JP5182390B2 - Solid-state imaging device, camera - Google Patents
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Description
本発明は、結像系レンズと固体撮像素子のチップとを有する、固体撮像装置、並びに、固体撮像装置を備えたカメラに係わる。 The present invention relates to a solid-state imaging device having an imaging system lens and a solid-state imaging device chip, and a camera equipped with the solid-state imaging device.
近年、固体撮像素子において画素微細化の開発が続いている。
画素の微細化によって1チップ当たりの画素数が増加するため、その結果として、より高い解像度の画像が得られるようになる。
In recent years, pixel miniaturization has been continuously developed in solid-state imaging devices.
Since the number of pixels per chip increases due to pixel miniaturization, an image with higher resolution can be obtained as a result.
そして、微細化された画素においても、各画素の受光部に充分な量の光が入射するように、層内レンズや光導波路を設けた構成が提案されている(例えば、特許文献1〜特許文献3参照。)。 Further, even in a miniaturized pixel, a configuration in which an intralayer lens or an optical waveguide is provided so that a sufficient amount of light is incident on a light receiving portion of each pixel has been proposed (for example, Patent Documents 1 to 5). Reference 3).
しかしながら、上述した高い解像度が得られる効果は、解像度が画素サイズよりも小さい範囲で成り立つ。この解像度は、固体撮像素子の外部に設けられた結像レンズの回折限界や収差で決まる。 However, the effect of obtaining the high resolution described above is established in a range where the resolution is smaller than the pixel size. This resolution is determined by the diffraction limit and aberration of the imaging lens provided outside the solid-state imaging device.
現在、固体撮像装置に使用している結像レンズを含む光学系では、回折限界や収差があるために、点光源を結像しても、幅を持って焦点を結ぶので、分解能に限界がある。
そのため、固体撮像素子の画素サイズがあるレベルまで小さくなると、それ以上は画素サイズを小さくしても、解像度が向上しないことになる。
即ち、固体撮像素子と結像レンズ等の光学系とを備えた固体撮像装置において、固体撮像素子(半導体チップ)の構成の工夫だけでは、解像度の向上に限界が来ている。
At present, optical systems including imaging lenses used in solid-state imaging devices have diffraction limitations and aberrations, so even if a point light source is imaged, the focal point is formed with a width, so the resolution is limited. is there.
For this reason, when the pixel size of the solid-state imaging device is reduced to a certain level, the resolution is not improved even if the pixel size is further reduced.
In other words, in a solid-state image pickup device including a solid-state image pickup element and an optical system such as an imaging lens, improvement in resolution is limited only by devising the configuration of the solid-state image pickup element (semiconductor chip).
上述した問題の解決のために、本発明においては、解像度を向上することを可能にする固体撮像装置、並びに、固体撮像装置を備えたカメラ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 capable of improving the resolution and a camera including the solid-state imaging device.
本発明の固体撮像装置は、固体撮像素子のチップと、固体撮像素子へ光を結像させる結像レンズと、結像レンズとチップとの間に配置された、屈折率が1よりも大きい材料とを含み、この屈折率が1よりも大きい材料が、平板状の部分と凸な曲面形状の部分とを有する光学部品を構成し、この光学部品の凸な曲面形状の部分が、チップの最上層の上に接触していて、凸な曲面形状の部分と、チップの最上層との接触幅が800nm以内であり、凸な曲面形状の部分によって入射光が近接場光となってチップの表面に入射する。
本発明のカメラは、固体撮像素子を備えて成る固体撮像装置を含み、画像の撮影が行われるものであり、固体撮像装置が上記本発明の固体撮像装置の構成である。
The solid-state imaging device of the present invention includes a chip of a solid-state imaging device, an imaging lens for imaging light onto the solid-state imaging device, and a material having a refractive index greater than 1 disposed between the imaging lens and the chip. The material having a refractive index greater than 1 constitutes an optical component having a flat plate portion and a convex curved portion, and the convex curved portion of the optical component is the outermost portion of the chip. The contact width between the convex curved portion and the uppermost layer of the chip that is in contact with the upper layer is within 800 nm , and incident light becomes near-field light by the convex curved portion and the surface of the chip. Is incident on .
The camera of the present invention includes a solid-state imaging device including a solid-state imaging device, and images are taken. The solid-state imaging device is the configuration of the solid-state imaging device of the present invention.
上述の本発明の固体撮像装置の構成によれば、結像レンズと固体撮像素子のチップとの間に、屈折率が1よりも大きい材料を含むので、この材料により結像レンズから固体撮像素子への光の結像状態を変えて、分解能を小さくすることが可能になる。
上述の本発明のカメラの構成によれば、固体撮像装置が上記本発明の固体撮像装置の構成であることにより、固体撮像装置の分解能を小さくすることが可能になる。
According to the above-described configuration of the solid-state imaging device of the present invention, since the material having a refractive index larger than 1 is included between the imaging lens and the solid-state imaging device chip, the solid-state imaging device is formed from the imaging lens by this material. It is possible to reduce the resolution by changing the imaging state of the light .
According to the configuration of the camera of the present invention described above, since the solid-state imaging device has the configuration of the solid-state imaging device of the present invention, the resolution of the solid-state imaging device can be reduced.
上述の本発明によれば、分解能を小さくすることが可能になるため、同じ画素サイズで従来よりも解像度を向上することが可能になる。
従って、本発明により、結像レンズの回折限界や収差による限界を超えて、微細な画素でも充分に高い解像度の画像が得られる。
また、結像レンズのF値に関係なく、高い解像度を達成することができる。
According to the above-described present invention, since the resolution can be reduced, the resolution can be improved as compared with the conventional case with the same pixel size.
Therefore, according to the present invention, an image with sufficiently high resolution can be obtained even with a fine pixel, exceeding the diffraction limit and aberration limit of the imaging lens.
Also, high resolution can be achieved regardless of the F value of the imaging lens.
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.本発明の固体撮像装置の第1の実施の形態(チップ上に高屈折率材料)
3.本発明の固体撮像装置の第2の実施の形態(近接場光の利用;球面又は円筒面)
4.本発明の固体撮像装置の第3の実施の形態(近接場光の利用及び光導波路)
5.本発明の固体撮像装置の第4の実施の形態(複数種類の高屈折率材料の積層;色収差の低減)
6.回路構成の例
7.本発明の固体撮像装置の変形例
8.本発明のカメラの実施の形態
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 of solid-state imaging device of the present invention (high refractive index material on chip)
3. Second embodiment of solid-state imaging device of the present invention (use of near-field light; spherical surface or cylindrical surface)
4). Third embodiment of solid-state imaging device of the present invention (use of near-field light and optical waveguide)
5. Fourth embodiment of solid-state imaging device according to the present invention (lamination of plural kinds of high refractive index materials; reduction of chromatic aberration)
6). 6. Example of circuit configuration 7. Modification of solid-state imaging device of the present invention Embodiment of camera of the present invention
<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、本発明の概要を説明する。
本発明は、結像レンズと固体撮像素子のチップを有して成る固体撮像装置において、結像レンズとチップとの間に、屈折率が1よりも大きい材料(以下、便宜的に高屈折率材料と呼ぶこともある)を設けることを、基本的な構成としている。
<1. Summary of the present invention>
First, prior to description of specific embodiments of the present invention, an outline of the present invention will be described.
The present invention relates to a solid-state imaging device having an imaging lens and a solid-state imaging device chip, and a material having a refractive index larger than 1 (hereinafter referred to as a high refractive index for convenience) between the imaging lens and the chip. The basic structure is to provide a material (sometimes called a material).
結像系レンズでは、回折限界があるため、点光源を結像しても、実際には幅を持って焦点を結ぶことになる。この幅をエアリーディスクと呼ぶ。 Since the imaging lens has a diffraction limit, even if a point light source is imaged, the focal point is actually formed with a width. This width is called an Airy disk.
回折限界を説明するための図を、図18に示す。図18に示すように、結像レンズ51と絞り52と固体撮像素子のチップ53とを有する固体撮像装置に対して、1つの点光源60からの光が入射する場合を考える。
点光源60からの光が、結像レンズ51で集束されて絞り52の開口を通過して、チップ53付近で焦点を結ぶ。このときのチップ53において受光する光の強度分布を、図18の右側に示す。この強度分布からわかるように、直径Dの円に集束されており、この直径Dの円がエアリーディスクである。
エアリーディスクの直径Dは、次式で示される。
D=1.22λ/NA
ここで、λは光の波長であり、NA=nsinθであり、nは空気の屈折率、θは光の入射角である。
FIG. 18 is a diagram for explaining the diffraction limit. As shown in FIG. 18, consider a case where light from one point light source 60 is incident on a solid-state imaging device having an imaging lens 51, a diaphragm 52, and a solid-state imaging device chip 53.
Light from the point light source 60 is focused by the imaging lens 51, passes through the aperture of the diaphragm 52, and is focused near the chip 53. The intensity distribution of light received by the chip 53 at this time is shown on the right side of FIG. As can be seen from the intensity distribution, the light is focused on a circle having a diameter D, and the circle having the diameter D is an Airy disk.
The diameter D of the Airy disk is expressed by the following equation.
D = 1.22λ / NA
Here, λ is the wavelength of light, NA = nsinθ, n is the refractive index of air, and θ is the incident angle of light.
さらに、図19に示すように、2つの点光源60A,60Bがほぼ同じエリアにある場合を考える。この場合に、2つの点光源60A,60Bが2つの像として分解できるかどうかで分解能が決まる。図19においても、図18と同様に、チップ53において受光する光の強度分布を図19の右側に示している。
図19に示すように、2つの点光源60A,60Bが近い位置にあると、右側の強度分布からわかるように、2つのエアリーディスクが重なりを持つ。2つのエアリーディスクの重なり具合によっては、2つの像として分解できずに、1つの像となってしまうことになる。
Further, consider the case where the two point light sources 60A and 60B are in substantially the same area as shown in FIG. In this case, the resolution is determined by whether or not the two point light sources 60A and 60B can be resolved as two images. Also in FIG. 19, as in FIG. 18, the intensity distribution of light received by the chip 53 is shown on the right side of FIG.
As shown in FIG. 19, when the two point light sources 60 </ b> A and 60 </ b> B are close to each other, the two Airy disks overlap each other as can be seen from the intensity distribution on the right side. Depending on how the two Airy discs overlap, they cannot be decomposed into two images and become one image.
分解能を定義するものとして、一般的には、レーリー限界と呼ばれるものがある。これは、エアリーディスクの重なりが分解可能な限界として、
分解能ω=0.61×λ/NA
となる。
ここで、結像レンズ51のF値が2.8であり、入射光の波長λが0.55μm(550nm)であるときの、入射光の光軸に垂直な方向の座標位置x(μm)と光強度(相対値)との関係を、図20に示す。座標位置xの原点は、一方の点光源からの入射光の光軸の位置になっている。
図20に示す場合、F=2.8,λ=0.55μmのときの分解能は、ω=1.88μmとなる。なお、ここでのF値は、F=1/(2×NA)となる。
One that defines the resolution is generally called the Rayleigh limit. This is the limit that the overlap of Airy discs can be disassembled,
Resolution ω = 0.61 × λ / NA
It becomes.
Here, when the F value of the imaging lens 51 is 2.8 and the wavelength λ of the incident light is 0.55 μm (550 nm), the coordinate position x (μm) in the direction perpendicular to the optical axis of the incident light. The relationship between the light intensity and the light intensity (relative value) is shown in FIG. The origin of the coordinate position x is the position of the optical axis of the incident light from one point light source.
In the case shown in FIG. 20, the resolution when F = 2.8 and λ = 0.55 μm is ω = 1.88 μm. The F value here is F = 1 / (2 × NA).
さらに、入射光の波長をλ=0.55μmに固定して、結像レンズのF値と分解能ωとの関係を、図21Aに示す。
ω=0.61×λ/NAであり、F=1/(2×NA)であるため、ω=1.22×λ×Fが成り立ち、波長λが一定の下では、結像レンズのF値と分解能ωとは比例する。
図21Aに示すように、結像レンズのF値が小さくなるほど、分解能が小さくなって、高い解像度が得られる。この図21Aに示す場合において、F=2.8程度では分解能が1.88μmとなっているのがわかる。
Further, FIG. 21A shows the relationship between the F value of the imaging lens and the resolution ω with the wavelength of incident light fixed at λ = 0.55 μm.
Since ω = 0.61 × λ / NA and F = 1 / (2 × NA), ω = 1.22 × λ × F holds, and when the wavelength λ is constant, F of the imaging lens is satisfied. The value and the resolution ω are proportional.
As shown in FIG. 21A, the smaller the F-number of the imaging lens, the smaller the resolution and the higher the resolution. In the case shown in FIG. 21A, it can be seen that the resolution is 1.88 μm at F = 2.8.
さらに、ナイキストの定理により、分解能の半分の画素サイズであれば、レーリー限界まで分解できることになる。即ち、図21Bに示すように、明暗明の各エリアに各画素を対応させることができる画素サイズということになる。
従って、F=2.8の結像レンズを使用した場合には、分解能1.88μmの半分のサイズである、0.94μmの画素サイズで、レーリー限界まで分解できることになる。このことは、0.94μm以下の画素サイズでは、画素サイズを小さくしても解像度が高くならないことを意味する。
Furthermore, according to the Nyquist theorem, if the pixel size is half the resolution, it can be decomposed to the Rayleigh limit. That is, as shown in FIG. 21B, the pixel size can correspond to each area of light and dark.
Therefore, when an imaging lens with F = 2.8 is used, it can be resolved to the Rayleigh limit with a pixel size of 0.94 μm, which is half the resolution of 1.88 μm. This means that with a pixel size of 0.94 μm or less, the resolution does not increase even if the pixel size is reduced.
