JP2006269776A - 固体撮像素子および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気光学セラミックスを用いたレンズを形成せずに、集光率を高めた固体撮像素子を提供する。
【解決手段】撮像素子10は、受光センサ部12と、受光センサ部12に対応して設けられたオンチップ（マイクロ）レンズ14およびカラーフィルタ16を含む。撮像素子10はさらに、受光センサ部12の上方に設けられた下部透明電極膜50と、下部透明電極膜50上に設けられた電気光学効果を有する屈折率可変材料層52と、屈折率可変材料層52上に設けられた上部透明電極膜54とを含む。上部透明電極膜54は、マイクロレンズ14の下方に位置する。下部透明電極膜50と上部透明電極膜54との間に印加される電圧に応じて、屈折率可変材料層52の屈折率が変化する。屈折率可変材料層52は実質的に平坦である。
【選択図】図１

Description

本発明は、集光効率を高めた固体撮像素子、およびこの固体撮像素子を用いた撮像装置に関するものである。

固体撮像素子の感度を向上させるためには、各画素に入射した光を効率良く受光センサ部に集光する必要があり、そのため従来では、受光センサ部上にパッシベーション膜、平坦化膜を形成し、この上にオンチップレンズを形成している。すなわち、各画素上に個別のレンズを形成する、いわゆるオンチップレンズ構造が採用されている。

固体撮像素子を、スチルカメラやビデオカメラなどの電子カメラや携帯電話などの撮像装置に組み込んだ場合、撮像装置側のレンズの開口数は、撮影状況に応じて適切な露出となるように変化する。したがって、撮像装置側のレンズを経て固体撮像素子に入射する光は、撮像装置のレンズの絞りによってその角度が変化する。すなわち、平行光だけでなく、斜め光も固体撮像素子に入射する。その場合に焦点は受光センサ部の面上でなく、たとえば受光センサ部の受光面の上方になってしまう。

そこで、集光率向上のために従来技術、たとえば特許文献１は、電気光学セラミックスからなる屈折率可変材料層でオンチップレンズを形成し、オンチップレンズを、その上下に設けた２つの透明電極で挟むことを提案する。そして透明電極にかける電圧を変化させることで、絞りの変化による受光センサ部への入射光の入射角度の変化に応じた最適な屈折率を設定する。
特開２００１−６０６７８号公報

しかしながら、特許文献１の撮像素子において、電気光学セラミックスを用いてレンズ形状を形成することは製造上非常に難しい。より簡単に製造できる光学系が望まれる。

本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、電気光学セラミックスを用いたレンズを形成せずに、集光率を高めた固体撮像素子を提供することを目的とする。また、入射光の波長特性を考慮して最適な集光効率となる固体撮像素子を提供することを目的とする。

本発明は上述の課題を解決するために、固体撮像素子において、基体と、基体の表層部に設けられた受光部と、受光部の上方に設けられたマイクロレンズとを設け、固体撮像素子は、さらに受光部の上方に設けられた透明導電材料からなる下部透明電極膜と、下部透明電極膜上に設けられた電気光学効果を有する屈折率可変材料層と、屈折率可変材料層上に設けられた透明導電材料からなる上部透明電極膜とを含み、上部透明電極膜は、マイクロレンズの下方に位置し、屈折率可変材料層は、下部透明電極膜と上部透明電極膜との間に印加される電圧に応じて屈折率が変化することとしたものである。

本発明によれば、固体撮像素子に入射する光の光路内に透明電極で挟み込んだ屈折率可変材料層が設けられ、屈折率可変材料層はレンズの下方にあり、製造が容易である。屈折率可変材料層は実質的に平坦であることが好ましい。この場合、製造が最も容易だからである。

本発明においては、固体撮像素子の前面に置かれた外部の光学系の光学特性の変化に応じて、屈折率可変材料層に印加される電圧を変え、電圧に応じて屈折率を変化させることができる。また、受光部に入射する入射光の波長に応じて、屈折率可変材料層に印加される電圧を変え、電圧に応じて屈折率を変化させる。すなわち、入射光の受光部への入射角度に依存した最適な屈折率に制御することで、入射光の波長や入射角度にあわせた最適な集光を行うことができる。

本発明の撮像装置は、これらの固体撮像素子と、屈折率可変材料層に印加する電圧を供給する駆動部とを含むことを特徴とする。

屈折率可変材料層にかける電圧を、撮像装置が制御して、撮像装置に使用されるレンズの光学特性に、固体撮像素子の光学特性を合わせることが可能になる。また、撮像装置に使用されるレンズの光学特性の変化に合わせて、固体撮像素子の光学特性を変化させる、すなわち両者の特性の変化を連動させることで、撮像装置のレンズの光学特性が変化したときは、固体撮像素子の光学特性も変化させることできる。

