(57)【要約】【課題】  撮影レンズの瞳位置が大きく変動する場合においても入射光の利用効率を高めた撮像素子及び光学機器を提供する。  【解決手段】  １次元又は２次元的に配列される複数の光電変換部３の少なくとも一部を覆う高屈折率部（５）と、前記高屈折率部（５）の周辺に設けられる低屈折率部（７）とが備えられ、前記高屈折率部（５）と前記低屈折率部（７）の界面は、撮影レンズの光軸に略平行な面と、前記平行面とは異なる角度を持つ傾斜面とを有し、前記傾斜面は、撮影レンズからの光線が透過する際の入射側で、かつ撮影レンズの光軸の近い側に備えること撮像素子を提供するとともに、上記撮像素子からの瞳距離が１０ｍｍ以下の撮影レンズと上記撮像素子とを具備する光学機器を提供することにより、撮影レンズの瞳位置が変動しても無駄なく光線を取り込むことができる超小型の光学機器を実現するものである。【選択図】  図１  
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次元又は２次元的に配列される複数の光電変換部の少なくとも一部を覆う高屈折率部と、前記高屈折率部の周辺に設けられる低屈折率部とが備えられ、
前記高屈折率部と前記低屈折率部の界面は、撮影レンズの光軸に略平行な面と、前記略平行な面とは異なる角度を持つ傾斜面とを有し、
前記傾斜面は、撮影レンズからの光線が透過する際の入射側で、かつ撮影レンズの光軸の近い面に備えてなることを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
請求項１記載の撮像素子において、前記傾斜面の角度は撮影レンズの光軸からの距離によらず、どの画素も略同一であることを特徴とする撮像素子。
【請求項３】
請求項１又は２記載の撮像素子において、外部からの光線を集光するための前記光電変換部に対応する複数のマイクロレンズを備え、
前記マイクロレンズの中心軸は、撮影レンズの光軸から離れるに従って光電変換部の中心軸に対して撮影レンズの光軸側に異なる量ずつずらして配置されていることを特徴とする撮像素子。
【請求項４】
請求項１〜３いずれか記載の撮像素子を備えた光学機器において、前記撮像素子からの瞳距離が１０ｍｍ以下の撮影レンズが設けられることを特徴とする光学機器。
【請求項５】
請求項４記載の光学機器のおいて、前記撮影レンズは焦点距離が可変に設けられるとともに、最長焦点距離での瞳距離と最短焦点距離での瞳距離との比が２以上であることを特徴とする光学機器。
【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為の撮像素子の内部構造及び該撮像素子を備える光学機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
撮像素子に入射した光線の取り込み効率を向上させるために特許文献１に記載されているような構造を採用するものが提案されている。特許文献１に記載の構造は、図７に示すように、撮像素子表面に第１のマイクロレンズ２１および第２のマイクロレンズ２を備えたものであり、撮影レンズの光軸近傍にある画素と離れた所に存在する画素（チップの周辺部）について記載されている。第１のマイクロレンズ２１は、カラーフィルタ膜１１の上に設けられた第１レンズ成型膜１２を加工して上部を凸レンズ形状にした層内レンズであり、また、第２のマイクロレンズ２は第２レンズ成型膜１３を加工してレンズ形状にしたものである。第２のマイクロレンズ２で集光された入射光線Ｌは第１のマイクロレンズ２１（層内レンズ）に入射し、さらに集光作用を受けて光電変換部３へと導かれる。その際、画素がチップの周辺部１ａに向うに従って第１、第２のマイクロレンズをそれぞれｔ１、ｔ２だけ中心方向にずらすことによって周辺においても光線の取り込み効率を落とさないように工夫されている。
【０００３】
また、撮像素子に入射した光線を効率良く光電変換部に導くための構造が特許文献２に記載されている。特許文献２に記載の形態に基づいた構造を図８に示す。１５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。１４は低屈折率層であり、キャップ層１５よりも低屈折率の樹脂や空気や窒素等の不活性ガスが充填された中空に形成されている。その上に平坦化層１６を設けて表面を平坦にした後、マイクロレンズ２を形成するというものである。キャップ層１５から低屈折率層１４に向かう光線は臨界角を超えると界面で全反射するということを利用して斜入射光４２を全反射させて光電変換部３に導こうというものである。
