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技術 撮像素子

出願人 HOYA株式会社
発明者 松岡祥平
出願日 2010年6月24日 (10年5ヶ月経過) 出願番号 2010-144156
公開日 2011年2月10日 (9年9ヶ月経過) 公開番号 2011-029621
状態 未査定
技術分野 固体撮像素子
主要キーワード 反射光路長 配列線 付加素子 受光波長域 中央値近傍 次方向 中心点間 低次回折光
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2011年2月10日)のものです。
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図面 (20)

課題

反射回折光によるゴーストの発生を効果的に抑制可能な撮像素子を実現する。

解決手段

撮像素子10の第1画素101においては、アレイレンズ16の一部である第1マイクロレンズ161が厚く、入射光Lの反射光路長が長い。これに対し、第2、第3画素102、103では、アレイレンズ16の第2、第3マイクロレンズ162、163が第1画素領域161よりも薄いため、入射光Lの反射光路長が短い。このように反射光路長差を設けることにより、画素間で生じる回折光コントラストを低下させ、反射回折ゴーストによる画像劣化を抑える。

概要

背景

従来から、撮影光学系に入射した光の一部がレンズ面間で反射し、撮像面に達することで発生するゴーストと呼ばれるノイズが知られている。また、近年、入射した光を光電変換して記録する固体撮像素子(以下、単に撮像素子と言う)が用いられるようになっている。そして、撮像素子に入射した光の一部が反射して撮像光学系に再入射し、撮像光学系内のレンズ面等によってさらに反射されて再び撮像素子に入射することによっても、ゴーストが生じることが知られている。

このゴーストの発生を防止するために、撮像素子表面アレイレンズの個々の寸法に対して極めて微細凹凸形状をレンズ表面に与えることにより、反射を抑制することが知られている(特許文献1参照)。

概要

反射回折光によるゴーストの発生を効果的に抑制可能な撮像素子を実現する。撮像素子10の第1画素101においては、アレイレンズ16の一部である第1マイクロレンズ161が厚く、入射光Lの反射光路長が長い。これに対し、第2、第3画素102、103では、アレイレンズ16の第2、第3マイクロレンズ162、163が第1画素領域161よりも薄いため、入射光Lの反射光路長が短い。このように反射光路長差を設けることにより、画素間で生じる回折光コントラストを低下させ、反射回折ゴーストによる画像劣化を抑える。(A)

目的

本発明は、反射強度を抑えるという従来例とは異なり、反射回折光による水玉模様状のゴーストを、一般的なゴーストのような単体状に変化させ、画像の劣化を効果的に抑制し得る撮像素子の実現を目的とする

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

光電変換素子と前記光電変換素子を覆い入射する光を透過する光学素子とを有し、受光面上に2次元状に配置される複数の画素を備え、複数の前記画素の中から選択した2つの画素のペアである画素ペアの中で、一部の前記画素ペアに含まれる2つの前記画素における前記光学素子の前記光電変換手段に相対する面である近位面の反対側の遠位面と前記光電変換手段までの距離に、第1の差が設けられることを特徴とする撮像素子

請求項2

前記第1の差が設けられる前記画素ペアの2つの前記画素における前記光学素子の厚さが異なることを特徴とする請求項1に記載の撮像素子。

請求項3

光電変換素子と前記光電変換素子を覆い前記光電変換素子に向かう光を透過する光学素子とを有し、受光面上に2次元状に配置される複数の画素を備え、複数の前記画素の中から選択した2つの画素のペアである画素ペアの中で、一部の前記画素ペアに含まれる2つの前記画素における前記光学素子の厚さに、第1の差が設けられることを特徴とする撮像素子。

請求項4

前記光電変換素子に相対する前記光学素子の面である近位面の反対側の遠位面と前記光電変換素子との間の距離が、前記第1の差が設けられる前記画素ペアの2つの前記画素において等しいことを特徴とする請求項3に記載の撮像素子。

請求項5

前記第1の差を有する前記画素ペアが、前記光電変換素子の受光面内の所定の方向に沿って周期的に配列されていることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の撮像素子。

請求項6

前記画素が二次元配列されており、前記前記第1の差を有する画素ペアが前記二次元配列の縦方向および横方向の少なくとも一方向に沿って周期的に配列されていることを特徴とする請求項5に記載の撮像素子。

請求項7

前記第1の差を有する前記画素ペアの数と、前記第1の差が設けられない前記画素ペアの数とが、実質的に等しいことを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の撮像素子。

請求項8

前記画素が二次元配列されており、任意の前記画素の周囲8方向のそれぞれについて最も近くに位置する8つの隣接画素のうち少なくとも1方向に沿って配置された前記隣接画素と前記任意の画素とによって構成される前記画素ペアの中で、前記第1の差を有する前記画素ペアの数と、前記第1の差が設けられない前記画素ペアの数とが、実質的に等しいことを特徴とする請求項7に記載の撮像素子。

請求項9

前記画素が二次元配列されており、任意の前記画素の周囲8方向のそれぞれについて最も近くに位置する8つの隣接画素の周囲において前記隣接画素の最も近くに位置する16個の前記画素である再隣接画素のうち少なくとも1方向に沿って配置された前記再隣接画素と前記任意の画素とによって構成される前記画素ペアの中で、前記第1の差が設けられる前記画素ペアの数と、前記第1の差が設けられない画素ペアの数とが、実質的に等しいことを特徴とする請求項7に記載の撮像素子。

請求項10

前記画素が二次元配列されており、前記二次配列における縦方向と横方向とにおいて4×4の16の画素を含む画素ユニット内において、所定の方向において任意の画素に最も近くに位置する画素である隣接画素と前記任意の画素とによって構成される前記画素ペアの中で、前記第1の差が設けられる前記画素ペアの数と、前記第1の差が設けられない前記画素ペアの数とが実質的に等しく、前記撮像素子内には前記画素ユニットが、複数設けられていることを特徴とする請求項7に記載の撮像素子。

請求項11

前記画素はカラーフィルタを有し、前記画素ペアに含まれる2つの前記画素における前記カラーフィルタを透過する光の前記光学素子における反射光位相差を生じさせるように前記第1の差が定められることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の撮像素子。

請求項12

前記光学素子はアレイレンズであることを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載の撮像素子。

請求項13

前記画素は前記光電変換素子と前記光学素子の間に設けられるアレイレンズを有することを特徴とする請求項1〜請求項11のいずれか1項に記載の撮像素子。

請求項14

前記第1の差が1/2×(m1+1/4)×λより大きく(m1は任意の整数、λは前記光学素子に入射する光の受光波長域中央値)、1/2×(m1+3/4)×λより小さい範囲であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の撮像素子。

請求項15

前記第1の差が1/2×(m1+1/4)×λ÷(n1−n2)より大きく(m1は任意の整数、λは前記光学素子に入射する光の受光波長域の中央値、n1は前記光学素子の屈折率、n2は第1の差を生じさせる空間に充填された物質の屈折率または空気の屈折率)、1/2×(m1+3/4)×λ÷(n1−n2)より小さい範囲であることを特徴とする請求項2〜請求項4のいずれか1項に記載の撮像素子。

請求項16

前記第1の差が、1/2×(1/2)×λ×1/2より大きく(λは前記光学素子に入射する光の受光波長域の中央値)、1/2×(1/2)×λ×3/2より小さいことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の撮像素子。

請求項17

前記第1の差が、1/2×1/2×λ÷(n1−n2)×1/2より大きく(λは前記光学素子に入射する光の受光波長域の中央値、n1は前記光学素子の屈折率、n2は第1の差を生じさせる空間に充填された物質の屈折率または空気の屈折率)、1/2×(1/2)×λ÷(n1−n2)×3/2より小さいことを特徴とする請求項2〜請求項4のいずれか1項に記載の撮像素子。

請求項18

前記第1の差が、200nmから350nmであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の撮像素子。

請求項19

前記第1の差が、250nmから300nmであることを特徴とする請求項18に記載の撮像素子。

請求項20

前記第1の差を(n1−n2)で除した第1の値(n1は前記光学素子の屈折率、n2は第1の差を生じさせる空間に充填された物質の屈折率または空気の屈折率)が、200nmから350nmであることを特徴とする請求項2〜請求項4のいずれか1項に記載の撮像素子。

請求項21

前記第1の値が、250nmから300nmであることを特徴とする請求項20に記載の撮像素子。

請求項22

光電変換素子と前記光電変換素子を覆い入射する光を透過する光学素子とを有し、受光面上に2次元状に配置される複数の画素を備え、複数の前記画素の中から選択した2つの画素のペアである画素ペアの中で、一部の前記画素ペアに含まれる2つの前記画素における前記光学素子の前記光電変換手段に相対する面である近位面から前記光電変換手段までの距離に、第1の差が設けられることを特徴とする撮像素子。

