JP2005167356A - 撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 入射光の利用効率が高められ、色再現性の良いカラー画像が得られ、更に、モアレの少ない高品位な画像を得ることが可能な撮像素子を提供する。
【解決手段】 波長選択部４として異なる波長透過特性を有する第１及び第２の波長選択部４ｃ、４ｙを市松模様状に配置し、光電変換部３を第１、第２の波長選択部４ｃ、４ｙの透過波長に対応して配置する。そして、光電変換部３は１画素内で深さ方向に異なる２つの位置で検出し、隣接する画素間で少なくとも一つは異なる深さ方向の位置で検出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被写体像を撮像する為の撮像素子に関するものである。

従来のカラー画像を形成する一般的な撮像素子の構造を図１２に示す。図１２は撮像素子６１を構成する画素の中央断面図である。図中２は外部からの光線を集光し、光線の取り込み効率を上げる役目を果たすマイクロレンズ、４１は取り込まれた光線を波長分離するために用いられるカラーフィルタで、各画素にはＲ（赤色）Ｇ（緑色）Ｂ（青色）のいずれかの原色フィルタを備えている。

また、色フィルタとしてはＣ（シアン）、Ｍ（マゼンダ）、Ｙ（イエロー）の３色を用いた補色フィルタというものもある。これらの画素がモザイク状に配列され、その後の信号処理で画素数に相当する輝度情報と色情報を作り出す撮像技術が広く用いられている。ここで用いられる撮像素子６１のカラーフィルタ配列は図１３に示すようなベイヤー配列と呼ばれる構成を採るものが多い。

６１ｍｎｇは第1の緑色の画素、６１ｍｎｂは青色の画素、６１ｍｎｒは赤色の画素、６１ｍｎｇ２は第２の緑色の画素である。ｍは横方向の画素の配列番号を示し、ｎは縦方向の画素の配列番号を示している。これらを図１３に示すように規則正しく配置することにより一つの撮像素子を構成する。

このような画素配列では緑色の画素は青色、赤色に比べて２倍の画素数を持つことになる。基本的には３色が同数ずつあればカラーの画像を作り出すことが可能であるが、比較的視感度の高い緑色の画素を増やすことで画質を向上させることができる。

ところで、上記従来例には次のような問題点が存在する。即ち、光線の利用効率に関して考えると、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構造が採られる。

この時、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、青色光や緑色光は光学フィルタで吸収されて熱となる。緑色の光学フィルタを配した画素では同様に青色光と赤色光が光電変換されずに熱となり、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熱となる。即ち、従来のカラー撮像素子の各画素では入射する光束のうち所定の光学フィルタを透過した光のみを光電変換し、電気信号として出力するので、その光学フィルタを透過できなかった光は熱等として捨てられている。

図１４は撮像素子内のＲＧＢのカラーフィルタの分光透過率特性を示す。赤外線の透過率は高いので、実際には撮像素子と撮影レンズの間に更に６５０ｎｍ以上の波長を遮断する赤外線カットフィルタが重ねて用いられる。これより分かるように１画素の中では可視光の内のおよそ１／３だけが有効に用いられる。

更に詳しくＲＧＢの色別に利用効率を考えれば、例えば、図１２及び図１３に示すベイヤー配列のカラー撮像素子の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とした時、１／４：２／４：１／４であるので、全体の光量を１とした時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、赤色光と青色光が１／３×１／４＝１／１２、合計すれば１／６＋１／１２＋１／１２＝１／３で、やはり利用効率１／３ということになる。逆に、全体の光量を１とした時に、そのうち緑色光で２／３×２／４＝１／３が、赤色光や青色光で２／３×１／４＝１／６が有効に利用されないことになる。

以上は原色系のカラーフィルタを用いた撮像素子の説明であるが、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カラーフィルタで撮像面を分割していることが起因して光利用効率は悪い。

