(57)【要約】【課題】  少なくともマイクロレンズアレイの機能と光学的ローパスフィルタの機能とを同時に実現できる安価な固体撮像素子用の光学フィルタおよび撮像装置を提供する。【解決手段】  複数の光電変換部２２を備えた固体撮像素子に用いられる光学フィルタであって、光を透過する光学材料からなり、光学材料には、光に対して回折作用を及ぼす凹凸面が設けられる。凹凸面は、回折作用により複数の光電変換部の各々に光を集める複数のマイクロレンズ領域１１を有し、かつ、各々のマイクロレンズ領域が１個の光電変換部に対応づけられる。複数のマイクロレンズ領域は、各々の有効口径φが光電変換部のピッチＰよりも大きく、かつ、隣り合うマイクロレンズ領域どうしが部分的に重なっている。【選択図】      図２
2005109001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光電変換部を備えた固体撮像素子に用いられる光学フィルタであって、
光を透過する光学材料からなり、
前記光学材料には、前記光に対して回折作用を及ぼす凹凸面が設けられ、
前記凹凸面は、前記回折作用により前記複数の光電変換部の各々に前記光を集める複数のマイクロレンズ領域を有し、かつ、各々の前記マイクロレンズ領域が１個の前記光電変換部に対応づけられ、
前記複数のマイクロレンズ領域は、各々の有効口径が前記光電変換部のピッチよりも大きく、かつ、隣り合う前記マイクロレンズ領域どうしが部分的に重なっている
ことを特徴とする固体撮像素子用の光学フィルタ。
【請求項２】
請求項１に記載した固体撮像素子用の光学フィルタにおいて、
前記マイクロレンズ領域の各々は、同心円状の凹凸パターンに相当し、該凹凸パターンのうち前記有効口径を規定する最外周の直径が前記光電変換部のピッチよりも大きく、
前記複数のマイクロレンズ領域を構成する複数の前記凹凸パターンは、前記光電変換部と同じピッチで配列され、
前記凹凸面は、前記複数の凹凸パターンによる合成パターンと等価な位相情報を前記光に与えるように構成されている
ことを特徴とする固体撮像素子用の光学フィルタ。
【請求項３】
複数の光電変換部を備えた固体撮像素子に用いられる光学フィルタであって、
光を透過する光学材料からなり、
前記光学材料には、前記光に対して回折作用を及ぼす凹凸面が設けられ、
前記凹凸面は、前記回折作用により前記複数の光電変換部の各々に前記光を集める複数のマイクロレンズ領域を有し、かつ、各々の前記マイクロレンズ領域が、前記固体撮像素子の一方向に配列されたＮ個の前記光電変換部（Ｎは２以上の整数）に対応づけられ、さらに、前記回折作用により前記光を前記一方向に分光して前記Ｎ個の光電変換部の各々に波長域の異なる光を導く分光領域を有し、
前記複数のマイクロレンズ領域は、各々の有効口径が前記光電変換部のピッチの（２Ｎ−１）倍以上で、かつ、隣り合う前記マイクロレンズ領域どうしが部分的に重なっている
ことを特徴とする固体撮像素子用の光学フィルタ。
【請求項４】
請求項３に記載した固体撮像素子用の光学フィルタにおいて、
前記マイクロレンズ領域の各々は、前記一方向に配列されたＮ個の前記光電変換部に加え、該Ｎ個の光電変換部のうち一端側の光電変換部から前記一方向とは異なる方向に配列された（Ｎ−１）個の前記光電変換部にも対応づけられ、
前記分光領域は、前記光を前記一方向に分光する第１領域と、前記光を前記異なる方向に分光する第２領域とを含む
ことを特徴とする固体撮像素子用の光学フィルタ。
【請求項５】
請求項４に記載した固体撮像素子用の光学フィルタにおいて、
前記マイクロレンズ領域の各々は、同心円状の凹凸パターンに相当し、該凹凸パターンのうち前記有効口径を規定する最外周の直径が前記光電変換部のピッチの（２Ｎ−１）倍以上であり、
前記複数のマイクロレンズ領域を構成する複数の前記同心円状の凹凸パターンは、前記一方向に沿って前記光電変換部の（２Ｎ−１）倍のピッチで配列され、かつ、前記一方向と前記異なる方向との間の所定方向に沿って前記光電変換部と同じピッチで配列され、
前記分光領域の前記第１領域と前記第２領域は、各々、線状の凹凸パターンに相当し、
前記凹凸面は、前記複数の同心円状の凹凸パターンおよび２種類の前記線状の凹凸パターンによる合成パターンと等価な位相情報を、前記光に与えるように構成されている
ことを特徴とする固体撮像素子用の光学フィルタ。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載した固体撮像素子用の光学フィルタにおいて、
前記マイクロレンズ領域の各々は、前記一方向に配列された４個の前記光電変換部と、該４個の光電変換部のうち一端側の光電変換部から前記異なる方向に配列された３個の光電変換部とからなる合計７個の光電変換部に対応づけられ、
前記マイクロレンズ領域の各々と前記分光領域とは、前記７個の光電変換部のうち、前記一端側の光電変換部に白色の０次光を集め、他の６個の光電変換部の各々に青色と緑色と赤色の１次光を集める
ことを特徴とする固体撮像素子用の光学フィルタ。
【請求項７】
請求項４または請求項５に記載した固体撮像素子用の光学フィルタにおいて、
前記マイクロレンズ領域の各々は、前記一方向に配列された５個の前記光電変換部と、該５個の光電変換部のうち一端側の光電変換部から前記異なる方向に配列された４個の光電変換部とからなる合計９個の光電変換部に対応づけられ、
前記マイクロレンズ領域の各々と前記分光領域とは、前記９個の光電変換部のうち、前記一端側の光電変換部に白色の０次光を集め、他の８個の光電変換部の各々に青色と緑色と赤色と赤外色の１次光を集める
ことを特徴とする固体撮像素子用の光学フィルタ。
【請求項８】
請求項１から請求項７の何れか１項に記載した固体撮像素子用の光学フィルタにおいて、
前記固体撮像素子のカバーガラスを備え、
前記光学材料は、樹脂製であり、前記カバーガラスに一体形成されている
ことを特徴とする固体撮像素子用の光学フィルタ。
【請求項９】
請求項８に記載した固体撮像素子用の光学フィルタと、
前記固体撮像素子とを備え、
前記光学フィルタは、前記光学材料が前記カバーガラスの一方の面に形成され、該面を前記固体撮像素子の方に向けて取り付けられる
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項１０】
請求項１から請求項７の何れか１項に記載した固体撮像素子用の光学フィルタと、
前記固体撮像素子とを備え、
前記光学材料は、樹脂製であり、前記固体撮像素子に一体形成されている
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、複数の光電変換部を備えた固体撮像素子に用いられる光学フィルタおよびこれを備えた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、固体撮像素子の前面には、赤外カットフィルタや光学的ローパスフィルタなどが設けられている。赤外カットフィルタは、不可視の赤外光を遮断する。光学的ローパスフィルタは、偽解像や色滲みを防止する。さらに、固体撮像素子の各々の光電変換部の前面には、マイクロレンズやカラーフィルタなどが設けられている。マイクロレンズは、光電変換部に効率よく光を集める。カラーフィルタは、光電変換部に入射する光の色情報を抽出する。これら４種類の光学素子を設けることにより、固体撮像素子からの出力画像を高画質なものとすることができる。
【０００３】
また、上記した４種類の光学素子のうち、光学的ローパスフィルタには、水晶などの複屈折結晶が一般に用いられる。しかし、複屈折結晶は高価である。このため、複屈折結晶に代えて安価な回折光学素子を用いることが提案された（例えば特許文献１を参照）。回折光学素子は、光の回折現象を利用した素子である。特許文献１の光学的ローパスフィルタは、結像作用を有する回折面が複数の領域に分割され、固体撮像素子上に例えば２重像を形成する。
