(57)【要約】【課題】製造が容易でコスト削減を図ることが可能な立体カメラに搭載する立体撮像素子を提供する。【解決手段】基板上に配列形成された複数の画素が、右側からの入射光を受光するＡ群画素と左側からの入射光を受光するＢ群画素とに分けられた立体撮像素子において、前記画素を構成するフォトダイオード２１の上部に積層されるマイクロレンズ２２の積層位置のずらし方向によって、Ａ群画素とＢ群画素とを分ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に配列形成された複数の画素が、右側からの入射光を受光する第１群画素と左側からの入射光を受光する第２群画素とに分けられた立体撮像素子において、前記画素を構成するフォトダイオードの上部に積層されるマイクロレンズの積層位置のずらし方向によって前記第１群画素と前記第２群画素とを分けたことを特徴とする立体撮像素子。
【請求項２】
前記基板上に配列形成された前記画素が隣接する複数画素毎にグループを構成し、前記第１群画素で構成される前記グループと前記第２群画素で構成される前記グループとが前記基板上に周期的に配列されることを特徴とする請求項１に記載の立体撮像素子。
【請求項３】
前記基板の受光面中央部における前記第１群画素の前記マイクロレンズが前記右側の方向にずらされ前記第２群画素の前記マイクロレンズが前記左側の方向にずらされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の立体撮像素子。
【請求項４】
前記基板の受光面周辺部における前記マイクロレンズの前記ずらし方向が前記中央部の方向であり、該マイクロレンズへの入射光が斜め入射になる程ずらし量が大きいことを特徴とする請求項３に記載の立体撮像素子。
【請求項５】
前記基板上に配列形成される前記フォトダイオードの偶数行に対して奇数行が１／２ピッチづつずらして形成され、該偶数行，奇数行の行方向が左右の方向であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の立体撮像素子。
【請求項６】
左側に配置された左レンズと、右側に配置された右レンズと、前記左レンズで集光した被写体からの入射光と前記右レンズで集光した前記被写体からの入射光とを受光する請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の立体撮像素子と、該立体撮像素子の前記第１群画素から出力される画像データと前記第２群画素から出力される画像データとを合成して立体視用画像データを生成する信号処理手段とを備えることを特徴とする立体カメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は立体カメラ及び立体撮像素子に係り、特に、製造が容易でコスト削減を図ることができる立体カメラ及び立体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の立体カメラは、右レンズの結像位置に配置された右固体撮像素子と左レンズの結像位置に配置された左固体撮像素子とを備え、左右の固体撮像素子で検出した被写体画像データを合成することで、立体視可能な画像データを生成している。
【０００３】
しかし、近年の半導体微細加工技術の進展により、１個の固体撮像素子に搭載できる画素数は数百万画素以上となり、立体カメラに搭載する固体撮像素子を１個にする様になってきている。
【０００４】
図５は、１個の固体撮像素子を搭載した立体カメラの構成図である。この立体カメラ１０は、被写体１からの入射光を結像する右レンズ（Ｒ）１１及び左レンズ（Ｌ）１２と、両レンズ１１，１２の結像位置に受光面を有する１個の立体撮像素子１３と、立体撮像素子１３から出力される画素データを、右レンズ１１からの入射光を受光した後述のＡ群画素データと、左レンズ１２からの入射光を受光したＢ群画素データとに分離する画素データ分離部１４と、Ａ群画素データを画像処理するＡ群画像処理部（信号処理手段）１５と、Ｂ群画素データを画像処理するＢ群画像処理部（信号処理手段）１６と、両画像処理部１５，１６の出力画像データを合成して立体視可能な画像データを合成処理する画像合成部（信号処理手段）１７とを備える。
【０００５】
