固体摄像元件以及摄像装置制造方法
【专利摘要】在本发明的固体摄像元件，单位像素（3）的聚光元件（11）具有以射入单位像素（3）的受光元件（14）的光的波长以下的线宽被分离的、以相对于聚光元件（11）的受光面垂直方向的轴为中心的同心结构的多个光透过膜（33），并具有由多个光透过膜（33）的组合所控制的有效折射率分布，同心结构的多个光透过膜（33）的外缘的形状在受光面上为，与同心结构的中心最近的光透过膜（33）呈正圆、与同心结构的中心远离的光透过膜（33）呈椭圆，椭圆的长轴相对于短轴的比率为，越是与同心结构的中心远离的光透过膜（33）的外缘的形状比率越高，多个单位像素（3）各自的椭圆的长轴方向，在受光面上与连接多个单位像素各自的同心结构的中心和固体摄像元件的中心的矢量相正交。
【专利说明】固体摄像元件以及摄像装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于数码照相机等的固体摄像元件，尤其涉及可更换透镜的单反式数码照相机中使用的固体摄像元件。
【背景技术】
[0002]近年来，随着数码照相机以及附带照相机功能的手机等的普及，固体摄像元件市场也在显著扩大。另外，可换用例如广角或者长焦距等各种光学透镜的单反式数码照相机也在普及。在这种趋势下，对于数码照相机等的薄型化的要求依然强烈。换言之，意味着照相机部分所使用的透镜成为短焦距，而射入固体摄像元件的光的范围成为广角(从固体摄像元件的入射面的垂直轴开始测量的大角度)。
[0003]在CXD型或者CMOS型图像传感器等固体摄像元件中，通过将具有受光元件的多个半导体集成电路(单位像素)排列成二维状而形成摄像区域，并以此将来自被写体的光信号变换成电信号。固体摄像元件灵敏度的定义基于受光元件的输出电流相对于入射光量的大小，因此，为了提高灵敏度，将射入的光着实导入受光元件是重要的要素。
[0004]图10是表示现有的一般单位像素300的基本结构的一个例子的图。
[0005]该单位像素300如图10所示，由微透镜305、滤色片302、A1配线303、信号传送部304、平坦化层308、受光元件306以及Si基板307构成。在该结构中，垂直射入微透镜305的入射光356 (虚线表示的光)被红色(R)、绿色(G)以及蓝色(B)中的任一个滤色片302进行色分离之后，在受光元件306被变换为电信号。由于这种具有微透镜的结构能够获得较高的聚光效率，因此被用在几乎所有的固体摄像元件中。
[0006]然而，如上所述，固体摄像元件由二维排列的多个单位像素构成，因此，随着从摄像区域的中央部(中心部)移向周边部，射入单位像素的光的入射角度发生倾斜。其结果，会造成周边部的单位像素的聚光效率比中央部的单位像素低的问题。例如，在通过图10所示的现有的单位像素300受光的情况下，在摄像区域的中央部，由于射入单位像素300的光的入射角度变小(由于成为虚线所表示的入射光356)，因此，几乎都在受光元件306被聚光而成为有效光，但在摄像区域的周边部，由于射入单位像素300的光的入射角度变大(由于成为实线所表示的入射光357)，因此，入射光357被单位像素300中的Al配线303遮光，而无法到达受光元件306。因此，聚光效率会降低。
[0007]对此，现在采用如图11所示的方法，在摄像区域的周边部的单位像素300中，通过使Al配线303和受光元件306向摄像区域的外侧方向(偏向端部)偏离(收缩)，来提高入射角度大的入射光357的聚光效率。
[0008]另外，作为解决所述聚光效率减少的其他手段，还有通过与入射光的波长等同或者比其小的微细结构，来实现具有有效性的折射率分布的折射率分布型透镜的固体摄像元件(例如，参照专利文献I)。具体是，在固体摄像元件的摄像区域的中心部，通过对被分割成与入射光的波长等同或者比其短的线宽的同心结构的多个带区域进行组合，从而形成具有相对于单位像素的中心对称的有效折射率分布的折射率分布型透镜。另外，在固体摄像元件的摄像区域的周边部，通过对被分割成与入射光的波长等同或者比其短的线宽的同心结构的多个带区域进行组合，并使该同心结构的中心和单位像素的中心相错开(偏移)，来形成具有相对于单位像素的中心非对称的有效折射率分布的折射率分布型透镜。根据该结构，即使射入固体摄像元件的周边部的光相对于入射面(受光面)的垂直轴以较大的倾斜角度射入，也能够使入射光在受光元件聚光，从而在固体摄像元件的周边部也能够获得与中央部的灵敏度等同的灵敏度。其结果，如果来自照相机光学透镜的主光线的入射角度是固定的，就能够防止灵敏度降低。
