JP2014154755A - 撮影レンズの瞳分割手段を備えた撮像素子を有する撮像装置および撮像素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】撮影レンズの瞳の周辺付近からくる光束も効率よく受光し、品位の高い画像を取得可能な撮像装置を提供する。
【解決手段】光学系からの光を受光する光電変換手段を含む画素の２次元配列と、画素の２次元配列の前面に配設され、各オンチップマイクロレンズが、その光軸上に位置する画素を中心とする所定数の画素の配列に対応するように配列されたオンチップマイクロレンズの２次元配列を含む撮像素子は、各画素の光電変換手段の光入射面に設けられ、光学系からの光を光電変換手段に導光する光制御手段を備え、光学系の射出瞳の中心と前記オンチップマイクロレンズの曲率中心とを結ぶ直線上に位置する光学的中心となる画素を中心とする前記所定数の画素の配列に含まれる各光制御手段のオンチップマイクロレンズの光軸方向の高さは、所定数の画素の配列内の位置に応じた第１の所定の分布を持つ。
【選択図】図３

Description

本発明は、撮像装置に関し、特に撮影レンズの瞳分割手段を備えた撮像素子を有する撮像装置に関する。

近年、撮影レンズの瞳上の所定の位置を透過し撮像素子に到達する光束の角度と強度の情報から、任意の被写体に対してピントがあった画像を生成可能な撮像系が非特許文献１に提案されている。

図１５は同撮像系の基本構成説明図である。被写体からの光束は撮影レンズ１５２０でマイクロレンズアレイ１５５０に収斂する。マイクロレンズアレイ１５０の後方（光の進行方向）にはマイクレンズアレイ１５５０のピッチよりもさらに細かな画素ピッチを有する撮像素子１５００が配設されている。

上記撮像系においては、撮像素子１５００に２次元的に配設された光電変換部に到達する光束の角度と強度の情報（以下、ライトフィールド情報と記す）から、任意の被写体に対してピントがあった画像の生成を可能としている。

Ｒｅｎ．Ｎｇ，ｈｏｋａ７ｍｅｉ，「Ｌｉｇｈｔ Ｆｉｅｌｄ Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ ｗｉｔｈ ａ Ｈａｎｄ−Ｈｅｌｄ Ｐｌｅｎｏｐｔｉｃ Ｃａｍｅｒａ」，Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｔｅｃｈ Ｒｅｐｏｒｔ ＣＴＳＲ ２００５−０２

しかしながら、マイクロレンズ１５５０を撮影レンズ１５２０の瞳と撮像素子１５００の光電変換部とが共役関係になるように構成した場合、撮影レンズ１５２０の瞳の中心付近からくる光線はマイクロレンズ１５５０によって光電変換部近傍に集光する。しかし、撮影レンズ１５２０の瞳の周辺付近からくる光線はマイクロレンズ１５５０によって光電変換部の手前で結像するため、撮影レンズ１５２０の瞳の周辺付近からくる光線を受光する光電変換部の受光効率が低下するという欠点があった。

また、撮影レンズ１５２０の瞳の周辺付近からくる光線は、光電変換部への入射角度が大きいため一部の光は隣接する光電変換部に入射し、いわゆるクロストークを発生させてしまうという欠点があった。

そこで本発明の目的は、ライトフィールド情報の取得可能な撮像素子を備えた撮像装置において、撮影レンズの瞳の周辺付近からくる光束も効率よく受光し、品位の高い画像を取得可能な撮像装置を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明によれば、光学系からの光を受光する光電変換手段を含む画素の２次元配列と、画素の２次元配列の前面に配設され、各オンチップマイクロレンズが、その光軸上に位置する画素を中心とする所定数の画素の配列に対応するように配列されたオンチップマイクロレンズの２次元配列を含む撮像素子は、各画素の光電変換手段の光入射面に設けられ、光学系からの光を光電変換手段に導光する光制御手段を備え、光学系の射出瞳の中心と前記オンチップマイクロレンズの曲率中心とを結ぶ直線上に位置する光学的中心となる画素を中心とする前記所定数の画素の配列に含まれる各光制御手段のオンチップマイクロレンズの光軸方向の高さは、所定数の画素の配列内の位置に応じた第１の所定の分布を持つ。

本発明によれば、撮影レンズと該撮影レンズの焦点面近傍に配設される、ライトフィールド情報を取得可能な撮像素子とを含む撮像装置において、撮影レンズの瞳の周辺付近からくる光束も効率よく受光し、品位の高い画像を取得可能な撮像装置を提供できる。

本発明の実施の形態に係る撮像素子と撮影レンズから成る撮像系の構成を示す図。 本発明の実施の形態に係る撮像素子を有する撮像装置のブロック図。 本発明の第１の実施例に係る撮像素子の構成を示す図。 本発明の第１の実施例に係る撮像素子の構成を示す図。 本発明の第１の実施例に係る撮像素子の製造方法を示す図。 本発明の第２の実施例に係る撮像素子の構成を示す図。 本発明の第２の実施例に係る撮像素子の構成を示す図。 本発明の第２の実施例に係る撮像素子の製造方法を示す図。 本発明の第３の実施例に係る撮像素子の構成を示す図。 本発明の第３の実施例に係る撮像素子の構成を示す図。 本発明の第３の実施例に係る撮像素子の製造方法を示す図。 本発明の第３の実施例の変形例に係る撮像素子の構成を示す図。 本発明の第３の実施例の変形例に係る撮像素子の構成を示す図。 本発明の第３の実施例の変化例に係る撮像素子の製造方法示す図。 ライトフィールド情報を取得可能な撮像系を説明するための図。

以下、本発明の好適な実施の形態を、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１（ａ）は本発明の実施の形態に係る撮像素子と撮影レンズとから成る撮像系の構成図、図１（ｂ）は本発明の実施に形態に係る撮像素子の平面図である。また、図２は本発明の実施の形態に係る撮像素子を有する撮像装置のブロック図である。なお、撮影レンズ１８００は、被写体の光学像を形成するためのフォーカスレンズ、ズームレンズなどを含む複数のレンズから構成される光学系であるが、図１（ａ）では簡便のため一つのレンズとして示している。また、図２において、図１と同じ部分は同じ符号を付して示す。

図１（ａ）の撮像系において、本発明の実施の形態に係る撮像素子１００は、撮影レンズ１８０の予定結像面に配置され、撮影レンズからの光を受光して画素信号を出力する。

図１（ａ）に示すように、撮像素子１００は、基板１０１に対して光電変換部(画素)１２０の２次元配列が形成され、さらに平坦化層１０２、保護層１０３、カラーフィルタ層１４０、平坦化層１０４が形成されている。

また撮像素子１００の画素の２次元配列の前面には、図１（ｂ）に示すように、オンチップマイクロレンズ１５０の２次元配列が配設され、一つのオンチップマイクロレンズに対して複数(後述するように所定数)の画素の配列が対応している。さらに、オンチップマイクロレンズ１５０と光電変換部１２０との間に、上記光学系からの光を光電変換部１２０に導光する、本発明の特徴である光制御部１３０が形成されている。

そして、オンチップマイクロレンズ１５０に対して撮影レンズ１８０の瞳と光制御部１３０の光入射面とが共役関係になるように、光路長調整層１０５が設けられている。

また、撮影レンズ１８０の射出瞳の中心１８２とオンチップマイクロレンズ１５０の曲率中心１６０とを結ぶ直線ｐが光制御部１３０と点１７０で交わる画素を中心にして、光制御部１３０の光入射面の光軸方向（図中ｚ方向）の位置が異なっている。即ち、光制御部１３０の光入射面の光軸方向の位置は、点１７０に対応する画素からの距離に応じて第１の所定の分布を持つ。

図１（ｂ）に示す撮像素子１００の平面図において、１５１ａは画面中央部に位置するオンチップマイクロレンズを示し、１５１ｂは画面周辺部に位置するオンチップマイクロレンズを示している。画素１５１ａおよび１５１ｂは、いずれも単なる画素の配置位置の例示であり、画素１５０の構造自体が異なるわけではない。

また図２は本発明に係る撮像素子を有する撮像装置２００のブロック図である。

図２において、本発明の撮像装置２００は基本構成の撮影レンズ１８０及び撮像素子１００とそれらを制御するためのシステム制御回路１２０を有している。システム制御回路２０２は操作スイッチ２５０の操作に基づいて、レンズ制御回路２２１を介して撮影レンズ１８０を駆動する。同様に、システム制御回路２は操作スイッチ２５０の操作に基づいて撮像素子駆動回路２１０を制御して、撮像素子１００での撮影動作を行う。撮像素子１００で撮像された画像信号は、所定のフォーマットでメモリ回路２３０に記憶される。また、撮像装置２００は、画像データを撮像装置１の外部に出力するためのインターフェイス回路２４０も具備している。

図３乃至図５は、本発明の第１の実施例に係る撮像素子１００の構成およびその製造方法を示す図である。なお、図１および図２と同じ部分は同じ符号を付して示し、特に必要がない限り、その説明を省略する。

本実施例において、撮像素子１００は裏面照射型ＣＭＯＳ撮像素子であり、オンチップマイクロレンズと光電変換部との間に、光制御部として層内レンズが形成されていることを特徴とする。

図３（ａ）は本実施例に係る撮像素子の画面中央部のオンチップマイクロレンズ１５０ａ付近の断面図、図３（ｂ）は、本実施例に係る撮像素子１００の画面中央部のオンチップマイクロレンズ１５０ａ付近の正面図である。また、図４（ａ）は撮像素子の画面周辺部のオンチップマイクロレンズ１５０ｂ付近の断面図、図４（ｂ）は撮像素子の画面周辺部のオンチップマイクロレンズ１５０ｂ付近の正面図、図５は本実施例に係る撮像素子の製造方法を示す図である。なお、図３および４では、オンチップマイクロレンズ１５０ａおよび１５０ｂを例にして、オンチップマイクロレンズ１５０に対して光学的中心に位置する画素を説明しているが、他のオンチップマイクロレンズについても同様である。

