JP2005142450A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 撮像装置において、焦点距離の短い光学系を採用しやすくするとともに、小型化（薄型化）を図る。
【解決手段】 第１および第２の光学系と、複数の受光素子を配列してなる第１および第２の受光素子配列が形成されたイメージセンサーとを備え、前記第１の光学系による第１の物体像を前記第１の受光素子配列上に、前記第２の光学系による第２の物体像を前記第２の受光素子配列上に投影し、前記第１の物体像に関する信号を前記第１の受光素子配列から、前記第２の物体像に関する信号を前記第２の受光素子配列から得る撮像装置において、前記第１の受光素子配列の受光素子の光電変換部上に、前記第１の光学系からの光束を反射して該光電変換部に導く屈折率分布構造が形成されていることを特徴とする撮像装置。
【選択図】 図１

Description

本発明はデジタルスティルカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ、あるいは撮像機能付き携帯電話などに好適な撮像装置に関し、詳しくは、薄型の複眼撮像装置に関する。

従来、カラー画像の形成においては、Ｒ（赤色）Ｇ（緑色）Ｂ（青色）などの色フィルターを備えた受光素子をモザイク状に配列した単一の受光素子配列を用いて単眼光学素子で形成した単一の物体像を捉え、その後の信号処理で受光素子数に相当する輝度情報と色情報を作り出す撮像技術が広く用いられている。

これに対して、本出願人よって先に出願されすでに公開された特許文献１に開示の撮像装置は、複眼光学素子を利用して複数の物体像を形成し、それらに対応する複数の受光素子配列で捉え、各受光素子配列からの出力を総合して単一のカラー画像を形成する。

光学素子を凸レンズあるいは凹面鏡として、同一の画素数の画像を得る際に必要とする焦点距離を単眼光学素子の場合と複眼光学素子の場合について比較すると、複眼光学素子を用いる場合のほうが短くなる。すなわち、複眼光学素子を用いる撮像装置は薄型化に好適といえる。こういった複眼撮像装置は僅か２．５ｍｍ程度の装置厚みで１画像あたり３０万画素を超えるデータを出力することができ、薄型化が求められる様々な用途に適用することが可能である。

さらに、特許文献１は、オーバーラップした光学像から所望の像のみを光電変換する小型化技術を開示している。
特開２００１―０７８２１５号公報

しかしながら、上述した従来の技術は、さらなる薄型化、レジストレーションズレの解消、クロストークの除去、電子ズーム機能に対応した高画素化の点で充分なものではない。

具体的には、焦点距離の短い広角レンズを用いて光学素子の射出瞳を受光素子配列に近づけると、特に画面の周辺では光線が受光素子に対して強く斜入射するため、光電変換されない光線が増えて画像周辺部が暗くなるというシェーディングの問題がある。

超広角レンズを使用する場合や、光学素子を構成するレンズ群の像側に絞りを配置する場合は、受光素子配列から射出瞳までの距離が短くなって斜入射の度合いが増すために、画像周辺の暗化現象が特に顕著である。より薄型化するためには焦点距離を短くするのが有効な手段であるが、この問題の解決が必須となっている。

また、特開２００１−７８２１３号公報や特開２００２−２０４４６２号公報に開示されているように、複眼撮像装置では視差に起因し物体距離の変動で生じるレジストレーションズレをできるだけ小さく抑える必要から、焦点距離が短い広角レンズを使用するのが好ましく、斜入射光の利用効率アップは極めて強い要求となっている。

なお、光学素子をテレセントリックの構成にすれば、斜入射の度合いを緩めることは出来るが、一般にテレセントリック光学系はレンズ構成が複雑化し、薄型化のニーズとは逆行することとなって、解決には結びつかない。

問題点の第２は物体像間のクロストークである。先行技術にあるマイクロレンズの偏芯による瞳選択機能だけでは、物体像間のクロストークを除去しきれず、本来あってはならない隣のレンズによる物体像の情報が光電変換出力に混入してしまうといった問題がある。

本発明は、このような従来の問題点に着眼してなされたもので、その第１の目的は、受光素子配列へ斜めに入射する光の利用効率を高めた薄型の複眼撮像装置を実現することである。

