ここで、画素ピッチｐ＝５μｍ、開口矩形形状の一辺を５μｍ（Ｗ＝５μｍ）、正方４点分離型ＯＬＰＦの分離幅ｄをｄ＝５／１．３＝３．８５μｍとする。すると、水平及び垂直方向のＭＴＦ特性とＮＦは図１４に示すようになる。図１４において、横軸は空間周波数（Ｆｒｅｑ）（本／ｍｍ）で、縦軸は１に規格化されたＭＴＦ特性（コントラスト）である。「ＭＴＦｓ」は第３のＭＴＦ特性であり、「ＭＴＦｏ」は第２のＭＦＴ特性（４点分離型ＯＬＰＦ単体のＭＴＦ特性）であり、「４点分離」がこれらの合成の（即ち、これらを積算した）ＭＴＦ特性である。画素ピッチの２倍は１０μｍであるため、ＮＦは１００本／ｍｍである。但し、第３のＭＴＦ特性は、上述したように、マイクロレンズが理想的に水平及び垂直方向において一画素分の長さｐがあると仮定した場合のＭＴＦ特性である。かかるＭＴＦ特性（ＭＴＦｓ）を本出願では一画素開口ＭＴＦ特性と呼ぶ場合がある。同様に、マイクロレンズが理想的に水平及び垂直方向において二画素分の長さｐがあると仮定した場合のＭＴＦ特性を二画素開口ＭＴＦ特性と呼ぶ場合がある。
【００２２】
図１４において、ＮＦでのＭＴＦｓ値は０．６以上と大きく偽色が多く発生する。ＮＦでのＭＴＦ値をゼロとすると偽色を効率よく抑制できるが、低域側の空間周波数のＭＴＦ特性を落とすことになり、画像鮮鋭度が低下する。そのため若干偽色を抑えてＭＴＦ特性を上げる手法が用いられる。
【００２３】
次に、対角方向のＭＴＦ特性について説明する。対角方向のナイキスト周波数ＮＦｄは次式で与えられる。
【００２４】
【数４】
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【００２５】
同様に、画素ピッチｐ＝５μｍ、開口矩形形状の一辺を５μｍ（Ｗ＝５μｍ）、正方４点分離型ＯＬＰＦの分離幅ｄをｄ＝５／１．３＝３．８５μｍとする。すると、対角方向のＭＴＦ特性とＮＦは図１５に示すようになる。図１５において、横軸は空間周波数（Ｆｒｅｑ）（本／ｍｍ）で、縦軸は１に規格化されたＭＴＦ特性（コントラスト）である。「ＭＴＦｓｄ」は、第３のＭＴＦ特性であり、「ＭＴＦｏｄ」は第２のＭＦＴ特性（４点分離型ＯＬＰＦ単体のＭＴＦ特性）であり、「４点分離ｄ」がこれらの合成の（即ち、これらを積算した）ＭＴＦ特性である。ＮＦｄは約１４０本／ｍｍである。
【００２６】
理想的に矩形のマイクロレンズを対角方向から見ると菱形の開口形状となり、ＭＴＦがゼロとなるトラップポイントの周波数値が図１４に示すＭＴＦｓのそれよりも増加している。このため、図１５に示すＮＦが１４０付近となり、図１４に示すＮＦよりも増加しているにも拘らず偽色は多く発生する。ＭＴＦｏｄは、対角方向では中央に２倍、左右に１倍の像分離強度になるため、図１４のＭＴＦｏの形とは異なる。
【００２７】
図１６に理想的にマイクロレンズが単一画素に拡がったと仮定した場合の水平方向と対角方向での開口形状を示す。ＭＴＦｓｄは次式で与えられる。
【００２８】
【数５】
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【００２９】
また、図１７に４点分離の水平方向と対角方向での光強度分布を示す。
【００３０】
次に、本実施例のマイクロレンズの開口を変化させた時のＭＴＦ特性について説明する。図１８は、各画素がｐ×ｐの正方形形状を有する場合に、マイクロレンズが、対角長さが２ｐとなる菱形の開口形状を有する場合を示したものである。この開口形状での水平方向のＭＴＦ特性を「ＭＴＦ水平」として図１９（ａ）に、対角方向のＭＴＦ特性を「ＭＴＦ対角」として図１９（ｂ）に示し、それぞれ従来のＭＴＦｓ、ＭＴＦｓｄと対比させている。
【００３１】
偽色を抑制して高画質の要請を満足するためには、水平方向では、ＮＦにおけるＭＴＦ値が０．５以下であることが好ましい。また、対角方向では、ＮＦにおけるＭＴＦ値ができるだけ０に近く、低域側の空間周波数のＭＴＦ値が０．７以上であることが好ましい。図１９（ａ）及び図１９（ｂ）におけるＭＴＦ水平とＭＴＦ対角はこれらの要件を満足している。このように、水平方向のＮＦにおけるＭＴＦ値が対角方向のそれよりも高くてもよい。これは、水平方向の偽色は画像処理で目立たなくすることができるのに対して、対角方向ではこれが難しいからである。従って、対角方向での偽色抑制効果を高めている図１９（ｂ）は好ましい。
