JP2019134170A - Image element and imaging device - Google Patents
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Abstract
【課題】光電変換部に効率よく集光する。【解決手段】固体撮像素子は、中心に対して回転対称な形状を有するマイクロレンズと、マイクロレンズを透過した光を受光して電気信号に変換する光電変換部とを備え、マイクロレンズは中心からレンズ端までの直線距離が異なる平面形状を有し、マイクロレンズは、直線距離が相対的に長いn箇所(nは自然数)のレンズ端近傍の第1の底面部位と該第1の底面部位を含まない第2の底面部位とを有し、第1の底面部位からマイクロレンズの頂点までの垂直方向の高さLdを、第2の底面部位からマイクロレンズの頂点までの垂直方向の高さLhの約2.1倍とした。【選択図】図1An object of the present invention is to efficiently collect light on a photoelectric conversion unit. A solid-state imaging device includes a microlens having a rotationally symmetrical shape with respect to the center, and a photoelectric conversion section that receives light transmitted through the microlens and converts it into an electrical signal. The microlens has a planar shape with different linear distances to the lens edge, and the microlens includes first bottom surface portions near the lens edge and the first bottom surface portions at n locations (where n is a natural number) with relatively long linear distances. a vertical height Ld from the first bottom surface portion to the apex of the microlens, and a vertical height Lh from the second bottom surface portion to the apex of the microlens about 2.1 times. [Selection drawing] Fig. 1
Description
本発明は、固体撮像素子および撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device and an imaging apparatus.
近年、CCD型やCMOS型などの固体撮像素子を用いたビデオカメラや電子カメラが
広く一般に普及している。固体撮像素子は画素が受ける光を電気信号に変換する光電変換
部を有し、複数の画素がマトリクス状に配置され、各画素の光電変換部の電気信号を読み
取るための信号線などが光電変換部の周りに配置されている。固体撮像素子を用いたビデ
オカメラや電子カメラの撮影レンズによって入射される被写体からの光は、マトリクス状
に配置された画素に結像され、光電変換部によって電気信号に変換される。
In recent years, video cameras and electronic cameras using a solid-state imaging device such as a CCD type or a CMOS type have been widely used. A solid-state imaging device has a photoelectric conversion unit that converts light received by a pixel into an electrical signal, a plurality of pixels are arranged in a matrix, and a signal line for reading the electrical signal of the photoelectric conversion unit of each pixel is photoelectrically converted. It is arranged around the part. Light from a subject incident by a photographing lens of a video camera or an electronic camera using a solid-state image sensor is imaged on pixels arranged in a matrix and converted into an electrical signal by a photoelectric conversion unit.
しかし、画素に結像された光は、信号線などによって必ずしも全ての光が光電変換部に
入射されるわけではないので、各画素に光が入射する側にマイクロレンズをマトリクス状
に配置して、無駄になっていた光をマイクロレンズによって光電変換部に集光させる技術
が使われ、特許文献1に記載されている。
また、通常のマイクロレンズは半球形に形成され、その平面形状は円形型であるが、画
素の平面形状は四角形型が一般的で、画素の形状とマイクロレンズの平面形状が必ずしも
一致せず、光電変換部に十分に集光されない領域ができてしまう。これを防止するために
、マイクロレンズの平面形状を四角形型にしたり、画素の形状とマイクロレンズの平面形
状を多角形型にする技術が特許文献2に記載されている。
更に、例えば四角形型のように、レンズ端までの直線距離が異なる平面形状のマイクロ
レンズにおいて、直線距離が相対的に長い位置のレンズ端近傍のマイクロレンズの高さを
そうでない位置のマイクロレンズの高さよりも大きくすることで、集光率を高める技術が
特許文献3に記載されている。
However, not all of the light focused on the pixels is incident on the photoelectric conversion unit by signal lines or the like, so microlenses are arranged in a matrix on the side where the light is incident on each pixel. A technique of condensing wasted light on a photoelectric conversion unit by a microlens is used, and is described in
In addition, a normal microlens is formed in a hemispherical shape, and its planar shape is a circular shape, but the planar shape of a pixel is generally a square shape, and the shape of the pixel does not necessarily match the planar shape of the microlens, An area that is not sufficiently condensed on the photoelectric conversion unit is formed. In order to prevent this, Patent Document 2 describes a technique in which the planar shape of the microlens is a quadrilateral shape, or the pixel shape and the planar shape of the microlens are a polygonal shape.
Further, for example, in the case of a planar microlens having a different linear distance to the lens end, such as a rectangular shape, the height of the microlens near the lens end where the linear distance is relatively long is set to the height of the microlens at a position where the linear distance is not. Patent Document 3 describes a technique for increasing the light condensing rate by making it larger than the height.
