(57)【要約】【課題】様々なレンズを交換して使用する１眼レフの撮像レンズをデジタルカメラ等に用いたときでも、周辺部まで明るい画像が撮像できる固体撮像装置及び撮像装置を提供する。【解決手段】受光面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、一の単位画素は、異なる実効屈折率分布を有する、互いに接する２つの集光素子１Ａ及び１Ｂを有し、集光素子１Ａ及び１Ｂは、境界線上における共通の同心点を有する円弧形状の複数の光透過膜から構成され、集光素子１Ａの有する複数の光透過膜の各々と、集光素子１Ｂの有する複数の光透過膜の各々とが、上記境界線において連続するよう組み合わされていることにより、単位画素内に上記同心点を中心とした円環状の複数の光透過膜３３が形成されており、複数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、複数の光透過膜の少なくとも一部は、楕円形状である。【選択図】図７
2012094601.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光面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、
一の単位画素は、前記受光面において異なる実効屈折率分布を有する、前記単位画素内の境界線において互いに接する２つの集光素子を有し、
前記２つの集光素子の各々は、前記境界線上における共通の同心点を有する円弧形状の複数の光透過膜から構成され、
前記２つの集光素子の一方の有する前記複数の光透過膜の各々と、前記２つの集光素子の他方の有する前記複数の光透過膜の各々とが、前記境界線において連続するよう組み合わされていることにより、前記単位画素内に前記同心点を中心とした円環状の複数の光透過膜が形成されており、
前記複数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、
前記複数の光透過膜の少なくとも一部は、楕円形状である
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記円弧形状は、楕円形状であり、
異なる長軸および異なる短軸を有する２種類以上の楕円形状の光透過膜が前記境界線において連続するよう組み合わされて形成され、
前記円環状の複数の光透過膜の各々は、前記境界線に対し非対称である
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記円弧形状は、楕円形状であり、
同一の長軸および同一の短軸を有する２以上の楕円形状の光透過膜が前記境界線において連続するよう組み合わされて形成され、
前記円環状の複数の光透過膜の各々は、前記境界線に対し対称であり、
前記境界線は、前記受光面において前記単位画素の画素中心からシフトしている
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記楕円形状の長軸及び短軸は、前記境界線、または、前記受光面内であって前記境界線に垂直な線と一致しており、前記長軸と前記短軸とは直交している
ことを特徴とする請求項２または３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記単位画素の有する前記楕円形状の長軸および短軸は、撮像領域の基準点からの前記単位画素の位置を表す位置ベクトルと、受光面内で直交または平行している
ことを特徴とする請求項２〜４のうちいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
請求項１〜５のうちいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
前記受光面の上部に、光を入射させるための撮像レンズとを備え、
前記撮像レンズは、入射光を前記受光面に広角に入射させる第１撮像レンズと、入射光を前記受光面にテレセントリックに入射させる第２撮像レンズとを有する交換レンズである
ことを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルカメラ等に使用される固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタルカメラやカメラ付携帯電話機等の普及に伴い、固体撮像装置の市場は著しく拡大してきた。また、広角から望遠まで、さまざまなレンズを交換して使用する１眼レフ（１眼ミラーレス）のデジタルカメラが普及してきている。
【０００３】
また、デジタルカメラ等の薄型化に対する要望は依然として強い。これは、言い換えれば、カメラ部分に用いるレンズが短焦点になるということであり、固体撮像装置に入射する光は広角（固体撮像装置の入射面の垂直軸から測定して大きな角度）になることを意味する。
【０００４】
このような広角入射光に係る課題を解決するために、入射光の波長と同程度かそれよりも小さな微細構造を形成し、これによって実効屈折率を有する屈折率分布型レンズを実現する固体撮像装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
