JP5950128B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置に関し、特に集光素子が集光する入射光を異なる射出瞳位置に制御する技術、すなわち立体視可能な固体撮像装置の単位セルのレンズ技術に関する。

従来の技術における立体視可能な固体撮像装置では、異なる２方向の入射光を同時に効率良く受けることが難しいという課題があった。

例えば、特許文献１の技術では、２つの光路を時分割で切り替え可能な時分割光路切り替え手段を用いることで、時間分割して固体撮像装置に入射する角度を変えるという方法が開示されている。このようにすれば、２つの異なる入射角度の入射光を受けることが出来るため、２視点での立体視が可能になる。

また、特許文献２では、同一素子の表面上に互いに対向する傾斜面が複数形成され、その複数の傾斜面に所定間隔で複数の画素が配置されて受光面が形成され、その受光面に入射角度の異なる被写体光が入射される固体撮像装置が開示されている。このようにすることで、２種類の入射角度の入射光を同時に受光することができる。

また、特許文献３では、同一素子の表面に、左右の視差像を横並びに撮像するという技術が開示されている。このようにすることで、同時に２視点の画像を１つの固体撮像装置で撮像することが可能になる。

特開平０７−２６１０９９号公報 特開２００５−４５５号公報 特開２００３−５０９６号公報

しかしながら、特許文献１の技術では視点の異なる映像が時間軸に展開されているという課題が内在している。すなわち時間軸方向に展開された２視点の２画像の位置関係が少なくとも水平垂直方向に設定通りである必要がある。すなわち撮像装置が確実に静止していることが使用上要求されてしまうため、応用が限定的になってしまう。また被写体が動体であった場合、立体視が困難になってくる。

一方、特許文献２のような技術であれば同時に異なる視点の映像を取得できるため、撮像装置が静止していることは必要でなくなる。しかしながら、特許文献２の技術では、半導体基板表面に立体的構造を形成する必要があり、半導体基板表面に凹凸を加工する特殊な工程が必要である。しかも、受光部は傾斜面に対して垂直に作成する必要があるため、不純物注入プロセスをかなり特殊な角度から複数回行う必要があり、製造工程上困難である、またコスト上昇を伴う。

また、特許文献３のような方法では、２視点からの像が同一画素に入射しないように２つの開口を持つ遮光板を必要とする。

本発明は、上記課題を解決するためのもので、２方向の入射光を同時に受光でき、かつ、標準的な半導体加工で製作可能な固体撮像装置を提供することを第１の目的とする。

また、２つの開口を持つような遮光板を必要としない立体視可能な固体撮像装置を提供することを第２の目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る固体撮像装置は、受光素子と、前記受光素子に入射光を集光する集光素子とを有する複数の単位セルが２次元状に配列された撮像領域を備える固体撮像装置であって、前記複数の単位セルのそれぞれでは、前記受光素子に入射する光の光量が前記単位セルに入射する光の入射角度に依存して変化するように、前記集光素子が集光を行い、前記複数の単位セルのうちの第１の単位セルでは、第１の入射角度で光が入射したときに前記受光素子に入射する光の光量が最大となるように、前記集光素子が集光を行い、前記複数の単位セルのうちの前記第１の単位セルに隣り合う第２の単位セルでは、第２の入射角度で光が入射したときに前記受光素子に入射する光の光量が最大となるように、前記集光素子が集光を行い、前記第１の単位セルにおいて第３の入射角度で光が入射したときの前記受光素子に入射する光の光量と、前記第２の単位セルにおいて前記第３の入射角度で光が入射したときの前記受光素子に入射する光の光量とは等しく、前記第１の入射角度は、前記第３の入射角度より所定量だけ大きく、前記第２の入射角度は、前記第３の入射角度より前記所定量だけ小さいことを特徴とする。

ここで、複数の前記第１の単位セルと複数の前記第２の単位セルとは列方向および行方向に交互に配置されてもよい。

また、前記第１の単位セルの行と前記第２の単位セルの行とは、列方向に交互に配置されてもよい。

本態様によれば、光量が最大となる入射角度が異なる第１の単位セルおよび第２の単位セルが隣り合って設けられるため、２方向の入射光を同時に受光できる。また、特許文献２のように半導体基板表面に立体的構造を形成する必要がないので、標準的な半導体加工で固体撮像装置を製作できる。また、特許文献３のように２つの開口を持つ遮光板を必要としない立体視可能な固体撮像装置を実現できる。

また、前記複数の単位セルのうちの前記第１の単位セルに隣り合う第３の単位セルでは、前記第１の入射角度で光が入射したときに前記受光素子に入射する光の光量が最大となるように、前記集光素子が集光を行い、前記複数の単位セルのうちの前記第２の単位セルに隣り合う第４の単位セルでは、前記第２の入射角度で光が入射したときに前記受光素子に入射する光の光量が最大となるように、前記集光素子が集光を行い、前記第３の単位セルにおいて前記第３の入射角度で光が入射したときの前記受光素子に入射する光の光量と、前記第２の単位セルにおいて前記第３の入射角度で光が入射したときの前記受光素子に入射する光の光量とは等しく、前記第４の単位セルにおいて前記第３の入射角度で光が入射したときの前記受光素子に入射する光の光量と、前記第１の単位セルにおいて前記第３の入射角度で光が入射したときの前記受光素子に入射する光の光量とは等しく、前記撮像領域は、複数の前記第１の単位セルと複数の前記第２の単位セルとの境界を境にして、複数の前記第３の単位セルが配列された前記撮像領域の右側の第１の領域と、複数の前記第４の単位セルが配列された前記撮像領域の左側の第２の領域とに分けられてもよい。

本態様によれば、撮像領域の左右の領域のマイクロレンズで光量が最大となる入射角度が異なるため、固体撮像装置の無効領域を減少させることができ、撮像領域を効率的に使用することができる。

