(57)【要約】【課題】カメラの光学レンズからの入射光がより広い入射角度範囲であっても撮像領域にわたり高感度が維持され、感度ムラが低減された固体撮像装置を提供する。【解決手段】撮像領域に行列状に配置された複数の単位画素１１を有する固体撮像装置であって、単位画素１１は、撮像領域の面方向に互いに異なる実効屈折率分布を有する、単位画素１１内の境界線５０において互いに接する集光素子１０１Ａと集光素子１０１Ｂとを有する集光部１０１と、集光部１０１で集光された入射光を受光する受光部１０４とを備え、集光部１０１は、受光部１０４に対して、撮像領域の中心方向へシフトして配置される。【選択図】図２
2012109468.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像領域に行列状に配置された複数の単位画素を有する固体撮像装置であって、
前記複数の単位画素のそれぞれは、
前記撮像領域の面方向に互いに異なる実効屈折率分布をもつ第１の集光素子及び第２の集光素子を有する集光部と、
前記集光部に対応して配置された、前記集光部で集光された入射光を受光する受光部とを備え、
前記集光部は、同一単位画素内の前記受光部に対して、前記撮像領域の中心方向へシフトして配置される
固体撮像装置。
【請求項２】
前記第１の集光素子及び第２の集光素子は、それぞれ、同心点を有する複数の円弧または楕円弧形状の光透過膜から構成され、
前記複数の円弧または楕円弧形状の光透過膜は、空気より屈折率が高い材料で形成され、
前記複数の円弧または楕円弧形状の光透過膜の各々の線幅は、入射光の波長と同程度かそれよりも短く、
前記第１の集光素子を構成する前記複数の円弧または楕円弧形状の光透過膜の有する同心点と前記受光部の中心点との前記撮像領域の面方向における距離である第１シフト量は、前記第２の集光素子を構成する前記複数の円弧または楕円弧形状の光透過膜の有する同心点と前記中心点との前記撮像領域の面方向における距離である第２シフト量と異なる
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第１の集光素子と前記第２の集光素子とが前記単位画素内において接する境界線と前記受光部の中心点との前記撮像領域の面方向における距離である第３シフト量は、前記第１シフト量と前記第２シフト量との平均値である
請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記境界線は、前記集光部の中心を通り、
前記集光部は、前記撮像領域の面方向において、前記単位画素と形状およびサイズが実質的に同じである
請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記第１の集光素子の有する実効屈折率分布と前記第２の集光素子の有する実効屈折率分布とは、前記境界線において連続している
請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記撮像領域の中央に位置する単位画素では、前記集光部は前記受光部に対してシフトしておらず、
前記撮像領域の周辺に位置する単位画素ほど、前記集光部の前記受光部に対するシフト量が大きい
請求項２に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関し、特に、集光部アレイがシュリンク配置された固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の技術における固体撮像装置では、斜めからの入射光のうちで無効になる入射光の存在が原因となり発生する感度ムラ（シェーディング）が解決すべき課題となっていた。
【０００３】
図１３（ａ）を用いてこの発生原理を説明する。図１３（ａ）は、焦点距離の長い光学系において、感度ムラの発生原理を説明する図である。同図では、画素が行列状に配置された固体撮像装置の受光面である撮像領域８０２へ光が入射される様子を表している。撮像領域８０２の中心から周辺部へ遠ざかるに従い、入射光の主光線８０５が主光線８０６へと傾く。アレイ状に配置された集光部と当該集光部に対応して配置された受光部とを有する撮像領域８０２で入射光を受光する場合、撮像領域８０２の中心に位置する画素８０３では主光線８０５、即ち入射光の傾きが小さく、ほとんどが集光部で集光された後、受光部で受光されて有効光となる。一方、撮像領域８０２の周辺に位置する画素８０４では、主光線は傾きを持って入射するため、撮像領域８０２に向う主光線８０６の一部は受光部から外れて無効光となる。このように周辺部の受光部では、集光された主光線が外側にずれるため、画素中心から外れた位置で受光することになり、感度ムラ、すなわち、シェーディングが発生する。
【０００４】
これに対し、特許文献１では、上述したシェーディングを補正するとともに、その感度を向上させるようにした固体撮像装置を提供する手段が開示されている。具体的には、固体撮像装置の集光部の配置ピッチを、受光部の配置ピッチよりも小さくなるように形成し、かつ、固体撮像装置の周辺部では、集光部を受光部に対し中心方向にシフトして配置するという、集光部のシュリンク構造が開示されている。このシュリンク構造により、シェーディングが大きく改善されるので、カメラの光学レンズからの主光線の入射角度が一定であればシェーディングは防止される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１−２１３０７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、カメラの光学レンズとして、入射光の角度が大きく変わるようなバリフォーカルレンズを有する場合や、固体撮像装置への入射光の角度が異なるような複数のレンズを取り替えて使用する交換レンズなどの場合、特許文献１で開示された構成をとっても、主光線が受光部から外れる場合が発生する。
【０００７】
