JP2020067625A - 光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクト化が図れると共に、高い組み立て精度が求められるのを抑制可能な光学装置を提供する。【解決手段】光学装置１０は、貫通孔が形成された半導体基板１２と、貫通孔を通過して照射される光を検出する光センサチップ１３とを有し、光学レンズの代わりに半導体基板１２を採用する。従って、光学レンズを採用することにより生じる装置全体のコンパクト化の妨げや、高い組み立て精度の要求から解放される。【選択図】図１

Description

本発明は、各種光学センサ機器の画角（視野角）や光量を制御するための光学装置に関する。

従来、図２２に示すように、イメージセンサ、光量センサ、光通信用ディテクタ等の光学センサチップ１００に対しては、光学センサチップ１００に適切な光信号を与えるべく、光学レンズ１０１が用いられる（特許文献１参照）。光学センサチップ１００及び光学レンズ１０１を有してなる光学装置１０２の画角（視野角）θは、光学レンズ１０１の焦点距離ｆと光学センサチップ１００の受光領域サイズＤ_ｓｅｎを基に、以下の式１によって求められる。

従って、画角を狭くして望遠にするか指向性を高めるには焦点距離ｆを長くする必要がある。
また、光学レンズ１０１を透過して、光学装置１０２内に入射する光量の強さは、光学レンズ１０１の有効口径をＤとして、以下の式２で求められるＦ値の逆数の自乗に比例する。

従って、Ｆ値を小さく（入射光量を多く）する為には、光学レンズ１０１の焦点距離ｆが長いほど有効口径Ｄを大きくする必要がある。
携帯端末等に内蔵される小型のイメージセンサ（例えば、撮像領域が５．５ｍｍ×４．１ｍｍ）で用いられる光学レンズの一般的特性は、広角レンズ（画角が６０〜１００°）の焦点距離が３〜４ｍｍ程度で、２倍程度の望遠レンズ（画角が１０〜１５°）の焦点距離が６〜７ｍｍ程度である。

特開２０１２−４４５５５号公報

広角レンズ及び望遠レンズのＦ値がそれぞれ１．８程度及び２．８程度であることから、広角レンズ及び望遠レンズのレンズ有効口径はそれぞれ１．７〜２．２ｍｍ程度及び２．１〜２．５ｍｍ程度となる。つまり、従来の光学センサチップ及び光学レンズを含む、筐体を除く光学装置の底面積は、最小で光学センサチップの大きさであり、その厚み（高さ）は、基盤と光学センサチップの合計厚が約１ｍｍ、光学レンズの厚みが約１〜２ｍｍと仮定すると、広角レンズの場合で６ｍｍ程度、２倍程度の望遠レンズの場合で９ｍｍ程度となる。従って、イメージセンサの厚さ（３００〜５００μｍ）に比べると、光学装置が極めて厚いことが分かる。特に、視野角が狭くなるほど、光学レンズの焦点距離が長くなり、光学装置の小型化が妨げられる。

しかも、その焦点距離は一般的にセンサチップ厚の約１０倍であるので、光学レンズを有する光学装置の小型化を大きく阻んでいた。特に、画角が狭い望遠レンズはその焦点距離が長く装置サイズが更に大きくなるという問題があった。
また、光学レンズの光軸と光学センサチップの垂線とのアライメント精度や、ピント合わせに必要な焦点距離の合わせ込み精度は、センサ性能に大きな影響を与える為、光学装置の設計や組み立てに高い精度が要求され、製造コストが高くなるという問題もあった。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、コンパクト化が図れると共に、高い組み立て精度が求められるのを抑制可能な光学装置を提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係る光学装置は、貫通孔が形成された半導体基板と、前記貫通孔を通過して照射される光を検出する光センサチップとを有する。

本発明に係る光学装置は、貫通孔が形成された半導体基板と、貫通孔を通過して照射される光を検出する光センサチップとを有し、半導体基板を光学レンズとして機能させるので、光学レンズが不要であり、その結果、装置全体のコンパクト化が可能である。また、貫通孔が形成された半導体基板の光学的特性により、光学装置の製造に際して、高い組み立て精度が求められるのを抑制可能である。

