JP2008091660A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光導波路を反射する時の光の減衰を抑制し、イメージセンサの中央部と周辺部とで生じる受光量差を小さくする。
【解決手段】ＣＣＤイメージセンサ１２には、受光素子２０の上に光導波路３１が設けられている。光導波路３１には入射光を反射して受光素子２０に導くための光反射層３２が設けられている。光導波路３１と結像レンズとにより、ＣＣＤイメージセンサ１２に対する被写体光の入射角が適切な角度となる。光導波路３１に入射する入射光の主光線は、１回の反射又は光導波路３１で反射を行わずに受光素子２０に到達する。
【選択図】図３

Description

本発明は、各受光素子に入射光を導く光導波路が設けられた撮像装置に関する。

デジタルカメラに用いられるイメージセンサとして、ＣＣＤイメージセンサとＣＭＯＳイメージセンサが知られている。いずれのイメージセンサも、光学像を画素ごとの信号電荷に変換する複数の受光素子を備えており、得られた信号電荷から画像信号を生成する。イメージセンサは高解像度の画像が記録できるように高画素化が進んでいる。高画素化のために画素密度を高めると、１つの受光素子が光を受ける受光面積が小さくなる。そこで、受光素子の前方に入射光を集光するマイクロレンズを設け、光の利用効率を高めたイメージセンサが従来から知られている。

また、受光素子とマイクロレンズの間に入射光を受光素子に導く光導波路を設け、受光素子に直接到達できない光を光導波路によって反射し、光の進路を曲げることで受光素子に到達する光の量を増加させたイメージセンサが知られている（特許文献１ないし４参照）。光導波路は、例えば受光素子とマイクロレンズの間に設けられた光反射率の高い反射層からなり、反射層により入射光の減衰を抑制し、イメージセンサの感度を向上させる。
特開平５−２８３６６１号公報 特開平７−４５８０５号公報 特開２０００−１５０８４５号公報 特開２００２−３５９３６３号公報

しかしながら、イメージセンサに被写体像が形成される際、イメージセンサの中央部では入射角が小さく、光がほぼ垂直に入射するのに対し、イメージセンサの周辺部では入射角が大きく、光が斜め方向から入射する。すなわち、イメージセンサの中央部と周辺部とでは光の入射角度が異なり、イメージセンサの周辺部では入射光が光導波路を反射する回数が多くなる。光導波路を設けていても、反射に伴う光の減衰は少なからず発生するため、反射回数の多いイメージセンサの周辺部の受光素子は中央部に比べて感度が低下するという欠点がある。

本発明は、上記問題点に着目し、イメージセンサの中央部と周辺部とで受光素子の感度の偏りを小さくできる撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、被写体像を形成する結像レンズと、被写体像を画素ごとの信号電荷に変換する複数の受光素子と、入射光を反射してこれを各受光素子に導く複数の光導波路とを備え、前記結像レンズから前記受光素子に入射する入射光の主光線が、前記光導波路で反射される回数を１回以下にしたことを特徴とする。

前記光導波路は、前記受光素子の上に筒状に形成され、その内部を入射光が通過する光反射層を備え、前記光導波路に入射する入射光の主光線の入射角をθ１、前記光導波路の屈折率をＮ１、前記光導波路の長さをＬ１、幅をＤ１とした時に、ｔａｎ（θ１／Ｎ１）≦Ｄ１／Ｌ１を満たすことを特徴とする。

前記光導波路は、周囲の透光体よりも屈折率が高く、柱状に形成された高屈折率層を備えることを特徴とする。

前記結像レンズからの入射光を各受光素子に集光させる複数の集光レンズを備え、この集光レンズを設ける位置を、前記複数の受光素子が配列された受光面の中心側にずらしたことを特徴とする。

前記結像レンズから前記受光素子に最大の入射角で入射する光線が、前記光導波路で反射される回数を１回以下にしたことを特徴とする。

本発明によれば、結像レンズから受光素子に入射する入射光の角度と、光導波路の構造とを最適化し、入射光の主光線が光導波路を反射する回数を１回以下にしているから、イメージセンサの周辺部に入射する光であっても、光導波路を反射することによる入射光の損失を最小限度に抑えることができる。すなわち、イメージセンサの周辺部に位置する受光素子によって検出できる光の量が増加し、画像の周辺部の光量が低下するシェーディングを軽減する効果が得られる。

図１において、撮像装置１０は、入射した被写体光を結像させ、被写体像を形成する結像レンズ１１と、結像レンズ１１により形成された被写体像を画像信号として光電変換するＣＣＤイメージセンサ１２とによって構成される。結像レンズ１１は、例えば複数枚のレンズによって構成され、光軸１１ａを有する。ＣＣＤイメージセンサ１２は、結像レンズ１１の像面上に設けられている。周知のように、物体面１３上の特定の物点からの光が結像する時、光軸１１ａから離れた物点からの主光線は、ＣＣＤイメージセンサ１２に入射する角度が大きく、ＣＣＤイメージセンサ１２に対して傾斜して入射する。また、光軸１１ａに近い物点からの主光線はＣＣＤイメージセンサ１２に入射する角度が小さく、ＣＣＤイメージセンサ１２にほぼ垂直に入射する。なお、光軸１１ａ上にない物点からの上限光線と下限光線は、主光線よりも入射角度が大きい光線と入射角度が小さい光線になる。

