JP5634613B2 - イメージセンサ及び撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、単眼３Ｄ画像撮像用のイメージセンサ及びこのイメージセンサを搭載した撮像装置に係り、特に、３Ｄ画像（立体画像）だけでなく高精細な２Ｄ画像（平面画像）も撮像できるイメージセンサ及び撮像装置に関する。

単眼で被写体の３Ｄ画像を撮像できるイメージセンサが、下記の特許文献１，２，３に示されるように種々提案されている。

３Ｄ画像を撮像できるイメージセンサは、例えば図２７に示されるように、二次元アレイ状に配列形成された複数画素を隣接２画素毎のペア画素２に分け、ペア画素のうち一方の画素の遮光膜開口２ａを画素中心に対して例えば水平方向の右側に偏心させ、他方の画素の遮光膜開口２ｂを画素中心に対して水平方向反対側つまり左側に偏心させて設ける。

遮光膜開口２ａは右側に偏心しているため、右眼で被写体を見た入射光が入射し、遮光膜開口２ｂは左側に偏心しているため、左眼で被写体を見た入射光が入射する。このため、遮光膜開口２ａを持つ各画素による撮影画像を右眼用画像とし、遮光膜開口２ｂを持つ各画素による撮影画像を左眼用画像とすることで、被写体の立体画像（３Ｄ画像）を再生することができる。

図２８は、図２７のペア画素の感度と入射角度依存性を示すグラフである。ここで、図中の０度は、入射角度０度つまり画素の受光面に対して入射光が垂直に入射する角度を示し、入射角度＋側は、画素中心に対し右側に偏心させた遮光膜開口２ａ方向から入射する角度、入射角度−側は、画素中心に対し左側に偏心させた遮光膜開口２ｂ方向から入射する角度を示している。遮光膜開口２ａ，２ｂを持つ夫々の画素の感度曲線Ｉ，IIは入射角依存性を持ち、ペア画素の感度の差が位相差量となる。両感度曲線Ｉ，IIが重なった範囲（斜線範囲）の全体の面積に占める割合が小さいほど両画素間の位相差量は大きくなるが、この重なり範囲を狭くするために遮光膜開口２ａ，２ｂを狭くすると、感度が低下し、暗い画像しか撮影できなくなってしまう。そこで、遮光膜開口２ａ，２ｂを適当な大きさとし、適切な偏心量の遮光膜開口を決めることになる。

３Ｄ画像を撮影できるイメージセンサであっても、被写体の２Ｄ画像を撮影したい場合もある。図２７に示すイメージセンサの個々の画素の検出信号で２Ｄ画像を生成すると、遮光膜開口２ａを持つ画素の撮像画像信号と遮光膜開口２ｂを持つ画素の撮像画像信号とは位相差を持つため、２Ｄ画像の品質を劣化させてしまう。

そこで、位相差量を無くすために、ペア画素２画素の撮像画像信号を加算すれば、高品質な２Ｄ画像を得ることが可能となる。しかし、画素加算するため、イメージセンサに設けられた画素数の半分の解像度となってしまい、高精細な２Ｄ画像を撮影することができなくなってしまうという問題が生じる。

日本国特開２０１０―２６３５７２号公報 日本国特開２００３―７９９４号公報 日本国特開２００７―２７９５１２号公報

本発明の目的は、３Ｄ画像を撮影できるイメージセンサで、高精細な２Ｄ画像も撮影することが可能なイメージセンサと撮像装置を提供することにある。

本発明のイメージセンサは、二次元アレイ状に配列形成された複数の画素を持ち、隣接する前記画素が夫々ペア画素を構成し、該ペア画素を構成する第１画素と第２画素の夫々の入射瞳が画素中心に対して、互いに反対方向に偏心して設けられたイメージセンサであって、
前記第１画素において、被写体からの光の入射角が、画素法線方向である０°と最大受光感度となる入射角θＡmaxとの間の範囲内で、前記第１画素の受光感度が最大受光感度の４０％から８０％の間にある入射角をθｃAとし、
前記第２画素において、被写体からの光の入射角が、前記画素法線方向である０°と最大受光感度となる入射角θＢmaxとの間の範囲内で、前記第２画素の受光感度が最大受光感度の４０％から８０％の間にある入射角を−θｃBとしたとき、
前記第１画素と前記第２画素の入射角に対する受光感度特性が、前記θｃAと前記−θｃBとの間の入射角度範囲で平坦な特性となることを特徴とする。

本発明の撮像装置は、上記記載のイメージセンサと、該イメージセンサの前段に設けられた絞りとを備える撮像装置であって、平面画像を撮像するときは前記絞りを絞って前記イメージセンサへの入射光の入射角度範囲を所要の角度範囲内に制限し、３Ｄ画像を撮像するときは前記絞りを開放して入射角度範囲が前記所要の角度範囲を超える入射光を前記イメージセンサに入射させる制御手段を備えることを特徴とする。

