(57)【要約】  撮像素子の画質の低下を防止する。  撮像素子は、オンチップレンズと光電変換部と複数の層内レンズとを具備する。オンチップレンズは、被写体からの入射光を集光する。光電変換部は、その集光された入射光の光電変換を行う。複数の層内レンズは、そのオンチップレンズおよびその光電変換部の間に配置されてそのオンチップレンズを透過した入射光をさらに集光する。また、その複数の層内レンズは、自身の層内レンズの何れか１つを透過したその入射光をその光電変換部に入射させる。
2020137203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体からの入射光を集光するオンチップレンズと、
前記集光された入射光の光電変換を行う光電変換部と、
前記オンチップレンズおよび前記光電変換部の間に配置されて前記オンチップレンズを透過した入射光をさらに集光する複数の層内レンズと
を具備し、
前記複数の層内レンズは、自身の層内レンズの何れか１つを透過した前記入射光を前記光電変換部に入射させる
撮像素子。
【請求項２】
前記複数の層内レンズは略同層に配置される請求項１記載の撮像素子。
【請求項３】
前記複数の層内レンズは、同時に形成される請求項２記載の撮像素子。
【請求項４】
前記オンチップレンズを透過した入射光のうち所定の波長の光を透過するカラーフィルタをさらに具備する請求項１記載の撮像素子。
【請求項５】
前記カラーフィルタは、赤色光を透過する請求項４記載の撮像素子。
【請求項６】
前記カラーフィルタは、赤外光を透過する請求項４記載の撮像素子。
【請求項７】
前記複数の層内レンズは、自身の層内レンズのうちの１つが前記オンチップレンズの光軸上に配置される請求項１記載の撮像素子。
【請求項８】
前記複数の層内レンズは、それぞれ異なる形状に構成される請求項１記載の撮像素子。
【請求項９】
前記オンチップレンズ、前記光電変換部および前記複数の層内レンズを備える複数の画素を具備する請求項１記載の撮像素子。
【請求項１０】
前記複数の層内レンズは、前記画素の中心に対して非対称に配置される請求項９記載の撮像素子。
【請求項１１】
前記オンチップレンズおよび前記光電変換部を備えて前記被写体からの入射光を瞳分割して位相差を検出するための位相差画素をさらに具備する請求項９記載の撮像素子。
【請求項１２】
被写体からの入射光を集光するオンチップレンズと、
前記集光された入射光の光電変換を行う光電変換部と、
前記オンチップレンズおよび前記光電変換部の間に配置されて前記オンチップレンズを透過した入射光をさらに集光する複数の層内レンズと、
前記光電変換部における光電変換に基づく画像信号を処理する処理回路と
を具備し、
前記複数の層内レンズは、自身の層内レンズの何れか１つを透過した前記入射光を前記光電変換部に入射させる
撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、撮像素子および撮像装置に関する。詳しくは、オンチップレンズおよび層内レンズを備える撮像素子および当該撮像素子を備える撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、入射光を画像信号に変換する画素が２次元格子状に配置された撮像素子において、裏面照射型の撮像素子が使用されている。この裏面照射型の撮像素子は、半導体基板の配線領域が形成された面（表面）とは異なる面である裏面側から半導体基板に入射光が照射される撮像素子である。表面側から入射光が照射される撮像素子と比較して、感度を向上させることができる。このような裏面照射型の撮像素子において、入射光が半導体基板において吸収されずに透過し、配線領域の配線層により反射される場合がある。特に、赤色光等の長波長の光は、半導体基板を透過しやすいため、配線層により反射される光量が増加する。この反射光が撮像素子の外部で反射されて他の画素に再度入射すると混色等を生じ画質が低下する。【０００３】
また、この反射光の光量が入射光の入射角度により変化すると画質がさらに低下する。他の画素に入射する反射光の光量が入射角度により変化し、画素の感度が変動するためである。この画質の低下を軽減するため、配線層の配線を画素の中心に対して対称な形状に構成する撮像素子が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この撮像素子においては、対称に構成された配線により、画素からの反射光の光量を入射角度に依らず一定にすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−２０１３９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の従来技術では、配線層からの入射光の反射を軽減することができず、画質の低下を防止することができないという問題がある。【０００６】
本開示は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、画質の低下を防止することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示は、上述の問題点を解消するためになされたものであり、その第１の態様は、被写体からの入射光を集光するオンチップレンズと、上記集光された入射光の光電変換を行う光電変換部と、上記オンチップレンズおよび上記光電変換部の間に配置されて上記オンチップレンズを透過した入射光をさらに集光する複数の層内レンズとを具備し、上記複数の層内レンズは、自身の層内レンズの何れか１つを透過した上記入射光を上記光電変換部に入射させる撮像素子である。【０００８】
また、この第１の態様において、上記複数の層内レンズは略同層に配置されてもよい。【０００９】
また、この第１の態様において、上記複数の層内レンズは、同時に形成されてもよい。【００１０】
また、この第１の態様において、上記オンチップレンズを透過した入射光のうち所定の波長の光を透過するカラーフィルタをさらに具備してもよい。【００１１】
また、この第１の態様において、上記カラーフィルタは、赤色光を透過してもよい。【００１２】
また、この第１の態様において、上記カラーフィルタは、赤外光を透過してもよい。【００１３】
また、この第１の態様において、上記複数の層内レンズは、自身の層内レンズのうちの１つが上記オンチップレンズの光軸上に配置されてもよい。【００１４】
また、この第１の態様において、上記複数の層内レンズは、それぞれ異なる形状に構成されてもよい。【００１５】
また、この第１の態様において、上記オンチップレンズ、上記光電変換部および上記複数の層内レンズを備える複数の画素を具備してもよい。【００１６】
また、この第１の態様において、上記複数の層内レンズは、上記画素の中心に対して非対称に配置されてもよい。【００１７】
また、この第１の態様において、上記オンチップレンズおよび上記光電変換部を備えて上記被写体からの入射光を瞳分割して位相差を検出するための位相差画素をさらに具備してもよい。【００１８】
また、本開示の第２の態様は、被写体からの入射光を集光するオンチップレンズと、上記集光された入射光の光電変換を行う光電変換部と、上記オンチップレンズおよび上記光電変換部の間に配置されて上記オンチップレンズを透過した入射光をさらに集光する複数の層内レンズと、上記光電変換部における光電変換に基づく画像信号を処理する処理回路とを具備し、上記複数の層内レンズは、自身の層内レンズの何れか１つを透過した上記入射光を上記光電変換部に入射させる撮像装置である。【００１９】
このような態様を採ることにより、オンチップレンズを透過した入射光が、複数の層内レンズにより個別に集光されるという作用をもたらす。入射光の光電変換部におけるそれぞれ異なる位置への集光が想定される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本開示の実施の形態に係る撮像素子の構成例を示す図である。
【図２】本開示の実施の形態に係る画素の構成例を示す図である。
【図３】本開示の第１の実施の形態に係る画素の構成例を示す平面図である。
【図４】本開示の実施の形態に係る画素の構成例を示す断面図である。
【図５】従来の画素における入射光の光路を示す図である。
【図６】本開示の第１の実施の形態に係る画素における入射光の光路の一例を示す図である。
【図７】本開示の実施の形態に係る撮像素子の製造方法の一例を示す図である。
【図８】本開示の実施の形態に係る撮像素子の製造方法の一例を示す図である。
【図９】本開示の第２の実施の形態に係る画素の構成例を示す平面図である。
【図１０】本開示の第３の実施の形態に係る画素の第１の構成例を示す平面図である。
【図１１】本開示の第３の実施の形態に係る画素の第２の構成例を示す平面図である。
【図１２】本開示の第３の実施の形態に係る画素の第３の構成例を示す平面図である。
【図１３】本開示の第３の実施の形態に係る画素の第４の構成例を示す平面図である。
【図１４】本開示の第４の実施の形態に係る画素の構成例を示す平面図である。
【図１５】本開示の第４の実施の形態に係る画素における入射光の光路の一例を示す図である。
【図１６】本開示の第５の実施の形態に係る画素の構成例を示す平面図である。
【図１７】本開示の第５の実施の形態に係る画素の他の構成例を示す平面図である。
【図１８】本開示の第６の実施の形態に係る画素アレイ部の構成例を示す平面図である。
【図１９】本技術が適用され得る撮像装置の一例であるカメラの概略的な構成例を示すブロック図である。
【図２０】内視鏡手術システムの概略的な構成の一例を示す図である。
【図２１】カメラヘッド及びＣＣＵの機能構成の一例を示すブロック図である。
