JP2014207253A - イメージセンサおよび撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 μレンズ本来の集光効率を損なうことなく、反射回折ゴーストを低減する。【解決手段】 光束の入射する側の、各画素に対応した位置にμレンズアレイ６の各μレンズが配置されたイメージセンサであって、μレンズアレイ６の、光線の入射する側に、μレンズアレイ６を構成する部材とは別な部材による層４を配置し、別な部材による層４の表面１は、μレンズアレイ６と光学的に逆の位相構造を有する。【選択図】 図１

Description

本願請求項１に記載の技術思想は、撮像装置などのイメージセンサに関するものである。

近年、電子カメラなどの撮像装置のイメージセンサは、高感度化と高画素密度化という相反する目標を要求されている。更に、画面周辺部（像高の高いところ）での許容入射角の条件を拡大することも求められている。

電子カメラの高機能化を目的として、少ない光量下でも速いシャッタを切れることで振れの少ない画像を得られるように、イメージセンサの高感度化が要求されている。高感度化は、同じ光量が到達してもこれを効率よく、低雑音で電気信号に変換することが必要である。

他方で、更なる高画質化を目的として、イメージセンサの画素数を増大させ、高精細画像を得るための高画素密度化が推進されている。イメージセンサのサイズには上限があるので、画素数の増大はイメージセンサ上の画素間のピッチを小さくすることに他ならない。従って、高画素密度化を実現するには一画素の面積を小さくする必要がある。

近年画素ピッチは、実際に用いる絞り値によっては結像レンズによる結像可能な最小光スポットの直径を既に下回っている。また、一般的に一画素の面積が狭くなるに従い、イメージセンサの感度は低下する。小さい画素面積は光を受け取る量が減るためである。イメージセンサ内部で実質的に光を電気に変換する光電変換素子（一般的にフォトダイオード、ＰＤとも表記）の面積も相対的に小さくなる。一画素あたりの光電変換素子面積は、ＣＣＤやＣＭＯＳなどのセンサの構成により異なるが、一般に一画素のサイズよりも更に小さく、一画素分の面積に対して入射する光量のうち光電変換に寄与するのはその一部である。この寄与率を上げることが高感度化の一手段である。画素ピッチで決まる一画素の面積に入射する光束は、大半がイメージセンサの表面から、その内部に入射して光電変換素子に到達する前に様々な方向へ伝搬し、損失してしまうため、高感度化は容易ではない。

高感度化を目的として従来から、一画素毎の表面にマイクロレンズ（オンチップマイクロレンズ、以下μレンズ）を２次元μレンズアレイとして設置する方法が一般的に行われている。μレンズにて、画素面積一杯に入射した光束をイメージセンサ内部で更に集光する。そして、センサの最も奥にある光電変換素子上へ集めるのが目的である。

従来の問題について図１１を参照しながら説明する。前述のように近年イメージセンサ表面には、一画素毎に対応してμレンズ１１が具備されている。μレンズ１１は画素に対応して周期的に並んでおり、μレンズ１１は空気中に凸の位相構造を持っている。また、光電変換部１２も一画素毎に対応して並んでいる。なお、９は不図示のイメージセンサ内部の構造部分である。

この周期的位相構造は、反射回折格子として作用し、イメージセンサ表面に入射する撮影光束の一部はそこで回折反射する。このとき０次反射光は迷光として障害の原因となる。しかしながら、特に問題なのは、±１次（及びそれ以上の高次）反射回折光である。

反射回折光は、回折によりイメージセンサに入射する際の角度と異なる角度を持って反射される。これが、イメージセンサ直前に置かれたＵＶＩＲカットフィルタのダイクロコートに斜め入射することにより、該ダイクロコートが設計想定されたカット波長と異なる特性を呈する。

結果的に該回折光の一部の波長成分はＵＶＩＲカットフィルタにて反射され、再びイメージセンサ上に入射し、ゴースト像となる。その一部は、そこで再び反射回折し、該ＵＶＩＲカットフィルタとの間での反射を繰り返し、イメージセンサ上に広い範囲に於いてゴーストとして影響を及ぼす。この反射回折ゴーストは、画面内に明るい輝点がある場合に、赤い規則的なパターンとして現れる。

μレンズ表面より損失される光量を少なくするために、μレンズの屈折率より低い屈折率の透明膜をμレンズの表面に設けることが従来提案されている（特許文献１）が、これは上記反射回折ゴーストを改善することはできない。

特開平６−５８２９号公報

反射回析ゴーストの対策として、μレンズの光学的な高さを工夫して、回折格子としての作用を弱める方法が考えられる。μレンズの光学的な高さを工夫する場合、主としてその高さを低くし、平面に近づける方向が考えられる。曲率を変更して高さを低くする場合、その曲率半径を大きくする他に、屈折面前後の媒質の屈折率を変更して、実質的な光学的高さを低くする方向もある。

