CN101098415A - 固体摄像元件以及固体摄像装置 - Google Patents
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Abstract
提供一种固体摄像元件等，具有可以高效率地对入射光进行聚光的聚光元件，可以缓解急剧的折射率分布。固体摄像元件(尺寸5.6μm×5.6μm)具有：渐变折射率透镜、绿色用滤色片、AL布线、信号传输部、平坦化层、聚光元件(Si光电二极管)以及Si基板。渐变折射率透镜的同心圆结构由SiO2(n＝1.43)构成，是膜厚为1.2μm，0.8μm的2层结构。并且，渐变折射率透镜是将SiO2雕刻成同心圆形状的结构，且在中央附近具有平面区域。并且，周围的媒质为空气(n＝1)。
Description
技术领域
本发明涉及数字摄像机等所使用的固体摄像元件以及固体摄像装置。
背景技术
近几年，随着数字摄像机、带摄像功能的移动电话等的普及，固体摄像元件的市场也逐渐成长起来了。现在，在作为固体摄像元件被广泛使用的CCD或CMOS图像传感器中，具有多个受光部分的半导体集成电路排列为二维状，将被摄物体的光信号转换为电信号。
对于固体摄像元件的期望是在具有高像素化或高分辨率化的基础之上，还需要具有高灵敏度化。固体摄像元件的灵敏度取决于对于入射光量受光元件所输出的电流的大小，因此确实地将入射的光导入到受光元件是提高灵敏度的重要要素。
图5是通常的一般固体摄像元件(像素)的结构的示例图。其中，垂直入射到固体摄像元件200的微透镜62的光61，由红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)中任意的滤色片2进行色分离后，在受光元件6(Si光电二极管)转换为电信号。由于可以得到较高的聚光效率，因此几乎在所有的固体摄像元件都使用微透镜。而且，固体摄像元件200如图5所示，还具有AL布线(遮光膜)3、信号传输部4以及平坦化层5。
虽然现在的固体摄像元件的像素尺寸(元件尺寸)为2.2μm是非常微小的结构，但在将来的发展中，为了进一步提高分辨率，则需要更微小的像素尺寸。为此，微透镜的加工将成为亚微米级阶段，而以一般工艺的热回流来形成是不可能的。因此，今后为了实现更高的固体摄像元件的高灵敏度化以及高分辨率化，就需要开发新的微小光学元件来代替微透镜。
近几年，随着以光微影以及电子束微影为代表的平面工艺技术的发展，引人瞩目的是具有亚波长区域的周期性结构的聚光元件(SWLL：Subwavelength Lens)。在此，“亚波长区域”是指，与对象光的波长同等程度或比对象光的波长小的区域。Delaware大学的研究小组，将非球面透镜的菲涅耳透镜改变为格子状的SWLL，所具有的聚光效果已经通过模拟得到了证实(例如，参照“D.W.Prather，Opt.Eng.38870-878(1998)”)。其方法是把以往的菲涅耳透镜(图1(a))以λ/2n(λ：入射光的波长，n：透镜材料的折射率)的区域63的周期(宽：d)进行分割，在各区域中通过使其成为近似于线形(图1(b))及矩形形状(图1(c))来形成SWLL。并且还有这样的报告，即：同样在亚波长区域通过控制结构的线宽，形成闪耀二元(blazed binary)光学衍射元件，试图提高衍射效率(例如，参照日本国特开2004-20957号公报)。
若能够把SWLL作为固体摄像元件用的聚光元件来使用，则可以以一般的半导体工艺来形成微透镜，或可以自由地控制微透镜的形状。
图2示出了搭载了SWLL的聚光元件1的固体摄像元件的基本结构。在图2示出了具有亚微米的微小凹凸结构的SWLL取代了微透镜被单片安装的状态。而且，聚光元件1的膜厚(高度)为0.5μm。
