(57)【要約】【課題】対象物の内部情報を、対象物に接触しない状態で、かつ、対象物表面からの反射成分や表面直下の散乱成分によるノイズを抑制した状態で高解像度測定し得る撮像装置を提供する。【解決手段】  撮像装置は、受光面Ｉａと、受光面に配置された少なくとも１つの画素Ｇであって、画素が光電変換部Ｐと光電変換部の周囲に位置する少なくとも１つの電荷蓄積部Ｆとを有する少なくとも１つの画素とを含む撮像素子Ｉと、光軸Ｊを有し、撮像素子の受光面に集光させる光学系Ｏと、光学系の光路上に配置され、光軸に垂直な断面において、遮光部と遮光部によって規定される形状を有する開口とを備え、遮光部は、開口の中心に対して、光電変換部の中心に対する電荷蓄積部の位置に対応した位置に遮光部が設けられた遮光部材Ｓとを備える。【選択図】図１
2017183879.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光面と、前記受光面に配置された少なくとも１つの画素であって、前記画素が光電変換部と前記光電変換部の周囲に位置する少なくとも１つの電荷蓄積部とを有する前記少なくとも１つの画素とを含む撮像素子と、
光軸を有し、前記撮像素子の受光面に集光させる光学系と、
前記光学系の光路上に配置され、前記光軸に垂直な断面において、遮光部と前記遮光部によって規定される形状を有する開口とを備え、前記遮光部は、前記開口の中心に対して、前記光電変換部の中心に対する前記電荷蓄積部の位置に対応した位置に設けられている遮光部材と、
を備えた撮像装置。
【請求項２】
前記開口は、前記遮光部によって規定される正方形、長方形、扇形またはこれらの少なくとも２つを組み合わせた形状を有する請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記光学系はレンズモジュールを含み、
前記遮光部材は、前記レンズモジュール内または前記レンズモジュール近傍に配置される請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記光学系に配置される絞りをさらに有し、
前記遮光部材は前記絞りよりも物体側に位置している、請求項１から３のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項５】
前記遮光部材の遮蔽率は、前記レンズモジュールのＦ値をＦと置くと、
下記式で表される、請求項３に記載の撮像装置。
遮蔽率（％）＞（１−０．２Ｆ）×５０
【請求項６】
前記遮光部材の遮蔽率は、前記レンズモジュールのＦ値をＦと置くと、
下記式で表される、請求項３に記載の撮像装置。
遮蔽率（％）＞（１−０．２Ｆ）×７５
【請求項７】
前記遮光部材の遮蔽率は、前記レンズモジュールのＦ値をＦと置くと、
下記式で表される、請求項３に記載の撮像装置。
遮蔽率（％）＞（１−０．２Ｆ）×１００
【請求項８】
受光面と、前記受光面に配置された少なくとも１つの画素であって、前記画素が光電変換部と前記光電変換部の周囲に位置する少なくとも１つの電荷蓄積部とを有する前記少なくとも１つの画素とを含む撮像素子と、
光軸を有し、前記撮像素子の受光面に集光させる光学系と、
前記受光面の前記各画素において、前記少なくとも１つの電荷蓄積部に隣接して前記光電変換部の一部分を覆う遮光部材と、
を備えた撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体計測、材料分析等の分野では、対象物に光を照射し、対象物内部を透過した光の情報から対象物の内部情報を取得する方法が用いられる。この方法において、対象物表面からの反射成分や表面直下の散乱成分の混入が問題となることがある。特に、脳内計測では、表面反射成分や皮下散乱成分は脳内散乱成分と比較し４〜５桁高い強度を持つため、脳内散乱成分の取得にはこれら表面反射成分と皮下散乱成分をできるだけ除去することが望ましい。これら成分を取り除き所望の内部情報のみを取得する方法として、例えば生体計測の分野では、特許文献１に開示された方法がある。