JP2010272594A - 固体撮像素子及び撮像システム - Google Patents

Abstract

【課題】入射光の光量の損失を抑えながら、回折光や散乱光の隣接する画素への混入、及びそれに起因する混色を低減することができる技術を提供する。
【解決手段】複数の画素が配列され、結像光学系からの光を受光する受光素子チップと、前記受光素子チップの上に形成され、前記結像光学系からの光が前記複数の画素のそれぞれに入射するように、前記結像光学系からの光を前記受光素子チップに導光するオンチップ光学系と、を有し、前記オンチップ光学系は、前記複数の画素の全てに対して共通の１つのフレネルレンズを含むことを特徴とする固体撮像素子を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子及び撮像システムに関する。

デジタルカメラやカメラ機能付き携帯電話などの撮像システムの普及に伴い、かかる撮像システムに搭載される固体撮像素子の多画素化、高感度化及び薄型化が進んでいる。例えば、多画素化に関しては、受光素子の画素サイズ（画素の幅）が２．０μｍを下回るほど微細になってきている。高感度化に関しては、入射光量に対する受光素子からの出力電流の大きさで感度が定義されるため、入射光をロスなく受光素子に導くことが重要である。また、薄型化でカメラのレンズ光学系が短焦点化し、入射角が大きく、射出瞳距離が短くなってきている。

固体撮像素子は、一般に、光入射側から順に、マイクロレンズ、カラーフィルター、アルミニウム配線などを含む絶縁層、受光素子などを含む基板（Ｓｉ基板）を有する。固体撮像素子において、マイクロレンズに対して垂直に入射する光（垂直入射光）は、カラーフィルターで色分離された後、光量の損失が少なく（即ち、高効率に）受光素子に導かれる。一方、マイクロレンズに対して大きな入射角で入射する光（斜入射光）は、アルミニウム配線などで一部が遮光されてしまうため、光量の損失が大きくなってしまう。

そこで、入射光の波長と同程度の線幅で分割された同心構造の分布屈折率レンズを、受光素子の画素ごとに配置して、斜入射光の光量ロスを回避する技術が提案されている（特許文献１参照）。また、マイクロレンズに対して垂直に光が入射するように入射角を補正するレンズを配置する技術も提案されている（特許文献２参照）。

特開２００６−３５１９７２号公報 特開平０７−２９８１４６号公報

しかしながら、本発明者は、画素サイズの微細化に応じて画素の上に配置されるマイクロレンズのサイズも微細化されるため、マイクロレンズからの回折光や散乱光が隣接する画素に入射してしまうという新たな課題を見出した。

また、特許文献１では、微細な、例えば、サブミクロンオーダーの加工が必要となる分布屈折率レンズを、画素ごとに異なる形状で加工しなければならない。例えば、１０００万画素の固体撮像素子の場合、縦４０００画素、横２５００画素程度となるため、横の画素の対称性を考えたとしても、少なくとも２０００パターンの分布屈折率レンズを加工する必要がある。仮に、分布屈折率レンズのパターンを１／１０に減らせたとしても２００パターンの分布屈折率レンズを加工する必要がある。このような多くのパターンの分布屈折率レンズをサブミクロンオーダーで再現性よく加工することは現実的には非常に困難である。

また、特許文献２には、マイクロレンズに対して垂直に光が入射するように入射角を補正するレンズの具体的な形状や焦点距離などが開示されていないため、実現が困難である。

本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、入射光の光量の損失を抑えながら、回折光や散乱光の隣接する画素への混入、及びそれに起因する混色を低減することができる技術を提供することを例示的目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面としての固体撮像素子は、複数の画素が配列され、結像光学系からの光を受光する受光素子チップと、前記受光素子チップの上に形成され、前記結像光学系からの光が前記複数の画素のそれぞれに入射するように、前記結像光学系からの光を前記受光素子チップに導光するオンチップ光学系と、を有し、前記オンチップ光学系は、前記複数の画素の全てに対して共通の１つのフレネルレンズを含むことを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、例えば、入射光の光量の損失を抑えながら、回折光や散乱光の隣接する画素への混入、及びそれに起因する混色を低減する技術を提供することができる。