[0009]专利文献1:日本特开2006-351972号公报
[0010]但是，在来自光学透镜的光的入射角度因更换透镜而变化的情况下，有时光会偏离受光元件。例如，在配线以及受光元件的收缩量或者同心结构的光透过膜中心的偏移量采用的是与安装有长焦距透镜时的入射角度小的光对应的设计的情况下，如果安装广角透镜，就会有入射角度大的光从光学透镜射入，因此入射光的一部分会偏离受光兀件而导致灵敏度降低。相对而言，如果为了对应更大角度的入射光而采用收缩或者偏移量被增加的设计的话，相反，在更换成了长焦距透镜时，会有入射角度小的光入射，这还是会导致灵敏度降低。
【发明内容】
[0011]鉴于解决所述问题开发了本发明，本发明的目的在于提供一种即使在入射光的入射角度因更换透镜等而发生了变化的情况下，也能够抑制灵敏度降低的固体摄像元件以及
摄像装置。
[0012]为了解决所述问题，本发明的一形态的固体摄像元件具有被排列成二维状的单位像素，该单位像素具有受光元件和聚光元件，所述固体摄像元件的特征在于:所述聚光元件具有同心结构的多个光透过膜并具有由所述多个光透过膜的组合所控制的有效折射率分布，所述同心结构的多个光透过膜以射入所述受光元件的光的波长以下的线宽被分离，并以相对于所述聚光元件的受光面垂直方向的轴为中心，所述同心结构的多个光透过膜的外缘的形状在所述受光面上为，与所述同心结构的中心最近的所述光透过膜呈正圆、与所述同心结构的中心远离的所述光透过膜呈椭圆，所述椭圆的长轴相对于短轴的比率为，越是与所述同心结构的中心远离的所述光透过膜的外缘的形状，所述比率越高，多个所述单位像素各自的所述椭圆的长轴方向，在所述受光面上，与连接多个所述单位像素各自的所述同心结构的中心和所述固体摄像元件的中心的矢量相正交。
[0013]在由同心结构的光透过膜的组合所控制的有效折射率分布中，以同心结构的中心位置为顶点，有效折射率呈连续函数式的减少。根据本形体，同心结构的形状随着远离同心结构的中心，从正圆变向椭圆。随之，有效折射率变得在椭圆的短轴方向上具有比长轴方向大的减少率。即，有效折射率分布成为有偏倚的分布。并且，从正圆变向椭圆的这一形状变化，随着远离同心结构的中心而逐渐显现，椭圆区域，即，有效折射率分布的减少率变大的区域仅限于单位像素内的端部周围。如果将具备这种聚光元件的单位像素配置在例如固体摄像元件周边部，根据单位像素的端部周边的有效折射率的减少率大的这一效果，对于历来而言在安装有广角透镜时无法很好地进行聚光而泄露到受光元件外的倾斜入射光，也能够大幅弯曲其前进方向从而将光导入受光元件，其结果聚光效率得以提高。另外，在安装有长焦距透镜时入射角度小的光被射入的情况下，由于椭圆区域仅限于单位像素的端部周边，因此也能够将光导入受光元件，而不会造成光的过度弯曲。因此，能够对从窄角(狭角)至广角的广范围的入射光进行无损聚光，从而能够抑制灵敏度的降低。
[0014]另外，在本发明的一形态的固体摄像元件，可以是:所述固体摄像元件的中心的所述单位像素的所述同心结构的中心，在所述受光面上，与所述单位像素的中心一致，与所述固体摄像元件的中心远离的所述单位像素的所述同心结构的中心，在所述受光面上，从所述单位像素的中心向所述固体摄像元件的中心偏离，所述偏离的量，越是与所述固体摄像元件的中心远离的所述单位像素越大。
[0015]通过这种结构，在固体摄像元件的中心的单位像素，同心结构的中心与单位像素的中心相一致，单位像素内的几乎所有区域的光透过膜成为正圆形的形状。在固体摄像元件的中心的单位像素，无论照相机透镜是广角透镜还是长焦距透镜，光的入射角度相对于摄像面(受光面)的垂直方向始终是平行的，因此，入射光通过由正圆的光透过膜构成的聚光元件被聚集到受光元件。另一方面，随着移向固体摄像元件的周边部，同心结构的中心朝向固体摄像元件中心的方向偏移，因此，在固体摄像元件的周边部的单位像素，在与固体摄像元件的中心离得远的一侧的区域，椭圆区域，即，有效折射率的减少率大的区域会增大。因此，根据单位像素的端部周边的有效折射率的减少率大的这一效果，对于历来而言在安装有广角透镜时无法很好地进行聚光而泄露到受光元件外的倾斜入射光，也能够大幅弯曲其前进方向从而将光导入受光元件，其结果聚光效率得以提高。
