摄像用光检测装置的制作方法

专利名称：摄像用光检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种为拍摄物体的影像所使用的摄像用光检测装置。
背景技术：
以往的摄像用光检测装置例如在非专利文献1及非专利文献2中公开。 下面说明这些文献中所公开的摄像用光检测装置的概略。
图9A是表示以往的摄像装置概略结构的侧面图。自然光等的光入射于 物体1，在其上反射后的光通过透镜系统2，在CCD或CMOS等的光检测 装置4上形成像3。透镜系统2 —般情况下为了确保光学性能，组合沿着光 轴排列的多个透镜来构成，但是在图9A中简化附图，作为单个的透镜进行 了描述。
图9B是表示光检测装置4概略结构的附图，是图9A的部分9B放大 剖面图。在形成有多个光电检测器6的检测基板5上，由Si02等构成的低 折射率透明缓冲层7、由SiN等构成的高折射率透明缓冲层8、多个彩色滤 光器9及多个微透镜10按所提及的顺序进行了层叠。在透明缓冲层7的和 透明缓冲层8相接的表面7a上，形成在各光电检测器6之上透明缓冲层7 的膜厚变小的凹凸结构。另一方面，透明缓冲层8的和彩色滤光器9相接 的表面8a是平坦的。
微透镜10配置在正交格子的各交叉点位置上，在各微透镜10的中心 轴上配置1个彩色滤光器9及1个光电检测器6。
微透镜10起到使如光线lla'那样对微透镜10的中心轴产生位移并入 射的光折射、并将其导向光电检测器6的作用。透明缓冲层7的表面7a的 凹凸结构也具有透镜效应，起到使朝向远离光电检测器6中心的方向的发 散光11b'折射并将其导向光电检测器6的作用。
彩色滤光器9包括红透射滤光器9R、绿透射滤光器9G及蓝透射滤光 器9B这3种，红透射滤光器9R如图10的曲线R所示具有将红之外波长的光截止(吸收)的光透射特性(分光灵敏度特性)，绿透射滤光器9G如 图10的曲线G所示具有将绿之外波长的光截止(吸收)的光透射特性(分 光灵敏度特性)，蓝透射滤光器9B如图10的曲线B所示具有将蓝之外波 长的光截止(吸收)的光透射特性(分光灵敏度特性)(参见非专利文献2)。 由包括红透射滤光器9R、绿透射滤光器9G、蓝透射滤光器9B及亮度检测 用的绿透射滤光器9G这4个彩色滤光器9，以及它们所对应的4个光电检 测器6，构成检测彩色图像信息的一个像素。
图11是光检测装置4的检测面放大平面图。光电检测器6在正交格子 的交叉点位置上相互分离且绝缘地进行配置。在水平方向相邻的光电检测 器6之间，设置作为按垂直方向延伸的信号布线的多个垂直传送CCD17, 多个垂直传送CCD17和作为按水平方向延伸的信号布线的水平传送 CCD18进行连接。由微透镜10聚光后的光通过位于其正下方的光电检测 器6进行受光(接收光)，并执行光电变换。光电检测器6中所蓄积的电荷 传送给垂直传送CCD17,再传送给水平传送CCD18，作为图像信号进行输 出。
在上述图9B所示的光检测装置4中，为了对各光电检测器6使特定色 的光入射，使用了彩色滤光器9。对此，提出了一种光检测装置(参见专利 文献l)，该光检测装置如图12所示，使用微棱镜31使通过了微透镜(未 图示)后的来自被摄体的光30分散，由光电检测器32R、 32G、 32B来检 测红(R)、绿(G)、蓝(B)的各色光。
非专利文献l:光技術〕乂夕夕卜(光技术通讯)，Vol.40，No. 1(2002)，
P24
非专利文献2:卜，y-7夕技術(晶体管技术)，2003年2月号，
P128
专利文献1:日本特表2002-502120号公报
针对摄像用光检测装置，对小型且高像素化的要求日益增高。但是， 在上述以往的摄像用光检测装置中，因为下面的理由，在满足该要求的方 面存在限制。
第1理由，就图9B所示的以往的摄像用光检测装置来说，是起因于使 用彩色滤光器9进行色分离。例如在蓝透射滤光器9B中，由于蓝之外波长的光被吸收，所以如同从图IO可知的那样，透射过蓝透射滤光器器9B的 光是所入射光的仅仅2 3成左右。这对于其他的彩色滤光器9R、 9G也相 同。若为了高像素化减小了光电检测器6的间隔，则光电检测器6或微透 镜10的尺寸变小。因此，对1个微透镜10入射的光的光量减少，并且由 于由彩色滤光器9吸收其大部分，因而无法将足够量的光供应给光电检测 器6。从而，检测信号被光散粒噪声(shotnoise)等的噪声信号掩盖。因此， 在以往的摄像用光检测装置中，光电检测器6的间隔以1.5/im左右为限度。
第2理由，就图9B所示的以往摄像用光检测装置来说，是起因于以一 对一的形式与光电检测器6相对应地配置微透镜10。若为了高像素化，减 小了光电检测器6的间隔，则微透镜10的尺寸减小，与之相伴，透射过微 透镜10的光束大小也变小。由于如透射过针孔后的光扩展角与针孔径成反 比例那样，若光束的大小(也就是微透镜10的直径)变得微小则光扩散(衍 射)的特性变得过大，因而难以使用微透镜10获得希望的聚光性能。为了 获得微透镜10的聚光性能，微透镜10的直径至少需要是波长的2 3倍以 上，这妨碍了高像素化。
就图12所示的以往光检测装置来说，由于未使用吸收光的彩色滤光器， 因而光利用效率得到提高。但是，利用棱镜分散特性的分光作用(由折射 角的波长而产生的差)非常小，红和绿、或者绿和蓝的光之间的位移非常 小。从而，在将棱镜使用于光的分光时，需要将棱镜和光检测面之间的间 隔至少设定为数十 数百^mi以上，在试制的方面达不到实际的尺寸。

发明内容