【特許文献１】特開平６−３１７７６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記した従来技術では、４種類の光学素子（赤外カットフィルタ,光学的ローパスフィルタ,マイクロレンズ,カラーフィルタ）が別々の素子として構成されるため、組み立て工数を減らすことが難しく、低コスト化にも限界があった。なお、特許文献１には、「マイクロレンズアレイを回折光学素子により構成し、光学的ローパスフィルタとしても機能させる」と記載されているが、具体例の記載はない。
【０００５】
本発明の目的は、少なくともマイクロレンズアレイの機能と光学的ローパスフィルタの機能とを同時に実現できる安価な固体撮像素子用の光学フィルタ、およびこれを備えた撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、複数の光電変換部を備えた固体撮像素子に用いられる光学フィルタであって、光を透過する光学材料からなり、前記光学材料には、前記光に対して回折作用を及ぼす凹凸面が設けられ、前記凹凸面は、前記回折作用により前記複数の光電変換部の各々に前記光を集める複数のマイクロレンズ領域を有し、かつ、各々の前記マイクロレンズ領域が１個の前記光電変換部に対応づけられ、前記複数のマイクロレンズ領域は、各々の有効口径が前記光電変換部のピッチよりも大きく、かつ、隣り合う前記マイクロレンズ領域どうしが部分的に重なっているものである。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載した固体撮像素子用の光学フィルタにおいて、前記マイクロレンズ領域の各々は、同心円状の凹凸パターンに相当し、該凹凸パターンのうち前記有効口径を規定する最外周の直径が前記光電変換部のピッチよりも大きく、前記複数のマイクロレンズ領域を構成する複数の前記凹凸パターンは、前記光電変換部と同じピッチで配列され、前記凹凸面は、前記複数の凹凸パターンによる合成パターンと等価な位相情報を前記光に与えるように構成されている。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、複数の光電変換部を備えた固体撮像素子に用いられる光学フィルタであって、光を透過する光学材料からなり、前記光学材料には、前記光に対して回折作用を及ぼす凹凸面が設けられ、前記凹凸面は、前記回折作用により前記複数の光電変換部の各々に前記光を集める複数のマイクロレンズ領域を有し、かつ、各々の前記マイクロレンズ領域が、前記固体撮像素子の一方向に配列されたＮ個の前記光電変換部（Ｎは２以上の整数）に対応づけられ、さらに、前記回折作用により前記光を前記一方向に分光して前記Ｎ個の光電変換部の各々に波長域の異なる光を導く分光領域を有し、前記複数のマイクロレンズ領域は、各々の有効口径が前記光電変換部のピッチの（２Ｎ−１）倍以上で、かつ、隣り合う前記マイクロレンズ領域どうしが部分的に重なっているものである。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載した固体撮像素子用の光学フィルタにおいて、前記マイクロレンズ領域の各々は、前記一方向に配列されたＮ個の前記光電変換部に加え、該Ｎ個の光電変換部のうち一端側の光電変換部から前記一方向とは異なる方向に配列された（Ｎ−１）個の前記光電変換部にも対応づけられ、前記分光領域は、前記光を前記一方向に分光する第１領域と、前記光を前記異なる方向に分光する第２領域とを含むものである。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載した固体撮像素子用の光学フィルタにおいて、前記マイクロレンズ領域の各々は、同心円状の凹凸パターンに相当し、該凹凸パターンのうち前記有効口径を規定する最外周の直径が前記光電変換部のピッチの（２Ｎ−１）倍以上であり、前記複数のマイクロレンズ領域を構成する複数の前記同心円状の凹凸パターンは、前記一方向に沿って前記光電変換部の（２Ｎ−１）倍のピッチで配列され、かつ、前記一方向と前記異なる方向との間の所定方向に沿って前記光電変換部と同じピッチで配列され、前記分光領域の前記第１領域と前記第２領域は、各々、線状の凹凸パターンに相当し、前記凹凸面は、前記複数の同心円状の凹凸パターンおよび２種類の前記線状の凹凸パターンによる合成パターンと等価な位相情報を、前記光に与えるように構成されている。
【００１１】
請求項６に記載の発明は、請求項４または請求項５に記載した固体撮像素子用の光学フィルタにおいて、前記マイクロレンズ領域の各々は、前記一方向に配列された４個の前記光電変換部と、該４個の光電変換部のうち一端側の光電変換部から前記異なる方向に配列された３個の光電変換部とからなる合計７個の光電変換部に対応づけられ、前記マイクロレンズ領域の各々と前記分光領域とは、前記７個の光電変換部のうち、前記一端側の光電変換部に白色の０次光を集め、他の６個の光電変換部の各々に青色と緑色と赤色の１次光を集めるものである。
【００１２】
請求項７に記載の発明は、請求項４または請求項５に記載した固体撮像素子用の光学フィルタにおいて、前記マイクロレンズ領域の各々は、前記一方向に配列された５個の前記光電変換部と、該５個の光電変換部のうち一端側の光電変換部から前記異なる方向に配列された４個の光電変換部とからなる合計９個の光電変換部に対応づけられ、前記マイクロレンズ領域の各々と前記分光領域とは、前記９個の光電変換部のうち、前記一端側の光電変換部に白色の０次光を集め、他の８個の光電変換部の各々に青色と緑色と赤色と赤外色の１次光を集めるものである。
【００１３】
請求項８に記載の発明は、請求項１から請求項７の何れか１項に記載した固体撮像素子用の光学フィルタにおいて、前記固体撮像素子のカバーガラスを備え、前記光学材料は、樹脂製であり、前記カバーガラスに一体形成されている。
請求項９に記載の撮像装置は、請求項８に記載した固体撮像素子用の光学フィルタと、
前記固体撮像素子とを備え、前記光学フィルタは、前記光学材料が前記カバーガラスの一方の面に形成され、該面を前記固体撮像素子の方に向けて取り付けられるものである。
【００１４】
請求項１０に記載の撮像装置は、請求項１から請求項７の何れか１項に記載した固体撮像素子用の光学フィルタと、前記固体撮像素子とを備え、前記光学材料は、樹脂製であり、前記固体撮像素子に一体形成されているものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、少なくともマイクロレンズアレイの機能と光学的ローパスフィルタの機能とを同時に実現できる安価な固体撮像素子用の光学フィルタ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】
【００１６】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
（第１実施形態）
ここでは、マイクロレンズアレイの機能と光学的ローパスフィルタの機能とを１つの素子により同時に実現する場合の説明を行う。
概略、第１実施形態の光学フィルタ１０（図１）は、マイクロレンズアレイの機能と光学的ローパスフィルタの機能とを有し、光学フィルタ１０および固体撮像素子２０を備えた撮像装置には、固体撮像素子２０の前面に赤外カットフィルタが設けられ、固体撮像素子２０の各々の光電変換部の前面にカラーフィルタ(原色系や補色系など)が設けられる。このため、固体撮像素子２０から高画質なカラー画像を得ることができる。
【００１７】
