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JP5496794B2 - 固体撮像装置 - Google Patents

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Description

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。
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眼レフのデジタルカメラが普及してきている。
なお、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を基準にして測定して大きな角度）になることを意味する。
ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサやＣＭＯＳ（Complementary 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。そのため、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。
また、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）。
具体的には、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、固体撮像装置の撮像領域の周縁部では、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を組み合わせ、かつ、その同心構造の中心を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。
特開２００６−３５１９７２号公報
しかしながら、特許文献１に開示された固体撮像装置は、例えば、広角レンズを透過した、広角に入射される広角入射光に対しては、当該固体撮像装置の撮像領域の各単位画素は、受光素子へ光を導くことができる。しかしながら、特許文献１に開示された固体撮像装置は、例えば、望遠レンズを透過したテレセントリック（光軸と主光線がほぼ平行）に入射される光に対しては、当該固体撮像装置の撮像領域の一部の単位画素は、受光素子へ光を導くことができない。
すなわち、従来の固体撮像装置は、異なる性質を有する２種類の光を正常に受光素子へ光を導くことができないという問題がある。
本発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、異なる性質を有する２種類の光を受光素子へ導くことを可能とした固体撮像装置を提供することである。
上述の課題を解決するために、この発明のある局面に従う固体撮像装置は、平面に形成される撮像領域に入射される入射光を利用して撮像を行う。前記撮像領域には、複数の単位画素が平面状に配置され、前記複数の単位画素の各々は、受光素子と、入射される光を該受光素子へ導くための集光素子とを含み、前記複数の単位画素のうちの少なくとも１つの単位画素に含まれる集光素子は、互いに隣接する第１および第２の光透過膜群から構成される多構成集光素子であり、前記第１および第２の光透過膜群の各々は、前記撮像領域に垂直な軸を中心軸とする複数の同心円弧状の光透過膜から構成され、前記第１の光透過膜群と前記第２の光透過膜群とは、入射される少なくとも２種類の入射光を、対応する同一の受光素子へ導くための互いに異なる実効屈折率分布を有し、前記第１の光透過膜群と前記第２の光透過膜群との境界部分は、直線であり、前記直線としての境界線は、前記撮像領域の中心と前記多構成集光素子を含む単位画素の中心とを結ぶ線に対し直交し、前記多構成集光素子に対応する境界線の位置は、前記撮像領域の中心から該多構成集光素子を含む単位画素までの距離に応じて異なり、前記多構成集光素子に対応する境界線の位置は、該多構成集光素子を含む単位画素の配置位置が、前記撮像領域の周縁部に近い程、該多構成集光素子を含む単位画素の中心に近い。
すなわち、複数の単位画素のうちの少なくとも１つの単位画素に含まれる集光素子は、互いに隣接する第１および第２の光透過膜群から構成される。第１の光透過膜群と前記第２の光透過膜群とは、入射される少なくとも２種類の入射光を、対応する同一の受光素子へ導くための互いに異なる実効屈折率分布を有する。第１の光透過膜群と前記第２の光透過膜群との境界部分は直線であり、直線としての境界線は、撮像領域の中心と集光素子を含む単位画素の中心とを結ぶ線に対し直交する。
したがって、異なる性質を有する２種類の光を受光素子へ導くことができる。
また、好ましくは、前記第１の光透過膜群は、前記第２の光透過膜群より前記撮像領域の中心に近く、前記第２の光透過膜群の光の屈折率は、前記第１の光透過膜群の光の屈折率より大きい。
また、好ましくは、前記多構成集光素子を含む単位画素は、前記撮像領域において該撮像領域の中心部以外の部分に配置される。