【００３２】
もっとも、本発明は、必ずしも対角方向が０になることを要求するものではない。即ち、各画素の一辺に平行な水平又は垂直方向における当該画素に対応した第２のＭＴＦ特性が、一画素開口ＭＴＦ特性より低く、かつ、二画素開口ＭＴＦ特性よりも高ければ足りる。
【００３３】
本発明者は、図１９（ａ）及び図１９（ｂ）に示すＭＴＦ特性が得られるように、マイクロレンズの形状を調節すればＯＬＰＦの機能を撮像素子に内蔵することができることを発見した。この場合、従来のＯＬＰＦ又はその代替的構造を使用しなくても、マイクロレンズの開口形状を調節することによって偽色を抑制することができる。また、ＭＴＦ特性をある程度任意に設定できるため、解像度と偽色抑制効果とのバランスを取った構成を撮像素子に一体的に形成することができる。
【００３４】
具体的には、図２０に示す構成によりＯＬＰＦ機能を内蔵した撮像素子１０Ｐを実現することができる。ここで、図２０（ａ）は画素毎のマイクロレンズ２９の開口形状を上面から見たもので、図２０（ｂ）は図２０（ａ）に示す矢印から見た撮像素子１０Ｐの概略断面図である。撮像素子１０Ｐは、光電変換を行うＳｉ受光部１上に、Ａｌ配線２及び３を含み、ＳｉＯ２からなる層間絶縁膜４、ＳｉＮからなる保護膜５、平坦化膜６、ベイヤ配列のカラーフィルタ７（７Ｂ、７Ｇなど）、平坦化膜８を順次積層する。そして、平坦化膜８の上には、開口が隣接画素に延びるマイクロレンズ２９が配置されている。
【００３５】
図２０（ａ）に示すＧ、Ｂ、Ｒはカラーフィルタ７に対応した画素であり、９Ｇ、９Ｂ、９Ｒはカラーフィルタ７Ｇ、７Ｂなどに対応したマイクロレンズ９で全て同一の光透過材料により形成されている。２０は不図示の撮像光学系から入射される光線である。マイクロレンズ９は入射光２０を受光部１６に取り込むために集光機能を有する。
【００３６】
図２１（ａ）は１画素に対応したマイクロレンズ２９の斜視図であり、図２１（ｂ）は４×４画素のマイクロレンズ群の斜視図である。図２１（ｂ）に示すように、マイクロレンズ群の表面は凹凸があり、部分的にマイクロレンズの側面が露出する。このため、その側面に入射した入射光が迷光（フレア）となったり、光取込み効率を下がったりする場合がある。
【００３７】
かかる様子を図２２（ａ）及び図２２（ｂ）を参照して説明する。図２２（ａ）上側と図２２（ｂ）上側はマイクロレンズ２９の斜視図であり、図２２（ａ）下側と図２２（ｂ）下側は画素（又はカラーフィルタの有効領域）の概略斜視図である。
【００３８】
図２２（ａ）上側に示すように、入射光２０がマイクロレンズ２９の上面に入射すると図２２（ａ）下側に示すように、対応する画素の有効領域に到達する。しかし、図２２（ｂ）上側に示すように、入射光２０がマイクロレンズ２９の側面に入射すると図２２(ｂ)下側に示すように、対応する画素の有効領域に到達せずに複数反射の結果、迷光となる。図２３（ｂ）にもその様子を概略的に示す。図２３（ｂ）において、実線は入射光２０がマイクロレンズ２９の上面に入射した状態を示している。また、点線は入射光２０がマイクロレンズ２９の上面に入射して迷光となる状態を示している。
【００３９】
そこで、本実施例の撮像素子１０は、マイクロレンズに設けられて迷光を低減又は除去する迷光低減手段を更に有することを特徴としている。以下、本実施例のＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｉｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）タイプの撮像素子１０について説明する。撮像素子１０は、図１には省略されている撮像レンズの予定結像面に配置される。図１（ａ）は画素毎のマイクロレンズ９の開口形状を上面から見たもので、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す矢印から見た撮像素子１０の概略断面図である。
【００４０】
