JPH1084104A - イメージセンサ - Google Patents

イメージセンサ

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JPH1084104A
JPH1084104A JP15822397A JP15822397A JPH1084104A JP H1084104 A JPH1084104 A JP H1084104A JP 15822397 A JP15822397 A JP 15822397A JP 15822397 A JP15822397 A JP 15822397A JP H1084104 A JPH1084104 A JP H1084104A
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JP
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array
lenslet
view
image sensor
photosensor
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JP15822397A
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Mark Marshall Meyers
マーシャル メイヤーズ マーク
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Eastman Kodak Co
Original Assignee
Eastman Kodak Co
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Publication date
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    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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    • G02B5/1895Structurally combined with optical elements not having diffractive power such optical elements having dioptric power

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  • Lenses (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Optical Filters (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 新しいレンズアレイ型の写真用対物レンズを
用いて非常に薄型のカメラを製造できるようにする。 【解決手段】 カメラに使用されるイメージセンサであ
って、3つの感光部72からなる組を複数備えたカラー
式フォトセンサアレイ70と、感光部72の組の数に対
応した数のレンズレット10を有し、各レンズレット1
0には、回折手段をもつ凸状球面である第1の面と、そ
の反対側の非球面の第2の面とが形成され、最大画角に
おいて各レンズレット10が、イメージセンサの最大画
角に対応した感光部72の組の上に入射光を結像できる
ようにフォトセンサアレイ70よりも大きいレンズレッ
トアレイ60と、レンズレット10の数と対応し、感光
部72の対応する組についてのローカル光軸の中心に合
わせて配置された開口絞りアレイ40と視野絞りアレイ
42とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、イメージセンサ用
のレンズレットアレイ(小レンズアレイ:lenslet arra
y)の分野に関し、特にディジタルイメージセンサとと
もに用いたときにレンズレットアレイの焦平面に光強度
分布の電子的表現を形成するレンズレットアレイの分野
に関する。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】カメ
ラの厚みの最小限度は、カメラの対物レンズの後側焦点
距離によって制限される。ディジタルカメラについて
は、広角レンズを使用することで厚みを小さくすること
が可能であるが、その結果被写体が所望されているより
も小さくあたかも視野中で小片のように見えてしまうこ
とがある。さらに、レンズの1/2画角が30〜35度
