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固体摄像元件及其设计支持方法及摄像装置

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CN100403545C
CN100403545C CN 200510065106 CN200510065106A CN100403545C CN 100403545 C CN100403545 C CN 100403545C CN 200510065106 CN200510065106 CN 200510065106 CN 200510065106 A CN200510065106 A CN 200510065106A CN 100403545 C CN100403545 C CN 100403545C
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CN
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CN 200510065106
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能登悟郎
长野明彦
须田康夫
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佳能株式会社
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Abstract

一种固体摄像元件,具有:使入射光根据其光量变换为电信号的光电变换元件;配置于入射面上的微透镜;配置于上述光电变换元件和上述微透镜之间的光波导;以及配置于上述光波导的周围的层间绝缘层;且在装载有将多个上述固体摄像元件以二维方式排列构成的图像传感器的摄像装置中的摄像光学系统的射出瞳至上述光电变换元件的距离为L,从上述图像传感器的中心至上述图像传感器上的上述固体摄像元件的位置的距离为H,从上述光电变换元件至上述微透镜的顶点的高度为D,上述图像传感器的上述多个固体摄像元件的间隔为P,上述光波导的折射率为N<sub>H</sub>,上述层间绝缘层的折射率为N<sub>L</sub>时,位于上述距离(H)处的固体摄像元件满足:(H·D)/(L·P)<α·(N<sub>H</sub>/N<sub>L</sub>),其中0<α<1。

