JP4728660B2

JP4728660B2 - 固体撮像装置およびそれを用いたカメラ装置

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Publication number: JP4728660B2
Application number: JP2005047460A
Authority: JP
Inventors: 長孝田中; 正登喜中林; 健一中村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-02-23
Filing date: 2005-02-23
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2025-02-23
Also published as: JP2006237150A; US20070252909A1; US20060187553A1; CN1825907A; CN100562069C; US7515342B2

Description

本発明は、固体撮像装置およびそれを用いたカメラ装置に関するもので、特に、ＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅｄＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）型やＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型のイメージセンサを用いて構成される、携帯電話などに搭載される小型カメラに関する。

従来、たとえば携帯電話に搭載される小型カメラにおいては、ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型のイメージセンサ（固体撮像装置）が広く使用されている。これらイメージセンサには、一般的に、イメージエリアでの光検出効率を高めるために、それぞれのフォトダイオードの光入射面側に集光性のマイクロレンズが設けられている。

通常、カメラレンズ（撮像光学系）から射出されて各フォトダイオードに入射する光の角度は、イメージエリアの中心部と周辺部とで異なった角度となる。そのため、マイクロレンズとフォトダイオードとを同様の配列ピッチにより配置するようにした場合、つまり、フォトダイオードとマイクロレンズとの位置がそれぞれ合致するように両者を配置した場合には、イメージエリアの周辺部（エリアセンサの場合には、特に四隅）での受光感度（光検出効率）が低下する。これは、カメラレンズとして、主に、光学系最終面からの主光線の射出角をθ、像高をｚ、射出瞳位置をｅとしたとき、ｚ／ｐ＝ｔａｎθ＝θの関係にほぼしたがい、射出瞳位置ｅが像高ｚに殆ど依存しない、所謂近軸光線近似にしたがったレンズ特性を有するレンズが使用されているためである。

そこで、近軸光線近似にしたがったレンズ特性を有するカメラレンズに対しては、マイクロレンズの配列ピッチをフォトダイオードの配列ピッチよりも一様に小さくし、像高が大きくなるにつれて（イメージエリアの中心部から周辺部に遠ざかるにしたがって）、フォトダイオードとの位置のずれが大きくなるようにマイクロレンズを配置する。すなわち、イメージエリアの周辺部のフォトダイオードには斜めに光が入射するため、イメージエリアの中心部から周辺部にかけて、フォトダイオードの位置に対するマイクロレンズの位置を中心部方向に少しずつオフセットさせていくことによって、周辺部のフォトダイオードでの集光効率を改善させることが可能になる。これにより、イメージエリアの周辺部でのシェーディングを補正できるようになる結果、イメージエリアのほぼ全域において、同程度の受光感度を確保することが可能となる。

しかしながら、近年の小型カメラにおいては、カメラレンズの小型化・薄型化にともなって、レンズ特性が近軸光線近似にしたがわないカメラレンズ（たとえば、プラスチックレンズ）が多く使用されるようになってきている。たとえば、像高が大きくなるにつれて主光線射出角がいったんは増加し、その後、主光線射出角が減少するような、レンズ特性が近軸光線近似から著しく逸脱したカメラレンズを使用するようにした場合には、イメージエリアの中心部から遠ざかるにしたがって、フォトダイオードとの位置のずれが大きくなるようにマイクロレンズを配置することにより、逆に、イメージエリアの周辺部での受光感度が低下する。

一方、光学系最終面からの主光線の射出角が、光軸からの像高の増加にともなって一律に単調増加しない撮像光学系に対しては、固体撮像装置のマイクロレンズの配列ピッチを、中心から周辺の所定位置までの少なくとも一部は減少させ、所定位置を越える周辺部の少なくとも一部は所定位置での配列ピッチより増加させることにより、シェーディングの補正を可能にした提案が既になされている（たとえば、特許文献１参照）。