【特許文献１】特開平１０−２２９１８０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、上記従来例には図９〜図１２に示すような次の問題点が存在する。図９は、撮像素子２０１に焦点距離が可変の撮影レンズ群２０２を取り付けた状態を示し、（ａ）は広角側の状態で（ｂ）は望遠側の状態を示してしる。ここで撮像素子２０１は従来よく用いられる撮像素子表面にマイクロレンズを備えたもので層内レンズは存在しないものとして話を進めていくことにする。撮影レンズ群２０２が広角位置から望遠位置に変化すると撮影レンズ群２０２の瞳位置はＴ１からＴ２に変化する。撮像素子２０１から見るとレンズを通って撮像素子２０１に入射する光線はすべて瞳位置から発せられたものとみなすことができる。レンズの瞳から出た光線が撮像素子に到達する関係を模式的に示したものが図１０となる。撮影レンズ群２０２を通して被写体像を取り込む撮像領域１０１の下方に位置する画素において広角側の瞳位置から入射した光線が光電変換部３に到達すると図１１に示すような像１７となる。図１１は１画素を上方から見た図で撮影レンズの光軸中心は図の右斜め上方に位置する。この時、撮像素子上に設けられたマイクロレンズは、撮影レンズの光軸方向に若干ずらして配置することによって瞳の像がシリコンウェハ１に設けられた光電変換部３上に生じるようにしている。光電変換部３に生じた電荷をスイッチングするためのPoly-Si配線層８はある程度の光線は透過するが吸収されるものも多いため基本的にはPoly-Si配線層８は避けたところに瞳の像１７を形成するようにしている。
【０００５】
したがって、望遠側にズームを行うとその像１７は画素の対角方向に移動して図１２のようになる。図１０の下方に位置する画素において瞳の中心から出射しマイクロレンズの中心軸近傍を通る光線（主光線）がレンズ光軸となす角度を広角側θ１、望遠側θ２とすると、入射角度差θ＝θ１−θ２は一般的に撮影レンズのズーム比が大きくなるに従って大きくなる傾向にある。また、撮影レンズの瞳径はレンズの明るさ（Ｆナンバー）によって決定し、レンズが明るくなる程大きくなる。これらのことからズーム比を大きくすると光電変換部３に生じる瞳の像の位置が広角側と望遠側で大きく離れてしまい（入射角度差が大きくなる）、ズーム途中で光電変換部からはみ出てしまったりAL配線層９によってケラレてしまったりしてしまう。またレンズが明るくなると光電変換部により大きな像が生じることになることからさらに光電変換部３に当たる光線が少なくなってしまうことがある。そうすると画素内に入った光線を光電変換部に取り込む効率が極端に低下してしまう問題点を有する。
【０００６】
もし、瞳位置が変化しない、すなわちレンズの焦点距離が固定（単焦点レンズ）でかつレンズが交換できないような光学機器の場合であれば、そのレンズに特化した量だけマイクロレンズをずらして瞳像中心をほぼ光電変換部の中心になるようにすれば良いが、ズームレンズや交換式のレンズシステムといった瞳位置が変化する光学機器の場合は前記のような理由からマイクロレンズ２をずらすことだけでは十分対応できない。これは、図７に示すような層内レンズ（第１のマイクロレンズ２１）を持った構造であっても同様に起こるものである。この場合はマイクロレンズ２で集光した光線のうち層内レンズに入射しなかったり、入射しても光電変換部に導かれなかったりしてその分が損失となる問題点を有している。
【０００７】
また図８のような構造の場合、高屈折率のキャップ層１５の入射側が小さなＲの円弧状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。
【０００８】
本発明は、このような従来の問題点に着眼してなされたもので、その目的は、撮影レンズの瞳位置が大きく変動する場合においても入射光の利用効率を高めた撮像素子及び光学機器を提供することを課題とする
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の撮像素子は、１次元又は２次元的に配列される複数の光電変換部の少なくとも一部を覆う高屈折率部と、前記高屈折率部の周辺に設けられる低屈折率部とが備えられ、前記高屈折率部と前記低屈折率部の界面は、撮影レンズの光軸に略平行な面と、前記略平行な面とは異なる角度を持つ傾斜面とを有し、前記傾斜面は、撮影レンズからの光線が透過する際の入射側で、かつ撮影レンズの光軸の近い面に備えることで、撮影レンズの瞳位置が変動しても無駄なく光線を取り込むことができるというものである。
【００１０】
また、請求項２は、請求項１記載の撮像素子において、傾斜面の角度は撮影レンズ光軸からの距離によらずどの画素も略同一に構成することによって、簡単に所望の構造が形成できるというものである。
【００１１】