【図２２】車両制御システムの概略的な構成の一例を示すブロック図である。
【図２３】車外情報検出部及び撮像部の設置位置の一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
次に、図面を参照して、本開示を実施するための形態（以下、実施の形態と称する）を説明する。以下の図面において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。また、以下の順序で実施の形態の説明を行う。
１．第１の実施の形態
２．第２の実施の形態
３．第３の実施の形態
４．第４の実施の形態
５．第５の実施の形態
６．第６の実施の形態
７．カメラへの応用例
８．内視鏡手術システムへの応用例
９．移動体への応用例
【００２２】
＜１．第１の実施の形態＞
［撮像素子の構成］
図１は、本開示の実施の形態に係る撮像素子の構成例を示す図である。同図の撮像素子１は、画素アレイ部１０と、垂直駆動部２０と、カラム信号処理部３０と、制御部４０とを備える。
【００２３】
画素アレイ部１０は、画素１００が２次元格子状に配置されて構成されたものである。ここで、画素１００は、照射された光に応じた画像信号を生成するものである。この画素１００は、照射された光に応じた電荷を生成する光電変換部を有する。また画素１００は、画素回路をさらに有する。この画素回路は、光電変換部により生成された電荷に基づく画像信号を生成する。画像信号の生成は、後述する垂直駆動部２０により生成された制御信号により制御される。画素アレイ部１０には、信号線１１および１２がＸＹマトリクス状に配置される。信号線１１は、画素１００における画素回路の制御信号を伝達する信号線であり、画素アレイ部１０の行毎に配置され、各行に配置される画素１００に対して共通に配線される。信号線１２は、画素１００の画素回路により生成された画像信号を伝達する信号線であり、画素アレイ部１０の列毎に配置され、各列に配置される画素１００に対して共通に配線される。これら光電変換部および画素回路は、半導体基板に形成される。
【００２４】
垂直駆動部２０は、画素１００の画素回路の制御信号を生成するものである。この垂直駆動部２０は、生成した制御信号を同図の信号線１１を介して画素１００に伝達する。カラム信号処理部３０は、画素１００により生成された画像信号を処理するものである。このカラム信号処理部３０は、同図の信号線１２を介して画素１００から伝達された画像信号の処理を行う。カラム信号処理部３０における処理には、例えば、画素１００において生成されたアナログの画像信号をデジタルの画像信号に変換するアナログデジタル変換が該当する。カラム信号処理部３０により処理された画像信号は、撮像素子１の画像信号として出力される。制御部４０は、撮像素子１の全体を制御するものである。この制御部４０は、垂直駆動部２０およびカラム信号処理部３０を制御する制御信号を生成して出力することにより、撮像素子１の制御を行う。制御部４０により生成された制御信号は、信号線４１および４２により垂直駆動部２０およびカラム信号処理部３０に対してそれぞれ伝達される。なお、カラム信号処理部３０は、請求の範囲に記載の処理回路の一例である。
【００２５】
［画素の回路構成］
図２は、本開示の実施の形態に係る画素の構成例を示す図である。同図は、画素１００の構成例を表す回路図である。同図の画素１００は、光電変換部１０１と、電荷保持部１０２と、ＭＯＳトランジスタ１０３乃至１０６とを備える。
【００２６】
光電変換部１０１のアノードは接地され、カソードはＭＯＳトランジスタ１０３のソースに接続される。ＭＯＳトランジスタ１０３のドレインは、ＭＯＳトランジスタ１０４のソース、ＭＯＳトランジスタ１０５のゲートおよび電荷保持部１０２の一端に接続される。電荷保持部１０２の他の一端は、接地される。ＭＯＳトランジスタ１０４および１０５のドレインは電源線Ｖｄｄに共通に接続され、ＭＯＳトランジスタ１０５のソースはＭＯＳトランジスタ１０６のドレインに接続される。ＭＯＳトランジスタ１０６のソースは、信号線１２に接続される。ＭＯＳトランジスタ１０３、１０４および１０６のゲートは、それぞれ転送信号線ＴＲ、リセット信号線ＲＳＴおよび選択信号線ＳＥＬに接続される。なお、転送信号線ＴＲ、リセット信号線ＲＳＴおよび選択信号線ＳＥＬは、信号線１１を構成する。
【００２７】
光電変換部１０１は、前述のように照射された光に応じた電荷を生成するものである。この光電変換部１０１には、フォトダイオードを使用することができる。また、電荷保持部１０２およびＭＯＳトランジスタ１０３乃至１０６は、画素回路を構成する。
【００２８】
ＭＯＳトランジスタ１０３は、光電変換部１０１の光電変換により生成された電荷を電荷保持部１０２に転送するトランジスタである。ＭＯＳトランジスタ１０３における電荷の転送は、転送信号線ＴＲにより伝達される信号により制御される。電荷保持部１０２は、ＭＯＳトランジスタ１０３により転送された電荷を保持するキャパシタである。ＭＯＳトランジスタ１０５は、電荷保持部１０２に保持された電荷に基づく信号を生成するトランジスタである。ＭＯＳトランジスタ１０６は、ＭＯＳトランジスタ１０５により生成された信号を画像信号として信号線１２に出力するトランジスタである。このＭＯＳトランジスタ１０６は、選択信号線ＳＥＬにより伝達される信号により制御される。
【００２９】
ＭＯＳトランジスタ１０４は、電荷保持部１０２に保持された電荷を電源線Ｖｄｄに排出することにより電荷保持部１０２をリセットするトランジスタである。このＭＯＳトランジスタ１０４によるリセットは、リセット信号線ＲＳＴにより伝達される信号により制御され、ＭＯＳトランジスタ１０３による電荷の転送の前に実行される。なお、このリセットの際、ＭＯＳトランジスタ１０３を導通させることにより、光電変換部１０１のリセットも行うことができる。このように、画素回路は、光電変換部１０１により生成された電荷を画像信号に変換する。
【００３０】
［画素の構成］
図３は、本開示の第１の実施の形態に係る画素の構成例を示す平面図である。同図は、画素アレイ部１０に配置された画素１００の構成例を表す図である。同図において実線の矩形は画素１００を表し、点線の矩形は光電変換部１０１を構成するｎ型半導体領域１１１を表し、２点鎖線の円はオンチップレンズ１８０を表し、実線の円は層内レンズ１６０を表す。
【００３１】
オンチップレンズ１８０は、画素１００の最外層に配置され、被写体からの入射光を光電変換部１０１に集光するレンズである。
【００３２】
層内レンズ１６０は、オンチップレンズ１８０および光電変換部１０１の間に配置され、オンチップレンズ１８０により集光された入射光をさらに集光するレンズである。この層内レンズ１６０は、画素１００毎に複数配置される。同図の画素１００は、９個の層内レンズ１６０が格子状に配置される例を表したものである。なお、配置された複数の層内レンズ１６０には、隙間１６９が形成される。この隙間１６９を通過する入射光は、層内レンズ１６０を透過することなく光電変換部１０１に照射される。画素１００の構成の詳細については後述する。
【００３３】
なお、画素１００には、カラーフィルタ１７２（不図示）が配置される。このカラーフィルタ１７２は、入射光のうち所定の波長の光を透過する光学的なフィルタである。カラーフィルタ１７２として、例えば、赤色光、緑色光および青色光を透過するカラーフィルタを各画素１００に配置することができる。同図の文字は、画素１００に配置されるカラーフィルタ１７２の種類を表す。具体的には、「Ｒ」、「Ｇ」および「Ｂ」はそれぞれ赤色光、緑色光および青色光に対応するカラーフィルタ１７２が配置されることを表す。これらのカラーフィルタ１７２は、例えば、ベイヤー配列に配置することができる。ここで、ベイヤー配列とは、緑色光に対応するカラーフィルタ１７２を市松形状に配置し、赤色光および青色光に対応するカラーフィルタ１７２を緑色光に対応するカラーフィルタ１７２の間に配置する配列方法である。同図に表した２行２列の４つの画素１００が縦横に連続して配置されて、画素アレイ部１０が構成される。
【００３４】
［画素の断面の構成］
図４は、本開示の実施の形態に係る画素の構成例を示す断面図である。同図は、画素アレイ部１０に配置された画素１００の構成例を表す断面図である。また、同図は、図３におけるＡ−Ａ’線に沿った撮像素子１（画素アレイ部１０）の断面図である。同図の画素１００は、半導体基板１１０と、配線領域１３０と、支持基板１４０と、絶縁膜１２０と、遮光膜１５０と、層内レンズ１６０と、平坦化膜１７１と、カラーフィルタ１７２と、オンチップレンズ１８０とを備える。
【００３５】
半導体基板１１０は、図２において説明した画素回路を構成する素子の半導体領域が形成される半導体の基板である。同図においては、これらの素子のうち光電変換部１０１およびＭＯＳトランジスタ１０３を記載した。同図の半導体基板１１０は、ウェル領域を構成するｐ型半導体領域１１２およびｐ型半導体領域１１２の内部に形成されるｎ型半導体領域１１１を備える。このｎ型半導体領域１１１により、光電変換部１０１が構成される。具体的には、ｎ型半導体領域１１１とｎ型半導体領域１１１の周囲のｐ型半導体領域１１２とによるｐｎ接合部がフォトダイオードとして動作する。このｐｎ接合部に入射光が照射されると、光電変換により電荷が生成され、ｎ型半導体領域１１１に蓄積される。
【００３６】
前述のように、ｎ型半導体領域１１１に蓄積された電荷は、ＭＯＳトランジスタ１０３により転送される。同図のＭＯＳトランジスタ１０３は、ｎ型半導体領域１１１をソース領域とし、ｐ型半導体領域１１２をチャネル領域とするＭＯＳトランジスタである。このＭＯＳトランジスタ１０３は、ゲート電極１３３を備える。半導体基板１１０は、例えば、シリコン（Ｓｉ）により構成することができる。また、半導体基板１１０には、図１において説明した垂直駆動部２０等を配置することもできる。
