JP2004193284A - Imaging device - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an imaging device having an imaging element which can improve the efficiency of incident light without complicating and shrinking the structure. <P>SOLUTION: Out of light beams 110 condensed by a micro lens 2, those having a prescribed wavelength are selectively passed through a dichroic film 4g and those having the other wavelengths are reflected by the dichroic film 4g. The light beams reflected by the dichroic film 4g are reflected by an interface between a layer 5 having a first refractive index and a layer 6 having a second refractive index, to be introduced into dichroic films 4r composed of contiguous pixels. Meanwhile, the light beams passed through the dichroic film 4g are converted into electric signals by means of a photoelectric transfer section 3. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【００２１】
複屈折版の厚さを適当に選択すれば、撮像素子のナイキスト周波数においてレスポンスをゼロとすることが可能である。回折格子を利用する場合には、回折によって光学像を所定の位置関係の複数の像に分離し重畳させることで、同様の効果を得ることができる。
【００２２】
しかしながら、複屈折板を作製するには水晶やニオブ酸リチウムなどの結晶を成長させてから薄く研磨する必要があるため、構造が複雑化してしまい極めて高価になるという問題点がある。また、回折格子にしても高度に精密な微細構造が必要となるため、やはり高価になってしまう。
【００２３】
これに対し、特開２００１−０７８２１３号公報には、複眼レンズを用いることで、単板式の撮像系でありながら、画素ピッチよりも実効的な受光開口を大きくしてナイキスト周波数以上の画素のＭＴＦを抑制する技術が開示されている。しかしながら、複眼であることに起因する物体距離依存の像位置のシフトがあって、基準の物体距離以外では物体像のサンプリングピッチが不等間隔になってしまうという、いわゆるレジストレーションずれが生じてしまう。したがって、どんな物体条件であっても所定の画像性能が得られるというわけではない。
【００２４】
さらには、特公平０１−０１４７４９号公報に開示されているように、画素の光電変換領域を隣接する画素との関係として入り組んだ形状とすることで、高い空間周波数に対するレスポンスを抑制する試みもなされている。しかし、画素の形状が複雑になるという問題や、極めて微細な構造が必要であるという問題、各画素が平面を分割していることから、画素に投影される物体像がその分割線に沿った、例えば、斜めの線を持っていた場合には、入射した光線の利用効率向上の効果が出にくいといった問題点がある。
【００２５】
本発明は前述の問題点にかんがみてなされたもので、構造を複雑化・微細化することなく、入射光の利用効率を向上させた撮像素子を備えた撮像装置を実現することを目的とする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明の撮像装置は、画素がマトリクス状に配設された撮像素子を備える撮像装置であって、前記画素は、外部から入射した光線を集光する集光手段と、前記集光手段で集光された光線のうち、所定の波長の光線を選択的に透過するとともに他の波長の光線を反射する波長選択手段と、前記波長選択手段で反射させた光線を隣接する画素に対応する前期波長選択手段に導入する反射光線導入手段と、前記波長選択手段で透過させた光線を電気信号に変換する光電変換手段とを有することを特徴とするものである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
次に、添付図面を参照しながら本発明の撮像装置の実施形態について説明する。
【００２８】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態における撮像装置を図１〜図２２を用いて説明する。図１は、第１の実施形態の撮像装置における撮像素子の概略断面図である。１はシリコン基板、２は外部からの光線を集光するマイクロレンズ、３は受光した光子を電荷へ変換する光電変換部、４（４ｒ，４ｇ）は光線を波長分離する波長選択部であるダイクロイック膜、５はマイクロレンズ２と接する第１の屈折率層、６は第１の屈折率層５よりも高屈折率を有する第２の屈折率層、７はダイクロイック膜４（４ｒ，４ｇ）と光電変換部３との間に、それぞれに接して設けられた高屈折率部、８は高屈折率部７の周囲に設けられた低屈折率部、１０は光電変換部３の電荷を制御するゲートの役割を果たすＰｏｌｙ配線層、１１〜１３はアルミニウムなどの金属でできた配線層であり、１１は各部間の結線および出力線の役割を果たすＡＬ１配線層、１２はウェル電源線および制御線の役割を果たすＡＬ２配線層、１３は遮光および電源線の役割を果たすＡＬ３配線層である。
【００２９】
また、図２は、撮像素子を斜め上面から見た斜視図である。図２には、多数個存在する撮像素子のうち９個のみを取り出して図式化したものを示している。さらに、図３は、図２の中央部でマイクロレンズ２およびダイクロイック膜４からＡＬ３配線層１３までの構造を切断した断面図である。
【００３０】
図１において、マイクロレンズ２は、上に凸の球面形状であり正のレンズパワーを有する。従って、マイクロレンズ２は、当該マイクロレンズ２上に到達した光線を光電変換部３に対して集光する働きをする。これにより、より多くの光線を光電変換部３に取り込むことができるため、撮像素子の感度を向上させることが可能となる。
【００３１】
第１の屈折率層５は低屈折率の材料で形成されており、例えば屈折率１．３８のフッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）などを用いることができる。また、第１の屈折率層５とダイクロイック膜４に挟まれた第２の屈折率層６は高屈折率の材料で形成されており、例えば屈折率２．５の二酸化チタン（ＴｉＯ_２）などを用いることができる。このようのに構成することにより、第１の屈折率層５と第２の屈折率層６との界面で第２の屈折率層６から第１の屈折率層５へと進む光線を全反射しやすくすることができるようになる。
【００３２】
また、高屈折率部７は二酸化チタンのような高屈折率の材料で形成され、低屈折率部８は屈折率１．４６の二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）やフッ化マグネシウムといった低屈折率の材料を用いて成形する。このように構成することにより、高屈折率部７に入射した光線を低屈折率部８との界面で全反射しやすくすることができ、ダイクロイック膜４から光電変換部３に至るまでの導光路の役割を果たすことができる。
【００３３】
一般的にダイクロイック膜４とは、注目する波長λの１／４の整数倍の膜厚からなり、高屈折率の物質と低屈折率の物質を交互に積層することによって形成されたものである。このような構成されたダイクロイック膜４により、透過光線の波長を選択することができるようになる。ここで、撮像素子のダイクロイック膜４の構成例を図４に示す。本実施形態におけるダイクロイック膜４は、高屈折率の材料として二酸化チタン、低屈折率の材料として二酸化ケイ素を用いて図４に示すような膜厚及び層数で構成した。
【００３４】
また、ダイクロイック膜４の透過特性を図５に示す。図５の特性図を見て分かるように、ダイクロイック膜４は、図３２に示す従来の色素を用いたカラーフィルタの特性図に近い特性を有する。従って、本構成のダイクロイック膜４を用いたものであっても従来の撮像素子に近い特性とすることができる。これらの積層膜はＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いることによって容易に作製することができる。
【００３５】
続いて、マイクロレンズ２で集光された光線の挙動について図６，図７を用いて説明する。図６には、緑色光を受光する画素１００ｇに入射してダイクロイック膜４ｇによって反射された光線、すなわち青色光と赤色光を含む光線のみの挙動を示している。
【００３６】
画素の大きさに対して十分に遠い位置にある結像レンズの瞳からの光線は、赤外線カットフィルタを通過して物体光１１０のような光束となる。この物体光１１０は、マイクロレンズ２へ入射して集光作用を受ける。そして、第１の屈折率層５，第２の屈折率層６と順に入射してダイクロイック膜４ｇへと到達する。ここで、ダイクロイック膜４ｇの特性により、緑色以外の光線は反射作用を受け、第１の屈折率層５の方向へ進行することになるが、ダイクロイック膜４ｇは四角錐の形状をして形成されているために、反射した光線はその中心から外側に方向を変えて進行する。
【００３７】
前述の通り、第２の屈折率層６は第１の屈折率層５よりも高屈折率であるため、臨界角以上の光線はその界面で全反射作用を受けることになる。界面で全反射した光線は、隣接画素である赤色光を受光する画素１００ｒおよび１０１ｒのダイクロイック膜４ｒの方向に向かって進行する。ここで、第１の屈折率層５と第２の屈折率層６との界面も四角錐の形状をしている。この界面による反射光線は、光軸に対して平行に近い角度で進行するようになる。
【００３８】
画素１００ｒ，１０１ｒのダイクロイック膜４ｒは、赤色光を透過して緑色光と青色光を反射する特性を有する。従って、画素１００ｇから反射してきた光線のうち赤色光のみが透過し、青色光はダイクロイック膜４ｒによってさらに反射作用を受ける。図６には、反射作用を受ける青色光は図示していない。また、赤色光の反射光線を透過するダイクロイック膜４ｒは膜厚分だけ透過できる面積が小さくなっているが、マイクロレンズ２の集光作用によりダイクロイック膜４ｇに入射する光線の面積（反射光の面積）はマイクロレンズ２の開口面積に比べて小さくなっている。従って、この反射光線はダイクロイック膜４ｒでのケラレを小さくすることができる。
【００３９】
ダイクロイック膜４ｒを透過した光線は、高屈折率部７から低屈折率部８へ進行しようとするが、これも前述の通り、高屈折率部７は低屈折率部８よりも高屈折率であるため、臨界角以上の光線はその界面で全反射をする。高屈折率部７と低屈折率部８の界面は、入射部が広がったテーパ形状をしているために入射光線を取り込む間口が広くなって高屈折率部７に多くの光線を取り込むことができるようになっている。
【００４０】
仮に、高屈折率部７の入射部がテーパ形状をしていないとすると、反射光線のうち図の下側に位置する光線が低屈折率部８から高屈折率部７へと進行する。そうすると、高屈折率部７は低屈折率部８よりも高屈折率であるために、光線が上方向に曲げられることになる。従って、このようなルートを辿る光線は光電変換部３には導かれず損失となってしまうため、高屈折率部７の入射部をテーパ形状として、低屈折率部８から高屈折率部７へ進行する光線をなくして隣接画素からの反射光を十分取り込めるようにしたのである。
【００４１】
また、前述の通り第１の屈折率層５と第２の屈折率層６との界面が四角錐の形状をしていて、その界面における反射光線が光軸に対して平行に近い角度で進行するようになっているため、テーパ面７１で全反射できずに透過してしまう光線を少なくすることができる。そして、光電変換部３近傍における高屈折率部７と低屈折率部８との界面が光軸方向に略平行となるように形成されているため、一度目の全反射によって光電変換部３に入射できなかった光線を再び反対側の界面で全反射して最終的にはすべて光電変換部３へと入射させることができる。
【００４２】
画素１００ｇにおいて紙面に垂直な方向には青色光を受光する画素が存在している。この青色光の場合も赤色の場合と同様に、画素１００ｇで反射された光線のうち青色光のみを取り込む挙動を示す。
【００４３】
続いて、図７は、ダイクロイック膜４において透過作用を受ける光線、すなわち緑色光の光線の挙動を示している。
本図上方からの光線は、マイクロレンズ２へ入射して集光作用を受ける。そして、第１の屈折率層５，第２の屈折率層６と順に入射してダイクロイック膜４ｇへと到達する。ここで、ダイクロイック膜４ｇでは、所定の波長の光線のみを選択的に透過し、ダイクロイック膜４ｇを透過した光線は、高屈折率部７へ進行して、さらに高屈折率部７と低屈折率部８との界面で全反射を繰り返す作用を受けることによって、光電変換部３へと導かれる。
【００４４】
また、高屈折率部７と低屈折率部８との界面は、入射部が広がったテーパ形状をしている。このテーパ形状の角度がきつすぎるとテーパ面７１で全反射しない場合があり、仮に全反射したとしても今度は反対側の面で全反射せずに透過してしまう。本実施形態の場合では、画素の中心軸より２５°程度までの角度であればテーパ面７１でも全反射して光電変換部３へ導くことができる。以上のことからテーパ面７１を適当な角度に設定することによって広範囲な光線を取り込むことが可能となる。
【００４５】
続いて、ダイクロイック膜４の透過・反射を用いて入射した光線を取り込む際の効率について考えていく。例えば、色再現性が良いとされる原色フィルタ付きの画素をモザイク状に配置したＣＣＤ撮像素子では、Ｒ（赤色）Ｇ（緑色）Ｂ（青色）の光学フィルタがマイクロレンズ２と光電変換領域３の間に一つずつ配置される。
