JPWO2005107243A1 - 撮像装置及び微小レンズアレイの製造方法 - Google Patents

Abstract

光電変換機能を有する複数の画素（３ａ）を備える撮像素子（３）と、この複数の画素（３ａ）に被写体像を結像させる複数の微小レンズ（１ａ）が縦横方向に配列された微小レンズアレイ（１）とが対向して配置されている。微小レンズアレイ（１）は隣り合う微小レンズ（１ａ）間に格子状の溝（２０）を備えている。溝（２０）の深さは微小レンズアレイ（１）の厚みの半分よりも深い。これにより、製造が容易で、装置構成が簡素化され、迷光の影響やクロストークが十分に低減された、鮮明な画像撮影が可能な撮像装置を実現できる。

Description

本発明は撮像装置に関する。特に、多数の画素を有する撮像素子の被写体側に、複数の微小レンズを配列した微小レンズアレイを配置した撮像装置に関する。更に、本発明はこの微小レンズアレイの製造方法に関する。

近年市場規模が大きくなりつつあるデジタルスチルカメラの市場においては、より携帯性に優れた小型・薄型のカメラに対するニーズが高まってきている。信号処理を担うＬＳＩ等の回路部品は、配線パターンの微細化などにより高機能で小型化が進んでいる。また、記録メディアも小型・大容量のものが廉価にて入手できるようになってきている。しかしながら、レンズとＣＣＤやＣＭＯＳなどの固体撮像素子とで構成される撮像系の小型化は未だ十分とは言えず、より携帯性に優れたカメラを実現するためにも小型の撮像系の開発が要望されている。

撮像系の小型化を実現するための構成として、平面上に複数の微小レンズを配列したレンズアレイ光学系を用いたものが知られている。レンズアレイ光学系を用いることにより撮像系を光軸方向に薄くでき、かつ個々の微小レンズ径が小さいため収差を比較的小さく抑えることが可能である。

このようなレンズアレイを用いた撮像系が特公昭５９−５００４２号公報に開示されている。この撮像系は、被写体側から順に、複数の微小レンズが平面内に配列された微小レンズアレイと、微小レンズと一対一に対応する複数のピンホールが平面内に形成されたピンホールマスクと、各ピンホールを通過した光が結像する像平面とを備える。各微小レンズはピンホールマスク上にそれぞれ被写体の縮小像を形成し、各ピンホールはこの縮小像の互いに異なる部分の光を通過（サンプリング）させる。その結果、像平面上に被写体像が形成される。

しかしながら、上記特公昭５９−５００４２号公報の撮像系では、像平面上に形成される被写体像の解像度は微小レンズ（即ちピンホール）の個数および密度によって決まるため、高画質化は困難であった。つまり、対をなす微小レンズとピンホールとからなる構成単位の配置が、得られる画像のサンプリング点の配置を決定するので、高画質化のためには、上記構成単位の個数を多くしてサンプリング点数を増やすとともに、個々の微小レンズを小型化して上記構成単位の配列ピッチを小さくする必要がある。ところが、微小レンズの小型化には限界があるため、高解像度化は困難であった。また、ピンホールによって像平面に達する光束を制限しているため、光量ロスも大きく感度の面でも課題があった。

上記の課題を解決する別のレンズアレイを用いた撮像系が特開２００１−６１１０９号公報に開示されている。この撮像装置は、図１２に示すように、被写体側から順に、複数の微小レンズ１１１ａが同一平面内に配列された微小レンズアレイ１１１と、各微小レンズ１１１ａからの光信号が互いに混信しないように分離するための格子枠状の隔壁１１２ａからなる隔壁層１１２と、多数の光電変換素子１１３ａが同一平面内に配置された受光素子アレイ１１３とを備える。１つの微小レンズ１１１ａと、これに対応する、隔壁１１２ａによって分離された１つの空間と、複数の光電変換素子１１３ａとが、１つの結像ユニット１１５を構成する。個々の結像ユニット１１５において、微小レンズ１１１ａが、対応する複数の光電変換素子１１３ａ上に被写体像を結像する。これにより、結像ユニット１１５ごとに撮影画像が得られる。この撮影画像の解像度は１つの結像ユニット１１５を構成する光電変換素子１１３ａの数（画素数）に依存する。被写体に対する個々の微小レンズ１１１ａの相対的位置が異なることにより、複数の光電変換素子１１３ａ上に形成される被写体像の結像位置が結像ユニット１１５ごとに異なる。その結果、得られる撮影画像は結像ユニット１１５ごとに異なる。この互いに異なる複数の撮影画像を信号処理することにより、一つ画像を得ることができる。

この撮像装置では、個々の結像ユニット１１５を構成する画素数は少ないため、個々の結像ユニット１１５から得られる撮影画像の画質は低いが、複数の結像ユニット１１５においてそれぞれ得られる、互いに少しずつずれた撮影画像を用いて信号処理して画像を再構築することにより、多数の光電変換素子で撮影した場合と同様の画質の映像を得ることができる。

図１２に示した撮像装置では、微小レンズ１１１ａからの光がこの微小レンズ１１１ａと対応しない隣の結像ユニット１１５の光電変換素子１１３ａに入射する（この現象を「クロストーク」と呼ぶ）と、迷光が発生して高画質の画像を再構築できなかったり、光損失を生じたりする。隔壁層１１２はこのクロストークを防止するために設けられている。

ところが、隔壁１１２ａの厚み（光電変換素子１１３ａが配列された面と平行な方向における厚み）が厚いと１つの結像ユニット１１５に含まれる光電変換素子１１３ａの数が減り画質が低減する。従って、隔壁１１２ａの厚みは薄いことが好ましい。