特許文献１は、光源と光検出器を空間的に一定の間隔で離した状態で測定部位に密着させて測定する方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８―１０３４３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本開示は、対象物の内部情報を、対象物に接触しない状態で、かつ、対象物表面からの反射成分や表面直下の散乱成分によるノイズを抑制した状態で高解像度に取得し得る撮像装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の撮像装置は、受光面と、前記受光面に配置された少なくとも１つの画素であって、前記画素が光電変換部と前記光電変換部の周囲に位置する少なくとも１つの電荷蓄積部とを有する前記少なくとも１つの画素とを含む撮像素子と、光軸を有し、前記撮像素子の受光面に集光させる光学系と、前記光学系の光路上に配置され、前記光軸に垂直な断面において、遮光部と前記遮光部によって規定される形状を有する開口とを備え、前記遮光部は、前記開口の中心に対して、前記光電変換部の中心に対する前記電荷蓄積部の位置に対応した位置に設けられている遮光部材とを備える。
【発明の効果】
【０００６】
本開示によれば、対象物の内部情報を、対象物に接触しない状態で、かつ、対象物表面からの反射成分や表面直下の散乱成分によるノイズを抑制した状態で高解像度に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、実施の形態１の撮像装置を示す模式図である。
【図２Ａ】図２Ａは、図１の撮像装置における遮光部材Ｓを示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図１の撮像装置の撮像素子における光電変換部と電荷蓄積部との位置関係を示す図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、図１の撮像装置の撮像素子における光電変換部と電荷蓄積部との他の位置関係を示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは、図１の撮像装置の撮像素子における光電変換部と電荷蓄積部との他の位置関係を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａに示す光電変換部および電荷蓄積部の配置に適した遮光部材を示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、図１の撮像装置の撮像素子における光電変換部と電荷蓄積部との他の位置関係を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａに示す光電変換部および電荷蓄積部の配置に適した遮光部材を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、図１の撮像装置の撮像素子における光電変換部と電荷蓄積部との他の位置関係を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５Ａに示す光電変換部および電荷蓄積部の配置に適した遮光部材を示す図である。
【図６Ａ】図６Ａは、図１の撮像装置の撮像素子における光電変換部と電荷蓄積部との他の位置関係を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａに示す光電変換部および電荷蓄積部の配置に適した遮光部材を示す図である。
【図７】図７は、遮光部の開口率と光漏れノイズの低減効果を示す図である。
【図８Ａ】図８Ａは、遮光部材を示す図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、図８Ａに示す遮光部材を通過する光線の像面での光路図である。
