JP2012156194A - Solid state imaging device and imaging apparatus - Google Patents

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英昭 茂木
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid state imaging device having excellent color reproducibility and incident angle dependence.SOLUTION: The solid state imaging device includes: a light receiving unit 1 provided pixel-by-pixel for performing photoelectric conversion; dichroic prisms 11, 12, 21, 22, having dichroic mirrors 4A, 4B, 4C formed of multilayer films on one surface, disposed upward of the light receiving unit 1 with a configuration to separate, by a plurality of sets as one set, incident light into light of a plurality of wavelength bands, so as to allow the light of each wavelength band to be incident to the light receiving unit 1 of different pixels, and disposed to have the direction of a reflection plane of the dichroic mirrors 4A, 4B, 4C to be symmetric relative to a center line C of an imaging region; and color filters 2B, 2G, 2R disposed downward of the dichroic prisms 11, 12, 21, 22 and on the light receiving unit.

Description

本発明は、固体撮像素子及び固体撮像素子を備えた撮像装置に係わる。   The present invention relates to a solid-state imaging device and an imaging device including the solid-state imaging device.

固体撮像素子において、カラー画像を取得するためには、通常は、入射光を、赤(R)、緑(G)、青(B)の3色の光に分離して、受光部に導いて光電変換を行っている。   In order to obtain a color image in a solid-state imaging device, usually, incident light is separated into light of three colors of red (R), green (G), and blue (B) and guided to a light receiving unit. Photoelectric conversion is performed.

この3色の光に分離するために、主に用いられている方式は、吸収型カラーフィルタである。
この吸収型カラーフィルタは、特定の帯域の波長のみを透過して、他の帯域の波長を吸収する特性を有している。
In order to separate the light into these three colors, a method mainly used is an absorption color filter.
This absorption color filter has a characteristic of transmitting only wavelengths in a specific band and absorbing wavelengths in other bands.

しかしながら、吸収型カラーフィルタは、透過する波長帯域以外の光を吸収する特性を有するため、例えば赤の受光部に入射する光では、緑と青を吸収してしまい、光の利用効率が1/3に減少することになる。   However, since the absorption color filter has a characteristic of absorbing light outside the transmitted wavelength band, for example, light incident on a red light receiving part absorbs green and blue, and the light use efficiency is 1 /. Will be reduced to 3.

そこで、光の利用効率の減少を回避するために、ダイクロイックプリズムを用いた分光方式が提案されている(例えば、特許文献1及び特許文献2を参照)。
この方式によれば、ダイクロイックプリズムによって特定の波長を透過(反射)して、入射光をR/G/Bの3色に色分離することが可能となる。
そして、この方式を単板式の固体撮像素子のカラーフィルタ部に採用すれば、吸収による損失無く入射光をR/G/Bの3色に色分離することができ、さらに光利用効率の向上を図ることができる。
Therefore, in order to avoid a decrease in light utilization efficiency, a spectroscopic method using a dichroic prism has been proposed (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
According to this method, a specific wavelength is transmitted (reflected) by the dichroic prism, and incident light can be separated into three colors of R / G / B.
If this method is used in the color filter section of a single-plate solid-state image sensor, incident light can be separated into three colors of R / G / B without loss due to absorption, and further improvement in light utilization efficiency can be achieved. Can be planned.

特許文献1の図2に記載された構成では、ダイクロイックプリズムを2層に積層することにより、R/G/Bの3色をベイヤー配列で分光可能な固体撮像素子を実現している。
ダイクロイックプリズムは、酸化膜等をプリズム型に成型した後に、多層膜を表面に蒸着することにより形成している。
In the configuration described in FIG. 2 of Patent Document 1, a dichroic prism is stacked in two layers to realize a solid-state imaging device that can split three colors of R / G / B in a Bayer arrangement.
The dichroic prism is formed by depositing an oxide film or the like into a prism shape and then depositing a multilayer film on the surface.

特許文献2の図1に記載された構成では、入射光をマイクロレンズで集光して、遮光層で第1のダイクロイックプリズムにのみ当たるよう制御している。
そして、第1のダイクロイックプリズムにおいて、青色の光を透過させて下方の第1の受光面に入射させ、緑色の光及び赤色の光を反射させて、側方の第2のダイクロイックプリズムへ導いている。
第2のダイクロイックプリズムにおいて、緑色の光を反射させて下方の第2の受光面に入射させ、赤色の光を透過させて、側方の第3のダイクロイックプリズムへ導いている。
第3のダイクロイックプリズムにおいて、赤色の光を反射させて下方の第3の受光面に入射させている。
第1〜第3のダイクロイックプリズムは、同一平面に形成されている。
In the configuration described in FIG. 1 of Patent Document 2, incident light is collected by a microlens, and is controlled so as to be incident only on the first dichroic prism by a light shielding layer.
Then, in the first dichroic prism, the blue light is transmitted and incident on the first light receiving surface below, the green light and the red light are reflected, and are guided to the second dichroic prism on the side. Yes.
In the second dichroic prism, the green light is reflected and incident on the second light receiving surface below, and the red light is transmitted and guided to the side third dichroic prism.
In the third dichroic prism, red light is reflected and incident on the third light receiving surface below.
The first to third dichroic prisms are formed on the same plane.

上述した2つの構成は、単層式プリズムと2層式プリズムの違いはあるが、透過する色と反射する色を分離して、所望の画素部へと光を導く基本的な分光方法は同様となっている。   Although the two configurations described above are different from a single-layer prism and a two-layer prism, the basic spectroscopic method for separating light to be transmitted and reflected and guiding light to a desired pixel portion is the same. It has become.

特開2007−259232号公報JP 2007-259232 A 特開2004−200358号公報JP 2004-200388 A

しかしながら、ダイクロイックプリズムに用いられるダイクロイックミラーは、多層膜によって形成されているために、分光特性に入射角度依存性を持っており、撮像領域内の画素の位置によって分光特性の偏りが生じてしまう。   However, since the dichroic mirror used in the dichroic prism is formed of a multilayer film, the spectral characteristic has an incident angle dependency, and the spectral characteristic is biased depending on the position of the pixel in the imaging region.

即ち例えば、図21に示すように、ダイクロイックプリズム51の向きを撮像領域内で全て同一となるように配置すると、多層膜ダイクロイックミラーに対する入射角は画角中央の左側と右側とで異なり、入射角が左右で非対称となる。
さらに、ダイクロイックプリズムを分光構造に持つ固体撮像素子で撮像した場合、ダイクロイックミラーが元々持つ角度依存性により、取得した画像内で色ムラが発生してしまう。
この入射角により分光が変化してしまう影響を、最小にすることが必要となる。
That is, for example, as shown in FIG. 21, when the orientations of the dichroic prisms 51 are all set to be the same in the imaging region, the incident angle with respect to the multilayer dichroic mirror differs between the left side and the right side of the center of the field angle, Becomes asymmetrical on the left and right.
Furthermore, when an image is picked up by a solid-state imaging device having a dichroic prism in a spectral structure, color unevenness occurs in the acquired image due to the angle dependence inherent in the dichroic mirror.
It is necessary to minimize the influence that the spectrum changes due to the incident angle.

前記特許文献1の図2に記載された構成では、マイクロレンズの下にコリメータを配置して、プリズムへの入射光を平行光にしている。しかしながら、センサ面への入射光は、固体撮像素子の主面に垂直に入射する平行光が前提になっており、斜めに入射する光は考慮されていない。
前記特許文献2の図1に記載された構成では、マイクロレンズとプリズムとの間に設けられたマスク層により、入射光を規制しているが、想定している入射光は、固体撮像素子の主面に垂直に入射する光のみであり、斜めに入射する光は考慮されていない。
前記特許文献1及び前記特許文献2に記載されたいずれの構成でも、固体撮像素子の主面に斜めに入射する光は考慮されていない。そのため、角度依存性に対しては脆弱であり、画角面内での分光特性の変化により、色ムラ等が発生してしまう。
In the configuration described in FIG. 2 of Patent Document 1, a collimator is disposed under the microlens so that incident light to the prism is parallel light. However, the incident light on the sensor surface is premised on parallel light incident perpendicularly to the main surface of the solid-state imaging device, and light incident obliquely is not considered.
In the configuration described in FIG. 1 of Patent Document 2, incident light is regulated by a mask layer provided between the microlens and the prism. Only light incident perpendicularly to the main surface is considered, and light incident obliquely is not considered.
In any of the configurations described in Patent Document 1 and Patent Document 2, light obliquely incident on the main surface of the solid-state imaging device is not considered. Therefore, it is vulnerable to angle dependency, and color unevenness or the like occurs due to changes in spectral characteristics within the field angle.

ところで、ダイクロイックプリズムに用いている多層膜ダイクロイックミラーは、成膜を重ねていくにつれ、透過波長帯や反射波長帯のリップルが低減できるため、一般的に、層数が多いほど、分光特性の良いミラーとなる。
しかしながら、多層膜を成膜していくにつれて、製造公差によって、所望の分光特性に対して実際の分光特性にバラツキがでてしまう。
また、例えば20層の多層膜を成膜してダイクロイックミラーを作製すると、多層膜全体の層厚が約2μm程度と厚くなることから、現在の微細な画素では、ダイクロイックプリズム上にこのように層数の多い多層膜を成膜するのは困難となる。
従って、画素の微細化に対応して、層厚の薄い、層数の少ないダイクロイックミラーで分光する必要がある。
By the way, the multilayer dichroic mirror used in the dichroic prism can generally reduce the ripple in the transmission wavelength band and the reflection wavelength band as the film is formed. Therefore, in general, the larger the number of layers, the better the spectral characteristics. Become a mirror.
However, as the multilayer film is formed, the actual spectral characteristics vary with respect to the desired spectral characteristics due to manufacturing tolerances.
For example, when a dichroic mirror is formed by forming a multilayer film of 20 layers, the layer thickness of the entire multilayer film becomes as thick as about 2 μm. Therefore, in the current minute pixel, such a layer is formed on the dichroic prism. It is difficult to form a large number of multilayer films.
Therefore, it is necessary to perform spectroscopy using a dichroic mirror having a small layer thickness and a small number of layers in accordance with the miniaturization of pixels.

しかしながら、一般的に、多層膜の層数が少ないと、分光特性の立ち上がりや立ち下がりにおけるスロープが緩くなってしまう(図20Aを参照)。
このように分光特性のスロープが緩いと、スロープの裾の部分が他の色との混色成分となり、色純度が劣化してしまう。
このため、ダイクロイックミラーを少ない層数としても、色純度が劣化しないような分光構造が望まれる。
However, generally, when the number of layers of the multilayer film is small, the slope at the rise and fall of the spectral characteristics becomes loose (see FIG. 20A).
If the slope of the spectral characteristic is loose in this way, the bottom part of the slope becomes a color mixture component with other colors, and the color purity deteriorates.
For this reason, a spectral structure is desired in which the color purity is not deteriorated even when the number of layers of the dichroic mirror is small.

上述した問題の解決のために、本発明においては、色再現性や入射角度依存性に優れた、固体撮像素子及び固体撮像素子を備えた撮像装置を提供するものである。   In order to solve the above-described problems, the present invention provides a solid-state imaging device and an imaging device including the solid-state imaging device that are excellent in color reproducibility and incident angle dependency.

本発明の固体撮像素子は、各画素に設けられ、光電変換が行われる受光部を含む。
また、1つの面に多層膜によりダイクロイックミラーが形成されており、受光部の上方に設けられた、ダイクロイックプリズムを含む。
さらに、ダイクロイックプリズムの下方で、かつ受光部上に配置された、カラーフィルタを含む。
そして、ダイクロイックプリズムは、複数個を1組として、複数個の組み合わせにより入射光を複数の波長帯域の光に分離して、それぞれの波長帯域の光を異なる画素の受光部に入射させる構成である。また、ダイクロイックミラーの反射面の向きが撮像領域の中央線に対称となるように配置されている。
The solid-state imaging device of the present invention includes a light receiving unit that is provided in each pixel and performs photoelectric conversion.
In addition, a dichroic mirror is formed by a multilayer film on one surface, and includes a dichroic prism provided above the light receiving unit.
Furthermore, a color filter is provided below the dichroic prism and on the light receiving unit.
The dichroic prism has a configuration in which a plurality of the dichroic prisms are separated into light of a plurality of wavelength bands by a plurality of combinations, and light of each wavelength band is incident on a light receiving unit of a different pixel. . Further, the reflecting surfaces of the dichroic mirrors are arranged so as to be symmetric with respect to the center line of the imaging region.

本発明の撮像装置は、入射光を集光する集光光学部と、固体撮像素子と、固体撮像素子で光電変換されて得られた信号を処理する信号処理部とを含み、固体撮像素子が、上述した本発明の固体撮像素子の構成であるものである。   The imaging device of the present invention includes a condensing optical unit that collects incident light, a solid-state imaging device, and a signal processing unit that processes a signal obtained by photoelectric conversion by the solid-state imaging device, and the solid-state imaging device The configuration of the solid-state imaging device of the present invention described above.

上述の本発明の固体撮像素子の構成によれば、ダイクロイックプリズムは、複数個を1組として、複数個の組み合わせにより入射光を複数の波長帯域の光に分離して、それぞれの波長帯域の光を異なる画素の受光部に入射させる構成である。これにより、カラーフィルタのみの分光方式と比較して、分光の際の光の損失を低減して、光の利用効率を高めることが可能になる。
そして、ダイクロイックミラーの反射面の向きが撮像領域の中央線に対称となるように配置されているので、中央線の両側の画素において、入射光の反射面への入射角度を中央線に対称とすることができる。これにより、斜めに入射した光に対する、中央線の両側の画素における分光特性の差異を抑制することが可能になり、分光特性の差異による色ムラの発生を抑制することが可能になる。
また、ダイクロイックプリズムの下方で、かつ受光部上に、カラーフィルタが配置されているので、ダイクロイックミラーの多層膜の製造時の公差によるばらつきや、入射角度の変化によって変化した分光特性を、カラーフィルタで補正することができる。これにより、画素の分光特性を揃えて、色純度を向上させることができる。また、多層膜の層数を低減しても、低減したことにより広がる透過帯域をカラーフィルタで補正することができるので、充分な色純度を実現することが可能になる。
According to the configuration of the above-described solid-state imaging device of the present invention, the dichroic prism separates incident light into light of a plurality of wavelength bands by combining a plurality of light beams into a plurality of wavelength bands, and light in each wavelength band. Is incident on the light receiving portions of different pixels. As a result, it is possible to reduce the loss of light at the time of spectroscopy and increase the light utilization efficiency as compared with the spectral method using only a color filter.
Since the direction of the reflection surface of the dichroic mirror is arranged so as to be symmetric with respect to the center line of the imaging region, the incident angle of the incident light to the reflection surface is symmetric with respect to the center line in the pixels on both sides of the center line. can do. This makes it possible to suppress the difference in spectral characteristics between pixels on both sides of the center line with respect to obliquely incident light, and to suppress the occurrence of color unevenness due to the difference in spectral characteristics.
In addition, since a color filter is arranged below the dichroic prism and on the light receiving section, the color filter can be used to display dispersion characteristics due to tolerances in the production of multilayer films of dichroic mirrors and spectral characteristics that have changed due to changes in incident angles. Can be corrected. Thereby, it is possible to improve the color purity by aligning the spectral characteristics of the pixels. Further, even if the number of layers of the multilayer film is reduced, the transmission band that is widened by the reduction can be corrected by the color filter, so that sufficient color purity can be realized.

