固體攝像元件以及攝像裝置制造方法
【專利摘要】在本發(fā)明的固體攝像元件，單位像素（3）的聚光元件（11）具有以射入單位像素（3）的受光元件（14）的光的波長以下的線寬被分離的、以相對(duì)于聚光元件（11）的受光面垂直方向的軸為中心的同心結(jié)構(gòu)的多個(gè)光透過膜（33），并具有由多個(gè)光透過膜（33）的組合所控制的有效折射率分布，同心結(jié)構(gòu)的多個(gè)光透過膜（33）的外緣的形狀在受光面上為，與同心結(jié)構(gòu)的中心最近的光透過膜（33）呈正圓、與同心結(jié)構(gòu)的中心遠(yuǎn)離的光透過膜（33）呈橢圓，橢圓的長軸相對(duì)于短軸的比率為，越是與同心結(jié)構(gòu)的中心遠(yuǎn)離的光透過膜（33）的外緣的形狀比率越高，多個(gè)單位像素（3）各自的橢圓的長軸方向，在受光面上與連接多個(gè)單位像素各自的同心結(jié)構(gòu)的中心和固體攝像元件的中心的矢量相正交。
【專利說明】固體攝像元件以及攝像裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于數(shù)碼照相機(jī)等的固體攝像元件，尤其涉及可更換透鏡的單反式數(shù)碼照相機(jī)中使用的固體攝像元件。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著數(shù)碼照相機(jī)以及附帶照相機(jī)功能的手機(jī)等的普及，固體攝像元件市場也在顯著擴(kuò)大。另外，可換用例如廣角或者長焦距等各種光學(xué)透鏡的單反式數(shù)碼照相機(jī)也在普及。在這種趨勢(shì)下，對(duì)于數(shù)碼照相機(jī)等的薄型化的要求依然強(qiáng)烈。換言之，意味著照相機(jī)部分所使用的透鏡成為短焦距，而射入固體攝像元件的光的范圍成為廣角(從固體攝像元件的入射面的垂直軸開始測量的大角度)。
[0003]在CXD型或者CMOS型圖像傳感器等固體攝像元件中，通過將具有受光元件的多個(gè)半導(dǎo)體集成電路(單位像素)排列成二維狀而形成攝像區(qū)域，并以此將來自被寫體的光信號(hào)變換成電信號(hào)。固體攝像元件靈敏度的定義基于受光元件的輸出電流相對(duì)于入射光量的大小，因此，為了提高靈敏度，將射入的光著實(shí)導(dǎo)入受光元件是重要的要素。
[0004]圖10是表示現(xiàn)有的一般單位像素300的基本結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的圖。
[0005]該單位像素300如圖10所示，由微透鏡305、濾色片302、A1配線303、信號(hào)傳送部304、平坦化層308、受光元件306以及Si基板307構(gòu)成。在該結(jié)構(gòu)中，垂直射入微透鏡305的入射光356 (虛線表示的光)被紅色(R)、綠色(G)以及藍(lán)色(B)中的任一個(gè)濾色片302進(jìn)行色分離之后，在受光元件306被變換為電信號(hào)。由于這種具有微透鏡的結(jié)構(gòu)能夠獲得較高的聚光效率，因此被用在幾乎所有的固體攝像元件中。
[0006]然而，如上所述，固體攝像元件由二維排列的多個(gè)單位像素構(gòu)成，因此，隨著從攝像區(qū)域的中央部(中心部)移向周邊部，射入單位像素的光的入射角度發(fā)生傾斜。其結(jié)果，會(huì)造成周邊部的單位像素的聚光效率比中央部的單位像素低的問題。例如，在通過圖10所示的現(xiàn)有的單位像素300受光的情況下，在攝像區(qū)域的中央部，由于射入單位像素300的光的入射角度變小(由于成為虛線所表示的入射光356)，因此，幾乎都在受光元件306被聚光而成為有效光，但在攝像區(qū)域的周邊部，由于射入單位像素300的光的入射角度變大(由于成為實(shí)線所表示的入射光357)，因此，入射光357被單位像素300中的Al配線303遮光，而無法到達(dá)受光元件306。因此，聚光效率會(huì)降低。
[0007]對(duì)此，現(xiàn)在采用如圖11所示的方法，在攝像區(qū)域的周邊部的單位像素300中，通過使Al配線303和受光元件306向攝像區(qū)域的外側(cè)方向(偏向端部)偏離(收縮)，來提高入射角度大的入射光357的聚光效率。
[0008]另外，作為解決所述聚光效率減少的其他手段，還有通過與入射光的波長等同或者比其小的微細(xì)結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)具有有效性的折射率分布的折射率分布型透鏡的固體攝像元件(例如，參照專利文獻(xiàn)I)。具體是，在固體攝像元件的攝像區(qū)域的中心部，通過對(duì)被分割成與入射光的波長等同或者比其短的線寬的同心結(jié)構(gòu)的多個(gè)帶區(qū)域進(jìn)行組合，從而形成具有相對(duì)于單位像素的中心對(duì)稱的有效折射率分布的折射率分布型透鏡。另外，在固體攝像元件的攝像區(qū)域的周邊部，通過對(duì)被分割成與入射光的波長等同或者比其短的線寬的同心結(jié)構(gòu)的多個(gè)帶區(qū)域進(jìn)行組合，并使該同心結(jié)構(gòu)的中心和單位像素的中心相錯(cuò)開(偏移)，來形成具有相對(duì)于單位像素的中心非對(duì)稱的有效折射率分布的折射率分布型透鏡。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，即使射入固體攝像元件的周邊部的光相對(duì)于入射面(受光面)的垂直軸以較大的傾斜角度射入，也能夠使入射光在受光元件聚光，從而在固體攝像元件的周邊部也能夠獲得與中央部的靈敏度等同的靈敏度。其結(jié)果，如果來自照相機(jī)光學(xué)透鏡的主光線的入射角度是固定的，就能夠防止靈敏度降低。