【図９Ａ】図９Ａは、他の遮光部材を示す図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、図９Ａに示す遮光部材を通過する光線の像面での光路図である。
【図１０】図１０は、実施の形態２の撮像装置を示す模式図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、実施の形態３の撮像装置における光電変換部電荷蓄積部および遮光部材の配置を示す図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、実施の形態３の撮像装置における光電変換部電荷蓄積部および遮光部材の他の配置を示す図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、実施の形態３の撮像装置における光電変換部電荷蓄積部および遮光部材の配置を示す図である。
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、実施の形態３の撮像装置における光電変換部電荷蓄積部および遮光部材の他の配置を示す図である。
【図１１Ｅ】図１１Ｅは、実施の形態３の撮像装置における光電変換部電荷蓄積部および遮光部材の他の配置を示す図である。
【図１１Ｆ】図１１Ｆは、実施の形態３の撮像装置における光電変換部電荷蓄積部および遮光部材の他の配置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本願発明者の詳細な検討によれば、特許文献１の方法では、検出信号に含まれる皮下散乱成分の割合を低減し、脳まで到達した光の散乱成分の検出量を高めることができる。しかし、この方法では照射点と検出点とを３ｃｍ離す必要があり、得られる脳活動分布の空間解像度が低下すると考えられる。
【０００９】
一方、近年、ＴＯＦ（Time-of-Flight）方式で対象物までの距離を測定するための、高速撮影が可能なイメージセンサが開発されている。このようなイメージセンサは時間分割能が高いため、イメージセンサのシャッターを高速に制御することにより、強度が大きい表面反射や皮下散乱成分を大幅に低減して脳内散乱成分を検出することが考えられる。具体的には、パルス光を生体に向けて照射し、生体において反射する光を撮影した場合、生体の表面近傍で反射する光は光路が相対的に短いため、早くイメージセンサに到達し、生体の内部で反射する光は、光路が相対的に長いため、遅れてイメージセンサに到達する。このため、イメージセンサに戻るパルス光のうち、後端部分を検出するように、シャッターを調整することで、比較的光路長が長く、時間遅れを有する脳内散乱成分を効率よく検出することが可能である。時間的に分離検出するこの方法は、照射点直下の脳信号が検出可能であるため、特許文献１の方法と比較し、高解像度な脳活動分布を取得することができると考えられる。
【００１０】
このような高速撮影が可能なイメージセンサでは、シャッター動作（電荷の蓄積および蓄積電荷のリセット）は電子的に行われる。しかし、本願発明者の検討によれば、イメージセンサの構造、電子シャッター動作等に起因して、シャッターが閉じている期間にも除去したい成分の光の一部が光漏れノイズとして検出され得ることが分かった。特に、脳血流計測のような非常にわずかな脳内散乱成分を検出するためには、照射する光の強度を高める、あるいは、発光するパルス数を多くする必要があり、これに応じてこの光漏れノイズが非常に大きくなり、脳内散乱成分検出におけるＳＮが低下してしまうことが分かった。このような課題に鑑み、本願発明者は新規な構造を有する撮像装置を想到した。本開示の撮像装置の概要は以下の通りである。
【００１１】
本開示の撮像装置は、受光面と、前記受光面に配置された少なくとも１つの画素であって、前記画素が光電変換部と前記光電変換部の周囲に位置する少なくとも１つの電荷蓄積部とを有する前記少なくとも１つの画素とを含む撮像素子と、光軸を有し、前記撮像素子の受光面に集光させる光学系と、前記光学系の光路上に配置され、前記光軸に垂直な断面において、遮光部と前記遮光部によって規定される形状を有する開口とを備え、前記遮光部は、前記開口の中心に対して、前記光電変換部の中心に対する前記電荷蓄積部の位置に対応した位置に設けられている遮光部材とを備える。