【００４６】
このとき、赤色の光学フィルタを配した画素では赤色光のみが光電変換され、青色光や緑色光は当該光学フィルタで吸収されて熱となる。同様に、緑色の光学フィルタを配した画素では青色光と赤色光が光電変換されずに当該光学フィルタで吸収されて熱となり、また、青色の光学フィルタを配した画素では同様に緑色光と赤色光が光電変換されずに当該光学フィルタで吸収されて熱となる。
【００４７】
すなわち、従来のカラー撮像素子の各画素では、入射した光束のうち所定の光学フィルタを透過した光のみが光電変換されて電気信号として出力されるため、その光学フィルタを透過できなかった光は熱などとして捨てられてしまう。
【００４８】
前述したように、図３２は、撮像素子におけるＲＧＢのカラーフィルタの分光透過率を示す特性図である。ここで、赤外線の透過率が高いため、実際には撮像素子と撮影レンズとの間にさらに６５０ｎｍ以上の波長を遮断する赤外線カットフィルタを重ねて用いる。この特性図から分かるように、撮像素子の１画素においては可視光のうち、およそ１／３だけしか有効に利用されていない。
【００４９】
さらに詳しくＲＧＢの色別に利用効率を考えると、例えば、図３０に示すベイヤー配列におけるカラー撮像素子のＲＧＢ画素面積比率は、規則的配列を構成する１単位の面積を１としたとき、１／４：２／４：１／４であるので、全体の光量を１としたときの緑色光の利用割合は、波長選択性の項と面積比率の項の積として１／３×２／４＝１／６となり、また、赤色光と青色光は１／３×１／４＝１／１２となる。これらを合計すれば１／６＋１／１２＋１／１２＝１／３となって、やはり利用効率は１／３ということになる。逆に、全体の光量を１としたときに、緑色光では２／３×２／４＝１／３、赤色光や青色光では２／３×１／４＝１／６が有効に利用されないことになる。
【００５０】
以上は、原色系のカラーフィルタを用いた撮像素子について説明を行ったが、補色フィルタを用いた撮像素子では、可視光のうちのおよそ１／３が光電変換されず、有効に利用されないことになる。このように、原色系・補色系のいずれにしても従来型の単板式撮像素子では、撮像面をカラーフィルタで分割構成していることに起因して光利用効率を向上させることができない。
【００５１】
図８は、ダイクロイック膜４の各色の透過特性を単純化したものである。また、本図で示した透過特性図の裏返しが反射特性ということになる。また、計算の簡略化のために透過しない光線はすべて反射するものとし、反射した光線はすべて隣接画素に平等に到達するものとして考える。さらに、画素配列は、図９に示すようなベイヤー配列をしているものとする。
【００５２】
図８において、緑色の画素内のダイクロイック膜で反射した光線が青色の画素内のダイクロイック膜を透過して青色の光電変換部に取り込まれる場合を考えると、前述の通り、緑色の透過特性の裏返しが反射特性になるため、この曲線と青色の透過特性との積が求めるものとなる。この特性を表したものを図１０に示す。残りの色に関しても同様に考えると、緑色の画素内のダイクロイック膜で反射した光線が赤色の画素内のダイクロイック膜を透過して赤色の光電変換部に取り込まれる場合の特性図を図１１に示し、また、赤色の画素内のダイクロイック膜で反射した光線が緑色の画素内のダイクロイック膜を透過して緑色の光電変換部に取り込まれる場合の特性図を図１２に示し、さらに、青色の画素内のダイクロイック膜で反射した光線が緑色の画素内のダイクロイック膜を透過して緑色の光電変換部に取り込まれる場合の特性図を図１３に示す。
【００５３】
緑色の画素内に隣接画素から反射してくる光線について考えると、画素配列はベイヤー配列であることから隣接画素は赤と青が２個ずつである。このことから緑色の画素が隣接画素から受け取る光線は｛（青色の反射）×１／４×２＋（赤色の反射）×１／４×２｝となる。もともと緑色の画素が受け取る光線量は、透過率曲線の積分量であるため、この積分量を１とすると、図１２の大きさ（赤色画素から反射するもの）は０．７４、図１３の大きさ（青色画素から反射するもの）は０．８５となる。従って、反射光の合計は０．８０となるため、透過する光線だけを取り込む場合に対して１．８０倍となることが分かる。
【００５４】
続いて、青色の画素内に隣接画素から反射してくる光線について考えると、隣接画素は緑色の画素が４個である。青色の画素における透過率曲線の積分量を１とすると、図１０の積分量は０．８４となる。また、隣接画素より受け取る光線は｛（緑色の反射）×１／４×４｝であるから合計は０．８４となり、もともとの透過量に対して１．８４倍となることが分かる。
【００５５】
最後に、赤色の画素内に隣接画素から反射してくる光線について考えると、隣接画素は青色の画素と同じく緑色が４個である。赤色の画素における透過率曲線の積分量を１とすると、図１１の積分量は０．６７となる。また、隣接画素より受け取る光線は｛（緑色の反射）×１／４×４｝であるから合計は０．６７となり、もともとの透過量に対して１．６７倍となることが分かる。
【００５６】
以上のようにベイヤー配列のような隣接する画素が同色でない場合であれば、どの画素についても本実施形態を用いて不要な波長成分を隣接する画素に分割・反射させることで、隣接する画素で有効な波長成分として光電変換することができ、光の利用効率を大幅に向上させることが可能である。
【００５７】
次に、本実施形態による作用の１つとしてのローパスフィルタ効果について説明する。
一般に、良好な画像特性を得るための撮像方法としては、物体像を光学装置によって形成する第１のプロセスと、物体像の空間周波数特性の高周波成分を抑制するように調節する第２のプロセスと、空間周波数特性が調節された物体像を光電変換する第３のプロセスと、得られた電気信号に対して空間周波数に応じてレスポンスを補正する第４のプロセスとを経る。このとき有限の画素数の撮像素子で光学像のサンプリングを行うわけであるから、良質な画像出力を得るためには、標本化定理に従って光学像の空間周波数特性に撮像素子固有のナイキスト周波数以上の成分を少なくする必要がある。ここで、ナイキスト周波数とは、画素ピッチで決まるサンプリング周波数の１／２の周波数である。したがって、最適化された一連のプロセスは、サンプリングされる光学像を撮像素子固有のナイキスト周波数に応じた特性の光学像に調節することで、折り返し歪みが目立たない、すなわちモワレの目立たない良質な画像を得るものである。
【００５８】
画像の空間周波数伝達特性であるＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）は、デジタルスティルカメラやビデオカメラなどの鮮鋭度に関する特性をよく表現できる評価量である。このＭＴＦに影響を与える具体的要素は、光学装置である結像光学系、物体像の帯域制限のための光学ローパスフィルタ、撮像素子の光電変換領域の開口形状、デジタルアパーチャ補正等であり、最終の画像特性を表す全体のＭＴＦは各要素のＭＴＦの積として与えられる。すなわち、上記の第１のプロセスから第４のプロセスまでのＭＴＦをそれぞれ求め、その積を計算すればよい。ただし、第４のプロセスであるデジタルフィルタ処理は、撮像素子によって既にサンプリングされた画像出力に対して行われるので、ナイキスト周波数を超える高周波について考慮する必要はない。
【００５９】
したがって、光学像の空間周波数特性に撮像素子固有のナイキスト周波数以上の成分を少なくする構成とは、第４のプロセスを除き、第１のプロセスにおけるＭＴＦ、第２のプロセスにおけるＭＴＦおよび第３のプロセスにおけるＭＴＦの積においてナイキスト周波数以上の成分が小さいということである。ここで、デジタルスティルカメラのように静止画の鑑賞を前提とする場合、ナイキスト周波数を超える高周波がゼロではなく、多少残っていても、ナイキスト周波数をやや下回る周波数におけるレスポンスが高い方が、解像感のある画像となりやすいことを考慮する必要がある。
【００６０】
第１のプロセスである結像光学系による物体像の形成において、一般に画面の中央は周辺に比べて光学収差を補正しやすい。画面の周辺で良好な画像を得ようとすると、画面の中央では結像レンズのＦナンバーで決定される回折限界ＭＴＦに近い極めて良好な特性を得る必要がある。近年、撮像素子の小ピクセル化が進んでおり、この必要性はますます高まっている。したがって、結像光学系については無収差の理想レンズと仮定してＭＴＦを考えると良い。
【００６１】
また、幅ｄの受光開口が隙間なく敷きつめられた撮像素子においては、受光開口の幅が画素ピッチと一致するので、ナイキスト周波数ｕ＝ｄ／２における第３のプロセスのレスポンス値はかなり高い。この理由から、ナイキスト周波数付近の総合ＭＴＦを下げるために第２のプロセスにおいてナイキスト周波数付近をトラップするのが一般的である。
【００６２】
第２のプロセスにおいては、通常、光学ローパスフィルタが用いられる。光学ローパスフィルタには水晶等の複屈折特性を有する物質を利用する。また、位相型の回折格子を利用しても良い。
【００６３】
光学装置の光路中に複屈折板を介在させ、その光学軸を結像面の水平方向と並行するように傾けて配置すると、常光線による物体像と異常光線による物体像は所定量だけ水平方向にずれて形成される。複屈折板によって特定の空間周波数をトラップするということは、その空間周波数の縞の明部と暗部とが重なるようにずらすということである。光学ローパスフィルタによるＭＴＦは、以下の式（２）で表される。ここで、Ｒ_２（ｕ）はレスポンス、ｕは光学像の空間周波数、ωは物体像分離幅である。
【００６４】
【数２】

【００６５】
複屈折板の厚さを適当に選択すれば、撮像素子のナイキスト周波数においてレスポンスをゼロとすることが可能である。回折格子を利用する場合には、回折によって光学像を所定の位置関係の複数の像に分離し重畳させることで、同様の効果を得ることができる。
【００６６】
しかしながら、複屈折板を作製するには水晶やニオブ酸リチウムなどの結晶を成長させてから薄く研磨する必要があって、極めて高価になるという問題点がある。また、回折格子にしても高度に精密な微細構造が求められるため、やはり高価であることに変わりはない。
【００６７】
本発明の実施形態における撮像素子では、実質的な受光開口が各画素よりも大きくなる。ＲＧＢの色毎に図９に示したベイヤー配列における従来の撮像素子と比較すると、まず、従来の緑色光を受光する画素（Ｇ画素）の開口はマイクロレンズ２の大きさであったが、本実施形態における撮像素子では図１４に示すように９２ａ，９２ｂ，９２ｃ，９２ｄの部分を隣接画素からの反射光線を受け取ることができることから、本来の画素開口９１よりも大きくなる。これにより、隣接する画素からの緑色光の入射を含めた実質的な受光開口は図１５に示すようなものとなる。青色光を受光する画素（Ｂ画素），赤色光を受光する画素（Ｒ画素）についても隣接画素からの各色光の入射により、実効的な受光開口は同様の形状となる。従って、全ての画素について考えると、実効的に互いにオーバーラップした受光開口を有することが分かる。
【００６８】
このように実質的な受光開口が各画素よりも大きくなると、通常の単板式の撮像装置では考えられなかったＭＴＦ特性を得ることができる。この結果、光学ローパスフィルタを省略しても画像の品位を損なわない。すなわち、前述した物体像の空間周波数特性の高周波成分を抑制するように調節する第２のプロセスを省き、物体像を光電変換する第３のプロセスだけで、折り返し歪みが目立たない良質な画像を得ることが可能である。図１６〜図２２までは、これらを説明するための特性図である。
【００６９】
まず、図１６は、本実施形態における撮像素子の画素１１０ｇについての水平方向の空間周波数成分に対するＭＴＦの特性図である。また、図１７は、通常型の矩形開口を有する画素のＭＴＦの特性図である。いずれも１画素の大きさを□３μｍとし、マイクロレンズ２は１画素分の大きさを有していることとした。さらに、本実施形態の画素は、隣接画素の中央部にまで伸びた開口を有している。
【００７０】
図９に示した矩形開口画素のレスポンスについては、以下に示す式（３）のような簡単なＳＩＮＣ関数で表すことができる。ここで、Ｒ_３（ｕ）はレスポンス、ｄは撮像素子の受光開口の幅である。
【００７１】
【数３】

【００７２】
式（３）の最初のゼロ点（カットオフ周波数）は、ｕ＝１／ｄの位置である。すなわち、受光開口の幅に一致した波長においてレスポンスがゼロになる。受光開口が隙間なく敷きつめられた撮像素子においては、受光開口の幅が画素ピッチと一致するので、ナイキスト周波数ｕ＝ｄ／２における式（３）のレスポンス値は０．６３６であってかなり高い。したがって、従来の矩形開口画素には図１８に示したＭＴＦ特性の光学ローパスフィルタを併せて使用する必要がある。ここでは、デジタルスティルカメラのように静止画の鑑賞を前提とする場合に、ナイキスト周波数を超える高周波がゼロではなく多少残っていても、ナイキスト周波数をやや下回る周波数におけるレスポンスが高い方が解像感のある画像となりやすいことを考慮してある。
【００７３】
これに対して、本実施形態における画素１００ｇは図１５に示したような菱形状の開口に起因して、高周波側までレスポンスが伸びる。これは式（３）でＭＴＦ特性を表せる無限に細い短冊状の矩形開口が集まったと考えれば良い。短冊状の矩形開口全体を積分した結果は図１６のようになって、画素ピッチを３μｍとしたときのナイキスト周波数１６７本／ｍｍにおいては、画素１００ｇの方がかなり低いレスポンスを有していることが分かる。
【００７４】
次に、図１９はＦナンバーを４．０、物体像の波長を５５０ｎｍと仮定したときの無収差レンズのＭＴＦ特性である。幾何光学的に収差がない理想レンズでは、そのＭＴＦは光の回折によって決定される。回折限界ＭＴＦは、Ｆナンバーによって決まり、以下の式（４）で表される。ここで、ｕは光学像の空間周波数、Ｆは光学系のＦナンバー、λは光学像の波長である。
【００７５】
【数４】

【００７６】
この結像レンズのカットオフ周波数は４５５本／ｍｍである。
さて、これにより物体像を光学装置によって形成する第１のプロセス、（物体像の空間周波数特性の高周波成分を抑制するように調節する第２のプロセス、）空間周波数特性が調節された物体像を光電変換する第３のプロセスの総合ＭＴＦを知る上での材料が揃ったことになる。