[0009]專利文獻(xiàn)1:日本特開2006-351972號(hào)公報(bào)
[0010]但是，在來自光學(xué)透鏡的光的入射角度因更換透鏡而變化的情況下，有時(shí)光會(huì)偏離受光元件。例如，在配線以及受光元件的收縮量或者同心結(jié)構(gòu)的光透過膜中心的偏移量采用的是與安裝有長焦距透鏡時(shí)的入射角度小的光對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)的情況下，如果安裝廣角透鏡，就會(huì)有入射角度大的光從光學(xué)透鏡射入，因此入射光的一部分會(huì)偏離受光兀件而導(dǎo)致靈敏度降低。相對(duì)而言，如果為了對(duì)應(yīng)更大角度的入射光而采用收縮或者偏移量被增加的設(shè)計(jì)的話，相反，在更換成了長焦距透鏡時(shí)，會(huì)有入射角度小的光入射，這還是會(huì)導(dǎo)致靈敏度降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]鑒于解決所述問題開發(fā)了本發(fā)明，本發(fā)明的目的在于提供一種即使在入射光的入射角度因更換透鏡等而發(fā)生了變化的情況下，也能夠抑制靈敏度降低的固體攝像元件以及
攝像裝置。
[0012]為了解決所述問題，本發(fā)明的一形態(tài)的固體攝像元件具有被排列成二維狀的單位像素，該單位像素具有受光元件和聚光元件，所述固體攝像元件的特征在于:所述聚光元件具有同心結(jié)構(gòu)的多個(gè)光透過膜并具有由所述多個(gè)光透過膜的組合所控制的有效折射率分布，所述同心結(jié)構(gòu)的多個(gè)光透過膜以射入所述受光元件的光的波長以下的線寬被分離，并以相對(duì)于所述聚光元件的受光面垂直方向的軸為中心，所述同心結(jié)構(gòu)的多個(gè)光透過膜的外緣的形狀在所述受光面上為，與所述同心結(jié)構(gòu)的中心最近的所述光透過膜呈正圓、與所述同心結(jié)構(gòu)的中心遠(yuǎn)離的所述光透過膜呈橢圓，所述橢圓的長軸相對(duì)于短軸的比率為，越是與所述同心結(jié)構(gòu)的中心遠(yuǎn)離的所述光透過膜的外緣的形狀，所述比率越高，多個(gè)所述單位像素各自的所述橢圓的長軸方向，在所述受光面上，與連接多個(gè)所述單位像素各自的所述同心結(jié)構(gòu)的中心和所述固體攝像元件的中心的矢量相正交。
[0013]在由同心結(jié)構(gòu)的光透過膜的組合所控制的有效折射率分布中，以同心結(jié)構(gòu)的中心位置為頂點(diǎn)，有效折射率呈連續(xù)函數(shù)式的減少。根據(jù)本形體，同心結(jié)構(gòu)的形狀隨著遠(yuǎn)離同心結(jié)構(gòu)的中心，從正圓變向橢圓。隨之，有效折射率變得在橢圓的短軸方向上具有比長軸方向大的減少率。即，有效折射率分布成為有偏倚的分布。并且，從正圓變向橢圓的這一形狀變化，隨著遠(yuǎn)離同心結(jié)構(gòu)的中心而逐漸顯現(xiàn)，橢圓區(qū)域，即，有效折射率分布的減少率變大的區(qū)域僅限于單位像素內(nèi)的端部周圍。如果將具備這種聚光元件的單位像素配置在例如固體攝像元件周邊部，根據(jù)單位像素的端部周邊的有效折射率的減少率大的這一效果，對(duì)于歷來而言在安裝有廣角透鏡時(shí)無法很好地進(jìn)行聚光而泄露到受光元件外的傾斜入射光，也能夠大幅彎曲其前進(jìn)方向從而將光導(dǎo)入受光元件，其結(jié)果聚光效率得以提高。另外，在安裝有長焦距透鏡時(shí)入射角度小的光被射入的情況下，由于橢圓區(qū)域僅限于單位像素的端部周邊，因此也能夠?qū)⒐鈱?dǎo)入受光元件，而不會(huì)造成光的過度彎曲。因此，能夠?qū)恼?狹角)至廣角的廣范圍的入射光進(jìn)行無損聚光，從而能夠抑制靈敏度的降低。
[0014]另外，在本發(fā)明的一形態(tài)的固體攝像元件，可以是:所述固體攝像元件的中心的所述單位像素的所述同心結(jié)構(gòu)的中心，在所述受光面上，與所述單位像素的中心一致，與所述固體攝像元件的中心遠(yuǎn)離的所述單位像素的所述同心結(jié)構(gòu)的中心，在所述受光面上，從所述單位像素的中心向所述固體攝像元件的中心偏離，所述偏離的量，越是與所述固體攝像元件的中心遠(yuǎn)離的所述單位像素越大。
[0015]通過這種結(jié)構(gòu)，在固體攝像元件的中心的單位像素，同心結(jié)構(gòu)的中心與單位像素的中心相一致，單位像素內(nèi)的幾乎所有區(qū)域的光透過膜成為正圓形的形狀。在固體攝像元件的中心的單位像素，無論照相機(jī)透鏡是廣角透鏡還是長焦距透鏡，光的入射角度相對(duì)于攝像面(受光面)的垂直方向始終是平行的，因此，入射光通過由正圓的光透過膜構(gòu)成的聚光元件被聚集到受光元件。另一方面，隨著移向固體攝像元件的周邊部，同心結(jié)構(gòu)的中心朝向固體攝像元件中心的方向偏移，因此，在固體攝像元件的周邊部的單位像素，在與固體攝像元件的中心離得遠(yuǎn)的一側(cè)的區(qū)域，橢圓區(qū)域，即，有效折射率的減少率大的區(qū)域會(huì)增大。因此，根據(jù)單位像素的端部周邊的有效折射率的減少率大的這一效果，對(duì)于歷來而言在安裝有廣角透鏡時(shí)無法很好地進(jìn)行聚光而泄露到受光元件外的傾斜入射光，也能夠大幅彎曲其前進(jìn)方向從而將光導(dǎo)入受光元件，其結(jié)果聚光效率得以提高。