しかしながら、この提案の場合、複数のマイクロレンズの配列ピッチを、中心から周辺の所定位置までの少なくとも一部は減少させるように形成するものであるため、光学系の最終面からの主光線の射出角が、光軸からある像高までは増加し、この像高を過ぎると減少するように変化する撮像光学系を使用した際には、適切なシェーディングの補正を行うことが困難であった。

すなわち、光学系の最終面からの主光線の射出角が、光軸からある像高までは増加し、この像高を過ぎると減少するように変化する撮像光学系の場合でも、像高が“ゼロ”に近い領域では近軸光線近似がほぼ成立しており、マイクロレンズの配列ピッチをフォトダイオードの配列ピッチよりもほぼ一様に小さくすることにより、集光効率を確保することが可能である。逆に、像高が“ゼロ”から中間の領域に至るまでの少なくとも一部の領域において、マイクロレンズの配列ピッチを減少させるように形成すると逆に受光感度が下がり、結果として、イメージエリアの全域において、集光効率を確保することが困難であるという問題があった。
特開２００４−２２８６４５

本発明は、上記の問題点を解決すべくなされたもので、最終面からの主光線の射出角が、光軸からある像高までは増加し、この像高を過ぎると減少するように変化する撮像光学系の使用に対しても、像高にかかわらずほぼ一定の受光感度を取得でき、イメージエリアの全域において、適切なシェーディングの補正を行うことが可能な固体撮像装置およびそれを用いたカメラ装置を提供することを目的としている。

本願発明の一態様によれば、像高が大きくなるにつれて主光線入射角がいったんは増加し、その後、主光線入射角が減少する近軸光線近似から逸脱したレンズ特性を有する撮像光学系からの射出光が入射される固体撮像装置であって、半導体基板上に、同一のピッチにより配置された複数の受光部と、前記複数の受光部の上部に、それぞれ配置された複数の集光用レンズとを具備し、前記複数の集光用レンズは、前記撮像光学系の射出瞳位置の絶対値が大きい領域では前記複数の受光部のピッチよりもピッチが小さく、前記射出瞳位置の絶対値が小さい領域では前記複数の受光部のピッチよりもピッチが大きいことを特徴とする固体撮像装置。

また、本願発明の一態様によれば、半導体基板上に、同一のピッチにより配置された複数の受光部、および、前記複数の受光部の上部に、それぞれ配置された複数の集光用レンズを有する固体撮像装置と、像高が大きくなるにつれて主光線入射角がいったんは増加し、その後、主光線入射角が減少する近軸光線近似から逸脱したレンズ特性を有し、前記固体撮像装置に入射される光を射出する撮像光学系とを具備し、前記複数の集光用レンズは、前記撮像光学系の射出瞳位置の絶対値が大きい領域では前記複数の受光部のピッチよりもピッチが小さく、前記射出瞳位置の絶対値が小さい領域では前記複数の受光部のピッチよりもピッチが大きいことを特徴とするカメラ装置。

上記の構成により、イメージエリアの周辺部と中心部との中間の領域における受光部と集光用レンズとの位置を最適化できるため、最終面からの主光線の射出角が、光軸からある像高までは増加し、この像高を過ぎると減少するように変化する撮像光学系の使用に対しても、像高にかかわらずほぼ一定の受光感度を取得でき、イメージエリアの全域において、適切なシェーディングの補正を行うことが可能な固体撮像装置およびそれを用いたカメラ装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
図１は、この発明の第１の実施形態にしたがった、ＣＭＯＳ型のイメージセンサ（固体撮像装置）１０の基本構成を示すものである。なお、同図（ａ）はイメージセンサに設けられたイメージエリアの平面図であり、同図（ｂ）は図（ａ）のＩＢ−ＩＢ線に沿う断面図である。ここでは、携帯電話などに搭載される小型カメラに用いられるＣＭＯＳ型のエリアセンサを例に、レンズ特性が近軸光線近似から著しく逸脱したカメラレンズ（撮像光学系）の使用に対して、イメージエリア内の画素の位置によってマイクロレンズ（集光用レンズ）のスケーリング量（以下、配列ピッチ）を変え、イメージエリアのどの領域でも、フォトダイオード（受光部）にカメラレンズの最終面から射出される光を効率的に入射できるようにすることにより、特に、イメージエリアの周辺部と中心部との中間の領域における受光感度の低下を防いで、シェーディング特性の改善（低減）を図るようにした場合について説明する。

