JP2018137457A - Imaging element and imaging apparatus - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To make a surface, on which a micro lens for imaging is disposed, flat by making a distance from each micro lens to a corresponding photoelectric element as uniform as possible.SOLUTION: An imaging element 100 comprises: a photoelectric element layer 106 formed with a plurality of photoelectric elements; a transmission substrate 120 disposed on an incident plane side of the photoelectric element layer 106 and transmitting light; and a lens array 122 formed on the transmission substrate 120 and including each micro lens 101 formed one-by-one for each of the predetermined number of photoelectric elements.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、撮像素子および撮像装置に関する。   The present invention relates to an imaging element and an imaging apparatus.

結像用のマイクロレンズアレイにおける各レンズに対して複数設けられた光電素子を用いて撮像データを取得し、当該撮像データに基づいて任意の焦点面において再結像させた画像を合成する撮像装置が知られている。
[先行技術文献]
[特許文献]
[特許文献1] 特表2008−515110号公報
An imaging device that acquires imaging data using a plurality of photoelectric elements provided for each lens in an imaging microlens array, and synthesizes an image re-imaged on an arbitrary focal plane based on the imaging data It has been known.
[Prior art documents]
[Patent Literature]
[Patent Document 1] Japanese Translation of PCT Publication No. 2008-515110

多数のレンズを有するマイクロレンズアレイを用いて撮像データを取得する場合、各マイクロレンズから対応する光電素子までの距離をできるだけ均一にすることが求められる。   When acquiring imaging data using a microlens array having a large number of lenses, it is required to make the distance from each microlens to the corresponding photoelectric element as uniform as possible.

本発明の第1の態様における撮像素子は、複数のレンズのうち一つのレンズを透過した光が入射する複数の受光部と、複数のレンズと複数の受光部との間に受光部毎に設けられた開口を有する遮光部と、を備え、遮光部の開口は、一つのレンズの光軸から受光部までの距離に基づいて、それぞれの受光部の中央からずれた位置に設けられている。   The imaging device according to the first aspect of the present invention is provided for each light receiving unit between a plurality of light receiving units on which light transmitted through one of the plurality of lenses enters, and between the plurality of lenses and the plurality of light receiving units. A light-shielding portion having an opening, and the light-shielding portion opening is provided at a position shifted from the center of each light-receiving portion based on the distance from the optical axis of one lens to the light-receiving portion.

本発明の第2の態様における撮像装置は、上記の撮像素子を備える。   The imaging device in the 2nd aspect of this invention is equipped with said imaging device.

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。   It should be noted that the above summary of the invention does not enumerate all the necessary features of the present invention. In addition, a sub-combination of these feature groups can also be an invention.

本実施形態に係る裏面照射型の撮像素子100の断面図である。1 is a cross-sectional view of a back-illuminated image sensor 100 according to the present embodiment. 複数のPD104およびマイクロレンズ101の関係の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the relationship between some PD104 and the micro lens 101. FIG. 本実施形態に係る撮像装置500の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the imaging device 500 which concerns on this embodiment. 撮影レンズ520における複数の射出瞳522の一例を示す図である。6 is a diagram illustrating an example of a plurality of exit pupils 522 in the photographing lens 520. FIG. それぞれの射出瞳522に対応する視差画像524の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the parallax image 524 corresponding to each exit pupil 522. FIG. 図5に示した複数の視差画像524を合成した合成画像532を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a composite image 532 obtained by combining a plurality of parallax images 524 illustrated in FIG. 5. 図5に示した複数の視差画像524から、被写体530に焦点があった合成画像532を生成する例を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an example of generating a composite image 532 in which a subject 530 is focused from a plurality of parallax images 524 illustrated in FIG. 5. 任意焦点の合成画像532を生成する場合の、画像処理部511の動作例を示す図である。It is a figure which shows the operation example of the image process part 511 in the case of producing | generating the composite image 532 of arbitrary focus.

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。   Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. In addition, not all the combinations of features described in the embodiments are essential for the solving means of the invention.

図1は、本実施形態に係る裏面照射型の撮像素子100の断面図である。撮像素子100は、入射光に対応した画素信号を出力する撮像チップ113と、画素信号を処理する信号処理チップ111と、画素信号を記憶するメモリチップ112とを備える。撮像チップ113、信号処理チップ111およびメモリチップ112はこの順番で積層されており、Cu等の導電性を有するバンプ109により、隣接するチップどうしが互いに電気的に接続される。   FIG. 1 is a cross-sectional view of a back-illuminated image sensor 100 according to this embodiment. The imaging device 100 includes an imaging chip 113 that outputs a pixel signal corresponding to incident light, a signal processing chip 111 that processes the pixel signal, and a memory chip 112 that stores the pixel signal. The imaging chip 113, the signal processing chip 111, and the memory chip 112 are stacked in this order, and adjacent chips are electrically connected to each other by a conductive bump 109 such as Cu.

なお、図示するように、入射光は主に白抜き矢印で示すZ軸プラス方向へ向かって入射する。また、撮像チップ113の各層において入射光が入射する側の面を入射面と称する。また、座標軸に示すように、Z軸に直交する紙面右方向をX軸プラス方向、Z軸およびX軸に直交する紙面手前方向をY軸プラス方向とする。以降のいくつかの図においては、図1の座標軸を基準として、それぞれの図の向きがわかるように座標軸を表示する。   As shown in the figure, incident light is incident mainly in the positive direction of the Z-axis indicated by a white arrow. Further, a surface on which incident light is incident in each layer of the imaging chip 113 is referred to as an incident surface. Further, as indicated by the coordinate axes, the right direction on the paper orthogonal to the Z axis is the X axis plus direction, and the front side of the paper orthogonal to the Z axis and the X axis is the Y axis plus direction. In the following several figures, the coordinate axes are displayed so that the orientation of each figure can be understood with reference to the coordinate axes of FIG.

