KR20070101139A - 고체 촬상 장치, 카메라 및 신호 처리 방법 - Google Patents

고체 촬상 장치, 카메라 및 신호 처리 방법 Download PDF

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KR20070101139A
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요시아키 가토
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마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 고체 촬상 장치는, 2차원 형상으로 배열된 포토다이오드와, 서로 이웃하는 2개의 포토다이오드에 대해서 1개씩 설치되어, 광을 모으는 복수의 마이크로 렌즈와, 마이크로 렌즈에 대응하여 설치되어, 마이크로 렌즈에서 입사되는 광을, 소정 범위 내의 파장을 갖는 제1 광과 소정 범위 외의 파장을 갖는 제2 광의 2개로 분리하는 복수의 분리 수단을 구비한다. 각 분리 수단은, 마이크로 렌즈에 의해 집광된 광으로부터, 제1 광 및 제2 광의 한 쪽을 선택적으로 투과하고 다른 쪽을 반사하며, 투과한 광을 1개의 포토다이오드에 입사하는 광 선택부와, 광 선택부에 의해 반사된 광을 다른 1개의 다이오드를 향해 반사하는 광 반사부를 구비한다.

Description

고체 촬상 장치, 카메라 및 신호 처리 방법{SOLID STATE IMAGING DEVICE, CAMERA AND SIGNAL PROCESSING METHOD}
본 발명의 이들 및 다른 목적, 장점 및 특징은, 본 발명의 특정 실시예를 도시하는 첨부 도면과 함께 취한 다음의 설명으로부터 분명해진다.
도 1은, 종래 기술에 있어서의 고체 촬상 장치의 포토다이오드의 배열을 도시한 도면,
도 2는, 종래 기술에 있어서의 고체 촬상 장치의 단면을 도시한 도면,
도 3은, 실시 형태 1에 있어서의 고체 촬상 장치의 포토다이오드의 색 배열을 도시한 도면,
도 4는, 고체 촬상 장치의 마이크로 렌즈의 배열을 도시한 도면,
도 5는, 고체 촬상 장치의 단면을 도시한 도면,
도 6은, 서로 이웃하는 행의 단면을 도시한 모식도,
도 7a는, 청색광용의 광 선택부의 단면도,
도 7b는, 적색광용의 광 선택부의 단면도,
도 8a는, 광 반사부(104M)의 단면도,
도 8b는, 광 반사부(104M)의 단면도,
도 9a는, 청색광용의 광 선택부의 변형예에 있어서의 단면도,
도 9b는, 적색광용의 광 선택부의 변형예에 있어서의 단면도,
도 10a는, 청색광용의 광 선택부의 다른 변형예에 있어서의 단면도,
도 10b는, 적색광용의 광 선택부의 다른 변형예에 있어서의 단면도,
도 11은, 고체 촬상 장치의 포토다이오드의 색 배열(변형예 1)을 도시한 도면,
도 12는, 서로 이웃하는 행의 단면을 도시한 모식도,
도 13은, 실시 형태 2에 있어서의 고체 촬상 장치의 단면도,
도 14a는, 광 선택부의 단면도,
도 14b는, 광 선택부의 단면도,
도 15a는, 광 선택부의 분광 특성을 도시한 도면,
도 15b, 15c는, 절연체층의 막 두께와 분광 특성을 도시한 설명도,
도 16은, 고체 촬상 장치의 포토다이오드의 색 배열(변형예 2)을 도시한 도면,
도 17은, 변형예 2에 있어서의 서로 이웃하는 행의 단면을 도시한 모식도,
도 18은, 고체 촬상 장치의 포토다이오드의 색 배열(변형예 3)을 도시한 도면,
도 19는, 변형예 3에 있어서의 서로 이웃하는 행의 단면을 도시한 모식도,
도 20은, 변형예 4에 있어서의 서로 이웃하는 행의 단면을 도시한 모식도,
도 21은, 고체 촬상 장치의 포토다이오드의 색 배열(변형예 5)을 도시한 도면,
도 22는, 변형예 5에 있어서의 서로 이웃하는 행의 단면을 도시한 모식도,
도 23은, 고체 촬상 장치의 포토다이오드의 색 배열(변형예 6)을 도시한 도면,
도 24는, 변형예 6에 있어서의 서로 이웃하는 행의 단면을 도시한 모식도,
도 25는, 실시 형태 3에 있어서의 카메라의 구성을 도시한 블록도,
도 26은, 색 변환부의 설명도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1…반도체 기판 2…적색용 포토다이오드
3…녹색용 포토다이오드 4…청색용 포토다이오드
5, 9, 10…투명막 6, 7, 8…필터
11…오목 렌즈 12…투명막
13…볼록 렌즈 35…차광막
본 발명은, 고체 촬상 장치 및 카메라에 관한 것이다.
종래의 고체 촬상 장치에서는, 적(R), 녹(G), 청(B)에 대응하는 화소 신호를 얻기 위해, 컬러 필터를 통해 원하는 색의 신호를 얻고 있다. 고체 촬상 장치로의 입사광은, 마이크로 렌즈, 컬러 필터를 통해 포토다이오드에 입사한다. 컬러 필터의 배열은, 예를 들면 베이어() 배열 등이 있다.
특허 문헌 1에는, 고감도화 및 색 분리 특성을 개량하는 고체 촬상 장치의 종래 기술이 개시되어 있다.
도 1은, 상기 종래 기술에 있어서의 촬상 소자를 도시한 평면도이다. 도 2는 도 1의 A-A'선 단면도이다.
도 2에 있어서 고체 촬상 장치는, 반도체 기판(1)의 표면 근방에, 적색용 포토다이오드(2), 녹색용 포토다이오드(3), 청색용 포토다이오드(4)를 갖고 있다. 적색용 포토다이오드(2), 녹색용 포토다이오드(3), 청색용 포토다이오드(4)는, 예를 들면 실리카 유리 등으로 이루어지는 투명막(5)으로 피복되어 있다.
투명막(5)은, 포토다이오드(2, 3, 4)를 덮는 하면과 반대측의 상면이 산형 형상으로 형성되어 있고, 산형 형상의 상면 중, 동일 방향으로 일정 각도로 경사지는 경사면에는 필터(6, 7, 8)가 형성되며, 포토다이오드(2∼4)에 대응한 위치에 배치되어 있다.
필터(6, 7, 8)의 경사 각도는, 필터(6)에 위쪽에서 입사한 광이 도면 중 우측의 가로 방향으로 반사하고, 필터(7) 또는 필터(8)에서 반사하여 각각 포토다이오드(3) 또는 포토다이오드(4)에 입사하도록, 가능한 한 45°에 가까운 것이 바람직하다.
필터(6)는 적색광(R)을 투과하고, 녹색광(G) 및 청색광(B)을 반사하는 특성을 갖고 있다. 또 필터(7)는 청색광(B)을 투과하고, 녹색광(G)을 반사하는 특성을 갖고 있다. 또 필터(8)는 모든 광을 반사하는 특성을 갖고 있다.
필터(6 및 7)는, 일반적으로 다이크로익 필터라고 불리는 다층막으로 구성되 고, 통상은 3판식 비디오 카메라, 전자 스틸 카메라의 다이크로익 프리즘의 표면에 형성되어 있는 것과 동일한 구성의 것이다. 또 필터(8)는, 전 반사막, 예를 들면 알루미늄 등의 금속 박막 등으로 구성되어 있다.
필터(6∼8)는, 투명막(5)과 비교하여 저굴절률의 투명막(9)으로 피복되어 있고, 투명막(9)은 투명막(10)으로 피복되어 있다.
투명막(10)의 필터(6)에 대응하는 개소에는, 오목 렌즈(11)가 설치되어 있다. 투명막(10)은 차광막(35)으로 피복되고, 차광막(35)의 필터(6)에 대응하는 개소에는 개구부(36)가 설치되어 있으며, 차광막(35)의 개구부(36) 및 오목 렌즈(11)를 통해 필터(6)에만 광이 입사하고, 그 이외의 필터(7, 8)에는 차광막(35)에 의해 불필요한 광이 차단되도록 되어 있다.
차광막(35) 및 오목 렌즈(11)는 투명막(12)으로 피복되고, 투명막(12)의 필터(6)에 대응하는 개소에는, 볼록 렌즈(13)가 설치되어 있다. 따라서, 적, 녹, 청의 3화소의 포토다이오드(2∼4)에 대해서 1조의 볼록 렌즈(13) 및 오목 렌즈(11)로 이루어지는 집광 장치를 갖고 있다.
