JP2006128513A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 撮像系の画質の向上させつつ、小型化、低コスト化にも有利な固体撮像素子を提供する。
【解決手段】 被写体像を受光してデジタル画像を得る固体撮像素子であって、固体撮像素子は、受光面１６が湾曲形状であり、受光面１６の対角線の長さを２Ｙ、前記対角線の中点と前記受光面の対角点との間の光軸方向の変位量をＤとすると、０．００１≦Ｄ／２Ｙ≦０．１５の関係を満足している。このことにより、効果的に像面湾曲収差を補正でき、画質の向上を図ることができる。また、特別に追加部品は必要ないので、小型化、低コスト化にも有利になる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサで代表されるような固体撮像素子に関し、特に、デジタルスチルカメラ（以下、「デジタルカメラ」という）等の撮像ユニットに適した固体撮像素子に関する。

近年のデジタルカメラ、及び携帯電話又はＰＤＡ端末の小型カメラにおいて、デジタル画像を記録する固体撮像素子の高画素数化が進んでいる。このため、デジタルカメラ等に用いられる撮像光学系において、さらなる高画質化が求められている。例えば、撮像光学系の設計においては、複数枚の球面レンズや非球面レンズを組み合わせたり、さらに鏡を組み合わせるなどして収差の補正を行っている。

図９は、従来の固体撮像素子の基本的な構造の一例を示す概略断面図である。本図は、現在商品化されているＣＣＤイメージセンサの画素断面構造の一例である。マイクロレンズ８０は合成樹脂で形成されており、受光面８６に入射光を集めることで、開口効率の影響を受けないようにして量子効率を高めることができる。

アンダーコート層８１は、主に合成樹脂等で形成され、ごみ等が受光路に進入するのを防ぐ防塵効果を有する。平坦化層８２，８４は、主にＳｉＯ₂等で形成され、他の層による凹凸を平坦化することができる。

カラーフィルタ層８３は、受光面８６に届いた光の色信号を得るためのものであり、主に樹脂を染色したものや、多層干渉膜をエッチングで作製した干渉フィルタが用いられる。遮光膜８５は金属等で形成され、転送路等に光が入り込まないように遮光するものである。

受光面８６は、Ｓｉ等の半導体材料を用いて形成され、入射光を光電変換して映像信号を出力するものである。受光面８６は、半導体基板であるため平面になっているのが現状である。

このような固体撮像素子を用いた撮像光学系において、高画質化を図るには、レンズでの十分な収差補正が必要となる。しかし、収差補正を十分に施すためには、レンズ枚数が多くなり大型化、高コスト化が問題になる。この問題については、例えば特許文献１に、固体撮像素子に像面湾曲補正効果を持つレンズ部を一体化したものが提案されている。
特開昭６４−７８２０９公報

しかしながら、前記特許文献１の構成は、像面湾曲収差の補正には有利な構成であるが、ＣＣＤとは別個にレンズ部を加えるものであり、低コスト化、小型化の点では有利な構成ではなかった。

本発明は、前記のような従来の問題を解決するものであり、撮像系の画質を向上させつつ、小型化、低コスト化にも有利な固体撮像素子を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の第１の固体撮像素子は、被写体像を受光してデジタル画像を得る固体撮像素子であって、前記固体撮像素子は、受光面が湾曲形状であり、前記受光面の対角線の長さを２Ｙ、前記対角線の中点と前記受光面の対角点との間の光軸方向の変位量をＤとすると、
０．００１≦Ｄ／２Ｙ≦０．１５の関係を満足していることを特徴とする。

本発明の第２の固体撮像素子は、被写体像を受光してデジタル画像を得る固体撮像素子であって、受光面より光源側に、マイクロレンズ層とアンダーコート層と平坦化層とを備え、前記各層の少なくとも１層は、前記受光面の中心部から前記受光面の外周部の方向に離れるにつれて屈折率が変化していることを特徴とする。

本発明の第３の固体撮像素子は、被写体像を受光してデジタル画像を得る固体撮像素子であって、受光面より光源側に、マイクロレンズ層とアンダーコート層と平坦化層とを備え、前記アンダーコート層及び前記平坦化層のうち少なくとも１層が湾曲形状であることを特徴とする。

本発明の第４の固体撮像素子は、被写体像を受光してデジタル画像を得る固体撮像素子であって、受光面より光源側に、複数のマイクロレンズの列で形成されたマイクロレンズ層を備え、前記マイクロレンズの列における各マイクロレンズの頂点を結ぶ線が湾曲していることを特徴とする。