また、複数の前記集光素子は、隣接する前記第１の単位セルの集光素子と前記第２の単位セルの集光素子とを１単位として配置されてもよい。

本態様によれば、水平２画素を１単位とする集光素子により、集光素子への入射光のうちの水平方向の入射角度によって、光は２画素のうちの一方の光電変換素子へ入射する。すなわち水平方向の二種類の視点に光は分離されるので左右の立体視が可能になる。ここで、わかりやすいように水平方向と言っているが、撮像素子の水平方向がこの撮像素子を実装するカメラ装置の水平方向と一致する必要は必ずしもなく、撮像素子の長手方向が必ずしも水平方向と一致する必要もない。すなわち、光を２種類の入射角度の入射光毎に分類することが可能であれば立体視が可能になる。この時、レンズの形状は楕円であっても、円を切り取ったような形状であっても、水平方向の集光能力は同じである。このレンズ形状は感度、設計容易性等で選択される。

また、複数の前記集光素子は、隣接する前記第１の単位セルの列の集光素子と前記第２の単位セルの列の集光素子とを１単位として配置されてもよい。

本態様によれば、列単位でレンズを形成することでレンズ形状の制御が容易になる。

また、前記単位セルは、前記集光素子の下方に配置された層内集光素子を有してもよい。

本態様によれば、垂直方向の集光を層内集光素子が担うことになり集光損失を抑えることができる。

また、前記集光素子は、入射光の波長と同程度かそれよりも短い線幅で分離され、受光面に対して垂直な方向の軸を中心軸とする同心構造の複数の光透過膜の組み合わせによって制御した実効屈折率分布を有してもよい。

本態様によれば、所望のマイクロレンズを標準的な半導体工程で作成できる。

また、前記集光素子は、実行屈折率分布が三角プリズムと実質的に等しくてもよい。

本態様によれば、異なる特定の入射角度の入射光を同時に受光するマイクロレンズを実現できる。

本発明によれば、２方向の入射光を同時に受光でき、かつ、標準的な半導体加工で製作可能な固体撮像装置を実現できる。また、２つの開口を持つような遮光板を必要としない立体視可能な固体撮像装置を実現できる。

図１は、本発明の第１の実施形態の撮像装置の概略構成を示す図である。 図２は、本発明の第１の実施形態の固体撮像装置の詳細な構成を示す図である。 図３は、本発明の第１の実施形態の撮像装置の立体撮像するときの概略図である。 図４Ａは、本発明の第１の実施形態の固体撮像装置の異なる入射角度に対して最大感度を有する単位セルの配列例を示す図である。 図４Ｂは、本発明の第１の実施形態の固体撮像装置の異なる入射角度に対して最大感度を有する単位セルの配列例を示す図である。 図４Ｃは、本発明の第１の実施形態の固体撮像装置の異なる入射角度に対して最大感度を有する単位セルの配列例を示す図である。 図５は、本発明の第１の実施形態の固体撮像装置の画素部のマイクロレンズの集光特性を単位セル群の位置毎に示した図である。 図６は、図５の集光特性分布を実現するマイクロレンズの配置例を単位セル群毎に示す図である。 図７Ａは、本発明の第１の実施形態の固体撮像装置の単位セル群のマイクロレンズの構成の一例を示す断面図である。 図７Ｂは、図７Ａのマイクロレンズの下段構造を形成するためのマスクパターンの上面図である。 図７Ｃは、図７Ａのマイクロレンズの上段構造を形成するためのマスクパターンの上面図である。 図８は、本発明の第１の実施形態の固体撮像装置の単位セル群のマイクロレンズの構成の他の例を示す断面図である。 図９は、本発明の第２の実施形態の撮像装置の立体撮像するときの概略図である。 図１０は、本発明の第２の実施形態の固体撮像装置の異なる入射角度に対して最大感度を有する単位セルの配列例を示す図である。 図１１は、本発明の第２の実施形態の固体撮像装置の画素部のマイクロレンズの集光特性を単位セル群の位置毎に示した図である。 図１２は、図１１の集光特性分布を実現するマイクロレンズの配置例を単位セル群毎に示す図である。 図１３は、本発明の第３の実施形態の撮像装置の立体撮像するときの概略図である。 図１４は、本発明の第３の実施形態の固体撮像装置の異なる入射角度に対して最大感度を有する単位セルの配列例を示す図である。 図１５は、本発明の第３の実施形態の固体撮像装置の画素部の集光特性を示す図である。 図１６は、本発明の第４の実施形態の固体撮像装置の異なる入射角度に対して最大感度を有する単位セルの配列例を示す図である。 図１７Ａは、本発明の第４の実施形態の固体撮像装置の単位セル群のマイクロレンズの構成例を示す断面図である。 図１７Ｂは、本発明の第４の実施形態の固体撮像装置の単位セル群のマイクロレンズの構成例を示す断面図である。 図１８は、本発明の第４の実施形態の固体撮像装置の単位セル群のマイクロレンズの構成例を示す断面図である。 図１９は、本発明の第４の実施形態の固体撮像装置の単位セル群のマイクロレンズの構成例を示す上面図である。 図２０は、本発明の第４の実施形態の固体撮像装置の単位セル群のマイクロレンズの構成の他の例を示す断面図である。 図２１は、本発明の第４の実施形態の固体撮像装置の単位セル群のマイクロレンズの構成の他の例を示す上面図である。 図２２は、本発明の第４の実施形態の固体撮像装置の画素部の集光特性を示す図である。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら、さらに具体的に説明する。なお、本発明について、以下の実施形態及び添付の図面を用いて説明を行うが、これは例示を目的としており、本発明がこれらに限定されることを意図しない。以下の実施形態で示される数値、形状、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。本発明は、請求の範囲だけによって限定される。よって、以下の実施形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。また、図面において、実質的に同一の構成、動作、および効果を表す要素については、同一の符号を付す。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の撮像装置（カメラ）の概略構成を示す図である。