また、請求項３は、請求項１又は２記載の撮像素子において、外部からの光線を集光するための光電変換部に対応する複数のマイクロレンズを備え、マイクロレンズの中心軸は、撮影レンズの光軸より離れるに従って光電変換部の中心軸に対して撮影レンズの光軸側に異なる量ずつずらして配置することで、高屈折率部の構造を場所によって変更することなく容易に製造することができるというものである。
【００１２】
また、請求項４に記載の光学機器は、１次元又は２次元的に配列される複数の光電変換部の少なくとも一部を覆う高屈折率部と、前記高屈折率部の周辺に設けられる低屈折率部とが備えられ、前記高屈折率部と前記低屈折率部の界面は、撮影レンズの光軸に略平行な面と、前記略平行な面とは異なる角度を持つ傾斜面とを有し、前記傾斜面は、撮影レンズからの光線が透過する際の入射側で、かつ撮影レンズの光軸の近い面に備える撮像素子と、この撮像素子からの瞳距離が１０ｍｍ以下の撮影レンズとを具備することにより、超小型の光学機器を実現できるというものである。
【００１３】
さらには、請求項５に記載の光学機器は、１次元又は２次元的に配列される複数の光電変換部の少なくとも一部を覆う高屈折率部と、前記高屈折率部の周辺に設けられる低屈折率部とが備えられ、前記高屈折率部と前記低屈折率部の界面は、撮影レンズの光軸に略平行な面と、前記略平行な面とは異なる角度を持つ傾斜面とを有し、前記傾斜面は、撮影レンズからの光線が透過する際の入射側で、かつ撮影レンズの光軸の近い面に備える撮像素子と、最長焦点距離での瞳距離と最短焦点距離での瞳距離との比が２以上である焦点距離が可変の撮影レンズとを具備することにより、焦点距離が可変の超小型の光学機器を実現できるというものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、請求項１に記載の撮像素子は、１次元又は２次元的に配列される複数の光電変換部の少なくとも一部を覆う高屈折率部と、前記高屈折率部の周辺に設けられる低屈折率部とが備えられ、前記高屈折率部と前記低屈折率部の界面は、撮影レンズの光軸に略平行な面と、前記略平行な面とは異なる角度を持つ傾斜面とを有し、前記傾斜面は、撮影レンズからの光線が透過する際の入射側で、かつ撮影レンズの光軸の近い面に備えることで、撮影レンズの瞳位置の変動に強く高倍率のズームレンズや交換レンズなどでも効率よく光線を取り込むことができるようになった。
【００１５】
また、請求項１記載の撮像素子において、傾斜面の角度は撮影レンズ光軸からの距離によらず略同一に構成することによって、高屈折率部の構造を簡単化でき構造が作成しやすくできた。
【００１６】
さらに、請求項１又は２記載の撮像素子において、外部からの光線を集光するための光電変換部に対応する複数のマイクロレンズを備え、マイクロレンズの中心軸は撮影レンズの光軸より離れるに従って光電変換部の中心軸に対して撮影レンズの光軸側に異なる量ずつずらして配置することで、高屈折率部の構造を場所によって変更することなく容易に製造することができるようになった。
【００１７】
また、請求項４に記載の光学機器では、１次元又は２次元的に配列される複数の光電変換部の少なくとも一部を覆う高屈折率部と、前記高屈折率部の周辺に設けられる低屈折率部とが備えられ、前記高屈折率部と前記低屈折率部の界面は、撮影レンズの光軸に略平行な面と、前記略平行な面とは異なる角度を持つ傾斜面とを有し、前記傾斜面は、撮影レンズからの光線が透過する際の入射側で、かつ撮影レンズの光軸の近い面に備える撮像素子と、この撮像素子からの瞳距離が１０ｍｍ以下の撮影レンズとを具備することにより、超小型の光学機器を実現できるようになった。
【００１８】
さらには、請求項５に記載の光学機器では、１次元又は２次元的に配列される複数の光電変換部の少なくとも一部を覆う高屈折率部と、前記高屈折率部の周辺に設けられる低屈折率部とが備えられ、前記高屈折率部と前記低屈折率部の界面は、撮影レンズの光軸に略平行な面と、前記略平行な面とは異なる角度を持つ傾斜面とを有し、前記傾斜面は、撮影レンズからの光線が透過する際の入射側で、かつ撮影レンズの光軸の近い面に備える撮像素子と、最長焦点距離での瞳距離と最短焦点距離での瞳距離との比が２以上である焦点距離が可変の撮影レンズとを具備することにより、焦点距離が可変の超小型の光学機器を実現できるようになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００２０】
図１は撮像素子の断面図で、１はシリコンウェハ、２はマイクロレンズ、３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、４は光線を波長分離するための波長選択部であるカラーフィルタ、５は高屈折率部、６は光電変換部を保護するために設けられたパッシベーション膜、７は低屈折率部、８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、９はアルミニウムなどの金属でできた配線層である。