本発明の一実施の形態に係る光学装置の説明図である。 同光学装置の半導体基板の平面図である。 同半導体基板の一部拡大断面図である。 光センサチップの視野角の説明図である。 光センサチップへ入射する光の強度の説明図である。 第１の変形例に係る半導体基板の平面図である。 第２の変形例に係る半導体基板の平面図である。 画素の視野角の説明図である。 画素へ入射する光の強度の説明図である。 画素へ入射する光の強度の説明図である。 一次元画素配列に対応する半導体基板の説明図である。 各画素の視野範囲の説明図である。 一次元画素配列の説明図である。 各画素の視野範囲と各配列画素の関係を示す説明図である。 二次元画素配列に対応する半導体基板の説明図である。 二次元画素配列の説明図である。 二次元画素配列に対応する半導体基板の別の例の説明図である。 同別の例の二次元画素配列の説明図である。 配置角度が異なる貫通孔が形成された半導体基板の説明図である。 再構成画素の配列イメージの配置を示す説明図である。 ２枚の半導体基板を重ねた状態を示す説明図である。 従来例に係る光学装置の説明図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１、図２、図３に示すように、本発明の一実施の形態に係る光学装置１０は、貫通孔１１が形成された半導体基板１２と、貫通孔１１を通過して照射される光を検出する光センサチップ１３を有する。以下、詳細に説明する。

光学装置１０は、図１に示すように、主として半導体基板１２及び光センサチップ１３によって構成されている（即ち、半導体基板１２及び光センサチップ１３は光学装置１０を構成する最小構成物となる）。
本実施の形態において、半導体基板１２は、光センサチップ１３と実質的に同じ大きさであり、光センサチップ１３の受光面１４に密接して配置されている。なお、半導体基板１２は光センサチップ１３の受光面１４に接触している必要はない。

半導体基板１２及び光センサチップ１３は、共に主たる原料がシリコン材であり、熱的特性や力学的特性が等しく、熱膨張や力学的圧力に対し同様の変形が生じることから、半導体基板１２が光センサチップ１３から剥離することや、半導体基板１２と光センサチップ１３間に位置ずれが生じることが抑制されている。

半導体基板１２には、図２、図３に示すように、深掘反応性イオンエッチング（Ｄｅｅｐ ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ））によって形成された複数の微細な貫通孔１１が設けられている。本実施の形態では、貫通孔１１の断面及び貫通孔１１の開口を正面視した形状（貫通孔１１の外側から貫通孔１１の軸心に沿って開口を見た際の開口の形状）が矩形状又は正方形状である。
深掘反応性イオンエッチングのボッシュプロセス （Ｂｏｓｃｈ ｐｒｏｃｅｓｓ）では、エッチング処理による穴の形成又は穴の深堀と、穴の側壁面を保護する処理とを繰り返して、貫通孔１１を形成するので、貫通孔１１の側壁面１５には微細な凸凹が生じる。

その結果、貫通孔１１の側壁面１５においては規則的な光反射が生じ難い。そのため、貫通孔１１の側壁面１５で反射して光センサチップ１３に到達する光量は、貫通孔１１の側壁面１５で反射することなく貫通孔１１を通過して光センサチップ１３に到達する光量と比べ、無視できるレベルである。
この微細な凹凸が存在する、側壁面１５を形成する面を光反射低減面と言う（即ち、側壁面１５は光の反射を抑制する光反射低減面によって形成されている）。
なお、半導体基板１２は、多数の半導体基板１２が配列されてなる円盤状のシリコンウェハーをダイシングすることによって製造される。シリコンウェハーの代わりに、例えば、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）ウェハー、サファイヤウェハー、化合物半導体ウェハー、リン化ガリウム（ＧａＰ）ウェハー、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）ウェハー、リン化インジウム（ＩｎＰ）ウェハー、窒化ガリウム（ＧａＮ）ウェハー等を採用してもよい。

半導体基板１２の光センサチップ１３に接する側を下部、その反対側を上部として、本実施の形態では、図２、図３、図４に示すように、貫通孔１１の上部側（一面側）の開口の大きさ（開口幅）Ｗｕが下部側（他面側）の開口の大きさ（開口幅）Ｗと異なるが、これに限定されない。半導体基板１２の厚さＴは、一般的なＬＳＩや半導体デバイスの半導体基板（シリコンウェハー）と同程度（例えば、３００〜５００μｍ）である。

