JP4020259B2 - 三板式固体撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、入射光を赤光と緑光と青光のグループに分光して、各々を撮像する三板式固体撮像装置に関する。

ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）センサーに代表される固体撮像装置の市場は、ビデオカメラ（ムービー）に始まり、デジタルビデオカメラ（ＤＶＣ）、デジタルスチルカメラ（ＤＳＣ）、更にはカメラ付携帯電話と市場が拡大している。固体撮像装置に要求される性能は、カラー対応はもちろんのこと、高解像度化と高感度化である。しかしながら、高解像度化のため画素数をあげても、カラーフィルタを用いた色分離（カラー）化を行っていては、画素がＲ用画素、Ｇ用画素、Ｂ用画素の三つに分かれるため、各色単独でみれば解像度が概ね１／３にまで劣化する。一方、カラーフィルタには、顔料型、染料型、干渉型などが存在するが、例えば、Ｒ用カラーフィルタでは、ＧおよびＢの色成分は、吸収または反射してしまい、光の損失が生じ、感度を劣化させる要因になっている。このような動きの中で、一つの固体撮像素子を用いた単板式固体撮像装置でなく、三つの固体撮像素子を用いた三板式固体撮像装置として様々なものが提案されている。

図１４は、従来の三板式固体撮像装置の基本構造の例を示す図である。三つのプリズム１０１、１０２、および１０３には色分離用ダイクロイックミラーが、それぞれ特定の反射面に形成されている。これらのミラーは接着剤により固定されている。プリズム１０１、１０２、および１０３の各面には、それぞれ青用固体撮像素子１０５、赤用固体撮像素子１０６、および緑用固体撮像素子１０７が設置されている。外部から入射された青（Ｂ）成分１１５、赤（Ｒ）成分１１６、および緑（Ｇ）成分１１７は、プリズム１０１、１０２、および１０３の面に形成されたダイクロイックミラーで分離され、それぞれ固体撮像素子１０５、１０６、および１０７に入射する。このため、光の損失はなく、感度は高い。また、単板式固体撮像装置のように各画素がＲＧＢに分かれることもないので、解像度が劣化することもない。

また、フォトニック結晶を用いた固体撮像装置として、様々なものが提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

上記特許文献１に開示された固体撮像装置では、フォトニック結晶は特定波長（色）の透過を妨げるために遮光部として利用されている。

また、上記特許文献２に開示された単板式固体撮像装置では、フォトニック結晶のスーパープリズム効果を用いて色分離を行っている。スーパープリズム効果とは、屈折率の異なる材料を周期的に配列したフォトニック結晶の内部から外部へ、あるいは逆方向へ光のビームあるいは波束が境界と交叉するとき、折れ曲がり角が著しい波長依存性を持つ効果を呼ぶ。波長によって、通常の１０倍以上の強い屈折を受ける。

図１５は、従来のフォトニック結晶での屈折の様子を示す図である。フォトニック結晶３００に入射した光（波長６２０ｎｍの赤光３０１、波長６１０ｎｍの赤光３０２、波長６００ｎｍの赤光３０３、波長５６０ｎｍの緑光３０４、波長５５０ｎｍの緑光３０５、波長５４０ｎｍの緑光３０６、波長５００ｎｍの青光３０７、波長４９０ｎｍの青光３０８、波長４８０ｎｍの青光３０９）は、それぞれの波長に応じて屈折し、出射する（波長６２０ｎｍの赤光３１１、波長６１０ｎｍの赤光３１２、波長６００ｎｍの赤光３１３、波長５６０ｎｍの緑光３１４、波長５５０ｎｍの緑光３１５、波長５４０ｎｍの緑光３１６、波長５００ｎｍの青光３１７、波長４９０ｎｍの青光３１８、波長４８０ｎｍの青光３１９）。