Description

固体摄像元件及其设计 支持方法及摄像装置技术领域本发明涉及摄影光学系统具有变倍功能及焦点调节功能的摄像 装置、镜头交换方式的摄像装置以及在摄像装置中使用的固体摄像元 件及其设计支持方法及装置。背景技术近年来,在数字静止相机等中主要使用的固体摄像元件,大致可分为CCD (电荷耦合器件)和CMOS (互补金属氧化物半导体)(例 如参考曰本专利申请特开2002-141488号公报及特开2002-083948号公报)。首先,利用图28对CCD的结构的主要部分进行简单的说明。 图28是CCD1000的一个像素的剖面图。在同图中,1001是由 硅等半导体构成的半导体基板,1002是由光电二极管构成的光电变换 元件,1003是在半导体基板1001上形成的氧化膜,1004是传送用于 转送将经光电变换元件1002变换的电荷等的时钟信号的由多晶硅等 构成的三层布线,1006主要是为在布线1004下方设置的电荷转送用 的垂直CCD寄存器1005遮光的由鴒等构成的遮光层,1007是保护光 电变换元件1002等不受外部气体(02、 H20)、杂质离子(K+、 Na+) 等作用的由Si02等构成的第l保护膜以及1008是SiON系等的第2 保护膜。1009是用来减少第2保护膜1008的凸凹的由有机材料构成 的平坦化层1009,而1010是将发自被摄体的光聚集于光电变换元件 1002的微透镜。平坦化层1009,在使CCDIOOO的主面1011的凸凹消失的同时, 兼备可使微透镜1010的焦点成像于光电变换元件1002之上的调整微透镜1010的焦距的作用。所以,由透明感光性树脂构成的平坦化层 1009的厚度由透镜的曲率、透镜材料的折射率决定。下面利用图29对CMOS的结构的主要部分进行简单说明。 图29是CMOS1050的一个像素的剖面图。在同图中,1051是 硅基板(Si基板),设置有成为光电二极管等光电变换元件的光电变 换部1052。 1054是由Si02等形成的层间绝缘层,1053是在层间绝缘 层1054之间形成、用来将由光电变换部1052产生的光电荷转送到未 图示的浮置扩散部(FD部)的转送电极。另外,1055是为使光电变1056是用来提供在由电极及未图示的布线形成的凸凹表面上形成的 平坦表面的平坦化膜,1057是,例如,红绿蓝等的彩色滤波器1057, 1059是微透镜1059。微透镜1059,在平坦化层1058的上部形成。微 透镜1059的透镜形状的确定为可使从未图示的摄影透镜入射的光束 聚光于光电变换部1052。下面对具有上述的固体摄像元件的数字相机的摄影系统(变焦机 构)进行说明。图30为袖珍型数字相机的摄像系统1100的概略剖面图。在同图 中,1101是第l透镜組1101, 1102是第2透镜组,1103是第3透镜 组,第1透镜组1101和第2透镜组1102为了变焦,和第3透镜组1103 为了调焦,在规定范围在光轴方向上可动。1104是光学低通滤光器 1104, 1105是使用CCD及CMOS等固体摄像元件的图像传感器。并 且,1106是光阑1106,利用驱动源1107使光阑的孔径改变。1110是第1透镜组1101的保持构件,1111是引导第1透镜组 1101的光轴方向等动作的导向销,1120是第2透镜组1102的保持构 件,1121是引导第2透镜组1102的光轴方向的动作的导向销。1130是具有用来使第1透镜组1101在光轴方向上动作的凸轮沟 1131和用来使第2透镜组1102在光轴方向上动作的凸轮沟1132的凸 轮筒,在规定范围在光轴方向上可动。另外,导向销1111和凸轮沟 1131为凸轮嵌合,而导向销1121和凸轮沟1132为凸轮嵌合。1133是引导凸轮筒1130的光轴方向动作的导向销1133,与设置于凸轮筒 1140上的凸轮沟1141为凸轮嵌合。凸轮筒1140,通过由未图示的驱动源进行转动,使凸轮筒1130 在光轴方向上动作。由此,第1透镜组1101及第2透镜组1102受到 引导在设置于凸轮筒1130上的凸轮沟1131及凸轮沟1132中在光轴 方向上移动规定量。由此,可进行摄像系统1100的变焦。1150是第3透镜组1103的保持构件,1160是光学低通滤光器 1104及图像传感器1105的保持构件1160。电动机1161以可转动方 式以轴支持于保持构件1160上,在电动机1161上一体设置有外螺紋 部1162。因为外螺紋部1162与保持构件1150保持的内螺紋1163结 合,随着电动机1161即外螺紋部1162的转动,保持构件1150由未 图示的引导杆使其在规定范围动作。由此,可进行利用第3透镜组1103 的招W象系统1100的调焦。图31是镜头交换方式的数字静止相机的概图。图示的一个示例 是对相机主体1200安装了远摄型的望远镜头1220的相机系统。相机主体1200和望远镜头1220由相机侧固定件1211和镜头侧 固定件1221连接。设置于望远镜头1220上的未图示的镜头MPU等 的电路,经镜头侧接点1222和相机侧接点1212与未图示的相机MPU 等的电路相连接。在摄影者透过取景器观察被摄体时,透过望远镜头1220的被摄 体光的一部分由悬跳镜1201反射到达对焦板1202。由对焦板1202扩 散透射的被摄体光经过五角屋脊棱镜1203及目镜1204导向未图示的 摄影者的眼睛。另外,被摄体光的一部分透过悬跳镜1201,受到辅助镜1205的 反射而导向焦点检测单元1206。相机MPU,根据由焦点检测单元1206 得到的图像信号计算望远镜头1220的焦点调节量,驱动望远镜头1220 的镜头1223。摄影时,悬跳镜1201及辅助镜1205转向对焦板1202方向,透 过望远镜头1220的被摄体光被导向使用固体摄像元件的图像传感器1208。另外,由于安装到相机主体1200的交换镜头的焦距等的不同 而使射出瞳位置不同,在图像传感器1208中,特别是周边部分,的 像素中,可以受光的光束,因安装的交换镜头而改变。另外,在图像传感器1208的画面的周边,光线相对于像素斜着 入射。此时,如日本专利申请特开平1-213079号公报所公开,在使微 透镜相对光电变换部偏心时,虽然可以将光线导入到光电变换部,但 摄影镜头的射出瞳的条件改变时,光线不再会入射到光电变换部,有 时画面周边将会变暗。这种现象,在像素变小时,变得更为显著,特 别是在使用具有变倍功能及调焦功能的摄影镜头时受到很大的制约。因此,在采用具有日本专利申请特开2000-324505号公报中公开 的单片微透镜的摄像元件的摄像装置中,相应于交换镜头的镜头信息 及与摄像面的中心的距离,通过对图像信号中的各色分量每一个进行 增益控制,可对由于荫影(shading)及周边减光造成的灵敏度的劣化 及色相的变动进行修正。具有通过利用关于摄影镜头的射出瞳的位置 的信息,对各色分量每一个进行增益控制,可以解消荫影的优点。另外,在日本专利申请特开平5-283661号公报中,公开了在受 光部和聚光透镜之间设置有光传送路径的固体摄像装置。由于该固体 摄像装置的光传送路径由折射率高的材料构成,入射到光传送路径的 光在其内部受到全反射而导入到受光部,具有可以提高聚光特性的优 点。日本专利申请特开2003-163826号公报,公开了包含交换镜头的 摄像系统的荫影修正信息。通过在交换镜头侧存放光晕数据及射出瞳 位置数据,而在相机主体侧存放基于摄像元件输出与入射角的依赖关 系的数据,可以进行反映交换镜头和相机主体两者的特性的荫影修 正。曰本专利申请特开平8-223587号公报,是有关用来防止引起单 片微透镜的色像差的图像的色相变化的色修正装置的技术的公开示 例。由于在摄像元件的光电变换部之上投影的射出瞳的聚光点的大小 是根据光的波长的改变而引起的,所以图像的色相的改变可以通过与摄影镜头的射出瞳相应地使用对图像信号的色刺激值的比率进行修 正的色修正装置而进行解消。然而,在日本专利申请特开2000-324505号乂ii^艮、特开 2003-163826号公报、特开平8-223587号公报中公开的方式的荫影<务 正技术及色修正技术,基本上是根据摄影镜头的射出瞍的位置对图像 信号进行电学方式修正。由于以电学方式施加增益提高到适当的信号 电平,不只是信号分量,而且噪声分量也会扩大,所以过去一直存在 在减光修正的周边部分出现噪声突出的低品质图像的问题。另夕卜,在现有的袖珍型数字相机的场合, 一直存在其摄像系统的 类型受到制约的缺点。下面利用图32进行说明。图32示出对现有的固体摄像元件的CMOS1050被摄体光束1061 以某一角度(在图32中相对于微透镜1059的中心轴1060的角度为 20°)倾斜入射的情况,此时,透过微透镜1059的被摄体光束1061 的大部分未入射到光电变换部1052。这一点对于固体摄像元件为 CCD1000的场合也一样。就是说,对于从摄影系统射出入射到微透镜1010或1059的被摄 体光束1061与微透镜1010或1059的中心轴所成的角度(以下称其 为被摄体光束的入射角)必须有一定的限制,必须在小于等于10度 的角度入射。另外,在图30中说明的摄像系统1100的场合,由于变 焦的,所以摄体光束1061的入射角成为3度〜9度。就是说,在使用现有的固体摄像元件的袖珍型数字相机的场合, 因为存在其摄像系统必须是反远距系统的限制,在导致摄像系统的设 计自由度下降的同时,也妨碍摄像系统的小型化。为了解决这一问题,即使是使用具有上述的日本专利申请特开平 5-283661号公报的光传送路径的固体摄像元件构成袖珍型数字相机 及镜头交换方式的相机系统,由于袖珍型数字相机具有的摄像系统及 安装到相机上的交换镜头的射出瞳的位置,有时在光传送路径上不会 发生全反射,就导致不会充分聚光于光电变换部的问题。另外,在日本专利申请特开2000-324505号公报中公开的图像读入装置中,是根据交换镜头倌息来进行图像信号的增益调整,在由于 交换镜头引起的周边减光很大而使摄像元件的输出减小的场合,就存 在由于必须以高放大率减小增益调整而使噪声分量也被放大,不能得 到良好的图像信号的问题。发明内容本发明正是鉴于上述问题而完成的,其目的在于提供一种可以在 提高摄像装置的摄像系统的设计自由度的同时,提供与各摄像装置相 应的聚光效率高的固体摄像元件。另外,其第二个目的在于在具有变倍功能或调焦功能的摄影镜头的摄像装置中,通过提高摄像元件的聚光效率而得到高品质的图像。此外,其第三个目的在于在镜头交换方式的数字相机系统中,实 现可以在得到高品质的图像的同时,通过减小 一个像素的像素尺寸而 得到高析像度的图像的数字相机系统。为达到上述第一个目的,本发明提供一种固体摄像元件,具有: 使入射光根据其光量变换为电信号的光电变换元件;配置于入射面上 的微透镜;配置于上述光电变换元件和上述微透镜之间的光波导;以 及配置于上述光波导的周围的层间绝缘层,其特征在于:在装载有将 多个上迷固体摄像元件以二维方式排列构成的图像传感器的摄像装 置中的摄像光学系统的射出瞳至上述光电变换元件的距离为L,从上 述图像传感器的中心至上述图像传感器上的上述固体摄像元件的位 置的距离为H,从上述光电变换元件至上述微透镜的顶点的高度为D, 上述图像传感器的上述多个固体摄像元件的间隔为P,上述光波导的 折射率为NH,上述层间、绝缘层的折射率为!^时,位于上述距离(H) 处的固体摄像元件满足:<formula>formula see original document page 13</formula> 其中0<a<l。另外,本发明提供一种设计支持方法,是支持固体摄像元件的设 计的设计支持方法,该固体摄像元件具有:使入射光根据其光量变换 为电信号的光电变换元件;配置于入射面的微透镜;配置于上述光电 变换元件和上述微透镜之间的光波导;以及配置于上述光波导的周围 的层间绝缘层,其特征在于具有:取得包含装栽有将多个上述固体摄 像元件以二维方式排列构成的图像传感器的摄像装置中的摄像光学 系统的射出瞳至上述光电变换元件的距离L,从上述图像传感器的中 心至上述图像传感器上的上述固体摄像元件的位置的距离H,从上述 光电变换元件至上述微透镜的顶点的高度D,上述图像传感器的上述 多个固体摄像元件的间隔P,上述光波导的折射率NH,上述层间绝缘 层的折射率NL的条件中的至少一部分的条件取得工序;判定在上述 条件取得工序中是否可以取得全部条件的判定工序;在上述判定工序中判定为可以取得全部条件的场合,利用上述取得的条件计算(H.D) / (L.P) <a. (NH/NL),并计算出a的计算工序;在上述判定工序中 判定为不能取得全部条件的场令,利用上式对不能取得的条件计算满 足0<a<l的值的运算工序;以及将上述计算出的a的值或在上述运 算工序中经过运算得到的值进行通知的通知工序。另外,本发明提供一种设计支持装置,是支持固体摄像元件的设 计的设计支持装置,该固体摄像元件具有:使入射光根据其光量变换 为电信号的光电变换元件;配置于入射面上的微透镜;配置于上述光 电变换元件和上述微透镜之间的光波导;以及配置于上述光波导的周 围的层间绝缘层,其特征在于具有:取得包含装载有将多个上述固体 摄像元件以二维方式排列构成的图像传感器的摄像装置中的摄像光 学系统的射出瞳至上述光电变换元件的距离L,从上述图像传感器的 中心至上述图像传感器上的上述固体摄像元件的位置的距离H,从上 述光电变换元件至上述微透镜的顶点的高度D,上述图像传感器的上 述多个固体摄像元件的间隔P,上述光波导的折射率NH,上述层间绝缘层的折射率NL的条件中的至少一部分的条件取得单元;判定利用 上述条件取得单元是否可以取得全部条件的判定单元;在利用上述判 定单元判定为可以取得全部条件的场合,利用上述取得的条件计算 (H.D) / (L.P) < a. (NH/NL),并计算出a,而在利用上述判定单 元判定为不能取得全部条件的场合,利用上式对不能取得的条件计算 满足(XoKl的值的运算单元;以及将利用上述运算单元经过运算得到 的值进行通知的通知单元。另外,为达到上述第二个目的,本发明提供一种固体摄像元件, 其特征在于:该固体摄像元件包括:使入射光根据其光量变换为电信 号的光电变换元件;配置于入射面上的微透镜;配置于上述光电变换 元件和上述微透镜之间、由在树脂中分散有氧化钛(Ti02)、氮化硅 (Si3N4)、五氧化铌(Nb2Os)中的任何一种的复合材料构成的光波 导;以及配置于上述光波导的周围的、由疏水性多孔质石英构成的层 间绝缘层;且在装栽有将多个上述固体摄像元件以二维方式排列构成 的图像传感器的摄像装置中的摄像光学系统的射出瞳至上述光电变 换元件的距离为L,从上述图像传感器的中心至上述图4象传感器上的 上述固体摄像元件的位置的距离为H,从上述光电变换元件至上述微 透镜的顶点的高度为D,上述图像传感器的上述多个固体摄像元件的 间隔为P,上述光波导的折射率为NH,上述层间绝缘层的折射率为 Nt时,位于上述距离(H)处的固体摄像元件满足: (H.D ) / ( L.P) < a. ( Nh/Nl )其中0<a<l。另外,根据另外一种构成,本发明提供一种固体摄像元件,其特 征在于:该固体摄像元件包括:使入射光根据其光量变换为电信号的 光电变换元件;配置于入射面上的微透镜;配置于上述光电变换元件 和上述微透镜之间、由氮化硅(Si3N4)或氮氧化硅(SiON)构成的 光波导;以及配置于上述光波导的周围的、由氧化硅(Si02)构成的 层间绝缘层;且在装栽有将多个上述固体摄像元件以二维方式排列构 成的图像传感器的摄像装置中的摄像光学系统的射出瞳至上述光电变换元件的距离为L,从上述图像传感器的中心至上述图像传感器上 的上述固体摄像元件的位置的距离为H,从上述光电变换元件至上述 微透镜的顶点的高度为D,上述图像传感器的上述多个固体摄像元件 的间隔为P,上述光波导的折射率为NH,上述层间绝缘层的折射率为 ]S^时,位于上述距离(H)处的固体摄像元件满足: (H-D ) / ( L-P ) < a. ( NH/NL ) 其中0<a<l。另外,根据另外一种构成,本发明提供一种固体摄像元件,其特 征在于:该固体^L像元件包括:使入射光根据其光量变换为电信号的 光电变换元件;配置于入射面上的微透镜;配置于上述光电变换元件 和上述微透镜之间、由氧化硅(Si02)构成的光波导;以及配置于上 述光波导的周围的、由疏水性多孔质石英构成的层间绝缘层;且在装载有将多个上述固体摄像元件以二维方式排列构成的图像传感器的 摄像装置中的摄像光学系统的射出瞳至上述光电变换元件的距离为 L,从上述图像传感器的中心至上述图像传感器上的上述固体摄像元 件的位置的距离为H,从上述光电变换元件至上述微透镜的顶点的高 度为D,上述图像传感器的上述多个固体摄像元件的间隔为P,上述 光波导的折射率为NH,上述层间绝缘层的折射率为Nt时,位于上述 距离(H)处的固体摄像元件满足: (H.D ) / ( L'P ) < a. ( NH/NL ) 其中0<a<l。为达到上述第三个目的,本发明提供一种摄像装置,具有固体摄 像元件,该固体摄像元件具有:使入射光根据其光量变换为电信号的 光电变换元件;配置于入射面上的微透镜;配置于上述光电变换元 件和上述微透镜之间的光波导;以及配置于上述光波导的周围的层 间绝缘层;其特征在于:具有可在上述摄像装置上装卸交换镜头的 装卸单元;在装载有将多个上述固体摄像元件以二维方式排列构成 的图像传感器的摄像装置中的摄像光学系统的射出瞳至上述光电体摄像元件的位置的距离为H,从上述光电变换元件至上述微透镜的 顶点的高度为D,上述图像传感器的上述多个固体摄像元件的间隔为 P,上述光波导的折射率为NH,上述层间绝缘层的折射率为NL时, 位于上述距离(H)处的固体摄像元件满足:<formula>formula see original document page 16</formula>其中0<a<l。本发明的其他特征及优点,可从参照附图的以下的说明中得到了 解。另外,在附图中,对相同或相应的结构赋予相同的标号。附图说明图1为示出摄像装置的概念的剖面图。图2为示出摄像光学系统和图像传感器的位置关系的说明图。图3为示出CMOS型固体摄像元件的结构的剖面图。图4为图3所示的固体摄像元件的光迹图。图5为图3所示的固体摄像元件的光迹图。图6为示出被摄体光束相对于固体摄像元件的入射角与受光效 率的关系的曲线图。图7A及7B为用来说明光波导的折射率和临界角以及开口的关 系的示图。图8A及8B为用来说明光波导的折射率和临界角的关系的示图。图9为示出本发明的实施方式1的被摄体光束相对固体摄像元件 的入射角与受光效率的关系的曲线图。图IO为示出CMOS型固体摄像元件的另一种结构的剖面图。 图11为在镜头交换方式的数字相机系统上安装望远镜头时的入射光束的说明图。图12为在镜头交换方式的数字相机系统上安装广角镜头时的数字静止相机的概略剖面图。图13为图12所示的数字相机系统的入射光束的说明图。图14为示出本发明的实施方式2的数字彩色相机的概略结构的侧视剖面图。图15为示出图14所示的数字彩色相机的功能结构的框图。 图16为表示在广角端的变焦镜头的镜头结构和在光阑开放状态 下的光迹图。图17为表示在远摄端的变焦镜头的镜头结构和在光阑开放状态 下的光迹图。图18为表示在广角端的变焦镜头的镜头结构和在光阑收缩为一直到可以看成为点开口的状态下的光迹图。图19为表示在远摄端的变焦镜头的镜头结构和在光阑收缩为一 直到可以看成为点开口的状态下的光迹图。图20为表示微透镜的镜头结构和在聚焦到位于无限远的被摄体 上的状态下的光迹图。图21为表示微透镜的镜头结构和在聚焦到位于近距离的被摄体 上的状态下的光迹图。图22为本发明的实施方式2的摄像元件的平面图。图23为摄像元件的部分剖面图。图24为从斜上方俯视微凸透镜的俯视图。图25为示出图23所示的摄像元件中的入射光的光路的光迹图。 图26为本发明的实施方式4的摄像元件的部分剖面图。 图27为示出CMOS型固体摄像元件的结构的剖面图。 图28为现有的CCD型固体摄像元件的概略剖面图。 图29为现有的CMOS型固体摄像元件的概略剖面图。 图30为现有的袖珍型数字相机的摄像系统的概略剖面图。 图31为在镜头交换方式的数字相机系统上安装望远镜头时的现 有的数字静止相机的概略剖面图。图32为用来说明现有的袖珍型数字相机的摄像系统的制约光迹图。具体实施方式下面参照附图对用来实施本发明的最优实施方式进行详细说明。 其中,本实施方式中例示的结构部件的尺寸、材料、形状、其相对配 置等,应该根据应用本发明的装置的结构与各种条件适当改变,本发 明并不限定于这些示例。

