JP2022137929A - 撮像素子、撮像装置、及び撮像素子の製造方法 - Google Patents

撮像素子、撮像装置、及び撮像素子の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】小型の装置構成で高品質の画像を取得するのに有利な技術を提供する。【解決手段】撮像素子は、イメージセンサを具備する画素基板と、イメージセンサに対面する透光性のカバー体と、カバー体からイメージセンサに向かって突出する複数の突出レンズ部を有する回折レンズと、を備え、複数の突出レンズ部の相互間に空間が設けられている。【選択図】図４

Description

本開示は、撮像素子、撮像装置、及び撮像素子の製造方法に関する。
一般的な撮像装置（カメラ）では、レンズの幾何光学屈折を利用して、撮影光がイメージセンサ（例えばＣＭＯＳイメージセンサ）上に集光される。
一方、近年の高解像度化及び小型化の要求の高まりを背景に、幾何光学屈折を利用するレンズ（以下「幾何光学レンズ」とも称する）だけではなく、他の光学特性を利用したレンズも提案されている。
例えば特許文献１は、光回折を利用した光学レンズを開示する。
特開２０１４－７８０１５号公報
上述の幾何光学レンズ及び光回折を利用するレンズ（以下「回折レンズ」とも称する）を、高解像度且つ小型の撮像装置に応用する場合、小型のレンズ構成によって、光学特性上の不具合（例えば色収差）を抑える必要がある。
本開示は上述の事情に鑑みてなされたものであり、小型の装置構成で高品質の画像を取得するのに有利な技術を提供する。
本開示の一態様は、イメージセンサを具備する画素基板と、イメージセンサに対面する透光性のカバー体と、カバー体からイメージセンサに向かって突出する複数の突出レンズ部を有する回折レンズと、を備え、複数の突出レンズ部の相互間に空間が設けられている撮像素子に関する。
撮像素子は、イメージセンサと回折レンズとの間に位置し、複数の突出レンズ部に接触する光硬化樹脂膜を備えてもよい。
撮像素子は、イメージセンサと回折レンズとの間に位置し、複数の突出レンズ部に接触する無機膜を備えてもよい。
撮像素子は、お互いに重ねられる複数のレンズ構成層を備え、複数のレンズ構成層の各々は、カバー体及び回折レンズを含んでもよい。
回折レンズは、イメージセンサから６０μｍ以下離れて位置してもよい。
複数の突出レンズ部の平面サイズは、光軸からの距離を基準に、周期的に変化し、複数の突出レンズ部の平面サイズの変化の周期は、複数の突出レンズ部の光回折の３６０°の位相差に基づいており、各周期において、光軸から離れるに従って突出レンズ部の平面サイズが小さくなってもよい。
複数の突出レンズ部の平面サイズは、光軸からの距離を基準に、周期的に変化し、複数の突出レンズ部の平面サイズの変化の周期は、複数の突出レンズ部の光回折の３６０°の位相差に基づいており、各周期において、光軸から離れるに従って突出レンズ部の平面サイズが大きくなってもよい。
撮像素子は、画素基板とカバー体との間に位置し、画素基板に対してカバー体を固定する固定部を備えてもよい。
イメージセンサと回折レンズとの間に空間が設けられていてもよい。
撮像素子は、画素基板を支持する支持体と、支持体とカバー基板との間に位置し、支持体に対してカバー体を固定する固定部と、を備えてもよい。
本開示の他の態様は、イメージセンサを具備する画素基板と、イメージセンサに対面する透光性のカバー体と、カバー体からイメージセンサに向かって突出する複数の突出レンズ部を有する回折レンズと、カバー体を介して画素基板とは反対側に位置する撮像レンズと、を備え、複数の突出レンズ部の相互間に空間が形成されている撮像装置に関する。
回折レンズは、撮像レンズの色収差を低減してもよい。
回折レンズは、撮像レンズから回折レンズに向かう光の主光線入射角度よりも小さい主光線入射角度で、光を出射してもよい。
本開示の他の態様は、イメージセンサを有する画素基板に対し、透光性のカバー体を固定する工程を含み、カバー体には、回折レンズを構成し且つ相互間に空間が設けられている複数の突出レンズ部が固定されており、複数の突出レンズ部がカバー体と画素基板との間に位置するように、カバー体は画素基板に対して固定される撮像素子の製造方法に関する。
撮像素子の製造方法は、画素基板上に、光硬化樹脂を付与する工程と、画素基板上の光硬化樹脂のうちイメージセンサを覆う部分を、光照射によって硬化させる工程と、を含み、画素基板上の光硬化樹脂のうち光照射によって硬化した部分に複数の突出レンズ部を対面させつつ、カバー体が画素基板に対して固定されてもよい。
撮像素子の製造方法は、画素基板上に、無機膜を付与する工程を含み、無機膜に複数の突出レンズ部を対面させつつ、カバー体が画素基板に対して固定されてもよい。
図１は、複数の幾何光学レンズを含むユニットを通過した短波長光及び長波長光の焦点を例示する図面である。 図２は、光回折を利用する回折レンズを通過した短波長光及び長波長光の焦点を例示する図面である。 図３は、幾何光学レンズ及び回折レンズを含む光学レンズ系を通過した短波長光及び長波長光の焦点を例示する図面である。 図４は、第１実施形態に係る撮像素子の一例を示す断面図である。 図５は、図４に示す撮像素子の一部分を拡大して示す断面図である。 図６は、下側基板及び上側基板の構造の一例を示す断面図であり、撮像素子の一部分が拡大して示されている。 図７は、幾何光学レンズ及び撮像素子を備える撮像装置の一例を示す断面図である。 図８は、図７に示す撮像素子の一部分を拡大して示す断面図である。 図９は、撮像素子の一部分を拡大して示す断面図であり、隣接するイメージセンサ間で混色が生じる場合を例示的に説明する図である。 図１０は、撮像素子の一部分を拡大して示す断面図であり、回折レンズによって撮影光が適切なイメージセンサに向かって屈折し、混色が防がれる場合を例示的に説明する図である。 図１１Ａは、回折レンズの製造方法の一例を説明するための図である。 図１１Ｂは、回折レンズの製造方法の一例を説明するための図である。 図１１Ｃは、回折レンズの製造方法の一例を説明するための図である。 図１１Ｄは、回折レンズの製造方法の一例を説明するための図である。 図１１Ｅは、回折レンズの製造方法の一例を説明するための図である。 図１２は、カバー体ウエハー上に形成された複数の回折レンズを示す斜視図である。 図１３Ａは、撮像素子の製造方法の一例を示す斜視図である。 図１３Ｂは、撮像素子の製造方法の一例を示す斜視図である。 図１３Ｃは、撮像素子の製造方法の一例を示す斜視図である。 図１３Ｄは、撮像素子の製造方法の一例を示す斜視図である。 図１４は、撮像素子の製造方法の一例を示す撮像素子の断面図である。 図１５は、撮像素子の製造方法の一例を示す撮像素子の断面図である。 図１６は、撮像素子の製造方法の一例を示す撮像素子の断面図である。 図１７は、撮像素子の製造方法の他の例を示す断面図である。 図１８は、図１７に示す製造方法によって製造される撮像素子の一部分を拡大して示す断面図である。 図１９は、第２実施形態に係る撮像装置の一例を示す断面図である。 図２０は、第３実施形態に係る撮像装置の一例を示す断面図である。 図２１は、第４実施形態に係る撮像装置の一例を示す断面図である。 図２２は、第５実施形態に係る撮像装置の一例を示す断面図である。 図２３は、第６実施形態に係る撮像装置の一例を示す断面図である。 図２４は、回折レンズの構造例を示す斜視図である。 図２５は、回折レンズの一例の概略を示す拡大平面図である。 図２６Ａは、回折レンズ（複数の突出レンズ部）の光回折の位相差を説明するための図である。 図２６Ｂは、回折レンズ（複数の突出レンズ部）の光回折の屈折角を説明するための図である。 図２６Ｃは、回折レンズ（複数の突出レンズ部）の光回折の屈折角及び焦点距離を説明するための図である。 図２７は、１つの回折レンズを構成する複数の突出レンズ部の配置例を示す平面図である。 車両制御システムの概略的な構成の一例を示すブロック図である。 車外情報検出部及び撮像部の設置位置の一例を示す説明図である。 内視鏡手術システムの概略的な構成の一例を示す図である。 カメラヘッド及びＣＣＵの機能構成の一例を示すブロック図である。
図１は、複数の幾何光学レンズを含むユニット（以下単に「幾何光学レンズ２１」とも称する）を通過した短波長光Ｌ１及び長波長光Ｌ２の焦点を例示する図面である。
幾何光学屈折を利用する幾何光学レンズ２１は、光の波長が長くなるほど小さな屈折率を示し、焦点距離が長くなる（図１に示す「長波長光Ｌ２」参照）。すなわち幾何光学レンズ２１は、光の波長が短くなるほど大きな屈折率を示し、焦点距離が短くなる（図１に示す「短波長光Ｌ１」参照）。
上記特性を持つ幾何光学レンズ２１によって撮影光をイメージセンサ上に集光する場合、色収差を抑えるために、複数のレンズを組み合わせる必要がある。
図２は、光回折を利用する回折レンズ２２を通過した短波長光Ｌ１及び長波長光Ｌ２の焦点を例示する図面である。
回折レンズ２２は、光の波長が長くなるほど大きな屈折率を示し、焦点距離が短くなる（図２に示す「長波長光Ｌ２」参照）。すなわち回折レンズ２２は、光の波長が短くなるほど小さな屈折率を示し、焦点距離が長くなる（図２の「短波長光Ｌ１」参照）。
このように幾何光学レンズ２１及び回折レンズ２２は、入射光の波長に関し、お互いに逆の屈折特性を示す。そのため、幾何光学レンズ２１及び回折レンズ２２を組み合わせることで、光学レンズ系の光軸Ａｘに沿う方向（以下「光軸方向」とも称する）のサイズの拡大を抑えつつ、色収差を効果的に低減することが可能である。
図３は、幾何光学レンズ２１及び回折レンズ２２を含む光学レンズ系を通過した短波長光Ｌ１及び長波長光Ｌ２の焦点を例示する図面である。図３に示す例では、幾何光学レンズ２１のユニットのうち最も被写体側に位置するレンズの表面に回折レンズ２２が取り付けられる。
このように幾何光学レンズ２１及び回折レンズ２２を組み合わせることによって、光軸方向の光学レンズ系の拡大を抑えつつ、短波長光Ｌ１の焦点及び長波長光Ｌ２の焦点をお互いに一致又は近接させることが可能である。
上述のように幾何光学レンズ２１に回折レンズ２２を組み合わせることによって光学レンズ系全体の光学特性を向上させることができるが、回折レンズ２２の設置は必ずしも容易ではない。
すなわち、回折レンズ２２によって所望の光学特性を実現するためには、回折レンズ２２のレンズ片を所望位置に配置する必要がある。しかしながら、特有の形状を持つ微細構造の回折レンズ２２を、レンズ曲面上の所望位置に精度良く配置及び固定することは容易ではない。特に、近年では、多画素化の進展に伴って、より高い分解能を持つ光学レンズ系が求められており、回折レンズ２２のレンズ片は、より一層微細且つ複雑な形状を持つ傾向が強い。
高度なレンズ光学特性は、上述のように幾何光学レンズ２１に含まれるレンズの数を増やすことでも、実現可能である。その一方で、スマートフォンなどの携帯端末に搭載される撮像装置では、モバイル性向上の観点から、光学レンズ系の小型化、薄型化及び軽量化が求められている。光学レンズ系の高性能化のためのレンズ数の増大と、モバイル性向上のための小型化等とは、お互いに相反する要求である。
また撮像装置の薄型化のために光学レンズ系を薄くする場合、イメージセンサへの光の入射角度（主光線入射角度：ＣＲＡ）が大きくなる傾向があるが、主光線入射角度が大きくなるとセンサ感度が低下し、撮影画像の質が落ちる。なお、主光線入射角度が０°に近づくほど、イメージセンサに向かう光の進行方向は光軸方向に近づき、主光線入射角度が大きくなるほど、イメージセンサに向かう光の進行方向は光軸に垂直な方向に近づく。
以下では、小型の装置構成で高品質の画像を取得するのに有利な撮像素子及び撮像装置の例と、そのような撮像素子及び撮像装置を製造する方法の例とを説明する。
［第１実施形態］