このような場合について、図１３（ａ）及び図１３（ｂ）を用いて説明する。図１３（ｂ）は、焦点距離の短い光学系において、感度ムラの発生原理を説明する図である。例えば、図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に記載されたレンズ８０１から撮像領域８０２までの焦点距離を、それぞれ、ｆａ、ｆｂとし、図示されるように、ｆａ＞ｆｂであるとする。図１３（ａ）のような小さな入射角度に対応するためのシュリンク構造では、図１３（ｂ）のような大きな入射角度の主光線は、受光部からはずれて感度が低下してしまう。
【０００８】
このときの画素での集光の様子を図１４（ａ）及び図１４（ｂ）に示している。図１４（ａ）は、集光部シュリンクが小さい場合の入射光の経路を表す画素断面図であり、図１４（ｂ）は、集光部シュリンクが大きい場合の入射光の経路を表す画素断面図である。図１４（ａ）に記載された画素は、集光部９０１ａ、絶縁層９０２、基板９０３、受光部９０４を有する。集光部９０１ａは、画素中心に対してほとんどシュリンクしていない。図１４（ａ）に記載された画素のように集光部シュリンクが小さい場合には、低入射角度の入射光９０５ａを集光する場合には、問題なく受光部９０４へ光を集めることができる。しかし、高入射角度の入射光９０５ｂを集光する場合には、受光部９０４に全ての光を集めることができないケース（入射光９０５ｂの一部が受光部９０４上に集光されない場合）が発生し、画素感度が低下してしまう。
【０００９】
一方、図１４（ｂ）に記載された画素は、集光部９０１ｂ、絶縁層９０２、基板９０３、受光部９０４を有する。集光部９０１ｂは、画素中心に対して大きくシュリンクしている。図１４（ｂ）に記載された画素のように集光部シュリンクが大きい場合には、高入射角度の入射光９０５ｂを集光する場合には、問題なく受光部９０４へ光を集めることができる。しかし、入射角度の小さい入射光９０５ａを集光する場合には、受光部９０４に全ての光を集めることができないケース（入射光９０５ａの一部が受光部９０４上に集光されない場合）が発生し、画素感度が低下してしまう。
【００１０】
すなわち、固体撮像装置上に実装される集光部のシュリンク配置により、カメラ固定の光学レンズに対しては感度ムラを防止する効果を有するものの、光学レンズを取り替える方式のカメラや、固体撮像装置への入射光の入射角度が変わるバリフォーカルレンズを装着するカメラなどでは、限られた入射角度の範囲内でしか感度ムラを防止することができないという課題を有する。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するためのもので、カメラの光学レンズからの入射光がより広い入射角度範囲であっても撮像領域にわたり高感度が維持され、感度ムラが低減された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】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る固体撮像装置は、撮像領域に行列状に配置された複数の単位画素を有する固体撮像装置であって、前記複数の単位画素のそれぞれは、前記撮像領域の面方向に互いに異なる実効屈折率分布をもつ第１の集光素子及び第２の集光素子を有する集光部と、前記集光部に対応して配置された、前記集光部で集光された入射光を受光する受光部とを備え、前記集光部は、同一単位画素内の前記受光部に対して、前記撮像領域の中心方向へシフトして配置されることを特徴とする。
【００１３】
上記構成によれば、単位画素内の複数領域で独立した実効屈折率分布をもつ集光部が、受光部に対して撮像領域の中心方向へシフトして配置されるので、主光線の入射角度が広範であっても、撮像領域にわたり高感度が維持され、感度ムラが低減される。
【００１４】
また、前記第１の集光素子及び第２の集光素子は、それぞれ、同心点を有する複数の円弧または楕円弧形状の光透過膜から構成され、前記複数の円弧または楕円弧形状の光透過膜は、空気より屈折率が高い材料で形成され、前記複数の円弧または楕円弧形状の光透過膜の各々の線幅は、入射光の波長と同程度かそれよりも短く、前記第１の集光素子を構成する前記複数の円弧または楕円弧形状の光透過膜の有する同心点と前記受光部の中心点との前記撮像領域の面方向における距離である第１シフト量は、前記第２の集光素子を構成する前記複数の円弧または楕円弧形状の光透過膜の有する同心点と前記中心点との前記撮像領域の面方向における距離である第２シフト量と異なることが好ましい。
【００１５】
これにより、集光部は、入射側媒質の屈折率より高い屈折率を有する光透過膜で形成された粗密構造となり、集光素子ごとに実効屈折率分布を細かく変化させることが可能となり、複数の実効屈折率分布を有する集光部が実現される。また、集光部の複数領域で独立したシュリンク構造がとられるので、単位画素ごとに統一されたシュリンク配置が適用される場合と比較して、高感度を維持できる主光線の入射角度の範囲をさらに広く設定することが可能となる。
【００１６】
また、前記第１の集光素子と前記第２の集光素子とが前記単位画素内において接する境界線と前記受光部の中心点との前記撮像領域の面方向における距離である第３シフト量は、前記第１シフト量と前記第２シフト量との平均値であってもよい。
【００１７】
これにより、集光部内における境界線近傍の領域の集光機能を落とすことなく、単位画素内の全ての領域において平均した集光効果を得ることが可能となる。
【００１８】
また、前記境界線は、前記集光部の中心を通り、前記集光部は、前記撮像領域の面方向において、前記単位画素と形状およびサイズが実質的に同じであることが好ましい。
【００１９】
これにより、撮像領域に配置された各単位画素の間隔を設ける必要がなく、各単位画素の大きさが実質的に画素サイズとなり、集光部をシュリンクさせたアレイ配置を実現することが可能となる。
【００２０】
また、前記第１の集光素子の有する実効屈折率分布と前記第２の集光素子の有する実効屈折率分布とは、前記境界線において連続していることが好ましい。
【００２１】
