JP2006261248A - 撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】より大きい入射角で撮像素子に入射した光を効率良く光電変換部に導くことができるようにする。
【解決手段】複数の画素を有する撮像素子において、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１５２と、撮像素子に入射する光を光電変換部に集光するためのマイクロレンズ１５９と、マイクロレンズと光電変換部との間に配置され、マイクロレンズの開口の最外周部に入射した光線が光電変換部の開口１１０ａの最外周部に入射する場合の光線の光路である光学的境界線１３により形成される仮想開口２００の最外周部の略外側に位置する偏向部１１２ａとを具備する。
【選択図】 図１

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。

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）。

まず、ＣＣＤ１０００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。

図１１は、ＣＣＤ１０００の断面図である。

図１１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。

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。

一方、ＣＭＯＳ撮像素子１０５０の構造について、その主要部を示す図１２を参照して簡単に説明する。

図１２は、ＣＭＯＳ撮像素子１０５０の１画素分の断面図である。

図１２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。

次に、上述した固体撮像素子を備えたデジタルカメラの撮像系（ズーム機構）について説明する。

図１３はコンパクトタイプデジタルカメラの撮像系１１００の概略断面図である。図１３において、１１０１は第１レンズ群、１１０２は第２レンズ群、１１０３は第３レンズ群であって、第１レンズ群１１０１と第２レンズ群１１０２はズーミングのために、また第３レンズ群１１０３は焦点調節のために所定範囲だけ光軸方向に可動となっている。１１０４は光学ローパスフィルタ、１１０５はＣＣＤ等の固体撮像素子である。また１１０６は絞りであって、駆動源１１０７によって開口径が変化する。

１１１０は第１レンズ群１１０１の保持部材、１１１１は第１レンズ群１１０１の光軸方向の移動を案内するガイドピン、１１２０は第２レンズ群の保持部材、１１２１は第２レンズ群１１０２の光軸方向の移動を案内するガイドピンである。

１１３０は第１レンズ群１１０１を光軸方向に移動させるためのカム溝１１３１と、第２レンズ群１１０２を光軸方向に移動させるためのカム溝１１３２とを有するカム筒であって、所定範囲だけ光軸方向に可動となっている。なお、ガイドピン１１１１とカム溝１１３１、ガイドピン１１２１とカム溝１１３２はカム嵌合している。１１３３はカム筒１１３０の光軸方向の移動を案内するガイドピンであって、カム筒１１４０に設けられたカム溝１１４１とカム嵌合している。

カム筒１１４０が不図示の駆動源によって回転することにより、カム筒１１３０が光軸方向に移動する。これにより、カム筒１１３０に設けられたカム溝１１３１及び１１３２に案内されて第１レンズ群１１０１及び第２レンズ群１１０２が光軸方向に所定量移動する。これにより、撮像系１１００のズーミングが行われる。

１１５０は第３レンズ群１１０３の保持部材であり、１１６０は光学ローパスフィルタ１１０４及び固体撮像素子１１０５の保持部材である。保持部材１１６０にはモータ１１６１が回転可能に軸支されており、モータ１１６１には一体的に雄ネジ部１１６２が設けられている。雄ネジ部１１６２は保持部材１１５０が保持している雌ネジ１１６３とネジ結合しているので、モータ１１６１、つまりは雄ネジ部１１６２の回転に伴って保持部材１１５０は不図示のガイドバーによって光軸方向に所定範囲移動する。これにより、第３レンズ群１１０３による撮像系１１００の焦点調節が行われる。
特開２００２−１４１４８８号公報 特開２００２−０８３９４８号公報 特開２００３−２４３６３８号公報

図１４は従来のＣＭＯＳ撮像素子１０５０にある角度傾いた被写体光束１０６１（図１４ではマイクロレンズ１０５９の中心軸１０６０に対して２０°傾いている）が入射すると、マイクロレンズ１０５９を透過した被写体光束１０６１のほとんどが受光部１０５２に入射しない。これは固体撮像素子がＣＣＤ１０００の場合も同様である。

つまり、撮像系から射出してマイクロレンズ１０１０もしくは１０５９に入射する被写体光束１０６１とマイクロレンズ１０１０もしくは１０５９の中心軸とがなす角度（以下、被写体光束の入射角と呼ぶ）にはある制限が必要となり、１０°以下の「浅い」入射角度で入射することが必要となっている。