図３（ａ）に示すように、本実施例の撮像素子１００は基板１０１に対して配線層３１０及び光電変換部(画素)１２０が形成されている。配線層３１０は、平坦化層３１４およびその中に設けられた電極３１１、３１２、３１３から構成されている。光電変換部１２０はシリコン基板に形成されている。

また、光電変換部１２０の光入射側（図中−ｚ方向）には光制御部である層内レンズ３３０が形成されている。

層内レンズ３３０の光入射側には、平坦化層１０２、保護層１０３、カラーフィルタ層１４０、平坦化層１０４が形成されている。

また、撮影レンズ１８０から入射する光を集光するオンチップマイクロレンズ１５０は、撮影レンズ１８０の瞳と光制御部である層内レンズ３３０の光入射面とが共役関係になるように構成されている。そのため、オンチップマイクロレンズ１５０と層内レンズ３３０との間には所定の膜厚の光路長調整層１０５が形成されている。図中ａ１は、オンチップマイクロレンズ１５０ａの光軸である。

図３（ｂ）に示すように、本実施例の撮像素子１００は一つのオンチップマイクロレンズ１５０に対して５×５の光電変換部１２０を有する画素構成になっている。その結果、撮影レンズ１８０の瞳上の所定の位置を透過した光束の強度をオンチップマイクロレンズ１５０と光電変換部１２０の相対位置で決まる角度情報とともに得ることを可能としている。なお、オンチップマイクロレンズ１５０に対応する光電変換部１２０のサイズおよび配置形状は本実施例に限るものではなく、適宜選択できる設計的事項である。

このときオンチップマイクロレンズ１５０に対応した５×５の画素構成のうち、オンチップマイクロレンズ１５０ａに対して光学的に中心に位置する画素は、次のような画素となる。即ち、図３（ａ）に示すように、撮影レンズ１８０の射出瞳の中心１８２とオンチップマイクロレンズ１５０ａの曲率中心３６１とを結ぶ直線ｐ１上に光制御部である層内レンズ３３０を有する画素となる。具体的には、オンチップマイクロレンズ１５０ａに対して光学的中心に位置する画素は、撮影レンズ１８０の射出瞳の中心１８２とオンチップマイクロレンズ１５０ａの曲率中心３６１とを結ぶ直線ｐ１が層内レンズ３３０ａと点３７１で交わる画素となる。本実施例の撮像素子では、上記光学的な中心位置にある画素を中心とする５×５の画素をオンチップマイクロレンズに対応する画素信号を読み出す画素に対して、後述する本実施例の特徴とする光制御部の構成を適用する。従って、オンチップマイクロレンズ１５０の光軸と光学的中心に位置する画素の中心が一致している場合は、図３（ｂ）に示すように、本実施例の特徴が適用される５×５の画素はオンチップマイクロレンズ１５０に対応する５×５の画素配列となる。しかし、オンチップマイクロレンズ１５０の光軸と光学的中心となる画素の中心が一致していない場合は、図４（ｂ）に示すように、本実施例の特徴が適用される５×５の画素配列は、オンチップマイクロレンズ１５０に対応する５×５の画素配列とは一致しない。オンチップマイクロレンズ１５０に対応する画素信号は、光学的中心に位置する画素を中心とする５×５の画素配列から、駆動回路２１０により読み出される光電変換信号である。

また、オンチップマイクロレンズ１５０ａに対して光学的に中心に位置する画素を中心とする５×５の画素配列に対応して各カラーフィルタ３４１が形成されている。カラーフィルタ３４１は、オンチップマイクロレンズ１５０に対した光学的に中心に位置する画素を中心とする５×５の画素を波長分離するように構成されている。

図３（ａ）に示すように、本実施例の撮像素子１００のカラーフィルタ層１４０は層内レンズ３３０の位置に対して精度良く形成するため、層内レンズ３３０から所定の厚さＬ２で形成される。このとき、オンチップマイクロレンズ１５０とカラーフィルタ層１４０との間の層の厚さをＬ１とすると、厚さＬ２は厚さＬ１に対して十分薄く（Ｌ１＞＞Ｌ２）なっている。

本実施例の撮像素子１００において、オンチップマイクロレンズ１５０のパワーと光路長調整層１０５の厚さは次のように設計されている。撮影レンズ１８０の瞳から入射する光が、オンチップマイクロレンズ１５０に対して光学的に中心に位置する画素の層内レンズ３３０aに収斂するように、オンチップマイクロレンズ１５０のパワーと光路長調整層１０５の厚さが決められている。そして、オンチップマイクロレンズ１５０に対して光学的に中心に位置する画素を中心にして、その周辺に位置する画素の層内レンズ３３０ｂ、３３０ｃの高さが段階的に高くなるように構成されている。また、オンチップマイクロレンズ１５０の光軸a１上に位置する画素を中心にして、その周辺に位置する画素の層内レンズ３３０ｂ、３３０ｃの開口径が段階的に広くなるように構成されている（第２の所定の分布）。

図中、点線３８１、３８２は、オンチップマイクロレンズ１５０に対応した光学的な中心位置の画素を中心とする５×５の画素の層内レンズ３３０の光入射面の位置の変化を示している。オンチップマイクロレンズの光軸方向の高さの異なる層内レンズ３３０等の製造方法については後述する。

さらに、オンチップマイクロレンズ１５０ａの光軸a１上に位置する画素を中心にして、その周辺に位置する画素の層内レンズ３３０ｂ、３３０ｃの光軸ｂは光電変換部１２０の中心軸ｃに対して偏心した構成になっている。オンチップマイクロレンズ１５０ａの光軸ａ１上に位置する画素の層内レンズ３３０ａの光軸ｂ１と光電変換部１２０ａの中心軸ｃ１は略一致する。一方、その周辺に位置する画素の層内レンズ３３０ｂ、３３０ｃの光軸ｂ２、ｂ３は光電変換部１２０ｂ、１２０ｃの中心軸ｃ２、ｃ３に対してそれぞれオンチップマイクロレンズの光軸ａ１側に偏心した構成になっている。このとき、層内レンズ３３０ｃの光軸ｂ３と光電変換部１２０ｃの中心軸ｃ３との偏心量は、層内レンズ３３０ｂの光軸ｂ２と光電変換部１２０ｂの中心軸ｃ２との偏心量より大きい。

このように、本実施例では、オンチップマイクロレンズ１５０に対して光学的に中心に位置する画素を中心とした５×５の画素の配列内の画素の光制御部である層内レンズ３３０の高さを、光学的中心の画素からの距離に応じて高くしている。また、オンチップマイクロレンズ１５０の光軸上に位置する画素を中心とする５×５の画素配列内の層内レンズの開口径を、光軸上に位置する画素からの距離に応じて広くしている。これに加えて、層内レンズ３３０の光軸ｂを、対応する光電変換部１２０の中心軸ｃに対して一部偏心させている。これらにより、オンチップマイクロレンズ１５０が集光する撮影レンズの瞳の周辺付近からくる光束の受光効率が低下するのを防止することを可能としている。

図４（ａ）は、本実施例に係る撮像素子１００の画面周辺部のオンチップマイクロレンズ１５０ｂ付近の断面図である。なお、図３（ａ）と同じ部分は同じ符号を付して示す。
図中ａ２は、オンチップマイクロレンズ１５４ｂの光軸である。

図４（ｂ）は、本実施例に係る撮像素子１００の画面周辺部のオンチップマイクロレンズ１５０ｂ付近の正面図である。一つのオンチップマイクロレンズ１５４ｂに対応する光電変換信号が、図中実線で示した５×５の光電変換部１２０から読み出される画素構成になっている。その結果、図４（ｂ）の場合も、撮影レンズ１８０の瞳上の所定の位置を透過した光束の強度を角度情報とともに得ることを可能としている。

図４（ａ）の場合、オンチップマイクロレンズ１５０に対応して位置する５×５の画素のうち、オンチップマイクロレンズ１５０ｂに対して光学的に中心に位置する画素は、次のような画素である。即ち、図４（ａ）に示すように、撮影レンズ１８０の射出瞳の中心１８２とオンチップマイクロレンズ１５０ｂの曲率中心４６４とを結ぶ直線ｐ２上に光制御部である層内レンズ３３０を有する画素となる。具体的には、オンチップマイクロレンズ１５０ｂに対して光学的に中心に位置する画素は、撮影レンズ１８０の射出瞳の中心１８２とオンチップマイクロレンズ１５０ｂの曲率中心４６４とを結ぶ直線ｐ２が層内レンズ３１３０ｅと点４７４で交わる画素となる。この光学的中心位置の画素１２０ｅは、オンチップマイクロレンズ１５０ｂの光軸上に位置する画素１２０ｄとは異なり、従って、オンチップマイクロレンズ１５０ｂに対応して本発明の構成が適用される５×５の画素は、図４（ｂ）に実線で示す５×５の画素となる。

また、オンチップマイクロレンズ１５０に対応してカラーフィルタ４４４が形成されている。カラーフィルタ４４４は、オンチップマイクロレンズ１５０に対応した５×５の画素を波長分離するように構成されている。

本実施例の撮像素子１００において、オンチップマイクロレンズ１５０ｂに対して光学的に中心に位置する画素の層内レンズ３３０ｅの高さは、撮影レンズ１８０の瞳から入射する光が層内レンズ３３０ｅの光入射面に収斂するように設計されている。そして、オンチップマイクロレンズ１５０ｂに対して光学的に中心に位置する画素を中心にして、その周辺に位置する５×５画素の層内レンズ３３０ｄ、３３０ｆの高さが段階的に高くなるように構成されている。図中、点線４８３、４８４は、オンチップマイクロレンズ１５０に対応した光学的な中心位置の画素を中心とする５×５の画素の層内レンズ３３０の光入射面の位置の変化を示している。また、オンチップマイクロレンズ１５０ｂの光軸上に位置する画素を中心にして、その周辺に位置する画素の層内レンズ３３０ｄ、３３０ｆの開口径が段階的に広くなるように構成されている。

