(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換部と、
前記光電変換部よりも光の入射側に形成され、前記第１の波長範囲の光を透過するとともに、前記第１の波長範囲と異なる第２の波長範囲の光を光軸に対して斜め方向であって前記光の入射方向に反射する波長選択部と、
第１の屈折率を有し前記光電変換部へ光を導く第１の領域と、
前記第１の領域の周辺部に形成された前記第１の屈折率よりも低い第２の屈折率を有する第２の領域とを有し、第１の領域と第２の領域の界面は、入射部が広がったテーパ形状であり、斜め方向から入射してくる前記第２の波長範囲の光が前記第２の領域に入射するのを抑制するように前記テーパ形状を形成していることを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
請求項１において、前記撮像素子の中心部に対して周辺部は、前記光軸に対するテーパ面の角度を小さくしたことを特徴とする撮像素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の撮像素子と、前記撮像素子からの信号をディジタル信号に変換するアナログ・ディジタル変換部と、前記アナログ・ディジタル変換部からの信号を処理する信号処理回路とを有することを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は被写体像を撮像する撮像素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
撮像素子に入射した光線を効率良く取り込むための構造が特開平０６−２２４３９８号公報に公開されている（図３４）。上記公報に記載された構造における入射光線をトレースした結果を図３５に示す。１６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。１７は低屈折率層であり、キャップ層１６よりも低屈折率の樹脂や中空（空気や窒素等の不活性ガスを充填）で形成されている。これによりキャップ層１６と低屈折率層１７の界面が全反射しやすい面となるため斜入射光を取り込もうというものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来例には次のような問題点が存在する。図３４のように高屈折率材料で形成されているキャップ層１６と低屈折率層１７との界面であって物体側である入射部の形状がＲ形状となっていると図３５の光線トレース結果に示すように、斜入射光の一部はＲ面で反射しても反対側の面で全反射条件を超える角度となり、そのまま低屈折率層１７へと抜けてしまう。これでは抜けてしまった光線が隣の画素に進入してしまったりして逆に問題となることがある。
【０００４】
そこで本発明では、このような従来の問題点に着眼してなされたもので、光電変換部に取り込む光線の効率を上げることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、光電変換部と、前記光電変換部よりも光の入射側に形成され、前記第１の波長範囲の光を透過するとともに、前記第１の波長範囲と異なる第２の波長範囲の光を光軸に対して斜め方向であって前記光の入射方向に反射する波長選択部と、第１の屈折率を有し前記光電変換部へ光を導く第１の領域と、
前記第１の領域の周辺部に形成された前記第１の屈折率よりも低い第２の屈折率を有する第２の領域とを有し、第１の領域と第２の領域の界面は、入射部が広がったテーパ形状であり、斜め方向から入射してくる前記第２の波長範囲の光が前記第２の領域に入射するのを抑制するように前記テーパ形状を形成していることを特徴とする撮像素子を提供する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１〜２２に本発明の第１の実施の形態を示す。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（４ｒ、４ｇ）は光線を波長分離するための波長選択部であるダイクロイック膜、５は第３の屈折率を有する第３の屈折率領域、６は第４の屈折率を有する第４の屈折率領域、７は第５の屈折率を有する第５の屈折率領域、８は第１の屈折率を有する第１の屈折率領域、９は第２の屈折率を有する第２の屈折率領域、１０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配線層である。１１〜１３はアルミニウムなどの金属でできた配線層で、１１は各部間の結線および出力線の役割を果たすＡＬ１配線層、１２はウェル電源線および制御線の役割を果たすＡＬ２配線層、１３は遮光および電源線の役割を果たすＡｌ３配線層である。また、図２は撮像素子を斜め上面から見た斜視図で多数個存在する撮像素子の内９個のみを取り出して図式化したものである。さらに図３は図２の中央部でマイクロレンズ２およびダイクロイック膜４からＡＬ３配線層までの構造を切断した断面図を表す。
【０００７】
