JP2005109001A - Optical filter for solid state imaging element and imaging device equipped therewith - Google Patents

Optical filter for solid state imaging element and imaging device equipped therewith Download PDF

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幸三 高橋
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a low-cost optical filter for a solid state imaging element which can be provided with at least a microlens array function and an optical low pass filter function at the same time, and to provide an imaging device. <P>SOLUTION: The optical filter having a plurality of photoelectric conversion sections 22 is used for the solid state imaging element. The optical filter is formed of an optical material which passes light through it. The optical material is formed with an uneven surface which refracts light. The uneven surface has a plurality of microlens regions 11 which condense light in each of the plurality of photoelectric conversion sections by the refraction, with the microlens regions having one-to-one correspondence with the photoelectric conversion sections. An effective aperture ϕ of each microlens region is larger than a pitch P of the photoelectric conversion sections, and adjacent microlens regions partially overlap with one another. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

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。   The present invention relates to an optical filter used in a solid-state imaging device including a plurality of photoelectric conversion units, and an imaging apparatus including the optical filter.

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。   As is well known, an infrared cut filter, an optical low-pass filter, and the like are provided on the front surface of the solid-state imaging device. The infrared cut filter blocks invisible infrared light. The optical low-pass filter prevents false resolution and color blur. Further, a microlens, a color filter, and the like are provided on the front surface of each photoelectric conversion unit of the solid-state imaging device. The microlens efficiently collects light at the photoelectric conversion unit. The color filter extracts color information of light incident on the photoelectric conversion unit. By providing these four types of optical elements, the output image from the solid-state imaging element can be of high image quality.

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。
特開平6−317764号公報
Of the four types of optical elements described above, birefringent crystals such as quartz are generally used for the optical low-pass filter. However, birefringent crystals are expensive. For this reason, it has been proposed to use an inexpensive diffractive optical element instead of the birefringent crystal (see, for example, Patent Document 1). A diffractive optical element is an element that utilizes the diffraction phenomenon of light. In the optical low-pass filter of Patent Document 1, a diffractive surface having an imaging function is divided into a plurality of regions, and forms, for example, a double image on a solid-state image sensor.
JP-A-6-317764

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。   However, in the above-described conventional technology, since four types of optical elements (infrared cut filter, optical low-pass filter, microlens, and color filter) are configured as separate elements, it is difficult to reduce the number of assembling steps and the cost is low. There was also a limit to the conversion. In Patent Document 1, it is described that “the microlens array is configured by a diffractive optical element and also functions as an optical low-pass filter”, but there is no description of a specific example.

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。   An object of the present invention is to provide an inexpensive optical filter for a solid-state imaging device capable of simultaneously realizing at least the function of a microlens array and the function of an optical low-pass filter, and an imaging apparatus including the optical filter.

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。   The invention according to claim 1 is an optical filter used in a solid-state imaging device having a plurality of photoelectric conversion units, and is made of an optical material that transmits light, and the optical material is diffracted with respect to the light. An uneven surface that acts is provided, and the uneven surface has a plurality of microlens regions that collect the light in each of the plurality of photoelectric conversion units by the diffraction operation, and each of the microlens regions is 1 The plurality of microlens regions are associated with the photoelectric conversion units, and the effective diameters of the plurality of microlens regions are larger than the pitch of the photoelectric conversion units, and the adjacent microlens regions partially overlap each other. Is.

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。   According to a second aspect of the present invention, in the optical filter for a solid-state imaging device according to the first aspect, each of the microlens regions corresponds to a concentric concave / convex pattern, and the effective aperture of the concave / convex pattern is determined. The diameter of the outermost periphery to be defined is larger than the pitch of the photoelectric conversion portions, and the plurality of uneven patterns constituting the plurality of microlens regions are arranged at the same pitch as the photoelectric conversion portions, and the uneven surface is The light is configured to give phase information equivalent to a combined pattern of a plurality of uneven patterns.

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。   The invention according to claim 3 is an optical filter used in a solid-state imaging device including a plurality of photoelectric conversion units, and is made of an optical material that transmits light, and the optical material is diffracted with respect to the light. An uneven surface that acts is provided, the uneven surface has a plurality of microlens regions that collect the light on each of the plurality of photoelectric conversion units by the diffraction operation, and each of the microlens regions, Corresponding to the N photoelectric conversion units (N is an integer of 2 or more) arranged in one direction of the solid-state imaging device, and further, the light is dispersed in the one direction by the diffraction action, and the N pieces Each of the photoelectric conversion units has a spectral region that guides light having a different wavelength range, and each of the plurality of microlens regions has an effective aperture of (2N-1) times or more of the pitch of the photoelectric conversion units, and , The adjacent micro Lens regions with each other are intended to partially overlap.

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。   According to a fourth aspect of the present invention, in the optical filter for a solid-state imaging device according to the third aspect, each of the microlens regions is in addition to the N photoelectric conversion units arranged in the one direction. Among the N photoelectric conversion units, the photoelectric conversion unit is also associated with (N−1) photoelectric conversion units arranged in a direction different from the one direction from the photoelectric conversion unit on one end side. Including a first region that splits the light in the one direction and a second region that splits the light in the different direction.

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。   According to a fifth aspect of the present invention, in the optical filter for a solid-state imaging device according to the fourth aspect, each of the microlens regions corresponds to a concentric concave / convex pattern, and the effective aperture of the concave / convex pattern is determined. The diameter of the outermost periphery to be defined is equal to or greater than (2N-1) times the pitch of the photoelectric conversion unit, and the plurality of concentric uneven patterns constituting the plurality of microlens regions are arranged along the one direction. Arranged at a pitch of (2N-1) times the photoelectric conversion unit, and arranged at the same pitch as the photoelectric conversion unit along a predetermined direction between the one direction and the different direction, Each of the first region and the second region corresponds to a linear concavo-convex pattern, and the concavo-convex surface includes a plurality of concentric concavo-convex patterns and a composite pattern of the two types of linear concavo-convex patterns. Valence phase information, and is configured to provide the light.

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。   According to a sixth aspect of the present invention, in the optical filter for a solid-state imaging device according to the fourth or fifth aspect, each of the microlens regions is the four photoelectric conversion units arranged in the one direction. And a total of seven photoelectric conversion units consisting of three photoelectric conversion units arranged in the different direction from the photoelectric conversion unit on one end side among the four photoelectric conversion units, and the microlens region Of the seven photoelectric conversion units, white zero-order light is collected in the photoelectric conversion unit on the one end side, and blue and green are collected in each of the other six photoelectric conversion units. It collects red primary light.

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。   According to a seventh aspect of the present invention, in the optical filter for a solid-state image pickup device according to the fourth or fifth aspect, each of the microlens regions includes the five photoelectric conversion units arranged in the one direction. And a total of nine photoelectric conversion units consisting of four photoelectric conversion units arranged in the different direction from the photoelectric conversion unit on one end side among the five photoelectric conversion units, and the microlens region Of the nine photoelectric conversion units, white zero-order light is collected in the photoelectric conversion unit on the one end side, and blue and green are collected in each of the other eight photoelectric conversion units. It collects red and infrared primary light.

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。
According to an eighth aspect of the present invention, in the optical filter for a solid-state imaging device according to any one of the first to seventh aspects, the solid-state imaging device includes a cover glass, and the optical material is made of resin. And is integrally formed with the cover glass.
An imaging device according to claim 9 is an optical filter for a solid-state imaging device according to claim 8,
The optical filter includes the optical filter, the optical material is formed on one surface of the cover glass, and the surface is attached toward the solid-state image sensor.