<实施方式1>

图1为示出数字静止相机系统等的摄像装置的结构概念的剖面图。在图1中,101是作为成像光学系统的凸透镜;102是成像光学 系统101的光轴;103是将由成像光学系统101形成的被摄体光学像 变换为电信号的图像传感器;104是保持成像光学系统101和图像传 感器103的具有暗箱功能的框体。另外,成像光学系统IOI,为使说 明简化起见,图示的是单透镜(凸透镜),实际上也可以是由多个透 镜及反射镜或衍射成像光学系统组合而成具有正光焦度(power)的 成像光学系统。另外,也可以应用变焦功能。此外,在成像光学系统 101也可以具有用于削减重影和杂光的遮光用的光阑。

图像传感器103具有多个固体摄像元件,例如,为得到数百万像素的图像数据而将数百万个固体摄像元件在纵横或斜向上有规律地 进行二维配列而构成。

图2为示出摄像光学系统101和图像传感器103的位置关系的说 明图。在图2中,图像传感器103,具有使被摄体光束经摄像光学系 统101成焦的受光面105。另外,设摄像光学系统101和图像传感器 103的受光面105在光轴102方向上的距离为L (以下称其为"瞳距 离"),从光轴102至受光面105的最外周边部的距离为H。于是, 距离H相当于像高。另夕卜,设从光轴102与摄像光学系统101的射出 瞳106的交点射出的主光线107同光轴102形成的角度为e。

图3为示出在数字静止相机系统等的摄像装置中设置的图像传 感器103的一例,是图2所示的图像传感器103的A部分的具有光波 导的CMOS型图像传感器103的两个像素的固体摄像元件200的剖 面图。

在图3中,201是光电变换部;202是构成光电变换部201的硅(Si)基板;203是由高折射率材料SiN等构成的光波导,其中心轴 与光电变换部201的中心轴大致一致。另外,光波导203的光入射側, 为了使更多的光可以入射,形成宽开口。 210是用来将在由折射率低 的Si02等形成的层间绝缘层211之间形成的光电变换部201所产生的 光电荷转送到未图示的浮置扩散部(FD部)的转送电极;204是为使 光不会入射到光电变换部201以外而形成的具有遮光作用的布线电 极。另外,206是用来提供在由电极及未图示的布线形成的凸凹表面 上形成的平坦表面的平坦化层,经平坦化层206设置彩色滤波器207; 再经平坦化层208形成微透镜209。微透镜209的透镜形状及其配置 位置的确定为可使从图2所示的摄像光学系统101入射的被摄体光束 聚光于光电变换部201。透过微透镜209的光透过平坦化层208,由彩色滤波器层207选 择波长。例如,在图3的左侧的像素的彩色滤波器层207透过绿光时, 吸收蓝光及红光,在图3的右侧的像素的彩色滤波器层207透过蓝光 时,吸收绿光及红光。透过彩色滤波器层207的规定波长的光,透过 由氮化硅(SiN)等高折射率(折射率Nh)的透明材料形成的光波导 203,导入光电变换部201。此时,由于在光波导203的周围形成由氧 化硅(SK)2)等低折射率(折射率NL)的透明材料形成的层间绝缘层 211,从光波导203射向层间绝缘层211的光,受到光波导203和层 间绝缘层211的边界面的全反射而导入到光电变换部201。由氧化硅 (Si02)等形成的层间绝缘层211的折射率Nl,例如,为1.46。另外,设与邻接像素的间隔(像素间距)为P,从微透镜209的 顶点到光电变换部201的受光面的高度为D。图4为摄像光学系统101与图像传感器103"近",即瞳距离L短 的状态,而图5为摄像光学系统101与图像传感器103"远",即瞳距 离L长的状态的图3所示的像素结构的光迹图。在固体摄像元件200具有光波导203的场合,如图4所示,即使 是加大被摄体光束330相对光轴321的入射角9 == cxl (在瞳距离L短 时),由于受到光波导203的倾斜面的全反射而可以高效地导入到光电变换部201。另外,如图5所示,摄像光学系统101的瞳距离L长,被摄体 光束330相对于光轴321的入射角e = a2小时,由于不受到光波导 203的倾斜面的反射而被摄体光束330直接入射到光电变换部201。图6为示出被摄体光束相对具有图3所示的结构的固体摄像元件 200的入射的角度与受光效率的关系的曲线图。另外,为参考起见以 虛线示出不具有光波导203的固体摄像元件的受光效率。在图6所示 的曲线中,当使被摄体光束与微透镜109的中心轴321 (或光电变换 部201的中心轴)所成的角度(入射角)0改变的场合,设被摄体光 束330经微透镜109使光电变换部201受光的光量最大时为"l"表示 相应于被;f菱体光束330的入射角0的光电变换部201上的受光量的比例,在纵轴上表示受光量的比例,在横轴上表示入射角e。另外,在图6中,假设被摄体光束330是平行光,像素是位于图像传感器103 的最外周部。例如,在假设受光量的比例为"0.8"以内的入射角为固体摄像元 件的有效范围(可以以高精细度再现被摄体像的范围)时,在没有光 波导203的场合,被摄体光束的入射角的宽度为约17度。另一方面, 在有光波导203的场合,入射角的宽度为约24度。这样,在将可以得到规定的受光率的被摄体光束的入射角的范围 称为"入射角冗余性"时,在图61所示的示例中,可以说在有光波导 203的场合,入射角冗余性02为约24度,在没有光波导203的场合, 入射角冗余性^为约17度。于是,可以表现为有光波导203的场合 与没有光波导203的场合相比,"入射角冗余性提高了约7度"。另外,因为在摄像光学系统IOI变焦时,根据相应于焦距改变的 摄像光学系统101的瞳位置,入射到固体摄像元件200的被摄体光束 的主光线(在被摄体光束之内,通过摄像光学系统101的瞳106的中 心的斜射光线)的角度也改变(参照凹凸2的e),可以将"入射角冗 余性",改称为该角度的容许范围或瞳位置的容许范围。将此瞳位置 的容许范围这种现象称为"瞳位置的冗余性"或"瞳冗余性"。下面对本实施方式1的固体摄像元件200和瞳冗余性的关系进行说明。如图2所示,由于主光线107与光轴102所成的角度为e, tane = H/L …(1)由此,在表示像高H、瞳距离L、像素间距P、高度D、光波导 203的折射率NH及层间绝缘层211的折射率NL的关系时,得到下式 (2):(H.D) / (LP) <a. (NH/NL) ... (2)其中,在对像高H、瞳距离L、像素间距P、高度D、光波导203的折射率NH及层间绝缘层211的折射率NL进行选择,以使系数a为: 0<a<l …(3)时,可使光波导结构对受光效率的效果加大。 下面对不等式(2)进行详细说明。图7A及7B为用来^t明光波导203的折射率和由光波导203的 倾斜面的全反射引起的与临界角的关系的说明图,在图3所示的固体 摄像元件200的结构内,只将与说明有关系的地方简略示出。另外,如图8A及8B所示,在光波导203的形状相同时,如上 所述,由于折射率NH大时(n^ih),其临界角(3也大(P^IJ2),可 以使更大的入射角e的被摄体光束330,即瞳距离L变短而如图2所 示的光轴102和主光线107所成的角度e更大的场合的被摄体光束 330,受到光波导203的倾斜面的全反射而以更高的效率导入到光电变换部201 (e^ej ,瞳冗余性提高。此外,在层间绝缘层211的折射率Nt变小时也一样,因为光波 导203的倾斜面的全反射引起的临界角P变小,与前述一样,可以提 高瞳冗余性。并且,也可以加宽开口。就是说,从图2可知,因为在像高H为一定时,在瞳距离L变 短时,随着瞳距离L的减小,光轴102和主光线107所成的角度e变 大,与此相对应通过使光波导203的折射率NH变大或使层间绝缘层 211的折射率Nl威小,可使瞳冗余性提高。另夕卜,也可以使开口加宽。另外,因为在瞳距离L为一定时,在像高H增加时也一样,从 图2可知,随着像高H的增加,光轴102和主光线107所成的角度e 变大,通过使光波导203的折射率NH变大或使层间绝缘层211的折 射率Nl威小,可使瞳冗余性提高。并且,也可以使开口加宽。此外,即使是像高H及瞳距离L为一定,在图3所示的固体摄 像元件200的高度D增加时,被摄体光束330的入射角变深。在此场 合也是随着固体摄像元件固体摄像元件200的高度D的增加,通过使 光波导203的折射率NH变大或使层间绝缘层211的折射率Nt减小, 可使瞳冗余性提高。并且,也可以使开口加宽。此外,在像高H及瞳距离L为一定,固体摄像元件200的像素 间距P变窄时,由于布线等的关系,光电变换部201的大小减小(即 小像素化),对光电变换部201入射的被摄体光束330也减小。为了 不改变光电变换部201的大小而使更多的被摄体光束330入射到光电 变换部201,与减小固体摄像元件200的像素间距P相对应,通过使 光波导203的折射率NH变大或使层间绝缘层211的折射率Nl咸小, 如图7B所示,因为也可通过使光波导203的侧面倾斜加大而加宽开 口,可广泛确保入射角的冗余性提高,可以使更多的被摄体光束330 入射到固体摄像元件200。下面对不等式(2)所右边的系数ot进行说明。图9为示出位于固体摄像元件200的中心的被摄体光束相对固体 摄像元件200的入射角与受光效率的关系的曲线图。在图9中,与图 6 —样,当使被摄体光束与微透镜109的中心轴321 (或光电变换部 201的中心轴)所成的角度(入射角)6改变的场合,设被摄体光束 330经微透镜109使光电变换部201受光的光量最大时为"1,,表示相应 于被摄体光束330的入射角e的光电变换部201上的受光量的比例,在纵轴上表示受光量的比例,在横轴上表示入射角e。另外,假设被摄体光束330是平行光。所谓的图9所示的理论界限,指的是COS (余弦)的4次方法 则。将其应用于固体摄像元件200进行简单说明。因为由光电变换部201受光的光量,在被摄体光束330的光量一定时,主光线107和光 轴102所成的角度9的COS的4次方成比例,相应于被摄体光束330 的入射角而减少入射到光电变换部201的光量。另外,本来COS的4次方法则只适用于固体摄像元件200的中 心像素,但即使是在以周边像素进行考虑的场合,只要其峰值位置错 开,也显示与中心像素同样的倾向。另外,图9示出在光波导203的折射率NH分别为1.65及1.80 时的模拟结果。此时,固体摄像元件200的高度D等的值如下:'像高H-4251【nm】*瞳距离L = 15000【pm】'像素间距P-3.25 [阔 高度D-6.0【拜1'层间绝缘层211的折射率Njl-1.46将以上的值代入到不等式(2),求出以固体揭/像元件200的光 量的比例为"0.8"为有效范围时(作为瞳冗余性的定义范围时)的系数 a:a = 0.717 ... (4)满足式(3)。另外,在图30所示的现有的袖珍数字相机的场合,像高H = 3320nm,主光线107的入射角e,如前所述,为3度~9度。此时的 瞍多巨离L为21mm至60mm。例如,考虑使瞳距离L满足现有的值的1/3的L = 7mm至20mm 的固体摄像元件200的场合,根据式(2)和式(4),固体摄像元件 200的像素间距P和光波导203的折射率NH的关系可如下计算:NxP > 5,795 —1由于固体摄像元件200的像素间距P越小,析像度越高,在使 像素间距P为3.25时,NH>1.78 …(5)于是,通过以满足式(5)的材料构成设置于袖珍数字相机上的固体摄像元件200的光波导203,透过光波导203的光,在与层间绝 缘层211的折射率界面上产生全反射,可有效地聚光于光电变换部。 其结果,由于在可以得到品质高的图像的同时,可以采用像素尺寸小 的固体摄像元件,可以得到析像度高的图像。除此之外,因为瞳距离 L可以缩短,即使是使用历来不能采用作为摄像光学系统101的远摄 型,光电变换部201也可能高效地聚光,不仅可以提高摄像系统的设 计自由度,还可以使摄像系统小型化。另外,在上述示例中,是对计 算光波导203的折射率NH的场合进行说明的,但并不限定于此,在 式(2)所示的条件内,任何一个条件都可以开放。这样一来,根据 作为设计条件确定的值,可以对未确定的条件进行模拟。如上所述,预先将对式(2)进行运算的程序输入到个人计算机 等的信息处理装置,输入示出所要求的条件的参数,通过利用输入的 参数进行运算,显示在式(4)及式(5)中示出的判断结果及运算结 果得到的条件,由于设计者可以简单地了解满足该条件的固体摄像元 件是否具有充分的临界条件,以及为实现具有所要求的特性的固体摄 像元件,要满足哪些条件(尺寸、材质等),所以可以很容易设计固 体摄像元件。另外,在本发明中可应用的固体摄像元件的结构,不限于图3 所示的内容。图10为示出可应用于本发明的固体摄像元件的另一结 构例。在图10中,对于与图3 —样的结构赋予相同的符号。在图10 中,在图3所示的结构之外,示出具有第2布线电极717的示例,该 第2布线电极717具有为使光不入射到光电变换部201以外而形成的 遮光作用。平坦化层206是为在由第2布线电极717及未图示的布线 形成的凸凹表面上形成并提供平坦表面而形成的。此处,对上述内容可总结为:为了在对固体摄像元件200的入射 角大的被摄体光束的场合也能提高聚光效果,光波导的结构根据如下 的性质决定。l.在像高H增加时,入射角e变大。2. 在瞳距离L增加时,入射角e变小。3. 光波导的折射率NH和层间绝缘层的折射率Nl之比N!7Nh越 小,为了在折射率界面上产生全反射的临界角越小,可以捕捉入射角e大的光线。4. 在像素间距P减小时,各像素的电路部占据的面积增大,光电变换部的大小相对地减小,不能捕捉入射角e大的光线。在cmos型固体摄像元件的场合,电路部是电荷传送用mos晶体管、供给复 位电位的复位用mos晶体管、源极跟随器放大器mos晶体管、用 来有选择地从源极跟随器放大器mos晶体管输出信号的选择用mos晶体管等。5. 从光电变换部至微透镜的高度D增加时,由于从微透镜观察光电变换部的角度小,不能捕捉入射角e大的光线。根据这些性质,从以像高H、瞳距离L、像素间距P、高度D、 光波导的折射率NH及层间绝缘层的折射率Nl表示的式(2),可以了解式(6)的评估量E的大小如何能成为表示能否将入射角e大的光线导入到光电变换部的合适的指标。E= (H'D. NL) / (L.P.Nh) ... (6)其中,在选择像高H、瞳距离L、像素间距P、高度D、光波导的折射率NH及层间绝缘层的折射率NL,使得E<1.0 …(7)时,光波导结构的效果很大。在镜头交换方式的数字相机系统中,无论是在相机主体上装设何 种交换镜头的场合,都可以使用具有可以高效地聚光的被摄体光的光 波导的固体摄像元件是理想的场合,光波导,根据式(2)使用在相 机上可以装设的交换镜头的镜头信息而形成。图11为将使用以上述方式构成的固体摄像元件的图像传感器应 用于图d所示的镜头交换方式的数字相机系统的场合的图像传感器 1208的入射光束的说明图。如上所述,在图31中,示出的是安装望 远镜头1220作为交换镜头的场合。由于在图31的镜头交换方式的数字相机系统中,设置的图像传 感器1208的画面尺寸与银盐相机的底片尺寸的APS-C尺寸(约 17x25mm)大致相同,位于画面的对角的像素的像高H约15mm。另外,从图像传感器1208中使用的固体摄像元件的微透镜的顶 点到光电变换部的高度D约为0.006mm。另外,在图像传感器1208形成的光波导的周围填充的层间绝缘 层中一般使用氧化硅(Si02),其折射率Nt为1.46。光波导一般由 氮化硅(SiN)形成,其折射率NH为2.0。另外,氧化硅及氮化硅只 不过是示例而已,并非限定于这些材质是自不待言。在图11中,示出的是远摄型的望远镜头1220的射出瞳1225的 位置。射出瞳1225在远离图像传感器1208的距离Lt的位置形成。 透过射出瞳1225的被摄体光束入射到图像传感器1208的像高H的位 置。此时射入图像传感器1208的主光线的入射角et满足tan0t = HALt图12为将以上所述方式构成的固体摄像元件的图像传感器应用 于安装广角镜头420的镜头交换方式的相机系统的场合的概略图。另 外,由于相机主体的结构与图31所示的一样,赋予相同的参照编号, 说明则省略。相才几主体1200和广角镜头420,与望远镜头1220的场合一样, 由相机侧固定件1211和镜头侧固定件421连接。设置于广角镜头420 上的未图示的镜头MPU等的电路,经镜头侧接点422和相机侧接点 1212与未图示的相机MPU等的电路相连接。在镜头存储器中,存储 交换镜头的射出瞳位置等的镜头信息。图13为在安装图12所示的广角镜头420的数字相机系统中配置 的图像传感器1208的入射光束的说明图。在图13中,反远距型的广角镜头420的射出瞳425,在比安装 望远镜头1220时(参照图11)更接近图像传感器1208的在距离Lw 的位置上形成。透过420的射出瞳425的被摄体光束入射到围像传感 器1208的像高H的位置。此时入射到图像传感器1208的主光线的入射角9w满足tanGw = H/Lw从图11及图13也可知,在相机上安装广角镜头的场合的主光线角度ew和安装望远镜头的场合的主光线角度et为:9w>9t可以了解入射图像传感器1208的主光线的入射角e在安装广角镜头时大。所以,通过在可以安装到相机上的交换镜头中,使用从像面的 射出瞳距离短的镜头决定光波导的结构,可以设计受光效率高的固体 摄像元件。在可以安装到相机上的交换镜头中,在从像面的射出瞳距离短的镜头的射出瞳距离L设定为约60mm的场合(其中其他条件与 上述相同),根据式(2),可以以如下方式计算出固体摄像元件408 的像素间距P和评估量E的关系:Exp-0.0011 [mml 由于图像传感器1208的像素间距P越小,析像度越高,在像素间距P 为0.003mm时,评估量E为:E = 0.37满足式(7 )。这样,通过使装设于镜头交换方式的数字相机系统的固体摄像元 件200的光波导的结构可满足使用交换镜头信息的式(6) 、 (7), 透过光波导的光,在与层间绝缘层的折射率界面上产生全反射,可以 高效地聚光于光电变换部。其结果,由于在可以得到品质高的图像的 同时,可以采用像素尺寸小的固体摄像元件,可以得到析像度高的图 像。另夕卜,在实施例1中,是根据可安装于相机上的交换镜头的射出 瞳信息,决定在固体摄像元件中形成的光波导的结构,但在交换镜头 的射出瞳信息中增加开放F值的信息决定光波导的结构也是有效的。如上所述,不管是袖珍型数字相机还是交换镜头式的数字静止相 机,通过由满足式(2) 、 (3)的材料构成装设于光学机器上的固体 摄像元件的光波导,则透过光波导的光在层间绝缘层和折射率界面上产生全反射而可以高效地聚光于光电变换部。其结果,由于在可以得 到品质高的图像的同时,可以采用像素尺寸小的固体摄像元件,可以 得到析像度高的图像。

