JP5342557B2 - イメージセンサ - Google Patents

Description

本発明は、基本的にアレイ状に配置された多数のイメージセンサユニットを有するイメージセンサに関する。

物体の画像を見たり、データ処理装置によってその画像を更に処理するためにはイメージセンサが使用される。その際、基本的には結像レンズシステムと、関連電子機器を備えるイメージセンサと、データ処理装置とが使用される。

結像用レンズシステムには当然ながら収差と称する様々な画像誤差がある。それらの画像誤差として、例えば球面収差、コマ、非点収差、像面湾曲、歪誤差、脱焦、縦又は横方向の色誤差等を挙げることができる。通常は非球面レンズ等の特殊なレンズ設計により、あるいは異なるレンズ形状や材料の組み合わせにより、画像誤差の補償を試みる。ただしレンズ設計による場合はある程度までしか収差を補正できず、補正の際には別の収差が反対方向に作用する。つまり、ある１つの収差の補正は別の収差の悪化を招く。このため、カメラシステム全体で実現するべき品質、及び／又はどの画像特性を重視するかを、レンズの設計時に予め決めておかなければならない。そこで、通常は品質関数を定め、それをレンズ最適化の尺度として使用することになる。また、複雑な収差補正を有するレンズの製造には多くの場合コストがかかる。複雑な表面形状の製造は困難で、煩雑な作業工程を踏まなければならない、及び／又は多くのレンズには珍しい材料を使用しなければならないからである。

更なる収差補正として、焦点のずれではなく画像に歪を起こすだけの収差であれば、画像のデジタル後処理（リマッピング）により補正もしくは除去する方法がある。この解決法には、未補正画像から補正画像を形成する変換の計算にメモリと計算時間を要するという欠点がある。更にそれを画像の実際のピクセル間に内挿しなければならない。つまり、より精細なスキャンが要求されるか、又は解像度が損なわれる。

更に、イメージセンサを回転対称的に構成することで収差を部分的に補正する方法がある。ただし、従来のディスプレイやプリンタでは、画像のピクセルが実質的に長方形に配置されるため、記録された画像を直接的に再現できないという欠点がある。そこで画像情報の電子再配分が必要になるが、それは先の段落に記載の不利点を招く。

J. Duparre, F. Wippermann, P. Dannberg, A. Reimann, "Chirped arrays of refractive ellipsoidal microlenses for aberration correction under oblique incidence（斜め入射で収差を補正する屈折楕円マイクロレンズからなるチャープアレイ）"，Optics Express, Vol. 13, No. 26, p. 10539-10551, 2005

本発明は、イメージセンサによりある程度の収差補正を行い、レンズシステムで相互に規制する収差補正を回避できるイメージセンサ及び／又はカメラシステムを製造することをその目的とする。また、電子システムや後付されるデータ処理装置に要求されるメモリと計算時間は低く抑えるべきである。

この目的は、請求項１に記載の特徴を有するイメージセンサと、請求項２５に記載の特徴を有するカメラシステムと、請求項３０に記載の特徴を有する方法と、によって達成される。更なる従属請求項では有利な開発を開示する。

複数のイメージセンサユニットを有するイメージセンサは、アレイ状の構造を有する。その結果、現在のディスプレイ及びプリンタ標準が考慮される。アレイは節点と接続線とからなる座標系を有し、節点にはイメージセンサユニットの感光面がそれぞれ配置される。この座標系はアレイの構成要素ではないが、結晶格子のように方向付けの役割を果たす。接続線は、上下左右に延在するという意味で垂直又は水平である。ただし垂直又は水平の接続線が必ずしも直線であるとは限らず、互いに平行に延在するとは限らない。このため格子ではなく、接続線と節点を備えるネットワークとしてこれを説明し、言葉上の誤解を防ぐのが賢明である。

アレイ状配置は中央領域と縁端領域とを有し、中央領域と縁端領域は、少なくとも１本の接続線に沿って互いに接続される。それにより、互いに独立しているのではなく、流動的に一体化する中央領域と縁端領域が成立する。２つの隣接する節点の間隔は、すなわち中央領域と縁端領域とを互いに接続する少なくとも１本の接続線に沿って配置されるイメージセンサユニットの感光面の位置は、中央領域と縁端領域とで異なるため、イメージセンサの、及び／又はその上に配置されるイメージセンサユニットの、形状により種々の収差を補正でき、特に、反対に作用する収差を対物レンズ及び／又はレンズシステムにより別々に補正する必要はない。イメージセンサに更なる好適な自由度をもたらすことにより、レンズシステムの最適化にあたって更なる自由度が達成される。その結果、レンズシステムと、イメージセンサと、データ処理装置とで収差補正を配分しやすくなる。例えばアレイ状に配置されたイメージセンサにより、画像の後処理に割り当てる時間とメモリを抑制することができ有利である。イメージセンサユニットからの画像情報の電子再配分は、予めイメージセンサレベルで着実に遂行されるため、必要ではない。レンズの光軸が貫通するイメージセンサの領域は中央領域と称する。

最新技術によるイメージセンサは、等距離イメージセンサユニットアレイとして構成される。光学誤差は通常、レンズ配置の光軸からの距離が増すにつれて発生し、イメージセンサの縁端寄りで大きくなる。全てのセンサユニットで相互の間隔が固定されるため、結像誤差は記録された画像にも現れる。中央領域と縁端領域とで２つの感光面の間隔が異なるため、縁端領域においては補正項を計算に入れることができる。実際には結像誤差が生じるが、感光面の配置により、イメージセンサユニットを備える等距離像点ディスプレイによる記録に結像誤差は現れない。その結果、レンズの中心を通らないビーム経路やイメージセンサに大きな角度で当たるビーム経路で結像が向上する。

また、第１の接続線に対して、少なくとも１箇所で第１の接続線（同接続線に沿って２つの感光面の間隔は中央領域から縁端領域にかけて変化する）と平行な第２の接続線の間隔も同様に中央領域から縁端領域にかけて変化し、イメージセンサの１次元のみならず第２の次元にも間隔の変化が見られる。