しかしながら、隔壁１１２ａの厚み薄くすると隔壁層１１２の製造や撮像装置の組立が困難となる。

本発明は、上記の従来の問題を解決し、製造が容易な撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の撮像装置は、光電変換機能を有する複数の画素を備える撮像素子と、前記撮像素子の複数の画素に被写体像を結像させる複数の微小レンズが縦横方向に配列された微小レンズアレイとを有する。そして、前記微小レンズアレイは隣り合う前記微小レンズ間に格子状の溝を備え、前記溝の深さは前記微小レンズアレイの厚みの半分よりも深いことを特徴とする。

本発明の撮像装置の第１の製造方法は、一方の面に球面又は非球面を有する複数の微小レンズを備え、他方の面が平面である微小レンズアレイを樹脂成形により得る工程と、前記微小レンズアレイの前記他方の面から光を照射して前記他方の面に格子状に溝を形成する工程とを備えることを特徴とする。

本発明の撮像装置の第２の製造方法は、一方の面に球面又は非球面を有する複数の微小レンズを備え、他方の面に格子状の溝を備え、前記他方の面が前記溝を除いて平面である微小レンズアレイを得る工程と、黒色塗料を溶媒に溶かした溶液を前記溝に注入して前記溝の側面に黒色加工を施す工程とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、従来の隔壁と同様の作用を有する部分を微小レンズアレイ内に備えるため、製造が容易で、装置構成が簡素化され、迷光の影響やクロストークが十分に低減された、鮮明な画像撮影が可能な撮像装置を実現できる。

［図１］図１は、本発明の実施の形態１に係る撮像装置の一部切欠斜視図である。
［図２］図２は、本発明の実施の形態１に係る撮像装置に使用される微小レンズアレイを固体撮像素子側の面から見た斜視図である。
［図３］図３は、本発明の実施の形態１において、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った微小レンズアレイの矢視断面図である。
［図４］図４は、微小レンズアレイの溝の深さが微小レンズアレイの厚みの半分である場合において、迷光が発生する様子を示した断面図である。
［図５］図５は、微小レンズアレイの溝の深さが微小レンズアレイの厚みの７０％である場合において、迷光が抑制される様子を示した断面図である。
［図６］図６は、本発明の実施の形態１に係る撮像装置に使用される別の微小レンズアレイの断面図である。
［図７］図７は、本発明の実施の形態２に係る撮像装置に使用される微小レンズアレイの断面図である。
［図８］図８は、本発明の実施の形態２に係る撮像装置に使用される別の微小レンズアレイの断面図である。
［図９］図９は、本発明の実施の形態３に係る撮像装置の一部切欠斜視図である。
［図１０］図１０は、本発明の実施の形態３に係る撮像装置に使用される微小レンズアレイの断面図である。
［図１１Ａ］図１１Ａは、本発明の微小レンズアレイの製造方法の一例の一工程を示した断面図である。
［図１１Ｂ］図１１Ｂは、本発明の微小レンズアレイの製造方法の一例の一工程を示した断面図である。
［図１１Ｃ］図１１Ｃは、本発明の微小レンズアレイの製造方法の一例の一工程を示した断面図である。
［図１１Ｄ］図１１Ｄは、本発明の微小レンズアレイの製造方法の一例の一工程を示した断面図である。
［図１２］図１２は、従来の撮像装置の概略構成を示した分解斜視図である。

上記の本発明の撮像装置において、前記微小レンズアレイの材料が光透過性の樹脂からなることが好ましい。これにより、光損失が少なく、鮮明な画像の撮影が可能である。また、樹脂材料を用いることにより、製造が容易である。

また、上記の本発明の撮像装置において、前記微小レンズアレイは一方の面に前記微小レンズが形成された平凸のレンズアレイであって、前記溝は他方の面に形成され、前記他方の面が前記撮像素子に対向していることが好ましい。これにより、制限された厚みの範囲内で迷光の影響やクロストークを十分に低減することができる。

また、上記の本発明の撮像装置において、前記溝の側面には吸光性材料が付与されていることが好ましい。これにより、迷光及びクロストークを一層低減できる。

この場合において、前記吸光性材料は黒色であることが好ましい。これにより、迷光及びクロストークを一層低減できる。

また、上記の本発明の撮像装置において、前記溝の幅は前記撮像素子に近づくにしたがって大きくなっていることが好ましい。これにより、微小レンズアレイを金型で成形した場合に、金型抜けが良好となり、生産性が向上する。

また、上記の本発明の撮像装置において、前記微小レンズアレイを構成する第１材料より小さな光の透過率を有する第２材料が前記溝に充填されていることが好ましい。これにより、迷光及びクロストークを一層低減できる。また、溝に第２材料が充填されていることにより、微小レンズアレイの強度が向上する。

この場合において、前記第２材料が吸光作用を有する材料を含むことが好ましい。これにより、第２材料に入射した光がこれから出射するのを防止できるので、迷光及びクロストークを一層低減できる。

また、前記第２材料は前記第１材料よりも大きな屈折率を有することが好ましい。これにより、第１材料と第２材料との界面で全反射が起こりにくくなり、第１材料からこの界面に入射した光は第２材料に入射しやすくなる。その結果、光が界面で反射することにより発生する迷光を防止できる。

また、上記の本発明の撮像装置において、前記微小レンズアレイが樹脂成形により製造されていることが好ましい。これにより、微小レンズアレイの製造を効率良く行うことができる。

