JPWO2019244353A1

JPWO2019244353A1 - レンズアレイ、撮像素子およびレンズアレイの製造方法

Info

Publication number: JPWO2019244353A1
Application number: JP2020525210A
Authority: JP
Inventors: 宮崎　靖浩; 靖浩宮崎
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2018-06-22
Filing date: 2018-06-22
Publication date: 2021-05-13
Also published as: US20210134870A1; WO2019244353A1; CN112313546A

Abstract

レンズアレイ２０は、曲面上に二次元アレイ状に配置される複数のレンズ部２４を備える。複数のレンズ部２４のそれぞれは、曲面から高さ方向に離れるにつれて外径が小さくなるテーパ形状の側面３０を有する基部２６と、基部２６上に位置するレンズ面３２を有する頂部２８とを含む。複数のレンズ部２４のうち隣合う二つのレンズ部２４ａ，２４ｂの高さ方向Ａ，Ｂの間には角度差Δθがある。角度差Δθは、隣合う二つのレンズ部２４ａ，２４ｂのそれぞれの側面３０のテーパ角θの２倍よりも小さい。

Description

本発明は、レンズアレイ、撮像素子およびレンズアレイの製造方法に関する。

撮像素子の撮像面上に画素サイズと同程度の直径のマイクロレンズを画素に対応させてアレイ状に配置したレンズアレイを用いることで、撮像素子の受光効率を高める技術が知られている。しかしながら、被写体からの入射光線が撮像面に対して大きな角度で斜めに入射すると、各マイクロレンズに入射する光線が隣合う画素に漏れ出して画素間のクロストークが発生し、画像品質が低下するという課題が生じる。このような課題を解消するため、隣合うマイクロレンズ間に入射光線を吸収する光吸収部を設ける技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）

特開２０１７−１１６６３３号公報

入射光線の一部を吸収してクロストークを防止しようとする場合、画素に入射する光線量が低下し、画像品質の低下につながりうる。

本発明はかかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、隣合う画素間のクロストークを抑制するレンズアレイを提供することにある。

本発明のある態様は、曲面上に二次元アレイ状に配置される複数のレンズ部を備えるレンズアレイである。複数のレンズ部のそれぞれは、曲面から高さ方向に離れるにつれて外径が小さくなるテーパ形状の側面を有する基部と、基部上に位置するレンズ面を有する頂部と、を含む。複数のレンズ部のうち隣合う二つのレンズ部の高さ方向の間には角度差があり、角度差は、隣合う二つのレンズ部のそれぞれの側面のテーパ角の２倍よりも小さい。

本発明の別の態様は、撮像素子である。この撮像素子は、曲面を有する基板と、基板の曲面上に二次元アレイ状に配置される複数の画素と、複数の画素のそれぞれの上に対応するレンズ部が位置するレンズアレイとを備える。

本発明のさらに別の態様は、曲面上に二次元アレイ状に配置される複数のレンズ部を備えるレンズアレイの製造方法である。複数のレンズ部のそれぞれは、曲面から高さ方向に離れるにつれて外径が小さくなるテーパ形状の側面を有する基部と、基部上に位置するレンズ面を有する頂部と、を含む。複数のレンズ部のそれぞれは、造形ヘッドから吐出される光硬化性材料への光照射によって形成される硬化層を積層させて形成される。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システム、などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、隣合う画素間のクロストークを抑制するレンズアレイを提供できる。

ある実施例に係る撮像素子の構成を模式的に示す断面図である。ある実施例に係るレンズアレイの構成を詳細に示す断面図である。ある実施例に係るレンズアレイの製造方法を模式的に示す図である。ある実施例に係るレンズアレイの製造方法を模式的に示す図である。ある実施例に係るレンズアレイの製造方法を模式的に示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

