JP2009009971A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】解像度を低下させることなく、感度とダイナミックレンジが向上した固体撮像装置を実現できるようにする。
【解決手段】固体撮像装置は、複数の画素群を備え、各画素群は、第１方向に一列に配置され、互いに異なる波長領域の光が入射する複数の画素と、一の光路から入射した入射光が順次入射し、入射した光のうちの少なくとも一部を対応する画素に入射させる複数のミラー素子を有している。複数のミラー素子のうちの少なくとも一部は、入射した光のうちの一部の波長領域の光を反射し且つ残部の光を透過するダイクロイックミラーである。
【選択図】図２

Description

本発明は固体撮像装置、特に入射光を色分離して色情報を取り込む固体撮像装置に関する。

デジタルスチルカメラに主に用いられている固体撮像装置は、格子状に縦横等間隔に配列（正方配列）した画素の上に、ベイヤ配列に代表されるカラーフィルタを配置することにより色情報の取り込みを行っている。

近年、写真大判サイズで印刷しても銀塩フィルムの解像度を得られるように固体撮像装置を多画素化することが要求されている。また、デジタルスチルカメラの普及に伴い低価格化の要求が強まっている。以上のような多画素化及び低価格化の要求に応えるため、１画素のセル面積は年々微細化されている。

しかし、１画素当たりの感度は「セル面積」×「量子効率」に比例するため、セル面積の低下が量子効率の向上を上回れば感度が低下する。このため、同じ明るさの被写体を同じ光学系で撮影した場合、セル面積の小さな固体撮像装置では信号電子数に対する光ショットノイズの比率が大きくなり画質が劣化する。また、セル面積が低下すると、１画素で取り扱える最大電子数も減少するため、明るいシーンで白飛びが発生しやすくなる。

このような課題を解決して、感度と取り扱い最大電子数を保持したまま解像度を向上するための画素の配列方法が各種提案されている。

例えば、特許文献１においては、図８に示すように画素を配置することにより、開口率の低下を伴うことのない受光素子の小型化を実現しようとしている。また、垂直転送レジスタの実効的長さを長くすることにより、垂直転送レジスタの取り扱い電荷量の増大を図っている。これにより、垂直転送レジスタの取り扱い電荷量の減少を伴うことなく固体撮像装置の小型化を実現使用としている。
特開平６−７７４５０号公報。

しかしながら、どのように配置を工夫したとしても、固体撮像装置をカラー化するために、各画素にカラーフィルタを配置すると実効的な感度向上が実現できないという問題がある。これは、カラーフィルタが色信号を吸収するため、カラーフィルタによる吸収による感度低下の効果が大きいことによる。

また、カラーフィルタは、色ごとに光の吸収率が異なるため、色ごとに画素の感度が異なる。このため、色再現が可能な最大光量は、最も高感度の色の画素において取り扱い最大電荷量に達した際の入射光量となる。従って、低感度の色の画素においては配置の変更により向上させた取り扱い最大電荷量を有効に利用することができない。言い換えれば、ダイナミックレンジが狭くなるという問題がある。

また、各画素の上に配置された色フィルタ以外の色成分は空間的に離れたサンプルリングポイントの色信号から演算処理によって得ることになるため、空間的なローパスフィルタの効果により解像度が劣化するという問題が回避できない。

本発明は、前記従来の問題を解決し、解像度を低下させることなく、感度とダイナミックレンジが向上した固体撮像装置を実現できるようにすることを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は固体撮像装置をミラー素子からなるカラーフィルタを備えた構成とする。

本発明に係る固体撮像装置は、複数の画素群を備え、各画素群は、第１方向に一列に配置され、互いに異なる波長領域の光が入射する複数の画素と、一の光路から入射した入射光が順次入射し、入射した光のうちの少なくとも一部を対応する画素に入射させる複数のミラー素子を有し、複数のミラー素子のうちの少なくとも一部は、入射した光のうちの一部の波長領域の光を反射し且つ残部の光を透過するダイクロイックミラーであることを特徴とする。