具体的には、従来の固体撮像装置における撮像領域の中心部では、単位画素の中心に対して対称な実効屈折率分布を有する屈折率分布型レンズが、入射光の波長と同程度か、それより短い線幅で分割された同心構造の複数のゾーン領域の組み合わせによって形成されている。また、同固体撮像装置の撮像領域の周辺部では、単位画素の中心に対して非対称な実効屈折率分布を有する屈折率分布型レンズが、入射光の波長と同程度かそれより短い線幅で分割された同心構造の複数のゾーン領域として組み合わされ、かつ、その同心構造の中心が単位画素の中心とずらして（オフセットさせて）形成されている。上記構成によれば、固体撮像装置の周辺部に入射する光が、入射面の垂直軸に対して大きな角度で斜め入射しても、受光素子に入射光を高効率に集光させることができる。よって、周辺部の撮像領域と中心部の撮像領域とが同等の感度を有する固体撮像装置を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−３５１９７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）やＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサ等の固体撮像装置では、受光部分を有する半導体集積回路（単位画素）を２次元に複数配列して、被写体からの光信号を電気信号に変換している。ここで、固体撮像装置の感度は、入射光量に対する受光素子の出力電流の大きさによって定義されていることから、入射した光を確実に受光素子に導入することが感度向上のためには重要な要素となっている。
【０００８】
図１０は、固体撮像装置における一般的な単位画素の基本構造の一例を示す図である。同図に示されるように、マイクロレンズ５０１に垂直に入射した入射光５５６（破線で示した光）は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）のうち、何れかのカラーフィルタ５０２によって色分離された後、受光素子５０６において電気信号への変換がなされる。この構成により、比較的高い集光効率が得られることから、マイクロレンズ５０１は、ほとんど全ての固体撮像装置において使用されている。
【０００９】
しかしながら、マイクロレンズ５０１が配置された固体撮像装置５００の場合には、集光効率は信号光の入射角度に依存して低下する。つまり、図１０に示されるように、マイクロレンズ５０１に垂直に入射してくる光（破線で示した入射光５５６）については高効率に集光することができるが、斜めに入射してくる光（実線で示した入射光５５７）に対しては集光効率が減少する。これは、斜め入射の光５５７が画素中のＡl配線５０３に遮光されてしまい、受光素子５０６まで到達できないためである。
【００１０】
上述したように、固体撮像装置は、複数の単位画素の２次元配列で構成されているため、広がり角を持つ入射光の場合、中央の単位画素と周辺の単位画素とでは入射角が異なる。その結果、周辺の単位画素の集光効率が中央の単位画素より低下するという問題が起こる。
【００１１】
図１１は、一般的な固体撮像装置の周辺の単位画素の構造例を示す図である。同図に示された固体撮像装置は、周辺の単位画素では入射光５５７の入射角度が大きくなり集光効率が減少するという問題に対して、Ａl配線５０３と受光素子５０６とを外側方向（端より）にずらす（シュリンクさせる）ことによって、集光効率の向上を図っている。
【００１２】
図１２は、一般的なマイクロレンズを用いた固体撮像装置の集光効率の入射角度依存性を表すグラフである。同図に示されるように、入射角度が２０°程度までの光に対しては高効率に集光できていることがわかる。しかしながら、それ以上の入射角度になると、集光効率は急激に減少する。つまり、従来の固体撮像装置５１０における周辺付近の単位画素の光量は、その中央付近の単位画素の約４０％程度であり、固体撮像装置５１０全体の感度は、周辺付近の単位画素の感度に律速されているのが現状である。また、この値は画素サイズの減少に伴ってさらに低下するため、小型のデジタルカメラのような短焦点光学系への応用が非常に困難になる。さらに、製造工程においては、現状以上の回路シュリンクができないといった問題もある。
【００１３】
さらに、上記特許文献１に記載された技術を用いた固体撮像装置は、単位画素の位置に応じて、実効屈折率が異なる屈折率分布型レンズを搭載することが開示されている。図１３（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、特許文献１に記載された固体撮像装置に入射光５５０が広角入射した場合の、各撮像領域における単位画素の基本構造の一例を示す断面図、各撮像領域における単位画素の有する集光素子の上面図の一例、及び各撮像領域における単位画素の有する集光素子の実効屈折率の変化を表すグラフの一例である。図１３（ａ）〜（ｃ）に示されるように、広角入射光用の撮像レンズに対しては、撮像領域中央部、撮像領域中間部及び撮像領域周辺部のそれぞれにおいて、実効屈折率が異なる屈折率分布型レンズである集光素子５２１が搭載されている。これにより、撮像領域周辺部に入射面の垂直軸に対して大きな角度で（斜めに）入射光が入射した場合であっても、撮像領域周辺部の単位画素は、受光素子５０６に入射光を集光することができ、撮像領域中心部の単位画素と同等の感度を得ることができる。
【００１４】