本発明によれば、良好かつ高精細な２Ｄ画像を撮像するときは入射光の入射角度範囲を上記の所定角度範囲に制限することで得ることが可能となる。

本発明の一実施形態に係るイメージセンサ（撮像素子）の表面模式図である。 図１に示すイメージセンサの１つのペア画素の詳細平面模式図である。 イメージセンサへの入射光を示す図である。 図２のＸ―Ｘ’，Ｙ―Ｙ’断面を並置した断面模式図である。 図４に対して少し入射光入射角が傾いた状態を示す図である。 図５に対して更に入射光入射角が傾いた状態を示す図である。 図６に対して更に入射光入射角が傾いた状態を示す図である。 図２に示すペア画素の受光感度と入射角度との関係を示すグラフである。 図８のグラフにおけるパラメータＳｃ，θＡmax，θＢmaxの説明図である。 図８に示すグラフにおけるパラメータΔｃの説明図である。 図８に示すグラフにおけるパラメータθｃ，Δｐ，θlr，θrl，θll，θrrの説明図である。 本発明の一実施形態に係る撮像装置の機能ブロック図である。 図１１のグラフにおけるパラメータθlr，θrlをＦ値に換算する説明図である。 図１３の説明で換算したＦ値とパラメータθlr，θrlの関係を表す図表である。 図９のグラフにおける受光感度最大値（θＡmax，θＢmax）をＦ値に換算する説明図である。 図１５の説明で換算したＦ値とパラメータ（受光感度最大値）の関係を表す図表である。 図１１のグラフにおけるパラメータθll，θrrをＦ値に換算する説明図である。 図１７の説明で換算したＦ値とパラメータθll，θrrの関係を表す図表である。 図９のグラフにおけるパラメータθｃをＦ値に換算する説明図である。 図１９の説明で換算したＦ値とパラメータθｃの関係を表す図表である。 本発明の一実施形態に係る撮像装置の処理手順を示すフローチャートである。 イメージセンサの各パラメータの具体例を示すグラフである。 図２２の具体例で２Ｄ画像撮影モードと３Ｄ画像撮影モードで切り替えるＦ値の説明図である。 本発明の別実施形態に係る撮像装置の機能ブロック図である。 図２４に示す撮像装置による撮像処理手順を示すフローチャートである。 本発明の別実施形態に係るイメージセンサの表面模式図である。 単眼３Ｄ画像を撮像するイメージセンサの一例を示す表面模式図である。 図２７に示すイメージセンサの１つのペア画素の感度対入射角度の関係を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るイメージセンサの表面模式図である。このイメージセンサ１０は、複数の画素（フォトダイオード：斜めの正方形で示す。）１１，１２が二次元アレイ状に配列形成されることで構成されている。図示する例では、奇数行の画素行に対して偶数行の画素行が１／２画素ピッチずつずらして配置されている。

奇数行（又は偶数行）の画素１２で構成される第１群画素（Ａ群画素）だけみると各画素１２は正方格子状に配列され、各画素１２上に３原色のカラーフィルタｒ（赤）ｇ（緑）ｂ（青）がベイヤ配列されている。偶数行（又は奇数行）の画素で構成される第２群画素１１（Ｂ群画素）だけみても各画素は正方格子状に配列され、各画素１１上に３原色のカラーフィルタＲ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）がベイヤ配列されている。Ｒ＝ｒ，Ｇ＝ｇ，Ｂ＝ｂであり、Ａ群画素とＢ群画素を識別するために大文字と小文字を用いて図示している。

斜めに隣接する同色のＡ群画素１２とＢ群画素１１とをペア画素とする。図１では、各ペア画素を斜めの楕円で囲っている。各画素１１，１２上には、夫々マイクロレンズが搭載されているが、図１では図示を省略している（図４参照）。

図２は、１つのペア画素１１，１２の拡大図である。画素１１にあっては、第１の遮光膜１１ａが画素１１の略左半分を遮光し、遮光膜開口１１ｂは画素１１の略右半分に設けられている。これにより、画素１１の重心位置に対して遮光膜開口１１ｂの重心位置は右側にズレることになる。

画素１２にあっては、第１の遮光膜１２ａが画素１２の略右半分を遮光し、遮光膜開口１２ｂは画素１２の略左半分に設けられている。これにより、画素１２の重心位置に対して遮光膜開口１２ｂの重心位置は左側にズレることになる。

図３は、イメージセンサ１０への被写体からの入射光を示す図である。図２で説明したように、各画素１１，１２の夫々の遮光膜開口１１ｂ，１２ｂを反対方向に偏心して設けることで各画素１１，１２の入射瞳が制限され、これにより、各画素１１，１２への光入射角度が制限される。このため、画素１１には右目で見た場合の被写体光が多く入射し、画素１２には左目で見た場合の被写体光が多く入射することになる。

図２に戻り、本実施形態では更に、各画素１１，１２において、画素の対角を結ぶ中心線に沿って、細い第２の遮光膜１１ｃ，１２ｃが設けられている。イメージセンサの受光領域は、例えば４：３等の横長の矩形に形成される。この横方向に対して、線状の第２の遮光膜１１ｃ，１２ｃは垂直に設けられる。

図４は、図２のＸ―Ｘ’線断面とＹ―Ｙ’線断面とを並置して図示した断面模式図である。イメージセンサは、例えばｎ型半導体基板２０の表面ｐウェル層に、二次元アレイ状にｎ領域２１が形成されることで、光電変換素子としてのフォトダイオード（ＰＤ）２１が形成される。図４の左側のＰＤが画素１１（図２）の光電変換部となり、右側のＰＤが画素１２（図２）の光電変換部となる。

半導体基板２０の表面上には、平坦化膜２２を介して第１の遮光膜１１ａ，１２ａが形成され、その上に、平坦化膜２３を介して第２の遮光膜１１ｃ，１２ｃが形成される。更にその上に、平坦化膜２４等を介して配線層（この例のイメージセンサはＣＭＯＳ型であり、その配線層）２５が積層され、その上に、平坦化膜２６を介してカラーフィルタ２７が積層され、その上に、平坦化膜２８を介してマイクロレンズ２９が形成される。

第１の遮光膜１１ａ，１２ａの形成位置は、マイクロレンズ２９の集光位置付近にあり、第２の遮光膜１１ｃ，１２ｃは、マイクロレンズ２９の集光位置より手前側（マイクロレンズ側）に位置するように形成されている。

画素１１に設けられる第１の遮光膜１１ａのペア画素１２側となる縁１１ｄは、フォトダイオード（ＰＤ）１１の中央２１ａから画素１２とは反対側にずらして設けられており、第２の遮光膜１１ｃは、この中央２１ａの真上に設けられている。