图3示出了SWLL的聚光元件1的俯视图。聚光元件1的同心圆结构具有高折射率材料65[TiO2(n＝2.53)]和低折射率材料66[空气(n＝1.0)]，邻接的圆型透光膜之间的周期63为0.2μm。
聚光元件1的同心圆结构的线宽在圆的中心部分最大，从中心向外侧逐渐减小。周期与入射光的波长同等程度或比入射光的波长短时，对于光而言，有效折射率由高折射率材料和低折射率材料的体积比来决定。具有该结构的透镜为，有效折射率从同心圆的中心向外侧逐渐变小的渐变折射率透镜。此时，SWLL的分割周期(例如，图1的领域63)，由于过于依赖作为对象的入射光的波长，因此可视光区域为0.1～0.3μm左右。
然而，在所述通常的方法中，需要对此领域的结构做进一步的微小化(0.01～0.1μm)，但是现在的工艺技术最小结构也不过于0.07μm左右的周期。
图4示出了SWLL的聚光状况。入射光从图4所示的图的下边入射到上边，垂直入射到透镜。除聚光效果良好的光成分59以外，还可以确认到散射在透镜表面的光成分60。这是因为，由于聚光元件的结构较大而不能实现急剧地折射率变化的缘故。
发明内容
本发明的目的在于提供一种固体摄像元件等，其具有能够缓解急剧的折射率分布，并能够高效率地对入射光进行聚光的聚光元件。
本发明设计了能够缓解急剧的折射率分布，并能够高效率地对入射光进行聚光的聚光元件。本发明所涉及的聚光元件为一种透镜，具体内容将在后文进行详细描述，其将入射光成分分离为平行光成分和会聚光成分，且后者成分的比率小。据此，由于可以抑制透过微小结构的光量，因此可以减少聚光损失以及散射损失。此时，固体摄像元件可以不必以点对入射光进行聚光，可以以整个受光元件的形成区域来聚光。
为了解决上述课题，本发明所涉及的固体摄像元件，具有聚光元件，所述聚光元件具有以与入射光的波长同等程度或比入射光的波长短的线宽所分割的带区域，该带区域由具有同心圆结构的多个透光膜构成，且该聚光元件的中心部分具有平面区域，该平面区域的直径与入射光的波长同等程度或比入射光的波长长。据此，可以抑制透过聚光元件的微小结构的光量，并可以减少聚光损失以及散射损失。
并且，也可以是所述聚光元件中的所述平面区域具有由形成的透光膜产生的均等的折射率，所述形成的透光膜的各部分均相同，在所述带区域局部地设有透光膜，从而使所述带区域具有实效折射率分布。据此，不会产生急剧地折射率变化，可以实现效率高的聚光元件。
并且，以2π的倍数来分割所述带区域的折射率分布所产生的相位调制，所述2π的倍数是指不包括0的自然数倍。据此，可以使入射光的相位调制变大，从而可以提高透镜设计的自由度。
并且，所述带区域的折射率分布所产生的相位调制成为2π的边界与像素的一个边或多个边相接。据此，不会因固体摄像元件内的遮光膜而使入射光的光量减少，并以此状态入射到受光元件，因此可以提高传感器的灵敏度。
并且，在所述带区域的折射率分布所产生的相位调制成为2π的边界内包含有像素区域。据此，可以抑制透过聚光元件的微小结构的光量，并可以减少聚光损失以及散乱损失。
并且，所述聚光元件中的所述同心圆结构的中心位置与该固体摄像元件的中心位置不同。据此，可以使从斜方向入射的光效率良好地入射到受光元件，从而可以实现对斜方向入射适应性强的固体摄像元件。
并且，所述透光膜的平面区域上形成有多层膜结构，该多层膜结构具有防止因折射率的高低差而产生的光反射的效果。据此，可以减少透镜表面的反射，使灵敏度提高。
并且，所述聚光元件的结构为多层膜结构，该多层膜结构具有防止因折射率的高低差而产生的光反射的效果。据此，由于透镜本身成为了反射防止膜，因此可以减少工序，降低生产成本。
