JP2011135096A - 固体撮像装置、カメラ - Google Patents
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Abstract
【課題】解像度を向上することを可能にする固体撮像装置を提供する。
【解決手段】固体撮像素子のチップ１３と、固体撮像素子へ光を結像させる結像レンズ１１と、結像レンズ１１とチップ１３との間に配置された、屈折率が１よりも大きい材料とを含み、屈折率が１よりも大きい材料が、平板状の部分１６Ｂと凸な曲面形状の部分１６Ａとを有する光学部品１６を構成し、この光学部品１６の凸な曲面形状の部分１６Ａが、チップ１３の最上層の上に接触していて、凸な曲面形状の部分１６Ａと、チップ１３の最上層との接触幅が８００ｎｍ以内である、固体撮像装置を構成する。
【選択図】図４
【解決手段】固体撮像素子のチップ１３と、固体撮像素子へ光を結像させる結像レンズ１１と、結像レンズ１１とチップ１３との間に配置された、屈折率が１よりも大きい材料とを含み、屈折率が１よりも大きい材料が、平板状の部分１６Ｂと凸な曲面形状の部分１６Ａとを有する光学部品１６を構成し、この光学部品１６の凸な曲面形状の部分１６Ａが、チップ１３の最上層の上に接触していて、凸な曲面形状の部分１６Ａと、チップ１３の最上層との接触幅が８００ｎｍ以内である、固体撮像装置を構成する。
【選択図】図４
Description
本発明は、結像系レンズと固体撮像素子のチップとを有する、固体撮像装置、並びに、固体撮像装置を備えたカメラに係わる。
近年、固体撮像素子において画素微細化の開発が続いている。
画素の微細化によって１チップ当たりの画素数が増加するため、その結果として、より高い解像度の画像が得られるようになる。
画素の微細化によって１チップ当たりの画素数が増加するため、その結果として、より高い解像度の画像が得られるようになる。
そして、微細化された画素においても、各画素の受光部に充分な量の光が入射するように、層内レンズや光導波路を設けた構成が提案されている（例えば、特許文献１〜特許文献３参照。）。
しかしながら、上述した高い解像度が得られる効果は、解像度が画素サイズよりも小さい範囲で成り立つ。この解像度は、固体撮像素子の外部に設けられた結像レンズの回折限界や収差で決まる。
現在、固体撮像装置に使用している結像レンズを含む光学系では、回折限界や収差があるために、点光源を結像しても、幅を持って焦点を結ぶので、分解能に限界がある。
そのため、固体撮像素子の画素サイズがあるレベルまで小さくなると、それ以上は画素サイズを小さくしても、解像度が向上しないことになる。
即ち、固体撮像素子と結像レンズ等の光学系とを備えた固体撮像装置において、固体撮像素子（半導体チップ）の構成の工夫だけでは、解像度の向上に限界が来ている。
そのため、固体撮像素子の画素サイズがあるレベルまで小さくなると、それ以上は画素サイズを小さくしても、解像度が向上しないことになる。
即ち、固体撮像素子と結像レンズ等の光学系とを備えた固体撮像装置において、固体撮像素子（半導体チップ）の構成の工夫だけでは、解像度の向上に限界が来ている。
上述した問題の解決のために、本発明においては、解像度を向上することを可能にする固体撮像装置、並びに、固体撮像装置を備えたカメラを提供するものである。
本発明の固体撮像装置は、固体撮像素子のチップと、固体撮像素子へ光を結像させる結像レンズと、結像レンズとチップとの間に配置された、屈折率が１よりも大きい材料とを含み、この屈折率が１よりも大きい材料が、平板状の部分と凸な曲面形状の部分とを有する光学部品を構成し、この光学部品の凸な曲面形状の部分が、チップの最上層の上に接触していて、凸な曲面形状の部分と、チップの最上層との接触幅が８００ｎｍ以内である。
本発明のカメラは、固体撮像素子を備えて成る固体撮像装置を含み、画像の撮影が行われるものであり、固体撮像装置が上記本発明の固体撮像装置の構成である。
本発明のカメラは、固体撮像素子を備えて成る固体撮像装置を含み、画像の撮影が行われるものであり、固体撮像装置が上記本発明の固体撮像装置の構成である。
上述の本発明の固体撮像装置の構成によれば、結像レンズと固体撮像素子のチップとの間に、屈折率が１よりも大きい材料を含むので、この材料により結像レンズから固体撮像素子への光の結像状態を変えて、分解能を小さくすることが可能になる。
上述の本発明のカメラの構成によれば、固体撮像装置が上記本発明の固体撮像装置の構成であることにより、固体撮像装置の分解能を小さくすることが可能になる。
上述の本発明のカメラの構成によれば、固体撮像装置が上記本発明の固体撮像装置の構成であることにより、固体撮像装置の分解能を小さくすることが可能になる。
上述の本発明によれば、分解能を小さくすることが可能になるため、同じ画素サイズで従来よりも解像度を向上することが可能になる。
従って、本発明により、結像レンズの回折限界や収差による限界を超えて、微細な画素でも充分に高い解像度の画像が得られる。
また、結像レンズのＦ値に関係なく、高い解像度を達成することができる。
従って、本発明により、結像レンズの回折限界や収差による限界を超えて、微細な画素でも充分に高い解像度の画像が得られる。
また、結像レンズのＦ値に関係なく、高い解像度を達成することができる。
以下、発明を実施するための最良の形態（以下、実施の形態とする）について説明する。
なお、説明は以下の順序で行う。
１．本発明の概要
２．本発明の固体撮像装置の第１の実施の形態（チップ上に高屈折率材料）
３．本発明の固体撮像装置の第２の実施の形態（近接場光の利用；球面又は円筒面）
４．本発明の固体撮像装置の第３の実施の形態（近接場光の利用及び光導波路）
５．本発明の固体撮像装置の第４の実施の形態（複数種類の高屈折率材料の積層；色収差の低減）
６．回路構成の例
７．本発明の固体撮像装置の変形例
８．本発明のカメラの実施の形態
なお、説明は以下の順序で行う。
１．本発明の概要
２．本発明の固体撮像装置の第１の実施の形態（チップ上に高屈折率材料）
３．本発明の固体撮像装置の第２の実施の形態（近接場光の利用；球面又は円筒面）
４．本発明の固体撮像装置の第３の実施の形態（近接場光の利用及び光導波路）
５．本発明の固体撮像装置の第４の実施の形態（複数種類の高屈折率材料の積層；色収差の低減）
６．回路構成の例
７．本発明の固体撮像装置の変形例
８．本発明のカメラの実施の形態
＜１．本発明の概要＞
まず、本発明の具体的な実施の形態の説明に先立ち、本発明の概要を説明する。
本発明は、結像レンズと固体撮像素子のチップを有して成る固体撮像装置において、結像レンズとチップとの間に、屈折率が１よりも大きい材料（以下、便宜的に高屈折率材料と呼ぶこともある）を設けることを、基本的な構成としている。
まず、本発明の具体的な実施の形態の説明に先立ち、本発明の概要を説明する。
本発明は、結像レンズと固体撮像素子のチップを有して成る固体撮像装置において、結像レンズとチップとの間に、屈折率が１よりも大きい材料（以下、便宜的に高屈折率材料と呼ぶこともある）を設けることを、基本的な構成としている。
結像系レンズでは、回折限界があるため、点光源を結像しても、実際には幅を持って焦点を結ぶことになる。この幅をエアリーディスクと呼ぶ。
回折限界を説明するための図を、図１８に示す。図１８に示すように、結像レンズ５１と絞り５２と固体撮像素子のチップ５３とを有する固体撮像装置に対して、１つの点光源６０からの光が入射する場合を考える。
点光源６０からの光が、結像レンズ５１で集束されて絞り５２の開口を通過して、チップ５３付近で焦点を結ぶ。このときのチップ５３において受光する光の強度分布を、図１８の右側に示す。この強度分布からわかるように、直径Ｄの円に集束されており、この直径Ｄの円がエアリーディスクである。
エアリーディスクの直径Ｄは、次式で示される。
Ｄ＝１．２２λ／ＮＡ
ここで、λは光の波長であり、ＮＡ＝ｎｓｉｎθであり、ｎは空気の屈折率、θは光の入射角である。
点光源６０からの光が、結像レンズ５１で集束されて絞り５２の開口を通過して、チップ５３付近で焦点を結ぶ。このときのチップ５３において受光する光の強度分布を、図１８の右側に示す。この強度分布からわかるように、直径Ｄの円に集束されており、この直径Ｄの円がエアリーディスクである。
エアリーディスクの直径Ｄは、次式で示される。
Ｄ＝１．２２λ／ＮＡ
ここで、λは光の波長であり、ＮＡ＝ｎｓｉｎθであり、ｎは空気の屈折率、θは光の入射角である。
さらに、図１９に示すように、２つの点光源６０Ａ，６０Ｂがほぼ同じエリアにある場合を考える。この場合に、２つの点光源６０Ａ，６０Ｂが２つの像として分解できるかどうかで分解能が決まる。図１９においても、図１８と同様に、チップ５３において受光する光の強度分布を図１９の右側に示している。
図１９に示すように、２つの点光源６０Ａ，６０Ｂが近い位置にあると、右側の強度分布からわかるように、２つのエアリーディスクが重なりを持つ。２つのエアリーディスクの重なり具合によっては、２つの像として分解できずに、１つの像となってしまうことになる。
図１９に示すように、２つの点光源６０Ａ，６０Ｂが近い位置にあると、右側の強度分布からわかるように、２つのエアリーディスクが重なりを持つ。２つのエアリーディスクの重なり具合によっては、２つの像として分解できずに、１つの像となってしまうことになる。
分解能を定義するものとして、一般的には、レーリー限界と呼ばれるものがある。これは、エアリーディスクの重なりが分解可能な限界として、
分解能ω＝０．６１×λ／ＮＡ
となる。
ここで、結像レンズ５１のＦ値が２．８であり、入射光の波長λが０．５５μｍ（５５０ｎｍ）であるときの、入射光の光軸に垂直な方向の座標位置ｘ（μｍ）と光強度（相対値）との関係を、図２０に示す。座標位置ｘの原点は、一方の点光源からの入射光の光軸の位置になっている。
図２０に示す場合、Ｆ＝２．８，λ＝０．５５μｍのときの分解能は、ω＝１．８８μｍとなる。なお、ここでのＦ値は、Ｆ＝１／（２×ＮＡ）となる。
分解能ω＝０．６１×λ／ＮＡ
となる。
ここで、結像レンズ５１のＦ値が２．８であり、入射光の波長λが０．５５μｍ（５５０ｎｍ）であるときの、入射光の光軸に垂直な方向の座標位置ｘ（μｍ）と光強度（相対値）との関係を、図２０に示す。座標位置ｘの原点は、一方の点光源からの入射光の光軸の位置になっている。
図２０に示す場合、Ｆ＝２．８，λ＝０．５５μｍのときの分解能は、ω＝１．８８μｍとなる。なお、ここでのＦ値は、Ｆ＝１／（２×ＮＡ）となる。
さらに、入射光の波長をλ＝０．５５μｍに固定して、結像レンズのＦ値と分解能ωとの関係を、図２１Ａに示す。
ω＝０．６１×λ／ＮＡであり、Ｆ＝１／（２×ＮＡ）であるため、ω＝１．２２×λ×Ｆが成り立ち、波長λが一定の下では、結像レンズのＦ値と分解能ωとは比例する。
図２１Ａに示すように、結像レンズのＦ値が小さくなるほど、分解能が小さくなって、高い解像度が得られる。この図２１Ａに示す場合において、Ｆ＝２．８程度では分解能が１．８８μｍとなっているのがわかる。
ω＝０．６１×λ／ＮＡであり、Ｆ＝１／（２×ＮＡ）であるため、ω＝１．２２×λ×Ｆが成り立ち、波長λが一定の下では、結像レンズのＦ値と分解能ωとは比例する。
図２１Ａに示すように、結像レンズのＦ値が小さくなるほど、分解能が小さくなって、高い解像度が得られる。この図２１Ａに示す場合において、Ｆ＝２．８程度では分解能が１．８８μｍとなっているのがわかる。
