JP5013788B2 - 撮像装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの固体撮像素子を用いたデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ等の撮像装置及びその製造方法に関するものである。

近年、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子を用いたデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラが著しい普及を見せている。このようなカメラでは、自然な色再現を実現するため、赤外領域または紫外領域の波長成分を遮断する波長特性を有する光学フィルタを用いて、撮像素子の分光感度を視感度に合わせることを行っている。以下、この光学フィルタのことをＵＶＩＲカットフィルタと称することにする。

このＵＶＩＲカットフィルタは、次のような目的のため、吸収ガラス等の減衰タイプの光学部材を用いず、蒸着などの方法で多層膜を光学ローパスフィルタなどの別の光学部材にコートする方法が望まれている。

（１）いわゆる普及機と呼ばれる低価格帯のデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラでは、部品点数を減らすことができる。

（２）一眼レフタイプのデジタルスチルカメラでは、フィルタ総厚を減らし、交換レンズの収差変動を最小限にすることができる。

しかしながら、ＵＶＩＲカットフィルタをコートのみにより構成しようとすると、ゴースト像が発生するという問題があった。以下、この点について図１１、図１２を参照して説明する。

図１１は、従来の撮像装置の要部構成を示す断面図である。

この撮像装置は、光学ローパスフィルタなどの光学部材１を有している。この光学部材１は、所定の空隙Ｌを隔てて撮像素子３と対向して配置され、光学部材１の前面あるいは後面には、ＵＶＩＲカットフィルタの役割を果たすコート２が施されている。また、撮像素子３表面には、光の利用効率を上げるため、集光レンズ４が形成されている。

図示しない撮影レンズからの入射光５は、撮像素子３に入射し、光学像８を形成するが、一部の光が撮像素子３で反射し、反射光６となる。ここで、反射光６が光学部材１に設けられたＵＶＩＲカットフィルタ２に入射すると、次のような現象が起こる。

すなわち、蒸着などによる多層膜コートで構成されるフィルタでは、透過できない波長の光は、フィルタ内で減衰するのではなく、フィルタから入射方向に反射することにより、所望の波長特性を得ている。

図１２は、ＵＶＩＲカットフィルタの波長特性を示すグラフである。

図１２中のＷは、赤外領域にある遮断波長域を示している。この遮断波長域Ｗでは、同じ波長であっても、一部の光が透過し、一部が反射することになる。すなわち、入射光５のうち遮断波長域Ｗの波長の光は、ＵＶＩＲカットフィルタ２で一部が透過し、撮像素子３に入射する。入射光５は前述したように、撮像素子３で反射して反射光６となり、再びＵＶＩＲカットフィルタ２に入射する。

ＵＶＩＲカットフィルタ２では反射光５の一部が透過し、図示しない撮影レンズ方向へ進むが、透過しない光は、ＵＶＩＲカットフィルタ２で再反射して再反射光７となり、撮像素子３に光学像８以外のゴースト像９として現れる。

一般に撮像素子３は２次元方向に規則的な格子形状であるため、ゴースト像９はあたかも撮像素子３が回折格子のように振舞った、規則的な回折パターンとして現れることになる。また、撮像素子２表面にある集光レンズ４と空気との屈折率差が大きいため、ここからの反射がゴースト像９の形成に支配的であると考えられる。この回折パターンのゴーストは、画面内に明るい輝点がある場合に、赤い規則パターンとして現れる。

このような現象を抑制するために従来考えられている方法を例えば特許文献１に示す。これは、集光レンズ４の表面に反射防止膜を形成し、表面での反射を抑制する方法である。また例えば特許文献２に、従来考えられている別の方法を示す。これは、集光レンズ４をフッ素系樹脂で構成することにより、屈折率を下げ、表面での反射を抑制する方法である。
特開平７−２２５９９号公報 特開２００４−３３５５９８号公報

しかしながら、上記特許文献１及び特許文献２には、次のような問題点があった。

すなわち、特許文献１に示す集光レンズ表面に反射防止膜を形成する方法は、撮像素子の製造工程において、反射防止膜形成のためのプロセスが追加される。このことは、撮像素子製造上のコストを上げることとなり、また、不良率も増加する。さらに、反射防止膜の構成によっては、温度、湿度、光に対する信頼性の低下を招く可能性も生じさせることとなる。

また、特許文献２に示す集光レンズの屈折率を下げることにより反射を抑制する方法では、フッ素系樹脂等を用いて得られる屈折率が１．４程度までである。従来、集光レンズに使われている樹脂の屈折率は１．６５程度までで、それ以上高いものは短波長側の透過率が下がるため一般に用いられていない。このため、屈折率を小さくすることにより得られる反射光抑制の効果は高々１／２程度までしか得ることができない。

