JP2003259232A - 撮像装置およびシステム - Google Patents
撮像装置およびシステムInfo
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14601—Structural or functional details thereof
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- H01L27/14629—Reflectors
-
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 カラーフィルタを用いることなく、カラー画
像を形成する撮像装置を提供する。 【解決手段】 被写体からの光をマイクロレンズ２で集
め、集めた光を屈折部８を通じて光電変換部３へ送り、
光電変換部３で電気信号に変換することによって被写体
を撮像する撮像装置において、マイクロレンズ２と屈折
部８との間に、特定の波長の光を選択的に透過すると共
に他の波長の光を反射する凸状の波長選択部４ｒ、４ｇ
と、波長選択部４ｒ、４ｇで反射された光を隣接する光
電変換部３の屈折部に向けて反射する反射部５とを備え
る。
像を形成する撮像装置を提供する。 【解決手段】 被写体からの光をマイクロレンズ２で集
め、集めた光を屈折部８を通じて光電変換部３へ送り、
光電変換部３で電気信号に変換することによって被写体
を撮像する撮像装置において、マイクロレンズ２と屈折
部８との間に、特定の波長の光を選択的に透過すると共
に他の波長の光を反射する凸状の波長選択部４ｒ、４ｇ
と、波長選択部４ｒ、４ｇで反射された光を隣接する光
電変換部３の屈折部に向けて反射する反射部５とを備え
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、撮像装置およびシ
ステムに関し、特に、被写体像からの光の利用効率を上
げた撮像装置およびシステムのに関するものである。
ステムに関し、特に、被写体像からの光の利用効率を上
げた撮像装置およびシステムのに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、カラー画像を形成する一般的な撮
像装置として、図７に示す構造のものがある。
像装置として、図７に示す構造のものがある。
【０００３】図７は、従来の撮像装置の画素の中央断面
図である。図７において、２は外部からの光束を集光し
て光束の取り込み効率を上げる役目を果たすマイクロレ
ンズ、４１はマイクロレンズ２で集光された光束を波長
分離するカラーフィルタ、１１は各部間の結線および出
力線の役割を果たすＡＬ１配線層、１２はウェル電源線
および制御線の役割を果たすＡＬ２配線層、１３は遮光
および電源線の役割を果たすＡＬ３配線層、１０は光電
変換部の電荷を制御するゲートの役割を果たすＰｏｌｙ
配線層、３がＰｏｌｙ配線層１０の下に形成されており
光信号を電気信号に変換する画素、１は画素３が形成さ
れる基板である。
図である。図７において、２は外部からの光束を集光し
て光束の取り込み効率を上げる役目を果たすマイクロレ
ンズ、４１はマイクロレンズ２で集光された光束を波長
分離するカラーフィルタ、１１は各部間の結線および出
力線の役割を果たすＡＬ１配線層、１２はウェル電源線
および制御線の役割を果たすＡＬ２配線層、１３は遮光
および電源線の役割を果たすＡＬ３配線層、１０は光電
変換部の電荷を制御するゲートの役割を果たすＰｏｌｙ
配線層、３がＰｏｌｙ配線層１０の下に形成されており
光信号を電気信号に変換する画素、１は画素３が形成さ
れる基板である。
【０００４】なお、ここではカラーフィルタ４を４１
ｒ、４１ｇ、４１ｂに大別しており、それぞれＲ（赤
色）Ｇ（緑色）Ｂ（青色）の原色フィルタを指してい
る。また、色フィルタとしてはＣ（シアン）Ｍ（マゼン
ダ）Ｙ（イエロー）の３色を用いた補色フィルタという
ものもある。
ｒ、４１ｇ、４１ｂに大別しており、それぞれＲ（赤
色）Ｇ（緑色）Ｂ（青色）の原色フィルタを指してい
る。また、色フィルタとしてはＣ（シアン）Ｍ（マゼン
ダ）Ｙ（イエロー）の３色を用いた補色フィルタという
ものもある。
【０００５】画素３はモザイク状に配列してあり、変換
した電気信号の信号処理で画素数に相当する輝度情報と
色情報とを作り出されている。
した電気信号の信号処理で画素数に相当する輝度情報と
色情報とを作り出されている。
【０００６】図８は、図７に示した画素３が配列された
様子を示す平面図である。なお、カラーフィルタ配列は
ベイヤー配列としている。図８において、６１ｍｎｇは
第１の緑色の画素、６１ｍｎｂは青色の画素、６１ｍｎ
ｒは赤色の画素、６１ｍｎｇ２は第２の緑色の画素であ
る。ｍは横方向の画素の配列番号を示し、ｎは縦方向の
画素の配列番号を示している。これらが図８に示すよう
に規則正しく配置することにより一つの撮像装置を構成
する。
様子を示す平面図である。なお、カラーフィルタ配列は
ベイヤー配列としている。図８において、６１ｍｎｇは
第１の緑色の画素、６１ｍｎｂは青色の画素、６１ｍｎ
ｒは赤色の画素、６１ｍｎｇ２は第２の緑色の画素であ
る。ｍは横方向の画素の配列番号を示し、ｎは縦方向の
画素の配列番号を示している。これらが図８に示すよう
に規則正しく配置することにより一つの撮像装置を構成
する。
【０００７】このような画素配列では、緑色のフィルタ
が備えられた画素が、青色、赤色のフィルタが備えられ
た画素に比べて２倍の画素数が必要となる。基本的には
３色が同数ずつあればカラーの画像を作り出すことが可
能であるが、比較的視感度の高い緑色の画素を増やすこ
とで画質を向上させている。
が備えられた画素が、青色、赤色のフィルタが備えられ
た画素に比べて２倍の画素数が必要となる。基本的には