さらに、ナイキストの定理により、分解能の半分の画素サイズであれば、レーリー限界まで分解できることになる。即ち、図２１Ｂに示すように、明暗明の各エリアに各画素を対応させることができる画素サイズということになる。
従って、Ｆ＝２．８の結像レンズを使用した場合には、分解能１．８８μｍの半分のサイズである、０．９４μｍの画素サイズで、レーリー限界まで分解できることになる。このことは、０．９４μｍ以下の画素サイズでは、画素サイズを小さくしても解像度が高くならないことを意味する。
従って、Ｆ＝２．８の結像レンズを使用した場合には、分解能１．８８μｍの半分のサイズである、０．９４μｍの画素サイズで、レーリー限界まで分解できることになる。このことは、０．９４μｍ以下の画素サイズでは、画素サイズを小さくしても解像度が高くならないことを意味する。
以上は、回折限界について述べたが、実際にはレンズには収差が存在する。
球面収差について、図２２を参照して説明する。
図２２に示すように、結像レンズ５１の中央付近を通過する光線Ｌ１と、結像レンズ５１の端を通過する光線Ｌ３とでは、焦点距離が異なるため、球面収差が発生する。この図２２に示す場合には、入射光の光軸に垂直な方向の横収差Δｙと、入射光の光軸に平行な方向の縦収差Δｘとが存在するが、解像度に影響するのは図中の横収差Δｙとなる。
この場合、分解能に対応するボケ量εｓは、
εｓ＝１／４×Δｙ
となる。収差は、この球面収差以外にも、色収差、コマ収差、非点収差、像面湾曲、歪曲等が存在し、このような収差が解像度を悪化させる。
球面収差について、図２２を参照して説明する。
図２２に示すように、結像レンズ５１の中央付近を通過する光線Ｌ１と、結像レンズ５１の端を通過する光線Ｌ３とでは、焦点距離が異なるため、球面収差が発生する。この図２２に示す場合には、入射光の光軸に垂直な方向の横収差Δｙと、入射光の光軸に平行な方向の縦収差Δｘとが存在するが、解像度に影響するのは図中の横収差Δｙとなる。
この場合、分解能に対応するボケ量εｓは、
εｓ＝１／４×Δｙ
となる。収差は、この球面収差以外にも、色収差、コマ収差、非点収差、像面湾曲、歪曲等が存在し、このような収差が解像度を悪化させる。
さらに、一般的なレンズの収差特性を、図２３を参照して説明する。図２３Ａ〜図２３Ｄは、図２２で説明した縦収差ΔｘのＦ値依存性を示している。図２３Ａ〜図２３Ｄはレンズの焦点距離を変えており、図２３Ａは２０ｍｍの場合、図２３Ｂは７５ｍｍの場合、図２３Ｃは７０ｍｍの場合、図２３Ｄは２００ｍｍの場合を示している。
図２３Ａ〜図２３Ｄのいずれの場合も、Ｆ＜５．６において収差が大きくなる傾向が見られる。
各場合において、最大縦収差Δｘから、横収差Δｙとボケ量εｓを見積もった。
図２３Ａ（焦点距離２０ｍｍ）では、最大縦収差Δｘ＝０．１ｍｍ、横収差Δｙ＝１７．９μｍ、ボケ量εｓ＝４．５μｍである。
図２３Ｂ（焦点距離７５ｍｍ）では、最大縦収差Δｘ＝−０．１ｍｍ、横収差Δｙ＝１７．９μｍ、ボケ量εｓ＝４．５μｍである。
図２３Ｃ（焦点距離７０ｍｍ）では、最大縦収差Δｘ＝−０．１ｍｍ、横収差Δｙ＝１７．９μｍ、ボケ量εｓ＝４．５μｍである。
図２３Ｄ（焦点距離２００ｍｍ）では、最大縦収差Δｘ＝０．３ｍｍ、横収差Δｙ＝５３．５μｍ、ボケ量εｓ＝１３．４μｍである。
このように、これらのボケ量εｓの値がＦ＝２．８のときの分解能ω＝１．８８μｍよりも大きい値を示しているのがわかる。このことから、Ｆ＜５．６では、回折限界よりもレンズの収差の方が、解像度を決める要因として支配的になっていると考えられる。
図２３Ａ〜図２３Ｄのいずれの場合も、Ｆ＜５．６において収差が大きくなる傾向が見られる。
各場合において、最大縦収差Δｘから、横収差Δｙとボケ量εｓを見積もった。
図２３Ａ（焦点距離２０ｍｍ）では、最大縦収差Δｘ＝０．１ｍｍ、横収差Δｙ＝１７．９μｍ、ボケ量εｓ＝４．５μｍである。
図２３Ｂ（焦点距離７５ｍｍ）では、最大縦収差Δｘ＝−０．１ｍｍ、横収差Δｙ＝１７．９μｍ、ボケ量εｓ＝４．５μｍである。
図２３Ｃ（焦点距離７０ｍｍ）では、最大縦収差Δｘ＝−０．１ｍｍ、横収差Δｙ＝１７．９μｍ、ボケ量εｓ＝４．５μｍである。
図２３Ｄ（焦点距離２００ｍｍ）では、最大縦収差Δｘ＝０．３ｍｍ、横収差Δｙ＝５３．５μｍ、ボケ量εｓ＝１３．４μｍである。
このように、これらのボケ量εｓの値がＦ＝２．８のときの分解能ω＝１．８８μｍよりも大きい値を示しているのがわかる。このことから、Ｆ＜５．６では、回折限界よりもレンズの収差の方が、解像度を決める要因として支配的になっていると考えられる。
上述したような現状を鑑みて、本発明では、以下に説明する構成を採用する。
即ち、固体撮像素子のチップと結像レンズとの間にある空間に、空気の屈折率（１）よりも高い屈折率を有する材料（高屈折率材料）を配置する。
従来の構造は、図２４Ａに示すように、結像レンズ５１とチップ５３との間が空気（屈折率ｎ０＝１）である。これに対して、例えば図２４Ｂに示すように、結像レンズ５１とチップ５３との間に、空気の屈折率（ｎ０＝１）よりも高い屈折率ｎ１（ｎ１＞１）の材料５４を埋め込む。これにより、結像レンズ５１とチップ５３とを一体化した構造とすることができる。
また、この図２４Ｂに示す構造においては、図２４Ａの従来の構造と焦点距離ｆが等しくなるように、結像レンズ５１からの見込み角度θが等しくなるようにする（θ１＝θ０）。
結像レンズ５１からの見込み角度θが等しく、かつ屈折率が高くなるため、ＮＡが大きくなり、ＮＡ１＞ＮＡ０となる。ここで、分解能ω＝０．６１×λ／ＮＡであるので、ＮＡが大きくなることにより、回折限界での分解能ωが小さくなる。
これにより、高解像度の画像が得られると共に、画素サイズ縮小の限界がさらに小さくなる、というメリットを有する。
即ち、固体撮像素子のチップと結像レンズとの間にある空間に、空気の屈折率（１）よりも高い屈折率を有する材料（高屈折率材料）を配置する。
従来の構造は、図２４Ａに示すように、結像レンズ５１とチップ５３との間が空気（屈折率ｎ０＝１）である。これに対して、例えば図２４Ｂに示すように、結像レンズ５１とチップ５３との間に、空気の屈折率（ｎ０＝１）よりも高い屈折率ｎ１（ｎ１＞１）の材料５４を埋め込む。これにより、結像レンズ５１とチップ５３とを一体化した構造とすることができる。
また、この図２４Ｂに示す構造においては、図２４Ａの従来の構造と焦点距離ｆが等しくなるように、結像レンズ５１からの見込み角度θが等しくなるようにする（θ１＝θ０）。
結像レンズ５１からの見込み角度θが等しく、かつ屈折率が高くなるため、ＮＡが大きくなり、ＮＡ１＞ＮＡ０となる。ここで、分解能ω＝０．６１×λ／ＮＡであるので、ＮＡが大きくなることにより、回折限界での分解能ωが小さくなる。
これにより、高解像度の画像が得られると共に、画素サイズ縮小の限界がさらに小さくなる、というメリットを有する。
また、上述した効果を得るためには、必ずしも、固体撮像素子のチップと結像レンズとの間の空間全体を、空気よりも高い屈折率の材料で埋め込む必要はない。
例えば、図２４Ｃに示すように、結像レンズ５１とチップ５３との間の空間の一部（図２４Ｃの場合は空間のチップ５３側）に、高い屈折率を有する材料５４を埋め込むことによっても、同様な効果が得られる。
例えば、図２４Ｃに示すように、結像レンズ５１とチップ５３との間の空間の一部（図２４Ｃの場合は空間のチップ５３側）に、高い屈折率を有する材料５４を埋め込むことによっても、同様な効果が得られる。
さらに、従来構造とＮＡが等しくなるように、結像レンズ５１からの見込み角度θを小さくする（θ１＜θ０）と、球面収差が小さくなるように働く。
この場合の概略構成を、図２５Ｂ及び図２５Ｃに示す。図２５Ａには、図２４Ａと同じ従来の構造を示している。図２５Ｂは、図２４Ｂと同様に空間全体を埋めた場合である。図２５Ｃは、図２４Ｃと同様に空間の一部（チップ５３側）を埋めた場合である。
図２５Ｂ及び図２５Ｃに示す各構成では、ＮＡ０＝ＮＡ１とするために、結像レンズ５１からの見込み角度θを小さく（θ１＜θ０）している。
球面収差によるボケの量は、結像レンズ５１の直径Ｄと、結像レンズ５１からの見込み角度θと、結像レンズ５１の焦点距離ｆとから、次式で表すことができる。
この式からわかるように、結像レンズからの見込み角度θが小さくなるほど、ボケ量εが小さくなる。
なお、結像レンズ５１のＦ値は、結像レンズ５１の直径Ｄ及び焦点距離ｆから、Ｆ＝ｆ／Ｄとなる。
この場合の概略構成を、図２５Ｂ及び図２５Ｃに示す。図２５Ａには、図２４Ａと同じ従来の構造を示している。図２５Ｂは、図２４Ｂと同様に空間全体を埋めた場合である。図２５Ｃは、図２４Ｃと同様に空間の一部（チップ５３側）を埋めた場合である。
図２５Ｂ及び図２５Ｃに示す各構成では、ＮＡ０＝ＮＡ１とするために、結像レンズ５１からの見込み角度θを小さく（θ１＜θ０）している。
球面収差によるボケの量は、結像レンズ５１の直径Ｄと、結像レンズ５１からの見込み角度θと、結像レンズ５１の焦点距離ｆとから、次式で表すことができる。
この式からわかるように、結像レンズからの見込み角度θが小さくなるほど、ボケ量εが小さくなる。
なお、結像レンズ５１のＦ値は、結像レンズ５１の直径Ｄ及び焦点距離ｆから、Ｆ＝ｆ／Ｄとなる。
続いて、上述した本発明の構造とすることによって、どの程度解像度が改善されるかを見積もった。
まず、結像レンズからの見込み角度θが等しくなるようにしたとき（図２４参照）において、高屈折率材料５４として屈折率ｎ１＝１．６の材料を積層した場合の、積層した材料の厚みｄと回折限界による分解能との関係を見積もった。結像レンズの焦点距離は、ｆ＝５．６ｃｍとした。結像レンズ５１のＦ値及び直径Ｄは、Ｆ＝５．６，１．０ｃｍ、Ｆ＝４．２，１．３３ｃｍ、Ｆ＝２．８，２．０ｃｍの３通りに変えて、それぞれ分解能を調べた。見積もった結果を図２６に示す。
なお、ｄ＝５．６ｃｍのときは、厚みｄが焦点距離ｆと等しいので、結像レンズ５１とチップ５３との間が完全に高屈折率材料で埋まることになる。
まず、結像レンズからの見込み角度θが等しくなるようにしたとき（図２４参照）において、高屈折率材料５４として屈折率ｎ１＝１．６の材料を積層した場合の、積層した材料の厚みｄと回折限界による分解能との関係を見積もった。結像レンズの焦点距離は、ｆ＝５．６ｃｍとした。結像レンズ５１のＦ値及び直径Ｄは、Ｆ＝５．６，１．０ｃｍ、Ｆ＝４．２，１．３３ｃｍ、Ｆ＝２．８，２．０ｃｍの３通りに変えて、それぞれ分解能を調べた。見積もった結果を図２６に示す。
なお、ｄ＝５．６ｃｍのときは、厚みｄが焦点距離ｆと等しいので、結像レンズ５１とチップ５３との間が完全に高屈折率材料で埋まることになる。
図２６から、積層した材料の厚みｄが厚くなるほど、分解能ωが小さくなることがわかる。この結果、高解像度の画像が得られると共に、画素サイズ縮小の限界が小さくなる、というメリットが生じる。
次に、球面レンズでＮＡが一定となる条件において、高屈折率材料５４として屈折率ｎ１＝１．６の材料を積層した場合の、積層した材料の厚みｄと収差によるボケ量εとの関係を見積もった。結像レンズ５１のＦ値及び直径Ｄは、図２６と同様に３通りに変えた。見積もった結果を、図２７に示す。
図２７から、積層した材料の厚みｄが厚くなるほど、収差によるボケ量εが小さくなることがわかる。この結果、高解像度の画像が得られると共に、画素サイズ縮小の限界が小さくなる、というメリットが生じる。
上述した分解能の改善効果を、図２８を参照して概念的に説明する。
図２８に示すように、結像レンズによる分解能は、結像レンズのＦ値に依存性がある。
結像レンズからの見込み角度θが等しくなる条件（θ０＝θ１，ＮＡ１＞ＮＡ０）の場合、本発明により、矢印Ａのように変化して、回折限界による分解能が改善される。