また、上記の本発明の撮像装置の第１の製造方法において、更に、黒色塗料を溶媒に溶かした溶液を前記溝に注入して前記溝の側面に黒色加工を施す工程を備えることが好ましい。これにより、溝の側面への黒色塗装を簡単且つ効率よく行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係る撮像装置の一部切欠斜視図である。１は球面又は非球面を有する複数の微小レンズ１ａが同一平面内に縦横方向に配列された微小レンズアレイ、３は光電変換機能を有する多数の画素３ａが同一平面内に縦横方向に配列された固体撮像素子（例えばＣＣＤ）である。１つの微小レンズ１ａに複数の画素３ａが対応し、これらが１つの結像ユニット５を構成する。個々の結像ユニット５において、微小レンズ１ａが、対応する複数の画素３ａ上に被写体像を結像する。微小レンズ１ａは微小レンズアレイ１の固体撮像素子３とは反対側（被写体側）の面に形成されている。

図２は、微小レンズアレイ１を固体撮像素子側の面から見た斜視図である。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った微小レンズアレイ１の矢視断面図である。微小レンズアレイ１は、光透過性の樹脂からなり、一方の面（被写体側の面）には複数の微小レンズ１ａが形成され、他方の面（固体撮像素子３側の面）はほぼ平面である平凸のレンズアレイである。この他方の面には、隣り合う結像ユニット５の境界に沿って格子状にスリット溝２０が形成されている。格子状の溝２０によって柱部２２が形成されている。微小レンズ１ａと柱部２２とは一対一に対応する。被写体からの光は、微小レンズ１ａによって集光され、柱部２２の内部を伝達し、微小レンズ１ａと対向する射出部２３から射出され、射出部２３に対向する固体撮像素子３に入射する。

柱部２２の側面（即ち、溝２０の側面。これは微小レンズアレイ１の上記他方の面に垂直である）には吸光性を有する黒色塗装２５が施されている。この側面に入射した迷光は黒色塗装２５に吸収されるので、通過して隣の柱部２２に入射することはない。

溝２０の深さ（柱部２２の高さ）は微小レンズアレイ１の厚みの半分よりも深い。これにより、微小レンズ１ａを通過した光が、この微小レンズ１ａに対応しない柱部２２の射出部２３から出射する現象、即ちクロストークを防止することができる。

以下、これを詳説する。

図４は微小レンズアレイ１の溝２０の深さＤが微小レンズアレイ１の厚みＨの半分である場合において、迷光が発生する様子を示した断面図である。

図４において、微小レンズ１ａに対して斜めに入射する光束Ｌ１は、溝２０でほとんどけられることなく、入射した微小レンズ１ａに対応しない柱部２２の射出部２３に達する。従って、光束Ｌ１の入射角方向に高輝度物体が存在する場合には、迷光の発生が問題となる可能性がある。

光束Ｌ１より入射角が小さな光束Ｌ２が微小レンズ１ａに対して斜めに入射した場合、光束Ｌ２の一部が溝２０でけられ、残りは入射した微小レンズ１ａに対応しない柱部２２の射出部２３に達する。従って、この場合は、上記光束Ｌ１が入射した場合に比べて、光束が入射した微小レンズ１ａに対応しない画素に入射する光の強度は弱い。よって、迷光の発生が低減される。

光束Ｌ１より入射角が大きな光束（図示せず）が微小レンズ１ａに対して斜めに入射した場合、この光束は、その全てが溝２０でけられるため、入射した微小レンズ１ａに対応しない画素に直接入射することはない。よって、迷光の発生はほぼ抑えられる。

図５は微小レンズアレイ１の溝２０の深さＤが微小レンズアレイ１の厚みＨの７０％である場合において、迷光が抑制される様子を示した断面図である。

図５において、図４に示した光束Ｌ１と同じ入射角の光束Ｌ３が入射した場合、光束Ｌ３の約半分が溝２０でけられる。従って、この場合は、図４において光束Ｌ１が入射した場合に比べて、光束が入射した微小レンズ１ａに対応しない画素に入射する光の強度は弱い。よって、迷光の発生が低減される。

光束Ｌ３より入射角が小さな光束Ｌ４が微小レンズ１に対して斜めに入射した場合、光束Ｌ４のうち半分以上は溝２０でけられ、残りのごく僅かが、入射した微小レンズ１ａに対応しない柱部２２の射出部２３に達する。従って、この場合は、光束が入射した微小レンズ１ａに対応しない画素に入射する光の強度は大幅に弱められる。よって、迷光の発生がより低減される。

光束Ｌ３より入射角が大きな光束（図示せず）が微小レンズ１に対して斜めに入射した場合、この光束は、その全てが溝２０でけられるため、入射した微小レンズ１ａに対応しない画素に直接入射することはない。よって、迷光の発生はほぼ抑えられる。

図５において迷光の発生の可能性が最も大きいのは光束Ｌ３が入射した場合であるが、この場合に発生する迷光は、図４において光束Ｌ１が入射した場合に比べて、大幅に低減される。

以上のように、溝２０の深さＤを微小レンズアレイ１の厚みＨの半分よりも深くする（Ｄ＞０．５×Ｈ）ことにより、実質的に十分な遮光効果を得ることができる。なお、本発明において、微小レンズアレイ１の厚みＨは、図４及び図５に示したように、微小レンズ１ａの突出部分を除いた微小レンズアレイ１の厚みにより定義される。

本実施の形態の撮像装置では、溝２０が、図１２に示した従来の撮像装置の隔壁１１２ａの機能を備えるので、従来の隔壁層１１２が不要である。したがって、製造が容易で、構成が簡素化できる。

なお、本実施の形態では溝２０の側面に黒色塗装２５を施した例を説明したが、黒色塗装２５に代えて、溝２０の側面に吸光作用や光を減衰させる作用を有する加工を施しても良く、その場合も同様に十分な遮蔽効果を得ることができる。また、溝２０の側面に上記のような特別な加工を施していなくても、溝２０の側面２４が必要十分な粗面であれば図６のように単に溝２０を設けただけでも迷光の影響を低減することが出来る。