画素１２に設けられる第１の遮光膜１２ａのペア画素１１側となる縁１２ｄは、フォトダイオード（ＰＤ）１２の中央２１ａから画素１１とは反対側にずらして設けられており、第２の遮光膜１２ｃは、この中央２１ａの真上に設けられている。

図４に示す入射光は、イメージセンサの各画素に垂直な方向（画素法線方向）に入射している状態（入射角θ＝０度）を示している。この状態では、入射光は第２の遮光膜１１ｃ，１２ｃによって一部の光が遮られているため、各画素１１，１２の受光感度は最大受光感度より低下している。もし、第２の遮光膜１１ｃ，１２ｃが存在しなければ、第１の遮光膜１１ａ，１２ａによっても入射光は遮られることがないため、各画素１１，１２の受光感度は最大受光感度まで大きくなっているはずである。しかし、本実施形態では、垂直に入射する入射光の光路中に第２の遮光膜１１ｃ，１２ｃを設けているため、各画素１１，１２の受光感度は最大受光感度より小さくなっている。

図８は、各画素１１，１２への入射光角度と受光感度との関係をプロットしたグラフ（最大受光感度で正規化してある。）であり、特性線Ｌが画素１２、特性線Ｒが画素１１の入射光角度と受光感度との関係を示している。この図８に示されるように、本実施形態では、入射光角度が０度のときの受光感度が、画素１１，１２で共に最大受光感度（これを“１”とする。）の０．６倍程度となるようにしている。

図５は、図４に対し、入射光角度が−θ1だけ傾いた状態を示している。この状態でも、画素１１，１２共に、入射光路中に第２の遮光膜１１ｃ，１２ｃが存在するため、受光感度の変化はなく、最大受光感度に対して０．６の状態を維持している。

図６は、入射光角度が更に大きくなり、−θ2傾いた状態を示している。この状態では、入射光路から第２の遮光膜１１ｃ，１２ｃがハズレ始め、画素１１にあっては、第１の遮光膜１１ａに入射光がかかり始め、画素１２にあっては遮光膜のない開口１２ｂ内だけに入射光が入り始めている。この結果、画素１２の受光感度は、図８に符号４で示す様に上昇を始め、画素１１の受光感度は、符号５で示すように低下を始める。

図７は、入射角度が更に大きくなり、−θ3に傾いた状態を示している。この状態では、画素１１にあっては第１の遮光膜１１ａにより入射光は殆ど遮光されてしまい、画素１１で受光される光は、迷光や回折光だけとなる。画素１２にあっては、遮光膜に遮られる入射光はなくなる。この結果、画素１２では、図８に符号６で示す様に最大受光感度となり、画素１１では符号７で示す様に、最低受光感度となる。更に入射角度が大きくなると、画素１２では入射光がフォトダイオード２１（１２）からハズレ始めるため、受光感度が低下することになる。

以上は、入射光の入射角度がマイナス側に傾いた状態で説明したが、プラス側に入射光が傾いても同じとなり、全体で図８の特性線となる。即ち、入射角度０度を挟む所定角度範囲では該範囲に渡って平坦かつ最大受光感度より低い受光感度となり、該範囲を超えた領域では山形に受光感度曲線が変化する特性となる。

図９は、図８のグラフを再掲した図である。図８の実施形態では、入射角度０度での画素１１，１２の受光感度Ｓｃを、最大感度の０．６程度と説明した。しかし、「０．６」に限るわけではなく、第２の遮光膜１１ｃ，１２ｃの幅等によりこの受光感度Ｓｃを制御することができる。好適には、Ｓｃ＝０．４〜０．８の範囲に設計するのが良い。図１０は、画素１１の特性線Ｌを示すグラフである。平坦な受光感度Ｓｃとして図９で説明したが、この平坦度の誤差Δｃ、即ち、受光感度の差を、最大受光感度“１”に対して０より大きく、０．０５以下にするのが良い。勿論、Δｃ＝０とすることができれば最も良い。

図１１は、図８のグラフを再掲した図である。平坦な受光感度Ｓｃとなる入射角度範囲を−θｃ〜＋θｃとする。画素１１，１２は、第１の遮光膜開口１１ｂ，１２ｂの位置だけが対称に形成され、後は全く同じに製造されるため、受光感度Ｓｃで平坦となる範囲や受光感度Ｓｃの大きさは、画素１１と画素１２で重なる。
なお、上記事項を次のように換言することもできる。即ち、画素１１の入射角に対する受光感度の変化率の絶対値と、画素１２の入射角に対する受光感度の変化率の絶対値との入射角に対する特性が、変曲点Ｍ（入射角θｃA）と変曲点Ｎ（入射角−θｃB）との間の入射角度範囲内で平坦となる。

本実施形態の第２の遮光膜１１ｃ，１２ｃを設けない構成では、図２８に示す様に、各画素の受光感度の入射光依存性は、正規分布の様なグラフとなる。しかし、第２の遮光膜１１ｃ，１２ｃを設けることで、本実施形態では正規分布のグラフに２つの変曲点Ｍ，Ｎが生じ、受光感度Ｓｃの平坦部分が生じることになる。

また、画素１１で最大受光感度付近となる入射角度範囲において、ペア画素１２の受光感度との差Δｐをとり、Δｐ≧閾値ｔ（例えばｔ＝０．８）となる入射角度範囲を求める。この入射角度範囲を「θlr〜θll」とする。同様に、画素１２の最大受光感度付近となる入射角度範囲において、ペア画素１１の受光感度との差Δｐをとり、Δｐ≧閾値ｔとなる入射角度範囲を求め、これを「θrl〜θrr」とする。

