JP6051570B2 - 撮像素子および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮像素子および撮像装置に関する。

２つの撮影光学系を用いて、右目用の画像と左目用の画像とから成るステレオ画像を撮像するステレオ撮像装置が知られている。このようなステレオ撮像装置は、２つの撮像光学系を一定の間隔で配置することにより、同一の被写体を撮像して得られる２つの画像に視差を生じさせる。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］ 特開平８−４７００１号公報

しかしながら、複数の視差を生じさせる画像を取得するには、その数に応じた複雑な撮影光学系を用意しなければならなかった。

本発明の第１の態様においては、撮像素子であって、入射光束を光電変換する光電変換素子と、光電変換素子に入射される入射光束の少なくとも一部を遮光する薄膜で形成された遮光部と、遮光部に駆動力を加え、光電変換素子に対して遮光部を閉状態へ駆動する駆動部と、遮光部が設けられ、駆動力を受けていない状態で応力によって湾曲して開状態を維持する部材とを有する。

本発明の第２の態様においては、撮像素子であって、入射する被写体光束を電気信号に光電変換する、二次元的に配列された複数の光電変換素子と、複数の光電変換素子の少なくともいずれか一つに対応して設けられ、被写体光束の断面領域内の少なくとも一部を遮光する遮光部と、薄膜で形成され、駆動力を受けていない状態で自身の保有する応力によって湾曲して遮光部の開状態を維持する梁部と、前記遮光部に駆動力を加えて前記遮光部を前記光電変換素子に対して閉駆動する駆動部とを備える。
本発明の第３の態様においては、撮像装置であって、上記のいずれかの撮像素子と、撮像素子により撮像された撮像信号を読み出して、撮像時の遮光部の開閉状態に基づいた画像データを生成する画像処理部とを備える。

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。

本発明の実施形態に係るデジタルカメラ１０の構成を説明する図である。 撮像素子１００の断面を表す概略図である。 図２の撮像素子１００を被写体側からみた概略を示す概略図である。 開閉部３００の一例であって、遮光部３２０の開状態を示す。 遮光部３２０の閉状態を示す。 一の画素における遮光部３２０、３３０の開閉状態と、それにより形成される開口１０４との関係を示す説明図である。 撮像素子１００の一部を拡大した様子を表す概略図である。 図７に対応した、視差画素と被写体の関係を説明する概略図である。 繰り返しパターン１１０、１１１の例を示す。 他の繰り返しパターン１１２、１１３の例を示す。 他の繰り返しパターン１１４、１１５、１１６、１１７の例を示す。 撮像素子１００の製造方法を示す概略断面図である。 撮像素子１００の製造方法を示す概略断面図である。 撮像素子１００の製造方法を示す概略断面図である。 撮像素子１００の製造方法を示す概略断面図である。 撮像素子１００の製造方法を示す概略断面図である。 他の撮像素子１１８を示す概略断面図である。 撮像素子１１８の開口マスク１２３と可動部３１３の関係を示す。 カラーフィルタ１０２のベイヤー配列を説明する図である。 カラーフィルタ１０２の他の配列を説明する図である。

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。

撮像装置の一形態である本実施形態に係るデジタルカメラは、高い解像度を保ったまま、一の撮像素子で、複数の視点からの被写体光束を撮像して画像データを生成する。互いに視点の異なるそれぞれの画像を視差画像と呼ぶ。

図１は、本発明の実施形態に係るデジタルカメラ１０の構成を説明する図である。デジタルカメラ１０は、撮影光学系としての撮影レンズ２０を備え、光軸２１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２０は、デジタルカメラ１０に対して着脱できる交換式レンズであっても構わない。デジタルカメラ１０は、撮像素子１００、駆動部２３０、制御部２０１、Ａ／Ｄ変換回路２０２、メモリ２０３、画像処理部２０５、メモリカードＩＦ２０７、操作部２０８、表示部２０９、ＬＣＤ駆動回路２１０およびＡＦセンサ２１１を備える。

なお、図示するように、撮像素子１００へ向かう光軸２１に平行な方向をｚ軸プラス方向と定め、ｚ軸と直交する平面において紙面手前へ向かう方向をｘ軸プラス方向、紙面上方向をｙ軸プラス方向と定める。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。

撮影レンズ２０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１では撮影レンズ２０を説明の都合上、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。

撮像素子１００は、撮影レンズ２０の焦点面近傍に配置されている。撮像素子１００は、二次元的に複数の光電変換素子が配された、例えばＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサ等のイメージセンサである。以下、ＣＭＯＳの例で説明するが、ＣＣＤに適用することもできる。

駆動部２３０は、撮像素子１００の光電変換素子からの画像信号を読み取るべく駆動する読取駆動部２３２と、後述する開閉駆動部２３４とを有する。撮像素子１００は、読取駆動部２３２によりタイミング制御されて、受光面上に結像された被写体像を画像信号に変換してＡ／Ｄ変換回路２０２へ出力する。

Ａ／Ｄ変換回路２０２は、撮像素子１００が出力する画像信号をデジタル画像信号に変換してメモリ２０３へ出力する。画像処理部２０５は、メモリ２０３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。

画像処理部２０５は、他にも、撮像素子１００の画素配列に即して、入力される画像信号から、視差画像データ、非視差画像データとしての２Ｄ画像データ等を生成したり、選択された画像フォーマットに従って画像データを調整する機能も担う。