たとえば撮像装置の絞りや射出瞳の変化に対応して、固体撮像素子の光学特性を変化させることで、高画質な画像を提供できる。

次に添付図面を参照して本発明による撮像素子および、この撮像素子を含む電子スチルカメラの実施例を詳細に説明する。図１は、本発明の撮像素子10に含まれる１つの受光部とその周辺部の断面図である。撮像素子10は、２次元に配置された複数の受光部を含むが、図１には、１つの受光部とその周辺部の断面のみを示す。

図１を参照すると、本発明による撮像素子10の実施例は、受光部である受光センサ部12と、受光センサ部12に入射する入射光の光路上に、受光センサ部12に対応して設けられた光学部品であるオンチップ（マイクロ）レンズ14およびカラーフィルタ16を含む。

撮像素子10はさらに、受光センサ部12の上方に設けられた透明導電材料からなる下部透明電極膜50と、下部透明電極膜50上に設けられた電気光学効果を有する屈折率可変材料層52と、屈折率可変材料層52上に設けられた透明導電材料からなる上部透明電極膜54とを含む。上部透明電極膜54は、マイクロレンズ14の下方に位置する。

屈折率可変材料層52は、電気光学効果を有するため、屈折率可変材料層52を挟む下部透明電極膜50と上部透明電極膜54との間に印加される電圧に応じて、屈折率可変材料層52の屈折率が変化する。屈折率可変材料層52は実質的に平坦である。そのため、製造が容易である。下部透明電極膜50と上部透明電極膜54は、それぞれ、屈折率可変材料層52の表面に井桁（格子）状に形成される。

なお、電極膜は、画素ごとに形成して、画素ごとに屈折率を調整することとしてもよい。また、赤緑青の色ごとに電極膜を形成して、赤緑青の色ごとに屈折率を調整することとしてもよい。

屈折率可変材料層52の材料として電気光学効果を有するセラミックスが使用可能であり、このようなセラミックとしては、PLZT〔(Pb, La)(Zr, Ti)O₃ 〕やLiNbO₃ 結晶などが使用可能である。このPLZT(ジルコン酸チタン酸鉛ランタン)は、PZT（ジルコン酸チタン酸鉛固溶体(PbTiO₃ ・PbZrO₃)）のPbの一部をLaで置換した透光性圧電材料である。

固体撮像素子10の前面に置かれた電子カメラの光学系の光学特性の変化に応じて、屈折率可変材料層52に印加される電圧が変わり、電圧に応じて屈折率が変化する。屈折率可変材料層52は、撮像素子10の外部にある、電子カメラの駆動部からの駆動信号により制御され、駆動信号により屈折率可変材料層52の屈折率が決定される。

受光センサ部12は、基体であるシリコン基板20の表層部に設けられており、受光センサ部12により、入射光は信号電荷に光電変換され、信号電荷は、受光センサ部12から転送部22に転送される。転送部22は、CCD(Charge Coupled Device: 電荷結合素子)であり、受光センサ部12に隣接してシリコン基板20に形成される。信号電荷は、転送部22に移動した後、転送電極24により転送部22内を順次転送されていく。

受光センサ部12の周囲には、転送部22へ入射光が入ることを防ぐための遮光膜26が、転送部22を覆うように形成されている。受光センサ部12および遮光膜26の上には保護膜28、平坦化層30、カラーフィルタ16、下部透明電極膜50、屈折率可変材料層52、上部透明電極膜54、オンチップレンズ14がこの順に形成されている。

屈折率可変材料層52は、入射光の受光センサ部12への入射角度の変化、または入射光の波長に応じて、屈折率を変更する。屈折率を変化させることで、入射してくる光の光路長を変化させることができるので、角度の変化や波長の変化に対応して焦点面を受光センサ部に合わせることができる。

図1(a), 1(b)は、開口絞りの大きさに応じて屈折率を変えた例である。図1(a)は、入射光32の開口絞りを絞ったとき、すなわち、入射光の光線束が細い場合の入射光32の経路を示す。この場合、入射光32は平行光に近くなる。図1(b)は、入射光36の開口絞りを広げたとき、すなわち、入射光の光線束が太い場合の入射光36の経路を示す。屈折率可変材料層52に印加する電圧により、屈折率可変材料層52は、開口絞りの大きさに応じて最適な屈折率に調整される。

なお、屈折率の変え方については、受光センサ部１2が撮像素子の中心部にあるか、周辺部にあるかどうかに応じて変えることもできる。中心部への入射光は平行光に近く、周辺部への入射光ほど、斜めに入射する場合があるからである。

