JP5421207B2

JP5421207B2 - 固体撮像装置

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Publication number: JP5421207B2
Application number: JP2010188564A
Authority: JP
Inventors: 野梨紗子上; 田義典飯; 木英之舟
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-08-25
Filing date: 2010-08-25
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2030-08-25
Also published as: US8711267B2; US20120050589A1; JP2012049257A

Description

本発明の実施形態は、可視画像及び距離情報を同時取得する固体撮像装置に関する。

２次元アレイ情報として奥行き方向距離を得ることができる撮像技術は、参照光を使用する技術、複数カメラを使用したステレオ測距技術など様々な方法が検討されている。特に近年は、民生用途での新たな入力デバイスとして比較的廉価な製品のニーズが高まっている。

そこで多眼で多数視差を得ることができ、かつ解像度低下を抑えるための構成として、結像レンズを持つ複眼構成の撮像装置が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。この撮像装置は、例えば結像系レンズを有し、結像系レンズと撮像素子の中間に、再結像系光学系として複数光学系が配置される。例えば複数光学系としては、平面上に多数の微小レンズが形成されたマイクロレンズアレイなどが用いられる。各マイクロレンズの下部には複数の画素がその像を取得するため対応する位置に設けられている。結像レンズにおいて結像された像は、再結像マイクロレンズによって再度撮像素子へ結像し、その再結像した個眼像は、それぞれマイクロレンズの配置位置によって存在する視差の分、視点ずれした画像となる。多数のマイクロレンズから得られた視差画像群を画像処理することで、三角測量の原理にて被写体の距離推定が可能であり、またつなぎ合わせの画像処理を行うことによって、２次元画像として再構成することも可能である。被写体の距離推定のための画像処理の例としては、画像同士を比較し、被写体の同一点を撮像した部分を画像マッチング法などによって求める、汎用のステレオ画像処理を用いることができる。

K. Fife, A. E. Gamal, and H. Wong, "A 3D multi-aperture image sensor architecture," Custom Integrated Circuits Conference, pp. 281-284, Sep.2006.

しかし、隣接するマイクロレンズ間の光混色が、視差画像群のマッチング精度を低下させるという問題がある。

本発明の実施形態は、隣接するマイクロレンズ間の光混色を防止し、視差画像群のマッチング精度の低下を抑制することのできる固体撮像装置を提供する。

本実施形態の固体撮像装置は、複数視差を得ることのできる固体撮像装置であって、半導体基板に形成され、それぞれが複数の画素を含む画素ブロックを複数有する撮像領域を備えた撮像素子と、被写体を結像面に結像する第１の光学系と、前記複数の画素ブロックに対応して設けられた複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイと、前記複数のマイクロレンズに対応して設けられ複数の第１の色フィルタを有する第１のフィルタと、を含み、前記撮像素子と前記第１の光学系の間に設けられ、前記結像面に結像された像を前記画素ブロックに再結像する第２の光学系と、前記撮像素子と前記第２の光学系の間に設けられ、前記第１のフィルタの前記複数の第１の色フィルタに対応する複数の第２の色フィルタを有する第２のフィルタと、を備え、前記第１および第２のフィルタは、前記結像面から前記マイクロレンズに入射する主光線の角度によって、前記撮像領域の周辺部へ向かうほど、前記第１および第２の色フィルタがずれるように構成され、再結像された前記画素ブロックごとの像は、視差を有する。

第１実施形態による固体撮像装置を示す断面図。２つのカラーフィルタの関係を説明する図。２つのカラーフィルタがベイヤー配列である場合を説明する図。混色防止効果を説明する図。混色防止効果を説明する図。カラーフィルタのずらし量を説明する図。図７（ａ）、７（ｂ）はカラーフィルタのずらし量を説明する図。光学像から距離情報を取得する方法を説明する図。ずれ量に関する結像面とＭＬ主面との距離の依存性を示す図。第１実施形態の固体撮像装置によって取得される光学像を説明する図。カラーフィルタの膜厚と混色防止効果を説明する図。カラーフィルタの膜厚と混色防止効果を説明する図。図１３（ａ）乃至１３（ｅ）は第１実施形態の固体撮像装置の製造方法を説明する図。図１４（ａ）乃至１４（ｃ）は第１実施形態の固体撮像装置の製造方法を説明する図。図１５（ａ）乃至１５（ｃ）は、カラーフィルタおよびマイクロレンズの製造を説明する図。第２実施形態による固体撮像装置を示す断面図。第３実施形態による固体撮像装置を示す断面図。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。

