特許 6650209 イメージセンサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6650209

(24)【登録日】2020年1月22日

(45)【発行日】2020年2月19日

(54)【発明の名称】イメージセンサ

(51)【国際特許分類】

   H01L 27/146 20060101AFI20200210BHJP

   G02B 5/20 20060101ALI20200210BHJP

【ＦＩ】

   H01L27/146 D

   G02B5/20 101

【請求項の数】14

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2015-92126(P2015-92126)

(22)【出願日】2015年4月28日

(65)【公開番号】特開2015-213172(P2015-213172A)

(43)【公開日】2015年11月26日

【審査請求日】2018年4月2日

(31)【優先権主張番号】10-2014-0052983

(32)【優先日】2014年4月30日

(33)【優先権主張国】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】390019839

【氏名又は名称】三星電子株式会社

【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．

(74)【代理人】

【識別番号】110000671

【氏名又は名称】八田国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】南 聖 ▲げん▼

(72)【発明者】

【氏名】盧 淑 英

(72)【発明者】

【氏名】尹 錫 皓

(72)【発明者】

【氏名】申 昶 均

(72)【発明者】

【氏名】洪 鉉 珪

【審査官】 田邊 顕人

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−０２３１１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０４９６２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／０３４１４９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００３−０７８９１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／１６４９０２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１２−０１５４２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１４３７３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−３４２１４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／０１６１９５（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２７／１４６

Ｇ０２Ｂ ５／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１波長の光を感知する多数の第１画素が配列されている第１画素行と、
前記第１画素行に隣接して配置されたものであり、第２波長の光を感知する多数の第２画素と、第３波長の光を感知する多数の第３画素とが互いに交互に配列されている第２画素行と、
前記多数の第２画素にそれぞれ配置されたものであり、第２画素に入射する第２波長の光の比率を上昇させ、第３画素に入射する第３波長の光の比率を上昇させるように、入射光のスペクトル分布を変える多数の第１色分離素子と、
前記第１画素行内で、前記多数の第１画素にそれぞれ配置された多数の第１マイクロレンズと、
前記第２画素行内で、前記それぞれの第２画素を中心にその両側の第３画素の一部領域まで延びて配置された多数の第２マイクロレンズと、を含むイメージセンサ。

【請求項2】

前記第１画素は、入射光を電気的信号に変換する光検出素子、前記光検出素子上に配置されたものであり、第１波長の光を透過させる第１カラーフィルタ、及び前記第１カラーフィルタ上に配置された透明カバー層を含み、
前記第２画素は、入射光を電気的信号に変換する光検出素子、前記光検出素子上に配置されたものであり、第２波長の光を透過させる第２カラーフィルタ、及び前記第２カラーフィルタ上に配置された透明カバー層を含み、
前記第３画素は、入射光を電気的信号に変換する光検出素子、前記光検出素子上に配置されたものであり、第３波長の光を透過させる第３カラーフィルタ、及び前記第３カラーフィルタ上に配置された透明カバー層を含むことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。

【請求項3】

前記第１マイクロレンズ及び第２マイクロレンズは、前記透明カバー層上に配置されていることを特徴とする請求項２に記載のイメージセンサ。

【請求項4】

前記第１色分離素子は、前記透明カバー層内に埋め込まれて固定されていることを特徴とする請求項２に記載のイメージセンサ。

【請求項5】

前記第１色分離素子は、第２波長の光を第２画素に向けて正面から透過させ、第３波長の光を第２画素の両側にある第３画素に向けてエッジに屈折させるように構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のイメージセンサ。

【請求項6】

第１波長は、緑色帯域であり、第２波長は、青色帯域であり、第３波長は、赤色帯域であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のイメージセンサ。

【請求項7】

第１波長は、緑色帯域であり、第２波長は、赤色帯域であり、第３波長は、青色帯域であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のイメージセンサ。

【請求項8】

前記第１画素行と第２画素行とが、互いに対してそれぞれの画素の幅の半分ほどシフトされていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のイメージセンサ。

【請求項9】

前記第１画素行は、前記多数の第１画素と交互に配列されている多数の第４画素をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。

【請求項10】

第１波長は、マゼンタ帯域であり、第２波長は、シアン帯域であり、第３波長は、イエロー帯域であり、第４波長は、緑色帯域であることを特徴とする請求項９に記載のイメージセンサ。

【請求項11】

第１波長は、マゼンタ帯域であり、第２波長は、イエロー帯域であり、第３波長は、シアン帯域であり、第４波長は、緑色帯域であることを特徴とする請求項９に記載のイメージセンサ。

【請求項12】

第１波長の光を感知する多数の第１画素と、第２波長の光を感知する多数の第２画素とが互いに交互に配列されている第１画素行と、
前記第１画素行に隣接して配置されたものであり、第１波長の光を感知する多数の第１画素と、第３波長の光を感知する多数の第３画素とが互いに交互に配列されている第２画素行と、
前記多数の第２画素にそれぞれ配置されたものであり、第２画素に入射する第２波長の光の比率を上昇させ、第１画素に入射する第１波長の光の比率を上昇させるように、入射光のスペクトル分布を変える多数の第１色分離素子と、
前記多数の第３画素にそれぞれ配置されたものであり、第３画素に入射する第３波長の光の比率を上昇させ、第１画素に入射する第１波長の光の比率を上昇させるように、入射光のスペクトル分布を変える多数の第２色分離素子と、
前記第１画素行内で、前記それぞれの第２画素を中心にその両側の第１画素の一部領域まで延びて配置された多数の第１マイクロレンズと、
前記第２画素行内で、前記それぞれの第３画素を中心にその両側の第１画素の一部領域まで延びて配置された多数の第２マイクロレンズと、を含むイメージセンサ。