さらに、層内レンズ３３０の光軸ｂは光電変換部１２０の中心軸ｃに対して偏心した構成になっている。オンチップマイクロレンズ１５０ｂの光軸ａ２上にある画素の層内レンズ３３０ｄの光軸ｂ４と光電変換部１２０ｄの中心軸ｃ４は略一致する。一方、その周辺に位置する画素の層内レンズ３３０ｅ、３３０ｆの光軸ｂ５、ｂ６は光電変換部１２０ｅ、１２０ｆの中心軸ｃ５、ｃ６に対してそれぞれオンチップマイクロレンズの光軸ａ２側に偏心した構成になっている。このとき、層内レンズ３３０ｆの光軸ｂ６と光電変換部１２０ｆの中心軸ｃ６との偏心量は、層内レンズ３３０ｅの光軸ｂ５と光電変換部１２０ｅの中心軸ｃ５との偏心量より大きい。

以上のように、本実施例によれば、撮影レンズの射出瞳の中心とオンチップマイクロレンズの曲率中心とを結ぶ直線上に光制御部を有する画素を中心として光制御部である層内レンズの高さを画素単位で段階的に変化させている。また、層内レンズの開口径もオンチップマイクロレンズ１５０ｂの光軸上に位置する画素を中心として、画素単位で段階的に変化させ、層内レンズ３３０の光軸ｂを光電変換部１２０の中心軸ｃに対して一部偏心させている。これらにより、ライトフィールド情報を取得可能な撮像素子を有する撮像装置において、撮影レンズの瞳の周辺付近からくる光束も効率よく受光し、品位の高い画像を取得することが可能となる。

図５は、本実施例に係る裏面照射型ＣＭＯＳ撮像素子１００の製造プロセスを説明するための図ある。同図では、撮像素子１００の画面中央部の３画素の断面構造を示しているが、他の部分についても同様である。なお、同図において、図３に示されている部分に対応する部分は同じ符号を付して示す。また、他の実施例も含めて、本発明の撮像素子の製造方法は、既存の半導体装置の製造技術を用いて実現可能である。従って、本発明の特有の構成を有する撮像素子を製造するために必要な半導体システム又は装置の制御プログラムは本発明を構成する。

まず、シリコンの半導体基板１０１に光電変換部１２０を形成し、さらに配線層１１０を設けて基板１０１と接合する（図５（ａ））。裏面照射型ＣＭＯＳ撮像素子自体の製造方法は、特開２０１１−１１９５４３号公報にて本出願人より開示しているのでここでは省略する。

次に、光電変換部１２０の上に上述した本実施例に係る層内レンズ３３０を形成するために、シリコン窒化膜５００である半導体膜を所定の厚みで形成する（図５（ｂ））。このとき成膜されたシリコン窒化膜５００の厚みは、最も厚みが厚い例えば層内レンズ３３０ｃの厚みに設定される。

次にフォトレジスト５１０を塗布し、露光、現像を行って、本実施例に係る層内レンズの形状、位置に合致したパターンを形成する（図５（ｃ））。このとき、各層内レンズに対応して透過率の異なるグレートーンマスクを用いて露光を行うことにより、厚みの異なる層内レンズ形状パターンを作製する。また、各層内レンズ形状パターンの光軸ｂは、光電変換部１２０の中心軸ｃに対して所定の偏心量を有するように形成される。

次に、ドライエッチングを行って、フォトレジスト５１０のレンズ形状をシリコン窒化膜５００に転写する（図５（ｄ））。

以上の工程で、所定の厚みを有し、光電変換部１２０に対して所定の偏心量を有する層内レンズ３３０ａ、３３０ｂ、３３０ｃが形成される。

厚みの異なる層内レンズ３３０ａ、３３０ｂ、３３０ｃが形成されると、シリコン酸化膜１０２を成膜することにより平坦化を行い、さらにシリコン窒化膜の保護層１０３を成膜する（図５（ｅ））。

次に、カラーフィルタ層１４０を形成する。カラーフィルタ層１４０は、赤、緑、青のそれぞれの色相が撮像素子１００の面内の所定の位置に形成される（図５（ｆ））。このとき、カラーフィルタ層１４０を形成する際のアライメント指標として、図中ｚ方向（撮像素子１００の断面方向）の厚みＬ２が薄い層内レンズ３３０のアライメント指標を利用できる。このため、カラーフィルタ層１４０は層内レンズ３３０に対して精度良く形成することが可能となっている。

カラーフィルタ層１４０が形成されると、樹脂材料で平坦化層１０４が形成される（図５（ｇ））。

平坦化層１０４が形成されると、光路長調整層１０５が所定の膜厚で形成される。光路長調整層１０５が形成されるとオンチップマイクロレンズ１５０が形成される。オンチップマイクロレンズ１５０は、公知のレジストリフロー法にて形成される。

本実施例では、カラーフィルタ層１４０までを形成する工程と光路長調整層１０５及びオンチップマイクロレンズ１５０を形成する工程とを別々で行うため、カラ−フィルタ層１４０に、形成後保護層を兼ねた平坦化層１０４を形成した。しかしながら、カラーフィルタ層１４０までを形成する工程と光路長調整層１０５及びオンチップマイクロレンズ１５０を形成する工程を同一工程で行う場合は、光路長調整層１０５が平坦化層１０４を兼ねることになり、製造プロセスを短縮できる効果がある。

図６乃至図８は本発明の第２の実施例に係る撮像素子１００の構成およびその製造方法を示す図である。なお、図１乃至図５と同じ部分は同じ符号を付して示し、特に必要がない限り、その説明を省略する。

本実施例において、撮像素子１００はＣＭＯＳ型撮像素子であり、オンチップマイクロレンズと光電変換部との間に、光制御部として光導波路が形成されていることを特徴とする。

図６（ａ）は、本実施例に係る撮像素子の画面中央部のオンチップマイクロレンズ１５０ａ付近の断面図、図６（ｂ）は撮像素子１００の画面中央部のオンチップマイクロレンズ１５０ａ付近の正面図である。また、図７（ａ）は撮像素子の画面周辺部のオンチップマイクロレンズ１５０ｂ付近の断面図、図７（ｂ）は撮像素子の画面周辺部のオンチップマイクロレンズ１５０ｂ付近の正面図、図８は本実施例に係る撮像素子１００の製造方法を示す図である。なお、図６および７では、オンチップマイクロレンズ１５０ａおよび１５０ｂを例にしてオンチップマイクロレンズ１５０に対して光学的に中心に位置する画素を説明しているが、他のオンチップマイクロレンズについても同様である。

図６（ａ）に示すように、本実施例の撮像素子２００はシリコン基板１０１に光電変換部(画素)１２０が形成され、光電変換部１２０上の配線層６１０に光制御部である光導波路６９０が形成されている。配線層６１０は、平坦化層６１４およびその中に設けられた電極６１１、６１２、６２１３とから構成されている。

光導波路６９０の光入射側（図中−ｚ方向）には、平坦化層１０２、保護層１０３、カラーフィルタ層１４０、平坦化層１０４が形成されている。

また、撮影レンズ１８０から入射する光を集光するオンチップマイクロレンズ１５０は、撮影レンズ１８０の瞳と光制御部である光導波路６９０の光入射面とが共役関係になるように構成されている。そのため、オンチップマイクロレンズ１５０と光導波路６９０との間には所定の膜厚の光路長調整層１０５が形成されている。図中ａ１は、オンチップマイクロレンズ１５０ａの光軸である。

図６（ｂ）に示すように、本実施例の撮像素子１００は一つのオンチップマイクロレンズ１５０に対して５×５の光電変換部１２０を有する画素構成になっている。その結果、撮影レンズ１８０の瞳上の所定の位置を透過した光束の強度をオンチップマイクロレンズと光電変換部の相対位置で決まる角度情報とともに得ることを可能としている。なお、オンチップマイクロレンズ１５０に対応する光電変換部１２０のサイズおよび配置形状は本実施例に限るものではなく、適宜選択できる設計的事項である。

このときオンチップマイクロレンズ１５０に対応した５×５の画素構成のうち、オンチップマイクロレンズ１５０ａに対して光学的に中心に位置する画素は、次のような画素である。即ち、図６（ａ）に示すように、撮影レンズ１８００の射出瞳の中心１８２とオンチップマイクロレンズ１５０ａの曲率中心３６１とを結ぶ直線ｐ１上に光制御部である光導波路６９０を有する画素となる。本実施例において、撮像素子１００の画面中央部に位置するオンチップマイクロレンズ１５０ａに対して光学的に中心に位置する画素は、次の画素となる。即ち、撮影レンズ１８０の射出瞳の中心１８２とオンチップマイクロレンズ１５０ａの曲率中心３６１とを結ぶ直線ｐ１が光導波路６９０ａと点６７１で交わる画素となる。本実施例の撮像素子では、上記光学的な中心位置にある画素を中心とする５×５の画素をオンチップマイクロレンズに対応する画素信号を読み出す画素として、後述する本実施例の特徴とする光制御部の構成を適用する。従って、オンチップマイクロレンズ１５０の光軸と光学的な中心位置の画素の中心が一致している場合は、図３（ｂ）に示すように、本実施例の特徴が適用される５×５の画素はオンチップマイクロレンズ１５０に対応する５×５の画素となる。しかし、オンチップマイクロレンズ１５０の光軸と光学的な中心となる画素の中心が一致していない場合は、図４（ｂ）に示すように、本実施例の特徴が適用される５×５の画素は、オンチップマイクロレンズ１５０に対応する５×５の画素とは一致しない。オンチップマイクロレンズ１５０に対応する画素信号は、光学的な中心位置の画素を中心とする５×５画素から読み出された光電変換信号である。

また、オンチップマイクロレンズ１５０ａに対応してカラーフィルタ３４１が形成されている。カラーフィルタ３４１は、オンチップマイクロレンズ１５０ａに対応した５×５の画素を波長分離するように構成されている。

図６（ａ）に示すように、本実施例の撮像素子１００のカラーフィルタ層１４０は光導波路６９０の位置に対して精度良く形成するために、光導波路６９０から所定の厚さＬ２で形成される。このとき、オンチップマイクロレンズ１５０ａとカラーフィルタ層１４０との厚さをＬ１とすると、厚さＬ２は厚さＬ１に対して十分薄く（Ｌ１＞＞Ｌ２）なっている。