上述の本発明の撮像装置の構成によれば、固体撮像素子が本発明の固体撮像素子の構成であるので、撮像される画像において、分光特性の差異による色ムラの発生を抑制し、色純度を向上させることができる。   According to the configuration of the imaging apparatus of the present invention described above, since the solid-state imaging device is the configuration of the solid-state imaging device of the present invention, the occurrence of color unevenness due to the difference in spectral characteristics is suppressed in the captured image, and the color purity Can be improved.

上述の本発明によれば、分光特性の差異による色ムラの発生を抑制することが可能になると共に、入射角度や製造公差により変形した分光特性をカラーフィルタにおいて補正して色純度を向上することが可能となる。
これにより、色再現性や入射角度依存性に優れた固体撮像素子を実現して、充分な色純度を有していて画質が良好である画像を得ることが可能になる。
According to the above-described present invention, it is possible to suppress the occurrence of color unevenness due to a difference in spectral characteristics, and to improve color purity by correcting spectral characteristics deformed due to an incident angle and manufacturing tolerances in a color filter. Is possible.
As a result, a solid-state imaging device excellent in color reproducibility and incident angle dependency can be realized, and an image having sufficient color purity and good image quality can be obtained.

また、本発明はダイクロイックプリズムとカラーフィルタを共に用いる分光方式を採用しているため、カラーフィルタのみの分光方式よりも、光の利用効率を高めることが可能である。
そして、カラーフィルタにも分光特性の制御の役割を持たせることにより、多層膜の層数を増やさなくとも、色純度を高めることができる。
In addition, since the present invention employs a spectroscopic method that uses both a dichroic prism and a color filter, it is possible to increase the light use efficiency as compared with a spectroscopic method using only a color filter.
Further, by giving the color filter the role of controlling the spectral characteristics, the color purity can be increased without increasing the number of layers of the multilayer film.

本発明の第1の実施の形態の固体撮像素子の概略構成図(3画素分の断面構造図)である。1 is a schematic configuration diagram (cross-sectional structure diagram for three pixels) of a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention. 図1の固体撮像素子の撮像領域の画素配置の平面図及びダイクロイックプリズムの配置図である。FIG. 2 is a plan view of a pixel arrangement in an imaging region of the solid-state imaging device of FIG. 1 and an arrangement diagram of a dichroic prism. 図2のダイクロイックプリズムの平面図である。It is a top view of the dichroic prism of FIG. 図1の固体撮像素子のマイクロレンズの配置の一形態の平面図である。It is a top view of one form of arrangement | positioning of the micro lens of the solid-state image sensor of FIG. 図1の固体撮像素子のマイクロレンズの配置の他の形態の平面図である。It is a top view of other forms of arrangement | positioning of the micro lens of the solid-state image sensor of FIG. 2×2正方画素配列の一形態の配列を示す図である。It is a figure which shows the arrangement | sequence of one form of 2x2 square pixel arrangement | sequence. A、B 本発明の第2の実施の形態の固体撮像素子の概略構成図(3画素分の断面構造図)である。FIGS. 4A and 4B are schematic configuration diagrams (cross-sectional structure diagram of three pixels) of a solid-state imaging device according to a second embodiment of the present invention. FIGS. 図7の固体撮像素子の撮像領域の画素配置の平面図及びダイクロイックプリズムの配置図である。FIG. 8 is a plan view of a pixel arrangement in an imaging region of the solid-state imaging device of FIG. 7 and an arrangement diagram of a dichroic prism. 図7の固体撮像素子のマイクロレンズの配置の一形態の平面図である。It is a top view of one form of arrangement | positioning of the micro lens of the solid-state image sensor of FIG. 図7の固体撮像素子のマイクロレンズの配置の他の形態の平面図である。It is a top view of other forms of arrangement | positioning of the micro lens of the solid-state image sensor of FIG. 本発明の第3の実施の形態の固体撮像素子の概略構成図(6画素分の断面構造図)である。It is a schematic block diagram (cross-section figure for 6 pixels) of the solid-state image sensor of the 3rd Embodiment of this invention. 図11の固体撮像素子の撮像領域の画素配置の平面図及びダイクロイックプリズムの配置図である。FIG. 12 is a plan view of a pixel arrangement in an imaging region of the solid-state imaging device of FIG. 11 and an arrangement diagram of a dichroic prism. 図11の固体撮像素子のマイクロレンズの配置の一形態の平面図である。It is a top view of one form of arrangement | positioning of the micro lens of the solid-state image sensor of FIG. 図11の固体撮像素子のマイクロレンズの配置の他の形態の平面図である。It is a top view of other forms of arrangement | positioning of the micro lens of the solid-state image sensor of FIG. 本発明の第4の実施の形態の撮像装置の概略構成図(ブロック図)である。It is a schematic block diagram (block diagram) of the imaging device of the 4th Embodiment of this invention. ダイクロイックプリズムの向きを画角中央に対称とした場合を示す図である。It is a figure which shows the case where the direction of a dichroic prism is made symmetrical with respect to the center of an angle of view. A、B 図16の構成で入射角が10度変化した場合の分光特性の変化を示す図である。A, B It is a figure which shows the change of the spectral characteristics when an incident angle changes 10 degree | times with the structure of FIG. 本発明の固体撮像素子の一形態の分光構造部を抜粋した断面図である。It is sectional drawing which extracted the spectral structure part of one form of the solid-state image sensor of this invention. A〜C 本発明におけるカラーフィルタによる分光特性の補正を説明する図である。A to C are diagrams illustrating correction of spectral characteristics by the color filter according to the present invention. A、B 赤の画素における、ダイクロイックプリズムとカラーフィルタとの組み合わせによる分光特性の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the spectral characteristics by the combination of a dichroic prism and a color filter in A and B red pixels. 撮像領域内でダイクロイックプリズムの向きを全て同一とした場合を示す図である。It is a figure which shows the case where all the directions of a dichroic prism are made the same within an imaging region. A、B 図21の構成で入射角が10度変化した場合の分光特性の変化を示す図である。A and B are diagrams showing changes in spectral characteristics when the incident angle changes by 10 degrees in the configuration of FIG.

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.第1の実施の形態(固体撮像素子)
3.第2の実施の形態(固体撮像素子)
4.第3の実施の形態(固体撮像素子)
5.第4の実施の形態(撮像装置)
Hereinafter, the best mode for carrying out the invention (hereinafter referred to as an embodiment) will be described.
The description will be given in the following order.
1. 1. Outline of the present invention First embodiment (solid-state imaging device)
3. Second embodiment (solid-state imaging device)
4). Third embodiment (solid-state imaging device)
5. Fourth embodiment (imaging apparatus)

<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、本発明の概要について説明する。
<1. Summary of the present invention>
First, an outline of the present invention will be described prior to description of specific embodiments of the present invention.

特許文献1や特許文献2に記載された構成のように、ダイクロイックプリズムの向きが撮像領域内で全て同一であると、分光特性が面内で非対称となる。
このことを、図21を参照して説明する。
ダイクロイックプリズムへの入射角は、固体撮像素子に垂直に入射したときに、ダイクロイックミラーに対して45度の入射角となる。
これに対して、図21に示すように、画角中央から左右に広がるように斜めに固体撮像素子に入射した場合、左側のダイクロイックプリズム51ではマイナス方向に入射角が変化し、右側のダイクロイックプリズム52ではプラス方向に入射角が変化する。
このときの分光特性を、図22A及び図22Bに示す。図22A及び図22Bにおいて、点線は45度の入射角のときの分光特性を示し、実線は入射角がそれぞれ−10度と+10度変化したときの分光特性を示している。
入射角がマイナス方向に振れると、図22Aに示すように、透過帯幅が広くなる傾向にある。
入射角がプラス方向に振れると、図22Bに示すように、透過帯幅が狭くなる傾向にある。
従って、ダイクロイックプリズムを、入射角がマイナスの方に振れるように配置した方が、図22Aに示すように、透過帯幅が広くなり、感度低下を防ぐことができる。
If the orientations of the dichroic prisms are all the same in the imaging region as in the configurations described in Patent Literature 1 and Patent Literature 2, the spectral characteristics are asymmetric in the plane.
This will be described with reference to FIG.
The incident angle to the dichroic prism is 45 degrees with respect to the dichroic mirror when vertically incident on the solid-state imaging device.
On the other hand, as shown in FIG. 21, when the light enters the solid-state imaging device obliquely so as to spread from the center of the angle of view to the left and right, the left dichroic prism 51 changes the incident angle in the minus direction, and the right dichroic prism. At 52, the incident angle changes in the plus direction.
The spectral characteristics at this time are shown in FIGS. 22A and 22B. 22A and 22B, dotted lines indicate spectral characteristics when the incident angle is 45 degrees, and solid lines indicate spectral characteristics when the incident angles change by -10 degrees and +10 degrees, respectively.
When the incident angle fluctuates in the minus direction, the transmission band width tends to become wide as shown in FIG. 22A.
When the incident angle fluctuates in the plus direction, the transmission band width tends to narrow as shown in FIG. 22B.
Therefore, when the dichroic prism is arranged so that the incident angle is swung toward the minus side, as shown in FIG. 22A, the transmission band width is widened, and a decrease in sensitivity can be prevented.

そこで、本発明では、ダイクロイックプリズムの向きが入射光の画角中央に対して対称になるように配置する。
即ち、ダイクロイックミラーの反射面の向きが、入射光の画角中央に対応する、撮像領域の中心線に対して対称となるように、各画素の受光部上のダイクロイックプリズムを配置する。
これにより、垂直に入射した光の入射角に対して、斜めに入射した光の入射角が変化する方向を、撮像領域の中心線の両側のダイクロイックプリズムにおいて揃えることができるので、撮像領域内の位置による分光特性の差を、小さく抑えることができる。
なお、本発明において、上述の「撮像領域」には、いわゆるオプティカルブラック画素のように、光が入射しない画素の領域は含まない。
Therefore, in the present invention, the dichroic prism is disposed so that the direction of the dichroic prism is symmetric with respect to the center of the field angle of the incident light.
That is, the dichroic prisms on the light receiving portions of the respective pixels are arranged so that the direction of the reflecting surface of the dichroic mirror is symmetric with respect to the center line of the imaging region corresponding to the center of the field angle of incident light.
As a result, the direction in which the incident angle of the obliquely incident light changes with respect to the incident angle of the vertically incident light can be aligned in the dichroic prisms on both sides of the center line of the imaging region. The difference in spectral characteristics depending on the position can be kept small.
In the present invention, the above-described “imaging region” does not include a pixel region where light is not incident, such as a so-called optical black pixel.

本発明において、ダイクロイックプリズムは、特許文献1及び特許文献2等の従来提案されている構成と同様に、複数個を1組として、複数個の組み合わせにより、入射光を複数の波長帯域(例えば、赤、緑、青の3つの波長帯域)に分離する構成とする。そして、分離したそれぞれの波長帯域の光を、異なる画素(例えば、赤の画素、緑の画素、青の画素)の受光部に入射させる。   In the present invention, the dichroic prism has a plurality of wavelength bands (for example, for example, incident light) by combining a plurality of dichroic prisms in the same manner as conventionally proposed configurations such as Patent Document 1 and Patent Document 2. The three wavelength bands (red, green, and blue) are separated. Then, the separated light of each wavelength band is made incident on the light receiving portions of different pixels (for example, a red pixel, a green pixel, and a blue pixel).

本発明において、さらに好ましくは、1組複数個のダイクロイックプリズムのうち、少なくとも入射光が最初に入射するダイクロイックプリズムの反射面が撮像領域の中心線の側を向くように配置する。このように配置すると、ダイクロイックプリズムの反射面への入射角が、固体撮像素子に垂直に入射した光(45度前後)よりも、固体撮像素子に斜めに入射した光の方が小さくなる。これにより、緑(G)の画素の受光部での分光特性の透過帯幅を広くすることができ、固体撮像素子に斜めに入射することによる感度の低下を防ぐことができる。
即ち、例えば図16に示すように、画角中央に対して、左側のダイクロイックプリズム41の入射面が右上を向き、右側のダイクロイックプリズム42の入射面が左上を向くように、配置する。
これにより、左右いずれの側のダイクロイックプリズム41,42でも、斜めの入射光にでは入射角がマイナス方向に振れるので、透過帯幅を広くすることができる。
このときの分光特性を、図17A及び図17Bに示す。図17A及び図17Bにおいて、点線は45度の入射角のときの分光特性を示し、実線は入射角がそれぞれ−10度と+10度変化したときの分光特性を示している。
図17A及び図17Bに示すように、左側も右側もいずれの側も、透過帯幅を広くすることができるので、感度低下を防ぐことができる。
In the present invention, it is more preferable that at least the reflecting surface of the dichroic prism on which incident light first enters among the plurality of sets of dichroic prisms is arranged to face the center line side of the imaging region. With this arrangement, the angle of incidence on the reflecting surface of the dichroic prism is smaller for light that is obliquely incident on the solid-state image sensor than for light that is vertically incident on the solid-state image sensor (around 45 degrees). Thereby, it is possible to widen the transmission band width of the spectral characteristics at the light receiving portion of the green (G) pixel, and it is possible to prevent a decrease in sensitivity due to oblique incidence on the solid-state imaging device.
That is, for example, as shown in FIG. 16, the left dichroic prism 41 is disposed so that the incident surface of the left dichroic prism 41 faces the upper right and the incident surface of the right dichroic prism 42 faces the upper left with respect to the center of the angle of view.
As a result, in both the left and right dichroic prisms 41 and 42, the incident angle fluctuates in the minus direction with respect to the oblique incident light, so that the transmission band width can be widened.
The spectral characteristics at this time are shown in FIGS. 17A and 17B. In FIG. 17A and FIG. 17B, the dotted line indicates the spectral characteristics when the incident angle is 45 degrees, and the solid line indicates the spectral characteristics when the incident angles change by −10 degrees and +10 degrees, respectively.
As shown in FIGS. 17A and 17B, the transmission band width can be widened on both the left side, the right side, and the right side, so that a decrease in sensitivity can be prevented.

