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KREUZREFERENZ ZU IN BEZIEHUNG
STEHENDEN ANMELDUNGEN
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Diese
Anmeldung basiert auf und beansprucht den Vorzug der Priorität
von der vorhergehenden
Japanischen
Patentanmeldung mit der Nr. 2007-163524 , die am 21. Juni
2007 angemeldet wurde; der gesamte Inhalt davon wird hier als Referenz berücksichtigt.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Erfindungsgebiet
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Diese
Erfindung betrifft eine Array- bzw. Matrix-artige Lichtempfangsvorrichtung
und insbesondere eine Array- bzw. Matrix-artige Lichtempfangsvorrichtung
und ein Lichtsammelverfahren mit einer verbesserten Lichtempfangseffizienz.
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Hintergrund der Technik
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Mit
der vergrößerten Auflösung digitaler
Kameras und Mobiltelefon-integrierten Kameras unterliegen diese
durch ein Herunterskalieren von Array- bzw. Matrix-artigen daran
angeordneten Lichtempfangsvorrichtungen seit Kurzem einem Fortschritt. Der
Pixelabstand der Lichtempfangsvorrichtung wird jedoch mit einem
Herunterskalieren verringert. Somit kann unglücklicherweise
das einfallende Licht, das in die Linse eintritt, nicht effektiv
zu dem Lichtempfangsabschnitt geleitet werden.
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Konventionell
wird ein Lichtkollektor mit einer sphärischen Linse für
eine Array- bzw. Matrix-artige Lichtempfangsvorrichtung verwendet.
Obwohl der Lichtkollektor, der nur eine sphärische Form
aufweist, einen Effekt aufweist, der es ermöglicht, dass
senkrecht auf die Array- bzw. Matrix-artige Lichtempfangsvorrichtung
einfallendes Licht effizient auf den Lichtempfangsabschnitt geleitet
wird, weist er jedoch einen geringen Effekt auf, der es ermöglicht,
dass schräg einfallendes Licht effizient auf den Lichtempfangsabschnitt
geleitet wird.
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Wenn
zum Beispiel Licht auf eine Array- bzw. Matrix-artige Lichtempfangsvorrichtung
von einer Kameralinse einfällt, ist die Komponente des
senkrecht einfallenden Lichts im Zentrum der Array- bzw. Matrix-artigen
Lichtempfangsvorrichtung intensiv, und die Komponente des schräg
einfallenden Lichts ist an der Peripherie der Array- bzw. Matrix-artigen
Lichtempfangsvorrichtung intensiv. Das schräg einfallende
Licht trifft auf eine Zwischenverbindung bzw. Interconnection in
der Vorrichtung und es kann sein, dass der Lichtempfangsabschnitt
in der Vorrichtung nicht erreicht wird, was zu einer Verringerung
der Lichtempfangssensitivität an der Peripherie führt.
Somit ist in zweidimensionalen Arrayvorrichtungen die Lichtempfangseffizienz
im Zentrum hoch, aber gering an der Peripherie und erzeugt einen
Sensitivitätsunterschied (Schattierung bzw. Shading) dazwischen. Wenn
das schräg einfallende Licht nicht zu dem Lichtempfangsabschnitt
der Vorrichtung unter Verwendung eines Lichtkollektors geliefert
wird, trifft es darüber hinaus den Lichtempfangsabschnitt
eines benachbarten Pixels und verursacht eine Farbfleckung bzw.
ein Farbmottling.
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Um
das Problem der Schattierung zu lösen, offenbart
JP-A 2006-324439 (Kokai)
eine Technik zum Verschieben des Zentrums des Lichtempfangsabschnitts
mit dem Abstand von dem Zentrum der Array-artigen Vorrichtungen.
Obwohl diese Technik eine Schattierung verhindern kann, ist der
Herstellungsprozess kompliziert, da jeder Pixel eine unterschiedliche
Struktur aufweist.
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JP-A 2006-229004 (Kokai)
offenbart eine Technik der allmählichen Vergrößerung
des Öffnungsdurchmessers der obersten Zwischenverbindung
der Vielschicht-Zwischenverbindung mit dem Abstand von dem Zentrum
der Array-artigen Vorrichtungen. Obwohl diese Technik eine Schattierung
verhindern kann, ist der Herstellungsprozess kompliziert, da jeder
Pixel eine unterschiedliche Struktur aufweist.
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JP-A 2006-114592 (Kokai)
offenbart eine Technik zur Verwendung einer sphärischen
Form für einen ersten Lichtkollektor und einen zweiten
Kollektor, wobei die Form für jeden Pixel variiert wird.