【００３７】
配線領域１３０は、半導体基板１１０の表面に形成されて半導体基板１１０に形成された半導体素子を電気的に接合する配線が形成される領域である。配線領域１３０には、配線層１３２および絶縁層１３１が配置される。配線層１３２は上述の配線を構成するものである。この配線層１３２は、例えば、銅（Ｃｕ）やタングステン（Ｗ）により形成することができる。絶縁層１３１は、配線層１３２を絶縁するものである。この絶縁層１３１は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）や窒化シリコン（ＳｉＮ）により構成することができる。また、配線領域１３０には、上述のゲート電極１３３がさらに配置される。
【００３８】
支持基板１４０は、撮像素子１を支持する基板である。この支持基板１４０は、半導体ウェハ等により構成され、主に撮像素子１の製造の際に撮像素子１の強度を向上させる基板である。
【００３９】
絶縁膜１２０は、半導体基板１１０の裏面側を絶縁し、保護する膜である。この絶縁膜１２０は、例えばＳｉＯ２等の酸化物により構成することができる。
【００４０】
遮光膜１５０は、画素１００同士の境界近傍に配置され、隣接する画素１００から斜めに入射する入射光を遮光する膜である。図３において説明したように隣接する画素１００には、異なる光に対応するカラーフィルタ１７２が配置される。この隣接する画素１００の異なる種類のカラーフィルタ１７２を透過した入射光が光電変換部１０１に照射されると混色を生じ、画質が低下する。遮光膜１５０を配置して隣接する画素１００からの入射光を遮光することにより、この混色を防ぐことができる。遮光膜１５０には、画素１００の中央部に開口部１５１が配置される。この開口部１５１を介して入射光が光電変換部１０１に照射される。遮光膜１５０には、例えば、Ｗにより構成された膜を使用することができる。
【００４１】
層内レンズ１６０は、画素１００の内層に形成されて入射光を集光するレンズである。同図の半球形状の凸部が１つの層内レンズ１６０に相当する。前述のように、層内レンズ１６０は、画素１００に複数配置される。これらの層内レンズ１６０は、画素１００における入射光の光路に対して並列に配置される。具体的には、複数の層内レンズ１６０は、それらのうちの１つの層内レンズ１６０を透過した入射光が光電変換部１０１に到達する構成に配置される。入射光が複数の層内レンズ１６０を透過することなく光電変換部１０１に到達する。同図においては、複数の層内レンズ１６０は略同層に配置される。このように層内レンズ１６０を同層に配置する場合には、これらの層内レンズ１６０を同時に形成することもできる。なお、複数の層内レンズ１６０のうちの１つの層内レンズ１６０を透過した入射光が光電変換部１０１に到達する構成であれば、複数の層内レンズ１６０を異なる層に形成することもできる。
【００４２】
層内レンズ１６０は、高屈折率の無機物や樹脂により構成することができる。例えば、ＳｉＮや酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）により層内レンズ１６０を構成することができる。また、それぞれの層内レンズ１６０は、例えば、直径が０．８μｍ乃至１．０μｍの大きさに構成することができる。同図の層内レンズ１６０は、下層部が共通の膜により形成される例を表したものである。層内レンズ１６０の下層部は、遮光膜１５０が形成された撮像素子１の裏面の平坦化を行う。
【００４３】
平坦化膜１７１は、層内レンズ１６０が形成された撮像素子１の裏面を平坦化するものである。この平坦化膜１７１は、例えば、樹脂により構成することができる。平坦化膜１７１の上層にカラーフィルタ１７２およびオンチップレンズ１８０が積層される。
【００４４】
同図の撮像素子１は、半導体基板１１０の裏面側から入射光が照射される裏面照射型の撮像素子に該当する。同図の実線の矢印は、裏面から照射される入射光を表したものである。このようにオンチップレンズ１８０および層内レンズ１６０を透過した入射光が半導体基板１１０のｎ型半導体領域１１１に到達し、光電変換が行われる。しかし、半導体基板１１０に入射した光の一部は光電変換に寄与せずに半導体基板１１０を透過し、配線領域１３０に到達する。同図の破線の矢印は、入射光が半導体基板１１０を透過する様子を表したものである。この透過光が配線層１３２により反射されて画素１００の外部に放出されると、迷光となる。この迷光が撮像素子１の外部の筐体等により反射されて他の画素１００に再度入射して光電変換されると画像信号にノイズを生じることとなり、画質が低下する。そこで、同図の画素１００においては、複数の層内レンズ１６０を配置することにより、配線層１３２からの反射光を低減する。
【００４５】
［入射光の光路］
図５は、従来の技術に係る画素における入射光の光路を示す図である。同図は、比較例として、１つの層内レンズ１６０が配置された画素における入射光の光路を表した図であり、オンチップレンズ１８０、層内レンズ１６０、ｎ型半導体領域１１１および配線層１３２の概略を表した図である。同図の実線の矢印は、赤色光等の比較的波長が長い入射光を表し、点線の矢印は青色光等の比較的波長が短い入射光を表す。これらの入射光は、オンチップレンズ１８０および層内レンズ１６０により集光されて光電変換部１０１（ｎ型半導体領域１１１）に到達する。２つのレンズにより集光されるため焦点距離が短縮され、撮像素子１を低背化することができる。しかし、入射光がｎ型半導体領域１１１において吸収されない場合、すなわち光電変換されない場合には、ｎ型半導体領域１１１を透過して配線領域１３０の配線層１３２に到達して反射される。
【００４６】
比較的波長が短い入射光は、ｎ型半導体領域１１１の浅い位置に焦点が形成される。ｎ型半導体領域１１１において吸収されない場合には、拡散して配線領域１３０の配線層１３２に到達する。これに対し、比較的波長が長い入射光は、ｎ型半導体領域１１１の深い位置に焦点が形成される。このため、比較的波長が長い入射光がｎ型半導体領域１１１において吸収されない場合には、破線の矢印により表したように比較的狭い範囲に集中したまま配線層１３２に到達して反射される。このため、波長が長い入射光ほど強い反射を生じることとなる。
【００４７】
図６は、本開示の第１の実施の形態に係る画素における入射光の光路の一例を示す図である。同図のオンチップレンズ１８０を透過した入射光は、複数（同図においては３つ）の層内レンズ１６０ａ、１６０ｂおよび１６０ｃによりそれぞれ集光されてｎ型半導体領域１１１に照射される。また、２つの層内レンズ１６０が接する領域に照射された入射光は、これら２つの層内レンズ１６０の間において反射を繰り返した後にｎ型半導体領域１１１に照射される。このように、入射光は、層内レンズ１６０により分散されてｎ型半導体領域１１１に照射される。入射光がｎ型半導体領域１１１において吸収されない場合には、広く分散した状態において配線層１３２に到達することとなり、反射光を減少させることができる。また、入射光が分散するため、配線層１３２のレイアウトの自由度を向上させることができる。例えば、光電変換部１０１の中央部の直下に配線層１３２を配置することもできる。
【００４８】
また、同図の層内レンズ１６０ｂのように、複数の層内レンズ１６０のうちの１つが画素１００の中央部に配置される構成にすると好適である。具体的には、オンチップレンズ１８０の光軸上に複数の層内レンズ１６０のうちの１つを配置する。オンチップレンズ１８０を透過した入射光は画素１００の中央部に集められるため、オンチップレンズ１８０を透過した多くの入射光を層内レンズ１６０に透過させることができる。オンチップレンズ１８０の光軸上に隙間１６９が配置される場合と比較して、入射光をより分散させることができる。
【００４９】
［撮像素子の製造方法］
図７および８は、本開示の実施の形態に係る撮像素子の製造方法の一例を示す図である。同図は、撮像素子１の製造工程の一例を表した図である。同図においては、画素１００の構成を簡略化して記載した。
【００５０】
まず、ｐ型半導体領域１１２およびｎ型半導体領域１１１を形成した半導体基板１１０に配線領域１３０を形成する。次に、支持基板１４０を接着し、半導体基板１１０の天地を反転させて半導体基板１１０の裏面を研削して薄肉化する。次に、半導体基板１１０の裏面に絶縁膜１２０および遮光膜１５０を配置する（図７におけるＡ）。
【００５１】
次に、半導体基板１１０の裏面に層内レンズ１６０の材料であるレンズ材４０１を配置する。これは、例えば、ＳｉＮ等のレンズ材をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等を用いて成膜することにより形成することができる（図７におけるＢ）。
【００５２】
次に、レンズ材４０１の上にレジスト４０２を積層する。例えば、このレジスト４０２には、フォトレジストを採用し、レンズ材４０１の上に塗布することにより形成することができる（図７におけるＣ）。
【００５３】
次に、層内レンズ１６０と同様の形状のレジスト４０３を形成する。これは、例えば、リソグラフィ技術により円筒または立方体形状にレジスト４０２をパターニングする。その後、リフロー炉等を使用してパターニングしたレジスト４０２を溶解させることにより形成することができる（図８におけるＤ）。
【００５４】