図６は、特許文献１記載の従来の立体カメラに用いられる立体撮像素子１３の表面模式図であり、図７は、図６のVII―VII線断面模式図である。図示する立体撮像素子１３は、半導体基板１３ａ（図７参照）に多数のフォトダイオード１３ｂが正方格子状に配列形成され、各フォトダイオード１３ｂの上部に夫々マイクロレンズ（トップレンズ）１３ｃが積層されている。１個のフォトダイオード１３ｂ及び対応マイクロレンズ１３ｃにより１画素が構成される。
【０００６】
この従来の立体撮像素子１３では、図６に示す様に、隣接する４画素を１グループとし、立体撮像素子１３の受光面上に市松配列された各グループをＡ群画素とし、残りの市松配列された各グループをＢ群画素としている。
【０００７】
そして、Ａ群画素のマイクロレンズ１３ｃ表面の左半分に遮光膜１３ｄが積層され、Ｂ群画素のマイクロレンズ１３ｃ表面の右半分に遮光膜１３ｄが積層される。
【０００８】
これにより、Ａ群画素は右レンズ１１からの入射光を受光するが左レンズ１２からの入射光は受光せず、Ａ群画素データは、人間の左目で被写体１を見たときの画像データとして模擬される。また、Ｂ群画素は左レンズ１２からの入射光を受光するが右レンズ１１からの入射光は受光せず、Ｂ群画素データは、人間の右目で被写体１を見たときの画像データとして模擬される。
【０００９】
【特許文献１】特開２００３―７９９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
固体撮像素子は、１個の撮影レンズの中心を直進した入射光が撮像素子中心に垂直に入射する様に配置した場合でも、撮像素子中心部の画素が受光した受光量に対し、周辺部の画素が受光した受光量が低下し、撮像画像の中央部に対して周辺部が暗くなってしまうというシェーディングの問題を持っている。
【００１１】
シェーディングはその特性さえ分かれば画像処理によって修正可能である。しかし、立体カメラは、１個の立体撮像素子１３に対し右レンズ１１，左レンズ１２の２つの撮影レンズが配置され、各レンズ１１，１２を通った入射光の撮像素子への入射角が異なるため、Ａ群画素による撮像画像とＢ群画素による撮像画像とは異なるシェーディング特性を持っている。
【００１２】
従って、両方の撮像画像を合成するときにシェーディングを無くすための画像処理に要する演算負荷が大きくなり、このため、性能の高い画像処理装置が必要で、立体カメラのコストを増大させてしまう。
【００１３】
また、従来技術の様に、各画素のマイクロレンズ表面の半分を遮光膜で覆うと、入射光のうちフォトダイオードにまで到達する光量が低下し、明るい画像を撮像することが難しくなってしまう。更に、マイクロレンズ表面に遮光膜を積層する製造工程が必要となり、製造コストも増加してしまう。
【００１４】
本発明の目的は、製造が容易でコスト削減を図ることが可能な立体カメラ及び立体撮像素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の立体撮像素子は、基板上に配列形成された複数の画素が、右側からの入射光を受光する第１群画素と左側からの入射光を受光する第２群画素とに分けられた立体撮像素子において、前記画素を構成するフォトダイオードの上部に積層されるマイクロレンズの積層位置のずらし方向によって前記第１群画素と前記第２群画素とを分けたことを特徴とする。
【００１６】
本発明の立体撮像素子は、前記基板上に配列形成された前記画素が隣接する複数画素毎にグループを構成し、前記第１群画素で構成される前記グループと前記第２群画素で構成される前記グループとが前記基板上に周期的に配列されることを特徴とする。
【００１７】
本発明の立体撮像素子は、前記基板の受光面中央部における前記第１群画素の前記マイクロレンズが前記右側の方向にずらされ前記第２群画素の前記マイクロレンズが前記左側の方向にずらされていることを特徴とする。
【００１８】
本発明の立体撮像素子は、前記基板の受光面周辺部における前記マイクロレンズの前記ずらし方向が前記中央部の方向であり、該マイクロレンズへの入射光が斜め入射になる程ずらし量が大きいことを特徴とする。
【００１９】
本発明の立体撮像素子は、前記基板上に配列形成される前記フォトダイオードの偶数行に対して奇数行が１／２ピッチづつずらして形成され、該偶数行，奇数行の行方向が左右の方向であることを特徴とする。
【００２０】