另外,在袖珍型数字相机的场合,可以在提高摄像系统的设计自 由度的同时,还可以使摄像系统小型化。

<实施方式2 >

图14为示出本发明的实施方式2的数字彩色相机的概略结构的 侧视剖面图。本相机,是使用CCD或CMOS传感器等的摄像元件的 单片式的数字彩色相机,对摄像元件连续或单个驱动而得到表现运动 图像或静止图像的图像信号。其中,摄像元件,是将入射光相应于其 光量变换为电荷,蓄积于每个像素上,并将蓄积的电荷读出的类型的 面传感器。

在图14中,110是相机主体110, 126是内部具有摄影镜头125 并且可以从相机主体110中取出的镜头装置。另外,在图14中,作 为摄影镜头125,图示的是一个透镜,但通常是由多个透镜组合而成。 镜头装置126经过公知的固定机构与相机主体110进行电气和机械连 接。通过交换摄影镜头的焦距不同的镜头装置,可以以不同的画面角 度进行摄影。另外,镜头装置126内部具有未图示的驱动机构,可使 作为摄影镜头125的一部分的要素的对焦镜头在光轴Ll方向上移动, 在对焦镜头是由具有柔软性的透明弹性构件或液体镜头构成时,通过 使界面形状改变而改变折射率就可以进行对被摄体的对焦调节。

116是存放于組件124内的摄像元件。在从摄影镜头125至摄像 元件116的光路中设置有控制摄影镜头125的空间频率特性的光学低 通滤光器156,以使被摄体像的超过需要的高空间频率分量到达摄像 元件116上。另外,在摄影镜头125上形成红外截止滤光器(未图示)。

由摄像元件116捕捉的被摄体像,显示于显示装置117上。显示 装置117设置于相机的背面,使用者可对显示的图像直接观察。在显 示装置117是由有机EL空间调制元件及液晶空间调制元件、利用微 粒子的电泳的空间调制元件等构成时,因为电力消耗小并且可构成薄型,作为便携式机器很合用。

另外,摄像元件116,在本实施方式2中,可以是作为放大型桶L 像元件之一的CMOS工艺过程兼容的传感器。CMOS摄像元件的特 点之一是,由于面传感器部的MOS晶体管和摄像元件、驱动电路、 AD变换电路、图像处理部这些周边电路可以在同一工序中形成,与 CCD比较,掩模个数、加工工序可大幅度削减。另外,因为具有可随 机访问任意像素的特点,对于显示用很容易做到像素输出的间隔剔除 读出,可以进行高显示速率的实时显示。摄像元件116,利用这一特 点,可进行显示器图像输出动作、高精彩图像输出动作。另外,本发 明,不限于CMOS传感器,也可使用CCD等其他类型的固体摄像元 件是自不待言的。

111是将来自摄影镜头125的光路分割到光学取景器的可动型半 透明反射镜111,115是配置于被摄体像的预定成像面上的对焦屏115, 112是五角棱镜。118是用来观察取景器像的透镜,为了能见度调节 功能实际上是由多个透镜构成。对焦屏115、五角棱镜112、透镜118 构成取景器光学系统。半透明反射镜111的折射率约为1.5,厚度为 0.5mm。在半透明反射镜111的背后设置可动型辅助反射镜122,透 过半透明反射镜111的光束之中的近轴部分光束向焦点检测单元121 偏转。辅助反射镜122以未图示的转动轴为中心转动,在摄像时与半 透明反射镜lll一起退避到摄像光路之外。另外,焦点检测单元121, 例如,进行相位差检测方式的焦点检测。