技術分野

0001

本発明は、撮像素子に関し、特に、ゴーストの発生を抑制可能な撮像素子に関する。

背景技術

0002

従来から、撮影光学系に入射した光の一部がレンズ面間で反射し、撮像面に達することで発生するゴーストと呼ばれるノイズが知られている。また、近年、入射した光を光電変換して記録する固体撮像素子(以下、単に撮像素子と言う)が用いられるようになっている。そして、撮像素子に入射した光の一部が反射して撮像光学系に再入射し、撮像光学系内のレンズ面等によってさらに反射されて再び撮像素子に入射することによっても、ゴーストが生じることが知られている。

0003

このゴーストの発生を防止するために、撮像素子表面アレイレンズの個々の寸法に対して極めて微細凹凸形状をレンズ表面に与えることにより、反射を抑制することが知られている(特許文献1参照)。

先行技術

0004

特開2006−332433号公報

発明が解決しようとする課題

0005

レンズの面間反射により生じる一般的なゴーストは、単体の円状、あるいは絞り羽根が作る多角形状の形態であり、ノイズではありながらも、映像表現の一部としてむしろ積極的に用いられることもある。

0006

しかしながら、撮像素子表面の反射によって発生するゴーストについては、アレイレンズが、表面に入射した光に対して反射型回折格子に似た作用をする。そのため、アレイレンズによる反射光周期的に明暗が繰り返される強度分布を有し、その反射光がレンズ面等で再反射し、再度撮像素子に入射することで、光点一定間隔整列した水玉模様状のゴーストが発生し得る。

0007

この水玉模様のゴーストは、一般的な単体状のゴーストに比べて不自然で目立ちやすいため、例えば特許文献1の方法によって反射強度を小さくし、水玉模様の各粒は薄くできたとしてもなお、画像を劣化させてしまう。すなわち、従来のゴースト対策は、このような形態のゴーストに対する十分な解決手段とはなっていない。

0008

本発明は、反射強度を抑えるという従来例とは異なり、反射回折光による水玉模様状のゴーストを、一般的なゴーストのような単体状に変化させ、画像の劣化を効果的に抑制し得る撮像素子の実現を目的とする。

課題を解決するための手段

0009

本発明の第1の撮像素子は、光電変換素子と光電変換素子を覆い入射する光を透過する光学素子とを有し受光面上に2次元状に配置される複数の画素を備え、複数の画素の中から選択した2つの画素のペアである画素ペアの中で一部の画素ペアに含まれる2つの画素における光学素子の光電変換手段に相対する面である近位面の反対側の遠位面と光電変換手段までの距離に第1の差が設けられることを特徴としている。

0010

なお、第1の差が設けられる画素ペアの2つの画素における光学素子の厚さが異なることが好ましい。

0011

本発明の第2の撮像素子は、光電変換素子と光電変換素子を覆い光電変換素子に向かう光を透過する光学素子とを有し受光面上に2次元状に配置される複数の画素を備え、複数の画素の中から選択した2つの画素のペアである画素ペアの中で一部の画素ペアに含まれる2つの画素における光学素子の厚さに第1の差が設けられることを特徴としている。

0012

また、光電変換素子に相対する光学素子の面である近位面の反対側の遠位面と光電変換素子との間の距離が、第1の差が設けられる画素ペアの2つの画素において等しいことが好ましい。

0013

また、第1の差を有する画素ペアが、光電変換素子の受光面内の所定の方向に沿って周期的に配列されていることが好ましい。

0014

また、画素が二次元配列されており、前記第1の差を有する画素ペアが二次元配列の縦方向および横方向の少なくとも一方向に沿って周期的に配列されていることが好ましい。

0015

また、第1の差を有する画素ペアの数と第1の差が設けられない画素ペアの数とが、実質的に等しいことが好ましい。

0016

また、画素が二次元配列されており、任意の画素の周囲8方向のそれぞれについて最も近くに位置する8つの隣接画素のうち少なくとも1方向に沿って配置された隣接画素と任意の画素とによって構成される画素ペアの中で、第1の差を有する画素ペアの数と、第1の差が設けられない画素ペアの数とが、実質的に等しいことが好ましい。

0017

また、画素が二次元配列されており、任意の画素の周囲8方向のそれぞれについて最も近くに位置する8つの隣接画素の周囲において隣接画素の最も近くに位置する16個の画素である再隣接画素のうち少なくとも1方向に沿って配置された再隣接画素と任意の画素とによって構成される画素ペアの中で第1の差が設けられる画素ペアの数と第1の差が設けられない画素ペアの数とが実質的に等しいことが好ましい。

0018

また、画素が二次元配列されており、二次配列における縦方向と横方向とにおいて4×4の16の画素を含む画素ユニット内において所定の方向において任意の画素に最も近くに位置する画素である隣接画素と任意の画素とによって構成される画素ペアの中で第1の差が設けられる画素ペアの数と第1の差が設けられない画素ペアの数とが実質的に等しく、撮像素子内には画素ユニットが複数設けられていることが好ましい。

0019

また、画素はカラーフィルタを有し、画素ペアに含まれる2つの画素におけるカラーフィルタを透過する光の光学素子における反射光に位相差を生じさせるように第1の差が定められることが好ましい。

0020

また、光学素子はアレイレンズであることが好ましい。

0021

また、画素は光電変換素子と光学素子の間に設けられるアレイレンズを有することが好ましい。

0022

また、第1の差が1/2×(m1+1/4)×λより大きく(m1は任意の整数、λは光学素子に入射する光の受光波長域中央値)、1/2×(m1+3/4)×λより小さい範囲であることが好ましい。

0023

また、第1の差が1/2×(m1+1/4)×λ÷(n1−n2)より大きく(m1は任意の整数、λは光学素子に入射する光の受光波長域の中央値、n1は光学素子の屈折率、n2は第1の差を生じさせる空間に充填された物質の屈折率または空気の屈折率)、1/2×(m1+3/4)×λ÷(n1−n2)より小さい範囲であることが好ましい。

0024

また、第1の差が、1/2×(1/2)×λ×1/2より大きく(m1は任意の整数、λは光学素子に入射する光の受光波長域の中央値)、1/2×(1/2)×λ×3/2より小さいことが好ましい。

0025

また、第1の差が、1/2×(1/2)×λ÷(n1−n2)×1/2より大きく(λは光学素子に入射する光の受光波長域の中央値、n1は光学素子の屈折率、n2は第1の差を生じさせる空間に充填された物質の屈折率または空気の屈折率)、1/2×(1/2)×λ÷(n1−n2)×3/2より小さいことが好ましい。

0026

また、第1の差が、200nmから350nmであることが好ましい。さらに、第1の差が、250nmから300nmであることが好ましい。

0027

また、第1の差を(n1−n2)で除した第1の値(n1は光学素子の屈折率、n2は第1の差を生じさせる空間に充填された物質の屈折率または空気の屈折率)が、200nmから350nmであることが好ましい。さらには、第1の差が250nmから150nmであることが好ましい。

0028

本発明の第3の撮像素子は、光電変換素子と光電変換素子を覆い入射する光を透過する光学素子とを有し受光面上に2次元状に配置される複数の画素を備え、複数の画素の中から選択した2つの画素のペアである画素ペアの中で一部の画素ペアに含まれる2つの画素における光学素子の光電変換手段に相対する面である近位面から光電変換手段までの距離に第1の差が設けられることを特徴としている。

発明の効果

0029

本発明によれば、反射回折光による水玉模様状のゴーストを、一般的なゴーストのような単体状に変化させ、画像の劣化を効果的に抑制し得る撮像素子を実現できる。

図面の簡単な説明

0030

一般的なゴーストの原因となる入射光の反射を示す図である。
反射回折光によるゴーストの原因となる入射光の反射を示す図である。
第1の実施形態における撮像素子を示す断面図である。
第1の実施形態の撮像素子により、回折角の角度が変化する状態を概略的に示す断面図である。
入射光がアレイレンズの表面で反射する状態を示す図である。
入射光がアレイレンズの内面で反射する状態を示す図である。
第1の実施形態における光路長を示す撮像素子の概略的な断面図である。
通常の撮像素子により生じる回折光と、本実施形態の撮像素子により拡散された回折光とを示す図である。
撮像素子の一部を概略的に示す平面図である。
撮像素子により生じる回折光を概略的に示す平面図である。
回折光の回折角の変化量と回折光のコントラストとの関係を概略的に示す図である。
撮像素子の一部における画素ごとの反射光路長付加の有無と、隣接する画素間の反射光路長差との関係を示す図である。
基準位置にある基準画素と、基準画素に対する隣接画素および再隣接画素との位置を示す図である。
第1の実施形態における画素の配置を示す画素配置図である。
第1の実施形態の基準画素と隣接画素との間の反射光路長差図である。
第1の実施形態の基準画素と第1の再隣接画素との間の反射光路長差図である。
第1の実施携帯の基準画素と第2の再隣接画素との間の反射光路長差図である。
第2の実施形態における画素の配置を示す画素配置図である。
第2の実施形態の基準画素と隣接画素との間の反射光路長差図である。
第2の実施形態の基準画素と第1の再隣接画素との間の反射光路長差図である。
第2の実施形態の基準画素と第2の再隣接画素との間の反射光路長差図である。
第3の実施形態における画素の配置を示す画素配置図である。
第3の実施形態の基準画素と隣接画素との間の反射光路長差図である。
第3の実施形態の基準画素と第1の再隣接画素との間の反射光路長差図である。
第3の実施形態の基準画素と第2の再隣接画素との間の反射光路長差図である。
第4の実施形態における画素の配置を示す画素配置図である。
第4の実施形態の基準画素と隣接画素との間の反射光路長差図である。
第4の実施形態の基準画素と第1の再隣接画素との間の反射光路長差図である。
第4の実施形態の基準画素と第2の再隣接画素との間の反射光路長差図である。
第5〜第8の実施形態における画素の配置を示す画素配置図である。
第9の実施形態における撮像素子を示す断面図である。
第10の実施形態における撮像素子を示す断面図である。
第11の実施形態における撮像素子を示す断面図である。
第12の実施形態における撮像素子を示す断面図である。
第12の実施形態における変形例の撮像素子を示す断面図である。
第1の実施例における回折光のコントラストを示す図である。
第2の実施例における回折光のコントラストを示す図である。
第3の実施例における回折光のコントラストを示す図である。
第4の実施例における回折光のコントラストを示す図である。
比較例における回折光のコントラストを示す図である。

