(57)【要約】      （修正有）【課題】  変倍機能もしくはピント調節機能を備えた撮影レンズを有する撮像装置において、撮像素子の集光効率を高めることによって品位の高い画像を得る。【解決手段】  各固体撮像素子が入射光（６０）を電気信号に変換する光電変換素子（３１）と、マイクロレンズ（９０２）と、樹脂に、酸化チタン、窒化シリコン、五酸化ニオブのいずれかを分散させたコンポジット材から成る光導波路（３６）と、疎水性多孔質シリカから成る層間絶縁層（３８）とを有し、複数の前記固体撮像素子を２次元に並べて成るイメージセンサを搭載する撮像装置の射出瞳から光電変換素子までの距離をＬ、イメージセンサの中心から、固体撮像素子の位置までの距離をＨ、光電変換素子からマイクロレンズの頂点までの高さをＤ、イメージセンサにおける、複数の固体撮像素子の間隔をＰ、光導波路の屈折率をＮＨ、層間絶縁層の屈折率をＮＬとした場合に、距離（Ｈ）に位置する固体撮像素子が、2006032713.tif 000010但し、０＜ａ＜１を満たす。【選択図】  図１２
2006032713.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各固体撮像素子が
入射光をその光量に応じて電気信号に変換する光電変換素子と、
入射面に配設されたマイクロレンズと、
前記光電変換素子と前記マイクロレンズの間に配設され、樹脂に、酸化チタン（TiO2）、窒化シリコン（Si3N4）、五酸化ニオブ（Nb2O5）のいずれかを分散させたコンポジット材から成る光導波路と、
前記光導波路の周囲に配設された、疎水性多孔質シリカから成る層間絶縁層と
を有し、
複数の前記固体撮像素子を２次元に並べて成るイメージセンサを搭載する撮像装置の撮像光学系の射出瞳から前記光電変換素子までの距離をＬ、前記イメージセンサの中心から、前記イメージセンサ上の前記固体撮像素子の位置までの距離をＨ、前記光電変換素子から前記マイクロレンズの頂点までの高さをＤ、前記イメージセンサにおける、前記複数の固体撮像素子の間隔をＰ、前記光導波路の屈折率をＮＨ、前記層間絶縁層の屈折率をＮＬとした場合に、前記距離（Ｈ）に位置する固体撮像素子が、
2006032713.tif 000007
但し、０＜ａ＜１
を満たすことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
各固体撮像素子が
入射光をその光量に応じて電気信号に変換する光電変換素子と、
入射面に配設されたマイクロレンズと、
前記光電変換素子と前記マイクロレンズの間に配設され、窒化シリコン（Si3N4）または酸化窒化シリコン（SiON）から成る光導波路と、
前記光導波路の周囲に配設された、酸化シリコン（SiO2）から成る層間絶縁層と
を有し、
複数の前記固体撮像素子を２次元に並べて成るイメージセンサを搭載する撮像装置の撮像光学系の射出瞳から前記光電変換素子までの距離をＬ、前記イメージセンサの中心から、前記イメージセンサ上の前記固体撮像素子の位置までの距離をＨ、前記光電変換素子から前記マイクロレンズの頂点までの高さをＤ、前記イメージセンサにおける、前記複数の固体撮像素子の間隔をＰ、前記光導波路の屈折率をＮＨ、前記層間絶縁層の屈折率をＮＬとした場合に、前記距離（Ｈ）に位置する固体撮像素子が、
2006032713.tif 000008
但し、０＜ａ＜１
を満たすことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項３】
各固体撮像素子が
入射光をその光量に応じて電気信号に変換する光電変換素子と、
入射面に配設されたマイクロレンズと、
前記光電変換素子と前記マイクロレンズの間に配設され、酸化シリコン（SiO2）から成る光導波路と、
前記光導波路の周囲に配設された、疎水性多孔質シリカから成る層間絶縁層と
を有し、
複数の前記固体撮像素子を２次元に並べて成るイメージセンサを搭載する撮像装置の撮像光学系の射出瞳から前記光電変換素子までの距離をＬ、前記イメージセンサの中心から、前記イメージセンサ上の前記固体撮像素子の位置までの距離をＨ、前記光電変換素子から前記マイクロレンズの頂点までの高さをＤ、前記イメージセンサにおける、前記複数の固体撮像素子の間隔をＰ、前記光導波路の屈折率をＮＨ、前記層間絶縁層の屈折率をＮＬとした場合に、前記距離（Ｈ）に位置する固体撮像素子が、
2006032713.tif 000009
但し、０＜ａ＜１
を満たすことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項４】
前記マイクロレンズと前記光導波路との間に配設され、酸化シリコン（SiO2）から成る平坦化層を更に有し、
前記マイクロレンズを酸化チタン（TiO2）により構成したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記マイクロレンズと前記光導波路との間に配設され、窒化酸化シリコン（SiON）から成る平坦化層を更に有し、
前記マイクロレンズは、疎水性多孔質シリカから成る両凹の層内レンズであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記光電変換素子が分光感度の異なる複数層の光電変換層から成ることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はデジタルスチルカメラ、ビデオカメラ、監視カメラ、あるいは撮像機能付き携帯電話などの撮像装置に関し、詳しくは、撮影光学系に変倍機能やピント調節機能を有する撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１７は、従来の交換レンズ方式のデジタルスチルカメラの概略図である。一例として、カメラ本体１２００に対してテレフォト型の望遠レンズ１２２０が装着されたカメラシステムを図示している。
カメラ本体１２００と望遠レンズ１２２０はカメラ側マウント１２１１とレンズ側マウント１２２１にて連結されている。望遠レンズ１２２０に設けられた不図示のレンズＭＰＵ等の電気回路は、レンズ側接点１２２２とカメラ側接点１２１２とを介して不図示のカメラＭＰＵ等の電気回路と結線されている。
撮影者がファインダーを介して被写体を観察する時は、望遠レンズ１２２０を透過した被写体光の一部が跳ね上げミラー１２０１で反射してフォーカシングスクリーン１２０２に到達し、フォーカシングスクリーン１２０２で拡散透過した被写体光がペンタダハプリズム１２０３及び接眼レンズ１２０４を介して不図示の撮影者の目に導かれる。
また、被写体光の一部は跳ね上げミラー１２０１を透過し、サブミラー１２０５にて反射して焦点検出ユニット１２０６に導かれる。カメラＭＰＵは焦点検出ユニット１２０６にて得られた像信号に基づいて望遠レンズ１２２０の焦点調節量を演算し、望遠レンズ１２２０のレンズ１２２３を駆動する。