イメージセンサユニットの感光面の等距離配置は本発明によるイメージセンサによって解決され、非等距離ネットワークが形成され、上記の利点により画質の向上にあたって数多くの可能性が提供され、収差の回避に役立てることができる。（既存の構造化手法により、短期間の導入段階の後の経済的な実現可能性は大きな役割を果たさない。）

更なる利点は従属請求項に記載する。

２つの隣接する節点の間隔は少なくとも１本の接続線に沿って中央領域から縁端領域にかけて定常的に変化するため、画像記述角度の平方、立方以上の累乗によって通常記述される補正項の増大する重要性が考慮される。１本の接続線に沿って中央領域と縁端領域との間に多数のイメージセンサユニットを配置できるため、縁端領域における２つの感光面の間隔に対する２つの感光面の間隔が定常的に変化するのであれば、縁端領域に向けて連続する収差補正を行うことができ、有利である。

幾何学的歪を補正するため、イメージセンサユニットのアレイ状配置で２つの隣接する節点の間隔が中央領域から縁端領域にかけて変化するとすれば、レンズシステムの補正を独立的に、又は従属的に行うことができ、特に有利である。歪は、正の歪、すなわち針刺し形の歪と、負の歪、すなわち樽形の歪とに分けることができる。幾何学的歪は、入射角による拡大の変化、すなわち理想的なケースに対する像点オフセットのみ生じさせ、焦点の拡大、すなわち点像フェージング機能と解像度の減少は生じないため、検出器ピクセルの移動によりイメージセンサレベルで補正するのに特に適している。歪は、理想的及び／又は近軸近似主ビームの位置からの、イメージセンサ面における実際の主ビーム位置のずれである。それが像域にわたって変化する拡大と画像全体の歪を招く。理想的及び／又は近軸近似像域座標ｙ_ｐは入射角θのタンジェントに直接比例するが、実際の像域座標ｙはそこからずれる。このタンジェントからのずれが歪であり、通常は約θ＾３又は複雑な曲線をたどる。ここでは歪の尺度として（ｙ−ｙ_ｐ）／ｙ_ｐを使用する。実際の像域座標が理想的な像域座標より大きければ、歪は針刺し形であるか、又は樽形である。針刺し形の歪の場合、イメージセンサの中心から見た検出器ピクセルの半径方向の間隔の関数としての、すなわち水平又は垂直より斜めに強い、感光面の間隔は、中央領域から縁端領域に向けて大きくなり、樽形の歪の場合は小さくなる。

歪補正が組み込まれたイメージセンサの製造にあたっては、実主ビームの位置を理想主ビームに比較し、実主ビームの位置に向けて感光面を２つのビームの間隔により外側（針刺し形歪の場合）か内側（樽形歪の場合）へずらす。

本発明によるイメージセンサの開発では、直線格子の形をとるアレイ状配置を構成する。この場合は、中央領域から縁端領域までの間隔の変化がアレイの１次元のみとなる。つまり、イメージセンサの第１の次元では感光面相互の間隔が一定に保たれ、第２の次元では、好ましくは多数の接続線に沿って中央領域から縁端領域にかけて変化する。この場合は、歪が小さい第１の次元で垂直となるよう非常に細長いイメージセンサを縦方向の次元に構成できる。

更なる有利な開発は、アレイの両次元で補正が行われる場合である。この場合は直線ではなくパラメータ曲線として接続線を表示できる。多数の接続線に沿って中央領域から縁端領域にかけて間隔が変化するのであれば（また、実際には径方向座標の関数としての接続線の間隔）、多数のパラメータ曲線を備える曲線格子としてアレイ状配置を表示できる。この場合は２つの次元で収差を補償できる。好ましくは、２つの隣接する感光面の間隔が両方のアレイ次元において多数の接続線に沿って中央領域から縁端領域にかけて変化する。したがって、曲線格子は直線格子の二次元延長を形成する。

イメージセンサの縁端領域がイメージセンサの中央領域を完全に取り囲むと、有利な配置である。この場合の利点として、中央領域から始まって各方向に更なるイメージセンサユニットが配置され、イメージセンサ領域が光軸を取り囲む。結果的に、イメージセンサの中央領域からイメージセンサ面の全方向に収差、幾何学的歪の補償を有利に達成できる。

更なる有利な開発は、多数のイメージセンサユニットが１つの基板上に配置される場合である。この場合は現在の構造化手法を適用できるため、製造面で特に有利である。更に、イメージセンサユニットが光電子及び／又はデジタルユニットであると有利である。

イメージセンサユニットの感光面がイメージセンサユニットの中心にそれぞれ配置されると、特に有利である。この場合は、イメージセンサユニットの感光中心の間隔が互いにシフトするばかりでなく、イメージセンサユニットの間隔もまた互いにシフトする。その代替として、感光面の間隔のみ変化させてもよい。このことは、イメージセンサユニットの中心において独占的にはそれらを見ることができないという事実につながる。両方の代替を１つのイメージセンサの中で作成することもできる。更に、感光面がフォトダイオード又は検出器ピクセルであると、好ましくはＣＭＯＳ、ＣＣＤ、又は有機フォトダイオードであると、有利である。

更なる有利な配置は、少なくとも１つのイメージセンサユニットがマイクロレンズを有する場合、及び／又は多数のイメージセンサユニットがマイクロレンズ格子によって覆われる場合である。更に、マイクロレンズにより更なる収差を補償できる。互いに別々に可変的に調整できる接線・矢状方向曲率半径等、上記の結像レンズシステムがレンズシステムの像域にわたって可変幾何特性を有する場合は、上記の結像レンズシステムの中で収差が補正される。

イメージセンサの更なる有利な開発は、フィリングファクタを増大するように構成されるマイクロレンズとマイクロレンズ格子を提供する。結果的に、イメージセンサユニットに当たる光束をイメージセンサユニットの感光面上により良く集中させることができ、信号対雑音比の向上につながる。