本发明解决上述以往的问题，其目的为通过使光利用效率提高来大幅 度縮短光电检测器的间隔，且同时实现微透镜所需要的尺寸确保和像素的 高密度化。另外，本发明的目的为，通过利用较大的分光作用来实现具有 现实尺寸的光检测装置。
本发明的摄像用光检测装置，其特征为，具备多个光检测器，在基 板上按1维状或者2维状排列；低折射率透明层，形成于上述多个光检测 器的上方；以及柱状或板状的多个高折射率透明部，沿着上述多个光检测 器的排列方向，嵌入上述低折射率透明层内。2个以上的上述光检测器与1
8个上述高折射率透明部相对应。对上述低折射率透明层及上述高折射率透 明部入射的光，借助于因通过它们而在其波面上发生的相位位移，被分离
为0次衍射光、1次衍射光和-1次衍射光。
发明效果
根据本发明的摄像用光检测装置，由于不是通过光的吸收而是通过衍 射进行光的色分离，因而光的利用效率得到大幅提高。另外，每1个微透
镜都能够进行2种色信息的检测。从而，能够同时实现微透镜的尺寸确保 和像素的高密度化。再者，由于利用因波长而产生的衍射角之差进行分光， 因而可以縮小高折射率透明部和光检测器之间的间隔，能够实现现实的尺 寸。


图1A是表示本发明一个实施方式所涉及的摄像装置概略结构的侧面图。
图1B是表示本发明一个实施方式所涉及的摄像用光检测装置概略结 构的附图，是图1A的部分1B的放大剖面图。
图2是说明在本发明一个实施方式所涉及的摄像用光检测装置中由高 折射率透明部产生衍射光的原理的附图。
图3A是表示在本发明一个实施方式所涉及的摄像用光检测装置中，经 由红规格高折射率透明部从微透镜向光电检测器传播的红波长的光的强度 分布的附图。
图3B是表示在本发明一个实施方式所涉及的摄像用光检测装置中，经 由红规格高折射率透明部投影于光电检测器上的红波长的光的强度分布的 附图。
图4A是表示在本发明一个实施方式所涉及的摄像用光检测装置中，经 由红规格高折射率透明部从微透镜向光电检测器传播的蓝绿波长的光的强 度分布的附图。
图4B是表示在本发明一个实施方式所涉及的摄像用光检测装置中，经 由红规格高折射率透明部投影于光电检测器上的蓝绿波长的光的强度分布 的附图。图5是表示本发明一个实施方式所涉及的摄像用光检测装置结构要件 平面配置的光检测面放大平面图。
图6A是在本发明一个实施方式所涉及的摄像用光检测装置中，表示光 电检测器配置一例的附图。
图6B是在本发明一个实施方式所涉及的摄像用光检测装置中，表示光 电检测器配置另一例的附图。
图7是表示本发明另一个实施方式所涉及的摄像用光检测装置结构要 件平面配置的光检测面放大平面图。
图8A是说明在本发明一个实施方式所涉及的摄像用光检测装置中由 另一个高折射率透明部产生衍射光的原理的附图。
图8B是说明在本发明一个实施方式所涉及的摄像用光检测装置中由 又一个高折射率透明部产生衍射光的原理的附图。
图8C是说明在本发明一个实施方式所涉及的摄像用光检测装置中由 又一个高折射率透明部产生衍射光的原理的附图。
图8D是说明在本发明一个实施方式所涉及的摄像用光检测装置中由 又一个高折射率透明部产生衍射光的原理的附图。
图8E是说明在本发明一个实施方式所涉及的摄像用光检测装置中由 又一个高折射率透明部产生衍射光的原理的附图。
图8F是说明在本发明一个实施方式所涉及的摄像用光检测装置中由 又一个高折射率透明部产生衍射光的原理的附图。
图9A是表示以往摄像装置概略结构的侧面图。
图9B是表示以往摄像用光检测装置概略结构的附图，是图8A的部分 9B的放大剖面图。
图10是表示以往的摄像用光检测装置所使用的3种彩色滤光器分光灵 敏度特性的附图。
图H是表示以往摄像用光检测装置结构要件平面配置的光检测面放大 平面图。
图12是表示使用微棱镜进行色分离的以往光检测装置原理的附图。
具体实施方式
在上述本发明的摄像用光检测装置中，优选的是，上述o次衍射光、
上述1次衍射光及上述-1次衍射光由相互不同的上述光检测器来检测。据 此，可以由不同的光检测器分别检测波长不同的光。
另外，优选的是，上述多个高折射率透明部至少包括在折射率、形状、 或尺寸上相互不同的红规格高折射率透明部、绿规格高折射率透明部及蓝
规格高折射率透明部。这种情况下，优选的是，假设a、 b、 c为0以上的 整数，则在通过上述高折射率透明部后的光和通过上述低折射率透明层后 的光之间发生的上述相位位移，在上述红规格高折射率透明部的情况下是 红波长的(a+l/2)倍，在上述绿规格高折射率透明部的情况下是绿波长的 (b+l/2)倍，在上述蓝规格高折射率透明部的情况下是蓝波长的(c+l/2) 倍。据此，可以产生希望波长频带的衍射光及透射光。这里，a、 b、 c是相 同的值，或是不同的值，都可以。
在上面，优选的是，上述a、 b、 c是0或者l。由于通过a、 b、 c取得 较小的值，就可以縮短高折射率透明部厚度方向的长度，因而可以减低光 损耗，并且制作较为容易。
另外，优选的是，上述多个高折射率透明部包括红规格高折射率透明 部、绿规格高折射率透明部及蓝规格高折射率透明部。这种情况下，优选 的是，假设a、 b、 c为0以上的整数，上述高折射率透明部及上述低折射 率透明层的折射率分别为n、 n。，则上述高折射率透明部厚度方向的长度h， 在上述红规格高折射率透明部中满足11=红波长* (2*a+l) /{ (2* (n-no))， 在上述绿规格高折射率透明部中满足11=绿波长* (2*b+l) /{ (2* (n-no))， 在上述蓝规格高折射率透明部中满足11=蓝波长* (2*c+l) /{ (2* (n-no))。 据此，可以产生希望波长频带的衍射光及透射光。这里，a、 b、 c是相同的 值，或是不同的值，都可以。