また、集光部の有する２つの集光素子のシュリンク量が異なれば、境界線上の実効屈折率分布が不連続になる場合がある。この場合には、入射光が回折してしまい、かえって集光効率が低下してしまう可能性がある。これに対し、境界線付近では実効屈折率分布を連続化することにより入射光の回折を防止でき集光効率の低下が回避される。
【００２２】
また、前記撮像領域の中央に位置する単位画素では、前記集光部は前記受光部に対してシフトしておらず、前記撮像領域の周辺に位置する単位画素ほど、前記集光部の前記受光部に対するシフト量が大きくてもよい。
【００２３】
これにより、集光部の受光部に対するシフト量を、入射角度に応じて、つまり、撮像領域の場所に応じて変化させることにより、主光線の入射角度が広範であっても、撮像領域にわたり高感度が維持され、感度ムラが低減される。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の固体撮像装置によれば、単位画素の有する集光部が、互いに異なる実効屈折率分布を有する２以上の集光素子からなり、受光部に対して撮像領域の中心へシフトして配置されるので、主光線の入射角度が広範であっても、撮像領域にわたり高感度が維持され、感度ムラが低減される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態に係る固体撮像装置を含むカメラの概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の単位画素の基本構造の一例を示す上面図及び断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る集光部の、複数の撮像領域位置における構造の一例を示す上面図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態に係る集光部のシュリンク構造を説明する撮像領域の上面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る集光部内の２つの集光素子の配置関係を表す図である。
【図６】（ａ）は、本発明の実施の形態に係る低角度入射用集光素子に対して、入射角０度の入射光が入射した場合の、単位画素の一部を表す上面図及び断面図である。（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る低角度入射用集光素子に対して、入射角３０度の入射光が入射した場合の、単位画素の一部を表す上面図及び断面図である。
【図７】（ａ）は、本発明の実施の形態に係る高角度入射用集光素子に対して、入射角０度の入射光が入射した場合の、単位画素の一部を表す上面図及び断面図である。（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る高角度入射用集光素子に対して、入射角３０度の入射光が入射した場合の、単位画素の一部を表す上面図及び断面図である。
【図８】（ａ）は、本発明の実施の形態に係る低角度入射用集光素子と高角度入射用集光素子とが合成された集光部に対して、入射角０度の入射光が入射した場合の、単位画素の上面図及び断面図である。（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る低角度入射用集光素子と高角度入射用集光素子とが合成された集光部に対して、入射角３０度の入射光が入射した場合の、単位画素の上面図及び断面図である。
【図９】本発明の実施の形態に係る固体撮像装置と従来の固体撮像装置との集光効率の入射角度依存性を比較したグラフである。
【図１０】本発明の実施の形態に係る変形例を示す２段構造の集光部を形成するための下段用マスクパターンを示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態に係る変形例を示す２段構造の集光部を形成するための上段用マスクパターンを示す図である。
【図１２】上段構造及び下段構造のマスクパターン上面図とそれらに対応して形成された２段構造の集光素子の断面図である。
【図１３】（ａ）は、焦点距離の長い光学系での、感度ムラの発生原理を説明する図である。（ｂ）は、焦点距離の短い光学系での、感度ムラの発生原理を説明する図である。
【図１４】（ａ）は、集光部シュリンクが小さい場合の入射光経路を表す画素断面図である。（ｂ）は、集光部シュリンクが大きい場合の入射光経路を表す画素断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明に係る実施の形態について、図面を参照しながら、さらに具体的に説明する。なお、本発明について、以下の実施の形態及び添付の図面を用いて説明を行うが、これは例示を目的としており、本発明がこれらに限定されることを意図しない。
【００２７】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置を含むカメラの概略構成を示す図である。同図に記載されたカメラは、固体撮像装置１００と、レンズ１１０と、ＤＳＰ（デジタル信号処理回路）１２０と、画像表示デバイス１３０と、画像メモリ１４０とを備える。
【００２８】
なお、レンズ１１０は、光学レンズを取り替える交換レンズ、または、固体撮像装置１００への入射光の入射角度が変わるバリフォーカルレンズなどである。本発明の実施の形態に係るカメラでは、レンズ１１０を介して外部から光が入射し、入射した光は固体撮像装置１００によりデジタル信号に変換されて出力される。そして、出力されたデジタル信号はＤＳＰ１２０により処理されて映像信号として画像メモリ１４０に出力されて記録され、また画像表示デバイス１３０に出力されて画像表示される。
【００２９】
ＤＳＰ１２０は、固体撮像装置１００の出力信号に対してノイズ除去等の処理を行って映像信号を生成する画像処理回路１２１と、固体撮像装置１００における画素の走査タイミングおよびゲインの制御を行うカメラシステム制御部１２２とから構成される。ＤＳＰ１２０は、例えば固体撮像装置１００の単位セル内で共有される画素間での特性差に関する補正を行う。