撮影時は、跳ね上げミラー１２０１及びサブミラー１２０５がフォーカシングスクリーン１２０２方向に回転し、望遠レンズ１２２０を透過した被写体光を固体撮像素子を用いたイメージセンサ１２０８に導く。なお、カメラ本体１２００に装着される交換レンズの焦点距離等によって射出瞳位置が異なるため、イメージセンサ１２０８の、特に周辺部分の画素において受光可能な光束が、装着される交換レンズによって変化する。
【０００３】
近年、上述したようなデジタルスチルカメラ等に主に用いられている固体撮像素子は、大別すると、ＣＣＤ(Charge-Coupled Device)とＣＭＯＳ(Complimentary Metal Oxide Semiconductor)とに分類される（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。
まず、ＣＣＤの構造について、図１８を用いてその主要部について簡単に説明する。
図１８はＣＣＤ１０００の１画素分の断面図である。同図において、１００１はシリコンなどからなる半導体基板、１００２はフォトダイオードからなる光電変換素子、１００３は半導体基板１００１上に形成した酸化膜、１００４は光電変換素子１００２で変換された電荷などを転送するためのクロック信号が伝送されるポリシリコンなどからなる３層の配線、１００６は主として配線１００４の下に設けられている電荷転送用の垂直ＣＣＤレジスタ１００５を遮光する、タングステンなどからなる遮光層、１００７は光電変換素子１００２などを外気（O2、H2O）、不純物イオン（K+、Na+）などから保護するSiO2などからなる第１保護膜、及びSiON系などの第２保護膜１００８である。１００９は第２保護膜１００８の凹凸を少なくするための有機材料からなる平坦化層であり、１０１０は光電変換素子１００２に被写体からの光を集めるマイクロレンズである。
平坦化層１００９はＣＣＤ１０００の主面１０１１の凹凸を無くすと共に、マイクロレンズ１０１０の焦点が光電変換素子１００２上に結ぶように、マイクロレンズ１０１０の焦点距離を調整する役目も兼ねている。よって、透明感光性樹脂により構成される平坦化層１００９の厚さは、レンズの曲率、レンズ材料の屈折率によって決められる。
次に、ＣＭＯＳの構造について、図１９を用いてその主要部について簡単に説明する。
【０００４】
図１９はＣＭＯＳ１０５０の１画素分の断面図である。同図において、１０５１はシリコン基板（Si基板）で、フォトダイオード等の光電変換素子となる光電変換部１０５２が設けられている。１０５４はSiO2等で形成された層間絶縁層、１０５３は光電変換部１０５２にて発生した光電荷を不図示のフローティングディフュージョン部（ＦＤ部）に転送するための転送電極である。また、１０５５は光電変換部１０５２以外に光が入射しないように形成された遮光作用を有する配線電極、１０５６は電極や不図示の配線により形成される凹凸表面上に形成されて平坦な表面を提供するための平坦化膜、１０５７は例えば赤、緑、青などのカラーフィルタ、１０５９はマイクロレンズである。マイクロレンズ１０５９は、平坦化層１０５８の上部に形成されている。マイクロレンズ１０５９は、不図示の撮影レンズから入射する光束を光電変換部１０５２に集光するようにレンズ形状が決められている。
【０００５】
上述したように、イメージセンサ１２０８の画面の周辺では画素に対して斜めに光線が入射する。このとき、特許文献３に開示されているように、マイクロレンズを光電変換部に対して偏芯させれば、光線を光電変換部に導くことができるものの、撮影レンズの射出瞳の条件が変わると、再び光電変換部に光線が入らなくなってしまい、画面周辺が暗くなることがある。こういった現象は、画素を小さくしていくと顕著に生じ、特に変倍機能やピント調節機構を備えた撮影レンズを用いる際には大きな制約となってしまう。
【０００６】
従来、この現象に対処する幾つかの技術が知られており、特許文献４は、オンチップマイクロレンズを備えた撮像素子を用いる撮像装置において、シェーディングを補正するためにゲイン制御を行う技術を開示している。撮影レンズの射出瞳の位置に関する情報を用いて各色成分ごとにゲインの制御を行うことによって、シェーディングを解消できるという利点がある。
【０００７】
特許文献５は、交換レンズを含む撮像システムのシェーディング補正情報に関する技術を開示している。交換レンズ側に口径蝕データおよび射出瞳位置データを格納し、カメラ本体側に撮像素子出力の入射角依存性に基づくデータを格納することによって、交換レンズとカメラ本体の両者の特性を反映したシェーディング補正を行う。
【０００８】
特許文献６は、オンチップマイクロレンズの色収差に起因する画像の色相変化を防ぐための色補正手段に関する技術の開示例である。撮像素子の光電変換部上に投影される射出瞳の集光スポットの大きさが光の波長に依存して変化することに起因し、画像の色相が変化してしまうのを、撮影レンズの射出瞳位置に応じて画像信号の色刺激値の比率を補正する色補正手段を用いることによって解消する。
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−１４１４８８号公報（第７頁、図６）
【特許文献２】特開２００２−０８３９４８号公報（第１７頁、図６）
【特許文献３】特開平１−２１３０７９
【特許文献４】特開２０００−３２４５０５
【特許文献５】特開２００３−１６３８２６
【特許文献６】特開平８−２２３５８７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献４、５、６に開示された方式のシェーディング補正や色補正の技術は、基本的に撮影レンズの射出瞳の位置に基づいて画像信号を電気的に補正するものである。電気的にゲインをかけて適切な信号レベルまで引き上げるということは、信号成分だけでなくノイズ成分も拡大してしまうために、減光が補正された周辺部でノイズが目立つ低品位の画像になってしまうという問題があった。
【００１１】
本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、変倍機能もしくはピント調節機能を備えた撮影レンズを有する撮像装置において、撮像素子の集光効率を高めることによって品位の高い画像を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の各固体撮像素子は、入射光をその光量に応じて電気信号に変換する光電変換素子と、入射面に配設されたマイクロレンズと、前記光電変換素子と前記マイクロレンズの間に配設され、樹脂に、酸化チタン（TiO2）、窒化シリコン（Si3N4）、五酸化ニオブ（Nb2O5）のいずれかを分散させたコンポジット材から成る光導波路と、前記光導波路の周囲に配設された、疎水性多孔質シリカから成る層間絶縁層とを有し、複数の前記固体撮像素子を２次元に並べて成るイメージセンサを搭載する撮像装置の撮像光学系の射出瞳から前記光電変換素子までの距離をＬ、前記イメージセンサの中心から、前記イメージセンサ上の前記固体撮像素子の位置までの距離をＨ、前記光電変換素子から前記マイクロレンズの頂点までの高さをＤ、前記イメージセンサにおける、前記複数の固体撮像素子の間隔をＰ、前記光導波路の屈折率をＮＨ、前記層間絶縁層の屈折率をＮＬとした場合に、前記距離（Ｈ）に位置する固体撮像素子が、