また、光学フィルタ１０および固体撮像素子２０を備えた撮像装置は、例えばデジタルカメラに組み込まれ、デジタルカメラの結像レンズ２１の光軸２１Ａ上に配置される。デジタルカメラは、静止画を撮影可能なデジタルスチルカメラや、動画を撮影可能なデジタルビデオカメラなどである。なお、固体撮像素子２０は、例えばＣＣＤ撮像素子やＣＭＯＳ撮像素子、撮像菅などである。また、特許文献１に記載されているイメージファイバ束を利用する場合も含む。
【００１８】
さて次に、第１実施形態の光学フィルタ１０（図１）の説明を行う。光学フィルタ１０は、安価な回折光学素子であり、光Ｌを透過する光学材料からなる。光学材料は、硝子製または樹脂製である。また、その光学材料には、透過光Ｌに対して回折作用を及ぼす凹凸面が設けられる。凹凸面の設置箇所は、例えば光学材料の２つの表面１Ａ,１Ｂのうち一方である。凹凸面のパターン形状（不図示）は、マイクロレンズアレイの機能と光学的ローパスフィルタの機能とを同時に実現できるように、つまり、これらの機能を同時に実現するために必要な位相情報を透過光Ｌに対して与えるように定められている（詳細は後述）。
【００１９】
光学フィルタ１０の凹凸面について説明する。凹凸面には、図２に示す通り、多数のマイクロレンズ領域１１が設けられる。各々のマイクロレンズ領域１１は、円形状の実線枠内の領域に相当する。図２は、光学フィルタ１０の凹凸面を図１の結像レンズ２１側から見た模式図であり、詳細な凹凸構造を図示省略している。なお、図２の点線は、固体撮像素子２０の撮像面を表している。固体撮像素子２０の撮像面には、多数の光電変換部２２が一定のピッチＰで２次元的に配列されている。１つの光電変換部２２は、１つの画素２３の中に配置される。
【００２０】
図２から分かるように、各々のマイクロレンズ領域１１は、光電変換部２２と同じピッチＰで２次元的に配列されている。さらに、マイクロレンズ領域１１の有効口径φは、光電変換部２２のピッチＰの３倍である。このため、隣り合うマイクロレンズ領域１１どうしが部分的に重なり（図３(ａ)のハッチング部分を参照）、一つ置きに並んだマイクロレンズ領域１１どうしも部分的に重なっている（図３(ｂ)のハッチング部分を参照）。
【００２１】
また、各々のマイクロレンズ領域１１の中心部は、何れか１個の光電変換部２２の中心部と一致している。つまり、各々のマイクロレンズ領域１１は、中心部が一致する１個の光電変換部２２に対応づけられている。図４には、連続して並んだ６個のマイクロレンズ領域１１と６個の光電変換部２２との対応関係を(1)〜(6)の添え字により区別して例示した。同じ添え字どうしが対応関係にある。
【００２２】
さらに、各々のマイクロレンズ領域１１は、図５(ａ),(ｂ)に示すように、同心円状の凹凸パターンに相当する。この凹凸パターンのうち最外周の直径により、マイクロレンズ領域１１の有効口径φが規定される。同心円状の凹凸パターンは、ブレーズ型のフレネルレンズと同様の凹凸構造である。マイクロレンズ領域１１を構成する同心円状の凹凸パターンの回折作用は、１個の光電変換部２２に透過光Ｌを効率よく集めるように働く（集光作用）。
【００２３】
なお、図５の同心円状の凹凸パターンを図２のマイクロレンズ領域１１のように配列することにより、光学フィルタ１０の凹凸面を設計する場合、図３(ａ),(ｂ)に示すマイクロレンズ領域１１どうしの重なり部分では、各々の凹凸パターンの高さＨ（図５(ｂ)参照）が単純に加算される。そして、この加算処理によって得られた合成パターンが、光学フィルタ１０の凹凸面（図１の表面１Ａまたは表面１Ｂ）となる。透過光Ｌには合成パターンの高さに応じた位相情報が与えられる。
【００２４】
また、光学フィルタ１０の凹凸面の製造プロセスを考慮すると、合成パターンの高さを一定値（例えば可視光の中心の波長λC）以下に切り下げることが好ましい。具体的には、合成パターンの高さを例えば波長λCで割ったときの余り（＜波長λC）を求め、その余りを最終的な高さとすることが好ましい。この場合には、切り下げ後の合成パターンが、光学フィルタ１０の凹凸面（図１の表面１Ａまたは表面１Ｂ）となる。透過光Ｌには切り下げ後の合成パターンの高さに応じた位相情報が与えられる。この位相情報は、切り下げ前の合成パターンによる位相情報と等価である。
【００２５】
上記の合成パターン（切り下げ前または後）からなる光学フィルタ１０の凹凸面は、そのパターン形状が複雑であり、図５のような同心円状の凹凸パターンとは異なっている。しかし、透過光Ｌに与える位相情報は、合成パターンと同心円状の凹凸パターンとで等価なものである。このため、合成パターンが同心円状とは異なる複雑なパターン形状であっても、光学フィルタ１０の凹凸面では、各々のマイクロレンズ領域１１ごとに“１個の光電変換部２２に透過光Ｌを効率よく集める”ような回折作用を発揮する。
【００２６】
例えば図４に示すマイクロレンズ領域１１(1)〜(6)の各々は、光電変換部２２(1)〜(6)の各々に透過光Ｌを集める。その様子を横から見ると、図６の模式図のようになる。図６では、マイクロレンズ領域１１(1)〜(6)により光電変換部２２(1)〜(6)に集められる各々の光Ｌに対して、同じ添え字(1)〜(6)を付した。図６に示した矢印のうち、下向き矢印は、マイクロレンズ領域１１(1)〜(6)の中心部を透過して光電変換部２２(1)〜(6)に入射する光Ｌである。斜め下向き矢印は、マイクロレンズ領域１１(1)〜(6)の周辺部を透過して光電変換部２２(1)〜(6)に入射する光Ｌである。
【００２７】
図６から分かるように、マイクロレンズ領域１１(1)の回折作用を受けた光Ｌ(1)は、マイクロレンズ領域１１(1)と中心部が一致する光電変換部２２(1)に集められる。マクロレンズ領域１１(2)の回折作用を受けた光Ｌ(2)は、マイクロレンズ領域１１(2)と中心部が一致する光電変換部２２(2)に集められる。さらに、他のマクロレンズ領域１１(3)〜(6)の回折作用を受けた光Ｌ(3)〜(6)は、各々、マイクロレンズ領域１１(3)〜(6)と中心部が一致する光電変換部２２(3)〜(6)に集められる。
【００２８】
このように、第１実施形態の光学フィルタ１０では、各々のマイクロレンズ領域１１の回折作用によって固体撮像素子２０の各々の光電変換部２２に効率よく光Ｌを集めることができる。つまり、光学フィルタ１０は、マイクロレンズアレイとして機能する。
また、１つのマイクロレンズ領域１１(3)に注目すると、このマイクロレンズ領域１１(3)は、図４に示すように、隣りのマイクロレンズ領域１１(2),(4)と部分的に重なり（図３(ａ)のハッチング部分を参照）、さらに隣りのマイクロレンズ領域１１(1),(5)とも部分的に重なっている（図３(ｂ)のハッチング部分を参照）。このため、例えば３つのマイクロレンズ領域１１(1)〜(3)の重なり部分（図７のＳ1部分）を透過する光Ｌは、３種類の異なる回折作用を受け、図８(ａ)〜(ｃ)のように３種類の異なる方向に振り分けられる。
【００２９】
同様に、マイクロレンズ領域１１(2)〜(4)の重なり部分（図７のＳ2部分）、または、マイクロレンズ領域１１(3)〜(5)の重なり部分（Ｓ3部分）を透過する各々の光Ｌも、３種類の異なる回折作用により、３種類の異なる方向に振り分けられる。さらに、２つのマイクロレンズ領域１１(2),(3)の重なり部分（Ｓ4部分）、または、マイクロレンズ領域１１(3),(4)の重なり部分（Ｓ5部分）を透過する各々の光Ｌは、２種類の異なる回折作用により、２種類の異なる方向に振り分けられる。
【００３０】