ところが、この結果、μレンズの屈折力が弱くなり、本来μレンズを設置する目的であった集光効率を向上させるという効果を損なう結果となる。

本発明の一側面としてのイメージセンサは、光束の入射する側の、各画素に対応した位置にμレンズアレイの各μレンズが配置されたイメージセンサであって、前記μレンズアレイの、光束の入射する側に、前記μレンズアレイを構成する部材とは別な部材による層を配置し、前記別な部材による層の表面は、前記μレンズアレイと光学的に逆の位相構造を有する。

本願請求項１に記載の技術思想によれば、μレンズ本来の集光効率を損なうことなく、反射回折ゴーストを低減することができる技術を提供することできる。

本発明の実施例１であるイメージセンサの構成を示す断面図である。 撮像装置のブロック図である。 撮影時の処理の全体的な流れを示す図である。 本発明の実施例２であるイメージセンサの構成を示す断面図である。 実施例３でのイメージセンサを示す図である。 実施例４でのイメージセンサを示す図である。 イメージセンサへの入射条件が変わる場合について説明する図である。 実施例５でのイメージセンサを示す図である。 イメージセンサへの入射条件が変わる場合について説明する図である。 実施例６でのイメージセンサを示す図である。 従来のイメージセンサの構成の一例を示す断面図である。

本発明を実施するための形態は、以下の実施例１および２に記載される通りである。

＜実施例１＞
＜イメージセンサの構成＞
図１にイメージセンサの構成を示す。

センサ表面１には凹レンズ形状の凹μレンズアレイ２が形成されている。センサ表面１から次の面３までが補償層４であり、面３から下（奥）は凸μレンズ層５である。面３は、凸レンズの形状の凸μレンズアレイ６を有する。

補償層４の屈折率はＮ１、凸μレンズ層５の屈折率はＮ２である。

凸μレンズアレイ６よりも（表面からみて）奥側には、不図示の電極構造等があり、各画素に対応した光電変換部７が配置されている。光電変換部７の周囲には、光を通す部分や通さない部分を含む、不図示のイメージセンサ内部の構造部分９が存在する。この構造部分９は一様なハッチングで表されている。

センサ表面１から入射した光束は、一旦負パワーの凹μレンズアレイ２にて拡散されるが、直下の凸μレンズアレイ６にて収束され、光電変換部７へと到達する。

補償層４の屈折率Ｎ１は、凸μレンズ層５の屈折率Ｎ２よりも低いため、且つ、センサ表面１に形成されている凹μレンズアレイ２の曲率半径は、その下の凸μレンズアレイ６の曲率半径に比べ小さいため、合成の屈折力は正パワーとなるように構成されている。

センサ表面１に於いて、表面反射回折を起こした回折ゴースト光成分に対し、一旦表面を透過し、凸μレンズアレイ６に到達した光束は、凸μレンズアレイ６を回折格子として反射回折する。

センサ表面１にて反射回折した光成分と、内部の凸μレンズアレイ６にて反射回折した回折光成分は、振幅は同等であって、位相成分は相互に干渉して相殺する。

したがって、μレンズの最終的な集光効果を低下させずに、反射回折パターンによるゴーストを低減させることができる。

つまり、光束の入射する側に、各画素に対応した位置に凸μレンズアレイ６（μレンズアレイを構成）の各μレンズが配置されたイメージセンサにおいて、凸μレンズ層５と同じピッチで周期的な位相構造をもつ、別の部材（透明な材質）による補償層４を、凸μレンズ層５と積層させ、凸μレンズ層５の上に個々の位相構造が個々のμレンズと同軸となるように配置している。補償層４は少なくとも一層である。

補償層４の位相構造は凸μレンズ層５による回折格子構造に対して、光学的に逆位相になるように構成されている。

補償層４の位相構造はμレンズと同ピッチで構成されるため、補償層４の位相構造からも凸μレンズ層５に依るものと同じ回折角にて反射回折光が発生する。該反射回折光は、凸μレンズ層５からの回折光成分と相互に干渉し、回折光成分の強度を低減させる作用を有する。

補償層４の周期的位相構造は、屈折力を持つ場合（即ちμレンズ）、及び屈折力を持たない場合が考えられる。屈折力を持つ場合、μレンズとの合成屈折力が所望の集光効率を実現するように構成する。

