CN101446679A - 固体摄像元件 - Google Patents
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Abstract
提供一种固体摄像元件等，从广角到长焦，即使在将需要更换各种镜头的单反相机中的摄像透镜用于数码相机等时，也可以得到就连周边部都会比较亮的图像。具有聚光元件(1)的单位像素被排列为二维的固体摄像元件，其中，一个单位像素中的所述聚光元件(1)由多个同心结构的圆弧状的聚光元件的组合形成，所述多个同心结构以该聚光元件的受光面的垂直方向上的轴为中心轴；并且，所述圆弧状的聚光元件以与入射光的波长同等程度或比入射光的波长短的宽度的带区域而被分割，所述多个所述同心结构互不相同。入射到单位像素的光即使从广角入射变化为远心(光轴与主光线几乎平行)入射，也可以在拍摄时使周边部都变得比较亮。
Description
技术领域
本发明涉及数码相机等所使用的固体摄像元件，尤其涉及进行镜头更换的单反数码相机所使用的固体摄像元件。
背景技术
近些年，随着数码相机以及带照相机的移动电话等的普及，固体摄像元件的市场有着显著的扩大。并且，利用更换从广角到长焦的各种镜头的单反数码相机也普及起来。并且，对于数码相机等的薄型化，仍然有很大的需求。换而言之，用于照相机部分的透镜变成短焦点，入射到固体摄像元件的光成为广角(以固体摄像元件的入射面的垂直轴为基准测定时的大的角度)。
在CCD或MOS图像传感器等固体摄像元件，具有受光部分的多个半导体集成电路(单位像素)被排列为二维状，表现拍摄对象的光被变换为电信号。在此，固体摄像元件的灵敏度是由针对入射光量的受光元件的输出电流的大小来定义的，入射的光是否能够确实地被导入受光元件，是提高灵敏度的重要要素。
图1是以往的一般的单位像素100的基本结构的一个示例图。如图1所示，垂直入射到微透镜105的光(以虚线表示的入射光56)，由红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)中的任一个滤色片2进行色分离后，在受光元件6被变换为电信号。由于可以得到较高的聚光效率，因此微透镜105几乎被使用在所有的固体摄像元件。
然而，微透镜105的情况是，聚光效率依赖于信号光的入射角度并且会降低。即，如图2所示，对于垂直入射于透镜的光(以虚线表示的入射光56)而言，虽然可以高效率地聚光，但是对于从斜方向入射的光(以实线表示的入射光57)而言，聚光效率就会降低。这是因为从斜方向入射的入射光57被像素的中的Al布线3遮挡，而不能到达受光元件6的缘故。
如以上所述，固体摄像元件中的结构是，多个单位像素被排列为二维，具有广角的入射光在位于中央的单位像素和周边的单位像素的入射角度不同。其结果是，出现周边的单位像素的聚光效率比中央的单位像素的聚光效率低的问题。
图3是以往的固体摄像元件的周边的单位像素的结构的示例图。在周边的单位像素，由于入射光58的入射角度变大，而设法通过使Al布线3和受光元件6向外侧(向周边)偏移(缩短)来提高聚光效率。
图2示出了利用以往的微透镜105的固体摄像元件110的聚光效率的入射角度依存性。如图2所示，可以知道，对于入射角度到20°左右的入射光而言，可以高效率地聚光。然而，在入射角度超过这个角度以上时，聚光效率就会急剧降低。即，现状是以往的固体摄像元件110内的周边附近的单位像素的光量约为该固体摄像元件的中央附近的单位像素的40％左右，固体摄像元件110整体的灵敏度受到制约。并且，由于固体摄像元件110整体的灵敏度随着像素大小的减少而降低，因此在像小型数码相机这种短焦距的光学系统上的应用是非常困难的。而且，在制造工艺上存在超出现状以上的电路缩短是不可能的问题。
对此，为了解决上述的广角入射光所涉及的课题，提出了一种固体摄像元件，该固体摄像元件具有与入射光的波长同等程度或比入射光的波长小的微细结构，据此，实现了具有实效折射率的折射率分布型透镜(例如，参照专利文献1)。具体而言，在固体摄像元件的摄像区域的中心部，对于单位像素的中心具有对称的实效折射率分布的折射率分布型透镜被形成为，具有多个同心结构的带区域的组合，所述同心结构的带区域以与入射光的波长同等程度或比入射光波长短的线宽而被分割。并且，在固体摄像元件的摄像区域的周边部，对于单位像素的中心具有非对称的实效折射率分布的折射率分布型透镜被形成为，具有多个同心结构的带区域的组合，且此同心结构的中心与单位像素的中心偏离(使偏移)，所述同心结构的带区域以与入射光的波长同等程度或比入射光波长短的线宽而被分割。根据此发明，入射到固体摄像元件的周边部的光，即使是对于入射面的垂直轴以大的角度从斜方向入射的光，也可以被聚光到受光元件，从而可以得到与固体摄像元件的中心部的摄像区域同等程度的灵敏度。