【００１３】
2006032713.tif 000003
但し、０＜ａ＜１
【００１４】
を満たすことを特徴とする。
また、別の構成によれば、本発明の各固体撮像素子は、入射光をその光量に応じて電気信号に変換する光電変換素子と、入射面に配設されたマイクロレンズと、前記光電変換素子と前記マイクロレンズの間に配設され、窒化シリコン（Si3N4）または酸化窒化シリコン（SiON）から成る光導波路と、前記光導波路の周囲に配設された、酸化シリコン（SiO2）から成る層間絶縁層とを有し、複数の前記固体撮像素子を２次元に並べて成るイメージセンサを搭載する撮像装置の撮像光学系の射出瞳から前記光電変換素子までの距離をＬ、前記イメージセンサの中心から、前記イメージセンサ上の前記固体撮像素子の位置までの距離をＨ、前記光電変換素子から前記マイクロレンズの頂点までの高さをＤ、前記イメージセンサにおける、前記複数の固体撮像素子の間隔をＰ、前記光導波路の屈折率をＮＨ、前記層間絶縁層の屈折率をＮＬとした場合に、前記距離（Ｈ）に位置する固体撮像素子が、
【００１５】
2006032713.tif 000004
但し、０＜ａ＜１
【００１６】
を満たすことを特徴とする。
更に別の構成によれば、本発明の各固体撮像素子は、入射光をその光量に応じて電気信号に変換する光電変換素子と、入射面に配設されたマイクロレンズと、前記光電変換素子と前記マイクロレンズの間に配設され、酸化シリコン（SiO2）から成る光導波路と、前記光導波路の周囲に配設された、疎水性多孔質シリカから成る層間絶縁層とを有し、複数の前記固体撮像素子を２次元に並べて成るイメージセンサを搭載する撮像装置の撮像光学系の射出瞳から前記光電変換素子までの距離をＬ、前記イメージセンサの中心から、前記イメージセンサ上の前記固体撮像素子の位置までの距離をＨ、前記光電変換素子から前記マイクロレンズの頂点までの高さをＤ、前記イメージセンサにおける、前記複数の固体撮像素子の間隔をＰ、前記光導波路の屈折率をＮＨ、前記層間絶縁層の屈折率をＮＬとした場合に、前記距離（Ｈ）に位置する固体撮像素子が、
【００１７】
2006032713.tif 000005
但し、０＜ａ＜１
【００１８】
を満たすことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、集光効率を高めることによって品位の高い画像を得ることが可能である。また、画面周辺での撮像素子の感度が向上し、撮像素子に起因するシェーディングを解消することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。ただし、本形態において例示される構成部品の寸法、材質、形状、それらの相対配置などは、本発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、本発明がそれらの例示に限定されるものではない。
【００２１】
＜第１の実施形態＞
図１は本発明の第１の実施形態における撮像装置であるデジタルカラーカメラの概略構成を示す側方視断面図である。本カメラは、ＣＣＤあるいはＣＭＯＳセンサなどの撮像素子を用いた単板式のデジタルカラーカメラであり、撮像素子を連続的または単発的に駆動して動画像または静止画像を表わす画像信号を得る。ここで、撮像素子は、入射光をその光量に応じて電荷に変換して画素毎に蓄積し、蓄積した電荷を読み出すタイプのエリアセンサである。
【００２２】
図１に於いて、１０１はカメラ本体、１０２は内部に撮影レンズ１０３を有し、カメラ本体１０１から取り外し可能なレンズ装置である。なお、図１では撮影レンズ１０３としてレンズを１つ図示しているが、通常、複数のレンズを組み合わせて構成される。レンズ装置１０２は、公知のマウント機構を介してカメラ本体１０１に電気的、機械的に接続されている。撮影レンズの焦点距離が異なるレンズ装置に交換することによって、様々な画角の撮影をすることが可能である。また、レンズ装置１０２は不図示の駆動機構を内部に有し、撮影レンズ１０３の一部の要素であるフォーカシングレンズを光軸Ｌ１方向に移動させたり、フォーカシングレンズを柔軟性のある透明弾性部材や液体レンズで構成した場合には、界面形状を変化させて屈折力を変えることで、被写体に対するピント調節を行う。
【００２３】
１０６はパッケージ１２４に収納された撮像素子である。撮影レンズ１０３から撮像素子１０６に至る光路中には、撮像素子１０６上に被写体像の必要以上に高い空間周波数成分が伝達されないように、撮影レンズ１０３の空間周波数特性を制御する光学ローパスフィルター１５６が設けられている。また、撮影レンズ１０３には赤外線カットフィルター（不図示）も形成されている。
【００２４】
撮像素子１０６で捉えられた被写体像は表示装置１０７上に表示される。表示装置１０７はカメラの背面に取り付けられており、使用者は表示された画像を直接観察することができる。表示装置１０７は有機ＥＬ空間変調素子や液晶空間変調素子、微粒子の電気泳動を利用した空間変調素子などで構成すると消費電力が小さくかつ薄型に構成可能であるので、携帯機器として都合が良い。
【００２５】
また、撮像素子１０６は、本第１の実施形態においては、増幅型撮像素子の１つであるＣＭＯＳプロセスコンパチブルのセンサーであるものとする。ＣＭＯＳ撮像素子の特長の１つに、エリアセンサ部のＭＯＳトランジスタと撮像素子 駆動回路、ＡＤ変換回路、画像処理部といった周辺回路を同一工程で形成できるため、マスク枚数、プロセス工程がＣＣＤと比較して大幅に削減できるということが挙げられる。また、任意の画素へのランダムアクセスが可能といった特長も有し、ディスプレイ用に画素出力の間引き読み出しが容易であって、高い表示レートでリアルタイム表示を行うことができる。撮像素子１０６は、この特長を利用し、ディスプレイ画像出力動作、高精彩画像出力動作を行う。なお、本発明はＣＭＯＳセンサに限るものではなく、ＣＣＤ等、他のタイプの固体撮像素子を用いることが可能であることは言うまでもない。
【００２６】
１１１は光学ファインダーへ撮影レンズ１０３からの光路を分割する可動型のハーフミラー、１０５は被写体像の予定結像面に配置されたフォーカシングスクリーン、１１２はペンタプリズムである。１０９はファインダー像を観察するためのレンズであり、実際には視度調節機能のために複数のレンズで構成されている。フォーカシングスクリーン１０５、ペンタプリズム１１２、レンズ１０９はファインダー光学系を構成する。ハーフミラー１１１の屈折率はおよそ１．５、厚さは０．５mmである。ハーフミラー１１１の背後には可動型のサブミラー１２２が設けられ、ハーフミラー１１１を透過した光束のうち光軸に近い部分の光束を焦点検出ユニット１２１に偏向する。サブミラー１２２は不図示の回転軸を中心に回転し、撮像時にはハーフミラー１１１とともに撮像光路から退避する。また、焦点検出ユニット１２１は、例えば、位相差検出方式の焦点検出を行う。
