(57)【要約】【課題】撮影画面の中央や周辺で光を効率良く取り込むことができる撮像素子の構造を提供する。【解決手段】複数の光電変換部２と、柱状に形成された第１の部分３１と撮影レンズに近い側に向けて開口面積が大きくなるテーパ形状部分３２とを備える高屈折率部３と、高屈折率部の周囲に配置された低屈折率部４とを備え、高屈折率部は、テーパ形状の開口面積が大きい側の開口幅をｘ1、テーパ形状の開口面積が小さい側の開口幅をｘ2、テーパ形状の傾斜角をθ°、高屈折率部の屈折率をｎ1、低屈折率部の屈折率をｎ2、撮影レンズのＦナンバーをＦ、光電変換部の撮影レンズの光軸中心からの距離をＲ、撮影レンズの瞳位置から撮像面までの距離をｆとした場合に、1＞ｘ2／ｘ1≧（１−tanθ／tanθ’）／（１＋tanθ／tanθ’）、cosθ’≧ｎ2／ｎ1、ただし、θ’＝θ0’＋２θ、sinθ0’＝１／２ｎ1Ｆ＋Ｒ／ｎ1ｆで表わされる式を満たす形状に形成されている。【選択図】      図１
2005251804.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮影レンズにより結像された被写体像を光電変換する複数の光電変換部と、
前記複数の光電変換部のそれぞれの上部に、該光電変換部の少なくとも一部を覆うように配置された高屈折率部であって、前記光電変換部の近くに位置する略均一な太さの角柱状又は円柱状に形成された第１の部分と、該第１の部分に連続して形成され、前記光電変換部に近い側から前記撮影レンズに近い側に向けて開口面積が大きくなるようなテーパ形状を持つ第２の部分とを備える高屈折率部と、
該高屈折率部の周囲に配置され、該高屈折率部よりも屈折率の低い低屈折率部とを備え、
前記高屈折率部は、前記テーパ形状の開口面積が大きい側の開口幅をｘ1、前記テーパ形状の開口面積が小さい側の開口幅をｘ2、前記テーパ形状の傾斜角をθ°、前記高屈折率部の屈折率をｎ1、前記低屈折率部の屈折率をｎ2、前記撮影レンズのＦナンバーをＦ、前記光電変換部の前記撮影レンズの光軸中心からの距離をＲ、前記撮影レンズの瞳の位置から前記複数の光電変換部が配置された撮像面までの距離をｆとした場合に、
1＞ｘ2／ｘ1≧（１−tanθ／tanθ’）／（１＋tanθ／tanθ’）
cosθ’≧ｎ2／ｎ1
ただし、θ’＝θ0’＋２θ、sinθ0’＝１／２ｎ1Ｆ＋Ｒ／ｎ1ｆ
で表わされる式を満たす形状に形成されていることを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
前記テーパ形状を、前記撮影レンズの光軸中心からの距離に応じて、前記式を満足させつつ変化させたことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
撮影レンズにより結像された被写体像を光電変換する複数の光電変換部と、
該複数の光電変換部のそれぞれと前記撮影レンズとの間に配置され、前記光電変換部に光を集光するためのマイクロレンズと、
前記複数の光電変換部のそれぞれの上部に、該光電変換部の少なくとも一部を覆うように配置された高屈折率部であって、前記光電変換部の近くに位置する略均一な太さの角柱状又は円柱状に形成された第１の部分と、該第１の部分に連続して形成され、前記光電変換部に近い側から前記撮影レンズに近い側に向けて開口面積が大きくなるようなテーパ形状を持つ第２の部分とを備える高屈折率部と、
該高屈折率部の周囲に配置され、該高屈折率部よりも屈折率の低い低屈折率部とを備え、
前記高屈折率部は、前記テーパ形状の開口面積が大きい側の開口幅をｘ1、前記テーパ形状の開口面積が小さい側の開口幅をｘ2、前記テーパ形状の傾斜角をθ°、前記高屈折率部の屈折率をｎ1、前記低屈折率部の屈折率をｎ2、前記撮影レンズのＦナンバーをＦ、前記光電変換部の前記撮影レンズの光軸中心からの距離をＲ、前記撮影レンズの瞳の位置から前記複数の光電変換部が配置された撮像面までの距離をｆ、前記マイクロレンズの屈折率をｎ3、前記マイクロレンズの開口半径をｒ、前記マイクロレンズの前記光電変換部に近い側の端部から該光電変換部までの距離をＨ0とした場合に、
１＞ｘ2／ｘ1≧（１−tanθ／tanθ’）／（１＋tanθ／tanθ’）
cosθ’≧ｎ2／ｎ1
ただし、θ’＝θ0’＋２θ、sinθ0’＝（ｎ3／ｎ1）・（１／２Ｆ−ｒ／Ｈ0＋Ｒ／ｆ）