マイクロレンズを有する固体撮像素子において、固体撮像素子の画素の形状が四角形型
であるのに対して、マイクロレンズの平面形状は円形型に形成されるのが一般的で、光電
変換部に効率よく集光することは難しいという課題があった。これを解決するために、画
素の形状とマイクロレンズの平面形状を多角形型に形成する方法が考えられているが、現
実的には設計や製造が容易ではない。また、マイクロレンズの平面形状を単に四角形型に
しただけでは必ずしも光電変換部への集光率が改善されるとは限らないという課題がある
。
In a solid-state imaging device having a microlens, the shape of the pixel of the solid-state imaging device is a square shape, whereas the planar shape of the microlens is generally formed in a circular shape, and the photoelectric conversion unit is efficiently There was a problem that it was difficult to collect light. In order to solve this, a method of forming the shape of the pixel and the planar shape of the microlens into a polygonal shape has been considered, but in reality it is not easy to design or manufacture. Further, there is a problem that the light collection rate to the photoelectric conversion unit is not necessarily improved simply by making the planar shape of the microlens a rectangular shape.
この従来の技術の課題について図10を用いて説明する。図10(a)は一般的な固体
撮像素子を上方から見た時の平面図で、701は従来の技術による四角形型のマイクロレ
ンズ、111はフォトダイオードなどの光電変換部、110はマトリクス状に区切られた
それぞれの画素、Aは画素110の対向する辺の中心を結ぶ水平方向に切断する水平断面
位置、Bは画素110を対角方向に切断する対角断面位置をそれぞれ示している。図10
(b)および(c)は、図10(a)における水平断面位置Aおよび対角断面位置Bで切
断した時のマイクロレンズ701と光電変換部111の断面形状および集光イメージを示
した図で、309は入射光、Lhはマイクロレンズ701の厚さである。
The problem of this conventional technique will be described with reference to FIG. FIG. 10A is a plan view of a general solid-state imaging device as viewed from above. 701 is a square microlens according to the prior art, 111 is a photoelectric conversion unit such as a photodiode, and 110 is a matrix. Each of the divided pixels, A is a horizontal cross-sectional position that cuts in the horizontal direction connecting the centers of the opposite sides of the
FIGS. 10B and 10C are diagrams showing cross-sectional shapes and condensing images of the
ここで、光電変換部111の対角線の長さは各辺の長さより長いので、図10(c)の
マイクロレンズ701の対角断面形状は図10(b)のマイクロレンズ701の水平断面
形状より長くなり、光電変換部111も対角断面位置Bで切断した図10(c)の方が長
くなる。
ところが、レンズの厚さLhが同じである場合、図10(b)のマイクロレンズ701
の水平断面形状で効率良く光電変換部111に集光できるようにすると、図10(c)の
マイクロレンズ701の対角断面形状では曲率半径が大きくなってしまうので、光電変換
部111に十分に集光することが難しくなる。
Here, since the length of the diagonal line of the
However, when the lens thickness Lh is the same, the
If the light beam can be efficiently focused on the
特許文献3に記載の発明は、このような問題を解決するためのものであったが、ただマ
イクロレンズの高さを変えただけでは、マイクロレンズへの入射光を画素内の一点に集光
するには不十分であるという課題があった。
本発明の目的は、画素110の形状が四角形型であってもマイクロレンズへの入射光を
画素内の一点に集光させることができる固体撮像素子およびその固体撮像素子を備えた撮
像装置を提供することにある。
The invention described in Patent Document 3 is for solving such a problem. However, by simply changing the height of the microlens, the incident light to the microlens is condensed at one point in the pixel. There was a problem that it was insufficient to do so.