第２の目的は、物体像間のクロストークを充分なレベルまで除去した薄型の複眼撮像装置を実現することである。第３の目的は、物体像間のクロストークの除去効果を利用して、小型でありながら電子ズーム機能を有した複眼撮像装置を実現することである。

上記第１の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、第１および第２の光学系と、複数の受光素子を配列してなる第１および第２の受光素子配列が形成されたイメージセンサーとを備え、前記第１の光学系による第１の物体像を前記第１の受光素子配列上に、前記第２の光学系による第２の物体像を前記第２の受光素子配列上に投影し、前記第１の物体像に関する信号を前記第１の受光素子配列から、前記第２の物体像に関する信号を前記第２の受光素子配列から得る撮像装置において、前記第１の受光素子配列の受光素子の光電変換部上には、前記第１の光学系からの光束を反射して該光電変換部に導く屈折率分布構造を形成したことを要旨とする。

上記第２の目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、前記第１の受光素子配列と前記第２の受光素子配列は隣接して配置されるとともに、前記第１の受光素子配列の受光素子の光電変換部上には、前記第２の光学素子からの光線を透過して前記光電変換部への入射を阻止する屈折率分布構造を形成したことを要旨とする。

上記第３の目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、前記第１の受光素子配列と前記第２の受光素子配列を前記イメージセンサー上でオーバーラップした受光領域としたことを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、受光素子配列へ斜めに入射する光の利用効率を高めた薄型の複眼撮像装置を実現することが出来る。この結果、焦点距離の短い光学系を採用しやすくなって、薄型化ができるとともに、複眼に起因し物体距離の変動によって生じるレジストレーションズレを小さく抑えることが可能である。

請求項２に記載の発明によれば、物体像間のクロストークを充分なレベルまで除去した薄型の複眼撮像装置を実現することができる。

請求項３に記載の発明によれば、小型でありながら電子ズーム機能を有した複眼撮像装置を実現することができる。

図１から図７は本発明による第１の実施の形態を説明するための図である。まず、図４は本実施形態の撮像装置を示す図である。図４（Ａ）は撮像装置の平面図、図４（Ｂ）は側面図、図４（Ｃ）は撮像装置の一要素である半導体回路を形成したイメージセンサーの平面図である。図４に示す撮像装置５１１は複眼光学素子５１２とイメージセンサー５０３が一体化され、センサパッケージやレンズ鏡筒を必要としない構造となっている。図４（Ｂ）の上方向から光学素子５１２に入射した物体光が、イメージセンサー５０３上に複数の物体像を形成し、イメージセンサー５０３内の受光素子にて光電変換を行う。イメージセンサー５０３はＣＣＤやＣＭＯＳセンサである。

複眼光学素子５１２は１枚の基板と結像作用光学系であるところの４つの凸レンズからなる板状透明体である。図中５０１は結像作用光学系である凸レンズ６００ａ、６００ｂ、６００ｃ、６００ｄを成形するための光学素子基板である。（なお、凸レンズ６００ｂ、６００ｄは図４（Ｂ）に示す断面では現われない。）
光学素子５１２は平面ガラス基板である光学素子基板５０１の上面にレプリカ製法で樹脂製の非球面凸レンズを付加した構造となっている。他に凸レンズ部を樹脂としたインジェクション成形、コンプレッション成形等の手法で基板と一体に形成する方法も選択し得る。

光学素子基板５０１の下面には不図示の絞り遮光層と赤外線カットフィルターが形成されている。絞り開口の光軸方向の位置は光学系の軸外主光線を決定するもので、諸収差を制御する上で絞り位置は極めて重要である。物体側に凸のレンズからなる結像作用部にあっては、近似球面の中心付近に絞りを置くと光学諸収差を良好に補正できる。

イメージセンサー５０３上には光学素子５１２によって４つの物体像が形成され、これがイメージセンサー上に設けられた４つの受光素子配列８２０ａ、８２０ｂ、８２０ｃ、８２０ｄで光電変換され、電気信号として捉えられる。図４（Ｃ）に示す受光素子配列８２０ａ、８２０ｂ、８２０ｃ、８２０ｄは多数の受光素子を二次元方向に並べた配列である。この４つの受光素子配列には緑色透過（Ｇ）フィルター、赤色透過（Ｒ）フィルター、青色透過（Ｂ）フィルター、更に緑色透過（Ｇ）フィルターが形成され、３原色に色分解された４つの画像を取り出すことができる。