で表わされる式を満たす形状に形成されていることを特徴とする撮像素子。
【請求項４】
前記テーパ形状を、前記撮影レンズの光軸中心からの距離に応じて、前記式を満足させつつ変化させたことを特徴とする請求項３に記載の撮像素子。
【請求項５】
前記マイクロレンズの光軸を、前記撮影レンズの光軸中心からの距離に応じて、該光軸中心方向にオフセットさせたことを特徴とする請求項３又は４に記載の撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は被写体像を撮像するための撮像素子の内部構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
撮像素子内に全反射の構造を形成して光線の取り込み効率の向上を目指した技術が特開平０５−２３５３１３号公報に開示されている。同公報の実施例の形態に基づいた構造を図１７に示す。ここでは撮像素子のピッチと深さの比であるＤ／Ｌ値を１として全反射面の斜面の角度θを約２６．５度としている。これによってマイクロレンズを用いなくても撮像画面の中心の周辺で集光効率を落とすことなく光線を取り込むことができるというものである。
【０００３】
また、撮像素子に入射した光線を効率良く取り込むための構造が特開平０６−２２４３９８号公報に開示されている。本公報の実施例の形態に基づいた構造を図１８に示す。１０は樹脂からなるキャップ層で１．６程度の屈折率を持つ材質で形成される。９は低屈折率層であり、キャップ層１０よりも低屈折率の樹脂や中空（空気や窒素等の不活性ガスを充填）で形成されている。キャップ層１０から低屈折率層９に向かう光線は臨界角を超えると界面で全反射する。そのため斜入射光が取り込めるというものである。
【特許文献１】特開平０５−２３５３１３号公報
【特許文献２】特開平０６−２２４３９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記従来例には次のような問題点が存在する。
【０００５】
図１７のような構造の場合、全反射面で全反射した光線のうち直接受光部へ到達するものは問題なく受光できる。ところがレンズのＦナンバーが小さい光線を取り込もうとするとレンズの瞳周辺部からの光線、いわゆる斜入射光線は全反射面に当たっても全反射面の臨界角を超えずにそのまま抜けてしまうことがある。また全反射しても反対側の全反射面にもう一度当たってここで臨界角を超えずに抜けてしまうこともある。このような状態を制御するためには斜面の高さや入射開口・射出開口といった寸法関係を適切に構成しなければならない。
【０００６】
また、図１８のような構造の場合、高屈折率のキャップ層１０の入射側が小さなＲの円弧となっているため斜入射の角度が強くなると円弧部に当たる光線が全反射せずに抜けてしまって別の画素に入ってしまうなどの問題を生じることになる。
【０００７】
したがって、本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、撮影画面の中央や周辺で光を効率良く取り込むことができ、また撮影レンズのＦナンバーによって変化する斜入射光も取り込むことができる撮像素子の構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わる撮像素子は、撮影レンズにより結像された被写体像を光電変換する複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部のそれぞれの上部に、該光電変換部の少なくとも一部を覆うように配置された高屈折率部であって、前記光電変換部の近くに位置する略均一な太さの角柱状又は円柱状に形成された第１の部分と、該第１の部分に連続して形成され、前記光電変換部に近い側から前記撮影レンズに近い側に向けて開口面積が大きくなるようなテーパ形状を持つ第２の部分とを備える高屈折率部と、該高屈折率部の周囲に配置され、該高屈折率部よりも屈折率の低い低屈折率部とを備え、前記高屈折率部は、前記テーパ形状の開口面積が大きい側の開口幅をｘ1、前記テーパ形状の開口面積が小さい側の開口幅をｘ2、前記テーパ形状の傾斜角をθ°、前記高屈折率部の屈折率をｎ1、前記低屈折率部の屈折率をｎ2、前記撮影レンズのＦナンバーをＦ、前記光電変換部の前記撮影レンズの光軸中心からの距離をＲ、前記撮影レンズの瞳の位置から前記複数の光電変換部が配置された撮像面までの距離をｆとした場合に、