在上面，优选的是，上述a、 b、 c是0或者l。由于通过a、 b、 c取得 较小的值，就可以縮短高折射率透明部厚度方向的长度，因而可以减低光 损耗，并且制作较为容易。
另外，优选的是，上述多个高折射率透明部至少包括在折射率、形状、 或尺寸上相互不同的与第1波长相对应的第1规格高折射率透明部及与第2 波长相对应的第2规格高折射率透明部。这种情况下，优选的是，假设a、b为0以上的整数，则在通过上述高折射率透明部后的光和通过上述低折射 率透明层后的光之间发生的上述相位位移，在上述第1规格高折射率透明 部的情况下是第l波长的(a+1/2)倍，在上述第2规格高折射率透明部的 情况下是第2波长的(b+1/2)倍。据此，可以产生希望波长频带的衍射光 及透射光。这里，a、 b是相同的值，或是不同的值，都可以。
在上面，优选的是，上述a、 b是O或者l。由于通过a、 b取得较小的 值，就可以縮短高折射率透明部厚度方向的长度，因而可以减低光损耗， 并且制作较为容易。
另外，优选的是，上述多个高折射率透明部包括与第1波长相对应的 第1规格高折射率透明部及与第2波长相对应的第2规格高折射率透明部。 这种情况下，优选的是，假设a、 b为0以上的整数，上述高折射率透明部 及上述低折射率透明层的折射率分别为n、 n。，则上述高折射率透明部厚度 方向的长度h在上述第1规格高折射率透明部中满足11=第1波长*(2*扑1) /((2^iMio))，在上述第2规格高折射率透明部中满足11=第2波长*(2^+1) /{ (2* (n-n。))。据此，可以产生希望波长频带的衍射光及透射光。这里， a、 b是相同的值，或是不同的值，都可以。
在上面，优选的是，上述a、 b是O或者l。由于通过a、 b取得较小的 值，就可以縮短高折射率透明部厚度方向的长度，因而可以减低光损耗， 并且制作较为容易。
另外，优选的是，上述多个高折射率透明部包括红规格高折射率透明 部、绿规格高折射率透明部及蓝规格高折射率透明部。这种情况下，优选 的是，在第1方向上，重复地配置上述红规格高折射率透明部、上述绿规 格高折射率透明部及上述蓝规格高折射率透明部的顺序排列，或者上述红 规格高折射率透明部、上述蓝规格高折射率透明部及上述绿规格高折射率 透明部的顺序排列，其中该第1方向与包含上述0次衍射光、上述1次衍 射光及上述-1次衍射光的面和上述基板表面之间的交叉线平行。另外，优 选的是，与上述多个高折射率透明部分别对应的3个上述光检测器沿着上 述第1方向配置，沿着上述第1方向配置的上述3个光检测器之中两外侧 的2个光检测器，还对应于在上述第1方向上与上述3个光检测器所对应 的高折射率透明部相互相邻的2个高折射率透明部。据此，能够进行3个色的补色的色分离和检测。
在上述情况下，优选的是，沿着上述第1方向配置的上述多个高折射 率透明部的列中的上述红规格高折射率透明部、上述绿规格高折射率透明 部及上述蓝规格高折射率透明部的上述第1方向位置，在和上述第1方向
正交的第2方向上相互相邻的2个列间错位，错位的量为上述第1方向的 配置间距。据此，可以抑制莫尔条纹的发生。
另外，优选的是，上述多个高折射率透明部包括红规格高折射率透明 部、绿规格高折射率透明部及蓝规格高折射率透明部。这种情况下，优选 的是，在第1方向上，上述红规格高折射率透明部、上述绿规格高折射率 透明部及上述蓝规格高折射率透明部之中的2个被交替配置，其中该第1 方向与包含上述0次衍射光、上述1次衍射光及上述-1次衍射光的面和上 述基板表面之间的交叉线平行。另外，优选的是，与上述多个高折射率透 明部分别对应的3个上述光检测器沿着上述第1方向配置，沿着上述第1 方向配置的上述3个光检测器之中两外侧的2个光检测器，还对应于在上 述第1方向上与上述3个光检测器所对应的高折射率透明部相互相邻的2 个高折射率透明部。据此，能够进行3个色的补色的色分离和检测。
另外，优选的是，沿着第1方向配置的上述高折射率透明部的列中的 上述高折射率透明部的上述第1方向位置，在和上述第1方向正交的第2 方向上相互相邻的2个列间错位，错位的量为上述第1方向的配置间距的 一半，其中该第1方向与包含上述0次衍射光、上述1次衍射光及上述-1 次衍射光的面和上述基板表面之间的交叉线平行。据此，可以使来自被摄 体的光的利用效率得到进一步提高。
下面，使用附图来说明本发明的实施方式。在这些附图中，对和以往 例通用的要件附上相同的符号。
图1A是表示本发明一个实施方式所涉及的摄像装置概略结构的侧面 图。自然光等的光入射于物体1，在其上反射后的光通过透镜系统2在CCD 或CMOS等的光检测装置4上形成像3。透镜系统2 —般情况下为了确保 光学性能，组合沿着光轴排列的多个透镜来构成，但是在图1A中简化附图， 作为单个的透镜进行了描述。为了下面说明的方便，设定以光检测装置4 光检测面(或者下述基板5的表面)的法线方向轴为Z轴、以与光检测面平行的垂直方向轴为X轴、以与光检测面平行的水平方向轴为Y轴的XYZ 正交坐标系。
图IB是表示光检测装置4概略结构的附图，是图1A的部分IB的放 大剖面图。在形成有多个光电检测器6的检测基板5上，由Si02等构成的 低折射率透明缓冲层7、由SiN等构成的低折射率透明缓冲层8、由Si02 等构成的低折射率透明层12及多个微透镜IO按上面提到的顺序进行层叠。 在低折射率透明层12中，嵌入由SiN等构成的多个高折射率透明部13。 在透明缓冲层7的和透明缓冲层8相接的表面7a上，形成在各微透镜10 的中心轴上透明缓冲层7的膜厚变小的凹凸结构。另一方面，透明缓冲层8 的和低折射率透明层12相接的表面8a为平坦的。