【００７７】
図２０は、画素１００ｇを用いたときの結像レンズと撮像素子の画素における総合ＭＴＦの特性図である。一方、図２１は、従来の画素を用いたときの結像レンズと光学ローパスフィルタと撮像素子の画素における総合ＭＴＦの特性図である。両者はナイキスト周波数１６７本／ｍｍにおいて、ほぼ同等のレスポンスを有し、全体としてよく似た特性となっている。また、従来の画素において、光学ローパスフィルタを用いないと、図２２に示すようにナイキスト周波数でのレスポンスが高くなりすぎてしまう。このように、画素１００ｇを用いれば、光学ローパスフィルタを省略できることが分かる。
【００７８】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態における撮像装置を図２３〜図２５を用いて説明する。
図２３は、第２の実施形態の撮像装置における撮像素子の概略断面図である。なお、第１の実施形態の撮像素子と同一の機能を果たすものには、同一番号を付することとする。第１の実施形態における撮像素子のダイクロイック膜４（４ｔ，４ｇ）が四角錐の形状で形成されているのに対して、本実施形態の撮像素子は、ダイクロイック膜４（４ｔ，４ｇ）が平面で形成されている点で異なる。また、本実施形態の撮像素子内の光線は、図２４および図２５に示すような挙動になる。
【００７９】
図２４は、図６の場合と同様に、緑色光を受光する画素２００ｇに入射してダイクロイック膜４ｇによって反射された光線、すなわち青色光と赤色光を含む光線のみの挙動を示している。画素の大きさに対して十分に遠い位置にある結像レンズの瞳から出た光線は、赤外線カットフィルタを通過して物体光１２０のような光束となる。
【００８０】
本図の上方からの物体光１２０は、マイクロレンズ２へ入射して集光作用を受ける。そして、第１の屈折率層５，第２の屈折率層６と順に入射されて、ダイクロイック膜４ｇへと到達する。ここで、緑色以外の光線は、ダイクロイック膜４ｇの特性により反射作用を受けて、ダイクロイック膜４ｇが第１の実施形態とは異ななる平面で形成されているため、反射光線はほぼ入射方向に向かって進行することになる。そして、第２の屈折率層６と第１の屈折率層５との界面５１ｇにおいて、臨界角以上の光線は全反射作用を受ける。この界面は、四角錐の形状となっているため、反射光線は光軸に対してほぼ垂直な方向へと進行する。そして、隣接画素２００ｒ，２０１ｒの第２の屈折率層６と第１の屈折率層５との界面５０ｒおよび５１ｒでは、もう一度、全反射作用を受ける。
【００８１】
このようにして、反射により下方向に向いた光線は、赤色光を受光する画素２００ｒおよび２０１ｒに向かって進行する。さらに、ダイクロイック膜４ｒを透過した光線は、高屈折率部７へ進行する。続いて、高屈折率部７から低屈折率部８へ進行しようとするが、前述したように、高屈折率部７は低屈折率部８よりも高屈折率であるため、臨界角以上の光線は界面で全反射をする。
【００８２】
また、高屈折率部７と低屈折率部８との界面は、高屈折率部７の入射部が広がったテーパ形状をしているために、入射光線を取り込む間口が広くなり、高屈折率部７に多くの光線を取り込むことができるようになっている。さらに、光電変換部３近傍の高屈折率部７と低屈折率部８との界面は、光軸方向に略平行な２面で形成されているために、一度目の全反射によって光電変換部３に入射できなかった光線は、再び反対側の界面で全反射して、最終的にはすべての光線が光電変換部３へと入射することになる。
【００８３】
図２５は、ダイクロイック膜４において透過作用を受ける光線の挙動を示している。本図上方からの光線は、マイクロレンズ２へ入射して集光作用を受ける。続いて、マイクロレンズ２で集光された光線は、第１の屈折率層５，第２の屈折率層６と順に入射してダイクロイック膜４ｇへと到達する。そして、ダイクロイック膜４に到達した光線は、所定の波長の光線のみ（ここでは緑色の光線）が選択的に透過されて高屈折率部７へと進行し、高屈折率部７と低屈折率部８との界面で全反射作用を繰り返すことによって、光電変換部３へと導かれる。ここで、高屈折率部７と低屈折率部８との界面は、高屈折率部７の入射部が広がったテーパ形状をしているため、透過光線においても十分な光量を光電変換部３に導くことができる。
【００８４】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態における撮像装置を図２６〜図２８を用いて説明する。なお、第１及び第２の実施形態の撮像装置における撮像素子と同一の機能を果たすものには、同一番号を付することとする。本実施形態の撮像素子内の横方向の光線（透過光線、反射光線）は、第２の実施形態で説明した図２４および図２５に示すものと同様の挙動となる。
【００８５】
図２６は、第３の実施形態の撮像装置における撮像素子の概略構成図である。本実施形態の撮像素子は、第２の実施形態における撮像素子のダイクロイック膜４（４ｔ，４ｇ）での反射光線が縦方向、横方向ともに同様な挙動を示すのに対して、縦方向に隣接する画素には反射光線が入射しない構成となっている。図２７に、本実施形態の撮像装置における撮像素子の画素の光線取り込み範囲を示した概略図を示す。
【００８６】
図２７において、緑色光を受光する画素９１に着目してみると、隣接画素の９２１ａ，９２１ｂの部分からの反射光線を受け取ることにより、本実施形態における撮像素子の画素開口部は、本来の画素開口９１よりも大きくなる。これにより、隣接する画素からの緑色光の入射を含めた実質的な受光開口は図２８に示すようなものとなる。これから分かるように、本実施形態の撮像素子においても第２の実施形態と同様に２倍の画素開口となる。Ｂ画素、Ｒ画素についても隣接画素からの各色光の入射により、実効的な受光開口は図２８と同様の形状となる。従って、全ての画素について考えると、実効的に互いにオーバーラップした受光開口を有することが分かる。
【００８７】
第２の実施形態における撮像素子は、隣接する上下の画素からの光線も入射するため、縦横の２方向に対してローパス効果が期待できるが、本実施形態の撮像素子においては、横方向のみローパス効果が期待できる。従って、本実施形態では、縦方向には別途にローパスフィルタを設ける必要がある。ただし、図２４に示した全反射作用を受ける界面５１ｇの形状は、本実施形態の撮像素子では、その形状を単純にすることができるため、製造しやすく、また、製造コストを抑えることが期待できる。
【００８８】
また、図２４および図２５から分かるように、マイクロレンズ２からの光線が最初にダイクロイック膜４ｇに入射する時の入射角度と、ダイクロイック膜４ｇで反射して隣接する画素２００ｒ，２０１ｒのダイクロイック膜４ｒに入射する時の入射角度とが大きく変化しない。従って、入射角によってダイクロイック膜４を透過する波長の変化の割合を小さくできるため、色変化を少なくできるという利点もある。
【００８９】
次に、各画素の受光効率について説明する。
まず、Ｇ画素内に隣接画素からの反射光が入射してくる場合について考えると、画素配列がベイヤー配列であることから隣接画素は、Ｒ画素あるいはＢ画素が２個ずつである。このことから、隣接画素からこのＧ画素へ入射する光線は、Ｂ画素が隣接する場合には｛（青色の反射）×１／２×２｝、Ｒ画素が隣接する場合は｛（赤色の反射）×１／４×２｝となる。もともとＧ画素が受光する光線量は、透過率曲線の積分量であるためにこれを１とすると、図１２の大きさ（赤色画素から反射するもの）は０．７４、図１３の大きさ（青色画素から反射するもの）は０．８５となり、透過する光線だけを取り込む場合に対して、それぞれ１．８５倍、１，７４倍となることが分かる。
【００９０】
続いて、Ｂ画素内に隣接画素からの反射光が入射してくる場合について考えると、隣接画素はＧ画素が２個である。Ｂ画素の透過率曲線の積分量を１とすると、図１０の積分量は０．８４となる。また、隣接画素より受け取る光線は｛（緑色の反射）×１／２×２｝であるから合計は０．８４となり、もともとの透過量に対して１．８４倍となることが分かる。
【００９１】
最後に、Ｒ画素内に隣接画素からの反射光が入射してくる場合について考えると、隣接画素はＢ画素と同じくＧ画素が２個である。Ｒ画素の透過率曲線の積分量を１とすると、図１１の積分量は０．６７となる。隣接画素より受け取る光線は｛（緑色の反射）×１／２×２｝であるから合計は０．６７となり、もともとの透過量に対して１．６７倍となることが分かる。
【００９２】
本発明の諸実施形態によれば、ダイクロイック膜４ｇで反射させた光線を隣接する画素のダイクロイック膜４ｒに導入するようにしたので、構造を複雑化・微細化することなく、入射光の利用効率を向上させた撮像素子を備えた撮像装置を実現することができる。
【００９３】
また、第１の屈折率層５と第２の屈折率層６との界面を光軸から周辺部に向かって傾斜面を有する形状としたので、ダイクロイック膜４ｇで反射させた光線を隣接画素に入射させることができる。さらに、第１の屈折率層５を高屈折率層、第２の屈折率層６を低屈折率層で構成することにより、ダイクロイック膜４ｇで反射された光線を第１の屈折率層５と第２の屈折率層６との界面で全反射しやすくすることができる。
【００９４】
また、ダイクロイック膜４と光電変換部３との間に、それぞれに接して設けられた高屈折率部７と、その周囲に当該高屈折率部７よりも低屈折率である低屈折率部８とを更に有するようにしたので、ダイクロイック膜４を透過して高屈折率部７に入射した光線を低屈折率部８との界面で全反射しやすくすることができ、ダイクロイック膜４から光電変換部３に至るまでの導光路の役割を果たさせることができる。
【００９５】
また、第１の屈折率層５と第２の屈折率層６との界面を光電変換部３側に凸の四角錐の形状で形成するようにしたので、ダイクロイック膜４で反射させた光線を隣接画素に入射させることができる。また、第２の屈折率層６とダイクロイック膜４との界面をマイクロレンズ２側に凸の四角錐の形状で形成するようにしたので、ダイクロイック膜４で反射させる光線を特定の方向に効率良く反射させることができる。さらに、ダイクロイック膜４がマイクロレンズ２で集光された光線のうち、所定の波長の光線を選択的に透過するとともに他の波長の光線を反射するようにすることで、光線を効率良く波長分離することができる。
【００９６】
本発明の実施態様の例を以下に列挙する。
【００９７】
［実施態様１］ 画素がマトリクス状に配設された撮像素子を備える撮像装置であって、
前記画素は、外部から入射した光線を集光する集光手段と、
前記集光手段で集光された光線のうち、所定の波長の光線を選択的に透過するとともに他の波長の光線を反射する波長選択手段と、
前記波長選択手段で反射させた光線を隣接する画素に対応する前期波長選択手段に導入する反射光線導入手段と、
前記波長選択手段で透過させた光線を電気信号に変換する光電変換手段とを有することを特徴とする撮像装置。
【００９８】
［実施態様２］ 前記反射光線導入手段は、前記集光手段と接する第１の屈折率層と、当該第１の屈折率層と前記波長選択手段との間に設けられ、前記第１の屈折率層よりも高屈折率を有する第２の屈折率層とを備えていることを特徴とする実施態様１に記載の撮像装置。
【００９９】
［実施態様３］ 前記第１の屈折率層と前記第２の屈折率層との界面が光軸から周辺部に向かって傾斜面を有することを特徴とする実施態様２に撮像装置。
【０１００】
［実施態様４］ 前記波長選択手段と光電変換手段との間には、それぞれに接して設けられた高屈折率部と、当該高屈折率部の周囲に設けられ、当該高屈折率部よりも低屈折率である低屈折率部とを更に有することを特徴とする実施態様１〜３のいずれか１項に記載の撮像装置。
【０１０１】
［実施態様５］ 前記第２の屈折率層と前記波長選択手段との界面が光軸から周辺部に向かって傾斜面を有することを特徴とする実施態様２〜４のいずれか１項に記載の撮像装置。
【０１０２】
［実施態様６］ 前記第１の屈折率層と前記第２の屈折率層との界面は、前記光電変換手段側に凸の四角錐の形状を有していることを特徴とする実施態様２〜５のいずれか１項に記載の撮像装置。
【０１０３】
［実施態様７］ 前記第２の屈折率層と前記波長選択手段との界面は、前記集光手段側に凸の四角錐の形状を有していることを特徴とする実施態様２〜５のいずれか１項に記載の撮像装置。
【０１０４】
［実施態様８］ 前記波長選択手段がダイクロイック膜であることを特徴とする実施態様１〜７のいずれか１項に記載の撮像装置。
【０１０５】
【発明の効果】
本発明によれば、波長選択手段で反射させた光線を隣接する画素の波長選択手段に導入するようにしたので、構造を複雑化・微細化することなく、入射光の利用効率を向上させた撮像素子を備えた撮像装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の撮像装置における撮像素子の概略断面図である。
【図２】第１の実施形態の撮像装置における撮像素子を斜め上面から見た斜視図である。
【図３】第１の実施形態の撮像装置における撮像素子の断面斜視図である。
【図４】撮像素子のダイクロイック膜の層構成を示す図である。
【図５】ダイクロイック膜の透過特性図である。
【図６】第１の実施形態の撮像装置における撮像素子の反射光の光線トレース図である。
【図７】第１の実施形態の撮像装置における撮像素子の透過光の光線トレース図である。
【図８】ダイクロイック膜の各色の透過特性図である。
【図９】撮像素子のＲＧＢ画素の配置図である。
【図１０】緑色光の透過用ダイクロイック膜で反射し、青色光の透過用ダイクロイック膜で透過した時の特性図である。
【図１１】緑色光の透過用ダイクロイック膜で反射し、赤色光の透過用ダイクロイック膜で透過した時の特性図である。
【図１２】赤色光の透過用ダイクロイック膜で反射し、緑色光の透過用ダイクロイック膜で透過した時の特性図である。
【図１３】青色光の透過用ダイクロイック膜で反射し、緑色光の透過用ダイクロイック膜で透過した時の特性図である。
【図１４】緑色用画素における光線取り込み範囲を示した概略図である。
【図１５】緑色用画素における光線取り込み範囲を示した概略図である。
【図１６】緑色用画素の水平方向の空間周波数成分に対するＭＴＦの特性図である。
【図１７】矩形開口を有する画素のＭＴＦの特性図である。