在半透明反射镜111的表面上由树脂形成具有比可见光的波长 短的间距的微小角锥状的周期结构,通过用作所谓的光子晶体,可减 小空气和树脂的折射率差引起的表面反射,也可以提高光的利用效 率。采用这样的结构时,可以抑制在半透明反射镜的里面和表面的光 的多重反射所引起的重影。

由未图示的电磁电动机及齿轮系組成的反射镜驱动机构,使半透 明反射镜111和辅助反射镜122改变位置而在摄影镜头125发出的光 束直接入射到摄像元件116的状态和将光路分割到光学取景器的状态之间进行切换。

114是可动式闪光装置,113是焦面快门,119是主开关,120 是释放按钮,123是用来切换光学取景器和电子取景器的模式切换开 关,180是光学取景器内部信息显示装置180。

图15为示出上述的数字彩色相机的功能结构的框图。另外,对 于与图l相同的结构赋予相同的附图标记。

相机具有摄像系统、图像处理系统、记录再生系统、控制系统。 摄像系统包含摄影镜头125及摄像元件116,图像处理系统包含A/D 变换器130、 RGB图像处理部.131及YC处理部132。另外,记录再 生系统包含记录处理部133及再生处理部134,控制系统包含相机系 统控制部135、操作检测部136及摄像元件116的驱动电路137。 138 是用于与外部计算机等连接进行数据收发的标准化连接端子。这些结 构每一个,例如,都由碱性电池及锂电池等一次电池及NiCd电池、 Li电池等二次电池、小型燃料电池、AC适配器等组成的未图示的供 电设备驱动。

摄像系统,是使来自被摄体的光经摄影镜头125成像于摄像元件 116的摄像面的光学处理系统,通过调节镜头装置126的未图示的光 阑和在需要时调节焦面快门113,可利用适当光量的被摄体的光使摄 像元件116曝光。摄像元件116,例如,具有在长边方向上排列7400 个,在短边方向上排列5600个,合计约4000万个像素,以4个像素 为一组,在各像素上配置R (红)、G (绿)、B (蓝)中任何一个彩 色滤波器的所谓的拜耳(Bayer)排列。在拜耳排列中,通过对于在 观察者对图像进行观察时容易感觉强烈的G像素比R及B像素增多 配置,可以提高图像的综合品质。 一般,在采用这种方式的摄像元件 的图像处理中,亮度信号的大部分是由G信号生成的,色信号由R、 G、 B信号生成。另外,像素数及彩色滤光器的排列并不限定于上述, 也可以适当改变,这是自不待言的。

从摄像元件116读出的图像信号,经A/D变换器130供给图像 处理系统。A/D变换器130,是变换为与曝光的各像素的信号的振幅相应的,例如,12位的数字信号进行输出的信号变换电路,在A/D 变换器130的后级的图像信号处理通过数字处理实行。

图像处理系统,是由R、 G、 B数字信号得到所要求的形式的图 像信号的信号处理电路,将R、 G、 B信号变换为由亮度信号Y和色 差信号(R-Y) 、 (B-Y)表示的YC信号等。

RGB图像处理部131,是对经A/D变换器130从摄像元件116 接受的7400x5600像素的图像信号进行处理的信号处理电路,具有白 平衡电路、伽玛(Y)修正电路、利用修正运算进行高析像度化的插 值运算电路。

YC处理电路132,是生成亮度信号Y和色差信号R-Y和B-Y 的信号处理电路。由生成高频亮度信号YH的高频亮度信号发生电路、 生成低频亮度信号YL的低频亮度信号发生电路以及生成色差信号 R-Y及B-Y的色差信号发生电路构成。亮度信号Y由高频亮度信号 YH和低频亮度信号YL合成而形成。

记录再生系统,是向未图示的存储器进行图像信号输出和向显示 装置117进行图像信号输出的处理系统,记录处理部133对存储器进 行图像信号的写入处理及读出处理,而再生处理部134将从存储器读 出的图像信号再生并输出到显示装置117。

另外,记录处理部133内部具有对静止图像及运动图像以规定的 压缩形式进行压缩,并且在读出压缩数据时进行扩展的压缩扩展电 路。压缩扩展电路,包含用于信号处理的帧存储器等,在此帧存储器 中将来自图像处理系统的YC信号蓄积于每一帧中,分别对多个块中 的每一个读出并进行压缩编码。压缩编码,例如,是通过对每一块的 图^f象信号进行二维正交变换、正规化及霍夫曼编码。

再生处理部134,是对亮度信号Y和色差信号R-Y和B-Y进行 矩阵变换,例如,变换为RGB信号的电路。经过再生处理部134变 换的信号,输出到显示装置117,再生显示为可视图像。再生处理部 134和显示装置117之间可以以蓝牙等无线通信设备连接,在釆用这 种结构时,利用此数字彩色相机可从远处对拍摄图像进行监控。控制系统,包含检测释放按钮120及取景器模式切换开关123 等的操作的搮作检测部136;回应该检测信号控制半透明反射镜111 及辅助反射镜122 ,生成并输出拍摄时的定时信号等的相机系统控制 部135;在此相机系统控制部135的控制下,生成用来驱动摄像元件 116的驱动信号的驱动电路137;以及控制光学取景器内部信息显示 装置180的信号显示部142。

控制系统,回应外部操作对摄像系统、图像处理系统、记录再生 系统分别进行控制,例如,检测释放按钮120的按下,控制摄像元件 116的驱动、RGB图像处理部131的动作及记录处理部133的压缩处 理等,还利用信息显示部142对在光学取景器内进行信息显示的信息 显示装置180的各段的状态进行控制。

相机系统控制部135,根据从YC处理部132得到的亮度信号Y 判断被摄体的亮度,在判断被摄体的亮度低、得不到足够的焦点检测 精度时,就指示利用闪光发光装置114或未图示的白色LED及荧光 管对被摄体进行照明,反之,在判断被摄体的亮度高、过白时,就加 速焦面快门113的快门速度,利用电子快门缩短摄像元件116的电荷 蓄积期间等进行曝光量调节。

相机系统控制部135上还连接有AF控制部140和镜头系统控制 部141。这些部分以相机系统控制部135为中心互相以各个处理所必 需的数据进行通信。

AF控制部140,得到在摄影画面上的规定位置设定的焦点检测 区域内的焦点检测用传感器167的信号输出,并根据此信号输出生成 焦点检测信号,检测摄影镜头125的成像状态。在检测到离焦时,就 将其变换为作为摄影镜头125的一部分的要素的聚焦镜头的驱动量并 通过相机系统控制部135中继发送到系统控制部141。另外,对于移 动的被摄体,勘察在按下释放按钮120之后到实际的摄像控制开始的 时间滞后,并指示根据预测适当的镜头位置内的结果确定的聚集镜头 的驱动量。