本発明は上記従来の問題点に鑑み、撮像素子の製造工程上において、新たなプロセスを追加することなく、ゴースト像強度を効果的に抑制することができる撮像装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、可視光域以外の波長を選択的に遮断する多層膜コートが光学部材に形成されて構成される光学フィルタと、前記光学フィルタと一定の間隔を隔てて配置され、前記光学フィルタと対向する表面に２次元に略球面状の複数の集光レンズが配された撮像素子とを有し、前記撮像素子により、前記光学フィルタを介して入射する光情報を電気信号に変換する撮像装置であって、前記多層膜コートの遮断波長をλとし、前記集光レンズの配列ピッチをｄとしたときに、１つの前記集光レンズに対応する１つの画素セルの頂点から０．１８×ｄの位置で、互いに隣接する前記画素セルの前記集光レンズ同士が接しており、前記ピッチｄを２．２μｍ、隣接する前記集光レンズ同士が接触する位置から前記集光レンズの頂点までの高さを前記集光レンズの高さδとしたときに、λ＝０．６５６μｍとして、δ≦０．１１λ 又は ０．７８λ≦δ の条件を満たすように前記撮像素子を構成したことを特徴とする。

また、本発明は、可視光域以外の波長を選択的に遮断する多層膜コートが光学部材に形成されて構成される光学フィルタを作製する工程と、表面に２次元に略球面状の複数の集光レンズが配された撮像素子を作製する工程とを有し、前記光学フィルタと一定の間隔を隔てて前記集光レンズが前記光学フィルタと対向するように前記撮像素子を配置する撮像装置の製造方法であって、前記撮像素子を作製する工程では、前記集光レンズの配列ピッチをｄとしたときに、１つの前記集光レンズに対応する１つの画素セルの頂点から０．１８×ｄの位置で、互いに隣接する前記画素セルの前記集光レンズ同士が接するように、且つ、前記多層膜コートの遮断波長をλとし、前記ピッチｄを２．２μｍ、隣接する前記集光レンズ同士が接触する位置から前記集光レンズの頂点までの高さを前記集光レンズの高さδとしたときに、λ＝０．６５６μｍとして、δ≦０．１１λ 又は ０．７８λ≦δ の条件を満たすように、前記撮像素子を作製することを特徴とする。

本発明によれば、撮像素子の製造工程上において、新たなプロセスを追加することなく、ゴースト像強度を効果的に抑制することが可能になる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

＜撮像装置の要部構成＞
図１は、本発明の一実施の形態に係る撮像装置の要部構成を示す断面図である。

この撮像装置は、光学ローパスフィルタなどの光学部材１１を有し、この光学部材１１は、所定の空隙Ｌを隔てて撮像素子１３と対向して配置されている。光学部材１１の前面あるいは後面には、赤外領域または紫外領域の波長成分を遮断するＵＶＩＲカットフィルタの役割を果たす多層膜コート１２が形成されている。そして、撮像素子１３の表面には、本実施の形態の特徴を成す高さδに構成された集光レンズ１４が光の利用効率を上げるため形成されている。

図２は、図１中の撮像素子１３の水平方向の断面図である。

撮像素子１３は、光情報を電気信号に変換する複数のフォトダイオード１０と、その各フォトダイオード１０上に形成された複数の集光レンズ１４を備えている。各フォトダイオード１０は、撮像素子１３に一定のピッチｄで配設されている。また、集光レンズ１４も各フォトダイオード１０に対応して集光を行うよう構成されるため、同じピッチｄで撮像素子３表面に配設されている。

撮像素子１３は、半導体基板上に通常のフォトダイオード製造方法を用いて作製される。集光レンズ１４は、撮像素子１３の表面に例えば樹脂を塗布し、熱処理を施して表面張力により高さδの球面状になるようにして作製される。また、光学部材１１は、その前面または後面に蒸着法等で多層膜コート１２を形成して、ＵＶＩＲカットフィルタの機能を持たせている。

＜位相型回折格子＞
上述したような一定のピッチに並んだ集光レンズ１４に光が入射すると、集光レンズ１４の表面で反射光に周期ｄを持つ位相変化が生じる。すなわち、集光レンズ１４はいわゆる位相型回折格子として機能することになる。

このため、光の波長をλ、撮像素子１３からＵＶＩＲカットフィルタとして機能する多層膜コート１２までの空気換算光路長をＬとすると、ゴースト像は、一定の間隔２λＬ／ｄの回折像として現れることになる。また位相型回折格子の回折効率はピッチｄに依存せず、高さδに大きく影響するという特徴をもつ。