本発明によれば、撮像系の画質を向上させつつ、小型化、低コスト化にも有利である。

本発明によれば、効果的に像面湾曲収差を補正でき、画質の向上を図ることができる。また、特別に追加部品は必要ないので、小型化、低コスト化にも有利である
前記本発明の固体撮像素子においては、前記マイクロレンズ層は、受光面に届いた光の色信号を得るためのカラーフィルタの機能を兼ね備えていることが好ましい。この構成によれば、カラーフィルタ層を省くことができ、２層の平坦化層も１層にできるので、小型化、低コスト化により有利になる。

以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の第１の例に係る固体撮像素子の概略断面図である。本図は、被写体像をサンプリング受光してデジタル画像を得るＣＣＤイメージセンサの例で示している。合成樹脂等で形成されたマイクロレンズ１０により、マイクロレンズ層が形成され、受光面１６に入射光が集められる。

主に合成樹脂等で形成されたアンダーコート層１１は、ごみ等が受光路に進入するのを防ぐ防塵効果を有する。主にＳｉＯ₂等で形成された第１の平坦化層１４、第２の平坦化層１２は、他の層による凹凸を平坦化するものである。

カラーフィルタ層１３は、受光面１６に届いた光の色信号を得るためのものであり、主に樹脂を染色したものや、多層干渉膜をエッチングで作製した干渉フィルタが用いられる。遮光膜１５は金属等で形成され、転送路等に光が入り込まないように遮光するものである。受光面１６は、Ｓｉ等の半導体材料を用いて形成され、入射光を光電変換して映像信号を出力するものである。

以上の説明は、後に説明する図３〜８においても同様であり、図３〜８の各図において、同一構成のものには同一番号を付して重複した説明は省略する。

本実施の形態は、受光面１６は、撮像光学系による残存像面湾曲収差を補正するために、湾曲形状を有している。ここで、図２（ａ）は受光面１６全体の平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のI−I線における断面図である。２Ｙ（ｍｍ）は受光面１６の対角線１７の長さである。点Ａは対角線１７の中点である。Ｄ（ｍｍ）は、点Ａと対角点Ｂとの間の光軸方向（矢印１８方向）の変位量である。

本実施の形態においては、受光面１６の湾曲は、下記の式（１）を満足している。

式（１） ０．００１≦Ｄ／２Ｙ≦０．１５
ここで、下限値を越えると補正効果が小さく、上限値を越えると過剰補正となり、かえって収差を大きくし性能の低下を招くことになる。

すなわち、本実施の形態によれば、前記式（１）を満足するように、受光面１６を湾曲させたことにより、効果的に像面湾曲収差を補正でき、画質の向上を図ることができる。また、特別に追加部品は必要ないので、小型化、低コスト化にも有利である。

図３は、本実施の形態の第２の例に係る固体撮像素子の概略断面図を示している。図１の構成は、受光面１６を湾曲形状としたものであるが、図３の構成は、受光面１６に加え、アンダーコート層１１、第１の平坦化層１４、第２の平坦化層１２も湾曲形状にしている。本図の例は、像面湾曲収差の補正効果を受光面１６の湾曲形状と他の層の湾曲形状とで分担させた例である。この構成によれば、像面湾曲収差の補正効果をより高めることができる。例えば受光面１６の湾曲形状の形成に制限があり、受光面１６の湾曲形状のみでは、補正不足となる場合に有用である。

また、各層すべてを湾曲形状にするのではなく、少なくともいずれか一つの層を湾曲形状にした構成でもよい。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係る固体撮像素子の概略断面図を示している。実施の形態１における第１の平坦化層１４の屈折率が全体に亘り均一であるのに対して、実施の形態２における第１の平坦化層１４の屈折率分布は、受光面１６の中心点Ａ（図２）から外周部の方向に離れるにつれて変化する屈折率分布である。例えば、同心円状に屈折率が等しく、径が大きくなるにつれて屈折率が小さくなる分布である。

実施の形態２は、第１の平坦化層１４にこのような屈折率分布を持たせることにより、屈折効果により撮像光学系による残存像面湾曲収差を補正するようにしている。

なお、第１の平坦化層１４に屈折率分布を持たせた例で説明したが、他の構成要素、例えば第２の平坦化層１２に屈折率分布を持たせてもよい。

また、前記実施の形態１のように、受光面１６を湾曲形状とした構成と組み合わせることにより、受光面１６の湾曲形状の収差補正効果が加わり、補正効果をより高めることができる。

（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３の第１の例に係る固体撮像素子の概略断面図を示している。図５の構成では、マイクロレンズ１０の列における各マイクロレンズ１０の頂点は同一平面状にはなく、線１９に示したように、各マイクロレンズ１０の頂点を結ぶ線は湾曲している。したがって、素子の中央部と周辺部とで光路長が異なることになる。図５の構成は、このような光路長の違いにより、残存像面湾曲収差を補正するようにしている。