撮像素子１０は、光電変換を行うＳｉ受光部１上に、Ａｌ配線２及び３を含み、ＳｉＯ２からなる層間絶縁膜４、ＳｉＮからなる保護膜５、平坦化膜６、ベイヤ配列のカラーフィルタ７（７Ｂ、７Ｇなど）、平坦化膜８を順次積層する。そして、平坦化膜８の上には、開口が隣接画素に延びるマイクロレンズ９が配置されている。
【００４１】
図１（ａ）に示すＧ、Ｂ、Ｒはカラーフィルタ７に対応した画素であり、９Ｇ、９Ｂ、９Ｒはカラーフィルタ７Ｇ、７Ｂなどに対応したマイクロレンズ９で全て同一の光透過材料により形成されている。２０は不図示の撮像光学系から入射される光線である。マイクロレンズ９は入射光２０を受光部１６に取り込むために集光機能を有する。
【００４２】
図２（ａ）は１画素に対応したマイクロレンズ９の斜視図であり、図２（ｂ）は４×４画素のマイクロレンズ群の斜視図である。図３は画素毎のカラーフィルタ７Ｇ、７Ｂ、７Ｒの平面図であり、図４は１画素に対応するカラーフィルタ７とマイクロレンズ９の平面図である。
【００４３】
図４に示すように、マイクロレンズ９Ｇは、矩形画素を超えて延びている。そして、図１（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、マイクロレンズ９は対応する画素及び当該対応する画素に隣接する画素に拡がっている。各画素においてマイクロレンズは前記マイクロレンズから受光部へ向かう方向、即ち、図１（ａ）に示す紙面に垂直な方向、において重なり合わないように配置されている。
【００４４】
マイクロレンズ９は所謂フレネル形状を有する。このため、側面の高さが低く迷光の低減や透過率の向上を図ることができる。フレネルレンズは、複数の輪帯を含み、各輪帯の最大光路長差は前記画素に対応する色に応じた光の一波長に設定された構造を有する。かかる構造は迷光低減手段として機能する。また、かかる構造を有するレンズは、フレネルレンズだけでなくキノフォーム、後述する構造の屈折率分布型も含む。
【００４５】
入射光２０が各画素に対応するマイクロレンズ９の開口を透過すると、図３及び図４に示すように対応するカラーフィルタ７を介して対応するＳｉ受光部１に導かれる。各画素の実質的な開口は、図４に示すマイクロレンズ９形状の開口とほぼ一致する。ここで、図４で示すマイクロレンズ９の開口面積は、単一画素面積と等しく開口率１となり、光の利用効率も高い。即ち、図１（ａ）に示すように、マイクロレンズとマイクロレンズとの間には隙間がない。但し、開口率は１でなくても０．８以上であれば光の利用効率が十分高い。
【００４６】
図４に示すように、マイクロレンズ９は、それぞれ、４つの点対称に配置された同一形状のマイクロレンズ要素９ａから構成される。隣接するマイクロレンズ要素９ａは滑らかではなく、各マイクロレンズ要素９ａの側面が部分的に露出する。
【００４７】
以下、本実施例の撮像素子１０のＭＴＦ特性について説明する。
【００４８】
図５（ａ）は元のマイクロレンズ９の形状、図５（ｂ）は水平方向の第２のＭＴＦ特性を算出するために図５（ａ）に示す形状を並べ替えたものである。水平方向の第２のＭＴＦ特性を算出する場合には、数式２におけるＷは、図５（ｂ）に示すマイクロレンズ９の水平方向（横方向）の長さとなる。水平方向の第２のＭＴＦ特性は数式２で規定される割合で与えられるため、図５（ｂ）に示す形状は図１８に示す菱形開口と等価である。
【００４９】
図５（ｃ）は対角方向の第２のＭＴＦ特性を算出するために図５（ａ）に示す形状を並べ替えたものである。対角方向の第２のＭＴＦ特性を算出する場合の数式２におけるＷは、図５（ｃ）に示すマイクロレンズ９の対角方向（斜め方向）の長さとなる。
【００５０】
画素ピッチは５μｍとしている。図６（ａ）は、図５（ｂ）の形状と数式２を利用して算出した水平方向の第２のＭＴＦ特性である。図６（ｂ）は、図５（ｃ）の形状と数式５を利用して算出した対角方向の第２のＭＴＦ特性である。それぞれ前述した４点分離方式及び一画素開口ＭＴＦ特性（ＭＴＦｓ）と比較されている。
【００５１】
