JP2012028372A - Solid-state image pickup device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像装置に関する。更に詳しくは画素内に色分光学系を有する固体撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device. More particularly, the present invention relates to a solid-state imaging device having a color separating optical system in a pixel.
近年、CCDなどの固体撮像素子を用いて撮像した撮影画像をデジタル画像データに変換し、内蔵メモリやメモリカードなどの記録媒体に記録するデジタルカメラが普及してきている。このデジタルカメラに設けられているような固体撮像素子では、受光素子(フォトダイオード)がマトリクス状に配列された半導体基板の上面に、赤色、緑色、青色のいずれかの光を透過するカラーフィルタが設けられており、カラーフィルタの上方に設置されたマイクロレンズで撮影レンズ光学系からの入射光が集光され、カラーフィルタを通過して各受光素子に受光される。 In recent years, digital cameras that convert a captured image captured using a solid-state imaging device such as a CCD into digital image data and record it on a recording medium such as a built-in memory or a memory card have become widespread. In a solid-state imaging device such as that provided in this digital camera, a color filter that transmits any of red, green, and blue light is provided on the upper surface of a semiconductor substrate in which light receiving elements (photodiodes) are arranged in a matrix. The incident light from the photographic lens optical system is collected by a microlens provided above the color filter, passes through the color filter, and is received by each light receiving element.
最近では、固体撮像素子の小型化、高画素化に伴なって受光素子へ入射光を通過させる開口の面積が小さくなってきている。これにより、従来のマイクロレンズだけでは、受光素子への集光効率が不十分となってきているため、受光素子への集光効率を高めるための構成を有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)。
特許文献1に記載されている固体撮像素子では、光の入射側から順に、マイクロレンズ、カラーフィルタ、導波路、受光素子が形成されており、この導波路によって、受光素子へ光を導いて集光効率の向上を図っている。
Recently, as the solid-state imaging device is miniaturized and the number of pixels is increased, the area of the aperture through which incident light passes to the light receiving device is decreasing. As a result, the light-collecting efficiency to the light-receiving element is insufficient only with the conventional microlens, and therefore a solid-state imaging device having a configuration for increasing the light-collecting efficiency to the light-receiving element has been proposed ( For example, see Patent Document 1).
In the solid-state imaging device described in Patent Document 1, a microlens, a color filter, a waveguide, and a light receiving element are formed in order from the light incident side, and light is guided to the light receiving element through the waveguide and collected. We are trying to improve the light efficiency.
しかしながら、導波路により集光効果を高めても、受光素子の前にカラーフィルタを装着する方法では、原理的に入射光総量の1/3の光量しか得ることができず、感度が低いという問題があった。
本発明は入射光の利用効率を高め、高感度の固体撮像装置を提供することを目的とする。
However, even if the light condensing effect is enhanced by the waveguide, the method of mounting a color filter in front of the light receiving element can theoretically obtain only 1/3 of the total amount of incident light, and the sensitivity is low. was there.
It is an object of the present invention to provide a high-sensitivity solid-state imaging device with improved incident light utilization efficiency.
本発明者は、上記問題点に鑑み鋭意検討した結果、本発明に到達した。即ち本発明は、複数の色分解光学系と、前記色分解光学系で分光された分光光を光電変換する複数の光電変換素子を平面状に配列した固体撮像素子を有し、前記複数の色分解光学系は、少なくとも入射光を集光する集光レンズ(A)と、前記(A)により集光された集光光を平行光に変換する平行変換レンズ(B)と、前記(B)により変換された平行光を分光するプリズム(C)を有し、前記(C)により分光されたそれぞれの分光光をそれぞれ異なる前記複数の光電変換素子に入射するように前記複数の光電変換素子が配置され、前記(A)、前記(B)、前記(C)、前記光電変換素子が順に密着して構成されてなり、前記(A)の入射光側の表面が入射光側に凸の曲面を有し、前記(A)と前記(B)の界面が入射光側に凹の曲面を有し、前記(B)と前記(C)の界面が傾斜した平面を有し、かつ、前記(A)の屈折率が前記(A)、前記(B)及び前記(C)の中で最も小さく、前記(C)の屈折率が前記(A)、前記(B)及び前記(C)の中で最も大きいことを特徴とする固体撮像装置である。 As a result of intensive studies in view of the above problems, the present inventors have reached the present invention. That is, the present invention includes a solid-state imaging device in which a plurality of color separation optical systems and a plurality of photoelectric conversion elements that photoelectrically convert spectral light split by the color separation optical system are arranged in a plane, and the plurality of colors The resolving optical system includes at least a condensing lens (A) that condenses incident light, a parallel conversion lens (B) that converts the condensing light collected by (A) into parallel light, and (B) The plurality of photoelectric conversion elements includes a prism (C) that splits the parallel light converted by the step (C), and the spectral lights separated by the (C) are incident on the plurality of different photoelectric conversion elements. (A), (B), (C), and the photoelectric conversion element are arranged in close contact with each other, and the surface on the incident light side of (A) is a convex curved surface on the incident light side. The interface between (A) and (B) has a concave curved surface on the incident light side. And the interface between (B) and (C) has an inclined plane, and the refractive index of (A) is the smallest among (A), (B), and (C). The solid-state imaging device is characterized in that the refractive index of (C) is the highest among (A), (B) and (C).