この撮像装置は、固体撮像装置１４０１と、信号処理部１４０２と、メモリ部１４０３と、出力部１４０４と、モニタ部１４０５とを備えている。

メモリ部１４０３には、複数本のラインメモリが用意されている。そのラインメモリに格納したデータと固体撮像装置１４０１から出力される信号とを組み合わせて、左目画像および右目画像をそれぞれで補間処理しながらその処理結果のデータがメモリ部１４０３に格納されていく。メモリ部１４０３に格納された処理画像データは出力部１４０４によりメモリ部１４０３から読み出されて送信される。このときの送信フォーマットは既存の一般的な３Ｄ映像フォーマットに依存するが、例えば、サイドバイサイド方式の３Ｄ送信システムであればラインメモリにためた補間済み映像信号が出力される。また、それ以外のフレーム毎に左右画像を切り替えるような方式では、メモリ部１４０３にフレームメモリを用意して固体撮像装置１４０１の信号を倍速で出力するか、もしくは、固体撮像装置１４０１の信号出力速度と等速の出力速度で右目および左目に対応した補間映像のどちらか一方をフレーム毎に交互に出力すれば良い。上述の補間方法は一般的に知られた画素補間方法を使用すればよい。その時の補間は適応的であっても、適応的でなくても構わない。

図２は、本実施形態の固体撮像装置１４０１の詳細な構成を示す図である。

固体撮像装置１４０１は、ＭＯＳ型の固体撮像装置であり、画素部（画素アレイ）１０と、垂直走査回路（行走査回路）１４と、通信・タイミング制御部３０と、ＡＤ変換（アナログ／デジタルコンバーター）回路２５と、参照信号生成部２７と、出力Ｉ／Ｆ２８と、信号保持スイッチ２６３と、信号保持容量２６２と、カラムアンプ４２とを備える。

画素部１０は、複数の単位セル３が半導体基板のウェルに２次元状（行列状）に配列されて構成された撮像領域である。各単位セル３は、受光素子としての光電変換素子（画素）と、受光素子に入射光を集光する集光素子（マイクロレンズ）とを含んで構成される。各単位セル３は、垂直走査回路１４で制御される信号線および単位セル３からの電圧信号をＡＤ変換回路２５に伝達する垂直信号線１９と接続される。

垂直走査回路１４は、単位セル３を垂直方向に行単位で走査し、垂直信号線１９に電圧信号を出力させる単位セル３の行を選択する。

通信・タイミング制御部３０は、外部端子を介して入力されたマスタークロックＣＬＫ０およびデータＤＡＴＡを受け取り、種々の内部クロックを生成し参照信号生成部２７および垂直走査回路１４などを制御する。

参照信号生成部２７は、ＡＤ変換回路２５のカラムＡＤ回路２６にＡＤ変換用の参照電圧ＲＡＭＰを供給するＤＡＣ（デジタル／アナログコンバーター）２７ａを有する。

カラムアンプ４２、信号保持スイッチ２６３および信号保持容量２６２は、単位セル３の列に対応して設けられている。カラムアンプ４２は単位セル３から出力された電圧信号を増幅し、信号保持容量２６２は信号保持スイッチ２６３を介して伝達されてきた増幅された電圧信号を保持する。カラムアンプ４２を設けることで、単位セル３の電圧信号を増幅することが可能となり、Ｓ／Ｎの改善およびゲインの切り替え等が可能となる。

ＡＤ変換回路２５は、単位セル３の列に対応して設けられたカラムＡＤ（カラムアナログ／デジタルコンバーター）回路２６を複数有する。カラムＡＤ回路２６は、ＤＡＣ２７ａで生成される参照電圧ＲＡＭＰを用いて、単位セル３から出力された信号保持容量２６２のアナログの電圧信号をデジタル信号に変換する。

カラムＡＤ回路２６は、電圧比較部２５２、カウンタ部２５４、スイッチ２５８およびデータ記憶部２５６から構成される。電圧比較部２５２は、単位セル３から垂直信号線１９（Ｈ０、Ｈ１、・・・Ｍｍ）および信号保持容量２６２を経由し得られるアナログの電圧信号を参照電圧ＲＡＭＰと比較する。データ記憶部２５６は、電圧比較部２５２が比較処理を完了するまでの時間とカウンタ部２５４を利用してカウントした結果とを保持するメモリとして構成される。

電圧比較部２５２の一方の入力端子には、他の電圧比較部２５２の入力端子と共通に、ＤＡＣ２７ａで生成される階段状の参照電圧ＲＡＭＰが入力され、他方の入力端子には、それぞれ対応する列の信号保持容量２６２が接続され、画素部１０から電圧信号が入力される。電圧比較部２５２の出力信号はカウンタ部２５４に供給される。

カラムＡＤ回路２６は、電圧比較部２５２に参照電圧ＲＡＭＰが供給されると同時にクロック信号でのカウント（計数）を開始し、信号保持容量２６２を介して入力されたアナログの電圧信号を参照電圧ＲＡＭＰと比較することによってパルス信号が得られるまでカウントすることでＡＤ変換を行う。

この際、カラムＡＤ回路２６は、ＡＤ変換とともに、信号保持容量２６２を介して入力された電圧モードの画素信号（電圧信号）に対して、単位セル３のリセット直後の信号レベル（ノイズレベル）と真の（受光光量に応じた）信号レベルＶｓｉｇとの差分をとる処理を行う。これによって、固定パターンノイズ（ＦＰＮ：Ｆｉｘｅｄ Ｐａｔｔｅｒｎ Ｎｏｉｓｅ）およびリセットノイズ等と呼ばれるノイズ信号成分を電圧信号から取り除くことができる。

なお、カラムＡＤ回路２６は、ノイズレベルをダウンカウントし、信号レベルをアップカウントすることで真の信号レベルＶｓｉｇのみを取り出す構成であり、このカラムＡＤ回路２６でデジタル化された信号は、水平信号線１８を介して出力Ｉ／Ｆ２８に入力される。

なお、図２に示した固体撮像装置１４０１は、ＡＤ変換回路２５を搭載しているが、ＡＤ変換回路２５は固体撮像装置の外に構成されていても良い。

以上の構成により、固体撮像装置１４０１は、画素部１０からは、単位セル３の行ごとに電圧信号が順次出力される。そして、画素部１０に対する１枚分の画像すなわちフレーム画像が、画素部１０全体の電圧信号の集合で示されることとなる。

次に、撮像装置の簡単な光学系と、固体撮像装置１４０１の撮像領域（画素部１０）の単位セル３の配置、撮像領域の各領域での集光分布関数の概略およびマスクレイアウトイメージとを説明する。

まず、撮像装置の簡単な光学系の詳細について説明する。

図３は立体撮像するときの撮像装置の概略図である。図３では、１つのレンズ（カメラレンズ）１０１の２つの異なるスポットから固体撮像装置１４０１へ集光する様子が示されている。

