(57)【要約】【課題】  本発明は入射光の利用効率を高め、高感度の固体撮像装置を提供することを目的とする。【解決手段】  少なくとも入射光を集光する集光レンズ（Ａ）と、集光光を平行光に変換する平行変換レンズ（Ｂ）と、平行光を分光するプリズム（Ｃ）を有し、（Ｃ）により分光されたそれぞれの分光光をそれぞれ異なる複数の光電変換素子に入射するように複数の光電変換素子が配置され、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、光電変換素子が順に密着して構成されてなり、（Ａ）の入射光側の表面が入射光側に凸の曲面を有し、（Ａ）と（Ｂ）の界面が入射光側に凹の曲面を有し、（Ｂ）と（Ｃ）の界面が傾斜した平面を有し、（Ａ）の屈折率が（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）の中で最も小さく、（Ｃ）の屈折率が（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）の中で最も大きいことを特徴とする固体撮像装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の色分解光学系と、前記色分解光学系で分光された分光光を光電変換する複数の光電変換素子を平面状に配列した固体撮像素子を有し、前記複数の色分解光学系は、少なくとも入射光を集光する集光レンズ（Ａ）と、前記（Ａ）により集光された集光光を平行光に変換する平行変換レンズ（Ｂ）と、前記（Ｂ）により変換された平行光を分光するプリズム（Ｃ）を有し、前記（Ｃ）により分光されたそれぞれの分光光をそれぞれ異なる前記複数の光電変換素子に入射するように前記複数の光電変換素子が配置され、前記（Ａ）、前記（Ｂ）、前記（Ｃ）、前記光電変換素子が順に密着して構成されてなり、前記（Ａ）の入射光側の表面が入射光側に凸の曲面を有し、前記（Ａ）と前記（Ｂ）の界面が入射光側に凹の曲面を有し、前記（Ｂ）と前記（Ｃ）の界面が傾斜した平面を有し、かつ、前記（Ａ）の屈折率が前記（Ａ）、前記（Ｂ）及び前記（Ｃ）の中で最も小さく、前記（Ｃ）の屈折率が前記（Ａ）、前記（Ｂ）及び前記（Ｃ）の中で最も大きいことを特徴とする固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関する。更に詳しくは画素内に色分光学系を有する固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＣＤなどの固体撮像素子を用いて撮像した撮影画像をデジタル画像データに変換し、内蔵メモリやメモリカードなどの記録媒体に記録するデジタルカメラが普及してきている。このデジタルカメラに設けられているような固体撮像素子では、受光素子（フォトダイオード）がマトリクス状に配列された半導体基板の上面に、赤色、緑色、青色のいずれかの光を透過するカラーフィルタが設けられており、カラーフィルタの上方に設置されたマイクロレンズで撮影レンズ光学系からの入射光が集光され、カラーフィルタを通過して各受光素子に受光される。
【０００３】
最近では、固体撮像素子の小型化、高画素化に伴なって受光素子へ入射光を通過させる開口の面積が小さくなってきている。これにより、従来のマイクロレンズだけでは、受光素子への集光効率が不十分となってきているため、受光素子への集光効率を高めるための構成を有する固体撮像素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載されている固体撮像素子では、光の入射側から順に、マイクロレンズ、カラーフィルタ、導波路、受光素子が形成されており、この導波路によって、受光素子へ光を導いて集光効率の向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１８５９４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、導波路により集光効果を高めても、受光素子の前にカラーフィルタを装着する方法では、原理的に入射光総量の１／３の光量しか得ることができず、感度が低いという問題があった。