1＞ｘ2／ｘ1≧（１−tanθ／tanθ’）／（１＋tanθ／tanθ’）
cosθ’≧ｎ2／ｎ1
ただし、θ’＝θ0’＋２θ、sinθ0’＝１／２ｎ1Ｆ＋Ｒ／ｎ1ｆ
で表わされる式を満たす形状に形成されていることを特徴とする。
【０００９】
また、この発明に係わる撮像素子において、前記テーパ形状を、前記撮影レンズの光軸中心からの距離に応じて、前記式を満足させつつ変化させたことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係わる撮像素子は、撮影レンズにより結像された被写体像を光電変換する複数の光電変換部と、該複数の光電変換部のそれぞれと前記撮影レンズとの間に配置され、前記光電変換部に光を集光するためのマイクロレンズと、前記複数の光電変換部のそれぞれの上部に、該光電変換部の少なくとも一部を覆うように配置された高屈折率部であって、前記光電変換部の近くに位置する略均一な太さの角柱状又は円柱状に形成された第１の部分と、該第１の部分に連続して形成され、前記光電変換部に近い側から前記撮影レンズに近い側に向けて開口面積が大きくなるようなテーパ形状を持つ第２の部分とを備える高屈折率部と、該高屈折率部の周囲に配置され、該高屈折率部よりも屈折率の低い低屈折率部とを備え、前記高屈折率部は、前記テーパ形状の開口面積が大きい側の開口幅をｘ1、前記テーパ形状の開口面積が小さい側の開口幅をｘ2、前記テーパ形状の傾斜角をθ°、前記高屈折率部の屈折率をｎ1、前記低屈折率部の屈折率をｎ2、前記撮影レンズのＦナンバーをＦ、前記光電変換部の前記撮影レンズの光軸中心からの距離をＲ、前記撮影レンズの瞳の位置から前記複数の光電変換部が配置された撮像面までの距離をｆ、前記マイクロレンズの屈折率をｎ3、前記マイクロレンズの開口半径をｒ、前記マイクロレンズの前記光電変換部に近い側の端部から該光電変換部までの距離をＨ0とした場合に、
１＞ｘ2／ｘ1≧（１−tanθ／tanθ’）／（１＋tanθ／tanθ’）
cosθ’≧ｎ2／ｎ1
ただし、θ’＝θ0’＋２θ、sinθ0’＝（ｎ3／ｎ1）・（１／２Ｆ−ｒ／Ｈ0＋Ｒ／ｆ）
で表わされる式を満たす形状に形成されていることを特徴とする。
【００１１】
また、この発明に係わる撮像素子において、前記テーパ形状を、前記撮影レンズの光軸中心からの距離に応じて、前記式を満足させつつ変化させたことを特徴とする。
【００１２】
また、この発明に係わる撮像素子において、前記マイクロレンズの光軸を、前記撮影レンズの光軸中心からの距離に応じて、該光軸中心方向にオフセットさせたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、撮影画面の中央や周辺で光を効率良く取り込むことができ、また撮影レンズのＦナンバーによって変化する斜入射光も取り込むことができる撮像素子の構造を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施形態について説明する。
【００１５】
（第１の実施の形態）
図１に本発明の第１の実施の形態を示す。図１は撮像素子の断面図で、１はシリコンウェハ、２は受光した光子を電荷へと変換する機能を有する光電変換部、３は高屈折率部、４は低屈折率部、５は光電変換部の電荷を制御するゲートの役割を果たすＰｏｌｙ配線層、６はアルミニウムなどの金属でできた配線層である。
【００１６】
図１において、高屈折率部３は屈折率２．５の二酸化チタン（ＴｉＯ2）や屈折率２．０の窒化ケイ素（ＳｉＮ）のような高屈折率の材料で形成され、低屈折率部４は屈折率１．４６の二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）といった低屈折率の材料を用いて形成される。これにより高屈折率部３に入射した光線は低屈折率部４との界面で臨界角を超える光線が全反射して光電変換部２に到達するといういわゆる導光路の役割を果たすようになる。
【００１７】
図２には形状を分かりやすくするため高屈折率部３のみを取り出したものを示す。
【００１８】