また、好ましくは、前記多構成集光素子に対応する境界線の位置は、前記撮像領域の中心から該多構成集光素子を含む単位画素までの距離に応じて異なり、前記多構成集光素子に対応する境界線の位置は、該多構成集光素子を含む単位画素の配置位置が、前記撮像領域の周縁部に近い程、該多構成集光素子を含む単位画素の中心に近い。
また、好ましくは、各前記同心円弧状の光透過膜の幅は、入射光の波長以下である。
また、好ましくは、前記第１の光透過膜群に対応する中心軸の位置と、前記第２の光透過膜群に対応する中心軸の位置とは異なる。
また、好ましくは、前記多構成集光素子に対応する境界線は、該多構成集光素子を含む単位画素の配置位置が前記撮像領域の周縁部である場合、該多構成集光素子を含む単位画素の中心を通る。
また、好ましくは、前記多構成集光素子は、屈折率分布型レンズである。
本発明により、異なる性質を有する２種類の光を受光素子へ導くことができる。
本実施の形態に係る固体撮像装置の構成を示す図である。 撮像領域の中心部、中間部および周縁部を説明するための図である。 単位画素の構成を説明するための図である。 撮像領域中心部、撮像領域中間部および撮像領域周縁部の各々に配置される単位画素を説明するための図である。 撮像領域中心部、撮像領域中間部および撮像領域周縁部の各々に配置される単位画素を説明するための図である。 撮像領域における、単位画素の配置例を示す図である。 撮像領域のＤ端に配置される集光素子を説明するための図である。 固体撮像装置の集光効率の入射角度依存性を示す図である。 一例としてのカメラの構成を示す図である。 固体撮像装置に形成される、一般的な単位画素の構造の一例を示す図である。 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示す図である。 固体撮像装置の撮像領域の周縁部に配置された単位画素の構造例を示す図である。 比較例２に係る固体撮像装置を備えるカメラの構成を示す図である。 撮像領域中心部、撮像領域中間部および撮像領域周縁部の各々に配置される単位画素を説明するための図である。 撮像領域中心部、撮像領域中間部および撮像領域周縁部の各々に配置される単位画素を説明するための図である。
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、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。
本実施の形態に係る固体撮像装置は、平面に形成される撮像領域に入射される入射光を利用して撮像を行う。前記撮像領域には、複数の単位画素が平面状に配置される。前記複数の単位画素の各々は、受光素子と、入射される光を該受光素子へ導くための集光素子とを含む。前記複数の単位画素のうちの少なくとも１つの単位画素に含まれる集光素子は、互いに隣接する第１および第２の光透過膜群から構成される多構成集光素子である。前記第１および第２の光透過膜群の各々は、前記撮像領域に垂直な軸を中心軸とする複数の同心円弧状の光透過膜から構成される。前記第１の光透過膜群と前記第２の光透過膜群とは、入射される少なくとも２種類の入射光を、対応する同一の受光素子へ導くための互いに異なる実効屈折率分布を有する。前記第１の光透過膜群と前記第２の光透過膜群との境界部分は、直線である。前記直線としての境界線は、前記撮像領域の中心と前記多構成集光素子を含む単位画素の中心とを結ぶ線に対し直交する。
図１は、本実施の形態に係る固体撮像装置５００の構成を示す図である。
図１を参照して、固体撮像装置５００は、撮像領域Ｒ１０を含む。撮像領域Ｒ１０は、平面に形成される領域である。撮像領域Ｒ１０には、図示しないレンズを透過した光が入射される。固体撮像装置５００は、撮像領域Ｒ１０に入射される入射光を利用して撮像を行う。
図２は、撮像領域Ｒ１０の中心部、中間部および周縁部を説明するための図である。撮像領域Ｒ１０の中心部は、撮像領域Ｒ１０の中心部に対応する領域Ｒ１１の部分である。撮像領域Ｒ１０の周縁部は、領域Ｒ１２の部分である。撮像領域Ｒ１０の中間部は、領域Ｒ１１と領域Ｒ１２との間の部分である。
以下においては、撮像領域Ｒ１０の中心部、中間部および周縁部を、それぞれ、撮像領域中心部、撮像領域中間部および撮像領域周縁部ともいう。また、以下においては、撮像領域Ｒ１０における４つの角の部分を、画角またはＤ端という。また、以下においては、撮像領域Ｒ１０のうち、Ｙ軸方向における端の部分を、Ｖ端という。また、以下においては、撮像領域Ｒ１０のうち、Ｘ軸方向における端の部分を、Ｈ端という。
また、以下においては、撮像領域Ｒ１０の中心を、中心ＣＰという。
再び、図１を参照して、撮像領域Ｒ１０において該撮像領域Ｒ１０の中心部（撮像領域中心部）以外の部分には、複数の単位画素１０が行列状に配置される。すなわち、撮像領域Ｒ１０には、複数の単位画素が平面状に配置される。
図３は、単位画素１０の構成を説明するための図である。
図３（ａ）は、単位画素１０の断面図である。
図３（ａ）を参照して、単位画素１０は、半導体基板１１と、受光素子１２と、配線１３と、カラーフィルタ１４と、集光素子Ｌ２０とを含む。単位画素１０のサイズは、例えば、５．６［μｍ］である。