つまり、例えば、θll＝−２０度、θlr＝−１２度、θrl＝＋１２度、θrr＝＋２０となるように、第１の遮光膜１１ａ，１２ａや第２の遮光膜１１ｃ，１２ｃを設計する。第１の遮光膜によりパラメータθlr、θrl、Δｐを制御でき、第２の遮光膜によりパラメータθｃ、Δｃが制御できる。

以上述べた様に、本実施形態のイメージセンサ（撮像素子）１０は、入射角度±θc（例えば６度）の範囲内では、Ａ群画素の受光感度とＢ群画素の受光感度との差（Ａ群受光感度−Ｂ群受光感度）をΔｃ（例えば０．０５）以内に抑えることができ、θll＜入射角度＜θlr、θrl＜入射角度＜θrrの範囲では、Ａ群画素の受光感度とＢ群画素の受光感度の感度差としてΔｐ（例えば０．８）以上を確保している。

このため、本実施形態のイメージセンサ１０をカメラに搭載し、入射光の入射角度を制御する（Ｆ値の値を選択することで可能）ことで、３Ｄ画像の撮影と２Ｄ画像の撮影を切り替えることができる。

例えば、Ｆ値５．６よりも小絞り側で撮影した時、入射光の入射角度は±５．１度以内となり、入射光は、図８の平坦部分Ｓｃに入射する。これにより、Ａ群画素とＢ群画素の両方すなわち全画素で、位相差の無い２Ｄ画像が取得することができる。

また、Ｆ値２．２よりも開放側で撮影した時は、入射光の入射角度は±１２．８度以上となる。これらより、Ａ群画素とＢ群画素の夫々に位相差の異なる入射光が入射し、３Ｄ画像を取得することが可能となる。

図１２は、上述した実施形態に係るイメージセンサ１０を搭載した撮像装置（デジタルカメラ）の機能ブロック図である。この撮像装置３０は、イメージセンサ１０の前段に、シャッタ３１と、撮影光学系３２とを備える。撮影光学系３２内には、撮影レンズ３２ａの他に、絞り（アイリス）３２ｂが設けられている。

イメージセンサ１０によるアナログの被写体撮像画像信号の出力は、ＡＤ変換部３３によってデジタルの撮像画像信号に変換され、バス３４に出力される。バス３４には、この撮像装置３０の全体を統括制御するＣＰＵ３５と、デジタルの撮像画像信号を取り込み周知の画像処理を施す画像処理部３６と、メモリ３７と、シャッタボタンやメニュー選択ボタン等の操作部３８と、画像圧縮などを行うエンコーダ３９と、ドライバ４０とが接続される。

ドライバ４０にはカメラ背面等に設けられた表示部４１が接続され、ＣＰＵ３５には、撮影光学系３２やシャッタ３１、イメージセンサ（撮像素子）１０を駆動するデバイス制御部４２が接続される。バス３４には、図示は省略しているが、被写体画像を記録するメモリカード等の外部メモリを制御するメモリ制御部も接続されている。

本実施形態の撮像装置３０は、図８〜図１１で説明した特性を持つイメージセンサ１０を搭載している。即ち、「θll＜−θｃ＜０＜θｃ＜θrl」の関係を持つ。また、「−θｃ＜入射角度＜＋θｃ」の範囲内では、Ａ群画素，Ｂ群画素の受光感度Ｓｃは一定の値となることが望ましいが、一定の傾きを有していてもよく、この範囲内ではＡ画素とＢ画素の受光感度の差は、Δｃ（＝０．０５程度：最大受光感度を１とする。）以内であれば良い。受光感度Ｓｃは、最大受光感度を“１”としたとき０．４〜０．８の範囲内の所定感度となる。

このため、絞り３２ｂを絞ったＦ値（大きなＦ値）にすることで、入射光は図８の受光感度特性が平坦となった−θｃ〜＋θｃの範囲内に入射し、Ａ群画素とＢ群画素とで位相差が無く感度差も無い被写体画像を撮像することができ、高精細な２Ｄ画像を得ることができる。Ｓｃ＝０．２とか０．３とか低い値にすると、暗い２Ｄ画像しか撮像できなくなり、Ｓｃ＝０．９とか０．９５とか高い値にすると、３Ｄ画像を撮像したとき特性線Ｌと特性線Ｒとが重なる面積が広くなり、３Ｄ画像の左右画像の分離性能（位相差）が劣化してしまうため、Ｓｃ＝０．４〜０．８が好適である。

３Ｄ画像を撮影したい場合には、絞り３２ｂを開放したＦ値（小さなＦ値）にする。これにより、入射光は、画素１１，１２の感度差Δｐ（最大受光感度を“１”としたときの０．８以上）のある入射角度まで入射し、被写体の３Ｄ画像を撮像することが可能となる。

即ち、図９の特性図に示す様に、Ａ群画素の最大受光感度値となる入射角度位置θＡmaxを挟む「θll＜θＡmax＜θlr」の範囲内となるように、Ｂ群画素の最大受光感度値となる入射角度位置θＢmaxを挟む「θrl＜θＢmax＜θrr」の範囲内となるように、入射光の入射角度（即ちＦ値）を選択することで、良好な３Ｄ画像を得ることができる。

図１２の撮像装置３０で、即ちイメージセンサ１０で３Ｄ画像を撮像する場合、「入射角＜θlr」「θrl＜入射角」とする必要があることは上述した。撮像装置（カメラ）の場合、入射角度を直接制御することはせずに、Ｆ値を制御することで、間接的に「入射角」を制御するのが普通である。そこで、図１３に示す様に、Ｆ値に換算する。

Ｆ値が可変な絞り３２ｂは、Ｆ値の開放値（最小値）をＦminとしたとき、
−ｔａｎ^−１（１／（２＊Ｆmin））＜θlr、
θrl＜ｔａｎ^−１（１／（２＊Ｆmin））
を満たすようにする。この入射角度をＦ値に換算した図表を図１４に示す。