本実施例の効果を示すために、図２に比較例を示す。なお、以下の図において、図１と同様のものについては、同一の参照符号を付す。図２は、オンチップレンズ56が、屈折率可変材料で形成されているものを示す。オンチップレンズ56の上下に下部透明電極膜50および上部透明電極膜58が設けられている。下部透明電極膜50および上部透明電極膜58に電圧を印加して、オンチップレンズ56の屈折率を変える。本図の場合、屈折率可変材料層がレンズであるため、製造が困難である。

図3(a), 3(b), 3(c)は、入射光の波長に応じて屈折率を変える実施例である。本実施例では、画素ごとに入射光の波長、すなわち入射光の色が異なり、そのため、画素ごとに屈折率を変えている。本実施例では、画素ごとに、赤緑青(RGB)のうちのいずれか１色のカラーフィルタ16が配置されており、カラーフィルタ16を通過する光は、赤緑青(RGB)のうちのいずれか１色に限られる。

図3(a)は、入射光の波長によって、赤緑青の光の屈折率が異なり、そのため、同じ角度でオンチップレンズ14の同一の場所に入射した赤色の光60、緑色の光62、青色の光64が、受光センサ部12の異なる位置に入射することを説明する図である。画素ごとに電圧を変えて屈折率を変えることをしない場合、図3(a)に示すように、色ごとに異なる位置に入射するため、集光効率が赤緑青ごとに異なる。すなわち光の波長域が広いことによって色収差が起きてしまう。そこで、各色の画素ごとに異なる屈折率を屈折率可変材料層に設定し、色収差が起きにくくなるようにする。

赤緑青の色によって、異なる位置に入射することを防いで、同一の位置に入射させるために、本実施例では、図3(b)に示すように、緑のフィルタを有する画素の屈折率可変材料層52の屈折率を大きくする。そして、点線で示す赤の光の経路60と、実線で示す緑の光の経路62aがほぼ同一の位置に入射するようにする。点線で示す緑の光の経路62は、屈折率を大きくしなかったと仮定したときの緑の光の経路62であり、比較のために示す。

図3(c)に示すように、青のフィルタを有する画素の屈折率可変材料層52の屈折率は、緑のフィルタを有する画素よりもさらに大きくする。点線で示す赤の光の経路60と、実線で示す青の光の経路64aがほぼ同一の位置に入射するようにする。点線で示す青の光の経路64は、屈折率を大きくしなかったと仮定したときの青の光の経路64であり、比較のために示す。

このように、各色の画素ごとに異なる屈折率に変化させることで、色収差を小さくする。これと同時に、レンズの絞りや射出瞳の変化に応じて、屈折率を変化させることで集光効率を高め、高画質画像を提供することができる。なお、射出瞳に応じて、屈折率を変化させる理由は、一般に、射出瞳の大きさに応じて、色収差が変わるからである。

レンズの絞りや射出瞳の変化に応じて、屈折率を変化させる本発明の実施例を、３板式電子スチルカメラについて説明する。本実施例は、レンズの絞りや射出瞳が変化したときに、撮影対象からグレイに近い部分を検出し、当該部分について、３個の固体撮像素子からの赤色、緑色、青色の出力信号が等しくなるように（グレイになるように）、屈折率可変材料層の屈折率を調整するものである。

図４に示す３板式電子スチルカメラ70は、３個の固体撮像素子72R, 72G, 72Bと、固体撮像素子72R, 72G, 72Bに含まれる屈折率可変材料層（図示せず）に印加する電圧を供給する駆動部74とを含む。レンズ76を通過した入射光78は、固体撮像素子72R, 72G, 72Bの前面に設けられたダイクロイックプリズム（図示せず）によって、赤色、緑色、青色の入射光に分けられ、固体撮像素子72R, 72G, 72Bは、それぞれ、赤色、緑色、青色の入射光のみを受ける。

固体撮像素子72R, 72G, 72Bにより光電変換された信号電荷は、信号線80a, 80b, 80cによって、アナログフロントエンド(AFE) 82a, 82b, 82cに送られる。アナログフロントエンド82a, 82b, 82cは、アナログフロントエンド処理を行い、CDS(Correlated Double Sampling：相関二重サンプリング)、GCA(Gain Control Amplifier：利得可変増幅器)、ADコンバータの機能を有する。CDSは、信号線80a, 80b, 80cに含まれるノイズのうち支配的であるリセットノイズを除去する。GCAは、信号線80a, 80b, 80cに含まれる信号の大きさによって、その利得を変化させて、最適な大きさの信号にするためのアンプである。