図６は、本発明の実施の形態３の第２の例に係る固体撮像素子の概略断面図を示している。図６の構成では、アンダーコート層５１が湾曲形状になっており、この湾曲形状に対応するように、マイクロレンズ１０が搭載されている。このため、素子の中央部と周辺部とで光路長が異なることになる。図６の構成においても、図５の構成と同様に、光路長の違いにより、残存像面湾曲収差を補正することができる。

図７は、本発明の実施の形態３の第３の例に係る固体撮像素子の概略断面図を示している。図７の構成では、カラーフィルタ層１３が湾曲形状になっている。この湾曲形状に対応するように、第１の平坦化層１４の上側、第２の平坦化層１２の下側が湾曲形状になっている。この場合、第１の平坦化層１４と第２の平坦化層１２との屈折率を異なるようにすれば、素子の中央部と周辺部とで光路長が異なることになる。このため、図７の構成においても、図５、６の構成と同様に、光路長の違いにより、残存像面湾曲収差を補正することができる。

また、前記実施の形態１のように、受光面１６を湾曲形状とした構成と組み合わせることにより、受光面１６の湾曲形状の収差補正効果が加わり、補正効果をより高めることができる。

（実施の形態４）
図８は、本発明の実施の形態４に係る固体撮像素子の概略断面図を示している。本図に示した各マイクロレンズ１０は、受光面１６に届いた光の色信号を得るためのカラーフィルタの機能を兼ね備えており、カラーフィルタ層１３を省いている。この構成は、マイクロレンズ１０に色素を含有させ染色したり、膜でコートしたりすることで可能になる。

このことにより、前記の各図の構成では２層備えていた平坦化層を１層にするこができ、さらなる固体撮像素子の小型化、低コスト化を図ることができる。

本図の構成においても、前記実施の形態１と同様に、受光面１６を湾曲させているので、効果的に像面湾曲収差を補正することができる。

以上のように、本発明は効果的に像面湾曲収差を補正でき、画質の向上を図ることができ、小型化、低コスト化にも有利であるので、例えばＣＣＤイメージセンサ等の固体撮像素子に有用である。

本発明の実施形態１の第１の例に係る固体撮像素子の概略断面図。 （ａ）は図１に示した固体撮像素子の受光面の平面図、（ｂ）は（ａ）図のI−I線における断面図。 本発明の実施形態１の第２の例に係る固体撮像素子の概略断面図。 本発明の実施形態２に係る固体撮像素子の概略断面図。 本発明の実施の形態３の第１の例に係る固体撮像素子の概略断面図。 本発明の実施の形態３の第２の例に係る固体撮像素子の概略断面図。 本発明の実施の形態３の第３の例に係る固体撮像素子の概略断面図。 本発明の実施の形態４に係る固体撮像素子の概略断面図。 従来の固体撮像素子の一例を示す概略断面図。

符号の説明

１０ マイクロレンズ
１１ アンダーコート層
１２ 第２の平坦化層
１３ カラーフィルタ層
１４ 第１の平坦化層
１５ 遮光膜
１６ 受光面
１７ 対角線

Claims (5)

1. 被写体像を受光してデジタル画像を得る固体撮像素子であって、
   前記固体撮像素子は、受光面が湾曲形状であり、
   前記受光面の対角線の長さを２Ｙ、前記対角線の中点と前記受光面の対角点との間の光軸方向の変位量をＤとすると、
   ０．００１≦Ｄ／２Ｙ≦０．１５
   の関係を満足していることを特徴とする固体撮像素子。
2. 被写体像を受光してデジタル画像を得る固体撮像素子であって、
   受光面より光源側に、マイクロレンズ層とアンダーコート層と平坦化層とを備え、
   前記各層の少なくとも１層は、前記受光面の中心部から前記受光面の外周部の方向に離れるにつれて屈折率が変化していることを特徴とする固体撮像素子。
3. 被写体像を受光してデジタル画像を得る固体撮像素子であって、
   受光面より光源側に、マイクロレンズ層とアンダーコート層と平坦化層とを備え、
   前記アンダーコート層及び前記平坦化層のうち少なくとも１層が湾曲形状であることを特徴とする固体撮像素子。
4. 被写体像を受光してデジタル画像を得る固体撮像素子であって、
   受光面より光源側に、複数のマイクロレンズの列で形成されたマイクロレンズ層を備え、
   前記マイクロレンズの列における各マイクロレンズの頂点を結ぶ線が湾曲していることを特徴とする固体撮像素子。
5. 前記マイクロレンズ層は、受光面に届いた光の色信号を得るためのカラーフィルタの機能を兼ね備えている請求項２から４のいずれかに記載の固体撮像素子。
   
   

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