生成された画像データは、ＬＣＤ駆動回路２１０により表示信号に変換され、表示部２０９に表示される。また、メモリカードＩＦ２０７に装着されているメモリカード２２０に記録される。

ＡＦセンサ２１１は、被写体空間に対して複数の測距点が設定された位相差センサであり、それぞれの測距点において被写体像のデフォーカス量を検出する。一連の撮影シーケンスは、操作部２０８がユーザの操作を受け付けて、制御部２０１へ操作信号を出力することにより開始される。撮影シーケンスに付随するＡＦ，ＡＥ等の各種動作は、制御部２０１に制御されて実行される。例えば、制御部２０１は、ＡＦセンサ２１１の検出信号を解析して、撮影レンズ２０の一部を構成するフォーカスレンズを移動させる合焦制御を実行する。なお、以下の撮像素子１００をＡＦセンサ２１１の代わりに用いてもよく、その場合には別個のＡＦセンサ２１１は設けなくてよい。

図２は、撮像素子１００の断面を表す概略図である。図３は、図２の撮像素子１００を被写体側からみた概略を示す概略図である。

図２に示すように、撮像素子１００は、被写体側から順に、マイクロレンズ１０１、カラーフィルタ１０２、開閉部３００、配線層１０５および光電変換素子１０８が配列されて構成されている。光電変換素子１０８は、入射する光を電気信号に変換するフォトダイオードにより構成される。光電変換素子１０８は、基板１０９の表面に二次元的に複数配列されている。また、図３に示すように、基板１０９には光電変換素子１０８に隣接して、当該光電変換素子１０８からの電荷を蓄積するフローティングディフュージョン１４２、および、選択トランジスタ、増幅トランジスタ等の回路が配された回路領域１４０が配される。

光電変換素子１０８が設けられた層の上には絶縁層１４４を介して配線層１０５が配される。光電変換素子１０８により変換された画像信号、光電変換素子１０８を制御する制御信号等は、配線層１０５に設けられた配線１０６を介して送受信される。

絶縁層１４４の上には光電変換素子１０８への入射する被写体光束を規定する開閉部３００が配される。開閉部３００は、光電変換素子１０８に対応して設けられた可動部３１０と駆動部３５０の組と、可動部３１０の可動を許容する空間を形成する支柱３０２とを有する。

図２および図３に示す例において、一つの光電変換素子１０８に対して、可動部３１０と駆動部３５０とを有する開閉部３００、および、可動部３１２と駆動部３５２とを有する開閉部３００が設けられる。可動部３１０と駆動部３５０との組、および、可動部３１２と駆動部３５２との組は、対応する光電変換素子１０８に対してｘ方向に配列される。

カラーフィルタ１０２は、開閉部３００上に設けられる。カラーフィルタ１０２は、各光電変換素子１０８に対して特定の波長帯域を透過させるように着色され、光電変換素子１０８のそれぞれに一対一に対応して設けられる。カラー画像を出力するには、互いに異なる少なくとも２種類のカラーフィルタが配列されれば良いが、より高画質のカラー画像を取得するには３種類以上のカラーフィルタを配列すると良い。例えば赤色波長帯を透過させる赤フィルタ、緑色波長帯を透過させる緑フィルタ、および青色波長帯を透過させる青フィルタを格子状に配列すると良い。

マイクロレンズ１０１は、カラーフィルタ１０２上に設けられる。マイクロレンズ１０１は、入射する被写体光束のより多くを光電変換素子１０８へ導くための集光レンズである。マイクロレンズ１０１は、光電変換素子１０８のそれぞれに一対一に対応して設けられる。マイクロレンズ１０１は、撮影レンズ２０の瞳中心と光電変換素子１０８の相対的な位置関係を考慮して、より多くの被写体光束が光電変換素子１０８に導かれるようにその光軸がシフトされていることが好ましい。

このように、各々の光電変換素子１０８に対応して一対一に設けられる開閉部３００、カラーフィルタ１０２およびマイクロレンズ１０１の一単位を画素と呼ぶ。例えば、撮像素子１００の有効画素領域が２４ｍｍ×１６ｍｍ程度の場合、画素数は１２００万程度に及ぶ。

なお、集光効率、光電変換効率が良いイメージセンサの場合は、マイクロレンズ１０１を設けなくても良い。また、裏面照射型イメージセンサの場合は、配線層１０５が光電変換素子１０８とは反対側に設けられる。

説明のため、図２および図３の２つの画素の内の−ｘ側については可動部３１０が湾曲した開状態で、可動部３１２は平坦な閉状態にある。また、＋ｘ側については可動部３１０が閉状態で、可動部３１２は開状態にある。

図３に示すように、可動部３１０は遮光部３２０を有する。可動部３１０が開状態にあるとき、遮光部３２０は平面視において光電変換素子１０８が配された領域から退避している。一方、可動部３１０が閉状態において、遮光部３２０は平面視において光電変換素子１０８が配された領域の一部、例えば図３に示す例においては−ｘ側の略半分を覆う。

同様に、可動部３１２も遮光部３３０を有する。可動部３１２が開状態にあるとき、遮光部３３０は平面視において光電変換素子１０８が配された領域から退避している。一方、可動部３１０が閉状態において、遮光部３３０は平面視において光電変換素子１０８が配された領域における、遮光部３２０が覆うのとは別の領域を覆う。例えば図３に示す例においては、遮光部３２０が−ｘ側の略半分を覆うことに対応して、遮光部３３０は＋ｘ側の略半分を覆う。