本発明の立体カメラは、左側に配置された左レンズと、右側に配置された右レンズと、前記左レンズで集光した被写体からの入射光と前記右レンズで集光した前記被写体からの入射光とを受光する上記のいずれかに記載の立体撮像素子と、該立体撮像素子の前記第１群画素から出力される画像データと前記第２群画素から出力される画像データとを合成して立体視用画像データを生成する信号処理手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、遮光膜をマイクロレンズ表面に積層する工程が不要なため低コストで製造でき、マイクロレンズずらし量を調整して形成することで、シェーディングを抑制でき、画像データの合成処理が容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２３】
図１は、本発明の一実施形態に係る立体撮像素子２０の表面模式図である。この立体撮像素子２０は、図５に示す立体カメラ１０の立体撮像素子１３として用いられる。
【００２４】
立体撮像素子２０は、半導体基板上に配列形成された多数のフォトダイオード２１と、各フォトダイオード２１の上に積層されたマイクロレンズ２２とを備える。図１では、マイクロレンズ２２を実線の丸印で示しており、その下のフォトダイオード２１を点線の丸印で示している。
【００２５】
本実施形態では、マイクロレンズ２２の積層位置を対応フォトダイオード２１の形成位置に対してずらして設けていることを特徴とする。ずらし方の詳細については、後述する。図１に示す例では、フォトダイオード２１の真っ直ぐ上にマイクロレンズ２２が設けられている場合があり、この場合は、点線２１の上に実線２２が重なっているため、実線２２の丸印だけを図示している。
【００２６】
本実施形態の立体撮像素子２０に設けられる各フォトダイオード２１は、偶数行のフォトダイオード行に対して奇数行のフォトダイオード行が１／２ピッチづつずらして配列形成されており、所謂ハニカム画素配置（例えば、特開平１０―１３６３９１号公報参照）になっている。
【００２７】
各フォトダイオードが受光量に応じて検出した信号電荷の読み出し形式は、ＣＣＤ型イメージセンサの様に電荷結合素子による電荷転送路を用いた読み出し形式でも、また、ＣＭＯＳ型イメージセンサの様にＭＯＳトランジスタ回路を用いた読み出し形式でも良い。
【００２８】
図示する例の立体撮像素子２０では、フォトダイオード２１及び対応マイクロレンズ２２で構成される各画素を、隣接４画素づつグループ分けし、各グループで構成されるグループ行（またはグループ列）の一行置き（一列置き）をＡ群（第１群）画素のグループとし、残りの一行置き（一列置き）をＢ群（第２群）画素のグループとしている。
【００２９】
そして、立体撮像素子２０の受光面において、中央部２５におけるＡ群画素，Ｂ群画素におけるマイクロレンズ２２のフォトダイオード２１に対するずらし方向，ずらし量と、右側部２６におけるＡ群画素，Ｂ群画素におけるマイクロレンズ２２のフォトダイオード２１に対するずらし方向，ずらし量と、左側部２７におけるＡ群画素，Ｂ群画素におけるマイクロレンズ２２のフォトダイオード２１に対するずらし方向，ずらし量とを、次の様にしている。
【００３０】
図２（ａ）は、立体撮像素子２０の左側部２７，中央部２５，右側部２６におけるＡ群画素グループに属する１画素分の断面模式図である。半導体基板３１の表面部には、フォトダイオード２１が形成されており、その上に、遮光膜３２が積層されている。遮光膜３２のフォトダイオード２１直上箇所には、夫々開口３２ａが設けられている。
【００３１】
各フォトダイオード２１の上には、平坦化層等を介してマイクロレンズ２２が積層される。このマイクロレンズ２２は、中央部２５においては、フォトダイオード２１に対して若干右寄り（図５の右レンズ１１側寄り）にずらして形成される。
【００３２】
これにより、図５に示す右レンズ（Ｒ）１１から入射した図２（ａ）の光Ｒは、マイクロレンズ２２によって集光され、遮光膜開口３２ａを通ってフォトダイオード２１に入る。また、図５に示す左レンズ（Ｌ）１２から入射してくる図２（ａ）の光Ｌは、遮光膜開口３２ａには入らない。
【００３３】
左側部２７では、フォトダイオード２１に対してマイクロレンズ２２が大きく右寄りに形成されている。これにより、中央部２５と同様に、右レンズ１１からの入射光Ｒは遮光膜開口３２ａを通ってフォトダイオード２１に入り、左レンズ１２からの入射光Ｌは遮光膜開口３２ａには入らない。
