JP2005167356A - 撮像素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】 入射光の利用効率が高められ、色再現性の良いカラー画像が得られ、更に、モアレの少ない高品位な画像を得ることが可能な撮像素子を提供する。
【解決手段】 波長選択部4として異なる波長透過特性を有する第1及び第2の波長選択部4c、4yを市松模様状に配置し、光電変換部3を第1、第2の波長選択部4c、4yの透過波長に対応して配置する。そして、光電変換部3は1画素内で深さ方向に異なる2つの位置で検出し、隣接する画素間で少なくとも一つは異なる深さ方向の位置で検出する。
【選択図】 図1
【解決手段】 波長選択部4として異なる波長透過特性を有する第1及び第2の波長選択部4c、4yを市松模様状に配置し、光電変換部3を第1、第2の波長選択部4c、4yの透過波長に対応して配置する。そして、光電変換部3は1画素内で深さ方向に異なる2つの位置で検出し、隣接する画素間で少なくとも一つは異なる深さ方向の位置で検出する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、被写体像を撮像する為の撮像素子に関するものである。
従来のカラー画像を形成する一般的な撮像素子の構造を図12に示す。図12は撮像素子61を構成する画素の中央断面図である。図中2は外部からの光線を集光し、光線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は取り込まれた光線を波長分離するために用いられるカラーフィルタで、各画素にはR(赤色)G(緑色)B(青色)のいずれかの原色フィルタを備えている。
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。これらの画素がモザイク状に配列され、その後の信号処理で画素数に相当する輝度情報と色情報を作り出す撮像技術が広く用いられている。ここで用いられる撮像素子61のカラーフィルタ配列は図13に示すようなベイヤー配列と呼ばれる構成を採るものが多い。
61mngは第1の緑色の画素、61mnbは青色の画素、61mnr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。これらを図13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素子を構成する。
このような画素配列では緑色の画素は青色、赤色に比べて2倍の画素数を持つことになる。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ることができる。
ところで、上記従来例には次のような問題点が存在する。即ち、光線の利用効率に関して考えると、例えば、色再現性が良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撮像素子では、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と光電変換領域3の間に一つずつ配置される構造が採られる。
この時、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。即ち、従来のカラー撮像素子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等として捨てられている。
図14は撮像素子内のRGBのカラーフィルタの分光透過率特性を示す。赤外線の透過率は高いので、実際には撮像素子と撮影レンズの間に更に650nm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内のおよそ1/3だけが有効に用いられる。
更に詳しくRGBの色別に利用効率を考えれば、例えば、図12及び図13に示すベイヤー配列のカラー撮像素子の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とした時、1/4:2/4:1/4であるので、全体の光量を1とした時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。逆に、全体の光量を1とした時に、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。
