JP5584679B2 - 固体撮像素子および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は固体撮像素子および撮像装置に関する。

近年、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子（以下、「撮像素子」と称する場合がある。）を用いたデジタルカメラやデジタルムービーの高機能化、高性能化には目を見張るものがある。急速な半導体製造技術の進歩により、固体撮像素子における画素構造の微細化が進んでいる。その結果、固体撮像素子の画素および駆動回路の高集積化が図られ、撮像素子としても一段と高性能化が図られている。特に最近では、固体撮像素子の配線が形成された面（表面）側ではなく裏面側で受光する裏面照射型（ｂａｃｋｓｉｄｅ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）の撮像素子を用いたカメラも開発され、その特性等が注目されている。通常の撮像素子では、配線等がある表面側で受光するため、表面側の複雑な構造により光の損失等が発生していた。しかし、裏面照射型の撮像素子では、受光部において光を遮るものが特に無いので、素子構造による光損失はほとんど発生しない。このような裏面照射型の固体撮像素子は、例えば特許文献１に開示されている。

裏面照射型の撮像素子における光電変換部の側壁に反射膜を設け、効率よく当該画素で光電変換させる技術が特許文献２に示されている。光感知部の後側に反射層を設け、光電変換部を通過した入射光を反射層で反射させ光電変換効率を高めた技術が特許文献３で紹介されている。

裏面照射型の撮像素子は特許文献４に示されているように、従来の表側受光の撮像素子を作製した後、表側に基板を接着し、光感知部が受光できるレベルまで裏側を削って作られる。

特開２００５−３４７７０９号公報 特開２００６−８０４５７号公報 特開２００６−５４２６２号公報 特開平６−３２６２９３号公報

表面照射型であっても裏面照射型であっても、固体撮像素子の表面および裏面の一方で撮像が行われる。

本発明は前記課題を鑑み考案されたもので、撮像素子の表側と裏側で別々の画素を用いて撮像を行う固体撮像素子および撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、第１の面と前記第１の面の反対側に位置する第２の面とを有する半導体層と、前記半導体層中において前記第１の面と前記第２の面との間に２次元状に配列された複数の光感知セルと、前記第１の面側に配置され、各々が前記複数の光感知セルのうちの第１の光感知セル群に含まれる各光感知セルに集光する複数のマイクロ集光レンズの第１アレイと、前記第２の面側に配置され、各々が前記複数の光感知セルのうちの前記第１の光感知セル群とは異なる第２の光感知セル群に含まれる各光感知セルに集光する複数のマイクロ集光レンズの第２アレイとを備える。

ある実施形態において、前記複数の光感知セルは、行および列状に配列されており、前記第１の光感知セル群に含まれる光感知セルと、前記第２の光感知セル群に含まれる光感知セルとは、行および列の方向に交互に配列されている。

ある実施形態において、前記複数の光感知セルは、それぞれ、長方形の形状を有する複数の画素領域内に位置している。

ある実施形態において、前記複数のマイクロ集光レンズの第１アレイに含まれる各マイクロ集光レンズは、ひし形の形状を有している。

ある実施形態において、前記複数のマイクロ集光レンズの第２アレイに含まれる各マイクロ集光レンズは、ひし形の形状を有している。

ある実施形態において、前記複数のマイクロ集光レンズの第２アレイに含まれる各マイクロ集光レンズは、長方形の形状を有している。

ある実施形態において、前記複数のマイクロ集光レンズの第１アレイに含まれるマイクロ集光レンズの配列ピッチは、前記複数の画素領域の配列ピッチの２倍である。

ある実施形態において、前記複数のマイクロ集光レンズの第１アレイに含まれる各マイクロ集光レンズは、前記複数の画素領域の各々の面積の２倍の面積を有している。

ある実施形態において、前記複数のマイクロ集光レンズの第２アレイに含まれるマイクロ集光レンズの配列ピッチは、前記複数の画素領域の配列ピッチの２倍である。

ある実施形態において、前記複数のマイクロ集光レンズの第２アレイに含まれる各マイクロ集光レンズは、前記複数の画素領域の各々の面積の２倍の面積を有している。

ある実施形態において、前記複数のマイクロ集光レンズの第１アレイに含まれるマイクロ集光レンズの配列は、平行移動により、前記複数のマイクロ集光レンズの第２アレイに含まれるマイクロ集光レンズの配列と重なりあう。