本実施例の撮像素子１００の光制御部である光導波路６９０は、図中の光軸（ｚ軸）方向にテーパ状の形状を成しており、光入射側（図中−ｚ方向）の開口部の面積が光出射側より広くなるように構成されている。

本実施例の撮像素子１００において、オンチップマイクロレンズ１５０ａのパワーと光路長調整層１０５の厚さは、次のように設計されている。撮影レンズ１８０の瞳から入射する光がオンチップマイクロレンズ１５０ａに対して光学的に中心に位置する画素の光導波路６９０aに収斂するように、オンチップマイクロレンズ１５０ａのパワーと光路長調整層１０５の厚さが決められている。そして、オンチップマイクロレンズ１５０ａに対して光学的に中心に位置する画素を中心にして、その周辺に位置する画素の光導波路６９０ｂ、６９０ｃ等の高さが段階的に高くなるように構成されている。図中、点線６８１、６８２は、オンチップマイクロレンズ１５０ａに対応した５×５の画素の光導波路６９０の光入射面の位置の変化を示している。高さの異なる光導波路６９０等の製造方法については後述する。

このように、本実施例でも、オンチップマイクロレンズ１５０ａに対して光学的に中心に位置する画素を中心にしてその周辺に位置する画素の光制御部である光導波路６９０の高さを高くしている。また、オンチップマイクロレンズ１５０ａの光軸上に位置する画素を中心にしてその周辺に位置する画素の光入射部の開口が広くなるように構成している。
これらにより、オンチップマイクロレンズ１５０が集光する撮影レンズの瞳の周辺付近からくる光束の受光効率が低下するのを防止することを可能としている。

図７（ａ）は、本実施例に係る撮像素子１００の画面周辺部のオンチップマイクロレンズ１５０ｂ付近の断面図である。図６（ａ）の撮像素子１００の画面中心部のオンチップマイクロレンズ１５０ａ付近の断面図と同一の部材には同一の部番が付番されている。図中ａ２は、オンチップマイクロレンズ１５０ｂの光軸である。

図７（ｂ）は、本実施例に係る撮像素子１００の画面周辺部のオンチップマイクロレンズ１５０ｂ付近の正面図である。図６と同様に、一つのオンチップマイクロレンズ１５０ｂに対応する光電変換信号が、図中実線で示した５×５の光電変換部１２０から読み出される画素構成になっている。その結果、図７（ｂ）の場合も、撮影レンズ１８０の瞳上の所定の位置を透過した光束の強度を角度情報とともに得ることを可能としている。

図７（ａ）の場合、オンチップマイクロレンズ１５０ｂに対応して位置する５×５の画素のうち、オンチップマイクロレンズ１５０ｂに対して光学的に中心に位置する画素は、次のような画素である。即ち、図７（ｂ）に示すように、撮影レンズ１８０の射出瞳の中心１８２とオンチップマイクロレンズ１５０ｂの曲率中心４６４とを結ぶ直線ｐ２上に光制御部である光導波路６９０を有する画素となる。具体的には、オンチップマイクロレンズ１５０ｂに対して光学的に中心に位置する画素は、撮影レンズ１８０の射出瞳の中心１８２とオンチップマイクロレンズ１５０ｂの曲率中心４６４とを結ぶ直線ｐ２が光導波路６９０ｅと点７７４で交わる画素となる。この光学的な中心位置の画素１２０ｅは、オンチップマイクロレンズ１５０ｂの光軸上に位置する画素１２０ｄとは異なり、従って、オンチップマイクロレンズ１５０ｂに対応して本発明の構成が適用される５×５の画素は、図７（ｂ）に実線で示す５×５画素となる。

また、オンチップマイクロレンズ１５０ｂに対応してカラーフィルタ４４４が形成されている。カラーフィルタ４４４は、オンチップマイクロレンズ１５０ｂに対応した５×５の画素を波長分離するように構成されている。

本実施例の撮像素子１００において、オンチップマイクロレンズ１５０ｂに対して光学的に中心に位置する画素の光導波路６９０ｅの高さは、撮影レンズ１８０の瞳から入射する光が光導波路６９０ｅの光入射開口部に収斂するように設計されている。そして、オンチップマイクロレンズ１５０ｂに対して光学的に中心に位置する画素を中心にして、その周辺に位置する５×５画素の光導波路６９０ｄ、６９０ｆ等の高さが段階的に変化するように構成されている。図中、点線７８３、７８４は、オンチップマイクロレンズ１５０ｂに対応した光学的に中心位置の画素を中心とする５×５の画素の光導波路６９０の光入射面の位置の変化を示している。本実施例の撮像素子１００においては、オンチップマイクロレンズ１５０の光軸ａ２上に位置する画素の光導波路６９０ｄの高さが最も低く、それに隣接する光導波路６９０ｅ、光導波路６９０ｆの高さが段階的に高くなるように構成されている。

以上のように、本実施例によれば、撮影レンズの射出瞳の中心とオンチップマイクロレンズの曲率中心とを結ぶ直線上に光制御部を有する画素を中心として光制御部である光導波路の高さが画素単位で段階的に変化している。これらにより、ライトフィールド情報を取得可能な撮像素子を有する撮像装置において、撮影レンズの瞳の周辺付近からくる光束も効率よく受光し、品位の高い画像を取得することが可能となる。

図８は、本実施例に係る撮像素子１００としてのＣＭＯＳ型撮像素子１００の製造プロセスを説明するための図ある。同図では、撮像素子１００の画面中央部の３画素の断面構造の製造過程を示していが、他の部分についても同様である。なお、同図において、図６に示されている部分に対応する部分は同じ符号を付して示す。

まず、シリコン基板１０１にイオンを打ち込むことにより、光電変換部１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃを形成する。さらに、電極６１３、６１２、６１１を各電極層間に層間絶縁膜６１４を挟みながら形成する（図８（ａ））。層間絶縁膜は、屈折率が約１．５のシリコン酸化膜である。

次に、光電変換部１２０上の層間絶縁膜６１４に、上述した本実施例に係る光導波路を形成する溝を作製するために、光導波路の開口に対応してフォトレジスト８２０をパターニングする（図８（ｂ））。

さらに、このフォトレジスト８２０をマスクとしてドライエッチング処理を行うことによって層間絶縁膜１１４に本実施例に係る光導波路を形成するための溝を作製する（図８（ｃ））。

次に、光導波路を構成するシリコン窒化膜８２１を高密度プラズマＣＶＤ法で成膜する。ここで光導波路の高さは、最も高さの低い光導波路６９０ａの高さにあわせて成膜される（図８（ｄ））。シリコン窒化膜８２１の屈折率は、約１．９である。

さらに、層間絶縁膜６１４上に成膜された余分のシリコン窒化膜８２１をドライエッチング処理にて平坦化する（図８（ｅ））。

次に、光導波路６９０aに隣接する光導波路６９０ｂ、６９０ｃの高さを積み増すために、フォトレジスト８２２を成膜し、シリコン窒化膜を積み増さない領域に対応したパターニングを行う（図８（ｆ））。

さらにシリコン窒化膜８２４を所定の厚みで成膜する（図８（ｇ））。このとき成膜されたシリコン窒化膜８２４の厚みは、光導波路６９０ａと光導波路６９０ｂの高さの差に相当する厚みに設定される。

次に、リフトオフ処理を行うことによって、フォトレジスト８２２を溶解し、成膜されたシリコン窒化膜８２４の不要な部分を剥離する（図８（ｈ））。

同様に、光導波路６９０ｂに隣接する光導波路６９０ｃの高さを積み増すために、フォトレジスト８２６を成膜し、シリコン窒化膜を積み増さない領域に対応したパターニングを行う（図８（i））。

さらにシリコン窒化膜８２８を所定の厚みで成膜する（図８（ｊ））。このとき成膜されたシリコン窒化膜８２８の厚みは、光導波路６９０ｂと光導波路６９０ｃの高さの差に相当する厚みに設定される。

次に、リフトオフ処理を行うことによって、フォトレジスト８２６を溶解し、成膜されたシリコン窒化膜８２８の不要な部分を剥離する（図８（ｋ））。以上の工程で、所定の高さを有する光導波路６９０ａ、６９０ｂ、６９０ｃが形成される。

高さの異なる光導波路６９０ａ、６９０ｂ、６９０ｃが形成されると、シリコン酸化膜１０２を成膜することにより素子表面の平坦化を行い（図８（ｌ））、さらにシリコン窒化膜の保護層１０３を成膜する（図８（ｍ））。

次に、カラーフィルタ層１４０を形成する。カラーフィルタ層１４０は、赤、緑、青のそれぞれの色相の層が撮像素子１００の面内の所定の位置に形成される（図８（ｎ））。
この形成においては、カラーフィルタ層１４０を形成する際のアライメント指標として、図中ｚ方向（撮像素子１００の断面方向）の厚みＬ２が薄い光導波路６９０のアライメント指標を利用できる。このため、カラーフィルタ層１４０は光導波路６９０に対して精度良く形成することが可能となっている。

カラーフィルタ層１４０が形成されると、樹脂材料で平坦化層１０４が形成される（図８（ｏ））。

平坦化層１０４が形成された後は、図６に示すように、光路長調整層１０５が所定の膜厚で形成され、次いでオンチップマイクロレンズ１５０が形成される。オンチップマイクロレンズ１５０は、公知のレジストリフロー法にて形成される。

本実施例では、カラーフィルタ１４０までを形成する工程と光路長調整層１０５及びオンチップマイクロレンズ１５０を形成する工程とを別々で行うため、カラ−フィルタ１４０を形成後に保護層を兼ねた平坦化層１０４を形成した。しかしながら、カラーフィルタ１４０までを形成する工程と光路長調整層１０５及びオンチップマイクロレンズ１５０を形成する工程を同一工程で行う場合は、光路長調整層１０５が平坦化層１０４を兼ねることになり、製造プロセスを短縮できる効果がある。