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する。これにより、より多く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。第３の屈折率領域５は低屈折率の材料で形成されており、例えば屈折率１．３８のフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）などを用いることができる。また、第３の屈折率領域５とダイクロイック膜４に挟まれた第４の屈折率領域６は高屈折率の材料で形成されており、例えば屈折率２．５の二酸化チタン（ＴｉＯ２）などを用いることができる。このような構成を採る事によって第４の屈折率領域６から第３の屈折率領域５へと進む光線はその界面で全反射しやすくなるという性質を持つことになる。
【０００８】
第１の屈折率領域８は二酸化チタンのような高屈折率の材料で形成され、第２の屈折率領域９は屈折率１．４６の二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）やフッ化マグネシウムといった低屈折率の材料を用いて成形する。これにより第１の屈折率領域に入射した光線は第２の屈折率領域との界面で全反射しやすくなるため、光電変換部３に至るまでの導光路の役割を果たす。第５の屈折率領域７は第１の屈折率領域との界面で全反射しないようにする必要があるため、第１の屈折率領域と同じかそれよりも低い屈折率を持つ材料で成形する必要がある。但し、第２の屈折率領域６との屈折率差があまり大きくない方が望ましいため、例えば屈折率２．０である窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）などを用いることができる。
【０００９】
一般的にダイクロイック膜とは、注目する波長λの１／４の整数倍の膜厚で高屈折率の物質と低屈折率の物質を交互に積層することによって形成されたものである。このような構造を採ることにより透過光線の波長を選択することができるようになる。本実施例で用いたダイクロイック膜４の例として図１７に示す。高屈折率の材料として二酸化チタン、低屈折率の材料として二酸化ケイ素を用い、図のような膜厚、層数とした。このダイクロイック膜４の透過特性を図１８に示す。図１８の特性図を見て分かるように、図３３に示す従来の色素を用いたカラーフィルタの特性図に近い特性を持つ。従って本構成のダイクロイック膜４を用いたものであっても従来の撮像素子に近い特性を持つようにすることができる。これらの積層膜はＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いることによって容易に作成することができる。
【００１０】
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５および６を用いて説明する。図５は緑色光を受光する画素１００ｇに入射してダイクロイック膜４ｇによって反射された光線、すなわち青色光と赤色光を含む光線のみの挙動を示している。画素の大きさに対して十分に遠い位置にある結像レンズの瞳から出た光線は赤外線カットフィルタを通過して物体光１１０のような光束となる。本図上方より来た物体光１１０はマイクロレンズ２へ入射して集光作用を受ける。次に第３の屈折率領域５、第４の屈折率領域６と順に入射してダイクロイック膜４ｇへと到達する。ここでダイクロイック膜４ｇの特性により緑色以外の光線は反射作用を受ける。これにより第３の屈折率領域５の方向へ進行する訳であるが、ダイクロイック膜４ｇは図４に示すような四角錐の形状をしている面に形成されているために反射した光線は中心より外側に方向を変えて進行する。前述の通り、第４の屈折率領域６は第３の屈折率領域５よりも高屈折率であるため臨界角以上の光線は界面で全反射作用を受けることになる。界面で全反射した光線はダイクロイック膜４ｒ方向に向いて隣接画素である赤色光を受光する画素１００ｒおよび１０１ｒに向かって進行する。これらの画素１００ｒ、１０１ｒのダイクロイック膜４ｒは赤色光を透過して緑色光と青色光を反射する特性を持つ。従って画素１００ｇより反射してきた光線のうち赤色光のみが透過して青色光はダイクロイック膜４ｒによって反射作用を受ける。ここでは反射作用を受ける青色光は撮像素子外へと進むため図示していない。反射光線が透過するダイクロイック膜４ｒは膜厚分だけ透過できる面積が小さくなっているが、マイクロレンズ２の集光作用によりダイクロイック膜４ｇに入射する光線の面積（反射光の面積）はマイクロレンズ２の開口面積に比べて小さくなっている。従って反射光線はダイクロイック膜４ｒでのケラレを小さくすることができる。ダイクロイック膜４ｒを透過した光線は第５の屈折率領域７、第１の屈折率領域８と順に進行する。続いて第１の屈折率領域８から第２の屈折率領域９へ進行しようとするが、これも前述の通り、第１の屈折率領域８は第２の屈折率領域９よりも高屈折率であるため、臨界角以上の光線は界面で全反射をする。第１の屈折率領域８と第２の屈折率領域９の界面は入射部が広がったテーパ形状をしているため入射光線を取り込む間口が広くなり第１の屈折率領域８に多くの光線を取り込むことができるようになっている。仮に、第１の屈折率領域８の入射部がテーパ形状をしていないと、反射光線のうち図の下側に位置する光線が第５の屈折率領域７から第２の屈折率領域９へと進行する。そうすると第５の屈折率領域７は第２の屈折率領域９よりも高屈折率であるため光線は上方向に曲げられることになる。次に第１の屈折率領域８に進行するが第２の屈折率領域９よりも高屈折率であるためさらに上方向に曲げられることになる。従ってこのようなルートを辿る光線は光電変換部３には導かれず損失してしまうため、第１の屈折率領域８がテーパ形状をなしていて第５の屈折率領域７から第２の屈折率領域９へ進行する光線をなくすことで隣接画素からの反射光を十分取り込めるのである。