図１は、ある実施例に係る撮像素子１０の構成を模式的に示す断面図である。撮像素子１０は、基板１２と、光電変換層１４と、レンズアレイ２０とを備える。撮像素子１０は、いわゆるＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサであり、光電変換層１４の各画素に入射する光を電気信号に変換し、撮像画像データを生成する。撮像面１６は、光電変換層１４の表面である。撮像面１６は、凹曲面である。撮像面１６を凹曲面とすることで、撮像面１６に撮像光を結像させるための撮像光学系に起因する像面湾曲等の影響を抑制でき、比較的簡素な構成の撮像光学系を用いたとしても高品質の画像が撮像できる。

レンズアレイ２０は、フレーム２２と、複数のレンズ部２４とを含む。レンズアレイ２０は、いわゆるマイクロレンズアレイであり、複数のレンズ部２４が二次元アレイ状に配列される。複数のレンズ部２４は、凹曲面である撮像面１６上に設けられ、光電変換層１４の各画素に対応する位置に配置される。フレーム２２は、複数のレンズ部２４の外周に設けられる。フレーム２２は、基板１２の側面に取り付け可能である。フレーム２２によって、複数のレンズ部２４が光電変換層１４の各画素に対して正確に位置決めされる。

図２は、ある実施例に係るレンズアレイ２０の構成を詳細に示す断面図であり、図１の一部を拡大した図である。図２には三つのレンズ部２４ａ，２４ｂ，２４ｃが示されており、それぞれが光電変換層１４の対応する画素１８ａ，１８ｂ，１８ｃ（総称して画素１８ともいう）の上に配置されている。

図に明示していないが、レンズ部２４と画素１８の間には赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のカラーフィルタ等が設けられてもよい。例えば、第１レンズ部２４ａと第１画素１８ａの間に赤色のカラーフィルタが設けられ、第２レンズ部２４ｂと第２画素１８ｂの間には緑色のカラーフィルタが設けられ、第３レンズ部２４ｃと第３画素１８ｃの間には青色のカラーフィルタが設けられてもよい。

各レンズ部２４は、基部２６と、頂部２８とを含む。基部２６は、撮像面１６に接する部分であり、撮像面１６から高さ方向に離れるにつれて外径が小さくなるテーパ形状の側面３０を有する。基部２６は、例えば、円錐台または多角錐台の形状、または、これらに類似した形状を有する。頂部２８は、基部２６の上に位置する部分であり、凸曲面で構成されるレンズ面３２を有する。

各レンズ部２４は、凹曲面である撮像面１６上に配置されるため、それぞれの高さ方向、つまり、撮像面１６に直交する方向が異なりうる。つまり、複数のレンズ部２４ａ，２４ｂ，２４ｃのそれぞれの高さ方向Ａ，Ｂ，Ｃは、互いに非平行である。その結果、隣合う二つのレンズ部２４ａ，２４ｂの高さ方向Ａ，Ｂの間には角度差Δθが存在する。隣合う二つのレンズ部２４ａ，２４ｂの高さ方向Ａ，Ｂの角度差Δθは、隣合う二つのレンズ部２４ａ，２４ｂの側面３０のテーパ角θの２倍よりも小さい。逆の言い方をすれば、隣合う二つのレンズ部２４ａ，２４ｂの側面３０のテーパ角θは、隣合う二つのレンズ部２４ａ，２４ｂの高さ方向Ａ，Ｂの角度差Δθの２倍以上である。ここで、側面３０のテーパ角θとは、レンズ部２４の高さ方向と側面３０との間の角度のことをいう。テーパ角θの値は特に限られないが、例えば、１０度〜２５度程度にすることができる。

隣合う二つのレンズ部２４の隙間３４は、例えば、空気である。したがって、隣合う二つのレンズ部２４の隙間３４の媒質の屈折率は、レンズ部２４の材料の屈折率よりも小さい。レンズ部２４は、例えば、可視光に対して透明な樹脂材料やガラス材料で構成され、可視光に対して例えば１．３以上または１．４以上の屈折率を有する。隣合う二つのレンズ部２４の隙間３４の屈折率をレンズ部２４の屈折率よりも小さくすることで、レンズ部２４の側面３０の内側において、レンズ部２４の内部の光を効果的に閉じ込めることができる。なお、隣合う二つのレンズ部２４の隙間３４にレンズ部２４の材料よりも低屈折率の材料が充填されてもよい。