但し、空気に面する側の補償層４の屈折率をＮ１、次の凸μレンズ層５の屈折率をＮ２とする場合、Ｎ１＞Ｎ２とする。

空気との界面における強度反射率Ｒ１は、
Ｒ１＝｛（Ｎ１−１）／（Ｎ１＋１）｝^２ ・・・（１）
で与えられ、次の層５との界面に於ける強度反射率Ｒ２は、
Ｒ２＝｛（Ｎ２−Ｎ１）／（Ｎ２＋Ｎ１）｝^２ ・・・（２）
となる。

空気中からセンサ表面１の補償層４に入射する際の境界面での反射した成分の強度と、次の凸μレンズ層５との境界面へ入射する際に反射した成分が空気中へ射出した際の強度がほぼ等しいことが好ましい。

或る面での反射光強度全体に占める一次回折光強度の割合を、一次回折光の回折効率とする。

また、センサ表面１での一次回折反射光の回折効率をｄ１、次の凸μレンズ層５との境界面での一次回折反射光の回折効率をｄ２とすると、センサ表面１への入射光の強度をＩ０としたとき、センサ表面１からの一次回折反射光成分の強度Ｉｄ１は、
Ｉｄ１＝Ｉ０・Ｒ１・ｄ１

次の境界面からの一次回折反射成分の強度Ｉｄ２は、
Ｉｄ２＝Ｉ０・（１−Ｒ１）・（１−Ｒ１）・Ｒ２・ｄ２
となる。尚、各層の光学距離（厚さ）が短いため、透過回折の影響については無視している。

センサ表面１と次の凸μレンズアレイ６からの各反射回折光成分が相互に減衰するには強度が等しいことが望ましい。その条件は、Ｉｄ１＝Ｉｄ２であるため、
Ｉ０・Ｒ１・ｄ１＝Ｉ０・（１−Ｒ１）・（１−Ｒ１）・Ｒ２・ｄ２
となる。二つの層４，５に於ける格子の光学的な深さを等しくすることで回折効率を近づけることができる。それについては、後述するが、二つの層４，５に於ける回折効率が、ｄ１＝ｄ２である場合、
Ｒ１＝（１−Ｒ１）・（１−Ｒ１）・Ｒ２
であり、２つの層４，５の間の屈折率の条件は、次式で示される。
｛（Ｎ１−１）／（Ｎ１＋１）｝^２＝［１−｛（Ｎ１−１）／（Ｎ１＋１）｝^２］^２・｛（Ｎ２−Ｎ１）／（Ｎ２＋Ｎ１）｝^２

センサ表面１の入射面、即ち空気と接する面の位相構造が、回折格子として振る舞う場合、この格子深さを実測上の深さをＤ１とする。また、屈折率Ｎ１の層４と屈折率Ｎ２の層５の境界に配置される位相構造の実測格子深さをＤ２とする場合、
Ｄ１＝Ｄ２／Ｎ１
のとき、換算光路長に於いて二つの回折格子の深さは等価となる。

以上の条件を踏まえて、Ｎ１，Ｎ２，Ｄ１，Ｄ２は次の条件を満たすことが必要となる。
｛（Ｎ１−１）／（Ｎ１＋１）｝^２−［１−｛（Ｎ１−１）／（Ｎ１＋１）｝^２］^２・｛（Ｎ２−Ｎ１）／（Ｎ２＋Ｎ１）｝^２＜０．０４ ・・・（１）
０．８≦（Ｄ１・Ｎ１）／Ｄ２≦１．２０ ・・・（２）

なお、光学的な深さのことを「厚み」とする場合、位相差だけを問題にしているので、上述のＤ１＝Ｄ２／Ｎ１を、次のように表現してもよい。
Ｄ１＝Ｄ２／Ｎ１＋ｎ・λ（ｎ＝１，２，３，．．．、なお、λ：ゴーストの支配的な赤色の波長（空気中）である。）

ｎがある程度の範囲内であれば上述と同等の効果が得られる。別言すれば、ｎ＝１の場合が上述した例である。但し、余りｎが大きくなる徐々に果が薄れていく。したがって、たとえばｎは、１０より少なくすることが望ましい。