図１（ａ）および（ｂ）に示すように、半導体基板１１の表面部には、イメージエリア１１ａが形成されている。上記イメージエリア１１ａには、複数のフォトダイオード１３が二次元状に配置されている。本実施形態の場合、上記複数のフォトダイオード１３は、それぞれ、同一の配列ピッチＰ（Ｐ１２＝Ｐ２３＝Ｐ３４＝Ｐ４５）を有して互いに配置されている。

上記半導体基板１１の表面部上には、均一の厚さを有する透光膜１５が設けられている。この透光膜１５内には、上記各フォトダイオード１３への光の入射を制限するための遮光膜１７が設けられている。遮光膜１７には、上記フォトダイオード１３のそれぞれの位置に対応して開口部１７ａが形成されている。つまり、上記フォトダイオード１３のそれぞれの位置と上記遮光膜１７の各開口部１７ａの位置とがほぼ一致されている。

一方、上記透光膜１５の表面部上には、それぞれのフォトダイオード１３に対応して、集光性のマイクロレンズ１９が設けられている。本実施形態の場合、上記マイクロレンズ１９の配列ピッチＬはイメージエリア１１ａ内で一様ではなく、たとえば、イメージエリア１１ａの中心部では上記フォトダイオード１３の配列ピッチＰよりも配列ピッチＬが小さく、周辺部では上記フォトダイオード１３の配列ピッチＰよりも配列ピッチＬが大きくなるように形成されている（Ｌ１２＝Ｌ４５＞Ｌ２３＝Ｌ３４であり、かつ、Ｌ１２＝Ｌ４５＞Ｐ１２＝Ｐ２３＝Ｐ３４＝Ｐ４５＞Ｌ２３＝Ｌ３４である）。

図２は、上記した構成のＣＭＯＳ型のイメージセンサ１０とカメラレンズ２１との関係を示すものである。すなわち、カメラレンズ２１の最終面から射出される光は、画素の位置に応じた主光線入射角にしたがって、イメージセンサ１０上のフォトダイオード１３にそれぞれ入射され、そこに、主光線入射角に対応する像高を有して結像（受光）される。

ここで、“主光線”とは、ある点に結像する光束の中心の光線のことを言い、“像高”とは、結像面上での光軸からの距離のことを指す。なお、本実施形態では、射出瞳位置の定義を以下としている。すなわち、像高ｚの位置において、主光線入射角がθであったとき、像高ｚにおける射出瞳位置ｅ（ｚ）を、ｔａｎθ＝ｚ／ｅ（ｚ）の式で定義する。

図３は、上記したカメラレンズ２１のレンズ特性（主光線入射角と像高との関係）を示すものである。たとえば、プラスチックレンズからなるカメラレンズ２１は、小型化・薄型化により、像高の増加にともなって射出角（イメージセンサへの入射角に相当）が徐々に大きくなる。また、このカメラレンズ２１の射出角は、たとえば、光軸からある像高（本実施形態の場合、３．５ｍｍ付近）までは一様に増加し、その像高を過ぎると、今度は徐々に減少するように変化する。

このように、カメラレンズ２１は、そのレンズ特性が従来の近軸光線近似（図中に破線で示す）から著しく逸脱しており、このような近軸光線近似にしたがわないカメラレンズ２１を撮像光学系として用いた場合には、たとえば図１（ｂ）に示したように、イメージエリア１１ａの周辺部と中心部の付近において、マイクロレンズ１９に対する主光線入射角が“ゼロ”に近くなる。これに対し、周辺部と中心部との中間の領域においては、マイクロレンズ１９に対する主光線入射角が一律に単調増加する。