なお、1組のダイクロイックプリズムの個数や、入射光が最初に入射するダイクロイックプリズム以外のダイクロイックプリズムの反射面の向きは、画素配列(画素の色の配列)に応じて、適宜選定する。
例えば、R,G,B3色をストライプ状に配置した画素配列に対しては、1組の個数を4個として上下2層に2個ずつ配置した構成や、1組の個数を3個として1層に3個配置した構成が考えられる。なお、1組の個数を4個として上下2層に2個ずつ配置した構成では、入射光が最初に入射する1個を含む上層の2個を、反射面が撮像領域の中心線の側を向くように配置する。また、1組の個数を3個として1層に3個配置した構成では、3個をいずれも反射面が撮像領域の中心線の側を向くように配置する。
また、例えば、縦2画素×横2画素の4画素の配列パターンを繰り返し配置した画素配列に対しては、1組4個を上下2層に2個ずつ配置して、下層の2個の反射面の向きが上層の2個の反射面の向きに対して90度異なるように配置した構成が考えられる。
Note that the number of a set of dichroic prisms and the direction of the reflecting surface of a dichroic prism other than the dichroic prism to which incident light first enters are appropriately selected according to the pixel arrangement (pixel color arrangement).
For example, for a pixel arrangement in which three colors of R, G, and B are arranged in a stripe shape, the number of one set is four and two are arranged in two upper and lower layers, or the number of one set is three. A configuration in which three are arranged in a layer is conceivable. In addition, in the configuration in which the number of one set is four and two are arranged in two upper and lower layers, two upper layers including the first incident light is incident, and the reflection surface is on the center line side of the imaging region. Arrange to face. Further, in a configuration in which the number of one set is three and three are arranged in one layer, all three are arranged so that the reflecting surface faces the center line side of the imaging region.
Also, for example, for a pixel array in which an array pattern of 4 pixels of 2 vertical pixels × 2 horizontal pixels is repeatedly arranged, one set of 4 elements is arranged in two layers in the upper and lower layers, and two reflections in the lower layer are arranged. A configuration may be considered in which the orientation of the surface is 90 degrees different from the orientation of the two upper reflective surfaces.

ダイクロイックプリズムに用いる多層膜ダイクロイックミラーは、例えば、誘電体であるTiO、Ta、SiO等の材料を用いて形成することができる。
また、多層膜ダイクロイックミラーは、蒸着法、IAD(Ion beam Assisted Deposition)法、スパッタリング法、CVD法等によって、成膜することが可能である。
The multilayer dichroic mirror used for the dichroic prism can be formed using a dielectric material such as TiO 2 , Ta 2 O 5 , or SiO 2 .
The multilayer dichroic mirror can be formed by vapor deposition, IAD (Ion beam Assisted Deposition), sputtering, CVD, or the like.

さらに本発明では、ダイクロイックミラーの分光特性を補正するために、ダイクロイックプリズムの下、かつ受光部の上に、カラーフィルタを設ける。
多層膜によるダイクロイックミラーは、ミラーへの入射角度や多層膜の製造時の公差によって分光特性が変化する。
本発明では、ダイクロイックプリズムの下に、かつ受光部の上に、カラーフィルタを配置したことにより、ダイクロイックミラーにおいて上述のように変化した分光特性を、カラーフィルタにより補正する。
分光特性をカラーフィルタによって補正するので、色純度を高めることができる。
色純度を高めるためには、ダイクロイックミラーの多層膜の層数を増やすことも考えられるが、カラーフィルタを併用することにより、多層膜の層数を増やすことなく色純度を高めることができる。
Furthermore, in the present invention, in order to correct the spectral characteristics of the dichroic mirror, a color filter is provided below the dichroic prism and above the light receiving unit.
The spectral characteristics of a dichroic mirror using a multilayer film vary depending on the angle of incidence on the mirror and tolerances in manufacturing the multilayer film.
In the present invention, since the color filter is arranged below the dichroic prism and above the light receiving unit, the spectral characteristics changed as described above in the dichroic mirror are corrected by the color filter.
Since the spectral characteristics are corrected by the color filter, the color purity can be increased.
In order to increase the color purity, it is conceivable to increase the number of layers of the multilayer film of the dichroic mirror. However, by using a color filter in combination, the color purity can be increased without increasing the number of layers of the multilayer film.

ここで、本発明の固体撮像素子の一形態の分光構造部を抜粋して、図18に断面図を示す。
図18では、左の青の画素の受光部1(B)と、中央の緑の画素の受光部1(G)と、右の赤の画素の受光部1(R)とを、1組として並べて示しており、これら3画素に対応する、カラーフィルタとダイクロイックプリズムを示している。
中央の緑の画素に配置されたダイクロイックプリズム11と、右の赤の画素に配置されたダイクロイックプリズム12とにより、上層の第1層のダイクロイックプリズム10が構成されている。これら上層の第1層のダイクロイックプリズム10(11,12)は、入射面が右上を向くように配置されている。
中央の緑の画素に配置されたダイクロイックプリズム21と、左の青の画素に配置されたダイクロイックプリズム22とにより、下層の第2層のダイクロイックプリズム20が構成されている。これら下層の第2層のダイクロイックプリズム20(21,22)は、入射面が左上を向くように配置されている。各ダイクロイックプリズム11,12,21,22の上面には、多層膜から成るダイクロイックミラー4A,4B,4C,4Dが設けられている。
受光部1の上には、カラーフィルタ2B,2G,2Rと、遮光材から成る画素間遮光部3が配置されている。画素間遮光部3は、隣接する2つの画素の間に設けられており、画素間遮光部3を設けることにより、光学的な混色成分を減らすことができる。
Here, a spectral structure part of one embodiment of the solid-state imaging device of the present invention is extracted and a cross-sectional view is shown in FIG.
In FIG. 18, the light receiving unit 1 (B) for the left blue pixel, the light receiving unit 1 (G) for the central green pixel, and the light receiving unit 1 (R) for the right red pixel are taken as one set. These are shown side by side, and color filters and dichroic prisms corresponding to these three pixels are shown.
The dichroic prism 11 disposed in the center green pixel and the dichroic prism 12 disposed in the right red pixel constitute a first layer dichroic prism 10. These upper dichroic prisms 10 (11, 12), which are the upper layers, are arranged so that the incident surfaces face the upper right.
A dichroic prism 21 arranged in the center green pixel and a dichroic prism 22 arranged in the left blue pixel constitute a second dichroic prism 20 in the lower layer. These lower second dichroic prisms 20 (21, 22) are arranged so that the incident surface faces the upper left. Dichroic mirrors 4A, 4B, 4C, and 4D made of a multilayer film are provided on the upper surfaces of the dichroic prisms 11, 12, 21, and 22.
On the light receiving portion 1, color filters 2B, 2G, 2R and an inter-pixel light shielding portion 3 made of a light shielding material are arranged. The inter-pixel light-shielding unit 3 is provided between two adjacent pixels. By providing the inter-pixel light-shielding unit 3, an optical color mixing component can be reduced.

上層の第1層のダイクロイックプリズム10(11,12)によって、緑Gと青Bの光は透過し、赤Rの光は反射されて赤Rの画素の受光部1(R)へ導かれる。即ち、ダイクロイックプリズム11のダイクロイックミラー4Aは、緑Gと青Bの光は透過し、赤Rの光は反射する特性を有しており、ダイクロイックプリズム12のダイクロイックミラー4Bは、赤Rの光を反射する特性を有する。
透過した緑Gと青Bの光は下層の第2層のダイクロイックプリズム20(21,22)によって、緑Gの光は透過し、青Bの光は反射され、それぞれの色の受光部1(G),1(B)に導かれる。即ち、ダイクロイックプリズム21のダイクロイックミラー4Cは、緑Gの光は透過し、青Bの光は反射する特性を有しており、ダイクロイックプリズム22のダイクロイックミラー4Dは、青Bの光を反射する特性を有する。
By the first dichroic prism 10 (11, 12) of the upper layer, the green G and blue B light is transmitted, the red R light is reflected and guided to the light receiving unit 1 (R) of the red R pixel. That is, the dichroic mirror 4A of the dichroic prism 11 has characteristics of transmitting green G and blue B light and reflecting red R light, and the dichroic mirror 4B of the dichroic prism 12 transmits red R light. It has the property of reflecting.
The transmitted green G and blue B light is transmitted by the lower dichroic prism 20 (21, 22) of the lower layer, the green G light is transmitted, the blue B light is reflected, and the light receiving unit 1 ( G), 1 (B). That is, the dichroic mirror 4C of the dichroic prism 21 has a characteristic of transmitting green G light and reflecting blue B light, and the dichroic mirror 4D of the dichroic prism 22 reflects blue B light. Have

なお、図18は、図16及び図17Aに示した画角中央の左側の画素の分光構造部を示している。
画角中央の右側の画素では、図18とは左右逆の配置とする。即ち、青Bの画素を緑Gの画素の右に配置し、赤Rの画素を緑Gの画素の左に配置する。そして、上層の第1層のダイクロイックプリズム10(11,12)の入射面を左上向きにして、下層の第2層のダイクロイックプリズム20(21,22)の入射面を右上向きにする。
FIG. 18 shows the spectral structure portion of the left pixel at the center of the angle of view shown in FIGS. 16 and 17A.
In the pixel on the right side of the center of the angle of view, the arrangement is opposite to that in FIG. That is, the blue B pixel is arranged to the right of the green G pixel, and the red R pixel is arranged to the left of the green G pixel. Then, the incident surface of the upper first dichroic prism 10 (11, 12) is directed to the upper left, and the incident surface of the lower second dichroic prism 20 (21, 22) is directed to the upper right.

通常、カラーフィルタは、単独で固体撮像素子の各画素の分光に使用されている。
これに対して、本発明においては、カラーフィルタ自身単独で分光を行うのではなく、カラーフィルタをダイクロイックプリズムと組み合わせて分光を行う。
Usually, the color filter is used alone for the spectroscopy of each pixel of the solid-state imaging device.
On the other hand, in the present invention, the color filter itself is not subjected to spectroscopy alone, but the color filter is coupled with a dichroic prism to perform spectroscopy.

ところで、通常の固体撮像素子のように、吸収型カラーフィルタを用いて分光を行うと、所望の色以外の色は吸収によって損失となってしまう。例えば、赤のカラーフィルタの場合、青と緑の波長帯は吸収し、赤の波長帯のみを透過するような分光特性を持っているため、入射してきた3原色の1/3しか利用することができない。
これに対して、ダイクロイックプリズムを用いた分光においては、入射光を3色に分割するため、理論的には損失を生じない。
By the way, when performing spectroscopy using an absorption color filter as in a normal solid-state imaging device, colors other than the desired color are lost due to absorption. For example, in the case of a red color filter, it has spectral characteristics such that the blue and green wavelength bands are absorbed and only the red wavelength band is transmitted. Therefore, only 1/3 of the three primary colors that are incident should be used. I can't.
On the other hand, in the spectroscopy using a dichroic prism, incident light is divided into three colors, so that theoretically no loss occurs.

本発明において、カラーフィルタは、ダイクロイックプリズムによって分光された光を、カラーフィルタの持つ分光特性で補正して、色純度を向上させるために設けられている。このことを、図19A〜図19Cを参照して説明する。
まず、上述したように、入射光が角度分布を持つ場合に、画角中央に対称にダイクロイックプリズムを配置することにより、分光特性の入射角依存性を対称にして、かつ、緑Gの光の透過帯域が広がるように、ダイクロイックプリズムの入射面を向ける。これにより、図19Aに示すように、緑Gの光の透過帯域が広がる。
カラーフィルタは、入射光角度が0度のとき(画角中央に対応する)の分光特性と同じになるように補正できる分光特性を持たせておく。例えば、図19Bに示すように、入射光角度が0度のときの透過帯域の透過率が高く、その前後の帯域の透過率が低くなっている分光特性を持たせる。
すると、ダイクロイックプリズムによる分光と吸収型カラーフィルタとの掛け合わせにより、図19Cに示すように、補正後の分光特性(実線)を、入射光角度が0度のときの分光特性(細線)に対して、同様の分光特性をすることができる。即ち、入射角依存性によって変化した分光特性を、画角中心と同様の分光特性を持たせるように補正することができるようになる。
In the present invention, the color filter is provided to improve the color purity by correcting the light dispersed by the dichroic prism with the spectral characteristics of the color filter. This will be described with reference to FIGS. 19A to 19C.
First, as described above, when the incident light has an angular distribution, the dichroic prism is arranged symmetrically at the center of the angle of view, so that the incident angle dependence of the spectral characteristics is symmetric, and the green G light The incident surface of the dichroic prism is directed so that the transmission band is widened. Thereby, as shown to FIG. 19A, the transmission band of the light of green G spreads.
The color filter has a spectral characteristic that can be corrected to be the same as the spectral characteristic when the incident light angle is 0 degrees (corresponding to the center of the angle of view). For example, as shown in FIG. 19B, a spectral characteristic is provided in which the transmittance of the transmission band is high when the incident light angle is 0 degrees, and the transmittance of the bands before and after that is low.
Then, by multiplying the spectrum by the dichroic prism and the absorption color filter, as shown in FIG. 19C, the corrected spectral characteristic (solid line) is compared with the spectral characteristic (thin line) when the incident light angle is 0 degree. Thus, the same spectral characteristics can be obtained. That is, it becomes possible to correct the spectral characteristic changed due to the incident angle dependency so as to have the same spectral characteristic as the center of the angle of view.

なお、本発明において、カラーフィルタの分光特性は、単独で分光させるものではないので、補正用に最適な分光特性を持てばよい。そのため、カラーフィルタの材料や分光特性は、通常の固体撮像素子に使用されているカラーフィルタの材料や分光特性と同じでなくても構わない。また、通常の固体撮像素子に使用されているカラーフィルタと比較して、薄い膜としても構わない。
吸収型カラーフィルタ単体で分光を行うと光量が1/3になってしまうが、本発明においては、ダイクロイックプリズムによる分光後の単色光をカラーフィルタで補正するため、入射角度によって変化した分のみが吸収されるので、吸収損失は少ない。
In the present invention, the spectral characteristics of the color filters are not those that cause the spectrum to be split separately, and it is only necessary to have optimal spectral characteristics for correction. For this reason, the material and spectral characteristics of the color filter may not be the same as the material and spectral characteristics of the color filter used in a normal solid-state imaging device. Further, a thin film may be used as compared with a color filter used in a normal solid-state image sensor.
If the absorption color filter alone is used, the amount of light will be reduced to 1/3. However, in the present invention, since the monochromatic light after the dichroic prism is spectrally corrected by the color filter, only the amount changed by the incident angle is obtained. Absorption loss is small because it is absorbed.

さらにまた、カラーフィルタを用いることにより、分光特性の入射角依存性を補正する他に、多層膜ダイクロイックミラーの層数の低減効果も期待できる。
このことを、赤Rの画素を例として、図20を参照して説明する。
Furthermore, the use of a color filter can be expected to reduce the number of layers of the multilayer dichroic mirror in addition to correcting the incident angle dependence of the spectral characteristics.
This will be described with reference to FIG. 20, taking a red R pixel as an example.