つまり、従来の固体撮像素子を用いたコンパクトデジタルカメラの場合、その撮像系は像側テレセントリック光学系でなければならないという制約があり、撮像系の設計自由度の低下を招くと共に、撮像系の小型化の妨げとなっていた。

また、Ｆナンバーの小さい、明るいレンズを従来の固体撮像素子と組み合わせても、レンズの周辺を透過した角度のついた光束は光感度が無くなるために、レンズの能力を十分に発揮させることができずに、撮像系のレンズ性能の制約にもなっていた。

このような課題を解決する手段として、例えば特許文献３に開示されているように、マイクロレンズから光電変化部までの光伝播領域に、全反射条件を満たすようなガイド部（井戸構造）を設けることにより、光線入射角の許容角度を改善する方法などが提案されている。

図７は、井戸構造を有するＣＭＯＳ撮像素子５０の中央画素部分を示し、５２は受光部、５４はＳｉＯ₂で形成された層間絶縁膜である。５５は受光部５２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であり、１０は全反射条件を満たすガイド部（井戸部）であり、ＳｉＮを埋め込むことにより形成されている。層間絶縁膜（ＳｉＯ₂）５４の屈折率ｎ2＝１．４６に対し、井戸部（ＳｉＮ）の屈折率ｎ1＝２であることから、全反射条件式である（１）式より、井戸部の側面に対する入射角θ１が４６．９°以上の傾いた光線であれば全反射条件を満たすことがわかる。

ｎ1×Ｓｉｎθ１≧ｎ2 （１）
１１は外部からの水分などの混入を抑えるために施される保護膜であり、井戸部１０と同一材料のＳｉＮにより形成される。５６は平坦な表面を提供するための平坦化膜、５７は赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）などのカラーフィルタで、さらに平坦化層５８を介してマイクロレンズ５９が形成されている。マイクロレンズ５９は、不図示の撮影レンズから入射する光束を最終的に受光部５２に効率よく導くことができるようにレンズ形状が決められており、またマイクロレンズ５９の位置は、中央画素での撮影レンズの主光線（入射角０°）に合わせて決定されている。

図７（ａ）では、入射角が受光入射角限界である１５°のときのＣＭＯＳ撮像素子５０の光線を示しており、図７（ｂ）では、ＣＭＯＳ撮像素子５０の受光入射角限界を超えた入射角２０°での光線を示している。

図７（ｂ）では撮影レンズからマイクロレンズ５９を介して受光部に導光される光束の一部１４が受光部５２まで到達していない。これは例えばＦナンバーの小さい明るい撮影レンズの光束を全て取り込むことができないことを意味し、撮影レンズの性能を撮像素子側で制約することになる。

受光入射角限界θ2が対応可能なＦナンバー（Ｆ）は（２）式で算出することができ、図８のような関係になっている。

Ｆ＝１／（２×ｔａｎθ2） （２）
すなわち、図７のＣＭＯＳ撮像素子では、Ｆナンバーが１．９よりも小さいレンズと組み合わせた場合、レンズ性能を十分に発揮させることができなくなる。

図９は、図７に示した井戸構造を有するＣＭＯＳ撮像素子５０の対角画素を示しているが、マイクロレンズ５９の位置のみ対角画素での撮影レンズの主光線に合わせてずらして配置している。

図９（ａ）では、入射角が受光入射角限界である２５°のときのＣＭＯＳ撮像素子５０の光線を示しており、図９（ｂ）では、ＣＭＯＳ撮像素子５０の受光入射角限界を超えた入射角３０°での光線を示している。

図９（ｂ）では撮影レンズからマイクロレンズ５９を介して受光部に導光される光束の一部１４が受光部５２まで到達していない。

対角画素位置での光線の傾きを大きく取れれば取れるほど、撮像レンズ系の設計自由度が増し、撮像レンズの小型化に寄与することになるが、図９の撮像素子５０においては、対角画素で入射角が２５°以上の光線が入射されるような撮影レンズでは、その実力を十分に発揮することができなくなる。

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、より大きい入射角で撮像素子に入射した光を効率良く光電変換部に導くことができるようにすることである。