[0016]另外，在本發(fā)明的一形態(tài)的固體攝像元件，可以是:所述聚光元件在所述受光面上的所述有效折射率分布是，有效折射率以所述同心結(jié)構(gòu)的中心為頂點(diǎn)，并從所述同心結(jié)構(gòu)的中心開始隨著距離而呈拋物線狀減少的分布，所述聚光元件在所述受光面上的所述橢圓的短軸方向的所述有效折射率分布，具有從所述同心結(jié)構(gòu)的中心開始與距離的4乘方成比例地減少的分布偏倚。
[0017]通過這種結(jié)構(gòu)，在固體攝像元件內(nèi)的各單位像素中，由于同心結(jié)構(gòu)的中心的位置相對(duì)于單位像素的中心發(fā)生偏移，并偏向固體攝像元件偏的中心而被配置，因此，聚光元件的有效折射率的減少率隨著從固體攝像元件的中心移向周邊部而增大的區(qū)域，會(huì)僅在單位像素內(nèi)的像素排列端變大。從而，能夠?qū)θ肷浣嵌却蟮墓膺M(jìn)行聚光，并且單位像素內(nèi)的有效折射率的減少率大的區(qū)域僅限于像素排列端側(cè)，因此對(duì)于入射角度小的光也能夠進(jìn)行無損聚光。
[0018]另外，在本發(fā)明的一形態(tài)的固體攝像元件，所述聚光元件可以是層內(nèi)透鏡。
[0019]通過采用這種結(jié)構(gòu)，能夠以在配置具有所述有效折射率分布的層內(nèi)透鏡的同時(shí)將微透鏡配置在器件的最上面的方式，實(shí)現(xiàn)由2個(gè)透鏡組合而成的結(jié)構(gòu)，從而能夠進(jìn)一步擴(kuò)大入射光的入射角度范圍。
[0020]另外，本發(fā)明的一形態(tài)的攝像裝置的特征在于具備所述固體攝像元件。
[0021]通過這種結(jié)構(gòu)，即使在射入單位像素的光的入射角度因更換透鏡等而發(fā)生了變化的情況下，也能夠抑制靈敏度降低。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的固體攝像元件，即使在射入單位像素的光的入射角度因更換透鏡而發(fā)生了從廣角到窄角的大變化的情況下，也能夠避免出現(xiàn)拍攝時(shí)在固體攝像元件的周邊部獲得的圖像變暗的情況。從而，即使在將可換用廣角或者長焦距等各種透鏡的單反相機(jī)的攝像透鏡使用于數(shù)碼照相機(jī)等的情況下，在固體攝像元件的周邊部也能夠獲得明亮的圖像。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是表示本發(fā)明的第I實(shí)施方式的攝像裝置(照相機(jī))的概略結(jié)構(gòu)的圖。
[0024]圖2是表示本發(fā)明的第I實(shí)施方式的固體攝像裝置的詳細(xì)結(jié)構(gòu)的圖。
[0025]圖3 (a)是表示本發(fā)明的第I實(shí)施方式的固體攝像元件的攝像面上的不同部分的單位像素的結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的剖面圖。
[0026]圖3 (b)是本發(fā)明的第I實(shí)施方式的固體攝像元件的攝像面上的不同部分的單位像素的聚光元件的俯視圖的一個(gè)例子。
[0027]圖3 (C)是表示本發(fā)明的第I實(shí)施方式的固體攝像元件的攝像面上的不同部分的單位像素的聚光元件的有效折射率分布的圖表的一個(gè)例子。
[0028]圖4(a)是表示在裝載有本發(fā)明的第I實(shí)施方式的固體攝像元件的單反照相機(jī)中，作為透鏡安裝有廣角透鏡的情況下，聚光元件在攝像面的不同部分對(duì)入射光進(jìn)行聚光的概略圖。
[0029]圖4(b)是表示在裝載有本發(fā)明的第I實(shí)施方式的固體攝像元件的單反光照相中，作為透鏡安裝有長焦距透鏡的情況下，聚光元件在攝像面的不相同部分對(duì)入射光進(jìn)行聚光的概略圖。
[0030]圖5是本發(fā)明的第I實(shí)施方式的固體攝像元件的攝像面的不同部分的單位像素的聚光元件的俯視圖的一個(gè)例子。
[0031]圖6是本發(fā)明的第I實(shí)施方式的固體攝像元件的四角即攝像面的視角(D端)的單位像素的聚光元件的俯視圖的一個(gè)例子。
[0032]圖7是表示在本發(fā)明的第I實(shí)施方式的固體攝像元件中，聚光元件的聚光效率的入射角度依賴性的圖。
[0033]圖8是表示本發(fā)明的第2實(shí)施方式的固體攝像元件的單位像素的結(jié)構(gòu)的剖面圖。
[0034]圖9是表示在本發(fā)明的第2實(shí)施方式的固體攝像元件中，聚光元件的聚光效率的入射角度依賴性的圖。
[0035]圖10是表示現(xiàn)有的單位像素的結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的圖。
[0036]圖11是表示現(xiàn)有的單位像素的結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037]以下，關(guān)于本發(fā)明的實(shí)施方式，參照附圖進(jìn)行更具體的說明。在此，關(guān)于本發(fā)明，利用以下的實(shí)施方式以及附帶的圖面進(jìn)行說明，但其目的僅在于例示，并不表示本發(fā)明限定于此。即，以下的實(shí)施方式中給出的數(shù)值、材料、結(jié)構(gòu)要素、結(jié)構(gòu)要素的配置位置以及連接形態(tài)、定時(shí)、定時(shí)的順序等僅為一例，并不意味本發(fā)明限定于此。本發(fā)明僅以權(quán)利要求的范圍為準(zhǔn)。因而，關(guān)于以下實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)要素中的未被記載于表示最上位概念的獨(dú)立權(quán)利要求項(xiàng)中的結(jié)構(gòu)要素，并非是為了達(dá)成本發(fā)明的目的所必須的結(jié)構(gòu)，而將其作為構(gòu)成理想形態(tài)的要素進(jìn)行說明。另外，對(duì)于附圖中表示實(shí)質(zhì)上相同的結(jié)構(gòu)、動(dòng)作以及效果的要素，賦予相同的符號(hào)。[0038](第I實(shí)施方式)