以上は、回折限界について述べたが、実際にはレンズには収差が存在する。
球面収差について、図22を参照して説明する。
図22に示すように、結像レンズ51の中央付近を通過する光線L1と、結像レンズ51の端を通過する光線L3とでは、焦点距離が異なるため、球面収差が発生する。この図22に示す場合には、入射光の光軸に垂直な方向の横収差Δyと、入射光の光軸に平行な方向の縦収差Δxとが存在するが、解像度に影響するのは図中の横収差Δyとなる。
この場合、分解能に対応するボケ量εsは、
εs=1/4×Δy
となる。収差は、この球面収差以外にも、色収差、コマ収差、非点収差、像面湾曲、歪曲等が存在し、このような収差が解像度を悪化させる。
Although the diffraction limit has been described above, there is actually an aberration in the lens.
The spherical aberration will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 22, since the focal length differs between the light beam L1 passing near the center of the imaging lens 51 and the light beam L3 passing through the end of the imaging lens 51, spherical aberration occurs. In the case shown in FIG. 22, there are transverse aberration Δy in the direction perpendicular to the optical axis of the incident light and longitudinal aberration Δx in the direction parallel to the optical axis of the incident light. The intermediate lateral aberration Δy.
In this case, the blur amount ε s corresponding to the resolution is
ε s = ¼ × Δy
It becomes. In addition to the spherical aberration, the aberration includes chromatic aberration, coma aberration, astigmatism, field curvature, distortion, and the like, and such aberration deteriorates resolution.
さらに、一般的なレンズの収差特性を、図23を参照して説明する。図23A〜図23Dは、図22で説明した縦収差ΔxのF値依存性を示している。図23A〜図23Dはレンズの焦点距離を変えており、図23Aは20mmの場合、図23Bは75mmの場合、図23Cは70mmの場合、図23Dは200mmの場合を示している。
図23A〜図23Dのいずれの場合も、F<5.6において収差が大きくなる傾向が見られる。
各場合において、最大縦収差Δxから、横収差Δyとボケ量εsを見積もった。
図23A(焦点距離20mm)では、最大縦収差Δx=0.1mm、横収差Δy=17.9μm、ボケ量εs=4.5μmである。
図23B(焦点距離75mm)では、最大縦収差Δx=−0.1mm、横収差Δy=17.9μm、ボケ量εs=4.5μmである。
図23C(焦点距離70mm)では、最大縦収差Δx=−0.1mm、横収差Δy=17.9μm、ボケ量εs=4.5μmである。
図23D(焦点距離200mm)では、最大縦収差Δx=0.3mm、横収差Δy=53.5μm、ボケ量εs=13.4μmである。
このように、これらのボケ量εsの値がF=2.8のときの分解能ω=1.88μmよりも大きい値を示しているのがわかる。このことから、F<5.6では、回折限界よりもレンズの収差の方が、解像度を決める要因として支配的になっていると考えられる。
Further, the aberration characteristics of a general lens will be described with reference to FIG. 23A to 23D show the F value dependency of the longitudinal aberration Δx described in FIG. 23A to 23D show different lens focal lengths. FIG. 23A shows a case of 20 mm, FIG. 23B shows a case of 75 mm, FIG. 23C shows a case of 70 mm, and FIG.
In any case of FIGS. 23A to 23D, the aberration tends to increase at F <5.6.
In each case, the lateral aberration Δy and the blur amount ε s were estimated from the maximum longitudinal aberration Δx.
In FIG. 23A (focal length 20 mm), the maximum longitudinal aberration Δx = 0.1 mm, the lateral aberration Δy = 17.9 μm, and the blur amount ε s = 4.5 μm.
In FIG. 23B (focal length 75 mm), the maximum longitudinal aberration Δx = −0.1 mm, the lateral aberration Δy = 17.9 μm, and the blur amount ε s = 4.5 μm.
In FIG. 23C (focal length 70 mm), the maximum longitudinal aberration Δx = −0.1 mm, the lateral aberration Δy = 17.9 μm, and the blur amount ε s = 4.5 μm.
In FIG. 23D (focal length 200 mm), the maximum longitudinal aberration Δx = 0.3 mm, the lateral aberration Δy = 53.5 μm, and the blur amount ε s = 13.4 μm.
Thus, it can be seen that the value of the blur amount ε s is larger than the resolution ω = 1.88 μm when F = 2.8. From this, it can be considered that, at F <5.6, the lens aberration is more dominant as a factor determining the resolution than the diffraction limit.
上述したような現状を鑑みて、本発明では、以下に説明する構成を採用する。
即ち、固体撮像素子のチップと結像レンズとの間にある空間に、空気の屈折率(1)よりも高い屈折率を有する材料(高屈折率材料)を配置する。
従来の構造は、図24Aに示すように、結像レンズ51とチップ53との間が空気(屈折率n0=1)である。これに対して、例えば図24Bに示すように、結像レンズ51とチップ53との間に、空気の屈折率(n0=1)よりも高い屈折率n1(n1>1)の材料54を埋め込む。これにより、結像レンズ51とチップ53とを一体化した構造とすることができる。
また、この図24Bに示す構造においては、図24Aの従来の構造と焦点距離fが等しくなるように、結像レンズ51からの見込み角度θが等しくなるようにする(θ1=θ0)。
結像レンズ51からの見込み角度θが等しく、かつ屈折率が高くなるため、NAが大きくなり、NA1>NA0となる。ここで、分解能ω=0.61×λ/NAであるので、NAが大きくなることにより、回折限界での分解能ωが小さくなる。
これにより、高解像度の画像が得られると共に、画素サイズ縮小の限界がさらに小さくなる、というメリットを有する。
In view of the current situation as described above, the present invention adopts the configuration described below.
That is, a material (high refractive index material) having a refractive index higher than the refractive index (1) of air is disposed in a space between the chip of the solid-state imaging device and the imaging lens.
In the conventional structure, as shown in FIG. 24A, the space between the imaging lens 51 and the chip 53 is air (refractive index n 0 = 1). On the other hand, for example, as shown in FIG. 24B, a material having a refractive index n 1 (n 1 > 1) higher than the refractive index of air (n 0 = 1) between the imaging lens 51 and the chip 53. 54 is embedded. Thereby, the imaging lens 51 and the chip 53 can be integrated.
In the structure shown in FIG. 24B, the expected angle θ from the imaging lens 51 is made equal (θ 1 = θ 0 ) so that the focal length f is equal to the conventional structure shown in FIG. 24A.
Since the expected angles θ from the imaging lens 51 are equal and the refractive index is high, the NA is large and NA 1 > NA 0 is satisfied. Here, since the resolution ω = 0.61 × λ / NA, the resolution ω at the diffraction limit decreases as NA increases.
This has the advantage that a high-resolution image can be obtained and the limit of pixel size reduction is further reduced.
また、上述した効果を得るためには、必ずしも、固体撮像素子のチップと結像レンズとの間の空間全体を、空気よりも高い屈折率の材料で埋め込む必要はない。
例えば、図24Cに示すように、結像レンズ51とチップ53との間の空間の一部(図24Cの場合は空間のチップ53側)に、高い屈折率を有する材料54を埋め込むことによっても、同様な効果が得られる。
Further, in order to obtain the above-described effect, it is not always necessary to embed the entire space between the chip of the solid-state imaging device and the imaging lens with a material having a refractive index higher than that of air.
For example, as shown in FIG. 24C, a material 54 having a high refractive index is embedded in a part of the space between the imaging lens 51 and the chip 53 (in the case of FIG. 24C, the space 53 side). A similar effect can be obtained.
さらに、従来構造とNAが等しくなるように、結像レンズ51からの見込み角度θを小さくする(θ1<θ0)と、球面収差が小さくなるように働く。
この場合の概略構成を、図25B及び図25Cに示す。図25Aには、図24Aと同じ従来の構造を示している。図25Bは、図24Bと同様に空間全体を埋めた場合である。図25Cは、図24Cと同様に空間の一部(チップ53側)を埋めた場合である。
図25B及び図25Cに示す各構成では、NA0=NA1とするために、結像レンズ51からの見込み角度θを小さく(θ1<θ0)している。
球面収差によるボケの量は、結像レンズ51の直径Dと、結像レンズ51からの見込み角度θと、結像レンズ51の焦点距離fとから、次式で表すことができる。
この式からわかるように、結像レンズからの見込み角度θが小さくなるほど、ボケ量εが小さくなる。
なお、結像レンズ51のF値は、結像レンズ51の直径D及び焦点距離fから、F=f/Dとなる。
Further, when the expected angle θ from the imaging lens 51 is reduced (θ 1 <θ 0 ) so that NA is equal to that of the conventional structure, the spherical aberration is reduced.
A schematic configuration in this case is shown in FIGS. 25B and 25C. FIG. 25A shows the same conventional structure as FIG. 24A. FIG. 25B shows a case where the entire space is filled as in FIG. 24B. FIG. 25C shows a case where a part of the space (chip 53 side) is filled as in FIG. 24C.
In each configuration shown in FIGS. 25B and 25C, the expected angle θ from the imaging lens 51 is made small (θ 1 <θ 0 ) so that NA 0 = NA 1 .
The amount of blur due to spherical aberration can be expressed by the following equation from the diameter D of the imaging lens 51, the expected angle θ from the imaging lens 51, and the focal length f of the imaging lens 51.
As can be seen from this equation, the amount of blur ε decreases as the expected angle θ from the imaging lens decreases.
The F value of the imaging lens 51 is F = f / D from the diameter D of the imaging lens 51 and the focal length f.
続いて、上述した本発明の構造とすることによって、どの程度解像度が改善されるかを見積もった。
まず、結像レンズからの見込み角度θが等しくなるようにしたとき(図24参照)において、高屈折率材料54として屈折率n1=1.6の材料を積層した場合の、積層した材料の厚みdと回折限界による分解能との関係を見積もった。結像レンズの焦点距離は、f=5.6cmとした。結像レンズ51のF値及び直径Dは、F=5.6,1.0cm、F=4.2,1.33cm、F=2.8,2.0cmの3通りに変えて、それぞれ分解能を調べた。見積もった結果を図26に示す。
なお、d=5.6cmのときは、厚みdが焦点距離fと等しいので、結像レンズ51とチップ53との間が完全に高屈折率材料で埋まることになる。
Subsequently, it was estimated how much the resolution was improved by adopting the structure of the present invention described above.
First, when the prospective angles θ from the imaging lens are made equal (see FIG. 24), when the material having the refractive index n 1 = 1.6 is laminated as the high refractive index material 54, The relationship between the thickness d and the resolution due to the diffraction limit was estimated. The focal length of the imaging lens was f = 5.6 cm. The F value and the diameter D of the imaging lens 51 are changed in three ways: F = 5.6, 1.0 cm, F = 4.2, 1.33 cm, F = 2.8, 2.0 cm, respectively. I investigated. The estimated results are shown in FIG.
When d = 5.6 cm, since the thickness d is equal to the focal length f, the space between the imaging lens 51 and the chip 53 is completely filled with a high refractive index material.
図26から、積層した材料の厚みdが厚くなるほど、分解能ωが小さくなることがわかる。この結果、高解像度の画像が得られると共に、画素サイズ縮小の限界が小さくなる、というメリットが生じる。 FIG. 26 shows that the resolution ω decreases as the thickness d of the laminated material increases. As a result, there is an advantage that a high-resolution image can be obtained and the limit of pixel size reduction is reduced.
次に、球面レンズでNAが一定となる条件において、高屈折率材料54として屈折率n1=1.6の材料を積層した場合の、積層した材料の厚みdと収差によるボケ量εとの関係を見積もった。結像レンズ51のF値及び直径Dは、図26と同様に3通りに変えた。見積もった結果を、図27に示す。 Next, when a material having a refractive index n 1 = 1.6 is laminated as the high refractive index material 54 under the condition that the NA is constant in the spherical lens, the thickness d of the laminated material and the blur amount ε due to aberration are Estimated the relationship. The F value and the diameter D of the imaging lens 51 were changed in three ways as in FIG. The estimated result is shown in FIG.
図27から、積層した材料の厚みdが厚くなるほど、収差によるボケ量εが小さくなることがわかる。この結果、高解像度の画像が得られると共に、画素サイズ縮小の限界が小さくなる、というメリットが生じる。 From FIG. 27, it can be seen that the greater the thickness d of the laminated material, the smaller the blur amount ε due to aberration. As a result, there is an advantage that a high-resolution image can be obtained and the limit of pixel size reduction is reduced.
上述した分解能の改善効果を、図28を参照して概念的に説明する。
図28に示すように、結像レンズによる分解能は、結像レンズのF値に依存性がある。
結像レンズからの見込み角度θが等しくなる条件(θ0=θ1,NA1>NA0)の場合、本発明により、矢印Aのように変化して、回折限界による分解能が改善される。
次に、NAが等しくなる条件(NA0=NA1,θ1<θ0)の場合、本発明により、矢印Bのように変化して、球面収差等のレンズ収差が改善される。
これらの改善効果も、結像レンズのF値に依存することになる。
The resolution improvement effect described above will be conceptually described with reference to FIG.
As shown in FIG. 28, the resolution by the imaging lens depends on the F value of the imaging lens.
In the condition where the expected angles θ from the imaging lens are equal (θ 0 = θ 1 , NA 1 > NA 0 ), the present invention changes as indicated by the arrow A to improve the resolution due to the diffraction limit.
Next, in the condition where NA is equal (NA 0 = NA 1 , θ 1 <θ 0 ), the present invention changes as indicated by an arrow B to improve lens aberration such as spherical aberration.
