JP6506614B2 - 固体撮像装置およびカメラ - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置およびカメラに関する。

特許文献１には、非円形のマイクロレンズが記載されている。より具体的には、特許文献１には、受光領域の中央部には平面視で略円形のマイクロレンズを配置し、受光領域の中央部から離れた部分にはティアドロップ形状のマイクロレンズを配置した固体撮像素子が記載されている。ティアドロップ形状とは、長軸および短軸を有し、短軸に平行な方向における最大幅を有する部分が受光領域における中央部側に寄っている形状である（特許文献１の図２、段落００２１、００２２）。長軸の方向は、受光領域の中央部を通る直線の方向に一致している。ティアドロップ形状は、受光領域の中央部からの距離に応じて決定されている。

特開２００７−３３５７２３号公報

特許文献１に記載された発明思想は、マイクロレンズの基本形状を最初に決定し、各マイクロレンズを配置すべき位置に応じて該基本形状を回転させることによって各マイクロレンズの形状を決定するものとして理解することができる。特許文献１に記載された発明思想に従えば、中央部からの距離が互いに等しいマイクロレンズは互いに回転対称であると理解される。しかしながら、中央部からの距離が互いに等しい位置に回転対称の形状を有する複数のマイクロレンズを配列した場合、円形状の複数のマイクロレンズを配列する場合よりも隙間が多くなり、それにより集光効率が低下しうる。

本発明は、集光効率の向上に有利な技術を提供することを目的とする。

本発明の１つの側面は、複数の行および複数の列を構成するように複数のマイクロレンズが配列されたマイクロレンズアレイを備える固体撮像装置に係り、前記固体撮像装置は、前記複数の行に平行で、前記マイクロレンズアレイの中心であるアレイ中心を通る第１軸と、前記複数の列に平行で前記アレイ中心を通る第２軸とを定義したときに、前記複数のマイクロレンズのうち前記アレイ中心を中心とする仮想円の上に位置するマイクロレンズは、前記第１軸または前記第２軸の上に位置する第１マイクロレンズと、前記第１軸および第２軸のいずれの上にも位置しない第２マイクロレンズとを含み、前記第１マイクロレンズおよび前記第２マイクロレンズは、非円形の底面形状を有し、前記第２マイクロレンズと前記アレイ中心とを通る第２方向における前記第２マイクロレンズの幅は、前記第１マイクロレンズと前記アレイ中心とを通る第１方向における前記第１マイクロレンズの幅より大きく、前記第１マイクロレンズは、前記第１方向に平行な直線を対称軸とする線対称な形状を有し、前記第２マイクロレンズは、前記第２方向に平行な直線を対称軸とする線対称な形状を有する。

本発明によれば、集光効率の向上に有利な技術が提供される。

本発明の１つの実施形態の固体撮像装置の構成を示す図。 本発明の第１実施形態における第１マイクロレンズおよび第２マイクロレンズの底面形状を例示的に示す図。 図２に示された第１マイクロレンズおよび第２マイクロレンズの断面形状を例示する図。 本発明の第２実施形態における第１マイクロレンズおよび第２マイクロレンズの底面形状を例示的に示す図。 図４に示された第１マイクロレンズおよび第２マイクロレンズの断面形状を例示する図。 比較例における第１マイクロレンズおよび第２マイクロレンズの底面形状を例示する図。 図６に示された第１マイクロレンズおよび第２マイクロレンズの断面形状を例示する図。

以下、添付図面を参照しながら本発明をその例示的な実施形態を通して説明する。

図１には、本発明の１つの実施形態の固体撮像装置１の構成が示されている。固体撮像装置１は、複数の行および複数の列を構成するように複数のマイクロレンズが配列されたマイクロレンズアレイＭＬＡを備えている。他の観点において、固体撮像装置１は、複数の行および複数の列を構成するように複数の画素が配列された画素アレイＰＡを備え、各画素は、マイクロレンズを有する。画素アレイＰＡを構成する各画素は、マイクロレンズの他、フォトダイオード等の光電変換部を有する。各画素はまた、カラーフィルタを有しうる。各画素はまた、光電変換部から信号を読み出すための画素内回路を有しうる。画素内回路は、例えば、光電変換部で発生した電荷に応じた信号を出力する増幅トランジスタを含みうる。