３色が同数ずつあればカラーの画像を作り出すことが可
能であるが、比較的視感度の高い緑色の画素を増やすこ
とで画質を向上させている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の技術は
次のような問題点が存在する。すなわち、カラーフィル
タを用いた場合の光束の利用効率に関して考えると、例
えば、色再現性がよいとされる原色フィルタ付きの画素
をモザイク状に配置したＣＣＤ撮像装置では、Ｒ（赤
色）Ｇ（緑色）Ｂ（青色）の光学フィルタがマイクロレ
ンズ２と画素３との間に一つずつ配置される。
次のような問題点が存在する。すなわち、カラーフィル
タを用いた場合の光束の利用効率に関して考えると、例
えば、色再現性がよいとされる原色フィルタ付きの画素
をモザイク状に配置したＣＣＤ撮像装置では、Ｒ（赤
色）Ｇ（緑色）Ｂ（青色）の光学フィルタがマイクロレ
ンズ２と画素３との間に一つずつ配置される。
【０００９】このとき、赤色の光学フィルタを配した画
素では赤色光のみが光電変換され青色光や緑色光は光学
フィルタで吸収されて熱となる。緑色の光学フィルタを
配した画素では同様に青色光と赤色光が光電変換されず
に熱となり、青色の光学フィルタを配した画素では同様
に緑色光と赤色光が光電変換されずに熱となる。
素では赤色光のみが光電変換され青色光や緑色光は光学
フィルタで吸収されて熱となる。緑色の光学フィルタを
配した画素では同様に青色光と赤色光が光電変換されず
に熱となり、青色の光学フィルタを配した画素では同様
に緑色光と赤色光が光電変換されずに熱となる。
【００１０】すなわち、従来のカラー撮像装置の各画素
では、入射する光束のうち所定の光学フィルタを透過し
た光のみを光電変換し、電気信号として出力するので、
その光学フィルタを透過できなかった光は熱などに変換
され、画素３に到達しない。
では、入射する光束のうち所定の光学フィルタを透過し
た光のみを光電変換し、電気信号として出力するので、
その光学フィルタを透過できなかった光は熱などに変換
され、画素３に到達しない。
【００１１】図９は、ＲＧＢの各カラーフィルタの分光
透過率特性を示す図である。赤外線の透過率が高いの
で、実際には撮像装置と撮影レンズとの間にさらに６５
０ｎｍ以上の波長を遮断する赤外線カットフィルタが重
ねて用いられる。これより分かるように、１画素の中で
は可視光のうちのおよそ１／３だけが有効に用いられ
る。
透過率特性を示す図である。赤外線の透過率が高いの
で、実際には撮像装置と撮影レンズとの間にさらに６５
０ｎｍ以上の波長を遮断する赤外線カットフィルタが重
ねて用いられる。これより分かるように、１画素の中で
は可視光のうちのおよそ１／３だけが有効に用いられ
る。
【００１２】さらに詳しくＲＧＢの色別に利用効率を考
えれば、例えば図８に示すベイヤー配列のカラー撮像装
置のＲＧＢ画素面積比率は、規則的配列を構成する１単
位の面積を１としたとき、１／４：２／４：１／４であ
るので、全体の光量を１としたときの緑色光の利用割合
は波長選択性の項と面積比率の項の積として１／３×２
／４＝１／６、赤色光と青色光が１／３×１／４＝１／
１２、合計すれば１／６＋１／１２＋１／１２＝１／３
で、やはり利用効率１／３ということになる。
えれば、例えば図８に示すベイヤー配列のカラー撮像装
置のＲＧＢ画素面積比率は、規則的配列を構成する１単
位の面積を１としたとき、１／４：２／４：１／４であ
るので、全体の光量を１としたときの緑色光の利用割合
は波長選択性の項と面積比率の項の積として１／３×２
／４＝１／６、赤色光と青色光が１／３×１／４＝１／
１２、合計すれば１／６＋１／１２＋１／１２＝１／３
で、やはり利用効率１／３ということになる。
【００１３】逆に、全体の光量を１としたときに、その
うち緑色光で２／３×２／４＝１／３が、赤色光や青色
光で２／３×１／４＝１／６が有効に利用されないこと
になる。
うち緑色光で２／３×２／４＝１／３が、赤色光や青色
光で２／３×１／４＝１／６が有効に利用されないこと
になる。
【００１４】以上は、原色系のカラーフィルタを用いた
撮像装置で説明を行ったが、補色フィルタを用いた撮像
装置では、可視光のうちのおよそ１／３が光電変換され
ず、有効に利用されない。このように、原色系・補色系
のいずれにしても従来型の単板式撮像装置ではカラーフ
ィルタで撮像面を分割していることが起因して光利用効
率は悪い。
撮像装置で説明を行ったが、補色フィルタを用いた撮像
装置では、可視光のうちのおよそ１／３が光電変換され
ず、有効に利用されない。このように、原色系・補色系
のいずれにしても従来型の単板式撮像装置ではカラーフ
ィルタで撮像面を分割していることが起因して光利用効
率は悪い。
【００１５】そこで、本出願人は、カラーフィルタを用
いることなく、カラー画像を形成する撮像装置を提供す
ることを課題とする。
いることなく、カラー画像を形成する撮像装置を提供す
ることを課題とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、被写体からの光をマイクロレンズで集
め、当該集めた光を光電変換部へ送り、前記光電変換部
で電気信号に変換することによって被写体を撮像する撮
像装置において、前記マイクロレンズと屈折部との間
に、特定の波長の光を選択的に透過すると共に他の波長
の光を反射する波長選択部と、前記波長選択部で反射さ
れた光を隣接する光電変換部に向けて反射する反射部と
を備え、前記反射部で反射された光が前記波長選択部で
結像するように構成されていることを特徴とする。
に、本発明は、被写体からの光をマイクロレンズで集
め、当該集めた光を光電変換部へ送り、前記光電変換部
で電気信号に変換することによって被写体を撮像する撮
像装置において、前記マイクロレンズと屈折部との間