0031

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図1は、一般的なゴーストの原因となる入射光の反射を示す図である。図2は、反射回折光によるゴーストの原因となる入射光の反射を示す図である。

0032

太陽Sから撮影装置(図示せず)の光学系に入射する入射光Lにより、被写体像にゴーストが生じることが知られている。例えば、図1に示されるように、撮影レンズ30の内部で反射された入射光Lが撮像素子40に入射することにより、ゴーストが生じ得る。このゴーストは、主に単体の円状、あるいは多角形状である。

0033

これに対し、入射光Lが撮像素子40によって反射される場合、図2に示されるように異なる角度に向かって進む複数の回折光DLが生じる。この回折光DLが、さらに撮影レンズ32によって反射されて再度、撮像素子40に入射すると、発生するゴーストは複数の明点が整列された水玉模様となる。

0034

このように、水玉模様を生じさせるため、反射回折ゴーストは、被写体像の評価を大きく低下させる傾向にある。そこで本実施形態では、以下のように、撮像素子の構造を改良することにより、水玉模様から、通常のゴーストのような単体状となるようにゴーストの形態を変化させ、画質に及ぼす悪影響を小さくしている。

0035

図3に示すように、第1の実施形態における撮像素子10は、光電変換素子12、カラーフィルタ14、およびアレイレンズ16を含む。撮像素子10に対する入射光Lは、撮像素子10の表面を覆うアレイレンズ16に最初に入射する。

0036

アレイレンズ16への入射光Lの一部は、アレイレンズ16の表面16Aにおいて反射される(図3および図4(B)参照)。アレイレンズ16への入射光Lの残りは表面16Aを透過してアレイレンズ16の内面16Bに到達する。アレイレンズ16の内面16Bに到達した入射光Lの一部は、さらに内面16Bにおいて反射される(図4(C)参照)。

0037

本実施形態においては、光電変換素子12の一領域、アレイレンズ16の一領域、カラーフィルタ14の位置領域は互いに対応して一つの画素を構成する。

0038

撮像素子10においては、厚さが異なるマイクロレンズ規則的に配置されてアレイレンズ16を形成している。例えば、第1画素101では、アレイレンズ16の一部である第1マイクロレンズ161は、第2、第3の画素102、103におけるアレイレンズ16の一部である第2、第3マイクロレンズ162、163より厚くなるように形成される。また第2、第3マイクロレンズ162、163の厚さは互いに等しくなるように形成される。なお、厚さとはアレイレンズ16における各マイクロレンズの頂点、例えば表面16Aにおける第1頂点161Eから内面16Bまでの長さのことである。

0039

したがって、第1マイクロレンズ161の頂点161Eから光電変換素子12までの距離D1より、第2、第3マイクロレンズ162、163の頂点162E、163Eから光電変換素子12までの距離D2、D3が短い。

0040

次に、表面光路長および内面光路長について説明する。表面光路長および内面光路長の説明のために、光電変換素子12の受光面12Sに平行でアレイレンズ16よりも光電変換素子から離れた平面が仮想平面Pに定められる(図5参照)。

0041

表面光路長は、アレイレンズ16の表面16Aと仮想平面Pとの間の区間における、物質および空間の距離×屈折率の積分値である。また、内面光路長は、アレイレンズ16の内面16Bと、上記仮想平面Pとの間の区間における、物質および空間の距離×屈折率の積分値である。なお、表面光路長および内面光路長の計算における物質および空間の距離は、マイクロレンズの頂点を通り光電変換素子の受光面に垂直な直線における距離とする。

0042

例えば、図5においては、第1画素101の表面光路長は(d0×n0)であって、第2画素102の表面光路長は(d’0×n0)である。仮想平面Pから表面16Aにおいて反射され仮想平面Pに到達する光の光路長である表面反射光路長は、表面光路長のそれぞれ2倍である。

0043

したがって、第1画素101と第2画素102における表面反射光路長の差である表面反射光路長差は、{(d’0×n0)−(d0×n0)}×2と計算される。

0044

このように、第1の実施形態では、光電変換素子12からマイクロレンズの表面16Aまでの距離が画素によって異なることにより、画素間に(マイクロレンズの表面までの距離の差)×(空気の屈折率)×2だけの表面反射光路長差がアレイレンズ16の表面16Aにて生じる。

0045

また、図5において、第1画素101の内面光路長は、(d0×n0)+(d1×n1)であって、第2画素102の内面光路長は、(d’0×n0)+(d’0×n1)である。仮想平面Pから内面16Bにおいて反射され仮想平面Pまで到達する光の光路長である内面反射光路長は、内面光路長のそれぞれ2倍である。

0046

したがって、第1画素101と第2画素102における内面反射光路長の差である内面反射光路長差は、{(d’0×n0)+(d’1×n1)−(d0×n0)−(d1×n1)}×2と計算される。なお、(d’0+d’1)=(d0+d1)であるため、内面反射光路長差は(d1−d’1)×(n1−n0)×2と計算される。すなわち、内面光路長差は、(アレイレンズ16の厚さの差)×(アレイレンズ16の屈折率−空気の屈折率)×2である。なお上記および以下の演算式では、空気の屈折率を1とする。

0047

画素間の表面反射光路長差または内面反射光路長差を設けた撮像素子10においては、入射光Lのアレイレンズ表面16A(または内面16B)における反射により生じる回折光DLの進行方向は、画素間で異なる。

0048

例えば、図4(A)に示すように、第2画素102と第3画素103との間の表面反射光路長差がmλ(mは整数(上述の例では0)、λはアレイレンズへの入射光の波長)であり、位相が同じである。位相の同じ第2画素102と第3画素103との間に生じる第1回折光DL1は、破線で示されたように進む。

0049

これに対し、後述するように、第1画素101と第2画素102との間の表面反射光路長差が(m+1/2)λとなるようにアレイレンズ16は形成され、位相差が生じる。位相の異なる第1画素101と第2画素102との間に生じる第2回折光DL2は、の太い実線で示された方向に向かって進む。

0050

第2回折光DL2の進む方向は、第1回折光DL1の各次数光の中間方向である。なお、位相差がない時の整数次回折光の中間に、第2回折光DL2が進むことから、ここではこれを0.5次回折光と表現することにする。同様に、0.5次と整数次回折光の中間に進む回折光を、0.25次回折光と表現する。

0051

このように、表面反射光路長差を画素間に設けて回折光DLの方向を変化させることにより、回折光の進行方向のバリエーションを増やすことができる。例えば0.5次回折光を含んだ場合は、0次回折光と1次回折光との間の方向に0.5次光回折光が進行する。

0052

また、表面反射光路長と同様に、内面反射光路長差を画素間に設けて回折光DLの方向を変化させることにより、回折光の進行方向にバリエーションを増やすことも可能である。

0053

回折光の進行方向を増やすことにより反射回折ゴーストのコントラストを抑えることができる。回折光の進行方向を増やすことによりゴーストのコントラストが抑えられることを、図6を用いて説明する。図6は、通常の撮像素子により生じる回折光と、本実施形態の撮像素子により変化された回折光とを示す図である。

0054

いずれの画素間にも表面反射光路長差が設けられていない撮像素子40(図2参照)により生じる、進行方向がいずれも等しい回折光DLにおいては、図6(A)に示されたようにコントラストが高くなる。このため、複数の水玉模様が強調された反射回折ゴーストが生じ易い。

0055

これに対し、一部の回折光DLの進行方向を変化させ、異なる方向に進む回折光DLを混在させた本実施形態においては、図6(B)、さらには図6(C)に示されるように、回折光DLのコントラストが低下する。

0056

したがって、反射回折ゴーストが生じた場合においても、一定の範囲内に現れる水玉模様の数が増すことで水玉の一つ一つが目立ちにくくなり、また、反射回折ゴーストによる画像劣化を防止できる。このように本実施形態では、反射回折ゴーストが被写体像に与える影響を最小限に抑えたり、反射回折ゴーストの発生を実質的に防止することができる。