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、前記マイクロレンズの開口の最外周部に入射した光線が前記光電変換部の開口の最外周部に入射する場合の前記光線の光路である光学的境界線により形成される仮想開口の最外周部の略外側に位置する偏向手段と、を具備することを特徴とする。

また、この発明に係わる撮像素子において、前記偏向手段は、前記マイクロレンズから入射して前記仮想開口の外側に入射する光線を前記光電変換部の開口内に向かう方向に偏向させることを特徴とする。

また、この発明に係わる撮像素子において、前記偏向手段は、前記マイクロレンズに近い側に配置された第１の屈折率を有する材料からなるプリズム形状部と、該プリズム形状部の前記光電変換部に近い側に隣接して配置され、前記第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有する材料からなる膜状部とを有することを特徴とする。

また、この発明に係わる撮像素子において、前記プリズム形状部は、断面三角形状又は台形状に形成されていることを特徴とする。

また、この発明に係わる撮像素子において、前記光電変換部に隣接して配置された集光手段であって、第３の屈折率を有する材料から形成されるとともに前記マイクロレンズに向かって広がる錐体状に形成され、前記マイクロレンズからの光線を前記光電変換部に案内するガイド部と、該ガイド部を取り巻いて配置され前記第３の屈折率よりも低い第４の屈折率を有する材料から形成された層状部とを備える集光手段をさらに具備することを特徴とする。

また、この発明に係わる撮像素子において、前記光電変換部の開口とは、前記ガイド部の前記マイクロレンズ側の端部の開口であることを特徴とする。

本発明によれば、より大きい入射角で撮像素子に入射した光を効率良く光電変換部に導くことが可能となる。

以下、全反射条件を満たすようなガイド部（井戸構造）を設けたＣＭＯＳ撮像素子に本発明を適用した一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係わる井戸構造を有するＣＭＯＳ撮像素子１６０の中央画素を示す側断面図である。なお、撮像素子１６０は多数の画素を２次元的に配置して構成されており、図１ではその中央部分の画素を示している。

図１において、１５２は受光部（光電変換部）、１５４はＳｉＯ₂で形成された層間絶縁膜である。１５５は受光部１５２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である。１１０は全反射条件を満たす錐体形状のガイド部（井戸部）であり、ＳｉＮを埋め込むことにより形成されている。なお、層間絶縁膜（ＳｉＯ₂）１５４の屈折率ｎ2＝１．４６に対し、井戸部（ＳｉＮ）１１０の屈折率ｎ1＝２であることから、全反射条件式である（１）式より、井戸部１１０の側面に対する入射角θ１が４６．９°以上の傾いた光線であれば全反射条件を満たすことがわかる。

ｎ1×Ｓｉｎθ１≧ｎ2 （１）
１１２は、井戸部１１０の上面開口１１０ａとマイクロレンズ１５９の開口を結ぶ光学的な境界線１１３により形成される中間の仮想開口２００の外側にプリズム形状部１１２ａを有し、このプリズム形状部１１２ａにより仮想開口２００の外側に入射する光線を井戸部１１０に入射するように偏向させるための偏向膜である。なお、上記の光学的な境界線１１３とは、上記のプリズム形状部１１２ａが無いと仮定した場合に、マイクロレンズ１５９の開口の最外周部に入射した光線が井戸部１１０の上面開口１１０ａの最外周部に入射する場合の光線の光路である。

偏向膜１１２は井戸部１１０と同一材料のＳｉＮ（屈折率ｎ＝２）により形成され、プリズム形状部１１２ａは、偏向膜１１２の材料（ＳｉＮ）よりも屈折率の低い材料であるアクリル系樹脂（屈折率ｎ＝１．５４）から形成されている。１５６は平坦な表面を提供するための平坦化膜であり、プリズム形状部１１２ａと同一の材料から一体的に形成されている。１５７は赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）などのカラーフィルタで、さらに平坦化層１５８を介してマイクロレンズ１５９が形成されている。マイクロレンズ１５９は、不図示の撮影レンズから入射する光束を最終的に受光部１５２に効率よく導くことができるようにレンズ形状が決められている。

ここで、図１（ａ）では入射角が１５°のときのＣＭＯＳ撮像素子１６０の入射光線を示しており、図１（ｂ）では入射角が２０°のときのＣＭＯＳ撮像素子１６０の入射光線を示している。