有利には、曲率半径を、及び／又は複数イメージセンサユニットのマイクロレンズの曲率半径の比を、及び／又はアレイの２つの主軸におけるマイクロレンズの曲率半径の比を、適合させることで、非点収差及び／又は像面湾曲をマイクロレンズにより補正できる、及び／又はマイクロレンズの非点収差と像面湾曲を補正できる。このことは、ある１つの結像レンズシステムからイメージセンサへの補正の移動を可能にし、これもまた結像レンズシステムの設計における自由度を大きくする。マイクロレンズのため、感光面への集束を向上させることができ（主ビーム角度に一致する位置へのオフセット）、適合マイクロレンズ形状により、より良い画像形成が可能である。

マイクロレンズに対する光束の斜め入射の場合に可能な限り小さい回折ディスクを焦点内に得るため、楕円形チャープマイクロレンズを、すなわちアレイにわたってパラメータを可変的に調整できるマイクロレンズを、有利に使用する。それらのマイクロレンズの方向、両主軸におけるサイズ、マイクロレンズの主軸沿いの曲率半径は、上記の結像レンズシステムの主ビームの入射角に依存する。円形マイクロレンズとは対照的に、大きな入射角でマイクロレンズによる集束時に生じる非点収差と像面湾曲は低減される。

色収差を補正するため、イメージセンサユニットはカラーフィルタを有利に有することができる、及び／又は多数のイメージセンサユニットをカラーフィルタ格子へ接続できる。カラー画像記録の場合は、例えば赤、緑、及び青、又はマゼンタ、シアンブルー、及び黄等、３つの基本色が通常使用され、カラーピクセルは、例えばベイヤーパターンに配置される。カラーフィルタは、マイクロレンズと同様、アレイのそれぞれの位置でレンズシステムの主ビームへ適合するためオフセットされる。

更に、主ビーム角度に起因するフォトダイオードでの焦点の横方向オフセットを補償するため、又は歪を補償するため、更に横方向色収差の場合に感光面に対する色スペクトルのより良い割り当てを可能にするため、カラーフィルタは、マイクロレンズと同様、感光面に対して相対的にオフセットできる。これにより割り当てられるピクセルとカラーフィルタのオフセットは、横方向色収差のため異なる結像カラーのオフセットに一致する。

本発明によるカメラシステムは、イメージセンサが先行結像レンズシステムと計画的且つ恒常的に通信する点が独特である。異なる補正により、レンズ設計に自由度がもたらされるため、レンズシステムとイメージセンサとの特に良好な連係が品質の飛躍を可能にする。イメージセンサはレンズシステムの像面に配置される。

イメージセンサ及び／又はカメラシステムの有利な実施形態において、イメージセンサユニット及び／又は感光面のサイズは可変であるため、１イメージセンサにおいて少なくとも一部のイメージセンサユニットはサイズが異なる。結果的にイメージセンサの縁端寄りに歪によって得られるスペースを利用することが可能であり、その結果として、フォトダイオードの大きい表面積でより良い光感度が達成される。結果的に縁端の輝度減少を補償でき、相対的な照明強度を改善できる。

更なる有利な実施形態においてはイメージセンサ側で横方向の色誤差を補正できる。カラーフィルタは検出器ピクセル上に配置され、レンズシステムの横方向の色誤差向けに適合され、レンズシステムの横方向の色誤差を補償できる。更に、横方向の色誤差を補正するためカラーピクセル信号を計算することが可能である。カラーフィルタは、通常のベイヤーパターンから、又は従来のデモザイキングから、始まり、ベイヤーパターン及び／又はデモザイキングから外して配置でき、既知の横方向の色誤差は画像処理アルゴリズムにより計算できる。異なる色の、場合によっては互いから更に除去される、異なる検出器ピクセルを計算でき、それにより１つのカラー像点が形成される。他の収差の補正における自由度を大きくするため、レンズシステムの増大横方向の色誤差を許容すること、又は横方向の色誤差を人工的に増大させることも可能である。

更なる実施形態においては曲面上にイメージセンサを構成でき、像域の曲率を補正できる。有機フォトダイオードは湾曲した基礎上に特に有利に製造できるため、イメージセンサユニット及び／又は感光面が有機フォトダイオードを有すると、又は有機フォトダイオードであると、特に好ましい。

レンズシステムの歪はレンズ設計で増大させることができ、あるいは他の収差を良好に補正するため保留できる。光学設計計画時の歪に関する要求の緩和とイメージセンサ設計による歪補正により、解像度等の特性は、ピクセルの移動によって容易に補正できない場合でも大幅に改善できる。この手順は、ウェハレベルの光学機器で多数の部品のためただ１つのレンズ設計にイメージセンサを整合させることが合理的である場合に特に有利である。レンズとイメージセンサは複数の協力企業か一社の企業で、ただ１つのカメラシステムの構成品として同時に設計される。このようなカメラは、例えば携帯電話のカメラとして利用できる。この場合は既存レンズの歪を測定する必要がなく、シミュレーションによりレンズ設計を決定する必要はなく、代わりにレンズシステムとイメージセンサをトータルシステムとして最適に設計でき、歪補正の問題はレンズシステムからイメージセンサに移される（つまりレンズシステムの歪が許容される度合いが増し、解像度や解像度の均一性等、レンズシステムに対する自由度をもたらす）。カメラシステムの製造の費用を少なくすることも可能である。

カメラシステムではイメージセンサに楕円形チャープマイクロレンズを使用し、それによりピクセルへの入射角に集束を適合させることができる。接線・矢状方向曲率半径等、パラメータが半径方向に単調に変化するマイクロレンズを設計できる。イメージセンサは、同時に主ビーム角度に一致し結像レンズシステムの歪に一致し、規則的なアレイに対してオフセットさせて配置できる。フィリングファクタを増大させるマイクロレンズシステムの各マイクロレンズの形状は（曲率半径、変化する非回転対称マイクロレンズのアレイ上で２つの主軸における曲率半径の比）、各レンズによって集束される束の主ビーム角度に適合させることができる。