专利文献1国际公开第05/101067号手册
利用上述专利文献1所记载的技术的固体摄像元件210，对于图4所示的广角入射光用的摄像透镜220，如图5A、图5B、以及图5C所示，通过分别在摄像区域中央部、摄像区域中间部、以及摄像区域周边部设置实效折射率不同的折射率分布型透镜，即使是对于入射面的垂直轴以大的角度(斜方向)入射到摄像区域周边部的入射光，也可以被聚光到受光元件6，从而可以得到与固体摄像元件210的中心部同等的灵敏度。
然而，对于单反数码相机200而言，不全是对应于广角的光入射的透镜，如图6所示，采用了摄像透镜230，该摄像透镜230与光以远心(光轴与主光线几乎平行)入射到固体摄像元件210的情况相对应。
在这种情况下，在设置了适于广角入射光的图5A、图5B、以及图5C所示的折射率分布型透镜的固体摄像元件210，如图7A、图7B、以及图7C所示，由于在摄像区域周边部光发生了不必要的较大的折射，而造成到达受光元件6的光减少，从而使图像的周边部变暗。
发明内容
因此，本发明鉴于上述课题，目的在于提供一种固体摄像元件等，从广角到长焦，即使在将需要更换各种镜头的单反相机中的摄像透镜用于数码相机等时，也可以得到就连周边部都会比较亮的图像。
本发明的固体摄像元件，具有聚光元件的单位像素被排列为二维，其特征在于，一个单位像素中的所述聚光元件由多个同心结构的圆弧状的聚光元件的组合形成，所述多个同心结构以该聚光元件的受光面的垂直方向上的轴为中心轴；所述圆弧状的聚光元件以与入射光的波长同等程度或比入射光的波长短的宽度的带区域而被分割，所述多个所述同心结构互不相同。
据此，入射到单位像素的光即使从广角入射变化为远心(光轴与主光线几乎平行)入射，也可以回避在拍摄时造成周边部变暗。
并且，涉及该固体摄像元件的周边部的单位像素的所述聚光元件至少由同心结构不同的两种所述透光膜的组合形成，对于所述入射光的实效折射率分布为，在与该聚光元件的受光面水平的第一方向为非对称。
并且，涉及该固体摄像元件的周边部的单位像素的所述聚光元件至少由同心结构不同的两种所述透光膜的组合形成，对于所述入射光的实效折射率分布为，在与该聚光元件的受光面水平、且与所述第一方向相差90°的方向为非对称。
而且，涉及该固体摄像元件的四个角附近的单位像素的所述聚光元件至少由同心结构不同的四种所述透光膜的组合形成，对于所述入射光的实效折射率分布为，在与该聚光元件的受光面水平的第一方向、以及在与该聚光元件的受光面水平、且与所述第一方向相差90°的方向均为非对称。
通过本发明所涉及的固体摄像元件，入射到单位像素的光即使从广角入射变化为远心(光轴与主光线几乎平行)入射，也可以回避在拍摄时造成周边部变暗。
附图说明
图1是以往的固体摄像元件的基本结构的一个示例图。
图2示出了利用了以往的微透镜的固体摄像元件的聚光效率依存于入射角度的示意图。
图3是以往的固体摄像元件的周边的单位像素的结构的示例图。
图4示出了光通过摄像透镜以广角入射到固体摄像元件的样子。
图5A是以往的固体摄像元件的各个摄像区域中的单位像素的基本结构的一个例子的截面图。
图5B是以往的固体摄像元件的各个摄像区域中的单位像素的聚光元件的俯视图的一个例子。
图5C是以往的固体摄像元件的各个摄像区域的单位像素中的聚光元件的实效折射率的变化的一示例图表。
图6示出了光以远心(主光线几乎与光轴平行)从摄像透镜入射到固体摄像元件的样子。
图7A示出了以往的固体摄像元件的各个摄像区域中的单位像素的基本结构的其他的例子的截面图。
图7B示出了以往的固体摄像元件的各个摄像区域中的单位像素的聚光元件的俯视图的一个例子。
图7C示出了以往的固体摄像元件的各个摄像区域的单位像素中的聚光元件的实效折射率的变化的图表的一个例子。
图8A是本发明的实施例所涉及的固体摄像元件的各个摄像区域中的单位像素的基本结构的截面图的一个例子，示出了聚光元件对广角入射光的功能的概略。
图8B是本发明的实施例所涉及的固体摄像元件的各个摄像区域中的单位像素的聚光元件的俯视图的一个例子。
图8C是本发明的实施例所涉及的固体摄像元件的各个摄像区域中的单位像素的聚光元件的实效折射率的变化的一示例图表。
图9A是本发明的实施例所涉及的固体摄像元件的各个摄像区域中的单位像素的基本结构的截面图的一个例子，示出了聚光元件对远心入射光的功能的概略。