（Ａ）１次元構成
このような位相型回折格子の特徴を簡単に説明するため、回折格子の水平方向１次元断面での回折光強度の変化について説明する。

図３は、ピッチに対する回折光強度の関係を示すグラフであり、図４は、高さに対する回折光強度の関係を示すグラフである。これらのグラフは、図２に示した集光レンズ１４を１次元で考えた場合の回折強度の変化を示すものである。いずれのグラフでの計算も、図１２に示した遮断波長域Ｗの波長を６５６ｎｍとし、縦軸を反射光全体のエネルギーで規格化した１次回折光強度としている。

図３の例では、横軸でピッチｄを変化させた時のδ＝０．３５μｍ及び０．５１μｍなる集光レンズの１次回折光強度の変化を表している。この図３のグラフより、ｄが変化した時δが一定であるなら、集光レンズの曲率に変化があるが、回折光強度はほとんど変化していないことが判る。

一方、図４の例では、横軸で高さδを変化させた時のｄ＝２．２μｍの集光レンズの１次回折光強度の変化を表している。この図４のグラフより、δが変わると周期ｄ内での反射光の位相変化が変わるため、回折光強度が大きく変化することが判る。図４では、１次回折光はδ＝λ／３付近で最大となるように変化している。

以上の説明では、簡単に説明するために、水平１次元方向のみに位相変化を持たせた回折格子を示した。この場合、回折像は水平軸上にのみ強度を持つようになる。

（Ｂ）２次元構成
しかし、実際の集光レンズの回折像は斜め方向を含む２次元強度分布を考慮しなければならない。なお、２次元の場合であっても、上記１次元で説明した特徴は変わらない。

図５は、集光レンズを２次元に配した場合の部分形状を示す平面図である。

図５中の高さδの集光レンズ１４は、１つの画素セル１４ａの頂点から、ａ＝０．１８ｄの位置で隣接する画素セル１４ａと接しているとする。実際の集光レンズは必ずしもこの形状とは限らないが、以下に示す回折強度の計算値が実在の撮像素子のデータとよく一致しており、実際の集光レンズが回折強度という観点からはこの形状と大きく異ならないであろうと思われる。

また、以下で２次元回折光を表すとき、水平方向の回折次数がｍ次、垂直方向の回折次数がｎ次の時の２次元回折光を（ｍ，ｎ）で表すことにする。図６は、このときの水平（１，０）と斜め（１，１）での回折光強度と高さδの計算値を示すグラフである。回折光強度は図４と同様に、反射光全体のエネルギーで規格化したものである。図４の１次元のものに比べ、回折光が２次元に分布するため強度は小さくなる。

図６中の水平（１，０）の回折光強度は、１次元の場合と同様ほぼδ＝λ／３付近で最大値を持っていることが判る。一方、斜め（１，１）の回折強度は水平（１，０）のほぼ１．６倍の位置付近で最大値を持っている。これは次のような理由によるものと考えることができる。

図７（ａ），（ｂ），（ｃ）は、２次元に配された集光レンズを示す図であり、同図（ａ）は斜視図、同図（ｂ）は図７（ａ）のＩ−Ｉ’断面図、同図（ｃ）は、図７（ａ）のＩＩ−ＩＩ’断面図である。

水平方向の回折像は、集光レンズの水平軸Ｘ上への投影像の１次元回折像として得られることが知られている。図７（ｂ）からは、水平軸方向の断面では、集光レンズの山の重なりがなく、レンズの高がδのままとなっていることが判る。

一方、斜め方向の回折像は、集光レンズの斜め方向の軸上への投影像の１次元回折像と同じになる。図７（ｃ）に示すように、集光レンズが規則的に並ぶ断面が存在し、この方向に回折像が現れることになる。また、同図より、斜め方向の断面では集光レンズに重なりが生じており、レンズの高さがδより小さくなっている。つまり、斜め方向では、等価的に低いレンズの高さとなるため、水平より大きなδの値で回折強度が最大値を持つことになるわけである。また、図７（ｃ）に示す集光レンズのピッチは、水平方向の１／√２倍となるため、斜め方向では水平方向の√２倍の間隔で回折像が現れることになる。

以上のようにδの値をλ／３ないしは１．６×λ／３の近傍に置けば、ゴースト像９の発生を抑制することができるが、これを以下に述べるようにすれば、さらに良好な撮影画像を得ることができる。