【請求項13】

前記第１色分離素子は、第２波長の光を第２画素に向けて正面から透過させ、第１波長の光を第２画素の両側にある第１画素に向けてエッジに屈折させるように構成され、前記第２色分離素子は、第３波長の光を第３画素に向けて正面から透過させ、第１波長の光を第３画素の両側にある第１画素に向けてエッジに屈折させるように構成されることを特徴とする請求項１２に記載のイメージセンサ。

【請求項14】

第１波長の光を感知する多数の第１画素と、第２波長の光を感知する多数の第２画素とが互いに交互に配列されている第１画素行と、
前記第１画素行に隣接して配置されたものであり、第１波長の光を感知する多数の第１画素と、第３波長の光を感知する多数の第３画素とが互いに交互に配列されている第２画素行と、
前記多数の第２画素にそれぞれ配置されたものであり、第２画素に入射する第２波長の光の比率を上昇させ、第１画素に入射する第１波長の光の比率を上昇させるように、入射光のスペクトル分布を変える多数の第１色分離素子と、
前記第２画素行において、多数の第１画素にそれぞれ配置されたものであり、第１画素に入射する第１波長の光の比率を上昇させ、第３画素に入射する第３波長の光の比率を上昇させるように、入射光のスペクトル分布を変える多数の第２色分離素子と、
前記第１画素行で、それぞれの第２画素を中心にその両側の第１画素の一部領域まで延びて配置された多数の第１マイクロレンズと、
前記第２画素行でそれぞれの第１画素を中心にその両側の第３画素の一部領域まで延びて配置された多数の第２マイクロレンズと、を含むイメージセンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、イメージセンサに関し、さらに詳細には、色分離素子とカラーフィルタとを利用して、光利用効率を向上できるイメージセンサに関する。

【背景技術】

【0002】

カラーディスプレイ装置やカラーイメージセンサでは、一般的に、カラーフィルタを利用して、多様な色の映像を表示したり、あるいは入射光の色を感知したりする。現在使用されるカラーディスプレイ装置やカラーイメージセンサでは、例えば、４個の画素のうち２個の画素には緑色フィルタを配置し、残り２個の画素には青色フィルタと赤色フィルタとを配置するＲ（ｒｅｄ）Ｇ（ｇｒｅｅｎ）Ｂ（ｂｌｕｅ）カラーフィルタ方式を最も多く採択している。また、ＲＧＢカラーフィルタ方式以外にも、補色関係にあるシアン、イエロー、グリーン、マゼンタのカラーフィルタを４個の画素にそれぞれ配置するＣ（ｃｙａｎ）Ｙ（ｙｅｌｌｏｗ）Ｇ（ｇｒｅｅｎ）Ｍ（ｍａｇｅｎｔａ）カラーフィルタ方式も採択されたりする。

【0003】

ところで、カラーフィルタは、自身と同じ色の光を除いた残り色の光を吸収するので、光利用効率を低下させることがある。例えば、ＲＧＢカラーフィルタを使用する場合、入射光の１／３のみが透過され、残りの２／３は吸収されてしまうので、光利用効率は、３３％程度に過ぎない。従って、カラーディスプレイ装置やカラーイメージセンサの場合、ほとんどの光損失はカラーフィルタで発生する。

【0004】

最近では、カラーディスプレイ装置やカラーイメージセンサの光利用効率を向上させるために、カラーフィルタの代わりに、色分離素子を利用する試みが行われている。色分離素子は、波長によって異なる光の回折または屈折の特性を利用して、入射光の色を分離し、色分離素子によって分離された色は、それぞれの対応する画素に伝達される。しかし、今のところ、色分離素子は、カラーフィルタに比べ、鮮やかな色相を提供することができない。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明が解決しようとする課題は、色分離素子とカラーフィルタとを利用して、光効率が改善されたイメージセンサを提供するところにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一実施形態に係るイメージセンサは、第１波長の光を感知する多数の第１画素が配列されている第１画素行と、前記第１画素行に隣接して配置されたものであり、第２波長の光を感知する多数の第２画素と、第３波長の光を感知する多数の第３画素とが互いに交互に配列されている第２画素行と、前記多数の第２画素にそれぞれ配置されたものであり、第２画素に入射する第２波長の光の比率を上昇させ、第３画素に入射する第３波長の光の比率を上昇させるように、入射光のスペクトル分布を変える多数の第１色分離素子と、を含む。

【0007】

また、前記イメージセンサは、前記多数の第１画素にそれぞれ配置された多数の第１マイクロレンズ、及び前記それぞれの第２画素を中心に、その両側の第３画素の一部領域まで延長されて配置された多数の第２マイクロレンズをさらに含む。

【0008】

前記第１画素は、入射光を電気的信号に変換する光検出素子、前記光検出素子上に配置されたものであり、第１波長の光を透過させる第１カラーフィルタ、及び前記第１カラーフィルタ上に配置された透明カバー層を含む。