[0016]另外，在本发明的一形态的固体摄像元件，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结构的中心为顶点，并从所述同心结构的中心开始随着距离而呈抛物线状减少的分布，所述聚光元件在所述受光面上的所述椭圆的短轴方向的所述有效折射率分布，具有从所述同心结构的中心开始与距离的4乘方成比例地减少的分布偏倚。
[0017]通过这种结构，在固体摄像元件内的各单位像素中，由于同心结构的中心的位置相对于单位像素的中心发生偏移，并偏向固体摄像元件偏的中心而被配置，因此，聚光元件的有效折射率的减少率随着从固体摄像元件的中心移向周边部而增大的区域，会仅在单位像素内的像素排列端变大。从而，能够对入射角度大的光进行聚光，并且单位像素内的有效折射率的减少率大的区域仅限于像素排列端侧，因此对于入射角度小的光也能够进行无损聚光。
[0018]另外，在本发明的一形态的固体摄像元件，所述聚光元件可以是层内透镜。
[0019]通过采用这种结构，能够以在配置具有所述有效折射率分布的层内透镜的同时将微透镜配置在器件的最上面的方式，实现由2个透镜组合而成的结构，从而能够进一步扩大入射光的入射角度范围。
[0020]另外，本发明的一形态的摄像装置的特征在于具备所述固体摄像元件。
[0021]通过这种结构，即使在射入单位像素的光的入射角度因更换透镜等而发生了变化的情况下，也能够抑制灵敏度降低。
[0022]根据本发明的固体摄像元件，即使在射入单位像素的光的入射角度因更换透镜而发生了从广角到窄角的大变化的情况下，也能够避免出现拍摄时在固体摄像元件的周边部获得的图像变暗的情况。从而，即使在将可换用广角或者长焦距等各种透镜的单反相机的摄像透镜使用于数码照相机等的情况下，在固体摄像元件的周边部也能够获得明亮的图像。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是表示本发明的第I实施方式的摄像装置(照相机)的概略结构的图。
[0024]图2是表示本发明的第I实施方式的固体摄像装置的详细结构的图。
[0025]图3 (a)是表示本发明的第I实施方式的固体摄像元件的摄像面上的不同部分的单位像素的结构的一个例子的剖面图。
[0026]图3 (b)是本发明的第I实施方式的固体摄像元件的摄像面上的不同部分的单位像素的聚光元件的俯视图的一个例子。
[0027]图3 (C)是表示本发明的第I实施方式的固体摄像元件的摄像面上的不同部分的单位像素的聚光元件的有效折射率分布的图表的一个例子。
[0028]图4(a)是表示在装载有本发明的第I实施方式的固体摄像元件的单反照相机中，作为透镜安装有广角透镜的情况下，聚光元件在摄像面的不同部分对入射光进行聚光的概略图。
[0029]图4(b)是表示在装载有本发明的第I实施方式的固体摄像元件的单反光照相中，作为透镜安装有长焦距透镜的情况下，聚光元件在摄像面的不相同部分对入射光进行聚光的概略图。
[0030]图5是本发明的第I实施方式的固体摄像元件的摄像面的不同部分的单位像素的聚光元件的俯视图的一个例子。
[0031]图6是本发明的第I实施方式的固体摄像元件的四角即摄像面的视角(D端)的单位像素的聚光元件的俯视图的一个例子。
[0032]图7是表示在本发明的第I实施方式的固体摄像元件中，聚光元件的聚光效率的入射角度依赖性的图。
[0033]图8是表示本发明的第2实施方式的固体摄像元件的单位像素的结构的剖面图。
[0034]图9是表示在本发明的第2实施方式的固体摄像元件中，聚光元件的聚光效率的入射角度依赖性的图。
[0035]图10是表示现有的单位像素的结构的一个例子的图。
[0036]图11是表示现有的单位像素的结构的一个例子的图。
【具体实施方式】
[0037]以下，关于本发明的实施方式，参照附图进行更具体的说明。在此，关于本发明，利用以下的实施方式以及附带的图面进行说明，但其目的仅在于例示，并不表示本发明限定于此。即，以下的实施方式中给出的数值、材料、结构要素、结构要素的配置位置以及连接形态、定时、定时的顺序等仅为一例，并不意味本发明限定于此。本发明仅以权利要求的范围为准。因而，关于以下实施方式的结构要素中的未被记载于表示最上位概念的独立权利要求项中的结构要素，并非是为了达成本发明的目的所必须的结构，而将其作为构成理想形态的要素进行说明。另外，对于附图中表示实质上相同的结构、动作以及效果的要素，赋予相同的符号。[0038](第I实施方式)
[0039]图1是表示本发明的第I实施方式的摄像装置(照相机)的概略结构的图。图2是表示本实施方式的固体摄像装置100的详细结构的图。
