KR100553056B1

KR100553056B1 - 촬상장치

Info

Publication number: KR100553056B1
Application number: KR1020030012719A
Authority: KR
Inventors: 나마즈에에리코; 나가노아키히코; 도바시히데키
Original assignee: 캐논 가부시끼가이샤
Priority date: 2002-02-28
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2006-02-15
Anticipated expiration: 2023-02-28
Also published as: KR20030071577A; EP1341235A3; US7245324B2; EP1341235A2; US20040004668A1

Abstract

광전변환부와, 소정 파장의 광을 상기 광전변환부로 전송하는 파장선택부를 각각 지닌 복수의 화소로 이루어진 촬상소자에 있어서, 상기 파장선택부는 정점을 지니고, 해당 촬상소자의 주변부에 위치된 화소에 대해서는, 상기 파장선택부의 정점이 광전변환부의 중심보다도 촬상소자의 중심에 근접해서 위치되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

촬상장치{IMAGE PICKUP APPARATUS}

본 발명은 피사체를 촬영하는 데 사용되는 촬상소자에 관한 것이다.

도 27은 컬러화상, 즉 촬상소자를 구성하는 화소를 형성하는 일반적인 촬상소자의 구성을 표시한 중앙 단면도이다. 마이크로렌즈(101)는 외부 광선을 집광해서 광획득효율을 증대시킨다. 컬러필터(102)는 얻어진 광선을 그들의 파장에 따라 분리하는 데 이용되며, 각 화소에 대해 원색 R(적색), G(녹색) 및 B(청색)중 어느 한 색용의 필터가 구비되어 있다. 또한, 컬러필터(혹은 색필터)로서는 C(시안), M(마젠타) 및 Y(노랑색)를 이용하는 보색필터도 사용된다. 종래, 촬상수법을 광범위하게 이용함으로써, 이들 화소를 모자이크형상으로 배열하고, 화소수에 대응하는 휘도데이터와 컬러데이터를 구비해서 성공적인 신호처리를 행하고 있었다. 촬상소자에 종래 사용되던 컬러필터 배열은 베이어 배열(Bayer array)로 되는 경향이 있다.

도 27에 있어서는, 실리콘웨이퍼(104); 수광된 광을 전하로 변환하는 광전변환부(103); 광전변환부(103)에 의해 생성된 전하를 제어하는 게이트로서 역할하는 폴리 배선층(Poly wiring layer)(110); 및 알루미늄 등의 금속으로 이루어진 배선층(111) 내지 (113)도 구비하고 있다.

그러나, 이 종래예는, 다음과 같은 문제가 있다. 일반적으로, 양호한 화상특성을 얻는 데 이용되는 촬영처리는, 광학소자를 이용해서 피사체(즉, 물체)의 상을 형성하는 제 1프로세스; 공간 주파수특성에 있어서의 고주파성분을 감소시키도록 피사체상을 조절하는 제 2프로세스; 공간 주파수특성이 조절된 피사체상을 전기신호로 광전변환시키는 제 3프로세스; 및 얻어진 전기신호에 대해서 공간 주파수를 이용해서 응답을 보상하는 제 4프로세스를 포함한다. 이 때, 광학 상은, 정해진 수의 화소를 지닌 촬상소자에 의해 샘플링되므로, 고품위의 화상을 출력하기 위해, 표본화이론에 따라, 촬상소자 고유의 나이퀴스트주파수와 동등 또는 그 이상의 주파수성분은, 광학 상의 공간 주파수특성에 있어서 저감시킬 필요가 있다. 나이퀴스트주파수는, 화소피치에 의해 정해지는 샘플링주파수의 1/2이다. 따라서, 최적화된 프로세스수순을 통해, 샘플링해야 할 광학 상을 조정해서, 촬상소자고유의 나이퀴스트주파수에 대응하는 특성을 지닌 광학상을 얻으므로, 위(僞)신호 변형, 즉 무아레(moire)가 현저하지 않은 고품위의 화상을 얻을 수 있게 된다.

화상의 공간 주파수투과특성인 변조전송기능(MTF)은, 디지틀스틸카메라나 비데오카메라의 선예도의 특성을 잘 나타낼 수 있는 평가치이다. MTF에 영항을 미치는 구체적인 요소는, 광학소자인 결상광학계, 피사체의 상의 밴드폭을 제한하는 데 사용되는 광학 저역통과필터, 촬상소자의 광전변환영역에 형성된 개구부의 형상 및 디지틀 개구보정기능 등이다. 최종의 전체적인 화상특성을 나타내는 MTF는 개개의 요소의 MTF의 곱으로서 부여된다. 즉, 상기 곱을 계산하도록 제 1 내지 제 4프로세스에 대한 MTF만이 얻어질 필요가 있다.

단, 제 4프로세스인 디지틀필터처리는 촬상소자에 의해 이미 샘플링되어 있는 화상에 대해 행해지므로, 나이퀴스트주파수를 초과하는 고주파수에 대해 고려할 필요는 없다.

따라서, 광학 상의 공간 주파수특성에서 촬상소자에 고유한 나이퀴스트주파수와 동등 혹은 그 이상의 주파수성분을 적게 하는 구성에 의하면, 나이퀴스트주파수 혹은 그보다 높은 주파수성분은, 제 1프로세스, 제 2프로세스 및 제 3프로세스에 대해 얻어지는 MTF곱이 적지만, 제 4프로세스에 대해서는 그렇지 않다. 디지틀스틸카메라의 경우에서 처럼, 정지화상을 보는 것으로 가정하면, 나이퀴스트주파수보다 약간 낮은 주파수에서의 응답치가 높은 경우, 나이퀴스트주파수보다도 높은 주파수성분이 적더라도, 나이퀴스트주파수보다도 높은 고주파성분이 없은 경우보다도 훨씬 용이하게 고해상도의 화상이 형성된다고 하는 사실을 고려할 필요가 있다.

결상광학계를 이용해서 피사체상을 형성하는 제 1프로세스에 있어서, 화면의 중앙의 광수차는, 주변부에서의 것보다도 훨씬 용이하게 보정된다. 화면의 주변부에서 바람직한 화상을 얻기 위해서는, 촬상렌즈의 F수를 이용해서 구한 회절한계 MTF에 근접한 극히 양호한 특성이, 화면의 중앙에 대해서 얻어질 필요가 있다. 이 요구는, 근년, 촬상소자의 화소크기가 감소됨에 따라서 커지고 있다. 따라서, 결상광학계에 대해서는, 광학 수차가 없는 이상적인 렌즈로 가정해서 MTF를 고려하면 된다.

또, 갭이 개재함이 없이 폭 d를 지닌 수광개구가 놓여 있는 촬상소자에 있어서, 수광개구부의 폭은 화소피치와 일치하므로, 나이퀴스트주파수 u=d/2에서의 제 3프로세스의 응답치는 상당히 높다. 이 때문에, 일반적으로, 나이퀴스트주파수부근의 주파수성분은, 해당 나이퀴스트주파수근방의 전체 MTF를 저감하도록 제 2프로세스에서 포획된다.

제 2프로세스에 있어서, 통상, 복굴절특성을 지닌 수정 등의 재료로 이루어진 광학 저역통과필터를 이용한다. 또는, 그 대신에, 일본국 공개특허 제 2000-066141호 공보에 기재된 위상형의 회절격자를 이용해도 된다.

복굴절판은, 해당 판의 광축이 결상면의 수평방향과 평행하도록 경사진 광학소자의 광학 경로사이에 끼이도록 되어 있어, 보통 광선에 의해 생성된 피사체상과 이상광선에 의해 생성된 피사체상이 소정의 거리만큼 서로에 대해 상대적으로 수평방향으로 어긋나서 형성된다. 피사체상이 어긋나 있을 경우, 그 공간주파수의 줄무늬상의 밝은 밴드와 어두운 밴드가 중첩하고 있으므로, 복굴절판을 이용해서 특정의 공간주파수를 포획한다. 광학 저역통과필터를 이용하는 MTF는, 다음 식(1):

R₂(u) = │cos(π·u·ω)│ ...(1)

로 표시된다.

이 식(1)에서, R₂(u)는 응답을 나타내고, u는 광학상의 공간주파수를 나타내며, ω는 피사체상 분리폭을 나타낸다.

적절한 두께를 지닌 복굴절판이 선택되면, 나이퀴스트주파수에서 촬상소자에 대해 0(영)의 응답을 얻을 수 있다. 그리고, 회절격자를 이용할 경우에는, 회절에 의해 광학상을 단지 복수의 상으로 분리시킬 필요가 있어, 이들 상은 동일한 효과를 얻기 위해 소정의 개소에서 중첩된다.

그러나, 복굴절판을 제작하기 위해서는, 수정이나 니오브산 리튬 등의 결정을 성장시켜 연마해서 그의 두께를 감소시킬 필요가 있고, 이것은 가공비의 다대한 증대를 가져온다. 또, 회절격자에는 매우 미세한 구조가 필요하므로, 이것 또한 가공비의 증가를 초래한다.