以上は原色系のカラーフィルタを用いた撮像素子の説明であるが、補色フィルタを用いた撮像素子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素子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。
一方、米国特許第5965875号には、同一画素内で3色を取り込む撮像素子構造に関して開示されている(特許文献1)。同公報の構造を図15に示す。同公報の構造は光電変換部を形成するシリコンが深さによって光電変換する波長の異なることを用いたものである。具体的には、シリコンの表層部300b(0.2〜0.6μm)では主に波長の短い青色の光線(400〜490nm)を吸収し、中層部300g(0.6〜2.0μm)では主に緑色の光線(490〜575nm)を吸収し、深層部300r(2.0μm以下)では主に波長の長い赤色の光線(575〜700nm)を吸収する。
そこで、同公報のものでは、2.0μm以下の深度部にP−層を形成し、0.6〜2.0μmの深さにN−層を形成する。そして、その上の0.2〜0.6μmの深さにP層を形成し、更にその上の0〜0.2μmの深さにN+層を形成する。このように光電変換部を形成することにより、P−層とN−層の2つの領域の間の光電変換状態を検出することによって赤色の光線の受光強度を、N−層とP層の2つの領域の間の光電変換状態を検出することによって緑色の光線の受光強度を、P層とN+層の2つの領域の間の光電変換状態を検出することによって青色の光線の受光強度をそれぞれ知ることができる。
従って、1画素内で3色を取り出すことができるため入射光線の効率を大幅に向上することが可能となる。更に、ベイヤー配列に代表される画素毎にRGBのいずれか1色のみを受光してカラー画像を得るものでは細かい繰り返しパターンの被写体を撮影すると色モアレ或いは偽色と呼ばれる現象が発生する。これは、規則的に配列している画素と繰り返しパターンが干渉して本来あり得ない色を出力してしまうというものである。この同一画素で3色を得る構造では、原理的に色モアレは発生しない。しかし、輝度モアレと呼ばれる現象はこの構造においても画素が周期的に配置されていることには変わりないため回避できない問題となる。
一般に、良好な画像特性を得るための撮像は、物体像を光学装置によって形成する第1のプロセス、物体像の空間周波数特性の高周波成分を抑制するように調節する第2のプロセス、空間周波数特性が調節された物体像を光電変換する第3のプロセス、得られた電気信号に対して空間周波数に応じてレスポンスを補正する第4のプロセスよりなる。この際、有限の画素数の撮像素子で光学像のサンプリングを行うわけであるから、良質な画像出力を得るためには、標本化定理に従って光学像の空間周波数特性に撮像素子固有のナイキスト周波数以上の成分を少なくする必要がある。
ここで、ナイキスト周波数とは画素ピッチで決まるサンプリング周波数の1/2の周波数である。従って、最適化された一連のプロセスは、サンプリングされる光学像を撮像素子固有のナイキスト周波数に応じた特性の光学像に調節することで、折り返し歪みが目立たない、即ち、モアレの目立たない良質な画像を得るものである。
画像の空間周波数伝達特性であるMTF(Modulation Transfer Function)はデジタルスティルカメラやビデオカメラ等の鮮鋭度に関する特性をよく表現できる評価量である。このMTFに影響を与える具体的要素は、光学装置である結像光学系、物体像の帯域制限のための光学ローパスフィルタ、撮像素子の光電変換領域の開口形状、デジタルアパーチャ補正等であり、最終の画像特性を表す全体のMTFは各要素のMTFの積として与えられる。即ち、上記第1のプロセスから第4のプロセスまでのMTFをそれぞれ求め、その積を計算すればよい。
但し、第4のプロセスであるデジタルフィルタ処理は、撮像素子によって既にサンプリングされた画像出力に対して行われるので、ナイキスト周波数を超える高周波について考慮する必要はない。
