JPWO2013008395A1 - 固体撮像素子および撮像装置 - Google Patents

Abstract

本発明に係る固体撮像素子は、単位画素（３）の集光素子（１１）は、単位画素（３）の受光素子（１４）に入射する光の波長以下の線幅で分離され、集光素子（１１）の受光面に対して垂直な方向の軸を中心とする同心構造の複数の光透過膜（３３）を有し、複数の光透過膜（３３）の組み合わせによって制御された実効屈折率分布を有し、同心構造の複数の光透過膜（３３）の外縁の形状は、受光面において同心構造の中心に最も近い光透過膜（３３）で真円であり、同心構造の中心から離れた光透過膜（３３）で楕円であり、楕円の短軸に対する長軸の比率は、同心構造の中心から大きく離れた光透過膜（３３）の外縁の形状ほど高く、複数の単位画素（３）のそれぞれにおける楕円の長軸方向は、受光面において同心構造の中心と固体撮像素子の中心とを結ぶベクトルに対して直交する。

Description

本発明は、デジタルカメラ等に使用される固体撮像素子に関し、特にレンズ交換が可能な１眼レフ用デジタルカメラに用いられる固体撮像素子に関する。

近年、デジタルカメラやカメラ付携帯電話機等の普及に伴い、固体撮像素子の市場は著しく拡大してきた。また、広角から望遠まで、さまざまな光学レンズを交換して使用する１眼レフのデジタルカメラが普及してきている。そのような中で、デジタルカメラ等の薄型化に対する要望は依然として強い。これは言い換えれば、カメラ部分に用いるレンズが短焦点になるということであり、固体撮像素子に入射する光の範囲は広角（固体撮像素子の入射面の垂直軸から測定して大きな角度）になることを意味する。

ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型イメージセンサ等の固体撮像素子では、受光素子を有する半導体集積回路（単位画素）を２次元状に複数配列して撮像領域を構成し、被写体からの光信号が電気信号に変換されている。固体撮像素子の感度は、入射光量に対する受光素子の出力電流の大きさによって定義されていることから、入射した光を確実に受光素子に導入することが感度向上のためには重要な要素となっている。

図１０は、従来の一般的な単位画素３００の基本構造の一例を示す図である。

この単位画素３００は、図１０に示すように、マイクロレンズ３０５、カラーフィルタ３０２、Ａｌ配線３０３、信号伝送部３０４、平坦化層３０８、受光素子３０６およびＳｉ基板３０７から構成されている。この構成では、マイクロレンズ３０５に垂直に入射した入射光３５６（破線で示した光）は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）および青色（Ｂ）のうち、何れかのカラーフィルタ３０２によって色分離された後、受光素子３０６において電気信号に変換される。比較的高い集光効率が得られることから、このようなマイクロレンズを持つ構成は、ほとんど全ての固体撮像素子において使用されている。

しかしながら、上述したように、固体撮像素子は、複数の単位画素の２次元配列で構成されているため、撮像領域の中央部（中心部）から周辺部へ遠ざかるに従って単位画素に入射する光の入射角度が傾く。その結果、周辺部の単位画素の集光効率が中央部の単位画素より低下するという課題が発生する。例えば、図１０に示した従来の単位画素３００によって受光する場合、撮像領域の中央部では単位画素３００に入射する光の入射角度が小さくなるため（破線で示した入射光３５６となるため）、ほとんどが受光素子３０６で集光されて有効光となるが、撮像領域の周辺部では、単位画素３００に入射する光の入射角度が大きくなるため（実線で示した入射光３５７となるため）、入射光３５７は、単位画素３００中のＡｌ配線３０３に遮光されてしまい、受光素子３０６まで到達できなくなる。そのため、集光効率が減少する。

そこで、図１１に示すように、撮像領域の周辺部の単位画素３００において、Ａｌ配線３０３と受光素子３０６とを撮像領域の外側方向（端より）にずらす（シュリンクさせる）ことによって、入射角度の大きい入射光３５７の集光効率の向上を図るということが行われている。

または、上記集光効率の減少を解決する別の手段として、入射光の波長と同程度かそれよりも小さな微細構造を有することで実効的な屈折率分布を有する屈折率分布型レンズを実現する固体撮像素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、固体撮像素子における撮像領域の中心部では、単位画素の中心に対して対称な実効屈折率分布を有する屈折率分布型レンズが、入射光の波長と同程度か、それより短い線幅で分割された同心構造の複数のゾーン領域の組み合わせによって形成されている。また、固体撮像素子の撮像領域の周辺部では、単位画素の中心に対して非対称な実効屈折率分布を有する屈折率分布型レンズが、入射光の波長と同程度かそれより短い線幅で分割された同心構造の複数のゾーン領域の組み合わせで形成され、かつ、その同心構造の中心が単位画素の中心とずらして（オフセットさせて）形成されている。この構成によると、固体撮像素子の周辺部に入射する光が、入射面（受光面）の垂直軸に対して大きな角度で斜め入射しても、受光素子に入射光を集光させることができ、固体撮像素子の周辺部において中央部における感度と同等の感度を得ることができる。その結果、カメラの光学レンズからの主光線の入射角度が一定であれば感度の低下は防止できる。