受光素子１２は、例えば、Ｓiフォトダイオードである。配線１３は、ＡＬまたはＣｕなどで形成される。カラーフィルタ１４は、赤色光、緑色光および青色光のいずれかを透過させる。
集光素子Ｌ２０は、当該集光素子Ｌ２０に入射される光を該受光素子１２へ導く。集光素子Ｌ２０は、屈折率分布型レンズである。集光素子Ｌ２０の膜厚は、例えば、１．２［μｍ］である。集光素子Ｌ２０は、互いに隣接する第１の光透過膜群Ｌ２１および第２の光透過膜群Ｌ２２とから構成される集光素子（以下、多構成集光素子ともいう）である。
前述したように、該撮像領域Ｒ１０の中心部以外の部分には、複数の単位画素１０が行列状に配置される。すなわち、多構成集光素子を含む単位画素１０は、撮像領域Ｒ１０において該撮像領域Ｒ１０の中心部以外の部分に配置される。
つまり、撮像領域Ｒ１０に配置される複数の単位画素のうちの少なくとも１つの単位画素に含まれる集光素子は、多構成集光素子である。
図３（ｂ）は、撮像領域Ｒ１０における単位画素１０に含まれる集光素子Ｌ２０の上面図の一例である。
第１の光透過膜群Ｌ２１は、撮像領域Ｒ１０に垂直な軸を中心軸とする複数の同心円弧状の光透過膜Ｌ３１から構成される。第２の光透過膜群Ｌ２２は、撮像領域Ｒ１０に垂直な軸を中心軸とする複数の同心円弧状の光透過膜Ｌ３２から構成される。
すなわち、第１の光透過膜群Ｌ２１および第２の光透過膜群Ｌ２２の各々の構造は、同心円弧構造である。
なお、第１の光透過膜群Ｌ２１に対応する中心軸の位置と、第２の光透過膜群Ｌ２２に対応する中心軸の位置とは異なる。なお、第１の光透過膜群Ｌ２１に対応する中心軸の位置と、第２の光透過膜群Ｌ２２に対応する中心軸の位置とは同じであってもよい。
第１の光透過膜群Ｌ２１と第２の光透過膜群Ｌ２２との境界部分は、直線としての境界線ＳＬ１０である。すなわち、第１の光透過膜群Ｌ２１と第２の光透過膜群Ｌ２２との境界部分は、境界線ＳＬ１０に沿った部分である。
光透過膜Ｌ３１，Ｌ３２は、例えば、ＳiＯ2（二酸化ケイ素）を主成分とする。第１の光透過膜群Ｌ２１および第２の光透過膜群Ｌ２２の各々は、一例として、ＳiＯ2（ｎ＝１．４５）と空気Ａ３０（ｎ＝１．０）との体積比により構成される。
図３（ｃ）は、撮像領域Ｒ１０（集光素子Ｌ２０）への入射光に対する実効屈折率分布を示すグラフの一例である。図３（ｃ）において、横軸は、光透過膜の半径を示す。実効屈折率分布の詳細な説明は後述する。
図３（ｃ）において、横軸の０．０を示す位置から左側の実効屈折率分布は、第１の光透過膜群Ｌ２１の実効屈折率分布である。また、横軸の０．０を示す位置から右側の実効屈折率分布は、第２の光透過膜群Ｌ２２の実効屈折率分布である。
第１の光透過膜群Ｌ２１および第２の光透過膜群Ｌ２２の各々は、入射光に対する実効屈折率分布が互いに異なる。具体的には、第１の光透過膜群Ｌ２１と第２の光透過膜群Ｌ２２とは、入射される少なくとも２種類の入射光を、対応する同一の受光素子１２へ導くための互いに異なる実効屈折率分布を有する。
ここで、上記２種類の入射光は、広角レンズを透過した広角入射光、および、望遠レンズを透過したテレセントリックに入射される光である。すなわち、２種類の入射光は、互いに異なる性質を有する光である。
すなわち、第１の光透過膜群Ｌ２１は、当該第１の光透過膜群Ｌ２１に入射される少なくとも上記２種類の入射光を、受光素子１２へ導くための実効屈折率分布を有する。また、第２の光透過膜群Ｌ２２は、当該第２の光透過膜群Ｌ２２に入射される少なくとも上記２種類の入射光を、受光素子１２へ導くための実効屈折率分布を有する。
図４は、撮像領域中心部、撮像領域中間部および撮像領域周縁部の各々に配置される単位画素を説明するための図である。
図４（ａ）は、撮像領域中心部、撮像領域中間部および撮像領域周縁部の各々に配置される単位画素の断面図である。
撮像領域中間部および撮像領域周縁部の各々には、前述した単位画素１０が配置される。撮像領域中間部および撮像領域周縁部の各々において、第１の光透過膜群Ｌ２１は、第２の光透過膜群Ｌ２１より撮像領域Ｒ１０の中心ＣＰに近い位置に配置される。
撮像領域中間部および撮像領域周縁部の各々において、第１の光透過膜群Ｌ２１は、当該第１の光透過膜群Ｌ２１に入射された入射光ＬＴ３０を屈折させ、入射光ＬＴ３１とする。受光素子１２には、入射光ＬＴ３１が入射される。
また、撮像領域中間部および撮像領域周縁部の各々において、第２の光透過膜群Ｌ２２は、当該第２の光透過膜群Ｌ２２に入射された入射光ＬＴ３０を屈折させ、入射光ＬＴ３２とする。また、受光素子１２には、入射光ＬＴ３２が入射される。
撮像領域Ｒ１０において、集光素子の配置される位置が、撮像領域Ｒ１０の中心ＣＰから遠い程、当該集光素子の屈折率は大きい。
すなわち、第２の光透過膜群Ｌ２２の光の屈折率は、第１の光透過膜群Ｌ２１の光の屈折率より大きい。
撮像領域中心部には、単位画素１０Ｎが配置される。単位画素１０Ｎは、単位画素１０と比較して、集光素子Ｌ２０の代わりに集光素子Ｌ２０Ｎを含む点が異なる。それ以外の単位画素１０Ｎの構造は、単位画素１０と同様なので詳細な説明は繰り返さない。