本実施形態の固体撮像装置は、半導体基板に形成され、それぞれが複数の画素を含む複数の画素ブロックを有する撮像領域を備えた撮像素子と、被写体を結像面に結像する第１の光学系と、前記複数の画素ブロックに対応して設けられた複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイを含み、前記結像面に結像された像を、個々のマイクロレンズに対応する画素ブロックに再結像する第２の光学系と、前記第２の光学系側に前記複数のマイクロレンズに対応して設けられ、複数の第１の色フィルタを有する第１のフィルタと、前記撮像素子側に設けられ、前記第１のフィルタの前記複数の第１の色フィルタに対応する複数の第２の色フィルタを有する第２のフィルタと、を備えている。そして、前記第１および第２のフィルタは、前記撮像領域の周辺部へいくほど、前記撮像領域の周辺方向へ前記第１および第２の色フィルタがずれるように構成されている。

（第１実施形態）
第１実施形態による固体撮像装置を図１に示す。

本実施形態の固体撮像装置においては、半導体基板２上にフォトダイオードを有する複数の画素４が形成されるとともに、これらの画素４を駆動してこれらの画素４からの信号を読み出す駆動／読み出し回路（図示せず）が形成された撮像素子を有している。画素４の上部には、ｐおよびｑを自然数とするとき例えばp×q個の画素ブロックごとにカラーフィルタ６が形成される。このカラーフィルタ６の上部には、１画素ごとに画素集光用のマイクロレンズ８が形成されていてもよい。

カラーフィルタ６の上方に、結像マイクロレンズアレイ１０およびカラーフィルタ１２が形成された、可視光を透過する可視光透過基板１４が設けられている。この可視光透過基板１４は、画素４が形成された撮像領域の周囲に設けられた樹脂材料のスペーサ９によって半導体基板２と接合される。なお、半導体基板２と可視光透過基板１４とを接合する際の位置合わせは、合わせマーク等を基準にして行う。可視光透過基板１４は、例えば不要な赤外光をカットする材料であっても良いし、赤外光をカットする膜が形成されていても良い。可視光透過基板１４を半導体基板に接合する時に、カラーフィルタ６、１２はその色の組み合わせが同一となるように接合する。また、カラーフィルタ６の色の間隔はカラーフィルタ１２の色の間隔よりも狭くなるように構成する。

また、半導体基板２には、画素４の読出し用電極パッド２２が設けられ、この電極パッド２２の下部には半導体基板２を貫通する貫通電極２４が形成されている。そして半導体基板２は、貫通電極２４およびバンプ２６を介してチップ３０と電気的に接続される。このチップ３０には、撮像装置を駆動し読み出された信号を処理する駆動処理回路が形成されている。

また、可視光透過基板１４の上方には結像レンズ４０が設けられ、この結像レンズ４０はレンズ鏡筒４２に取り付けられ、このレンズ鏡筒４２はレンズホルダ４４に取り付けられる。レンズホルダ４４は可視光透過基板１４のカラーフィルタ１２が設けられていない周囲の領域上に接合される。このレンズ４０の取り付け時に、押し付け圧と出力像の関係からレンズ４０の焦点距離の調整をしても良い。なお、半導体基板２、可視光透過基板１４、およびチップ３０の周囲には、不要な光を遮断するための光遮蔽カバー５０が取り付けられる。そして、光遮蔽カバー５０にチップ３０と外部とを電気的に接続するモジュール電極５２が設けられる。