【0009】

前記第２画素は、入射光を電気的信号に変換する光検出素子、前記光検出素子上に配置されたものであり、第２波長の光を透過させる第２カラーフィルタ、及び前記第２カラーフィルタ上に配置された透明カバー層を含む。

【0010】

前記第３画素は、入射光を電気的信号に変換する光検出素子、前記光検出素子上に配置されたものであり、第３波長の光を透過させる第３カラーフィルタ、及び前記第３カラーフィルタ上に配置された透明カバー層を含む。

【0011】

前記第１マイクロレンズ及び第２マイクロレンズは、前記透明カバー層上に配置されている。

【0012】

前記第１色分離素子は、前記透明カバー層内に埋め込まれて固定されている。

【0013】

前記第１色分離素子は、第２波長の光を第２画素に向けて正面から透過させ、第３波長の光を第２画素の両側にある第３画素に向けてエッジに屈折させるように構成される。

【0014】

例えば、第１波長は、緑色帯域であり、第２波長は、青色帯域であり、第３波長は、赤色帯域である。

【0015】

また、第１波長は、緑色帯域であり、第２波長は、赤色帯域であり、第３波長は、青色帯域である。

【0016】

一実施形態によれば、前記第１画素行と第２画素行とが互いに対してそれぞれの画素の幅の半分ほどシフトされている。

【0017】

また、前記第１画素行は、前記多数の第１画素と交互に配列されている多数の第４画素をさらに含む。

【0018】

例えば、第１波長は、マゼンタ帯域であり、第２波長は、シアン帯域であり、第３波長は、イエロー帯域であり、第４波長は、緑色帯域である。

【0019】

また、第１波長は、マゼンタ帯域であり、第２波長は、イエロー帯域であり、第３波長は、シアン帯域であり、第４波長は、緑色帯域である。

【0020】

前記イメージセンサは、前記多数の第３画素にそれぞれ配置されたものであり、第３画素に入射する第３波長の光の比率を上昇させ、第２画素に入射する第２波長の光の比率を上昇させるように、入射光のスペクトル分布を変える多数の第２色分離素子さらに含む。

【0021】

例えば、前記第２色分離素子は、第３波長の光を第３画素に向けて正面から透過させ、第２波長の光を第３画素の両側にある第２画素に向けてエッジに屈折させるように構成される。

【0022】

一実施形態によれば、前記イメージセンサは、前記多数の第１画素、第２画素及び第３画素にそれぞれ配置される多数のマイクロレンズをさらに含む。

【0023】

本発明の他の実施形態に係るイメージセンサは、第１波長の光を感知する多数の第１画素と、第２波長の光を感知する多数の第２画素とが互いに交互に配列されている第１画素行と、前記第１画素行に隣接して配置されたものであり、第１波長の光を感知する多数の第１画素と、第３波長の光を感知する多数の第３画素とが互いに交互に配列されている第２画素行と、前記多数の第２画素にそれぞれ配置されたものであり、第２画素に入射する第２波長の光の比率を上昇させ、第１画素に入射する第１波長の光の比率を上昇させるように、入射光のスペクトル分布を変える多数の第１色分離素子と、前記多数の第３画素にそれぞれ配置されたものであり、第３画素に入射する第３波長の光の比率を上昇させ、第１画素に入射する第１波長の光の比率を上昇させるように、入射光のスペクトル分布を変える多数の第２色分離素子と、を含む。

【0024】

前記イメージセンサは、前記それぞれの第２画素を中心に、その両側の第１画素の一部領域まで延長されて配置された多数の第１マイクロレンズ、及び前記それぞれの第３画素を中心に、その両側の第１画素の一部領域まで延長されて配置された多数の第２マイクロレンズをさらに含む。

【0025】

前記第１色分離素子は、第２波長の光を第２画素に向けて正面から透過させ、第１波長の光を第２画素の両側にある第１画素に向けてエッジに屈折させるように構成され、前記第２色分離素子は、第３波長の光を第３画素に向けて正面から透過させ、第１波長の光を第３画素の両側にある第１画素に向けてエッジに屈折させるように構成される。

【0026】

例えば、第１波長は、緑色帯域であり、第２波長は、青色帯域であり、第３波長は、赤色帯域である。

【0027】

本発明のさらに他の実施形態に係るイメージセンサは、第１波長の光を感知する多数の第１画素と、第２波長の光を感知する多数の第２画素とが互いに交互に配列されている第１画素行と、前記第１画素行に隣接して配置されたものであり、第１波長の光を感知する多数の第１画素と、第３波長の光を感知する多数の第３画素とが互いに交互に配列されている第２画素行と、前記多数の第２画素にそれぞれ配置されたものであり、第２画素に入射する第２波長の光の比率を上昇させ、第１画素に入射する第１波長の光の比率を上昇させるように、入射光のスペクトル分布を変える多数の第１色分離素子と、前記第２画素行において、多数の第１画素にそれぞれ配置されたものであり、第１画素に入射する第１波長の光の比率を上昇させ、第３画素に入射する第３波長の光の比率を上昇させるように、入射光のスペクトル分布を変える多数の第２色分離素子と、を含む。