集光素子Ｌ２０Ｎは、当該集光素子Ｌ２０Ｎに入射された入射光ＬＴ３０を屈折させ、入射光ＬＴ３１，ＬＴ３２とする。
図４（ｂ）は、撮像領域中心部、撮像領域中間部および撮像領域周縁部の各々に配置される単位画素に含まれる集光素子の上面図の一例である。
集光素子Ｌ２０Ｎは、撮像領域Ｒ１０に垂直な軸を中心軸とする複数の同心円構造の光透過膜Ｌ３１Ｎから構成される。図４（ｂ）に示されるように、隣り合う光透過膜Ｌ３１Ｎの外周半径差ｄ１は、例えば、約２００［ｎｍ］である。
なお、撮像領域中間部および撮像領域周縁部の単位画素１０の集光素子Ｌ２０の構造は、境界線ＳＬ１０に対して非対称な同心円弧構造である。多構成集光素子（集光素子Ｌ２０）に対応する境界線ＳＬ１０の位置は、撮像領域Ｒ１０の中心ＣＰから該多構成集光素子（集光素子Ｌ２０）を含む単位画素１０までの距離に応じて異なる。
具体的には、多構成集光素子（集光素子Ｌ２０）に対応する境界線ＳＬ１０の位置は、該多構成集光素子（集光素子Ｌ２０）を含む単位画素１０の配置位置が、撮像領域Ｒ１０の周縁部に近い程、該多構成集光素子（集光素子Ｌ２０）を含む単位画素１０の中心に近い。ここで、単位画素１０の中心とは、当該単位画素１０に含まれる集光素子Ｌ２０（図４（ｂ）参照）の中心である。
また、第１の光透過膜群Ｌ２１または第２の光透過膜群Ｌ２２において、隣り合う２つの光透過膜Ｌ３２の外周半径差ｄ２，ｄ３は、上記の外周半径差ｄ１より小さい。すなわち、ｄ１＞ｄ２＞ｄ３の関係が成立する。
ここで、集光素子Ｌ２０または集光素子Ｌ２０Ｎを、外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。また、光透過膜Ｌ３２の同心円弧の線幅は、集光素子Ｌ２０Ｎの中心部に配置される光透過膜Ｌ３２の幅が最も大きい。集光素子Ｌ２０の中心部から離れた位置の光透過膜Ｌ３２程、幅が小さくなる。
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Ｌ３２を構成するＳiＯ2（ｎ＝１．４５）と、空気Ａ３０（ｎ＝１．０）との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、上記同心円弧構造の線幅、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。
なお、第１の光透過膜群Ｌ２１を構成する各同心円弧状の光透過膜Ｌ３１の幅は、入射光Ａの波長以下である。ここで、入射光Ａは、受光素子１２に入射する光（例えば、入射光ＬＴ３１，ＬＴ３２）である。第２の光透過膜群Ｌ２２を構成する各同心円弧状の光透過膜Ｌ３２の幅は、入射光Ａの波長以下である。
図４（ｃ）は、撮像領域中心部、撮像領域中間部および撮像領域周縁部の各々に配置される単位画素に含まれる集光素子の実効屈折率分布を示すグラフの一例である。
例えば、図４（ｃ）の撮像領域中心部の単位画素１０Ｎの集光素子Ｌ２０Ｎにおける放物線は、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、以下の式１で表される。
Δｎ(ｘ)＝Δｎmax［(Ａｘ2＋Ｂｘsinθ)／２π＋Ｃ］ ・・・（式１）
（Ａ、Ｂ、Ｃ：定数）
ここで、Δｎmaxは、光透過膜の材料であるＳiＯ2と空気との屈折率差である。屈折率差は、一例として、０．４５であるとする。
また、上記式１において、入射側媒質の屈折率をｎ0、出射側媒質の屈折率をｎ1としたときの各パラメータは、以下の式２、式３、式４で表される。
Ａ＝−（ｋ0ｎ1）／２ｆ ・・・（式２）
Ｂ＝−ｋ0ｎ0 ・・・（式３）
ｋ0＝２π／λ ・・・（式４）
これにより、目的とする焦点距離ｆ、対象とする入射光の入射角度および波長毎に、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、単位画素の中心から周縁方向までの距離ｘの２次関数によって表され、偏向成分は距離ｘと三角関数との積によって表わされている。
なお、図４（ｃ）に示すように、撮像領域中心部では、単位画素の中心に対して対称な実効屈折率分布をしている。このように、撮像領域中心部では、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受光素子の中心に対して対称に集光するように設計している。
例えば、図４（ａ）に示すように、撮像領域周縁部（図２のＨ端）に配置される単位画素１０の集光素子Ｌ２０においては、テレセントリックに入射した光が、第１の光透過膜群Ｌ２１と第２の光透過膜群Ｌ２２とによって、受光素子１２の端に近い位置（撮像領域Ｒ１０の中心寄り）に焦点を結ぶ。ここで、テレセントリックとは、光軸と主光線がほぼ平行のことをいう。このように、それぞれの集光素子の焦点が重なるように集光する。
しかしながら、図５（ａ）に示すように、撮像領域中間部や撮像領域周縁部においては、交換後のレンズの特性によって光の入射角が変化するため、撮像領域周縁部に近づくほど実効屈折率分布の対称性を崩し、集光素子Ｌ２０の右半分における光の屈折角の度合いが大きくなるように設計している。