[0039]圖1是表示本發(fā)明的第I實(shí)施方式的攝像裝置(照相機(jī))的概略結(jié)構(gòu)的圖。圖2是表示本實(shí)施方式的固體攝像裝置100的詳細(xì)結(jié)構(gòu)的圖。
[0040]該照相機(jī)由固體攝像裝置100、透鏡110、DSP (數(shù)碼信號(hào)處理電路)120、圖像顯示器件130以及圖像存儲(chǔ)器140構(gòu)成。
[0041]另外，在單反數(shù)碼照相機(jī)中，透鏡110是可更換的透鏡，可更換成焦點(diǎn)距離不同的光學(xué)透鏡。具體而言，透鏡110例如是用于廣角入射光的攝像透鏡、長焦距透鏡，或者是對(duì)應(yīng)于光遠(yuǎn)心(光軸和主光線幾乎平行)射入固體攝像裝置100的情況的攝像透鏡等。
[0042]在該照相機(jī)中，光通過透鏡110從外部射入，射入的光被固體攝像裝置100變換成數(shù)碼信號(hào)并被輸出。然后，被輸出的數(shù)碼信號(hào)經(jīng)過DSP120的處理，被作為影像信號(hào)輸出到圖像存儲(chǔ)器140并被記錄，或者被輸出到圖像顯示器件130，用于圖像顯示。
[0043]DSP120由圖像處理電路121和照相機(jī)系統(tǒng)控制部122構(gòu)成，圖像處理電路121用于對(duì)固體攝像裝置100的輸出信號(hào)進(jìn)行噪聲消除等處理并生成影像信號(hào)，照相機(jī)系統(tǒng)控制部122對(duì)固體攝像裝置100的單位像素(單位元件)3的掃描定時(shí)以及增益進(jìn)行控制。DSP120例如進(jìn)行與在固體攝像裝置100的單位像素3內(nèi)被共享的像素(光電變換單元)間的特性差有關(guān)的校正。
[0044]固體攝像裝置100由I個(gè)芯片形成，形成固體攝像裝置100的芯片和形成DSP120的芯片是不同的芯片。由此，通過將固體攝像裝置100的形成工序和DSP120的形成工序分開，能夠使攝像部以及處理部的制造工序分開，從而能夠?qū)崿F(xiàn)制造工序削減和低成本化。另夕卜，可按照每個(gè)用戶自由對(duì)定時(shí)控制、增益控制以及圖像處理進(jìn)行設(shè)定，因此能夠提高使用
自由度。
[0045]固體攝像裝置100是CMOS型的固體攝像裝置，其具備作為攝像區(qū)域的像素部(像素陣列)10、垂直掃描電路(行掃描電路)24、通信/定時(shí)控制部30、AD變換(模擬/數(shù)碼變換器)電路25、參照信號(hào)生成部27、輸出I/F28、信號(hào)保持開關(guān)263、信號(hào)保持容量262和圓柱型放大器42。
[0046]像素部10具備在半導(dǎo)體基板的阱內(nèi)被排列成二維狀(矩陣狀)的多個(gè)單位像素3以及與單位像素3的列相對(duì)應(yīng)地被設(shè)置的垂直信號(hào)線19。各單位像素3包含光電二極管等的像素和晶體管。各單位像素3上連接著被垂直掃描電路24控制的信號(hào)線和用于將來自對(duì)應(yīng)的單位像素3的電壓信號(hào)傳達(dá)給AD變換電路25的垂直信號(hào)線19。像素部10是本發(fā)明的固體攝像元件的一個(gè)例子。
[0047]垂直掃描電路24在垂直方向上以行單位對(duì)單位像素3進(jìn)行掃描，并選擇使垂直信號(hào)線19輸出電壓信號(hào)的單位像素3的行。
[0048]通信/定時(shí)控制部30接受通過外部端子被輸入的主時(shí)鐘CLKO以及數(shù)據(jù)DATA，并根據(jù)這些生成各種內(nèi)部時(shí)鐘，以控制參照信號(hào)生成部27以及垂直掃描電路24等。
[0049]參照信號(hào)生成部27具有用于向AD變換電路25的圓柱型AD (圓柱型模擬/數(shù)碼變換器)電路26提供AD變換用參照電壓RAMP的DAC (數(shù)碼/模擬變換器)27a。
[0050]圓柱型放大器42、信號(hào)保持開關(guān)263以及信號(hào)保持容量262與單位像素3的列對(duì)應(yīng)地設(shè)置。圓柱型放大器42對(duì)由對(duì)應(yīng)的單位像素3輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行放大，信號(hào)保持容量262保持由信號(hào)保持開關(guān)263傳達(dá)過來的經(jīng)放大之后的電壓信號(hào)。通過設(shè)置圓柱型放大器42，可對(duì)單位像素3的電壓信號(hào)進(jìn)行放大，從而可改善S/N以及切換增益等。
[0051]AD變換電路25具有與單位像素3的列對(duì)應(yīng)而設(shè)置的多個(gè)圓柱型AD電路26。圓柱型AD電路26利用由DAC27a生成的參照電壓RAMP，將由單位像素3輸出的信號(hào)保持容量262的模擬電壓信號(hào)變換成數(shù)碼信號(hào)。
[0052]圓柱型AD電路26由電壓比較部252、計(jì)數(shù)器部254、開關(guān)258以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部256構(gòu)成。電壓比較部252對(duì)通過垂直信號(hào)線19 (HO, Hl,……)以及信號(hào)保持容量262從單位像素3獲得的模擬電壓信號(hào)和參照電壓RAMP進(jìn)行比較。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部256是用于保持電壓比較部252完成比較處理為止的時(shí)間和利用計(jì)數(shù)器部254進(jìn)行計(jì)數(shù)的結(jié)果的存儲(chǔ)器。