よりも小さくなければならないという制限も存在する。
というのは、このような制限を設けることにより、コマ
収差、非点収差、横色収差、ペッツヴァル像面湾曲のよ
うな場に依存した収差を修正するのがより容易になるか
らである。この画角についての制限により、対物レンズ
の焦点距離をどれだけ短くできるか、ひいてはカメラを
どれだけ薄くできるかが決定される。本発明の目的は、
新しいレンズアレイ型の写真用対物レンズを用いて非常
に薄型のカメラを製造できるようにすることである。
【0003】写真用対物レンズによって検出器面上に結
像された光をより小さな領域に収束させるために、レン
ズレットアレイが用いられてきた。レンズレットアレイ
を用いることにより、より多くの入射光を光検出器アレ
イの感光領域に当てるとともに画素間の無感領域に当た
る入射光をより少なくすることができるようになる。こ
れについては、"Visible Array Detectors" (Timothy
J. Tredwell, HANDBOOK OF OPTICS, VOL.1, FUNDAMENTA
LS,TECHNIQUES,& DESIGN, SECOND EDITION, CHAPTER 2
2, pp.32-34)のような論文に述べられている。これら
においてレンズレットアレイは対応するフォトセンサの
直上に合心配置されており、視野内の別部分を独立にみ
るようには設計されていない。言い換えると、レンズレ
ットアレイは、写真用対物レンズにより形成された像か
らの光を画素開口に収束させる。
【0004】"Optically Coupled Focal Plane Arrays
Using Lenslets And Multiplexers"と題されたヴェルド
キャンプ(Veldkamp)の米国特許第4,994,664号
においては、回折レンズレットのアレイを用いて入射光
をフォトセンサアレイ上に収束させ、フォトセンサ間領
域に増幅回路用の場所を稼ぐようにしている。レンズレ
ットは感光部上に合心配置され、またシリコン基板上の
フォトセンサとは反対側に形成されている。このように
可視領域波長を伝播しないシリコン基板を用いることに
より、レンズレットがフォトセンサ上に可視光を結像す
るのを防止している。上記米国特許発明は可視波長領域
では動作不可能であろう。なぜなら光学要素がすべて光
学的回折力(diffractive optical power)をもつもの
からなり、かなりの色収差の影響を受けるからである。
【0005】"Wavefront Sensor Having A Lenslet Arr
ay As A Null Corrector" と題されたズメック(Zmek)
の米国特許第5,233,174号には、干渉すなわちハ
ルトマン(Hartman)型テストにおいて特定の光学機器
からローカル単色波面傾斜を除去するように調整された
偏心部(デセンタ:decenters)をもつ回折レンズレッ
トアレイが開示されている。ハルトマンテストは種々の
光学機器の表面品質を保証するために用いられている。
もしこのテストの結果光学機器が容認基準内のものであ
るならば、センサアレイに入射した波面は所定の画素上
に集光された光スポットを形成する。もし波面が所望の
ものでなければ光スポットは他の画素に入射する。上記
米国特許発明は、合心配置されたレンズレットが所定視
野の規則的に離隔した部分をみることができないために
本発明に適用できない。また、この米国特許発明は回折
レンズレットの色収差のために白色光を用いる場合には
適用できない。
【0006】"Image-Sensing Display With LCD Displa
y Panel And Photosensitive Element Array" と題され
たロストカー(Rostoker)らの米国特許第5,340,9
78号には、視野の一部の像を形成する偏心配置された
レンズアレイについて簡単に説明されている。これらの
レンズはかなり離れて配置されており、個々の画素から
の視野を制限する使用可能な手段が含まれていない。所
望の視野の外部からの光は、スペーサ部材の壁での散乱
またはアレイ基板内での光の反射および再結像によりフ
ォトセンサに入射させることができる。アレイ内でレン
ズレットがかなり離れているために、イメージセンサに
集められ合焦される光の量は制限される。また、かなり
離れた画素を用いることで、規定の大きさの基板すなわ
ちウェハに作られるセンサアレイが少なくなってしま
い、センサのコストの大幅な上昇をもたらしてしまう。
加えるに、センサアレイを大きくすると、所定の製造プ