図３では、ある被写体１０４をレンズ１０１で固体撮像装置１４０１の撮像領域に結像したときの焦点１０３が示されている。被写体１０４をレンズ１０１で結像した場合、通常はレンズ１０１の全面を通過した光が焦点１０３に集光されるよう光学系を成立させる。通常の２次元画像の撮像では被写体１０４から反射、または発光した光の波のうちレンズ１０１を通過した波が焦点１０３に集光される。この時、レンズ１０１内の領域Ａを通過した光（光束）１０５もレンズ１０１内の領域Ｂを通過した光（光束）１０６も焦点１０３に同じく集光される。しかしながら、領域Ａおよび領域Ｂのそれぞれからみた被写体１０４は本来異なる角度から見ているため、立体情報としては異なる情報である。そのため、通常のレンズ１０１の全面を集光した光を１点の焦点１０３に集光することは立体情報を積分してしまって２次元情報に変換している。これに対して、本発明の撮像装置は１点の焦点で積分してしまう立体情報を分解して保存する。

次に、単位セル３の配置の詳細について説明する。

図４Ａ〜図４Ｃは、領域Ａおよび領域Ｂを通過する情報（光）を個別に保存（集光）するための単位セル（マイクロレンズ）の配列例を示す図である。なお、図４Ａ〜図４Ｃでは、第１の単位セル２０１は領域Ａからの光１０５を受光する単位セル３に対応し、第２の単位セル２０２は領域Ｂからの光１０６を受光する単位セル３に対応している。

図４Ａでは、複数の第１の単位セル２０１と複数の第２の単位セル２０２とが千鳥格子で配置されており、列方向（垂直方向）および行方向‘（水平方向）に交互に配置されている。図４Ｂでは、第１の単位セル２０１の列と第２の単位セル２０２の列とが行方向に交互に配置されている。図４Ｃでは、第１の単位セル２０１の行と第２の単位セル２０２の行とが列方向に交互に配置されている。なお、単位セルの配列としては３種類を図示したが、第１の単位セル２０１および第２の単位セル２０２を数セル単位のブロック毎に配置するなどしても良い。このように配置することで局所的には２種類の領域Ａおよび領域Ｂからの光を同時に受光できる。

次に、集光分布関数（集光特性分布）の詳細について説明する。

図５は、固体撮像装置１４０１の画素部１０に配置するマイクロレンズ（集光素子）の集光特性を画素部１０の上側の単位セル群の位置毎に示した図である。なお、図５（ａ）は固体撮像装置１４０１の画素部１０の左上角位置（水平方向の左端かつ垂直方向の上端の位置）、図５（ｂ）は固体撮像装置１４０１の画素部１０の上方中心位置（水平方向の中心かつ垂直方向の上端の位置）、図５（ｃ）は固体撮像装置１４０１の画素部１０の右上角位置（水平方向の右端かつ垂直方向の上端の位置）、図５（ｄ）は固体撮像装置１４０１の画素部１０の左水平端位置（水平方向の左端かつ垂直方向の真中の位置）、図５（ｅ）は固体撮像装置１４０１の画素部１０の中心位置（水平方向の真中かつ垂直方向の真中の位置）、図５（ｆ）は固体撮像装置１４０１の画素部１０の右水平端位置（水平方向の右端かつ垂直方向の真中の位置）での単位セル群の集光特性のグラフを示している。図５では、画素部１０の下側の集光特性は上側の集光特性を折り返したものになっているため、画素部１０の下側の集光特性を省略している。各集光特性のグラフには単位セル群毎に含まれる右目対応の第１の単位セル２０１のマイクロレンズの集光特性、および左目対応の第２の単位セル２０２のマイクロレンズの集光特性の２種類の集光特性を示している。

例えば図５（ｄ）では右目に対応した第１の単位セル２０１のマイクロレンズの集光特性はほぼ０度の入射光を中心とした集光特性であるが、一方、左目に対応した第２の単位セル２０２のマイクロレンズの集光特性は２０度の入射光を中心とした集光特性である。このように２種類の集光特性を持つマイクロレンズを単位セル群毎に配置することで図３の領域Ａおよび領域Ｂを通過する光を別々に受光する単板式固体撮像装置が実現できる。

図５から、固体撮像装置１４０１の複数の単位セルのそれぞれでは、受光素子に入射する光の光量が単位セルに入射する光の入射角度に依存して変化するように、マイクロレンズが集光を行い、複数の単位セルのうちの第１の単位セル２０１では、第１の入射角度で光が入射したときに受光素子に入射する光の光量が最大となるように、マイクロレンズが集光を行い、複数の単位セルのうちの第１の単位セル２０１に隣り合う第２の単位セル２０２では、第２の入射角度で光が入射したときに受光素子に入射する光の光量が最大となるように、マイクロレンズが集光を行い、第１の単位セル２０１において第３の入射角度で光が入射したときの受光素子に入射する光の光量と、第２の単位セル２０２において第３の入射角度で光が入射したときの受光素子に入射する光の光量とは等しく、第１の入射角度は、第３の入射角度より所定量だけ大きく、第２の入射角度は、第３の入射角度より所定量だけ小さいことが分かる。言い換えると、左右または上下に隣接する第１の単位セル２０１および第２の単位セル２０２が互いに別々の光学中心を有し、別々の光学中心と第１の単位セル２０１又は第２の単位セル２０２とを結んだ時の入射角度が受光素子に入射する光の光量分布の最大値での入射角度となっていることが分かる。

次に、集光分布関数を実現するマイクロレンズの詳細を説明する。

図６は、図５の集光特性分布を実現するマイクロレンズの配置例を単位セル群毎に示す図である。なお、図６の配置例は図４Ａの単位セルの配列の時の配置例を図示している。図６（ａ）は固体撮像装置１４０１の画素部１０の左上角位置、図６（ｂ）は固体撮像装置１４０１の画素部１０の上方中心位置、図６（ｃ）は固体撮像装置１４０１の画素部１０の右上角位置、図６（ｄ）は固体撮像装置１４０１の画素部１０の左水平端位置、図６（ｅ）は固体撮像装置１４０１の画素部１０の中心位置、図６（ｆ）は固体撮像装置１４０１の画素部１０の右水平端位置での単位セル群のマイクロレンズの上面パターン（局所的な４×４の１６個の単位セルのそれぞれに配置されたマイクロレンズの上面パターン）を示している。