0057

次に、カラーフィルタの配置および色毎の回折光の広がりについて、それぞれ図7、8を用いて説明する。図7は、撮像素子10の一部を概略的に示す平面図である。図8は、撮像素子10により生じる回折光を概略的に示す平面図である。

0058

本実施形態の撮像素子10における画素の配置パターンは、ベイヤー配列である。すなわち、全ての画素が二次元配列されており、カラーフィルタ14(図3、5参照)の緑色領域が含まれる画素(緑色を含む所定範囲の波長のみを選択的に透過させるカラーフィルタが配置された画素、以下、G画素という)が縦方向、および横方向のいずれについても1画素おきに配置されている。そして2つのG画素間で、カラーフィルタ14の赤色領域が含まれる画素(赤色を含む所定範囲の波長のみを選択的に透過させるカラーフィルタが配置された画素、以下、R画素という)と、カラーフィルタ14の青色領域が含まれる画素(青色を含む所定範囲の波長のみを選択的に透過させるカラーフィルタが配置された画素、以下、B画素という)とのいずれかが、同数ずつ均等に配置されている。

0059

最も近くに配置された画素同士の中心点間の距離、すなわち画素間距離は、例えば約7μmである。また、回折光DL(図4(A)参照)の回折角は、反射波長/画素間距離(画素ピッチ)で算出される。なお、回折角とは、例えば、0次回折光と1次回折光の進行角度差または1次回折光と2次回折光の進行角度差、のように低次回折光における隣の次数の回折光との角度差である。

0060

実際のアレイレンズ16の表面16Aまたは内面16Bにおいて反射する光の反射波長は広範囲に連続な波長であるが、ゴーストについては、各画素における代表波長での回折角のみを考慮すればよい。

0061

アレイレンズ16の表面16Aまたは内面16Bで反射し、さらに撮影レンズ32(図2参照)で反射して撮像素子10に戻って来る光束は、カラーフィルタ14を透過していないために白色光束である。しかし、そのゴースト光はカラーフィルタ14を透過して光電変換素子12に入射するので、最終的にはカラーフィルタ14を透過する波長帯域の代表波長を考慮すればよい。

0062

例えば、カラーフィルタ14の赤色領域を透過する波長域の代表波長(R画素における代表波長)は630nmである。また、カラーフィルタ14の緑色領域を透過する波長域の代表波長(G画素における代表波長)は530nmである。また、カラーフィルタ14の青色領域を透過する波長域の代表波長(B画素における代表波長)は420nmである。

0063

本実施形態における画素間距離は、図7に示すように、例えば約7μmである。従って、R画素の中心波長の光の回折角は、640nm/7μm=91radである(図8(A)参照)。また、G画素の中心波長の光の回折角が、530nm/7μm=76rad(図8(B)参照)である。また、B画素の中心波長の光の回折角が、420nm/7μm=60radで最も小さい(図8(C)参照)。

0064

このように、波長ごとに生じる回折光DLの回折角が異なる。コントラストの低減化効果を大きくするためには、(m+0.5)次回折光(mは任意の整数)が画素間に生じることが好ましい。(m+0.5)次回折光を生じるためには、光電変換素子12に到達する帯域の光の波長毎に表面反射光路長差または内面反射光路長差を変えることが好ましい。すなわち、波長の異なるR、G、B毎に別々に、表面反射光路長差または内面反射光路長差を設けることが好ましい。

0065

しかし、(m+0.5)次回折光でなくても、十分なゴーストの分散効果が発揮される。したがって、実質的には、R、G、B画素の中心波長640nm、530nm、420nmの中心値である530nmの光に応じた表面反射光路長差または内面反射光路長差を設ければよい。530nmの波長に応じた表面反射光路長差または内面反射光路長差を設けても、R画素およびB画素においても十分にゴーストが分散される。

0066

そこで本実施形態では、表面反射光路長差または内面反射光路長差が(m+1/2)λ(mは整数、λはG画素の中心波長である530nm)となるようにアレイレンズ16が形成される。

0067

次に、コントラストの低減効果と位相差を生じさせる表面反射光路長差のある画素の配置について説明する。なお、表面反射光路長差のある画素の配置について説明するが、内面反射光路長差のある画素の配置も同様である。図9は、表面反射光路長を設ける画素配列と、回折光のコントラストとの関係を概略的に示す図である。

0068

図9(A)に示されるように、撮像素子10の全ての画素について表面反射光路長が等しい場合、回折光のコントラストは高い。この状態においては、上述の図4(A)を例にとると、隣接する2画素間の表面反射光路長差に位相差は生じない。したがって、全ての2画素間から同じ方向(破線参照)に向かう第1回折光DL1が生じている。これらの回折光は、同じ方向に進み同じ個所に明点を作るために、コントラストの高い回折パターンが発生する。

0069

これに対し、一部の画素に、隣接する画素に対して表面反射光路長差を設けることにより、図9(B)に示されたように、回折光のコントラストがやや低下する。なお図9(B)〜(E)においては、表面反射光路長を付加した画素(以下、反射光路長付加画素という)には、斜線が引かれる。

0070

さらに、図9(C)に示されるように、半分の画素に対して表面反射光路長差を設けると、回折光のコントラストが大きく低下する。この状態においては、上述の図4(A)を例にとると、半分の2画素間から同じ方向(破線参照)に向かう第1回折光DL1が生じ、別の半分の2画素間からは第1回折光DL1と異なる方向(実線参照)に向かう第2回折光DL2が生じる。そして、一方の回折光が、他方の回折光の届かない暗い領域に到達するため、回折光のコントラストが、最小化される。

0071

隣接する画素に対して表面反射光路長を付加した画素が半分(図9(C)参照)よりも多い場合(図9(D)参照)では、回折光DLのコントラストが高まる。さらに、全ての画素に対して、表面反射光路長を付加した(図9(E)参照)場合は、回折光DLのコントラストがより高くなる。

0072

なお、全ての画素に対して、表面反射光路長を付加した状態(図9(E)参照)は、全ての画素の表面反射光路長が等しい状態であって、上述の図4(A)を例にとると、全ての2画素間から同じ方向(実線参照)に向かう第2回折光DL2が生じており、第1回折光DL1が生じていない。したがって、回折光の進む方向が図9(A)の状態から変化するものの、回折光DLのコントラストは、図9(A)に示された状態と同レベルになる。

0073

以上のことから明らかであるように、一部の画素間でのみ表面反射光路長差を設けて回折光の進行方向を変化させることが必要である。特に、表面反射光路長差は全画素中半数の画素間で設けることが望ましいと考えられる。

0074

たとえば、整数次回折光と0.5次回折光が、等量混在することで、見かけ上の回折角が丁度半分になったように見えるのである。この点をふまえた上で、本実施形態における反射光路長付加画素の配置およびその際の表面反射光路長差につき、以下に説明する。

0075

本実施形態における画素の配置とその効果を、画素配置図および反射光路長差図を用いて説明する。画素配置図および反射光路長差図の例を、図10を用いて説明する。また、図11を用いて基準画素に対する隣接画素および再隣接画素の定義を説明する。

0076

図10は、撮像素子10の一部における画素ごとの表面反射光路長付加の有無と、隣接する画素間の表面反射光路長差との関係を示す図である。図11は、基準位置にある基準画素と、基準画素に対する隣接画素および再隣接画素の位置を示す図である。

0077

図10(A)において、撮像素子20には、表面光路長がより短い通常画素白抜き画素参照)と、表面光路長がより長い反射光路長付加画素(斜線付加画素参照)とが設けられる。通常画素と反射光路長付加画素との間には、(m+1/2)λの表面反射光路長差が設けられる。

0078

なお、表面反射光路長とは、上述のように、表面光路長の2倍である。したがって、表面光路長が等しいということと、表面反射光路長が等しいということは同義である。なお、通常画素と反射光路長付加画素との間には、(m+1/2)λの表面反射光路長差が設けられることが理想的であるが、それよりも位相差が大小してもよい。すなわち、(m+1/2)λ(mは整数)よりも少し大小した表面反射光路長差が設けられればよい。

0079

図10(B)では、図10(A)のような画素配置において任意の画素と下方向に隣接する画素との2つの画素間での表面反射光路長差の有無を示す。図10(B)では、下方向に隣接する画素に対して上述の表面反射光路長差が設けられていない画素は、白抜きで表示される。一方、下方向に隣接する画素に対して上述の表面反射光路長差が設けられた画素は、斜線が付されている。

0080

例えば、図10(A)において、左上からI行(1)列目の画素I(1)と、その真下において隣接するII行(1)列目の画素II(1)との表面光路長は等しい。したがって、図10(B)において、I行(1)列目の画素I(1)に対応するA行a列目の画素Aaは白抜きで表示される。

0081

なお、本明細書における隣接する画素とは、上述のようにR画素同士、G画素同士、あるいはB画素同士の2つの画素について、互いに最も近い位置にある画素を含んでおり、互いに接触している画素には限定されない。