ロセスにおける最終的なセンサアレイの歩留まりを低下
させてしまう。さらに、上記米国特許では、レンズアレ
イの焦点距離と画素視野を弦とする角度とのトレードオ
フについて何の議論もされていない。もしレンズレット
の焦点距離が短ければ、視野のある部分からの光は、1
つの画素に入射するとともに、隣接する画素の視野範囲
にも入る。焦点距離が非常に短ければ、等価角度分解能
を要求する対応画素の大きさはリソグラフィプロセスで
は製造できないほどに小さくなる。加えるに、画素に集
められる光は、入射強度を確実に測定しうるだけの数の
電子を発生することができないほどに少なくなる。ま
た、上記米国特許では、色収差補正のために回折と屈折
をハイブリッドで用いることについて何の議論もされて
いない。本発明においては、複数のレンズが互いに接合
しており、不透光性の隔壁(baffle)がセンサ上に設け
られて各画素の視野を制限する。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は上記問題を解決
するものであり、間単に要約すると、本発明により、3
つのフォトセンサからなる組を複数備えており、前記各
組のフォトセンサ上部には赤、緑および青のフィルタが
それぞれ設けられたカラーフォトセンサアレイと、レン
ズレットの数が前記カラーフォトセンサアレイ内のフォ
トセンサの組の数に対応しているレンズレットアレイで
あって、各レンズレットには、一体として組み入れられ
た回折手段を有する凸状球面である第1の面と、実質的
に前記第1の面の反対側にある非球面である第2の面と
が形成されており、前記レンズレットアレイが前記カラ
ーフォトセンサアレイよりも大きいことにより、最大画
角において各レンズレットのローカル光軸が、前記イメ
ージセンサの最大画角に対応したフォトセンサの組の上
に入射光を結像させることができるレンズレットアレイ
と、視野絞りアレイと結合された開口絞りアレイであっ
て、前記視野絞りアレイおよび前記開口絞りアレイの数
は前記レンズレットの数と対応しており、前記視野絞り
アレイおよび前記開口絞りアレイのそれぞれはフォトセ
ンサの対応する組についてのローカル光軸の中心に合わ
せて配置(アライメント)されている開口絞りアレイと
を備えている短焦点距離型のイメージセンサが提供され
る。
【0008】上述の記載から、本発明の目的は、広い視
野と短い後側焦点距離とを備えたイメージセンサ用のレ
ンズレットアレイを提供することであると理解できる。
【0009】本発明の別の目的は、製造が容易で且つ今
まで可能であったものよりも薄いカメラのデザインおよ
び製造を可能にする小型半導体イメージセンサアセンブ
リに用いられる改良型のレンズレットアレイを提供する
ことである。
【0010】本発明の上記目的および他の目的、特徴、
効果などは、後述の好適な実施の形態、特許請求の範囲
および添付の図面から理解できるであろう。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。なお、理解を容易にするた
めに、各図面に共通する同一部材には可能な限り同一の
符号を用いる。
【0012】図1(A),(B)には、多くのレンズレ
ット(小レンズ)が形成されたレンズレットアレイの一
つの要素であるレンズレット10が示されている。各レ
ンズレット10には、屈折球面(第1の面)20上に回
折面18が形成されている。回折面18の反対側には非
球面である第2の面22が形成されている。図2には、
回折面18が小面に分割された様子がより詳細に示され
ている。第2の面22は曲面部14において凸状であ
り、曲面部12においては凹状になっている。第2の面
22は曲面部16が変曲点となる多項式で表される非球
面で構成されている。第1、第2の面20、22はとも
にレンズレット10の光軸24に対して実質的に垂直で
ある。レンズレット10は、BK7、石英、射出成形プ
ラスチック、またはエポキシ製のレプリカのような光学
ガラスから形成することができる。
【0013】図2に示すように、入射光線30は開口絞
りアレイ40を通過し、レンズレット10によって焦平
面50上に合焦される。符号18、20で表される部分
を備えた回折/屈折面は色収差を補正し、集光力(合焦
力)の大部分を提供する。一方で、非球面である第2の
面22はペッツヴァル像面湾曲、非点収差およびコマ収
差のような場に依存する収差を補正する。レンズのF#
は2.0mm、FLは0.5mmであるが、FLは0.
4〜2.0mmの範囲であってよい。
【0014】図3、図4には、図1、図2に示されたレ
ンズレット10を多数組み合わせて形成したレンズレッ