図２において、ＣＣＤイメージセンサ１２は、周知のように、平面状に配列されたフォトダイオードからなる複数の受光素子２０を備えている。受光素子２０により検出された光は、受光量に応じた信号電荷として蓄積される。ＣＣＤイメージセンサ１２は、インターライン転送方式のＣＣＤイメージセンサであり、垂直転送ＣＣＤ２１と水平転送ＣＣＤ２２が設けられている。垂直転送ＣＣＤ２１は、垂直方向に配列した複数の受光素子２０で発生した信号電荷を転送する。水平転送ＣＣＤ２２は、複数の垂直転送ＣＣＤ２１の最終段に共通に接続され、垂直転送ＣＣＤ２１がそれぞれ転送する信号電荷を水平転送する。

蓄積された信号電荷は、受光素子２０と垂直転送ＣＣＤ２１とを接続する読み出し転送ゲートを介して、所定の読み出し周期ごとに垂直転送ＣＣＤ２１に読み出される。垂直転送ＣＣＤ２１は、読み出された信号電荷を水平転送ＣＣＤ２２に向かって一段ずつ転送する垂直転送を行う。水平転送ＣＣＤ２２は、垂直転送ＣＣＤ２１の各最終段から転送される信号電荷を受け取り、一段分の信号電荷を出力アンプ２３に向けて水平転送を行う。出力アンプ２３は、水平転送ＣＣＤ２２から出力される信号電荷の電荷量に応じた電圧信号を画像信号として出力する。

図３において、垂直転送ＣＣＤ２１の上方には、転送電極２６と、転送電極２６の上面部及び側面部を覆う酸化シリコンからなる絶縁層２７と、絶縁層２７を覆う遮光層２９とが形成されている。遮光層２９には、受光素子２０の上に開口部３０が形成されており、受光素子２０に光を入射させ、垂直転送ＣＣＤ２１に光が侵入することを防止する。遮光層２９は、タングステン又はアルミニウム等の遮光性材料から形成されている。

開口部３０には光導波路３１が設けられている。光導波路３１は、二酸化シリコン等の透明絶縁性材料が充填され、その周囲に高反射率の金属からなる光反射層３２を備えている。光反射層３２に用いる高反射材料としては、例えばアルミニウム、銀、金がある。光反射層３２は、入射光が受光素子２０に到達する前に遮光層２９で反射又は吸収されることを防ぎ、入射光が受光素子２０に到達できるように導くことで光の損失を抑える。

遮光層２９と光導波路３１の上には平坦化層３３が形成されている。平坦化層３３は、ＢＰＳＧ（Boron Phosphorous Silicate Glass）からなる。開口部３０の上には、赤、緑、青などの特定の色の光を透過させるカラーフィルタ３４が設けられている。カラーフィルタ３４の上には、入射光を集光する凸状のマイクロレンズ３５が設けられている。なお、受光素子２０の受光面の中心と、光導波路３１の中心と、マイクロレンズ３５の中心は同一軸上に位置している。

図４において、入射光が光導波路３１を反射する際にも、反射に伴う入射光の損失が発生する。このため、結像レンズ１１には光導波路３１の構造に適したものが用いられ、入射光が光導波路３１を反射する回数を制限し、光の損失を抑えている。結像レンズ１１がＣＣＤイメージセンサ１２に適したものであるためには、光導波路３１の内部の屈折率をＮ１、光導波路３１の長さをＬ１、光導波路３１の幅をＤ１とした時に、ｔａｎ（θ１／Ｎ１）≦Ｄ１／Ｌ１、として表される入射角θ１で入射光が光導波路３１に入射することを条件とする。

光導波路３１の長さＬ１は、転送電極２６及び絶縁層２７及び遮光層２９の厚さの合計値とほぼ等しく、光導波路３１の幅Ｄ１はＣＣＤイメージセンサ１２の画素密度に応じた受光素子２０の受光面の広さとほぼ等しい。光導波路３１の構造が決まると、光導波路３１に入射する際の主光線の入射角の上限値が決まる。また、この上限値が決まると、主光線が結像レンズ１１からＣＣＤイメージセンサ１２に入射する際に許容される最大入射角が求められ、ＣＣＤイメージセンサ１２に最適な組み合わせとなる結像レンズ１１の画角等が決まる。