図１３のような受光感度の入射角度依存性をもつと、図１４に示す様に、撮像レンズの開放値（Ｆ値）に応じて、θlr，θrlの条件が決定される。θlrは図１４の角度よりも大きい値（０度に近い方）になるようにし、θrlは図１４の角度よりも小さい値になるようにする。こうしないと、絞り開放で良好な３Ｄ画像を得ることができない。

図１３，図１４では、３Ｄ画像が得られる範囲を決めるθlr，θrlをＦ値に換算したが、更に良質な３Ｄ画像は、図１５に示す様に、受光感度が最大となる入射角度位置θＡmax，θＢmaxで撮影するのが好適である。そこで、この最大受光感度を与えるθＡmax，θＢmaxをＦ値に換算し、−ｔａｎ⁻¹（１／（２＊Ｆmin））＜θＡmax、θＢmax＜ｔａｎ^−１（１／（２＊Ｆmin））を満たすようにする。図１６にＦ値に換算した図表を示す。この図１６に従ってＦ値を選択することで、イメージセンサ１０の受光感度の角度依存が最大となる入射角度の光が入るため、より良質の３Ｄ画像を取得することができる。

図１５，図１６では、受光感度が最大となる入射角度のＦ値を求めたが、更に良質な３Ｄ画像を得ることができる。画素１１，画素１２間の受光感度差がΔｐ（所定値例えば０．８）以上となる範囲をθll〜θlr、θrl〜θrrとし、図１３ではθlr，θrlで入射角を決めたが、図１７では、位相差が得られる最大の範囲であるθll，θrrで入射角（Ｆ値）を決める。これにより、良質な３Ｄ画像を得ることができる。即ち、−ｔａｎ^−１（１／（２＊Ｆmin））＜θll，θrr＜ｔａｎ^−１（１／（２＊Ｆmin））を満たすＦ値を選択する。このＦ値を図１８に示す。

この図１７，図１８の実施形態は、イメージセンサ１０の特性を最大限活かす撮像絞りの条件を示しており、最も良質な３Ｄ画像を取得できる。位相差の得られる領域を最大限使おうとすると、図１８のように開放Ｆ値が決まっているとき、θllが図表の値よりも大きくなるようにし、θrrが図表の値よりも小さくなるようにする必要がある。

図１９は、２Ｄ画像を取得することができるθｃの入射角をＦ値に換算する図である。換算したＦ値を図２０に示す。Ｆ値が可変な絞り３２ｂは、Ｆ値の小絞り値（最大値）をＦmaxとしたとき、ｔａｎ^−１（１／（２＊Ｆmax））＜θcを満たす様にする。この例では、Ｆ値を５．６以上の値とすることで、良好な２Ｄ画像を得ることができる。

図２１は、撮像装置における撮像手順を示すフローチャートである。この撮像装置に使用されているイメージセンサの特性の具体例を図２２に示す。この図２２の特性によれば、２Ｄ画像を撮影するには入射角度を４度以下にする必要があり、３Ｄ画像を撮影するには、入射角度を１２度以上にする必要がある。

先ず、図１２のＣＰＵ（制御手段）３５は、使用者が指定入力した撮影モードを判定し、３Ｄ撮影モードの撮影であるか否かを判定する（ステップＳ１）。３Ｄ撮影モードによる撮影の場合には、次にステップＳ２に進み、絞りを開放に変更する。図２３に示す様に、Ｆ値が「１．２」「２．２」の３Ｄ画像を撮影できるため、どちらかのＦ値にする。

ステップＳ１の判定の結果、３Ｄ撮影モードでない場合には、ステップＳ３に進む。あるいは、ステップＳ２の次にステップＳ３に進む。このステップＳ３では、２Ｄ撮影モードであるか否かを判定する。３Ｄ撮影モードの場合にはステップＳ３の判定結果は否定となるため、この処理を終了する。２Ｄ撮影モードの場合には、次にステップＳ４に進み、絞りを小絞りに変更し（図２３の例ではＦ値「７．２」又は「１１．０」）、この処理を終了する。

このように制御すれば、使用者は３Ｄ撮影モードで撮影したい時、２Ｄ撮影モードで撮影したい時、撮影モードを切り替えるだけで、カメラ側が適切な絞り値を選択するため、良好な３Ｄ画像，高精細な２Ｄ画像を自動的に撮影可能となる。

図２４は、本発明の別実施形態に係る撮像装置５０の機能ブロック図である。図１２の撮像装置に比べて、撮影光学系３２内にＮＤフィルタ３２ｃを追加して備え、ＮＤフィルタ３２ｃを光路内に入れたり出したりできる点だけが異なる。他の構成部材は図１２と同じであるため、同じ部材には同じ符号を付してその説明は省略する。

図２５は、本実施形態の撮像装置５０による撮像手順を示すフローチャートである。３Ｄモード撮影時には、絞りを絞り過ぎると、入射光の入射角度が小さくなり、良質な３Ｄ画像の撮影が困難となってしまう。しかし、絞りを絞らないと、入射光量が過大となってしまう場合がある。

そこで本実施形態の撮像装置５０のＣＰＵ３５は、先ずステップＳ１１で３Ｄ撮影モードであるか否かを判定し、３Ｄ撮影モードでない場合にはこの処理を終了する。３Ｄ撮影モードの場合には、次にステップＳ１２に進んで絞り３２ｂを開放に変更し、次のステップＳ１３で露出の確認と計算を行う。このステップＳ１３の計算の結果をステップＳ１４で判定し、露出過多であるか否かを判定する。露出過多の場合には次のステップＳ１５でＮＤフィルタ３２ｃを挿入してこの処理を終了する。露出過多でない場合にはステップＳ１５を飛び越してこの処理を終了する。