【００２７】
ハーフミラー１１１の表面に可視光の波長よりも小さなピッチを持つ微細な角錐状の周期構造を樹脂によって形成し、いわゆるフォトニック結晶として作用させることによって、空気と樹脂との屈折率差による光の表面反射を低減し、光の利用効率を高めることも可能である。このように構成すると、ハーフミラーの裏面と表面での光の多重反射によって発生するゴーストを抑制することができる。
【００２８】
不図示の電磁モータとギア列からなるミラー駆動機構は、ハーフミラー１１１とサブミラー１２２の位置を変化させて、撮影レンズ１０３からの光束を直接的に撮像素子１０６に入射させる状態と、光学ファインダーに光路を分割する状態を切り換える。
【００２９】
１０４は可動式の閃光発光装置、１１３はフォーカルプレンシャッター、１１９はメインスイッチ、１２０はレリーズボタン、１２３は光学ファインダーと電子ファインダーを切り換えるためのファインダーモード切り換えスイッチ、１８０は光学ファインダー内情報表示装置である。
【００３０】
図２は上述したデジタルカラーカメラの機能構成を示すブロック図である。なお、図１と同じ構成には同じ参照番号を付す。
【００３１】
カメラは、撮像系、画像処理系、記録再生系、制御系を有する。撮像系は、撮影レンズ１０３および撮像素子１０６を含み、画像処理系は、Ａ／Ｄ変換器１３０、ＲＧＢ画像処理部１３１ およびＹＣ処理部１３２を含む。また、記録再生系は、記録処理部１３３および再生処理部１３４ を含み、制御系は、カメラシステム制御部１３５、操作検出部１３６および撮像素子１０６の駆動回路１３７を含む。１３８は外部のコンピュータ等に接続して、データの送受信をするための規格化された接続端子である。これら各構成は、例えば、アルカリ電池やリチウム電池等の一次電池やＮｉＣｄ電池やＮｉＭＨ電池、Ｌｉ電池等の二次電池、小型燃料電池、ＡＣアダプター等からなる不図示の電力供給手段によって駆動される。
【００３２】
撮像系は、被写体からの光を撮影レンズ１０３を介して撮像素子１０６の撮像面に結像する光学処理系であり、レンズ装置１０２の不図示の絞りと、必要に応じてさらにフォーカルプレーンシャッター１１３を調節し、適切な光量の被写体光により撮像素子１０６を露光する。撮像素子１０６は、正方画素が、例えば、長辺方向に７４００個、短辺方向に５６００個並べられ、合計で約４０００万個の画素数を有し、４画素を一組として各画素にＲ（赤色）Ｇ（緑色）Ｂ（青色）のいずれかのカラーフィルターを所謂ベイヤー配列に配している。ベイヤー配列では、観察者が画像を見たときに強く感じやすいＧの画素をＲやＢの画素よりも多く配置することで、総合的な画像の品質を上げている。一般に、この方式の撮像素子を用いる画像処理では、輝度信号の多くの部分をＧ信号から生成し、色信号はＲ，Ｇ，Ｂ信号から生成する。なお、画素数及びカラーフィルタの配列については上述したものに限るものではなく、適宜変更可能であることは言うまでもない。
【００３３】
撮像素子１０６から読み出された画像信号は、Ａ／Ｄ変換器１３０を介して画像処理系に供給される。Ａ／Ｄ変換器１３０は、露光した各画素の信号の振幅に応じた、たとえば１２ビットのデジタル信号に変換して出力する信号変換回路であり、Ａ／Ｄ変換器１３０より後段における画像信号処理はデジタル処理にて実行される。
【００３４】
画像処理系は、Ｒ，Ｇ，Ｂデジタル信号から所望の形式の画像信号を得る信号処理回路であり、Ｒ，Ｇ，Ｂ信号を、輝度信号Ｙと色差信号（Ｒ−Ｙ）、（Ｂ−Ｙ）で表わされるＹＣ信号などに変換する。
【００３５】
ＲＧＢ画像処理部１３１は、Ａ／Ｄ変換器１３０を介して撮像素子１０６ から受けた７４００×５６００画素の画像信号を処理する信号処理回路であり、ホワイトバランス回路、ガンマ補正回路、補間演算による高解像度化を行う補間演算回路を有する。
【００３６】
ＹＣ処理回路１３２は、輝度信号Ｙおよび色差信号Ｒ−Ｙ及びＢ−Ｙを生成する信号処理回路である。高域輝度信号ＹＨを生成する高域輝度信号発生回路、低域輝度信号ＹＬを生成する低域輝度信号発生回路、および、色差信号Ｒ−Ｙ及びＢ−Ｙを生成する色差信号発生回路で構成されている。輝度信号Ｙは高域輝度信号ＹＨと低域輝度信号ＹＬを合成することによって形成される。
【００３７】
記録再生系は、不図示のメモリへの画像信号の出力と、表示装置１０７への画像信号の出力とを行う処理系であり、記録処理部１３３はメモリへの画像信号の書き込み処理および読み出し処理を行い、再生処理部１３４はメモリから読み出した画像信号を再生して、表示装置１０７に出力する。
【００３８】
また、記録処理部１３３は、静止画像および動画像を表わすＹＣ信号を所定の圧縮形式にて圧縮し、また、圧縮データを読み出した際に伸張する、圧縮伸張回路を内部に有する。圧縮伸張回路は、信号処理のためのフレームメモリなどを含み、このフレームメモリに画像処理系からのＹＣ信号をフレーム毎に蓄積して、それぞれ複数のブロック毎に読み出して圧縮符号化する。圧縮符号化は、たとえば、ブロック毎の画像信号を２次元直交変換、正規化およびハフマン符号化することにより行われる。
【００３９】
再生処理部１３４は、輝度信号Ｙおよび色差信号Ｒ−Ｙ及びＢ−Ｙをマトリックス変換して、例えばＲＧＢ信号に変換する回路である。再生処理部１３４によって変換された信号は表示装置１０７に出力され、可視画像が再生表示される。再生処理部１３４と表示装置１０７の間はBluetoothなどの無線通信手段を介して接続してもよく、このように構成すれば、このデジタルカラーカメラで撮像する画像を離れたところからモニタすることができる。
【００４０】
制御系は、レリーズボタン１２０やファインダーモード切り換えスイッチ１２３等の操作を検出する操作検出部１３６と、その検出信号に応動してハーフミラー１１１やサブミラー１２２を含む各部を制御し、撮像の際のタイミング信号などを生成して出力するカメラシステム制御部１３５と、このカメラシステム制御部１３５の制御の下で撮像素子１０６を駆動する駆動信号を生成する駆動回路１３７と、光学ファインダー内情報表示装置１８０を制御する情報表示部１４２を含む。
【００４１】
制御系は、外部操作に応動して撮像系、画像処理系、記録再生系をそれぞれ制御し、例えば、レリーズボタン１２０の押下を検出して、撮像素子１０６の駆動、ＲＧＢ画像処理部１３１の動作、記録処理部１３３の圧縮処理などを制御し、さらに情報表示部１４２によって光学ファインダー内に情報表示を行う情報表示装置１８０の各セグメントの状態を制御する。
【００４２】
カメラシステム制御部１３５は、ＹＣ処理部１３２から得られる輝度信号Ｙに基づいて被写体の輝度を判断し、被写体の輝度が低く、十分な焦点検出精度が得られないと判定されるときには、閃光発光装置１０４、あるいは不図示の白色ＬＥＤや蛍光管によって被写体を照明するように指示したり、逆に被写体の輝度が高く、白飛びしてしまうと判定されるときには、フォーカルプレーンシャッター１１３のシャッタースピードを早くしたり、電子シャッターにより撮像素子１０６の電荷蓄積期間を短くするなどの露出量の調節を行う。