次に、ＮＡが等しくなる条件（ＮＡ０＝ＮＡ１，θ１＜θ０）の場合、本発明により、矢印Ｂのように変化して、球面収差等のレンズ収差が改善される。
これらの改善効果も、結像レンズのＦ値に依存することになる。
図２８に示すように、結像レンズによる分解能は、結像レンズのＦ値に依存性がある。
結像レンズからの見込み角度θが等しくなる条件（θ０＝θ１，ＮＡ１＞ＮＡ０）の場合、本発明により、矢印Ａのように変化して、回折限界による分解能が改善される。
次に、ＮＡが等しくなる条件（ＮＡ０＝ＮＡ１，θ１＜θ０）の場合、本発明により、矢印Ｂのように変化して、球面収差等のレンズ収差が改善される。
これらの改善効果も、結像レンズのＦ値に依存することになる。
改善効果を全てのＦ値にわたって平均化させるために、ＮＡ及びθが共に中間の値をとっても良い。
即ち、ＮＡ１＞ＮＡ０かつθ１＜θ０を満たす条件でも、分解能の改善効果が得られる。この場合、図２９に示すように、矢印Ｃ及び矢印Ｄのように変化して、分解能ωが改善される。
即ち、ＮＡ１＞ＮＡ０かつθ１＜θ０を満たす条件でも、分解能の改善効果が得られる。この場合、図２９に示すように、矢印Ｃ及び矢印Ｄのように変化して、分解能ωが改善される。
以上の結果は、オンチップレンズやオンチップカラーフィルタが存在していても、存在していなくても、同様な結果を得る。
固体撮像素子にオンチップレンズやオンチップカラーフィルタが存在している場合には、これらの上、即ち、固体撮像素子のチップの最上層の上に、高屈折率材料を形成する。
固体撮像素子にオンチップレンズもオンチップカラーフィルタも存在していない場合には、受光部が形成されたシリコン等の半導体層又は、配線層を含む絶縁層の上に、高屈折率材料を形成する。
固体撮像素子にオンチップレンズやオンチップカラーフィルタが存在している場合には、これらの上、即ち、固体撮像素子のチップの最上層の上に、高屈折率材料を形成する。
固体撮像素子にオンチップレンズもオンチップカラーフィルタも存在していない場合には、受光部が形成されたシリコン等の半導体層又は、配線層を含む絶縁層の上に、高屈折率材料を形成する。
本発明においては、結像レンズと固体撮像素子のチップとの間に、高屈折率材料を形成することにより、分解能を小さくする効果が得られる。そのため、固体撮像素子のチップ上に高屈折率材料をどのように積層するかは問わず、効果が得られる。
例えば、固体撮像素子の最上層の上に積層しても、固体撮像素子を封止するパッケージの表面上に積層しても、いずれでも構わない。
例えば、固体撮像素子の最上層の上に積層しても、固体撮像素子を封止するパッケージの表面上に積層しても、いずれでも構わない。
なお、チップの最上層のオンチップレンズ上に、高屈折率材料を直接積層する場合には、オンチップレンズのレンズ効果を失わないために、積層する高屈折率材料の屈折率を、オンチップレンズの屈折率より低くした方が良い。
また、図３０に示すように、チップ５３上に積層する高屈折率材料５４の厚みｄを結像レンズ５１の焦点深度以下とした場合には、材料５４の最表面で結合したときの分解能ω´で全体の分解能ωが決まってしまう。このため、分解能の改善効果が小さくなると考えられる。
従って、高屈折率材料を結像レンズの焦点深度以上の厚みで積層することにより、分解能ωが小さくなって十分な効果があると考えられる。
即ち、下記の条件を満たせば、十分な効果がある。
従って、高屈折率材料を結像レンズの焦点深度以上の厚みで積層することにより、分解能ωが小さくなって十分な効果があると考えられる。
即ち、下記の条件を満たせば、十分な効果がある。
また、高屈折率材料の屈折率ｎ１が大きいほど、分解能を低減する作用効果も大きくなる。
例えば、高屈折率材料の屈折率ｎ１≧１．６とすれば、ある程度充分な分解能低減効果が得られる。
例えば、高屈折率材料の屈折率ｎ１≧１．６とすれば、ある程度充分な分解能低減効果が得られる。
なお、結像レンズとチップとの間の一部に高屈折率材料を設けた場合に、高屈折率材料の表面で光が反射されることを防ぐために、高屈折率材料の表面に反射防止膜を形成すると良い。反射防止膜の屈折率ｎ２は１＜ｎ２＜ｎ１（１と高屈折率材料の屈折率との中間の値）を満たし、反射防止膜の厚みｄ２は入射光の波長λに対してｄ２≦λ／４ｎ２を満たすことが望ましい。
好ましくは、色収差を低減するために、高屈折率材料として、アッベ数の大きい、５０以上のアッベ数を有する材料を使用すると良い。
また、さらに色収差を低減するために、高屈折率材料として、アッベ数が異なり、波長分散が異なる複数の材料を使用すると良い。そして、例えば、アッベ数が大きく波長分散が小さい材料を凸面型に形成し、その上にアッベ数が小さく波長分散が大きい材料を凹面型にして積層する。
また、さらに色収差を低減するために、高屈折率材料として、アッベ数が異なり、波長分散が異なる複数の材料を使用すると良い。そして、例えば、アッベ数が大きく波長分散が小さい材料を凸面型に形成し、その上にアッベ数が小さく波長分散が大きい材料を凹面型にして積層する。
また、色収差によって色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）毎に結像位置がずれている場合に、信号処理により各色の像を合わせるように、各色の像を縮小又は拡大する補正が行われるように、信号処理のプログラムを設定してもよい。例えば、被写体に対して像の外側に短波長の青Ｂの像がずれ、内側に長波長の赤Ｒの像がずれている場合には、青Ｂと赤Ｒの像を緑Ｇの像に合わせるように、縮小と拡大で補正すれば良い。
高屈折率材料を、チップと結像レンズの間に形成する方法は特に問わないが、例えば、高屈折率材料を予め成型したものや、結像レンズと高屈折率材料とを一体型に成型したものを用意して、これをチップに接着する方法が考えられる。
即ち、本発明においては、以下に列挙する構成とする。
（１）固体撮像素子のチップと、固体撮像素子へ光を結像させる結像レンズと、結像レンズとチップとの間に配置された、屈折率が１よりも大きい材料（高屈折率材料）とを含む固体撮像装置を構成する。
（２）（１）において、屈折率が１よりも大きい材料（高屈折率材料）の層がチップの最上層の上に積層されている構成とする。
（３）（１）において、屈折率が１よりも大きい材料（高屈折率材料）の層が結像レンズと前記チップとの間全体を埋めている構成とする。この構成の場合、結像レンズと高屈折率材料とを一体形成することが可能である。
（４）（１）において、屈折率が１よりも大きい材料（高屈折率材料）が、平板状の部分と凸な曲面形状の部分とを有する光学部品を構成しており、この光学部品の凸な曲面形状の部分がチップの最上層の上に接触している構成とする。
（５）（４）において、凸な曲面形状の部分とチップの最上層との接触幅が８００ｎｍ以内である構成とする。接触幅が可視光線の中心付近の波長５４０ｎｍの１．５倍以内であるため、曲面形状の部分からチップに入った光が半導体層内で広がることが抑制される。
（６）（４）において、凸な曲面形状の部分と、固体撮像素子の各画素の受光部との間に形成された導波路をさらに含む構成とする。導波路により、受光部へ光を効率良く導くことができると共に、受光部へ入射する光のスポットを小さくすることができる。
（７）（１）〜（６）において、屈折率が１よりも大きい材料（高屈折率材料）のアッベ数が５０以上である構成とする。色収差を小さくすることができる。
（８）（１）〜（６）において、屈折率が１よりも大きい材料（高屈折率材料）として、互いに波長分散の異なる複数の材料がそれぞれ設けられている構成とする。複数の材料の波長分散を打ち消すようにして、色収差を低減することができる。
（９）（１）〜（８）において、屈折率が１よりも大きい材料（高屈折率材料）の結像レンズ側の表面に反射防止膜を有し、反射防止膜の屈折率が１と屈折率が１よりも大きい材料（高屈折率材料）との中間の値である構成とする。
（１０）固体撮像素子のチップと、固体撮像素子へ光を結像させる結像レンズとを含む固体撮像装置を製造する際に、チップと結像レンズとの間に屈折率が１よりも大きい材料（高屈折率材料）を形成する。
（１１）（１０）の製造方法において、屈折率が１よりも大きい材料（高屈折率材料）を成型して光学部品を作製し、この光学部品をチップの最上層に接着する。
（１２）固体撮像素子のチップと、固体撮像素子へ光を結像させる結像レンズと、結像レンズとチップとの間に配置された、屈折率が１よりも大きい材料（高屈折率材料）とを含む固体撮像装置を含むカメラを構成する。
（１）固体撮像素子のチップと、固体撮像素子へ光を結像させる結像レンズと、結像レンズとチップとの間に配置された、屈折率が１よりも大きい材料（高屈折率材料）とを含む固体撮像装置を構成する。
（２）（１）において、屈折率が１よりも大きい材料（高屈折率材料）の層がチップの最上層の上に積層されている構成とする。
（３）（１）において、屈折率が１よりも大きい材料（高屈折率材料）の層が結像レンズと前記チップとの間全体を埋めている構成とする。この構成の場合、結像レンズと高屈折率材料とを一体形成することが可能である。
（４）（１）において、屈折率が１よりも大きい材料（高屈折率材料）が、平板状の部分と凸な曲面形状の部分とを有する光学部品を構成しており、この光学部品の凸な曲面形状の部分がチップの最上層の上に接触している構成とする。
（５）（４）において、凸な曲面形状の部分とチップの最上層との接触幅が８００ｎｍ以内である構成とする。接触幅が可視光線の中心付近の波長５４０ｎｍの１．５倍以内であるため、曲面形状の部分からチップに入った光が半導体層内で広がることが抑制される。
（６）（４）において、凸な曲面形状の部分と、固体撮像素子の各画素の受光部との間に形成された導波路をさらに含む構成とする。導波路により、受光部へ光を効率良く導くことができると共に、受光部へ入射する光のスポットを小さくすることができる。
（７）（１）〜（６）において、屈折率が１よりも大きい材料（高屈折率材料）のアッベ数が５０以上である構成とする。色収差を小さくすることができる。
（８）（１）〜（６）において、屈折率が１よりも大きい材料（高屈折率材料）として、互いに波長分散の異なる複数の材料がそれぞれ設けられている構成とする。複数の材料の波長分散を打ち消すようにして、色収差を低減することができる。
（９）（１）〜（８）において、屈折率が１よりも大きい材料（高屈折率材料）の結像レンズ側の表面に反射防止膜を有し、反射防止膜の屈折率が１と屈折率が１よりも大きい材料（高屈折率材料）との中間の値である構成とする。
（１０）固体撮像素子のチップと、固体撮像素子へ光を結像させる結像レンズとを含む固体撮像装置を製造する際に、チップと結像レンズとの間に屈折率が１よりも大きい材料（高屈折率材料）を形成する。
（１１）（１０）の製造方法において、屈折率が１よりも大きい材料（高屈折率材料）を成型して光学部品を作製し、この光学部品をチップの最上層に接着する。
（１２）固体撮像素子のチップと、固体撮像素子へ光を結像させる結像レンズと、結像レンズとチップとの間に配置された、屈折率が１よりも大きい材料（高屈折率材料）とを含む固体撮像装置を含むカメラを構成する。
＜２．本発明の固体撮像装置の第１の実施の形態＞
本発明の固体撮像装置の第１の実施の形態の概略構成図を、図１に示す。
本実施の形態は、図２４Ｃや図２５Ｃで説明した構成と同様に、結像レンズ１１と固体撮像素子のチップ１３との間の空間の一部に、空気（屈折率１）よりも高い屈折率（ｎ１＞１）を有する材料から成る、埋め込み層１４を設けている。