Obwohl diese Technik eine Schattierung und eine Farbfleckung verhindern
kann, kann die sphärische Form die Effizienz des Empfangs
des schräg einfallenden Lichts nicht ausreichend erhöhen
und der Herstellungsprozess ist kompliziert, da jeder Pixel eine
unterschiedliche Struktur aufweist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird eine Array-artige Lichtempfangsvorrichtung
bereitgestellt mit: einem ersten Lichtkollektor; einem zweiten Lichtkollektor,
der konfiguriert ist, Licht zu empfangen, das durch den ersten Lichtkollektor
gesammelt wird; und einen Lichtempfänger, der konfiguriert
ist, Licht zu empfangen, das durch den zweiten Lichtkollektor gesammelt
wird, wobei der ersten Lichtkollektor eine sphärische Form
aufweist, der zweite Lichtkollektor ein Teilstück mit hohem
Brechungsindex und ein Teilstück mit niedrigem Brechungsindex
aufweist, und das Teilstück mit hohem Brechungsindex eine
Form aus einer zylindrischen Form und einer polygonalen prismatischen
Form aufweist.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird ein Lichtsammelverfahren für
eine Array-artige Lichtempfangsvorrichtung bereitgestellt, wobei
das Verfahren beinhaltet: Sammeln von Licht unter Verwendung eines
ersten Lichtkollektors mit einer sphärischen Form; Sammeln
des gesammelten Lichts unter Verwendung eines zweiten Lichtkollektors;
und Verursachen, dass das durch den zweiten Lichtkollektor gesammelte
Licht auf einen Lichtempfänger einfällt, wobei
der zweite Lichtkollektor ein Teilstück mit hohem Brechungsindex
aufweist und das Teilstück mit hohem Brechungsindex eine
Form aus einer zylindrischen Form und einer polygonalen prismatischen
Form aufweist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Querschnittansicht einer Array-artigen Lichtempfangsvorrichtung gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung;
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2 ist
eine schematische Ansicht einer allgemeinen Lichtempfangseinheit
und ein vergrößertes Teilstück der Lichtempfangsvorrichtung;
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3 ist
eine schematische Ansicht des zweiten Lichtkollektors, gezeigt als
ein Gitter;
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4 ist
ein Graph, der Simulationsresultate der Abhängigkeit der
Beugungseffizienz von der Höhe T des zweiten Lichtkollektors
in einem zweidimensionalen Querschnitt für senkrechten
Einfall zeigt;
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5A bis 5B zeigen
das Berechnungsresultat der Simulation der Beugungseffizienz des
senkrecht einfallenden Lichts durch den zweiten Lichtkollektor mit
einer rechteckigen Querschnittsform;
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6A bis 6B zeigen
das Berechnungsresultat der Simulation der Beugungseffizienz des
bei einem Winkel von 20° schräg einfallenden Lichts
durch den zweiten Lichtkollektor mit einer rechteckigen Querschnittsform;
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7A bis 7B zeigen
das Berechnungsresultat der Simulation der Beugungseffizienz des
bei einem Winkel von 20° schräg einfallenden Lichts
durch den zweiten Lichtkollektor mit einer sphärischen
Querschnittsform;
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8 ist
ein Graph, der das Simulationsresultat der Einfallswinkel-Abhängigkeit
der Lichtempfangseffizienz in Bezug auf die Form des zweiten Lichtkollektors
zeigt;
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9 ist
ein Graph, der das dreidimensionale Simulationsresultat für
die Flächenverhältnisabhängigkeit der
Beugungseffizienz mit Bezug auf den zweiten Lichtkollektor mit einer
prismatischen Form zeigt;
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10 ist
ein Graph, der das dreidimensionale Simulationsresultat für
die Flächenverhältnisabhängigkeit der
Beugungseffizienz mit Bezug auf den zweiten Lichtkollektor mit einer
zylindrischen Form zeigt;
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11 zeigt die Abhängigkeit der
Beugungseffizienz von der Form des zweiten Lichtkollektors; und
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12 zeigt
eine schematische Ansicht, die ein Mobiltelefon zeigt, in dem die
Array-artige Lichtempfangsvorrichtung gemäß dieser
Ausführungsform angeordnet ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Eine
Ausführungsform der Erfindung wird nun mit Bezug auf die
Zeichnungen beschrieben.
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1 ist
eine schematische Querschnittsansicht zur Darstellung einer Lichtempfangsvorrichtung gemäß der
Ausführungsform der Erfindung.
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2 zeigt
eine schematische Ansicht einer Lichtempfangseinheit 140,
die aus einer Kameralinse 150 und einer Array-artigen Lichtempfangsvorrichtung 160 zusammengesetzt
ist, und einen vergrößerten Abschnitt 190 der
Array-artigen Lichtempfangsvorrichtung. Hier stellen R, G und B
in dem vergrößerten Abschnitt 190 der
Array-artigen Lichtempfangsvorrichtung die Position einer Vorrichtung
dar, die jeweils einen roten, grünen und blauen Filter
des sichtbaren Lichts aufweisen.