次に、レジスト４０３をマスクとしてドライエッチングを行う。これにより、レジスト４０３の形状がレンズ材４０１に転写され、半球形状の層内レンズ１６０が形成される（図８におけるＥ）。なお、図７および８は、複数の層内レンズ１６０を同時に形成する場合の例を表したものである。
【００５５】
以上説明したように、本開示の第１の実施の形態の撮像素子１は、複数の層内レンズ１６０を配置することにより、オンチップレンズ１８０を透過した入射光を分散させて光電変換部１０１に照射させる。これにより、配線層１３２からの反射光を低減し、画質の低下を防止することができる。
【００５６】
＜２．第２の実施の形態＞
上述の第１の実施の形態の撮像素子１は、９個の層内レンズ１６０が配置されていた。これに対し、本開示の第２の実施の形態の撮像素子１は、異なる個数の層内レンズ１６０が配置される点で、上述の第１の実施の形態と異なる。
【００５７】
［画素の構成］
図９は、本開示の第２の実施の形態に係る画素の構成例を示す平面図である。同図は、図３と同様に、画素１００の構成例を表す図である。以下、図３と同一の構成要素については、符号の記載を省略する。
【００５８】
同図におけるＡは、４つの層内レンズ１６０が配置される例を表したものである。また、同図におけるＢは、１６個の層内レンズ１６０が配置される例を表したものである。このように、２つ以上の任意の個数の層内レンズ１６０を画素１００に配置することができる。より多くの層内レンズ１６０を配置することにより、層内レンズ１６０の間の隙間１６９を小さくすることができ、より多くの入射光を分散させることができる。撮像素子１の製造プロセスにおける層内レンズ１６０の加工精度に応じた個数の層内レンズ１６０を配置することができる。
【００５９】
また、同図におけるＣは、比較的小径の９個の層内レンズ１６０を画素１００の中央部近傍に配置した場合の例を表したものである。この場合においても、隙間１６９を小さくすることができる。
【００６０】
これ以外の撮像素子１の構成は本開示の第１の実施の形態において説明した撮像素子１の構成と同様であるため、説明を省略する。
【００６１】
以上説明したように、本開示の第２の実施の形態の撮像素子１は、２以上の任意の層内レンズ１６０を加工精度に応じて配置することができる。
【００６２】
＜３．第３の実施の形態＞
上述の第１の実施の形態の撮像素子１は、平面視において円形状の層内レンズ１６０を配置していた。これに対し、本開示の第３の実施の形態の撮像素子１は、異なる形状の層内レンズを配置する点で、上述の第１の実施の形態と異なる。
【００６３】
［画素の構成１］
図１０は、本開示の第３の実施の形態に係る画素の第１の構成例を示す平面図である。同図は、図３と同様に画素１００の構成例を表す図である。円形状の以外の形状の層内レンズが配置される点で、図３において説明した画素１００と異なる。同図におけるＡは、層内レンズ１６０のほかに平面視において楕円形状の層内レンズ１６１が配置される例を表したものである。また、同図におけるＢは、層内レンズ１６０および１６１の他の配置例を表したものである。このようにそれぞれ異なる形状の層内レンズ１６０および１６１を画素１００に配置することができる。
【００６４】
［画素の構成２］
図１１は、本開示の第３の実施の形態に係る画素の第２の構成例を示す平面図である。同図は、層内レンズ１６１または、層内レンズ１６０および１６１を配置するとともに大きさを最適化して隙間１６９が小さくなるように配置した例を表したものである。同図におけるＡは、２つの層内レンズ１６１が配置される例を表したものである。また、同図におけるＢおよびＣは、層内レンズ１６０および１６１が配置される例を表したものである。同図の何れの配置においても、図１０の層内レンズ１６０および１６１の配置より隙間１６９を狭くすることができる。
【００６５】
［画素の構成３］
図１２は、本開示の第３の実施の形態に係る画素の第３の構成例を示す平面図である。同図は、平面視において矩形形状の層内レンズ１６２を配置する例を表したものである。また、同図におけるＢは、平面視において正方形および長方形の形状の層内レンズ１６２を組み合わせて配置した場合の例を表したものである。このように、矩形形状の層内レンズ１６２を配置することにより、円形状の層内レンズ１６０を配置する場合と比較して、隙間１６９を狭くすることができる。
【００６６】
［画素の構成４］
図１３は、本開示の第３の実施の形態に係る画素の第４の構成例を示す平面図である。同図におけるＡは層内レンズ１６３および層内レンズ１６０が配置される例を表したものであり、同図におけるＢは層内レンズの断面の形状を表す図である。層内レンズ１６３は、平面視において中央部に開口部を有する層内レンズであり、円環体を厚さ方向に２分した形状の層内レンズである。同図の層内レンズ１６０は、層内レンズ１６３の開口部に配置される。このように、層内レンズ１６０および１６３を組み合わせて配置することにより、隙間１６９をより小さくすることができる。
【００６７】
これ以外の撮像素子１の構成は本開示の第１の実施の形態において説明した撮像素子１の構成と同様であるため、説明を省略する。
【００６８】
以上説明したように、本開示の第３の実施の形態の撮像素子１は、異なる形状の層内レンズ１６０乃至１６３を配置することにより、隙間１６９を小さくすることができ、より多くの入射光を分散させることができる。
【００６９】
＜４．第４の実施の形態＞
上述の第１の実施の形態の撮像素子１は、画素１００の中心に対して対称に配置された層内レンズ１６０を使用していた。これに対し、本開示の第４の実施の形態の撮像素子１は、画素１００の中心に対して非対称な配置の層内レンズを使用する点で、上述の第１の実施の形態と異なる。
【００７０】
［画素の構成］
図１４は、本開示の第４の実施の形態に係る画素の構成例を示す平面図である。同図は、図３と同様に画素１００の構成例を表す図である。同図の画素は、層内レンズの配置が画素の中心に対して非対称に配置される点で、図３において説明した画素１００と異なる。同図の画素（画素２０１および２０２）は、大きさが異なる層内レンズ１６１を４つ配置した例を表したものである。具体的には、同図の画素は、比較的大きな層内レンズ１６１ａと比較的小さな層内レンズ１６１ｂとを２つずつ配置する。これにより、層内レンズ１６１が画素１００の中心に対して非対称の形状に配置され、入射光の分散を非対称にすることができる。同図におけるＡの画素２０１および同図におけるＢの画素２０２は層内レンズ１６１ａおよび１６１ｂの配置を互いに１８０度変更して構成したものである。これらの画素２０１および２０２を図１において説明した画素アレイ部１０の端部に配置する。具体的には、同図におけるＡの画素２０１を画素アレイ部１０の右端に配置し、同図におけるＢの画素２０２を画素アレイ部１０の左端に配置する。画素アレイ部１０の端部の画素には、被写体の像高に応じて入射光が斜に照射される。そこで、層内レンズ１６１を非対称に配置することにより像高の影響を軽減することができる。
【００７１】
［入射光の光路］
図１５は、本開示の第４の実施の形態に係る画素における入射光の光路の一例を示す図である。同図は、画素２０１における入射光の光路を表した図である。前述のように画素２０１は、画素アレイ部１０の右端に配置される。このため、画素２０１への入射光は、図面左上から斜めに入射する。そこで、複数の層内レンズ１６１を画素２０１における同図の右側に遷移して配置するとともに左側の層内レンズ１６１を横長に構成する。これにより、斜の入射光を画素２０１の中央部に集光するとともに分散させることができる。
【００７２】
これ以外の撮像素子１の構成は本開示の第１の実施の形態において説明した撮像素子１の構成と同様であるため、説明を省略する。
【００７３】
以上説明したように、本開示の第４の実施の形態の撮像素子１は、画素の中心に対して非対称な配置の層内レンズを備えることにより、斜めに入射する入射光を画素の中央部に集光するとともに画素内において分散させることができる。
【００７４】
＜５．第５の実施の形態＞  上述の第１の実施の形態の撮像素子１は、画素アレイ部１０の全ての画素１００に層内レンズ１６０を配置していた。これに対し、本開示の第５の実施の形態の撮像素子１は、長波長の入射光に対応するカラーフィルタ１７２が配置される画素１００に層内レンズ１６０を配置する点で、上述の第１の実施の形態と異なる。
【００７５】
［画素の構成］
図１６は、本開示の第５の実施の形態に係る画素の構成例を示す平面図である。同図の画素１００は、赤色光に対応するカラーフィルタ１７２が配置される画素１００に層内レンズ１６０が配置される点で、図３において説明した画素１００と異なる。前述のように赤色光は波長が長いため、半導体基板１１０の深部に到達する。このため、配線層１３２による反射光が増加する。一方、波長が短い緑色光や青色光は、半導体基板１１０の比較的浅い領域に集光される。このため、配線層１３２による反射光は比較的少なくなる。そこで、赤色光に対応するカラーフィルタ１７２が配置される画素１００に層内レンズ１６０を配置し、緑色光および青色光に対応するカラーフィルタ１７２が配置される画素１００の層内レンズ１６０を省略する。これにより、撮像素子１の構成を簡略化することができる。
【００７６】
［画素の他の構成］
図１７は、本開示の第５の実施の形態に係る画素の他の構成例を示す平面図である。同図は、赤外光に対応するカラーフィルタ１７２が配置される画素１００をさらに備える点で、図３において説明した画素１００と異なる。この赤外光に対応するカラーフィルタ１７２とは、赤外光を透過するカラーフィルタ１７２である。同図においては、「ＩＲ」が付された画素１００が赤外光に対応するカラーフィルタ１７２を表す。赤外光に対応するカラーフィルタ１７２が配置される画素１００は、ベイヤー配列における２つの緑色光に対応するカラーフィルタ１７２が配置される画素１００のうちの１つに割り当てることができる。波長が長い赤外光に対応するカラーフィルタ１７２が配置される画素１００においても層内レンズ１６０を配置し、入射光を分散させることができる。