本発明の一側面としての固体撮像素子の構成を示す図である。 図１に示す固体撮像素子を組み込んだ撮像システムの構成を示す図である。 図１に示す固体撮像素子の想定レイアウトについて説明するための図である。 結像光学系が可変焦点光学系を含む場合において、結像光学系の広角端及び望遠端の光路図である。 図１に示す固体撮像素子の受光素子チップの周辺部の断面図である。 図２に示す撮像システムにおいて、撮像処理を行う処理部や処理回路の構成を示す図である。

添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

まず、本発明者が見出した新たな課題について具体的に説明する。固体撮像素子においては、上述したように、画素サイズ（画素の幅）の微細化に応じて画素の上に配置されるマイクロレンズのサイズも微細化されるため、以下の２つの現象（第１の現象及び第２の現象）が生じる。
第１の現象：マイクロレンズからの回折光の強度が大きくなると、ある画素に入射すべき光が隣接する画素に入射してしまう。特に、カラーフィルターを有する固体撮像装置の場合、混色が生じる。
第２の現象：マイクロレンズからの散乱光がアルミニウム配線の側面などで反射してフレア光となり、ある画素に入射して、例えば、黒色を表現することができなくなる（画像にもやがかかる）。

このように、光の混入に最も大きな影響を与える部材は、受光素子から離れて配置され、微細構造を有する光透過性部材であるマイクロレンズである。ここでは、マイクロレンズからの回折光について詳細に説明する。なお、マイクロレンズからの散乱光については、以下で説明する理論と同じであるため、説明を省略する。

マイクロレンズからの回折光の理解を容易にするために、フォトリソグラフィー装置における線幅と回折との関係について説明する。フォトリソグラフィー装置は、光源からの光を用いてフォトマスクのパターンを照明し、かかるフォトマスクのパターンを、投影光学系を介して、ウエハに塗布されたレジストに投影（転写）する機能を有する。フォトマスクのパターンの線幅が大きい場合には、パターンから射出される０次回折光、１次、２次、・・・の回折光の全てが投影光学系を通過してレジスト上に結像するため、レジスト上に投影される光のコントラストが高い。一方、フォトマスクのパターンの線幅が小さい場合には、パターンの線幅が大きい場合よりもパターンでの回折角が大きくなるため、２次以上の高次回折光が投影光学系に入射せず（即ち、結像に寄与せず）、レジスト上に投影される光のコントラストが低下する。従って、フォトマスクのパターンの線幅が小さくなるほど、レジスト上に投影される光のコントラストが低下する。

内径Ｄの円形形状の開口から射出する波長λの光について、投影光学系を介して、投影光学系の焦点位置ｆに現れるフランホーファー回折を考える。０次光を０°、１次光に隣接する第１暗環が認められる角度を回折角γ（単位：ラジアン）とすると、γは以下の式１で表される。

γ＝１．２２×λｆ/Ｄ ・・・（式１）
ここで、円形形状の開口及び投影光学系をマイクロレンズ、ウエハを受光素子に置き換えてみると、マイクロレンズからの回折光が隣接する画素に入射することは、以下の２つの場合（第１の場合及び第２の場合）を含む。
第１の場合：１次の回折光が隣接する画素に直接入射する。
第２の場合：１次の回折光がアルミニウム配線などに反射して間接的に隣接する画素に入射する。
なお、第１の場合が上述した第１の現象に相当し、第２の場合が上述した第２の現象に相当する。

このような回折光の回折角γの範囲は、後述する固体撮像素子の想定レイアウト（図３）において、以下の式２又は式３で表される。

３２°≦γ≦９０° ・・・（式２）
０．５５９ラジアン≦γ≦１．５７１ラジアン ・・・（式３）
式１において、λ＝０．５５μｍ（比視感度が最も高い波長）、ｆ＝４．０μｍとすると、γ＝２．６８４／Ｄ（ラジアン）となる。従って、式３を内径Ｄで表現すると、以下の式４で表される。

１．７μｍ≦Ｄ≦４．８μｍ ・・・（式４）
式２及び式４を参照するに、内径Ｄ＝４．８μｍであるときに回折角γ＝３２°、内径Ｄ＝１．７μｍであるときに回折角γ≒９０°となる。回折角γ≒９０°とは、１次の回折光はマイクロレンズから真横に進む（回折される）ことを意味する。９０°を超える回折角は物理的に意味がないため、内径Ｄ＜１．７μｍであるときも回折角γ＝９０°とすればよい。