透過光Ｌの振り分けに関する上記の説明では、分かり易くするために、１次元的に配列されたマイクロレンズ領域１１(1)〜(6)を例に挙げたが、実際のマイクロレンズ領域１１は、図２に示す通り、２次元的に配列されている。このため、ある１つのマイクロレンズ領域１１における他との重なり状態は、さらに複雑である。しかし、上記と同様の説明を当てはめることができる。例えば中心部では、９個のマイクロレンズ領域１１が部分的に重なるため、透過光Ｌは、９種類の異なる回折作用により、９種類の異なる方向に振り分けられる。
【００３１】
このように、第１実施形態の光学フィルタ１０では、マイクロレンズ領域１１どうしが部分的に重なっているため、その重なり部分では、重なりの数に応じた複数種類の回折作用により、複数種類の異なる方向に透過光Ｌが振り分けられる。また、各々の光電変換部２２にはマイクロレンズ領域１１の有効口径φに応じた広い範囲の光Ｌが集められる。したがって、偽解像（モアレ）や色滲みを防止することができる。つまり、光学フィルタ１０は、光学的ローパスフィルタとして機能する。
【００３２】
ここで、図９のシミュレーション結果について説明する。
上記した通り、１つの光電変換部２２に集められる光Ｌは、１つのマイクロレンズ領域１１で回折作用を受けた光Ｌである。つまり、マイクロレンズ領域１１の有効口径φに応じた広い範囲の光Ｌが光電変換部２２に集まることになる。このため、光電変換部２２の見かけ上のサイズＡ（図９(ａ)）がマイクロレンズ領域１１によって拡大し、有効口径φと同程度になると考えられる。上記例では、有効口径φが光電変換部２２のピッチＰの３倍であり（図２）、光電変換部２２の見かけ上のサイズＡもピッチＰの３倍程度となる。
【００３３】
図９のシミュレーションは、複数の光電変換部２２（見かけ上のサイズＡ）がピッチＰで配列されたときの周波数特性（次式(１)）を計算したものである。式(１)のｕは周波数を表す。図９(ｂ)〜(ｅ)は、各々、見かけ上のサイズＡとピッチＰとの大小関係が「Ａ＝０.５Ｐ」「Ａ＝Ｐ」「Ａ＝１.５Ｐ」「Ａ＝２Ｐ」のときの計算結果である。図９(ｂ)〜(ｄ)のハッチング部分はエイリアシングに相当する。
【００３４】
sinc(Ａｕ/Ｐ)＝（ sin(πＡｕ/Ｐ) ）/（πＡｕ/Ｐ）；ｕ≠０
＝  １  ；ｕ＝０                                …(１)
図９のシミュレーション結果から、光電変換部２２の見かけ上のサイズＡが大きいほどエイリアシングが小さく、見かけ上のサイズＡがピッチＰの２倍のときにエイリアシングが０になる（図９(ｅ)）ことが分かった。周知のように、エイリアシングが小さいほど、偽解像を低減することができ、光学的ローパスフィルタとしての機能が高いことを示している。上記例では、見かけ上のサイズＡがピッチＰの３倍程度であるため、エイリアシングが０であり、偽解像を確実に低減できることが分かる。
【００３５】
以上のように、第１実施形態の光学フィルタ１０によれば、マイクロレンズアレイの機能と光学的ローパスフィルタの機能とを同時に実現することができ、かつ、回折光学素子により安価に構成することもできる。さらに、光学フィルタ１０を備えた撮像装置では、他に、赤外カットフィルタやカラーフィルタを設ければよく、従来と比較して組み立て工数を減らすことができ、低コスト化が図られる。
【００３６】
なお、光学フィルタ１０を備えた撮像装置では、通常、光Ｌの波長域が広い範囲にわたっている。このため、各々のマイクロレンズ領域１１では色収差を生じ、光Ｌの波長域ごとに焦点位置が多少ずれる。しかし、各々の光電変換部２２は一定の大きさを有するため、この範囲内に全ての波長域の焦点位置が収まるように設計すれば、光学的ローパスフィルタとしての機能に問題はない。
【００３７】
上記した第１実施形態では、マイクロレンズ領域１１の有効口径φを光電変換部２２のピッチＰの３倍としたが、本発明はこれに限定されない。マイクロレンズ領域１１の有効口径φが光電変換部２２のピッチＰよりも大きく、かつ、隣り合うマイクロレンズ領域１１どうしが部分的に重なっていれば、光学フィルタ１０を確実に光学的ローパスフィルタとして機能させることができる。マイクロレンズ領域１１の有効口径φは、光学的ローパスフィルタの効果（例えば偽解像の低減効果）の必要量に応じて決定すればよい。
【００３８】
また、上記した第１実施形態では、固体撮像素子２０の各々の光電変換部２２の前面にカラーフィルタを設けたため、カラーフィルタの透過波長域を考慮して、光学フィルタ１０の凹凸面（各々のマイクロレンズ領域１１）を設計することが好ましい。例えば、マイクロレンズ領域１１を構成する同心円状の凹凸パターンの形状をカラーフィルタの透過波長域に応じて変えることが考えられる。
【００３９】
さらに、上記した第１実施形態では、カラー画像を得るために固体撮像素子２０の各々の光電変換部２２の前面にカラーフィルタを設けたが、本発明はこれに限定されない。カラーフィルタは省略しても構わない。この場合、モノクロ画像を得ることができる。
（第２実施形態）
ここでは、マイクロレンズアレイの機能と光学的ローパスフィルタの機能とカラーフィルタの機能とを１つの素子により同時に実現する場合の説明を行う。
【００４０】
第２実施形態の光学フィルタ３０は、マイクロレンズアレイの機能と光学的ローパスフィルタの機能とカラーフィルタの機能とを有し、光学フィルタ３０および固体撮像素子２０（図１参照）を備えた撮像装置には、固体撮像素子２０の前面に赤外カットフィルタが設けられる。固体撮像素子２０の光電変換部の前面にはカラーフィルタが設置されていない。この場合でも、固体撮像素子２０から高画質なカラー画像を得ることができる。
【００４１】
第２実施形態の光学フィルタ３０は、安価な回折光学素子であり、光Ｌを透過する光学材料（硝子製または樹脂製）からなる。また、その光学材料には、透過光Ｌに対して回折作用を及ぼす凹凸面が設けられる。凹凸面のパターン形状は、マイクロレンズアレイの機能と光学的ローパスフィルタの機能とカラーフィルタの機能とを同時に実現できるように、つまり、これらの機能を同時に実現するために必要な位相情報を透過光Ｌに対して与えるように定められている（詳細は後述）。
【００４２】
光学フィルタ３０の凹凸面について説明する。凹凸面には、図１０に示す通り、多数のマイクロレンズ領域３１が設けられる。各々のマイクロレンズ領域３１は、円形状の実線枠内の領域に相当する。図１０では、詳細な凹凸構造を図示省略した。なお、図１０の点線は、上記した図２と同様の固体撮像素子２０の撮像面である。以下の説明では、撮像面における光電変換部２２の配列方向のうち、横方向をＸ方向、縦方向をＹ方向と言う。また、Ｘ方向,Ｙ方向の間の斜め方向（つまり４５°方向）をＷ方向と言う。Ｘ方向,Ｙ方向は、各々、請求項の「一方向」,「異なる方向」に対応する。Ｗ方向は「所定方向」に対応する。
【００４３】
図１０から分かるように、各々のマイクロレンズ領域３１は、その有効口径φが光電変換部２２のピッチＰの７倍である。さらに、各々のマイクロレンズ領域３１は、Ｘ方向に沿って光電変換部２２の７倍のピッチ（７Ｐ）で配列され、かつ、Ｗ方向に沿って光電変換部２２と同じピッチＱで配列されている。このため、隣り合うマイクロレンズ領域３１どうしが部分的に重なると共に、一つ置き・二つ置き・三つ置きに並んだマイクロレンズ領域３１どうしも部分的に重なる。
【００４４】
また、各々のマイクロレンズ領域３１の中心部は、何れか１個の光電変換部２２の中心部と一致している。そして、各々のマイクロレンズ領域３１は、中心部が一致する１個の光電変換部２２(1)に対応づけられている他、この中心部の光電変換部２２(1)からＸ方向に配列された３個の光電変換部２２(2)〜(4)にも対応づけられ、さらに、中心部の光電変換部２２(1)からＹ方向に配列された３個の光電変換部２２(5)〜(7)にも対応づけられている。中心部の光電変換部２２(1)は、請求項の「一端側の光電変換部」に対応する。