【００３０】
固体撮像装置１００は１チップで形成され、固体撮像装置１００が形成されたチップとＤＳＰ１２０が形成されたチップとは別チップとされる。これにより、固体撮像装置１００の形成工程とＤＳＰ１２０の形成工程とを分離することで撮像部と処理部との製造工程を分離できるので、製造工程を削減して低コスト化を実現できる。また、タイミング制御、ゲイン制御および画像処理をユーザ毎に自由に設定することが可能となるため、使用の自由度を高くすることができる。
【００３１】
固体撮像装置１００は、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型の固体撮像装置であり、図１に示されるように、画素部（画素アレイ）１０と、垂直走査回路（行走査回路）１４と、通信・タイミング制御部３０と、ＡＤ変換（アナログ／デジタルコンバータ）回路２５と、参照信号生成部２７と、出力Ｉ／Ｆ２８と、カラムアンプ４２とを備える。
【００３２】
画素部１０は、複数の単位セルが半導体基板のウェルに２次元状（行列状）に配列されて構成される。各単位セルは、複数の単位画素（光電変換素子）を含んで構成される。各単位セルは、垂直走査回路１４で制御される信号線と、単位セルからの電圧信号をＡＤ変換回路２５に伝達する垂直信号線とに接続される。
【００３３】
垂直走査回路１４は、単位セルを垂直方向に行単位で走査し、垂直信号線に電圧信号を出力させる単位セルを含む行を選択する。
【００３４】
通信・タイミング制御部３０は、外部端子を介して入力されたマスタークロックおよびデータを受け取り、種々の内部クロックを生成し参照信号生成部２７および垂直走査回路１４などを制御する。
【００３５】
参照信号生成部２７は、ＡＤ変換回路２５にＡＤ変換用の参照電圧ＲＡＭＰを供給する。
【００３６】
カラムアンプ４２は、単位セルの列に対応して設けられている。カラムアンプ４２は、単位セルから出力された電圧信号を増幅する。カラムアンプ４２を設けることで、単位セルの電圧信号を増幅することが可能となり、Ｓ／Ｎの改善およびゲインの切り替え等が可能となる。
【００３７】
ＡＤ変換回路２５は、参照信号生成部２７で生成される参照電圧ＲＡＭＰを用いて、単位セルから出力されたアナログの電圧信号をデジタル信号に変換する。ＡＤ変換回路２５でデジタル化された信号は、出力Ｉ／Ｆ２８に入力される。
【００３８】
なお、図１に示した固体撮像装置１００は、ＡＤ変換回路２５を搭載しているが、ＡＤ変換回路は固体撮像装置の外に構成されていても良い。
【００３９】
以上、この構成により、画素部１０からは、単位セルの行ごとに電圧信号が順次出力される。そして、画素部１０に対する１枚分の画像すなわちフレーム画像が、画素部１０全体の電圧信号の集合で示されることとなる。
【００４０】
図２は、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の単位画素の基本構造の一例を示す上面図及び断面図である。
【００４１】
図２の上面図に示されるように、集光部１０１は、境界線５０において互いに接する集光素子１０１Ａと１０１Ｂとで構成されている。集光素子１０１Ａ及び１０１Ｂは、それぞれ、第１の集光素子及び第２の集光素子であり、撮像領域面において互いに異なる実効屈折率分布を有する。なお、境界線５０とは、単位画素内において異なる実効屈折率分布を有する第１の集光素子と第２の集光素子とが接している境界部である。
【００４２】
図２の断面図に示されるように、単位画素１１は、分布屈折率型レンズの集光部１０１と、カラーフィルタ１０７と、Ａl配線１０６と、受光部（Ｓiフォトダイオード）１０４と、Ｓｉ基板１０３と、絶縁層１０２とを備える。集光部１０１の膜厚は、例えば、１．２μｍである。
【００４３】
集光部１０１は、同一の単位画素１１内の受光部１０４に対して撮像領域の中心方向へシフトして配置されている。
【００４４】
また、撮像領域の中央に位置する単位画素では、集光部は受光部に対してシフトしておらず、撮像領域の周辺に位置する単位画素１１ほど、集光部１０１の受光部１０４に対するシフト量が大きいことが好ましい。
【００４５】
本発明の実施の形態に係る固体撮像装置１００は、集光部１０１と受光部１０４とを備える単位画素１１と同様の特徴を有する単位画素が、撮像領域において行列状に配置されている。
【００４６】
集光素子１０１Ａ及び１０１Ｂは、例えば、ＳｉＯ2やＳｉＯＮなどを材料とする、同心点を有する複数の円弧形状の光透過膜３３で構成されている。図中のそれぞれの光透過膜３３の線幅は、入射光の波長と同程度かそれよりも短く、上記同心点付近が最も大きく、上記同心点から離れるほど小さくなっていく。光透過膜３３は、空気より屈折率が高い材料からなり、例えば、ＳｉＯ2（屈折率：１．４５）が適用される。このとき、光透過膜３３の間を充填する空気（屈折率：１．０）との体積比により、光に対する実効屈折率が決まる。このように、本発明の固体撮像装置１００は、上記構造の線幅、即ち、光透過膜３３と空気との体積比を変えるだけで、実効屈折率分布を自由自在に制御できるという特徴を有する。なお、集光素子１０１Ａ及び１０１Ｂは、同心点を有する複数の楕円弧形状の光透過膜で構成されていてもよい。
【００４７】
また、図２の上面図に記載された集光部１０１の有する集光素子１０１Ａ及び１０１Ｂの実効屈折率Δｎ(ｘ)は、それぞれ、以下の式１で表される。
【００４８】
Δｎ(ｘ)＝Δｎmax［(Ａｘ2＋Ｂｘsinθ)／２π＋Ｃ］        （式１）
【００４９】