よって、図３の−ｘ側の画素においては、光電変換素子１０８に向かう被写体光束の断面領域のうち、＋ｘ側の略半分が遮光部３３０により遮られ、−ｘ側に光学的に有効な開口１０４lが形成される。同様に、＋ｘ側の画素においては、光電変換素子１０８に向かう被写体光束の断面領域のうち、−ｘ側の略半分が遮光部３３０により遮られ、＋ｘ側に光学的に有効な開口１０４ｌが形成される。

なお、配線層１０５の配線１０６が作る開口１０７によっても被写体光束は制限される。ただし、本実施形態においては光学系の瞳上において開口１０７は光電変換素子１０８および遮光部３２０、３３０よりも十分に大きいとし、当該開口１０７は実質的に有効な開口の形成に寄与しない。

図４は、開閉部３００の一例であって、遮光部３２０の開状態を示す。また、図５は、遮光部３２０の閉状態を示す。開閉部３００は、光電変換素子１０８に近い側に配された駆動部３５０と、当該駆動部３５０に対して可動する可動部３１０とを有する。

駆動部３５０は、多層構造をなす。駆動部３５０は、可視光に対して透明なガラス基板３６０と、当該ガラス基板３６０上に設けられた遮光層３６２および絶縁層３６４を有する。遮光層３６２は、画素の周縁にパターニングされており、例えばアルミ膜等の可視光に対して不透明な材料により形成され、画素毎の光のクロストークを避ける。絶縁層３６４は当該遮光層３６２および、ガラス基板３６０において遮光層３６２が配されてない領域を覆う。当該絶縁層３６４は可視光に対して透明であって電気的に絶縁性を有する材料、例えば、シリコン酸化膜により形成される。

駆動部３５０はさらに、絶縁層３６４上に配された駆動電極３６６と、透明電極３７２と、駆動電極３６６の一部を除いて当該駆動電極３６６および透明電極３７２を覆う絶縁層３８０とを有する。駆動電極３６６は、導電性を有する材料、例えばアルミ膜で形成され、開閉駆動部２３４に電気的に接続される。透明電極３７２は、導電性を有するとともに可視光に対して透明な材料、例えばＩＴＯ膜で形成され、開閉駆動部２３４に電気的に接続される。また、絶縁層３８０は絶縁層３６４と同様に、シリコン酸化膜により形成される。

可動部３１０は、駆動電極３６６上に設けられたポスト部３７０と、ポスト部３７０から延伸した遮光部３２０と、遮光部３２０の一部の領域に配された絶縁層３７４とを有する。遮光部３２０は導電性を有して可視光に対して不透明な材料、例えばアルミ膜により形成される。遮光部３２０は、ポスト部３７０に近い側の平坦部３７６と、逆側の先端３７８とを有する。これら平坦部３７６と先端３７８との間に絶縁層３７４が配される。絶縁層３７４は例えばシリコン窒化膜により形成される。遮光部３２０の当該領域と絶縁層３７４とにより梁部３２１が形成される。

図４に示すように、梁部３２１は、駆動力を受けていない状態で、自身の保有する応力によって、駆動部３５０に対して離間する方向に湾曲している。よって、図４に示す開状態において、梁部３２１が湾曲していることにより、遮光部３２０が図中Ｗの領域から退避しており、当該領域から光Ａが入射して駆動部３５０を通過する。

遮光部３２０は、図５に示すように閉状態になった場合に、先端３７８が図中に一点鎖線で示された中央より手前に位置する長さを有する。梁部３２１は駆動力を受けることによって平坦になり、図５に示す閉状態となる。これにより、遮光部３２０は閉状態において光を遮る。なお、先端３７８は中央ちょうどまで伸びていてもよいし、中央より先まで伸びていてもよい。

開状態と閉状態とは静電力を用いて切り替えられる。すなわち、開閉駆動部２３４が駆動電極３６６と透明電極３７２との間に電圧をかけることにより、遮光部３２０上の電荷と透明電極３７２上の電荷が引き合い、可動部３１０が駆動部３５０に引き寄せられる。この場合、可動部３１０の絶縁層３７４と駆動部３５０の絶縁層３８０が当接して閉状態での位置が決まる。また、開閉駆動部２３４が駆動電極３６６と透明電極３７２との間の電圧をなくすことにより、梁部３２１の自身の保有する応力によって、可動部３１０が駆動部３５０に対して離間する方向に湾曲して開状態が維持される。

図６は、一の画素における遮光部３２０、３３０の開閉状態と、それにより形成される開口１０４との関係を示す説明図である。遮光部３２０、３３０がいずれも開状態である場合には、中央に大きな開口１０４ｃが形成される。開口１０４ｃは、遮光部３２０、３３０以外の、遮光層３６２または配線層１０５の開口１０７等により規定され、その重心が光学系の瞳上において被写体光束の中心に位置する。よって、当該開口１０４ｃを用いて被写体を撮像した場合には、視差を生じない。視差を生じさせない画素を視差なし画素ということがある。

遮光部３２０が閉状態かつ遮光部３３０が開状態の場合には、面積が上記開口１０４ｃの略半分で図中の右側にシフトした開口１０４ｒが形成される。すなわち、開口１０４ｒは、その重心が光学系の瞳上において被写体光束の中心に対して右側に変位し、被写体光束の右半分の領域を透過させる。よって、当該開口１０４ｒを用いて被写体を撮像した場合には、視差を生じる。視差を生じさせる画素を視差画素ということがある。