【００１１】
そして、垂直方向に略平行な２面で形成されているため、一度目の全反射によって光電変換部３に入射しなかった光線は再び反対側の界面で全反射して最終的にはすべて光電変換部３へと入射することになる。
【００１２】
画素１００ｇにおいて紙面に垂直な方向には青色光を受光する画素が存在する。これも赤色の場合と同様に、画素１００ｇで反射された光線のうち青色光のみを取り込む挙動を示す。
【００１３】
図６はダイクロイック膜４において透過作用を受ける光線の挙動を示している。本図上方より来た光線はマイクロレンズ２へ入射して集光作用を受ける。次に第３の屈折率領域５、第４の屈折率領域６と順に入射してダイクロイック膜４ｇへと到達する。ダイクロイック膜４ｇでは所定の波長の光線のみを選択的に透過して第５の屈折率領域７へと入射する。そして第１の屈折率領域８へ進行し第１の屈折率領域８と第２の屈折率領域９の界面で全反射を繰り返す作用を受けることによって光電変換部３へと導くものとしている。また第２の屈折部８と第３の屈折部９の界面は入射部が広がったテーパ形状をしている。テーパ形状を形成するテーパ面８１ａはあまり角度がつきすぎるとテーパ面８１ａで全反射しない場合があり、したとしても今度は反対側の面で全反射せずに透過してしまう。本実施例の場合では、画素の中心軸より２５°程度までの角度であればテーパ面８１ａでも全反射して光電変換部３へ導くことができる。以上のことからテーパ面８１ａを適当な角度に設定して用いることによって広範囲な光線を取り込むことが可能となる。
【００１４】
次にダイクロイック膜の透過・反射を用いて光線を取り込む際の効率について考えていく。例えば、色再現性が良いとされる原色フィルタ付きの画素をモザイク状に配置したＣＣＤ撮像素子では、Ｒ（赤色）Ｇ（緑色）Ｂ（青色）の光学フィルタがマイクロレンズ２と光電変換領域３の間に一つずつ配置される。
【００１５】
このとき、赤色の光学フィルタを配した画素では赤色光のみが光電変換され青色光や緑色光は光学フィルタで吸収されて熱となる。緑色の光学フィルタを配した画素では同様に青色光と赤色光が光電変換されずに熱となり、青色の光学フィルタを配した画素では同様に緑色光と赤色光が光電変換されずに熱となる。すなわち、従来のカラー撮像素子の各画素では入射する光束のうち所定の光学フィルタを透過した光のみを光電変換し、電気信号として出力するので、その光学フィルタを透過できなかった光は熱などとして捨てられている訳である。
【００１６】
図１０３は撮像素子内のＲＧＢのカラーフィルタの分光透過率特性である。赤外線の透過率が高いので、実際には撮像素子と撮影レンズの間にさらに６５０ｎｍ以上の波長を遮断する赤外線カットフィルタが重ねて用いられる。これより分かるように、１画素の中では可視光の内のおよそ１／３だけが有効に用いられる。
【００１７】
さらに詳しくＲＧＢの色別に利用効率を考えれば、例えば図１０２に示すベイヤー配列のカラー撮像素子のＲＧＢ画素面積比率は、規則的配列を構成する１単位の面積を１としたとき、１／４：２／４：１／４であるので、全体の光量を１とした時の緑色光の利用割合は波長選択性の項と面積比率の項の積として１／３×２／４＝１／６、赤色光と青色光が１／３×１／４＝１／１２、合計すれば１／６＋１／１２＋１／１２＝１／３で、やはり利用効率１／３ということになる。逆に、全体の光量を１とした時に、そのうち緑色光で２／３×２／４＝１／３が、赤色光や青色光で２／３×１／４＝１／６が有効に利用されないことになる。
【００１８】
以上は、原色系のカラーフィルタを用いた撮像素子で説明を行ったが、補色フィルタを用いた撮像素子では、可視光のうちのおよそ１／３が光電変換されず、有効に利用されない。このように、原色系・補色系のいずれにしても従来型の単板式撮像素子ではカラーフィルタで撮像面を分割していることが起因して光利用効率は悪い。
【００１９】
図１９はダイクロイック膜の各色の透過特性を単純化したものである。本図においてそれぞれの色の透過曲線の裏返しが反射特性ということになる。また、計算の簡略化のため透過しない光線はすべて反射するものとし、反射した光線はすべて隣接画素に平等に到達するものとして考える。さらに画素配列は図７のようなベイヤー配列をしているものとする。
【００２０】
緑色の画素内のダイクロイック膜で反射した光線が青色の画素内のダイクロイック膜で透過して青色の光電変換部に取り込まれる場合を考えると、前述の通り、緑色の透過特性の裏返しが反射特性になるため、この曲線と青色の透過特性との積が求めるものとなる。これを表したものが図２０である。残りの色に関しても同様に考えを進めると、緑色の画素から赤色の画素へ到達するものが図２１、赤色の画素から緑色の画素へ到達するものが図２２、青色の画素から緑色画素へ到達するものが図２３のように示される。
【００２１】
緑色の画素内に隣接画素から反射してくるものについて考えると、画素配列はベイヤー配列であることから隣接画素は赤と青が２個ずつである。このことから緑色の画素が隣接画素より受け取る光線は｛（青色の反射）×１／４×２＋（赤色の反射）×１／４×２｝となる。元々緑色の画素が受け取る光線量は透過率曲線の積分量であるためこれを１とすると図２２の大きさ（赤色画素から反射するもの）は０．３７、図２３の大きさ（青色画素から反射するもの）は０．４３となる。従って反射光の合計は０．３９となるため、透過する光線だけを取り込む場合に対して１．３９倍となることが分かる。
