JP2009135236A

JP2009135236A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP2009135236A
Application number: JP2007309448A
Authority: JP
Inventors: Kazutoshi Onozawa; 和利小野澤
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2007-11-29
Publication date: 2009-06-18
Anticipated expiration: 2027-11-29
Also published as: US20090141153A1; JP5283371B2; CN101446679A; US8004595B2

Abstract

【課題】広角から望遠まで、さまざまなレンズを交換して使用する１眼レフの撮像レンズをデジタルカメラ等に用いたときでも、周辺部まで明るい画像が撮像できる固体撮像素子等を提供する。
【解決手段】集光素子１を備える単位画素が２次元に配置された固体撮像素子であって、一の単位画素における集光素子１は、当該集光素子１の受光面に垂直な方向の軸を中心軸とする、複数の同心構造の円弧状の集光素子を組み合わせることによって形成している。さらに、前記円弧状の集光素子は、入射光の波長と同程度かそれよりも短い幅のゾーン領域で分割されており、前記複数の前記同心構造は、互いに異なるように形成することにより、単位画素に入射する光が広角からテレセントリック（光軸と主光線がほぼ平行）まで変化した場合であっても、周辺部まで明るい画像の撮像が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、デジタルカメラ等に使用される固体撮像素子に関し、特にレンズ交換を行う１眼レフ用デジタルカメラに用いる固体撮像素子に関する。

近年、デジタルカメラやカメラ付携帯電話機等の普及に伴い、固体撮像素子の市場は著しく拡大してきた。また、広角から望遠まで、さまざまなレンズを交換して使用する１眼レフのデジタルカメラが普及してきている。なお、デジタルカメラ等の薄型化に対する要望は依然として強い。これは言い換えれば、カメラ部分に用いるレンズが短焦点になるということであり、固体撮像素子に入射する光は広角（固体撮像素子の入射面の垂直軸から測定して大きな角度）になることを意味する。

ＣＣＤやＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像素子では、受光部分を有する半導体集積回路（単位画素）を２次元に複数配列して、被写体を表わす光を電気信号に変換している。ここで、固体撮像素子の感度は、入射光量に対する受光素子の出力電流の大きさによって定義されていることから、入射した光を確実に受光素子に導入することが感度向上のためには重要な要素となっている。

図５は、従来の一般的な単位画素１００の基本構造の一例を示す図である。図５に示すように、マイクロレンズ１０５に垂直に入射した光（破線で示した入射光５６）は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）のうち、何れかのカラーフィルタ２によって色分離された後、受光素子６において電気信号への変換がなされる。比較的高い集光効率が得られることから、マイクロレンズ１０５は、ほとんど全ての固体撮像素子において使用されている。

しかしながら、マイクロレンズ１０５の場合は、集光効率が信号光の入射角度に依存して低下する。つまり、図７に示すように、レンズに垂直に入射してくる光（破線で示した入射光５６）については高効率に集光することができるが、斜めに入射してくる光（実線で示した入射光５７）に対しては集光効率が減少するのである。これは、斜めに入射した入射光５７が、画素中のＡl配線３に遮光されてしまい、受光素子６まで到達できないためである。

上述したように、固体撮像素子は、複数の単位画素の２次元配列で構成されているため、広がり角を持つ入射光の場合、中央の単位画素と周辺の単位画素とでは入射角が異なる。その結果、周辺の単位画素の集光効率が中央の単位画素より低下するという問題が起こる。

図６は、従来における固体撮像素子の周辺の単位画素の構造例を示す図である。周辺の単位画素では入射光５８の入射角度が大きくなるため、Ａl配線３と受光素子６とを外側方向（端より）にずらす（シュリンクさせる）ことによって、集光効率の向上を図っている。

図７は、従来のマイクロレンズ１０５を用いた固体撮像素子１１０の集光効率の入射角度依存性を示す図である。図７に示すように、入射角度が２０°程度までの入射光に対しては高効率に集光できていることがわかる。しかしながら、それ以上の入射角度になると、集光効率は急激に減少する。つまり、従来の固体撮像素子１１０内の周辺付近の単位画素の光量は、その中央付近の単位画素の約４０％程度であり、固体撮像素子１１０全体の感度は、周辺付近の単位画素の感度に律速されているのが現状である。また、この値は画素サイズの減少に伴ってさらに低下するため、小型のデジタルカメラのような短焦点光学系への応用が非常に困難になる。さらに、製造工程においては、現状以上の回路シュリンクができないといった問題もある。