トアレイ60が示されている。レンズレットアレイ60
はレンズレット10で形成されており、レンズレット1
0は対応するフォトセンサ(感光部72;図5に明確に
示されている)に関連付けられている。図3に描かれて
いるように、レンズレット10の光軸24の中心は、中
央のレンズレットの光軸からの距離に応じてその関数と
して外側に変位しており、図4においては光軸が内側に
変位している。各レンズレット10の光軸24を取り巻
くように描かれたライン15は、一般にはレンズレット
表面の高さの変化を示す地形線(等高線)である。開口
絞り26のアレイは、レンズレット10の間の領域をふ
さぐことにより、図5で説明するセンサに光が到達しな
いようにしている。なお、図3、図4に描かれたアレイ
は、実際のカメラに用いられるもののほんの一部分を表
しているに過ぎない。実際には、約260×214から
約1500×1000のレンズレットを用いてレンズレ
ットアレイ60を形成する。本発明は、CCDデバイス
内の各感光部上に直接アライメントされた各レンズレッ
トの光軸、すなわちレンズレット自体でレンズレットア
レイを形成するものではない。そうではなく、レンズレ
ットは規則的に離隔したフォトセンサアレイ上に像を形
成するように配置されている。また、本発明の範囲から
逸脱しない限りにおいて、各レンズレットの外周形状を
正方形、6角形または円形にするなど、レンズレットの
設計を変更することも可能である。
【0015】本発明でレンズレットの一部分だけを用い
る理由は、レンズレットの一部だけが、カラー撮影用の
3つの画素グループのうちの特定の画素に関連した視野
角に用いられるからである。
【0016】図5は図3、図4の切断線4−4に沿った
断面図であり、多数の感光部72を有するCCDアレイ
であってよい撮像用のフォトセンサアレイ70上に位置
するレンズレットアレイ60を示している。感光部72
の数は少なくともレンズレットアレイ60を構成するレ
ンズレットの数に対応している。3色処理を行う条件下
では、各レンズレットの下には3つまでの感光部72を
形成することができる。レンズレットアレイ60は、隔
壁(バッフル)としても機能するスペーサ74によって
フォトセンサアレイ70の表面からの離隔を保ってい
る。開口絞りアレイ40は、スペーサ74および視野絞
りアレイ42とともに、すべてのフォトセンサの視野を
制限している。そのため、隣接するフォトセンサの視野
と重なることはほとんどない。視野絞りアレイ42はレ
ンズレットアレイ60の表面から0.5mm〜2mm程
度離れている。
【0017】開口絞りアレイ40および視野絞りアレイ
42にある開口の中心は、対応するレンズレットの視野
の中心にそれぞれ合わせられている。これら中心間の間
隔は、各レンズレットの画角に応じてその関数としてア
レイの中心から増加している。従って、開口絞りアレイ
40はレンズレットアレイ60よりも少しだけ大きい。
視野絞りアレイ42および開口絞りアレイ40の組合せ
により、レンズレットの焦点距離から感光部72の視野
が決定される。
【0018】レンズレットアレイ60は、エッチングさ
れた石英、またはガラス基板上のエポキシ製のレプリカ
から形成することが可能である。
【0019】レンズレット10は、適当な開口絞りアレ
イ40および視野絞りアレイ42と組み合わせると、感
光部72上に視野の一部の像を形成する。レンズレット
10に入射した光は、アクティブ画素領域上に収束す
る。
【0020】レンズレット10の位置は、レンズレット
によって結像される所定視野からの光が所定画素上に入
射するように調整されている。各CCD画素は自分のレ
ンズ要素を有しているために、中継レンズによって像を
再び変換する必要がない。従って、本発明を用いたどの
ようなカメラシステムも、非常に小型で平坦にすること
が可能である。カメラは白黒であってもよいし、各画素
上にカラーフィルタがついた3つの画素が設けられてい
ればカラーであってもよい。
【0021】検出器アレイに像を形成するために、非球
面レンズレットのアレイを用いることができる。しかし
ながら、上述の実施の形態では、波長の関数である焦点
距離の変化を補正することができない。なぜなら、レン
ズ要素は単一の屈折材からできており、入射光のスポッ
トサイズが色によって変化するからである。そこで、単
一の屈折材における色収差を補正するために、回折/屈
折ハイブリッドレンズを含む光学的に改良された設計が
用いられる。
【0022】回折ホログラフィ光学機器の結像特性は、
波長依存度が極めて大きい。回折光学機器を設計する
際、この現象は、以下の式に示すように、等価屈折率が