従って、光学像の空間周波数特性に撮像素子固有のナイキスト周波数以上の成分を少なくする構成とは、第4のプロセスを除き、第1のプロセスのMTF、第2のプロセスのMTF及び第3のプロセスのMTFの積においてナイキスト周波数以上の成分が小さいということである。ここで、デジタルスティルカメラのように静止画の鑑賞を前提とする場合には、ナイキスト周波数を超える高周波がゼロではなく、多少残っていてもナイキスト周波数をやや下回る周波数におけるレスポンスが高い方が、解像感のある画像となりやすいことを考慮する必要がある。
第1のプロセスである結像光学系による物体像の形成において、一般に画面の中央は周辺に比べて光学収差を補正しやすい。画面の周辺で良好な画像を得ようとすると、画面の中央では結像レンズのFナンバーで決定される回折限界MTFに近い極めて良好な特性を得る必要がある。近年、撮像素子の小ピクセル化が進んでおり、この必要性はますます高まっている。従って、結像光学系については無収差の理想レンズと仮定してMTFを考えると良い。
また、幅dの受光開口が隙間なく敷きつめられた撮像素子においては、受光開口の幅が画素ピッチと一致するので、ナイキスト周波数u=d/2における第3のプロセスのレスポンス値はかなり高い。この理由から、ナイキスト周波数付近の総合MTFを下げるために第2のプロセスにおいてナイキスト周波数付近をトラップするのが一般的である。
第2のプロセスにおいては、通常、光学ローパスフィルタが用いられる。光学ローパスフィルタには水晶等の複屈折特性を有する物質を利用する。また、特開2001−066141号公報に記載されているような位相型の回折格子を利用しても良い。
光学装置の光路中に複屈折板を介在させ、その光学軸を結像面の水平方向と並行するように傾けて配置すると、常光線による物体像と異常光線による物体像は所定量だけ水平方向にずれて形成される。複屈折板によって特定の空間周波数をトラップするということは、その空間周波数の縞の明部と暗部とが重なるようにずらすということである。光学ローパスフィルタによるMTFは式(1)で表される。
R2(u)=|cos(π・u・ω)| …(1)
R2(u):レスポンス
u:光学像の空間周波数
ω:物体像分離幅
複屈折板の厚さを適当に選択すれば、撮像素子のナイキスト周波数においてレスポンスをゼロとすることが可能である。回折格子を利用する場合には、回折によって光学像を所定の位置関係の複数の像に分離し重畳させることで、同様の効果を得ることが出来る。
R2(u):レスポンス
u:光学像の空間周波数
ω:物体像分離幅
複屈折板の厚さを適当に選択すれば、撮像素子のナイキスト周波数においてレスポンスをゼロとすることが可能である。回折格子を利用する場合には、回折によって光学像を所定の位置関係の複数の像に分離し重畳させることで、同様の効果を得ることが出来る。
しかしながら、複屈折板を作製するには水晶やニオブ酸リチウム等の結晶を成長させてから薄く研磨する必要があって、極めて高価になるという問題点がある。また、回折格子にしても高度に精密な微細構造が求められるため、やはり高価であることに変わりはない。
更に、この同一画素で3色を得る撮像素子構造における分光感度を図16に示す。図14に示すRGBのカラーフィルタの分光感度と比較して分光感度曲線の山がなだらかであることが分かる。これは、たとえ青色の層であると言っても青色光に相当する波長以外は感じないということではなく緑色も赤色も割合は少ないが感じているということである。このようななだらかな曲線となると、カラー画像を合成する場合、彩度が低下して色再現性が悪くなり好ましくない。従って、本構造では光の利用効率は上げられるが色が良くないと言った問題がある。
一方、特開平09−210793号公報には、1画素内で2つの異なる深さからの光電変換状態を検出する構成が開示されている(特許文献2)。同公報の構造は図17に示すように可視光と赤外光を同時に検出するというもので、可視光を感光するN型拡散領域603の更に深層部に赤外光を感光するP型拡散領域602を配置したものである。この場合、カラーフィルタを通った光線が光電変換部に到達するため、緑色や青色においても赤外光を取込むように透過波長特性を工夫しなければならない。また、赤色は赤外光との区別が難しいので赤色の画素においては赤外光を検出しないとしている。