0082

また、図10(A)においてII行(1)列目の画素II(1)と、その真下において隣接するIII行(1)列目の画素III(1)との間には表面反射光路長差が設けられる。したがって、図10(B)において、II行(1)列目の画素に対応するB行a列目の画素Baには斜線が付されている。

0083

図10(A)のように実際の画素の配置を示す図(以下、画素配置図という)と、図10(B)のように画素配置図中の2つの画素間の表面反射光路長差を示す図(以下、反射光路長差図という)を用いて、本実施形態の画素の配置および効果について、以下に説明する。

0084

なお図10(B)においては、二次元に配列された画素の下方向に沿って隣接する画素同士における反射回折光の発生について着目し、表面反射光路長差の有無を示した。しかし、反射回折光を生じる画素は、基準画素PSの下方向に隣接する画素に限られない。

0085

図11(A)に示すように、基準画素PSの周囲の8画素である隣接画素それぞれと基準画素PSとの間においても反射回折光を生じる。さらには、8つの隣接画素の周囲の16画素である再隣接画素と、基準画素PSとの間においても反射回折光を生じる。

0086

なお、再隣接画素は、第1、第2の再隣接画素によって構成される。図11(B)において斜線を付されて示されるように、第1の再隣接画素は、基準画素PSから上下方向、左右方向、および上下方向または左右方向から45度傾斜した斜め方向に配置された8画素である。図11(C)において斜線を付されて示されるように、第2の再隣接画素は第1の再隣接画素以外の再隣接画素であって、2つの第1の再隣接画素に隣合う画素である。

0087

図12は、第1の実施形態の撮像素子10における全画素の配置を示す画素配置図である。図13は、基準画素PSと隣接画素との間の反射光路長差図である。図14は、基準画素PSと第1の再隣接画素との間の反射光路長差図である。図15は、基準画素PSと第2の再隣接画素との間の反射光路長差図である。

0088

図12および以下の画素配置図において、第1〜第4の配列線L1〜L4は基準画素PSを通って各方向に延びる仮想の線である。第1〜第4の配列線L1〜L4は、基準画素PSから下方向(L1)、右方向(L2)、右上方向(L3)、右下方向(L4)に延びる。第1、第2の配列線L1、L2は互いに直交している。また、第3、第4の配列戦L3、L4は互いに直交している。なお、撮像素子10においては、図12に示された画素配列が繰返されてる。

0089

図13(A)には、任意の画素を基準画素PSとして、基準画素PSと下方向L1に隣接する画素との2つの画素間での表面反射光路長差が示される。

0090

この図13(A)では、図12の画素I(1)から画素VIII(8)までの全画素を順次、基準画素PSとし、その真下に隣接する画素との反射光路長差の有無が示されている。図13(A)においては、図10(B)の反射光路長差図と同様に、斜線の付された領域が、対応する位置の画素間で反射光路長差があることを示し、斜線の付されていない領域は、対応する位置の画素間で反射光路長差がないことを示している。

0091

以後の説明において、基準画素PSに対して特定の位置の隣接画素および再隣接画素と基準画素とを画素ペアと呼ぶ。すなわち、図13(A)には、基準画素PSと下方向L1の隣接画素との画素ペアにおける表面反射光路長差の有無が示される。

0092

図13(A)に示すように、下方向L1に配置された隣接画素と基準画素PSとの画素ペアにおいて、表面反射光路長差を有する画素ペアの数と、表面反射光路長の等しい画素ペアの数は等しい。なお、上方向に配置された隣接画素に対しても同様である。

0093

図13(B)には、任意の画素を基準画素PSとして、基準画素PSと右方向L2に配置された隣接画素との2つの画素間での表面反射光路長差が示される。図13(B)に示すように、右方向L2の隣接画素と基準画素PSとの画素ペアにおいても、表面反射光路長差を有する画素ペアと、表面反射光路長の等しい画素ペアとの数は等しい。

0094

図13(C)には、任意の画素を基準画素PSとして、基準画素PSから右上方向L3に配置された隣接画素との2つの画素間での表面反射光路長差が示される。図13(C)に示すように、右上方向L3の隣接画素と基準画素PSとの画素ペアにおいても、表面反射光路長差を有する画素ペアと、表面反射光路長の等しい画素ペアとの数は等しい。

0095

図13(D)には、任意の画素を基準画素PSとして、基準画素PSから右下方向L4に配置された隣接画素との2つの画素間での表面反射光路長差が示される。図13(D)に示すように、右下方向L4の隣接画素と基準画素PSとの画素ペアにおいても、表面反射光路長差を有する画素ペアと、表面反射光路長の等しい画素ペアとの数は等しい。

0096

図14(A)には、任意の画素を基準画素PSとして、基準画素PSと下方向L1に配置された第1の再隣接画素との2つの画素間での表面反射光路長差が示される。図14(A)に示すように、下方向L1の第1の再隣接画素と基準画素PSとの画素ペアにおいて、表面反射光路長差を有する画素ペアと、表面反射光路長の等しい画素ペアとの数は等しい。

0097

図14(B)には、任意の画素を基準画素PSとして、基準画素PSと右方向L2に配置された第1の再隣接画素との2つの画素間での表面反射光路長差が示される。図14(B)に示すように、右方向L2の第1の再隣接画素と基準画素PSとの画素ペアにおいて、表面反射光路長差を有する画素ペアと、表面反射光路長の等しい画素ペアとの数は等しい。

0098

図14(C)には、任意の画素を基準画素PSとして、基準画素PSと右上方向L3に配置された第1の再隣接画素との2つの画素間での表面反射光路長差が示される。図14(C)に示すように、右上方向L3の第1の再隣接画素と基準画素PSとの画素ペアにおいて、表面反射光路長差を有する画素ペアと、表面反射光路長の等しい画素ペアとの数は等しい。

0099

図14(D)には、任意の画素を基準画素PSとして、基準画素PSと右下方向L4に配置された第1の再隣接画素との2つの画素間での表面反射光路長差が示される。図14(D)に示すように、右下方向L4の第1の再隣接画素と基準画素PSとの画素ペアにおいて、表面反射光路長差を有する画素ペアと、表面反射光路長の等しい画素ペアとの数は等しい。

0100

図15(A)には、任意の画素を基準画素PSとして、基準画素PSの下方向L1と右下方向L4に配置された2つの第1の再隣接画素に挟まれる第2の再隣接画素および基準画素PSの2つの画素間での表面反射光路長差が示される。図15(A)に示すように、このような配置の第2の再隣接画素と基準画素PSとの画素ペアにおいて、表面反射光路長差を有する画素ペアと、表面反射光路長の等しい画素ペアとの数は等しい。

0101

図15(B)には、任意の画素を基準画素PSとして、基準画素PSの上方向と右上方向L3に配置された2つの第1の再隣接画素に挟まれる第2の再隣接画素および基準画素PSの2つの画素間での表面反射光路長差が示される。図15(B)に示すように、このような配置の第2の再隣接画素と基準画素PSとの画素ペアにおいて、表面反射光路長差を有する画素ペアと、表面反射光路長の等しい画素ペアとの数は等しい。

0102

図15(C)には、任意の画素を基準画素PSとして、基準画素PSの右方向L2と右下方向L4に配置された2つの第1の再隣接画素に挟まれる第2の再隣接画素および基準画素PSの2つの画素間での表面反射光路長差が示される。図15(C)に示すように、このような配置の第2の再隣接画素と基準画素PSとの画素ペアにおいて、表面反射光路長差を有する画素ペアと、表面反射光路長の等しい画素ペアとの数は等しい。

0103

図15(D)には、任意の画素を基準画素PSとして、基準画素PSの右方向L2と右上方向L3に配置された2つの第1の再隣接画素に挟まれる第2の再隣接画素および基準画素PSの2つの画素間での表面反射光路長差が示される。図15(D)に示すように、このような配置の第2の再隣接画素と基準画素PSとの画素ペアにおいて、表面反射光路長差を有する画素ペアと、表面反射光路長の等しい画素ペアとの数は等しい。

0104

以上のように第1の実施形態では、全ての方向において、基準画素PSと隣接画素および第1、第2の再隣接画素との間で(m+1/2)λの表面反射光路長差を有する画素ペアと、反射光路長が等しい画素ペアとが同数ずつ存在する。

0105

また、本実施形態において、通常画素と反射光路長付加画素が特定のパターン図12参照)で上下方向と左右方向のそれぞれ4画素ずつ配置した画素ユニットが形成される。撮像素子10には画素ユニットが上下方向および左右方向に連続して繰返すように配置される。

0106

画素ユニットの大きさは、入射光Lの波長に応じた回折限界に基づいて定められる。すなわち、画素ユニットの大きさはエアリーディスクの径と実質的に同じになるように定められる。例えば、一般的に用いられる撮影レンズに対して、画素ユニットは、1辺の長さが概ね20〜30μm以下となるように定められる。

0107

このように、一般的な光学系を用いて入射光Lを集光させた際の光スポット(エアリーディスク)の大きさに概ね等しい画素ユニット内にて、表面反射光路差を有する画素ペアと表面反射光路が等しい画素ペアの数を上述のように調整することにより、回折光のコントラストを効率的に低減させることができる。