従って、マイクロレンズの内径が１．７μｍ以下である場合、１次の回折光は、マイクロレンズから真横に進んで隣接する画素の上方に入射し、隣接する画素のフレア光となる可能性が極めて高い。また、後述する固体撮像素子の想定レイアウト（図３）では、マイクロレンズの内径が４．８μｍ以下である場合に、１次の回折光が隣接する画素に入射することになる。ここでは、１次の回折光だけを説明したが、２次以上の高次の回折光は、強度が極端に小さくなるため、無視することができる。また、マイクロレンズに限らず、フレネルレンズなどのバイナリーオプティクスであっても光学要素のサイズが４．８μｍ以下であれば、同様なことが言える。

以下、本発明の一側面としての固体撮像素子について説明する。図１（ａ）は、本発明の一側面としての固体撮像素子１００の概略上面図であり、図１（ｂ）は、固体撮像素子１００の概略断面図である。固体撮像素子１００は、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、カラーフィルター１０２と、受光素子チップ１０４と、オンチップ光学系１０６とを有する。

カラーフィルター１０２は、例えば、結像光学系からの光を色ごと（赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ））に分離する複数のフィルターを含み、かかる複数のフィルターは、本実施形態では、ベイヤー配列で配列されている。従って、カラーフィルター１０２においては、ある行では、Ｇフィルター、Ｒフィルター、Ｇフィルター、Ｒフィルター、・・・が配列され、他の行では、Ｂフィルター、Ｇフィルター、Ｂフィルター、Ｇフィルター、・・・が配列されている。なお、カラーフィルター１０２は、原色に限らず補色など、任意の色が配置されていてもよい。

受光素子チップ１０４は、カラーフィルター１０２の複数のフィルターのそれぞれに対応して、基板（例えば、Ｓｉ基板）の上に平面状に配列された複数の画素を含む。なお、複数の画素のサイズは、本実施形態では、４．８μｍ以下の幅（直径）を有するものとする。また、受光素子チップ１０４は、アルミニウム配線などを含む絶縁層、電気信号伝送部なども含む。更に、受光素子チップ１０４の絶縁層において、アルミニウム配線に挟まれた領域には、層内レンズや光導波路などを形成してもよい。

オンチップ光学系１０６は、受光素子チップ１０４の上に形成され、カラーフィルター１０２（複数のフィルターのそれぞれ）を通過した光が対応する複数の画素のそれぞれに入射するように、入射光を受光素子チップ１０４に導光する。オンチップ光学系１０６は、本実施形態では、受光素子チップ１０４の複数の画素の全てに対して共通の１つのフレネルレンズ１０６Ａを含んでいる。

フレネルレンズ１０６Ａには、図１（ａ）に示すように、フレネル輪帯１０６Ａａが形成されている。図１（ａ）では、フレネルレンズ１０６Ａの半分だけを図示しているが、フレネルレンズ１０６Ａは対称形状を有しているため、フレネル輪帯１０６Ａａは同心円となる。フレネル輪帯１０６Ａａのピッチ（フレネル輪帯幅）は、本実施形態では、４．８μｍ以上になっている。これにより、上述したように、フレネルレンズ１０６Ａからの回折光に起因する混色を抑えることができる。また、フレネル輪帯１０６Ａａのピッチが１ｍｍ以上であれば、固体撮像素子１００の製造の再現性を含めて製造を容易にすることができる。例えば、受光素子チップ１０４の有効画素サイズを３６ｍｍ×２４ｍｍとすると、最大像高は２１．６ｍｍである。従って、フレネル輪帯１０６Ａａのピッチが１ｍｍであれば、フレネル輪帯１０６Ａａの数は２２となる。換言すれば、フレネル輪帯１０６Ａａの数が２２以下であれば、受光素子チップ１０４の有効画素サイズを３６ｍｍ×２４ｍｍとする固体撮像素子１００を容易に製造することが可能となる。