撮像チップ113の一例は、裏面照射型のMOSイメージセンサである。撮像チップ113は、配線層108、光電素子層106、接着層122および透過基板120を有する。光電素子層106には、複数のPD(フォトダイオード)104および複数のトランジスタ105が形成される。PD104は、入射面からの入射光に応じた画素信号を出力する光電素子の一例である。   An example of the imaging chip 113 is a back-illuminated MOS image sensor. The imaging chip 113 includes a wiring layer 108, a photoelectric element layer 106, an adhesive layer 122, and a transmissive substrate 120. A plurality of PDs (photodiodes) 104 and a plurality of transistors 105 are formed in the photoelectric element layer 106. The PD 104 is an example of a photoelectric element that outputs a pixel signal corresponding to incident light from an incident surface.

複数のPD104は、XY平面に二次元的に配置される。また、トランジスタ105は、それぞれのPD104に対応して設けられる。トランジスタ105は、PD104が出力する画素信号を、配線層108に出力するか否かを切り替える。PD104およびトランジスタ105の組が一つの画素を形成する。   The plurality of PDs 104 are two-dimensionally arranged on the XY plane. Further, the transistor 105 is provided corresponding to each PD 104. The transistor 105 switches whether to output the pixel signal output from the PD 104 to the wiring layer 108. A set of the PD 104 and the transistor 105 forms one pixel.

光電素子層106は、パッシベーション層103を更に有してよい。パッシベーション層103は、複数のPD104を覆って設けられる。パッシベーション層103は、入射光に対して透明な材料で形成され、複数のPD104を保護する。なお、光電素子層106は、パッシベーション層103上に、カラーフィルタ102を更に有してよい。カラーフィルタ102は、互いに異なる波長領域を透過する複数の種類を有しており、PD104のそれぞれに対応してベイヤー配列等の特定の配列を有している。カラーフィルタ102、PD104およびトランジスタ105の組が一つの画素を形成する。   The photoelectric element layer 106 may further include a passivation layer 103. The passivation layer 103 is provided so as to cover the plurality of PDs 104. The passivation layer 103 is formed of a material that is transparent to incident light, and protects the plurality of PDs 104. Note that the photoelectric element layer 106 may further include a color filter 102 on the passivation layer 103. The color filter 102 has a plurality of types that transmit different wavelength regions, and has a specific array such as a Bayer array corresponding to each PD 104. A set of the color filter 102, the PD 104, and the transistor 105 forms one pixel.

配線層108は、光電素子層106の入射面とは逆側の面に接して設けられる。配線層108には、複数のPD104と電気的に接続される配線群107が形成される。配線群107は、光電素子層106からの画素信号を信号処理チップ111に伝送する。配線群107は多層配線であってよい。また、配線層108には、受動素子および能動素子が設けられてもよい。信号処理チップ111は、配線層108から受け取った画素信号を処理する。例えば信号処理チップ111は、ガンマ補正等の信号補正を行ってよい。メモリチップ112は、信号処理チップ111が出力する画素信号を記憶する。   The wiring layer 108 is provided in contact with a surface opposite to the incident surface of the photoelectric element layer 106. In the wiring layer 108, a wiring group 107 that is electrically connected to the plurality of PDs 104 is formed. The wiring group 107 transmits the pixel signal from the photoelectric element layer 106 to the signal processing chip 111. The wiring group 107 may be a multilayer wiring. The wiring layer 108 may be provided with passive elements and active elements. The signal processing chip 111 processes the pixel signal received from the wiring layer 108. For example, the signal processing chip 111 may perform signal correction such as gamma correction. The memory chip 112 stores the pixel signal output from the signal processing chip 111.

透過基板120は、光電素子層106の入射面側に設けられ、光を透過する。透過基板120は、例えばガラス基板、プラスチック基板またはシリカ基板等である。接着層122は、透過基板120と光電素子層106とを接着する。接着層122は、透過基板120と略同一の屈折率を有することが好ましい。透過基板120は、光電素子層106の平坦面に接着される。光電素子層106に含まれるカラーフィルタ102、遮光部123およびパッシベーション層103が積層される順番は、図1に示した順番に限定されない。透過基板120は、カラーフィルタ102、遮光部123およびパッシベーション層103のうち、Z軸方向において最もマイナス側に設けられた層に貼りあわされてよい。また、透過基板120および光電素子層106の間には、エアギャップが無いことが好ましい。   The transmission substrate 120 is provided on the incident surface side of the photoelectric element layer 106 and transmits light. The transmissive substrate 120 is, for example, a glass substrate, a plastic substrate, or a silica substrate. The adhesive layer 122 bonds the transmissive substrate 120 and the photoelectric element layer 106. The adhesive layer 122 preferably has substantially the same refractive index as that of the transmissive substrate 120. The transmissive substrate 120 is bonded to the flat surface of the photoelectric element layer 106. The order in which the color filter 102, the light shielding portion 123, and the passivation layer 103 included in the photoelectric element layer 106 are stacked is not limited to the order shown in FIG. The transmissive substrate 120 may be attached to a layer provided on the most minus side in the Z-axis direction among the color filter 102, the light shielding portion 123, and the passivation layer 103. Further, it is preferable that there is no air gap between the transmissive substrate 120 and the photoelectric element layer 106.