本発明の固体撮像装置の第１の実施の形態の概略構成図を、図１に示す。
本実施の形態は、図２４Ｃや図２５Ｃで説明した構成と同様に、結像レンズ１１と固体撮像素子のチップ１３との間の空間の一部に、空気（屈折率１）よりも高い屈折率（ｎ１＞１）を有する材料から成る、埋め込み層１４を設けている。
埋め込み層１４は、固体撮像素子のチップ１３の上に積層されている。
埋め込み層１４の表面から、結像レンズ１１及び絞り１２までの間は、従来の構成と同様に、何もない空間となっている。
埋め込み層１４の表面から、結像レンズ１１及び絞り１２までの間は、従来の構成と同様に、何もない空間となっている。
埋め込み層１４の材料には、受光検出する波長帯域の光に対して、透過率が高い材料、望ましくは、透明である材料を使用する。
このような埋め込み層１４の材料としては、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の酸化物、窒化シリコン（ＳｉＮ）が挙げられる。酸化物は、ガラスの状態とするのが好適である。
このような埋め込み層１４の材料としては、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の酸化物、窒化シリコン（ＳｉＮ）が挙げられる。酸化物は、ガラスの状態とするのが好適である。
前述したように、本発明においては、固体撮像素子のチップ上に埋め込み層をどのように積層するかは問わず、分解能を改善する効果が得られる。
従って、本実施の形態において、固体撮像素子のチップ１３の最上層の上に埋め込み層１４を積層しても、固体撮像素子のチップ１３を封止するパッケージの上に埋め込み層１４を積層しても、いずれでも構わない。
従って、本実施の形態において、固体撮像素子のチップ１３の最上層の上に埋め込み層１４を積層しても、固体撮像素子のチップ１３を封止するパッケージの上に埋め込み層１４を積層しても、いずれでも構わない。
ここで、特に、オンチップカラーフィルタ及びオンチップレンズを有する固体撮像素子のチップの最上層の上に埋め込み層１４を積層する場合の概略断面図を、図２に示す。
図２に示すように、各画素において、半導体基体２１にフォトダイオードから成る受光部２２が形成されており、この受光部２２の上方に、オンチップカラーフィルタ２３及びオンチップレンズ２４が形成されている。
そして、オンチップレンズ２４上に埋め込み層１４が積層され、この埋め込み層１４でオンチップレンズ２４による凹凸を埋めている。埋め込み層１４は、画素ごとではなく、チップ全体にわたって形成されている。
なお、図２においては、受光部２２とオンチップカラーフィルタ２３との間の構成は、記載を省略している。
図２に示すように、各画素において、半導体基体２１にフォトダイオードから成る受光部２２が形成されており、この受光部２２の上方に、オンチップカラーフィルタ２３及びオンチップレンズ２４が形成されている。
そして、オンチップレンズ２４上に埋め込み層１４が積層され、この埋め込み層１４でオンチップレンズ２４による凹凸を埋めている。埋め込み層１４は、画素ごとではなく、チップ全体にわたって形成されている。
なお、図２においては、受光部２２とオンチップカラーフィルタ２３との間の構成は、記載を省略している。
図２に示す構成では、オンチップレンズ２４上に直接埋め込み層１４を積層しているので、前述したように、埋め込み層１４の屈折率をオンチップレンズ２４の屈折率よりも低くすることが望ましい。
埋め込み層１４の形成方法は、例えば、埋め込み層１４の材料を成型したものや、結像レンズ１１と埋め込み層１４とを一体型で成型したものを用意して、これをチップ１３の上面に接着させる方法がある。
また、埋め込み層１４を構成する高屈折率材料のアッベ数が５０以上であれば、色収差が小さくなり好都合である。
上述の本実施の形態の構成によれば、固体撮像素子のチップ１３と結像レンズ１１との間に、屈折率が１よりも大きい材料による埋め込み層１４が形成されているので、埋め込み層１４により分解能を小さくすることが可能になる。分解能を小さくすることが可能になるため、同じ画素サイズで従来よりも解像度を向上することが可能になる。
従って、結像レンズ１１の回折限界や収差による限界を超えて、微細な画素でも充分に高い解像度の画像が得られる。
また、結像レンズ１１のＦ値に関係なく、高い解像度を達成することができる。
従って、結像レンズ１１の回折限界や収差による限界を超えて、微細な画素でも充分に高い解像度の画像が得られる。
また、結像レンズ１１のＦ値に関係なく、高い解像度を達成することができる。
続いて、上述した第１の実施の形態の構成を一部変更した変形例を、図３に示す。
図３に示すように、埋め込み層１４の上に反射防止膜１５を形成している。この反射防止膜１５の屈折率ｎ２は、ｎ１＞ｎ２＞１を満たす。
このように、埋め込み層１４の上に反射防止膜１５を形成したことにより、埋め込み層１４の表面における、入射光の反射を抑制して、光をチップ１３内の受光部に効率良く入射させることができる。
図３に示すように、埋め込み層１４の上に反射防止膜１５を形成している。この反射防止膜１５の屈折率ｎ２は、ｎ１＞ｎ２＞１を満たす。
このように、埋め込み層１４の上に反射防止膜１５を形成したことにより、埋め込み層１４の表面における、入射光の反射を抑制して、光をチップ１３内の受光部に効率良く入射させることができる。
より好ましくは、反射防止膜１５の膜厚ｄ２が、入射する可視光線の波長λに対して、ｄ２＝λ／４ｎ２を満たすように、反射防止膜１５を形成する。
これにより、さらに効果的に、表面における入射光の反射を抑制することができる。
これにより、さらに効果的に、表面における入射光の反射を抑制することができる。
＜３．本発明の固体撮像装置の第２の実施の形態＞
本発明の固体撮像装置の第２の実施の形態の概略構成図を、図４Ａ及び図４Ｂに示す。図４Ａは図１と同様の全体図であり、図４Ｂは図４Ａの要部の拡大図である。
この第２の実施の形態は、解像度をさらに改善することを目的として、高屈折率材料を、下に凸な曲面形状（球面或いは円筒面）の部分を有する光学部品として、固体撮像素子のチップの表面に接触させて、近接場光を利用するものである。
即ち、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、高屈折率材料を、固体撮像素子のチップ１３側の下に凸な曲面形状（球面或いは円筒面）の部分１６Ａと、結像レンズ１１側の平板状の部分１６Ｂとから成る光学部品１６として構成する。そして、チップ１３の表面に、光学部品１６の曲面形状の部分１６Ａを接触させている。
このように構成したことにより、曲面形状の部分１６Ａの周囲の空間は、曲面形状の部分１６Ａよりも屈折率が低い。そのため、曲面形状の部分１６Ａに入射した光が、図４Ｂに示すように、曲面の内側を進み、絞られた所で近接場光となって、チップ１３の表面に入射する。これにより、回折限界や収差の影響を避けることが可能となる。
本発明の固体撮像装置の第２の実施の形態の概略構成図を、図４Ａ及び図４Ｂに示す。図４Ａは図１と同様の全体図であり、図４Ｂは図４Ａの要部の拡大図である。
この第２の実施の形態は、解像度をさらに改善することを目的として、高屈折率材料を、下に凸な曲面形状（球面或いは円筒面）の部分を有する光学部品として、固体撮像素子のチップの表面に接触させて、近接場光を利用するものである。
即ち、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、高屈折率材料を、固体撮像素子のチップ１３側の下に凸な曲面形状（球面或いは円筒面）の部分１６Ａと、結像レンズ１１側の平板状の部分１６Ｂとから成る光学部品１６として構成する。そして、チップ１３の表面に、光学部品１６の曲面形状の部分１６Ａを接触させている。
このように構成したことにより、曲面形状の部分１６Ａの周囲の空間は、曲面形状の部分１６Ａよりも屈折率が低い。そのため、曲面形状の部分１６Ａに入射した光が、図４Ｂに示すように、曲面の内側を進み、絞られた所で近接場光となって、チップ１３の表面に入射する。これにより、回折限界や収差の影響を避けることが可能となる。
なお、光学部品１６の曲面形状の部分１６Ａは、各受光部即ち各画素と１対１で対応するように、形成することが望ましい。
上述の本実施の形態の構成によれば、固体撮像素子のチップ１３と結像レンズ１１との間に、屈折率が１よりも大きい材料による光学部品１６が設けられているので、この光学部品１６により、分解能を小さくすることが可能になる。分解能を小さくすることが可能になるため、同じ画素サイズで従来よりも解像度を向上することが可能になる。
従って、結像レンズ１１の回折限界や収差による限界を超えて、微細な画素でも充分に高い解像度の画像が得られる。
また、結像レンズ１１のＦ値に関係なく、高い解像度を達成することができる。
従って、結像レンズ１１の回折限界や収差による限界を超えて、微細な画素でも充分に高い解像度の画像が得られる。
また、結像レンズ１１のＦ値に関係なく、高い解像度を達成することができる。
また、本実施の形態の構成によれば、光学部品１６が、チップ１３側の下に凸な曲面形状１６Ａの部分と平板状の部分１６Ｂとから成り、曲面形状の部分１６Ａをチップ１３の表面に接触させている。これにより、曲面形状の部分１６Ａによって入射光が近接場光となってチップ１３の表面に入射するので、回折限界や収差の影響を避けることが可能となる。
ここで、ＦＤＴＤ法による波動シミュレーションを用いて、第２の実施の形態のように下に凸な曲面構造とした場合の効果を確認した。
シミュレーションに使用した構造を、図３１Ａ及び図３１Ｂに示す。図３１Ａは従来の構造であり、図３１Ｂが本発明の第２の実施の形態の構造である。なお、図３１Ａ及び図３１Ｂでは、図１や図４等とは、結像レンズとチップとの上下が逆になっている。
絞り５２は、結像レンズ５１の被写体側（光５０が入射する側）に配置し、結像レンズ５１の屈折率はｎ＝１．８とした。
固体撮像素子のチップは、シリコン（ｎ＝屈折率４．１）６１に、屈折率ｎ＝１．４の層６２が厚さ２μｍで形成されている構成とした。図３１Ｂでは、この層６２に高屈折率材料の層６３の曲面形状の部分が接触している構成とした。
高屈折率材料の層６３は、屈折率がｎ＝１．８であり、画素のピッチは１．２μｍとして、曲面形状の部分の下に凸な曲面の半径Ｒを、０．５μｍと０．６μｍの２通りとした。
入射光の波長λは、５４０ｎｍとした。
シミュレーションの結果を、図３２Ａ〜図３２Ｃに示す。図３２Ａは、図３１Ａの従来の構造の場合である。図３２Ｂは、図３１Ｂで曲面の半径Ｒが０．５μｍの場合であり、図３２Ｃは、図３１Ｂで曲面の半径が０．６μｍの場合である。
シミュレーションに使用した構造を、図３１Ａ及び図３１Ｂに示す。図３１Ａは従来の構造であり、図３１Ｂが本発明の第２の実施の形態の構造である。なお、図３１Ａ及び図３１Ｂでは、図１や図４等とは、結像レンズとチップとの上下が逆になっている。
絞り５２は、結像レンズ５１の被写体側（光５０が入射する側）に配置し、結像レンズ５１の屈折率はｎ＝１．８とした。
固体撮像素子のチップは、シリコン（ｎ＝屈折率４．１）６１に、屈折率ｎ＝１．４の層６２が厚さ２μｍで形成されている構成とした。図３１Ｂでは、この層６２に高屈折率材料の層６３の曲面形状の部分が接触している構成とした。
高屈折率材料の層６３は、屈折率がｎ＝１．８であり、画素のピッチは１．２μｍとして、曲面形状の部分の下に凸な曲面の半径Ｒを、０．５μｍと０．６μｍの２通りとした。
