攝像用光檢測裝置的製作方法

2023-05-05 02:22:46 1

專利名稱：攝像用光檢測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種為拍攝物體的影像所使用的攝像用光檢測裝置。
背景技術：
以往的攝像用光檢測裝置例如在非專利文獻1及非專利文獻2中公開。 下面說明這些文獻中所公開的攝像用光檢測裝置的概略。
圖9A是表示以往的攝像裝置概略結構的側面圖。自然光等的光入射於 物體1，在其上反射後的光通過透鏡系統2，在CCD或CMOS等的光檢測 裝置4上形成像3。透鏡系統2 —般情況下為了確保光學性能，組合沿著光 軸排列的多個透鏡來構成，但是在圖9A中簡化附圖，作為單個的透鏡進行 了描述。
圖9B是表示光檢測裝置4概略結構的附圖，是圖9A的部分9B放大 剖面圖。在形成有多個光電檢測器6的檢測基板5上，由Si02等構成的低 折射率透明緩衝層7、由SiN等構成的高折射率透明緩衝層8、多個彩色濾 光器9及多個微透鏡10按所提及的順序進行了層疊。在透明緩衝層7的和 透明緩衝層8相接的表面7a上，形成在各光電檢測器6之上透明緩衝層7 的膜厚變小的凹凸結構。另一方面，透明緩衝層8的和彩色濾光器9相接 的表面8a是平坦的。
微透鏡10配置在正交格子的各交叉點位置上，在各微透鏡10的中心 軸上配置1個彩色濾光器9及1個光電檢測器6。
微透鏡10起到使如光線lla'那樣對微透鏡10的中心軸產生位移併入 射的光折射、並將其導向光電檢測器6的作用。透明緩衝層7的表面7a的 凹凸結構也具有透鏡效應，起到使朝向遠離光電檢測器6中心的方向的發 散光11b'折射並將其導向光電檢測器6的作用。
彩色濾光器9包括紅透射濾光器9R、綠透射濾光器9G及藍透射濾光 器9B這3種，紅透射濾光器9R如圖10的曲線R所示具有將紅之外波長的光截止(吸收)的光透射特性(分光靈敏度特性)，綠透射濾光器9G如 圖10的曲線G所示具有將綠之外波長的光截止(吸收)的光透射特性(分 光靈敏度特性)，藍透射濾光器9B如圖10的曲線B所示具有將藍之外波 長的光截止(吸收)的光透射特性(分光靈敏度特性)(參見非專利文獻2)。 由包括紅透射濾光器9R、綠透射濾光器9G、藍透射濾光器9B及亮度檢測 用的綠透射濾光器9G這4個彩色濾光器9，以及它們所對應的4個光電檢 測器6，構成檢測彩色圖像信息的一個像素。
圖11是光檢測裝置4的檢測面放大平面圖。光電檢測器6在正交格子 的交叉點位置上相互分離且絕緣地進行配置。在水平方向相鄰的光電檢測 器6之間，設置作為按垂直方向延伸的信號布線的多個垂直傳送CCD17, 多個垂直傳送CCD17和作為按水平方向延伸的信號布線的水平傳送 CCD18進行連接。由微透鏡10聚光後的光通過位於其正下方的光電檢測 器6進行受光(接收光)，並執行光電變換。光電檢測器6中所蓄積的電荷 傳送給垂直傳送CCD17,再傳送給水平傳送CCD18，作為圖像信號進行輸 出。
在上述圖9B所示的光檢測裝置4中，為了對各光電檢測器6使特定色 的光入射，使用了彩色濾光器9。對此，提出了一種光檢測裝置(參見專利 文獻l)，該光檢測裝置如圖12所示，使用微稜鏡31使通過了微透鏡(未 圖示)後的來自被攝體的光30分散，由光電檢測器32R、 32G、 32B來檢 測紅(R)、綠(G)、藍(B)的各色光。
非專利文獻l:光技術〕乂夕夕卜(光技術通訊)，Vol.40，No. 1(2002)，
P24
非專利文獻2:卜，y-7夕技術(電晶體技術)，2003年2月號，
P128
專利文獻1:日本特表2002-502120號公報
針對攝像用光檢測裝置，對小型且高像素化的要求日益增高。但是， 在上述以往的攝像用光檢測裝置中，因為下面的理由，在滿足該要求的方 面存在限制。
第1理由，就圖9B所示的以往的攝像用光檢測裝置來說，是起因於使 用彩色濾光器9進行色分離。例如在藍透射濾光器9B中，由於藍之外波長的光被吸收，所以如同從圖IO可知的那樣，透射過藍透射濾光器器9B的 光是所入射光的僅僅2 3成左右。這對於其他的彩色濾光器9R、 9G也相 同。若為了高像素化減小了光電檢測器6的間隔，則光電檢測器6或微透 鏡10的尺寸變小。因此，對1個微透鏡10入射的光的光量減少，並且由 於由彩色濾光器9吸收其大部分，因而無法將足夠量的光供應給光電檢測 器6。從而，檢測信號被光散粒噪聲(shotnoise)等的噪聲信號掩蓋。因此， 在以往的攝像用光檢測裝置中，光電檢測器6的間隔以1.5/im左右為限度。
第2理由，就圖9B所示的以往攝像用光檢測裝置來說，是起因於以一 對一的形式與光電檢測器6相對應地配置微透鏡10。若為了高像素化，減 小了光電檢測器6的間隔，則微透鏡10的尺寸減小，與之相伴，透射過微 透鏡10的光束大小也變小。由於如透射過針孔後的光擴展角與針孔徑成反 比例那樣，若光束的大小(也就是微透鏡10的直徑)變得微小則光擴散(衍 射)的特性變得過大，因而難以使用微透鏡10獲得希望的聚光性能。為了 獲得微透鏡10的聚光性能，微透鏡10的直徑至少需要是波長的2 3倍以 上，這妨礙了高像素化。
就圖12所示的以往光檢測裝置來說，由於未使用吸收光的彩色濾光器， 因而光利用效率得到提高。但是，利用稜鏡分散特性的分光作用(由折射 角的波長而產生的差)非常小，紅和綠、或者綠和藍的光之間的位移非常 小。從而，在將稜鏡使用於光的分光時，需要將稜鏡和光檢測面之間的間 隔至少設定為數十 數百^mi以上，在試製的方面達不到實際的尺寸。

發明內容