이하, 광의 이용효율에 대해 설명한다. 예를 들면, CCD촬상소자에 대해서, 고품질의 색재현성을 제공하고자 하는 원색필터의 화소를 모자이크형상으로 배치하고, 마이크로렌즈(2)와 광전변환영역(3)사이에 R(적색), G(녹색) 및 B(청색) 광학필터를 하나씩 배치시키고 있다.

이 때, 적색 광학 필터가 구비되어 있는 화소에서는, 적색광만이 광전변환되고, 청색광과 녹색광은 광학 필터에 의해 흡수되어 열을 발생할 뿐이다. 마찬가지로, 녹색광학필터가 구비되어 있는 화소에 대해서는, 청색광과 적색광이 광전변환되지 않고, 오로지 열을 발생하고, 청색광학필터가 구비되어 있는 화소에 대해서는, 녹색광과 적색광이 광전변환되지 않고, 단지 열을 발생한다. 즉, 종래의 컬러촬상소자의 각각의 화소에 대해서는, 입사광속중, 소정의 광학필터를 통과할 수 있는 광만이 광전변환되어, 전기신호로서 출력되는 반면, 소정의 광학필터를 투과할 수 없고, 단지 열을 발생하는 광은 폐기된다.

도 28은, 촬상소자에 마련된 RGB 컬러필터용의 분광투과율특성을 표시한 그래프이다. 실제로, 적외광에 대해서는 투과율이 높으므로, 650nm이상의 파장을 차단하는 적외차단필터가 촬상소자와 촬상렌즈사이에 부가적으로 설치되어 있다. 그리고, 상기 그래프로부터 명백한 바와 같이, 화소에 의해 생성된 가시광의 약 1/3만이 효과적으로 이용된다.

이하, 각각의 RGB색에 대한 이용효율을 보다 상세히 설명한다. 도 28의 베이어배열에 있어서 컬러촬상소자의 RGB화소의 면적비율은, 규칙적 배열을 구성하는 단위의 면적을 1이라 할 때, 1/4:2/4:1/4이다. 따라서, 총 광량을 1이라 할 때 사용되는 녹색광에 대한 비율은, 파장부의 항과 면적비율의 항과의 곱인 1/3×2/4=1/6이다. 적색광 및 청색광에 대한 이용비율은 1/3×1/4=1/12이다. 이들 3색광에 대한 이용비율은 1/6+1/12+1/12=1/3이므로, 이 경우, 상기와 마찬가지로, 이용효율은 1/3이다. 총 광량을 1이라 할 때, 녹색광의 2/3×2/4=1/3과 적색광 및 청색광의 2/3×1/4=1/6은, 유효하게 이용되지 않는다.

이상에서는, 원색필터를 이용하는 촬상소자가 이용되어 왔으나, 보색필터를 이용하는 촬상소자에 대해서는 가시광의 약 1/3이 광전변환되지 않아 유효하게 이용되지 않는다. 전술한 바와 같이, 원색필터나 보색필터를 이용하는 종래의 단일칩 촬상소자에 대해서는, 촬상면이 컬러필터에 의해 분리되어 있으므로 광이용효율이 낮다.

따라서, 본 발명의 하나의 목적은, 적절한 광학 저역통과효과를 얻는 동시에, 입사광의 이용효율이 증가되는 촬상소자를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일양상에 의하면, 광전변환부와, 상기 광전변환부로 소정 파장 범위의 광을 투과하는 파장선택부를 각각 지닌 복수의 화소로 이루어진 촬상소자에 있어서, 상기 파장선택부는, 정점을 지니고, 해당 촬상소자의 주변부에 위치된 화소에 대해서는, 상기 파장선택부의 정점이 상기 광전변환부의 중심보다도 해당 촬상소자의 중심에 근접해서 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 촬상소자가 제공된다.

본 발명의 다른 양상에 의하면, 피사체로부터의 광을 마이크로렌즈에서 집광하고, 해당 집광된 광을 광전변환부에서 수광하여, 해당 수광된 광을 전기신호로 변환해서 피사체의 화상을 얻는 촬상장치에 있어서,

마이크로렌즈와 굴절부사이에 위치되어, 소정 파장을 지닌 광을 선택적으로 투과하는 동시에 다른 파장을 가진 광을 반사하는 파장선택부; 및

상기 마이크로렌즈와 굴절부사이에 위치되어, 상기 파장선택부에서 반사된 광을 인접한 광전변환부쪽으로 향하게 하는 반사부를 지니고,

상기 반사부에서 반사된 광은 파장선택부상에 결상되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기타 목적과 특징은 첨부도면을 참조한 이하의 상세한 설명에 의해 보다 명백해질 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시형태예에 대해 상세히 설명한다.

제 1실시형태예

본 발명의 제 1실시형태예는 도 1 내지 도 15에 표시되어 있다.

도 1은 제 1방향에 대해서 직교하는 방향으로 복수의 화소가 배열되어 있는 촬상소자의 중앙부, 즉, 도 3에 있어서의 사선부(21)의 단면도이다. 도 2는 촬상소자의 주변부, 즉, 도 3에 있어서의 사선부(22)의 단면도이고, 도 3은 촬상소자의 상면도이다.

도 1 및 도 2에 있어서, 실리콘웨이퍼(1); 마이크로렌즈(2); 수광된 광자를 전하로 변환하는 광전변환부(3); 광속의 파장분리를 위한 파장선택부인 다이크로익층(dichroic layer)(4)(4r 및 4g); 제 1굴절률층(5) 및 제 2굴절률층(6); 제 1굴절률부(7), 제 2굴절률부(8) 및 제 3굴절률부(9); 및 광전변환부(3)에서 생성된 전하를 제어하는 게이트로서 역할하는 폴리(Poly)배선층(10)이 구비되어 있다. 배선층(11) 내지 (13)은 알루미늄 등의 금속으로 이루어져 있고, AL1 배선층(11)은 각각의 부분간의 결선과 출력선으로서 역할하고, AL2 배선층(12)은 웰전원선 및 제어선으로서도 역할하며, AL3 배선층(13)은 차광층 및 전원선으로서 역할한다.

마이크로렌즈(2)는 위쪽으로 볼록한 구면형상으로 양의 렌즈파워를 지닌다. 따라서, 마이크로렌즈(2)에 도달한 광속은 집광되어 광전변환부(3)로 전송된다. 제 1굴절률층(5)은, 굴절률이 1.38인 불화마그네슘(MgF₂) 등의 저굴절률을 지닌 재료로 이루어져 있다. 제 1굴절률층(5)과 파장선택부인 다이크로익층(4)사이에 삽입된 제 2굴절률층(6)은, 굴절률이 2.5인 이산화티탄(TiO₂) 등의 고굴절률을 지닌 재료로 이루어져 있다. 이 구성에 의하면, 특성으로서, 제 2굴절률층(6)으로부터 제 1굴절률층(5)으로 진행하는 광속이 계면에 의해 완전 반사되는 경향이 있다.

제 2굴절률부(8)는, 이산화 티탄 등의 고굴절률을 지닌 재료로 이루어져 있고, 제 3굴절률부(9)는, 굴절률이 1.46인 이산화 규소(SiO₂) 혹은 불화마그네슘 등의 저굴절률을 지닌 재료로 이루어져 있다. 따라서, 제 2굴절률부(8)로 입사하는 광속은 제 3굴절률부(9)와의 계면에서 용이하게 완전 반사되므로, 광전변환부(3)에까지 뻗는 도광로가 구비되게 된다. 제 1굴절률부(7)는, 제 2굴절률부(8)와 동일 혹은 그 이하의 굴절률을 지닌 재료로 이루어져 있을 필요가 있으므로, 제 2굴절률부(8)와의 계면에서 완전한 반사가 방지된다. 그러나, 제 2굴절률층(6)의 굴절률로부터 적은 차만 있으면 바람직하므로, 굴절률이 2.0인 질화규소(SiN)를 이용할 수 있다.

일반적으로, 다이크로익층은, 목표 파장 λ의 1/4의 정수배의 막두께로 고굴절률을 지닌 재료와 저굴절률을 지닌 재료를 교대로 적층함으로써 형성된다. 이 구성에 의해, 투과되는 광속의 파장을 선택할 수 있다. 본 실시형태예에서 이용되는 다이크로익층(4)의 두께를 일례로서 도 9에 표시한다. 고굴절률을 지닌 재료로서 이산화티탄을 이용하고, 저굴절률을 지닌 재료로서 이산화 규소를 이용하는 한편, 이들 재료로 이루어진 층은, 도 9에 표시한 그들의 두께와 층수로 구비한다. 다이크로익층(4)의 투과특성을 도 10에 표시한다. 그리고, 도 10에 표시한 특성그래프로부터 명백한 바와 같이, 해당 특성은, 색소를 이용하는 종래의 컬러필터의 특성과 근사하다. 따라서, 종래의 촬상소자의 특성과 근사한 특성을, 본 실시형태예의 다이크로익층(4)을 이용함으로써도 제공할 수 있다. 이들 층의 적층은 물리적 기상퇴적(PVD)에 의해 용이하게 행할 수 있다.