并且，所述聚光元件的结构为电介质多层膜结构，该电介质多层膜结构具有色分离功能。据此，由于聚光和色分离可以在单一的元件进行，因此可以使固体摄像元件小型化及薄膜化。
而且，本发明所涉及的固体摄像装置包括固体摄像元件，该固体摄像元件具有聚光元件和受光元件，并被排列为二维状，所述聚光元件具有以与入射光的波长同等程度或比入射光的波长短的线宽所分割的带区域，该带区域由具有同心圆结构的多个透光膜构成，且该聚光元件的中心部分具有平面区域，该平面区域的直径与入射光的波长同等程度或比入射光的波长长；在位于该固体摄像装置中央的固体摄像元件中，受光元件的中心轴和聚光元件的中心轴一致，在位于该固体摄像装置周边的固体摄像元件中，比起受光元件的中心而言，该聚光元件的中心更靠近该固体摄像装置的中央。据此，从斜方向入射的光可以效率良好地入射到受光元件，从而可以实现对斜方向入射适应性强的固体摄像元件。
并且，比起位于该固体摄像装置的中央的第一聚光元件的所述透光膜平面区域而言，位于该固体摄像装置周边的第二聚光元件的所述透光膜平面区域的面积小，且所述第二聚光元件中的所述带区域数比所述第一聚光元件中的所述带区域数多。据此，由于周边像素的灵敏度增高了，因此可以改善浓淡(shading)效果。
本发明的固体摄像元件具有所述透镜结构，从而可以提高分辨率以及灵敏度，并可以使制造工序变的容易。
附图说明
图1是示出通常的亚波长透镜的剖面结构的图。
图2是示出搭载了SWLL的通常的固体摄像元件的基本结构图。
图3是搭载了SWLL的通常的固体摄像元件的俯视图。
图4是示出通常的亚波长透镜的光传播的状态的图。
图5是一般的固体摄像元件(像素)的结构示例图。
图6是本发明的实施例1中1个像素的基本结构图。
图7是本发明的实施例1中渐变折射率透镜的剖面结构图。
图8是构成本发明的实施例1中渐变折射率透镜的基本结构图。
图9是本发明的实施例1中的透镜的折射率分布图。
图10是本发明的实施例1中光的相位调制图。
图11是本发明的实施例1中透镜的聚光特性图。
图12是本发明的实施例1中像素中的光传播图。
图13是本发明的实施例1中的渐变折射率透镜的制作工序图。
图14是本发明的实施例2中的渐变折射率透镜的带区域布置图。
图15是本发明的实施例2中的固体摄像元件的像素排列的状态图。
图16是本发明的实施例2中的固体摄像元件的聚光效率图。
图17是本发明的实施例3中渐变折射率透镜的带区域布置图。
图18是本发明的实施例3中渐变折射率透镜的剖面结构图。
图19是本发明的实施例4中具有反射防止膜的透镜的剖面结构图。
图20是本发明的实施例5中具有反射膜结构的透镜的剖面结构图。
图21是本发明的实施例6中具有色分离滤波器结构的透镜的剖面结构图。
图22是本发明的实施例7中像素排列的基本结构图。
图23是本发明的实施例8中固体摄像元件的剖面结构图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施例进行具体说明。另外，对于本发明虽然利用以下的实施例以及附图进行说明，但目的仅在于示例，本发明并非受其所限。
(实施例1)
图6作为本发明的一个实施例，示出了固体摄像元件的基本结构。如图6所示，固体摄像元件(也称为“像素”)100，其尺寸为5.6μm×5.6μm，并包括：渐变折射率透镜1、滤色片2(例如绿色用)、AL布线3、信号传输部4、平坦化层5、受光元件(硅光电二极管)6以及硅基板7。
图7是本实施例所涉及的聚光元件(即，渐变折射率透镜1)的剖面图。此聚光元件的同心圆结构由SiO2(n＝1.43)构成，且是膜厚为1.2μm、0.8μm的双层结构。并且，本实施例所涉及的聚光元件为将SiO2雕刻成同心圆形状的结构，周围的媒质为空气(n＝1)。