また本実施例では、光導波路６９０を形成する際、最初に光導波路６９０の高さの低いものを作製し、次いで徐々に高さを積み増していく例を示した。しかし、最初に光導波路６９０の高さの高いものを作製し、その後ドライエッチング処理を行って高さを削るようにしてもよい。

図９乃至図１１は、本発明の第３の実施例に係る撮像素子１００の構成および製造方法を示す図である。本実施例の撮像素子は、ＣＭＯＳ型撮像素子であり、オンチップマイクロレンズと光電変換部との間に、光制御部として層内レンズ及び光導波路とが形成されていることを特徴とする。なお、図９乃至１１において、図１乃至８に示されている部分と同じ部分は同じ符号を付して示し、特に必要がない限り、その説明を省略する。

図９（ａ）は、本実施例に係る撮像素子の画面中央部のオンチップマイクロレンズ１０５ａ付近の断面図、図９（ｂ）は撮像、本実施例に係る素子の画面中央部のオンチップマイクロレンズ１０５ａ付近の正面図である。また、図１０（ａ）は、本実施例に係る撮像素子の画面周辺部のオンチップマイクロレンズ１０５ｂ付近の断面図、図１０（ｂ）は、本実施例に係る撮像素子の画面周辺部のオンチップマイクロレンズ１０５ｂ付近の正面図である。図１１は本実施例に係る撮像素子の製造プロセスを説明するための図である。なお、図９および１０でも、オンチップマイクロレンズ１５０ａおよび１５０ｂを例にしてオンチップマイクロレンズ１５０に対して光学的に中心に位置する画素を説明しているが、他のオンチップマイクロレンズについても同様である。

図９（ａ）に示すように、本実施例の撮像素子１００はシリコン基板１０１に光電変換部(画素)１２０が形成され、光電変換部１２０上の配線層１１０に光制御部である層内レンズ９３０及び光導波路９９０が形成されている。配線層６１０は、平坦化層１１４およびその中に設けられた電極６１１、６１２、６１３とから構成されている。

層内レンズ９３０の光入射側（図中−ｚ方向）には、平坦化層１０２、保護層１０３、カラーフィルタ層１４０、平坦化層１０４が形成されている。

また、撮影レンズ１８０から入射する光を集光するオンチップマイクロレンズ１５０は、撮影レンズ１８０の瞳と光制御部である層内レンズ９３０及び光導波路９９０の光入射面とが共役関係になるように構成されている。そのため、オンチップマイクロレンズ１５０と層内レンズ９３０との間には所定の膜厚の光路長調整層１０５が形成されている。ここで、図中ａ１は、オンチップマイクロレンズ１５０ａの光軸である。

図９（ｂ）に示すように、本実施例の撮像素子１００は一つのオンチップマイクロレンズ１５０に対して５×５の光電変換部１２０を有する画素構成になっている。その結果、撮影レンズ１８０の瞳上の所定の位置を透過した光束の強度を、オンチップマイクロレンズと光電変換部の相対位置で決まる角度情報とともに得ることを可能としている。なお、同図において層内レンズ９３０の図示を省略してあり、また、オンチップマイクロレンズ１５０に対応する光電変換部１２０のサイズおよび配置形状は本実施例に限るものではなく、適宜選択できる設計的事項である。

本実施例の撮像素子１００において、層内レンズ９３０の外形形状は光導波路９９０の開口形状とほぼ同等の矩形形状になっている。

オンチップマイクロレンズ１５０に対応した５×５の画素構成のうち、オンチップマイクロレンズ１５０ａに対して光学的に中心に位置する画素は、次のような画素になる。即ち、図９（ａ）に示すように、撮影レンズ１８０の射出瞳の中心１８２とオンチップマイクロレンズ１５０ａの曲率中心３６１とを結ぶ直線ｐ１上に光制御部である層内レンズ９３０及び光導波路９９０を有する画素となる。具体的には、オンチップマイクロレンズ１５０ａに対して光学的に中心に位置する画素は、撮影レンズ１８０の射出瞳の中心１８２とオンチップマイクロレンズ１５０の曲率中心３６１とを結ぶ直線ｐ１が層内レンズ９３０ａと点９７１で交わる画素となる。本実施例の撮像素子では、上記光学的な中心位置にある画素を中心とする５×５の画素をオンチップマイクロレンズに対応する画素信号を読み出す画素として、後述する本実施例の特徴とする光制御部の構成を適用する。従って、オンチップマイクロレンズ１５０の光軸と光学的な中心位置の画素の中心が一致している場合は、図３（ｂ）に示すように、本実施例の特徴が適用される５×５の画素はオンチップマイクロレンズ１５０に対応する５×５の画素となる。しかし、オンチップマイクロレンズ１５０の光軸と光学的な中心となる画素の中心が一致していない場合は、図４（ｂ）に示すように、本実施例の特徴が適用される５×５の画素は、オンチップマイクロレンズ１５０に対応する５×５の画素とは一致しない。オンチップマイクロレンズ１５０に対応する画素信号は、光学的な中心位置の画素を中心とする５×５画素から読み出された光電変換信号である。

また、オンチップマイクロレンズ１５０に対応してカラーフィルタ３４１が形成されている。カラーフィルタ３４１は、オンチップマイクロレンズ１５０に対応した５×５の画素を波長分離するように構成されている。

図９（ａ）に示すように、本実施例の撮像素子１００のカラーフィルタ層１４０は層内レンズ９３０の位置に対して精度良く形成するために、層内レンズ９３０から所定の厚さＬ２で形成される。このとき、オンチップマイクロレンズ１５０とカラーフィルタ層１４０との厚さをＬ１とすると、厚さＬ２は厚さＬ１に対して十分薄く（Ｌ１＞＞Ｌ２）なっている。

本実施例の撮像素子１００の光制御部である光導波路９９０は、図中光軸（ｚ軸）方向にテーパ上の形状を成すよう構成されており、このため光入射側（図中−ｚ方向）の開口部の面積が広くなっている。

本実施例の撮像素子１００において、オンチップマイクロレンズ１５０のパワーと光路長調整層１０５の厚さは、次のように設計されている。すなわち、撮影レンズ１８０の瞳から入射する光が、オンチップマイクロレンズ１５０ａに対して光学的に中心に位置する画素の層内レンズ９３０ａに収斂するように、オンチップマイクロレンズ１５０のパワーと光路長調整層１０５の厚さが決定されている。そして、オンチップマイクロレンズ１５０ａに対して光学的に中心に位置する画素を中心にして、その周辺に位置する画素の光導波路９９０ｂ、９９０ｃの高さが段階的に高くなるように構成されている。その結果、オンチップマイクロレンズ１５０に対して光学的に中心に位置する画素を中心にして、その周辺に位置する画素の層内レンズ９３０ｂ、９３０ｃの光入射面は、段階的にオンチップマイクロレンズ１５０に近くなっている。図中、点線３８１は、オンチップマイクロレンズ１５０に対応した５×５の画素の層内レンズ９３０の光入射面の位置の変化を示す。また、オンチップマイクロレンズ１５０の光軸ａ１上に位置する画素を中心にして、その周辺に位置する画素の層内レンズ９３０ｂ、９３０ｃの開口面積は光導波路９９０の開口形状に対応して段階的に広くなるように構成されている。高さの異なる光導波路９９０上に層内レンズ９３０を製造する方法については後述する。

このように、本実施例では、オンチップマイクロレンズ１５０に対して光学的に中心に位置する画素を中心にしてその周辺に位置する画素の光制御部である層内レンズ９３０を有する光導波路９９０の高さを高くしている。また、オンチップマイクロレンズ１５０の光軸ａ１上に位置する画素を中心にして、その周辺に位置する画素の層内レンズ９３０の開口面積を広くしている。これらにより、オンチップマイクロレンズ１５０が集光する撮影レンズの瞳の周辺付近からくる光束の受光効率が低下するのを防止することが可能となる。

図１０（ａ）は、本実施例に係る撮像素子１００の画面周辺部のオンチップマイクロレンズ１５０ｂ付近の断面図である。なお、図９（ａ）と同じ部分は同じ符号を付して示す。図中ａ２は、オンチップマイクロレンズ１５０ｂの光軸である。

図１０（ｂ）は、本実施例に係る撮像素子１００の画面周辺部のオンチップマイクロレンズ１５０ｂ付近の正面図である。図９と同様に、一つのオンチップマイクロレンズ１５０に対応する光電変換信号が、図中実線で示した５×５の光電変換部１２０から読み出される画素構成になっている。その結果、図１０（ｂ）の場合も、撮影レンズ１８０の瞳上の所定の位置を透過した光束の強度を角度情報とともに得ることを可能としている。なお、同図においても、層内レンズ９３０の図示を省略してある。

図１０（ａ）の場合、オンチップマイクロレンズ１５０に対応して位置する５×５の画素構成のうち、オンチップマイクロレンズ１５０ｂに対して光学的に中心に位置する画素は、次のような画素である。即ち、図１０（ａ）に示すように、撮影レンズ１８０の射出瞳の中心１８２とオンチップマイクロレンズ１５０ｂの曲率中心４６４とを結ぶ直線ｐ２上に光制御部である層内レンズ９３０を有する画素となる。具体的には、オンチップマイクロレンズ１５０ｂに対して光学的に中心に位置する画素は、撮影レンズ１８０の射出瞳の中心１８２とオンチップマイクロレンズ１５０の曲率中心４６４とを結ぶ直線ｐ２が層内レンズ９３０ｅと点９７４で交わる画素となる。この光学的中心位置の画素１２０ｅは、オンチップマイクロレンズ１５０ｂの光軸上に位置する画素１２０ｄとは異なり、従って、オンチップマイクロレンズ１５０ｂに対応して本発明の構成が適用される５×５の画素は、図１０（ｂ）に実線で示す５×５画素となる。

また、オンチップマイクロレンズ１５０に対応してカラーフィルタ４４４が形成されている。カラーフィルタ４４４は、オンチップマイクロレンズ１５０に対応した５×５の画素を波長分離するように構成されている。

