JP2008153518A - 固体撮像装置及びそれを用いたカメラ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
画素を構成するフォトダイオードの前にカラーフィルタを装着する方法では、被写体からの入射光の利用効率が悪く、また、色分解プリズムを用いる方法では、撮像素子の位置合わせが難しい。
【解決手段】
複数の色分解光学系と、上記色分解光学系で分光された分光光を光電変換する複数の光電変換素子を平面状に配列した固体撮像素子を有し、上記複数の色分解光学系は、少なくとも入射光を集光する第１のマイクロレンズと、上記第１のマイクロレンズの集光光を平行光に変換する第２のマイクロレンズと、上記第２のマイクロレンズの平行光を分光するマイクロプリズムを有し、上記マイクロプリズムで分光された分光光のそれぞれの分光光をそれぞれ異なる上記複数の光電変換素子に入射するように上記複数の光電変換素子を配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置及びそれを用いたカメラ装置に関し、特に、画素内に色分光学系を有する固体撮像装置及びそれを用いたカメラ装置に関するものである。

従来のカラーカメラ装置の構成を図８を用いて説明する。図８は、従来のカラーカメラ装置の概略構成のブロック図である。図８において、８０１は、被写体（図示せず。）からの光が入射する光学レンズ系、８０２は、光学レンズ系８０１から入射する光を色分解する色分解フイルタ、８０３は、色分解フイルタ８０２で色分解された光を光電変換し、電荷として画素内に蓄積し、露光終了後映像信号として出力する固体撮像素子、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型の固体撮像素子あるいはＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor ）型の固体撮像素子である。なお、色分解フイルタ８０２および固体撮像素子８０３で構成されたものを固体撮像装置と呼ぶことにする。８０４は、固体撮像素子８０３から出力された映像信号を増幅する増幅部、８０５は、映像信号の雑音を除去する相関二重サンプリング回路、８０６は、映像信号をマイクロコンピュータ８１１で指定した所要レベルになるよう調整する自動利得制御（ＡＧＣ）回路、８０７は、Ａ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換回路、８０８は、ディジタル映像信号の各種処理を行うディジタル信号処理回路（Digital Signal Processor：ＤＳＰ）、８０９は、Ｄ／Ａ（ディジタル／アナログ）変換回路、８１０は、映像信号を所要レベルに増幅し出力する増幅回路、８１１は、自動利得制御回路８０６のゲインとディジタル信号処理回路８０８で処理される映像信号について各種検出と処理の制御とを行い、また固体撮像素子８０３の駆動回路８１２を制御するマイクロコンピュータである。駆動回路８１２は、マイクロコンピュータ８１１で制御され、固体撮像素子８０３から適宜電荷を読み出すパルスを出力する。８１３は、映像信号出力端子である。

図８に示されるカラーカメラ装置の動作を簡単に説明する。被写体からの光は、光学レンズ系８０１、色分解フイルタ８０２を介して固体撮像素子８０３に入射する。固体撮像素子８０３に入射した光は、フォトダイオードを二次元に配置した光電変換する感光部に照射される。これらフォトダイオードに入射した光は、光電変換され、電荷として画素内に蓄積され、マイクロコンピュータ８１１により制御される駆動回路８１２から出力される電荷読出しパルスにより所要の露光時間まで蓄積され、１画面分の映像信号が固体撮像素子８０３から増幅部８０４を介して相関二重サンプリング回路８０５へ出力される。

相関二重サンプリング回路８０５は、固体撮像素子８０３から出力された映像信号の雑音を除去し、サンプルホールドを行い、自動利得制御回路８０６へ出力する。自動利得制御回路８０６は、相関二重サンプリング回路８０５から入力される映像信号をマイクロコンピュータ８１１により指定されるレベルになるまで利得の制御を行い、所要の信号レベルの映像信号をＡ／Ｄ変換回路８０７へ出力する。Ａ／Ｄ変換回路８０７は、自動利得制御回路８０６から入力される所要の信号レベルの映像信号をディジタル処理に適応させるためにディジタル信号に変換し、ディジタル信号処理回路８０８へ出力する。

ディジタル映像信号処理回路８０８は、マイクロコンピュータ８１１の制御により、Ａ／Ｄ変換回路８０７から入力されるディジタル映像信号に輝度処理、色処理、ガンマ補正、輪郭補償等の画質制御やホワイトバランスの調整等の信号処理を行う。信号処理を行ったディジタル映像信号は、Ｄ／Ａ変換回路８０９へ出力する。Ｄ／Ａ変換回路８０９は、ディジタル映像信号処理回路８０８から入力される所要の信号処理されたディジタル映像信号をアナログ信号に変換し、アナログの映像信号を増幅回路８１０へ出力する。増幅回路８１０は、Ｄ／Ａ変換回路８０９から入力されるアナログの映像信号を所要の信号レベルに増幅し、映像信号出力端子８１３から他の出力機器、ビデオモニタあるいはＶＴＲ等の装置に出力される。