固体撮像装置１は、更に、周辺回路ＰＣを備えうる。固体撮像装置１がＭＯＳ型イメージセンサとして構成される場合、周辺回路ＰＣは、例えば、行選択回路、読出回路および列選択回路を含みうる。行選択回路は、画素アレイＰＣにおける行を選択する。読出回路は、画素アレイＰＡから信号を読み出す。列選択回路は、画素アレイＰＡから読出回路によって読み出された１行分の信号から１つの信号（列に対応する信号）を所定の順番で選択する。つまり、列選択回路は、画素アレイＰＡにおける列を選択する。固体撮像装置１がＣＣＤイメージセンサとして構成される場合、画素アレイＰＡの中に複数の垂直転送ＣＣＤが配置され、周辺回路ＰＣは、水平転送ＣＣＤを含みうる。

ここで、説明の便宜のために、マイクロレンズアレイＭＬＡの複数の行に平行で、画素アレイＰＡの中心であるアレイ中心Ｃを通る第１軸ＡＸ１と、マイクロレンズアレイＭＬＡの複数の列に平行でアレイ中心Ｃを通る第２軸ＡＸ２とを定義する。また、アレイ中心Ｃを中心とする仮想円ＶＣを考える。仮想円ＶＣの半径は任意である。図１には、画素アレイＰＡを構成する複数の画素のうち仮想円ＶＣの上に位置する画素の一部が示されている。具体的には、図１には、画素アレイＰＡを構成する複数の画素のうち仮想円ＶＣの上に位置する画素として、第１画素Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３、Ｐ１４と、第２画素Ｐ２とが示されている。第１画素Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３、Ｐ１４は、第１軸ＡＸ１または第２軸ＡＸ２の上に位置する画素であり、第２画素Ｐ２は、第１軸ＡＸ１および第２軸ＡＸ２のいずれの上にも位置しない画素である。ここで、第２画素は、他にも存在するが、図１には、１つの第２画素Ｐ２のみが示されている。仮想円ＶＣの上に位置する画素とは、当該画素の領域内を仮想円ＶＣが横切っている画素として定義されうる。各画素は、画素アレイＰＡの面積を画素数で除した値の面積を有し、典型的には、矩形等の多角形の領域として認識されうる。

マイクロレンズアレイＭＬＡを構成する複数のマイクロレンズは、第１マイクロレンズＭＬ１１、ＭＬ１２、ＭＬ１３、ＭＬ１４と、第２マイクロレンズＭＬ２とを含む。第１マイクロレンズＭＬ１１、ＭＬ１２、ＭＬ１３、ＭＬ１４は、それぞれ第１画素Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３、Ｐ１４のマイクロレンズである。第２マイクロレンズＭＬ２は、第２画素Ｐ２のマイクロレンズである。つまり、マイクロレンズアレイＭＬＡを構成する複数のマイクロレンズのうち仮想円ＶＣの上に位置するマイクロレンズは、第１マイクロレンズＭＬ１１、ＭＬ１２、ＭＬ１３、ＭＬ１４および第２マイクロレンズＭＬ２を含む。第１マイクロレンズＭＬ１１、ＭＬ１２、ＭＬ１３、ＭＬ１４は、第１軸ＡＸ１または第２軸ＡＸ２の上に位置するマイクロレンズである。第２マイクロレンズＭＬ２は、第１軸ＡＸ１および第２軸ＡＸ２のいずれの上にも位置しないマイクロレンズである。

第１軸ＡＸ１と第２方向ＤＩＲ２とがなす角は、偏角θとして定義されうる。ここで、第２方向ＤＩＲ２および偏角θは、第２マイクロレンズＭＬ２（第１画素Ｐ２）の位置を示す極座標を与えるパラメータとして理解することができる。第２方向ＤＩＲ２および偏角θは、第２画素Ｐ２の位置に依存する。

典型的には、アレイ中心Ｃから所定距離以上の距離を隔てて配置された第１画素および第２画素は、非円形の底面形状を有しうる。一方、アレイ中心Ｃから所定距離以内の距離を隔てて配置された第１画素および第２画素は、円形の底面形状を有しうる。該所定距離は、任意に定めることができ、例えば、画素アレイＰＡの短辺の１０、２０、３０または４０パーセントの距離とすることができる。アレイ中心Ｃを中心とし、前記所定距離より大きい半径を有する仮想円ＶＣを考えたとき、第１画素Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３、Ｐ１４の第１マイクロレンズおよび第２画素Ｐ２の第２マイクロレンズは、非円形の底面形状を有する。