本發明解決上述以往的問題，其目的為通過使光利用效率提高來大幅 度縮短光電檢測器的間隔，且同時實現微透鏡所需要的尺寸確保和像素的 高密度化。另外，本發明的目的為，通過利用較大的分光作用來實現具有 現實尺寸的光檢測裝置。
本發明的攝像用光檢測裝置，其特徵為，具備多個光檢測器，在基 板上按1維狀或者2維狀排列；低折射率透明層，形成於上述多個光檢測 器的上方；以及柱狀或板狀的多個高折射率透明部，沿著上述多個光檢測 器的排列方向，嵌入上述低折射率透明層內。2個以上的上述光檢測器與1
8個上述高折射率透明部相對應。對上述低折射率透明層及上述高折射率透 明部入射的光，藉助於因通過它們而在其波面上發生的相位位移，被分離
為0次衍射光、1次衍射光和-1次衍射光。
發明效果
根據本發明的攝像用光檢測裝置，由於不是通過光的吸收而是通過衍 射進行光的色分離，因而光的利用效率得到大幅提高。另外，每1個微透
鏡都能夠進行2種色信息的檢測。從而，能夠同時實現微透鏡的尺寸確保 和像素的高密度化。再者，由於利用因波長而產生的衍射角之差進行分光， 因而可以縮小高折射率透明部和光檢測器之間的間隔，能夠實現現實的尺 寸。


圖1A是表示本發明一個實施方式所涉及的攝像裝置概略結構的側面圖。
圖1B是表示本發明一個實施方式所涉及的攝像用光檢測裝置概略結 構的附圖，是圖1A的部分1B的放大剖面圖。
圖2是說明在本發明一個實施方式所涉及的攝像用光檢測裝置中由高 折射率透明部產生衍射光的原理的附圖。
圖3A是表示在本發明一個實施方式所涉及的攝像用光檢測裝置中，經 由紅規格高折射率透明部從微透鏡向光電檢測器傳播的紅波長的光的強度 分布的附圖。
圖3B是表示在本發明一個實施方式所涉及的攝像用光檢測裝置中，經 由紅規格高折射率透明部投影於光電檢測器上的紅波長的光的強度分布的 附圖。
圖4A是表示在本發明一個實施方式所涉及的攝像用光檢測裝置中，經 由紅規格高折射率透明部從微透鏡向光電檢測器傳播的藍綠波長的光的強 度分布的附圖。
圖4B是表示在本發明一個實施方式所涉及的攝像用光檢測裝置中，經 由紅規格高折射率透明部投影於光電檢測器上的藍綠波長的光的強度分布 的附圖。圖5是表示本發明一個實施方式所涉及的攝像用光檢測裝置結構要件 平面配置的光檢測面放大平面圖。
圖6A是在本發明一個實施方式所涉及的攝像用光檢測裝置中，表示光 電檢測器配置一例的附圖。
圖6B是在本發明一個實施方式所涉及的攝像用光檢測裝置中，表示光 電檢測器配置另一例的附圖。
圖7是表示本發明另一個實施方式所涉及的攝像用光檢測裝置結構要 件平面配置的光檢測面放大平面圖。
圖8A是說明在本發明一個實施方式所涉及的攝像用光檢測裝置中由 另一個高折射率透明部產生衍射光的原理的附圖。
圖8B是說明在本發明一個實施方式所涉及的攝像用光檢測裝置中由 又一個高折射率透明部產生衍射光的原理的附圖。
圖8C是說明在本發明一個實施方式所涉及的攝像用光檢測裝置中由 又一個高折射率透明部產生衍射光的原理的附圖。
圖8D是說明在本發明一個實施方式所涉及的攝像用光檢測裝置中由 又一個高折射率透明部產生衍射光的原理的附圖。
圖8E是說明在本發明一個實施方式所涉及的攝像用光檢測裝置中由 又一個高折射率透明部產生衍射光的原理的附圖。
圖8F是說明在本發明一個實施方式所涉及的攝像用光檢測裝置中由 又一個高折射率透明部產生衍射光的原理的附圖。
圖9A是表示以往攝像裝置概略結構的側面圖。
圖9B是表示以往攝像用光檢測裝置概略結構的附圖，是圖8A的部分 9B的放大剖面圖。
圖10是表示以往的攝像用光檢測裝置所使用的3種彩色濾光器分光靈 敏度特性的附圖。
圖H是表示以往攝像用光檢測裝置結構要件平面配置的光檢測面放大 平面圖。
圖12是表示使用微稜鏡進行色分離的以往光檢測裝置原理的附圖。
具體實施方式
在上述本發明的攝像用光檢測裝置中，優選的是，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檢測器來檢測。據 此，可以由不同的光檢測器分別檢測波長不同的光。
另外，優選的是，上述多個高折射率透明部至少包括在折射率、形狀、 或尺寸上相互不同的紅規格高折射率透明部、綠規格高折射率透明部及藍
規格高折射率透明部。這種情況下，優選的是，假設a、 b、 c為0以上的 整數，則在通過上述高折射率透明部後的光和通過上述低折射率透明層後 的光之間發生的上述相位位移，在上述紅規格高折射率透明部的情況下是 紅波長的(a+l/2)倍，在上述綠規格高折射率透明部的情況下是綠波長的 (b+l/2)倍，在上述藍規格高折射率透明部的情況下是藍波長的(c+l/2) 倍。據此，可以產生希望波長頻帶的衍射光及透射光。這裡，a、 b、 c是相 同的值，或是不同的值，都可以。
在上面，優選的是，上述a、 b、 c是0或者l。由於通過a、 b、 c取得 較小的值，就可以縮短高折射率透明部厚度方向的長度，因而可以減低光 損耗，並且製作較為容易。
另外，優選的是，上述多個高折射率透明部包括紅規格高折射率透明 部、綠規格高折射率透明部及藍規格高折射率透明部。這種情況下，優選 的是，假設a、 b、 c為0以上的整數，上述高折射率透明部及上述低折射 率透明層的折射率分別為n、 n。，則上述高折射率透明部厚度方向的長度h， 在上述紅規格高折射率透明部中滿足11=紅波長* (2*a+l) /{ (2* (n-no))， 在上述綠規格高折射率透明部中滿足11=綠波長* (2*b+l) /{ (2* (n-no))， 在上述藍規格高折射率透明部中滿足11=藍波長* (2*c+l) /{ (2* (n-no))。 據此，可以產生希望波長頻帶的衍射光及透射光。這裡，a、 b、 c是相同的 值，或是不同的值，都可以。