본 실시형태예에 있어서는, 화소(100)는 실리콘웨이퍼(1), 마이크로렌즈(2), 광전변환부(3), 파장선택부(4), 제 1굴절률층(5), 제 2굴절률층(6), 제 1굴절률부(7), 제 2굴절률부(8), 제 3굴절률부(9), 폴리배선층(10), AL1 배선층(11), AL2 배선층(12) 및 AL3 배선층(13)으로 구성되어 있는 것으로 가정한다. 또, 화소(100)는 경계(15)를 따라 배열한다.

도 2에 있어서의 화소(100)는, 촬영렌즈(도시생략)의 광축으로부터 떨어져서 배치되어 있다. 따라서, 촬영렌즈의 동공중심은, 오른쪽에 배치되고, 마이크로렌즈(2)로 입사하는 광속은 오른쪽으로 각도를 지니고 있다. 따라서, 마이크로렌즈(2)는 광전변환부(3)에 의해 정해진 중심축(3c)의 오른쪽으로 배열되어 있다.

또한, 파장선택부인 다이크로익층(4)을 형성하는 4각뿔 전체는 오른쪽으로 어긋나 있다. 즉, 파장선택부인 다이크로익층(4)은, 정점(4P)이 오른쪽에 배치되도록 위치되어 있는 반면, 4각뿔은, 동일한 형상을 지니는, 즉, 4각뿔의 경사면의 왼쪽의 각도(θ1)는 경사면의 오른쪽의 각도(θ2)와 같다(θ1 = θ2). 보다 구체적으로는, 본 실시형태예에 있어서, 파장선택부인 다이크로익층(4)의 정점(4P)은, 마이크로렌즈(2)의 정점(2c)을 통과하는 주광(M_L)의 오른쪽에 위치된다.

도 2와는 반대로, 촬영렌즈의 동공중심이 왼쪽에 위치되어 있을 경우, 파장선택부인 다이크로익층(4)은, 정점(4P)이 마이크로렌즈(2)의 정점(2c)을 통과하는 주광(M_L)의 왼쪽에 위치되도록 위치결정된다.

도 4는 촬상소자에 구비된 파장선택부인 다이크로익층(4)을 설명하는 확대도이다. 파장선택부(4)는 촬상소자의 주변근방에 각각의 구역에 위치된다. 촬상소자의 주변부에 있어서, 파장선택부로서 기능하는 다이크로익층(4)의 형상을 변경하는 일없이, 다이크로익층(4)은, 광전변환부(3)에 의해 규정된 중심축(3c)보다도 촬상소자의 중심에 보다 근접하게 정점(4P)이 위치되도록 배열된다. 즉, θ1 = θ2, 그리고, 화소(100)의 경계(15)가 파장선택부인 다이크로익층(4)의 바닥면으로부터 떨어져서 어긋나 있다. 보다 상세히 설명하면, 파장선택부인 다이크로익층(4)은, 그의 정점(4P)이 각각 마이크로렌즈(2)의 정점(2c)을 통과하는 주광(M_L)보다도 촬상소자(500)의 중심에 근접해서 배치되도록 위치되어 있다.

이제, 제 1실시형태예에 의한 촬상소자의 주변부에 대해서 시야각으로 들어오는 광속의 이동에 대해서 설명한다.

도 5는, 파장선택부인 다이크로익층(4)을 통과하는 광속의 이동을 표시한 선도이다. 도 5의 위쪽으로부터 들어오는 광속은 마이크로렌즈(2)에 투과해서 집광된다. 다음에, 해당 광은 제 1굴절률층(5) 및 제 2굴절률층(6)으로 순차 투과해서, 다이크로익층(4g)에 도달한다. 파장선택부인 다이크로익층(4)은 소정파장을 지닌 광속만을 선택적으로 통과시켜 제 1굴절률부(7)로 투과시킨다. 이 광은 제 2굴절률부(8)로 진행하고, 반복해서 제 2굴절률부(8)와 제 3굴절률부(9)사이의 계면에서 완전 반사된다. 이 과정을 통해, 광은 광전변환부(3)로 도광된다. 제 2굴절률부(8)와 제 3굴절률부(9)사이의 계면은 입사부가 넓게 된 테이퍼형상으로 되어 있으므로, 광도 상기 테이퍼형상의 면에서 완전 반사되어, 광전변환부(3)로 도광될 수 있다.

인접한 화소(100_i,jr), (100_i+1,jr)에 대해서도 거의 동일한 광속의 이동이 얻어진다.

도 6은 녹색광을 수광하는 화소(100_i,jg)에 입사해서 다이크로익층(4g)에서 반사되는 광속의 이동, 즉, 청색광과 적색광을 포함하는 광속만의 이동을 표시한 선도이다. 화소크기에 따라 적절한 거리에 위치되어 있는 촬영렌즈의 동공으로부터 출력된 광속은, 적외선차단필터를 통과해서, 물체 광속(120)으로 변경된다. 상기 도 6에서 위쪽으로부터 들어오는 해당 물체광속(120)은 마이크로렌즈(2)에 입사해서 집광된다. 얻어진 광(120)은, 이어서 제 1굴절률층(5) 및 제 2굴절률층(6)으로 순차 입사하여, 다이크로익층(4g)에 도달한다. 이 때, 녹색광 이외의 광속은, 4각뿔 형상을 형성하는 면상에 퇴적된 다이크로익층(4)의 특성에 따라 반사된다. 퇴적된 다이크로익층(4)은 4각뿔 형상으로 형성되므로, 반사된 광속은, 그 방향을 중심으로부터 바깥쪽으로 변경하면서 진행한다. 또, 다이크로익층(4)에 반사된 광중에서, 임계각이상을 지닌 광속은 제 2굴절률층(6)과 제 1굴절률층(5)사이의 계면에서 완전 반사된다. 재차 아래쪽으로 향한 광속은, 적색광을 수광하는 인접한 화소(100_i,jr), (100_i+1,jr)로 진행한다. 다이크로익층(4r)을 통과한 광속은 제 1굴절률부(7)와 제 2굴절률부(8)로 순차 투과한다. 그 후에, 광은 제 2굴절률부(8)로부터 제 3굴절률부(9)로 투과하고, 이 때, 전술한 바와 같이 제 2굴절률부(8)는 제 3굴절률부(9)보다도 굴절률이 높으므로, 임계각이상을 지닌 광속은 계면에서 완전 반사된다. 제 2굴절률부(8)와 제 3굴절률부(9)사이의 계면은 광입사부가 넓게 된 테이퍼형상으로 되어 있으므로, 입사광속을 도입하는 영역 크기가 확대되어, 제 2굴절률부(8)에서 다량의 광속을 얻을 수 있다. 또, 광전변환부(3) 근방의 계면은 수직방향으로 대략 평행한 2면으로 형성되어 있으므로, 첫번째로 완전 반사되어 광전변환부에 입사하지 못한 광속이 반대쪽 계면에서 재차 완전 반사된다. 이와 같이 해서, 최종적으로 전체 광속이 광전변환부(3)로 입사하게 된다.

이러한 구성에 있어서, 파장선택부인 다이크로익층(4)은, 그의 정점(4P)이 마이크로렌즈(2)의 정점(2c)을 통과하는 주광(M_L)보다도 촬상소자(500)의 중심에 근접해서 배치되도록 위치되어 있다. 따라서, 파장선택부인 다이크로익층(4)에서 반사된 광속은, 인접한 화소의 광전변환부(3)에 균일하게 입사하므로, 적절한 광학 저역통과효과를 얻을 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 촬상소자의 중심부분에서는, 마이크로렌즈(2)의 중심과, 다이크로익층(4)의 정점 및 광전변환부(3)의 중심은, 촬상소자의 평면에 수직인 방향으로 일치한다. 또, 촬상소자의 주변부에서는, 다이크로익층(4)의 정점(4P)은 광전변환부(3)의 중심부보다도 촬상소자의 중심부에 근접하게 위치되어 있다.

따라서, 본 실시형태예의 촬상소자에 의하면, 효과적인 수광을 행할 수 있다.

본 실시형태예에 있어서, 촬상소자의 주변부에서는, 파장선택부인 다이크로익층(4)의 정점(4P)이 마이크로렌즈(2)의 정점(2c)을 통과하는 주광(M_L)의 오른쪽에 위치되어 있으나, 도 7에 표시한 바와 같이, 주광(M_L)은, 마이크로렌즈(2)의 정점(2c)과 파장선택부의 정점(4P)을 통과해도 된다.

도 7의 구성에 의하면, 도 2의 구성에 비해서, 화소(100_i,jr)와 화소(100_i+1,jr)사이에, 파장선택부(4g)에서 반사되어 인접한 화소로 입사하는 광량이 달라, 나머지 광량의 균형이 약간 나쁘게 되지만, 도 1의 화소구성으로서 촬상소자의 총 영역을 사용하는 경우에 비하면, 광이 주변부에서도 유효하게 수광된다.