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Zuerst
wird eine Beschreibung mit Bezug auf 2 angegeben.
Wenn Licht auf die Array-artige Empfangsvorrichtung 160 von
der Kameralinse 150 einfällt, ist die Komponente
des senkrecht einfallenden Lichts im Zentrum 180 der Array-artigen
Lichtempfangsvorrichtung intensiv, und die Komponente des schräg
einfallenden Lichts ist an der Peripherie 170 der Array-artigen
Lichtempfangsvorrichtung intensiv. Das schräg einfallende
Licht trifft auf die Zwischenverbindung in der Vorrichtung, und
es kann sein, dass es den Lichtempfangsabschnitt in der Vorrichtung
nicht erreicht, was zu einer Reduzierung der Lichtempfangssensitivität
an der Peripherie führt. Somit ist in zweidimensionalen
Array-artigen Vorrichtungen die Lichtempfangseffizienz im Zentrum
hoch, aber gering an der Peripherie, was zu einem Sensitivitätsunterschied
(Schattierung) dazwischen führt. Es sei denn, dass das
schräg einfallende Licht dem Lichtempfangsabschnitt unter
Verwendung eines Lichtkollektors geliefert wird, triff es darüber
hinaus den Lichtempfangsabschnitt eines benachbarten Pixels und
verursacht eine Farbfleckung.
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1 ist
eine Querschnittsansicht von zwei Pixels in der Array-artigen Lichtempfangsvorrichtung dieser
Ausführungsform, die zeigt, wie Licht gesammelt wird. Eine
Vorrichtung umfasst, sequentiell von der Lichteinfallsseite, einen
ersten Lichtkollektor 10, einen Farbfilter 30,
einen zweiten Lichtkollektor 20, eine metallische Zwischenverbindung 40,
eine Oxidschicht 60 und einen photoelektrischen Konverter 50. Der
erste Lichtkollektor 10 ist eine sphärische Linse, wohingegen
der zweite Lichtkollektor 20 zur Darstellung eine zylindrische
oder prismatische Form aufweist. Somit wird der zweite Lichtkollektor 20 durch ein
Rechteck in der Querschnittsansicht gezeigt. Da die Pixelgröße
mit dem Fortschreiten des Herunterskalierens in die Nähe
der Wellenlänge des sichtbaren Lichtes kommt, dient der
zweite Lichtkollektor 20 folglich als ein Gitter zum Beugen
des sichtbaren Lichts.
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Der
erste Lichtkollektor 10 wird verwendet, um senkrecht einfallendes
Licht und schräg einfallendes Licht an der Position des
zweiten Lichtkollektors 20 in der Vorrichtung zum sammeln.
In der 1 wird eine senkrecht einfallende ebene Welle
(durchgezogene Linien) und eine schräg einfallende ebene
Welle (gestrichelte Linien) durch jeweilige Pfeile V und A angezeigt.
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Einfallendes
Licht wird an der Position des zweiten Lichtkollektors 20 durch
den ersten Lichtkollektor 10 gesammelt. Durch den Beugungseffekt
des Array-artigen zweiten Lichtkollektors 20, wird das einfallende
Licht in Licht nullter Ordnung mit unveränderter Ausbreitungsrichtung
und Licht ±m-ter Ordnung (m = 1, 2, ...) mit einer um θ m
veränderten Ausbreitungsrichtung aufgespaltet. 1 zeigt
Licht nullter Ordnung 100, Licht +m-ter Ordnung 101,
und Licht –m-ter Ordnung 102. Um die Lichtempfangseffizienz
zu erhöhen, wird bevorzugt, in der Lage zu sein, Licht ±m-ter
Ordnung für senkrecht einfallendes Licht zu empfangen.
D2 bezeichnet den Abstand zwischen dem zweiten Lichtkollektor 20 und
dem photoelektrischen Konverter 50, und L bezeichnet die
Breite des photoelektrischen Konverters 50. Dann kann Licht
m-ter Ordnung an dem photoelektrischen Konverter 50, der
als Lichtempfangsabschnitt dient, empfangen werden, indem D2 gleich
oder kleiner als L/(2tanθ) eingestellt wird.
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Bei
schräg einfallendem Licht bei einem großen Einfallswinkel
trifft Licht nullter Ordnung nicht auf den photoelektrischen Konverter 50.
Im Fall des schräg einfallenden Lichts von der in 1 gezeigten,
schrägen oberen rechten Seite wird nur das Licht –m-ter
Ordnung empfangen. Somit kann für schräg einfallendes
Licht durch ein Auslegen der Form des zweiten Lichtkollektors 20,
so dass die Beugungseffizienz für Licht –m-ter
Ordnung erhöht wird, die Lichtempfangseffizienz für
schräg einfallendes Licht verbessert werden, ohne die Lichtempfangseffizienz
für senkrecht einfallendes Licht zu verringern.