遮光部３２０が開状態かつ遮光部３３０が閉状態の場合には、面積が上記開口１０４ｃの略半分で図中の左側にシフトした開口１０４ｌが形成される。すなわち、開口１０４ｌは、その重心が光学系の瞳上において被写体光束の中心に対して左側に変位し、被写体光束の左半分の領域を透過させる。

遮光部３２０、３３０がいずれも閉状態である場合には、中央に狭い開口１０４ｘが形成される。当該開口１０４ｘに対応する画素は視差なし画素であって、開口１０４ｃよりも光量が小さくかつ焦点深度の大きい画像を得る。ただし、閉状態において遮光部３２０と遮光部３３０の先端が接しているか、オーバーラップしている場合には、開口は形成されず、光電変換素子１０８に被写体光束は入射しない。

図７は、撮像素子１００の一部を拡大した様子を表す概略図である。開閉部３００の開閉により形成される有効な開口１０４と、生じる視差の関係について説明する。ここでは、説明を簡単にすべく、カラーフィルタ１０２の配色については後に言及するまで考慮しない。カラーフィルタ１０２の配色に言及しない以下の説明においては、同色のカラーフィルタ１０２を有する視差画素のみを寄せ集めたイメージセンサであると捉えることができる。したがって、以下に説明する繰り返しパターンは、同色のカラーフィルタ１０２における隣接画素として考えても良い。なお有効な開口の周りの有効な遮光部を１０３で示した。

図７に示す例は、図２および図３に対応して、開閉部３００により２種類の開口１０４ｌ、１０４ｒが形成された状態を示す。開口１０４ｌ、１０４ｒはいずれもｙ方向に長い長方形である。開口１０４ｌは−ｘ側にシフトしており、開口１０４ｒは＋ｘ側にシフトしている。また、開口１０４ｌと開口１０４ｒとは、形状および大きさが同じであって、シフトの方向は反対であるが、シフト量の絶対値は同じである。

撮像素子１００の全体は、開口１０４ｌ、１０４ｒを有する２つの視差画素がｘ方向に並んだ光電変換素子群が、二次元的かつ周期的に配列されている。すなわち、撮像素子１００は、上記光電変換素子群を含む繰り返しパターン１１０が、周期的に敷き詰められている。図７に示す例においては、開口１０４ｌのｙ方向に隣接した画素も開口１０４ｌとなるように並べられているが、他の開口が隣接するように並べられてもよい。ここで、ｘ方向は、例えば、デジタルカメラ１０を横位置で撮像する場合における水平方向である。この場合に撮像素子１００上の二次元上の位置と開閉部３００の開閉状態とが対応付けられたテーブルがメモリ２０３等に予め記録されており、開閉駆動部２３４が当該テーブルを参照することにより、対応する画素のそれぞれに開口１０４ｌ、１０４ｒを形成する。

図８は、図７に対応した、視差画素と被写体の関係を説明する概略図である。特に図８（ａ）は撮像素子１００のうち光軸２１と直交する中心に配列されている繰り返しパターン１１０ｔの光電変換素子群を示し、図８（ｂ）は周辺部分に配列されている繰り返しパターン１１０ｕの光電変換素子群を模式的に示している。

また、図８（ａ）、図８（ｂ）における被写体３０は、撮影レンズ２０に対して合焦位置に存在する。図８（ｃ）は、図８（ａ）に対応して、撮影レンズ２０に対して非合焦位置に存在する被写体３０を捉えた場合の関係を模式的に示している。

まず、撮影レンズ２０が合焦状態に存在する被写体３０を捉えている場合の、視差画素と被写体の関係を説明する。被写体光束は、撮影レンズ２０の瞳を通過して撮像素子１００へ導かれるが、被写体光束が通過する全体の断面領域に対して、２つの部分領域ＰｌおよびＰｒが規定されている。そして、例えば繰り返しパターン１１０ｔ、１１０ｕを構成する光電変換素子群の＋ｘ側の視差画素は、拡大図からもわかるように、部分領域Ｐｒから射出された被写体光束のみが光電変換素子１０８へ到達するように、開閉部３００により開口１０４ｒが形成される。同様に、−ｘ側の視差画素に向かって、部分領域Ｐｌに対応して開口１０４ｌが形成される。

別言すれば、例えば部分領域Ｐｒと＋ｘ側の視差画素の相対的な位置関係によって定義される、部分領域Ｐｒから射出される被写体光束の主光線Ｒｒの傾きにより、開口１０４ｒの位置が定められていると言っても良い。そして、合焦位置に存在する被写体３０からの被写体光束を、開口１０４ｒを介して光電変換素子１０８が受光する場合、その被写体光束は、点線で図示するように、光電変換素子１０８上で結像する。同様に、−ｘ側の視差画素に向かって、主光線Ｒｌの傾きにより開口１０４ｌの位置が、定められていると言える。