在上面，優選的是，上述a、 b、 c是0或者l。由於通過a、 b、 c取得 較小的值，就可以縮短高折射率透明部厚度方向的長度，因而可以減低光 損耗，並且製作較為容易。
另外，優選的是，上述多個高折射率透明部至少包括在折射率、形狀、 或尺寸上相互不同的與第1波長相對應的第1規格高折射率透明部及與第2 波長相對應的第2規格高折射率透明部。這種情況下，優選的是，假設a、b為0以上的整數，則在通過上述高折射率透明部後的光和通過上述低折射 率透明層後的光之間發生的上述相位位移，在上述第1規格高折射率透明 部的情況下是第l波長的(a+1/2)倍，在上述第2規格高折射率透明部的 情況下是第2波長的(b+1/2)倍。據此，可以產生希望波長頻帶的衍射光 及透射光。這裡，a、 b是相同的值，或是不同的值，都可以。
在上面，優選的是，上述a、 b是O或者l。由於通過a、 b取得較小的 值，就可以縮短高折射率透明部厚度方向的長度，因而可以減低光損耗， 並且製作較為容易。
另外，優選的是，上述多個高折射率透明部包括與第1波長相對應的 第1規格高折射率透明部及與第2波長相對應的第2規格高折射率透明部。 這種情況下，優選的是，假設a、 b為0以上的整數，上述高折射率透明部 及上述低折射率透明層的折射率分別為n、 n。，則上述高折射率透明部厚度 方向的長度h在上述第1規格高折射率透明部中滿足11=第1波長*(2*撲1) /((2^iMio))，在上述第2規格高折射率透明部中滿足11=第2波長*(2^+1) /{ (2* (n-n。))。據此，可以產生希望波長頻帶的衍射光及透射光。這裡， a、 b是相同的值，或是不同的值，都可以。
在上面，優選的是，上述a、 b是O或者l。由於通過a、 b取得較小的 值，就可以縮短高折射率透明部厚度方向的長度，因而可以減低光損耗， 並且製作較為容易。
另外，優選的是，上述多個高折射率透明部包括紅規格高折射率透明 部、綠規格高折射率透明部及藍規格高折射率透明部。這種情況下，優選 的是，在第1方向上，重複地配置上述紅規格高折射率透明部、上述綠規 格高折射率透明部及上述藍規格高折射率透明部的順序排列，或者上述紅 規格高折射率透明部、上述藍規格高折射率透明部及上述綠規格高折射率 透明部的順序排列，其中該第1方向與包含上述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間的交叉線平行。另外，優 選的是，與上述多個高折射率透明部分別對應的3個上述光檢測器沿著上 述第1方向配置，沿著上述第1方向配置的上述3個光檢測器之中兩外側 的2個光檢測器，還對應於在上述第1方向上與上述3個光檢測器所對應 的高折射率透明部相互相鄰的2個高折射率透明部。據此，能夠進行3個色的補色的色分離和檢測。
在上述情況下，優選的是，沿著上述第1方向配置的上述多個高折射 率透明部的列中的上述紅規格高折射率透明部、上述綠規格高折射率透明 部及上述藍規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方向上相互相鄰的2個列間錯位，錯位的量為上述第1方向的 配置間距。據此，可以抑制莫爾條紋的發生。
另外，優選的是，上述多個高折射率透明部包括紅規格高折射率透明 部、綠規格高折射率透明部及藍規格高折射率透明部。這種情況下，優選 的是，在第1方向上，上述紅規格高折射率透明部、上述綠規格高折射率 透明部及上述藍規格高折射率透明部之中的2個被交替配置，其中該第1 方向與包含上述0次衍射光、上述1次衍射光及上述-1次衍射光的面和上 述基板表面之間的交叉線平行。另外，優選的是，與上述多個高折射率透 明部分別對應的3個上述光檢測器沿著上述第1方向配置，沿著上述第1 方向配置的上述3個光檢測器之中兩外側的2個光檢測器，還對應於在上 述第1方向上與上述3個光檢測器所對應的高折射率透明部相互相鄰的2 個高折射率透明部。據此，能夠進行3個色的補色的色分離和檢測。
另外，優選的是，沿著第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 方向上相互相鄰的2個列間錯位，錯位的量為上述第1方向的配置間距的 一半，其中該第1方向與包含上述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間的交叉線平行。據此，可以使來自被攝 體的光的利用效率得到進一步提高。
下面，使用附圖來說明本發明的實施方式。在這些附圖中，對和以往 例通用的要件附上相同的符號。
圖1A是表示本發明一個實施方式所涉及的攝像裝置概略結構的側面 圖。自然光等的光入射於物體1，在其上反射後的光通過透鏡系統2在CCD 或CMOS等的光檢測裝置4上形成像3。透鏡系統2 —般情況下為了確保 光學性能，組合沿著光軸排列的多個透鏡來構成，但是在圖1A中簡化附圖， 作為單個的透鏡進行了描述。為了下面說明的方便，設定以光檢測裝置4 光檢測面(或者下述基板5的表面)的法線方向軸為Z軸、以與光檢測面平行的垂直方向軸為X軸、以與光檢測面平行的水平方向軸為Y軸的XYZ 正交坐標系。
圖IB是表示光檢測裝置4概略結構的附圖，是圖1A的部分IB的放 大剖面圖。在形成有多個光電檢測器6的檢測基板5上，由Si02等構成的 低折射率透明緩衝層7、由SiN等構成的低折射率透明緩衝層8、由Si02 等構成的低折射率透明層12及多個微透鏡IO按上面提到的順序進行層疊。 在低折射率透明層12中，嵌入由SiN等構成的多個高折射率透明部13。 在透明緩衝層7的和透明緩衝層8相接的表面7a上，形成在各微透鏡10 的中心軸上透明緩衝層7的膜厚變小的凹凸結構。另一方面，透明緩衝層8 的和低折射率透明層12相接的表面8a為平坦的。