これに対し、上記の広角入射光に係る課題を解決するために、入射光の波長と同程度かそれよりも小さな微細構造を形成し、これによって実効屈折率を有する屈折率分布型レンズを実現する固体撮像素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、固体撮像素子における撮像領域の中心部では、単位画素の中心に対して対称な実効屈折率分布を有する屈折率分布型レンズが、入射光の波長と同程度か、それより短い線幅で分割された同心構造の複数のゾーン領域の組み合わせによって形成している。また、固体撮像素子の撮像領域の周辺部では、単位画素の中心に対して非対称な実効屈折率分布を有する屈折率分布型レンズが、入射光の波長と同程度かそれより短い線幅で分割された同心構造の複数のゾーン領域を組み合わせ、かつ、その同心構造の中心を単位画素の中心とずらして（オフセットさせて）形成している。この発明によると、固体撮像素子の周辺部に入射する光が、入射面の垂直軸に対して大きな角度で斜め入射しても、受光素子に入射光を集光させることができ、固体撮像素子の中心部の撮像領域における感度と同等の感度を得ることができる。
国際公開第０５／１０１０６７号パンフレット

上記特許文献１に記載された技術を用いた固体撮像素子２１０は、図９に示すような広角入射光用の撮像レンズ２２０に対しては、図１０（ａ）〜（ｃ）で示されるように、撮像領域中央部、撮像領域中間部及び撮像領域周辺部のそれぞれにおいて、実効屈折率が異なる屈折率分布型レンズを搭載することにより、撮像領域周辺部に、入射面の垂直軸に対して大きな角度で（斜めに）入射光が入射した場合であっても、受光素子６に入射光を集光することができ、固体撮像素子２１０の中心部の感度と同等の感度を得ることができる。

しかしながら、１眼レフのデジタルカメラ２００においては、広角に光が入射する場合に対応したレンズばかりでなく、図１１に示すように、固体撮像素子２１０に対して光がテレセントリック（光軸と主光線がほぼ平行）に入射する場合に対応した撮像レンズ２３０も用いられる。

このような場合、広角入射光に適した図１０（ａ）〜（ｃ）で示される屈折率分布型レンズを搭載した固体撮像素子２１０では、図１２（ａ）〜（ｃ）に示されるように、撮像領域周辺部では、必要以上に光が大きく曲がるため、受光素子６に到達する光が減少し、画像の周辺部が暗くなってしまう。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、広角から望遠まで、さまざまなレンズを交換して使用する１眼レフの撮像レンズをデジタルカメラ等に用いたときでも、周辺部まで明るい画像が撮像できる固体撮像素子等を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、集光素子を備える単位画素が２次元に配置された固体撮像素子であって、一の単位画素における前記集光素子は、当該集光素子の受光面に垂直な方向の軸を中心軸とする、複数の同心構造の円弧状の集光素子の組み合わせによって形成されており、前記円弧状の集光素子は、入射光の波長と同程度かそれよりも短い幅のゾーン領域で分割されており、前記複数の前記同心構造は、互いに異なっていることを特徴とする。

これにより、単位画素に入射する光が広角からテレセントリック（光軸と主光線がほぼ平行）まで変化したとしても、周辺部まで明るい画像が撮像できる。

また、当該固体撮像素子の周辺部の単位画素に係る前記集光素子は、同心構造が異なる少なくとも２種類の前記光透過膜の組み合わせによって形成されており、前記入射光に対する実効屈折率分布が、当該集光素子の受光面に水平な第１の方向において非対称であることを特徴とする。

さらに、当該固体撮像素子の周辺部の単位画素に係る前記集光素子は、同心構造が異なる少なくとも２種類の前記光透過膜の組み合わせによって形成されており、前記入射光に対する実効屈折率分布が、当該集光素子の受光面に水平であり、かつ、前記第１の方向と９０°異なる方向において非対称であることを特徴とする。

