JP2006032713A - 固体撮像素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 各固体撮像素子が入射光(60)を電気信号に変換する光電変換素子(31)と、マイクロレンズ(902)と、樹脂に、酸化チタン、窒化シリコン、五酸化ニオブのいずれかを分散させたコンポジット材から成る光導波路(36)と、疎水性多孔質シリカから成る層間絶縁層(38)とを有し、複数の前記固体撮像素子を2次元に並べて成るイメージセンサを搭載する撮像装置の射出瞳から光電変換素子までの距離をL、イメージセンサの中心から、固体撮像素子の位置までの距離をH、光電変換素子からマイクロレンズの頂点までの高さをD、イメージセンサにおける、複数の固体撮像素子の間隔をP、光導波路の屈折率をNH、層間絶縁層の屈折率をNLとした場合に、距離(H)に位置する固体撮像素子が、
但し、0<a<1を満たす。
【選択図】 図12
Description
カメラ本体1200と望遠レンズ1220はカメラ側マウント1211とレンズ側マウント1221にて連結されている。望遠レンズ1220に設けられた不図示のレンズMPU等の電気回路は、レンズ側接点1222とカメラ側接点1212とを介して不図示のカメラMPU等の電気回路と結線されている。
撮影者がファインダーを介して被写体を観察する時は、望遠レンズ1220を透過した被写体光の一部が跳ね上げミラー1201で反射してフォーカシングスクリーン1202に到達し、フォーカシングスクリーン1202で拡散透過した被写体光がペンタダハプリズム1203及び接眼レンズ1204を介して不図示の撮影者の目に導かれる。
また、被写体光の一部は跳ね上げミラー1201を透過し、サブミラー1205にて反射して焦点検出ユニット1206に導かれる。カメラMPUは焦点検出ユニット1206にて得られた像信号に基づいて望遠レンズ1220の焦点調節量を演算し、望遠レンズ1220のレンズ1223を駆動する。
撮影時は、跳ね上げミラー1201及びサブミラー1205がフォーカシングスクリーン1202方向に回転し、望遠レンズ1220を透過した被写体光を固体撮像素子を用いたイメージセンサ1208に導く。なお、カメラ本体1200に装着される交換レンズの焦点距離等によって射出瞳位置が異なるため、イメージセンサ1208の、特に周辺部分の画素において受光可能な光束が、装着される交換レンズによって変化する。
まず、CCDの構造について、図18を用いてその主要部について簡単に説明する。
図18はCCD1000の1画素分の断面図である。同図において、1001はシリコンなどからなる半導体基板、1002はフォトダイオードからなる光電変換素子、1003は半導体基板1001上に形成した酸化膜、1004は光電変換素子1002で変換された電荷などを転送するためのクロック信号が伝送されるポリシリコンなどからなる3層の配線、1006は主として配線1004の下に設けられている電荷転送用の垂直CCDレジスタ1005を遮光する、タングステンなどからなる遮光層、1007は光電変換素子1002などを外気(O2、H2O)、不純物イオン(K+、Na+)などから保護するSiO2などからなる第1保護膜、及びSiON系などの第2保護膜1008である。1009は第2保護膜1008の凹凸を少なくするための有機材料からなる平坦化層であり、1010は光電変換素子1002に被写体からの光を集めるマイクロレンズである。
平坦化層1009はCCD1000の主面1011の凹凸を無くすと共に、マイクロレンズ1010の焦点が光電変換素子1002上に結ぶように、マイクロレンズ1010の焦点距離を調整する役目も兼ねている。よって、透明感光性樹脂により構成される平坦化層1009の厚さは、レンズの曲率、レンズ材料の屈折率によって決められる。
次に、CMOSの構造について、図19を用いてその主要部について簡単に説明する。