【００１２】
前記開口は、前記遮光部によって規定される正方形、長方形、扇形またはこれらの少なくとも２つを組み合わせた形状を有していてもよい。
【００１３】
前記光学系はレンズモジュールを含み、前記遮光部材は、前記レンズモジュール内または前記レンズモジュール近傍に配置されていてもよい。
【００１４】
撮像装置は前記光学系に配置される絞りをさらに有し、前記遮光部材は前記絞りよりも物体側に位置していてもよい。
【００１５】
前記遮光部材の遮蔽率は、前記レンズモジュールのＦ値をＦと置くと、下記式で表されてもよい。
遮蔽率（％）＞（１−０．２Ｆ）×５０
【００１６】
前記遮光部材の遮蔽率は、前記レンズモジュールのＦ値をＦと置くと、下記式で表されてもよい。
遮蔽率（％）＞（１−０．２Ｆ）×７５
【００１７】
前記遮光部材の遮蔽率は、前記レンズモジュールのＦ値をＦと置くと、下記式で表されてもよい。
遮蔽率（％）＞（１−０．２Ｆ）×１００
【００１８】
本開示の他の撮像装置は、受光面と、前記受光面に配置された少なくとも１つの画素であって、前記画素が光電変換部と前記光電変換部の周囲に位置する少なくとも１つの電荷蓄積部とを有する前記少なくとも１つの画素とを含む撮像素子と、光軸を有し、前記撮像素子の受光面に集光させる光学系と、前記受光面の前記各画素において、前記少なくとも１つの電荷蓄積部に隣接して前記光電変換部の一部分を覆う遮光部材とを備える。
【００１９】
以下、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、本実施形態の撮像装置の構成を概略的に示している。撮像装置Ｄ１は、撮像素子Ｉと、光学系Ｏと、遮光部材Ｓとを備える。
【００２１】
撮像素子Ｉは受光面Ｉａを有し、受光面Ｉａに少なくとも１つの画素Ｇが配置されている。生体内の情報を１次元あるいは２次元で取得する場合には、複数の画素Ｇが１次元または２次元に配列されていることが望ましい。撮像素子Ｉは単一光子計数型素子であってもよいし、ＣＣＤ型、ＣＭＯＳ型のイメージセンサであってもよいし、増幅型イメージセンサ（ＥＭＣＣＤ、ＩＣＣＤ）であってもよい。また、イメージセンサの光電変換部はシリコンで構成されていてもよいし、有機薄膜で構成されていてもよい。各画素Ｇは、光電変換部Ｐおよび光電変換部Ｐの周囲に配置される少なくとも１つの電荷蓄積部Ｆを有する。図１は各画素が２つの電荷蓄積部Ｆを有する例を示している。撮像素子Ｉは、各画素Ｇが２つの電荷蓄積部Ｆを有し、光電変換部Ｐで生成した電荷を、２つの光電変換部Ｐにおいて逐次切り替えて蓄積し、光電変換部Ｐから読み出すことによって、高フレームレート、つまり、高速で被写体を撮影することができる。このような撮像装置は例えば特開２００８−８９３４６号公報に開示されている。
【００２２】
光学系Ｏは、光を撮像素子Ｉの受光面Ｉａに収束させる。本実施形態では光学系ＯはレンズモジュールＬを含む。図１では１つのレンズを含むレンズモジュールＬを示しているが、レンズモジュールＬは複数のレンズを含んでいてもよい。光学系Ｏは光軸Ｊを有する。
【００２３】
遮光部材Ｓは、光学系Ｏの光路中に配置される。遮光部材Ｓは、光軸Ｊに垂直な断面において、遮光部Ｓｓと遮光部Ｓｓによって規定される形状を有する開口Ｓｏとを備える。遮光部Ｓｓは、開口Ｓｏの中心Ｓｏｃに対して、光電変換部Ｐの中心Ｐｃ対する電荷蓄積部Ｆの位置に対応した位置に設けられている。図１に示す例では、光電変換部Ｐの中心Ｐｃに対して電荷蓄積部Ｆが光電変換部Ｐを挟んで上下に位置している。このため、遮光部材Ｓは、図１において、破線で示す光学系Ｏの光路の光軸Ｊに垂直な断面において、上下に遮蔽部Ｓｓを有しており、遮蔽部Ｓｓによって上下が遮光された略長方形の開口Ｓｏを有している。ここで、受光面Ｉａにおける光電変換部Ｐと電荷蓄積部Ｆとの配置と、光路の光軸Ｊに垂直断面における遮光部材Ｓ上の遮蔽部の配置は光軸に対して点対称の関係にある。
