KR20110037925A - 촬상용 광 검출 장치 - Google Patents

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KR20110037925A
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세이지 니시와키
마사아키 스즈키
신이치 와카바야시
가즈야 요네모토
마사오 히라모토
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파나소닉 주식회사
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Abstract

촬상용 광 검출 장치(4)는, 기판(5) 상에 적어도 제1 방향을 따라 배열된 복수의 광 검출기(6)와, 복수의 광 검출기의 위쪽에 형성된 저굴절률 투명층(12)과, 제1 방향을 따라 저굴절률 투명층 내에 매설된 복수의 고굴절률 투명부(13)를 구비한다. 고굴절률 투명부의 기판에 직교하고 또한 제1 방향을 따른 단면에 있어서, 고굴절률 투명부의 중심축(14)이 계단형상으로 절곡되어 있다. 저굴절률 투명층 및 고굴절률 투명부에 입사하는 광은, 그들을 통과함으로써, 0차 회절광과 1차 회절광과 -1차 회절광으로 분리된다. 이에 의해, 광 이용 효율의 향상과 화소의 고밀도화를 양립시킬 수 있다.

Description

촬상용 광 검출 장치 {PHOTO-DETECTION DEVICE USED FOR IMAGE PICKUP}
본 발명은 물체의 영상을 촬영하기 위해 이용되는 촬상용 광 검출 장치에 관한 것이다.
종래의 촬상용 광 검출 장치가 예를 들면 비특허문헌 1 및 비특허문헌 2에 개시되어 있다. 이들에 개시된 촬상용 광 검출 장치의 개략을 설명한다.
도 17A는, 종래의 촬상 장치의 개략 구성을 도시한 측면도이다. 자연광 등의 광이 물체(1)에 입사하고, 이것을 반사한 광은, 렌즈계(2)에 의해 CCD나 CMOS 등의 광 검출 장치(4) 상에 상(3)을 형성한다. 렌즈계(2)는, 일반적으로는 광학 성능을 확보하기 위해 광축을 따라 배열된 복수의 렌즈를 조합하여 구성되지만, 도 17A에서는 도면을 간략화하여 단일한 렌즈로서 그려지고 있다.
도 17B는, 광 검출 장치(4)의 개략 구성을 도시한 도면이며, 도 17A의 부분 XVIIB의 확대 단면도이다. 복수의 포토디텍터(6)가 형성된 검출 기판(5) 상에, SiO2 등으로 이루어지는 저굴절률의 투명 버퍼층(7), SiN 등으로 이루어지는 고굴절률의 투명 버퍼층(8), 복수의 색 필터(9), 복수의 마이크로 렌즈(10)가 이 순서로 적층되어 있다. 투명 버퍼층(7)의 투명 버퍼층(8)과 접하는 표면(7a)에는, 각 포토디텍터(6) 상에서 투명 버퍼층(7)의 막 두께가 작아지는 요철 구조가 형성되어 있다. 한편, 투명 버퍼층(8)의 색 필터(9)와 접하는 표면(8a)은 평탄하다.
마이크로 렌즈(10)는 직교 격자의 교점 위치에 배치되어 있고, 각 마이크로 렌즈(10)의 중심축 상에 1개의 색 필터(9) 및 1개의 포토디텍터(6)가 배치되어 있다.
마이크로 렌즈(10)는, 광선(11a')과 같이 마이크로 렌즈(10)의 중심축에 대해 시프트하여 입사하는 광을 굴절시켜 포토디텍터(6)로 인도하는 작용을 한다. 투명 버퍼층(7)의 표면(7a)의 요철 구조도 렌즈 효과를 가지며, 포토디텍터(6)의 중심으로부터 벗어난 방향을 향하는 발산광(11b')을 굴절시켜 포토디텍터(6)로 인도하는 작용을 한다.
색 필터(9)는 적색 투과 필터(9R), 녹색 투과 필터(9G), 청색 투과 필터(9B)의 3종류로 구성되고, 적색 투과 필터(9R)는 도 18의 곡선 R로 나타내어지는 바와 같이 적색 이외의 파장의 광을 커트(흡수)하는 광 투과 특성(분광 감도 특성)을 가지며, 녹색 투과 필터(9G)는 도 18의 곡선 G로 나타내어지는 바와 같이 녹색 이외의 파장의 광을 커트(흡수)하는 광 투과 특성(분광 감도 특성)을 갖고, 청색 투과 필터(9B)는 도 18의 곡선 B로 나타내어지는 바와 같이 청색 이외의 파장의 광을 커트(흡수)하는 광 투과 특성(분광 감도 특성)을 갖는다(비특허문헌 2 참조). 적색 투과 필터(9R), 녹색 투과 필터(9G), 청색 투과 필터(9B), 및 밝기 검출용의 녹색 투과 필터(9G)로 이루어지는 4개의 색 필터(9)와, 이들에 대응한 4개의 포토디텍터(6)로 컬러의 화상 정보를 검출하는 컬러 화소를 구성한다. 이들 4개의 색 필터(9)에 대응하는 포토디텍터(6)의 배치를 도 19에 나타낸다. 도 19에 있어서, R은 적색 투과 필터(9R)에 대응하여 적색을 검출하는 포토디텍터, G는 녹색 투과 필터(9G)에 대응하여 녹색을 검출하는 포토디텍터, B는 청색 투과 필터(9B)에 대응하여 청색을 검출하는 포토디텍터를 나타낸다. 한쪽의 대각에 2개의 녹색(기본 화소 G)이 배치되고, 다른 쪽의 대각에 청색(기본 화소 B) 및 적색(기본 화소 R)이 배치된 2열×2행의 4개의 기본 화소로 1개의 컬러 화소(19)가 구성된다. 이러한 배치는 베이어 배열이라고 불리고, 그 메리트는, 컬러 화소(19)의 반분의 사이즈(기본 화소의 사이즈)만큼 수직 방향(X축 방향) 또는 수평 방향(Y축 방향)으로 시프트한 위치에도 컬러 화소(19')를 구성할 수 있는 점에 있다. 이에 의해, 컬러 화소(19)의 반분의 사이즈(컬러 화소(19)의 1/4의 면적), 즉 기본 화소의 사이즈로까지 해상도가 개선된다.
도 20은, 광 검출 장치(4)의 검출면의 확대 평면도이다. 복수의 포토디텍터(6)가 직교 격자의 교점 위치에 서로 이간하고 또한 절연되어 배치되어 있다. 수평 방향으로 서로 이웃하는 포토디텍터(6) 사이에는, 수직 방향으로 연장되는 신호 배선인 복수의 수직 전송 CCD(17)가 설치되어 있고, 복수의 수직 전송 CCD(17)는 수평 방향으로 연장되는 신호 배선인 수평 전송 CCD(18)와 접속되어 있다. 마이크로 렌즈(10)로 집광된 광은 그 바로 아래에 위치하는 포토디텍터(6)에 의해 수광되어 광전 변환된다. 포토디텍터(6)에 축적된 전하는 수직 전송 CCD(17)로 이송되고, 또한 수평 전송 CCD(18)로 이송되어, 화상 신호로서 출력된다.
상기 도 17B에 나타낸 광 검출 장치(4)에서는. 각 포토디텍터(6)에 특정한 색의 광을 입사시키기 위해 색 필터(9)를 이용하고 있다. 이에 반해, 도 21에 나타낸 바와 같이, 마이크로 렌즈(도시 생략)를 투과한 피사체로부터의 광(30)을 마이크로 프리즘(31)을 이용하여 분산시켜, 적(R), 녹(G), 청(B)의 각 색광을 포토디텍터(32R, 32G, 32B)로 검출하는 광 검출 장치가 제안되어 있다(특허문헌 1 참조).
특허문헌 1 : 일본국 특허공표 2002-502120호 공보
비특허문헌 1 : 광 기술 콘택트, Vol.40, No.1(2002), P24 비특허문헌 2 : 트랜지스터 기술, 2003년 2월호, P128
촬상용 광 검출 장치에 대해서는, 소형 또한 고화소화에 대한 요구가 점점 더 높아지고 있다. 그러나, 상기 종래의 촬상용 광 검출 장치에서는, 이하의 이유에 의해 이 요구를 만족하기에는 한계가 있었다.
첫 번째 이유는, 도 17B에 나타낸 종래의 촬상용 광 검출 장치에서는 색 필터(9)를 이용하여 색 분리를 행하고 있는 것에 기인한다. 예를 들면 청색 투과 필터(9B)에서는, 청색 이외의 파장의 광은 흡수되므로, 도 18로부터 확인되는 바와 같이, 청색 투과 필터(9B)를 투과하는 광은 입사한 광의 불과 2∼3할 정도이다. 이것은 다른 색 필터(9R, 9G)에 대해서도 동일하다. 고화소화를 위해 포토디텍터(6)의 간격을 작게 하면, 포토디텍터(6)나 마이크로 렌즈(10)의 사이즈가 작아진다. 이에 의해, 1개의 마이크로 렌즈(10)에 입사하는 광의 광량이 적어지고, 또한 색 필터(9)에서 그 대부분이 흡수되어 버리므로, 충분한 양의 광을 포토디텍터(6)에 공급할 수 없게 된다. 따라서, 검출 신호는 광 쇼트 노이즈 등의 노이즈 신호에 묻혀 버린다. 이 때문에, 종래의 촬상용 광 검출 장치에서는 포토디텍터(6)의 간격은 1.5μm 정도가 한계로 되어 있다.
두 번째 이유는, 도 17B에 나타낸 종래의 촬상용 광 검출 장치에서는, 포토디텍터(6)에 일대일로 대응하여 마이크로 렌즈(10)가 배치되어 있는 것에 기인한다. 고화소화를 위해 포토디텍터(6)의 간격을 작게 하면, 마이크로 렌즈(10)의 사이즈가 작아지고, 이에 따라 마이크로 렌즈(10)를 투과하는 광속의 사이즈도 작아진다. 핀홀을 투과한 광의 확산각이 핀홀 직경에 반비례하도록, 광속의 사이즈(즉 마이크로 렌즈(10)의 직경)가 미소해지면 광이 확산(회절)하는 특성이 너무 커지므로, 마이크로 렌즈(10)를 사용하여 원하는 집광 성능을 얻는 것이 곤란해진다. 마이크로 렌즈(10)의 집광 성능을 얻기 위해서는, 마이크로 렌즈(10)의 직경은 적어도 파장의 2∼3배 이상일 필요가 있고, 이것이 고화소화를 방해하고 있었다.
도 21에 나타낸 종래의 광 검출 장치에서는, 광을 흡수하는 색 필터를 이용하지 않으므로, 광 이용 효율은 향상한다. 그러나, 프리즘의 분산 특성을 이용한 분광의 작용(굴절각의 파장에 의한 차)은 지극히 작고, 적색과 녹색, 또는 녹색과 청색의 광 사이의 변위는 지극히 작다. 따라서, 프리즘을 광의 분광에 이용하는 경우, 프리즘과 광 검출면의 간격을 적어도 수십∼수백 μm 이상으로 설정할 필요가 있으며, 시험적으로 제작하는데 있어서 현실적인 치수로는 되지 않는다.