＜カメラの構成＞
次に、本実施形態に係るデジタルカメラなどの撮像装置の構成について説明する。

図２に、係る撮像装置のブロック図を示す。レンズおよび絞りからなる光学系１０１、メカニカルシャッタ（メカシャッタと図示する）１０２、撮像素子であるＣＣＤやＣＭＯＳなどのイメージセンサ１０３を備える。また、アナログ信号処理を行うＣＤＳ回路などの回路１０４、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１０５、撮像素子１０３やＣＤＳ回路１０４およびＡ／Ｄ変換器１０５を動作させるタイミング信号を発生するタイミング信号発生回路１０６を備える。また、光学系１０１やメカニカルシャッタ１０２および撮像素子１０３の駆動回路１０７、撮影した画像データに必要な信号処理を行う信号処理回路１０８、信号処理された画像データを記憶する画像メモリ１０９を備える。また、撮像装置から取り外し可能な画像記録媒体１１０、信号処理された画像データを画像記録媒体１１０に記録する記録回路１１１、信号処理された画像データを表示する画像表示装置１１２、画像表示装置１１２に画像を表示する表示回路１１３を備える。また、撮像装置全体を制御するシステム制御部１１４、システム制御部１１４で実行される制御方法を記載したプログラムやプログラムを実行する際に使用されるパラメータやテーブル等の制御データを不揮発性メモリ（ＲＯＭ）１１５に備える。また、不揮発性メモリ（ＲＯＭ）１１５には、キズアドレス等の補正データを記憶しておく。また、不揮発性メモリ１１５に記憶されたプログラムや制御データおよび補正データを転送して記憶しておき、システム制御部１１４が撮像装置を制御する際に使用する揮発性メモリ（ＲＡＭ）１１６を備える。

＜撮影制御＞
以下、上述のように構成された撮像装置を用いてメカニカルシャッタ１０２を使用した撮影動作について説明する。なお、特に明記しないかぎりシステム制御部１１４の指令のもと制御される。

まず、撮影動作に先立ち、撮像装置の電源投入などに伴って、システム制御部１１４が、不揮発性メモリ１１５から必要なプログラム、制御データおよび補正データを揮発性メモリ１１６に転送して記憶しておく。また、これらのプログラムやデータは、システム制御部１１４が撮像装置を制御する際に使用される。また、システム制御部１１４が、必要に応じて、追加のプログラムやデータを不揮発性メモリ１１５から揮発性メモリ１１６に転送したり、システム制御部１１４が直接不揮発性メモリ１１５内のデータを読み出して使用したりする。

光学系１０１は、システム制御部１１４からの制御信号により、絞りとレンズを駆動して、適切な明るさに設定された被写体像を撮像素子１０３上に結像させる。次に、メカニカルシャッタ１０２は、システム制御部１１４からの制御信号により、必要な露光時間となるように撮像素子１０３の動作に合わせて撮像素子１０３を遮光するように駆動される。このとき、撮像素子１０３が電子シャッタ機能を有する場合は、メカニカルシャッタ１０２と併用して、必要な露光時間を確保してもよい。撮像素子１０３は、システム制御部１１４により制御されるタイミング信号発生回路１０６が発生する動作パルスをもとにした駆動パルスで駆動され、被写体像を光電変換により電気信号に変換してアナログ画像信号として出力する。撮像素子３から出力されたアナログの画像信号は、システム制御部１１４により制御されるタイミング信号発生回路６が発生する動作パルスにより、ＣＤＳ回路１０４でクロック同期性ノイズを除去し、Ａ／Ｄ変換器５でデジタル画像信号に変換される。

次に、システム制御部１１４により制御される信号処理回路１０８において、デジタル画像信号に対して、色変換、ホワイトバランス、ガンマ補正等の画像処理、解像度変換処理、画像圧縮処理等を行う。画像メモリ１０９は、信号処理中のデジタル画像信号を一時的に記憶したり、信号処理されたデジタル画像信号である画像データを記憶したりするために用いられる。信号処理回路１０８で信号処理された画像データや画像メモリ１０９に記憶されている画像データは、記録回路において画像記録媒体１１０に適したデータ（例えば階層構造を持つファイルシステムデータ）に変換されて画像記録媒体１１０に記録される。また、画像データは、信号処理回路１０８で解像度変換処理を実施された後、表示回路１１３に於いて画像表示装置１１２に適した信号（例えばＮＴＳＣ方式のアナログ信号等）に変換されて画像表示装置１１２に表示される。

ここで、信号処理回路１０８においては、システム制御部１１４からの制御信号により信号処理をせずにデジタル画像信号をそのまま画像データとして、画像メモリ１０９や記録回路に出力してもよい。また、信号処理回路１０８は、システム制御部１１４から要求があった場合に、信号処理の過程で生じたデジタル画像信号や画像データの情報をシステム制御部１１４に出力する。例えば、画像の空間周波数、指定領域の平均値、圧縮画像のデータ量等の情報、あるいは、それらから抽出された情報である。さらに、記録回路は、システム制御部１１４から要求があった場合に、画像記録媒体１１０の種類や空き容量等の情報をシステム制御部１１４に出力する。

