JP2006202907A - Image pickup element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被写体像を撮像する撮像素子に関するものである。 The present invention relates to an image sensor that captures a subject image.
近年デジタルスチルカメラ等に用いられる固体撮像素子は、大別すると、CCD(Charge-Coupled Device)とCMOS(Complimentary Metal Oxide Semiconductor)撮像素子とに分類される(特許文献1及び特許文献2参照)。
In recent years, solid-state image sensors used in digital still cameras and the like are roughly classified into CCD (Charge-Coupled Device) and CMOS (Complimentary Metal Oxide Semiconductor) image sensors (see
まず、CCD1000の構造について、その主要部を示す図10を参照して簡単に説明する。
First, the structure of the
図10は、CCD1000の断面図である。
FIG. 10 is a sectional view of the
図10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上に形成された酸化膜、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、1008はSiON系などの第2保護膜である。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。
10, 1001 is a semiconductor substrate made of silicon or the like, 1002 is a photoelectric conversion element made of a photodiode, 1003 is an oxide film formed on the
平坦化層1009はCCD1000の主面1011の凹凸をなくすと共に、マイクロレンズ1010を通った光が光電変換素子1002上に結像するように、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、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定される。
The
一方、CMOS撮像素子1050の構造について、その主要部を示す図11を参照して簡単に説明する。
On the other hand, the structure of the
図11は、CMOS撮像素子1050の1画素分の断面図である。
FIG. 11 is a cross-sectional view of one pixel of the
図11において、1051はシリコン基板(Si基板)で、フォトダイオード等の光電変換素子となる受光部1052が設けられている。1053は、SiO2等で形成された層間絶縁膜1054の間に形成されており、受光部1052にて発生した光電荷を不図示のフローティングディフュージョン部(FD部)に転送するための転送電極である。また、1055は受光部1052以外に光が入射しないように形成された遮光作用を有する配線電極、1056は電極や不図示の配線により形成される凹凸表面上に形成されて平坦な表面を提供するための平坦化膜、1057は例えば赤(R)・緑(G)・青(B)などのカラーフィルタで、さらに平坦化層1058を介してマイクロレンズ1059が形成されている。マイクロレンズ1059は、不図示の撮影レンズから入射する光束を受光部1052に集光するようにレンズ形状が決められている。
In FIG. 11,
また、最近ではマイクロレンズと受光部の層間にレンズ機能を挿入する層内レンズ構造が主に採用されている(特許文献3参照)。 In recent years, an intra-layer lens structure in which a lens function is inserted between the microlens and the light receiving portion is mainly employed (see Patent Document 3).
これは、一般に前述したCCD1000における遮光膜1006やCMOS撮像素子1050における配線電極1055によるマイクロレンズからの光の導光をより確実に行うために用いられ、実質的な開口率を上げる効果がある。
一般に、光電変換素子1002(受光部1052)で光を感知する光量、いわゆる撮像素子固有の感度特性は、マイクロレンズ(1010、1059)の開口率に大きく影響される。 In general, the amount of light that is sensed by the photoelectric conversion element 1002 (light receiving unit 1052), that is, the so-called sensitivity characteristic inherent to the imaging element, is greatly influenced by the aperture ratio of the microlenses (1010, 1059).
図12は、CMOS撮像素子1050の4画素分を上面から見た図であり、一画素の正方形表面に対するマイクロレンズの開口の比率(開口率)は約70%となっている。この場合、マイクロレンズ以外の約30%の領域は受光部1052に効率よく導光することができず、配線電極1055により遮られたり、また対応する画素のカラーフィルタを通った光が隣の画素に入り込む、いわゆる混色を引き起こす原因となる。
FIG. 12 is a view of four pixels of the
従って、本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、撮像素子において、マイクロレンズの開口率を実質的に改善するとともに、混色の影響を抑制できるようにすることである。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to substantially improve the aperture ratio of the microlens and to suppress the influence of color mixing in the imaging device. .
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わる撮像素子は、複数の画素を有する撮像素子において、前記複数の画素毎に配置され、受光した光を電気信号に変換する光電変換部と、前記撮像素子に入射する光を前記光電変換部に集光するためのマイクロレンズと、前記マイクロレンズと前記光電変換部との間に配置された集光機能を有する内部レンズとを具備し、前記複数の画素のうち、各画素の対角方向に隣接する画素には、前記マイクロレンズがそれぞれ配置されており、前記複数の画素のうち、前記マイクロレンズが配置されていない画素には、前記内部レンズがそれぞれ配置されていることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, an image pickup device according to the present invention is an image pickup device that includes a plurality of pixels, is arranged for each of the plurality of pixels, and photoelectrically converts received light into an electric signal. A conversion unit, a microlens for condensing the light incident on the image sensor on the photoelectric conversion unit, and an internal lens having a condensing function disposed between the microlens and the photoelectric conversion unit. The microlens is disposed in each of the plurality of pixels adjacent to each pixel in the diagonal direction, and the pixel in which the microlens is not disposed among the plurality of pixels. Are characterized in that the internal lenses are respectively arranged.