镜头系统控制部141,在接收到聚集镜头的驱动量时,利用镜头装置126内的未图示的驱动机构使聚集镜头在光轴Ll方向上移动, 与被摄体合焦。在利用AF控制部140检测到与被摄体合焦时,将此 信息传送到相机系统控制部135。此时,如果按下释放按钮120,如 前所述,就完成利用摄像系统、图像处理系统、记录再生系统的摄像控制。图16和图17为表示在镜头装置126上组装的摄影镜头之一的变 焦镜头(变倍镜头)的结构图。其中,示出的一例是在单反相机等之 中使用的正.负.正.正.负五组结构的望远镜头。从被摄体側算起顺序称 为第1组ZG1〜第5组ZG5。图16示出广角端、图17示出远才聂端的 在光阑打开状态下的光迹图。另外,广角端的焦距和F数为 100mm/5.6,远摄端的焦距和F数为400mm/8.0。如图16和图17所示,第1组ZG1由凸面朝向被摄体侧的正透 镜511、凸面朝向被摄体側的负弯月透镜512、与负弯月透镜512相 接曲率更大的面朝向被摄体侧的正透镜513构成。第2组ZG2由双 凹形状的负透镜521、曲率更大的面朝向被摄体侧的正透镜522构成, 第3组ZG2由凸面朝向像侧的正透镜531构成,第4组ZG4由双凸 形状的正透镜541、与正透镜541相接凹面朝向被摄体侧的负透镜542 构成,而第5组ZG5由曲率更大的面朝向像侧的正透镜551、与正透 镜551相接双凹形状的负透镜552构成。光阑ZS配置于第2组ZG2 和笫3组ZG3之间。在从广角端变焦到远摄端时,在第1组ZG1和第2组ZG2时的 空气间隔扩大的同时,第4组ZG4和第5组ZG5的空气间隔缩小。 更详细言之,第4组ZG4相对摄像面501处于固定状态,第l组ZG1 向被摄体侧移动,第2组ZG2向像侧移动,另外,笫3组ZG3向被 摄体侧移动,第5组ZG5向被摄体侧移动。由于射出瞳位置因变焦而改变,入射到光轴外的摄像位置的光线的入射角也相应于设定的焦距而改变。图16示出的角度e!是在对广角端向最大画角位置入射的光束以其光量重心为代表时的入射角,而 图17示出的角度62是在对远撮端向最大画角位置入射的光束以其光量重心为代表时的入射角。由于在广角侧,射出瞳位置靠近摄像面, 反之,在远摄侧,射出瞳位置远离摄像面,^〉02的关系成立。另夕卜,一般,在中间画角的光线入射角为处于角度e,和角度e2之间。此外,在图i6及图n所示的远摄变焦镜头中,在使光阑zs变 成开放状态时,因为入射到光轴外的摄像位置的光线通过光阑面上较 偏的位置,在光阑zs收缩时,入射到摄像面上的光线入射角改变。图18和图19为表示在光阑收缩为一直到可以看成为点开口的状 态下在广角端和远摄端的光路图。图18所示的角度03是在广角端入 射到最大画角位置的光束的入射角,图19所示的角度94是在远摄端入射到最大画角位置的光束的入射角。入射到最大画角位置的光束的入射角的大小关系为:e3 > e! > e4 > e2加上焦距来考虑光阑zs的开度时,可以了解到入射角的变动幅度更扩大。最大角度和最小角度之差取决于变倍比及镜头结构,大概在IO 度至40度的范围。所谓的入射到光轴外的光线的入射角的变化,不仅是在变焦时, 而且在聚焦(调焦)时也会产生。图20和图21为表示組装到镜头装 置126的摄影镜头之一的微透镜的结构图,F数明显作为单反相机用 是合适的镜头的示例。图20示出聚焦于位于无限远的被摄体的状态, 图21示出成像倍率为聚焦于位于-0.2倍近距离的被摄体的状态。其 中,」微透镜的焦距和F数为50mm/2.0,并且,从被摄体侧算起顺序 称为第1组MG1〜第3组MG3。由具有正折射能力的第1组MG1、光阑MS、具有正折射能力 的第2組MG2、具有正折射能力的第3組MG3组成;第1组MG1 的双凹形状的负透镜611配置为最靠近被摄体侧;第3组MG3的负 弯月透镜632配置为最靠近像侧。负透镜611和负透镜612夹着所谓 的高斯型透镜,双凸形状的正透镜612、曲率更大的面朝向被摄体侧 的正透镜613、双凹形状的负透镜614、双凹形状的负透镜621、与负 透镜621相接的正透镜622、双凸形状的正透镜623、正弯月透镜631是高斯型透镜结构。光阑MS配置于第1组ZG1和第2组ZG2之间。 通过在高斯型的透镜的前后配置负透镜可使射入瞳和射出瞜接近,可 得到充分的周边光量。此外,此微透镜,为了使从位于无限远的被摄体到近距离的被摄 体任何一个都可得到良好的光学性能,具有浮置结构。在从聚焦与位 于无限远的被摄体的状态聚焦到位于近距离的被摄体时,笫1组MG1 和第2组MG2 —体地突出,同时,使第3组MG3和第2组MG2之 间的空气间隔增大。由于射出瞳位置因聚焦而改变,入射到光轴外的摄像位置的光线 的入射角也相应于设定的焦距而改变。图20示出的角度0s是在聚焦 于位于无限远的被摄体的状态中对向最大画角位置入射的光束以其 光量重心为代表时的入射角,而图21示出的角度96是在聚焦于位于 近距离的被摄体的状态下对向最大画角位置入射的光束以其光量重 心为代表时的入射角。由于在聚焦于无限远处的被摄体的状态下,射 出瞳位置靠近摄像面,反之,在聚焦于位于近距离处的被摄体的状态 下,射出瞳位置远离摄像面,65>06的关系成立。另外, 一般,在中间距离的被摄体中的光线入射角为处于角度e 5和角度e 6之间。此外,加上被摄体距离来考虑光阑MS的开度时,可以了解到有时入射角的变动幅度更扩大。最大角度和最小角度之差取决于可聚焦的至近被摄体距离及镜头结构,大概在3度至30度的范围。 下面利用图22至图25对摄像元件116的结构进行说明。 图22为图14所示的摄像元件116的平面图。在图22中,116 是摄像元件,124是存放摄像元件116的传感器组件。摄像元件116 是CMOS摄像元件,为得到数千万像素的图像数据,将数千万个像 素或在纵横或在斜向上规则排列而成。所以,在传感器组件内部充填 空气、不活泼气体或称为氢化氟代醚的折射率为1.27左右的低折射率 液体。图23为摄像元件116的部分剖面图。其中,是摄像元件116周 边部的放大图,设摄像元件116的光轴在左方,微透镜向左方偏心。在彩色滤光器的排列上可以有多种,此处釆用的是拜耳排列法。在图23中,70是透过绿光的绿色彩色滤光器、71是透过红光的 红色彩色滤光器。在拜耳排列的摄像元件的剖面中可以看到,如图23 所示,绿色彩色滤光器和红色彩色滤光器交互排列的行,或蓝色彩色 滤光器和绿色彩色滤光器交互排列的行的某一个。30是硅基板、31是以间距L规则排列的埋入式光电二极管、32 是多晶硅布线、33和34是铜布线、38是疏水性多孔质石英等构成的 层间绝缘层。金属的布线中间夹着层间绝缘层形成一种电容器,由于 引起信号的延迟,多孔质石英是比可对此进行抑制的现在常用的氧化 硅Si02的介电常数低。并且,因为折射率与介电常数成比例,折射率 可低到1.3左右。36是埋入透明树脂层、35是由氮氧化硅SiON构成的保护膜。埋入透明树脂层36的制作工序是,首先,形成硅内部的电位结 构、光电变换部31、 MOS晶体管放大器、像素选择晶体管、铜布线 33及34、以及层间绝缘膜38等,再在其上层生长保护膜35之后, 从保护膜35之上通过向着光电变换部31实施各向异性刻蚀形成开 口,使液体透明树脂流入和热硬化。透明树脂层36的折射率为1.6,具有与透明树脂层36邻接的层 间绝缘膜38的折射率1.3相差约1.2倍,构成光波导。此界面对从高 折射率侧向低折射率侧超过临界角斜向入射的光线可能产生全反射。另外,埋入式透明树脂层36,也可以是在成为基底的树脂中均匀分散纳米量级的氧化钛TK)2粒子或氮化硅Si3N4粒子的复合材料。在这种复合材料中,氧化钛粒子及氮化硅粒子及五氧化铌粒子具有比 光的波长充分小的尺寸,且其折射率高,氧化钛的粒子为2.35,氮化 硅为2.0,而五氧化铌为2.2,导致可以在此材料的内部保持光的直进 性原样不变的折射率提高到1.8至2.1,可以在相当程度上使产生全反 射的临界角减小。另外,37和39是平坦化层,卯2是微凸透镜。平坦化层37是在 透明树脂层36的上部形成的透明树脂层。另外,平坦化层39的上部经刻蚀形成凹面形状,在其上部形成氮氧化硅膜SiON层,通过对其 上面在凹面上进行刻蚀,形成SiON制的微凸透镜902。 一个个微凸 透镜卯2从光轴方向观察的形状为正方形,各微凸透镜902的面,上 面和下面为轴对称性的非球面。图24为说明微凸透镜卯2的形状的 说明图,是从斜上方俯视微凸透镜902的俯视图。因为平坦化层39的折射率为1.58,微凸透镜卯2的折射率为1.8, 微凸透镜卯2具有作为会聚系统的焦距。所以,即使是在相邻的埋入 透明树脂层36之间有空隙,园为光束必须通过铺满无空隙的微凸透 镜902,在某一个埋入透明树脂层36上不会无谓地集合。另外,微凸 透镜卯2也可以是使通过刻蚀形成圃筒形状的树脂熔融而生成。一般,在CMOS摄像元件的光电变换部的附近存在布线层等, 并且,由于在CCD摄像元件中也存在电荷传送部等,斜着进入^_像 元件内部的光线难以到达光电变换部。不能到达光电变换部的光线, 被布线层等吸收而最后只变成热。如上所述,本摄像元件116,具有用来将在这样的摄像元件116 的内部行进的光线导入到光电变.换部31的光波导结构。图25为示出 入射到摄像元件116中的入射光束的光路内的有代表性的微凸透镜 卯2a的光束的光路的光迹图。从摄像元件116的上方入射的光线60入射到微凸透镜卯2a,受 到微凸透镜卯2a的折射,经平坦化层37入射到埋入透明树脂层36a。 埋入透明树脂层36a,由于具有比层间绝缘膜38高的折射率,在与层 间绝缘膜38的界面上超过临界角斜着入射的光线发生全反射,不能 从透明树脂层36a进入到层间绝缘膜38。就是说,例如,光线62在 埋入透明树脂层36a和层间绝缘膜38的界面64上发生全反射,成为 光线63而留在埋入透明树脂层36a内,入射到光电变换部31a进行 光电变换。光波导内的光线的行为及瞳位置的关系,参照图2、图4及图5 如上所述,在本实施方式2中,如图4所示,摄影光学系统125"接近" 摄像元件116,即在瞳距离短,光束330的入射角e大的场合(e-ai),光束330在光波导203的倾斜面上发生全反射,并且如图5所示,在 瞳距离长的光束330的入射角0小的场合(6 = a2),在光波导203 的倾斜面上不会发生全反射而导入到光电变换部201。

这样,在使用光波导结构时,即使是入射角e变化,也可以导入 到光电变换部。

所以,在没有埋入透明树脂层36的场合,在变焦及聚焦中射出 瞳位置不适合摄像元件而不能入射到光电变换部31的光线,利用图 25所示的埋入透明树脂层36的光波导结构,可以入射到光电变换部 31,提高画面周边处的摄像元件的灵敏度。所以,可以消除由摄像元 件引起的荫影。

