(57)【要約】  【課題】  微小レンズからの光がけられることなく光電変換素子に入射することができ、その結果、高画質画像を得ることができる撮像装置を提供する。  【解決手段】  第１平面内に配置された多数の画素１１を備える固体撮像素子１０、及び第２平面内に配置された複数の微小レンズ２１を備える微小レンズアレイ２０を有し、１つの微小レンズ２１に対して複数の画素１１が対応し、各微小レンズ２１が対応する複数の画素１１に被写体像を結像する。各画素１１の光電変換部分１２に入射可能な光線の最大入射角をθ、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が配置された領域の外接円の直径をＬとしたとき、微小レンズ２１に対応する複数の画素１１のうち、その微小レンズの光軸２１ａに対して最も遠い位置にある画素について、ａｒｃｔａｎ（Ｌ／ｆ）≦θを満足する。【選択図】  図２
2005142668.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を備える固体撮像素子、及び第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撮像装置であって、
１つの前記微小レンズに対して複数の前記画素が対応し、それぞれの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し、
前記各画素の光電変換部分に入射可能な光線の最大入射角をθ、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としたとき、前記微小レンズに対応する複数の前記画素のうち、その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撮像装置。
ａｒｃｔａｎ（Ｌ／ｆ）≦θ      ・・・（１）
【請求項２】
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撮像装置であって、
１つの前記微小レンズに対して複数の前記画素が対応し、それぞれの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し、
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としたとき、前記微小レンズに対応する複数の前記画素のうち、その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（２）を満足することを特徴とする撮像装置。
ａｒｃｔａｎ（Ｌ／ｆ）≦ａｒｃｓｉｎ  ＮＡ      ・・・（２）
【請求項３】
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撮像装置であって、
少なくとも一つ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に対して位置ずれしており、
１つの前記微小レンズに対して複数の前記画素が対応し、それぞれの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し、
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、前記微小レンズに対応する複数の前記画素のうち、その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（３）を満足することを特徴とする撮像装置。
ａｒｃｔａｎ（Ｌ／ｆ）−φ≦ａｒｃｓｉｎ  ＮＡ      ・・・（３）
【請求項４】
１つの前記微小レンズに対応する複数の前記画素からの各出力信号が、前記微小レンズの光軸からの前記各画素の距離に応じて予め設定された補正係数により補正される請求項１〜３のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項５】
前記固体撮像素子がＣＣＤである請求項１〜３のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項６】
前記固体撮像素子がＣＭＯＳである請求項１〜３のいずれかに記載の撮像装置。
【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。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、微小レンズからの光がけられることなく光電変換素子に入射することができ、その結果、高画質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、本発明の第１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を備える固体撮像素子、及び第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。ここで、１つの前記微小レンズに対して複数の前記画素が対応し、それぞれの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。前記各画素の光電変換部分に入射可能な光線の最大入射角をθ、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としたとき、前記微小レンズに対応する複数の前記画素のうち、その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。
【００１１】
ａｒｃｔａｎ（Ｌ／ｆ）≦θ      ・・・（１）
本発明の第２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。ここで、１つの前記微小レンズに対して複数の前記画素が対応し、それぞれの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。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としたとき、前記微小レンズに対応する複数の前記画素のうち、その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（２）を満足する。
【００１２】
ａｒｃｔａｎ（Ｌ／ｆ）≦ａｒｃｓｉｎ  ＮＡ      ・・・（２）
本発明の第３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。ここで、少なくとも一つ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に対して位置ずれしている。１つの前記微小レンズに対して複数の前記画素が対応し、それぞれの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。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、前記微小レンズに対応する複数の前記画素のうち、その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（３）を満足する。
