(57)【要約】【課題】広範なダイナミックレンジを確保しつつ解像度を落とさず、さらに、シェーディングも防止する固体撮像素子を提供。【解決手段】固体撮像素子の撮像面100には、小径マイクロレンズ112の上下左右に大径マイクロレンズ114、116、118、120が配置された配置パターンが複数含まれている。小径マイクロレンズ112の下に配置された大径マイクロレンズ116と、小径マイクロレンズの左に配置された大径マイクロレンズ118との間隙130を介して小径マイクロレンズ112を撮像面100に平行な方向から見ると、間隙130を介して見ることのできる小径マイクロレンズ112の像の面積は、小径マイクロレンズ112を撮像面に垂直な面に投影した像の面積の半分以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対的に小さな直径を有する小径マイクロレンズの上下左右に相対的に大きな直径を有する大径マイクロレンズが配置された配置パターンを撮像面に複数含み、
前記小径マイクロレンズの上下いずれかに配置された１つの大径マイクロレンズと前記小径マイクロレンズの左右いずれかに配置された１つの大径マイクロレンズとの間隙を前記撮像面に平行な方向から見たときに該間隙を介して見ることのできる前記小径マイクロレンズの像の面積は、該小径マイクロレンズを前記撮像面に垂直な面に投影した像の面積の半分以下であることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
請求項１に記載の固体撮像素子において、前記間隙を介して見ることのできる前記小径マイクロレンズの像の面積はゼロであることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の固体撮像素子において、前記上下左右に配置された大径マイクロレンズの曲率を調節することによって、前記間隙を介して見ることのできる前記小径マイクロレンズの像の面積が決定されていることを特徴とする固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、感光部ごとにマイクロレンズが備えられた固体撮像素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の固体撮像素子には、フォトダイオードで構成される感光部の感度を保持しつつ、感光部から得られる信号電荷のダイナミックレンジを広範囲に確保することを目的としたものがある。例えば特許文献１では、高感度の感光部が配列された水平なラインと、低感度の感光部が配列された水平なラインとが交互に繰り返されている。そして異なる感度を有する感光部同士を組み合わせて１画素として扱う。１画素を構成する各感光部の信号電荷は別々に読み出されて加算されるため、当該画素からはダイナミックレンジの広い信号電荷が得られる。
【０００３】
また特許文献２には、感光部と、感光部の前に置かれて光をフォトダイオードに集めるマイクロレンズ（オンチップレンズ）との構成を特徴とする固体撮像素子が記載されている。特許文献２では、マイクロレンズにより集光される光線を受ける一方の感光部だけでなく、レンズ間のギャップで集光される光線を受ける他方の感光部も用意して、１画素の開口率を向上させている。
【特許文献１】特開平４−２９８１７５号公報
【特許文献２】特開平１０−７４９２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載のように、１画素を感度の異なる２種類の感光部で構成する場合、これら感光部は隣接している必要があり、レイアウト上の制約がある。特許文献１の場合、奇数ラインに高感度感光部が配列され、偶数ラインに低感度感光部が配列されているため、１画素は１ラインおきにしか配列できない。このため、すべてのラインに画素を配置する場合に比較して、垂直方向の解像度が半分に劣化してしまう。
【０００５】
また、１画素を２種類の感光部で構成する場合、特許文献２のように低感度の感光部に対する光線をレンズ間のギャップで集光するのではなく、低感度の感光部にも独自のマイクロレンズを割り当てた方がよい。すなわち、高感度の感光部に相対的に大きな直径を有する大径マイクロレンズを割り当てるだけでなく、低感度の感光部にも相対的に小さな直径を有する小径マイクロレンズを割り当てる方が集光率は高くなる。しかし、小径マイクロレンズに対して入射しようとする光線の一部は、大径マイクロレンズによって遮断されるため、シェーディングが問題となり得る。
【０００６】
