JP2008104079A

JP2008104079A - 多板式カラー固体撮像装置

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Publication number: JP2008104079A
Application number: JP2006286507A
Authority: JP
Inventors: Takeharu Tani; 武晴谷
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2006-10-20
Filing date: 2006-10-20
Publication date: 2008-05-01

Abstract

【課題】さらなる高画質化を実現することが可能な多板式カラー固体撮像装置を提供する。
【解決手段】三板式固体撮像装置２は、入射光を赤色、緑色、青色の波長帯域を有する光に分解する色分解プリズム１０と、色分解プリズムの各出射面２０〜２２に配され、光を受光して光電変換を行う受光部３０が撮像面３５に複数配列された三台のＣＣＤイメージセンサ１１〜１３とを備える。受光部３０の開口４８上には、入射光を開口４８に向けて導光する導光路５０が形成されている。導光路５０は、高い屈折率を有する材料からなるコア層５１と、絶縁性でコア層５１よりも低い屈折率を有する材料からなるクラッド層５２とから形成されている。光軸Ｌに平行でない斜め方向からの光も効率よく受光することができ、入射光が撮像面３５で反射して迷光になることを低減することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、ビデオカメラなどに用いられる多板式カラー固体撮像装置に関する。

多板式カラー固体撮像装置は、主としてビデオカメラに用いられ、色分解プリズムで入射光を複数の異なる波長帯域を有する光に分解し、色分解プリズムの各出射面に配された複数の固体撮像素子で、分解された光をそれぞれ撮像するものである。

多板式カラー固体撮像装置では、色分解プリズムに入射する光のうち、結像に寄与しない一部の光（迷光）が、色分解プリズム内で反射して固体撮像素子の撮像面に入り込み、フレアーの原因となることが問題となっていた。従来、このフレアーを解消する為に、色分解プリズムの一部に切り込み（ノッチ）を入れたり、色分解プリズムの出射面と固体撮像素子の撮像面との間に遮光性の有機膜を介挿したりしていた（特許文献１参照）。
特開平５−２８４５１０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発明を含む従来の技術では、固体撮像素子の撮像面で反射した光による迷光を防ぐことができない。特に、斜め方向から入射する光に対しては、固体撮像素子の撮像面で反射された光が他のＣＣＤイメージセンサの撮像面に至り、迷光になる可能性が高くなる。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、さらなる高画質化を実現することが可能な多板式カラー固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、入射光を複数の異なる波長帯域を有する光に分解する色分解素子と、前記色分解素子の各出射面に配され、光を受光して光電変換を行う受光部が撮像面に複数配列された複数の固体撮像素子とを備える多板式カラー固体撮像装置において、前記複数の固体撮像素子のうちの少なくとも一つは、前記受光部に向けて光を導く導光路を有することを特徴とする。

前記色分解素子は、色分解プリズムであることが好ましい。また、前記色分解素子は、前記入射光を赤、緑、青の三色の光に分解することが好ましい。

前記導光路は、コア層と、前記コア層よりも低い屈折率を有し、前記コア層を囲むクラッド層とから形成されていることが好ましい。

あるいは、前記導光路は、コア層と、前記コア層を囲む金属製の反射膜とから形成されていることが好ましい。

前記固体撮像素子は、前記受光部に光を集光させるためのマイクロレンズをさらに有し、前記マイクロレンズは、前記受光部の中心からずれて配置されており、前記マイクロレンズのずれ量は、前記撮像面の周縁部に至るにつれて増加することが好ましい。

前記固体撮像素子は、前記受光部に光を集光させるためのマイクロレンズをさらに有し、隣接する前記マイクロレンズ同士の間隔が、前記撮像面の周縁部で狭まっていることが好ましい。

本発明の多板式カラー固体撮像装置によれば、複数の固体撮像素子のうちの少なくとも一つに、受光部に向けて光を導く導光路を設けるので、斜め方向から入射する光を効率よく受光することができ、迷光を低減することができる。したがって、さらなる高画質化を実現することが可能となる。

図１において、三板式固体撮像装置２は、色分解プリズム１０と、三台のＣＣＤイメージセンサ１１〜１３とから構成される。色分解プリズム１０は、三個のプリズムブロック１４〜１６と、プリズムブロック１４、１５、およびプリズムブロック１５、１６の接合面にそれぞれ配された二枚のダイクロイックミラー１７、１８とからなる。