この様に、本実施形態では、開口絞りを絞らずにＮＤフィルタで減光できるため、良好な３Ｄ画像を得ることが可能となる。

図２６は、図１１のイメージセンサ１０に代わる別実施形態のイメージセンサ６０の模式図である。本実施形態のイメージセンサ６０は、正方格子状に画素が配列されており、奇数行（又は偶数行）の全画素にＧ（緑）のカラーフィルタが積層され、偶数行（又は奇数行）画素に、２画素ずつＲ（赤）のカラーフィルタとＢ（青）のカラーフィルタが交互に積層されている。２画素ずつの同色画素がペア画素を構成し、ペア画素の一方の画素の遮光膜開口１１ｂと他方の画素の遮光膜開口１２ｂを画素中心に対して反対方向に偏心させる。

この画素配列，カラーフィルタ配列は、次の様に表現することもできる。図２６の正方格子配列のイメージセンサ６０を斜め４５度に傾けてみた場合、所謂ハニカム画素配列（奇数行の画素行と偶数行の画素行が１／２画素ピッチずつずらして配置された画素配列）となる。このうち市松位置の画素配列（２画素×２画素を単位マトリクスとしたチェッカーパターンにおける一方の同種画素の配列）は正方格子配列となり、残りの市松位置の画素配列（上記チェッカーパターンにおける他方の同種画素の配列）も正方格子配列となる。この両正方格子の画素配列に夫々３原色のカラーフィルタをベイヤ配列すると、図２６のカラーフィルタ配列となる。

この様な画素配列，カラーフィルタ配列であっても、第１の遮光膜と第２の遮光膜の大きさや相互関係を適切に設計することで図８の特性を実現でき、上述した実施形態と同様に、良好な３Ｄ画像や高精細な２Ｄ画像を撮像することができる。

なお、図８の特性線上で変曲点Ｍ，Ｎ（図９参照）を持ち平坦な受光感度Ｓｃ部分を形成するために、上述した実施形態では第２の遮光膜１１ｃ，１２ｃを設けたが、これに限る訳ではない。

以上述べた実施形態のイメージセンサは、二次元アレイ状に配列形成された複数の画素を持ち、隣接する前記画素が夫々ペア画素を構成し、該ペア画素を構成する第１画素と第２画素の夫々の入射瞳が画素中心に対して、互いに反対方向に偏心して設けられたイメージセンサであって、
前記第１画素において、被写体からの光の入射角が、画素法線方向である０°と最大受光感度となる入射角θmaxａとの間の範囲内で、前記第１画素の受光感度が最大受光感度の４０％から８０％の間にある入射角をθｃAとし、
前記第２画素において、前記入射角が、前記画素法線方向である０°と最大受光感度となる入射角θmaxｂとの間の範囲内で、前記第２画素の受光感度が最大受光感度の４０％から８０％の間にある入射角を−θｃBとしたとき、
前記第１画素と前記第２画素の前記入射角に対する受光感度特性が、前記θｃAと前記−θｃBとの間の入射角度範囲で平坦な特性となることを特徴とする。

また、実施形態のイメージセンサは、二次元アレイ状に配列形成された複数の画素を持ち、隣接する前記画素が夫々ペア画素を構成し、該ペア画素を構成する第１画素と第２画素の夫々の入射瞳が画素中心に対して、互いに反対方向に偏心して設けられたイメージセンサであって、
前記第１画素において、被写体からの光の入射角が、画素法線方向である０°と最大受光感度となる入射角θmaxａとの間の範囲内のある入射角をθｃAとし、
前記第２画素において、前記入射角が、前記画素法線方向である０°と最大受光感度となる入射角θmaxｂとの間の範囲内のある入射角を−θｃBとしたとき、
前記第１画素の前記入射角に対する受光感度の変化率の絶対値と、前記第２画素の前記入射角に対する受光感度の変化率の絶対値との前記入射角に対する特性が、前記入射角−θｃAと前記入射角θｃBとの間の入射角度範囲内で平坦となることを特徴とする。

また、実施形態のイメージセンサの前記平坦とは、前記第１画素の受光感度と前記第２画素の受光感度との差が、前記最大受光感度を１としたとき、０以上０．０５以下の範囲であることを特徴とする。

また、実施形態のイメージセンサの前記平坦とは、前記受光感度の差が、０より大きく、０．０５以下の範囲であることを特徴とする。

また、実施形態のイメージセンサは、前記平坦とは、前記受光感度の差が０であることを特徴とする。

また、実施形態のイメージセンサは、前記複数の画素は、奇数行の画素行と偶数行の画素行が１／２画素ピッチずつずらして配置され、前記奇数行の画素に３原色のカラーフィルタがベイヤ配列されると共に前記偶数行の画素に３原色のカラーフィルタがベイヤ配列され、同色の前記カラーフィルタを持つ斜めに隣接する前記奇数行及び前記偶数行の２画素が夫々前記ペア画素を構成することを特徴とする。

また、実施形態のイメージセンサは、前記複数の画素の画素配列が正方格子配列であり、該正方格子配列を前記画素の配列面上で斜め４５度に傾けてみたときの市松位置の画素（２画素×２画素を単位マトリクスとしたチェッカーパターンにおける一方の同種画素）に３原色のカラーフィルタをベイヤ配列すると共に残りの市松位置の画素（前記チェッカーパターンにおける他方の同種画素）に３原色のカラーフィルタをベイヤ配列し、同色の前記カラーフィルタを持つ隣接２画素が夫々前記ペア画素を構成することを特徴とする。

また、実施形態の撮像装置は、上記のいずれかに記載のイメージセンサと、該イメージセンサの前段に設けられた絞りとを備える撮像装置であって、平面画像を撮像するときは前記絞りを絞って前記イメージセンサへの入射光の入射角度範囲を所要の角度範囲内に制限し、３Ｄ画像を撮像するときは前記絞りを開放して入射角度範囲が前記所要の角度範囲を超える入射光を前記イメージセンサに入射させる制御手段を備えることを特徴とする。