貫通孔１１の上方から貫通孔１１内に入る光において、図４に示すように、減光することなく光センサチップ１３の受光面１４に入射（照射）する光の角度（範囲）を強視野角θｓとし、減光するか否かに関わらず、光センサチップ１３の受光面１４に入射する光の角度を全視野角θａとして、θｓ及びθａは、以下の式３、式４によってそれぞれ求めることができる。

光センサチップ１３に入射する光の強度（入射強度）と、その入射角との関係は、減光することなく光センサチップ１３に入射する光の入射強度を１００％として、図５に記載されるようになる。
また、入射角θに対する入射強度Ｉ（％）は、入射角θの各範囲で、以下の式５〜式８に示されるようになる。

式５で示されたθは強視野角を意味し、式５、式６及び式７でそれぞれ示されたθの範囲を足し合わせたものが全視野角を意味し、式８で示されたθは視野外の範囲を意味する。
そして、入射強度が５０％以上の視野角θｍは以下の式９によって算出することができる。

上述した貫通孔１１に対する光学的な指向特性は、半導体基板１２の異なる貫通孔１１間において、実質的に等しい。これは、通常、光を照射する対象物から光学装置１０までの距離に対し、半導体基板１２が小さいためである。
例えば、５ｍｍ角の半導体基板１２は、最も離れた貫通孔１１間の距離が約７ｍｍであるから、対象物から光学装置１０までの距離が１０ｍの場合、最も離れた貫通孔１１の視野のずれは、視野角（画角）が５３°で約７／１００００、視野角が１４°で約７／５０００となり、対象物から光学装置１０までの距離が１ｍの場合、最も離れた貫通孔１１の視野のずれは、視野角が５３°で約７／１０００、視野角が１４°で約７／５００となり、通常、その程度の視野角のずれは問題にはならない。

また、半導体基板１２では、図２に示すように、同一大きさ同一形状の開口を有する貫通孔１１が左右方向に等間隔（等ピッチ）で配置された貫通孔群が、前後方向に等間隔（等ピッチ）で複数配されており、前後方向に見て貫通孔１１の位置がそろっているが、これに限定されない。
例えば、図６に示す半導体基板１７のように、同一大きさ同一形状の開口を有する貫通孔１６が左右方向に等間隔で形成された貫通孔群が、前後方向に等間隔で複数配されており、前後方向に隣り合う貫通孔群の貫通孔１６の左右方向位置が半ピッチずれていてもよい。

そして、半導体基板１２では、図２に示すように、貫通孔１１の断面（開口を正面視した形状）が四角形であるが、これに限定されない。例えば、図７に示すように、断面（開口を正面視した形状）が六角形の貫通孔１８が形成された半導体基板１９を採用してもよいし、断面（開口を正面視した形状）が円形の貫通孔が形成された半導体基板を採用してもよい。半導体基板１９は、各貫通孔１８の大きさ及び形状（正六画形）が等しく、最密配置されている（ハニカム構造となっている）。断面六画形の貫通孔１８が形成された半導体基板１９は、貫通孔１８を高密度で配置しても、高い構造強度を保持することができる。
また、半導体基板を複数枚重ねて、複数の貫通孔を連通させることによって、光学的な指向性が高くなる。

次に、光センサチップが複数の画素が並べられたイメージセンサチップであるとしてイメージセンサチップの画素（本実施の形態では矩形又は正方形）の大きさが光学的な指向性に与える影響について、図８に示すように、貫通孔２０の断面が上部側の開口から下部側の開口にかけて同じ大きさの半導体基板２１を例に説明する。
図８に示す例では、半導体基板２１の下部側に密接しているイメージセンサチップ２２の画素２３の幅Ｓが、貫通孔２０の断面（開口）の幅（面積）Ｗより小さく（Ｓ＜Ｗ）、画素２３の大きさは貫通孔２０の断面の大きさより小さい。
この場合、一の画素２３の強視野角θｓは、以下の式１０で求められる。

式１０において、Ｘｐは貫通孔２０の下部側の開口の中心から画素２３の中心までの距離を意味し、図８において、θｃは画素２３の中心視野角を示す。断面が上部側の開口から下部側の開口にかけて大きさが異なる貫通孔についても、光学的な指向性は本質的に変わらない。