即ち、画素によっては深さ方向に2つの光電変換状態を検出する構造であっても光電変換に利用していない。更に、深さ方向の構造はすべての画素に対して同じであるため、同公報の構造でカラー画像を構築しようとすると従来の画素配列と同じものとなる。従って、カラー画像を得る事に関しては従来と何ら変わりないことになる。
米国特許第5965875号公報
特開平09−210793号公報
特許文献1のものでは、上述のように画素が周期的に配列されていることに変わりはないため、輝度モアレと呼ばれる現象が発生すると共に、カラー画像を合成する場合には、彩度が低下して色再現性が悪くなり、従って光の利用効率は上げられるが、色が良くないという問題があった。また、特許文献2のものでは、上述のようにカラー画像を得ることに関しては、従来と何等変わりはなかった。
本発明は、このような従来の問題点に着眼してなされたもので、その第1の目的は、入射光の利用効率を高めると共に色再現性の良いカラー画像を得ることができる撮像素子を提供することにある。
また、本発明の第2の目的は、高価な光学ローパスフィルタを必要とせずにモアレの少ない高品位な画像を得ることが可能な撮像素子を提供することにある。
本発明は、上記目的を達成するため、光電変換部と、光線の透過波長を選択する波長選択部と、外部からの光線を集光するマイクロレンズとを備え、前記波長選択部は異なる波長透過特性を有する第1及び第2の波長選択部が市松模様状に配置され、前記光電変換部は前記第1、第2の波長選択部の透過波長に対応して配置され、且つ、1画素内で深さ方向に異なる2つの位置で検出し、隣接する画素間で少なくとも一つは異なる深さ方向の位置で検出することを特徴とする。
また、本発明は、光電変換部と、光線の透過波長を選択する波長選択部と、外部からの光線を集光するマイクロレンズとを備え、前記波長選択部は異なる波長透過特性を有する第1及び第2の波長選択部が市松模様状に配置され、前記光電変換部は前記第1、第2の波長選択部の透過波長に対応して配置され、且つ、1画素内で深さ方向に異なる2つの位置で検出し、隣接する画素間で少なくとも一つは異なる深さ方向の位置で検出し、前記波長選択部とマイクロレンズの間にはマイクロレンズ側に第1の屈折率層、波長選択部側に第2の屈折率層を有し、前記波長選択部と光電変換部の間であって前記光電変換部と接する画素中央部近傍に高屈折率部、前記高屈折率部の周辺に低屈折率部を設け、前記高屈折率部と低屈折率部の界面は光軸に略平行な面を有する撮像素子構造であって、前記第1の屈折率層と第2の屈折率層の屈折率の関係が(第1の屈折率層)<(第2の屈折率層)であることを特徴とする。
請求項1の発明によれば、波長選択部として異なる波長透過特性を有する第1及び第2の波長選択部を市松模様状に配置し、光電変換部は第1、第2の波長選択部の透過波長に対応して配置し、且つ、1画素内で深さ方向に異なる2つの位置で検出し、隣接する画素間で少なくとも一つは異なる深さ方向の位置で検出することで、入射光の利用効率を上げながら十分な色再現性を実現することができる。
また、請求項2の発明によれば、入射光の利用効率を更に上げると共にローパスフィルタ効果も備えることができる。
更に、請求項3の発明は画素の構造を簡単にして請求項1、2と同様の効果が得られ、請求項4の発明は比較的簡単な構造で隣接画素へ光線を分割してローパスフィルタと同じ効果が得られ、請求項5の発明は不要光線を特定の方向に効率良く反射させることが可能となる。
次に、発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。
(第1の実施形態)
図1は本発明による撮像素子の第1の実施形態を示す断面図である。図中1はシリコン基板、2はマイクロレンズ、3は受光した光子を電荷へと変換する機能を有する光電変換部、4(4c、4y)は光線の透過波長を制御するための第1及び第2の波長選択部、5は各画素に蓄積された電荷を送出するための配線層、6は光電変換部を保護し波長選択部及びマイクロレンズ形成における土台となる平坦化層である。100〜102は画素である。
図1は本発明による撮像素子の第1の実施形態を示す断面図である。図中1はシリコン基板、2はマイクロレンズ、3は受光した光子を電荷へと変換する機能を有する光電変換部、4(4c、4y)は光線の透過波長を制御するための第1及び第2の波長選択部、5は各画素に蓄積された電荷を送出するための配線層、6は光電変換部を保護し波長選択部及びマイクロレンズ形成における土台となる平坦化層である。100〜102は画素である。