而して、従来のこの種カラーカメラ装置では、色分解フイルタ８０２としては、特定の波長を透過するカラーフィルタを固体撮像素子８０３のフォトダイオードに取り付けその画素に特定色を分担させる方法が採用されている。例えば、３つの画素に各々、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）をそれぞれ透過する色フィルタを取り付け、固体撮像素子８０３から得られるそれぞれの画素の色信号の組み合わせにより所定の色を再現する方法、あるいは、多板式ＣＣＤカメラ、例えば、３板式ＣＣＤカメラでは、入射光を赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色分解プリズムにより分光し、各々の色に対応させた撮像素子を備え、それらの撮像素子から得られる色信号の組み合わせにより所定の色を再現する方法等が知られている。

しかしながら、画素を構成するフォトダイオードの前にカラーフィルタを装着する方法では、複数のフォトダイオードで色再現を行うため、例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の色フイルタを使用する場合は、撮像素子の総画素数の１／３の解像度しか得られない。また、被写体からの入射光のうちカラーフィルタを透過しない光の波長は、使用されず光電変換の効率が悪くなる。

また、色分解プリズムで分光して複数の撮像素子で色再現する方式では、例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）それぞれの撮像素子の位置合わせのための相対位置精度が必要となり、撮像素子の小型化と高画素化の進展する中、精度維持が極めて難しくなりつつある。また、色分解プリズムや複数の撮像素子を必要とすることから高価となり、また、カメラ装置が大型化する要因でもある。従って、これらを改善する固体撮像装置及びそれを用いたカメラ装置の実現が望まれている。

特開２０００−５８８０６号公報

画素を構成するフォトダイオードの前にカラーフィルタを装着する方法では、撮像素子の総画素数の１／３の解像度しか得られず、また、被写体からの入射光の利用効率が悪くなる。また、色分解プリズムを用いる方法では、撮像素子の位置合わせが難しい。

本発明の目的は、入射光の利用効率が高く、解像度の高い固体撮像装置及びそれを用いたカメラ装置を提供することである。

本発明の他の目的は、画素内に色分解光学系を有する固体撮像装置及びそれを用いたカメラ装置を提供することである。

本発明の更に他の目的は、マイクロレンズとマイクロプリズムの組み合わせによる色分解光学系を有する固体撮像装置及びそれを用いたカメラ装置を提供することである。

本発明の固体撮像装置は、複数の色分解光学系と、上記色分解光学系で分光された分光光を光電変換する複数の光電変換素子を平面状に配列した固体撮像素子を有し、上記複数の色分解光学系は、少なくとも入射光を集光する第１のマイクロレンズと、上記第１のマイクロレンズの集光光を平行光に変換する第２のマイクロレンズと、上記第２のマイクロレンズの平行光を分光するマイクロプリズムを有し、上記マイクロプリズムで分光された分光光のそれぞれの分光光をそれぞれ異なる上記複数の光電変換素子に入射するように上記複数の光電変換素子を配置するように構成される。

また、本発明の固体撮像装置において、上記第１のマイクロレンズは、マイクロ凸レンズであり、上記第２のマイクロレンズは、マイクロ凹レンズである。

また、本発明の固体撮像装置において、上記第１のマイクロレンズは、凸形マイクロシリンドリカルレンズであり、上記第２のマイクロレンズは、凹形マイクロシリンドリカルレンズである。

また、本発明の固体撮像装置において、上記第１のマイクロレンズは、上記入射光を円形収束光束に変換する円形マイクロ凸レンズであり、上記第２のマイクロレンズは、上記円形マイクロ凸レンズの円形収束光束を平行円形収束光束に変換する円形マイクロ凹レンズであり、上記マイクロプリズムは、上記円形マイクロ凹レンズの平行円形収束光束を分光する円形マイクロプリズムであり、上記複数の光電変換素子のそれぞれは、上記固体撮像装置上で円形に形成され、上記円形マイクロプリズムで分光された円形収束光束のそれぞれの円形収束光束をそれぞれ異なる上記複数の円形に形成された光電変換素子に入射するように上記複数の円形に形成された光電変換素子が配置される。

また、本発明の固体撮像装置において、上記複数の色分解光学系は、それぞれ入射光を赤、緑、青の光に分光するように構成される。

また、本発明の固体撮像装置において、上記色分解光学系の前にテレセントリック光学系を配置するように構成される。

更に、本発明のカメラ装置は、光学系と、上記光学系からの光を分光する複数の色分解光学系と、上記色分解光学系で分光された分光光を光電変換する複数の光電変換素子を平面状に配列した固体撮像素子と、上記固体撮像素子から上記色分解光学系で分光された分光光に対応する映像信号を読出し、該読出された映像信号を適宜処理する映像信号処理回路と、上記映像信号処理回路の映像信号を出力する出力部を有し、上記複数の色分解光学系は、少なくとも入射光を集光する第１のマイクロレンズと、上記第１のマイクロレンズの集光光を平行光に変換する第２のマイクロレンズと、上記第２のマイクロレンズの平行光を分光するマイクロプリズムを有し、上記マイクロプリズムで分光された分光光のそれぞれの分光光をそれぞれ異なる上記複数の光電変換素子から出力するように構成される。