0108

以上のように第1の実施形態によれば、2画素間に(m+1/2)λの表面反射光路長差を設けることにより、アレイレンズ表面における反射による反射回折光のコントラストを低減させることが可能になる。反射回折光のコントラストを低減させることにより、反射回折ゴーストの発生を効果的に抑制できる。

0109

厚さが不均一なアレイレンズ16(図3参照)の作成は表面に微細な凹凸を設けるといった複雑な加工よりも簡易であり、このような複雑な加工に比べて製造の簡素化および製造コストの低減化が可能である。

0110

次に、本発明の第2の実施形態につき説明する。第2の実施形態では、通常画素と反射光路長付加画素の配置が第1の実施形態と異なる。以下、第1の実施形態と異なる点を中心に説明する。なお、第1の実施形態と同じ機能を有する部位には、同じ符号を付す。

0111

図16は、第2の実施形態の撮像素子10における画素の配置を示す画素配置図である。図17は、基準画素PSと隣接画素との間の反射光路長差図である。図18は、基準画素PSと第1の再隣接画素との間の反射光路長差図である。図19は、基準画素PSと第2の再隣接画素との間の反射光路長差図である。

0112

図17(A)、(B)、(C)、および(D)には、それぞれ基準画素PSに対して下方向L1、右方向L2、右上方向L3、および右下方向L4の隣接画素と基準画素PSとの2画素間での表面反射光路長差が示される。

0113

図17(A)〜(D)に示すように、基準画素PSに対して何れの方向の隣接画素と基準画素PSとの画素ペアにおいて、表面反射光路長差を有する画素ペアと、表面反射光路長の等しい画素ペアの数は等しい。

0114

図18(A)、(B)、(C)、および(D)には、それぞれ基準画素PSに対して下方向L1、右方向L2、右上方向L3、および右下方向L4の第1の再隣接画素と基準画素PSとの2画素間での表面反射光路長差が示される。

0115

図18(A)〜(D)に示すように、基準画素PSに対して何れの方向の第1の隣接画素と基準画素PSとの画素ペアにおいて、表面反射光路長差を有する画素ペアが、表面反射光路長の等しい画素ペアよりも多い。なお、表面反射光路長差を有する画素ペアは全画素中の過半数であり、具体的には63%である。

0116

図19(A)〜(D)には、基準画素PSから図15(A)〜(D)と同じ方向に配置された第2の再隣接画素と基準画素PSとの2画素間での表面反射光路長差が示される。

0117

図19(A)〜(D)に示すように、基準画素PSに対して何れの方向の第2の再隣接画素と基準画素PSとの画素ペアにおいて、表面反射光路長差を有する画素ペアと、表面光路長の等しい画素ペアの数は等しい。

0118

以上のように第2の実施形態では、全ての方向において、基準画素PSと隣接画素および第2の再隣接画素との間で(m+1/2)λの表面反射光路長差を有する画素ペアと、表面反射光路長が等しい画素ペアとが同数ずつ存在する。ただし、全ての方向において第1の再隣接画素と基準画素PSとの間では、表面反射光路長差を有する画素ペアの数が多い。

0119

以上のような第2の実施形態によれば、2画素間に(m+1/2)λの表面反射光路長差を設けることにより、アレイレンズ表面における反射による反射回折光のコントラストを低減させることが可能になる。反射回折光のコントラストを低減させることにより、反射回折ゴーストの発生を効果的に抑制できる。

0120

なお、第1の実施形態と異なり、第1の再隣接画素と基準画素PSとの画素ペアにおいては表面反射光路長差を有する画素ペアの方が多い。そのため、第1の実施形態に比べて反射回折ゴーストの抑制効果が低い。しかし、全画素の表面反射光路長が等しい構成に比べて十分な反射回折ゴーストの抑制効果が得られる。

0121

次に、第3の実施形態につき説明する。第3の実施形態では、通常画素と反射光路長付加画素の配置が第1の実施形態と異なる。以下、第1の実施形態と異なる点を中心に説明する。なお、第1の実施形態と同じ機能を有する部位には、同じ符号を付す。

0122

図20は、第3の実施形態の撮像素子10における画素の配置を示す画素配置図である。図21は、基準画素PSと隣接画素との間の反射光路長差図である。図22は、基準画素PSと第1の再隣接画素との間の反射光路長差図である。図23は、基準画素PSと第2の再隣接画素との間の反射光路長差図である。

0123

図21(A)、(B)、(C)、および(D)には、それぞれ基準画素PSに対して下方向L1、右方向L2、右上方向L3、および右下方向L4の隣接画素と基準画素PSとの2画素間での表面反射光路長差が示される。

0124

図21(A)〜(D)に示すように、基準画素PSに対して何れの方向の隣接画素と基準画素PSとの画素ペアにおいて、表面反射光路長差を有する画素ペアと、表面反射光路長の等しい画素ペアの数は等しい。

0125

図22(A)、(B)、(C)、および(D)には、それぞれ基準画素PSに対して下方向L1、右方向L2、右上方向L3、および右下方向L4の第1の再隣接画素と基準画素PSとの2画素間での表面反射光路長差が示される。

0126

図22(A)および(B)に示すように、基準画素PSに対して下方向L1および右方向L2の第1の再隣接画素と基準画素PSとの画素ペアにおいて、表面反射光路長差を有する画素ペアと、表面反射光路長の等しい画素ペアの数は等しい。

0127

一方、図22(C)および(D)に示すように、基準画素PSに対して右上方向L3および右下方向L4の第1の再隣接画素と基準画素PSとの画素ペアにおいては、すべての画素ペアが表面反射光路長差を有する。

0128

したがって、第3の実施形態においては、全方向の第1の再隣接画素と基準画素PSとの画素ペアの中で、表面反射光路長差を有する画素ペアが全体の75%を占め、表面反射光路長の等しい画素ペアは25%を占めている。

0129

図23(A)〜(D)には、基準画素PSから図15(A)〜(D)と同じ方向に配置された第2の再隣接画素と基準画素PSとの2画素間での表面反射光路長差が示される。

0130

図23(A)〜(D)に示すように、基準画素PSに対して何れの方向の第2の再隣接画素と基準画素PSとの画素ペアにおいて、表面反射光路長差を有する画素ペアと、表面反射光路長の等しい画素ペアの数は等しい。

0131

以上のように第3の実施形態では、全ての方向において、基準画素PSと隣接画素および第2の再隣接画素との間で(m+1/2)λの表面反射光路長差を有する画素ペアと、反射光路長が等しい画素ペアとが同数ずつ存在する。ただし、第1の再隣接画素と基準画素との間では、内部販社光路長差を有する画素ペアの数が第2の実施形態よりもさらに多い。

0132

以上のように第3の実施形態によれば、2画素間に(m+1/2)λの表面反射光路長差を設けることにより、アレイレンズ表面における反射による反射回折光のコントラストを低減させることが可能になる。反射回折光のコントラストを低減させることにより、反射回折ゴーストの発生を効果的に抑制できる。

0133

なお、第1の実施形態と異なり、第1の再隣接画素と基準画素PSとの画素ペアにおいては表面反射光路長差を有する画素ペアの方が多く、その割合は第2の実施形態より大きい。そのため、第1、第2の実施形態に比べて反射回折ゴーストの抑制効果が低い。しかし、全画素の表面反射光路長が等しい構成に比べて十分な反射回折ゴーストの抑制効果が得られる。

0134

次に、第4の実施形態につき説明する。第4の実施形態では、通常画素と反射光路長付加画素の配置が第1の実施形態と異なる。以下、第1の実施形態と異なる点を中心に説明する。なお、第1の実施形態と同じ機能を有する部位には、同じ符号を付す。

0135

図24は、第4の実施形態の撮像素子10における画素の配置を示す画素配置図である。図25は、基準画素PSと隣接画素との間の反射光路長差図である。図26は、基準画素PSと第1の再隣接画素との間の反射光路長差図である。図27は、基準画素PSと第2の再隣接画素との間の反射光路長差図である。

0136

図25(A)、(B)、(C)、および(D)には、それぞれ基準画素PSに対して下方向L1、右方向L2、右上方向L3、および右下方向L4の隣接画素と基準画素PSとの2画素間での表面反射光路長差が示される。

0137

図25(A)〜(D)に示すように、基準画素PSに対して何れの方向の隣接画素と基準画素PSとの画素ペアにおいて、表面反射光路長差を有する画素ペアと、表面反射光路長の等しい画素ペアの数は等しい。

0138

図26(A)、(B)、(C)、および(D)には、それぞれ基準画素PSに対して下方向L1、右方向L2、右上方向L3、および右下方向L4の第1の再隣接画素と基準画素PSとの2画素間での表面反射光路長差が示される。

0139

図26(A)〜(D)に示すように、基準画素PSに対して何れの方向の第1の再隣接画素と基準画素PSとの画素ペアにおいては、すべての画素ペアの表面反射光路長が等しい。