また、別の構成によれば、本発明の各固体撮像素子は、入射光をその光量に応じて電気信号に変換する光電変換素子と、入射面に配設されたマイクロレンズと、前記光電変換素子と前記マイクロレンズの間に配設され、窒化シリコン(Si3N4)または酸化窒化シリコン(SiON)から成る光導波路と、前記光導波路の周囲に配設された、酸化シリコン(SiO2)から成る層間絶縁層とを有し、複数の前記固体撮像素子を2次元に並べて成るイメージセンサを搭載する撮像装置の撮像光学系の射出瞳から前記光電変換素子までの距離をL、前記イメージセンサの中心から、前記イメージセンサ上の前記固体撮像素子の位置までの距離をH、前記光電変換素子から前記マイクロレンズの頂点までの高さをD、前記イメージセンサにおける、前記複数の固体撮像素子の間隔をP、前記光導波路の屈折率をNH、前記層間絶縁層の屈折率をNLとした場合に、前記距離(H)に位置する固体撮像素子が、
更に別の構成によれば、本発明の各固体撮像素子は、入射光をその光量に応じて電気信号に変換する光電変換素子と、入射面に配設されたマイクロレンズと、前記光電変換素子と前記マイクロレンズの間に配設され、酸化シリコン(SiO2)から成る光導波路と、前記光導波路の周囲に配設された、疎水性多孔質シリカから成る層間絶縁層とを有し、複数の前記固体撮像素子を2次元に並べて成るイメージセンサを搭載する撮像装置の撮像光学系の射出瞳から前記光電変換素子までの距離をL、前記イメージセンサの中心から、前記イメージセンサ上の前記固体撮像素子の位置までの距離をH、前記光電変換素子から前記マイクロレンズの頂点までの高さをD、前記イメージセンサにおける、前記複数の固体撮像素子の間隔をP、前記光導波路の屈折率をNH、前記層間絶縁層の屈折率をNLとした場合に、前記距離(H)に位置する固体撮像素子が、
図1は本発明の第1の実施形態における撮像装置であるデジタルカラーカメラの概略構成を示す側方視断面図である。本カメラは、CCDあるいはCMOSセンサなどの撮像素子を用いた単板式のデジタルカラーカメラであり、撮像素子を連続的または単発的に駆動して動画像または静止画像を表わす画像信号を得る。ここで、撮像素子は、入射光をその光量に応じて電荷に変換して画素毎に蓄積し、蓄積した電荷を読み出すタイプのエリアセンサである。
θ3>θ1>θ4>θ2
こういった光軸外に入射する光線の入射角の変化は、ズーミングだけでなくフォーカシング(ピント調節)でも生じる。図7と図8はレンズ装置102に組み込まれる撮影レンズの一つであるマクロレンズの構成図であって、Fナンバーが明るく一眼レフカメラ用として好適なレンズを例としている。図7は無限遠にある被写体にフォーカスした状態、図8は結像倍率が−0.2倍となる近距離にある被写体にフォーカスした状態を表している。ここでは、マクロレンズの焦点距離とFナンバーを50mm/2.0とし、また、被写体側から順に、第1群MG1〜第3群MG3と呼ぶ。また、MSは絞りである。
2. 瞳距離Lが増加すると、入射角θが小さくなる。
3. 光導波路の屈折率NHと層間絶縁層の屈折率NLの比、NL/NHが小さいほど、屈折率界面で全反射を起こすための臨界角は小さくなって、入射角θが大きい光線を捉えることができる。
4. 画素ピッチPが減少すると、各画素の回路部が占める面積が増大して、相対的に光電変換部の大きさが減少し、入射角θが大きい光線を捉えることができなくなる。CMOS型固体撮像素子の場合、回路部は電荷転送用MOSトランジスタ、リセット電位を供給するリセット用MOSトランジスタ、ソースフォロワアンプMOSセンサトランジスタ、選択的にソースフォロワアンプMOSトランジスタから信号を出力させるための選択用MOSトランジスタ等である。
5. 光電変換部からマイクロレンズまでの高さDが増加すると、マイクロレンズから光電変換部を見込む角が小さくなるため、入射角θが大きい光線を捉えることができなくなる。
これらの性質から、像高H、瞳距離L、画素ピッチP、高さD、光導波路の屈折率NH、層間絶縁層の屈折率NLで表した式(1)の評価量Eの大きさが、如何に入射角θの大きな光線を光電変換部まで導けるかを表す好適な指標となる。
・像高H=4251[μm]
・瞳距離L=15000[μm]
・画素ピッチP=3.25[μm]
・高さD=5.0[μm]
・層間絶縁層211の屈折率NL=1.46
・光導波路の屈折率NH1.65
の場合は、E=0.39である。このように、
E<1.0 …(2)
光導波路は他の物質との組み合わせによっても構成可能である。
光導波路はさらに別の物質の組み合わせによっても構成可能である。また、撮像素子内の低屈折率層を利用して層内レンズを形成することができる。