【００２２】
青色の画素について考えると、隣接画素は緑色の画素が４個である。青色の画素の透過率曲線の積分量を１とすると図２０の積分量は０．８４となる。隣接画素より受け取る光線は｛（緑色の反射）×１／４×４｝であるから合計は０．８４となり、元々の透過量に対して１．８４倍となることが分かる。
【００２３】
最後の赤色の画素について考えると、隣接画素は青色の画素と同じく緑色が４個である。赤色の画素の透過率曲線の積分量を１とすると図２１の積分量は０．６７となる。隣接画素より受け取る光線は｛（緑色の反射）×１／４×４｝であるから合計は０．６７となり、元々の透過量に対して１．６７倍となることが分かる。
【００２４】
以上のようにベイヤー配列のような隣接する画素が同色でない場合であれば、どの画素についても本構造を用いて不要な波長成分を隣接する画素に分割・反射させることで、隣接する画素で有効な波長成分として光電変換することができ、光の利用効率を大幅に向上させることが可能である。
【００２５】
次に本構成による作用の一つとしてのローパスフィルタ効果について説明する。一般に良好な画像特性を得るための撮像は、物体像を光学装置によって形成する第１のプロセス、物体像の空間周波数特性の高周波成分を抑制するように調節する第２のプロセス、空間周波数特性が調節された物体像を光電変換する第３のプロセス、得られた電気信号に対して空間周波数に応じてレスポンスを補正する第４のプロセスよりなる。この際、有限の画素数の撮像素子で光学像のサンプリングを行うわけであるから、良質な画像出力を得るためには、標本化定理に従って光学像の空間周波数特性に撮像素子固有のナイキスト周波数以上の成分を少なくする必要がある。ここでナイキスト周波数とは画素ピッチで決まるサンプリング周波数の１／２の周波数である。したがって、最適化された一連のプロセスは、サンプリングされる光学像を撮像素子固有のナイキスト周波数に応じた特性の光学像に調節することで、折り返し歪みが目立たない、すなわちモワレの目立たない良質な画像を得るものである。
【００２６】
画像の空間周波数伝達特性であるＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）はデジタルスティルカメラやビデオカメラなどの鮮鋭度に関する特性をよく表現できる評価量である。このＭＴＦに影響を与える具体的要素は、光学装置である結像光学系、物体像の帯域制限のための光学ローパスフィルタ、撮像素子の光電変換領域の開口形状、デジタルアパーチャ補正等であり、最終の画像特性を表す全体のＭＴＦは各要素のＭＴＦの積として与えられる。すなわち、上記の第１のプロセスから第４のプロセスまでのＭＴＦをそれぞれ求め、その積を計算すればよい。
【００２７】
ただし、第４のプロセスであるデジタルフィルタ処理は、撮像素子によって既にサンプリングされた画像出力に対して行われるので、ナイキスト周波数を超える高周波について考慮する必要はない。
【００２８】
したがって、光学像の空間周波数特性に撮像素子固有のナイキスト周波数以上の成分を少なくする構成とは、第４のプロセスを除き、第１のプロセスのＭＴＦ、第２のプロセスのＭＴＦおよび第３のプロセスのＭＴＦの積においてナイキスト周波数以上の成分が小さいということである。ここで、デジタルスティルカメラのように静止画の鑑賞を前提とする場合、ナイキスト周波数を超える高周波がゼロではなく、多少残っていても、ナイキスト周波数をやや下回る周波数におけるレスポンスが高い方が、解像感のある画像となりやすいことを考慮する必要がある。
【００２９】
第１のプロセスである結像光学系による物体像の形成において、一般に画面の中央は周辺に比べて光学収差を補正しやすい。画面の周辺で良好な画像を得ようとすると、画面の中央では結像レンズのＦナンバーで決定される回折限界ＭＴＦに近い極めて良好な特性を得る必要がある。近年、撮像素子の小ピクセル化が進んでおり、この必要性はますます高まっている。したがって、結像光学系については無収差の理想レンズと仮定してＭＴＦを考えると良い。
【００３０】
また、幅ｄの受光開口が隙間なく敷きつめられた撮像素子においては、受光開口の幅が画素ピッチと一致するので、ナイキスト周波数ｕ＝ｄ／２における第３のプロセスのレスポンス値はかなり高い。この理由から、ナイキスト周波数付近の総合ＭＴＦを下げるために第２のプロセスにおいてナイキスト周波数付近をトラップするのが一般的である。
【００３１】
第２のプロセスにおいては、通常、光学ローパスフィルタが用いられる。光学ローパスフィルタには水晶等の複屈折特性を有する物質を利用する。また、位相型の回折格子を利用しても良い。
【００３２】
光学装置の光路中に複屈折板を介在させ、その光学軸を結像面の水平方向と並行するように傾けて配置すると、常光線による物体像と異常光線による物体像は所定量だけ水平方向にずれて形成される。複屈折板によって特定の空間周波数をトラップするということは、その空間周波数の縞の明部と暗部とが重なるようにずらすということである。光学ローパスフィルタによるＭＴＦは式（１）で表される。
【００３３】
Ｒ２（ｕ）＝｜ｃｏｓ（π・ｕ・ω）｜・・・（１）
ここで、Ｒ２（ｕ）はレスポンス、ｕは光学像の空間周波数、ωは物体像分離幅である。
【００３４】