【0028】

前記イメージセンサは、前記第１画素行において、それぞれの第２画素を中心に、その両側の第１画素の一部領域まで延長されて配置された多数の第１マイクロレンズ、及び前記第２画素行において、それぞれの第１画素を中心に、その両側の第３画素の一部領域まで延長されて配置された多数の第２マイクロレンズをさらに含む。

【0029】

例えば、第１波長は、緑色帯域であり、第２波長は、青色帯域であり、第３波長は、赤色帯域である。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】一実施形態に係るイメージセンサの画素構造を概略的に示す平面図である。

【図2】図１に示されたイメージセンサをｂ−ｂ’線に沿って切断した断面図である。

【図3】図１に示されたイメージセンサをａ−ａ’線に沿って切断した断面図である。

【図4】図１に示された色分離素子による色分離スペクトルを概略的に示すグラフである。

【図5】他の実施形態に係るイメージセンサの画素構造を概略的に示す平面図である。

【図6】さらに他の実施形態に係るイメージセンサの画素構造を概略的に示す平面図である。

【図7】さらに他の実施形態に係るイメージセンサの画素構造を概略的に示す平面図である。

【図8】さらに他の実施形態に係るイメージセンサの画素構造を概略的に示す平面図である。

【図9】さらに他の実施形態に係るイメージセンサの画素構造を概略的に示す平面図である。

【図10】図９に示されたイメージセンサをａ−ａ’線に沿って切断した断面図である。

【図11】図９に示された２個の色分離素子による色分離スペクトルを概略的に示すグラフである。

【図12】図９に示された２個の色分離素子による色分離スペクトルを概略的に示すグラフである。

【図13】さらに他の実施形態に係るイメージセンサの画素構造を概略的に示す平面図である。

【図14】図１３に示された２個の色分離素子による色分離スペクトルを概略的に示すグラフである。

【図15】図１３に示された２個の色分離素子による色分離スペクトルを概略的に示すグラフである。

【図16】さらに他の実施形態に係るイメージセンサの画素構造を概略的に示す平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

以下、添付された図面を参照しながら、光利用効率を向上できるイメージセンサについて詳細に説明する。以下の図面において、同一の構成要素には同一の参照符号を付し、各構成要素の大きさは、説明の明瞭性及び便宜性のために誇張されている。また、以下で説明する実施形態は、単なる例示的なものに過ぎず、かような実施形態から、多様な変形が可能である。また、以下で説明する層構造において、「上部」や「上」と記載された表現は、接触して直にその上にあるものだけでなく、非接触で上にあるものも含む。

【0032】

図１は、一実施形態に係るイメージセンサ１００の画素構造を概略的に示す平面図である。図１に示すように、イメージセンサ１００は、多数の行と列とを有する二次元マトリックス形態に配列された多数の光検出用画素１１０Ｒ，１１０Ｇ，１１０Ｂを具備する画素アレイを含む。例えば、図１に示されているように、第１画素行１１０ａには、緑色画素１１０Ｇだけが配列される。また、第１画素行１１０ａに隣接する第２画素行１１０ｂには、赤色画素１１０Ｒと青色画素１１０Ｂとが交互に配列される。かような第１画素行１１０ａと第２画素行１１０ｂは、縦方向に沿って交互に配列される。

【0033】

図２は、図１に示されたｂ−ｂ’線に沿って、イメージセンサ１００の第１画素行１１０ａを切断した断面図である。図２に示すように、第１画素行１１０ａは、互いに隣接して配列された多数の光検出素子１１１、多数の光検出素子１１１の光入射面にそれぞれ配置された多数の緑色カラーフィルタ１１２Ｇ、多数の緑色カラーフィルタ１１２Ｇ上に全体的に配置された透明カバー層１１３、及び入射光をそれぞれの光検出素子１１１に集光させるように、透明カバー層１１３上に配置された多数のマイクロレンズ１２０を含む。それぞれの光検出素子１１１、緑色カラーフィルタ１１２Ｇ、及び透明カバー層１１３は、１つの緑色画素１１０Ｇを構成することができる。

【0034】

かような構造において、入射光は、マイクロレンズ１２０によって、透明カバー層１１３と緑色カラーフィルタ１１２Ｇとを経て、対応する光検出素子１１１にフォーカシングされる。多数の光検出素子１１１ごとにそれぞれ対応する緑色カラーフィルタ１１２Ｇを配置してもよいが、全ての光検出素子１１１にわたって１つの長い緑色カラーフィルタ１１２Ｇを配置することも可能である。第１画素行１１０ａには、緑色カラーフィルタ１１２Ｇだけが配置されているので、入射光のうち緑色帯域の光だけが緑色カラーフィルタ１１２Ｇを通過し、光検出素子１１１に入射することができる。光検出素子１１１は、入射光をその強度に応じて、電気的信号に変換する役割を行う。従って、第１画素行１１０ａでは、緑色光のみを検出することができる。