ここで、Ａ、Ｂ、Ｃは定数、θは入射光の入射角度であり、Δｎmaxは光透過膜材料の屈折率差であり、本実施の形態では、例えば、ＳiＯ2と空気の屈折率差である０．４５となる。上記式１において、Δｎ(ｘ)は単位画素の中央部から周辺方向への距離ｘの２次関数によって表わされ、偏向成分は距離ｘと三角関数との積によって表わされる。集光素子１０１Ａ及び１０１Ｂの実効屈折率Δｎ(ｘ)は、それぞれ、複数の円弧形状の光透過膜３３の有する同心点をピーク値とした放物線を描く。つまり、境界線５０よりも撮像領域の中心側では、集光部１０１の実効屈折率分布は、集光素子１０１ＡのΔｎ(ｘ)によって規定される実効屈折率分布となり、境界線５０よりも撮像領域の周辺側では、集光素子１０１ＢのΔｎ(ｘ)によって規定される実効屈折率分布となる。よって、図２記載の単位画素１１における集光部１０１の実効屈折率分布は、境界線５０に対して非対称な分布となる。なお、上記式１における各パラメータは、入射側媒質である空気の屈折率をｎ0、光透過膜３３の屈折率をｎ1、入射光の焦点距離をｆ、入射光の波数をｋ0、入射光の波長をλとしたとき、以下の通りである。
【００５０】
Ａ＝−（ｋ0ｎ1）／２ｆ                               （式２）
Ｂ＝−ｋ0ｎ0                                         （式３）
ｋ0＝２π／λ                                         （式４）
【００５１】
これにより、目的とする焦点距離ｆ及び対象とする入射光の入射角度θ及び波長λ毎に、集光素子を最適化することが可能となる。
【００５２】
また、集光素子１０１Ａを構成する複数の光透過膜３３の有する同心点と受光部１０４の中心点との撮像領域の面方向における距離である第１シフト量は、集光素子１０１Ｂを構成する複数の光透過膜３３の有する同心点と受光部１０４の中心点との撮像領域の面方向における距離である第２シフト量と異なっている。つまり、集光素子１０１Ａ及び集光素子１０１Ｂは、撮像領域において独立にシュリンクしている。
【００５３】
次に、異なる屈折率分布を有する２つの集光素子を独立にシュリンクさせるための集光部１０１の形成方法について説明する。
【００５４】
図３は、本発明の実施の形態に係る集光部の、複数の撮像領域位置における構造の一例を示す上面図である。同図には、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置３００の撮像領域３１０、撮像領域３１０の中心部における集光部３０１の拡大上面図、撮像領域３１０の垂直方向周辺部における集光部３０２の拡大上面図、撮像領域３１０の水平方向周辺部における集光部３０３の拡大上面図、及び、撮像領域３１０の対角方向周辺部における集光部３０４の拡大上面図が示されている。
【００５５】
撮像領域３１０の周辺部に配置された集光部３０２、３０３及び３０４は、それぞれ、境界線５０において接する２つの集光素子を有し、当該２つの集光素子は、それぞれ、撮像領域３１０の中心部に近い側と遠い側とに配置されている。具体的には、集光部３０２は、集光素子３０２Ａ及び３０２Ｂを有し、集光部３０３は、集光素子３０３Ａ及び３０３Ｂを有し、集光部３０４は、集光素子３０４Ａ及び３０４Ｂを有する。撮像領域３１０の中心部に近い側には、それぞれ、集光素子３０２Ａ、３０３Ａ及び３０４Ａが配置され、撮像領域３１０の中心部から遠い側には、それぞれ、集光素子３０２Ｂ、３０３Ｂ及び３０４Ｂが配置されている。
【００５６】
また、集光部３０２、３０３及び３０４は、それぞれ、同一の単位画素１１内の受光部１０４の位置に対して撮像領域３１０の中心方向へシフトしている。また、各単位画素における集光部のシフト量は、互いに異なる屈折率分布を有する集光素子ごとに異なる。以下では、集光部のシフトについて、図４を用いて説明する。
【００５７】
図４（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態に係る集光部のシュリンク構造を説明する撮像領域の上面図である。図４（ａ）〜図４（ｄ）には、シュリンクの無いシリコン基板からなる複数の単位画素１１が表されている。また、集光部が、図３と同様に、各集光部と撮像領域中心とを結ぶ直線に垂直な境界線５０により２つの集光素子に分割されている場合を考える。
【００５８】
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、それぞれ、撮像領域水平方向の周辺部における単位画素１１において、異なる屈折率分布をもつ集光素子３０３ａ及び３０３ｂが異なるシュリンク率でシュリンク配置された様子を示している。図４（ａ）に記載された集光素子３０３ａと、図４（ｂ）に記載された集光素子３０３ｂとは互いに独立にシュリンク配置されている。集光素子３０３ａは、例えば、撮像領域面の法線方向に対して低角度に入射した光を単位画素１１の中央に配置された受光部１０４に受光させるための、低角度入射用レンズとして機能する。一方、集光素子３０３ｂは、例えば、撮像領域面の法線方向に対して高角度に入射した光を単位画素１１の中央に配置された受光部１０４に受光させるための、高角度入射用レンズとして機能する。図４（ｃ）は、図４（ａ）及び図４（ｂ）を、単純に重ねた図である。つまり、図４（ｃ）は、低角度入射用レンズと高角度入射用レンズとが重なった図となっている。この２つのレンズを、低角度入射光及び高角度入射光の双方において効率よく受光できるよう、単位画素内の撮像領域面を分割して２つのレンズを配置して合成し、図４（ｄ）に記載されたような１つの集光部３０３を形成する手法を、図５を用いて説明する。
【００５９】
図５は、本発明の実施の形態に係る集光部内の２つの集光素子の配置関係を表す図である。同図には、それぞれ、図４（ａ）及び図４（ｂ）に記載された集光素子３０３ａ及び３０３ｂ、集光素子３０３ａ及び３０３ｂを合成した集光素子３０３ｃ、及び、集光素子３０３ｃを１単位画素サイズに整形した集光部３０３が描かれており、各々の、単位画素１１に対する水平方向の位置関係が示されている。なお、図示していないが、受光部は単位画素１１の中央に配置されている。ここで、集光素子３０３ａと集光素子３０３ｂとは、互いに異なる屈折率分布を有しており、それぞれ、同心点を有する円環状の複数の光透過膜３３で構成されている。なお、集光素子３０３ａ及び３０３ｂは、同心点を有する楕円環状の複数の光透過膜で構成されていてもよい。集光素子３０３ａは、単位画素１１に対してシフト量Ｘａだけ、集光素子３０３ａの中心をシフトしている。一方、集光素子３０３ｂは、集光素子３０３ａとは独立に、単位画素１１に対してシフト量Ｘｂだけ集光素子３０３ｂの中心をシフトしている。ここで、シフト量Ｘａは、集光素子３０３ａを構成する円環状の複数の光透過膜の有する同心点と受光部の中心点との撮像領域の面方向における距離である第１シフト量である。また、シフト量Ｘｂは、集光素子３０３ｂを構成する円環状の複数の光透過膜の有する同心点と受光部の中心点との撮像領域の面方向における距離である第２シフト量である。