特開２００６−３５１９７２号公報

しかしながら、レンズ交換を行うなどで光学レンズからの光の入射角度が変化する場合、光が受光素子から外れる場合が発生する。例えば、配線および受光素子のシュリンク量、あるいは同心構造の光透過膜の中心のオフセット量が、望遠レンズ装着時の入射角度の小さな光に対応した設計であった場合に広角レンズを取り付けると、光学レンズから入射角度の大きな光が入射してくるため、入射光の一部が受光素子からはずれて感度が低下してしまう。それに対し、より大きな角度の入射光に対応するためにシュリンクまたはオフセット量を増加させた設計にすると、逆に、望遠レンズに交換した際には、小さな入射角度の光が入射してしまい、やはり、感度の低下が発生してしまう。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、レンズ交換を行うなどで単位画素に入射する光の入射角度が変化した場合であっても、感度の低下を抑えることができる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。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る固体撮像素子は、受光素子と集光素子とを備えた単位画素が２次元状に配列された固体撮像素子であって、前記集光素子は、前記受光素子に入射する光の波長以下の線幅で分離され、前記集光素子の受光面に対して垂直な方向の軸を中心とする同心構造の複数の光透過膜を有し、前記複数の光透過膜の組み合わせによって制御された実効屈折率分布を有しており、前記同心構造の複数の光透過膜の外縁の形状は、前記受光面において、前記同心構造の中心に最も近い前記光透過膜で真円であり、前記同心構造の中心から離れた前記光透過膜で楕円であり、前記楕円の短軸に対する長軸の比率は、前記同心構造の中心から大きく離れた前記光透過膜の外縁の形状ほど高く、複数の前記単位画素のそれぞれにおける前記楕円の長軸方向は、前記受光面において、複数の前記単位画素のそれぞれにおける前記同心構造の中心と前記固体撮像素子の中心とを結ぶベクトルに対して直交することを特徴とする。

同心構造の光透過膜の組み合わせによって制御される実効屈折率分布では、同心構造の中心の位置を頂点として実効屈折率が連続関数的に減少する。本態様によれば、同心構造の形状が同心構造の中心から離れるに従って真円から楕円へと形状変化するように構成されている。これに伴い、楕円の長軸方向よりも短軸方向に向かって、実効屈折率は大きな減少率を有するようになる。即ち、実効屈折率分布は歪んだ分布となる。加えて、真円から楕円への形状変化は、同心構造の中心から離れるにつれて徐々に導入され、楕円の領域、即ち、実効屈折率分布の減少率が大きくなる領域は単位画素内の端部周辺に限られる。このような集光素子を備えた単位画素を、例えば固体撮像素子の周辺部に配置させると、これまで広角レンズ装着時にうまく集光できずに受光素子の外へもれてしまっていた斜め入射光も、単位画素の端部周辺における実効屈折率の大きな減少率の効果によって、光の進行方向が大きく曲げられて受光素子へと導かれるようになり、その結果、集光効率が向上する。また、望遠レンズ装着時に入射角度の小さい光が入射しても、楕円の領域が単位画素の端部周辺に限られているため、光を曲げすぎるということは無くなり、受光素子へと導かれる。従って、低角（狭角）から広角までの広い範囲の入射光をロスなく集光し、感度の低下を抑えることができる。

また、本発明の一態様に係る固体撮像素子は、前記固体撮像素子の中心の前記単位画素における前記同心構造の中心は、前記受光面において、前記単位画素の中心と一致し、前記固体撮像素子の中心から離れた前記単位画素における前記同心構造の中心は、前記受光面において、前記単位画素の中心から前記固体撮像素子の中心に向かってずれており、前記ずれの量は、前記固体撮像素子の中心から大きく離れた前記単位画素でより大きくてもよい。

このような構成では、固体撮像素子の中心の単位画素において、同心構造の中心は単位画素の中心に一致し、単位画素内の殆どの領域で光透過膜は真円形の形状となる。固体撮像素子の中心の単位画素では、カメラレンズが広角でも望遠でも、常に光の入射角度は撮像面（受光面）に垂直な方向に対して平行なため、真円の光透過膜で構成された集光素子によって入射光は受光素子へと集光される。一方、固体撮像素子の周辺部に向かうに従って、同心構造の中心は、固体撮像素子の中心に向かう方向にオフセットされるので、固体撮像素子の周辺部の単位画素では、固体撮像素子の中心から遠い側の領域において、楕円の領域、即ち、実効屈折率の減少率が大きい領域が増大する。そのため、これまで広角レンズ装着時にうまく集光できずに集光素子の外へもれてしまっていた斜め入射光も、単位画素の端部周辺における実効屈折率の大きな減少率の効果によって、光の進行方向が大きく曲げられて集光素子へと導かれるようになり、その結果、集光効率が向上する。