一方、米国特許第５９６５８７５号には、同一画素内で３色を取り込む撮像素子構造に関して開示されている（特許文献１）。同公報の構造を図１５に示す。同公報の構造は光電変換部を形成するシリコンが深さによって光電変換する波長の異なることを用いたものである。具体的には、シリコンの表層部３００ｂ（０．２〜０．６μｍ）では主に波長の短い青色の光線（４００〜４９０ｎｍ）を吸収し、中層部３００ｇ（０．６〜２．０μｍ）では主に緑色の光線（４９０〜５７５ｎｍ）を吸収し、深層部３００ｒ（２．０μｍ以下）では主に波長の長い赤色の光線（５７５〜７００ｎｍ）を吸収する。

そこで、同公報のものでは、２．０μｍ以下の深度部にＰ⁻層を形成し、０．６〜２．０μｍの深さにＮ⁻層を形成する。そして、その上の０．２〜０．６μｍの深さにＰ層を形成し、更にその上の０〜０．２μｍの深さにＮ^＋層を形成する。このように光電変換部を形成することにより、Ｐ⁻層とＮ⁻層の２つの領域の間の光電変換状態を検出することによって赤色の光線の受光強度を、Ｎ⁻層とＰ層の２つの領域の間の光電変換状態を検出することによって緑色の光線の受光強度を、Ｐ層とＮ^＋層の２つの領域の間の光電変換状態を検出することによって青色の光線の受光強度をそれぞれ知ることができる。

従って、１画素内で３色を取り出すことができるため入射光線の効率を大幅に向上することが可能となる。更に、ベイヤー配列に代表される画素毎にＲＧＢのいずれか１色のみを受光してカラー画像を得るものでは細かい繰り返しパターンの被写体を撮影すると色モアレ或いは偽色と呼ばれる現象が発生する。これは、規則的に配列している画素と繰り返しパターンが干渉して本来あり得ない色を出力してしまうというものである。この同一画素で３色を得る構造では、原理的に色モアレは発生しない。しかし、輝度モアレと呼ばれる現象はこの構造においても画素が周期的に配置されていることには変わりないため回避できない問題となる。

一般に、良好な画像特性を得るための撮像は、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、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のプロセスよりなる。この際、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。従って、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、即ち、モアレの目立たない良質な画像を得るものである。

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等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。即ち、上記第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。

但し、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。

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構成とは、第４のプロセスを除き、第１のプロセスのＭＴＦ、第２のプロセスのＭＴＦ及び第３のプロセスの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には、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。

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。従って、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。

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。

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、特開２００１−０６６１４１号公報に記載されているような位相型の回折格子を利用しても良い。

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は式（１）で表される。

Ｒ_２（ｕ）＝|ｃｏｓ（π・ｕ・ω）| …（１）
Ｒ_２（ｕ）：レスポンス
ｕ：光学像の空間周波数
ω：物体像分離幅
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出来る。

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等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。

更に、この同一画素で３色を得る撮像素子構造における分光感度を図１６に示す。図１４に示すＲＧＢのカラーフィルタの分光感度と比較して分光感度曲線の山がなだらかであることが分かる。これは、たとえ青色の層であると言っても青色光に相当する波長以外は感じないということではなく緑色も赤色も割合は少ないが感じているということである。このようななだらかな曲線となると、カラー画像を合成する場合、彩度が低下して色再現性が悪くなり好ましくない。従って、本構造では光の利用効率は上げられるが色が良くないと言った問題がある。

一方、特開平０９−２１０７９３号公報には、１画素内で２つの異なる深さからの光電変換状態を検出する構成が開示されている（特許文献２）。同公報の構造は図１７に示すように可視光と赤外光を同時に検出するというもので、可視光を感光するＮ型拡散領域６０３の更に深層部に赤外光を感光するＰ型拡散領域６０２を配置したものである。この場合、カラーフィルタを通った光線が光電変換部に到達するため、緑色や青色においても赤外光を取込むように透過波長特性を工夫しなければならない。また、赤色は赤外光との区別が難しいので赤色の画素においては赤外光を検出しないとしている。