【図１８】光学ローパスフィルタのＭＴＦを示す図である。
【図１９】Ｆナンバーを４．０，物体像の波長を５５０ｎｍと仮定したときの無収差レンズのＭＴＦの特性図である。
【図２０】緑色用画素を用いたときの結像レンズと撮像素子の画素における総合ＭＴＦの特性図である。
【図２１】従来の画素を用いたときの結像レンズと光学ローパスフィルタと撮像素子の画素における総合ＭＴＦの特性図である。
【図２２】従来の画素で光学ローパスフィルタを用いないときの総合ＭＴＦの特性図である。
【図２３】第２の実施形態の撮像装置における撮像素子の概略断面図である。
【図２４】第２の実施形態の撮像装置における撮像素子の反射光の光線トレース図である。
【図２５】第２の実施形態の撮像装置における撮像素子の透過光の光線トレース図である。
【図２６】第３の実施形態の撮像装置における撮像素子の概略構成図である。
【図２７】第３の実施形態の撮像装置における撮像素子の画素の光線取り込み範囲を示した概略図である。
【図２８】第３の実施形態の撮像装置における撮像素子の画素の光線取り込み範囲を示した概略図である。
【図２９】従来の撮像装置における撮像素子の画素の概略断面図である。
【図３０】従来の撮像装置における撮像素子の概略平面図である。
【図３１】従来の撮像装置における撮像素子の概略構成図である。
【図３２】カラーフィルタの特性図である。
【符号の説明】
１ シリコンウェハ
２ マイクロレンズ
３ 光電変換部
４ 波長選択部
４ｇ 緑色透過用波長選択部
４ｒ 赤色透過用波長選択部
５ 第１の屈折率層
５０ｇ，５１ｇ，５０ｒ，５１ｒ テーパ面
６ 第２の屈折率層
７ 光屈折率部
７１ テーパ面
８ 低屈折率部
１０ Ｐｏｌｙ配線層
１１ ＡＬ１配線層
１２ ＡＬ２配線層
１３ ＡＬ３配線層
１４ 平坦化層
１５ 屈折層
１６ キャップ層
１７ マイクロレンズ支持層
１８ 低屈折率層
４１ カラーフィルタ
４１ｇ 緑色カラーフィルタ
４１ｒ 赤色カラーフィルタ
６１ 撮像素子（従来）
６１ｍｎｒ 赤色用画素
６１ｍｎｇ，６１ｍｎｇ２ 緑色用画素
６１ｍｎｂ 青色用画素
９１ 有効画素開口
９２ 有効画素開口（反射光分）
１００ 撮像素子
１００ｇ，２００ｇ 緑色用画素
１００ｒ，１０１ｒ，２００ｒ，２０１ｒ 赤色用画素
１１０，１２０ 物体光[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an imaging device that captures a subject image, and is particularly suitable for an imaging device that can improve the efficiency of use of incident light.
[0002]
[Prior art]
FIG. 29 shows the internal structure of a conventional imaging device that forms a general color image. FIG. 29 is a central cross-sectional view of a pixel constituting the image sensor. Reference numeral 2 denotes a microlens that collects light from the outside and serves to improve the efficiency of capturing the light, 41 denotes a color filter that separates the light collected by the microlens 2 into wavelengths, and 3 denotes a light that passes through the color filter 41. Is a photoelectric conversion unit that converts a signal into an electric signal. Here, the color filter 41 is configured by any one of R (red), G (green), and B (blue) primary color filters. In the figure, 41R indicates a red color filter, and 41G indicates a green color filter. Further, as the color filter 41, there is a complementary color filter using three colors of C (cyan), M (magenta) and Y (yellow).
[0003]
Further, in the image sensor 61 shown in FIG. 30, the pixels shown in FIG. 29 are arranged in a mosaic pattern, and output signals from each pixel are processed to obtain luminance information and color information corresponding to the number of pixels. An imaging technique for generating an image is widely used. Here, the color filter array in the image sensor 61 often employs a configuration called a Bayer array as illustrated. In FIG. 30, 61 mng indicates a first green pixel, 61 mnb indicates a blue pixel, 61 mnr indicates a red pixel, and 61 mng2 indicates a second green pixel. In addition, m indicates the array number of the pixel in the horizontal direction, and n indicates the array number of the pixel in the vertical direction. By arranging these pixels regularly as shown in the figure, one image sensor 61 is formed.
[0004]
In the pixel array shown in FIG. 30, the green pixel has twice the number of pixels as the blue and red pixels. Basically, a color image can be generated if the same number of three colors is provided, but the image quality can be improved by increasing the number of green pixels having relatively high visibility.
[0005]
As a method for obtaining another color image, a method using a beam splitter for color separation as shown in FIG. 31 has been proposed. In this method, an object image is previously separated into three colors by using three prisms 302, 303, 304 and dichroic films 305a, 305b, and an image is formed by using single-color imaging elements 301a, 301b, 301c corresponding to each color. It is intended to be caught and is called a three-plate system. The dichroic film 305a has a characteristic of reflecting green light and transmitting the other light, and separates a green object image from the green image sensor 301a. Further, the dichroic film 305b has a characteristic of reflecting blue light and transmitting the other light, and captures blue light of the light (blue light + red light) transmitted through the dichroic film 305a for blue light. The separated red light is guided to the red image sensor 301b.
[0006]
[Patent Document 1]
JP 08-182006 A
[Patent Document 2]
JP 2000-066141 A
[Patent Document 3]
JP 2001-078213 A
[Patent Document 4]
Japanese Patent Publication No. 01-014749
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described conventional example has the following problems.
Considering the light use efficiency, for example, in a CCD image pickup device in which pixels with primary color filters, which are considered to have good color reproducibility, are arranged in a mosaic pattern, the R (red) G (green) B (blue) optical filter 41 is used. Are arranged one by one between the microlens 2 and the photoelectric conversion unit 3, but only red light is photoelectrically converted in a pixel having a red optical filter, and blue light and green light are It is absorbed by the filter and becomes heat. Similarly, in a pixel provided with a green optical filter, blue light and red light are not photoelectrically converted but are absorbed by the optical filter and become heat, and in a pixel provided with a blue optical filter, green light is similarly emitted. The light and the red light are not photoelectrically converted but are absorbed by the optical filter and become heat.
[0008]
That is, in each pixel of the conventional color image sensor, only the light transmitted through a predetermined optical filter out of the incident light flux is photoelectrically converted and output as an electric signal. However, there is a problem that the incident light beam cannot be used effectively.
[0009]
FIG. 32 is a characteristic diagram showing the spectral transmittance of the RGB color filters 41 in the image sensor 61. Here, since the transmittance of infrared rays is high, an infrared cut filter that cuts off a wavelength of 650 nm or more is further superposed between the image sensor 61 and the photographing lens. As can be seen from this characteristic diagram, only about 1/3 of the visible light is effectively used in one pixel of the image sensor 61.