また、本発明の一態様に係る固体撮像素子は、前記集光素子の前記受光面における前記実効屈折率分布は、実効屈折率が前記同心構造の中心を頂点として前記同心構造の中心からの距離に応じて放物線状に減少する分布を有し、前記集光素子の前記受光面における前記楕円の短軸方向での前記実効屈折率分布は、前記同心構造の中心からの距離の４乗に比例して減少する分布歪みを有してもよい。

このような構成では、固体撮像素子内の各単位画素において、同心構造の中心の位置を単位画素の中心からオフセットさせて、固体撮像素子の中心寄りに配置させることで、固体撮像素子の中心から周辺部に向かうにしたがって集光素子の実効屈折率の減少率が大きくなる領域が単位画素内の画素配列端に限定される形で大きくなる。従って、入射角度の大きな光を集光することができるようになるとともに、単位画素内における実効屈折率の減少率が大きい領域が画素配列端側に限定されるため、入射角度の小さな光に対してもロスなく集光することが可能となる。

また、本発明の一態様に係る固体撮像素子は、前記集光素子は、層内レンズを構成してもよい。

このような構成とすることで、上記の実効屈折率分布を有する層内レンズを配置すると共に、マイクロレンズをデバイス最上面に配置することで２つのレンズを組み合せた構成を実現でき、入射光の入射角度マージンを更に拡大することが可能となる。

また、本発明の一態様に係る撮像装置は、上記固体撮像素子を備えることを特徴とする。

このような構成により、レンズ交換を行うなどで単位画素に入射する光の入射角度が変化した場合であっても、感度の低下を抑えることができる。

本発明に係る固体撮像素子により、レンズ交換を行うなどで単位画素に入射する光の入射角度が広角から低角まで大きく変化した場合であっても、撮影時に固体撮像素子の周辺部で得られた画像が暗くなってしまうことを回避することができる。よって、広角から望遠まで、さまざまなレンズを交換して使用する１眼レフカメラの撮像レンズをデジタルカメラ等に用いられたときでも、固体撮像素子の周辺部で明るい画像を得ることができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態の撮像装置（カメラ）の概略構成を示す図である。 図２は、本発明の第１の実施の形態の固体撮像装置の詳細な構成を示す図である。 図３（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像素子の撮像面における異なる部分の単位画素の構造の一例を示す断面図である。図３（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像素子の撮像面における異なる部分の単位画素の集光素子の上面図の一例である。図３（ｃ）は、本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像素子の撮像面における異なる部分の単位画素の集光素子の実効屈折率分布を示すグラフの一例である。 図４（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像素子を搭載した一眼レフ用カメラにおいて、広角レンズをレンズとして装着した場合における、撮像面の異なる部分での入射光に対する集光素子の集光の概略を示す図である。図４（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像素子を搭載した一眼レフ用カメラにおいて、望遠レンズをレンズとして装着した場合における、撮像面の異なる部分での入射光に対する集光素子の集光の概略を示す図である。 図５は、本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像素子の撮像面の異なる部分の単位画素の集光素子の上面図の一例である。 図６は、本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像素子の四隅である撮像面の画角（Ｄ端）の単位画素の集光素子の上面図の一例である。 図７は、本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像素子における、集光素子の集光効率の入射角度依存性を示す図である。 図８は、本発明の第２の実施の形態に係る固体撮像素子の単位画素の構造を示す断面図である。 図９は、本発明の第２の実施の形態に係る固体撮像素子における、集光素子の集光効率の入射角度依存性を示す図である。 図１０は、従来の単位画素の構造の一例を示す図である。 図１１は、従来の単位画素の構造の一例を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態について、図面を参照しながら、さらに具体的に説明する。なお、本発明について、以下の実施の形態および添付の図面を用いて説明を行うが、これは例示を目的としており、本発明がこれらに限定されることを意図しない。つまり、以下の実施の形態で示される数値、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、タイミング、タイミングの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。本発明は、請求の範囲だけによって限定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。また、図面において、実質的に同一の構成、動作、および効果を表す要素については、同一の符号を付す。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態の撮像装置（カメラ）の概略構成を示す図である。図２は、本実施の形態の固体撮像装置１００の詳細な構成を示す図である。

このカメラは、固体撮像装置１００、レンズ１１０、ＤＳＰ（デジタル信号処理回路）１２０、画像表示デバイス１３０および画像メモリ１４０から構成される。

なお、一眼レフのデジタルカメラではレンズ１１０は交換レンズであり、焦点距離の異なる光学レンズに交換される。具体的にレンズ１１０は、広角入射光用の撮像レンズ、望遠レンズ、又は、固体撮像装置１００に対して光がテレセントリック（光軸と主光線がほぼ平行）に入射する場合に対応した撮像レンズ等である。