【００３４】
左側部２７への入射光Ｒの入射角は、中央部２５における入射光Ｒの入射角より傾斜しており、マイクロレンズ２２のずらし量を中央部２５と同じにすると、フォトダイオード２１への入射光量が減り、シェーディングが発生してしまう。しかし、左側部２７でのマイクロレンズ２２のずらし量を大きくすると、フォトダイオード２１への入射光量の減少を抑制することができる。
【００３５】
右側部２６では、フォトダイオード２１に対してマイクロレンズ２２のずらし量を小さくする。図示する例では、フォトダイオード２１の直上にマイクロレンズ２２を設けている。これにより、中央部２５と同様に、右レンズ１１からの入射光Ｒは遮光膜開口３２ａを通ってフォトダイオード２１に入り、左レンズ１２からの入射光Ｌは遮光膜開口３２ａには入らない。
【００３６】
図２（ｂ）は、左レンズ１２からの入射光ＬによるＡ群画素の信号出力分布を示すグラフである。図２（ａ）に示す様に、左側部２７，中央部２５，右側部２６のいずれのＡ群画素も左レンズ１２からの入射光Ｌを受光しないため、その信号出力は立体撮像素子２０の水平方向のいずれの位置でも「０」となっている。
【００３７】
図２（ｃ）は、右レンズ１１からの入射光ＲによるＡ群画素の信号出力分布を示すグラフである。図２（ａ）に示す様に、左側部２７，中央部２５，右側部２６のいずれのＡ群画素も右レンズ１１からの入射光Ｒを遮光膜３２によってケラれることなく受光する。これにより、信号出力ａは、立体撮像素子２０の水平方向のいずれの位置でも同じとなり、シェーディングが回避される。
【００３８】
図３（ａ）は、立体撮像素子２０の左側部２７，中央部２５，右側部２６におけるＢ群画素グループに属する１画素分の断面模式図である。半導体基板３１の表面部には、フォトダイオード２１が形成されており、その上に、遮光膜３２が積層されている。遮光膜３２のフォトダイオード２１直上箇所には、夫々開口３２ａが設けられている。
【００３９】
各フォトダイオード２１の上には、平坦化層等を介してマイクロレンズ２２が積層される。このマイクロレンズ２２は、中央部２５においては、フォトダイオード２１に対して若干左寄り（図５の左レンズ１２側寄り）にずらして形成される。
【００４０】
これにより、図５に示す左レンズ（Ｌ）１２から入射した図３（ａ）の光Ｌは、マイクロレンズ２２によって集光され、遮光膜開口３２ａを通ってフォトダイオード２１に入る。また、図５に示す右レンズ（Ｒ）１１から入射してくる図３（ａ）の光Ｒは、遮光膜開口３２ａには入らない。
【００４１】
右側部２６では、フォトダイオード２１に対してマイクロレンズ２２が大きく左寄りに形成されている。これにより、中央部２５と同様に、左レンズ１２からの入射光Ｌは遮光膜開口３２ａを通ってフォトダイオード２１に入り、右レンズ１１からの入射光Ｒは遮光膜開口３２ａには入らない。
【００４２】
右側部２６への入射光Ｌの入射角は、中央部２５における入射光Ｌの入射角より傾斜しており、マイクロレンズ２２のずらし量を中央部２５と同じにすると、フォトダイオード２１への入射光量が減り、シェーディングが発生してしまう。しかし、右側部２６でのマイクロレンズ２２のずらし量を大きくすると、フォトダイオード２１への入射光量の減少を抑制することができる。
【００４３】
左側部２７では、フォトダイオード２１に対してマイクロレンズ２２のずらし量を小さくする。図示する例では、フォトダイオード２１の直上にマイクロレンズ２２を設けている。これにより、中央部２５と同様に、左レンズ１２からの入射光Ｌは遮光膜開口３２ａを通ってフォトダイオード２１に入り、右レンズ１１からの入射光Ｒは遮光膜開口３２ａには入らない。
【００４４】
図３（ｂ）は、左レンズ１２からの入射光ＬによるＢ群画素の信号出力分布を示すグラフである。図３（ａ）に示す様に、左側部２７，中央部２５，右側部２６のいずれのＢ群画素も左レンズ１２からの入射光Ｌを遮光膜３２によってケラれることなく受光する。これにより、信号出力ｂは、立体撮像素子２０の水平方向のいずれの位置でも同じとなり、シェーディングが回避される。
【００４５】
図３（ｃ）は、右レンズ１１からの入射光ＲによるＢ群画素の信号出力分布を示すグラフである。図３（ａ）に示す様に、左側部２７，中央部２５，右側部２６のいずれのＢ群画素も右レンズ１１からの入射光Ｒを受光しないため、その信号出力は立体撮像素子２０の水平方向のいずれの位置でも「０」となっている。