【００４５】
すなわち、各々のマイクロレンズ領域３１は、Ｘ方向とＹ方向とに沿ってＬ型に配列された合計７個の光電変換部２２(1)〜(7)に対応づけられている。このような対応づけにより、固体撮像素子２０の撮像面に配列された全ての光電変換部２２を、何れかのマイクロレンズ領域３１と対応づけることができる。
さらに、各々のマイクロレンズ領域３１は、上記した図５と同様の同心円状の凹凸パターンに相当する。この凹凸パターンのうち最外周の直径により、マイクロレンズ領域３１の有効口径φが規定される。同心円状の凹凸パターンは、ブレーズ型のフレネルレンズと同様の凹凸構造である。マイクロレンズ領域３１を構成する同心円状の凹凸パターンの回折作用は、１個の光電変換部２２に透過光Ｌを効率よく集めるように働く。
【００４６】
ところで、第２実施形態の光学フィルタ３０の凹凸面には、上記した多数のマイクロレンズ領域３１が設けられる他、図１１に示す通り、Ｘ方向と平行に延びる線状の凹凸パターン３２と、Ｙ方向と平行に延びる線状の凹凸パターン３３とが、その全面に設けられている。線状の凹凸パターン３２,３３は、各々、ブレーズ型の回折格子（グレーティング）と同様の凹凸構造を有し、等間隔に多数の溝（線状の凹凸パターン）を並べて、各溝に傾きを持たせたものである。これにより、回折効率を所定の次数（例えば１次光）に集中させることができる。Ｘ方向の凹凸パターン３２の回折作用は、光ＬをＹ方向に分光するように働く。Ｙ方向の凹凸パターン３３の回折作用は、光ＬをＸ方向に分光するように働く。つまり、光学フィルタ３０の凹凸面には、２種類の分光領域が設けられている。
【００４７】
なお、図５の同心円状の凹凸パターンを図１０のマイクロレンズ領域３１のように配列し、図１１の線状の凹凸パターン３２,３３（つまり分光領域）を全面に重ねて設けることで、光学フィルタ３０の凹凸面を設計する場合、各々の凹凸パターンの高さが単純に加算される。そして、この加算処理によって得られた合成パターンが、光学フィルタ３０の凹凸面（図１の光学フィルタ１０の表面１Ａまたは表面１Ｂ参照）となる。透過光Ｌには合成パターンの高さに応じた位相情報が与えられる。
【００４８】
また、光学フィルタ３０の凹凸面の製造プロセスを考慮すると、上述した方法により、合成パターンの高さを一定値（例えば可視光の中心の波長λC）以下に切り下げることが好ましい。この場合には、切り下げ後の合成パターンが、光学フィルタ３０の凹凸面となる。透過光Ｌには切り下げ後の合成パターンの高さ（＜波長λC）に応じた位相情報が与えられる。この位相情報は、切り下げ前の合成パターンによる位相情報と等価である。
【００４９】
上記の合成パターン（切り下げ前または後）からなる光学フィルタ３０の凹凸面は、そのパターン形状が複雑であり、図５のような同心円状の凹凸パターンや図１１のような線状の凹凸パターン３２,３３とは異なっている。しかし、透過光Ｌに与える位相情報は、同心円状の凹凸パターンや線状の凹凸パターンと等価である。このため、光学フィルタ３０の凹凸面では、各々のマイクロレンズ領域３１ごとに“１個の光電変換部２２に光Ｌを効率よく集める”ような回折作用を発揮すると共に、全面の２種類の分光領域で“光ＬをＸ方向とＹ方向とに分光して上記７個の光電変換部２２(1)〜(7)の各々に波長域の異なる光Ｌを導く”ような回折作用を発揮する。
【００５０】
したがって、図１１に示す１つのマイクロレンズ領域３１と、これに重ねられた２種類の分光領域(３２,３３)とは、マイクロレンズ領域３１に対応づけられた７個の光電変換部２２(1)〜(7)のうち、中心部の光電変換部２２(1)に白色の０次光を集め（図１２(ａ)）、光電変換部２２(1)からＸ方向に配列された３個の光電変換部２２(2)〜(4)の各々に青色(Ｂ)と緑色(Ｇ)と赤色(Ｒ)の１次光を集め（図１２(ｂ)〜(ｄ)）、光電変換部２２(1)からＹ方向に配列された３個の光電変換部２２(5)〜(7)の各々にも青色(Ｂ)と緑色(Ｇ)と赤色(Ｒ)の１次光を集めることになる。青色(Ｂ)と緑色(Ｇ)と赤色(Ｒ)の並び順は、Ｘ方向,Ｙ方向とも、中心部の光電変換部２２(1)から離れるほど長波長域となるような順である。
【００５１】
また、光学フィルタ３０の凹凸面には多数のマイクロレンズ領域３１と２種類の分光領域(３２,３３)とが設けられ、固体撮像素子２０の全ての光電変換部２２は何れかのマイクロレンズ領域３１と対応づけられるため、固体撮像素子２０に到達した光Ｌの波長分布は、図１３のようになる。図１３では、分かり易くするために、各々のマイクロレンズ領域３１に対応づけられた７個の光電変換部２２(1)〜(7)をＬ型の枠３４で取り囲んだ。この図から分かるように、固体撮像素子２０の全ての光電変換部２２には、白色と青色(Ｂ)と緑色(Ｇ)と赤色(Ｒ)のうち何れかの波長域の光Ｌが入射することになる。
【００５２】
このように、第２実施形態の光学フィルタ３０では、各々のマイクロレンズ領域３１と２種類の分光領域(３２,３３)の回折作用によって、固体撮像素子２０の各々の光電変換部２２に効率よく光Ｌ（白,Ｂ,Ｇ,Ｒの何れか）を集めることができる。つまり、光学フィルタ１０は、マイクロレンズアレイとして機能すると共に、カラーフィルタとしても機能する。
【００５３】
さらに、第２実施形態の光学フィルタ３０では、マイクロレンズ領域３１どうしが部分的に重なっているため、その重なり部分では、重なりの数に応じた複数種類の回折作用により光Ｌが振り分けられる。また、各々の光電変換部２２には、マイクロレンズ領域３１の有効口径φに応じた広い範囲の光Ｌが集められる。したがって、偽解像（モアレ）や色滲みを防止することができる。つまり、光学フィルタ３０は、光学的ローパスフィルタとしても機能する。
【００５４】
第２実施形態の光学フィルタ３０を備えた撮像装置において、固体撮像素子２０からカラー画像を得るためには、多数の画素データのうち、Ｂ色,Ｇ色,Ｒ色の画素データを選択した後、これらの画素データの色情報に基づいて補間演算処理を行うことが考えられる。また、白色の画素データが可視光の輝度情報を表すため、その輝度情報を考慮して同様の補間演算処理を行ってもよい。
【００５５】
以上のように、第２実施形態の光学フィルタ３０によれば、マイクロレンズアレイの機能と光学的ローパスフィルタの機能とカラーフィルタの機能とを同時に実現することができ、かつ、回折光学素子により安価に構成することもできる。さらに、光学フィルタ３０を備えた撮像装置では、他に、赤外カットフィルタを設ければよく、従来と比較して組み立て工数を減らすことができ、低コスト化が図られる。
【００５６】
また、第２実施形態の光学フィルタ３０によれば、固体撮像素子２０の各々の光電変換部２２の前面にカラーフィルタを設ける場合と比較して、光Ｌの利用効率を高くすることができる。光電変換部２２の前面に設けたカラーフィルタでは、各々の透過波長域から外れた光を遮断して捨ててしまうが、第２実施形態の光学フィルタ３０では、光を遮断することなく波長域ごとに異なる方向に振り分け、対応する光電変換部２２(2)〜(7)に対して有効に光を導くことができるからである。
【００５７】
さらに、第２実施形態の光学フィルタ３０によれば、２種類の分光領域(３２,３３)によって光ＬをＸ方向とＹ方向とに分光するため、固体撮像素子２０から得られるカラー画像の画質（鮮鋭度）をＸ方向とＹ方向とで等しくすることができる。
なお、上記した第２実施形態では、マイクロレンズ領域３１の有効口径φを光電変換部２２のピッチＰの７倍としたが、本発明はこれに限定されない。マイクロレンズ領域３１の有効口径φが光電変換部２２のピッチＰの７倍以上で、かつ、隣り合うマイクロレンズ領域３１どうしが部分的に重なっていれば、光学フィルタ３０を確実に光学的ローパスフィルタとして機能させることができる。マイクロレンズ領域３１の有効口径φは、光学的ローパスフィルタの効果（例えば偽解像の低減効果）の必要量に応じて決定すればよい。