（カラーフィルタによる混色防止）
このように構成された本実施形態の固体撮像装置におけるカラーフィルタによる混色防止機能について図２乃至図５を参照して説明する。

カラーフィルタ６、１２と、画素領域の対応を図２に示す。各画素ブロック５Ｒ、５Ｇにマイクロレンズ１０、カラーフィルタ６、１２を配置し、カラーフィルタ１２はマイクロレンズ１０の側に配置、カラーフィルタ６は光電変換を行う画素ブロック側５Ｒ、５Ｇ側に配置する。結像レンズ４０を透過した光線は、結像面６０で結像した後、カラーフィルタ１２に入射する。マイクロレンズ１０側、画素ブロック５Ｒ、５Ｇ側でそれぞれ各色をフィルタリングし、隣接する画素の異なる色の混色成分をカラーフィルタ６、１２で吸収し排除する。画素ブロック５Ｒは、赤色を検出する画素ブロックを示し、画素ブロック５Ｇは緑色を検出する画素ブロックを示す。すなわち、赤色を表す光線６２Ｒは結像レンズ４０を透過して結像面６０で結像した後、カラーフィルタ１２の赤色透過フィルタおよびカラーフィルタ６の赤色透過フィルタを透過し、画素ブロック５Ｒに取り込まれる。同様に、緑色を表す光線６２Ｇは結像レンズ４０を透過して結像面６０で結像した後、カラーフィルタ１２の緑色透過フィルタおよびカラーフィルタ６の緑色透過フィルタを透過し、画素ブロック５Ｇに取り込まれる。

画素ブロック毎の色配列は、図３に示すように例えば原色ベイヤー配列を用いても良い。隣接画素同士は異なるカラーフィルタとする方が、より混色防止に効果がある。

カラーフィルタ６、１２がベイヤー配列の場合の、混色防止効果を図４、図５を参照して説明する。カラーフィルタ６、１２を透過する際に、同色である組み合わせのみ、光線がカラーフィルタ１２およびカラーフィルタ１２を透過し、画素ブロック５へ結像する。例えば、結像レンズ４０に入射角θ_Ｒで入射した赤色の主光線６２Ｒｍが、カラーフィルタ１２の赤色透過フィルタを透過した後、マイクロレンズ１０を介してカラーフィルタ６の赤色透過フィルタを透過する。また、この主光線６２Ｒｍの周辺の赤色の光線６２Ｒｃも同様に、カラーフィルタ１２の赤色透過フィルタを透過した後、マイクロレンズ１０を介してカラーフィルタ６の赤色透過フィルタを透過する。

また、図５に示すように、結像レンズ４０に入射角θ_Ｇで入射した緑色の主光線６２Ｇｍが、カラーフィルタ１２の緑色透過フィルタを透過した後、マイクロレンズ１０を介してカラーフィルタ６の緑色透過フィルタを透過する。しかし、図５に示すように、カラーフィルタ１２の緑色透過フィルタを透過し、カラーフィルタ６の赤色透過フィルタを通るような緑色光、例えば乱反射緑光線６２Ｇｒがある場合、これは混色成分となる。しかし、この緑光線６２Ｇｒはカラーフィルタ６の赤色透過フィルタにおいて減衰する。このため、画素ブロック５内にあるフォトダイオード４へ光信号として入射することを防止することが可能となり、混色を防止することができる。

（カラーフィルタのずらし量）
次に、本実施形態による固体撮像装置における、カラーフィルタ６、１２のずらし量について説明する。

カラーフィルタ６、１２は撮像領域の周辺部によって周辺方向へとずらされて配置されるが、その対応関係について図６、図７（ａ）、７（ｂ）に示す。図６はカラーフィルタ６、１２を示す斜視図であり、図７（ａ）は図６に示す、カラーフィルタ６の対角方向の面で切断した断面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）に示す破線部の拡大図である。