画素２３に入射する光の強度（入射強度）と、画素２３に入射する光の入射角との関係を図９、図１０に示す。図９は、画素２３の配置ピッチＰが画素２３の大きさＳに等しい場合（Ｐ＝Ｓ）を表し、図１０は、画素２３の配置ピッチＰが画素２３の大きさＳより大きい場合（Ｐ＞Ｓ）を表している。図９、図１０に示す例ではいずれも、Ｗ／Ｓ＝３であり、減光することなく画素２３に入射する光の入射強度を１００％としている。入射強度が１００％の範囲が強視野角θｓであり、入射強度が０％より大きい範囲が全視野角θａである。

ここで、通常、Ｔ＞＞Ｗ、Ｓの関係があるため、以下の式１１が成立する。

従って、画素の強視野角θｓは以下の式１２で近似でき、貫通孔の下部側の開口内に位置する複数の画素は強視野角θｓが略同一となる。

そして、画素の視野中心角θｃは以下の式１３で算出される。

画素の全視野角θａは以下の式１４で算出される。

ここで、通常、半導体基板の厚みに対する貫通孔の大きさ及び画素の大きさは、Ｔ＞＞Ｗ、Ｓの関係にあるため、以下の式１５が成立する。

よって、画素の全視野角θａは以下の式１６によって近似でき、貫通孔の下部側の開口内に複数の画素が設けられている場合、それらの画素の全視野角θａは略同一となる。

また、入射強度Ｉは、図９、図１０に示すように、入射角θの範囲に応じた値となり、入射角θの各範囲における入射強度Ｉは以下の式１７〜式２０で表わすことができる。

式１７で示されたθは強視野角を意味し、式１７、式１８及び式１９でそれぞれ示されたθの範囲を足し合わせたものが全視野角を意味し、式２０で示されたθは視野外の範囲を意味する。
次に、画素の強視野角θｓと画素の全視野角θａについて、その性質を検討する。画素の強視野角θｓに関する加算は以下の式２１で表わせる。

Ｔ＞＞Ｗ、Ｐの場合、以下の式２２が成立するため、式２１から以下の式２３を得ることができる。

従って、貫通孔の大きさ（開口幅）Ｗと画素の大きさ（画素幅）Ｓの差 （Ｗ−Ｓ）は各画素の強視野角θｓにほぼ比例し、貫通孔の大きさＷと画素の大きさＳの和 （Ｗ＋Ｓ）は各画素の全視野角θａにほぼ比例する。なお、これらの関係は以下の式２４、式２５によって表わすことができる。

そして、図８に示すように、強視野角θｓの左端及び右端、並びに、全視野角θａの左端及び右端をそれぞれ視野境界として、隣り合う画素間の視野境界の角度の差異Δθは以下の式２６で表わせる。

半導体基板の厚さＴが、貫通孔の下部側の開口の中心０から画素の中心までの距離Ｘｐや画素の配置ピッチＰより十分に大きい（Ｔ＞＞Ｘｐ、Ｐ）場合、以下の式２７が成立することから、式２６の近似式は以下の式２８となる。

このような半導体基板の光学特性から画像を構成する配列画素値の再構成が可能である。以下に、その再構成の手法について説明する。まず、再構成について理解し易いように、一次元画素配列の例を説明する。
一次元画素配列の再構成に用いることができる半導体基板２４には、図１１に示すように、４つの貫通孔２５、２６、２７、２８が形成されている。貫通孔２５、２６、２７、２８は左右方向の幅が異なり、貫通孔２５の幅は２つの画素２９を並べた長さであり、貫通孔２６の幅は３つの画素２９を並べた長さであり、貫通孔２７の幅は５つの画素２９を並べた長さであり、貫通孔２８の幅は９つの画素２９を並べた長さである。

図１１において、各貫通孔２５、２６、２７、２８の下部側開口内に位置する画素２９それぞれには、数字及びアルファベットを付している。数字は所謂ｎ値を意味し、アルファベットは一の貫通孔に対応する画素２９の位置を意味し、左側から順に、ａ、ｂ、ｃ、・・・としている。なお、ｎ値は自然数であり、各貫通孔２５、２６、２７、２８の幅はｎを用いて以下の式２９で規定される。