一般而言，渐变折射率透镜的折射率被设计成，在透镜的光学中心处为最高。本实施例的情况下，透镜的光学中心13附近SiO2密集，越向外侧越稀疏。此时，带区域12与入射光的波长同等程度或比入射光的波长短时，光的有效折射率由该区域内的高折射率材料(本实施例中为SiO2)和低折射率材料(空气)的体积比来决定。即，若增加带区域内的高折射率材料，则有效折射率变高；若减少带区域内的高折射率材料，则有效折射率变低。
此时，透镜中心部分的盘区域14与入射光波长同等程度或比入射光波长长时，所感到的透过透镜材料的光的折射率是均等的。
图8(a)～(f)是形成双层同心结构的聚光元件的情况下的6个基本结构图。图8(a)为最密的结构，即为有效折射率高的结构，从图8(b)～图8(f)则折射率逐渐变低。此时，上层(光入射侧)膜厚16和下层(基板侧)膜厚17分别为0.4μm和0.8μm，膜厚比(上层/下层)为0.5。在此，若变化膜厚比，则可以控制折射率的变化量。例如，若增加膜厚比，根据基本结构的变化[(a)→(f)]，则高折射率材料的体积减少得较多，在有效折射率高的区域，折射率的减少就会增大。相反，若降低膜厚比，根据基本结构的变化[(a)→(f)]，则高折射率材料的体积减少得较少，在有效折射率低的区域，折射率的减少就会增大。
在本实施例中，为了便于理解的说明，根据图8所示的基本结构，示出了构成聚光元件的实施例，当然也可以利用其它的基本结构来构成。例如，若将图8(c)和图8(b)组合则成为凸结构，若将图8(b)和图8(d)组合则可以形成凹结构。此时，若在入射光的半波长左右的区域，将上述这些结构作为基本结构，则可以得到同样的聚光特性。
本实施例所涉及的聚光元件的结构的最大特长是，只变更基本结构的组合就可以自由自在地控制折射率分布。在本发明中，聚光元件的折射率变化以图9所示的实线来表示。透镜的折射率在同心圆的中心部分最高，越向边缘越低。抛物线(带区域群15)表示用于对波长λ(550nm)的入射光以焦距f(7.0μm)来聚光的折射率分布，用下式来表达。
Δn(x)＝Δnmax{[A(x2-r2)+B(x-r)sinθ]/2π+C} (公式1)
(A、B、C：常数)
在此，Δnmax为入射侧媒质和透镜材料的折射率的差(此次为1.43)，r为菲涅耳带的边界位置(距透镜的光学中心的距离)。并且，在设入射侧媒质的折射率为n0，而射出侧媒质的折射率为n1时，上述(公式1)的参数可以设定为：
A＝-(k0n1)/2f
B＝-k0n0
k0＝2π/λ
据此，可以按照作为目的的焦点距离以及作为对象的入射光的入射角度、波长，分别对透镜进行最佳化。而且，在上述(公式1)中，以距像素中央的距离x的二次函数来定义的项为聚光成分，以x和三角函数的积来定义的项为偏转成分。
在此，上述(公式1)所表示的抛物线自然是连续的、且是理想的折射率分布。然而，在实际的微小光学系统(亚微米领域)中，要形成连续的分布是非常困难的，制造工艺的负荷也非常大。在本发明中，通过在入射光波长一半以下的区域对折射率分布进行离散化，可以得到相同的效果。
图10是示出以等周期对折射率分布进行采样的情况下的图。据此，可以使基本结构的线宽保持一定，并可以使工艺条件(光刻、蚀刻等)在像素间保持相等。其结果是，可以使工艺变得容易并可以提高工艺精度。
在本实施例中，根据折射率分布来对入射光进行相位调制，据此可以控制光的传播方向。此时，如上述图10所示，上述(公式1)所产生的相位调制则成为下列情况：即，不仅是第一菲涅耳带19，还可以是像第二菲涅耳带20、第三菲涅耳带21那样，以2π分割上述(公式1)而得到的不连续的相位调制。然而，由于是按照每一个相位来区别菲涅耳带的，因此，实效的相位调制与连续的相位调制18相等。