微透镜10配置在由在X轴方向上平行的多条直线及在Y轴方向上平 行的多条直线形成的正交格子的各交叉点位置上。高折射率透明部13和微 透镜10以一对一的形式对应，在各微透镜10的中心轴上配置1个高折射 率透明部13。光电检测器6也配置在由在X轴方向上平行的多条直线及在 Y轴方向上平行的多条直线形成的正交格子的各交叉点位置上。X轴方向 上(图1B图纸的上下方向)相邻的各微透镜10的中心轴，每隔一个地通 过光电检测器6的中心。Y轴方向上(图1B与图纸正交的方向)相邻的各 微透镜10的中心轴通过相邻的各光电检测器6中心(参见下述的图5)。
微透镜10起到使如光线lla'那样相对微透镜10的中心轴移位并入射 的光折射而将其导向光电检测器6的作用。透明缓冲层7的表面7a的凹凸 结构也具有透镜效应，起到使朝向远离光电检测器6中心的方向的发散光 11b'折射而将其导向光电检测器6的作用。再者，由于高折射率透明部B 起到波导通路的功能，因而起到若入射了相对于微透镜10的中心轴倾斜的 光，则矫正该光的传播方向将其导向光电检测器6的作用。
高折射率透明部13呈在Y轴方向上(图1B与图纸垂直的方向)连续 的板状，或者与Y轴方向的微透镜10配置位置以一对一的形式相对应而分 离的柱状。在高折射率透明部13为柱状的情况下，其Y轴方向尺寸是X 轴方向尺寸的2 3倍以上。高折射率透明部13包括其宽度(X轴方向尺 寸)w及长度(光检测装置4的厚度方向，也就是Z轴方向的尺寸)h不 同的红规格高折射率透明部13R、绿规格高折射率透明部BG和蓝规格高
14折射率透明部13B，它们按这里提到的顺序在X轴方向上重复地周期性配 置。红规格高折射率透明部13R具有宽度WK、长度hk，绿规格高折射率透 明部13G具有宽度wc、长度hc，蓝规格高折射率透明部13B具有宽度wB、 长度hB。入射到红规格高折射率透明部13R上的光UR当在红规格高折射 率透明部13R中出射时，在垂直方向面(XZ面)内分离为O次衍射光Ro、 1次衍射光R,、 -1次衍射光IL，，分别被光电检测器6R-、 6RG、 6BR检测。 入射到绿规格高折射率透明部13G上的光11G当在绿规格高折射率透明部 13G中出射时，在垂直方向面(XZ面)内分离为O次衍射光Go、 1次衍射 光G,、 -l次衍射光G.p分别被光电检测器6G-、 6GB、 6RG检测。入射到 蓝规格高折射率透明部13B上的光11B当在蓝规格高折射率透明部13B中 出射时，在垂直方向面(XZ面)内分离为O次衍射光Bo、 1次衍射光B。 -l次衍射光B.p分别被光电检测器6B-、 6BR、 6GB检测。为了O次衍射 光、1次衍射光、-1次衍射光的各光分布相互清楚地分离，优选的是，在 高折射率透明部13的前端和光电检测器6之间设计大于等于1/im的间隔。
图2是说明在本实施方式的摄像用光检测装置中由高折射率透明部13 产生衍射光的原理的附图。高折射率透明部13为宽度(X轴方向尺寸)w、 长度(Z轴方向尺寸)h的在Y轴方向(与图2的图纸垂直的方向)延伸 的板状。将高折射率透明部13的折射率设为n，将其周围低折射率透明层 12的折射率设为iio。假设经过微透镜10对高折射率透明部13入射的光11 的波面为平面波15，则因为该光11透射过高折射率透明部13及其周围的 低折射率透明层12，所以在出射光的波面16上发生下式所示的相位位移d (换算为真空中的长度)。
(公式l)d=h (n-n0)
利用该相位位移，出射光衍射为O次衍射光Do、 1次衍射光D,、 -l次 衍射光D_,。此时的衍射效率由相位位移d和高折射率透明部13的宽度w (也就是，相对于入射光11的光分布14扩展的高折射率透明部13的剖面 面积占有率)大小，来决定。
假设红波长为XR、绿波长为XG、蓝波长为XB，则在本实施方式中， 如红规格下为d=1.5XR，绿规格下为d^.5XG，蓝规格下为d-1.5XB那样设 定了高折射率透明部13的尺寸。也就是说，高折射率透明部13的长度如下确定。
(公式2) hR=1.5XR/ (n-n0) (公式3) hG=1.5XG/ (n-n0) (公式4)hB=1.5XB/ (n-n0)
根据(公式2)，在红规格高折射率透明部13R中红波长XR的光发生 1.5波长量的相位位移，绿波长XG的光发生1.5* (XRAG)波长量的相位 位移，蓝波长XB的光发生1.5^XRAB)波长量的相位位移。假设XR-0.65/mi、 XG-0.54pm、 XB=0.45/mi，则对于绿波长入G的光、蓝波长XB的光来说分 别为1.81波长量、2.17波长量的相位位移。由于光是波，因而整数部分的 相位位移和零等价。从而，若从各色的相位位移中省略掉整数部分，则红 波长的光为0.5波长的相位位移，绿波长的光及蓝波长的光全都为0.2波长 以下的相位位移。从而，红波长的光衍射得较强，其O次衍射光Do为零， 其能量分配给1次衍射光D,及-1次衍射光D.p另一方面，绿波长的光及 蓝波长的光的衍射较弱，其1次衍射光D,及-1次衍射光D.i较小，大半的 能量分配给O次衍射光Do。
