JP2014182300A - 液晶光学素子、固体撮像装置、携帯情報端末、および表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被写体の奥行き方向の距離を得ることができる撮像モードと、高解像度の２次元画像の撮像モードとを切り替えることのできる機能を備えた液晶光学素子、固体撮像装置、携帯情報端末、および表示装置を提供する。
【解決手段】本実施形態による固体撮像装置は、第１面に第１凹部とその周りに設けられた凸部とを有する第１電極と、前記第１電極の前記第１面に対向する第２電極と、前記第１電極の前記第１凹部と前記第２電極との間に設けられた充填膜と、前記充填膜と前記第２電極との間に挟持される液晶層と、を備える液晶光学素子と、前記第２電極と対向し被写体を結像面に結像する結像レンズと、前記第１凹部と対向し複数の画素を含む画素ブロックを有する撮像素子と、を備えている。
【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、液晶光学素子、固体撮像装置、携帯情報端末、および表示装置に関する。

２次元アレイ情報として被写体奥行き方向の距離を得ることができる撮像技術は、参照光を使用する技術、複数カメラを使用したステレオ測距技術など様々な方法が知られている。特に近年は、民生用途での新た入力デバイスとして比較的廉価な、距離情報を得ることのできる撮像デバイスのニーズが高まっている。

そこで、多眼で多数視差を得ることができ、かつ解像度の低下を抑えるための構成として、結像レンズを持つ複眼構成の撮像装置が提案されている。この撮像装置は、例えば結像系レンズを有し、結像系レンズと撮像素子の中間に、再結像系光学系として複数光学系が配置される。例えば複数光学系としては、平面上に多数のマイクロレンズが形成されたマイクロレンズアレイなどが用いられる。各マイクロレンズの下部には複数の画素がその像を取得するため対応する位置に設けられている。結像レンズによって結像された像は、再結像マイクロレンズによって撮像素子へ再結像し、その再結像した個眼像は、それぞれマイクロレンズの配置位置によって存在する視差の分、視点がずれた画像となる。

多数のマイクロレンズから得られた視差画像群を画像処理することで、三角測量の原理にて被写体の距離推定が可能であり、またつなぎ合わせの画像処理を行うことによって、２次元画像として再構成することも可能である。

しかし、上記複眼構成の撮像装置においては、画像処理する際に、画素数が落ちてしまう。このため、被写体の奥行き方向の距離を得ることができる撮像モードと、高解像度の２次元画像の撮像モードとを切り替えることのできる機能が要求されている。

切り替え機能を有する液晶光学素子として、型枠式若しくはＧＲＩＮ（Gradient Index lens）方式が知られている。型枠方式は凹レンズ形状の電極を形成し、その凹みに配向膜を形成し、液晶を注入することにより液晶光学素子を形成する。この場合、配向膜の均一に形成し、液晶の屈折率を均等にすることが極めて困難であるなどの問題がある。一方、ＧＲＩＮ方式においては、半円柱（レンチキュラ）レンズの形成は容易であるが、二次元レンズアレイの形成が極めて困難である。

特開２０１０−４４２６０号公報

K. Fife, A. E. Gamal, and H. Wong, "A 3D multi-aperture image sensor architecture," Custom Integrated Circuits Conference, pp. 281-284, Sep.2006.

本実施形態は、被写体の奥行き方向の距離を得ることができる撮像モードと、高解像度の２次元画像の撮像モードとを切り替えることのできる機能を備えた液晶光学素子、固体撮像装置、携帯情報端末、および表示装置を提供する。

本実施形態による固体撮像装置は、第１面に第１凹部とその周りに設けられた凸部とを有する第１電極と、前記第１電極の前記第１面に対向する第２電極と、前記第１電極の前記第１凹部と前記第２電極との間に設けられた充填膜と、前記充填膜と前記第２電極との間に挟持される液晶層と、を備える液晶光学素子と、前記第２電極と対向し被写体を結像面に結像する結像レンズと、前記第１凹部と対向し複数の画素を含む画素ブロックを有する撮像素子と、を備えている。