[0053]在電壓比較部252的一方的輸入端子,與其他電壓比較部252的輸入端子同樣，輸入由DAC27a生成的梯式參照電壓RAMP，在另一方的輸入端子，分別連接有對(duì)應(yīng)的列的信號(hào)保持容量262，由像素部10輸入電壓信號(hào)。電壓比較部252的輸出信號(hào)被提供給計(jì)數(shù)器部254。
[0054]圓柱型AD電路26，在參照電壓RAMP被提供給電壓比較部252的同時(shí)開始根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并對(duì)通過信號(hào)保持容量262被輸入的模擬電壓信號(hào)和參照電壓RAMP進(jìn)行比較，直到獲得脈沖信號(hào)為止，從而進(jìn)行AD變換。
[0055]此時(shí)，圓柱型AD電路26在進(jìn)行AD變換的同時(shí)，對(duì)通過信號(hào)保持容量262被輸入的電壓模式的像素信號(hào)(電壓信號(hào))進(jìn)行如下取差處理，即，取得單位像素復(fù)位(初始化)后即刻有的信號(hào)電平(噪聲級(jí))和真正的(根據(jù)受光光量)信號(hào)電平Vsig之間的差的處理。由此，能夠從電壓信號(hào)中去 除被稱為固定模式噪聲(FPN:Fixed Pattern Noise)以及復(fù)位噪聲等的噪聲信號(hào)成分。
[0056]圓柱型AD電路26是一個(gè)通過對(duì)噪聲電平進(jìn)行降計(jì)數(shù)并對(duì)信號(hào)電平進(jìn)行升計(jì)數(shù)，從而只提取真正的信號(hào)電平Vsig的結(jié)構(gòu)，由該圓柱型AD電路26進(jìn)行數(shù)碼化的信號(hào)通過水平信號(hào)線18被輸入到輸出I/F28。
[0057]另外，圖1以及圖2所示的固體攝像裝置100搭載有AD變換電路25，但AD變換電路25也可以被設(shè)置在固體攝像裝置100之外。
[0058]根據(jù)以上的結(jié)構(gòu)，在固體攝像裝置100中，按照單位像素3的每個(gè)行，順次從像素部10輸出電壓信號(hào)。并且，以像素部10整體的電壓信號(hào)的集合,來表不相對(duì)于像素部10的I張圖像即幀圖像。
[0059]圖3是表示作為本發(fā)明的第I實(shí)施方式的固體攝像元件的像素部10中的單位像素3的基本結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子的圖。
[0060]在此，圖3中表示了在固體攝像元件的攝像面(受光面)的水平方向(行方向)上的不同部分的單位像素3的結(jié)構(gòu)以及有效折射率分布。即，在圖3的左側(cè)、中間、右側(cè)分別表示了像素部10的中央部(中心部)、像素部10的中央部和周邊部之間的中間部、像素部10的周邊部的單位像素3的結(jié)構(gòu)以及有效折射率分布。另外，圖3 (a)表示單位像素3的剖面圖，圖3 (b)表示單位像素3 (聚光元件11)的俯視圖(攝像面的圖)，圖3 (c)表示聚光兀件11的有效折射率分布。
[0061]如圖3所示，固體攝像元件是具有被排列成二維狀的多個(gè)單位像素3的像素部10，單位像素3具有受光元件14和聚光元件11，聚光元件11具有同心結(jié)構(gòu)的多個(gè)光透過膜33并具有由多個(gè)光透過膜33的組合所控制的有效折射率分布，同心結(jié)構(gòu)的多個(gè)光透過膜33以射入受光元件14的光的波長以下的線寬35被分離，并以相對(duì)于聚光元件11的受光面垂直方向的軸為中心，同心結(jié)構(gòu)的多個(gè)光透過膜33的外緣(內(nèi)緣)的形狀在所述受光面上(在相對(duì)于受光垂直的方向)為，與同心結(jié)構(gòu)的中心最近的光透過膜33呈正圓、與同心結(jié)構(gòu)的中心遠(yuǎn)離的光透過膜33呈橢圓，橢圓的長軸相對(duì)于短軸的比率為，越是與同心結(jié)構(gòu)的中心遠(yuǎn)離的光透過膜33的外緣的形狀，所述比率越高，多個(gè)單位像素33各自的橢圓的長軸方向，在所述受光面上，與連接多個(gè)單位像素各自的所述同心結(jié)構(gòu)的中心和固體攝像元件的中心的矢量相正交。
[0062]如圖3(a)所示，在像素部10的中央部、中間部以及周邊部的任一處，各單位像素3都具備作為分布折射率型透鏡的聚光元件11、濾色片12、A1配線等的配線13、Si光電二極管等的受光元件14以及半導(dǎo)體基板15。另外，聚光元件11的膜厚例如是1.2( μπι)。如圖3 (b)所示，多個(gè)單位像素3各自的尺寸(在受光面的面積)相等，例如是3.75 (ym)X3.75(μπι)。另外，各單位像素3在像素部10的中央部、中間部以及周邊部的大小、結(jié)構(gòu)要素及其配置位置是相同的，只有聚光元件11的結(jié)構(gòu)不同。
[0063]如圖3 (b)所示，各單位像素3的聚光元件11由光透過膜33和空氣34 (n=l.0)構(gòu)成，該光透過膜33例如由SiO2 (n=1.45)等構(gòu)成。光透過膜33在受光面上具有同心結(jié)構(gòu)。因此，在受光面的同心結(jié)構(gòu)中，首先在其中心配置有正圓形的光透過膜33，圍著該正圓形的光透過膜33配置有環(huán)狀(圓環(huán)狀)的光透過膜33，并圍著該環(huán)狀光透過膜33配置有另一個(gè)環(huán)狀光透過膜33。在受光面的同心結(jié)構(gòu)中，多個(gè)環(huán)狀光透過膜33的外徑不同，但多個(gè)環(huán)狀光透過膜33的圓形的中心與正圓形的光透過膜33的圓形的中心相一致。即，正圓形的光透過膜33的圓的中心既是同心結(jié)構(gòu)的中心。在受光面的同心結(jié)構(gòu)中，作為相鄰接的光透過膜33的內(nèi)周半徑差(光透過膜33的橢圓的長徑或者內(nèi)徑的差)的線寬35，隨著光透過膜33與同心結(jié)構(gòu)的中心的距離的增大而增大，其在大概100 (μπι)至200 (μπι)的范圍內(nèi)變化。