【0035】

図３は、図１に示されたａ−ａ’線に沿って、イメージセンサ１００の第２画素行１１０ｂを切断した断面図である。図３に示すように、第２画素行１１０ｂは、互いに隣接して配列された多数の光検出素子１１１、赤色画素１１０Ｒと青色画素１１０Ｂとに対応して多数の光検出素子１１１の光入射面にそれぞれ交互に配置された多数の赤色カラーフィルタ１１２Ｒ及び多数の青色カラーフィルタ１１２Ｂ、多数の赤色カラーフィルタ１１２Ｒ及び青色カラーフィルタ１１２Ｂの上に全体的に配置された透明カバー層１１３、青色カラーフィルタ１１２Ｂと対向するように、透明カバー層１１３内に配置された多数の色分離素子１４０、入射光をそれぞれの光検出素子１１１に集光させるように、透明カバー層１１３上に配置された多数のマイクロレンズ１３０を含む。それぞれの光検出素子１１１、青色カラーフィルタ１１２Ｂ、及び透明カバー層１１３は、青色画素１１０Ｂを構成することができ、それぞれの光検出素子１１１、赤色カラーフィルタ１１２Ｒ、及び透明カバー層１１３は、赤色画素１１０Ｒを構成することができる。ここで、色分離素子１４０は、透明カバー層１１３内に埋め込まれ、透明カバー層１１３によって取り囲まれて固定される。

【0036】

図３に示されているように、マイクロレンズ１３０は、青色画素１１０Ｂの領域から両側の赤色画素１１０Ｒの一部領域まで延長されて配置される。第１画素行１１０ａにおいて、それぞれのマイクロレンズ１２０（図２）は、１つの緑色画素１１０Ｇ内に配置されるが、第２画素行１１０ｂにおいて、それぞれのマイクロレンズ１３０は、青色画素１１０Ｂを中心にその両側の赤色画素１１０Ｒの半分ほどまで跨って形成される。すなわち、第２画素行１１０ｂのマイクロレンズ１３０の幅は、第１画素行１１０ａのマイクロレンズ１２０の幅より２倍くらいさらに大きくなる。従って、青色画素１１０Ｂと、その両側の赤色画素１１０Ｒの一部とに入射する光は、マイクロレンズ１３０によって集光されて色分離素子１４０を経る。

【0037】

色分離素子１４０は、波長によって異なる光の回折または屈折の特性を利用して、入射光の波長に応じて、光の進路を変えることによって色を分離する役割を行う。かような色分離素子１４０は、透明な対称構造または非対称構造のバー形態、または傾斜面を有するプリズム形態のような非常に多様な形態が公知されており、出射光の所望するスペクトル分布によって、多様な設計が可能である。本実施形態によれば、色分離素子１４０は、対向する青色カラーフィルタ１１２Ｂに向かう光において、青色の比率を上昇させ、両側の赤色カラーフィルタ１１２Ｒに向かう光において、赤色の比率を上昇させる方式で、入射光のスペクトル分布を変えるように構成される。

【0038】

例えば、図３で「１」（図面において○で囲まれた数字１を「１」で示す、以下同様）と表示された光は、進路変更なしに、色分離素子１４０を透過した後、青色カラーフィルタ１１２Ｂに到逹する。また、図３で「２」（図面において○で囲まれた数字２を「２」で示す、以下同様）と表示された光は、色分離素子１４０のエッジ方向に傾くように進行方向が変わりながら、青色カラーフィルタ１１２Ｂの両側にある赤色カラーフィルタ１１２Ｒに到逹する。図４は、色分離素子１４０による色分離スペクトルを概略的に示すグラフであり、「１」と表示された光と、「２」と表示された光とのスペクトルをそれぞれ示している。図４に示すように、一般的な白色光が色分離素子１４０に入射する場合、「１」と表示された光では、色分離素子１４０を透過する間、青色波長の比率が上昇し、「２」と表示された光では、色分離素子１４０を透過する間、赤色波長の比率が上昇する。一方、図４において、１１２Ｒと表示された点線ボックスは、赤色カラーフィルタ１１２Ｒの透過帯域であり、１１２Ｂと表示された点線ボックスは、青色カラーフィルタ１１２Ｂの透過帯域であることを例示的に示す。

【0039】

かような本実施形態によれば、緑色カラーフィルタ１１２Ｇでは、従来の画素構造と同様に、入射光の３３％程度だけが透過されて光検出素子１１１に到逹する。一方、青色カラーフィルタ１１２Ｂ及び赤色カラーフィルタ１１２Ｒでは、それぞれのカラーフィルタに対応する色の比率が高くなるので、従来の画素構造に比べ、光の透過率が上昇する。例えば、青色カラーフィルタ１１２Ｂ及び赤色カラーフィルタ１１２Ｒでは、入射光の５０％程度以上が透過されて光検出素子１１１に到逹する。透過光は、光検出素子１１１により光電変化され、各画素の入射光の強度を示す電気信号に変わる。従って、青色カラーフィルタ１１２Ｂ及び赤色カラーフィルタ１１２Ｒでの光利用効率が上昇する。

【0040】

一般的に、イメージセンサ１００において、色分離素子１４０の光学的長さは、数マイクロメーターまたはサブマイクロメーター程度に過ぎないため、色分離素子１４０だけで、完全な色分離を行うことは難しい。そのため、色分離素子１４０のみを利用する場合には、高い色純度を得難い。本実施形態によれば、色分離素子１４０と、カラーフィルタ１１２Ｂ，１１２Ｒとの連繋を介して、色分離素子１４０によりある程度の色分離効果を得て、カラーフィルタ１１２Ｂ，１１２Ｒにより高い色純度を得ることによって、カラーフィルタ１１２Ｂ，１１２Ｒによって吸収される光エネルギーの量を減少させ、光利用効率を向上させると同時に、高い色純度を達成することができる。