第１実施形態による固体撮像装置を示す図。 第１実施形態による固体撮像装置を示す断面図。 図３（ａ）、３（ｂ）は、第１実施形態に係る液晶光学素子の一具体例を説明する図。 図４（ａ）、４（ｂ）は、電圧が印加されないときの液晶光学素子の液晶層が水平配向している状態および屈折率分布を示す図。 電圧印加時における液晶内の電気力線の分布を示す図。 液晶光学素子において、平行配向状態の液晶に電圧を印加したときの液晶分子の状態を示す図。 図７（ａ）、７（ｂ）は、電圧が印加されないときの液晶光学素子の液晶層が垂直配向している状態および屈折率分布を示す図。 液晶光学素子において、垂直配向状態の液晶に電圧を印加したときの液晶分子の状態を示す図。 図９（ａ）、９（ｂ）は、液晶光学素子において、垂直配向状態の液晶に電圧を印加したときの液晶分子の状態および屈折率分布を示す図。 図１０（ａ）乃至１０（ｃ）は、実施例１による液晶光学素子の製造工程を説明する図。 図１１（ａ）乃至１１（ｃ）は、実施例１による液晶光学素子の製造に用いられるマスタの一例の形状を説明する図。 図１２（ａ）乃至１２（ｃ）は、実施例１による液晶光学素子の製造工程を説明する図。 図１３（ａ）乃至１３（ｃ）は、実施例１による液晶光学素子の製造工程を説明する図。 図１４（ａ）乃至１４（ｃ）は、実施例１による液晶光学素子の製造工程を説明する図。 図１５（ａ）乃至１５（ｃ）は、実施例１による液晶光学素子の製造工程を説明する図。 図１６（ａ）乃至１６（ｃ）は、実施例１による液晶光学素子の製造工程を説明する図。 図１７（ａ）乃至１７（ｃ）は、実施例１による液晶光学素子の製造工程を説明する図。 図１８（ａ）乃至１８（ｃ）は、実施例１による液晶光学素子の製造工程を説明する図。 図１９（ａ）乃至１９（ｃ）は、実施例２による液晶光学素子の製造工程を説明する図。 図２０（ａ）乃至２０（ｃ）は、実施例３による液晶光学素子の製造に用いられるマスタの一例の形状を説明する図。 図２１（ａ）乃至２１（ｃ）は、実施例３による液晶光学素子の製造に用いられるマスタの他の例の形状を説明する図。 図２２（ａ）乃至２２（ｃ）は、実施例３による液晶光学素子の製造工程を説明する図。 図２３（ａ）乃至２３（ｃ）は、実施例４による液晶光学素子の製造に用いられるマスタの一例の形状を説明する図。 実施例４による液晶光学素子を示す斜視図。 第２実施形態による携帯情報端末を示す斜視図。 第３実施形態による表示装置を示すブロック図。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。

（第１実施形態）
図１に、第１実施形態による固体撮像装置（カメラモジュール）１を示す。第１実施形態の固体撮像装置１は、撮像モジュール部１０と、撮像信号プロセッサ（以下、ＩＳＰ(Image Signal Processor)ともいう）２０と、を有する。

撮像モジュール部１０は、結像光学系１２と、液晶光学素子１４と、撮像素子１６と、撮像回路１８とを有する。結像光学系１２は、被写体からの光を撮像素子１６へ取り込む撮像光学系として機能する。撮像素子１６は結像光学系１２と対向し、結像光学系１２により取り込まれた光を信号電荷に変換する素子として機能し、複数の画素（光電変換素子としての例えばフォトダイオード）が２次元アレイ状に配列されている。複数の画素は１つの画素ブロックを形成する。すなわち、撮像素子１６は複数の画素ブロックを有し、１つの画素ブロックは複数の画素を有する。液晶光学素子１４は、結像光学系１２と撮像素子１６との間に設けられ、後述するように、例えば、対向する２つ電極間に液晶層が挟持された構造を有している。上記２つの電極に電圧を印加することにより、液晶層の屈折率が変化し、液晶光学素子１４は、複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイとなる。また、上記２つの透明電極に電圧を印加しなし場合には、液晶層の屈折率は変化せず、液晶光学素子１４に入射した光は液晶光学素子を透過する。液晶光学素子１４は、すなわち、電圧印加の有無によりレンズ状態と非レンズ状態とを切り替えることができる。これにより、固体撮像装置は、被写体奥行き方向距離を得ることができる撮像モードと、高解像な２次元画像の撮像モードとを切り替えることができる。

液晶光学素子１４がマイクロレンズアレイとなる場合には、撮像素子１６と対向する面に凸状を有し、結像光学系１２と対向する面は平面である。液晶光学素子１４の複数のマイクロレンズのそれぞれは、半導体基板１６ａ上に設けられた複数の画素ブロックそれぞれに対応する。液晶光学素子１４のマイクロレンズの一つは、結像光学系１２を透過した光を、このマイクロレンズに対応する画素ブロックに縮小結像する光学系として機能する。

結像光学系１２によって結像面に結像する光線群は、液晶光学素子のマイクロレンズと対応する画素ブロックに縮小再結像される。撮像回路１８は、撮像素子１６の各画素を駆動する駆動回路部（図示せず）と、画素から出力される信号を処理する画素信号処理回路部（図示せず）とを有している。あるいは、駆動回路部と、画素信号処理回路部を合わせた機能を有する駆動処理回路とを有していてもよい。以降の実施形態においては、撮像回路１８は駆動処理回路を有することとする。上記駆動回路部は、例えば水平ライン（行）に並んだ画素単位を垂直方向に順次選択する垂直選択回路と、画素を列単位で順次選択する水平選択回路と、垂直選択回路および水平選択回路を各種パルスにて駆動するＴＧ（タイミングジェネレータ）回路、などを有する。上記画素信号処理回路部は、画素領域からのアナログ電気信号をデジタル変換するＡＤ変換回路と、ゲイン調整やアンプ動作を行うゲイン調整／アンプ回路と、デジタル信号の補正処理などを行うデジタル信号処理回路などを有している。