An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of condensing incident light on a microlens at one point in the pixel even if the shape of the
請求項1に記載の固体撮像素子は、中心に対して回転対称な形状を有するマイクロレン
ズと、前記マイクロレンズを透過した光を受光して電気信号に変換する光電変換部とを備
え、前記マイクロレンズは中心からレンズ端までの直線距離が異なる平面形状を有し、前
記マイクロレンズは、前記直線距離が相対的に長いn箇所(nは自然数)のレンズ端近傍
の第1の底面部位と該第1の底面部位を含まない第2の底面部位とを有し、前記第1の底
面部位から前記マイクロレンズの頂点までの垂直方向の高さLdを、前記第2の底面部位
から前記マイクロレンズの頂点までの垂直方向の高さLhの約2.1倍としたことを特徴
とする。
The solid-state imaging device according to
本発明の固体撮像素子は、画素の形状が四角形型であっても、四隅の集光率が改善され
て良好な集光率を得ることができるマイクロレンズを実現できるので、同じ光量でも光電
変換部からの信号出力が増大し、固体撮像素子の感度を向上することが可能となる。
The solid-state imaging device of the present invention can realize a microlens capable of obtaining a good light collection rate by improving the light collection rate at the four corners even if the pixel shape is a square shape, so that photoelectric conversion is performed even with the same light amount. The signal output from the unit increases, and the sensitivity of the solid-state image sensor can be improved.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る撮像装置の構成を模式的に示すブロック図であ
る。撮像装置10は、撮影光学系11、画像処理部13、表示部15、および接眼レンズ
16を備える。撮影光学系11は、被写体像を固体撮像素子1の撮像面に結像させる。固
体撮像素子1は、その被写体像を撮像し、撮像信号を出力する。画像処理部13は、撮像
信号に種々の画像処理を施すことにより、被写体の画像データを作成する。表示部15は
、画像処理部13により作成された画像データに基づき、被写体の画像を表示する。撮影
者は、接眼レンズ16を介して、表示部15により表示された画像を視認することができ
る。
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram schematically showing the configuration of the imaging apparatus according to the first embodiment of the present invention. The
図2は、固体撮像素子1を上方から見た時の様子を示す平面図である。図2において、
1は固体撮像素子、2は埋め込みフォトダイオードなどからなる光電変換部、3は光電変
換部2で生成された信号電荷を垂直方向に転送する垂直CCD、4は垂直CCD3から送
られてくる信号電荷を水平方向に転送する水平CCD、5は出力アンプ、6は画素、60
は集光される領域から見た画素単位をそれぞれ示している。また、2には示されていない
が、光電変換部2の上部には平坦層を介してマイクロレンズが配置されている。
FIG. 2 is a plan view showing a state when the solid-
Indicates pixel units viewed from the focused area. Although not shown in FIG. 2, a microlens is disposed above the photoelectric conversion unit 2 via a flat layer.
画素6は、光電変換部2、垂直CCD3の一部、マイクロレンズ等を有し、2次元状に
複数が配置されている。但し、マイクロレンズは、その中心が光電変換部2の中心と同一
になるように配置される。したがって、画素単位は、集光される領域から定義すると符号
60の領域となる。尚、ここでは理解し易いように画素単位を長方形状として表したが、
実際には正方形状であり、以降の図面では、集光される正方形状の領域を画素単位として
表している。
The
Actually, it is a square shape, and in the subsequent drawings, a focused square-shaped region is represented as a pixel unit.
垂直CCD3の電荷の転送を制御するための電極は、一般的なCCD型固体撮像素子と
同様に、第1のポリシリコン電極(図示せず)と、第2のポリシリコン電極(図示せず)
とで構成されている。また、固体撮像素子1は、駆動パルス等を発生するための周辺回路
なども有しているが、本発明の主要な部分ではないので図では省略している。
尚、本発明はCCD型の固体撮像素子に限定されるものではなく、CMOS型やその他
の固体撮像素子においても、本発明の効果は変わらない。
The electrodes for controlling the charge transfer of the vertical CCD 3 are a first polysilicon electrode (not shown) and a second polysilicon electrode (not shown), as in a general CCD solid-state imaging device.
It consists of and. Further, the solid-
Note that the present invention is not limited to the CCD type solid-state image sensor, and the effects of the present invention are not changed even in a CMOS type or other solid-state image sensor.
次に、図3は図2における画素単位60を詳しく描いた図で、図3(a)は画素単位6
0を上方から見た時の平面図、図3(b)は図3(a)における水平断面位置Aで切断し
た時の画素単位60の水平断面図、図3(c)は図3(a)における対角断面位置Bで切
断した時の画素単位60の対角断面図をそれぞれ示す。
Next, FIG. 3 is a diagram illustrating the
FIG. 3B is a plan view when 0 is viewed from above, FIG. 3B is a horizontal sectional view of the
図3(a)、(b)および(c)において、101はマイクロレンズ、102はマイク
ロレンズ101の下の平坦層、103はカラーフィルタ、104は電源配線を兼ねた遮光
膜、105は配線、106は遮光膜、107は半導体基板、108は光電変換部111と
カラーフィルタ103との間の平坦層、109は平坦層102の凹面部、Lhは平坦層1
02の凹面部109以外の部分でのマイクロレンズの厚さ、Ldは平坦層102の凹面部
109でのマイクロレンズ101の厚さ、Whは平坦層102の凹面部109以外の部分
の厚さ、Wdは平坦層102の凹面部109の厚さ、Lは平坦層102の凹面部109以
外の部分の表面から光電変換部111の表面までの厚さ(すなわちマイクロレンズ101
から光電変換部111までの距離)、Mは画素ピッチ、Rhは水平断面位置Aにおけるマ
イクロレンズ101の曲率半径、Rdは対角断面位置Bにおけるマイクロレンズ101の
曲率半径、Ghは平坦層102の凹面部109でのマイクロレンズ101間のギャップ、
Gdは平坦層102の凹面部109でのマイクロレンズ101間のギャップをそれぞれ示
している。
3A, 3 </ b> B, and 3 </ b> C, 101 is a microlens, 102 is a flat layer under the
02, the thickness of the microlens at a portion other than the
Is the pixel pitch, Rh is the radius of curvature of the
Gd indicates a gap between the
図3において、図3(b)の水平断面位置Aの場合は、マイクロレンズ101は厚さL
hのレンズとして作用する。一方、図3(c)の対角断面位置Bの場合は、平坦層102
およびマイクロレンズ101の四隅において、平坦層102は、厚さWhより薄いWdに
なっている。そのため、マイクロレンズ101はLhより厚いLdのレンズとして作用す
る。
In FIG. 3, in the case of the horizontal sectional position A in FIG.