[0040]该照相机由固体摄像装置100、透镜110、DSP (数码信号处理电路)120、图像显示器件130以及图像存储器140构成。
[0041]另外，在单反数码照相机中，透镜110是可更换的透镜，可更换成焦点距离不同的光学透镜。具体而言，透镜110例如是用于广角入射光的摄像透镜、长焦距透镜，或者是对应于光远心(光轴和主光线几乎平行)射入固体摄像装置100的情况的摄像透镜等。
[0042]在该照相机中，光通过透镜110从外部射入，射入的光被固体摄像装置100变换成数码信号并被输出。然后，被输出的数码信号经过DSP120的处理，被作为影像信号输出到图像存储器140并被记录，或者被输出到图像显示器件130，用于图像显示。
[0043]DSP120由图像处理电路121和照相机系统控制部122构成，图像处理电路121用于对固体摄像装置100的输出信号进行噪声消除等处理并生成影像信号，照相机系统控制部122对固体摄像装置100的单位像素(单位元件)3的扫描定时以及增益进行控制。DSP120例如进行与在固体摄像装置100的单位像素3内被共享的像素(光电变换单元)间的特性差有关的校正。
[0044]固体摄像装置100由I个芯片形成，形成固体摄像装置100的芯片和形成DSP120的芯片是不同的芯片。由此，通过将固体摄像装置100的形成工序和DSP120的形成工序分开，能够使摄像部以及处理部的制造工序分开，从而能够实现制造工序削减和低成本化。另夕卜，可按照每个用户自由对定时控制、增益控制以及图像处理进行设定，因此能够提高使用
自由度。
[0045]固体摄像装置100是CMOS型的固体摄像装置，其具备作为摄像区域的像素部(像素阵列)10、垂直扫描电路(行扫描电路)24、通信/定时控制部30、AD变换(模拟/数码变换器)电路25、参照信号生成部27、输出I/F28、信号保持开关263、信号保持容量262和圆柱型放大器42。
[0046]像素部10具备在半导体基板的阱内被排列成二维状(矩阵状)的多个单位像素3以及与单位像素3的列相对应地被设置的垂直信号线19。各单位像素3包含光电二极管等的像素和晶体管。各单位像素3上连接着被垂直扫描电路24控制的信号线和用于将来自对应的单位像素3的电压信号传达给AD变换电路25的垂直信号线19。像素部10是本发明的固体摄像元件的一个例子。
[0047]垂直扫描电路24在垂直方向上以行单位对单位像素3进行扫描，并选择使垂直信号线19输出电压信号的单位像素3的行。
[0048]通信/定时控制部30接受通过外部端子被输入的主时钟CLKO以及数据DATA，并根据这些生成各种内部时钟，以控制参照信号生成部27以及垂直扫描电路24等。
[0049]参照信号生成部27具有用于向AD变换电路25的圆柱型AD (圆柱型模拟/数码变换器)电路26提供AD变换用参照电压RAMP的DAC (数码/模拟变换器)27a。
[0050]圆柱型放大器42、信号保持开关263以及信号保持容量262与单位像素3的列对应地设置。圆柱型放大器42对由对应的单位像素3输出的电压信号进行放大，信号保持容量262保持由信号保持开关263传达过来的经放大之后的电压信号。通过设置圆柱型放大器42，可对单位像素3的电压信号进行放大，从而可改善S/N以及切换增益等。
[0051]AD变换电路25具有与单位像素3的列对应而设置的多个圆柱型AD电路26。圆柱型AD电路26利用由DAC27a生成的参照电压RAMP，将由单位像素3输出的信号保持容量262的模拟电压信号变换成数码信号。
[0052]圆柱型AD电路26由电压比较部252、计数器部254、开关258以及数据存储部256构成。电压比较部252对通过垂直信号线19 (HO, Hl,……)以及信号保持容量262从单位像素3获得的模拟电压信号和参照电压RAMP进行比较。数据存储部256是用于保持电压比较部252完成比较处理为止的时间和利用计数器部254进行计数的结果的存储器。
[0053]在电压比较部252的一方的输入端子,与其他电压比较部252的输入端子同样，输入由DAC27a生成的梯式参照电压RAMP，在另一方的输入端子，分别连接有对应的列的信号保持容量262，由像素部10输入电压信号。电压比较部252的输出信号被提供给计数器部254。
[0054]圆柱型AD电路26，在参照电压RAMP被提供给电压比较部252的同时开始根据时钟信号进行计数，并对通过信号保持容量262被输入的模拟电压信号和参照电压RAMP进行比较，直到获得脉冲信号为止，从而进行AD变换。