図４は、第１実施形態に係る撮像素子１１の一例を示す断面図である。図５は、図４に示す撮像素子１１の一部分を拡大して示す断面図である。
図４及び図５に示される撮像素子１１は、積層された下側基板３１及び上側基板３２を含む画素基板３３がパッケージ化された半導体パッケージである。
撮像素子１１は、図４の上から下に向かって進行する撮影光を受光し、当該撮影光を電気信号に変換し、当該電気信号（すなわち画像データ）を出力する。
下側基板３１には、不図示の外部基板と電気的に接続するための裏面電極である複数のはんだボール３４が形成されている。
上側基板３２の上面には、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）及びＢ（青）のカラーフィルタ３５と、カラーフィルタ３５を覆うオンチップレンズ３６とが設けられている。
上側基板３２には、シール樹脂３７を介してカバー体３８が固定されている。シール樹脂３７は、上側基板３２に対してカバー体３８を接着する接着層として機能するとともに、カラーフィルタ３５及びオンチップレンズ３６を外側から遮断するシール層として機能する。
一例として、上側基板３２には、２次元配列された複数のイメージセンサ（光電変換素子）を有する画素領域と、複数のイメージセンサを制御する制御回路とが形成される。一方、下側基板３１には、複数のイメージセンサからの画素信号を処理する回路などのロジック回路が形成される。
他の例として、上側基板３２には画素領域のみが形成され、制御回路及びロジック回路は下側基板３１に形成されてもよい。
このように積層構造の下側基板３１及び上側基板３２に画素領域、制御回路及びロジック回路を形成することで、撮像素子１１の平面方向への拡張を抑えて、撮像素子１１の平面サイズの小型化を促すことができる。
図６は、下側基板３１及び上側基板３２の構造の一例を示す断面図であり、撮像素子１１の一部分が拡大して示されている。
下側基板３１には、例えばシリコン（Ｓｉ）で構成された半導体基板８１（以下「シリコン基板８１」とも称する）の上側（上側基板３２側）に、多層配線層８２が形成されている。この多層配線層８２により、例えば、上述の制御回路及びロジック回路が構成されている。
多層配線層８２は、上側基板３２に最も近い最上層の配線層８３ａ、中間の配線層８３ｂ、及び、シリコン基板８１に最も近い最下層の配線層８３ｃなどからなる複数の配線層８３と、各配線層８３の間に形成された層間絶縁膜８４とで構成される。
複数の配線層８３は、例えば、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）などを用いて形成され、層間絶縁膜８４は、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜などで形成される。複数の配線層８３及び層間絶縁膜８４のそれぞれは、全ての階層が同一の材料で形成されていてもよし、階層によって２つ以上の材料を使い分けてもよい。
シリコン基板８１の所定の位置には、シリコン基板８１を貫通するシリコン貫通孔８５が形成される。シリコン貫通孔８５の内壁に、絶縁膜８６を介して接続導体８７が埋め込まれることにより、シリコン貫通電極（ＴＳＶ：Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｖｉａ）８８が形成される。絶縁膜８６は、例えば、ＳｉＯ２膜やＳｉＮ膜などで形成することができる。
なお、図６に示されるシリコン貫通電極８８では、内壁面に沿って絶縁膜８６と接続導体８７が成膜され、シリコン貫通孔８５内部が空洞となっているが、内径によってはシリコン貫通孔８５内部全体が接続導体８７で埋め込まれることもある。換言すれば、貫通孔の内部が導体で埋め込まれていても、一部が空洞となっていてもどちらでもよい。このことは、後述するチップ貫通電極（ＴＣＶ：Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｃｈｉｐ Ｖｉａ）１０５などについても同様である。
シリコン貫通電極８８の接続導体８７は、シリコン基板８１の下面側に形成された再配線９０と接続されており、再配線９０は、はんだボール３４と接続されている。接続導体８７及び再配線９０は、例えば、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、チタンタングステン合金（ＴｉＷ）、或いはポリシリコンなどで形成することができる。
また、シリコン基板８１の下面側には、はんだボール３４が形成されている領域を除いて、再配線９０と絶縁膜８６を覆うように、ソルダマスク（ソルダレジスト）９１が形成されている。
一方、上側基板３２には、シリコン（Ｓｉ）で構成された半導体基板１０１（以下「シリコン基板１０１」とも称する）の下側（下側基板３１側）に、多層配線層１０２が形成されている。この多層配線層１０２により、例えば、画素領域の画素回路が構成されている。
多層配線層１０２は、シリコン基板１０１に最も近い最上層の配線層１０３ａ、中間の配線層１０３ｂ、及び、下側基板３１に最も近い最下層の配線層１０３ｃなどからなる複数の配線層１０３と、各配線層１０３の間に形成された層間絶縁膜１０４とで構成される。
複数の配線層１０３及び層間絶縁膜１０４として使用される材料は、上述した配線層８３及び層間絶縁膜８４の材料と同種のものを採用することができる。また、複数の配線層１０３や層間絶縁膜１０４が、１または２つ以上の材料を使い分けて形成されてもよい点も、上述した配線層８３及び層間絶縁膜８４と同様である。
なお、図６の例では、上側基板３２の多層配線層１０２は３層の配線層１０３で構成され、下側基板３１の多層配線層８２は４層の配線層８３で構成されているが、配線層の総数はこれに限られず、任意の層数で形成することができる。
シリコン基板１０１内には、ＰＮ接合により形成されたフォトダイオードにより構成されるイメージセンサ４０が、画素ごとに形成されている。
また、図示は省略されているが、多層配線層１０２とシリコン基板１０１には、第１転送トランジスタ５２、第２転送トランジスタ５４などの複数の画素トランジスタや、メモリ部（ＭＥＭ）５３なども形成されている。
カラーフィルタ３５とオンチップレンズ３６が形成されていないシリコン基板１０１の所定の位置には、上側基板３２の配線層１０３ａと接続されているシリコン貫通電極１０９と、下側基板３１の配線層８３ａと接続されているチップ貫通電極１０５とが、形成されている。
チップ貫通電極１０５とシリコン貫通電極１０９は、シリコン基板１０１上面に形成された接続用配線１０６で接続されている。また、シリコン貫通電極１０９及びチップ貫通電極１０５のそれぞれとシリコン基板１０１との間には、絶縁膜１０７が形成されている。さらに、シリコン基板１０１の上面には、絶縁膜（平坦化膜）１０８を介して、カラーフィルタ３５やオンチップレンズ３６が形成されている。
以上のように、図１に示される固体撮像装置１の画素基板３３は、下側基板３１の多層配線層８２側と、上側基板３２の多層配線層１０２側とを貼り合わせた積層構造となっている。図６では、下側基板３１の多層配線層８２と、上側基板３２の多層配線層１０２との貼り合わせ面が、破線で示されている。
また、固体撮像装置１の画素基板３３では、上側基板３２の配線層１０３と下側基板３１の配線層８３が、シリコン貫通電極１０９とチップ貫通電極１０５の２本の貫通電極により接続される。下側基板３１の配線層８３とはんだボール（裏面電極）１４が、シリコン貫通電極８８と再配線９０により接続されている。これにより、固体撮像装置１の平面積を、極限まで小さくすることができる。
このように、図６に示される撮像素子１１によれば、小型の半導体装置（半導体パッケージ）を実現することができる。
上述のように撮像素子１１は、撮影光が入射するイメージセンサ４０を具備する画素基板３３と、イメージセンサ４０に対面する透光性のカバー体３８と、を備える。そして画素基板３３とカバー体３８との間に位置するシール樹脂３７が、固定部として働き、画素基板３３に対してカバー体３８を固定する。これにより画素基板３３及びカバー体３８は一体化される。
さらに本実施形態の撮像素子１１は、カバー体３８に取り付けられる回折レンズ２２を備える。
図４～図６に示されるカバー体３８は、光軸方向に離れて位置する２つの平坦面（すなわち表面及び裏面）であって、光軸Ａｘに垂直な方向に延在する平坦面を有する。回折レンズ２２は、カバー体３８のこれらの平坦面のうちの一方（すなわち画素基板３３に向けられた裏面）に取り付けられる。
回折レンズ２２は、カバー体３８から画素基板３３（特にイメージセンサ４０）に向かって突出する複数の突出レンズ部２３を有し、突出レンズ部２３の相互間には空間（すなわちエアーギャップ２４）が設けられる。
本実施形態では、隣り合う突出レンズ部２３間に形成されるエアーギャップ２４が、シール樹脂３７等の部材によって充填されることなく、空間の状態を維持する。これにより回折レンズ２２は、本来の微小凹凸形状を保持し、優れた光学特性を発揮及び維持することができる。
すなわち、突出レンズ部２３間においてエアーギャップ２４を適切に確保することにより、各突出レンズ部２３の境界で大きな屈折率差を作り出すことができる。したがって本実施形態の回折レンズ２２は、屈折に関して高いレンズ性能を本来的に持つことができ、高い屈折率を示すレンズとして構成することが可能である。
回折レンズ２２の実際の屈折率は、各突出レンズ部２３の形状やサイズ等を適宜調整することで変えられる。したがって本実施形態の回折レンズ２２は、幅広い屈折率範囲に対応可能であり、その屈折率範囲内の所望の屈折率を選択的に示すように設けられる。
このように本実施形態によれば、所望の光屈折特性を示す回折レンズ２２を、高い自由度で設計することが可能である。
また本実施形態の回折レンズ２２（特に複数の突出レンズ部２３の先端部）は、シール樹脂３７に接触し、シール樹脂３７を介して画素基板３３（すなわち下側基板３１及び上側基板３２）を支持する。
これにより、画素基板３３（例えばイメージセンサ４０を含む上側基板３２）の変形が抑えられ、回折レンズ２２とイメージセンサ４０との間の距離を所望距離に安定的且つ均一に維持することができる。
例えば、突出レンズ部２３とイメージセンサ４０との間に空間が設けられるキャビティ構造を撮像素子１１が有する場合（後述の図２２参照）、各突出レンズ部２３の境界において大きな屈折率差が存在するため、回折レンズ２２は高い屈折性能を有する。
その一方で、突出レンズ部２３とイメージセンサ４０との間に空間が存在すると、画素基板３３が撓みやすくなり、例えば画素基板３３が回折レンズ２２に向かって意図せずに反ってしまう可能性がある。画素基板３３（特にイメージセンサ４０）が撓むと、回折レンズ２２による撮影光の集光位置とイメージセンサ４０の入光面（すなわち撮像面）とがずれて、デフォーカス状態で撮影が行われ、撮影画像の質が低下する。
一方、図４～図６に示す本実施形態の撮像素子１１によれば、回折レンズ２２によって画素基板３３が支持されるため、画素基板３３の撓み（特に回折レンズ２２に向かう反り）の発生を抑えることができる。これにより、回折レンズ２２と画素基板３３（特にイメージセンサ４０）との間の距離を、撮像面全体にわたって一定に保ち、撮像素子１１の集光性能を向上させることができる。
また、画素基板３３がシール樹脂３７を介して回折レンズ２２により支持されることで、回折レンズ２２と画素基板３３との間の距離（すなわち光路長）の長大化を抑えつつ、画素基板３３の意図しない撓みを抑制することができる。
例えば、画素基板３３を介してカバー体３８とは反対側に設けられる支持体により、画素基板３３を支持する場合（後述の図２３参照）、画素基板３３の撓みを防ぐことはできるが、光路長が長大化する傾向がある。