結像ユニット５ごとに、微小レンズ１ａは被写体像を固体撮像素子３上に形成する。固体撮像素子３の各画素３ａは入射した光を光電変換する。結像ユニット５ごとに得られる画像は、被写体に対する微小レンズ１ａ及び画素３ａの相対位置が結像ユニット５ごとに異なるために、わずかに異なっている。これらの結像ユニット５ごとに得た複数の画像を例えば上記特開２００１−６１１０９号公報に記載された方法により合成することにより、１つの結像ユニット５に含まれる画素３ａの数をはるかに超えた高解像度の画像を得ることができる。

（実施の形態２）
図７は、本実施の形態２に係る撮像装置に使用される微小レンズアレイ１の断面図である。実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付してそれらについての説明を省略する。

本実施の形態２は、微小レンズアレイ１に形成された格子状の溝２０の幅（微小レンズ１ａが配列された面と平行な方向における寸法）が、微小レンズ１ａ側から固体撮像素子３に対向する面側にいくに従って徐々に大きくなっている点で、溝２０の幅がほぼ一定である実施の形態１と異なる。溝２０の幅を本実施の形態のように変化させることにより、微小レンズアレイ１を樹脂成形で作成するときに金型から抜けやすくなり生産性が向上する。

溝２０の側面には吸光性の黒色塗装２５が施されている点は図３の微小レンズアレイ１と同様である。

溝２０の幅を本実施の形態のように変化させた場合には、図８に示すように溝２０の側面２４の黒色塗装を省略することができる。柱部２２から溝２０内に出射した迷光が隣の柱部２２の側面２４に入射したとき、その入射角が大きくなるため、柱部２２に入射せずに反射される可能性が高くなるので、迷光の影響を十分に低減できるからである。

（実施の形態３）
図９は本発明の実施の形態３に係る撮像装置の一部切欠斜視図である。図１０は、本実施の形態３に係る撮像装置に使用される微小レンズアレイ１の断面図である。実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付してそれらについての説明を省略する。

本実施の形態３では、微小レンズアレイ１の固体撮像素子３側の面の、隣り合う結像ユニット５の境界に沿って格子状に形成されたスリット溝２０内に黒色の樹脂３０が充填されている。樹脂３０は微小レンズ１ａを含む微小レンズアレイ１の材料よりも小さな光の透過率を有する材料からなる。

微小レンズ１ａを通過した後、この溝２０に入射した光は黒色樹脂３０で吸収されるので、黒色樹脂３０を通過して隣の柱部２２に入射することはない。

また、溝２０内に樹脂３０を埋め込むことにより、微小レンズアレイ１の強度が増すため、装置組み立て時にも取り扱いがしやすくなる。

また、樹脂３０の材料の屈折率が微小レンズアレイ１の材料の屈折率よりも大きい場合には、柱部２２から柱部２２と樹脂３０との界面に入射した光はこの界面で全反射されにくくなり、迷光が樹脂３０に吸収されやすくなるので、迷光の影響を一層低減できる。

なお、図１０では溝２０（又は黒色樹脂３０）の幅が厚さ方向において均一である場合を説明したが、実施の形態２（図７、図８）と同様に、微小レンズ１ａ側から固体撮像素子３に対向する面側にいくに従って徐々に大きくなっていても良く、その場合には実施の形態２で説明したのと同様の効果を奏する。

上記以外は実施の形態１と同様である。

（実施の形態４）
図１１Ａ〜図１１Ｄは本発明の微小レンズアレイ１の製造方法の一例を工程順に示した断面図である。これを用いて微小レンズアレイ１の製造方法を説明する。

まず、図１１Ａに示すように、一方の面に複数の微小レンズ１ａを備え、他方の面が平面１ｂである平凸形状の微小レンズアレイ１を樹脂成形（例えば射出成形）により形成する。

次いで、図１１Ｂに示すように、平面１ｂ側からレーザ加工により格子状に溝２０を加工する。

次いで、図１１Ｃに示すように、溝２０内に黒色塗料を溶媒に溶かした溶液２７を流し込む。

溶液２７を乾燥させると、図１１Ｄに示すように、溝２０の側面に黒色塗装２５が完成する。

図１１Ｃにおいて溶液２７中の黒色塗料の含有量を多くすることにより、及び／又は図１１Ｃ及び図１１Ｄの工程を複数回繰り返すことにより、実施の形態３に示したように、溝２０内が樹脂で充填された微小レンズアレイ１を得ることができる。

なお、溝２０の加工は、レーザ加工ではなく、微小レンズ１ａの成形と同時に樹脂成形で行うこともできる。

以上に説明した実施の形態は、いずれもあくまでも本発明の技術的内容を明らかにする意図のものであって、本発明はこのような具体例にのみ限定して解釈されるものではなく、その発明の精神と請求の範囲に記載する範囲内でいろいろと変更して実施することができ、本発明を広義に解釈すべきである。

本発明の利用分野は特に制限はないが、カード状のカメラ装置など薄型の撮像装置に好ましく用いることが出来る。

本発明は撮像装置に関する。特に、多数の画素を有する撮像素子の被写体側に、複数の微小レンズを配列した微小レンズアレイを配置した撮像装置に関する。更に、本発明はこの微小レンズアレイの製造方法に関する。

近年市場規模が大きくなりつつあるデジタルスチルカメラの市場においては、より携帯性に優れた小型・薄型のカメラに対するニーズが高まってきている。信号処理を担うＬＳＩ等の回路部品は、配線パターンの微細化などにより高機能で小型化が進んでいる。また、記録メディアも小型・大容量のものが廉価にて入手できるようになってきている。しかしながら、レンズとＣＣＤやＣＭＯＳなどの固体撮像素子とで構成される撮像系の小型化は未だ十分とは言えず、より携帯性に優れたカメラを実現するためにも小型の撮像系の開発が要望されている。