例えば、図５（ａ）に示す撮像領域周縁部（図２のＨ端）に配置される単位画素１０の集光素子Ｌ２０では、広角に入射した光が、第１の光透過膜群Ｌ２１と第２の光透過膜群Ｌ２２とによって、受光素子１２の端に近い位置（撮像領域Ｒ１０の周縁寄り）に焦点を結ぶ。
図５（ｂ）は、撮像領域中心部、撮像領域中間部および撮像領域周縁部の各々に配置される単位画素に含まれる集光素子の上面図の一例である。
図５（ｃ）は、撮像領域中心部、撮像領域中間部および撮像領域周縁部の各々に配置される単位画素に含まれる集光素子の実効屈折率分布を示すグラフの一例である。
図６は、撮像領域Ｒ１０における、単位画素の配置例を示す図である。すなわち、図６は、撮像領域Ｒ１０における、集光素子の配置例を示す。
撮像領域Ｒ１０におけるＸ軸方向の撮像領域周縁部では、Ｙ軸で非対称な集光素子Ｌ２０が配置される。また、撮像領域Ｒ１０におけるＹ軸方向の撮像領域周縁部では、Ｘ軸で非対称な集光素子Ｌ２０が配置される。
また、撮像領域Ｒ１０における撮像領域中間部では、例えば、図４（ｂ）の集光素子Ｌ２０が配置される。また、撮像領域Ｒ１０における撮像領域中心部では、例えば、図４（ｂ）の集光素子Ｌ２０Ｎが配置される。
すなわち、多構成集光素子（集光素子Ｌ２０）に対応する境界線ＳＬ１０の位置は、撮像領域Ｒ１０の中心ＣＰから該多構成集光素子（集光素子Ｌ２０）を含む単位画素１０までの距離に応じて異なる。
具体的には、多構成集光素子（集光素子Ｌ２０）に対応する境界線ＳＬ１０の位置は、該多構成集光素子（集光素子Ｌ２０）を含む単位画素１０の配置位置が、撮像領域Ｒ１０の周縁部に近い程、該多構成集光素子（集光素子Ｌ２０）を含む単位画素１０の中心に近い。
本実施の形態における固体撮像装置５００では、多構成集光素子（集光素子Ｌ２０）は、当該多構成集光素子（集光素子Ｌ２０）に対応する境界線ＳＬ１０が、撮像領域Ｒ１０の中心ＣＰと集光素子Ｌ２０（単位画素）の中心とを結ぶ線に対し直交するように構成される。
すなわち、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境界線が単位画素のＸ軸方向とＹ軸方向の座標が持つベクトルに対して直交するように構成される。
つまり、多構成集光素子（集光素子Ｌ２０）に対応する境界線ＳＬ１０は、撮像領域Ｒ１０の中心ＣＰと当該多構成集光素子（集光素子Ｌ２０）を含む単位画素の中心とを結ぶ線に対し直交する。
すなわち、撮像領域Ｒ１０におけるＤ端に配置される集光素子Ｌ２０に対応する境界線ＳＬ１０は、単位画素のＸ方向とＹ方向の座標が持つベクトルに対して直交する。
また、図４（ｂ）に示されるように、撮像領域Ｒ１０の周縁部に配置される単位画素１０に含まれる多構成集光素子に対応する境界線ＳＬ１０は、当該撮像領域Ｒ１０の周縁部に配置される単位画素１０の中心を通る。すなわち、多構成集光素子に対応する境界線ＳＬ１０は、該多構成集光素子を含む単位画素の配置位置が撮像領域Ｒ１０の周縁部である場合、該多構成集光素子を含む単位画素の中心を通る。
これにより、撮像領域Ｒ１０の全体に対して、図４（ａ）および図５（ａ）等で説明したような集光効果を実現することができる。
ここで、撮像領域Ｒ１０のＤ端に配置される集光素子Ｌ２０について説明する。
図７は、撮像領域Ｒ１０のＤ端に配置される集光素子Ｌ２０を説明するための図である。
図７を参照して、Ｄ端に配置される集光素子Ｌ２０に対応する境界線ＳＬ１０は、撮像領域Ｒ１０における、縦の画素数と横の画素数との比に応じて、傾きが異なる。
以下においては、撮像領域Ｒ１０における、縦の画素数と横の画素数との比を、アスペクト比という。
例えば、アスペクト比が、１：１の場合、すなわち、撮像領域Ｒ１０における縦の画素数と横の画素数とが同じである場合、Ｄ端に配置される集光素子Ｌ２０に対応する境界線ＳＬ１０が、半時計周りに４５度回転させたＹ軸と平行となるように、集光素子Ｌ２０が構成される。このような構造とすることで、撮像領域Ｒ１０のＨ端、Ｖ端およびＤ端ともに、前述と同様の集光効果を実現することができる。
図８は、固体撮像装置の集光効率の入射角度依存性を示す図である。図８において、特性曲線ＣＬ１は、本実施の形態に係る固体撮像装置５００の集光効率の特性を示す。特性曲線ＣＬ２は、一例として、撮像領域Ｒ１０全体に、図４（ａ）の単位画素１０Ｎが配置された集光素子を使用した固体撮像装置の集光効率の特性を示す。
これにより、本実施の形態に係る固体撮像装置５００は、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）まで変化したとしても、特性曲線ＣＬ１で示されるように、光の入射角特性がフラットであり、周縁部まで明るい画像を撮像することが可能となる。すなわち、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。
なお、上記実施の形態においては、集光素子Ｌ２０を構成する各光透過膜の構造を同心円弧構造としたが、同心円弧に限らず、四角形及び六角形などの多角形の同心円弧構造でもよい。