【0041】

図５は、他の実施形態に係るイメージセンサ１００’の画素構造を概略的に示す平面図である。図１に示されたイメージセンサ１００と比較すると、図５に示されたイメージセンサ１００’は、色分離素子１４０が、赤色画素１１０Ｒの領域に配置されており、マイクロレンズ１３０も、赤色画素１１０Ｒを中心に配置されているという点で、図１に示されたイメージセンサ１００と異なる。図５に示されたイメージセンサ１００’の残りの構成は、図１に示されたイメージセンサ１００と同一である。

【0042】

すなわち、マイクロレンズ１３０は、赤色画素１１０Ｒの領域から、両側の青色画素１１０Ｂの一部領域まで延長されて配置される。例えば、マイクロレンズ１３０は、赤色画素１１０Ｒを中心に、その両側の青色画素１１０Ｂの半分ほどまで跨るように形成される。従って、赤色画素１１０Ｒと、その両側の青色画素１１０Ｂの一部とに入射する光が、マイクロレンズ１３０によって集光され、赤色画素１１０Ｒの領域にある色分離素子１４０を経る。

【0043】

色分離素子１４０は、対向する赤色カラーフィルタ１１２Ｒに向かう光において、赤色の比率を上昇させ、両側の青色カラーフィルタ１１２Ｂに向かう光において、青色の比率を上昇させるように、入射光のスペクトル分布を変えるように構成される。例えば、進路変更なしに、色分離素子１４０を透過した光は、赤色カラーフィルタ１１２Ｒに到逹し、色分離素子１４０のエッジ方向に傾くように進行方向が変わった光は、赤色カラーフィルタ１１２Ｒの両側にある青色カラーフィルタ１１２Ｂに到逹する。その場合、赤色カラーフィルタ１１２Ｒに到逹する光が、図４のグラフにおいて、「２」と表示されたスペクトルを有し、青色カラーフィルタ１１２Ｂに到逹する光が、図４のグラフにおいて、「１」と表示されたスペクトルを有するように、色分離素子１４０が構成される。

【0044】

図６は、さらに他の実施形態に係るイメージセンサの画素構造を概略的に示す平面図である。図１及び図５に示されたイメージセンサ１００，１００’は、第１画素行１１０ａ及び第２画素行１１０ｂの画素が互いに一致して配列されているが、図６に示されたイメージセンサの場合では、第１画素行１１０ａの画素と、第２画素行１１０ｂの画素とは互いにシフトされる。例えば、第１画素行１１０ａの画素と、第２画素行１１０ｂの画素は、画素の幅の半分ほどシフトされる。図６には示されていないが、色分離素子１４０は、第２画素行１１０ｂの青色カラーフィルタ１１２Ｂに対向して配置されるか、あるいは赤色カラーフィルタ１１２Ｒに対向して配置される。従って、図６に示された実施形態において、色分離素子１４０は、隣接する第１画素行１１０ａの２つの緑色画素１１０Ｇ間に配置される。その場合、第２画素行１１０ｂにある色分離素子１４０によるスペクトル変化が、第１画素行１１０ａに影響を与えるとしても、第１画素行１１０ａの全ての緑色画素１１０Ｇに均一な影響を与えることになる。

【0045】

図７は、さらに他の実施形態に係るイメージセンサ２００の画素構造を概略的に示す平面図である。図７に示されたイメージセンサ２００では、上述したＲＧＢカラーフィルタ方式の代わりに、シアン（Ｃｙ）、イエロー（Ｙｅ）、緑色（Ｇ）、マゼンタ（Ｍ）のカラーフィルタを使用するＣＹＧＭカラーフィルタ方式を採択している。図７に示すように、第１画素行１１０ａには、多数のマゼンタ画素１１０Ｍと、多数の緑色画素１１０Ｇとが互いに交互に配列される。また、第２画素行１１０ｂには、多数のシアン画素１１０Ｃと、多数のイエロー画素１１０Ｙとが互いに交互に配列される。そして、色分離素子１４０は、シアン画素１１０Ｃの領域に配置され、マイクロレンズ１３０も、シアン画素１１０Ｃを中心に配置される。

【0046】

例えば、マイクロレンズ１３０は、シアン画素１１０Ｃの領域から、両側のイエロー画素１１０Ｙの一部領域まで延長されて配置される。図７に示されているように、マイクロレンズ１３０は、シアン画素１１０Ｃを中心に、その両側のイエロー画素１１０Ｙの半分ほどまで跨るように形成される。従って、シアン画素１１０Ｃと、その両側のイエロー画素１１０Ｙの一部とに入射する光がマイクロレンズ１３０によって集光され、シアン画素１１０Ｃの領域にある色分離素子１４０を経る。

【0047】

色分離素子１４０は、シアン画素１１０Ｃに向かう光において、シアン系の光の比率を上昇させ、その両側のイエロー画素１１０Ｙに向かう光において、イエロー系の光の比率を上昇させるように構成される。例えば、進路変更なしに、色分離素子１４０を透過した光は、シアンカラーフィルタに到逹し、色分離素子１４０のエッジ方向に傾くように進行方向が変わった光は、シアンカラーフィルタの両側にあるイエローカラーフィルタに到逹する。その場合、シアンカラーフィルタに到逹する光が、図４のグラフにおいて、「１」と表示されたスペクトルを有し、イエローカラーフィルタに到逹する光が、図４のグラフにおいて、「２」と表示されたスペクトルを有するように、色分離素子１４０が構成される。図７に示されたＣＹＧＭカラーフィルタ方式の場合、それぞれのカラーフィルタが、ＲＧＢカラーフィルタに比べ、さらに広い帯域の波長を通過させるため、吸収損失をさらに減らし、光利用効率がさらに向上される。