また、上記特許文献３に開示された固体撮像装置は単板式固体撮像装置の一種であり、各画素が、サブピクセル（受光器）に分かれ、それぞれにフォトニック結晶が組み込まれ、スーパープリズム効果を利用して分光している。

そのほかにもフォトニック結晶の色分離機能を利用して、単板式固体撮像装置のカラーフィルタとして用いられている。
特開２００３−１３３５３６号公報 特開２００３−７８９１７号公報 特開２００２−５４９９４号公報

しかしながら、従来の技術では、以下に述べる問題がある。

従来のプリズムを用いた三板式固体撮像装置では、複雑なプリズムを準備し、かつ、精度よく組み合わせる必要があり、そのうえコストが高くなるという問題がある。
。

また、従来のフォトニック結晶を用いた三板式固体撮像装置では、図１５に示したように、フォトニック結晶３００で分光された出射光３１１〜３１９は連続的な光として放出されるので、ＲＧＢに分光して各々固体撮像素子に入射する際、特にＲＧＢの境界付近で光の損失が生じるという問題がある。

そこで、本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、組立方法が容易かつ低コストで、高解像度かつ高感度な三板式固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る三板式固体撮像装置は、入射光を赤光と緑光と青光のグループに分光して、前記赤光と緑光と青光のグループを各々撮像する三板式固体撮像装置であって、同一グループ内の光成分の光軸が平行であるように前記入射光を分光する、一つの素子から成る分光手段と、前記分光手段で分光された前記赤光のグループの光軸上に設置され、前記赤色のグループを撮像する赤用固体撮像手段と、前記分光手段で分光された前記緑光のグループの光軸上に設置され、前記緑光のグループを撮像する緑用固体撮像手段と、前記分光手段で分光された前記青光のグループの光軸上に設置され、前記青光のグループを撮像する青用固体撮像手段とを備えることを特徴とする。さらに、前記分光手段はフォトニック結晶であることを特徴とする。これにより、従来のような複雑なプリズムを準備して精度よく組み合わせて組み立てる必要がなくなり、一つの素子だけで分光を実現できるので、組立方法が容易になり、そのうえコストが低く実現できる。また、フォトニック結晶は低損失な光学的特性をもつので、高解像度かつ高感度な三板式固体撮像装置を実現することができる。

さらに、前記赤光と緑光と青光のグループの各光量のレベル差を補正する補正手段を備えることを特徴とする。これにより、さらに高解像度かつ高感度が実現できる。

さらに、前記赤用固体撮像手段と前記緑用固体撮像手段と前記青用固体撮像手段とを異なるダイ（チップ）上に形成し、ハイブリッドに並べることを特徴とする。これにより、各固体撮像手段は別品になり、仮に歩留が悪くても良品を集めることができるので、生産性が向上する。

さらに、前記赤用固体撮像手段と前記緑用固体撮像手段と前記青用固体撮像手段とを同一のダイ上に形成し、モノリシックに並べることを特徴とする。これにより、各チップ間の相対位置のズレがなくなり、組み立ての調整作業が減るので、三板式固体撮像装置の低価格を実現することができる。

さらに、前記分光手段を、前記三板式固体撮像装置のパッケージの光を取り込む窓に形成することを特徴とする。これにより、分光手段と各固体撮像手段の位置調整が不要になるので、ユーザの使い方が容易になる。

さらに、前記分光手段を、前記パッケージの入射面に対して８°以上傾けて形成することを特徴とする。これにより、光軸は前記分光手段に対して斜めになるので、色分離をより効果的に行える。

さらに、前記分光手段を、前記ダイ上にモノリシックに形成することを特徴とする。これにより、前記分光手段まで一貫して半導体プロセスで行うことができるので、高精度組立および低価格が実現できる。

