JP2008236327A

JP2008236327A - 固体撮像装置及びカメラ

Info

Publication number: JP2008236327A
Application number: JP2007072404A
Authority: JP
Inventors: Tomoharu Miyake; 智治三宅; Shinsuke Nezaki; 慎介根崎
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-03-20
Filing date: 2007-03-20
Publication date: 2008-10-02

Abstract

【課題】画素の感度を異ならせる手法として新たな技術を提案する。
【解決手段】複数の画素（１１ａ、１１ｂ）を備える固体撮像装置であって、画素（１１ａ、１１ｂ）は、それぞれ屈折率分布レンズ（２７ａ、２７ｂ）と、受光量に応じて電荷を生成する光電変換部（２２）を有する、屈折率分布レンズの下地基板（２１〜２６）とを備えており、画素（１１ａ）と画素（１１ｂ）とで、屈折率分布レンズ（２７ａ、２７ｂ）の屈折率の分布態様が異なる。
【選択図】図２

Description

本発明は、デジタルカメラ等に用いられる固体撮像装置に関し、特に、ダイナミックレンジを広げる技術に関する。

従来、固体撮像装置のダイナミックレンジを広げるため、高感度画素と低感度画素とを設け、各画素から出力された信号を合成する技術が知られている。また画素の感度を異ならせる手法として、透過率が異なるフィルタを各画素に設ける技術が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２）。
特開2000-69491号公報特開2000-316163号公報

近年、一般的なデジタルカメラのみならず、携帯電話機搭載用カメラ、車載カメラ、監視カメラなど、固体撮像装置の応用範囲が拡大されている。それに伴い固体撮像装置のサイズ、耐温度性、耐湿度性、耐光性など要求される仕様が多種多様になってきている。このような多種多様な要求に応えるため、画素の感度を異ならせる手法に関しても、上記従来技術だけでなく新たな技術を提案し、さらなる技術の豊富化を図っていくことが望ましい。

そこで本発明は、上記課題に鑑み、画素の感度を異ならせる手法として新たな技術を提案することを目的とする。

本発明に係る固体撮像装置は、複数の画素を備える固体撮像装置であって、各画素は、屈折率分布レンズと、受光量に応じて電荷を生成する光電変換部を有する、前記屈折率分布レンズの下地基板とを備えており、前記複数の画素のうち第１の画素群に属する画素と第２の画素群に属する画素とで、前記屈折率分布レンズの屈折率の分布態様が異なる。

屈折率の分布態様が異なれば、屈折率分布レンズの集光特性が異なる。上記構成のように集光特性を異ならせることで、第１の画素群に属する画素と第２の画素群に属する画素とで感度を異ならせることができる。なお屈折率の分布態様が異なるとは、製造誤差により図らずも異なってしまうことを含まないものとする。
また、前記屈折率分布レンズは、平板状透明部材の表面に複数の溝が同心円状に配列されている構造体であり、前記第１の画素群に属する画素と前記第２の画素群に属する画素とで、前記複数の溝からなる溝群の構成が異なることとしてもよい。

平板状透明部材の表面に複数の溝を同心円状に配列した場合、ある円筒状領域の実効的な屈折率は、その円筒状領域に含まれる透明部材部分の体積及び屈折率と溝部分の体積及び屈折率とにより定まる。したがって溝群の構成を適切に設定することにより所望の屈折率の分布態様を実現することができる。上記構成によれば、第１画素群に属する画素と第２画素群に属する画素とで溝群の構成（各溝の形状及び溝の数量）を異ならせているので、第１画素群に属する画素と第２の画素群に属する画素とで屈折率の分布態様を異ならせることができる。

また、前記溝群では、溝の深さが２種類以上存在することとしてもよい。
溝の深さが１種類のみであれば、円筒状領域に含まれる透明部材部分と溝部分とを所望の体積比率にするには、溝の幅を適切に設定するしか手立てがない。そうすると要求される体積比率によっては、溝の幅を極端に狭くしたり極端に広くしたりしなければならない場合が生じえる。このような場合、溝あるいは透明部材部分が高アスペクト比になるので、製造技術上の問題により所望の体積比率の実現が困難になってくる。上記構成のように、溝の深さを２種類以上とすれば、溝の深さ及び溝の幅をそれぞれ適切に設定することで所望の体積比率を実現することができる。したがって溝あるいは透明部材部分が高アスペクト比になることを回避することができ、所望の体積比率の実現を容易にすることができる。