直接波長に依存するということで現される。
【0023】
【数1】 回折要素は非常に薄い層内ですべての波面を曲げる。こ
れは、回折要素を、表面での曲率が非常に小さい面(弱
い面)を有する非常に高屈折率の部材(nc=10,0
00)としたスウェット(Sweat)モデルにより説明さ
れる。そして、これに対して焦点距離は、λcを設計中
央波長とすると、
【数2】 すなわち、
【数3】 から決定することができる。
【0024】結果として、回折要素の分散vdiffは、
【数4】 であり、これは、
【数5】 と近似できる。従って、λc=587nm、λS=486
nm、λL=656nmであるときには、vd=−3.5
である。
【0025】他の興味ある波長帯について、適当なn
diffと、回折要素の集光力(パワー)分布を計算するこ
とができる。これによると、等価屈折率が波長に直接的
に依存しているために、小さい負のndiffと、1次(m
=1)回折光学的要素に関連した高いレベルの波長分散
が導かれる。
【0026】波長により屈折率が変化するために、単要
素レンズは波長によって焦点距離が異なる。分散が異な
る2つの材料を用いて、2つの波長に対して同じ焦点距
離をもち且つ全波長域において屈折率の変化が少ない二
重レンズを形成することができる。このような二重レン
ズを作るのに必要な相対的な集光力(focal power)の
分布は、以下の式で与えられる。
【0027】
【数6】
【数7】 回折面でのndiffが負であるために、正の焦点距離をも
つ回折および屈折部分を用いて、単一要素ハイブリッド
屈折/回折レンズの色収差補正が可能になる。これは、
さらに二重(複合)レンズの焦点距離およびF/#値を
減少させる。なぜなら、屈折性の二重レンズは、単一要
素レンズに必要とされるよりも焦点距離が短く且つF/
#値が小さい正のクラウン(低分散)レンズと、二重レ
ンズの焦点距離を適当な値に増大させ且つクラウンレン
ズの分散を相殺する負のフリント要素とから構成されて
いるからである。これにより、さらに、ハイブリッド屈
折/回折要素の正の光学要素の大きさおよび重量を減少
させるという効果が得られる。
【0028】PMMAプラスチックレンズを用いた可視
部(d−e−f線)での従来の色収差補正では、屈折部
および回折部の集光力の分配は、以下の式のように表さ
れる。
【0029】
【数8】
【数9】 なお、石英や、BK7のような光学的ガラスといった基
板を用いたり、ガラス基板上のエポキシ製のレプリカを
用いるのが可能であることは、当業者にとって明白であ
る。
【0030】屈折/回折ハイブリッド色収差補正を行う
ことにより、より焦点距離が長く且つよりF/#値が大
きい屈折面を用いることができる。F/#値が大きい
と、ゾーン間隔が大きくなるために屈折要素が製造しや
すくなる。例えば、FL=0.5mmでF/#=2.0
のレンズについて、屈折および回折部分の1次解析を行
うと、レンズレットの回折部分が完全に1次色補正に用
いられたと仮定すると、焦点距離およびF/#について
以下のような値が得られる。
【0031】
【数10】
【数11】 また、図6は、レンズレットアレイおよびフォトセンサ
アレイの前段に視野絞りアレイを有し、且つレンズレッ
トアレイとフォトセンサアレイとの間に開口絞りアレイ
を有する本発明の変形例によるイメージセンサの断面図
である。
【0032】図7、図8、図9には、光軸上、画角16
度、フル視野にそれぞれ対応した回折性のレンズレット
10が示されている。これらの図を比較すると、ローカ
ル光軸は光検出器アレイの平面に垂直であるのに対し
て、機械的な光軸14は画角に応じて外側に移動してい
くことが分かる。
【0033】不透光マスク16はフォトセンサの視野を
制限するとともに、開口絞りとしても機能する。
【0034】図7(B),(C)、図8(B),
(C)、図9(B),(C)には、それぞれのレンズレ
ットについての子午光線収差曲線およびサジタル光線収
差曲線が示されている。色収差を含んだ全体のスポット
サイズは、典型的な光検出器の大きさである10ミクロ
ン程度であることは注目すべきである。これらの図にお
いて、実線は波長546.1nmを、波線は波長65
6.1nmを、一点波線は波長460.0nmをそれぞ
れ表しており、これらは緑、赤、青の波長にそれぞれ対
応している。
【0035】下記の表には、画角0度、16度、26度
での3つのアレイ要素についての光学機器設計のパラメ
ータが示されている。これらの中間画角でのアレイ要素
は示された値から内挿することが可能である。
【0036】
【表1】 上記表において、非球面特性は以下の式により定義され