本発明によれば、組立方法が容易かつ低コストで、高解像度かつ高感度な三板式固体撮像装置を実現することができるので、その実用的価値は極めて高い。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る三板式固体撮像装置の基本構造を示す斜視図である。三板式固体撮像装置５０は、赤用固体撮像素子１、緑用固体撮像素子２、青用固体撮像素子３、およびフォトニック結晶４から構成される。Ｚ方向に進行した入射光は、フォトニック結晶４により赤光と緑光と青光の各グループに分光され、分光された光は、それぞれＸ方向に配置されている赤用固体撮像素子１、緑用固体撮像素子２、および青用固体撮像素子３に入射する。この、フォトニック結晶４での分光の説明は後述する。

図２は、フォトニック結晶４のＸ−Ｚ平面の断面、および、入射光と出射光の例を示す図である。フォトニック結晶４は、ＳｉＯ_２（屈折率１．４５）の中に、Ｙ方向に円筒形（半径０．１１３μｍ）の形状を持つＳｉ_３Ｎ_４（屈折率２．０）が、正方格子状（ピッチは０．２５μｍ）に配置されており、Ｓｉ_３Ｎ_４はＺ方向（光の進行方向）に９層形成されている。このように、フォトニック結晶４は、X方向およびＺ方向に屈折率周期構造をもった二次元フォトニック結晶であり、Y方向には屈折率は一様である。図２に示すように、Ｘ−Ｚ平面内で、Ｚ軸とθの角度でフォトニック結晶４に入射した光は、後述するように、フォトニック結晶４で分光され、赤光はＺ軸と９．４°の角度の方向に、緑光は５．４°の角度の方向に、また、青光はＺ軸の方向に出射する。

図３は、図２で説明を行った構造をもつフォトニック結晶４の分散面（波数空間におけるバンドの等エネルギー面）を示す図である。つまり、ほぼ青色である波長４８０、４９０、５００ｎｍに対してはほぼ正方の分散面、ほぼ緑色である波長５４０、５５０、５６０ｎｍに対してはややくぼんだ分散面、ほぼ赤色である波長６００、６１０、６２０ｎｍに対してはさらにくぼんだ分散面をもつ。

図４は、フォトニック結晶４に入射した光の進行方向を説明するための図である。フォトニック結晶４に入射した光は、Ｋｘ方向の運動量が保存され、かつ、分散面に垂直な方向に進行する特性をもつ。従って、フォトニック結晶４は図４に示したように、色によって分散面が異なっているので、進行方向も色によって異なることになる。このため、入射光のうち、青色、緑色、赤色のグループ内の各成分は、Ｚ軸方向に対して、それぞれ０°、５．４°、９．４°の方向に分離され、かつ、そのグループ内の光の進行方向は平行となる。よって、図１で示したように、各分離方向に３つの固体撮像素子を置けば、極めて低損失で各色を受光することができる。

なお、図３と図４で示したように、フォトニック結晶４はＫｚ軸に対して上下対称な分散面を有している。従って、もしθ＜０の入射光があると、Ｚ方向に対称な位置に放射されるので、正しく固体撮像素子に入射されず、感度低下やノイズの原因となる。従って、入射角θは、すべての入射光に対して正値になるようにすることが望ましい。

図５は本発明の実施の形態１に係る三板式固体撮像装置の基本構造を示す図である。三板式固体撮像装置５０は、赤用固体撮像素子１、緑用固体撮像素子２、青用固体撮像素子３、およびフォトニック結晶４から構成されている。固体撮像素子１〜３はＳｉ製であり、ＸＧＡ仕様（約８０万画素）である。また、異なるダイ（チップ）上に形成され、ハイブリッドに並べられている。各画素（サイズ２ｘ２μｍ）にはフォトディテクタと電荷結合素子が内蔵されている。入射光は、赤成分１１、緑成分１２、および青成分１３から構成されるが、フォトニック結晶４のスーパープリズム効果により、短い距離で各色成分が分光され、それぞれ固体撮像素子１〜３の方向に進行する。この構成により、従来のような複雑なプリズムを準備して、精度よく組み合わせて組み立てる必要がなくなり、そのうえコストが低くなる。また、フォトニック結晶を用いることで高解像度かつ高感度を実現することができる。また、各固体撮像素子は別品になるので、仮に歩留が悪くても良品を集めることができ、生産性が向上する。