【００２４】
図１に示すように光学系Ｏに入射する光Ｒの一部は遮光部材Ｓによって遮られ、残りの光はレンズＬを通して撮像素子Ｉの受光面Ｉａに収束する。シャッタオフ時に生じる光漏れノイズの要因の一つは、光電変換部Ｐの電荷蓄積部Ｆに隣接する領域に入射した光が基板内部を透過し、電荷蓄積部Ｆへ入射したり、電荷蓄積部Ｆとその上に位置する遮光膜との間に設けられた保護膜に入射し、電荷蓄積部Ｆへ到達するからであると考えられる。
【００２５】
光電変換部Ｐの電荷蓄積部Ｆに隣接する領域、つまり、光電変換部Ｐの端（最も外周側）の領域には、光学系Ｏの有効径の外周側に高入射角で入射する光が集束する。このため、このようなノイズを抑制するには、光学系Ｏの光軸Ｊに垂直な平面上における有効径内の外周側であって、電荷蓄積部の位置と、光軸Ｊに垂直な平面と光軸Ｊとが交わる点に対して点対称の関係にある位置に遮光部を設ければよい。これにより、光電変換部Ｐの電荷蓄積部Ｆ側に高入射角で入射する光線を制限することができ、ノイズを低減することができる。また、遮光部材Ｓは電荷蓄積部Ｆが存在しない位置と、光軸Ｊに垂直な平面と光軸Ｊとが交わる点に対して点対称の関係にある位置には遮光部を設けないことによって、開口を大きくし、受光量を高めることができる。したがって、撮像装置Ｄ１内の遮光部材Ｓの形状は、電荷蓄積部Ｆの配置と対応して設計される。図１は光軸方向である画角０°の光線しか描画していないが、斜入射の光線についても同様に電荷蓄積部Ｆ方向に向かう光を遮光できるため光漏れノイズを低減する効果がある。
【００２６】
以下、遮光部材Ｓの具体的な形状を説明する。図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｃに示す光電変換部Ｐおよび電荷蓄積部Ｆの配置関係に基づき設計された遮光部材Ｓの形状を示す。図２Ｂおよび図２Ｃは、それぞれ撮像素子の４画素分を抽出して描画しているが、実際はそれぞれこれらが連続して縦横に並んで配置されている。図２Ｂでは、各画素Ｇは、１つの光電変換部Ｐおよび１つの電荷蓄積部Ｆを有する。図２Ｃでは、各画素Ｇは、１つの光電変換部Ｐおよび複数の電荷蓄積部Ｆを含む。
【００２７】
図２Ｂおよび図２Ｃに示すように、電荷蓄積部Ｆは光電変換部Ｐに対してそれぞれ左右両側に配置されているため、高入射角の光が光電変換部Ｐの左右方向のどちら側から入射しても、光漏れノイズは検出される。したがって、図２Ａに示すように、遮光部材Ｓは本来の開口Ａの左右方向における両側を遮光するのが望ましい。このとき、生体計測や材料分析等の分野では散乱体を扱うため微弱な信号を観測する必要がある。すなわち、わずかな光漏れノイズであってもＳＮに大きく影響するため、遮光幅ｂは開口の半径ｒに対し十分大きくとり、高入射角の光を遮光する必要がある。このとき、上下方向においては、もとの開口Ａの半径ｒのままであるため、検出信号の光量を確保できる。
【００２８】
開口Ａは、撮像装置Ｄ１の光学設計によって決定される。微弱な信号を検出する必要がある生体計測や材料分析の分野では光量をなるべく多く取り込めるのが望ましいため、開口Ａが大きい、すなわち、Ｆ値が小さい光学系を用いるのが望ましい。例えば、Ｆ値で２以下である。望ましくは１．８以下、さらに、望ましくは１．３以下である。
【００２９】
図３Ａ、図４Ａ、図５Ａおよび図６Ａは、光電変換部Ｐと電荷蓄積部Ｆの他の配置関係を表す図であり、図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂおよび図６Ｂは、それぞれ図３Ａ、図４Ａ、図５Ａおよび図６Ａに対応した遮光部材Ｓの形状の例を示す。図３Ａに示すように光電変換部Ｐの上下および左右方向の四隅に電荷蓄積部Ｆが配置されている場合は、図３Ｂに示すように光電変換部Ｐの四隅の方向へ入射し得る高入射角の光を遮ることができるよう、遮光部材Ｓの本来の開口Ａの四隅に遮光部を設ける。これにより、遮光部材Ｓの開口は、２つの長方形を十字になるように組み合わせた形状を有する。図４Ａに示すように光電変換部Ｐのｘ軸に平行な２辺のうち、左側の辺のｙ方向の両端に電荷蓄積部Ｆが存在する場合は、光電変換部Ｐの左隅へ入射し得る高入射角度の光を遮ることができるよう、図４Ｂに示すように、遮光部材Ｓの本来の開口Ａにおける右上および右下を遮光部で遮光する。このため、遮光部材Ｓの開口は、扇形と長方形を組み合わせた形状を有する。このとき、遮光部材Ｓにおける遮光部の位置は、光電変換部Ｐに対する電荷蓄積部Ｆの位置と点対称の関係にある。