しかしながら、１眼レフのデジタルカメラにおいては、光が広角入射する場合に対応したレンズばかりでなく、固体撮像装置に対して光がテレセントリック（光軸と主光線がほぼ平行）に入射する場合に対応した撮像レンズも用いられる。図１４（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、特許文献１に記載された固体撮像装置に光がテレセントリック入射した場合の、各撮像領域における単位画素の基本構造の一例を示す断面図、各撮像領域における単位画素の有する集光素子の上面図の一例、及び各撮像領域における単位画素の有する集光素子の実効屈折率の変化を表すグラフの一例である。かかる場合、広角入射光に適した屈折率分布型レンズを搭載した固体撮像装置５１０では、図１４（ａ）〜（ｃ）に示されるように、撮像領域周辺部では、必要以上に光が大きく曲がるため、受光素子５０６に到達する光が減少し、画像の周辺部が暗くなってしまう。
【００１５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、広角から望遠まで、様々なレンズを交換して使用する１眼レフの撮像レンズをデジタルカメラ等に用いたときでも、周辺部まで明るい画像が撮像できる固体撮像装置及び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】
【００１６】
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、受光面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、一の単位画素は、前記受光面において異なる実効屈折率分布を有する、前記単位画素内の境界線において互いに接する２つの集光素子を有し、前記２つの集光素子の各々は、前記境界線上における共通の同心点を有する円弧形状の複数の光透過膜から構成され、前記２つの集光素子の一方の有する前記複数の光透過膜の各々と、前記２つの集光素子の他方の有する前記複数の光透過膜の各々とが、前記境界線において連続するよう組み合わされていることにより、前記単位画素内に前記同心点を中心とした円環状の複数の光透過膜が形成されており、前記複数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、前記複数の光透過膜の少なくとも一部は、楕円形状であることを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、単位画素に入射する光が広角からテレセントリックまで変化したとしても、撮像領域周辺部まで明るい画像が撮像できる。また、２つの円弧状の集光素子から円環状の複数の光透過膜を構成することにより、２つの集光素子の間に生じる不連続な境界を連続的に変化させることができる。よって、集光特性の低下を抑制しつつ、集光素子の安定化及び製造コストの低下、さらに固体撮像装置の歩留まり向上が可能となる。
【００１８】
また、前記円弧形状は、楕円形状であり、異なる長軸および異なる短軸を有する２種類以上の楕円形状の光透過膜が前記境界線において連続するよう組み合わされて形成され、前記円環状の複数の光透過膜の各々は、前記境界線に対し非対称であってもよい。
【００１９】
これにより、２つの集光素子の形状を楕円形状とすることにより、２つの集光素子の実効屈折率分布を異ならせながらも、異なる長軸及び異なる短軸を最適に組み合わせることにより、２つの集光素子の境界部においても光透過膜が連続的に変化する構造が実現可能となるとともに、撮像領域周辺部における集光特性の低下を抑制することが可能となる。
【００２０】
また、前記円弧形状は、楕円形状であり、同一の長軸および同一の短軸を有する２以上の楕円形状の光透過膜が前記境界線において連続するよう組み合わされて形成され、前記円環状の複数の光透過膜の各々は、前記境界線に対し対称であり、前記境界線は、前記受光面において前記単位画素の画素中心からシフトしていてもよい。
【００２１】
これにより、２つの集光素子の形状を楕円形状とすることにより、２つの集光素子の実効屈折率分布を異ならせながらも、同一の長軸及び同一の短軸を有する２つの集光素子の境界部を画素中心からシフトさせることにより、２つの集光素子の境界部においても光透過膜が連続的に変化する構造が実現可能となるとともに、撮像領域周辺部における集光特性の低下を抑制することが可能となる。
【００２２】
また、前記楕円形状の長軸及び短軸は、前記境界線、または、前記受光面内であって前記境界線に垂直な線と一致しており、前記長軸と前記短軸とは直交していることが好ましい。
【００２３】
これにより、光が広角からテレセントリックまで変化したとしても、境界領域を連続的に変化させることができ、集光特性の低下を抑制することが可能となる。
【００２４】
また、前記単位画素の有する前記楕円形状の長軸および短軸は、撮像領域の基準点からの前記単位画素の位置を表す位置ベクトルと、受光面内で直交または平行していてもよい。
【００２５】
これにより、撮像領域における単位画素の位置に応じて、光透過膜の楕円形状の有する長軸及び短軸の撮像面内方向を変化させることができる。つまり、２つの集光素子の配置を、単位画素における上下配置または左右配置のほか、斜め配置などにも適用することが可能となる。
【００２６】
また、上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る撮像装置は、上述した固体撮像装置のいずれかと、前記受光面の上部に、光を入射させるための撮像レンズとを備え、前記撮像レンズは、入射光を前記受光面に広角に入射させる第１撮像レンズと、入射光を前記受光面にテレセントリックに入射させる第２撮像レンズとを有する交換レンズであることを特徴とする。
【００２７】