なお、図１１に示す例はｎ値が１〜４であるが、ｎ値は連続した数字であればよく、例えば、ｎ値が２〜１０であってもよい。
再構成した画素（以下、「再構成画素」とも言う）の大きさは、ｎ値の最小値Ｎｍｉｎ（図１１に示す例では１）を用いて、Ｎｍｉｎ×Ｐの式によって算出でき、再構成画素の数は、ｎ値の最大値Ｎｍａｘ（図１１に示す例では４）を用いて、２^{Ｎｍａｘ−Ｎｍｉｎ＋１}の式で求めることができる。
貫通孔２５、２６、２７、２８の配置には、それぞれの間に１つの画素分以上の間隔を設けるという制限があるが、その他の制限は特にない。

各画素２９の視野角は、図１２に示すように、対応する貫通孔２５、２６、２７、２８の幅Ｗに比例し、隣り合う画素２９の視野範囲は画素２９の配置ピッチＰに応じてずれることとなる。
図１１に示す例において各画素２９が検出する信号値ｐ（画素番号）を基に算出される画素配列の一例を図１３に示す。この例では、再構成画素の数が１６（＝２^{４−１＋１}）となる。

各画素２９の視野範囲と各再構成画素の位置とには、図１４に示す関係があり、各再構成画素の値は以下の式３０によって算出可能である。

式３０から分かるように、各再構成画素の値は、画素２９の検出値を基に２通り以上の演算方法によって求めることが可能である。
光センサチップと半導体基板は、回転方向の位置ずれが実質的にない状態で、固定することができるが、平行移動方向は、アセンブリ精度の限界から、数μm〜数十μm のオーダで位置ずれが生じる。これに対し、光センサチップ及び半導体基板は半導体製造技術を用いて形成されるため、光センサチップ及び半導体基板はそれぞれ、各構成要素（例えば、光センサチップの画素及び半導体基板の貫通孔）が極めて高精度に配置されている。

従って、半導体基板の貫通孔と光センサチップ（イメージセンサチップ）の画素の位置ずれは、貫通孔とそれに対応する画素の全ての組み合わせにおいて等しくなる。例えば、図１１に示す例において、半導体基板２４に対する各画素２９の上下方向の位置ずれは、全ての画素２９に対し同量の視野範囲の減少を生じさせることとなり、再構成画素の値を算出する上で影響がない。

一方、半導体基板２４に対する各画素２９の左右方向の位置ずれは、貫通孔２５、２６、２７、２８それぞれにおいて、対応する画素２９の中で左端に位置する画素２９又は右端に位置する画素２９（貫通孔２８に対応する９つの画素２９では、４（ａ）の画素２９又は及び４（ｉ）の画素２９）のいずれか一のみに対して視野範囲の減少を生じさせるが、他の画素２９に対して視野範囲の減少を生じさせない。従って、左右方向の位置ずれは、再構成画素値の算出に影響を与えることになり、回避されるのが望ましいと考えられる。

仮に、半導体基板２４が各画素２９に対し右にずれている場合、貫通孔２５、２６、２７、２８において、それぞれに対応する画素２９の中で左端の画素２９は、視野範囲が減少するため、式３０において、１（ａ）、２（ａ）、３（ａ）、４（ａ）の信号値は正しい値にならない。従って、ｐ（１）〜ｐ（１６）の値を算出するに当たり、１（ａ）、２（ａ）、３（ａ）、４（ａ）の値を用いることはできない。
そして、半導体基板２４が各画素２９に対し左にずれている場合、式３０において、１（ｂ）、２（ｃ）、３（ｅ）、４（ｉ）の信号値が正しい値でなく、ｐ（１）〜ｐ（１６）の値を算出するに当たり、１（ｂ）、２（ｃ）、３（ｅ）、４（ｉ）の値を用いることはできない。

この点、式３０から分かるように、ｐ（１）〜ｐ（１６）は、１（ａ）、２（ａ）、３（ａ）、４（ａ）の各値、又は、１（ｂ）、２（ｃ）、３（ｅ）、４（ｉ）の各値のいずれかを用いることなく導出することができる。よって、半導体基板２４が各画素２９に対し左右方向にずれていても、正しいｐ（１）〜ｐ（１６）の値を導出可能である。