입사광은, 볼록 렌즈(13)와 오목 렌즈(11)에 의해 집광되고, 평행 광선으로서 처음 단의 필터(6)에 입사한다.
필터(6)에 입사한 광 중 적색광(R)은, 필터(6)를 투과하여 적색용 포토다이오드(2)에 입사한다. 필터(6)에 입사한 광 중, 녹색광(G)과 청색광(B)은, 필터(6)에서 반사되고, 우측 방향, 구체적으로는 필터(7)측으로 반사된다.
녹색광(G)과 청색광(B)은 필터(7)에 입사하지만, 녹색광(G)은 필터(7)의 표 면에서 반사하고, 녹색용 포토다이오드(3)에 입사한다. 또 청색광(B)은, 필터(7)를 투과하여 필터(8)에 입사하고, 필터(8)에서 반사되어 청색용 포토다이오드(4)에 입사한다.
이와 같이 종래 기술에 있어서의 고체 촬상 장치는, 입사광을 필터(6, 7, 8)에서 반사, 투과함으로써 색 분리하여 적녹청으로 분광하여, 각 포토다이오드(2, 3, 4)에 분배하고 있다. 이에 따라, 필터 내에서 특정한 광을 열 변환하고 나머지의 광만을 통과시키는 필터 구성과 비교하여, 입사광이 포토다이오드까지 달성하는 비율이 높아져, 감도를 향상시키고 있다.
[특허 문헌 1] 일본 공개특허공보 특개 2000-151933호
그러나, 최근의 고체 촬상 장치에 있어서의 화소 셀의 고밀도화, 미세화에 따라, 고감도화하는 것이 더 요망되고 있다. 예를 들면, 상기 종래 기술에서는, 입사광에서 원색을 분리하기 때문에, 원색을 투과할 때의 손실 및 반사에 의한 광의 손실이 생긴다. 예를 들면, 도 2에서는, 청색광(B)은 필터(6)에서 반사, 필터(7)를 투과, 필터(8)에서 반사됨으로써, 손실이 생긴다.
본 발명은, 고해상도화 및 고감도화에 적합한 고체 촬상 장치 및 카메라를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명의 고체 촬상 장치는, 2차원 형상으로 배열된 포토다이오드와, 서로 이웃하는 2개의 포토다이오드에 대해서 1개씩 설치되 어, 광을 모으는 복수의 집광 수단과, 상기 집광 수단에 대응하여 설치되어, 상기 집광 수단에서 입사되는 광을, 소정 범위 내의 파장을 갖는 제1 광과 소정 범위 외의 파장을 갖는 제2 광의 2개로 분리하는 복수의 분리 수단을 구비하고, 각 분리 수단은, 상기 집광 수단에서 입사되는 광으로부터, 제1 광 및 제2 광의 한 쪽을 선택적으로 투과하고 다른 쪽을 반사하며, 투과한 광을 1개의 포토다이오드에 입사하는 광 선택 수단과, 상기 광 선택 수단에 의해 반사된 광을 다른 1개의 다이오드를 향해 반사하는 광 반사 수단을 구비한다. 이 구성에 의하면, 입사광을 2개의 광으로 분리하고, 분리된 2개의 광을 각각 포토다이오드에 입사하기 때문에, 분리의 과정에서 광의 손실이 적어져, 고감도화할 수 있다. 구체적으로는, 제1 광과 제2 광의 한 쪽은 광 선택 수단에 있어서의 1회의 투과로 포토다이오드에 입사되고, 다른 쪽의 광은, 광 선택 수단 및 광 반사 수단에 있어서의 2회의 반사로 포토다이오드에 입사되기 때문에, 광을 3개로 분리하는 경우와 비교하여, 투과 및 반사에 의한 광의 손실이 적어지므로 감도를 향상시킬 수 있다. 또, 안료나 염료를 함유하는 흡수형의 컬러 필터와 비교하여 광의 손실을 저감할 수 있다. 또, 포토다이오드(2)에 대해서 1개의 집광 수단이 설치되기 때문에, 보다 많은 광량을 각 포토다이오드에 모을 수 있다.
여기에서, 상기 광 반사 수단은 가시광만을 반사하는 구성으로 해도 된다. 또, 상기 고체 촬상 장치는 적외광을 제거하는 제거 수단을 더 구비하고, 상기 분리 수단은, 적외광 제거 후의 광으로부터, 소정 범위 내의 파장을 갖는 광과 그 이외의 광을 분리하는 구성으로 해도 된다. 이 구성에 의하면, 가시광 이외의 불필 요한 광(예를 들면 적외선)을 제거하기 때문에, 가시광에 대한 감도를 향상시켜 고화질화할 수 있다.
여기에서, 상기 복수의 분리 수단은, 제1 타입의 분리 수단 및 제2 타입의 분리 수단을 포함하고, 제1 타입의 분리 수단에 있어서의 제1 광은 적녹청 중 어느 하나의 원색을 나타내는 제1 원색광이고, 제2 광은 제1 원색광의 보색을 나타내는 제1 보색광이며, 제2 타입의 분리 수단에 있어서의 제1 광은 제1 원색광과는 다른 제2 원색광이고, 제2 광은 제2 원색광의 보색을 나타내는 제2 보색광이도록 구성해도 된다. 여기에서, 상기 제1 원색광, 제1 보색광, 제2 원색광, 제2 보색광은 각각, 적색광, 시안광, 청색광, 옐로우광이고, 제1 타입의 분리 수단과 제2 타입의 분리 수단은 각각 동일 열 또는 동일 행에 배열되도록 해도 된다. 이 구성에 의하면, 제1 원색, 제1 보색, 제2 원색, 제2 보색을 이용하기 때문에, 2조의 원색과 보색의 조합에 의해 광의 손실을 최소한으로 억제할 수 있다. 또, 제1 타입 및 제2 타입의 분리 수단이 각각 동일 행 내 또는 동일 열 내에 배열되므로, 제조를 용이하게 할 수 있다.
여기에서, 상기 제1 원색광, 제1 보색광, 제2 원색광, 제2 보색광은 각각, 적색광, 시안광, 녹색광, 마젠타광이고, 제1 타입의 분리 수단과 제2 타입의 분리 수단은 각각 동일 열 또는 동일 행에 배열되도록 해도 된다. 이 구성에 의하면, 청색광에 대한 광 선택 수단의 투과 특성(예를 들면 반치폭)이 다른 색보다도 떨어지는 경우에, 감도를 향상시킬 수 있다.
여기에서, 상기 고체 촬상 장치는 포토다이오드에서 얻어지는 제1 원색을 나 타내는 신호, 제1 보색을 나타내는 신호, 제2 원색을 나타내는 신호 및 제2 보색을 나타내는 신호를, 적색 신호, 녹색 신호, 청색 신호로 변환하는 변환 수단을 더 구비하는 구성으로 해도 된다. 이 구성에 의하면, 제1 원색, 제1 보색, 제2 원색 및 제2 보색을, 적, 녹, 청의 원색 신호로 변환하므로, 보다 감도가 높은 삼원색 신호를 얻을 수 있다.
여기에서, 상기 집광 수단에 집광되는 광축 상에 상기 광 선택 수단 및 1개의 포토다이오드가 배치되도록 해도 된다. 또, 상기 집광 수단의 중심은, 인접 행 또는 인접 열의 서로 이웃하는 집광 수단의 중심과 포토다이오드 1개분 어긋나게 배열되도록 해도 된다. 이 구성에 의하면, 집광 수단을 어긋나게 배치함으로써 집광에 의한 공간 해상도를 최대한으로 할 수 있다.
여기에서, 상기 광 선택 수단은, 굴절률이 다른 2종류의 광학막을 포함하는 다층막이고, 상기 광학막의 광학적 막 두께는 설정 중심 파장의 4분의 1에 상당하며, 상기 다층막은, 설정 중심 파장에 따른 포토닉 구조의 절연체층을 더 포함하는 구성으로 해도 된다. 이 구성에 의하면, 설정 중심 파장에 대응하는 다층막에 의한 다이크로익 필터 및 다이크로익 미러로서의 광 투과 특성을, 절연체층의 광학적 막 두께에 따라 조정할 수 있다. 그 결과, 2종류의 광 선택 수단의 형성 공정을 공통화할 수 있어, 제조 공정수를 삭감할 수 있다.