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。   An imaging device according to a tenth aspect includes the optical filter for a solid-state imaging element according to any one of the first to seventh aspects and the solid-state imaging element, and the optical material is made of resin. And is integrally formed with the solid-state imaging device.

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。   According to the present invention, it is possible to provide an inexpensive optical filter for a solid-state imaging device that can simultaneously realize at least the function of a microlens array and the function of an optical low-pass filter.

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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
Here, a description will be given of a case where the function of the microlens array and the function of the optical low-pass filter are simultaneously realized by one element.
In general, the optical filter 10 (FIG. 1) of the first embodiment has a function of a microlens array and an optical low-pass filter, and an imaging device including the optical filter 10 and the solid-state imaging device 20 has a solid state. An infrared cut filter is provided in front of the image sensor 20, and a color filter (primary color system, complementary color system, or the like) is provided in front of each photoelectric conversion unit of the solid-state image sensor 20. For this reason, a high-quality color image can be obtained from the solid-state imaging device 20.

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。   An imaging device including the optical filter 10 and the solid-state imaging device 20 is incorporated in, for example, a digital camera and is disposed on the optical axis 21A of the imaging lens 21 of the digital camera. The digital camera is a digital still camera capable of photographing a still image, a digital video camera capable of photographing a moving image, or the like. Note that the solid-state imaging device 20 is, for example, a CCD imaging device, a CMOS imaging device, an imaging rod, or the like. Moreover, the case where the image fiber bundle described in patent document 1 is utilized is also included.

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)。   Next, the optical filter 10 (FIG. 1) of the first embodiment will be described. The optical filter 10 is an inexpensive diffractive optical element and is made of an optical material that transmits the light L. The optical material is made of glass or resin. In addition, the optical material is provided with an uneven surface that exerts a diffractive action on the transmitted light L. The installation location of the uneven surface is, for example, one of the two surfaces 1A and 1B of the optical material. The pattern shape (not shown) of the concavo-convex surface allows the phase information necessary to simultaneously realize the function of the microlens array and the function of the optical low-pass filter, that is, the phase information necessary for realizing these functions simultaneously. (Details will be described later).

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。   The uneven surface of the optical filter 10 will be described. As shown in FIG. 2, a large number of microlens regions 11 are provided on the uneven surface. Each microlens region 11 corresponds to a region within a circular solid line frame. FIG. 2 is a schematic view of the concavo-convex surface of the optical filter 10 as viewed from the imaging lens 21 side of FIG. 1, and a detailed concavo-convex structure is not shown. Note that the dotted line in FIG. 2 represents the imaging surface of the solid-state imaging device 20. A large number of photoelectric conversion units 22 are two-dimensionally arranged at a constant pitch P on the imaging surface of the solid-state imaging device 20. One photoelectric conversion unit 22 is arranged in one pixel 23.

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)。   As can be seen from FIG. 2, each microlens region 11 is two-dimensionally arranged at the same pitch P as the photoelectric conversion unit 22. Further, the effective aperture φ of the microlens region 11 is three times the pitch P of the photoelectric conversion unit 22. For this reason, the adjacent microlens regions 11 partially overlap each other (see the hatched portion in FIG. 3A), and the microlens regions 11 arranged alternately are also partially overlapped (FIG. 3 ( (See the hatched part in b)).

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。   Further, the center of each microlens region 11 coincides with the center of any one photoelectric conversion unit 22. That is, each microlens region 11 is associated with one photoelectric conversion unit 22 having a central portion that matches. FIG. 4 illustrates the correspondence relationship between the six microlens regions 11 and the six photoelectric conversion units 22 that are continuously arranged, distinguished by the subscripts (1) to (6). The same subscripts are in correspondence.

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)。   Further, each microlens region 11 corresponds to a concentric uneven pattern as shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b). The effective diameter φ of the microlens region 11 is defined by the outermost diameter of the concavo-convex pattern. The concentric concavo-convex pattern has a concavo-convex structure similar to a blazed Fresnel lens. The diffractive action of the concentric concavo-convex pattern constituting the microlens region 11 works to efficiently collect the transmitted light L in one photoelectric conversion unit 22 (light collecting action).

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。   When the concavity and convexity pattern of the optical filter 10 is designed by arranging the concentric concavity and convexity patterns of FIG. 5 as in the microlens region 11 of FIG. 2, the microlenses shown in FIGS. In the overlapping portion between the regions 11, the height H (see FIG. 5B) of each concave-convex pattern is simply added. And the synthetic pattern obtained by this addition process becomes the uneven surface (surface 1A or surface 1B in FIG. 1) of the optical filter 10. The transmitted light L is given phase information corresponding to the height of the composite pattern.

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。 In consideration of the manufacturing process of the concavo-convex surface of the optical filter 10, it is preferable to cut the height of the composite pattern below a certain value (for example, the wavelength λ C at the center of visible light). Specifically, it is preferable to obtain a remainder (<wavelength λ C ) when the height of the composite pattern is divided by, for example, the wavelength λ C , and set the remainder as the final height. In this case, the combined pattern after the cutting down becomes the uneven surface (surface 1A or surface 1B in FIG. 1) of the optical filter 10. The transmitted light L is given phase information corresponding to the height of the combined pattern after being cut off. This phase information is equivalent to the phase information by the combined pattern before rounding down.

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。   The concave / convex surface of the optical filter 10 composed of the above synthetic pattern (before or after the cut-down) has a complicated pattern shape and is different from the concentric concave / convex pattern as shown in FIG. However, the phase information given to the transmitted light L is equivalent to the combined pattern and the concentric uneven pattern. For this reason, even if the composite pattern is a complicated pattern shape different from the concentric shape, the transmitted light L is efficiently transmitted to one photoelectric conversion unit 22 for each microlens region 11 on the uneven surface of the optical filter 10. Demonstrates a diffractive effect such as “collects well”.

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。   For example, each of the microlens regions 11 (1) to (6) shown in FIG. 4 collects the transmitted light L in each of the photoelectric conversion units 22 (1) to (6). When the situation is viewed from the side, a schematic diagram of FIG. 6 is obtained. In FIG. 6, the same subscripts (1) to (6) are attached to the respective lights L collected in the photoelectric conversion units 22 (1) to (6) by the microlens regions 11 (1) to (6). did. Among the arrows shown in FIG. 6, the downward arrow is the light L that passes through the central part of the microlens regions 11 (1) to (6) and enters the photoelectric conversion units 22 (1) to (6). The diagonally downward arrow is light L that passes through the peripheral portions of the microlens regions 11 (1) to (6) and enters the photoelectric conversion units 22 (1) to (6).

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。   As can be seen from FIG. 6, the light L (1) subjected to the diffraction action of the microlens region 11 (1) is collected in the photoelectric conversion unit 22 (1) whose central portion coincides with the microlens region 11 (1). . The light L (2) subjected to the diffracting action of the macro lens region 11 (2) is collected in the photoelectric conversion unit 22 (2) whose central portion coincides with the micro lens region 11 (2). Further, the light L (3) to (6) subjected to the diffractive action of the other macro lens regions 11 (3) to (6) has the same center as the micro lens regions 11 (3) to (6), respectively. To be collected in the photoelectric conversion units 22 (3) to (6).