ＩＳＰ２０は、カメラモジュールＩ／Ｆ（インターフェース）２２と、画像取り込み部２４と、信号処理部２６と、ドライバＩ／Ｆ２８とを備えている。撮像モジュール部１０による撮像により得られたＲＡＷ画像、すなわち画像信号処理回路部により得られたＲＡＷ画像は、カメラモジュールＩ／Ｆ２２から画像取り込み部２４へ取り込まれる。信号処理部２６は、画像取り込み部２４に取り込まれたＲＡＷ画像について、信号処理を実施する。ドライバＩ／Ｆ（インターフェース）２８は、信号処理部２６での信号処理を経た画像信号を、図示しない表示ドライバへ出力する。表示ドライバは、固体撮像装置によって撮像された画像を表示する。

図２に第１実施形態による固体撮像装置１の断面を示す。図２に示すように、第１実施形態の固体撮像装置１においては、撮像素子１６は、半導体基板１６ａと、この半導体基板１６ａ上に形成されフォトダイオードを有する複数の画素１６ｂと、これらの画素１６ｂを駆動してこれらの画素１６ｂからの信号を読み出す駆動／読み出し回路（図示せず）を有している。撮像素子１６は、画素１６ｂの上部に設けられたカラーフィルタ１６ｃをさらに有していても良い。カラーフィルタ１６ｃは、例えば、１画素１６ｂずつに対応して設けられたＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のフィルタを有していてもよい。Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のフィルタは、例えばベイヤー配列などの配列方法にて形成されていても良い。撮素子１６ｃは、このカラーフィルタ１６ｃの上部に設けられ１画素１６ｂごとに対応する画素集光用のマイクロレンズ１６ｄを有していてもよい。カラーフィルタ１６ｃの上方に、液晶光学素子１４が形成されている。液晶光学素子１４は、液晶光学素子ホルダ４０に取り付けられる。

液晶光学素子ホルダ４０は、例えば、画素１６ｂが形成された撮像領域の周囲に設けられた樹脂材料のスペーサ４２によって半導体基板１６ａと接合される。なお、半導体基板１６ａと液晶光学素子ホルダ４０とを接合する際の位置合わせは、合わせマーク等を基準にして行う。

また、半導体基板１６ａには、画素１６ｂの読出し用電極パッド４４ａおよび液晶光学素子１４の駆動用電極パッド４４ｂと、これらの電極パッド４４ａ、４４ｂのそれぞれの下部に設けられ半導体基板１６ｃを貫通する貫通電極４６とを有する。

そして半導体基板１６ａは、貫通電極４６とチップ５０との間に設けられたバンプ４８を介してチップ５０と電気的に接続される。このチップ５０には、撮像装置を駆動し読み出された信号を処理するとともに液晶光学素子１４を駆動する駆動処理回路（撮像回路１８）が形成されている。

また、液晶光学素子１４の上方には結像レンズ１２が設けられ、この結像レンズ１２はレンズ鏡筒６２に取り付けられ、このレンズ鏡筒６２はレンズホルダ６４に取り付けられる。レンズホルダ６４は液晶光学素子ホルダ４０上に接合される。この結像レンズ１２の取り付け時に、固体撮像装置１からの出力像を観察しながらレンズホルダ６４の液晶光学素子ホルダ４０に対する押し付け圧を調整することにより、レンズ１２の位置の調整をしても良い。なお、半導体基板１６ａ、液晶光学素子ホルダ４０、およびチップ５０の周囲には、不要な光を遮断するための光遮蔽カバー５２が取り付けられていても良い。そして、光遮蔽カバー５２にチップ５０と外部とを電気的に接続するモジュール電極５４が設けられていても良い。なお、上記構成はこの限りではなく、例えば電極パッド４４ａ、４４ｂはワイヤーボンディング等にて外部チップと電気的接続されていても良い。

次に、上記液晶光学素子１４について説明する。

一般に、基板の主面上に形成された液晶層は、液晶層を構成する液晶分子の長軸が基板の主面の法線に対して傾けば傾くほど高い屈折率となる性質を有している。なお、液晶分子は長軸と短軸を有する。上記光学素子１４は液晶のこの性質を利用している。液晶光学素子１４の原理を図３（ａ）、３（ｂ）を参照して説明する。図３（ａ）は液晶光学素子１４の一具体例を示す断面図であり、図３（ｂ）は液晶光学素子１４の屈折率分布を示す図である。

この一具体例の液晶光学素子１４は、第１電極１４ａと、充填膜１４ｂと、液晶層１４ｃと、第２電極１４ｄとを備えている。第１電極１４ａは、規則的に配置された複数の凹部１４ａ_１とそれら間に設けられた凸部１４ａ_２とを一主面に有する。凹部１４ａ_１は、例えば正方配列または六方配列されている。例えば、凹部１４ａ_１の断面形状は、半球状を有している。これらの凹部１４ａ_１に充填膜１４ｂが埋め込まれ、表面が平坦化されている。すなわち、充填膜１４ｂの液晶層１４ｃと対向する面は平面である。充填膜１４ｂの平面に対向して第２電極１４ｄが設けられている。そして、充填膜１４ｂと、第２電極１４ｄとの間に液晶層１４ｃが挟持される。充填膜１４ｂの液晶層１４ｃと対向する面と、第２電極１４ｄの第１電極１４ａと対向する面には、図４（ａ）、４（ｂ）に示すように、液晶層１４ｃを配向するための配向膜１４ｅ、１４ｆがそれぞれ設けられる。第１電極１４ａと、充填膜１４ｂと、第２電極１４ｄ、および配向膜１４ｅ、１４ｆは光透過性であり、例えば可視光の少なくとも一部を透過する。