여기에서, 상기 광 선택 수단은, 굴절률이 다른 2종류의 광학막을 포함하는 다층막이고, 상기 광학막의 광학적 막 두께는 설정 중심 파장의 4분의 1에 상당하며, 상기 다층막은, 설정 중심 파장의 4분의 1 이외의 광학적 막 두께를 갖는 절연 체층을 더 포함하는 구성으로 해도 된다. 이 구성에 의하면, 설정 중심 파장에 대응하는 다층막에 의한 다이크로익 필터 및 다이크로익 미러로서의 광 투과 특성을, 절연체층의 광학적 막 두께에 따라 조정할 수 있다. 그 결과, 2종류의 광 선택 수단의 형성 공정을 공통화할 수 있어, 제조 공정수를 삭감할 수 있다.
또, 본 발명의 카메라는 상기 고체 촬상 장치와 동일한 구성을 갖는다.
또, 본 발명의 고체 촬상 장치의 신호 처리 방법은 상기의 고체 촬상 장치의 신호 처리 방법으로서, 4개의 포토다이오드에서 제1 원색을 나타내는 신호, 제1 보색을 나타내는 신호, 제2 원색을 나타내는 신호, 제2 보색을 나타내는 신호를 취득하고, 취득한 4개의 신호를 적색 신호, 녹색 신호, 청색 신호로 변환한다. 이 구성에 의하면, 제1 원색, 제1 보색, 제2 원색 및 제2 보색을, 적, 녹, 청의 원색 신호로 변환하므로, 보다 감도가 높은 삼원색의 신호를 얻을 수 있다.
또한, 집광 수단의 배치에 따라, 특정 방향(예를 들면 수직 방향 또는 수평 방향)의 해상도를 다른 방향의 해상도보다도 높게 할 수 있다.
본 발명의 고체 촬상 장치, 카메라 및 신호 처리 방법에 의하면, 고감도화할 수 있어, 미세 가공에 적합하므로 고해상도화를 용이하게 할 수 있다. 또, 특정 방향의 해상도화를 높게 할 수도 있다.
2006년 4월 10일 출원된 일본 특허 출원 번호 2006-108035가 여기에 참고로 포함되어 있다.
(실시 형태 1)
본 실시 형태에 있어서의 고체 촬상 장치는, 마이크로 렌즈에서 입사되는 광 을, 소정 범위 내의 파장을 갖는 제1 광과 소정 범위 외의 파장을 갖는 제2 광의 2개로 분리하고, 제1 광을 1개의 포토다이오드에, 제2 광을 다른 1개의 포토다이오드에 입사하도록 구성된다. 또, 마이크로 렌즈에서 입사되는 광을 분리하기 위해서는, 또한, 소정 범위의 파장에 따른 포토닉 구조의 절연체층(스페이서층이라고도 부른다)을 갖는 다층막을 이용하고 있다. 이에 따라 고체 촬상 장치의 고감도화를 도모하고 있다.
도 3은, 실시 형태 1에 있어서의 고체 촬상 장치의 포토다이오드의 색 배열을 도시한 상면도이다. 상기 도면과 같이, 고체 촬상 장치는, 이차원 상에 배열된 복수의 포토다이오드를 구비한다. 서로 이웃하는 2개의 포토다이오드에는, 상기의 제1 광, 제2 광이 각각 입사된다. 서로 이웃하는 2개의 포토다이오드에는 2종류의 페어가 있다. 하나는, 청색광을 수광하기 위한 포토다이오드(102B), 청색광의 보색인 옐로우광을 수광하기 위한 포토다이오드(102Ye)로 이루어지는 페어이다. 또 하나는, 적색광을 수광하기 위한 포토다이오드(102R), 적색광의 보색인 시안광을 수광하기 위한 포토다이오드(102Cy)로 이루어지는 페어이다.
이와 같이, 복수의 포토다이오드는, 적녹청 중 어느 하나의 원색을 나타내는 제1 원색광에 대응하는 포토다이오드와, 제1 원색광의 보색을 나타내는 제1 보색광에 대응하는 포토다이오드와, 제1 원색광과는 다른 제2 원색광에 대응하는 포토다이오드와, 제2 광은 제2 원색광의 보색을 나타내는 제2 보색광에 대응하는 포토다이오드의 4종류의 포토다이오드를 갖는다.
도 4는, 고체 촬상 장치의 마이크로 렌즈의 배열을 도시한 상면도이다. 상 기 도면과 같이 복수의 마이크로 렌즈(109)는, 포토다이오드의 페어에 대응하여 설치되고, 광을 모으는 집광 수단으로서 기능한다. 마이크로 렌즈(109)의 형상은, 상기 도면과 같은, 동그스름한 마름모꼴(동그스름한 정사각형)이지만, 원, 정사각형이어도 된다. 마이크로 렌즈(109)의 광축은, 원색에 대응하는 포토다이오드(102B, 102R)의 중심에 일치하도록 배치된다. 요컨대, 각 마이크로 렌즈(109)의 중심은, 인접 행 또는 인접 열의 서로 이웃하는 마이크로 렌즈(109)의 중심과 포토다이오드 1개분(1비트분) 어긋나게 배치된다. 바꿔 말하면, 1개의 행에 속하는 집광 수단의 중심은, 인접하는 행에 속하는 집광 수단의 중심과, 행 방향으로 어긋나 있다. 그 어긋나 있는 거리는, 행 방향에 인접하는 2개의 포토다이오드의 중심간의 거리와 동일하다.
도 5는, 도 4 중의 A-A 절단면에 있어서의 고체 촬상 장치의 단면을 도시한 도면이다. 상기 도면에 있어서 고체 촬상 장치는, 반도체 기판(101)의 표면 근방에, 포토다이오드(102B), 포토다이오드(102Ye)를 갖고 있다. 포토다이오드(102B), 포토다이오드(102Ye)는, 예를 들면 실리카 유리 등으로 이루어지는 투명막(103)으로 피복되어 있다.
투명막(103)은, 포토다이오드(102B, 102Ye)를 덮는 하면과 반대측의 상면이 산형 형상으로 형성되어 있고, 산형 형상의 상면 중, 동일 방향으로 일정 각도로 경사지는 경사면에는 광 선택부(104B), 광 반사부(104M)가 형성되며, 포토다이오드(102B, 102Ye)에 대응한 위치에 배치되어 있다.
광 선택부(104B)는, 마이크로 렌즈(109)에서 입사되는 광으로부터, 소정 범 위 내의 파장의 광으로서 청색광의 파장을 갖는 광을 선택적으로 투과하고, 그 보색인 옐로우광(요컨대 청색광 이외의 파장을 갖는 광)을 선택적으로 반사하는 특성을 가지며, 투과한 청색광을 포토다이오드(102B)에 입사하고, 반사한 옐로우광을 포토다이오드(102Ye) 위쪽의 광 반사부(104M)를 향하도록 경사져 있다. 광 선택부(104B)의 경사 각도는, 위쪽으로부터의 입사광이 도면 중 우측의 가로 방향으로 반사하고, 또한 광 반사부(104M)에서 반사하여 포토다이오드(102Ye)에 입사하도록, 가능한 한 45°에 가까운 것이 바람직하다.
또, 광 선택부(104R)는, 마이크로 렌즈(109)에서 입사되는 광으로부터, 적색광의 파장을 갖는 광을 선택적으로 투과하고, 그 보색인 시안광(요컨대 적색광 이외의 파장을 갖는 광)을 선택적으로 반사하는 특성을 가지며, 투과한 적색광을 포토다이오드(102R)에 입사하고, 반사한 시안광을 포토다이오드(102Cy) 위쪽의 광 반사부(104M)를 향하도록 경사져 있다.
이와 같이 광 선택부(104B, 104R)로의 입사광이, 광 선택부(104B, 104R)에 있어서 반사하는지 투과하는지는 파장에 의해 정해지고, 그 파장의 범위는 선택적으로 설정 가능하다. 광 선택부(104B)는, 일반적으로, 전자 스틸 카메라나 3판식 비디오 카메라 등에 있어서 다이크로익 프리즘의 표면에 형성되어 있는 것과 동일한 구성의 다이크로익 필터라고 불리는 다층막을 이용할 수 있지만, 본 실시 형태에서는, 다이크로익 필터의 개량판이고, 포토닉 구조의 절연체층을 포함하는 다층막에 의해 형성된다.
광 반사부(104M)는, 입사광을 반사하는 특성을 갖고, 전반사막, 예를 들면 알루미늄 등의 금속 박막 등으로 구성되어 있다.
광 선택부(104B) 및 광 반사부(104M)는, 투명막(103)과 비교하여 저굴절률의 투명막(105)으로 피복되어 있다.