[0064]在此，在受光面上以線寬(內(nèi)周半徑差)35的寬度分割聚光元件11而成的環(huán)狀區(qū)域稱之為帶區(qū)域。另外，受光面上的光透過膜33的線寬為，同心結(jié)構(gòu)的中心的光透過膜33的線寬最大，越是遠(yuǎn)離同心結(jié)構(gòu)的中心的環(huán)狀光透過膜33其線寬越小。在此，在帶區(qū)域的寬度與入射光的波長等同或者比其小的情況下，能夠根據(jù)光透過膜33的SiO2 (折射率η=1.45)和空氣34 (折射率η=1.0)的體積來算出感光有效折射率。如上所述，圖3的固體攝像元件具有如下特征，即，只需改變光透過膜33的線寬，S卩，光透過膜和空氣的體積比，就能夠自由自在地控制有效折射率分布。
[0065]在受光面上，同心結(jié)構(gòu)的中心位置(圖3 (b)中的虛線的交點(diǎn)位置)隨著從像素部10的中央部移向像素部10的周邊部，偏向像素部10的中心偏移。因此，像素部10的中心部的單位像素3的同心結(jié)構(gòu)的中心，在受光面上與單位像素3的中心一致，而與像素部10的中心部遠(yuǎn)離的單位像素3的同心結(jié)構(gòu)中心，在受光面上，從單位像素3的中心向像素部10的中心偏離，越是與像素部10的中心部的距離大的單位像素3其偏離量就越大。由此，在受光面上，隨著從像素部10的中央部移向周邊部，I個(gè)單位像素3所包含的光透過膜33的橢圓區(qū)域(個(gè)數(shù))，在單位像素3內(nèi)的光透過膜33的排列端側(cè)(像素部10的周邊部側(cè))增力口。因此，即使在因安裝有廣角透鏡等而來自照相機(jī)透鏡的光的入射角度在像素部10的周邊部增大的情況下，也能夠通過所述橢圓區(qū)域，將光導(dǎo)向受光元件14。另一方面，由于是受光面上的光透過膜33的橢圓區(qū)域只在單位像素3內(nèi)的光透過膜33的排列端側(cè)增加的結(jié)構(gòu)，因此，即使在因安裝有長焦距透鏡等而來自照相機(jī)透鏡的光的入射角度小的情況下，也能夠通過結(jié)構(gòu)與單位像素3內(nèi)的光透過膜33的排列中央側(cè)(像素部10的中央部側(cè))的正圓相近的區(qū)域來進(jìn)行聚光，從而能夠無聚光損失地進(jìn)行受光。
[0066]圖3(C)的實(shí)線表示本實(shí)施方式的固體攝像元件的有效折射率分布，可通過以下的式(I)來表不。
[0067]Δ n (x, y) = Δ nmax [ (A (x2+y2) +Bxsin Θ ) /2 π +C] +G (x)......(I)
[0068]在此，A、B、C是常數(shù)，x、y分別表示以單位像素3的中心作為原點(diǎn)的二維坐標(biāo)。圖3 (c)特意表示了 y=0時(shí)的有效折射率分布。Θ是透鏡設(shè)計(jì)角度(相對(duì)于以角度Θ射入的光的最適當(dāng)透鏡設(shè)計(jì)角度)，其與實(shí)際的光入射角度不同(實(shí)際射入透鏡的光中還包含所述角度Θ以外的入射角度的光)。Anmax是光透過膜33和空氣的折射率差，例如，作為光透過膜33的SiO2和空氣的折射率差為0.45。若設(shè)想為聚光元件11的光射入側(cè)的介質(zhì)的折射率為Iitl、聚光元件11的光射出側(cè)的介質(zhì)的折射率為Ii1、焦點(diǎn)距離為f、射入聚光元件11的光的波長常數(shù)為λ，則可以通過以下的式(1-1)~(1-3)來表示常數(shù)A以及B。
[0069]A=- (^n1) /2f......(1-1)
[0070]B=-k0n0......(1-2)
[0071]1?0=2π/λ......(1-3)
[0072]根據(jù)以上，可以按照每個(gè)被作為目的的焦點(diǎn)距離以及每個(gè)被作為對(duì)象的入射光的入射角度以及波長，對(duì)聚光元件11進(jìn)行最優(yōu)化。另外，在所述式(I)中，以與單位像素3的中心相距的距離X的2次函數(shù)表示了聚光成分，以距離X和三角函數(shù)的積表示了偏轉(zhuǎn)成分。
[0073]所述式(I)的函數(shù)G (X)是以下的式(1-4)所表示的X的4次函數(shù)，其作用在于使光透過膜33的形狀隨著與光透過膜33的同心結(jié)構(gòu)的中心的距離增大而從正圓連續(xù)變化成橢圓。因此，在聚光元件11的受光面上的有效折射率分布是，有效折射率以同心結(jié)構(gòu)的中心作為頂點(diǎn)并隨著與同心結(jié)構(gòu)的中心的距離而呈拋物線狀減少的分布，在聚光元件11的受光面上的橢圓的短軸方向的有效折射率分布具有，與從同心結(jié)構(gòu)的中心的距離的4次方成比例地減少的分布偏倚。
[0074]G(x)=-D(x-x0)4 (1-4)
[0075]在此，Xtl表示同心結(jié)構(gòu)的中心的X坐標(biāo)成分。另外，同心結(jié)構(gòu)的中心的y坐標(biāo)成分為O。D是用于控制形狀變化的大小的參數(shù)，在圖3 (c)中D=0.001。另外，在圖3 (c)中，為了進(jìn)行比較，以虛線表示了 D=O時(shí)的有效折射率分布。在此情況下，同心結(jié)構(gòu)的光透過膜33全都成為正圓的形狀，相當(dāng)于歷來的透鏡結(jié)構(gòu)。