ダイクロイックミラー１７は、プリズムブロック１４の入射面１９に入射した光（一点鎖線で示す。）のうち、青色の波長帯域を有する光（以下、Ｂ光と略す。）を反射し、赤色、緑色の波長帯域を有する光（以下、Ｒ光、Ｇ光と略す。）を透過する。ダイクロイックミラー１８は、ダイクロイックミラー１７、およびプリズムブロック１５を透過したＲ光、Ｇ光のうち、Ｒ光を反射し、Ｇ光を透過する。

プリズムブロック１４、１５は、ダイクロイックミラー１７、１８でそれぞれ反射されたＢ光、Ｒ光を各出射面２０、２１にそれぞれ導く。また、プリズムブロック１６は、ダイクロイックミラー１８を透過したＧ光を出射面２２に導く。色分解プリズム１０は、入射面１９から各出射面２０〜２２に至るＲ、Ｇ、Ｂ光の光路長が等しくなるように構成されている。ＣＣＤイメージセンサ１１〜１３は、各出射面に導かれ、撮像面３５（図２参照）に結像されたＲ、Ｇ、Ｂ光を、入射光量に応じた電気信号に変換する。なお、ＣＣＤイメージセンサ１１〜１３は、同様の構成を有するので、以下、ＣＣＤイメージセンサ１１のみについて説明する。

図２において、ＣＣＤイメージセンサ１１は、受光部３０、読み出し転送ゲート（以下、ＴＧと略す。）３１、垂直ＣＣＤ（以下、ＶＣＣＤと略す。）３２、水平ＣＣＤ（以下、ＨＣＣＤと略す。）３３、および出力アンプ３４から構成される。

受光部３０は、撮像面３５の垂直方向（矢印Ａ方向）および水平方向（矢印Ｂ方向）に所定のピッチでマトリクス状に複数配列されている。受光部３０は、マイクロレンズ５４および導光路５０（ともに図３参照）を介して入射した光を受光して光電変換を行い、入射光の光量に応じた信号電荷を生成して蓄積する。ＴＧ３１は、各受光部３０に設けられており、受光部３０に蓄積された信号電荷をＶＣＣＤ３２に転送する。

ＶＣＣＤ３２は、受光部３０の垂直列間に設けられている。ＶＣＣＤ３２は、ＴＧ３１を介して受光部３０から転送された信号電荷を、ＨＣＣＤ３３に向けて一行ずつ垂直方向に転送する。ＨＣＣＤ３３には、各ＶＣＣＤ３２の最終端が接続されている。ＨＣＣＤ３３は、ＶＣＣＤ３２の最終端から出力された信号電荷を一行ずつ受け取り、一行分の信号電荷を受け取るたびに、出力アンプ３４に向けて転送する。出力アンプ３４は、ＨＣＣＤ３３からの一行分の信号電荷を、その電荷量に応じた信号電圧に変換し、ＣＣＤイメージセンサ１１の外部に撮像信号として出力する。

図２のａ−ａ’線に沿う断面を示す図３において、例えば、シリコンからなるｎ型半導体の基板４０上には、ｐ型ウェル層４１が形成されている。ｐ型ウェル層４１には、信号電荷を蓄積する第１ｎ型層４２が形成されている。第１ｎ型層４２の上には、正孔を蓄積するｐ^＋型層４３が形成されている。ｐ型ウェル層４１の表層には、第２ｎ型層４４が形成されている。第２ｎ型層４４は、ｐ型ウェル層４１またはｐ^＋型層４３によって、第１ｎ型層４２から分離されている。

受光部３０は、基板４０を含む各層のｐｎｐｎ接合により構成された、いわゆる埋め込み型フォトダイオードである。また、ＴＧ３１は、第１、第２ｎ型層４２、４４間のｐ型ウェル層４１によって構成され、ＶＣＣＤ３２は、第２ｎ型層４４によって構成されている。

第２ｎ型層４４の上方には、第１絶縁層（例えば、酸化シリコンからなる。）４５を介して、転送電極（例えば、多結晶シリコンからなる。）４６が形成されている。転送電極４６は、第１、第２ｎ型層４２、４４間のｐ型ウェル層４１上にも延在している。転送電極４６には、ＶＣＣＤ３２による信号電荷の垂直転送、およびＴＧ３１による第１ｎ型層４２から第２ｎ型層４４への信号電荷の読み出し転送を制御する駆動電圧が印加される。

転送電極４６の周囲を覆う第２絶縁層（例えば、酸化シリコンからなる。）４７の上には、各受光部３０の開口４８を除く領域を遮光する遮光層（例えば、タングステンからなる。）４９が形成されている。また、開口４８上には、導光路５０が形成されている。