以上説明したように、本発明によれば画素内に色分解光学系を有する固体撮像装置を構成できるので、入射光の利用効率が高く、解像度の高い固体撮像装置及びそれを用いたカメラ装置を実現することができる。また、マイクロレンズとマイクロプリズムの組み合わせによる色分解光学系を実現できるので、撮像素子の単一画素で分光および各分光色の強度に対応した電気信号を発生させることができるので、忠実な色再生が可能となる等の特徴がある。

以下、本発明の一実施例について図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例を説明するための一画素分の固体撮像装置の概略構成を示す図である。図１において、１００は、固体撮像装置の１画素を示している。１０１は、被写体（図示せず。）からの光が光学系（例えば、図８に示される光学系８０１）を介して固体撮像装置１００に結像される光束である。１０２は、マイクロ凸レンズである。マイクロ凸レンズ１０２は、本実施例では、口径φが約１０μｍ、焦点距離Ｆ１は、約１０μｍで、材質は、珪素あるいは蛍石のような一般の光学レンズと同様な材質で構成されている。１０３は、マイクロ凹レンズであり、マイクロ凸レンズと同様に、本実施例では、口径φが約１０μｍ、焦点距離Ｆ２は、約１０μｍで、材質は、珪素あるいは蛍石のような一般の光学レンズと同様な材質で構成されている。なお、マイクロ凹レンズ１０３の光軸は、マイクロ凸レンズ１０２の光軸に一致させている。また、１０５は、マイクロプリズムであり、材質は、珪素あるいは蛍石のような一般の光学レンズと同様な材質で構成されている。また、マイクロ凸レンズ１０２とマイクロ凹レンズ１０３との間、およびマイクロ凹レンズ１０３とマイクロプリズム１０５との間は、空気（光の屈折率１）、あるいは、光の屈折率１に近い充填部材で満たされている。また、マイクロ凸レンズ１０２、マイクロ凹レンズ１０３およびマイクロプリズム１０５は、固体撮像素子の前面に適宜支持部材（図示せず。）で支持されている（以下の各実施例についても同様である。）。ここで、マイクロ凸レンズ１０２、マイクロ凹レンズ１０３およびマイクロプリズム１０５で構成される光学系を色分解光学系と呼ぶことにする。１０６は、固体撮像素子であり、詳細については後述する。なお、入射光を収束するマイクロ凸レンズのようなマイクロレンズを第１のマイクロレンズともいう。また、第１のマイクロレンズの収束光を平行光に変換するマイクロ凹レンズのようなマイクロレンズを第２のマイクロレンズともいう。

上記固体撮像装置の動作を説明する。被写体からの入射光１０１がマイクロ凸レンズ１０２に入射する。この場合、光学系８０１として一般的な３ＣＣＤ用テレビカメラレンズなどのように射出瞳位置が結像面、即ち、固体撮像面から遠くて、近似的に像側テレセントリックなレンズを使用すれば、入射光束１０１は、マイクロ凸レンズ１０２の光軸にほぼ平行に入射する。マイクロ凸レンズ１０２に入射した被写体光は、マイクロ凸レンズ１０２の焦点（焦点距離Ｆ１）に集光する。この集光光束は、マイクロ凸レンズ１０２の焦点付近に配置されたマイクロ凹レンズ１０３により平行光束１０４になり、マイクロプリズム１０５に入射される。

マイクロプリズム１０５は、傾斜した光学面１０７を有し、この光学面１０７に入射した平行光束１０４は、光の波長により屈折され、固体撮像素子１０６に入射される。マイクロプリズム１０５のマイクロ凹レンズ１０３の光軸上の距離Ｌ１は、本実施例では、例えば、約１０μに設定されている。なお、マイクロプリズム１０５の傾斜面の角度をθとする。マイクロプリズム１０５の傾斜面に入射する平行光束１０４には、赤（波長：６００〜７００ｎｍ）、緑（波長：５００〜６００ｎｍ）、青（波長：４００〜５００ｎｍ）の光が含まれている。そして、この平行光束１０４が光軸に対し傾斜した光学面１０７に入射し、ここで屈折が起こるが、長波長の光は、屈折が小さく、短波長の光は、屈折が大きいため分光される。例えば、図１では、波長の短い青成分の光は、大きく屈折し、青成分光１０８−１となり、フォトダイオード（一般的には、光電変換素子である。以下においても同様である。）１０９−１に入射する。緑成分の光は、緑成分光１０８−２となり、フォトダイオード１０９−２に入射する。また、赤成分の光は、赤成分光１０８−３となり、フォトダイオード１０９−３に入射する。なお、マイクロプリズム１０５のアッペ数の小さい光学材料を使用すると波長ごとの分光が効率よく行える。