マイクロレンズの像面湾曲と非点収差の補正は、楕円形レンズの２つの主軸における曲率半径の適合（延長）によって達成できる。それによりフォトダイオードへの最適集束が可能であり、フォトダイオードは、主ビーム角度と歪に一致する位置へオフセットされる。マイクロレンズの形状は、主ビーム角度、歪に一致するマイクロレンズとピクセルのオフセット、に適合させることができる。像域座標に一致する楕円形レンズの回転も可能であり、２つの主軸の長いほうは主ビームの方向に延びる。曲率半径、曲率半径の比、リフロープロセスにおける一定のフォトレジスト厚みによるレンズの方向は、軸サイズ、軸比、レンズベースの方向により適合させることができる。結果的に、全体としてより大きい画像側主ビーム角度を許容でき、レンズ設計の自由度を更に大きくする。

本発明によるカメラシステム又はイメージセンサは、カメラに、及び／又は携帯型通信装置に、及び／又はスキャナに、及び／又は画像検出装置に、及び／又は監視センサに、及び／又は地球及び／又は星センサに、及び／又は衛星センサに、及び／又は宇宙旅行装置に、及び／又はセンサ配置に、特に有利に応用される。具体的に、工場やその部品の監視にセンサ及び／又はカメラシステムを使用すれば、複雑な計算をともなうことなく正確な画像を形成できる。サイズが小さいセンサをマイクロロボットに使用することも可能である。更に、（微小）内視鏡にセンサを使用することができる。ヒトの眼の分野で神経細胞へのインテリジェント接続により視覚補助として使用することも考えられる。画質を向上させる本発明によるイメージセンサ及び／又は本発明によるカメラシステムは、データ処理装置による最高品質画像へのアクセスが好まれ、画像をリアルタイムで利用するあらゆる分野に適している。

有利には、イメージセンサ及び／又はカメラシステムの製造にあたってはまず、予定された、又は既に製造された、結像レンズシステムの歪を特定し、次に感光面及び／又はイメージセンサユニットの配置により結像レンズシステムの幾何学的歪が少なくとも部分的には補償されるイメージセンサを製造する。レンズシステムの歪を低く抑える必要がなくなるため、レンズシステムの複雑度を増すことなく解像度等を改善できる。幾何学的歪がある「通常」のレンズもイメージセンサにより補正できる。更なる収差も同様に補正できる。

本発明の更なる利点は、下位または従属請求項に記載する。

最新技術によるイメージセンサとビーム経路を示す図である。 最新技術によるイメージセンサとビーム経路を示す図である。 収差、特に幾何学的歪、を補正するためのアレイを備える本発明によるイメージセンサの概略図である。 収差、特に幾何学的歪、を補正するためのアレイを備える本発明によるイメージセンサの概略図である。 本発明によるピクセルのオフセットを示す横断面図である。 針刺し形の幾何学的歪を補正するセンサの横断面図である。 針刺し形の歪をともなうイメージセンサを示す図である。 マイクロレンズ、ピンホールアレイ、及びカラーフィルタ格子を備える２つのイメージセンサユニットの配置を示す図である。 本発明によるカメラシステムを示す図である。 円形マイクロレンズからなる規則的アレイの右上四半部を示す図である。 アナモルフィック及び／又は楕円形マイクロレンズからなるチャープアレイの右上四半部を示す図である。 垂直及び斜光入射による球面レンズの場合（上部）と、斜め入射による楕円形レンズの場合（底部）のビーム経路とスポット分布を示す図である。入射方向に適合された楕円形レンズにより近軸像面で回折限界集束を達成できることを示す。 楕円形レンズの幾何学的配置を示す図である。 垂直及び斜光入射による球面レンズと楕円形レンズの近軸像面における測定強度分布を示す図である。図中の円はエアリー円盤の直径を示す。

本発明を、数々の図面を参照して以下に説明する。

最新技術によるイメージセンサの構成を図１ａ及び１ｂに示す。図１ａには、多数のセンサユニットを有するイメージセンサ１を図示してあるが、ここでは一例として数個のイメージセンサユニット２、２’、２”について説明する。イメージセンサユニットはアレイ状に配置されており、接続線１２沿いのＸ方向と接続線１３沿いのＹ方向に節点（１１、１１’、１１”等）がある。イメージセンサユニット２、２’、２”は、感光面がイメージセンサユニットの中心に位置し、イメージセンサユニットの中心が節点１１のいずれか１つに位置するよう配置される。そのためのネットワークがセンサ内の座標系に相当する。最新技術では、Ｘ方向の接続線とＹ方向の接続線に沿って２つの隣接する感光面の間隔が同じになる。このことは、例えば、イメージセンサユニット２及び２’と左側に隣接する更なるセンサユニットとで、接続線１２沿いの感光面の間隔４０は同じであることを意味する。接続線１３沿いの感光面の間隔４１も同じである。間隔４０及び４１も同じである。このことは、水平の接続線１２は互いに平行であり、垂直の接続線１３は互いに平行であることを意味する。

図示したイメージセンサ１は、その中央に中央領域５を有し、その縁端に中央領域を取り囲む縁端領域６を有する。

イメージセンサユニットの感光面はフォトダイオードか検出器ピクセルによって形成される。

図１ｂにはＸＺ面で見たイメージセンサ１の図を示してある。光ビーム１５、１５’、１５”、及び１５”’は、点Ｆから発して接続線１２沿いに配置された別々のイメージセンサユニット２及び／又は２、２’、２”、２”’に当たる。イメージセンサユニット２の中心に位置する２つの隣接するピクセル２０の接続線沿いの間隔４０は同じである。イメージセンサユニット２の感光面２０と点Ｆとの距離は、イメージセンサに使われるレンズシステムの画像距離に相当する。２つの隣接するピクセル２０の間隔は同じでも、２つの隣接するピクセル２０がなす角度区分は異なる。ただし拡大や縮小は別として、画像は物体を正確に再現するため、結像にあたってこのことが大きな問題になることはない。図示の主ビーム１５、１５’、１５”、及び１５”’は理想的な主ビームであり、結像に歪は生じない。