このように決められた結像レンズ１１を用いることで、各受光素子に入射する入射光の主光線は、光導波路３１を１回反射して受光素子２０に入射するか、光導波路３１を反射せずに受光素子２０に直接入射することができる。所定の物点からの主光線が、光導波路３１での反射回数が複数回にならないことで、光導波路３１での反射による入射光の減衰は効果的に抑えられる。特に、ＣＣＤイメージセンサ１２の周辺部に入射する光は、入射角度が大きいために光導波路３１における反射回数が多くなりやすいが、光導波路３１での反射回数が１回以下になることにより、ＣＣＤイメージセンサ１２の中央部と周辺部で生じる受光量差を小さくすることができる。

次に本発明の第２実施形態について説明する。ＣＣＤイメージセンサ４０には、受光素子２０の上に透明な高屈折率層４１を備えた光導波路４２が設けられている。光導波路４２は、高屈折率層４１と遮光層２９との間、すなわち高屈折率層４１の周囲には平坦化層４３を構成する低屈折率材料が充填されている。光導波路４２は、高屈折率層４１がコア、平坦化層４３がクラッドとして作用し、高屈折率層４１に入射した光を全反射して受光素子２０に導く。

このような構造の光導波路４２を備えたＣＣＤイメージセンサ４０と結像レンズの組み合わせを決めるためには、光導波路４２の長さ（高屈折率層４１の厚さ）をＬ１、光導波路４２の幅（高屈折率層４１の幅）をＤ１、高屈折率層４１の屈折率をＮ１とした時に、ｔａｎ（θ１／Ｎ１）≦Ｄ１／Ｌ１、を満たす入射角θ１で高屈折率層４１に主光線が入射することが条件となる。この条件を満たす結像レンズを用いることにより、高屈折率層４１に入射した主光線は、光導波路４２で１回反射されて受光素子２０に入射するか、光導波路４２で反射されずに受光素子２０に直接入射することができる。すなわち、光導波路４２で複数回の反射によって減衰する主光線が生じないので、ＣＣＤイメージセンサ４０の中央部と周辺部とで光導波路４２を反射することに起因する受光量の差が小さくなる。

なお、以上で説明した実施形態は、受光素子の中心と光導波路の中心とマイクロレンズの中心とが同一軸上に位置している。ここで、マイクロレンズをイメージセンサの中心側にずらした場合、光導波路に入射する主光線の入射角度を小さくすることができる。これにより、結像レンズからイメージセンサに入射する被写体光の入射角度が大きくなっても光導波路における主光線の反射回数を１回以下にすることができ、結像レンズの設計が楽になる。

イメージセンサの中央部と周辺部とで、光導波路における反射に起因する受光量の差をさらに小さくするためには、光導波路に入射した主光線のみならず、主光線よりも入射角が大きい上限光線又は下限光線を含む全ての光線の反射回数が１回以下になることが好ましい。信号電荷の転送路を遮光する遮光層に高い光反射率を有する材料を使用する場合には、遮光層に形成した開口部を光導波路として使用することもできる。本発明に用いるイメージセンサとしては、ＣＣＤイメージセンサに限られず、ＣＭＯＳイメージセンサに適用することも可能である。

撮像装置の構成図である。 ＣＣＤイメージセンサの概念図である。 ＣＣＤイメージセンサの断面図である。 光導波路に入射する主光線の光路を説明する概念図である。 第２実施形態のＣＣＤイメージセンサの断面図である。 マイクロレンズと受光素子の位置関係を説明するための説明図である。

符号の説明

１０ 撮像装置
１１ 結像レンズ
１１ａ 光軸
１２ ＣＣＤイメージセンサ
２０ 受光素子
２９ 遮光層
３１ 光導波路
３２ 光反射層
３３ 平坦化層
３５ マイクロレンズ
４０ ＣＣＤイメージセンサ
４１ 高屈折率層
４２ 光導波路
４３ 平坦化層

Claims (5)

1. 被写体像を形成する結像レンズと、被写体像を画素ごとの信号電荷に変換する複数の受光素子と、入射光を反射してこれを各受光素子に導く複数の光導波路とを備え、
   前記結像レンズから前記受光素子に入射する入射光の主光線が、前記光導波路で反射される回数を１回以下にしたことを特徴とする撮像装置。
2. 前記光導波路は、前記受光素子の上に筒状に形成され、その内部を入射光が通過する光反射層を備え、前記光導波路に入射する入射光の主光線の入射角をθ１、前記光導波路の光透過部の屈折率をＮ１、前記光導波路の長さをＬ１、幅をＤ１とした時に、
   ｔａｎ（θ１／Ｎ１）≦Ｄ１／Ｌ１
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記光導波路は、周囲の透光体よりも屈折率が高く、柱状に形成された高屈折率層を備えることを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記結像レンズからの入射光を各受光素子に集光させる複数の集光レンズを備え、この集光レンズを設ける位置を、前記複数の受光素子が配列された受光面の中心側にずらしたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の撮像装置。
5. 前記結像レンズから前記受光素子に最大の入射角で入射する光線が、前記光導波路で反射される回数を１回以下にしたことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。

Images