ある実施形態において、前記複数のマイクロ集光レンズの第１アレイに含まれるマイクロ集光レンズの配列は、平行移動により、前記複数のマイクロ集光レンズの第２アレイに含まれるマイクロ集光レンズの配列とは重なりあわない。

ある実施形態において、前記複数のマイクロ集光レンズの第１アレイに含まれるマイクロ集光レンズの面積と、前記複数のマイクロ集光レンズの第２アレイに含まれるマイクロ集光レンズの面積とは、異なっている。

ある実施形態において、前記複数の光感知セルは、隣接する行が行方向にハーフピッチだけシフトするように配列されており、前記第１の光感知セル群に含まれる光感知セルと、前記第２の光感知セル群に含まれる光感知セルとは、異なる行に属している。

ある実施形態において、前記複数の光感知セルは、それぞれ、ひし形の形状を有する複数の画素領域内に位置している。

ある実施形態において、前記複数のマイクロ集光レンズの第１および第２アレイに含まれる各マイクロ集光レンズは、長方形の形状を有している。

本発明の撮像装置は、固体撮像素子と、前記固体撮像素子に光を入射させる光学系とを備える撮像装置であって、前記固体撮像素子は、第１の面と前記第１の面の反対側に位置する第２の面とを有する半導体層と、前記半導体層中において前記第１の面と前記第２の面との間に２次元状に配列された複数の光感知セルと、前記第１の面側に配置され、各々が前記複数の光感知セルのうちの第１の光感知セル群に含まれる各光感知セルに集光する複数のマイクロ集光レンズの第１アレイと、前記第２の面側に配置され、各々が前記複数の光感知セルのうちの前記第１の光感知セル群とは異なる第２の光感知セル群に含まれる各光感知セルに集光する複数のマイクロ集光レンズの第２アレイとを備え、前記光学系は、被写体からの光を前記第１のアレイおよび前記第２のアレイに照射する。

本発明の固体撮像素子は、両面照射型であり、かつ、第１の面側に設けられたマイクロ集光レンズが集光する光感知セルと第２の面側に設けられたマイクロ集光レンズが集光する光感知セルが異なる。このため、表面および裏面の両方で同時に別々の像を取得することが可能となる。マイクロ集光レンズの配列パターンを表面および裏面で変えることにより、表面および裏面で撮像サンプリングの位置および周波数を変化させることができる。

表面照射型の固体撮像素子の断面図 裏面照射型の固体撮像素子の断面図 本発明で使用される両面照射型の固体撮像素子の構成例を模式的に示す断面図 本発明の実施形態１における固体撮像素子の表側平面図 本発明の実施形態１における固体撮像素子の裏側平面図 図３の固体撮像素子のＡＡ線断面図 図３の固体撮像素子のＢＢ線断面図 本発明の実施形態１における固体撮像装置の画素領域のサイズを示す平面図 本発明の実施形態１における撮像装置の構成図 本発明の実施形態２における撮像素子の平面構成図 本発明の実施形態３における撮像素子の平面構成図 本発明の実施形態３における撮像素子の表側平面図 本発明の実施形態３における撮像素子の裏側平面図 本発明の実施形態４における撮像装置の構成図 本発明の実施形態４における光分岐撮像部の構成図

まず、図１Ａおよび図１Ｂを参照して、従来の固体撮像素子の基本構成例を説明する。図１Ａは、表面照射型の固体撮像素子の断面構成例を示し、図１Ｂは、裏面照射型の固体撮像素子の断面構成例を示している。

図１Ａの固体撮像素子は、第１の面（表面）１００ａと第１の面１００ａの反対側に位置する第２の面（裏面）１００ｂとを有する半導体層１００と、半導体層１００中において第１の面１００ａと第２の面１００ｂとの間に２次元状に配列された複数の光感知セル１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・とを備えている。半導体層１００の第１の面（表面）１００ａ側には、光感知セル１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・を不図示の駆動回路に接続する配線５が形成されている。また、半導体層１００の第１の面１００ａ側には、各光感知セル１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・に集光するための複数のマイクロ集光レンズのアレイ２００を備えている。

表面照射型の場合、光は第１の面１００ａから光感知セル１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・に入射する。