したがって、イメージエリア１１ａの周辺部においては、フォトダイオード１３の配列ピッチＰよりもマイクロレンズ１９の配列ピッチＬが大きくなるように形成することにより、マイクロレンズ１９はフォトダイオード１３の位置にほぼ一致するように配置される。このため、図３に実線で示したようなレンズ特性を有するカメラレンズ２１と組み合わせた場合でも、イメージエリア１１ａの周辺部（エリアセンサの場合は、特に四隅）において、カメラレンズ２１からの射出光が遮光膜１７によって遮られる現象は発生せず、十分な受光感度（光検出効率）を確保することができる。

一方、イメージエリア１１ａの中心部と周辺部との中間の領域においては、フォトダイオード１３の配列ピッチＰよりもマイクロレンズ１９の配列ピッチＬが小さくなるように形成することによって、マイクロレンズ１９はフォトダイオード１３よりも内側（中心部寄り）に配置される。このため、図３に実線で示したようなレンズ特性を有するカメラレンズ２１と組み合わせた場合でも、イメージエリア１１ａの中心部と周辺部との中間の領域において、カメラレンズ２１からの射出光が遮光膜１７によって遮られることなく、カメラレンズ２１からの射出光を効率よく受光することが可能である。

すなわち、マイクロレンズ１９の配列ピッチＬがイメージエリア１１ａ内で一様でなく、中心部（射出瞳位置の絶対値が大きい領域）ではフォトダイオード１３の配列ピッチＰよりも配列ピッチＬが小さく、周辺部（射出瞳位置の絶対値が小さい領域）ではフォトダイオード１３の配列ピッチＰよりも配列ピッチＬが大きくなるように形成することによって、イメージエリア１１ａの全てのフォトダイオード１３での受光感度を上げることが可能になる。

以下に、図３に実線で示したようなレンズ特性を有するカメラレンズ２１を使用するようにした場合の、フォトダイオード１３に対する、マイクロレンズ１９の配列ピッチの最適化の手法について、より詳細に説明する。

図４は、マイクロレンズの配列ピッチの最適化のための手法を説明するために示す図である。ここでは、イメージエリア（または、カメラレンズ）の中心部から離れた位置にある画素について、フォトダイオードとマイクロレンズとの位置関係を最適化する場合を例に説明する。

たとえば図４に示すように、カメラレンズ２１から射出角θ₁で射出された光が、屈折率ｎ₂のマイクロレンズ（入射角θ₂）１９に入射したとすると、スネルの法則から下記の数１が成り立つ。ただし、ｎ₁は空気の屈折率である。

また、マイクロレンズ１９のフォトダイオード１３とのズレ量ｘは、下記の数２から求められる。

以上のことから、マイクロレンズ１９をフォトダイオード１３から下記の数３に示す量だけシフトして配置すると、マイクロレンズ１９の中心部を通過した光線が、フォトダイオード１３のちょうど中心部に入射することになり、原理的に感度の低下を防止することが可能となる。

すなわち、ｘ（ｎ）を、イメージエリア１１ａの中心部からｎ番目の画素における、マイクロレンズ１９のフォトダイオード１３に対するシフト量（ここでは、フォトダイオード１３を基準として、中心部方向へのズレであれば符号を“正”、逆であれば“負”とする）とすると、下記の数４を満足するようにレイアウト設計するのが、光学設計上、最適であることが分かった。

ここで、“ｐ”はフォトダイオード１３の配列ピッチ（画素ピッチ）であり、像高（ｚ）とは、ｚ＝ｎｐの関係にある。

次に、画素ピッチを求める。まず、イメージエリア１１ａの中心部からｎ番目の画素におけるマイクロレンズ１９の配列ピッチＰｍ（ｎ）が、下記の数５より求められる。

この数５の式に、上記の数４で最適化されたｘ（ｎ）の式を代入すると、マイクロレンズ１９の配列ピッチＰｍ（ｎ）は、下記の数６となる。

これにより、イメージエリア１１ａの中心部からｎ番目の画素におけるマイクロレンズ１９は、この数６の式にしたがってレイアウト設計するのが、光学設計上、最適であることが分かった。