このカメラでは、レンズ１１０を介して外部から光が入射し、入射した光は固体撮像装置１００によりデジタル信号に変換されて出力される。そして、出力されたデジタル信号はＤＳＰ１２０により処理されて映像信号として画像メモリ１４０に出力されて記録され、また画像表示デバイス１３０に出力されて画像表示される。

ＤＳＰ１２０は、固体撮像装置１００の出力信号に対してノイズ除去等の処理を行って映像信号を生成する画像処理回路１２１と、固体撮像装置１００における単位画素（単位セル）３の走査タイミングおよびゲインの制御を行うカメラシステム制御部１２２とから構成される。ＤＳＰ１２０は、例えば固体撮像装置１００の単位画素３内で共有される画素（光電変換素子）間での特性差に関する補正を行う。

固体撮像装置１００は１チップで形成され、固体撮像装置１００が形成されたチップとＤＳＰ１２０が形成されたチップとは別チップとされる。これにより、固体撮像装置１００の形成工程とＤＳＰ１２０の形成工程とを分離することで撮像部および処理部の製造工程を分離できるので、製造工程を削減して低コスト化を実現できる。また、タイミング制御、ゲイン制御および画像処理をユーザー毎に自由に設定することが可能となるため、使用の自由度を高くすることができる。

固体撮像装置１００は、ＣＭＯＳ型の固体撮像装置であり、撮像領域としての画素部（画素アレイ）１０と、垂直走査回路（行走査回路）２４と、通信・タイミング制御部３０と、ＡＤ変換（アナログ／デジタルコンバーター）回路２５と、参照信号生成部２７と、出力Ｉ／Ｆ２８と、信号保持スイッチ２６３と、信号保持容量２６２と、カラムアンプ４２とを備える。

画素部１０は、半導体基板のウェルに２次元状（行列状）に配列された複数の単位画素３と、単位画素３の列に対応して設けられた垂直信号線１９とを備える。各単位画素３は、フォトダイオード等の画素とトランジスタとを含んで構成される。各単位画素３は、垂直走査回路２４で制御される信号線と、対応する単位画素３からの電圧信号をＡＤ変換回路２５に伝達する垂直信号線１９とに接続されている。画素部１０は、本発明の固体撮像素子の一例である。

垂直走査回路２４は、単位画素３を垂直方向に行単位で走査し、垂直信号線１９に電圧信号を出力させる単位画素３の行を選択する。

通信・タイミング制御部３０は、外部端子を介して入力されたマスタークロックＣＬＫ０およびデータＤＡＴＡを受け取り、これに基づいて種々の内部クロックを生成し参照信号生成部２７および垂直走査回路２４などを制御する。

参照信号生成部２７は、ＡＤ変換回路２５のカラムＡＤ（カラムアナログ／デジタルコンバーター）回路２６にＡＤ変換用の参照電圧ＲＡＭＰを供給するＤＡＣ（デジタル／アナログコンバーター）２７ａを有する。

カラムアンプ４２、信号保持スイッチ２６３および信号保持容量２６２は、単位画素３の列に対応して設けられている。カラムアンプ４２は対応する単位画素３から出力された電圧信号を増幅し、信号保持容量２６２は信号保持スイッチ２６３を介して伝達されてきた増幅された電圧信号を保持する。カラムアンプ４２を設けることで、単位画素３の電圧信号を増幅することが可能となり、Ｓ／Ｎの改善およびゲインの切り替え等が可能となる。

ＡＤ変換回路２５は、単位画素３の列に対応して設けられたカラムＡＤ回路２６を複数有する。カラムＡＤ回路２６は、ＤＡＣ２７ａで生成される参照電圧ＲＡＭＰを用いて、単位画素３から出力された信号保持容量２６２のアナログの電圧信号をデジタル信号に変換する。

カラムＡＤ回路２６は、電圧比較部２５２、カウンタ部２５４、スイッチ２５８およびデータ記憶部２５６から構成される。電圧比較部２５２は、単位画素３から垂直信号線１９（Ｈ０、Ｈ１、・・・）および信号保持容量２６２を経由し得られるアナログの電圧信号を参照電圧ＲＡＭＰと比較する。データ記憶部２５６は、電圧比較部２５２が比較処理を完了するまでの時間とカウンタ部２５４を利用してカウントした結果とを保持するメモリとして構成されている。

電圧比較部２５２の一方の入力端子には、他の電圧比較部２５２の入力端子と共通に、ＤＡＣ２７ａで生成される階段状の参照電圧ＲＡＭＰが入力され、他方の入力端子には、それぞれ対応する列の信号保持容量２６２が接続され、画素部１０から電圧信号が入力される。電圧比較部２５２の出力信号はカウンタ部２５４に供給される。

カラムＡＤ回路２６は、電圧比較部２５２に参照電圧ＲＡＭＰが供給されると同時にクロック信号でのカウント（計数）を開始し、信号保持容量２６２を介して入力されたアナログの電圧信号を参照電圧ＲＡＭＰと比較することによってパルス信号が得られるまでカウントすることでＡＤ変換を行う。