31 光電変換部
32 ポリシリコン配線
33、34 銅配線
35 保護膜
36 埋め込み透明樹脂層
37、39 平坦化層
38 層間絶縁層
70 緑色カラーフィルター
71 赤色カラーフィルター
106 撮像素子
902 マイクロ凸レンズ
Claims (6)
- 各固体撮像素子が
入射光をその光量に応じて電気信号に変換する光電変換素子と、
入射面に配設されたマイクロレンズと、
前記光電変換素子と前記マイクロレンズの間に配設され、樹脂に、酸化チタン(TiO2)、窒化シリコン(Si3N4)、五酸化ニオブ(Nb2O5)のいずれかを分散させたコンポジット材から成る光導波路と、
前記光導波路の周囲に配設された、疎水性多孔質シリカから成る層間絶縁層と
を有し、
複数の前記固体撮像素子を2次元に並べて成るイメージセンサを搭載する撮像装置の撮像光学系の射出瞳から前記光電変換素子までの距離をL、前記イメージセンサの中心から、前記イメージセンサ上の前記固体撮像素子の位置までの距離をH、前記光電変換素子から前記マイクロレンズの頂点までの高さをD、前記イメージセンサにおける、前記複数の固体撮像素子の間隔をP、前記光導波路の屈折率をNH、前記層間絶縁層の屈折率をNLとした場合に、前記距離(H)に位置する固体撮像素子が、
但し、0<a<1
を満たすことを特徴とする固体撮像素子。 - 各固体撮像素子が
入射光をその光量に応じて電気信号に変換する光電変換素子と、
入射面に配設されたマイクロレンズと、
前記光電変換素子と前記マイクロレンズの間に配設され、窒化シリコン(Si3N4)または酸化窒化シリコン(SiON)から成る光導波路と、
前記光導波路の周囲に配設された、酸化シリコン(SiO2)から成る層間絶縁層と
を有し、
複数の前記固体撮像素子を2次元に並べて成るイメージセンサを搭載する撮像装置の撮像光学系の射出瞳から前記光電変換素子までの距離をL、前記イメージセンサの中心から、前記イメージセンサ上の前記固体撮像素子の位置までの距離をH、前記光電変換素子から前記マイクロレンズの頂点までの高さをD、前記イメージセンサにおける、前記複数の固体撮像素子の間隔をP、前記光導波路の屈折率をNH、前記層間絶縁層の屈折率をNLとした場合に、前記距離(H)に位置する固体撮像素子が、
但し、0<a<1
を満たすことを特徴とする固体撮像素子。 - 各固体撮像素子が
入射光をその光量に応じて電気信号に変換する光電変換素子と、
入射面に配設されたマイクロレンズと、
前記光電変換素子と前記マイクロレンズの間に配設され、酸化シリコン(SiO2)から成る光導波路と、
前記光導波路の周囲に配設された、疎水性多孔質シリカから成る層間絶縁層と
を有し、
複数の前記固体撮像素子を2次元に並べて成るイメージセンサを搭載する撮像装置の撮像光学系の射出瞳から前記光電変換素子までの距離をL、前記イメージセンサの中心から、前記イメージセンサ上の前記固体撮像素子の位置までの距離をH、前記光電変換素子から前記マイクロレンズの頂点までの高さをD、前記イメージセンサにおける、前記複数の固体撮像素子の間隔をP、前記光導波路の屈折率をNH、前記層間絶縁層の屈折率をNLとした場合に、前記距離(H)に位置する固体撮像素子が、
但し、0<a<1
を満たすことを特徴とする固体撮像素子。 - 前記マイクロレンズと前記光導波路との間に配設され、酸化シリコン(SiO2)から成る平坦化層を更に有し、
前記マイクロレンズを酸化チタン(TiO2)により構成したことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の固体撮像素子。 - 前記マイクロレンズと前記光導波路との間に配設され、窒化酸化シリコン(SiON)から成る平坦化層を更に有し、
前記マイクロレンズは、疎水性多孔質シリカから成る両凹の層内レンズであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の固体撮像素子。 - 前記光電変換素子が分光感度の異なる複数層の光電変換層から成ることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の固体撮像素子。
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