に、特定の波長の光を選択的に透過すると共に他の波長
の光を反射する波長選択部と、前記波長選択部で反射さ
れた光を隣接する光電変換部に向けて反射する反射部と
を備え、前記反射部で反射された光が前記波長選択部で
結像するように構成されていることを特徴とする。
【００１７】すなわち、本発明は、波長選択部近傍で反
射光束径が最小にして、反射光をより効率よく光電変換
部に導くようにしている。
射光束径が最小にして、反射光をより効率よく光電変換
部に導くようにしている。
【００１８】また、本発明の撮像システムは、上記の撮
像装置を備えることを特徴とする。
像装置を備えることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を用いて説明する。
図面を用いて説明する。
【００２０】（第１の実施形態）図１は、本発明の第１
の実施形態の撮像装置の一部の模式的な断面図である。
図１において、２は外部からの光束を集光して光束の取
り込み効率を上げる役目を果たすマイクロレンズ、４
（４ｒ，４ｇ）は光束を波長分離するための波長選択部
であるダイクロイック膜、５，６はそれぞれ第１，第２
の屈折率層、５ｉは第１，第２の屈折率層５，６の界
面、７〜９は第１〜第３の屈折率部、１０は光電変換部
の電荷を制御するゲートの役割を果たすＰｏｌｙ配線
層、１１は各部間の結線および出力線の役割を果たすＡ
Ｌ１配線層、１２はウェル電源線および制御線の役割を
果たすＡＬ２配線層、１３は遮光および電源線の役割を
果たすＡＬ３配線層、１０は光電変換部の電荷を制御す
るゲートの役割を果たすＰｏｌｙ配線層、３がＰｏｌｙ
配線層１０の下に形成されており光信号を電気信号に変
換する光電変換部、１は光電変換部３が形成されるシリ
コンウエハ、１００は上記各部を備える素子部である。
の実施形態の撮像装置の一部の模式的な断面図である。
図１において、２は外部からの光束を集光して光束の取
り込み効率を上げる役目を果たすマイクロレンズ、４
（４ｒ，４ｇ）は光束を波長分離するための波長選択部
であるダイクロイック膜、５，６はそれぞれ第１，第２
の屈折率層、５ｉは第１，第２の屈折率層５，６の界
面、７〜９は第１〜第３の屈折率部、１０は光電変換部
の電荷を制御するゲートの役割を果たすＰｏｌｙ配線
層、１１は各部間の結線および出力線の役割を果たすＡ
Ｌ１配線層、１２はウェル電源線および制御線の役割を
果たすＡＬ２配線層、１３は遮光および電源線の役割を
果たすＡＬ３配線層、１０は光電変換部の電荷を制御す
るゲートの役割を果たすＰｏｌｙ配線層、３がＰｏｌｙ
配線層１０の下に形成されており光信号を電気信号に変
換する光電変換部、１は光電変換部３が形成されるシリ
コンウエハ、１００は上記各部を備える素子部である。
【００２１】なお、マイクロレンズ２の屈折率をｎ1、
高さをｔ1、第１の屈折率層５の屈折率をｎ2、高さをｔ
2、第２の屈折率層６の屈折率をｎ3、第１の屈折率層５
と第２の屈折率層６との界面５ｉとダイクロイック膜４
の頂点４Ｐとの距離をｔ3、ダイクロイック膜４の傾斜
面の角度をθ、一つの素子部の大きさ（ピッチ）をＰと
している。
高さをｔ1、第１の屈折率層５の屈折率をｎ2、高さをｔ
2、第２の屈折率層６の屈折率をｎ3、第１の屈折率層５
と第２の屈折率層６との界面５ｉとダイクロイック膜４
の頂点４Ｐとの距離をｔ3、ダイクロイック膜４の傾斜
面の角度をθ、一つの素子部の大きさ（ピッチ）をＰと
している。
【００２２】素子部１００は、相互に例えば９０度、或
いはハニカム構造のように６０度になるように配列して
いる。
いはハニカム構造のように６０度になるように配列して
いる。
【００２３】マイクロレンズ２は、上に凸の球面形状で
あり正のレンズパワーを有する。
あり正のレンズパワーを有する。
【００２４】第１の屈折率層５は、低屈折率の材料で形
成しており、例えば屈折率１．３８のフッ化マグネシウ
ム（ＭｇＦ2）などを用いる。
成しており、例えば屈折率１．３８のフッ化マグネシウ
ム（ＭｇＦ2）などを用いる。
【００２５】第２の屈折率層６は、高屈折率の材料で形
成しており、例えば屈折率２．５の二酸化チタン（Ｔｉ
Ｏ2）などを用いる。
成しており、例えば屈折率２．５の二酸化チタン（Ｔｉ
Ｏ2）などを用いる。
【００２６】このため、第２の屈折率層６から第１の屈
折率層５へと進む光束はその界面で全反射しやすくな
る。
折率層５へと進む光束はその界面で全反射しやすくな
る。
【００２７】第３の屈折率部９は、屈折率１．４６の二
酸化ケイ素（ＳｉＯ2）やフッ化マグネシウムといった
低屈折率の材料で成形している。
酸化ケイ素（ＳｉＯ2）やフッ化マグネシウムといった
低屈折率の材料で成形している。
【００２８】このため、第２の屈折率部６に入射した光
束は、第３の屈折率部９との界面で全反射しやすくなる
ため、光電変換部３に至るまでの導光路の役割を果た
す。
束は、第３の屈折率部９との界面で全反射しやすくなる
ため、光電変換部３に至るまでの導光路の役割を果た
す。
【００２９】第１の屈折率部７は、第２の屈折率部６と
の界面で全反射しないようにする必要があるため、第２
の屈折率部６と同じかそれよりも低い屈折率の材料で成
形している。但し、第２の屈折率層６との屈折率差があ
まり大きくない方が望ましいため、例えば屈折率２．０
である窒化シリコン（ＳｉＮ）などを用いる。
の界面で全反射しないようにする必要があるため、第２
の屈折率部６と同じかそれよりも低い屈折率の材料で成
形している。但し、第２の屈折率層６との屈折率差があ
まり大きくない方が望ましいため、例えば屈折率２．０
である窒化シリコン（ＳｉＮ）などを用いる。
【００３０】ダイクロイック膜４は、四角錐の形状をし
ている面に形成している。このため、反射した光束は中
心より外側に方向を変えて進行する。