本実施例によれば、レンズアレイ２０の各レンズ部２４がテーパ形状の側面３０およびレンズ面３２を有するため、レンズアレイ２０に入射する光を光電変換層１４の各画素１８により多く導くことができる。例えば、光線Ｅが各レンズ部２４の高さ方向Ａ〜Ｃに対して斜めに入射する場合、レンズ面３２からレンズ部２４の内部に入射した光線Ｅは、テーパ形状の側面３０に対して比較的大きな入射角φで側面３０に入射する。側面３０がテーパ形状ではなく、側面３０が撮像面１６に対して垂直な場合と比較して、側面３０での光線Ｅの入射角φを大きくできる。その結果、光線Ｅのより多くをレンズ部２４の内部に閉じ込めることができ、たいていの場合、光線Ｅを側面３０にて全反射させて対応する画素１８に導くことができる。これによって、より多くの光を光電変換層１４の各画素１８に向かわせることができる。また、レンズ部２４ｃの側面３０を突き抜けて隣のレンズ部２４ｂに入射する光線Ｆの発生を防ぐことができるため、隣合う画素間のクロストークを好適に抑制できる。

つづいて、撮像素子１０の製造方法、特に曲面上にレンズアレイ２０を形成する方法について説明する。レンズアレイ２０の製造方法として、インクジェット方式の三次元印刷（いわゆる３Ｄプリント）技術を用いることができる。このうち、１）曲面上にレンズ部２４を直接的に形成する方法と、２）平坦面上にレンズ部２４を形成した後、平坦面を湾曲させる方法とについて説明する。

図３は、ある実施例に係るレンズアレイ２０の製造方法を模式的に示す図である。まず、撮像面１６が凹曲面である光電変換層１４を基板１２の上に形成する。つづいて、撮像面１６の上に複数の硬化層５２を積層させて各レンズ部２４ａ〜２４ｃを形成する。

硬化層５２は、造形ヘッド４０から吐出される光硬化性材料５０に紫外光などの硬化光４６を照射することで形成される。造形ヘッド４０は、光硬化性材料５０を吐出する吐出部４２と、吐出された光硬化性材料５０に対して硬化光４６を照射する照射部４４とを有する。造形ヘッド４０を基準平面１６の上で矢印Ｓの方向にスキャンし、レンズ２０を形成すべき箇所に光硬化性材料５０を吐出し、硬化光４６を照射して光硬化性材料５０を硬化させることで硬化層５２を形成する。このように形成される硬化層５２を積層させることで、各レンズ部２４ａ〜２４ｃが形成される。また、複数のレンズ部２４の外周にも硬化層を形成することで、図１に示したフレーム２２を形成することもできる。フレーム２２を同時形成することで、各画素１８に対する各レンズ部２４の位置ずれを好適に防止できる。

図３に示す方法では、基板１２と造形ヘッド４０の相対的な向きは固定されており、基板１２および造形ヘッド４０の少なくとも一方が矢印Ｓの方向にスキャンされる。したがって、造形ヘッド４０からの光硬化性材料５０の吐出方向Ｇ（例えば、重力方向）と、各レンズ部２４ａ〜２４ｃの高さ方向Ａ〜Ｃは必ずしも平行とはならない。例えば、造形ヘッド４０からの光硬化性材料５０の突出方向Ｇは、中央に示す第２レンズ部２４ｂの高さ方向Ｂと平行であり、左右に示す第１レンズ部２４ａおよび第３レンズ部ｃの高さ方向Ａ，Ｃとは非平行である。