さらに、当該固体撮像素子の四隅付近の単位画素に係る前記集光素子は、同心構造が異なる少なくとも４種類の前記光透過膜の組み合わせによって形成されており、前記入射光に対する実効屈折率分布が、当該集光素子の受光面に水平な、第１の方向及び前記第１の方向と９０°異なる方向において、非対称であることを特徴とする。

本発明に係る固体撮像素子により、単位画素に入射する光が広角からテレセントリック（光軸と主光線がほぼ平行）まで変化した場合であっても、撮影時に周辺部が暗くなってしまうことを回避することができる。

以下、本発明に係る実施の形態について、図面を参照しながら、さらに具体的に説明する。なお、本発明について、以下の実施の形態及び添付の図面を用いて説明を行うが、これは例示を目的としており、本発明がこれらに限定されることを意図しない。

図１（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態に係る固体撮像素子の撮像領域毎の単位画素の基本構造の一例を示す断面図である。なお、本発明に係る固体撮像素子は、図１（ｂ）に示すように、撮像領域の中央部以外の単位画素における集光素子１が、当該集光素子の受光面に垂直な方向の軸を中心軸とする、複数の同心構造の円弧状の集光素子の組み合わせによって形成されており、前記円弧状の集光素子は、入射光の波長と同程度かそれよりも短い幅のゾーン領域で分割されており、前記複数の前記同心構造は、互いに異なっていることを特徴としている。

図１（ａ）に示されるように、本固体撮像素子の撮像領域中央部、撮像領域中間部又は撮像領域周辺部の何れにおいても、各単位画素（サイズ□５．６［μｍ］）は、分布屈折率型レンズの集光素子１、カラーフィルタ２、Ａl配線３、受光素子（Ｓiフォトダイオード）６を備える。また、集光素子１の膜厚は１．２［μｍ］である。なお、以下では、上記従来の固体撮像素子と異なる構成について重点的に説明し、同じ構成についてはその説明を省略する。

図１（ｂ）は、本固体撮像素子の各撮像領域（図４参照）における単位画素の集光素子の上面図の一例である。図１（ｂ）が示す各集光素子１の構造は、光透過膜３３であるＳiＯ₂（ｎ＝１．４５）と空気３４（ｎ＝１．０）で構成される同心円構造である。さらに、撮像領域中央部の単位画素の集光素子１においては、隣り合う光透過膜３３の外周半径差３５は、約２００［ｎｍ］である。なお、撮像領域中間部又は撮像領域周辺部の単位画素の集光素子１は、その中央を通るｙ軸で非対称な同心円構造となっており、隣り合う光透過膜３３の外周半径差３６又は３７は、上記の外周半径差３５より小さく、３５＞３６＞３７の関係にある。ここで、集光素子１を外周半径差の幅でドーナツ状に分割した領域をゾーン領域という。

また、光透過膜３３の同心円構造の線幅は、その中心部分が最も大きく、外側のリングになるに従って順に小さくなっていく。この場合、ゾーン領域の幅が、入射光の波長と同程度かそれより小さいときには、光が感じる実効屈折率は、光透過膜３３であるＳiＯ₂（ｎ＝１．４５）と空気３４（ｎ＝１．０）との体積比によって算出できる。このように、本発明における固体撮像素子は、上記同心円構造の線幅、即ち、光透過膜と空気との体積比を変えるだけで、実効屈折率分布を自由自在に制御できるという特徴を有している。