作为本发明的第二个特长可以举出，可以根据膜厚分布来加强由折射率分布所产生的聚光性。一般而言，与波长相比较大结构相关的衍射光学可以由傅里叶(Fourier)光学来系统化，与波长相比较小结构相关的衍射光学可以由有效折射率法来系统化。前者的情况是可以将光作为直线，后者的情况是可以作为电磁波来处理。共振领域(resonance domain)是指位于上述两个领域之间的领域，从光的特性上而言，不论以直线还是电磁波都可以传播。
在此，本发明的透镜有如下结构，即，将带区域的宽度设定为λ/2n左右，位于共振领域和有效折射率法领域的边界。此时，入射光具有材料本身的折射率和因结构而平均化的折射率(有效折射率)。作为结果是，此种结构的透镜具有折射率分布型透镜和膜厚分布型透镜双方的聚光特性，其聚光效率比以往的折射率分布型透镜高。
图11是本实施例所涉及的聚光元件的聚光特性的图。入射到透镜中心部分的盘区域(即平面区域)的光22，不发生任何偏转作为平行光来传播。对此，入射到带区域群(即盘区域的周边)的光23，由于折射率的分布而传播方向发生弯曲，从而汇聚(聚光)到透镜的光轴。
当设透镜到受光部之间的距离为D，元件尺寸为Φ时，固体摄像元件的单位像素结构若满足
n1(1-a)(Φ2-2ΦPD)/8λ＜D＜n1Φ2(1-a)/8λ (公式2)，
则由于透镜的中心部分存在平面区域，从而提高聚光效率。在此，ΦPD为受光区域的宽度，a为聚光点直径64和元件尺寸的比。
图12(a)示出了透镜到受光部之间的距离D和元件尺寸Φ之间的关系(入射波长：0.55μm)。而且，在本实施例中，在表示法上以ΦPD＝aD来计算，但实际上以ΦPD＞aD来设计透镜。对于各点的直径，上述(公式2)所示出的区域表示带状的二次曲线。从图12(a)可以明确地知道，若是D为5μm、ΦPD为3μm左右的像素结构，则在元件尺寸为5.5～7.0μm左右的固体摄像元件中则可以期待提高聚光效率。
图12(b)示出了单位像素中的光传播状况。元件尺寸为5.6μm，入射波长为0.55μm，透镜到受光部之间的距离为5.4μm，开口率a＝0.4。此时，结构条件满足上述(公式2)。
垂直入射到图12(b)所示的透镜1的光，被分为平行光和会聚光，并入射到受光元件6的全部区域。此时，光不会因遮光膜3而减少，所以可以效率良好地聚光(参照图12(b)中斜箭头附近的轮廓)。并且，与上述图4所示的情况相比，可以减少带区域的聚光损失和散射损失。
图13(a)～(g)是示出渐变折射率透镜的制作工艺图。透镜为双层结构，是经过二次光刻和二次蚀刻而形成的。首先，利用通常的半导体工艺，在硅基板上形成半导体集成电路27(上述图13中未示出)，该集成电路27包括：受光元件、布线、遮光层、信号传输部以及滤色片。1像素的尺寸为5.6μm×5.6μm，受光部为3.5μm×3.5μm。之后，利用CVD装置，形成SiO2膜26，并在上面涂敷抗蚀剂25(图13(a))。之后，通过对光进行曝光28来形成图案(图13(b))。SiO2膜和抗蚀剂的厚度分别为1.2μm和0.5μm。显影后进行蚀刻29，从而在像素表面形成微小结构(图13(c))。除去抗蚀剂25以后，填入抗反射物质(Bark)30进行平坦化(图13(d))。涂敷抗蚀剂25后，通过再次对光进行曝光28来形成图案(图13(e))。蚀刻后(图13(f))，除去抗蚀剂25和抗反射物质30，从而形成本发明的透镜(图13(g))。
在本实施例中，试行了双层结构的透镜的形成，而通过利用上述图13所示的光刻与蚀刻相组合的工序，也可以构成更多层的透镜。层数越多折射率分布的灰度级越高，从而可以提高聚光效率。
以后的实施例中的透镜也是利用上述工序形成的。
(实施例2)