[0010]
Considering the usage efficiency for each of the RGB colors in more detail, for example, the RGB pixel area ratio of the color image sensor in the Bayer array shown in FIG. 30 is 1/4 when the area of one unit constituting the regular array is 1. : 2/4: 1/4, the utilization ratio of green light when the total amount of light is 1 is 1/3 × 2/4 = 1 as the product of the wavelength selectivity term and the area ratio term. / 6, and the ratio of red light and blue light is ３ × １ ／ = 1/12. When these are summed up, 1/6 + 1/12 + 1/12 = 1/3, and the utilization efficiency is also 1/3. Conversely, when the total amount of light is 1, ×× ２ =＝ for green light, and ×× ＝= １ ／ for red light and blue light are not effectively used. Will be.
[0011]
In the above, an image sensor using a primary color filter has been described. However, in an image sensor using a complementary color filter, about one third of visible light is not photoelectrically converted and is not effectively used. Become. As described above, in either of the primary color system or the complementary color system, the conventional single-plate image sensor cannot improve the use efficiency of the incident light due to the division of the imaging surface by the color filter. .
[0012]
On the other hand, Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-182006 discloses a structure of an imaging device in which such a waste of light amount is omitted. Specifically, a prism is arranged for each spatial pixel, and the object light color-separated by the prism is received by three RGB color pixels. However, the color pixels are only about 1/3 the size of the spatial pixels, and there is a limit to fabricating an imaging device with a small pixel pitch because it is necessary to fabricate the color pixels extremely finely.
[0013]
In general, as an imaging method for obtaining good image characteristics, a first process of forming an object image by an optical device, and a second process of adjusting so as to suppress a high-frequency component of a spatial frequency characteristic of the object image are provided. , A third process of photoelectrically converting the object image whose spatial frequency characteristics have been adjusted, and a fourth process of correcting the response of the obtained electric signal according to the spatial frequency. At this time, since the optical image is sampled by an image sensor having a finite number of pixels, in order to obtain a high-quality image output, the spatial frequency characteristics of the optical image must be equal to or higher than the Nyquist frequency inherent to the image sensor according to the sampling theorem. It is necessary to reduce the ingredients. Here, the Nyquist frequency is a half of the sampling frequency determined by the pixel pitch. Therefore, a series of optimized processes adjusts the optical image to be sampled to an optical image having characteristics according to the Nyquist frequency inherent to the image sensor, so that aliasing distortion is inconspicuous, that is, a high-quality image in which moiré is inconspicuous. Is what you get.
[0014]
An MTF (Modulation Transfer Function), which is a spatial frequency transfer characteristic of an image, is an evaluation amount that can well express characteristics related to sharpness of a digital still camera, a video camera, and the like. Specific factors affecting the MTF include an imaging optical system which is an optical device, an optical low-pass filter for band-limiting an object image, an aperture shape of a photoelectric conversion region of an image sensor, digital aperture correction, and the like. Is given as the product of the MTFs of the elements. That is, the MTFs of the above-described first to fourth processes may be obtained, and their products may be calculated. However, since the digital filter processing as the fourth process is performed on the image output already sampled by the image sensor, it is not necessary to consider a high frequency exceeding the Nyquist frequency.
[0015]
Therefore, the configuration in which the spatial frequency characteristic of the optical image has less components equal to or higher than the Nyquist frequency specific to the imaging device means that the MTF in the first process, the MTF in the second process, and the third process, except for the fourth process. In the product of MTF in the above, the component above the Nyquist frequency is small. Here, when viewing still images as in a digital still camera, the higher the frequency at a frequency slightly lower than the Nyquist frequency, the higher the resolution at a frequency slightly lower than the Nyquist frequency. It is necessary to take into account that the image tends to have a sense of quality.
[0016]
In the formation of an object image by the imaging optical system, which is the first process, optical aberrations are generally easier to correct at the center of the screen than at the periphery. In order to obtain a good image at the periphery of the screen, it is necessary to obtain extremely good characteristics near the diffraction limit MTF determined by the F number of the imaging lens at the center of the screen. In recent years, as the number of pixels of an image sensor has been reduced, the necessity has been increasing. Therefore, the MTF should be considered assuming that the imaging optical system is an ideal lens having no aberration.
[0017]
Further, in an image sensor in which the light receiving openings having the width d are laid without gaps, the response value of the third process at the Nyquist frequency u = d / 2 is considerably high because the width of the light receiving openings matches the pixel pitch. For this reason, it is common to trap near the Nyquist frequency in the second process to lower the overall MTF near the Nyquist frequency.
[0018]
In the second process, an optical low-pass filter is usually used. For the optical low-pass filter, a material having birefringence characteristics, such as quartz, is used. Further, a phase type diffraction grating as disclosed in JP-A-2000-066141 may be used.
[0019]
If a birefringent plate is interposed in the optical path of the optical device and its optical axis is inclined so as to be parallel to the horizontal direction of the imaging plane, the object image due to the ordinary ray and the object image due to the extraordinary ray will be horizontally shifted by a predetermined amount. Is formed. Trapping a specific spatial frequency with a birefringent plate means shifting the bright and dark portions of the spatial frequency stripe so that they overlap. The MTF by the optical low-pass filter is expressed by the following equation (1). Where R ₂ (U) is the response, u is the spatial frequency of the optical image, and ω is the object image separation width.
[0020]
(Equation 1)

[0021]
By appropriately selecting the thickness of the birefringent plate, it is possible to make the response zero at the Nyquist frequency of the image sensor. When a diffraction grating is used, the same effect can be obtained by separating an optical image into a plurality of images having a predetermined positional relationship by diffraction and superimposing the images.
[0022]
However, in order to fabricate a birefringent plate, it is necessary to grow a crystal such as quartz or lithium niobate and then to polish it thinly, so that there is a problem that the structure becomes complicated and extremely expensive. In addition, even a diffraction grating requires a highly precise fine structure, which is also expensive.
[0023]
On the other hand, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-078213 discloses that an MTF of a pixel having a frequency equal to or higher than the Nyquist frequency is obtained by using a compound eye lens to increase the effective light receiving aperture larger than the pixel pitch while using a single-panel imaging system. The technology which suppresses is disclosed. However, there is a shift in the image position depending on the object distance due to the compound eye, and so-called registration deviation occurs in which the sampling pitch of the object image becomes uneven at intervals other than the reference object distance. . Therefore, a predetermined image performance cannot be obtained under any object conditions.
[0024]
Furthermore, as disclosed in Japanese Patent Publication No. 01-014749, an attempt has been made to suppress the response to a high spatial frequency by forming the photoelectric conversion region of a pixel into a complicated shape in relation to an adjacent pixel. ing. However, the problem that the shape of the pixel becomes complicated, the problem that an extremely fine structure is required, and the fact that each pixel divides a plane causes the object image projected on the pixel to follow the dividing line. For example, in the case of having an oblique line, there is a problem that it is difficult to obtain the effect of improving the use efficiency of the incident light beam.
[0025]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and has as its object to realize an image pickup apparatus including an image pickup element with improved utilization efficiency of incident light without complicating or miniaturizing the structure. .
[0026]
[Means for Solving the Problems]
An image pickup apparatus according to the present invention is an image pickup apparatus including an image pickup device in which pixels are arranged in a matrix, wherein the pixels collect light by a light converging from outside and collect light by the light condensing means. Among the emitted light beams, a wavelength selecting unit that selectively transmits a light beam of a predetermined wavelength and reflects a light beam of another wavelength, and a light beam reflected by the wavelength selecting unit, the wavelength corresponding to an adjacent pixel. A reflected light introducing means for introducing the light into the selecting means and a photoelectric converting means for converting the light transmitted through the wavelength selecting means into an electric signal are provided.
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, an embodiment of an imaging device of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0028]
(1st Embodiment)
An imaging device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an imaging device in the imaging device according to the first embodiment. 1 is a silicon substrate, 2 is a microlens for condensing a light beam from the outside, 3 is a photoelectric conversion unit for converting a received photon into an electric charge, and 4 (4r, 4g) is a dichroic which is a wavelength selection unit for wavelength-separating the light beam. The film 5 is a first refractive index layer in contact with the microlens 2, 6 is a second refractive index layer having a higher refractive index than the first refractive index layer 5, and 7 is a dichroic film 4 (4r, 4g). A high-refractive-index portion provided between and in contact with the photoelectric conversion portion 3, a low-refractive-index portion 8 provided around the high-refractive-index portion 7, and 10 controls the charge of the photoelectric conversion portion 3. Poly wiring layer serving as a gate, 11 to 13 are wiring layers made of metal such as aluminum, 11 is an AL1 wiring layer serving as a connection between respective parts and an output line, 12 is a well power supply line and a control line. AL2 wiring layer that plays the role of 1 Is a role AL3 wiring layer of the light-shielding and the power line.
[0029]
FIG. 2 is a perspective view of the image sensor viewed from an oblique upper surface. FIG. 2 shows a schematic diagram in which only nine of a large number of image pickup devices are taken out. FIG. 3 is a cross-sectional view of the structure from the microlens 2 and the dichroic film 4 to the AL3 wiring layer 13 at the center of FIG.
[0030]
In FIG. 1, the microlens 2 has an upwardly convex spherical shape and has a positive lens power. Therefore, the microlens 2 has a function of condensing the light beam that has reached the microlens 2 on the photoelectric conversion unit 3. Thereby, more light rays can be taken into the photoelectric conversion unit 3, so that the sensitivity of the imaging device can be improved.
[0031]
The first refractive index layer 5 is formed of a material having a low refractive index, for example, magnesium fluoride (MgF) having a refractive index of 1.38. ₂ ) Can be used. The second refractive index layer 6 sandwiched between the first refractive index layer 5 and the dichroic film 4 is formed of a material having a high refractive index, for example, titanium dioxide (TiO.sub.2) having a refractive index of 2.5. ₂ ) Can be used. With such a configuration, light traveling from the second refractive index layer 6 to the first refractive index layer 5 at the interface between the first refractive index layer 5 and the second refractive index layer 6 is totally reflected. Will be easier to do.
[0032]
The high refractive index portion 7 is formed of a material having a high refractive index such as titanium dioxide, and the low refractive index portion 8 is formed of silicon dioxide (SiO.sub.2) having a refractive index of 1.46. ₂ ) And magnesium fluoride. With this configuration, it is possible to make the light incident on the high-refractive-index portion 7 totally reflected at the interface with the low-refractive-index portion 8, and a light guide path from the dichroic film 4 to the photoelectric conversion portion 3. Can play a role.
[0033]
Generally, the dichroic film 4 has a thickness of an integral multiple of 1/4 of the wavelength λ of interest, and is formed by alternately laminating a high-refractive-index material and a low-refractive-index material. . With the dichroic film 4 configured as described above, the wavelength of the transmitted light can be selected. Here, FIG. 4 shows a configuration example of the dichroic film 4 of the image sensor. The dichroic film 4 according to the present embodiment is formed with titanium oxide as a material having a high refractive index and silicon dioxide as a material having a low refractive index, and has a film thickness and the number of layers as shown in FIG.
[0034]
FIG. 5 shows the transmission characteristics of the dichroic film 4. As can be seen from the characteristic diagram of FIG. 5, the dichroic film 4 has characteristics similar to those of the conventional color filter using a dye shown in FIG. Therefore, even when the dichroic film 4 having this configuration is used, characteristics close to those of a conventional image sensor can be obtained. These laminated films can be easily manufactured by using PVD (Physical Vapor Deposition).
[0035]
Next, the behavior of the light beam condensed by the microlens 2 will be described with reference to FIGS. FIG. 6 shows the behavior of only the light beam that enters the pixel 100g that receives green light and is reflected by the dichroic film 4g, that is, the light beam that includes blue light and red light.