ている面に形成している。このため、反射した光束は中
心より外側に方向を変えて進行する。
【００３１】一般的にダイクロイック膜４とは、注目す
る波長λの１／４の整数倍の膜厚で高屈折率の物質と低
屈折率の物質とを交互に積層することによって形成され
たものである。このような構造により透過光束の波長を
選択することができるようになる。
る波長λの１／４の整数倍の膜厚で高屈折率の物質と低
屈折率の物質とを交互に積層することによって形成され
たものである。このような構造により透過光束の波長を
選択することができるようになる。
【００３２】図５は、図１のダイクロイック膜４の膜厚
例を示す図である。高屈折率の材料として二酸化チタ
ン、低屈折率の材料として二酸化ケイ素を用いている。
これらの積層膜はＰＶＤ（Physical Vapor Depositio
n）を用いることによって容易に作成している。
例を示す図である。高屈折率の材料として二酸化チタ
ン、低屈折率の材料として二酸化ケイ素を用いている。
これらの積層膜はＰＶＤ（Physical Vapor Depositio
n）を用いることによって容易に作成している。
【００３３】図６は、図５に示すダイクロイック膜４の
透過特性を示す図である。図６に示すように、図５に示
すダイクロイック膜４の特性は、色素を用いたカラーフ
ィルタの特性に近い特性である。
透過特性を示す図である。図６に示すように、図５に示
すダイクロイック膜４の特性は、色素を用いたカラーフ
ィルタの特性に近い特性である。
【００３４】従って、ダイクロイック膜４を用いても、
カラーフィルタを用いても光電変換部３への光の到達量
は同様である。
カラーフィルタを用いても光電変換部３への光の到達量
は同様である。
【００３５】つぎに、本実施形態の撮像装置内の光路に
ついて説明する。
ついて説明する。
【００３６】まず、ダイクロイック膜４で透過作用を受
ける光束について説明する。撮像装置に光照射した光
は、図示しない撮影レンズで光束１２０に変換され、マ
イクロレンズ２へ入射して集光作用を受ける。つぎに、
集められた光は、第１の屈折率層５、第２の屈折率層６
と順に入射してダイクロイック膜４ｇへと到達する。
ける光束について説明する。撮像装置に光照射した光
は、図示しない撮影レンズで光束１２０に変換され、マ
イクロレンズ２へ入射して集光作用を受ける。つぎに、
集められた光は、第１の屈折率層５、第２の屈折率層６
と順に入射してダイクロイック膜４ｇへと到達する。
【００３７】ダイクロイック膜４は、所定の波長の光束
だけを選択的に透過するので、ダイクロイック膜４ｇへ
到達した光は、第１の屈折率部７へ入射する。そして、
その光は第２の屈折率部８へ進行し、第３の屈折率部９
との界面で全反射を繰り返しながら、光電変換部３へと
導かれる。つぎに、ダイクロイック膜４において反射作
用を受ける光束について説明する。
だけを選択的に透過するので、ダイクロイック膜４ｇへ
到達した光は、第１の屈折率部７へ入射する。そして、
その光は第２の屈折率部８へ進行し、第３の屈折率部９
との界面で全反射を繰り返しながら、光電変換部３へと
導かれる。つぎに、ダイクロイック膜４において反射作
用を受ける光束について説明する。
【００３８】図２は、図１に示す撮像装置に光を照射し
たときの撮像装置内の波長選択部で反射された光の光路
を示す図である。なお、図２において、図１に示した部
分と同様の部分には同一符号を付している。
たときの撮像装置内の波長選択部で反射された光の光路
を示す図である。なお、図２において、図１に示した部
分と同様の部分には同一符号を付している。
【００３９】ダイクロイック膜４ｇへ光が到達するまで
の手順は上記透過光の場合と同様である。ダイクロイッ
ク膜４ｇに入射した光束のうち、緑色光以外の光、つま
り赤色光および青色光は、ダイクロイック膜４ｇの反射
作用を受ける。
の手順は上記透過光の場合と同様である。ダイクロイッ
ク膜４ｇに入射した光束のうち、緑色光以外の光、つま
り赤色光および青色光は、ダイクロイック膜４ｇの反射
作用を受ける。
【００４０】前述の通り、第２の屈折率層６は第１の屈
折率層５よりも高屈折率であるため臨界角以上の光束は
その界面５ｉで全反射作用を受けることになる。界面で
全反射した光束はダイクロイック膜４ｒ方向に向いて隣
接した素子部である赤色光を受光する素子部１００
ijｒ，１００j+１、jｒに向かって進行する。
折率層５よりも高屈折率であるため臨界角以上の光束は
その界面５ｉで全反射作用を受けることになる。界面で
全反射した光束はダイクロイック膜４ｒ方向に向いて隣
接した素子部である赤色光を受光する素子部１００
ijｒ，１００j+１、jｒに向かって進行する。
【００４１】素子部１００ijｒ，１００j+１、jｒのダイ
クロイック膜４ｒは、赤色光を透過して緑色光と青色光
を反射する。従って素子部１００ijｇより反射してきた
光束のうち赤色光のみが透過して青色光はダイクロイッ
ク膜４ｒによって反射作用を受ける。
クロイック膜４ｒは、赤色光を透過して緑色光と青色光
を反射する。従って素子部１００ijｇより反射してきた
光束のうち赤色光のみが透過して青色光はダイクロイッ
ク膜４ｒによって反射作用を受ける。
【００４２】ここでは反射作用を受ける青色光は紙面と
垂直方向に進むため図示していないが,紙面と垂直方向
で素子部１００ijｇに隣接した素子部に向かって進行す
る。反射光束が透過するダイクロイック膜４ｒは膜厚分
だけ透過できる面積が小さいが、マイクロレンズ２の集
光作用によりダイクロイック膜４ｇに入射する光束の面
積（反射光の面積）はマイクロレンズ２の開口面積に比
べて小さくしている。
垂直方向に進むため図示していないが,紙面と垂直方向
で素子部１００ijｇに隣接した素子部に向かって進行す