次に、二次元画素配列についての再構成の手法を説明する。
二次元画素配列の再構成に用いることができる半導体基板３０には、図１５に示すように、大きさの異なる４つの貫通孔３１、３２、３３、３４が形成されている。
貫通孔３１は、前後方向及び左右方向にそれぞれ３つの画素３５を並べた大きさであり、貫通孔３２は、前後方向に３つの画素３５を並べ、左右方向に２つの画素３５を並べた大きさであり、貫通孔３３は、前後方向に２つの画素３５を並べ、左右方向に３つの画素３５を並べた大きさであり、貫通孔３４は、前後方向及び左右方向にそれぞれ２つの画素３５を並べた大きさである。二次元画素配列の再構成には、前後方向長さと左右方向長さが異なる貫通孔３２、３３が必要となる。

図１５において、各画素３５に付された数字はｎ値を意味し、括弧外のアルファベットは貫通孔３２、３３を区別するものである。括弧内の左側のアルファベットは、左右方向位置を示し、左側から順に、ａ、ｂ、ｃ、・・・としており、括弧内の右側のアルファベットは、前後方向位置を示し、前側から順に、ａ、ｂ、ｃ、・・・としている。ｎ値は自然数であり、貫通孔３１、３２、３３、３４の前後方向と左右方向で大きい方の幅は式２９によって求められる。

なお、貫通孔３１、３２の間隔、貫通孔３１、３３の間隔、貫通孔３２、３４の間隔、及び、貫通孔３３、３４の間隔は、１つの画素分であり、図１５に示す例は、最も高密度に貫通孔３１、３２、３３、３４を配置したものであるが、貫通孔間の間隔はこれに限定されず、また、貫通孔３１、３２、３３、３４の相対的な位置関係も図１５に示す例に限定されないのは言うまでもない。
各画素３５の視野角は、対応する貫通孔３１、３２、３３、３４の前後方向長さ及び左右方向長さに比例し、隣り合う画素３５の視野範囲は画素３５の配置ピッチＰに応じてずれることとなる。

各画素３５により検出された信号値を基に算出される画素配列の一例を図１６に示す。図１６において括弧内に記載された２つの数字は、左側の数字が左右方向の画素番号であり、右側の数字が前後方向の画素番号を意味する。この例では、４×４の二次元画素配列が再構成され、各再構成画素の値は以下の式３１によって算出可能である。

式３１から分かるように、各再構成画素の値は、画素３５の検出値を基に２つ以上の演算によって求めることが可能である。
二次元配列画素の場合、半導体基板３０に対する各画素３５の左右方向のずれ又は前後方向のずれが生じると、貫通孔３１、３２、３３、３４に対応する画素３５の中で視野範囲が減少するものと、減少しないものが存在するようになる。例えば、半導体基板３０に対し各画素３５が左側前方にずれた場合、画素３５において、２（ａｃ）、２（ａｂ）、２（ａａ）、２（ｂａ）、２（ｃａ）、２ｖ（ａｃ）、２ｖ（ａｂ）、２ｖ（ａａ）、２ｖ（ｂａ）、２ｈ（ａｂ）、２ｈ（ａａ）、２ｈ（ｂａ）、２ｈ（ｃａ）、１（ａｂ）、１（ａａ）、１（ｂａ）の視野範囲が減少する。

そのため、ｐ（１、４）、ｐ（２、４）、ｐ（３、４）、ｐ（４、４）、・・・、ｐ（４、１）の全てを正しく算出するには、貫通孔３１、３２、３３、３４の下部側の開口において、前端の画素３５及び左端の画素３５を除いた画像３５のみを用いる算出式、前端の画素３５及び右端の画素３５を除いた画像３５のみを用いる算出式、後端の画素３５及び左端の画素３５を除いた画像３５のみを用いる算出式、並びに、後端の画素３５及び右端の画素３５を除いた画像３５のみを用いる算出式を設ける必要がある。