根据(公式3)，在绿规格高折射率透明部13G中红波长XR的光发生 1.5* (入G/XR)波长量的相位位移，绿波长XG的光发生1.5波长量的相位 位移，蓝波长XB的光发生1.5* (XG/XB)波长量的相位位移。假设 XR=0.65/rai、入G-0.54/mi、 XB=0.45/mi，则对于红波长XR的光、蓝波长XB 的光来说分别为L25波长量、1.80波长量的相位位移。若从各色的相位位 移省略掉整数部分，则绿波长的光为0.5波长的相位位移，红波长的光及蓝 波长的光全都为0.25波长以下的相位位移。从而，绿波长的光衍射得较强， 0次衍射光D。为零，其能量分配给1次衍射光D,及-1次衍射光Dd。另一 方面，红波长的光及蓝波长的光的衍射较弱，其1次衍射光A及-1次衍射 光D.i较小，大半的能量分配给0次衍射光Do。
根据(公式4)，在蓝规格高折射率透明部13中红波长XR的光发生1.5* (XB/XR)波长量的相位位移，绿波长XG的光发生1.5* (XB/入G)波长量的 相位位移，蓝波长XB的光发生1.5波长量的相位位移。假设XR=0.65ium、 XG-0.54)tim、 XB=0.45/mi,则对于红波长XR的光、绿波长入G的光来说分 别为1.04波长量、1.25波长量的相位位移。若从各色的相位位移省略掉整数部分，则蓝波长的光为0.5波长的相位位移，红波长的光及绿波长的光全 都为0.25波长以下的相位位移。从而，蓝波长的光衍射得较强，O次衍射 光D。为零，其能量分配给1次衍射光D,及-1次衍射光D.,。另一方面，红 波长的光及绿波长的光的衍射较弱，其1次衍射光D,及-1次衍射光较 小，大半的能量分配给O次衍射光Do。
从而，在图1B中，对光电检测器6R-入射红之外(绿和蓝，也就是青) 的光，对6G-入射绿之外(红和蓝，也就是品红)的光，对6B-入射蓝之外 (红和绿，也就是黄)的光，对光电检测器6GB入射绿和蓝(也就是青) 的光，对6BR入射蓝和红(也就是品红)的光，对6RG入射红和绿(也 就是黄)的光。
图3A及图4A是表示在本实施方式的摄像用光检测装置中从微透镜10 经过红规格高折射率透明部13R向光电检测器6传播的光强度分布图的附 图(只表示从高折射率透明部出射后的强度分布)，图3B及图4B是表示 光电检测器6上所投影的光强度分布的附图。这里，作为高折射率透明部， 示例出使用红规格高折射度透明部13R的情形，设为其宽度w=0.35|[mi， 长度h=1.8Mm。红规格高折射率透明部13R的末端与高折射率透明缓冲层 8的平坦面8a (参见图1A)相接，在微透镜10的中心轴上，将微透镜的 厚度设为0.3/xm，将低折射透明缓冲层7的膜厚设为1.5^m，将高折射率透 明缓冲层8的膜厚设为0.4jum。微透镜10和透明缓冲层7及低折射率透明 层12的折射率同样为no，透明缓冲层8及高折射率透明部13R的折射率同 样为n。图3A及图3B是光的波长>^0.65拜(红波长)、n=2.020、 no=1.454 的条件下的对微透镜10沿着其中心轴入射的光的波动计算结果，图4A及 图4B是光的波长>K).50/mi (蓝绿色绿波长)、n=2.212、 no=1.461的条件下 的对微透镜10沿着其中心轴入射的光的波动计算结果。由图3A及图3B 可知，红波长(X=0.65/mi)的光衍射得较强，0次衍射光为零，其能量分 配给±1次衍射光，由图4A及图4B可知，蓝绿波长(X=0.50/mi)的光的衍 射较弱，士l次衍射光较小，大半的能量分配给O次衍射光。
图5是包含本实施方式的摄像用光检测装置光检测面在内的结构要件 的放大平面图。在Y轴方向相邻的光电检测器6间，设置作为在X轴方向 上延伸的信号布线的多条垂直传送CCD17，多条垂直传送CCD17和作为在Y轴方向上延伸的信号布线的水平传送CCD18进行连接。
由微透镜10聚光后的光通过透射过位于其正下方的高折射率透明部 13R、 13G、 13B,并进行衍射，从而在XZ面内按每一波长分离，由光电 检测器6R-、 6G-、 6B-、 6GB、 6BR、 6RG进行受光，执行光电变换。各光 电检测器中所蓄积的电荷向垂直传送CCD17传送，还向水平传送CCD18 传送，作为图像信号进行输出。
在X轴方向上，高折射率透明部13R、 13G、 13B按所提及的顺序排 列，并且该排列被重复配置。沿X轴方向的高折射率透明部的列上高折射 率透明部的配置间距为一定。这样沿着X轴方向所配置的高折射率透明部 的列，在X轴方向分别错位1个间距的同时，在Y轴方向进行了配置。其 结果为，在Y轴方向上，高折射率透明部13R、 13G、 13B也按所提及的 顺序排列，并且该排列被重复配置。
光电检测器6R-、 6G-、 6B-分别配置在高折射率透明部13R、 13G、 13B 的正下方(也就是，各微透镜10的中心轴上)。再者，在X轴方向上，在 光电检测器6R-、 6G-间配置光电检测器6RG，在光电检测器6G、 6B间配 置光电检测器6GB，在光电检测器6B-、 6R-间配置光电检测器6BR。虽然 光电检测器6R-、 6G-、 6B-的宽度(X轴方向尺寸)w!和光电检测器6GB、 6BR、 6RG的宽度(X轴方向尺寸)W2相同或者不同都可以，但是因为与
0次衍射光相比，对于1次衍射光来说其光点易于扩大，所以优选的是W2
>w。
在图9B所示的以往摄像用光检测装置中，获取红、绿、蓝3色的图像 信息，将其组合来制作出彩色图像。与此相对，在本实施方式中，获取相 当于3原色的补色的青、品红、黄的3个图像信息，将其组合来制作彩色 图像。青的信号由光电检测器6R-、 6GB来检测，品红的信号由光电检测 器6G-、 6BR来检测，黄的信号由光电检测器6B-、 6RG来检测。
如上所述，在图9B所示的以往摄像用光检测装置中，由于采用有选择 地吸收红、绿、蓝3色之中的2色的彩色滤光器9，来进行光的色分离，因 而由彩色滤光器9吸收了7 8成的光。与此相对，在本实施方式的摄像用 光检测装置中，由于不是光的吸收，而是利用光的衍射来进行光的色分离， 因而可以有效利用光的全部能量。从而，在本实施方式中，光的利用效率
