JP2008091660A - Imaging device - Google Patents
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Abstract
【課題】光導波路を反射する時の光の減衰を抑制し、イメージセンサの中央部と周辺部とで生じる受光量差を小さくする。
【解決手段】CCDイメージセンサ12には、受光素子20の上に光導波路31が設けられている。光導波路31には入射光を反射して受光素子20に導くための光反射層32が設けられている。光導波路31と結像レンズとにより、CCDイメージセンサ12に対する被写体光の入射角が適切な角度となる。光導波路31に入射する入射光の主光線は、1回の反射又は光導波路31で反射を行わずに受光素子20に到達する。
【選択図】図3An object of the present invention is to suppress attenuation of light when reflecting an optical waveguide and reduce a difference in received light amount generated between a central portion and a peripheral portion of an image sensor.
An optical waveguide 31 is provided on a light receiving element 20 in a CCD image sensor 12. The optical waveguide 31 is provided with a light reflecting layer 32 for reflecting incident light and guiding it to the light receiving element 20. The incident angle of the subject light with respect to the CCD image sensor 12 becomes an appropriate angle by the optical waveguide 31 and the imaging lens. The principal ray of incident light incident on the optical waveguide 31 reaches the light receiving element 20 without being reflected once or reflected by the optical waveguide 31.
[Selection] Figure 3
Description
本発明は、各受光素子に入射光を導く光導波路が設けられた撮像装置に関する。 The present invention relates to an imaging apparatus provided with an optical waveguide that guides incident light to each light receiving element.
デジタルカメラに用いられるイメージセンサとして、CCDイメージセンサとCMOSイメージセンサが知られている。いずれのイメージセンサも、光学像を画素ごとの信号電荷に変換する複数の受光素子を備えており、得られた信号電荷から画像信号を生成する。イメージセンサは高解像度の画像が記録できるように高画素化が進んでいる。高画素化のために画素密度を高めると、1つの受光素子が光を受ける受光面積が小さくなる。そこで、受光素子の前方に入射光を集光するマイクロレンズを設け、光の利用効率を高めたイメージセンサが従来から知られている。 CCD image sensors and CMOS image sensors are known as image sensors used in digital cameras. Each image sensor includes a plurality of light receiving elements that convert an optical image into signal charges for each pixel, and generates an image signal from the obtained signal charges. Image sensors have been increasing in number of pixels so that high-resolution images can be recorded. When the pixel density is increased to increase the number of pixels, the light receiving area where one light receiving element receives light is reduced. In view of this, an image sensor in which a microlens that collects incident light is provided in front of the light receiving element to improve the light use efficiency has been known.
また、受光素子とマイクロレンズの間に入射光を受光素子に導く光導波路を設け、受光素子に直接到達できない光を光導波路によって反射し、光の進路を曲げることで受光素子に到達する光の量を増加させたイメージセンサが知られている(特許文献1ないし4参照)。光導波路は、例えば受光素子とマイクロレンズの間に設けられた光反射率の高い反射層からなり、反射層により入射光の減衰を抑制し、イメージセンサの感度を向上させる。
しかしながら、イメージセンサに被写体像が形成される際、イメージセンサの中央部では入射角が小さく、光がほぼ垂直に入射するのに対し、イメージセンサの周辺部では入射角が大きく、光が斜め方向から入射する。すなわち、イメージセンサの中央部と周辺部とでは光の入射角度が異なり、イメージセンサの周辺部では入射光が光導波路を反射する回数が多くなる。光導波路を設けていても、反射に伴う光の減衰は少なからず発生するため、反射回数の多いイメージセンサの周辺部の受光素子は中央部に比べて感度が低下するという欠点がある。 However, when a subject image is formed on the image sensor, the incident angle is small at the center of the image sensor and the light is incident almost vertically, whereas the incident angle is large at the peripheral part of the image sensor and the light is inclined. Incident from. That is, the incident angle of light is different between the central portion and the peripheral portion of the image sensor, and the number of times the incident light reflects on the optical waveguide increases at the peripheral portion of the image sensor. Even if an optical waveguide is provided, light attenuation due to reflection occurs not a little, but there is a disadvantage that the sensitivity of the light receiving element in the peripheral part of the image sensor having a large number of reflections is lower than that in the central part.
本発明は、上記問題点に着目し、イメージセンサの中央部と周辺部とで受光素子の感度の偏りを小さくできる撮像装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an imaging apparatus capable of reducing the sensitivity deviation of the light receiving elements between the central portion and the peripheral portion of the image sensor by paying attention to the above problems.