【００２１】
図１において、マイクロレンズ２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２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、より広範囲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。高屈折率部５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７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成形する。またパッシベーション膜６は屈折率１．６程度の酸窒化ケイ素（SiON）を用いることが多い。これにより高屈折率部５に入射した光線はパッシベーション膜６および低屈折率部７との界面で臨界角を超える光線が全反射するようになるため、カラーフィルタ４から光電変換部３に至るまでの導光路の役割を果たすようになる。また図２には形状を分かりやすくするため高屈折率部５のみを取り出したものを示す。高屈折率部５は光電変換部３に近い部分で光軸とほぼ平行な面をもつ角柱部５１と光線の入射側に存在して角柱部５１とは異なる角度を持つ傾斜面であるテーパ部５２で構成されている。角柱部５１は上面（マイクロレンズ側）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５２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。図１で撮影レンズの光軸は高屈折率部５の右側に存在しており、テーパ部５２の形状は撮影レンズの光軸に近い面のみにテーパが付けられ、遠い側の面は角柱部５１と同じ角度（光軸と平行）の面となっている。すなわち、撮影レンズの光軸に近い２面はテーパが付けられているが遠い２面は角柱部５１から続く光軸と平行な面を持つように構成されている。撮像領域１０１の上部（マイクロレンズ側）から高屈折率部５を見たときのテーパの付き方を示したものが図３となる。本図は簡単のため、撮影レンズの光軸中心近傍のものと四隅（対角部）の画素についてのみ表現している。撮影レンズの光軸から近い面のみにテーパを形成していることからテーパの方向は撮像素子中心（撮影レンズの光軸中心）を原点とした４つの象限で異なっている。第１象限の画素１００ａｍｎは左下、第２象限の画素１００ｂｍｎは右下、第３象限の画素１００ｃｍｎは右上、第４象限の画素１００ａｍｎは左上に向かってそれぞれテーパが形成されているがテーパの角度はどの象限についても同一としている。高屈折率部５を形成する方法としては、低屈折率部７およびパッシベーション膜６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３近傍まで穴を開ける。その後、高屈折率部５の材料（SiN）を蒸着するというものである。またテーパ部にお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。エッチング条件が変わるとテーパの角度が変わったり所望の形状とならなかったりすることから、本構成のようにすべて同じテーパ角度の構造であれば場所によって条件を変更する必要がないため容易に作成することができる。
【００２２】
次に本構造における撮像素子内の光線の挙動について図４〜図６を用いて説明する。図４は撮影レンズの光軸近傍に存在する画素に入射した光線を示したものである。本図から分かるように中心近傍であるにもかかわらずマイクロレンズ２が光電変換部３の中心軸から撮影レンズの光軸側にずれていることが分かる。通常、撮影レンズの光軸近傍に存在する画素のマイクロレンズの中心軸は光電変換部の中心軸とほぼ一致するように配置されている。本構成の場合は高屈折率部５の入射側が撮影レンズの光軸に近い面のみにテーパを設けるという構造を採っており、その構造は撮影レンズの光軸近傍の画素においても同様である。ゆえに高屈折率部５の入射側の開口中心は光電変換部３の中心軸より撮影レンズの光軸方向にずれた位置にあるためマイクロレンズ２をシフトさせることによって高屈折率部５が対称形状でなくても入り口でケラレることなく光線を入射させることができ効率を落とすことがない。また、本構成のようにマイクロレンズ２を備えることによって入射光線を絞ることができるため高屈折率部５の入射側の開口が画素開口より小さくても十分に光線を取り込むことができる。マイクロレンズ２を備えない場合は高屈折率部５の入射側の開口を画素開口とほぼ同じにすることが望ましい。