また、本発明に係わる撮像素子は、複数の画素を有する撮像素子において、前記複数の画素毎に配置され、受光した光を電気信号に変換する光電変換部と、前記撮像素子に入射する光を前記光電変換部に集光するためのマイクロレンズと、前記マイクロレンズと前記光電変換部との間に配置された集光機能を有する第1及び第2の内部レンズであって、それぞれ開口径が異なる第1及び第2の内部レンズとを具備し、前記複数の画素のうち、各画素の対角方向に隣接する画素には、前記マイクロレンズと前記第1の内部レンズよりも開口径が小さい第2の内部レンズとがそれぞれ配置されており、前記複数の画素のうち、前記マイクロレンズが配置されていない画素には、前記第1の内部レンズがそれぞれ配置されていることを特徴とする。 Further, an image sensor according to the present invention includes, in an image sensor having a plurality of pixels, a photoelectric conversion unit that is arranged for each of the plurality of pixels and converts received light into an electric signal, and light incident on the image sensor. A microlens for condensing on the photoelectric conversion unit, and first and second internal lenses having a condensing function disposed between the microlens and the photoelectric conversion unit, each having an opening diameter Different first and second inner lenses are provided, and among the plurality of pixels, pixels adjacent to each pixel in the diagonal direction have smaller aperture diameters than the microlens and the first inner lens. A second internal lens is disposed, and the first internal lens is disposed in each of the plurality of pixels in which the microlens is not disposed.
また、本発明に係わる撮像素子は、複数の画素を有する撮像素子において、前記複数の画素毎に配置され、受光した光を電気信号に変換する光電変換部と、前記撮像素子に入射する光を前記光電変換部に集光するためのマイクロレンズであって、それぞれ開口径が異なる第1及び第2のマイクロレンズと、前記マイクロレンズと前記光電変換部との間に配置された集光機能を有する第1及び第2の内部レンズであって、それぞれ開口径が異なる第1及び第2の内部レンズとを具備し、前記複数の画素のうち、各画素の対角方向に隣接する画素には、前記第2のマイクロレンズよりも開口径の大きい第1のマイクロレンズと前記第1の内部レンズよりも開口径が小さい第2の内部レンズとがそれぞれ配置されており、前記複数の画素のうち、前記第1のマイクロレンズ及び第2の内部レンズが配置されていない画素には、前記第2のマイクロレンズと第1の内部レンズとがそれぞれ配置されていることを特徴とする。 Further, an image sensor according to the present invention includes, in an image sensor having a plurality of pixels, a photoelectric conversion unit that is arranged for each of the plurality of pixels and converts received light into an electric signal, and light incident on the image sensor. A microlens for condensing on the photoelectric conversion unit, the first and second microlenses having different aperture diameters, and a condensing function disposed between the microlens and the photoelectric conversion unit First and second internal lenses having first and second internal lenses having different aperture diameters, and the pixels adjacent to each other in the diagonal direction among the plurality of pixels. A first microlens having a larger aperture diameter than the second microlens and a second inner lens having a smaller aperture diameter than the first inner lens are disposed, and the plurality of pixels ,in front The pixel in which the first microlens and the second inner lens is not disposed, characterized in that said second micro-lens and the first inner lens are disposed, respectively.
本発明によれば、撮像素子において、マイクロレンズの開口率を実質的に改善するとともに、混色の影響を抑制することが可能となる。 According to the present invention, in the imaging device, the aperture ratio of the microlens can be substantially improved and the influence of color mixing can be suppressed.
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
本実施形態は、CMOS撮像素子に本発明を適用した第1の実施形態である。
(First embodiment)
This embodiment is a first embodiment in which the present invention is applied to a CMOS image sensor.