투명막(105)의 광 선택부(104B)에 대응하는 개소에는, 오목 렌즈(106)가 설치되어 있다. 투명막(105)은 차광막(107)으로 피복되고, 차광막(107)의 광 선택부(104B)에 대응하는 개소에는 개구부가 설치되어 있으며, 개구부 및 오목 렌즈(106)를 통해 광 선택부(104B)에 광이 입사하고, 인접하는 광 반사부(104M)나 광 선택부(104R)에는 차광막(107)에 의해 불필요한 광이 차단되도록 되어 있다.
차광막(107) 및 오목 렌즈(106)는 투명막(108)으로 피복되고, 투명막(108)의 포토다이오드(102B)에 대응하는 개소에는, 마이크로 렌즈(109)(볼록 렌즈)가 설치되어 있다. 따라서, 페어가 되는 2개의 인접하는 포토다이오드(102B, 102Ye)에 대해서 1조의 마이크로 렌즈(109) 및 오목 렌즈(106)로 이루어지는 집광 수단을 갖고 있다.
입사광은, 마이크로 렌즈(109)와 오목 렌즈(106)에 의해 집광되고, 평행 광선으로서 광 선택부(104B)에 입사한다.
광 선택부(104B)에 입사한 광 중 청색광(B)은, 광 선택부(104B)를 투과하여 청색용의 포토다이오드(102B)에 입사한다. 광 선택부(104B)에 입사한 광 중, 청색의 보색인 옐로우광(Ye)은, 광 선택부(104B)에서 반사되고, 광 반사부(104M)를 향해 반사된다.
옐로우광(Ye)은, 광 반사부(104M)에 의해 반사되고, 포토다이오드(102Ye)에 입사된다.
이와 같이, 마이크로 렌즈(109)로부터의 광은, 광 선택부(104B) 및 광 반사부(104M)에 의해 반사, 투과함으로써 원색광과 보색광으로 색 분리되고, 각 포토다이오드(102B, 102Ye)로 나뉘어진다. 원색광은 광 선택부(104B)에 있어서의 1회의 투과로 포토다이오드(102B)에 입사되고, 보색광은, 광 선택부(104B) 및 광 반사부(104M)에 있어서의 2회의 반사로 포토다이오드(102Ye)에 입사된다. 광을 3개로 분리하는 경우와 비교하여, 투과 및 반사에 의한 광의 손실이 적어지므로 감도를 향상시킬 수 있다.
마이크로 렌즈는 포토다이오드 2개에 대해서 1개의 비율이 되므로, 입사광에 대한 해상도로서는, 포토다이오드수에 대해서 1/2이 되지만, 도 4와 같이 마이크로 렌즈를 기울기 45도 방향으로 배치함으로써 마이크로 렌즈 간격으로서는 포토다이오드 간격의 1.4배가 되어, 해상도로서도 수직 수평 균등하게 포토다이오드의 수의 1/1.4로 억제할 수 있다.
도 6은, 서로 이웃하는 행에 있어서의 광 선택부 및 광 반사부의 방향을 도시한 모식도이다. 상기 도 (a)는, 청색용 포토다이오드(102B)와 옐로우용 포토다이오드(102Ye)가 교대로 나열된 행과, 시안용 포토다이오드(102Cy)와 포토다이오드(102R)가 교대로 나열된 인접 행을 도시한 상면도이다. 상기 도 (b)는, B-B선의 단면을 도시한 모식도이다. 상기 도 (b)의 포토다이오드(102B)와 포토다이오드(102Ye)(이하 (B, Ye)라고 표기한다)가 교대로 나열된 행에 있어서 광 선택부(104B)에 있어서의 청색광 이외의 파장을 갖는 옐로우광을 선택적으로 반사하는 반 사면이 상기 도면 우측 방향이고, 광 반사부(104M)의 반사면이 상기 도면 좌측 방향이다. 양자의 반사면은 대향하고, 같은 방향으로(도면에서는 우측 아래 45도로) 경사져 있다.
상기 도 (c)는, C-C선의 단면을 도시한 모식도이다. 상기 도 (c)에서는, 상기 도 (b)와 비교하여 광 반사부(104M)와 광 선택부(104R)의 나열순서가 반대이므로, 양자의 반사면의 방향과 경사의 방향이 반대로 되어 있다.
도 7a, 7b는, 광 선택부(104B, 104R)의 보다 상세한 구성을 도시한 단면도이다. 도 7a와 같이, 광 선택부(104B)는, 이산화티탄층(501a), 이산화실리콘층(501b), 이산화티탄층(501c), 절연체층(501B), 이산화티탄층(501e), 이산화실리콘층(501f), 이산화티탄층(501g)을 포함하는 다층막으로서 구성되어 있다.
요컨대, 산화실리콘층(SiO2) 등의 저굴절률을 갖는 재료와, 산화티탄층(TiO2)이나 질화실리콘층(Si3N4) 등의 고굴절률을 갖는 재료가 교대로 적층된 유전체 다층막으로서, 절연체층(501B)을 더 포함하는 구성으로 되어 있다. 각 층은 절연체층(501B)을 제외하고 모두 동일한 광학적 막 두께를 갖는다. 광학적 막 두께란 그 층의 재료의 굴절률 n에 그 층의 막 두께 d를 곱한 값 nd를 말한다. 절연체층(501B) 이외의 각 층(501a∼501g)의 광학적 막 두께는, 모두 파장 λ(도 7a, 7b에서는 적색광의 파장)의 4분의 1(λ/4)이다. λ/4의 광학적 막 두께를 갖는 각 층을 향해 설정된 λ를 설정 중심 파장이라고 부른다.
한편 도 7b와 같이, 광 선택부(104R)는, 광 선택부(104B)와 비교하여, 절연 체층(501B) 대신에, λ/4의 광학적 막 두께를 갖는 이산화실리콘층(501d)을 포함하는 점이 다르다. 광 선택부(104R)가 절연체층(501B)을 포함하지 않기 때문에, 각 층이 λ/4의 광학적 막 두께를 갖는 다이크로익 필터와 같은 구성이 되므로, 설정 중심 파장 λ에 상당하는 파장의 광(여기에서는 적색광)을 선택적으로 투과, 그 이외의 파장의 광을 반사하게 된다. 그러므로, 도 7b에 도시한 광 선택부(104R)는 적색광을 투과하고, 그 보색인 시안광을 반사하는 다이크로익 필터 및 다이크로익 미러로서 기능한다. 또한, 광 선택부(104B, 104R)의 광 투과 특성을 후술하는 도 15a의 하단에 나타낸다.
도 7a에 있어서의 절연체층(501B)은, 이산화티탄과 이산화실리콘이 주면을 따라 교대로 배열된 포토닉 구조를 갖고, λ/4 이외의 파장을 투과하는 특성을 갖는다. 광 선택부(104B)가 절연체층(501B)을 포함하는 점은, 본 실시 형태에 있어서의 특징의 하나이다. 즉, 절연체층(501B)의 광학적 막 두께에 따라, 광 선택부(104B)를 투과하는 광의 파장 범위를 조정할 수 있다. 바꿔 말하면, 도 7a에 도시한 광 선택부(104B)는, 절연체층(501B)을 포함함으로써 각 층이 적색광의 λ/4의 광학적 막 두께를 갖는 다이크로익 필터의 투과 파장을 어긋나게 하여, 원하는 파장 범위의 광(요컨대 청색광)을 선택적으로 투과하고, 그 보색인 옐로우광을 선택적으로 반사하는 특성을 갖게 할 수 있다.
도 7b에 도시한 바와 같이 광 선택부(104R)는 다이크로익 필터이면 된다. 도 7a에 도시한 바와 같이 광 선택부(104B)는, 광 선택부(104R)를 구성하는 유전체 다층막에 절연체층을 삽입하고, 절연체층의 광학적 막 두께에 의해, 투과광의 파장 을 청색광으로 조정한 구성으로 되어 있다. 그 결과, 광 선택부(104B)와 광 선택부(104R)는, 공통의 층(501a, 501b, 501c, 501e, 501f, 501g)을 가지므로, 광 선택부(104B)와 광 선택부(104R)의 제조 공정을 공통화할 수 있어, 제조 공정수를 삭감할 수 있다.
또한, 각 층이 λ/4의 유전체 다층막 중에 절연체층을 설치함으로써, 투과 파장을 설정 중심 파장으로부터 어긋나도록 조정하는 기술에 관해서는, 국제 공개 공보 WO2005/069376 A1호 공보에 기재되어 있다. 광 선택부(104B), 광 선택부(104R)는, 이 공보에 따라 제조할 수 있다.