さらに、画像記録媒体１１０に画像データが記録されている場合の再生動作について説明する。システム制御部１１４からの制御信号により記録回路は、画像記録媒体１１０から画像データを読み出し、同じくシステム制御部１１４からの制御信号により信号処理回路１０８は、画像データが圧縮画像であった場合には、画像伸長処理を行い、画像メモリ９に記憶する。画像メモリ９に記憶されている画像データは、信号処理回路１０８で解像度変換処理を実施された後、表示回路１１３に於いて画像表示装置１１２に適した信号に変換されて画像表示装置１１２に表示される。

＜撮像装置の処理の流れ＞
以下、所謂撮像装置は、共通して以下のような処理の流れを有する。

撮影時の処理の全体的な流れについて、図３に示すフローチャートを用いて説明する。なお、以下の説明において特に記載がない場合、動作の主体はシステム制御部１１４（図１００）である。

まず、ステップＳ３０１で、システム制御部１１４は、操作部（不図示）に含まれる図示しないメインスイッチ（電源スイッチ）の状態を検出し、オン状態であればステップＳ３０２へ進む。ステップＳ３０２で、システム制御部１１４は、記録回路１１１（図１００）に装着された記録媒体の残容量を調べ、残容量が例えば画質設定などから定まる撮影画像データサイズよりも多ければステップＳ３０５へ進む。そうでなければステップＳ３０３へ進む。

ステップＳ３０３でシステム制御部１１４は、記録媒体の残容量が不充分であることを警告してステップＳ３０１に戻る。警告は、画像表示装置１１２（図１００）にメッセージを表示するか、図示しない音声出力部から音声を出力するか、又はその両方により行うことができる。

Ｓ３０５でシステム制御部１１４は、画像表示装置１１２にピントを合わせる領域（ＡＦ領域ともいう）を表示する。すなわち、撮影した画像を一時記憶部である画像メモリ１０９（図１００）へ保存し、表示回路１１３（図１００）により表示画像を生成して画像表示装置１１２に表示する処理を連続的に行う表示処理において、通常撮影において設定されたＡＦ領域を併せて表示する。

ステップＳ３０６でシステム制御部１１４は、レリーズの状態を調べ、半押し状態であればステップＳ３０８へ進み、そうでなければステップＳ３０７へ進む。ここで、本実施形態の撮像装置は、レリーズの半押し状態により、自動合焦動作（ＡＦ：Ａｕｔｏ Ｆｏｃｕｓ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）や自動露出制御動作（ＡＥ：Ａｕｔｏ Ｅｘｐｏｓｕｒｅ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｍ）など、本撮影に先立つ処理を開始する。ステップＳ３０７ではメインスイッチの状態を調べ、オン状態であればステップＳ３０５へ戻り、そうでなければステップＳ３２０へ戻る。

ステップＳ３０８でシステム制御部１１４は、Ａ／Ｄコンバータ１０５（図１００）の出力から被写体輝度を検出する。

その後、ステップＳ３１０で自動合焦処理（ＡＦ処理）を行う。ステップＳ３０８の検出結果から被写体輝度が所定値より低い場合には、図示しない光源によりＡＦ補助光を被写体に向けて所定時間投光してＡＦ処理を行う。

そして、合焦すると、ステップＳ３１１では、レリーズ（不図示）が全押し状態であるかどうかを調べ、全押し状態であればステップＳ３１３へ進み、そうでなければステップＳ３１２へ進む。ここで、本実施形態の撮像装置では、レリーズの全押しにより撮影処理を開始する。

ステップＳ３１２ではレリーズが半押し状態かどうかを調べ、半押し状態であればステップＳ３１１へ戻り、そうでなければステップＳ３０５へ戻る。ステップＳ３１４ではステップＳ３０２と同様に記録媒体の残容量を調べ、次の撮影に必要な残容量があればステップＳ３１５へ進み、そうでなければステップＳ３０３へ進む。ステップＳ３１５ではレリーズが全押し状態であるかどうかを調べ、全押し状態でなければステップＳ３１２へ進む。

＜製造方法について＞
図１を使って説明したイメージセンサの製造方法について記載する。マイクロレンズアレイの製造方法は幾つかあるがマイクロレンズ形状を溶融させて形成するリフロー法や、エッチバック法、その他の製造プロセスがある。

図１を使って説明したイメージセンサは、たとえば、本来集光のためのμレンズアレイを形成したのち、その上層に更に透明部材を載せて所望の光学的位相構造となるように表面構造を加工することで製造する。リフロー法の場合、予め凹凸の位置が逆になるように、画素と画素の間に材料を置いてからそれらを溶融によりつなげて、画素の中央が凹むようにするようにしてもよい。集光のためのμレンズアレイに対して、イメージセンサ面内に於いて空間的に逆位相となる構造である層を形成するためである。エッチバック法であれば、直接所望の形状になるようにエッチングして行くことが可能である。