高屈折率部３は光電変換部２に近い部分で光軸とほぼ平行な面をもつ角柱部３１と光線の入射側に存在して角柱部３１とは異なる角度を持つテーパ部３２で構成されている。角柱部３１は撮像素子上面から見るとほぼ正方形の形状をなしていて光軸と平行な面としては４面存在する。テーパ部３２も同様に上面から見るとほぼ正方形の形状をなしているが切る高さによってその大きさが異なる。本実施形態においては高屈折率部３を断面が正方形の角柱で表現しているが、断面が長方形であったり５角形、６角形とった多角形形状であったりあるいは円形（円柱）であってもよい。
【００１９】
高屈折率部３を撮像素子上部から見た時のテーパの付き方を示したものが図３乃至図５となる。図３乃至図５は説明を簡単にするため、撮影レンズの光軸中心近傍の画素と四隅（対角部）の画素についてのみ表現している。
【００２０】
テーパ部３２の形状としては、全体的に均一の形状とする場合（図３）、撮影レンズの光軸中心方向に向かって光軸からの距離に応じて１画素ずつ形状が異なる場合（図４）、図４と同様に形状が異なるが数画素ずつの単位で形状が異なる場合（図５）の３種類が考えられるがいずれにせよ後述する関係式を満足するようにテーパ形状を形成することが前提となる。
【００２１】
このような形状の高屈折率部３を形成する方法としては、低屈折率部４を平坦に形成しその上にレジストを塗布してエッチングを行い光電変換部２近傍まで穴を開ける。その後、高屈折率部３の材料（例えば、ＳｉＮ）を蒸着するというものが考えられる。テーパ部については穴を形成するときのエッチング条件を制御することによって所望の形状になるようにすることができる。
【００２２】
次にテーパ形状の寸法関係について説明する。図６は複数の画素を備える撮像素子の１画素の断面図を示したものである。また図７は井戸形状のテーパ部３２の部分拡大図である。
【００２３】
撮像素子１０２に撮影レンズ３０１を取り付けた状態を図８に示す。レンズ系へ入射する光線、及びレンズ系から出射される光線はすべてそのレンズ系の瞳を通ることから、撮影レンズの瞳３０２を用いて撮影レンズ３０１の光軸中心近傍（撮像素子１０２の中心近傍）における光線の様相を表すと図９のようになる。この時、撮影レンズ３０１の瞳径をＤ、ＦナンバーをＦ、瞳距離（撮影レンズ３０１の瞳の位置から撮像素子１０２までの距離）をｆとすると以下のような関係式となる。
【００２４】
Ｄ＝ｆ／Ｆ      …（１−１）
また、瞳の外周から来る光線と光軸中心とのなす角をθ0とすると、
sinθ0＝１／２Ｆ      …（１−２）
ここで、テーパ部３２の形状は次のような考え方を元に構成する。
（１）最も角度のついた光線が画素１００に入射してテーパ部３２の入射部近傍（最上部）で全反射する。
（２）全反射した光線は対する面の角柱部３１（垂直面３１ａ）に当たって再び全反射する。
【００２５】
これによりテーパ部３２に当たった光線はすべて対する面の垂直面３１ａに当たるためこの光線が再び反対側の垂直面３１ｂに当たっても必ず全反射する。従ってすべての光線は直接あるいは井戸内で何度か全反射を繰り返して光電変換部２に導かれるということになる。
【００２６】
最も角度のついた光線は撮影レンズの瞳３０２の外周部から出た光線であるため撮影レンズの光軸となす角度はθ0である。これが高屈折率部３に入射したときの射出角（高屈折率部３に透過した光の高屈折率部３の法線とのなす角度）をθ0’、撮像素子１０２上部（高屈折率部３の表面より上側の空間）の屈折率をｎ0 、高屈折率部３の屈折率をｎ1、とすると、
ｎ0sinθ0＝ｎ1sinθ0’
となる。ｎ0 は空気の屈折率となるのでｎ0 ＝１とすると、
sinθ0＝ｎ1sinθ0’      …（２−１）
が得られる。（１−２）式と（２−１）式から、
sinθ0’＝１／２ｎ1Ｆ      …（２−１）’
となる。
【００２７】
また、幾何的な関係から撮影レンズの光軸とテーパ面のなす角度をθとすると、
θ2＋θ0’＋θ＝９０°      …（２−２）
θ3＝θ、また入射角と反射角は同じであることより、
θ2＝θ＋θ1      …（２−３）
となり、（２−２）式と（２−３）式から、θ’＝θ0’＋２θとおくと、
θ1＝９０°−θ0’−２θ＝９０°−θ’      …（２−４）
が得られる。
【００２８】
入射した光線はテーパ部で全反射することから低屈折率部４の屈折率をｎ2とすると、
sinθ2≧ｎ2／ｎ1      …（３−１）
という関係が得られる。
【００２９】
テーパ部の高さをＨ1とすると、
Ｈ1＝（ｘ1−ｘ2）／２tanθ      …（３−２）