이하, 다이크로익층에 의한 광투과 및 반사를 이용해서 광속을 도입하는 효율에 대해서 설명한다. 예를 들면, 우수한 색재현성을 제공하는 원색필터를 포함하는 화소가 모자이크형상으로 배열되어 있는 CCD촬상소자에 대해서, R(적색), G(녹색) 및 B(청색) 광학필터가, 마이크로렌즈(2)와 광전변환부(3)사이에, 각 색마다 하나의 필터가 배치되어 있다.

이 때, 적색광학필터가 구비되어 있는 화소에서는, 적색광만이 광전변환되고, 청색광과 녹색광은 광학필터에서 흡수되어 단지 열을 발생한다. 마찬가지로, 녹색광학필터가 구비되어 있는 화소에서는, 청색광과 적색광이 광전변환되지 않고, 단지 열을 발생하고, 청색광학필터가 구비되어 있는 화소에서는, 녹색광과 적색광이 광전변환되지 않고, 단지 열을 발생한다. 즉, 종래의 컬러촬상소자의 화소에서는, 입사광속중, 소정의 광학필터를 통과한 광만이 전기신호로 광전변환되어 출력되고, 소정의 광학필터를 통과하지 못한 광은 단지 열을 발생하여 폐기된다.

도 28은, 촬상소자내의 RGB 컬러필터의 분광투과특성의 특성을 표시한 선도이다. 적외선투과율이 높으므로, 실제로는, 촬상소자와 촬영렌즈사이에 650nm이상의 파장을 차단하는 적외선차단필터가 부가적으로 위치되어 있다. 이 특성으로부터 명백한 바와 같이, 1화소에서는, 가시광의 약 1/3만이 유효하게 이용된다.

각각의 RGB색에 대한 이용효율에 대해서 보다 상세히 설명한다. 예를 들면, 규칙적 배열을 구성하는 유닛의 면적이 1일 때, 베이어배열을 지닌 컬러촬상소자의 RGB화소의 면적비율은 1/4:2/4:1/4이다. 이 경우, 총 광량을 1이라 할 때 이용된 녹색광의 비율은, 파장선택성의 항과 면적비율의 항과의 곱, 즉, 1/3×2/4=1/6이다. 마찬가지로, 적색광 및 청색광의 각각의 이용비율은 1/3×1/4=1/12이다. 총 이용비율은 1/6+1/12+1/12=1/3으로, 광의 이용효율은 여전히 1/3이다. 이와 반대로, 총 광량을 1이라 할 때, 녹색광의 2/3×2/4=1/3과, 적색광 및 청색광의 2/3×1/4=1/6을 유효하게 사용하지 못한다.

이상에서는, 원색필터를 이용하는 촬상소자에 대해서 설명하였으나, 보색필터를 이용하는 촬상소자에서는, 가시광의 1/3정도는 광전변환되지 않아 유효하게 이용되지 못한다. 상기 설명한 바와 같이, 원색필터 혹은 보색필터를 이용하는 종래의 단일칩 촬상소자에 대해서는, 촬상면이 색필터에 의해 분리되어 있으므로 광이용효율이 낮다.

도 11은 각 색용의 다이크로익층의 간단화된 투과특성을 표시한 그래프이다. 도 11에 있어서, 각 색의 투과곡선의 역곡선이 반사특성을 나타낸다. 또, 계산을 간단화하기 위해, 다이크로익층을 통과하지 못한 광속 전체가 반사되고, 반사된 광속 전체가 인접한 화소에 도달하는 것으로 가정한다. 또한, 화소배열은 도 8에 표시한 베이어배열인 것으로 가정한다

광속이, 녹색광을 수광한 화소로부터 다이크로익층에 대해서 반사되어, 다이크로익층을 통해 청색의 화소로 투과되어 청색의 광전변환부에 의해 포획되는 경우가 있는 것으로 가정한다. 이 경우, 전술한 바와 같이, 녹색투과특성의 반전이 반사특성을 나타내므로, 이 특성과 청색투과특성과의 곱이, 도 12에 표시한 반사특성이다. 마찬가지로, 다른 색에 대해서, 녹색화소로부터 적색화소로 투과된 광의 반사특성이 도 13에 표시되어 있고, 적색화소로부터 녹색화소로 투과된 광의 반사특성이 도 14에 표시되어 있으며, 청색화소로부터 녹색화소로 투과된 광의 반사특성이 도 15에 표시되어 있다.

이하, 인접한 화소로부터 녹색화소에 입사하는 반사광에 대해서 설명한다. 화소배열은 베이어배열이므로, 인접한 화소는 2개의 적색화소와 2개의 청색화소이다. 따라서, 녹색화소가 인접한 화소로부터 수광한 광속은 (청색반사광)×1/4×2 + (적색반사광)×1/4×2이다. 원래, 녹색화소에 의해 수광된 광속의 양은, 청색화소용의 투과곡선의 적분치이고, 이 광속량을 1이라 할 때, 적색화소에 의해 반사된 광량은 0.74이고, 청색화소에 의해 반사된 광량이 0.85이다. 따라서, 반사광의 총량이 0.80이므로, 다이크로익층을 통과하는 광속만이 포획된 때의 양의 1.80배인 것을 알 수 있다.

청색화소에 대해서는, 4개의 인접한 녹색화소가 있다. 청색화소용의 투과곡선의 적분치를 1이라 할 때, 도 12에서의 적분치는 0.84이다. 인접한 화소로부터 수광된 광속의 양이 (녹색반사광)×1/4×4이므로, 광의 총량은 0.84로, 투과광의 원래량의 1.84배이다.

최종적으로, 적색화소에 대해서는, 청색화소에 대해서와 마찬가지로, 4개의 인접한 녹색화소가 있다. 적색화소의 투과곡선의 적분치를 1이라 할 때, 도 13에서의 적분치는 0.67이다. 인접한 화소로부터 수광된 광속의 양이 (녹색반사광)×1/4×4이므로, 광의 총량은 0.67로, 투과공의 원래 량의 1.67배이다.

이상 설명한 바와 같이, 베이어배열에서처럼, 서로 인접한 화소는 동일한 색이 아니므로, 모든 화소에 대해 본 실시형태예의 구조를 이용해서 불필요한 파장성분을 인접한 화소에 대해 분할하거나 반사시킴으로써, 인접한 화소에 있어서, 이들 파장성분은 유효성분으로서 광전변환될 수 있어, 광이용효율을 상당히 향상시킬 수 있다.

또한, 본 실시형태예에 있어서는, 도 1에 표시한 바와 같이, 파장선택부인 다이크로익층(4)은, 다이크로익층(4)의 형상을 변화시키는 일없이, 다이크로익층(4)의 정점(4P)은, 마이크로렌즈(2)의 정점(2c)을 통과하는 주광(M_L)보다도 촬상소자(500)의 중심에 근접해서 배치되도록 위치되어 있다. 따라서, 파장선택부인 다이크로익층(4)에서 반사된 광선은, 인접한 화소의 광전변환부에 재입사하는 광량의 균형을 조정하도록 이용되므로, 적절한 광학 저역통과효과를 얻을 수 있다.

본 실시형태예에서는, 화소를 배열하기 위한 제 1방향과 제 2방향간의 각도가 직각이다. 그러나, 화소(100)는 벌집형상구조를 형성해도 되고, 즉, 제 1방향과 제 2방향사이의 각도는 60도이어도 되고, 또는 다른 각도를 이용해도 된다. 또한, 화소(100)는 1차원적으로 배열되어 있어도 된다.

본 실시형태예에서는 파장선택부인 다이크로익층(4)이 4각뿔 형상이었으나, 6각뿔 혹은 8각뿔 등의 다른 다각뿔 형상을 이용해도 된다.

제 2실시형태예

본 발명의 제 2실시형태예가 도 16 내지 도 19에 표시되어 있다.

제 1실시형태예에서 사용된 것과 마찬가지의 부호로 표시된 성분은 제 1실시형태예에 있어서의 대응하는 성분과 동일한 기능을 지닌다. 도 16은 제 2실시형태예에 의한 촬상소자의 단면도이고, 도 17은 촬상소자에 배열된 파장선택부(4)를 설명하는 선도이다. 도 18 및 도 19는 본 실시형태예의 촬상소자에 있어서의 광속의 이동을 표시한 선도이다.

도 16의 구성에 있어서, 촬상소자의 주변부의 화소, 즉, 도 17에 있어서의 다이크로익층(4lkr)근방에 배열된 화소는, 촬영렌즈(도시생략)의 광축으로부터 떨어져서 위치되어 있다. 따라서, 촬영렌즈의 동공중심은, 오른쪽으로 떨어진 위치에 배치되어 있고, 광속은 오른쪽으로부터 비스듬히 마이크로렌즈(2)로 입사한다. 이와 같이 해서, 마이크로렌즈(2)는 화소의 중심으로부터 오른쪽으로 기울어 있다.

또, 본 실시형태예에 있어서는, 도 16에 표시된 바와 같이, 파장선택부인 다이크로익층(4)의 경사면의 각도가 서로 다르다(θ1 ≠θ2). 이 구조에서는, 파장선택부인 다이크로익층(4)을 형성하는 4각뿔의 바닥면이 화소(100)간의 경계(15)와 일치하나, 4각뿔의 정점(4P)만이 오른쪽으로 기울어져 있다.

