JP4759410B2

JP4759410B2 - 固体撮像素子

Info

Publication number: JP4759410B2
Application number: JP2006059942A
Authority: JP
Inventors: 和田　　哲
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2006-03-06
Filing date: 2006-03-06
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2026-03-06
Also published as: JP2007242721A; US20070273777A1

Description

本発明は、それぞれ異なる光の色成分を検出する少なくとも３種類の色検出用光電変換素子と、前記少なくとも３種類の光電変換素子の各々に隣接して設けられた光の輝度成分を検出する輝度検出用光電変換素子とを含む多数の光電変換素子を有する固体撮像素子に関する。

従来、光の輝度成分を検出する輝度検出用光電変換素子と、光のＲ（赤色），Ｇ（緑色），Ｂ（青色）の各色成分を検出する色検出用光電変換素子とを含む多数の光電変換素子を有した固体撮像素子が提案されている（特許文献１参照）。

図３は、従来の固体撮像素子の平面模式図である。図３に示す固体撮像素子は多数の光電変換素子を縦横に二次元状に規則的に配列したものであり、図３では縦４×横４の計１６個分の光電変換素子を含んだ固体撮像素子の平面図を示している。
図３に示す四角形のブロックは、そのブロックに含まれる光電変換素子に入射すると想定される光の入射範囲を示すものであり、各ブロックの中に記した記号が、そのブロックに含まれる光電変換素子で検出される光の成分を表している。この入射範囲は、固体撮像素子の設計時に任意で設定されるものである。図３中の記号「Ｙ」は、光の輝度成分を表し、「Ｒ」は光の赤色成分を表し、「Ｇ」は光の緑色成分を表し、「Ｂ」は光の青色成分を表している。以下、記号Ｙが記された入射範囲を入射範囲Ｙ、記号Ｒが記された入射範囲を入射範囲Ｒ、記号Ｇが記された入射範囲を入射範囲Ｇ、記号Ｂが記された入射範囲を入射範囲Ｂという。

図４は、図３に示す固体撮像素子のＡ−Ａ線断面模式図である。
図４に示すように、各入射範囲Ｒ，Ｇ，Ｂ，Ｙ内のシリコン基板２１には、同一特性の光電変換素子２２が１つ配置される。入射範囲Ｒに含まれる光電変換素子の受光面の上方には光のＲ成分を透過するｒカラーフィルタ２４が設けられ、入射範囲Ｇに含まれる光電変換素子の受光面の上方には光のＧ成分を透過するｇカラーフィルタが設けられ、入射範囲Ｂに含まれる光電変換素子の受光面の上方には光のＢ成分を透過するｂカラーフィルタが設けられ、入射範囲Ｙに含まれる光電変換素子の受光面の上方には光の輝度成分と相関のある分光特性を持つ輝度フィルタ２３が設けられている。以下、入射範囲Ｒに含まれる光電変換素子をＲ光電変換素子、入射範囲Ｇに含まれる光電変換素子をＧ光電変換素子、入射範囲Ｂに含まれる光電変換素子をＢ光電変換素子、入射範囲Ｙに含まれる光電変換素子をＹ光電変換素子ともいう。

図３，４に示す固体撮像素子は、縦横に配列された同一特性の多数の光電変換素子の各々の受光面上方に、輝度フィルタ（ｙフィルタ）２３、ｒカラーフィルタ２４、ｇカラーフィルタ、及びｂカラーフィルタのいずれかが設けられた構成である。輝度フィルタ２３は、縦横に配列された個々の光電変換素子のうち、市松状の配置位置となっている光電変換素子の受光面上方に設けられ、ｒ，ｇ，ｂカラーフィルタは、残りの市松状の配置位置となっている光電変換素子の受光面上方に設けられる。

即ち、図３，４に示す固体撮像素子では、偶数行の光電変換素子の個々の受光面上方に「ｙ，ｇ，ｙ，ｇ，…」とフィルタが並び、奇数行の光電変換素子の個々の受光面上方には、「ｒ，ｙ，ｂ，ｙ，ｒ，…」と並ぶ行と、「ｂ，ｙ，ｒ，ｙ，ｂ，…」と並ぶ行とが交互に配置される。