本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、２種類の感光部が１画素をなす固体撮像素子において、広範なダイナミックレンジを確保しつつ解像度を落とさず、さらに、シェーディングも防止する固体撮像素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による固体撮像素子は上述の課題を解決するために、相対的に小さな直径を有する小径マイクロレンズの上下左右に相対的に大きな直径を有する大径マイクロレンズが配置された配置パターンを撮像面に複数含み、小径マイクロレンズの上下いずれかに配置された１つの大径マイクロレンズと小径マイクロレンズの左右いずれかに配置された１つの大径マイクロレンズとの間隙を撮像面に平行な方向から見たときに、その間隙を介して見ることのできる小径マイクロレンズの像の面積は、小径マイクロレンズを撮像面に垂直な面に投影した像の面積の半分以下である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、感度が異なる２種類の感光部で１画素が構成される固体撮像素子において、広範なダイナミックレンジを確保しつつ、解像度が保たれ、SN比（Signal/Noise ratio）も向上し、画質が劣化しない。さらに、マイクロレンズの形状・配列に起因するシェーディングも防止される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に添付図面を参照して本発明による固体撮像素子の実施例を詳細に説明する。図２は本発明による固体撮像素子が完成する前段階を示す平面図である。すなわち、図２では、マイクロレンズの配置は本発明による固体撮像素子のそれと同様であるが、マイクロレンズの大きさおよび形状は、未だ本発明による固体撮像素子のそれになっていない。以下図２に基づいて、マイクロレンズの配置と、シェーディングの発生原因とを説明する。
【００１０】
図２に示すように、固体撮像素子の撮像面10には、相対的に小さな直径を有する小径マイクロレンズ12の上下左右に相対的に大きな直径を有する大径マイクロレンズ14、16、18、20が配置された配置パターンが複数含まれている。なお図２は撮像面10の一部を示すものであり、実際には上記配置パターンは撮像面10全体に繰り返されている。小径マイクロレンズ12から上下の大径マイクロレンズ14、16までのそれぞれの距離は等しく、小径マイクロレンズ12から左右の大径マイクロレンズ18、20までのそれぞれの距離は等しい。すなわち、大小径のマイクロレンズは上下左右に互い違いに配列されていて、各マイクロレンズの中心を上下左右に結ぶと、長方形または正方形の格子模様となる。なお図２では正方形の格子模様となっている。
【００１１】
小径マイクロレンズ12は、図２においてレンズ12の奥行き方向に設けられた相対的に低感度の感光部へ集光し、大径マイクロレンズ14、16、18、20は、図２においてそれらの奥行き方向に設けられた相対的に高感度の感光部へ集光する。なお、感光部の図示は省略している。
【００１２】
図３は図２の直線A1によって撮像面10を垂直に切断した断面を同直線A1に添付の矢印方向から見た断面図である。直線A1は大径マイクロレンズ16の中心とその左右に配列された大小径の各マイクロレンズの中心とを結ぶ直線である。大径マイクロレンズ16は、小径マイクロレンズ12より高く突出しているため、図３のように撮像面10に垂直な断面から見ると、小径マイクロレンズ12は完全に大径マイクロレンズ16に隠されている。
【００１３】
図４（ａ）は図２の直線B1によって撮像面10を垂直に切断した断面を同直線B1に添付の矢印方向から見た断面図である。直線B1は大径マイクロレンズ16、18の中心を斜め方向に通る直線である。図４（ａ）に示すように、小径マイクロレンズ12の両端部は同レンズ12の左および下に配置されている大径マイクロレンズ16、18によって隠されている。しかし大径マイクロレンズ16、18には間隙30があるため、この間隙30を通して小径マイクロレンズ12が見えている。
【００１４】
小径マイクロレンズ12は、図３から分かるように、撮像面10に平行に上下左右から見ると、大径マイクロレンズ14、16、18、20に遮断されて見えないが、図４（ａ）から分かるように、撮像面10に平行に斜め方向から見ると、大径マイクロレンズ14、16、18、20の間隙を通して見ることができる。したがって、小径マイクロレンズ12に対して上下左右の方位から到来する光線は大径マイクロレンズ14、16、18、20によって一部遮断される。すなわち、撮像面10に対して垂直に近い小さな入射角で入射する光線は遮断されないが、入射角が大きい光線は遮断される。一方、小径マイクロレンズ12に対して斜めの方位から到来する光線は遮断されず、間隙30を通って小径マイクロレンズ12に入射可能である。
【００１５】
このように、小径マイクロレンズ12が受ける光線の光量は、上下左右からの光線のものに比較して、斜めからの光線のものの方が多い。言い換えれば、小径マイクロレンズ12に上下左右の方位から入射可能な光線の最大の入射角より、斜めの方位から入射可能な光線の最大の入射角の方が大きい。