イメージセンサー５０３と光学素子５１２との距離は透明ガラス製のスペーサ５２２と光学素子５１２を接着している熱紫外線硬化型エポキシ樹脂の厚さによって調整する。スペーサ５２２とイメージセンサー５０３間には開口５１７ａを有するＴＡＢフィルム５１７を挟み込み、金バンプを介してイメージセンサーとＴＡＢフィルム５１７とを電気的に接続する。さらにＴＡＢフィルム５１７は不図示の外部の電気回路と接続される。

受光素子配列を被写体上に逆投影した時の受光素子像の位置関係は、受光素子配列８２０ａ、８２０ｂ、８２０ｃ、８２０ｄの各受光素子の空間的な位相が配列間でずれた形となり、被写体上ではベイヤー配列のカラーフィルターを持った撮像素子と同等のサンプリングを行うこととなる。

単一の撮影レンズを用いる撮像系との比較において、受光素子ピッチを固定して考えると、イメージセンサー上に２行２列の受光素子を一組として原色カラーフィルターを形成したベイヤー配列方式に比較し、この複眼方式は物体像の大きさが１／√４になる。これに伴って撮影レンズの焦点距離はおよそ１／√４＝１／２にまで短くできる。したがって、カメラの薄型化に対して極めて有利である。

次に、図１から図３および図５を用いて受光素子の構造について説明する。図５は図４（Ｃ）に示したイメージセンサーの詳細平面図である。

図５において、８２０ａ、８２０ｂ、８２０ｃ、８２０ｄは受光素子配列であって、説明のために各受光素子配列は５行７列の３５受光素子としてある。実際には５００行７００列程度の配列にして解像度を高め、光精細な画像を得る。なお、受光素子配列８２０ａ、８２０ｂ、８２０ｃ、８２０ｄを囲んでいる破線は配列の位置についての理解を助けるためのもので、実際にイメージセンサー上に描かれているわけではない。１０１は受光素子の表面にあるマイクロレンズ、１０２はマイクロレンズ１０１の奥に位置する高屈折率層である。マイクロレンズ１０１はこの方向の平面図で見るとほぼ正方形であるが、その立体構造は軸対称型の凸型非球面を正方形に切り出した形状となっている。

また、マイクロレンズの光軸はこの正方形の中心にあり、これに対して高屈折率層１０２は各受光素子配列の中心から離れるほど大きく偏芯している。これは、光学素子からの光束を効率よく光電変換部に導くためである。後述するように、この受光素子は光学素子からの光束を反射して光電変換部に導く屈折率分布構造を持っているので、マイクロレンズの偏芯に関する製造誤差の許容量を大きくすることができている。

さらに、５１４は受光素子配列８２０ａ、８２０ｂ、８２０ｃ、８２０ｄからの出力信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路、５１５は受光素子配列８２０ａ、８２０ｂ、８２０ｃ、８２０ｄの光電変換動作のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータ、５１６は画像処理回路である。受光素子をＣＭＯＳセンサとすれば、半導体チップ５０３にこれらの回路を搭載するのは容易である。

図１、図２および図３はそれぞれ図４（Ｃ）に示す受光素子列１１３、１１１、１１２の拡大断面図である。受光素子列１１１は中央部の、受光素子列１１３は周辺部の、受光素子列１１２は受光素子列１１１と受光素子列１１３の中間位置での連続する４つの受光素子を受光素子配列８２０ｂから抽出した。

図１、図２および図３において、１０３はシリコン基板、１０４はシリコン基板上に形成された光電変換部、１０７は各受光素子の電荷蓄積動作や信号読み出し動作を制御するためのアルミニウム配線、１０１は前述したマイクロレンズ、１０８はマイクロレンズ１０１の光軸、１０５は所定の色成分を透過させるカラーフィルター、１０６は低屈折率層、１０２は低屈折率層１０６とともに屈折率分布構造を形成する高屈折率層である。光電変換部１０４が広ければ、受光素子に斜入射する光も捉えやすいが、ＣＭＯＳやＣＣＤを駆動するための回路部分があるために充分に大きくすることは難しい。