【００３０】
図５Ａに示すように光電変換部Ｐの右側に電荷蓄積部Ｆが存在する場合は、光電変換部Ｐの右側への入射し得る高入射角度の光を遮ることができるように、図５Ｂに示すように、遮光部材Ｓの本来の開口Ａにおける左側を遮光部で遮光する。このため、遮光部材Ｓの開口は扇形の形状を有する。このとき、遮光部材Ｓにおける遮光部の位置は、光電変換部Ｐに対する電荷蓄積部Ｆの位置と点対称の関係になる。図６Ａに示すように光電変換部Ｐの周囲に電荷蓄積部Ｆが存在する場合は、図６Ｂに示すように、遮光部材Ｓの本来の開口Ａの外周全体に遮光部を設け矩形の開口を形成する。
【００３１】
次に、本実施の形態における撮像装置Ｄ１の有効な遮蔽率について説明する。
【００３２】
図７は、遮光部材Ｓの開口率を変化させた際の光漏れノイズの低減量を表すグラフである。光学系のＦ値が２．０の円形開口Ａを基準（開口率１００％）とし、それに対する遮光部材Ｓの開口面積の比（＝開口率）を８５、７５、５０、４８、２５％と変化させた。このとき、電荷蓄積部Ｆは光電変換部Ｐの左右に配置した構成であり、遮光部材Ｓの開口は図２Ａに示す形状を有している。遮光幅ｂが電荷蓄積部Ｆ方向へ向かう光線Ｒの遮光量を決定する主要なパラメータであるため、ここで、遮蔽率を遮光幅ｂ／開口の半径ｒで定義する。このとき、準備した６つの遮光部材Ｓの遮蔽率は、０、２６、３７、６０、６１、８０％であった。
【００３３】
光漏れノイズ量は、以下に示すように測定した。対象にパルス光を照射すると、対象にあたり反射・散乱して撮像装置Ｄ１に戻る。この光が撮像素子Ｉに到達する期間中はシャッターをＯＦＦにし、パルス光が散乱遅れも含め全て十分に到達したあとにシャッターをＯＮにし、電荷蓄積部Ｆに電荷を蓄積する。このとき、理想的には電荷蓄積部には電荷は蓄積されていないはずであるが、パルス光が撮像素子Ｉに到達している期間中にシャッターをＯＦＦにしていたとしても、そのうちの一部は、上述した理由から電荷蓄積部Ｆに到達し、光漏れノイズとして検出される。遮蔽率が同じでも開口面積が大きいほど撮像素子Ｉに到達するパルス光の光量が大きくなり光漏れノイズの絶対量が増加するため、撮像素子Ｉに到達するパルス光の光量をあらかじめ測定しておくことで光漏れノイズ量を正規化した。これにより、開口面積に依存する絶対光量変化影響を排除し、純粋な光漏れノイズ低減効果を評価できる。パルス光の光量は撮像素子Ｉにパルス光が到達する期間中、シャッターを開け続けることで測定することができる。
【００３４】
図７は、光軸Ｊ上（画角０°）で評価した結果である。横軸は開口率を示し、縦軸はパルス全光量で正規化した光漏れノイズの低減量を示す。光漏れノイズ量は、それぞれ基準の円形開口を１００％とし、測定結果に対する相対値で表した。実線が本願の遮光部材Ｓで評価した結果である。図７より、遮光部材Ｓの左右両サイドを遮光することで効果的に光漏れノイズが低減できていることが確認できる。参考のため、開口率を７５、５０、２５％とした円形開口での測定結果を点線で示す。開口径を小さくすることで高入射角の光が遮光されるため、円形開口でも効果が見られるが、本願と比較し、例えば、開口率が７５、５０％で、低減効果が半分程度しかない。この結果からも遮光すべき箇所のみに遮光部を配置した本願の遮光部材Ｓの構成の有効性が示唆される。
【００３５】