図２ａ、２ｂには、本発明による２つのイメージセンサの接続線１２、１３と接続点１’、１”が概略的に示してある。いずれの場合も、イメージセンサユニットの感光面が位置する節点の間隔は、中央領域５と縁端領域６とで異なる。２つの隣接する感光面の間隔は中央領域から縁端領域にかけて変化し、２ピクセル２０間の間隔は、理想的主ビームと実際の主ビームとの間隔に正確に一致する補正項によって補われる。つまり、ピクセルは実際の主ビームの位置に適用される。モニタやプリンタの場合のように記録された画像データを等距離アレイで表示する場合は、画像に歪は生じない。

正の歪の場合は、中央領域における２感光面間の間隔が縁端領域における２感光面間の間隔より小さくなるため、イメージセンサ１’のアレイは針刺し形になる。この点は図２ａに示してある。中央領域における２つの隣接感光面の間隔が縁端領域にある同一接続線沿いの２つの感光面の間隔より大きくなる図２ｂでは、樽状に歪むイメージセンサ１”が示してある。

図２ａ及び２ｂのように２感光面の間隔が接続線に沿って連続的には変化せず、間隔が中央領域で等距離となり縁端領域で等距離となる場合も考えられるが、中央領域と縁端領域とでは間隔が異なる。この場合、２感光面間隔の複雑で定常的な変化を全面的に考慮に入れずとも、イメージセンサの縁端のみに生じる効果を補償できる。図示したイメージセンサユニットは長方形もしくは正方形だが、円形や多角形でもあり得る。

図２ｃには、イメージセンサ面に存在する幾何学的歪を補正するため単一のピクセルをオフセットする方法が概略的に示してある。理想主ビーム１５’と、それに対応する実主ビーム１６’とが示してある。イメージセンサユニット２’のピクセル２０は理想主ビームの焦点に位置する。ここでピクセル２０は間隔Ｖによりずらされる（勿論ピクセルは実際にずれるのではなく、該当する位置に配置される）。Ｖは幾何学的歪の補正項であり、理論的計算かレンズシステムの測定から割り出すことができる。イメージセンサユニット２’は位置２１６’へとずらされるが、ピクセル２０そのもののオフセットであればよい。このように補正項は、幾何学的歪のタイプと光学レンズシステムの光軸１５からの間隔とに左右される。

図２ｄにはＸＺ面で見た図２ａのイメージセンサ１’の断面図を示してある。ここで点Ｆから発する主ビーム１５はイメージセンサ１’の中心にあり、それに垂直に当たる。図示の実施形態では、感光面２０はイメージセンサユニット２の中心に位置する。間隔４００、４０１、４０２、４０３、及び４０４がＸ方向の増加にともなって増加することがはっきりと見てとれる。イメージセンサユニット２、２’、２”は中央領域５に割り当てることができ、イメージセンサユニット２”’及び２は縁端領域６に割り当てることができる。図２ｃで説明したように、それぞれのピクセルは理想主ビームの位置から実主ビームの位置までずらされる。理想主ビームは等距離アレイ配置によって決まる。ただしピクセルの配置については、実主ビームをもとに非等距離のピクセル配置が形成される。

イメージセンサの感光面のハードウェア配置により、使用するレンズの歪及び／又は歪進路は予めイメージセンサに組み込まれる。結果的に、近軸ケースに対してレンズからオフセットされ結像される物体の点は、相応にオフセットされる受像ピクセルにも結像される。したがって物体点と像点との割り当ては正確に一致し、簡素なデータ読み出しと画像ピクセル値の配列により、歪が少ないか皆無のデジタル画像が形成される。

図３に示すイメージセンサ１’では、それぞれのセンサユニット２がフィリングファクタ増加マイクロレンズと、カラーフィルタと（隣接する検出器ピクセルがそれぞれ異なるカラーフィルタ（赤、緑、青）を有するベイヤー配列等）、検出器ピクセルと、からなるユニットを有する。結像用レンズの歪を補正するイメージセンサユニットの針刺し状配置は、約１０％の歪を補正する。ここでのパーセンテージデートは、理想及び／又は近軸像点の座標によって標準化される実像域点からの理想及び／又は近軸像点の偏差に関係する。

図４には、本発明によるイメージセンサの２つの隣接するイメージセンサユニット２及び２’を示してある。それらのイメージセンサユニットは、それぞれマイクロレンズ３０又は３０’を有し、図３に示す他のイメージセンサユニットとともに格子として構成でき、イメージセンサユニット相互の異なる間隔の結像により、歪んだマイクロレンズ構造が形成される。同じく格子又は歪んだ格子として構成できるカラーフィルタ３１又は３１’にも同じことが当てはまる。

マイクロレンズ３０、３０’及び／又はマイクロレンズアレイによるフィリングファクタの増大により、イメージセンサユニット内の感光面のフィリングファクタは約５０％程度になるが、イメージセンサユニットに落ちる光の殆どはフォトダイオードにおける集中により電気信号に変換できる。更に、イメージセンサユニット２又は２’にはピンホール３２又は３２’が配置され、その凹部には感光検出ユニット２０又は２０’が配置される。ピンホール３２、３２’からピンホールアレイを構成することにより、隣接する感光面２０又は２０’の間隔は中央領域から縁端領域にかけて変化し、２つの隣接するイメージセンサユニットの間隔５０は同じにすることができる。