光波导的结构与实施方式l一样,根据如下的性质决定。1. 在像高H增加时,入射角e变大。2. 在瞳距离L增加时,入射角e变小。3. 光波导的折射率NH和层间绝缘层的折射率Nl之比Nx/Nh越 小,为了在折射率界面上产生全反射的临界角越小,可以捕捉入射角e大的光线。4. 在像素间距P减小时,各像素的电路部占据的面积增大,光电变换部的大小相对地减小,不能捕捉入射角e大的光线。在cmos型固体摄像元件的场合,电路部是电荷传送用mos晶体管、供给复 位电位的复位用mos晶体管、源极跟随器放大器mos晶体管、用 来有选择地从源极跟随器放大器mos晶体管输出信号的选择用mos 晶体管等。5. 从光电变换部至微透镜的高度D增加时,由于从微透镜观察光电变换部的角度小,不能捕捉入射角e大的光线。根据这些性质,从以像高H、瞳距离L、像素间距P、高度D、 光波导的折射率NH及层间绝缘层的折射率Nl表示的式(6)的评估量E的大小成为表示能否将入射角e大的光线导入到光电变换部的合适的指标。E=(H.D. NL) / (L.P.Nh) ... (6)作为一例,在.像高H-4251【pm】.瞳距离L = 15000【|im】.像素间距P-3.25 ^m】.高度D-5.0【iLim】.层间绝缘层211的折射率NL= 1.46 的场合,E = 0.39。这样,在选择像高H、瞳距离L、〗象素间距P、高 度D、光波导的折射率NH及层间绝缘层的折射率N。使得E<1.0 …(7)时,光波导结构的效果很大。<实施方式3 >光波导也可以由与其他物质的组合构成。在本实施方式3中,在具有图23所示的结构的彩色摄像元件中, 与实施方式l不同,由氧化硅Si02形成层间绝缘膜38 ,由氮化硅Si3N4 形成埋入透明树脂层36。因为埋入透明树脂层36的折射率为2.0,构成与埋入透明树脂层 36邻接的层间绝缘膜38的氧化硅Si02的折射率为1.46,具有大约1.37 倍的折射率的差异。因此,在界面上从高折射率侧向低折射率侧超过 临界角斜向入射的光线可能产生全反射。利用这样的光波导结构,可 以有效地将斜入射光导入到光电变换部31。此外,在本实施方式3中,由氧化硅Si02构成平坦化层39,在 此平坦化层39的上部经刻蚀形成凹面形状,在其上部形成氧化钛 Ti02层,通过将其上面再刻蚀成为凸面形状,形成氧化钛TK)2制的 微凸透镜902。因为构成平坦化层39的氧化硅Si02的折射率为1.46,构成微凸 透镜902的氧化钛Ti02的折射率为2.35,微凸透镜卯2具有作为会 聚系统的焦距。所以,即使是在相邻的埋入透明树脂层36之间有空 隙,因为光束必须通过无空隙地铺满的微凸透镜902,所以在埋入透 明树脂层36上有效地聚集。这样,通过组合不同的物质,也可以得到与上述实施方式2同样 的效果。另外,构成光波导的氮化硅也可以用氮氧化硅膜SiON构成来代 替。在使用氮氧化硅SiON时,因为剩余应力小,发生膜剥离的几率 下降,可以提高制造摄像元件的成品率。<实施方式4>光波导也可以通过组合别的物质构成。另外,利用摄像元件内的 低折射率层可以形成层内透镜。图26为具有本发明的实施方式4的光波导的彩色摄像元件的一 部分像素的剖面图。形成在实施方式1和实施方式2中没有的层结构 的光电变换部。在图26中,340是硅基板,331B、 331G、 331R是埋入光电二 极管的光电变换部,332是多晶硅布线、333和334是铜布线、338是 作为层间绝缘膜的疏水性多孔质石英。336是埋入氧化硅Si02层,335 是由氮氧化硅SiON构成的保护膜。光电变换部331B对整个可见光区域、光电变换部331G只要对 缘色光和红色光、光电变换部331R只要对红色光进行光电变换。根 据这种在一个像素中具有分光灵敏度不同的三个光电变换部的结构, 由于在得到彩色图像时的每个颜色与被摄体像采样位置一致,不会发 生假色。埋入氧化硅层336,首先,形成硅内部的电位结构,光电变换部 331B、 331G、 331R, MOS晶体管放大器,像素选择晶体管,铜布线 333及334以及层间绝缘膜338等,再在其上层生长保护膜335之后, 从保护膜335之上通过向着光电变换部331实施各向异性刻蚀形成开 口 ,利用此开口借助CVD装置通过埋入工序制作氧化硅Si02。埋入氧化硅层336的折射率为1.46,构成与埋入氧化硅层336 邻接的层间绝缘膜的折射率为1.3,具有大约1.12倍的折射率的差异, 在此界面上从高折射率侧向低折射率侧超过临界角斜向入射的光线 可能产生全反射。利用这样的光波导结构,可以有效地将斜入射光导入到光电变换部331B、 331G、 331R。此外,337是平坦化层,卯是层内透镜,339是透明树脂构成的 平坦化层。平坦化层337是在保护膜335和埋入氧化硅层336的上部 形成的氮氧化硅SiON构成的层。将此平坦化层337的上部刻蚀成为 凸面形状,在其上部形成疏水性多孔质石英等层,此次在对其上面在 凹面上进行刻蚀形成疏水性多孔质石英构成的层内透镜90。层内透镜 90的一个个从光轴方向观察的形状为正方形,各层内透镜90的面, 上面和下面都是轴对称性的非球面。因为平坦化层337的折射率为1.80,层内透镜90的折射率为 1.30,平坦化层339的折射率为1.58,层内透镜90是双凹透镜,具有 作为会聚系统的焦距。所以,即使是在相邻的埋入氧化硅层336之间 有空隙,因为光束必须通过无空隙地铺满的层内透镜卯,所以在埋入 氧化硅层336上有效地聚集。具有代表性的是在图26中示出了表示入射到层内透镜90a的光 束的光路的光迹图。入射到层内透镜卯a的光线360,在层内透镜90a 中受到折射作用,经平坦化层337入射到埋入氧化硅层336a。由于埋 入氧化硅层336a具有比层间绝缘膜338高的折射率,在此界面上超 过临界角斜着入射的光线发生全反射,不能从氧化硅层进入到层间绝 缘膜338。就是说,例如,光线362在埋入氧化硅层336a和层间绝缘 膜338的界面364上发生全反射,成为光线363而留在埋入氧化硅层 336a内,之后入射到光电变换部331a进行光电变换。这样,根据本实施方式4,也可以得到与上述实施方式2同样的效果。另外,在上述实施方式2至实施方式4中说明的是利用物质的折 射率的差异进行全反射的光波导的结构,但也可以使用利用金属面反射的光波导。另外,也可以使用封入气体的空隙及真空的空隙代替层 间绝缘膜。<实施方式5 >下面对本发明的实施方式5进行说明。在本实施方式5中,由于使用参照图31及图32说明的镜头交换 方式的数字相机系统,此处省略其说明。在这种镜头交换方式的数字相机系统中,由于安装于相机主体 1200上的交换镜头的焦距等使射出瞳位置不同,在图像传感器1208 中特别是周边部分的像素中,可以受光的光束,因安装的交换镜头而 改变。图27为在广角镜头420的预定成像面上配置的作为相机主体 1200的图像传感器1208使用的CMOS型固体摄像元件200的元件的 剖面图。如图27所示,对于与图3同样的结构赋予相同的参照编号。在图27中,201是光电变换部;202是构成光电变换部201的硅 (Si)基板;203是由高折射率材料SiN等构成的光波导,其中心轴 与光电变换部201的中心轴大致一致。另外,光波导203的光入射侧, 为了使更多的光可以入射,形成宽开口。 210是用来将在由折射率低 的Si02等形成的层间绝缘层211之间形成的光电变换部201所产生的 光电荷转送到未图示的浮置扩散部(FD部)的转送电极;204是为使 光不会入射到光电变换部201以外而形成的具有遮光作用的布线电 极。204及205是有选择地读出由光电变换部201产生的电荷的布线 电极。通常,转送电极210是由多晶硅(Poly-Si)形成,而布线电极 204、 205由铝(Al)形成。另外,206是用来提供在由电极及未图示的布线形成的凸凹表面 上形成的平坦表面的平坦化层,隔着平坦化层206设置彩色滤波器 207;再隔着平坦化层208形成微透镜209。微透镜209的配置应能使 从交换镜头420入射的光高效率地聚光于光电变换部201 。在图27中,透过微透镜209的光,透过透明的平坦化层208, 在彩色滤光层207中进行波长选择。例如,在图27的左側的像素的 彩色滤光层207是绿光可以透过时,蓝光和红光被吸收,在图27的 右側的像素的彩色滤光层207是蓝光可以透过时,绿光和红光被吸收。 透过彩色滤光层207的规定波长的光,透过由氮化硅(SiN)等高折 射率(折射率NH)的透明材料形成的光波导203,导入光电变换部201。此时,由于在光波导203的周围形成由氧化硅(SK)2)等低折 射率(折射率NJ的透明材料形成的层间绝缘层211,从光波导203 射向层间绝缘层211的光,受到光波导203和层间绝缘层211的边界 面的全反射而导入到光电变换部201。由氧化硅(Si02)等形成的层 间绝缘层211的折射率Nt例如为1.46。另外,设与邻接像素的间隔(像素间距)为P,从微透镜209的 顶点到光电变换部201的受光面的高度为D。具有图27所示的光波导的固体摄像元件200的聚光特性,参照 图2、图4及图5如上所述,在具有光波导203的固体摄像元件200 的场合,如图4所示,即使是加大被摄体光束330相对光轴321的入 射角e-al (在瞳距离L短时),由于受到光波导203的倾斜面的全 反射而可以高效地导入到光电变换部201。另外,如图5所示,摄像光学系统101的瞳距离L长,被摄体 光束330相对光轴321的入射角0-a2小时,由于不受到光波导203 的倾斜面的反射而被^l体光束330直接入射到光电变换部201。为了在对固体摄像元件200的入射角大的被摄体光束的场合也 能提高聚光效果,具有的光波导的结构根据如下的性质决定。1. 在像高H增加时,入射角e变大。2. 在瞳距离L增加时,入射角0变小。3. 光波导的折射率NH和层间绝缘层的折射率N^之比Nl/Nh越 小,为了在折射率界面上产生全反射的临界角越小,可以捕捉入射角 e大的光线。4. 在像素间距P减小时,各像素的电路部占据的面积增大,光电变换部的大小相对地减小,不能捕捉入射角e大的光线。在cmos型固体摄像元件的场合,电路部是电荷传送用MOS晶体管、供给复 位电位的复位用MOS晶体管、源极跟随器放大器MOS晶体管、用 来有选择地从源极跟随器放大器MOS晶体管输出信号的选择用MOS晶体管等。5. 从光电变换部至微透镜的高度D增加时,由于从微透镜观察光电变换部的角度小,不能捕捉入射角e大的光线。根据这些性质,从以像高H、瞳距离L、像素间距P、高度D、 光波导的折射率NH及层间绝缘层的折射率Nl表示的式(2),可以了解式(6)的评估量E的大小如何能成为表示能否将入射角e大的光线导入到光电变换部的合适的指标。E= (H'D. NL) / (L.P.Nh) ... (6)其中,在选择像高H、瞳距离L、像素间距P、高度D、光波导 的折射率NH及层间绝缘层的折射率N^使得E<1.0... (7) 时,光波导结构的效果很大。在镜头交换方式的数字相机系统中,无论是在相机主体上装设何 种交换镜头的场合,都可以使用具有可以高效地聚光的被摄体光的光 波导的固体摄像元件是理想的场合,光波导,可以根据式(2)使用 在相机上可以装设的交换镜头的镜头信息而形成。在本实施方式5的图12的镜头交换方式的数字相机系统中,设 置的图像传感器1208的画面尺寸与银盐相机的底片尺寸的APS-C尺 寸(约17x25mm)大致相同,位于画面的对角的像素的像高H约 15mm。另外,从图像传感器120S中使用的固体摄像元件的微透镜的顶 点到光电变换部的高度D约为0.006mm。另外,在图像传感器1208中形成的光波导的周围填充的层间绝 缘层中一般使用氧化硅(Si02),其折射率&为1.46。光波导一般 由氮化硅(SiN)形成,其折射率NH为2.0。另外,氧化硅及氮化硅 只不过是示例而已,当然并非限定于这些材质。图13是将利用如上所述的构成的固体摄像元件的图像传感器应 用于图12所示的交换透镜方式的数字相机系统时向图像传感器1208 入射的入射光束说明图。在图13中,示出的安装了广角镜头420作为交换镜头的场合。在图13中,反远距型的广角镜头420的射出瞳425,在接近图像传感器1208的在距离Lw的位置上形成。透过420的射出瞳425 的被摄体光束入射到图像传感器1208的像高H的位置。此时入射到 图像传感器1208的主光线的入射角ew满足 tan9w = H/Lw另外,图11为在将图17所示的望远镜头1220作为交换镜头装 设的数字相机系统上配置的图像传感器1208的入射光束的说明图。如图11所示,远摄型的望远镜头1220的射出瞳1225,在比安 装如图12所示的广角镜头420时距离图像传感器1208更远的位置上 形成。透过射出瞳1225的被摄体光束入射到图像传感器1208的像高 H的位置。此时的射入图像传感器1208的主光线的入射角9t满足tan0t = H/Lt从图11及图13也可知,在相机上安装广角镜头的场合的主光线角度ew和安装望远镜头的场合的主光线角度et的关系为: 6w>et可知入射图像传感器i208的主光线的入射角e在安装广角镜头时大。 所以,通过在可以安装到相机上的交换镜头中,使用从像面的射出瞳 距离短的镜头决定光波导的结构。在可以安装到相机上的交换镜头中,在从像面的射出瞳距离短的镜头的射出瞳距离L设定为约60mm 的场合(其中,其他条件与上述相同),根据式(6),可以以如下 方式计算出固体摄像元件200的像素间距P和评估量E的关系: ExP = 0.0011【mml由于固体摄像元件200的像素间距P越小,析像度越高,在像 素间距P为0.003mm时,评估量E为:E = 0.37满足式(7)。这样,通过使装设于镜头交换方式的数字相机系统的固体摄像元 件200的光波导的结构满足使用交换镜头信息的式(6) 、 (7),透 过光波导的光,在与层间绝缘层的折射率界面上产生全反射,可以高 效地聚光于光电变换部。其结果,由于在可以得到品质高的图像的同时,可以采用像素尺寸小的固体摄像元件,可以得到析像度高的图像。另外,在实施例5中,是根据可安装于相机上的交换镜头的射出 瞳信息,决定在固体摄像元件中形成的光波导的结构,但在交换镜头 的射出瞳信息中增加开放F值的信息决定光波导的结构也是有效的。如上所述,根据本实施方式5,在镜头交换方式的数字相机系统 中,通过在固体摄像元件的光电变换部上形成考虑到交换镜头的射出 瞳的移动范围的光波导而提高聚光效率,在可以得到品质高的图像的 同时,可以通过减小 一 个像素的像素尺寸而得到析像度高的图像。<其他实施方式〉本发明,通过将可以实现执行用来设计实施方式1所述的固体摄 像元件的模拟的功能的软件程序直接或间接供给系统或装置,由系统 或装置的计算机读出供给的程序代码并执行而达成,这是自不待言 的。在此场合,只要系统或装置具有程序的功能时,执行方式并不限定于程序。这样,因为本发明的功能是由计算机实现的,安装于计算机中的 程序代码构成本发明。换言之,本发明的权利要求,包含用来实现本 发明的功能的计算机程序。在此场合,只要系统或装置具有程序的功能,则程序,以不论是 目标代码、由解释程序执行的程序、或是供给操作系统的脚本数据之 类的任何形态执行都可以。作为可以用来供给程序的记录媒体的例子,例如,有软盘、硬盘、 光盘、磁光盘、CD-ROM、 CD-R、 CD-RW、磁带、非易失性存储卡、 ROM、 DVD ( DVD-ROM及DVD-R)等。另夕卜,作为供给程序的方法,客户计算机使用浏览器链接到因特 网上的站点,可以将本发明的计算机程序或程序的自动安装压缩文件 下栽到硬盘等记录媒体。另外,本发明的程序,也可以将构成程序的 程序代码分割为多个文件,通过从不同的站点下载文件供给。就是说, 利用计算机将可以执行本发明的功能的程序文件对多个用户下载的WWW服务器也包含于本发明的权利要求中。另外,将本发明的程序加密存放于CD-ROM等存储媒体中,将 该存储媒体分发,许可满足规定条件的用户经因特网从站点下栽解读 密钥信息,这一类用户也可以利用密钥信息将加密的程序解读。由此, 用户可以将程序安装于用户计算机。另外,通过执行计算机读出的程序代码,不仅可以实现上述实施 方式的功能,还可以根据该程序代码的指示,由在计算机上工作的操 作系统等进行实际处理的一部分或全部,通过该处理实现上述实施方 式的功能的场合也包含在内,这是自不待言的。此外,从记录媒体读出的程序,在写入到插入到计算机中的功能 扩展板及与计算机相连接的功能扩展单元中设置的存储器之后,根据 该程序的指示,由设置于该功能扩展板及功能扩展单元中的CPU等 进行实际的处理的一部分或全部,藉助该处理也可实现上述的实施方 式的功能的场合也包含在内,这是自不待言的。本发明并不限定于上述实施方式,在不脱离本发明的精神及范围 的情况下可进行各种改变和修改。因此,本发明,除了所附的权利要 求定义的之外,不受任何特定的实施方式的限制。