図５の集光特性分布を実現するために各単位セルのマイクロレンズは、上方から見たとき、マイクロレンズへの入射光の波長と同程度かそれよりも短い線幅で分離され、マイクロレンズの受光面に対して垂直な方向の軸を中心軸とする同心構造の複数の光透過膜２１０を有し、複数の光透過膜２１０の組み合わせによって制御された実効屈折率分布を有している。

また、このようなマイクロレンズを実現するために、マイクロレンズは、例えば無機材料で形成されたマイクロレンズ、いわゆるデジタルマイクロレンズとされる。図６のような上面パターンを持つマイクロレンズを各単位セルの上方に実装すれば、各単位セルで局所的に入射角度変化に対する異なる集光特性を持つ固体撮像装置１４０１を実現することが可能になる。

図７Ａは、図６（ｄ）又は図６（ｆ）の単位セル群のマイクロレンズの構成の一例を示す断面図である。図７Ｂは図７Ａのマイクロレンズの下段構造を形成するためのマスクパターン１３０１の上面図であり、図７Ｃは図７Ａのマイクロレンズの上段構造を形成するためのマスクパターン１３０２の上面図である。

図７Ａのマイクロレンズ１３０５は、図７Ｂおよび図７Ｃのマスクパターンを用いて形成された２段構造のマイクロレンズである。マイクロレンズ１３０５は、下段形成用のマスクパターン１３０１により形成された下段集光部１３０４と、上段形成用のマスクパターン１３０２により形成された上段集光部１３０３とで構成される。

図８は、図６の画素部１０のマイクロレンズの構成の他の例を示す断面図である。図８では、固体撮像装置１４０１の画素部１０の中心位置（図６（ｅ））の特徴的な４つの単位セルの構成と、マイクロレンズの構成とを示す断面図（水平方向に切り出した場合の断面図）が示されている。

図８では、マイクロレンズ９０１ａ、９０１ｃは左側から斜め入射してくる光を半導体基板９０３内の受光素子（光電変換素子）９０４に集光しており、マイクロレンズ９０１ｂ、９０１ｄは右側から斜め入射してくる光を受光素子９０４に集光している。単位セルへの光は、それぞれ右側、左側から斜め入射してくる。マイクロレンズ９０１ａ、９０１ｂ、９０１ｃ、９０１ｄで集光された光は、遮光膜９０６の開口を通過して受光素子９０４に入射する。

なお、上述した図７Ａのマイクロレンズ１３０５においても、２段構造の集光部が、撮像領域面において異なる屈折率分布を有する２つの２段構造のマイクロレンズを構成しており、それらが境界線において互いに接していることにより、図８と同様の効果が奏される。

また、本実施形態では集光素子として分布屈折率型のマイクロレンズを用いたが、他の集光素子として光を集光せず光を曲げる機能のみをもつような画素プリズム、つまり実行屈折率分布が三角プリズムと実質的に等しい集光素子が用いられても構わない。

以上のように、本実施形態の固体撮像装置によれば、光量が最大となる入射角度が異なる第１の単位セルおよび第２の単位セルが隣り合って設けられるため、２方向の入射光を同時に受光できる。また、特許文献２のように半導体基板表面に立体的構造を形成する必要がないので、標準的な半導体加工で固体撮像装置を製作できる。また、特許文献３のように２つの開口を持つ遮光板を必要としない立体視可能な固体撮像装置を実現できる。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態の撮像装置について説明する。

本実施形態の撮像装置は、画素部が水平方向で２つに分割されている点で第１の実施形態の撮像装置と異なる。

まず、撮像装置の簡単な光学系の詳細について説明する。

図９は立体撮像するときの撮像装置の概略図である。図９では、２つのレンズ５０７、５０８で集光された光が一つのレンズ５０１を経由して異なる焦点５０３Ｃ、５０３Ｄへ集光する様子が示されている。

図９では、ある被写体５０４を撮像装置のレンズ５０１で固体撮像装置５０２の撮像領域に結像したときの焦点５０３Ｃ、５０３Ｄが示されている。被写体５０４をレンズ５０７とレンズ５０８との二視点で結像し、それらのレンズを通過したそれぞれの光をレンズ５０１で結像した場合、レンズ５０７、５０８を通過した光はそれぞれレンズ５０１の領域Ａ、領域Ｂを通過し固体撮像装置５０２の撮像領域に結像される。例えば、被写体５０４は、固体撮像装置５０２の撮像領域の領域Ｃの焦点５０３Ｃと、領域Ｄの焦点５０３Ｄとにそれぞれ結像される。このように固体撮像装置５０２は、２つのレンズ５０７、５０８を通過した光を領域Ｃおよび領域Ｄで別々に受光するように構成される。ここで、図９は、レンズ５０７、５０８が一般的なレンズ系であって、凸レンズ１枚で構成されるなどということを限定しているわけではなく、レンズ５０１に光を導くようなレンズ構成である任意のレンズ構成のレンズ系であることを意味している。領域Ｃおよび領域Ｄに２つの光学系からの光を別々に集光することは、通常であれば、領域Ｃと領域Ｄとの間に無効領域を設けるなどが必要で、どうしても２つの光学系からの光が交じる領域、もしくは混じらないようにする領域を固体撮像装置５０２に設けることが必要である。しかし、本実施形態によれば、この領域をなくすことができる。

次に、単位セルの配置の詳細について説明する。

図１０は、領域Ａおよび領域Ｂを通過する情報（光）を個別に保存（集光）するための単位セル（マイクロレンズ）の配列例（領域Ｃおよび領域Ｄの境界部分の単位セルの配列例）を示す図である。なお、図１０では、第１の単位セル６０２および第３の単位セル６０３は領域Ａからの光（光束）５０５を受光する単位セルに対応し、第２の単位セル６０１および第４の単位セル６０４は領域Ｂからの光（光束）５０６を受光する単位セルに対応している。特に、第１の単位セル６０２および第２の単位セル６０１は領域Ｃおよび領域Ｄの境界を構成する単位セル３に対応している。また、異なる領域の単位セルについて、一方の光学系からの光が入る単位セルには、他方の光学系からの光が入るのを制限するようなマイクロレンズが配列されている。