【0048】

図８は、さらに他の実施形態に係るイメージセンサ２００’の画素構造を概略的に示す平面図である。図７に示されたイメージセンサ２００と比較すると、図８に示されたイメージセンサ２００’は、色分離素子１４０が、イエロー画素１１０Ｙの領域に配置されており、マイクロレンズ１３０も、イエロー画素１１０Ｙを中心に配置されているという点で、図７に示されたイメージセンサ２００と異なる。従って、図８に示されたイメージセンサ２００’において、色分離素子１４０は、進路変更なしに、色分離素子１４０を透過した光において、イエロー系の光の比率を上昇させ、色分離素子１４０のエッジ方向に傾くように進行方向が変わった光において、シアン系の光の比率を上昇させるように構成される。図８に示されたイメージセンサ２００’の残りの構成は、図７に示されたイメージセンサ２００と同一である。

【0049】

図９は、さらに他の実施形態に係るイメージセンサ３００の画素構造を概略的に示す平面図である。図９に示されたイメージセンサ３００は、図１に示されたイメージセンサ１００と同様に、多数の緑色画素１１０Ｇを有する第１画素行１１０ａ、及び互いに交互に配列された多数の青色画素１１０Ｂと、多数の赤色画素１１０Ｒとを有する第２画素行１１０ｂを含む。図１に示されたイメージセンサ１００と比較すると、図９に示されたイメージセンサ３００は、青色画素１１０Ｂと赤色画素１１０Ｒとにそれぞれ個別的なマイクロレンズ１２０と、色分離素子１４０ａ，１４０ｂとが配置されているという点で、図１に示されたイメージセンサ１００と異なる。従って、図９に示されたイメージセンサ３００の場合、全ての画素１１０Ｒ，１１０Ｇ，１１０Ｂに、同一の構造のマイクロレンズ１２０を使用することができる。

【0050】

図１０は、図９に示されたａ−ａ’線に沿って、イメージセンサ３００の第２画素行１１０ｂを切断した断面図である。図１０に示すように、第２画素行１１０ｂは、互いに隣接して配列された多数の光検出素子１１１、多数の光検出素子１１１の光入射面にそれぞれ交互に配置された多数の赤色カラーフィルタ１１２Ｒ及び多数の青色カラーフィルタ１１２Ｂ、多数の赤色カラーフィルタ１１２Ｂ及び青色カラーフィルタ１１２Ｂを覆うように配置された透明カバー層１１３、青色カラーフィルタ１１２Ｂと対向するように、透明カバー層１１３内に配置された多数の第１色分離素子１４０ａ、赤色カラーフィルタ１１２Ｒと対向するように、透明カバー層１１３内に配置された多数の第２色分離素子１４０ｂ、入射光をそれぞれの光検出素子１１１に集光させるように、透明カバー層１１３上に配置された多数のマイクロレンズ１２０を含む。多数のマイクロレンズ１２０は、多数の赤色カラーフィルタ１１２Ｂ及び青色カラーフィルタ１１２Ｂとそれぞれ対向するように配置される。

【0051】

第１色分離素子１４０ａは、対向する青色カラーフィルタ１１２Ｂに向かう光において、青色の比率を上昇させ、両側の赤色カラーフィルタ１１２Ｒに向かう光において、赤色の比率を上昇させるように、入射光のスペクトル分布を変えることができる。また、第２色分離素子１４０ｂは、対向する赤色カラーフィルタ１１２Ｒに向かう光において、赤色の比率を上昇させ、両側の青色カラーフィルタ１１２Ｂに向かう光において、青色の比率を上昇させるように、入射光のスペクトル分布を変えることができる。例えば、第１色分離素子１４０ａを透過し、「１」と表示された方向に進む光は、図４において、「１」と表示されたスペクトル分布を有することができ、第１色分離素子１４０ａを透過し、「２」と表示された方向に進む光は、図４において、「２」と表示されたスペクトル分布を有することができる。また、第２色分離素子１４０ｂを透過し、「３」（図面において○で囲まれた数字３を「３」で示す、以下同様）と表示された方向に進む光は、図４において、「２」と表示されたスペクトル分布を有することができ、第２色分離素子１４０ｂを透過し、「４」（図面において○で囲まれた数字４を「４」で示す、以下同様）と表示された方向に進む光は、図４において、「１」と表示されたスペクトル分布を有することができる。

【0052】

イメージセンサ３００の光利用効率をさらに向上させるために、第１色分離素子１４０ａ及び第２色分離素子１４０ｂは、それぞれ図１１及び図１２に示された色分離スペクトルを有することができる。例えば、図１１に示すように、第１色分離素子１４０ａを透過し、「１」と表示された方向に進む光に、青色光のほとんどが分布することができる。一方、第１色分離素子１４０ａを透過し、「２」と表示された方向に進む光のスペクトルは、図１１において、「２」と表示されたスペクトル分布のようである。また、図１２に示すように、第２色分離素子１４０ｂを透過し、「３」と表示された方向に進む光に、赤色光のほとんどが分布することができる。そして、第２色分離素子１４０ｂを透過し、「４」と表示された方向に進む光のスペクトルは、図１２において、「４」と表示されたスペクトル分布のようである。