Claims (13)

1. 一种固体摄像元件,具有:使入射光根据其光量变换为电信号的光电变换元件;配置于入射面上的微透镜;配置于上述光电变换元件和上述微透镜之间的光波导;以及配置于上述光波导的周围的层间绝缘层,其特征在于: 在装载有将多个上述固体摄像元件以二维方式排列构成的图像传感器的摄像装置中的摄像光学系统的射出瞳至上述光电变换元件的距离为L,从上述图像传感器的中心至上述图像传感器上的上述固体摄像元件的位置的距离为H,从上述光电变换元件至上述微透镜的顶点的高度为D,上述图像传感器的上述多个固体摄像元件的间隔为P,上述光波导的折射率为NH,上述层间绝缘层的折射率为NL时,位于上述距离H处的固体摄像元件满足: (H·D)/(L·P)<α·(NH/NL) 其中0<α<1。
2. —种设计支持方法,是支持固体摄像元件的设计的设计支持方 法,该固体摄像元件具有:使入射光根据其光量变换为电信号的光电 变换元件;配置于入射面的微透镜;配置于上述光电变换元件和上述 微透镜之间的光波导;以及配置于上述光波导的周围的层间绝缘层, 该设计支持方法的特征在于具有:取得包含装栽有将多个上述固体摄像元件以二维方式排列构成 的图像传感器的摄像装置中的摄像光学系统的射出瞳至上述光电变 换元件的距离L、从上述图像传感器的中心至上述闺像传感器上的上 述固体摄像元件的位置的距离H、从上述光电变换元件至上述微透镜 的顶点的高度D、上述图像传感器的上述多个固体摄像元件的间隔P、 上述光波导的折射率NH、上述层间绝缘层的折射率Nl的条件中的至 少一部分的条件取得工序;判定在上述条件取得工序中是否可以取得全部条件的判定工序; 在上述判定工序中判定为可以取得全部条件的场合,利用上述取得的条件计算(H.D) / (L.P) <a. (NH/NL),并计算出a的计算工 序;在上述判定工序中判定为不能取得全部条件的场合,利用上式对不能取得的条件计算满足0<01<1的值的运算工序;以及将上述计算出的a的值或在上述运算工序中经过运算得到的值 进行通知的通知工序。
3. 如权利要求2所述的设计支持方法,其特征在于:上述距离H 是从上迷图像传感器的中心到上述图像传感器中位于最周边的上述 固体摄像元件的距离。
4. 如权利要求2所述的设计支持方法,其特征在于:上述摄像装 置的摄像光学系统的射出瞳位置是可以改变的,上述距离L是从与上 述图像传感器最接近的射出瞳位置算起的距离。
5. 如权利要求2所述的设计支持方法,其特征在于:上述摄像装 置的摄像光学系统是可以交换的,上述距离L是安装了在上述摄像装 置中可以装卸的摄像光学系统中、射出瞳与上述图像传感器最接近的 摄像光学系统的场合的从与上述图像传感器最接近的射出瞳位置算 起的距离。
6. —种设计支持装置,是支持固体摄像元件的设计的设计支持装 置,该固体摄像元件具有:使入射光根据其光量变换为电信号的光电 变换元件;配置于入射面上的微透镜;配置于上述光电变换元件和上 述微透镜之间的光波导;以及配置于上述光波导的周围的层间绝缘 层,该设计支持装置的特征在于具有:取得包含装栽有将多个上述固体摄像元件以二维方式排列构成 的图像传感器的摄像装置中的摄像光学系统的射出瞳至上述光电变 换元件的距离L、从上述图像传感器的中心至上述图像传感器上的上 述固体摄像元件的位置的距离H、从上述光电变换元件至上述微透镜 的顶点的高度D、上迷图像传感器的上述多个固体摄像元件的间隔P、 上述光波导的折射率NH 、上述层间绝缘层的折射率NL的条件中的至 少一部分的条件取得单元;判定利用上述条件取得单元是否可以取得全部条件的判定单元; 在利用上述判定单元判定为可以取得全部条件的场合,利用上述 取得的条件计算(H.D) / (L.P) < a. (NH/NL),并计算出a,而在 利用上述判定单元判定为不能取得全部条件的场合,利用上式对不能 取得的条件计算满足0<01<1的值的运算单元;以及将利用上述运算单元经过运算得到的值进行通知的通知单元。
7. —种固体摄像元件,其特征在于: 该固体摄像元件包括:使入射光根据其光量变换为电信号的光电变换元件; 配置于入射面上的微透镜;配置于上述光电变换元件和上述微透镜之间、由在树脂中分散有 氧化钛、氮化硅、五氧化铌中的任何一种的复合材料构成的光波导; 以及配置于上述光波导的周围的、由疏水性多孔质石英构成的层间绝 缘层;且在装载有将多个上述固体摄像元件以二维方式排列构成的图像 传感器的摄像装置中的摄像光学系统的射出瞳至上述光电变换元件 的距离为L,从上述图像传感器的中心至上述图像传感器上的上述固 体摄像元件的位置的距离为H,从上述光电变换元件至上述微透镜的 顶点的高度为D,上述图像传感器的上述多个固体摄像元件的间隔为 P,上述光波导的折射率为Nh,上述层间绝缘层的折射率为Nt时, 位于上述距离H处的固体摄像元件满足: (H.D) / ( L'P) < a. ( Nh/IS^ )其中0<a<l。
8. —种固体摄像元件,其特征在于: 该固体摄像元件包括:使入射光根据其光量变换为电信号的光电变换元件; 配置于入射面上的微透镜;配置于上述光电变换元件和上述微透镜之间、由氮化硅或氮氣化硅构成的光波导;以及配置于上述光波导的周围的、由氧化硅构成的层间绝缘层;且 在装载有将多个上述固体摄像元件以二维方式排列构成的图像 传感器的摄像装置中的摄像光学系统的射出瞳至上述光电变换元件 的距离为L,从上述图像传感器的中心至上述图像传感器上的上述固 体摄像元件的位置的距离为H,从上述光电变换元件至上述微透镜的 顶点的高度为D,上述图像传感器的上述多个固体摄像元件的间隔为 P,上述光波导的折射率为NH,上述层间绝缘层的折射率为NL时, 位于上述距离H处的固体摄像元件满足: (H-D ) / ( L-P ) < a. ( Nh/N^ ) 其中0<ot<l。
9. 一种固体摄像元件,其特征在于: 该固体摄像元件包括:使入射光根据其光量变换为电信号的光电变换元件; 配置于入射面上的微透镜;配置于上述光电变换元件和上述微透镜之间、由氧化硅构成的光 波导;以及配置于上述光波导的周围的、由疏水性多孔质石英构成的层间绝 缘层;且在装载有将多个上述固体摄像元件以二维方式排列构成的图像 传感器的摄像装置中的摄像光学系统的射出瞳至上述光电变换元件 的距离为L,从上述图像传感器的中心至上述图像传感器上的上述固 体摄像元件的位置的距离为H,从上述光电变换元件至上述微透镜的 顶点的高度为D,上述图像传感器的上述多个固体摄像元件的间隔为 P,上述光波导的折射率为NH,上述层间绝缘层的折射率为NL时, 位于上述距离H处的固体摄像元件满足: <formula>formula see original document page 5</formula>其中0<a<l。
10. 如权利要求7至9中任何一项所述的固体摄像元件,其特征在于还包括:配置于上述微透镜和上述光波导之间、由氧化硅构成的平坦化层;上述微透镜由氧化钛构成。
11. 如权利要求7至9中任何一项所述的固体摄像元件,其特征 在于还包括:配置于上述微透镜和上述光波导之间、由氮氧化硅构成的平坦化层;上述微透镜是由疏水性多孔质石英构成的双凹的层内透镜。
12. 如权利要求7至9中任何一项所述的固体摄像元件,其特征 在于:上述光电变换元件是由分光灵敏度不同的多层光电变换层构成 的。
13. —种摄像装置,具有固体摄像元件,该固体摄像元件具有: 使入射光根据其光量变换为电信号的光电变换元件; 配置于入射面上的微透镜;配置于上述光电变换元件和上述微透镜之间的光波导;以及 配置于上述光波导的周围的层间绝缘层;其特征在于:具有可在上述摄像装置上装卸交换镜头的装卸单元;在装栽有将多个上述固体摄像元件以二维方式排列构成的图像 传感器的摄像装置中的摄像光学系统的射出瞳至上述光电变换元件 的距离为l,从上述图像传感器的中心至上述图像传感器上的上述固体摄像元件的位置的距离为H,从上述光电变换元件至上述微透镜的 顶点的高度为D,上述图像传感器的上述多个固体摄像元件的间隔为 P,上述光波导的折射率为NH,上述层间绝缘层的折射率为Nt时, 位于上述距离H处的固体摄像元件满足:<formula>formula see original document page 6</formula>其中0<a<l。
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