Acts as a lens for h. On the other hand, in the case of the diagonal sectional position B in FIG.
And in the four corners of the
尚、マイクロレンズ101は例えばフォトレジストで、平坦層102は例えばアクリル
系の樹脂などで形成されるので、屈折率はほぼ同じで、マイクロレンズ101と平坦層1
02は一体となったレンズと見なせる。
Note that the
02 can be regarded as an integrated lens.
ここで、水平断面位置Aと対角断面位置Bとでマイクロレンズ101の厚さが異なるこ
とによる効果を図10および図9を用いて詳しく説明する。従来の技術の説明で、図10
(b)および(c)のレンズの厚さがLhの場合の集光の様子について述べたが、図9は
レンズの厚さがLhより厚いLdのマイクロレンズ121にした場合の集光の様子を示し
ている。図9(a)は厚さがLdのマイクロレンズ121の水平断面形状、図9(b)は
厚さがLdのマイクロレンズ121の対角断面形状をそれぞれ示し、図10と同符号のも
のは図10と同じものを示している。
Here, the effect of the difference in thickness of the
The state of condensing when the lens thickness of (b) and (c) is Lh has been described. FIG. 9 shows the state of condensing when the
従来の技術では、図10(b)のように水平断面形状で効率良く集光するようにマイク
ロレンズ701の厚さをLhにすると、図10(c)のように対角断面形状での集光が悪
くなることを説明した。今度は、図9(b)のように対角断面形状で効率良く集光できる
ようにマイクロレンズ121の厚さをLhより厚いLdにすると、曲率半径Rdが小さく
なり過ぎて、図9(a)のように水平断面形状での集光が悪くなってしまい、光電変換部
111に入射光309を十分に集光させることができなくなってしまう。
In the conventional technique, when the thickness of the
ところが、図3の本発明の第1の実施形態の場合は、水平断面位置Aでは図10(b)
の厚さLhのマイクロレンズ701として作用し、対角断面位置Bでは図9(b)の厚さ
Ldのマイクロレンズ121として作用するので、水平断面位置Aおよび対角断面位置B
の何れであっても図10(b)と図9(b)に示すような良好な集光状態を実現すること
ができる。
However, in the case of the first embodiment of the present invention shown in FIG. 3, the horizontal sectional position A is shown in FIG.
9B, and acts as the
In either case, it is possible to realize a good light condensing state as shown in FIGS. 10 (b) and 9 (b).
本実施形態において、平坦層102の凹面部109でのマイクロレンズ101の厚さL
dは、平坦層102の凹面部109以外の部分でのマイクロレンズ101の厚さLhの約
2.1倍に設定されている。つまり、凹面部109では、平坦層102がLhの1.1倍
程度薄くなっている。マイクロレンズ101の厚さをこのような関係とすることで、マイ
クロレンズ101への入射光が画素内の一点に集光されるようになる。つまり、マイクロ
レンズ101の集光性が、例えば図9や図10に示したマイクロレンズ121やマイクロ
レンズ701に比べて格段に向上する。
In the present embodiment, the thickness L of the
d is set to about 2.1 times the thickness Lh of the
なお、ここで約2.1倍と称したが、上記の効果を奏することができるのであれば、厳
密に2.1倍に合致していなくてもよい。例えば製造誤差等により2.1倍から若干のず
れが生じることも考えられるが、そのような誤差が存在する構成も本発明に含まれる。
In addition, although it referred to as about 2.1 times here, if the said effect can be show | played, it does not need to agree | coincide strictly 2.1 times. For example, a slight deviation from 2.1 times may occur due to a manufacturing error or the like, but a configuration in which such an error exists is also included in the present invention.