图9B是本发明的实施例所涉及的固体摄像元件的各个摄像区域中的单位像素的聚光元件的俯视图的一个例子。
图9C是本发明的实施例所涉及的固体摄像元件的各个摄像区域中的单位像素的聚光元件的实效折射率的变化的一示例图表。
图10是本发明的实施例所涉及的固体摄像元件的视角(D端)中的聚光元件的俯视图的一个例子。
图11示出了本发明的实施例所涉及的固体摄像元件的摄像区域中的聚光元件的设计示例概要。
图12示出了以往和本发明的实施例所涉及的固体摄像元件的聚光效率依存于入射角度的示意图。
符号说明
1、11 聚光元件
2 滤色片
3 Al布线
4 电信号传输部
5 平坦化部
6 受光元件(Si光电二极管)
7 硅衬底
33 透光膜(SiO2)
34 空气
35、36、37 (与相邻的透光膜)的外圆半径差
56、57、58 入射光
61、62、63 入射光
100 单位像素
105 微透镜
110、210 固体摄像元件
200 数码相机
220、230 摄像透镜
具体实施方式
以下参照附图，对本发明所涉及的实施例进行具体说明。并且，有关本发明，虽然采用以下的实施例和附图进行说明，但目的仅为一个例子，本发明并非受此所限。
图8A、图8B、图8C示出了本实施例所涉及的固体摄像装置的每个摄像区域中的单位像素的基本结构的截面图的一个例子。并且，本发明所涉及的固体摄像元件如图8B所示，摄像区域的中央部以外的单位像素中的聚光元件1由多个同心结构的圆弧状的聚光元件的组合而被形成，所述多个同心结构以该聚光元件的受光面的垂直方向上的轴为中心轴，所述圆弧状的聚光元件以与入射光的波长同等程度或比入射光的波长短的宽度的带区域而被分割，且所述多个所述同心结构互不相同。
如图8A所示，不论在本固体摄像元件的摄像区域中央部、摄像区域中间部还是摄像区域周边部，各个单位像素(大小为5.6×5.6[μm])均具有渐变折射率透镜的聚光元件1、滤色片2、Al布线3、以及受光元件(硅光电二极管)6。并且，聚光元件1的膜厚为1.2[μm]。并且，以下以与上述以往的固体摄像元件不同的构成为重点进行说明，对于相同构成省略说明。
图8B是本固体摄像元件的各个摄像区域(参照图4)中的单位像素的聚光元件的俯视图的一个例子。图8B所示的各个聚光元件1的结构为，由SiO2(n＝1.45)和空气34(n＝1.0)构成的透光膜33为同心圆结构。而且，在摄像区域中央部的单位像素的聚光元件1中，相邻的透光膜33的外周半径差35约为200[nm]。并且，摄像区域中间部以及摄像区域周边部的单位像素的聚光元件1为非对称于通过该聚光元件1的中央的y轴的同心圆结构，相邻的透光膜33的外周半径差36或37比上述外周半径差35小，成为35>36>37的关系。在此，以外周半径差的宽度将聚光元件1分割为圆圈状，并将被分割为圆圈状的区域称为带区域。
并且，透光膜33的同心圆结构的线宽，在该同心圆中心部分为最大，越往外侧则越小。在这种情况下，在带区域的宽度与入射光的波长同等程度或比入射光的波长小时，光的实效折射率可以由作为透光膜33的SiO2(n＝1.45)和空气34(n＝1.0)的体积比来算出。这样，本发明中的固体摄像元件所具有的特征是，可以只通过改变上述同心圆的线宽，即可以只通过改变透光膜和空气的体积比，就可以自由自在地控制实效折射率分布。
图8C示出了本实施例所涉及的固体摄像元件的各个摄像区域中的、单位像素的聚光元件的实效折射率的图表的一个例子。
例如，图8C的摄像区域中央部的单位像素的聚光元件1的抛物线示出了，用于使入射光以焦距f来聚光的实效折射率分布，以以下的公式来表示。
Δn(x)＝Δnmax[(Ax2+Bxsin θ)/2π+C] (1)
(A、B、C：常数)
在此，Δnmax是透光膜材料SiO2和空气的折射率差(在此为0.45)。
并且，在上述公式(1)，在入射侧介质的折射率为n0，射出侧介质的折射率为n1时的各个参数如以下所示。
A＝—(k0n1)/2f (1—1)
B＝—k0n0 (1—2)
k0＝2π/λ (1—3)
据此，可以根据成为目的的焦距f，并且按照成为对象的入射光的入射角度以及波长，对透镜进行最佳化。并且，在上述公式(1)，聚光成分由从单位像素的中央到周边方向的距离x的2次函数来表示，偏转成分由距离x和三角函数的乘积来表示。
并且，如图8C所示，在摄像区域中央部，对于单位像素的中心为对称的实效折射率分布。这样，在摄像区域中央部，由于光相对于光轴总是平行入射，因此与以往的微透镜同样，被设计为对于受光元件的中心为对称聚光。