配向膜１４ｅ、１４ｆは、第１電極１４ａ、１４ｄ間に電圧を印加しないときに、液晶分子１４ｃ１が第２電極１４ｄの法線に対してほぼ直交するように配向される（図４（ａ））。このときの、液晶層１４ｃの屈折率分布を図４（ｂ）に示す。

このように構成された液晶光学素子１４においては、第１電極１４ａの凸部１４ａ_２において、第２電極１４ｄとの間の距離は一番短い。第１電極１４ａは、凹部１４ａ_１の端部から中央部に行くにつれて第２電極１４ｄとの距離が増加し、凹部１４ｂ_１の中央部で最大となる。このため、図５に示すように、第１電極１４ａと第２電極１４ｄとの間に電圧を印加、例えば第２電極１４ｄをＧＮＤに接続し、第１電極１４ａに正の電圧を印加すると、第１電極１４ａの凸部１４ａ_２と第２電極１４ｄとの間の電界は強くなる。第１電極１４ａの凹部１４ａ_１の端部から中央部に行くにつれて電界の強さは弱くなり、中央部で最も弱くなる。すなわち、図６に示すように、第１電極１４ａの凸部１４ａ_２と第２電極１４ｄとの間の液晶分子１４ｃ１は第２電極１４ｄにほぼ垂直になり、第１電極１４ａの凹部１４ａ_１の中央部と第２電極１４ｄとの間の液晶分子１４ｃ１は、第２電極１４ｄにほぼ平行になる。したがって、図３（ｂ）に示すように、第１電極１４ａの凸部１４ａ_２と第２電極１４ｄとの間の液晶層１４ｃの平均屈折率は低く、第１電極１４ａの凹部１４ａ_１の中央部と第２電極１４ｄとの間の液晶層１４ｃの平均屈折率は高くなる。

このように、液晶光学素子１４の第１電極１４ａ、第２電極１４ｄ間に電圧を印加した場合には、液晶層１４ｃの屈折率分布が変化する。第１電極１４ａの凹部１４ａ_１の形状をレンズ形状に形成すれば、液晶光学素子１４に電圧を印加すると、屈折率分布を有すレンズとなる。一方、液晶光学素子１４の第１電極１４ａ、第２電極１４ｄ間に電圧を印加しない場合には、液晶分子１４ｃ１は第２電極１４ｄにほぼ平行となり、屈折率分布を生じない。このため、液晶光学素子１４はレンズ機能を有せず、液晶光学素子１４に入射した光は、直進して通過する。

上記説明では、配向膜１４ｅ、１４ｆは、第１電極１４ａ、第２電極１４ｄ間に電圧を印加しないときに、液晶分子１４ｃ１の長軸が第２電極１４ｄの法線に対してほぼ直交するように配向されていた。しかし、図７（ａ）に示すように、配向膜１４ｅ、１４ｆは、第１電極１４ａ、第２電極１４ｄ間に電圧を印加しないときに、液晶分子１４ｃ１が第２電極１４ｄの法線に対してほぼ平行となるように配向してもよい。このときの液晶層１４ｃの屈折率分布を図７（ｂ）に示す。すなわち、液晶層１４ｃの屈折率は低い状態となる。そして、第１電極１４ａと第２電極１４ｄとの間に電圧を印加すると、図８に示すように、第１電極１４ａの凸部１４ａ_２と第２電極１４ｄとの間に電界は強く、第１電極１４ａの凹部１４ａ_１の端部から中央部に行くにつれて電界の強さは弱くなり、中央部で最も弱くなる。すなわち、図８、９（ａ）に示すように、第１電極１４ａの凸部１４ａ_２と第２電極１４ｄとの間の液晶分子１４ｃ１は第２電極１４ｄにほぼ垂直になり、第１電極１４ａの凹部１４ａ_１の中央部と第２電極１４ｄとの間の液晶分子１４ｃ１は、第２電極１４ｄにほぼ平行になる。したがって、図９（ｂ）に示すように、第１電極１４ａの凸部１４ａ_２と第２電極１４ｄとの間の液晶層１４ｃの平均屈折率は低く、第１電極１４ａの凹部１４ａ_１の中央部と第２電極１４ｄとの間の液晶層１４ｃの平均屈折率は高くなる。

なお、図３（ａ）、３（ｂ）に示す一具体例では、第１電極１４ａ、第２電極１４ｄはそれぞれ、透明電極であった。後述するように、第１電極１４ａは、表面に正方配列または六方配列された凹部を有する透明な第１基板上に設けられた透明電極膜であってもよい。同様に、第２電極１４ｄは、表面が平坦な透明な第２基板上に設けられた透明電極膜であってもよい。

本実施形態の液晶光学素子においては、電圧が印加されない状態では入射光が直進され、電圧が印加された状態では、液晶に屈折率分布が生じ、レンズ機能を有することになる。そして、本実施形態においては、第１電極１４ａの表面が充填膜１４ｂによって平坦化されることにより、均一な配向膜を形成することが可能となり、微細なマイクロレンズをより精度よく形成することができる。