図７（ａ）に示すように、カラーフィルタ６における赤色透過フィルタ６Ｒと、カラーフィルタ１２における赤色透過フィルタ１２Ｒが対応関係にあり、入射角度θで結像レンズ４０に入射する、被写体の主光線６２が結像面６０で結像した後、赤色透過フィルタ１２Ｒおおよび赤色透過フィルタ６Ｒを透過するものとする。結像面６０における被写体の像高Ｙは、結像レンズ４０の焦点距離をｆとすると、被写体が無限遠にあるときは、
ｔａｎθ＝Ｙ／ｆ
で表される。そこで、赤色透過フィルタ６Ｒおよび赤色透過フィルタ１２Ｒの中心は、ずれ量αだけずれることになる。このずれ量αは、Ｄをカラーフィルタ６とカラーフィルタ１２との間の距離（マイクロレンズ１０が存在する場合には、カラーフィルタ６とマイクロレンズ１０との間の距離）とすると、以下の式にて表される。
α＝Ｄ×ｔａｎθ＝Ｄ×Ｙ／ｆ
ここで、撮像領域の最外部では主光線６２の入射角度θは最大となるが、そのときの主光線６２の入射角度θ_ｍａｘを考える。例えば、主光線入射角度θを、携帯やコンパクトカメラで標準的な半画角３０度とし、Ｄ＝１ｍｍとすると、撮像領域四隅でのずらし量αは０．５７７ｍｍとなる。

最外部以外でのずらし量は、それぞれの位置での主光線６２の入射角θによって決まる。撮像領域中心部では、主光線６２の入射角度θは０度であるため、ずらし量αはゼロで良く、外縁部へ向かうほどθは大きくなるので、ずらし量αは大きくすることが好ましい。

（光学像より距離情報を取得する方法）
次に、本実施形態による固体撮像装置における、光学像から距離情報を取得する方法について図８を参照して説明する。単純化のため、今回は光軸近似の範囲の式のみ記述する。

光学結像系（結像レンズ）４０により、被写体からの主光線及びその同族光線は、結像光学系の焦点距離と被写体距離から決まる結像面６０において、式（１）の関係を満たすように結像する。

ここでｆは結像レンズ４０の焦点距離、Ａは結像レンズ４０の物体側主面４０ａから被写体までの距離、Ｂは結像レンズ４０の像側主面４０ａから結像面６０までの距離を示す。結像レンズ４０の像倍率（横倍率）は下式で表される。

結像面６０における像は、その下部に配置されたマイクロレンズ（以下、ＭＬとも記す）１０によって再度、画素４が設けられた撮像素子面に結像する。ＭＬ１０の結像は下式で表される。

ここで、ｇはＭＬ１０の焦点距離、ＣはＭＬ１０の物体側主面１０ａから結像面６０までの距離、ＤはＭＬ１０の像側主面１０ａから撮像素子面までの距離を示す。このとき、結像系４０による像倍率は次の式（３）によって表される。

ここで、幾何関係により式（５）のＥを導入する。光学系４０が単焦点光学系の場合、Ｅは一定の関係となる。
Ｅ＝Ｂ＋Ｃ（５）
ここで、比較する個眼間を２個選択した場合の、個眼間距離Ｌ_ＭＬと片側の像ずれ量Δ／２は式（６）で表される。

ここで、Ｄ_０は基準被写体が位置Ａ_０のときの再結像距離を示す。

これより、被写体の移動（Ａの変化）に対する各パラメータの変化量を示す。Ａ_０等、右下に添え字０がついたパラメータは、該当パラメータの初期値とする。各パラメータの、初期値からの変化を式で示す。

式（１）〜式（５）よりＤの変化量をＭ（結像レンズ倍率）で表すと次の式（７）に示す関係となる。

また、式（１）、（２）、（６）、（７）より被写体の距離Ａと像のずれ量Δは次の式（８）に示す関係となる。

ずれ量Δと倍率Ｍは、次の式（９）に示す関係となる。

被写体Ａが遠方に位置する、すなわちＡ→∞のとき、Ｍ→０となり、ずれ量Δは次の式（１０）に示す値に収束する。

ここで、精度（Ａの変化に対するΔの変化）は、下式で表される。

上の精度を示す式（１１）はＭ（＝Ｂ／Ａ）を含むため、精度は距離依存性を持つ。

次に、上記の関係に基づき、実際の光学パラメータを仮定し被写体Ａの移動によってどの程度のずれ量Δが発生するかを示す。仮定する光学パラメータを以下と仮定する。
結像レンズ焦点距離ｆ：７ｍｍ、もしくは４２ｍｍ
ＭＬ焦点距離ｇ：６８２μｍ
ＭＬ配置ピッチ：３００μｍ
撮像素子画素ピッチ：４．３μｍ
初期位置Ａ_０を０．３ｍにした場合の精度を示す。
ここで、Ａ_０は、あるピント位置状態にて合焦する範囲で最も近い被写体距離（被写界深度の近い方の限界）を意味する。