【００７７】
これ以外の撮像素子１の構成は本開示の第１の実施の形態において説明した撮像素子１の構成と同様であるため、説明を省略する。
【００７８】
以上説明したように、本開示の第５の実施の形態の撮像素子１は、入射光の波長に応じて画素に層内レンズ１６０を配置することにより、撮像素子１の構成を簡略化することができる。
【００７９】
＜６．第６の実施の形態＞
上述の第１の実施の形態の撮像素子１は、画素１００のみが画素アレイ部１０に配置されていた。これに対し、本開示の第６の実施の形態の撮像素子１は、被写体の像面位相差を検出するための位相差画素がさらに配置される点で、上述の第１の実施の形態と異なる。
【００８０】
［画素アレイ部の構成］
図１８は、本開示の第６の実施の形態に係る画素アレイ部の構成例を示す平面図である。同図の画素アレイ部１０は、画素１００のほかに位相差画素３００が配置される点で、図３において説明した画素アレイ部１０と異なる。ここで位相差画素３００とは、被写体の像面位相差を検出するための画素である。撮像素子１は、外部に配置された撮影レンズとともに使用され、この撮影レンズにより被写体が撮像素子１の画素アレイ部１０に結像される。この際の結像された被写体の位相差を検出することにより、被写体の焦点位置を検出することができ、撮影レンズの位置を調整するオートフォーカスを行うことが可能となる。  
【００８１】
同図には、遮光膜１５０の配置を記載した。同図に表したように、位相差画素３００には、開口部１５１の代わりに開口部１５２を有する遮光膜１５０が配置される。これにより、位相差画素３００は、遮光膜１５０が光電変換部１０１の左半分または右半分を覆うように配置される。同図においては、位相差画素３００ａおよび３００ｂにおいて、遮光膜１５０により光電変換部１０１の左半分および右半分がそれぞれ遮光される。これにより、これらの位相差画素３００ａおよび３００ｂにおいてそれぞれ撮影レンズの左側および右側を透過した入射光が光電変換部１０１に到達し、それぞれの画像信号が生成される。このような処理は、瞳分割と称される。このような位相差画素３００ａおよび３００ｂが画素アレイ部１０に複数配置される。これら複数の位相差画素３００ａおよび３００ｂにより生成されたそれぞれの画像信号に基づいて２つの画像を生成する。次に、これら２つの画像の位相差を検出することにより、撮影レンズの焦点位置を検出することができる。
【００８２】
これらの位相差画素３００においては、層内レンズ１６０を省略することにより、瞳分割の精度を向上させることができる。層内レンズ１６０により瞳分割に係る入射光が分散されないためである。位相差の検出の誤差を軽減することができる。
【００８３】
これ以外の撮像素子１の構成は本開示の第１の実施の形態において説明した撮像素子１の構成と同様であるため、説明を省略する。
【００８４】
以上説明したように、本開示の第６の実施の形態の撮像素子１は、像面位相差を検出する場合において、画素１００における入射光分散させるとともに位相差画素３００による位相差検出の誤差を軽減することができる。
【００８５】
＜７．カメラへの応用例＞
本開示に係る技術（本技術）は、様々な製品に応用することができる。例えば、本技術は、カメラ等の撮像装置に搭載される撮像素子として実現されてもよい。
【００８６】
図１９は、本技術が適用され得る撮像装置の一例であるカメラの概略的な構成例を示すブロック図である。同図のカメラ１０００は、レンズ１００１と、撮像素子１００２と、撮像制御部１００３と、レンズ駆動部１００４と、画像処理部１００５と、操作入力部１００６と、フレームメモリ１００７と、表示部１００８と、記録部１００９とを備える。
【００８７】
レンズ１００１は、カメラ１０００の撮影レンズである。このレンズ１００１は、被写体からの光を集光し、後述する撮像素子１００２に入射させて被写体を結像させる。
【００８８】
撮像素子１００２は、レンズ１００１により集光された被写体からの光を撮像する半導体素子である。この撮像素子１００２は、照射された光に応じたアナログの画像信号を生成し、デジタルの画像信号に変換して出力する。
【００８９】
撮像制御部１００３は、撮像素子１００２における撮像を制御するものである。この撮像制御部１００３は、制御信号を生成して撮像素子１００２に対して出力することにより、撮像素子１００２の制御を行う。また、撮像制御部１００３は、撮像素子１００２から出力された画像信号に基づいてカメラ１０００におけるオートフォーカスを行うことができる。ここでオートフォーカスとは、レンズ１００１の焦点位置を検出して、自動的に調整するシステムである。このオートフォーカスとして、撮像素子１００２に配置された位相差画素により像面位相差を検出して焦点位置を検出する方式（像面位相差オートフォーカス）を使用することができる。また、画像のコントラストが最も高くなる位置を焦点位置として検出する方式（コントラストオートフォーカス）を適用することもできる。撮像制御部１００３は、検出した焦点位置に基づいてレンズ駆動部１００４を介してレンズ１００１の位置を調整し、オートフォーカスを行う。なお、撮像制御部１００３は、例えば、ファームウェアを搭載したＤＳＰ（Digital Signal Processor）により構成することができる。
【００９０】
レンズ駆動部１００４は、撮像制御部１００３の制御に基づいて、レンズ１００１を駆動するものである。このレンズ駆動部１００４は、内蔵するモータを使用してレンズ１００１の位置を変更することによりレンズ１００１を駆動することができる。
【００９１】
画像処理部１００５は、撮像素子１００２により生成された画像信号を処理するものである。この処理には、例えば、画素毎の赤色、緑色および青色に対応する画像信号のうち不足する色の画像信号を生成するデモザイク、画像信号のノイズを除去するノイズリダクションおよび画像信号の符号化等が該当する。画像処理部１００５は、例えば、ファームウェアを搭載したマイコンにより構成することができる。
【００９２】
操作入力部１００６は、カメラ１０００の使用者からの操作入力を受け付けるものである。この操作入力部１００６には、例えば、押しボタンやタッチパネルを使用することができる。操作入力部１００６により受け付けられた操作入力は、撮像制御部１００３や画像処理部１００５に伝達される。その後、操作入力に応じた処理、例えば、被写体の撮像等の処理が起動される。
【００９３】
フレームメモリ１００７は、１画面分の画像信号であるフレームを記憶するメモリである。このフレームメモリ１００７は、画像処理部１００５により制御され、画像処理の過程におけるフレームの保持を行う。
【００９４】
表示部１００８は、画像処理部１００５により処理された画像を表示するものである。この表示部１００８には、例えば、液晶パネルを使用することができる。
【００９５】
記録部１００９は、画像処理部１００５により処理された画像を記録するものである。この記録部１００９には、例えば、メモリカードやハードディスクを使用することができる。
【００９６】
以上、本開示が適用され得るカメラについて説明した。本技術は以上において説明した構成のうち、撮像素子１００２に適用され得る。具体的には、図１において説明した撮像素子１は、撮像素子１００２に適用することができる。撮像素子１００２に撮像素子１を適用することにより混色の発生が軽減され、カメラ１０００により生成される画像の画質の低下を防止することができる。なお、画像処理部１００５は、請求の範囲に記載の処理回路の一例である。カメラ１０００は、請求の範囲に記載の撮像装置の一例である。
【００９７】
なお、ここでは、一例としてカメラについて説明したが、本開示に係る技術は、その他、例えば監視装置等に適用されてもよい。
【００９８】
＜８．内視鏡手術システムへの応用例＞
本開示に係る技術（本技術）は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、内視鏡手術システムに適用されてもよい。
【００９９】
図２０は、本開示に係る技術（本技術）が適用され得る内視鏡手術システムの概略的な構成の一例を示す図である。
【０１００】
図２０では、術者（医師）１１１３１が、内視鏡手術システム１１０００を用いて、患者ベッド１１１３３上の患者１１１３２に手術を行っている様子が図示されている。図示するように、内視鏡手術システム１１０００は、内視鏡１１１００と、気腹チューブ１１１１１やエネルギー処置具１１１１２等の、その他の術具１１１１０と、内視鏡１１１００を支持する支持アーム装置１１１２０と、内視鏡下手術のための各種の装置が搭載されたカート１１２００と、から構成される。
【０１０１】
内視鏡１１１００は、先端から所定の長さの領域が患者１１１３２の体腔内に挿入される鏡筒１１１０１と、鏡筒１１１０１の基端に接続されるカメラヘッド１１１０２と、から構成される。図示する例では、硬性の鏡筒１１１０１を有するいわゆる硬性鏡として構成される内視鏡１１１００を図示しているが、内視鏡１１１００は、軟性の鏡筒を有するいわゆる軟性鏡として構成されてもよい。
【０１０２】
鏡筒１１１０１の先端には、対物レンズが嵌め込まれた開口部が設けられている。内視鏡１１１００には光源装置１１２０３が接続されており、当該光源装置１１２０３によって生成された光が、鏡筒１１１０１の内部に延設されるライトガイドによって当該鏡筒の先端まで導光され、対物レンズを介して患者１１１３２の体腔内の観察対象に向かって照射される。なお、内視鏡１１１００は、直視鏡であってもよいし、斜視鏡又は側視鏡であってもよい。