る。反射光束が透過するダイクロイック膜４ｒは膜厚分
だけ透過できる面積が小さいが、マイクロレンズ２の集
光作用によりダイクロイック膜４ｇに入射する光束の面
積（反射光の面積）はマイクロレンズ２の開口面積に比
べて小さくしている。
【００４３】従って、反射光束はダイクロイック膜４ｒ
を透過し、第１の屈折率部７、第２の屈折率部８と順に
進行する。続いて第２の屈折率部８から第３の屈折率部
９へ進行しようとするが、これも前述の通り、第２の屈
折率部８は第３の屈折率部９よりも高屈折率であるた
め、臨界角以上の光束は界面で全反射をする。
を透過し、第１の屈折率部７、第２の屈折率部８と順に
進行する。続いて第２の屈折率部８から第３の屈折率部
９へ進行しようとするが、これも前述の通り、第２の屈
折率部８は第３の屈折率部９よりも高屈折率であるた
め、臨界角以上の光束は界面で全反射をする。
【００４４】また、この界面は垂直方向に略平行な２面
で形成されているため、一度目の全反射によって光電変
換部３に入射しなかった光束は再び反対側の界面で全反
射して最終的にはすべて光電変換部３へと入射すること
になる。
で形成されているため、一度目の全反射によって光電変
換部３に入射しなかった光束は再び反対側の界面で全反
射して最終的にはすべて光電変換部３へと入射すること
になる。
【００４５】素子部１００ijｇにおいて紙面に垂直な方
向には青色光を受光する素子部が存在する。これも赤色
の場合と同様に、素子部１００ijｇで反射された光束の
うち青色光のみを取り込む。
向には青色光を受光する素子部が存在する。これも赤色
の場合と同様に、素子部１００ijｇで反射された光束の
うち青色光のみを取り込む。
【００４６】本実施形態では、ダイクロイック膜での反
射光を効率よく光電変換部に導くように、マイクロレン
ズを構成する。そのためには以下の条件が必要である。
射光を効率よく光電変換部に導くように、マイクロレン
ズを構成する。そのためには以下の条件が必要である。
【００４７】＜条件１＞第１および第２の屈折率層５、
６の界面５ｉでの全反射光が、隣接した素子部のダイク
ロイック面に再入射する。
６の界面５ｉでの全反射光が、隣接した素子部のダイク
ロイック面に再入射する。
【００４８】この条件は、ダイクロイック膜４の傾斜面
θとダイクロイック膜４Ｐと界面５ｉの距離ｔ3によっ
て決まる。
θとダイクロイック膜４Ｐと界面５ｉの距離ｔ3によっ
て決まる。
【００４９】図３は、図１のダイクロイック膜４付近の
拡大図である。図３に示す通り、ダイクロイック膜４で
の反射した後に界面５ｉに到達するまでの水平方向の距
離をａ、界面５ｉで反射した後、隣接したダイクロイッ
ク膜に到達するまでの水平方向の距離をｂとしたとき
に、
拡大図である。図３に示す通り、ダイクロイック膜４で
の反射した後に界面５ｉに到達するまでの水平方向の距
離をａ、界面５ｉで反射した後、隣接したダイクロイッ
ク膜に到達するまでの水平方向の距離をｂとしたとき
に、
【００５０】
【数１】
を満足すれば、ダイクロイック膜４での反射光は、界面
５ｉで全反射した後に隣接したダイクロイック面に再入
射することになり、条件１が満たされる。
５ｉで全反射した後に隣接したダイクロイック面に再入
射することになり、条件１が満たされる。
【００５１】よって、ａおよびｂをｔ3、Ｐ、θで表し、
（１）式に代入して、ｔ3で解くと、
（１）式に代入して、ｔ3で解くと、
【００５２】
【数２】
となり、ｔ3とθとが（３）式のような関係であればよ
い。
い。
【００５３】＜条件２＞再入射する光束の幅がダイクロ
イック膜（波長選択部）近傍で狭くなっている。つま
り、マイクロレンズを通過した光束の集光位置が、波長
選択部近傍にある。
イック膜（波長選択部）近傍で狭くなっている。つま
り、マイクロレンズを通過した光束の集光位置が、波長
選択部近傍にある。
【００５４】マイクロレンズ２の曲率をｒ1、焦点距離
をｆとしたときに、
をｆとしたときに、
【００５５】
【数３】
【００５６】
【数４】
であるので、（３）、（４）式より、
【００５７】
【数５】
となる。
【００５８】また、マイクロレンズや屈折率層の高さお
よび屈折率から光路長を求め、（５）式に代入すること
でマイクロレンズの高さを求めると以下のようになる。
よび屈折率から光路長を求め、（５）式に代入すること
でマイクロレンズの高さを求めると以下のようになる。
【００５９】
【数６】
但し、
【００６０】
【数７】
【００６１】
【数８】
ここで、ｍは光路長の冗長性をもたせるための係数で、
１／２≦ｍ≦５／４を満足する値である。また、波長選
択部に再入射した後の屈折率層（つまり、第１の屈折率
部７）の屈折率ｎ4は、屈折率ｎ３と大きく異ならない
ため、（８）式では、ｎ３とおきかえている。
１／２≦ｍ≦５／４を満足する値である。また、波長選
択部に再入射した後の屈折率層（つまり、第１の屈折率
部７）の屈折率ｎ4は、屈折率ｎ３と大きく異ならない
ため、（８）式では、ｎ３とおきかえている。
【００６２】例えば、Ｐ＝７．４μｍ、θ＝２８°の構
成では、条件１の（２）式より、ｔ３を求めて、ｔ３＝
０．５μｍとし、条件２よりｍ＝１のときには、t1＝
３．１４μｍとなる。
成では、条件１の（２）式より、ｔ３を求めて、ｔ３＝
０．５μｍとし、条件２よりｍ＝１のときには、t1＝
３．１４μｍとなる。
【００６３】図２に示すように、反射光の集光位置が波
長選択部近傍になるように、マイクロレンズの曲率を規
定すると、反射光を効率よく光電変換部に導くことがで
きる。
長選択部近傍になるように、マイクロレンズの曲率を規
定すると、反射光を効率よく光電変換部に導くことがで
きる。
【００６４】（第２の実施形態）図４は、本発明の第２
の実施形態の撮像装置の一部の模式的な断面図である。
図４において、図１に示した部分と同様の部分には同一