微透鏡10配置在由在X軸方向上平行的多條直線及在Y軸方向上平 行的多條直線形成的正交格子的各交叉點位置上。高折射率透明部13和微 透鏡10以一對一的形式對應，在各微透鏡10的中心軸上配置1個高折射 率透明部13。光電檢測器6也配置在由在X軸方向上平行的多條直線及在 Y軸方向上平行的多條直線形成的正交格子的各交叉點位置上。X軸方向 上(圖1B圖紙的上下方向)相鄰的各微透鏡10的中心軸，每隔一個地通 過光電檢測器6的中心。Y軸方向上(圖1B與圖紙正交的方向)相鄰的各 微透鏡10的中心軸通過相鄰的各光電檢測器6中心(參見下述的圖5)。
微透鏡10起到使如光線lla'那樣相對微透鏡10的中心軸移位併入射 的光折射而將其導向光電檢測器6的作用。透明緩衝層7的表面7a的凹凸 結構也具有透鏡效應，起到使朝向遠離光電檢測器6中心的方向的發散光 11b'折射而將其導向光電檢測器6的作用。再者，由於高折射率透明部B 起到波導通路的功能，因而起到若入射了相對於微透鏡10的中心軸傾斜的 光，則矯正該光的傳播方向將其導向光電檢測器6的作用。
高折射率透明部13呈在Y軸方向上(圖1B與圖紙垂直的方向)連續 的板狀，或者與Y軸方向的微透鏡10配置位置以一對一的形式相對應而分 離的柱狀。在高折射率透明部13為柱狀的情況下，其Y軸方向尺寸是X 軸方向尺寸的2 3倍以上。高折射率透明部13包括其寬度(X軸方向尺 寸)w及長度(光檢測裝置4的厚度方向，也就是Z軸方向的尺寸)h不 同的紅規格高折射率透明部13R、綠規格高折射率透明部BG和藍規格高
14折射率透明部13B，它們按這裡提到的順序在X軸方向上重複地周期性配 置。紅規格高折射率透明部13R具有寬度WK、長度hk，綠規格高折射率透 明部13G具有寬度wc、長度hc，藍規格高折射率透明部13B具有寬度wB、 長度hB。入射到紅規格高折射率透明部13R上的光UR當在紅規格高折射 率透明部13R中出射時，在垂直方向面(XZ面)內分離為O次衍射光Ro、 1次衍射光R,、 -1次衍射光IL，，分別被光電檢測器6R-、 6RG、 6BR檢測。 入射到綠規格高折射率透明部13G上的光11G當在綠規格高折射率透明部 13G中出射時，在垂直方向面(XZ面)內分離為O次衍射光Go、 1次衍射 光G,、 -l次衍射光G.p分別被光電檢測器6G-、 6GB、 6RG檢測。入射到 藍規格高折射率透明部13B上的光11B當在藍規格高折射率透明部13B中 出射時，在垂直方向面(XZ面)內分離為O次衍射光Bo、 1次衍射光B。 -l次衍射光B.p分別被光電檢測器6B-、 6BR、 6GB檢測。為了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離，優選的是，在 高折射率透明部13的前端和光電檢測器6之間設計大於等於1/im的間隔。
圖2是說明在本實施方式的攝像用光檢測裝置中由高折射率透明部13 產生衍射光的原理的附圖。高折射率透明部13為寬度(X軸方向尺寸)w、 長度(Z軸方向尺寸)h的在Y軸方向(與圖2的圖紙垂直的方向)延伸 的板狀。將高折射率透明部13的折射率設為n，將其周圍低折射率透明層 12的折射率設為iio。假設經過微透鏡10對高折射率透明部13入射的光11 的波面為平面波15，則因為該光11透射過高折射率透明部13及其周圍的 低折射率透明層12，所以在出射光的波面16上發生下式所示的相位位移d (換算為真空中的長度)。
(公式l)d=h (n-n0)
利用該相位位移，出射光衍射為O次衍射光Do、 1次衍射光D,、 -l次 衍射光D_,。此時的衍射效率由相位位移d和高折射率透明部13的寬度w (也就是，相對於入射光11的光分布14擴展的高折射率透明部13的剖面 面積佔有率)大小，來決定。
假設紅波長為XR、綠波長為XG、藍波長為XB，則在本實施方式中， 如紅規格下為d=1.5XR，綠規格下為d^.5XG，藍規格下為d-1.5XB那樣設 定了高折射率透明部13的尺寸。也就是說，高折射率透明部13的長度如下確定。
(公式2) hR=1.5XR/ (n-n0) (公式3) hG=1.5XG/ (n-n0) (公式4)hB=1.5XB/ (n-n0)
根據(公式2)，在紅規格高折射率透明部13R中紅波長XR的光發生 1.5波長量的相位位移，綠波長XG的光發生1.5* (XRAG)波長量的相位 位移，藍波長XB的光發生1.5^XRAB)波長量的相位位移。假設XR-0.65/mi、 XG-0.54pm、 XB=0.45/mi，則對於綠波長入G的光、藍波長XB的光來說分 別為1.81波長量、2.17波長量的相位位移。由於光是波，因而整數部分的 相位位移和零等價。從而，若從各色的相位位移中省略掉整數部分，則紅 波長的光為0.5波長的相位位移，綠波長的光及藍波長的光全都為0.2波長 以下的相位位移。從而，紅波長的光衍射得較強，其O次衍射光Do為零， 其能量分配給1次衍射光D,及-1次衍射光D.p另一方面，綠波長的光及 藍波長的光的衍射較弱，其1次衍射光D,及-1次衍射光D.i較小，大半的 能量分配給O次衍射光Do。