すなわち、画素基板３３を外側から支える支持体を設ける場合、画素基板３３と外部基板（図示せず）とはワイヤーボンド（ＷＢ）等の配線を介して相互に接続される。そのような配線設置のために、光軸方向スペースを確保する必要があり、カバー体３８の裏面に取り付けられる回折レンズ２２と、画素基板３３（特にイメージセンサ４０）との間の距離が大きくなり、光路長が長大化する。その結果、回折レンズ２２を介してイメージセンサ４０上に集光する撮影光の色収差が大きくなり、また撮像素子１１全体の光軸方向サイズ（厚み）が大きくなる。
一方、図４～図６に示す本実施形態の撮像素子１１によれば、画素基板３３を外側から支える支持体が不要である。そのため、撮像素子１１と外部基板とをつなぐ配線としてはんだボール３４を設けることができ、画素基板３３と外部基板（図示せず）とをつなぐためのワイヤーボンド配線は不要である。したがって、回折レンズ２２を画素基板３３（特にイメージセンサ４０）に近づけて設置することができ、光路長を短くすることができる。
その結果、本実施形態の撮像素子１１は、色収差が抑えられた高品質の撮影画像を取得することができ、撮像素子１１の光軸方向サイズを小さくすることも可能である。
図７は、幾何光学レンズ２１及び撮像素子１１を備える撮像装置１０の一例を示す断面図である。図８は、図７に示す撮像素子１１の一部分を拡大して示す断面図である。
図７に示す撮像装置１０は、上述の図４に示す撮像素子１１と、カバー体３８を介して画素基板３３とは反対側に位置する幾何光学レンズ２１（撮像レンズ）と、を備える。上述のように、撮像素子１１は回折レンズ２２を含み、回折レンズ２２は、カバー体３８からイメージセンサ４０に向かって突出する複数の突出レンズ部２３を有し、複数の突出レンズ部２３の相互間にはエアーギャップ２４が形成されている。
被写体像の撮影光Ｌは、幾何光学レンズ２１、カバー体３８、回折レンズ２２、オンチップレンズ３６及びカラーフィルタ３５を通って、画素基板３３のイメージセンサ４０（図６参照）に入射する。
この際、撮影光Ｌは、主に、幾何光学レンズ２１、回折レンズ２２及びオンチップレンズ３６により屈折されて進行方向が調整され、イメージセンサ４０に向けて誘導される。そのため、実際に使用する幾何光学レンズ２１の光学特性（例えば屈折特性）に応じて、回折レンズ２２の光学特性及び構成を決めることができる。或いは、実際に使用する回折レンズ２２の光学特性（例えば屈折特性）に応じて、幾何光学レンズ２１の光学特性及び構成を決めることができる。
典型的には、幾何光学レンズ２１の色収差が回折レンズ２２によって低減されるように、回折レンズ２２の光学特性（特に屈折特性）及び構成が決められる。
また幾何光学レンズ２１から回折レンズ２２に向かう撮影光Ｌの主光線入射角度（ＣＲＡ）よりも小さい主光線入射角度で、回折レンズ２２が撮影光Ｌを出射するように、回折レンズ２２の光学特性（特に屈折特性）及び構成が決められる。
このように回折レンズ２２は、幾何光学レンズ２１の色収差を補正するレンズとしてだけではなく、主光線入射角度を改善するレンズとしても機能することができ、光学レンズ系全体のシェーディング特性を改善することができる。
図９は、撮像素子１１の一部分を拡大して示す断面図であり、隣接するイメージセンサ４０間で混色が生じる場合を例示的に説明する図である。図１０は、撮像素子１１の一部分を拡大して示す断面図であり、回折レンズ２２によって撮影光Ｌが適切なイメージセンサ４０に向かって屈折し、混色が防がれる場合を例示的に説明する図である。
上述のように、本実施形態の撮像素子１１によれば、撮影光Ｌの光路は、幾何光学レンズ２１により変えられた後、回折レンズ２２によっても変えられる。
ただし、回折レンズ２２を通過した撮影光Ｌの進行方向は、必ずしも、イメージセンサ４０の撮像面に対して垂直な方向（すなわち光軸方向）と完全には一致しない。回折レンズ２２によって、撮影光Ｌの進行方向が光軸方向に近づくように変えられるが、撮影光Ｌには、光軸方向に対して斜めを成す方向に進行する光成分が含まれる。
回折レンズ２２とイメージセンサ４０の撮像面との間の距離が大きい場合（図９参照）、光軸方向に対して傾斜する方向に進行する撮影光Ｌは、対応のイメージセンサ４０に隣接する他のイメージセンサ４０に入射しやくなり、混色をもたらしうる。
一方、回折レンズ２２とイメージセンサ４０の撮像面との間の距離が小さい場合（図１０参照）、撮影光Ｌは、光軸方向に対して傾斜する方向に進行しても、対応のイメージセンサ４０に入射する確率が高くなり、混色をもたらしにくい。
本件発明者は、撮像素子１１の構成を変えつつ、混色の発生に関する考察を実際に行ったところ、混色発生を防ぐ観点から、回折レンズ２２は、イメージセンサ４０（特に撮像面）から光軸方向に６０μｍ以下離れて位置することが有効であるという知見を得た。回折レンズ２２は、イメージセンサ４０から光軸方向に５０μｍ以下離れて位置することがより好ましく、４０μｍ以下離れて位置することがより好ましく、３０μｍ以下離れて位置することがより好ましい。
なお図９及び図１０に示すようにオンチップレンズ３６を用いる場合には、回折レンズ２２とオンチップレンズ３６（特に頂部）との間の光軸方向距離ｄを６０μｍ以下にすることで、混色発生を有効に防ぎうるという知見を、本件発明者は得た。回折レンズ２２とオンチップレンズ３６との間の光軸方向距離ｄは、５０μｍ以下であることがより好ましく、４０μｍ以下であることがより好ましく、３０μｍ以下であることがより好ましい。
次に、回折レンズ２２の製造方法の例について説明する。
図１１Ａ～図１１Ｅは、回折レンズ２２の製造方法の一例を説明するための図である。図１２は、カバー体ウエハー４５上に形成された複数の回折レンズ２２を示す斜視図である。
上述のように本実施形態の回折レンズ２２は、カバー体３８の平坦面上（特に裏面上）に形成される。
本例では、まず、複数のカバー体３８を含むカバー体ウエハー４５が準備される（図１１Ａ参照）。
カバー体ウエハー４５は、お互いに反対側に位置する２つの平坦面を有する。カバー体ウエハー４５のこれらの平坦面は、個々のカバー体３８の表面及び裏面にそれぞれ対応する。カバー体ウエハー４５（すなわちカバー体３８）の構成材料は限定されず、例えばガラスによってカバー体ウエハー４５が構成される。
そして、カバー体ウエハー４５の一方の平坦面に、回折レンズ２２の構成材料から成るレンズ基材膜４１が付着される（図１１Ｂ参照）。
レンズ基材膜４１の構成材料は限定されない。典型的には、レンズ基材膜４１は、高屈折率を示す無機材料（例えばＳｉＮ、ＺｒＯ２、ＺｎＳｅ、Ｚｎｓ、ＴｉＯ２或いはＣｅＯ２など）から成る透明な無機膜として設けられる。
カバー体ウエハー４５に対するレンズ基材膜４１の付着方法は限定されず、任意の手段（例えばスピンコータや吹きつけなど塗布）を用いて、レンズ基材膜４１がカバー体ウエハー４５に付着される。
カバー体ウエハー４５上のレンズ基材膜４１の厚みは限定されないが、回折レンズ２２（すなわち複数の突出レンズ部２３）の厚みに応じて、カバー体ウエハー４５上のレンズ基材膜４１の厚みが決められる。典型的には、数十ｎｍ（ナノメートル）～数百ｎｍの厚みを有するレンズ基材膜４１が、カバー体ウエハー４５上に形成される。
その後、レンズ基材膜４１上にレジスト４２が付着され、パターニングが行われる（図１１Ｃ参照）。すなわち、回折レンズ２２（すなわち複数の突出レンズ部２３）の形状及び配置に応じたパターン構成を有するレジスト４２が、レンズ基材膜４１を被覆する。
レジスト４２の構成材料及びレンズ基材膜４１に対するレジスト４２の付着方法は、限定されない。
その後、レンズ基材膜４１のエッチングが行われ、レンズ基材膜４１のうちレジスト４２により覆われていない箇所が、カバー体ウエハー４５上から取り除かれる（図１１Ｄ）。ここで行われるエッチングの具体的な方法は限定されず、典型的にはドライエッチングが行われる。
その後、レジスト４２がレンズ基材膜４１から取り除かれる（図１１Ｅ）。レジスト４２の除去方法は限定されない。典型的には、レンズ基材膜４１及びレジスト４２の材料に応じて選定された薬品を使って、レジスト４２が除去される。
上述の一連の工程を行った結果、カバー体ウエハー４５には、残存するレンズ基材膜４１によって構成される複数の回折レンズ２２（すなわち複数の突出レンズ部２３）が形成される（図１２参照）。
上述の図１１Ａ～図１１Ｅに示す製造方法によれば、曲面ではなく、平坦面上に回折レンズ２２を形成することができる。
回折レンズ２２は、回折を利用して撮影光Ｌを効率的に屈折させるために、撮影光Ｌの波長に対して十分に小さいスリット部を有する必要があり、個々の突出レンズ部２３は数十ｎｍレベルの微細構造を有することもある。リソグラフィ・エッチング技術を使ってレンズ表面などの曲面上に数十ｎｍレベルの微細な突出レンズ部２３を作る場合、突出レンズ部２３の高さ方向位置の精緻な調整が必要とされる。そのような微細構造の回折レンズ２２（複数の突出レンズ部２３）を曲面上に高精度に形成することは簡単ではなく、製造コストも高くなる。
一方、本実施形態のようにカバー体３８（カバー体ウエハー４５）上に回折レンズ２２を形成する場合、カバー体３８（カバー体ウエハー４５）の平坦性が高い面上に複数の突出レンズ部２３を作ることができる。そのため、数十ｎｍレベルの微細構造の回折レンズ２２を、リソグラフィ・エッチング技術によって、カバー体３８（カバー体ウエハー４５）の平坦面上に高精度に事前形成することができる。
また上述の図１１Ａ～図１１Ｅに示す製造方法によれば、図１２に示すように、複数のカバー体３８を含む一体構成のカバー体ウエハー４５上に、複数の回折レンズ２２を形成することができる。すなわち、カバー体ウエハー４５のうちそれぞれのカバー体３８に対応する複数の箇所上に、複数の回折レンズ２２を同時的に形成することができる。これにより、回折レンズ２２が取り付けられたカバー体３８を効率良く大量に作ることができ、製造コストを下げることも可能である。
なお複数の回折レンズ２２が取り付けられている上述のカバー体ウエハー４５は、一体構造のウエハーの状態のまま撮像素子１１の製造に用いられてもよいし、切断されて個々のカバー体３８に分離されてもよい。
次に、撮像素子１１の製造方法の例について説明する。
撮像素子１１の製造方法の典型例は、上述のようにして作られたカバー体３８を画素基板３３に対して固定する工程を含む。当該工程において、カバー体３８に取り付けられている回折レンズ２２（すなわち複数の突出レンズ部２３）が、カバー体３８と画素基板３３との間に位置するように、カバー体３８は画素基板３３に対して固定される。
一般に、カバー体３８が取り付けられる直前の画素基板３３は、カラーフィルタ３５及びオンチップレンズ３６が既に取り付けられていることが多く、カラーフィルタ３５及びオンチップレンズ３６は有機材料で構成されることが多い。そのため、カバー体３８が取り付けられる直前の画素基板３３は、耐熱性に関して厳しい制約を受ける。
したがって、カバー体３８が取り付けられる直前の画素基板３３上に回折レンズ２２を形成することは、そのような耐熱性の制約範囲内でのみ可能であり、必ずしも容易ではない。
一方、上述のように画素基板３３から分離したカバー体３８上に回折レンズ２２を形成する場合、耐熱性に関する制約が緩く、平坦性が高いカバー体３８の面上に回折レンズ２２を形成することができる。そのため、リソグラフィ・エッチング技術を使って、ナノレベル構造の回折レンズ２２を、カバー体３８上に容易に精度良く形成することができる。
なお、本実施形態の撮像素子１１では、上述のように突出レンズ部２３間にエアーギャップ２４が確保された状態で、カバー体３８は画素基板３３に対して固定される。
そのようなエアーギャップ２４を確実に作り出すため、撮像素子１１の製造方法は、例えば以下に示す工程を含んでもよい。
図１３Ａ～図１３Ｄは、撮像素子１１の製造方法の一例を示す斜視図である。