各構成要素の材質と屈折率は、次のとおりである。

・マイクロレンズ１０１ ・・・樹脂：１．５８
・カラーフィルター１０５ ・・・樹脂：１．５
・低屈折率層１０６ ・・・ＳｉＯ₂：１．４６
・高屈折率層１０２ ・・・Ｓｉ₃Ｎ₄：２．０
マイクロレンズ１０１は光電変換部１０４への集光効率を高めるためのもので、この構造の受光素子に於いては高屈折率層１０２の中央部付近に焦点を有している。したがって、光学素子５１２の凸レンズ６００ｂを射出した光束はマイクロレンズ１０１の作用で高屈折率層１０２の内部に凸レンズ６００ｂの瞳像を形成する。

また、高屈折率層１０２は低屈折率層１０６によって周囲を覆われており、高屈折率層１０２から低屈折率層１０６との界面に臨界角を超えて入射した光は全反射する。

高屈折率層１０２を低屈折率層１０６取り囲んだ屈折率構造は、一旦アルミニウム配線１０７を十分覆う高さまでフラットに形成したＳｉＯ₂を四角柱状に部分的にエッチングで除去した後、そこにＳｉ₃Ｎ₄を埋め込み、さらに平滑化してその上にＳｉＯ₂層を乗せるといった方法で作製する。

更に、図１および図３に示すように、マイクロレンズ１０１とカラーフィルター１０５は光電変換部１０４に対して偏芯した配置がとられ、その偏芯量は各受光素子配列８２０ａ、８２０ｂ、８２０ｃ、８２０ｄの中央でゼロで、周辺に行くほど大きくなるように設定されている。偏芯方向は各受光素子配列８２０ａ、８２０ｂ、８２０ｃ、８２０ｄの中央の点と各光電変換部とを結ぶ線分の方向である。

図６と図７は受光素子へ入射する光の挙動を説明するための図で、図６は図２に示した受光素子の一つを抜き出した図、図７は図１に示した受光素子の一つを抜き出した図である。

図６において１１９と１２０は凸レンズ６００ｂの瞳の周辺を発して受光素子１１７に入射する光線である。受光素子１１７は受光素子配列８２０ｂの中央部に位置し、凸レンズ６００ｂが形成するイメージサークルの中心であるため、光線１１９と光線１２０は光軸１０８に対して等しい角度だけ逆方向に倒れている。また、光線１１９と光線１２０は高屈折率層１０２内の領域１２３と領域１２４で瞳端部の像を形成し、そのあと拡がりながら光電変換部１０４に入射して、電気信号に変換される。

一方、図７において１２１と１２２は凸レンズ６００ｂの瞳の周辺を発して受光素子１１８に入射する光線である。受光素子１１８は受光素子配列８２０ｂの周辺部に位置し、凸レンズ６００ｂが形成するイメージサークルの周辺であるため、光線１２１と光線１２２は光軸１０８に対して異なる角度だけ傾いている。また、光線１２１と光線１２２は高屈折率層１０２内の領域１２５と領域１２６で瞳端部の像を形成する。そのあと拡がりながら、一部は高屈折率層１０２と低屈折率層１０６の界面の領域１２７で全反射し、低屈折率層１０６に抜けることなく極めて効率よく光電変換部１０４に入射して、電気信号に変換される。このような屈折率分布構造によれば、光電変換部の面積が拡大されたのと等価となるので、受光素子配列へ斜めに入射する光の利用効率が極めて高い。

受光素子配列へ斜めに入射する光を有効に利用できる性質を活用すると、焦点距離の短い光学系の採用によるより薄型の複眼撮像装置を実現することが出来る。また、複眼に起因し物体距離の変動によって生じるレジストレーションズレを小さく抑えることも可能である。