マイクロレンズ１９の配列ピッチＰｍ（ｎ）の性質を見るために、上記の数６の式を“ｎ”で微分すると、下記の数７となる。

像高の“０”ｍｍ付近に注目すると、上記の数７の式は、下記の数８と近似可能である。

したがって、上記の数７の式は、下記の数９で表される。

ここで、下記の数１０が成り立つカメラレンズの場合、像高の“０”ｍｍ付近においては、マイクロレンズ１９の配列ピッチＰｍ（ｎ）は単調増加関数である。

したがって、従来技術（たとえば、特開２００４−２２８６４５）のような、「像高の“０”ｍｍ付近のマイクロレンズの配列ピッチを減少させる」という手法と比較して、本実施形態のように、上述の式にしたがってレイアウト設計するのが原理的に有利であることが分かる。

実際のカメラレンズにおいては、上記の数１０の式が成り立つことが多い。たとえば、カメラレンズの一般的な解説書である、小倉敏布著“写真レンズの基礎と発展朝日ソノラマ１９９５年”の４５頁には、“射出瞳はレンズの後方から見た時の絞りの像で、フィルムに到達する光束は、すべて、この射出瞳から出たかのような方向をとり、結像点に集まる”との記述がある。

この解説に合致したレンズ特性を有するカメラレンズ（射出瞳位置は、像高にかかわらず常に一定）を用いた場合の、入射角θ₁、射出瞳位置ｅ、像高ｚの関係は、下記の数１１で表される。

したがって、下記の数１２が成り立つ。

上記の数１２の式は常に負の値をとる。このことからも、本実施形態の最適化の手法がいかに有効であるかが分かる。

以上の説明では、説明の都合上、具体的な構成を例示したが、本実施形態の本質に立ち返ると、最適化は以下の手順となる。

（１）仕様（カメラレンズ２１からの入射角θ₁、透光膜１５の厚さ（高さｈ）と屈折率（ｎ₂）など）を確認する。

（２）光学計算により、入射光がマイクロレンズ１９に入射した位置と、その入射光がフォトダイオード１３の結像面に入射した位置とのズレ量ｘを算出する。

（３）マイクロレンズ１９の位置を、上記（２）で算出したズレ量ｘに応じた分だけシフトさせる。

（４）上記（３）で算出したシフト量を微分して、マイクロレンズ１９の配列ピッチＰｍ（ｎ）を算出する。

なお、マイクロレンズ１９の配列ピッチＬは、上述した最適化の手法で得られた値（Ｐｍ（ｎ））に厳密に一致させる必要はない。経済性などを考慮しながら、本実施形態の本質から逸脱しない範囲で、配列ピッチＬを設定することも可能である。この場合は、設定したマイクロレンズ１９の配列ピッチＬの値（Ｐｍ（ｎ））を用いて、光学シミュレータで感度計算を行い、感度の著しい低下が見られないことを確認する必要がある。

特に、構成が複雑化した場合、たとえば透光膜に複数の層が存在し、その屈折率が異なるなどの場合には、本実施形態の本質に立ち返り、実際に光学計算を行う。そして、その光学計算により算出されたズレ量ｘをもとに、マイクロレンズ１９の配列ピッチＬを決定するのがよい。

次に、具体的なマイクロレンズの配列ピッチの設計方法と感度計算について説明する。ここでは、具体的な例として、フォトダイオード１３の配列ピッチを５μｍに設定した場合において、図３に実線で示したレンズ特性をもつカメラレンズ２１と組み合わせた場合について説明する。