の符号を付している。
の実施形態の撮像装置の一部の模式的な断面図である。
図４において、図１に示した部分と同様の部分には同一
の符号を付している。
【００６５】本実施形態では、界面５ｉを光電変換部３
側に凹状球面形状としている。
側に凹状球面形状としている。
【００６６】また、マイクロレンズ２の屈折率をｎ1、
マイクロレンズ２の高さをｔ1、第１の屈折率層５の屈
折率をｎ2、光電変換部で決まる中心軸３ｃ上におけ
る，第１の屈折率層５の厚さをｔ2、第２の屈折率層６
の屈折率をｎ3、界面５ｉとダイクロイック膜の頂点４
Ｐとの距離をｔ3、界面５ｉの高さをｔ4とする。ここ
で、第１の屈折率層の屈折率ｎ１は第２の屈折率層の屈
折率ｎ３より大きい値としている。
マイクロレンズ２の高さをｔ1、第１の屈折率層５の屈
折率をｎ2、光電変換部で決まる中心軸３ｃ上におけ
る，第１の屈折率層５の厚さをｔ2、第２の屈折率層６
の屈折率をｎ3、界面５ｉとダイクロイック膜の頂点４
Ｐとの距離をｔ3、界面５ｉの高さをｔ4とする。ここ
で、第１の屈折率層の屈折率ｎ１は第２の屈折率層の屈
折率ｎ３より大きい値としている。
【００６７】本実施形態の撮像装置において、ダイクロ
イック膜４ｇに入射した光束のうち緑色光以外の光つま
り、赤色光および青色光はダイクロイック膜４ｇで反射
して、さらに球面５ｉで全反射した後に、隣接する素子
部のダイクロイック膜４ｒに入射する。ダイクロイック
膜４ｒに入射した光束のうち赤色光はダイクロイック膜
４ｒを透過し、屈折率部７および屈折率部８を介して光
電変換部３に入射する。
イック膜４ｇに入射した光束のうち緑色光以外の光つま
り、赤色光および青色光はダイクロイック膜４ｇで反射
して、さらに球面５ｉで全反射した後に、隣接する素子
部のダイクロイック膜４ｒに入射する。ダイクロイック
膜４ｒに入射した光束のうち赤色光はダイクロイック膜
４ｒを透過し、屈折率部７および屈折率部８を介して光
電変換部３に入射する。
【００６８】図４には図示していないが、ダイクロイッ
ク膜４ｇに入射した光束のうち緑色光はダイクロイック
膜４ｇを透過して光電変換部３に到達する。
ク膜４ｇに入射した光束のうち緑色光はダイクロイック
膜４ｇを透過して光電変換部３に到達する。
【００６９】同様に図示はしていないが、ダイクロイッ
ク膜４ｒに入射した光束のうち赤色光以外の光はダイク
ロイック膜４ｒを反射して、球面５ｉで全反射した後隣
接する素子部のダイクロイック膜４ｇに入射する。
ク膜４ｒに入射した光束のうち赤色光以外の光はダイク
ロイック膜４ｒを反射して、球面５ｉで全反射した後隣
接する素子部のダイクロイック膜４ｇに入射する。
【００７０】ダイクロイック膜４ｇに入射した光束のう
ち緑色光はダイクロイック膜４ｇを透過し、屈折率部７
および屈折率部８を介して光電変換部３に入射する。
ち緑色光はダイクロイック膜４ｇを透過し、屈折率部７
および屈折率部８を介して光電変換部３に入射する。
【００７１】このように、本実施形態の撮像装置は、素
子部１００に入射した光のうち不要な波長成分の光を隣
接する素子部１００の光電変換部に導くことによって光
の利用効率を向上させている。
子部１００に入射した光のうち不要な波長成分の光を隣
接する素子部１００の光電変換部に導くことによって光
の利用効率を向上させている。
【００７２】ところで、例えばダイクロイック膜４ｇで
反射した緑色光以外の波長成分の光束を全反射する界面
５ｉの高さｔ４は、界面５ｉで全反射した光束が隣接す
る素子部のダイクロイック膜４ｒに適切に入射するよう
に０＜ｔ４≦ｔ３の関係を満足するようにしている。
反射した緑色光以外の波長成分の光束を全反射する界面
５ｉの高さｔ４は、界面５ｉで全反射した光束が隣接す
る素子部のダイクロイック膜４ｒに適切に入射するよう
に０＜ｔ４≦ｔ３の関係を満足するようにしている。
【００７３】また、界面５ｉは、マイクロレンズ２を透
過して球面５ｉを透過する光束に対しては負のパワーの
作用するが、球面５ｉを透過してダイクロイック膜４に
て反射した光束に対しては凹面鏡の役割を果たしてより
大きな正のパワーの作用をする。
過して球面５ｉを透過する光束に対しては負のパワーの
作用するが、球面５ｉを透過してダイクロイック膜４に
て反射した光束に対しては凹面鏡の役割を果たしてより
大きな正のパワーの作用をする。
【００７４】そのため、ダイクロイック膜４で反射した
光束を、隣接する素子部のダイクロイック膜４近傍に集
光する場合には、マイクロレンズ２のパワーを小さくす
ることが可能となり、結果的にマイクロレンズ２の高さ
ｔ１を低くすることによってマイクロレンズ２を製造し
やすくしている。
光束を、隣接する素子部のダイクロイック膜４近傍に集
光する場合には、マイクロレンズ２のパワーを小さくす
ることが可能となり、結果的にマイクロレンズ２の高さ
ｔ１を低くすることによってマイクロレンズ２を製造し
やすくしている。
【００７５】図４の撮像装置は、界面５ｉの高さｔ4を
０．４μｍ（≦ｔ3＝０．５μm）、とすることで、マイ
クロレンズ２の高さｔ1が２μｍとなる。第１の実施形
態では、ｔ4＝０、つまり、界面５ｉが平坦なために、
マイクロレンズ２の高さｔ1が３．１４μｍと高くな
る。
０．４μｍ（≦ｔ3＝０．５μm）、とすることで、マイ
クロレンズ２の高さｔ1が２μｍとなる。第１の実施形
態では、ｔ4＝０、つまり、界面５ｉが平坦なために、
マイクロレンズ２の高さｔ1が３．１４μｍと高くな
る。
【００７６】第２の実施形態では、界面５ｉを凸の球面
形状とすることで、マイクロレンズ２の高さを低くする
ことができ、さらには、このような低いマイクロレンズ
２の高さの構造においても、撮像装置に入射した光束を
隣接する素子部のダイクロイック膜近傍に反射光束を集
光することを可能としている。