結像レンズの焦点距離ｆ＝７ｍｍ、または４２ｍｍ、かつ初期合焦位置Ａ_０＝０．３ｍにおける、ずれ量に関するＣ_０配置距離（結像面６０とＭＬ主面１０ａとの距離）の依存性を図９に示す。式（１０）に示すずれ量Δより、ｆが小さいほど視差収束距離Δは大きくなる。この収束するずれ量Δ／２が画素ブロック間隔より大きくなると、ＭＬ間でクロストークするレンジオーバー領域となるため、収束距離とＭＬの関係は設計指針の１つである。

図１０に、被写体と本実施形態の固体撮像装置によって取得される光学像の関係を示す。結象光学系（結象レンズ）４０により、結像面６０には、被写体１００の反転像が形成される。それぞれのマイクロレンズ１０は、近接した距離から結像面６０の像を見ている状態となり、少しずつオーバーラップした視差画像群が各画素ブロック５Ｒ、５Ｇ上に形成される。このときの再結像した像は、再度反転するため、正立像となる。結象光学系４０によって形成された結像面６０の像は、マイクロレンズ１０によって縮小して撮像される。この縮小倍率が、光学的な解像度劣化の度合いを決める。

次に、カラーフィルタ６、１２の膜厚と混色防止効果について図１１、図１２を参照して説明する。図１１は、カラーフィルタ６、１２での混色防止効果を示すグラフである。カラーフィルタ６、１２の合計膜厚を１μｍとし、カラーフィルタ１２を厚さ０．５μｍ、カラーフィルタ６の膜厚を０．５μｍに分けて配置した場合を考える。ここで、図１１において青色（Ｂ）、緑色（Ｇ）、赤色（Ｒ）を考え、次の（１）〜（５）に場合に分けて説明する。（１）Ｇフィルタ→Ｇフィルタを通るＧ光、（２）Ｇフィルタ→Ｇフィルタを通るＢ光、（３）Ｇフィルタ→Ｇフィルタを通るＲ光、（４）Ｇフィルタ→Ｒフィルタを通るＧ光、（５）Ｒフィルタ→Ｇフィルタを通るＧ光とする。ここでは、（４）、（５）の場合が隣接画素ブロック間の混色成分である。

カラーフィルタ特性として、信号成分となる、Ｇフィルタを合計１μｍ透過したＧ光が、透過後の強度はおよそ８０％まで低下し、また、混色成分であるＧフィルタを通る、Ｒ、Ｂ成分がＧフィルタで吸収されたとき、１μｍ透過後は８％程度まで減少することを仮定する。上記仮定の場合、隣接画素からの混色の場合、すなわち（４）、（５）の場合について計算すると、透過後における混色成分は２０％まで低下する。

また、カラーフィルタ６、１２で膜厚を増加させた場合の混色防止効果を示すグラフを図１２に示す。カラーフィルタ６、１２の合計膜厚を１．５μｍとし、それぞれの厚さを０．７５μｍ、０．７５μｍとして配置した場合、１μｍの厚さを通過時のクロストーク成分まで抑えるには、合計膜厚を１．５倍にすれば良いことが分かる。このときの明るさ低下は８％で抑えられる。