도 8a, 8b는, 광 반사부(104M)의 단면도이다. 도 8a에 도시한 광 반사부(104M)는, 알루미늄층(601a)에 의해 구성된다. 알루미늄층(601a)에 의해, 광 선택부(104B 또는 104R)에서 입사되는 광을 포토다이오드(102Ye) 또는 포토다이오드(102Cy)를 향해 전반사한다. 도 8b에 도시한 광 반사부(104M)는, 가시광만을 전반사하고, 자외광 및 적외광을 제거하는 제거 수단으로서 기능한다. 그 때문에, 자외광 및 적외광을 흡수하는 부재에 의해 형성되고, 예를 들면 다층막(601b∼601g)으로서 형성된다.
이상 설명해 온 바와 같이 본 실시 형태에 있어서의 고체 촬상 장치는, 마이크로 렌즈(109)에서 입사되는 광을, 소정 범위 내의 파장을 갖는 제1 원색광과 소정 범위 외의 파장을 갖는 제2 보색광의 2개로 분리하고, 제1 원색광을 1개의 포토다이오드에, 제2 보색광을 다른 1개의 포토다이오드에 입사하도록 구성된다. 마이크로 렌즈(109)에서 입사되는 광을 분리하는 수단으로서, 소정 범위의 파장에 따른 포토닉 구조의 절연체층을 갖는 다층막으로 구성된 광 선택부(104B 및 104R)를 이용하고 있다. 이에 따라 고체 촬상 장치의 고감도화를 도모함과 함께, 제조 공정의 공통화를 도모할 수 있어, 제조 비용을 저감할 수 있다.
다음에, 몇 개의 변형예에 관해 설명한다.
도 9a, 9b는, 광 선택부(104B, 104R)의 제1 변형예를 도시한 단면도이다. 도 9a에 있어서의 광 선택부(104B)는, 이산화티탄층(701a), 이산화실리콘층(701b), 이산화티탄층(701c), 이산화실리콘층(701d), 이산화티탄층(701e), 이산화실리콘층(701f), 이산화티탄층(701g)을 포함하는 다층막에 의해 구성되어 있는 다이크로익 필터이다. 그 설정 중심 파장은, 청색광이다. 도 9b에 있어서의 광 선택부(104R)는, 도 9a의 광 선택부(104B)와 비교하여, 이산화실리콘층(701d) 대신에 포토닉 구조의 절연체층(701R)을 갖는다. 절연체층(701R)에 광학적 막 두께에 의해 투과 파장이 적색광을 이루도록 조정되어 있다. 이 구성에 의해서도, 광 선택부(104B)와 광 선택부(104R)에 있어서의 층(701a, 701b, 701c, 701e, 701f, 701g)은 같은 광학적 막 두께를 가지므로, 양자에서 공통으로 제조할 수 있어, 제조 공정의 공통화를 도모하여, 제조 비용을 저감할 수 있다.
도 10a, 8b는, 광 선택부(104B, 104R)의 제2 변형예를 도시한 단면도이다. 도 10a에 있어서의 광 선택부(104B)는, 이산화티탄층(801a), 이산화실리콘층(801b), 이산화티탄층(801c), 절연체층(801B), 이산화티탄층(701e), 이산화실리콘층(701f), 이산화티탄층(701g)을 포함하는 다층막에 의해 구성되어 있다. 절연체층(801B)을 제외한 각 층(801a, 801b, 801c, 701e, 701f, 701g)은, 청색광도 적색 광도 아니고, 예를 들면, 녹색광을 설정 중심 파장(광학적 막 두께가 녹색광의 λ/4)으로 한다. 도 10b에 있어서의 광 선택부(104R)는, 도 10a의 광 선택부(104B)와 비교하여, 절연체층(801B) 대신에 절연체층(801R)을 갖고 있다. 절연체층(801B)은, 광 선택부(104B)의 투과광의 파장을, 녹색광에서 청색광으로 이동시키는 광학적 막 두께를 갖고, 투과광의 파장이 청색광으로 조정되어 있다. 절연체층(801R)은, 광 선택부(104B)의 투과광의 파장을, 녹색광에서 적색광으로 이동시키는 광학적 막 두께를 갖고, 투과광의 파장이 적색광으로 조정되어 있다.
이 구성에 의해서도, 광 선택부(104B)와 광 선택부(104R)에 있어서의 층(801a, 808b, 801c, 801e, 801f, 801g)은 같은 광학적 막 두께를 가지므로, 양자에서 공통으로 제조할 수 있어, 제조 공정의 공통화를 도모하여, 제조 비용을 저감할 수 있다. 또한, 광 선택부(104B)와 광 선택부(104R)는, 모두 광학적 막 두께는 다르지만 절연체층을 가지므로, 광 선택부(104B)의 막 두께와 광 선택부(104R)의 막 두께를 동일하게 할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 원색광과 보색광의 조에 관해 (B, Ye)와 (R, Cy)의 조에 관해 설명하였지만, (B, Ye), (R, Cy), (G, Mg) 중 임의의 2조를 선택한 구성으로 해도 된다.
도 11은, 원색광과 보색광의 조가 되는 포토다이오드의 색 배열의 제1 변형예를 도시한 도면이다. 상기 도면에 있어서, 인접하는 2행 중 하나는, (G, Mg)에 대응하는 포토다이오드(102G), 포토다이오드(102Mg)가 교대로 배열되어 있다. 또 하나의 행은, (Cy, R)에 대응하는 포토다이오드(102Cy), 포토다이오드(102R)가 교 대로 배열되어 있다.
도 12는, 도 11에 있어서의 마이크로 렌즈(109)의 배열 및 서로 이웃하는 행의 단면을 도시한 모식도이다. 도 12(a)와 같이, 마이크로 렌즈(109)의 중심은, 원색에 대응하는 포토다이오드(102G, 102R)의 중심에 일치하도록 배열되어 있다. 도 12(b), (c)와 같이, 인접하는 행에서는, 광 선택부(104) 및 광 반사부(104M)의 경사 각도가 역방향으로 되어 있다. 또한, 광 선택부(104R, 104G, 104B)의 투과 특성이 도 15a 하단과 같은 경우에, 도 11의 색 배열은 가장 바람직한 색 배열이다. 왜냐하면, 도 15a에 있어서 청색광의 반치폭이 녹색광 및 적색광의 반치폭보다도 좁기 때문이다. 요컨대, 청색광보다도 투과 특성이 좋은 적색광, 녹색광을 선택적으로 투과하는 광 선택부(104R, 104G)를 이용함으로써, 고체 촬상 장치를 보다 고감도로 할 수 있다.
(실시 형태 2)
본 실시 형태에서는, 광 선택부(104) 중의 절연체층이 포토닉 구조에 의해 광학적 막 두께를 조정하는 대신에, 물리적인 막 두께에 의해 광학적 막 두께를 조정하는 예에 관해 설명한다.
도 13은, 실시 형태 2에 있어서의 고체 촬상 장치의 단면도이다. 상기 도면에 있어서의 포토다이오드의 배열은, 도 11에 도시한 바와 같이 (G, Mg)의 행과 (Cy, R)의 행이 교대로 배열되어 있는 것으로 한다.
도 13은, 도 5에 도시한 단면도와 비교하여, 포토다이오드(102Ye, 102B) 대신에 포토다이오드(102Mg, 102G)를 구비한 점과, 광 선택부(104B) 대신에 광 선택 부(904G)를 구비한 점이 다르다. 이하 같은 점은 설명을 생략하고 다른 점을 중심으로 설명한다.
포토다이오드(102Mg, 102G)는, 입사하는 광이 다를 뿐으로, 물리적으로는 포토다이오드(102Ye, 102B) 등의 포토다이오드와 같은 구성이다.
광 선택부(104G)는, 절연체층이 포토닉 구조를 갖고 있지 않은 점이, 광 선택부(104)와 다르다.