撮像系の小型化を実現するための構成として、平面上に複数の微小レンズを配列したレンズアレイ光学系を用いたものが知られている。レンズアレイ光学系を用いることにより撮像系を光軸方向に薄くでき、かつ個々の微小レンズ径が小さいため収差を比較的小さく抑えることが可能である。

このようなレンズアレイを用いた撮像系が特許文献１に開示されている。この撮像系は、被写体側から順に、複数の微小レンズが平面内に配列された微小レンズアレイと、微小レンズと一対一に対応する複数のピンホールが平面内に形成されたピンホールマスクと、各ピンホールを通過した光が結像する像平面とを備える。各微小レンズはピンホールマスク上にそれぞれ被写体の縮小像を形成し、各ピンホールはこの縮小像の互いに異なる部分の光を通過（サンプリング）させる。その結果、像平面上に被写体像が形成される。

しかしながら、上記特許文献１の撮像系では、像平面上に形成される被写体像の解像度は微小レンズ（即ちピンホール）の個数および密度によって決まるため、高画質化は困難であった。つまり、対をなす微小レンズとピンホールとからなる構成単位の配置が、得られる画像のサンプリング点の配置を決定するので、高画質化のためには、上記構成単位の個数を多くしてサンプリング点数を増やすとともに、個々の微小レンズを小型化して上記構成単位の配列ピッチを小さくする必要がある。ところが、微小レンズの小型化には限界があるため、高解像度化は困難であった。また、ピンホールによって像平面に達する光束を制限しているため、光量ロスも大きく感度の面でも課題があった。

上記の課題を解決する別のレンズアレイを用いた撮像系が特許文献２に開示されている。この撮像装置は、図１２に示すように、被写体側から順に、複数の微小レンズ１１１ａが同一平面内に配列された微小レンズアレイ１１１と、各微小レンズ１１１ａからの光信号が互いに混信しないように分離するための格子枠状の隔壁１１２ａからなる隔壁層１１２と、多数の光電変換素子１１３ａが同一平面内に配置された受光素子アレイ１１３とを備える。１つの微小レンズ１１１ａと、これに対応する、隔壁１１２ａによって分離された１つの空間と、複数の光電変換素子１１３ａとが、１つの結像ユニット１１５を構成する。個々の結像ユニット１１５において、微小レンズ１１１ａが、対応する複数の光電変換素子１１３ａ上に被写体像を結像する。これにより、結像ユニット１１５ごとに撮影画像が得られる。この撮影画像の解像度は１つの結像ユニット１１５を構成する光電変換素子１１３ａの数（画素数）に依存する。被写体に対する個々の微小レンズ１１１ａの相対的位置が異なることにより、複数の光電変換素子１１３ａ上に形成される被写体像の結像位置が結像ユニット１１５ごとに異なる。その結果、得られる撮影画像は結像ユニット１１５ごとに異なる。この互いに異なる複数の撮影画像を信号処理することにより、一つ画像を得ることができる。

この撮像装置では、個々の結像ユニット１１５を構成する画素数は少ないため、個々の結像ユニット１１５から得られる撮影画像の画質は低いが、複数の結像ユニット１１５においてそれぞれ得られる、互いに少しずつずれた撮影画像を用いて信号処理して画像を再構築することにより、多数の光電変換素子で撮影した場合と同様の画質の映像を得ることができる。
特公昭５９−５００４２号公報 特開２００１−６１１０９号公報

図１２に示した撮像装置では、微小レンズ１１１ａからの光がこの微小レンズ１１１ａと対応しない隣の結像ユニット１１５の光電変換素子１１３ａに入射する（この現象を「クロストーク」と呼ぶ）と、迷光が発生して高画質の画像を再構築できなかったり、光損失を生じたりする。隔壁層１１２はこのクロストークを防止するために設けられている。

ところが、隔壁１１２ａの厚み（光電変換素子１１３ａが配列された面と平行な方向における厚み）が厚いと１つの結像ユニット１１５に含まれる光電変換素子１１３ａの数が減り画質が低減する。従って、隔壁１１２ａの厚みは薄いことが好ましい。

しかしながら、隔壁１１２ａの厚み薄くすると隔壁層１１２の製造や撮像装置の組立が困難となる。

本発明は、上記の従来の問題を解決し、製造が容易な撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の撮像装置は、光電変換機能を有する複数の画素を備える撮像素子と、前記撮像素子の複数の画素に被写体像を結像させる複数の微小レンズが縦横方向に配列された微小レンズアレイとを有する。そして、前記微小レンズアレイは隣り合う前記微小レンズ間に格子状の溝を備え、前記溝の深さは前記微小レンズアレイの厚みの半分よりも深いことを特徴とする。

本発明の微小レンズアレイの第１の製造方法は、一方の面に球面又は非球面を有する複数の微小レンズを備え、他方の面が平面である微小レンズアレイを樹脂成形により得る工程と、前記微小レンズアレイの前記他方の面から光を照射して前記他方の面に格子状に溝を形成する工程とを備えることを特徴とする。

本発明の微小レンズアレイの第２の製造方法は、一方の面に球面又は非球面を有する複数の微小レンズを備え、他方の面に格子状の溝を備え、前記他方の面が前記溝を除いて平面である微小レンズアレイを得る工程と、黒色塗料を溶媒に溶かした溶液を前記溝に注入して前記溝の側面に黒色加工を施す工程とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、従来の隔壁と同様の作用を有する部分を微小レンズアレイ内に備えるため、製造が容易で、装置構成が簡素化され、迷光の影響やクロストークが十分に低減された、鮮明な画像撮影が可能な撮像装置を実現できる。