図７より、本願の遮光部材Ｓは、開口率は５０％まで線形的に効果が見られ、５０％を超えると効果が薄れることが示される。円形開口での結果と比較しても開口率２５％では１．５倍程度の低減効果しかない。これは、開口率が５０％よりも小さくなると既に高入射角の光が十分に遮られ、高入射角の光がほとんど無くなるためであると考えられる。したがって、遮光部材Ｓの効果的な開口率は５０％以下、定義した遮蔽率では６０％以上とするのが望ましい。スミア対策のために従来のＣＣＤでも、瞳部やセンサ部で一部遮蔽することはあったが、感度が重視されていたこと、および、飽和するほどの大きな光が撮像素子Ｉに入射した際しか問題とならなかったため、今回のように大きく遮蔽する必要性は従来無かった。遮蔽率６０％は従来想定しないほどの遮蔽構造である。
【００３６】
図７は、もともとの光学系のＦ値を２．０として有効な開口率、遮蔽率を算出したが、遮蔽効果は光電変換部Ｐに入射する光線の角度に関係しているためＦ値にも依存する。ここでは、このＦ値も考慮し一般化した理想的な遮蔽率について考える。図８Ａは、遮光部材Ｓ１を示し、図８Ｂは、遮光部材Ｓ１を通過する光線の像面での光路図を示す。図９Ａは、図８Ａと異なる大きさの開口Ａ２の遮光部材Ｓ２を示し、図９Ｂは、遮光部材Ｓ２を通過する光線の像面での光路図を示す。遮光部材Ｓ２のもともとの光学系の開口Ａ２の半径ｒ２は、遮光部材Ｓ１の開口Ａ１の半径ｒ１よりも大きい。したがって、撮像素子Ｉへの最大入射角は、図８Ｂおよび９Ｂに示すように、遮光部材Ｓ２の場合のほうが大きい。このとき、光漏れノイズは光線入射角に依存するため、遮光部材Ｓ１、Ｓ２で遮光すべき光の入射角は同じであり、遮光後の遮光部材Ｓ１、Ｓ２の遮蔽方向の開口角（＝ｗ／ｆ）はともに同じ値となる。したがって、遮蔽率は、光学系のＦ値を用いて、
ｂ／ｒ＝１−ｗＦ／ｆ
＝１−ｋＦ                                                （数１）
と、置くことができる。ここで、ｋは定数である。図７を参照して説明した結果より、Ｆ値２．０、遮蔽率０．６（６０％）を上式に代入すれば、ｋ＝０．２が得られる。したがって、遮光部材Ｓの遮蔽率は、光学系のもともとのＦ値の値、あるいは遮光されていない方向の瞳直径と焦点距離から求められるＦ値を用いて次式で一般化される。
遮蔽率（％）＝（１−０．２Ｆ）×１００                        （数２）
すなわち、本実施の形態１の遮光部材Ｓの遮蔽率は（１−０．２Ｆ）×１００以上とするのが良い。
【００３７】
ただし、用途によっては一部光漏れノイズを許容し、感度を少し確保したほうが良い場合もある。この場合は、遮蔽率は、数２の７５％、さらには、５０％であっても良い。すなわち、（１−０．２Ｆ）×７５以上、（１−０．２Ｆ）×５０以上である。
【００３８】
（実施の形態２）
本実施形態の撮像装置Ｄ２は、遮光部材Ｓとは別に絞りＳｔを含む点において、実施の形態１と異なっている。ここでは、本実施形態において実施の形態１と同様の内容についての詳細な説明は省略する。
【００３９】
図１０は、撮像装置Ｄ２の構成を示す模式図である。光学系Ｏは、遮光部材Ｓに加えて絞りＳｔを含む。絞りＳｔの設置位置は光学系の設計で決まり任意であり、レンズＬの物体側、像側、あるいは、レンズＬが複数枚で構成されている場合はそれらの間に設置しても良い。しかし、遮光部材Ｓは、任意のいずれの画角の光線Ｒに対しても遮光する必要があり、絞りＳｔ近傍に設置することが望ましいため、汎用のレンズモジュールに遮光部材Ｓを取り付けることを勘案すると絞りＳｔは物体側に設置した構成であることが望ましい。
【００４０】
図１０に示すように、一般に、撮像用光学系は撮像素子Ｉに対する主光線入射角が、画角が大きくなるにつれて光軸Ｊに対し角度を持つような設計になる。したがって、画角が大きくなるにつれて撮像素子Ｉの受光面Ｉａでの光線Ｒの下光線の角度も軸上画角に比べ大きくなる。すなわち、光漏れノイズの発生が周辺画角ほど顕著になる。そこで、図１０に示すように、遮光部材Ｓの設置位置を絞りＳｔよりも物体側に配置する。このように配置することで、軸上画角の光線は上光線、下光線が均等な幅に遮光され、周辺画角の光線は上光線よりも下光線のほうがより多く遮光される。したがって、撮像素子Ｉの受光面Ｉａ上で、周辺画角で入射角度がきつくなる光線Ｒを効果的に遮光できる。