[0036]
A light ray from the pupil of the imaging lens located far enough from the size of the pixel passes through the infrared cut filter and becomes a light beam like the object light 110. The object light 110 is incident on the microlens 2 and receives a light condensing action. Then, the light is sequentially incident on the first refractive index layer 5 and the second refractive index layer 6 and reaches the dichroic film 4g. Here, due to the characteristics of the dichroic film 4g, light rays other than green light are reflected and travel in the direction of the first refractive index layer 5, but the dichroic film 4g is formed in the shape of a quadrangular pyramid. Therefore, the reflected light beam changes its direction from its center to the outside and travels.
[0037]
As described above, since the second refractive index layer 6 has a higher refractive index than the first refractive index layer 5, a light beam having a critical angle or more undergoes total reflection at the interface. The light beam totally reflected at the interface advances toward the dichroic film 4r of the pixels 100r and 101r that receive the red light, which is an adjacent pixel. Here, the interface between the first refractive index layer 5 and the second refractive index layer 6 also has a quadrangular pyramid shape. The light reflected by the interface travels at an angle nearly parallel to the optical axis.
[0038]
The dichroic films 4r of the pixels 100r and 101r have a characteristic of transmitting red light and reflecting green light and blue light. Therefore, only the red light among the light rays reflected from the pixel 100g is transmitted, and the blue light is further reflected by the dichroic film 4r. FIG. 6 does not show the blue light that undergoes the reflection action. The dichroic film 4r that transmits the reflected light of red light has a small area that can be transmitted by the thickness of the dichroic film. However, the area of the light incident on the dichroic film 4g (the area of the reflected light) ) Is smaller than the opening area of the microlens 2. Therefore, this reflected light can reduce vignetting in the dichroic film 4r.
[0039]
The light transmitted through the dichroic film 4r tends to travel from the high refractive index portion 7 to the low refractive index portion 8, which also has a higher refractive index than the low refractive index portion 8 as described above. For this reason, light rays having a critical angle or more are totally reflected at the interface. Since the interface between the high refractive index portion 7 and the low refractive index portion 8 has a tapered shape with a widened incident portion, a frontage for taking in an incident light beam is widened, so that many light beams can be taken into the high refractive index portion 7. I can do it.
[0040]
Assuming that the incident portion of the high refractive index portion 7 does not have a tapered shape, the light beam located on the lower side of the drawing among the reflected light beams travels from the low refractive index portion 8 to the high refractive index portion 7. Then, since the high refractive index portion 7 has a higher refractive index than the low refractive index portion 8, the light beam is bent upward. Therefore, the light rays that follow such a route are not guided to the photoelectric conversion unit 3 and are lost. Therefore, the incident part of the high refractive index part 7 is formed into a tapered shape, and the light is transmitted from the low refractive index part 8 to the high refractive index part 7. This eliminates the traveling light beam so that reflected light from adjacent pixels can be sufficiently captured.
[0041]
Further, as described above, the interface between the first refractive index layer 5 and the second refractive index layer 6 has a quadrangular pyramid shape, and the reflected light at the interface travels at an angle almost parallel to the optical axis. As a result, it is possible to reduce the number of light rays that cannot be totally reflected by the tapered surface 71 and pass through. Since the interface between the high refractive index portion 7 and the low refractive index portion 8 near the photoelectric conversion portion 3 is formed so as to be substantially parallel to the optical axis direction, the first total reflection causes the photoelectric conversion portion 3 Light rays that could not be incident can be totally reflected again at the interface on the opposite side, and finally all can be incident on the photoelectric conversion unit 3.
[0042]
In the pixel 100g, there is a pixel that receives blue light in a direction perpendicular to the paper surface. In the case of the blue light, similarly to the case of the red light, the behavior of taking in only the blue light out of the light rays reflected by the pixel 100g is shown.
[0043]
Next, FIG. 7 shows the behavior of a light beam that is transmitted through the dichroic film 4, that is, a green light beam.
Light rays from above in the figure enter the microlens 2 and receive a light-condensing action. Then, the light is sequentially incident on the first refractive index layer 5 and the second refractive index layer 6 and reaches the dichroic film 4g. Here, in the dichroic film 4g, only the light of a predetermined wavelength is selectively transmitted, and the light transmitted through the dichroic film 4g proceeds to the high refractive index portion 7, and further the high refractive index portion 7 and the low refractive index. By being subjected to the action of repeating total reflection at the interface with the portion 8, the light is guided to the photoelectric conversion portion 3.
[0044]
The interface between the high-refractive-index portion 7 and the low-refractive-index portion 8 has a tapered shape with a widened incident portion. If the angle of the tapered shape is too tight, total reflection may not occur on the tapered surface 71, and even if total reflection is performed, the light is transmitted without being totally reflected on the opposite surface. In the case of the present embodiment, if the angle is up to about 25 ° from the central axis of the pixel, even the tapered surface 71 can be totally reflected and guided to the photoelectric conversion unit 3. From the above, it is possible to capture a wide range of light rays by setting the taper surface 71 at an appropriate angle.
[0045]
Next, the efficiency of taking in an incident light beam using transmission and reflection of the dichroic film 4 will be considered. For example, in a CCD imaging device in which pixels with primary color filters, which are considered to have good color reproducibility, are arranged in a mosaic pattern, an optical filter of R (red), G (green), and B (blue) has a microlens 2 and a photoelectric conversion region 3. Are placed one by one between.
[0046]
At this time, in the pixel provided with the red optical filter, only the red light is photoelectrically converted, and the blue light and the green light are absorbed by the optical filter and become heat. Similarly, in a pixel provided with a green optical filter, blue light and red light are not photoelectrically converted but are absorbed by the optical filter and become heat, and in a pixel provided with a blue optical filter, green light and red light are similarly provided. The light is absorbed by the optical filter without being photoelectrically converted and becomes heat.
[0047]
That is, in each pixel of the conventional color image sensor, only the light transmitted through a predetermined optical filter out of the incident light flux is photoelectrically converted and output as an electric signal. It is thrown away as such.
[0048]
As described above, FIG. 32 is a characteristic diagram illustrating the spectral transmittance of the RGB color filters in the image sensor. Here, since the transmittance of infrared rays is high, an infrared cut filter that cuts off a wavelength of 650 nm or more is further used between the imaging element and the photographing lens. As can be seen from this characteristic diagram, only about one third of the visible light is effectively used in one pixel of the image sensor.
[0049]
Considering the usage efficiency for each of the RGB colors in more detail, for example, the RGB pixel area ratio of the color image sensor in the Bayer array shown in FIG. 30 is 1/4 when the area of one unit constituting the regular array is 1. : 2/4: 1/4, the utilization ratio of green light when the total amount of light is 1 is 1/3 × 2/4 = 1 as the product of the wavelength selectivity term and the area ratio term. / 6, and the ratio of red light and blue light is ３ × １ ／ = 1/12. When these are summed up, 1/6 + 1/12 + 1/12 = 1/3, and the utilization efficiency is also 1/3. Conversely, when the total amount of light is 1, ×× ２ =＝ for green light, and ×× ＝= １ ／ for red light and blue light are not effectively used. Will be.
[0050]
In the above, an image sensor using a primary color filter has been described. However, in an image sensor using a complementary color filter, about one third of visible light is not photoelectrically converted and is not effectively used. Become. As described above, in either of the primary color system or the complementary color system, the light use efficiency of the conventional single-chip image sensor cannot be improved due to the fact that the imaging surface is divided by the color filters.
[0051]
FIG. 8 simplifies the transmission characteristics of each color of the dichroic film 4. In addition, the reverse of the transmission characteristic diagram shown in this figure is the reflection characteristic. Further, for simplicity of calculation, it is assumed that all rays that do not pass through are reflected, and that all reflected rays reach the adjacent pixels equally. Further, it is assumed that the pixel array has a Bayer array as shown in FIG.
[0052]
In FIG. 8, considering the case where the light reflected by the dichroic film in the green pixel passes through the dichroic film in the blue pixel and is taken into the blue photoelectric conversion unit, as described above, the green transmission characteristics are turned over. Is the reflection characteristic, and the product of this curve and the blue transmission characteristic is obtained. FIG. 10 shows this characteristic. Considering the remaining colors in the same way, FIG. 11 shows a characteristic diagram in the case where the light reflected by the dichroic film in the green pixel passes through the dichroic film in the red pixel and is taken into the red photoelectric conversion unit. FIG. 12 shows a characteristic diagram in the case where the light reflected by the dichroic film in the red pixel passes through the dichroic film in the green pixel and is taken into the green photoelectric conversion unit. FIG. 13 shows a characteristic diagram in the case where the light beam reflected by the dichroic film is transmitted through the dichroic film in the green pixel and taken into the green photoelectric conversion unit.
[0053]
Considering light rays reflected from adjacent pixels in a green pixel, the pixel array is a Bayer array, and there are two red and blue adjacent pixels. Accordingly, the light beam that the green pixel receives from the adjacent pixel is {(blue reflection) × １ ／ × 2 + (red reflection) × １ ／ × 2}. Since the amount of light rays originally received by the green pixel is the integral of the transmittance curve, if the integral is 1, the size in FIG. 12 (reflected from the red pixel) is 0.74, and the size in FIG. The value (reflected from the blue pixel) is 0.85. Therefore, since the total of the reflected light is 0.80, it can be seen that it is 1.80 times as large as the case where only the transmitted light is taken in.
[0054]
Next, considering the light reflected from the adjacent pixel in the blue pixel, the number of the adjacent pixels is four green pixels. Assuming that the integral of the transmittance curve of the blue pixel is 1, the integral of FIG. 10 is 0.84. Also, since the light ray received from the adjacent pixel is {(green reflection) × 1/4 × 4}, the sum is 0.84, which is 1.84 times the original transmission amount.
[0055]
Finally, considering light rays reflected from adjacent pixels in a red pixel, the number of adjacent pixels is four, like the blue pixels. Assuming that the integral of the transmittance curve of the red pixel is 1, the integral of FIG. 11 is 0.67. In addition, since the light beam received from the adjacent pixel is {(green reflection) × 1/4 × 4}, the total is 0.67, which is 1.67 times the original transmission amount.
[0056]
As described above, if adjacent pixels such as the Bayer array are not the same color, by dividing and reflecting unnecessary wavelength components to adjacent pixels using the present embodiment for any pixel, Photoelectric conversion can be performed as an effective wavelength component, and light use efficiency can be greatly improved.
[0057]
Next, a low-pass filter effect as one of the operations according to the present embodiment will be described.
In general, as an imaging method for obtaining good image characteristics, a first process of forming an object image by an optical device, and a second process of adjusting so as to suppress a high-frequency component of a spatial frequency characteristic of the object image are provided. , A third process of photoelectrically converting the object image whose spatial frequency characteristics have been adjusted, and a fourth process of correcting the response of the obtained electric signal according to the spatial frequency. At this time, since the optical image is sampled by an image sensor having a finite number of pixels, in order to obtain a high-quality image output, the spatial frequency characteristics of the optical image must be equal to or higher than the Nyquist frequency inherent to the image sensor according to the sampling theorem. It is necessary to reduce the ingredients. Here, the Nyquist frequency is a half of the sampling frequency determined by the pixel pitch. Therefore, a series of optimized processes adjusts the optical image to be sampled to an optical image having characteristics according to the Nyquist frequency inherent to the image sensor, so that aliasing distortion is inconspicuous, that is, a high-quality image in which moiré is inconspicuous. Is what you get.
[0058]
An MTF (Modulation Transfer Function), which is a spatial frequency transfer characteristic of an image, is an evaluation amount that can well express characteristics related to sharpness of a digital still camera, a video camera, and the like. Specific factors affecting the MTF include an imaging optical system which is an optical device, an optical low-pass filter for band-limiting an object image, an aperture shape of a photoelectric conversion region of an image sensor, digital aperture correction, and the like. Is given as the product of the MTFs of the elements. That is, the MTFs of the above-described first to fourth processes may be obtained, and their products may be calculated. However, since the digital filter processing as the fourth process is performed on the image output already sampled by the image sensor, it is not necessary to consider a high frequency exceeding the Nyquist frequency.