図５は、上述した最適化の手法にしたがって、最適なマイクロレンズ１９の配列ピッチＬと、マイクロレンズ１９のフォトダイオード（ＰＤ）１３に対するズレ量ｘとを、計算によって実際に算出した結果（最適設計値）を示すものである。ここでは、図４に示した構成において、屈折率ｎ₁を１．０、屈折率ｎ₂を１．５、高さｈを１０μｍとした場合を例に説明する。なお、同図（ａ）は像高とマイクロレンズ１９の配列ピッチＬとの関係を示すものであり、同図（ｂ）は像高とマイクロレンズ１９のズレ量ｘとの関係を示すものである。

同図（ａ）からも明らかなように、フォトダイオード１３の配列ピッチＰは、像高にかかわらず一様（本実施形態の場合、５μｍ）であるのに対し、マイクロレンズ１９の配列ピッチＬは、像高が“０”ｍｍの場合では約４．９９６４μｍであり、像高に応じて単調に増加し、像高が“５”ｍｍの場合では約５．００５μｍとなっている。

一方、同図（ｂ）に示すように、マイクロレンズ１９のフォトダイオード１３とのズレ量ｘは、像高が“０”ｍｍの場合には０μｍであるが、像高に応じて増加し、像高が“３．５”ｍｍ（像高を％表示すると、３．５／５．０より７０％）付近において最大値（約１．８５μｍ）をとり、さらに像高が大きくなると減少し始め、最終的、つまり、像高が“５”ｍｍの場合には約１．２μｍとなっている。

本実施形態の場合、このようにして求められた最適設計値にしたがって、図１に示した構成のイメージセンサ１０が形成されている。すなわち、図５（ａ）に破線で示すように、像高が“０”ｍｍの場合、つまり射出瞳位置の絶対値が大きい領域の場合には、マイクロレンズ１９の配列ピッチＬは約４．９９６４μｍであって、フォトダイオード１３の配列ピッチＰよりも小さな値となっている。また、像高が“５”ｍｍの場合、つまり射出瞳位置の絶対値が小さい領域の場合には、マイクロレンズ１９の配列ピッチＬは約５．００５μｍであって、フォトダイオード１３の配列ピッチＰよりも大きな値となっている。

図６および図７は、上記した本実施形態にかかる、最適なマイクロレンズ１９の配列ピッチＬと、マイクロレンズ１９のフォトダイオード１３とのズレ量ｘとを、たとえば、像高が低いところではマイクロレンズの配列ピッチが減少するように形成し、逆に、像高が高いところでは増加するようにした従来技術と対比して示すものである。

すなわち、図６（ａ）に示すように、たとえば従来例１の場合は、像高の“０”ｍｍ付近では本実施形態の場合の最適設計値と同等の配列ピッチであり、像高が大きくなるにしたがって、その配列ピッチが徐々に小さくなる。この従来例１のような場合、たとえば図６（ｂ）に示すように、マイクロレンズのフォトダイオードとのズレ量ｘは、像高の“０”ｍｍ付近では本実施形態の場合の最適設計値に近い値となるが、像高が大きくなるにしたがって乖離し、像高の“３．５”ｍｍ付近では、本実施形態の場合の最適設計値と１μｍ以上も異なった値となる。なお、最終的には、像高の“５”ｍｍ付近では、本実施形態の場合の最適設計値に近い値となる。

一方、図７（ａ）に示すように、たとえば従来例２の場合は、像高の“０”ｍｍ付近では本実施形態の場合の最適設計値よりも大きな配列ピッチ（約４．９９８μｍ）であり、像高が大きくなるにしたがって、その配列ピッチが徐々に小さくなる。この従来例２のような場合、たとえば図７（ｂ）に示すように、マイクロレンズのフォトダイオードとのズレ量ｘは、像高の“２”ｍｍ付近では本実施形態の場合の最適設計値よりも０．４μｍ程度も小さな値となり、像高の“４”ｍｍ付近では、逆に、本実施形態の場合の最適設計値よりも０．５μｍ程度も大きな値となる。なお、最終的には、像高の“５”ｍｍ付近では、本実施形態の最適設計値に近い値となる。