도 14a, 14b는, 광 선택부(904R, 904G)의 보다 상세한 단면도이다. 도 14a와 같이, 광 선택부(904R)는, 이산화티탄층(201a), 이산화실리콘층(201b), 이산화티탄층(201c), 절연체층(201R), 이산화티탄층(201e), 이산화실리콘층(201f), 이산화티탄층(201g)을 포함하는 다층막으로서 구성되어 있다. 절연체층(501R)을 제외하고 각 층은 모두 동일한 광학적 막 두께를 갖는다. 절연체층(201R) 이외의 각 층(201a∼201g)의 설정 중심 파장은 녹색광의 파장이다. 도 14a에 있어서의 절연체층(201R)은, 이산화실리콘이고, 녹색광의 λ/4 이외 광학적 막 두께를 갖는다. 이 절연체층(201R)의 광학적 막 두께에 따라, 광 선택부(904R)를 투과하는 광의 파장 범위를 조정할 수 있다. 바꿔 말하면, 도 14a에 도시한 광 선택부(904R)는, 절연체층(201R)을 포함함으로써 각 층이 녹색광의 λ/4의 광학적 막 두께를 갖는 다이크로익 필터의 투과 파장을 어긋나게 하여, 원하는 파장 범위의 광(요컨대 적색광)을 선택적으로 투과하고, 그 보색인 시안광을 선택적으로 반사하는 특성을 갖게 할 수 있다.
한편 도 14b에 있어서, 광 선택부(904G)는, 광 선택부(104B)와 비교하여, 절 연체층(501R) 대신에, λ/4의 광학적 막 두께를 갖는 이산화실리콘층(201d)을 포함하는 점이 다르다. 광 선택부(904G)가 절연체층(201R)을 포함하지 않기 때문에, 녹색광의 파장을 설정 중심 파장으로 하여 각 층이 λ/4의 광학적 막 두께를 갖는 다이크로익 필터와 같은 구성이 되므로, 설정 중심 파장 λ에 상당하는 파장의 광(여기에서는 녹색광)을 투과하게 된다. 그러므로, 도 14b에 도시한 광 선택부(904G)는 녹색광을 투과하고, 그 보색인 마젠타광을 반사하는 다이크로익 필터 및 다이크로익 미러로서 기능한다.
다음에, 본 실시 형태에 있어서의 광 선택부(904)의 분광 특성에 관해 설명한다.
도 15a는, 광 선택부(904B, 904G, 904R)의 분광 특성을 도시한 도면이다. 상기 도면의 광 선택부(904G)는, 도 14b에 도시한 광 선택부(904G)를 나타낸다. 절연체층(스페이서층)의 막 두께는 0nm이다. 광 선택부(904B)는, 도 14b에 도시한 광 선택부(904G)의 다층막에 대해서, 막 두께 200nm의 절연체층(스페이서층)을 추가한 구성으로 하고 있다. 광 선택부(904R)는, 도 14b에 도시한 광 선택부(904G)의 다층막에 대해서, 막 두께 50nm의 절연체층(스페이서층)을 추가한 구성으로 하고 있다.
또한, 당해 분광 특성은 특성 매트릭스법을 이용하여 구한 것이다. 또, 분광 특성을 구하는데 있어서, 이산화티탄(고굴절률 재료)의 굴절률을 2.5, 이산화실리콘(저굴절률 재료)의 굴절률을 1.45로 하고, 절연체층(스페이서층)의 광학 막 두께와 물리 막 두께의 각각을 광 선택부(904B)에서는 200nm와 80nm, 광 선택부 (904R)에서는 50nm와 20nm, 광 선택부(904G)에서는 0nm로 하였다.
도 15a에 도시된 바와 같이, 스페이서층의 막 두께를 조정함으로써 스페이서층을 투과하는 광의 파장을 변화시킬 수 있다.
또한, 상기 이산화티탄 대신에 질화실리콘이나 5산화탄탈, 이산화지르코늄 등을 고굴절률 재료에 이용해도 된다. 또, 이산화실리콘 이외의 재료를 저굴절률 재료에 이용해도 된다.
다음에, 광 선택부(904)의 투과 특성에 관해 설명한다.
도 15b는, 스페이서층의 유무에 따라 다른 유전체 다층막의 투과 특성을 도시한 도면이다. 또한, 도 15b에 도시된 투과 특성은 프레넬 계수를 이용한 매트릭스법을 이용하여 구한 것으로, 페어수를 10, 설정 파장을 550nm로 하고, 수직 입사광만을 구하였다. 각 그래프의 세로축은 투과율을 나타내고, 가로축은 유전체 다층막에 입사하는 광의 파장을 나타낸다.
질화실리콘과 이산화실리콘으로 이루어지는 유전체 다층막 전체가 λ/4의 다층막으로 되어 있는 경우에는, 도 15b에 도시된 바와 같이, 상기 설정 파장을 중심으로 하는 파장대의 광을 반사한다. 또한, 다층막을 구성하는 재료의 굴절률 차가 클수록 반사 대역폭이 커진다.
한편, 광학 막 두께가 λ/4와는 다른 스페이서층의 상하에 λ/4의 다층막이 스페이서층에 대해 대칭이 되도록 유전체 다층막을 형성한 경우에는, 도 15c에 도시한 바와 같이, λ/4 다층막의 반사 대역 중 설정 파장 부근의 광만을 투과시키는 광 선택부(904)를 얻을 수 있다.
이상과 같이, 스페이서층의 막 두께를 변화시키면 투과 피크 파장을 변화시킬 수 있다. 본 실시 형태에 있어서는 이러한 특성에 주목하여, 유전체 다층막을 이용하므로, 광 선택부(904)의 두께를 입사광의 파장 정도(500nm 정도)로 할 수 있다. 따라서, 고체 촬상 장치를 소형화할 수 있다.
또, 도 15a∼15c의 특성은, 실시 형태 1에 있어서의 포토닉 구조의 절연체층에 대해서도 동일하게 들어맞는다. 왜냐하면, 포토닉 구조의 절연체층의 경우는, 물리적인 막 두께를 조정하는 대신에, 포토닉 구조의 피치나 배치에 의해 굴절률을 조정하고, 그 결과 광학적 막 두께를 조정하기 때문이다.
이상과 같이, 광 선택부(904R)와 광 선택부(904G)는, 공통의 층(201a, 201b, 201c, 201e, 201f, 201g)을 가지므로, 광 선택부(904R)와 광 선택부(904G)의 제조 공정을 공통화할 수 있어, 제조 공정수를 삭감할 수 있다.
또한, 각 층이 λ/4의 유전체 다층막 중에 절연체층을 설치하고, 그 막 두께의 조정에 의해, 투과 파장을 설정 중심 파장으로부터 어긋나도록 조정하는 기술에 관해서는, 국제 공개 공보 WO2005/069376 A1호 공보에 기재되어 있다. 광 선택부(104B), 광 선택부(104R)는, 이 공보에 따라 제조할 수 있다.
계속해서, 몇 개의 변형예에 관해 설명한다.
도 16은, 원색광과 보색광의 조가 되는 포토다이오드의 색 배열에 대한 제2 변형예를 도시한 도면이다. 상기 도면에 있어서, 인접하는 2행 중 하나는, (B, Ye)를 페어로 하고, 포토다이오드(102B), 포토다이오드(102Ye)가 교대로 배열되어 있다. 또 하나의 행은, (R, Cy)를 페어로 하고, 포토다이오드(102R), 포토다이오 드(102Cy)가 교대로 배열된다. 페어의 위치가 인접 행과는 1포토다이오드분(1화소분) 어긋나 있다. 그 때문에, (R, Cy)의 선두의 포토다이오드(102X)(도면 중의 X)는 사용되지 않는다.
도 17은, 도 16에 대응하는 마이크로 렌즈(109)의 배열 및 서로 이웃하는 행의 단면을 도시한 모식도이다. 도 17(a)와 같이, 마이크로 렌즈(109)의 형상은 둥그스름한 마름모꼴(직사각형)이다. 마이크로 렌즈(109)의 중심은, 원색에 대응하는 포토다이오드(102B, 102R)의 중심에 일치하도록 배열되어 있다. 도 16과 같이 포토다이오드의 페어를 인접 행과는 1화소분(1포토다이오드분) 어긋나게 함으로써, 도 17(b), (c)와 같이, 인접하는 행에서는, 광 선택부(104) 및 광 반사부(104M)의 경사 각도를 같은 방향으로 할 수 있어, 제조의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 18은, 고체 촬상 장치의 포토다이오드의 색 배열에 대한 제3 변형예를 도시한 도면이다. 상기 도면에서는, 원색에 대응하는 포토다이오드가 인접 행끼리 같은 열에 배치되어 있다. 인접하는 2행 중 하나는, (Ye, B)를 페어로 하고, 포토다이오드(102Ye), 포토다이오드(102B)가 교대로 배열되어 있다. 또 하나의 행은, (Cy, R)을 페어로 하고, 포토다이오드(102Cy), 포토다이오드(102R)가 교대로 배열된다. 원색에 대응하는 포토다이오드의 열 상에 나열되어 있다.