この際、カラムＡＤ回路２６は、ＡＤ変換とともに、信号保持容量２６２を介して入力された電圧モードの画素信号（電圧信号）に対して、単位画素をリセット（初期化）した直後の信号レベル（ノイズレベル）と真の（受光光量に応じた）信号レベルＶｓｉｇとの差分をとる処理を行う。これによって、固定パターンノイズ（ＦＰＮ：Ｆｉｘｅｄ Ｐａｔｔｅｒｎ Ｎｏｉｓｅ）およびリセットノイズ等と呼ばれるノイズ信号成分を電圧信号から取り除くことができる。

カラムＡＤ回路２６は、ノイズレベルをダウンカウントし、信号レベルをアップカウントすることで真の信号レベルＶｓｉｇのみを取り出す構成であり、このカラムＡＤ回路２６でデジタル化された信号は、水平信号線１８を介して出力Ｉ／Ｆ２８に入力される。

なお、図１および図２に示した固体撮像装置１００は、ＡＤ変換回路２５を搭載しているが、ＡＤ変換回路２５は固体撮像装置１００の外に備えられていても良い。

以上の構成により、固体撮像装置１００では、画素部１０からは、単位画素３の行ごとに電圧信号が順次出力される。そして、画素部１０に対する１枚分の画像すなわちフレーム画像が、画素部１０全体の電圧信号の集合で示されることとなる。

図３は、本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像素子としての画素部１０における単位画素３の基本構造の一例を示す図である。

なお、図３では、固体撮像素子の撮像面（受光面）における水平方向（行方向）での異なる部分の単位画素３の構造および実効屈折率分布を示している。つまり、図３の左側が画素部１０の中央部（中心部）、真中が画素部１０の中央部と周辺部との間の中間部、右側が画素部１０の周辺部の単位画素３の構造および実効屈折率分布を示している。また、図３（ａ）は単位画素３の断面図を示し、図３（ｂ）は単位画素３（集光素子１１）の上面図（撮像面での図）を示し、図３（ｃ）は集光素子１１の実効屈折率分布を示している。

図３に示すように、固体撮像素子は、受光素子１４と集光素子１１とを備えた複数の単位画素３が２次元状に配列された画素部１０であり、集光素子１１は、受光素子１４に入射する光の波長と同程度かそれよりも短い線幅３５つまり受光素子１４に入射する光の波長以下の線幅３５で分離され、集光素子１１の受光面に対して垂直な方向の軸を中心とする同心構造の複数の光透過膜３３を有し、複数の光透過膜３３の組み合わせによって制御された実効屈折率分布を有しており、同心構造の複数の光透過膜３３の外縁（内縁）の形状は、受光面において（受光面に対して垂直な方向からみたとき）、同心構造の中心に最も近い光透過膜３３で真円であり、同心構造の中心から離れた光透過膜３３で楕円であり、楕円の短軸に対する長軸の比率は、同心構造の中心から大きく離れた光透過膜３３の外縁の形状ほど高く、複数の単位画素３のそれぞれにおける楕円の長軸方向は、受光面において、複数の単位画素３のそれぞれにおける同心構造の中心と画素部１０の中心とを結ぶベクトルに対して直交する。

図３（ａ）に示すように、画素部１０の中央部、中間部又は周辺部の何れにおいても、各単位画素３は、分布屈折率型レンズである集光素子１１、カラーフィルタ１２、Ａｌ配線等の配線１３、Ｓｉフォトダイオード等の受光素子１４および半導体基板１５を備える。また、集光素子１１の膜厚は例えば１．２［μｍ］である。図３（ｂ）に示すように、複数の単位画素３のそれぞれサイズ（受光面における面積）は、等しく例えば３．７５［μｍ］×３．７５［μｍ］である。また、各単位画素３は、画素部１０の中央部、中間部および周辺部において、大きさ、構成要素およびその配置位置について同様であるが、集光素子１１の構造のみ異なる。

図３（ｂ）に示すように、各単位画素３における集光素子１１は、例えばＳｉＯ_２（ｎ＝１．４５）等から構成される光透過膜３３と空気３４（ｎ＝１．０）とから構成される。光透過膜３３は、受光面において、同心構造を有する。従って、受光面の同心構造では、まずその中心に真円状の光透過膜３３が配置され、その真円状の光透過膜３３を囲むようにリング状（円環状）の光透過膜３３が配置され、さらにそのリング状の光透過膜３３を囲むように別のリング状の光透過膜３３が配置されている。受光面の同心構造では、複数のリング状の光透過膜３３は外径が異なっているが、複数のリング状の光透過膜３３の円の中心は真円状の中心の光透過膜３３の円の中心と一致している。つまり、真円状の光透過膜３３の円の中心が同心構造の中心となっている。受光面の同心構造では、隣り合う光透過膜３３の内周半径差（光透過膜３３の楕円の長径又は内径の差）である線幅３５は、同心構造の中心からの光透過膜３３の距離が大きくなるに従って大きくなり、約１００［μｍ］から約２００［μｍ］の範囲で変化する構成となっている。