18提高为以往的3 4倍。
另外，在图9B所示的以往摄像用光检测装置中，由1个微透镜检测1 个色的信息。与此相对，在本实施方式的摄像用光检测装置中，由1个微 透镜检测2种色信息。从而，若使微透镜10的尺寸固定而进行比较，则在 本实施方式中与以往相比，能够使像素密度达到2倍。
再者，在图12所示的以往光检测装置中，由于为了进行光的色分离， 利用棱镜的分散特性，因而存在分光的作用(折射角的基于波长而产生的 差)较小这样的问题。与此相对，在本实施方式的摄像用光检测装置中， 由于利用光的波面上发生的相位位移，因而分光的作用(衍射角的基于波 长而产生的差)较大。从而，如图3B及图4B所示，只要将高折射率透明 部的前端和光检测面之间的间隔仅仅设定为1 2/mi，就可以在0次光(补 色)和±1次光(源色)的3个光点间带来0.5/xm以上的位移，在试制的方 面可以说是足够现实的尺寸。
图6A.是表示本实施方式摄像用光检测装置的光电检测器配置一例的 附图，该配置和图5所示的配置相同。图6A放大表示出多个光电检测器一 部分的配置。从用单点划线所示的任意位置矩形框19内包含的2个(X轴 方向)x2个(Y轴方向)的4个光电检测器一定可以检测3原色的补色的 信号。从而，可以由矩形框19内的4个光电检测器构成检测彩色图像的一 个像素，能够将该像素形成于光检测装置的光检测面全部区域上。
可以从任意位置矩形框19内包含的2个(X轴方向)x2个(Y轴方 向)的4个光电检测器检测3原色的补色信号的光电检测器配置不限定为 图6A。
例如，通过在X轴方向上，重复配置高折射率透明部13R、 13G、 13B 的顺序排列，就可以实现和图6A不同的光电检测器配置。
或者，也可以在X轴方向上交替配置高折射率透明部13R、 13G、 13B 之中的2个，且在Y轴方向上重复配置高折射率透明部13R、 13G、 13B 的顺序排列。图6B表示按上述方法配置高折射率透明部13R、 13G、 13B 时的光电检测器配置。这种情况下，从用单点划线所示的任意位置矩形框 19内包含的2个(X轴方向)x2个(Y轴方向)的4个光电检测器一定 可以检测3原色的补色的信号。还有，也可以在X轴方向上交替配置高折之中的2个，且在Y轴方向上重复配置高折 射率透明部13R、 13G、 13B的顺序排列。
也可以将构成沿X轴方向的微透镜和高折射率透明部的各列的、微透 镜以及高折射率透明部的X轴方向的位置，在Y轴方向相邻的列间，错开 X轴方向的配置间距一半。图7表示这样所配置的本发明摄像用光检测装 置的放大平面图一例。图7是将图5所示的微透镜及高折射率透明部X轴 方向的位置在Y轴方向相邻的列间按X轴方向依顺序分别错开0.5个间距 的附图。按照微透镜及高折射率透明部的错位，光电检测器X轴方向的位 置也错开。通过象图7那样配置，就可以将和Z轴平行地看上去时为圆形 的微透镜配置为蜂窝状。从而，可以减小微透镜及高折射率透明部Y轴方 向的配置间距，进一步提高来自被摄体的光的利用效率。图7表示图5所 示的配置的变形例，但是对于图5之外的配置也可以同样地进行配置。
在上述实施方式中，以使相位位移d在红规格下为d-1.5XR，在绿规格 下为d-1.5XG，在蓝规格下为d=1.5XB的方式设定了各高折射率透明部13R、 13G、 13B。虽然认为该条件是高折射率透明部13R、 13G、 13B的最佳组 合，但是本发明不限定于此。例如，也可以设定高折射率透明部13R、 13G、 13B之中的至少l个，以使得d-(0以上的整数+0.5) xX(入是XR、入G、 XB 中的某一个)。
也就是说，高折射率透明部13的长度也可以取代(公式2)、(公式3)、 (公式4)，将a、 b、 c作为O以上的整数如下进行决定。 (公式5) hR=AR* (2*a+l) /{2* (n-no) } (公式6) ho=XG* (2*b+l) /{2* (n-no) } (公式7) hB=XB* (2*c+l) /{2* (n國no) } 例如，若取代(公式3)，采用了下式 (公式6')ho=2.5XG/ (n-n0)
则在绿规格高折射率透明部13B中红波长XR的光发生2.5* (XG/MO 波长量的相位位移，绿波长>G的光发生2.5波长量的相位位移，蓝波长XB 的光发生2.5* (XG/XB)波长量的相位位移。假设XR=0.65/mi、 >sG=0.54/mi、 XB=0.45/ n，则对于红波长XR的光、蓝波长XB的光来说，分别为2.08波 长量、3.0波长量的相位位移。若从各色的相位位移省略掉整数部分，则绿
20波长的光为0.5波长的相位位移，红波长的光及蓝波长的光全都为0.1以下 波长的相位位移。从而，绿波长的光衍射得较强，0次衍射光Do为零，其 能量分配给1次衍射光D,及-1次衍射光D.,。另一方面，红波长的光及蓝 波长的光的衍射非常弱，其1次衍射光D,及-1次衍射光D-,几乎是零，大 部分的能量分配给0次衍射光Do。
在上述实施方式中，表示出了为了将可见光区域的光分离为红、绿、 蓝3原色的补色，使用红规格、绿规格及蓝规格的3种高折射率透明部的 例子。但是，本发明不限定于此。
例如，除了上述3种高折射率透明部之外，还可以附加别的波长(例 如红外光的波长)所对应的1种以上高折射率透明部。或者，将红规格、 绿规格及蓝规格的高折射率透明部之中的任意1个以上，变更为3原色之 外的波长(例如红外光的波长)所对应的高折射率透明部。