図１Ｂの固体撮像素子も、第１の面（表面）１００ａと第１の面１００ａの反対側に位置する第２の面（裏面）１００ｂとを有する半導体層１００と、半導体層１００中において第１の面１００ａと第２の面１００ｂとの間に２次元状に配列された複数の光感知セル１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・とを備えている。しかし、この半導体層１００は、図１Ａに示される半導体層１００よりも薄く、第２の面１００ｂから入射した光が効率的に光感知セル１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・に入射するように設計されている。裏面照射型の場合も、半導体層１００の第１の面１００ａ側に配線５が形成されている。しかし、半導体層１００の第１の面１００ａ側には、各光感知セル１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・に集光するための複数のマイクロ集光レンズのアレイ２００が設けられておらず、その代わり、第２の面１００ｂ側に、各光感知セル１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・に集光するための複数のマイクロ集光レンズのアレイ３００が設けられている。

図２を参照しながら、本発明による固体撮像素子の基本構成の例を説明する。図２は、本発明による固体撮像素子の一例の断面構成を模式的に示す図である。

図２の固体撮像素子は、第１の面（表面）１００ａと第１の面１００ａの反対側に位置する第２の面（裏面）１００ｂとを有する半導体層１００と、半導体層１００中において第１の面１００ａと第２の面１００ｂとの間に２次元状に配列された複数の光感知セル１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・とを備えている。半導体層１００の第１の面（表面）１００ａ側には、光感知セル１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・を不図示の駆動回路に接続する配線５が形成されている。

本実施形態では、半導体層１００の第１の面１００ａ側にはマイクロ集光レンズの第１アレイ２００が設けられ、第２の面１００ｂ側にはマイクロ集光レンズの第２アレイ３００が設けられている。マイクロ集光レンズの第１アレイ２００は、光感知セル１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・の各々に光を集光するのではなく、一部の光感知セル（図２では「光感知セル1ｂ」）に集光する。一方、マイクロ集光レンズの第２アレイ３００は、光感知セル１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・のうちで、マイクロ集光レンズの第１アレイ２００が集光しない他の光感知セル（図２では「光感知セル１ａ、１ｃ」）に集光する。

以下、本発明の実施形態を説明する。全ての図にわたって共通する要素は同一の参照符号を付し、文中の記号も共通に利用する。

（実施形態１）
まず、図３、図４、図５Ａおよび図５Ｂを参照しながら、本発明の固体撮像素子の第１の実施形態を説明する。図３は、本実施形態における固体撮像素子の表面側における平面レイアウト図であり、図４は、その裏面側における平面レイアウト図である。図５Ａは、図３におけるＡ-Ａ線断面図であり、図５Ｂは、図３におけるＢ-Ｂ線断面図である。

本実施形態の固体撮像素子は、図５Ａおよび図５Ｂに示されるように、第１の面（表面）１００ａと第１の面１００ａの反対側に位置する第２の面（裏面）１００ｂとを有する半導体層１００と、半導体層１００中において第１の面１００ａと第２の面１００ｂとの間に２次元状に配列された複数の光感知セル１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・とを備えている。光感知セル１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・は、典型的にはフォトダイオードであり、半導体層１００に不純物を拡散することにより形成される。光感知セル１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・は、それぞれ、光電変換により、入射光の量（光量）に応じて電荷を生成する。

半導体層１００の第１の面１００ａ側には、光感知セル１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・を不図示の駆動回路に接続する配線５が形成されている。現実の固体撮像素子では、半導体層１００の内部または表面にスイッチングトランジスタなどの素子（不図示）が形成される。光感知セル１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・から電荷の信号を読み出すための構成および方法は、公知であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

半導体層１００の第１の面１００ａ側に、配線５を覆うように透明材料層６が設けられている。透明材料層６の上にはマイクロ集光レンズの第１のアレイ２００が形成されている。第１のアレイ２００上には、レンズ材料よりも屈折率が低い材料から形成された透明層７を介して、透明基板８が設けられている。半導体層１００の第２の面１００ｂ側にはマイクロ集光レンズの第２アレイ３００が設けられている。

マイクロ集光レンズの第１アレイ２００の平面レイアウトは、図３に示されている。図３では、簡単のため、マイクロ集光レンズの第１アレイ２００に含まれる４つのレンズ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄと、光感知セルアレイに含まれる９個の光感知セル１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・、１iが記載されている。現実のマイクロ集光レンズの第１アレイ２００には多数のレンズが含まれ、現実の光感知セルアレイには多数の光感知セルが含まれている。本実施形態では、複数の光感知セル１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・、１iが、行および列状に配列されている。