図1は、本発明の第1の実施形態のCMOS撮像素子50の構成を示す側断面図である。
FIG. 1 is a side sectional view showing a configuration of a
図1において、1はシリコン基板(Si基板)で、フォトダイオード等の光電変換素子となる受光部2が設けられている。また、5は受光部2以外に光が入射しないように形成された遮光作用を有する配線電極、6は電極や不図示の配線などにより形成される凹凸表面上に形成されて平坦な表面を提供するための平坦化膜、7は例えば赤(R)・緑(G)・青(B)などのカラーフィルタで、さらに平坦化層8を介して層内レンズ10が形成されている。層内レンズ10は、比較的屈折率の低い層間材11との屈折率の総和によるレンズ効果を有しており、層間材11の上に平坦化膜12を介してマイクロレンズ9が配置されている。マイクロレンズ9又は層内レンズ10によって不図示の撮影レンズから入射する光束を受光部2に集光できるように、それぞれのレンズ形状が決められている。
In FIG. 1,
ここで、受光部2で光を感知する光量、いわゆる撮像素子固有の感度特性は、マイクロレンズ9及び層内レンズ10の開口率に大きく影響される。
Here, the amount of light sensed by the
図2は、図1に示すCMOS撮像素子50を上から見た図で、マイクロレンズ9及び層内レンズ10の大きさ及び平面配列を示す図である。
FIG. 2 is a view of the
図2を見ればわかるように、マイクロレンズ9は隣接画素には配置されておらず、対角画素領域にのみ配置されている。また、一方層内レンズ10はマイクロレンズ9が配置されていない対角画素領域にのみ配置されている。
As can be seen from FIG. 2, the
図3は、ベイヤ配列のカラーフィルタに対応した図2での一画素の正方形表面に対するマイクロレンズ、層内レンズトータルでの開口率を示す図である。 FIG. 3 is a diagram showing the total aperture ratio of the microlens and the in-layer lens for the square surface of one pixel in FIG. 2 corresponding to the Bayer array color filter.
図3を見ればわかるように、マイクロレンズ9はブルー(B)、レッド(R)のカラーフィルタに対応して配置され、レンズトータルの開口率は100%を少しだけ超える。一方、層内レンズ10はグリーン(G)のカラーフィルタに対応して配置され、レンズトータルの開口率は85%程度になり、図12で示すような従来の構成と比べると、大幅に開口率が上がっていることがわかる。また、R、G、Bトータルでの有効開口率は非常に高く、混色の影響なども受けにくい構造となっている。
As can be seen from FIG. 3, the
図3の例では、B、RのカラーフィルタとGのカラーフィルタとで開口率が異なっているが、元々のR、G、Bでのカラーフィルタの分光特性が異なっており、本実施形態での実質分光特性は各カラーフィルタの分光特性と開口率との積になる。最終的に単板の撮像素子での画像処理は、ホワイトバランス調整を行うため、R、G、B毎で分光特性が異なることは問題にならない。逆に、本実施形態のようにわざとカラーフィルタ毎の開口率を変え、補正の少ないカラー(例えばGと仮定する)に対し、開口率の小さいレンズを組み合わせることによって、画像処理を含めたバランス調整を行う補正係数を小さくするすることが可能となる。 In the example of FIG. 3, the aperture ratios of the B and R color filters are different from those of the G color filter, but the spectral characteristics of the original color filters of R, G, and B are different. Is the product of the spectral characteristics of each color filter and the aperture ratio. Finally, since image processing with a single-plate image sensor performs white balance adjustment, it does not matter that the spectral characteristics differ for each of R, G, and B. Conversely, as in the present embodiment, the balance ratio including image processing is changed by changing the aperture ratio of each color filter on purpose and combining a lens with a small aperture ratio for a color with little correction (eg, G). It is possible to reduce the correction coefficient for performing.
(第2の実施形態)
図4は、本発明の第2の実施形態を示す図であり、図1と同様の構成部には同一の符号を付している。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a diagram showing a second embodiment of the present invention, and the same reference numerals are given to the same components as those in FIG.
図5は、図4に示すCMOS撮像素子60を上から見た図で、マイクロレンズ9及び層内レンズ10の大きさ及び平面配列を示す図である。
FIG. 5 is a view of the
図4及び図5を見ればわかるように、マイクロレンズ9が配置されている画素においても層内レンズ10よりも開口径の小さい層内レンズ13が配置されている。層内レンズ13を併用することによって、マイクロレンズ9だけでは抑えられない球面収差を補正することが可能となり、また配線電極5により光が遮断されないように作用させることも可能となる。
As can be seen from FIGS. 4 and 5, the
この場合も、図3とほぼ同様なトータル開口率となり、第1の実施形態と同様の効果が得られる。 Also in this case, the total aperture ratio is almost the same as in FIG. 3, and the same effect as in the first embodiment can be obtained.
(第3の実施形態)
図6は、本発明の第3の実施形態を示す図であり、図1と同様の構成部には同一の符号を付している。
(Third embodiment)
FIG. 6 is a diagram showing a third embodiment of the present invention, and the same reference numerals are given to the same components as those in FIG.