また、従来の技術では、図10(c)、図9(b)のように、対角方向におけるマイク
ロレンズ間ギャップGdを十分に小さくすることができなかった。つまり、二次元状に配
列された多数のマイクロレンズ701やマイクロレンズ121において、対角方向に比較
的大きな隙間が生じていた。この隙間への入射光は集光できないため、集光効率の低下を
招いていた。
Further, in the prior art, as shown in FIGS. 10C and 9B, the gap Gd between the microlenses in the diagonal direction cannot be sufficiently reduced. That is, relatively large gaps are generated in the diagonal direction in the
これに対し、図3の本発明の第1の実施形態の場合は、LdをLhの約2.1倍に設定
したため、対角断面位置Bにおけるマイクロレンズ101の端部(裾部)の平坦層102
への落ち込み角度を垂直に近くすることができるので、対角断面位置Bにおけるマイクロ
レンズ間ギャップGdを極めて小さくすることができる。すなわち、本発明の第1の実施
形態では、マイクロレンズ101をギャップレス配列する(隙間なく配列する)ことがで
き、集光効率を更に高めることができる。また、このようなマイクロレンズ101の形状
は、画素サイズの微細化に資するものであり、より高解像度の固体撮像素子を製造するこ
とが可能となる。
On the other hand, in the case of the first embodiment of the present invention shown in FIG. 3, since Ld is set to about 2.1 times Lh, the end (hem) of the
Since the inclination angle to the vertical direction can be made almost vertical, the gap Gd between the microlenses at the diagonal cross-sectional position B can be made extremely small. That is, in the first embodiment of the present invention, the
例えば、画素ピッチMを約6.45μmとしたとき、水平断面位置Aにおけるマイクロ
レンズ間ギャップGhを0.10μm以下、対角断面位置Bにおけるマイクロレンズ間ギ
ャップGdを0.25μm以下にすることができる。このとき、ギャップGdは画素ピッ
チMの4%以下という小さな値であり、マイクロレンズ101は水平方向のみならず、対
角方向についてもギャップレスであるということができる。
For example, when the pixel pitch M is about 6.45 μm, the microlens gap Gh at the horizontal cross-sectional position A is set to 0.10 μm or less, and the microlens gap Gd at the diagonal cross-sectional position B is set to 0.25 μm or less. it can. At this time, the gap Gd is a small value of 4% or less of the pixel pitch M, and it can be said that the
本実施形態では、更に、厚さLhと、厚さLdと、マイクロレンズ101から光電変換
部111までの距離Lと、水平断面位置Aにおけるマイクロレンズ101の曲率半径Rh
と、対角断面位置Bにおけるマイクロレンズ101の曲率半径Rdとが、次式(1)に示
す関係を満たすように設定されている。なお、マイクロレンズ101の屈折率nは、約1
.55〜1.7の範囲に設定されているものとする。
2.3≦(L+Ld−Rd)/(L+Ld−Rh)×Ld/Lh≦2.6 …(1)
In the present embodiment, the thickness Lh, the thickness Ld, the distance L from the
And the radius of curvature Rd of the
. It is assumed that it is set in the range of 55 to 1.7.
2.3 ≦ (L + Ld−Rd) / (L + Ld−Rh) × Ld / Lh ≦ 2.6 (1)
固体撮像素子1を上式(1)の関係が成り立つように構成することで、マイクロレンズ
101への入射光が、ちょうど光電変換部111の表面上の一点に集光されるようになり
、マイクロレンズ101の集光性を更に高めることが可能となる。
By configuring the solid-
ここで、本発明のマイクロレンズ101の形状を図4(a)の斜視図に示す。図4(b
)のマイクロレンズ201は先に説明したマイクロレンズ101の四隅の角を丸くしたも
ので、四隅近傍のレンズ効果はほとんど変わらないので、このような形状でも同様の効果
が得られる。
Here, the shape of the
The
また、本実施形態では、平坦層102を厚さWhと厚さWdの二段構成にしたが、多段
階にしても良いし、連続的に傾斜を設けても同様の効果が得られる。このような形状は、
エッチングなど従来から知られる一般的な工法によって実現することができ、例えば第1
の実施形態の場合は、予めWhの厚さの平坦層102を形成した後で中央部分をマスクし
て周囲をエッチングによって除去すれば加工できるし、この工程を繰り返せば多段階に加
工することもできる。また、平坦層102を、厚い一つの平坦層として加工するのではな
く、それぞれの段で平坦層を形成するように加工して、積層させて二段以上の平坦層とし
てもよい。マイクロレンズ101に関しても、従来から知られる工法によって実現するこ
とができ、例えば第1の実施形態の場合は、WhとWdの厚さを有する平坦層102を加
工後に、フォトレジストなどによるマイクロレンズ101の元になる層を平坦層102に
被せ、リフローなどによって熱を掛けると、平坦層102の低くなっているWdの部分に
垂れて回り込むことでマイクロレンズ101を形成することができる。
In the present embodiment, the
It can be realized by a conventionally known general method such as etching.