複屈折板の厚さを適当に選択すれば、撮像素子のナイキスト周波数においてレスポンスをゼロとすることが可能である。回折格子を利用する場合には、回折によって光学像を所定の位置関係の複数の像に分離し重畳させることで、同様の効果を得ることが出来る。
【００３５】
しかしながら、複屈折板を作製するには水晶やニオブ酸リチウムなどの結晶を成長させてから薄く研磨する必要があって、極めて高価になるという問題点がある。また、回折格子にしても高度に精密な微細構造が求められるため、やはり高価であることに変わりはない。
【００３６】
本発明の実施形態による撮像素子では、実質的な受光開口が各画素よりも大きくなる。ＲＧＢの色毎に図７に示したベイヤー配列の従来の撮像素子と比較すると、まず、従来のＧ画素の開口はマイクロレンズの大きさであったが、本発明本実施の形態による撮像素子では図８に示すように９２ａ、９２ｂ、９２ｃ、９２ｄの部分を隣接画素より受け取ることから本来の画素開口９１よりも大きい。これにより隣接する画素から緑色光成分を分けてもらうことを含めた実質的な受光開口は図９に示すようなものとなる。Ｂ画素、Ｒ画素についても隣接画素から各色光成分を分けてもらうため、実効的な受光開口は同様の形状となる。従って、全ての画素について考えると、実効的に互いにオーバーラップした受光開口を有することが分かる。
【００３７】
このように実質的な受光開口が各画素よりも大きくなると、通常の単板式の撮像装置では考えられなかったＭＴＦ特性を得ることができる。この結果、光学ローパスフィルタを省略しても画像の品位を損なわない。すなわち、前述した物体像の空間周波数特性の高周波成分を抑制するように調節する第２のプロセスを省き、物体像を光電変換する第３のプロセスだけで、折り返し歪みが目立たない良質な画像を得ることが可能である。図１０から図１６はその説明図である。
【００３８】
まず、図１０は本発明本実施の形態による撮像素子の画素１１０ｇについての水平方向の空間周波数成分に対するＭＴＦ特性である。また、図１１は通常型の矩形開口を有する画素のＭＴＦ特性である。何れも１画素の大きさを□３μｍとし、マイクロレンズは１画素分の大きさを有しているとした。さらに、本発明本実施の形態の画素については隣接画素の中央部にまで伸びた開口を有するものとしてある。
【００３９】
図７に示した従来型の矩形開口画素のレスポンスについては簡単に式（２）のようなＳＩＮＣ関数で表すことができる。
【００４０】
【外１】
0004027115.tif 000002
【００４１】
ここで、Ｒ３（ｕ）はレスポンス、ｄは撮像素子の受光開口の幅である。
【００４２】
式（２）の最初のゼロ点（カットオフ周波数）は、ｕ＝１／ｄの位置である。すなわち、受光開口の幅に一致した波長においてレスポンスがゼロになる。受光開口が隙間なく敷きつめられた撮像素子においては、受光開口の幅が画素ピッチと一致するので、ナイキスト周波数ｕ＝ｄ／２における式（２）のレスポンス値は０．６３６であってかなり高い。したがって、従来の矩形開口画素には図１２に示したＭＴＦ特性の光学ローパスフィルタを併せて使用する必要がある。ここでは、デジタルスティルカメラのように静止画の鑑賞を前提とする場合、ナイキスト周波数を超える高周波がゼロではなく、多少残っていても、ナイキスト周波数をやや下回る周波数におけるレスポンスが高い方が、解像感のある画像となりやすいことを考慮してある。
【００４３】
これに対して、本発明の本実施の形態による画素１００ｇは図９に示したような菱形様の開口に起因して、高周波側までレスポンスが伸びる。これは式（２）でＭＴＦ特性を表せる無限に細い短冊状の矩形開口が集まったと考えれば良い。短冊状の矩形開口全体を積分した結果は図１０のようになって、画素ピッチを３μｍとしたときのナイキスト周波数１６７本／ｍｍにおいては画素１００ｇの方がかなり低いレスポンスを有していることが分かる。
【００４４】
次に、図１３はＦナンバーを４．０、物体像の波長を５５０ｎｍと仮定したときの無収差レンズのＭＴＦ特性である。幾何光学的に収差がない理想レンズでは、そのＭＴＦは光の回折によって決定される。回折限界ＭＴＦはＦナンバーによって決まり、式（３）で表される。
【００４５】
【外２】
0004027115.tif 000003
【００４６】
β＝ｃｏｓ−１（ｕ・F・λ）
ここで、ｕは光学像の空間周波数、Ｆは光学系のＦナンバー、λは光学像の波長である。
【００４７】
この結像レンズのカットオフ周波数は４５５本／ｍｍである。
【００４８】
さて、これで物体像を光学装置によって形成する第１のプロセス、（物体像の空間周波数特性の高周波成分を抑制するように調節する第２のプロセス、）空間周波数特性が調節された物体像を光電変換する第３のプロセスの総合ＭＴＦを知る材料が揃った。
【００４９】
図１４は画素１００ｇを用いたときの結像レンズと撮像素子の画素の総合ＭＴＦである。一方、図１５は従来の画素を用いたときの結像レンズと光学ローパスフィルタと撮像素子の画素の総合ＭＴＦである。両者はナイキスト周波数１６７本／ｍｍにおいてほぼ同等のレスポンスを有し、全体としてよく似た特性となっている。一方、従来の画素で光学ローパスフィルタを用いないと図１６のようにナイキスト周波数でのレスポンスが高くなりすぎてしまう。このように、画素１００ｇを用いれば、光学ローパスフィルタを省略できることが分かる。
【００５０】
本実施の形態では、波長透過部として図１のようなダイクロイック膜ではなく、特定の波長範囲の光を透過し、他の波長範囲の光を吸収する図２８で示すようなカラーフィルタを持った構成のものであってもよい。