本発明の固体撮像装置は、入射した光のうちの少なくとも一部を対応する画素に入射させる複数のミラー素子を有しており、ミラー素子のうちの少なくとも一部は、入射した光のうちの一部の波長領域の光を反射し且つ残部の光を透過するダイクロイックミラーである。このため、固体撮像装置に入射した光はほとんど吸収されることなく画素に入射する。従って、カラーフィルタが光を吸収することによる感度の低下はほとんど生じない。また、各画素の感度を揃えることが容易であり、ダイナミックレンジを向上させることが可能である。さらに、各色の空間的なサンプリングポイントが同一となるため、信号処理による解像度の劣化が生じないという効果も得られる。

本発明の固体撮像装置において、複数のミラー素子は、ダイクロイックミラーを透過した光を対応する画素に入射させる全反射ミラーを有していてもよい。

本発明の固体撮像装置において、対応する画素群に入射光を集光する複数のマイクロレンズをさらに備えていることが好ましい。

本発明の固体撮像装置において、互いに接する３つのマイクロレンズは、正三角形を形成するように配置されていることが好ましい。

この場合において、一の画素群に含まれる画素の数は、奇数であり、画素の第１方向のピッチをＶ、画素の第１方向と交差する第２方向のピッチをＨ、一の画素群に含まれる画素の数をｋとすると、Ｖ＝（２×√３）×Ｈ／ｋであり、第２方向に隣接する２つの画素が、第１方向に第１方向のピッチの２分の１ずれて配置されていてもよい。

また、一の画素群に含まれる画素の数は、偶数であり、画素の第１方向のピッチをＶ、画素の第１方向と交差する第２方向のピッチをＨ、一の画素群に含まれる画素の数をｍとすると、Ｖ＝（２×√３）×Ｈ／ｍであってもよい。

本発明の固体撮像装置によれば解像度を低下させることなく、感度とダイナミックレンジが向上した固体撮像装置を実現できる。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。図１は第１の実施形態に係る固体撮像装置の平面構成を示し、図２は図１のII−II線における断面構成を示している。

図１及び図２に示すように本実施形態の固体撮像装置は、行列状に配置された複数の画素群１１と、対応する画素群１１にそれぞれ入射光を集光する複数のマイクロレンズ１３とを備えている。各画素群１１は、一列に配置された複数の画素２１と、対応する画素２１に所定の色成分の光をそれぞれ入射させる複数のミラー素子２５とを有している。図１及び図２には、赤色の光を受光する第１の画素２１Ａ、緑色の光を受光する第２の画素２１Ｂ及び青色の光を受光する第３の画素２１Ｃと、第１の画素と対応する第１のミラー素子２５Ａ、第２の画素２１Ｂと対応する第２のミラー素子２５Ｂ及び第３の画素２１Ｃと対応する第３のミラー素子２５Ｃとが設けられた例を示している。

第１の画素２１Ａ、第２の画素２１Ｂ及び第３の画素２１Ｃは、それぞれ入射光を電荷に変換する光電変換素子である受光素子２２を有している。受光素子２２は例えば、Ｐウェルシリコン基板の表面にＮ型不純物領域を形成したＰＮ接合型フォトダイオードとすればよい。

各受光素子２２に入射した光は、受光素子により光電変換される。受光素子により光電変換された電荷は、列ごとにそれぞれ設けられた垂直転送レジスタにより列方向（垂直方向）に転送される。垂直転送レジスタは、交互に形成されそれぞれが行方向（水平方向）に延びる複数の垂直転送電極１６Ａと複数の垂直転送電極１６Ｂとを有している。各受光素子２２は、垂直転送電極１６Ａと垂直転送電極１６Ｂとに設けられた開口部から露出するように設けられている。

第１のミラー素子２５Ａ赤色の光を透過し他の色の光を反射し、第２のミラー素子２５Ｂは緑色の光を反射し他の色の光を透過し、第３のミラー素子２５Ｃは青色の光を反射し他の色の光を透過する。

第１のミラー素子２５Ａ、第２のミラー素子２５Ｂ及び第３のミラー素子２５Ｃはそれぞれ、例えば４５度の傾きを有する斜面上に形成された誘電体多層膜２６からなるダイクロイックミラーを用いればよい。誘電体多層膜２６の積層数及び膜厚を調製することにより透過する光の波長領域及び反射する光の波長領域を調製できる。なお、透過光を直進させ、反射光を９０度曲げられるように４５度の傾きを有する斜面上に形成することが望ましいが、傾斜角度は入射光の角度及び画素の配置等により適宜調製すればよい。