0140

図27(A)〜(D)には、基準画素PSから図15(A)〜(D)と同じ方向に配置された第2の再隣接画素と基準画素PSとの2画素間での表面反射光路長差が示される。

0141

図27(A)〜(D)に示すように、基準画素PSに対して何れの方向の第2の再隣接画素と基準画素PSとの画素ペアにおいて、表面反射光路長差を有する画素ペアと、表面反射光路長の等しい画素ペアの数は等しい。

0142

以上のように第4の実施形態によれば、2画素間に(m+1/2)λの表面反射光路長差を設けることにより、アレイレンズ表面における反射による反射回折光のコントラストを低減させることが可能になる。反射回折光のコントラストを低減させることにより、反射回折ゴーストの発生を効果的に抑制できる。

0143

なお、第1の実施形態と異なり、第1の再隣接画素と基準画素PSとの画素ペアにおいてはすべての画素ペアの表面反射光路長が等しい。そのため、第1〜第3の実施形態に比べて反射回折ゴーストの抑制効果が低い。しかし、全画素の表面反射光路長が等しい構成に比べて十分な反射回折ゴーストの抑制効果が得られる。

0144

次に、第5〜第8の実施形態について説明する。第5〜第8の実施形態では、図28に示すように、通常画素と反射光路長付加画素の配置が第1の実施形態と異なる。ただし、第5〜第8の実施形態では、第1の実施形態と同じく、基準画素PSと、全ての隣接画素および全ての第1、第2の再隣接画素との間で、表面反射光路長差を有する画素ペアと、反射光路長が等しい画素ペアとが同数ずつ存在する。したがって、第1の実施形態と同等の反射回折ゴーストの抑制効果が得られる。

0145

次に、第9の実施形態につき説明する。図29は、第9の実施形態における撮像素子10を示す断面図である。

0146

第9の実施形態では、画素間における表面反射光路長差の設け方が、第1の実施形態(図3等参照)と異なる。以下、第1の実施形態と異なる点を中心に説明する。なお、第1の実施形態と同じ機能を有する部位には、同じ符号を付す。

0147

第9の実施形態では、アレイレンズ16が、全ての画素において一定の厚さを有し、表面16Aおよび内面16Bに高低差が設けられていない。このようなアレイレンズ16の入射面16A上に、表面光路長を画素毎に変える光学素子が設けられる。

0148

例えば、図29(A)に示すように、アレイレンズ16の上に透過性膜部材18が設けられる。膜部材18は画素毎、すなわち第1〜第3の領域181〜183において厚さが異なるように形成される。また、膜部材18は表面16Aに接するように形成される。このような膜部材18を付加することにより、表面反射光路長差が設けられる。この第9の実施形態においては、入射光Lの入射端は、膜部材18の表面に位置する。

0149

また、図29(B)に示すように、膜部材18を付加する画素と付加しない画素を混在させることで表面反射光路長差を設けてもよい。なお、膜部材18に限らず、樹脂ガラスにより形成された、画素ごとに厚さの異なる板状部材20を用いてもよい(図29(C)参照)。第9の実施形態においては、既に使用されている、あるいは製造された従来の撮像素子においても、上述の光路長差付加素子を適用することにより反射回折ゴーストが抑制可能となる利点がある。

0150

以上のように、第9の実施形態によれば、上述のように膜部材18や板状部材20などの光学素子により画素間に表面反射光路長差を設けることが可能である。したがって、第1の実施形態と同様に、アレイレンズの表面における反射による反射回折光のコントラストを低減させることにより、反射回折ゴーストの発生を効果的に抑制可能である。

0151

次に、第10の実施形態につき説明する。第10の実施形態では、アレイレンズの構成が第1の実施形態と異なっている。以下、第1の実施形態と異なる点を中心に説明する。なお、第1の実施形態と同じ機能を有する部位には、同じ符号を付す。図30は、第10の実施形態における撮像素子10を示す断面図である。

0152

第10の実施形態では、第1の実施形態におけるアレイレンズ16の表面16Aを光電変換素子12側に配置している。すなわち、アレイレンズ16の表面と内面とが入替えられる。したがって、第10の実施形態では、アレイレンズの表面全体平坦な平面であり、アレイレンズ16の内面においてマイクロレンズとして機能する凸面が画素毎に設けられる。

0153

第10の実施形態のアレイレンズ16の表面全体が平坦であるため、表面の反射によって回折は生じない。それゆえ、反射回折光は内面16Aにおける反射によって生じる。内面16Aでの反射回折光によるゴーストを抑制すべく付加する内面反射光路長差は、(d0−d’0)×n1×2(n1はアレイレンズの屈折率)である。それゆえ、位相差を与えるために付加するアレイレンズ16の画素ごとの厚みの差は、(m+1/2)λ÷(アレイレンズ16の屈折率)÷2(mは整数)となる。

0154

次に、第11の実施形態について説明する。第11の実施形態では、アレイレンズ16の構成が第1の実施形態と異なっている。以下、第1の実施形態と異なる点を中心に説明する。なお、第1の実施形態と同じ機能を有する部位には、同じ符号を付す。図31は、第11の実施形態における撮像素子10を示す断面図である。

0155

第11の実施形態では、アレイレンズ16の表面16Aでの反射回折光に加えて、内面16Bでの反射回折光にも対応している。すなわち、表面反射光路長差および内面反射光路長差がともに(m+1/2)×λとなるように、アレイレンズ16が形成される。

0156

第1の実施形態と同様に、表面反射光路長差は、(d’0−d0)×n0×2である(図5参照)。d1+d0=d’1+d’0であるから、表面反射光路長差は、(d1−d’1)×n0×2である。したがって、隣接する画素間の表面における反射光の位相を半波長ずらすための画素間のアレイレンズ16の厚さの差(d1−d’1)は、(m1+1/2)×λ÷(n0×2)である(m1は任意の整数)。

0157

また、第1の実施形態と同様に、内面反射光路長差は、(d1−d’1)×(n1−n0)×2である。したがって、隣接する画素間の内面における反射光の位相を半波長ずらすための画素間のアレイレンズ16の厚さの差(d1−d’1)は、(m2+1/2)×λ÷{(n1−n0)×2}である(m2は任意の整数)。

0158

したがって、隣接する画素間の表面および内面の両者における反射光の位相を半波長ずらすためには、画素間のアレイレンズ16の厚さの差(d1−d’1)が(m1+1/2)×λ÷(n0×2)および(m2+1/2)×λ÷{(n1−n0)×2}に合致するようにアレイレンズ16を形成すればよい。

0159

なお、(m1+1/2)×λ÷(n0×2)=(m2+1/2)×λ÷{(n1−1)×2}を満たす屈折率n1のアレイレンズ16を用いることが要求される。なお、空気の屈折率n0は1である。例えば、m1=1、m2=0とすると、アレイレンズの屈折率n1は1.33と算出される。

0160

それゆえ、屈折率n1が1.33である部材を用いて、内面反射光路長差が、(1/2)×λとなるようにアレイレンズ16を形成することにより、アレイレンズ16の画素ごとの厚みの差が(3/2)×λ÷2となる。これにより、表面反射光路長差は(3/2)×λとなる。したがって、表面内面同時に位相差を半波長ずらした光を反射することが可能になる。なお、このような効果を付加するために、屈折率は1.33であることが望ましいが、1.4以下もしくは1.66以上であってもよい。

0161

次に、第12の実施形態について説明する。第12の実施形態では、アレイレンズが複数設けられる点において第1の実施形態と異なっている。以下、第1の実施形態と異なる点を中心に説明する。なお、第1の実施形態と同じ機能を有する部位には、同じ符号を付す。図32は、第12の実施形態における撮像素子10を示す断面図である。

0162

第12の実施形態では、複数のアレイレンズ16、すなわち第1および第2のアレイレンズ16F、16Sによってアレイレンズ系を構成している。そして光電変換素子12から遠い第1のアレイレンズ16Fにおいては、高低差のある面16FAを光電変換素子12側に配置することにより内面とし、平坦な面を逆側に配置することにより表面としている。

0163

したがって、第1のアレイレンズ16Fを第10の実施形態のアレイレンズとみなして、画素毎のアレイレンズの厚さの差を設ければよい。したがって、内面16FAでの反射回折光を抑制すべく付加する内面反射光路長差は、第10の実施形態と同様である。

0164

それゆえ、内面光路長差を与えるために付加する第1のアレイレンズ16Fの画素毎の厚みの差は、(m+1/2)λ÷(アレイレンズの屈折率)÷2となる。例えば、mを1、屈折率を1.5と設定すると、第1のアレイレンズ16Fの画素ごとの厚みの差は、(1+1/2)λ÷(1.5)÷2=λ/2となる。

0165

このとき、第2のアレイレンズ16Sの表面および内面反射に対して付加される反射光路長差は、どの面に対しても一律に、(第1のアレイレンズ16Fの画素ごとの厚みの差λ/2)×(第1のアレイレンズ16Fの屈折率1.5−空気の屈折率1)×2=λ/2となる。よって、第2のアレイレンズ16Sの表面反射および内面反射において、回折光抑制効果が得られる。