도 16과는 반대로, 촬영렌즈의 동공중심이 왼쪽에 위치되어 있을 경우에는, 파장선택부인 다이크로익층(4)은, 정점(4P)이 왼쪽으로 위치되도록 배치된다. 이 경우에도 θ1 ≠θ2이다.

도 17은 촬상소자에 구비된 파장선택부(4)를 설명하는 확대도이다. 개별의 위치에 위치된 파장선택부(4)는 확대되어 있고, 촬상소자의 주변근방에 예시되어 있다.

촬상소자의 주변부에서는, 파장선택부인 다이크로익층(4)의 형상이 변경되므로, 그의 정점(4P)이, 광전변환부(3)에 의해 규정된 중심축(3c)보다도 촬상소자의 중심에 보다 근접하게 위치되게 된다. 즉, 파장선택부(4)의 경사면에 대해서 θ1 ≠θ2가 성립되고, 다이크로익층(4)의 바닥면의 위치는, 화소의 위치와 일치한다.

이제, 제 2실시형태예에 의한 촬상소자의 주변부에 대해서 시야각으로 들어오는 광속의 이동에 대해서 설명한다.

도 18은, 파장선택부인 다이크로익층(4)을 통과하는 광속의 이동을 표시한 선도이다. 도 18의 위쪽으로부터 들어오는 광속은 마이크로렌즈(2)에 투과해서 집광된다. 다음에, 해당 광은 제 1굴절률층(5) 및 제 2굴절률층(6)으로 순차 투과해서, 다이크로익층(4g)에 도달한다. 파장선택부인 다이크로익층(4)은 소정파장을 지닌 광속만을 선택적으로 통과시켜 제 1굴절률부(7)로 투과시킨다. 이 광은 제 2굴절률부(8)로 진행하고, 반복해서 제 2굴절률부(8)와 제 3굴절률부(9)사이의 계면에서 완전 반사된다. 이 과정을 통해, 광은 광전변환부(3)로 도광된다. 제 2굴절률부(8)와 제 3굴절률부(9)사이의 계면은 입사부가 넓게 된 테이퍼형상으로 되어 있으므로, 광도 상기 테이퍼형상의 면에서 완전 반사될 수 있고, 또한, 광전변환부(3)로 도광될 수 있다.

도 19는 녹색광을 수광하는 화소(100_i,jg)에 입사해서 다이크로익층(4g)에 의해 반사되는 광속의 이동, 즉, 청색광과 적색광을 포함하는 광속만의 이동을 표시한 선도이다. 화소크기에 따라 적절한 거리에 위치되어 있는 촬영렌즈의 동공으로부터 출력된 광속은, 적외선차단필터를 통과해서, 물체 광속(120)으로 변경된다. 상기 도 19에서 위쪽으로부터 들어오는 해당 물체 광속(120)은 마이크로렌즈(2)에 투과되어 집광된다. 얻어진 광(120)은, 이어서 제 1굴절률층(5) 및 제 2굴절률층(6)으로 순차 입사하여, 다이크로익층(4g)에 도달한다. 이 때, 녹색광 이외의 광속은, 4각뿔을 형성하는 면상에 퇴적된 다이크로익층(4)의 특성에 따라 반사된다. 퇴적된 다이크로익층(4)은 4각뿔 형상으로 형성되므로, 반사된 광속은, 그 방향을 중심으로부터 바깥쪽으로 변경하면서 진행한다.

또, 다이크로익층(4)에 반사된 광중에서, 임계각이상을 지닌 광속은 제 2굴절률층(6)과 제 1굴절률층(5)사이의 계면에서 완전 반사된다. 재차 아래쪽으로 향한 광속은, 적색광을 수광하는 인접한 화소(100_i,jr), (100_i+1,jr)로 진행한다. 다이크로익층(4r)을 통과한 광속은 제 1굴절률부(7)와 제 2굴절률부(8)로 순차 투과한다. 그 후에, 광은 제 2굴절률부(8)로부터 제 3굴절률부(9)로 투과하고, 이 때, 전술한 바와 같이 제 2굴절률부(8)는 제 3굴절률부(9)보다도 굴절률이 높으므로, 임계각이상을 지닌 광속은 계면에서 완전 반사된다. 제 2굴절률부(8)와 제 3굴절률부(9)사이의 계면은 광입사부가 넓게 된 테이퍼형상으로 되어 있으므로, 입사광속을 도입하는 영역의 크기가 넓어져, 제 2굴절률부(8)에서 다량의 광속을 얻을 수 있다. 또, 광전변환부(3) 근방의 계면은 수직방향으로 대략 평행한 2면으로 형성되어 있으므로, 첫번째로 완전 반사되어 광전변환부에 입사하지 못한 광속이 반대쪽 계면에서 재차 완전 반사된다. 이와 같이 해서, 최종적으로 전체 광속이 광전변환부(3)로 입사하게 된다.

본 실시형태예의 이러한 구성에 의하면, 파장선택부인 다이크로익층(4)의 형상이 변경되어, 해당 다이크로익층(4)의 정점(4P)이, 광전변환부(3)에 의해 규정된 중심축(3c)보다도 촬상소자의 중심에 보다 근접하게 위치되게 된다. 즉, 파장선택부(4)의 경사에 대해서 θ1 ≠θ2가 성립되고, 다이크로익층(4)의 바닥면의 위치는, 화소의 위치와 일치한다.

따라서, 파장선택부(4)의 오른쪽 경사 및 왼쪽 경사에 대해서 입사해서 진행하는 광속의 각도는, 조정될 수 있으므로, 오른쪽 경사 및 왼쪽 경사에서 반사된 광속은, 제 1굴절률층(5) 및 제 2굴절률층(6)사이의 계면에서 적절한 각도로 입사한다.

그 결과, 촬상소자의 주변부의 화소에 있어서, 큰 시야각을 지닌 광속은, 촬영렌즈(도시생략)로부터 수광될 수 있다.

본 실시형태예에 있어서, 화소(100)를 배열하기 위한 제 1방향과 제 2방향이 이루는 각도는, 직각이다. 그러나, 화소(100)는 벌집형상구조를 형성하도록 배열해도 되고, 예를 들면, 제 1방향과 제 2방향이 이루는 각도는 60도이어도 되고, 또는 다른 각도를 이용해도 된다. 또한, 화소(100)는 1차원적으로 배열되어 있어도 된다.

제 3실시형태예

도 20은, 본 발명의 제 3실시형태예에 의한 촬상소자의 일부의 구체적인 단면도이다. 도 20에 있어서, 각 소자부(100)는, 광속의 획득효율을 향상시키기 위해 외부의 광속을 집광시키는 마이크로렌즈(2); 파장에 따라 광속을 분리하기 위한 파장선택부인 다이크로익층(dichroic layer)(4)(4r 및 4g); 제 1굴절률층(5); 제 2굴절률층(6); 제 1굴절률층(5)과 제 2굴절률층(6)간의 계면(5i); 제 1굴절률부(7); 제 2굴절률부(8); 제 3굴절률부(9); 광전변환부(3)에서 생성된 전하를 제어하는 게이트로서 역할하는 폴리배선층(10); 각각의 부분간의 결선과 출력선으로서 역할하는 AL1 배선층(11); 웰전원선과 제어선으로서 역할하는 AL2 배선층(12); 차광층 및 전원선으로서 역할하는 AL3 배선층(13); 폴리 배선층(10)밑에 형성되어 광신호를 전기신호로 변환하는 광전변환부(3); 및 광전변환부(3)가 형성되어 있는 실리콘웨이퍼(1)를 포함한다.

도 20에 있어서, (n₁)은 마이크로렌즈(2)의 굴절률; (t₁)은 마이크로렌즈(2)의 높이; (n₂)는 제 1굴절률층(5)의 굴절률; (t₂)는 제 1굴절률층(5)의 두께; (n₃)은 제 2굴절률층(6)의 굴절률; (t₃)은 다이크로익층(4)의 정점(4P)과 제 1굴절률층(5)과 제 2굴절률층(6)간의 계면사이의 거리; (θ)는 다이크로익층(4)의 경사면의 각도; (P)는 하나의 소자부의 크기(피치)이다.

소자부(100)는 90도의 각도 혹은 벌집모양 구조처럼 60도의 각도로 배열되어 있다.

마이크로렌즈(2)는 구면형상을 지니고, 위쪽으로 볼록하며 양의 렌즈파워를 지닌다.

제 1굴절률층(5)은 굴절률이 1.38인 불화마그네슘(MgF₂) 등의 저굴절률을 지닌 재료로 이루어져 있다.

제 2굴절률층(6)은 굴절률이 2.5인 이산화티탄(TiO₂) 등의 고굴절률을 지닌 재료로 이루어져 있다.

따라서, 제 2굴절률층(6)으로부터 제 1굴절률층(5)으로 진행하는 광속이 계면(5i)에 의해 완전 반사되는 경향이 있다.

제 3굴절률부(9)는, 굴절률이 1.46인 이산화 규소(SiO₂) 혹은 불화마그네슘 등의 저굴절률을 지닌 재료로 이루어져 있다.