第２マイクロレンズＭ２とアレイ中心Ｃとを通る第２方向ＤＩＲ２における第２マイクロレンズＭ２の幅は、第１マイクロレンズＭＬ１１とアレイ中心Ｃとを通る第１方向ＤＩＲ１における第１マイクロレンズＭＬ１１の幅より大きい。同様に、第２マイクロレンズＭ２とアレイ中心Ｃとを通る第２方向ＤＩＲ２における第２マイクロレンズＭ２の幅は、第１マイクロレンズＭＬ１２とアレイ中心Ｃとを通る第１方向ＤＩＲ１における第１マイクロレンズＭＬ１２の幅より大きい。同様に、第２マイクロレンズＭ２とアレイ中心Ｃとを通る第２方向ＤＩＲ２における第２マイクロレンズＭ２の幅は、第１マイクロレンズＭＬ１３とアレイ中心Ｃとを通る第１方向ＤＩＲ１における第１マイクロレンズＭＬ１３の幅より大きい。同様に、第２マイクロレンズＭ２とアレイ中心Ｃとを通る第２方向ＤＩＲ２における第２マイクロレンズＭ２の幅は、第１マイクロレンズＭＬ１４とアレイ中心Ｃとを通る第１方向ＤＩＲ１における第１マイクロレンズＭＬ１４の幅より大きい。ここで、第１方向ＤＩＲ１は、例えば、第１マイクロレンズの重心とアレイ中心Ｃとを通る方向であり、第２方向ＤＩＲ２は、第２マイクロレンズの重心とアレイ中心とを通る方向である。

一例において、０°＜θ≦４５°、９０°＜θ≦１３５°、１８０°＜θ≦２２５°、２７０°＜θ≦３１５°の範囲で、第２方向ＤＩＲ２における第２マイクロレンズＰ２の幅は、θの増加に応じて増加しうる。また、一例において、４５°≦θ＜９０°、１３５°＜θ≦１８０°２２５°＜θ≦２７０°、３１５°＜θ≦３６０°の範囲で、第２方向ＤＩＲ２における第２マイクロレンズＰ２の幅は、θの増加に応じて減少しうる。このような構成は、第２画素Ｐ２における光電変換部に対する集光効率を高めるために有利である。

一例において、第１マイクロレンズＭＬ１１、ＭＬ１２、ＭＬ１３、ＭＬ１４は、第１方向ＤＩＲ１の直線を対称軸として線対称な形状を有し、第２マイクロレンズＭＬ２は、第２方向ＤＩＲ２の直線を対称軸として線対称な形状を有しうる。

図２（ａ）、（ｂ）には、本発明の第１実施形態における第１マイクロレンズＭＬ１１および第２マイクロレンズＭＬ２の底面形状が例示的に示されている。マイクロレンズの底面形状は、マイクロレンズアレイＭＬＡに平行な平面に投影されたマイクロレンズが占める領域の形状である。第２マイクロレンズＭ２とアレイ中心Ｃとを通る第２方向ＤＩＲ２における第２マイクロレンズＭ２の幅Ｗ２は、第１マイクロレンズＭＬ１１とアレイ中心Ｃとを通る第１方向ＤＩＲ１における第１マイクロレンズＭＬ１１の幅ＷＬ１１より大きい。図示されていないが、第１マイクロレンズＭＬ１２、ＭＬ１３、ＭＬ１４についても同様である。図３（ａ）には、図２（ａ）に示された第１マイクロレンズＭＬ１１を第１方向ＤＩＲ１の直線に沿って切断された断面形状が示されている。図３（ｂ）には、図２（ｂ）に示された第２マイクロレンズＭＬ２を第２方向ＤＩＲ２の直線に沿って切断した断面形状が提示的に示されている。

図２および図３に例示されているように、第１マイクロレンズＭＬ１１（ＭＬ１１、ＭＬ１２、ＭＬ１３、ＭＬ１４も同様）の頂点位置ＶＰ１は、第１方向ＤＩＲ１における第１マイクロレンズＭＬ１１の幅の中心ＣＷ１からアレイ中心Ｃの側にシフトした位置にある。第２マイクロレンズＭＬ２の頂点位置ＶＰ２は、第２方向ＤＩＲ２における第２マイクロレンズＭＬ２の幅の中心ＣＷ２からアレイ中心Ｃの側にシフトした位置にある。このような構成は、マイクロレンズに対して斜入射する光線を該マイクロレンズの下の光電変換部に集光させるために有利である。