[0055]此时，圆柱型AD电路26在进行AD变换的同时，对通过信号保持容量262被输入的电压模式的像素信号(电压信号)进行如下取差处理，即，取得单位像素复位(初始化)后即刻有的信号电平(噪声级)和真正的(根据受光光量)信号电平Vsig之间的差的处理。由此，能够从电压信号中去 除被称为固定模式噪声(FPN:Fixed Pattern Noise)以及复位噪声等的噪声信号成分。
[0056]圆柱型AD电路26是一个通过对噪声电平进行降计数并对信号电平进行升计数，从而只提取真正的信号电平Vsig的结构，由该圆柱型AD电路26进行数码化的信号通过水平信号线18被输入到输出I/F28。
[0057]另外，图1以及图2所示的固体摄像装置100搭载有AD变换电路25，但AD变换电路25也可以被设置在固体摄像装置100之外。
[0058]根据以上的结构，在固体摄像装置100中，按照单位像素3的每个行，顺次从像素部10输出电压信号。并且，以像素部10整体的电压信号的集合,来表不相对于像素部10的I张图像即帧图像。
[0059]图3是表示作为本发明的第I实施方式的固体摄像元件的像素部10中的单位像素3的基本结构的一个例子的图。
[0060]在此，图3中表示了在固体摄像元件的摄像面(受光面)的水平方向(行方向)上的不同部分的单位像素3的结构以及有效折射率分布。即，在图3的左侧、中间、右侧分别表示了像素部10的中央部(中心部)、像素部10的中央部和周边部之间的中间部、像素部10的周边部的单位像素3的结构以及有效折射率分布。另外，图3 (a)表示单位像素3的剖面图，图3 (b)表示单位像素3 (聚光元件11)的俯视图(摄像面的图)，图3 (c)表示聚光兀件11的有效折射率分布。
[0061]如图3所示，固体摄像元件是具有被排列成二维状的多个单位像素3的像素部10，单位像素3具有受光元件14和聚光元件11，聚光元件11具有同心结构的多个光透过膜33并具有由多个光透过膜33的组合所控制的有效折射率分布，同心结构的多个光透过膜33以射入受光元件14的光的波长以下的线宽35被分离，并以相对于聚光元件11的受光面垂直方向的轴为中心，同心结构的多个光透过膜33的外缘(内缘)的形状在所述受光面上(在相对于受光垂直的方向)为，与同心结构的中心最近的光透过膜33呈正圆、与同心结构的中心远离的光透过膜33呈椭圆，椭圆的长轴相对于短轴的比率为，越是与同心结构的中心远离的光透过膜33的外缘的形状，所述比率越高，多个单位像素33各自的椭圆的长轴方向，在所述受光面上，与连接多个单位像素各自的所述同心结构的中心和固体摄像元件的中心的矢量相正交。
[0062]如图3(a)所示，在像素部10的中央部、中间部以及周边部的任一处，各单位像素3都具备作为分布折射率型透镜的聚光元件11、滤色片12、A1配线等的配线13、Si光电二极管等的受光元件14以及半导体基板15。另外，聚光元件11的膜厚例如是1.2( μπι)。如图3 (b)所示，多个单位像素3各自的尺寸(在受光面的面积)相等，例如是3.75 (ym)X3.75(μπι)。另外，各单位像素3在像素部10的中央部、中间部以及周边部的大小、结构要素及其配置位置是相同的，只有聚光元件11的结构不同。
[0063]如图3 (b)所示，各单位像素3的聚光元件11由光透过膜33和空气34 (n=l.0)构成，该光透过膜33例如由SiO2 (n=1.45)等构成。光透过膜33在受光面上具有同心结构。因此，在受光面的同心结构中，首先在其中心配置有正圆形的光透过膜33，围着该正圆形的光透过膜33配置有环状(圆环状)的光透过膜33，并围着该环状光透过膜33配置有另一个环状光透过膜33。在受光面的同心结构中，多个环状光透过膜33的外径不同，但多个环状光透过膜33的圆形的中心与正圆形的光透过膜33的圆形的中心相一致。即，正圆形的光透过膜33的圆的中心既是同心结构的中心。在受光面的同心结构中，作为相邻接的光透过膜33的内周半径差(光透过膜33的椭圆的长径或者内径的差)的线宽35，随着光透过膜33与同心结构的中心的距离的增大而增大，其在大概100 (μπι)至200 (μπι)的范围内变化。