図４は、ある実施例に係るレンズアレイ２０の製造方法であり、基板１２と造形ヘッド４０の相対的な向きを製造中に変化させる点で図３の実施例と異なる。図４では、レンズアレイ２０の製造中に基板１２を矢印Ｒの方向に回転または傾斜させることで、各レンズ部２４ａ〜２４ｃを形成すべき形成領域において、撮像面１６の法線方向と造形ヘッド４０の吐出方向Ｇとを一致させる。例えば、第１レンズ部２４ａを形成するための硬化層６２を積層させる場合、基板１２と造形ヘッド４０の相対的な向きを調整することで、造形ヘッド４０からの光硬化性材料６０の吐出方向Ｇと第１レンズ部２４ａを形成すべき形成領域における高さ方向Ａとが平行とを平行にする。

図３に示す製造方法の場合、基板１２と造形ヘッド４０の相対的な向きが固定されるため、複数の造形ヘッド４０または複数の吐出部４２を同時に用いてレンズアレイ２０を製造することが可能となる。例えば、一次元アレイ状または二次元アレイ状に配列される複数の吐出部４２から光硬化性材料５０を並行して吐出することで、単一の吐出部４２を用いる場合よりもレンズアレイ２０の製造にかかる時間を短縮できる。

図４に示される製造方法の場合、複数のレンズ部２４のそれぞれを形成するときの撮像面１６と造形ヘッド４０の向きが同じであるため、各レンズ部２４の積層形状を共通化できる。つまり、各レンズ部２４に共通の造形データを用いてレンズアレイ２０を形成できる。また、造形ヘッド４０の直下に位置する製造中のレンズ部２４（例えば第１レンズ部２４ａ）の側面の傾斜角ψ（より詳細には、吐出方向Ｇを基準とする硬化層６２の平面に対する側面の傾斜角ψ）が８０度以上または９０度以上（つまり直角または鈍角）となることを防ぐことができる。特に、レンズ部２４の側面３０のテーパ角θが小さい場合（例えばテーパ角θが１０度〜１５度程度の場合）や、撮像面１６の曲率が大きい場合であっても、製造中に側面の傾斜角ψがある値よりも大きくなることを防ぐことができる。仮に、吐出方向を基準とする側面の傾斜角ψが９０度を超えて鈍角となる場合、側面が重力方向Ｇを基準として外側に張り出す形状となり、適切に硬化層６２を積層させることが困難となるおそれがある。また、側面の傾斜角ψが８０度〜９０度の場合にも側面を高精度に形成することが困難となるおそれがある。図４の方法では、造形ヘッド４０と基板１２の相対的な向きを各レンズ部２４の形成領域に応じて変化させることで、各レンズ部２４の積層が困難となる状況の発生を防ぐことができ、形状精度の高いレンズ部２４を形成できる。

図５（ａ）および（ｂ）は、ある実施例に係るレンズアレイ２０の製造方法であり、基材７０を湾曲させる方法を示す。まず、図５（ａ）に示すように、平坦な基材７０の上に各レンズ部２４ａ〜２４ｃを形成す。次、に図５（ｂ）に示すように、矢印Ｋの方向に基材７０を湾曲させることで凹曲面上に各レンズ部２４ａ〜２４ｃが配置される。図５（ａ）に示される各レンズ部２４ａ〜２４ｃは、上述の図３で示した製造方法と同様に３Ｄプリント技術を用いて形成できる。

本実施例によれば、撮像面１６の上に直接的にレンズアレイ２０を形成するため、撮像面１６に配列される各画素１８と対応するレンズ部２４との間の位置精度を高めることができる。また、複数のレンズ部２４の外周に設けられるフレーム２２を一体的に同じ材料で三次元印刷することで、レンズ部２４とフレーム２２の位置ずれを防ぎ、フレーム２２を用いてレンズアレイ２０を基板１２に対して固定する際の位置精度を高めることができる。

以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれ得る。

上述の実施例では、撮像面１６の上に直接レンズアレイ２０を形成する場合について示した。変形例では、撮像面１６に対応する曲面形状を有する基材上にレンズアレイ２０を形成し、その基材を撮像面１６の上に配置することで撮像素子１０を製造してもよい。