ここで、受光面において集光素子１１を線幅（内周半径差）３５の幅でドーナツ状に分割した領域をゾーン領域という。また、受光面における光透過膜３３の線幅は、同心構造の中心の光透過膜３３の線幅が最も大きく、同心構造の中心から離れたリング状の光透過膜３３ほど小さい。この場合、ゾーン領域の幅が、入射光の波長と同程度かそれより小さいときには、光が感じる実効屈折率は、光透過膜３３であるＳｉＯ_２（屈折率ｎ＝１．４５）と空気３４（屈折率ｎ＝１．０）との体積比によって算出できる。このように、図３の固体撮像素子は、光透過膜３３の線幅、即ち、光透過膜と空気との体積比を変えるだけで、実効屈折率分布を自由自在に制御できるという特徴を有している。

受光面において、同心構造の中心の位置（図３（ｂ）の破線の交点位置）は、画素部１０の中央部から画素部１０の周辺部になるにつれて画素部１０の中心寄りにオフセットしている。従って、画素部１０の中心部の単位画素３における同心構造の中心は、受光面において、単位画素３の中心と一致し、画素部１０の中心部から離れた単位画素３における同心構造の中心は、受光面において、単位画素３の中心から画素部１０の中心に向かってずれており、ずれの量は、画素部１０の中心部から大きく離れた単位画素３でより大きい。こうすることで、受光面において、画素部１０の中央部から周辺部になるに従って１つの単位画素３が含む光透過膜３３の楕円の領域（個数）が単位画素３内の光透過膜３３の配列端側（画素部１０の周辺部側）で増加する。そのため、広角レンズ装着時などカメラレンズからの光の入射角度が画素部１０の周辺部で大きくなる場合であっても、上記楕円の領域によって光を受光素子１４に導くことが可能となる。一方で、受光面において、光透過膜３３の楕円の領域が単位画素３内の光透過膜３３の配列端側でのみ増加している構造のため、望遠レンズ装着時などカメラレンズからの光の入射角度が小さな場合であっても、単位画素３内の光透過膜３３の配列中央側（画素部１０の中央部側）の真円に近い構造の領域で集光されるため、集光ロスすることなく受光することが可能となる。

図３（ｃ）の実線は、本実施の形態に係る固体撮像素子の実効屈折率分布を示す図であり、下の（１）式で表される。

Δｎ(ｘ,ｙ)＝Δｎ_ｍａｘ［(Ａ(ｘ^２＋ｙ^２)＋Ｂｘsinθ)／２π＋Ｃ］＋Ｇ(ｘ）・・・（１）

ここで、Ａ、Ｂ、Ｃは定数であり、ｘ、ｙはそれぞれ単位画素３の中心を原点とした２次元座標を表す。図３（ｃ）は特にｙ＝０のときの実効屈折率分布をプロットしたものである。θはレンズ設計角度（角度θで入射してくる光に対して最適なレンズ設計角度）であり、実際の光の入射角度とは異なるものである（実際にレンズに入射してくる光には上記角度θ以外の入射角度を持った光も含まれている）。Δｎ_ｍａｘは光透過膜３３と空気との屈折率差、例えば光透過膜３３としてのＳｉＯ_２と空気との屈折率差０．４５である。定数ＡおよびＢは、集光素子１１の光が入射される側の媒質の屈折率をｎ_０、集光素子１１の光を出射する側の媒質の屈折率をｎ_１、焦点距離をｆ、集光素子１１に入射する光の波長をλとして、以下の（１−１）〜（１−３）式で表される。
Ａ＝−（ｋ_０ｎ_１）／２ｆ・・・（１−１）
Ｂ＝−ｋ_０ｎ_０・・・（１−２）
ｋ_０＝２π／λ・・・（１−３）

これにより、目的とする焦点距離ならびに対象とする入射光の入射角度および波長毎に、集光素子１１を最適化することが可能となる。なお、上記（１）式において、集光成分は単位画素３の中心からの距離ｘの２次関数によって表され、偏向成分は距離ｘと三角関数との積によって表されている。

上記（１）式の関数Ｇ（ｘ）は次の（１−４）式で表されるｘの４次関数であり、光透過膜３３の同心構造の中心から離れるに従って光透過膜３３の形状を真円から楕円へと連続的に形状変化させる役割を与えている。従って、集光素子１１の受光面における実効屈折率分布は、実効屈折率が同心構造の中心を頂点として同心構造の中心からの距離に応じて放物線状に減少する分布を有し、集光素子１１の受光面における楕円の短軸方向での実効屈折率分布は、同心構造の中心からの距離の４乗に比例して減少する分布歪みを有する。
Ｇ（ｘ）＝−Ｄ（ｘ−ｘ_０）^４ （１−４）