【００６０】
この場合、集光素子３０３ａ及び３０３ｂを、合成後の集光素子３０３ｃにおいて、それぞれの面積を半分ずつ反映させる場合には、合成後の集光素子３０３ｃの境界線５０が、集光素子３０３ｃを等分割している必要がある。そのため、集光素子３０３ｃの中心位置、つまり、境界線５０を、集光素子３０３ａのシフト量Ｘａと、集光素子３０３ｂのシフト量Ｘｂとの平均値であるシフト量Ｘｃだけ移動させる。つまり、シフト量Ｘｃは、境界線５０と受光部の中心点との撮像領域の面方向における距離となる第３シフト量であり、第１シフト量と第２シフト量との平均値である。
【００６１】
これにより、集光部内における境界線５０近傍の領域の集光機能を落とすことなく、単位画素内の全ての領域において平均した集光効果を得ることが可能となる。そして、最後に、集光素子３０３ｃを、１画素のサイズとする。このため、集光素子３０３ｃを、切除量Ｘｄ＝（Ｘａ＋Ｘｂ）／４だけ画素両端から切り取ることにより、集光部３０３が完成する。
【００６２】
つまり、境界線５０は、集光部３０３の中心を通り、集光部３０３は、撮像領域の面方向において、単位画素１１と形状およびサイズが実質的に同じとなっている。
【００６３】
ここで、集光部３０３が単位画素１１と形状およびサイズが「実質的に」同じであることを説明する。「実質的に」とは、数ナノメートル以下の範囲で集光部サイズと単位画素サイズとが異なること、または、５ｕｍ程度以上の単位画素サイズでは数十ナノメートル以下の範囲で集光部サイズと単位画素サイズとが異なることを含むものとする。例えば、固体撮像装置の画素数が１２００万画素（４０００×３０００）、単位画素サイズが２ｕｍ角、撮像領域の周辺部の４角の単位画素で集光部が最大１ｕｍシュリンクする場合を考える。この場合、各集光部が線形にシュリンクしているとすると、各単位画素での平均シュリンク量は約１ｕｍ／２５００画素（撮像領域中心から外周の角までの画素数）＝０．４ｎｍ／単位画素となる。つまり、各単位画素の間隔を開けることなく撮像領域を構成した場合、撮像領域の外周に対し、全集光部からなる集光領域の外周は１ｕｍ小さくなるものの、各単位画素とそれに対応した集光部とのサイズを比較した場合、上述した単位画素あたりのシュリンク量である０．４ｎｍだけ各集光部サイズを小さくすれば、本発明の実施の形態に係るシュリンク構造が実現される。よって、各集光部のサイズは、各単位画素のサイズと実質的に同じとすることが可能となる。
【００６４】
これにより、撮像領域に配置された各単位画素の間隔を設ける必要がなく、各単位画素の大きさが実質的に画素サイズとなり、集光部をシュリンクさせたアレイ配置を実現することが可能となる。
【００６５】
なお、単位画素ごとに決定されるシフト量Ｘｃは、撮像領域中心からの距離の関数となる。この関数は線形であることが多いが、固体撮像装置に装着する光学レンズの特性により非線形な関数であっても構わない。
【００６６】
また、集光部３０３を形成する際に、境界線５０上の実効屈折率分布が連続的になるように、各集光素子の光透過膜を形成することが好ましい。集光部の有する２つの集光素子のシュリンク量が異なると、境界線５０上の実効屈折率分布が不連続になる場合がある。この場合には、入射光が回折してしまい、かえって集光効率が低下してしまう可能性がある。これに対し、境界線５０付近で実効屈折率分布を連続化することにより入射光の回折を防止でき集光効率の低下が回避される。この観点から、例えば、集光素子３０３ａを３分の１、及び、集光素子３０３ｂを３分の２という比率で分割してもよい。但し、この場合には、合成後の集光部３０３の中心からのシフト量は、ＸａとＸｂとを１：２の比率で重み付けしたシフト量となる。上述した、隣接する２つの集光素子の分割比率は、入射光の入射角度およびその範囲に応じて任意に決定される。
【００６７】
上述した集光部３０３の形成手法により、図４（ｄ）の集光部３０３に示されるように、一単位画素の大きさでありながら、互いに異なるシュリンク率を有しかつ互いに異なる屈折率分布をもつ複数の集光素子を有する集光部を実現することが可能となる。
【００６８】
次に、合成された集光部による単位画素１１での集光状態について説明する。図６（ａ）は、本発明の実施の形態に係る低角度入射用集光素子に対して、入射角０度の入射光が入射した場合の、単位画素の一部を表す上面図及び断面図である。また、図６（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る低角度入射用集光素子に対して、入射角３０度の入射光が入射した場合の、単位画素の一部を表す上面図及び断面図である。
【００６９】
一方、図７（ａ）は、本発明の実施の形態に係る高角度入射用集光素子に対して、入射角０度の入射光が入射した場合の、単位画素の一部を表す上面図及び断面図である。また、図７（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る高角度入射用集光素子に対して、入射角３０度の入射光が入射した場合の、単位画素の一部を表す上面図及び断面図である。
【００７０】