＜実施例２＞
図４に本発明の実施例２のイメージセンサの構成を示す。

基本的な構成は実施例１と同様だが、実施例１との差異は、実施例１はセンサ表面１に負パワーを有する凹μレンズ構造を構成していたのに対し、実施例２はセンサ表面１の位相構造にパワーを持たないことが異なる。

センサ表面１には、内部の凸μレンズアレイ６の形状と逆の位相構造を有する台形、若しくは矩形の断面形状を有する格子形状アレイ８が形成されている。

センサ表面１から次の面３までが補償層４、面３から下（奥）は凸μレンズ層５である。面３は、凸レンズ形状の凸μレンズアレイである。

補償層４の屈折率はＮ１、凸μレンズ層５の屈折率はＮ２である。

凸μレンズアレイ６よりも（表面からみて）奥側には、不図示の電極構造等があり、各画素に対応した光電変換部７が配置されている。

センサ表面１から入射した光束は、表面を透過し、直下の凸μレンズアレイ６にて収束され、光電変換部７へと到達する。

センサ表面１の位相構造はパワーを持たないため、一旦拡散することはなく、凸μレンズアレイ６による集光作用のみを受ける。

センサ表面１に於いて、表面反射回折を起こした回折ゴースト光成分に対し、一旦表面を透過し、凸μレンズ層５の面３に到達した光束は、面３を回折格子として反射回折する。

センサ表面１にて反射回折した成分と、内部の面３にて反射回折した回折光成分は、振幅は同等であって、位相成分は相互に干渉して相殺する。

＜実施例３＞
一般に、画面周辺部に対応するイメージセンサへの被写体からの光線の入射は、テレセントリックからずれ、斜めに入射する。その結果、垂直に入射する場合に比較して、実効的な回折格子の深さが変わって、光路長が長くなる。そこで、画面周辺部ではでの光線入射角に基づいて、上記深さの変化分を考慮したり、μレンズのシフトを考慮して表面の回折格子の場所もシフトさせたりする必要が生じる。そこで、図５を用いて、実施例３を説明する。

上述のように、画面中央部ではイメージセンサに略垂直に光束が入射する一方、画面周辺部では、イメージセンサへの入射条件が変わり、テレセントリックな状態が崩れている（図５）。このような場合、凸μレンズアレイ６がある場合でも、光束が斜めに入射することにより光電変換部７にずれて当たるため、画面周辺で光量の結合効率が低下する。

そのため、画面周辺に対応する位置では、画面中央部に対応する位置と比較して、凸μレンズアレイ６と光電変換部７の位置を相対的にずらす。さらに、画面周辺に対応する位置では、画面中央部に対応する位置と比較して、補償層４（屈折率はＮ１）と、凸μレンズ層５（屈折率はＮ２）との位置を相対的にずらす。ここでは、画面周辺部に対応するμレンズをシフトさせる。これは、画面上の所定の位置に対応するイメージセンサの位置を境にシフトさせてずらしてもよいし、光軸からはずれ像高が高くなるほど、シフトさせるようにずらしてもよい。効果は後者の方が高い。これによって、入射角をなしてセンサに入射する光線を効率よく光電変換部へ結合できる。

具体的には、イメージセンサ表面に形成する位相構造を持った補償層４の凹μレンズアレイ２が、凸μレンズアレイ６と同じ位置にある場合、凹μレンズアレイ２と凸μレンズアレイ６との間には、補償層４の層厚分だけの距離がある。そこで、凸μレンズアレイ６に対し入射する光束の一部は凹μレンズアレイ２の凸部に干渉し損失となる。従って、凹μレンズアレイ２も凸μレンズアレイ６と同様にシフトさせないと角度を有して入射する光束の妨げとなる。

そこで、例えば、凹μレンズアレイ２のシフト量は、凸μレンズアレイ６のμレンズのシフト量と補償層４と光線入射角を考慮して、その像高での光線が、対応するひとつの凹μレンズとひとつの凸μレンズと光電変換部７を直線上に結ぶ範囲、又はその近傍に位置するように設定する。

なお、凹μレンズアレイ２、凸μレンズアレイ６からの反射回折光の位置については、これらがイメージセンサ面内で相互にずれた場合でも変わらないため効果に対しての影響はない。