なお、第１電極１４ａを介して液晶層１４ｃと対向するように第１偏光板が設けられていても良い。また、第２電極１４ｄを介して液晶層１４ｃと対向するように第２偏光板が設けられていても良い。

以下に、液晶光学素子１４の具体例を実施例として説明する。

（実施例１）
次に、実施例１による液晶光学素子１４について図１０（ａ）乃至図１８（ｃ）を参照して説明する。図１０（ａ）乃至図１８（ｃ）は実施例１の液晶光学素子１４の製造工程を示す図である。例えば、図２に示す撮像素子１６が形成されたウェハ１００上に、厚さが３０μｍ〜１００μｍの結像位置調整膜１０２を形成する。続いて、結像位置調整膜１０２上に光学素子１４の第１電極１４ａの下地となる下地膜１０４を形成する。下地膜１０４が形成された状態の斜視図、上面図、および断面図をそれぞれ、図１０（ａ）、１０（ｂ）、１０（ｃ）に示す。

結像位置調整膜１０２は、液晶光学素子１４がレンズとして機能しているときの焦点位置が撮像素子１６の画素１６ｂの上面となるように調整する。結像位置調整膜１０２としては、厚い膜であるため、樹脂を用いることが好ましいが、酸化シリコンを用いてもよい。

また、下地膜１０４もまた厚い膜であるため、樹脂を用いることが好ましいが、酸化シリコンを用いてもよい。結像位置調整膜１０２と同じ材料を用いてもよいし、異なる材料を用いてもよい。

次に、図１１（ａ）乃至１１（ｃ）に示すレンズアレイ形状のマスタ（型）１２０を用意する。図１１（ａ）はマスタ１２０の下面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）に示す切断線Ｂ−Ｂで切断した断面図、図１１（ｃ）は図１１（ａ）に示す切断線Ｃ−Ｃで切断した断面図である。このマスタ１２０は、例えば、石英から形成され、例えば正方配列された凸部１２０_１と、凹部１２０_２とを有するパターンを備えている。凸部１２０_１が各レンズの凸部に対応する。

続いて、インプリント法により、マスタ１２０を図１０（ａ）乃至１０（ｃ）に示す下地膜１０４に押しつけ、マスタ１２０のパターンを下地膜１０４に転写する。マスタ１２０を下地膜１０４に押しつけたときの状態の斜視図、上面図、および断面図をそれぞれ、図１２（ａ）、１２（ｂ）、１２（ｃ）に示す。

次、下地膜１０４が樹脂で形成されている場合には、熱を加えるかまたは紫外線を照射することにより、樹脂を硬化させる。その後、マスタ１２０を下地膜１０４から剥離する。このマスタ１２０が剥離された状態の斜視図、上面図、および断面図をそれぞれ、図１３（ａ）、１３（ｂ）、１３（ｃ）に示す。下地膜１０４は、その表面にレンズ形状のパターンが転写される。この下地膜１０４には、正方配列された凹部１０４ａ_１と、各凹部１０４ａ_１の角部に設けられた平坦な凸部１０４ａ_２とを備えている。すなわち、平面形状が四角形で、かつ凹部１０４ａ_１の断面形状が半球状の凸状のパターンが下地膜１０４に転写される。このパターンが形成された下地膜１０４は上述した第１基板に対応する。この下地膜１０４に形成されたパターンは、凹部１０４ａ_１の一部が重なり、重なっている凹部１０４ａ_１の境界部分が平坦な凸部１０４ａ_２の上面に対して窪んだ形状となっている。

次に、図１４（ａ）乃至１４（ｃ）に示すように、下地膜１０４上に第１電極となる透明電極膜１０６を形成する。図１４（ａ）乃至１４（ｃ）はそれぞれ、透明電極膜１０６が形成された状態の斜視図、上面図、および断面図である。この透明電極膜１０６としては、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide)が用いられる。また、透明電極膜１０６として、グラフェンを用いてもよい。下地膜１０４に形成されたパターンが単純なため、透明電極膜１０６の形成には、スパッタ法を用いることができる。透明電極膜１０６および下地層１０４が図３に示す第１電極１４ａに対応する。下地層１０４の凹部１０４ａ_１上の透明電極膜１０６が第１電極１４ａの凹部１４ａ_１に対応し、下地層１０４の凸部１０４ａ_２上の透明電極膜１０６が第１電極１４ａの凸部１４ａ_２に対応する。したがって、透明電極膜１０６は、規則的に配列された凹部１０６ａ_１と、各凹部１０６ａ_１の角部に設けられた凸部１０６ａ_２とを有する。

次に、図１５（ａ）乃至１５（ｃ）に示すように、透明電極１０６の凹部１０６ａ_１を埋め込むように埋込膜１０８（充填膜１４ｂ）を埋込み、表面を平坦化する。図１５（ａ）乃至１５（ｃ）はそれぞれ、平坦化された状態の斜視図、上面図、および断面図を示す。この埋込膜１０８としは、例えば、透明な樹脂または酸化シリコンが用いられる。なお、埋込膜１０８を樹脂で形成した場合は、熱を加えるかまたは紫外線を照射することにより、樹脂を硬化させる。