導光路５０は、入射光を開口４８に向けて導光するもので、高い屈折率を有する材料、例えば、窒化シリコン（屈折率１．９〜２．０）からなるコア層５１と、絶縁性でコア層５１よりも低い屈折率を有する材料、例えば、ＢＰＳＧ（Boron phosphorus silicate glass、屈折率１．４〜１．５）からなるクラッド層５２とから形成されている。

コア層５１は、受光部３０の側から光の入射する側に向かって、幅が広まるように断面テーパー状に形成されており、開口４８の中心にその中心が一致するように配されている。また、コア層５１は、光の入射する側の導光路５０の端同士を繋ぐように延設されている。

コア層５１上には、平坦化層５３が形成されている。平坦化層５３は、クラッド層５２と同じ材料、例えば、ＢＰＳＧからなり、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法などによって、表面が平坦化されている。

平坦化層５３上には、マイクロレンズ５４が設けられている。マイクロレンズ５４は、その光軸Ｌが開口４８の中心を通り、且つ開口４８の面に垂直になるように配され、光軸Ｌに平行な入射光を効率よく導光路５０の入射面５５に向けて集光するような曲率を有する。なお、煩雑を避けるため、マイクロレンズ５４のみにハッチングを施し、他の部分は省略する。

次に、上記構成を有する三板式固体撮像装置２の動作について説明する。プリズムブロック１４の入射面１９に入射した光は、プリズムブロック１４内を進行し、ダイクロイックミラー１７でＢ光が反射される。一方、Ｒ光、Ｇ光はダイクロイックミラー１７を透過してプリズムブロック１５内を進行し、ダイクロイックミラー１８でＲ光が反射される。

ダイクロイックミラー１７、１８でそれぞれ反射されたＢ光、Ｒ光は、プリズムブロック１４、１５内を進行し、プリズムブロック１４、１５の出射面２０、２１に導かれる。また、ダイクロイックミラー１８を透過したＧ光は、プリズムブロック１６の出射面２２に導かれる。各出射面に導かれたＲ、Ｇ、Ｂ光は、ＣＣＤイメージセンサ１１〜１３の撮像面３５に結像される。

ＣＣＤイメージセンサ１１に入射された光は、マイクロレンズ５４により入射面５５に集光される。入射面５５に集光された光は、クラッド層５２よりもコア層５１の屈折率が高いことにより、導光路５０により開口４８へと導かれる。

開口４８に導かれた光は、受光部３０で受光される。受光部３０で光が受光されると、受光部３０で光電変換が行われ、入射光量に応じた信号電荷が生成されて蓄積される。そして、転送電極４６に駆動電圧が印加されると、受光部３０に蓄積された信号電荷がＴＧ３１を介してＶＣＣＤ３２に転送される。ＶＣＣＤ３２に転送された信号電荷は、ＶＣＣＤ３２を垂直転送されて、ＨＣＣＤ３３に転送される。ＨＣＣＤ３３に転送された信号電荷は、ＨＣＣＤ３３を水平転送されて、出力アンプ３４により信号電圧に変換され、外部に撮像信号として出力される。

以上説明したように、入射光を受光部３０に導く導光路５０を設けたＣＣＤイメージセンサ１１を用いるので、光軸Ｌに平行な光は勿論のこと、光軸Ｌに平行でない斜め方向からの光も効率よく受光することができ、入射光が撮像面３５で反射して迷光になることを低減することができる。

上記実施形態では、コア層５１を断面テーパー状としているが、筒状に形成してもよい。また、上記実施形態では、高い屈折率を有するコア層５１と、低い屈折率を有するクラッド層５２とで導光路５０を形成しているが、この代わりに、図４に示すように、平坦化層５３内にコア層６０を象った金属（例えば、アルミ）からなる反射膜６１を形成し、これらで導光路６２を構成してもよい。