図１（ａ）からわかるように、受光入射角限界である１５°の入射角までは、偏向膜１１２のプリズム形状部１１２ａは入射光の光路に何ら影響を及ぼさず、マイクロレンズ１５９に入射した光は略全て井戸部１１０に入射する。

一方、図１（ｂ）に示すように、マイクロレンズ１５９に受光入射角限界である１５°を超えた入射角で光が入射した場合（図１（ｂ）では２０°）には、一部の光線１４が仮想開口２００の外側に入射する。このような光線は、従来では、図７（ｂ）に示したように井戸部１０（図１では井戸部１１０）に入射せず、受光部５２（図１では１５２）に到達しなかった。これに対し、本実施形態では、図１（ｂ）に示すように、仮想開口２００の外側に入射した一部の光線１４が偏向膜１１２よりも屈折率の低いプリズム形状部１１２ａにより井戸部１１０に入射する方向に偏向される（屈折する）ため、受光部１５２で受光することが可能となる。すなわち、本実施形態の構造では、従来ではマイクロレンズへの入射角が大きいために受光できなかった光線を、プリズム形状部１１２ａの屈折作用により受光部１５２に入射させることができるようになる。そのため、受光入射角限界を大きくすることが可能となる。

図２は、本発明の一実施形態に係わる井戸構造を有するＣＭＯＳ撮像素子１６０の対角画素を示す側断面図である。

図２では、図１に対して、マイクロレンズ１５９の位置のみが対角画素での撮影レンズの主光線に合わせてアライメントをずらして配置されている。

また、図２（ａ）では入射角が２５°のときのＣＭＯＳ撮像素子１６０の入射光線を示しており、図２（ｂ）では入射角が３５°のときのＣＭＯＳ撮像素子１６０の入射光線を示している。

図２（ａ）からわかるように、受光入射角限界である２５°の入射角までは、偏向膜１１２のプリズム形状部１１２ａは入射光の光路に何ら影響を及ぼさず、マイクロレンズ１５９に入射した光は略全て井戸部１１０に入射する。

一方、図２（ｂ）に示すように、マイクロレンズ１５９に受光入射角限界である２５°を超えた入射角で光が入射した場合（図２（ｂ）では３５°）には、一部の光線１４が仮想開口２００の外側に入射する。このような光線は、従来では、図９（ｂ）に示したように井戸部１０（図２では井戸部１１０）に入射せず、受光部５２（図２では１５２）に到達しなかった。これに対し、本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、仮想開口２００の外側に入射した一部の光線１４が偏向膜１１２よりも屈折率の低いプリズム形状部１１２ａにより井戸部１１０に入射する方向に偏向される（屈折する）ため、受光部１５２で受光することが可能となる。すなわち、本実施形態の構造では、図１の中央画素の場合と同様に、受光入射角限界を大きくすることが可能となる。

また、図３では、入射角−５°のときのＣＭＯＳ撮像素子１６０の受光入射光線を示しており、この場合もプリズム形状部１１２ａの屈折作用により仮想開口２００の外側に入射した光線１４を井戸部１１０に入射させることが可能となる。

すなわち、対角画素においても、ＣＭＯＳ撮像素子１６０の許容入射角を−５°〜＋３５°と大きくすることができる。

このように、中央画素においても、また対角画素においても、ＣＭＯＳ撮像素子１６０の許容入射角を大きくすることができ、撮影レンズの設計自由度を大幅に向上させることが可能となる。

また、図１及び図２のような構造にすることにより、従来例を示す図７での撮像素子５０ではレンズ性能を発揮できるＦナンバー限界が１．９であったのに対し、レンズ性能を発揮できるＦナンバー限界を１．４程度にすることが可能となる。

ここで、図１０は、図１における光学的な境界線１３が形成する中間の仮想開口２００の内側まで進入させてプリズム形状部１１２ａを配置した場合の入射角１５°のときの光線を示している。

このときは、図１（ａ）での受光入射角限界（１５°）においても、光線の光路はプリズム形状部１１２ａによって影響を受け、主光線３００のプリズム形状部１１２ａの左側のテーパ面１１２ａ１への入射角が寝ることから、テーパ面１１２ａ１での界面反射率が大きくなる傾向となる。また、図１０でのプリズム形状部１１２ａの右側のテーパ面１１２ａ２に入射された光線４００は、図１の構造と比べて井戸部１１０の側面への入射角が小さくなり全反射条件を満たさない方向にシフトするため、受光部１５２での受光光量の落ち込みが生じる。