＜実施例４＞
次に、実施例３で説明した課題に対応させて、実施例２で説明したイメージセンサでの応用例について図６を用いて説明する。

図５にあるように、イメージセンサ表面に形成する位相構造を持った補償層４の格子形状アレイ８が、凸μレンズアレイ６に対し入射する光束の一部は格子形状アレイ８の凸部に干渉し損失となる。凸μレンズアレイ６と同じ位置にある場合、格子形状アレイ８と凸μレンズアレイ６との間には、補償層４の層厚分だけの距離があるためである。従って、格子形状アレイ８も凸μレンズアレイ６と同様にシフトさせないと角度を有して入射する光束の妨げとなる。

そこで、格子形状アレイ８のシフト量は、凸μレンズアレイ６のμレンズのシフト量と補償層４と光線入射角を考慮して、その像高での光線が、対応するひとつの格子形状とひとつの凸μレンズと光電変換部７を直線上に結ぶ範囲、又はその近傍に位置するように設定する。

なお、格子形状アレイ、凸μレンズアレイ６からの反射回折光の位置については、これらがイメージセンサ面内で相互にずれた場合でも変わらないため効果に対しての影響はない。

＜実施例５＞
次に、実施例３で説明した課題に対して、実施例４、５で説明した技術思想に対して別観点の技術思想による解決例を図８を用いて説明する。

先ず、画面中央部ではイメージセンサに略垂直に光束が入射し、それに対して、画面周辺部に於いて、イメージセンサへの入射条件が変わる場合について図７を用いて説明する。

これは、即ち像側にてテレセントリックな状態が多少崩れている撮影光学系の場合である。画面中心と周辺でμレンズの高さが一定であった場合、中心では垂直入射であるのに対し周辺では光線入射角を有して斜めに通るため、その正割成分として光路長が長くなる。その結果、回折格子としての光学的深さが画面中心と周辺で異なり、回折効率が異なってしまう場合がある。このため、反射回折ゴーストも、強い光束が画面中心に入射した場合と、画面周辺の場合とでは異なった状況を示す。

一方で、イメージセンサ表面に設けた凹μレンズアレイ２に対しても同様の影響があり、画面周辺では光学的深さが異なるため同様に回折効率が異なってしまう。この結果、凸μレンズアレイ６による反射回折ゴーストと表面にある凹μレンズアレイ２による反射回折ゴーストの振幅が画面中心と周辺で異なり、周辺では十分相殺されない条件が現れることがある。

図７に示すのは、イメージセンサ入射角がθ０であるような、周辺の或る像高に於ける模式図である。なお、凹μレンズアレイ２と凸μレンズアレイ６との間を説明のために実際より開けて記載している。

ここで、θ０は、或る像高に於いて撮像レンズから射出してイメージセンサへ入射する光線入射角であり、凹μレンズアレイ２の或る画素の中心に入射した場合、２を通過した後の光線の角度はθ１である。θ１は次式で示される。

また、２を通過したのち、凸μレンズアレイ６の画素中心を通過した光線の角度θ２は同様に次式で示される。

凹μレンズアレイ２と凸μレンズアレイ６共に、角度を持って入射する場合、これらが反射回折格子として作用するときの位相差を与える光路長に関連する、高さ（深さ）Ｄ１、Ｄ２は、入射角の影響を受けそれぞれ、増大する。

テレセントリックな条件から外れた場合の画面の中での光線入射角θ０は、一般的に画面中心は０°、即ち垂直にイメージセンサへ入射し、像高が大きくなるに従い、徐々に一定符号で変化することが多い。ただし、撮影レンズの設計による。
例えば、主光線が画面中心にてイメージセンサへ垂直入射するのに対して、広角レンズの多くは、像高の高いところの光線入射角は画面の中心から外側へ向かう方向に角度を為す。これは、仮にイメージセンサを撮影レンズから離れる方向に光軸に沿って移動した場合、画像が拡大するように見える角度の状態である。一方、望遠レンズの多くは、逆に像高の高いところの光線入射角は画面の周辺から中心へ向かう方向に角度を為す。これは、同様に仮にイメージセンサを撮影レンズから離れる方向に光軸に沿って移動した場合、画像が縮小するように見える角度の状態である。

また、前述のように像高が高くなるにつれ単調に変化することが多いので、画面の端部が最も入射角が大きいことが多い。但し、像高が高くなるにつれ入射角の変化が反転する場合もある。

何れにしても、この結果、画面中心に比較して、画面端部では、実質的な凹μレンズアレイ２と凸μレンズアレイ６の高さ（深さ）が変化してしまう。別言すれば、凹μレンズアレイ２と凸μレンズアレイ６とを通過する光路長が変化してしまう。そのため、中心では回折ゴーストの相殺のための条件が正しくても、周辺では当該条件と合わない。その結果、回折ゴーストの相殺が十分に行われないことがある。