[0076]圖4是表示在搭載有本實(shí)施方式的固體攝像元件的單反照相機(jī)中，作為透鏡110安裝有廣角透鏡或者長焦距透鏡的情況下的入射光的聚光情況的模式圖。
[0077]在此，圖4中表示了固體攝像元件的攝像面(受光面)的水平方向(方向)上的不同部分的單位像素3的剖面圖。即，在圖4的左側(cè)、正中和右側(cè)分別表示了像素部10的中央部、像素部10的中央部和周邊部之間的中間部、像素部10的周邊部的單位像素3的剖面圖。另外，圖4 (a)表示的是安裝有廣角透鏡的情況下的入射光16的聚光情況，圖4 (b)表示的是安裝有長焦距透鏡的情況下的入射光17的聚光的情況。
[0078]如圖4 (a)所示，在安裝有廣角透鏡時(shí)，角度大的入射光16射入位于像素部10的周邊部的單位像素3。在本實(shí)施方式的固體攝像元件中，聚光元件11的有效折射率分布在單位像素3內(nèi)的光透過膜33的排列端側(cè)變大，因此，角度大的入射光16在受光元件14上的偏向像素部10側(cè)的位置匯聚于焦點(diǎn)，被聚光。
[0079]另一方面，如圖4 (b)所示，在安裝有長焦距透鏡時(shí)，角度小的入射光17射入位于像素部10的周邊部的單位像素3。在本實(shí)施方式的固體攝像元件中，聚光元件11只在單位像素3內(nèi)的排列端側(cè)具有大的有效折射率分布，因此，即使有角度小的入射光17射入，也不會(huì)被過度彎曲，而在受光元件14上的像素部10的偏向中央部的位置匯聚于焦點(diǎn)，被聚光。
[0080]如上所述，即使從照相機(jī)的透鏡110射入單位像素3的光發(fā)生從廣角到窄角的大變化，也能夠使入射光無損失地聚光于受光兀件14上。 [0081]圖5是被布置在本實(shí)施方式的固體攝像元件的攝像面上的各單位像素3的聚光元件11的俯視圖。另外，圖6是圖5的四個(gè)角即像素部10的視角(D端)的區(qū)域的單位像素3的聚光元件11的俯視圖。
[0082]本實(shí)施方式的固體攝像元件，為了在像素部10的整個(gè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)所述聚光效果，具有如下結(jié)構(gòu)，即，在受光面上各單位像素3的光透過膜33的橢圓的長軸(圖5的虛線)方向相對(duì)于連接各單位像素3的光透過膜33的同心結(jié)構(gòu)的中心和固體攝像元件的像素部10的中心的矢量相正交。通過根據(jù)固體攝像元件的縱橫像素比(也稱之為長寬比)來使橢圓的長軸方向旋轉(zhuǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)該結(jié)構(gòu)。例如，在D端的區(qū)域，縱橫像素比是1:1，是使長軸方向旋轉(zhuǎn)了 45度的結(jié)構(gòu)。通過采用這樣的結(jié)構(gòu)，能夠在像素部10的H端、V端和D端全都實(shí)現(xiàn)相同的聚光效果。
[0083]圖7是表示在本實(shí)施方式的在固體攝像元件中，聚光元件11的聚光效率(受光元件14的規(guī)格化靈敏度)的入射角度依賴性的圖表。
[0084]如圖7所示，由“?(黑色菱形)”所示的聚光元件11，能夠?qū)θ肷浣嵌?°到40°左右的廣范圍的入射光進(jìn)行高效率(80%以上)的聚光，與由“(黑色四角形)”所示的現(xiàn)有的聚光元件(式(1-4)中的G (X)=O的結(jié)構(gòu))相比，可知入射角度的范圍被大幅度擴(kuò)大，實(shí)現(xiàn)了廣角化。
[0085]如上所述，根據(jù)本實(shí)施方式的固體攝像元件，在受光面上，隨著遠(yuǎn)離同心結(jié)構(gòu)的中心，聚光元件11的同心結(jié)構(gòu)的形狀發(fā)生從正圓成為橢圓的形狀變化。并且，在像素部10的周邊部的單位像素3，與中心部的單位像素3相比，橢圓區(qū)域在排列端側(cè)變大。從而，利用有效折射率在單位像素3的端部周邊的大幅減少率，能夠?qū)惭b有廣角透鏡時(shí)的傾斜入射光大幅彎曲并導(dǎo)入受光元件。此時(shí)，橢圓區(qū)域只限于單位像素的端部周邊，因此，對(duì)安裝有長焦距透鏡時(shí)的入射角度小的光無法進(jìn)行大幅彎曲。其結(jié)果，即使因替換透鏡等而射入單位像素的光的入射角度有了變化，也能夠抑制靈敏度的降低。
[0086](第2實(shí)施方式)
[0087]本發(fā)明的第2實(shí)施方式的固體攝像元件與第I實(shí)施方式的不同點(diǎn)在于，由聚光元件11構(gòu)成層內(nèi)透鏡，由同心結(jié)構(gòu)的多個(gè)光透過膜組合而成的聚光元件11被配置成層內(nèi)透鏡。另外，微透鏡被設(shè)置在濾色片12的上層，這一點(diǎn)也與第I實(shí)施方式不同。以下，利用圖8以及圖9，關(guān)于本實(shí)施方式的固體攝像元件，以不同于第I實(shí)施方式的點(diǎn)為中心進(jìn)行說明。
[0088]圖8是本實(shí)施方式的固體攝像元件的單位像素3的結(jié)構(gòu)的剖面圖。
[0089]在該單位像素3中，聚光元件11被配置在濾色片12的下層，并且在濾色片12的上層配置有微透鏡20。如上所述，通過將具有圖3 (c)的有效折射率分布的聚光元件11用作層內(nèi)透鏡，并將微透鏡20配置在器件的最上面，構(gòu)成2個(gè)透鏡的組合結(jié)構(gòu)，從而能夠擴(kuò)大入射光的入射角度范圍。
[0090]圖9是表示在本實(shí)施方式的在固體攝像元件中，聚光元件11的聚光效率(受光元件14的規(guī)格化靈敏度)的入射角度依賴性的圖表。
[0091]如圖9所示，在“?(黑色菱形)”所示的聚光元件11，針對(duì)入射角度從-10°左右到40°左右的寬范圍的入射光，進(jìn)行高效率(80%以上)的聚光，與采用了 “▲(黑色三角)”所示的現(xiàn)有的微透鏡的聚光元件相比，可看出入射角度范圍有大幅度擴(kuò)大。