図８（ａ）で示すように、合焦位置に存在する被写体３０のうち、光軸２１と交差する被写体３０上の微小領域Ｏｔから放射される光束は、撮影レンズ２０の瞳を通過して、繰り返しパターン１１０ｔを構成する光電変換素子群の各画素に到達する。すなわち、繰り返しパターン１１０ｔを構成する光電変換素子群の各画素は、それぞれ２つの部分領域ＰｒおよびＰｌを介して、一つの微小領域Ｏｔから放射される光束を受光している。微小領域Ｏｔは、繰り返しパターン１１０ｔを構成する光電変換素子群の各画素の位置ずれに対応する分だけの広がりを有するが、実質的には、ほぼ同一の物点と近似することができる。

同様に、図８（ｂ）で示すように、合焦位置に存在する被写体３０のうち、光軸２１から離間した被写体３０上の微小領域Ｏｕから放射される光束は、撮影レンズ２０の瞳を通過して、繰り返しパターン１１０ｕを構成する光電変換素子群の各画素に到達する。すなわち、繰り返しパターン１１０ｕを構成する光電変換素子群の各画素は、それぞれ２つの部分領域ＰｒおよびＰｌを介して、一つの微小領域Ｏｕから放射される光束を受光している。微小領域Ｏｕも、微小領域Ｏｔと同様に、繰り返しパターン１１０ｕを構成する光電変換素子群の各画素の位置ずれに対応する分だけの広がりを有するが、実質的には、ほぼ同一の物点と近似することができる。

つまり、被写体３０が合焦位置に存在する限りは、撮像素子１００上における繰り返しパターン１１０の位置に応じて、光電変換素子群が捉える微小領域が異なり、かつ、光電変換素子群を構成する各画素は互いに異なる部分領域を介して同一の微小領域を捉えている。そして、それぞれの繰り返しパターン１１０において、対応する画素同士は同じ部分領域からの被写体光束を受光している。つまり、図においては、例えば繰り返しパターン１１０ｔ、１１０ｕのそれぞれの＋ｘ側の視差画素は、同じ部分領域Ｐｒからの被写体光束を受光している。

光軸２１と直交する中心に配列されている繰り返しパターン１１０ｔにおいて＋ｘ側の視差画素が部分領域Ｐｒからの被写体光束を受光する開口１０４ｒの位置と、周辺部分に配列されている繰り返しパターン１１０ｕにおいて＋ｘ側の視差画素が部分領域Ｐｒからの被写体光束を受光する開口１０４ｒの位置は厳密には異なる。しかしながら、機能的な観点からは、部分領域Ｐｒからの被写体光束を受光するための開口という点で、これらを同一種類の開口として扱うことができる。

次に、撮影レンズ２０が非合焦状態に存在する被写体３０を捉えている場合の、視差画素と被写体の関係を説明する。この場合も、非合焦位置に存在する被写体３０からの被写体光束は、撮影レンズ２０の瞳の２つの部分領域ＰｒおよびＰｌを通過して、撮像素子１００へ到達する。ただし、非合焦位置に存在する被写体３０からの被写体光束は、光電変換素子１０８上ではなく他の位置で結像する。例えば、図８（ｃ）に示すように、被写体３０が被写体３０よりも撮像素子１００に対して遠い位置に存在すると、被写体光束は、光電変換素子１０８よりも被写体３０側で結像する。逆に、被写体が図８（ａ）および（ｂ）の被写体３０よりも撮像素子１００に対して近い位置に存在すると、被写体光束は、光電変換素子１０８よりも被写体３０とは反対側で結像する。

したがって、非合焦位置に存在する被写体３０のうち、微小領域Ｏｔ'から放射される被写体光束は、２つの部分領域ＰｒおよびＰｌのいずれを通過するかにより、異なる組の繰り返しパターン１１０における対応画素に到達する。例えば、部分領域Ｐｌを通過した被写体光束は、図８（ｃ）の拡大図に示すように、主光線Ｒｌ'として、繰り返しパターン１１０ｔ'に含まれる、開口１０４ｌを有する光電変換素子１０８へ入射する。そして、微小領域Ｏｔ'から放射された被写体光束であっても、他の部分領域を通過した被写体光束は、繰り返しパターン１１０ｔ'に含まれる光電変換素子１０８へは入射せず、他の繰り返しパターンにおける対応する開口を有する光電変換素子１０８へ入射する。換言すると、繰り返しパターン１１０ｔ'を構成する各光電変換素子１０８へ到達する被写体光束は、被写体３０の互いに異なる微小領域から放射された被写体光束である。すなわち、−ｘ側の開口１０４ｌに対応する光電変換素子１０８へは主光線をＲｌ'とする被写体光束が入射し、＋ｘ側の開口１０４ｒに対応する光電変換素子１０８へは主光線をＲｒ＋とする被写体光束が入射するが、この被写体光束は、被写体３０のＯｔ'とは異なる微小領域から放射された被写体光束である。このような関係は、図８（ｂ）における周辺部分に配列されている繰り返しパターン１１０ｕにおいても同様である。

すると、撮像素子１００の全体で見た場合、例えば、開口１０４ｌに対応する光電変換素子１０８で被写体３０を捉えた−ｘ側の視差画像と、開口１０４ｒに対応する光電変換素子１０８で被写体３０を捉えた＋ｘ側の視差画像は、合焦位置に存在する被写体に対する画像であれば互いにずれが無く、非合焦位置に存在する被写体に対する画像であればずれが生じることになる。そして、そのずれは、非合焦位置に存在する被写体が合焦位置に対してどちら側にどれだけずれているかにより、また、部分領域Ｐｒと部分領域Ｐｌの距離により、方向と量が定まる。つまり、−ｘ側の視差画像と＋ｘ側の視差画像は、互いに視差像を形成する。したがって、このように構成されたそれぞれの繰り返しパターン１１０において、互いに対応する画素の出力を寄せ集めると、複数の視差画像が得られる。