본 발명은 상기 종래의 문제를 해결하여, 광 이용 효율을 향상시킴으로써 포토디텍터의 간격을 대폭으로 단축화하고, 또한, 마이크로 렌즈에 필요한 사이즈의 확보와 화소의 고밀도화를 양립시키는 것을 목적으로 한다. 또, 본 발명은, 큰 분광 작용을 이용함으로써 현실적인 치수를 갖는 광 검출 장치를 실현하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 촬상용 광 검출 장치는, 기판 상에 적어도 제1 방향을 따라 배열된 복수의 광 검출기와, 상기 복수의 광 검출기의 위쪽에 형성된 저굴절률 투명층과, 상기 제1 방향을 따라 상기 저굴절률 투명층 내에 매설된 기둥형상 또는 판형상의 복수의 고굴절률 투명부를 구비한다. 상기 고굴절률 투명부의, 상기 기판에 직교하고 또한 상기 제1 방향을 따른 단면에 있어서, 상기 고굴절률 투명부의 중심축이 계단형상으로 절곡되어 있다. 상기 저굴절률 투명층 및 상기 고굴절률 투명부에 입사하는 광은, 그들을 통과함으로써, 0차 회절광과 1차 회절광과 -1차 회절광으로 분리된다.
본 발명의 촬상용 광 검출 장치에 의하면, 광의 흡수가 아니라 회절에 의해 광의 색 분리를 행하므로, 광의 이용 효율이 대폭으로 향상한다. 또, 1개의 마이크로 렌즈당 2종류 또는 3종류의 색 정보의 검출이 가능해진다. 따라서, 마이크로 렌즈의 사이즈 확보와 화소의 고밀도화를 양립시키는 것이 가능해진다. 또한, 파장에 의한 회절각의 차를 이용하여 분광하므로, 고굴절률 투명부와 광 검출기의 간격을 좁게 할 수 있으며, 현실적인 치수를 실현할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 촬상용 광 검출 장치를 이용한 촬상 장치의 개략 구성을 도시한 측면도이다.
도 2는, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 촬상용 광 검출 장치의 개략 구성을 도시한 도면이며, 도 1의 부분 II의 확대 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 촬상용 광 검출 장치에 있어서, 고굴절률 투명부에 의해 회절광이 발생하는 원리를 설명하는 도면이다.
도 4A는, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 촬상용 광 검출 장치에 있어서, 고굴절률 투명부에 의해 회절광이 발생하는 원리를 파동 광학적으로 설명하는 도면이다.
도 4B는, 도 4A에 있어서, 고굴절률 투명부에 의해 적색 파장의 광이 1차 회절광으로서 분리되는 원리를 파동 광학적으로 설명하는 도면이다.
도 4C는, 도 4A에 있어서, 고굴절률 투명부에 의해 녹색 파장의 광이 0차 회절광으로서 분리되는 원리를 파동 광학적으로 설명하는 도면이다.
도 4D는, 도 4A에 있어서, 고굴절률 투명부에 의해 청색 파장의 광이 -1차 회절광으로서 분리되는 원리를 파동 광학적으로 설명하는 도면이다.
도 5A는, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 촬상용 광 검출 장치에 있어서, 고굴절률 투명부를 통해 포토디텍터에 전파되는 청색 파장의 광의 강도 분포를 도시한 도면이다.
도 5B는, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 촬상용 광 검출 장치에 있어서, 고굴절률 투명부를 통해 포토디텍터 상에 투영된 청색 파장의 광의 강도 분포를 도시한 도면이다.
도 6A는, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 촬상용 광 검출 장치에 있어서, 고굴절률 투명부를 통해 포토디텍터에 전파되는 녹색 파장의 광의 강도 분포를 도시한 도면이다.
도 6B는, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 촬상용 광 검출 장치에 있어서, 고굴절률 투명부를 통해 포토디텍터 상에 투영된 녹색 파장의 광의 강도 분포를 도시한 도면이다.
도 7A는, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 촬상용 광 검출 장치에 있어서, 고굴절률 투명부를 통해 포토디텍터에 전파되는 적색 파장의 광의 강도 분포를 도시한 도면이다.
도 7B는, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 촬상용 광 검출 장치에 있어서, 고굴절률 투명부를 통해 포토디텍터 상에 투영된 적색 파장의 광의 강도 분포를 도시한 도면이다.
도 8A는 포토디텍터(6R, 6G, 6B)로 검출되는 광량의 분광 특성도이다.
도 8B는 포토디텍터(6G, 6R)를 결합한 경우의 분광 특성도이다.
도 8C는 포토디텍터(6B, 6G)를 결합한 경우의 분광 특성도이다.
도 9는 표면으로부터의 깊이 조건을 파라미터로 한 포토디텍터의 분광 양자 효율을 도시한 도면이다.
도 10A는 포토디텍터의 분광 양자 효율의 효과를 더한 포토디텍터(6R, 6G, 6B)에서 발생하는 전류량의 분광 특성도이다.
도 10B는 포토디텍터(6G, 6R)를 결합한 경우의 포토디텍터의 분광 양자 효율의 효과를 더한 전류량의 분광 특성도이다.
도 10C는 포토디텍터(6B, 6G)를 결합한 경우의 포토디텍터의 분광 양자 효율의 효과를 더한 전류량의 분광 특성도이다.
도 11은, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 촬상용 광 검출 장치의 구성 요소의 평면 배치를 도시한 광 검출면의 확대 평면도이다.
도 12A는, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 촬상용 광 검출 장치에 있어서, 포토디텍터의 배치의 일례를 도시한 도면이다.
도 12B는, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 촬상용 광 검출 장치에 있어서, 포토디텍터의 배치의 다른 예를 도시한 도면이다.
도 12C는, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 촬상용 광 검출 장치에 있어서, 포토디텍터의 배치의 또 다른 예를 도시한 도면이다.
도 12D는, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 촬상용 광 검출 장치에 있어서, 포토디텍터의 배치의 또 다른 예를 도시한 도면이다.
도 13은, 본 발명의 실시 형태 2에 관한 촬상용 광 검출 장치의 개략 구성을 도시한 도면이며, 도 1의 부분 XIII의 확대 단면도이다.
도 14는, 본 발명의 실시 형태 2에 관한 촬상용 광 검출 장치의 구성 요소의 평면 배치를 도시한 광 검출면의 확대 평면도이다.
도 15A는, 본 발명의 실시 형태 2에 관한 촬상용 광 검출 장치에 있어서, 포토디텍터의 배치의 일례를 도시한 도면이다.
도 15B는, 본 발명의 실시 형태 2에 관한 촬상용 광 검출 장치에 있어서, 포토디텍터의 배치의 다른 예를 도시한 도면이다.
도 15C는, 본 발명의 실시 형태 2에 관한 촬상용 광 검출 장치에 있어서, 포토디텍터의 배치의 또 다른 예를 도시한 도면이다.
도 15D는, 본 발명의 실시 형태 2에 관한 촬상용 광 검출 장치에 있어서, 포토디텍터의 배치의 또 다른 예를 도시한 도면이다.
도 15E는, 본 발명의 실시 형태 2에 관한 촬상용 광 검출 장치에 있어서, 포토디텍터의 배치의 또 다른 예를 도시한 도면이다.
도 15F는, 본 발명의 실시 형태 2에 관한 촬상용 광 검출 장치에 있어서, 포토디텍터의 배치의 또 다른 예를 도시한 도면이다.
도 16A는, 본 발명의 촬상용 광 검출 장치에 있어서, 고굴절률 투명부의 단면 형상의 다른 예를 도시한 도면이다.
도 16B는, 본 발명의 촬상용 광 검출 장치에 있어서, 고굴절률 투명부의 단면 형상의 또 다른 예를 도시한 도면이다.
도 16C는, 본 발명의 촬상용 광 검출 장치에 있어서, 고굴절률 투명부의 단면 형상의 또 다른 예를 도시한 도면이다.
도 16D는, 본 발명의 촬상용 광 검출 장치에 있어서, 고굴절률 투명부의 단면 형상의 또 다른 예를 도시한 도면이다.
도 16E는, 본 발명의 촬상용 광 검출 장치에 있어서, 고굴절률 투명부의 단면 형상의 또 다른 예를 도시한 도면이다.
도 17A는, 종래의 촬상 장치의 개략 구성을 도시한 측면도이다.
도 17B는, 종래의 촬상용 광 검출 장치의 개략 구성을 도시한 도면이며, 도 17A의 부분 XVIIB의 확대 단면도이다.
도 18은, 종래의 촬상용 광 검출 장치에 이용되는 3종의 색 필터의 분광 감도 특성을 도시한 도면이다.
도 19는, 종래의 촬상용 광 검출 장치에 있어서, 포토디텍터의 배치의 일례를 도시한 도면이다.
도 20은, 종래의 촬상용 광 검출 장치의 구성 요소의 평면 배치를 도시한 광 검출면의 확대 평면도이다.
도 21은, 마이크로 프리즘을 이용하여 색 분리를 행하는 종래의 촬상용 광 검출 장치의 원리를 도시한 도면이다.
상기의 본 발명의 촬상용 광 검출 장치에 있어서, 상기 고굴절률 투명부의 상기 단면에 있어서, 상기 고굴절률 투명부의 폭이 상기 중심축의 절곡의 전후에서 변화하고, 상기 중심축의 상기 절곡에 대해 상기 기판측에서의 상기 고굴절률 투명부의 폭은 이것과 반대측에서의 상기 고굴절률 투명부의 폭보다 작은 것이 바람직하다. 이에 의해, 광의 분리를 보다 효과적으로 행할 수 있다. 또한, 여기에서, 「상기 고굴절률 투명부의 폭」이란, 중심축의 절곡 근방에서의 고굴절률 투명부의 폭을 의미하는 것으로 해석되는 것이 바람직하다.
상기 0차 회절광이 제1 광 검출기로, 상기 1차 회절광이 제2 광 검출기로, 상기 -1차 회절광이 제3 광 검출기로, 각각 검출되는 것이 바람직하다. 이에 의해, 상이한 광 검출기로 파장이 다른 광을 각각 검출할 수 있다.
상기에 있어서, 상기 저굴절률 투명층 및 상기 고굴절률 투명부에 입사하는 광이 백색광인 경우, 상기 제1 광 검출기에 입사하는 광은 0.50μm∼0.60μm의 녹색 파장 영역에서 광량 피크를 이루고, 상기 제2 광 검출기에 입사하는 광은 0.60μm를 초과하는 적색 파장 영역에서 광량 피크를 이루며, 상기 제3 광 검출기에 입사하는 광은 0.50μm 미만 아래의 청색 파장 영역에서 광량 피크를 이루는 것이 바람직하다. 이에 의해, 삼원색을 검출할 수 있다.
이 경우, 상기 제1 광 검출기는 그 표면을 포함하지 않는 심층 영역에서 광을 검출하고, 상기 제2 광 검출기는 그 표면을 포함하지 않는 심층 영역에서 광을 검출하며, 상기 제3 광 검출기는 그 표면을 포함하는 표층 영역에서 광을 검출하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 혼색을 억제하고, 분광 성능을 향상시킬 수 있다.
혹은, 상기 0차 회절광과 상기 1차 회절광이 제1 광 검출기로, 상기 -1차 회절광이 제2 광 검출기로, 각각 검출되어도 된다. 이에 의해, 1개의 원색과, 그 보색을 검출할 수 있다.