なお、低屈折率層と高屈折率層の境界は、必ずしも屈折率がステップ的に切り換わっている必要は無く、勾配を持って切り換わっていても良い。

図８から図１５を用いて第２の実施の形態の受光素子構造について説明する。
図１１は図４（Ｃ）に示したイメージセンサーの他の形態を示す詳細平面図である。

図１１において、８２０ａ、８２０ｂ、８２０ｃ、８２０ｄは受光素子配列であって、説明のために各受光素子配列は５行７列の３５受光素子としてあるが、実際には５００行７００列程度の配列にして解像度を高める。なお、受光素子配列８２０ａ、８２０ｂ、８２０ｃ、８２０ｄを囲んでいる破線は配列の位置についての理解を助けるためのもので、実際にイメージセンサー上に描かれているわけではない。

２０１は受光素子の表面にあるマイクロレンズ、２０２はマイクロレンズ２０１の奥に位置する高屈折率層である。マイクロレンズ２０１はこの方向の平面図で見るとほぼ正方形であるが、その立体構造は軸対称型の凸型非球面を正方形に切り出した形状となっている。

また、マイクロレンズの光軸はこの正方形の中心にあり、これに対して高屈折率層２０２は各受光素子配列の中心から離れるほど大きく偏芯している。これは、光学素子からの光束を効率よく光電変換部に導くためである。後述するように、この受光素子は光学素子からの光束を反射して光電変換部に導く屈折率分布構造を持っているので、マイクロレンズの偏芯に関する製造誤差の許容量が大きいく、製造が容易である。

図８、図９および図１０はそれぞれ図４（Ｃ）に示す受光素子列１１３、１１１、１１２の他の形態を示す拡大断面図である。受光素子列１１１は中央部の、受光素子列１１３は周辺部の、受光素子列１１２は受光素子列１１１と受光素子列１１３の中間の位置の連続する４つの受光素子を受光素子配列８２０ｂから抽出した。

図８、図９および図１０において、２０３はシリコン基板、２０４はシリコン基板上に形成された光電変換部、２０７は各受光素子の電荷蓄積動作や信号読み出し動作を制御するためのアルミニウム配線、２０１は前述したマイクロレンズ、２０８はマイクロレンズ２０１の光軸、２０５は所定の色成分を透過させるカラーフィルター、２０６は低屈折率層、２０２は低屈折率層２０６とともに屈折率分布構造を形成する高屈折率層である。

各構成要素の材質と屈折率は、第１の実施の形態と同じである。マイクロレンズ２０１は光電変換部２０４への集光効率を高めるためのもので、この構造の受光素子に於いては高屈折率層２０２の中央部付近に焦点を有している。したがって、光学素子５１２の凸レンズ６００ｂを射出した光束はマイクロレンズ２０１の作用で高屈折率層２０２の内部に凸レンズ６００ｂの瞳像を形成する。

また、高屈折率層２０２は低屈折率層２０６によって周囲を覆われており、高屈折率層２０２から低屈折率層２０６との界面に臨界角を超えて入射した光は全反射する。ここで、第１の実施の形態と大きく異なるのは、高屈折率層２０２と低屈折率層２０６の界面に斜面２５１、２５２、２５３、２５４、２５５を有することである。斜面２５１、２５２、２５３、２５４、２５５の傾斜角度は全て同一であるが、その大きさは受光素子の位置によって連続的に変化する。後述するように、傾斜角度は物体像のクロストークを防ぐに適切な角度である。

高屈折率層２０２を低屈折率層２０６取り囲んだ屈折率構造は、一旦アルミニウム配線２０７を十分覆う高さまでフラットに形成したＳｉＯ₂を四角柱状に部分的にエッチングで除去し、さらに斜面２５１、２５２、２５３、２５４、２５５をエッチングで形成した後、そこにＳｉ₃Ｎ₄を埋め込み、平滑化してその上にＳｉＯ₂層を乗せるといった方法で作製する。この際、斜面２５１、２５２、２５３、２５４、２５５の角度は同一にしてあるので、エッチング用レジストと被エッチング物質であるＳｉＯ₂とのエッチング選択比を適切に設定することによって一度に製作することができる。

図１４は斜面２５１、２５２、２５３、２５４、２５５の様子を説明するための模式図である。図１４は受光素子配列８２０ｂの拡大図であって、受光素子２１７、２１８、２１９を用いて、それぞれ中央部、光軸２６０から離れた周辺部、光軸２６０からやや離れた中間部の受光素子を代表させている。