透過基板120には、複数のPD104に対向する位置にレンズアレイ121が形成される。なお図1の例では、レンズアレイ121は、透過基板120の入射面に形成されているが、レンズアレイ121は、透過基板120の内部に形成されてよい。例えば、透過基板120とは屈折率の異なる領域が、透過基板120の内部にレンズ状に形成される。レンズアレイ121は、予め定められた個数のPD104ごとに一つずつ形成されたマイクロレンズ101を含む。マイクロレンズ101は、結像性能を有するレンズである。本例のマイクロレンズ101は、m×n個のPD104(mはx軸方向のPD104の個数、nはy軸方向のPD104の個数)ごとに一つずつ形成され、それぞれのPD104に対して像を結像させる。一つのマイクロレンズ101に対して複数のPD104が配置されるので、マイクロレンズ101の中心に対する各PD104の相対位置はそれぞれ異なる。このため、それぞれのPD104が受光する光は視差を有する。これにより、一つのマイクロレンズ101に対応するPD104の個数に応じた射出瞳を形成することができ、後述するように、PD104の当該個数に応じた視差画像を撮像することができる。   A lens array 121 is formed on the transmission substrate 120 at a position facing the plurality of PDs 104. In the example of FIG. 1, the lens array 121 is formed on the incident surface of the transmissive substrate 120, but the lens array 121 may be formed inside the transmissive substrate 120. For example, a region having a refractive index different from that of the transmissive substrate 120 is formed in a lens shape inside the transmissive substrate 120. The lens array 121 includes microlenses 101 formed one for each predetermined number of PDs 104. The microlens 101 is a lens having imaging performance. One microlens 101 in this example is formed for each m × n PDs 104 (m is the number of PDs 104 in the x-axis direction and n is the number of PDs 104 in the y-axis direction). Is imaged. Since a plurality of PDs 104 are arranged for one microlens 101, the relative positions of the PDs 104 with respect to the center of the microlens 101 are different. For this reason, the light received by each PD 104 has parallax. Thereby, an exit pupil corresponding to the number of PDs 104 corresponding to one microlens 101 can be formed, and a parallax image corresponding to the number of PDs 104 can be captured as described later.

遮光部123は、レンズアレイ121および複数のPD104の間に設けられる。図1に示した例では遮光部123は光電素子層106に形成されるが、遮光部123は光電素子層106と透過基板120との間に形成されてよく、また、透過基板120に形成されてもよい。本例において光電素子層106はシリコン等の半導体を含む層であり、遮光部123は光電素子層106の内部または入射面に形成される。遮光部123は、タングステン、アルミ等の金属薄膜、有機物薄膜、または、カラーフィルタの2色以上を重ね合わせたものであってよい。   The light shielding unit 123 is provided between the lens array 121 and the plurality of PDs 104. In the example illustrated in FIG. 1, the light shielding portion 123 is formed in the photoelectric element layer 106, but the light shielding portion 123 may be formed between the photoelectric element layer 106 and the transmission substrate 120, and is formed on the transmission substrate 120. May be. In this example, the photoelectric element layer 106 is a layer containing a semiconductor such as silicon, and the light shielding portion 123 is formed inside or on the incident surface of the photoelectric element layer 106. The light shielding portion 123 may be a laminate of two or more colors of a metal thin film such as tungsten or aluminum, an organic thin film, or a color filter.

遮光部123は、一つのマイクロレンズ101に対応する複数のPD104の間で、それぞれのPD104の受光面に対する相対位置が互いに異なる開口が形成される。それぞれの開口は、それぞれのPD104に対応する射出瞳を通過した光だけを通過させるように、一つのマイクロレンズ101に対応する複数のPD104の間で互いに位置が偏位している。本例において射出瞳は、マイクロレンズ101よりもZ軸マイナス方向に設けられるべき撮影レンズにおける瞳を指す。   In the light shielding unit 123, openings having different relative positions with respect to the light receiving surface of each PD 104 are formed between the plurality of PDs 104 corresponding to one microlens 101. The positions of the openings are deviated from each other among the plurality of PDs 104 corresponding to one microlens 101 so that only the light that has passed through the exit pupil corresponding to each PD 104 passes. In this example, the exit pupil refers to the pupil in the photographic lens that should be provided in the minus direction of the Z axis relative to the microlens 101.

本例の撮像素子100は、配線層108が形成された面の裏面側から入射光が入射する裏面照射型の素子なので、それぞれのPD104毎に集光レンズを設けなくとも、それぞれのPD104に対して十分な強度の光を入射できる。従って、レンズアレイ121からPD104までの間に他のレンズを有さない構成にすることができる。このため、透過基板120を貼り合わせる面を平坦にすることができ、レンズアレイ121が設けられた透過基板120を容易に接着することができる。   Since the imaging device 100 of this example is a back-illuminated type device in which incident light enters from the back side of the surface on which the wiring layer 108 is formed, even if a condensing lens is not provided for each PD 104, Enough light to enter. Therefore, a configuration in which no other lens is provided between the lens array 121 and the PD 104 can be achieved. For this reason, the surface on which the transmissive substrate 120 is bonded can be flattened, and the transmissive substrate 120 provided with the lens array 121 can be easily bonded.

配線層108の表面には複数のバンプ109が配される。当該複数のバンプ109が信号処理チップ111の対向する面に設けられた複数のバンプ109と位置合わせされて、撮像チップ113と信号処理チップ111とが加圧等されることにより、位置合わせされたバンプ109同士が接合されて、電気的に接続される。   A plurality of bumps 109 are disposed on the surface of the wiring layer 108. The plurality of bumps 109 are aligned with the plurality of bumps 109 provided on the opposing surfaces of the signal processing chip 111, and the imaging chip 113 and the signal processing chip 111 are pressed and aligned. The bumps 109 are joined and electrically connected.