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。
As described above, in the optical filter 10 according to the first embodiment, the light L can be efficiently collected in each photoelectric conversion unit 22 of the solid-state imaging device 20 by the diffractive action of each microlens region 11. That is, the optical filter 10 functions as a microlens array.
When attention is paid to one microlens region 11 (3), the microlens region 11 (3) partially overlaps with the adjacent microlens regions 11 (2) and (4) as shown in FIG. (Refer to the hatched portion in FIG. 3A) and the adjacent microlens regions 11 (1) and (5) partially overlap (see the hatched portion in FIG. 3B). Thus, for example, the light L transmitted through the overlapping portion (S 1 portion of FIG. 7) of the three micro lens area 11 (1) to (3) receives the three different diffraction action, FIG 8 (a) - As shown in (c), it is sorted into three different directions.

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。 Similarly, the overlapping portion of the micro lens area 11 (2) ~ (4) (S 2 parts of FIG. 7), or, transmitted through the overlapping portion of the micro lens area 11 (3) ~ (5) (S 3 parts) Each light L is also distributed in three different directions by three different diffractive actions. Furthermore, the two micro lens area 11 (2), (3) the overlapping portions of the (S 4 portions), or micro lens area 11 (3), each of which transmits the overlapping portion (S 5 parts) (4) The light L is distributed in two different directions by two different diffractive actions.

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。   In the above description regarding the distribution of the transmitted light L, the microlens regions 11 (1) to (6) arranged one-dimensionally are taken as an example for easy understanding. As shown in FIG. 2, they are arranged two-dimensionally. For this reason, the overlapping state of one microlens region 11 with another is more complicated. However, the same explanation as above can be applied. For example, since the nine microlens regions 11 partially overlap at the center, the transmitted light L is distributed in nine different directions by nine different diffractive actions.

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。   As described above, in the optical filter 10 according to the first embodiment, the microlens regions 11 partially overlap each other. Therefore, in the overlapping portion, a plurality of types are different due to a plurality of types of diffraction actions corresponding to the number of overlaps. The transmitted light L is distributed in the direction. In addition, a wide range of light L corresponding to the effective aperture φ of the microlens region 11 is collected in each photoelectric conversion unit 22. Therefore, false resolution (moire) and color blur can be prevented. That is, the optical filter 10 functions as an optical low-pass filter.

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。
Here, the simulation result of FIG. 9 will be described.
As described above, the light L collected in one photoelectric conversion unit 22 is the light L that has been diffracted by one microlens region 11. That is, a wide range of light L corresponding to the effective aperture φ of the microlens region 11 is collected in the photoelectric conversion unit 22. For this reason, it is considered that the apparent size A (FIG. 9A) of the photoelectric conversion unit 22 is enlarged by the microlens region 11 and is about the same as the effective aperture φ. In the above example, the effective aperture φ is three times the pitch P of the photoelectric conversion unit 22 (FIG. 2), and the apparent size A of the photoelectric conversion unit 22 is also about three times the pitch P.

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。   The simulation of FIG. 9 is a calculation of frequency characteristics (the following equation (1)) when a plurality of photoelectric conversion units 22 (apparent size A) are arranged at a pitch P. In Expression (1), u represents a frequency. In FIGS. 9B to 9E, the size relationship between the apparent size A and the pitch P is “A = 0.5P”, “A = P”, “A = 1.5P”, “A = 2P”, respectively. It is a calculation result at the time. The hatched portions in FIGS. 9B to 9D correspond to aliasing.

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。
sinc (Au / P) = (sin (πAu / P)) / (πAu / P); u ≠ 0
= 1; u = 0 (1)
From the simulation result of FIG. 9, the larger the apparent size A of the photoelectric conversion unit 22 is, the smaller the aliasing is. When the apparent size A is twice the pitch P, the aliasing becomes 0 (FIG. 9 (e)). I understood that. As is well known, the smaller the aliasing is, the more the false resolution can be reduced and the higher the function as an optical low-pass filter. In the above example, since the apparent size A is about three times the pitch P, it can be seen that aliasing is 0 and false resolution can be reliably reduced.

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。   As described above, according to the optical filter 10 of the first embodiment, the function of the microlens array and the function of the optical low-pass filter can be realized simultaneously, and the diffractive optical element can also be configured at a low cost. it can. Furthermore, in the image pickup apparatus provided with the optical filter 10, it is only necessary to provide an infrared cut filter and a color filter, and the number of assembling steps can be reduced as compared with the conventional case, and the cost can be reduced.

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。   In addition, in the imaging device provided with the optical filter 10, the wavelength range of the light L usually extends over a wide range. For this reason, chromatic aberration occurs in each microlens region 11, and the focal position is slightly shifted for each wavelength region of the light L. However, since each photoelectric conversion unit 22 has a certain size, there is no problem in the function as an optical low-pass filter if it is designed so that the focal positions in all the wavelength regions are within this range.

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。   In the first embodiment described above, the effective aperture φ of the microlens region 11 is set to three times the pitch P of the photoelectric conversion unit 22, but the present invention is not limited to this. If the effective aperture φ of the microlens region 11 is larger than the pitch P of the photoelectric conversion unit 22 and the adjacent microlens regions 11 partially overlap each other, the optical filter 10 functions reliably as an optical low-pass filter. Can be made. The effective aperture φ of the microlens region 11 may be determined according to the necessary amount of the effect of the optical low-pass filter (for example, the effect of reducing the false resolution).

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。   Further, in the first embodiment described above, since the color filter is provided on the front surface of each photoelectric conversion unit 22 of the solid-state imaging device 20, the uneven surface (each of the optical filter 10 is considered in consideration of the transmission wavelength range of the color filter). It is preferable to design the microlens region 11). For example, it is conceivable to change the shape of the concentric concavo-convex pattern constituting the microlens region 11 according to the transmission wavelength range of the color filter.

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。
Furthermore, in the first embodiment described above, a color filter is provided on the front surface of each photoelectric conversion unit 22 of the solid-state imaging device 20 in order to obtain a color image, but the present invention is not limited to this. The color filter may be omitted. In this case, a monochrome image can be obtained.
(Second Embodiment)
Here, a description will be given of a case where the function of the microlens array, the function of the optical low-pass filter, and the function of the color filter are simultaneously realized by one element.

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。   The optical filter 30 of the second embodiment has the function of a microlens array, the function of an optical low-pass filter, and the function of a color filter, and an imaging device including the optical filter 30 and the solid-state imaging device 20 (see FIG. 1). The infrared cut filter is provided on the front surface of the solid-state imaging device 20. A color filter is not installed on the front surface of the photoelectric conversion unit of the solid-state imaging device 20. Even in this case, a high-quality color image can be obtained from the solid-state imaging device 20.

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)。   The optical filter 30 of the second embodiment is an inexpensive diffractive optical element, and is made of an optical material that transmits the light L (made of glass or resin). In addition, the optical material is provided with an uneven surface that exerts a diffractive action on the transmitted light L. The pattern shape of the concavo-convex surface allows the functions of the micro lens array, the function of the optical low-pass filter, and the function of the color filter to be realized at the same time, that is, transmits the phase information necessary for realizing these functions simultaneously. It is determined to be given to L (details will be described later).

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。   The uneven surface of the optical filter 30 will be described. As shown in FIG. 10, a large number of microlens regions 31 are provided on the uneven surface. Each microlens region 31 corresponds to a region within a circular solid line frame. In FIG. 10, the detailed uneven structure is not shown. In addition, the dotted line of FIG. 10 is the imaging surface of the solid-state image sensor 20 similar to above-mentioned FIG. In the following description, among the arrangement directions of the photoelectric conversion units 22 on the imaging surface, the horizontal direction is referred to as the X direction and the vertical direction is referred to as the Y direction. In addition, an oblique direction (that is, a 45 ° direction) between the X direction and the Y direction is referred to as a W direction. The X direction and the Y direction correspond to “one direction” and “different directions” in the claims, respectively. The W direction corresponds to the “predetermined direction”.