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Im
Folgenden wird eine Beschreibung für das Design bzw. die
Auslegung der Form des zweiten Lichtkollektors 20 und eines
Lichtsammelverfahrens auf Grundlage des ausgelegten zweiten Lichtkollektors 20 angegeben.
Das Design zielt darauf ab, die Beugungseffizienz für Licht
nullter Ordnung zu minimieren und die Beugungseffizienz höherer
Ordnungen zu erhöhen. In den Fällen, in denen
der zweite Lichtkollektor eine zylindrische oder prismatische Form
und eine sphärische Form aufweisen, wurde die Beugungseffizienz
durch eine Simulation berechnet. Es wurde dann gefunden, dass im
Vergleich mit einer sphärischen Form die Beugungseffizienz
in dem Fall verbessert wird, bei dem der zweite Lichtkollektor 20 eine
zylindrische oder prismatische Form aufweist.
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Die
in der Berechnung verwendeten Parameter sind wie folgt. Die Pixelabstandsgröße
W ist 1,75 μm. Die Breite L des photoelektrischen Konverters 50,
der als der Lichtempfangsabschnitt dient, war 1,15 μm.
Die Höhe S der sphärischen Linse des ersten Lichtkollektors 10 war
0,4 μm. Die Höhe D1 des Farbfilters 30,
das heißt der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Lichtkollektor
war 1,8 μm. Die Höhe T des zweiten Lichtkollektors 20 war
0,58 μm. Der Abstand D2 zwischen dem zweiten Lichtkollektor 20 und
dem photoelektrischen Konverter 50 war 1,8 μm.
In dem Fall, bei dem der zweite Lichtkollektor 20 eine
sphärische Linse ist, war die Höhe der Sphäre 0,2 μm
und die benachbarten Linsen waren in einer Matrix bzw. einem Array
angeordnet, mit keinem Abstand dazwischen.
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Die
Wellenlänge λ war 0,53 μm. Der erste Lichtkollektor 10 und
der Farbfilter 30 können aus einem Harz hergestellt
werden, und dessen Brechungsindex ist zur Illustration 1,55. Der
zweite Lichtkollektor 20 ist aus einem Material mit einem
höheren Brechungsindex als die Umgebung hergestellt, und dessen
Brechungsindex ist zur Illustration 1,9. Das Material davon kann
zum Beispiel SiN sein. Ein Oxidfilm, der zur Illustration aus SiO2 hergestellt ist, kann zwischen dem zweiten
Lichtkollektor 20 und dem photoelektrischen Konverter 50 bereitgestellt
werden. In diesem Fall ist sein Brechungsindex 1,45.
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Der
metallische Zwischenverbindungsabschnitt 40 dient als ein
Datentransferabschnitt und kann zum Beispiel aus Al oder W hergestellt
werden. Der photoelektrische Konverter 50 kann ein Lichtempfangsabschnitt
sein, der aus Si hergestellt wird.
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Die
Simulation wurde durch eine Vektorwellenanalyse durchgeführt.
Im Speziellen wurde sie durch ein Lösen der Maxwell-Gleichungen
im Zeitbereich durchgeführt. Die Lichtempfangseffizienz
und die Beugungseffizienz wurden jeweils berechnet für TE-Polarisation
und TM-Polarisation und gemittelt. Der Einfallswinkel wurde von
einem senkrechten Einfall bis zu einem 30° Einfall in jeder
Berechnung variiert.
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3 ist
eine schematische Ansicht des zweiten Lichtkollektors 20,
der durch ein Gitter dargestellt wird.
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Diese
Figur zeigt den Fall, bei dem der zweite Lichtkollektor 20 ein
Gitter mit einem senkrechten Querschnitt ausbildet, der für
die Simulation in einem zweidimensionalen Querschnitt verwendet
wird. Einfallendes Licht wird durch eine Wiederholungseinheit gebeugt,
die aus einem Teilstück mit hohem Brechungsindex besteht,
das einen Brechungsindex von n1 = 1,9 aufweist, und aus einem Teilstück
mit einem niedrigen Brechungsindex, das einen Brechungsindex von
n2 = 1,45 aufweist. Parallel mit dem, was später in dem
dreidimensionalen Fall beschrieben wird, existiert auch in der zweidimensionalen
Querschnittssimulation ein optimaler Wert für das Größenverhältnis
zwischen dem Teilstück mit hohem Brechungsindex und dem
Teilstück mit niedrigen Brechungsindex zur Minimierung
der Brechungseffizienz für Licht nullter Ordnung und zur
Erhöhung der Beugungseffizienz höherer Ordnung.
Der optimale Wert ist 1:1. Folglich wurde in 3 die Länge
des Teilstücks mit hohem Brechungsindex und des Teilstücks
mit niedrigem Brechungsindex auf 1,75/2 μm eingestellt,
was 1/2 der Pixelabstandsgröße, 1,75 μm,
in diesem Berechnungsbeispiel ist.