ここで、アッペ数とは、光の逆分散率を示し、色収差の少ない光学材料ほどアッペ数は大きい。本発明の場合、逆にアッペ数が小さく、色収差が大きい方が効率よく分散でき、良いマイクロプリズムとなる。また、傾斜した光学面１０７の傾斜面の角θを適宜調節することにより青成分光１０８−１、緑成分光１０８−２および赤成分光１０８−３をそれぞれフォトダイオード１０９−１、フォトダイオード１０９−２およびフォトダイオード１０９−３（フォトダイオードを代表する場合は、フォトダイオード１０９と称する。）にそれぞれ入射するように調節するか、あるいは、フォトダイオード１０９の形成位置を設計することで実現できる。

上記のように構成することによって１つの画素に入射する被写体からの光を、例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色成分に分解し、フォトダイオード１０９で各色の映像信号に変換され、固体撮像素子１０６から取出される。

上記説明では、１つの画素、即ち、１つの固体撮像装置について説明したが、カメラ装置は、この１つの固体撮像装置が平面状に多数配列されて構成されている。これについて図２および図３を用いて説明する。図２は、固体撮像素子２０１の平面図を示している。この固体撮像素子２０１は、例えば、２／３型のシリコン基板に縦方向有効１０８０画素、横方向に有効１９６０画素が形成された、所謂、ハイビジョン対応の撮像素子である。図２において、Ｐ１、Ｐ２、・・・は、それぞれ１つの画素を表し、図２では、１０８０×１９６０個の画素が存在する。なお、画素を代表する場合は、画素Ｐと称する。そして、例えば、画素Ｐ１は、３個のフォトダイオード１０９−１、１０９−２および１０９−３が形成されている。即ち、図１に示されるフォトダイオード１０９−１、１０９−２および１０９−３が対応する。従って、図２で示される平面状の固体撮像素子２０１の前面には、各画素Ｐに対応して図１に示されるマイクロ凸レンズ１０２、マイクロ凹レンズ１０３およびマイクロプリズム１０５が形成され、カラーカメラ装置の固体撮像装置を構成する。

次に、図２で示される固体撮像装置から映像信号を読み出す回路について図３を用いて説明する。図３は、例えば、ＭＯＳ型の固体撮像装置の読出し回路の概略構成を示す図である。図３において、３０１は、固体撮像素子２０１の１つのセルを構成する。このセル３０１は、光電変換を行うフォトダイオード（即ち、ｐｎ接合型のフォトセンサ）３０２と、フォトダイオード３０２を選択する、例えば、ＭＯＳトランジスタからなる垂直選択用スイッチ素子３０３およびフォトダイオード３０２で光電変換された映像信号を読み出す、例えば、ＭＯＳトランジスタからなる読み出し用スイッチ素子３０４とによって構成されている。なお、ここでいうフォトダイオード３０２は、図２に示すフォトダイオード１０９−１に対応する。即ち、フォトダイオード３０２は、図１に示す青成分光１０８−１を映像信号に変換するフォトダイオード１０９−１に対応する。そして上述のセル３０１がマトリックス状に複数配列されて固体撮像素子２０１を構成している。

そして、マトリックス状に複数配列されたセル３０１で構成される固体撮像素子２０１は、各行毎に垂直選択用スイッチ素子３０３の制御電極（ゲート電極）が共通に接続された垂直選択線ＶＬ１、ＶＬ２、・・・に垂直走査パルスを出力する垂直走査回路３０５と、各列毎に読み出し用スイッチ素子３０４の主電極が共通に接続された垂直信号線ＶＳ１、ＶＳ２、・・・（垂直信号線を代表する場合は、垂直信号線ＶＳと称する。）と、各列毎に垂直選択用スイッチ素子３０３の主電極に接続された読み出しパルス線ＲＬ１、ＲＬ２、・・・（読み出しパルス線を代表する場合は、読み出しパルス線ＲＬと称する。）と、垂直信号線ＶＳと水平信号線ＨＳに主電極が接続された、例えば、ＭＯＳトランジスタからなる水平スイッチ素子３０６と、水平スイッチ素子３０６の制御電極と読み出しパルス線ＲＬに接続された水平走査回路３０７と、水平信号線ＨＳに接続された増幅部３０８および映像信号出力端子３０９により構成されている。そして、水平走査回路３０７から各水平スイッチ素子３０６の制御電極に水平走査パルスが供給されるとともに、各読み出しパルス線ＲＬに水平読み出しパルスが供給される。

この固体撮像素子の動作を簡単に説明する。垂直走査回路３０５からの垂直走査パルスと、水平走査回路３０７からの読み出しパルスを受けた垂直選択用スイッチ素子３０３は、印加されたパルスで読み出し用スイッチ素子３０４の制御電極を制御して、フォトダイオード３０２で光電変換された信号電荷を垂直信号線ＶＳ１に読み出す。この信号電荷は、水平映像期間中に、水平走査回路３０７からの水平走査パルスにより制御された水平スイッチ素子３０６を通して水平信号線ＨＳに出力され、これに接続された増幅部３０８で増幅され、出力端子３０９から青（Ｂ）の映像信号が得られる。