上記構成によれば、広角入射用及びテレセントリック入射用のいずれの撮像レンズが選択されても、撮像領域周辺部まで明るい画像が撮像できる。また、集光特性の低下を抑制しつつ、集光素子の安定化及び製造コストの低下、ひいては撮像装置の歩留まり向上が可能となる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の固体撮像装置によれば、単位画素に入射する光が広角からテレセントリック（光軸と主光線がほぼ平行）まで変化した場合であっても、撮影時に周辺部が暗くなってしまうことを回避することができる。また、異なる実効屈折率分布を有する２つの円弧状の集光素子の間に生じる不連続な境界を楕円形状として連続的に変化させることで、集光特性の低下を抑制しつつ、集光素子の安定化および製造コストの低下、さらに固体撮像装置の歩留まり向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態に係る撮像装置（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詳細な構成を示す図である。
【図３】撮像レンズから光が広角に固体撮像装置に入射する様子を示す図である。
【図４】撮像レンズから光がテレセントリック（光軸と主光線がほぼ平行）に固体撮像装置に入射する様子を示す図である。
【図５】（ａ）は、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の撮像領域毎の単位画素の基本構造の一例を示す断面図であり、光がテレセントリックに入射した場合の集光の様子を示す図である。（ｂ）は、本発明の固体撮像装置の各撮像領域における単位画素の集光素子の上面図の一例である。（ｃ）は、本発明の固体撮像装置の各撮像領域の単位画素における集光素子の実効屈折率の変化を示すグラフの一例である。
【図６】（ａ）は、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の撮像領域毎の単位画素の基本構造の一例を示す断面図であり、光が広角に入射した場合の集光の様子を示す図である。（ｂ）は、本発明の固体撮像装置の各撮像領域における単位画素の集光素子の上面図の一例である。（ｃ）は、本発明の固体撮像装置の各撮像領域の単位画素における集光素子の実効屈折率の変化を示すグラフの一例である。
【図７】撮像領域周辺部に配置された本発明の集光素子の上面図の第一の例である。
【図８】撮像領域周辺部に配置された本発明の集光素子の上面図の第二の例である。
【図９】従来の固体撮像装置と本発明の実施の形態に係る固体撮像装置との集光効率の入射角度依存性の比較を表すグラフである。
【図１０】固体撮像装置における一般的な単位画素の基本構造の一例を示す図である。
【図１１】一般的な固体撮像装置の周辺の単位画素の構造例を示す図である。
【図１２】一般的なマイクロレンズを用いた固体撮像装置の集光効率の入射角度依存性を表すグラフである。
【図１３】（ａ）は、特許文献１に記載された固体撮像装置に光が広角入射した場合の、各撮像領域における単位画素の基本構造の一例を示す断面図である。（ｂ）は、特許文献１に記載された固体撮像装置に光が広角入射した場合の、各撮像領域における単位画素の有する集光素子の上面図の一例である。（ｃ）は、特許文献１に記載された固体撮像装置に光が広角入射した場合の、各撮像領域における単位画素の有する集光素子の実効屈折率の変化を表すグラフの一例である。
【図１４】（ａ）は、特許文献１に記載された固体撮像装置に光がテレセントリック入射した場合の、各撮像領域における単位画素の基本構造の一例を示す断面図である。（ｂ）は、特許文献１に記載された固体撮像装置に光がテレセントリック入射した場合の、各撮像領域における単位画素の有する集光素子の上面図の一例である。（ｃ）は、特許文献１に記載された固体撮像装置に光がテレセントリック入射した場合の、各撮像領域における単位画素の有する集光素子の実効屈折率の変化を表すグラフの一例である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
（実施の形態）
以下、本発明の実施の形態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。
【００３１】
図１は、本発明の実施の形態に係る撮像装置（カメラ）の概略構成を示す図である。また、図２は、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の詳細な構成を示す図である。図１に記載された撮像装置は、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。
【００３２】
なお、一眼デジタルカメラでは、レンズ１１０は交換レンズである。但し、本発明は、一眼デジタルカメラのように交換レンズを用いるカメラに限定されるものではなく、例えば、交換レンズではなくても１０倍以上の高倍率ズームが出来るレンズが搭載された撮像装置（カメラ）などにも用いることが出来る。
【００３３】
図３は、撮像レンズから光が広角に固体撮像装置に入射する様子を示す図である。同図に示されるように、光を広角入射させる場合には、レンズ１１０として撮像レンズ１１０Ａが選択される。また、図４は、撮像レンズから光がテレセントリック（光軸と主光線がほぼ平行）に固体撮像装置に入射する様子を示す図である。同図に示されるように、光をテレセントリックに入射させる場合には、レンズ１１０として撮像レンズ１１０Ｂが選択される。
【００３４】