なお、ＣＣＤイメージセンサでは、一般的に、撮像面の中央部に比べて、周縁部のほうが、受光効率が悪いことが知られている。これは、斜め方向からの入射光を周縁部では受光しにくいことに起因する。そこで、図５、および図６に示すように、マイクロレンズ５４の配置を工夫することで、周縁部における斜め方向からの入射光の受光効率を高めてもよい。すなわち、図５に示すように、マイクロレンズ５４を、受光部３０の中心に対して、撮像面３５の中央部の方向（図の左方向）にずらして配置する。そして、マイクロレンズ５４のずれ量ｄ１を、撮像面３５の中央部から周縁部に至るにつれて増加させる（但し、中央部のずれ量ｄ１は０とする。）。あるいは、図６に示すように、撮像面３５の周縁部で、隣接するマイクロレンズ５４同士の間隔ｄ２を狭める。これにより、撮像面３５の周縁部における受光効率が高まり、迷光をより低減することができる。なお、言う迄もないが、ずれ量ｄ１、および間隔ｄ２は、対象となる受光部３０の受光効率が最大となる値に設定されている。

なお、図６に示す例は、従来のオンチップ型マイクロレンズとは異なり、マイクロレンズ５４を金型で一体成形し、これを平坦化層５３に貼り付けることにより可能となる。また、マイクロレンズを金型で一体成形することで、マイクロレンズ同士の間隔がないギャップレスのマイクロレンズを得ることもでき、マイクロレンズを非球面の任意の形状にし、マイクロレンズ５４内で入射光を屈折させるなどして、受光効率を高めることもできる。

なお、上記実施形態では、ＣＣＤイメージセンサ１１〜１３の全てに導光路５０を形成しているが、少なくとも一台であればよく、例えば、撮像面３５から反射した光による迷光が特に懸念される、中間波長帯域の光であるＧ光が結像されるＣＣＤイメージセンサ１２のみに導光路５０を形成してもよい。

上記実施形態では、インターライントランスファ方式のＣＣＤイメージセンサ１０を例示して説明しているが、本発明はこれに限定されず、フレームトランスファ方式のＣＣＤイメージセンサや、ＣＭＯＳイメージセンサなどの他の固体撮像素子を用いた多板式カラー固体撮像装置にも適用することも可能である。

また、本発明は、上記実施形態で例示した三板式固体撮像装置２に限らず、色分解プリズムで、入射光をＲ光およびＢ光とＧ光とに分解し、これらをそれぞれ二台のＣＣＤイメージセンサで撮像する二板式固体撮像装置についても適用することができる。

さらに、本発明は、上記実施形態で色分解素子として例示した色分解プリズム１０に限定されるものではなく、他の色分解素子、例えば、回折格子などを用いて、入射光を複数の異なる波長帯域を有する光に分解する場合についても適用することができる。

三板式固体撮像装置の構成を示す平面図である。ＣＣＤイメージセンサの構成を示す概略平面図である。図２のａ−ａ’線に沿う断面図である。別の実施形態を示す断面図である。マイクロレンズの別の配置例を示す説明図である。マイクロレンズのさらに別の配置例を示す説明図である。

符号の説明

２三板式カラー固体撮像装置
１０色分解プリズム
１１〜１３ＣＣＤイメージセンサ
２０〜２２出射面
３０受光部
３５撮像面
５０、６２導光路
５１、６０コア層
５２クラッド層
５４マイクロレンズ
６１反射膜

Claims

入射光を複数の異なる波長帯域を有する光に分解する色分解素子と、前記色分解素子の各出射面に配され、光を受光して光電変換を行う受光部が撮像面に複数配列された複数の固体撮像素子とを備える多板式カラー固体撮像装置において、
前記複数の固体撮像素子のうちの少なくとも一つは、前記受光部に向けて光を導く導光路を有することを特徴とする多板式カラー固体撮像装置。
前記色分解素子は、色分解プリズムであることを特徴とする請求項１に記載の多板式カラー固体撮像装置。
前記色分解素子は、前記入射光を赤、緑、青の三色の光に分解することを特徴とする請求項１または２に記載の多板式カラー固体撮像装置。
前記導光路は、コア層と、前記コア層よりも低い屈折率を有し、前記コア層を囲むクラッド層とから形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の多板式カラー固体撮像装置。
前記導光路は、コア層と、前記コア層を囲む金属製の反射膜とから形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の多板式カラー固体撮像装置。
前記固体撮像素子は、前記受光部に光を集光させるためのマイクロレンズをさらに有し、
前記マイクロレンズは、前記受光部の中心からずれて配置されており、
前記マイクロレンズのずれ量は、前記撮像面の周縁部に至るにつれて増加することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の多板式カラー固体撮像装置。
前記固体撮像素子は、前記受光部に光を集光させるためのマイクロレンズをさらに有し、
隣接する前記マイクロレンズ同士の間隔が、前記撮像面の周縁部で狭まっていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の多板式カラー固体撮像装置。