（第３実施形態）
ここでは、マイクロレンズアレイの機能と光学的ローパスフィルタの機能とカラーフィルタの機能と赤外カットフィルタの機能とを１つの素子により同時に実現する場合の説明を行う。
【００５８】
第３実施形態の光学フィルタ４０は、マイクロレンズアレイの機能と光学的ローパスフィルタの機能とカラーフィルタの機能と赤外カットフィルタの機能とを有し、光学フィルタ４０および固体撮像素子２０（図１参照）を備えた撮像装置には、固体撮像素子２０の前面にも光電変換部の前面にも別の素子（赤外カットフィルタやカラーフィルタなど）が設置されていない。この場合でも、固体撮像素子２０から高画質なカラー画像を得ることができる。
【００５９】
第３実施形態の光学フィルタ４０は、上述した第２実施形態のマイクロレンズ領域３１に代えて、図１４に示すマイクロレンズ領域４１を設けたものであり、その凹凸面のパターン形状が、マイクロレンズアレイの機能と光学的ローパスフィルタの機能とカラーフィルタの機能と赤外カットフィルタの機能とを同時に実現できるように、つまり、これらの機能を同時に実現するために必要な位相情報を透過光Ｌに対して与えるように定められている（詳細は後述）。
【００６０】
光学フィルタ４０の各々のマイクロレンズ領域４１は、円形状の実線枠内の領域に相当する。図１４では、詳細な凹凸構造を図示省略した。図１４から分かるように、各々のマイクロレンズ領域４１は、その有効口径φが光電変換部２２のピッチＰの９倍である。さらに、Ｘ方向に沿って光電変換部２２の９倍のピッチ（９Ｐ）で配列され、かつ、Ｗ方向に沿って光電変換部２２と同じピッチＱで配列されている。このため、隣り合うマイクロレンズ領域４１どうしが部分的に重なると共に、一つ置き・二つ置き・三つ置き・四つ置き・五つ置きに並んだマイクロレンズ領域４１どうしも部分的に重なる。
【００６１】
また、各々のマイクロレンズ領域４１の中心部は、何れか１個の光電変換部２２の中心部と一致している。そして、各々のマイクロレンズ領域４１は、中心部が一致する１個の光電変換部２２(1)に対応づけられ、また、この中心部の光電変換部２２(1)からＸ方向に配列された４個の光電変換部２２(2)〜(5)にも対応づけられ、さらに、中心部の光電変換部２２(1)からＹ方向に配列された４個の光電変換部２２(6)〜(9)にも対応づけられる。
【００６２】
すなわち、各々のマイクロレンズ領域４１は、Ｘ方向とＹ方向とに沿ってＬ型に配列された合計９個の光電変換部２２(1)〜(9)に対応づけられている。このような対応づけにより、固体撮像素子２０の撮像面に配列された全ての光電変換部２２を、何れかのマイクロレンズ領域４１と対応づけることができる。
さらに、各々のマイクロレンズ領域４１は、上記した図５と同様の同心円状の凹凸パターンに相当し、最外周の直径によって有効口径φが規定される。マイクロレンズ領域４１を構成する同心円状の凹凸パターンの回折作用は、１個の光電変換部２２に透過光Ｌを効率よく集めるように働く。
【００６３】
また、第３実施形態の光学フィルタ４０の凹凸面には、上記した多数のマイクロレンズ領域４１の他、図１５に示す通り、上記した第２実施形態と同様の線状の凹凸パターン３２,３３が全面に設けられている。Ｘ方向と平行な凹凸パターン３２の回折作用は、光ＬをＹ方向に分光するように働く。Ｙ方向と平行な凹凸パターン３３の回折作用は、光ＬをＸ方向に分光するように働く。つまり、光学フィルタ４０の凹凸面には、２種類の分光領域が設けられている。
【００６４】
なお、光学フィルタ４０の凹凸面を設計する場合にも、上記した第２実施形態と同様、同心円状と線状の凹凸パターンの各々の高さが単純に加算される。そして、この加算処理によって得られた合成パターンが、光学フィルタ４０の凹凸面（図１の光学フィルタ１０の表面１Ａまたは表面１Ｂ参照）となる。透過光Ｌには合成パターンの高さに応じた位相情報が与えられる。
【００６５】
また、光学フィルタ４０の凹凸面の製造プロセスを考慮すると、上述した方法により、合成パターンの高さを一定値（例えば可視光の中心の波長λC）以下に切り下げることが好ましい。この場合には、切り下げ後の合成パターンが、光学フィルタ４０の凹凸面となる。透過光Ｌには切り下げ後の合成パターンの高さ（＜波長λC）に応じた位相情報が与えられる。この位相情報は、切り下げ前の合成パターンによる位相情報と等価である。
【００６６】
上記の合成パターン（切り下げ前または後）からなる光学フィルタ４０の凹凸面は、そのパターン形状が複雑であるが、同心円状の凹凸パターンや線状の凹凸パターン３２,３３と等価な位相情報を透過光Ｌに与える。このため、光学フィルタ４０の凹凸面では、各々のマイクロレンズ領域４１ごとに“１個の光電変換部２２に光Ｌを効率よく集める”ような回折作用を発揮すると共に、全面の２種類の分光領域で“光ＬをＸ方向とＹ方向とに分光して上記９個の光電変換部２２(1)〜(9)の各々に波長域の異なる光Ｌを導く”ような回折作用を発揮する。
【００６７】
したがって、図１５に示す１つのマイクロレンズ領域４１と、これに重ねられた２種類の分光領域(３２,３３)とは、マイクロレンズ領域４１に対応づけられた９個の光電変換部２２(1)〜(9)のうち、中心部の光電変換部２２(1)に白色の０次光を集め（図１６(ａ)）、光電変換部２２(1)からＸ方向に配列された４個の光電変換部２２(2)〜(5)の各々に青色(Ｂ)と緑色(Ｇ)と赤色(Ｒ)と赤外(ＩＲ)の１次光を集め（図１６(ｂ),(ｃ),図１７(ａ),(ｂ)）、光電変換部２２(1)からＹ方向に配列された４個の光電変換部２２(6)〜(9)の各々にも青色(Ｂ)と緑色(Ｇ)と赤色(Ｒ)と赤外(ＩＲ)の１次光を集めることになる。青色(Ｂ)と緑色(Ｇ)と赤色(Ｒ)と赤外(ＩＲ)の並び順は、Ｘ方向,Ｙ方向とも、中心部の光電変換部２２(1)から離れるほど長波長域となるような順である。
【００６８】
また、光学フィルタ４０の凹凸面には多数のマイクロレンズ領域４１と２種類の分光領域(３２,３３)とが設けられ、固体撮像素子２０の全ての光電変換部２２は何れかのマイクロレンズ領域４１と対応づけられるため、固体撮像素子２０に到達した光Ｌの波長分布は、図１８のようになる。図１８では、分かり易くするために、各々のマイクロレンズ領域４１に対応づけられた９個の光電変換部２２(1)〜(9)をＬ型の枠４２で取り囲んだ。この図から分かるように、固体撮像素子２０の全ての光電変換部２２には、白色と青色(Ｂ)と緑色(Ｇ)と赤色(Ｒ)と赤外(ＩＲ)のうち何れかの波長域の光Ｌが入射することになる。
【００６９】
このように、第３実施形態の光学フィルタ４０では、各々のマイクロレンズ領域４１と２種類の分光領域(３２,３３)の回折作用によって、固体撮像素子２０の各々の光電変換部２２に効率よく光Ｌ（白,Ｂ,Ｇ,Ｒ,ＩＲの何れか）を集めることができる。また、赤外(ＩＲ)の光を可視光(Ｂ,Ｇ,Ｒ)から分離して別の光電変換部２２に導くことができる。すなわち、光学フィルタ４０は、マイクロレンズアレイとして機能すると共に、カラーフィルタとしても機能し、赤外カットフィルタとしても機能する。
【００７０】
さらに、第３実施形態の光学フィルタ４０では、マイクロレンズ領域４１どうしが部分的に重なっているため、その重なり部分では、重なりの数に応じた複数種類の回折作用により光Ｌが振り分けられる。また、各々の光電変換部２２には、マイクロレンズ領域４１の有効口径φに応じた広い範囲の光Ｌが集められる。したがって、偽解像（モアレ）や色滲みを防止することができる。つまり、光学フィルタ４０は、光学的ローパスフィルタとしても機能する。