図において２６０は凸レンズ６００ｂの光軸である。また、黒く塗りつぶした正方形は高屈折率層のストレート部である。高屈折率層のストレート部は各受光素子の光電変換部に対して一定の位置関係で配置されている。このストレート部の上方には斜面２５１、２５２、２５３、２５４、２５５などで構成されるテーパー部が接続されており、ここにマイクロレンズを通過した光束を取り込む。

図１５はテーパー部の形状の理解を助けるための図であって、図１４にて２２０で示した受光素子の高屈折率層２０２を矢印Ａ方向から俯瞰した斜視図である。テーパー部は基本的に４つの面よりなるが、受光素子２２０は配列の端部に位置するために、１つのテーパー面はなくなっている。原点が図１４の光軸２６０を通る配列方向の直交座標系としてＸ軸とＹ軸を設定したときに、各受光素子の斜面のうちＸ軸あるいはＹ軸に近い位置の斜面の大きさは一定である。一方、各受光素子のＸ軸あるいはＹ軸から遠い位置の斜面の大きさは、Ｘ軸あるいはＹ軸からの距離が大きくなるほど小さくなるように構成し、光線の反射に寄与する面が画面周辺の受光素子ほど大きくなるようにしている。

なお、テーパー部を構成する４つの面が交差する稜線をここではエッジとしてあるが、角部を滑らかに丸めてあっても良い。更に、図８および図１０に示すように、マイクロレンズ２０１とカラーフィルター２０５は光電変換部２０４に対して偏芯した配置がとられ、その偏芯量は各受光素子配列８２０ａ、８２０ｂ、８２０ｃ、８２０ｄの中央でゼロで、周辺に行くほど大きくなるように設定されている。偏芯方向は各受光素子配列８２０ａ、８２０ｂ、８２０ｃ、８２０ｄの中央の点と各光電変換部とを結ぶ線分の方向である。

図１２と図１３は受光素子へ入射する光の挙動を説明するための図で、図１２は図９に示した受光素子の一つを抜き出した図、図１３は図８に示した受光素子の一つを抜き出した図である。

図１２において２１９と２２０は凸レンズ６００ｂの瞳の周辺を発して受光素子２１７に入射する光線である。受光素子２１７は受光素子配列８２０ｂの中央部に位置し、凸レンズ６００ｂが形成するイメージサークルの中心であるため、光線２１９と光線２２０は光軸２０８に対して等しい角度だけ逆方向に倒れている。また、光線２１９と光線２２０は高屈折率層２０２内の領域２２３と領域２２４で瞳端部の像を形成し、そのあと拡がりながら光電変換部２０４に入射して、電気信号に変換される。

一方、図１３において２２１と２２２は凸レンズ６００ｂの瞳の周辺を発して受光素子２１８に入射する光線である。受光素子２１８は受光素子配列８２０ｂの周辺部に位置し、凸レンズ６００ｂが形成するイメージサークルの周辺であるため、光線２２１と光線２２２は光軸２０８に対して異なる角度だけ傾いている。また、光線２２１と光線２２２は高屈折率層２０２内の領域２２５と領域２２６で瞳端部の像を形成する。そのあとは拡がりながら、一部は高屈折率層２０２と低屈折率層２０６の界面の領域２２７で全反射し、低屈折率層２０６に進入することなく極めて効率よく光電変換部２０４に入射して、電気信号に変換される。

画面の周辺部の受光素子ほど全反射に寄与する領域２２７が広く必要となるので、確実に全反射させて光の利用効率を高めるために、凸レンズ６００ｂの光軸２６０から離れるほど斜面の面積は少なく、逆にストレート部が多くなっている。

次に、同図を用いて高屈折率層２０２と低屈折率層２０６の界面に形成した斜面の機能について説明する。光線２６１は凸レンズ６００ｂに隣接する凸レンズ６００ａから射出した光線である。本来、凸レンズ６００ａから射出した光線は受光素子配列８２０ａで光電変換されるべきであって、これが受光素子配列８２０ｂ内の受光素子で光電変換されると、隣のレンズからの物体像情報の混入となって、好ましくない。