上述の実施例では、曲面上にレンズアレイ２０を形成する場合について示した。変形例では、平面上にレンズアレイを形成する場合に上述の内容を適用してもよい。つまり、平坦な撮像面を有する一般的な撮像素子用のレンズアレイとして、上述の実施例に係るレンズアレイを採用してもよい。

１０…撮像素子、１２…基板、１４…光電変換層、１６…撮像面、１８…画素、２０…レンズアレイ、２２…フレーム、２４…レンズ部、２６…基部、２８…頂部、３０…側面、３２…レンズ面、３４…隙間、４０…造形ヘッド、４２…吐出部、４４…照射部、４６…硬化光、５０，６０…光硬化性材料、５２，６２…硬化層。

本発明は、撮像素子のレンズアレイに利用できる。

Claims

曲面上に二次元アレイ状に配置される複数のレンズ部を備えるレンズアレイであって、
前記複数のレンズ部のそれぞれは、
前記曲面から高さ方向に離れるにつれて外径が小さくなるテーパ形状の側面を有する基部と、前記基部上に位置するレンズ面を有する頂部と、を含み、
前記複数のレンズ部のうち隣合う二つのレンズ部の高さ方向の間には角度差があり、前記角度差は、前記隣合う二つのレンズ部のそれぞれの前記側面のテーパ角の２倍よりも小さいことを特徴とするレンズアレイ。
前記複数のレンズ部は、凹曲面上に配置されることを特徴とする請求項１に記載のレンズアレイ。
前記複数のレンズ部のうち隣合う二つのレンズ部の間の媒質の屈折率は、前記複数のレンズ部の材料の屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載のレンズアレイ。
前記複数のレンズ部の外周に設けられるフレームをさらに備え、
前記フレームは、前記複数のレンズ部と同じ材料で構成され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レンズアレイ。
曲面を有する基板と、
前記基板の曲面上に二次元アレイ状に配置される複数の画素と、
前記複数の画素のそれぞれの上に対応するレンズ部が位置する請求項１から４のいずれか一項に記載のレンズアレイと、を備えることを特徴とする撮像素子。
曲面上に二次元アレイ状に配置される複数のレンズ部を備えるレンズアレイの製造方法であって、前記複数のレンズ部のそれぞれは、前記曲面から高さ方向に離れるにつれて外径が小さくなるテーパ形状の側面を有する基部と、前記基部上に位置するレンズ面を有する頂部と、を含み、
前記複数のレンズ部のそれぞれは、造形ヘッドから吐出される光硬化性材料への光照射によって形成される硬化層を積層させて形成されることを特徴するレンズアレイの製造方法。
前記曲面上に光硬化性材料を吐出して前記硬化層を積層させて前記複数のレンズ部のそれぞれを形成することを特徴とする請求項６に記載のレンズアレイの製造方法。
前記曲面上の前記複数のレンズ部のそれぞれを形成すべき複数の形成領域において、前記複数の形成領域のうち少なくとも一つの形成領域内の前記曲面の法線方向と前記造形ヘッドから吐出される光硬化性材料の吐出方向とが交差した状態で前記少なくとも一つの形成領域内に前記硬化層を形成することを特徴とする請求項７に記載のレンズアレイの製造方法。
前記曲面上の前記複数のレンズ部のそれぞれを形成すべき複数の形成領域において、前記曲面の向きを変化させることで、各形成領域内の前記曲面の法線方向と前記造形ヘッドから吐出される光硬化性材料の吐出方向とを一致させて各形成領域内に前記硬化層を形成することを特徴とする請求項７に記載のレンズアレイの製造方法。
基材の平坦面上に前記硬化層を積層させて前記複数のレンズ部のそれぞれを形成した後に前記基材を湾曲させることを特徴とする請求項６に記載のレンズアレイの製造方法。
前記複数のレンズ部の外周に設けられるフレームを前記硬化層を積層させて形成することを特徴とする請求項６から１０のいずれか一項に記載のレンズアレイの製造方法。