上記目的を達成するために、本発明は、被写体像を形成する結像レンズと、被写体像を画素ごとの信号電荷に変換する複数の受光素子と、入射光を反射してこれを各受光素子に導く複数の光導波路とを備え、前記結像レンズから前記受光素子に入射する入射光の主光線が、前記光導波路で反射される回数を1回以下にしたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides an imaging lens for forming a subject image, a plurality of light receiving elements for converting the subject image into signal charges for each pixel, and reflecting incident light to each light receiving element. And a plurality of optical waveguides guided to the light receiving element, wherein the principal ray of incident light incident on the light receiving element from the imaging lens is reflected by the optical waveguide one time or less.
前記光導波路は、前記受光素子の上に筒状に形成され、その内部を入射光が通過する光反射層を備え、前記光導波路に入射する入射光の主光線の入射角をθ1、前記光導波路の屈折率をN1、前記光導波路の長さをL1、幅をD1とした時に、tan(θ1/N1)≦D1/L1を満たすことを特徴とする。 The optical waveguide is formed in a cylindrical shape on the light receiving element, includes a light reflection layer through which incident light passes, and an incident angle of a chief ray of incident light incident on the optical waveguide is θ1. When the refractive index of the waveguide is N1, the length of the optical waveguide is L1, and the width is D1, tan (θ1 / N1) ≦ D1 / L1 is satisfied.
前記光導波路は、周囲の透光体よりも屈折率が高く、柱状に形成された高屈折率層を備えることを特徴とする。 The optical waveguide includes a high refractive index layer having a higher refractive index than a surrounding transparent body and formed in a columnar shape.
前記結像レンズからの入射光を各受光素子に集光させる複数の集光レンズを備え、この集光レンズを設ける位置を、前記複数の受光素子が配列された受光面の中心側にずらしたことを特徴とする。 A plurality of condensing lenses for condensing incident light from the imaging lens on each light receiving element are provided, and the position where the condensing lenses are provided is shifted to the center side of the light receiving surface on which the plurality of light receiving elements are arranged. It is characterized by that.
前記結像レンズから前記受光素子に最大の入射角で入射する光線が、前記光導波路で反射される回数を1回以下にしたことを特徴とする。 The number of times that the light beam incident from the imaging lens to the light receiving element at the maximum incident angle is reflected by the optical waveguide is one or less.
本発明によれば、結像レンズから受光素子に入射する入射光の角度と、光導波路の構造とを最適化し、入射光の主光線が光導波路を反射する回数を1回以下にしているから、イメージセンサの周辺部に入射する光であっても、光導波路を反射することによる入射光の損失を最小限度に抑えることができる。すなわち、イメージセンサの周辺部に位置する受光素子によって検出できる光の量が増加し、画像の周辺部の光量が低下するシェーディングを軽減する効果が得られる。 According to the present invention, the angle of incident light incident on the light receiving element from the imaging lens and the structure of the optical waveguide are optimized, and the number of times the principal ray of the incident light is reflected on the optical waveguide is less than one. Even for light incident on the periphery of the image sensor, the loss of incident light due to reflection on the optical waveguide can be minimized. That is, the amount of light that can be detected by the light receiving element located in the peripheral portion of the image sensor is increased, and an effect of reducing shading that reduces the light amount in the peripheral portion of the image can be obtained.
図1において、撮像装置10は、入射した被写体光を結像させ、被写体像を形成する結像レンズ11と、結像レンズ11により形成された被写体像を画像信号として光電変換するCCDイメージセンサ12とによって構成される。結像レンズ11は、例えば複数枚のレンズによって構成され、光軸11aを有する。CCDイメージセンサ12は、結像レンズ11の像面上に設けられている。周知のように、物体面13上の特定の物点からの光が結像する時、光軸11aから離れた物点からの主光線は、CCDイメージセンサ12に入射する角度が大きく、CCDイメージセンサ12に対して傾斜して入射する。また、光軸11aに近い物点からの主光線はCCDイメージセンサ12に入射する角度が小さく、CCDイメージセンサ12にほぼ垂直に入射する。なお、光軸11a上にない物点からの上限光線と下限光線は、主光線よりも入射角度が大きい光線と入射角度が小さい光線になる。
In FIG. 1, an imaging apparatus 10 forms an image of incident subject light, forms an object image, and a