本発明の実施の形態に係る撮像装置では、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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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及び図２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、信号保持スイッチ２６３と、信号保持容量２６２と、カラムアンプ４２とを備える。以下、図２を参照して、固体撮像装置１００の機能について説明する。
【００３８】
画素部１０は、複数の単位セル１０Ａ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１０Ａ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１０Ａは、垂直走査回路１４で制御される信号線と、単位セル１０Ａからの電圧信号をＡＤ変換回路２５に伝達する垂直信号線１９とに接続される。
【００３９】
垂直走査回路１４は、単位セル１０Ａを垂直方向に行単位で走査し、垂直信号線１９に電圧信号を出力させる単位セル１０Ａの行を選択する。
【００４０】
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ＣＬＫ０およびデータＤＡＴＡ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。
【００４１】
参照信号生成部２７は、ＡＤ変換回路２５のカラムＡＤ（カラムアナログ／デジタルコンバータ）回路２６にＡＤ変換用の参照電圧ＲＡＭＰを供給するＤＡＣ（デジタル／アナログコンバータ）２７ａを有する。
【００４２】
カラムアンプ４２、信号保持スイッチ２６３および信号保持容量２６２は、単位セル１０Ａ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１０Ａから出力された電圧信号を増幅し、信号保持容量２６２は信号保持スイッチ２６３を介して伝達されてきた増幅された電圧信号を保持する。カラムアンプ４２を設けることで、単位セル１０Ａ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。
【００４３】
ＡＤ変換回路２５は、単位セル１０Ａの列に対応して設けられたカラムＡＤ回路２６を複数有する。カラムＡＤ回路２６は、ＤＡＣ２７ａで生成される参照電圧ＲＡＭＰを用いて、単位セル１０Ａから出力された信号保持容量２６２のアナログの電圧信号をデジタル信号に変換する。
【００４４】
カラムＡＤ回路２６は、電圧比較部２５２、スイッチ２５８およびデータ記憶部２５６から構成される。電圧比較部２５２は、単位セル１０Ａから垂直信号線１９（Ｈ０、Ｈ１、・・・）および信号保持容量２６２を経由して得られるアナログの電圧信号を参照電圧ＲＡＭＰと比較する。データ記憶部２５６は、電圧比較部２５２が比較処理を完了するまでの時間とカウンタ部２５４を利用してカウントした結果とを保持するメモリとして構成される。
【００４５】
電圧比較部２５２の一方の入力端子には、他の電圧比較部２５２の入力端子と共通に、ＤＡＣ２７ａで生成される階段状の参照電圧ＲＡＭＰが入力され、他方の入力端子には、それぞれ対応する列の信号保持容量２６２が接続され、画素部１０から電圧信号が入力される。電圧比較部２５２の出力信号はカウンタ部２５４に供給される。
【００４６】
カラムＡＤ回路２６は、電圧比較部２５２に参照電圧ＲＡＭＰが供給されると同時にクロック信号でのカウント（計数）を開始し、信号保持容量２６２を介して入力されたアナログの電圧信号を参照電圧ＲＡＭＰと比較することによってパルス信号が得られるまでカウントすることでＡＤ変換を行う。
【００４７】
この際、カラムＡＤ回路２６は、ＡＤ変換とともに、信号保持容量２６２を介して入力された電圧モードの画素信号（電圧信号）に対して、画素リセット直後の信号レベル（ノイズレベル）と真の（受光光量に応じた）信号レベルＶｓｉｇとの差分をとる処理を行う。これによって、固定パターンノイズ（ＦＰＮ：Ｆｉｘｅｄ  Ｐａｔｔｅｒｎ  Ｎｏｉｓｅ）およびリセットノイズ等と呼ばれるノイズ信号成分を電圧信号から取り除くことができる。
【００４８】
なお、カラムＡＤ回路２６は、ノイズレベルをダウンカウントし、信号レベルをアップカウントすることで真の信号レベルＶｓｉｇのみを取り出す構成であり、このカラムＡＤ回路２６でデジタル化された信号は、水平信号線１８を介して出力Ｉ／Ｆ２８に入力される。
【００４９】
なお、図１及び図２に示した固体撮像装置１００は、カラムＡＤ回路２６を搭載しているが、ＡＤ回路は固体撮像装置の外に構成されていても良い。
【００５０】
以上、この構成により、画素部１０からは、単位セル１０Ａ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。
【００５１】
次に、固体撮像装置１００の有する単位画素の構成について説明する。
【００５２】
図５（ａ）は、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の撮像領域毎の単位画素の基本構造の一例を示す断面図であり、光がテレセントリックに入射した場合の集光の様子を示す図である。また、図５（ｂ）は、本発明の固体撮像装置の各撮像領域における単位画素の集光素子の上面図の一例である。
【００５３】