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Die
theoretisch ideale Bedingung zum Verschwinden der Lichts nullter
Ordnung ist T = λ/(2(n1 – n2)). Dies wird von
der Bedingung abgeleitet, bei der der optische Wegunterschied zwischen
dem Teilstück mit hohem Brechungsindex und dem Teilstück mit
niedrigem Brechungsindex λ/2 ist.
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Die
Beziehung zwischen der Position des zweiten Lichtkollektors 20 und
dem Teilstück mit niedrigem Brechungsindex wird hier beschrieben.
In dem Fall, in dem die Pixelabstandsgröße 1,75 μm
ist, werden D1 und D2 auf 1,8 μm eingestellt, wie oben beschrieben,
und der zweite Lichtkollektor muss an der Position des Fokus des
ersten Lichtkollektors 10 angeordnet werden. In dem Fall,
bei dem das Teilstück mit hohem Brechungsindex vollständig
in dem Oxidfilm 60 angeordnet ist, ist nach der obigen
idealen Formel T = 0,588 μm der ideale Wert.
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Auf
der anderen Seite weist in dem Fall, bei dem das Teilstück
mit hohem Brechungsindex vollständig in dem Farbfilter 30 angeordnet
ist, das Teilstück mit geringem Brechungsindex einen Brechungsindex
von 1,55 auf und T = 0,75 μm. In der Praxis erstreckt sich
das Teilstück mit hohem Brechungsindex jedoch über
den Farbfilter 30 und den Oxidfilm 60. Genauer
bezeichnen in diesem Fall T1 und nc (= 1,55) seine Höhe
und Brechungsindex auf der Farbfilterseite, und T2 und no (= 1,45)
bezeichnen seine Höhe und Brechungsindex auf der Oxidfilmseite.
Dann wird T durch T = λ/(2 × n1) + (nc × T1 +
no × T2)/n1. T1 = 0 und T2 = 0 führen jeweils
zu T = 0,588 und T = 0,75.
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Angesichts
der Verwendung der Beugung, um zu verursachen, dass gebeugtes Licht
m-ter Ordnung effizient auf den photoelektrischen Konverter 50 einfällt,
und die Lichtempfangseffizienz für schräg einfallendes
Licht zu verbessern, ist die Brechungsindexdifferenz bevorzugt groß,
um den Beugungswinkel zu erhöhen. Das Teilstück
mit hohem Brechungsindex ist bevorzugt vollständig in dem Oxidfilm
angeordnet, der einen Brechungsindex von 1,45 aufweist. Darüber
hinaus ist für senkrecht einfallendes Licht, wie in Verbindung
mit 1 beschrieben, der Abstand D2 zwischen dem zweiten
Lichtkollektor 20 und dem photoelektrischen Konverter 50 bevorzugt
klein. Folglich ist das Einbetten des Teilstücks mit hohem Brechungsindex
des zweiten Lichtkollektors 20 in den Oxidfilm 60 effektiv
bei der Verbesserung der Lichtempfangseffizienz unter Verwendung
der Beugung. Jedoch wird die Verbesserung der Lichtempfangseffizienz
auch für den Fall des Einbettens dessen in den Farbfilter 30 erwartet.
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4 ist
ein Graph, der die Resultate der Simulation der Abhängigkeit
der Beugungseffizienz von der Höhe T des zweiten Lichtkollektors 20 in
einem zweidimensionalen Querschnitt für senkrechten Einfall
zeigt. Die Simulation wurde unter Verwendung von n1 = 1,9 und n2
= 1,45 durchgeführt, und der Graph zeigt die Resultate
für gebeugtes Licht bis hinauf zur dritten Ordnung, die
gesamte bzw. totale Transmission und die gesamte bzw. totale Reflexion. Im
idealen Zustand ist die Höhe T zum Verschwinden des Lichts
nullter Ordnung 0,588 μm. Da die Pixelabstandgröße
W jedoch 1,75 μm ist, wird Licht nullter Ordnung bei T
= 0,65 μm minimiert. Wenn die Pixelabstandsgröße
verringert wird, wird T mit dem Wert des idealen Zustands, 0,588 μm,
angenähert.
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5 bis 7 zeigen
das Berechnungsresultat der zweidimensionalen Querschnittssimulation
für die Beugungseffizienz in Bezug auf die Form des zweiten
Lichtkollektors.
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5A zeigt
den Fall, bei dem Licht senkrecht auf die Array-artige Lichtempfangsvorrichtung einfällt,
bei der der zweite Lichtkollektor 20 ein zylindrisches
oder prismatisches Gitter mit einer rechteckigen Querschnittsform
ausbildet. 5B zeigt das Resultat der zweidimensionalen
Querschnittssimulation für die Beugungseffizienz im Fall
des senkrecht einfallenden Lichtes. Das Licht nullter Ordnung ist das
Schwächste, und das Licht ±1. Ordnung weist die höchste
Intensität auf. Hier wird T = 0,65 μm verwendet.