続いて、図１６（ａ）乃至１６（ｃ）に示すように、埋込膜１０８上に配向膜１１０を形成する。図１６（ａ）乃至１６（ｃ）はそれぞれ、配向膜１１０が形成された状態の斜視図、上面図、および断面図を示す。配向膜１１０としては、例えば、ポリイミドが用いられる。

次に、例えば、石英からなる透明基板１１２を用意し、この透明基板１１２上に例えばＩＴＯからなる透明電極膜１１４を形成し、この透明電極膜１１４上に例えば、ポリイミドからなる配向膜１１６を形成する。透明基板１１２の、透明電極膜１１４が形成された面の外周にシール剤（接着剤）を塗布し、その後、この配向膜１１６が配向膜１１０に対向するように、透明基板１００と透明基板１１２とを上記シール剤によって接合する。このとき、透明基板１１２の外周に塗布されたシール剤には液晶層１１８の材料を挿入するための開口が設けられている。透明基板１００と透明基板１１２とを接合した後、上記開口から液晶層１１８の材料を注入する。続いて、上記開口をシール剤で封止する。これにより、図１７（ａ）乃至１７（ｃ）に示すように、配向膜１１０と配向膜１１６との間に液晶層１１８が挟持された液晶光学素子が形成される。図１７（ａ）乃至１７（ｃ）はそれぞれ、液晶層１１８が注入されて、封止された後の斜視図、上面図、および断面図を示す。

次に、図１８（ａ）乃至１８（ｃ）に示すように、透明基板１１２上に偏光板１１９を形成し、液晶光学素子１４を形成する。図１８（ａ）乃至１８（ｃ）はそれぞれ、液晶光学素子１４は形成された後の斜視図、上面図、および断面図を示す。

なお、本実施形態においては透明電極膜１１４の液晶層１１８と対向する面を平面としたが、透明電極膜１１４の液晶層１１８と対向する一主面は凹部を形成しても良い。この凹部は、下地膜１０４の凹部１０４ａ_１と対向するように設けられていても良い。この場合、透明基板１１２が凹部を有し、この凹部に沿うように透明電極膜１１４の凹部が設けられていても良い。透明基板１１２及び透明電極膜１１４の凹部は、半球状とすることができる。

（実施例２）
次に、実施例２による液晶光学素子１４について図１９（ａ）乃至１９（ｃ）を参照して説明する。図１９（ａ）乃至１９（ｃ）はそれぞれ、実施例２による液晶光学素子１４の斜視図、上面図、断面図である。

この実施例２の液晶光学素子１４は、図１８（ａ）乃至１８（ｃ）に示す液晶光学素子１４において、埋込膜１０８を設けないで、透明電極膜１０６上に配向膜１１０を形成し、配向膜１１０と配向膜１１６との間に液晶層を挟持した構成となっている。

この実施例２の液晶光学素子１４は、低い屈折率状態で凹レンズ形状の下地膜１０４と近い屈折率になる液晶層１１８を充填すれば、低屈折率状態では透明材として機能し、高屈折率状態ではレンズとして機能させることができる。

（実施例３）
実施例３による液晶光学素子１４について図２０（ａ）乃至図２２（ｃ）を参照して説明する。図２０（ａ）乃至図２２（ｃ）は、実施例３の液晶光学素子１４の製造工程を示す図である。この実施例３の液晶光学素子は、図１２（ａ）乃至１２（ｃ）に示す実施例１の液晶光学素子の製造工程とまでは、同じ工程を用いて形成する。なお、この実施例３の液晶光学素子１４の製造に用いられるレンズアレイ形状のマスタ（型）１２０Ａは、図２０（ａ）乃至図２０（ｃ）に示す形状を有している。図２０（ａ）はマスタ１２０Ａの下面図、図２０（ｂ）は図２０（ａ）に示す切断線Ｂ−Ｂで切断した断面図、図２０（ｃ）は図２０（ａ）に示す切断線Ｃ−Ｃで切断した断面図である。このマスタ１２０Ａは、例えば、石英から形成され、六方配列された凸部１２０_１と、凹部１２０_２とを有するパターンを備えている。凸部１２０_１が各レンズの凸部に対応する。

また、この実施例３の液晶光学素子１４の製造には、図２１（ａ）乃至図２１（ｃ）に示す形状を有するレンズアレイ形状のマスタ（型）１２０Ｂを用いてもよい。図２１（ａ）はマスタ１２０Ｂの下面図、図２１（ｂ）は図２１（ａ）に示す切断線Ｂ−Ｂで切断した断面図、図２１（ｃ）は図２１（ａ）に示す切断線Ｃ−Ｃで切断した断面図である。このマスタ１２０Ｂは、例えば、石英から形成され、凸部１２０_１と、凹部１２０_２とを有するパターンを備えている。凸部１２０_１が各レンズの凸部に対応する。

上記マスク１２０Ａを用いて、インプリント法により、下地膜１０４に押しつけ、マスタ１２０Ａのパターンを下地膜１０４に転写する。その後、必要ならば、下地膜１０４を硬化させる。続いて、上記マスタ１２０Ａを下地膜１０４から剥離する。このマスタ１２０１２０Ａが剥離された状態の斜視図、上面図、および断面図をそれぞれ、図２２（ａ）、２２（ｂ）、２２（ｃ）に示す。