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。   As can be seen from FIG. 10, each microlens region 31 has an effective aperture φ that is seven times the pitch P of the photoelectric conversion unit 22. Further, each microlens region 31 is arranged at a pitch (7P) seven times that of the photoelectric conversion unit 22 along the X direction, and is arranged at the same pitch Q as the photoelectric conversion unit 22 along the W direction. Yes. For this reason, the adjacent microlens regions 31 partially overlap, and the microlens regions 31 arranged every other, every two, or every third overlap.

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。   Further, the center of each microlens region 31 coincides with the center of any one photoelectric conversion unit 22. In addition, each microlens region 31 is associated with one photoelectric conversion unit 22 (1) having the same central portion, and is arranged in the X direction from the photoelectric conversion unit 22 (1) in the central portion. The three photoelectric conversion units 22 (2) to (4) are also associated with each other, and the three photoelectric conversion units 22 (5) arranged in the Y direction from the photoelectric conversion unit 22 (1) at the center. It is also associated with ~ (7). The photoelectric conversion unit 22 (1) at the center corresponds to “a photoelectric conversion unit at one end” in the claims.

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。
That is, each microlens region 31 is associated with a total of seven photoelectric conversion units 22 (1) to (7) arranged in an L shape along the X direction and the Y direction. With such association, all the photoelectric conversion units 22 arranged on the imaging surface of the solid-state imaging device 20 can be associated with any one of the microlens regions 31.
Furthermore, each microlens area | region 31 is corresponded to the concentric uneven | corrugated pattern similar to above-mentioned FIG. The effective diameter φ of the microlens region 31 is defined by the diameter of the outermost periphery of the uneven pattern. The concentric concavo-convex pattern has a concavo-convex structure similar to a blazed Fresnel lens. The diffractive action of the concentric concavo-convex pattern constituting the microlens region 31 works so as to efficiently collect the transmitted light L in one photoelectric conversion unit 22.

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。   By the way, the uneven surface of the optical filter 30 of the second embodiment is provided with the above-described many microlens regions 31, and as shown in FIG. 11, a linear uneven pattern 32 extending in parallel with the X direction, and Y A linear uneven pattern 33 extending in parallel with the direction is provided on the entire surface. Each of the linear concavo-convex patterns 32 and 33 has a concavo-convex structure similar to a blazed diffraction grating (grating), and a large number of grooves (linear concavo-convex patterns) are arranged at equal intervals so that each groove is inclined. It is what you have. Thereby, the diffraction efficiency can be concentrated on a predetermined order (for example, primary light). The diffractive action of the concave / convex pattern 32 in the X direction works to split the light L in the Y direction. The diffractive action of the concave / convex pattern 33 in the Y direction works to split the light L in the X direction. That is, two types of spectral regions are provided on the uneven surface of the optical filter 30.

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。   5 is arranged like the microlens region 31 in FIG. 10, and the linear uneven patterns 32 and 33 (that is, the spectral region) in FIG. When designing the uneven surface of the filter 30, the height of each uneven pattern is simply added. And the synthetic pattern obtained by this addition process becomes an uneven surface of the optical filter 30 (see the surface 1A or the surface 1B of the optical filter 10 in FIG. 1). The transmitted light L is given phase information corresponding to the height of the composite pattern.

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。 In consideration of the manufacturing process of the uneven surface of the optical filter 30, it is preferable to cut the height of the composite pattern below a certain value (for example, the wavelength λ C of the center of visible light) by the above-described method. In this case, the combined pattern after being cut down becomes the uneven surface of the optical filter 30. The transmitted light L is given phase information corresponding to the height (<wavelength λ C ) of the combined pattern after being cut off. This phase information is equivalent to the phase information by the combined pattern before rounding down.

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。   The concave / convex surface of the optical filter 30 composed of the above synthetic pattern (before or after the cut-down) has a complicated pattern shape, such as a concentric concave / convex pattern as shown in FIG. 5 or a linear concave / convex pattern 32 as shown in FIG. , 33 is different. However, the phase information given to the transmitted light L is equivalent to a concentric uneven pattern or a linear uneven pattern. For this reason, the uneven surface of the optical filter 30 exhibits a diffractive action such as “collecting light L efficiently in one photoelectric conversion unit 22” for each microlens region 31, and two types of spectral on the entire surface. In such a region, a diffraction effect is exhibited such that “the light L is dispersed in the X direction and the Y direction, and the light L having a different wavelength range is guided to each of the seven photoelectric conversion units 22 (1) to (7)”. .

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。   Therefore, one microlens region 31 shown in FIG. 11 and the two types of spectral regions (32, 33) superimposed on the microlens region 31 include seven photoelectric conversion units 22 (1) associated with the microlens region 31. ) To (7), white zero-order light is collected in the central photoelectric conversion unit 22 (1) (FIG. 12 (a)), and three are arranged in the X direction from the photoelectric conversion unit 22 (1). The primary light of blue (B), green (G), and red (R) is collected in each of the photoelectric conversion units 22 (2) to (4) (FIGS. 12 (b) to (d)), and the photoelectric conversion unit Collect primary light of blue (B), green (G) and red (R) in each of the three photoelectric conversion units 22 (5) to (7) arranged in the Y direction from 22 (1) become. The order of arrangement of blue (B), green (G), and red (R) is such that the longer the wavelength region is, the farther away from the photoelectric conversion unit 22 (1) in the center, in both the X and Y directions.

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。   In addition, a large number of microlens regions 31 and two types of spectral regions (32, 33) are provided on the concavo-convex surface of the optical filter 30, and all the photoelectric conversion units 22 of the solid-state imaging device 20 are in any one of the microlens regions. Therefore, the wavelength distribution of the light L that has reached the solid-state imaging device 20 is as shown in FIG. In FIG. 13, for easy understanding, seven photoelectric conversion units 22 (1) to (7) associated with each microlens region 31 are surrounded by an L-shaped frame 34. As can be seen from this figure, light L in any wavelength region of white, blue (B), green (G), and red (R) is incident on all the photoelectric conversion units 22 of the solid-state imaging device 20. It will be.

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。   As described above, in the optical filter 30 according to the second embodiment, each photoelectric conversion unit 22 of the solid-state imaging device 20 is efficiently processed by the diffractive action of each microlens region 31 and the two types of spectral regions (32, 33). Light L (any of white, B, G, R) can be collected. That is, the optical filter 10 functions as a microlens array and also functions as a color filter.

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。   Furthermore, in the optical filter 30 of the second embodiment, since the microlens regions 31 partially overlap each other, the light L is distributed in the overlapping portion by a plurality of types of diffraction actions corresponding to the number of overlaps. In addition, a wide range of light L corresponding to the effective aperture φ of the microlens region 31 is collected in each photoelectric conversion unit 22. Therefore, false resolution (moire) and color blur can be prevented. That is, the optical filter 30 also functions as an optical low-pass filter.

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。   In the imaging device including the optical filter 30 according to the second embodiment, in order to obtain a color image from the solid-state imaging device 20, after selecting pixel data of B color, G color, and R color from among a large number of pixel data, It is conceivable to perform an interpolation calculation process based on the color information of these pixel data. Further, since the white pixel data represents the luminance information of visible light, the same interpolation calculation processing may be performed in consideration of the luminance information.