図１４～図１６は、撮像素子１１の製造方法の一例を示す撮像素子１１の断面図である。理解を容易にするため、図１４～図１６は１つの画素基板３３に注目しているが、本例の製造方法では、複数の画素基板３３を含む基板ウエハー４６単位で、図１４～図１６に示す製造プロセスが行われる。
本例の製造方法によって作られる撮像素子１１では、画素基板３３（特にイメージセンサ４０）と回折レンズ２２との間に位置するシール樹脂３７が光硬化樹脂膜により構成され、複数の突出レンズ部２３の先端部が硬化状態の光硬化樹脂膜に接触する。
すなわち、まず、複数の画素基板３３を含む一体構成の基板ウエハー４６が準備される（図１３Ａ参照）。この基板ウエハー４６には、各画素基板３３に対応する箇所においてカラーフィルタ３５及びオンチップレンズ３６が既に取り付けられている。
そして、基板ウエハー４６（すなわち複数の画素基板３３）の一方の面上に、シール樹脂３７を構成する光硬化樹脂が未硬化状態で付与される（図１３Ｂ参照）。光硬化樹脂は、各画素基板３３のうちカラーフィルタ３５及びオンチップレンズ３６が設けられる側の面を覆うように、基板ウエハー４６に付与される。
その後、基板ウエハー４６上の光硬化樹脂（シール樹脂３７）に光が照射される（図１３Ｃ参照）。これにより、基板ウエハー４６上の光硬化樹脂のうち各画素基板３３のイメージセンサ４０を覆う部分が、光照射によって硬化される（図１３Ｃに示す「樹脂硬化部３７ａ」参照）。
本工程において、基板ウエハー４６上の光硬化樹脂のうち各画素基板３３のイメージセンサ４０よりも外側の部分は、光が照射されず、未硬化状態のままである。
典型的には、図１４に示すように、露光装置４９から発せられる光が、マスク４８を介して各画素基板３３上の光硬化樹脂（シール樹脂３７）に照射される。
その後、回折レンズ２２が取り付けられたカバー体ウエハー４５（図１２参照）が、光硬化樹脂（シール樹脂３７）を介して基板ウエハー４６に接着される（図１３Ｄ参照）。
すなわち、光硬化樹脂（シール樹脂３７）のうちイメージセンサ４０の外側に位置する未硬化部分（すなわち未露光部分）が、接着剤として働き、カバー体ウエハー４５及び基板ウエハー４６を接着する。
本工程では、基板ウエハー４６の各画素基板３３上の光硬化樹脂のうち光照射によって硬化した部分に、回折レンズ２２（すなわち複数の突出レンズ部２３）を対面させつつ、カバー体ウエハー４５の各カバー体３８が対応の画素基板３３に対して固定される。
カバー体ウエハー４５を基板ウエハー４６に対して押しつけることによって、光硬化樹脂のうちの未硬化部分が、イメージセンサ４０の外側で、オンチップレンズ３６よりも盛り上がる。このようにして各画素基板３３の周辺部分で盛り上がった未硬化状態の光硬化樹脂に、カバー体３８の裏面のうち回折レンズ２２よりも外側の部分を接触させることで、各画素基板３３が対応のカバー体３８に対して接着される（図１５参照）。
本工程では、カバー体ウエハー４５及び基板ウエハー４６に接触する光硬化樹脂（シール樹脂３７）の未硬化部分に光が照射され、カバー体ウエハー４５及び基板ウエハー４６に対して光硬化樹脂（シール樹脂３７）が固着される。
その後、はんだボール３４、ＴＳＶ及び裏面配線などの構成要素が、カバー体ウエハー４５及び基板ウエハー４６を含む一体構成のウエハー構造体に形成される（図１６参照）。
その後、ウエハー構造体が切断され、個々の撮像素子１１に分離される。
本例の製造方法によれば、シール樹脂３７のうち回折レンズ２２（すなわち複数の突出レンズ部２３）に対面する部分が硬化した状態で、複数の突出レンズ部２３がシール樹脂３７に接触させられる。
そのため、突出レンズ部２３間のエアーギャップ２４へのシール樹脂３７の進入を防ぎつつ、回折レンズ２２が取り付けられたカバー体３８を、シール樹脂３７を介して画素基板３３に押しつけて固定することができる。
したがって、各エアーギャップ２４は、シール樹脂３７によって充填されることなく、空間の状態を維持することができ、回折レンズ２２は所望の光学特性を保持することができる。
図１７は、撮像素子１１の製造方法の他の例を示す断面図である。図１８は、図１７に示す製造方法によって製造される撮像素子１１の一部分を拡大して示す断面図である。
本例の製造方法によって作られる撮像素子１１では、画素基板３３（特にイメージセンサ４０）と回折レンズ２２との間に位置する無機膜５０に、複数の突出レンズ部２３の先端部が接触する。
すなわち、まず、カラーフィルタ３５及びオンチップレンズ３６が既に取り付けられている基板ウエハー４６が準備される。
そして、基板ウエハー４６（すなわち複数の画素基板３３）の一方の面上に、シール樹脂３７を構成する材料膜が付与される。シール樹脂３７の具体的な材料は限定されず、光硬化樹脂であってもよいし、熱硬化樹脂であってもよい。
そして、基板ウエハー４６上のシール樹脂３７が半硬化される。シール樹脂３７を半硬化させる方法は限定されず、例えば光照射や加熱等の適切な手段によって、シール樹脂３７は半硬化される。
その後、基板ウエハー４６（すなわち複数の画素基板３３）上の半硬化状態のシール樹脂３７上に、透光性の無機膜５０が付与される。これにより、基板ウエハー４６の各画素基板３３のイメージセンサ４０が、硬化状態の無機膜５０により覆われる。
なお、基板ウエハー４６上のシール樹脂３７のうち各画素基板３３のイメージセンサ４０よりも外側の部分は、無機膜５０により覆われることなく、半硬化状態で露出されたままである。
無機膜５０の具体的な材料は限定されず、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）によって無機膜５０を構成してもよい。
シール樹脂３７に対する無機膜５０の付与方法は限定されず、例えばスパッタリングによって無機膜５０をシール樹脂３７に付着させることができる。一例として、図１７に示すように、画素基板３３上のシール樹脂３７と、成膜装置５１との間にマスク４８を介在させ、シール樹脂３７のうち無機膜５０が形成される範囲を成膜装置５１に対して露出させた状態で、成膜装置５１は無機膜５０の成膜処理を行う。
その後、回折レンズ２２が取り付けられたカバー体ウエハー４５（図１２参照）が、シール樹脂３７を介して基板ウエハー４６に接着される。本工程では、無機膜５０に複数の突出レンズ部２３を対面させつつ、カバー体３８が画素基板３３に対して固定される。
カバー体ウエハー４５を基板ウエハー４６に対して押しつけることによって、シール樹脂３７のうちの未硬化部分が、イメージセンサ４０の外側で、オンチップレンズ３６よりも盛り上がる。このようにして周辺部分で盛り上がった未硬化状態のシール樹脂３７に、カバー体３８の裏面のうち回折レンズ２２よりも外側の部分を接触させることで、各画素基板３３が対応のカバー体３８に対して接着される（図１８参照）。
本工程では、カバー体ウエハー４５及び基板ウエハー４６に接触するシール樹脂３７の未硬化部分が硬化され、カバー体ウエハー４５及び基板ウエハー４６に対してシール樹脂３７が固着される。
その後、はんだボール３４、ＴＳＶ及び裏面配線などの構成要素が、カバー体ウエハー４５及び基板ウエハー４６を含む一体構成のウエハー構造体に形成される。
その後、ウエハー構造体が切断され、個々の撮像素子１１に分離される。
本例の製造方法によれば、カバー体３８を画素基板３３に対して固定する際、硬化状態の無機膜５０に対して複数の突出レンズ部２３が接触させられる。
そのため、突出レンズ部２３間のエアーギャップ２４へのシール樹脂３７の進入が無機膜５０によりブロックされた状態で、回折レンズ２２が取り付けられたカバー体３８を、シール樹脂３７を介して画素基板３３に押しつけて固定することができる。
したがって、各エアーギャップ２４は、シール樹脂３７によって充填されることなく、空間の状態を維持することができ、回折レンズ２２は所望の光学特性を保持することができる。
上述のいずれの製造方法においても、回折レンズ２２の複数の突出レンズ部２３が硬化部材（すなわちシール樹脂３７（光硬化樹脂）又は無機膜５０）に対面した状態で、カバー体３８がシール樹脂３７を介して画素基板３３に対して押しつけられる。これにより、突出レンズ部２３間のエアーギャップ２４へのシール樹脂３７の進入を確実に防ぎ、回折レンズ２２は、微小凹凸形状を保持して、本来の光学特性を発揮することができる。
［第２実施形態］
本実施形態において、上述の第１実施形態と同一又は対応の要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
図１９は、第２実施形態に係る撮像装置１０の一例を示す断面図である。
図１９に示す撮像装置１０は、複数のレンズ構成層５５を含む回折レンズユニット５６を備える。
複数のレンズ構成層５５は、光軸方向にお互いに重ねられる。各レンズ構成層５５は、カバー体３８と、カバー体３８の裏面に取り付けられる回折レンズ２２（複数の突出レンズ部２３）と、を含む。
図１９に示す回折レンズユニット５６は３つのレンズ構成層５５を含むが、回折レンズユニット５６に含まれるレンズ構成層５５の数は限定されない。
隣り合うレンズ構成層５５は接着層５７を介して相互に接着される。すなわち、隣り合うレンズ構成層５５のうちの一方のレンズ構成層５５（図１９の上側のレンズ構成層５５）の回折レンズ２２と、他方のレンズ構成層５５（図１９の下側のレンズ構成層５５）のカバー体３８（特に表面）とが、同じ接着層５７に固着される。
最も画素基板３３側（図１９の下側）に位置するレンズ構成層５５の回折レンズ２２（複数の突出レンズ部２３）のうちイメージセンサ４０と対面しない部分が、シール樹脂３７を介して画素基板３３に接着される。
図１９に示す例では、各カバー体３８の裏面の全体にわたって回折レンズ２２が取り付けられているが、上述の第１実施形態の例（図４参照）のように、各カバー体３８の裏面の一部にのみ回折レンズ２２が取り付けられてもよい。この場合、接着層５７及びシール樹脂３７は、カバー体３８の裏面のうち回折レンズ２２が取り付けられていない周辺領域に付着し、カバー体３８の裏面のうち回折レンズ２２が取り付けられている中央領域には付着しないように、設けられうる。
図１９に示す撮像装置１０の他の構成は、上述の第１実施形態に係る撮像装置１０の構成と同様である。
本実施形態の撮像装置１０及び撮像素子１１によれば、積層構造を有する複数の回折レンズ２２によって、撮影光Ｌの光路を調整し、色収差等の光学特性上の不具合を改善することが可能である。
その結果、例えば、より高度な光学特性を有する撮像装置１０及び撮像素子１１を実現したり、より簡素な及び／又はより安価な幾何光学レンズ２１を用いたりすることが可能である。特に、幾何光学レンズ２１のレンズ枚数や各レンズの厚みを薄くすることで、光学レンズ系全体の光軸方向サイズを小さくし、撮像装置１０全体の薄型化を促すことができる。
また、それぞれのレンズ構成層５５において様々な光学特性を有する回折レンズ２２を用いることで、光学レンズ系全体として多様な光学特性を発揮することが可能である。
［第３実施形態］
本実施形態において、上述の第１実施形態及び第２実施形態と同一又は対応の要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
図２０は、第３実施形態に係る撮像装置１０の一例を示す断面図である。
図２０に示す撮像装置１０は、複数のレンズ構成層５５を含む回折レンズユニット５６を備えるが、幾何光学レンズを具備しない。すなわち本実施形態の光学レンズ系は、複数の回折レンズ２２のみを含み、幾何光学レンズを含まない。図２０に示す回折レンズユニット５６は、６つのレンズ構成層５５を含む。
隣り合うレンズ構成層５５間の接着構成、及び、最も画素基板３３側に位置するレンズ構成層５５と画素基板３３との間の接着構成は、上述の第２実施形態の例（図１９参照）と同様である。
図２０に示す撮像装置１０の他の構成は、上述の第２実施形態に係る撮像装置１０の構成と同様である。