따라서, 제 2굴절률부(8)로 입사하는 광속은 제 3굴절률부(9)와의 계면에서 용이하게 완전 반사되므로, 광전변환부(3)에까지 연장되는 도광로가 구비되게 된다.

제 2굴절률부(8)와 제 1굴절률부(7)간의 계면에서 광의 완전한 반사가 방지되어야만 하므로, 제 1굴절률부(7)는 제 2굴절률층(6)과 동일 혹은 그 이하의 굴절률을 지닌 재료로 이루어져 있다. 그러나, 제 2굴절률층(6)의 굴절률과의 차가 작은 것이 바람직하므로, 예를 들면, 굴절률이 2.0인 질화규소(SiN)를 이용할 수 있다.

다이크로익층(4)은 4각뿔 형상의 면상에 배치되어 있으므로, 반사된 광속은 중심으로부터 바깥쪽으로 상이한 방향으로 진행한다.

일반적으로, 다이크로익층(4)은 고굴절률을 지닌 재료와 저굴절률을 지닌 재료를 목표파장 λ의 1/4의 정수배의 두께로 교대로 적층함으로써 퇴적된다. 이 구성에 의해, 투과되는 광속의 파장을 선택할 수 있다.

도 20에 있어서의 다이크로익층(4)의 두께를 일례를 도 24에 표시한다. 고굴절률을 지닌 재료로서 이산화티탄을 이용하고, 저굴절률을 지닌 재료로서 이산화 규소를 이용한다. 도 24에 표시한 두께를 지닌 이들 층은, 물리적 기상퇴적(PVD)에 의해 용이하게 퇴적·적층된다.

도 25는, 도 24에 있어서의 다이크로익층(4)의 투과특성을 표시한 그래프이다. 도 24에 표시한 바와 같이, 도 24의 다이크로익층(4)의 특성은, 컬러소자를 이용한 컬러필터의 특성의 것과 마찬가지이다.

따라서, 광전변환부(3)에 도달하는 광량은, 다이크로익층(4) 혹은 컬러필터를 이용하는 것의 여부에 관계없이, 동일하다

이하, 본 실시형태예에 있어서의 촬상소자의 광로를 설명한다.

먼저, 다이크로익층(4)을 투과하는 광속에 대해 설명한다. 촬상장치로 발광되는 광은, 촬영렌즈(도시생략)에 의해 광속(120)으로 변환되고, 해당 광속(120)은 마이크로렌즈(2)로 입사되어 집광된다. 다음에, 해당 집광된 광은, 제 1굴절률층(5)과 제 2굴절률층(6)으로 순차 투과되어 다이크로익층(4)에 도달한다.

다이크로익층(4)은 소정파장을 지닌 광속만을 선택적으로 통과시키므로, 해당 다이크로익층(4)에 도달한 광은 제 1굴절률부(7)에 투과된다. 다음에, 이 광은 제 2굴절률부(8)로 진행하고, 반복해서 제 3굴절률부(9)와의 계면에서 완전 반사되고, 얻어진 광은 최종적으로 광전변환부(3)로 도광된다. 이하, 다이크로익층(4)에서 반사되는 광속에 대해 설명한다.

도 21은 도 20에 있어서의 촬상소자에 방출되어 해당 촬상소자의 파장선택부에서 반사되는 광의 광로를 표시한 선도이다. 도 20에서 사용된 것과 마찬가지의 부호는, 도 21의 대응하는 성분을 나타내는 데 사용된다.

광이 다이크로익층(4g)에 도달할 때까지 행해진 절차는, 투과광의 절차와 마찬가지이다. 다이크로익층(4g)으로 입사한 광속중, 녹색광 이외의 광, 즉, 적색광 및 청색광은 다이크로익층(4g)으로 반사된다.

전술한 바와 같이, 제 2굴절률층(6)은 제 1굴절률층(5)보다도 높은 굴절률을 지니므로, 임계각이상을 지닌 광속은 계면(5i)에서 완전 반사된다. 계면(5i)에서 완전 반사된 광속은, 다이크로익층(4r)의 방향을 향해 인접하고 적색광을 수광하는 소자부(100_i,jr), (100_i+1,jr)로 진행한다.

소자부(100_i,jr), (100_i+1,jr)용의 다이크로익층(4r)은, 적색광을 투과하고, 녹색광과 청색광을 반사한다. 따라서, 소자부(100_i,jg)에서 반사된 광속중, 적색광만이 통과하고, 청색광은 다이크로익층(4r)에서 반사된다.

반사된 청색광은 지면에 대해 수직인 방향으로 진행하므로, 본 실시형태예에 있어서, 청색광은, 지면에 대해 수직인 방향으로 소자부(100_i,jg)에 인접한 소자부를 향해 진행한다. 반사된 광속을 통과시킨 다이크로익층(4r)은 층두께와 등등한 크기만큼 작은 광투과치수를 지닌다. 그리고, 다이크로익층(4g)으로 입사한 광속의 치수(반사광의 치수)는, 마이크로렌즈(2)의 집광기능에 의해, 마이크로렌즈(2)의 개구부크기에 비해서, 감소된다.

따라서, 반사된 광속은 다이크로익층(4r)을 통과해서 제 1굴절률부(7)와 제 2굴절률부(8)로 순차 진행한다. 다음에, 이 광은 제 2굴절률부(8)로부터 제 3굴절률부(9)로 진행한다. 이 경우, 전술한 바와 같이, 제 2굴절률부(8)는 제 3굴절률부(9)보다도 높은 굴절률을 지니므로, 임계각이상을 지닌 광속은 계면에서 완전 반사된다.

또한, 이 계면은 수직인 방향으로 대략 평행한 2면으로 형성되어 있으므로, 첫번째로 완전 반사되어 광전변환부(3)로 입사하지 못한 광속은, 반대쪽상의 계면에서 재차 완전 반사된다. 최종적으로, 광속은 모두 광전변환부(3)로 전달된다.

청색광을 수광하는 소자부는, 지면에 수직인 소자부(100_i,jg)에 존재한다. 적색광에 대한 것과 마찬가지 방법으로, 소자부(100_i,jg)에서 반사된 광속중, 청색광만이 포획된다.

본 실시형태예에 있어서, 마이크로렌즈(2)는, 다이크로익층(4)에서 반사된 광이 광전변환부(3)로 도광될 수 있도록 설계되어 있다. 이 구성에 대해서는, 다음의 조건이 필요하다.

조건 1

제 1굴절률층(5)과 제 2굴절률층(6)사이의 계면(5i)에서 완전 반사된 광은, 재차 인접한 소자부의 다이크로익면에 입사해야만 한다.

이 조건은 다이크로익층(4)의 경사각(θ) 및 다이크로익층(4)의 정점(4P)과 계면(5i)간의 거리(t₃)에 의해 정해진다.

도 22는, 도 20에 있어서의 다이크로익층(4)의 근방을 표시한 확대도이다. 도 22에 표시한 바와 같이, 다이크로익층(4)에서 반사된 광이 계면(5i)에 도달하기 전에 이동한 수평방향의 거리를 (a), 계면(5i)에서 반사된 광이 인접한 다이크로익층 세그먼트에 도달할 때까지 이동한 수평방향의 거리를 (b)라 가정할 때, 하기 식(1):

P/2 ≤a+b ≤P ...(1)

을 만족하면, 다이크로익층(4)에서 반사된 광이 계면(5i)에서 완전 반사된 후, 재차 인접한 다이크로익면으로 입사한다. 따라서, 상기 조건 1이 성립된다.

따라서, 식(1)의 (a) 및 (b)에 대해서 (t₃), (P) 및 (θ)를 대입해서, 상기 식(1)을 (t₃)에 대해서 풀면, 하기 식(2):

P/4｛(1/tan2θ) - tanθ｝≤ t₃ ≤P/4｛(2/tan2θ) - tanθ｝ ...(2)

가 얻어지고, 식(2)로 표현한 관계가 (t₃)과 (θ)에 대해서 성립한다.

조건 2

재입사한 광속의 폭은, 다이크로익층(파장선택부)의 근방에서 좁아진다. 즉, 광속이 마이크로렌즈(2)를 통과한 위치는, 파장선택부(4)의 근방이다.

마이크로렌즈의 곡률을 (r₁), 초점거리를 (f)라 하면, 하기 식(3) 및 (4):

.......(3)

........(4)

가 성립된다. 따라서, 상기 식(3) 및 (4)에 의해서, 하기 식(5):

.........(5)

가 얻어진다.

또한, 마이크로렌즈(2)의 굴절률 및, 각 굴절률층의 두께와 굴절률에 의해 광로의 길이를 산출하고, 식(5)에 대입하면, 마이크로렌즈(2)의 얻어진 높이는 다음 식(6)과 같이 된다:

......(6)

식중,

........(7)

......(8)

이 경우, (m)은 광로의 길이에 대한 용장성을 제공하는 데 이용되는 계수로, 1/2≤m≤5/4를 만족하는 값을 나타낸다. 또, 광이 파장선택부(4)로 재입산한 후 굴절률층(즉, 제 1굴절률층(7))의 굴절률(n₄)은 굴절률(n₃)과 크게 다르지 않으므로, (n₄)를 식(8)의 (n₃)으로 대체해도 된다.