【００１３】
ａｒｃｔａｎ（Ｌ／ｆ）−φ≦ａｒｃｓｉｎ  ＮＡ      ・・・（３）
【発明の効果】
【００１４】
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規制され、光束がけられることがない。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、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】
【００１５】
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。
【００１６】
ところが、本発明の上記の第１〜第３の撮像装置によれば、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。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、高画質画像を得ることができる。
【００１７】
上記の本発明の第１〜第３の撮像装置において、１つの前記微小レンズに対応する複数の前記画素からの各出力信号が、前記微小レンズの光軸からの前記各画素の距離に応じて予め設定された補正係数により補正されることが好ましい。これにより、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。
【００１８】
上記の本発明の第１〜第３の撮像装置において、前記固体撮像素子として、ＣＣＤを用いることができる。あるいは、ＣＭＯＳを用いることもできる。
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の撮像装置の概略構成を示した斜視図である。図１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。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。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とが、１つの結像ユニット４０を構成する。
【００２１】
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。
【００２２】
図２は、本実施の形態の撮像装置の１つの結像ユニット４０の、微小レンズ２１の光軸２１ａを含む面での断面図である。図２では隔壁層３０は省略している。画素１１は、光軸２１ａに対してほぼ軸対称に配置される。
【００２３】
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２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。
【００２４】
図３は、受光部１２近傍の拡大断面図である。図３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。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≦θである必要がある。
【００２５】
図２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。
【００２６】
従って、
ａｒｃｔａｎ（Ｌ／ｆ）≦θ      ・・・（１）
を満足する必要がある。
【００２７】
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から受光部１２に入射する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。
【００２８】
なお、上記において、光軸２１ａは上記外接円の中心をほぼ通過し、この外接円の直径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、本実施の形態では、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。
【００２９】
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４（Ａ）及び図４（Ｂ）を用いて説明する。
【００３０】
図４（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）。
【００３１】
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４（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）。
【００３２】
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。
【００３３】
本実施の形態によれば、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。
【００３４】
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。本実施の形態の撮像装置は、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。
【００３５】
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。
【００３６】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２の撮像装置を、実施の形態１との相違点を中心に説明する。
【００３７】
図５は、本実施の形態の撮像装置の１つの結像ユニット４０の、微小レンズ２１の光軸２１ａを含む面での断面図である。本実施の形態では、固体撮像素子１０の受光部１２の入射側に、受光部１２と一対一に対応して画素レンズ１３が設けられている点で実施の形態１と異なる。実施の形態１と同一機能を有する要素には同一の符号を付してそれらについての説明を省略する。
【００３８】
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の配置ピッチと受光部１２の配置ピッチとは同一であり、画素レンズ１３の光軸は、対応する受光部１２のほぼ中心を通る。光軸２１ａに沿って見た固体撮像素子１０の面において受光部１２の占める面積はその一部に過ぎない。従って、画素レンズ１３を有しない実施の形態１の固体撮像素子１０では、微小レンズ２１からの光束は、その一部が受光部１２に入射し、残りは受光部１２に入射せずに反射し、これが光量ロスとなる。本実施の形態のように、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。