輝度フィルタ２３は、ＮＤフィルタや、透明フィルタ、白色フィルタ、グレーのフィルタ等が該当するが、光電変換素子の受光面上方に何も設けずに光が直接受光面に入射する構成も、輝度フィルタを設けたということができる。

又、各入射範囲Ｒ，Ｇ，Ｂ内にあるカラーフィルタ上方及び入射範囲Ｙ内にある輝度フィルタ上方には、その入射範囲に入射してきた光を、その入射範囲内にある光電変換素子２に集光するためのマイクロレンズ２５が設けられている。各入射範囲Ｒ，Ｇ，Ｂ，Ｙの平面視での大きさは、そこに含まれるマイクロレンズ２５の平面視での大きさと同じとなっている。つまり、マイクロレンズ２５の大きさによって、入射範囲が決まっている。

このような固体撮像素子によれば、光の輝度成分と色成分とを区別して検出することができるため、色情報に左右されない輝度解像度及び輝度成分の分光特性に左右されない色再現を得ることが可能となる。

特開２００３−３１８３７５号公報

カラーフィルタを有する一般の固体撮像素子では、そのカラーフィルタを図４に示すように隙間無く設ける設計がなされる。このため、カラーフィルタの位置決め精度が悪かったり、製造誤差が発生したりした場合には、以下のような問題が発生する恐れがある。

例えば、上述した構成の固体撮像素子において、Ｒ光電変換素子，Ｇ光電変換素子，Ｂ光電変換素子の感度向上を目的として、入射範囲Ｒ，Ｇ，Ｂ内にあるマイクロレンズ２５の集光特性を、入射範囲Ｙ内にあるマイクロレンズ２５の集光特性と異ならせた場合（例えば、入射範囲Ｒ，Ｇ，Ｂ内にマイクロレンズ２５を設けない場合）を考える。この場合、図５に示すように、ｒカラーフィルタ２４が設計よりも小さくなってしまったり、図６に示すように、ｒカラーフィルタ２４が設計よりも輝度フィルタ２３側へずれてしまったりすると、入射範囲Ｒに入射する入射光の一部はｒカラーフィルタ２４を通過しないで、このｒカラーフィルタ２４下方のＲ光電変換素子２２に直接入射してしまう。

Ｒ光電変換素子２２は、色再現のためにｒカラーフィルタ２４によって分光特性が制御された光を受けることを前提として設置されるため、分光特性が制御されていない光がＲ光電変換素子２２に入射してしまうと、Ｒ光電変換素子２２から得られる信号の色再現が低下してしまう。もちろん、入射範囲Ｒ，Ｇ，Ｂ内にマイクロレンズ２５を設けた場合であっても、製造誤差が大きくなった場合には、このような問題が発生する。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、製造誤差による色再現性の低下を防止することが可能な固体撮像素子を提供することを目的とする。

本発明の固体撮像素子は、それぞれ異なる光の色成分を検出する少なくとも３種類の色検出用光電変換素子と、前記少なくとも３種類の光電変換素子の各々に隣接して設けられた光の輝度成分を検出する輝度検出用光電変換素子とを含む多数の光電変換素子を有する固体撮像素子であって、前記少なくとも３種類の色検出用光電変換素子の各々の上方には、それぞれ異なる色成分の光を透過する少なくとも３種類のカラーフィルタのいずれかが設けられ、前記輝度検出用光電変換素子の上方には、光の輝度成分と相関のある分光特性を持つ輝度フィルタが設けられ、前記多数の光電変換素子上方の同一平面において、前記色検出用光電変換素子に入射すると想定される光の入射範囲を第一の入射範囲とし、前記輝度検出用光電変換素子に入射すると想定される光の入射範囲を第二の入射範囲としたとき、平面視において、前記少なくとも３種類のカラーフィルタの各々が、当該カラーフィルタの下方にある前記色検出用光電変換素子に入射すると想定される前記第一の入射範囲に隣接する前記第二の入射範囲内に食い込んでいる。