In the case of this embodiment, after forming the
このように、本発明の固体撮像素子は、画素の形状が四角形型であっても、四隅の集光
率が改善されて良好な集光率を得ることができる固体撮像素子を提供できるので、同じ光
量でも光電変換部からの信号出力が増大し、固体撮像素子の感度を向上することが可能と
なる。特に、マイクロレンズへの入射光を画素内の一点に集光させることができることか
ら、従来に比べて更なる集光率の向上を図ることができる。
As described above, the solid-state imaging device of the present invention can provide a solid-state imaging device capable of obtaining a good light collection rate by improving the light collection rate at the four corners even if the shape of the pixel is a square shape. Even with the same amount of light, the signal output from the photoelectric conversion unit increases, and the sensitivity of the solid-state imaging device can be improved. In particular, since the light incident on the microlens can be condensed at one point in the pixel, the light condensing rate can be further improved as compared with the conventional case.
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。なお、以下の説明では、第1の実施
形態と同一の箇所については第1の実施形態と同一の符号を付し、その説明を省略する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the following description, the same parts as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those of the first embodiment, and the description thereof is omitted.
本実施形態の撮像装置は、第1の実施形態に係る撮像装置10の固体撮像素子1を、こ
れとは異なる固体撮像素子1aに置き換えた構成を有する。以下、この固体撮像素子1a
について詳述する。
The imaging device of the present embodiment has a configuration in which the solid-
Will be described in detail.
固体撮像素子1aは、いわゆるダブルレンズ方式でマイクロレンズを形成した固体撮像
素子である。周知のように、ダブルレンズ方式では、カラーフィルタをフォトリソグラフ
ィ等により形成した後、平坦化膜を塗布し、二次元状に配列される多数のマイクロレンズ
を、千鳥配列上に、1画素おきに形成する。
The solid-
図5はこのときの固体撮像素子1aを上方から見た様子を模式的に示した平面図である
。本実施形態の固体撮像素子1aを製造する際には、フォトリソグラフィ等により、まず
マイクロレンズ301aを形成する。このとき、マイクロレンズ301aの上下左右に隣
接するマイクロレンズ301bは、まだ形成しない。つまり、ダブルレンズ方式では、マ
イクロレンズ301aを、1つおきに(いわゆる千鳥配列で)形成する。その後、各マイ
クロレンズ301aの間に、マイクロレンズ301bを形成する。
FIG. 5 is a plan view schematically showing the state of the solid-
図6は、本実施形態の画素単位を詳しく描いた図で、図6(a)は水平断面位置Aで切
断した時の画素単位の水平断面図、図6(b)は対角断面位置Bで切断した時の画素単位
の対角断面図である。
6A and 6B are diagrams illustrating the pixel unit of the present embodiment in detail. FIG. 6A is a horizontal sectional view of the pixel unit when cut at the horizontal sectional position A, and FIG. 6B is a diagonal sectional position B. It is diagonal sectional drawing of the pixel unit when cut | disconnecting by.
本実施形態においても、対角断面位置Bにおけるマイクロレンズ301の厚さLdは、
水平断面位置Aにおけるマイクロレンズ301の厚さLhの約2.1倍に設定されている
。マイクロレンズ301の厚さをこのような関係とすることで、マイクロレンズ301へ
の入射光が画素内の一点に集光されるようになる。つまり、マイクロレンズ301の集光
性が、例えば図9や図10に示したマイクロレンズ121やマイクロレンズ701に比べ
て格段に向上する。
Also in the present embodiment, the thickness Ld of the
The thickness is set to about 2.1 times the thickness Lh of the
図11は、従来のダブルレンズ方式により形成されたマイクロレンズ801を詳しく描
いた図で、図11(a)は水平断面位置Aで切断した時の画素単位860の水平断面図、
図11(b)は対角断面位置Bで切断した時の画素単位860の対角断面図である。従来
の技術では、マイクロレンズ801の厚さが水平断面位置Aと対角断面位置Bとで同一で
あることに起因して、マイクロレンズ間ギャップGdを十分に小さくすることができなか
った。つまり、二次元状に配列された多数のマイクロレンズ801において、対角方向に
比較的大きな隙間が生じていた。この隙間への入射光は集光できないため、集光効率の低
下を招いていた。また、マイクロレンズ801の端部(裾部)は平坦部に対する角度が極
めて小さく、レンズ効果を得られない状態であるため、実質的なマイクロレンズ間ギャッ
プGdは更に大きくなってしまっていた。
11 is a detailed drawing of a
FIG. 11B is a diagonal sectional view of the
これに対し、図6の本発明の第2の実施形態の場合は、LdをLhの約2.1倍に設定
したため、対角断面位置Bにおけるマイクロレンズ301の端部(裾部)の平坦層への落
ち込み角度を従来に比べて大きくすることができるので、対角断面位置Bにおけるマイク
ロレンズ間ギャップGdを従来よりも小さくすることができる。すなわち、本発明の第2
の実施形態では、マイクロレンズ301をギャップレス配列する(隙間なく配列する)こ
とができ、集光効率を更に高めることができる。
On the other hand, in the case of the second embodiment of the present invention shown in FIG. 6, since Ld is set to about 2.1 times Lh, the end (hem) of the
In this embodiment, the
また本実施形態の固体撮像素子1aも、上式(1)に示す関係を満たすように形成され
ている。そのため、マイクロレンズ301への入射光が、ちょうど光電変換部111の表
面上の一点に集光されるようになり、マイクロレンズ301の集光性を更に高めることが
可能となる。
Further, the solid-
(第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施形態について詳しく説明する。なお、以下の説明では、第1
の実施形態と同一の箇所については第1の実施形態と同一の符号を付し、その説明を省略
する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described in detail. In the following description, the first
The same reference numerals as those in the first embodiment are assigned to the same portions as those in the first embodiment, and the description thereof is omitted.