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。   As described above, according to the optical filter 30 of the second embodiment, the function of the microlens array, the function of the optical low-pass filter, and the function of the color filter can be realized at the same time. It can also be configured. Furthermore, in the image pickup apparatus provided with the optical filter 30, it is only necessary to provide an infrared cut filter, and the number of assembling steps can be reduced as compared with the conventional case, and the cost can be reduced.

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。   In addition, according to the optical filter 30 of the second embodiment, the utilization efficiency of the light L can be increased as compared with the case where a color filter is provided on the front surface of each photoelectric conversion unit 22 of the solid-state imaging device 20. The color filter provided on the front surface of the photoelectric conversion unit 22 blocks and discards light deviating from each transmission wavelength region. However, in the optical filter 30 of the second embodiment, each wavelength region without blocking light. This is because the light can be effectively distributed to the corresponding photoelectric conversion units 22 (2) to 22 (7).

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。
Furthermore, according to the optical filter 30 of the second embodiment, since the light L is split into the X direction and the Y direction by the two types of spectral regions (32, 33), the image quality of the color image obtained from the solid-state imaging device 20 is reduced. (Sharpness) can be made equal in the X direction and the Y direction.
In the second embodiment described above, the effective aperture φ of the microlens region 31 is set to 7 times the pitch P of the photoelectric conversion unit 22, but the present invention is not limited to this. If the effective aperture φ of the microlens region 31 is 7 times or more the pitch P of the photoelectric conversion unit 22 and the adjacent microlens regions 31 partially overlap each other, the optical filter 30 can be reliably connected to the optical low-pass filter. Can function as. The effective aperture φ of the microlens region 31 may be determined according to the necessary amount of the effect of the optical low-pass filter (for example, the effect of reducing the false resolution).
(Third embodiment)
Here, a description will be given of a case where the function of the microlens array, the function of the optical low-pass filter, the function of the color filter, and the function of the infrared cut filter are simultaneously realized by one element.

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。   The optical filter 40 of the third embodiment has a microlens array function, an optical low-pass filter function, a color filter function, and an infrared cut filter function. The optical filter 40 and the solid-state imaging device 20 (FIG. 1) In the imaging apparatus provided with the reference, no other element (such as an infrared cut filter or a color filter) is installed on the front surface of the solid-state imaging device 20 or the front surface of the photoelectric conversion unit. Even in this case, a high-quality color image can be obtained from the solid-state imaging device 20.

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)。   The optical filter 40 of the third embodiment is provided with a microlens region 41 shown in FIG. 14 in place of the microlens region 31 of the second embodiment described above, and the pattern shape of the uneven surface thereof is a microlens. In order to realize the functions of the array, the optical low-pass filter, the color filter, and the infrared cut filter at the same time, that is, the phase information necessary to realize these functions simultaneously is transmitted to the transmitted light L. (The details will be described later).

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。   Each microlens region 41 of the optical filter 40 corresponds to a region within a circular solid line frame. In FIG. 14, the detailed uneven structure is not shown. As can be seen from FIG. 14, each microlens region 41 has an effective aperture φ that is nine times the pitch P of the photoelectric conversion unit 22. Furthermore, they are arranged at a pitch (9P) nine times that of the photoelectric conversion units 22 along the X direction, and are arranged at the same pitch Q as the photoelectric conversion units 22 along the W direction. For this reason, the adjacent microlens regions 41 partially overlap each other, and the microlens regions 41 arranged every other, every two, every three, every four, and every fifth, partially overlap.

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。   In addition, the center portion of each microlens region 41 coincides with the center portion of any one photoelectric conversion unit 22. Each microlens region 41 is associated with one photoelectric conversion unit 22 (1) having the same central portion, and is arranged in the X direction from the photoelectric conversion unit 22 (1) at the central portion. The four photoelectric conversion units 22 (2) to 22 (5) are also associated with the four photoelectric conversion units 22 (6) to 22 (1) arranged in the Y direction from the central photoelectric conversion unit 22 (1). Corresponding to (9).

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。
That is, each microlens region 41 is associated with a total of nine photoelectric conversion units 22 (1) to (9) arranged in an L shape along the X direction and the Y direction. With such association, all the photoelectric conversion units 22 arranged on the imaging surface of the solid-state imaging device 20 can be associated with any one of the microlens regions 41.
Further, each microlens region 41 corresponds to a concentric concave / convex pattern similar to that of FIG. 5 described above, and an effective aperture φ is defined by the diameter of the outermost periphery. The diffractive action of the concentric concavo-convex pattern constituting the microlens region 41 works to efficiently collect the transmitted light L in one photoelectric conversion unit 22.

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。   Further, on the concavo-convex surface of the optical filter 40 of the third embodiment, the linear concavo-convex patterns 32 and 33 similar to those of the second embodiment as shown in FIG. Is provided on the entire surface. The diffractive action of the concavo-convex pattern 32 parallel to the X direction works to split the light L in the Y direction. The diffractive action of the concavo-convex pattern 33 parallel to the Y direction works to split the light L in the X direction. That is, two types of spectral regions are provided on the uneven surface of the optical filter 40.

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。   Note that when designing the uneven surface of the optical filter 40, the heights of the concentric and linear uneven patterns are simply added as in the second embodiment. Then, the combined pattern obtained by this addition processing becomes the uneven surface of the optical filter 40 (see the surface 1A or the surface 1B of the optical filter 10 in FIG. 1). The transmitted light L is given phase information corresponding to the height of the composite pattern.

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。 In consideration of the manufacturing process of the uneven surface of the optical filter 40, it is preferable to cut the height of the composite pattern below a certain value (for example, the wavelength λ C of the center of visible light) by the above-described method. In this case, the combined pattern after being cut down becomes the uneven surface of the optical filter 40. The transmitted light L is given phase information corresponding to the height (<wavelength λ C ) of the combined pattern after being cut off. This phase information is equivalent to the phase information by the combined pattern before rounding down.

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。   The concave / convex surface of the optical filter 40 composed of the above synthetic pattern (before or after cutting down) has a complicated pattern shape, but transmits phase information equivalent to concentric concave / convex patterns and linear concave / convex patterns 32 and 33. Give to light L. For this reason, the concave and convex surface of the optical filter 40 exhibits a diffractive action such as “collecting light L efficiently in one photoelectric conversion unit 22” for each microlens region 41, and two types of spectroscopy on the entire surface. In such a region, a diffraction effect such as “split light L in the X direction and Y direction to guide light L having a different wavelength range to each of the nine photoelectric conversion units 22 (1) to (9)” is exhibited. .

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。   Therefore, one microlens region 41 shown in FIG. 15 and two types of spectral regions (32, 33) superimposed on the microlens region 41 are nine photoelectric conversion units 22 (1 and 1) associated with the microlens region 41. ) To (9), white zero-order light is collected in the central photoelectric conversion unit 22 (1) (FIG. 16 (a)), and four pieces arranged in the X direction from the photoelectric conversion unit 22 (1). The primary light of blue (B), green (G), red (R), and infrared (IR) is collected in each of the photoelectric conversion units 22 (2) to (5) (FIGS. 16B and 16C). 17 (a), (b)), each of the four photoelectric conversion units 22 (6) to (9) arranged in the Y direction from the photoelectric conversion unit 22 (1) is also blue (B). The primary light of green (G), red (R) and infrared (IR) will be collected. The arrangement order of blue (B), green (G), red (R), and infrared (IR) becomes longer in the X and Y directions as the distance from the photoelectric conversion unit 22 (1) at the center increases. It is like this order.