図20Aには、層数が多く十分な分光特性を有する、理想的なダイクロイックミラーと、少層数のダイクロイックミラーと、赤色のカラーフィルタ(厚さt=150nm、300nm)との、4つの構成の分光特性を並べて示している。
図20Aに示すように、理想的なダイクロイックミラーに比べ、少層数のダイクロイックミラーは、一般に傾斜がなだらかな分光となる。
ここで、少層数のダイクロイックミラーに赤色のカラーフィルタ(厚さt=150nm、300nm)を組み合わせると、図20Bに示す分光特性となる。図20Bからわかるように、少層数でのダイクロイックミラーにおいても、カラーフィルタを組み合わせれば、理想的なダイクロイックミラーの分光特性に近づけることが可能となる。
なお、カラーフィルタで吸収される光量損失は、カラーフィルタが厚いほど多くなる。
分光特性の向上と単独でカラーフィルタを用いる場合での光損失とを考慮すると、このカラーフィルタで吸収される光量損失よりも、分光特性の向上と光利用効率の向上の恩恵の方が大きい。即ち、トータルでは、カラーフィルタを組み合わせることで、高い効果が得られる。
FIG. 20A shows four configurations of an ideal dichroic mirror having a large number of layers and sufficient spectral characteristics, a dichroic mirror having a small number of layers, and a red color filter (thickness t = 150 nm, 300 nm). Are shown side by side.
As shown in FIG. 20A, a dichroic mirror with a small number of layers generally has a gentle spectrum compared to an ideal dichroic mirror.
Here, when a red color filter (thickness t = 150 nm, 300 nm) is combined with a small number of dichroic mirrors, the spectral characteristics shown in FIG. 20B are obtained. As can be seen from FIG. 20B, even a dichroic mirror with a small number of layers can be brought close to the spectral characteristics of an ideal dichroic mirror by combining color filters.
Note that the loss of light quantity absorbed by the color filter increases as the color filter becomes thicker.
Considering the improvement of the spectral characteristics and the light loss in the case of using a color filter alone, the benefits of the improvement of the spectral characteristics and the improvement of the light utilization efficiency are greater than the loss of light quantity absorbed by this color filter. That is, in total, a high effect can be obtained by combining color filters.

ダイクロイックミラー多層膜の分光とカラーフィルタとを併用することにより、色純度を向上させることができる。カラーフィルタのみで分光する構成と違い、ダイクロイックミラーによって色を分離した後に入射光が吸収されるので、光量ロスは少なく、余分な混色成分が吸収され、色純度向上が望める。
カラーフィルタにも分光の役割を持たせることで、多層膜ダイクロイックミラーの層数を減らしつつも分光特性を補正できる。そして、多層膜ダイクロイックミラーの層数を低減することにより、製造プロセスを簡素化することができる。
By using the spectrum of the dichroic mirror multilayer film and the color filter in combination, the color purity can be improved. Unlike the configuration in which the color filter is used alone, the incident light is absorbed after the colors are separated by the dichroic mirror, so that the loss of light amount is small, and the excess color mixture component is absorbed, so that the color purity can be improved.
By giving the color filter the role of spectroscopy, the spectral characteristics can be corrected while reducing the number of layers of the multilayer dichroic mirror. And the manufacturing process can be simplified by reducing the number of layers of the multilayer dichroic mirror.

なお、本発明において、カラーフィルタについては、前述したように、通常の固体撮像素子に使用されている吸収型カラーフィルタとは異なる材料から成る吸収型カラーフィルタを使用することも可能である。
また、吸収以外の原理により分光するカラーフィルタを使用することも可能である。例えば、ダイクロイックミラーにも使用されている多層膜の原理を用いて、特定の波長帯域を透過させて、他の波長帯域は反射させる、或いは、干渉により減衰させる構成のカラーフィルタが考えられる。
In the present invention, as described above, an absorption type color filter made of a material different from the absorption type color filter used in a normal solid-state imaging device can be used as the color filter.
It is also possible to use a color filter that diverges according to a principle other than absorption. For example, a color filter having a configuration in which a specific wavelength band is transmitted and another wavelength band is reflected or attenuated by interference using the principle of a multilayer film also used in a dichroic mirror can be considered.

<2.第1の実施の形態(固体撮像素子)>
本発明の第1の実施の形態の固体撮像素子の概略構成図を、図1〜図5に示す。
本実施の形態では、画素配列を、x方向にR/G/Bの3色を並べたストライプ画素配列とした場合である。
図1は3画素分の断面構造図を示し、図2は撮像領域の画素配置の平面図と、対応するダイクロイックプリズムの配置を示し、図3はダイクロイックプリズムの平面図を示す。また、図4はマイクロレンズの配置の一形態の平面図を示し、図5はマイクロレンズの配置の他の形態の平面図を示す。
<2. First Embodiment (Solid-State Imaging Device)>
1 to 5 show schematic configuration diagrams of a solid-state imaging device according to a first embodiment of the present invention.
In this embodiment, the pixel arrangement is a stripe pixel arrangement in which three colors of R / G / B are arranged in the x direction.
FIG. 1 shows a cross-sectional structure diagram for three pixels, FIG. 2 shows a plan view of the pixel arrangement in the imaging region, a corresponding dichroic prism arrangement, and FIG. 3 shows a plan view of the dichroic prism. 4 shows a plan view of one form of the arrangement of microlenses, and FIG. 5 shows a plan view of another form of the arrangement of microlenses.

本実施の形態の固体撮像素子は、図1に示すように、半導体層に形成されたフォトダイオードから成り、光電変換が行われる受光部1と、受光部1上に設けられたカラーフィルタ2B,2G,2Rとを有する。青の画素の受光部1(B)上には青のカラーフィルタ2Bが配置され、緑の画素の受光部1(G)上には緑のカラーフィルタ2Gが配置され、赤の画素の受光部1(R)上には赤のカラーフィルタ2Rが配置されている。
隣接する画素の境界付近には、受光部1上に遮光材から成る画素間遮光部3が形成されている。画素間遮光部3の遮光材としては、金属や合金の膜等を使用することができる。
カラーフィルタ2B,2G,2Rの上には、下層の第2層のダイクロイックプリズム20(21,22)と、上層の第1層のダイクロイックプリズム10(11,12)とが設けられている。それぞれのダイクロイックプリズム11,12,21,22において、光が入射する1つの面(上側の面)には、多層膜によるダイクロイックミラー4A,4B,4C,4Dが形成されている。即ち、1組4個のダイクロイックプリズム11,12,21,22の組み合わせによって、入射光を、赤、緑、青の3色の波長帯域に分離する構成である。
なお、受光部1、カラーフィルタ2B,2G,2R、ダイクロイックプリズム11,12,21,22の配置関係は、図18と同様になっている。
また、ダイクロイックプリズム11の真上に、入射した光を平行光にするコリメートレンズ5が設けられている。さらに、コリメートレンズ5の上方に、入射光を集束するマイクロレンズ6が設けられている。
As shown in FIG. 1, the solid-state imaging device according to the present embodiment is composed of a photodiode formed in a semiconductor layer, and includes a light receiving unit 1 that performs photoelectric conversion, and a color filter 2 </ b> B provided on the light receiving unit 1. 2G, 2R. A blue color filter 2B is disposed on the light receiving portion 1 (B) for the blue pixel, a green color filter 2G is disposed on the light receiving portion 1 (G) for the green pixel, and a light receiving portion for the red pixel. A red color filter 2R is arranged on 1 (R).
An inter-pixel light shielding portion 3 made of a light shielding material is formed on the light receiving portion 1 near the boundary between adjacent pixels. As the light shielding material of the inter-pixel light shielding unit 3, a metal or alloy film or the like can be used.
On the color filters 2B, 2G, and 2R, a lower second dichroic prism 20 (21, 22) and an upper first dichroic prism 10 (11, 12) are provided. In each of the dichroic prisms 11, 12, 21, and 22, dichroic mirrors 4A, 4B, 4C, and 4D formed of multilayer films are formed on one surface (upper surface) on which light is incident. That is, the configuration is such that incident light is separated into three wavelength bands of red, green, and blue by a combination of a set of four dichroic prisms 11, 12, 21, and 22.
The arrangement relationship among the light receiving unit 1, the color filters 2B, 2G, and 2R and the dichroic prisms 11, 12, 21, and 22 is the same as that shown in FIG.
Further, a collimating lens 5 that converts incident light into parallel light is provided directly above the dichroic prism 11. Further, a microlens 6 that focuses incident light is provided above the collimating lens 5.

ダイクロイックプリズム11,12,13,14は、従来公知の方法を用いて形成することができる。
例えば、特許文献1の図12に記載されているように、樹脂層をパターニング加工してプリズムの形状とした後に、エッチバックにより樹脂膜の下のプリズムの材料膜にプリズムの形状を転写する方法を用いることができる。
また例えば、エッチング等の半導体プロセスにより、プリズムの材料膜を直接加工して、プリズムの形状とすることも可能である。
プリズムの材料膜としては、例えば、SiO膜等の透明な酸化膜を使用することができる。
The dichroic prisms 11, 12, 13, and 14 can be formed using a conventionally known method.
For example, as described in FIG. 12 of Patent Document 1, after a resin layer is patterned to form a prism shape, the prism shape is transferred to a prism material film under the resin film by etch back. Can be used.
Further, for example, the prism material film may be directly processed into a prism shape by a semiconductor process such as etching.
As the material film of the prism, for example, a transparent oxide film such as a SiO 2 film can be used.

多層膜によるダイクロイックミラー4A,4B,4C,4Dは、例えば、誘電体であるTiO、Ta、SiO等の材料を用いて形成することができる。
また、多層膜によるダイクロイックミラー4A,4B,4C,4Dは、蒸着法、IAD(Ion beam Assisted Deposition)法、スパッタリング法、CVD法等によって、成膜することが可能である。
The dichroic mirrors 4A, 4B, 4C, and 4D using the multilayer film can be formed using, for example, a dielectric material such as TiO 2 , Ta 2 O 5 , or SiO 2 .
The dichroic mirrors 4A, 4B, 4C, and 4D using multilayer films can be formed by vapor deposition, IAD (Ion beam Assisted Deposition), sputtering, CVD, or the like.

本実施の形態の固体撮像素子において、入射光は、マイクロレンズ6により、R/G/Bの3画素分の光を、緑Gの画素の上部に集光させて、コリメートレンズ5により、平行光になるように屈折させる。
そして、第1層のダイクロイックプリズム10(11,12)によって、緑Gと青Bの光は透過し、赤Rの光は反射されて赤Rの画素の受光部1(R)へ導かれる。即ち、ダイクロイックプリズム11のダイクロイックミラー4Aは、緑Gと青Bの光は透過し、赤Rの光は反射する特性を有しており、ダイクロイックプリズム12のダイクロイックミラー4Bは、赤Rの光を反射する特性を有する。
さらに、透過した緑Gと青Bの光は、第2層のダイクロイックプリズム20(21,22)によって、緑Gは透過され、青Bは反射されて、それぞれの色の受光部1(G)と1(B)に導かれる。即ち、ダイクロイックプリズム21のダイクロイックミラー4Cは、緑Gの光は透過し、青Bの光は反射する特性を有しており、ダイクロイックプリズム22のダイクロイックミラー4Dは、青Bの光を反射する特性を有する。
In the solid-state imaging device of the present embodiment, incident light is collimated by collimating lens 5 by condensing light for three pixels of R / G / B on the upper side of green G pixel by micro lens 6. Refract to light.
The first layer dichroic prism 10 (11, 12) transmits green G and blue B light, reflects red R light, and guides it to the light receiving unit 1 (R) of the red R pixel. That is, the dichroic mirror 4A of the dichroic prism 11 has characteristics of transmitting green G and blue B light and reflecting red R light, and the dichroic mirror 4B of the dichroic prism 12 transmits red R light. It has the property of reflecting.
Further, the transmitted green G and blue B light is transmitted through the second layer dichroic prism 20 (21, 22), while green B is reflected, and blue B is reflected. And 1 (B). That is, the dichroic mirror 4C of the dichroic prism 21 has a characteristic of transmitting green G light and reflecting blue B light, and the dichroic mirror 4D of the dichroic prism 22 reflects blue B light. Have

なお、ダイクロイックミラー4Aとダイクロイックミラー4Bは、同一構成であっても構わない。また、ダイクロイックミラー4Cとダイクロイックミラー4Dも、同一構成であっても構わない。このように、ダイクロイックミラーを同一構成とすることにより、ダイクロイックミラーを画素毎に作り分ける必要がなく、第1層もしくは第2層の同じ層のダイクロイックミラーを1回の多層膜成膜プロセスで作製することができる。   The dichroic mirror 4A and the dichroic mirror 4B may have the same configuration. Further, the dichroic mirror 4C and the dichroic mirror 4D may have the same configuration. In this way, by using the same configuration of the dichroic mirror, there is no need to create a dichroic mirror for each pixel, and the same layer dichroic mirror of the first layer or the second layer is manufactured by a single multilayer film forming process. can do.

本実施の形態においては、図1に示す3画素分の分光構造を1ユニットとして、多数のユニットが固体撮像素子の撮像領域内に配置される。
そして、図2の平面図に示すように、y方向(所謂垂直方向)には、同じ色の画素をストライプ状に配置する。
一方、x方向(所謂水平方向)には、前述した画角中央に対応する、撮像領域の中央線Cに対称に、3色R,G,Bの画素を配置する。そして、ダイクロイックプリズム11,12,22,21の配置は、図2の上図に模式的に示すように、x方向は撮像領域の中央に対称に配置する。
なお、図2において、下図の平面図の3色R,G,Bの画素の位置と、上図のダイクロイックプリズム11,12,21,22の位置とは上下に対応しているわけではない。実際には、図1に示したように、ダイクロイックプリズム11及びダイクロイックプリズム21が緑Gの画素に配置され、ダイクロイックプリズム12が赤Rの画素に配置され、ダイクロイックプリズム22が青Bの画素に配置される。
In the present embodiment, the spectral structure for three pixels shown in FIG. 1 is regarded as one unit, and a large number of units are arranged in the imaging region of the solid-state imaging device.
Then, as shown in the plan view of FIG. 2, pixels of the same color are arranged in stripes in the y direction (so-called vertical direction).
On the other hand, in the x direction (so-called horizontal direction), pixels of three colors R, G, and B are arranged symmetrically with respect to the center line C of the imaging region corresponding to the above-described center of the angle of view. The dichroic prisms 11, 12, 22, and 21 are arranged symmetrically in the center of the imaging region in the x direction, as schematically shown in the upper diagram of FIG.
In FIG. 2, the positions of the three colors R, G, and B in the plan view in the lower diagram and the positions of the dichroic prisms 11, 12, 21, and 22 in the upper diagram do not correspond vertically. In practice, as shown in FIG. 1, the dichroic prism 11 and the dichroic prism 21 are arranged in the green G pixel, the dichroic prism 12 is arranged in the red R pixel, and the dichroic prism 22 is arranged in the blue B pixel. Is done.

1組4個のダイクロイックプリズム11,12,22,21の配置は、撮像領域の中央線Cの左側の画素では、図1と同じ向きになっており、中央線Cの右側の画素では、図1とは反対の向きとなっている。
そして、入射光が最初に入射するダイクロイックプリズム11を含む、上層の第1層のダイクロイックプリズム11,12は、ダイクロイックミラー4A,4Bの反射面が中央線Cの側に向くように配置されている。一方、下層の第2層のダイクロイックプリズム21,22は、ダイクロイックミラー4C,4Dの反射面が中央線Cとは反対の側に向くように配置されている。
なお、本実施の形態においては、同じ色の画素がy方向にストライプ状に配置されているので、ダイクロイックプリズム11,12,21,22は、y方向には画素ごとに分離する必要はない。
従って、図3の平面図に示すように、ダイクロイックプリズム11,12,21,22をy方向に連続した形状とすることも可能である。y方向に連続した形状とすることにより、ダイクロイックプリズムのy方向も画素ごとに分離した場合と比較して、ダイクロイックプリズム11,12,21,22の製造工程を簡略化して、より容易に製造することができる。
The arrangement of a set of four dichroic prisms 11, 12, 22, and 21 is the same as that in FIG. 1 for the pixels on the left side of the center line C in the imaging region. The direction is opposite to 1.
The upper dichroic prisms 11 and 12 including the dichroic prism 11 on which the incident light first enters are arranged so that the reflecting surfaces of the dichroic mirrors 4A and 4B are directed toward the center line C. . On the other hand, the lower dichroic prisms 21 and 22 of the second layer are arranged so that the reflecting surfaces of the dichroic mirrors 4C and 4D face the side opposite to the center line C.
In the present embodiment, since pixels of the same color are arranged in a stripe shape in the y direction, the dichroic prisms 11, 12, 21, and 22 do not need to be separated for each pixel in the y direction.
Therefore, as shown in the plan view of FIG. 3, the dichroic prisms 11, 12, 21, and 22 can be formed continuously in the y direction. By making the shape continuous in the y direction, the manufacturing process of the dichroic prisms 11, 12, 21, 22 is simplified and manufactured more easily than in the case where the y direction of the dichroic prism is also separated for each pixel. be able to.