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。従って、マイクロレンズ2上に到達した光線は光電変換部3に対して集光する働きをする。これにより、より多くの光線を光電変換部3に取り込むことができるため撮像素子の感度を上げることが可能となる。平坦化層6は配線層5の形成されたシリコン基板1の上面を平滑化するための層で、屈折率1.46の二酸化ケイ素(SiO2)といったシリコンの酸化物がよく使われる。
画素101は緑色を受光する光電変換部31gと赤色を受光する光電変換部31rを備えた画素で、画素100及び102は緑色を受光する光電変換部30g(32g)と青色を受光する光電変換部30b(32b)を備えた画素となっている。撮像素子を上部から見ると画素配列は図2に示すように緑と赤(GR)と緑と青(GB)の画素が市松模様に配置された構成となっている。
また、第1の波長選択部4c及び第2の波長選択部4yとしては撮像素子に通常よく用いられる吸収型のカラーフィルタを用いている。これは、熱可塑性樹脂内に所定の特性となるように色素を混入することによって作製している。第1の波長選択部4cはGBの画素、第2の波長選択部4yはGRの画素に対応している。GB、GRの画素上に配置されるカラーフィルタの透過特性の例を図3に示す。
次に、本実施形態による撮像素子内の光線の挙動について説明する。まず、画素101について見ていくと、図1の紙面上方より来た物体光110はマイクロレンズ2へ入射して集光作用を受ける。次いで、第2の波長選択部4yに入射して図3に示すような透過波長特性をもって透過する。そして、平坦化層6を透過して光電変換部3へと到達する。
光電変換部3では深さによって光電変換する波長が異なることを用いて2つの深度範囲における信号を出力する。画素101は緑色と赤色を受光する画素であるため、0.6〜2.0μmの中層部(31g)と2.0μm以下の深層部(31r)の2層の光電変換部を設けて信号を取り出す。これにより出力信号の分光感度は図3に示すGRの透過率特性と図16に示す光電変換部の分光感度の積となる。
100、102といった緑色と青色を受光する画素も光線の挙動は画素101の場合と同様である。ここでは画素100は緑色と青色を受光する画素であるため、0.6〜2.0μmの中層部(30g、32g)と0.2〜0.6μmの表層部(30b、32b)の2層の光電変換部を設けて信号を取り出す。これにより、出力信号の分光感度は図3に示すGBの透過率特性と図16に示す光電変換部の分光感度の積となる。
この時、100、102(緑色と青色を受光する画素)と101(緑色と赤色を受光する画素)の緑色の画素は分光感度が異なるため良好な色再現ができない可能性がある。そこで、緑光を検出する光電変換部に関して隣接する前後左右の2画素の出力を加算平均することによって分光感度を同じにする。例えば、図1における画素100の光電変換部30gと画素101の光電変換部31gの出力を加算平均し、画素101の光電変換部31gと画素102の光電変換部32gの出力を加算平均する。これは、全ての前後左右の画素間で行う。これにより、RGB各色の画素は図4に示すように配置されているイメージとなる。図4(a)はR、図4(b)はG、図4(c)はBの配置イメージを示す。
以上のことから撮像素子の分光感度は図5に示すようなものとなる。この分光感度曲線をみて分かるように赤色(R)は長波長成分が十分に落ちており、緑色(G)は短・長波長成分が落ちて左右対称な山型となり、青色(B)は短波長成分が落ちている。このように従来のカラーフィルタの分光透過率に近くすることができるため、十分な彩度が得られるばかりか、従来通りの色再現性を実現できる。
(第2の実施形態)
図6は本発明の第2の実施形態を示す断面図である。図6では図1と同一部分は同一符号を付している。図中41r、41gは光線を波長分離するための第1、第2の波長選択部であり、ダイクロイック膜を用いている、6は第1の実施形態で平坦化層と説明した第2の屈折率部、7は第1の屈折率部、8,9はそれぞれ第1、第2の屈折率層、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配線層である。また、11〜13はアルミニウム等の金属でできた配線層、11は各部間の結線及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は遮光及び電源線の役割を果たすAL3配線層である。