[0064]在此，在受光面上以线宽(内周半径差)35的宽度分割聚光元件11而成的环状区域称之为带区域。另外，受光面上的光透过膜33的线宽为，同心结构的中心的光透过膜33的线宽最大，越是远离同心结构的中心的环状光透过膜33其线宽越小。在此，在带区域的宽度与入射光的波长等同或者比其小的情况下，能够根据光透过膜33的SiO2 (折射率η=1.45)和空气34 (折射率η=1.0)的体积来算出感光有效折射率。如上所述，图3的固体摄像元件具有如下特征，即，只需改变光透过膜33的线宽，S卩，光透过膜和空气的体积比，就能够自由自在地控制有效折射率分布。
[0065]在受光面上，同心结构的中心位置(图3 (b)中的虚线的交点位置)随着从像素部10的中央部移向像素部10的周边部，偏向像素部10的中心偏移。因此，像素部10的中心部的单位像素3的同心结构的中心，在受光面上与单位像素3的中心一致，而与像素部10的中心部远离的单位像素3的同心结构中心，在受光面上，从单位像素3的中心向像素部10的中心偏离，越是与像素部10的中心部的距离大的单位像素3其偏离量就越大。由此，在受光面上，随着从像素部10的中央部移向周边部，I个单位像素3所包含的光透过膜33的椭圆区域(个数)，在单位像素3内的光透过膜33的排列端侧(像素部10的周边部侧)增力口。因此，即使在因安装有广角透镜等而来自照相机透镜的光的入射角度在像素部10的周边部增大的情况下，也能够通过所述椭圆区域，将光导向受光元件14。另一方面，由于是受光面上的光透过膜33的椭圆区域只在单位像素3内的光透过膜33的排列端侧增加的结构，因此，即使在因安装有长焦距透镜等而来自照相机透镜的光的入射角度小的情况下，也能够通过结构与单位像素3内的光透过膜33的排列中央侧(像素部10的中央部侧)的正圆相近的区域来进行聚光，从而能够无聚光损失地进行受光。
[0066]图3(C)的实线表示本实施方式的固体摄像元件的有效折射率分布，可通过以下的式(I)来表不。
[0067]Δ n (x, y) = Δ nmax [ (A (x2+y2) +Bxsin Θ ) /2 π +C] +G (x)......(I)
[0068]在此，A、B、C是常数，x、y分别表示以单位像素3的中心作为原点的二维坐标。图3 (c)特意表示了 y=0时的有效折射率分布。Θ是透镜设计角度(相对于以角度Θ射入的光的最适当透镜设计角度)，其与实际的光入射角度不同(实际射入透镜的光中还包含所述角度Θ以外的入射角度的光)。Anmax是光透过膜33和空气的折射率差，例如，作为光透过膜33的SiO2和空气的折射率差为0.45。若设想为聚光元件11的光射入侧的介质的折射率为Iitl、聚光元件11的光射出侧的介质的折射率为Ii1、焦点距离为f、射入聚光元件11的光的波长常数为λ，则可以通过以下的式(1-1)~(1-3)来表示常数A以及B。
[0069]A=- (^n1) /2f......(1-1)
[0070]B=-k0n0......(1-2)
[0071]1?0=2π/λ......(1-3)
[0072]根据以上，可以按照每个被作为目的的焦点距离以及每个被作为对象的入射光的入射角度以及波长，对聚光元件11进行最优化。另外，在所述式(I)中，以与单位像素3的中心相距的距离X的2次函数表示了聚光成分，以距离X和三角函数的积表示了偏转成分。
[0073]所述式(I)的函数G (X)是以下的式(1-4)所表示的X的4次函数，其作用在于使光透过膜33的形状随着与光透过膜33的同心结构的中心的距离增大而从正圆连续变化成椭圆。因此，在聚光元件11的受光面上的有效折射率分布是，有效折射率以同心结构的中心作为顶点并随着与同心结构的中心的距离而呈抛物线状减少的分布，在聚光元件11的受光面上的椭圆的短轴方向的有效折射率分布具有，与从同心结构的中心的距离的4次方成比例地减少的分布偏倚。
[0074]G(x)=-D(x-x0)4 (1-4)
[0075]在此，Xtl表示同心结构的中心的X坐标成分。另外，同心结构的中心的y坐标成分为O。D是用于控制形状变化的大小的参数，在图3 (c)中D=0.001。另外，在图3 (c)中，为了进行比较，以虚线表示了 D=O时的有效折射率分布。在此情况下，同心结构的光透过膜33全都成为正圆的形状，相当于历来的透镜结构。
[0076]图4是表示在搭载有本实施方式的固体摄像元件的单反照相机中，作为透镜110安装有广角透镜或者长焦距透镜的情况下的入射光的聚光情况的模式图。