ここで、ｘ_０は同心構造の中心のｘ座標成分を表わす。なお、同心構造の中心のｙ座標成分は０となっている。Ｄは形状変化の大きさを制御するためのパラメータであり、図３（ｃ）ではＤ＝０．００１としている。なお、図３（ｃ）には、比較のため、Ｄ＝０とした場合の実効屈折率分布を破線で示してある。この場合、同心構造の光透過膜３３は全て真円の形状となり、従来のレンズ構造に相当している。

図４は、本実施の形態に係る固体撮像素子を搭載した一眼レフ用カメラにおいて、レンズ１１０として広角レンズまたは望遠レンズを装着した場合における、入射光の集光の様子を示した模式図である。

なお、図４では、固体撮像素子の撮像面（受光面）における水平方向（行方向）での異なる部分の単位画素３の断面図を示している。つまり、図４の左側が画素部１０の中央部、真中が画素部１０の中央部と周辺部との間の中間部、右側が画素部１０の周辺部の単位画素３の断面図を示している。また、図４（ａ）は広角レンズを装着した場合における入射光１６の集光の様子を示し、図４（ｂ）は望遠レンズを装着した場合における入射光１７の集光の様子を示している。

図４（ａ）に示すように、広角レンズ装着時には、画素部１０の周辺部に位置している単位画素３には角度の大きい入射光１６が入射する。本実施の形態の固体撮像素子では、集光素子１１は単位画素３内の光透過膜３３の配列端側で実効屈折率分布が大きくなるため、角度の大きい入射光１６は受光素子１４上の画素部１０の端側寄りの位置に焦点を結び、集光される。

一方、図４（ｂ）に示すように、望遠レンズ装着時には、画素部１０の周辺部に位置している単位画素３には角度の小さい入射光１７が入射する。本実施の形態の固体撮像素子では、集光素子１１は単位画素３内の配列端側のみで実効屈折率分布が大きいだけであるため、角度の小さい入射光１７が入射しても曲げすぎることなく受光素子１４上の画素部１０の中央部側寄りの位置に焦点を結び、集光される。

このように、カメラのレンズ１１０から単位画素３に入射する光が広角から低角まで大きく変化した場合であっても、入射光をロスなく受光素子１４上に集光させることができる。

図５は、本実施の形態に係る固体撮像素子の撮像面にレイアウトされた各単位画素３の集光素子１１の上面図である。また、図６は図５のうち四隅である画素部１０の画角（Ｄ端）の領域にある単位画素３の集光素子１１の上面図である。

本実施の形態に係る固体撮像素子は、画素部１０の全域に対して上記の集光効果を実現するために、受光面において、各単位画素３における光透過膜３３の楕円の長軸（図５の破線）方向が、各単位画素３の光透過膜３３の同心構造の中心と固体撮像素子の画素部１０の中心とを結ぶベクトルに対して直交する構造になっている。この構造は、固体撮像素子の縦と横の画素数比（アスペクト比ともいう）によって楕円の長軸方向を回転させることで実現できる。例えば、Ｄ端の領域では縦と横の画素数比が１：１であり、長軸方向が４５度回転した構造になる。このような構造とすることで、画素部１０のＨ端、Ｖ端、およびＤ端の全てで同様の集光効果を実現することができる。

図７は、本実施の形態に係る固体撮像素子における、集光素子１１の集光効率（受光素子１４の規格化された感度）の入射角度依存性を示したグラフである。

図７に示すように、「◆（黒塗り菱形）」で示す集光素子１１では、入射角度が０°から４０°程度までの広い範囲の入射光に対して高効率（８０％以上）の集光ができており、「■（黒塗り四角）」で示す従来の集光素子（(１−４)式においてＧ（ｘ）＝０とした構造）と比べ、入射角度マージンが大幅に広がって広角化が実現されていることが分かる。

以上のように、本実施の形態の固体撮像素子によれば、受光面において集光素子１１の同心構造の形状が同心構造の中心から離れるに従って真円から楕円へと形状変化するように構成されている。そして、画素部１０の周辺部の単位画素３において中心部の単位画素３よりも楕円の領域が配列端側で大きくなるように構成されている。従って、広角レンズ装着時の斜め入射光を、単位画素３の端部周辺における実効屈折率の大きな減少率によって大きく曲げて受光素子に導くことができる。このとき、楕円の領域が単位画素の端部周辺に限られているため、望遠レンズ装着時の入射角度の小さい光は大きく曲げられない。その結果、レンズ交換を行うなどで単位画素に入射する光の入射角度が変化した場合であっても、感度の低下を抑えることができる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態の固体撮像素子は、集光素子１１が層内レンズを構成し、同心構造の複数の光透過膜を組み合せた集光素子１１が層内レンズとして配置されている点で第１の実施の形態と異なっている。また、マイクロレンズがカラーフィルタ１２の上層に設けられている点でも第１の実施の形態と異なっている。以下、図８および図９を用いて、本実施の形態の固体撮像素子について、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。