図３からわかるように、レンズ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、それぞれ、光感知セル１ｂ、１ｄ、１ｆ、１ｈに光を集光する。したがって、９個の光感知セル１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・、１iのうちの一部、すなわち第１の光感知セル群に含まれる光感知セルのみが第１の面１００ａから光に照射されることになる。図３では、表側から光を受ける光感知セル１ｂ、１ｄ、１ｆ、１ｈに斜線をハッチングしている。

一方、半導体層１００の第２の面１００ｂ側に設けられたマイクロ集光レンズの第２アレイ３００の平面レイアウトは図４に示されている。図４では、簡単のため、マイクロ集光レンズの第２アレイ３００に含まれる５つのレンズ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅと、光感知セルアレイに含まれる９個の光感知セル１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・、１iが記載されている。図４からわかるように、レンズ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅは、それぞれ、光感知セル１ａ、１ｃ、１ｅ、１ｇ、１ｉに光を集光する。したがって、９個の光感知セル１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・、１iのうちの他の一部、すなわち第２の光感知セル群に含まれる光感知セルのみが第２の面１００ｂから光に照射されることになる。図４では、裏側から光を受ける光感知セル１ｂ、１ｄ、１ｆ、１ｈに斜線をハッチングしている。

このように、本実施形態では、第１の光感知セル群に含まれる光感知セル１ｂ、１ｄ、１ｆ、１ｈと、第２の光感知セル群に含まれる光感知セル１ａ、１ｃ、１ｅ、１ｇ、１ｉとは、行および列の方向に交互に配列され、チェッカーボードのパターンを形成している。

図３および図４を対比すると明らかなように、マイクロ集光レンズの第１アレイ２００は、平行移動により、マイクロ集光レンズの第２アレイ３００と重なりあう。

次に、図６を参照する。図６は、図３に対応する図面であり、簡単のため、レンズ２ａ以外のレンズが省略されている。図６では、光感知セル１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・、１iを区画する破線が記載されている。交差する破線が形成する長方形（正方形を含む）の各辺は、画素間の中間にあり、画素の境界に位置する。この破線によって区画される個々の領域に１つの光感知セルが含まれる。この破線によって区画される１つの領域が「画素領域」に相当し、画素領域のＸ方向サイズは「Ｈ」、Ｙ方向サイズは「Ｖ」で示されている。したがって、水平方向の画素ピッチは「Ｈ」、垂直方向の画素ピッチは「Ｖ」である。画素領域の形状は、長方形に限定されず、正方形、ひし形、六角形、八角形であってもよい。また、光感知セルの形状は、画素領域の形状と相似形である必要はない。光感知セルの大きさは、画素領域の大きさ以下である。

上記の「画素領域」は、光感知セルの配列ピッチによって決まるサイズを有している。本発明の実施形態では、マイクロ集光レンズの第１のアレイ２００および第２のアレイ３００に含まれる各レンズが、上記の「画素領域」よりも大きなサイズを有している。図６に示されるように、マイクロ集光レンズの形状はひし形であり、撮像面に垂直な方向から見たとき、各画素領域の外縁をマイクロ集光レンズの外縁が外接している。マイクロ集光レンズの面積は、画素領域の面積の２倍である。本実施形態の固体撮像素子の表側で光を受ける画素の個数は、画素の総数の１／２である。表側から光を受ける画素の配置構成は、マイクロ集光レンズの配置関係によって規定されるため、本実施形態では、水平および垂直方向に「画素ずらし」が実現される。図４からわかるように、このような構成は裏面側でも同様である。

本実施形態では、マイクロ集光レンズが集光する画素領域の面積よりマイクロ集光レンズの面積が大きく、集光が行われる画素領域に隣接する画素領域の一部を覆っている。ここで、図６に示すマイクロ集光レンズ２ａおよび光感知セル１ｂに着目する。マイクロ集光レンズ２ａは、光感知セル１ｂに隣接する光感知セル（例えば光感知セル１ａ、１ｃ）の一部を覆っている。このため、マイクロ集光レンズ２ａは、光感知セル１ｂに隣接する光感知セル（例えば光感知セル１ａ、１ｃ）に入射する光の一部を光感知セル１ｂに集光することができる。本実施形態では、マイクロ集光レンズ２ａの働きにより、光感知セル１ｂの集光エリアは２倍に拡大している。この意味において、マイクロ集光レンズ２ａは、光感知セル１ｂに係る画素領域の面積を実効的に２倍の面積に拡大していると言える。このように、本実施形態によれば、マイクロ集光レンズのアレイ２００によって画素配列を実効的に変更することができる。