ここで、固体撮像素子１００への入射光として、本実施形態では、０．５５μｍ（以下、「λ_０」とする）の波長を有する緑色の光を例として説明する。λ_０は、比視感度が最も高い波長である。受光素子チップ１０４の分光感度は、比視感度の分光特性に合わせ込まれ、肉眼で見た場合と違和感がないように調整されている。従って、他の波長（λ_０以外の波長）は感度が低く、画像への影響も小さいと考えられるため、最も感度が高い波長λ_０において検討する。

また、４．８μｍは、λ_０を用いて８．７λ_０と表すことが可能であり、マイクロレンズの内径が８．７λ_０以下である場合に、１次の回折光が隣接する画素に入射する。換言すれば、マイクロレンズの内径が８．７λ_０を超える場合には、１次の回折光が隣接する画素に入射することが困難である。ここで、マイクロレンズをオンチップ光学系１０６に置き換えると、オンチップ光学系１０６のサイズが４．８μｍを超える場合には、オンチップ光学系１０６からの１次の回折光による隣接画素への光の混入、即ち、混色は生じないと言える。

従って、本実施形態の固体撮像素子１００においては、４．８μｍ以下の画素サイズを有する画素に対しては、画素単位のオンチップ光学系を形成しない。また、オンチップ光学系１０６に含まれるフレネルレンズ１０６Ａのフレネル輪帯幅やフレネルレンズ１０６Ａの分割単位を、８．７λ_０を超えるように設定する。

なお、固体撮像素子からマイクロレンズを取り除くと、モアレが現れる場合がある。結像光学系の焦点面に配置されたマイクロレンズは、像を僅かにボケさせるため、空間周波数ドメインでＭＴＦの高周波成分を低下させ、モアレを防止すると考えられている。このような場合には、ナイキスト周波数以上の像を形成しなければよいため、例えば、固体撮像素子１００を適用した撮像システムの光学的ローパスフィルターにおいて、モアレを防止する機能を実現すればよい。

図２（ａ）は、固体撮像素子１００を適用した撮像システム１の概略断面図、図２（ｂ）は、撮像システム１における固体撮像素子１００の近傍の部分拡大図である。撮像システム１は、結像光学系１０と、絞り２０と、クイックリターンミラー３０と、固体撮像素子１００とを有する。なお、本実施形態では、結像光学系１０において、絞り２０よりも受光側のレンズ群をレンズ群１０Ａとする。また、図２（ａ）において、固体撮像素子１００の受光素子チップ１０４の中央部に入射（集光）する光を垂直入射光Ｌ１、固体撮像素子１００の受光素子チップ１０４の周辺部に入射（集光）する光を斜入射光Ｌ２とする。

結像光学系１０は、撮像システム１に対して着脱可能な光学系であって、クイックリターンミラー３０が光路外に配置されている場合に、被写体からの光を受光素子チップ１０４に結像する。この際、結像光学系１０を通過した光は、絞り３０で光量が調整される。また、クイックリターンミラー３０が光路に配置されている場合には、結像光学系１０を通過した光は、クイックリターンミラー３０で反射されてファインダー（不図示）に導光される。結像光学系１０は、例えば、焦点距離が２８ｍｍの広角レンズである。

撮像システム１において、固体撮像素子１００のフレネルレンズ１０６Ａは、結像光学系１０と共同して、射出テレセントリック光学系を構成する。例えば、以下の３つの手順（第１の手順乃至第３の手順）に従うことで、射出テレセントリック光学系を構成することができる。
第１の手順：絞り２０よりも受光側のレンズ群１０Ａと受光素子チップ１０４との間において、受光素子チップ１０４から距離Ｌの位置にコリメーターレンズを配置する。
第２の手順：結像光学系１０の射出瞳距離Ｐを求める。なお、射出瞳距離とは、結像光学系１０の射出瞳（即ち、レンズ群１０Ａによって形成される絞り２０の像の位置）から受光素子チップ１０４までの距離である。
第３の手順：コリメーターレンズの焦点距離ｆをｆ＝Ｐ−Ｌとする。これは、コリメーターレンズの焦点位置に絞りを配置することと同じである。

第１の手順乃至第３の手順によって、絞り２０を斜めに通過する光は、コリメーターレンズの焦点を通過するため、コリメーターレンズを通過した後には、光軸に対して平行に進む。即ち、射出テレセントリック光学系が構成される。但し、図２（ａ）に示すように、結像光学系１０のレンズ群１０Ａと受光素子チップ１０４との間には、クイックリターンミラー３０が配置されているため、上述したように、コリメーターレンズを配置することはできない。