フィリングファクタを増大させるマイクロレンズの各マイクロレンズ３０、３０’の形状は、レンズシステムによって集束される主ビーム束の角度に適合される。それには接続線に沿ったマイクロレンズの曲率半径に、及び／又は２つの主軸Ｘ及びＹにおける単一マイクロレンズの曲率半径比に、変化を与える。１マイクロレンズ内の２つの曲率半径はアレイ上の接続線に沿って変えることができ、マイクロレンズは非回転対称にすることができる。例えば非点収差や像面湾曲は、２つの主軸における曲率半径の適合と楕円形マイクロレンズの形成によって補正できる。これにより、主ビーム角度に一致するイメージセンサユニットの中心からオフセットされるフォトダイオード２０への最適集束を達成できる。フォトダイオードのオフセットは重要でなく、むしろ主ビーム角度へのマイクロレンズ形状の適合が重要である。また、曲率半径と曲率半径比が軸サイズと軸比とマイクロレンズベースの方向のみによって調整される楕円形チャープマイクロレンズの配置は、理にかなったものである。このように、より大きい画像側主ビーム角度を許容できる。イメージセンサ面上での更なる収差はマイクロレンズにより補正されるため、レンズ設計の自由度が更に大きくなる。

図３に示す針刺し形の歪の場合、イメージセンサユニット及び／又はイメージセンサユニットの感光面は、外側に向かって大きくなる、及び／又は縁端領域に限り小さいフィリングファクタを有する。レンズの歪が針刺し形か樽形かはレンズシステム構造全体における開口ダイヤフラムの位置によって決まる。そこで開口ダイヤフラムは、屈折力が最大のレンズ等、重要レンズの間に、及び／又は針刺し形の歪によりイメージセンサの縁端領域に限りフィリングファクタを減らすため主光軸面とイメージセンサとの間に位置するよう、有利に配置するべきである。フィリングファクタを可能な限り拡大するため、イメージセンサユニット内のフォトダイオードのサイズもアレイにより適合させることができる。マイクロレンズのサイズを相応に適合させることもできる。

本発明によるイメージセンサ及び／又は本発明によるカメラの場合は、幾何学的歪を補償するため、感光面の、すなわちフォトダイオードの、相互の間隔を変化させることが重要である。フォトダイオードが中心に位置しても外側に位置しても、イメージセンサユニットの中心は幾何学的歪の補償の際には等しい値である。イメージセンサユニット相互の間隔を変える場合に得られるスペースは、有効感光フォトダイオード面の拡大に利用でき、縁端領域における自然な口径食の低減につながる。

図５に示す歪補正イメージセンサ１’は結像レンズシステム１００と接続されている。幾何学的歪補正はイメージセンサ１’に完全に組み込まれているため、ここに示すレンズシステムに幾何学的歪補正は必要ない。レンズ１０００は、レンズシステム１００の中で屈折力が最大でレンズシステムの主平面位置を決定づけるレンズである。開口ダイヤフラム１０１はレンズシステム１００の手前に配置するため、樽形の歪が生じる。

カラーフィルタ格子が存在するため、マイクロレンズ格子によりカラー情報を記録できる。非点収差や像面湾曲はイメージセンサ面上で少なくとも部分的には補正済みである。このためレンズ１０００及び１００１設計に自由度が得られ、コマや球面収差等、他の収差に役立てることができる。イメージセンサ１’の情報はデータ接続１５０を通じてデータ処理装置２００へ送られ、そこで多大なメモリや計算時間を要することなく歪のないレンズ画像を観察者に提供できる。レンズシステム１００と連係するイメージセンサ１’は、予めレンズシステムの主ビーム経路に向けなければならない。主ビーム角度の進路への適合のため、最適集束のために適合されるオフセットフィリングファクタ増大マイクロレンズ（図４等で説明）がイメージセンサで使用される場合は、それらのマイクロレンズも、使用するレンズシステムの主ビーム角度の進路に向けて適合させることができる。イメージセンサの配置が結像されるレンズの像円に影響されるばかりでなく、イメージセンサ及び／又はマイクロレンズのパラメータもフィリングファクタの増大にあたって径方向依存性を有する可能性があるため、イメージセンサとレンズのセンタリングは重要である。

イメージセンサを構成する更なる方法ではイメージセンサを曲面に配置する。そのようにして、屈折力が最大のレンズの中心から全ての感光面が一定の距離を有するため、像面湾曲を補正できる。複雑なレンズシステムの中心からの一定距離は可能であるが、計算は複雑になる。ただし曲面上でのイメージセンサ配置は難なく達成できる。同様に、感光面が置かれるイメージセンサの基板に相応の曲率を与えることもできる。

更なる実施形態では、例えば縁端寄りの歪によって得られるスペースを利用するため、フォトダイオードは可変サイズを有する。例えば横方向の色誤差は、レンズシステムの横方向カラーフィルタに適合した検出器ピクセル上のカラーフィルタの配置によりイメージセンサ側で補正できる。あるいはカラーピクセル信号の計算により補正できる。イメージセンサは、例えば曲がった状態に構成することもできる。

かかるイメージセンサは、例えば携帯電話のカメラ用にウェハ規模で製造されるイメージセンサである。本発明によるカメラモジュールの製造では、レンズシステムとイメージセンサをともに設計できる。例えば、使用角度に適合したピクセル集束のため楕円形チャープマイクロレンズを適用することもできる。この場合は、例えば楕円の２つの主軸の方向にマイクロレンズの曲率半径を変えることができる。例えば像域座標に応じた楕円形レンズの回転も可能である。

屈折マイクロレンズのチャープアレイは有利な実施形態によって使用できる。同じレンズが互いに一定の間隔に並ぶ通常のマイクロレンズアレイとは対照的に、チャープマイクロレンズアレイを構成するレンズは類似するが同じではない。規則的アレイの固定された形状配置ではないことにより、最適光学パラメータによる光学システムをデジタル画像記録のフィリングファクタ増大等に役立てることができる。