なお、図３および図４に示されるように、マイクロ集光レンズの配列ピッチは、画素領域の配列ピッチ（光感知セルの配列ピッチ）よりも大きく、２倍である。

本実施形態では、上記したマイクロ集光レンズと画素である光感知セルの配置関係から、撮像素子の表側と裏側で別々の画像を同時に得ることができ、しかも各々の面では画素ずらし構成が実現されている。このため、表側での撮像に使用される画素数は全画素数の１／２であるが、水平及び垂直方向において解像度は劣化しない。加えて、画素領域に対してマイクロ集光レンズの面積が２倍であるので、感度は２倍になる。同様に、裏側での撮像に使用される画素数は全画素数の１／２であるが、水平及び垂直方向において解像度は劣化しない。加えて、画素領域に対してマイクロ集光レンズの面積が２倍であるので、感度は２倍になる。

次に上記の撮像素子を用いた撮像装置の実施形態を説明する。図７は本実施形態における撮像装置の構成を示している。

図７に示される撮像装置は、２つのレンズ９と、上記の固体撮像素子１１とを備える２眼カメラである。２つのレンズ９の間隔は、例えば１〜２０センチメートルである。２つの反射ミラー１０は、それぞれ、２つのレンズ９を透過した光を固体撮像素子１１の表面および裏面に案内する。固体撮像素子１１には、同時に視差のある像が入射し、対応する光感知セル群が光電変換を行う。本実施形態によれば、被写体を異なる角度から見た像が１つの固体撮像素子１１によって同時に取得できる。

この撮像装置は、信号発生及び画素信号受信部１２と、素子駆動部１３と、ビデオ信号生成部１４と、ビデオインターフェース部１５とを備えている。

信号発生及び画素信号受信部１２は、撮像素子１１を駆動するための基本信号を発生すると共に、固体撮像素子１１からの画像信号を受信する。素子駆動部１３は、信号発生及び画素信号受信部１２から固体撮像素子１１を駆動するための基本信号を受け、固体撮像素子１１を駆動するための信号を発生させる。ビデオ信号生成部１４は、信号発生及び画素信号受信部１２から画像信号を受け、ビデオ信号を生成する。ビデオインターフェース部１５は、ビデオ信号を外部に出力する。

図７に示す構成を備える本実施形態の撮像装置では、２つのレンズ９は、反射ミラー１０を介して固体撮像素子１１の表裏両面にそれぞれ被写体の像を形成する。２つのレンズ９の一方によって形成された像は、固体撮像素子１１の第１の光感知セル群に属する光感知セルにおける光電変換により、第１の画像信号を生成する。同様に、２つのレンズ９の他方によって形成された像は、固体撮像素子１１の第２の光感知セル群に属する光感知セルにおける光電変換により、第２の画像信号を生成する。

各々の画像信号は信号発生及び画素信号受信部１３を通して、ビデオ信号生成部１４に入力される。ビデオ信号生成部１４では、２つのビデオ信号が作られる。作られた２つのビデオ信号は、各々、ビデオインターフェース部を介して視差のある映像情報として外部に出力される。出力される画像は各々撮像素子の半分の画素で作られたものである。しかし、画素ずらし構成のため、水平及び垂直方向の解像度は劣化せず、画質品位が保たれたまま２眼カメラ画像として利用できる。

以上のように本実施形態によると、両面照射型の固体撮像素子において、長方形の画素領域に対してひし形のマイクロ集光レンズを表裏両面で対応配置させている。それらの面積比を１：２にすることにより、固体撮像素子の各々の面では画素ずらし構成を実現できる。その結果、別々の画像として、しかも解像度劣化のない高品位で高感度な画像を得ることができる。さらに、このような両面照射型の固体撮像素子を用いれば、１つの固体撮像素子で２眼カメラの機能を実現できる。

本発明の撮像装置は、２眼ステレオカメラに限るものではなく、２つの画像を取り込めるものなら何でもよい。

（実施形態２）
次に、図８を参照しながら、本発明による撮像素子の第２の実施形態を説明する。

図８は本実施形態における画素とマイクロ集光レンズの配置関係を示した撮像素子の表側平面図である。本実施形態では、光感知セル１および画素領域４の形状は、いずれも、ひし形である。これに対し、固体撮像素子の表側に設けられたマイクロ集光レンズ２および固体撮像素子の裏側に設けられたマイクロ集光レンズ３の形状は、いずれも長方形である。