（製造方法）
次に、本実施形態の固体撮像装置の製造方法を図１３（ａ）乃至１４（ｃ）を参照して説明する。

まず、図１３（ａ）に示すように、半導体基板２上にフォトダイオードからなる画素４、駆動及び読出し回路（図示せず）を形成し、画素４の上部には、例えばｐ×ｑ個の画素ブロックごとにカラーフィルタパターン６を形成する。カラーフィルタ６の不必要な部分には透明な平坦化用樹脂または遮光膜７等が形成される。カラーフィルタ６の上部には、１画素ごとに画素集光用のマイクロレンズ８を形成してもよい。また、半導体基板の上面を開口し、この開口の底面に電極パッド２２を設ける。

続いて、画素４が形成された撮像領域の周囲にスペーサ用の樹脂９を塗布し、画素４が形成された撮像領域の上方に、フォトリソグラフィーにて開口を形成する（図１３（ｂ）、１３（ｃ））。

次に、半導体基板２の上方に、マイクロレンズアレイ１０、カラーフィルタ１２が形成された可視光透過基板１４を、合わせマーク等を用いて半導体基板２と接合する（図１３（ｄ））。この可視光透過基板１４は、例えば不要な赤外光をカットする材料であっても良いし、赤外光をカットする膜が形成されていても良い。この接合時に、カラーフィルタ６、１２はその色の組み合わせが同一となるように接合する。

次に、画素の読出し用電極パッド２２の下部には貫通電極２４を形成する（図１３（ｅ））。続いて、半導体基板２をバンプ２６を介して駆動、処理回路が形成されたチップ３０と接合する（図１４（ａ））。画素４の上方に、レンズホルダ４４、レンズ鏡筒４２に取り付けられた結像レンズ４０を接合により半導体基板２に取り付ける（図１４（ｂ））。この取付時、押し付け圧と出力像の関係から結象レンズ４０の焦点距離を調整しても良い。次いで、単位モジュールごとに切り離し、周囲に、不要な光を遮断するための光遮蔽カバー５０を取り付け、固体撮像装置を完成する（図１４（ｃ））。

次に、カラーフィルタおよびマイクロレンズの製造方法を図１５（ａ）乃至１５（ｅ）を参照して説明する。

マイクロレンズアレイの作成は、汎用的に用いられている半導体製造技術であるフォトリソグラフィーやエッチング技術を用いる。可視光透過基板１４上にカラーフィルタ１２およびマイクロレンズ１０を形成する場合を例にとって説明するが、半導体基板２上にカラーフィルタ６およびマイクロレンズ８を形成する場合も同様にして行うことができる。

初めに可視光透過基板１４を用意し、この可視光透過基板１４にカラーフィルタ１２をフォトリソグラフィーによって形成する（図１５（ａ）、１５（ｂ））。カラーフィルタ１２の配列が青、緑、赤のベイヤー配列の場合は、各色の顔料ないしは染料樹脂を塗布し、フォトリソグラフィーによりパターニングするという工程を繰り返して作成する。

次に、カラーフィルタ１２上に、感光性の再結像マイクロレンズ用樹脂を塗布し（図１５（ｃ））、フォトリソグラフィー技術を用いて画素ブロックとカラーフィルタ６の配列周期と同周期の樹脂パターンを形成する（図１５（ｄ））。

次に、基板を熱処理することより樹脂を熱変形させ、レンズ形状のパターンを作成し、マイクロレンズ１０を形成する（図１５（ｅ））。

上記では、感光性透明樹脂にてマイクロレンズアレイを作成しているが、例えばガラス基板上に同様に樹脂のマイクロレンズパターンを作成した後、反応性イオンエッチング等でガラス基板とフォトレジストを均等に異方性エッチングすることで、樹脂形状をガラス基板に転写しても良い。この場合、マイクロレンズを先に形成するため、カラーフィルタはマイクロレンズ上に形成するか、もしくは基板の裏面側に形成する。

（画像の再構成）
次に、本実施形態による固体撮像装置による取得画像から通常のピクセル画像、及び距離情報を得るための画像処理について説明する。画素ブロック毎に得た単色（赤、青、または緑）の像は、それぞれマイクロレンズの位置に応じた視差を持っている。視差は、ベイヤー配列１単位に２個ある緑画素ブロック間で画像マッチング処理を行うことで、縦、横方向の視差情報を得ることができる。ベイヤー配列において、残りの青、赤は２つの対角に位置する緑の画素と直交しているため、２つの緑の画像から得られた視差成分より、残りの赤、青の視差量も計算できる。これら視差量は、距離の情報を含むため、画像マッチング処理によって得た視差量より被写体距離の推定が可能である。また、視差量より青、緑の画家画像を再構成することによって、通常のカメラで得られるような２次元画像を再構成することが可能である。