式３１では、前端の画素３５及び左端の画素３５を除く画像３５のみを用いる算出式、並びに、前端の画素３５及び右端の画素３５を除く画像３５のみを用いる算出式のみを記載しているが、ｐ（１、４）、ｐ（２、４）、ｐ（３、４）、ｐ（４、４）、・・・、ｐ（４、１）それぞれについて、後端の画素３５及び左端の画素３５を除く画像３５のみを用いる算出式、並びに、後端の画素３５及び右端の画素３５を除く画像３５のみを用いる算出式も設けることが可能である。

また、ｎ値が１〜４の例を図１７、図１８に示す。半導体基板３７は、図１７に示すように、大きさの異なる複数の貫通孔３８が形成されており、各貫通孔３８には複数の画素３９が対応している。この例で再構成画素の二次元配列は、２^{４−１＋１}＝１６より、図１８に示すように、１６×１６となる。

ここで、それぞれの画素３９に入射する光の光量は、貫通孔３８の大きさに比例するので、大きい貫通孔３８に対応する画素３９は、小さい貫通孔３８に対応する画素３９に比べて飽和時間が短い。そして、小さい貫通孔３８に対応する画素３９は、大きい貫通孔３８に対応する画素３９と比較して、受光信号が小さくなる。従って、仮に全ての画素３９に対し露光時間を等しくする場合、信号の飽和を防ぐために、大きい貫通孔３９に対応する画素３９が飽和しないような露光時間が設定される。その結果、小さい貫通孔３９に対応する画素３９が受光する信号値は極めて小さくなり、信号ノイズ比を実質的に低下させ、それらの画素３９の検出値から算出される再構成画素の値の信号ノイズ比を低下させる。

よって、再構成画素の信号ノイズ比の向上を図る観点においては、各貫通孔３８に対し照射する光の露光時間を、貫通孔３８の大きさに応じて異なるように調整するのが好ましい。具体的には、貫通孔３８の大きさ（開口面積）に反比例させて露光時間を長くして、大きい貫通孔３８に対応する画素３９への露光時間を短くし、小さい貫通孔３８に対応する画素３９への露光時間を長くする。
また、再構成画素の信号ノイズ比の向上を図る別の方法として、露光時間が短くなる画素３９に対して複数回露光して（即ち、各貫通孔３８に対する露光回数を、貫通孔３８の大きさに応じて異なるようにして）、各画素３９の検出値の平均化を図ることも有効である。

次に、二次元画素配列の再構成について、別の例を、図１９、図２０を参酌して説明する。
図１９に示すように、半導体基板４０には、幅（画素４１の幅）が等しく、長さ（開口の長さ）が異なる複数の貫通孔４２が形成されている。この例では、図１１に示した４つの貫通孔２５、２６、２７、２８にそれぞれ対応する４つの貫通孔４２を１つのグループとして、各グループが異なる角度（この例では、それぞれが４５°の角度差）で設けられるようにしている。

各画素４１の検出値を基に算出できる再構成画素の配列イメージは、図２０に示すように、０°位置、４５°位置、９０°位置、１３５°位置のそれぞれに一定の幅の一次元画素配列４３が再現できる。４つの貫通孔４２からなるグループ数が多くなるほど、グループの配置角度が増加して、異なる角度位置に配される一次元画素配列４３を増やすことができるため、最終的に、二次元の画像情報を得ることが可能となる。

次に、二次元画像を得る別の方法について説明する。
本方法では、図２１に示すように、半導体基板４４の上側に半導体基板４５が重ねられている。半導体基板４４に形成された貫通孔４６は上部側から下部側にかけて断面が小さくなり、半導体基板４５に形成された貫通孔４７は上部側から下部側にかけて断面が大きくなっている。貫通孔４６の上部側の開口幅と貫通孔４７の下部側の開口幅は等しく（Ｗｐとする）、貫通孔４６の下部側の開口幅と貫通孔４７の上部側の開口幅は等しく（Ｗｑとする）、貫通孔４６の配置ピッチＨ１と貫通孔４７の配置ピッチＨ２とは異なっている。

Ｗｐ、Ｗｑ、Ｈ１、Ｈ２には、Ｈ２＞Ｈ１＞２Ｗｐ−Ｗｑの関係が成り立つ。
ここで、半導体基板４４の中央に形成された貫通孔４６の水平位置と半導体基板４５の中央に形成された貫通孔４７の水平位置とが一致するように、半導体基板４４、４５を重ね合わせると、半導体基板４４、４５の中央から離れるほど、貫通孔４６の水平位置と貫通孔４７の水平位置のずれが大きくなる。
そのため、半導体基板４４の下側に配置した画素の左右方向成分の視野角をθｘ、前後方向成分の視野角をθｙとして、θｘ及びθｙは以下の式３２、式３３でそれぞれ表わされるようになる。