再者，不是将高折射率透明部的规格种类数设为3个以上，例如也可 以设为2个。这种情况下，优选的是，假设第l波长(例如红外光的波长) 为X1，第2波长(例如绿光的波长)为X2， a、 b为0以上的整数，则设定 第1规格及第2规格高折射率透明部的尺寸，以使得相位位移d在第1波 长所对应的第1规格高折射率透明部中为入1* (a+l/2)，在第2规格所对应 的第2规格高折射率透明部中为>^2* (b+l/2)。也就是说，优选的是，第l 规格及第2规格高折射率透明部厚度方向的长度hl、 h2如下进行设定。
(公式8)M=M* (2*a+l) /{2* (n-no) }
(公式9)h2=A2* (2*b+l) /{2* (n画no) }
这种情况下，也和上述实施方式相同，由于a、b越是取得较小的值(例 如0或1)，越是可以縮短高折射率透明部的长度，因而可以减低光损耗， 并且制作较为容易。
另外，在上述实施方式中，虽然各高折射率透明部13如图2所示，具 有宽度w在Z轴方向上为一定的形状，但是既可以如图8A所示，是具有 不同的2个宽度w、 w'的形状，也可以如图8B所示，是具有不同的3个以 上宽度的形状。再者，也可以是如图8C所示，在Z轴方向上宽度逐渐变 窄(或者变宽)的形状。另外，如图8D所示，高折射率透明部13也可以 象一次性筷子那样在光电检测器一侧按宽度方向分开为2个以上。按Y轴方向相邻的高折射率透明部13既可以一边改变长度h (Z轴方向的尺寸)， 一边相互在一部分上连续，也可以完全独立(截断)。在独立的情况下，在 相邻的高折射率透明部间填充低折射率透明层12。
另外，在上述实施方式中，虽然在Z轴方向上，高折射率透明部13和 微透镜10的下面相接，但是高折射率透明部13和微透镜10也可以分离。 这种情况下，在两者间也可以设置低折射率透明层12。
高折射率透明部13由于具有将所入射的光一边抑制其扩展一边导向光 电检测器一侧这样的作为波导通路的功能，因而根据条件的不同，也可以 省略具有和其相似功能的微透镜10。但是，由于高折射率透明部13按Y 轴方向延伸设置，因而在Y轴方向上作为波导通路的效果较少。从而，为 了使高折射率透明部13成为微透镜10的替代，优选的是，至少在高折射 率透明部13及低折射率透明层12的入射方表面上，按高折射率透明部的 每列形成以X轴方向为中心轴方向的圆柱形面。
再者，在上述实施方式中，通过在透明缓冲层7和透明缓冲层8相接 的表面7a上形成凹凸结构，使之发挥透镜效应，来使朝向远离光电检测器 6中心的方向的发散光llb'折射，将其导向光电检测器6。通过在高折射率 透明部13的光电检测器6侧端形成图8E的透镜形状13a或图8F的透镜形 状13b，就可以使高折射率透明部13实现该作用。据此，可以省去透明缓 冲层7的表面7a凹凸结构或高折射率的透明缓冲层8，将缓冲层7、 8更换 为单层的透明缓冲层。
在上述实施方式中，虽然光电检测器6沿着X轴方向及Y轴方向按2 维状来排列，但是也可以按1维状来排列。这种情况下，微透镜10及高折 射率透明部13也沿着光电检测器6的排列方向，按1维状来排列。
在上述实施方式中，虽然按照要进行分光的波长，使高折射率透明部 的尺寸(长度h)不同，但是也可以使高折射率透明部的折射率或形状不同， 并且此时也可以和上述实施方式相同，产生相位位移，对希望波长的光进 行分光。
在上述实施方式中，虽然表示出作为高折射率透明部13的材料使用了 SiN的例子，但是本发明不限定于此，只要是例如氧化钽或氧化钛等的高 折射率材料，或者可以确保相对于低折射率透明层12有0.2以上的折射率差的材料，也可以使用聚酰亚胺树脂等的树脂材料或纳米复合材料等。
在图9B及图ll所示的以往光检测装置的受光区域内，因为实际上在 微透镜和光电检测器之间存在金属布线等的遮光部，所以对受光区域所入 射的光一部分被遮光部遮挡。这在上述实施方式所示的光检测装置中也相 同。但是，近年来开发出一种不受到金属布线的影响而可以由受光区域的 整个面进行受光的背面照射型固体摄像元件。若将可以通过利用光的衍射 进行色分离来提高光利用效率的本发明光检测装置，适用于上述背面照射 型固体摄像元件中，则可以使光利用效率得到进一步提高，认为是有效的。
上面所说明的实施方式归根结底意图在于使本发明的技术内容变得明 确，本发明并不仅仅限定为这种具体例进行解释，而可以在本发明的宗旨 和权利要求所述的范围内进行各种各样的变更，加以实施，应该广义地解 释本发明。
产业上的可利用性
本发明的利用领域没有特别限制，可以作为用来拍摄物体的像的、小 型且高分辨率的摄像用光检测装置，加以广泛利用。
权利要求
1、一种摄像用光检测装置，其特征为，具备多个光检测器，在基板上按1维状或者2维状排列；低折射率透明层，形成于上述多个光检测器的上方；以及柱状或板状的多个高折射率透明部，沿着上述多个光检测器的排列方向，嵌入上述低折射率透明层内；2个以上的上述光检测器与1个上述高折射率透明部相对应，对上述低折射率透明层及上述高折射率透明部入射的光，借助于因通过它们而在其波面上发生的相位位移，被分离为0次衍射光、1次衍射光和-1次衍射光。
2、 如权利要求1所述的摄像用光检测装置，其特征为，上述0次衍射光、上述1次衍射光及上述-1次衍射光由相互不同的上 述光检测器来检测。