상기에 있어서, 상기 저굴절률 투명층 및 상기 고굴절률 투명부에 입사하는 광이 백색광인 경우, 상기 제1 광 검출기에 입사하는 광은 0.50μm 이상의 청색 파장 영역 이외의 파장 영역에서 광량 피크를 이루고, 상기 제2 광 검출기에 입사하는 광은 0.50μm 미만 아래의 청색 파장 영역에서 광량 피크를 이루는 것이 바람직하다. 이에 의해, 청색과, 그 보색인 옐로우를 검출할 수 있다.
이 경우, 상기 제1 광 검출기는 그 표면을 포함하지 않는 심층 영역에서 광을 검출하고, 상기 제2 광 검출기는 그 표면을 포함하는 표층 영역에서 광을 검출하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 혼색을 억제하고, 분광 성능을 향상시킬 수 있다.
혹은, 상기 1차 회절광이 제1 광 검출기로, 상기 0차 회절광과 상기 -1차 회절광이 제2 광 검출기로, 각각 검출되어도 된다. 이에 의해, 1개의 원색과, 그 보색을 검출할 수 있다.
상기에 있어서, 상기 저굴절률 투명층 및 상기 고굴절률 투명부에 입사하는 광이 백색광인 경우, 상기 제1 광 검출기에 입사하는 광은 0.60μm를 초과하는 적색 파장 영역에서 광량 피크를 이루고, 상기 제2 광 검출기에 입사하는 광은 0.60μm 이하의 적색 파장 영역 이외의 파장 영역에서 광량 피크를 이루는 것이 바람직하다. 이에 의해, 적색과, 그 보색인 시안을 검출할 수 있다.
이 경우, 상기 제1 광 검출기는 그 표면을 포함하지 않는 심층 영역에서 광을 검출하고, 상기 제2 광 검출기는 그 표면을 포함하는 표층 영역에서 광을 검출하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 혼색을 억제하고, 분광 성능을 향상시킬 수 있다.
상기의 본 발명의 촬상용 광 검출 장치에 있어서, 상기 제1 방향을 따라 배치된 상기 복수의 고굴절률 투명부의 상기 중심축의 절곡의 방향이 교대로 반전하고 있어도 된다. 이 경우, 상기 복수의 고굴절률 투명부의 각각에 대해 상기 제1 방향으로 서로 이웃하는 3개의 상기 광 검출기가 대응하고, 상기 제1 방향을 따라 배치된 상기 3개의 광 검출기 중 양 외측의 2개의 광 검출기는, 상기 3개의 광 검출기에 대응하는 고굴절률 투명부에 대해 상기 제1 방향에 있어서 서로 이웃하는 고굴절률 투명부에도 대응하고 있는 것이 바람직하다. 이에 의해, 1개의 고굴절률 투명부에서 3개의 광을 분리할 수 있으므로, 고해상도화가 가능해진다.
상기에 있어서, 상기 제1 방향과 평행한 복수의 열을 따라 상기 고굴절률 투명부가 배치되어 있어도 된다. 이 경우, 상기 제1 방향과 평행한 상기 고굴절률 투명부의 열을 구성하는 각 고굴절률 투명부의 상기 제1 방향의 위치가, 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향에 있어서 서로 이웃하는 2개의 열 사이에서 상기 제1 방향의 배치 피치의 0배, 0.5배, 1배, 또는 1.5배만큼 위치가 어긋나 있는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 다양한 화소 배치에 대응할 수 있다.
혹은, 상기의 본 발명의 촬상용 광 검출 장치에 있어서, 상기 제1 방향을 따라 배치된 상기 복수의 고굴절률 투명부의 상기 중심축의 절곡의 방향이 동일해도 된다. 이 경우, 상기 복수의 고굴절률 투명부의 각각에 대해 상기 제1 방향으로 서로 이웃하는 3개의 상기 광 검출기가 대응하고, 상기 복수의 광 검출기의 각각은, 상기 0차 회절광, 상기 1차 회절광, 및 상기 -1차 회절광 중 어느 1개를 검출하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 1개의 고굴절률 투명부에서 3개의 광을 분리할 수 있으므로, 고해상도화가 가능해진다.
상기에 있어서, 상기 제1 방향과 평행한 복수의 열을 따라 상기 고굴절률 투명부가 배치되어 있어도 된다.
이 경우, 상기 제1 방향과 평행한 상기 고굴절률 투명부의 열에 있어서의 상기 중심축의 절곡의 방향이 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향에 있어서 서로 이웃하는 2개의 열 사이에서 동일하고, 상기 제1 방향과 평행한 상기 고굴절률 투명부의 열을 구성하는 각 고굴절률 투명부의 상기 제1 방향의 위치가, 상기 제2 방향에 있어서 서로 이웃하는 2개의 열 사이에서 상기 제1 방향의 배치 피치의 0배, 1/3배, 또는 2/3배만큼 위치가 어긋나 있는 것이 바람직하다. 이에 의해, 다양한 화소 배치에 대응할 수 있다.
혹은, 상기 제1 방향과 평행한 상기 고굴절률 투명부의 열에 있어서의 상기 중심축의 절곡의 방향이 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향에 있어서 서로 이웃하는 2개의 열 사이에서 반전하고 있고, 상기 제1 방향과 평행한 상기 고굴절률 투명부의 열을 구성하는 각 고굴절률 투명부의 상기 제1 방향의 위치가, 상기 제2 방향에 있어서 서로 이웃하는 2개의 열 사이에서 상기 제1 방향의 배치 피치의 0배, 1/3배, 또는 2/3배만큼 위치가 어긋나 있는 것이 바람직하다. 이에 의해, 다양한 화소 배치에 대응할 수 있다.
이하, 본 발명의 적합한 실시 형태를 도면을 이용하여 설명한다. 이들 도면에 있어서 종래예와 공통되는 요소에는, 동일한 부호를 붙이고 있다. 단, 이하의 실시 형태는 일례에 지나지 않고, 본 발명은 이들 실시 형태에 한정되지 않는 것은 말할 필요도 없다.
도 1은, 본 발명의 광 검출 장치를 이용한 촬상 장치의 개략 구성을 도시한 측면도이다. 자연광 등의 광이 물체(1)에 입사하고, 이것을 반사한 광은, 렌즈계(2)에 의해 CCD나 CMOS 등의 광 검출 장치(4) 상에 상(3)을 형성한다. 렌즈계(2)는, 일반적으로는 광학 성능을 확보하기 위해 광축을 따라 배열된 복수의 렌즈를 조합하여 구성되지만, 도 1에서는 도면을 간략화하여 단일한 렌즈로서 그려지고 있다. 이하의 설명의 편의를 위해, 광 검출 장치(4)의 광 검출면(또는 후술하는 기판(5)의 표면)의 법선 방향축을 Z축, 광 검출면에 평행한 수직 방향축을 X축, 광 검출면에 평행한 수평 방향축을 Y축으로 하는 XYZ 직교 좌표계를 설정한다.
(실시 형태 1)
도 2는, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 광 검출 장치(4)의 개략 구성을 도시한 도면이며, 도 1의 부분 II의 확대 단면도이다. 복수의 포토디텍터(6)가 형성된 검출 기판(5) 상에, SiO2 등으로 이루어지는 저굴절률의 투명 버퍼층(7), SiN 등으로 이루어지는 고굴절률의 투명 버퍼층(8), SiO2 등으로 이루어지는 저굴절률 투명층(12), 복수의 마이크로 렌즈(10)가 이 순서로 적층되어 있다. 저굴절률 투명층(12) 내에는, SiN 등으로 이루어지는 복수의 고굴절률 투명부(13)가 매설되어 있다. 투명 버퍼층(7)의 투명 버퍼층(8)과 접하는 표면(7a)에는, 각 마이크로 렌즈(10)의 중심축 상에서 투명 버퍼층(7)의 막 두께가 작아지는 요철 구조가 형성되고, 렌즈와 동일한 작용을 한다(표면(7a)의 요철 구조를 내부 마이크로 렌즈라고 부른다). 한편, 투명 버퍼층(8)의 저굴절률 투명층(12)과 접하는 표면(8a)은 평탄하다.
마이크로 렌즈(10)는 X축 방향으로 평행한 복수의 직선 및 Y축 방향으로 평행한 복수의 직선에 의해 형성되는 직교 격자의 각 교점 위치에 배치되어 있다. 고굴절률 투명부(13)는 마이크로 렌즈(10)와 일대일로 대응하고, 각 마이크로 렌즈(10)의 중심축 상에 1개의 고굴절률 투명부(13)가 배치되어 있다. 포토디텍터(6)도, X축 방향으로 평행한 복수의 직선 및 Y축 방향으로 평행한 복수의 직선에 의해 형성되는 직교 격자의 각 교점 위치에 배치되어 있다. X축 방향(도 2의 지면의 상하 방향)으로 서로 이웃하는 각 마이크로 렌즈(10)의 중심축은 하나 걸러 포토디텍터(6)의 거의 중심을 통과한다. Y축 방향(도 2의 지면에 직교하는 방향)으로 서로 이웃하는 각 마이크로 렌즈(10)의 중심축은, 서로 이웃하는 각 포토디텍터(6)의 거의 중심을 통과한다(후술하는 도 11 참조).
마이크로 렌즈(10)는, 광선(11a')과 같이 마이크로 렌즈(10)의 중심축에 대해 시프트하여 입사하는 광을 굴절시켜 고굴절률 투명부(13)로 인도하는 작용을 한다. 투명 버퍼층(7)의 표면(7a)의 요철 구조(내부 마이크로 렌즈)도 렌즈 효과를 가지며, 고굴절률 투명부(13)를 출사하는 각 회절광 D0, D1, D-1이 발산되는 것을 억제하고, 각각을 작은 스폿인 채로 대응하는 포토디텍터(6)로 인도하는 작용을 한다. 또한, 고굴절률 투명부(13)는 도파로의 작용을 하므로, 마이크로 렌즈(10)의 중심축에 대해 기울어진 광이 입사하면, 그 광의 전파 방위를 교정하여, 포토디텍터(6)로 인도하는 작용을 한다. 본 명세서에서는, 포토디텍터(6)를, 이것에 입사하는 광의 파장에 따라 특별히 구별할 필요가 있는 경우에는 첨자 「R」, 「G」, 「B」 중 어느 하나를 붙이고, 구별할 필요가 없는 경우에는 첨자를 생략하여 표시한다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 고굴절률 투명부(13)의 X축 및 Z축을 포함하는 면(XZ면)을 따른 단면에 있어서, 고굴절률 투명부(13)의 X축 방향의 중앙의 점을 Z축 방향으로 차례로 연결하여 얻어지는 선을, 고굴절률 투명부(13)의 「중심축」이라고 부른다. 고굴절률 투명부(13)의 중심축(14)은 계단형상으로 절곡되어 있다. 본 실시 형태 1에서는, 고굴절률 투명부(13)의 X축 방향 치수(폭)는 중심축(14)의 절곡의 전후에서 변화하고 있고, 절곡의 앞쪽(마이크로 렌즈(10)측)에서의 폭 w1과 뒤쪽(포토디텍터(6)측)에서의 폭 w2는 w1>w2를 만족한다. 폭 w1, w2의 부분의 Z축 방향 길이는 차례로 h1, h2이다. 본 실시 형태 1에서는, 폭 w1의 부분의 중심축(14)과 폭 w2의 부분의 중심축(14)은 모두 Z축에 평행하며, 양자의 X축 방향의 단차(s)는 s=(w1-w2)/2이다. 또한, 본 실시 형태 1에서는, 중심축(14)의 절곡의 방향에 의거하여 고굴절률 투명부(13)는 2종류로 분류된다. 즉, 고굴절률 투명부(13)는, 도 2의 지면에 있어서, 폭 w1의 부분의 중심축(14)에 대해 폭 w2의 부분의 중심축(14)이 상측에 위치하는 고굴절률 투명부(13a)와 하측에 위치하는 고굴절률 투명부(13b)를 포함한다. 본 명세서에서는, 중심축(14)의 절곡의 방향의 차이에 따라 고굴절률 투명부(13)를 특별히 구별할 필요가 있는 경우에는 첨자 「a」 또는 「b」를 붙이고, 구별할 필요가 없는 경우에는 첨자를 생략하여 표시한다. 본 실시 형태 1에서는, X축 방향으로 서로 이웃하는 2개의 고굴절률 투명부(13)의 중심축(14)의 절곡의 방향이 서로 반대이다. 즉, X축 방향에 있어서, 고굴절률 투명부(13a)와 고굴절률 투명부(13b)가 교대로 배치되어 있다.