また、凹μレンズアレイ２と凸μレンズアレイ６の其々の境界面では、其々屈折率差が異なり、材料にも依るが一般に空気中から媒質内に至る境界２の方が、境界６に比較して屈折率差が大きい。このため入射角変化によって、斜め入射に起因する換算光路長の変化は、境界２の方が、境界６に比較して影響が大きい。

そこで、図８を用いて、その解決のための技術思想について説明する。

中心から周辺に於ける光線入射角の変化に合わせて、Ｄ１、Ｄ２の量を変えることで、画面の何れの場所に於いても回折ゴーストの相殺が有効に行われるようにする。画面周辺に至るに従い、図に示すように光線入射角が、像が拡大する方向に付けられている場合である。

この場合、光線入射角が大きくなるほど凹μレンズアレイ２の回折格子としての位相差（高さ、又は深さ）は、実質的な換算光路長としては大きくなる。したがって、これを補正するために実寸法としての高さＤ１を中心に比較して小さい値とする。このときの、凹μレンズアレイ２の高さをＤ１‘にて示す。図５１中では、Ｄ１’は、入射角θ０に依存するので、Ｄ１‘（θ０）と記載している。

ここでは、Ｄ２は像高に依らず一定としている。これは、凸μレンズアレイ６の境界面では、２の境界面にて空気中から透明媒質内に屈折入射したため、入射角度θ１はある程度垂直入射に近くなっていることと、凸μレンズアレイ６は、本来の目的として入射光束の結合効率を向上させることにあるためである。

ここで中心と、光線入射角θ０の、周辺の或る像高に於いて回折ゴースト低減効果を同等にするためには、中心でのＤ１、Ｄ２の比率と同じ回折格子の深さ比率とすることが好ましい。

その条件として、

であることが必要である。

であるから、周辺の凹μレンズアレイ２の高さＤ１‘（θ０）は、θ０に依存する関数として、

で示される。

上記条件式に対し、±３％の範囲で満たすように構成すれば十分な効果が得られる。

また、上記例ではＤ２を全画面中で一定の高さとしているが、これはＤ１と同様に像高に応じて変化させてもよい。

尚、回折ゴーストは、広角寄りで影響が大きい。これは、光源が画面内で小さく撮影されやすいからである。そのため、ズームレンズなど広角端から望遠端へ移行する際に光線入射角が変動するケースでは、広角側の光線入射角の条件を優先することが好適である。必ずしも、広角端に合わせるのではなくとも、広角から望遠に至る範囲で、影響の出やすい範囲内に於いて平均的に条件を合わせるのもよい。

＜実施例６＞
実施例２で説明したイメージセンサにおいて、実施例５で説明した技術思想を応用した例を図９、１０に記載する。その技術思想は、実施例５での図６、７と同様であるので省略する。

本発明は、コンパクトデジタルカメラ、一眼レフカメラ、ビデオカメラなどのカメラシステムに好適に利用できる。

１ センサ表面
２ 凹μレンズアレイ
３ 面
４ 補償層
５ 凸μレンズ層
６ 凸μレンズアレイ
７ 光電変換部
８ 格子形状アレイ

Claims (6)

1. 光束の入射する側の、各画素に対応した位置にμレンズアレイの各μレンズが配置されたイメージセンサであって、
   前記μレンズアレイの、光束の入射する側に、前記μレンズアレイを構成する部材とは別な部材による層を配置し、
   前記別な部材による層の表面は、前記μレンズアレイと光学的に逆の位相構造を有することを特徴とするイメージセンサ。
2. 前記別の部材による層の表面の位相構造は、負の屈折力を有することを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
3. 前記別の部材による層の表面の位相構造は、屈折力を持たないことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
4. 前記別の部材による層の表面の位相構造は、矩形若しくは台形の断面形状を有することを特徴とする請求項３に記載のイメージセンサ。
5. 前記別な部材による層の屈折率をＮ１、前記μレンズアレイの屈折率をＮ２、前記別な部材による層の位相構造の高さをＤ１、前記μレンズアレイの高さをＤ２とすると、Ｎ１，Ｎ２，Ｄ１，Ｄ２は次の（１）式および（２）式を満たすことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のイメージセンサ。
   ｛（Ｎ１−１）／（Ｎ１＋１）｝^２−［１−｛（Ｎ１−１）／（Ｎ１＋１）｝^２］^２×｛（Ｎ２−Ｎ１）／（Ｎ２＋Ｎ１）｝^２＜０．０４ ・・・（１）
   ０．８≦（Ｄ１・Ｎ１）／Ｄ２≦１．２０ ・・・（２）
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のイメージセンサと、当該イメージセンサからの信号を処理する信号処理手段とを有する撮像装置。

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