【００５１】
（第２の実施の形態）
図２４に第２の実施の形態を示す。同一番号のものは同一の機能を果たすものとする。本構造における撮像素子内の光線の挙動は図２５および２６に示すようになる。図２４に示す構成は結像レンズの光軸より離れた場所に位置する撮像素子である。本図の右側に光軸があるため結像レンズの瞳中心が右側に位置しておりマイクロレンズ２に入射する光線は右方向よりの角度をもつ。そのためマイクロレンズ２は画素の中心よりも右側に片寄った配置とすることで、より斜入射となった光線も取り込むことができるようになる。第１の実施例と同様に図２５は緑色光を受光する画素２００ｇに入射してダイクロイック膜４ｇによって反射された光線、すなわち青色光と赤色光を含む光線のみの挙動を示している。画素の大きさに対して十分に遠い位置にある結像レンズの瞳から出た光線は赤外線カットフィルタを通過して物体光１２０のような光束となる。本図上方より来た物体光１２０はマイクロレンズ２へ入射して集光作用を受ける。次に第３の屈折率領域５、第４の屈折率領域６と順に入射してダイクロイック膜４ｇへと到達する。ここでダイクロイック膜４ｇの特性により緑色以外の光線は反射作用を受ける。ダイクロイック膜４ｇは図４に示すような四角錐の形状をしている面に形成されているために反射した光線は中心より外側に方向を変えて進行する。またダイクロイック膜４を形成する四角錐の頂点は光線が図の右側に片寄っていることから右側に片寄った形状としている。さらに本実施例においては斜面の角度も異なるようにしている。これによってダイクロイック膜４ｇの右側斜面と左側斜面のそれぞれに入射する光線の角度を合わせることができる。そして第４の屈折率領域６と第３の屈折率領域５の界面で臨界角以上の光線は全反射作用を受ける。もう一度下方向に向いた光線は隣接画素である赤色光を受光する画素２００ｒおよび２０１ｒに向かって進行する。ダイクロイック膜４ｒを透過した光線は第５の屈折率領域７、第１の屈折率領域８と順に進行する。続いて第１の屈折率領域８から第２の屈折率領域９へ進行しようとするが、これも前述の通り、第１の屈折率領域８は第２の屈折率領域９よりも高屈折率であるため、臨界角以上の光線は界面で全反射をする。第１の屈折率領域８と第２の屈折率領域９の界面は入射部が広がったテーパ形状をしているため入射光線を取り込む間口が広くなり第１の屈折率領域８に多くの光線を取り込むことができるようになっている。また光電変換部３近傍の界面は垂直方向に略平行な２面で形成されているため、一度目の全反射によって光電変換部３に入射しなかった光線は再び反対側の界面で全反射して最終的にはすべて光電変換部３へと入射することになる。
【００５２】
図２６はダイクロイック膜４において透過作用を受ける光線の挙動を示している。本図上方より来た光線はマイクロレンズ２へ入射して集光作用を受ける。次に第３の屈折率領域５、第４の屈折率領域６と順に入射してダイクロイック膜４ｇへと到達する。ダイクロイック膜４では所定の波長の光線のみを選択的に透過して第５の屈折率領域７へと入射する。そして第１の屈折率領域８へ進行し第１の屈折率領域８と第２の屈折率領域９の界面で全反射を繰り返す作用を受けることによって光電変換部３へと導く。第１の屈折率領域８と第２の屈折率領域９の界面は入射部が広がったテーパ形状をしているため、テーパ面８１においても全反射して光電変換部３へ導くことができる。このテーパ面８１ａが図２７に示すように結像レンズの光軸中心付近の画素と同じ形状であると、場合によってはテーパ面８１ａで全反射した光線が反対側の面で全反射できずに第２の屈折率領域９へ抜けてしまうことがある。これを防止するために光軸とテーパ面のなす角度を中心付近のものに比べて小さくすることで、テーパ面で反射した光線が反対側の面で臨界角を超えないようになり、中心付近の画素と同様に十分に広範囲な光線を取り込むことができる。
【００５３】
なお、本実施の形態における図２４に示す形態ではテーパ面の角度を画素の中心軸に対して対称なものとしている。しかし図２６と図２７から判るように、右側の斜面で全反射する光線はどちらでも取り込めている。従って、必ずしも対称にする必要はなく、テーパ部を形成するテーパ面毎に異なる角度をもつようにしてもよい。
【００５４】
（第３の実施の形態）
図２８、２９に第３の実施の形態を示す。同一番号のものは同一の機能を果たすものとする。図２８は結像レンズの光軸中心付近の画素で、図２９は結像レンズの光軸中心から離れた場所に位置する画素である。本構造における撮像素子内の光線の挙動はそれぞれ図３０および３１に示すようになる。これは従来の色素を用いたカラーフィルタ４１ｇ、４１ｒを備えた撮像素子に本構造を用いたものである。画素の大きさに対して十分に遠い位置にある結像レンズの瞳から出た光線は赤外線カットフィルタを通過してマイクロレンズ２へ入射し集光作用を受ける。次にカラーフィルタ４１（４１ｇ、４１ｒ）に入射して透過光線の波長選択が行われる。カラーフィルタ４１ｇであれば緑色のカラーフィルタであるため、緑色の光線だけが透過してそれ以外はカラーフィルタ４１ｇに吸収される。
【００５５】