【００４３】
カメラシステム制御部１３５には、さらにＡＦ制御部１４０とレンズシステム制御部１４１が接続されている。これらはカメラシステム制御部１３５を中心にして各々の処理に必要とするデータを相互に通信している。
【００４４】
ＡＦ制御部１４０は、撮影画面上の所定の位置に設定された焦点検出領域内の焦点検出用センサー１６７の信号出力を得て、この信号出力に基づいて焦点検出信号を生成し、撮影レンズ１０３の結像状態を検出する。デフォーカスが検出されると、これを撮影レンズ１０３の一部の要素であるフォーカシングレンズの駆動量に変換し、カメラシステム制御部１３５を中継してレンズシステム制御部１４１に送信する。また、移動する被写体に対しては、レリーズボタン１２０が押下されてから実際の撮像制御が開始されるまでのタイムラグを勘案し、適切なレンズ位置を予測した結果によるフォーカシングレンズの駆動量を指示する。
【００４５】
レンズシステム制御部１４１はフォーカシングレンズの駆動量を受信すると、レンズ装置１０２内の不図示の駆動機構によってフォーカシングレンズを光軸Ｌ１方向に移動させるなどの動作を行い、被写体にピントを合わせる。ＡＦ制御部１４０によって、被写体にピントが合ったことが検出されると、この情報はカメラシステム制御部１３５に伝えられる。このとき、レリーズボタン１２０が押下されれば、前述のごとく撮像系、画像処理系、記録再生系による撮像制御が成される。
【００４６】
図３と図４はレンズ装置１０２に組み込まれる撮影レンズの一つであるズームレンズ（変倍レンズ）の構成図である。ここでは、一眼レフカメラなどに用いられる正・負・正・正・負の５群構成の望遠ズームレンズを一例として示す。被写体側から順に、第１群ＺＧ１〜第５群ＺＧ５と呼ぶ。図３は広角端、図４は望遠端の状態を示し、絞り開放状態での光線トレースを表している。また、広角端の焦点距離とＦナンバーを100mm／5.6、望遠端の焦点距離とＦナンバーを400mm／8.0 とする。
【００４７】
図３と図４に示すとおり、第１群ＺＧ１は、被写体側に凸面を向けた正レンズ５１１と、被写体側に凸面を向けた負メニスカスレンズ５１２と、負メニスカスレンズ５１２に接合されて被写体側により強い曲率の面を向けた正レンズ５１３から成っている。第２群ＺＧ２は、両凹形状の負レンズ５２１と、被写体側により強い曲率の面を向けた正レンズ５２２から成り、第３群ＺＧ３は像側に凸面を向けた正レンズ５３１で構成されている。第４群ＺＧ４は、両凸形状の正レンズ５４１と、正レンズ５４１に接合されて被写体側に凹面を向けた負レンズ５４２から成り、第５群ＺＧ５は像側により強い曲率の面を向けた正レンズ５５１と、正レンズ５５１に接合されて両凹形状の負レンズ５５２より成っている。絞りＺＳは第２群ＺＧ２と第３群ＺＧ３との間に配置されている。
【００４８】
広角端から望遠端へのズーミングに際しては、第１群ＺＧ１と第２群ＺＧ２との空気間隔が拡大しながら、第２群ＺＧ２と第３群ＺＧ３の空気間隔が縮小し、さらに、第３群ＺＧ３と第４群ＺＧ４の空気間隔が拡大しながら、第４群ＺＧ４と第５群ＺＧ５の空気間隔が縮小する。より詳しくは、第４群ＺＧ４が撮像面５０１に対して固定された状態で、第１群ＺＧ１が被写体側へ移動し、第２群ＺＧ２が像側へ移動し、さらに、第３群ＺＧ３が被写体側へ移動し、第５群ＺＧ５が被写体側へ移動する。
【００４９】
射出瞳位置はズーミングによって変動するために、光軸外の撮像位置に入射する光線の入射角も設定された焦点距離に応じて変化する。図３に示す角度θ1は広角端において最大画角位置へ入射する光束を、その光量重心で代表させたときの入射角、図４に示す角度θ2は望遠端において最大画角位置へ入射する光束を、その光量重心で代表させたときの入射角である。広角側では射出瞳位置が撮像面に近づき、逆に望遠側では射出瞳位置が撮像面から遠ざかるために、θ1＞θ2の関係となる。なお、一般に中間画角での光線入射角は角度θ1と角度θ2の間である。
【００５０】
さらに、図３及び図４に示すような望遠ズームレンズでは、絞りＺＳを開放状態にしたときに、光軸外の撮像位置に入射する光線は絞り面上の偏った位置を通過しているので、絞りＺＳを絞り込むと、撮像面への光線入射角は変化する。
【００５１】
図５と図６は、絞りＺＳを実質的に点開口と見なせるまで絞り込んだときの広角端と望遠端での光路図である。図５に示す角度θ3は広角端において最大画角位置へ入射する光束の入射角、図６に示す角度θ4は望遠端において最大画角位置へ入射する光束の入射角である。最大画角位置へ入射する光束の入射角の大小関係は、
θ3＞θ1＞θ4＞θ2
【００５２】
であり、焦点距離に加えて絞りＺＳの開度を考慮すると、入射角の変動幅はさらに拡大することが判る。最大の角度と最少の角度の差は、変倍比やレンズ構成に依存するが、およそ１０度から４０度の範囲である。
こういった光軸外に入射する光線の入射角の変化は、ズーミングだけでなくフォーカシング（ピント調節）でも生じる。図７と図８はレンズ装置１０２に組み込まれる撮影レンズの一つであるマクロレンズの構成図であって、Ｆナンバーが明るく一眼レフカメラ用として好適なレンズを例としている。図７は無限遠にある被写体にフォーカスした状態、図８は結像倍率が−０．２倍となる近距離にある被写体にフォーカスした状態を表している。ここでは、マクロレンズの焦点距離とＦナンバーを50mm／2.0とし、また、被写体側から順に、第１群ＭＧ１〜第３群ＭＧ３と呼ぶ。また、ＭＳは絞りである。
【００５３】
正の屈折力を有する第１群ＭＧ１と、絞りＭＳと、正の屈折力を有する第２群ＭＧ２と、正の屈折力を有する第３群ＭＧ３とからなり、第１群ＭＧ１は両凹形状の負レンズ６１１を最も被写体側に配し、第３群ＭＧ３は負メニスカスレンズ６３２を最も像側に配している。負レンズ６１１と負レンズ６３２はいわゆるガウスタイプのレンズ系を挟み込み、両凸形状の正レンズ６１２、被写体側により強い曲率の面を向けた正レンズ６１３、両凹形状の負レンズ６１４、両凹形状の負レンズ６２１、負レンズ６２１に接合された正レンズ６２２、両凸形状の正レンズ６２３、正メニスカスレンズ６３１がガウスタイプのレンズ構成である。絞りＭＳは第１群ＭＧ１と第２群ＭＧ２の間に配置されている。ガウスタイプのレンズ系の前後に負レンズを配置することによって入射瞳と射出瞳を近づけ、充分な周辺光量を得ている。
【００５４】
さらに、このマクロレンズは無限遠にある被写体から近距離にある被写体の何れに対しても良好な光学性能が得られるように、フローティング機構を備えている。無限遠にある被写体にフォーカンシングをしている状態から近距離にある被写体へのフォーカシングに際しては、第１群ＭＧ１と第２群ＭＧ２とを一体に被写体側へ繰り出すとともに、第３群ＭＧ３を第２群ＭＧ２との空気間隔が増大するように繰り出す。
【００５５】