また、1組4個のダイクロイックプリズム11,12,21,22のうち、光を反射させるだけで、光を透過させない、2つのダイクロイックプリズム12及び22には、ダイクロイックミラー4B,4Dの代わりに、単なる反射ミラーを用いても良い。例えば、金属膜(Al膜等)や合金膜から成る反射ミラーを使用することができる。   Of the four dichroic prisms 11, 12, 21, and 22 in the set, the two dichroic prisms 12 and 22 that only reflect light and do not transmit light are used instead of the dichroic mirrors 4B and 4D. A simple reflection mirror may be used. For example, a reflection mirror made of a metal film (Al film or the like) or an alloy film can be used.

次に、本実施の形態の固体撮像素子のマイクロレンズ6の配置の一形態を、図4に示す。図4に示す配置では、正方形の画素に対して、横3個の画素上に1個の横長のマイクロレンズ6が配置されている。マイクロレンズ6は、左から、青Bの画素、緑Gの画素、赤Rの画素、と並んだ3画素の上に配置されている。
なお、図4は、図2の撮像領域のうち、中央線Cの左側の画素のマイクロレンズ6の配置を示している。図2の撮像領域の中央線Cの右側の画素では、図4とは反対に、左から、赤Rの画素、緑Gの画素、青Bの画素、と並んだ3画素の上にマイクロレンズ6を配置する。
Next, one form of arrangement | positioning of the micro lens 6 of the solid-state image sensor of this Embodiment is shown in FIG. In the arrangement shown in FIG. 4, one horizontally long microlens 6 is arranged on three horizontal pixels with respect to a square pixel. The microlens 6 is arranged on the three pixels arranged in a blue B pixel, a green G pixel, and a red R pixel from the left.
4 shows the arrangement of the microlenses 6 of the pixels on the left side of the center line C in the imaging region of FIG. In the pixel on the right side of the center line C in the imaging region of FIG. 2, the microlens is placed on the three pixels lined up with the red R pixel, the green G pixel, and the blue B pixel from the left, contrary to FIG. 6 is arranged.

また、本実施の形態の固体撮像素子のマイクロレンズ6の配置の他の形態を、図5に示す。図5に示す配置では、縦が横の3倍の縦長の長方形の画素に対して、横3個の画素上に略正方形のマイクロレンズ6が配置されている。マイクロレンズ6は、左から、青Bの画素、緑Gの画素、赤Rの画素、と並んだ3画素の上に配置されている。
なお、図5は、図2の撮像領域のうち、中央線Cの左側の画素のマイクロレンズ6の配置を示している。図2の撮像領域の中央線Cの右側の画素では、図5とは反対に、左から、赤Rの画素、緑Gの画素、青Bの画素、と並んだ3画素の上にマイクロレンズ6を配置する。
FIG. 5 shows another form of arrangement of the microlenses 6 of the solid-state imaging device of the present embodiment. In the arrangement shown in FIG. 5, the substantially square microlenses 6 are arranged on three horizontal pixels with respect to a vertically long rectangular pixel that is three times as long as the horizontal. The microlens 6 is arranged on the three pixels arranged in a blue B pixel, a green G pixel, and a red R pixel from the left.
FIG. 5 shows the arrangement of the microlenses 6 of the pixels on the left side of the center line C in the imaging region of FIG. In the pixel on the right side of the center line C in the imaging region of FIG. 2, the microlens is placed on the three pixels lined up with the red R pixel, the green G pixel, and the blue B pixel from the left, contrary to FIG. 6 is arranged.

上述の本実施の形態の固体撮像素子の構成によれば、ダイクロイックプリズム11,12,21,22のダイクロイックミラー4A,4B,4C,4Dの反射面の向きが撮像領域の中央線Cに対称となるように配置されている。このため、中央線Cの両側の画素において、入射光の反射面への入射角度を中央線Cに対称とすることができる。これにより、斜めに入射した光に対する、中央線Cの両側の画素における分光特性の差異を抑制することが可能になり、分光特性の差異による色ムラの発生を抑制することが可能になる。   According to the configuration of the solid-state imaging device of the present embodiment described above, the orientation of the reflecting surfaces of the dichroic mirrors 4A, 4B, 4C, and 4D of the dichroic prisms 11, 12, 21, and 22 is symmetrical with respect to the center line C of the imaging region. It is arranged to be. For this reason, in the pixels on both sides of the center line C, the incident angle of the incident light on the reflecting surface can be made symmetric with respect to the center line C. Accordingly, it is possible to suppress the difference in spectral characteristics between the pixels on both sides of the center line C with respect to the obliquely incident light, and it is possible to suppress the occurrence of color unevenness due to the difference in spectral characteristics.

また、ダイクロイックプリズム11,12,21,22の下方で、受光部1の上に、カラーフィルタ2R,2G,2Bが配置されている。このため、ダイクロイックミラー4A,4B,4C,4Dの多層膜の製造時の公差によるばらつきや、入射角度の変化によって変化した分光特性を、カラーフィルタ2R,2G,2Bで補正することができる。これにより、画素の分光特性を揃えて、色純度を向上させることができる。また、多層膜の層数を低減しても、低減したことにより広がる透過帯域をカラーフィルタ2R,2G,2Bで補正することができるので、充分な色純度を実現することが可能になる。   Further, color filters 2R, 2G, and 2B are disposed on the light receiving unit 1 below the dichroic prisms 11, 12, 21, and 22. For this reason, the color filters 2R, 2G, and 2B can correct the dispersion due to tolerances at the time of manufacturing the multilayer film of the dichroic mirrors 4A, 4B, 4C, and 4D and the spectral characteristics changed due to the change in the incident angle. Thereby, it is possible to improve the color purity by aligning the spectral characteristics of the pixels. Further, even if the number of layers of the multilayer film is reduced, the transmission band widened by the reduction can be corrected by the color filters 2R, 2G, and 2B, so that sufficient color purity can be realized.

本実施の形態によれば、上述したように、分光特性の差異による色ムラの発生を抑制することが可能になると共に、入射角度や製造公差により変形した分光特性をカラーフィルタにおいて補正して色純度を向上することが可能となる。
これにより、色再現性や入射角度依存性に優れた固体撮像素子を実現することができ、充分な色純度を有していて画質が良好である画像を得ることが可能になる。
According to the present embodiment, as described above, it is possible to suppress the occurrence of color unevenness due to the difference in spectral characteristics, and the color characteristics deformed by the incident angle and manufacturing tolerances are corrected by the color filter. Purity can be improved.
As a result, a solid-state imaging device excellent in color reproducibility and incident angle dependency can be realized, and an image having sufficient color purity and good image quality can be obtained.

また、ダイクロイックプリズム11,12,21,22とカラーフィルタ2R,2G,2Bを共に用いる分光方式を採用しているため、カラーフィルタのみの分光方式よりも、光の利用効率を高めることが可能である。
そして、カラーフィルタにも分光特性の制御の役割を持たせることにより、ダイクロイックミラー4A,4B,4C,4Dの多層膜の層数を増やさなくとも、色純度を高めることができる。
Further, since the spectral method using both the dichroic prisms 11, 12, 21, and 22 and the color filters 2R, 2G, and 2B is adopted, it is possible to increase the light utilization efficiency compared to the spectral method using only the color filter. is there.
Further, by giving the color filter the role of controlling the spectral characteristics, the color purity can be increased without increasing the number of layers of the dichroic mirrors 4A, 4B, 4C, and 4D.

さらに、本実施の形態によれば、入射光が最初に入射するダイクロイックプリズム11を含む、上層の第1層のダイクロイックプリズム11,12が、ダイクロイックミラー4A,4Bの反射面が撮像領域の中央線Cの側に向くように配置されている。
これにより、固体撮像素子に斜めに光が入射したときに、中央線Cの両側の画素において共に、ダイクロイックプリズム11のダイクロイックミラー4Aにおける分光特性の変化を、透過帯幅が広くなるようにすることができる。
従って、固体撮像素子に斜めに入射することによる感度の低下を防ぐことができ、色純度と感度を向上することができる。
Furthermore, according to the present embodiment, the upper dichroic prisms 11 and 12 including the dichroic prism 11 on which the incident light is first incident, the reflecting surfaces of the dichroic mirrors 4A and 4B are center lines of the imaging region. It arrange | positions so that it may face the C side.
Thereby, when light is incident on the solid-state imaging device obliquely, the change in the spectral characteristics of the dichroic mirror 4A of the dichroic prism 11 is widened in both the pixels on the center line C so that the transmission band width is widened. Can do.
Accordingly, it is possible to prevent a decrease in sensitivity due to oblique incidence on the solid-state imaging device, and to improve color purity and sensitivity.

<3.第2の実施の形態(固体撮像素子)>
本発明の第2の実施の形態の固体撮像素子の概略構成図を、図6〜図10に示す。
本実施の形態は、画素配列を、2×2正方画素配列とした場合である。
図6は、本実施の形態で使用する、2×2正方画素配列の一形態の配列を示し、図7A及び図7Bは3画素分の断面構造図を示し、図8は撮像領域の画素配置の平面図と、対応するダイクロイックプリズムの配置を示す。また、図9はマイクロレンズの配置の一形態の平面図を示し、図10はマイクロレンズの配置の他の形態の平面図を示す。
<3. Second Embodiment (Solid-State Imaging Device)>
6 to 10 are schematic configuration diagrams of a solid-state imaging device according to the second embodiment of the present invention.
In the present embodiment, the pixel array is a 2 × 2 square pixel array.
6 shows an arrangement of one form of a 2 × 2 square pixel arrangement used in this embodiment, FIGS. 7A and 7B show cross-sectional structure diagrams of three pixels, and FIG. 8 shows a pixel arrangement of an imaging region. The top view of this and the arrangement | positioning of a corresponding dichroic prism are shown. FIG. 9 shows a plan view of one form of the arrangement of microlenses, and FIG. 10 shows a plan view of another form of the arrangement of microlenses.

本実施の形態の固体撮像素子は、図6に示す2×2正方画素配列を採用する。即ち、2×2の4画素を1ユニットとして、緑Gの画素の上下方向に青Bの画素を配置し、緑Gの画素の左右方向に赤Rの画素を配置し、残りの1画素は白Wの画素とする。この白Wの画素には、カラーフィルタは配置しない。   The solid-state imaging device of the present embodiment employs a 2 × 2 square pixel array shown in FIG. That is, with 2 × 2 4 pixels as one unit, a blue B pixel is arranged in the vertical direction of the green G pixel, a red R pixel is arranged in the horizontal direction of the green G pixel, and the remaining one pixel is A white W pixel is assumed. No color filter is disposed on the white W pixel.

図7Aの断面構造図は、図6の緑Gと青Bの各画素を通る、x−z平面における断面図を示している。図7Bの断面構造図は、図6の緑Gと赤Rの各画素を通る、y−z平面における断面図を示している。
図7A及び図7Bにおいて、配置されている部品は、第1の実施の形態の図1と同様であるが、上層の第1層のダイクロイックプリズム10(11,12)の向きと、下層の第2層のダイクロイックプリズム20(21,22)の向きとが、90度異なっている。
このようにダイクロイックプリズム11,12,21,22の向きが第1の実施の形態と異なっているが、3色の光のそれぞれが通過するダイクロイックプリズムは第1の実施の形態と同様である。即ち、第1層のダイクロイックプリズム10(11,12)によって、緑Gと青Bの光は透過し、赤Rの光は反射されて赤Rの画素の受光部1(R)へ導かれる。透過した緑Gと青Bの光は、第2層のダイクロイックプリズム20(21,22)によって、緑Gは透過され、青Bは反射されて、それぞれの色の受光部1(G)と1(B)に導かれる。即ち、1組4個のダイクロイックプリズム11,12,21,22の組み合わせによって、入射光を、赤、緑、青の3色の波長帯域に分離する構成である。
また、詳細を後述するように(図9及び図10を参照)、本実施の形態では、第1の実施の形態とはマイクロレンズ6の配置が異なる。そのため、図7A及び図7Bにおいて、マイクロレンズ6の大きさは、図1の3画素分に対して、中央の画素全体と左右の画素の約半分ずつの合計約2画素分となっている。
The cross-sectional structure diagram of FIG. 7A shows a cross-sectional view in the xz plane that passes through the green G and blue B pixels of FIG. The cross-sectional structure diagram of FIG. 7B shows a cross-sectional view in the yz plane that passes through the green G and red R pixels of FIG.
7A and 7B, the components arranged are the same as in FIG. 1 of the first embodiment, but the orientation of the upper dichroic prism 10 (11, 12) and the lower first The direction of the two-layer dichroic prism 20 (21, 22) is 90 degrees different.
As described above, the orientations of the dichroic prisms 11, 12, 21, and 22 are different from those of the first embodiment, but the dichroic prism through which each of the three colors of light passes is the same as that of the first embodiment. That is, the first layer dichroic prism 10 (11, 12) transmits green G and blue B light, reflects red R light, and guides it to the light receiving unit 1 (R) of the red R pixel. The transmitted green G and blue B light is transmitted by the second layer dichroic prism 20 (21, 22) and reflected by the blue B, so that the light receiving portions 1 (G) and 1 of the respective colors are transmitted. Guided to (B). That is, the configuration is such that incident light is separated into three wavelength bands of red, green, and blue by a combination of a set of four dichroic prisms 11, 12, 21, and 22.
Further, as will be described later in detail (see FIGS. 9 and 10), in the present embodiment, the arrangement of the microlenses 6 is different from that in the first embodiment. Therefore, in FIGS. 7A and 7B, the size of the microlens 6 is about 2 pixels in total, which is the entire center pixel and about half of the left and right pixels with respect to the 3 pixels of FIG.