図6は本発明の第2の実施形態を示す断面図である。図6では図1と同一部分は同一符号を付している。図中41r、41gは光線を波長分離するための第1、第2の波長選択部であり、ダイクロイック膜を用いている、6は第1の実施形態で平坦化層と説明した第2の屈折率部、7は第1の屈折率部、8,9はそれぞれ第1、第2の屈折率層、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配線層である。また、11〜13はアルミニウム等の金属でできた配線層、11は各部間の結線及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は遮光及び電源線の役割を果たすAL3配線層である。
マイクロレンズ2は同様に上に凸の球面形状であり、正のレンズパワーを有する。従って、マイクロレンズ2上に到達した光線は光電変換部3に対して集光する働きをする。これにより、より多くの光線を光電変換部3に取り込むことができるため撮像素子の感度を上げることが可能となる。
第1の屈折率層8は低屈折率の材料で形成されており、例えば、屈折率1.38のフッ化マグネシウム(MgF2)等を用いることができる。また、第1の屈折率層8とダイクロイック膜41に挟まれた第2の屈折率層9は高屈折率の材料で形成されており、例えば、屈折率2.5の二酸化チタン(TiO2)等を用いることができる。このような構成を採る事によって第2の屈折率層9から第1の屈折率層8へと進む光線はその界面で全反射しやすくなるという性質を持つことになる。
第1の屈折率部7は二酸化チタンのような高屈折率の材料で形成され、第2の屈折率部8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を用いて成形する。これにより第1の屈折率部7に入射した光線は第2の屈折率部6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。第1の屈折部7と第2の屈折部6との界面は光軸に略平行に形成されているが、第1の屈折部7と第2の屈折部6との界面の光入射側にはテーパ面71が形成されている。
一般的にダイクロイック膜とは、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。このような構造を採ることにより透過光線の波長を選択することができる。例えば、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ることによって作製することができる。これらの積層膜はPVD(Physical Vapor Deposition)を用いることによって容易に作製することができる。本実施形態におけるダイクロイック膜4は積層膜厚及び積層数を適切に選ぶことによって図3に示すものと同等の透過率分布を持っている。
第1の屈折率層8と第2の屈折率層9の界面は図7に示すように光軸を含む断面が3角形である三角柱の形状、ダイクロイック膜4は平面の形状をなしている。
次に、本実施形態による撮像素子内の光線の挙動について図8及び9を用いて説明する。図8は緑色光及び赤色光を受光する画素201に入射してダイクロイック膜41gによって反射された光線、即ち、緑色光と青色光を含む光線のみの挙動を示している。画素の大きさに対して十分に遠い位置にある結像レンズの瞳から出た光線は赤外線カットフィルタを通過して物体光120のような光束となる。
図8の紙面上方より来た物体光120はマイクロレンズ2へ入射して集光作用を受ける。そして第1の屈折率層8と第2の屈折率層9の界面80gでプリズムの作用を受けて中心から外側に向けて曲げられ、ダイクロイック膜41gへと到達する。この時、ダイクロイック膜41gの特性により緑色光と青色光の光線は反射作用を受ける。
図3に示すGRの透過率曲線の裏返しがこれに当たる。反射した光線は第1の屈折率層8と第2の屈折率層9の界面80r及び81rへと進行する。第2の屈折率層9は第1の屈折率層8よりも高屈折率であるため、臨界角以上の光線は界面で全反射作用を受けることになる。全反射した光線はダイクロイック膜41r方向に向かい、隣接画素である緑色光と青色光を受光する画素200及び202に向かって進行する。