本発明によれば画素内に色分解光学系を有する固体撮像装置を構成できるので、入射光の利用効率が高く、高感度の固体撮像装置を実現することができる。また、レンズとプリズムの組み合わせによる色分解光学系を実現でき、撮像素子の単一画素で分光及び各分光色の強度に対応した電気信号を発生させることができるため、忠実な色再生が可能となる。また、集光レンズ(A)、平行変換レンズ(B)、プリズム(C)、光電変換素子が順に密着して構成されているため、コンパクトな固体撮像装置が得られる。 According to the present invention, since a solid-state imaging device having a color separation optical system in a pixel can be configured, it is possible to realize a solid-state imaging device with high incident light utilization efficiency and high sensitivity. In addition, a color separation optical system using a combination of a lens and a prism can be realized, and an electric signal corresponding to the intensity of each spectral color and each spectral color can be generated by a single pixel of the image sensor, so that faithful color reproduction is possible. Become. In addition, since the condenser lens (A), the parallel conversion lens (B), the prism (C), and the photoelectric conversion element are in close contact with each other, a compact solid-state imaging device can be obtained.
以下、本発明の一実施例について図面を用いて説明する。図1は、本発明の一実施例をするための一画素分の固体撮像装置の概略構成を示す図である。
図1において、100は、固体撮像装置の1画素を示している。101は、被写体からの光が固体撮像装置100に結像される光束である。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a solid-state imaging device for one pixel for carrying out one embodiment of the present invention.
In FIG. 1,
102は、集光レンズ(A)である。集光レンズ(A)の入射光側の表面は入射光側に凸の曲面を有する。本実施例では、集光レンズ(A)は横幅が3μm、屈折率n1が1.3、焦点距離F1は、3μmで、材質はフッ素系樹脂である。集光レンズ(A)の材質はフッ素系樹脂に限定されないが、これと同程度の低屈折率の材質で構成されることが好ましい。
103は、平行変換レンズ(B)である。平行変換レンズ(B)は集光レンズ(A)との境界面が入射光側に凹の曲面を有する。本実施例では、平行変換レンズ(B)は横幅が3μm、屈折率n2が1.5、焦点距離F2は、3μmで、材質はポリメチルメタクリレートである。平行変換レンズ(B)の材質はポリメチルメタクリレートに限定されず、一般の光学レンズと同様な材質で構成される。但し、集光レンズ(A)で集光された集光光を平行変換レンズ(B)で平行光に変換するため、平行変換レンズ(B)の屈折率は集光レンズ(A)の屈折率より大きいことが必要である。尚、平行変換レンズ(B)の光軸は、集光レンズ(A)の光軸に一致させる必要がある。平行変換レンズ(B)の光軸上の(B)の凹面から後述のプリズム(C)の傾斜面106までの距離は、本実施例では、1μmに設定されている。
105は、プリズム(C)である。プリズム(C)は平行変換レンズ(B)との境界において傾斜した平面(傾斜面106)を有する。本実施例では屈折率n3が1.7で、材質はエピスルフィド系樹脂である。プリズム(C)の材質はエピスルフィド系樹脂に限定されず、チオウレタン系樹脂のような高屈折率の材質で構成されることができる。但し、平行変換レンズ(B)による平行光をプリズム(C)で分光するため、プリズム(C)の屈折率は平行変換レンズ(B)より大きいことが必要である。
107は、固体撮像素子である。固体撮像素子にはプリズム(C)で分光された分光光を受光する複数の光電変換素子が平面上に配列されている。
本発明においては、集光レンズ(A)、平行変換レンズ(B)及びプリズム(C)で構成される光学系を色分解光学系と呼ぶ。
本発明の固体撮像装置においては、集光レンズ(A)、平行変換レンズ(B)、プリズム(C)及び固体撮像素子はこの順で互いに密着して構成されている。密着した構成とすることでコンパクトな固体撮像装置とすることができる。
In the present invention, an optical system including the condenser lens (A), the parallel conversion lens (B), and the prism (C) is referred to as a color separation optical system.
In the solid-state imaging device of the present invention, the condenser lens (A), the parallel conversion lens (B), the prism (C), and the solid-state imaging device are configured to be in close contact with each other in this order. A compact solid-state imaging device can be obtained by adopting an intimate configuration.