図１（ｃ）は、本実施の形態に係る固体撮像素子の各撮像領域における単位画素の集光素子の実効屈折率を示すグラフの一例である。

例えば、図１（ｃ）の撮像領域中央部の単位画素の集光素子１における放物線は、入射光を焦点距離ｆで集光させるための実効屈折率分布を示しており、下の式で表される。

Δｎ(ｘ)＝Δｎ_max［(Ａｘ²＋Ｂｘsinθ)／２π＋Ｃ］（１）
（Ａ、Ｂ、Ｃ：定数）

ここで、Δｎ_maxは、光透過膜材料でＳiＯ₂と空気の屈折率差（今回は０．４５）である。

また、上記（１）式は、入射側媒質の屈折率をｎ₀、出射側媒質の屈折率をｎ₁としたときの各パラメータは、以下の通りである。

Ａ＝−（ｋ₀ｎ₁）／２ｆ（１−１）
Ｂ＝−ｋ₀ｎ₀ (１−２）
ｋ₀＝２π／λ （１−３）

これにより、目的とする焦点距離ｆ及び対象とする入射光の入射角度、波長毎に、レンズを最適化することが可能となる。なお、上記（１）式において、集光成分は、単位画素の中央から周辺方向への距離ｘの２次関数によって表され、偏向成分は距離ｘと三角関数との積によって表わされている。

なお、図１（ｃ）に示すように、撮像領域中央部では、単位画素の中心に対して対称な実効屈折率分布をしている。このように、撮像領域中央部では、常に光軸に対して平行な光が入射するので、従来のマイクロレンズと同様に受光素子の中心に対して対称に集光するように設計している。

例えば、図１（ａ）に示すように、撮像領域周辺部（図４のＨ端）に位置している単位画素の集光素子１においては、テレセントリック（光軸と主光線がほぼ平行）に入射した光が単位画素の中心側の半分に形成された集光素子と周辺側の半分に形成された集光素子によって、受光素子の端に近い位置（固体撮像素子の中央寄り）に焦点を結ぶ。このように、それぞれの集光素子の焦点が重なるように集光する。

しかしながら、図２（ａ）に示すように、撮像領域中間部や撮像領域周辺部においては、交換後のレンズの特性によって光の入射角が変化するので、撮像領域周辺部に近づくほど実効屈折率分布の対称性を崩し、右半分の立下り度合いが大きくなるように設計している。

例えば、図２（ａ）に示す撮像領域周辺部（図４におけるＨ端）に位置する単位画素の集光素子１では、広角に入射した光が単位画素の中心側の半分に形成された集光素子と周辺側の半分に形成された集光素子によって、受光素子の端に近い位置（固体撮像素子の周辺寄り）に焦点を結ぶ。

また、固体撮像素子の四隅である撮像領域の画角（Ｄ端）の領域（図４参照）では、図３に示すように、同心構造が異なる少なくとも４種類の光透過膜の組み合わせによって集光素子１１が形成されており、入射光に対する実効屈折率分布が、単位画素の中央のｘ軸及びｙ軸において非対称となっている。

図４は、本発明に係る固体撮像素子の単位画素のレイアウト例の概略を示す図である。固体撮像素子における水平方向（ｘ軸方向）の撮像領域周辺部では、ｙ軸で非対称な集光素子１を採用し、垂直方向（ｙ軸方向）の撮像領域周辺部では、ｘ軸で非対称な集光素子１を採用している。また、固体撮像素子の４隅、即ち撮像領域の画角（Ｄ端）の領域では、上記の図３に示すように、ｘ軸及びｙ軸の両方に非対称な集光素子１１を採用している。

これにより、単位画素に入射する光が広角からテレセントリック（光軸と主光線がほぼ平行）まで変化したとしても、図８の●印で示すように、光の入射角特性がフラットであり、周辺部まで明るい画像を撮像することが可能となる。

なお、上記実施の形態においては、集光素子の光透過膜の構造を同心円構造としたが、同心円に限らず、四角形及び六角形などの多角形の同心構造でもよい。

また、上記実施の形態においては、撮像領域中間部又は撮像領域周辺部の単位画素の集光素子が、その中央を通るｙ軸で非対称な同心円構造となっている例を示したが、集光素子の中央を通るｘ軸で非対称な同心円構造となっていてもよい。

さらに、上記実施の形態においては、外周半径差３５〜３７について、３５＞３６＞３７の関係を有する実施例について説明したが、外周半径差は３５＝３６＝３７であるが、光透過膜の線幅を制御して、上記３５＞３６＞３７の場合と同等の実効屈折率分布を有するように形成してもよい。