ここで互いに異なる一対の視差画像上の視差によって、画像上の被写体の奥行き情報を得ることができる。この場合に、視差以外の条件はなるべく同じで、視差が大きくとれる視差画像を一対とすることが好ましい。よって、繰り返しパターン内で、開口の大きさが互いに同じでシフト量の絶対値が同じでシフト方向が異なる画素が対となることが好ましい。そのような画素の対に対応する視差の対を視差対と表記することがある。

図９は、繰り返しパターン１１０、１１１の例を示す。繰り返しパターン１１０において、開閉部３００により全ての画素に対応して開口１０４ｌが形成される。言い換えると、開口１０４ｌを有する画素が二次元的に繰り返し配されている。一方、繰り返しパターン１１１において、開閉部３００により全ての画素に対応して開口１０４ｒが形成されている。

開閉駆動部２３４が開閉部３００を駆動して繰り返しパターン１１０、１１１のいずれか一方を形成した状態で被写体を撮像し、その後、開閉駆動部２３４が開閉部３００を駆動して繰り返しパターン１１０、１１１の他方を形成した状態で被写体を撮像することにより、一の撮像素子１００を用いて一対の視差画像を得ることができる。画像処理部２０５は、撮像時の開閉部３００の開閉状態に基づいて、視差画像を生成する。この例において、画像処理部２０５は、いずれの視差画像も撮像素子１００の全ての画素からの画像信号を寄せ集めて生成するので、空間分解能の高い視差画像を得ることができる。

図１０は、他の繰り返しパターン１１２、１１３の例を示す。繰り返しパターン１１２は４画素で形成され、左上および右下が開口１０４ｒを有し、右上および左下が開口１０４ｌを有する。また、繰り返しパターン１１３も４画素で形成され、左上および右下が開口１０４ｌを有し、右上および左下が開口１０４ｒを有する。図９の場合と同様に、開閉駆動部２３４によりこれらの繰り返しパターン１１２、１１３を形成して撮像することにより、一の撮像素子１００を用いて一対の撮像画像を得ることができる。

この場合に、画像処理部２０５は、繰り返しパターン１１２の開口１０４ｒの画素と繰り返しパターン１１３の開口１０４ｒの画素を寄せ集めて一方の視差画像を生成し、繰り返しパターン１１２の開口１０４ｌの画素と繰り返しパターン１１３の開口１０４ｌの画素を寄せ集めて他方の視差画像を生成する。これにより、空間分解能の高い視差画像を得ることができる。また、いずれの撮像時においても二種類の開口のそれぞれが用いられるので、撮影の時間差による被写体のブレを視差画像のそれぞれに分配して目立たなくすることができる。また、二回の撮像時のいずれか一方で撮像に支障があっても、他方の撮像により得られたそれぞれの開口の画素を補完することにより、一対の視差画像を生成することができる。

図１１は、他の繰り返しパターン１１４、１１５、１１６、１１７の例を示す。繰り返しパターン１１４、１１５、１１６、１１７はいずれも４画素により形成される。繰り返しパターン１１４において、左上および右下の画素は開口１０４ｒを有し、右上および左下の画素は開口１０４ｃを有する。繰り返しパターン１１５は、繰り返しパターン１１５を左右反転したものに対応する。繰り返しパターン１１６は、繰り返しパターン１１５を上下反転したものに対応する。繰り返しパターン１１７は、繰り返しパターン１１４を上下反転したものに対応する。

開閉駆動部２３４によりこれらの繰り返しパターン１１４、１１５、１１６、１１７を形成して撮像することにより、一の撮像素子１００を用いて一対の撮像画像および視差なし画像を得ることができる。繰り返しパターン１１４の開口１０４ｒの画素と繰り返しパターン１１７の開口１０４ｒの画素を寄せ集めて一方の視差画像を生成する等により、空間分解能の高い視差画像を得ることができる。同様に、空間分解能の高い視差なし画像を得ることができる。ここで、４回の撮像によって開口１０４ｃについて一の画素に対して２つの値を得ることができるが、それらを平均して用いてもよいし、いずれか一方を用いてもよい。

図１２から図１６は、撮像素子１００の製造方法を示す概略断面図である。まず図１２に示すように、基板１０９に光電変換素子１０８を設けるとともに、その上に絶縁層１４４を介して配線層１０５を設ける。これらを形成するには既知の方法を用いればよいので、説明を省略する。この場合に、絶縁層１４４の上面を平坦化しておく。

次に、図１３に示すように、絶縁層１４４の平坦な上面に、成膜工程、露光工程、エッチング工程を繰り返すことにより多層構造を有する駆動部３５０、３５２を形成する。さらに犠牲層３８２を設けてその上面を平坦化して、成膜工程、露光工程、エッチング工程を繰り返すことにより、図１４に示すように、多層構造を有する可動部３１０、３１２を設ける。

さらに、図１５に示すように、支柱３０２および犠牲層３８４を形成する。支柱３０２の高さは、可動部３１０、３１２が湾曲した開状態においてその先端が接しない余裕をもって設定される。犠牲層３８４は当該支柱３０２の高さまで形成され、平坦面が形成される。