【０１０３】
カメラヘッド１１１０２の内部には光学系及び撮像素子が設けられており、観察対象からの反射光（観察光）は当該光学系によって当該撮像素子に集光される。当該撮像素子によって観察光が光電変換され、観察光に対応する電気信号、すなわち観察像に対応する画像信号が生成される。当該画像信号は、ＲＡＷデータとしてカメラコントロールユニット（ＣＣＵ： Camera Control Unit）１１２０１に送信される。
【０１０４】
ＣＣＵ１１２０１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等によって構成され、内視鏡１１１００及び表示装置１１２０２の動作を統括的に制御する。さらに、ＣＣＵ１１２０１は、カメラヘッド１１１０２から画像信号を受け取り、その画像信号に対して、例えば現像処理（デモザイク処理）等の、当該画像信号に基づく画像を表示するための各種の画像処理を施す。
【０１０５】
表示装置１１２０２は、ＣＣＵ１１２０１からの制御により、当該ＣＣＵ１１２０１によって画像処理が施された画像信号に基づく画像を表示する。
【０１０６】
光源装置１１２０３は、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の光源から構成され、術部等を撮影する際の照射光を内視鏡１１１００に供給する。
【０１０７】
入力装置１１２０４は、内視鏡手術システム１１０００に対する入力インタフェースである。ユーザは、入力装置１１２０４を介して、内視鏡手術システム１１０００に対して各種の情報の入力や指示入力を行うことができる。例えば、ユーザは、内視鏡１１１００による撮像条件（照射光の種類、倍率及び焦点距離等）を変更する旨の指示等を入力する。
【０１０８】
処置具制御装置１１２０５は、組織の焼灼、切開又は血管の封止等のためのエネルギー処置具１１１１２の駆動を制御する。気腹装置１１２０６は、内視鏡１１１００による視野の確保及び術者の作業空間の確保の目的で、患者１１１３２の体腔を膨らめるために、気腹チューブ１１１１１を介して当該体腔内にガスを送り込む。レコーダ１１２０７は、手術に関する各種の情報を記録可能な装置である。プリンタ１１２０８は、手術に関する各種の情報を、テキスト、画像又はグラフ等各種の形式で印刷可能な装置である。
【０１０９】
なお、内視鏡１１１００に術部を撮影する際の照射光を供給する光源装置１１２０３は、例えばＬＥＤ、レーザ光源又はこれらの組み合わせによって構成される白色光源から構成することができる。ＲＧＢレーザ光源の組み合わせにより白色光源が構成される場合には、各色（各波長）の出力強度及び出力タイミングを高精度に制御することができるため、光源装置１１２０３において撮像画像のホワイトバランスの調整を行うことができる。また、この場合には、ＲＧＢレーザ光源それぞれからのレーザ光を時分割で観察対象に照射し、その照射タイミングに同期してカメラヘッド１１１０２の撮像素子の駆動を制御することにより、ＲＧＢそれぞれに対応した画像を時分割で撮像することも可能である。当該方法によれば、当該撮像素子にカラーフィルタを設けなくても、カラー画像を得ることができる。
【０１１０】
また、光源装置１１２０３は、出力する光の強度を所定の時間ごとに変更するようにその駆動が制御されてもよい。その光の強度の変更のタイミングに同期してカメラヘッド１１１０２の撮像素子の駆動を制御して時分割で画像を取得し、その画像を合成することにより、いわゆる黒つぶれ及び白とびのない高ダイナミックレンジの画像を生成することができる。
【０１１１】
また、光源装置１１２０３は、特殊光観察に対応した所定の波長帯域の光を供給可能に構成されてもよい。特殊光観察では、例えば、体組織における光の吸収の波長依存性を利用して、通常の観察時における照射光（すなわち、白色光）に比べて狭帯域の光を照射することにより、粘膜表層の血管等の所定の組織を高コントラストで撮影する、いわゆる狭帯域光観察（Narrow Band Imaging）が行われる。あるいは、特殊光観察では、励起光を照射することにより発生する蛍光により画像を得る蛍光観察が行われてもよい。蛍光観察では、体組織に励起光を照射し当該体組織からの蛍光を観察すること（自家蛍光観察）、又はインドシアニングリーン（ＩＣＧ）等の試薬を体組織に局注するとともに当該体組織にその試薬の蛍光波長に対応した励起光を照射し蛍光像を得ること等を行うことができる。光源装置１１２０３は、このような特殊光観察に対応した狭帯域光及び／又は励起光を供給可能に構成され得る。
【０１１２】
図２１は、図２０に示すカメラヘッド１１１０２及びＣＣＵ１１２０１の機能構成の一例を示すブロック図である。
【０１１３】
カメラヘッド１１１０２は、レンズユニット１１４０１と、撮像部１１４０２と、駆動部１１４０３と、通信部１１４０４と、カメラヘッド制御部１１４０５と、を有する。ＣＣＵ１１２０１は、通信部１１４１１と、画像処理部１１４１２と、制御部１１４１３と、を有する。カメラヘッド１１１０２とＣＣＵ１１２０１とは、伝送ケーブル１１４００によって互いに通信可能に接続されている。
【０１１４】
レンズユニット１１４０１は、鏡筒１１１０１との接続部に設けられる光学系である。鏡筒１１１０１の先端から取り込まれた観察光は、カメラヘッド１１１０２まで導光され、当該レンズユニット１１４０１に入射する。レンズユニット１１４０１は、ズームレンズ及びフォーカスレンズを含む複数のレンズが組み合わされて構成される。
【０１１５】
撮像部１１４０２は、撮像素子で構成される。撮像部１１４０２を構成する撮像素子は、１つ（いわゆる単板式）であってもよいし、複数（いわゆる多板式）であってもよい。撮像部１１４０２が多板式で構成される場合には、例えば各撮像素子によってＲＧＢそれぞれに対応する画像信号が生成され、それらが合成されることによりカラー画像が得られてもよい。あるいは、撮像部１１４０２は、３Ｄ（Dimensional）表示に対応する右目用及び左目用の画像信号をそれぞれ取得するための１対の撮像素子を有するように構成されてもよい。３Ｄ表示が行われることにより、術者１１１３１は術部における生体組織の奥行きをより正確に把握することが可能になる。なお、撮像部１１４０２が多板式で構成される場合には、各撮像素子に対応して、レンズユニット１１４０１も複数系統設けられ得る。
【０１１６】
また、撮像部１１４０２は、必ずしもカメラヘッド１１１０２に設けられなくてもよい。例えば、撮像部１１４０２は、鏡筒１１１０１の内部に、対物レンズの直後に設けられてもよい。
【０１１７】
駆動部１１４０３は、アクチュエータによって構成され、カメラヘッド制御部１１４０５からの制御により、レンズユニット１１４０１のズームレンズ及びフォーカスレンズを光軸に沿って所定の距離だけ移動させる。これにより、撮像部１１４０２による撮像画像の倍率及び焦点が適宜調整され得る。
【０１１８】
通信部１１４０４は、ＣＣＵ１１２０１との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部１１４０４は、撮像部１１４０２から得た画像信号をＲＡＷデータとして伝送ケーブル１１４００を介してＣＣＵ１１２０１に送信する。
【０１１９】
また、通信部１１４０４は、ＣＣＵ１１２０１から、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御するための制御信号を受信し、カメラヘッド制御部１１４０５に供給する。当該制御信号には、例えば、撮像画像のフレームレートを指定する旨の情報、撮像時の露出値を指定する旨の情報、並びに／又は撮像画像の倍率及び焦点を指定する旨の情報等、撮像条件に関する情報が含まれる。
【０１２０】
なお、上記のフレームレートや露出値、倍率、焦点等の撮像条件は、ユーザによって適宜指定されてもよいし、取得された画像信号に基づいてＣＣＵ１１２０１の制御部１１４１３によって自動的に設定されてもよい。後者の場合には、いわゆるＡＥ（Auto Exposure）機能、ＡＦ（Auto Focus）機能及びＡＷＢ（Auto White Balance）機能が内視鏡１１１００に搭載されていることになる。
【０１２１】
カメラヘッド制御部１１４０５は、通信部１１４０４を介して受信したＣＣＵ１１２０１からの制御信号に基づいて、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御する。
【０１２２】
通信部１１４１１は、カメラヘッド１１１０２との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部１１４１１は、カメラヘッド１１１０２から、伝送ケーブル１１４００を介して送信される画像信号を受信する。
【０１２３】
また、通信部１１４１１は、カメラヘッド１１１０２に対して、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御するための制御信号を送信する。画像信号や制御信号は、電気通信や光通信等によって送信することができる。
【０１２４】
画像処理部１１４１２は、カメラヘッド１１１０２から送信されたＲＡＷデータである画像信号に対して各種の画像処理を施す。
【０１２５】
制御部１１４１３は、内視鏡１１１００による術部等の撮像、及び、術部等の撮像により得られる撮像画像の表示に関する各種の制御を行う。例えば、制御部１１４１３は、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御するための制御信号を生成する。