また、前記第１の画素群に属する画素と前記第２の画素群に属する画素とで、前記平板状透明部材を構成する材料が同一であることとしてもよい。
上記構成によれば、第１の画素群に属する画素と第２の画素群に属する画素とで平板状透明部材を構成する材料が同一なので、同一工程により製造をすることができる。
また、前記平板状透明部材は、無機材料からなることとしてもよい。

上記構成によれば、平板状透明部材が無機材料からなるので、耐光性に優れた屈折率分布レンズを実現することができる。
また、前記複数の画素は、２次元配列されており、前記第１の画素群に属する画素と前記第２の画素群に属する画素とが、所定の規則で交互に配されていることとしてもよい。
上記構成によれば、第１の画素群に属する画素から出力された信号と第２の画素群に属する画素から出力された信号とを合成したときに、自然な画像を得ることができる。

本発明に係るカメラは、固体撮像装置と信号処理装置とを備えるカメラであって、前記固体撮像装置は、複数の画素を備え、各画素は、屈折率分布レンズと、受光量に応じて電荷を生成する光電変換部を有する、前記屈折率分布レンズの下地基板とを備えており、前記複数の画素のうち第１の画素群に属する画素と第２の画素群に属する画素とで、前記屈折率分布レンズの屈折率の分布態様が異なり、前記信号処理装置は、前記第１の画素群に属する画素から出力された信号と前記第２の画素群に属する画素から出力された信号とを合成する。

上記構成によれば、ダイナミックレンジを広げることができる。

本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
＜構成＞
図１は、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の画素配列を示す図である。
固体撮像装置１０では、各画素１１が２次元配列されている。各画素に表記されている「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」は、それぞれカラーフィルタの色を示している。また網掛のない画素は高感度画素群１２に属する画素を示し、網掛のある画素は低感度画素群１３に属する画素を示す。画素１１ａは高感度画素群１２に属する画素であり、画素１１ｂは低感度画素群１３に属する画素である。高感度画素群１２に属する画素と低感度画素群１３に属する画素とは、所定の規則で交互に配されている（２行分の高感度画素群１２と２行分の低感度画素群１３とがストライプ状に現れる）。なお、図８に示すように２列分の高感度画素群１２と２列分の低感度画素群１３とがストライプ状に現れるようにしてもよいし、図９に示すように２行２列分の高感度画素群１２と２行２列分の低感度画素群とが市松模様状に現れるようにしてもよい。

図２は、画素１１ａ、１１ｂの上面図及び断面図を模式的に示す図である。
画素１１ａ、１１ｂは、いずれもシリコン基板２１、シリコン基板２１に形成された光電変換部２２、遮光膜２３、層間絶縁膜２４、カラーフィルタ２５、平坦化膜２６を共通に備える。また画素１１ａは屈折率分布レンズ２７ａを備え、画素１１ｂは屈折率分布レンズ２７ｂを備える。平坦化膜２６からシリコン基板２１までが屈折率分布レンズ２７ａ、２７ｂの下地基板となる。光電変換部２２は受光量に応じて電荷を生成する機能を有する。

屈折率分布レンズ２７ａ、２７ｂは、いずれも二酸化シリコンからなる平板状透明部材の表面に複数の溝が同心円状に配列されている構造体である。領域１４、１５、１６の平板状透明部材の厚みはそれぞれ１．２μｍ、０．８μｍ、０μｍである。なお溝の幅及び隣接溝同士の間隔は、可視光波長程度あるいは可視光波長よりも短いスケールで形成されている。本実施の形態では、画素１１ａと画素１１ｂとで複数の溝からなる溝群の構成（各溝の形状及び溝の数量）が異なる。