These improvement effects also depend on the F value of the imaging lens.
改善効果を全てのF値にわたって平均化させるために、NA及びθが共に中間の値をとっても良い。
即ち、NA1>NA0かつθ1<θ0を満たす条件でも、分解能の改善効果が得られる。この場合、図29に示すように、矢印C及び矢印Dのように変化して、分解能ωが改善される。
In order to average the improvement effect over all F values, both NA and θ may take intermediate values.
That is, the effect of improving the resolution can be obtained even under the condition of NA 1 > NA 0 and θ 1 <θ 0 . In this case, as shown in FIG. 29, the resolution changes as indicated by arrows C and D to improve the resolution ω.
以上の結果は、オンチップレンズやオンチップカラーフィルタが存在していても、存在していなくても、同様な結果を得る。
固体撮像素子にオンチップレンズやオンチップカラーフィルタが存在している場合には、これらの上、即ち、固体撮像素子のチップの最上層の上に、高屈折率材料を形成する。
固体撮像素子にオンチップレンズもオンチップカラーフィルタも存在していない場合には、受光部が形成されたシリコン等の半導体層又は、配線層を含む絶縁層の上に、高屈折率材料を形成する。
The above results are the same whether the on-chip lens or the on-chip color filter is present or not.
When an on-chip lens or an on-chip color filter exists in the solid-state image sensor, a high refractive index material is formed on these, that is, on the uppermost layer of the chip of the solid-state image sensor.
When neither an on-chip lens nor an on-chip color filter exists in the solid-state imaging device, a high refractive index material is formed on a semiconductor layer such as silicon or an insulating layer including a wiring layer on which a light receiving portion is formed. To do.
本発明においては、結像レンズと固体撮像素子のチップとの間に、高屈折率材料を形成することにより、分解能を小さくする効果が得られる。そのため、固体撮像素子のチップ上に高屈折率材料をどのように積層するかは問わず、効果が得られる。
例えば、固体撮像素子の最上層の上に積層しても、固体撮像素子を封止するパッケージの表面上に積層しても、いずれでも構わない。
In the present invention, an effect of reducing the resolution can be obtained by forming a high refractive index material between the imaging lens and the chip of the solid-state imaging device. Therefore, the effect can be obtained regardless of how the high refractive index material is laminated on the chip of the solid-state imaging device.
For example, it may be stacked on the uppermost layer of the solid-state image sensor or may be stacked on the surface of a package for sealing the solid-state image sensor.
なお、チップの最上層のオンチップレンズ上に、高屈折率材料を直接積層する場合には、オンチップレンズのレンズ効果を失わないために、積層する高屈折率材料の屈折率を、オンチップレンズの屈折率より低くした方が良い。 When the high refractive index material is directly laminated on the on-chip lens on the top layer of the chip, the refractive index of the high refractive index material to be laminated is set to on-chip in order not to lose the lens effect of the on-chip lens. It is better to make it lower than the refractive index of the lens.
また、図30に示すように、チップ53上に積層する高屈折率材料54の厚みdを結像レンズ51の焦点深度以下とした場合には、材料54の最表面で結合したときの分解能ω´で全体の分解能ωが決まってしまう。このため、分解能の改善効果が小さくなると考えられる。
従って、高屈折率材料を結像レンズの焦点深度以上の厚みで積層することにより、分解能ωが小さくなって十分な効果があると考えられる。
即ち、下記の条件を満たせば、十分な効果がある。
Therefore, it is considered that the resolution ω is reduced and a sufficient effect is obtained by laminating a high refractive index material with a thickness equal to or greater than the focal depth of the imaging lens.
That is, if the following conditions are satisfied, sufficient effects are obtained.
また、高屈折率材料の屈折率n1が大きいほど、分解能を低減する作用効果も大きくなる。
例えば、高屈折率材料の屈折率n1≧1.6とすれば、ある程度充分な分解能低減効果が得られる。
In addition, the higher the refractive index n 1 of the high refractive index material, the greater the effect of reducing the resolution.
For example, if the refractive index of the high refractive index material is n 1 ≧ 1.6, a sufficient resolution reduction effect can be obtained.
なお、結像レンズとチップとの間の一部に高屈折率材料を設けた場合に、高屈折率材料の表面で光が反射されることを防ぐために、高屈折率材料の表面に反射防止膜を形成すると良い。反射防止膜の屈折率n2は1<n2<n1(1と高屈折率材料の屈折率との中間の値)を満たし、反射防止膜の厚みd2は入射光の波長λに対してd2≦λ/4n2を満たすことが望ましい。 In addition, when a high refractive index material is provided in a part between the imaging lens and the chip, an antireflection is applied to the surface of the high refractive index material in order to prevent light from being reflected on the surface of the high refractive index material. A film may be formed. The refractive index n 2 of the antireflection film satisfies 1 <n 2 <n 1 (an intermediate value between 1 and the refractive index of the high refractive index material), and the thickness d 2 of the antireflection film is equal to the wavelength λ of incident light. It is desirable that d 2 ≦ λ / 4n 2 be satisfied.
好ましくは、色収差を低減するために、高屈折率材料として、アッベ数の大きい、50以上のアッベ数を有する材料を使用すると良い。
また、さらに色収差を低減するために、高屈折率材料として、アッベ数が異なり、波長分散が異なる複数の材料を使用すると良い。そして、例えば、アッベ数が大きく波長分散が小さい材料を凸面型に形成し、その上にアッベ数が小さく波長分散が大きい材料を凹面型にして積層する。
Preferably, a material having a large Abbe number and an Abbe number of 50 or more is used as the high refractive index material in order to reduce chromatic aberration.
In order to further reduce chromatic aberration, a plurality of materials having different Abbe numbers and different wavelength dispersions may be used as the high refractive index material. For example, a material having a large Abbe number and a small wavelength dispersion is formed in a convex shape, and a material having a small Abbe number and a large wavelength dispersion is laminated on the surface.
また、色収差によって色(R,G,B)毎に結像位置がずれている場合に、信号処理により各色の像を合わせるように、各色の像を縮小又は拡大する補正が行われるように、信号処理のプログラムを設定してもよい。例えば、被写体に対して像の外側に短波長の青Bの像がずれ、内側に長波長の赤Rの像がずれている場合には、青Bと赤Rの像を緑Gの像に合わせるように、縮小と拡大で補正すれば良い。 Further, when the imaging position is shifted for each color (R, G, B) due to chromatic aberration, correction is performed so that the image of each color is reduced or enlarged so that the image of each color is matched by signal processing. A signal processing program may be set. For example, when a short-wavelength blue B image is shifted outside the image and a long-wavelength red R image is shifted inside the subject, the blue B and red R images are converted into green G images. What is necessary is just to correct | amend by reduction and expansion so that it may match.
高屈折率材料を、チップと結像レンズの間に形成する方法は特に問わないが、例えば、高屈折率材料を予め成型したものや、結像レンズと高屈折率材料とを一体型に成型したものを用意して、これをチップに接着する方法が考えられる。 The method of forming the high refractive index material between the chip and the imaging lens is not particularly limited. For example, the high refractive index material is molded in advance, or the imaging lens and the high refractive index material are integrally molded. A method of preparing the prepared product and bonding it to the chip can be considered.
即ち、本発明においては、以下に列挙する構成とする。
(1)固体撮像素子のチップと、固体撮像素子へ光を結像させる結像レンズと、結像レンズとチップとの間に配置された、屈折率が1よりも大きい材料(高屈折率材料)とを含む固体撮像装置を構成する。
(2)(1)において、屈折率が1よりも大きい材料(高屈折率材料)の層がチップの最上層の上に積層されている構成とする。
(3)(1)において、屈折率が1よりも大きい材料(高屈折率材料)の層が結像レンズと前記チップとの間全体を埋めている構成とする。この構成の場合、結像レンズと高屈折率材料とを一体形成することが可能である。
(4)(1)において、屈折率が1よりも大きい材料(高屈折率材料)が、平板状の部分と凸な曲面形状の部分とを有する光学部品を構成しており、この光学部品の凸な曲面形状の部分がチップの最上層の上に接触している構成とする。
(5)(4)において、凸な曲面形状の部分とチップの最上層との接触幅が800nm以内である構成とする。接触幅が可視光線の中心付近の波長540nmの1.5倍以内であるため、曲面形状の部分からチップに入った光が半導体層内で広がることが抑制される。
(6)(4)において、凸な曲面形状の部分と、固体撮像素子の各画素の受光部との間に形成された導波路をさらに含む構成とする。導波路により、受光部へ光を効率良く導くことができると共に、受光部へ入射する光のスポットを小さくすることができる。
(7)(1)〜(6)において、屈折率が1よりも大きい材料(高屈折率材料)のアッベ数が50以上である構成とする。色収差を小さくすることができる。
(8)(1)〜(6)において、屈折率が1よりも大きい材料(高屈折率材料)として、互いに波長分散の異なる複数の材料がそれぞれ設けられている構成とする。複数の材料の波長分散を打ち消すようにして、色収差を低減することができる。
(9)(1)〜(8)において、屈折率が1よりも大きい材料(高屈折率材料)の結像レンズ側の表面に反射防止膜を有し、反射防止膜の屈折率が1と屈折率が1よりも大きい材料(高屈折率材料)との中間の値である構成とする。
(10)固体撮像素子のチップと、固体撮像素子へ光を結像させる結像レンズとを含む固体撮像装置を製造する際に、チップと結像レンズとの間に屈折率が1よりも大きい材料(高屈折率材料)を形成する。
(11)(10)の製造方法において、屈折率が1よりも大きい材料(高屈折率材料)を成型して光学部品を作製し、この光学部品をチップの最上層に接着する。
(12)固体撮像素子のチップと、固体撮像素子へ光を結像させる結像レンズと、結像レンズとチップとの間に配置された、屈折率が1よりも大きい材料(高屈折率材料)とを含む固体撮像装置を含むカメラを構成する。
That is, in this invention, it is set as the structure enumerated below.
(1) Solid-state imaging device chip, imaging lens for imaging light onto the solid-state imaging device, and a material having a refractive index greater than 1 (high refractive index material) disposed between the imaging lens and the chip ).
(2) In (1), a layer of a material having a refractive index greater than 1 (high refractive index material) is laminated on the uppermost layer of the chip.
(3) In (1), a layer of a material having a refractive index higher than 1 (high refractive index material) fills the entire space between the imaging lens and the chip. In the case of this configuration, it is possible to integrally form the imaging lens and the high refractive index material.
(4) In (1), a material having a refractive index greater than 1 (high refractive index material) constitutes an optical component having a flat portion and a convex curved portion, and the optical component A convex curved portion is in contact with the top layer of the chip.
(5) In (4), the contact width between the convex curved portion and the top layer of the chip is within 800 nm. Since the contact width is within 1.5 times the wavelength of 540 nm in the vicinity of the center of visible light, the light entering the chip from the curved portion is suppressed from spreading in the semiconductor layer.
(6) In (4), it is configured to further include a waveguide formed between the convex curved portion and the light receiving portion of each pixel of the solid-state imaging device. With the waveguide, light can be efficiently guided to the light receiving unit, and a spot of light incident on the light receiving unit can be reduced.
(7) In (1) to (6), the Abbe number of a material having a refractive index greater than 1 (high refractive index material) is 50 or more. Chromatic aberration can be reduced.
(8) In (1) to (6), a material having a refractive index greater than 1 (high refractive index material) is provided with a plurality of materials having different wavelength dispersions. Chromatic aberration can be reduced by canceling the wavelength dispersion of a plurality of materials.
(9) In (1) to (8), the surface of the imaging lens side of a material having a refractive index larger than 1 (high refractive index material) has an antireflection film, and the refractive index of the antireflection film is 1. It is set as the structure which is an intermediate value with the material (high refractive index material) whose refractive index is larger than one.
(10) When manufacturing a solid-state imaging device including a chip of a solid-state imaging device and an imaging lens for imaging light onto the solid-state imaging device, the refractive index is greater than 1 between the chip and the imaging lens. A material (high refractive index material) is formed.
(11) In the manufacturing method of (10), a material having a refractive index greater than 1 (high refractive index material) is molded to produce an optical component, and this optical component is bonded to the uppermost layer of the chip.
(12) A solid-state imaging device chip, an imaging lens for imaging light onto the solid-state imaging device, and a material having a refractive index greater than 1 (high refractive index material) disposed between the imaging lens and the chip And a solid-state imaging device.
<2.本発明の固体撮像装置の第1の実施の形態>
本発明の固体撮像装置の第1の実施の形態の概略構成図を、図1に示す。
本実施の形態は、図24Cや図25Cで説明した構成と同様に、結像レンズ11と固体撮像素子のチップ13との間の空間の一部に、空気(屈折率1)よりも高い屈折率(n1>1)を有する材料から成る、埋め込み層14を設けている。
<2. First Embodiment of Solid-State Imaging Device of the Present Invention>
FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of the first embodiment of the solid-state imaging device of the present invention.
In the present embodiment, similar to the configuration described with reference to FIGS. 24C and 25C, a portion of the space between the imaging lens 11 and the chip 13 of the solid-state imaging device has a higher refraction than air (refractive index 1). A buried layer 14 made of a material having a ratio (n 1 > 1) is provided.
埋め込み層14は、固体撮像素子のチップ13の上に積層されている。
埋め込み層14の表面から、結像レンズ11及び絞り12までの間は、従来の構成と同様に、何もない空間となっている。
The embedded layer 14 is stacked on the chip 13 of the solid-state image sensor.