本実施例の撮像素子１００において、オンチップマイクロレンズ１５０ｂに対して光学的に中心に位置する画素の光導波路９９０ｅの高さは、撮影レンズ１８０の瞳から入射する光が層内レンズ９３０ｅの光入射面に収斂するように設計されている。そして、オンチップマイクロレンズ１５０ｂに対して光学的に中心に位置する画素を中心にして、その周辺に位置する画素の光導波路９９０ｄ、９９０ｆの高さが段階的に高くなるように構成されている。その結果、オンチップマイクロレンズ１５０ｂに対して光学的に中心に位置する画素を中心にして、その周辺に位置する画素の層内レンズ９３０ｄ、９３０ｆの光入射面が段階的にオンチップマイクロレンズ１５０ｂに近くなっている。図中、点線１０８４は、オンチップマイクロレンズ１５０に対応した光学的な中心位置の画素を中心とする５×５の画素の層内レンズ９３０の光入射面の位置の変化を示している。また、オンチップマイクロレンズ１５０の光軸ａ２上に中心に位置する画素を中心にして、その周辺に位置する画素の層内レンズ９３０ｄ、９３０ｆの開口面積は光導波路９９０の開口形状に対応して段階的に広くなるように構成されている。

以上のように、本実施例によれば、撮影レンズの射出瞳の中心とオンチップマイクロレンズの曲率中心とを結ぶ直線上に光制御部を有する画素を中心として光制御部である層内レンズ及び光導波路の高さを画素単位で段階的に変化させている。また、オンチップマイクロレンズ１５０の光軸ａ２上に中心に位置する画素を中心にして、層内レンズの開口面積をも段階的に変化させるように構成している。これらにより、ライトフィールド情報を取得可能な撮像素子を有する撮像装置において、撮影レンズの瞳の周辺付近からくる光束も効率よく受光し、品位の高い画像を取得することが可能となる。

図１１は、本実施例に係る撮像素子１００としてのＣＭＯＳ型撮像素子１００の製造プロセスを説明するための図ある。同図では、撮像素子１００の画面中央部の３画素の断面構造を示しているが、他の部分についても同様である。なお、同図において図９と同じ部分は、同じ符号を付して示す。

まず、シリコン基板１０１にイオンを打ち込むことにより、光電変換部１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃを形成する。さらに、電極６１３、６１２、６１１を各電極層間に層間絶縁膜１１４を挟みながら形成する（図１１（ａ））。層間絶縁膜は、屈折率が約１.５のシリコン酸化膜である。

次に、光電変換部１２０上の層間絶縁膜１１４に、上述した本実施例に係る光導波路を形成する溝を作製するために、光導波路の開口に対応してフォトレジスト１１３０をパターニングする（図１１（ｂ））。

さらに、このフォトレジスト１１３０をマスクとしてドライエッチング処理を行うことによって層間絶縁膜１１４に光導波路を形成するための溝を作製する（図１１（ｃ））。

次に、光導波路を構成するシリコン窒化膜１１３２を高密度プラズマＣＶＤ法で成膜する。ここで光導波路の高さは、最も高さの高い光導波路９９０ｃの高さと層内レンズ９３０ｃの厚さにあわせて成膜される（図１１（ｄ））。シリコン窒化膜１１３２の屈折率は、約１.９である。

さらに、層間絶縁膜１１４上に成膜された余分のシリコン窒化膜１１３２をＣＭＰ処理にて平坦化する（図１１（ｅ））。

次に、光導波路９９０の上に層内レンズ９３０を形成するために、フォトレジスト１１３４を塗布し、露光、現像を行って、層内レンズの形状および位置に合致したパターンを形成する（図１１（ｆ））。このとき、各層内レンズに対応して透過率の異なるグレートーンマスクを用いて露光を行うことにより、光導波路９９０ｂ、９９０ａの高さを削るような層内レンズ形状パターンを作製している。

次に、ドライエッチングを行って、フォトレジスト１１３４のレンズ形状をシリコン窒化膜１１３２に転写する（図１１（ｇ））。

以上の工程で、所定の高さを有する、本実施例に係る光導波路９９０ａ、９９０ｂ、９９０ｃ及び層内レンズ９３０ａ、９３０ｂ、９３０ｃとが形成される。

高さの異なる光導波路９９０ａ、９９０ｂ、９９０ｃ及び層内レンズ９３０ａ、９３０ｂ、９３０ｃとが形成されると、シリコン酸化膜１０２を成膜することにより平坦化を行い（図１１（ｈ））、さらにシリコン窒化膜の保護層１０３を成膜する（図１１（i））。

次に、カラーフィルタ層１４０を形成する。カラーフィルタ層１４０は、赤、緑、青のそれぞれの色相が撮像素子１００の面内の所定の位置に形成される（図１１（ｊ））。このとき、カラーフィルタ層１４０を形成する際のアライメント指標として、図中ｚ方向（撮像素子１００の断面方向）の厚みＬ２が薄い層内レンズ９３０のアライメント指標を利用できる。このため、カラーフィルタ層１４０は層内レンズ９３０に対して精度良く形成することが可能となっている。

カラーフィルタ層１４０が形成されると、樹脂材料で平坦化層１０４が形成される（図１１（ｋ））。

平坦化層１０４が形成されると、光路長調整層１０５が所定の膜厚で形成される。光路長調整層１０５が形成されるとオンチップマイクロレンズ１５０が形成される。オンチップマイクロレンズ１５０は、公知のレジストリフロー法にて形成される。

本実施例では、カラーフィルタ層１４０までを形成する工程と光路長調整層１０５及びオンチップマイクロレンズ１５０を形成する工程とを別々で行うため、カラ−フィルタ層１４０を形成後保護層を兼ねた平坦化層１０４を形成した。しかしながら、カラーフィルタ層１４０までを形成する工程と光路長調整層１０５及びオンチップマイクロレンズ１５０を形成する工程を同一工程で行う場合は、光路長調整層１０５が平坦化層１０４を兼ねることになり、製造プロセスを短縮できる効果がある。

また本実施例では、光導波路９９０を形成する際最初に光導波路９９０の高さの高いものを作製し中央に位置する画素の光導波路の高さを削る例を示した。しかし、最初に光導波路３９０の高さの低いものを作製しその後周辺に位置する画素の光導波路の高さを積み増していくようにしても構わない。

図１２〜図１４は、本発明の第４の実施例に係る撮像素子１００の構成および製造方法を示す図である。なお、図１２乃至１４において、図１乃至１１に示されている部分と同じ部分は、同じ符号を付して示し、特に必要がない限り、その説明を省略する。本実施例の撮像素子は、ＣＭＯＳ型撮像素子であり、第３の実施例と同様に、オンチップマイクロレンズと光電変換部との間に、光制御部として層内レンズ及び光導波路とを形成するが、導波路の高差は一定とし、層内レンズの厚さを変化させることを特徴とする。また、層内レンズの開口面積は、一定である。

図１２（ａ）は、本実施例に係る撮像素子の画面中央部のオンチップマイクロレンズ１０５ａ付近の断面図、図１２（ｂ）は、本実施例に係る撮像素子の画面中央部のオンチップマイクロレンズ１０５ａ付近の正面図である。また、図１３（ａ）は、本実施例に係る撮像素子の画面周辺部のオンチップマイクロレンズ１０５ｂ付近の断面図、図１３（ｂ）は、本実施例に係る撮像素子の画面周辺部のオンチップマイクロレンズ１０５ｂ付近の正面図である。図１４は、本実施例に係る撮像素子の製造プロセスを説明するための図である。なお、図１２および１３でも、オンチップマイクロレンズ１５０ａおよび１５０ｂを例にしてオンチップマイクロレンズ１５０に対して光学的に中心に位置する画素を説明しているが、他のオンチップマイクロレンズについても同様である。

図１２（ａ）に示すように、本実施例の撮像素子１００はシリコン基板１０１に光電変換部(画素)１２０が形成され、光電変換部１２０上の配線層６１０に光制御部である層内レンズ１２３０及び光導波路１２９０とが形成されている。配線層９１０は、平坦化層１１４およびその中に設けられた電極６１１、６１２、６１３とから構成されている。

層内レンズ１２３０の光入射側（図中−ｚ方向）には、平坦化層１０２、保護層１０３、カラーフィルタ層１４０、平坦化層１０４が形成されている。

また、１５０は撮影レンズ１８０から入射する光を集光するオンチップマイクロレンズは、撮影レンズ１８０の瞳と光制御部である層内レンズ１２３０及び光導波路１２９０の光入射面とが共役関係になるように構成されている。そのため、オンチップマイクロレンズ１５０と層内レンズ１２３０との間には所定の膜厚の光路長調整層１０５が形成されている。ここで、図中ａ１は、オンチップマイクロレンズ１５０の光軸である。

図１２（ｂ）に示すように、本実施例の撮像素子１００は一つのオンチップマイクロレンズ１５０に対して５×５の光電変換部１２０を有する画素構成になっている。その結果、撮影レンズ１８０の瞳上の所定の位置を透過した光束の強度を、オンチップマイクロレンズと光電変換部の相対位置で決まる角度情報とともに得ることを可能としている。なお、同図において層内レンズ９３０の図示を省略してあり、また、オンチップマイクロレンズ１５０に対応する光電変換部１２０のサイズおよび配置形状は本実施例に限るものではなく、適宜選択できる設計的事項である。

本実施例に係る撮像素子１００において、層内レンズ１２３０の外形形状は光導波路１２９０の開口形状とほぼ同等の矩形形状になっている。

オンチップマイクロレンズ１５０に対応した５×５の画素構成のうち、オンチップマイクロレンズ１５０に対して光学的に中心に位置する画素は、次のような画素になる。即ち、図１２（ａ）に示すように、撮影レンズ１８０の射出瞳の中心１８２とオンチップマイクロレンズ１５０の曲率中心３６１とを結ぶ直線ｐ１上に光制御部である層内レンズ１２３０及び光導波路１２９０を有する画素となる。具体的には、オンチップマイクロレンズ１５０に対して光学的に中心に位置する画素は、撮影レンズ１８０の射出瞳の中心１８２とオンチップマイクロレンズ１５０の曲率中心３６１とを結ぶ直線ｐ１が層内レンズ１２３０aと点１２７１で交わる画素となる。本実施例の撮像素子では、上記光学的な中心位置にある画素を中心とする５×５の画素をオンチップマイクロレンズに対応する画素信号を読み出す画素として、後述する本実施例の特徴とする光制御部の構成を適用する。従って、オンチップマイクロレンズ１５０の光軸と光学的な中心位置の画素の中心が一致している場合は、図３（ｂ）に示すように、本実施例の特徴が適用される５×５の画素はオンチップマイクロレンズ１５０に対応する５×５の画素となる。しかし、オンチップマイクロレンズ１５０の光軸と光学的な中心となる画素の中心が一致していない場合は、図４（ｂ）に示すように、本実施例の特徴が適用される５×５の画素は、オンチップマイクロレンズ１５０に対応する５×５の画素とは一致しない。オンチップマイクロレンズ１５０に対応する画素信号は、光学的な中心位置の画素を中心とする５×５画素から読み出された光電変換信号である。