図３は、屈折率分布レンズ２７ａ、２７ｂの断面図及び屈折率分布を示す図である。
溝の幅及び隣接溝同士の間隔が可視光波長程度あるいは可視光波長よりも短いスケールで形成されている場合、円筒状領域３０の実効的な屈折率３１ａ、３１ｂは、円筒状領域３０に含まれる透明部材部分２８の体積及び屈折率（二酸化シリコンの屈折率：約１．４５）と溝部分２９の体積及び屈折率（気体の屈折率：約１）とにより定まる。円筒状領域３０以外の円筒状領域についても同様に定まる。各円筒状領域の屈折率を結ぶと曲線３２ａ、３２ｂが得られる。曲線３２ａは、屈折率分布レンズ２７ａの屈折率の分布態様を示し、曲線３２ｂは屈折率分布レンズ２７ｂの屈折率の分布態様を示す。このように、画素１１ａと画素１１ｂとで溝群の構成を異ならせることにより、屈折率の分布態様を異ならせることができる。一般に屈折率の分布態様が異なれば、屈折率分布レンズの集光特性が異なる。そのため画素１１ａと画素１１ｂとで感度を異ならせることができる。

図４は、本発明の実施の形態に係るカメラの構成を示す図である。
カメラ１００は、光学系１０１、撮像素子１０２、AFE(Analog Front End)１０３、信号処理部１０４、エンコーダ１０８、表示部１０９、メモリ１１０、システム制御部１１１、タイミングジェネレータ１１２を備える。また信号処理部１０４はフレームメモリ１０５、信号合成回路１０６、圧縮／伸長回路１０７を備える。撮像素子１０２は、固体撮像装置１０に相当する。

撮像素子１０２は、光学系１０１を介して入射された光を信号に変換して出力する。AFE１０３は、相関二重サンプリングにより出力信号からノイズ成分を除去し、信号を増幅し、信号をデジタル化して出力する。フレームメモリ１０５は、信号をフレーム毎に記憶する。信号合成回路１０６は、高感度画素群１２に属する画素から出力された信号と低感度画素群１３に属する画素から出力された信号とを合成する。圧縮／伸長回路１０７は、合成された信号にJPEG(Joint Photographic Experts Group)やMPEG(Moving Picture Experts Group)などの画像圧縮／伸長を施す。エンコーダ１０８は、合成信号をビデオ信号に変換する。表示部１０９はビデオ信号に基づいて画像を表示する。メモリ１１０は画像圧縮された信号を保存する。システム制御部１１１は、撮影開始のトリガ信号等を生成する。タイミングジェネレータ１１２はトリガ信号に基づいて撮像素子１０２を動作させるための信号を出力する。

図５は、信号合成前後の光強度と出力信号との関係を示す図である。
曲線３５は、高感度画素群１２に属する画素の出力信号と光強度との関係を示す。曲線３６は、低感度画素群１３に属する画素の出力信号と光強度との関係を示す。曲線３７は、高感度画素群１２に属する画素から出力された信号と低感度画素群１３に属する画素から出力された信号との合成信号と光強度との関係を示す。このように高感度画素群１２に属する画素から出力された信号と低感度画素群１３に属する画素から出力された信号とを合成することで、ダイナミックレンジを広げることができる。
＜製造方法＞
図６及び図７は、本発明の実施の形態に係る屈折率分布レンズの製造方法を示す。

平坦化膜２６上に、１．２μｍの厚みになるまで二酸化シリコン５１を堆積させ、二酸化シリコン５１上にフォトレジスト５２を塗布し（工程Ａ）、フォトレジスト５２のうちの領域１５、１６に相当する部分を除去する（工程Ｂ）。二酸化シリコン５１の堆積には、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いる。その後、ドライエッチングを施すことにより二酸化シリコン５１のうちの領域１５、１６に相当する部分を０．４μｍだけ除去し（工程Ｃ）、フォトレジスト５２を剥離させる（工程Ｄ）。

二酸化シリコン５１上にフォトレジスト５３を塗布し（工程Ｅ）、フォトレジスト５３のうちの領域１６に相当する部分を除去する（工程Ｆ）。その後、ドライエッチングを施すことにより二酸化シリコン５１のうちの領域１６に相当する部分を０．８μｍだけ除去し（工程Ｇ）、フォトレジスト５３を剥離させる（工程Ｈ）。
このようにすれば、屈折率分布レンズ２７ａ、２７ｂを同一工程で並行して作成することができる。