3、 如权利要求1所述的摄像用光检测装置，其特征为， 上述多个高折射率透明部至少包括在折射率、形状、或尺寸上相互不同的红规格高折射率透明部、绿规格高折射率透明部及蓝规格高折射率透 明部，假设a、 b、 c为0以上的整数，则在通过上述高折射率透明部后的光 和通过上述低折射率透明层后的光之间发生的上述相位位移，在上述红规 格高折射率透明部的情况下是红波长的(a+1/2)倍，在上述绿规格高折射 率透明部的情况下是绿波长的(b+1/2)倍，在上述蓝规格高折射率透明部 的情况下是蓝波长的(c+1/2)倍。
4、 如权利要求3所述的摄像用光检测装置，其特征为， 上述a、 b、 c是0或者1。
5、 如权利要求1所述的摄像用光检测装置，其特征为，上述多个高折射率透明部包括红规格高折射率透明部、绿规格高折射 率透明部及蓝规格高折射率透明部，假设a、 b、 c为0以上的整数，上述高折射率透明部及上述低折射率 透明层的折射率分别为n、 n。，则上述高折射率透明部厚度方向的长度h， 在上述红规格高折射率透明部中满足11=红波长* (2*a+l) /{ (2* (n-n。) }， 在上述绿规格高折射率透明部中满足11=绿波长* (2*b+l) /{ (2* (n-n。) }， 在上述蓝规格高折射率透明部中满足11=蓝波长* (2*c+l) /{ (2* (n-n。) }。
6、 如权利要求5所述的摄像用光检测装置，其特征为， 上述a、 b、 c是0或者1。
7、 如权利要求1所述的摄像用光检测装置，其特征为， 上述多个高折射率透明部至少包括在折射率、形状、或尺寸上相互不同的与第1波长相对应的第1规格高折射率透明部及与第2波长相对应的 第2规格高折射率透明部，假设a、 b为0以上的整数，则在通过上述高折射率透明部后的光和通 过上述低折射率透明层后的光之间发生的上述相位位移，在上述第1规格 高折射率透明部的情况下是第1波长的(a+l/2)倍，在上述第2规格高折 射率透明部的情况下是第2波长的(b+l/2)倍。
8、 如权利要求7所述的摄像用光检测装置，其特征为， 上述a、 b是0或者l。
9、 如权利要求1所述的摄像用光检测装置，其特征为， 上述多个高折射率透明部包括与第1波长相对应的第1规格高折射率透明部及与第2波长相对应的第2规格高折射率透明部，假设a、 b为0以上的整数，上述高折射率透明部及上述低折射率透明 层的折射率分别为n、 n。，则上述高折射率透明部厚度方向的长度h在上述 第1规格高折射率透明部中满足11=第1波长* (2*a+l) /{ (2* (n-no) }， 在上述第2规格高折射率透明部中满足h-第2波长^2、+l)/"2吣n-no))。
10、 如权利要求9所述的摄像用光检测装置，其特征为， 上述a、 b是0或者1。
11、 如权利要求1所述的摄像用光检测装置，其特征为， 上述多个高折射率透明部包括红规格高折射率透明部、绿规格高折射率透明部及蓝规格高折射率透明部，在第1方向上，重复地配置上述红规格高折射率透明部、上述绿规格 高折射率透明部及上述蓝规格高折射率透明部的顺序排列，或者上述红规 格高折射率透明部、上述蓝规格高折射率透明部及上述绿规格高折射率透 明部的顺序排列，其中该第1方向与包含上述0次衍射光、上述1次衍射 光及上述-1次衍射光的面和上述基板表面之间的交叉线平行，与上述多个高折射率透明部分别对应的3个上述光检测器沿着上述第 1方向配置，沿着上述第1方向配置的上述3个光检测器之中两外侧的2个光检测 器，还对应于在上述第1方向上与上述3个光检测器所对应的高折射率透 明部相互相邻的2个高折射率透明部。
12、 如权利要求ll所述的摄像用光检测装置，其特征为， 沿着上述第1方向配置的上述多个高折射率透明部的列中的上述红规格高折射率透明部、上述绿规格高折射率透明部及上述蓝规格高折射率透 明部的上述第1方向位置，在和上述第1方向正交的第2方向上相互相邻 的2个列间错位，错位的量为上述第1方向的配置间距。
13、 如权利要求1所述的摄像用光检测装置，其特征为， 上述多个高折射率透明部包括红规格高折射率透明部、绿规格高折射率透明部及蓝规格高折射率透明部，在第1方向上，上述红规格高折射率透明部、上述绿规格高折射率透 明部及上述蓝规格高折射率透明部之中的2个被交替配置，其中该第1方 向与包含上述0次衍射光、上述1次衍射光及上述-1次衍射光的面和上述基板表面之间的交叉线平行，与上述多个高折射率透明部分别对应的3个上述光检测器沿着上述第 1方向配置，沿着上述第1方向配置的上述3个光检测器之中两外侧的2个光检测 器，还对应于在上述第1方向上与上述3个光检测器所对应的高折射率透 明部相互相邻的2个高折射率透明部。
14、如权利要求1所述的摄像用光检测装置，其特征为， 沿着第1方向配置的上述高折射率透明部的列中的上述高折射率透明 部的上述第1方向位置，在和上述第1方向正交的第2方向上相互相邻的2 个列间错位，错位的量为上述第1方向的配置间距的一半，其中该第l方 向与包含上述0次衍射光、上述1次衍射光及上述-1次衍射光的面和上述 基板表面之间的交叉线平行。
全文摘要
摄像用光检测装置具备多个光检测器(6)，在基板(5)上按1维状或者2维状来排列；低折射率透明层(12)，形成于多个光检测器的上方；以及柱状或板状的多个高折射率透明部(13)，沿着多个光检测器的排列方向，嵌入低折射率透明层内。对低折射率透明层及高折射率透明部入射的光借助于因通过它们而在其波面上发生的相位位移，被分离为0次衍射光、1次衍射光和-1次衍射光。据此，可以实现光利用效率的提高和像素的高密度化。
文档编号H04N5/335GK101548381SQ20088000089
公开日2009年9月30日 申请日期2008年7月22日 优先权日2007年8月6日
发明者西胁青儿 申请人:松下电器产业株式会社