Obwohl sich dieser vom idealen Wert unterscheidet, basiert er auf
dem Resultat, das aus der Untersuchung der Höhenabhängigkeit
der Beugungseffizienz in 4 erhalten wurde.
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6A zeigt
den Fall, bei dem Licht schräg mit einem Winkel von 20° auf
die Array-artige Lichtempfangsvorrichtung, in dem der zweite Lichtkollektor 20 ein
zylindrisches oder prismatisches Gitter mit einer rechteckigen Querschnittsform
ausbildet, einfällt. 6B zeigt
das Resultat der zweidimensionalen Querschnittssimulation der Beugungseffizienz
im Fall des bei einem Winkel von 20° schräg einfallenden
Lichts. Licht erster Ordnung ist das Schwächste und das
Licht –2. Ordnung mit maximaler Intensität weist
eine nahezu senkrechte Richtung auf.
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Aus
der Beziehung D2 = L/(2tanθ), unter Verwendung von D2 =
1,8 μm und L = 1,15 μm, wird der Beugungswinkel,
der es gebeugten Licht ermöglicht, auf dem Lichtempfangsabschnitt
einzufallen, bestimmt um circa 17,5° zu sein. Folglich
fallen gemäß der zweidimensionalen Berechnung
für senkrechten Einfall Licht nullter Ordnung und Licht ±1.
Ordnung auf den photoelektrischen Konverter 50, der als
der Lichtempfangsabschnitt dient. Für einen 20° Einfall, fällt
Licht –1. bis –3.Ordnung auf dem photoelektrischen
Konverter 50. Für sowohl senkrechten Einfall als
auch schrägen Einfall erreicht gebeugtes Licht mit maximaler
Intensität, das heißt Licht ±1.Ordnung
für senkrechten Einfall und Licht –2.Ordnung für
schrägen Einfall, den photoelektrischen Konverter, der
als der Lichtempfangsabschnitt dient. Dies suggeriert, dass die
Verringerung der Lichtempfangseffizienz verhindert wird, selbst
wenn Licht schräg auf die Peripherie der Array-artigen
Lichtempfangsvorrichtung einfällt.
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7A zeigt
den Fall, bei dem Licht schräg bei einem Winkel von 20° auf
die Array-artige Lichtempfangsvorrichtung einfällt, in
dem der zweite Lichtkollektor 20 eine sphärische
Form aufweist. 7B zeigt das Resultat der Simulation
eines zweidimensionalen Querschnitts der Beugungseffizienz in dem Fall
des bei einem Winkel von 20° schräg einfallenden
Lichts. Licht nullter Ordnung ist das Stärkste, aber weist
einen großen Beugungswinkel auf und kann nicht auf den
photoelektrischen Konverter 50 einfallen, der als der Lichtempfangsabschnitt
dient. Unter Berücksichtigung, dass der Beugungswinkel, der
es ermöglicht, dass gebeugtes Licht auf den Lichtempfangsabschnitt
einfällt, zu circa 17,5° bestimmt wurde, fällt
gemäß der zweidimensionalen Berechnung Licht –1.
bis –3.Ordnung auf den photoelektrischen Konverter 50.
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In
dem Fall, bei dem der zweite Lichtkollektor eine sphärische
Form aufweist, kann Licht nullter Ordnung und Licht erster Ordnung
mit hoher Intensität nicht auf den als Lichtempfangsabschnitt
dienenden photoelektrischen Konverter 50 an der Peripherie
der Array-artigen Lichtempfangsvorrichtung einfallen. Dies suggeriert,
dass die Lichtempfangseffizienz verringert wird.
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8 ist
ein Graph, der das Resultat der Simulation in einem zweidimensionalen
Querschnitt für die Einfallswinkelabhängigkeit
der Lichtempfangseffizienz bezüglich der Form des zweiten
Lichtkollektors 20 zeigt.
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Für
einen senkrechten Einfall verringert sich im Fall, bei dem der zweite
Lichtkollektor 20 eine zylindrische oder prismatische Form
aufweist, die Lichtempfangseffizienz auf Grund des Effekts der Einfallsbeugung.
Die Lichtempfangseffizienz ist in dem Fall etwas höher,
bei dem der zweite Lichtkollektor 20 sphärisch
ist, aber der Unterschied ist klein. Auf der anderen Seite ist in
einem breiten Winkelbereich des schrägen Einfalls die Lichtempfangseffizienz
in dem Fall höher, bei der zweite Lichtkollektor 20 eine
zylindrische oder prismatische Form aufweist. Somit ist die gesamte
Lichtempfangseffizienz über den gesamten Einfallswinkel
in dem Fall höher, bei dem der zweite Lichtkollektor 20 eine
zylindrische oder prismatische Form aufweist. Somit kann durch die
Verwendung des zweiten Lichtkollektors 20 mit einer zylindrischen
oder prismatischen Form eine Schattierung reduziert werden.