射出瞳位置はフォーカシングによって変動するために、光軸外の撮像位置に入射する光線の入射角も設定された被写体距離に応じて変化する。図７に示す角度θ5は無限遠にある被写体にフォーカスした状態において最大画角位置へ入射する光束を、その光量重心で代表させたときの入射角、図８に示す角度θ6は近距離にある被写体にフォーカスした状態において最大画角位置へ入射する光束を、その光量重心で代表させたときの入射角である。無限遠にある被写体にフォーカスした状態では射出瞳位置が撮像面に近づき、逆に近距離にある被写体にフォーカスした状態では射出瞳位置が撮像面から遠ざかるために、θ5＞θ6なる関係となる。なお、一般に中間距離被写体での光線入射角は角度θ5と角度θ6の間である。
【００５６】
さらに、被写体距離に加えて絞りＭＳの開度を考慮すると、入射角の変動幅はさらに拡大する場合がある。最大の角度と最少の角度との差は、フォーカス可能とする至近被写体距離やレンズ構成に依存するが、およそ３度から３０度の範囲である。
【００５７】
次に、図９から図１２を用いて撮像素子１０６の構造について説明する。
【００５８】
図９は図１に示した撮像素子１０６の平面図である。図９において、１０６は撮像素子、１２４は撮像素子１０６を収納するセンサーパッケージである。撮像素子１０６はＣＭＯＳ撮像素子であって、数千万画素の画像データを得るために数千万個の画素を縦横に、あるいは斜め方向に規則的に配列して成る。したがって、センサーパッケージの内部は、空気、不活性ガス、あるいはハイドロフルオロエーテルといった屈折率１．２７程度の低屈折率液体が充填されている。
【００５９】
図１０は撮像素子１０６の部分断面図である。ここでは、撮像素子１０６の周辺部を拡大したものであって、撮像素子１０６の光軸が左方向にあるものとし、マイクロレンズは図の左方向に偏芯している。カラーフィルターの配列には様々な種類があるが、ここではベイヤー配列とする。
【００６０】
図１０において、７０は緑色光を透過する緑色カラーフィルター、７１は赤色光を透過する赤色カラーフィルターである。ベイヤー配列の撮像素子の断面では、図１０に示すように緑色カラーフィルターと赤色カラーフィルターが交互に配列された行か、または、青色カラーフィルターと緑色カラーフィルターが交互に配列された行の何れかが現れる。
【００６１】
３０はシリコン基板、３１はピッチＬで規則的に配列された埋め込みフォトダイオードの光電変換部、３２はポリシリコン配線、３３、３４は銅配線、３８は疎水性多孔質シリカ等から成る層間絶縁層である。金属の配線が層間絶縁層を挟んで一種のコンデンサーを形成し、信号の遅延を引き起こすため、多孔質シリカはこれを抑制すべく従来多用されて来たシリコン酸化膜SiO2よりも誘電率を低くしてある。また、屈折率は誘電率の平方根に比例するので、屈折率も１．３程度と低くなっている。
【００６２】
３６は埋め込み透明樹脂層、３５はシリコン酸化窒化膜SiONからなる保護膜である。
【００６３】
埋め込み透明樹脂層３６は、先ず、シリコン内部のポテンシャル構造、光電変換部３１、MOSトランジスタアンプ、画素選択トランジスタ、銅配線３３及び３４、および層間絶縁層３８等を形成し、さらにその上層に保護膜３５を成長させた後に、保護膜３５の上から光電変換部３１に向けて異方性エッチングを施すことによって開口を形成し、この開口に液体透明樹脂を流し込んで熱硬化させるといった工程で製作する。
【００６４】
透明樹脂層３６の屈折率は１．６であり、透明樹脂層３６に隣接する層間絶縁層３８の屈折率１．３とは１．２倍ほどの屈折率の差異をもって光導波路を構成している。この界面に高屈折率側から低屈折率側に臨界角を越えて斜入射する光線を全反射することが可能である。
【００６５】
なお、埋め込み透明樹脂層３６はベースとなる樹脂にナノスケールの酸化チタンTiO2粒子、あるいは窒化シリコンSi3N4粒子や五酸化ニオブNb2O5粒子などを均一に分散させたコンポジット材であっても良い。このようなコンポジット材では、酸化チタン粒子や窒化シリコン粒子や五酸化ニオブ粒子が十分に光の波長よりも小さいサイズであることと、その屈折率が酸化チタン粒子で２．３５、窒化シリコン粒子で２．０、五酸化ニオブで２．２と高いことに起因して、コンポジット材内部での光の直進性を保ったまま屈折率を１．８乃至２．１程度にまで引き上げることができ、全反射が生じる臨界角をかなり小さくすることができる。
【００６６】
また、３７及び３９は平坦化層、９０２はマイクロ凸レンズである。平坦化層３７は保護膜３５と透明樹脂層３６の上部に形成された透明樹脂による層である。また、平坦化層３９の上部を凹面状にエッチングして、その上部にシリコン酸化窒化膜SiON層を形成し、さらにその上面を凸面状にエッチングすることによって、SiONによるマイクロ凸レンズ９０２が形成される。マイクロ凸レンズ９０２の一つひとつを光軸方向から見た形状は正方形であり、各マイクロ凸レンズ９０２の面は、上面と下面の何れもが軸対象性の非球面となっている。図１１はマイクロ凸レンズ９０２の形状を説明した図で、マイクロ凸レンズ９０２を斜め上方から俯瞰した俯瞰図である。
【００６７】
平坦化層３９の屈折率が１．５８、マイクロ凸レンズ９０２の屈折率が１．８であるので、マイクロ凸レンズ９０２は収束系としての焦点距離を有する。したがって、隣り合う埋め込み透明樹脂層３６の間には隙間があっても、光束は隙間なく敷きつめられているマイクロ凸レンズ９０２を必ず通るので、何れかの埋め込み透明樹脂層３６に無駄なく集められることとなる。なお、マイクロ凸レンズ９０２は円筒形状にエッチングで成形した樹脂を溶融させて作成しても良い。
【００６８】
一般に、ＣＭＯＳ撮像素子の光電変換部付近には配線層などがあり、また、ＣＣＤ撮像素子においても電荷転送部などがあるため、斜めに撮像素子の内部を進む光線は光電変換部に到達し難い。光電変換部に到達できなかった光線は配線層などで吸収されて最終的に熱に変わるだけである。
【００６９】
前述したように、本撮像素子１０６は、こういった撮像素子１０６の内部を進む光線を光電変換部３１に導くための光導波路構造を備えている。図１２は、撮像素子１０６に入射する光束の光路の内、代表的に、マイクロ凸レンズ９０２ａに入射する光束の光路を示す光線トレース図である。
【００７０】
撮像素子１０６の上方から入射する光線６０はマイクロ凸レンズ９０２ａに入射し、マイクロ凸レンズ９０２ａで屈折作用を受けて、平坦化層３７を経て埋め込み透明樹脂層３６ａに入射する。埋め込み透明樹脂層３６ａは層間絶縁膜３８よりも高屈折率であるために、層間絶縁膜３８との界面では臨界角を越えて斜入射する光線は全反射し、埋め込み透明樹脂層３６ａから層間絶縁膜３８に出ることはできない。すなわち、例えば、光線６２は埋め込み透明樹脂層３６ａと層間絶縁膜３８の界面６４で全反射し、光線６３となって埋め込み透明樹脂層３６ａ内に留まり、光電変換部３１ａに入射して光電変換される。
【００７１】
次に、図１３から図１５を用いて、光導波路内の光線の挙動と瞳位置との関係について詳述する。
【００７２】