マイクロレンズ２０１から入射した光線２６１はカラーフィルター２０５を透過し、低屈折率層２０６を経由して高屈折率層２０２に至り、高屈折率層２０２と低屈折率層２０６の界面に形成した斜面２５５に入射する。斜面２５５は光線２６１を全反射しない角度に設定してあるために、光線２６１は低屈折率層２０６側に侵入し、アルミニウム配線２０７などで反射して光電変換部２０４に入射することは無い。したがって、凸レンズ６００ｂからの光の利用効率を損なうことなく、物体像間のクロストークを充分なレベルで防ぐことが可能であり、高品位な画像を得ることができる。

第２の実施の形態に示したクロストークの除去特性を利用すると、撮像装置に電子ズーム機能を付加することができる。図１６と図１７は、図４（Ｃ）に示したイメージセンサーの受光素子ピッチを縮小して高画素化し、電子ズーム機能に対応させたものである。ここで電子ズーム機能は、出力画素数を固定した状態で画角を可変にしている。出力画素数を固定するのは、この撮像装置で捉えた画像を携帯電話などを介して伝送する際に、画角に係わらずほぼ一定のデータ量になる方が便利なためである。

図１６に戻って、イメージセンサー３０３には１３に分割された受光領域があり、各受光素子には緑色透過（Ｇ）フィルター、赤色透過（Ｒ）フィルター、青色透過（Ｂ）フィルターの何れかが設けられている。受光素子配列はこれらの受光領域の組み合わせで構成される。イメージセンサー３０３に光学像を投影する光学素子は図４（Ａ）、（Ｂ）に示した複眼光学素子５１２を用いることができる。

各領域に付した記号の意味合いは次のとおりである。

Ｇ ・・・・・・・ 緑色透過（Ｇ）フィルターを備えた受光領域
Ｒ ・・・・・・・ 赤色透過（Ｒ）フィルターを備えた受光領域
Ｂ ・・・・・・・ 青色透過（Ｂ）フィルターを備えた受光領域
１、２ ・・・・・・・ １は凸レンズ６００ａが形成する物体像を光電変換し、
２は凸レンズ６００ｄが形成する物体像を光電変換することを
表す属性
Ｈ ・・・・・・・ 受光素子が密に配列されていることを表す属性
Ｌ ・・・・・・・ Ｈの領域の１／４の密度で受光素子が配列されていることを
表す属性
ハイフン ・・・ −で連結した受光領域がオーバーラップしていることを表す。

このような記号の意味合いにしたがって、例えば、「Ｇ１Ｌ−ＢＬ」は、配列密度が１／４のＧフィルターを備えたＧ１受光領域と、配列密度が１／４のＢフィルターを備えたＢ受光領域とがオーバーラップし、全体として１／２密度で画素が配列されている領域であることを表す。

画角を狭く設定した状態、すなわち、望遠状態では、イメージセンサー３０３上のＧ１Ｈ領域、ＲＨ領域、ＢＨ領域、Ｇ２Ｈ領域が使用される。いずれも異種のカラーフィルターがオーバーラップした領域ではなく、しかも、受光素子は密に配列されているので、この状態では第１および第２の実施の形態と同様の動作となる。

一方、画角を広く設定した広角状態では、イメージセンサー３０３上の全領域が使用される。第１の実施の形態に示した受光素子配列８２０ａに相当する受光素子配列３２０ａは、
・Ｇ１Ｈ領域のうちの１／４密度
・Ｇ１Ｌ領域
・Ｇ１Ｌ−ＲＬ領域のうちのＧ１受光素子のみ
・Ｇ１Ｌ−ＢＬ領域のうちのＧ１受光素子のみ
・Ｇ１Ｌ−Ｇ２Ｌ−ＲＬ−ＢＬ領域のうちのＧ１受光素子のみ
で構成される。

受光素子配列８２０ｂに相当する受光素子配列３２０ｂは、
・ＢＨ領域のうちの１／４密度
・ＢＬ領域
・Ｇ２Ｌ−ＢＬ領域のうちのＢ受光素子のみ
・Ｇ１Ｌ−ＢＬ領域のうちのＢ受光素子のみ
・Ｇ１Ｌ−Ｇ２Ｌ−ＲＬ−ＢＬ領域のうちのＢ受光素子のみ
で構成される。