本発明は入射光の利用効率を高め、高感度の固体撮像装置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】
【０００６】
本発明者は、上記問題点に鑑み鋭意検討した結果、本発明に到達した。即ち本発明は、複数の色分解光学系と、前記色分解光学系で分光された分光光を光電変換する複数の光電変換素子を平面状に配列した固体撮像素子を有し、前記複数の色分解光学系は、少なくとも入射光を集光する集光レンズ（Ａ）と、前記（Ａ）により集光された集光光を平行光に変換する平行変換レンズ（Ｂ）と、前記（Ｂ）により変換された平行光を分光するプリズム（Ｃ）を有し、前記（Ｃ）により分光されたそれぞれの分光光をそれぞれ異なる前記複数の光電変換素子に入射するように前記複数の光電変換素子が配置され、前記（Ａ）、前記（Ｂ）、前記（Ｃ）、前記光電変換素子が順に密着して構成されてなり、前記（Ａ）の入射光側の表面が入射光側に凸の曲面を有し、前記（Ａ）と前記（Ｂ）の界面が入射光側に凹の曲面を有し、前記（Ｂ）と前記（Ｃ）の界面が傾斜した平面を有し、かつ、前記（Ａ）の屈折率が前記（Ａ）、前記（Ｂ）及び前記（Ｃ）の中で最も小さく、前記（Ｃ）の屈折率が前記（Ａ）、前記（Ｂ）及び前記（Ｃ）の中で最も大きいことを特徴とする固体撮像装置である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば画素内に色分解光学系を有する固体撮像装置を構成できるので、入射光の利用効率が高く、高感度の固体撮像装置を実現することができる。また、レンズとプリズムの組み合わせによる色分解光学系を実現でき、撮像素子の単一画素で分光及び各分光色の強度に対応した電気信号を発生させることができるため、忠実な色再生が可能となる。また、集光レンズ（Ａ）、平行変換レンズ（Ｂ）、プリズム（Ｃ）、光電変換素子が順に密着して構成されているため、コンパクトな固体撮像装置が得られる。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の一実施例について図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例をするための一画素分の固体撮像装置の概略構成を示す図である。
図１において、１００は、固体撮像装置の１画素を示している。１０１は、被写体からの光が固体撮像装置１００に結像される光束である。
【０００９】
１０２は、集光レンズ（Ａ）である。集光レンズ（Ａ）の入射光側の表面は入射光側に凸の曲面を有する。本実施例では、集光レンズ（Ａ）は横幅が３μｍ、屈折率ｎ１が１．３、焦点距離Ｆ１は、３μｍで、材質はフッ素系樹脂である。集光レンズ（Ａ）の材質はフッ素系樹脂に限定されないが、これと同程度の低屈折率の材質で構成されることが好ましい。
【００１０】
１０３は、平行変換レンズ（Ｂ）である。平行変換レンズ（Ｂ）は集光レンズ（Ａ）との境界面が入射光側に凹の曲面を有する。本実施例では、平行変換レンズ（Ｂ）は横幅が３μｍ、屈折率ｎ２が１．５、焦点距離Ｆ２は、３μｍで、材質はポリメチルメタクリレートである。平行変換レンズ（Ｂ）の材質はポリメチルメタクリレートに限定されず、一般の光学レンズと同様な材質で構成される。但し、集光レンズ（Ａ）で集光された集光光を平行変換レンズ（Ｂ）で平行光に変換するため、平行変換レンズ（Ｂ）の屈折率は集光レンズ（Ａ）の屈折率より大きいことが必要である。尚、平行変換レンズ（Ｂ）の光軸は、集光レンズ（Ａ）の光軸に一致させる必要がある。平行変換レンズ（Ｂ）の光軸上の（Ｂ）の凹面から後述のプリズム（Ｃ）の傾斜面１０６までの距離は、本実施例では、１μｍに設定されている。
【００１１】
１０５は、プリズム（Ｃ）である。プリズム（Ｃ）は平行変換レンズ（Ｂ）との境界において傾斜した平面（傾斜面１０６）を有する。本実施例では屈折率ｎ３が１．７で、材質はエピスルフィド系樹脂である。プリズム（Ｃ）の材質はエピスルフィド系樹脂に限定されず、チオウレタン系樹脂のような高屈折率の材質で構成されることができる。但し、平行変換レンズ（Ｂ）による平行光をプリズム（Ｃ）で分光するため、プリズム（Ｃ）の屈折率は平行変換レンズ（Ｂ）より大きいことが必要である。