고굴절률 투명부(13)는, Y축 방향(도 2의 지면에 수직인 방향)으로 연속되는 판형상, 또는, Y축 방향의 마이크로 렌즈(10)의 배치 위치에 일대일로 대응하여 분리된 기둥형상을 이룬다. 고굴절률 투명부(13)가 기둥형상인 경우, 그 Y축 방향 치수는 X축 방향으로 굵은 부분의 폭(본 실시 형태 1에서는 폭 w1)의 2∼3배 이상이다.
고굴절률 투명부(13)에 입사하는 광(11)은, 고굴절률 투명부(13)를 출사할 때에 XZ면 내에서 0차 회절광 D0, 1차 회절광 D1, -1차 회절광 D-1로 분리되고, 각각 포토디텍터(6G, 6R, 6B)로 검출된다. 고굴절률 투명부(13a)와 고굴절률 투명부(13b)는 중심축(14)의 절곡의 방향이 반대이므로, 0차 회절광 D0에 대한 1차 회절광 D1 및 -1차 회절광 D-1의 출사 방향은 고굴절률 투명부(13a)와 고굴절률 투명부(13b)에서 반대가 된다. 0차 회절광 D0, 1차 회절광 D1, 및 -1차 회절광 D-1의 각 광 분포가 서로 확실하게 분리되기 위해서는, 고굴절률 투명부(13)의 선단과 포토디텍터(6)의 사이에 1μm 이상의 간격이 형성되는 것이 바람직하다.
도 3은, 본 실시 형태 1의 촬상용 광 검출 장치에 있어서, 고굴절률 투명부(13)에 의해 회절광이 발생하는 원리를 설명하는 도면이다. 고굴절률 투명부(13)는 폭(X축 방향 치수) w1, w2, 길이(Z축 방향 치수) h1, h2를 갖고, 지면에 수직인 방향(Y축 방향)으로 연장된 판형상으로 한다. 중심선(14)의 절곡의 단차를 s로 한다(간단히 하기 위해 s=(w1-w2)/2의 경우를 도시하고 있다). 고굴절률 투명부(13)의 굴절률을 n, 그 주위의 저굴절률 투명층(12)의 굴절률을 n0으로 한다. 마이크로 렌즈(10)를 거쳐 고굴절률 투명부(13)에 입사하는 광(11)의 파면을 평면파(15)로 하면, 이 광(11)이 고굴절률 투명부(13) 및 그 주위의 저굴절률 투명층(12)을 투과함으로써, 출사한 광의 파면(16)에는 다음 식으로 나타내는 위상 시프트(δ)가 발생한다(진공 중에서의 길이로 환산).
(식 1) δ=h2(n-n0)
이 위상 시프트에 의해 출사광은 0차 회절광 D0, 1차 회절광 D1, -1차 회절광 D-1로 회절 분리된다. 광(11)의 파장을 λ로 하면, ｜δ-kλ｜를 가장 0에 접근시키는 정수 k가 반드시 존재한다. 이 정수 k에 대해 δ-kλ=0이면, 출사한 광의 파면(16)은 평면파 A0과 동일하고, 대부분의 에너지가 0차 회절광 D0으로 배분된다. δ-kλ<0이면, 출사한 광의 파면(16)은 평면파 A1과 거의 동일해지고, 대부분의 에너지가 1차 회절광 D1로 배분된다. δ-kλ>0이면, 출사한 광의 파면(16)은 평면파 A-1과 거의 동일해지고, 대부분의 에너지가 -1차 회절광 D-1로 배분된다.
예를 들면, δ가 1.1μm인 경우, 녹색 파장의 광의 경우에는 k=2, λ=0.55μm의 조건으로 δ-kλ=0이 성립되지만, 동일한 k에 대해, 적색 파장에서는 δ-kλ<0, 청색 파장에서는 δ-kλ>0이 된다. 따라서, 고굴절률 투명부(13)에 입사하는 백색의 광(11)은, 0차 회절광 D0에 녹색의 광, 1차 회절광 D1에 적색의 광, -1차 회절광 D-1에 청색의 광이 각각 분리되어 출력된다. 또한, (식 1)에 치수 w1, h1 등이 포함되어 있지 않으므로, 고굴절률 투명부(13)의 구조 중, 중심축(14)의 절곡보다 앞쪽(마이크로 렌즈(10)측)의 부분은 불필요한 것처럼 보이지만, 그렇지 않다. 이상은 어디까지나 기하 광학적인 설명이며, 파동 광학적으로는 다음과 같이 설명할 수 있다.
도 4A∼도 4D는, 본 실시 형태 1의 촬상용 광 검출 장치에 있어서, 고굴절률 투명부(13)에 의해 회절광이 발생하는 원리를 파동 광학적으로 설명하는 도면이다. 도 4A에 나타낸 바와 같이, 마이크로 렌즈(10)를 거쳐 고굴절률 투명부(13)에 입사하는 광(11)은 고굴절률 투명부(13)의 내부를 전파하는 0차의 도파 모드 광 M0을 여기한다. 이 도파 모드 광 M0은 고굴절률 투명부(13)의 중심축(14)의 절곡 부분을 통과함으로써 전파 모드가 흐트러지고, 절곡 부분의 뒤쪽(포토디텍터(6)측)의 전파에서는 0차의 도파 모드 광 m0 외에, 1차의 도파 모드 광 m1, 및 고차의 도파 모드 광이나 방사 모드 광 등이 발생한다. 0차의 도파 모드 광 m0은 광의 진폭 분포가 가우시안 형상을 이루지만, 1차의 도파 모드 광 m1은 전파로의 중심축 근방에서 진폭의 극성이 반전한다. 또한, 등가 굴절률은 0차의 도파 모드 광 m0이 1차의 도파 모드 광 m1보다 커지므로, 동일한 도파로 내에 0차의 도파 모드 광 m0과 1차의 도파 모드 광 m1이 밸런스 좋게 혼재하면, 이들이 전파 방향을 따라 복잡하게 간섭하여, 파장에 비례한 간격으로 서로 강해지거나 서로 약해지거나 한다. 1차의 도파 모드 광 m1의 진폭의 극성이 중심축 근방에서 반전하므로, 광의 간섭도 중심축을 경계로 반전한다. 예를 들면, 적색 파장의 광의 경우는, 도 4B에 나타낸 바와 같이, 복수의 포인트 PR에서 2개 모드의 광이 서로 강해진다. 고굴절률 투명부(13)의 출사단에 최종 포인트 PR이 위치하는 경우, 1차 회절광 D1과 같이 전파로의 중심축으로부터 최종 포인트 PR측을 향하는 측으로 광이 방사된다. 청색 파장의 광의 경우는, 도 4D에 나타낸 바와 같이, 복수의 포인트 PB에서 2개 모드의 광이 서로 강해진다. 포인트 PB의 간격은 포인트 PR의 간격보다 짧다. 고굴절률 투명부(13)의 출사단에 최종 포인트 PB가 위치하는 경우, -1차 회절광 D-1과 같이 전파로의 중심축으로부터 최종 포인트 PB측을 향하는 측으로 광이 방사된다. 한편, 녹색 파장의 광의 경우는, 도 4C에 나타낸 바와 같이, 복수의 포인트 PG에서 2개 모드의 광이 서로 강해진다. 포인트 PG의 간격은 포인트 PR의 간격보다 짧고, 포인트 PB의 간격보다 길다. 고굴절률 투명부(13)의 출사단이 최종 포인트 PG와 가상적인 다음 포인트 PG'의 중간에 위치하는 경우, 0차 회절광 D0과 같이 전파로의 중심축을 따른 방향으로 광이 방사된다. 따라서, 고굴절률 투명부(13)에 입사하는 백색의 광(11)은, 0차 회절광 D0에 녹색의 광, 1차 회절광 D1에 적색의 광, -1차 회절광 D-1에 청색의 광이 각각 분리되어 출력된다. 상기의 설명은 일례로서, 고굴절률 투명부(13)의 각 부의 치수에 따라서는, 1차 회절광 D1이 청색의 광, -1차 회절광 D-1이 적색의 광이 되는 경우도 있다. 치수 w2, h2를 갖는 구조 부분에서 2종류의 모드 광을 밸런스 좋게 혼재시키기 위해서는, 치수 w1, h1을 갖는 구조 부분과 단차(s)를 갖는 중심축(14)의 절곡 구조가 불가결하고, 이것은 상술한 바와 같은 파동 광학적인 설명으로 비로소 분명해진다. 입사광(11)을 효율적으로 도파 모드로 변환하기 위해서는, 폭 w1은 어느 정도 클 필요가 있다. 또, 절곡 후에 발생하는 도파 모드의 차수(즉 도파 모드 광의 총 수)를 가능한 한 적게 하기 위해서는, 폭 w2는 작은 쪽이 바람직하다. 따라서, 중심축(14)이 절곡된 고굴절률 투명부(13)에서 2종류의 모드 광을 밸런스 좋게 혼재시키기 위해서는 일반적으로는 w1>w2의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.