また、上記実施の形態においては、集光素子Ｌ２０の境界線が、光透過膜Ｌ３１（Ｌ３２）または空気Ａ３０のどちらかによって形成されていても良い。
以上、図面を用いて説明したように、本発明の実施の形態に係る固体撮像装置は、平面に形成される撮像領域に入射される入射光を利用して撮像を行う。前記撮像領域には、複数の単位画素が平面状に配置される。前記複数の単位画素の各々は、受光素子と、入射される光を該受光素子へ導くための集光素子とを含む。前記複数の単位画素のうちの少なくとも１つの単位画素に含まれる集光素子は、互いに隣接する第１および第２の光透過膜群から構成される多構成集光素子である。前記第１および第２の光透過膜群の各々は、前記撮像領域に垂直な軸を中心軸とする複数の同心円弧状の光透過膜から構成される。前記第１の光透過膜群と前記第２の光透過膜群とは、入射される少なくとも２種類の入射光を、対応する同一の受光素子へ導くための互いに異なる実効屈折率分布を有する。前記第１の光透過膜群と前記第２の光透過膜群との境界部分は、直線である。前記直線としての境界線は、前記撮像領域の中心と前記多構成集光素子を含む単位画素の中心とを結ぶ線に対し直交する。
これにより、異なる性質を有する２種類の光を受光素子へ光を導くことができる。したがって、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、周辺部まで明るい画像が撮像できる。
また、好ましくは、前記第１の光透過膜群は、前記第２の光透過膜群より前記撮像領域の中心に近く、前記第２の光透過膜群の光の屈折率は、前記第１の光透過膜群の光の屈折率より大きい。
また、好ましくは、前記多構成集光素子を含む単位画素は、前記撮像領域において該撮像領域の中心部以外の部分に配置される。
また、好ましくは、前記多構成集光素子に対応する境界線の位置は、前記撮像領域の中心から該多構成集光素子を含む単位画素までの距離に応じて異なり、前記多構成集光素子に対応する境界線の位置は、該多構成集光素子を含む単位画素の配置位置が、前記撮像領域の周縁部に近い程、該多構成集光素子を含む単位画素の中心に近い。
また、好ましくは、各前記同心円弧状の光透過膜の幅は、入射光の波長以下である。
また、好ましくは、前記第１の光透過膜群に対応する中心軸の位置と、前記第２の光透過膜群に対応する中心軸の位置とは異なる。
また、好ましくは、前記多構成集光素子に対応する境界線は、該多構成集光素子を含む単位画素の配置位置が前記撮像領域の周縁部である場合、該多構成集光素子を含む単位画素の中心を通る。
また、好ましくは、前記多構成集光素子は、屈折率分布型レンズである。
（カメラ）
次に、本実施の形態に係る固体撮像装置５００を備えるカメラ（撮像装置）１０００について説明する。
図９は、一例としてのカメラ１０００の構成を示す図である。カメラ１０００は、デジタルスチルカメラである。カメラ１０００は、例えば、一眼レフカメラである。なお、カメラ１０００は、デジタルスチルカメラに限定されず、例えば、デジタルビデオカメラであってもよい。
カメラ１０００は、撮像レンズＬ３００と、固体撮像装置５００とを含む。
図９において、位置Ｐ１は、中心ＣＰ（撮像領域中心部）に対応する位置である。位置Ｐ２は、撮像領域中間部に対応する位置である。位置Ｐ２は、撮像領域周縁部（Ｈ端）に対応する位置である。
撮像レンズＬ３００は、固体撮像装置５００の撮像領域Ｒ１０に対し、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可能な構造を有する。
（比較例１）
以下、図面を参照しながら、比較例１における固体撮像装置（図示せず）について説明する。以下においては、比較例１における固体撮像装置を、固体撮像装置７００と表記する。
図１０は、固体撮像装置７００に形成される、一般的な単位画素７１０の構造の一例を示す図である。単位画素７１０は、固体撮像装置７００の撮像領域において、２次元状（行列状）に配列される。
図１０に示すように、マイクロレンズ７０５に垂直に入射した光（破線で示した入射光５６）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１４によって色分離された後、受光素子１２により電気信号に変換される。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７０５は、一般的に用いられている。
しかしながら、マイクロレンズ７０５を用いた場合は、集光効率が信号光の入射角度に依存して低下する。つまり、図１１に示すように、レンズに垂直に入射してくる光（破線で示した入射光５６）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５７）に対しては集光効率が減少する。これは、斜めに入射した入射光５７が、画素中の配線１３に遮光されてしまい、受光素子１２まで到達できないためである。
上述したように、固体撮像装置７００の撮像領域では、単位画素７１０が２次元状（行列状）に配列される。そのため、広がり角を持つ入射光の場合、撮像領域の中心部の単位画素と、撮像領域の周縁部の単位画素とでは入射角が異なる。その結果、周縁部の単位画素の集光効率が中心部の単位画素より低下するという問題が起こる。