図６（ａ）から、図２１（ａ）と同様に、ＮＦにおけるＭＴＦ水平の値は０．４であり、一画素開口ＭＴＦ特性の０．６４よりは改善しているが４点分離の０．２４よりは劣る。但し、低域側の空間周波数の鮮鋭度は４点分離よりも高い。図６（ｂ）から、図２１（ｂ）と同様に、ＮＦにおけるＭＴＦ対角の値が０であり、ＭＴＦｓの０．４と４点分離の０．０５のいずれに対しても優れ、偽色抑制効果は高い。また、低域側の鮮鋭度は４点分離よりも高い。従って、上述の高画質の要請を満足する。更には、マイクロレンズ９はＯＬＰＦ機能を奏するので、多機能化により小型化と低価格化の両方を達成することができる。
【００５２】
次に、マイクロレンズ９の製造方法について説明する。
【００５３】
従来のマイクロレンズは、フォトリソグラフィ工程でマイクロレンズの開口形状と相似のレジストパターンを形成し、その後、熱溶融させることにより球面のマイクロレンズを形成する。マイクロレンズ９には、このような従来の製造方法は適用することができない。そのためグレイトーンマスクを利用したフォトリソグラフィにより、露光箇所でレジスト除去深さが異ならせるプロセスを適用する。
【００５４】
図７にマイクロレンズ９のアウトラインを、図８にグレイトーンマスク３０の一例を示す。図７では元々の設計形状に対し段々形状となっているが、グレイトーンマスク３０の単一パターンピッチを細かくすることによって、設計形状との誤差が減り、実質的な差を無くすことができる。図９はグレイトーンマスク３０の単一パターン内での開口率とレジスト除去深さとの関係を示すグラフである。露光装置とレジスト材料に対して事前にこのような関係データを取得することにより、マイクロレンズ設計形状をグレイトーンマスク３０のパターンにデータ変換することができる。
【００５５】
以上の方法により、任意のマイクロレンズ開口形状と面曲率を形成することができる。このように、マイクロレンズ９は、従来の製造方法のマスクパターンを変更することによって製造することができ、従来とほぼ同等のコストで、ＯＬＰＦ機能が内蔵されたマイクロレンズ９を得ることができる。独立の部材としてのＯＬＰＦが不要となるため、低価格化と小型化を図ることが可能となる。
【００５６】
フレネルレンズの折り返し位相差高さは、光の一波長と同じにした時に最も透過効率が良くなる。そこで、各カラーフィルタ７に応じてフレネルレンズの折り返し位相差高さが代わるように開口率のパターンを変更すれば、Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれでのマイクロレンズ９の透過効率及び集光効率を最適化することが可能となる。
【００５７】
マイクロレンズ９は、複数の輪帯を含み、各輪帯の最大光路長差は前記画素に対応する色に応じた光の一波長に設定された構造を有する限り、一般的なフレネルレンズの形状に限定されない。マイクロレンズ９に適用可能な他の形状を図１０（ａ）乃至図１０（ｃ）を参照して説明する。
【００５８】
図１０（ａ）は、特許文献３に開示されているサブ波長構造の屈折率分布型のフレネル形状である。図中、３１は屈折率ｎの部材で、３２は空気層である。単位サイズは光の波長以下に構成する。このような構造をサブ波長構造（Ｓｕｂ  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）と称し、部材に対する空気層の開口率をＢとすると、単位サイズの実質屈折率ｎｒは次式で与えられる。
【００５９】
【数６】
2008166436.tif 000008
【００６０】
部材の高さをｈとすると、開口率Ｂ（０〜１）の差がΔＢのときの波面差ΔＬは次式で与えられる。
【００６１】
【数７】
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【００６２】
図１０（ａ）は、開口率開口率が徐々に変えた場合の構成を模式化したもので、膜高さは同一になる。このため、マイクロレンズの側面が露出することはなくなる。数式６により実質屈折率ｎｒが異なるため、図１０（ａ）に示す構成は図１０（ｂ）に示す構造体と等価になる。そして、個々の単位サイズは光の波長以下となっているため、実質的に図１０（ｃ）に示すプリズム構造体と等価な挙動を示すことになる。
【００６３】