また、実施形態の撮像装置は、前記第１画素，第２画素の夫々の最大受光感度を与える入射角度を夫々θＡmax，θＢmaxとし、前記第１画素の受光感度と前記第２画素の受光感度との差が前記最大受光感度の８０％以上となる入射角度範囲を「θll＜入射角度＜θlr＜０」とし、前記第２画素の受光感度と前記第１画素の受光感度との差が前記最大受光感度の８０％以上となる入射角度範囲を「０＜θrl＜入射角度＜θrr」としたとき、前記入射角度θＡmaxは「θll＜θＡmax＜θlr」、前記入射角度θＢmaxは「θrl＜θＢmax＜θrr」となる特性の前記イメージセンサを使用することを特徴とする。

また、実施形態の撮像装置は、前記入射光の入射角度をＦ値で判断することを特徴とする。

また、実施形態の撮像装置は、３Ｄ画像を撮像するとき、Ｆ値の開放値をＦminとしたとき、
−ｔａｎ^−１（１／（２＊Ｆmin）＜θlr
θrl＜ｔａｎ^−１（１／（２＊Ｆmin））
を満たすことを特徴とする。

また、実施形態の撮像装置は、Ｆ値の開放値をＦminとしたとき、
−ｔａｎ^−１（１／（２＊Ｆmin））＜θＡmax
θＢmax＜ｔａｎ^−１（１／（２＊Ｆmin））
を満たすことを特徴とする。

また、実施形態の撮像装置は、Ｆ値の開放値をＦminとしたとき、
−ｔａｎ^−１（１／（２＊Ｆmin））＜θll
θrr＜ｔａｎ^−１（１／（２＊Ｆmin））
を満たすことを特徴とする。

また、実施形態の撮像装置は、Ｆ値の小絞り値である最大値をＦmaxとしたとき、
ｔａｎ^−１（１／（２＊Ｆmax））＜θｃ
を満たすことを特徴とする。

また、実施形態の撮像装置は、３Ｄ画像の撮影時には前記絞りをＦｔａｎ（θrl）／２より開放側で撮影し、２Ｄ画像の撮影時には前記絞りをＦｔａｎ（θｃ）／２よりも小絞り側で撮影することを特徴とする。

また、実施形態の撮像装置は、前記絞りを開放して前記３Ｄ画像を撮像する場合に露出過多となるときＮＤフィルタを前記イメージセンサの前段に挿入することを特徴とする。

また、実施形態のイメージセンサは、二次元アレイ状に配列形成され隣接２画素がペア画素を構成する複数の画素と、各画素上の夫々に積層されるマイクロレンズと、各画素上に積層され前記マイクロレンズの集光高さに形成された第１遮光膜と、前記ペア画素を構成する第１画素，第２画素の上の前記第１遮光膜に開口され互いに画素中心に対して反対方向に偏心して設けられた遮光膜開口と、前記第１遮光膜の形成位置と異なる高さに形成され前記画素中心に対して開口する前記遮光膜開口に対し該画素中心への垂直入射光の入射を阻止し前記偏心方向の該画素の周辺への斜め入射光の入射を許容する第２遮光膜とを備えることを特徴とする。

以上述べた実施形態によれば、良好な３Ｄ画像が撮影できるばかりでなく、良好かつ高精細な２Ｄ画像も撮影することが可能となる。

本発明に係るイメージセンサ及び撮像装置は、良好な３Ｄ画像ばかりでなく良好で高精細な２Ｄ画像も撮像できるため、デジタルカメラ等に適用すると有用である。

本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
本出願は、２０１１年９月２８出願の日本特許出願（特願２０１１−２１３１２６）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

１０，６０ イメージセンサ
１１，１２ ペア画素
１１ａ，１２ａ 第１の遮光膜
１１ｂ，１２ｂ 第１の遮光膜の開口
１１ｃ，１２ｃ 第２の遮光膜
２１ 画素の光電変換部（ＰＤ）
２７ カラーフィルタ
２９ マイクロレンズ
３１ シャッタ
３２ 撮影光学系
３２ｂ 絞り（アイリス）
３２ｃ ＮＤフィルタ
３５ ＣＰＵ
Ｍ，Ｎ 変曲点

Claims (17)