예를 들면, P =7.4㎛, θ = 28°인 구조에서, 조건 1에 대한 식(2)를 이용해서 t₃은 t₃= 0.5㎛로서 얻어지고, 또는, m = 1일 경우, 조건 2에 의거해서, t_{1 =}3.14㎛가 얻어진다.

도 21에 표시한 바와 같이, 반사광이 집광되는 위치가 파장선택부(4)근방이 되도록 마이크로렌즈(2)의 곡률을 규정하면, 반사광은, 광전변환부(3)로 유효하게 도광될 수 있다.

제 4실시형태예

도 23은 본 발명의 제 4실시형태예에 의한 촬상소자의 일부의 구체적인 단면도이다. 도 23에 있어서, 도 20에서 사용된 것과 마찬가지 부호는 대응하는 성분을 나타내는 데 이용된다.

본 실시형태예에 있어서, 계면(5i)은 광전변환부(3)에 대향해서 올라간 구면형상으로 형성되어 있다.

또, 마이크로렌즈(2)의 굴절률을 (n₁); 마이크로렌즈(2)의 높이를 (t₁); 제 1굴절률층(5)의 굴절률을 (n₂); 광전변환부(3)에 의해 정해진 광축(3c)을 따른 제 1굴절률층(5)의 두께를 (t₂); 제 2굴절률층(6)의 굴절률을 (n₃); 다이크로익층(4)의 정점(4P)과 계면(5i)사이의 거리를 (t₃); 계면(5i)의 높이를 (t₄)라 가정한다. 또한, 제 1굴절률층(5)의 굴절률(n₂)은 제 2굴절률층(6)의 굴절률(n₃)보다도 큰 것으로 가정한다.

본 실시형태예의 촬상소자에 있어서, 다이크로익층(4g)에 입사된 광속중, 녹색광 이외의 광, 즉, 적색광과 청색광은 다이크로익층(4g)에서 반사되고, 이어서, 구면형상 면(5i)에서 완전 반사되어 인접한 화소부의 다이크로익층(4r)으로 전달된다. 이 다이크로익층(4r)에 입사된 광속중, 적색광은, 다이크로익층(4r)을 통과하고, 제 1굴절률부(7)와 제 2굴절률부(8)를 개재해서 광전변환부(3)로 전달된다.

도 23에는 도시하고 있지 않지만, 다이크로익층(4g)에 입사된 광속중, 녹색광 이외의 광은 다이크로익층(4g)을 통과해서, 광전변환부(3)에 도달한다.

또, 도 23에는 도시하고 있지 않지만, 다이크로익층(4r)에 입사된 광속중, 적색광 이외의 광은, 다이크로익층(4r)에서 반사되고, 이 반사된 광은, 계면(5i)에서 완전해 반사되어, 인접한 화소부의 다이크로익층(4r)으로 전달된다.

또한, 다이크로익층(4g)에 입사한 광속중, 녹색광은, 다이크로익층(4g)을 통과하고, 제 1굴절률부(7)와 제 2굴절률부(8)를 개재해서 광전변환부(3)로 전달된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태예의 촬상소자에 의하면, 소자부(100)에 입사한 광중, 불필요 파장을 지닌 광은, 인접한 소자부(100)의 광전변환부(3)로 도광되므로, 광의 이용효율이 향상될 수 있다.

또한, 예를 들면, 계면(5i)의 높이(t₄)에 대해 관계식 0 < t₄ ≤t₃이 성립되는 한편, 다이크로익층(4g)에서 반사된 녹색광 이외의 파장을 지닌 광속은 완전 반사되므로, 계면(5i)에서 완전 반사된 광속은 인접한 소자부(100)의 다이크로익층(4r)으로 적절하게 입사된다.

또, 계면(5i)은 마이크로렌즈(2)와 구면형상의 면(5i)을 통과한 광속에 대해서 음의 파워를 적용하고 있으나, 계면(5i)은, 오목면경으로서, 구면형상 면(5i)을 통과해서 다이크로익층(4)에서 반사된 광속에 대해 양의 파워를 적용해도 된다.

따라서, 다이크로익층(4)에서 반사된 광속을 인접한 소자부(100)의 다이크로익층(4)근방에 집광시키고자 할 경우, 마이크로렌즈(2)의 파워는, 저감시킬 수 있고, 따라서, 마이크로렌즈(2)의 높이(t₁)도 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 마이크로렌즈(2)의 제조를 간단화할 수 있다.

도 23에 있어서의 촬상소자에 대해서는, 계면(5i)의 높이(t₄)를 0.4㎛(≤t₃ = 0.5㎛)로 설정하면, 마이크로렌즈(2)의 높이(t₁)는 2㎛이다. 상기 제 3실시형태예에 있어서, t₄= 0, 즉, 계면(5i)은 평탄하므로, 마이크로렌즈(2)의 높이(t₁)는 높은, 즉, 3.14㎛이다.

본 제 4실시형태예에 있어서는, 계면(5i)이 위쪽으로 볼록한 구면형상이므로, 마이크로렌즈(2)의 높이(t₁)는 감소시킬 수 있다. 또한, 이러한 마이크로렌즈(2)에 의해서도, 촬상소자에 입사된 후 반사되는 광속은, 인접한 소자부(100)의 다이크로익층(4)의 근방에 집광시킬 수 있다.

제 5실시형태예

이하, 도 26을 참조해서, 제 1실시형태예 내지 제 4실시형태예에서 설명한 구조를 지닌 촬상소자를 이용하는 촬상장치에 대해 설명한다.

도 26에 있어서, 촬상장치는, 렌즈의 보호기로서, 그리고, 메인스위치로서 역할하는 배리어(201); 피사체의 광학상을 결상하는 렌즈(202); 렌즈(202)를 통과한 광량을 변화시키는 조리개(203); 렌즈(202)에 의해 형성된 피사체의 상을 화상신호로서 포획하는 고체촬상소자(204); 고체촬상소자(204)로부터 수신한 화상신호를 증폭하는 이득가변증폭기와 이득치를 보정하는 이득보정회로를 포함하는 촬상신호처리회로(205); 고체촬상소자(204)에서 출력된 화상신호의 아날로그/디지틀변환을 행하는 A/D변환기(206); A/D변환기(206)에 의해 출력된 화상데이터에 대해 각종 보정을 행하거나 해당 데이터의 압축을 행하는 신호처리부(207); 촬상소자(204), 촬상신호처리회로(205), A/D변환기(206) 및 신호처리부(207)에 각종 타이밍신호를 출력하는 타이밍발생부(208); 촬상장치에 대해 각종 연산을 행하고, 전체적인 제어를 행하는 시스템제어 및 연산부(209); 화상데이터를 일시 기억하는 메모리부(210); 데이터를 기록하거나 기록메체로부터 데이터를 판독하는 기록매체 제어인터페이스(I/F)부(211); 화상데이터를 기록 혹은 판독하기 위한 반도체메모리 등의 탈착가능한 기록매체(212); 및 외부컴퓨터와 통신하는 외부인터페이스(I/F)부(213)를 구비하고 있다.

이와 같이 구성된 촬상장치의 촬영동작에 대해 이하 설명한다.

배리어(201)를 개방하면, 메인전원스위치가 온상태로 절환되고, 이어서, 제어시스템 및 A/D변환기(206) 등의 촬영계 회로가 통전된다.

광의 노광량을 제어하기 위해, 시스템제어 및 연산부(209)는 조리개(203)를 개방하고, 촬상소자(204)에 의해 출력된 신호를 A/D변환기(206)에 의해 변환하고, 얻어진 신호를 신호처리부(207)로 전송한다.

얻어진 데이터에 의거해서, 시스템제어 및 연산부(209)는 노광연산을 행한다. 이 광도측정 결과에 의거해서, 시스템제어 및 연산부(209)는 휘도를 결정하고, 해당 휘도에 따라 조리개(203)를 제어한다.

이어서, 시스템제어 및 연산부(209)는 촬상소자(204)에 의해 출력된 신호로부터 고주파성분을 추출하고, 피사체에 대한 거리를 산출한다. 그 후, 시스템제어 및 연산부(209)는 렌즈(202)를 구동해서 피사체가 초점이 맞는 상태에 있는 지의 여부를 결정한다. 피사체가 초점이 맞지 않는 상태에 있는 것으로 확인되면, 해당 시스템제어 및 연산부(209)는 렌즈(202)를 구동해서 거리를 계측한다.

피사체가 초점이 맞는 상태에 있는 것으로 확인되면, 본노광을 행한다.

노광이 종료되면, A/D변환기(206)는 촬상소자(204)에 의해 출력된 화상신호에 대해 A/D변환을 행하여 얻어진 신호를 신호처리부(207)로 전송한다. 다음에, 시스템제어 및 연산부(209)는 해당 신호를 메모리부(210)에 기입한다. 그 후, 시스템제어 및 연산부(209)의 제어하에, 메모리부(210)에 기억되어 있는 데이터를 기록매체 제어I/F부(211)를 통해 전송하여, 반도체메모리 등의 탈착가능한 기록매체(212)에 기록한다.