形状とすることで、マイクロレンズ２の高さを低くする
ことができ、さらには、このような低いマイクロレンズ
２の高さの構造においても、撮像装置に入射した光束を
隣接する素子部のダイクロイック膜近傍に反射光束を集
光することを可能としている。
【００７７】（第３の実施形態）図１０は、本発明の第
３の実施形態の撮像システムの構成的な構成を示すブロ
ック図である。図１０において、５１はレンズのプロテ
クトとメインスイッチを兼ねるバリア、５２は被写体の
光学像を撮像装置５４に結像させるレンズ、５３はレン
ズ５２を通った光量を可変するための絞り、５４はレン
ズ５２で結像された被写体を画像信号として取り込むた
めの撮像装置、５５は撮像装置５４から出力される画像
信号に各種の補正、クランプ等の処理を行う撮像信号処
理回路、５６は撮像装置５４より出力される画像信号の
アナログ−ディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器、５７は
Ａ／Ｄ変換器５６より出力された画像データに各種の補
正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、５８は撮像
装置５４，撮像信号処理回路５５，Ａ／Ｄ変換器５６，
信号処理部５７に各種タイミング信号を出力するタイミ
ング発生部、５９は各種演算とスチルビデオカメラ全体
を制御する全体制御・演算部、６０は画像データを一時
的に記憶するためのメモリ部、６１は記録媒体に記録又
は読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース
部、６２は画像データの記録又は読み出しを行うための
半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、６３は外部コン
ピュータ等と通信するための外部インターフェース（Ｉ
／Ｆ）部である。
３の実施形態の撮像システムの構成的な構成を示すブロ
ック図である。図１０において、５１はレンズのプロテ
クトとメインスイッチを兼ねるバリア、５２は被写体の
光学像を撮像装置５４に結像させるレンズ、５３はレン
ズ５２を通った光量を可変するための絞り、５４はレン
ズ５２で結像された被写体を画像信号として取り込むた
めの撮像装置、５５は撮像装置５４から出力される画像
信号に各種の補正、クランプ等の処理を行う撮像信号処
理回路、５６は撮像装置５４より出力される画像信号の
アナログ−ディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器、５７は
Ａ／Ｄ変換器５６より出力された画像データに各種の補
正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、５８は撮像
装置５４，撮像信号処理回路５５，Ａ／Ｄ変換器５６，
信号処理部５７に各種タイミング信号を出力するタイミ
ング発生部、５９は各種演算とスチルビデオカメラ全体
を制御する全体制御・演算部、６０は画像データを一時
的に記憶するためのメモリ部、６１は記録媒体に記録又
は読み出しを行うための記録媒体制御インターフェース
部、６２は画像データの記録又は読み出しを行うための
半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、６３は外部コン
ピュータ等と通信するための外部インターフェース（Ｉ
／Ｆ）部である。
【００７８】つぎに、前述の構成における撮影時のスチ
ルビデオカメラの動作について、説明する。バリア５１
がオープンされるとメイン電源がオンされ、つぎにコン
トロール系の電源がオンし、さらに、Ａ／Ｄ変換器５６
などの撮像系回路の電源がオンされる。
ルビデオカメラの動作について、説明する。バリア５１
がオープンされるとメイン電源がオンされ、つぎにコン
トロール系の電源がオンし、さらに、Ａ／Ｄ変換器５６
などの撮像系回路の電源がオンされる。
【００７９】それから、露光量を制御するために、全体
制御・演算部５９は絞り５３を開放にし、撮像装置５４
から出力された信号は、撮像信号処理回路５５をスルー
してＡ／Ｄ変換器５６へ出力される。Ａ／Ｄ変換器５６
は、その信号をＡ／Ｄ変換して、信号処理部５７に出力
する。信号処理部５７は、そのデータを基に露出の演算
を全体制御・演算部５９で行う。
制御・演算部５９は絞り５３を開放にし、撮像装置５４
から出力された信号は、撮像信号処理回路５５をスルー
してＡ／Ｄ変換器５６へ出力される。Ａ／Ｄ変換器５６
は、その信号をＡ／Ｄ変換して、信号処理部５７に出力
する。信号処理部５７は、そのデータを基に露出の演算
を全体制御・演算部５９で行う。
【００８０】この測光を行った結果により明るさを判断
し、その結果に応じて全体制御・演算部５９は絞りを制
御する。
し、その結果に応じて全体制御・演算部５９は絞りを制
御する。
【００８１】つぎに、撮像装置５４から出力された信号
をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演
算を全体制御・演算部５９で行う。その後、レンズ５２
を駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断
したときは、再びレンズ５２を駆動し測距を行う。
をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演
算を全体制御・演算部５９で行う。その後、レンズ５２
を駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断
したときは、再びレンズ５２を駆動し測距を行う。
【００８２】そして、合焦が確認された後に本露光が始
まる。露光が終了すると、撮像装置５４から出力された