本実施の形態においては、図6に示す2×2の4画素分の分光構造を1ユニットとして、多数のユニットが固体撮像素子の撮像領域内に配置される。
そして、図8の平面図に示すように、前述した画角中央に対応する、撮像領域の中央線C1,C2に対称になるように、2×2画素のユニットを配置する。即ち、x方向(所謂水平方向)では撮像領域の中央線C1に対称であり、y方向(所謂垂直方向)では撮像領域の中央線C2に対称である。
左上の領域は図6と同じ画素配置であり、右上、右下、左下の各領域では、撮像領域の中央線C1,C2に対称になるように図6の画素配置の左右又は上下を入れ替えている。即ち、4つの象限で互いに対称になるように配置されている。
なお、図8において、平面図の3色R,G,Bの画素の位置と、周囲のダイクロイックプリズム11,12,21,22の位置とは対応しているわけではない。実際には、図7A及び図7Bに示したように、ダイクロイックプリズム11及びダイクロイックプリズム21が緑Gの画素に配置され、ダイクロイックプリズム12が赤Rの画素に配置され、ダイクロイックプリズム22が青Bの画素に配置される。
In the present embodiment, a large number of units are arranged in the imaging region of the solid-state imaging device, with the 2 × 2 four-pixel spectral structure shown in FIG. 6 as one unit.
Then, as shown in the plan view of FIG. 8, the 2 × 2 pixel unit is arranged so as to be symmetric with respect to the center lines C1 and C2 of the imaging region corresponding to the above-described center of the angle of view. That is, it is symmetric with respect to the center line C1 of the imaging region in the x direction (so-called horizontal direction), and symmetric with respect to the center line C2 of the imaging region in the y direction (so-called vertical direction).
The upper left area has the same pixel arrangement as that in FIG. 6. In the upper right area, the lower right area, and the lower left area, the left and right or the upper and lower sides of the pixel arrangement in FIG. Yes. That is, they are arranged so as to be symmetrical with each other in the four quadrants.
In FIG. 8, the positions of the three colors R, G, and B in the plan view do not correspond to the positions of the surrounding dichroic prisms 11, 12, 21, and 22. Actually, as shown in FIGS. 7A and 7B, the dichroic prism 11 and the dichroic prism 21 are arranged in the green G pixel, the dichroic prism 12 is arranged in the red R pixel, and the dichroic prism 22 is blue B. Arranged in the pixel.

1組4個のダイクロイックプリズム11,12,22,21の配置は、撮像領域の中央線C1の左側の画素では、図7Bと同じ向きになっており、中央線C1の右側の画素では、図7Bとは反対の向きとなっている。また、中央線C2の下側の画素では、図7Aと同じ向きになっており、中央線C2の上側の画素では、図7Aとは反対の向きとなっている。
そして、入射光が最初に入射するダイクロイックプリズム11を含む、上層の第1層のダイクロイックプリズム11,12は、ダイクロイックミラー4A,4Bの反射面が中央線C1の側に向くように配置されている。下層の第2層のダイクロイックプリズム21,22は、ダイクロイックミラー4C,4Dの反射面が中央線C2の側を向くように配置されている。
The arrangement of a set of four dichroic prisms 11, 12, 22, and 21 is the same as that in FIG. 7B for the pixels on the left side of the center line C1 of the imaging region, and for the pixels on the right side of the center line C1, FIG. The direction is the opposite of 7B. Further, the pixels on the lower side of the center line C2 have the same orientation as FIG. 7A, and the pixels on the upper side of the center line C2 have the opposite orientation to FIG. 7A.
The upper dichroic prisms 11 and 12 including the dichroic prism 11 on which the incident light first enters are arranged so that the reflecting surfaces of the dichroic mirrors 4A and 4B face the center line C1. . The lower second dichroic prisms 21 and 22 are arranged such that the reflecting surfaces of the dichroic mirrors 4C and 4D face the center line C2.

なお、本実施の構成に対して、下層の第2層のダイクロイックプリズム21,22を、ダイクロイックミラー4C,4Dの反射面が中央線C2とは反対の側を向くように配置することも可能である。この配置とする場合には、画素配列を、図8に示した配列から、G及びRの行とB及びWの行とを逆にして、G及びRの行が中心線C2に隣接するように配置すればよい。   Note that it is also possible to dispose the lower dichroic prisms 21 and 22 in the second embodiment so that the reflecting surfaces of the dichroic mirrors 4C and 4D face the side opposite to the center line C2. is there. In the case of this arrangement, the G and R rows are adjacent to the center line C2 by reversing the G and R rows and the B and W rows from the arrangement shown in FIG. Should be arranged.

本実施の形態においては、同じ色の画素がストライプ状に形成されていないため、ダイクロイックプリズム11,12,21,22は、x方向及びy方向において、画素ごとに分離して形成する。   In the present embodiment, since pixels of the same color are not formed in stripes, the dichroic prisms 11, 12, 21, and 22 are formed separately for each pixel in the x direction and the y direction.

なお、1ユニットの4つのダイクロイックプリズム11,12,21,22のうち、光を反射させるだけで、光を透過させない、2つのダイクロイックプリズム12及び22には、ダイクロイックミラー4B,4Dの代わりに、単なる反射ミラーを用いても良い。例えば、金属膜(Al膜等)や合金膜から成る反射ミラーを使用することができる。   Of the four dichroic prisms 11, 12, 21, and 22 in one unit, the two dichroic prisms 12 and 22 that only reflect light and do not transmit light are used instead of the dichroic mirrors 4B and 4D. A simple reflection mirror may be used. For example, a reflection mirror made of a metal film (Al film or the like) or an alloy film can be used.

次に、本実施の形態の固体撮像素子のマイクロレンズ6の配置の一形態を、図9に示す。図9に示す配置では、緑Gの画素を中心として、左右の赤Rの画素の半分ずつと、前後の青Bの画素の半分ずつとにわたって、略正方形のマイクロレンズ6が配置されている。
この形態は、白Wの画素を撮像に使用しない場合のマイクロレンズ6の配置を示している。そのため、前後左右の4個のマイクロレンズ6が、白Wの画素上に集まっている。
この場合、緑Gの画素に集光させるので、白Wの画素への入射光はないため、白Wの画素には受光部を設ける必要がなく、赤・青・緑の3色の分光情報のみで信号処理を行うことができる。
なお、図9は、図8の撮像領域のうち、中央線C1と中央線C2で区切られた、左上の領域の画素のマイクロレンズ6の配置を示している。図8の撮像領域の、右上の領域、右下の領域、左下の領域では、それぞれ、マイクロレンズ6の下の画素の色の配置を、図8に対応して図9の配置から変更する。
Next, one form of arrangement | positioning of the micro lens 6 of the solid-state image sensor of this Embodiment is shown in FIG. In the arrangement shown in FIG. 9, the substantially square microlenses 6 are arranged with the green G pixel at the center and half of the left and right red R pixels and half of the front and rear blue B pixels.
This form shows the arrangement of the microlenses 6 when the white W pixels are not used for imaging. Therefore, the four front and rear microlenses 6 are gathered on the white W pixel.
In this case, since the light is focused on the green G pixel, there is no incident light on the white W pixel, and therefore no light receiving portion is required for the white W pixel, and spectral information of three colors of red, blue, and green Signal processing can be performed only with this.
FIG. 9 shows the arrangement of the microlenses 6 of the pixels in the upper left region, which is divided by the center line C1 and the center line C2, in the imaging region of FIG. In the upper right area, the lower right area, and the lower left area of the imaging area in FIG. 8, the color arrangement of the pixels under the microlens 6 is changed from the arrangement in FIG. 9 corresponding to FIG.

また、本実施の形態の固体撮像素子のマイクロレンズ6の配置の他の形態を、図10に示す。図10に示す配置では、緑Gの画素及び白Wの画素をそれぞれ中心として、略正方形のマイクロレンズ6を、対角線が前後左右方向になるように、斜めに配置している。
この形態は、白Wの画素を撮像に使用する場合のマイクロレンズ6の配置を示している。そのため、緑Gの画素及び白Wの画素をそれぞれ中心としてマイクロレンズ6が配置され、赤R及び青Bの画素の上にそれぞれ4個のマイクロレンズ6が集まっている。
この場合、緑Gの画素と白Wの画素とに集光させて、白の輝度情報と、赤・緑・青の分光情報とを、信号処理して、画像を出力する。図10の配置を図9の配置と比較すると、画素の大きさが同じであれば、空間解像度が高くなる。
なお、図10は、図8の撮像領域のうち、中央線C1と中央線C2で区切られた、左上の領域の画素のマイクロレンズ6の配置を示している。図8の撮像領域の、右上の領域、右下の領域、左下の領域では、それぞれ、マイクロレンズ6の下の画素の色の配置を、図8に対応して図10の配置から変更する。
FIG. 10 shows another form of arrangement of the microlenses 6 of the solid-state imaging device of the present embodiment. In the arrangement shown in FIG. 10, the substantially square microlenses 6 are arranged obliquely with the green G pixel and the white W pixel as the centers so that the diagonal line is in the front-rear and left-right directions.
This form shows the arrangement of the microlenses 6 when white W pixels are used for imaging. For this reason, the microlenses 6 are arranged around the green G pixel and the white W pixel, respectively, and four microlenses 6 are gathered on the red R and blue B pixels, respectively.
In this case, the light is condensed on the green G pixel and the white W pixel, and the white luminance information and the red / green / blue spectral information are signal-processed to output an image. When the arrangement of FIG. 10 is compared with the arrangement of FIG. 9, if the pixel size is the same, the spatial resolution is high.
FIG. 10 shows the arrangement of the microlenses 6 of the pixels in the upper left area divided by the center line C1 and the center line C2 in the imaging area of FIG. In the upper right area, the lower right area, and the lower left area of the imaging area in FIG. 8, the color arrangement of the pixels under the microlens 6 is changed from the arrangement in FIG. 10 corresponding to FIG.

上述の本実施の形態の固体撮像素子の構成によれば、ダイクロイックプリズム11,12,21,22のダイクロイックミラー4A,4B,4C,4Dの反射面の向きが撮像領域の中央線C1,C2に対称となるように配置されている。このため、中央線C1,C2の両側の画素において、入射光の反射面への入射角度を中央線C1,C2に対称とすることができる。これにより、斜めに入射した光に対する、中央線C1,C2の両側の画素における分光特性の差異を抑制することが可能になり、分光特性の差異による色ムラの発生を抑制することが可能になる。   According to the configuration of the solid-state imaging device of the present embodiment described above, the orientations of the reflecting surfaces of the dichroic mirrors 4A, 4B, 4C, and 4D of the dichroic prisms 11, 12, 21, and 22 are the center lines C1 and C2 of the imaging region. They are arranged symmetrically. For this reason, in the pixels on both sides of the center lines C1 and C2, the incident angle of the incident light on the reflecting surface can be made symmetric with respect to the center lines C1 and C2. Accordingly, it is possible to suppress the difference in spectral characteristics between the pixels on both sides of the center lines C1 and C2 with respect to the obliquely incident light, and it is possible to suppress the occurrence of color unevenness due to the difference in spectral characteristics. .

また、ダイクロイックプリズム11,12,21,22の下方で、受光部1の上に、カラーフィルタ2R,2G,2Bが配置されている。このため、ダイクロイックミラー4A,4B,4C,4Dの多層膜の製造時の公差によるばらつきや、入射角度の変化によって変化した分光特性を、カラーフィルタ2R,2G,2Bで補正することができる。これにより、画素の分光特性を揃えて、色純度を向上させることができる。また、多層膜の層数を低減しても、低減したことにより広がる透過帯域をカラーフィルタ2R,2G,2Bで補正することができるので、充分な色純度を実現することが可能になる。   Further, color filters 2R, 2G, and 2B are disposed on the light receiving unit 1 below the dichroic prisms 11, 12, 21, and 22. For this reason, the color filters 2R, 2G, and 2B can correct the dispersion due to tolerances at the time of manufacturing the multilayer film of the dichroic mirrors 4A, 4B, 4C, and 4D, and the spectral characteristics changed due to the change in the incident angle. Thereby, it is possible to improve the color purity by aligning the spectral characteristics of the pixels. Further, even if the number of layers of the multilayer film is reduced, the transmission band widened by the reduction can be corrected by the color filters 2R, 2G, and 2B, so that sufficient color purity can be realized.

本実施の形態によれば、上述したように、分光特性の差異による色ムラの発生を抑制することが可能になると共に、入射角度や製造公差により変形した分光特性をカラーフィルタにおいて補正して色純度を向上することが可能となる。
これにより、色再現性や入射角度依存性に優れた固体撮像素子を実現することができ、充分な色純度を有していて画質が良好である画像を得ることが可能になる。
According to the present embodiment, as described above, it is possible to suppress the occurrence of color unevenness due to the difference in spectral characteristics, and the color characteristics deformed by the incident angle and manufacturing tolerances are corrected by the color filter. Purity can be improved.
As a result, a solid-state imaging device excellent in color reproducibility and incident angle dependency can be realized, and an image having sufficient color purity and good image quality can be obtained.

また、ダイクロイックプリズム11,12,21,22とカラーフィルタ2R,2G,2Bを共に用いる分光方式を採用しているため、カラーフィルタのみの分光方式よりも、光の利用効率を高めることが可能である。
そして、カラーフィルタにも分光特性の制御の役割を持たせることにより、ダイクロイックミラー4A,4B,4C,4Dの多層膜の層数を増やさなくとも、色純度を高めることができる。
Further, since the spectral method using both the dichroic prisms 11, 12, 21, and 22 and the color filters 2R, 2G, and 2B is adopted, it is possible to increase the light utilization efficiency compared to the spectral method using only the color filter. is there.
Further, by giving the color filter the role of controlling the spectral characteristics, the color purity can be increased without increasing the number of layers of the dichroic mirrors 4A, 4B, 4C, and 4D.

さらに、本実施の形態によれば、入射光が最初に入射するダイクロイックプリズム11を含む、上層の第1層のダイクロイックプリズム11,12が、ダイクロイックミラー4A,4Bの反射面が撮像領域の中央線C1の側に向くように配置されている。
これにより、固体撮像素子に斜めに光が入射したときに、中央線C1の両側の画素において共に、ダイクロイックプリズム11のダイクロイックミラー4Aにおける分光特性の変化を、透過帯幅が広くなるようにすることができる。
従って、固体撮像素子に斜めに入射することによる感度の低下を防ぐことができ、色純度と感度を向上することができる。
Furthermore, according to the present embodiment, the upper dichroic prisms 11 and 12 including the dichroic prism 11 on which the incident light is first incident, the reflecting surfaces of the dichroic mirrors 4A and 4B are center lines of the imaging region. It arrange | positions so that it may face the C1 side.
As a result, when light is incident on the solid-state imaging device obliquely, the change in the spectral characteristics of the dichroic mirror 4A of the dichroic prism 11 is widened in both pixels on the center line C1. Can do.
Accordingly, it is possible to prevent a decrease in sensitivity due to oblique incidence on the solid-state imaging device, and to improve color purity and sensitivity.

<4.第3の実施の形態(固体撮像素子)>
本発明の第3の実施の形態の固体撮像素子の概略構成図を、図11〜図14に示す。
本実施の形態は、画素配列はx方向にR/G/Bの3色を並べたストライプ画素配列として、かつ、単層のダイクロイックプリズムで分光する場合である。
図11は6画素分の断面構造図を示し、図12は撮像領域の画素配置の平面図と、対応するダイクロイックプリズムの配置を示す。また、図13はマイクロレンズの配置の一形態の平面図を示し、図14はマイクロレンズの配置の他の形態の平面図を示す。
<4. Third Embodiment (Solid-State Imaging Device)>
The schematic block diagram of the solid-state image sensor of the 3rd Embodiment of this invention is shown in FIGS.
In the present embodiment, the pixel array is a stripe pixel array in which three colors of R / G / B are arranged in the x direction and the spectrum is split by a single layer dichroic prism.
FIG. 11 shows a cross-sectional structure diagram for six pixels, and FIG. 12 shows a plan view of the pixel arrangement in the imaging region and the arrangement of the corresponding dichroic prism. 13 shows a plan view of one form of the arrangement of microlenses, and FIG. 14 shows a plan view of another form of the arrangement of microlenses.