図2において、CCDイメージセンサ12は、周知のように、平面状に配列されたフォトダイオードからなる複数の受光素子20を備えている。受光素子20により検出された光は、受光量に応じた信号電荷として蓄積される。CCDイメージセンサ12は、インターライン転送方式のCCDイメージセンサであり、垂直転送CCD21と水平転送CCD22が設けられている。垂直転送CCD21は、垂直方向に配列した複数の受光素子20で発生した信号電荷を転送する。水平転送CCD22は、複数の垂直転送CCD21の最終段に共通に接続され、垂直転送CCD21がそれぞれ転送する信号電荷を水平転送する。
As shown in FIG. 2, the
蓄積された信号電荷は、受光素子20と垂直転送CCD21とを接続する読み出し転送ゲートを介して、所定の読み出し周期ごとに垂直転送CCD21に読み出される。垂直転送CCD21は、読み出された信号電荷を水平転送CCD22に向かって一段ずつ転送する垂直転送を行う。水平転送CCD22は、垂直転送CCD21の各最終段から転送される信号電荷を受け取り、一段分の信号電荷を出力アンプ23に向けて水平転送を行う。出力アンプ23は、水平転送CCD22から出力される信号電荷の電荷量に応じた電圧信号を画像信号として出力する。
The accumulated signal charges are read to the
図3において、垂直転送CCD21の上方には、転送電極26と、転送電極26の上面部及び側面部を覆う酸化シリコンからなる絶縁層27と、絶縁層27を覆う遮光層29とが形成されている。遮光層29には、受光素子20の上に開口部30が形成されており、受光素子20に光を入射させ、垂直転送CCD21に光が侵入することを防止する。遮光層29は、タングステン又はアルミニウム等の遮光性材料から形成されている。
In FIG. 3, a
開口部30には光導波路31が設けられている。光導波路31は、二酸化シリコン等の透明絶縁性材料が充填され、その周囲に高反射率の金属からなる光反射層32を備えている。光反射層32に用いる高反射材料としては、例えばアルミニウム、銀、金がある。光反射層32は、入射光が受光素子20に到達する前に遮光層29で反射又は吸収されることを防ぎ、入射光が受光素子20に到達できるように導くことで光の損失を抑える。
An
遮光層29と光導波路31の上には平坦化層33が形成されている。平坦化層33は、BPSG(Boron Phosphorous Silicate Glass)からなる。開口部30の上には、赤、緑、青などの特定の色の光を透過させるカラーフィルタ34が設けられている。カラーフィルタ34の上には、入射光を集光する凸状のマイクロレンズ35が設けられている。なお、受光素子20の受光面の中心と、光導波路31の中心と、マイクロレンズ35の中心は同一軸上に位置している。
A planarizing
図4において、入射光が光導波路31を反射する際にも、反射に伴う入射光の損失が発生する。このため、結像レンズ11には光導波路31の構造に適したものが用いられ、入射光が光導波路31を反射する回数を制限し、光の損失を抑えている。結像レンズ11がCCDイメージセンサ12に適したものであるためには、光導波路31の内部の屈折率をN1、光導波路31の長さをL1、光導波路31の幅をD1とした時に、tan(θ1/N1)≦D1/L1、として表される入射角θ1で入射光が光導波路31に入射することを条件とする。
In FIG. 4, when incident light reflects the
光導波路31の長さL1は、転送電極26及び絶縁層27及び遮光層29の厚さの合計値とほぼ等しく、光導波路31の幅D1はCCDイメージセンサ12の画素密度に応じた受光素子20の受光面の広さとほぼ等しい。光導波路31の構造が決まると、光導波路31に入射する際の主光線の入射角の上限値が決まる。また、この上限値が決まると、主光線が結像レンズ11からCCDイメージセンサ12に入射する際に許容される最大入射角が求められ、CCDイメージセンサ12に最適な組み合わせとなる結像レンズ11の画角等が決まる。
The length L1 of the
このように決められた結像レンズ11を用いることで、各受光素子に入射する入射光の主光線は、光導波路31を1回反射して受光素子20に入射するか、光導波路31を反射せずに受光素子20に直接入射することができる。所定の物点からの主光線が、光導波路31での反射回数が複数回にならないことで、光導波路31での反射による入射光の減衰は効果的に抑えられる。特に、CCDイメージセンサ12の周辺部に入射する光は、入射角度が大きいために光導波路31における反射回数が多くなりやすいが、光導波路31での反射回数が1回以下になることにより、CCDイメージセンサ12の中央部と周辺部で生じる受光量差を小さくすることができる。
By using the imaging lens 11 determined in this manner, the principal ray of incident light incident on each light receiving element is reflected once on the
次に本発明の第2実施形態について説明する。CCDイメージセンサ40には、受光素子20の上に透明な高屈折率層41を備えた光導波路42が設けられている。光導波路42は、高屈折率層41と遮光層29との間、すなわち高屈折率層41の周囲には平坦化層43を構成する低屈折率材料が充填されている。光導波路42は、高屈折率層41がコア、平坦化層43がクラッドとして作用し、高屈折率層41に入射した光を全反射して受光素子20に導く。
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The CCD image sensor 40 is provided with an
このような構造の光導波路42を備えたCCDイメージセンサ40と結像レンズの組み合わせを決めるためには、光導波路42の長さ(高屈折率層41の厚さ)をL1、光導波路42の幅(高屈折率層41の幅)をD1、高屈折率層41の屈折率をN1とした時に、tan(θ1/N1)≦D1/L1、を満たす入射角θ1で高屈折率層41に主光線が入射することが条件となる。この条件を満たす結像レンズを用いることにより、高屈折率層41に入射した主光線は、光導波路42で1回反射されて受光素子20に入射するか、光導波路42で反射されずに受光素子20に直接入射することができる。すなわち、光導波路42で複数回の反射によって減衰する主光線が生じないので、CCDイメージセンサ40の中央部と周辺部とで光導波路42を反射することに起因する受光量の差が小さくなる。
In order to determine the combination of the CCD image sensor 40 including the
なお、以上で説明した実施形態は、受光素子の中心と光導波路の中心とマイクロレンズの中心とが同一軸上に位置している。ここで、マイクロレンズをイメージセンサの中心側にずらした場合、光導波路に入射する主光線の入射角度を小さくすることができる。これにより、結像レンズからイメージセンサに入射する被写体光の入射角度が大きくなっても光導波路における主光線の反射回数を1回以下にすることができ、結像レンズの設計が楽になる。 In the embodiment described above, the center of the light receiving element, the center of the optical waveguide, and the center of the microlens are located on the same axis. Here, when the microlens is shifted toward the center of the image sensor, the incident angle of the principal ray incident on the optical waveguide can be reduced. As a result, even when the incident angle of the subject light incident on the image sensor from the imaging lens increases, the number of reflections of the principal ray in the optical waveguide can be reduced to one or less, and the imaging lens can be easily designed.