画像信号は、撮像信号処理回路５５において補正等がさ
れ、さらにＡ／Ｄ変換器５６でＡ／Ｄ変換され、信号処
理部５７を通り全体制御・演算５９によりメモリ部６０
に蓄積される。その後、メモリ部６０に蓄積されたデー
タは、全体制御・演算部５９の制御により記録媒体制御
Ｉ／Ｆ部を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体６
２に記録される。また外部Ｉ／Ｆ部６３を通り直接コン
ピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
まる。露光が終了すると、撮像装置５４から出力された
画像信号は、撮像信号処理回路５５において補正等がさ
れ、さらにＡ／Ｄ変換器５６でＡ／Ｄ変換され、信号処
理部５７を通り全体制御・演算５９によりメモリ部６０
に蓄積される。その後、メモリ部６０に蓄積されたデー
タは、全体制御・演算部５９の制御により記録媒体制御
Ｉ／Ｆ部を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体６
２に記録される。また外部Ｉ／Ｆ部６３を通り直接コン
ピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
【００８３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
波長選択部近傍で反射光束径が最小となるため、反射光
をより効率よく光電変換部に導くことができる。
波長選択部近傍で反射光束径が最小となるため、反射光
をより効率よく光電変換部に導くことができる。
【図１】本発明の第１の実施形態の撮像装置の一部の模
式的な断面図である。
式的な断面図である。
【図２】図１に示す撮像装置に光を照射したときの撮像
装置内の光路を示す図である。
装置内の光路を示す図である。
【図３】図１のダイクロイック膜４付近の拡大図であ
る。
る。
【図４】本発明の第２の実施形態の撮像装置の一部の模
式的な断面図である。
式的な断面図である。
【図５】図１のダイクロイック膜４の膜厚例を示す図で
ある。
ある。
【図６】図５に示すダイクロイック膜４の透過特性を示
す図である。
す図である。
【図７】従来の撮像装置の画素の中央断面図である。
【図８】図７に示した画素３が配列された様子を示す平
面図である。
面図である。
【図９】ＲＧＢの各カラーフィルタの分光透過率特性を
示す図である。
示す図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態の撮像システムの構
成的な構成を示すブロック図である。
成的な構成を示すブロック図である。
１……シリコンウエハ
２……マイクロレンズ
３……光電変換部
３ｃ……光電変換部で決まる中心軸
４……波長選択部
４ｇ……緑色透過用波長選択部
４ｒ……赤色透過用波長選択部
４Ｐ……波長選択部の頂点
５……第１の屈折率層
５ｉ……第１の屈折率層と第２の屈折率層の界面
６……第２の屈折率層
７……第１の屈折率部
８……第２の屈折率部
９……第３の屈折率部
１０……Ｐｏｌｙ配線層
１１……ＡＬ１配線層
１２……ＡＬ２配線層
１３……ＡＬ３配線層
４１……カラーフィルタ
６１……撮像装置（従来）
６１ｍｎｒ……赤色用画素
６１ｍｎｇ、 ６１ｍｎｇ２……緑色用画素
６１ｍｎｂ……青色用画素
９１……有効画素開口
１００……素子部
１００ｇ、１００ijｇ……緑色用素子部
１００ijｒ、１００i+1、jｒ……赤色用素子部
１２０……物体光
─────────────────────────────────────────────────────
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Ｆターム(参考） 2H048 FA05 FA11 FA22 FA24 GA04
GA11 GA23 GA24 GA34
2H083 AA01
4M118 AA01 AB01 BA10 BA14 CA02
FA06 GD04 GD07 GD15
5C024 CX00 EX42 EX43 GY01
Claims (6)
- 【請求項１】 被写体からの光をマイクロレンズで集
め、当該集めた光を光電変換部へ送り、前記光電変換部
で電気信号に変換することによって被写体を撮像する撮
像装置において、 前記マイクロレンズと屈折部との間に、特定の波長の光
を選択的に透過すると共に他の波長の光を反射する波長
選択部と、前記波長選択部で反射された光を隣接する光
電変換部に向けて反射する反射部とを備え、前記反射部
で反射された光が前記波長選択部で結像するように構成
されていることを特徴とする撮像装置。 - 【請求項２】 前記反射部で反射された光が前記波長選
択部で結像するように、前記マイクロレンズの高さと、
前記波長選択部の頂点と前記反射部の反射面との距離
と、前記波長選択部の前記光電変換部に対する傾斜角
と、光電変換素子ピッチとを調整していることを特徴と
する請求項１記載の撮像装置。 - 【請求項３】 前記波長選択部は、ダイクロイック膜で
あることを特徴とする請求項１又は２記載の撮像装置。 - 【請求項４】 前記反射部は光電変換部側に凹状である
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の
撮像装置。 - 【請求項５】 前記屈折部は、光の入射側が広い漏斗形
状であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１
項記載の撮像装置。 - 【請求項６】 請求項１から５のいずれか１項記載の撮
像装置を備えることを特徴とする撮像システム。
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