本実施形態では、ひし形の画素領域に対してマイクロ集光レンズは長方形である。画素領域４をマイクロ集光レンズ２、３が外接している。それらの面積比は１：２である。

固体撮像素子の表側と裏側で光を受ける画素の数は、それぞれ、全体の画素数の１／２である。行方向に沿って配列された画素は１直線上にあり、列方向に沿って配列された画素も１直線上にある。すなわち、画素ずらしの配置は実現されていない。そのため、実施形態１の固体撮像素子に比べると、水平及び垂直方向の解像度は低下する。しかしながら、撮像素子の表側からの光を受ける画素と裏側からの光を受ける画素が異なるので、撮像素子の表裏それぞれで撮像できるという効果がある。

以上のように本実施形態によると、両面照射型の撮像素子において、ひし形の画素領域に対して長方形のマイクロ集光レンズを表裏両面で対応配置させているため、撮像素子の表裏で別々に撮像できる。しかも、各画素領域の面積の２倍の面積を有するマイクロ集光レンズを配置することにより、感度は２倍になる。

（実施形態３）
次に図９、図１０Ａおよび図１０Ｂを参照しながら、本発明による固体撮像素子の第３の実施形態を説明する。

図９は、本実施形態における画素とマイクロ集光レンズの配置関係を示した撮像素子の表側平面図である。同図には、裏側に設けられるマイクロ集光レンズ３ａａも示されている。図９では、マイクロ集光レンズ３ａａの外形が破線で示されている。マイクロ集光レンズ３ａａは、画素面積の４倍の面積を有しており、裏面側から光感知セル１ｅに集光する。表側にはマイクロ集光レンズ２ａ、２ｂ、２ｃが記載されている。これらのマイクロ集光レンズ２ａ、２ｂ、２ｃは、実施形態１におけるマイクロ集光レンズ２ａ、２ｂ、２ｃと同様の構成を有している。

図１０Ａは、本実施形態の固体撮像素子の表側における、図９よりも広い範囲を記載した平面レイアウト図であり、図１０Ｂは、図１０Ａに対応する、本実施形態の固体撮像素子の裏側における平面レイアウト図である。

固体撮像素子の画素領域は実施形態１と同様に長方形状を有している。一方、固体撮像素子の表側に設けられるマイクロ集光レンズ２の形状はひし形である。画素領域およびマイクロ集光レンズ２ａ、２ｂ、２ｃの配置関係は実施形態１の場合と同じである。しかしながら、固体撮像素子の裏側のマイクロ集光レンズ３ａａの面積は画素領域の４倍である。このマイクロ集光レンズ３ａａは全画素の１／４の画素にしか集光しない。

このように本実施形態では、表側のマイクロ集光レンズ２ａ、２ｂ、２ｃ、・・・の配列は、平行移動により、裏側のマイクロ集光レンズ３ａａの配列とは重なりあわない。

図１０Ａと図１０Ｂとを比較すると明らかなように、表側と裏側でマイクロ集光レンズの配列パターンが相違するため、撮像サンプリングの空間周波数を表側と裏側で変化させることが可能になる。

本実施形態では、固体撮像素子の表側では、全画素の１／２を使って撮像するが、マイクロ集光レンズ２が画素ずらしの構成で配置されているため、解像度の劣化はなく撮像できる。しかも、画素領域に対してマイクロ集光レンズ２ａ、２ｂ、２ｃの面積が２倍であるので、感度は２倍になる。一方、撮像素子の裏側では、全画素の１／４を使って撮像するので、解像度は水平及び垂直方向でそれぞれ１／２になる。しかし、マイクロ集光レンズ３ａａの面積が画素領域の面積の４倍であるので、感度も４倍になる。本実施形態では、固体撮像素子の表裏で別々に撮像できる上、解像度と感度が異なる画像が得られる。

以上のように本発明の実施形態３によると、両面照射型の撮像素子において、表側では長方形の画素領域に対してひし形のマイクロ集光レンズを対応配置させることにより、解像度が劣化せず高感度な画像を得ることができる。また裏側では画素領域に対して４倍の面積を有するマイクロ集光レンズを配設することにより、解像度は水平及び垂直方向でそれぞれ１／２になるが、感度が４倍向上した別な画像を得られるという効果がある。

（実施形態４）
次に、図１１を参照しながら、本発明による撮像装置の他の実施形態を説明する。本実施形態の撮像装置は、実実施形態１の撮像素子と同一の撮像素子を備える。