根據(公式3)，在綠規格高折射率透明部13G中紅波長XR的光發生 1.5* (入G/XR)波長量的相位位移，綠波長XG的光發生1.5波長量的相位 位移，藍波長XB的光發生1.5* (XG/XB)波長量的相位位移。假設 XR=0.65/rai、入G-0.54/mi、 XB=0.45/mi，則對於紅波長XR的光、藍波長XB 的光來說分別為L25波長量、1.80波長量的相位位移。若從各色的相位位 移省略掉整數部分，則綠波長的光為0.5波長的相位位移，紅波長的光及藍 波長的光全都為0.25波長以下的相位位移。從而，綠波長的光衍射得較強， 0次衍射光D。為零，其能量分配給1次衍射光D,及-1次衍射光Dd。另一 方面，紅波長的光及藍波長的光的衍射較弱，其1次衍射光A及-1次衍射 光D.i較小，大半的能量分配給0次衍射光Do。
根據(公式4)，在藍規格高折射率透明部13中紅波長XR的光發生1.5* (XB/XR)波長量的相位位移，綠波長XG的光發生1.5* (XB/入G)波長量的 相位位移，藍波長XB的光發生1.5波長量的相位位移。假設XR=0.65ium、 XG-0.54)tim、 XB=0.45/mi,則對於紅波長XR的光、綠波長入G的光來說分 別為1.04波長量、1.25波長量的相位位移。若從各色的相位位移省略掉整數部分，則藍波長的光為0.5波長的相位位移，紅波長的光及綠波長的光全 都為0.25波長以下的相位位移。從而，藍波長的光衍射得較強，O次衍射 光D。為零，其能量分配給1次衍射光D,及-1次衍射光D.,。另一方面，紅 波長的光及綠波長的光的衍射較弱，其1次衍射光D,及-1次衍射光較 小，大半的能量分配給O次衍射光Do。
從而，在圖1B中，對光電檢測器6R-入射紅之外(綠和藍，也就是青) 的光，對6G-入射綠之外(紅和藍，也就是品紅)的光，對6B-入射藍之外 (紅和綠，也就是黃)的光，對光電檢測器6GB入射綠和藍(也就是青) 的光，對6BR入射藍和紅(也就是品紅)的光，對6RG入射紅和綠(也 就是黃)的光。
圖3A及圖4A是表示在本實施方式的攝像用光檢測裝置中從微透鏡10 經過紅規格高折射率透明部13R向光電檢測器6傳播的光強度分布圖的附 圖(只表示從高折射率透明部出射後的強度分布)，圖3B及圖4B是表示 光電檢測器6上所投影的光強度分布的附圖。這裡，作為高折射率透明部， 示例出使用紅規格高折射度透明部13R的情形，設為其寬度w=0.35|[mi， 長度h=1.8Mm。紅規格高折射率透明部13R的末端與高折射率透明緩衝層 8的平坦面8a (參見圖1A)相接，在微透鏡10的中心軸上，將微透鏡的 厚度設為0.3/xm，將低折射透明緩衝層7的膜厚設為1.5^m，將高折射率透 明緩衝層8的膜厚設為0.4jum。微透鏡10和透明緩衝層7及低折射率透明 層12的折射率同樣為no，透明緩衝層8及高折射率透明部13R的折射率同 樣為n。圖3A及圖3B是光的波長>^0.65拜(紅波長)、n=2.020、 no=1.454 的條件下的對微透鏡10沿著其中心軸入射的光的波動計算結果，圖4A及 圖4B是光的波長>K).50/mi (藍綠色綠波長)、n=2.212、 no=1.461的條件下 的對微透鏡10沿著其中心軸入射的光的波動計算結果。由圖3A及圖3B 可知，紅波長(X=0.65/mi)的光衍射得較強，0次衍射光為零，其能量分 配給±1次衍射光，由圖4A及圖4B可知，藍綠波長(X=0.50/mi)的光的衍 射較弱，士l次衍射光較小，大半的能量分配給O次衍射光。
圖5是包含本實施方式的攝像用光檢測裝置光檢測面在內的結構要件 的放大平面圖。在Y軸方向相鄰的光電檢測器6間，設置作為在X軸方向 上延伸的信號布線的多條垂直傳送CCD17，多條垂直傳送CCD17和作為在Y軸方向上延伸的信號布線的水平傳送CCD18進行連接。
由微透鏡10聚光後的光通過透射過位於其正下方的高折射率透明部 13R、 13G、 13B,並進行衍射，從而在XZ面內按每一波長分離，由光電 檢測器6R-、 6G-、 6B-、 6GB、 6BR、 6RG進行受光，執行光電變換。各光 電檢測器中所蓄積的電荷向垂直傳送CCD17傳送，還向水平傳送CCD18 傳送，作為圖像信號進行輸出。
在X軸方向上，高折射率透明部13R、 13G、 13B按所提及的順序排 列，並且該排列被重複配置。沿X軸方向的高折射率透明部的列上高折射 率透明部的配置間距為一定。這樣沿著X軸方向所配置的高折射率透明部 的列，在X軸方向分別錯位1個間距的同時，在Y軸方向進行了配置。其 結果為，在Y軸方向上，高折射率透明部13R、 13G、 13B也按所提及的 順序排列，並且該排列被重複配置。
光電檢測器6R-、 6G-、 6B-分別配置在高折射率透明部13R、 13G、 13B 的正下方(也就是，各微透鏡10的中心軸上)。再者，在X軸方向上，在 光電檢測器6R-、 6G-間配置光電檢測器6RG，在光電檢測器6G、 6B間配 置光電檢測器6GB，在光電檢測器6B-、 6R-間配置光電檢測器6BR。雖然 光電檢測器6R-、 6G-、 6B-的寬度(X軸方向尺寸)w!和光電檢測器6GB、 6BR、 6RG的寬度(X軸方向尺寸)W2相同或者不同都可以，但是因為與
0次衍射光相比，對於1次衍射光來說其光點易於擴大，所以優選的是W2
>w。
在圖9B所示的以往攝像用光檢測裝置中，獲取紅、綠、藍3色的圖像 信息，將其組合來製作出彩色圖像。與此相對，在本實施方式中，獲取相 當於3原色的補色的青、品紅、黃的3個圖像信息，將其組合來製作彩色 圖像。青的信號由光電檢測器6R-、 6GB來檢測，品紅的信號由光電檢測 器6G-、 6BR來檢測，黃的信號由光電檢測器6B-、 6RG來檢測。