そこで、本実施形態では、フレネルレンズ１０６Ａａにコリメーターレンズと同じ機能を持たせる。図２（ｂ）を参照して、フレネルレンズ１０６Ａの機能について詳細に説明する。なお、図２（ｂ）では、説明をわかりやすくするために、フレネルレンズ１０６Ａと受光素子チップ１０４とを離して図示しているが、上述したように、実際には、オンチップ光学系１０６として受光素子チップ１０４の上に形成されている。具体的には、フレネルレンズ１０６Ａと受光素子チップ１０４との距離は、２μｍ乃至５μｍ程度である。

フレネルレンズ１０６Ａの厚さは、無視できる程度に薄いため、絞り２０をフレネルレンズ１０６Ａの焦点位置に配置するためには、フレネルレンズ１０６Ａの焦点距離を結像光学系１０の射出瞳距離と等しくすればよい。これにより、図２（ｂ）に示すように、フレネルレンズ１０６Ａを通過した斜入射光Ｌ２は光軸に平行な光となる。従って、受光素子チップ１０４の中央部に入射する垂直入射光Ｌ１だけではなく、受光素子チップ１０４の周辺部に入射する斜入射光Ｌ２も、受光素子チップ１０４に対して垂直に入射することになる。なお、厳密にするのであれば、フレネルレンズ１０６Ａの屈折面の位置を正確に求め、かかる位置の厚さに応じて、結像光学系１０の射出瞳距離と等しくすればよい。

上述した固体撮像素子１００が実現可能であることを数値で示す。まず、受光素子チップ１０４の有効画素サイズを３６ｍｍ×２４ｍｍ（即ち、対角線が４３．２７ｍｍ）とすると、上述したように、最大像高は２１．６ｍｍである。結像光学系１０の焦点距離を２８ｍｍとすると、受光素子チップ１０４の端部（最も端の位置）である像高２１．６ｍｍの点に入射する光の角度θは、被写体の距離を無限大∞とすると、ｔａｎθ＝２１．６／２８から、θ＝３８°となる。

また、結像光学系１０を構成するレンズ群１０Ａ以外のレンズ群が非結像系（アフォーカル、焦点距離＝０ｍｍ）、即ち、ビーム幅を縮小するだけの機能を有しているとすると、レンズ群１０Ａの焦点距離ｆ_１は２８ｍｍとなる。レンズ群１０Ａと絞り２０との距離ａを１４ｍｍとすると、ａ＝ｆ_１／２となるため、結像光学系１０の射出瞳距離は、４×ａ＝５６ｍｍとなる。従って、フレネルレンズ１０６Ａの焦点距離ｆを５６ｍｍにすればよい。なお、フレネルレンズ１０６Ａは平凸レンズであるため、かかる平凸レンズの凸部の曲率半径を求めればよく、焦点距離ｆに相当する曲率半径ｒ１は、屈折率をｎとして、ｆ×（ｎ−１）で求めることができる。

最大像高に相当するフレネルレンズ１０６Ａの端部に入射する光の入射角θｉ、屈折角θｒは以下の式５及び式６で表される。

θｉ＝９０−５２＋ｓｉｎ^−１（２１．６／Ｒ）＝３８＋ｓｉｎ^−１（２１．６／ｒ１） ・・・（式５）
θｒ＝ｓｉｎ^−１（ｓｉｎθｉ／ｎ） ・・・（式６）
式５及び式６において、屈折率ｎを、ｎ＝１．６、１．８、２．５、２．７６とすると、以下に示すように、曲率半径ｒ１、入射角θｉ、屈折角θｒが求まる。
ｎ＝１.６のとき： ｒ１＝３３.６ｍｍ、θi＝７８.０°、θr＝３７.７°
ｎ＝１.８のとき： ｒ１＝４４.８ｍｍ、θi＝６６.９°、θr＝３０.７°
ｎ＝２.５のとき： ｒ１＝８４.０ｍｍ、θi＝５２.９°、θr＝１８.６°
ｎ＝２.７６のとき： ｒ１＝９８.６ｍｍ、θi＝５０.７°、θr＝１６.３°
いずれも実現可能であるが、入射角θｉが７８°である場合、光が全反射する可能性もあるため、例えば、ｎ＝２．７６である酸化チタンをフレネルレンズ１０６Ａの材料として選択する。