また、オンチップマイクロレンズ１５０に対応してカラーフィルタ３４１が形成されている。カラーフィルタ３４１は、オンチップマイクロレンズ１５０に対応した５×５の画素を波長分離するように構成されている。

図１２（ａ）に示すように、本実施例の撮像素子１００のカラーフィルタ層１４０は層内レンズ１２３０の位置に対して精度良く形成するために、層内レンズ１２３０から所定の厚さＬ２で形成される。このとき、オンチップマイクロレンズ４５１とカラーフィルタ層１４０との厚さをＬ１とすると、厚さＬ２は厚さＬ１に対して十分薄く（Ｌ１＞＞Ｌ２）なっている。

本実施例の撮像素子１００の光制御部である光導波路１２９０は図中光軸（ｚ軸）方向にテーパ上の形状を成すよう構成されており、このため光入射側（図中−ｚ方向）の開口部の面積が広くなっている。

本実施例の撮像素子１００において、オンチップマイクロレンズ１５０のパワーと光路長調整層１０５の厚さは、次のように設計されている。即ち、撮影レンズ１８０の瞳から入射する光が、オンチップマイクロレンズ１５０に対して光学的に中心に位置する画素の層内レンズ１２３０ａに収斂するように、オンチップマイクロレンズ１５０のパワーと光路長調整層１０５の厚さは決定されている。そして、オンチップマイクロレンズ１５０に対して光学的に中心に位置する画素を中心にして、その周辺に位置する画素の層内レンズ１２３０ｂ、１２３０ｃの高さが段階的に高くなるように構成されている。その結果、オンチップマイクロレンズ１５０に対して光学的に中心に位置する画素を中心にして、その周辺に位置する画素の層内レンズ４３０ｂ、４３０ｃの光入射面は、段階的にオンチップマイクロレンズ１５０に近くなっている。図中、点線１２８１はオンチップマイクロレンズ１５０に対応した５×５の画素の層内レンズ１２３０の光入射面の位置の変化を示す。
光導波路１２９０上に高さの異なる層内レンズ１２３０を製造する方法については後述する。

このように、オンチップマイクロレンズ１５０に対して光学的に中心に位置する画素を中心にしてその周辺に位置する画素の光制御部である層内レンズ１２３０を有する光導波路１２９０の高さを高くしている。これにより、オンチップマイクロレンズ１５０が集光する撮影レンズの瞳の周辺付近からくる光束の受光効率が低下するのを防止することが可能になる。

図１３（ａ）は、本実施例に係る撮像素子１００の画面周辺部のオンチップマイクロレンズ１０５ｂ付近の断面図である。なお、図１２（ａ）と同じ部分は、同じ符号を付して示す。図中ａ２は、オンチップマイクロレンズ１５０の光軸である。

図１３（ｂ）は、本実施例に係る撮像素子１００の画面周辺部のオンチップマイクロレンズ１０５ｂ付近の正面図で、図１２（ａ）と同様に、一つのオンチップマイクロレンズ４５４に対して図中実線で示した５×５の光電変換部１２０を有する画素構成を有する。
その結果、撮影レンズ１８０の瞳上の所定の位置を透過した光束の強度を角度情報とともに得ることを可能としている。なお、同図においても、層内レンズ９３０の図示を省略してある。

図１３（ｂ）の場合も、オンチップマイクロレンズ１５０に対応して位置する５×５の画素のうち、オンチップマイクロレンズ１５０に対して光学的に中心に位置する画素は、次のような画素である。即ち、図１３（ａ）に示すように、撮影レンズ１８０の射出瞳の中心１８２とオンチップマイクロレンズ１５０の曲率中心４６４とを結ぶ直線ｐ２上に光制御部である層内レンズ１２３０を有する画素となる。具体的には、オンチップマイクロレンズ１５０に対して光学的に中心に位置する画素は、撮影レンズ１８０の射出瞳の中心１８２とオンチップマイクロレンズ１５０の曲率中心４６４とを結ぶ直線ｐ２が層内レンズ１２３０ｅと点１３７４で交わる画素となる。この光学的中心位置の画素１２０ｅは、オンチップマイクロレンズ１５０ｂの光軸上に位置する画素１２０ｄとは異なり、従って、オンチップマイクロレンズ１５０ｂに対応して本発明の構成が適用される５×５の画素は、図１３（ｂ）に実線で示す５×５画素となる。

また、オンチップマイクロレンズ１５０に対応してカラーフィルタ１４４が形成されている。カラーフィルタ１４４は、オンチップマイクロレンズ１５０に対応した５×５の画素を波長分離するように構成されている。

本変形例に係る撮像素子１００において、オンチップマイクロレンズ１５０に対して光学的に中心に位置する画素の層内レンズ１２３０ｅの高さは、撮影レンズ１８０の瞳から入射する光が層内レンズ１２３０ｅの光入射面に収斂するように設計されている。そして、オンチップマイクロレンズ１５０に対して光学的に中心に位置する画素を中心にして、その周辺に位置する５×５の画素の層内レンズ１２３０ｄ、１２３０ｆの高さが段階的に高くなっている。図中、点線１３８４は、オンチップマイクロレンズ１５０に対応した光学的な中心位置の画素を中心とする５×５の画素の層内レンズ１２３０の光入射面の変化を示している。

以上のように、本実施例によれば、撮影レンズの射出瞳の中心とオンチップマイクロレンズの曲率中心とを結ぶ直線上に光制御部を有する画素を中心として光制御部である層内レンズの高さを段階的に変化させている。これにより、撮影レンズの瞳の周辺付近からくる光束も効率よく受光し、ライトフィールド情報を取得可能な撮像素子を有する撮像装置において、品位の高い画像を取得することが可能となる。

図１４は、本実施例に係る撮像素子１００としてのＣＭＯＳ型撮像素子の製造プロセスを説明するための図ある。同図では、撮像素子１００の画面中央部の３画素の断面構造を示しているが、他の部分についても同様である。なお、同図において、図１２に示されている部分に対応する部分は、同じ符号を付して示す。

まず、シリコン基板１０１にイオンを打ち込むことにより、光電変換部１２０a、１２０ｂ、１２０ｃを形成する。さらに、電極６１３、６１２、６１１を各電極層間に層間絶縁膜６１４を挟みながら形成する（図１４（a））。層間絶縁膜は、屈折率が約１．５のシリコン酸化膜である。

次に、光電変換部１２０上の層間絶縁膜６１４に、本実施例に係る光導波路を形成する溝を作製するために、光導波路の開口に対応してフォトレジスト１４４０をパターニングする（図１４（ｂ））。

さらに、このフォトレジスト１４４０をマスクとしてドライエッチング処理を行うことによって層間絶縁膜６１４に光導波路を形成するための溝を作製する（図１４（ｃ））。

次に、本実施例に係る光導波路を構成するシリコン窒化膜１１４２を高密度プラズマＣＶＤ法で成膜する（図１４（ｄ））。シリコン窒化膜１１４２の屈折率は、約１．９である。

さらに、層間絶縁膜６１４上に成膜された余分のシリコン窒化膜１１４２をＣＭＰ処理にて平坦化する（図１４（ｅ））。

次に、本実施例に係る光導波路１２９０の上に層内レンズ１２３０を形成するために、シリコン窒化膜１１４４を所定の厚みで成膜する（図１４（ｆ））。このとき成膜されたシリコン窒化膜１１４４の厚みは、本実施例に従い、最も厚みが厚い例えば層内レンズ１２３０ｃの厚みに設定される。

次にフォトレジスト１４４６を塗布し、露光、現像を行って、層内レンズの形状、位置に合致したパターンを形成する（図１４（ｇ））。このとき、各層内レンズに対応して透過率の異なるグレートーンマスクを用いて露光を行うことにより、厚みの異なる層内レンズ形状パターンを作製する。

次に、ドライエッチングを行って、フォトレジスト１４４６のレンズ形状をシリコン窒化膜１１４８に転写する（図１４（ｈ））。

以上の工程で、所定の厚みを有する層内レンズ１２３０ａ、１２３０ｂ、１２３０ｃが形成される。

厚みの異なる層内レンズ１２３０ａ、１２３０ｂ、１２３０ｃが形成されると、シリコン酸化膜１０２を成膜することにより素子の平坦化を行い（図１４（i））、さらにシリコン窒化膜の保護層１０３を成膜する（図１４（ｊ））。

次に、カラーフィルタ層１４０を形成する。カラーフィルタ層１４０は、赤、緑、青のそれぞれの色相のカラーフィルタ層が撮像素子１００の面内の所定の位置に形成される（図１４（ｋ））。このとき、カラーフィルタ層１４０を形成する際のアライメント指標として、図中ｚ方向（撮像素子４００の断面方向）の厚みＬ２が薄い層内レンズ１２３０のアライメント指標を利用できる。このため、カラーフィルタ層１４０は層内レンズ１２３０に対して精度良く形成することが可能となっている。

カラーフィルタ層１４０が形成されると、樹脂材料で平坦化層１０４が形成される（図１４（ｌ））。

平坦化層１０４が形成されると、光路長調整層１０５が所定の膜厚で形成される。光路長調整層１０５が形成されるとオンチップマイクロレンズ１５０が形成される。オンチップマイクロレンズ１５０は、公知のレジストリフロー法にて形成される。