そして第１の屈折率領域８へ進行し第１の屈折率領域８と第２の屈折率領域９の界面で全反射を繰り返す作用を受けることによって光電変換部３へと導く。第１の屈折率領域８と第２の屈折率領域９の界面は入射部が広がったテーパ形状をしているため、テーパ面８１においても全反射して光電変換部３へ導くことができる。本実施例においては、結像レンズの光軸中心付近の画素（図２８）も中心から離れた画素（図２９）もテーパ面の角度は同じである。しかし、場合によってはテーパ面８１ａの角度が同じであると全反射した光線が反対側の面で全反射できずに第２の屈折率領域９へ抜けてしまうことがある。その場合には光軸とテーパ面のなす角度を中心付近のものに比べて小さくすることで、テーパ面で反射した光線が反対側の面で臨界角を超えないようになり、中心付近の画素と同様に十分に広範囲な光線を取り込むことができる。
【００５６】
上記で説明した第１〜第３の実施の形態の構成を持った固体撮像素子は、ＣＣＤ型固体撮像素子等の電荷転送型のものであってもよいし、ＣＭＯＳイメ−ジセンサ等のＸＹアドレス型のものであってもよい。
【００５７】
（第４の実施の形態）
図３２に基づいて、上記で説明した第１の実施の形態〜第３の実施の形態で説明した構成を持つ固体撮像素子を用いた撮像装置について説明する。
【００５８】
図３２において、１０１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、１０２は被写体の光学像を固体撮像素子１０４に結像させるレンズ、１０３はレンズ１０２を通った光量を可変するための絞り、１０４はレンズ１０２で結像された被写体を画像信号として取り込むための固体撮像素子、１０５は、固体撮像素子１０４から出力される画像信号を増幅するゲイン可変アンプ部及びゲイン値を補正するためのゲイン補正回路部等を含む撮像信号処理回路、１０６は固体撮像素子１０４より出力される画像信号のアナログーディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器、１０７はＡ／Ｄ変換器１０６より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、１０８は固体撮像素子１０４、撮像信号処理回路１０５、Ａ／Ｄ変換器１０６、信号処理部１０７に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、１０９は各種演算と撮像装置全体を制御する全体制御・演算部、１１０は画像データを一時的に記憶する為のメモリ部、１１１は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部、１１２は画像データの記録または読み出しを行う為の半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、１１３は外部コンピュータ等と通信する為のインターフェース部である。
【００５９】
次に、前述の構成における撮影時の撮像装置の動作について説明する。
【００６０】
バリア１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、更にＡ／Ｄ変換器１０６などの撮像系回路の電源がオンされる。
【００６１】
それから、露光量を制御する為に、全体制御・演算部１０９は絞り１０３を開放にし、固体撮像素子１０４から出力された信号はＡ／Ｄ変換器１０６で変換された後、信号処理部１０７に入力される。
【００６２】
そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部１０９で行う。この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部１０９は絞りを制御する。
【００６３】
次に、固体撮像素子１０４から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部１０９で行う。その後、レンズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は、再びレンズを駆動し測距を行う。
【００６４】
そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。
【００６５】
露光が終了すると、固体撮像素子１０４から出力された画像信号はＡ／Ｄ変換器１０６でＡ／Ｄ変換され、信号処理部１０７を通り全体制御・演算部１０９によりメモリ部に書き込まれる。その後、メモリ部１１０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部１０９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１２に記録される。
【００６６】
また、外部Ｉ／Ｆ部１１３を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光の集光率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を表す図である。
【図２】本発明の第１の実施例の斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態の断面斜視図である。
【図４】ダイクロイック膜部を示す斜視図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態の光線トレース図（反射光）である。
【図６】本発明の第１の実施の形態の光線トレース図（透過光）である。
【図７】画素構成を示す図である。
【図８】緑色画素を光線取り込み状況を示す図である。