図５（ａ）に示されるように、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置１００の撮像領域中央部又は撮像領域周辺部の何れにおいても、各単位画素（サイズ□５．６［μｍ］）は、分布屈折率型レンズの集光素子１と、カラーフィルタ２と、Ａl配線３と、受光素子（Ｓiフォトダイオード）６と、Ｓｉ基板７とを備える。集光素子１の膜厚は、例えば、１．２μｍである。
【００５４】
また、図５（ｂ）に示されるように、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置１００は、マイクロレンズである集光素子１を備える単位画素１１が、受光面内において行列状に配置されている。撮像領域周辺部に配置された一の単位画素１１は、異なる実効屈折率分布を有する２つの円弧形状の集光素子１Ａ及び１Ｂを有し、当該２つの円弧形状の集光素子１Ａ及び１Ｂは、集光素子１Ａと集光素子１Ｂとが接する境界線における共通の同心点を有する円弧形状の複数の光透過膜３３から構成される。集光素子１は、集光素子１Ａ及び集光素子１Ｂを有する。
【００５５】
また、集光素子１Ａの有する複数の光透過膜の各々と、集光素子１Ｂの有する複数の光透過膜の各々とが、上記境界線において連続するよう組み合わされていることにより、単位画素１１内に上記同心点を中心とした円環状の複数の光透過膜３３が形成されている。また、各々の光透過膜３３の線幅は、入射光の波長と同程度かそれよりも短く、光透過膜３３の少なくとも一部は、楕円形状である。
【００５６】
図５（ｂ）に示された集光素子１の構造は、光透過膜３３であるＳiＯ2（ｎ＝１．４５）と空気３４（ｎ＝１．０）とで形成された微細な円環状の構造である。さらに、撮像領域中央部の単位画素１１の集光素子１においては、隣り合う光透過膜３３の内周半径差３５は、約３００［ｎｍ］である。また、隣り合う光透過膜３３の内周半径差３６は、内周半径差３５より小さく、内周半径差３５＞内周半径差３６の関係にある。ここで、集光素子１を内周半径差の幅でドーナツ状に分割した領域をゾーン領域という。
【００５７】
また、光透過膜３３の線幅は、その中心部分が最も大きく、外側のリングになるに従って順に小さくなっていく。この場合、ゾーン領域の幅が、入射光の波長と同程度かそれより小さいときには、光が感じる実効屈折率は、光透過膜３３であるＳiＯ2（ｎ＝１．４５）と空気３４（ｎ＝１．０）との集光素子内における体積比によって算出できる。このように、本発明における固体撮像装置は、上記構造の線幅、即ち、光透過膜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している。
【００５８】
図５（ｃ）は、本発明の固体撮像装置の各撮像領域の単位画素における集光素子の実効屈折率の変化を示すグラフの一例である。同図に記載されたグラフは、各撮像領域における単位画素の有する集光素子の実効屈折率についての、撮像面における水平方向の変化を表している。
【００５９】
例えば、図５（ｃ）の撮像領域中央部の集光素子１における実効屈折率の表す放物線は、入射光を焦点距離ｆで集光させるための実効屈折率分布を示しており、下の式で表される。
【００６０】
【数１】
2012094601.tif 000003
【００６１】
ここで、Ａ、Ｂ、Ｃは定数であり、Δｎmaxは光透過膜材料の屈折率差であり、本実施の形態では、ＳiＯ2と空気の屈折率差である０．４５となる。
【００６２】
また、上記式１における各パラメータは、入射側媒質の屈折率をｎ0、出射側媒質の屈折率をｎ1としたとき、以下の通りである。
【００６３】
【数２】
2012094601.tif 000004
【数３】
2012094601.tif 000005
【数４】
2012094601.tif 000006
【００６４】
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及び波長毎に、レンズを最適化することが可能となる。なお、上記式１において、集光成分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。
【００６５】
なお、図５（ｃ）に示されるように、撮像領域中央部では、単位画素の中心に対して対称な実効屈折率分布をしている。このように、撮像領域中央部では、常に光軸に対して平行な光が入射するので、従来のマイクロレンズと同様に、図５（ａ）に示された撮像領域中央部の単位画素１１のように、受光素子６の中心に対して対称に集光するように設計されている。
【００６６】
一方、図５（ａ）に示された撮像領域周辺部の単位画素１１のように、撮像領域周辺部に位置している単位画素１１の集光素子１においては、テレセントリック（光軸と主光線がほぼ平行）に入射した光が単位画素１１の中心側の半分に形成された集光素子１Ａと周辺側の半分に形成された集光素子１Ｂとによって、受光素子６上の位置（撮像領域の中央寄り）に焦点を結ぶ。このように、撮像領域周辺部の単位画素１１は、集光素子１Ａ及び１Ｂの焦点が重なるように集光する。
【００６７】
これに対し、図６（ａ）は、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置の撮像領域毎の単位画素の基本構造の一例を示す断面図であり、光が広角に入射した場合の集光の様子を示す図である。また、図６（ｂ）は、図５（ｂ）と同様、本発明の固体撮像装置の各撮像領域における単位画素の集光素子の上面図の一例である。図６（ｃ）は、図５（ｃ）と同様、本発明の固体撮像装置の各撮像領域の単位画素における集光素子の実効屈折率の変化を示すグラフの一例である。