複数の第３の単位セル６０３と複数の第４の単位セル６０４とは第１の単位セル６０２および第２の単位セル６０１を挟んで対向するように配置されている。

次に、集光分布関数の詳細について説明する。

図１１は、固体撮像装置５０２の画素部７０１に配置するマイクロレンズの集光特性を画素部７０１の単位セル群の位置毎に示した図である。

固体撮像装置５０２は、二つの光学系からの光をそれぞれ受光する領域Ｃおよび領域Ｄを含む画素部７０１を備えている。図１１は、２つの光学系の光学中心を領域Ｃおよび領域Ｄにした場合を示している。この場合、領域Ｃおよび領域Ｄのそれぞれの中心付近の集光特性は０度を中心として対称な特性となっている。一方、領域Ｃと領域Ｄとの境界部分の集光特性は、境界を境にして隣り合う領域Ｃの第１の単位セル６０２の集光特性および領域Ｄの第２の単位セル６０１の集光特性を比較した場合、０度の入射角度を中心に集光特性を示す曲線が反転するような特性となっている。このような集光特性にすることで、対応しない光学系の光を入射制限することになり、領域Ｃの第１の単位セル６０２に領域Ｂからの光が入射することを制限し、かつ、領域Ｄの第２の単位セル６０１に領域Ａからの光が入射することを制限することになる。結果として、無効領域をつくることなく２系統の光学系の画像を１つの固体撮像装置で得ることができる。ここで、例として光学中心は領域Ｃおよび領域Ｄの中心に設定したが、必ずしも領域Ｃおよび領域Ｄの中心にある必要はない。

図１１から、固体撮像装置５０２の複数の単位セルのうちの第１の単位セル６０２に隣り合う領域Ｃの第３の単位セル６０３では、第１の入射角度で光が入射したときに受光素子に入射する光の光量が最大となるように、マイクロレンズが集光を行い、固体撮像装置５０２の複数の単位セルのうちの第２の単位セル６０１に隣り合う領域Ｄの第４の単位セル６０４では、第２の入射角度で光が入射したときに受光素子に入射する光の光量が最大となるように、マイクロレンズが集光を行い、第３の単位セル６０３において第３の入射角度で光が入射したときの受光素子に入射する光の光量と、第２の単位セル６０１において第３の入射角度で光が入射したときの受光素子に入射する光の光量とは等しく、第４の単位セル６０４において第３の入射角度で光が入射したときの受光素子に入射する光の光量と、第１の単位セル６０２において第３の入射角度で光が入射したときの受光素子に入射する光の光量とは等しく、画素部７０１は、複数の第１の単位セル６０２と複数の第２の単位セル６０１との境界を境にして、複数の第３の単位セル６０３が配列された画素部７０１の右側の第１の領域と、複数の第４の単位セル６０４が配列された画素部７０１の左側の第２の領域とに分けられることが分かる。

次に、図１１の集光分布関数を実現するマイクロレンズの詳細を説明する。

図１２は、図１１の集光特性を実現するマイクロレンズの配置例を単位セル群毎に示す図である。

図１１の集光特性分布を実現するために各単位セルのマイクロレンズは、第１の実施形態と同様に、マイクロレンズへの入射光の波長と同程度かそれより短い線幅で分離され、マイクロレンズの受光面に対して垂直な方向の軸を中心軸とする同心構造の複数の光透過膜を有し、複数の光透過膜の組み合わせによって制御された実屈折率分布を有している。具体的に、マイクロレンズは、第１の実施形態で説明した図７Ａのような断面構造を有しているため詳細説明は重複を避け割愛する。

図１１および図１２のようにマイクロレンズを配置することで、２眼レンズ方式でも無効領域のない単板固体撮像装置を実現することができる。

以上のように、本実施形態の固体撮像装置によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態の撮像装置について説明する。

本実施形態の撮像装置は、４視点対応の撮像装置である点で第１の実施形態の撮像装置と異なる。

まず、撮像装置の簡単な光学系の詳細について説明する。

図１３は、立体撮像するときの撮像装置の概略図を示している。図１３では、レンズ１００１の４つの異なるスポットから固体撮像装置１００２へ集光する様子が示されている。

図１３では、単眼レンズで光を単板式固体撮像装置で受光する光学系が模式的に示されており、レンズ１００１と、固体撮像装置１００２と、被写体１００４と、レンズ１００１通過後の光、特にレンズ１００１の領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃおよび領域Ｄを通過した光（光束）１００５Ａ、１００５Ｂ、１００５Ｃ、１００５Ｄとが示されている。被写体１００４は固体撮像装置１００２の焦点１００３に集光される。この時、図１３は例えばレンズ１００１内の４つの領域を通過した光を受光する構成、すなわち４視点の構成を示しているが、３視点以上であれば４視点に限られない。

次に、単位セルの配置の詳細について説明する。

図１４は、領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃおよび領域Ｄを通過する情報（光）を個別に保存（集光）するための単位セル（マイクロレンズ）の配列例を示す図である。なお、図１４では、第１の単位セル１１０１は領域Ａからの光１００５Ａを受光する単位セル３に対応し、第２の単位セル１１０２は領域Ｂからの光１００５Ｂを受光する単位セル３に対応し、第３の単位セル１１０３は領域Ｃからの光１００５Ｃを受光する単位セル３に対応し、第４の単位セル１１０４は領域Ｄからの光１００５Ｄを受光する単位セル３に対応している。

第１の単位セル１１０１および第２の単位セル１１０２が交互に列方向に並ぶ列と、第３の単位セル１１０３および第４の単位セル１１０４が交互に列方向に並ぶ列とが行方向に交互に並んでいる。つまり、第１の単位セル１１０１、第２の単位セル１１０２、第３の単位セル１１０３および第４の単位セル１１０４を１つのグループとして、複数のグループが行列状に配置されている。

図１５は、画素部の中心付近の第１の単位セル１１０１、第２の単位セル１１０２、第３の単位セル１１０３および第４の単位セル１１０４のそれぞれのマイクロレンズの集光特性を示している。