図１３は撮影レンズ１０３と撮像素子１０６との関係を示す概念図、図１４と図１５は、撮像素子１０６の最外周部に位置する１画素の詳細を示す図であって、例えば、図１３に示すＡ部にある画素の断面図である。図１４には撮影レンズの瞳距離が撮像素子から比較的近い状態における光線の状態を、図１５には、撮影レンズの瞳距離が撮像素子から比較的遠い状態における光線の状態を示してある。
【００７３】
図１３において、撮像素子１０６は被写体光束が撮像光学系１０３を介して焦点を結ぶ受光面３０２を有する。なお、撮像光学系１０３と撮像素子１０６の受光面３０２との光軸３０３方向の距離をＬ（以下、「瞳距離」と呼ぶ。）、光軸３０３から受光面３０２の最外周辺部までの距離をＨとする。従って、距離Ｈは像高に相当する。また、光軸３０３と撮像光学系１０３の射出瞳３０４との交点から射出する主光線３０５と光軸３０３とが成す角をθとする。
【００７４】
図１４において、２０１は光電変換部、２０２は光電変換部２０１が構成されるシリコン（Si）基板、２０３は屈折率の高い材料であるSiN等で構成された光導波路で、その中心軸は光電変換部２０１の中心軸とほぼ一致している。なお、光導波路２０３の光入射側は、より多くの光が入射可能なように開口が広くなるように形成されている。２１０は、屈折率の低いSiO2等で形成された層間絶縁層２１１の間に形成され、光電変換部２０１にて発生した光電荷を不図示のフローティングディフュージョン部（ＦＤ部）に転送するための転送電極、２０４は光電変換部２０１以外に光が入射しないように形成された遮光作用を有する配線電極である。また、２０６は、電極や不図示の配線により形成される凹凸表面上に形成されて平坦な表面を提供するための平坦化層であり、平坦化層２０６を介してカラーフィルタ２０７が設けられており、さらに平坦化層２０８を介してマイクロレンズ２０９が形成されている。マイクロレンズ２０９は、図２に示す撮像光学系１０１から入射する被写体光束を光電変換部２０１に集光するようにレンズ形状及びその配置位置が決められている。
【００７５】
図１４に示すように、撮像光学系１０３が撮像素子１０６に「近い」、即ち、瞳距離が短く、光束３３０の入射角θが大きい場合（θ＝α１）は、光束３３０は光導波路２０３の傾斜面で全反射し、また、図１５に示すように瞳距離が長く光束３３０の入射角θが小さい場合（θ＝α２）は、光導波路２０３の傾斜面で反射せずに、光電変換部２０１に導かれる。
【００７６】
このように、光導波路構造を用いれば、入射角θが変化しても、光電変換部に導くことが可能である。
【００７７】
したがって、埋め込み透明樹脂層３６が無い場合には、ズーミングやフォーカシングで射出瞳位置が撮像素子に適合せず、光電変換部３１に入射できなかった光線が、図１２に示したような埋め込み透明樹脂層３６による光導波路構造を用いることよって光電変換部３１に入射できるようになり、画面周辺での撮像素子の感度は向上する。したがって、撮像素子に起因するシェーディングが解消できる。
【００７８】
光導波路の構成は次のような性質に基づいて決定する。
【００７９】
１．  像高Ｈが増加すると、入射角θが大きくなる。
２．  瞳距離Ｌが増加すると、入射角θが小さくなる。
３．  光導波路の屈折率ＮＨと層間絶縁層の屈折率ＮＬの比、ＮＬ／ＮＨが小さいほど、屈折率界面で全反射を起こすための臨界角は小さくなって、入射角θが大きい光線を捉えることができる。
４．  画素ピッチＰが減少すると、各画素の回路部が占める面積が増大して、相対的に光電変換部の大きさが減少し、入射角θが大きい光線を捉えることができなくなる。ＣＭＯＳ型固体撮像素子の場合、回路部は電荷転送用ＭＯＳトランジスタ、リセット電位を供給するリセット用ＭＯＳトランジスタ、ソースフォロワアンプＭＯＳセンサトランジスタ、選択的にソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタから信号を出力させるための選択用ＭＯＳトランジスタ等である。
５．  光電変換部からマイクロレンズまでの高さＤが増加すると、マイクロレンズから光電変換部を見込む角が小さくなるため、入射角θが大きい光線を捉えることができなくなる。
これらの性質から、像高Ｈ、瞳距離Ｌ、画素ピッチＰ、高さＤ、光導波路の屈折率ＮＨ、層間絶縁層の屈折率ＮＬで表した式（１）の評価量Ｅの大きさが、如何に入射角θの大きな光線を光電変換部まで導けるかを表す好適な指標となる。
【００８０】
2006032713.tif 000006
【００８１】
一例として、
・像高Ｈ＝４２５１［μｍ］
・瞳距離Ｌ＝１５０００［μｍ］
・画素ピッチＰ＝３．２５［μｍ］
・高さＤ＝５．０［μｍ］
・層間絶縁層２１１の屈折率ＮＬ＝１．４６
・光導波路の屈折率ＮＨ１．６５
の場合は、Ｅ＝０．３９である。このように、
Ｅ＜１．０      …（２）
【００８２】
となるように、像高Ｈ、瞳距離Ｌ、画素ピッチＰ、高さＤ、光導波路の屈折率ＮＨ、層間絶縁膜の屈折率ＮＬを選択すると、光導波路構造の効果は大きい。
【００８３】
＜第２の実施形態＞
光導波路は他の物質との組み合わせによっても構成可能である。
【００８４】
本第２の実施形態では、図１０に示す構造を有するカラー撮像素子において、第１の実施形態とは異なり、相関絶縁層３８を酸化シリコンSiO2で、埋め込み透明樹脂層３６を窒化シリコンSi3N4で形成する。
【００８５】
埋め込み窒化シリコン層３６の屈折率は２．０であり、埋め込み窒化シリコン３６に隣接する層間絶縁層３８を構成する酸化シリコンSiO2の屈折率は１．４６であるので、１．３７倍ほどの屈折率の差異がある。このため、界面に高屈折率側から低屈折率側に臨界角を越えて斜入射する光線を全反射することが可能である。こういった光導波路構造によって、斜入射光を効率的に光電変換部３１に導いている。
【００８６】
さらに、本第２の実施形態では、平坦化層３９を酸化シリコンSiO2で構成し、この平坦化層３９の上部を凹面状にエッチングして、その上部に酸化チタンTiO2層を形成し、その上面を凸面上にエッチングすることによって、酸化チタンTiO2によるマイクロ凸レンズ９０２を形成する。
【００８７】
平坦化層３９を構成する酸化シリコンSiO2の屈折率が１．４６、マイクロ凸レンズ９０２を構成する酸化チタンTiO2の屈折率が２．３５であるので、マイクロ凸レンズ９０２は収束系としての焦点距離を有する。したがって、隣り合う埋め込み窒化シリコン３６の間には隙間があっても、光束は隙間なく敷きつめられているマイクロ凸レンズ９０２を必ず通るので、無駄なく埋め込み窒化シリコン３６に集められることになる。
【００８８】
このように、異なる物質を組み合わせても、上記第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８９】
なお、光導波路を構成する窒化シリコンの代わりに、酸化窒化シリコン膜SiONで構成しても良い。酸化窒化シリコンSiONを用いると、残留応力を小さくできるので、膜剥がれなどが発生する確率が下がり、撮像素子の製造歩留まりを高めることができる。