而して、図３に示す固体撮像素子２０１は、図１に示す青成分光１０８−１を映像信号に変換するフォトダイオード１０９−１からの映像信号を読み出す回路について説明したが、図１に示す緑成分光１０８−２を映像信号に変換するフォトダイオード１０９−２からの映像信号および赤成分光１０８−３を映像信号に変換するフォトダイオード１０９−３からの映像信号を読み出す回路についても同様に構成されていることはいうまでもない。即ち、図２に示される１つの画素Ｐ１は、３個のフォトダイオード１０９−１、１０９−２および１０９−３で形成されているので、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色成分について、それぞれ図３で示される映像信号の読み出す回路が固体撮像素子２０１に形成される。なお、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色成分の増幅部３０８は、図８で示される増幅部８０４に対応し、その出力は、相関二重サンプリング回路８０５以降の各部署で適宜信号処理されることは、従来のカラーカメラ装置と同じである。

以上のように構成することによって従来のように色フイルタを使用したり、あるいは、色分解プリズムを使用する必要がないので、入射光の利用効率が高く、解像度の高い固体撮像装置を実現することができる。なお、上記本発明の実施例では、ＭＯＳ型の読出し回路を用いて説明したが、ＣＣＤ型の読出し回路を用いて実現することもできることはいうまでもない。

ここで、上述した色分解光学系で用いられるマイクロレンズの製法について簡単に説明する。なお、色分解光学系には、凸型マイクロレンズ、凹方マイクロレンズ、マイクロプリズム等種々のマイクロ光学系が使用されるが、これらの光学系の製法は良く知られているので詳細な説明は、省略し、代表としてマイクロ凸レンズの製法について図９を用いて説明する。図９は、マイクロ凸レンズの製法を示す図である。図９（Ａ）において、９０１は、フオトマスク、９０２は、マイクロ凸レンズの口径φの穴部である。９０３は、フォトレジスト膜、９０４は、マイクロ凸レンズを構成するガラス基板を示す。図９（Ａ）では、フォトレジスト膜９０３をフオトマスク９０１を用いてにフォトリソグラフィによりフォトレジスト膜９０３をマイクロ凸レンズの形状にエッチングする。この時、製作するマイクロ凸レンズの形状に対してエッチング時の形状変化を考慮して補正をしておく。

図９（Ｂ）は、フォトリソグラフィによりガラス基板９０４上にマイクロ凸レンズの形状に形成されたフォトレジスト膜９０５を示す。次に、この状態で、異方性ドライエッチング技術を用いてマイクロ凸レンズの形状に形成されたフォトレジスト膜９０５のマイクロ凸レンズをガラス基板９０４に転写する。この状態を図９（Ｃ）に示す。図９（Ｃ）において、９０６は、マイクロ凸レンズを示す。なお、上記実施例では、１個のマイクロ凸レンズを示しているが、本発明のように複数のマイクロ凸レンズを平面状に配列して形成することはいうまでもない。

次に、本発明の他の一実施例を図４を用いて説明する。図４は、図１に示す固体撮像装置１００の光学系の形状を変えた他の一実施例である。図４において、固体撮像装置４００の入射口のマイクロレンズは、凸形のマイクロシリンドリカルレンズ４０１（第１のマイクロレンズともいう。）である。この凸形のマイクロシリンドリカルレンズ４０１の焦点距離Ｆ３は、例えば、１０μｍである。４０２は、凹形のマイクロシリンドリカルレンズ（第２のマイクロレンズともいう。）であり、この凹形のマイクロシリンドリカルレンズ４０２は、凸形のマイクロシリンドリカルレンズ４０１の焦点位置に設けられる。また、４０３は、マイクロプリズム、４０４は、固体撮像素子を示している。なお、凸形のマイクロシリンドリカルレンズ４０１、凹形のマイクロシリンドリカルレンズ４０２、マイクロプリズム４０３および固体撮像素子４０４の位置関係は、図１に示される固体撮像装置１００と同様である。なお、図４では、固体撮像素子４０４上に形成されるフォトダイオードは、線状（ストライプ状）に形成されている（図示せず。）。なお、図４に示す固体撮像装置４００の色分解光学系は、凸形のマイクロシリンドリカルレンズ４０１、凹形のマイクロシリンドリカルレンズ４０２およびマイクロプリズム４０３で構成されている。

この固体撮像装置の動作を説明する。被写体からの入射光が凸形のマイクロシリンドリカルレンズ４０１に入射する。凸形のマイクロシリンドリカルレンズ４０１に入射した被写体光は、凸形のマイクロシリンドリカルレンズ４０１の焦点（焦点距離Ｆ３）に線状に集光する（線状光束４０５と称する。）。この線状光束４０５は、凸形のマイクロシリンドリカルレンズ４０１の焦点Ｆ３付近に配置された凹形のマイクロシリンドリカルレンズ４０２により線状平行光束４０６になり、マイクロプリズム４０３に入射される。