＜本実施の形態の特徴＞
次に、上述した２次元構成の説明を前提として、本実施の形態の特徴について説明する。

図５に形状を示した集光レンズ１４をモデルとしたゴースト像強度の計算が、実際の撮像素子より得られる測定結果とよく一致しており、この形状で行った計算からゴースト像強度の予測が可能である。以下、この点について図８及び図９を参照して詳細に説明する。

図８は、撮像素子のゴースト像の強度の測定結果と画質評価結果を示す図である。

この例では、集光レンズ１４の高さδをδ＝０．３５μｍ及び０．５１μｍとした撮像素子のゴースト像の強度の測定と撮影画像の見え方を評価している。本測定は、晴天時屋外における撮影で画面内に太陽のような非常に強い強度の光源が入った場合を想定して、ゴースト像を発生させ、その強度を測定したものである。

本測定において、感度、露光時間、絞り値等の露光条件は一定にしてある。また、ＵＶＩＲカットフィルタとして機能する多層膜コート１２の遮断波長域の波長を６５６ｎｍとした。測定の結果、各撮像素子における水平（１，０）と斜め（１，１）に発生するゴースト像の強度比は図８の示すようになる。なお、各ゴースト像強度比は、集光レンズ１４の高さδ＝０．５１μｍの撮像素子において、水平（１，０）への回折の結果得られるゴースト像強度に対する比として表している。

また、図８には各ゴースト像の見え方を評価した画質結果を示す。この評価は、撮影した画像をＣＲＴ及びサービスサイズにプリントアウトして行った。評価の結果、集光レンズ１４の高さδ＝０．５１μｍの撮像素子における斜め（１，１）に発生するゴースト像９が許容レベルであることが判った。

本測定結果と図６に示す計算結果より、ゴースト像の発生を抑制し、良好な画像を得られる条件を以下に説明する。

図９は、図６に示した計算結果から得られるゴースト像強度を示す図である。

この例では、図６に示す計算結果から、集光レンズ１４の高さδ＝０．３５μｍ及び０．５１μｍの、遮断波長域の波長６５６ｎｍでの撮像素子１３のゴースト像強度を数値で示している。

ゴースト像強度は、全反射光のエネルギーで規格化した強度で示した。各ゴースト像の強度を、集光レンズ１４の高さδ＝０．５１μｍの撮像素子１３において、水平（１，０）への回折の結果得られるゴースト像強度に対する比としても計算している。

図９で得られた強度比の結果と図８の強度比の結果を比較すると、水平、垂直間及び撮像素子間で比の値がほぼ一致している。このことから、図５に形状を示した集光レンズ１４をモデルとした計算が、実際の撮像素子より得られる測定結果とよく一致しており、この形状で行った計算からゴースト像強度の予測が可能であるといえる。

図６より、集光レンズ１４の高さδが０．５１μｍより大きくなると、水平（１，０）でのゴースト像強度が増加しているが、斜め（１，１）のゴースト像強度は減少している。画面全体への影響を見るため、水平（１，０）と斜め（１，１）の強度の平均をとった値を図６に点線で示す。これによると、集光レンズ１４の高さδが０．５１μｍより大きくなったとき、平均強度は減少してゆき、画面全体におけるゴースト像の発生が抑制されていることが判る。

また、図６より、集光レンズ１４の高さδが０．０７５μｍより小さい時も同等の平均強度となるため、ゴースト像の発生が抑制されることが判る。この条件を、遮断波長域の波長を基準とした位相差で表すと、集光レンズ１４の高さδを、以下の式を満足するようにすれば、ゴースト像の発生を抑制することができる。

δ≦０．１１λ，０．７８λ≦δ …（１）
＜本実施の形態の利点＞
本実施の形態によれば、撮像素子の製造工程上において、新たなプロセスを追加することなく、ゴースト像強度を効果的に抑制することが可能になる。これにより、いわゆる普及機と呼ばれる低価格帯のデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラでは、部品点数の削減を実現することができる。また、一眼レフタイプのデジタルスチルカメラでは、フィルタ総厚を減らし、交換レンズの収差変動の抑制を実現することができる。

＜変形例＞
本発明は、上記実施の形態に限定されず種々の変形が可能である。その変形例としては例えば次のようなものがある。

（Ａ）図７（ａ）に示す集光レンズは、縦横方向の縮尺が変わっても、図７（ｂ）の水平方向Ｉ−Ｉ’の断面は変化が生じず、図７（ｃ）の斜め方向ＩＩ−ＩＩ’の断面も、集光レンズが規則的に並ぶ断面が存在し、この断面は変化しない。このため、水平（１，０）及び斜め（１，１）の回折像強度も変化せず、したがって、上記（１）式で示したゴースト像を目立たなくする条件も変化しない。これにより、水平・垂直のピッチの異なる撮像素子であっても上述の（１）式の条件によりゴースト像を抑制することができる。