本実施形態における撮像装置は、レンズ１つの撮像装置である。 図１１の撮像装置は、レンズ９からの光を２つに分岐させ、両面照射型の撮像素子１１の表側と裏側に結像させる光分岐撮像部１６を備える点で図７の撮像装置と異なっている。本実施形態における撮像装置の他の基本的な構成は、実施形態１における撮像装置の構成と同一である。

光分岐撮像部１６の構成例を図６に示す。ハーフミラー１７はレンズ９からの光を２つに分け、分けたそれぞれの光を反射ミラー１０により両面照射型の撮像素子１１に入射させる。光分岐撮像部１６は、２つの入射光が光学的に同倍率で同じ位置に結像するよう調整されている。

本実施形態では、実施形態１の固体撮像素子を用いているので、固体撮像素子の表側と裏側で別々の画像を得ることができる。しかも、水平及び垂直方向において解像度劣化のない感度が２倍の画像が得られる。その上、光分岐撮像部１６を用いているので、固体撮像素子１１から得られる２つの画像の位置は１画素異なるだけである。それらを合成すると、互いに斜め方向の画素間を補間できる。すなわち、斜め方向の解像度を改善した１つの画像を得ることができる。

固体撮像素子１１に入射する光は２つに分岐されているので、固体撮像素子１１の表側および裏側の各々における光量はレンズ９への入射光の１／２である。マイクロ集光レンズの面積が画素領域の面積の２倍であるので、受光量は１倍となり、感度の増減は発生しない。

以上のように本実施形態によると、ハーフミラーを利用した光分岐撮像部を組み込むことにより、画素単位で撮像位置が異なる２つの画像を得ることができると共に、それらを合成することにより、斜め方向の解像度を改善した画像が得られる。

固体撮像素子の構造的な問題で光感知セルの表側からの受光量と裏側かの受光量が異なる場合は、裏側に配置された透明材料の透過率を変えて表裏の受光量を調節することが好ましい。上記の実施形態では、光感知セル、画素領域を長方形やひし形としたが、厳密にその形状でなくとも上記効果は概ね得られる。マイクロ集光レンズの形状に関しても同様のことが言える。

本発明にかかる固体撮像装置は、デジタルカメラおよびデジタルムービーを含む民生用カメラ、放送用カメラ、産業用カメラに広く適用され得る。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ，１ｉ 撮像素子の光感知セル
２ マイクロ集光レンズ
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ 半導体層の表側に配設されたマイクロ集光レンズ
３ マイクロ集光レンズ
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ，３ａａ 半導体層の裏側に配設されたマイクロ集光レンズ
４ 画素領域
５ 配線
６ 透明材料層
７ 低屈折率透明層
８ 透明基板
９ レンズ
１０ 反射ミラー
１１ 両面照射型の撮像素子
１２ 信号発生及び画素信号受信部
１３ 素子駆動部
１４ ビデオ信号生成部
１５ ビデオインターフェース部
１６ 光分岐撮像部
１７ ハーフミラー
１００ 半導体層
１００ａ 半導体層の第１の面（表面）
１００ｂ 半導体層の第２の面（裏面）
２００ マイクロ集光レンズの第１アレイ（表側マイクロレンズアレイ）
３００ マイクロ集光レンズの第２アレイ（裏側マイクロレンズアレイ）

Claims (16)