またテーパ部で反射した光線が対する面に到達した時の高さをＨ2とすると、
tanθ1＝Ｈ2 ／｛ｘ1−（ｘ1−ｘ2）／２｝＝２Ｈ2／（ｘ1＋ｘ2）
となる。よって、
Ｈ2＝（ｘ1＋ｘ2）tanθ1／２      …（３−３）
となる。テーパ部で全反射した光線は対する面の垂直面に到達するということから、
Ｈ1 ≦Ｈ2      …（３−４）
の関係を満たせばよいことになる。よって（３−２）式、（３−３）式、（３−４）式から、
（ｘ1−ｘ2）／２tanθ≦（ｘ1＋ｘ2）tanθ1／２
となりtanθが正値を取ることから上式を整理すると、
（１＋tanθtanθ1）・ｘ2≧（１−tanθtanθ1）・ｘ1
となる。さらに（１＋tanθtanθ1）、ｘ1が共に正値を取ることから、
ｘ2 ／ｘ1≧（１−tanθtanθ1）／（１＋tanθtanθ1）      …（３−５）
となることがわかる。さらに（２−４）式を用いると（３−５）式は次のように整理することができる。
【００３０】
ｘ2 ／ｘ1≧（１−tanθ／tanθ’）／（１＋tanθ／tanθ’）    …（３−６）
但し、θ’＝θ0’＋２θ
また、垂直面３１ａに当たった光線が全反射するためには、
sinθ1≧ｎ2／ｎ1      …（３−７）
も同時に成立つ必要がある。この関係式をθ’を用いて表すと、
cosθ’≧ｎ2／ｎ1      …（３−７）’
となる
次に周辺部の画素に入射する光線について考えてみる。周辺部は図１０に示すように光軸中心を挟んで注目画素と反対側に位置する瞳周辺部から来る光線が最も角度のついた光線となり、この角度をθ0s、光軸中心から注目画素までの距離をＲとすると、
tanθ0s＝（Ｄ／２＋Ｒ）／ｆ＝Ｄ／２ｆ＋Ｒ／ｆ＝１／２Ｆ＋Ｒ／ｆ
という関係が得られる。θ0sがあまり大きくない時は、
tanθ0s≒sinθ0s
と書けるから上の式は、
sinθ0s＝１／２Ｆ＋Ｒ／ｆ      …（４−１）
ということになる。これは（１−２）式と比較すると分かるように入射角にＲ／ｆという項が加わっただけである。中心部においてはＲ＝０となるため（４−１）式は中心部においても成立つことが分かる。そこで（２−１）’を修正して、
sinθ0’＝１／２ｎ1Ｆ＋Ｒ／ｎ1ｆ      …（２−１）”
とすることで中心部から周辺部までの入射光線の最高角度を算出することができる。高屈折率部３に入射した後の挙動に関しては前述の通りで入射する光線の角度が（２−１）”式を満たすものに変わるだけである。
【００３１】
以上のことからテーパ部の形状を決定するための関係式として次のようになることが分かる。
【００３２】
ｘ2／ｘ1≧（１−tanθ／tanθ’）／（１＋tanθ／tanθ’）
cosθ’≧ｎ2／ｎ1
θ’＝θ0’＋２θ
sinθ0’＝１／２ｎ1Ｆ＋Ｒ／ｎ1ｆ
これらの関係式に（３−１）式が含まれていないが、θ2は（２−３）式よりθ2≧θ1になるのは明らかである。従って、
sinθ2≧sinθ1≧ｎ2／ｎ1
となり、（３−７）式あるいは（３−７）’式が成立てば（３−１）式は同時に満足することが分かる。
【００３３】
次にこれらの関係を検証するために実際の数値を当てはめてみる。高屈折率部３の屈折率ｎ1を２．０、低屈折率部４の屈折率ｎ2を１．４６、撮影レンズのＦナンバーを２．８、瞳距離ｆを６０ｍｍとし、撮像領域１０１は画素ピッチ３μｍで長辺×短辺画素数を２４００×１６００画素、すなわち対角寸法を約８．７ｍｍとする。まず撮影レンズの光軸中心付近の画素について計算してみると、（２−４）式および（３−７）’式より、
θ0’＝５．１２°
θ’≦４３．１１°
という数字が算出される。そこでテーパ部の傾斜角θを適当に振って計算したものが図１３のようになる。本図は傾斜角θを１５〜２０°まで１°刻みで計算した結果である。傾斜角θが１９°以上になるとθ’が上の関係を満たさなくなるため、傾斜角θは１９°未満にする必要がある。傾斜角θを１８°、高屈折率部３の角柱部３１の幅ｘ2を１．２μｍとするとｘ1は２．６μｍ以下とすればいいことが分かる。
【００３４】
周辺部は図１４に示すような結果となる。θ’の値から傾斜角θは１３°未満にすればいいことが分かるため１２°とすると、高屈折率部の角柱部３１の幅ｘ2が１．２μｍのときｘ1は最大１．９５μｍとなる。このことから撮影レンズ３０１の光軸中心付近の画素でテーパ部の傾斜角θを１８°とし、周辺に向かうに従って徐々に角度を減じていき対角位置で１２°となるようにテーパ部を構成すれば良い。もしくはすべての画素において１２°としても条件は満足される。