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Als
Nächstes wird mit Bezug auf den zweiten Lichtkollektor 20 mit
einer prismatischen oder zylindrischen Form das Resultat der dreidimensionalen
Simulation der Beugungseffizienz beschrieben. Es wird angenommen,
dass der zweite Lichtkollektor 20 ein Gitter ist, das aus
einem unendlichen Array von Prismen oder Zylindern in der xy-Ebene
bei regelmäßigen Abständen von 1,75 μm
besteht.
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In
der dreidimensionalen Berechnung besteht das gebeugte Licht aus
Licht ±(m,n)-ter Ordnung. Der zweite Lichtkollektor 20 ist
ein Gitter, bei dem die Teilstücke mit hohem Brechungsindex
und die Abschnitte mit niedrigem Brechungsindex sich periodisch
wiederholen. Die Beugungseffizienz hängt von dem Flächenverhältnis
zwischen dem Teilstück mit hohem Brechungsindex und dem
Teilstück mit niedrigem Brechungsindex in der Wiederholungseinheit
ab.
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Eine
Array-artige Lichtempfangsvorrichtung mit einer reduzierten Schattierung
an der Peripherie kann durch ein Optimieren des Flächenverhältnisses des
Querschnitts zwischen dem Teilstück mit hohem Brechungsindex
und dem Teilstück mit niedrigem Brechungsindex realisiert
werden.
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Darüber
hinaus kann durch die Verwendung gebeugten Lichts, das durch den
zweiten Lichtkollektor 20 erhalten wird, die Richtung des
schräg einfallenden Lichts verändert werden, so
dass der photoelektrische Konverter 50 es empfangen kann.
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9 zeigt
die Flächenverhältnisabhängigkeit der
Beugungseffizienz in dem Fall, bei dem das Teilstück mit
hohem Brechungsindex eine prismatische Form aufweist. Die Pixelabstandsgröße
W ist 1,75 μm und die Seitenlänge des Querschnitts
des prismatischen Teilstücks mit hohem Brechungsindex wird
auf 2r eingestellt. Die Figur zeigt die r-Abhängigkeit
der Beugungseffizienz. Licht (0,0)-ter Ordnung wird minimiert und
gebeugtes Licht höherer Ordnung ist in dem Fall höher,
bei dem das Flächenverhältnis zwischen dem Teilstück
mit hohem Brechungsindex und dem Teilstück mit niedrigem
Brechungsindex 1:1 ist. Das Flächenverhältnis
ist gleich 1:1 für r = 0,62 μm. Tatsächlich
ist jedoch die Beugungseffizienz für Licht (0,0)-ter Ordnung
bei einem Wert minimiert, der niedriger als r = 0,62 μm
ist. Dies ist auf den Effekt des Gitterabstandes, der Pixelabstandsgröße
und der Form zurückzuführen.
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10 zeigt
die Flächenverhältnisabhängigkeit der
Beugungseffizienz in dem Fall, bei dem das Teilstück mit
hohem Brechungsindex eine zylindrische Form aufweist. Die Pixelabstandsgröße
W ist 1,75 μm und die Seitenlänge des Querschnitts
des zylindrischen Teilstücks mit hohem Brechungsindex wird
auf r eingestellt. Die Figur zeigt die r-Abhängigkeit der
Beugungseffizienz. Licht (0,0)-ter Ordnung wird minimiert und gebeugtes
Licht höherer Ordnung ist in dem Fall höher, bei
dem das Flächenverhältnis zwischen dem Teilstück
mit hohem Brechungsindex und dem Teilstück mit niedrigem
Brechungsindex gleich 1:1 ist. Das Flächenverhältnis
ist gleich 1:1 für r = 0,69 μm. Tatsächlich
ist jedoch das Licht (0,0)-ter Ordnung bei einem Wert minimiert,
der niedriger als r = 0,69 μm ist. Dies ist auf den Effekt
des Gitterabstands, das heißt, der Pixelabstandsgröße
und der Form zurückzuführen.
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11 zeigt das Resultat der Simulation in drei
Dimensionen für die Abhängigkeit der Beugungseffizienz
von der Form des zweiten Lichtkollektors.