図7は、本発明の第3の実施形態に係る撮像装置の構成を模式的に示すブロック図であ
る。撮像装置20は、第1の実施形態と同様の撮影光学系11、画像処理部13、表示部
15、および接眼レンズ16に加えて、更にレンズ駆動部12および焦点検出部14を備
える。焦点検出部14は、固体撮像素子1bから出力される焦点検出信号に基づいて撮影
光学系11の焦点調節状態を検出する。レンズ駆動部12は、焦点検出部14により検出
された焦点調節状態に基づいて、撮影光学系11に含まれるフォーカシングレンズを駆動
し、撮影光学系11の焦点調節を行う。
FIG. 7 is a block diagram schematically showing the configuration of the imaging apparatus according to the third embodiment of the present invention. The
図8は固体撮像素子1bの画素単位760を上方から見た時の平面図である。本実施形
態の固体撮像素子1bが有する各々の画素760は、第1の実施形態とは異なり、一対の
光電変換部711a、711bを有している。一対の光電変換部711a、711bはそ
れぞれ、第1の実施形態に係る画素単位60が有する光電変換部111を、その中心を通
る垂直線に沿って左右に分割した形状を有する。
FIG. 8 is a plan view of the
各々の画素760をこのように構成することで、固体撮像素子1bから画像データ作成
用の撮像信号と、焦点調節状態を検出するための焦点検出信号とを同時に出力することが
できることが知られている。つまり、1つの画素760が有する一対の光電変換部711
a、711bの光電変換出力を加算すると、ちょうど第1の実施形態における光電変換部
111が出力するものと同様の撮像信号が得られる。また、光電変換部711aの光電変
換出力と、光電変換部711bの光電変換出力とを分離すると、それはいわゆる位相差方
式の焦点検出に利用可能な焦点検出信号が得られる。画像処理部13は、前者の撮像信号
に基づき画像データを作成する。焦点検出部14は、後者の焦点検出信号に基づき焦点調
節状態を検出する。
It is known that by configuring each
When the photoelectric conversion outputs of a and 711b are added, the same imaging signal as that output by the
ところで、個々の画素760を図8の平面図に示すように構成すると、第1の実施形態
に比べて、各々の光電変換部711a、711bの受光面積は減少する。従って、画素7
60のサイズを第1の実施形態の画素60と同一とした場合であっても、マイクロレンズ
101に要求される集光性は、より厳しいものとなる。これに対し、本実施形態では、対
角断面位置Bにおけるマイクロレンズ101の厚さLdを、第1の実施形態と同様に、水
平断面位置Aにおけるマイクロレンズ101の厚さLhの約2.1倍に設定している。マ
イクロレンズ101の厚さをこのような関係とすることで、マイクロレンズ101への入
射光が画素内の一点に集光されるようになる。つまり、マイクロレンズ101の集光性が
、例えば図9や図10に示したマイクロレンズ121やマイクロレンズ701に比べて格
段に向上する。従って、個々の画素760が有する光電変換部を図8の平面図に示すよう
に一対の光電変換部711a、711bとして構成した場合であっても、光電変換出力の
S/N比を十分なレベルに保つことができる。また、個々の画素が更に多数の光電変換部
を有することも考えられるが、この場合であっても、対角方向の集光性が向上しているの
で、光電変換出力のS/N比を十分なレベルに保つことができる。
By the way, if each
Even when the size of 60 is the same as that of the
なお、第3の実施形態では、固体撮像素子1bが有する全ての画素760が、図8に示
したように、一対の光電変換部711a、711bを有するものとしたが、一部の画素の
みが、図8に示す構成を有するものとし、それ以外の画素については、第1の実施形態の
ように、1つの光電変換部111のみを有するものとしてもよい。
In the third embodiment, all the
また、第1の実施形態〜第3の実施形態の各々において、個々の画素の形状は略正方形
であるものとしたが、本発明は正方形とは異なる形状の画素を有する固体撮像素子に適用
することも可能である。例えば正方形を45度回転した菱形形状や、正6角形、正8角形
など、画素中心に対して回転対称となる形状(点対称となる形状)を有する画素について
、本発明を適用することが可能である。
In each of the first to third embodiments, each pixel has a substantially square shape, but the present invention is applied to a solid-state imaging device having pixels having a shape different from the square. It is also possible. For example, the present invention can be applied to a pixel having a shape (point-symmetric shape) that is rotationally symmetric with respect to the pixel center, such as a rhombus shape obtained by rotating a square by 45 degrees, a regular hexagon, or a regular octagon. It is.