入射光の波長λは、５４０ｎｍとした。
シミュレーションの結果を、図３２Ａ〜図３２Ｃに示す。図３２Ａは、図３１Ａの従来の構造の場合である。図３２Ｂは、図３１Ｂで曲面の半径Ｒが０．５μｍの場合であり、図３２Ｃは、図３１Ｂで曲面の半径が０．６μｍの場合である。
図３２Ａ〜図３２Ｃより、従来構造に比べて、本発明の構成では、チップの表面において結像レンズから結像された光のスポットが絞られていることがわかる。例えば、図３２Ｂにおいて、矢印Ａで示すように、チップ内に入る光のスポットが絞られている。
従って、本発明の構成とすることにより、解像度が改善される。
従って、本発明の構成とすることにより、解像度が改善される。
また、図３３に断面図を示すように、高屈折率材料層６３の曲面形状（球面又は円筒面）の部分と、層６２の表面との接触幅ｗ１を変えて、シリコン６１の表面における光の広がり幅ｗ２を、光学シミュレーションによって調べた。入射光の波長λは、５４０ｎｍとした。
シミュレーションの結果として、接触幅ｗ１（ｎｍ）と光の広がり幅ｗ２（ｎｍ）との関係を、図３４に示す。
シミュレーションの結果として、接触幅ｗ１（ｎｍ）と光の広がり幅ｗ２（ｎｍ）との関係を、図３４に示す。
図３４に示すように、λ＝５４０ｎｍにおいて、接触幅が８００ｎｍまでの範囲であれば、シリコン６１中での光の広がり幅が抑制される効果が確認された。
光の広がり幅は光の波長λに比例するので、接触幅の許容値としては波長λの１．５倍以内となる。
光の広がり幅は光の波長λに比例するので、接触幅の許容値としては波長λの１．５倍以内となる。
＜４．本発明の固体撮像装置の第３の実施の形態＞
本発明の固体撮像装置の第３の実施の形態の概略構成図を、図５に示す。図５Ａは図１や図４Ａと同様の全体図であり、図５Ｂは図５Ａの要部の拡大図である。
この第３の実施の形態は、図４Ａ及び図４Ｂに示した、近接場光を利用する第２の実施の形態の構成に加えて、光の広がりを抑制して受光部に入射する光量を改善することを目的として、導波路を設けたものである。
即ち、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、シリコン１７の上の層（絶縁層等）１８に、表面からシリコン１７までをつなぐように、柱状の導波路１９が形成されている。導波路１９の内部には、周囲の層１８よりも屈折率の高い材料を使用して、導波路１９の外壁で光が反射して受光部の方へ導かれるようにする。導波路１９は、各受光部即ち各画素と１対１で対応するように形成する。
導波路１９の形状は、例えば、円柱状や楕円柱状や四角柱状等とする。
本発明の固体撮像装置の第３の実施の形態の概略構成図を、図５に示す。図５Ａは図１や図４Ａと同様の全体図であり、図５Ｂは図５Ａの要部の拡大図である。
この第３の実施の形態は、図４Ａ及び図４Ｂに示した、近接場光を利用する第２の実施の形態の構成に加えて、光の広がりを抑制して受光部に入射する光量を改善することを目的として、導波路を設けたものである。
即ち、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、シリコン１７の上の層（絶縁層等）１８に、表面からシリコン１７までをつなぐように、柱状の導波路１９が形成されている。導波路１９の内部には、周囲の層１８よりも屈折率の高い材料を使用して、導波路１９の外壁で光が反射して受光部の方へ導かれるようにする。導波路１９は、各受光部即ち各画素と１対１で対応するように形成する。
導波路１９の形状は、例えば、円柱状や楕円柱状や四角柱状等とする。
そして、層１８の上には、図４Ａ及び図４Ｂに示したと同様の構成である、光学部品１６（１６Ａ，１６Ｂ）が設けられている。光学部品１６の曲面形状の部分１６Ａは、導波路１９と１対１で対応しており、各受光部即ち各画素と１対１で対応している。
シリコン１７の上の層１８に導波路１９を構成したことにより、層１８に入射した光は、導波路１９の壁面に沿って受光部へ向かうので、受光部が形成されているシリコン１７に入射する光の広がり幅（スポット径）が導波路１９の幅以下に抑制される。そのため、シリコン１７の表面におけるスポット径を小さくして、各画素の受光部に充分な量の光を入射させることができる。
本実施の形態の固体撮像装置は、例えば以下に説明するようにして、製造することができる。
まず、図６Ａに示すように、光学部品１６となる基板材料２５を用意する。
次に、図６Ｂに示すように、基板材料２５の表面に、レジスト２６を塗布する。
次に、図６Ｃに示すように、レジスト２６を露光・現像して、台形の断面形状とする。
次に、図６Ｄに示すように、ポストベークを行って、レジスト２６を溶解（リフロー）させて、台形の断面形状から曲面形状に変化させる。
次に、図７Ｅに示すように、上方からＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法により、エッチング加工２７を行う。これにより、図７Ｆに示すように、レジスト２６の形状が基板材料２５に転写されていく。そして、最終的には、図７Ｇに示すように、基板材料２５にレジスト２６の形状が完全に転写されて、曲面形状の部分１６Ａを有する光学部品１６が形成される。
その後、図７Ｈに示すように、光学部品１６の上下を反転させて、シリコン１７の上の層１８の内部に導波路１９が形成された、チップ１３の表面に、導波路１９と光学部品１６の曲面形状の部分１６Ａとの位置を合わせるように、取り付ける。
このようにして、本実施の形態の固体撮像装置を製造することができる。
まず、図６Ａに示すように、光学部品１６となる基板材料２５を用意する。
次に、図６Ｂに示すように、基板材料２５の表面に、レジスト２６を塗布する。
次に、図６Ｃに示すように、レジスト２６を露光・現像して、台形の断面形状とする。
次に、図６Ｄに示すように、ポストベークを行って、レジスト２６を溶解（リフロー）させて、台形の断面形状から曲面形状に変化させる。
次に、図７Ｅに示すように、上方からＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法により、エッチング加工２７を行う。これにより、図７Ｆに示すように、レジスト２６の形状が基板材料２５に転写されていく。そして、最終的には、図７Ｇに示すように、基板材料２５にレジスト２６の形状が完全に転写されて、曲面形状の部分１６Ａを有する光学部品１６が形成される。
その後、図７Ｈに示すように、光学部品１６の上下を反転させて、シリコン１７の上の層１８の内部に導波路１９が形成された、チップ１３の表面に、導波路１９と光学部品１６の曲面形状の部分１６Ａとの位置を合わせるように、取り付ける。
このようにして、本実施の形態の固体撮像装置を製造することができる。
また、本実施の形態の固体撮像装置は、以下に説明するようにしても、製造することができる。
例えば、図８Ａに平面図を示し、図８Ｂに断面図を示すように、厚い平板状の基板１６Ｂに、下に凸な球面形状１６Ａが画素毎に形成された、ガラス基板から成る光学部品１６を、射出成型等で予め作製しておく。
次に、図９に示すように、導波路１９を有する固体撮像素子のチップ１３に、光学部品１６を張り合わせる。このとき、例えば、画素のピッチを１．２μｍとし、球面形状１６Ａの半径Ｒ＝０．５μｍとし、ガラス基板の厚みを５ｃｍとし、導波路１９のピッチを０．６μｍとすることができる。なお、図９に示すチップ１３には、導波路１９の上にさらにオンチップカラーフィルタ（ＯＣＣＦ）２３が形成されている。
チップ１３との張り合わせを行う際には、例えば図１０に示すように、固体撮像素子の受光面２８Ａの周囲の部分２８Ｂにあるマーカー２９を使用して、チップ１３の各画素の上に、球面形状の部分１６Ａをアライメントで位置合わせすると良い。チップ１３とガラス基板との貼り合わせには、ガラス基板よりも屈折率が低い、紫外線硬化する材料を使用すると良い。
例えば、図８Ａに平面図を示し、図８Ｂに断面図を示すように、厚い平板状の基板１６Ｂに、下に凸な球面形状１６Ａが画素毎に形成された、ガラス基板から成る光学部品１６を、射出成型等で予め作製しておく。
次に、図９に示すように、導波路１９を有する固体撮像素子のチップ１３に、光学部品１６を張り合わせる。このとき、例えば、画素のピッチを１．２μｍとし、球面形状１６Ａの半径Ｒ＝０．５μｍとし、ガラス基板の厚みを５ｃｍとし、導波路１９のピッチを０．６μｍとすることができる。なお、図９に示すチップ１３には、導波路１９の上にさらにオンチップカラーフィルタ（ＯＣＣＦ）２３が形成されている。
チップ１３との張り合わせを行う際には、例えば図１０に示すように、固体撮像素子の受光面２８Ａの周囲の部分２８Ｂにあるマーカー２９を使用して、チップ１３の各画素の上に、球面形状の部分１６Ａをアライメントで位置合わせすると良い。チップ１３とガラス基板との貼り合わせには、ガラス基板よりも屈折率が低い、紫外線硬化する材料を使用すると良い。
なお、導波路１９は、層１８を必ずしも全て貫通している必要はなく、層１８の深さ方向の一部の区間に形成されている構成とすることも可能である。
上述の本実施の形態の構成によれば、第２の実施の形態の構成に加えて、さらに、受光部が形成されたシリコン１７と光学部品１６との間の層１８に導波路１９が形成されている。これにより、シリコン１７に入射する光の広がり幅（スポット径）が導波路１９の幅以下に抑制されるため、シリコン１７の表面におけるスポット径を小さくして、各画素の受光部に充分な量の光を入射させることができる。
ところで、図３２Ｂ及び図３２Ｃに示したシミュレーションの結果では、センサー表面でスポットが確かに絞られているが、フォトダイオードが形成される、シリコン６１表面ではスポットが広がっている。
本発明の第３の実施の形態のように、各画素に導波路を形成することにより、シリコン表面でのスポットを小さくすることができる。このことを、シミュレーションにより確認した。
本発明の第３の実施の形態のように、各画素に導波路を形成することにより、シリコン表面でのスポットを小さくすることができる。このことを、シミュレーションにより確認した。
図３５Ａ〜図３５Ｂに示すように、センサー表面に屈折率ｎ＝１．６の導波路６４を設けた構造について、図３１Ａ〜図３１Ｂと同様にシミュレーションを行った。なお、比較のために、従来構造の図３５Ａにも導波路６４を設けた。導波路６４の直径は０．６μｍ、導波路６４の内部の屈折率はｎ＝１．６として、その他の条件は、図３１Ａ〜図３１Ｂと同じとした。
シミュレーションの結果を、図３６Ａ〜図３６Ｃに示す。図３６Ａは、図３５Ａの従来の構造の場合である。図３６Ｂは、図３５Ｂで曲面の半径Ｒが０．５μｍの場合であり、図３６Ｃは、図３５Ｂで曲面の半径Ｒが０．６μｍの場合である。
シミュレーションの結果を、図３６Ａ〜図３６Ｃに示す。図３６Ａは、図３５Ａの従来の構造の場合である。図３６Ｂは、図３５Ｂで曲面の半径Ｒが０．５μｍの場合であり、図３６Ｃは、図３５Ｂで曲面の半径Ｒが０．６μｍの場合である。
図３６Ｂ及び図３６Ｃから、導波路６４を設けることにより、シリコンの表面及びシリコンの内部でもスポットが絞られているのがわかる。例えば、図３６Ｂにおいて、矢印Ｂで示すように、シリコン内に入る光のスポットが絞られている。このことは、さらに解像度が改善されていることを意味する。
＜５．本発明の固体撮像装置の第４の実施の形態＞
本発明の固体撮像装置の第４の実施の形態の概略構成図を、図１１に示す。
本実施の形態は、色収差を低減することを目的として、波長分散の大きい材料の層と波長分散の小さい材料の層とを積層して、複数層により埋め込み層を構成したものである。