以上、本発明に係る固体撮像装置及びカメラについて、実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限られない。例えば、以下のような変形例が考えられる。
（１）実施の形態では、屈折率分布レンズを平板状透明部材の表面に複数の溝が同心円状に配列することにより実現しているが、本発明はこれに限られない。例えば、平板状透明部材の径方向に不純物の濃度分布をもたせることにより屈折率分布レンズを実現することとしてもよい。
（２）実施の形態では、高感度画素群１２及び低感度画素群１３のように２種類の感度の相違をもたせているが、本発明はこれに限られない。例えば、３種類以上の感度の相違をもたせるようにしてもよい。
（３）実施の形態では、領域１５及び領域１６のように溝の深さが２種類であるが、本発明はこれに限られない。例えば、１種類でもよいし３種類以上でもよい。
（４）実施の形態では、平板状透明部材が二酸化シリコンから構成されているが、本発明は透明部材であればこれに限られない。例えば、窒化シリコン、二酸化チタンなどでもよい。

本発明は、例えば、一般的なデジタルカメラのみならず、携帯電話機搭載用カメラ、車載カメラ、監視カメラなどに利用可能である。

本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の画素配列を示す図である。画素１１ａ、１１ｂの上面図及び断面図を模式的に示す図である。屈折率分布レンズ２７ａ、２７ｂの断面図及び屈折率分布を示す図である。本発明の実施の形態に係るカメラの構成を示す図である。信号合成前後の光強度と出力信号との関係を示す図である。本発明の実施の形態に係る屈折率分布レンズの製造方法を示す。本発明の実施の形態に係る屈折率分布レンズの製造方法を示す。本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の画素配列を示す図である。本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の画素配列を示す図である。

符号の説明

１０固体撮像装置
１１画素
１２高感度画素群
１３低感度画素群
２１シリコン基板
２２光電変換部
２３遮光膜
２４層間絶縁膜
２５カラーフィルタ
２６平坦化膜
２７ａ、２７ｂ屈折率分布レンズ
２８透明部材部分
２９溝部分
３０円筒状領域
３１ａ、３１ｂ円筒状領域の実効的な屈折率
５１二酸化シリコン
５２、５３フォトレジスト
１００カメラ
１０１光学系
１０２撮像素子
１０３ AFE
１０４信号処理部
１０５フレームメモリ
１０６信号合成回路
１０７圧縮／伸長回路
１０８エンコーダ
１０９表示部
１１０メモリ
１１１システム制御部
１１２タイミングジェネレータ

Claims

複数の画素を備える固体撮像装置であって、
各画素は、
屈折率分布レンズと、
受光量に応じて電荷を生成する光電変換部を有する、前記屈折率分布レンズの下地基板とを備えており、
前記複数の画素のうち第１の画素群に属する画素と第２の画素群に属する画素とで、前記屈折率分布レンズの屈折率の分布態様が異なること
を特徴とする固体撮像装置。
前記屈折率分布レンズは、平板状透明部材の表面に複数の溝が同心円状に配列されている構造体であり、
前記第１の画素群に属する画素と前記第２の画素群に属する画素とで、前記複数の溝からなる溝群の構成が異なること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
前記溝群では、溝の深さが２種類以上存在すること
を特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
前記第１の画素群に属する画素と前記第２の画素群に属する画素とで、前記平板状透明部材を構成する材料が同一であること
を特徴とする請求項２に記載の固体撮像装置。
前記平板状透明部材は、無機材料からなること
を特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
前記複数の画素は、２次元配列されており、
前記第１の画素群に属する画素と前記第２の画素群に属する画素とが、所定の規則で交互に配されていること
を特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
固体撮像装置と信号処理装置とを備えるカメラであって、
前記固体撮像装置は、複数の画素を備え、
各画素は、
屈折率分布レンズと、
受光量に応じて電荷を生成する光電変換部を有する、前記屈折率分布レンズの下地基板とを備えており、
前記複数の画素のうち第１の画素群に属する画素と第２の画素群に属する画素とで、前記屈折率分布レンズの屈折率の分布態様が異なり、
前記信号処理装置は、前記第１の画素群に属する画素から出力された信号と前記第２の画素群に属する画素から出力された信号とを合成すること
を特徴とするカメラ。