マイクロレンズ１３に入射した入射光Ｌは、マイクロレンズ１３によって集光されコリメータレンズ１４によって平行光に変換された後、第１のミラー素子２５Ａに入射する。第１のミラー素子２５Ａは赤色の光を透過して第１の画素２１Ａの受光素子２２に入射させ、他の色成分の光を反射して第２のミラー素子２５Ｂに入射させる。第２のミラー素子２５Ｂは緑色の光を反射して第２の画素２１Ｂの受光素子２２に入射させ、他の色成分の光を透過して第３のミラー素子２５Ｃに入射させる。第３のミラー素子２５Ｃは青色の光を反射して第３の画素２１Ｃの受光素子２２に入射させ、他の色成分の光を透過する。

本実施形態の固体撮像装置は、このように、１つのマイクロレンズ１３に入射した光が順次所定の波長領域の光に分解され各受光素子２２に入射して光電変換される。従って、吸収型のカラーフィルタを用いる場合と異なり、光の吸収がなく光の利用効率が高いため感度を向上させることができる。

なお、図３に示すように第３のミラー素子２５Ｃはダイクロイックミラーに代えて波長選択性がない誘電体多層膜２８を有する全反射ミラー２７を用いてもよい。この場合には、第２のミラー素子２５Ｂを透過した光がほぼすべて第３の画素２１Ｃに入射する。このため、マイクロレンズ１３に入射した光のほぼ１００％を各受光素子に入射させることができるため光の利用効率がさらに高くなる。

本実施形態においては１つの画素群が３つの画素及び３つのミラー素子を有し、各画素がそれぞれ赤、緑又は青の光を受光する構成としたが、１つの画素群に含まれる画素及びミラー素子の数は２個以上の任意の数でかまわない。また、各画素に入射する光の波長領域も、赤、緑、青に限らない。

各画素の感度は、受光素子の分光感度比とミラー素子の分光透過率（反射率）の積分によって決定される。このため、各画素に入射する光の波長領域幅を最適化することにより、各画素の感度を等しくすることが可能である。例えば、図４（ａ）に示すような分光感度比を受光素子が有している場合には、１つの画素群を４個の画素と４個のミラー素子により構成し、各画素がそれぞれ図４（ｂ）に示す青（Ｂ）、緑１（Ｇ１）、緑２（Ｇ２）及び赤（Ｒ）のいずれかを受光するようにすれば、図４（ｃ）に示すように各画素の感度を等しくすることができる。一方、各画素が受光する波長領域を、Ｂ、Ｇ１＋Ｇ２及びＲとした場合には、図４（ｄ）に示すようにＧ１＋Ｇ２を受光する画素の感度が突出してしまう。

図５に示すように、すべての受光素子の感度が等しい場合には、同一光量において取り扱い最大電荷量に達するため、各画素の感度が異なっている場合と比べて色再現可能な入射光量を増大させることができる。つまり、ダイナミックレンジを広くすることが可能となる。

さらに、本実施形態の固体撮像装置は、各色の空間的なサンプリングポイントが同一となるため、信号処理による解像度の劣化が生じないという効果も得られる。

また、マイクロレンズ１３は、その平面形状を真円形状とし、互いに接する３つのマイクロレンズ１３が正三角形を形成する、つまり３つのマイクロレンズの中心が正三角形の各頂点に位置するように配置することが好ましい。言い換えれば、１つのマイクロレンズ１３と接する６個のマイクロレンズが正六角形を形成するように配置することが好ましい。マイクロレンズ１３をこのように配置すれば、マイクロレンズ１３を最も高密度に配置することが可能となる。これにより、最も高い空間解像度が得られる。また、マイクロレンズ１３を正方格子状に配置した場合よりもマイクロレンズ同士の間のデッドスペースが小さくなるため感度を向上させることができる。

互いに接するマイクロレンズ１３が正三角形を形成するように配置するためには、画素の水平方向のピッチと垂直方向のピッチとを調製すればよい。ここで、水平方向のピッチとは、水平方向に隣接する画素の繰り返し間隔であり、垂直方向のピッチとは垂直方向に隣接する画素の繰り返し間隔である。