[0059]
Therefore, the configuration in which the spatial frequency characteristic of the optical image has less components equal to or higher than the Nyquist frequency specific to the imaging device means that the MTF in the first process, the MTF in the second process, and the third process, except for the fourth process. In the product of MTF in the above, the component above the Nyquist frequency is small. Here, when viewing still images as in a digital still camera, the higher the frequency at a frequency slightly lower than the Nyquist frequency, the higher the resolution at a frequency slightly lower than the Nyquist frequency. It is necessary to take into account that the image tends to have a sense of quality.
[0060]
In the formation of an object image by the imaging optical system, which is the first process, optical aberrations are generally easier to correct at the center of the screen than at the periphery. In order to obtain a good image at the periphery of the screen, it is necessary to obtain extremely good characteristics near the diffraction limit MTF determined by the F number of the imaging lens at the center of the screen. In recent years, as the number of pixels of an image sensor has been reduced, the necessity has been increasing. Therefore, the MTF should be considered assuming that the imaging optical system is an ideal lens having no aberration.
[0061]
Further, in an image sensor in which the light receiving openings having the width d are laid without gaps, the response value of the third process at the Nyquist frequency u = d / 2 is considerably high because the width of the light receiving openings matches the pixel pitch. For this reason, it is common to trap near the Nyquist frequency in the second process to lower the overall MTF near the Nyquist frequency.
[0062]
In the second process, an optical low-pass filter is usually used. For the optical low-pass filter, a material having birefringence characteristics, such as quartz, is used. Further, a phase type diffraction grating may be used.
[0063]
If a birefringent plate is interposed in the optical path of the optical device and its optical axis is inclined so as to be parallel to the horizontal direction of the imaging plane, the object image due to the ordinary ray and the object image due to the extraordinary ray will be horizontally shifted by a predetermined amount. Is formed. Trapping a specific spatial frequency with a birefringent plate means shifting the bright and dark portions of the spatial frequency stripe so that they overlap. The MTF by the optical low-pass filter is represented by the following equation (2). Where R ₂ (U) is the response, u is the spatial frequency of the optical image, and ω is the object image separation width.
[0064]
(Equation 2)

[0065]
By appropriately selecting the thickness of the birefringent plate, it is possible to make the response zero at the Nyquist frequency of the image sensor. When a diffraction grating is used, the same effect can be obtained by separating an optical image into a plurality of images having a predetermined positional relationship by diffraction and superimposing the images.
[0066]
However, in order to produce a birefringent plate, it is necessary to grow a crystal such as quartz or lithium niobate and then polish it thinly, which is extremely expensive. Further, since a highly precise microstructure is required even for a diffraction grating, it is still expensive.
[0067]
In the image sensor according to the embodiment of the present invention, the substantial light receiving aperture is larger than each pixel. Compared with the conventional image pickup device in the Bayer arrangement shown in FIG. 9 for each of the RGB colors, first, the aperture of the pixel (G pixel) for receiving the conventional green light was the size of the microlens 2. In the image sensor according to the embodiment, as shown in FIG. 14, the portions 92a, 92b, 92c, and 92d can receive the reflected light rays from the adjacent pixels. Thus, the substantial light receiving aperture including the incidence of green light from the adjacent pixels is as shown in FIG. The pixels that receive blue light (B pixels) and the pixels that receive red light (R pixels) have the same effective light receiving aperture due to the incidence of each color light from adjacent pixels. Therefore, when considering all the pixels, it can be seen that the light-receiving apertures effectively overlap each other.
[0068]
When the substantial light receiving aperture is larger than each pixel as described above, it is possible to obtain an MTF characteristic that cannot be considered in a normal single-plate type imaging device. As a result, even if the optical low-pass filter is omitted, the image quality is not deteriorated. That is, the second process of adjusting the high-frequency component of the spatial frequency characteristic of the object image to be suppressed is omitted, and a high-quality image in which aliasing distortion is inconspicuous is obtained only by the third process of photoelectrically converting the object image. It is possible. 16 to 22 are characteristic diagrams for explaining these.
[0069]
First, FIG. 16 is a characteristic diagram of the MTF with respect to the horizontal spatial frequency component of the pixel 110g of the image sensor according to the present embodiment. FIG. 17 is a characteristic diagram of the MTF of a pixel having a normal rectangular opening. In each case, the size of one pixel was □ 3 μm, and the microlens 2 had a size of one pixel. Further, the pixel of the present embodiment has an opening extending to the center of the adjacent pixel.
[0070]
The response of the rectangular aperture pixel shown in FIG. 9 can be represented by a simple SINC function such as the following equation (3). Where R ₃ (U) is the response, and d is the width of the light receiving aperture of the image sensor.
[0071]
[Equation 3]

[0072]
The first zero point (cutoff frequency) in equation (3) is the position of u = 1 / d. That is, the response becomes zero at a wavelength that matches the width of the light receiving aperture. In an image sensor in which the light receiving openings are laid without gaps, the width of the light receiving openings coincides with the pixel pitch, so that the response value of the equation (3) at the Nyquist frequency u = d / 2 is 0.636, which is considerably high. Therefore, it is necessary to use the conventional rectangular aperture pixel together with the optical low-pass filter having the MTF characteristic shown in FIG. Here, when viewing still images as in a digital still camera, the higher the response at a frequency slightly lower than the Nyquist frequency, the higher the resolution Consideration is given to the fact that an image tends to be formed.
[0073]
On the other hand, the response of the pixel 100g in this embodiment extends to the high frequency side due to the diamond-shaped opening as shown in FIG. This can be thought of as a collection of infinitely narrow rectangular openings that can exhibit the MTF characteristics in equation (3). FIG. 16 shows the result of integrating the entire rectangular opening in the form of a strip. At a Nyquist frequency of 167 lines / mm when the pixel pitch is 3 μm, 100 g of the pixel has a much lower response. I understand.
[0074]
Next, FIG. 19 shows the MTF characteristics of the aberration-free lens when the F-number is 4.0 and the wavelength of the object image is 550 nm. In an ideal lens having no geometrical aberration, its MTF is determined by light diffraction. The diffraction-limited MTF is determined by the F number and is represented by the following equation (4). Here, u is the spatial frequency of the optical image, F is the F number of the optical system, and λ is the wavelength of the optical image.
[0075]
(Equation 4)

[0076]
The cutoff frequency of this imaging lens is 455 lines / mm.
Now, a first process of forming an object image by the optical device, a second process of adjusting the high frequency component of the spatial frequency characteristics of the object image to be suppressed, and an object image of which the spatial frequency characteristics are adjusted are formed. This means that the materials for obtaining the total MTF of the third process for photoelectric conversion have been prepared.
[0077]
FIG. 20 is a characteristic diagram of the total MTF in the pixels of the imaging lens and the image sensor when using the pixel 100g. On the other hand, FIG. 21 is a characteristic diagram of the total MTF in the pixels of the imaging lens, the optical low-pass filter, and the image sensor when using the conventional pixel. Both have almost the same response at the Nyquist frequency of 167 lines / mm, and have similar characteristics as a whole. In addition, in the conventional pixel, if the optical low-pass filter is not used, the response at the Nyquist frequency becomes too high as shown in FIG. Thus, it can be seen that the optical low-pass filter can be omitted by using the pixel 100g.
[0078]
(Second embodiment)
An imaging device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 23 is a schematic cross-sectional view of an imaging device in the imaging device according to the second embodiment. It is to be noted that components having the same functions as those of the image sensor according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals. While the dichroic film 4 (4t, 4g) of the image sensor according to the first embodiment is formed in the shape of a quadrangular pyramid, the dichroic film 4 (4t, 4g) of the image sensor according to the present embodiment has a planar shape. In that it is formed by The light rays in the image sensor according to the present embodiment behave as shown in FIGS.
[0079]
FIG. 24 shows, similarly to the case of FIG. 6, the behavior of only the light beam that enters the pixel 200g that receives the green light and is reflected by the dichroic film 4g, that is, the light beam including the blue light and the red light. A light beam emitted from the pupil of the imaging lens located far enough from the size of the pixel passes through an infrared cut filter and becomes a light beam like the object light 120.
[0080]
The object light 120 from above in the figure enters the microlens 2 and is subjected to a light collecting action. Then, the light is sequentially incident on the first refractive index layer 5 and the second refractive index layer 6, and reaches the dichroic film 4g. Here, light rays other than green light are reflected by the characteristics of the dichroic film 4g, and the dichroic film 4g is formed on a plane different from that of the first embodiment. Will progress. Then, at the interface 51g between the second refractive index layer 6 and the first refractive index layer 5, light rays having a critical angle or more undergo a total reflection action. Since this interface has a quadrangular pyramid shape, the reflected light travels in a direction substantially perpendicular to the optical axis. Then, the interfaces 50r and 51r between the second refractive index layer 6 and the first refractive index layer 5 of the adjacent pixels 200r and 201r are subjected to the total reflection once again.
[0081]
In this way, the light rays directed downward by the reflection travel toward the pixels 200r and 201r that receive the red light. Further, the light beam transmitted through the dichroic film 4r proceeds to the high refractive index section 7. Subsequently, the light is going to proceed from the high refractive index portion 7 to the low refractive index portion 8. However, as described above, the high refractive index portion 7 has a higher refractive index than the low refractive index portion 8, and thus has a critical angle or more. Light rays are totally reflected at the interface.
[0082]
Further, the interface between the high refractive index portion 7 and the low refractive index portion 8 has a tapered shape in which the incident portion of the high refractive index portion 7 is widened. A large number of light beams can be taken into the unit 7. Furthermore, since the interface between the high refractive index portion 7 and the low refractive index portion 8 near the photoelectric conversion portion 3 is formed by two surfaces substantially parallel to the optical axis direction, the photoelectric conversion portion is subjected to the first total reflection. The light rays that failed to enter the photoelectric conversion unit 3 are totally reflected again at the interface on the opposite side, and eventually all the light rays enter the photoelectric conversion unit 3.
[0083]
FIG. 25 shows the behavior of a light beam that is transmitted through the dichroic film 4. Light rays from above in the figure enter the microlens 2 and receive a light-condensing action. Subsequently, the light beam condensed by the microlens 2 sequentially enters the first refractive index layer 5 and the second refractive index layer 6 and reaches the dichroic film 4g. As for the light beam that has reached the dichroic film 4, only a light beam having a predetermined wavelength (here, a green light beam) is selectively transmitted and proceeds to the high refractive index portion 7. By repeating the total reflection function at the interface with the portion 8, the light is guided to the photoelectric conversion portion 3. Here, the interface between the high-refractive-index portion 7 and the low-refractive-index portion 8 has a tapered shape in which the incident portion of the high-refractive-index portion 7 is widened. Can be led to.
[0084]
(Third embodiment)
An imaging device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. It is to be noted that components having the same functions as those of the imaging device in the imaging devices of the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals. Light rays in the horizontal direction (transmitted light rays and reflected light rays) in the image sensor of the present embodiment behave similarly to those shown in FIGS. 24 and 25 described in the second embodiment.
[0085]
FIG. 26 is a schematic configuration diagram of an imaging device in the imaging device according to the third embodiment. In the image sensor of the present embodiment, while the light reflected by the dichroic film 4 (4t, 4g) of the image sensor of the second embodiment exhibits the same behavior in the vertical and horizontal directions, it is adjacent in the vertical direction. The configuration is such that the reflected light does not enter the pixels that do. FIG. 27 is a schematic diagram illustrating a light beam capturing range of a pixel of an image sensor in the image capturing apparatus according to the present embodiment.
[0086]
In FIG. 27, focusing on the pixel 91 that receives green light, the pixel aperture of the image sensor according to the present embodiment receives the reflected light from the adjacent pixels 921a and 921b, and It is larger than the opening 91. As a result, the substantial light receiving aperture including the incidence of green light from an adjacent pixel is as shown in FIG. As can be seen from the above, the pixel aperture of the image sensor of this embodiment is twice as large as in the second embodiment. The effective light receiving aperture of the B pixel and the R pixel has the same shape as that of FIG. 28 due to the incidence of each color light from the adjacent pixel. Therefore, when considering all the pixels, it can be seen that the light-receiving apertures effectively overlap each other.