図１５のような集光特性を第１の単位セル１１０１、第２の単位セル１１０２、第３の単位セル１１０３および第４の単位セル１１０４のマイクロレンズに持たせることで、左右上下のレンズ１００１の各領域からの光を異なる単位セルで個別に集光して受光することが可能になるため、４視点からの撮像が単板の固体撮像装置で同時にできる。その結果、３視点以上の視点を持つ多視点カメラが単板の固体撮像装置で可能になる。

なお、図には示さなかったが、第２の実施形態の構成と本実施形態の構成とを組み合わせたような光学系、すなわち前側のレンズは複眼にし、後側のレンズは単眼にし、固体撮像装置上に対応しない光学系の光を制限するマイクロレンズを設けることも可能である。その場合、効果として４視点の構成においても無効領域のない単板式固体撮像装置を実現することができる。

また、図１３では、レンズ内の異なる４つの領域を通過する光を異なる単位セルで個別に集光して受光するとした。しかし、例えばレンズ内の領域Ａおよび領域Ｂの２つの領域を通過する光を異なる単位セルで個別に集光して受光するマイクロレンズの構成と、一眼レンズ全面の領域を通過する光を集光して受光する従来通りの入射角度を制限しないマイクロレンズの構成とを組み合わせてもよい。この場合、例えば領域Ａおよび領域Ｂの光を個別に受光して得られた出力では３Ｄ表示が可能であるし、同時または選択的に従来の感度のよい２次元画像も得ることができる。例えば、通常は照明の電力を抑えるために感度のよい従来の２次元撮像を行い、立体視したい局面にくれば３Ｄ撮像を行うことが可能である。３Ｄ撮像では光の入射角度を制限しているため感度が落ちてしまうが、照明強度をその局面だけ上げて使うなどの応用も可能である。また、電力的な観点の他には、眼性疲労が高いと言われる３Ｄ映像を局時的に適用するなどの応用も可能である。

以上のように、本実施形態の固体撮像装置によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

（第４の実施形態）
図１６は、図３の領域Ａおよび領域Ｂを通過する光を個別に受光する単位セルの２次元配列例を示す図である。なお、図１６では、第１の単位セル２０１は領域Ａからの光１０５を受光する単位セル３に対応し、第２の単位セル２０２は領域Ｂからの光１０６を受光する単位セル３に対応している。

図１６では、第１の単位セル２０１の列と第２の単位セル２０２の列とが行方向に交互に配置されている。

図１７Ａおよび図１７Ｂは、第１の単位セル２０１および第２の単位セル２０２の断面図（図１６のＸ−Ｘ’におけるＹ’から見た断面図）であり、マイクロレンズの構成例と光の集光の様子とを示している。また、図１８は、第２の単位セル２０２の断面図（図１６のＹ−Ｙ’における断面図）であり、マイクロレンズの構成例を示している。

１つのマイクロレンズ９０７は、図１７Ａに示すように第１の単位セル２０１の列と第２の単位セル２０２の列に跨って形成されている。そして、マイクロレンズ９０７は、領域Ａ（図１７Ａの左側）から斜め入射してくる光９０５を第１の単位セル２０１の列の受光素子（光電変換素子）９０４に集光する。また、図１７Ｂにおいて、マイクロレンズ９０７は、領域Ｂ（図１７Ｂの右側）から斜め入射してくる光９０５を受光素子９０４に集光する。

図１９にマイクロレンズ９０７の上面図（第１の単位セル２０１および第２の単位セル２０２が２次元配置された面と平行な面における平面図）を示す。

１つのマイクロレンズ９０７は、第１の単位セル２０１の列と第２の単位セル２０２の列とに跨って配置され、列方向にシリンドリカル形状をしている。そのため、マイクロレンズ９０７には垂直方向の集光特性がないため、図１８に示すように、第１の単位セル２０１および第２の単位セル２０２には、行毎に（列方向に隣接する第１の単位セル２０１および第２の単位セル２０２に跨って）行方向にシリンドリカル形状をした層内マイクロレンズ９０８が形成されている。従って、マイクロレンズ９０７は領域Ａ及びＢ（図１７Ａ及び図１７Ｂの左右）から来た光の選択機能と水平方向の集光機能とを有しており、単位セルのマイクロレンズ９０７の下方に配置された層内集光素子としての層内マイクロレンズ９０８は垂直方向の集光機能を有している。

なお、図２０の第２の単位セル２０２の断面図（図１６のＹ−Ｙ’における断面図）に示すように層内マイクロレンズ９０８を実効屈折率分布レンズで構成してもよい。この実効屈折率分布レンズは、周囲よりも屈折率が大きい屈折率材料を光の波長以下のサイズで配置し、実効的な屈折率分布で集光を行う。実効屈折率分布レンズは、材料の配置を自由に設計できるため、例えば、光入射角度に起因するシェーディングなどに対しても、画素単位でレンズ設計できるため改善が可能になる。また、マイクロレンズ９０７は、図２１に示すような円形レンズを切り出した形を列方向に並べた形状で良い。

図２２に本実施形態における構成の集光特性を示している（図１７Ａおよび図１７ＢにおけるＸ’方向が入射角度のプラス方向）。この結果からわかるように、隣接する第１の単位セル２０１のマイクロレンズ９０７と第２の単位セル２０２のマイクロレンズ９０７とを１単位として、又は隣接する第１の単位セル２０１の列のマイクロレンズ９０７と第２の単位セル２０２の列のマイクロレンズ９０７とを１単位として、複数のマイクロレンズ９０７を配置する構成にすることで、水平方向の光の分離が実現できる。

（まとめ）
以上、図面を用いて説明したように、本発明の実施形態に係る固体撮像装置は、受光素子とマイクロレンズとを備えた単位セルを２次元状に配列した固体撮像装置であって、前記マイクロレンズは前記受光素子に入射する光の入射角度範囲を制限し、左右または上下に隣接する単位セル間で受光素子に入射する光の入射角度依存性を示す光量分布の最大値での入射角度が前記光量分布の交点の入射角度に対して対称であり前記最大値での入射角度が互いに異なる。