図１２は、固体撮像装置の撮像領域の周縁部に配置された単位画素の構造例を示す図である。撮像領域の周縁部の単位画素では入射光５８の入射角度が大きくなるため、配線１３と受光素子１２とを外側方向（端側）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。
図１１は、マイクロレンズ７０５を用いた図１２の固体撮像装置７１０Ｊの集光効率の入射角度依存性を示す図である。図１１に示すように、入射角度が２０°程度までの入射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、固体撮像装置７１０Ｊ内の周縁付近の単位画素の光量は、その中心付近の単位画素の約４０％程度であり、固体撮像装置７１０Ｊ全体の感度は、周縁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、固体撮像装置７１０Ｊ全体の感度は、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。
しかしながら、上記問題を、本実施の形態に係る固体撮像装置５００は解決する。すなわち、固体撮像装置５００は、固体撮像装置７１０Ｊよりも回路規模を縮小させることが可能である。そのため、固体撮像装置５００は、固体撮像装置７１０Ｊより小型化を実現可能である。
（比較例２）
以下、図面を参照しながら、比較例２に係る固体撮像装置について説明する。
図１３は、比較例２に係る固体撮像装置７１０Ｊを備えるカメラ１０００Ｊの構成を示す図である。
カメラ１０００Ｊは、デジタルスチルカメラである。カメラ１０００Ｊは、例えば、一眼レフカメラである。
カメラ１０００Ｊは、撮像レンズＬ３００Ｊと、固体撮像装置７１０Ｊとを含む。以下においては、固体撮像装置７１０Ｊの有する撮像領域の中心部、中間部および周縁部を、それぞれ、撮像領域中心部、撮像領域中間部および撮像領域周縁部ともいう。図１３において、位置Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３は、それぞれ、撮像領域中心部、撮像領域中間部および撮像領域周縁部に対応する位置である。
図１４は、撮像領域中心部、撮像領域中間部および撮像領域周縁部の各々に配置される単位画素１０Ｊを説明するための図である。
図１４（ａ）は、撮像領域中心部、撮像領域中間部および撮像領域周縁部の各々に配置される単位画素１０Ｊの断面図である。
単位画素１０Ｊは、図３（ａ）の単位画素１０と比較して、集光素子Ｌ２０の代わりに集光素子Ｌ２０Ｊを含む点が異なる。それ以外の単位画素１０Ｊの構成は、単位画素１０と同様なので詳細な説明は繰り返さない。
図１４（ｂ）は、撮像領域中心部、撮像領域中間部および撮像領域周縁部の各々に配置される単位画素に含まれる集光素子Ｌ２０Ｊの上面図の一例である。
図１４（ｃ）は、撮像領域中心部、撮像領域中間部および撮像領域周縁部の各々に配置される単位画素に含まれる集光素子Ｌ２０Ｊの実効屈折率分布を示すグラフの一例である。
図１３に示すように、比較例２に係る固体撮像装置７１０Ｊは、広角入射光用の撮像レンズＬ３００Ｊに対しては、図１４（ａ）〜（ｃ）で示されるように、撮像領域中心部、撮像領域中間部及び撮像領域周縁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（集光素子Ｌ２０Ｊ）が利用される。
これにより、撮像領域周縁部に、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、受光素子１２に入射光を集光することができ、固体撮像装置７１０Ｊの中心部の感度と同等の感度を得ることが可能である。
しかしながら、カメラ１０００Ｊにおいては、広角に光が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７１０Ｊに対して光がテレセントリックに入射する場合に対応した撮像レンズも用いられる。
図１５は、撮像領域中心部、撮像領域中間部および撮像領域周縁部の各々に配置される単位画素１１Ｊを説明するための図である。
図１５（ａ）は、撮像領域中心部、撮像領域中間部および撮像領域周縁部の各々に配置される単位画素１１Ｊの断面図である。
単位画素１１Ｊは、単位画素１０Ｊと比較して、集光素子Ｌ２０Ｊの代わりに集光素子Ｌ２１Ｊを含む点が異なる。それ以外の単位画素１１Ｊの構成は、集光素子Ｌ２０と同様なので詳細な説明は繰り返さない。
以下においては、単位画素１１Ｊを含む固体撮像装置を、固体撮像装置Ｊともいう。
固体撮像装置Ｊの撮像領域には、単位画素１１Ｊが行列状に配置される。
図１５（ｂ）は、撮像領域中心部、撮像領域中間部および撮像領域周縁部の各々に配置される単位画素１１Ｊに含まれる集光素子Ｌ２１Ｊの上面図の一例である。
図１５（ｃ）は、撮像領域中心部、撮像領域中間部および撮像領域周縁部の各々に配置される単位画素１１Ｊに含まれる集光素子Ｌ２１Ｊの実効屈折率分布を示すグラフの一例である。