上記の本発明の撮像装置において、前記微小レンズアレイの材料が光透過性の樹脂からなることが好ましい。これにより、光損失が少なく、鮮明な画像の撮影が可能である。また、樹脂材料を用いることにより、製造が容易である。

また、上記の本発明の撮像装置において、前記微小レンズアレイは一方の面に前記微小レンズが形成された平凸のレンズアレイであって、前記溝は他方の面に形成され、前記他方の面が前記撮像素子に対向していることが好ましい。これにより、制限された厚みの範囲内で迷光の影響やクロストークを十分に低減することができる。

また、上記の本発明の撮像装置において、前記溝の側面には吸光性材料が付与されていることが好ましい。これにより、迷光及びクロストークを一層低減できる。

この場合において、前記吸光性材料は黒色であることが好ましい。これにより、迷光及びクロストークを一層低減できる。

また、上記の本発明の撮像装置において、前記溝の幅は前記撮像素子に近づくにしたがって大きくなっていることが好ましい。これにより、微小レンズアレイを金型で成形した場合に、金型抜けが良好となり、生産性が向上する。

また、上記の本発明の撮像装置において、前記微小レンズアレイを構成する第１材料より小さな光の透過率を有する第２材料が前記溝に充填されていることが好ましい。これにより、迷光及びクロストークを一層低減できる。また、溝に第２材料が充填されていることにより、微小レンズアレイの強度が向上する。

この場合において、前記第２材料が吸光作用を有する材料を含むことが好ましい。これにより、第２材料に入射した光がこれから出射するのを防止できるので、迷光及びクロストークを一層低減できる。

また、前記第２材料は前記第１材料よりも大きな屈折率を有することが好ましい。これにより、第１材料と第２材料との界面で全反射が起こりにくくなり、第１材料からこの界面に入射した光は第２材料に入射しやすくなる。その結果、光が界面で反射することにより発生する迷光を防止できる。

また、上記の本発明の撮像装置において、前記微小レンズアレイが樹脂成形により製造されていることが好ましい。これにより、微小レンズアレイの製造を効率良く行うことができる。

また、上記の本発明の微小レンズアレイの第１の製造方法において、更に、黒色塗料を溶媒に溶かした溶液を前記溝に注入して前記溝の側面に黒色加工を施す工程を備えることが好ましい。これにより、溝の側面への黒色塗装を簡単且つ効率よく行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係る撮像装置の一部切欠斜視図である。１は球面又は非球面を有する複数の微小レンズ１ａが同一平面内に縦横方向に配列された微小レンズアレイ、３は光電変換機能を有する多数の画素３ａが同一平面内に縦横方向に配列された固体撮像素子（例えばＣＣＤ）である。１つの微小レンズ１ａに複数の画素３ａが対応し、これらが１つの結像ユニット５を構成する。個々の結像ユニット５において、微小レンズ１ａが、対応する複数の画素３ａ上に被写体像を結像する。微小レンズ１ａは微小レンズアレイ１の固体撮像素子３とは反対側（被写体側）の面に形成されている。

図２は、微小レンズアレイ１を固体撮像素子側の面から見た斜視図である。図３は、図２のIII−III線に沿った微小レンズアレイ１の矢視断面図である。微小レンズアレイ１は、光透過性の樹脂からなり、一方の面（被写体側の面）には複数の微小レンズ１ａが形成され、他方の面（固体撮像素子３側の面）はほぼ平面である平凸のレンズアレイである。この他方の面には、隣り合う結像ユニット５の境界に沿って格子状にスリット溝２０が形成されている。格子状の溝２０によって柱部２２が形成されている。微小レンズ１ａと柱部２２とは一対一に対応する。被写体からの光は、微小レンズ１ａによって集光され、柱部２２の内部を伝達し、微小レンズ１ａと対向する射出部２３から射出され、射出部２３に対向する固体撮像素子３に入射する。

柱部２２の側面（即ち、溝２０の側面。これは微小レンズアレイ１の上記他方の面に垂直である）には吸光性を有する黒色塗装２５が施されている。この側面に入射した迷光は黒色塗装２５に吸収されるので、通過して隣の柱部２２に入射することはない。

溝２０の深さ（柱部２２の高さ）は微小レンズアレイ１の厚みの半分よりも深い。これにより、微小レンズ１ａを通過した光が、この微小レンズ１ａに対応しない柱部２２の射出部２３から出射する現象、即ちクロストークを防止することができる。

以下、これを詳説する。

図４は微小レンズアレイ１の溝２０の深さＤが微小レンズアレイ１の厚みＨの半分である場合において、迷光が発生する様子を示した断面図である。

図４において、微小レンズ１ａに対して斜めに入射する光束Ｌ１は、溝２０でほとんどけられることなく、入射した微小レンズ１ａに対応しない柱部２２の射出部２３に達する。従って、光束Ｌ１の入射角方向に高輝度物体が存在する場合には、迷光の発生が問題となる可能性がある。

光束Ｌ１より入射角が小さな光束Ｌ２が微小レンズ１ａに対して斜めに入射した場合、光束Ｌ２の一部が溝２０でけられ、残りは入射した微小レンズ１ａに対応しない柱部２２の射出部２３に達する。従って、この場合は、上記光束Ｌ１が入射した場合に比べて、光束が入射した微小レンズ１ａに対応しない画素に入射する光の強度は弱い。よって、迷光の発生が低減される。

光束Ｌ１より入射角が大きな光束（図示せず）が微小レンズ１ａに対して斜めに入射した場合、この光束は、その全てが溝２０でけられるため、入射した微小レンズ１ａに対応しない画素に直接入射することはない。よって、迷光の発生はほぼ抑えられる。