ここで、図３を参照して、マイクロレンズからの回折光が混色を生じさせる原理と共に、固体撮像素子１００の想定レイアウトについて説明する。図３において、１３０はマイクロレンズ、１０４ａはアルミニウム配線、１０４ｂは絶縁層、１０４ｃは画素（受光素子）、１０４ｄは基板である。アルミニウム配線１０４ａ、絶縁層１０４ｂ、画素１０４ｃ及び基板１０４ｄは、受光素子チップ１０４を構成する。なお、図３では、マイクロレンズからの回折光が混色を生じさせる原理を説明するために、オンチップ光学系として、受光素子チップ１０４の上にマイクロレンズ１３０が配置されている。

カラーフィルター１０２のＲフィルターの中央であるＫ点に入射した垂直入射光Ｌ１は、マイクロレンズ１３０で回折して隣接するＧフィルターの下の画素１０４ｃに入射する。ここで、回折角γは、点線ＫＬＭと光軸とのなす角度で定義される。Ｒフィルターの上に配置されたマイクロレンズ１３０には、その面積に応じて様々な位置に光が入射し、また、それぞれの光は様々な角度で入射するが、ここでは、Ｋ点に入射する垂直入射光Ｌ１についてだけ考える。垂直入射光Ｌ１は、マイクロレンズ１３０に入射する光の主光線であるため、種々の光の代表と考えてよい。

以下の想定レイアウトに対して、回折角γを数値で示す。
（想定レイアウト）
（１）マイクロレンズ１３０の下面からアルミニウム配線１０４ａの上面までの距離は２．２μｍ
（２）アルミニウム配線１０４ａの上面から基板１０４ｄの表面までの距離は１．８μｍ
（３）マイクロレンズ１３０の下面から基板１０４ｄの表面までの距離は４．０μｍ
（４）マイクロレンズ１３０の焦点距離ｆは４．０μｍ
図３を参照するに、Ｋ点からの１次の回折光が隣接する画素１０４ｃのＭ点に入射するためには、直線ＫＬＭで定義される点線よりも大きな回折角γが必要となる。上述した想定レイアウトから回折光γを求めると、回折角γ＝３２°＝０．５５９ラジアンとなる。

式１において、γ＝０．５５９ラジアン、λ＝０．５５μｍ、ｆ＝４．０μｍを与えてＤを求めると、Ｄ＝４．８０μｍとなる。即ち、マイクロレンズ１３０の内径が４．８μｍである場合、１次の回折光の回折角γ＝３２°となる。また、式１から明らかであるが、内径Ｄが小さくなれればなるほど、回折角γは大きくなる。

このように、図３に示す想定レイアウトを設定すれば、オンチップ光学系１０６のサイズが４．８μｍより小さい場合には、１次の回折光が混色を生じさせることがわかる。従って、本実施形態では、オンチップ光学系１０６として、受光素子チップ１０４の複数の画素の全てに対して共通の１つのフレネルレンズ１０６Ａを形成し、フレネル輪帯１０６Ａａのピッチを４．８μｍ以上にしている。これにより、入射光の光量の損失を抑えながら、回折光や散乱光が隣接する画素に入射すること、及びそれに起因する混色を低減することができる。なお、フレネルレンズ１０６Ａを分割して受光素子チップ１０４の上に形成することも可能であり、このような場合には、フレネルレンズ１０６Ａのサイズが４．８μｍ以上となる（即ち、分割単位を４．８μｍ以上にする）ようにすればよい。

また、従来技術ではマイクロレンズが画素の数と同じだけ存在するため、マイクロレンズ間の境界部分も画素の数と同じだけ存在し、光量損失の要因の１つとなっていた。本実施形態では、マイクロレンズ間の境界部分がないため、かかる境界部分での光量損失の可能性が低減する。

なお、結像光学系１０が可変焦点光学系を含む場合には、かかる可変焦点光学系が最も短い焦点距離に設定された場合における結像光学系１０の射出瞳距離と等しくなるように、フレネルレンズ１０６Ａの焦点距離を設定すればよい。