【００４１】
実施の形態２では絞りＳｔも設置するが、本願の発明では必ずしも設置する必要は無い。例えば、像側テレセンのレンズモジュールを使用する場合には、周辺画角の光線であっても軸上と同じように主光線が０度で撮像素子Ｉに入射するため、下光線を多めに遮光する必要はない。
【００４２】
（実施の形態３）
本実施の撮像装置は、光学系Ｏ中ではなく、遮光部材Ｓが撮像素子Ｉの受光面Ｉａ上に形成される点において、実施の形態１と異なっている。ここでは、本実施形態において実施の形態１と同様の内容についての詳細な説明は省略する。
【００４３】
図１１Ａから図１１Ｆは、本実施形態における遮光部材Ｓの構成例を示す。図１１Ａから図１１Ｆに示すように、受光面Ｉａの各画素Ｇにおいて、電荷蓄積部Ｆに隣接した光電変換部の一部分を覆うように遮光部材Ｓが配置されている。遮光部材Ｓは、例えば、撮像装置において、電荷蓄積部Ｆ上に設けられる遮光膜と同様の材料および厚さによって構成することができる。一般的なイメージセンサは、感度を確保するために光電変換部Ｐの面積をできる限り大きく設計している。これに対し本実施の形態では、感度の低下を許容し、わずかな光漏れノイズの混入もさけるために従来には無い十分大きな遮光幅ｂで遮光部材Ｓを設ける。例えば、光電変換部Ｐと電荷蓄積部Ｆの間距離（＝遮光幅ｂ）を１μｍ以上、望ましくは、１．５μｍ以上、さらに望ましくは、２μｍ以上とすると良い。
【００４４】
本実施形態の撮像装置によれば、受光面Ｉａ上に設けられた遮光部材は、光電変換部Ｐの電荷蓄積部Ｆに隣接する領域に、光が入射するのを遮る。このため、第１の実施形態と同様、このような光が基板内部を透過し、電荷蓄積部Ｆへ入射したり、電荷蓄積部Ｆとその上に位置する遮光膜との間に設けられた保護膜に入射し、電荷蓄積部Ｆへ到達するを抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本開示における撮像装置は、非接触で測定対象の内部情報を取得するカメラや測定機器に有用である。生体・医療センシング、材料分析、食品分析、および車載センシングシステム等に応用できる。
【符号の説明】
【００４６】
Ｄ１、Ｄ２  撮像装置
Ｉ  撮像素子
Ｌ  レンズ
Ｓ、Ｓ１、Ｓ２  遮光部材
Ｓｐ  スポット
Ｒ  光線
Ｐ  光電変換部（フォトダイオード）
Ｆ  電荷蓄積部
Ａ、Ａ１、Ａ２  開口
ｂ、ｂ１、ｂ２  遮光幅
ｒ、ｒ１、ｒ２  開口の半径
ｗ  開口幅
ｆ  焦点距離
Ｓｔ  絞り
【図１】
2017183879.tif 000003
【図２Ａ】
2017183879.tif 000004
【図２Ｂ】
2017183879.tif 000005
【図２Ｃ】
2017183879.tif 000006
【図３Ａ】
2017183879.tif 000007
【図３Ｂ】
2017183879.tif 000008
【図４Ａ】
2017183879.tif 000009
【図４Ｂ】
2017183879.tif 000010
【図５Ａ】
2017183879.tif 000011
【図５Ｂ】
2017183879.tif 000012
【図６Ａ】
2017183879.tif 000013
【図６Ｂ】
2017183879.tif 000014
【図７】
2017183879.tif 000015
【図８Ａ】
2017183879.tif 000016
【図８Ｂ】
2017183879.tif 000017
【図９Ａ】
2017183879.tif 000018
【図９Ｂ】
2017183879.tif 000019
【図１０】
2017183879.tif 000020
【図１１Ａ】
2017183879.tif 000021
【図１１Ｂ】
2017183879.tif 000022
【図１１Ｃ】
2017183879.tif 000023
【図１１Ｄ】
2017183879.tif 000024
【図１１Ｅ】
2017183879.tif 000025
【図１１Ｆ】
2017183879.tif 000026