【００３５】
（第２の実施の形態）
図１１に本発明の第２の実施の形態を示す。第１の実施の形態と同一番号のものは同一の機能を果たすものとする。７は被写体からのより広い光線を取り込むために備えられたマイクロレンズ、８はカラー画像を生成するために被写体の色分離を行うための波長選択部であるカラーフィルタである。
【００３６】
マイクロレンズ７は上に凸の球面形状であり正のレンズパワーを有する。従ってマイクロレンズ７上に到達した光線は光電変換部３に対して集光する働きを持つ。これにより、より多くの光線を光電変換部３に取り込むことができるため撮像素子の感度を上げることが可能となる。
【００３７】
画素２００に入射する光線の挙動を図１２に示す。
【００３８】
撮影レンズ３０１の瞳径Ｄ、ＦナンバーＦ、瞳距離ｆと最も角度の付いた入射光線角度θ0の関係式は第１の実施形態で説明した（１−１）式および（１−２）式と同じである。まず、この光線が高屈折率部３のテーパ部入口に到達するときの光軸となす角度θ”を算出する。このときマイクロレンズ７のレンズ効果によって光電変換部２の上部に撮影レンズ３０１の瞳が結像するものとすると結像の式より以下のような関係が得られる。
【００３９】
ｙ’／（Ｄ／２）＝Ｈ0／ｆ
ｙ’＝ＤＨ0／２ｆ＝Ｈ0／２Ｆ      …（４−１）
ただし、ｙ’は結像した像の半径である。上式において主平面の位置は撮影レンズの瞳距離ｆがマイクロレンズ７の高さＨ0に比べて非常に大きいことから近似的にマイクロレンズ７の下面（球面と平面の交わる面）として導き出している。また結像に際してレンズの屈折率はマイクロレンズ７の屈折率ｎ3と高屈折率部３の ｎ1を考慮して算出すべきであるが簡単のためマイクロレンズ７の屈折率ｎ1の材料で埋め込まれているものとして考えることにする。これらのことからマイクロレンズ７の開口半径（上面から見たときのマイクロレンズの半径）をｒとすると、
tan（−θ0”）≒sin（−θ0”）＝（ｒ−ｙ’）／Ｈ0＝ｒ／Ｈ0−１／２Ｆ
となる。θ0”に負号が付いているのは第１の実施の形態に対して角度の向きが変わっているためである。上式を整理すると、
sinθ0”＝ １／２Ｆ−ｒ／Ｈ0      …（４−２）
が得られる。従って高屈折率部３のテーパ部に入射する光線の角度θ0’は、
sinθ0’＝（ｎ3／ｎ1）sinθ0”＝ （ｎ3／ｎ1）・（１／２Ｆ−ｒ／Ｈ0）                                                                        …（４−３）
となる。
【００４０】
高屈折率部３に入射した後の挙動に関しては前述の通りで入射する光線の角度が（４−３）式を満たすものと変わるだけである。
【００４１】
以上のことからマイクロレンズを備えた撮像素子の場合にテーパ部の形状が満たすべき関係式は以下のようになる。
【００４２】
ｘ2／ｘ1≧（１−tanθ／tanθ’）／（１＋tanθ／tanθ’）
cosθ’≧ｎ2／ｎ1
θ’＝θ0’＋２θ
sinθ0’＝（ｎ3／ｎ1）・（１／２Ｆ−ｒ／Ｈ0）
次に周辺部の画素に入射する光線について考えてみる。これは第１の実施の形態で述べたように（４−２）式のθ0”の関係式で、光軸中心から注目画素までの距離をＲとすると右辺に（Ｒ／ｆ）を加えたものである。従って（４−３）式は、
sinθ0’＝（ｎ3／ｎ1）・（１／２Ｆ−ｒ／Ｈ0＋Ｒ／ｆ）      …（４−３）’
となることが分かる。これは中心部においても成立つことからすべての領域において次のような関係が成立てばよいことになる。
【００４３】
ｘ2／ｘ1≧（１−tanθ／tanθ’）／（１＋tanθ／tanθ’）
cosθ’≧ｎ2／ｎ1
θ’＝θ0’＋２θ
sinθ0’＝（ｎ3／ｎ1）・（１／２Ｆ−ｒ／Ｈ0＋Ｒ／ｆ）
次にこれらの関係を検証するために実際の数値を当てはめてみる。高屈折率部３の屈折率ｎ1を２．０、低屈折率部４の屈折率ｎ2を１．４６、撮影レンズのＦナンバーを２．８、マイクロレンズ７およびカラーフィルタ８の屈折率ｎ3を１．５８、瞳距離ｆを６０ｍｍとし、撮像領域１０１は画素ピッチ３μｍで長辺×短辺画素数を２４００×１６００画素、すなわち対角寸法を約８．７ｍｍとする。またマイクロレンズ７の下面から光電変換部までの高さＨ0を５．０μｍ（マイクロレンズ７の下面からカラーフィルタ８の下面まで２．５μｍ、高屈折率部３の高さ２．５μｍ）、マイクロレンズ７の開口半径ｒを１．４μｍとする。まず撮影レンズの光軸中心付近の画素について計算してみると、（２−４）式および（４−３）’式より、