【００６８】
図６（ａ）に示された撮像領域周辺部の単位画素１１のように、撮像領域周辺部に位置している単位画素１１の集光素子１においては、交換後のレンズの特性によって光の入射角が変化することに対応させて、撮像領域周辺部に近づくほど実効屈折率分布の対称性を崩し、実効屈折率分布の右半分の立下り度合いが大きくなるように設計されている。
【００６９】
これにより、例えば、図６（ａ）に示された撮像領域周辺部に位置する単位画素１１の集光素子１では、広角に入射した光が単位画素１１の中心側の半分に形成された集光素子１Ａと周辺側の半分に形成された集光素子１Ｂによって、受光素子６上の位置（撮像領域の周辺寄り）に焦点を結ぶ。
【００７０】
ここで、集光素子１の平面形状について詳細に説明する。
【００７１】
図７は、撮像領域周辺部に配置された本発明の集光素子の上面図の第一の例である。同図に示されるように、本発明の実施の形態に係る撮像領域周辺部の単位画素１１の集光素子１は、単位画素１１の左右領域を等分割する中央垂直線４８に対して非対称な２つの異なる実効屈折率分布を有する楕円構造５０、５１から構成されており、中央垂直線４８上で光透過膜３３および３４は互いに連続的に変化している。なお、本実施の形態では、単位画素１１の左右領域を等分割する中央垂直線４８とは、２つの集光素子１Ａ及び１Ｂが接する境界線である。
【００７２】
このとき、非対称な楕円構造５０及び５１は、それぞれ、式５及び式６で表される。
【００７３】
楕円構造５０の構造式：
【数５】
2012094601.tif 000007
【００７４】
楕円構造５１の構造式：
【数６】
2012094601.tif 000008
【００７５】
ここで、ｘ及びｙは、それぞれ、単位画素１１の画素中心を原点とした場合の、単位画素１１の撮像面における水平方向及び垂直方向の座標である。また、ｒａ及びｒｂは、それぞれ、集光素子１Ａの有する楕円構造５０の長軸及び短軸の半分の長さであり、ｒｂ及びｒｃは、それぞれ、集光素子１Ｂの有する楕円構造５１の長軸及び短軸の半分の長さである。また、ｉ及びｊは、それぞれ、楕円構造５０及び５１を形成する複数の光透過膜の番号であり、最も内側に位置する光透過膜をｉ＝１及びｊ＝１としている。つまり、上述した中央垂直線４８はｙ軸であり、単位画素１１の上下領域を等分割する中央水平線４９はｘ軸に相当する。つまり、楕円形状の長軸及び短軸は、中央垂直線４８であるｙ軸、または、中央垂直線４８に垂直なｘ軸と一致しており、長軸と短軸とは直交している。
【００７６】
上記式５及び式６から明らかなように、y軸上にあって楕円構造５０の短軸であるｒｂ（ｉ）と、y軸上にあって楕円構造５１の長軸であるｒｂ（ｊ）とは一致している。また、撮像面に垂直な軸と上記長軸及び上記短軸とは垂直の関係であり、上記長軸と上記短軸とは直交する。
【００７７】
つまり、複数の光透過膜の各々は楕円形状を有し、異なる長軸および異なる短軸を有する２種類以上の楕円構造５０及び５１が組み合わされて形成されていることにより、集光素子１Ａ及び１Ｂから構成される円環状の複数の光透過膜３３は、２つの集光素子１Ａ及び１Ｂが接する境界線である中央垂直線４８に対し非対称となっている。
【００７８】
このように、集光素子１Ａ及び１Ｂの形状を楕円形状とすることにより、集光素子１Ａ及び１Ｂの領域における実効屈折率分布を異ならせながらも、集光素子１Ａ及び１Ｂの境界部においても光透過膜３３が連続的に変化する構造が実現可能となる。
【００７９】
図８は、撮像領域周辺部に配置された本発明の集光素子の上面図の第二の例である。同図に記載された集光素子１は、左領域に形成された集光素子１Ｃと、右領域に形成された集光素子１Ｄから構成される。また、上記右領域と上記左領域とは、中央垂直線４８で分割されておらず、中央垂直線４８がオフセットされたオフセット線５４で分割されている。本実施の形態に係る第二の例では、同一の長軸および同一の短軸の楕円形状を有する集光素子１Ｃ及び１Ｄを、画素中心から入射角度に合わせてオフセットさせた構造を有する集光素子であっても、本実施の形態に係る第一の例に示された構造と同等の特性を得ることができる。
【００８０】
このとき、楕円構造５２及び５３は、画素中心からのオフセット量を（ｘ０、ｙ０）とすると、式７で表される。
【００８１】
楕円構造５２及び５３の構造式：
【数７】
2012094601.tif 000009
【００８２】
ここで、ｒａ及びｒｂは、それぞれ、楕円構造５２及び５３の短軸の半分の長さ、長軸の半分の長さである。また、ｉは楕円構造５２及び５３を形成する複数の光透過膜の番号であり、最も内側に位置する光透過膜をｉ＝１とした時の番号である。この構成において、楕円形状の長軸及び短軸は、オフセット線５４、または、オフセット線５４に垂直な線であるｘ軸と一致しており、長軸と短軸とは直交している。
【００８３】
つまり、複数の光透過膜の各々は楕円形状を有し、同一の長軸および同一の短軸を有する２以上の楕円構造５２及び５３が組み合わされて形成されていることにより、集光素子１Ｃ及び１Ｄから構成される円環状の複数の光透過膜３３は、２つの集光素子１Ｃ及び１Ｄが接する境界線であるオフセット線５４に対し対称となっている。
【００８４】
この構造においても、集光素子１Ｃ及び１Ｄの形状を楕円形状とすることにより、集光素子１Ｃ及び１Ｄの領域における実効屈折率分布を異ならせながらも、集光素子１Ｃ及び１Ｄの境界部においても光透過膜３３が連続的に変化する構造が実現可能となる。
【００８５】
図９は、従来の固体撮像装置と本発明の実施の形態に係る固体撮像装置との集光効率の入射角度依存性の比較を表すグラフである。