マイクロプリズム４０３では、図１に示されるマイクロプリズム１０５と同様に傾斜した光学面（傾斜角θ）を有し、この光学面に入射した平行光束４０６は、光の波長により屈折され、固体撮像素子４０４に入射される。この場合のマイクロプリズム４０３の光の波長により屈折は、図１に示されるマイクロプリズム１０５と同様である。ただし、線状平行光束４０６は、青（Ｂ）成分の線状平行光束４０７−１、緑（Ｇ）の線状平行光束４０７−２および赤（Ｒ）の線状平行光束４０７−３のような線状平行光束となりフォトダイオードに入射する。このように線状の色分解となるが、図１で示される固体撮像装置１００と同様に実現することができ、固体撮像素子１０６に形成するフォトダイオード（光電変換素子）は、線状光束の幅に対応した大きさ、寸法に設定し、光の利用効率を上げることができる。

図５は、本発明の更に他の一実施例を示す図である。図５において、５０１は、片面が凸形のマイクロレンズであり、５０２は、片面が凹形のマイクロレンズである。５０３は、マイクロプリズム、５０４は、固体撮像素子を示している。図５に示される固体撮像装置５００は、図１に示される固体撮像装置１００の凸形のマイクロレンズ１０２を片面が凸形のマイクロレンズ５０１に、また、凹形のマイクロレンズ１０３を片面が凹形のマイクロレンズ５０２に変更したものである。図５に示される固体撮像装置５００の色分解光学系は、片面凸形のマイクロレンズ５０１、片面凹形のマイクロレン５０２およびマイクロプリズム５０３で構成されている。

図５に示す固体撮像装置５００の動作も図１に示される固体撮像装置１００の動作とほぼ同様であるので、簡単に説明する。被写体からの入射光が片面凸形のマイクロレンズ５０１に入射する。片面凸形のマイクロレンズ５０１に入射した被写体光は、片面凸形のマイクロレンズ５０１の焦点（焦点距離Ｆ５）に集光する。そして、集光光束は、片面凸形のマイクロレンズ５０１の焦点付近に配置された片面凹形のマイクロルレンズ５０２により平行光束５０５になり、マイクロプリズム５０３に入射される。

マイクロプリズム５０３は、図１に示されるマイクロプリズム１０５と同様に傾斜した光学面（傾斜角θ）を有し、この光学面に入射した平行光束５０５は、光の波長により屈折され、固体撮像素子５０４に入射される。この場合のマイクロプリズム５０３の光の波長により屈折は、図１に示されるマイクロプリズム１０５と同様である。即ち、平行光束５０５は、青（Ｂ）成分の光束５０６−１、緑（Ｇ）の光束５０６−２および赤（Ｒ）の光束５０６−３のような光束となりフォトダイオード５０７−１、５０７−２、５０７−３に入射する。なお、このように片面凸形のマイクロレンズ５０１、片面凹形のマイクロルレンズ５０２は、図１に示される両面凸形のマイクロレンズ１０２あるいは両面凹形のマイクロルレンズ１０３に比べて製作が容易であり、コスト低減が図れる特徴がある。

図６は、本発明の更に他の一実施例の概略構成を示す図である。図６において、６０１は、円形に形成されたマイクロ凸レンズであり、Ｂ−Ｂから見た平面図を図６（Ｂ）に示す。６１０は、円形マイクロ凸レンズ６０１の光軸を示し、円形マイクロ凸レンズ６０１の焦点距離をＦ７で示している。６１１−１、６１１−２は、円形マイクロ凸レンズ６０１のｂ−ｂ線上の断面部を示している。また、円形マイクロ凸レンズ６０１の口径をφとすると、光軸６１０を有する円形のマイクロ凸レンズ６０１を形成している。そして、本実施例でも円形マイクロ凸レンズ６０１の口径φは、約２０μ、円形マイクロ凸レンズ６０１の焦点距離Ｆ７は、約１０μｍである。この円形マイクロ凸レンズ６０１の材質も図１で示される凸レンズ１０２の材質と同じである。

６０２は、円形に形成されたマイクロ凹レンズであり、Ｃ−Ｃから見た平面図を図６（Ｃ）に示す。６１５は、円形マイクロ凹レンズ６０２の光軸を示し、円形マイクロ凹レンズ６０２の焦点距離をＦ８で示している。６１６−１、６１６−２は、円形マイクロ凹レンズ６０２のｃ−ｃ線上の断面部を示している。また、円形マイクロ凹レンズ６０２の口径をφとすると、光軸６１５を有する円形のマイクロ凹レンズ６０２を形成している。そして、本実施例でも円形マイクロ凹レンズ６０２の口径φは、約２０μ、円形マイクロ凹レンズ６２１の焦点距離Ｆ８は、約１０μｍである。この円形マイクロ凸レンズ６０１の材質も図１で示されるマイクロ凹レンズ１０３の材質と同じである。そして円形マイクロ凹レンズ６０２は、円形マイクロ凸レンズ６０１の焦点位置に配置されている。