図６に示す規則的マイクロレンズアレイ（ｒＭＬＡ）は、センサ技術、ビーム形成、デジタル写真（フィリングファクタ増大）、光通信等、様々な形で利用されている。それらはレンズ数と、定常的に繰り返す単位セルの形状配置と、近傍間隔（ピッチ）とによって完全に記述できる。多くの場合、アレイの各セルは異なる使われ方をするが、それをｒＭＬＡの設計で考慮に入れることはできない。したがって、光学設計に見られるアレイの形状配置は妥協的な解決策にすぎない。

同じレンズが一定の間隔に並ぶマイクロレンズアレイとは対照的に、例えば図７に示すチャープマイクロレンズアレイ（ｃＭＬＡ）のセルは、それぞれの働きに応じて個別に適合され、パラメータ記述によって定義される。必要とされるパラメータの数は、具体的なレンズの形状配置に左右される。セルの定義は、解析関数、数値最適化法、又はこれらの組み合わせにより得ることができる。全チャープアレイの場合、関数はアレイにおけるセルの位置に依存する。

チャープマイクロレンズアレイの好適な応用は、変化する境界条件に関する反復配置の光学関数のチャネル単位最適化である。

ＣＣＤ画像又はＣＭＯＳ画像コンバータは通常は平面であり、上記の結像レンズシステムは典型的にはテレセントリックではない。つまり、主ビーム角度は像域縁端に向かって増加する。通常はレンズと受像器との間の入射角度に依存するオフセットにより、先行レンズシステムの異なる（縁端に向かって増加する）主ビーム角度による光をそれぞれのピクセルで記録できる。

それぞれのレンズは、光軸沿いにはない方向から結像しなければならないため、非点収差、像面湾曲、コマ等の三次収差が発生し、フォトダイオードでマイクロレンズの結像品質が損なわれ、フォトダイオードに伝わる光の量は減少する（→量子効率及び／又は輝度の低下）（図８）。有利なことにマイクロレンズは、好ましくは１°未満の非常に小さな開放角を伝導するため、レンズの個別の適合によって効率的な収差補正が可能である。有利なことに、屈折ＭＬＡの製造にはフォトレジスト溶解（リフロー）が適しており、これにより表面が極めて滑らかなレンズが製造される。マスクを通じて照射されたフォトレジストの現像の後には円柱が溶解される。表面張力効果により所望のレンズ形状が得られる。

レンズにおいて主要な画像誤差、非点収差、像面湾曲は、アナモルフィックレンズの使用により効率的に補正できる。リフローにより製造できる楕円形レンズ等、アナモルフィックレンズは異なる断面進路において異なる表面曲率と焦点距離を有する。非特許文献１に記載の修正グルストランド式等、接線方向及び矢状断面で焦点距離を適合させることにより、非点収差と像面湾曲のフォーカルインターセプトの差を角度ごとに個別に補償でき、最終的には対象チャネルの特別な画角で回折限界焦点を達成できる（図８）。

固定された幾何学的格子の中に同じレンズを備える規則的マイクロレンズアレイ（ｒＭＬＡ）とは対照的に、レンズの個別の適合により、類似していても同じではないセルによってアレイが構成される。修正（チャープ）されたｃＭＬＡは光学的結像を最適化できる。

ｃＭＬＡは、解析的に導出される数式によって定義され、パラメータの適合により設計される。図９に示すように、楕円形レンズの形状と位置は５つのパラメータ（ｘ及びｙ方向の中心座標、矢状及び接線方向の曲率半径、方位角）の参照により完全に記述できる。したがって、アレイ全体を記述するにあたって必要となる５つの関数は解析により完全に導出することができる。このため、レンズのパラメータはいずれも極めて迅速に計算できる。

図１０には、アナモルフィックレンズの収差補正効果を示してある。球面レンズの場合は垂直入射で回折限界スポットができる。斜め入射では非点収差と像面湾曲によって近軸像面で焦点が著しくぼける。楕円形レンズの垂直入射では、接線・矢状断面における異なる曲率半径によってスポットが広がる。楕円形レンズでは３２°の設計角度で光が入射する場合でも近軸像面に回折限界スポットができる。チャネル単位収差補正によるｃＭＬＡであれば、上記の結像レンズシステムの主ビーム角度が大きい場合でも、マイクロレンズを介してフォトダイオードに入る光の結合を改善でき、所謂「シェーディング」は抑制できる。

１ イメージセンサ
２ イメージセンサユニット
５ 中央領域
６ 縁端領域
１２ 水平接続線
１３ 垂直接続線
２０ 感光面
３０ マイクロレンズ
１００ レンズシステム
１０００、１００１ レンズ

Claims (29)