【００８６】
図７及び図８に示された集光素子構造をとることにより、単位画素１１に入射する光が広角からテレセントリック（光軸と主光線がほぼ平行）まで変化したとしても、境界領域を連続的に変化させることで集光特性の低下を抑制した結果、図９の●印に示されるように、光の入射角特性がフラットとなり、周辺部まで明るい画像を撮像することが可能となる。
【００８７】
以上説明した通り、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置は、受光面に行列状に配置された単位画素を有する固体撮像装置であって、一の単位画素は、受光面において異なる実効屈折率分布を有する、単位画素内の境界線において互いに接する２つの集光素子を有し、２つの集光素子の各々は、上記境界線上において共通の同心点を有する円弧形状の複数の光透過膜から構成され、２つの集光素子の一方の有する複数の光透過膜の各々と、２つの集光素子の他方の有する複数の光透過膜の各々とが、上記境界線において連続するよう組み合わされていることにより、単位画素内に上記同心点を中心とした円環状の複数の光透過膜が形成されており、複数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、複数の光透過膜の少なくとも一部は、楕円形状であることを特徴としている。これにより、単位画素に入射する光が広角からテレセントリックまで変化したとしても、撮像領域周辺部まで明るい画像が撮像できる。また、異なる実効屈折率分布を有する２つの円弧状の集光素子の間に生じる不連続な境界を連続的に変化させることで、集光特性の低下を抑制しつつ、集光素子の安定化及び製造コストの低下、さらに固体撮像装置の歩留まり向上が可能となる。
【００８８】
以上、本発明の固体撮像装置及び撮像装置について、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及び撮像装置は、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または撮像装置を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。
【００８９】
なお、上記実施の形態では、単位画素１１が撮像領域の中心に対して左右の周辺領域に配置された場合を想定して例示したが、撮像領域の中心に対して上下の周辺領域に配置された場合には、例えば、図５（ｂ）、図６（ｂ）及び図７に記載された集光素子１Ａ及び１Ｂは、それぞれ、中央水平線４９を境界線として上下に配置される。
【００９０】
また、集光素子１Ａ及び１Ｂが左右及び上下に配置されるだけでなく、集光素子の有する楕円形状の長軸および短軸が、撮像面における単位画素１１の位置を表す座標ベクトルと受光面内で直交または平行となるように集光素子が配置されてもよい。
【００９１】
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。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
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】
【００９３】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、５２１    集光素子
２、５０２    カラーフィルタ
３、５０３    Ａl配線
６、５０６    受光素子
７    Ｓｉ基板
１０    画素部
１０Ａ    単位セル
１１    単位画素
１４    垂直走査回路
１８    水平信号線
１９    垂直信号線
２５    ＡＤ変換回路
２７    参照信号生成部
２７ａ    ＤＡＣ
２８    出力Ｉ／Ｆ
３０    通信・タイミング制御部
３３    光透過膜
３４    空気
３５、３６    内周半径差
４２    カラムアンプ
４８    中央垂直線
４９    中央水平線
５０、５１、５２、５３    楕円構造
５４    オフセット線
１００、５００、５１０    固体撮像装置
１１０    レンズ
１１０Ａ、１１０Ｂ    撮像レンズ
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
２５２    電圧比較部
２５４    カウンタ部
２５６    データ記憶部
２５８    スイッチ
２６２    信号保持容量
２６３    信号保持スイッチ
５０１    マイクロレンズ
５５０、５５６、５５７    入射光
【図１】
2012094601.tif 000010
【図２】
2012094601.tif 000011
【図３】
2012094601.tif 000012
【図４】
2012094601.tif 000013
【図９】
2012094601.tif 000014
【図１０】
2012094601.tif 000015
【図１１】
2012094601.tif 000016
【図１２】
2012094601.tif 000017
【図５】
2012094601.tif 000018
【図６】
2012094601.tif 000019
【図７】
2012094601.tif 000020
【図８】
2012094601.tif 000021
【図１３】
2012094601.tif 000022
【図１４】
2012094601.tif 000023