結像光学系１０が可変焦点光学系を含む場合において、結像光学系１０の広角端及び望遠端のそれぞれの光路図を図４（ａ）及び図４（ｂ）に示す。図４（ａ）において、受光素子チップ１０４の周辺部に入射する光の主光線と光軸とのなす角をθ_１とする。また、図４（ｂ）において、受光素子チップ１０４の周辺部に入射する光の主光線と光軸とのなす角をθ_２とする。図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、θ_１＞θ_２である。

本実施形態では、結像光学系１０が可変焦点光学系を含む場合、最も短い焦点距離（広角端）において、斜入射光が光軸に対して平行になるようにする。広角端の焦点距離が２８ｍｍのとき、フレネルレンズ１０６Ａの作用により最大像高２１.６ｍｍに結像する斜入射光のθ_１＝３８°が光軸に対して平行になるようにする。

一方、望遠端の焦点距離１３５ｍｍのとき、最大像高２１．６ｍｍに結像する斜入射光のθ_２は９．１°である。３８°の入射角の光がフレネルレンズ１０６Ａの作用で光軸に対して平行になるようにすると、同じ位置で９．１°の入射角の光は、光軸に対して収束する方向に曲げられる。但し、フレネルレンズ１０６Ａから受光素子チップ１０４までの距離が、２μｍ乃至５μｍ程度であることを考えれば、無視することができる。従って、フレネルレンズ１０６Ａの焦点距離は、結像光学系１０が可変焦点光学系を含む場合には、結像光学系１０の最も短い焦点距離での射出瞳距離と等しくすればよい。

また、フレネルレンズ１０６Ａには、図５に示すように、フレネル輪帯１０６Ａａの側面部に光を吸収する光吸収部材１０８を設けるとよい。図５において、Ｌ３は、フレネルレンズ１０６Ａのフレネル輪帯１０６Ａａの上面部に入射する斜入射光、Ｌ４は、フレネルレンズ１０６Ａのフレネル輪帯１０６Ａａの側面部に入射する斜入射光である。

図５を参照するに、フレネルレンズ１０６Ａのフレネル輪帯１０６Ａａの側面部に入射する斜入射光Ｌ４は、点線で示すように、通過したフィルターに対応する画素１０４ｃに入射しない。その結果、アルミニウム配線１０４ａなどで反射してフレア光（迷光）となり、隣接する画素１０４ｃなどに入射してしまう。そこで、フレネルレンズ１０６Ａのフレネル輪帯１０６Ａａの側面部に光吸収部材１０８を設けて、斜入射光Ｌ４を吸収する。同様に、アルミニウム配線１０４ｃの上面部や側面部などにも光を吸収する光吸収部材を設けてもよい。

以上のように、本実施形態の固体撮像素子１００によれば、入射光の光量ロスを抑えながら、回折光や散乱光による隣接する画素への混入、及びそれに起因する混色を低減することができる。但し、カラーフィルター１０２の上にフレネルレンズ１０６Ａのフレネル輪帯１０６Ａａが重なった場合には、フレネル輪帯１０６Ａａの段差のため入射光が遮光されて信号が全く出力しなかったり、偽信号（所謂、モアレ）が出力されてしまったりすることがある。信号が全く出力しない場合には、周囲の画素から出力される信号から電気的に補償するように予め設定すればよい。また、偽信号が出力される場合には、偽信号を電気的に除去し、周囲の画素から出力される信号から電気的に補償するように予め設定してもよいし、フレネルレンズ１０６Ａを溝などで分割して偽信号の発生を光学的に除去してもよい。本実施形態では、ベイヤー配列のカラーフィルター１０２を用いたが、それ以外のカラーフィルター１０２でも本発明は適用でき、カラーフィルター１０２が配置されていない場合にも本発明は適用できる。