도 5A, 도 6A, 도 7A는, 본 실시 형태 1의 촬상용 광 검출 장치에 있어서, 고굴절률 투명부(13)를 통해 포토디텍터측으로 전파되는, 각각 파장 0.45μm, 0.55μm, 0.65μm의 광의 XZ 단면에서의 강도 분포(파동 광학에 의거한 계산 결과)를 나타내고 있다. 도 5B, 도 6B, 도 7B는, 포토디텍터의 광 검출면 상에 투영된 광의 XY 단면에서의 강도 분포(파동 광학에 의거한 계산 결과)를 나타낸 도면이다. 계산은 이하의 조건으로 행하였다. 마이크로 렌즈(10)를 생략하고, XY 좌표에서 원점을 중심으로 한 1.5μm×1.5μm의 정사각형의 영역에 균일 강도의 백색광을 Z축 방향을 따라 입사시켰다. 고굴절률 투명부(13)의 폭 w1=0.30μm, w2=0.15μm, 길이 h1=h2=0.60μm, 중심축(14)의 절곡 단차 s=0.10μm로 하고, 고굴절률 투명부(13)를 치수 w2, h2를 갖는 구조 부분이 X축 방향으로 1.5μm 피치로 배열되도록 배치하며, Y축 방향으로는 연속시켰다. 또한, 내부 마이크로 렌즈(7a)는 X축 방향, Y축 방향 모두 1.5μm 피치로 배열하고, 내부 마이크로 렌즈(7a)의 선단으로부터 포토디텍터(6)의 표면까지의 거리는 1.0μm로 하였다. 또한, 고굴절률 투명부(13)와 고굴절률의 투명 버퍼층(8)은 SiN를 상정하여 굴절률 2.04, 아베수 20으로 하고, 저굴절률의 투명 버퍼층(7)과 저굴절률 투명층(12)은 SiO2를 상정하여 굴절률 1.456, 아베수 65로 하였다. 포토디텍터(6R, 6G, 6B)는 이 순서로 인접하고, X축 방향×Y축 방향의 사이즈는 차례로 0.75μm×1.0μm, 0.65μm×1.0μm, 0.85μm×1.0μm로 하였다(균등한 분할로부터 포토디텍터(6G, 6B) 사이의 분할선을 0.10μm만큼 X축의 양의 방향으로 시프트시켰다). 도 5B, 도 6B, 도 7B에서는 3개의 포토디텍터(6R, 6G, 6B)밖에 나타내고 있지 않지만, 실제로는 이들 포토디텍터가 이 순서로 X축 방향으로 간극 없이 배열되고, Y축 방향으로는 1.5μm 피치(즉 0.5μm의 간극을 두고)로 배열되어 있었다. Y축 방향으로 형성된 간극은 CCD 전송로나 배선 등에 이용된다. 도 5B, 도 6B, 도 7B로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 실시 형태 1의 고굴절률 투명부(13)에 의해, 광이 적색, 녹색, 청색의 색마다 분별되고, 각각 상이한 포토디텍터(6R, 6G, 6B)로 검출되는 것을 알 수 있다.
도 8A는 광 검출면 상의 독립된 포토디텍터(6R, 6G, 6B)로 검출되는 광량을 파장을 가로축으로 하여 플롯한 분광 특성도이다. 세로축의 광량비란 입사 광량을 1로 하여 규격화한 각 포토디텍터에서의 검출 광량이다. 곡선 R, G, B는 각각 포토디텍터(6R, 6G, 6B)로 검출되는 광량 분포 곡선을 나타낸다. 포토디텍터(6G)에 입사하는 광의 광량 분포 곡선(G)은 0.50μm∼0.60μm의 녹색 파장 영역에서 광량 피크를 이루고, 포토디텍터(6R)에 입사하는 광의 광량 분포 곡선(R)은 0.60μm를 초과하는 적색 파장 영역에서 광량 피크를 이루며, 포토디텍터(6B)에 입사하는 광의 광량 분포 곡선(B)은 0.50μm 미만 아래의 청색 파장 영역에서 광량 피크를 이루고 있다. 도 8A에 나타낸 특성은 도 18에서 나타낸 종래의 광 검출 장치에 있어서의 색 필터의 분광 감도 특성에 상당하고, 포토디텍터의 X축 방향의 배치 피치가 0.75μm와 같은 고해상의 조건임에도 불구하고, 양호한 분광 성능을 나타내고 있다. 또한, 곡선 R, G, B의 총합은 입사 광량으로부터 2∼3할 적어지지만, 그 감소분 중 일부는 반사 성분, 일부는 포토디텍터(6R, 6G, 6B)의 외부로 누설되는 성분이며, 후자는 미광이 되어 다른 영역의 포토디텍터에 검출되므로 실제의 분광 특성은 도 8A보다 약간 열화한다.
도 8B는 포토디텍터(6G, 6R)를 결합한 경우, 도 8C는 포토디텍터(6B, 6G)를 결합한 경우의, 도 8A와 동일한 수법으로 작성한 분광 특성도이다. 도 8B에 있어서 곡선 G+R은 포토디텍터(6G, 6R)가 결합된 결합화 포토디텍터로 검출되는 광량 분포 곡선을 나타내고, 도 8C에 있어서 곡선 B+G는 포토디텍터(6B, 6G)가 결합된 결합화 포토디텍터로 검출되는 광량 분포 곡선을 나타낸다. 포토디텍터(6G, 6R)를 결합하면, 도 8B에 나타낸 바와 같이, 결합화 포토디텍터에 입사하는 광의 광량 분포 곡선 G+R은 0.50μm 이상의 청색 파장 영역 이외의 파장 영역에서 광량 피크를 이루고, 포토디텍터(6B)에 입사하는 광의 광량 분포 곡선(B)은 0.50μm 미만 아래의 청색 파장 영역에서 광량 피크를 이룬다. 따라서, 청색과, 청색의 보색인 옐로우를 검출할 수 있다. 포토디텍터(6B, 6G)를 결합하면, 도 8C에 나타낸 바와 같이, 포토디텍터(6R)에 입사하는 광의 광량 분포 곡선(R)은 0.60μm를 초과하는 적색 파장 영역에서 광량 피크를 이루고, 결합화 포토디텍터에 입사하는 광의 광량 분포 곡선 B+G는 0.60μm 이하의 적색 파장 영역 이외의 파장 영역에서 광량 피크를 이룬다. 따라서, 적색과, 적색의 보색인 시안을 검출할 수 있다. 이와 같이, 0차 회절광과 1차 회절광 또는 -1차 회절광이 동일한 포토디텍터로 검출되도록 포토디텍터를 조합함으로써, 원색과 그 보색을 검출할 수 있다.
도 9는 Si의 복소 굴절률의 분산으로부터 산출해낸 포토디텍터의 양자 효율의 파장 의존성(분광 양자 효율)을 나타내고 있고, 표면으로부터의 깊이(dμm)의 범위를 파라미터로 하고 있다. 분광 양자 효율이란, 어떤 파장의 광을 일정량만큼 조사했을 때에 광전 효과에 의해 발생하는, 규격화된 전자수를 의미한다. 분광 양자 특성에 도 8A∼도 8C와 같은 광량의 분광 특성을 곱한 것이 포토디텍터에서 발생하는 전류량이 된다. 곡선 a1은 d=0.0∼0.2μm, 곡선 a2는 d=0.0∼0.5μm, 곡선 a3은 d=0.0∼0.8μm, 곡선 a4는 d=0.0∼1.2μm, 곡선 a5는 d=0.0∼3.0μm, 곡선 b1은 d=0.2∼3.0μm, 곡선 b2는 d=0.5∼3.0μm, 곡선 b3은 d=0.8∼3.0μm, 곡선 b4는 d=1.2∼3.0μm에서의 분광 양자 효율이다. 단파장의 광은 표층에서 흡수되기 쉽고, 장파장이 될수록 심층에서도 흡수되는 것을 알 수 있다.
포토디텍터의 어느 깊이의 영역에 감도를 갖게 할지는, 자유로운 설정이 기술적으로 가능하다. 이 기술을 도 8A, 도 8B, 도 8C에서 나타낸 분광 특성에 도입하면 다음과 같이 된다. 도 10A는, 도 8A의 분광 특성에 있어서, 포토디텍터의 광 검출 영역을, 포토디텍터(6R)에서 d=0.5∼3.0μm, 포토디텍터(6B)에서 d=0.0∼0.2μm, 포토디텍터(6G)에서 d=0.2∼3.0μm로 설계한 경우의 분광 특성도이다. 도 10B는, 도 8B의 분광 특성에 있어서, 포토디텍터의 광 검출 영역을, 포토디텍터(6G, 6R)가 결합된 결합화 포토디텍터에서 d=0.5∼3.0μm, 포토디텍터(6B)에서 d=0.0∼0.2μm로 설계한 경우의 분광 특성도이다. 도 10C는, 도 8C의 분광 특성에 있어서, 포토디텍터의 광 검출 영역을, 포토디텍터(6R)에서 d=0.5∼3.0μm, 포토디텍터(6G, 6B)가 결합된 결합화 포토디텍터에서 d=0.0∼1.2μm로 설계한 경우의 분광 특성도이다. 도 10A에서는 도 8A에 비해 보다 혼색이 적은 적색, 녹색, 청색의 분광 특성이 얻어지고 있고, 도 10B에서는 도 8B에 비해 혼색이 적은 청색, 옐로우의 분광 특성이 얻어지고 있으며, 도 10C에서는 도 8C에 비해 혼색이 적은 적색, 시안의 분광 특성이 얻어지고 있다. 이와 같이, 본 실시 형태 1에 포토디텍터의 분광 양자 효율의 특성을 조합함으로써, 이상적인 분광 성능에 접근할 수 있는 것을 알 수 있다.
도 11은, 본 실시 형태 1의 촬상용 광 검출 장치의 광 검출면을 포함하는 구성 요소의 확대 평면도이다. Y축 방향으로 서로 이웃하는 포토디텍터(6) 사이에는, X축 방향으로 연장되는 신호 배선인 복수의 수직 전송 CCD(17)가 설치되어 있고, 복수의 수직 전송 CCD(17)는 Y축 방향으로 연장되는 신호 배선인 수평 전송 CCD(18)와 접속되어 있다.
촬상용 광 검출 장치에 입사하는 백색의 광은, 고굴절률 투명부(13a, 13b)를 통과하여, 회절함으로써 XZ면 내에서 파장마다 분별되고, 포토디텍터(6R, 6G, 6B)에 의해 수광되어 광전 변환된다. 각 포토디텍터에 축적된 전하는 수직 전송 CCD(17)로 이송되고, 또한 수평 전송 CCD(18)로 이송되어, 화상 신호로서 출력된다.
X축 방향에 있어서는, 고굴절률 투명부(13a, 13b)가 교대로 배치되어 있다. 이와 같이 하여 X축 방향을 따라 배치된 고굴절률 투명부의 열은, 고굴절률 투명부의 X축 방향의 배치 피치(보다 정확하게는 고굴절률 투명부의 폭 w2를 갖는 부분의 X축 방향의 배치 피치, 즉 내부 마이크로 렌즈(7a)의 X축 방향 배치 피치)의 1배만큼 X축 방향으로 위치가 어긋나면서, 순차적으로 Y축 방향으로 배치되어 있다. 그 결과, Y축 방향에 있어서도, 고굴절률 투명부(13a, 13b)가 교대로 배치되어 있다.
포토디텍터(6G)는 고굴절률 투명부(13a, 13b)의 바로 아래(즉, 내부 마이크로 렌즈(7a)의 중심축 상)에 각각 배치되어 있다. 또한, X축 방향으로 서로 이웃하는 포토디텍터(6G, 6G) 사이에는 포토디텍터(6R, 6G)가 교대로 배치되어 있다. 즉, X축 방향에 있어서는, 포토디텍터(6R, 6G, 6B, 6G)가 이 순서로 배열되고, 이 배열이 반복하여 배치되어 있다. 이와 같이 하여 X축 방향을 따라 배치된 포토디텍터의 열은, 고굴절률 투명부의 X축 방향 배치 피치의 1배만큼 X축 방향으로 위치가 어긋나면서, 순차적으로 Y축 방향으로 배치되어 있다. 포토디텍터(6R, 6G, 6B)의 폭(X축 방향 치수) wR, wG, wB는 동일해도 되고 상이해도 된다. 도 5B, 도 6B, 도 7B의 예에서는, wR=0.75μm, wG=0.65μm, wB=0.85μm이며, X축 방향을 따른 포토디텍터(6R, 6G, 6B)로 이루어지는 배열의 X축 방향의 중심이, 고굴절률 투명부(13)의 폭 w2를 갖는 부분의 중심축(14)에 일치하고 있었다.