図7は、図6に示すCMOS撮像素子70を上から見た図で、マイクロレンズ9及び層内レンズ10の大きさ及び平面配列を示す図である。
FIG. 7 is a view of the
図6及び図7を見ればわかるように、マイクロレンズ9が配置されている画素においても層内レンズ10よりも開口径の小さい層内レンズ13が配置されているとともに、層内レンズ10が配置されている画素においてもマイクロレンズ9よりも開口径の小さいマイクロレンズ14が配置されている。このようにマイクロレンズ9,14と層内レンズ10,13とを併用することにより、第2の実施形態と同様に、球面収差を補正したり、配線電極5により光が遮断されないようにすることが可能となる。
As can be seen from FIGS. 6 and 7, in the pixel in which the
(第4の実施形態)
図8は、本発明の第4の実施形態を示す図であり、図1と同様の構成部には同一の符号を付している。
(Fourth embodiment)
FIG. 8 is a diagram showing a fourth embodiment of the present invention, and the same reference numerals are given to the same components as those in FIG.
本実施形態のCMOS撮像素子80では、電極の上面に保護膜15として屈折率の高いSiNを用いており、グリーンのカラーフィルタに対応する画素にのみSiNによる層内レンズ16が形成されている。平坦化膜6の上面にカラーフィルタ7が配列され、平坦化膜8の上面にマイクロレンズ9が形成されている。マイクロレンズ9又は層内レンズ16によって不図示の撮影レンズから入射する光束を受光部2に集光できるように、それぞれのレンズ形状が決められている。
In the
図9は、ベイヤ配列のカラーフィルタに対応した図8での一画素の正方形表面に対するマイクロレンズ、層内レンズトータルでの開口率を示す図である。 FIG. 9 is a diagram showing the total aperture ratio of the microlens and the in-layer lens with respect to the square surface of one pixel in FIG. 8 corresponding to the Bayer array color filter.
図9を見ればわかるように、マイクロレンズ9はブルー(B)、レッド(R)のカラーフィルタに対応して配置され、レンズトータルの開口率は100%を超える。一方、層内レンズ16はグリーン(G)のカラーフィルタに対応して配置され、レンズトータルの開口率は75%程度になる。この場合は、R、G、Bトータルでの有効開口率は95%程度になり、カラーフィルタの形状を層内レンズに合わせて作りこむことにより、混色の影響なども受けにくくすることができる。
As can be seen from FIG. 9, the
以上、CMOS撮像素子を元に、本発明の実施形態について説明したが、CCD撮像素子に適用しても同様の効果を得ることができる。また、上述の実施形態では上凸マイクロレンズ、上凸層内レンズの例を示しているが、例えば上凸マイクロレンズ、下凸層内レンズの構成としてもよい。また、マイクロレンズ、層内レンズの形状を円形形状で説明したが、例えばマイクロレンズや層内レンズに八角形形状を適用したり、円形形状の大きさを変えることにより、R、G、Bトータルでの有効開口率を下げることなく、カラーフィルタの各色毎の実質開口率のバランスを任意に設定することもできる。 As described above, the embodiments of the present invention have been described based on the CMOS image sensor, but the same effect can be obtained even when applied to a CCD image sensor. In the above-described embodiment, examples of the upward convex microlens and the upward convex in-layer lens are shown. However, for example, an upward convex micro lens and a downward convex in-layer lens may be used. In addition, although the shape of the micro lens and the in-layer lens has been described as a circular shape, for example, an R, G, and B total can be obtained by applying an octagonal shape to the micro lens and the in-layer lens or changing the size of the circular shape. It is also possible to arbitrarily set the balance of the actual aperture ratio for each color of the color filter without lowering the effective aperture ratio at.
以上説明したように、上記の実施形態によれば、マイクロレンズの開口率を実質的に改善するができ、併せて混色の影響を抑制することができる。 As described above, according to the above embodiment, the aperture ratio of the microlens can be substantially improved, and the influence of color mixing can be suppressed.
また、カラーフィルタの分光特性に合わせて、マイクロレンズと層内レンズトータルの開口率を下げることなく、カラーフィルタの各色毎の開口率を変更することができ、分光感度特性をカラーフィルタの特性とカラーフィルタの色毎の開口率の双方で調整することが可能となり、色再現性などを改善することも可能となる。 In addition, the aperture ratio of each color of the color filter can be changed according to the spectral characteristics of the color filter without lowering the total aperture ratio of the microlens and the in-layer lens. It is possible to adjust both the aperture ratio for each color of the color filter, and it is possible to improve color reproducibility and the like.