本実施形態の撮像装置１０及び撮像素子１１によれば、幾何光学レンズが不要である。そのため、装置構成を簡素化することが可能であり、撮像装置１０全体の光軸方向サイズを小さくすることが可能である。
また、それぞれのレンズ構成層５５において様々な光学特性を有する回折レンズ２２を用いることで、光学レンズ系全体として多様な光学特性を発揮することが可能である。
［第４実施形態］
本実施形態において、上述の第１実施形態～第３実施形態と同一又は対応の要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
図２１は、第４実施形態に係る撮像装置１０の一例を示す断面図である。
図２１に示す撮像素子１１では、回折レンズ２２を構成する突出レンズ部２３間のエアーギャップ２４に、シール樹脂３７が充填されている。
本実施形態の回折レンズ２２は、上述の第１実施形態と同様に、カバー体３８の裏面のうち光軸方向にイメージセンサ４０と対面する範囲にわたって存在するが、カバー体３８の裏面のうちイメージセンサ４０と対面しない周辺範囲の一部又は全部には存在しない。
本例の撮像装置１０の他の構成は、上述の第１実施形態に係る撮像装置１０の構成と同様である。
本実施形態の撮像装置１０及び撮像素子１１においても、回折レンズ２２（複数の突出レンズ部２３）はカバー体３８の平坦面に取り付けられる。そのため、所望形状の回折レンズ２２を、カバー体３８上の所望位置に精度良く設けることができる。
［第５実施形態］
本実施形態において、上述の第１実施形態～第４実施形態と同一又は対応の要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
図２２は、第５実施形態に係る撮像装置１０の一例を示す断面図である。
図２２に示す撮像素子１１では、イメージセンサ４０と回折レンズ２２との間に空間が設けられる。より具体的には、光軸方向において、オンチップレンズ３６と回折レンズ２２（複数の突出レンズ部２３）との間は、シール樹脂３７が存在せず、空間が存在する。
すなわち、画素基板３３の周辺領域に対応する範囲には、上述の第１実施形態と同様に、カバー体３８を画素基板３３に対して接着固定するシール樹脂３７が存在する。一方、画素基板３３の中央領域（特にイメージセンサ４０が存在する領域）に対応する範囲には、シール樹脂３７が存在しない。
そのため本例の撮像素子１１は、カバー体３８、シール樹脂３７及び画素基板３３によって囲まれる空間を持つキャビティ構造を有し、当該空間にカラーフィルタ３５、オンチップレンズ３６及び回折レンズ２２が位置する。
図２２に示す撮像装置１０の他の構成は、上述の第１実施形態に係る撮像装置１０の構成と同様である。
本実施形態の撮像装置１０及び撮像素子１１によれば、回折レンズ２２と、当該回折レンズ２２に隣接する空間との間で大きな屈折率差があるので、回折レンズ２２の回折性能（すなわち屈折性能）を向上させることができる。これにより、幾何光学レンズ２１及び回折レンズ２２の設計上の制約を緩和することが可能である。
［第６実施形態］
本実施形態において、上述の第１実施形態～第５実施形態と同一又は対応の要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
図２３は、第６実施形態に係る撮像装置１０の一例を示す断面図である。
図２３に示す撮像素子１１は、画素基板３３を外側から支持する支持体６０と、支持体６０とカバー体３８との間に位置する接着層６１と、を備える。
支持体６０は、内側に空間を有する中空構造を有し、光軸Ａｘと垂直な方向に延びる支持底部と、支持底部から光軸方向に延びる支持周縁部と、を具備する。
画素基板３３、カラーフィルタ３５及びオンチップレンズ３６は、支持底部に対して固定され、全体が支持体６０の内側空間に配置される。
カバー体３８の裏面に取り付けられる回折レンズ２２は、支持体６０、接着層６１及びカバー体３８により包囲される空間に、全体が配置される。
接着層６１は、支持体６０の支持周縁部の端面と、カバー体３８の周縁部（特に回折レンズ２２より外側に位置する部分）の裏面と、の間に位置し、支持体６０に対してカバー体３８を固定する固定部として働く。
したがって本実施形態の撮像素子１１では、上述の第１実施形態～第４実施形態の撮像素子１１では設けられていたシール樹脂３７が不要である。そのため、オンチップレンズ３６と回折レンズ２２（複数の突出レンズ部２３）との間は、全体にわたって空間が存在する。
画素基板３３は、ワイヤーボンド配線６２を介して外部基板（図示せず）に接続される。ワイヤーボンド配線６２の全体と、外部基板のうちワイヤーボンド配線６２が接続される部分とは、支持体６０の内側空間に位置する。
図２３に示す撮像装置１０の他の構成は、上述の第１実施形態に係る撮像装置１０の構成と同様である。
本実施形態の撮像装置１０及び撮像素子１１によれば、回折レンズ２２と、当該回折レンズ２２に隣接する空間との間で大きな屈折率差があるため、回折レンズ２２の回折性能（すなわち屈折性能）を向上させることができる。
また画素基板３３は支持体６０によって外側から支持されているので、画素基板３３の撓み及び反りの発生を防ぐことができる。
［回折レンズの構造例］
次に、回折レンズ２２の構造例について説明する。
以下で例示的に説明される回折レンズ２２を適用可能な撮像装置１０及び撮像素子１１は、限定されない。したがって以下で説明する回折レンズ２２は、上述の各実施形態に係る撮像装置１０及び撮像素子１１に対して適用されてもよいし、他の撮像装置１０及び撮像素子１１に対して適用されてもよい。
図２４は、回折レンズ２２の構造例を示す斜視図である。理解を容易にするため、図２４には、直方体状のカバー体３８の上面において、相互に垂直を成す縦方向及び横方向に沿って複数の突出レンズ部２３が規則的に並べられている状態が示されている。実際のカバー体３８及び回折レンズ２２（複数の突出レンズ部２３）の状態は、図２４に示す状態とは異なりうる。
回折レンズ２２の構造は、主として、各突出レンズ部２３の光軸方向サイズ（高さｈ）、隣り合う突出レンズ部２３間の距離（ピッチＰ）、及び光軸Ａｘと垂直を成す方向のサイズ（縦幅Ｄ及び横幅Ｗ）に応じて定まる。
回折レンズ２２は、撮影光Ｌを適切に屈折させるために、撮影光Ｌの波長に対して十分に小さいスリットを有する必要がある。
一般的な撮像装置１０（カメラ）での使用を想定した場合、各突出レンズ部２３は、２００～１０００ｎｍ程度の高さｈ、１００～８００ｎｍ程度の縦幅Ｄ及び横幅Ｗ、及び３００～８００ｎｍ程度のピッチＰを有する。
図２５は、回折レンズ２２の一例の概略を示す拡大平面図である。図２６Ａ～図２６Ｃは、回折レンズ２２（複数の突出レンズ部２３）の光回折の位相差ｓ、屈折角θ及び焦点距離ｆを説明するための図である。
図２５に示す例では、突出レンズ部２３のピッチＰが一定に維持された状態で、突出レンズ部２３の平面サイズ（例えば横幅Ｗ及び縦幅Ｄ）が、中央から外側に向かうに従って小さくなる。この場合、回折レンズ２２により回折された撮影光Ｌには位相差ｓが生じ（図２６Ａ参照）、突出レンズ部２３から出射する撮影光Ｌは屈折する（図２６Ｂ参照）。
回折レンズ２２全体を凸レンズとして機能させる場合、回折レンズ２２は、光軸Ａｘから離れた位置ほど、大きな屈折角θで撮影光Ｌを屈折させる必要があり、図２６Ｃに示すような焦点距離ｆを有する。
一方、突出レンズ部２３によりもたらされる撮影光Ｌの位相差ｓ（図２６Ａ参照）は、中央から外側に向かって並べられる突出レンズ部２３の数に応じて少しずつ変わり、中央からある距離離れた位置で３６０°の位相差ｓが生じる。
したがって、そのような位相差ｓの変化を、中央（光軸Ａｘ）から外側に向かって連続的に生じさせることで、回折レンズ２２全体を凸レンズとして構成することが可能である。
図２７は、１つの回折レンズ２２を構成する複数の突出レンズ部２３の配置例を示す平面図である。
図２７に示すように、突出レンズ部２３の平面サイズ（例えば横幅Ｗ及び縦幅Ｄ）の変化を、中心（すなわち光軸Ａｘ）から外側に向かって周期的に生じさせることで、回折レンズ２２全体を凸レンズとして機能させることが可能である。
図２７に示す回折レンズ２２では、第１周期Ｓ１、第２周期Ｓ２及び第３周期Ｓ３の突出レンズ部２３を含む。第１周期Ｓ１は、光軸Ａｘを含む範囲である。第２周期Ｓ２は、第１周期Ｓ１の次に光軸Ａｘに近い範囲であり、第１周期Ｓ１に隣り合って位置する。第３周期Ｓ３は、第２周期Ｓ２の次に光軸Ａｘに近い範囲であり、第２周期Ｓ２に隣り合って位置する。
第１周期Ｓ１、第２周期Ｓ２及び第３周期Ｓ３の各々に含まれる複数の突出レンズ部２３は、光回折に関し、０°～３６０°の範囲の位相差を示す。
ここで、図２７に示す例において、中心（光軸Ａｘ）から右横方向に延びる仮想線上に位置する複数の突出レンズ部２３に注目する。
この場合、第１周期Ｓ１に含まれる各突出レンズ部２３の横幅Ｗ１、第２周期Ｓ２に含まれる各突出レンズ部２３の横幅Ｗ２、及び第３周期Ｓ３に含まれる各突出レンズ部２３の横幅Ｗ３は、「Ｗ１＞Ｗ２＞Ｗ３」の関係を有する。すなわち、各周期における位置に関して周期間で相互に対応する突出レンズ部２３の横幅Ｗは、「Ｗ１＞Ｗ２＞Ｗ３」の関係を満たす。
例えば第１周期Ｓ１の最も光軸Ａｘ側に位置する突出レンズ部２３の横幅Ｗ１、第２周期Ｓ２の最も光軸Ａｘ側に位置する突出レンズ部２３の横幅Ｗ２、及び第３周期Ｓ３の最も光軸Ａｘ側に位置する突出レンズ部２３の横幅Ｗ３は、「Ｗ１＞Ｗ２＞Ｗ３」を満たす。
なお上述の「Ｗ１＞Ｗ２＞Ｗ３」は、各突出レンズ部２３の横幅Ｗの方向に並べられる複数の突出レンズ部２３に注目した場合に満たされる関係である。
他の直線方向に並ぶ複数の突出レンズ部２３の関係については、当該方向に沿った第１周期Ｓ１の各突出レンズ部２３のサイズＪ１、第２周期Ｓ２の各突出レンズ部２３のサイズＪ２、及び第３周期Ｓ３の各突出レンズ部２３のＪ３が「Ｊ１＞Ｊ２＞Ｊ３」を満たす。すなわち、各周期における位置に関して周期間で相互に対応する突出レンズ部２３のサイズが「Ｊ１＞Ｊ２＞Ｊ３」の関係を満たす。
したがって、各突出レンズ部２３の縦幅Ｄの方向に並べられる複数の突出レンズ部２３に注目した場合、第１周期Ｓ１～第３周期Ｓ３の対応の突出レンズ部２３間で「Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ３」の関係が満たされる。すなわち第１周期Ｓ１の最も光軸Ａｘ側の突出レンズ部２３の縦幅Ｄ１、第２周期Ｓ２の最も光軸Ａｘ側の突出レンズ部２３の第２周期Ｓ２、及び第３周期Ｓ３の最も光軸Ａｘ側の突出レンズ部２３の縦幅Ｄ３は、「Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ３」の関係を満たす。
一方、各周期における複数の突出レンズ部２３は、同じピッチＰで設けられる。
ただし、第１周期Ｓ１に含まれる突出レンズ部２３のピッチＰ１、第２周期Ｓ２に含まれる突出レンズ部２３のピッチＰ２、及び第３周期Ｓ３に含まれる突出レンズ部２３のピッチＰ３は、「Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３」の関係を有する。
上述の「Ｗ１＞Ｗ２＞Ｗ３」、「Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ３」、「Ｊ１＞Ｊ２＞Ｊ３」及び「Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３」を満たす回折レンズ２２は、全体として凸レンズを構成する。
一方、「Ｗ１＜Ｗ２＜Ｗ３」、「Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３」、「Ｊ１＜Ｊ２＜Ｊ３」及び「Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３」を満たす回折レンズ２２は、全体として凹レンズを構成する。