[0092]如上所述，根據(jù)本實(shí)施方式的固體攝像元件，通過將具有有效折射率分布的聚光元件11用作層內(nèi)透鏡，并配置微透鏡20，能夠擴(kuò)大入射光的入射角度范圍。
[0093]以上，關(guān)于本發(fā)明的固體攝像元件以及攝像裝置，根據(jù)實(shí)施方式進(jìn)行了說明，但本發(fā)明并不限定于這些實(shí)施方式。在不脫離本發(fā)明宗旨的范圍內(nèi)，實(shí)施由該領(lǐng)域技術(shù)人員想到的各種變形方式而成的形態(tài)也屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)。另外，在不脫離本發(fā)明宗旨的范圍內(nèi)，可以對(duì)多個(gè)實(shí)施方式的各結(jié)構(gòu)要素進(jìn)行任意組合。
[0094]本發(fā)明可利用于固體攝像元件，尤其可利用于數(shù)碼靜態(tài)照相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)以及附帶照相機(jī)的手機(jī)等，因此適于工業(yè)利于。
[0095]符號(hào)說明
[0096]3、300 單位像素
[0097]10像 素部
[0098]11聚光元件
[0099]12、302 濾色片
[0100]13 配線
[0101]14,306受光元件
[0102]15半導(dǎo)體基板
[0103]16、17、356、357 入射光
[0104]18水平信號(hào)線
[0105]19垂直信號(hào)線
[0106]20微透鏡
[0107]24垂直掃描電路
[0108]25 AD變換電路
[0109]26 圓柱型AD電路
[0110]27參照信號(hào)生成部
[0111]27a DAC
[0112]28 輸出 I/F
[0113]30通信/定時(shí)控制部
[0114]33光透過膜
[0115]34 空氣
[0116]35 線寬
[0117]42圓柱型放大器[0118]100固體攝像裝置
[0119]110 透鏡
[0120]120 DSP
[0121]121圖像處理電路
[0122]122照相機(jī)系統(tǒng)控制部
[0123]130圖像顯示器件
[0124]140圖像存儲(chǔ)器
[0125]252電壓比較部
[0126]254計(jì)數(shù)器部
[0127]256數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部
[0128]258 開關(guān)
[0129]262信號(hào)保持容量
[0130]263信號(hào)保持開關(guān)
[0131]303 Al 配線
[0132]304信號(hào)傳送部
[0133]305微透鏡
[0134]307 Si 基板
[0135]308平坦化層
【權(quán)利要求】
1.一種固體攝像元件，具有被排列成二維狀的單位像素，該單位像素具有受光元件和聚光元件，所述固體攝像元件的特征在于: 所述聚光元件具有同心結(jié)構(gòu)的多個(gè)光透過膜并具有由所述多個(gè)光透過膜的組合所控制的有效折射率分布，所述同心結(jié)構(gòu)的多個(gè)光透過膜以射入所述受光元件的光的波長以下的線寬被分離，并以相對(duì)于所述聚光元件的受光面垂直方向的軸為中心， 所述同心結(jié)構(gòu)的多個(gè)光透過膜的外緣的形狀在所述受光面上為，與所述同心結(jié)構(gòu)的中心最近的所述光透過膜呈正圓、與所述同心結(jié)構(gòu)的中心遠(yuǎn)離的所述光透過膜呈橢圓， 所述橢圓的長軸相對(duì)于短軸的比率為，越是與所述同心結(jié)構(gòu)的中心遠(yuǎn)離的所述光透過膜的外緣的形狀，所述比率越高， 多個(gè)所述單位像素各自的所述橢圓的長軸方向，在所述受光面上，與連接多個(gè)所述單位像素各自的所述同心結(jié)構(gòu)的中心和所述固體攝像元件的中心的矢量相正交。
2.如權(quán)利要求1所述的固體攝像元件， 所述固體攝像元件的中心的所述單位像素的所述同心結(jié)構(gòu)的中心，在所述受光面上，與所述單位像素的中心一致， 與所述固體攝像元件的中心遠(yuǎn)離的所述單位像素的所述同心結(jié)構(gòu)的中心，在所述受光面上，從所述單位像素的中心向所述固體攝像元件的中心偏離， 所述偏離的量，越是與所述固體攝像元件的中心遠(yuǎn)離的所述單位像素越大。
3.如權(quán)利要求1所述的固體攝像元件， 所述聚光元件在所述受光面上的所述有效折射率分布是，有效折射率以所述同心結(jié)構(gòu)的中心為頂點(diǎn)，并從所述同心結(jié)構(gòu)的中心開始隨著距離而呈拋物線狀減少的分布， 所述聚光元件在所述受光面上的所述橢圓的短軸方向的所述有效折射率分布，具有從所述同心結(jié)構(gòu)的中心開始與距離的4乘方成比例地減少的分布偏倚。
4.如權(quán)利要求1所述的固體攝像元件， 所述聚光元件構(gòu)成層內(nèi)透鏡。
5.一種攝像裝置，具備如權(quán)利要求1至4的任一項(xiàng)所述的固體攝像元件。
【文檔編號(hào)】H01L27/14GK103620782SQ201280031195
【公開日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2012年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月8日
【發(fā)明者】薄田學(xué), 齋藤繁, 田中圭介, 小野澤和利 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社