前記固体撮像装置の動作を説明する。被写体からの入射光101が集光レンズ(A)(102)に入射する。固体撮像面から遠くて、近似的に像側テレセントリックなレンズを使用すれば、入射光束101は、集光レンズ(A)(102)の光軸にほぼ平行に入射する。集光レンズ(A)(102)に入射した被写体光は、集光レンズ(A)(102)の焦点に集光する。この集光光束は、集光レンズ(A)(102)の焦点付近に配置された平行変換レンズ(B)(103)により平行光束104になり、プリズム(C)(105)に入射される。
The operation of the solid-state imaging device will be described.
プリズム(C)の傾斜面106に入射した平行光束104は、光の波長に応じて屈折され、固体撮像素子107に入射される。プリズム(C)の傾斜面106に入射する平行光束104には、赤(波長:600〜700nm)、緑(波長:500〜600nm)、青(波長:400〜500nm)の光が含まれている。そして、この平行光束104が光軸に対し傾斜した傾斜面106に入射し、ここで屈折が起こるが、長波長の光は、屈折が小さく、短波長の光は、屈折が大きいため分光される。例えば、図1では、波長の長い赤成分の光は、小さく屈折し、赤色分光光108−1となり、赤色光光電変換素子109−1に入射する。緑成分の光は、緑色分光光108−2となり、緑色光光電変換素子109−2に入射する。また、青成分の光は、青色分光光108−3となり、青色光光電変換素子109−3に入射する。尚、プリズム(C)にアッベ数の小さい光学材料を使用すると波長ごとの分光が効率よく行える。
The
ここで、アッベ数とは、光の逆分散率を示し、色収差の少ない光学材料ほどアッベ数は大きい。本発明の場合、逆にアッベ数が小さく、色収差が大きい方が効率よく分散でき、良いプリズムとなる。また、傾斜面106の角度θ、傾斜面106から固体撮像素子107までの距離及び光電変換素子109−1〜3の形成位置を適宜調節することにより、赤色分光光108−1、緑色分光光108−2及び青色分光光108−3をそれぞれ赤色光光電変換素子109−1、緑色光光電変換素子109−2及び青色光光電変換素子109−3にそれぞれ入射させることができる。
Here, the Abbe number indicates the inverse dispersion rate of light, and the Abbe number is larger as the optical material has less chromatic aberration. In the case of the present invention, on the contrary, a smaller Abbe number and a larger chromatic aberration can be efficiently dispersed and a good prism is obtained. Further, by appropriately adjusting the angle θ of the
上記のように構成することによって1つの画素に入射する被写体からの光を、例えば、赤、緑、青の各色成分に分光し、光電変換素子109−1〜3で各色の映像信号に変換され、固体撮像素子107から取出される。
With the configuration described above, light from a subject incident on one pixel is divided into, for example, red, green, and blue color components, and converted into video signals of each color by the photoelectric conversion elements 109-1 to 109-3. The solid-
本発明の固体撮像装置は、従来のようにカラーフィルタを使用する必要がないので、入射光の利用効率が高く、解像度の高い固体撮像装置を実現することができる。尚、上記本発明は、MOS型及びCCD型の両方に適用することができる Since the solid-state imaging device of the present invention does not require the use of a color filter as in the prior art, a solid-state imaging device with high incident light utilization efficiency and high resolution can be realized. The present invention can be applied to both MOS type and CCD type.
尚、上記実施例では、平行変換レンズ(B)の焦点位置にプリズム(C)への入射位置を設定しているが、平行変換レンズ(B)からの光束は、平行光束であるので、この距離は、適宜設定することができる。 In the above embodiment, the incident position on the prism (C) is set at the focal position of the parallel conversion lens (B), but the light beam from the parallel conversion lens (B) is a parallel light beam. The distance can be set as appropriate.
以上、本発明の一実施例について詳細に説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。 As mentioned above, although one Example of this invention was described in detail, this invention is not limited to this.
100:固体撮像素子、101:入射光、102:集光レンズ(A)、103:平行変換レンズ(B)、104:平行光束、105:プリズム(C)、106:プリズム(C)の傾斜面、107:固体撮像素子、108−1:赤色分光光、108−2:緑色分光光、108−3:青色分光光、109−1:赤色光受光素子、109−2:緑色光受光素子、109−3:青色光受光素子 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100: Solid-state image sensor, 101: Incident light, 102: Condensing lens (A), 103: Parallel conversion lens (B), 104: Parallel light beam, 105: Prism (C), 106: Inclined surface of prism (C) 107: solid state imaging device, 108-1: red spectral light, 108-2: green spectral light, 108-3: blue spectral light, 109-1: red light receiving device, 109-2: green light receiving device, 109 -3: Blue light receiving element
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Cited By (1)
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US9748305B2 (en) | 2014-08-28 | 2017-08-29 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Image sensor having improved light utilization efficiency |
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- 2010-07-20 JP JP2010162687A patent/JP2012028372A/en active Pending
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