ており、
【数12】 回折位相特性は以下の式により定義されている(λ0
546.1nm)。
【0037】
【数13】 以上、本発明の好適な実施の形態について説明した。し
かしながら、本発明の観点から離れることなく当業者が
様々な変更や修正を行い得ることは容易に理解できるで
あろう。
【0038】
【発明の効果】本発明は以下のような利点を有してい
る。まず、レンズの後側焦点距離が短くなるためにレン
ズレットアレイを有するセンサが小型でポータブルであ
り、そのために非常に薄いカメラ筐体中に収めることが
可能である。また、本発明のレンズレットアレイを組み
込んだセンサは、ウェハのダイシング(切断)前に半導
体ウェハ上の多くの集積センサアレイが多くのレンズレ
ットアレイと同時にアライメントされる点で、部品の必
須アライメント工程数が最小限ですみ容易に製造でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (A),(B)は、それぞれ本発明に従って
形成されたレンズレットの前方および後方斜視図であ
る。
【図2】 図1のレンズレットの断面図である。
【図3】 球面を有する各レンズレットに地形線が描か
れたレンズレットアレイ上に位置する開口アレイを図示
したものであり、フォトセンサの中心に対してレンズレ
ットの物理的中心が外よりになっている側の図である。
【図4】 球面を有する各レンズレットに地形線が描か
れたレンズレットアレイ上に位置する開口アレイを図示
したものであり、フォトセンサの中心に対して内よりに
なっている側の図である。
【図5】 レンズレットアレイおよびフォトセンサアレ
イの前段に、視野絞りアレイと開口絞りアレイとを有す
る本発明の一実施形態によるイメージセンサの断面図で
ある。
【図6】 レンズレットアレイおよびフォトセンサアレ
イの前段に視野絞りアレイを有し、且つレンズレットア
レイとフォトセンサアレイとの間に開口絞りアレイを有
する本発明の一実施形態によるイメージセンサの断面図
である。
【図7】 レンズレット部分の断面図であって、(A)
は画角0度、(B)(C)はこれについての子午光線収
差曲線およびサジタル光線収差曲線にそれぞれ関連す
る。
【図8】 レンズレット部分の断面図であって、(A)
は画角14度、(B)(C)はこれについての子午光線
収差曲線およびサジタル光線収差曲線にそれぞれ関連す
る。
【図9】 レンズレット部分の断面図であって、(A)
は画角20度、(B)(C)はこれについての子午光線
収差曲線およびサジタル光線収差曲線にそれぞれ関連す
る。
【符号の説明】
10 レンズレット、12 曲面部、14 曲面部、1
5 ライン、16 曲面部、18 回折面、20 屈折
球面、22 第2の面、24 光軸、26 開口絞り、
30 入射光線、40 開口絞りアレイ、42 視野絞
りアレイ、50焦平面、60 レンズレットアレイ、7
0 フォトセンサアレイ、72 感光部、74 スペー
サ(隔壁)。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 短焦点距離型のイメージセンサにおい
    て、 3つのフォトセンサからなる組を複数備えており、前記
    各組のフォトセンサ上部には赤、緑および青のフィルタ
    がそれぞれ設けられたカラーフォトセンサアレイと、 レンズレットの数が前記カラーフォトセンサアレイ内の
    フォトセンサの組の数に対応しているレンズレットアレ
    イであって、各レンズレットには、一体として組み入れ
    られた回折手段を有する凸状球面である第1の面と、実
    質的に前記第1の面の反対側にある非球面である第2の
    面とが形成されており、前記レンズレットアレイが前記
    カラーフォトセンサアレイよりも大きいことにより、最
    大画角において各レンズレットのローカル光軸が、前記
    イメージセンサの最大画角に対応したフォトセンサの組
    の上に入射光を結像させることができるレンズレットア
    レイと、 視野絞りアレイと結合された開口絞りアレイであって、
    前記視野絞りアレイおよび前記開口絞りアレイの数は前
    記レンズレットの数と対応しており、前記視野絞りアレ
    イおよび前記開口絞りアレイのそれぞれはフォトセンサ
    の対応する組についてのローカル光軸の中心に合わせて
    配置されている開口絞りアレイとを備えていることを特
    徴とするイメージセンサ。
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