下地膜１０４は、その表面にレンズ形状のパターンが転写される。この下地膜１０４には、規則的に配列された凹部１０４ａ_１と、各凹部１０４ａ_１の角部に設けられた凸部１０４ａ_２とを備えている。すなわち、六方配列された凹部ａ_１の断面形状が半球状であるパターンが下地膜１０４に形成される。このパターンが形成された下地膜１０４は上述した第１基板に対応する。この下地膜１０４に形成されたパターンは、凹部１０４ａ_１同士は分離される。なお、実施例３における凸部１０４ａ_２は、実施例１の凸部１０４ａ_２に比べて、面積が広くなっている。

その後は、実施例１の図１４（ａ）乃至図１８（ｃ）で説明した工程と同様に行い、実施例３の液晶光学素子１４を作成する。

すなわち、この実施例３の液晶光学素子１４は、実施例１の液晶光学素子１４とは、下地膜１０４に形成されたパターン形状、すなわちレンズ形状が異なる。

（実施例４）
実施例４による液晶光学素子１４について図２３（ａ）乃至図２４を参照して説明する。この実施例４の液晶光学素子１４は、図２３（ａ）乃至図２３（ｃ）に示す形状を有するレンズアレイ形状のマスタ（型）１２０Ｃを用いて形成する。図２３（ａ）はマスタ１２０Ｃの下面図、図２３（ｂ）は図２３（ａ）に示す切断線Ｂ−Ｂで切断した断面図、図２３（ｃ）は図２３（ａ）に示す切断線Ｃ−Ｃで切断した断面図である。このマスタ１２０Ｃは、例えば、石英から形成され、正方配列された凸部１２０_１と、凹部１２０_２とを有するパターンを備えている。この実施例４の凸部１２０_１は、四角錐を逆さにした逆四角錐形状を有している。すなわち、第１電極１４ａの主面に平行な面において、凸部１２０_１の断面は四角形である。埋込膜１０８側に近付くにつれて、凸部１２０_１の断面積は小さくなる。このマスタ１２０Ｃを用いる以外は、実施例１で説明したと同様の工程によって形成された実施例４の液晶光学素子１４の斜視図を図２４に示す。なお、マスタの凸部は逆四角錐形状の代わりに、円錐を逆にした逆円錐形状であってもよい。この場合、凸部１２０_１の配置は正方配列または六方配列のいずれか一方の配列となる。また、六角錐を逆にした逆六角錐形状などの角錐形状であってもよい。この場合、凸部１２０_１の配置は六方配列となる。

上記実施例１乃至実施例４においては、液晶光学素子１４は、撮像素子１６が形成されたウェハ１００上に直接形成される。このため、各実施例においては、図２に示す液晶光学素子１４と、液晶光学素子ホルダ４０は同じ構成を有し、液晶光学素子ホルダ４０の透明電極１４ｂに対応する部分（図示せず）は凹部を有さず、平坦となる。

しかし、撮像素子１６が形成されたウェハ１００とは異なる基板上に、液晶光学素子１４を上述したと同じ製造工程を用いて形成し、その後、撮像素子１６が形成されたウェハ１００と接合するようにしてもよい。この場合は、図２に示すように、液晶光学素子１４は、液晶光学素子ホルダ４０によって保持される。

以上説明したように、被写体の奥行き方向の距離を得ることができる撮像モードと、高解像度の２次元画像の撮像モードとを切り替えることのできる機能を備えた液晶光学素子、および固体撮像装置を提供することができる。なお、第１実施形態の固体撮像装置の撮像素子１６は、スチルカメラにも用いることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態による携帯情報端末を図２５に示す。この第２実施形態の携帯情報端末２００は、第１実施形態の固体撮像装置１を備えている。図２５では、固体撮像装置１の撮像モジュール部１０が示されている。なお、図２５に示す携帯情報端末は一例である。

第２実施形態によれば、被写体の奥行き方向の距離を得ることができる撮像モードと、高解像度の２次元画像の撮像モードとを切り替えることのできる機能を備えた携帯情報端末を提供することができる。

なお、この実施形態の携帯情報端末に用いられる液晶光学素子は、第１実施形態および実施例１乃至実施例４のいずれかを用いることができる。

（第３実施形態）
第３実施形態による表示装置について図２６を参照して説明する。図２６は第３実施形態の表示装置を示すブロック図である。この第３実施形態の表示装置３００は、２次元画像と３次元画像とを切り替えて表示することが可能な表示装置であって、表示パネル３１０と、駆動回路３２０と、液晶光学素子３３０とを備えている。

表示パネル３１０は、画素がマトリクス状に配置された表示画面を有している。表示画面内に位置が定められた画素が平面的にマトリクス状に配置されているものであれば、直視型や投影型の液晶表示パネル、プラズマ表示パネル、電界放出型表示パネル、または有機ＥＬ表示パネルなどであってもよい。

駆動回路３２０は、表示パネル３１０を駆動し、外部から送られてくる映像信号（表示データ）を表示パネル３１０に送って表示パネル３１０の画素に上記表示データを割り当て、２次元画像を表示するかまたは３次元画像を表示するように、表示パネル３１０を駆動する。なお、駆動回路３２０は表示パネル３１０と一体となっていてもよいし、表示パネル３１０の外に設けられていてもよい。