[0087]
In the image sensor according to the second embodiment, light rays from adjacent upper and lower pixels are also incident. Therefore, a low-pass effect can be expected in two vertical and horizontal directions. The effect can be expected. Therefore, in this embodiment, it is necessary to separately provide a low-pass filter in the vertical direction. However, since the shape of the interface 51g subjected to the total reflection effect shown in FIG. 24 can be simplified in the image pickup device of the present embodiment, it is expected to be easy to manufacture and to reduce the manufacturing cost. it can.
[0088]
As can be seen from FIGS. 24 and 25, the incident angle when the light beam from the microlens 2 first enters the dichroic film 4g, and the dichroic film 4r of the adjacent pixels 200r and 201r reflected by the dichroic film 4g. Does not change significantly with the angle of incidence at the time of incidence. Therefore, the rate of change of the wavelength transmitted through the dichroic film 4 can be reduced depending on the incident angle, and there is an advantage that the color change can be reduced.
[0089]
Next, the light receiving efficiency of each pixel will be described.
First, considering the case where reflected light from an adjacent pixel is incident on a G pixel, since the pixel array is a Bayer array, the number of adjacent pixels is two for each R pixel or B pixel. From this, the light beam incident on the G pixel from the adjacent pixel is {(blue reflection) × １ ／ × 2} when the B pixel is adjacent, and Δ (red reflection) when the R pixel is adjacent. ) × １ ／ × 2｝. Originally, the amount of light rays received by the G pixel is an integral amount of the transmittance curve. If this is set to 1, the size in FIG. 12 (reflected from the red pixel) is 0.74, and the size in FIG. It can be seen that the ratio of the reflected light from the blue pixel is 0.85, which is 1.85 times and 1,74 times that of the case where only the transmitted light is captured.
[0090]
Next, considering a case where reflected light from an adjacent pixel enters the B pixel, there are two G pixels in the adjacent pixel. Assuming that the integral of the transmittance curve of the B pixel is 1, the integral of FIG. 10 is 0.84. In addition, since the light beam received from the adjacent pixel is {(green reflection) × 1/2 × 2}, the total is 0.84, which is 1.84 times the original transmission amount.
[0091]
Finally, considering the case where reflected light from an adjacent pixel enters the R pixel, the number of adjacent pixels is two, similar to the B pixel. Assuming that the integral of the transmittance curve of the R pixel is 1, the integral of FIG. 11 is 0.67. Since the light ray received from the adjacent pixel is {(green reflection) × 1/2 × 2}, the total is 0.67, which is 1.67 times the original transmission amount.
[0092]
According to the embodiments of the present invention, the light reflected by the dichroic film 4g is introduced into the dichroic film 4r of an adjacent pixel, so that the efficiency of use of incident light can be reduced without complicating or miniaturizing the structure. It is possible to realize an image pickup apparatus provided with an image pickup device having improved image quality.
[0093]
In addition, since the interface between the first refractive index layer 5 and the second refractive index layer 6 has a shape having an inclined surface from the optical axis toward the peripheral portion, the light reflected by the dichroic film 4g is applied to adjacent pixels. Can be incident. Further, by configuring the first refractive index layer 5 as a high refractive index layer and the second refractive index layer 6 as a low refractive index layer, the light reflected by the dichroic film 4g is Total reflection can be easily performed at the interface with the second refractive index layer 6.
[0094]
Further, a high refractive index portion 7 provided between and in contact with the dichroic film 4 and the photoelectric conversion portion 3, and a low refractive index portion 8 having a lower refractive index than the high refractive index portion 7 around the high refractive index portion 7. The light beam transmitted through the dichroic film 4 and incident on the high-refractive-index portion 7 can be easily totally reflected at the interface with the low-refractive-index portion 8, and the photoelectric conversion from the dichroic film 4 can be performed. It can function as a light guide path up to the section 3.
[0095]
Further, since the interface between the first refractive index layer 5 and the second refractive index layer 6 is formed in the shape of a quadrangular pyramid projecting toward the photoelectric conversion unit 3, the light reflected by the dichroic film 4 is Light can be incident on an adjacent pixel. Further, since the interface between the second refractive index layer 6 and the dichroic film 4 is formed in the shape of a quadrangular pyramid projecting toward the microlens 2, the light reflected by the dichroic film 4 can be efficiently emitted in a specific direction. Can be reflected. Further, the dichroic film 4 selectively transmits a light beam of a predetermined wavelength and reflects light beams of other wavelengths among the light beams condensed by the microlens 2, thereby efficiently separating the light beams. can do.
[0096]
Examples of embodiments of the present invention are listed below.
[0097]
Embodiment 1 An imaging apparatus including an imaging element in which pixels are arranged in a matrix,
The pixel is a light-collecting unit that collects light incident from the outside,
Of the light beams condensed by the light condensing unit, a wavelength selection unit that selectively transmits a light beam of a predetermined wavelength and reflects a light beam of another wavelength.
Reflected light introducing means for introducing the light reflected by the wavelength selecting means into the wavelength selecting means corresponding to the adjacent pixel;
An imaging device comprising: a photoelectric conversion unit that converts a light beam transmitted by the wavelength selection unit into an electric signal.
[0098]
[Embodiment 2] The reflected light beam introducing means is provided between the first refractive index layer and the wavelength selecting means, and a first refractive index layer in contact with the light collecting means, and 2. The imaging apparatus according to claim 1, further comprising a second refractive index layer having a higher refractive index than the refractive index layer.
[0099]
[Embodiment 3] The imaging apparatus according to embodiment 2, wherein an interface between the first refractive index layer and the second refractive index layer has an inclined surface from an optical axis toward a peripheral portion.
[0100]
[Embodiment 4] A high-refractive-index portion provided in contact with each of the wavelength-selecting unit and the photoelectric conversion unit, and a high-refractive-index portion provided around the high-refractive-index portion, and The imaging device according to any one of Embodiments 1 to 3, further comprising a low refractive index portion having a low refractive index.
[0101]
Fifth Embodiment The interface between the second refractive index layer and the wavelength selection means has an inclined surface from an optical axis toward a peripheral portion, according to any one of the second to fourth embodiments. Imaging device.
[0102]
[Sixth Embodiment] An interface between the first refractive index layer and the second refractive index layer has a quadrangular pyramid shape protruding toward the photoelectric conversion unit. The imaging device according to any one of claims 1 to 5.
[0103]
[Embodiment 7] The interface according to any one of Embodiments 2 to 5, wherein an interface between the second refractive index layer and the wavelength selecting unit has a shape of a quadrangular pyramid that is convex toward the light collecting unit. The imaging device according to claim 1.
[0104]
[Eighth Embodiment] The imaging apparatus according to any one of the first to seventh embodiments, wherein the wavelength selection unit is a dichroic film.
[0105]
【The invention's effect】
According to the present invention, the light reflected by the wavelength selecting means is introduced into the wavelength selecting means of an adjacent pixel, so that the utilization efficiency of incident light is improved without complicating or miniaturizing the structure. An imaging device having an imaging element can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view of an imaging device in an imaging device according to a first embodiment.
FIG. 2 is a perspective view of the imaging device of the imaging device according to the first embodiment as viewed obliquely from above.
FIG. 3 is a cross-sectional perspective view of an imaging device in the imaging device according to the first embodiment.
FIG. 4 is a diagram illustrating a layer configuration of a dichroic film of the image sensor.
FIG. 5 is a transmission characteristic diagram of a dichroic film.
FIG. 6 is a ray trace diagram of reflected light from an image sensor in the image capturing apparatus according to the first embodiment.
FIG. 7 is a ray trace diagram of light transmitted through an imaging device in the imaging device according to the first embodiment.
FIG. 8 is a diagram illustrating transmission characteristics of each color of the dichroic film.
FIG. 9 is a layout diagram of RGB pixels of the image sensor.
FIG. 10 is a characteristic diagram when green light is reflected by the transmitting dichroic film and blue light is transmitted by the transmitting dichroic film.
FIG. 11 is a characteristic diagram when the light is reflected by the dichroic film for transmitting green light and transmits through the dichroic film for transmitting red light.
FIG. 12 is a characteristic diagram when light is reflected by a dichroic film for transmitting red light and is transmitted by a dichroic film for transmitting green light.
FIG. 13 is a characteristic diagram when light is reflected by a dichroic film for transmitting blue light and is transmitted by a dichroic film for transmitting green light.
FIG. 14 is a schematic diagram showing a light beam capturing range in a green pixel.
FIG. 15 is a schematic diagram showing a light ray capturing range in a green pixel.
FIG. 16 is a characteristic diagram of MTF for a spatial frequency component in the horizontal direction of a green pixel.
FIG. 17 is a characteristic diagram of an MTF of a pixel having a rectangular opening.
FIG. 18 is a diagram illustrating an MTF of an optical low-pass filter.
FIG. 19 is a characteristic diagram of the MTF of the aberration-free lens assuming that the F-number is 4.0 and the wavelength of the object image is 550 nm.
FIG. 20 is a characteristic diagram of a total MTF of pixels of an imaging lens and an image sensor when a green pixel is used.
FIG. 21 is a characteristic diagram of an overall MTF in a pixel of an imaging lens, an optical low-pass filter, and an image sensor when a conventional pixel is used.
FIG. 22 is a characteristic diagram of a total MTF when a conventional pixel does not use an optical low-pass filter.
FIG. 23 is a schematic cross-sectional view of an imaging device in the imaging device according to the second embodiment.
FIG. 24 is a ray trace diagram of light reflected by an image sensor in the image pickup apparatus according to the second embodiment.
FIG. 25 is a ray trace diagram of transmitted light of an image sensor in the image capturing apparatus according to the second embodiment.
FIG. 26 is a schematic configuration diagram of an imaging device in an imaging device according to a third embodiment.
FIG. 27 is a schematic diagram illustrating a light beam capturing range of a pixel of an image sensor in the image capturing apparatus according to the third embodiment.
FIG. 28 is a schematic diagram illustrating a light capturing range of a pixel of an image sensor in an image capturing apparatus according to a third embodiment.
FIG. 29 is a schematic cross-sectional view of a pixel of an imaging device in a conventional imaging device.
FIG. 30 is a schematic plan view of an imaging device in a conventional imaging device.
FIG. 31 is a schematic configuration diagram of an imaging element in a conventional imaging device.
FIG. 32 is a characteristic diagram of a color filter.
[Explanation of symbols]
1 Silicon wafer
2 Micro lens
3 photoelectric conversion unit
4 Wavelength selector
4g Green transmission wavelength selector
4r Red transmission wavelength selector
5 First refractive index layer
50g, 51g, 50r, 51r Tapered surface
6. Second refractive index layer
7 Light refractive index part
71 Tapered surface
8 Low refractive index part
10 Poly wiring layer
11 AL1 wiring layer
12 AL2 wiring layer
13 AL3 wiring layer
14 Flattening layer
15 Refraction layer
16 Cap layer
17 Microlens support layer
18 Low refractive index layer
41 Color Filter
41g green color filter
41r red color filter
61 Image sensor (conventional)
61mnr red pixel
61mng, 61mng2 Green pixel
61mnb blue pixel
91 Effective pixel aperture
92 Effective pixel aperture (reflected light)
100 Image sensor
100g, 200g Green pixel
100r, 101r, 200r, 201r Red pixel
110, 120 Object light

Claims (1)

An imaging device including an imaging element in which pixels are arranged in a matrix,
The pixel is a light-collecting unit that collects light incident from the outside,
Of the light beams condensed by the light condensing unit, a wavelength selection unit that selectively transmits a light beam of a predetermined wavelength and reflects a light beam of another wavelength.
Reflected light introducing means for introducing the light reflected by the wavelength selecting means into the wavelength selecting means corresponding to the adjacent pixel;
An imaging device comprising: a photoelectric conversion unit that converts a light beam transmitted by the wavelength selection unit into an electric signal.

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