１０７は、固体撮像素子である。固体撮像素子にはプリズム（Ｃ）で分光された分光光を受光する複数の光電変換素子が平面上に配列されている。
【００１２】
本発明においては、集光レンズ（Ａ）、平行変換レンズ（Ｂ）及びプリズム（Ｃ）で構成される光学系を色分解光学系と呼ぶ。
本発明の固体撮像装置においては、集光レンズ（Ａ）、平行変換レンズ（Ｂ）、プリズム（Ｃ）及び固体撮像素子はこの順で互いに密着して構成されている。密着した構成とすることでコンパクトな固体撮像装置とすることができる。
【００１３】
前記固体撮像装置の動作を説明する。被写体からの入射光１０１が集光レンズ（Ａ）（１０２）に入射する。固体撮像面から遠くて、近似的に像側テレセントリックなレンズを使用すれば、入射光束１０１は、集光レンズ（Ａ）（１０２）の光軸にほぼ平行に入射する。集光レンズ（Ａ）（１０２）に入射した被写体光は、集光レンズ（Ａ）（１０２）の焦点に集光する。この集光光束は、集光レンズ（Ａ）（１０２）の焦点付近に配置された平行変換レンズ（Ｂ）（１０３）により平行光束１０４になり、プリズム（Ｃ）（１０５）に入射される。
【００１４】
プリズム（Ｃ）の傾斜面１０６に入射した平行光束１０４は、光の波長に応じて屈折され、固体撮像素子１０７に入射される。プリズム（Ｃ）の傾斜面１０６に入射する平行光束１０４には、赤（波長：６００〜７００ｎｍ）、緑（波長：５００〜６００ｎｍ）、青（波長：４００〜５００ｎｍ）の光が含まれている。そして、この平行光束１０４が光軸に対し傾斜した傾斜面１０６に入射し、ここで屈折が起こるが、長波長の光は、屈折が小さく、短波長の光は、屈折が大きいため分光される。例えば、図１では、波長の長い赤成分の光は、小さく屈折し、赤色分光光１０８−１となり、赤色光光電変換素子１０９−１に入射する。緑成分の光は、緑色分光光１０８−２となり、緑色光光電変換素子１０９−２に入射する。また、青成分の光は、青色分光光１０８−３となり、青色光光電変換素子１０９−３に入射する。尚、プリズム（Ｃ）にアッベ数の小さい光学材料を使用すると波長ごとの分光が効率よく行える。
【００１５】
ここで、アッベ数とは、光の逆分散率を示し、色収差の少ない光学材料ほどアッベ数は大きい。本発明の場合、逆にアッベ数が小さく、色収差が大きい方が効率よく分散でき、良いプリズムとなる。また、傾斜面１０６の角度θ、傾斜面１０６から固体撮像素子１０７までの距離及び光電変換素子１０９−１〜３の形成位置を適宜調節することにより、赤色分光光１０８−１、緑色分光光１０８−２及び青色分光光１０８−３をそれぞれ赤色光光電変換素子１０９−１、緑色光光電変換素子１０９−２及び青色光光電変換素子１０９−３にそれぞれ入射させることができる。
【００１６】
上記のように構成することによって１つの画素に入射する被写体からの光を、例えば、赤、緑、青の各色成分に分光し、光電変換素子１０９−１〜３で各色の映像信号に変換され、固体撮像素子１０７から取出される。
【００１７】
本発明の固体撮像装置は、従来のようにカラーフィルタを使用する必要がないので、入射光の利用効率が高く、解像度の高い固体撮像装置を実現することができる。尚、上記本発明は、ＭＯＳ型及びＣＣＤ型の両方に適用することができる
【００１８】
尚、上記実施例では、平行変換レンズ（Ｂ）の焦点位置にプリズム（Ｃ）への入射位置を設定しているが、平行変換レンズ（Ｂ）からの光束は、平行光束であるので、この距離は、適宜設定することができる。
【００１９】
以上、本発明の一実施例について詳細に説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施例を説明するための固体撮像装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００２１】
１００：固体撮像素子、１０１：入射光、１０２：集光レンズ（Ａ）、１０３：平行変換レンズ（Ｂ）、１０４：平行光束、１０５：プリズム（Ｃ）、１０６：プリズム（Ｃ）の傾斜面、１０７：固体撮像素子、１０８−１：赤色分光光、１０８−２：緑色分光光、１０８−３：青色分光光、１０９−１：赤色光受光素子、１０９−２：緑色光受光素子、１０９−３：青色光受光素子
【図１】
2012028372.tif 000003