画素200、202のダイクロイック膜41rは図3に示すGBの透過率曲線の特性に従って緑色光と青色光を透過する。ここでは反射作用を受ける光線は撮像素子外へと進むため図示していない。ダイクロイック膜41rを透過した光線は第1の屈折率部7から第2の屈折率部6へ進行しようとするが、第1の屈折率部7は第2の屈折率部6よりも高屈折率であるため、臨界角以上の光線は界面で全反射をする。第1の屈折率部7と第2の屈折率部6の界面は入射部が広がったテーパ形状(テーパ面71)をしていて入射光線を取り込む間口を広げ、第1の屈折率部7に多くの光線を取り込むことができる。
仮に、第1の屈折率部7の入射部が先の広がったテーパ形状をしていないと、反射光線のうち図の下側に位置する光線は先に第2の屈折率部6へ入射し、そこから第1の屈折率部7へと進行する。そうすると第1の屈折率部7は第2の屈折率部6よりも高屈折率であるため光線は上方向に曲げられることになる。従って、このようなルートを辿る光線は光電変換部3には導かれず損失してしまう。そのため、第1の屈折率部7がテーパ形状をなしていてダイクロイック膜41から出た光線が先に第2の屈折率部6へと入射する光線をなくすことで隣接画素からの反射光を十分取り込めるようにしている。
そして、第1の屈折率部7と第2の屈折率部6の界面の下部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線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。
第1の屈折率層8と第2の屈折率層9の界面は図7に示すように光軸を含む断面が3角形である三角柱の形状をしているため、画素201における紙面に垂直な方向には光線が反射しない。図10において緑色光及び赤色光を受光する画素91について見てみると、921a、921bの部分を隣接画素より受け取ることから本来の画素開口91よりも大きくなり、隣接する画素から分けてもらうことを含めた実質的な受光開口は図11に示すようなものとなる。
これから分かるように本実施形態の構造を用いることによって2倍の画素開口となる。緑色光及び青色光を受光する画素についても隣接画素から各色光成分を分けてもらうため、実効的な受光開口は同様の形状となる。全ての画素について考えると、実効的に互いにオーバーラップした受光開口を有することが分かる。これによって、横方向のみであるがローパス効果が期待できる。通常のローパスフィルタ1枚では1つの点像を2つに分けるという作用を持っているが、本実施形態の場合には、1つの点像が3つに分かれることになるため、2枚のローパスフィルタを用いたものと同様の作用を果たす。
加えて、図8から分かるように光線が最初にダイクロイック膜41gに入射する時の光線の入射角度とダイクロイック膜41gで反射して隣接する画素200、202のダイクロイック膜41rに入射する時の光線の入射角度が大きく変化しない。従って、入射角によってダイクロイック膜41を透過する波長が変化する割合が小さくできるため、色変化を少なくできるという利点もある。
図9はダイクロイック膜41において透過作用を受ける光線の挙動を示す。図9の紙面上方より来た光線はマイクロレンズ2へ入射して集光作用を受ける。次に、第1の屈折率層8、第2の屈折率層9と順に入射してダイクロイック膜41gへと到達する。ダイクロイック膜41gでは所定の波長の光線のみを選択的に透過して第1の屈折率部7へ進行し、第1の屈折率部7と第2の屈折率部6の界面で全反射を繰り返す作用を受けることによって光電変換部3へと導くものとしている。
また、第1の屈折率部7と第2の屈折率部6の界面は入射部が広がったテーパ形状をしている。テーパ形状を形成するテーパ面71はあまり角度がつきすぎるとテーパ面71で全反射しない場合があり、全反射したとしても今度は反対側の面で全反射せずに透過してしまう。本実施形態の場合には、画素の中心軸より25°程度までの角度であればテーパ面71でも全反射して光電変換部3へ導くことができる。以上のことからテーパ面71を適当な角度に設定して用いることによって広範囲な光線を取り込むことが可能となる。