図８は、感度計算に用いたイメージセンサ１０の構成例を示すものである。この例の場合、画素ピッチを５μｍ、透光膜１５を含むマイクロレンズ１９の高さｈを１０μｍ、マイクロレンズ１９の厚さを０．９μｍ、遮光膜１７の開口部１７ａの幅を２μｍ、遮光膜１７のフォトダイオード１３からの高さを０．３μｍ、マイクロレンズ１９の屈折率θ₂を１．５、空気の屈折率θ₁を１．０とし、波長４００ｎｍの光に対しての光感度を計算した。なお、光感度の計算には、市販のイメージセンサ用光学シミュレータ（たとえば、リンクリサーチ社製）を用いた。

図９は、上記した感度計算の結果を従来技術（上述の従来例１および２）と対比して示すものである。

この図からも明らかなように、本実施形態の最適設計値を用いてフォトダイオード１３とマイクロレンズ１９との位置関係を最適化したイメージセンサ１０の場合には、光感度が像高にかかわらず殆ど一定となり、望ましい結果となっている。

一方、従来例１の場合は、像高の“３〜５”ｍｍ付近における光感度が殆どなくなっている。また、従来例２の場合にも、像高の“４．５”ｍｍ付近において、光感度が約１／２になっている。

上記したように、本実施形態によれば、イメージエリアの周辺部と中心部との中間の領域におけるフォトダイオードとマイクロレンズとの位置を最適化できるようになる結果、イメージエリア内のどのフォトダイオードによっても光を効果的に受光することが可能となり、最終面からの主光線の射出角が、光軸からある像高までは増加し、この像高を過ぎると減少するように変化するカメラレンズの使用に対しても、像高にかかわらずほぼ一定の受光感度を取得でき、イメージエリアの全域において、適切なシェーディングの補正を行うことが可能となるものである。

［第２の実施形態］
図１０は、この発明の第２の実施形態にしたがった、カメラレンズのレンズ特性と、このカメラレンズを撮像光学系として用いた場合の、フォトダイオードとマイクロレンズとの配列ピッチの関係を示すものである。なお、ここでは、カメラレンズとして、主光線入射角が像高に応じて非直線的に増加（傾きが常に“正”）するようなレンズ特性を有する場合について説明する。

同図（ａ）に示すように、この第２の実施形態にかかるカメラレンズは、主光線入射角が像高に応じて非直線的に増加のみするようなレンズ特性を有し、傾きが“負”になるところがないという点で、第１の実施形態の場合（たとえば、図３参照）と異なっている。

一方、フォトダイオードの配列ピッチは、たとえば同図（ｂ）に示すように、どの像高においても常に３．３μｍである。しかしながら、マイクロレンズの配列ピッチは、各像高において異なる値をとっており、たとえば像高が“０”ｍｍの場合には約３．２８μｍであって、フォトダイオードの配列ピッチよりも小さな値となっている。また、像高が“１０”ｍｍの場合には約３．２９μｍであって、フォトダイオードの配列ピッチに近いが、少し小さな値となっている。

この第２の実施形態の場合においても、カメラレンズの特性（主光線入射角−像高）に合わせて、マイクロレンズの配列ピッチをイメージエリア内で変えることにより、上述した第１の実施形態の場合と同様に、最終面からの主光線の射出角が、光軸からある像高までは徐々に増加するように変化するカメラレンズの使用に対しても、像高にかかわらずほぼ一定の受光感度を取得でき、イメージエリアの全域において、適切なシェーディングの補正を行うことが可能である。つまり、イメージエリアのどのフォトダイオードでも光を効率的に受光できるので、イメージエリア内の各画素の感度が向上し、シェーディング特性が改善されるという効果がある。

なお、上記した第１，第２の実施形態においては、いずれも、フォトダイオードの配列ピッチを一定とし、マイクロレンズの配列ピッチを変えるように構成した場合について説明したが、これに限らず、たとえばマイクロレンズの配列ピッチを一定とし、フォトダイオードの配列ピッチを変えるように構成した場合にも同じ効果が得られる。また、マイクロレンズとフォトダイオードの両者の配列ピッチを変えるように構成することも可能である。