图14是示出实施例2中所涉及的VGA(video graphics array：视频图形阵列)所使用(31万像素)的固体摄像元件中单位像素的菲涅耳带的布置(俯视图)图。以0°入射时，像素中心和透镜的光学中心一致，从像素中央向周边依次布置有：盘区域31、带区域群32(与第一菲涅耳带对应)、带区域群33(与第二菲涅耳带对应)、带区域群34(与第三菲涅耳带对应)。本实施例的布置特点是，第一菲涅耳带和第二菲涅耳带的边界与单位像素的边相接。据此，可以使成为聚光损失的主要发生因素的微小结构区域变小，因此可以期待改善聚光效率并提高灵敏度。
图15是示出本实施例中固体摄像元件的像素排列的状态图。信号光35由光学透镜36来聚光，并照射在具有透镜的固体摄像元件37上。在由受光元件和布线等构成的半导体集成电路8以及具有排列成二维的渐变折射率透镜的固体摄像元件，入射到中心部分的像素的光的入射角度与入射到周边部分的像素的光的入射角度不同。中心部分几乎为0°入射38，而周边部分约为30°入射40。因此，在本实施例中，从摄像元件的中央到周边部分，形成了一种渐变折射率透镜，该渐变折射率透镜可以使入射到各像素的光以最强的强度来入射。各个透镜根据摄像元件上像素的位置，对透镜的结构进行最佳化，使聚光效率达到最高。用于0°入射光的渐变折射率透镜39，同心圆的中心位于像素中央部分，随着入射角度的增加，使用于高角度入射光的渐变折射率透镜41的中心偏移到光的入射侧。
此时的偏移量如公式1所示，是以三角函数来表示的，折射率分布的二次曲线随着入射角度θ的增加，逐渐向固体摄像元件的中心偏移。
并且，从上述公式1的参数A、B、K0的关系可知，相位调制因所接受的光的波长的不同而变化。这意味着，具有与入射到各个像素的光的颜色相对应的最佳透镜结构。在本实施例中，波长为0.45μm、0.55μm、0.65μm的光，分别入射到具有用于各个颜色的透镜结构的像素中时，都可以得到80％左右较高的聚光效率。
图16示出了聚光效率的角度依存性。横轴表示入射到固体摄像元件的光的角度，0°表示中心部分，30°以上表示周边像素。随着入射角度的增加，使用微透镜的固体摄像元件的灵敏度逐渐降低，然而本发明的渐变折射率透镜的灵敏度即使在周边像素也几乎不会降低。而且还可以知道，在入射角度为40°附近的区域，微透镜的灵敏度达到了7倍。
从图16中可知，本发明的渐变折射率透镜与微透镜相比，几乎可以不依存于入射光的角度。据此，可以缓解随着入射角度的增加而造成的聚光效率的降低，因此可以期待着应用于移动电话所使用的照相机等短焦距光学系统。
并且，作为摄影透镜，使用非线性的球面透镜时所产生的浓淡(shading)效果，也可以通过利用本发明的透镜得到缓解。利用非球面透镜聚光的情况下，对于各像素的入射角度，从像素中心到周边不是以线性增加而是以曲线增加。对于现状的微透镜而言，对各像素进行形状的最佳化是较困难的，因此不能迎合这样的角度特性。通过利用本发明的渐变折射率透镜，增加了摄影透镜的设计自由度，而且还可以使加工变得容易，从而可以期待着降低光组件的生产成本。
(实施例3)
图17是实施例3所涉及的单层透镜的剖面图。如上所述，对于本发明的透镜而言，其通过改变带区域内的高折射率材料与低折射率材料的体积比，来控制折射率分布。为此，能够使带区域12内的体积比连续变化的透镜，折射率分布的控制性就高。从工艺的角度来看，形成是较困难的，但由于单层透镜的带区域群15的聚光损失较小，因此灵敏度增高。
图18是单位像素的菲涅耳带布置的俯视图。以0°入射时，像素中心和透镜的光学中心一致，从像素中央向周边依次布置有：盘区域31以及带区域群32(与第一菲涅耳带对应)。本实施例的布置特点是，在低角度入射时(透镜偏心小时)，渐变折射率透镜仅由第一菲涅耳带构成。据此，由于不会出现高次的菲涅耳带，因此成为聚光损失发生因素的微小结构区域就会变为最小，从而可以期待着改善聚光效率，提高灵敏度。