[0077]在此，图4中表示了固体摄像元件的摄像面(受光面)的水平方向(方向)上的不同部分的单位像素3的剖面图。即，在图4的左侧、正中和右侧分别表示了像素部10的中央部、像素部10的中央部和周边部之间的中间部、像素部10的周边部的单位像素3的剖面图。另外，图4 (a)表示的是安装有广角透镜的情况下的入射光16的聚光情况，图4 (b)表示的是安装有长焦距透镜的情况下的入射光17的聚光的情况。
[0078]如图4 (a)所示，在安装有广角透镜时，角度大的入射光16射入位于像素部10的周边部的单位像素3。在本实施方式的固体摄像元件中，聚光元件11的有效折射率分布在单位像素3内的光透过膜33的排列端侧变大，因此，角度大的入射光16在受光元件14上的偏向像素部10侧的位置汇聚于焦点，被聚光。
[0079]另一方面，如图4 (b)所示，在安装有长焦距透镜时，角度小的入射光17射入位于像素部10的周边部的单位像素3。在本实施方式的固体摄像元件中，聚光元件11只在单位像素3内的排列端侧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，也不会被过度弯曲，而在受光元件14上的像素部10的偏向中央部的位置汇聚于焦点，被聚光。
[0080]如上所述，即使从照相机的透镜110射入单位像素3的光发生从广角到窄角的大变化，也能够使入射光无损失地聚光于受光兀件14上。 [0081]图5是被布置在本实施方式的固体摄像元件的摄像面上的各单位像素3的聚光元件11的俯视图。另外，图6是图5的四个角即像素部10的视角(D端)的区域的单位像素3的聚光元件11的俯视图。
[0082]本实施方式的固体摄像元件，为了在像素部10的整个区域实现所述聚光效果，具有如下结构，即，在受光面上各单位像素3的光透过膜33的椭圆的长轴(图5的虚线)方向相对于连接各单位像素3的光透过膜33的同心结构的中心和固体摄像元件的像素部10的中心的矢量相正交。通过根据固体摄像元件的纵横像素比(也称之为长宽比)来使椭圆的长轴方向旋转，能够实现该结构。例如，在D端的区域，纵横像素比是1:1，是使长轴方向旋转了 45度的结构。通过采用这样的结构，能够在像素部10的H端、V端和D端全都实现相同的聚光效果。
[0083]图7是表示在本实施方式的在固体摄像元件中，聚光元件11的聚光效率(受光元件14的规格化灵敏度)的入射角度依赖性的图表。
[0084]如图7所示，由“?(黑色菱形)”所示的聚光元件11，能够对入射角度0°到40°左右的广范围的入射光进行高效率(80%以上)的聚光，与由“(黑色四角形)”所示的现有的聚光元件(式(1-4)中的G (X)=O的结构)相比，可知入射角度的范围被大幅度扩大，实现了广角化。
[0085]如上所述，根据本实施方式的固体摄像元件，在受光面上，随着远离同心结构的中心，聚光元件11的同心结构的形状发生从正圆成为椭圆的形状变化。并且，在像素部10的周边部的单位像素3，与中心部的单位像素3相比，椭圆区域在排列端侧变大。从而，利用有效折射率在单位像素3的端部周边的大幅减少率，能够将安装有广角透镜时的倾斜入射光大幅弯曲并导入受光元件。此时，椭圆区域只限于单位像素的端部周边，因此，对安装有长焦距透镜时的入射角度小的光无法进行大幅弯曲。其结果，即使因替换透镜等而射入单位像素的光的入射角度有了变化，也能够抑制灵敏度的降低。
[0086](第2实施方式)
[0087]本发明的第2实施方式的固体摄像元件与第I实施方式的不同点在于，由聚光元件11构成层内透镜，由同心结构的多个光透过膜组合而成的聚光元件11被配置成层内透镜。另外，微透镜被设置在滤色片12的上层，这一点也与第I实施方式不同。以下，利用图8以及图9，关于本实施方式的固体摄像元件，以不同于第I实施方式的点为中心进行说明。
[0088]图8是本实施方式的固体摄像元件的单位像素3的结构的剖面图。
[0089]在该单位像素3中，聚光元件11被配置在滤色片12的下层，并且在滤色片12的上层配置有微透镜20。如上所述，通过将具有图3 (c)的有效折射率分布的聚光元件11用作层内透镜，并将微透镜20配置在器件的最上面，构成2个透镜的组合结构，从而能够扩大入射光的入射角度范围。
[0090]图9是表示在本实施方式的在固体摄像元件中，聚光元件11的聚光效率(受光元件14的规格化灵敏度)的入射角度依赖性的图表。
[0091]如图9所示，在“?(黑色菱形)”所示的聚光元件11，针对入射角度从-10°左右到40°左右的宽范围的入射光，进行高效率(80%以上)的聚光，与采用了 “▲(黑色三角)”所示的现有的微透镜的聚光元件相比，可看出入射角度范围有大幅度扩大。