以上説明したように、凸レンズを構成する回折レンズ２２の複数の突出レンズ部２３の平面サイズ（すなわち光軸Ａｘと垂直を成す平面上のサイズ）は、光軸Ａｘからの距離を基準に周期的に変化する。複数の突出レンズ部２３の平面サイズの変化の周期は、複数の突出レンズ部２３の光回折の３６０°の位相差に基づく。そして、凸レンズを成す回折レンズ２２では、各周期において、光軸Ａｘから離れるに従って突出レンズ部２３の平面サイズは小さくなる。
同様に、凹レンズを構成する回折レンズ２２の複数の突出レンズ部２３の平面サイズは、光軸Ａｘからの距離を基準に周期的に変化し、複数の突出レンズ部２３の平面サイズの変化の周期は、複数の突出レンズ部２３の光回折の３６０°の位相差に基づいている。ただし、凹レンズを成す回折レンズ２２では、各周期において、光軸Ａｘから離れるに従って突出レンズ部２３の平面サイズは大きくなる。
［応用例］
以下に、上述の撮像装置１０、撮像素子１１、及び撮像装置１０及び撮像素子１１の製造方法を応用可能な電子機器の例について説明する。なお、上述の撮像装置１０、撮像素子１１、及び撮像装置１０及び撮像素子１１の製造方法は、下述の電子機器以外の任意のシステム、装置及び方法等に対しても応用可能である。
＜移動体への応用例＞
本開示に係る技術（本技術）は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
図２８は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システムの概略的な構成例を示すブロック図である。
車両制御システム１２０００は、通信ネットワーク１２００１を介して接続された複数の電子制御ユニットを備える。図２８に示した例では、車両制御システム１２０００は、駆動系制御ユニット１２０１０、ボディ系制御ユニット１２０２０、車外情報検出ユニット１２０３０、車内情報検出ユニット１２０４０、及び統合制御ユニット１２０５０を備える。また、統合制御ユニット１２０５０の機能構成として、マイクロコンピュータ１２０５１、音声画像出力部１２０５２、及び車載ネットワークＩ／Ｆ（Interface）１２０５３が図示されている。
駆動系制御ユニット１２０１０は、各種プログラムにしたがって車両の駆動系に関連する装置の動作を制御する。例えば、駆動系制御ユニット１２０１０は、内燃機関又は駆動用モータ等の車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置、駆動力を車輪に伝達するための駆動力伝達機構、車両の舵角を調節するステアリング機構、及び、車両の制動力を発生させる制動装置等の制御装置として機能する。
ボディ系制御ユニット１２０２０は、各種プログラムにしたがって車体に装備された各種装置の動作を制御する。例えば、ボディ系制御ユニット１２０２０は、キーレスエントリシステム、スマートキーシステム、パワーウィンドウ装置、あるいは、ヘッドランプ、バックランプ、ブレーキランプ、ウィンカー又はフォグランプ等の各種ランプの制御装置として機能する。この場合、ボディ系制御ユニット１２０２０には、鍵を代替する携帯機から発信される電波又は各種スイッチの信号が入力され得る。ボディ系制御ユニット１２０２０は、これらの電波又は信号の入力を受け付け、車両のドアロック装置、パワーウィンドウ装置、ランプ等を制御する。
車外情報検出ユニット１２０３０は、車両制御システム１２０００を搭載した車両の外部の情報を検出する。例えば、車外情報検出ユニット１２０３０には、撮像部１２０３１が接続される。車外情報検出ユニット１２０３０は、撮像部１２０３１に車外の画像を撮像させるとともに、撮像された画像を受信する。車外情報検出ユニット１２０３０は、受信した画像に基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等の物体検出処理又は距離検出処理を行ってもよい。
撮像部１２０３１は、光を受光し、その光の受光量に応じた電気信号を出力する光センサである。撮像部１２０３１は、電気信号を画像として出力することもできるし、測距の情報として出力することもできる。また、撮像部１２０３１が受光する光は、可視光であっても良いし、赤外線等の非可視光であっても良い。
車内情報検出ユニット１２０４０は、車内の情報を検出する。車内情報検出ユニット１２０４０には、例えば、運転者の状態を検出する運転者状態検出部１２０４１が接続される。運転者状態検出部１２０４１は、例えば運転者を撮像するカメラを含み、車内情報検出ユニット１２０４０は、運転者状態検出部１２０４１から入力される検出情報に基づいて、運転者の疲労度合い又は集中度合いを算出してもよいし、運転者が居眠りをしていないかを判別してもよい。
マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車内外の情報に基づいて、駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置の制御目標値を演算し、駆動系制御ユニット１２０１０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両の衝突回避あるいは衝撃緩和、車間距離に基づく追従走行、車速維持走行、車両の衝突警告、又は車両のレーン逸脱警告等を含むＡＤＡＳ（Advanced Driver Assistance System）の機能実現を目的とした協調制御を行うことができる。
また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車両の周囲の情報に基づいて駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置等を制御することにより、運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で取得される車外の情報に基づいて、ボディ系制御ユニット１２０３０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で検知した先行車又は対向車の位置に応じてヘッドランプを制御し、ハイビームをロービームに切り替える等の防眩を図ることを目的とした協調制御を行うことができる。
音声画像出力部１２０５２は、車両の搭乗者又は車外に対して、視覚的又は聴覚的に情報を通知することが可能な出力装置へ音声及び画像のうちの少なくとも一方の出力信号を送信する。図２８の例では、出力装置として、オーディオスピーカ１２０６１、表示部１２０６２及びインストルメントパネル１２０６３が例示されている。表示部１２０６２は、例えば、オンボードディスプレイ及びヘッドアップディスプレイの少なくとも一つを含んでいてもよい。
図２９は、撮像部１２０３１の設置位置の例を示す図である。
図２９では、撮像部１２０３１として、撮像部１２１０１、１２１０２、１２１０３、１２１０４、１２１０５を有する。
撮像部１２１０１、１２１０２、１２１０３、１２１０４、１２１０５は、例えば、車両１２１００のフロントノーズ、サイドミラー、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部等の位置に設けられる。フロントノーズに備えられる撮像部１２１０１及び車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部１２１０５は、主として車両１２１００の前方の画像を取得する。サイドミラーに備えられる撮像部１２１０２、１２１０３は、主として車両１２１００の側方の画像を取得する。リアバンパ又はバックドアに備えられる撮像部１２１０４は、主として車両１２１００の後方の画像を取得する。車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部１２１０５は、主として先行車両又は、歩行者、障害物、信号機、交通標識又は車線等の検出に用いられる。
なお、図２９には、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮影範囲の一例が示されている。撮像範囲１２１１１は、フロントノーズに設けられた撮像部１２１０１の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１２，１２１１３は、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部１２１０２，１２１０３の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１４は、リアバンパ又はバックドアに設けられた撮像部１２１０４の撮像範囲を示す。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４で撮像された画像データが重ね合わせられることにより、車両１２１００を上方から見た俯瞰画像が得られる。
撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、距離情報を取得する機能を有していてもよい。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、複数の撮像素子からなるステレオカメラであってもよいし、位相差検出用の画素を有する撮像素子であってもよい。
例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を基に、撮像範囲１２１１１ないし１２１１４内における各立体物までの距離と、この距離の時間的変化（車両１２１００に対する相対速度）を求めることにより、特に車両１２１００の進行路上にある最も近い立体物で、車両１２１００と略同じ方向に所定の速度（例えば、０km/h以上）で走行する立体物を先行車として抽出することができる。さらに、マイクロコンピュータ１２０５１は、先行車の手前に予め確保すべき車間距離を設定し、自動ブレーキ制御（追従停止制御も含む）や自動加速制御（追従発進制御も含む）等を行うことができる。このように運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を元に、立体物に関する立体物データを、２輪車、普通車両、大型車両、歩行者、電柱等その他の立体物に分類して抽出し、障害物の自動回避に用いることができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両１２１００の周辺の障害物を、車両１２１００のドライバが視認可能な障害物と視認困難な障害物とに識別する。そして、マイクロコンピュータ１２０５１は、各障害物との衝突の危険度を示す衝突リスクを判断し、衝突リスクが設定値以上で衝突可能性がある状況であるときには、オーディオスピーカ１２０６１や表示部１２０６２を介してドライバに警報を出力することや、駆動系制御ユニット１２０１０を介して強制減速や回避操舵を行うことで、衝突回避のための運転支援を行うことができる。
撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、赤外線を検出する赤外線カメラであってもよい。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在するか否かを判定することで歩行者を認識することができる。かかる歩行者の認識は、例えば赤外線カメラとしての撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像における特徴点を抽出する手順と、物体の輪郭を示す一連の特徴点にパターンマッチング処理を行って歩行者か否かを判別する手順によって行われる。マイクロコンピュータ１２０５１が、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在すると判定し、歩行者を認識すると、音声画像出力部１２０５２は、当該認識された歩行者に強調のための方形輪郭線を重畳表示するように、表示部１２０６２を制御する。また、音声画像出力部１２０５２は、歩行者を示すアイコン等を所望の位置に表示するように表示部１２０６２を制御してもよい。