θ0’＝−５．１３°
θ’≦４３．１１°
という数字が算出される。そこでテーパ部の傾斜角θを適当に振って計算したものが図１５のようになる。本図は傾斜角θを２０〜２５°まで１°刻みで計算した結果である。傾斜角θが２４°以上になるとθ’が上の関係を満たさなくなるため傾斜角θは２３°以下にする必要がある。傾斜角θを２３°、高屈折率部３の角柱部３１の幅ｘ2を１．２μｍとするとｘ1は３．４３μｍ以下、すなわち１画素一杯まで使えることが分かる。
【００４４】
周辺部は図１６に示すような結果となる。θ’の値から傾斜角θは２１°以下にすればよいことが分かるため２１°とすると、高屈折率部３の角柱部３１の幅ｘ2が１．２μｍのときｘ1は最大２．９９μｍとなる。この場合もほぼ１画素一杯に入口部を広げることができることが分かる。従ってすべての画素においてテーパ角度を２１°とし、入口部の幅ｘ1はマイクロレンズ７によって光線が絞られることを考慮して少し小さめ、例えば２．２μｍ程度にすればテーパ部の高さが１．３μｍとなり比較的低くできてきれいな構造を取ることができる。
【００４５】
さらにマイクロレンズ７の光軸中心は撮像素子全体においてそれぞれの画素の中心に配置する場合と撮影レンズの光軸中心（撮像部の中心）から離れるに従って画素の中心から撮影レンズ３０１の光軸中心側にシフトする場合がある。これはマイクロレンズ７で集光した光線が光電変換部２に像を作る際に撮影レンズ３０１の光軸中心から離れるに従って画素の中心から次第に外側にシフトしていくためである。これは撮影レンズの瞳距離ｆが短くなる程顕著に表れマイクロレンズ７のシフト量を大きくしなければならない。このようにマイクロレンズ７をシフトさせた場合においてもマイクロレンズ７から光電変換部２に向かう光線の様相は同じであることから前述の関係は同様に利用することができる。
【００４６】
以上説明したように、上述した第１の実施形態によれば、被写体像を結像させる撮影レンズを備えた撮像装置であって、該撮影レンズの予定結像面近傍に備えられた撮像素子において、
複数の光電変換部を１次元あるいは２次元的に配列して備え、該光電変換部の上部であって少なくとも光電変換部の一部を覆うように高屈折率部、該高屈折率部の周辺に低屈折率部を設け、前記高屈折率部と低屈折率部の界面は前記撮影レンズの光軸に略平行な面と光電変換部に向かうに従って開口面積が小さくなるようなテーパ形状でかつ略均一な角度を持つ傾斜面を有しており、該傾斜面の角度および開口径は、
θ’＝θ0’＋２θ
sinθ0’＝１／２ｎ1Ｆ＋Ｒ／ｎ1ｆ
ｘ2／ｘ1：テーパ出口幅／入口幅
θ：テーパ部の傾斜角(度)
ｎ1：高屈折率部の屈折率
ｎ2：低屈折率部の屈折率
Ｆ：撮影レンズのＦナンバー
Ｒ：撮影レンズの光軸からの距離
ｆ：撮影レンズの瞳距離
とすると、
1＞ｘ2／ｘ1≧（１−tanθ／tanθ’）／（１＋tanθ／tanθ’）
cosθ’≧ｎ2／ｎ1
を満たすようにすることで、、テーパ面で確実に入射光を全反射させて光電変換部に効率良く導くことができるテーパ面の形状を簡単に決定することができた。
【００４７】
また、第２の実施形態によれば、被写体像を結像させる撮影レンズを備えた撮像装置であって、該撮影レンズの予定結像面近傍に備えられた撮像素子において、
複数の光電変換部を１次元あるいは２次元的に配列して備え、外部からの光線を集光するためのマイクロレンズと、該光電変換部の上部であって少なくとも光電変換部の一部を覆うように高屈折率部、該高屈折率部の周辺に低屈折率部を設け、前記高屈折率部と低屈折率部の界面は前記撮影レンズの光軸に略平行な面と光電変換部に向かうに従って開口面積が小さくなるようなテーパ形状でかつ略均一な角度を持つ傾斜面を有しており、該傾斜面の角度および開口径は、
θ’＝θ0’＋２θ
sinθ0’＝ （ｎ3／ｎ1）・（１／２Ｆ−ｒ／Ｈ0＋Ｒ／ｆ）
ｎ3：マイクロレンズの屈折率
ｒ：マイクロレンズの開口半径
Ｈ0：マイクロレンズ下端から光電変換部までの距離
とすると、