当該平坦面上に、図１６に示すように、カラーフィルタ１０２およびマイクロレンズ１０１が形成される。その後、犠牲層３８２、３８４が除去される。これにより、可動部３１０、３１２が生成時の残留応力で湾曲し、図２に示す撮像素子１００が形成される。

図１から図１６に示す例において、各画素には一対の開閉部３００が設けられているが、開閉部３００の個数に制限はない。例えば、各画素に一つの開閉部３００を設けてもよい。この場合に、開状態で開口１０４ｃを形成し、閉状態で開口１０４ｌを形成する画素と、開状態で開口１０４ｃを形成し、閉状態で開口１０４ｒを形成する画素とを繰り返しパターン１１２のように配置してもよい。また、三つ以上の開閉部３００を設けてもよい。一対の開閉部３００を設けた画素と、一つまたは三つ以上の開閉部３００を設けた画素とを混在させてもよい。

図１７は、他の撮像素子１１８を示す概略断面図であり、図１８は、撮像素子１１８の開口マスク１２３と可動部３１３の関係を示す。撮像素子１１８において、各画素には開口マスク１２３および一つの開閉部３００が配される。

開口マスク１２３は、絶縁層１４４の上面に固定して配され、例えば配線１０６と同じ材料のアルミ等で形成される。開口マスク１２３には、変位した開口１２４が設けられる。開口１２４は、瞳上で被写体光束の変位した領域に対応する。図１８に示す例において、開口１２４は−ｘ側に変位している。可動部３１３の遮光部３２２は、開口３２４が設けられた枠体３２３を有する。開口３２４の大きさは開口１２４よりも小さい。図１８に示す例において、開口３２４は、開口１２４よりも細いスリット状である。

よって、図１８に示す例において、開状態においては開口１２４で規定される被写体光束の部分領域が光電変換素子１０８に入射する。また、閉状態においては開口１２４と開口３２４とが重なった合成開口１２５で規定される被写体光束が光電変換素子１０８に入射する。これにより、被写体光束の断面領域内の、異なる部分を透過した二種類の視差画像を得ることができる。

なお、図１７に示す例において、互いに隣接する画素の開口マスク１２３の開口１２４および開閉部３００は対称に配される。また、開口３２４は貫通した穴であってもよいし、可視光に対して透明な膜で覆われていてもよい。

図１９は、カラーフィルタ１０２のベイヤー配列を説明する図である。図示するように、ベイヤー配列は、緑フィルタが左上と右下の２画素に、赤フィルタが左下の１画素に、青フィルタが右上の１画素に割り当てられる配列である。ここでは、緑フィルタが割り当てられた左上の画素をＧｂ画素と、同じく緑色フィルタが割り当てられた右下の画素をＧｒ画素とする。また、赤色フィルタが割り当てられた画素をＲ画素と、青色が割り当てられた画素をＢ画素とする。そして、Ｇｂ画素およびＢ画素が並ぶ横方向をＧｂ行とし、Ｒ画素およびＧｒ画素が並ぶ横方向をＧｒ行とする。また、Ｇｂ画素およびＲ画素が並ぶ縦方向をＧｂ列とし、Ｂ画素およびＧｒ画素が並ぶ縦方向をＧｒ列とする。例えば、図９から図１１に示す繰り返しパターン１１０等の４つの画素に、図１９のベイヤー配列を割り当ててもよい。

図２０は、カラーフィルタ１０２の他の配列を説明する図である。図２０の例において、緑フィルタが左上の１画素に、赤フィルタが左下の１画素に、青フィルタが右上の１画素に、フィルタ無しまたは色無しフィルタが右下の１画素に割り当てられる。例えば、図９から図１１に示す繰り返しパターン１１０等の４つの画素に、図２０の配列を割り当ててもよい。

上記実施形態において、遮光に用いられる材料はアルミであったが、これに代えて他の金属、例えばＣｕを用いてもよい。また、駆動部３５０において、透明電極３７２に代えて、アルミ等の導電性を有する材料を用いてもよい。この場合には開状態において当該電極が有効な光束を妨げない位置に配されることが好ましい。

また、上記実施形態において、開閉部３００は、絶縁層１４４とカラーフィルタ１０２との間に配されているが、配置場所はこれに限られない。例えば、開閉部３００は、光電変換素子１０８の直上、配線層１０５の直上、マイクロレンズ１０１とカラーフィルタとの間、等に配されてもよい。また、可動部３１０は静電力により開閉駆動されるが、これに代えて、可動部３１０をバイモルフで形成し、電流による発熱で開閉駆動してもよい。

また、上記実施形態において、各画素には個別の可動部３１０が配されている。これに代えて、互いの可動部３１０が連結していて、対応する複数の画素に対して一括して開閉してもよい。また、全ての画素に対して開閉部３００を設ける代わりに、いくつかの画素については開閉部３００を設けなくてもよい。

可動部３１０における光電変換素子１０８から遠い面（図中の上面）に、反射防止膜を設けてもよい。これにより、可動部３１０で反射した光が迷光となって隣接する光電変換素子１０８に入射するのを防ぐことができる。

また、開閉部３００は天地反対に設けられ、開状態において可動部３１０が光電変換素子１０８の側に湾曲してもよい。この場合に、可動部３１０の絶縁層３７４が設けられている側の面に反射膜を設けてもよい、これにより可動部３１０を光導路として機能させることができる。