AD変換された信号84a, 84b, 84cは、DSP(Digital Signal Processor)86に送られる。DSP 86では、画面全体をたとえば、64個のブロックに分割し、信号84a, 84b, 84cからグレイ点に近いブロックを検出する。検出は、各ブロックについて、赤緑青の各色について、その値の平均値を求め、赤緑青の平均値がほぼ等しいブロックを、グレイ点に近いブロックとする。さらに、検出したブロックについて、赤緑青の各色の値の平均値を、屈折率の評価値86aとする。

求められた評価値86aは、処理装置(CPU: Central Processing Unit)88に送られる。処理装置88は、評価値86aに基づいて、赤緑青の各色の値の平均値が等しくなるように、固体撮像素子72R, 72G, 72Bごとに印加すべき電圧を決定する。処理装置88は、決定された電圧値を出力させるための指示88aを駆動部74に送る。

駆動部74は、指示88aに従って、固体撮像素子72R, 72G, 72Bのそれぞれに、所定の電圧74a, 74b, 74cを出力する。固体撮像素子72R, 72G, 72Bは、電圧74a, 74b, 74cを印加されることにより、それぞれの屈折率可変材料層が所望の屈折率を有するようになる。本実施例では、電圧74a, 74b, 74cは、固体撮像素子72R, 72G, 72B単位で印加される。本実施例では、各固体撮像素子72R, 72G, 72Bに含まれる複数の画素の屈折率可変材料層に個別に電圧を印加することはしない。

なお、色収差を調整する際に、より高い精度の制御を行うために、画素ごとに異なる電圧を印加することとしてもよい。また、複数の色に対応した画素が１枚の板に形成されている単板式カメラにおいて、色ごとに異なる電圧を印加することとしてもよい。

ところで、本実施例では、固体撮像素子72R, 72G, 72Bの出力に基づいて、屈折率を調整することとしたが、処理装置88はレンズ76から、絞りの状態やレンズの位置の情報76aを直接受けて、この情報76aから、固体撮像素子72R, 72G, 72Bに印加する電圧74a, 74b, 74cを決定することもできる。

絞りの状態やレンズの位置が判れば、開口絞りや射出瞳を決定することができるからである。この場合、上記のようなグレイ点を求める処理は不要であるが、グレイ点を求める処理も併用することにより、屈折率の調整の精度を高めてもよい。レンズの位置の情報に関しては、カメラの製造時、またはレンズの交換時にカメラ内の記憶装置に記憶させることとしてもよい。

絞りに応じて屈折率を変える本発明の撮像素子の実施例を示す断面図である。 比較例の撮像素子を示す断面図である。 波長に応じて屈折率を変える本発明の撮像素子の実施例を示す平面図である。 本発明の電子カメラの実施例を示すブロック図である。

符号の説明

10 撮像素子
12 受光センサ部
14 オンチップレンズ
16 カラーフィルタ
26 遮光膜
32, 36 入射光
50 下部透明電極膜
52 屈折率可変材料層
54 上部透明電極膜
70 電子スチルカメラ
74 駆動部
76 光学系

Claims (5)

1. 基体と、該基体の表層部に設けられた受光部と、該受光部の上方に設けられたマイクロレンズとを含む固体撮像素子において、該固体撮像素子は、
   前記受光部の上方に設けられた透明導電材料からなる下部透明電極膜と、
   該下部透明電極膜上に設けられた電気光学効果を有する屈折率可変材料層と、
   該屈折率可変材料層上に設けられた透明導電材料からなる上部透明電極膜とを含み、
   該上部透明電極膜は、前記マイクロレンズの下方に位置し、
   前記屈折率可変材料層は、前記下部透明電極膜と上部透明電極膜との間に印加される電圧に応じて屈折率が変化することを特徴とする固体撮像素子。
2. 請求項１に記載の固体撮像素子において、前記屈折率可変材料層は実質的に平坦であることを特徴とする固体撮像素子。
3. 請求項１または２に記載の固体撮像素子において、該固体撮像素子の前面に置かれた外部の光学系の光学特性の変化に応じて、前記屈折率可変材料層に印加される電圧が変わり、該電圧に応じて屈折率が変化することを特徴とする固体撮像素子。
4. 請求項１から３までのいずれかに記載の固体撮像素子において、前記受光部に入射する入射光の波長に応じて、前記屈折率可変材料層に印加される電圧が変わり、該電圧に応じて屈折率が変化することを特徴とする固体撮像素子。
5. 請求項１から４までのいずれかに記載の固体撮像素子と、前記屈折率可変材料層に印加する電圧を供給する駆動部とを含むことを特徴とする撮像装置。

Images