また、図８（ａ）は、本発明の実施の形態に係る低角度入射用集光素子と高角度入射用集光素子とが合成された集光部に対して、入射角０度の入射光が入射した場合の、単位画素の上面図及び断面図である。また、図８（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る低角度入射用集光素子と高角度入射用集光素子とが合成された集光部に対して、入射角３０度の入射光が入射した場合の、単位画素の上面図及び断面図である。図８（ａ）及び図８（ｂ）に記載された単位画素２１は、集光部４０１と、絶縁層４０２と、Ｓｉ基板４０３と、受光部４０４と、Ａｌ配線４０６と、カラーフィルタ４０７とを備え、撮像領域の水平方向周辺部に配置される。集光部４０１は、境界線５０において接する低角度入射用集光素子４０１ａ及び高角度入射用集光素子４０１ｂで構成されている。低角度入射用集光素子４０１ａ及び高角度入射用集光素子４０１ｂは、撮像領域面において上記式１のΔｎ(ｘ)により規定された、互いに異なる屈折率分布を有している。なお、本発明の単位画素２１には、カラーフィルタ４０７が形成されていなくてもよい。また、カラーフィルタ４０７は、集光部４０１と同様に、画素ごとにシュリンク配置されていてもよい。これは、集光部４０１で集光された光がカラーフィルタ４０７の形成されていない画素境界を通ってしまうことを避けるためである。
【００７１】
図６（ｂ）に示されるように、低角度入射用集光素子４０１ａをシフト量Ｘａだけ単位画素２１の有する受光部４０４の中心からシフトさせることにより、低角度入射用集光素子４０１ａを通過して集光される入射光４０５ｂが受光部４０４に効率よく集光される。一方、シフト量Ｘａは、図６（ａ）に示されたように、入射角度の小さい光が入射する場合においても受光部４０４に効率よく集光させるよう制限される。すなわち、例えば、低角度入射用集光素子４０１ａで集光された入射光４０５ａが（図６（ａ）の左側の）Ａｌ配線４０６に干渉しないよう、シフト量Ｘａが大きすぎないような値に決定される。
【００７２】
このように、低角度入射用集光素子４０１ａを、広範囲の入射角度を有する入射光に対応するように、低角度入射用集光素子４０１ａのシフト量Ｘａが設定される。なお、シフト量Ｘａとは、低角度入射用集光素子４０１ａを構成する複数の光透過膜３３の有する同心点と受光部４０４の中心点との撮像領域の面方向における距離である。
【００７３】
また、図７（ｂ）に示されるように、高角度入射用集光素子４０１ｂをシフト量Ｘｂだけ単位画素２１の有する受光部４０４の中心からシフトさせることにより、高角度入射用集光素子４０１ｂを通過して集光される入射光４０５ｂが受光部４０４に効率よく集光される。一方、シフト量Ｘｂは、図７（ａ）に示されたように、入射角度の小さい光が入射する場合においても受光部４０４に効率よく集光させるよう制限される。すなわち、例えば、高角度入射用集光素子４０１ｂで集光された入射光４０５ａが（図７（ａ）の左側の）Ａｌ配線４０６に干渉しないよう、シフト量Ｘｂが大きすぎないような値に決定される。
【００７４】
このように、高角度入射用集光素子４０１ｂを、広範囲の入射角度を有する入射光に対応するように、高角度入射用集光素子４０１ｂのシフト量Ｘｂが設定される。なお、シフト量Ｘｂとは、高角度入射用集光素子４０１ｂを構成する複数の光透過膜３３の有する同心点と受光部４０４の中心点との撮像領域の面方向における距離である。
【００７５】
ここで、低角度入射用集光素子４０１ａのシフト量Ｘａと高角度入射用集光素子４０１ｂのシフト量Ｘｂとが異なるが、例えば、低角度入射用集光素子４０１ａと高角度入射用集光素子４０１ｂとが接する境界線５０を、受光部４０４の中心から（Ｘａ＋Ｘｂ）／２だけシフトさせることにより、図８に記載された集光部４０１が合成される。
【００７６】
図９は、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置と従来の固体撮像装置との集光効率の入射角度依存性を比較したグラフである。同図には、本発明の実施の形態に係る単位画素及び従来の単位画素について、光の入射角度に対する集光効率をシミュレーションした結果が示されている。シュリンク構造を有していない集光部を備えた従来の固体撮像装置の受光感度特性Ｃは、入射角度が大きくなるにつれて低下していくことがわかる。また、本発明のようなシュリンク構造を有さず、光の入射角度が２０度の場合に受光部へ最適に集光するよう、１つの集光素子で構成された集光部の受光感度特性Ｂは、入射角２０度では受光感度が高いが、２０度から外れるほど受光感度は低下していくことがわかる。
【００７７】
これに対し、本発明の集光部を有する固体撮像装置の受光感度特性Ａは、受光感度特性Ｂと入射角２０度の入射光では特性が同等であるにもかかわらず、２０度から外れた０度及び３０度の入射角度の光に対しても受光感度が高いことを示している。なお、受光感度特性Ａを実現する集光部は、具体的には、入射角度が３０度の場合に受光部に効率よく集光するための屈折率分布を有する集光素子と、入射角度が０度の場合に受光部に効率よく集光するための屈折率分布を有する集光素子とを、それぞれ異なるシフト量で受光部からシュリンクさせることにより形成されたものである。
【００７８】
以上、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置は、集光部４０１を備える単位画素２１が列状または行列状に配置され、集光部４０１を構成する低角度入射用集光素子４０１ａ及び高角度入射用集光素子４０１ｂが互いに異なる実効屈折率分布を有し、集光素子低角度入射用４０１ａ及び高角度入射用集光素子４０１ｂは撮像領域における位置に応じて互いに独立した間隔で配置されている。これにより、単位画素２１内の複数領域で独立した実効屈折率分布をもつ集光部４０１が形成されるので、主光線の入射角度が広範であっても、撮像領域にわたり高感度が維持され、感度ムラが低減される。さらに、集光部４０１の複数領域で独立したシュリンク構造がとられているので、単位画素ごとに統一されたシュリンク配置が適用される場合と比較して、高感度を維持できる主光線の入射角度の範囲をさらに広く設定することが可能となる。また、主光線の入射角度が広範囲であっても高感度を維持できる本発明の固体撮像装置を用いることにより、カメラに装着されるレンズが簡略化され、例えば、レンズ枚数を少なくすることが可能となる。