６０３は、円形に形成されたマイクロプリズムであり、Ｄ−Ｄから見た平面図を図６（Ｄ）に示す。６２０は、円形マイクロ凹レンズ６０２の焦点位置Ｆ８の位置を示している。従って、円形マイクロ凹レンズ６０２と円形マイクロプリズム６０３との位置関係は、図６（Ａ）に示す通りである。６２１−１、６２１−２は、円形マイクロプリズム６０３のｄ−ｄ線上の断面部を示している。即ち、この円形マイクロプリズム６０３は、円錐状の凹部を有する円形のマイクロプリズム６０３を形成している。そして、本実施例でも円形マイクロプリズム６０３の口径φは、約２０μｍ、円形マイクロプリズム６０３の距離Ｌ４は、約１０μｍである。この円形マイクロプリズム６０３の材質も図１で示されるマイクロプリズム１０５の材質と同じである。図６に示される固体撮像装置６００の色分解光学系は、円形のマイクロ凸レンズ６０１、円形のマイクロ凹レンズ６０２および円形のマイクロプリズム６０３で構成されている。

６０４は、固体撮像素子であり、この固体撮像素子６０４上に光電変換素子、例えば、フォトダイオード６０６−１、６０６−２、６０６−３が軸６０７を中心にリング状に形成されている。

図６に示す固体撮像装置６００の動作も図１に示される固体撮像装置１００の動作とほぼ同様であるので、簡単に説明する。被写体からの入射光が円形のマイクロ凸レンズ６０１に入射する。円形のマイクロ凸レンズ６０１に入射した被写体光は、円形のマイクロ凸レンズ６０１で円形の焦点位置６１０（焦点距離Ｆ７）に集光する。この円形に収束された光束は、円形のマイクロ凸レンズ６０１の焦点付近に配置された円形のマイクロ凹レンズ６０２により円形収束光束６０８になり、円形マイクロプリズム６０３に入射される。

円形マイクロプリズム６０３では、図１に示されるマイクロプリズム１０５と同様に傾斜した光学面（図６（Ａ）のように円錐状に形成され、傾斜角θである。）を有し、この光学面に入射した円形収束光束６０８は、光の波長により同心円状に屈折される。即ち、円形収束光束６０８は、青（Ｂ）成分の円形収束光束６０５−１、緑（Ｇ）成分の円形収束光束６０５−２および赤（Ｒ）成分の円形収束光束６０５−３のような円形収束光束となり円形フォトダイオード６０６−１、６０６−２、６０６−３に入射する。このような円形の色分解光学系を用いることによって入射光を有効に色分解が可能となり、光の利用効率を上げることが可能である。

以上、本発明のいくつかの実施例について説明したが、本発明の各実施例において、マイクロ凸レンズやマイクロ凹レンズ、マイクロプリズム等の間に隙間を設けて説明したが、この間隙部分を空気の層としたり、あるいは、異なる屈折率の部材で形成することも可能である。また、各マイクロレンズやプリズムの表面に反射防止膜を施し、ゴーストの低減、入射光の効率良い利用をすることも出来る。

なお、上記各実施例では、マイクロ凹レンズの焦点位置にマイクロプリズムへの入射位置を設定しているが、マイクロ凹レンズからの光束は、平行光束であるので、この距離は、適宜設定することができる。

次に、本発明の更に他の一実施例を図７を用いて説明する。図７は、テレセントリック光学系の概略構成を示す図である。上述した各実施例では、近似的に像側テレセントリックな光学系を結像レンズとして使用することを前提としている。像側テレセントリック光学系を本発明の撮像素子の前に配置した実施例を以下に説明する。

図７において、７０１は、被写体、７０２は、例えば、ピンホールのような絞り、７０３は、テレセントリック光学系を形成するレンズ、７０４は、上記各実施例で説明した色分解光学系である。なお、７０５は、開口部を有するカメラの支持部材で、テレセントリック光学系をカメラ装置に取り付ける支持部材である。Ｆ９は、レンズ７０３の焦点距離を示し、絞り７０２は、ほぼレンズ７０３の焦点位置Ｆ９の位置に配置される。

このテレセントリック光学系を用いた場合、被写体７０１からの入射光の内、絞り７０２を通過した光（レンズ７０３の焦点付近を通過した光）がレンズ７０３で並行光束になり、色分解光学系７０４に平行に入射する。従って、被写体７０１からの光は、固体撮像素子上に結像するが、テレセントリック光学系で平行光束となるため、マイクロプリズムへの入射光が各画素の法線にほぼ一致する。結果として各分光光の角度がマイクロプリズムの傾斜角θで決められるので、各分光光の位置とフォトダイオードとの位置を容易に合わせることが可能となる。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は、ここに記載された固体撮像装置及びそれを用いたカメラ装置の実施例に限定されるものではなく、上記以外の固体撮像装置及びそれを用いたカメラ装置に広く適応することが出来ることは、言うまでも無い。