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。   In addition, a large number of microlens regions 41 and two types of spectral regions (32, 33) are provided on the concavo-convex surface of the optical filter 40, and all the photoelectric conversion units 22 of the solid-state imaging device 20 are in any one of the microlens regions. Therefore, the wavelength distribution of the light L reaching the solid-state imaging device 20 is as shown in FIG. In FIG. 18, nine photoelectric conversion units 22 (1) to (9) corresponding to each microlens region 41 are surrounded by an L-shaped frame 42 for easy understanding. As can be seen from this figure, all the photoelectric conversion units 22 of the solid-state imaging device 20 have a wavelength range of any one of white, blue (B), green (G), red (R), and infrared (IR). Light L is incident.

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。   As described above, in the optical filter 40 according to the third embodiment, each photoelectric conversion unit 22 of the solid-state imaging device 20 is efficiently processed by the diffractive action of each microlens region 41 and the two types of spectral regions (32, 33). Light L (any of white, B, G, R, IR) can be collected. In addition, infrared (IR) light can be separated from visible light (B, G, R) and guided to another photoelectric conversion unit 22. That is, the optical filter 40 functions as a microlens array, functions as a color filter, and functions as an infrared cut filter.

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。   Furthermore, in the optical filter 40 of the third embodiment, since the microlens regions 41 partially overlap each other, the light L is distributed at the overlapping portion by a plurality of types of diffraction actions according to the number of overlaps. Each photoelectric conversion unit 22 collects a wide range of light L corresponding to the effective aperture φ of the microlens region 41. Therefore, false resolution (moire) and color blur can be prevented. That is, the optical filter 40 also functions as an optical low-pass filter.

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。   In the imaging apparatus including the optical filter 40 according to the third embodiment, in order to obtain a color image from the solid-state imaging device 20, after selecting B color, G color, and R color pixel data from among a large number of pixel data. It is conceivable to perform an interpolation calculation process based on the color information of these pixel data. Also, since the white pixel data includes visible light luminance information and infrared luminance information, the infrared component is subtracted from the white pixel data, and the obtained luminance information of the visible light component is taken into consideration. Similar interpolation calculation processing may be performed. The infrared component used in the subtraction process is calculated based on the luminance information of the infrared (IR) pixel data and the difference in diffraction efficiency between the 0th order light and the 1st order light in the infrared wavelength range. Can do.

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。   As described above, according to the optical filter 40 of the third embodiment, the function of the microlens array, the function of the optical low-pass filter, the function of the color filter, and the function of the infrared cut filter can be realized simultaneously. In addition, the diffractive optical element can be used at a low cost. Furthermore, in the imaging apparatus provided with the optical filter 40, it is not necessary to provide another element (such as an infrared cut filter). Therefore, the number of assembling steps can be reduced compared to the conventional case, and the cost can be reduced.

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。   Moreover, according to the optical filter 40 of 3rd Embodiment, the utilization efficiency of the light L can be made high compared with the case where a color filter is provided in the front surface of each photoelectric conversion part 22 of the solid-state image sensor 20. FIG. The color filter provided on the front surface of the photoelectric conversion unit 22 blocks and discards light that is out of each transmission wavelength range. However, in the optical filter 40 according to the third embodiment, the wavelength filter does not block light for each wavelength range. This is because light can be effectively guided to the corresponding photoelectric conversion units 22 (2) to (4) and 22 (6) to (8).

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。
Furthermore, according to the optical filter 40 of the third embodiment, since the light L is split into the X direction and the Y direction by the two types of spectral regions (32, 33), the image quality of the color image obtained from the solid-state imaging device 20 is reduced. (Sharpness) can be made equal in the X direction and the Y direction.
Moreover, according to the imaging device provided with the optical filter 40 of the third embodiment, night vision photography using an infrared light source can be performed in addition to the above-described normal photography using visible light. In order to obtain an infrared image from the solid-state imaging device 20, an infrared (IR) pixel data is selected from a large number of pixel data, and then an image is generated based on the distribution of luminance information. Strictly speaking, since the infrared (IR) pixel data includes the luminance information of the blue (B) secondary light, it is obtained by subtracting the blue component from the infrared (IR) pixel data. It is preferable to generate an image based on the distribution of luminance information of infrared components. The blue component used in such subtraction processing is based on the luminance information of the blue (B) pixel data (corresponding to the primary light) and the difference in diffraction efficiency between the primary light and the secondary light in the blue wavelength region. Can be calculated. A good infrared image can be obtained by subtracting the blue component.

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。   In the third embodiment described above, the effective aperture φ of the microlens region 41 is set to nine times the pitch P of the photoelectric conversion unit 22, but the present invention is not limited to this. If the effective aperture φ of the microlens region 41 is 9 times or more the pitch P of the photoelectric conversion unit 22 and the adjacent microlens regions 41 partially overlap each other, the optical filter 40 can be reliably connected to the optical low-pass filter. Can function as. The effective aperture φ of the microlens region 41 may be determined according to the required amount of the effect of the optical low-pass filter (for example, the effect of reducing false resolution).

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。   In the second and third embodiments described above, among the photoelectric conversion units 22 (see FIGS. 10 and 14) associated with the microlens regions 31 and 41, the photoelectric conversion units arranged in the X direction. The example in which the number of 22 is 4 and 5 has been described, but the present invention is not limited to this. If the number of photoelectric conversion units 22 arranged in the X direction is N (N is an integer of 2 or more), the present invention can be applied in the same manner as described above. In this case, the number of photoelectric conversion units 22 arranged in the Y direction is (N−1), and a total of (2N−1) photoelectric conversion units 22 are associated with the microlens region. Each microlens region has an effective aperture φ set to (2N−1) times or more of the pitch P of the photoelectric conversion unit 22 and (2N−1) times that of the photoelectric conversion unit 22 along the X direction. Arranged at pitch.

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。
Furthermore, in the above-described second and third embodiments, the photoelectric conversion unit 22 (see FIGS. 10 and 14) associated with the microlens regions 31 and 41 extends along two directions, the X direction and the Y direction. However, the present invention is not limited to this. The present invention can be applied even when the photoelectric conversion units 22 arranged in the X direction or the Y direction (that is, one direction) are associated with the microlens region. In this case, it is preferable to arrange a plurality of microlens regions so that all the photoelectric conversion units 22 of the solid-state imaging device 20 are associated with any one of the microlens regions. Also, one of the two types of spectral regions (32, 32) can be omitted. The necessary spectral region is the direction in which the groove direction of the linear concavo-convex pattern is orthogonal to the arrangement direction of the corresponding photoelectric conversion units 22.
(Fourth embodiment)
Here, a description will be given of a case where the optical filter 10 is integrally formed on the imaging surface of the solid-state imaging device 20 in the imaging apparatus (FIG. 1) including the optical filter 10 and the solid-state imaging device 20 that have already been described. In the optical filter 10 in this case, the optical material is made of a resin, and is made of, for example, an ultraviolet curable resin (UV resin). A well-known replica technique is used to form the uneven surface of the optical filter 10. The optical filter 10 is integrally formed, for example, in the wafer state at the final stage of the manufacturing process of the solid-state imaging device 20 (for example, after the formation of the surface protective film).