即ち、画素によっては深さ方向に２つの光電変換状態を検出する構造であっても光電変換に利用していない。更に、深さ方向の構造はすべての画素に対して同じであるため、同公報の構造でカラー画像を構築しようとすると従来の画素配列と同じものとなる。従って、カラー画像を得る事に関しては従来と何ら変わりないことになる。
米国特許第５９６５８７５号公報 特開平０９−２１０７９３号公報

特許文献１のものでは、上述のように画素が周期的に配列されていることに変わりはないため、輝度モアレと呼ばれる現象が発生すると共に、カラー画像を合成する場合には、彩度が低下して色再現性が悪くなり、従って光の利用効率は上げられるが、色が良くないという問題があった。また、特許文献２のものでは、上述のようにカラー画像を得ることに関しては、従来と何等変わりはなかった。

本発明は、このような従来の問題点に着眼してなされたもので、その第１の目的は、入射光の利用効率を高めると共に色再現性の良いカラー画像を得ることができる撮像素子を提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、高価な光学ローパスフィルタを必要とせずにモアレの少ない高品位な画像を得ることが可能な撮像素子を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、光電変換部と、光線の透過波長を選択する波長選択部と、外部からの光線を集光するマイクロレンズとを備え、前記波長選択部は異なる波長透過特性を有する第１及び第２の波長選択部が市松模様状に配置され、前記光電変換部は前記第１、第２の波長選択部の透過波長に対応して配置され、且つ、１画素内で深さ方向に異なる２つの位置で検出し、隣接する画素間で少なくとも一つは異なる深さ方向の位置で検出することを特徴とする。

また、本発明は、光電変換部と、光線の透過波長を選択する波長選択部と、外部からの光線を集光するマイクロレンズとを備え、前記波長選択部は異なる波長透過特性を有する第１及び第２の波長選択部が市松模様状に配置され、前記光電変換部は前記第１、第２の波長選択部の透過波長に対応して配置され、且つ、１画素内で深さ方向に異なる２つの位置で検出し、隣接する画素間で少なくとも一つは異なる深さ方向の位置で検出し、前記波長選択部とマイクロレンズの間にはマイクロレンズ側に第１の屈折率層、波長選択部側に第２の屈折率層を有し、前記波長選択部と光電変換部の間であって前記光電変換部と接する画素中央部近傍に高屈折率部、前記高屈折率部の周辺に低屈折率部を設け、前記高屈折率部と低屈折率部の界面は光軸に略平行な面を有する撮像素子構造であって、前記第１の屈折率層と第２の屈折率層の屈折率の関係が（第１の屈折率層）＜（第２の屈折率層）であることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、波長選択部として異なる波長透過特性を有する第１及び第２の波長選択部を市松模様状に配置し、光電変換部は第１、第２の波長選択部の透過波長に対応して配置し、且つ、１画素内で深さ方向に異なる２つの位置で検出し、隣接する画素間で少なくとも一つは異なる深さ方向の位置で検出することで、入射光の利用効率を上げながら十分な色再現性を実現することができる。

また、請求項２の発明によれば、入射光の利用効率を更に上げると共にローパスフィルタ効果も備えることができる。

更に、請求項３の発明は画素の構造を簡単にして請求項１、２と同様の効果が得られ、請求項４の発明は比較的簡単な構造で隣接画素へ光線を分割してローパスフィルタと同じ効果が得られ、請求項５の発明は不要光線を特定の方向に効率良く反射させることが可能となる。