1＞ｘ2／ｘ1≧（１−tanθ／tanθ’）／（１＋tanθ／tanθ’）
cosθ’≧ｎ2／ｎ1
を満たすようにすることでマイクロレンズを備えた撮像素子においても入射光をテーパ面で確実に全反射させて光を光電変換部に効率良く導くことができた。
【００４８】
また、撮影レンズの光軸中心からの距離に応じて前記テーパ形状は前記の関係式に基づいて変化するように構成することで、中心からの距離によって入射角が変わっても中心付近の画素に比べて光線の利用効率がほとんど変わらないようにできた。
【００４９】
また、撮影レンズの光軸中心からの距離に応じてマイクロレンズの光軸は撮影レンズの光軸中心方向にオフセットすることによって、マイクロレンズを用いた時にも効率良く光線を取り込むことができた。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の第１の実施の形態を表す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の高屈折率部を示す斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態の高屈折率部を上面から見た図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態の高屈折率部を上面から見た図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態の高屈折率部を上面から見た図である。
【図６】高屈折率部内の光線の様相を示す図である。
【図７】高屈折率部内の光線の様相を示す部分拡大図である。
【図８】撮影レンズを撮像素子に適応させた状態を示す図である。
【図９】中心画素に対する撮影レンズの瞳と光線の関係を表す図である。
【図１０】周辺画素に対する撮影レンズの瞳と光線の関係を表す図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態を表す図である。
【図１２】第２の実施の形態の高屈折率部内の光線の様相を示す図である。
【図１３】第１の実施の形態における、高屈折率部のテーパ部の傾斜角θに対応するθ’の値を示す図である。
【図１４】第１の実施の形態における、高屈折率部のテーパ部の傾斜角θに対応するθ’の値を示す図である。
【図１５】第２の実施の形態における、高屈折率部のテーパ部の傾斜角θに対応するθ’の値を示す図である。
【図１６】第２の実施の形態における、高屈折率部のテーパ部の傾斜角θに対応するθ’の値を示す図である。
【図１７】従来例を示す図である。
【図１８】他の従来例を示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１  シリコンウェハ
２  光電変換部
３  高屈折率部
４  低屈折率部
５  Ｐｏｌｙ配線層
６  Ａｌ配線層
７  マイクロレンズ
８  カラーフィルタ
９  低屈折率層
１０  キャップ層
１１  マイクロレンズ支持層
１２  物体光
３１  角柱部
３２  テーパ部
１００，２００  画素
１０１  撮像領域
１０２  撮像素子
２０１  全反射面
３０１  撮影レンズ
３０２  撮影レンズの瞳
【図１】
2005251804.tif 000003
【図２】
2005251804.tif 000004
【図３】
2005251804.tif 000005
【図４】
2005251804.tif 000006
【図５】
2005251804.tif 000007
【図６】
2005251804.tif 000008
【図７】
2005251804.tif 000009
【図８】
2005251804.tif 000010
【図９】
2005251804.tif 000011
【図１０】
2005251804.tif 000012
【図１１】
2005251804.tif 000013
【図１２】
2005251804.tif 000014
【図１３】
2005251804.tif 000015
【図１４】
2005251804.tif 000016
【図１５】
2005251804.tif 000017
【図１６】
2005251804.tif 000018
【図１７】
2005251804.tif 000019
【図１８】
2005251804.tif 000020