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。
The procedure for integrally forming the optical filter 10 will be described with reference to FIG. First, an uncured product 51 of UV resin is applied on the imaging surface of the solid-state imaging device 20 (a). Next, the reversal mold 52 and the solid-state imaging device 20 are aligned in a state where the release agent 53 is applied to the reversal mold 52 on the uneven surface (see FIG. 2) of the optical filter 10 to be formed (b).
This alignment may be performed with a specific pixel of the solid-state imaging device 20 as a target (2 to 3 places) with reference to an alignment mark provided in advance on the inversion type 52. Alternatively, alignment marks may be provided on both the reversal mold 52 and the solid-state imaging device 20 so as to match them. In any case, it is preferable that the inversion mold 52 is constituted by a transparent substrate (for example, a quartz substrate). If the inversion mold 52 is transparent, alignment can be easily performed.

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。
Then, after the alignment, the reversal mold 52 is brought into close contact with the uncured product 51 (c), and the uncured product 51 is filled in the minute recesses of the reversal mold 52. Then, the uncured product 51 is cured by irradiating ultraviolet rays from the reversal mold 52 side. Finally, the reverse mold 52 is released (d). Thereby, the integral formation of the optical filter 10 with respect to the solid-state image sensor 20 is complete | finished.
Thus, by integrally forming the optical filter 10 on the imaging surface of the solid-state imaging device 20, the entire assembly process of the solid-state imaging device filter can be further simplified, and the cost can be surely reduced. In addition, since the optical material of the optical filter 10 is made of resin and replica technology is used, the cost can be further reduced.

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。
In the above-described fourth embodiment, the optical filter 10 is integrally formed. However, the same effect can be obtained even if the other optical filters 30 and 40 are integrally formed with the solid-state imaging device 20.
In addition, although the example in which the optical filter 10 is an ultraviolet curable resin has been described, the same effect can be obtained when other photocurable resins or thermosetting resins are used.
(Fifth embodiment)
Here, the case where the optical filter 10 already described is integrally formed on the cover glass of the solid-state imaging device 20 will be described. In the optical filter 10 in this case, the optical material is made of resin, and is made of, for example, an ultraviolet curable resin (UV resin). A well-known replica technique is used to form the uneven surface of the optical filter 10. The integral formation of the optical filter 10 is performed before the cover glass 25 is attached to the front surface of the solid-state imaging device 20.

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。   The procedure for integrally forming the optical filter 10 will be described with reference to FIG. First, an uncured product 51 of UV resin is applied to the back surface of the cover glass 25 (a). Next, a release agent 53 is applied to the reversal mold 52 on the concave and convex surface (see FIG. 2) of the optical filter 10, and this is adhered to the uncured product 51 (b), and uncured in the fine recesses of the reversal mold 52. The object 51 is filled. Then, the uncured product 51 is cured by irradiating ultraviolet rays from the reversal mold 52 side. Finally, the reverse mold 52 is released (c). Thereby, the integral formation of the optical filter 10 with respect to the cover glass 25 is complete | finished. Note that the inversion mold 52 is preferably formed of a transparent substrate (for example, a quartz substrate).

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。
When the optical member (10, 25) in which the optical filter 10 and the cover glass 25 are integrated is attached to the front surface of the solid-state imaging device 20, the optical filter 10 side (the back surface side of the cover glass 25) is solid. The image sensor 20 is directed toward the image sensor 20 (FIG. 20D), and the optical member (10, 25) and the solid-state image sensor 20 are aligned.
The alignment may be performed with a specific pixel of the solid-state imaging device 20 as a target (2 to 3 places) based on an alignment mark provided in advance on the optical member (10, 25). Alternatively, the alignment mark may be provided on both the optical member (10, 25) and the solid-state image pickup device 20 so as to match them. Since the optical members (10, 25) are transparent, alignment can be easily performed.

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。   As described above, in the fifth embodiment, the optical filter 10 is integrally formed on the cover glass 25, and the optical member (10, 25) is attached to the solid-state imaging device 20, so that the entire assembly process of the solid-state imaging device filter is performed. Can be further simplified, and the cost can be surely reduced. In addition, since the optical material of the optical filter 10 is made of resin and replica technology is used, the cost can be further reduced.

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。
In the fifth embodiment described above, the optical filter 10 is integrally formed. However, the same effect can be obtained even if the other optical filters 30 and 40 are integrally formed on the cover glass 25.
In addition, although the example in which the optical filter 10 is an ultraviolet curable resin has been described, the same effect can be obtained when other photocurable resins or thermosetting resins are used.
(Modification)
In the above-described embodiment, when designing the concave and convex surfaces of the optical filters 10, 30, and 40, concentric concave and convex patterns that are microlens regions are arranged as shown in FIG. 2, FIG. 10, and FIG. The pattern height is simply added, but the present invention is not limited to this. For example, by using the well-known ORA (Optimal Rotation Angle) method, ideal phase information of the light L reaching the imaging surface of the solid-state imaging device 20 is assumed in advance, and the computer calculates the phase information in reverse from this phase information. The pattern shape of the concave and convex surface of the optical filter can also be obtained. What is necessary is just to assume ideal phase information in the imaging surface of the solid-state image sensor 20 according to the function to be implement | achieved as an optical filter for solid-state image sensors.

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。   In the calculation, an appropriate pattern shape is given as an initial value to the concave and convex surface of the optical filter, and the position of the optical filter with respect to the imaging surface of the solid-state imaging device 20 is taken into consideration, and the optical filter (initial value pattern shape) is passed through. The phase information of the light reaching the imaging surface is calculated. Then, the calculation result is compared with ideal phase information, the pattern shape of the concave and convex surface of the optical filter is corrected so that the difference becomes zero, and the same calculation is repeated. As a result, it is possible to obtain an optical filter having a pattern shape in which the phase information of the light L on the imaging surface matches the ideal phase information assumed in advance.

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。   Although the pattern shape of the uneven surface of the obtained optical filter is very complicated, each of the light L in a range wider than the pitch P of the photoelectric conversion unit 22 of the solid-state imaging device 20 is respectively obtained as in the above-described embodiment. Can be collected in the photoelectric conversion unit 22. That is, the pattern shape of the uneven surface can be regarded as an array of microlens regions having an effective aperture φ larger than the pitch P of the photoelectric conversion unit 22. Therefore, even with this optical filter, at least the function of the microlens array and the function of the optical low-pass filter can be realized at the same time, and the optical filter can also be configured at low cost by the diffractive optical element.

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。   Moreover, in the above-mentioned embodiment, although the installation location of the uneven | corrugated surface of an optical filter was made into one of the two surfaces 1A and 1B of the optical material 10 shown in FIG. 1, for example, this invention is not limited to this. For example, an uneven surface may be provided on the boundary surface between a plurality of types of optical materials. In this case, materials having different refractive indexes are selected as two optical materials adjacent to each other across the boundary surface. Furthermore, the uneven surface of the optical filter may be formed by dividing it into a plurality of surfaces. The plurality of surfaces may be any combination of the surface of the optical material and the boundary surface.