本発明の一実施例を説明するための概略構成図を示す。 本発明の一実施例の固体撮像素子の平面図を示す図である。 本発明の一実施例の固体撮像素子の読出し回路の概略構成を示す図である。 本発明の他の一実施例を説明するための概略構成図を示す。 本発明の更に他の一実施例を説明するための概略構成図を示す。 本発明の更に他の一実施例を説明するための概略構成図を示す。 本発明の更に他の一実施例を説明するための概略構成図を示す。 従来のカメラ装置の概略構成のブロック図を示す。 本発明のマイクロレンズの製法を示す図である。

符号の説明

１００、４００、５００、６００：固体撮像装置、１０１：入射光、１０２：マイクロ凸レンズ、１０３：マイクロ凹レンズ、１０４、５０５：平行光束、１０５：マイクロプリズム、１０６、２０１、４０４、５０４、６０４：固体撮像素子、１０７：マイクロプリズムの傾斜面、１０８、５０６：分光光、１０９、５０７：光電変換素子、３０１：固体撮像素子のセル、３０２：フォトダイオード、３０３：垂直選択用スイッチ素子、３０４：読み出し用スイッチ素子、３０５：垂直走査回路、３０６：水平スイッチ素子、３０７：水平走査回路、３０８：増幅部、３０９：映像信号出力端子、４０１：凸形マイクロシリンドリカルレンズ、４０２：凹形マイクロシリンドリカルレンズ、４０３：マイクロプリズム、４０５、４０７：線状光束、４０６：線状平行光束、５０１：片面凸形マイクロレンズ、５０２：片面凹形マイクロルレンズ、５０３：マイクロプリズム、６０１：円形マイクロ凸レンズ、６０２：円形マイクロ凹レンズ、６０３：円形マイクロプリズム、６０５、６０８：円形収束光束、６０６：リング状フォトダイオード、６０７：軸、７０１：被写体、７０２：絞り、７０３：レンズ、７０４：色分解光学系、７０５：カメラの支持部材、８０１：光学レンズ系、８０２：色分解フイルタ、８０３：固体撮像素子、８０４：増幅部、８０５：相関二重サンプリング回路、８０６：自動利得制御回路、８０７：Ａ／Ｄ変換回路、８０８：ディジタル信号処理回路、８０９：Ｄ／Ａ変換回路、８１０：増幅回路、８１１：マイクロコンピュータ、８１２：駆動回路、９０１：フォトマスク、９０２：穴部、９０３：フォトレジスト膜、９０４：ガラス基板、９０５：マイクロ凸レンズの形状に形成されたフォトレジスト膜、９０６：マイクロ凸レンズ。

Claims (3)

1. 複数の色分解光学系と、上記色分解光学系で分光された分光光を光電変換する複数の光電変換素子を平面状に配列した固体撮像素子を有し、上記複数の色分解光学系は、少なくとも入射光を集光する第１のマイクロレンズと、上記第１のマイクロレンズの集光光を平行光に変換する第２のマイクロレンズと、上記第２のマイクロレンズの平行光を分光するマイクロプリズムを有し、上記マイクロプリズムで分光された分光光のそれぞれの分光光をそれぞれ異なる上記複数の光電変換素子に入射するように上記複数の光電変換素子を配置したことを特徴とする固体撮像装置。
2. 請求項１記載の固体撮像装置において、上記第１のマイクロレンズは、上記入射光を円形収束光束に変換する円形マイクロ凸レンズであり、上記第２のマイクロレンズは、上記円形マイクロ凸レンズの円形収束光束を平行円形収束光束に変換する円形マイクロ凹レンズであり、上記マイクロプリズムは、上記円形マイクロ凹レンズの平行円形収束光束を分光する円形マイクロプリズムであり、上記複数の光電変換素子のそれぞれは、上記固体撮像装置上で円形に形成され、上記円形マイクロプリズムで分光された円形収束光束のそれぞれの円形収束光束をそれぞれ異なる上記複数の円形に形成された光電変換素子に入射するように上記複数の円形に形成された光電変換素子を配置したことを特徴とする固体撮像装置。
3. 光学系と、上記光学系からの光を分光する複数の色分解光学系と、上記色分解光学系で分光された分光光を光電変換する複数の光電変換素子を平面状に配列した固体撮像素子と、上記固体撮像素子から上記色分解光学系で分光された分光光に対応する映像信号を読出し、該読出された映像信号を適宜処理する映像信号処理回路と、上記映像信号処理回路の映像信号を出力する出力部を有し、上記複数の色分解光学系は、少なくとも入射光を集光する第１のマイクロレンズと、上記第１のマイクロレンズの集光光を平行光に変換する第２のマイクロレンズと、上記第２のマイクロレンズの平行光を分光するマイクロプリズムを有し、上記マイクロプリズムで分光された分光光のそれぞれの分光光をそれぞれ異なる上記複数の光電変換素子から出力することを特徴とするカメラ装置。

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