【０１２６】
また、制御部１１４１３は、画像処理部１１４１２によって画像処理が施された画像信号に基づいて、術部等が映った撮像画像を表示装置１１２０２に表示させる。この際、制御部１１４１３は、各種の画像認識技術を用いて撮像画像内における各種の物体を認識してもよい。例えば、制御部１１４１３は、撮像画像に含まれる物体のエッジの形状や色等を検出することにより、鉗子等の術具、特定の生体部位、出血、エネルギー処置具１１１１２の使用時のミスト等を認識することができる。制御部１１４１３は、表示装置１１２０２に撮像画像を表示させる際に、その認識結果を用いて、各種の手術支援情報を当該術部の画像に重畳表示させてもよい。手術支援情報が重畳表示され、術者１１１３１に提示されることにより、術者１１１３１の負担を軽減することや、術者１１１３１が確実に手術を進めることが可能になる。
【０１２７】
カメラヘッド１１１０２及びＣＣＵ１１２０１を接続する伝送ケーブル１１４００は、電気信号の通信に対応した電気信号ケーブル、光通信に対応した光ファイバ、又はこれらの複合ケーブルである。
【０１２８】
ここで、図示する例では、伝送ケーブル１１４００を用いて有線で通信が行われていたが、カメラヘッド１１１０２とＣＣＵ１１２０１との間の通信は無線で行われてもよい。
【０１２９】
以上、本開示に係る技術が適用され得る内視鏡手術システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、撮像部１１４０２に適用され得る。具体的には、図１の撮像素子１は、撮像部１０４０２に適用することができる。撮像部１０４０２に本開示に係る技術を適用することにより、高画質の術部画像を得ることができるため、術者が術部を確実に確認することが可能になる。
【０１３０】
なお、ここでは、一例として内視鏡手術システムについて説明したが、本開示に係る技術は、その他、例えば、顕微鏡手術システム等に適用されてもよい。
【０１３１】
＜９．移動体への応用例＞
本開示に係る技術（本技術）は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
【０１３２】
図２２は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システムの概略的な構成例を示すブロック図である。
【０１３３】
車両制御システム１２０００は、通信ネットワーク１２００１を介して接続された複数の電子制御ユニットを備える。図２２に示した例では、車両制御システム１２０００は、駆動系制御ユニット１２０１０、ボディ系制御ユニット１２０２０、車外情報検出ユニット１２０３０、車内情報検出ユニット１２０４０、及び統合制御ユニット１２０５０を備える。また、統合制御ユニット１２０５０の機能構成として、マイクロコンピュータ１２０５１、音声画像出力部１２０５２、及び車載ネットワークＩ／Ｆ（interface）１２０５３が図示されている。
【０１３４】
駆動系制御ユニット１２０１０は、各種プログラムにしたがって車両の駆動系に関連する装置の動作を制御する。例えば、駆動系制御ユニット１２０１０は、内燃機関又は駆動用モータ等の車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置、駆動力を車輪に伝達するための駆動力伝達機構、車両の舵角を調節するステアリング機構、及び、車両の制動力を発生させる制動装置等の制御装置として機能する。
【０１３５】
ボディ系制御ユニット１２０２０は、各種プログラムにしたがって車体に装備された各種装置の動作を制御する。例えば、ボディ系制御ユニット１２０２０は、キーレスエントリシステム、スマートキーシステム、パワーウィンドウ装置、あるいは、ヘッドランプ、バックランプ、ブレーキランプ、ウィンカー又はフォグランプ等の各種ランプの制御装置として機能する。この場合、ボディ系制御ユニット１２０２０には、鍵を代替する携帯機から発信される電波又は各種スイッチの信号が入力され得る。ボディ系制御ユニット１２０２０は、これらの電波又は信号の入力を受け付け、車両のドアロック装置、パワーウィンドウ装置、ランプ等を制御する。
【０１３６】
車外情報検出ユニット１２０３０は、車両制御システム１２０００を搭載した車両の外部の情報を検出する。例えば、車外情報検出ユニット１２０３０には、撮像部１２０３１が接続される。車外情報検出ユニット１２０３０は、撮像部１２０３１に車外の画像を撮像させるとともに、撮像された画像を受信する。車外情報検出ユニット１２０３０は、受信した画像に基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等の物体検出処理又は距離検出処理を行ってもよい。
【０１３７】
撮像部１２０３１は、光を受光し、その光の受光量に応じた電気信号を出力する光センサである。撮像部１２０３１は、電気信号を画像として出力することもできるし、測距の情報として出力することもできる。また、撮像部１２０３１が受光する光は、可視光であっても良いし、赤外線等の非可視光であっても良い。
【０１３８】
車内情報検出ユニット１２０４０は、車内の情報を検出する。車内情報検出ユニット１２０４０には、例えば、運転者の状態を検出する運転者状態検出部１２０４１が接続される。運転者状態検出部１２０４１は、例えば運転者を撮像するカメラを含み、車内情報検出ユニット１２０４０は、運転者状態検出部１２０４１から入力される検出情報に基づいて、運転者の疲労度合い又は集中度合いを算出してもよいし、運転者が居眠りをしていないかを判別してもよい。
【０１３９】
マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車内外の情報に基づいて、駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置の制御目標値を演算し、駆動系制御ユニット１２０１０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両の衝突回避あるいは衝撃緩和、車間距離に基づく追従走行、車速維持走行、車両の衝突警告、又は車両のレーン逸脱警告等を含むＡＤＡＳ（Advanced Driver Assistance System）の機能実現を目的とした協調制御を行うことができる。
【０１４０】
また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車両の周囲の情報に基づいて駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置等を制御することにより、運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
【０１４１】
また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で取得される車外の情報に基づいて、ボディ系制御ユニット１２０２０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で検知した先行車又は対向車の位置に応じてヘッドランプを制御し、ハイビームをロービームに切り替える等の防眩を図ることを目的とした協調制御を行うことができる。
【０１４２】
音声画像出力部１２０５２は、車両の搭乗者又は車外に対して、視覚的又は聴覚的に情報を通知することが可能な出力装置へ音声及び画像のうちの少なくとも一方の出力信号を送信する。図２２の例では、出力装置として、オーディオスピーカ１２０６１、表示部１２０６２及びインストルメントパネル１２０６３が例示されている。表示部１２０６２は、例えば、オンボードディスプレイ及びヘッドアップディスプレイの少なくとも一つを含んでいてもよい。
【０１４３】
図２３は、撮像部１２０３１の設置位置の例を示す図である。
【０１４４】
図２３では、車両１２１００は、撮像部１２０３１として、撮像部１２１０１，１２１０２，１２１０３，１２１０４，１２１０５を有する。
【０１４５】
撮像部１２１０１，１２１０２，１２１０３，１２１０４，１２１０５は、例えば、車両１２１００のフロントノーズ、サイドミラー、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部等の位置に設けられる。フロントノーズに備えられる撮像部１２１０１及び車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部１２１０５は、主として車両１２１００の前方の画像を取得する。サイドミラーに備えられる撮像部１２１０２，１２１０３は、主として車両１２１００の側方の画像を取得する。リアバンパ又はバックドアに備えられる撮像部１２１０４は、主として車両１２１００の後方の画像を取得する。撮像部１２１０１及び１２１０５で取得される前方の画像は、主として先行車両又は、歩行者、障害物、信号機、交通標識又は車線等の検出に用いられる。
【０１４６】
なお、図２３には、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮影範囲の一例が示されている。撮像範囲１２１１１は、フロントノーズに設けられた撮像部１２１０１の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１２，１２１１３は、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部１２１０２，１２１０３の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１４は、リアバンパ又はバックドアに設けられた撮像部１２１０４の撮像範囲を示す。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４で撮像された画像データが重ね合わせられることにより、車両１２１００を上方から見た俯瞰画像が得られる。