如上所述，在圖9B所示的以往攝像用光檢測裝置中，由於採用有選擇 地吸收紅、綠、藍3色之中的2色的彩色濾光器9，來進行光的色分離，因 而由彩色濾光器9吸收了7 8成的光。與此相對，在本實施方式的攝像用 光檢測裝置中，由於不是光的吸收，而是利用光的衍射來進行光的色分離， 因而可以有效利用光的全部能量。從而，在本實施方式中，光的利用效率
18提高為以往的3 4倍。
另外，在圖9B所示的以往攝像用光檢測裝置中，由1個微透鏡檢測1 個色的信息。與此相對，在本實施方式的攝像用光檢測裝置中，由1個微 透鏡檢測2種色信息。從而，若使微透鏡10的尺寸固定而進行比較，則在 本實施方式中與以往相比，能夠使像素密度達到2倍。
再者，在圖12所示的以往光檢測裝置中，由於為了進行光的色分離， 利用稜鏡的分散特性，因而存在分光的作用(折射角的基于波長而產生的 差)較小這樣的問題。與此相對，在本實施方式的攝像用光檢測裝置中， 由於利用光的波面上發生的相位位移，因而分光的作用(衍射角的基于波 長而產生的差)較大。從而，如圖3B及圖4B所示，只要將高折射率透明 部的前端和光檢測面之間的間隔僅僅設定為1 2/mi，就可以在0次光(補 色)和±1次光(源色)的3個光點間帶來0.5/xm以上的位移，在試製的方 面可以說是足夠現實的尺寸。
圖6A.是表示本實施方式攝像用光檢測裝置的光電檢測器配置一例的 附圖，該配置和圖5所示的配置相同。圖6A放大表示出多個光電檢測器一 部分的配置。從用單點劃線所示的任意位置矩形框19內包含的2個(X軸 方向)x2個(Y軸方向)的4個光電檢測器一定可以檢測3原色的補色的 信號。從而，可以由矩形框19內的4個光電檢測器構成檢測彩色圖像的一 個像素，能夠將該像素形成於光檢測裝置的光檢測面全部區域上。
可以從任意位置矩形框19內包含的2個(X軸方向)x2個(Y軸方 向)的4個光電檢測器檢測3原色的補色信號的光電檢測器配置不限定為 圖6A。
例如，通過在X軸方向上，重複配置高折射率透明部13R、 13G、 13B 的順序排列，就可以實現和圖6A不同的光電檢測器配置。
或者，也可以在X軸方向上交替配置高折射率透明部13R、 13G、 13B 之中的2個，且在Y軸方向上重複配置高折射率透明部13R、 13G、 13B 的順序排列。圖6B表示按上述方法配置高折射率透明部13R、 13G、 13B 時的光電檢測器配置。這種情況下，從用單點劃線所示的任意位置矩形框 19內包含的2個(X軸方向)x2個(Y軸方向)的4個光電檢測器一定 可以檢測3原色的補色的信號。還有，也可以在X軸方向上交替配置高折之中的2個，且在Y軸方向上重複配置高折 射率透明部13R、 13G、 13B的順序排列。
也可以將構成沿X軸方向的微透鏡和高折射率透明部的各列的、微透 鏡以及高折射率透明部的X軸方向的位置，在Y軸方向相鄰的列間，錯開 X軸方向的配置間距一半。圖7表示這樣所配置的本發明攝像用光檢測裝 置的放大平面圖一例。圖7是將圖5所示的微透鏡及高折射率透明部X軸 方向的位置在Y軸方向相鄰的列間按X軸方向依順序分別錯開0.5個間距 的附圖。按照微透鏡及高折射率透明部的錯位，光電檢測器X軸方向的位 置也錯開。通過象圖7那樣配置，就可以將和Z軸平行地看上去時為圓形 的微透鏡配置為蜂窩狀。從而，可以減小微透鏡及高折射率透明部Y軸方 向的配置間距，進一步提高來自被攝體的光的利用效率。圖7表示圖5所 示的配置的變形例，但是對於圖5之外的配置也可以同樣地進行配置。
在上述實施方式中，以使相位位移d在紅規格下為d-1.5XR，在綠規格 下為d-1.5XG，在藍規格下為d=1.5XB的方式設定了各高折射率透明部13R、 13G、 13B。雖然認為該條件是高折射率透明部13R、 13G、 13B的最佳組 合，但是本發明不限定於此。例如，也可以設定高折射率透明部13R、 13G、 13B之中的至少l個，以使得d-(0以上的整數+0.5) xX(入是XR、入G、 XB 中的某一個)。
也就是說，高折射率透明部13的長度也可以取代(公式2)、(公式3)、 (公式4)，將a、 b、 c作為O以上的整數如下進行決定。 (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)，採用了下式 (公式6')ho=2.5XG/ (n-n0)
則在綠規格高折射率透明部13B中紅波長XR的光發生2.5* (XG/MO 波長量的相位位移，綠波長>G的光發生2.5波長量的相位位移，藍波長XB 的光發生2.5* (XG/XB)波長量的相位位移。假設XR=0.65/mi、 >sG=0.54/mi、 XB=0.45/ n，則對於紅波長XR的光、藍波長XB的光來說，分別為2.08波 長量、3.0波長量的相位位移。若從各色的相位位移省略掉整數部分，則綠
20波長的光為0.5波長的相位位移，紅波長的光及藍波長的光全都為0.1以下 波長的相位位移。從而，綠波長的光衍射得較強，0次衍射光Do為零，其 能量分配給1次衍射光D,及-1次衍射光D.,。另一方面，紅波長的光及藍 波長的光的衍射非常弱，其1次衍射光D,及-1次衍射光D-,幾乎是零，大 部分的能量分配給0次衍射光Do。
在上述實施方式中，表示出了為了將可見光區域的光分離為紅、綠、 藍3原色的補色，使用紅規格、綠規格及藍規格的3種高折射率透明部的 例子。但是，本發明不限定於此。
例如，除了上述3種高折射率透明部之外，還可以附加別的波長(例 如紅外光的波長)所對應的1種以上高折射率透明部。或者，將紅規格、 綠規格及藍規格的高折射率透明部之中的任意1個以上，變更為3原色之 外的波長(例如紅外光的波長)所對應的高折射率透明部。