(实施例4)
图19是示出实施例4所涉及的具有反射防止膜的渐变折射率透镜的图。以往的SWLL中，由于表面为细微的凹凸结构，因此不能在上面形成反射防止膜。然而，若是本实施例的渐变折射率透镜，因为平面区域较大，所以容易形成反射防止膜，从而可以减少入射光在透镜表面的反射。
在本实施例中，作为透镜材料使用了SiO2，若使用折射率更高的材料诸如SiN(n＝2.0)或TiO2(n＝2.51)，则可以使透镜的厚度变薄。结果是，可以使结构的纵横比变小，使工艺变得容易。然而，若透镜材料的折射率增高，则表面的反射率也会增高，这样就会发生聚光效率降低的问题。于是，通过在平面部分设置反射防止膜，使透镜获取的光量增加，从而提高聚光效率。
而且，本实施例所形成的反射防止膜为两组SiO2/TiO2层(总膜厚为300nm)，波长为0.45～0.65μm的反射率为0.5％以下。
(实施例5)
图20示出了实施例5所涉及的具有反射防止功能的渐变折射率透镜。具有本实施例这样的多层结构且平面区域大的透镜，可以形成由不同折射率材料所组成的反射防止膜，从而具有反射防止功能。在本实施例中，形成双层反射防止膜，其中低折射率材料为SiO2(n＝1.43)，高折射率材料为SiN(n＝2.0)。当然也可以采用更多层结构。反射率在可视区域为1％左右。而且为了降低反射率，各层的膜厚必需要以1/4波长来构成。然而，在本实施例中为了维持透镜的聚光效率，采用了对入射光的相位进行2π调制的透镜的膜厚。
(实施例6)
图21示出了实施例6所涉及的具有电介质多层膜结构的渐变折射率透镜，该电介质多层膜结构具有色分离功能。以衬垫层48为中心，在靠近λ/4膜处使上部反射器49和下部反射器50相对称，在反射带区域中有选择性地形成透过带区域的领域，而且通过使衬垫层48的膜厚变化，从而可以使透过量最多的光的波长发生变化。在本实施例中，反射器采用两组TiO2(52nm、n＝2.51)/SiO2(91nm、n＝1.45)层。并且，各个颜色的衬垫层膜厚为30nm(R)、0nm(G)、133nm(B)。
据此，聚光和色分离可以在同一元件进行，因此可以实现固体摄像元件的薄膜化。若缩短聚光元件和受光元件之间的距离，就可以容易地将斜方向入射的光导入受光元件，因此可以实现即使是周边像素灵敏度也不会降低的广角固体摄像元件。
(实施例7)
图22是本实施例7所涉及的VGA(video graphics array：视频图形阵列)所使用(31万像素)的固体摄像元件中像素排列的状态图。如上所述，透过摄影透镜36的入射光37，几乎以0°入射到固体摄像元件的中心附近的像素，但在周边则为高角度。因此，在本实施例，随着入射角度的增加，不仅使渐变折射率透镜发生偏心，而且使透镜的中心部分的平面区域的面积变小(即平面区域的关系为平面区域的直径54＞平面区域的直径55＞平面区域的直径56)。也就是说，上述图9的折射率分布图中平面区域14变小，带区域15向固体摄像元件的中心偏移。这样，透镜的有效折射率变化急剧，焦距变短(即聚光点变小)。与中心像素相比，由于周边像素的实效开口率减少，因此遮光膜可使光量大幅度减少。因此，通过缩短周边像素的焦距，可以使入射光通过遮光膜的开口，从而使周边的聚光灵敏度增加。
(实施例8)
图23是实施例8所涉及的在具有收缩结构的固体摄像元件上装有透镜时的剖面图。通过将遮光膜3向像素中央方向收缩，从而可以使透镜57的偏心成分变小，据此可以减少透过带区域群的光量，使周边像素的灵敏度增加。本实施例的渐变折射率透镜采用了偏心结构，当然也可以采用具有同心结构(即中心位置无偏移)的渐变折射率透镜来收缩。