第２方向ＤＩＲ２の直線に沿って切断された第２マイクロレンズＭＬ２の断面形状は、第１方向ＤＩＲ１の直線に沿って切断された第１マイクロレンズＭＬ１１（ＭＬ１２、ＭＬ１３、ＭＬ１４も同様）の断面形状の少なくとも一部を拡大した形状を含みうる。この拡大は、第１方向ＤＩＲ１および高さ方向の双方に関してなされてもよいし、第１方向ＤＩＲ１のみに関してなされてもよい。

あるいは、第２方向ＤＩＲの直線に沿って切断された第２マイクロレンズＭＬ２の断面形状は、第１方向ＤＩＲ１の直線に沿って切断された第１マイクロレンズＭＬ１１（ＭＬ１２、ＭＬ１３、ＭＬ１４も同様）の断面形状と相似であってもよい。

図２（ａ）に例示されるように、第１マイクロレンズＭＬ１の底面の外縁は、第１方向ＤＩＲ１に平行な部分Ｅ１、および、第１方向ＤＩＲ１に垂直な部分Ｅ２を含みうる。図２（ｂ）に例示されるように、第２マイクロレンズＭＬ２の底面の外縁は、第２方向ＤＩＲ２に平行な部分Ｅ３、および、第２方向ＤＩＲ２に垂直な部分Ｅ４を含みうる。

図６および図７には、比較例が示されている。比較例では、仮想円ＶＣの上に配置された第１マイクロレンズＭＬ１１’および第２マイクロレンズＭＬ２’は、回転対称な形状を有する。このような構成は、第１マイクロレンズＭＬ１１’の形状を決定した後に、第１マイクロレンズＭＬ１１’を回転させた形状を第２マイクレンズＭＬ２’の形状として決定する場合に創り出されうる。図６（ａ）、（ｂ）には、第１方向ＤＩＲ１の直線に沿って切断された第１マイクロレンズＭＬ１１’の底面形状および第２方向ＤＩＲ２の直線に沿って切断された第２マイクロレンズＭＬ２’の底面形状が提示的に示されている。図７（ａ）には、図６（ａ）に示された第１マイクロレンズＭＬ１１’を第１方向ＤＩＲ１の直線に沿って切断された断面形状が示されている。図７（ｂ）には、図６（ｂ）に示された第２マイクロレンズＭＬ２’を第２方向ＤＩＲ２の直線に沿って切断した断面形状が提示的に示されている。

比較例では、第２マイクロレンズＭＬ２’の外縁の外側の領域７０１が図２および図３に示された実施形態よりも大きく、そのため、光電変換部への光の集光効率が該実施形態よりも低いことが理解される。

以下、図４および図５を参照しながら本発明の第２実施形態の固体撮像装置１について説明する。なお、第２実施形態として言及しない事項は、第１実施形態に従いうる。図４（ａ）、（ｂ）には、本発明の第２実施形態における第１マイクロレンズＭＬ１１および第２マイクロレンズＭＬ２の底面形状が例示的に示されている。第２マイクロレンズＭ２とアレイ中心Ｃとを通る第２方向ＤＩＲ２における第２マイクロレンズＭ２の幅Ｗ２’は、第１マイクロレンズＭＬ１１とアレイ中心Ｃとを通る第１方向ＤＩＲ１における第１マイクロレンズＭＬ１１の幅ＷＬ１１’より大きい。図示されていないが、第１マイクロレンズＭＬ１２、ＭＬ１３、ＭＬ１４についても同様である。図５（ａ）には、図４（ａ）に示された第１マイクロレンズＭＬ１１を第１方向ＤＩＲ１の直線に沿って切断された断面形状が示されている。図５（ｂ）には、図４（ｂ）に示された第２マイクロレンズＭＬ２を第２方向ＤＩＲ２の直線に沿って切断した断面形状が提示的に示されている。一例において、第２方向ＤＩＲの直線に沿って切断された第２マイクロレンズＭＬ２の断面形状は、第１方向ＤＩＲ１の直線に沿って切断された第１マイクロレンズＭＬ１１（ＭＬ１２、ＭＬ１３、ＭＬ１４も同様）の断面形状と相似でありうる。