イメージセンサの中央部と周辺部とで、光導波路における反射に起因する受光量の差をさらに小さくするためには、光導波路に入射した主光線のみならず、主光線よりも入射角が大きい上限光線又は下限光線を含む全ての光線の反射回数が1回以下になることが好ましい。信号電荷の転送路を遮光する遮光層に高い光反射率を有する材料を使用する場合には、遮光層に形成した開口部を光導波路として使用することもできる。本発明に用いるイメージセンサとしては、CCDイメージセンサに限られず、CMOSイメージセンサに適用することも可能である。 In order to further reduce the difference in the amount of light received due to reflection in the optical waveguide between the central part and the peripheral part of the image sensor, not only the principal ray incident on the optical waveguide but also the upper limit where the incident angle is larger than the principal ray It is preferable that the number of reflections of all the light beams including the light beam or the lower limit light beam is 1 or less. When a material having a high light reflectance is used for the light shielding layer that shields the signal charge transfer path, the opening formed in the light shielding layer can also be used as an optical waveguide. The image sensor used in the present invention is not limited to a CCD image sensor, and can be applied to a CMOS image sensor.
10 撮像装置
11 結像レンズ
11a 光軸
12 CCDイメージセンサ
20 受光素子
29 遮光層
31 光導波路
32 光反射層
33 平坦化層
35 マイクロレンズ
40 CCDイメージセンサ
41 高屈折率層
42 光導波路
43 平坦化層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Image pick-up device 11 Imaging lens 11a
Claims (5)
前記結像レンズから前記受光素子に入射する入射光の主光線が、前記光導波路で反射される回数を1回以下にしたことを特徴とする撮像装置。 An imaging lens that forms a subject image, a plurality of light receiving elements that convert the subject image into signal charges for each pixel, and a plurality of optical waveguides that reflect incident light and guide it to each light receiving element,
An imaging apparatus characterized in that the principal ray of incident light incident on the light receiving element from the imaging lens is reflected by the optical waveguide one time or less.
tan(θ1/N1)≦D1/L1
を満たすことを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 The optical waveguide is formed in a cylindrical shape on the light receiving element, includes a light reflection layer through which incident light passes, and an incident angle of a chief ray of incident light incident on the optical waveguide is θ1. When the refractive index of the light transmission part of the waveguide is N1, the length of the optical waveguide is L1, and the width is D1,
tan (θ1 / N1) ≦ D1 / L1
The imaging device according to claim 1, wherein:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006271494A JP2008091660A (en) | 2006-10-03 | 2006-10-03 | Imaging device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2006271494A JP2008091660A (en) | 2006-10-03 | 2006-10-03 | Imaging device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2008091660A true JP2008091660A (en) | 2008-04-17 |
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ID=39375502
Family Applications (1)
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JP2006271494A Pending JP2008091660A (en) | 2006-10-03 | 2006-10-03 | Imaging device |
Country Status (1)
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013038266A (en) * | 2011-08-09 | 2013-02-21 | Canon Inc | Imaging apparatus, imaging system, and method for manufacturing imaging apparatus |
JP2014082310A (en) * | 2012-10-16 | 2014-05-08 | Canon Inc | Solid-state imaging device, method for manufacturing solid-state imaging device, and imaging system |
-
2006
- 2006-10-03 JP JP2006271494A patent/JP2008091660A/en active Pending
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