도 19는, 도 18에 대응하는 마이크로 렌즈(109)의 배열 및 서로 이웃하는 행의 단면을 도시한 모식도이다. 도 19(a)와 같이, 마이크로 렌즈(109)의 형상은 거의 직사각형이다. 마이크로 렌즈(109)의 중심은, 원색에 대응하는 포토다이오드(102B, 102R)의 중심에 일치하도록 배열되어 있다. 도 18과 같이 포토다이오드의 페어 중 원색광에 대응하는 포토다이오드를 같은 열 상에 배치함으로써, 도 19(b), (c)와 같이, 인접하는 행에서는, 광 선택부(104) 및 광 반사부(104M)의 경사 각도를 같은 방향으로 할 수 있어, 모든 광 선택부(104) 및 모든 광 반사부(104M)의 경사 각도를 맞추는 것이 용이해진다.
도 19의 마이크로 렌즈(109)의 배열이면, 입사광에 대해서 특정 방향의 해상도를 올릴 수 있다. 즉, 본 실시 형태의 고체 촬상 장치에서는, 마이크로 렌즈(109)의 배열 피치는, 수직 방향과 수평 방향에서 다르고, 수직 방향의 배열 피치가 수평 방향의 배열 피치의 1/2이 되고 있다. 이에 따라, 수직 방향의 해상도를 수평 방향의 해상도의 2배로 올릴 수 있는 구성으로 되어 있다.
도 20은, 마이크로 렌즈(109)의 배열 및 서로 이웃하는 행의 단면에 대한 제4 변형예를 도시한 모식도이다. 상기 도면은, 도 18에 도시한 포토다이오드의 색 배열에 대응한다. 단, 도 20(b), (c)에 도시한 바와 같이, 포토다이오드의 페어의 위치가 인접 행과는 포토다이오드 1개분 어긋나 있다. 요컨대, 포토다이오드(102X)는 사용되지 않는다. 이 배열에서는, 인접하는 행에서는, 광 선택부(104) 및 광 반사부(104M)의 경사 각도가 역방향이 된다.
도 21은, 원색광과 보색광의 조가 되는 포토다이오드의 색 배열에 대한 제5 변형예를 도시한 도면이다. 상기 도면에 있어서, 각 행은, (B, Ye) (Cy, R)의 2페어가 교대로 나열된다. 인접 행에는 다른 페어가 서로 이웃하고 있다.
도 22는, 도 21에 대응하는 마이크로 렌즈(109) 및 서로 이웃하는 행의 단면을 도시한 모식도이다. 도 22(a)와 같이 마이크로 렌즈(109)의 중심은, 원색용 포 토다이오드(102)의 중심과도 보색용 포토다이오드(102)의 중심과도 일치하지 않는다. 마이크로 렌즈(109)는 원색용 포토다이오드(102)를 향해 집광하도록 형성할 필요가 있다. 도 22(b), (c)에 도시한 바와 같이, 인접하는 행에서는, 광 선택부(104) 및 광 반사부(104M)의 경사 각도가 역방향이 된다.
도 23은, 원색광과 보색광의 조가 되는 포토다이오드의 색 배열에 대한 제6 변형예를 도시한 도면이다. 상기 도면에 있어서, 인접하는 2열 중 1열은, (R, Cy) 페어가 나열되고, 또 1열은, (Ye, B) 페어가 나열된다.
도 24는, 도 23에 대응하는 마이크로 렌즈(109) 및 서로 이웃하는 행의 단면을 도시한 모식도이다. 도 24(a)와 같이 마이크로 렌즈(109)의 중심은, 원색용 포토다이오드(102)의 중심과 보색용 포토다이오드(102)의 중심에 일치한다. 도 24(b)는, O-O선 상의 열 방향의 단면을 도시한 모식도이고, 도 24(c)는, P-P선 상의 열 방향의 단면을 도시한 모식도이다. 이와 같이, 세로 방향에 인접하는 2개의 포토다이오드를 페어로 해도 된다.
또, 도 19와 같이 거의 직사각형의 마이크로 렌즈가 되는 포토다이오드 배열은 그 배열 방향을 수직·수평으로 교체하면 마이크로 렌즈는 수직 방향으로 장변을 갖는 형상으로 되어, 수평 방향의 해상도를 수직 방향의 해상도의 2배로 올릴 수 있다.
또한, 상기 각 실시 형태에서는, 광 선택부(104)에 의해 원색광을 선택적으로 투과하고, 보색광을 반사하는 구성을 나타내었지만, 보색광을 선택적으로 투과하고, 원색광을 반사하도록 구성해도 된다. 이 경우 마이크로 렌즈(109)의 중심은 보색광용의 포토다이오드(102)의 중심에 일치하도록 구성하면 된다. 또, 어느 행에서는 원색광에 대응하는 포토다이오드(102) 상에 마이크로 렌즈(109)를 배치하고, 인접 행에서는 보색광에 대응하는 포토다이오드(102) 상에 마이크로 렌즈(109)를 배치하도록 해도 된다.
(실시 형태 3)
본 실시 형태에서는, 상기 각 실시 형태에 있어서의 고체 촬상 장치에서 얻어지는 색 신호를 3원색의 신호로 변환하는 신호 처리에 관해 설명한다.
도 25는, 실시 형태 3에 있어서의 카메라의 구성을 도시한 블록도이다. 상기 도면과 같이 본 실시 형태에 있어서의 카메라(401)는, 신호 처리부(410), 고체 촬상 장치(411), 구동부(412), 제어부(414), 메커니컬 셔터(415), 렌즈(416), 표시부(420)를 구비한다.
신호 처리부(410)는, 색 변환부(413)를 구비하고, 고체 촬상 장치(411)에서 출력되는 각 포토다이오드의 신호를 취득하여 색 변환을 행한다.
고체 촬상 장치(411)는, 상기 실시 형태 1 또는 2의 고체 촬상 장치이고, 렌즈(416), 메커니컬 셔터(415)를 통해 촬상 대상으로부터의 광이 입사된다. 촬상 결과로서 4개의 포토다이오드마다, 제1 원색을 나타내는 신호, 제1 보색을 나타내는 신호, 제2 원색을 나타내는 신호, 제2 보색을 나타내는 신호를 차례차례 신호 처리부(410)에 출력한다. 제1 원색 신호 및 제1 보색 신호는, (B 신호, Ye 신호), (R 신호, Cy 신호), (G 신호, Mg 신호)의 하나이다. 제2 원색 신호 및 제2 보색 신호는, 다른 1개로 표시된다.
구동부(412)는, 고체 촬상 장치(411)를 구동하기 위한 각종 구동 신호를 출력한다.
제어부(414)는, 카메라(401) 전체를 제어한다.
표시부(420)는, 모니터 표시나 촬상한 화상의 표시를 행한다.
도 26은, 색 변환부(413)의 설명도이다. 색 변환부(413)는, 제1 원색 신호, 제1 보색 신호, 제2 원색 신호, 제2 보색 신호를, 적색 신호, 녹색 신호, 청색 신호로 변환한다. 이 색 변환은, 잘 알려진 연산에 의해 행할 수 있다.
또한, 메커니컬 셔터(415)에 자외광 및 적외광을 제거하는 제거 수단으로서 기능하는 필터를 구비해도 된다.
또, 상기 각 실시 형태에 있어서, 고체 촬상 장치는, CCD(Charge Coupled Device)형이어도 MOS(Meta1 Oxide Semiconductor)형이어도 된다.
또, 고굴절률 재료로서 상기 이산화티탄 대신에 질화실리콘이나 5산화탄탈, 이산화지르코늄 등을 이용해도 된다. 또, 이산화실리콘 이외의 재료를 저굴절률 재료에 이용해도 된다.
또한, 광 선택부의 다층막 구조의 층수는, 상기 실시 형태에서 나타낸 층수에 한정되지 않고 몇 층이어도 된다. 각 층의 재료가 상기 이산화티탄, 이산화실리콘, 산화마그네슘에 한정되지 않는 것은 말할 필요도 없고, 산화탄탈(Ta2O5), 산화지르코늄(ZrO2), 1질화규소(SiN), 질화규소(Si3N5), 산화알루미늄(Al2O3), 불화마그네슘(MgF2), 산화하프늄(HfO3)을 이용해도 된다.