【００１６】
図５は小径マイクロレンズに対応する低感度の感光部によって発生するシェーディングパターンを示す図である。同図に示すように、シェーディングパターンは、上下左右に影が走っている略十文字になっている。これは、既に述べたように、小径マイクロレンズ12に対しては、上下左右の方位から入射可能な光線に比較して、斜めの方位から入射可能な光線の方が光量が多いためである。
【００１７】
図１は本発明による固体撮像素子の実施例を示す平面図である。図２との対比によって本発明による固体撮像素子の特徴を説明する。図２の大径マイクロレンズは、対比のため、図１では、点線で示してある。大小径マイクロレンズの配列は、図１でも図２のそれと同様である。図１で図２と異なるのは大径マイクロレンズの大きさおよび形状である。図１に示すように、小径マイクロレンズ112の上下左右の大径マイクロレンズ114、116、118、120の直径は、対応する図２の大径マイクロレンズ14、16、18、20のそれより大きい。図１のように、大径マイクロレンズの直径は、大径マイクロレンズ間の間隙がなくなる最大限まで大きくするのが望ましいが、間隙が残ってもよい。
【００１８】
図４（ｂ）は図１の直線B2によって撮像面100を垂直に切断した断面を同直線B2に添付の矢印方向から見た断面図である。図４（ｂ）を図４（ａ）と比較すれば、本発明による固体撮像素子の実施例がいかなる特徴を有するかが分かる。図４（ｂ）に示す大径マイクロレンズ114、116、118、120は、直径が大きくなっているだけでなく、その形状も図示のように変更されている。すなわち、レンズに対応した感光部に集光するというレンズの機能を保てる範囲で、レンズの曲率を小さくし、大径レンズ間に存在していた間隙30をほとんど塞ぎ、間隙130としている。
【００１９】
図４（ｂ）は、言い換えれば、小径マイクロレンズ112の下に配置された大径マイクロレンズ116と、左に配置された大径マイクロレンズ118との間隙130を介して小径マイクロレンズ112を撮像面100に平行な方向から見たものである。このとき、間隙130を介して見ることのできる小径マイクロレンズ112の像の面積は、小径マイクロレンズ112を撮像面100に垂直な面に投影した像の面積、すなわち図４（ｂ）に点線で示す小径マイクロレンズ112の全体像の面積の半分以下である。つまり、図４（ａ）では間隙30から小径マイクロレンズ12が見えていたところ、図４（ｂ）では大径マイクロレンズ間の間隙130はほとんど塞がれていて、小径マイクロレンズ112はほとんど見えない。
【００２０】
大径マイクロレンズ114、116、118、120の形状は、典型的には、それらの曲率を調節することによって変更し、これによって、大径マイクロレンズ間の間隙を介して見ることのできる小径マイクロレンズ112の像の面積が決定される。ただし、集光機能を確保できる限り、大径マイクロレンズの形状は自由に決定してよく、図４（ｂ）に示すものに限られない。
【００２１】
上述のように、図４（ｂ）では小径マイクロレンズ112は間隙130を介してわずかに見えているが、大径マイクロレンズ114、116、118、120の形状をさらに変更して、大径マイクロレンズ間の間隙を介して見ることのできる小径マイクロレンズ112の像の面積をゼロにしてもよい。
【００２２】
このように本発明では、大径マイクロレンズ間の間隙30を塞ぐことにより、斜めから小径マイクロレンズに入射しようとする光線の光量を、上下左右からの光線の光量と同等にして、シェーディングの問題を解消する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明による固体撮像素子の実施例を示す平面図である。
【図２】本発明による固体撮像素子が完成する前段階を示す平面図である。
【図３】図２の直線A1による撮像面の断面図である。
【図４】（ａ）は図２の直線B1による撮像面の断面図であり、（ｂ）は図１の直線B2による撮像面の断面図である。
【図５】図２の小径マイクロレンズに対応する低感度の感光部によって発生するシェーディングパターンを示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
100  撮像面
112  小径マイクロレンズ
114、116、118、120  大径マイクロレンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2005268356.tif 000005
【図４】
2005268356.tif 000006
【図５】
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