図６は、本発明の実施の形態１に係る三板式固体撮像装置におけるフォトニック結晶４での屈折の様子を示す図である。入射光を波長で分ければ、赤色光の代表として波長６２０ｎｍの光３０１、波長６１０ｎｍの光３０２、波長６００ｎｍの光３０３、緑色光として波長５６０ｎｍの光３０４、波長５５０ｎｍの光３０５、波長５４０ｎｍの光３０６、青色光として波長５００ｎｍの光３０７、波長４９０ｎｍの光３０８、波長４８０ｎｍの光３０９から構成されている。ただし、この間は離散的でなく、連続的に存在する。図３と図４に示したようなフォトニック結晶４の分散面を設計すれば、フォトニック結晶４を通過した後の光は、赤緑青の三つの色のグループ３３１（３２１、３２２、３２３から成る）、３３２（３２４、３２５、３２６から成る）、および３３３（３２７、３２８、３２９から成る）に分離される。このようなフォトニック結晶４による色分離では、各固体撮像素子に入る色の混色が極めて小さく、純度の高い色再現性が得られる。さらに、入射光は無駄なく各固体撮像素子に取り込まれるため、感度は高くなる。

図７は、本発明の実施の形態１に係る三板式固体撮像装置を実際のカメラ（ＤＶＣ、ＤＳＣなど）に搭載したときの結像の様子を説明するための図である。入射光の光軸７に対してレンズ５が垂直に置かれており、光線６と８は、レンズ５を通過後、焦点面で結像する。すなわち、光線２０４と２０８は焦点２０１で、光線２０５と２０９は焦点２０２で、光線２０６と２１０は焦点２０３で、それぞれ結像することになる。しかし、実際フォトニック結晶４を焦点面に傾けて、焦点２０２の位置に表面が来るように設置する。このため、焦点２０１の位置はフォトニック結晶４の内部に位置することとなり、実際には焦点を結ぶ前に屈折する。また、焦点２０３の位置はフォトニック結晶４の表面の前に位置することとなり、実際には焦点を結んだ後に屈折する。これは、画像周辺に近づくにつれてピンぼけとなることを意味する。しかし、レンズ５とフォトニック結晶４の距離が十分大きければそのピンぼけ量は小さく、また、一般に画像周辺のピンぼけは、特に動画で感じにくいことを考慮すると、実用上問題とはならない程度である。

図８は、図７で説明を行ったカメラの結像を説明するための斜視図である。フォトニック結晶４の表面に結像した像は、赤緑青の３つのグループに分けられ、それぞれ固体撮像素子１〜３に投射される。

図９は、図７と図８で説明を行ったカメラの結像および信号処理を説明するための図である。三板式固体撮像装置５１において、レンズ５およびフォトニック結晶４を通過した光は、赤緑青の３つのグループに分けられ、それぞれ固体撮像素子１〜３に投射されるが、フォトニック結晶４に入射する光には、入射角が負値をもつ光もある。この入射角が負値をもつ光は、図４で説明を行ったように、正しく固体撮像素子の方向には出射されないため、光量が落ちてしまう。光量の減少量は、青より緑、緑より赤のほうが大きくなる。このため、各固体撮像素子１〜３の出力情報からそのまま入射画像を構築すると、色の再現が十分には実現できない。このため、各固体撮像素子１〜３の情報を補正回路２０に入力して、各固体撮像素子１〜３で異なる光量のレベルを補正したのち合成して、出力端２１から出力する。補正回路２０での補正は、青より緑、緑より赤の信号を大きく増幅する方法をとる。なお、光量が落ちるとノイズが増えるが、実用上問題となるレベルではない。