即ち、図１１に示すように、アッベ数が大きい（５０以上）の材料から成る凸面型の層３１と、アッベ数が小さい（５０以下）の材料から成る凹面型の層３２とを形成して、これらの層３１，３２を積層して埋め込み層１４を構成する。
この埋め込み層１４の上には、図３に示したと同様の反射防止膜１５が形成されている。
本発明の固体撮像装置の第４の実施の形態の概略構成図を、図１１に示す。
本実施の形態は、色収差を低減することを目的として、波長分散の大きい材料の層と波長分散の小さい材料の層とを積層して、複数層により埋め込み層を構成したものである。
即ち、図１１に示すように、アッベ数が大きい（５０以上）の材料から成る凸面型の層３１と、アッベ数が小さい（５０以下）の材料から成る凹面型の層３２とを形成して、これらの層３１，３２を積層して埋め込み層１４を構成する。
この埋め込み層１４の上には、図３に示したと同様の反射防止膜１５が形成されている。
埋め込み層１４のうち、下層の凸面型の層３１は、アッベ数が大きいため、波長分散は小さい。また、上層の凹面型の層３２は、アッベ数が小さいため、波長分散は大きい。これら波長分散の異なる２層３１，３２を積層することにより、各層で生じる色収差を打消し合うようにして、全体の色収差を低減することができる。
前述したように、１層で埋め込み層１４を構成する場合でも、埋め込み層１４のアッベ数が５０以上であれば色収差が小さくなる。
しかしながら、アッベ数を５０以上としても色収差が生じる場合には、本実施の形態の構成を採用して、波長分散の異なる複数層により埋め込み層を構成することにより、さらに色収差を低減することができる。
しかしながら、アッベ数を５０以上としても色収差が生じる場合には、本実施の形態の構成を採用して、波長分散の異なる複数層により埋め込み層を構成することにより、さらに色収差を低減することができる。
本実施の形態の固体撮像装置は、例えば、図１２に示すような工程によって製造することができる。
まず、図１２Ａに示すように、固体撮像素子のチップ１３を用意する。
次に、図１２Ｂに示すように、チップ１３の表面に、紫外線照射により硬化する、光学接着剤３３を塗布する。
一方、図１２Ｃに示すように、アッベ数が５０以上の材料から成る凸面型の層３１と、アッベ数が５０以下の材料から成る凹面型の層３２とを張り合わせてガラス基板（埋め込み層）１４を構成する。さらに、ガラス基板（埋め込み層）１４の表面に、反射防止膜１５を蒸着により形成して、光学部品を作製する。反射防止膜１５は、例えば、屈折率１．６で、厚さ８０ｎｍに形成することができる。
次に、図１２Ｄに示すように、光学接着剤３３の上に、光学部品をマウントする。
続いて、図１２Ｅに示すように、紫外線照射３４によって、光学接着剤３３を硬化させて、光学部品とチップ１３とを接着する。
このようにして、本実施の形態の固体撮像装置を製造することができる。
まず、図１２Ａに示すように、固体撮像素子のチップ１３を用意する。
次に、図１２Ｂに示すように、チップ１３の表面に、紫外線照射により硬化する、光学接着剤３３を塗布する。
一方、図１２Ｃに示すように、アッベ数が５０以上の材料から成る凸面型の層３１と、アッベ数が５０以下の材料から成る凹面型の層３２とを張り合わせてガラス基板（埋め込み層）１４を構成する。さらに、ガラス基板（埋め込み層）１４の表面に、反射防止膜１５を蒸着により形成して、光学部品を作製する。反射防止膜１５は、例えば、屈折率１．６で、厚さ８０ｎｍに形成することができる。
次に、図１２Ｄに示すように、光学接着剤３３の上に、光学部品をマウントする。
続いて、図１２Ｅに示すように、紫外線照射３４によって、光学接着剤３３を硬化させて、光学部品とチップ１３とを接着する。
このようにして、本実施の形態の固体撮像装置を製造することができる。
上述の本実施の形態の構成によれば、固体撮像素子のチップ１３と結像レンズ１１との間に、屈折率が１よりも大きい材料による埋め込み層１４が形成されているので、埋め込み層１４により分解能を小さくすることが可能になる。分解能を小さくすることが可能になるため、同じ画素サイズで従来よりも解像度を向上することが可能になる。
従って、結像レンズ１１の回折限界や収差による限界を超えて、微細な画素でも充分に高い解像度の画像が得られる。
また、結像レンズ１１のＦ値に関係なく、高い解像度を達成することができる。
従って、結像レンズ１１の回折限界や収差による限界を超えて、微細な画素でも充分に高い解像度の画像が得られる。
また、結像レンズ１１のＦ値に関係なく、高い解像度を達成することができる。
また、本実施の形態の構成によれば、アッベ数の大きい凸面型の層３１の上に、アッベ数の小さい凹面型の層３２を積層している。これにより、下層の凸面型の層３１は波長分散が小さくなり、上層の凹面型の層３２は波長分散が大きくなる。これら波長分散の異なる２層３１，３２を積層することにより、各層３１，３２で生じる色収差を打消し合うようにして、全体の色収差を低減することができる。
なお、波長分散が異なる複数の層は、必ずしも図１１に示したように互いに密着させて埋め込み層を構成する必要はない。
例えば、結像レンズと固体撮像素子のチップとの間に、波長分散が異なる複数の層が、層間に空間を有するように配置された構成とすることも可能である。この構成においても、図１１に示した構成と同様に、色収差を低減する効果が得られる。
例えば、結像レンズと固体撮像素子のチップとの間に、波長分散が異なる複数の層が、層間に空間を有するように配置された構成とすることも可能である。この構成においても、図１１に示した構成と同様に、色収差を低減する効果が得られる。
＜６．回路構成の例＞
本発明は、ＣＣＤ固体撮像素子（ＣＣＤイメージセンサー）、ＣＭＯＳ型固体撮像素子（ＣＭＯＳイメージセンサー）を問わず、各種の固体撮像素子に適用することができる。
本発明を適用する固体撮像素子の回路構成の例を、以下に示す。
本発明は、ＣＣＤ固体撮像素子（ＣＣＤイメージセンサー）、ＣＭＯＳ型固体撮像素子（ＣＭＯＳイメージセンサー）を問わず、各種の固体撮像素子に適用することができる。
本発明を適用する固体撮像素子の回路構成の例を、以下に示す。
本発明を適用する、ＣＭＯＳ型固体撮像素子（ＣＭＯＳイメージセンサー）の回路構成の例を、図１３に示す。
図１３に示すように、各画素に、受光部のフォトダイオードＰＤ及びセルアンプ４１を有している。各画素のセルアンプ４１は、垂直信号線４２及び水平信号線４３に接続されている。
垂直信号線４２は、垂直シフトレジスタ４４に接続されている。
水平信号線４３は、ノイズキャンセル回路４５と、水平選択トランジスタ４６とを介して、水平出力線４７に接続されている。水平選択トランジスタ４６のゲートは、水平シフトレジスタ４８に接続されている。
垂直シフトレジスタ４４及び水平シフトレジスタ４８により、各画素が駆動して、各画素に蓄積された信号電荷が電圧に変換されて読み出される。
図１３に示すように、各画素に、受光部のフォトダイオードＰＤ及びセルアンプ４１を有している。各画素のセルアンプ４１は、垂直信号線４２及び水平信号線４３に接続されている。
垂直信号線４２は、垂直シフトレジスタ４４に接続されている。
水平信号線４３は、ノイズキャンセル回路４５と、水平選択トランジスタ４６とを介して、水平出力線４７に接続されている。水平選択トランジスタ４６のゲートは、水平シフトレジスタ４８に接続されている。
垂直シフトレジスタ４４及び水平シフトレジスタ４８により、各画素が駆動して、各画素に蓄積された信号電荷が電圧に変換されて読み出される。
本発明を適用する、ＣＣＤ固体撮像素子（ＣＣＤイメージセンサー）の回路構成の例を、図１４に示す。
図１４に示すように、各画素に、受光部のフォトダイオードＰＤ及び読み出しトランジスタ７１を有している。それぞれの列の画素に対して平行に、垂直ＣＣＤ転送レジスタ７２が設けられており、各画素の読み出しトランジスタ７１は、各列の垂直ＣＣＤ転送レジスタ７２に接続されている。各垂直ＣＣＤ転送レジスタ７２は、一方の端部が水平ＣＣＤ転送レジスタ７３に接続されている。水平ＣＣＤ転送レジスタ７３は、一方の端部が出力アンプ７４に接続されている。この回路構成は、いわゆるインターライン転送（ＩＴ）型のＣＣＤ固体撮像素子である。
読み出しトランジスタ７１と垂直ＣＣＤ転送レジスタ７２と水平ＣＣＤ転送レジスタ７３とにより、各画素に蓄積された信号電荷が転送され、出力アンプを経て出力される。
図１４に示すように、各画素に、受光部のフォトダイオードＰＤ及び読み出しトランジスタ７１を有している。それぞれの列の画素に対して平行に、垂直ＣＣＤ転送レジスタ７２が設けられており、各画素の読み出しトランジスタ７１は、各列の垂直ＣＣＤ転送レジスタ７２に接続されている。各垂直ＣＣＤ転送レジスタ７２は、一方の端部が水平ＣＣＤ転送レジスタ７３に接続されている。水平ＣＣＤ転送レジスタ７３は、一方の端部が出力アンプ７４に接続されている。この回路構成は、いわゆるインターライン転送（ＩＴ）型のＣＣＤ固体撮像素子である。
読み出しトランジスタ７１と垂直ＣＣＤ転送レジスタ７２と水平ＣＣＤ転送レジスタ７３とにより、各画素に蓄積された信号電荷が転送され、出力アンプを経て出力される。
また、図１３及び図１４に示した回路構成に限らず、他の回路構成の固体撮像素子にも、本発明を適用することができる。
＜７．本発明の固体撮像装置の変形例＞
上述した各実施の形態では、１つの結像レンズに対して、固体撮像素子のチップが１個である場合を説明した。本発明では、１つの結像レンズに対して複数個の固体撮像素子のチップを有する構成にも適用することが可能である。即ち、固体撮像素子のチップを３個使用する、いわゆる三板式等にも、本発明を適用することが可能である。
複数個の固体撮像素子のチップを有する構成に、本発明を適用する場合には、それぞれのチップと結像レンズとを結ぶ光路に、屈折率が１より高い材料が存在するように構成する。屈折率が１より高い材料を、複数個のチップへの光路の分岐点よりも結像レンズ側に配置する場合には１個で済む。屈折率が１より高い材料を、光路の分岐点よりもチップ側に配置する場合には、チップと同じ個数が必要になる。
上述した各実施の形態では、１つの結像レンズに対して、固体撮像素子のチップが１個である場合を説明した。本発明では、１つの結像レンズに対して複数個の固体撮像素子のチップを有する構成にも適用することが可能である。即ち、固体撮像素子のチップを３個使用する、いわゆる三板式等にも、本発明を適用することが可能である。
複数個の固体撮像素子のチップを有する構成に、本発明を適用する場合には、それぞれのチップと結像レンズとを結ぶ光路に、屈折率が１より高い材料が存在するように構成する。屈折率が１より高い材料を、複数個のチップへの光路の分岐点よりも結像レンズ側に配置する場合には１個で済む。屈折率が１より高い材料を、光路の分岐点よりもチップ側に配置する場合には、チップと同じ個数が必要になる。
上述した第４の実施の形態では、波長分散の異なる複数の層を設けることにより、色収差を補正していたが、その他の方法によって色収差を補正することも可能である。
例えば、色収差による赤Ｒと緑Ｇと青Ｂの色ずれを低減するために、信号処理による補正を行っても良い。
一般的に、色収差は、短波長の光が結像系レンズの手前側に結像して、長波長側の光が結像系レンズの奥側に結像することで生じる。
従って、例えば、被写体に対して像の外側に短波長の青Ｂが、そして内側に長波長の赤Ｒがずれている場合には、ここでの信号処理は、青Ｂと赤Ｒを緑Ｇの像に合わせるように、縮小と拡大で補正する。