同様に、信号処理チップ111およびメモリチップ112の互いに対向する面には、複数のバンプ109が配される。これらのバンプ109が互いに位置合わせされて、信号処理チップ111とメモリチップ112とが加圧等されることにより、位置合わせされたバンプ109同士が接合されて、電気的に接続される。   Similarly, a plurality of bumps 109 are disposed on the mutually facing surfaces of the signal processing chip 111 and the memory chip 112. The bumps 109 are aligned with each other, and the signal processing chip 111 and the memory chip 112 are pressurized, so that the aligned bumps 109 are joined and electrically connected.

なお、バンプ109間の接合には、固相拡散によるCuバンプ接合に限らず、はんだ溶融によるマイクロバンプ結合を採用してもよい。また、バンプ109は、後述する一つの画素グループに対して一つ程度設ければよい。したがって、バンプ109の大きさは、PD104のピッチよりも大きくてもよい。また、画素が配列された画素領域以外の周辺領域において、画素領域に対応するバンプ109よりも大きなバンプを併せて設けてもよい。   The bonding between the bumps 109 is not limited to Cu bump bonding by solid phase diffusion, and micro bump bonding by solder melting may be employed. Further, about one bump 109 may be provided for one pixel group described later. Therefore, the size of the bump 109 may be larger than the pitch of the PD 104. Further, a bump larger than the bump 109 corresponding to the pixel region may be provided in a peripheral region other than the pixel region where the pixels are arranged.

信号処理チップ111は、表裏面にそれぞれ設けられた回路を互いに接続するTSV(シリコン貫通電極)110を有する。TSV110は、周辺領域に設けられることが好ましい。また、TSV110は、撮像チップ113の周辺領域、メモリチップ112にも設けられてよい。   The signal processing chip 111 has a TSV (silicon through electrode) 110 that connects circuits provided on the front and back surfaces to each other. The TSV 110 is preferably provided in the peripheral area. The TSV 110 may also be provided in the peripheral area of the imaging chip 113 and the memory chip 112.

本例においてレンズアレイ121は、透過基板120と一体に形成される。例えばレンズアレイ121は、透過基板120を射出成形、加圧成形等で形成される。また、レンズアレイ121は、透過基板120とは別体で形成されてもよい。また、撮像チップ113に信号処理チップ111を接続する前に、透過基板120を撮像チップ113に接着してよい。これにより、透過基板120を、撮像チップ113のハンドリング時における補強部材として機能させることができる。また、レンズアレイ121と透過基板120が別体で形成される場合、レンズアレイ121は、撮像チップ113に信号処理チップ111およびメモリチップ112を接続した後に、透過基板120に固定されてよい。   In this example, the lens array 121 is formed integrally with the transmission substrate 120. For example, the lens array 121 is formed by injection molding, pressure molding, or the like of the transmission substrate 120. The lens array 121 may be formed separately from the transmissive substrate 120. Further, the transmissive substrate 120 may be bonded to the imaging chip 113 before connecting the signal processing chip 111 to the imaging chip 113. Thereby, the transmissive substrate 120 can function as a reinforcing member when the imaging chip 113 is handled. When the lens array 121 and the transmissive substrate 120 are formed separately, the lens array 121 may be fixed to the transmissive substrate 120 after the signal processing chip 111 and the memory chip 112 are connected to the imaging chip 113.

また、透過基板120およびレンズアレイ121は、撮像素子100のパッケージとして機能してよい。つまり、撮像素子100は、透過基板120およびレンズアレイ121よりもZ軸マイナス方向側に、ガラスまたは樹脂等の更なるパッケージ部材を有さなくてよい。   Further, the transmissive substrate 120 and the lens array 121 may function as a package of the image sensor 100. That is, the image sensor 100 does not have to have a further package member such as glass or resin on the Z axis minus direction side of the transmissive substrate 120 and the lens array 121.

また、それぞれのマイクロレンズ101は、焦点面が遮光部123の面の近傍となるような焦点距離を有してよい。透過基板120は、当該焦点距離に応じた厚さを有する。一例として透過基板120の厚さは、0.3mmから数mm程度である。   Each microlens 101 may have a focal length such that the focal plane is in the vicinity of the surface of the light shielding portion 123. The transmissive substrate 120 has a thickness corresponding to the focal length. As an example, the thickness of the transmissive substrate 120 is about 0.3 mm to several mm.

なお、図1においては、いわゆる裏面照射型の撮像素子100を用いて説明したが、撮像素子100は、表面照射型であってもよい。この場合、配線層108は、光電素子層106の入射面側に設けられ、透過基板120は、配線層108の入射面側に設けられる。   In addition, in FIG. 1, although demonstrated using what is called a back irradiation type image pick-up element 100, the image pick-up element 100 may be a surface irradiation type. In this case, the wiring layer 108 is provided on the incident surface side of the photoelectric element layer 106, and the transmission substrate 120 is provided on the incident surface side of the wiring layer 108.