以上のように、本発明の実施の形態における三板式固体撮像装置によれば、組立方法が容易かつ低コストで、高解像度かつ高感度な三板式固体撮像装置を実現することができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る三板式固体撮像装置５２では、図１０に示すように、各色用の固体撮像素子１〜３を一枚の基板３０上に集積している。すなわち、同一のダイ上に形成し、モノリシックに並べている。基板３０は、Ｓｉを用いて、半導体フォトリソグラフィーのマスク工程で作製されるため、赤用固体撮像素子１、緑用固体撮像素子２、および青用固体撮像素子３の相対位置は実質的に不変であり、位置精度が非常に高くなるため、結局、フォトニック結晶４および基板３０の実装が容易になる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る三板式固体撮像装置５３では、図１１に示すように、各色用の固体撮像素子１〜３を一枚の基板３０上に集積したものを一つのパッケージ３２にいれ、そのパッケージ３２の窓にフォトニック結晶３４を形成している。これにより、ユーザは、フォトニック結晶３４と固体撮像素子１〜３の位置調整が不要になるので、取り扱いが容易になる。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る三板式固体撮像装置５４では、図１２に示すように、実施の形態３と比べ、フォトニック結晶３６および基板３０をパッケージ３２に対して、８°傾けたところのみ異なる。このようにすれば、入射光はフォトニック結晶３６の入射面に対しさらに８°傾くことになる。シュネルの法則から分かるように、８°傾くとｓｉｎ(９０°−８°）≒０．９９となり約１％の変化が得られ、色分離の効果が大きくなる。

（実施の形態５）
本発明の実施の形態５に係る三板式固体撮像装置５５では、図１３に示すように、各固体撮像素子１〜３を集積した基板３０上にモノリシックにフォトニック結晶４０を形成している。フォトニック結晶４０と基板３０との間には、高透過率な樹脂４１が形成されている。これにより、前記分光手段まで、一貫して半導体プロセスで行うことができるので、高精度組立および低価格が実現できる。

以上のように、本発明の実施の形態１〜５における三板式固体撮像装置によれば、組立方法が容易かつ低コストで、高解像度かつ高感度な三板式固体撮像装置を実現することができる。

以上、本発明に係る三板式固体撮像装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されない。例えば、フォトニック結晶は本発明の実施の形態で説明を行った構造に限定されず、赤光と緑光と青光のグループ内の光成分の光軸が平行であるように入射光を分光するような他の構造をもつフォトニック結晶を用いてももちろんよいし、そのような特性をもつフォトニック結晶以外の素子を使用してもよい。また、そのようなフォトニック結晶等の分散面の形状は他の形状であってももちろんよい。なお、固体撮像素子には、ＭＯＳセンサーやＣＣＤ等を用いることができる。

本発明に係る三板式固体撮像装置は、組立方法が容易かつ低コストで、高解像度かつ高感度であるという効果を有し、ビデオカメラやカメラ付携帯電話等に使用される三板式固体撮像装置として有用である。

本発明の実施の形態１に係る三板式固体撮像装置の基本構造を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る三板式固体撮像装置におけるフォトニック結晶の構造および光の進行方向を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る三板式固体撮像装置におけるフォトニック結晶の分散面を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る三板式固体撮像装置におけるフォトニック結晶に入射した光の進行方向を説明するための図である。 本発明の実施の形態１に係る三板式固体撮像装置の基本構造を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る三板式固体撮像装置におけるフォトニック結晶での屈折の様子を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る三板式固体撮像装置を用いたカメラの結像を説明するための図である。 本発明の実施の形態１に係る三板式固体撮像装置を用いたカメラの結像を説明するための斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る三板式固体撮像装置を用いたカメラの結像および信号処理を説明するための図である。 本発明の実施の形態２に係る三板式固体撮像装置の基本構造を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る三板式固体撮像装置の基本構造を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る三板式固体撮像装置の基本構造を示す図である。 本発明の実施の形態５に係る三板式固体撮像装置の基本構造を示す図である。 従来の三板式固体撮像装置の基本構造の例を示す図である。 従来の分光器での屈折の様子を示す図である。