0166

なお、図33に示されるように、第1のアレイレンズ16Fの代わりに、例えば、凹凸面を光電変換素子12の受光面12S側に向けた、いわゆる位相板20のような板状部材を用いても良い。また、第1のアレイレンズ16Fにおける各レンズの曲率が0であっても良い。

0167

本変形例の撮像素子10においては、位相板20の画素領域毎の厚さに周期的に差を設けることにより、表面反射光路長差および内面反射光路長差を設けることが可能である。なお、位相板20の表面を平面にすることにより、位相板20の表面および内面における反射回折ゴーストの発生を防ぐことが可能である。また、コートなどによって反射率を低下させることも好ましい。

0168

なお、光電変換素子12の受光面12Sと平行で位相板20から離れた平面が、第1の仮想平面P1に定められる。また、第1の仮想平面に平行で、位相板20の凹凸面の凸部20Eを通る平面が、第2の仮想平面P2に定められる。

0169

位相板20を用いる場合には、表面反射光路長差すなわち第1の仮想平面からアレイレンズ16Sの表面までの光路長の差、および内面反射光路長差すなわち第1の仮想平面からアレイレンズ16Sの内面までの光路長の差は、第1の仮想平面P1から第2の仮想平面P2までの光路長の差である。

0170

さらには、位相板20の画素領域毎の厚さに周期的に差を設けることにより、位相板20と光電変換素子12との間に設けられるいかなる部材、例えば光電変換素子12から第1の仮想平面P1までの光路長の差も設けられる。光路長の差は、上述のアレイレンズ16の表面および内面における反射の場合と同じく、第1の仮想平面P1から第2の仮想平面P2までの光路長の差である。

0171

なお、第1〜第9の実施形態では、アレイレンズ16の表面16Aでの反射光にのみ注目してきたが、前述のように、内面16Bにおける反射についても本願発明を適用可能である。

0172

すなわち、アレイレンズ16の厚さに差を設けて画素間で内面反射光路長差を生じさせることで、内面16Bにおける反射に起因した反射回折ゴーストを防ぐことが出来る。あるいは、アレイレンズ16の厚さに差を設けなくても、アレイレンズ16の表面16Aあるいは内面16Bの少なくとも一方に高低差を設けることにより内面反射光路長差を設けることが可能である。

0173

なお、撮像素子10の構造等は、いずれの実施形態にも限定されない。例えば、モノクロ撮像素子に上述の実施形態を適用しても良い。

0174

また、入射光Lの異なる波長域を検出する受光部、例えば、赤色光緑色光青色光をそれぞれ受光する受光部を積層させた撮像素子において、本実施形態と同様に画素を配列させても良い。このような撮像素子は、一般に回折角が大きくなる傾向にあるため、本実施形態の適用により、画質を大きく向上させ得る。

0175

この場合、入射光Lの入射端から最も離された受光部により検出される波長域、例えば赤色光の波長に対応した表面反射光路長差または内面反射光路長差を設けることが好ましい。上層側の2つの検出部における反射量が多い光、すなわちこの場合の赤色光は、上層側の検出部で吸収される他の色の光よりも多くの回折光を生じさせるからである。

0176

また、撮像素子の各画素にアレイレンズの各マイクロレンズをおよそ一対一で設ければ、アレイレンズは狭義の意味での撮像素子のパッケージ外部にあっても構わない。たとえば、撮像素子に対しカメラアクセサリーのような形態でアレイレンズを後付けするような場合においても、本発明の効果が得られる。また、カバーガラスローパスフィルターに付加光路長差を設けた場合においても同様である。

0177

撮像素子10の画素間における表面反射光路長差および内面反射光路長差は、画素設計が容易になるといった点から(m+1/2)λ(mは整数、λは入射光の波長)であることが好ましい。しかし、これらの光路長差は(m+1/2)λには限定されない。

0178

例えば、波長の整数倍加算する長さを半波長に限るのでなく、半波長に0.5〜1.5の範囲の係数を乗じた(1/4)×λから(3/4)×λを加算してもよい。すなわち、前述の光路長差を(m+1/4)×λ〜(m+3/4)×λの範囲内に含まれるように、アレイレンズなどを形成してもよい。

0179

また、光電変換素子まで達する光束の最短波長から最長波長である受光波長域の中央値の波長λcの0.5倍から1.5倍の範囲内(0.5λc<λb<1.5λc)に入る波長λbを用いて、(m+1/2)λbが前述の光路長差となるように、アレイレンズなどを形成してもよい。

0180

あるいは、画素毎の分光透過特性に応じて透過される各波長域の中央値の波長λeの0.5倍から1.5倍の範囲内(0.5λe<λb<1.5λe)に入る波長λbを用いて、(m+1/2)λbが前述の光路長差となるように、アレイレンズなどを形成してもよい。

0181

さらに、撮像素子10においては、光電変換素子12に達する光束の最短波長から最長波長の間にある受光波長域に可視光を含んでいる。それゆえ、表面反射光路長差すなわち表面側のマイクロレンズの厚さの差は、受光波長域の中央値近傍の波長をλgとすると(m+1/2)λg、例えば200nm〜350nm、特に250nm〜300nm程度であることが好ましい。また、λgの代わりに、各画素の分光透過特性を有するカラーフィルタ14により透過される各波長域の中央値近傍の波長λfを用いても良い。

0182

また、第1の実施形態のように、画素ユニット中の基準画素PSと、隣接画素、および第1、第2の再隣接画素との間で、(m+1/2)λの反射光路長差を有する画素ペアの数と反射光路長の等しい画素ペアの数とが等しいことが好ましい。

0183

しかし、第2〜第4の実施形態のように、(m+1/2)λの反射光路長差を有する画素ペアと同じ表面反射光路長を有する画素ペアの数が異なっていても、全画素の表面反射光路長差が同じ撮像素子に比べて、反射回折ゴーストの影響を低減化することは可能である。

0184

次に、反射光路長付加画素の配置による回折ゴースト抑制の効果を、図34図38を用いて説明する。なお、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものでない。

0185

第1〜第4の実施例では、それぞれ第1〜第4の実施形態と同じように、通常画素と反射光路長付加画素が配置される。また、比較例では、全画素間に位相差が生じないように、全画素の表面反射光路長が等しい。

0186

図34図37は、第1〜第4の実施例における回折光のコントラストを示す図である。図38は比較例における回折光のコントラストを示す図である。

0187

なお、比較例における回折光DLの光学像のコントラストを1として、第1〜第4の実施例のコントラストの相対値を算出した。算出結果は、以下の表1の通りであった。

0188

0189

図34図38および表1に示すように、第1〜第4の実施例のコントラストは比較例に比べて大幅に低かった。したがって、第1〜第4の実施例のように、基準画素と隣接画素との画素ペアにおいて表面反射光路長差が設けられた画素ペアと、同じ表面反射光路長である画素ペアとの数が等しくなるように配置を定めることにより、コントラストの低下効果が得られることが分かる。

0190

回折光DLの一部について回折光の進行方向を変化させ、いわゆる0.5次方向に進む回折光を約半数混在させることにより、見かけ上の回折角が第1の比較例の1/2になり、回折光全体のコントラストが低下する、と考えられる。また、隣接画素は基準画素PSに最も近い画素であるため、基準画素PSと隣接画素のいずれか1つとの間で生じる回折光DLの回折光の方向を変化させることが、コントラスト低減に大きく寄与する、と考えられる。

0191

図34図37および表1に示すように、第1の実施例のコントラストが最も低く、第2〜第4の実施例の順番でコントラストが高くなった。

0192

基準画素と第1の再隣接画素との画素ペアにおいて表面反射光路長差を有する画素ペアの全画素ペアに対する割合は、第1〜第4の実施例で、50%、63%、75%、0%であり、50%からの差の絶対値が0%、13%、25%、50%である。したがって、基準画素と第1の再隣接画素との画素ペアにおける表面反射光路長差を有する画素ペアの割合が50%に近付くほど、コントラストの低下効果が得られることが分かる。

0193

回折光の干渉は、基準画素と隣接画素との間だけでなく基準画素と再隣接画素との間でも生じる。それゆえ、基準画素と隣接画素との画素ペアだけでなく、基準画素と再隣接画素との画素ペアにおいても、表面反射光路長差を有する画素ペアの割合を50%に近付けるほど、コントラストの低下効果が大きくなると考えられる。

実施例

0194

ただし、上述の実施例においては、コントラストの大幅な低減が確認されている。このため、第1の再隣接画素、あるいは第2の再隣接画素の少なくとも一部の画素との間で、反射光路長差を有する画素ペアと反射光路長差のない画素ペアとを単に混在させるだけでも効果が得られると考えられる。また、少なくとも、反射光路長差のある画素ペアを全画素ペア数に対して25〜75%の範囲で混在させると、コントラストを十分に低減可能であることは、上述の実施例の第1の再隣接画素の結果より明らかである。

0195

10撮像素子
12光電変換素子
12S受光面
14カラーフィルタ
16アレイレンズ
18膜部材
20位相板
101〜103 第1〜第3画素
L入射光
L1〜L4 第1〜第4の配列線

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