画像マッチング処理としては、例えば、２つの画像の類似度や相違度を調べる周知のテンプレートマッチング法を用いることができる。また、更に精密にずれ位置を求める際には、画素単位ごとに得られた類似度や相似度を連続なフィッティング関数等で補間し、フィッティング関数の最大や最小を与えるサブピクセル位置を求めることで、更に高精度にずれ量を求めることができる。

以上説明したように、本実施形態においては、マイクロレンズ１０側、画素ブロック側で各色をフィルタリングし、隣接の異なる色の混色成分をカラーフィルタ６、１２で吸収し排除する。その際、結像面６０からマイクロレンズアレイ１０に入射する光線の、マイクロレンズ１０にとっての主光線の角度によって、カラーフィルタ６、１２を撮像領域周辺部へ向かうほど撮像領域周辺方向へずらしていくことで、効果的に混色を防ぎ、各マイクロレンズ１０による有効撮像領域を増加させる。

本実施形態によれば、隣接するマイクロレンズ間の光混色を防止し、視差画像群のマッチング精度の低下を抑制することができる。

また、カラーフィルタ６、１２を撮像領域周辺部へ向かうほど撮像領域周辺へずらしていくことで、周辺部での入射角の大きな光線のケラレ量を最小限にすることができる。ずらし量の調整は、結像レンズ４０の結像角の特性によって適宜設計可能で、カラーフィルタ６、カラーフィルタ１２のマスク設計に反映すればよく、設計に柔軟性がある。

また、隣接個眼への混色入射を防止するシャッター部品や、凹凸構造を有する隔壁などの追加部品を必要としないため、コスト低減を図ることができ、さらに、部品合せ誤差等による組立て時の歩留まり低下を防止することができる。

また、カラーフィルタ１２、マイクロレンズ１０は透明ウエハ１４上に通常用いる半導体工程を用いてウエハ上に作成することが可能なため、ウエハスケールで固体撮像素子を組立てすることが可能となる。

また、１画素が結像レンズ４０の光学限界まで微細化された場合には、特に赤色などの長波長はシリコンフォトダイオードでは吸収係数が低いため、隣接画素への光混色が問題である。しかし、本実施形態のように１画素ごとではなく画素ブロック毎にカラーフィルタを配置することで、画素ブロック内では隣接画素は同色のカラー成分を光電変換するため、フォトダイオード間のクロストークを防止することができる。

また、カラーフィルタには顔料分散レジストが用いられることが多いが、画素微細化により顔料の粒径と画素サイズが同程度になり、顔料粒の塗布時のムラによる各画素上部のカラーフィルタの分光特性ムラが発生する問題がある。しかし、本実施形態のように画素ブロック毎にカラーフィルタを配置することで、色情報に関しては隣接画素部での平均化処理が可能のため、１画素ずつ画素フィルタを配置するよりもムラによる分光特性低下を防止することができる。

また、結像レンズは色収差を最低限にするため、複数枚レンズ、非球面レンズなど設計が複雑化するが、画素ブロック毎にカラーフィルタ、マイクロレンズを設けることで、マイクロレンズの結像特性（焦点距離）を色ごとに変化させることが可能となるため、レンズ側の色収差要求が緩和しレンズの低コスト化を図ることができる。