The space from the surface of the embedded layer 14 to the imaging lens 11 and the diaphragm 12 is a space having nothing as in the conventional configuration.
埋め込み層14の材料には、受光検出する波長帯域の光に対して、透過率が高い材料、望ましくは、透明である材料を使用する。
このような埋め込み層14の材料としては、例えば、酸化シリコン(SiO2)等の酸化物、窒化シリコン(SiN)が挙げられる。酸化物は、ガラスの状態とするのが好適である。
As the material of the buried layer 14, a material having a high transmittance with respect to light in a wavelength band to be received and detected, preferably a material that is transparent is used.
Examples of the material of the buried layer 14 include oxides such as silicon oxide (SiO 2 ) and silicon nitride (SiN). The oxide is preferably in a glass state.
前述したように、本発明においては、固体撮像素子のチップ上に埋め込み層をどのように積層するかは問わず、分解能を改善する効果が得られる。
従って、本実施の形態において、固体撮像素子のチップ13の最上層の上に埋め込み層14を積層しても、固体撮像素子のチップ13を封止するパッケージの上に埋め込み層14を積層しても、いずれでも構わない。
As described above, in the present invention, the effect of improving the resolution can be obtained regardless of how the embedded layer is stacked on the chip of the solid-state imaging device.
Therefore, in the present embodiment, even if the embedded layer 14 is stacked on the top layer of the chip 13 of the solid-state image sensor, the embedded layer 14 is stacked on the package for sealing the chip 13 of the solid-state image sensor. Or any of them.
ここで、特に、オンチップカラーフィルタ及びオンチップレンズを有する固体撮像素子のチップの最上層の上に埋め込み層14を積層する場合の概略断面図を、図2に示す。
図2に示すように、各画素において、半導体基体21にフォトダイオードから成る受光部22が形成されており、この受光部22の上方に、オンチップカラーフィルタ23及びオンチップレンズ24が形成されている。
そして、オンチップレンズ24上に埋め込み層14が積層され、この埋め込み層14でオンチップレンズ24による凹凸を埋めている。埋め込み層14は、画素ごとではなく、チップ全体にわたって形成されている。
なお、図2においては、受光部22とオンチップカラーフィルタ23との間の構成は、記載を省略している。
Here, in particular, FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view in the case where the embedded layer 14 is laminated on the uppermost layer of the chip of the solid-state imaging device having the on-chip color filter and the on-chip lens.
As shown in FIG. 2, in each pixel, a light receiving portion 22 made of a photodiode is formed on a semiconductor substrate 21, and an on-chip color filter 23 and an on-chip lens 24 are formed above the light receiving portion 22. Yes.
An embedded layer 14 is laminated on the on-chip lens 24, and the unevenness due to the on-chip lens 24 is filled with the embedded layer 14. The buried layer 14 is formed not over each pixel but over the entire chip.
In FIG. 2, the configuration between the light receiving unit 22 and the on-chip color filter 23 is not shown.
図2に示す構成では、オンチップレンズ24上に直接埋め込み層14を積層しているので、前述したように、埋め込み層14の屈折率をオンチップレンズ24の屈折率よりも低くすることが望ましい。 In the configuration shown in FIG. 2, since the embedded layer 14 is directly laminated on the on-chip lens 24, it is desirable that the refractive index of the embedded layer 14 be lower than the refractive index of the on-chip lens 24 as described above. .
埋め込み層14の形成方法は、例えば、埋め込み層14の材料を成型したものや、結像レンズ11と埋め込み層14とを一体型で成型したものを用意して、これをチップ13の上面に接着させる方法がある。 As a method for forming the embedded layer 14, for example, a material obtained by molding the material of the embedded layer 14 or a material in which the imaging lens 11 and the embedded layer 14 are integrally molded is prepared, and this is adhered to the upper surface of the chip 13. There is a way to make it.
また、埋め込み層14を構成する高屈折率材料のアッベ数が50以上であれば、色収差が小さくなり好都合である。 Further, if the high refractive index material constituting the buried layer 14 has an Abbe number of 50 or more, it is advantageous because chromatic aberration is reduced.
上述の本実施の形態の構成によれば、固体撮像素子のチップ13と結像レンズ11との間に、屈折率が1よりも大きい材料による埋め込み層14が形成されているので、埋め込み層14により分解能を小さくすることが可能になる。分解能を小さくすることが可能になるため、同じ画素サイズで従来よりも解像度を向上することが可能になる。
従って、結像レンズ11の回折限界や収差による限界を超えて、微細な画素でも充分に高い解像度の画像が得られる。
また、結像レンズ11のF値に関係なく、高い解像度を達成することができる。
According to the configuration of the present embodiment described above, since the embedded layer 14 made of a material having a refractive index greater than 1 is formed between the chip 13 of the solid-state imaging device and the imaging lens 11, the embedded layer 14 This makes it possible to reduce the resolution. Since the resolution can be reduced, it is possible to improve the resolution with the same pixel size as compared with the conventional case.
Therefore, an image with sufficiently high resolution can be obtained even with a fine pixel beyond the diffraction limit or aberration limit of the imaging lens 11.
Also, high resolution can be achieved regardless of the F value of the imaging lens 11.
続いて、上述した第1の実施の形態の構成を一部変更した変形例を、図3に示す。
図3に示すように、埋め込み層14の上に反射防止膜15を形成している。この反射防止膜15の屈折率n2は、n1>n2>1を満たす。
このように、埋め込み層14の上に反射防止膜15を形成したことにより、埋め込み層14の表面における、入射光の反射を抑制して、光をチップ13内の受光部に効率良く入射させることができる。
Subsequently, FIG. 3 shows a modification in which the configuration of the first embodiment described above is partially changed.
As shown in FIG. 3, an antireflection film 15 is formed on the buried layer 14. The refractive index n 2 of the antireflection film 15 satisfies n 1 > n 2 > 1.
Thus, by forming the antireflection film 15 on the buried layer 14, the reflection of incident light on the surface of the buried layer 14 is suppressed, and light is efficiently incident on the light receiving portion in the chip 13. Can do.
より好ましくは、反射防止膜15の膜厚d2が、入射する可視光線の波長λに対して、d2=λ/4n2を満たすように、反射防止膜15を形成する。
これにより、さらに効果的に、表面における入射光の反射を抑制することができる。
More preferably, the antireflection film 15 is formed so that the film thickness d 2 of the antireflection film 15 satisfies d 2 = λ / 4n 2 with respect to the wavelength λ of incident visible light.
Thereby, reflection of incident light on the surface can be suppressed more effectively.
<3.本発明の固体撮像装置の第2の実施の形態>
本発明の固体撮像装置の第2の実施の形態の概略構成図を、図4A及び図4Bに示す。図4Aは図1と同様の全体図であり、図4Bは図4Aの要部の拡大図である。
この第2の実施の形態は、解像度をさらに改善することを目的として、高屈折率材料を、下に凸な曲面形状(球面或いは円筒面)の部分を有する光学部品として、固体撮像素子のチップの表面に接触させて、近接場光を利用するものである。
即ち、図4A及び図4Bに示すように、高屈折率材料を、固体撮像素子のチップ13側の下に凸な曲面形状(球面或いは円筒面)の部分16Aと、結像レンズ11側の平板状の部分16Bとから成る光学部品16として構成する。そして、チップ13の表面に、光学部品16の曲面形状の部分16Aを接触させている。
このように構成したことにより、曲面形状の部分16Aの周囲の空間は、曲面形状の部分16Aよりも屈折率が低い。そのため、曲面形状の部分16Aに入射した光が、図4Bに示すように、曲面の内側を進み、絞られた所で近接場光となって、チップ13の表面に入射する。これにより、回折限界や収差の影響を避けることが可能となる。
<3. Second Embodiment of Solid-State Imaging Device of the Present Invention>
A schematic configuration diagram of a second embodiment of the solid-state imaging device of the present invention is shown in FIGS. 4A and 4B. 4A is an overall view similar to FIG. 1, and FIG. 4B is an enlarged view of the main part of FIG. 4A.
In the second embodiment, for the purpose of further improving the resolution, a high refractive index material is used as an optical component having a downwardly convex curved surface (spherical surface or cylindrical surface), and a solid-state imaging device chip. The near-field light is used in contact with the surface of the substrate.
That is, as shown in FIG. 4A and FIG. 4B, a high refractive index material is made of a curved surface (spherical surface or cylindrical surface) portion 16A projecting downward on the chip 13 side of the solid-state imaging device and a flat plate on the imaging lens 11 side. The optical part 16 is formed of a portion 16B. Then, the curved surface portion 16 </ b> A of the optical component 16 is brought into contact with the surface of the chip 13.
With this configuration, the space around the curved portion 16A has a lower refractive index than the curved portion 16A. Therefore, as shown in FIG. 4B, the light incident on the curved surface portion 16A travels inside the curved surface, becomes near-field light at the narrowed position, and enters the surface of the chip 13. Thereby, it is possible to avoid the influence of diffraction limit and aberration.
なお、光学部品16の曲面形状の部分16Aは、各受光部即ち各画素と1対1で対応するように、形成することが望ましい。 It is desirable that the curved portion 16A of the optical component 16 is formed so as to correspond to each light receiving portion, that is, each pixel on a one-to-one basis.
上述の本実施の形態の構成によれば、固体撮像素子のチップ13と結像レンズ11との間に、屈折率が1よりも大きい材料による光学部品16が設けられているので、この光学部品16により、分解能を小さくすることが可能になる。分解能を小さくすることが可能になるため、同じ画素サイズで従来よりも解像度を向上することが可能になる。
従って、結像レンズ11の回折限界や収差による限界を超えて、微細な画素でも充分に高い解像度の画像が得られる。
また、結像レンズ11のF値に関係なく、高い解像度を達成することができる。
According to the configuration of the present embodiment described above, the optical component 16 made of a material having a refractive index larger than 1 is provided between the chip 13 of the solid-state imaging device and the imaging lens 11. 16 makes it possible to reduce the resolution. Since the resolution can be reduced, it is possible to improve the resolution with the same pixel size as compared with the conventional case.
Therefore, an image with sufficiently high resolution can be obtained even with a fine pixel beyond the diffraction limit or aberration limit of the imaging lens 11.
Also, high resolution can be achieved regardless of the F value of the imaging lens 11.
また、本実施の形態の構成によれば、光学部品16が、チップ13側の下に凸な曲面形状16Aの部分と平板状の部分16Bとから成り、曲面形状の部分16Aをチップ13の表面に接触させている。これにより、曲面形状の部分16Aによって入射光が近接場光となってチップ13の表面に入射するので、回折限界や収差の影響を避けることが可能となる。 In addition, according to the configuration of the present embodiment, the optical component 16 includes a curved surface shape 16A portion projecting downward on the chip 13 side and a flat plate portion 16B, and the curved surface portion 16A is formed on the surface of the chip 13. Is in contact with As a result, the incident light becomes near-field light and enters the surface of the chip 13 by the curved portion 16A, so that it is possible to avoid the influence of diffraction limit and aberration.
ここで、FDTD法による波動シミュレーションを用いて、第2の実施の形態のように下に凸な曲面構造とした場合の効果を確認した。
シミュレーションに使用した構造を、図31A及び図31Bに示す。図31Aは従来の構造であり、図31Bが本発明の第2の実施の形態の構造である。なお、図31A及び図31Bでは、図1や図4等とは、結像レンズとチップとの上下が逆になっている。
絞り52は、結像レンズ51の被写体側(光50が入射する側)に配置し、結像レンズ51の屈折率はn=1.8とした。
固体撮像素子のチップは、シリコン(n=屈折率4.1)61に、屈折率n=1.4の層62が厚さ2μmで形成されている構成とした。図31Bでは、この層62に高屈折率材料の層63の曲面形状の部分が接触している構成とした。
高屈折率材料の層63は、屈折率がn=1.8であり、画素のピッチは1.2μmとして、曲面形状の部分の下に凸な曲面の半径Rを、0.5μmと0.6μmの2通りとした。
入射光の波長λは、540nmとした。
シミュレーションの結果を、図32A〜図32Cに示す。図32Aは、図31Aの従来の構造の場合である。図32Bは、図31Bで曲面の半径Rが0.5μmの場合であり、図32Cは、図31Bで曲面の半径が0.6μmの場合である。
Here, the effect in the case of a curved surface structure projecting downward as in the second embodiment was confirmed using wave simulation by the FDTD method.
The structure used for the simulation is shown in FIGS. 31A and 31B. FIG. 31A shows a conventional structure, and FIG. 31B shows the structure of the second embodiment of the present invention. In FIGS. 31A and 31B, the imaging lens and the chip are upside down with respect to FIGS.
The diaphragm 52 is disposed on the subject side (the side on which the light 50 is incident) of the imaging lens 51, and the refractive index of the imaging lens 51 is n = 1.8.
The chip of the solid-state imaging device is configured such that a layer 62 having a refractive index n = 1.4 is formed on silicon (n = refractive index 4.1) 61 with a thickness of 2 μm. In FIG. 31B, the layer 62 is in contact with the curved portion of the layer 63 of the high refractive index material.
The layer 63 of the high refractive index material has a refractive index of n = 1.8, the pixel pitch is 1.2 μm, and the radius R of the curved surface protruding below the curved surface portion is 0.5 μm and 0. Two types of 6 μm were used.
The wavelength λ of incident light was 540 nm.
The simulation results are shown in FIGS. 32A to 32C. FIG. 32A shows the case of the conventional structure of FIG. 31A. FIG. 32B shows the case where the radius R of the curved surface is 0.5 μm in FIG. 31B, and FIG. 32C shows the case where the radius of the curved surface is 0.6 μm in FIG. 31B.