以上、本開示に係る技術が適用され得る車両制御システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、例えば撮像部１２０３１、１２１０１、１２１０２、１２１０３、１２１０４、１２１０５及び運転者状態検出部１２０４１が含むカメラに適用されうる。これらの場合にも、小型の装置構成で高品質の画像を取得するのに有利である。
＜内視鏡手術システムへの応用例＞
本開示に係る技術（本技術）は、様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、内視鏡手術システムに適用されてもよい。
図３０は、本開示に係る技術（本技術）が適用され得る内視鏡手術システムの概略的な構成の一例を示す図である。
図３０では、術者（医師）１１１３１が、内視鏡手術システム１１０００を用いて、患者ベッド１１１３３上の患者１１１３２に手術を行っている様子が図示されている。図示するように、内視鏡手術システム１１０００は、内視鏡１１１００と、気腹チューブ１１１１１やエネルギー処置具１１１１２等の、その他の術具１１１１０と、内視鏡１１１００を支持する支持アーム装置１１１２０と、内視鏡下手術のための各種の装置が搭載されたカート１１２００と、から構成される。
内視鏡１１１００は、先端から所定の長さの領域が患者１１１３２の体腔内に挿入される鏡筒１１１０１と、鏡筒１１１０１の基端に接続されるカメラヘッド１１１０２と、から構成される。図示する例では、硬性の鏡筒１１１０１を有するいわゆる硬性鏡として構成される内視鏡１１１００を図示しているが、内視鏡１１１００は、軟性の鏡筒を有するいわゆる軟性鏡として構成されてもよい。
鏡筒１１１０１の先端には、対物レンズが嵌め込まれた開口部が設けられている。内視鏡１１１００には光源装置１１２０３が接続されており、当該光源装置１１２０３によって生成された光が、鏡筒１１１０１の内部に延設されるライトガイドによって当該鏡筒の先端まで導光され、対物レンズを介して患者１１１３２の体腔内の観察対象に向かって照射される。なお、内視鏡１１１００は、直視鏡であってもよいし、斜視鏡又は側視鏡であってもよい。
カメラヘッド１１１０２の内部には光学系及び撮像素子が設けられており、観察対象からの反射光（観察光）は当該光学系によって当該撮像素子に集光される。当該撮像素子によって観察光が光電変換され、観察光に対応する電気信号、すなわち観察像に対応する画像信号が生成される。当該画像信号は、ＲＡＷデータとしてカメラコントロールユニット（ＣＣＵ: Camera Control Unit）１１２０１に送信される。
ＣＣＵ１１２０１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等によって構成され、内視鏡１１１００及び表示装置１１２０２の動作を統括的に制御する。さらに、ＣＣＵ１１２０１は、カメラヘッド１１１０２から画像信号を受け取り、その画像信号に対して、例えば現像処理（デモザイク処理）等の、当該画像信号に基づく画像を表示するための各種の画像処理を施す。
表示装置１１２０２は、ＣＣＵ１１２０１からの制御により、当該ＣＣＵ１１２０１によって画像処理が施された画像信号に基づく画像を表示する。
光源装置１１２０３は、例えばＬＥＤ（light emitting diode）等の光源から構成され、術部等を撮影する際の照射光を内視鏡１１１００に供給する。
入力装置１１２０４は、内視鏡手術システム１１０００に対する入力インタフェースである。ユーザは、入力装置１１２０４を介して、内視鏡手術システム１１０００に対して各種の情報の入力や指示入力を行うことができる。例えば、ユーザは、内視鏡１１１００による撮像条件（照射光の種類、倍率及び焦点距離等）を変更する旨の指示等を入力する。
処置具制御装置１１２０５は、組織の焼灼、切開又は血管の封止等のためのエネルギー処置具１１１１２の駆動を制御する。気腹装置１１２０６は、内視鏡１１１００による視野の確保及び術者の作業空間の確保の目的で、患者１１１３２の体腔を膨らめるために、気腹チューブ１１１１１を介して当該体腔内にガスを送り込む。レコーダ１１２０７は、手術に関する各種の情報を記録可能な装置である。プリンタ１１２０８は、手術に関する各種の情報を、テキスト、画像又はグラフ等各種の形式で印刷可能な装置である。
なお、内視鏡１１１００に術部を撮影する際の照射光を供給する光源装置１１２０３は、例えばＬＥＤ、レーザ光源又はこれらの組み合わせによって構成される白色光源から構成することができる。ＲＧＢレーザ光源の組み合わせにより白色光源が構成される場合には、各色（各波長）の出力強度及び出力タイミングを高精度に制御することができるため、光源装置１１２０３において撮像画像のホワイトバランスの調整を行うことができる。また、この場合には、ＲＧＢレーザ光源それぞれからのレーザ光を時分割で観察対象に照射し、その照射タイミングに同期してカメラヘッド１１１０２の撮像素子の駆動を制御することにより、ＲＧＢそれぞれに対応した画像を時分割で撮像することも可能である。当該方法によれば、当該撮像素子にカラーフィルタを設けなくても、カラー画像を得ることができる。
また、光源装置１１２０３は、出力する光の強度を所定の時間ごとに変更するようにその駆動が制御されてもよい。その光の強度の変更のタイミングに同期してカメラヘッド１１１０２の撮像素子の駆動を制御して時分割で画像を取得し、その画像を合成することにより、いわゆる黒つぶれ及び白とびのない高ダイナミックレンジの画像を生成することができる。
また、光源装置１１２０３は、特殊光観察に対応した所定の波長帯域の光を供給可能に構成されてもよい。特殊光観察では、例えば、体組織における光の吸収の波長依存性を利用して、通常の観察時における照射光（すなわち、白色光）に比べて狭帯域の光を照射することにより、粘膜表層の血管等の所定の組織を高コントラストで撮影する、いわゆる狭帯域光観察（Narrow Band Imaging）が行われる。あるいは、特殊光観察では、励起光を照射することにより発生する蛍光により画像を得る蛍光観察が行われてもよい。蛍光観察では、体組織に励起光を照射し当該体組織からの蛍光を観察すること（自家蛍光観察）、又はインドシアニングリーン（ICG）等の試薬を体組織に局注するとともに当該体組織にその試薬の蛍光波長に対応した励起光を照射し蛍光像を得ること等を行うことができる。光源装置１１２０３は、このような特殊光観察に対応した狭帯域光及び／又は励起光を供給可能に構成され得る。
図３１は、図３０に示すカメラヘッド１１１０２及びＣＣＵ１１２０１の機能構成の一例を示すブロック図である。
カメラヘッド１１１０２は、レンズユニット１１４０１と、撮像部１１４０２と、駆動部１１４０３と、通信部１１４０４と、カメラヘッド制御部１１４０５と、を有する。ＣＣＵ１１２０１は、通信部１１４１１と、画像処理部１１４１２と、制御部１１４１３と、を有する。カメラヘッド１１１０２とＣＣＵ１１２０１とは、伝送ケーブル１１４００によって互いに通信可能に接続されている。
レンズユニット１１４０１は、鏡筒１１１０１との接続部に設けられる光学系である。鏡筒１１１０１の先端から取り込まれた観察光は、カメラヘッド１１１０２まで導光され、当該レンズユニット１１４０１に入射する。レンズユニット１１４０１は、ズームレンズ及びフォーカスレンズを含む複数のレンズが組み合わされて構成される。
撮像部１１４０２を構成する撮像素子は、１つ（いわゆる単板式）であってもよいし、複数（いわゆる多板式）であってもよい。撮像部１１４０２が多板式で構成される場合には、例えば各撮像素子によってＲＧＢそれぞれに対応する画像信号が生成され、それらが合成されることによりカラー画像が得られてもよい。あるいは、撮像部１１４０２は、３Ｄ（dimensional）表示に対応する右目用及び左目用の画像信号をそれぞれ取得するための１対の撮像素子を有するように構成されてもよい。３Ｄ表示が行われることにより、術者１１１３１は術部における生体組織の奥行きをより正確に把握することが可能になる。なお、撮像部１１４０２が多板式で構成される場合には、各撮像素子に対応して、レンズユニット１１４０１も複数系統設けられ得る。
また、撮像部１１４０２は、必ずしもカメラヘッド１１１０２に設けられなくてもよい。例えば、撮像部１１４０２は、鏡筒１１１０１の内部に、対物レンズの直後に設けられてもよい。
駆動部１１４０３は、アクチュエータによって構成され、カメラヘッド制御部１１４０５からの制御により、レンズユニット１１４０１のズームレンズ及びフォーカスレンズを光軸に沿って所定の距離だけ移動させる。これにより、撮像部１１４０２による撮像画像の倍率及び焦点が適宜調整され得る。
通信部１１４０４は、ＣＣＵ１１２０１との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部１１４０４は、撮像部１１４０２から得た画像信号をＲＡＷデータとして伝送ケーブル１１４００を介してＣＣＵ１１２０１に送信する。
また、通信部１１４０４は、ＣＣＵ１１２０１から、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御するための制御信号を受信し、カメラヘッド制御部１１４０５に供給する。当該制御信号には、例えば、撮像画像のフレームレートを指定する旨の情報、撮像時の露出値を指定する旨の情報、並びに／又は撮像画像の倍率及び焦点を指定する旨の情報等、撮像条件に関する情報が含まれる。
なお、上記のフレームレートや露出値、倍率、焦点等の撮像条件は、ユーザによって適宜指定されてもよいし、取得された画像信号に基づいてＣＣＵ１１２０１の制御部１１４１３によって自動的に設定されてもよい。後者の場合には、いわゆるＡＥ（Auto Exposure）機能、ＡＦ（Auto Focus）機能及びＡＷＢ（Auto White Balance）機能が内視鏡１１１００に搭載されていることになる。
カメラヘッド制御部１１４０５は、通信部１１４０４を介して受信したＣＣＵ１１２０１からの制御信号に基づいて、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御する。
通信部１１４１１は、カメラヘッド１１１０２との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部１１４１１は、カメラヘッド１１１０２から、伝送ケーブル１１４００を介して送信される画像信号を受信する。
また、通信部１１４１１は、カメラヘッド１１１０２に対して、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御するための制御信号を送信する。画像信号や制御信号は、電気通信や光通信等によって送信することができる。
画像処理部１１４１２は、カメラヘッド１１１０２から送信されたＲＡＷデータである画像信号に対して各種の画像処理を施す。
制御部１１４１３は、内視鏡１１１００による術部等の撮像、及び、術部等の撮像により得られる撮像画像の表示に関する各種の制御を行う。例えば、制御部１１４１３は、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御するための制御信号を生成する。