受光素子配列８２０ｃに相当する受光素子配列３２０ｃは、
・ＲＨ領域のうちの１／４密度
・ＲＬ領域
・Ｇ１Ｌ−ＲＬ領域のうちのＲ受光素子のみ
・Ｇ２Ｌ−ＲＬ領域のうちのＲ受光素子のみ
・Ｇ１Ｌ−Ｇ２Ｌ−ＲＬ−ＢＬ領域のうちのＲ受光素子のみ
で構成される。

受光素子配列８２０ｄに相当する受光素子配列３２０ｄは、
・Ｇ２Ｈ領域のうちの１／４密度
・Ｇ２Ｌ領域
・Ｇ２Ｌ−ＢＬ領域のうちのＧ２受光素子のみ
・Ｇ２Ｌ−ＲＬ領域のうちのＧ２受光素子のみ
・Ｇ１Ｌ−Ｇ２Ｌ−ＲＬ−ＢＬ領域のうちのＧ２受光素子のみ
で構成される。

以上の受光領域の組み合わせを整理して示したのが、図１７である。なお、簡単のために、３２０ａのみにハッチングを付した。このように、４つの受光素子配列は互いにオーバーラップしているが、第２の実施の形態で説明した技術を用いて各受光素子が隣のレンズからの光線を受光しないようにしてあるので、ＲＧＢの各色を分離した画像を出力することができる。この結果、オーバーラップ分だけ面積を縮小したイメージセンサーで複眼撮像装置を実現することができ、小型化が図れる。しかも、イメージセンサーの１ウエハからの収量が増すので低コストである。

さらには、オーバーラップが寄与して複眼光学素子のレンズ間隔を広げずに済むため、距離に依存するレジストレーションズレの発生を抑えることができる。

受光素子列の拡大断面図である。 受光素子列の拡大断面図である。 受光素子列の拡大断面図である。 図４（Ａ）は撮像装置の平面図、図４（Ｂ）は側面図、図４（Ｃ）は撮像装置の一要素である半導体回路を形成したイメージセンサーの平面図である。 イメージセンサーの詳細平面図である。 図２に示した受光素子の一つを抜き出した図である。 図１に示した受光素子の一つを抜き出した図である。 受光素子列の他の形態を示す拡大断面図である。 受光素子列の他の形態を示す拡大断面図である。 受光素子列の他の形態を示す拡大断面図である。 イメージセンサーの他の形態を示す詳細平面図である。 図９に示した受光素子の一つを抜き出した図である。 図８に示した受光素子の一つを抜き出した図である。 斜面２５１、２５２、２５３、２５４、２５５の状態を説明するための模式図である。 テーパー部の斜視図。 電子ズーム機能を付加したときのイメージセンサーの平面図である。 電子ズーム機能を付加したときのイメージセンサーの平面図である。

符号の説明

１０２・・・高屈折率層
１０６・・・低屈折率層
５１２・・・光学素子

Claims (3)

1. 第１および第２の光学系と、複数の受光素子を配列してなる第１および第２の受光素子配列が形成されたイメージセンサーとを備え、前記第１の光学系による第１の物体像を前記第１の受光素子配列上に、前記第２の光学系による第２の物体像を前記第２の受光素子配列上に投影し、前記第１の物体像に関する信号を前記第１の受光素子配列から、前記第２の物体像に関する信号を前記第２の受光素子配列から得る撮像装置において、
   前記第１の受光素子配列の受光素子の光電変換部上に、前記第１の光学系からの光束を反射して該光電変換部に導く屈折率分布構造が形成されていることを特徴とする撮像装置。
2. 前記第１の受光素子配列と前記第２の受光素子配列は隣接して配置されるとともに、前記第１の受光素子配列の受光素子の光電変換部上には、前記第２の光学素子からの光線を透過して前記光電変換部への入射を阻止する屈折率分布構造が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記第１の受光素子配列と前記第２の受光素子配列は前記イメージセンサー上でオーバーラップした受光領域であることを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
   
   

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