図６を参照して、撮像システム１の動作について説明する。図６は、撮像システム１において、撮像処理を行う処理部や処理回路の構成を示す図である。

被写体の光学像は、結像光学系１０によって固体撮像素子１００（の受光素子チップ１０４）に結像する。固体撮像素子１００から複数チャンネルで出力される撮像信号は、撮像信号処理回路４２によって各種の補正、クランプ等の処理が施される。撮像信号処理回路４２から複数チャンネルで出力される撮像信号は、Ａ／Ｄ変換器４４でアナログ−ディジタル変換される。Ａ／Ｄ変換器４４から出力される画像データは、信号処理部４６によって各種の補正、データ圧縮などがなされる。固体撮像素子１００、撮像信号処理回路４２、Ａ／Ｄ変換器４４及び信号処理部４６は、タイミング発生部４８が発生するタイミング信号にしたがって動作する。なお、撮像信号処理回路４２、Ａ／Ｄ変換器４４、信号処理部４６及びタイミング発生部４８は、固体撮像素子１００と同一チップ上に形成されてもよい。

撮像システム１の各部は、全体制御・演算部５０によって制御される。撮像システム１は、画像データなどを一時的に記憶するためのメモリ部５２と、記録媒体への画像の記録又は読み出しのための記録媒体制御インターフェース（Ｉ／Ｆ）部５４とを備える。記録媒体５８は、半導体メモリ等を含んで構成され、着脱が可能である。撮像システム１は、外部のコンピュータ等と通信するための外部インターフェース（Ｉ／Ｆ）部５６を備えてもよい。

撮像システム１においては、ユーザからの撮像の指示に応じて、メイン電源、コントロール系の電源、Ａ／Ｄ変換器４４等の撮像系回路の電源が順にオンする。その後、露光量を制御するために、全体制御・演算部５０が絞り２０を開放にする。固体撮像素子１００から出力された信号は、撮像信号処理回路４２をスルーしてＡ／Ｄ変換器４４へ提供される。Ａ／Ｄ変換器４４は、その信号をＡ／Ｄ変換して信号処理部４６に出力する。信号処理部４６は、そのデータを処理して全体制御・演算部５０に提供し、全体制御・演算部５０において露出量を決定する演算を行う。全体制御・演算部５０は、決定した露出量に基づいて絞り２０を制御する。

次に、全体制御・演算部５０は、固体撮像素子１００から出力され信号処理部４６で処理された信号にから高周波成分を取り出して、高周波成分に基づいて被写体までの距離を演算する。その後、結像光学系１０に含まれるレンズを駆動して、合焦か否かを判断する。合焦していないと判断したときは、再びレンズを駆動し、距離を演算する。

そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像素子１００から出力された撮像信号は、撮像信号処理回路４２において補正等がされ、Ａ／Ｄ変換器４４でＡ／Ｄ変換され、信号処理部４６で処理される。信号処理部４６で処理された画像データは、全体制御・演算部５０によりメモリ部５２に蓄積される。

その後、メモリ部５２に蓄積された画像データは、全体制御・演算部５０の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部５４を介して記録媒体５８に記録される。また、画像データは、外部Ｉ／Ｆ部５６を通してコンピュータ等に提供されて処理される。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

Claims (8)

1. 複数の画素が配列され、結像光学系からの光を受光する受光素子チップと、
   前記受光素子チップの上に形成され、前記結像光学系からの光が前記複数の画素のそれぞれに入射するように、前記結像光学系からの光を前記受光素子チップに導光するオンチップ光学系と、
   を有し、
   前記オンチップ光学系は、前記複数の画素の全てに対して共通の１つのフレネルレンズを含むことを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記複数の画素のそれぞれは、４．８μｍ以下の幅を有することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記フレネルレンズの焦点距離は、前記結像光学系の射出瞳から前記受光素子チップまでの距離と等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像素子。
4. 前記結像光学系は、可変焦点光学系を含み、
   前記フレネルレンズの焦点距離は、前記可変焦点光学系が最も短い焦点距離に設定された場合における前記結像光学系の射出瞳から前記受光素子チップまでの距離と等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像素子。
5. 前記フレネルレンズは、光を吸収する光吸収部材をフレネル輪帯の側面部に有することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の固体撮像素子。
6. 前記フレネルレンズのフレネル輪帯幅は、４．８μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の固体撮像素子。
7. 前記オンチップ光学系と前記受光素子チップとの間に、前記結像光学系からの光を色ごとに分離する複数のフィルターを含むカラーフィルターを更に有することを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の固体撮像素子。
8. 被写体の光学像を撮像する撮像システムであって、
   請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の固体撮像素子と、
   前記固体撮像素子から出力された信号を処理する信号処理部と、
   を有することを特徴とする撮像システム。

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