画素の出力を取り出す方法は第1の実施形態と同様である。即ち、以上のように反射・透過を行って光電変換部3に到達した光線は画素の異なる深さの光電変換部で検出され、2種類の色信号が取り出される。緑色を検出する光電変換部に関して隣接する前後左右の画素間で出力を加算平均することも第1の実施形態と同様である。
なお、本実施形態においては、第1の屈折率層8と第2の屈折率層9の界面が中央部より周辺に向かって傾斜面を持つ構造について述べたが、波長選択部4が同様の構造もしくは両方が同様の構造を持つものであっても良い。
1 シリコン基板
2 マイクロレンズ
3 光電変換部
30g、31g、32g 緑色光電変換部
30b、32b 青色光電変換部
31r 赤色光電変換部
4 波長選択部
4c 第1の波長選択部
4y 第2の波長選択部
41 ダイクロイック膜
41g 第1の波長選択部
41r 第2の波長選択部
42 カラーフィルタ
5 配線層
50g、50r、51r テーパ面
6 平坦化層(第2の屈折率部)
7 第1の屈折率部
71 テーパ面
8 第1の屈折率層
9 第2の屈折率層
10 Poly配線層
11 AL1配線層
12 AL2配線層
13 AL3配線層
100〜102、200〜202 画素
110、120 物体光
2 マイクロレンズ
3 光電変換部
30g、31g、32g 緑色光電変換部
30b、32b 青色光電変換部
31r 赤色光電変換部
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50g、50r、51r テーパ面
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71 テーパ面
8 第1の屈折率層
9 第2の屈折率層
10 Poly配線層
11 AL1配線層
12 AL2配線層
13 AL3配線層
100〜102、200〜202 画素
110、120 物体光
Claims (5)
- 光電変換部と、光線の透過波長を選択する波長選択部と、外部からの光線を集光するマイクロレンズとを備え、前記波長選択部は異なる波長透過特性を有する第1及び第2の波長選択部が市松模様状に配置され、前記光電変換部は前記第1、第2の波長選択部の透過波長に対応して配置され、且つ、1画素内で深さ方向に異なる2つの位置で検出し、隣接する画素間で少なくとも一つは異なる深さ方向の位置で検出することを特徴とする撮像素子。
- 光電変換部と、光線の透過波長を選択する波長選択部と、外部からの光線を集光するマイクロレンズとを備え、前記波長選択部は異なる波長透過特性を有する第1及び第2の波長選択部が市松模様状に配置され、前記光電変換部は前記第1、第2の波長選択部の透過波長に対応して配置され、且つ、1画素内で深さ方向に異なる2つの位置で検出し、隣接する画素間で少なくとも一つは異なる深さ方向の位置で検出し、前記波長選択部とマイクロレンズの間にはマイクロレンズ側に第1の屈折率層、波長選択部側に第2の屈折率層を有し、前記波長選択部と光電変換部の間であって前記光電変換部と接する画素中央部近傍に高屈折率部、前記高屈折率部の周辺に低屈折率部を設け、前記高屈折率部と低屈折率部の界面は光軸に略平行な面を有する撮像素子構造であって、前記第1の屈折率層と第2の屈折率層の屈折率の関係が(第1の屈折率層)<(第2の屈折率層)であることを特徴とする撮像素子。
- 前記波長選択部は、青色光と緑色光を透過する第1の波長選択部と緑色光と赤色光を透過する第2の波長選択部とからなり、前記第1の波長選択部に対応する光電変換部は青色光と緑色光を、前記第2の波長選択部に対応する光電変換部は緑色光と赤色光をそれぞれ検出することを特徴とする請求項1、2のいずれか1項に記載の撮像素子。
- 前記波長選択部又は前記第1の屈折率層と第2の屈折率層の界面のうち少なくとも一方は中央部より周辺部に向かって傾斜面を持つ形状であることを特徴とする請求項2に記載の撮像素子。
- 前記波長選択部は、特定の波長域の光線を透過すると共に透過波長域以外の光線を反射する特性を持つダイクロイック膜であることを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項に記載の撮像素子。
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