1,1051 Si基板
2,1002,1052 受光部
4,1054 層間絶縁膜
5,1055 配線電極
6,8,12 平坦化膜
7,1057 カラーフィルタ
9,14,1059 マイクロレンズ
10,13 層内レンズ
50,60,70,80,1050 CMOS撮像素子
1000 CCD
1053 転送電極
1,1051
1053 Transfer electrode
Claims (9)
前記複数の画素毎に配置され、受光した光を電気信号に変換する光電変換部と、
前記撮像素子に入射する光を前記光電変換部に集光するためのマイクロレンズと、
前記マイクロレンズと前記光電変換部との間に配置された集光機能を有する内部レンズとを具備し、
前記複数の画素のうち、各画素の対角方向に隣接する画素には、前記マイクロレンズがそれぞれ配置されており、前記複数の画素のうち、前記マイクロレンズが配置されていない画素には、前記内部レンズがそれぞれ配置されていることを特徴とする撮像素子。 In an image sensor having a plurality of pixels,
A photoelectric conversion unit that is arranged for each of the plurality of pixels and converts received light into an electrical signal;
A microlens for condensing the light incident on the image sensor on the photoelectric conversion unit;
An internal lens having a light collecting function disposed between the microlens and the photoelectric conversion unit;
Among the plurality of pixels, pixels adjacent to each pixel in the diagonal direction are each provided with the microlens, and among the plurality of pixels, the pixels on which the microlens is not provided are An image pickup device in which internal lenses are arranged.
前記複数の画素毎に配置され、受光した光を電気信号に変換する光電変換部と、
前記撮像素子に入射する光を前記光電変換部に集光するためのマイクロレンズと、
前記マイクロレンズと前記光電変換部との間に配置された集光機能を有する第1及び第2の内部レンズであって、それぞれ開口径が異なる第1及び第2の内部レンズとを具備し、
前記複数の画素のうち、各画素の対角方向に隣接する画素には、前記マイクロレンズと前記第1の内部レンズよりも開口径が小さい第2の内部レンズとがそれぞれ配置されており、前記複数の画素のうち、前記マイクロレンズが配置されていない画素には、前記第1の内部レンズがそれぞれ配置されていることを特徴とする撮像素子。 In an image sensor having a plurality of pixels,
A photoelectric conversion unit that is arranged for each of the plurality of pixels and converts received light into an electrical signal;
A microlens for condensing the light incident on the image sensor on the photoelectric conversion unit;
A first and a second internal lens having a condensing function disposed between the microlens and the photoelectric conversion unit, each including a first and a second internal lens having different aperture diameters;
Among the plurality of pixels, pixels adjacent to each pixel in the diagonal direction are each provided with the microlens and a second inner lens having an aperture diameter smaller than that of the first inner lens, The imaging device, wherein the first internal lens is disposed in each of the plurality of pixels in which the microlens is not disposed.
前記複数の画素毎に配置され、受光した光を電気信号に変換する光電変換部と、
前記撮像素子に入射する光を前記光電変換部に集光するためのマイクロレンズであって、それぞれ開口径が異なる第1及び第2のマイクロレンズと、
前記マイクロレンズと前記光電変換部との間に配置された集光機能を有する第1及び第2の内部レンズであって、それぞれ開口径が異なる第1及び第2の内部レンズとを具備し、
前記複数の画素のうち、各画素の対角方向に隣接する画素には、前記第2のマイクロレンズよりも開口径の大きい第1のマイクロレンズと前記第1の内部レンズよりも開口径が小さい第2の内部レンズとがそれぞれ配置されており、前記複数の画素のうち、前記第1のマイクロレンズ及び第2の内部レンズが配置されていない画素には、前記第2のマイクロレンズと第1の内部レンズとがそれぞれ配置されていることを特徴とする撮像素子。 In an image sensor having a plurality of pixels,
A photoelectric conversion unit that is arranged for each of the plurality of pixels and converts received light into an electrical signal;
A first microlens and a second microlens for condensing light incident on the image sensor on the photoelectric conversion unit, each having a different aperture diameter;
A first and a second internal lens having a condensing function disposed between the microlens and the photoelectric conversion unit, each including a first and a second internal lens having different aperture diameters;
Among the plurality of pixels, pixels adjacent to each pixel in the diagonal direction have a smaller opening diameter than the first microlens and the first inner lens having a larger opening diameter than the second microlens. A second internal lens is disposed in each of the plurality of pixels, and the second micro lens and the first micro lens are not included in the pixels in which the first micro lens and the second internal lens are not disposed. And an internal lens of the image sensor.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20080401 |