次に、発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明による撮像素子の第１の実施形態を示す断面図である。図中１はシリコン基板、２はマイクロレンズ、３は受光した光子を電荷へと変換する機能を有する光電変換部、４（４ｃ、４ｙ）は光線の透過波長を制御するための第１及び第２の波長選択部、５は各画素に蓄積された電荷を送出するための配線層、６は光電変換部を保護し波長選択部及びマイクロレンズ形成における土台となる平坦化層である。１００〜１０２は画素である。

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上に到達した光線は光電変換部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上げることが可能となる。平坦化層６は配線層５の形成されたシリコン基板１の上面を平滑化するための層で、屈折率１．４６の二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）といったシリコンの酸化物がよく使われる。

画素１０１は緑色を受光する光電変換部３１ｇと赤色を受光する光電変換部３１ｒを備えた画素で、画素１００及び１０２は緑色を受光する光電変換部３０ｇ（３２ｇ）と青色を受光する光電変換部３０ｂ（３２ｂ）を備えた画素となっている。撮像素子を上部から見ると画素配列は図２に示すように緑と赤（ＧＲ）と緑と青（ＧＢ）の画素が市松模様に配置された構成となっている。

また、第１の波長選択部４ｃ及び第２の波長選択部４ｙとしては撮像素子に通常よく用いられる吸収型のカラーフィルタを用いている。これは、熱可塑性樹脂内に所定の特性となるように色素を混入することによって作製している。第１の波長選択部４ｃはＧＢの画素、第２の波長選択部４ｙはＧＲの画素に対応している。ＧＢ、ＧＲの画素上に配置されるカラーフィルタの透過特性の例を図３に示す。

次に、本実施形態による撮像素子内の光線の挙動について説明する。まず、画素１０１について見ていくと、図１の紙面上方より来た物体光１１０はマイクロレンズ２へ入射して集光作用を受ける。次いで、第２の波長選択部４yに入射して図３に示すような透過波長特性をもって透過する。そして、平坦化層６を透過して光電変換部３へと到達する。

光電変換部３では深さによって光電変換する波長が異なることを用いて２つの深度範囲における信号を出力する。画素１０１は緑色と赤色を受光する画素であるため、０．６〜２．０μｍの中層部（３１ｇ）と２．０μｍ以下の深層部（３１ｒ）の２層の光電変換部を設けて信号を取り出す。これにより出力信号の分光感度は図３に示すＧＲの透過率特性と図１６に示す光電変換部の分光感度の積となる。

１００、１０２といった緑色と青色を受光する画素も光線の挙動は画素１０１の場合と同様である。ここでは画素１００は緑色と青色を受光する画素であるため、０．６〜２．０μｍの中層部（３０ｇ、３２ｇ）と０．２〜０．６μｍの表層部（３０ｂ、３２ｂ）の２層の光電変換部を設けて信号を取り出す。これにより、出力信号の分光感度は図３に示すＧＢの透過率特性と図１６に示す光電変換部の分光感度の積となる。

この時、１００、１０２（緑色と青色を受光する画素）と１０１（緑色と赤色を受光する画素）の緑色の画素は分光感度が異なるため良好な色再現ができない可能性がある。そこで、緑光を検出する光電変換部に関して隣接する前後左右の２画素の出力を加算平均することによって分光感度を同じにする。例えば、図１における画素１００の光電変換部３０ｇと画素１０１の光電変換部３１ｇの出力を加算平均し、画素１０１の光電変換部３１ｇと画素１０２の光電変換部３２ｇの出力を加算平均する。これは、全ての前後左右の画素間で行う。これにより、ＲＧＢ各色の画素は図４に示すように配置されているイメージとなる。図４（ａ）はＲ、図４（ｂ）はＧ、図４（ｃ）はＢの配置イメージを示す。

以上のことから撮像素子の分光感度は図５に示すようなものとなる。この分光感度曲線をみて分かるように赤色（Ｒ）は長波長成分が十分に落ちており、緑色（Ｇ）は短・長波長成分が落ちて左右対称な山型となり、青色（Ｂ）は短波長成分が落ちている。このように従来のカラーフィルタの分光透過率に近くすることができるため、十分な彩度が得られるばかりか、従来通りの色再現性を実現できる。