図５は微小レンズアレイ１の溝２０の深さＤが微小レンズアレイ１の厚みＨの７０％である場合において、迷光が抑制される様子を示した断面図である。

図５において、図４に示した光束Ｌ１と同じ入射角の光束Ｌ３が入射した場合、光束Ｌ３の約半分が溝２０でけられる。従って、この場合は、図４において光束Ｌ１が入射した場合に比べて、光束が入射した微小レンズ１ａに対応しない画素に入射する光の強度は弱い。よって、迷光の発生が低減される。

光束Ｌ３より入射角が小さな光束Ｌ４が微小レンズ１ａに対して斜めに入射した場合、光束Ｌ４のうち半分以上は溝２０でけられ、残りのごく僅かが、入射した微小レンズ１ａに対応しない柱部２２の射出部２３に達する。従って、この場合は、光束が入射した微小レンズ１ａに対応しない画素に入射する光の強度は大幅に弱められる。よって、迷光の発生がより低減される。

光束Ｌ３より入射角が大きな光束（図示せず）が微小レンズ１ａに対して斜めに入射した場合、この光束は、その全てが溝２０でけられるため、入射した微小レンズ１ａに対応しない画素に直接入射することはない。よって、迷光の発生はほぼ抑えられる。

図５において迷光の発生の可能性が最も大きいのは光束Ｌ３が入射した場合であるが、この場合に発生する迷光は、図４において光束Ｌ１が入射した場合に比べて、大幅に低減される。

以上のように、溝２０の深さＤを微小レンズアレイ１の厚みＨの半分よりも深くする（Ｄ＞０．５×Ｈ）ことにより、実質的に十分な遮光効果を得ることができる。なお、本発明において、微小レンズアレイ１の厚みＨは、図４及び図５に示したように、微小レンズ１ａの突出部分を除いた微小レンズアレイ１の厚みにより定義される。

本実施の形態の撮像装置では、溝２０が、図１２に示した従来の撮像装置の隔壁１１２ａの機能を備えるので、従来の隔壁層１１２が不要である。したがって、製造が容易で、構成が簡素化できる。

なお、本実施の形態では溝２０の側面に黒色塗装２５を施した例を説明したが、黒色塗装２５に代えて、溝２０の側面に吸光作用や光を減衰させる作用を有する加工を施しても良く、その場合も同様に十分な遮蔽効果を得ることができる。また、溝２０の側面に上記のような特別な加工を施していなくても、溝２０の側面２４が必要十分な粗面であれば図６のように単に溝２０を設けただけでも迷光の影響を低減することが出来る。

結像ユニット５ごとに、微小レンズ１ａは被写体像を固体撮像素子３上に形成する。固体撮像素子３の各画素３ａは入射した光を光電変換する。結像ユニット５ごとに得られる画像は、被写体に対する微小レンズ１ａ及び画素３ａの相対位置が結像ユニット５ごとに異なるために、わずかに異なっている。これらの結像ユニット５ごとに得た複数の画像を例えば上記特許文献２に記載された方法により合成することにより、１つの結像ユニット５に含まれる画素３ａの数をはるかに超えた高解像度の画像を得ることができる。

（実施の形態２）
図７は、本実施の形態２に係る撮像装置に使用される微小レンズアレイ１の断面図である。実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付してそれらについての説明を省略する。

本実施の形態２は、微小レンズアレイ１に形成された格子状の溝２０の幅（微小レンズ１ａが配列された面と平行な方向における寸法）が、微小レンズ１ａ側から固体撮像素子３に対向する面側にいくに従って徐々に大きくなっている点で、溝２０の幅がほぼ一定である実施の形態１と異なる。溝２０の幅を本実施の形態のように変化させることにより、微小レンズアレイ１を樹脂成形で作成するときに金型から抜けやすくなり生産性が向上する。

溝２０の側面には吸光性の黒色塗装２５が施されている点は図３の微小レンズアレイ１と同様である。

溝２０の幅を本実施の形態のように変化させた場合には、図８に示すように溝２０の側面２４の黒色塗装を省略することができる。柱部２２から溝２０内に出射した迷光が隣の柱部２２の側面２４に入射したとき、その入射角が大きくなるため、柱部２２に入射せずに反射される可能性が高くなるので、迷光の影響を十分に低減できるからである。

（実施の形態３）
図９は本発明の実施の形態３に係る撮像装置の一部切欠斜視図である。図１０は、本実施の形態３に係る撮像装置に使用される微小レンズアレイ１の断面図である。実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付してそれらについての説明を省略する。

本実施の形態３では、微小レンズアレイ１の固体撮像素子３側の面の、隣り合う結像ユニット５の境界に沿って格子状に形成されたスリット溝２０内に黒色の樹脂３０が充填されている。樹脂３０は微小レンズ１ａを含む微小レンズアレイ１の材料よりも小さな光の透過率を有する材料からなる。

微小レンズ１ａを通過した後、この溝２０に入射した光は黒色樹脂３０で吸収されるので、黒色樹脂３０を通過して隣の柱部２２に入射することはない。

また、溝２０内に樹脂３０を埋め込むことにより、微小レンズアレイ１の強度が増すため、装置組み立て時にも取り扱いがしやすくなる。

また、樹脂３０の材料の屈折率が微小レンズアレイ１の材料の屈折率よりも大きい場合には、柱部２２から柱部２２と樹脂３０との界面に入射した光はこの界面で全反射されにくくなり、迷光が樹脂３０に吸収されやすくなるので、迷光の影響を一層低減できる。

なお、図１０では溝２０（又は黒色樹脂３０）の幅が厚さ方向において均一である場合を説明したが、実施の形態２（図７、図８）と同様に、微小レンズ１ａ側から固体撮像素子３に対向する面側にいくに従って徐々に大きくなっていても良く、その場合には実施の形態２で説明したのと同様の効果を奏する。