本実施例では、カラーフィルタ層１４０までを形成する工程と光路長調整層１０５及びオンチップマイクロレンズ１５０を形成する工程とを別々で行うため、カラ−フィルタ層１４０を形成後保護層を兼ねた平坦化層１０４を形成した。しかしながら、カラーフィルタ層１４０までを形成する工程と光路長調整層１０５及びオンチップマイクロレンズ１５０を形成する工程を同一工程で行う場合は、光路長調整層１０５が平坦化層１０４を兼ねることになり、製造プロセスを短縮できる効果がある。

なお、本発明は、上記実施形態の製造方法を実現するソフトウェアのプログラム（図５、図８、図１１及び図１４に示す製造工程に対応したプログラム）を、製造システムまたは装置に直接、または遠隔から供給する場合も含む。そして、そのシステムまたは装置のコンピュータが前記供給されたプログラムコードを読み出して実行することによって達成される場合を含む。

したがって、本発明の機能処理をコンピュータで実現するために、前記コンピュータにインストールされるプログラムコード自体も本発明を実現するものである。つまり、本発明は、本発明の機能処理を実現するためのコンピュータプログラム自体も含まれる。その場合、プログラムの機能を有していれば、オブジェクトコード、インタプリタにより実行されるプログラム、ＯＳに供給するスクリプトデータ等の形態であってもよい。

プログラムを供給するための記憶媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスクなどがある。さらに、ＭＯ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭ、ＤＶＤ（ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−Ｒ）などもある。

その他、プログラムの供給方法としては、クライアントコンピュータのブラウザを用いてインターネットのホームページに接続する方法がある。そして、前記ホームページから本発明のコンピュータプログラムそのもの、もしくは圧縮され自動インストール機能を含むファイルをハードディスク等の記憶媒体にダウンロードすることによっても供給できる。

また、本発明のプログラムを構成するプログラムコードを複数のファイルに分割し、それぞれのファイルを異なるホームページからダウンロードすることによっても実現可能である。つまり、本発明の機能処理をコンピュータで実現するためのプログラムファイルを複数のユーザに対してダウンロードさせるＷＷＷサーバも、本発明に含まれるものである。

他の方法として、本発明のプログラムを暗号化してＣＤ−ＲＯＭ等の記憶媒体に格納してユーザに配布し、所定の条件をクリアしたユーザに対し、インターネットを介してホームページから暗号化を解く鍵情報をダウンロードさせる。そして、その鍵情報を使用することにより暗号化されたプログラムを実行してコンピュータにインストールさせて実現することも可能である。

また、コンピュータが、読み出したプログラムを実行することによって、前述した実施形態の機能が実現される。さらに、そのプログラムの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているＯＳなどが、実際の処理の一部または全部を行い、その処理によっても前述した実施形態の機能が実現され得る。

さらに、その他の方法として、まず記憶媒体から読み出されたプログラムが、コンピュータに挿入された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書き込まれる。そして、そのプログラムの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵなどが実際の処理の一部または全部を行い、その処理によっても前述した実施形態の機能が実現される。

なお、上述した実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

Claims (17)

1. 光学系からの光を受光する光電変換手段を含む画素の２次元配列を含む撮像素子であり、
   前記画素の２次元配列の前面に配設され、各オンチップマイクロレンズが、その光軸上に位置する画素を中心とする所定数の画素の配列に対応するように配列されたオンチップマイクロレンズの２次元配列と、
   各画素の光電変換手段の光入射面に設けられ、前記光学系からの光を前記光電変換手段に導光する光制御手段と、
   を備え、
   前記光学系の射出瞳の中心と前記オンチップマイクロレンズの曲率中心とを結ぶ直線上に位置する光学的中心となる画素を中心とする前記所定数の画素の配列に含まれる各光制御手段の前記オンチップマイクロレンズの光軸方向の高さが、前記所定数の画素の配列内の位置に応じた第１の所定の分布を持つことを特徴とする撮像素子。
2. 前記光制御手段は、前記光電変換手段の光入射面に設けられたレンズであり、前記光学的中心となる画素を中心とする前記所定数の画素の配列に含まれる各レンズの前記オンチップマイクロレンズの光軸方向の厚さが、前記第１の所定の分布を持つことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
3. 前記光学的中心となる画素を中心とする前記所定数の画素の配列に含まれる各レンズの開口径が、前記オンチップマイクロレンズの光軸上に位置する画素からの距離に応じた第２の所定の分布を持ち、各レンズの光軸が対応する画素の中心軸に対する偏心量が前記第２の所定の分布を持つように偏心していることを特徴とする請求項２に記載の撮像素子。
4. 前記光制御手段は光導波路であり、前記光導波路の光入射側の開口径は光出射側の開口径より大きく、前記光学的中心となる画素を中心とする前記所定数の画素の配列に含まれる前記光導波路の高さが、前記第１の所定の分布を持つことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
5. 前記光学的中心となる画素を中心とする前記所定数の画素の配列に含まれる前記光導波路の光入射側の開口径が、前記オンチップマイクロレンズの光軸上に位置する画素からの距離に応じた第２の所定の分布を持つことを特徴とする請求項４に記載の撮像素子。
6. 前記光導波路は、前記光入射側に設けられたレンズを含むことを特徴とする請求項４又は５に記載の撮像素子。
7. 前記光制御手段は、高さが一定の光導波路とその光入射側に設けられたレンズを含み、前記光導波路の光入射側の開口径は光出射側の開口径より大きく、前記光学的中心となる画素を中心とする前記所定の画素の配列に含まれる前記光導波路の前記光入射側に設けられたレンズの厚さが、前記第１の所定の分布を持つことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
8. 前記第１の所定の分布は、前記光学的中心となる画素を中心とする前記所定数の画素の配列に含まれる前記光制御手段の前記オンチップマイクロレンズの光軸方向の高さが、前記光学的中心となる画素から離れるに従って大きくなる分布であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の撮像素子。
9. 前記第２の所定の分布は、前記オンチップマイクロレンズの光軸上に位置する画素を中心とする前記所定数の画素の配列に含まれる前記光制御手段の光入射側の開口径または各レンズの光軸が対応する画素の中心軸に対する偏心量が、前記オンチップマイクロレンズの光軸上に位置する画素から離れるに従って大きくなる分布であることを特徴とする請求項３、５、６および８のいずれか一項に記載の撮像素子。
10. 前記光学的中心となる画素を中心とする前記所定数の画素の配列に対応して配置されたカラーフィルタの２次元配列をさらに備え、前記カラーフィルタの２次元配列は、前記オンチップマイクロレンズの２次元配列と前記光制御手段の２次元配列との間に配設され、前記カラーフィルタの２次元配列と前記光制御手段との距離は、前記カラーフィルタの２次元配列と前記オンチップマイクロレンズの２次元配列との距離より短いことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の撮像素子。
11. 被写体の光学像を形成する光学系と、
    前記光学系で形成された光学像を撮像する請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の撮像素子と、
    前記撮像素子を駆動して画素信号を読み出す駆動手段と、
    前記光学系と駆動手段を制御して撮影動作を行う制御手段と
    を備え、
    前記制御手段は前記駆動回路を制御して、前記光学的中心となる画素を中心とする前記所定数の画素の配列から読み出した画素信号を、前記光学的中心となる画素に対応するオンチップマイクロレンズにより形成された光学像の画像信号として出力することを特徴とする撮像装置。
12. 半導体基板に形成された、光学系からの光を受光する光電変換手段を含む画素の２次元配列と、前記画素の２次元配列の前面に配設され、各オンチップマイクロレンズが、その光軸上に位置する画素を中心とする所定数の画素の配列に対応するように配列されたオンチップマイクロレンズの２次元配列を有する撮像素子の製造方法において、
    前記画素の２次元配列の上に半導体膜を形成するステップと、
    前記半導体膜を用いて、各画素の光電変換手段の光入射面に設けられ、前記光学系からの光を前記光電変換手段に導光する光制御手段を形成するステップと
    を備え、
    前記光制御手段を形成するステップは、少なくとも、前記光学系の射出瞳の中心と前記オンチップマイクロレンズの曲率中心とを結ぶ直線上に位置する光学的中心となる画素を中心とする前記所定数の画素の配列に含まれる各光制御手段の前記オンチップマイクロレンズの光軸方向の高さが、前記所定数の画素の配列内の位置に応じた第１の所定の分布を持つようにするための前記半導体膜をパターニングするステップおよび前記パターニングに従って前記半導体膜をエッチングするステップを含むことを特徴とする撮像素子の製造方法。
13. 前記半導体膜をパターニングするステップは、透過率の異なるグレートーンマスクを用いて露光を行うステップを含むことを特徴とする請求項１２に記載の撮像素子の製造方法。
14. 前記半導体膜をパターニングするステップは、前記光学的中心となる画素を中心とする前記所定数の画素の配列に含まれる各光制御手段の光入射側の開口径が、前記オンチップマイクロレンズの光軸上に位置する画素からの距離に応じた第２の所定の分布を持つためのパターニングを含むことを特徴とする請求項１２又は１３に記載の撮像素子の製造方法。
15. 前記半導体膜をパターニングするステップは、前記光学的中心となる画素を中心とする前記所定数の画素の配列に含まれる各光制御手段の中心軸を、対応する画素の中心軸に対する偏心量が前記第２の所定の分布を持つように偏心させるためのパターニングを含むことを特徴とする請求項１４に記載の撮像素子の製造方法。
16. 前記光制御手段の上に、前記光学的中心となる画素を中心とする前記所定数の画素の配列に対応して配置されたカラーフィルタの２次元配列を形成するステップと、前記カラーフィルタの２次元配列の上に光路長調整層を形成するステップと、前記光路長調整層の上に前記オンチップマイクロレンズの２次元配列を形成するステップとをさらに備えことを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれか一項に記載の撮像素子の製造方法。
17. 前記光路長調整層を形成するステップは、前記カラーフィルタの２次元配列を形成するステップに含まれることを特徴とする請求項１６に記載の撮像素子の製造方法。

Images