1. 二次元アレイ状に配列形成された複数の画素を持ち、隣接する前記画素が夫々ペア画素を構成し、該ペア画素を構成する第１画素と第２画素の夫々の入射瞳が画素中心に対して、互いに反対方向に偏心して設けられたイメージセンサであって、
   前記第１画素において、被写体からの光の入射角が、画素法線方向である０°と最大受光感度となる入射角θＡmaxとの間の範囲内で、前記第１画素の受光感度が最大受光感度の４０％から８０％の間にある入射角をθｃAとし、
   前記第２画素において、被写体からの光の入射角が、前記画素法線方向である０°と最大受光感度となる入射角θＢmaxとの間の範囲内で、前記第２画素の受光感度が最大受光感度の４０％から８０％の間にある入射角を−θｃBとしたとき、
   前記第１画素と前記第２画素の入射角に対する受光感度特性が、前記θｃAと前記−θｃBとの間の入射角度範囲で平坦な特性となるイメージセンサ。
2. 二次元アレイ状に配列形成された複数の画素を持ち、隣接する前記画素が夫々ペア画素を構成し、該ペア画素を構成する第１画素と第２画素の夫々の入射瞳が画素中心に対して、互いに反対方向に偏心して設けられたイメージセンサであって、
   前記第１画素において、被写体からの光の入射角が、画素法線方向である０°と最大受光感度となる入射角θＡmaxとの間の範囲内のある入射角をθｃAとし、
   前記第２画素において、被写体からの光の入射角が、前記画素法線方向である０°と最大受光感度となる入射角θＢmaxとの間の範囲内のある入射角を−θｃBとしたとき、
   前記第１画素の入射角に対する受光感度の変化率の絶対値と、前記第２画素の入射角に対する受光感度の変化率の絶対値との入射角に対する特性が、前記入射角θｃAと前記入射角−θｃBとの間の入射角度範囲内で平坦となるイメージセンサ。
3. 請求項１又は請求項２に記載のイメージセンサであって、前記平坦とは、前記第１画素の受光感度と前記第２画素の受光感度との差が、前記最大受光感度を１としたとき、０以上０．０５以下の範囲であるイメージセンサ。
4. 請求項３に記載のイメージセンサであって、前記平坦とは、前記受光感度の差が、０より大きく、０．０５以下の範囲であるイメージセンサ。
5. 請求項３に記載のイメージセンサであって、前記平坦とは、前記受光感度の差が０であるイメージセンサ。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のイメージセンサであって、前記複数の画素は、奇数行の画素行と偶数行の画素行が１／２画素ピッチずつずらして配置され、前記奇数行の画素に３原色のカラーフィルタがベイヤ配列されると共に前記偶数行の画素に３原色のカラーフィルタがベイヤ配列され、
   同色の前記カラーフィルタを持つ斜めに隣接する前記奇数行及び前記偶数行の２画素が夫々前記ペア画素を構成するイメージセンサ。
7. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のイメージセンサであって、前記複数の画素の画素配列が正方格子配列であり、該正方格子配列を前記画素の配列面上で斜め４５度に傾けてみたときの市松位置の画素に３原色のカラーフィルタをベイヤ配列すると共に残りの市松位置の画素に３原色のカラーフィルタをベイヤ配列し、同色の前記カラーフィルタを持つ隣接２画素が夫々前記ペア画素を構成するイメージセンサ。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のイメージセンサと、該イメージセンサの前段に設けられた絞りとを備える撮像装置であって、平面画像を撮像するときは前記絞りを絞って前記イメージセンサへの入射光の入射角度範囲を所要の角度範囲内に制限し、３Ｄ画像を撮像するときは前記絞りを開放して入射角度範囲が前記所要の角度範囲を超える入射光を前記イメージセンサに入射させる制御手段を備える撮像装置。
9. 請求項８に記載の撮像装置であって、前記第１画素，第２画素の夫々の最大受光感度を与える入射角度を夫々θＡmax，θＢmaxとし、前記第１画素の受光感度と前記第２画素の受光感度との差が前記最大受光感度の８０％以上となる入射角度範囲を「θll＜入射角度＜θlr＜０」とし、前記第２画素の受光感度と前記第１画素の受光感度との差が前記最大受光感度の８０％以上となる入射角度範囲を「０＜θrl＜入射角度＜θrr」としたとき、前記入射角度θＡmaxは「θll＜θＡmax＜θlr」、前記入射角度θＢmaxは「θrl＜θＢmax＜θrr」となる特性の前記イメージセンサを使用する撮像装置。
10. 請求項９に記載の撮像装置であって、前記入射光の入射角度をＦ値で判断する撮像装置。
11. 請求項１０に記載の撮像装置であって、Ｆ値の開放値をＦminとしたとき、
    −ｔａｎ^−１（１／（２＊Ｆmin）＜θlr
    θrl＜ｔａｎ^−１（１／（２＊Ｆmin））
    を満たす撮像装置。
12. 請求項１０又は請求項１１に記載の撮像装置であって、Ｆ値の開放値をＦminとしたとき、
    −ｔａｎ^−１（１／（２＊Ｆmin））＜θＡmax
    θＢmax＜ｔａｎ^−１（１／（２＊Ｆmin））
    を満たす撮像装置。
13. 請求項１０乃至請求項１２のいずれか１項に記載の撮像装置であって、Ｆ値の開放値をＦminとしたとき、
    −ｔａｎ^−１（１／（２＊Ｆmin））＜θll
    θrr＜ｔａｎ^−１（１／（２＊Ｆmin））
    を満たす撮像装置。
14. 請求項９乃至請求項１３のいずれか１項に記載の撮像装置であって、前記θｃAと前記−θｃBとの間の前記入射角度範囲は−θｃからθｃであり、Ｆ値の小絞り値である最大値をＦmaxとしたとき、
    ｔａｎ^−１（１／（２＊Ｆmax））＜θｃ
    を満たす撮像装置。
15. 請求項１４に記載の撮像装置であって、３Ｄ画像の撮影時には前記絞りをＦ値でｔａｎ（θrl）／２より開放側で撮影し、２Ｄ画像の撮影時には前記絞りをＦ値でｔａｎ（θｃ）／２よりも小絞り側で撮影する撮像装置。
16. 請求項１５に記載の撮像装置であって、前記絞りを開放して前記３Ｄ画像を撮像する場合に露出過多となるときＮＤフィルタを前記イメージセンサの前段に挿入する撮像装置。
17. 二次元アレイ状に配列形成され隣接２画素がペア画素を構成する複数の画素と、各画素上の夫々に積層されるマイクロレンズと、各画素上に積層され前記マイクロレンズの集光高さに形成された第１遮光膜と、前記ペア画素を構成する第１画素，第２画素の上の前記第１遮光膜に開口され互いに画素中心に対して反対方向に偏心して設けられた遮光膜開口と、前記第１遮光膜の形成位置と異なる高さに形成され前記画素中心に対して開口する前記遮光膜開口に対し該画素中心への垂直入射光の入射を阻止し前記偏心方向の該画素の周辺への斜め入射光の入射を許容する第２遮光膜とを備えるイメージセンサ。

Images