도 12A에, 도 11에 나타낸 광 검출 장치(4)에 있어서의 포토디텍터(6R, 6G, 6B)의 배치를 나타낸다. 도면을 간단화하기 위해, 부호 「6」을 생략하고, 첨자 R, G, B만을 기재하고 있다. 1개의 컬러 화소(19)는, 2개의 녹색(기본 화소 G)과 1개의 청색(기본 화소 B)과 1개의 적색(기본 화소 R)을 포함하는 2열×2행의 4개의 기본 화소로 구성된다. 도 12A의 배치는, 도 19에 나타낸 종래의 광 검출 장치에 있어서의 베이어 배열과 달리, 2개의 녹색(G)은, 컬러 화소(19) 내에 있어서 Y축 방향으로 서로 이웃하여 배치되어 있다. 그러나, 베이어 배열과 동일하게, 컬러 화소(19)의 반분의 사이즈(기본 화소의 사이즈)만큼 X축 방향 또는 Y축 방향으로 시프트한 위치에도 컬러 화소(19')를 구성할 수 있다. 따라서, 해상도가 컬러 화소(19)의 반분의 사이즈(컬러 화소(19)의 1/4의 면적), 즉 기본 화소의 사이즈로까지 개선되는 것은 도 19의 베이어 배열과 동일하다.
상술한 바와 같이, 도 17B에 나타낸 종래의 촬상용 광 검출 장치에서는 광의 색 분리를 적색, 녹색, 청색의 3색 중 2색을 선택적으로 흡수하는 색 필터(9)에 의해 행하고 있었으므로, 색 필터(9)에 의해 7∼8할의 광이 흡수되고 있었다. 이에 반해, 본 실시 형태 1의 촬상용 광 검출 장치에서는, 광의 색 분리를 광의 흡수가 아니라, 광의 회절을 이용하여 행하고 있으므로, 광의 전체 에너지를 활용할 수 있다. 따라서, 본 실시 형태 1에서는, 광의 이용 효율이 종래의 2∼3배로 향상된다.
또, 도 17B에 나타낸 종래의 촬상용 광 검출 장치에서는, 마이크로 렌즈 1개로 1개의 색 정보를 검출하고 있었다. 이에 반해, 본 실시 형태 1의 촬상용 광 검출 장치에서는, 마이크로 렌즈 1개로 2종류 이상의 색 정보를 검출한다. 따라서, 마이크로 렌즈(10)(또는 내부 마이크로 렌즈(7a))의 사이즈를 일정하게 하여 비교하면, 본 실시 형태 1에서는 종래에 비해 화소 밀도를 2배 이상으로 하는 것이 가능해진다.
또한, 도 21에 나타낸 종래의 광 검출 장치에서는, 광의 색 분리를 행하기 위해 프리즘의 분산 특성을 이용하므로 분광의 작용(굴절각의 파장에 의한 차)이 작다는 문제가 있었다. 이에 반해, 본 실시 형태 1의 촬상용 광 검출 장치에서는, 광의 파면에 발생하는 위상 시프트(또한 바꿔 말하면, 중심축(14)이 절곡된 도파로 내에서 발생하는 모드 이행)를 이용하므로, 분광의 작용(회절각의 파장에 의한 차)이 크다. 따라서, 도 5A, 도 6A, 및 도 7A에 나타낸 바와 같이, 고굴절률 투명부의 선단과 광 검출면의 간격을 1∼3μm로 설정하면, 0차 회절광(녹색), 1차 회절광(적색), -1차 회절광(청색)의 3개의 스폿 사이에 0.5μm 이상의 변위를 부여할 수 있어, 시험적으로 제작하는데 있어서 충분히 현실적인 치수라고 할 수 있다.
고굴절률 투명부(13a, 13b) 및 포토디텍터(6R, 6G, 6B)의 배치는 도 11 및 도 12A에 한정되지 않고, 여러 가지로 변경할 수 있다. 도 12B, 도 12C, 도 12D는, 포토디텍터(6R, 6G, 6B)의 배치의 다른 예를 도 12A와 동일하게 나타낸 도면이다. 도 12B, 도 12C, 도 12D에서는, 도 12A와 동일하게, X축 방향을 따른 포토디텍터의 열에 있어서는, 포토디텍터(6R, 6G, 6B, 6G)가 이 순서로 배열되고, 이 배열이 반복하여 배치되어 있다. 이러한 Y축 방향을 따른 포토디텍터의 열이, 고굴절률 투명부의 X축 방향 배치 피치(보다 정확하게는 고굴절률 투명부의 폭 w2를 갖는 부분의 X축 방향의 배치 피치, 즉 내부 마이크로 렌즈(7a)의 X축 방향 배치 피치)에 대해, 도 12B에서는 0배, 도 12C에서는 0.5배, 도 12D에서는 1.5배만큼 X축 방향으로 위치가 어긋나면서, 순차적으로 Y축 방향으로 배치되어 있다.
도 12B, 도 12C, 도 12D와 같은 포토디텍터(6R, 6G, 6B)의 배치를 실현하기 위한 고굴절률 투명부(13a, 13b)의 배치는, 도시를 생략하지만, 도 11로부터 용이하게 추측할 수 있을 것이다. 즉, 도 12B, 도 12C, 도 12D의 어느 것에 있어서나, 도 11과 동일하게, X축 방향을 따른 고굴절률 투명부의 열에 있어서는 고굴절률 투명부(13a, 13b)가 교대로 배치된다. 이러한 고굴절률 투명부의 열이, 고굴절률 투명부의 X축 방향의 배치 피치(보다 정확하게는 고굴절률 투명부의 폭 w2를 갖는 부분의 X축 방향의 배치 피치, 즉 내부 마이크로 렌즈(7a)의 X축 방향 배치 피치)에 대해, 도 12B에서는 0배, 도 12C에서는 0.5배, 도 12D에서는 1.5배만큼 X축 방향으로 위치가 어긋나면서, 순차적으로 Y축 방향으로 배치된다. 도 12A, 도 12B에서는, 고굴절률 투명부의 열 사이에 있어서 고굴절률 투명부의 X축 방향 위치가 일치하므로, 고굴절률 투명부를 Y축 방향으로 연속되는 판형상으로 형성할 수 있다. 또한, 도 12B에서는, 고굴절률 투명부의 열 사이에 있어서 고굴절률 투명부(13a, 13b)의 X축 방향 위치가 일치하므로, 고굴절률 투명부를 XZ 단면 형상이 Y축 방향으로 일정한 판형상으로 형성할 수 있다. 한편, 도 12C, 도 12D에서는, 고굴절률 투명부의 위치에 대응하여 마이크로 렌즈(10) 및 내부 마이크로 렌즈(7a)의 X축 방향의 위치가, Y축 방향으로 서로 이웃하는 열 사이에서 X축 방향의 그 배치 피치의 0.5배만큼 위치가 어긋나게 된다. 즉, Z축과 평행하게 보았을 때, 원형인 마이크로 렌즈(10) 및 내부 마이크로 렌즈(7a)가 벌집형상으로 배치된다. 따라서, 마이크로 렌즈(10), 고굴절률 투명부(13), 및 내부 마이크로 렌즈(7a)의 Y축 방향의 배치 피치를 작게 하여, 피사체로부터의 광의 이용 효율을 더욱 높일 수 있다.
상술한 도 12A∼도 12D는 삼원색을 검출하는 것을 상정한 화소 배치의 예이다. 예를 들면, 상술한 바와 같이 포토디텍터(6G)와 포토디텍터(6R) 또는 포토디텍터(6B)를 결합하여 원색과 그 보색을 검출하는 경우에는, 포토디텍터의 배치는, 도 12A∼도 12D와는 상이한 배치가 되며, 원하는 화소 배치에 따라 여러 가지로 설정할 수 있다.
(실시 형태 2)
도 13은, 본 발명의 실시 형태 2에 관한 광 검출 장치(4)의 개략 구성을 도시한 도면이며, 도 1의 부분 XIII의 확대 단면도이다. 도 14는, 본 실시 형태 2에 관한 광 검출 장치(4)의 구성 요소의 평면 배치를 나타낸 광 검출면의 확대 평면도이다. 도 15A는, 도 14에 나타낸 광 검출 장치(4)에 있어서의 포토디텍터(6R, 6G, 6B)의 배치를 도 12A와 동일하게 나타낸 도면이다. 본 실시 형태 2에 있어서, 실시 형태 1과 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙이고 그들에 대한 상세한 설명을 생략한다.
도 13으로부터 확인되는 바와 같이, 본 실시 형태 2는, X축 방향을 따라 배치된 고굴절률 투명부(13)의 중심축(14)의 절곡의 방향이 동일한 점에서, 중심축(14)의 절곡의 방향이 교대로 반전하고 있었던 실시 형태 1과 상이하다. 도 13에 나타낸 XZ 단면에는, 고굴절률 투명부(13a)만이 존재하고, 고굴절률 투명부(13b)는 존재하지 않는다.
본 실시 형태 2는, 고굴절률 투명부(13)의 배치에 관해 실시 형태 1과 상기와 같이 상이한 결과, 고굴절률 투명부(13)와 포토디텍터(6)의 대응 관계도 실시 형태 1과 상이하다. 즉, 도 13으로부터 확인되는 바와 같이, 본 실시 형태 2는, X축 방향으로 서로 이웃하는 포토디텍터(6R, 6G, 6B)에 대해 1개의 고굴절률 투명부(13)가 대응하는 점에서, X축 방향으로 서로 이웃하는 포토디텍터(6R, 6G, 6B) 중 양 외측의 포토디텍터(6R, 6B)에 대해서는 각각 2개의 고굴절률 투명부(13)가 대응하는 실시 형태 1과 상이하다. 본 실시 형태 2에서는, X축 방향에 있어서는, 포토디텍터(6R, 6G, 6B)가 이 순서로 배열되고, 이 배열이 반복하여 배치되어 있다.
도 14를 참조하면, 본 예에서는, X축 방향을 따라 배치된 고굴절률 투명부(13a)의 열이, X축 방향으로 위치가 어긋나지 않고 Y축 방향으로 반복하여 배치되어 있다. 그 결과, Y축 방향을 따라 고굴절률 투명부(13a)가 연속하여 배치되어 있다.
또한, X축 방향에 있어서는, 포토디텍터(6R, 6G, 6B)가 이 순서로 배열되고, 이 배열이 반복하여 배치되어 있다. 이와 같이 하여 X축 방향을 따라 배치된 포토디텍터의 열이, X축 방향으로 위치가 어긋나지 않고 Y축 방향으로 반복하여 배치되어 있다. 그 결과, 포토디텍터(6R, 6G, 6B)의 각각이 Y축 방향으로 서로 이웃한다. 실시 형태 1과 동일하게, 포토디텍터(6G)는 고굴절률 투명부(13a)의 바로 아래(즉, 내부 마이크로 렌즈(7a)의 중심축 상)에 각각 배치되어 있다.