本発明の固体撮像素子は、前記多数の光電変換素子のうち少なくとも前記輝度検出用光電変換素子の上方にマイクロレンズを備え、前記第一の入射範囲と前記第二の入射範囲が、前記マイクロレンズの周縁によって区画される範囲である。

本発明によれば、製造誤差による色再現性の低下を防止することが可能な固体撮像素子を提供することができる。

図１は、本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子の平面模式図である。
図１に示す固体撮像素子は、図３に示す固体撮像素子において、各入射範囲内にあるカラーフィルタ及び輝度フィルタの形状を変更した点のみが異なる。図１において、破線で示している部分がカラーフィルタ及び輝度フィルタである。
図１において、入射範囲Ｙ内には輝度フィルタ３１が形成され、入射範囲Ｒ内にはｒカラーフィルタ３３が形成され、入射範囲Ｇ内にはｇカラーフィルタ３２が形成され、入射範囲Ｂ内にはｂカラーフィルタ３４が形成されている。破線で示す図形のうち、四角形で示したものが輝度フィルタ３１であり、八角形で示したものがカラーフィルタ３２，３３，３４である。

この固体撮像素子の特徴は、平面視において、ｒカラーフィルタ３３が、そのｒカラーフィルタ３３の下方にある光電変換素子２２に入射すると想定される光の入射範囲（入射範囲Ｒ）に隣接する入射範囲Ｙ内に食い込むように形成され、ｇカラーフィルタ３２が、そのｇカラーフィルタ３２の下方にある光電変換素子２２に入射すると想定される光の入射範囲（入射範囲Ｇ）に隣接する入射範囲Ｙ内に食い込むように形成され、ｂカラーフィルタ３４が、そのｂカラーフィルタ３４の下方にある光電変換素子２２に入射すると想定される光の入射範囲（入射範囲Ｂ）に隣接する入射範囲Ｙ内に食い込むように形成されている点である。

図２は、図１に示す固体撮像素子のＡ−Ａ線断面模式図である。図２において図４と同じ構成には同一符号を付してある。又、図２では、入射範囲Ｒ，Ｇ，Ｂ内にマイクロレンズ２５を設けていない例を示したが、入射範囲Ｒ，Ｇ，Ｂ内にマイクロレンズ２５を設けた構成であっても良い。

図２に示すように、シリコン基板２１には多数の光電変換素子２２が形成され、光の輝度成分を検出するための輝度検出用光電変換素子２２の受光面上方には輝度フィルタ３１が形成され、その上方にマイクロレンズ２５が形成されており、このマイクロレンズ２５の平面視での大きさが図１に示す入射範囲Ｙの大きさと同じになっている。

光の赤色成分を検出する色検出用光電変換素子２２の受光面上方にはｒカラーフィルタ３３が形成されている。ｒカラーフィルタ３３の上方にはマイクロレンズ２５が形成されていないが、図１に示すように、入射範囲Ｒは、これに隣接する入射範囲Ｙによって囲まれた範囲であるため、入射範囲Ｙに設けられたマイクロレズ２５の周縁によって区画される範囲が入射範囲Ｒとなっている。

同様に、光の緑色成分を検出する色検出用光電変換素子２２の受光面上方にはｇカラーフィルタ３２が形成されている。ｇカラーフィルタ３２の上方にはマイクロレンズ２５が形成されていないが、図１に示すように、入射範囲Ｇは、これに隣接する入射範囲Ｙによって囲まれた範囲であるため、入射範囲Ｙに設けられたマイクロレズ２５の周縁によって区画される範囲が入射範囲Ｇとなっている。

同様に、光の青色成分を検出する色検出用光電変換素子２２の受光面上方にはｂカラーフィルタ３４が形成されている。ｂカラーフィルタ３４の上方にはマイクロレンズ２５が形成されていないが、図１に示すように、入射範囲Ｂは、これに隣接する入射範囲Ｙによって囲まれた範囲であるため、入射範囲Ｙに設けられたマイクロレズ２５の周縁によって区画される範囲が入射範囲Ｂとなっている。