（Ｂ）図７（ａ）を４５°回転させて考えれば、いわゆるオフセットサンプリング構造の撮像素子となる。したがってオフセットサンプリング構造を持つ撮像素子であっても、（１）式の条件を満たせばゴースト像の抑制を行うことができる。

（Ｃ）上記実施の形態では、図１２に示すように、ゴースト像を発生させる遮断波長域が赤外領域にある場合であった。しかし、撮像素子及び撮影光学系の波長特性によっては、図１０のＷ’に示すように紫外領域にある場合も考えられる。図１０は、ＵＶＩＲカットフィルタの波長特性を示すグラフである。この場合は、波長λを図１０の遮断波長域にして（１）式を満たすように集光レンズを設定すればよい。なお、遮断波長域が可視域に入ることはないため、遮断波長は赤外領域では６００ｎｍ以下になることはなく、紫外領域では４３５ｎｍ以上になることはない。

（Ｄ）集光レンズ１４をフッ素系樹脂などで構成し、屈折率を１．５以下にすることにより、集光レンズの反射率を小さくすることができ、ゴースト像の強度をさらに抑制す
ることができる。

実施の形態に係る撮像装置の要部構成を示す断面図である。 図１中の撮像素子１３の水平方向の断面図である。 ピッチに対する回折光強度の関係を示すグラフである。 高さに対する回折光強度の関係を示すグラフである。 集光レンズを２次元に配した場合の部分形状を示す平面図である。 水平（１，０）と斜め（１，１）での回折光強度と高さδの計算値を示すグラフである。 ２次元に配された集光レンズを示す図である。 撮像素子のゴースト像の強度の測定結果と画質評価結果を示す図である。 図６に示した計算結果から得られるゴースト像強度を示す図である。 ＵＶＩＲカットフィルタの波長特性を示すグラフである。 従来の撮像装置の要部構成を示す断面図である。 ＵＶＩＲカットフィルタの波長特性を示すグラフである。

符号の説明

１０ フォトダイオード
１１ 光学部材
１２ 多層膜コート
１３ 撮像素子
１４ 集光レンズ

Claims (5)

1. 可視光域以外の波長を選択的に遮断する多層膜コートが光学部材に形成されて構成される光学フィルタと、前記光学フィルタと一定の間隔を隔てて配置され、前記光学フィルタと対向する表面に２次元に略球面状の複数の集光レンズが配された撮像素子とを有し、前記撮像素子により、前記光学フィルタを介して入射する光情報を電気信号に変換する撮像装置であって、
   前記多層膜コートの遮断波長をλとし、
   前記集光レンズの配列ピッチをｄとしたときに、１つの前記集光レンズに対応する１つの画素セルの頂点から０．１８×ｄの位置で、互いに隣接する前記画素セルの前記集光レンズ同士が接しており、
   前記ピッチｄを２．２μｍ、隣接する前記集光レンズ同士が接触する位置から前記集光レンズの頂点までの高さを前記集光レンズの高さδとしたときに、
   λ＝０．６５６μｍとして、δ≦０．１１λ 又は ０．７８λ≦δ の条件を満たすように前記撮像素子を構成したことを特徴とする撮像装置。
2. 前記光学フィルタの遮断波長は、６００ｎｍより大きい波長であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記光学フィルタの遮断波長は、４３５ｎｍより小さい波長であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
4. 前記集光レンズの屈折率は、１．５以下の化合物であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
5. 可視光域以外の波長を選択的に遮断する多層膜コートが光学部材に形成されて構成される光学フィルタを作製する工程と、表面に２次元に略球面状の複数の集光レンズが配された撮像素子を作製する工程とを有し、前記光学フィルタと一定の間隔を隔てて前記集光レンズが前記光学フィルタと対向するように前記撮像素子を配置する撮像装置の製造方法であって、
   前記撮像素子を作製する工程では、前記集光レンズの配列ピッチをｄとしたときに、１つの前記集光レンズに対応する１つの画素セルの頂点から０．１８×ｄの位置で、互いに隣接する前記画素セルの前記集光レンズ同士が接するように、且つ、前記多層膜コートの遮断波長をλとし、前記ピッチｄを２．２μｍ、隣接する前記集光レンズ同士が接触する位置から前記集光レンズの頂点までの高さを前記集光レンズの高さδとしたときに、
   λ＝０．６５６μｍとして、δ≦０．１１λ 又は ０．７８λ≦δ の条件を満たすように、前記撮像素子を作製することを特徴とする撮像装置の製造方法。