遮光部123においては、各PD104に対応する射出瞳の位置が、一つのマイクロレンズ101に対応する複数のPD104の間で互いに偏位しており、当該偏位に応じてそれぞれの開口124の位置が決定される。例えば、一つのマイクロレンズ101の下にm×nのマトリクス状に配置された開口124は、当該マトリクスの中央の開口124に対応する射出瞳が、撮影レンズの中央に位置し、当該マトリクスの端部の開口124に対応する射出瞳が、撮影レンズの端部に位置するように形成されてよい。また、それぞれの開口124の、標準位置からの偏位量は、マトリクスの中央から離れるほど大きくなってよい。開口124の標準位置とは、例えば各PD104の受光面の中央に対向する位置である。なお、一つのマイクロレンズ101に対応する複数の射出瞳は、それぞれ一部の領域が重なってよい。また、それぞれの開口124の形状および面積は同一であることが好ましい。   In the light shielding portion 123, the positions of the exit pupil corresponding to each PD 104 are deviated from each other among the plurality of PDs 104 corresponding to one microlens 101, and the positions of the respective openings 124 according to the deviation. Is determined. For example, the apertures 124 arranged in an m × n matrix under one microlens 101 have an exit pupil corresponding to the central aperture 124 of the matrix located at the center of the photographing lens, and the end of the matrix. The exit pupil corresponding to the opening 124 may be formed so as to be located at the end of the photographing lens. Further, the amount of deviation of each opening 124 from the standard position may increase as the distance from the center of the matrix increases. The standard position of the opening 124 is, for example, a position facing the center of the light receiving surface of each PD 104. Note that a plurality of exit pupils corresponding to one microlens 101 may partially overlap each other. Moreover, it is preferable that the shape and area of each opening 124 are the same.

また、それぞれのマイクロレンズ101に対する複数の開口124の位置のパターンは、同一であることが好ましい。つまり、第1のマイクロレンズ101に対応する複数の開口124の、第1のマイクロレンズ101に対する相対位置のパターンは、第2のマイクロレンズ101に対応する複数の開口124の、第2のマイクロレンズ101に対する相対位置のパターンと同一であることが好ましい。ただし、レンズアレイ121の周辺近傍におけるマイクロレンズ101に対しては、複数の開口124の位置のパターンが微調整されていてもよい。   Moreover, it is preferable that the pattern of the position of the some opening 124 with respect to each micro lens 101 is the same. That is, the pattern of the relative positions of the plurality of openings 124 corresponding to the first microlens 101 with respect to the first microlens 101 is the second microlens of the plurality of openings 124 corresponding to the second microlens 101. It is preferable that it is the same as the pattern of the relative position with respect to 101. However, the pattern of the positions of the plurality of openings 124 may be finely adjusted for the microlens 101 in the vicinity of the periphery of the lens array 121.

このように、それぞれの開口124を偏位させることで、異なる位置における射出瞳を介した入射光を、一つのマイクロレンズ101に対して配置したそれぞれのPD104で受光することができる。このため、それぞれの射出瞳を介して受光した光は、それぞれ視差を有する。従って、各マイクロレンズ101に対応する複数のPD104のうち、同一の相対位置にあるPD104が出力する画素信号を、対応するマイクロレンズ101の位置に応じて画像領域内にマッピングすることで、それぞれの射出瞳に対応する視差画像データを取得できる。これらの視差画像を画像処理して適宜合成することで、任意焦点の画像を生成することができる。   In this way, by deflecting each opening 124, incident light through the exit pupil at different positions can be received by each PD 104 arranged with respect to one microlens 101. For this reason, the light received through each exit pupil has a parallax. Therefore, by mapping the pixel signal output from the PD 104 at the same relative position among the plurality of PDs 104 corresponding to each microlens 101 in the image area according to the position of the corresponding microlens 101, Parallax image data corresponding to the exit pupil can be acquired. An image with an arbitrary focus can be generated by performing image processing on these parallax images and appropriately combining them.

図2は、複数のPD104およびマイクロレンズ101の関係の一例を示す図である。なお、図2においてはPD104の間が一部離間しているが、それぞれのPD104は離間せずに設けられてよい。本図では、PD104およびマイクロレンズ101以外の構成を省略している。上述したように、マイクロレンズ101は、m×n個のPD104毎に設けられる。mおよびnは同一の数であってよい。一例として、PD104の総数は2000万個以上であり、mおよびnは20程度であってよい。   FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the relationship between the plurality of PDs 104 and the microlens 101. In FIG. 2, the PDs 104 are partially separated from each other, but the respective PDs 104 may be provided without being separated. In this figure, configurations other than the PD 104 and the microlens 101 are omitted. As described above, the microlens 101 is provided for each m × n PDs 104. m and n may be the same number. As an example, the total number of PDs 104 may be 20 million or more, and m and n may be about 20.

上述したように、各マイクロレンズ101に対する複数のPD104のうち、同一の相対位置のPD104が検出する各画素(例えば画素a1からa4)を、対応するマイクロレンズ101の位置に応じて画像領域300にマッピングすることで、視差画像データを取得することができる。   As described above, among the plurality of PDs 104 for each microlens 101, each pixel (for example, pixels a1 to a4) detected by the PD 104 at the same relative position is displayed in the image region 300 according to the position of the corresponding microlens 101. Parallax image data can be acquired by mapping.

図3は、本実施形態に係る撮像装置500の構成を示すブロック図である。撮像装置500は、撮影レンズ520、撮像素子100、システム制御部501、駆動部502、測光部503、ワークメモリ504、記録部505、表示部506および入力部507を備える。撮影レンズ520は、光軸OAに沿って入射する被写体光束を撮像素子100へ導く。撮影レンズ520は、撮像装置500に対して着脱できる交換式レンズであっても構わない。   FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of the imaging apparatus 500 according to the present embodiment. The imaging apparatus 500 includes a photographing lens 520, an imaging element 100, a system control unit 501, a drive unit 502, a photometry unit 503, a work memory 504, a recording unit 505, a display unit 506, and an input unit 507. The taking lens 520 guides the subject light flux incident along the optical axis OA to the image sensor 100. The photographing lens 520 may be an interchangeable lens that can be attached to and detached from the imaging apparatus 500.