図32A〜図32Cより、従来構造に比べて、本発明の構成では、チップの表面において結像レンズから結像された光のスポットが絞られていることがわかる。例えば、図32Bにおいて、矢印Aで示すように、チップ内に入る光のスポットが絞られている。
従って、本発明の構成とすることにより、解像度が改善される。
From FIG. 32A to FIG. 32C, it can be seen that the spot of light imaged from the imaging lens is narrowed on the surface of the chip in the configuration of the present invention as compared with the conventional structure. For example, in FIG. 32B, as indicated by an arrow A, the spot of light entering the chip is narrowed down.
Therefore, the resolution is improved by employing the configuration of the present invention.
また、図33に断面図を示すように、高屈折率材料層63の曲面形状(球面又は円筒面)の部分と、層62の表面との接触幅w1を変えて、シリコン61の表面における光の広がり幅w2を、光学シミュレーションによって調べた。入射光の波長λは、540nmとした。
シミュレーションの結果として、接触幅w1(nm)と光の広がり幅w2(nm)との関係を、図34に示す。
33, the contact width w 1 between the curved surface (spherical surface or cylindrical surface) portion of the high refractive index material layer 63 and the surface of the layer 62 is changed as shown in FIG. The light spreading width w 2 was examined by optical simulation. The wavelength λ of incident light was 540 nm.
As a result of the simulation, the relationship between the contact width w 1 (nm) and the light spreading width w 2 (nm) is shown in FIG.
図34に示すように、λ=540nmにおいて、接触幅が800nmまでの範囲であれば、シリコン61中での光の広がり幅が抑制される効果が確認された。
光の広がり幅は光の波長λに比例するので、接触幅の許容値としては波長λの1.5倍以内となる。
As shown in FIG. 34, when λ = 540 nm and the contact width is in the range up to 800 nm, the effect of suppressing the light spreading width in the silicon 61 was confirmed.
Since the spread width of light is proportional to the wavelength λ of light, the allowable value of the contact width is within 1.5 times the wavelength λ.
<4.本発明の固体撮像装置の第3の実施の形態>
本発明の固体撮像装置の第3の実施の形態の概略構成図を、図5に示す。図5Aは図1や図4Aと同様の全体図であり、図5Bは図5Aの要部の拡大図である。
この第3の実施の形態は、図4A及び図4Bに示した、近接場光を利用する第2の実施の形態の構成に加えて、光の広がりを抑制して受光部に入射する光量を改善することを目的として、導波路を設けたものである。
即ち、図5A及び図5Bに示すように、シリコン17の上の層(絶縁層等)18に、表面からシリコン17までをつなぐように、柱状の導波路19が形成されている。導波路19の内部には、周囲の層18よりも屈折率の高い材料を使用して、導波路19の外壁で光が反射して受光部の方へ導かれるようにする。導波路19は、各受光部即ち各画素と1対1で対応するように形成する。
導波路19の形状は、例えば、円柱状や楕円柱状や四角柱状等とする。
<4. Third Embodiment of Solid-State Imaging Device of the Present Invention>
FIG. 5 shows a schematic configuration diagram of the third embodiment of the solid-state imaging device of the present invention. 5A is an overall view similar to FIG. 1 and FIG. 4A, and FIG. 5B is an enlarged view of the main part of FIG. 5A.
In the third embodiment, in addition to the configuration of the second embodiment using near-field light shown in FIGS. 4A and 4B, the amount of light incident on the light receiving unit while suppressing the spread of light is reduced. A waveguide is provided for the purpose of improvement.
That is, as shown in FIGS. 5A and 5B, a columnar waveguide 19 is formed in a layer (insulating layer or the like) 18 on the silicon 17 so as to connect the surface to the silicon 17. A material having a refractive index higher than that of the surrounding layer 18 is used inside the waveguide 19 so that light is reflected by the outer wall of the waveguide 19 and guided toward the light receiving portion. The waveguide 19 is formed so as to correspond to each light receiving portion, that is, each pixel on a one-to-one basis.
The shape of the waveguide 19 is, for example, a cylindrical shape, an elliptical column shape, a quadrangular column shape, or the like.
そして、層18の上には、図4A及び図4Bに示したと同様の構成である、光学部品16(16A,16B)が設けられている。光学部品16の曲面形状の部分16Aは、導波路19と1対1で対応しており、各受光部即ち各画素と1対1で対応している。 On the layer 18, an optical component 16 (16A, 16B) having the same configuration as shown in FIGS. 4A and 4B is provided. The curved portion 16A of the optical component 16 has a one-to-one correspondence with the waveguide 19 and has a one-to-one correspondence with each light receiving portion, that is, each pixel.
シリコン17の上の層18に導波路19を構成したことにより、層18に入射した光は、導波路19の壁面に沿って受光部へ向かうので、受光部が形成されているシリコン17に入射する光の広がり幅(スポット径)が導波路19の幅以下に抑制される。そのため、シリコン17の表面におけるスポット径を小さくして、各画素の受光部に充分な量の光を入射させることができる。 Since the waveguide 19 is formed in the layer 18 on the silicon 17, the light incident on the layer 18 travels along the wall surface of the waveguide 19 toward the light receiving unit, and thus enters the silicon 17 on which the light receiving unit is formed. The spread width (spot diameter) of the transmitted light is suppressed to be equal to or smaller than the width of the waveguide 19. Therefore, the spot diameter on the surface of the silicon 17 can be reduced, and a sufficient amount of light can be incident on the light receiving portion of each pixel.
本実施の形態の固体撮像装置は、例えば以下に説明するようにして、製造することができる。
まず、図6Aに示すように、光学部品16となる基板材料25を用意する。
次に、図6Bに示すように、基板材料25の表面に、レジスト26を塗布する。
次に、図6Cに示すように、レジスト26を露光・現像して、台形の断面形状とする。
次に、図6Dに示すように、ポストベークを行って、レジスト26を溶解(リフロー)させて、台形の断面形状から曲面形状に変化させる。
次に、図7Eに示すように、上方からRIE(反応性イオンエッチング)法により、エッチング加工27を行う。これにより、図7Fに示すように、レジスト26の形状が基板材料25に転写されていく。そして、最終的には、図7Gに示すように、基板材料25にレジスト26の形状が完全に転写されて、曲面形状の部分16Aを有する光学部品16が形成される。
その後、図7Hに示すように、光学部品16の上下を反転させて、シリコン17の上の層18の内部に導波路19が形成された、チップ13の表面に、導波路19と光学部品16の曲面形状の部分16Aとの位置を合わせるように、取り付ける。
このようにして、本実施の形態の固体撮像装置を製造することができる。
The solid-state imaging device of the present embodiment can be manufactured, for example, as described below.
First, as shown in FIG. 6A, a substrate material 25 to be an optical component 16 is prepared.
Next, as shown in FIG. 6B, a resist 26 is applied to the surface of the substrate material 25.
Next, as shown in FIG. 6C, the resist 26 is exposed and developed to form a trapezoidal cross-sectional shape.
Next, as shown in FIG. 6D, post-baking is performed to dissolve (reflow) the resist 26 to change from a trapezoidal cross-sectional shape to a curved surface shape.
Next, as shown in FIG. 7E, an etching process 27 is performed from above by the RIE (reactive ion etching) method. As a result, the shape of the resist 26 is transferred to the substrate material 25 as shown in FIG. 7F. Finally, as shown in FIG. 7G, the shape of the resist 26 is completely transferred to the substrate material 25, and the optical component 16 having the curved portion 16A is formed.
After that, as shown in FIG. 7H, the optical component 16 is turned upside down, and the waveguide 19 and the optical component 16 are formed on the surface of the chip 13 in which the waveguide 19 is formed inside the layer 18 on the silicon 17. It is attached so as to be aligned with the curved surface portion 16A.
In this way, the solid-state imaging device of the present embodiment can be manufactured.
また、本実施の形態の固体撮像装置は、以下に説明するようにしても、製造することができる。
例えば、図8Aに平面図を示し、図8Bに断面図を示すように、厚い平板状の基板16Bに、下に凸な球面形状16Aが画素毎に形成された、ガラス基板から成る光学部品16を、射出成型等で予め作製しておく。
次に、図9に示すように、導波路19を有する固体撮像素子のチップ13に、光学部品16を張り合わせる。このとき、例えば、画素のピッチを1.2μmとし、球面形状16Aの半径R=0.5μmとし、ガラス基板の厚みを5cmとし、導波路19のピッチを0.6μmとすることができる。なお、図9に示すチップ13には、導波路19の上にさらにオンチップカラーフィルタ(OCCF)23が形成されている。
チップ13との張り合わせを行う際には、例えば図10に示すように、固体撮像素子の受光面28Aの周囲の部分28Bにあるマーカー29を使用して、チップ13の各画素の上に、球面形状の部分16Aをアライメントで位置合わせすると良い。チップ13とガラス基板との貼り合わせには、ガラス基板よりも屈折率が低い、紫外線硬化する材料を使用すると良い。
In addition, the solid-state imaging device of the present embodiment can be manufactured as described below.
For example, as shown in a plan view in FIG. 8A and a cross-sectional view in FIG. 8B, an optical component 16 made of a glass substrate in which a downwardly convex spherical shape 16A is formed for each pixel on a thick flat substrate 16B. Is prepared in advance by injection molding or the like.
Next, as shown in FIG. 9, the optical component 16 is attached to the chip 13 of the solid-state imaging device having the waveguide 19. At this time, for example, the pixel pitch can be 1.2 μm, the radius R of the spherical shape 16A can be 0.5 μm, the thickness of the glass substrate can be 5 cm, and the pitch of the waveguides 19 can be 0.6 μm. In the chip 13 shown in FIG. 9, an on-chip color filter (OCCF) 23 is further formed on the waveguide 19.
When bonding to the chip 13, for example, as shown in FIG. 10, a spherical surface is formed on each pixel of the chip 13 using a marker 29 in a portion 28 </ b> B around the light receiving surface 28 </ b> A of the solid-state imaging device. The shape portion 16A may be aligned by alignment. For bonding the chip 13 and the glass substrate, it is preferable to use an ultraviolet curable material having a refractive index lower than that of the glass substrate.
なお、導波路19は、層18を必ずしも全て貫通している必要はなく、層18の深さ方向の一部の区間に形成されている構成とすることも可能である。 Note that the waveguide 19 does not necessarily have to penetrate all of the layer 18, and may be configured to be formed in a partial section of the layer 18 in the depth direction.
上述の本実施の形態の構成によれば、第2の実施の形態の構成に加えて、さらに、受光部が形成されたシリコン17と光学部品16との間の層18に導波路19が形成されている。これにより、シリコン17に入射する光の広がり幅(スポット径)が導波路19の幅以下に抑制されるため、シリコン17の表面におけるスポット径を小さくして、各画素の受光部に充分な量の光を入射させることができる。 According to the configuration of the present embodiment described above, in addition to the configuration of the second embodiment, the waveguide 19 is formed on the layer 18 between the silicon 17 and the optical component 16 where the light receiving portion is formed. Has been. Thereby, since the spread width (spot diameter) of the light incident on the silicon 17 is suppressed to be equal to or smaller than the width of the waveguide 19, the spot diameter on the surface of the silicon 17 is reduced, and a sufficient amount for the light receiving portion of each pixel Can be incident.
ところで、図32B及び図32Cに示したシミュレーションの結果では、センサー表面でスポットが確かに絞られているが、フォトダイオードが形成される、シリコン61表面ではスポットが広がっている。
本発明の第3の実施の形態のように、各画素に導波路を形成することにより、シリコン表面でのスポットを小さくすることができる。このことを、シミュレーションにより確認した。
By the way, in the simulation results shown in FIGS. 32B and 32C, the spot is certainly narrowed on the sensor surface, but the spot is widened on the surface of the silicon 61 where the photodiode is formed.
As in the third embodiment of the present invention, a spot on the silicon surface can be reduced by forming a waveguide in each pixel. This was confirmed by simulation.
図35A〜図35Bに示すように、センサー表面に屈折率n=1.6の導波路64を設けた構造について、図31A〜図31Bと同様にシミュレーションを行った。なお、比較のために、従来構造の図35Aにも導波路64を設けた。導波路64の直径は0.6μm、導波路64の内部の屈折率はn=1.6として、その他の条件は、図31A〜図31Bと同じとした。
シミュレーションの結果を、図36A〜図36Cに示す。図36Aは、図35Aの従来の構造の場合である。図36Bは、図35Bで曲面の半径Rが0.5μmの場合であり、図36Cは、図35Bで曲面の半径Rが0.6μmの場合である。
As shown in FIGS. 35A to 35B, a simulation was performed on a structure in which a waveguide 64 having a refractive index n = 1.6 was provided on the sensor surface in the same manner as FIGS. 31A to 31B. For comparison, a waveguide 64 is also provided in FIG. 35A having a conventional structure. The diameter of the waveguide 64 is 0.6 μm, the refractive index inside the waveguide 64 is n = 1.6, and other conditions are the same as those in FIGS. 31A to 31B.
The results of the simulation are shown in FIGS. 36A to 36C. FIG. 36A is a case of the conventional structure of FIG. 35A. FIG. 36B shows the case where the radius R of the curved surface is 0.5 μm in FIG. 35B, and FIG. 36C shows the case where the radius R of the curved surface is 0.6 μm in FIG.
図36B及び図36Cから、導波路64を設けることにより、シリコンの表面及びシリコンの内部でもスポットが絞られているのがわかる。例えば、図36Bにおいて、矢印Bで示すように、シリコン内に入る光のスポットが絞られている。このことは、さらに解像度が改善されていることを意味する。 From FIG. 36B and FIG. 36C, it can be seen that by providing the waveguide 64, spots are narrowed down on the surface of silicon and inside the silicon. For example, in FIG. 36B, as indicated by an arrow B, the light spot entering the silicon is narrowed. This means that the resolution is further improved.