（第２の実施形態）
図６は本発明の第２の実施形態を示す断面図である。図６では図１と同一部分は同一符号を付している。図中４１ｒ、４１ｇは光線を波長分離するための第１、第２の波長選択部であり、ダイクロイック膜を用いている、６は第１の実施形態で平坦化層と説明した第２の屈折率部、７は第１の屈折率部、８，９はそれぞれ第１、第２の屈折率層、１０は光電変換部の電荷を制御するゲートの役割を果たすＰｏｌｙ配線層である。また、１１〜１３はアルミニウム等の金属でできた配線層、１１は各部間の結線及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は遮光及び電源線の役割を果たすＡＬ３配線層である。

マイクロレンズ２は同様に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上に到達した光線は光電変換部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上げることが可能となる。

第１の屈折率層８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）等を用いることができる。また、第１の屈折率層８とダイクロイック膜４１に挟まれた第２の屈折率層９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）等を用いることができる。このような構成を採る事によって第２の屈折率層９から第１の屈折率層８へと進む光線はその界面で全反射しやすくなるという性質を持つことになる。

第１の屈折率部７は二酸化チタンのような高屈折率の材料で形成され、第２の屈折率部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。これにより第１の屈折率部７に入射した光線は第２の屈折率部６との界面で全反射しやすくなるため、光電変換部３に至るまでの導光路の役割を果たす。第１の屈折部７と第２の屈折部６との界面は光軸に略平行に形成されているが、第１の屈折部７と第２の屈折部６との界面の光入射側にはテーパ面７１が形成されている。

一般的にダイクロイック膜とは、注目する波長λの１／４の整数倍の膜厚で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。このような構造を採ることにより透過光線の波長を選択することができる。例えば、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ることによって作製することができる。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。本実施形態におけるダイクロイック膜４は積層膜厚及び積層数を適切に選ぶことによって図３に示すものと同等の透過率分布を持っている。

第１の屈折率層８と第２の屈折率層９の界面は図７に示すように光軸を含む断面が３角形である三角柱の形状、ダイクロイック膜４は平面の形状をなしている。

次に、本実施形態による撮像素子内の光線の挙動について図８及び９を用いて説明する。図８は緑色光及び赤色光を受光する画素２０１に入射してダイクロイック膜４１ｇによって反射された光線、即ち、緑色光と青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。

図８の紙面上方より来た物体光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８と第２の屈折率層９の界面８０ｇでプリズムの作用を受けて中心から外側に向けて曲げられ、ダイクロイック膜４１ｇへと到達する。この時、ダイクロイック膜４１ｇの特性により緑色光と青色光の光線は反射作用を受ける。

図３に示すＧＲの透過率曲線の裏返しがこれに当たる。反射した光線は第１の屈折率層８と第２の屈折率層９の界面８０ｒ及び８１ｒへと進行する。第２の屈折率層９は第１の屈折率層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作用を受けることになる。全反射した光線はダイクロイック膜４１ｒ方向に向かい、隣接画素である緑色光と青色光を受光する画素２００及び２０２に向かって進行する。

画素２００、２０２のダイクロイック膜４１ｒは図３に示すＧＢの透過率曲線の特性に従って緑色光と青色光を透過する。ここでは反射作用を受ける光線は撮像素子外へと進むため図示していない。ダイクロイック膜４１ｒを透過した光線は第１の屈折率部７から第２の屈折率部６へ進行しようとするが、第１の屈折率部７は第２の屈折率部６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。第１の屈折率部７と第２の屈折率部６の界面は入射部が広がったテーパ形状（テーパ面７１）をしていて入射光線を取り込む間口を広げ、第１の屈折率部７に多くの光線を取り込むことができる。