例えば、色収差による赤Ｒと緑Ｇと青Ｂの色ずれを低減するために、信号処理による補正を行っても良い。
一般的に、色収差は、短波長の光が結像系レンズの手前側に結像して、長波長側の光が結像系レンズの奥側に結像することで生じる。
従って、例えば、被写体に対して像の外側に短波長の青Ｂが、そして内側に長波長の赤Ｒがずれている場合には、ここでの信号処理は、青Ｂと赤Ｒを緑Ｇの像に合わせるように、縮小と拡大で補正する。
＜８．本発明のカメラの実施の形態＞
本発明のカメラは、上述した本発明に係る固体撮像装置を備えて、カメラを構成したものである。本発明のカメラとしては、スチルカメラ、ビデオカメラ、カメラ機能付き携帯機器等が挙げられる。
本発明のカメラの実施の形態を、以下にいくつか示す。
本発明のカメラは、上述した本発明に係る固体撮像装置を備えて、カメラを構成したものである。本発明のカメラとしては、スチルカメラ、ビデオカメラ、カメラ機能付き携帯機器等が挙げられる。
本発明のカメラの実施の形態を、以下にいくつか示す。
本発明のカメラの一実施の形態の概略構成図（ブロック図）を、図１５に示す。
本実施の形態のカメラは、光学系（結像レンズ）８１と、固体撮像素子８２と、駆動回路８３と、信号処理回路８４とを備えている。固体撮像素子８２は、ＣＣＤ固体撮像素子やＣＭＯＳ型固体撮像素子等である。
本実施の形態のカメラは、光学系（結像レンズ）８１と、固体撮像素子８２と、駆動回路８３と、信号処理回路８４とを備えている。固体撮像素子８２は、ＣＣＤ固体撮像素子やＣＭＯＳ型固体撮像素子等である。
光学系（結像レンズ）８１は、被写体からの像光（入射光）を固体撮像素子８２の撮像面上に結像させる。これにより、固体撮像素子８２の受光部（フォトダイオード）において一定期間信号電荷が蓄積される。駆動回路８３は固体撮像素子８２の信号電荷の蓄積・読み出し等の駆動を制御する。信号処理回路８４は、固体撮像素子８２の出力信号に対して種々の信号処理を施して出力する。本実施の形態のカメラは、光学系（結像レンズ）８１、固体撮像装置８２、駆動回路８３、信号処理回路８４がモジュール化したカメラモジュールの形態を含む。
本実施の形態のカメラでは、結像レンズ８１と、固体撮像素子（チップ）８２との間の空間に、前述した埋め込み層１４等の、空間よりも屈折率の高い材料を配置して、カメラを構成する。
本発明のカメラの他の実施の形態の概略構成図（ブロック図）を、図１６に示す。なお、本実施の形態のカメラでは、固体撮像素子としてＣＣＤ固体撮像素子を使用している。
このカメラは、結像レンズ１０１、ＣＣＤ１０２、撮像回路１０３、積分回路１０４、信号処理回路１０５、ＡＥ（自動露光調節）演算／制御回路１０６、ＡＷＢ（自動ホワイトバランス）演算／制御回路１０７、タイミング発生器１０８を備えている。さらに、表示系１０９、記録系１１０、スミア検出回路１１１、スミア量検出回路１１２を備えている。
このカメラは、結像レンズ１０１、ＣＣＤ１０２、撮像回路１０３、積分回路１０４、信号処理回路１０５、ＡＥ（自動露光調節）演算／制御回路１０６、ＡＷＢ（自動ホワイトバランス）演算／制御回路１０７、タイミング発生器１０８を備えている。さらに、表示系１０９、記録系１１０、スミア検出回路１１１、スミア量検出回路１１２を備えている。
図１６に示す各部の間で、以下のように信号が供給される。
ＣＣＤ（ＣＣＤ固体撮像素子）１０２からの撮像信号は、撮像回路１０３に供給される。撮像回路１０３は、図示しないが、ＣＤＳ（二重相関サンプリング）回路、ＡＧＣ（自動利得調整器）、Ａ／Ｄ変換器等を含む。撮像回路１０３よりの出力信号（映像信号）は、信号処理回路１０５に供給される。
また、ＣＣＤ１０２からの撮像信号は、スミア検出回路１１１にも供給されて、スミアが検出され、そのスミア検出回路１１１からのスミア検出信号がスミア量検出回路１１２に供給されて、スミア量が算出される。スミア検出回路１１１からのスミア検出信号は、タイミング発生器１０８及びＡＥ演算／制御回路１０６に供給される。スミア量検出回路１１２からのスミア量信号は、ＡＥ演算／制御回路１０６に供給される。ＡＥ演算／制御回路１０６からのＡＥ制御信号は、結像レンズ１０１及び撮像回路１０３に供給される。ＡＥ演算／制御回路１０６からの制御信号がタイミング発生器１０８に供給されて、タイミング発生器１０８において各種のタイミング信号が発生して、ＣＣＤ１０２及びＡＥ演算／制御回路１０６に供給される。
撮像回路１０３の出力信号が積分回路１０４に供給され、その積分出力が、ＡＷＢ演算／制御回路１０７に供給される。ＡＷＢ演算／制御回路１０７からの制御信号は、信号処理回路１０５、積分回路１０４及びスミア量検出回路１１２に供給される。スミア量検出回路１１２からのスミア量信号がＡＷＢ演算／制御回路１０７に供給される。積分回路１０４よりの積分出力がＡＥ演算／制御回路１０６に供給されると共に、ＡＥ演算／制御回路１０６からの制御信号が積分回路１０４に供給される。
信号処理回路１０５からの映像信号がＬＣＤ（液晶表示装置）等の表示系１０９に供給されて、映像が表示されると共に、その映像信号が記録系１１０に供給されて、外部記録媒体に記録される。
ＣＣＤ（ＣＣＤ固体撮像素子）１０２からの撮像信号は、撮像回路１０３に供給される。撮像回路１０３は、図示しないが、ＣＤＳ（二重相関サンプリング）回路、ＡＧＣ（自動利得調整器）、Ａ／Ｄ変換器等を含む。撮像回路１０３よりの出力信号（映像信号）は、信号処理回路１０５に供給される。
また、ＣＣＤ１０２からの撮像信号は、スミア検出回路１１１にも供給されて、スミアが検出され、そのスミア検出回路１１１からのスミア検出信号がスミア量検出回路１１２に供給されて、スミア量が算出される。スミア検出回路１１１からのスミア検出信号は、タイミング発生器１０８及びＡＥ演算／制御回路１０６に供給される。スミア量検出回路１１２からのスミア量信号は、ＡＥ演算／制御回路１０６に供給される。ＡＥ演算／制御回路１０６からのＡＥ制御信号は、結像レンズ１０１及び撮像回路１０３に供給される。ＡＥ演算／制御回路１０６からの制御信号がタイミング発生器１０８に供給されて、タイミング発生器１０８において各種のタイミング信号が発生して、ＣＣＤ１０２及びＡＥ演算／制御回路１０６に供給される。
撮像回路１０３の出力信号が積分回路１０４に供給され、その積分出力が、ＡＷＢ演算／制御回路１０７に供給される。ＡＷＢ演算／制御回路１０７からの制御信号は、信号処理回路１０５、積分回路１０４及びスミア量検出回路１１２に供給される。スミア量検出回路１１２からのスミア量信号がＡＷＢ演算／制御回路１０７に供給される。積分回路１０４よりの積分出力がＡＥ演算／制御回路１０６に供給されると共に、ＡＥ演算／制御回路１０６からの制御信号が積分回路１０４に供給される。
信号処理回路１０５からの映像信号がＬＣＤ（液晶表示装置）等の表示系１０９に供給されて、映像が表示されると共に、その映像信号が記録系１１０に供給されて、外部記録媒体に記録される。
以下、より具体的に、図１６のカメラの各部の動作を説明する。
積分回路１０４は、被写体の明るさに対応した自動露光調節（ＡＥ）を行うための自動露光調節積分値の信号を生成し、この信号をＡＥ演算／制御回路１０６に供給する。
また、積分回路１０４は、被写体の色情報に対応した自動ホワイトバランス制御を行うための自動ホワイトバランス制御積分値の信号を生成し、この信号をＡＷＢ演算／制御回路１０７に供給する。
ＡＥ演算／制御回路１０６は、タイミング発生器１０８からのタイミング信号に同期する。そして、記録系１１０で画像記録を行う際に適正な明るさ及び露光量になるように結像レンズ１０１のレンズ絞り手段のレンズ絞り値、ＣＣＤ１０２の電子シャッタの電子シャッタスピードを制御する。
また、ＡＥ演算／制御回路１０６は、撮像回路１０３内のＡＧＣ回路のゲイン制御及び積分回路１０４の積分動作の制御をも行う。
ＡＷＢ演算／制御回路１０７は、タイミング発生器１０８からのタイミング信号に同期して、記録系１１０で画像記録を行う際に適正なホワイトバランスになるように信号処理回路１０５のＲ（赤）信号のゲインおよびＢ（青）信号のゲインを制御する。
スミア検出回路１１１は、ＣＣＤ固体撮像素子１０２の受光面のオプティカルブラック領域に設けた、スミア検出枠の画素に出力される信号レベルが、所定のしきい値内にある場合に、スミアを検出する。所定のしきい値内にない場合には、スミアは発生していないものと見なす。同時に、スミアを検出したときには、スミア量検出回路１１２を動作状態にする。スミアを検出しないときは、スミア量検出回路１１２を動作させない。
積分回路１０４は、被写体の明るさに対応した自動露光調節（ＡＥ）を行うための自動露光調節積分値の信号を生成し、この信号をＡＥ演算／制御回路１０６に供給する。
また、積分回路１０４は、被写体の色情報に対応した自動ホワイトバランス制御を行うための自動ホワイトバランス制御積分値の信号を生成し、この信号をＡＷＢ演算／制御回路１０７に供給する。
ＡＥ演算／制御回路１０６は、タイミング発生器１０８からのタイミング信号に同期する。そして、記録系１１０で画像記録を行う際に適正な明るさ及び露光量になるように結像レンズ１０１のレンズ絞り手段のレンズ絞り値、ＣＣＤ１０２の電子シャッタの電子シャッタスピードを制御する。
また、ＡＥ演算／制御回路１０６は、撮像回路１０３内のＡＧＣ回路のゲイン制御及び積分回路１０４の積分動作の制御をも行う。
ＡＷＢ演算／制御回路１０７は、タイミング発生器１０８からのタイミング信号に同期して、記録系１１０で画像記録を行う際に適正なホワイトバランスになるように信号処理回路１０５のＲ（赤）信号のゲインおよびＢ（青）信号のゲインを制御する。
スミア検出回路１１１は、ＣＣＤ固体撮像素子１０２の受光面のオプティカルブラック領域に設けた、スミア検出枠の画素に出力される信号レベルが、所定のしきい値内にある場合に、スミアを検出する。所定のしきい値内にない場合には、スミアは発生していないものと見なす。同時に、スミアを検出したときには、スミア量検出回路１１２を動作状態にする。スミアを検出しないときは、スミア量検出回路１１２を動作させない。
本実施の形態のカメラでは、結像レンズ１０１と、ＣＣＤ固体撮像素子（チップ）１０２との間の空間に、前述した埋め込み層１４等の、空間よりも屈折率の高い材料を配置して、カメラを構成する。
本発明のカメラのさらに他の実施の形態の概略構成図（ブロック図）を、図１７に示す。なお、本実施の形態のカメラでも、固体撮像素子としてＣＣＤ固体撮像素子を使用している。なお、図１７においては、結像レンズ等の光学系は、図示を省略している。
このカメラは、ＣＣＤ固体撮像素子１２０と、このＣＣＤ固体撮像素子１２０を駆動するための駆動制御部としての駆動電源１３１・ドライバ１３２・タイミング信号発生部１３３とを備えて成る。
ＣＣＤ固体撮像素子１２０は、半導体基板に、フォトダイオードＰＤによる受光部１２１が多数、２次元マトリクス状に配置されている。各列の受光部１２１と平行に垂直ＣＣＤ転送レジスタ１２３が形成されている。受光部１２１と垂直ＣＣＤ転送レジスタ１２３との間には、受光部１２１に蓄積された信号電荷を読み出すための読み出しゲート部１２２が形成されている。垂直ＣＣＤ転送レジスタ１２３の一端には、水平ＣＣＤ転送レジスタ１２５が接続されている。
受光部１２１と、読み出しゲート部１２２と、垂直ＣＣＤ転送レジスタ１２３とによりユニットセル（画素）１２４が構成される。また、各ユニットセル１２４の境界部分には、チャネルストップＣＳが設けられている。
そして、本実施形態では、インターライン転送（ＩＴ）方式のＣＣＤ固体撮像素子１２０を６相もしくは８相で駆動する構成としている。