<5.本発明の固体撮像装置の第4の実施の形態>
本発明の固体撮像装置の第4の実施の形態の概略構成図を、図11に示す。
本実施の形態は、色収差を低減することを目的として、波長分散の大きい材料の層と波長分散の小さい材料の層とを積層して、複数層により埋め込み層を構成したものである。
即ち、図11に示すように、アッベ数が大きい(50以上)の材料から成る凸面型の層31と、アッベ数が小さい(50以下)の材料から成る凹面型の層32とを形成して、これらの層31,32を積層して埋め込み層14を構成する。
この埋め込み層14の上には、図3に示したと同様の反射防止膜15が形成されている。
<5. Fourth Embodiment of Solid-State Imaging Device of the Present Invention>
FIG. 11 shows a schematic configuration diagram of the fourth embodiment of the solid-state imaging device of the present invention.
In the present embodiment, for the purpose of reducing chromatic aberration, a layer of a material having a large wavelength dispersion and a layer of a material having a small wavelength dispersion are laminated, and a buried layer is configured by a plurality of layers.
That is, as shown in FIG. 11, a convex layer 31 made of a material having a large Abbe number (50 or more) and a concave layer 32 made of a material having a small Abbe number (50 or less) are formed. These layers 31 and 32 are stacked to form the buried layer 14.
An antireflection film 15 similar to that shown in FIG. 3 is formed on the buried layer 14.
埋め込み層14のうち、下層の凸面型の層31は、アッベ数が大きいため、波長分散は小さい。また、上層の凹面型の層32は、アッベ数が小さいため、波長分散は大きい。これら波長分散の異なる2層31,32を積層することにより、各層で生じる色収差を打消し合うようにして、全体の色収差を低減することができる。 Of the buried layer 14, the lower convex-type layer 31 has a small Abbe number and therefore has a small wavelength dispersion. Further, since the upper concave layer 32 has a small Abbe number, the wavelength dispersion is large. By laminating these two layers 31 and 32 having different wavelength dispersions, the chromatic aberration generated in each layer can be canceled and the entire chromatic aberration can be reduced.
前述したように、1層で埋め込み層14を構成する場合でも、埋め込み層14のアッベ数が50以上であれば色収差が小さくなる。
しかしながら、アッベ数を50以上としても色収差が生じる場合には、本実施の形態の構成を採用して、波長分散の異なる複数層により埋め込み層を構成することにより、さらに色収差を低減することができる。
As described above, even when the buried layer 14 is formed of one layer, the chromatic aberration is reduced if the Abbe number of the buried layer 14 is 50 or more.
However, when chromatic aberration occurs even when the Abbe number is 50 or more, the chromatic aberration can be further reduced by adopting the configuration of the present embodiment and configuring the embedded layer with a plurality of layers having different wavelength dispersions. .
本実施の形態の固体撮像装置は、例えば、図12に示すような工程によって製造することができる。
まず、図12Aに示すように、固体撮像素子のチップ13を用意する。
次に、図12Bに示すように、チップ13の表面に、紫外線照射により硬化する、光学接着剤33を塗布する。
一方、図12Cに示すように、アッベ数が50以上の材料から成る凸面型の層31と、アッベ数が50以下の材料から成る凹面型の層32とを張り合わせてガラス基板(埋め込み層)14を構成する。さらに、ガラス基板(埋め込み層)14の表面に、反射防止膜15を蒸着により形成して、光学部品を作製する。反射防止膜15は、例えば、屈折率1.6で、厚さ80nmに形成することができる。
次に、図12Dに示すように、光学接着剤33の上に、光学部品をマウントする。
続いて、図12Eに示すように、紫外線照射34によって、光学接着剤33を硬化させて、光学部品とチップ13とを接着する。
このようにして、本実施の形態の固体撮像装置を製造することができる。
The solid-state imaging device of the present embodiment can be manufactured, for example, by a process as shown in FIG.
First, as shown in FIG. 12A, a solid-state imaging device chip 13 is prepared.
Next, as shown in FIG. 12B, an optical adhesive 33 that is cured by ultraviolet irradiation is applied to the surface of the chip 13.
On the other hand, as shown in FIG. 12C, a convex-type layer 31 made of a material having an Abbe number of 50 or more and a concave-type layer 32 made of a material having an Abbe number of 50 or less are laminated to form a glass substrate (embedded layer) 14. Configure. Further, an antireflection film 15 is formed on the surface of the glass substrate (embedded layer) 14 by vapor deposition to produce an optical component. The antireflection film 15 can be formed with a refractive index of 1.6 and a thickness of 80 nm, for example.
Next, as shown in FIG. 12D, the optical component is mounted on the optical adhesive 33.
Subsequently, as shown in FIG. 12E , the optical adhesive 33 is cured by the ultraviolet irradiation 34 to bond the optical component and the chip 13 together.
In this way, the solid-state imaging device of the present embodiment can be manufactured.
上述の本実施の形態の構成によれば、固体撮像素子のチップ13と結像レンズ11との間に、屈折率が1よりも大きい材料による埋め込み層14が形成されているので、埋め込み層14により分解能を小さくすることが可能になる。分解能を小さくすることが可能になるため、同じ画素サイズで従来よりも解像度を向上することが可能になる。
従って、結像レンズ11の回折限界や収差による限界を超えて、微細な画素でも充分に高い解像度の画像が得られる。
また、結像レンズ11のF値に関係なく、高い解像度を達成することができる。
According to the configuration of the present embodiment described above, since the embedded layer 14 made of a material having a refractive index greater than 1 is formed between the chip 13 of the solid-state imaging device and the imaging lens 11, the embedded layer 14 This makes it possible to reduce the resolution. Since the resolution can be reduced, it is possible to improve the resolution with the same pixel size as compared with the conventional case.
Therefore, an image with sufficiently high resolution can be obtained even with a fine pixel beyond the diffraction limit or aberration limit of the imaging lens 11.
Also, high resolution can be achieved regardless of the F value of the imaging lens 11.
また、本実施の形態の構成によれば、アッベ数の大きい凸面型の層31の上に、アッベ数の小さい凹面型の層32を積層している。これにより、下層の凸面型の層31は波長分散が小さくなり、上層の凹面型の層32は波長分散が大きくなる。これら波長分散の異なる2層31,32を積層することにより、各層31,32で生じる色収差を打消し合うようにして、全体の色収差を低減することができる。 Further, according to the configuration of the present embodiment, the concave layer 32 having a small Abbe number is stacked on the convex layer 31 having a large Abbe number. Thereby, the lower convex layer 31 has a smaller wavelength dispersion, and the upper concave layer 32 has a larger wavelength dispersion. By laminating these two layers 31 and 32 having different wavelength dispersions, the chromatic aberration generated in each of the layers 31 and 32 can be canceled and the entire chromatic aberration can be reduced.
なお、波長分散が異なる複数の層は、必ずしも図11に示したように互いに密着させて埋め込み層を構成する必要はない。
例えば、結像レンズと固体撮像素子のチップとの間に、波長分散が異なる複数の層が、層間に空間を有するように配置された構成とすることも可能である。この構成においても、図11に示した構成と同様に、色収差を低減する効果が得られる。
The plurality of layers having different wavelength dispersions do not necessarily have to be in close contact with each other as shown in FIG. 11 to form a buried layer.
For example, it is possible to adopt a configuration in which a plurality of layers having different wavelength dispersions are arranged between the imaging lens and the solid-state imaging device chip so as to have a space between the layers. Also in this configuration, the effect of reducing chromatic aberration can be obtained as in the configuration shown in FIG.
<6.回路構成の例>
本発明は、CCD固体撮像素子(CCDイメージセンサー)、CMOS型固体撮像素子(CMOSイメージセンサー)を問わず、各種の固体撮像素子に適用することができる。
本発明を適用する固体撮像素子の回路構成の例を、以下に示す。
<6. Example of circuit configuration>
The present invention can be applied to various solid-state image sensors regardless of whether they are CCD solid-state image sensors (CCD image sensors) or CMOS solid-state image sensors (CMOS image sensors).
An example of a circuit configuration of a solid-state imaging device to which the present invention is applied is shown below.
本発明を適用する、CMOS型固体撮像素子(CMOSイメージセンサー)の回路構成の例を、図13に示す。
図13に示すように、各画素に、受光部のフォトダイオードPD及びセルアンプ41を有している。各画素のセルアンプ41は、垂直信号線42及び水平信号線43に接続されている。
垂直信号線42は、垂直シフトレジスタ44に接続されている。
水平信号線43は、ノイズキャンセル回路45と、水平選択トランジスタ46とを介して、水平出力線47に接続されている。水平選択トランジスタ46のゲートは、水平シフトレジスタ48に接続されている。
垂直シフトレジスタ44及び水平シフトレジスタ48により、各画素が駆動して、各画素に蓄積された信号電荷が電圧に変換されて読み出される。
An example of a circuit configuration of a CMOS type solid-state imaging device (CMOS image sensor) to which the present invention is applied is shown in FIG.
As shown in FIG. 13, each pixel has a photodiode PD and a cell amplifier 41 of a light receiving portion. The cell amplifier 41 of each pixel is connected to the vertical signal line 42 and the horizontal signal line 43.
The vertical signal line 42 is connected to the vertical shift register 44.
The horizontal signal line 43 is connected to a horizontal output line 47 via a noise cancellation circuit 45 and a horizontal selection transistor 46. The gate of the horizontal selection transistor 46 is connected to the horizontal shift register 48.
The vertical shift register 44 and the horizontal shift register 48 drive each pixel, and the signal charge accumulated in each pixel is converted into a voltage and read.
本発明を適用する、CCD固体撮像素子(CCDイメージセンサー)の回路構成の例を、図14に示す。
図14に示すように、各画素に、受光部のフォトダイオードPD及び読み出しトランジスタ71を有している。それぞれの列の画素に対して平行に、垂直CCD転送レジスタ72が設けられており、各画素の読み出しトランジスタ71は、各列の垂直CCD転送レジスタ72に接続されている。各垂直CCD転送レジスタ72は、一方の端部が水平CCD転送レジスタ73に接続されている。水平CCD転送レジスタ73は、一方の端部が出力アンプ74に接続されている。この回路構成は、いわゆるインターライン転送(IT)型のCCD固体撮像素子である。
読み出しトランジスタ71と垂直CCD転送レジスタ72と水平CCD転送レジスタ73とにより、各画素に蓄積された信号電荷が転送され、出力アンプを経て出力される。
An example of a circuit configuration of a CCD solid-state imaging device (CCD image sensor) to which the present invention is applied is shown in FIG.
As shown in FIG. 14, each pixel has a photodiode PD and a read transistor 71 of a light receiving portion. A vertical CCD transfer register 72 is provided in parallel to the pixels of each column, and the read transistor 71 of each pixel is connected to the vertical CCD transfer register 72 of each column. Each vertical CCD transfer register 72 has one end connected to the horizontal CCD transfer register 73. One end of the horizontal CCD transfer register 73 is connected to the output amplifier 74. This circuit configuration is a so-called interline transfer (IT) type CCD solid-state imaging device.
The signal charge accumulated in each pixel is transferred by the read transistor 71, the vertical CCD transfer register 72, and the horizontal CCD transfer register 73, and is output through an output amplifier.
また、図13及び図14に示した回路構成に限らず、他の回路構成の固体撮像素子にも、本発明を適用することができる。 Further, the present invention can be applied not only to the circuit configurations shown in FIGS. 13 and 14 but also to solid-state imaging devices having other circuit configurations.
<7.本発明の固体撮像装置の変形例>
上述した各実施の形態では、1つの結像レンズに対して、固体撮像素子のチップが1個である場合を説明した。本発明では、1つの結像レンズに対して複数個の固体撮像素子のチップを有する構成にも適用することが可能である。即ち、固体撮像素子のチップを3個使用する、いわゆる三板式等にも、本発明を適用することが可能である。
複数個の固体撮像素子のチップを有する構成に、本発明を適用する場合には、それぞれのチップと結像レンズとを結ぶ光路に、屈折率が1より高い材料が存在するように構成する。屈折率が1より高い材料を、複数個のチップへの光路の分岐点よりも結像レンズ側に配置する場合には1個で済む。屈折率が1より高い材料を、光路の分岐点よりもチップ側に配置する場合には、チップと同じ個数が必要になる。
<7. Modified Example of Solid-State Imaging Device of the Present Invention>
In each of the above-described embodiments, the case where there is one chip of the solid-state image sensor for one imaging lens has been described. The present invention can also be applied to a configuration having a plurality of solid-state imaging device chips for one imaging lens. That is, the present invention can be applied to a so-called three-plate type using three chips of a solid-state imaging device.
When the present invention is applied to a configuration having a plurality of solid-state imaging device chips, a material having a refractive index higher than 1 is configured in an optical path connecting each chip and the imaging lens. When a material having a refractive index higher than 1 is arranged closer to the imaging lens than the branch point of the optical path to a plurality of chips, only one material is sufficient. When a material having a refractive index higher than 1 is arranged on the chip side with respect to the branch point of the optical path, the same number as the chip is required.