【００７１】
第３実施形態の光学フィルタ４０を備えた撮像装置において、固体撮像素子２０からカラー画像を得るためには、多数の画素データのうち、Ｂ色,Ｇ色,Ｒ色の画素データを選択した後、これらの画素データの色情報に基づいて補間演算処理を行うことが考えられる。また、白色の画素データには可視光の輝度情報と赤外の輝度情報とが含まれるため、白色の画素データから赤外成分を減算し、得られた可視光成分の輝度情報を考慮して同様の補間演算処理を行ってもよい。上記の減算処理で用いる赤外成分は、赤外(ＩＲ)の画素データの輝度情報と、赤外の波長域における０次光と１次光との回折効率の違いに基づいて、算出することができる。
【００７２】
以上のように、第３実施形態の光学フィルタ４０によれば、マイクロレンズアレイの機能と光学的ローパスフィルタの機能とカラーフィルタの機能と赤外カットフィルタの機能とを同時に実現することができ、かつ、回折光学素子により安価に構成することもできる。さらに、光学フィルタ４０を備えた撮像装置では、別の素子（赤外カットフィルタなど）を設ける必要がないため、従来と比較して組み立て工数を減らすことができ、低コスト化が図られる。
【００７３】
また、第３実施形態の光学フィルタ４０によれば、固体撮像素子２０の各々の光電変換部２２の前面にカラーフィルタを設ける場合と比較して、光Ｌの利用効率を高くすることができる。光電変換部２２の前面に設けたカラーフィルタでは、各々の透過波長域から外れた光を遮断して捨ててしまうが、第３実施形態の光学フィルタ４０では、光を遮断することなく波長域ごとに異なる方向に振り分け、対応する光電変換部２２(2)〜(4),２２(6)〜(8)に対して有効に光を導くことができるからである。
【００７４】
さらに、第３実施形態の光学フィルタ４０によれば、２種類の分光領域(３２,３３)によって光ＬをＸ方向とＹ方向とに分光するため、固体撮像素子２０から得られるカラー画像の画質（鮮鋭度）をＸ方向とＹ方向とで等しくすることができる。
また、第３実施形態の光学フィルタ４０を備えた撮像装置によれば、上記した可視光による通常の撮影に加えて、赤外光源を使った暗視撮影を行うこともできる。固体撮像素子２０から赤外画像を得るためには、多数の画素データの中から赤外(ＩＲ)の画素データを選択した後、その輝度情報の分布により画像を生成すればよい。また、厳密に言うと、赤外(ＩＲ)の画素データには青色(Ｂ)の２次光の輝度情報が含まれるため、赤外(ＩＲ)の画素データから青色成分を減算し、得られた赤外成分の輝度情報の分布により画像を生成することが好ましい。このような減算処理で用いる青色成分は、青色(Ｂ)の画素データの輝度情報（１次光に相当）と、青色の波長域における１次光と２次光との回折効率の違いに基づいて、算出することができる。青色成分の減算により良好な赤外画像が得られる。
【００７５】
なお、上記した第３実施形態では、マイクロレンズ領域４１の有効口径φを光電変換部２２のピッチＰの９倍としたが、本発明はこれに限定されない。マイクロレンズ領域４１の有効口径φが光電変換部２２のピッチＰの９倍以上で、かつ、隣り合うマイクロレンズ領域４１どうしが部分的に重なっていれば、光学フィルタ４０を確実に光学的ローパスフィルタとして機能させることができる。マイクロレンズ領域４１の有効口径φは、光学的ローパスフィルタの効果（例えば偽解像の低減効果）の必要量に応じて決定すればよい。
【００７６】
また、上記した第２実施形態と第３実施形態では、マイクロレンズ領域３１,４１に対応づけられた光電変換部２２（図１０,図１４参照）のうち、Ｘ方向に配列された光電変換部２２の数が４個と５個である例を説明したが、本発明はこれに限定されない。Ｘ方向に配列された光電変換部２２の数がＮ個（Ｎは２以上の整数）であれば、上記と同様に本発明を適用できる。この場合、Ｙ方向に配列された光電変換部２２の数は(Ｎ−１)個となり、合計(２Ｎー１)個の光電変換部２２がマイクロレンズ領域と対応づけられる。また、各々のマイクロレンズ領域は、その有効口径φが光電変換部２２のピッチＰの(２Ｎ−１)倍以上に設定され、Ｘ方向に沿って光電変換部２２の(２Ｎー１)倍のピッチで配列される。
【００７７】
さらに、上記した第２実施形態と第３実施形態では、マイクロレンズ領域３１,４１に対応づけられた光電変換部２２（図１０,図１４参照）がＸ方向とＹ方向との２方向に沿って配列された例を説明したが、本発明はこれに限定されない。Ｘ方向またはＹ方向（つまり１方向）に配列された光電変換部２２をマイクロレンズ領域に対応づける場合でも、本発明を適用できる。この場合、固体撮像素子２０の全ての光電変換部２２が何れかのマイクロレンズ領域と対応づけられるように、複数のマイクロレンズ領域を配列することが好ましい。また、上記した２種類の分光領域(３２,３２)のうち何れか一方を省略できる。必要な分光領域は、線状の凹凸パターンの溝方向が、対応づけられる光電変換部２２の配列方向と直交する方である。
（第４実施形態）
ここでは、既に説明した光学フィルタ１０と固体撮像素子２０とを備えた撮像装置（図１）において、光学フィルタ１０を固体撮像素子２０の撮像面に一体形成する場合の説明を行う。この場合の光学フィルタ１０は、光学材料が樹脂製であり、例えば紫外線硬化性の樹脂（ＵＶ樹脂）からなる。光学フィルタ１０の凹凸面の形成には、周知のレプリカ技術が用いられる。光学フィルタ１０の一体形成は、例えば、固体撮像素子２０の製造プロセスの最終段階（例えば表面保護膜の形成後）にウエハ状態で行われる。
【００７８】
図１９を参照して光学フィルタ１０の一体形成の手順について説明する。まず、固体撮像素子２０の撮像面上にＵＶ樹脂の未硬化物５１を塗布する(ａ)。次に、これから形成する光学フィルタ１０の凹凸面（図２参照）の反転型５２に離型剤５３を塗布した状態で、反転型５２と固体撮像素子２０とのアライメントを行う(ｂ)。
このアライメントは、反転型５２に予め設けたアライメントマークを基準に、固体撮像素子２０の特定の画素を目標として行えばよい（２〜３箇所）。また、アライメントマークを反転型５２と固体撮像素子２０との双方に設けておき、これらを一致させるように行ってもよい。何れにしても、反転型５２を透明基板（例えば石英基板）により構成することが好ましい。反転型５２が透明であれば、アライメントを容易に行うことができる。
【００７９】
そしてアライメント後、反転型５２を未硬化物５１に密着させ(ｃ)、反転型５２の微細な凹部に未硬化物５１を充填させる。そして、反転型５２の側から紫外線を照射して、未硬化物５１を硬化させる。最後に、反転型５２を離型する(ｄ)。これにより、固体撮像素子２０に対する光学フィルタ１０の一体形成が終了する。
このようにして、光学フィルタ１０を固体撮像素子２０の撮像面に一体形成することにより、固体撮像素子用フィルタの全体的な組み立て工程をさらに簡略化でき、確実に低コスト化が図られる。また、光学フィルタ１０の光学材料を樹脂製としてレプリカ技術を用いるため、さらに低コスト化が図られる。
【００８０】
なお、上記した第４実施形態では、光学フィルタ１０を一体形成したが、他の光学フィルタ３０,４０を固体撮像素子２０に一体形成しても同様の効果を得ることができる。
また、光学フィルタ１０が紫外線硬化性の樹脂である例を説明したが、その他の光硬化性樹脂や熱硬化性樹脂を用いた場合にも同様の効果が得られる。
（第５実施形態）
ここでは、既に説明した光学フィルタ１０を固体撮像素子２０のカバーガラスに一体形成する場合の説明を行う。この場合の光学フィルタ１０も、光学材料が樹脂製であり、例えば紫外線硬化性の樹脂（ＵＶ樹脂）からなる。光学フィルタ１０の凹凸面の形成には、周知のレプリカ技術が用いられる。光学フィルタ１０の一体形成は、カバーガラス２５を固体撮像素子２０の前面に取り付ける前に行われる。