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。

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。

１０ デジタルカメラ、２０ 撮影レンズ、２１ 光軸、３０ 被写体、１００ 撮像素子、１０１ マイクロレンズ、１０２ カラーフィルタ、１０４、１０４ｌ、１０４ｒ 開口、１０５ 配線層、１０６ 配線、１０７ 開口、１０８ 光電変換素子、１０９ 基板、１１０ 繰り返しパターン、１１１ 繰り返しパターン、１１２ 繰り返しパターン、１１３ 繰り返しパターン、１１４ 繰り返しパターン、１１５ 繰り返しパターン、１１６ 繰り返しパターン、１１７ 繰り返しパターン、１１８ 撮像素子、１２３ 開口マスク、１２４ 開口、１２５ 開口、１４０ 回路領域、１４２ フローティングディフュージョン、１４４ 絶縁層、２０１ 制御部、２０２ Ａ／Ｄ変換回路、２０３ メモリ、２２０ メモリカード、２０７ メモリカードＩＦ、２０８ 操作部、２０９ 表示部、２１０ ＬＣＤ駆動回路、２１１ ＡＦセンサ、２０５ 画像処理部、２３０ 駆動部、２３２ 読取駆動部、２３４ 開閉駆動部、３００ 開閉部、３０２ 支柱、３１０ 可動部、３１２ 可動部、３１３ 可動部、３２０ 遮光部、３２１ 梁部、３２２ 遮光部、３２３ 枠体、３２４ 開口、３３０ 遮光部、３５０ 駆動部、３５２ 駆動部、３６０ 基板、３６２ 遮光層、３６４ 絶縁層、３６６ 駆動電極、３７０ ポスト部、３７２ 透明電極、３７４ 絶縁層、３７６ 平坦部、３７８ 先端、３８０ 絶縁層、３８２ 犠牲層、３８４ 犠牲層

Claims (14)

1. 入射光束を光電変換する光電変換素子と、
   前記光電変換素子に入射される前記入射光束の少なくとも一部を遮光する薄膜で形成された遮光部と、
   前記遮光部に駆動力を加え、前記光電変換素子に対して前記遮光部を閉状態へ駆動する駆動部と、
   前記遮光部が設けられ、前記駆動力を受けていない状態で応力によって湾曲して開状態を維持する部材と
   を有する撮像素子。
2. 前記部材は、前記駆動力を受けていない状態で自身の保有する応力によって湾曲する請求項１に記載の撮像素子。
3. 前記部材は、前記遮光部の少なくとも一部の領域に形成された絶縁層を更に有する請求項１または２に記載の撮像素子。
4. 前記駆動力は、前記駆動部と前記遮光部との間に生ずる静電力である請求項１から３のいずれか一項に記載の撮像素子。
5. 前記駆動部は、
   前記遮光部に電気的に接続された駆動電極と、
   前記入射光を透過する透明電極と
   を有し、
   前記駆動部は、前記駆動電極と前記透明電極との間に電圧を印加して、前記遮光部との間に前記駆動力としての静電力を生成する、請求項１から４のいずれか一項に記載の撮像素子。
6. 前記遮光部は、前記光電変換素子に対して変位した透明領域を有する不透明な枠体である請求項１から５のいずれか１項に記載の撮像素子。
7. 前記遮光部は、前記光電変換素子ごとに複数設けられる請求項１から６のいずれか１項に記載の撮像素子。
8. 複数の前記遮光部のそれぞれに一対一に対応して設けられ、複数の前記遮光部のうちの対応する一つを駆動する複数の前記駆動部を備える請求項７に記載の撮像素子。
9. 複数の前記光電変換素子に対して複数の前記遮光部のうち互いに対応する位置に配されている前記遮光部が駆動される請求項７または８に記載の撮像素子。
10. 複数の前記光電変換素子はマトリクス状に配列され、
    隣接する前記光電変換素子に対しては複数の前記遮光部のうち互いに対応する位置とは異なる位置に配されている前記遮光部が駆動され、かつ、一つ置きの前記光電変換素子に対しては複数の前記遮光部のうち互いに対応する位置に配されている前記遮光部が駆動される請求項７または８に記載の撮像素子。
11. 複数の前記光電変換素子のそれぞれに一対一に対応して固定され、被写体光束の断面領域内の、複数の前記遮光部のうちの対応する一つとは異なる一部を透過する開口マスクをさらに備える請求項８から１０のいずれか１項に記載の撮像素子。
12. 入射する被写体光束を電気信号に光電変換する、二次元的に配列された複数の光電変換素子と、
    前記複数の光電変換素子の少なくともいずれか一つに対応して設けられ、被写体光束の断面領域内の少なくとも一部を遮光する遮光部と、
    薄膜で形成され、駆動力を受けていない状態で自身の保有する応力によって湾曲して前記遮光部の開状態を維持する梁部と、
    前記遮光部に駆動力を加えて前記遮光部を前記光電変換素子に対して閉駆動する駆動部と
    を備える撮像素子。
13. 請求項１から１２のいずれか１項に記載の撮像素子と、
    前記撮像素子により撮像された撮像信号を読み出して、撮像時の前記遮光部の開閉状態に基づいた画像データを生成する画像処理部と
    を備える撮像装置。
14. 前記画像処理部は、撮影時の前記遮光部の開閉状態に基づいて、互いに視点の異なる複数の視差画像の前記画像データを生成する請求項１３に記載の撮像装置。

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