従って、撮像素子の受光入射角限界における受光効率を確保するためには、図１のように仮想開口２００の外側にプリズム形状部１１２ａを配置することが好ましい。ただし、図１０に示した構造では、プリズム形状部１１２ａが極端に仮想開口２００の内側まで進入しているが、多少であれば仮想開口２００の内側までプリズム形状部１１２ａが進入している構造であっても問題はない。

図４は、図１に示した撮像素子１６０の４画素（１６１，１６２，１６３，１６４）分を上面から見た図であり、図５（ａ）は図４でのＡ−Ａ断面図、図５（ｂ）は図４でのＢ−Ｂ断面図である。

図４において、画素１６１については、マイクロレンズ１５９、平坦化層１５８、実質的な受光開口である井戸部１１０の上面開口１１０ａの位置関係を示しており、画素１６２，１６３，１６４については、偏向膜１１２と井戸部１１０の上面開口１１０ａの位置関係を示している。

図５に示される井戸部１１０の上面開口１１０ａとマイクロレンズ１５９の開口を結ぶ光学的な境界線１３により形成される、偏向膜１１２の上面での仮想開口２００は、図４からわかるように井戸部１１０の上面開口１１０ａとマイクロレンズ１５９の開口との中間的な形状となる。また、図５（ａ）に示すＡ−Ａ断面でのプリズム形状部１１２ａのテーパ面１１２ａ１，１１２ａ２は互いに対向して三角形状となっているが、図５（ｂ）に示すＢ−Ｂ断面では、テーパ面１１２ａ１，１１２ａ２の間にプリズム形状部１１２ａの底面である平坦部１１２ａ３が介在する。

図６は、偏向膜１１２及び平坦化膜１５６（プリズム形状部１１２ａを含む）を加工するための工程を説明する図である。

図６において、１１０は井戸部、１５４は層間絶縁膜、２１は偏向膜１１２の凹凸形状（プリズム形状部１１２ａの凹形状）を創生するための高屈折率材（本実施形態ではＳｉＮ：屈折率ｎ＝２）からなる基台、２２は基台２１上に形成されるところの基台２１と同一材料からなる膜、１５６は基台２１及び膜２２を形成する材料よりも屈折率の低い材料（本実施形態ではアクリル系樹脂：屈折率ｎ＝１．５４）からなる平坦化膜である。なお、基台２１と膜２２を合わせたものが偏向膜１１２となる。また、プリズム形状部１１２ａは、平坦化膜１５６と同一の材料により一体的に形成される。

まず、図６（ａ）に示すように、層間絶縁膜１５４の上面に対し、図４及び図５における仮想開口２００に対応したパターンで基台２１をフォトリソ工程にて製作する。その後高密度プラズマＣＶＤにより膜２２を形成し、このとき図６（ｂ）に示すようなテーパ角が約４５°のテーパ面１１２ａ１，１１２ａ２が形成される。この場合、高密度プラズマＣＶＤのプロセス条件によりテーパ面１１２ａ１，１１２ａ２のテーパ角度はある程度変更が可能となる。その後、図６（ｃ）に示すように、スピンコートによりアクリル系樹脂からなる平坦化膜１５６を形成する。以上の工程により、偏向膜１１２、プリズム形状部１１２ａ、平坦化膜１５６の部分を製作することができる。

なお、上記の実施形態では、受光部１５２で受光可能な光線の臨界入射角を、偏向膜１１２を設けない場合で１５°（対角画素では２５°）、偏向膜１２を設けた場合で２０°（対角画素では３５°）として説明したが、これらの角度は単なる一例で、マイクロレンズ１５９や井戸部１１０の位置や大きさ、各層を構成する材料の屈折率、プリズム形状部のテーパ面角度などに依存して変化するものであり、本発明は上記の実施形態の数値に限定されるものではない。

また、上記の実施形態では、プリズム形状部１１２ａを構成する材料をアクリル系樹脂（屈折率ｎ＝１．５４）、偏向膜１２を形成する材料をＳｉＮ（屈折率ｎ＝２）として説明したが、偏向膜１２の材料の屈折率がプリズム形状部１１２ａの材料の屈折率よりも高いという条件を満たせば、他の材料を用いてもよい。