1. 基本的にアレイ状に配置された複数のイメージセンサユニット（２）を有するイメージセンサ（１）であって、前記イメージセンサユニットの感光面（２０）の中心は互いに間隔をおく節点であり、それらは前記節点を結ぶ水平（１２）及び垂直（１３）接続線とともに二次元ネットワークにまたがり、前記アレイ状配置は中央領域（５）と縁端領域（６）とを有し、前記中央領域（５）と前記縁端領域（６）は少なくとも１つの接続線（１２、１３）に沿って互いに接続され、
   前記アレイ状配置の２つの隣接する節点（２０、２０’、２０”）の間隔が、前記少なくとも１つの接続線（１２、１３）に沿って、前記中央領域と前記縁端領域とで異なること、又は第２の接続線（１２、１３）に沿った節点（２０、２０’、２０”）に対する１つの接続線（１２、１３）に沿った節点（２０、２０’、２０”）の間隔が、前記中央領域から前記縁端領域にかけて変化することで前記ネットワークが非等距離格子を形成し、
   少なくとも１つのイメージセンサユニット（２）がマイクロレンズ（３０）を有し、又は前記複数のイメージセンサユニット（２）がマイクロレンズ格子によって覆われ、
   少なくとも１つの前記マイクロレンズ（３０、３０’）は、２つの主軸において曲率半径が異なる楕円形マイクロレンズであり、長い主軸が結像レンズシステムの主ビームの投射方向に延びて前記マイクロレンズに当たるよう前記マイクロレンズが配置されること、
   を特徴とするイメージセンサ。
2. 前記アレイ状配置の２つの隣接する節点（２０、２０’、２０”）の間隔が、前記少なくとも１つの接続線に沿って前記中央領域から前記縁端領域にかけて変化すること、を特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
3. 幾何学的歪を補償するため、前記アレイ状配置の２つの隣接する節点（２０、２０’、２０”）の間隔が、前記少なくとも１つの接続線に沿って前記中央領域から前記縁端領域にかけて変化すること、
   を特徴とする請求項１又は２のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
4. 前記アレイ状配置の前記接続線（１２、１３）が直線格子を形成すること、を特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
5. 前記アレイ状配置の少なくとも１つの接続線（１２、１３）を曲線によって表すことができること、を特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
6. 前記アレイ状配置の前記接続線（１２、１３）が曲線格子（１’、１”）を形成すること、を特徴とする請求項５に記載のイメージセンサ。
7. 前記アレイ状配置の隣接する節点（２０、２０’、２０”）の間隔が、前記中央領域から前記縁端領域にかけて、半径方向に対称的に、又は基本的にアレイ中心点に対する間隔の関数として変化すること、
   を特徴とする請求項５又は６のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
8. 前記縁端領域（６）が前記中央領域（５）を取り囲むこと、を特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
9. 前記複数のイメージセンサユニット（２）が１つの基板上に配置されること、を特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
10. 前記イメージセンサユニット（２）が光電子ユニットであること、を特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
11. 前記感光面（２０）がイメージセンサユニット（２）の中心に配置されること、を特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
12. 少なくとも１つの接続線（１２、１３）に沿って２つの隣接するイメージセンサユニット（２、２’）の間隔は変化しないこと、
    を特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
13. 前記感光面（２０）がフォトダイオード、検出器ピクセル、ＣＭＯＳ、ＣＣＤ、又は有機フォトダイオードであること、を特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
14. 前記感光面（２０）が長方形、正方形、六角形、又は円形であること、を特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
15. 前記少なくとも１つの楕円形マイクロレンズは楕円形チャープマイクロレンズであること、
    を特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
16. 前記少なくとも１つのマイクロレンズ（３０、３０’）が前記フィリングファクタを増大させるために適合された幾何学的特性を有すること、
    を特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
17. 少なくとも一部の前記イメージセンサユニットの前記感光面が異なるサイズを有し、前記面の前記サイズが、好ましくは前記中央領域から前記縁端領域への方向に増大すること、
    を特徴とする請求項１から１６のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
18. 少なくとも１つのイメージセンサユニットが、好ましくは３つの基本色を有するカラー画像記録用カラーフィルタを備える、又は前記複数のイメージセンサユニットがカラーフィルタ格子によって覆われること、
    を特徴とする請求項１から１７のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
19. 前記カラーフィルタが、ベイヤーパターンから、又は従来のデモザイキングから外れて配置され、既知の横方向の色誤差を画像処理アルゴリズムにより計算できること、
    を特徴とする請求項１８に記載のイメージセンサ。
20. 前記イメージセンサが像面湾曲を補正できるよう曲面上に構成され、前記イメージセンサユニット又は前記感光面が、好ましくは有機フォトダイオードを有すること、又は有機フォトダイオードであること、
    を特徴とする請求項１から１９のいずれか一項に記載のイメージセンサ。
21. 請求項１から２０のいずれか一項に記載のイメージセンサ（１’）を有するカメラシステムであって、少なくとも１つのレンズ（１０００、１００１）を有する結像レンズシステム（１００）が存在し、その像面に前記イメージセンサが配置されること、
    を特徴とするカメラシステム。
22. 幾何学的歪を補償するため、好ましくは前記レンズシステム（１００）の針刺し形の幾何学的歪を補償するため、２つの節点（２、２’、２”）の間隔が前記イメージセンサユニットの前記アレイ状配置の少なくとも１つの接続線（１２、１３）に沿って変化すること、
    を特徴とする請求項２１に記載のカメラシステム。
23. 前記イメージセンサ（１’、１”）と前記結像レンズシステム（１００）との間、好ましくは前記イメージセンサと前記レンズシステムの主平面との間に、開口ダイヤフラムが存在すること、を特徴とする請求項２１又は２２のいずれか一項に記載のカメラシステム。
24. 前記カメラシステムが一つのウェハ上に製造されること、を特徴とする請求項２１から２３のいずれか一項に記載のカメラシステム。
25. カメラに、又は携帯型通信装置に、又はスキャナに、又は画像検出装置に、又は監視センサに、又は地球又は星センサに、又は衛星センサに、又は宇宙旅行装置、又は医療又はロボットセンサ配置に使用されること、
    を特徴とする請求項２１から２４のいずれか一項に記載のカメラシステム。
26. 使用するレンズシステムの歪を補正するため、請求項１から１９のいずれか一項に記載のイメージセンサ、又は請求項２１から２５に記載のカメラシステムを製造する方法であって、
    ａ）予定された、又は既に製造された結像レンズシステム（１００）の歪を特定するステップと、
    ｂ）前記結像レンズシステム（１００）の幾何学的歪が、前記イメージセンサユニット（２）の前記感光面（２０）の前記配置により、少なくとも部分的には補償されるイメージセンサを製造するステップと、を含むこと、
    を特徴とする方法。
27. 前記結像レンズシステム（１００）の設計において、幾何学的歪の補償が前記イメージセンサ（１’、１”）により考慮されること、を特徴とする請求項２６に記載の方法。
28. 前記方法が、結像レンズシステム又はイメージセンサの製造及び計画時に適用され、好ましくはウェハ規模で製造されるカメラに使用されること、を特徴とする請求項２６又は２７のいずれか一項に記載の方法。
29. 前記結像レンズシステムと前記イメージセンサがともに設計又は計画されること、を特徴とする請求項２６から２８のいずれか一項に記載の方法。

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