1,1a,1b…固体撮像素子、10,20…撮像装置
DESCRIPTION OF
本発明は、撮像素子および撮像装置に関する。 The present invention relates to an imaging device and an imaging device.
請求項1に記載の撮像素子は、光が入射されるマイクロレンズと、前記マイクロレンズからの光を電荷に変換する複数の光電変換部と、前記マイクロレンズの光軸方向において前記マイクロレンズと前記複数の光電変換部との間に配置され、前記マイクロレンズが形成される面を有する樹脂層と、を備え、前記マイクロレンズは、第1方向での前記樹脂層の前記面から前記マイクロレンズの頂点までの高さが前記第1方向とは異なる第2方向での前記樹脂層の前記面から前記マイクロレンズの頂点までの高さの約2.1倍である形状を有する。
An imaging element according to
Claims (6)
前記マイクロレンズを透過した光を受光して電気信号に変換する光電変換部とを備え、
前記マイクロレンズは中心からレンズ端までの直線距離が異なる平面形状を有し、
前記マイクロレンズは、前記直線距離が相対的に長いn箇所(nは自然数)のレンズ端
近傍の第1の底面部位と該第1の底面部位を含まない第2の底面部位とを有し、
前記第1の底面部位から前記マイクロレンズの頂点までの垂直方向の高さLdを、前記
第2の底面部位から前記マイクロレンズの頂点までの垂直方向の高さLhの約2.1倍と
した
ことを特徴とする固体撮像素子。 A microlens having a rotationally symmetric shape with respect to the center;
A photoelectric conversion unit that receives the light transmitted through the microlens and converts it into an electrical signal;
The microlens has a planar shape with different linear distances from the center to the lens end,
The microlens has a first bottom surface portion in the vicinity of a lens end at n locations (n is a natural number) where the linear distance is relatively long, and a second bottom surface portion not including the first bottom surface portion,
The vertical height Ld from the first bottom surface portion to the apex of the microlens is about 2.1 times the vertical height Lh from the second bottom surface portion to the apex of the microlens. A solid-state imaging device.
前記マイクロレンズは、前記入射光を前記光電変換部の表面上の一点に集光することを
特徴とする固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1,
The microlens condenses the incident light at one point on the surface of the photoelectric conversion unit.
前記第2の底面部位から前記光電変換部までの距離をL、前記第1の底面部位における
前記マイクロレンズの曲率半径をRd、前記第2の底面部位における前記マイクロレンズ
の曲率半径をRhとしたとき、
2.3≦(L+Ld−Rd)/(L+Ld−Rh)×Ld/Lh≦2.6
の関係を満たすことを特徴とする固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 2,
The distance from the second bottom surface portion to the photoelectric conversion unit is L, the radius of curvature of the microlens at the first bottom surface portion is Rd, and the radius of curvature of the microlens at the second bottom surface portion is Rh. When
2.3 ≦ (L + Ld−Rd) / (L + Ld−Rh) × Ld / Lh ≦ 2.6
A solid-state imaging device characterized by satisfying the relationship:
前記マイクロレンズの屈折率は、1.55〜1.7であることを特徴とする固体撮像素
子。 The solid-state imaging device according to claim 3,
The microlens has a refractive index of 1.55 to 1.7.
二次元状にギャップレス配列された複数の前記マイクロレンズを備えることを特徴とす
る固体撮像素子。 In the solid-state image sensor as described in any one of Claims 1-4,
A solid-state imaging device comprising a plurality of the microlenses that are two-dimensionally gaplessly arranged.
。 An imaging apparatus comprising the solid-state imaging device according to claim 1.
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