【００２３】
次に図５、６は撮影レンズの光軸から離れた位置に存在する画素に入射した光線を示したもので、図５は撮影レンズの焦点距離が短い広角側で瞳距離が近距離（例えば、図９（ａ）におけるＴ１＝８ｍｍ）、図６は撮影レンズの焦点距離が長い望遠側で瞳距離が遠距離（例えば、図９（ｂ）におけるＴ２＝２０ｍｍ）の場合のものである。撮影レンズの光軸から距離が離れているためマイクロレンズ２のずらし量は大きく、またカラーフィルタ４も若干ずらすことによってうまく光線を取り込めるようにしている。撮影レンズの焦点距離が短く瞳距離が近距離の場合、入射光線４１は高屈折率部５内の撮影レンズの光軸から遠い面（光軸と平行な面）で全反射して光電変換部３に導かれており、かなり高い位置の面を利用していることが分かる。
【００２４】
撮影レンズの焦点距離を長くして瞳距離が遠距離になった時の光線を図６に示す。瞳距離が遠い場合は近い場合と異なり界面の全反射をあまり利用していない。これに関しては撮影レンズの光軸近傍の画素と類似しているが高屈折率部５に入射する位置が異なっている。この時に重要になるのは高屈折率部５の入射側の部分である。前述の通り、入射する光線が撮影レンズの光軸方向にずれてくるが撮影レンズの光軸側にテーパが設けてあるためカラーフィルタ４から出た光線は高屈折率部５に直接入射している。もし、テーパがなかった場合はまず低屈折率部６に入射してから高屈折率部５へ向かうようになる。そうすると反対側の面（撮影レンズの光軸から遠い面）で全反射できず透過してしまい光電変換部３へ入射できなくなって損失となる。
【００２５】
このように高屈折率部５の形状を光線の入射側でかつ撮影レンズの光軸に近い方の面のみにテーパ形状とすることによって撮影レンズの瞳距離が大きく変動しても光線の取り込み効率を落とすことがない撮像素子とすることができる。
【００２６】
よって、この実施例１の撮像素子は、該撮像素子への入射光線の画角の冗長性が大きいため、焦点距離が短く瞳距離が短い撮影レンズやズーム比が大きな焦点距離可変の撮影レンズを具備した光学機器に適しており、例えば、最短瞳距離Ｔ１≦１０ｍｍの撮影レンズや、また撮影レンズの焦点距離が長いときの瞳距離Ｔ２と焦点距離が短いときの瞳距離Ｔ１の比Ｔ２／Ｔ１が２以上のレンズ構成でも、受光効率が高い光学機器を提供可能であるため、超小型の光学機器を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る実施例１を表す図である。
【図２】本発明に係る実施例１の高屈折率部を示す斜視図である。
【図３】本発明に係る実施例１の高屈折率部を上方より見た図である。
【図４】撮影レンズ光軸近傍画素の光線トレース図である。
【図５】撮影レンズ光軸から離れた画素の光線トレース図（瞳距離が近い場合）
【図６】撮影レンズ光軸から離れた画素の光線トレース図（瞳距離が遠い場合）
【図７】従来の形態を表す図
【図８】別の従来の形態を表す図
【図９】ズームレンズを撮像素子に適応した場合の図
【図１０】瞳位置と撮像素子の関係を示す模式図
【図１１】瞳が近距離の場合の瞳の像を示す図
【図１２】瞳が遠距離の場合の瞳の像を示す図
【符号の説明】
【００２８】
１……シリコンウェハ
２……マイクロレンズ
３……光電変換部
４……カラーフィルタ
５……高屈折率部
５１……角柱部
５２……テーパ部
６……パッシベーション膜
７……低屈折率部
８……Poly配線層
９……配線層
１０……平坦化膜
１１……カラーフィルタ膜
１２……第１レンズ成形膜
１３……第２レンズ成形膜
１４……キャップ層
１５……マイクロレンズ支持層
１５……低屈折率層
１７……カラーフィルタ
２１……第１のマイクロレンズ
２２……第２のマイクロレンズ
４０、４１，４２……物体光
４２……物体光（斜入射光）
１００……画素
１００ａｍｎ……第１象限画素
１００ｂｍｎ……第２象限画素
１００ｃｍｎ……第３象限画素
１００ｄｍｎ……第４象限画素
１０１……撮像領域
２０１……撮像素子
２０２……撮影レンズ群
【図１】
2005175234.tif 000003
【図２】
2005175234.tif 000004
【図３】
2005175234.tif 000005
【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】
2005175234.tif 000012
【図１１】
2005175234.tif 000013
【図１２】
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