上記以外は実施の形態１と同様である。

（実施の形態４）
図１１Ａ〜図１１Ｄは本発明の微小レンズアレイ１の製造方法の一例を工程順に示した断面図である。これを用いて微小レンズアレイ１の製造方法を説明する。

まず、図１１Ａに示すように、一方の面に複数の微小レンズ１ａを備え、他方の面が平面１ｂである平凸形状の微小レンズアレイ１を樹脂成形（例えば射出成形）により形成する。

次いで、図１１Ｂに示すように、平面１ｂ側からレーザ加工により格子状に溝２０を加工する。

次いで、図１１Ｃに示すように、溝２０内に黒色塗料を溶媒に溶かした溶液２７を流し込む。

溶液２７を乾燥させると、図１１Ｄに示すように、溝２０の側面に黒色塗装２５が完成する。

図１１Ｃにおいて溶液２７中の黒色塗料の含有量を多くすることにより、及び／又は図１１Ｃ及び図１１Ｄの工程を複数回繰り返すことにより、実施の形態３に示したように、溝２０内が樹脂で充填された微小レンズアレイ１を得ることができる。

なお、溝２０の加工は、レーザ加工ではなく、微小レンズ１ａの成形と同時に樹脂成形で行うこともできる。

以上に説明した実施の形態は、いずれもあくまでも本発明の技術的内容を明らかにする意図のものであって、本発明はこのような具体例にのみ限定して解釈されるものではなく、その発明の精神と請求の範囲に記載する範囲内でいろいろと変更して実施することができ、本発明を広義に解釈すべきである。

本発明の利用分野は特に制限はないが、カード状のカメラ装置など薄型の撮像装置に好ましく用いることが出来る。

図１は、本発明の実施の形態１に係る撮像装置の一部切欠斜視図である。 図２は、本発明の実施の形態１に係る撮像装置に使用される微小レンズアレイを固体撮像素子側の面から見た斜視図である。 図３は、本発明の実施の形態１において、図２のIII−III線に沿った微小レンズアレイの矢視断面図である。 図４は、微小レンズアレイの溝の深さが微小レンズアレイの厚みの半分である場合において、迷光が発生する様子を示した断面図である。 図５は、微小レンズアレイの溝の深さが微小レンズアレイの厚みの７０％である場合において、迷光が抑制される様子を示した断面図である。 図６は、本発明の実施の形態１に係る撮像装置に使用される別の微小レンズアレイの断面図である。 図７は、本発明の実施の形態２に係る撮像装置に使用される微小レンズアレイの断面図である。 図８は、本発明の実施の形態２に係る撮像装置に使用される別の微小レンズアレイの断面図である。 図９は、本発明の実施の形態３に係る撮像装置の一部切欠斜視図である。 図１０は、本発明の実施の形態３に係る撮像装置に使用される微小レンズアレイの断面図である。 図１１Ａは、本発明の微小レンズアレイの製造方法の一例の一工程を示した断面図である。 図１１Ｂは、本発明の微小レンズアレイの製造方法の一例の一工程を示した断面図である。 図１１Ｃは、本発明の微小レンズアレイの製造方法の一例の一工程を示した断面図である。 図１１Ｄは、本発明の微小レンズアレイの製造方法の一例の一工程を示した断面図である。 図１２は、従来の撮像装置の概略構成を示した分解斜視図である。

Claims (13)

1. 光電変換機能を有する複数の画素を備える撮像素子と、前記撮像素子の複数の画素に被写体像を結像させる複数の微小レンズが縦横方向に配列された微小レンズアレイとを有する撮像装置であって、
   前記微小レンズアレイは隣り合う前記微小レンズ間に格子状の溝を備え、前記溝の深さは前記微小レンズアレイの厚みの半分よりも深いことを特徴とする撮像装置。
2. 前記微小レンズアレイの材料が光透過性の樹脂からなる請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記微小レンズアレイは一方の面に前記微小レンズが形成された平凸のレンズアレイであって、前記溝は他方の面に形成され、前記他方の面が前記撮像素子に対向している請求項１に記載の撮像装置。
4. 前記溝の側面には吸光性材料が付与されている請求項１に記載の撮像装置。
5. 前記吸光性材料は黒色である請求項４に記載の撮像装置。
6. 前記溝の幅は前記撮像素子に近づくにしたがって大きくなっている請求項１に記載の撮像装置。
7. 前記微小レンズアレイを構成する第１材料より小さな光の透過率を有する第２材料が前記溝に充填されている請求項１に記載の撮像装置。
8. 前記第２材料が吸光作用を有する材料を含む請求項７に記載の撮像装置。
9. 前記第２材料は前記第１材料よりも大きな屈折率を有する請求項７に記載の撮像装置。
10. 前記微小レンズアレイが樹脂成形により製造されている請求項１に記載の撮像装置。
11. 一方の面に球面又は非球面を有する複数の微小レンズを備え、他方の面が平面である微小レンズアレイを樹脂成形により得る工程と、
    前記微小レンズアレイの前記他方の面から光を照射して前記他方の面に格子状に溝を形成する工程と
    を備えることを特徴とする微小レンズアレイの製造方法。
12. 更に、黒色塗料を溶媒に溶かした溶液を前記溝に注入して前記溝の側面に黒色加工を施す工程を備える請求項１１に記載の微小レンズアレイの製造方法。
13. 一方の面に球面又は非球面を有する複数の微小レンズを備え、他方の面に格子状の溝を備え、前記他方の面が前記溝を除いて平面である微小レンズアレイを得る工程と、
    黒色塗料を溶媒に溶かした溶液を前記溝に注入して前記溝の側面に黒色加工を施す工程と
    を備えることを特徴とする微小レンズアレイの製造方法。

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