再者，不是將高折射率透明部的規格種類數設為3個以上，例如也可 以設為2個。這種情況下，優選的是，假設第l波長(例如紅外光的波長) 為X1，第2波長(例如綠光的波長)為X2， a、 b為0以上的整數，則設定 第1規格及第2規格高折射率透明部的尺寸，以使得相位位移d在第1波 長所對應的第1規格高折射率透明部中為入1* (a+l/2)，在第2規格所對應 的第2規格高折射率透明部中為>^2* (b+l/2)。也就是說，優選的是，第l 規格及第2規格高折射率透明部厚度方向的長度hl、 h2如下進行設定。
(公式8)M=M* (2*a+l) /{2* (n-no) }
(公式9)h2=A2* (2*b+l) /{2* (n畫no) }
這種情況下，也和上述實施方式相同，由於a、b越是取得較小的值(例 如0或1)，越是可以縮短高折射率透明部的長度，因而可以減低光損耗， 並且製作較為容易。
另外，在上述實施方式中，雖然各高折射率透明部13如圖2所示，具 有寬度w在Z軸方向上為一定的形狀，但是既可以如圖8A所示，是具有 不同的2個寬度w、 w'的形狀，也可以如圖8B所示，是具有不同的3個以 上寬度的形狀。再者，也可以是如圖8C所示，在Z軸方向上寬度逐漸變 窄(或者變寬)的形狀。另外，如圖8D所示，高折射率透明部13也可以 象一次性筷子那樣在光電檢測器一側按寬度方向分開為2個以上。按Y軸方向相鄰的高折射率透明部13既可以一邊改變長度h (Z軸方向的尺寸)， 一邊相互在一部分上連續，也可以完全獨立(截斷)。在獨立的情況下，在 相鄰的高折射率透明部間填充低折射率透明層12。
另外，在上述實施方式中，雖然在Z軸方向上，高折射率透明部13和 微透鏡10的下面相接，但是高折射率透明部13和微透鏡10也可以分離。 這種情況下，在兩者間也可以設置低折射率透明層12。
高折射率透明部13由於具有將所入射的光一邊抑制其擴展一邊導向光 電檢測器一側這樣的作為波導通路的功能，因而根據條件的不同，也可以 省略具有和其相似功能的微透鏡10。但是，由於高折射率透明部13按Y 軸方向延伸設置，因而在Y軸方向上作為波導通路的效果較少。從而，為 了使高折射率透明部13成為微透鏡10的替代，優選的是，至少在高折射 率透明部13及低折射率透明層12的入射方表面上，按高折射率透明部的 每列形成以X軸方向為中心軸方向的圓柱形面。
再者，在上述實施方式中，通過在透明緩衝層7和透明緩衝層8相接 的表面7a上形成凹凸結構，使之發揮透鏡效應，來使朝向遠離光電檢測器 6中心的方向的發散光llb'折射，將其導向光電檢測器6。通過在高折射率 透明部13的光電檢測器6側端形成圖8E的透鏡形狀13a或圖8F的透鏡形 狀13b，就可以使高折射率透明部13實現該作用。據此，可以省去透明緩 衝層7的表面7a凹凸結構或高折射率的透明緩衝層8，將緩衝層7、 8更換 為單層的透明緩衝層。
在上述實施方式中，雖然光電檢測器6沿著X軸方向及Y軸方向按2 維狀來排列，但是也可以按1維狀來排列。這種情況下，微透鏡10及高折 射率透明部13也沿著光電檢測器6的排列方向，按1維狀來排列。
在上述實施方式中，雖然按照要進行分光的波長，使高折射率透明部 的尺寸(長度h)不同，但是也可以使高折射率透明部的折射率或形狀不同， 並且此時也可以和上述實施方式相同，產生相位位移，對希望波長的光進 行分光。
在上述實施方式中，雖然表示出作為高折射率透明部13的材料使用了 SiN的例子，但是本發明不限定於此，只要是例如氧化鉭或氧化鈦等的高 折射率材料，或者可以確保相對於低折射率透明層12有0.2以上的折射率差的材料，也可以使用聚醯亞胺樹脂等的樹脂材料或納米複合材料等。
在圖9B及圖ll所示的以往光檢測裝置的受光區域內，因為實際上在 微透鏡和光電檢測器之間存在金屬布線等的遮光部，所以對受光區域所入 射的光一部分被遮光部遮擋。這在上述實施方式所示的光檢測裝置中也相 同。但是，近年來開發出一種不受到金屬布線的影響而可以由受光區域的 整個面進行受光的背面照射型固體攝像元件。若將可以通過利用光的衍射 進行色分離來提高光利用效率的本發明光檢測裝置，適用於上述背面照射 型固體攝像元件中，則可以使光利用效率得到進一步提高，認為是有效的。
上面所說明的實施方式歸根結底意圖在於使本發明的技術內容變得明 確，本發明並不僅僅限定為這種具體例進行解釋，而可以在本發明的宗旨 和權利要求所述的範圍內進行各種各樣的變更，加以實施，應該廣義地解 釋本發明。
產業上的可利用性
本發明的利用領域沒有特別限制，可以作為用來拍攝物體的像的、小 型且高解析度的攝像用光檢測裝置，加以廣泛利用。
權利要求
1、一種攝像用光檢測裝置，其特徵為，具備多個光檢測器，在基板上按1維狀或者2維狀排列；低折射率透明層，形成於上述多個光檢測器的上方；以及柱狀或板狀的多個高折射率透明部，沿著上述多個光檢測器的排列方向，嵌入上述低折射率透明層內；2個以上的上述光檢測器與1個上述高折射率透明部相對應，對上述低折射率透明層及上述高折射率透明部入射的光，藉助於因通過它們而在其波面上發生的相位位移，被分離為0次衍射光、1次衍射光和-1次衍射光。
2、 如權利要求1所述的攝像用光檢測裝置，其特徵為，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 述光檢測器來檢測。
3、 如權利要求1所述的攝像用光檢測裝置，其特徵為， 上述多個高折射率透明部至少包括在折射率、形狀、或尺寸上相互不同的紅規格高折射率透明部、綠規格高折射率透明部及藍規格高折射率透 明部，假設a、 b、 c為0以上的整數，則在通過上述高折射率透明部後的光 和通過上述低折射率透明層後的光之間發生的上述相位位移，在上述紅規 格高折射率透明部的情況下是紅波長的(a+1/2)倍，在上述綠規格高折射 率透明部的情況下是綠波長的(b+1/2)倍，在上述藍規格高折射率透明部 的情況下是藍波長的(c+1/2)倍。