集光素子Ｌ２１Ｊは、広角入射光に適した屈折率分布型レンズである。
このような場合、集光素子Ｌ２１Ｊを利用した固体撮像装置Ｊは、図１５（ａ）〜（ｃ）に示されるように、撮像領域周縁部では、必要以上に光が大きく曲がるため、受光素子１２に到達する光が減少し、画像の周縁部が暗くなるという課題を有している。
しかしながら、上記課題を、本実施の形態に係る固体撮像装置５００は解決する。
固体撮像装置５００の撮像領域Ｒ１０に配置される複数の単位画素のうちの少なくとも１つの単位画素１０に含まれる集光素子Ｌ２０は、互いに隣接する第１の光透過膜群Ｌ２１および第２の光透過膜群Ｌ２２とから構成される。第１の光透過膜群Ｌ２１と第２の光透過膜群Ｌ２２とは、入射される少なくとも２種類の入射光を、対応する同一の受光素子１２へ導くための互いに異なる実効屈折率分布を有する。
また、第１の光透過膜群と前記第２の光透過膜群との境界部分は、直線であり、直線としての境界線ＳＬ１０は、撮像領域Ｒ１０の中心と集光素子Ｌ２０を含む単位画素１０の中心とを結ぶ線に対し直交する。
したがって、固体撮像装置５００は、例えば、広角レンズおよび望遠レンズを透過した異なる性質を有する２種類の光を受光素子へ導くことができる。これにより、固体撮像装置５００は、画像の周縁部を、固体撮像装置Ｊより十分に明るくすることができる。
つまり、本実施の形態に係る固体撮像装置５００は、広角に入射される光およびテレセントリックに入射される光の両方に対応することができる。すなわち、異なる屈折率分布を有する２種類の光に対応することができる。
以上、本発明における固体撮像装置５００について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したもの、あるいは異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
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。
１０，７１０ 単位画素
１２ 受光素子
５００，７００ 固体撮像装置
１０００ カメラ
Ｌ２０ 集光素子
Ｌ２１ 第１の光透過膜群
Ｌ２２ 第２の光透過膜群
Ｌ３１，Ｌ３１Ｎ，Ｌ３２ 光透過膜
Ｒ１０ 撮像領域

Claims (8)

  1. 平面に形成される撮像領域に入射される入射光を利用して撮像を行う固体撮像装置であって、
    前記撮像領域には、複数の単位画素が平面状に配置され、
    前記複数の単位画素の各々は、
    受光素子と、
    入射される光を該受光素子へ導くための集光素子とを含み、
    前記複数の単位画素のうちの少なくとも１つの単位画素に含まれる集光素子は、互いに隣接する第１および第２の光透過膜群から構成される多構成集光素子であり、
    前記第１および第２の光透過膜群の各々は、前記撮像領域に垂直な軸を中心軸とする複数の同心円弧状の光透過膜から構成され、
    前記第１の光透過膜群と前記第２の光透過膜群とは、入射される少なくとも２種類の入射光を、対応する同一の受光素子へ導くための互いに異なる実効屈折率分布を有し、
    前記第１の光透過膜群と前記第２の光透過膜群との境界部分は、直線であり、
    前記直線としての境界線は、前記撮像領域の中心と前記多構成集光素子を含む単位画素の中心とを結ぶ線に対し直交し、
    前記多構成集光素子に対応する境界線の位置は、前記撮像領域の中心から該多構成集光素子を含む単位画素までの距離に応じて異なり、
    前記多構成集光素子に対応する境界線の位置は、該多構成集光素子を含む単位画素の配置位置が、前記撮像領域の周縁部に近い程、該多構成集光素子を含む単位画素の中心に近い
    固体撮像装置。
  2. 前記第１の光透過膜群は、前記第２の光透過膜群より前記撮像領域の中心に近く、
    前記第２の光透過膜群の光の屈折率は、前記第１の光透過膜群の光の屈折率より大きい
    請求項１に記載の固体撮像装置。
  3. 前記多構成集光素子を含む単位画素は、前記撮像領域において該撮像領域の中心部以外の部分に配置される
    請求項１または２に記載の固体撮像装置。
  4. 前記多構成集光素子に対応する境界線は、該多構成集光素子を含む単位画素の配置位置が前記撮像領域の周縁部である場合、該多構成集光素子を含む単位画素の中心を通る
    請求項１〜３のいずれかに記載の固体撮像装置。
  5. 前記多構成集光素子を含む単位画素は、前記撮像領域の角部に配置される
    請求項１〜４のいずれかに記載の固体撮像装置。
  6. 各前記同心円弧状の光透過膜の幅は、入射光の波長以下である
    請求項１〜５のいずれかに記載の固体撮像装置。
  7. 前記第１の光透過膜群に対応する中心軸の位置と、前記第２の光透過膜群に対応する中心軸の位置とは異なる
    請求項１〜６のいずれかに記載の固体撮像装置。
  8. 前記多構成集光素子は、屈折率分布型レンズである
    請求項１〜７のいずれかに記載の固体撮像装置。
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