【０１４７】
撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、距離情報を取得する機能を有していてもよい。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、複数の撮像素子からなるステレオカメラであってもよいし、位相差検出用の画素を有する撮像素子であってもよい。
【０１４８】
例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を基に、撮像範囲１２１１１ないし１２１１４内における各立体物までの距離と、この距離の時間的変化（車両１２１００に対する相対速度）を求めることにより、特に車両１２１００の進行路上にある最も近い立体物で、車両１２１００と略同じ方向に所定の速度（例えば、０ｋｍ／ｈ以上）で走行する立体物を先行車として抽出することができる。さらに、マイクロコンピュータ１２０５１は、先行車の手前に予め確保すべき車間距離を設定し、自動ブレーキ制御（追従停止制御も含む）や自動加速制御（追従発進制御も含む）等を行うことができる。このように運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
【０１４９】
例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を元に、立体物に関する立体物データを、２輪車、普通車両、大型車両、歩行者、電柱等その他の立体物に分類して抽出し、障害物の自動回避に用いることができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両１２１００の周辺の障害物を、車両１２１００のドライバが視認可能な障害物と視認困難な障害物とに識別する。そして、マイクロコンピュータ１２０５１は、各障害物との衝突の危険度を示す衝突リスクを判断し、衝突リスクが設定値以上で衝突可能性がある状況であるときには、オーディオスピーカ１２０６１や表示部１２０６２を介してドライバに警報を出力することや、駆動系制御ユニット１２０１０を介して強制減速や回避操舵を行うことで、衝突回避のための運転支援を行うことができる。
【０１５０】
撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、赤外線を検出する赤外線カメラであってもよい。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在するか否かを判定することで歩行者を認識することができる。かかる歩行者の認識は、例えば赤外線カメラとしての撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像における特徴点を抽出する手順と、物体の輪郭を示す一連の特徴点にパターンマッチング処理を行って歩行者か否かを判別する手順によって行われる。マイクロコンピュータ１２０５１が、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在すると判定し、歩行者を認識すると、音声画像出力部１２０５２は、当該認識された歩行者に強調のための方形輪郭線を重畳表示するように、表示部１２０６２を制御する。また、音声画像出力部１２０５２は、歩行者を示すアイコン等を所望の位置に表示するように表示部１２０６２を制御してもよい。
【０１５１】
以上、本開示に係る技術が適用され得る車両制御システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、撮像部１２０３１等に適用され得る。具体的には、図１の撮像素子１は、撮像部１２０３１に適用することができる。撮像部１２０３１に本開示に係る技術を適用することにより、高画質の撮影画像を得ることができるため、ドライバの疲労を軽減することが可能になる。
【０１５２】
最後に、上述した各実施の形態の説明は本開示の一例であり、本開示は上述の実施の形態に限定されることはない。このため、上述した各実施の形態以外であっても、本開示に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【０１５３】
また、上述の実施の形態における図面は、模式的なものであり、各部の寸法の比率等は現実のものとは必ずしも一致しない。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれることは勿論である。
【０１５４】
なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
（１）被写体からの入射光を集光するオンチップレンズと、
前記集光された入射光の光電変換を行う光電変換部と、
前記オンチップレンズおよび前記光電変換部の間に配置されて前記オンチップレンズを透過した入射光をさらに集光する複数の層内レンズと
を具備し、
前記複数の層内レンズは、自身の層内レンズの何れか１つを透過した前記入射光を前記光電変換部に入射させる
撮像素子。
（２）前記複数の層内レンズは略同層に配置される前記（１）に記載の撮像素子。
（３）前記複数の層内レンズは、同時に形成される前記（２）に記載の撮像素子。
（４）前記オンチップレンズを透過した入射光のうち所定の波長の光を透過するカラーフィルタをさらに具備する前記（１）から（３）の何れかに記載の撮像素子。
（５）前記カラーフィルタは、赤色光を透過する前記（４）に記載の撮像素子。
（６）前記カラーフィルタは、赤外光を透過する前記（４）に記載の撮像素子。
（７）前記複数の層内レンズは、自身の層内レンズのうちの１つが前記オンチップレンズの光軸上に配置される前記（１）から（６）の何れかに記載の撮像素子。
（８）前記複数の層内レンズは、それぞれ異なる形状に構成される前記（１）から（７）の何れかに記載の撮像素子。
（９）前記オンチップレンズ、前記光電変換部および前記複数の層内レンズを備える複数の画素を具備する前記（１）から（８）の何れかに記載の撮像素子。
（１０）前記複数の層内レンズは、前記画素の中心に対して非対称に配置される前記（９）に記載の撮像素子。
（１１）前記オンチップレンズおよび前記光電変換部を備えて前記被写体からの入射光を瞳分割して位相差を検出するための位相差画素をさらに具備する前記（９）に記載の撮像素子。
（１２）被写体からの入射光を集光するオンチップレンズと、
前記集光された入射光の光電変換を行う光電変換部と、
前記オンチップレンズおよび前記光電変換部の間に配置されて前記オンチップレンズを透過した入射光をさらに集光する複数の層内レンズと、
前記光電変換部における光電変換に基づく画像信号を処理する処理回路と
を具備し、
前記複数の層内レンズは、自身の層内レンズの何れか１つを透過した前記入射光を前記光電変換部に入射させる
撮像装置。
【符号の説明】
【０１５５】
１  撮像素子
１０  画素アレイ部
３０  カラム信号処理部
１００、２０１、２０２  画素
１０１  光電変換部
１１１  ｎ型半導体領域
１３２  配線層
１５０  遮光膜
１６０、１６０ａ、１６０ｂ、１６１、１６１ａ、１６１ｂ、１６２、１６３  層内レンズ
１７２  カラーフィルタ
１８０  オンチップレンズ
３００、３００ａ、３００ｂ  位相差画素
１０００  カメラ
１００２  撮像素子
１０４０２、１２０３１、１２１０１〜１２１０５  撮像部
【図１】
2020137203.tif 000003
【図２】
2020137203.tif 000004
【図３】
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【図４】
2020137203.tif 000006
【図５】
2020137203.tif 000007
【図６】
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【図７】
2020137203.tif 000009
【図８】
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【図９】
2020137203.tif 000011
【図１０】
2020137203.tif 000012
【図１１】
2020137203.tif 000013
【図１２】
2020137203.tif 000014
【図１３】
2020137203.tif 000015
【図１４】
2020137203.tif 000016
【図１５】
2020137203.tif 000017
【図１６】
2020137203.tif 000018
【図１７】
2020137203.tif 000019
【図１８】
2020137203.tif 000020
【図１９】
2020137203.tif 000021
【図２０】
2020137203.tif 000022
【図２１】
2020137203.tif 000023
【図２２】
2020137203.tif 000024
【図２３】
2020137203.tif 000025
【国際調査報告】
2020137203.tif 000026
2020137203.tif 000027
2020137203.tif 000028
2020137203.tif 000029
2020137203.tif 000030
2020137203.tif 000031