【００８１】
図２０を参照して光学フィルタ１０の一体形成の手順について説明する。まず、カバーガラス２５の裏面にＵＶ樹脂の未硬化物５１を塗布する(ａ)。次に、光学フィルタ１０の凹凸面（図２参照）の反転型５２に離型剤５３を塗布し、これを未硬化物５１に密着させ(ｂ)、反転型５２の微細な凹部に未硬化物５１を充填させる。そして、反転型５２の側から紫外線を照射して、未硬化物５１を硬化させる。最後に、反転型５２を離型する(ｃ)。これにより、カバーガラス２５に対する光学フィルタ１０の一体形成が終了する。なお、反転型５２を透明基板（例えば石英基板）により構成することが好ましい。
【００８２】
そして、光学フィルタ１０とカバーガラス２５とが一体化された光学部材(１０,２５)を固体撮像素子２０の前面に取り付ける際には、光学フィルタ１０の側（カバーガラス２５の裏面側）が固体撮像素子２０の方に向けられ（図２０(ｄ)）、光学部材(１０,２５)と固体撮像素子２０とのアライメントが行われる。
アライメントは、光学部材(１０,２５)に予め設けたアライメントマークを基準に、固体撮像素子２０の特定の画素を目標として行えばよい（２〜３箇所）。また、アライメントマークを光学部材(１０,２５)と固体撮像素子２０との双方に設けておき、これらを一致させるように行ってもよい。光学部材(１０,２５)が透明なため、アライメントを容易に行うことができる。
【００８３】
このように、第５実施形態では、光学フィルタ１０をカバーガラス２５に一体形成し、この光学部材(１０,２５)を固体撮像素子２０に取り付けるため、固体撮像素子用フィルタの全体的な組み立て工程をさらに簡略化でき、確実に低コスト化が図られる。また、光学フィルタ１０の光学材料を樹脂製としてレプリカ技術を用いるため、さらに低コスト化が図られる。
【００８４】
なお、上記した第５実施形態では、光学フィルタ１０を一体形成したが、他の光学フィルタ３０,４０をカバーガラス２５に一体形成しても同様の効果を得ることができる。
また、光学フィルタ１０が紫外線硬化性の樹脂である例を説明したが、その他の光硬化性樹脂や熱硬化性樹脂を用いた場合にも同様の効果が得られる。
（変形例）
なお、上記した実施形態では、光学フィルタ１０,３０,４０の凹凸面を設計する際、マイクロレンズ領域である同心円状の凹凸パターンを図２,図１０,図１４のように配列して、凹凸パターンの高さを単純に加算したが、本発明はこれに限定されない。例えば、周知のＯＲＡ（Optimal Rotation Angle）法を利用し、固体撮像素子２０の撮像面に到達する光Ｌの理想的な位相情報を予め仮定し、この位相情報からコンピュータで逆に演算することにより、光学フィルタの凹凸面のパターン形状を求めることもできる。固体撮像素子２０の撮像面における理想的な位相情報は、固体撮像素子用の光学フィルタとして実現させたい機能に応じて仮定すればよい。
【００８５】
演算の際には、光学フィルタの凹凸面に適当なパターン形状を初期値として与え、固体撮像素子２０の撮像面に対する光学フィルタの位置を考慮し、光学フィルタ（初期値のパターン形状）を介して撮像面に到達する光の位相情報を計算する。そして、この計算結果と理想的な位相情報とを比較し、この差異が０となるように光学フィルタの凹凸面のパターン形状を修正し、同様の計算を繰り返す。その結果、撮像面における光Ｌの位相情報が予め仮定した理想的な位相情報と一致するようなパターン形状の光学フィルタを得ることができる。
【００８６】
得られた光学フィルタの凹凸面のパターン形状は非常に複雑なものとなるが、上記した実施形態と同様に、固体撮像素子２０の光電変換部２２のピッチＰよりも広い範囲の光Ｌを各々の光電変換部２２に集めることができる。つまり、この凹凸面のパターン形状を、光電変換部２２のピッチＰよりも有効口径φが大きいマイクロレンズ領域の配列と見なすことができる。したがって、この光学フィルタでも、少なくともマイクロレンズアレイの機能と光学的ローパスフィルタの機能とを同時に実現することができ、かつ、回折光学素子により安価に構成することもできる。
【００８７】
また、上記した実施形態では、光学フィルタの凹凸面の設置箇所を例えば図１に示す光学材料１０の２つの表面１Ａ,１Ｂのうち一方としたが、本発明はこれに限定されない。例えば、凹凸面を複数種類の光学材料の境界面に設けても良い。この場合、境界面を挟んで隣り合う２つの光学材料には、屈折率の異なる材料が選択される。さらに、複数の面に分けて光学フィルタの凹凸面を形成してもよい。複数の面は、光学材料の表面と境界面との任意の組み合わせで構わない。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】光学フィルタ１０と固体撮像素子２０の位置関係を説明する概略図である。
【図２】光学フィルタ１０の凹凸面の構成を示す概略図である。
【図３】マイクロレンズ領域１１どうしの重なり状態を説明する図である。
【図４】マイクロレンズ領域１１と光電変換部２２との対応づけを説明する図である。
【図５】同心円状の凹凸パターンの構成を示す概略図である。
【図６】光学フィルタ１０から固体撮像素子２０に入射する光Ｌの進行方向を示す説明図である。
【図７】マイクロレンズ領域１１どうしの重なり状態を説明する図である。
【図８】３つのマイクロレンズ領域１１が重なった領域Ｓ1から固体撮像素子２０に入射する光Ｌの進行方向を示す説明図である。
【図９】マイクロレンズ領域１１による光学的ローパスフィルタ効果を示すシミュレーションの結果である。
【図１０】光学フィルタ３０の凹凸面の構成を示す概略図である。
【図１１】光学フィルタ３０の凹凸面の構成を示す概略図である。
【図１２】マイクロレンズ領域３１と分光領域(３２,３３)の回折作用により７個の光電変換部２２(1)〜(7)に波長域の異なる光が振り分けられる様子を示した説明図である。
【図１３】光学フィルタ３０を介して固体撮像素子２０に到達した光Ｌの波長分布を示す概略図である。
【図１４】光学フィルタ４０の凹凸面の構成を示す概略図である。
【図１５】光学フィルタ４０の凹凸面の構成を示す概略図である。
【図１６】マイクロレンズ領域４１と分光領域(３２,３３)の回折作用により９個の光電変換部２２(1)〜(9)に波長域の異なる光が振り分けられる様子を示した説明図である。
【図１７】マイクロレンズ領域４１と分光領域(３２,３３)の回折作用により９個の光電変換部２２(1)〜(9)に波長域の異なる光が振り分けられる様子を示した説明図である。
【図１８】光学フィルタ４０を介して固体撮像素子２０に到達した光Ｌの波長分布を示す概略図である。
【図１９】光学フィルタ１０を固体撮像素子２０の撮像面に一体形成する手順を示す説明図である。
【図２０】光学フィルタ１０を固体撮像素子２０のカバーガラス２５に一体形成する手順を示す説明図である。
【符号の説明】
【００８９】
１０，３０，４０  光学フィルタ
１１，３１，４１  マイクロレンズ領域
２０  固体撮像素子
２２  光電変換部
２３  画素
３２，３３  線状の凹凸パターン（分光領域）
５１  ＵＶ樹脂の未硬化物
５２  反転型
５３  離型剤
【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１８】
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【図１９】
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【図２０】
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