仮に、第１の屈折率部７の入射部が先の広がったテーパ形状をしていないと、反射光線のうち図の下側に位置する光線は先に第２の屈折率部６へ入射し、そこから第１の屈折率部７へと進行する。そうすると第１の屈折率部７は第２の屈折率部６よりも高屈折率であるため光線は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には導かれず損失してしまう。そのため、第１の屈折率部７がテーパ形状をなしていてダイクロイック膜４１から出た光線が先に第２の屈折率部６へと入射する光線をなくすことで隣接画素からの反射光を十分取り込めるようにしている。

そして、第１の屈折率部７と第２の屈折率部６の界面の下部は垂直方向に略平行な２面で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に入射し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光電変換部３へと入射することになる。

第１の屈折率層８と第２の屈折率層９の界面は図７に示すように光軸を含む断面が３角形である三角柱の形状をしているため、画素２０１における紙面に垂直な方向には光線が反射しない。図１０において緑色光及び赤色光を受光する画素９１について見てみると、９２１ａ、９２１ｂの部分を隣接画素より受け取ることから本来の画素開口９１よりも大きくなり、隣接する画素から分けてもらうことを含めた実質的な受光開口は図１１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構造を用いることによって２倍の画素開口となる。緑色光及び青色光を受光する画素についても隣接画素から各色光成分を分けてもらうため、実効的な受光開口は同様の形状となる。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。これによって、横方向のみであるがローパス効果が期待できる。通常のローパスフィルタ１枚では１つの点像を２つに分けるという作用を持っているが、本実施形態の場合には、１つの点像が３つに分かれることになるため、２枚のローパスフィルタを用いたものと同様の作用を果たす。

加えて、図８から分かるように光線が最初にダイクロイック膜４１ｇに入射する時の光線の入射角度とダイクロイック膜４１ｇで反射して隣接する画素２００、２０２のダイクロイック膜４１ｒに入射する時の光線の入射角度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４１を透過する波長が変化する割合が小さくできるため、色変化を少なくできるという利点もある。

図９はダイクロイック膜４１において透過作用を受ける光線の挙動を示す。図９の紙面上方より来た光線はマイクロレンズ２へ入射して集光作用を受ける。次に、第１の屈折率層８、第２の屈折率層９と順に入射してダイクロイック膜４１ｇへと到達する。ダイクロイック膜４１ｇでは所定の波長の光線のみを選択的に透過して第１の屈折率部７へ進行し、第１の屈折率部７と第２の屈折率部６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へと導くものとしている。

また、第１の屈折率部７と第２の屈折率部６の界面は入射部が広がったテーパ形状をしている。テーパ形状を形成するテーパ面７１はあまり角度がつきすぎるとテーパ面７１で全反射しない場合があり、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。本実施形態の場合には、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して用い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。

画素の出力を取り出す方法は第１の実施形態と同様である。即ち、以上のように反射・透過を行って光電変換部３に到達した光線は画素の異なる深さの光電変換部で検出され、２種類の色信号が取り出される。緑色を検出する光電変換部に関して隣接する前後左右の画素間で出力を加算平均することも第１の実施形態と同様である。

なお、本実施形態においては、第１の屈折率層８と第２の屈折率層９の界面が中央部より周辺に向かって傾斜面を持つ構造について述べたが、波長選択部４が同様の構造もしくは両方が同様の構造を持つものであっても良い。