[0092]如上所述，根据本实施方式的固体摄像元件，通过将具有有效折射率分布的聚光元件11用作层内透镜，并配置微透镜20，能够扩大入射光的入射角度范围。
[0093]以上，关于本发明的固体摄像元件以及摄像装置，根据实施方式进行了说明，但本发明并不限定于这些实施方式。在不脱离本发明宗旨的范围内，实施由该领域技术人员想到的各种变形方式而成的形态也属于本发明的范围内。另外，在不脱离本发明宗旨的范围内，可以对多个实施方式的各结构要素进行任意组合。
[0094]本发明可利用于固体摄像元件，尤其可利用于数码静态照相机、数码摄像机以及附带照相机的手机等，因此适于工业利于。
[0095]符号说明
[0096]3、300 单位像素
[0097]10像 素部
[0098]11聚光元件
[0099]12、302 滤色片
[0100]13 配线
[0101]14,306受光元件
[0102]15半导体基板
[0103]16、17、356、357 入射光
[0104]18水平信号线
[0105]19垂直信号线
[0106]20微透镜
[0107]24垂直扫描电路
[0108]25 AD变换电路
[0109]26 圆柱型AD电路
[0110]27参照信号生成部
[0111]27a DAC
[0112]28 输出 I/F
[0113]30通信/定时控制部
[0114]33光透过膜
[0115]34 空气
[0116]35 线宽
[0117]42圆柱型放大器[0118]100固体摄像装置
[0119]110 透镜
[0120]120 DSP
[0121]121图像处理电路
[0122]122照相机系统控制部
[0123]130图像显示器件
[0124]140图像存储器
[0125]252电压比较部
[0126]254计数器部
[0127]256数据存储部
[0128]258 开关
[0129]262信号保持容量
[0130]263信号保持开关
[0131]303 Al 配线
[0132]304信号传送部
[0133]305微透镜
[0134]307 Si 基板
[0135]308平坦化层
【权利要求】
1.一种固体摄像元件，具有被排列成二维状的单位像素，该单位像素具有受光元件和聚光元件，所述固体摄像元件的特征在于: 所述聚光元件具有同心结构的多个光透过膜并具有由所述多个光透过膜的组合所控制的有效折射率分布，所述同心结构的多个光透过膜以射入所述受光元件的光的波长以下的线宽被分离，并以相对于所述聚光元件的受光面垂直方向的轴为中心， 所述同心结构的多个光透过膜的外缘的形状在所述受光面上为，与所述同心结构的中心最近的所述光透过膜呈正圆、与所述同心结构的中心远离的所述光透过膜呈椭圆， 所述椭圆的长轴相对于短轴的比率为，越是与所述同心结构的中心远离的所述光透过膜的外缘的形状，所述比率越高， 多个所述单位像素各自的所述椭圆的长轴方向，在所述受光面上，与连接多个所述单位像素各自的所述同心结构的中心和所述固体摄像元件的中心的矢量相正交。
2.如权利要求1所述的固体摄像元件， 所述固体摄像元件的中心的所述单位像素的所述同心结构的中心，在所述受光面上，与所述单位像素的中心一致， 与所述固体摄像元件的中心远离的所述单位像素的所述同心结构的中心，在所述受光面上，从所述单位像素的中心向所述固体摄像元件的中心偏离， 所述偏离的量，越是与所述固体摄像元件的中心远离的所述单位像素越大。
3.如权利要求1所述的固体摄像元件， 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结构的中心为顶点，并从所述同心结构的中心开始随着距离而呈抛物线状减少的分布， 所述聚光元件在所述受光面上的所述椭圆的短轴方向的所述有效折射率分布，具有从所述同心结构的中心开始与距离的4乘方成比例地减少的分布偏倚。
4.如权利要求1所述的固体摄像元件， 所述聚光元件构成层内透镜。
5.一种摄像装置，具备如权利要求1至4的任一项所述的固体摄像元件。
【文档编号】H01L27/14GK103620782SQ201280031195
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2012年6月26日 优先权日:2011年7月8日
【发明者】薄田学, 斋藤繁, 田中圭介, 小野泽和利 申请人:松下电器产业株式会社