以上のような構成の固体撮像素子１ｂによれば、平面視において、各カラーフィルタ３２，３３，３４が、その下方にある光電変換素子に入射すると想定される光の入射範囲に隣接する入射範囲Ｙ内に食い込むように形成してあるため、カラーフィルタ３２，３３，３４の位置が設計よりもずれたり、サイズが小さくなったりしても、平面視において入射範囲Ｒ，Ｇ，Ｂ内にカラーフィルタが存在しないエリアが発生するのを防ぐことができる。この結果、入射範囲Ｒ，Ｇ，Ｂに入射した入射光の一部がカラーフィルタ３２，３３，３４を通過しないで、そのカラーフィルタ３２，３３，３４下方の光電変換素子２２に直接入射してしまうといった事態を防ぐことができ、色再現性を向上させることができる。

尚、以上のような構成によれば、輝度検出用光電変換素子には、図２に示すように、カラーフィルタを透過してきた光の一部が入射してしまう。ところが、輝度検出用光電変換素子は、輝度成分のみを検出する素子であるため、ここに他の色成分の光が入射しても、画質に対して影響はほとんどなく、カラーフィルタの形状を変えても問題にならない。このように、以上で説明したカラーフィルタの形状を工夫することによる色再現性の向上といった効果は、Ｒ，Ｇ，Ｂの色成分を検出する３種類の色検出用光電変換素子と、３種類の色検出用光電変換素子の各々に隣接して設けられた光の輝度成分を検出する輝度検出用光電変換素子とを含む多数の光電変換素子を有する固体撮像素子において有効な手法である。

又、以上の説明では、固体撮像素子に含まれる色検出用光電変換素子が、ＲＧＢの３つの異なる色成分を検出する光電変換素子を含むものとしたが、これらの色成分はＲＧＢの原色系に限らず、補色系の色やその他の色であっても良い。又、色成分の数についても、３つに限らず、４つ以上であっても良い。

本発明の実施形態を説明するための固体撮像素子の平面模式図図１に示す固体撮像素子のＡ−Ａ線断面模式図従来の固体撮像素子の平面模式図図３に示す固体撮像素子のＡ−Ａ線断面模式図図３に示す固体撮像素子において入射範囲Ｒ，Ｇ，Ｂ内にマイクロレンズを設けない場合のＡ−Ａ線断面模式図図３に示す固体撮像素子において入射範囲Ｒ，Ｇ，Ｂ内にマイクロレンズを設けない場合のＡ−Ａ線断面模式図

符号の説明

１ｂ固体撮像素子
２１シリコン基板
２２光電変換素子
２３輝度フィルタ
２５マイクロレンズ
３１輝度フィルタ
３２ｇカラーフィルタ
３３ｒカラーフィルタ
３４ｂカラーフィルタ
Ｒ，Ｇ，Ｂ，Ｙ入射範囲

Claims

それぞれ異なる光の色成分を検出する少なくとも３種類の色検出用光電変換素子と、前記少なくとも３種類の光電変換素子の各々に隣接して設けられた光の輝度成分を検出する輝度検出用光電変換素子とを含む多数の光電変換素子を有する固体撮像素子であって、
前記少なくとも３種類の色検出用光電変換素子の各々の上方には、それぞれ異なる色成分の光を透過する少なくとも３種類のカラーフィルタのいずれかが設けられ、
前記輝度検出用光電変換素子の上方には、光の輝度成分と相関のある分光特性を持つ輝度フィルタが設けられ、
前記多数の光電変換素子上方の同一平面において、前記色検出用光電変換素子に入射すると想定される光の入射範囲を第一の入射範囲とし、前記輝度検出用光電変換素子に入射すると想定される光の入射範囲を第二の入射範囲としたとき、
平面視において、前記少なくとも３種類のカラーフィルタの各々が、当該カラーフィルタの下方にある前記色検出用光電変換素子に入射すると想定される前記第一の入射範囲に隣接する前記第二の入射範囲内に食い込んでおり、
前記多数の光電変換素子のうち少なくとも前記輝度検出用光電変換素子の上方にマイクロレンズを備え、
前記第一の入射範囲と前記第二の入射範囲が、前記マイクロレンズの周縁によって区画される範囲である固体撮像素子。