上述した第4の実施の形態では、波長分散の異なる複数の層を設けることにより、色収差を補正していたが、その他の方法によって色収差を補正することも可能である。
例えば、色収差による赤Rと緑Gと青Bの色ずれを低減するために、信号処理による補正を行っても良い。
一般的に、色収差は、短波長の光が結像系レンズの手前側に結像して、長波長側の光が結像系レンズの奥側に結像することで生じる。
従って、例えば、被写体に対して像の外側に短波長の青Bが、そして内側に長波長の赤Rがずれている場合には、ここでの信号処理は、青Bと赤Rを緑Gの像に合わせるように、縮小と拡大で補正する。
In the above-described fourth embodiment, the chromatic aberration is corrected by providing a plurality of layers having different wavelength dispersions. However, the chromatic aberration can be corrected by other methods.
For example, in order to reduce the color shifts of red R, green G, and blue B due to chromatic aberration, correction by signal processing may be performed.
In general, chromatic aberration is caused when short-wavelength light forms an image on the front side of the imaging system lens, and long-wavelength side light forms an image on the back side of the imaging system lens.
Therefore, for example, when the short wavelength blue B is shifted to the outside of the image and the long wavelength red R is shifted to the inside of the subject, the signal processing here converts the blue B and red R to green G The image is corrected by reduction and enlargement so as to match the image.
<8.本発明のカメラの実施の形態>
本発明のカメラは、上述した本発明に係る固体撮像装置を備えて、カメラを構成したものである。本発明のカメラとしては、スチルカメラ、ビデオカメラ、カメラ機能付き携帯機器等が挙げられる。
本発明のカメラの実施の形態を、以下にいくつか示す。
<8. Embodiment of Camera of the Present Invention>
The camera of the present invention comprises the above-described solid-state imaging device according to the present invention and constitutes a camera. Examples of the camera of the present invention include a still camera, a video camera, and a portable device with a camera function.
Several embodiments of the camera of the present invention are shown below.
本発明のカメラの一実施の形態の概略構成図(ブロック図)を、図15に示す。
本実施の形態のカメラは、光学系(結像レンズ)81と、固体撮像素子82と、駆動回路83と、信号処理回路84とを備えている。固体撮像素子82は、CCD固体撮像素子やCMOS型固体撮像素子等である。
FIG. 15 shows a schematic configuration diagram (block diagram) of an embodiment of the camera of the present invention.
The camera according to the present embodiment includes an optical system (imaging lens) 81, a solid-state imaging device 82, a drive circuit 83, and a signal processing circuit 84. The solid-state image sensor 82 is a CCD solid-state image sensor or a CMOS solid-state image sensor.
光学系(結像レンズ)81は、被写体からの像光(入射光)を固体撮像素子82の撮像面上に結像させる。これにより、固体撮像素子82の受光部(フォトダイオード)において一定期間信号電荷が蓄積される。駆動回路83は固体撮像素子82の信号電荷の蓄積・読み出し等の駆動を制御する。信号処理回路84は、固体撮像素子82の出力信号に対して種々の信号処理を施して出力する。本実施の形態のカメラは、光学系(結像レンズ)81、固体撮像装置82、駆動回路83、信号処理回路84がモジュール化したカメラモジュールの形態を含む。 The optical system (imaging lens) 81 forms image light (incident light) from the subject on the imaging surface of the solid-state imaging device 82. Thereby, signal charges are accumulated for a certain period in the light receiving portion (photodiode) of the solid-state imaging device 82. The drive circuit 83 controls driving of the solid-state image sensor 82 such as signal charge accumulation / reading. The signal processing circuit 84 performs various signal processing on the output signal of the solid-state imaging device 82 and outputs the processed signal. The camera according to the present embodiment includes a camera module in which an optical system (imaging lens) 81, a solid-state imaging device 82, a drive circuit 83, and a signal processing circuit 84 are modularized.
本実施の形態のカメラでは、結像レンズ81と、固体撮像素子(チップ)82との間の空間に、前述した埋め込み層14等の、空間よりも屈折率の高い材料を配置して、カメラを構成する。 In the camera according to the present embodiment, a material having a higher refractive index than that of the space, such as the embedded layer 14 described above, is disposed in the space between the imaging lens 81 and the solid-state imaging device (chip) 82. Configure.
本発明のカメラの他の実施の形態の概略構成図(ブロック図)を、図16に示す。なお、本実施の形態のカメラでは、固体撮像素子としてCCD固体撮像素子を使用している。
このカメラは、結像レンズ101、CCD102、撮像回路103、積分回路104、信号処理回路105、AE(自動露光調節)演算/制御回路106、AWB(自動ホワイトバランス)演算/制御回路107、タイミング発生器108を備えている。さらに、表示系109、記録系110、スミア検出回路111、スミア量検出回路112を備えている。
FIG. 16 shows a schematic configuration diagram (block diagram) of another embodiment of the camera of the present invention. In the camera of the present embodiment, a CCD solid-state image sensor is used as the solid-state image sensor.
This camera includes an imaging lens 101, a CCD 102, an imaging circuit 103, an integration circuit 104, a signal processing circuit 105, an AE (automatic exposure adjustment) arithmetic / control circuit 106, an AWB (automatic white balance) arithmetic / control circuit 107, and timing generation. A container 108 is provided. Further, a display system 109, a recording system 110, a smear detection circuit 111, and a smear amount detection circuit 112 are provided.
図16に示す各部の間で、以下のように信号が供給される。
CCD(CCD固体撮像素子)102からの撮像信号は、撮像回路103に供給される。撮像回路103は、図示しないが、CDS(二重相関サンプリング)回路、AGC(自動利得調整器)、A/D変換器等を含む。撮像回路103よりの出力信号(映像信号)は、信号処理回路105に供給される。
また、CCD102からの撮像信号は、スミア検出回路111にも供給されて、スミアが検出され、そのスミア検出回路111からのスミア検出信号がスミア量検出回路112に供給されて、スミア量が算出される。スミア検出回路111からのスミア検出信号は、タイミング発生器108及びAE演算/制御回路106に供給される。スミア量検出回路112からのスミア量信号は、AE演算/制御回路106に供給される。AE演算/制御回路106からのAE制御信号は、結像レンズ101及び撮像回路103に供給される。AE演算/制御回路106からの制御信号がタイミング発生器108に供給されて、タイミング発生器108において各種のタイミング信号が発生して、CCD102及びAE演算/制御回路106に供給される。
撮像回路103の出力信号が積分回路104に供給され、その積分出力が、AWB演算/制御回路107に供給される。AWB演算/制御回路107からの制御信号は、信号処理回路105、積分回路104及びスミア量検出回路112に供給される。スミア量検出回路112からのスミア量信号がAWB演算/制御回路107に供給される。積分回路104よりの積分出力がAE演算/制御回路106に供給されると共に、AE演算/制御回路106からの制御信号が積分回路104に供給される。
信号処理回路105からの映像信号がLCD(液晶表示装置)等の表示系109に供給されて、映像が表示されると共に、その映像信号が記録系110に供給されて、外部記録媒体に記録される。
Signals are supplied between the units shown in FIG. 16 as follows.
An imaging signal from a CCD (CCD solid-state imaging device) 102 is supplied to an imaging circuit 103. Although not shown, the imaging circuit 103 includes a CDS (double correlation sampling) circuit, an AGC (automatic gain adjuster), an A / D converter, and the like. An output signal (video signal) from the imaging circuit 103 is supplied to the signal processing circuit 105.
The imaging signal from the CCD 102 is also supplied to the smear detection circuit 111 to detect smear, and the smear detection signal from the smear detection circuit 111 is supplied to the smear detection circuit 112 to calculate the smear amount. The The smear detection signal from the smear detection circuit 111 is supplied to the timing generator 108 and the AE calculation / control circuit 106. The smear amount signal from the smear amount detection circuit 112 is supplied to the AE calculation / control circuit 106. An AE control signal from the AE calculation / control circuit 106 is supplied to the imaging lens 101 and the imaging circuit 103. A control signal from the AE calculation / control circuit 106 is supplied to the timing generator 108, and various timing signals are generated in the timing generator 108 and supplied to the CCD 102 and the AE calculation / control circuit 106.
An output signal of the imaging circuit 103 is supplied to the integration circuit 104, and the integration output is supplied to the AWB calculation / control circuit 107. A control signal from the AWB calculation / control circuit 107 is supplied to the signal processing circuit 105, the integration circuit 104, and the smear amount detection circuit 112. A smear amount signal from the smear amount detection circuit 112 is supplied to the AWB calculation / control circuit 107. An integration output from the integration circuit 104 is supplied to the AE calculation / control circuit 106, and a control signal from the AE calculation / control circuit 106 is supplied to the integration circuit 104.
A video signal from the signal processing circuit 105 is supplied to a display system 109 such as an LCD (Liquid Crystal Display) to display an image, and the video signal is supplied to a recording system 110 to be recorded on an external recording medium. The
以下、より具体的に、図16のカメラの各部の動作を説明する。
積分回路104は、被写体の明るさに対応した自動露光調節(AE)を行うための自動露光調節積分値の信号を生成し、この信号をAE演算/制御回路106に供給する。
また、積分回路104は、被写体の色情報に対応した自動ホワイトバランス制御を行うための自動ホワイトバランス制御積分値の信号を生成し、この信号をAWB演算/制御回路107に供給する。
AE演算/制御回路106は、タイミング発生器108からのタイミング信号に同期する。そして、記録系110で画像記録を行う際に適正な明るさ及び露光量になるように結像レンズ101のレンズ絞り手段のレンズ絞り値、CCD102の電子シャッタの電子シャッタスピードを制御する。
また、AE演算/制御回路106は、撮像回路103内のAGC回路のゲイン制御及び積分回路104の積分動作の制御をも行う。
AWB演算/制御回路107は、タイミング発生器108からのタイミング信号に同期して、記録系110で画像記録を行う際に適正なホワイトバランスになるように信号処理回路105のR(赤)信号のゲインおよびB(青)信号のゲインを制御する。
スミア検出回路111は、CCD固体撮像素子102の受光面のオプティカルブラック領域に設けた、スミア検出枠の画素に出力される信号レベルが、所定のしきい値内にある場合に、スミアを検出する。所定のしきい値内にない場合には、スミアは発生していないものと見なす。同時に、スミアを検出したときには、スミア量検出回路112を動作状態にする。スミアを検出しないときは、スミア量検出回路112を動作させない。
Hereinafter, the operation of each part of the camera of FIG. 16 will be described more specifically.
The integration circuit 104 generates an automatic exposure adjustment integration value signal for performing automatic exposure adjustment (AE) corresponding to the brightness of the subject, and supplies this signal to the AE calculation / control circuit 106.
Further, the integration circuit 104 generates an automatic white balance control integration value signal for performing automatic white balance control corresponding to the color information of the subject, and supplies this signal to the AWB calculation / control circuit 107.
The AE calculation / control circuit 106 is synchronized with the timing signal from the timing generator 108. Then, the lens aperture value of the lens aperture unit of the imaging lens 101 and the electronic shutter speed of the electronic shutter of the CCD 102 are controlled so that an appropriate brightness and exposure amount are obtained when the recording system 110 performs image recording.
The AE calculation / control circuit 106 also controls the gain control of the AGC circuit in the imaging circuit 103 and the integration operation of the integration circuit 104.
The AWB calculation / control circuit 107 synchronizes with the timing signal from the timing generator 108 and outputs the R (red) signal of the signal processing circuit 105 so as to achieve an appropriate white balance when the recording system 110 performs image recording. Controls the gain and gain of the B (blue) signal.
The smear detection circuit 111 detects smear when the signal level output to the pixel in the smear detection frame provided in the optical black region of the light receiving surface of the CCD solid-state imaging device 102 is within a predetermined threshold. . If it is not within the predetermined threshold, it is considered that smear has not occurred. At the same time, when smear is detected, the smear amount detection circuit 112 is put into an operating state. When the smear is not detected, the smear amount detection circuit 112 is not operated.
本実施の形態のカメラでは、結像レンズ101と、CCD固体撮像素子(チップ)102との間の空間に、前述した埋め込み層14等の、空間よりも屈折率の高い材料を配置して、カメラを構成する。 In the camera according to the present embodiment, a material having a higher refractive index than the space, such as the embedded layer 14 described above, is disposed in the space between the imaging lens 101 and the CCD solid-state imaging device (chip) 102. Configure the camera.
本発明のカメラのさらに他の実施の形態の概略構成図(ブロック図)を、図17に示す。なお、本実施の形態のカメラでも、固体撮像素子としてCCD固体撮像素子を使用している。なお、図17においては、結像レンズ等の光学系は、図示を省略している。
このカメラは、CCD固体撮像素子120と、このCCD固体撮像素子120を駆動するための駆動制御部としての駆動電源131・ドライバ132・タイミング信号発生部133とを備えて成る。
CCD固体撮像素子120は、半導体基板に、フォトダイオードPDによる受光部121が多数、2次元マトリクス状に配置されている。各列の受光部121と平行に垂直CCD転送レジスタ123が形成されている。受光部121と垂直CCD転送レジスタ123との間には、受光部121に蓄積された信号電荷を読み出すための読み出しゲート部122が形成されている。垂直CCD転送レジスタ123の一端には、水平CCD転送レジスタ125が接続されている。
受光部121と、読み出しゲート部122と、垂直CCD転送レジスタ123とによりユニットセル(画素)124が構成される。また、各ユニットセル124の境界部分には、チャネルストップCSが設けられている。
そして、本実施形態では、インターライン転送(IT)方式のCCD固体撮像素子120を6相もしくは8相で駆動する構成としている。
FIG. 17 shows a schematic configuration diagram (block diagram) of still another embodiment of the camera of the present invention. Note that the camera of this embodiment also uses a CCD solid-state image sensor as the solid-state image sensor. In FIG. 17, an optical system such as an imaging lens is not shown.