例如，如图8A所示，在位于摄像区域周边部(图11的H端)的单位像素的聚光元件1，远心(主光线几乎与光轴平行)入射的光的焦点，由被形成在单位像素的靠近中心侧半边的聚光元件和被形成在靠近周边侧半边的聚光元件，被聚焦在距离受光元件的边缘近的位置(靠近固体摄像元件的中央一侧)。这样，通过聚光可以使各自的聚光元件的焦点重叠。
然而，如图9A所示，在摄像区域中间部或摄像区域周边部被设计成，因为根据交换后的透镜的特性，光的入射角度发生变化，因此越靠近摄像区域周边部，实效折射率分布的对称性就越差，并且使右半边的光的折射角角度变大。
例如，在位于图9A所示的摄像区域周边部(图11中的H端)的单位像素的聚光元件1，以广角入射的光的焦点由被形成在单位像素的靠近中心侧半边的聚光元件和被形成在靠近周边侧半边的聚光元件，被聚焦在距离受光元件的边缘近的位置(靠近固体摄像元件的周边一侧)。
并且，在作为固体摄像元件的四个角的摄像区域的视角(D端)的区域(参照图11)，如图10所示，聚光元件11至少由同心结构不同的四种透光膜的组合而被形成，对于入射光的实效折射率分布，在单位像素的中央的x轴以及y轴成为非对称。
图11示出了本发明所涉及的固体摄像元件的单位像素的设计概略示例图。在固体摄像元件的水平方向(x轴方向)的摄像区域周边部采用不以y轴对称的聚光元件1，在垂直方向(y轴方向)的摄像区域周边部，采用不以x轴对称的聚光元件1。并且，在固体摄像元件的四个角，即在摄像区域的视角(D端)的区域，采用了如上述图10所示的、既不以x轴对称也不以y轴对称的聚光元件11。
据此，即使入射到单位像素的光从广角变化为远心入射(主光线几乎与光轴平行)，如图12的●所示，光的入射角特性是平坦的，因此直到周边部都可以拍摄到亮的图像。
并且，在上述的实施例中，将聚光元件的透光膜的结构视为了同心圆结构，但是并不受同心圆所限，也可以是四角形或六角形等多角形的同心结构。
并且，在上述的实施例中示出的例子是，摄像区域中间部或摄像区域周边部的单位像素的聚光元件为不以通过中央的y轴对称的同心圆结构，但也可以是不以通过聚光元件的中央的x轴对称的同心圆结构。
并且，在上述的实施例中，对于外周半径差35、36、37，以具有35>36>37的关系进行了说明，但也可以是外周半径差为35＝36＝37，通过控制透光膜的线宽，从而具有与上述35>36>37的情况同等的实效折射率分布。
本发明的固体摄像元件可以用于数码静止照相机、数码摄像机或带有照相机的移动电话等，在产业上有用。
Claims (4)
1.一种固体摄像元件，具有聚光元件的单位像素被排列为二维，其特征在于，
一个单位像素中的所述聚光元件由多个同心结构的圆弧状的聚光元件的组合形成，所述多个同心结构以该聚光元件的受光面的垂直方向上的轴为中心轴；
所述圆弧状的聚光元件以与入射光的波长同等程度或比入射光的波长短的宽度的带区域而被分割，所述多个所述同心结构互不相同。
2.如权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，涉及该固体摄像元件的周边部的单位像素的所述聚光元件至少由同心结构不同的两种所述透光膜的组合形成，对于所述入射光的实效折射率分布为，在与该聚光元件的受光面水平的第一方向为非对称。
3.如权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，涉及该固体摄像元件的周边部的单位像素的所述聚光元件至少由同心结构不同的两种所述透光膜的组合形成，对于所述入射光的实效折射率分布为，在与该聚光元件的受光面水平、且与所述第一方向相差90°的方向为非对称。
4.如权利要求1所述的固体摄像元件，其特征在于，涉及该固体摄像元件的四个角附近的单位像素的所述聚光元件至少由同心结构不同的四种所述透光膜的组合形成，对于所述入射光的实效折射率分布为，在与该聚光元件的受光面水平的第一方向、以及在与该聚光元件的受光面水平、且与所述第一方向相差90°的方向均为非对称。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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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 |
Open date: 20090603 |