【００７９】
なお、本発明の固体撮像装置の有する集光部のレンズ形状は、上述した集光部のような１段構造ではなく、２段構成されたレンズ形状であってもよい。集光部のレンズ形状が２段以上の複数段であっても、本発明の実施の形態の集光部と同様の効果が奏される。
【００８０】
図１０は、本発明の実施の形態に係る変形例を示す２段構造の集光部を形成するための下段用マスクパターンを示す図であり、図１１は、本発明の実施の形態に係る変形例を示す２段構造の集光部を形成するための上段用マスクパターンを示す図である。図１０及び図１１には、本発明の固体撮像装置５００の有する撮像領域５１０における集光部の位置に対応させてマスクパターンが描かれている。
【００８１】
図１０には、撮像領域５１０の中心に位置する集光部の下段構造を実現するマスクパターン５０１Ｌ、撮像領域５１０の垂直方向周辺部に位置する集光部の下段構造を実現するマスクパターン５０２Ｌ、撮像領域５１０の水平方向周辺部に位置する集光部の下段構造を実現するマスクパターン５０３Ｌ、及び、撮像領域５１０の対角方向周辺部に位置する集光部の下段構造を実現するマスクパターン５０４Ｌが描かれている。
【００８２】
一方、図１１には、撮像領域５１０の中心に位置する集光部の上段構造を実現するマスクパターン５０１Ｈ、撮像領域５１０の垂直方向周辺部に位置する集光部の上段構造を実現するマスクパターン５０２Ｈ、撮像領域５１０の水平方向周辺部に位置する集光部の上段構造を実現するマスクパターン５０３Ｈ、及び、撮像領域５１０の対角方向周辺部に位置する集光部の上段構造を実現するマスクパターン５０４Ｈが描かれている。図１０及び図１１に描かれたマスクパターンの黒色部が光透過膜の形成部となる。ただし、下段構造のマスクパターンの白色部にはレジスト等が形成されないため、当該白色部に対応する上段構造のマスクパターンの黒色部には光透過膜は形成されない。
【００８３】
図１２は、上段構造及び下段構造のマスクパターン上面図とそれらに対応して形成された２段構造の集光素子の断面図である。同図には、撮像領域の中心付近の集光部の下段構造を実現するマスクパターン５０１Ｌと、上段構造を実現するマスクパターン５０１Ｈと、これらにより形成された集光部６０１とが描かれている。集光部６０１は、下段形成用のマスクパターン５０１Ｌにより形成された下段集光部６０１Ｌと、上段形成用のマスクパターン５０１Ｈにより形成された上段集光部６０１Ｈとで構成される。
【００８４】
上述した２段構造の集光部を有する固体撮像装置においても、当該２段構造の集光部が、撮像領域面において異なる屈折率分布を有する２つの２段構造集光素子で構成されており、それらが境界線において互いに接していることにより、上記実施の形態で説明した固体撮像装置と同様の効果が奏される。
【００８５】
以上、本発明の固体撮像装置及びカメラについて、実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明に係る固体撮像装置は、上記実施の形態に限定されるものではない。上記実施の形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、上記実施の形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る固体撮像装置を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。
【００８６】
なお、上記実施の形態では、ＣＭＯＳ型の固体撮像装置を例に挙げたが、本発明は、これにとらわれることなく、ＣＣＤ型の固体撮像装置でも同様の効果が得られる。また、固体撮像装置の形態として表面照射型であっても裏面照射型であっても同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明の固体撮像装置は、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ又はカメラ付携帯電話機などに利用が可能であり、産業上有用である。
【符号の説明】
【００８８】
１０    画素部
１１、２１    単位画素
１４    垂直走査回路
２５    ＡＤ変換回路
２７    参照信号生成部
２８    出力Ｉ／Ｆ
３０    通信・タイミング制御部
３３    光透過膜
４２    カラムアンプ
５０    境界線
１００、３００、５００    固体撮像装置
１０２、４０２、９０２    絶縁層
１０１、３０１、３０２、３０３、３０４、４０１、６０１、９０１ａ、９０１ｂ    集光部
１０１Ａ、１０１Ｂ、３０２Ａ、３０２Ｂ、３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃ、３０３Ａ、３０３Ｂ、３０４Ａ、３０４Ｂ    集光素子
１０３、４０３    Ｓｉ基板
１０４、４０４、９０４    受光部
１０６、４０６    Ａｌ配線
１０７、４０７    カラーフィルタ
１１０    レンズ
１２０    ＤＳＰ
１２１    画像処理回路
１２２    カメラシステム制御部
１３０    画像表示デバイス
１４０    画像メモリ
３１０、５１０、８０２    撮像領域
４０１ａ    低角度入射用集光素子
４０１ｂ    高角度入射用集光素子
４０５ａ、４０５ｂ、９０５ａ、９０５ｂ    入射光
５０１Ｈ、５０１Ｌ、５０２Ｈ、５０２Ｌ、５０３Ｈ、５０３Ｌ、５０４Ｈ、５０４Ｌ    マスクパターン
６０１Ｈ    上段集光部
６０１Ｌ    下段集光部
８０１    レンズ
８０３、８０４    画素
８０５、８０６    主光線
９０３    基板
【図１】
2012109468.tif 000003
【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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