例えば、１つの画素群１１に含まれる画素の数が奇数の場合には、画素の水平方向のピッチをＨ、垂直方向のピッチをＶ、１つの画素群に含まれる画素の数をｋ（但しｋは３以上の奇数）とすると、
Ｖ＝（２×√３）×Ｈ／ｋ ・・・（式１）
を概ね満たすようにＶとＨとを設定し、且つ水平方向に隣接する２つの画素の垂直方向の位置を垂直方向のピッチの２分の１だけ互いにずらして配置すればよい。

また、１つの画素群１１に含まれる画素の数が偶数の場合には、画素の水平方向のピッチをＨ、垂直方向のピッチをＶ、１つの画素群に含まれる画素の数をｍ（但しｍは２以上の偶数）とすると、
Ｖ＝（２×√３）×Ｈ／ｍ ・・・（式２）
を概ね満たすようにＶとＨとを設定すればよい。この場合には、図６及び図７に示すような配置を実現することができる。

これらの場合、１つの画素群１１に含まれる画素の数を多くすると、垂直方向のピッチが小さくなり、受光素子２２のサイズが低下する。これにより、各画素の取り扱い最大電荷量は低下する。しかし、すべての受光素子の感度が同様に低下するため、ダイナミックレンジが変動することはない。従って、ダイナミックレンジを維持したまま、所望する様々な分光特性を実現できる。

本発明に係る固体撮像装置は、解像度を低下させることなく、感度とダイナミックレンジが向上した固体撮像装置を実現でき、固体撮像装置、特に入射光を色分離して色情報を取り込む固体撮像装置等として有用である。

本発明の一実施形態に係る固体撮像装置を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る固体撮像装置を示し、図１のII−II線における断面図である。 本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の変形例を示し、図１のII−II線における断面図である。 本発明の一実施形態に係る固体撮像装置において各画素の感度を一定にする方法を説明するためのグラフである。 本発明の一実施形態に係る固体撮像装置において、入射光量と取り扱い最大電荷量との関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の変形例を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の変形例を示す断面図である。 従来例に係る固体撮像装置を示す平面図である。

符号の説明

１１ 画素群
１３ マイクロレンズ
１４ コリメータレンズ
１６ 垂直転送レジスタ
１６Ａ 垂直転送電極
１６Ｂ 垂直転送電極
２１Ａ 第１の画素
２１Ｂ 第２の画素
２１Ｃ 第３の画素
２２ 受光素子
２５Ａ 第１のミラー素子
２５Ｂ 第２のミラー素子
２５Ｃ 第３のミラー素子
２６ 誘電体多層膜
２７ 全反射ミラー
２８ 誘電体多層膜

Claims (6)

1. 複数の画素群を備え、
   前記各画素群は、
   第１方向に一列に配置され、互いに異なる波長領域の光が入射する複数の画素と、
   一の光路から入射した入射光が順次入射し、入射した光のうちの少なくとも一部を対応する前記画素に入射させる複数のミラー素子を有し、
   前記複数のミラー素子のうちの少なくとも一部は、入射した光のうちの一部の波長領域の光を反射し且つ残部の光を透過するダイクロイックミラーであることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記複数のミラー素子は、前記ダイクロイックミラーを透過した光を対応する前記画素に入射させる全反射ミラーを有し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。
3. 対応する前記画素群に前記入射光を集光する複数のマイクロレンズをさらに備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
4. 互いに接する３つの前記マイクロレンズは、正三角形を形成するように配置されていることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
5. 前記一の画素群に含まれる前記画素の数は、奇数であり、
   前記画素の前記第１方向のピッチをＶ、前記画素の前記第１方向と交差する第２方向のピッチをＨ、一の前記画素群に含まれる前記画素の数をｋとすると、Ｖは下記の式（１）により表され、
   前記第２方向に隣接する２つの画素は、前記第１方向に前記第１方向のピッチの２分の１ずれて配置されていることを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
   Ｖ＝（２×√３）×Ｈ／ｋ ・・・ （式１）
6. 前記一の画素群に含まれる前記画素の数は、偶数であり、
   前記画素の前記第１方向のピッチをＶ、前記画素の前記第１方向と交差する第２方向のピッチをＨ、一の前記画素群に含まれる前記画素の数をｍとすると、Ｖは下記の式（２）により表されることを特徴とする請求項４に記載の固体撮像装置。
   Ｖ＝（２×√３）×Ｈ／ｍ ・・・ （式２）

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