図８は、本実施の形態に係る固体撮像素子の単位画素３の構造を示す断面図である。

この単位画素３では、集光素子１１がカラーフィルタ１２の下層に配置されるとともに、カラーフィルタ１２の上層にはマイクロレンズ２０が配置されている。このように、図３（ｃ）の実効屈折率分布を有する集光素子１１を層内レンズとして用い、マイクロレンズ２０をデバイス最上面に配置して２つのレンズを組み合せた構成とすることで、入射光の入射角度マージンを拡大することが可能となる。

図９は、本実施の形態に係る固体撮像素子における、集光素子１１の集光効率（受光素子１４の規格化された感度）の入射角度依存性を示したグラフである。

図９に示すように、「◆（黒塗り菱形）」で示す集光素子１１では、入射角度が−１０°程度から４０°程度までの広い範囲の入射光に対して高効率（８０％以上）の集光できており、「▲（黒塗り三角）」で示す従来のマイクロレンズを用いた集光素子に比べて入射角度マージンが大幅に広がっていることが分かる。

以上のように、本実施の形態の固体撮像素子によれば、実効屈折率分布を有する集光素子１１を層内レンズとして用い、さらにマイクロレンズ２０も配置することにより、入射光の入射角度マージンを拡大することができる。

以上、本発明の固体撮像素子および撮像装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、複数の実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。

本発明は、固体撮像素子に利用が可能であり、特にデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラおよびカメラ付携帯電話機などに利用が可能であり、産業上有用である。

３、３００ 単位画素
１０ 画素部
１１ 集光素子
１２、３０２ カラーフィルタ
１３ 配線
１４、３０６ 受光素子
１５ 半導体基板
１６、１７、３５６、３５７ 入射光
１８ 水平信号線
１９ 垂直信号線
２０ マイクロレンズ
２４ 垂直走査回路
２５ ＡＤ変換回路
２６ カラムＡＤ回路
２７ 参照信号生成部
２７ａ ＤＡＣ
２８ 出力Ｉ／Ｆ
３０ 通信・タイミング制御部
３３ 光透過膜
３４ 空気
３５ 線幅
４２ カラムアンプ
１００ 固体撮像装置
１１０ レンズ
１２０ ＤＳＰ
１２１ 画像処理回路
１２２ カメラシステム制御部
１３０ 画像表示デバイス
１４０ 画像メモリ
２５２ 電圧比較部
２５４ カウンタ部
２５６ データ記憶部
２５８ スイッチ
２６２ 信号保持容量
２６３ 信号保持スイッチ
３０３ Ａｌ配線
３０４ 信号伝送部
３０５ マイクロレンズ
３０７ Ｓｉ基板
３０８ 平坦化層

Claims (5)

1. 受光素子と集光素子とを備えた単位画素が２次元状に配列された固体撮像素子であって、
   前記集光素子は、前記受光素子に入射する光の波長以下の線幅で分離され、前記集光素子の受光面に対して垂直な方向の軸を中心とする同心構造の複数の光透過膜を有し、前記複数の光透過膜の組み合わせによって制御された実効屈折率分布を有しており、
   前記同心構造の複数の光透過膜の外縁の形状は、前記受光面において、前記同心構造の中心に最も近い前記光透過膜で真円であり、前記同心構造の中心から離れた前記光透過膜で楕円であり、
   前記楕円の短軸に対する長軸の比率は、前記同心構造の中心から大きく離れた前記光透過膜の外縁の形状ほど高く、
   複数の前記単位画素のそれぞれにおける前記楕円の長軸方向は、前記受光面において、複数の前記単位画素のそれぞれにおける前記同心構造の中心と前記固体撮像素子の中心とを結ぶベクトルに対して直交する、
   固体撮像素子。
2. 前記固体撮像素子の中心の前記単位画素における前記同心構造の中心は、前記受光面において、前記単位画素の中心と一致し、
   前記固体撮像素子の中心から離れた前記単位画素における前記同心構造の中心は、前記受光面において、前記単位画素の中心から前記固体撮像素子の中心に向かってずれており、
   前記ずれの量は、前記固体撮像素子の中心から大きく離れた前記単位画素でより大きい、
   請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記集光素子の前記受光面における前記実効屈折率分布は、実効屈折率が前記同心構造の中心を頂点として前記同心構造の中心からの距離に応じて放物線状に減少する分布を有し、
   前記集光素子の前記受光面における前記楕円の短軸方向での前記実効屈折率分布は、前記同心構造の中心からの距離の４乗に比例して減少する分布歪みを有する、
   請求項１に記載の固体撮像素子。
4. 前記集光素子は、層内レンズを構成する、
   請求項１に記載の固体撮像素子。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像素子を備える
   撮像装置。

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