本実施の形態の固体撮像素子は、図11に示すように、カラーフィルタ2B,2G,2Rの上に、同じ層に配置された3個のダイクロイックプリズム13,14,15が設けられている。それぞれのダイクロイックプリズム13,14,15において、光が入射する表面には、多層膜によるダイクロイックミラー4E,4F,4Gが形成されている。
本実施の形態の固体撮像素子において、図11中の太線で記載した枠が基本ユニットとなっている。基本ユニットの1組3個のダイクロイックプリズム13,14,15及びその下の3画素は、x方向に並べて配置される。
As shown in FIG. 11, the solid-state imaging device of the present embodiment is provided with three dichroic prisms 13, 14, and 15 arranged in the same layer on the color filters 2B, 2G, and 2R. In each of the dichroic prisms 13, 14, and 15, dichroic mirrors 4E, 4F, and 4G made of multilayer films are formed on the surface on which light is incident.
In the solid-state imaging device according to the present embodiment, a frame indicated by a bold line in FIG. 11 is a basic unit. A set of three dichroic prisms 13, 14, 15 and three pixels below the basic unit are arranged side by side in the x direction.

本実施の形態の固体撮像素子において、入射光は、マイクロレンズ6により、R/G/Bの3画素分の光を、緑Gの画素の上部に集光させて、コリメートレンズ5により、平行光になるように屈折させる。
そして、緑Gの画素に配置されたダイクロイックプリズム13によって、青B及び赤Rの光は反射され、緑Gの光は透過して緑Gの画素の受光部1(G)へ導かれる。即ち、ダイクロイックプリズム13のダイクロイックミラー4Eは、緑Gの光は透過し、青B及び赤Rの光は反射する特性を有する。
次に、青Bの画素に配置されたダイクロイックプリズム14によって、赤Rの光は透過され、青Bの光は反射して青Bの画素の受光部1(B)へ導かれる。即ち、ダイクロイックプリズム14のダイクロイックミラー4Fは、青Bの光は反射し、赤Rの光は透過する特性を有する。
さらに、赤Rの画素に配置されたダイクロイックプリズム15によって、赤Rの光が反射されて赤Rの画素の受光部1(R)へ導かれる。即ち、ダイクロイックプリズム15のダイクロイックミラー4Gは、赤Rの光を反射する特性を有する。
In the solid-state imaging device of the present embodiment, incident light is collimated by collimating lens 5 by condensing light for three pixels of R / G / B on the upper side of green G pixel by micro lens 6. Refract to light.
The blue B and red R light is reflected by the dichroic prism 13 disposed in the green G pixel, and the green G light is transmitted and guided to the light receiving unit 1 (G) of the green G pixel. That is, the dichroic mirror 4E of the dichroic prism 13 has a characteristic of transmitting green G light and reflecting blue B and red R light.
Next, the red R light is transmitted by the dichroic prism 14 arranged in the blue B pixel, and the blue B light is reflected and guided to the light receiving unit 1 (B) of the blue B pixel. That is, the dichroic mirror 4F of the dichroic prism 14 has a characteristic of reflecting blue B light and transmitting red R light.
Further, the dichroic prism 15 disposed in the red R pixel reflects the red R light and guides it to the light receiving unit 1 (R) of the red R pixel. That is, the dichroic mirror 4G of the dichroic prism 15 has a characteristic of reflecting red R light.

本実施の形態においては、図11に太線の枠で示した3画素分の分光構造を1ユニットとして、多数のユニットが固体撮像素子の撮像領域内に配置される。
そして、図12の平面図に示すように、y方向(所謂垂直方向)には、同じ色の画素をストライプ状に配置する。x方向(所謂水平方向)には、前述した画角中央に対応する、撮像領域の中央線Cに対称に、3色R,G,Bの画素を配置する。これらの点は第1の実施の形態と同様である。
ただし、図1と図11の断面構造図を比較してもわかるように、3色R,G,Bの画素の配置の順番が異なっており、図2及び図12の平面図でも3色R,G,Bの画素の配置の順番が異なっている。
ダイクロイックプリズム13,14,15の配置は、図12の上図に模式的に示すように、x方向において撮像領域の中央線Cに対称となるように配置する。
なお、図12において、下図の平面図の3色R,G,Bの画素の位置と、上図のダイクロイックプリズム13,14,15の位置とは上下に対応しているわけではない。実際には、図11に示したように、ダイクロイックプリズム13が緑Gの画素に配置され、ダイクロイックプリズム14が青Bの画素に配置され、ダイクロイックプリズム15が赤Rの画素に配置される。
In this embodiment, a large number of units are arranged in the imaging region of the solid-state imaging device, with the spectral structure for three pixels indicated by the bold frame in FIG. 11 as one unit.
Then, as shown in the plan view of FIG. 12, pixels of the same color are arranged in stripes in the y direction (so-called vertical direction). In the x direction (so-called horizontal direction), pixels of three colors R, G, and B are arranged symmetrically with respect to the center line C of the imaging region corresponding to the above-described center of the angle of view. These points are the same as in the first embodiment.
However, as can be seen by comparing the cross-sectional structure diagrams of FIG. 1 and FIG. 11, the arrangement order of the pixels of the three colors R, G, B is different, and the three-color R is also shown in the plan views of FIGS. , G, B pixels are arranged in a different order.
The dichroic prisms 13, 14, and 15 are arranged so as to be symmetric with respect to the center line C of the imaging region in the x direction, as schematically shown in the upper diagram of FIG.
In FIG. 12, the positions of the three color R, G, and B pixels in the plan view in the lower diagram and the positions of the dichroic prisms 13, 14, and 15 in the upper diagram do not correspond vertically. In practice, as shown in FIG. 11, the dichroic prism 13 is arranged in the green G pixel, the dichroic prism 14 is arranged in the blue B pixel, and the dichroic prism 15 is arranged in the red R pixel.

1組3個のダイクロイックプリズム13,14,15の配置は、撮像領域の中央線Cの左側の画素では、図11と同じ向きになっており、中央線Cの右側の画素では、図11とは反対の向きとなっている。
そして、入射光が最初に入射するダイクロイックプリズム13を含む、1組3個のダイクロイックプリズム13,14,15は、ダイクロイックミラー4D,4E,4Fの反射面が中央線Cの側に向くように配置されている。
The arrangement of a set of three dichroic prisms 13, 14, and 15 is the same as that of FIG. 11 for the pixels on the left side of the center line C in the imaging region, and for the pixels on the right side of the center line C, FIG. Is in the opposite direction.
A set of three dichroic prisms 13, 14, and 15 including the dichroic prism 13 on which incident light first enters are arranged so that the reflecting surfaces of the dichroic mirrors 4 D, 4 E, and 4 F are directed toward the center line C. Has been.

本実施の形態においては、同じ色の画素がy方向にストライプ状に配置されているので、ダイクロイックプリズム13,14,15は、y方向には画素ごとに分離する必要はない。
従って、第1の実施の形態の図3と同様に、ダイクロイックプリズム13,14,15をy方向に連続した形状とすることができる。これにより、ダイクロイックプリズムのy方向も画素ごとに分離した場合と比較して、ダイクロイックプリズム13,14,15の製造工程を簡略化して、より容易に製造することができる。
In the present embodiment, since pixels of the same color are arranged in a stripe shape in the y direction, the dichroic prisms 13, 14, and 15 do not need to be separated for each pixel in the y direction.
Therefore, similarly to FIG. 3 of the first embodiment, the dichroic prisms 13, 14, and 15 can be formed in a continuous shape in the y direction. Thereby, compared with the case where the y direction of the dichroic prism is also separated for each pixel, the manufacturing process of the dichroic prisms 13, 14, and 15 can be simplified and manufactured more easily.

なお、1組3個のダイクロイックプリズム13,14,15のうち、光を反射させるだけで、光を透過させない、ダイクロイックプリズム15には、ダイクロイックミラー4Fの代わりに、単なる反射ミラーを用いても良い。例えば、金属膜(Al膜等)や合金膜から成る反射ミラーを使用することができる。   Of the set of three dichroic prisms 13, 14, and 15, the dichroic prism 15 that only reflects light and does not transmit light may use a simple reflecting mirror instead of the dichroic mirror 4F. . For example, a reflection mirror made of a metal film (Al film or the like) or an alloy film can be used.

次に、本実施の形態の固体撮像素子のマイクロレンズ6の配置の一形態を、図13に示す。図13に示す配置では、画素とマイクロレンズ6の形状は図4と同じであるが、画素の色の配列の順番とマイクロレンズ6の位置とが図4とは異なっている。マイクロレンズ6は、左から、赤Rの画素、緑Gの画素、青Bの画素、と並んだ3画素の上に配置されている。画素の配置は、図12の中央線Cの左側に示すように、左から緑G、青B、赤Rと配置されているので、マイクロレンズ6の位置が1画素分左にずれている。
なお、図13は、図12の撮像領域のうち、中央線Cの左側の画素のマイクロレンズ6の配置を示している。図12の撮像領域の中央線Cの右側の画素では、図13とは反対に、左から、青Bの画素、緑Gの画素、赤Rの画素、と並んだ3画素の上にマイクロレンズ6を配置する。また、マイクロレンズ6の位置は1画素分右にずらす。
このようにマイクロレンズ6を配置することから、図12の撮像領域のうち、中央線Cの左右1列ずつの赤Rの画素では、上にマイクロレンズ6がなくても構わない。
Next, FIG. 13 shows one form of arrangement of the microlenses 6 of the solid-state imaging device of the present embodiment. In the arrangement shown in FIG. 13, the shapes of the pixels and the microlenses 6 are the same as those in FIG. 4, but the order of arrangement of the pixel colors and the positions of the microlenses 6 are different from those in FIG. 4. The microlens 6 is arranged on three pixels arranged in a row from the left, a red R pixel, a green G pixel, and a blue B pixel. As shown on the left side of the center line C in FIG. 12, the pixels are arranged in green G, blue B, and red R from the left, so that the position of the micro lens 6 is shifted to the left by one pixel.
FIG. 13 shows the arrangement of the microlenses 6 of the pixels on the left side of the center line C in the imaging region of FIG. In the pixel on the right side of the center line C of the imaging region in FIG. 12, the microlens is placed on the three pixels arranged in the order of the blue B pixel, the green G pixel, and the red R pixel from the left, contrary to FIG. 6 is arranged. Further, the position of the micro lens 6 is shifted to the right by one pixel.
Since the microlenses 6 are arranged in this way, in the imaging region of FIG. 12, the red R pixels in the left and right columns of the center line C may not have the microlenses 6 on the upper side.

また、本実施の形態の固体撮像素子のマイクロレンズ6の配置の他の形態を、図14に示す。図14に示す配置では、画素とマイクロレンズ6の形状は図5と同じであるが、画素の色の配列の順番とマイクロレンズ6の位置とが図5とは異なっている。マイクロレンズ6は、左から、赤Rの画素、緑Gの画素、青Bの画素、と並んだ3画素の上に配置されている。画素の配置は、図12の中央線Cの左側に示すように、左から緑G、青B、赤Rと配置されているので、マイクロレンズ6の位置が1画素分左にずれている。
なお、図14は、図12の撮像領域のうち、中央線Cの左側の画素のマイクロレンズ6の配置を示している。図12の撮像領域の中央線Cの右側の画素では、図14とは反対に、左から、青Bの画素、緑Gの画素、赤Rの画素、と並んだ3画素の上にマイクロレンズ6を配置する。また、マイクロレンズ6の位置は1画素分右にずらす。
このようにマイクロレンズ6を配置することから、図12の撮像領域のうち、中央線Cの左右1列ずつの赤Rの画素では、上にマイクロレンズ6がなくても構わない。
FIG. 14 shows another form of arrangement of the microlenses 6 of the solid-state imaging device of the present embodiment. In the arrangement shown in FIG. 14, the shapes of the pixels and the microlenses 6 are the same as those in FIG. 5, but the order of arrangement of the pixel colors and the positions of the microlenses 6 are different from those in FIG. 5. The microlens 6 is arranged on three pixels arranged in a row from the left, a red R pixel, a green G pixel, and a blue B pixel. As shown on the left side of the center line C in FIG. 12, the pixels are arranged in green G, blue B, and red R from the left, so that the position of the micro lens 6 is shifted to the left by one pixel.
14 shows the arrangement of the microlenses 6 of the pixels on the left side of the center line C in the imaging region of FIG. In the pixel on the right side of the center line C in the imaging region of FIG. 12, the microlens is placed on the three pixels arranged in the order of the blue B pixel, the green G pixel, and the red R pixel from the left, contrary to FIG. 6 is arranged. Further, the position of the micro lens 6 is shifted to the right by one pixel.
Since the microlenses 6 are arranged in this way, in the imaging region of FIG. 12, the red R pixels in the left and right columns of the center line C may not have the microlenses 6 on the upper side.

その他の構成は、図1〜図3に示した第1の実施の形態と同様であるので、重複説明を省略する。   Other configurations are the same as those of the first embodiment shown in FIGS.

上述の本実施の形態の固体撮像素子の構成によれば、ダイクロイックプリズム13,14,15のダイクロイックミラー4E,4F,4Gの反射面の向きが撮像領域の中央線Cに対称となるように配置されている。このため、中央線Cの両側の画素において、入射光の反射面への入射角度を中央線Cに対称とすることができる。これにより、斜めに入射した光に対する、中央線Cの両側の画素における分光特性の差異を抑制することが可能になり、分光特性の差異による色ムラの発生を抑制することが可能になる。   According to the configuration of the solid-state imaging device of the present embodiment described above, the dichroic mirrors 4E, 4F, and 4G of the dichroic prisms 13, 14, and 15 are arranged so that the reflection surfaces thereof are symmetrical with respect to the center line C of the imaging region. Has been. For this reason, in the pixels on both sides of the center line C, the incident angle of the incident light on the reflecting surface can be made symmetric with respect to the center line C. Accordingly, it is possible to suppress the difference in spectral characteristics between the pixels on both sides of the center line C with respect to the obliquely incident light, and it is possible to suppress the occurrence of color unevenness due to the difference in spectral characteristics.