【００４６】
図４は、Ａ群画素とＢ群画素のマイクロレンズのずらし量の概略を示す図である。図１には、立体撮像素子２０の中央水平線上における中央部２５，左側部２７，右側部２６でのマイクロレンズずらし量を例示している。しかし、シェーディングは、中央部２５に対して上下方向（垂直方向）の上部２８，下部２９でも発生する。
【００４７】
このため、上部２８，下部２９の画素においても、マイクロレンズ２２をずらし、シェーディングを抑制する必要がある。上部２８，下部２９は、左右のレンズ１１，１２（図５）の中央にあるため、Ａ群画素，Ｂ群画素共に、中央部２５から離れるほど、マイクロレンズを中央側に大きくずらす（Ａ群画素とＢ群画素は同じずらし量）ことで、シェーディングを抑制することができる。
【００４８】
斜め方向（右上隅側、右下隅側，左上隅側，左下隅側）にある画素も、中央部２５から離れるほど、マイクロレンズを中央部２５側にずらす様にし、シェーディングを抑制する。図４に示す矢印Ａ，Ｂは、マイクロレンズのずらし方向を示している。周辺部における矢印Ａ，Ｂの長さ（ずらし量）が異なるのは、左右のレンズ１１，１２からの入射光の入射角度が異なるためである。
【００４９】
上述した実施形態によれば、マイクロレンズ２２の表面に遮光膜を積層して左右のレンズ１１，１２からの入射光の入射／遮断を制御する構成ではなく、マイクロレンズ２２のフォトダイオードに対する形成位置をずらすことで、左右のレンズ１1，１２からの入射光の入射／遮断を制御する構成を採用したため、入射光の利用効率が高くなり、明るい画像を撮像することが可能となる。
【００５０】
また、固体撮像素子の受光面上における位置によってずらし量を調整しているため、シェーディングの発生が抑制される。従って、Ａ群画素によるシェーディングが抑制された撮像画像と、Ｂ群画素によるシェーディングが抑制された撮像画像との合成処理の演算負荷が軽減される。
【００５１】
尚、上述した実施形態では、フォトダイオードをハニカム配置した固体撮像素子を例に説明したが、図６で説明したと同様に、フォトダイオードが半導体基板上に正方格子状に配列形成された固体撮像素子にも、マイクロレンズをずらして形成することで、本発明を適用できることはいうまでもない。
【００５２】
しかし、正方格子配列の場合、マイクロレンズを、最近接する画素側にずらす必要があるため、画素配置上、ずらし量を大きくとることができず、シェーディング抑制効果に限度がある。これに対し、ハニカム配列の場合には、マイクロレンズのずらし方向に画素間の隙間が存在するため、ずらし量を大きくとることができ、それだけシェーディングに対処可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明に係る立体カメラ及び立体撮像素子は、低コストでしかも明るくシェーディングの抑制された画像を撮像できるという効果を奏し、デジタルカメラ等の撮像装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の一実施形態に係る立体撮像素子の表面模式図である。
【図２】図１に示す立体撮像素子の左側部，中央部，右側部に設けられたＡ群画素（右レンズからの入射光を受光する画素）の断面模式図である。
【図３】図１に示す立体撮像素子の左側部，中央部，右側部に設けられたＢ群画素（左レンズからの入射光を受光する画素）の断面模式図である。
【図４】図１に示す立体撮像素子におけるマイクロレンズずらし方向，ずらし量の概要説明図である。
【図５】立体カメラのブロック構成図である。
【図６】従来の立体撮像素子の表面模式図である。
【図７】図６のVII―VII線断面模式図である。
【符号の説明】
【００５５】
１１  右レンズ
１２  左レンズ
１３，２０  立体撮像素子
２１  フォトダイオード
２２  マイクロレンズ（トップレンズ）
２５  中央部
２６  右側部
２７  左側部
３２  遮光膜
３２ａ  遮光膜開口
【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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