본 발명은, 반도체 기판 상에 형성된 복수의 포토다이오드를 갖는 고체 촬상 장치, 그 고체 촬상 장치를 갖는 카메라에 적합하고, 예를 들면, CCD 이미지 센서, MOS 이미지 센서, 디지털 스틸 카메라, 카메라가 부착된 휴대전화기, 감시 카메라, 노트 퍼스널 컴퓨터에 내장된 카메라, 정보 처리 기기에 접속되는 카메라 유닛 등에 적합하다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하여 실시예를 통해 전체 기술되었지만, 여러 가지 변화와 변경이 본 기술에서 숙련된 자에게 가능한 것이 분명하다. 그러므로, 이러한 변화와 변경이 본 발명의 진의로부터 벗어나지 않으면, 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (20)

  1. 2차원 형상으로 배열된 포토다이오드와,
    서로 이웃하는 2개의 포토다이오드에 대해서 1개씩 설치되어, 광을 모으는 복수의 집광 수단과,
    상기 집광 수단에 대응하여 설치되어, 상기 집광 수단에서 입사되는 광을, 소정 범위 내의 파장을 갖는 제1 광과 소정 범위 외의 파장을 갖는 제2 광의 2개로 분리하는 복수의 분리 수단을 구비하고,
    각 분리 수단은,
    상기 집광 수단에서 입사되는 광으로부터, 제1 광 및 제2 광의 한 쪽을 선택적으로 투과하고 다른 쪽을 반사하며, 투과한 광을 1개의 포토다이오드에 입사하는 광 선택 수단과,
    상기 광 선택 수단에 의해 반사된 광을 다른 1개의 다이오드를 향해 반사하는 광 반사 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 광 반사 수단은 가시광만을 반사하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 고체 촬상 장치는 적외광을 제거하는 제거 수단을 더 구비하고,
    상기 분리 수단은, 적외광 제거 후의 광으로부터, 소정 범위 내의 파장을 갖는 광과 그 이외의 광을 분리하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 분리 수단은, 제1 타입의 분리 수단 및 제2 타입의 분리 수단을 포함하고,
    제1 타입의 분리 수단에 있어서의 제1 광은 적녹청 중 어느 하나의 원색을 나타내는 제1 원색광이고, 제2 광은 제1 원색광의 보색을 나타내는 제1 보색광이며,
    제2 타입의 분리 수단에 있어서의 제1 광은 제1 원색광과는 다른 제2 원색광이고, 제2 광은 제2 원색광의 보색을 나타내는 제2 보색광인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 원색광, 제1 보색광, 제2 원색광, 제2 보색광은 각각, 적색광, 시안광, 청색광, 옐로우광이고,
    제1 타입의 분리 수단과 제2 타입의 분리 수단은 각각 동일 열 또는 동일 행에 배열되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 원색광, 제1 보색광, 제2 원색광, 제2 보색광은 각각, 적색광, 시안광, 녹색광, 마젠타광이고,
    제1 타입의 분리 수단과 제2 타입의 분리 수단은 각각 동일 열 또는 동일 행에 배열되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 고체 촬상 장치는 또한,
    포토다이오드에서 얻어지는 제1 원색을 나타내는 신호, 제1 보색을 나타내는 신호, 제2 원색을 나타내는 신호 및 제2 보색을 나타내는 신호를, 적색 신호, 녹색 신호, 청색 신호로 변환하는 변환 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 집광 수단에 집광되는 광축 상에 상기 광 선택 수단 및 1개의 다이오드가 배치되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    1개의 행에 속하는 집광 수단의 중심은, 인접하는 행에 속하는 집광 수단의 중심과, 행 방향으로 어긋나 있고,
    그 어긋나 있는 거리는, 행 방향에 인접하는 2개의 포토다이오드의 중심간의 거리와 같은 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 집광 수단의 배열 피치는, 수직 방향과 수평 방향에서 다른 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 광 선택 수단은, 굴절률이 다른 2종류의 광학막을 포함하는 다층막이고,
    상기 광학막의 광학적 막 두께는 설정 중심 파장의 4분의 1에 상당하며,
    상기 다층막은, 설정 중심 파장에 따른 포토닉 구조의 절연체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 광 반사 수단은 가시광만을 반사하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 고체 촬상 장치는 적외광을 제거하는 제거 수단을 더 구비하고,
    상기 분리 수단은, 적외광 제거 후의 광으로부터, 소정 범위 내의 파장을 갖는 광과 그 이외의 광을 분리하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 복수의 분리 수단은, 제1 타입의 분리 수단 및 제2 타입의 분리 수단을 포함하고,
    제1 타입의 분리 수단에 있어서의 제1 광은 적녹청 중 어느 하나의 원색을 나타내는 제1 원색광이고, 제2 광은 제1 원색광의 보색을 나타내는 제1 보색광이며,
    제2 타입의 분리 수단에 있어서의 제1 광은 제1 원색광과는 다른 제2 원색광이고, 제2 광은 제2 원색광의 보색을 나타내는 제2 보색광인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 광 선택 수단은, 굴절률이 다른 2종류의 광학막을 포함하는 다층막이고,
    상기 광학막의 광학적 막 두께는 설정 중심 파장의 4분의 1에 상당하며,
    상기 다층막은, 설정 중심 파장의 4분의 1 이외의 광학적 막 두께를 갖는 절연체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 광 반사 수단은 가시광만을 반사하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 고체 촬상 장치는 적외광을 제거하는 제거 수단을 더 구비하고,
    상기 분리 수단은, 적외광 제거 후의 광으로부터, 소정 범위 내의 파장을 갖는 광과 그 이외의 광을 분리하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  18. 청구항 15에 있어서,
    상기 복수의 분리 수단은, 제1 타입의 분리 수단 및 제2 타입의 분리 수단을 포함하고,
    제1 타입의 분리 수단에 있어서의 제1 광은 적녹청 중 어느 하나의 원색을 나타내는 제1 원색광이고, 제2 광은 제1 원색광의 보색을 나타내는 제1 보색광이며,
    제2 타입의 분리 수단에 있어서의 제1 광은 제1 원색광과는 다른 제2 원색광이고, 제2 광은 제2 원색광의 보색을 나타내는 제2 보색광인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  19. 고체 촬상 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 카메라로서,
    상기 고체 촬상 장치는, 2차원 형상으로 배열된 포토다이오드와,
    서로 이웃하는 2개의 포토다이오드에 대해서 1개씩 설치되어, 광을 모으는 복수의 집광 수단과,
    상기 집광 수단에 대응하여 설치되어, 상기 집광 수단에서 입사되는 광을, 소정 범위 내의 파장을 갖는 제1 광과 소정 범위 외의 파장을 갖는 제2 광의 2개로 분리하는 복수의 분리 수단을 구비하고,
    각 분리 수단은,
    상기 집광 수단에서 입사되는 광으로부터, 제1 광 및 제2 광의 한 쪽을 선택적으로 투과하고 다른 쪽을 반사하며, 투과한 광을 1개의 포토다이오드에 입사하는 광 선택 수단과,
    상기 광 선택 수단에 의해 반사된 광을 다른 1개의 다이오드를 향해 반사하는 광 반사 수단과을 구비하는 것을 특징으로 하는 카메라.
  20. 고체 촬상 장치의 신호 처리 방법으로서,
    상기 고체 촬상 장치는,
    2차원 형상으로 배열된 포토다이오드와,
    서로 이웃하는 2개의 포토다이오드에 대해서 1개씩 설치되어, 광을 모으는 복수의 집광 수단과,
    상기 집광 수단에 대응하여 설치되어, 상기 집광 수단에서 입사되는 광을, 소정 범위 내의 파장을 갖는 제1 광과 소정 범위 외의 파장을 갖는 제2 광의 2개로 분리하는 복수의 분리 수단을 구비하고,
    각 분리 수단은,
    상기 집광 수단에서 입사되는 광으로부터, 제1 광 및 제2 광의 한 쪽을 선택적으로 투과하고 다른 쪽을 반사하며, 투과한 광을 1개의 포토다이오드에 입사하는 광 선택 수단과,
    상기 광 선택 수단에 의해 반사된 광을 다른 1개의 다이오드를 향해 반사하는 광 반사 수단을 구비하고,
    상기 제1 원색광, 제1 보색광, 제2 원색광, 제2 보색광은 각각, 적색광, 시안광, 청색광, 옐로우광이고,
    제1 타입의 분리 수단과 제2 타입의 분리 수단은 각각 동일 열 또는 동일 행에 배열되며,
    상기 신호 처리 방법은,
    4개의 포토다이오드에서 제1 원색을 나타내는 신호, 제1 보색을 나타내는 신호, 제2 원색을 나타내는 신호, 제2 보색을 나타내는 신호를 취득하고,
    취득한 4개의 신호를 적색 신호, 녹색 신호, 청색 신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 신호 처리 방법.
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