This camera includes a CCD solid-state image sensor 120 and a drive power supply 131, a driver 132, and a timing signal generator 133 as drive control units for driving the CCD solid-state image sensor 120.
In the CCD solid-state imaging device 120, a large number of light receiving portions 121 by photodiodes PD are arranged in a two-dimensional matrix on a semiconductor substrate. A vertical CCD transfer register 123 is formed in parallel with the light receiving unit 121 in each column. Between the light receiving unit 121 and the vertical CCD transfer register 123, a reading gate unit 122 for reading signal charges accumulated in the light receiving unit 121 is formed. A horizontal CCD transfer register 125 is connected to one end of the vertical CCD transfer register 123.
The light receiving unit 121, the read gate unit 122, and the vertical CCD transfer register 123 constitute a unit cell (pixel) 124. Further, a channel stop CS is provided at the boundary portion of each unit cell 124.
In this embodiment, an interline transfer (IT) type CCD solid-state imaging device 120 is driven in six phases or eight phases.
図17において、CCD固体撮像素子120には、駆動電源131から、ドレイン電圧VDD及びリセットドレイン電圧VRDが印加され、ドライバ132にも所定の電圧が供給される。
また、垂直CCD転送レジスタ123には、6相もしくは8相駆動に対応する複数本(本例では1ユニットセル当たり6本もしくは8本)の垂直転送電極128(128−1〜128−6もしくは128−1〜128−8)が設けられる。
このカメラにおいて、CCD固体撮像素子120の受光部121に蓄積された信号電荷は、読み出しゲート部122に読出パルスXSGに対応するドライブパルスが印加されることにより、垂直CCD転送レジスタ123に読み出される。垂直CCD転送レジスタ123は、6相(8相)の垂直転送クロックV1〜V6(V8)に基づくドライブパルスφV1〜φV6(φV8)によって転送駆動される。そして、垂直CCD転送レジスタ123は、読み出された信号電荷を水平ブランキング期間の一部にて1走査線(1ライン)に相当する部分ずつ順に垂直方向に転送する。
また、水平CCD転送レジスタ125は、例えば2相の水平転送クロックH1,H2に基づくドライブパルスφH1,φH2によって転送駆動される。そして、水平CCD転送レジスタ125は、複数本の垂直CCD転送レジスタ123から移された1ライン分の信号電荷を、水平ブランキング期間後の水平走査期間において順次水平方向に転送する。このため、2相駆動に対応する複数本(2本)の水平転送電極129(129−1,129−2)が設けられている。
水平CCD転送レジスタ125の転送先の端部には、例えば、フローティング・ディフュージョン・アンプ(FDA)構成の電荷電圧変換部126が設けられている。この電荷電圧変換部126は、水平CCD転送レジスタ125によって水平転送されてきた信号電荷を、順次電圧信号に変換して出力する。この電圧信号は、被写体からの光の入射量に応じたCCD出力(VOUT)として導出される。
In FIG. 17, a drain voltage V DD and a reset drain voltage V RD are applied to the CCD solid-state imaging device 120 from the drive power supply 131, and a predetermined voltage is also supplied to the driver 132.
The vertical CCD transfer register 123 includes a plurality of vertical transfer electrodes 128 (128-1 to 128-6 or 128 per unit cell in this example) corresponding to 6-phase or 8-phase drive. -1 to 128-8).
In this camera, the signal charges stored in the light receiving unit 121 of the CCD solid-state image pickup element 120, by the drive pulse corresponding to the read pulse X SG to read gate 122 is applied, are read out to the vertical CCD transfer register 123 . The vertical CCD transfer register 123 is driven to transfer by drive pulses φV1 to φV6 (φV8) based on 6-phase (8-phase) vertical transfer clocks V1 to V6 (V8). The vertical CCD transfer register 123 transfers the read signal charges in the vertical direction in order corresponding to one scanning line (one line) in a part of the horizontal blanking period.
The horizontal CCD transfer register 125 is driven to be driven by drive pulses φH1 and φH2 based on, for example, two-phase horizontal transfer clocks H1 and H2. The horizontal CCD transfer register 125 sequentially transfers the signal charges for one line transferred from the plurality of vertical CCD transfer registers 123 in the horizontal direction in the horizontal scanning period after the horizontal blanking period. For this reason, a plurality of (two) horizontal transfer electrodes 129 (129-1, 129-2) corresponding to the two-phase driving are provided.
At the end of the transfer destination of the horizontal CCD transfer register 125, for example, a charge / voltage converter 126 having a floating diffusion amplifier (FDA) configuration is provided. The charge-voltage converter 126 sequentially converts the signal charges transferred horizontally by the horizontal CCD transfer register 125 into voltage signals and outputs the voltage signals. This voltage signal is derived as a CCD output (VOUT) corresponding to the amount of incident light from the subject.
また、タイミング信号生成部133は、CCD固体撮像素子120を駆動するための種々のパルス信号(LレベルとHレベルの2値)を生成する。ドライバ132は、タイミング信号生成部133から供給された種々のパルスを、所定レベルのドライブパルスにしてCCD固体撮像素子120に供給する。
タイミング信号生成部133は、例えば、水平同期信号(HD)や垂直同期信号(VD)に基づいて、各種信号を生成して、ドライバ132に供給する。即ち、受光部121に蓄積された信号電荷を読み出す読出パルスXSG、信号電荷を垂直方向に転送駆動する垂直転送クロックV1〜V6(V8)、信号電荷を水平方向に転送駆動する水平転送パルスH1,H2、並びに、リセットパルスRG等を生成する。
ドライバ132は、タイミング信号生成部133から供給された種々のパルスを、所定レベルの電圧信号(ドライブパルス)に変換し、或いは別の信号に変換し、CCD固体撮像素子120に供給する。例えば、タイミング信号生成部133からのn相の垂直転送クロックV1〜V6(V8)は、ドライバ132を介してドライブパルスφV1〜φV6(φV8)とされて、対応する所定の垂直転送電極128に印加される。同様に、2相の水平転送クロックH1,H2は、ドライバ132を介してドライブパルスφH1,φH2とされ、対応する所定の水平転送電極(129−1,129−2)に印加される。
The timing signal generator 133 generates various pulse signals (binary of L level and H level) for driving the CCD solid-state imaging device 120. The driver 132 supplies various pulses supplied from the timing signal generator 133 to the CCD solid-state imaging device 120 as drive pulses of a predetermined level.
The timing signal generation unit 133 generates various signals based on, for example, a horizontal synchronization signal (HD) or a vertical synchronization signal (VD) and supplies the generated signals to the driver 132. That is, the readout pulse X SG for reading the signal charge accumulated in the light receiving unit 121, the vertical transfer clocks V1 to V6 (V8) for driving to transfer the signal charge in the vertical direction, and the horizontal transfer pulse H1 for driving to transfer the signal charge in the horizontal direction. , H2, and a reset pulse RG and the like.
The driver 132 converts the various pulses supplied from the timing signal generation unit 133 into a voltage signal (drive pulse) of a predetermined level, or converts it into another signal and supplies it to the CCD solid-state imaging device 120. For example, the n-phase vertical transfer clocks V 1 to V 6 (V 8) from the timing signal generator 133 are converted into drive pulses φV 1 to φV 6 (φV 8) via the driver 132 and applied to the corresponding predetermined vertical transfer electrodes 128. Is done. Similarly, the two-phase horizontal transfer clocks H1 and H2 are converted into drive pulses φH1 and φH2 via the driver 132 and applied to the corresponding predetermined horizontal transfer electrodes (129-1 and 129-2).
本実施の形態のカメラでは、図示しない結像レンズと、CCD固体撮像素子120のチップとの間の空間に、前述した埋め込み層14や光学部品16等の、空間よりも屈折率の高い材料を配置して、カメラを構成する。
なお、CCD固体撮像素子120を駆動するための駆動制御部(131,132,133)は、CCD固体撮像素子120のチップの内部に設けた構成も、CCD固体撮像素子120のチップの外部に設けた構成も、いずれの構成も可能である。
In the camera of the present embodiment, a material having a higher refractive index than the space, such as the embedded layer 14 and the optical component 16 described above, is formed in the space between the imaging lens (not shown) and the chip of the CCD solid-state imaging device 120. Arrange and configure the camera.
The drive control units (131, 132, 133) for driving the CCD solid-state image sensor 120 are provided inside the chip of the CCD solid-state image sensor 120, and are also provided outside the chip of the CCD solid-state image sensor 120. Both configurations are possible.
上述した3つの本発明のカメラの実施の形態においては、前述した固体撮像装置の第1〜第4の実施の形態の実施の形態と組み合わせても良く、またその他の固体撮像装置の構成としても良い。 The above-described three embodiments of the camera of the present invention may be combined with the first to fourth embodiments of the solid-state imaging device described above, and may be configured as other solid-state imaging devices. good.
本発明のカメラは、図15〜図17に示した各実施の形態に限らず、その他の様々な構成を採用することができる。 The camera of the present invention is not limited to the embodiments shown in FIGS. 15 to 17 and can employ various other configurations.
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.
11,81,101 結像レンズ、12 絞り、13 (固体撮像素子の)チップ、14 埋め込み層、15 反射防止膜、16 光学部品、19 導波路、21 基板、22,121 受光部、23 オンチップカラーフィルタ、24 オンチップレンズ、29 マーカー、41 セルアンプ、42 垂直信号線、43 水平信号線、44 垂直シフトレジスタ、45 ノイズキャンセル回路、46 選択トランジスタ、47 水平出力線、48 水平シフトレジスタ、71 読み出しトランジスタ、72,123 垂直CCD転送レジスタ、73,125 水平CCD転送レジスタ、74 出力アンプ、82 固体撮像素子、83 駆動回路、84 信号処理回路、102 CCD(CCD固体撮像素子)、103 撮像回路、104 積分回路、105 信号処理回路、106 AE演算/制御回路、107 AWB演算/制御回路、108 タイミング発生器、109 表示系、110 記録系、111 スミア検出回路、112 スミア量検出回路、122 読み出しゲート部、131 駆動電源、132 ドライバ、133 タイミング信号生成部、PD フォトダイオード 11, 81, 101 Imaging lens, 12 Aperture, 13 Chip (for solid-state imaging device), 14 Embedded layer, 15 Antireflection film, 16 Optical component, 19 Waveguide, 21 Substrate, 22, 121 Light receiving unit, 23 On-chip Color filter, 24 on-chip lens, 29 marker, 41 cell amplifier, 42 vertical signal line, 43 horizontal signal line, 44 vertical shift register, 45 noise cancel circuit, 46 selection transistor, 47 horizontal output line, 48 horizontal shift register, 71 readout Transistor, 72, 123 Vertical CCD transfer register, 73, 125 Horizontal CCD transfer register, 74 Output amplifier, 82 Solid-state imaging device, 83 Drive circuit, 84 Signal processing circuit, 102 CCD (CCD solid-state imaging device), 103 Imaging circuit, 104 Integration circuit, 105 signals Processing circuit, 106 AE calculation / control circuit, 107 AWB calculation / control circuit, 108 timing generator, 109 display system, 110 recording system, 111 smear detection circuit, 112 smear amount detection circuit, 122 read gate unit, 131 drive power supply, 132 driver, 133 timing signal generator, PD photodiode
Claims (6)
前記固体撮像素子のチップと、
前記固体撮像素子へ光を結像させる結像レンズと、
前記結像レンズと前記チップとの間に配置された、屈折率が1よりも大きい材料とを含み、
前記屈折率が1よりも大きい材料が、平板状の部分と凸な曲面形状の部分とを有する光学部品を構成し、前記光学部品の前記凸な曲面形状の部分が、前記チップの最上層の上に接触していて、前記凸な曲面形状の部分と、前記チップの最上層との接触幅が800nm以内であり、前記凸な曲面形状の部分によって入射光が近接場光となって前記チップの表面に入射する
固体撮像装置。 A solid-state imaging device comprising a solid-state imaging device,
A chip of the solid-state image sensor;
An imaging lens for imaging light onto the solid-state imaging device;
A material having a refractive index greater than 1 disposed between the imaging lens and the chip;
The material having a refractive index greater than 1 constitutes an optical component having a flat portion and a convex curved portion, and the convex curved portion of the optical component is the uppermost layer of the chip. The contact width between the convex curved portion and the uppermost layer of the chip that is in contact with the uppermost layer of the chip is within 800 nm , and incident light becomes near-field light by the convex curved portion. Solid-state imaging device that is incident on the surface .
前記固体撮像素子のチップと、前記固体撮像素子へ光を結像させる結像レンズと、前記結像レンズと前記固体撮像素子のチップとの間に配置された、屈折率が1よりも大きい材料とを含み、前記屈折率が1よりも大きい材料が、平板状の部分と凸な曲面形状の部分とを有する光学部品を構成し、前記光学部品の前記凸な曲面形状の部分が、前記チップの最上層の上に接触していて、前記凸な曲面形状の部分と、前記チップの最上層との接触幅が800nm以内であり、前記凸な曲面形状の部分によって入射光が近接場光となって前記チップの表面に入射する、前記固体撮像装置を含む
カメラ。 A camera that includes a solid-state imaging device including a solid-state imaging device and that captures an image,
The solid-state imaging device chip, an imaging lens for imaging light onto the solid-state imaging device, and a material having a refractive index greater than 1 disposed between the imaging lens and the solid-state imaging device chip And the material having a refractive index greater than 1 constitutes an optical component having a flat portion and a convex curved portion, and the convex curved portion of the optical component is the chip. A contact width between the convex curved portion and the uppermost layer of the chip is within 800 nm , and incident light is converted into near-field light by the convex curved portion. The camera including the solid-state imaging device that is incident on the surface of the chip .
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