本発明による撮像素子の第１の実施形態を示す断面図である。 図１の撮像素子の画素配列を示す図である。 図１の波長選択部の透過率特性を示す図である。 図１の撮像素子における各色画素の配置イメージを示す図である。 図１の撮像素子の分光感度を示す図である。 本発明の第２の実施形態を示す断面図である。 第２の実施形態の分解斜視図である。 第２の実施形態の光線トレース図（反射光）である。 第２の実施形態の光線トレース図（透過光）である。 第２の実施形態における画素の光線取り込みを説明する図である。 第２の実施形態における実質的な受光開口を示す図である。 カラー画像を形成する一般的な撮像素子を示す断面図である。 撮像素子のカラーフィルタ配列に用いられるベイヤー配列を示す図である。 従来の撮像素子内のＲＧＢカラーフィルタの分光透過特性を示す図である。 従来例の撮像素子構造を示す断面図である。 図１５の撮像素子構造における分光感度を示す図である。 他の従来例の撮像素子構造を示す断面図である。

符号の説明

１ シリコン基板
２ マイクロレンズ
３ 光電変換部
３０ｇ、３１ｇ、３２ｇ 緑色光電変換部
３０ｂ、３２ｂ 青色光電変換部
３１ｒ 赤色光電変換部
４ 波長選択部
４ｃ 第１の波長選択部
４ｙ 第２の波長選択部
４１ ダイクロイック膜
４１ｇ 第１の波長選択部
４１ｒ 第２の波長選択部
４２ カラーフィルタ
５ 配線層
５０ｇ、５０ｒ、５１ｒ テーパ面
６ 平坦化層（第２の屈折率部）
７ 第１の屈折率部
７１ テーパ面
８ 第１の屈折率層
９ 第２の屈折率層
１０ Ｐｏｌｙ配線層
１１ ＡＬ１配線層
１２ ＡＬ２配線層
１３ ＡＬ３配線層
１００〜１０２、２００〜２０２ 画素
１１０、１２０ 物体光

Claims (5)

1. 光電変換部と、光線の透過波長を選択する波長選択部と、外部からの光線を集光するマイクロレンズとを備え、前記波長選択部は異なる波長透過特性を有する第１及び第２の波長選択部が市松模様状に配置され、前記光電変換部は前記第１、第２の波長選択部の透過波長に対応して配置され、且つ、１画素内で深さ方向に異なる２つの位置で検出し、隣接する画素間で少なくとも一つは異なる深さ方向の位置で検出することを特徴とする撮像素子。
2. 光電変換部と、光線の透過波長を選択する波長選択部と、外部からの光線を集光するマイクロレンズとを備え、前記波長選択部は異なる波長透過特性を有する第１及び第２の波長選択部が市松模様状に配置され、前記光電変換部は前記第１、第２の波長選択部の透過波長に対応して配置され、且つ、１画素内で深さ方向に異なる２つの位置で検出し、隣接する画素間で少なくとも一つは異なる深さ方向の位置で検出し、前記波長選択部とマイクロレンズの間にはマイクロレンズ側に第１の屈折率層、波長選択部側に第２の屈折率層を有し、前記波長選択部と光電変換部の間であって前記光電変換部と接する画素中央部近傍に高屈折率部、前記高屈折率部の周辺に低屈折率部を設け、前記高屈折率部と低屈折率部の界面は光軸に略平行な面を有する撮像素子構造であって、前記第１の屈折率層と第２の屈折率層の屈折率の関係が（第１の屈折率層）＜（第２の屈折率層）であることを特徴とする撮像素子。
3. 前記波長選択部は、青色光と緑色光を透過する第１の波長選択部と緑色光と赤色光を透過する第２の波長選択部とからなり、前記第１の波長選択部に対応する光電変換部は青色光と緑色光を、前記第２の波長選択部に対応する光電変換部は緑色光と赤色光をそれぞれ検出することを特徴とする請求項１、２のいずれか１項に記載の撮像素子。
4. 前記波長選択部又は前記第１の屈折率層と第２の屈折率層の界面のうち少なくとも一方は中央部より周辺部に向かって傾斜面を持つ形状であることを特徴とする請求項２に記載の撮像素子。
5. 前記波長選択部は、特定の波長域の光線を透過すると共に透過波長域以外の光線を反射する特性を持つダイクロイック膜であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の撮像素子。