液晶光学素子３３０は、表示パネル３１０の前面に設けられ、表示パネル３１０の画素からの光線を制御し、焦点が可変な構成を有している。液晶光学素子３３０の第２電極が表示パネルの表示画面と対向する。液晶光学素子３３０は表示パネルと観察者の間に配置され、液晶光学素子３３０の第１電極は観察者と液晶光学素子３３０の液晶層との間に設けられる。

この液晶光学素子３３０は、例えば、第１実施形態および実施例１乃至実施例４のいずれかの液晶光学素子１４であり、光線を直進させる機能およびレンズ機能を切り替えて用いることができる。例えば、表示装置が２次元画像を表示する場合には光線を直進させる機能を用い、３次元画像を表示する場合にはレンズ機能を用いる。光線を直進させる機能およびレンズ機能の切り替えは、駆動回路３２０に入力する映像信号に基づいて駆動回路３４０が自動的に行ってよいし、視聴者がリモートコントローラ３５０を用いて駆動回路３４０に指令信号を送り、この指令信号に基づいて駆動回路３４０が行ってよい。この場合、この表示装置３００においては、外部から送られてくる映像信号が２次元映像信号であるときには、周知の技術を用いて２次元映像信号から奥行き情報を推定または検出し、推定または検出された奥行き情報を用いて３次元映像信号を生成する機能を表示パネル３１０または駆動回路３２０が備えていることが好ましい。奥行き情報の推定または検出は、例えば、画像の動きベクトルを求め、この動きベクトルを用いて行うことができる。

また、液晶光学素子３３０の各レンズには、第１実施形態の場合と同様に、複数の画素（画素ブロック）が割り当てられる。光線を直進させる機能およびレンズ機能を切り替えて用いることができる液晶光学素子３３０を、３次元画像が表示可能な表示装置に用いると、２次元画像を表示する際に解像度を低下させることなく、表示することができる。

第３実施形態によれば、被写体の奥行き方向の距離を得ることができる撮像モードと、高解像度の２次元画像の撮像モードとを切り替えることのできる機能を備えた表示装置を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ 固体撮像装置（カメラモジュール）
１０ 撮像モジュール部
１２ 結像光学系
１４ 液晶光学素子
１４ａ 第１電極
１４ｂ 埋込膜
１４ｃ 液晶
１４ｄ 第２電極
１４ｅ 配向膜
１４ｆ 配向膜
１６ 撮像素子
１８ 駆動回路
２０ 撮像信号プロセッサ（ＩＳＰ）
２２ カメラモジュールインターフェース
２４ 画像取り込み部
２６ 信号処理部
２８ ドライバインターフェース

Claims (11)

1. 第１面に第１凹部とその周りに設けられた凸部とを有する第１電極と、前記第１電極の前記第１面に対向する第２電極と、前記第１電極の前記第１凹部と前記第２電極との間に設けられた充填膜と、前記充填膜と前記第２電極との間に挟持される液晶層と、を備える液晶光学素子と、
   前記第２電極と対向し被写体を結像面に結像する結像レンズと、
   前記第１凹部と対向し複数の画素を含む画素ブロックを有する撮像素子と、
   を備えている固体撮像装置。
2. 前記液晶層は、前記第１電極および前記第２電極に電圧が印加された時に前記撮像素子側に凸状となる請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記第１電極と前記液晶層との間、および前記第２電極と前記液晶層との間に設けられた配向膜を更に備えている請求項１または２記載の固体撮像装置。
4. 前記第１電極は前記第１面に複数の第１凹部を有し、
   前記複数の第１凹部は前記第１電極の前記第１面に正方配列または六方配列されている請求項１乃至３のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
5. 前記第１凹部は半球状である請求項１乃至４のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
6. 前記凸部は、円錐形状あるいは角錐形状である請求項１乃至５のいずれか一項に記載の固体撮像装置。
7. 前記第２電極の前記液晶層と対向する面は平面状であるか、または、前記第１電極の第１凹部と対向する第２凹部を有する請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の固体撮像装置を備えている携帯情報端末。
9. 表示画面を有している表示パネルと、
   前記表示パネルを駆動する駆動回路と、
   第１面に凹部とその周りに設けられた凸部とを有する第１電極と、前記第１電極の前記第１面に対向する第２電極と、前記第１電極の前記凹部と前記第２電極との間に設けられた充填膜と、前記充填膜と前記第２電極との間に挟持される液晶層と、を備え、前記表示パネルの前記表示画面と前記第２電極が対向する液晶光学素子と、
   を備えている表示装置。
10. 前記液晶層は、前記第１電極および前記第２電極に電圧が印加された時に前記撮像素子側に凸状となる請求項９に記載の表示装置。
11. 第１面に凹部とその周りに設けられた凸部とを有する第１電極と、
    前記第１電極の前記第１面に対向する第２電極と、
    前記第１電極の前記凹部と前記第２電極との間に設けられた充填膜と、
    前記充填膜と前記第２電極との間に挟持される液晶層と、
    を備える液晶光学素子。

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