【００３９】
図６は、受光部１２近傍の拡大断面図である。画素レンズ１３を設けた場合であっても、実施の形態１の場合と同様に、受光部１２に入射可能な光線の最大入射角θが存在する。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。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≦θである必要がある。
【００４０】
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５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。
【００４１】
従って、
ａｒｃｔａｎ（Ｌ／ｆ）≦ａｒｃｓｉｎ  ＮＡ      ・・・（２）
を満足する必要がある。
【００４２】
光軸２１ａから最も遠い画素１１の受光部１２について上記式（２）を満足するとき、実施の形態１と同様に、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の構造物によってほとんどけられることなく入射する。
【００４３】
画素レンズ１３がその製造プロセス上の理由により完全な球面レンズでないことが多いため、上述したθ＝ａｒｃｓｉｎ  ＮＡの関係が成立しない場合も存在する。しかしながら、そのような場合であっても、上記式（２）を満足することにより光量損失を抑制することが可能である。
【００４４】
固体撮像素子１０からの出力信号に基づいて画像を得る方法は実施の形態１と同様である。本実施の形態によれば、実施の形態１の場合と同様に、高画質画像を得ることができる。
【００４５】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３の撮像装置を、実施の形態１、２との相違点を中心に説明する。
【００４６】
図７は、本実施の形態の撮像装置の１つの結像ユニット４０の、微小レンズ２１の光軸２１ａを含む面での断面図である。本実施の形態では、実施の形態２と同様に、固体撮像素子１０の受光部１２の入射側に、受光部１２と一対一に対応して画素レンズ１４が設けられている。但し、本実施の形態は、少なくとも一つの画素レンズ１４の光軸は、対応する受光部１２の中心に対して位置ずれしている点で、全ての画素レンズ１３の光軸が、対応する受光部１２の中心を通る実施の形態２と異なる。画素レンズ１４の光軸の受光部１２の中心に対するずれ量は、固体撮像素子１０に含まれる全ての画素レンズ１４について同一である必要はない。例えば、画素レンズ１４の光軸の受光部１２の中心に対するずれ量が、固体撮像素子１０の受光領域の中央においてほぼゼロであり、これより周辺にいくに従って徐々に増加していても良い。実施の形態１、２と同一機能を有する要素には同一の符号を付してそれらについての説明を省略する。
【００４７】
画素レンズ１４は、実施の形態２の画素レンズ１３と同様に、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。
【００４８】
図８は、受光部１２近傍の拡大断面図である。本実施の形態では、画素レンズ１４が受光部１２に対して位置ずれしているので、画素レンズ１４の入射側の頂点とこの画素レンズ１４に対応する受光部１２の中心とを結ぶ直線１４ａ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。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。φは直線１４ａ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。
【００４９】
実施の形態２で説明したのと同様に、画素レンズ１３の開口数をＮＡとすると、角度θはＮＡに依存し、θ＝ａｒｃｓｉｎ  ＮＡがほぼ成立する。また、図７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。
【００５０】
従って、
ａｒｃｔａｎ（Ｌ／ｆ）−φ≦ａｒｃｓｉｎ  ＮＡ      ・・・（３）
を満足する必要がある。
【００５１】
光軸２１ａから最も遠い画素１１の受光部１２について上記式（３）を満足するとき、実施の形態１、２と同様に、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の構造物によってほとんどけられることなく入射する。
【００５２】
画素レンズ１４がその製造プロセス上の理由により完全な球面レンズでないことが多いため、上述したθ＝ａｒｃｓｉｎ  ＮＡの関係が成立しない場合も存在する。しかしながら、そのような場合であっても、上記式（３）を満足することにより光量損失を抑制することが可能である。
【００５３】
固体撮像素子１０からの出力信号に基づいて画像を得る方法は実施の形態１と同様である。本実施の形態によれば、実施の形態１，２の場合と同様に、高画質画像を得ることができる。
【００５４】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４の撮像装置を、実施の形態１〜３との相違点を中心に説明する。
【００５５】
図９は、本実施の形態の撮像装置の１つの結像ユニット４０の、微小レンズ２１の光軸２１ａを含む面での断面図である。本実施の形態では、実施の形態２と同様に、固体撮像素子１０の受光部１２の入射側に、受光部１２と一対一に対応して画素レンズ（第１画素レンズ）１３が設けられている。但し、実施の形態２とは異なり、本実施の形態では、画素レンズ１３と受光部１２との間に、更に第２画素レンズ（層内レンズ）１５が設けられている。第１画素レンズ１３の光軸と第２画素レンズ１５の光軸とは一致する。実施の形態１〜３と同一機能を有する要素には同一の符号を付してそれらについての説明を省略する。
【００５６】
第２画素レンズ１５は、第１画素レンズ１３と同様に、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。従って、画素レンズ１３に加えて第２画素レンズ１５を有する本実施の形態では、受光部１２に入射可能な光線の最大入射角θは、第２画素レンズ１５を有しない実施の形態２に比べて拡大する。
【００５７】
この場合においても、第１画素レンズ１３と第２画素レンズ１５とからなる光学系の開孔数をＮＡとして、結像ユニット４０内において光軸２１ａから最も遠い画素１１の受光部１２について実施の形態２で説明した式（２）を満足することが好ましい。これにより、実施の形態２で説明したのと同様に、高画質画像を得ることができる。