また、ダイクロイックプリズム13,14,15の下方で、受光部1の上に、カラーフィルタ2R,2G,2Bが配置されている。このため、ダイクロイックミラー4E,4F,4Gの多層膜の製造時の公差によるばらつきや、入射角度の変化によって変化した分光特性を、カラーフィルタ2R,2G,2Bで補正することができる。これにより、画素の分光特性を揃えて、色純度を向上させることができる。また、多層膜の層数を低減しても、低減したことにより広がる透過帯域をカラーフィルタ2R,2G,2Bで補正することができるので、充分な色純度を実現することが可能になる。   In addition, color filters 2R, 2G, and 2B are disposed on the light receiving unit 1 below the dichroic prisms 13, 14, and 15, respectively. Therefore, the color filters 2R, 2G, and 2B can correct the dispersion due to tolerance at the time of manufacturing the multilayer film of the dichroic mirrors 4E, 4F, and 4G, and the spectral characteristics changed due to the change in the incident angle. Thereby, it is possible to improve the color purity by aligning the spectral characteristics of the pixels. Further, even if the number of layers of the multilayer film is reduced, the transmission band widened by the reduction can be corrected by the color filters 2R, 2G, and 2B, so that sufficient color purity can be realized.

本実施の形態によれば、上述したように、分光特性の差異による色ムラの発生を抑制することが可能になると共に、入射角度や製造公差により変形した分光特性をカラーフィルタにおいて補正して色純度を向上することが可能となる。
これにより、色再現性や入射角度依存性に優れた固体撮像素子を実現することができ、充分な色純度を有していて画質が良好である画像を得ることが可能になる。
According to the present embodiment, as described above, it is possible to suppress the occurrence of color unevenness due to the difference in spectral characteristics, and the color characteristics deformed by the incident angle and manufacturing tolerances are corrected by the color filter. Purity can be improved.
As a result, a solid-state imaging device excellent in color reproducibility and incident angle dependency can be realized, and an image having sufficient color purity and good image quality can be obtained.

また、ダイクロイックプリズム13,14,15とカラーフィルタ2R,2G,2Bを共に用いる分光方式を採用しているため、カラーフィルタのみの分光方式よりも、光の利用効率を高めることが可能である。
そして、カラーフィルタにも分光特性の制御の役割を持たせることにより、ダイクロイックミラー4E,4F,4Gの多層膜の層数を増やさなくとも、色純度を高めることができる。
In addition, since the spectral method using both the dichroic prisms 13, 14, and 15 and the color filters 2R, 2G, and 2B is employed, it is possible to increase the light use efficiency as compared with the spectral method using only the color filter.
By giving the color filter the role of controlling the spectral characteristics, the color purity can be increased without increasing the number of layers of the dichroic mirrors 4E, 4F, 4G.

さらに、本実施の形態によれば、入射光が最初に入射するダイクロイックプリズム13を含む、1組3個のダイクロイックプリズム13,14,15が、ダイクロイックミラー4D,4E,4Fの反射面が撮像領域の中央線Cの側に向くように配置されている。
これにより、固体撮像素子に斜めに光が入射したときに、中央線Cの両側の画素において共に、ダイクロイックプリズム13のダイクロイックミラー4Dにおける分光特性の変化を、透過帯幅が広くなるようにすることができる。
従って、固体撮像素子に斜めに入射することによる感度の低下を防ぐことができ、色純度と感度を向上することができる。
Furthermore, according to the present embodiment, a set of three dichroic prisms 13, 14, and 15 including the dichroic prism 13 on which incident light is first incident, the reflecting surfaces of the dichroic mirrors 4 </ b> D, 4 </ b> E, and 4 </ b> F are imaging regions. It is arrange | positioned so that it may face to the center line C side.
Thereby, when light is incident on the solid-state imaging device obliquely, the change in the spectral characteristics of the dichroic mirror 4D of the dichroic prism 13 is increased in the pixels on both sides of the center line C so that the transmission band width is widened. Can do.
Accordingly, it is possible to prevent a decrease in sensitivity due to oblique incidence on the solid-state imaging device, and to improve color purity and sensitivity.

さらにまた、本実施の形態では、ダイクロイックミラー13,14,15を1層のみに配置しているので、第1の実施の形態や第2の実施の形態の構成と比較して、受光部1からマイクロレンズ6までの高さを低減することができる。   Furthermore, in the present embodiment, since the dichroic mirrors 13, 14, and 15 are arranged in only one layer, the light receiving unit 1 is compared with the configurations of the first and second embodiments. To the microlens 6 can be reduced.

上述の各実施の形態では、ストライプ画素配列や、白Wの画素を含む2×2正方画素配列を採用していた。
本発明の固体撮像素子において、撮像領域の画素配列(画素の色配列)は、これらの画素配列に限定されるものではなく、他の画素配列を採用することも可能である。
In each of the above-described embodiments, a stripe pixel array or a 2 × 2 square pixel array including white W pixels is employed.
In the solid-state imaging device of the present invention, the pixel arrangement (pixel color arrangement) of the imaging region is not limited to these pixel arrangements, and other pixel arrangements can be adopted.

<5.第4の実施の形態(撮像装置)>
本発明の第4の実施の形態の撮像装置の概略構成図(ブロック図)を、図15に示す。
この撮像装置としては、例えば、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、携帯電話のカメラ等が挙げられる。
<5. Fourth Embodiment (Imaging Device)>
FIG. 15 shows a schematic configuration diagram (block diagram) of an imaging apparatus according to the fourth embodiment of the present invention.
Examples of the imaging device include a video camera, a digital still camera, and a mobile phone camera.

図15に示すように、この撮像装置500は、固体撮像素子(図示せず)を備えた撮像部501を有している。この撮像部501の前段には、入射光を集光して像を結像させる結像光学系502が備えられている。また、撮像部501の後段には、撮像部501を駆動する駆動回路、固体撮像素子で光電変換された信号を画像に処理する信号処理回路等を有する信号処理部503が接続されている。また、信号処理部503によって処理された画像信号は、画像記憶部(図示せず)によって記憶させることができる。
このような撮像装置500において、固体撮像素子として、前述した各実施の形態の固体撮像素子等、本発明の固体撮像素子を用いることができる。
As illustrated in FIG. 15, the imaging apparatus 500 includes an imaging unit 501 that includes a solid-state imaging element (not shown). An imaging optical system 502 that focuses incident light and forms an image is provided in the front stage of the imaging unit 501. Further, a signal processing unit 503 having a drive circuit that drives the imaging unit 501, a signal processing circuit that processes a signal photoelectrically converted by the solid-state imaging device, and the like is connected to the subsequent stage of the imaging unit 501. The image signal processed by the signal processing unit 503 can be stored by an image storage unit (not shown).
In such an imaging apparatus 500, the solid-state imaging device of the present invention, such as the solid-state imaging device of each embodiment described above, can be used as the solid-state imaging device.

本実施の形態の撮像装置500によれば、本発明の固体撮像素子、即ち、前述したように、光の利用効率や色純度が充分に得られ、色再現性や入射角度依存性に優れた固体撮像素子を用いている。
これにより、固体撮像素子への光の入射角度が斜めに変化しても、色再現性に優れる良質な画像が得られる撮像装置500を構成することができる、という利点がある。
According to the imaging apparatus 500 of the present embodiment, the solid-state imaging device of the present invention, that is, as described above, sufficient light use efficiency and color purity are obtained, and the color reproducibility and incident angle dependency are excellent. A solid-state image sensor is used.
Accordingly, there is an advantage that the imaging apparatus 500 that can obtain a high-quality image with excellent color reproducibility can be configured even when the incident angle of light on the solid-state imaging element changes obliquely.

なお、本発明の撮像装置は、図15に示した構成に限定されることはなく、固体撮像素子を用いる撮像装置であれば、適用することが可能である。
例えば、固体撮像素子は、ワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と、信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。
本発明の撮像装置は、例えば、カメラや撮像機能を有する携帯機器等、各種の撮像装置に適用することができる。また、「撮像」の広義の意味として、指紋検出装置等も含む。
Note that the imaging apparatus of the present invention is not limited to the configuration shown in FIG. 15 and can be applied to any imaging apparatus using a solid-state imaging device.
For example, the solid-state imaging device may be in a form formed as a single chip, or in a modular form having an imaging function in which an imaging unit and a signal processing unit or an optical system are packaged together. Also good.
The imaging apparatus of the present invention can be applied to various imaging apparatuses such as a camera and a portable device having an imaging function. The broad meaning of “imaging” includes a fingerprint detection device and the like.

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。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other configurations can be taken without departing from the gist of the present invention.

1 受光部、2B,2G,2R カラーフィルタ、3 画素間遮光部、4A,4B,4C,4D,4E,4F,4G ダイクロイックミラー、5 コリメートレンズ、6 マイクロレンズ、10 第1層のダイクロイックプリズム、11,12,13,14,15,21,22 ダイクロイックプリズム、20 第2層のダイクロイックプリズム、500 撮像装置、501 撮像部、502 結像光学系、503 信号処理部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light-receiving part, 2B, 2G, 2R Color filter, 3 Inter-pixel light-shielding part, 4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 4F, 4G Dichroic mirror, 5 Collimate lens, 6 Micro lens, 10 First layer dichroic prism, 11, 12, 13, 14, 15, 21, 22 Dichroic prism, 20 Second layer dichroic prism, 500 imaging device, 501 imaging unit, 502 imaging optical system, 503 signal processing unit

Claims (10)

各画素に設けられ、光電変換が行われる受光部と、
1つの面に多層膜によりダイクロイックミラーが形成されており、前記受光部の上方に設けられ、複数個を1組として、前記複数個の組み合わせにより入射光を複数の波長帯域の光に分離して、それぞれの波長帯域の光を異なる画素の前記受光部に入射させる構成であり、前記ダイクロイックミラーの反射面の向きが撮像領域の中央線に対称となるように配置された、ダイクロイックプリズムと、
前記ダイクロイックプリズムの下方で、かつ前記受光部上に配置された、カラーフィルタとを含む
固体撮像素子。
A light receiving portion provided in each pixel and subjected to photoelectric conversion;
A dichroic mirror is formed on one surface by a multilayer film, and is provided above the light receiving unit. A plurality of dichroic mirrors are formed as one set, and incident light is separated into light of a plurality of wavelength bands by the plurality of combinations. A dichroic prism having a structure in which light in each wavelength band is incident on the light receiving unit of a different pixel, and the dichroic mirror is arranged so that the direction of the reflection surface is symmetric with respect to the center line of the imaging region;
A solid-state imaging device including a color filter disposed below the dichroic prism and on the light receiving unit.
前記1組複数個の前記ダイクロイックプリズムのうち、少なくとも前記入射光が最初に入射するダイクロイックプリズムは、前記反射面が前記撮像領域の中央線の側を向くように配置されている、請求項1に記載の固体撮像素子。   2. The dichroic prism into which at least the incident light first enters among the set of the plurality of dichroic prisms is disposed so that the reflecting surface faces a center line side of the imaging region. The solid-state imaging device described. 隣接する前記画素の前記受光部の間に形成された、遮光材をさらに含む、請求項1に記載の固体撮像素子。   The solid-state imaging device according to claim 1, further comprising a light shielding material formed between the light receiving portions of the adjacent pixels. 前記1組複数個の前記ダイクロイックプリズムは、上下2層に2個ずつ合計4個であり、4個のダイクロイックプリズムのうち、前記入射光が最初に入射するダイクロイックプリズムを含む、上層の2個のダイクロイックプリズムは、前記反射面が前記撮像領域の中央線の側を向くように配置されている、請求項2に記載の固体撮像素子。   The set of a plurality of dichroic prisms is a total of four dichroic prisms, two in each of two upper and lower layers. Among the four dichroic prisms, two dichroic prisms including the dichroic prism on which the incident light enters first are included. The solid-state imaging device according to claim 2, wherein the dichroic prism is arranged so that the reflection surface faces a center line side of the imaging region. 前記1組複数個の前記ダイクロイックプリズムは、同一層に形成された3個のダイクロイックプリズムであり、前記3個のダイクロイックプリズムは、前記反射面が前記撮像領域の中央線の側を向くように配置されている、請求項2に記載の固体撮像素子。   The set of the plurality of dichroic prisms are three dichroic prisms formed in the same layer, and the three dichroic prisms are arranged so that the reflecting surface faces the center line side of the imaging region. The solid-state imaging device according to claim 2, wherein 入射光を集光する集光光学部と、
各画素に設けられ、光電変換が行われる受光部と、1つの面に多層膜によりダイクロイックミラーが形成されており、前記受光部の上方に設けられ、複数個を1組として、前記複数個の組み合わせにより入射光を複数の波長帯域の光に分離して、それぞれの波長帯域の光を異なる画素の前記受光部に入射させる構成であり、前記ダイクロイックミラーの反射面の向きが撮像領域の中央線に対称となるように配置された、ダイクロイックプリズムと、前記ダイクロイックプリズムの下方で、かつ前記受光部上に配置された、カラーフィルタとを含む固体撮像素子と、
前記固体撮像素子で光電変換されて得られた信号を処理する信号処理部とを含む
撮像装置。
A condensing optical unit that condenses incident light;
A light receiving portion provided in each pixel, where photoelectric conversion is performed, and a dichroic mirror formed of a multilayer film on one surface. The light receiving portion is provided above the light receiving portion. The incident light is separated into light of a plurality of wavelength bands by combination, and the light of each wavelength band is incident on the light receiving unit of different pixels, and the direction of the reflection surface of the dichroic mirror is the center line of the imaging region A solid-state imaging device including a dichroic prism disposed so as to be symmetric, and a color filter disposed below the dichroic prism and on the light receiving unit,
A signal processing unit that processes a signal obtained by photoelectric conversion by the solid-state imaging device;
前記固体撮像素子の前記1組複数個の前記ダイクロイックプリズムのうち、少なくとも前記入射光が最初に入射するダイクロイックプリズムは、前記反射面が前記撮像領域の中央線の側を向くように配置されている、請求項6に記載の撮像装置。   Of the dichroic prisms in the set of the solid-state imaging device, at least the dichroic prism on which the incident light first enters is disposed so that the reflecting surface faces the center line side of the imaging region. The imaging device according to claim 6. 前記固体撮像素子は、隣接する前記画素の前記受光部の間に形成された、遮光材をさらに含む、請求項6に記載の撮像装置。   The imaging device according to claim 6, wherein the solid-state imaging device further includes a light shielding material formed between the light receiving portions of the adjacent pixels. 前記固体撮像素子の前記1組複数個の前記ダイクロイックプリズムは、上下2層に2個ずつ合計4個であり、4個のダイクロイックプリズムのうち、前記入射光が最初に入射するダイクロイックプリズムを含む、上層の2個のダイクロイックプリズムは、前記反射面が前記撮像領域の中央線の側を向くように配置されている、請求項7に記載の撮像装置。   The set of the plurality of dichroic prisms of the solid-state imaging device includes a total of four dichroic prisms, two in each of two upper and lower layers, and includes a dichroic prism on which the incident light first enters among the four dichroic prisms. The imaging apparatus according to claim 7, wherein the two upper dichroic prisms are arranged such that the reflecting surface faces a center line side of the imaging region. 前記固体撮像素子の前記1組複数個の前記ダイクロイックプリズムは、同一層に形成された3個のダイクロイックプリズムであり、前記3個のダイクロイックプリズムは、前記反射面が前記撮像領域の中央線の側を向くように配置されている、請求項7に記載の撮像装置。


The set of the plurality of dichroic prisms of the solid-state imaging device is three dichroic prisms formed in the same layer, and the three dichroic prisms have a reflecting surface on the side of the center line of the imaging region. The imaging device according to claim 7, wherein the imaging device is disposed so as to face the camera.


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