本発明の固体撮像素子は、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ又はカメラ付携帯電話機などに利用が可能であり、産業上有用である。

（ａ）は、本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の各撮像領域における単位画素の基本構造の一例を示す断面図であり、広角な入射光に対する集光素子の機能の概略を示す図である。（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の各撮像領域における単位画素の集光素子の上面図の一例である。（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の各撮像領域における単位画素の集光素子の実効屈折率の変化を示すグラフの一例である。（ａ）は、本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の各撮像領域における単位画素の基本構造の一例を示す断面図であり、テレセントリックな入射光に対する集光素子の機能の概略を示す図である。（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の各撮像領域における単位画素の集光素子の上面図の一例である。（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の各撮像領域における単位画素の集光素子の実効屈折率の変化を示すグラフの一例である。本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の画角（Ｄ端）における集光素子の上面図の一例である。本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の撮像領域における集光素子のレイアウト例の概要を示す図である。従来の固体撮像素子の基本構造の一例を示す図である。従来の固体撮像素子の周辺の単位画素の構造例を示す図である。従来のマイクロレンズを用いた固体撮像素子の集光効率の入射角度依存性を示す図である。従来と本発明の実施の形態に係る固体撮像素子の集光効率の入射角度依存性を示す図である。撮像レンズから光が広角に固体撮像素子に入射する様子を示す図である。（ａ）は、従来の固体撮像素子の各撮像領域における単位画素の基本構造の一例を示す断面図である。（ｂ）は、従来の固体撮像素子の各撮像領域における単位画素の集光素子の上面図の一例である。（ｃ）は、従来の固体撮像素子の各撮像領域の単位画素における集光素子の実効屈折率の変化を示すグラフの一例である。撮像レンズから光がテレセントリック（光軸と主光線がほぼ平行）に固体撮像素子に入射する様子を示す図である。（ａ）は、従来の固体撮像素子の各撮像領域における単位画素の基本構造のその他の例を示す断面図である。（ｂ）は、従来の固体撮像素子の各撮像領域における単位画素の集光素子の上面図の一例である。（ｃ）は、従来の固体撮像素子の各撮像領域の単位画素における集光素子の実効屈折率の変化を示すグラフの一例である。

符号の説明

１、１１集光素子
２カラーフィルタ
３Ａl配線
４電気信号伝送部
５平坦化部
６受光素子（Ｓiフォトダイオード）
７Ｓi基板
３３光透過膜（ＳiＯ₂）
３４空気
３５、３６、３７（隣り合う光透過膜との）外周半径差
５６、５７、５８入射光
６１、６２、６３入射光
１００単位画素
１０５マイクロレンズ
１１０、２１０固体撮像素子
２００デジタルカメラ
２２０、２３０撮像レンズ

Claims

集光素子を備える単位画素が２次元に配置された固体撮像素子であって、
一の単位画素における前記集光素子は、当該集光素子の受光面に垂直な方向の軸を中心軸とする、複数の同心構造の円弧状の集光素子の組み合わせによって形成されており、
前記円弧状の集光素子は、入射光の波長と同程度かそれよりも短い幅のゾーン領域で分割されており、前記複数の前記同心構造は、互いに異なっている
ことを特徴とする固体撮像素子。
当該固体撮像素子の周辺部の単位画素に係る前記集光素子は、
同心構造が異なる少なくとも２種類の前記光透過膜の組み合わせによって形成されており、前記入射光に対する実効屈折率分布が、当該集光素子の受光面に水平な第１の方向において非対称である
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
当該固体撮像素子の周辺部の単位画素に係る前記集光素子は、
同心構造が異なる少なくとも２種類の前記光透過膜の組み合わせによって形成されており、前記入射光に対する実効屈折率分布が、当該集光素子の受光面に水平であり、かつ、前記第１の方向と９０°異なる方向において非対称である
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
当該固体撮像素子の四隅付近の単位画素に係る前記集光素子は、
同心構造が異なる少なくとも４種類の前記光透過膜の組み合わせによって形成されており、前記入射光に対する実効屈折率分布が、当該集光素子の受光面に水平な、第１の方向及び前記第１の方向と９０°異なる方向において、非対称である
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。