また、制御部１１４１３は、画像処理部１１４１２によって画像処理が施された画像信号に基づいて、術部等が映った撮像画像を表示装置１１２０２に表示させる。この際、制御部１１４１３は、各種の画像認識技術を用いて撮像画像内における各種の物体を認識してもよい。例えば、制御部１１４１３は、撮像画像に含まれる物体のエッジの形状や色等を検出することにより、鉗子等の術具、特定の生体部位、出血、エネルギー処置具１１１１２の使用時のミスト等を認識することができる。制御部１１４１３は、表示装置１１２０２に撮像画像を表示させる際に、その認識結果を用いて、各種の手術支援情報を当該術部の画像に重畳表示させてもよい。手術支援情報が重畳表示され、術者１１１３１に提示されることにより、術者１１１３１の負担を軽減することや、術者１１１３１が確実に手術を進めることが可能になる。
カメラヘッド１１１０２及びＣＣＵ１１２０１を接続する伝送ケーブル１１４００は、電気信号の通信に対応した電気信号ケーブル、光通信に対応した光ファイバ、又はこれらの複合ケーブルである。
ここで、図示する例では、伝送ケーブル１１４００を用いて有線で通信が行われていたが、カメラヘッド１１１０２とＣＣＵ１１２０１との間の通信は無線で行われてもよい。
以上、本開示に係る技術が適用され得る内視鏡手術システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、例えばカメラヘッド１１１０２に適用されうる。この場合にも、小型の装置構成で高品質の画像を取得するのに有利である。
なお、ここでは、一例として内視鏡手術システムについて説明したが、本開示に係る技術は、その他、例えば、顕微鏡手術システム等に適用されてもよい。
本明細書で開示されている実施形態及び変形例はすべての点で例示に過ぎず限定的には解釈されないことに留意されるべきである。上述の実施形態及び変形例は、添付の特許請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態での省略、置換及び変更が可能である。例えば上述の実施形態及び変形例が全体的に又は部分的に組み合わされてもよく、また上述以外の実施形態が上述の実施形態又は変形例と組み合わされてもよい。また、本明細書に記載された本開示の効果は例示に過ぎず、その他の効果がもたらされてもよい。
上述の技術的思想を具現化する技術的カテゴリーは限定されない。例えば上述の装置を製造する方法或いは使用する方法に含まれる１又は複数の手順（ステップ）をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラムによって、上述の技術的思想が具現化されてもよい。またそのようなコンピュータプログラムが記録されたコンピュータが読み取り可能な非一時的（non-transitory）な記録媒体によって、上述の技術的思想が具現化されてもよい。
［付記］
本開示は以下の構成を取ることもできる。
［項目１］
撮影光が入射するイメージセンサを具備する画素基板と、
前記イメージセンサに対面する透光性のカバー体と、
前記カバー体から前記イメージセンサに向かって突出する複数の突出レンズ部を有する回折レンズと、を備え、
前記複数の突出レンズ部の相互間に空間が設けられている
撮像素子。
［項目２］
前記イメージセンサと前記回折レンズとの間に位置し、前記複数の突出レンズ部に接触する光硬化樹脂膜を備える
項目１に記載の撮像素子。
［項目３］
前記イメージセンサと前記回折レンズとの間に位置し、前記複数の突出レンズ部に接触する無機膜を備える
項目１又は２に記載の撮像素子。
［項目４］
お互いに重ねられる複数のレンズ構成層を備え、
前記複数のレンズ構成層の各々は、前記カバー体及び前記回折レンズを含む
項目１～３のいずれに記載の撮像素子。
［項目５］
前記回折レンズは、前記イメージセンサから６０μｍ以下離れて位置する
項目１～４のいずれに記載の撮像素子。
［項目６］
前記複数の突出レンズ部の平面サイズは、光軸からの距離を基準に、周期的に変化し、
前記複数の突出レンズ部の平面サイズの変化の周期は、前記複数の突出レンズ部の光回折の３６０°の位相差に基づいており、
各周期において、光軸から離れるに従って突出レンズ部の平面サイズが小さくなる
項目１～５のいずれに記載の撮像素子。
［項目７］
前記複数の突出レンズ部の平面サイズは、光軸からの距離を基準に、周期的に変化し、
前記複数の突出レンズ部の平面サイズの変化の周期は、前記複数の突出レンズ部の光回折の３６０°の位相差に基づいており、
各周期において、光軸から離れるに従って突出レンズ部の平面サイズが大きくなる
項目１～６のいずれに記載の撮像素子。
［項目８］
前記画素基板と前記カバー体との間に位置し、前記画素基板に対して前記カバー体を固定する固定部を備える
項目１～７のいずれに記載の撮像素子。
［項目９］
前記イメージセンサと前記回折レンズとの間に空間が設けられている項目１～８のいずれに記載の撮像素子。
［項目１０］
前記画素基板を支持する支持体と、
前記支持体とカバー基板との間に位置し、前記支持体に対して前記カバー体を固定する固定部と、を備える
項目１～９のいずれに記載の撮像素子。
［項目１１］
撮影光が入射するイメージセンサを具備する画素基板と、
前記イメージセンサに対面する透光性のカバー体と、
前記カバー体から前記イメージセンサに向かって突出する複数の突出レンズ部を有する回折レンズと、
前記カバー体を介して前記画素基板とは反対側に位置する撮像レンズと、を備え、
前記複数の突出レンズ部の相互間に空間が形成されている
撮像装置。
［項目１２］
前記回折レンズは、前記撮像レンズの色収差を低減する
項目１１に記載の撮像装置。
［項目１３］
前記回折レンズは、前記撮像レンズから前記回折レンズに向かう前記撮影光の主光線入射角度よりも小さい主光線入射角度で、前記撮影光を出射する
項目１１又は１２に記載の撮像装置。
［項目１４］
イメージセンサを有する画素基板に対し、透光性のカバー体を固定する工程を含み、
前記カバー体には、回折レンズを構成し且つ相互間に空間が設けられている複数の突出レンズ部が固定されており、
前記複数の突出レンズ部が前記カバー体と前記画素基板との間に位置するように、前記カバー体は前記画素基板に対して固定される
撮像素子の製造方法。
［項目１５］
前記画素基板上に、光硬化樹脂を付与する工程と、
前記画素基板上の前記光硬化樹脂のうち前記イメージセンサを覆う部分を、光照射によって硬化させる工程と、を含み、
前記画素基板上の前記光硬化樹脂のうち前記光照射によって硬化した部分に前記複数の突出レンズ部を対面させつつ、前記カバー体が前記画素基板に対して固定される
項目１４に記載の撮像素子の製造方法。
［項目１６］
前記画素基板上に、無機膜を付与する工程を含み、
前記無機膜に前記複数の突出レンズ部を対面させつつ、前記カバー体が前記画素基板に対して固定される
項目１４又は１５に記載の撮像素子の製造方法。
１０ 撮像装置
１１ 撮像素子
２１ 幾何光学レンズ
２２ 回折レンズ
２３ 突出レンズ部
２４ エアーギャップ
３１ 下側基板
３２ 上側基板
３３ 画素基板
３４ はんだボール
３５ カラーフィルタ
３６ オンチップレンズ
３７ シール樹脂
３８ カバー体
４０ イメージセンサ
４１ レンズ基材膜
４２ レジスト
４５ カバー体ウエハー
４６ 基板ウエハー
４８ マスク
４９ 露光装置
５０ 無機膜
５１ 成膜装置
５５ レンズ構成層
５６ 回折レンズユニット
５７ 接着層
６０ 支持体
６１ 接着層
６２ ワイヤーボンド配線
Ａｘ 光軸
Ｄ 縦幅
Ｌ 撮影光
Ｌ１ 短波長光
Ｌ２ 長波長光
Ｐ ピッチ
Ｓ１ 第１周期
Ｓ２ 第２周期
Ｓ３ 第３周期
ｓ 位相差
Ｗ 横幅
θ 屈折角

Claims (16)

  1. イメージセンサを具備する画素基板と、
    前記イメージセンサに対面する透光性のカバー体と、
    前記カバー体から前記イメージセンサに向かって突出する複数の突出レンズ部を有する回折レンズと、を備え、
    前記複数の突出レンズ部の相互間に空間が設けられている
    撮像素子。
  2. 前記イメージセンサと前記回折レンズとの間に位置し、前記複数の突出レンズ部に接触する光硬化樹脂膜を備える
    請求項１に記載の撮像素子。
  3. 前記イメージセンサと前記回折レンズとの間に位置し、前記複数の突出レンズ部に接触する無機膜を備える
    請求項１に記載の撮像素子。
  4. お互いに重ねられる複数のレンズ構成層を備え、
    前記複数のレンズ構成層の各々は、前記カバー体及び前記回折レンズを含む
    請求項１に記載の撮像素子。
  5. 前記回折レンズは、前記イメージセンサから６０μｍ以下離れて位置する
    請求項１に記載の撮像素子。
  6. 前記複数の突出レンズ部の平面サイズは、光軸からの距離を基準に、周期的に変化し、
    前記複数の突出レンズ部の平面サイズの変化の周期は、前記複数の突出レンズ部の光回折の３６０°の位相差に基づいており、
    各周期において、光軸から離れるに従って突出レンズ部の平面サイズが小さくなる
    請求項１に記載の撮像素子。
  7. 前記複数の突出レンズ部の平面サイズは、光軸からの距離を基準に、周期的に変化し、
    前記複数の突出レンズ部の平面サイズの変化の周期は、前記複数の突出レンズ部の光回折の３６０°の位相差に基づいており、
    各周期において、光軸から離れるに従って突出レンズ部の平面サイズが大きくなる
    請求項１に記載の撮像素子。
  8. 前記画素基板と前記カバー体との間に位置し、前記画素基板に対して前記カバー体を固定する固定部を備える
    請求項１に記載の撮像素子。
  9. 前記イメージセンサと前記回折レンズとの間に空間が設けられている請求項１に記載の撮像素子。
  10. 前記画素基板を支持する支持体と、
    前記支持体とカバー基板との間に位置し、前記支持体に対して前記カバー体を固定する固定部と、を備える
    請求項１に記載の撮像素子。
  11. イメージセンサを具備する画素基板と、
    前記イメージセンサに対面する透光性のカバー体と、
    前記カバー体から前記イメージセンサに向かって突出する複数の突出レンズ部を有する回折レンズと、
    前記カバー体を介して前記画素基板とは反対側に位置する撮像レンズと、を備え、
    前記複数の突出レンズ部の相互間に空間が形成されている
    撮像装置。
  12. 前記回折レンズは、前記撮像レンズの色収差を低減する
    請求項１１に記載の撮像装置。
  13. 前記回折レンズは、前記撮像レンズから前記回折レンズに向かう光の主光線入射角度よりも小さい主光線入射角度で、光を出射する
    請求項１１に記載の撮像装置。
  14. イメージセンサを有する画素基板に対し、透光性のカバー体を固定する工程を含み、
    前記カバー体には、回折レンズを構成し且つ相互間に空間が設けられている複数の突出レンズ部が固定されており、
    前記複数の突出レンズ部が前記カバー体と前記画素基板との間に位置するように、前記カバー体は前記画素基板に対して固定される
    撮像素子の製造方法。
  15. 前記画素基板上に、光硬化樹脂を付与する工程と、
    前記画素基板上の前記光硬化樹脂のうち前記イメージセンサを覆う部分を、光照射によって硬化させる工程と、を含み、
    前記画素基板上の前記光硬化樹脂のうち前記光照射によって硬化した部分に前記複数の突出レンズ部を対面させつつ、前記カバー体が前記画素基板に対して固定される
    請求項１４に記載の撮像素子の製造方法。
  16. 前記画素基板上に、無機膜を付与する工程を含み、
    前記無機膜に前記複数の突出レンズ部を対面させつつ、前記カバー体が前記画素基板に対して固定される
    請求項１４に記載の撮像素子の製造方法。
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