1. 第１の面と前記第１の面の反対側に位置する第２の面とを有する半導体層と、
   前記半導体層中において前記第１の面と前記第２の面との間に２次元状に配列された複数の光感知セルと、
   前記第１の面側に配置され、各々が前記複数の光感知セルのうちの第１の光感知セル群に含まれる各光感知セルに集光する複数のマイクロ集光レンズの第１アレイと、
   前記第２の面側に配置され、各々が前記複数の光感知セルのうちの前記第１の光感知セル群とは異なる第２の光感知セル群に含まれる各光感知セルに集光する複数のマイクロ集光レンズの第２アレイと、
   を備え、
   前記複数の光感知セルは、それぞれ、複数の画素領域内に位置しており、
   前記複数のマイクロ集光レンズの第１アレイに含まれるマイクロ集光レンズの配列ピッチは、前記複数の画素領域の配列ピッチの２倍であり、
   前記複数のマイクロ集光レンズの第１アレイに含まれる各マイクロ集光レンズは、前記複数の画素領域の各々のサイズよりも大きなサイズを有している、固体撮像素子。
2. 前記複数の光感知セルは、行および列状に配列されており、
   前記第１の光感知セル群に含まれる光感知セルと、前記第２の光感知セル群に含まれる光感知セルとは、行および列の方向に交互に配列されている請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記複数の画素領域は、それぞれ、長方形の形状を有する請求項２に記載の固体撮像素子。
4. 前記複数のマイクロ集光レンズの第１アレイに含まれる各マイクロ集光レンズは、ひし形の形状を有している請求項２または３に記載の固体撮像素子。
5. 前記複数のマイクロ集光レンズの第２アレイに含まれる各マイクロ集光レンズは、ひし形の形状を有している請求項２から４のいずれかに記載の固体撮像素子。
6. 前記複数のマイクロ集光レンズの第２アレイに含まれる各マイクロ集光レンズは、長方形の形状を有している請求項３に記載の固体撮像素子。
7. 前記複数のマイクロ集光レンズの第１アレイに含まれる各マイクロ集光レンズは、前記複数の画素領域の各々の面積の２倍の面積を有している、請求項１に記載の固体撮像素子。
8. 前記複数のマイクロ集光レンズの第２アレイに含まれるマイクロ集光レンズの配列ピッチは、前記複数の画素領域の配列ピッチの２倍である、請求項１から７のいずれかに記載の固体撮像素子。
9. 前記複数のマイクロ集光レンズの第２アレイに含まれる各マイクロ集光レンズは、前記複数の画素領域の各々の面積の２倍の面積を有している請求項８に記載の固体撮像素子。
10. 前記複数のマイクロ集光レンズの第１アレイに含まれるマイクロ集光レンズの配列は、平行移動により、前記複数のマイクロ集光レンズの第２アレイに含まれるマイクロ集光レンズの配列と重なりあう、請求項１から９のいずれかに記載の固体撮像素子。
11. 前記複数のマイクロ集光レンズの第１アレイに含まれるマイクロ集光レンズの配列は、平行移動により、前記複数のマイクロ集光レンズの第２アレイに含まれるマイクロ集光レンズの配列とは重なりあわない、請求項１に記載の固体撮像素子。
12. 前記複数のマイクロ集光レンズの第１アレイに含まれるマイクロ集光レンズの面積と、前記複数のマイクロ集光レンズの第２アレイに含まれるマイクロ集光レンズの面積とは、異なっている請求項１に記載の固体撮像素子。
13. 前記複数の光感知セルは、隣接する行が行方向にハーフピッチだけシフトするように配列されており、
    前記第１の光感知セル群に含まれる光感知セルと、前記第２の光感知セル群に含まれる光感知セルとは、異なる行に属している、請求項１に記載の固体撮像素子。
14. 前記複数の光感知セルは、それぞれ、ひし形の形状を有する複数の画素領域内に位置している請求項１３に記載の固体撮像素子。
15. 前記複数のマイクロ集光レンズの第１および第２アレイに含まれる各マイクロ集光レンズは、長方形の形状を有している請求項１４に記載の固体撮像素子。
16. 固体撮像素子と、前記固体撮像素子に光を入射させる光学系とを備える撮像装置であって、
    前記固体撮像素子は、
    第１の面と前記第１の面の反対側に位置する第２の面とを有する半導体層と、
    前記半導体層中において前記第１の面と前記第２の面との間に２次元状に配列された複数の光感知セルと、
    前記第１の面側に配置され、各々が前記複数の光感知セルのうちの第１の光感知セル群に含まれる各光感知セルに集光する複数のマイクロ集光レンズの第１アレイと、
    前記第２の面側に配置され、各々が前記複数の光感知セルのうちの前記第１の光感知セル群とは異なる第２の光感知セル群に含まれる各光感知セルに集光する複数のマイクロ集光レンズの第２アレイと、
    を備え、
    前記複数の光感知セルは、それぞれ、複数の画素領域内に位置しており、
    前記複数のマイクロ集光レンズの第１アレイに含まれるマイクロ集光レンズの配列ピッチは、前記複数の画素領域の配列ピッチの２倍であり、
    前記複数のマイクロ集光レンズの第１アレイに含まれる各マイクロ集光レンズは、前記複数の画素領域の各々のサイズよりも大きなサイズを有しており、
    前記光学系は、被写体からの光を前記第１アレイおよび前記第２アレイに照射する、撮像装置。

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