【図９】緑色画素の光線の有効取り込み範囲を示す図である。
【図１０】画素１００ｇの水平方向の空間周波数成分に対するＭＴＦ特性を示す図である。
【図１１】矩形開口画素のＭＴＦを示す図である。
【図１２】光学ローパスフィルタのＭＴＦを示す図である。
【図１３】Ｆナンバーを４．０、物体像の波長を５５０ｎｍと仮定したとき無収差レンズのＭＴＦ特性を示す図である。
【図１４】画素１００ｇを用いたときの結像レンズと撮像素子の画素の総合ＭＴＦを示す図である。
【図１５】従来の画素を用いたときの結像レンズと光学ローパスフィルタと撮像素子の画素の総合ＭＴＦを示す図である。
【図１６】従来の画素で光学ローパスフィルタを用いないときの総合ＭＴＦを示す図である。
【図１７】ダイクロイック膜の構成を示す図である。
【図１８】ダイクロイック膜の特性を示す図である。
【図１９】ダイクロイック膜の特性を示す簡略図である。
【図２０】Ｇ透過用ダイクロイック膜で反射しＢ透過用ダイクロイック膜で透過した時の特性を示す簡略図である。
【図２１】Ｇ透過用ダイクロイック膜で反射しＲ透過用ダイクロイック膜で透過した時の特性を示す簡略図である。
【図２２】Ｒ透過用ダイクロイック膜で反射しＧ透過用ダイクロイック膜で透過した時の特性を示す簡略図である。
【図２３】Ｂ透過用ダイクロイック膜で反射しＧ透過用ダイクロイック膜で透過した時の特性を示す簡略図である。
【図２４】本発明の第２の実施の形態を表す図である。
【図２５】本発明の第２の実施の形態を表す図である。
【図２６】本発明の第２の実施の形態の光線トレース図（反射光）である。
【図２７】本発明の第２の実施の形態の光線トレース図（透過光）である。
【図２８】本発明の第３の実施の形態を表す図である。
【図２９】本発明の第３の実施の形態を表す図である。
【図３０】本発明の第３の実施の形態の光線トレース図（反射光）である。
【図３１】本発明の第３の実施の形態の光線トレース図（透過光）である。
【図３２】撮像装置をあらわす図である。
【図３３】カラーフィルタの特性をあらわす図である。
【図３４】従来の撮像素子を表す図である。
【図３５】従来の撮像素子の光線トレース図である。
【符号の説明】
１  シリコンウェハ
２  マイクロレンズ
３  光電変換部
４  波長選択部
４ｇ  緑色透過用波長選択部
４ｒ  赤色透過用波長選択部
５  第１の屈折率層
６  第２の屈折率層
７  第１の屈折率部
８  第２の屈折率部
８１ａ、８１ｂ  テーパ面
９  第３の屈折率部
１０  Ｐｏｌｙ配線層
１１  ＡＬ１配線層
１２  ＡＬ２配線層
１３  ＡＬ３配線層
１４  平坦化層
１５  屈折層
１６  キャップ層
１７  マイクロレンズ支持層
１８  低屈折率層
４１  カラーフィルタ
４１ｇ  緑色カラーフィルタ
４１ｒ  赤色カラーフィルタ
６１  撮像素子（従来）
６１ｍｎｒ  赤色用画素
６１ｍｎｇ、  ６１ｍｎｇ２  緑色用画素
６１ｍｎｂ  青色用画素
９１  有効画素開口
９２  有効画素開口（反射光分）
１００  撮像素子
１００ｇ、２００ｇ、３００ｇ、４００ｇ  緑色用画素
１００ｒ、１０１ｒ、２００ｒ、２０１ｒ、３００ｒ、３０１ｒ  赤色用画素
１１０、１２０、１３０  物体光
１５０  斜入射光
【図１】
0004027115.tif 000004
【図２】
0004027115.tif 000005
【図３】
0004027115.tif 000006
【図４】
0004027115.tif 000007
【図５】
0004027115.tif 000008
【図６】
0004027115.tif 000009
【図７】
0004027115.tif 000010
【図８】
0004027115.tif 000011
【図９】
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【図１０】
0004027115.tif 000013
【図１１】
0004027115.tif 000014
【図１２】
0004027115.tif 000015
【図１３】
0004027115.tif 000016
【図１４】
0004027115.tif 000017
【図１５】
0004027115.tif 000018
【図１６】
0004027115.tif 000019
【図１７】
0004027115.tif 000020
【図１８】
0004027115.tif 000021
【図１９】
0004027115.tif 000022
【図２０】
0004027115.tif 000023
【図２１】
0004027115.tif 000024
【図２２】
0004027115.tif 000025
【図２３】
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【図２４】
0004027115.tif 000027
【図２５】
0004027115.tif 000028
【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
0004027115.tif 000031
【図２９】
0004027115.tif 000032
【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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