撮影レンズ520は、複数の光学レンズ群から構成され、シーンからの被写体光束をその焦点面近傍に結像させる。なお、図3では瞳近傍に配置された仮想的な1枚のレンズで代表して表している。駆動部502は、システム制御部501からの指示に従って撮像素子100のトランジスタ105等を制御して、電荷蓄積制御、電荷電圧の変換タイミング制御、画素信号の伝送タイミング制御等の制御を実行する。駆動部502は、撮像素子100と組み合わされて撮像ユニットを形成する。駆動部502を形成する制御回路は、チップ化されて、撮像素子100に積層されてもよい。   The photographing lens 520 is composed of a plurality of optical lens groups, and forms an image of a subject light flux from the scene in the vicinity of its focal plane. In FIG. 3, a single virtual lens arranged in the vicinity of the pupil is shown as a representative. The drive unit 502 controls the transistor 105 and the like of the image sensor 100 in accordance with an instruction from the system control unit 501, and executes control such as charge accumulation control, charge voltage conversion timing control, and pixel signal transmission timing control. The driving unit 502 is combined with the imaging device 100 to form an imaging unit. The control circuit forming the driving unit 502 may be formed into a chip and stacked on the image sensor 100.

撮像素子100は、画素信号をシステム制御部501の画像処理部511へ引き渡す。画像処理部511は、ワークメモリ504をワークスペースとして種々の画像処理を施し、画像データを生成する。例えば、JPEGファイル形式の画像データを生成する場合は、ホワイトバランス処理、ガンマ処理等を施した後に圧縮処理を実行する。画像処理部511が生成した画像データは、記録部505に記録されるとともに、表示信号に変換されて予め設定された時間の間、表示部506に表示される。   The image sensor 100 delivers the pixel signal to the image processing unit 511 of the system control unit 501. The image processing unit 511 performs various image processing using the work memory 504 as a work space, and generates image data. For example, when generating image data in JPEG file format, compression processing is executed after white balance processing, gamma processing, and the like are performed. The image data generated by the image processing unit 511 is recorded in the recording unit 505 and converted into a display signal and displayed on the display unit 506 for a preset time.

測光部503は、画像データを生成する一連の撮影シーケンスに先立ち、シーンの輝度分布を検出する。測光部503は、例えば100万画素程度のAEセンサを含む。システム制御部501の演算部512は、測光部503の出力を受けてシーンの領域ごとの輝度を算出する。演算部512は、算出した輝度分布に従ってシャッタ速度、絞り値、ISO感度を決定する。なお、演算部512は、撮像装置500を動作させるための各種演算も実行する。   The photometric unit 503 detects the luminance distribution of the scene prior to a series of shooting sequences for generating image data. The photometry unit 503 includes, for example, an AE sensor having about 1 million pixels. The calculation unit 512 of the system control unit 501 receives the output of the photometry unit 503 and calculates the luminance for each area of the scene. The calculation unit 512 determines the shutter speed, aperture value, and ISO sensitivity according to the calculated luminance distribution. Note that the arithmetic unit 512 also executes various arithmetic operations for operating the imaging device 500.

また、画像処理部511は、指定される焦点位置に基づいて、当該焦点位置で結像した画像データを合成する。当該焦点位置は、入力部507を介してユーザが入力してよい。例えばユーザは、表示部506に表示されている画像中の任意の点を指定する。画像処理部511は、指定された点における被写体深度を、指定された焦点位置としてよい。つまり、画像処理部511は、ユーザが指定した画像中の被写体に焦点が合った任意焦点画像データを生成する。以下では、複数の視差画像から任意焦点画像データを生成する方法を説明する。   Further, the image processing unit 511 synthesizes image data formed at the focal position based on the designated focal position. The focus position may be input by the user via the input unit 507. For example, the user designates an arbitrary point in the image displayed on the display unit 506. The image processing unit 511 may set the subject depth at the designated point as the designated focal position. That is, the image processing unit 511 generates arbitrary focus image data in which the subject in the image designated by the user is focused. Hereinafter, a method for generating arbitrary focus image data from a plurality of parallax images will be described.

図4は、撮影レンズ520における複数の射出瞳522の一例を示す図である。以下においては、説明を簡略化するべく、5つの射出瞳522−A、522−B、522−C、522−Dおよび522−Eを用いて説明するが、異なる数の射出瞳522が形成されてもよい。   FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a plurality of exit pupils 522 in the photographing lens 520. In the following description, the five exit pupils 522-A, 522-B, 522-C, 522-D, and 522-E will be described to simplify the explanation, but different numbers of exit pupils 522 are formed. May be.

図5は、それぞれの射出瞳522に対応する視差画像524の一例を示す図である。視差画像524−A、524−B、524−C、524−Dおよび524−Eが、射出瞳522−A、522−B、522−C、522−Dおよび522−Eにそれぞれ対応する。なお、それぞれの視差画像524には、同一の被写体526、528および530が撮像されている。被写体526、528および530の被写体深度はそれぞれ異なる。また、被写体526が、撮像装置500の焦点面に存在する。   FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the parallax image 524 corresponding to each exit pupil 522. The parallax images 524-A, 524-B, 524-C, 524-D, and 524-E correspond to the exit pupils 522-A, 522-B, 522-C, 522-D, and 522-E, respectively. Note that the same subjects 526, 528, and 530 are captured in each parallax image 524. The subject depths of the subjects 526, 528 and 530 are different. A subject 526 exists on the focal plane of the imaging apparatus 500.