なお、式３２、式３３のｎｘ、ｎｙは、半導体基板４４、４５の中央に設けられた貫通孔４６、４７（水平方向のずれがない貫通孔４６、４７）に対応する画素を基準として、算出対象の画素がその基準とする画素からの距離を貫通孔４６（又は貫通孔４７）のピッチ数で表わす整数で有り、ｎｘが左右方向の値、ｎｙが前後方向の値を意味する。
従って、このような光学装置を用いることで、複雑な演算をすることなく、二次元画像を得ることが可能となる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記した形態に限定されるものでなく、要旨を逸脱しない条件の変更等は全て本発明の適用範囲である。
例えば、複数の貫通孔が形成された半導体基板の代わりに、１つの貫通孔が形成された半導体基板を採用することができる。
また、半導体基板の貫通孔は、深掘り反応性イオンエッチング以外の半導体製造技術によって形成してもよい。

１０：光学装置、１１：貫通孔、１２：半導体基板、１３：光センサチップ、１４：受光面、１５：側壁面、１６：貫通孔、１７：半導体基板、１８：貫通孔、１９：半導体基板、２０：貫通孔、２１：半導体基板、２２：イメージセンサチップ、２３：画素、２４：半導体基板、２５、２６、２７、２８：貫通孔、２９：画素、３０：半導体基板、３１、３２、３３、３４：貫通孔、３５：画素、３７：半導体基板、３８：貫通孔、３９：画素、４０：半導体基板、４１：画素、４２：貫通孔、４３：一次元画素配列、４４、４５：半導体基板、４６、４７：貫通孔

Claims (15)

1. 貫通孔が形成された半導体基板と、前記貫通孔を通過して照射される光を検出する光センサチップとを有することを特徴とする光学装置。
2. 請求項１記載の光学装置において、前記貫通孔の開口を正面視した形状は、矩形又は正方形であることを特徴とする光学装置。
3. 請求項１記載の光学装置において、前記貫通孔は複数あることを特徴とする光学装置。
4. 請求項３記載の光学装置において、前記各貫通孔は、開口を正面視した形状が同一大きさの六角形であり、最密配置されていることを特徴とする光学装置。
5. 請求項３記載の光学装置において、前記各貫通孔の開口を正面視した形状は、同一大きさの矩形又は正方形であることを特徴とする光学装置。
6. 請求項３〜５のいずれか１項に記載の光学装置において、前記複数の貫通孔は等ピッチで配置されていることを特徴とする光学装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学装置において、前記貫通孔の内側面は、光の反射を抑制する光反射低減面によって形成されていることを特徴とする光学装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の光学装置において、前記半導体基板は、複数あって、重ねられていることを特徴とする光学装置。
9. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の光学装置において、前記半導体基板は、複数あって、前記貫通孔の配置ピッチは、前記各半導体基板によって異なることを特徴とする光学装置。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の光学装置において、前記貫通孔は、前記半導体基板の一面側の開口と他面側の開口の大きさが異なることを特徴とする光学装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光学装置において、前記半導体基板は、前記光センサチップに密着していることを特徴とする光学装置。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光学装置において、前記半導体基板と前記光センサチップは同じ大きさであることを特徴とする光学装置。
13. 請求項１又は２記載の光学装置において、前記光センサチップは、それぞれ前記貫通孔の断面より小さい複数の画素が並べられたイメージセンサチップであることを特徴とする光学装置。
14. 請求項１３記載の光学装置において、前記貫通孔は、複数あって、該各貫通孔の開口は、異なる大きさであり、該各貫通孔に対する露光時間は、該貫通孔の大きさに応じて異なることを特徴とする光学装置。
15. 請求項１３記載の光学装置において、前記貫通孔は、複数あって、該各貫通孔の開口は、異なる大きさであり、該各貫通孔に対する露光回数は、該貫通孔の大きさに応じて異なることを特徴とする光学装置。

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