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11A zeigt den Fall für einen sphärischen zweiten
Lichtkollektor. 11B zeigt den Fall für
einen zylindrischen Lichtkollektor, bei dem das Flächenverhältnis
zwischen dem Teilstück mit hohem Brechungsindex und dem
Teilstück mit niedrigem Brechungsindex 1:1 ist, und die
Höhe T des rechteckigen zweiten Lichtkollektors T = λ/(2Δn)
ist, wobei λ die Wellenlänge des einfallenden
Lichts ist und Δn der Brechungsindexunterschied zwischen
dem Teilstück mit hohem Brechungsindex und dem Teilstück mit
niedrigem Brechungsindex ist. 11C ist
der Fall für einen prismatischen Lichtkollektor, bei dem das
Flächenverhältnis zwischen dem Teilstück
mit hohem Brechungsindex und dem Teilstück mit niedrigem
Brechungsindex 1:1 ist und T = λ/(2Δn).
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In
jedem Fall ist bei der Berechnung gebeugtes Licht höherer
Ordnung gebeugtes Licht bis zur ±5. Ordnung berücksichtigt.
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Licht
nullter Ordnung ist stark bzw. intensiv im sphärischen
Fall. In dem zylindrischen und prismatischen Fall ist jedoch Licht
nullter Ordnung schwach, aber Licht ±m-ter Ordnung, insbesondere (±1,0)-ter
Ordnung ist stark bzw. intensiv. Somit ermöglicht es, im
Unterschied zur sphärischen Form, die zylindrische oder
prismatische Form unter Verwendung des Beugungseffekts schräg
einfallendes Licht auch auf den photoelektrischen Konverter 50 als
gebeugtes Licht einzufallen. Somit kann die Lichtempfangseffizienz
für schräg einfallendes Licht erhöht
werden.
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12 zeigt
ein Mobiltelefon 200, in dem die Arrayartige Lichtempfangsvorrichtung 160 gemäß dieser
Ausführungsform angeordnet ist.
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Gemäß dieser
Ausführungsform machen Antischattierungs-Techniken als
Antwort auf das Herunterskalieren der Arrayartigen Lichtempfangsvorrichtungen
diese für mobile, mit einer Kamera mit höherer
Pixelanzahl ausgestatteten Telefone anwendbar. In kompakten digitalen
Kameras kann diese Ausführungsform dazu beitragen, gleichzeitig
ein Herunterskalieren und eine hohe Bildqualität zu erzielen.
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Die
Ausführungsform der Erfindung wurde mit Bezug auf die Beispiele
beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele
begrenzt. Zum Beispiel kann der zweite Lichtkollektor 20 aus Materialien
mit hohem Brechungsindex bestehen, wie zum Beispiel Hf02 (n
= 2,15) und TiO2 (n = 2,52). Wenn das Teilstück
mit hohem Brechungsindex einen höheren Brechungsindex aufweist,
kann der Brechungsindexunterschied erhöht werden. Somit
kann in T = λ/(2(n1 – n2)) die Höhe T
des zweiten Lichtkollektors 20 verringert werden.
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In
den Simulationen wurden die prismatische und zylindrische Form untersucht.
Jedoch können auch Formen mit einer abgeschrägten
Seitenfläche verwendet werden. Im Speziellen verursachen
im Gegensatz zu dem Fall, bei dem der zweite Lichtkollektor 20 eine
sphärische Form aufweist, starke bzw. steile Variationen
in der Form Störungen in der Wellenfront, die die Intensität
gebeugten Lichts höherer Ordnung verringert. Somit kann,
selbst wenn die Seitenfläche abgeschrägt ist,
die Beugungseffizienz und die Lichtempfangseffizienz erhöht
werden solang eine Formveränderung vorhanden ist, die stark
genug ist, um Störungen der Wellenfront zu verursachen.
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Wenn
die Höhe T des Teilstücks mit hohem Brechungsindex
des zweiten Lichtkollektor 20 circa 0,6 bis 0,7 μm
ist, kann die Seitenfläche in Verbindung mit der Verarbeitung
abgeschrägt werden. Es ist jedoch ausreichend möglich,
die Steilheit so zu halten, um Störungen in der Wellenfront
zu verursachen.
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Die
Oberfläche des Teilstücks mit hohem Brechungsindex
ist bevorzugt flach. Hier ist eine Flachheit ausreichend, die durch
ein normales Verarbeiten erzielt wird.
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Darüber
hinaus ist die Querschnittsform des Teilstücks mit hohem
Brechungsindex des zweiten Lichtkollektors 20 nicht auf
ein Quadrat oder einen Kreis beschränkt. Sie kann ein reguläres
Polygon sein, wie zum Beispiel ein reguläres Hexagon oder eine
Polygon mit einer Form, die nahe an einem Kreis ist, so lange die
Arrayabstände nicht extrem unterschiedlich in der horizontalen
und vertikalen Richtung sind, und die Periodizität, die
als ein Gitter dient, erhalten bleibt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2007-163524 [0001]
- - JP 2006-324439 A [0006]
- - JP 2006-229004 A [0007]
- - JP 2006-114592 A [0008]