また、固体撮像装置の寸法を撮像素子チップと同程度まで小型化できる。貫通電極を用いて外部への取り出しを行うため、ボンディングワイヤが不要となる。このため、マイクロレンズアレイ１０およびカラーフィルタ１２が形成された透明基板１４にて感光領域を封止した以降は、付着ダストは透明基板１４の表面に付着したゴミが問題となる。しかし、本実施形態においては、透明基板１４の表面と感光領域は、透明基板１４の厚さ、接着剤の厚さで決まる距離がありレンズにて結像する光路の途中にあるので、感光領域上には焦点がずれた状態で結像され、従来の固体撮像素子の感光領域上に乗ったダストと比べ、黒キズへの影響度を大幅に軽減することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態による固体撮像装置を図１６に示す。この第２実施形態の固体撮像装置は、図１に示す第１実施形態の固体撮像装置のマイクロレンズ１０およびカラーフィルタ１２を、分光性能を有するマイクロレンズ１０Ａに置き換えた構成となっている。このマイクロレンズ１０Ａは、カラーフィルタを兼ねており、顔料分散レジストで作成することができる。

この第２実施形態も第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態による固体撮像装置を図１７に示す。この第３実施形態の固体撮像装置は、図１に示す第１実施形態の固体撮像装置のマクロレンズ１０をマイクロレンズ１０Ｂに置き換えた構成となっている。このマイクロレンズ１０Ｂは、カラーフィルタ１２の結像光学系（結像レンズ）４０側に形成され、凸部が結像光学系（結像レンズ）４０の方に向いた構成となっている。

この第３実施形態も第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

２半導体基板
４画素
５Ｒ画素ブロック
５Ｂ画素ブロック
６カラーフィルタ
８マイクロレンズ
９スペーサ樹脂
１０マイクロレンズ
１２カラーフィルタ
１４可視光透過基板
２２電極パッド
２４貫通電極
２６バンプ
３０チップ
５０光遮蔽カバー
５２モジュール電極

Claims

複数視差を得ることのできる固体撮像装置であって、
半導体基板に形成され、それぞれが複数の画素を含む画素ブロックを複数有する撮像領域を備えた撮像素子と、
被写体を結像面に結像する第１の光学系と、
前記複数の画素ブロックに対応して設けられた複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイと、前記複数のマイクロレンズに対応して設けられ複数の第１の色フィルタを有する第１のフィルタと、を含み、前記撮像素子と前記第１の光学系の間に設けられ、前記結像面に結像された像を前記画素ブロックに再結像する第２の光学系と、
前記撮像素子と前記第２の光学系の間に設けられ、前記第１のフィルタの前記複数の第１の色フィルタに対応する複数の第２の色フィルタを有する第２のフィルタと、
を備え、
前記第１および第２のフィルタは、前記結像面から前記マイクロレンズに入射する主光線の角度によって、前記撮像領域の周辺部へ向かうほど、前記第１および第２の色フィルタがずれるように構成され、
再結像された前記画素ブロックごとの像は、視差を有する、固体撮像装置。
前記第１のフィルタの前記第１の色フィルタのそれぞれに前記第２のフィルタの同色の第２の色フィルタが対応するように配置される請求項１記載の固体撮像装置。
前記第１および第２の色フィルタのずれ量αは、前記結像面から対応するマイクロレンズに入射する光線の入射角度をθとし、前記第１および第２のフィルタ間の距離をＤとすると、
α＝Ｄ×ｔａｎθ
で表される請求項１または２記載の固体撮像装置。
前記第１のフィルタは、前記第２の光学系の前記撮像素子側に設けられている請求項１乃至３のいずれかに記載の固体撮像装置。
前記第１のフィルタは、前記第２の光学系の前記第１の光学系側に設けられている請求項１乃至３のいずれかに記載の固体撮像装置。
前記第２のフィルタの前記撮像素子と反対側の面に、前記複数の画素に対応した他のマイクロレンズを含む他のマイクロレンズアレイが設けられている請求項１乃至５のいずれかに記載の固体撮像装置。
前記第１および第２の色フィルタはそれぞれ、赤、緑、青の色フィルタを含む請求項１乃至６のいずれかに記載の固体撮像装置。
前記第１および第２のフィルタはそれぞれ、ベイヤー配列であり、前記ベイヤー配列１単位に２個存在する緑の画素ブロック間で画像マッチング処理を行うことにより、前記被写体までの距離を求める請求項７記載の固体撮像装置。