도 15A를 참조하면, 컬러 화소를 2열×2행의 4개의 기본 화소로 구성하고자 하면, 컬러 화소(19)는 2개의 녹색(기본 화소 G)과 2개의 청색(기본 화소 B)으로 구성되고, 컬러 화소(19)의 반분의 사이즈(기본 화소의 사이즈)만큼 X축 방향 또는 Y축 방향으로 시프트한 위치에는, 2개의 녹색(기본 화소 G)과 2개의 적색(기본 화소 R)으로 구성되는 컬러 화소(19')나, 2개의 청색(기본 화소 B)과 2개의 적색(기본 화소 R)으로 구성되는 컬러 화소(19")가 형성된다. 이들 컬러 화소(19, 19', 19")는 모두 녹색, 청색, 적색 중 어느 1개를 결여하고 있고, 베이어 배열을 구성하지 않는다. 그러나, 컬러 화소를 1열×3행의 X축 방향으로 연속되는 3개의 기본 화소로 구성하면, 컬러 화소(20)나, 컬러 화소(20)에 대해 기본 화소의 사이즈만큼 시프트한 컬러 화소(20')는, 모두 녹색, 청색, 적색을 1개씩 포함한다. 따라서, 베이어 배열과 동일하게, 해상도가 기본 화소의 사이즈로까지 개선된다.
고굴절률 투명부(13) 및 포토디텍터(6R, 6G, 6B)의 배치는 도 14 및 도 15A에 한정되지 않고, 여러 가지로 변경할 수 있다. 도 15B∼도 15F는, 포토디텍터(6R, 6G, 6B)의 배치의 다른 예를 도 15A와 동일하게 나타낸 도면이다.
도 15B, 도 15C에서는, 도 15A와 동일하게, X축 방향을 따른 포토디텍터의 열에 있어서는, 포토디텍터(6R, 6G, 6B)가 이 순서로 배열되고, 이 배열이 반복하여 배치되어 있다. 이러한 Y축 방향을 따른 포토디텍터의 열이, 고굴절률 투명부의 X축 방향 배치 피치(보다 정확하게는 고굴절률 투명부의 폭 w2를 갖는 부분의 X축 방향의 배치 피치, 즉 내부 마이크로 렌즈(7a)의 X축 방향 배치 피치)에 대해, 도 15B에서는 1/3배, 도 15C에서는 2/3배만큼 X축 방향으로 위치가 어긋나면서, 순차적으로 Y축 방향으로 배치되어 있다. 도 15B, 도 15C에서는, 컬러 화소를 3열×1행의 Y축 방향으로 연속되는 3개의 기본 화소로 구성해도, 도 15A에서 설명한 컬러 화소(20, 20')와 동일하게, 해상도를 기본 화소의 사이즈로까지 개선할 수 있다.
도 15D∼도 15F에서는, X축 방향으로 포토디텍터(6R, 6G, 6B)가 이 순서로 배열되고, 이 배열이 반복하여 배치된 열과, X축 방향으로 포토디텍터(6B, 6G, 6R)가 이 순서로 배열되고, 이 배열이 반복하여 배치된 열이, Y축 방향으로 교대로 배치되어 있다. 또한, 포토디텍터(6G)의 X축 방향의 위치가, 고굴절률 투명부의 X축 방향 배치 피치(보다 정확하게는 고굴절률 투명부의 폭 w2를 갖는 부분의 X축 방향의 배치 피치, 즉 내부 마이크로 렌즈(7a)의 X축 방향 배치 피치)에 대해, 도 15D에서는 0배, 도 15E에서는 1/3배, 도 15F에서는 2/3배만큼 Y축 방향으로 서로 이웃하는 열 사이에서 X축 방향으로 위치가 어긋나도록, 포토디텍터의 열이 X축 방향으로 위치가 어긋나면서 순차적으로 Y축 방향으로 배치되어 있다.
도 15B∼도 15F와 같은 포토디텍터(6R, 6G, 6B)의 배치를 실현하기 위한 고굴절률 투명부(13a, 13b)의 배치는, 도시를 생략하지만, 도 14로부터 용이하게 추측할 수 있을 것이다. 즉, 도 15B, 도 15C에서는, 도 14와 동일하게, X축 방향을 따른 고굴절률 투명부의 열은 고굴절률 투명부(13a)만으로 구성된다. 이러한 고굴절률 투명부의 열이, 고굴절률 투명부의 X축 방향의 배치 피치(보다 정확하게는 고굴절률 투명부의 폭 w2를 갖는 부분의 X축 방향의 배치 피치, 즉 내부 마이크로 렌즈(7a)의 X축 방향 배치 피치)에 대해, 도 15B에서는 1/3배, 도 15C에서는 2/3배만큼 X축 방향으로 위치가 어긋나면서, 순차적으로 Y축 방향으로 배치된다.
도 15D∼도 15F에서는, X축 방향을 따라 고굴절률 투명부(13a)만이 배치된 열과, X축 방향을 따라 고굴절률 투명부(13b)만이 배치된 열이, Y축 방향으로 교대로 배치된다. 또한, 고굴절률 투명부(13a, 13b)의 위치가, 고굴절률 투명부(13a, 13b)의 X축 방향 배치 피치(보다 정확하게는 고굴절률 투명부의 폭 w2를 갖는 부분의 X축 방향의 배치 피치, 즉 내부 마이크로 렌즈(7a)의 X축 방향 배치 피치)에 대해, 도 15D에서는 0배, 도 15E에서는 1/3배, 도 15F에서는 2/3배만큼 Y축 방향으로 서로 이웃하는 열 사이에서 X축 방향으로 위치가 어긋나도록, 고굴절률 투명부의 열이 X축 방향으로 위치가 어긋나면서 순차적으로 Y축 방향으로 배치된다.
도 15A, 도 15D는, 고굴절률 투명부의 열 사이에 있어서 고굴절률 투명부의 X축 방향 위치가 일치하므로, 고굴절률 투명부를 Y축 방향으로 연속되는 판형상으로 형성할 수 있다. 또한, 도 15A에서는, 고굴절률 투명부의 열 사이에 있어서 고굴절률 투명부의 중심축의 절곡의 방향도 일치하므로, 고굴절률 투명부를 XZ 단면 형상이 Y축 방향으로 일정한 판형상으로 형성할 수 있다. 한편, 도 15B, 도 15C, 도 15E, 도 15F에서는, 고굴절률 투명부의 위치에 대응하여 마이크로 렌즈(10) 및 내부 마이크로 렌즈(7a)의 X축 방향의 위치가, Y축 방향으로 서로 이웃하는 열 사이에서 X축 방향의 그 배치 피치의 1/3배 또는 2/3배만큼 위치가 어긋나게 된다. 즉, Z축과 평행하게 보았을 때, 원형인 마이크로 렌즈(10) 및 내부 마이크로 렌즈(7a)가 대략 벌집형상으로 배치된다. 따라서, 마이크로 렌즈(10), 고굴절률 투명부(13), 및 내부 마이크로 렌즈(7a)의 Y축 방향의 배치 피치를 작게 하여, 피사체로부터의 광의 이용 효율을 더욱 높일 수 있다.
상술한 도 15A∼도 15F는 삼원색을 검출하는 것을 상정한 화소 배치의 예이다. 예를 들면, 실시 형태 1에서 설명한 바와 같이 포토디텍터(6G)와 포토디텍터(6R) 또는 포토디텍터(6B)를 결합하여 원색과 그 보색을 검출하는 경우에는, 포토디텍터의 배치는, 도 15A∼도 15D와는 상이한 배치가 되고, 원하는 화소 배치에 따라 여러 가지로 설정할 수 있다.
본 실시 형태 2는, 상기 이외는 실시 형태 1과 동일하고, 실시 형태 1에서 설명한 것과 동일한 효과를 발휘하며, 또, 실시 형태 1에서 설명한 것과 동일한 변경이 가능하다.
상술한 실시 형태 1, 2는 본 발명의 적합한 구체예에 지나지 않으며, 본 발명은 이들에 한정되지 않고, 여러 가지의 변경이 가능하다.
고굴절률 투명부(13)의 XZ면을 따른 단면 형상은, 그 중심축(14)이 계단형상으로 절곡되어 있으면 되고, 상기의 실시 형태 1, 2에 나타낸 것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 실시 형태 1, 2에 나타낸 고굴절률 투명부(13)에서는, 그 폭 w1, w2를 규정하는 양면 중 한쪽의 면(도 3의 상면)은, 중심축(14)의 절곡의 앞쪽 부분(폭 w1을 갖는 부분)과 뒤쪽 부분(폭 w2를 갖는 부분)이 단차가 없는 동일면을 구성하고 있었다. 그러나, 도 16A와 같이, 고굴절률 투명부(13)의 폭 w1, w2를 규정하는 양면 중 한쪽의 면(도 16A의 상면)이 중심축(14)의 절곡의 방향과 반대 방향으로 절곡되고, 다른 쪽의 면(도 16A의 하면)이 중심축(14)의 절곡의 방향과 동일 방향으로 절곡되어 있어도 된다. 혹은, 도 16B와 같이, 고굴절률 투명부(13)의 폭 w1, w2를 규정하는 양면(도 16B의 상하면)이 중심축(14)의 절곡의 방향과 동일 방향으로 절곡되어 있어도 된다. 또한, 중심축(14)의 절곡보다 앞쪽 부분의 폭 w1과 뒤쪽 부분의 폭 w2의 관계가, 도 16C와 같이 w1=w2여도 되고, 혹은, 도 16D와 같이 w1<w2여도 된다. 또, 도 16E와 같이, 중심축(14)의 절곡 부분이 Z축 방향으로 어떤 영역을 차지하도록 중심축(14)이 완만하게 절곡되어 있어도 된다. 또한, 중심축(14)의 절곡보다 앞쪽 부분의 폭 w1이 일정하지 않고 변화하고 있어도 되며, 동일하게 중심축(14)의 절곡보다 뒤쪽 부분의 폭 w2가 일정하지 않고 변화하고 있어도 된다. 또, 중심축(14)의 계단형상의 절곡의 수는 1개일 필요는 없으며, 2개 이상이어도 된다.
Y축 방향으로 서로 이웃하는 고굴절률 투명부(13)는, 길이(Z축 방향의 치수) h1, h2나 중심축(14)의 절곡의 방향을 변화시키면서 서로 일부에서 연속되어 있어도 되고, 완전히 독립되어 있어도 된다. 독립되어 있는 경우에는, 서로 이웃하는 고굴절률 투명부(13) 사이에는 저굴절률 투명층(12)이 충전된다.
또, 상기의 실시 형태 1, 2에서는, Z축 방향에 있어서, 고굴절률 투명부(13)가 마이크로 렌즈(10)의 하면과 접하고 있었지만, 고굴절률 투명부(13)와 마이크로 렌즈(10)는 이간되어 있어도 된다. 이 경우, 양자 사이에는 저굴절률 투명층(12)이 설치되어도 된다.