図１１（ａ）乃至図１１（ｃ）は、図１０（ａ）乃至図１０（ｃ）に示す構成を空気換算光路長差が１波長であるフレネルレンズ構成である。ここで、部材３１の屈折率ｎ＝１．５４、開口率差ΔＢ＝０．６とすると、波長０．５５μｍにおけるフレネルレンズ条件は、ΔＬ＝０．５５μｍとなる。よって数式７により、次式が成立する。
【００６４】
【数８】
2008166436.tif 000010
【００６５】
数式８から、高さｈは約１．７μｍとなる。
【００６６】
図１２は、図１１（ａ）乃至図１１（ｃ）で説明した原理により実現した、図５(ａ)に対応する１画素分のマイクロレンズ１９の平面図である。図１３（ａ）は画素毎のマイクロレンズ１９の開口形状を上面から見たもので、図１３（ｂ）は図１３（ａ）に示す矢印から見た撮像素子１０Ａの概略断面図である。撮像素子１０Ａは撮像素子１０とマイクロレンズ１９を除いて同じであるので詳しい説明は省略する。
【００６７】
マイクロレンズ１９は空気孔を除いては平坦な表面をしている。従って、オーバーラップされたマイクロレンズ境界線上においても、壁の高さは同一であり、斜入射による迷光や透過率の低下などの減少を抑えることができる。
【００６８】
マイクロレンズ９と同様に、フレネルレンズの折り返し位相差高さは、光の一波長と同じにした時に最も透過効率が良くなる。そこで、各カラーフィルタに応じてフレネルレンズの折り返し位相差高さが代わるように開口率のパターンを変更すれば、Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれでのマイクロレンズの透過効率及び集光効率を最適化することが可能となる。マイクロレンズ１９の製造方法については、マイクロレンズ９のグレイトーンマスクとほぼ同様のマスクを用意する。但し、マイクロレンズ９とは異なり、マイクロレンズ１９ではレジスト表面高さを変えることなく、非常に小さな開口形状を形成する必要があるために、アスペクト比が大きく取れる露光装置とレジスト材を選定する。
【００６９】
迷光低減手段は、マイクロレンズの側面に形成された反射膜１１として構成されてもよい。この場合、マイクロレンズ９の側面に反射膜１１を有してもよいし、マイクロレンズ２９の側面に反射膜１１を使用してもよい。反射膜１１をマイクロレンズ２９の側面に形成した場合の例を図２３（ａ）に示す。点線で示す側面に入射する入射光２０が隣接するマイクロレンズに入射するので光利用効率の低下を防止することができる。反射膜１１は、例えば、アルミニウムなどの金属膜であり、蒸着により作成することができるが、本発明は反射膜１１の材料や作成方法を限定するものではない。
【００７０】
図２４は、撮像素子１０を有するデジタルカメラ１００のブロック図である。上述のように、撮像素子１０は、反射膜１１を有する撮像素子１０、撮像素子１０Ａ、反射膜１１を有する撮像素子１０Ｐに置換されてもよい。
【００７１】
撮影レンズ５２の手前にはシャッター５１があり、露出を制御する。絞り５３により必要に応じ光量を制御し、撮像素子１０に結像させる。撮像素子１０から出力された信号は信号処理回路５４で処理され、Ａ／Ｄ変換器５５によりアナログ信号からディジタル信号に変換される。出力されるディジタル信号はさらに信号処理部５６で演算処理される。処理されたディジタル信号はメモリ５９に蓄えられたり、外部Ｉ／Ｆ６２を通して外部の機器に送られたりする。
【００７２】
撮像装置１０、撮像信号処理回路５４、Ａ／Ｄ変換器５５、信号処理部５６はタイミング発生部５７により制御される他、システム全体は全体制御部・演算部５８で制御される。記録媒体６１に画像を記録するために、出力ディジタル信号は全体制御部・演算部で制御される記録媒体制御Ｉ／Ｆ部６０を通して、記録される。
【００７３】
デジタルカメラ１００は、撮像素子１０によって高画質、小型低価格を達成することができる。
【００７４】
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】図１（ａ）は、本発明の実施例１のマイクロレンズの平面図である。図１（ｂ）は、図１に示すマイクロレンズを有する本発明の一側面としての撮像素子の概略断面図である。