【００５８】
なお、図９では、実施の形態２で説明した図５の光学系に第２画素レンズ１５を追加した場合を説明したが、実施の形態３で説明した図７の光学系に、同様に第２画素レンズ１５を追加することもできる。このとき、第２画素レンズ１５の光軸は、画素レンズ１４の光軸とほぼ一致させる。この場合にも、画素レンズ１４と第２画素レンズ１５とからなる光学系の開孔数をＮＡとして、結像ユニット４０内において光軸２１ａから最も遠い画素１１の受光部１２について実施の形態３で説明した式（３）を満足することが好ましい。これにより、実施の形態３で説明したのと同様に、高画質画像を得ることができる。
【００５９】
（実施の形態５）
実施の形態１〜４において説明した式（１）〜式（３）は、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の差を小さくすることにより、画像品質を向上させることを意図している。これに対して、本実施の形態では、一つの結像ユニット４０内における受光部１２の位置に起因する信号強度の差を小さくすることにより、画像品質を向上させる手法を説明する。
【００６０】
被写体が無模様の均一な明るさの平面である場合、一つの結像ユニット４０に含まれる受光部１２に入射する光束の光量は、一般に、微小レンズ２１の光軸２１ａの近傍の受光部ほど大きく、光軸から遠い受光部ほど小さくなる。従って、図４（Ｂ）で示した位置（ｉ，ｋ）(m,n)にある受光部１２からの信号Ｉ（ｉ，ｋ）(m,n)の強度は、微小レンズ２１の光軸２１ａの近傍の受光部からのものほど大きく、光軸から遠い受光部からのものほど小さくなる。このように画面の周辺部では信号強度が小さいために、画面周辺部でのコントラストが低下し、再構築される画像の解像度が低下したり、画像の再構築が困難となったりする。このような信号強度の不均一は、上述した式（１）〜式（３）では解消することができない。
【００６１】
本実施の形態における信号処理を図１０により説明する。図４（Ａ）と同一の構成要素には同一の符号を付してそれらについての説明を省略する。
【００６２】
図４（Ａ）で説明したのと同様に、信号Ｉ（ｘ，ｙ）を読み出し（ステップ１０１）、結像ユニット４０ごとに画像を再構成（ステップ１０３）した後、本実施の形態では、結像ユニット４０ごとの画像を構成する信号Ｉ（ｉ，ｋ）(m,n)に対して補正処理を行う。
【００６３】
補正処理に先立って、結像ユニット４０内の全ての受光部１２について、その位置（ｉ，ｋ）(m,n)に対応した補正係数Ａ（ｉ，ｋ）を予め設定し、メモリなどに記憶しておく。この補正係数テーブルは、無模様で均一な明るさの被写体を撮影したとき、結像ユニット４０内の各受光部１２に入射する光量バラツキを解消するためのものである。例えば、微小レンズ２１の光軸２１ａに最も近い受光部１２の補正係数を１とし、光軸２１ａより遠い受光部１２ほど補正係数を徐々に大きく設定することができる。あるいは、光軸２１ａから最も遠い受光部１２の補正係数を１とし、これより光軸２１ａに近い受光部１２ほど補正係数を徐々に小さな値（但し、補正係数は０より大きい）に設定することができる。
【００６４】
そして、位置（ｉ，ｋ）(m,n)の信号Ｉ（ｉ，ｋ）(m,n)に対して、補正係数テーブルの補正係数Ａ（ｉ，ｋ）を順に乗じて、補正後のＩ’（ｉ，ｋ）(m,n)を得る（ステップ１０４）。
【００６５】
その後、この補正後のＩ’（ｉ，ｋ）(m,n)を用いて、図４（Ａ）で説明したのと同様に、画像を再構築する（ステップ１０５）。
【００６６】
以上のように、本実施の形態によれば、各結像ユニット４０において、微小レンズ２１の光軸２１ａから遠い受光部１２ほど入射光量が低下することにより出力信号強度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。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
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】
【００６８】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１の撮像装置の概略構成を示した斜視図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１の撮像装置を構成する結像ユニットの、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、本発明の実施の形態１の撮像装置において、受光部近傍の拡大断面図である。
【図４】図４（Ａ）は、本発明の実施の形態１の撮像装置において、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４（Ｂ）は、本発明の実施の形態１の撮像装置において、結像ユニットを構成する受光部を示した斜視図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態２の撮像装置を構成する結像ユニットの、微小レンズの光軸を含む面での断面図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態２の撮像装置において、受光部近傍の拡大断面図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態３の撮像装置を構成する結像ユニットの、微小レンズの光軸を含む面での断面図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態３の撮像装置において、受光部近傍の拡大断面図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態４の撮像装置を構成する結像ユニットの、微小レンズの光軸を含む面での断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態５の撮像装置において、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。
【符号の説明】
【００６９】
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）
１３，１４  画素レンズ
１５  第２画素レンズ
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】
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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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