以下、上記の各実施形態に係る固体撮像装置の応用例として、該固体撮像装置が組み込まれたカメラについて例示的に説明する。カメラの概念には、撮影を主目的とする装置のみならず、撮影機能を補助的に備える装置（例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末）も含まれる。カメラは、上記の実施形態として例示された本発明に係る固体撮像装置と、該固体撮像装置から出力される信号を処理する処理部とを含む。該処理部は、例えば、Ａ／Ｄ変換器、および、該Ａ／Ｄ変換器から出力されるデジタルデータを処理するプロセッサを含みうる。

Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３、Ｐ１４：第１画素、Ｐ２：第２画素、ＭＬ１、ＭＬ１２、ＭＬ１３、ＭＬ１４：第１マイクロレンズ、ＭＬ２：第２マイクロレンズ、ＤＩＲ１：第１方向、ＤＩＲ：第２方向、ＡＸ１：第１軸、ＡＸ２：第２軸、ＶＣ：仮想円、ＶＰ１：頂点、ＶＰ２：頂点

Claims (8)

1. 複数の行および複数の列を構成するように複数のマイクロレンズが配列されたマイクロレンズアレイを備える固体撮像装置であって、
   前記複数の行に平行で、前記マイクロレンズアレイの中心であるアレイ中心を通る第１軸と、前記複数の列に平行で前記アレイ中心を通る第２軸とを定義したときに、前記複数のマイクロレンズのうち前記アレイ中心を中心とする仮想円の上に位置するマイクロレンズは、前記第１軸または前記第２軸の上に位置する第１マイクロレンズと、前記第１軸および第２軸のいずれの上にも位置しない第２マイクロレンズとを含み、
   前記第１マイクロレンズおよび前記第２マイクロレンズは、非円形の底面形状を有し、
   前記第２マイクロレンズと前記アレイ中心とを通る第２方向における前記第２マイクロレンズの幅は、前記第１マイクロレンズと前記アレイ中心とを通る第１方向における前記第１マイクロレンズの幅より大きく、
   前記第１マイクロレンズは、前記第１方向に平行な直線を対称軸とする線対称な形状を有し、前記第２マイクロレンズは、前記第２方向に平行な直線を対称軸とする線対称な形状を有する、
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記第１マイクロレンズの頂点位置は、前記第１方向における前記第１マイクロレンズの幅の中心から前記アレイ中心の側にシフトした位置にあり、前記第２マイクロレンズの頂点位置は、前記第２方向における前記第２マイクロレンズの幅の中心から前記アレイ中心の側にシフトした位置にある、
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記第２方向に平行な直線に沿って切断された前記第２マイクロレンズの断面形状は、前記第１方向に平行な直線に沿って切断された前記第１マイクロレンズの断面形状の少なくとも一部を拡大した形状を含む、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
4. 前記第２方向に平行な直線に沿って切断された前記第２マイクロレンズの断面形状は、前記第１方向に平行な直線に沿って切断された前記第１マイクロレンズの断面形状と相似である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
5. 前記第１マイクロレンズの底面の外縁は、前記第１方向に平行な部分、および、前記第１方向に垂直な部分を含み、
   前記第２マイクロレンズの底面の外縁は、前記第２方向に平行な部分、および、前記第２方向に垂直な部分を含む、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
6. 前記第１軸と前記第２方向とのなす角をθとしたときに、０°＜θ≦４５°、９０°＜θ≦１３５°、１８０°＜θ≦２２５°、２７０°＜θ≦３１５°の範囲で、前記第２方向における前記第２マイクロレンズの幅は、θの増加に応じて増加し、４５°≦θ＜９０°、１３５°＜θ≦１８０°２２５°＜θ≦２７０°、３１５°＜θ≦３６０°の範囲で、前記第２方向における前記第２マイクロレンズの幅は、θの増加に応じて減少する、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
7. 前記複数のマイクロレンズは、前記アレイ中心と前記第１マイクロレンズとの間に配置された第３マイクロレンズと、前記アレイ中心と前記第２マイクロレンズとの間に配置された第４マイクロレンズとを含み、前記第３マイクロレンズおよび前記第４マイクロレンズが円形の底面形状を有する、
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
   前記固体撮像装置から出力される信号を処理する処理部と、
   を備えることを特徴とするカメラ。

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