【図２】図２（ａ）は、図１（ａ）に示す１画素に対応するマイクロレンズの斜視図である。図２（ｂ）は、図１（ａ）に示す４×４画素に対応するマイクロレンズ群の斜視図である。
【図３】図１（ａ）に示すマイクロレンズに対応した画素毎のカラーフィルタの平面図である。
【図４】１画素に対応するカラーフィルタとマイクロレンズの平面図である。
【図５】図５（ａ）は、図１（ａ）に示す１画素に対応するマイクロレンズの形状である。図５（ｂ）は、水平方向のＭＴＦ特性を算出するために図５（ａ）に示す形状を並べ替えたものである。図５（ｃ）は、対角方向のＭＴＦ特性を算出するために図５（ｂ）に示す形状を並べ替えたものである。
【図６】図６（ａ）は、図５（ｂ）の形状を利用して算出した水平方向のＭＴＦ特性である。図６（ｂ）は、図５（ｃ）の形状を利用して算出した対角方向のＭＴＦ特性である。
【図７】マイクロレンズのアウトラインを示す平面図である。
【図８】マイクロレンズの製造に使用されるグレイトーンマスクの一例を示す平面図である。
【図９】図８に示すグレイトーンマスク内での開口率とレジスト除去深さとの関係を示すグラフである
【図１０】図１０（ａ）乃至図１０（ｃ）は、実施例２のマイクロレンズの形状を示す断面図である。
【図１１】図１１（ａ）乃至図１１（ｃ）は、図１０（ａ）乃至図１０（ｃ）に示す構成を空気換算光路長差が１波長であるフレネルレンズ構成である。
【図１２】図１１（ａ）乃至図１１（ｃ）で説明した原理により実現した１画素分のマイクロレンズの平面図である。
【図１３】図１３（ａ）は画素毎の図１２に示すマイクロレンズの開口形状の平面図である。図１３（ｂ）は図１３（ａ）に示す矢印から見た撮像素子の概略断面図である。
【図１４】従来の水晶からなるローパスフィルタとマイクロレンズの水平方向のＭＴＦ特性を示すグラフである。
【図１５】従来の水晶からなるローパスフィルタとマイクロレンズの対角方向のＭＴＦ特性を示すグラフである。
【図１６】理想的に従来のマイクロレンズが１画素に拡がったと仮定した場合の水平方向と対角方向での開口形状である。
【図１７】従来の４点分離の水平方向と対角方向での光強度分布を示す図である。
【図１８】各画素がｐ×ｐの正方形形状を有する場合に、マイクロレンズが、対角長さが２ｐとなる菱形の開口形状を有する場合を示した図である。
【図１９】図１９（ａ）は、図１８に示すマイクロレンズの水平方向のＭＴＦ特性を示すグラフである。図１９（ｂ）は、図１８に示すマイクロレンズの対角方向のＭＴＦ特性を示すグラフである。
【図２０】図２０（ａ）は、マイクロレンズの平面図である。図２０（ｂ）は、図２０（ａ）に示す矢印から見た撮像素子の概略断面図である。
【図２１】図２１（ａ）は、図２０（ａ）に示す１画素に対応するマイクロレンズの斜視図である。図２１（ｂ）は、図２１（ａ）に示す４×４画素に対応するマイクロレンズ群の斜視図である。
【図２２】図２２（ａ）及び図２２（ｂ）は、図２０（ａ）に示すマイクロレンズの問題点を説明するための斜視図である。
【図２３】図２３（ａ）は、実施例３の迷光低減手段としての反射膜の効果を説明するための概略断面図である。図２３（ｂ）は、図２２(ｂ)に示す問題点を更に説明するための概略断面図である。
【図２４】図１（ｂ）に示す撮像素子を有するデジタルカメラのブロック図である。
【符号の説明】
【００７６】
１                          受光部
７                          カラーフィルタ
９、１９                    マイクロレンズ
１０、１０Ａ                撮像素子
１１                        反射膜
１００                      デジタルカメラ（撮像装置）
【図１８】
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【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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