これにより、マイクロレンズは受光素子に入射する光の入射角度範囲を制限し、左右または上下に隣接する単位セル間で受光素子に入射する光の光量分布の最大値での入射角度が前記光量分布の交点の入射角度に対して対称であり前記最大値での入射角度が互いに異なることで、異なる入射角度の入射光を同時に撮像することが可能になる。また、異なる視点からの入射光を同時に受光できるので実時間で立体視できる撮像装置を構成することが可能になる。

このとき、単位セルのマイクロレンズはどのような実装構成であっても構わない。また、入射角度の異なる入射光は２種類以上が可能である。これは、例えば、２種類であれば左右の２視点を前提とした立体視が可能であるし、例えば４種類であれば左右上下からの視点を利用でき水平垂直の方向から立体視が可能である。その時、水平方向、垂直方向に限らず斜め方向での立体視であっても良い。また、Ｎ×Ｎ（Ｎは２以上の整数）視点など複数視点で構成されても良い。また、入射角度を制限しないマイクロレンズと組み合わせても良い。例えば、１つの単位セルが４画素を含む４画素１セルにおいて、１画素を右目用の入射角度を制限したマイクロレンズとし、１画素を左目用の入射角度を制限したマイクロレンズとし、残り２画素を入射角度を制限しないマイクロレンズとするなどの構成が可能である。この場合、立体視の２視点の映像を撮像できると同時に、２次元の映像を取得することができる。

また、受光素子とマイクロレンズとを備えた単位セルを２次元状に配列した固体撮像装置であって、撮像領域の左右の前記マイクロレンズで入射可能な光の入射角度範囲の主範囲が異なる。撮像領域の左右のマイクロレンズで入射可能な光の入射角度範囲の主範囲が異なることで、固体撮像装置の無効領域を減少させることが可能になり、撮像領域を効率的に使用することが可能になる。

また、マイクロレンズは入射光の波長と同程度かそれよりも短い線幅で分離され、受光面に対して垂直な方向の軸を中心軸とする同心構造の複数の光透過膜の組み合わせによって制御した実効屈折率分布を有する。これにより、所望の固体撮像装置のマイクロレンズを標準的な半導体工程で作成することが実現できる。

また、マイクロレンズは、実行屈折率分布が三角プリズムと実質的に等しい。これにより、異なる特定の入射角度の入射光を同時に受光することが可能になる。

以上、本発明の固体撮像装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、複数の実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。

本発明は、固体撮像装置に利用可能であり、特に３Ｄカメラおよび３Ｄ内視鏡カメラなどの被写体の立体視を行うカメラに利用可能であり、産業上有用である。

３ 単位セル
１０、７０１ 画素部
１４ 垂直走査回路
１８ 水平信号線
１９ 垂直信号線
２５ ＡＤ変換回路
２６ カラムＡＤ回路
２７ 参照信号生成部
２７ａ ＤＡＣ
２８ 出力Ｉ／Ｆ
３０ 通信・タイミング制御部
４２ カラムアンプ
１０１、５０１、５０７、５０８、１００１ レンズ
１０３、５０３Ｃ、５０３Ｄ、１００３ 焦点
１０４、５０４、１００４ 被写体
１０５、１０６、５０５、５０６、１００５Ａ、１００５Ｂ、１００５Ｃ、１００５Ｄ 光
２０１、６０２、１１０１ 第１の単位セル
２０２、６０１、１１０２ 第２の単位セル
２１０ 光透過膜
２５２ 電圧比較部
２５４ カウンタ部
２５６ データ記憶部
２５８ スイッチ
２６２ 信号保持容量
２６３ 信号保持スイッチ
５０２、１００２、１４０１ 固体撮像装置
６０３、１１０３ 第３の単位セル
６０４、１１０４ 第４の単位セル
９０１ａ、９０１ｂ、９０１ｃ、９０１ｄ、９０７、１３０５ マイクロレンズ
９０３ 半導体基板
９０４ 受光素子
９０５ 光
９０６ 遮光膜
９０８ 層内マイクロレンズ
１３０１、１３０２ マスクパターン
１３０３ 上段集光部
１３０４ 下段集光部
１４０２ 信号処理部
１４０３ メモリ部
１４０４ 出力部
１４０５ モニタ部

Claims (3)

1. 一つのカメラレンズで構成される撮像カメラに用いる固体撮像装置であって、
   受光素子と、前記受光素子に入射光を集光する集光素子と、層内集光素子とを有する画素が２次元状に複数配列され、
   前記一つのカメラレンズ内の第１の領域からの光を集光する第１の画素、および、前記一つのカメラレンズ内の前記第１の領域と異なる第２の領域からの光を集光し、前記第１の画素と隣り合う第２の画素を有し、
   前記画素では、前記受光素子に入射する光の光量が前記画素に入射する光の入射角度に依存して変化するように、前記集光素子と前記層内集光素子とが集光を行い、
   前記第１の画素は、第１の入射角度で光が入射したときに前記受光素子に入射する光の光量が最大となるように、前記第１の領域からの光を集光し、
   前記第２の画素は、第２の入射角度で光が入射したときに前記受光素子に入射する光の光量が最大となるように、前記第２の領域からの光を集光し、
   前記第１の画素に第３の入射角度で光が入射したときの前記受光素子に入射する光の光量と、前記第２の画素に前記第３の入射角度で光が入射したときの前記受光素子に入射する光の光量とは等しく、
   前記第１の入射角度は、前記第３の入射角度より所定量だけ大きく、
   前記第２の入射角度は、前記第３の入射角度より前記所定量だけ小さく、
   前記層内集光素子は、入射光の波長と同程度かそれよりも短い線幅で分離され、受光面に対して垂直な方向の軸を中心軸とする同心構造の複数の光透過膜の組み合わせによって制御した実効屈折率分布を有し、
   前記層内集光素子の前記複数の光透過膜の前記同心構造のパターンが、前記第１の画素と前記第２の画素とで異なる
   固体撮像装置。
2. 前記第１の画素と前記第２の画素とは、列方向および行方向のうち少なくとも一方の方向に交互に配置される
   請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記集光素子は、隣接する前記第１の画素と前記第２の画素とに跨って配置される
   請求項２に記載の固体撮像装置。

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