本发明的固体摄像元件可以提高数字摄影机、数字静相照相机、带照相机的移动电话、监视用摄像机、车载摄像机、广播摄像机等图像传感器关联制品的性能以及实现低价格化，在产业上有用。
Claims (11)
1.一种固体摄像元件，具有聚光元件，其特征在于，
所述聚光元件具有以与入射光的波长同等程度或比入射光的波长短的线宽所分割的带区域，该带区域由具有同心圆结构的多个透光膜构成，且该聚光元件的中心部分具有平面区域，该平面区域的直径与入射光的波长同等程度或比入射光的波长长。
2.如权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，
所述聚光元件中的所述平面区域具有由形成的透光膜产生的均等的折射率，所述形成的透光膜的各部分均相同；
在所述带区域局部地设有透光膜，从而使所述带区域具有实效折射率分布。
3.如权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，
以2π的倍数来分割所述带区域的折射率分布所产生的相位调制，所述2π的倍数是指不包括0的自然数倍。
4.如权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，
所述带区域的折射率分布所产生的相位调制成为2π的边界与像素的一个边或多个边相接。
5.如权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，
在所述带区域的折射率分布所产生的相位调制成为2π的边界内包含有像素区域。
6.如权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，
所述聚光元件中的所述同心圆结构的中心位置与该固体摄像元件的中心位置不同。
7.如权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，
所述透光膜的平面区域上形成有多层膜结构，该多层膜结构具有防止因折射率的高低差而产生的光反射的效果。
8.如权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，
所述聚光元件的结构为多层膜结构，该多层膜结构具有防止因折射率的高低差而产生的光反射的效果。
9.如权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，
所述聚光元件的结构为电介质多层膜结构，该电介质多层膜结构具有色分离功能。
10.一种固体摄像装置，包括固体摄像元件，该固体摄像元件具有聚光元件和受光元件，并被排列为二维状，其特征在于，
所述聚光元件具有以与入射光的波长同等程度或比入射光的波长短的线宽所分割的带区域，该带区域由具有同心圆结构的多个透光膜构成，且该聚光元件的中心部分具有平面区域，该平面区域的直径与入射光的波长同等程度或比入射光的波长长；
在位于该固体摄像装置中央的固体摄像元件中，受光元件的中心轴和聚光元件的中心轴一致，在位于该固体摄像装置周边的固体摄像元件中，比起受光元件的中心而言，该聚光元件的中心更靠近该固体摄像装置的中央。
11.如权利要求10所述的固体摄像装置，其特征在于，
比起位于该固体摄像装置的中央的第一聚光元件的所述透光膜平面区域而言，位于该固体摄像装置周边的第二聚光元件的所述透光膜平面区域的面积小，且所述第二聚光元件中的所述带区域数比所述第一聚光元件中的所述带区域数多。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20080102 |