고굴절률 투명부(13)는, 입사한 광을 그 확산을 억제하면서 포토디텍터(6)측으로 인도하는 것과 같은 도파로로서의 기능을 가지므로, 조건에 따라서는 이것과 유사한 기능을 갖는 마이크로 렌즈(10)를 생략하는 것도 가능하다(실제로, 도 5A, 도 5B, 도 6A, 도 6B, 도 7A, 도 7B에서의 파동 광학 계산에서는 마이크로 렌즈(10)를 생략하였다). 단, 고굴절률 투명부(13)는 Y축 방향으로 연장되어 설치되어 있으므로, Y축 방향에는 도파로로서의 효과가 적다. 따라서, 고굴절률 투명부(13)가 마이크로 렌즈(10)를 대용하게 하기 위해서는, 적어도 고굴절률 투명부(13) 및 저굴절률 투명층(12)의 입사측 표면에, 고굴절률 투명부의 열마다 X축 방향을 중심축 방향으로 하는 실린드리컬면을 형성하는 것이 바람직하다.
상기의 실시 형태 1, 2에서는, 포토디텍터(6)가 X축 방향 및 Y축 방향을 따라 2차원 형상으로 배열되어 있었지만, 1차원 형상으로 배열되어 있어도 된다. 이 경우, 고굴절률 투명부(13)도, 포토디텍터(6)의 배열 방향을 따라 1차원 형상으로 배열된다.
상기의 실시 형태 1, 2에서는, 고굴절률 투명부(13)의 재료로서 SiN를 이용하는 예를 나타내었지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 예를 들면 산화탄탈이나 산화티탄 등의 고굴절률 재료나, 저굴절률 투명층(12)에 대해 0.2 이상의 굴절률차를 확보할 수 있는 것이면 폴리이미드 수지 등의 수지 재료나 나노콤퍼지트 등을 이용할 수도 있다.
상기의 실시 형태 1, 2에서는, 0차 회절광 D0, 1차 회절광 D1, -1차 회절광 D-1이 녹색, 적색, 청색의 삼원색의 광인 경우를 설명하였지만, 0차 회절광D0, 1차 회절광 D1, -1차 회절광 D-1 중 적어도 1개가 삼원색 이외의 파장의 광(예를 들면 적외광)이어도 된다.
도 17B 및 도 19에 나타낸 종래의 광 검출 장치의 수광 영역에는, 실제로는 마이크로 렌즈와 포토디텍터의 사이에 금속 배선 등의 차광부가 존재하므로, 수광 영역에 입사한 광의 일부는 차광부에 의해 차단되어 버린다. 이것은, 상기의 실시 형태 1, 2에 나타낸 광 검출 장치에서도 동일하다. 그러나, 최근, 금속 배선의 영향을 받지 않고 수광 영역의 전면에서 수광할 수 있는 이면 조사형의 고체 촬상 소자가 개발되어 있다. 광의 회절을 이용하여 색 분리를 행함으로써 광 이용 효율을 높일 수 있는 본 발명의 광 검출 장치를, 상기의 이면 조사형의 고체 촬상 소자에 적용하면, 광 이용 효율을 더욱 향상시킬 수 있어, 효과적이라고 생각된다.
이상에 설명한 실시 형태는, 모두 어디까지나 본 발명의 기술적 내용을 명확하게 하는 의도의 것으로서, 본 발명은 이러한 구체예에만 한정하여 해석되는 것은 아니고, 그 발명의 정신과 청구의 범위에 기재하는 범위 내에서 여러 가지로 변경하여 실시할 수 있어, 본 발명을 넓은 의미로 해석해야 한다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명의 이용 분야는 특별히 제한은 없고, 물체의 상을 촬영하기 위한, 소형 또한 고해상도의 촬상용 광 검출 장치로서 광범위하게 이용할 수 있다.
1 : 물체
2 : 렌즈계
3 : 상
4 : 광 검출 장치
5 : 검출 기판
6, 6R, 6G, 6B : 포토디텍터
7 : 저굴절률의 투명 버퍼층
7a : 내부 마이크로 렌즈
8 : 고굴절률의 투명 버퍼층
10 : 마이크로 렌즈
11 : 입사 광선
12 : 저굴절률 투명층
13, 13a, 13b : 고굴절률 투명부
14 : 고굴절률 투명부의 중심축
D0 : 0차 회절광
D1 : 1차 회절광
D-1 : -1차 회절광

Claims (16)

  1. 기판 상에 적어도 제1 방향을 따라 배열된 복수의 광 검출기와, 상기 복수의 광 검출기의 위쪽에 형성된 저굴절률 투명층과, 상기 제1 방향을 따라 상기 저굴절률 투명층 내에 매설된 기둥형상 또는 판형상의 복수의 고굴절률 투명부를 구비하고,
    상기 고굴절률 투명부의, 상기 기판에 직교하고 또한 상기 제1 방향을 따른 단면에 있어서, 상기 고굴절률 투명부의 중심축이 계단형상으로 절곡되며,
    상기 저굴절률 투명층 및 상기 고굴절률 투명부에 입사하는 광은, 그들을 통과함으로써, 0차 회절광과 1차 회절광과 -1차 회절광으로 분리되는 것을 특징으로 하는 촬상용 광 검출 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 고굴절률 투명부의 상기 단면에 있어서, 상기 고굴절률 투명부의 폭이 상기 중심축의 절곡의 전후에서 변화하고, 상기 중심축의 상기 절곡에 대해 상기 기판측에서의 상기 고굴절률 투명부의 폭은 이것과 반대측에서의 상기 고굴절률 투명부의 폭보다 작은, 촬상용 광 검출 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 0차 회절광이 제1 광 검출기로, 상기 1차 회절광이 제2 광 검출기로, 상기 -1차 회절광이 제3 광 검출기로, 각각 검출되는, 촬상용 광 검출 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 저굴절률 투명층 및 상기 고굴절률 투명부에 입사하는 광이 백색광인 경우, 상기 제1 광 검출기에 입사하는 광은 0.50μm∼0.60μm의 녹색 파장 영역에서 광량 피크를 이루고, 상기 제2 광 검출기에 입사하는 광은 0.60μm를 초과하는 적색 파장 영역에서 광량 피크를 이루며, 상기 제3 광 검출기에 입사하는 광은 0.50μm 미만 아래의 청색 파장 영역에서 광량 피크를 이루는, 촬상용 광 검출 장치.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 0차 회절광과 상기 1차 회절광이 제1 광 검출기로, 상기 -1차 회절광이 제2 광 검출기로, 각각 검출되는, 촬상용 광 검출 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 저굴절률 투명층 및 상기 고굴절률 투명부에 입사하는 광이 백색광인 경우, 상기 제1 광 검출기에 입사하는 광은 0.50μm 이상의 청색 파장 영역 이외의 파장 영역에서 광량 피크를 이루고, 상기 제2 광 검출기에 입사하는 광은 0.50μm 미만 아래의 청색 파장 영역에서 광량 피크를 이루는, 촬상용 광 검출 장치.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 1차 회절광이 제1 광 검출기로, 상기 0차 회절광과 상기 -1차 회절광이 제2 광 검출기로, 각각 검출되는, 촬상용 광 검출 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 저굴절률 투명층 및 상기 고굴절률 투명부에 입사하는 광이 백색광인 경우, 상기 제1 광 검출기에 입사하는 광은 0.60μm를 초과하는 적색 파장 영역에서 광량 피크를 이루고, 상기 제2 광 검출기에 입사하는 광은 0.60μm 이하의 적색 파장 영역 이외의 파장 영역에서 광량 피크를 이루는, 촬상용 광 검출 장치.
  9. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 방향을 따라 배치된 상기 복수의 고굴절률 투명부의 상기 중심축의 절곡의 방향이 교대로 반전하고 있고,
    상기 복수의 고굴절률 투명부의 각각에 대해 상기 제1 방향으로 서로 이웃하는 3개의 상기 광 검출기가 대응하며,
    상기 제1 방향을 따라 배치된 상기 3개의 광 검출기 중 양 외측의 2개의 광 검출기는, 상기 3개의 광 검출기에 대응하는 고굴절률 투명부에 대해 상기 제1 방향에 있어서 서로 이웃하는 고굴절률 투명부에도 대응하고 있는, 촬상용 광 검출 장치.
  10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 방향을 따라 배치된 상기 복수의 고굴절률 투명부의 상기 중심축의 절곡의 방향이 동일하고,
    상기 복수의 고굴절률 투명부의 각각에 대해 상기 제1 방향으로 서로 이웃하는 3개의 상기 광 검출기가 대응하며,
    상기 복수의 광 검출기의 각각은, 상기 0차 회절광, 상기 1차 회절광, 및 상기 -1차 회절광 중 어느 1개를 검출하는, 촬상용 광 검출 장치.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 방향과 평행한 복수의 열을 따라 상기 고굴절률 투명부가 배치되어 있고,
    상기 제1 방향과 평행한 상기 고굴절률 투명부의 열을 구성하는 각 고굴절률 투명부의 상기 제1 방향의 위치가, 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향에 있어서 서로 이웃하는 2개의 열 사이에서 상기 제1 방향의 배치 피치의 0배, 0.5배, 1배 또는 1.5배만큼 위치가 어긋나 있는, 촬상용 광 검출 장치.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1 방향과 평행한 복수의 열을 따라 상기 고굴절률 투명부가 배치되어 있고,
    상기 제1 방향과 평행한 상기 고굴절률 투명부의 열에 있어서의 상기 중심축의 절곡의 방향이 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향에 있어서 서로 이웃하는 2개의 열 사이에서 동일하며,
    상기 제1 방향과 평행한 상기 고굴절률 투명부의 열을 구성하는 각 고굴절률 투명부의 상기 제1 방향의 위치가, 상기 제2 방향에 있어서 서로 이웃하는 2개의 열 사이에서 상기 제1 방향의 배치 피치의 0배, 1/3배, 또는 2/3배만큼 위치가 어긋나 있는, 촬상용 광 검출 장치.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1 방향과 평행한 복수의 열을 따라 상기 고굴절률 투명부가 배치되어 있고,
    상기 제1 방향과 평행한 상기 고굴절률 투명부의 열에 있어서의 상기 중심축의 절곡의 방향이 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향에 있어서 서로 이웃하는 2개의 열 사이에서 반전하고 있으며,
    상기 제1 방향과 평행한 상기 고굴절률 투명부의 열을 구성하는 각 고굴절률 투명부의 상기 제1 방향의 위치가, 상기 제2 방향에 있어서 서로 이웃하는 2개의 열 사이에서 상기 제1 방향의 배치 피치의 0배, 1/3배, 또는 2/3배만큼 위치가 어긋나 있는, 촬상용 광 검출 장치.
  14. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 광 검출기는 그 표면을 포함하지 않는 심층 영역에서 광을 검출하고, 상기 제2 광 검출기는 그 표면을 포함하지 않는 심층 영역에서 광을 검출하며, 상기 제3 광 검출기는 그 표면을 포함하는 표층 영역에서 광을 검출하는, 촬상용 광 검출 장치.
  15. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 광 검출기는 그 표면을 포함하지 않는 심층 영역에서 광을 검출하고, 상기 제2 광 검출기는 그 표면을 포함하는 표층 영역에서 광을 검출하는, 촬상용 광 검출 장치.
  16. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 광 검출기는 그 표면을 포함하지 않는 심층 영역에서 광을 검출하고, 상기 제2 광 검출기는 그 표면을 포함하는 표층 영역에서 광을 검출하는, 촬상용 광 검출 장치.
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