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。3 is a schematic diagram illustrating a positional relationship between the optical filter 10 and the solid-state imaging device 20. FIG. 光学フィルタ10の凹凸面の構成を示す概略図である。2 is a schematic diagram illustrating a configuration of an uneven surface of the optical filter 10. FIG. 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。It is a figure explaining the overlapping state of the microlens area | regions 11. FIG. 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。It is a figure explaining matching with the micro lens area | region 11 and the photoelectric conversion part 22. FIG. 同心円状の凹凸パターンの構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of a concentric uneven | corrugated pattern. 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。4 is an explanatory diagram showing a traveling direction of light L incident on the solid-state imaging device 20 from the optical filter 10. FIG. 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。It is a figure explaining the overlapping state of the microlens area | regions 11. FIG. 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。From the area S 1 in which three micro lens area 11 overlap is an explanatory diagram showing the traveling direction of the light L to be incident on the solid-state imaging device 20. 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。It is the result of the simulation which shows the optical low-pass filter effect by the micro lens area | region 11. 光学フィルタ30の凹凸面の構成を示す概略図である。2 is a schematic diagram illustrating a configuration of an uneven surface of an optical filter 30. FIG. 光学フィルタ30の凹凸面の構成を示す概略図である。2 is a schematic diagram illustrating a configuration of an uneven surface of an optical filter 30. FIG. 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。It is explanatory drawing which showed a mode that the light from which a wavelength range differs was distributed to seven photoelectric conversion parts 22 (1)-(7) by the diffraction effect | action of the micro lens area | region 31 and the spectral area (32, 33). 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。FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a wavelength distribution of light L that reaches the solid-state imaging device 20 via the optical filter 30. 光学フィルタ40の凹凸面の構成を示す概略図である。2 is a schematic diagram illustrating a configuration of a concavo-convex surface of an optical filter 40. FIG. 光学フィルタ40の凹凸面の構成を示す概略図である。2 is a schematic diagram illustrating a configuration of a concavo-convex surface of an optical filter 40. FIG. 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。It is explanatory drawing which showed a mode that the light from which a wavelength range differs was distributed to nine photoelectric conversion parts 22 (1)-(9) by the diffractive action of the micro lens area | region 41 and a spectral area (32, 33). 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。It is explanatory drawing which showed a mode that the light from which a wavelength range differs was distributed to nine photoelectric conversion parts 22 (1)-(9) by the diffractive action of the micro lens area | region 41 and a spectral area (32, 33). 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。FIG. 4 is a schematic diagram showing a wavelength distribution of light L that reaches the solid-state imaging device 20 via the optical filter 40. 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。FIG. 4 is an explanatory diagram showing a procedure for integrally forming the optical filter 10 on the imaging surface of the solid-state imaging device 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。FIG. 4 is an explanatory diagram showing a procedure for integrally forming the optical filter 10 on the cover glass 25 of the solid-state imaging device 20.

符号の説明Explanation of symbols

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
10, 30, 40 Optical filters 11, 31, 41 Microlens region 20 Solid-state imaging device 22 Photoelectric conversion unit 23 Pixel 32, 33 Linear uneven pattern (spectral region)
51 UV resin uncured material 52 Inversion type 53 Mold release agent

Claims (10)

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。
An optical filter used in a solid-state imaging device including a plurality of photoelectric conversion units,
It consists of an optical material that transmits light,
The optical material is provided with an uneven surface that exerts a diffractive action on the light,
The concavo-convex surface has a plurality of microlens regions that collect the light on each of the plurality of photoelectric conversion units by the diffraction action, and each microlens region is associated with one photoelectric conversion unit. And
Each of the plurality of microlens areas has an effective aperture larger than the pitch of the photoelectric conversion unit, and the adjacent microlens areas partially overlap each other. filter.
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。
The optical filter for a solid-state imaging device according to claim 1,
Each of the microlens regions corresponds to a concentric concavo-convex pattern, and the outermost diameter defining the effective aperture of the concavo-convex pattern is larger than the pitch of the photoelectric conversion units,
The plurality of concavo-convex patterns constituting the plurality of microlens regions are arranged at the same pitch as the photoelectric conversion unit,
The optical filter for a solid-state imaging device, wherein the uneven surface is configured to give the light phase information equivalent to a combined pattern of the plurality of uneven patterns.
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。
An optical filter used in a solid-state imaging device including a plurality of photoelectric conversion units,
It consists of an optical material that transmits light,
The optical material is provided with an uneven surface that exerts a diffractive action on the light,
The concavo-convex surface has a plurality of microlens regions that collect the light on each of the plurality of photoelectric conversion units by the diffraction action, and each of the microlens regions is arranged in one direction of the solid-state imaging device. Are associated with the N photoelectric conversion units (N is an integer of 2 or more), and further, the light is dispersed in the one direction by the diffraction action, and each of the N photoelectric conversion units has a wavelength band. Have spectral regions that lead to different light
Each of the plurality of microlens regions has an effective aperture of (2N-1) times or more of the pitch of the photoelectric conversion unit, and the adjacent microlens regions partially overlap each other. Optical filter for solid-state image sensor.
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。
In the optical filter for a solid-state imaging device according to claim 3,
Each of the microlens regions is arranged in a direction different from the one direction from the photoelectric conversion unit on one end side of the N photoelectric conversion units in addition to the N photoelectric conversion units arranged in the one direction. Are associated with the (N-1) photoelectric conversion units,
The optical filter for a solid-state imaging device, wherein the spectral region includes a first region that splits the light in the one direction and a second region that splits the light in the different direction.
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。
In the optical filter for a solid-state imaging device according to claim 4,
Each of the microlens regions corresponds to a concentric concavo-convex pattern, and the diameter of the outermost periphery defining the effective aperture of the concavo-convex pattern is not less than (2N-1) times the pitch of the photoelectric conversion unit,
The plurality of concentric concavo-convex patterns constituting the plurality of microlens regions are arranged at a pitch of (2N-1) times the photoelectric conversion unit along the one direction, and are different from the one direction. Arranged at the same pitch as the photoelectric conversion unit along a predetermined direction between the directions,
Each of the first region and the second region of the spectral region corresponds to a linear uneven pattern,
The concavo-convex surface is configured to give to the light phase information equivalent to a composite pattern of the plurality of concentric concavo-convex patterns and two types of the linear concavo-convex patterns. Optical filter for element.
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。
In the optical filter for a solid-state imaging device according to claim 4 or 5,
Each of the micro lens regions includes four photoelectric conversion units arranged in the one direction, and three photoelectric conversion units arranged in the different direction from one photoelectric conversion unit among the four photoelectric conversion units. It is associated with a total of seven photoelectric conversion units composed of photoelectric conversion units,
Each of the microlens region and the spectral region includes white zero-order light in the photoelectric conversion unit on the one end side of the seven photoelectric conversion units, and in each of the other six photoelectric conversion units. An optical filter for a solid-state imaging device, which collects blue, green, and red primary light.
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。
In the optical filter for a solid-state imaging device according to claim 4 or 5,
Each of the microlens regions includes five photoelectric conversion units arranged in the one direction, and four photoelectric conversion units arranged in the different direction from one photoelectric conversion unit among the five photoelectric conversion units. It is associated with a total of nine photoelectric conversion units consisting of photoelectric conversion units,
Each of the microlens region and the spectral region includes white zero-order light in the photoelectric conversion unit on the one end side of the nine photoelectric conversion units, and in each of the other eight photoelectric conversion units. An optical filter for a solid-state imaging device that collects blue, green, red, and infrared primary light.
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。
The optical filter for a solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 7,
A cover glass for the solid-state image sensor;
The optical material is made of a resin and is integrally formed with the cover glass. An optical filter for a solid-state imaging device.
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。
An optical filter for a solid-state imaging device according to claim 8,
The solid-state imaging device,
The image pickup device, wherein the optical material is formed such that the optical material is formed on one surface of the cover glass and the surface is directed toward the solid-state image sensor.
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。
An optical filter for a solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 7,
The solid-state imaging device,
The optical material is made of resin and is integrally formed with the solid-state imaging device.
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