この場合、それぞれの視差画像524において、焦点面にある被写体526の位置は同一である。しかし、焦点面に存在しない被写体528および530には、それぞれの被写体深度およびそれぞれの射出瞳522の位置に応じて視差が生じる。   In this case, in each parallax image 524, the position of the subject 526 in the focal plane is the same. However, parallax occurs in the subjects 528 and 530 that do not exist on the focal plane according to the depth of the subject and the position of the exit pupil 522.

図6は、図5に示した複数の視差画像524を合成した合成画像532を示す図である。上述したように、焦点面にある被写体526の位置は、それぞれの視差画像524で同一であるので、これらの視差画像524を重ね合わせても、被写体526の画像はぼやけない。これに対して、被写体528および530の位置は、それぞれの視差画像524において各被写体深度に応じてずれている。このため、これらの視差画像524を重ね合わせると、被写体528および530の画像は、その被写体深度に応じてぼやける。この結果、被写体526に焦点があった合成画像532を生成できる。なお、複数の視差画像524から合成画像532を合成する場合に、それぞれの視差画像524に対して、射出瞳522の位置等に応じた重み付けを行ってもよい。   FIG. 6 is a diagram illustrating a combined image 532 obtained by combining the plurality of parallax images 524 illustrated in FIG. As described above, since the position of the subject 526 in the focal plane is the same in each parallax image 524, the image of the subject 526 is not blurred even if these parallax images 524 are superimposed. On the other hand, the positions of the subjects 528 and 530 are shifted in each parallax image 524 according to each subject depth. Therefore, when these parallax images 524 are overlapped, the images of the subjects 528 and 530 are blurred according to the subject depth. As a result, a composite image 532 in which the subject 526 is focused can be generated. Note that when the synthesized image 532 is synthesized from a plurality of parallax images 524, each parallax image 524 may be weighted according to the position of the exit pupil 522 or the like.

図7は、被写体530に焦点があった合成画像532を示す図である。画像処理部511は、被写体530の位置が同一となるように、それぞれの視差画像524の位置を変位させた画像データを生成する。これにより、それぞれの視差画像524における被写体526および528の位置も変化する。画像処理部511は、変位させたそれぞれの視差画像524の画像データを重ね合わせることで、被写体530に焦点があった合成画像532の画像データを生成する。なお、視差画像524を変位させるときの、各画素の変位量は、当該画素に対応する被写体の被写体深度等に基づいて、画素毎に定めてもよい。   FIG. 7 is a diagram illustrating a composite image 532 in which the subject 530 is focused. The image processing unit 511 generates image data in which the positions of the parallax images 524 are displaced so that the positions of the subjects 530 are the same. Thereby, the positions of the subjects 526 and 528 in the respective parallax images 524 also change. The image processing unit 511 generates image data of the composite image 532 focused on the subject 530 by superimposing the image data of the displaced parallax images 524. Note that the displacement amount of each pixel when the parallax image 524 is displaced may be determined for each pixel based on the subject depth of the subject corresponding to the pixel.

このような処理により、複数の視差画像524から、任意の焦点面に結像した合成画像532を生成することができる。また、画像処理部511は、複数の視差画像524から、任意の視点位置に対する右眼用画像および左眼用画像を選択または生成して、任意の視点位置に対する3次元画像の画像データを生成することもできる。また、画像処理部511は、複数の視差画像524から、任意の視点位置に対する2次元画像の画像データを選択または生成することもできる。なお、画像処理部511は、特許文献1等に開示された公知の方法によって、複数の視差画像524から合成画像532を合成してよい。   By such processing, a composite image 532 formed on an arbitrary focal plane can be generated from the plurality of parallax images 524. Further, the image processing unit 511 selects or generates a right-eye image and a left-eye image for an arbitrary viewpoint position from a plurality of parallax images 524, and generates image data of a three-dimensional image for the arbitrary viewpoint position. You can also. The image processing unit 511 can also select or generate image data of a two-dimensional image for an arbitrary viewpoint position from a plurality of parallax images 524. Note that the image processing unit 511 may synthesize the synthesized image 532 from the plurality of parallax images 524 by a known method disclosed in Patent Document 1 or the like.

図8は、任意焦点の合成画像532を生成する場合の、画像処理部511の動作例を示す図である。まず、画像処理部511は、撮像素子100からの画素信号に基づいて、複数の視差画像の画像データを生成する(S802)。視差画像の画像データは、記録部505に記録されてよい。次に、入力部507に対する入力により、焦点位置が決定される(S804)。画像処理部511は、当該焦点位置に基づいて、それぞれの視差画像を変位させた画像データを生成する(S806)。そして、画像処理部511は、変位させた視差画像の画像データを合成した合成画像データを生成する(S808)。なお、上述した動作のうちの一部は、信号処理チップ111において実行されてよい。例えば信号処理チップ111は、撮像チップ113からの画素信号に基づいて、複数の視差画像の画像データを生成してよい。   FIG. 8 is a diagram illustrating an operation example of the image processing unit 511 when generating a composite image 532 having an arbitrary focus. First, the image processing unit 511 generates image data of a plurality of parallax images based on the pixel signal from the image sensor 100 (S802). The image data of the parallax image may be recorded in the recording unit 505. Next, the focal position is determined by input to the input unit 507 (S804). The image processing unit 511 generates image data obtained by displacing each parallax image based on the focal position (S806). Then, the image processing unit 511 generates combined image data by combining the image data of the displaced parallax images (S808). Note that some of the operations described above may be executed in the signal processing chip 111. For example, the signal processing chip 111 may generate image data of a plurality of parallax images based on the pixel signal from the imaging chip 113.

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。   As mentioned above, although this invention was demonstrated using embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications or improvements can be added to the above-described embodiment. It is apparent from the scope of the claims that the embodiments added with such changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention.