また、エリアセンサに限らず、リニアセンサに適用した場合にもシェーディング特性を改善し得る。

また、カメラレンズからの光を集光するマイクロレンズに限って説明したが、いわゆる層内レンズの場合でも同様な効果が期待できる。さらには、マイクロレンズと層内レンズの両者を用いた場合にも有効であることは勿論である。

また、各実施形態はＣＣＤ型のイメージセンサにも適用できるが、ＣＭＯＳ型のイメージセンサに適用すると、特に効果が大きい。なぜならば、ＣＣＤ型のイメージセンサと比較して、ＣＭＯＳ型のイメージセンサは、フォトダイオードとマイクロレンズとの距離が比較的大きいためである。

その他、本願発明は、上記（各）実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。さらに、上記（各）実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。たとえば、（各）実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題（の少なくとも１つ）が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果（の少なくとも１つ）が得られる場合には、その構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

本発明の第１の実施形態にしたがった、ＣＭＯＳ型イメージセンサの基本構成を示す図。図１に示したイメージセンサとカメラレンズとの関係を示す図。カメラレンズのレンズ特性（主光線入射角−像高）を説明するために示す図。マイクロレンズのスケーリング量の最適化のための手法について説明するために示す図。最適なマイクロレンズの配列ピッチと、マイクロレンズのフォトダイオードに対するズレ量とを、最適化の手法にしたがって算出した結果を示す図。図５に示した、最適化の手法にしたがって算出した結果を従来技術（従来例１）と対比して示す図。図５に示した、最適化の手法にしたがって算出した結果を従来技術（従来例２）と対比して示す図。感度計算に用いられるイメージセンサの構成を示す断面図。感度計算の結果を従来技術（従来例１および２）と対比して示す図。本発明の第２の実施形態にしたがった、カメラレンズのレンズ特性（主光線入射角−像高）と、このカメラレンズを撮像光学系として用いた場合の、フォトダイオードとマイクロレンズとの配列ピッチの関係を説明するために示す図。

符号の説明

１０…ＣＭＯＳ型のイメージセンサ、１１…半導体基板、１１ａ…イメージエリア、１３…フォトダイオード、１５…透光膜、１７…遮光膜、１７ａ…開口部、１９…マイクロレンズ、２１…カメラレンズ。

Claims

像高が大きくなるにつれて主光線入射角がいったんは増加し、その後、主光線入射角が減少する近軸光線近似から逸脱したレンズ特性を有する撮像光学系からの射出光が入射される固体撮像装置であって、
半導体基板上に、同一のピッチにより配置された複数の受光部と、
前記複数の受光部の上部に、それぞれ配置された複数の集光用レンズと
を具備し、
前記複数の集光用レンズは、前記撮像光学系の射出瞳位置の絶対値が大きい領域では前記複数の受光部のピッチよりもピッチが小さく、前記射出瞳位置の絶対値が小さい領域では前記複数の受光部のピッチよりもピッチが大きいことを特徴とする固体撮像装置。
前記複数の集光用レンズは、前記撮像光学系から射出される光の角度の像高依存性を用いて算出される、前記撮像光学系からの射出光が集光レンズに入射する位置と受光部に入射する位置とのずれ量に応じてそれぞれ配置されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
半導体基板上に、同一のピッチにより配置された複数の受光部、および、前記複数の受光部の上部に、それぞれ配置された複数の集光用レンズを有する固体撮像装置と、
像高が大きくなるにつれて主光線入射角がいったんは増加し、その後、主光線入射角が減少する近軸光線近似から逸脱したレンズ特性を有し、前記固体撮像装置に入射される光を射出する撮像光学系と
を具備し、
前記複数の集光用レンズは、前記撮像光学系の射出瞳位置の絶対値が大きい領域では前記複数の受光部のピッチよりもピッチが小さく、前記射出瞳位置の絶対値が小さい領域では前記複数の受光部のピッチよりもピッチが大きいことを特徴とするカメラ装置。