상기 데이터는 외부I/F부(213)를 통해 직접 컴퓨터에 전송해서 화상처리를 행해도 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 적절한 저역통과효과를 얻는 동시에 입사광의 이용효율이 증가되는 촬상소자를 제공하는 것이 가능하다.

이상, 본 발명의 정신과 범위를 일탈함이 없이 본 발명의 폭넓은 다양한 상이한 실시형태를 구축할 수 있다. 본 발명은 첨부된 청구범위에 정의된 것이외에는, 명세서에 기재된 특정 실시형태예로 제한되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 제 1실시형태예를 표시한 선도

도 2는 본 발명의 제 1실시형태예를 표시한 선도

도 3은 본 발명의 제 1실시형태예에 의한 촬상소자의 상면도

도 4는 본 발명의 제 1실시형태예에 의한 촬상소자에 구비된 파장선택부를 설명하는 선도

도 5는 본 발명의 제 1실시형태예에 의한 (투과광용의) 광추적도

도 6은 본 발명의 제 1실시형태예에 의한 (반사광용의) 광추적도

도 7은 본 발명의 제 1실시형태예에 의한 (투과광용의) 광추적도

도 8은 화소의 구성을 표시한 선도

도 9는 다이크로익층의 조성을 표시한 선도

도 10은 다이크로익층의 특성을 표시한 그래프

도 11은 다이크로익층의 특성을 표시한 개략적 그래프

도 12는 G투과용 다이크로익층에 의해 반사되어 B투과용 다이크로익층을 통과한 광의 단순특성을 표시한 개략적 그래프

도 13은 G투과용 다이크로익층에 의해 반사되어 R투과용 다이크로익층을 통과한 광의 단순특성을 표시한 개략적 그래프

도 14는 R투과용 다이크로익층에 의해 반사되어 G투과용 다이크로익층을 통과한 광의 단순특성을 표시한 개략적 그래프

도 15는 B투과용 다이크로익층에 의해 반사되어 G투과용 다이크로익층을 통과한 광의 단순특성을 표시한 개략적 그래프

도 16은 본 발명의 제 2실시형태예에 의한 선도

도 17은 본 발명의 제 2실시형태예에 의한 촬상소자에 구비된 파장선택부를 설명하는 선도

도 18은 본 발명의 제 2실시형태예에 의한 (투과광용의) 광추적도

도 19는 본 발명의 제 2실시형태예에 의한 (반사광용의) 광추적도

도 20은 본 발명의 제 3실시형태예에 의한 촬상장치의 일부의 구체적인 단면도

도 21은 도 20에 있어서의 촬상장치에 광을 조사했을 때 해당 촬상장치내의 광로를 표시한 선도

도 22는 도 20에 있어서의 다이크로익층 부근의 부분을 표시한 확대도

도 23은 본 발명의 제 4실시형태예에 의한 촬상장치의 일부의 구체적인 단면도

도 24는 도 20에 있어서의 다이크로익층용의 두께예를 표시한 선도

도 25는 도 24에 있어서의 다이크로익층의 투과특성을 표시한 그래프

도 26은 본 발명의 제 5실시형태예를 표시한 선도

도 27은 종래의 촬상소자의 구성을 표시한 선도

도 28은 종래의 컬러필터의 특성을 표시한 선도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 실리콘웨이퍼 2: 마이크로렌즈

2c: 마이크로렌즈(2)의 정점 3: 광전변환부

3c: 광전변환부(3)에 의해 정해된 중심축

4, 4r, 4g: 파장선택부(다이크로익층(dichroic layer))

4P: 파장선택부의 정점

5: 제 1굴절률층 5i: 계면

6: 제 2굴절률층 7: 제 1굴절률부

8: 제 2굴절률부 9: 제 3굴절률부

10: 폴리배선층 11: AL1 배선층

12: AL2 배선층 13: AL3 배선층

15: 경계 100: 화소(혹은 소자부)

120: 광속 201: 배리어

202: 렌즈 203: 조리개

204: 고체촬상소자 205: 촬상신호처리회로

206: A/D변환기 207: 신호처리부

208: 타이밍발생부 209: 시스템제어 및 연산부

210: 메모리부 211: 기록매체 제어인터페이스(I/F)부

212: 기록매체 213: 외부인터페이스(I/F)부

500: 촬상소자

Claims

광전변환부와, 상기 광전변환부로 소정 파장범위의 광을 투과하는 파장선택부를 각각 지닌 복수의 화소로 이루어진 촬상소자에 있어서,

상기 파장선택부는, 정점을 지니고, 해당 촬상소자의 주변부에 위치된 화소에 대해서는, 상기 파장선택부의 정점 축이 상기 광전변환부의 중심 축보다도 해당 촬상소자의 중심 축에 근접해서 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 촬상소자.
제 1항에 있어서, 상기 파장선택부가 다각뿔형상을 지닌 것을 특징으로 하는 촬상소자.
제 1항에 있어서, 상기 복수의 화소의 각각에 포함된 상기 파장선택부는 동일한 형상인 것을 특징으로 하는 촬상소자.
제 1항에 있어서, 상기 촬상소자의 제 1위치에 배치된 화소에 포함된 상기 파장선택부의 형상은, 해당 촬상소자의 제 2위치에 배치된 화소에 포함된 상기 파장선택부의 형상과 다른 것을 특징으로 하는 촬상소자.
제 1항에 있어서, 상기 복수의 화소의 각각은, 집광용의 마이크로렌즈를 지니고, 상기 촬상소자의 주변부에 위치된 화소에 대해서는, 상기 파장선택부의 정점이 상기 마이크로렌즈의 중심과 상기 광전변환부의 중심을 연결하는 광축보다도 해당 촬상소자의 중심에 보다 근접해서 위치되는 것을 특징으로 하는 촬상소자.
제 1항에 있어서, 소정의 굴절률을 지닌 제 2굴절률영역은, 상기 파장선택부보다도 광입사쪽으로 근접해서 설치되고, 소정의 굴절률을 지닌 제 1굴절률영역은, 제 2굴절률영역보다도 광입사쪽으로 근접해서 설치되고, 상기 제 2굴절률영역의 소정의 굴절률은 상기 제 1굴절률영역의 소정의 굴절률보다도 높은 것을 특징으로 하는 촬상소자.
제 1항에 있어서, 소정의 굴절률을 지닌 고굴절률영역은, 상기 광전변환부로 광을 도광시키기 위해 상기 파장선택부와 상기 광전변환부사이에 설치되고, 상기 고굴절률영역보다도 낮은 굴절률을 지닌 저굴절률영역은, 상기 고굴절률영역의 주변부에 설치되는 것을 특징으로 하는 촬상소자.
제 1항에 의한 촬상소자와;

상기 촬상소자로부터 수신된 신호를 디지틀신호로 변환하는 아날로그/디지틀변환기와;

상기 아날로그/디지틀변환기에 의해 얻어진 신호를 처리하는 신호처리회로를 구비한 것을 특징으로 하는 촬상장치.
피사체로부터의 광을 마이크로렌즈에 의해 집광하고, 해당 집광된 광을 광전변환부에서 수광하여, 해당 수광된 광을 전기신호로 변환해서 피사체의 화상을 얻는 촬상장치에 있어서,

마이크로렌즈와 굴절부사이에 위치되어, 소정 파장을 지닌 광을 선택적으로 투과하는 동시에 다른 파장을 가진 광을 반사하는 파장선택부; 및

상기 마이크로렌즈와 굴절부사이에 위치되어, 상기 파장선택부에서 반사된 광을 인접한 광전변환부쪽으로 향하게 하는 반사부를 지니고,

상기 반사부에서 반사된 광은 파장선택부상에 결상되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 촬상장치.
제 9항에 있어서, 상기 반사부에 의해 반사된 광에 의해 상기 파장선택부상에 결상하도록, 상기 마이크로렌즈의 높이, 상기 파장선택부의 정점과 상기 반사부의 반사면간의 거리, 상기 광전변환부에 대한 상기 파장선택부의 경사각 및 상기 광전변환부의 피치를 조정하고 있는 것을 특징으로 하는 촬상장치.
제 9항에 있어서, 상기 파장선택부는 다이크로익층(dichroic layer)인 것을 특징으로 하는 촬상장치.
제 9항에 있어서, 상기 반사부는 상기 광전변환부를 향해 오목한 것을 특징으로 하는 촬상장치.
제 9항에 있어서, 상기 굴절부는, 광입사쪽이 넓은 테이퍼형상을 지닌 것을 특징으로 하는 촬상장치.
제 9항에 의한 촬상소자와;

상기 촬상소자로부터 수신된 신호를 디지틀신호로 변환하는 아날로그/디지틀변환기와;

상기 아날로그/디지틀변환기에 의해 얻어진 신호를 처리하는 신호처리회로를 구비한 것을 특징으로 하는 촬상장치.