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。   The order of execution of each process such as operations, procedures, steps, and stages in the apparatus, system, program, and method shown in the claims, the description, and the drawings is particularly “before” or “prior to”. It should be noted that the output can be realized in any order unless the output of the previous process is used in the subsequent process. Regarding the operation flow in the claims, the description, and the drawings, even if it is described using “first”, “next”, etc. for convenience, it means that it is essential to carry out in this order. It is not a thing.

100 撮像素子、101 マイクロレンズ、102 カラーフィルタ、103 パッシベーション層、104 PD、105 トランジスタ、106 光電素子層、107 配線群、108 配線層、109 バンプ、110 TSV、111 信号処理チップ、112 メモリチップ、113 撮像チップ、120 透過基板、121 レンズアレイ、122 接着層、123 遮光部、124 開口、300 画像領域、500 撮像装置、501 システム制御部、502 駆動部、503 測光部、504 ワークメモリ、505 記録部、506 表示部、507 入力部、511 画像処理部、512 演算部、520 撮影レンズ、522 射出瞳、524 視差画像、526 被写体、528 被写体、530 被写体、532 合成画像 100 Image sensor, 101 Micro lens, 102 Color filter, 103 Passivation layer, 104 PD, 105 Transistor, 106 Photoelectric element layer, 107 Wiring group, 108 Wiring layer, 109 Bump, 110 TSV, 111 Signal processing chip, 112 Memory chip, 113 Imaging chip, 120 Transmission substrate, 121 Lens array, 122 Adhesive layer, 123 Shading part, 124 Aperture, 300 Image area, 500 Imaging device, 501 System control part, 502 Drive part, 503 Photometry part, 504 Work memory, 505 Recording Unit, 506 display unit, 507 input unit, 511 image processing unit, 512 calculation unit, 520 photographing lens, 522 exit pupil, 524 parallax image, 526 subject, 528 subject, 530 subject, 532 composite image

Claims (7)

光が入射されるマイクロレンズと、
前記マイクロレンズからの光が入射される第1開口部及び第2開口部を有する部材と、
前記第1開口部からの光を電荷に変換する第1光電変換部と、
前記第2開口部からの光を電荷に変換する第2光電変換部と、を備え、
前記第1開口部は、前記部材において前記第2開口部よりも前記マイクロレンズの光軸に近い位置に配置され、
前記第1開口部の中心位置から前記第2開口部の中心位置までの距離は、前記第1光電変換部の中心位置から前記第2光電変換部の中心位置までの距離よりも長い撮像装置。
A microlens to which light is incident;
A member having a first opening and a second opening into which light from the microlens is incident;
A first photoelectric conversion unit that converts light from the first opening into a charge;
A second photoelectric conversion unit that converts light from the second opening into electric charge,
The first opening is disposed at a position closer to the optical axis of the microlens than the second opening in the member,
The distance between the center position of the first opening and the center position of the second opening is longer than the distance from the center position of the first photoelectric conversion section to the center position of the second photoelectric conversion section.
光が入射されるマイクロレンズと、
前記マイクロレンズからの光が入射される第1開口部及び第2開口部を有する部材と、
前記第1開口部からの光を電荷に変換する第1光電変換部と、
前記第2開口部からの光を電荷に変換する第2光電変換部と、を備え、
前記第1開口部は、前記部材において前記第2開口部よりも前記マイクロレンズの光軸に近い位置に配置され、
前記第1開口部の中心と前記第2開口部の中心との間隔は、前記第1光電変換部の中心と前記第2光電変換部の中心との間隔よりも長い撮像装置。
A microlens to which light is incident;
A member having a first opening and a second opening into which light from the microlens is incident;
A first photoelectric conversion unit that converts light from the first opening into a charge;
A second photoelectric conversion unit that converts light from the second opening into electric charge,
The first opening is disposed at a position closer to the optical axis of the microlens than the second opening in the member,
The imaging device wherein an interval between the center of the first opening and the center of the second opening is longer than an interval between the center of the first photoelectric conversion unit and the center of the second photoelectric conversion unit.
前記第1光電変換部で変換された電荷に基づく信号により第1画像データを生成する生成部を備える請求項1又は請求項2に記載の撮像装置。   The imaging device according to claim 1, further comprising: a generation unit that generates first image data based on a signal based on the electric charge converted by the first photoelectric conversion unit. 前記第1画像データの画像を表示部に表示させる制御部を備える請求項3に記載の撮像装置。   The imaging apparatus according to claim 3, further comprising a control unit that causes the display unit to display an image of the first image data. 前記生成部は、前記第2光電変換部で変換された電荷に基づく信号により第2画像データを生成し、
前記制御部は、前記第2画像データの画像を前記表示部に表示させる請求項4に記載の撮像装置。
The generation unit generates second image data based on a signal based on the charge converted by the second photoelectric conversion unit,
The imaging device according to claim 4, wherein the control unit displays an image of the second image data on the display unit.
前記第1光電変換部で変換された電荷に基づく信号と前記第2光電変換部で変換された電荷に基づく信号とにより第3画像データを生成する生成部を備える請求項1又は請求項2に記載の撮像装置。   The apparatus according to claim 1 or 2, further comprising: a generation unit configured to generate third image data based on a signal based on the charge converted by the first photoelectric conversion unit and a signal based on the charge converted by the second photoelectric conversion unit. The imaging device described. 前記第3画像データの画像を表示部に表示させる制御部を備える請求項6に記載の撮像装置。   The imaging apparatus according to claim 6, further comprising a control unit that causes the display unit to display an image of the third image data.
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