4、 如權利要求3所述的攝像用光檢測裝置，其特徵為， 上述a、 b、 c是0或者1。
5、 如權利要求1所述的攝像用光檢測裝置，其特徵為，上述多個高折射率透明部包括紅規格高折射率透明部、綠規格高折射 率透明部及藍規格高折射率透明部，假設a、 b、 c為0以上的整數，上述高折射率透明部及上述低折射率 透明層的折射率分別為n、 n。，則上述高折射率透明部厚度方向的長度h， 在上述紅規格高折射率透明部中滿足11=紅波長* (2*a+l) /{ (2* (n-n。) }， 在上述綠規格高折射率透明部中滿足11=綠波長* (2*b+l) /{ (2* (n-n。) }， 在上述藍規格高折射率透明部中滿足11=藍波長* (2*c+l) /{ (2* (n-n。) }。
6、 如權利要求5所述的攝像用光檢測裝置，其特徵為， 上述a、 b、 c是0或者1。
7、 如權利要求1所述的攝像用光檢測裝置，其特徵為， 上述多個高折射率透明部至少包括在折射率、形狀、或尺寸上相互不同的與第1波長相對應的第1規格高折射率透明部及與第2波長相對應的 第2規格高折射率透明部，假設a、 b為0以上的整數，則在通過上述高折射率透明部後的光和通 過上述低折射率透明層後的光之間發生的上述相位位移，在上述第1規格 高折射率透明部的情況下是第1波長的(a+l/2)倍，在上述第2規格高折 射率透明部的情況下是第2波長的(b+l/2)倍。
8、 如權利要求7所述的攝像用光檢測裝置，其特徵為， 上述a、 b是0或者l。
9、 如權利要求1所述的攝像用光檢測裝置，其特徵為， 上述多個高折射率透明部包括與第1波長相對應的第1規格高折射率透明部及與第2波長相對應的第2規格高折射率透明部，假設a、 b為0以上的整數，上述高折射率透明部及上述低折射率透明 層的折射率分別為n、 n。，則上述高折射率透明部厚度方向的長度h在上述 第1規格高折射率透明部中滿足11=第1波長* (2*a+l) /{ (2* (n-no) }， 在上述第2規格高折射率透明部中滿足h-第2波長^2、+l)/"2唚n-no))。
10、 如權利要求9所述的攝像用光檢測裝置，其特徵為， 上述a、 b是0或者1。
11、 如權利要求1所述的攝像用光檢測裝置，其特徵為， 上述多個高折射率透明部包括紅規格高折射率透明部、綠規格高折射率透明部及藍規格高折射率透明部，在第1方向上，重複地配置上述紅規格高折射率透明部、上述綠規格 高折射率透明部及上述藍規格高折射率透明部的順序排列，或者上述紅規 格高折射率透明部、上述藍規格高折射率透明部及上述綠規格高折射率透 明部的順序排列，其中該第1方向與包含上述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間的交叉線平行，與上述多個高折射率透明部分別對應的3個上述光檢測器沿著上述第 1方向配置，沿著上述第1方向配置的上述3個光檢測器之中兩外側的2個光檢測 器，還對應於在上述第1方向上與上述3個光檢測器所對應的高折射率透 明部相互相鄰的2個高折射率透明部。
12、 如權利要求ll所述的攝像用光檢測裝置，其特徵為， 沿著上述第1方向配置的上述多個高折射率透明部的列中的上述紅規格高折射率透明部、上述綠規格高折射率透明部及上述藍規格高折射率透 明部的上述第1方向位置，在和上述第1方向正交的第2方向上相互相鄰 的2個列間錯位，錯位的量為上述第1方向的配置間距。
13、 如權利要求1所述的攝像用光檢測裝置，其特徵為， 上述多個高折射率透明部包括紅規格高折射率透明部、綠規格高折射率透明部及藍規格高折射率透明部，在第1方向上，上述紅規格高折射率透明部、上述綠規格高折射率透 明部及上述藍規格高折射率透明部之中的2個被交替配置，其中該第1方 向與包含上述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間的交叉線平行，與上述多個高折射率透明部分別對應的3個上述光檢測器沿著上述第 1方向配置，沿著上述第1方向配置的上述3個光檢測器之中兩外側的2個光檢測 器，還對應於在上述第1方向上與上述3個光檢測器所對應的高折射率透 明部相互相鄰的2個高折射率透明部。
14、如權利要求1所述的攝像用光檢測裝置，其特徵為， 沿著第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方向上相互相鄰的2 個列間錯位，錯位的量為上述第1方向的配置間距的一半，其中該第l方 向與包含上述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 基板表面之間的交叉線平行。
全文摘要
攝像用光檢測裝置具備多個光檢測器(6)，在基板(5)上按1維狀或者2維狀來排列；低折射率透明層(12)，形成於多個光檢測器的上方；以及柱狀或板狀的多個高折射率透明部(13)，沿著多個光檢測器的排列方向，嵌入低折射率透明層內。對低折射率透明層及高折射率透明部入射的光藉助於因通過它們而在其波面上發生的相位位移，被分離為0次衍射光、1次衍射光和-1次衍射光。據此，可以實現光利用效率的提高和像素的高密度化。
文檔編號H04N5/335GK101548381SQ20088000089
公開日2009年9月30日 申請日期2008年7月22日 優先權日2007年8月6日
發明者西脅青兒 申請人:松下電器產業株式會社