また、上記の実施形態では、全反射条件を満たすような井戸部１１０を設けたＣＭＯＳ撮像素子に本発明を適用する場合について説明したが、例えば井戸部を持たないＣＭＯＳ撮像素子やＣＣＤ撮像素子に、本発明を適用しても許容入射角を広くすることが可能となる。その際の実質的な受光開口は受光部１５２の上方に配置された配線電極１５５の開口となる。

以上説明したように、上記の実施形態によれば、受光エリア開口とマイクロレンズ開口を結ぶ光学的な境界線により形成される中間の仮想開口に対し、その仮想開口の外周部をほぼ境界線として開口外側に偏向部（プリズム形状部）を設けて、偏向部に入った光を受光エリアの実質開口面に偏向させることにより、許容入射角を大きくすることができ、撮像系の設計自由度を向上させ、かつ撮像系のレンズ性能への制約も抑えることができる。

本発明の一実施形態に係わる井戸構造を有するＣＭＯＳ撮像素子の中央画素を示す側断面図である。 本発明の一実施形態に係わる井戸構造を有するＣＭＯＳ撮像素子の対角画素を示す側断面図である。 入射角−５°で光線が入射したときのＣＭＯＳ撮像素子の受光入射光線を示す図である。 図１に示した撮像素子の４画素分を上面から見た図である。 図４のＡ−Ａ断面図及びＢ−Ｂ断面図である。 偏向膜及び平坦化膜（プリズム形状部を含む）を加工するための工程を説明する図である。 井戸構造を有するＣＭＯＳ撮像素子の中央画素部分を示す側断面図である。 受光入射角限界と撮影レンズのＦナンバーの関係を示す図である。 図７に示した井戸構造を有するＣＭＯＳ撮像素子の対角画素を示す側断面図である。 図１における光学的な境界線が形成する中間の仮想開口の内側まで進入させてプリズム形状部を配置した場合の入射角１５°のときの光線を示す図である。 従来のＣＣＤの構造を示す側断面図である。 従来のＣＭＯＳ撮像素子の構造を示す側断面図である。 従来のコンパクトデジタルカメラの撮像系の概略断面図である。 従来のコンパクトデジタルカメラの撮像系の制約を説明するための光線トレース図である。

符号の説明

１４ 漏れ光線
１１０ 井戸部
１１０ａ 上面開口
１１２ 偏向膜
１１２ａ プリズム形状部
１１２ａ１，１１２ａ２ テーパ面
１１３ 光学的な境界線
１５２ 受光部
１５５ 配線電極
１５６ 平坦化膜
１５７ カラーフィルタ
１５９ マイクロレンズ
１６０ ＣＭＯＳ撮像素子
２００ 仮想開口

Claims (6)

1. 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、前記マイクロレンズの開口の最外周部に入射した光線が前記光電変換部の開口の最外周部に入射する場合の前記光線の光路である光学的境界線により形成される仮想開口の最外周部の略外側に位置する偏向手段と、
   を具備することを特徴とする撮像素子。
2. 前記偏向手段は、前記マイクロレンズから入射して前記仮想開口の外側に入射する光線を前記光電変換部の開口内に向かう方向に偏向させることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
3. 前記偏向手段は、前記マイクロレンズに近い側に配置された第１の屈折率を有する材料からなるプリズム形状部と、該プリズム形状部の前記光電変換部に近い側に隣接して配置され、前記第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有する材料からなる膜状部とを有することを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
4. 前記プリズム形状部は、断面三角形状又は台形状に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の撮像素子。
5. 前記光電変換部に隣接して配置された集光手段であって、第３の屈折率を有する材料から形成されるとともに前記マイクロレンズに向かって広がる錐体状に形成され、前記マイクロレンズからの光線を前記光電変換部に案内するガイド部と、該ガイド部を取り巻いて配置され前記第３の屈折率よりも低い第４の屈折率を有する材料から形成された層状部とを備える集光手段をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
6. 前記光電変換部の開口とは、前記ガイド部の前記マイクロレンズ側の端部の開口であることを特徴とする請求項５に記載の撮像素子。

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