【００９０】
＜第３の実施形態＞
光導波路はさらに別の物質の組み合わせによっても構成可能である。また、撮像素子内の低屈折率層を利用して層内レンズを形成することができる。
【００９１】
図１６は、本発明の第３の実施形態における光導波路を有するカラー撮像素子の一部画素の断面図である。第１および第２の実施形態には無かった層構造の光電変換部が形成されている。
【００９２】
図１６において、３４０はシリコン基板、３３１Ｂ、３３１Ｂ、３３１Ｒは埋め込みフォトダイオードの光電変換部、３３２はポリシリコン配線、３３３、３３４は銅配線、３３８は層間絶縁膜である疎水性多孔質シリカである。３３６は埋め込み酸化シリコンSiO2層、３３５はシリコン酸化窒化膜SiONからなる保護膜である。
【００９３】
光電変換部３３１Ｂは可視域全体を、光電変換部３３１Ｇは主に緑色光と赤色光を、光電変換部３３１Ｒは主に赤色光を光電変換する。こういった一画素に分光感度の異なる３つの光電変換部を備える構成によれば、カラー画像を得る際の色毎の被写体像サンプリング位置が一致するため、偽色の発生が無い。
【００９４】
埋め込み酸化シリコン層３３６は、まず、シリコン内部のポテンシャル構造、光電変換部３３１Ｂ、３３１Ｂ、３３１Ｒ、MOSトランジスタアンプ、画素選択トランジスタ、銅配線３３３及び３３４、および層間絶縁層３３８等を形成し、さらにその上層に保護膜３３５を成長させた後に、保護膜335上から光電変換部331に向けて異方性エッチングを施すことによって開口を形成し、この開口にＣＶＤ装置により酸化シリコンSiO2を埋め込むといった工程で製作する。
【００９５】
埋め込み酸化シリコン層３３６の屈折率は１．４６であり、埋め込み酸化シリコン層３３６に隣接する層間絶縁膜の屈折率１．３とは１．１２倍ほどの屈折率の差異があって、この界面に高屈折率側から低屈折率側に臨界角を越えて斜入射する光線を全反射することが可能である。こういった光導波路構造によって、斜入射光を効率的に光電変換部３３１Ｂ、３３１Ｂ、３３１Ｒに導いている。
【００９６】
さらに、３３７は平坦化層、９０は層内レンズ、３３９は透明樹脂による平坦化層である。平坦化層３３７は保護膜３３５と埋め込み酸化シリコン層３３６の上部に形成された窒化酸化シリコンSiONによる層である。この平坦化層３３７の上部を凸面状にエッチングして、その上部に疎水性多孔質シリカ層を形成し、今度はその上面を凹面上にエッチングすることによって、疎水性多孔質シリカによる層内レンズ９０が形成される。層内レンズ９０の一つひとつを正面から見た形状は正方形であり、各層内レンズ９０の面は、上面と下面の何れもが軸対象性の非球面となっている。
【００９７】
平坦化層３３７の屈折率が１．８０、層内レンズ９０の屈折率が１．３０、平坦化層３３９の屈折率が１．５８であるので、層内レンズ９０は両凹レンズでありながら収束系としての焦点距離を有する。したがって、隣り合う埋め込み酸化シリコン層３３６の間には隙間があっても、光束は隙間なく敷きつめられている層内レンズ９０を必ず通るので、無駄なく埋め込み酸化シリコン層３３６に集められることとなる。
【００９８】
代表的に、マイクロ凸レンズ９０ａに入射する光束の光路を示す光線トレース図を図１６に示している。層内レンズ９０ａに入射した光線３６０は、層内レンズ９０ａで屈折作用を受けて、平坦化層３３７を経て埋め込み酸化シリコン層３３６ａに入射する。埋め込み酸化シリコン層３３６ａは層間絶縁膜３３８よりも高屈折率であるために、この界面では臨界角を越えて斜入射する光線は全反射し、埋め込み酸化シリコン層から層間絶縁膜３３８に出ることはできない。すなわち、例えば、光線３６２は埋め込み酸化シリコン層３３６ａと層間絶縁膜３３８の界面３６４で全反射し、光線３６３となって埋め込み酸化シリコン層３３６ａ内に留まり、次に光電変換部３３１ａに入射して光電変換される。
【００９９】
このように、本第３の実施形態によれば、上記第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１００】
なお、上記第１乃至第３の実施形態では物質の屈折率の差を利用して全反射を行う光導波路構造について説明したが、金属面反射を利用した光導波路を用いることもできる。また、層間絶縁膜の代わりに気体を封入した空隙や、真空の空隙を用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるデジタルカラーカメラの概略構成を示す側方視断面図である。
【図２】図１に示すデジタルカラーカメラの機能構成を示すブロック図である。
【図３】広角端におけるズームレンズのレンズ構成と、絞りを開放した状態での光線トレースを表す図である。
【図４】望遠端におけるズームレンズのレンズ構成と、絞りを開放した状態での光線トレースを表す図である。
【図５】広角端におけるズームレンズのレンズ構成と、絞りを点開口と見なせるまで絞り込んだ状態での光線トレースを表す図である。
【図６】望遠端におけるズームレンズのレンズ構成と、絞りを点開口と見なせるまで絞り込んだ状態での光線トレースを表す図である。
【図７】マクロレンズのレンズ構成と、無限遠にある被写体にフォーカスした状態での光線トレースを表す図である。
【図８】マクロレンズのレンズ構成と、近距離にある被写体にフォーカスした状態での光線トレースを表す図である。
【図９】本発明の第１の実施形態における撮像素子の平面図である。
【図１０】撮像素子の部分断面図である。
【図１１】マイクロ凸レンズを斜め上方から俯瞰した俯瞰図である。
【図１２】図１０に示す撮像素子内における入射光の光路を示す光線トレース図である。
【図１３】撮影レンズと撮像素子との関係を示す概念図である。
【図１４】撮影レンズの瞳距離が撮像素子から比較的近い状態である場合の撮像素子の周辺部にある１画素における光線トレース図である。
【図１５】撮影レンズの瞳距離が撮像素子から比較的遠い状態である場合の撮像素子の周辺部にある１画素における光線トレース図である。
【図１６】本発明の第３の実施形態における撮像素子の部分断面図である。
【図１７】望遠レンズをレンズ交換方式のデジタルカメラシステムに装着した場合の従来のデジタルスチルカメラの概略断面図である。
【図１８】従来のＣＣＤ型固体撮像素子の概略断面図である。
【図１９】従来のＣＭＯＳ型固体撮像素子の概略断面図である。
【符号の説明】
【０１０２】
３０  シリコン基板
３１  光電変換部
３２  ポリシリコン配線
３３、３４  銅配線
３５  保護膜
３６  埋め込み透明樹脂層
３７、３９  平坦化層
３８  層間絶縁層
７０  緑色カラーフィルター
７１  赤色カラーフィルター
１０６  撮像素子
９０２  マイクロ凸レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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