このカメラは、ＣＣＤ固体撮像素子１２０と、このＣＣＤ固体撮像素子１２０を駆動するための駆動制御部としての駆動電源１３１・ドライバ１３２・タイミング信号発生部１３３とを備えて成る。
ＣＣＤ固体撮像素子１２０は、半導体基板に、フォトダイオードＰＤによる受光部１２１が多数、２次元マトリクス状に配置されている。各列の受光部１２１と平行に垂直ＣＣＤ転送レジスタ１２３が形成されている。受光部１２１と垂直ＣＣＤ転送レジスタ１２３との間には、受光部１２１に蓄積された信号電荷を読み出すための読み出しゲート部１２２が形成されている。垂直ＣＣＤ転送レジスタ１２３の一端には、水平ＣＣＤ転送レジスタ１２５が接続されている。
受光部１２１と、読み出しゲート部１２２と、垂直ＣＣＤ転送レジスタ１２３とによりユニットセル（画素）１２４が構成される。また、各ユニットセル１２４の境界部分には、チャネルストップＣＳが設けられている。
そして、本実施形態では、インターライン転送（ＩＴ）方式のＣＣＤ固体撮像素子１２０を６相もしくは８相で駆動する構成としている。
図１７において、ＣＣＤ固体撮像素子１２０には、駆動電源１３１から、ドレイン電圧ＶＤＤ及びリセットドレイン電圧ＶＲＤが印加され、ドライバ１３２にも所定の電圧が供給される。
また、垂直ＣＣＤ転送レジスタ１２３には、６相もしくは８相駆動に対応する複数本（本例では１ユニットセル当たり６本もしくは８本）の垂直転送電極１２８（１２８−１〜１２８−６もしくは１２８−１〜１２８−８）が設けられる。
このカメラにおいて、ＣＣＤ固体撮像素子１２０の受光部１２１に蓄積された信号電荷は、読み出しゲート部１２２に読出パルスＸＳＧに対応するドライブパルスが印加されることにより、垂直ＣＣＤ転送レジスタ１２３に読み出される。垂直ＣＣＤ転送レジスタ１２３は、６相（８相）の垂直転送クロックＶ１〜Ｖ６（Ｖ８）に基づくドライブパルスφＶ１〜φＶ６（φＶ８）によって転送駆動される。そして、垂直ＣＣＤ転送レジスタ１２３は、読み出された信号電荷を水平ブランキング期間の一部にて１走査線（１ライン）に相当する部分ずつ順に垂直方向に転送する。
また、水平ＣＣＤ転送レジスタ１２５は、例えば２相の水平転送クロックＨ１，Ｈ２に基づくドライブパルスφＨ１，φＨ２によって転送駆動される。そして、水平ＣＣＤ転送レジスタ１２５は、複数本の垂直ＣＣＤ転送レジスタ１２３から移された１ライン分の信号電荷を、水平ブランキング期間後の水平走査期間において順次水平方向に転送する。このため、２相駆動に対応する複数本（２本）の水平転送電極１２９（１２９−１，１２９−２）が設けられている。
水平ＣＣＤ転送レジスタ１２５の転送先の端部には、例えば、フローティング・ディフュージョン・アンプ（ＦＤＡ）構成の電荷電圧変換部１２６が設けられている。この電荷電圧変換部１２６は、水平ＣＣＤ転送レジスタ１２５によって水平転送されてきた信号電荷を、順次電圧信号に変換して出力する。この電圧信号は、被写体からの光の入射量に応じたＣＣＤ出力（ＶＯＵＴ）として導出される。
また、垂直ＣＣＤ転送レジスタ１２３には、６相もしくは８相駆動に対応する複数本（本例では１ユニットセル当たり６本もしくは８本）の垂直転送電極１２８（１２８−１〜１２８−６もしくは１２８−１〜１２８−８）が設けられる。
このカメラにおいて、ＣＣＤ固体撮像素子１２０の受光部１２１に蓄積された信号電荷は、読み出しゲート部１２２に読出パルスＸＳＧに対応するドライブパルスが印加されることにより、垂直ＣＣＤ転送レジスタ１２３に読み出される。垂直ＣＣＤ転送レジスタ１２３は、６相（８相）の垂直転送クロックＶ１〜Ｖ６（Ｖ８）に基づくドライブパルスφＶ１〜φＶ６（φＶ８）によって転送駆動される。そして、垂直ＣＣＤ転送レジスタ１２３は、読み出された信号電荷を水平ブランキング期間の一部にて１走査線（１ライン）に相当する部分ずつ順に垂直方向に転送する。
また、水平ＣＣＤ転送レジスタ１２５は、例えば２相の水平転送クロックＨ１，Ｈ２に基づくドライブパルスφＨ１，φＨ２によって転送駆動される。そして、水平ＣＣＤ転送レジスタ１２５は、複数本の垂直ＣＣＤ転送レジスタ１２３から移された１ライン分の信号電荷を、水平ブランキング期間後の水平走査期間において順次水平方向に転送する。このため、２相駆動に対応する複数本（２本）の水平転送電極１２９（１２９−１，１２９−２）が設けられている。
水平ＣＣＤ転送レジスタ１２５の転送先の端部には、例えば、フローティング・ディフュージョン・アンプ（ＦＤＡ）構成の電荷電圧変換部１２６が設けられている。この電荷電圧変換部１２６は、水平ＣＣＤ転送レジスタ１２５によって水平転送されてきた信号電荷を、順次電圧信号に変換して出力する。この電圧信号は、被写体からの光の入射量に応じたＣＣＤ出力（ＶＯＵＴ）として導出される。
また、タイミング信号生成部１３３は、ＣＣＤ固体撮像素子１２０を駆動するための種々のパルス信号（ＬレベルとＨレベルの２値）を生成する。ドライバ１３２は、タイミング信号生成部１３３から供給された種々のパルスを、所定レベルのドライブパルスにしてＣＣＤ固体撮像素子１２０に供給する。
タイミング信号生成部１３３は、例えば、水平同期信号（ＨＤ）や垂直同期信号（ＶＤ）に基づいて、各種信号を生成して、ドライバ１３２に供給する。即ち、受光部１２１に蓄積された信号電荷を読み出す読出パルスＸＳＧ、信号電荷を垂直方向に転送駆動する垂直転送クロックＶ１〜Ｖ６（Ｖ８）、信号電荷を水平方向に転送駆動する水平転送パルスＨ１，Ｈ２、並びに、リセットパルスＲＧ等を生成する。
ドライバ１３２は、タイミング信号生成部１３３から供給された種々のパルスを、所定レベルの電圧信号（ドライブパルス）に変換し、或いは別の信号に変換し、ＣＣＤ固体撮像素子１２０に供給する。例えば、タイミング信号生成部１３３からのｎ相の垂直転送クロックＶ１〜Ｖ６（Ｖ８）は、ドライバ１３２を介してドライブパルスφＶ１〜φＶ６（φＶ８）とされて、対応する所定の垂直転送電極１２８に印加される。同様に、２相の水平転送クロックＨ１，Ｈ２は、ドライバ１３２を介してドライブパルスφＨ１，φＨ２とされ、対応する所定の水平転送電極（１２９−１，１２９−２）に印加される。
タイミング信号生成部１３３は、例えば、水平同期信号（ＨＤ）や垂直同期信号（ＶＤ）に基づいて、各種信号を生成して、ドライバ１３２に供給する。即ち、受光部１２１に蓄積された信号電荷を読み出す読出パルスＸＳＧ、信号電荷を垂直方向に転送駆動する垂直転送クロックＶ１〜Ｖ６（Ｖ８）、信号電荷を水平方向に転送駆動する水平転送パルスＨ１，Ｈ２、並びに、リセットパルスＲＧ等を生成する。
ドライバ１３２は、タイミング信号生成部１３３から供給された種々のパルスを、所定レベルの電圧信号（ドライブパルス）に変換し、或いは別の信号に変換し、ＣＣＤ固体撮像素子１２０に供給する。例えば、タイミング信号生成部１３３からのｎ相の垂直転送クロックＶ１〜Ｖ６（Ｖ８）は、ドライバ１３２を介してドライブパルスφＶ１〜φＶ６（φＶ８）とされて、対応する所定の垂直転送電極１２８に印加される。同様に、２相の水平転送クロックＨ１，Ｈ２は、ドライバ１３２を介してドライブパルスφＨ１，φＨ２とされ、対応する所定の水平転送電極（１２９−１，１２９−２）に印加される。
本実施の形態のカメラでは、図示しない結像レンズと、ＣＣＤ固体撮像素子１２０のチップとの間の空間に、前述した埋め込み層１４や光学部品１６等の、空間よりも屈折率の高い材料を配置して、カメラを構成する。
なお、ＣＣＤ固体撮像素子１２０を駆動するための駆動制御部（１３１，１３２，１３３）は、ＣＣＤ固体撮像素子１２０のチップの内部に設けた構成も、ＣＣＤ固体撮像素子１２０のチップの外部に設けた構成も、いずれの構成も可能である。
なお、ＣＣＤ固体撮像素子１２０を駆動するための駆動制御部（１３１，１３２，１３３）は、ＣＣＤ固体撮像素子１２０のチップの内部に設けた構成も、ＣＣＤ固体撮像素子１２０のチップの外部に設けた構成も、いずれの構成も可能である。
上述した３つの本発明のカメラの実施の形態においては、前述した固体撮像装置の第１〜第４の実施の形態の実施の形態と組み合わせても良く、またその他の固体撮像装置の構成としても良い。
本発明のカメラは、図１５〜図１７に示した各実施の形態に限らず、その他の様々な構成を採用することができる。
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
１１，８１，１０１ 結像レンズ、１２ 絞り、１３ （固体撮像素子の）チップ、１４ 埋め込み層、１５ 反射防止膜、１６ 光学部品、１９ 導波路、２１ 基板、２２，１２１ 受光部、２３ オンチップカラーフィルタ、２４ オンチップレンズ、２９ マーカー、４１ セルアンプ、４２ 垂直信号線、４３ 水平信号線、４４ 垂直シフトレジスタ、４５ ノイズキャンセル回路、４６ 選択トランジスタ、４７ 水平出力線、４８ 水平シフトレジスタ、７１ 読み出しトランジスタ、７２，１２３ 垂直ＣＣＤ転送レジスタ、７３，１２５ 水平ＣＣＤ転送レジスタ、７４ 出力アンプ、８２ 固体撮像素子、８３ 駆動回路、８４ 信号処理回路、１０２ ＣＣＤ（ＣＣＤ固体撮像素子）、１０３ 撮像回路、１０４ 積分回路、１０５ 信号処理回路、１０６ ＡＥ演算／制御回路、１０７ ＡＷＢ演算／制御回路、１０８ タイミング発生器、１０９ 表示系、１１０ 記録系、１１１ スミア検出回路、１１２ スミア量検出回路、１２２ 読み出しゲート部、１３１ 駆動電源、１３２ ドライバ、１３３ タイミング信号生成部、ＰＤ フォトダイオード
Claims (6)
- 固体撮像素子を備えて成る固体撮像装置であって、
前記固体撮像素子のチップと、
前記固体撮像素子へ光を結像させる結像レンズと、
前記結像レンズと前記チップとの間に配置された、屈折率が１よりも大きい材料とを含み、
前記屈折率が１よりも大きい材料が、平板状の部分と凸な曲面形状の部分とを有する光学部品を構成し、前記光学部品の前記凸な曲面形状の部分が、前記チップの最上層の上に接触していて、前記凸な曲面形状の部分と、前記チップの最上層との接触幅が８００ｎｍ以内である、
固体撮像装置。 - 前記凸な曲面形状の部分と前記固体撮像素子の各画素の受光部との間に形成された、導波路をさらに含む、請求項１に記載の固体撮像装置。
- 前記屈折率が１よりも大きい材料のアッベ数が５０以上である、請求項１〜請求項２のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
- 固体撮像素子を備えて成る固体撮像装置を含み、画像の撮影が行われるカメラであって、
前記固体撮像素子のチップと、前記固体撮像素子へ光を結像させる結像レンズと、前記結像レンズと前記固体撮像素子のチップとの間に配置された、屈折率が１よりも大きい材料とを含み、前記屈折率が１よりも大きい材料が、平板状の部分と凸な曲面形状の部分とを有する光学部品を構成し、前記光学部品の前記凸な曲面形状の部分が、前記チップの最上層の上に接触していて、前記凸な曲面形状の部分と、前記チップの最上層との接触幅が８００ｎｍ以内である、前記固体撮像装置を含む
カメラ。 - 前記固体撮像装置は、前記凸な曲面形状の部分と前記固体撮像素子の各画素の受光部との間に形成された、導波路をさらに含む、請求項４に記載のカメラ。
- 前記固体撮像装置の前記屈折率が１よりも大きい材料のアッベ数が５０以上である、請求項４〜請求項５のいずれか１項に記載のカメラ。
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