符号の説明

１、１０６ 赤用固体撮像素子
２、１０７ 緑用固体撮像素子
３、１０５ 青用固体撮像素子
４、３４、３６、４０、３００ フォトニック結晶
５ レンズ
６、８ 入射光
７ 入射光軸
１１、１１６ 入射光赤成分
１２、１１７ 入射光緑成分
１３、１１５ 入射光青成分
２０ 補正回路
２１ 出力端
３０ 集積基板
３２ パッケージ
４１ 樹脂
５０、５１、５２、５３、５４、５５ 三板式固体撮像装置
１０１、１０２、１０３ プリズム
２０１、２０２、２０３ 焦点
２０４、２０５、２０６、２０８、２０９、２１０ 光線
３０１、３１１、３２１ 波長６２０ｎｍの赤光
３０２、３１２、３２２ 波長６１０ｎｍの赤光
３０３、３１３、３２３ 波長６００ｎｍの赤光
３０４、３１４、３２４ 波長５６０ｎｍの緑光
３０５、３１５、３２５ 波長５５０ｎｍの緑光
３０６、３１６、３２６ 波長５４０ｎｍの緑光
３０７、３１７、３２７ 波長５００ｎｍの青光
３０８、３１８、３２８ 波長４９０ｎｍの青光
３０９、３１９、３２９ 波長４８０ｎｍの青光
３３１ 赤色を主とする光
３３２ 緑色を主とする光
３３３ 青色を主とする光

Claims (5)

1. 入射光を、赤光と緑光と青光のグループに分光して、前記赤光と緑光と青光のグループを各々撮像する三板式固体撮像装置であって、
   同一グループ内の光成分の光軸が平行であるように前記入射光を分光する、一つの素子から成る分光手段と、
   前記分光手段で分光された前記赤光のグループの光軸上に設置され、前記赤色のグループを撮像する赤用固体撮像手段と、
   前記分光手段で分光された前記緑光のグループの光軸上に設置され、前記緑光のグループを撮像する緑用固体撮像手段と、
   前記分光手段で分光された前記青光のグループの光軸上に設置され、前記青光のグループを撮像する青用固体撮像手段と
   を備えており、
   前記分光手段はフォトニック結晶であり、
   前記フォトニック結晶は前記各光グループに対し、グループ内で相似形の分散面を有している
   ことを特徴とする三板式固体撮像装置。
2. 前記フォトニック結晶は、ＳｉＯ ₂ 層と前記ＳｉＯ ₂ 層の中に設けた円筒形のＳｉ ₃ Ｎ ₄ 層との複合体であり、
   前記Ｓｉ ₃ Ｎ ₄ 層の円筒の中心軸が前記入射光に垂直な方向に配置され、
   前記複合体を前記Ｓｉ ₃ Ｎ ₄ 層の円筒の中心軸に垂直な面で切った断面図において前記Ｓｉ ₃ Ｎ ₄ 層が正方格子状に配置された
   ことを特徴とする請求項１記載の三板式固体撮像装置。
3. 前記入射光の光軸に近い順に前記青用固体撮像手段と、前記緑用固体撮像手段と、前記赤用固体撮像手段とが配置された
   ことを特徴とする請求項１または２記載の三板式固体撮像装置。
4. 前記Ｓｉ ₃ Ｎ ₄ 層の円筒の中心軸に沿って前記青用固体撮像手段、前記緑用固体撮像手段、前記赤用固体撮像手段が配置された
   ことを特徴とする請求項２または３記載の三板式固体撮像装置。
5. 前記分光手段を、前記三板式固体撮像装置のパッケージの光を取り込む窓に形成する
   ことを特徴とする請求項１記載の三板式固体撮像装置。

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