【0053】

図１３は、さらに他の実施形態に係るイメージセンサ４００の画素構造を概略的に示す平面図である。図１３に示されたイメージセンサ４００は、互いに交互に配列された多数の緑色画素１１０Ｇと、多数の青色画素１１０Ｂとを有する第１画素行１１０ａ、互いに交互に配列された多数の緑色画素１１０Ｇと、多数の赤色画素１１０Ｒとを有する第２画素行１１０ｂ、並びに多数の青色カラーフィルタ１１２Ｂとそれぞれ対向するように配置された多数の第１色分離素子１４０ａ、及び多数の赤色カラーフィルタ１１２Ｒとそれぞれ対向するように配置された多数の第２色分離素子１４０ｂを含む。

【0054】

また、同一の構造のマイクロレンズ１３０が、それぞれ青色画素１１０Ｂと、赤色画素１１０Ｒとを中心に配置される。例えば、第１画素行１１０ａにおいて、マイクロレンズ１３０は、青色画素１１０Ｂの領域を中心に、その両側の緑色画素１１０Ｇの一部領域まで延長されて配置される。従って、青色画素１１０Ｂと、その両側の緑色画素１１０Ｇの一部とに入射する光が、第１画素行１１０ａのマイクロレンズ１３０によって集光され、第１色分離素子１４０ａを経る。そして、第２画素行１１０ｂでは、マイクロレンズ１３０が、赤色画素１１０Ｒの領域を中心に、その両側の緑色画素１１０Ｇの一部領域まで延長されて配置される。従って、赤色画素１１０Ｒと、その両側の緑色画素１１０Ｇの一部とに入射する光が、第２画素行１１０ｂのマイクロレンズ１３０によって集光され、第２色分離素子１４０ｂを経る。

【0055】

第１色分離素子１４０ａは、対向する青色画素１１０Ｂに向かう光において、青色の比率を上昇させ、両側の緑色画素１１０Ｇに向かう光において、緑色の比率を上昇させるように、入射光のスペクトル分布を変えることができる。また、第２色分離素子１４０ｂは、対向する赤色画素１１０Ｒに向かう光において、赤色の比率を上昇させ、両側の緑色画素１１０Ｇに向かう光において、緑色の比率を上昇させるように、入射光のスペクトル分布を変えることができる。例えば、第１色分離素子１４０ａを透過し、青色画素１１０Ｂに向かう光は、図４において、「１」と表示されたスペクトル分布を有することができ、緑色画素１１０Ｇに向かう光は、図４において、「２」と表示されたスペクトル分布を有することができる。また、第２色分離素子１４０ｂを透過し、赤色画素１１０Ｒに向かう光は、図４において、「２」と表示されたスペクトル分布を有することができ、緑色画素１１０Ｇに向かう光は、図４において、「１」と表示されたスペクトル分布を有することができる。従って、本実施形態によるイメージセンサ４００は、緑色光についても、光利用効率を向上させることができる。

【0056】

イメージセンサ４００の光利用効率をさらに向上させるために、第１色分離素子１４０ａ及び第２色分離素子１４０ｂは、それぞれ図１４及び図１５に示された色分離スペクトルを有することもできる。例えば、図１４に示すように、第１色分離素子１４０ａを透過し、青色画素１１０Ｂに向かう光は、「１」と表示されたスペクトル分布を有することができ、緑色画素１１０Ｇに向かう光は、「２」と表示されたスペクトル分布を有することができる。また、図１５に示すように、第２色分離素子１４０ｂを透過し、赤色画素１１０Ｒに進む光は、「３」と表示されたスペクトル分布を有することができ、緑色画素１１０Ｇに向かう光は、「４」と表示されたスペクトル分布を有することができる。図１４及び図１５において、１１２Ｒと表示された点線ボックスは、赤色カラーフィルタ１１２Ｒの透過帯域であり、１１２Ｂと表示された点線ボックスは、青色カラーフィルタ１１２Ｂの透過帯域であり、１１２Ｇと表示された点線ボックスは、緑色カラーフィルタ１１２Ｇの透過帯域であることを例示的に示している。

【0057】

図１６は、さらに他の実施形態に係るイメージセンサ４００’の画素構造を概略的に示す平面図である。図１６に示されたイメージセンサ４００’は、互いに交互に配列された多数の緑色画素１１０Ｇと、多数の青色画素１１０Ｂとを有する第１画素行１１０ａ、互いに交互に配列された多数の緑色画素１１０Ｇと、多数の赤色画素１１０Ｒとを有する第２画素行１１０ｂ、並びに多数の青色カラーフィルタ１１２Ｂとそれぞれ対向するように配置された多数の第１色分離素子１４０ａ、及び多数の緑色カラーフィルタ１１２Ｇとそれぞれ対向するように配置された多数の第２色分離素子１４０ｂを含む。図１５に示されたイメージセンサ４００と比較すると、図１６に示されたイメージセンサ４００’は、多数の第２色分離素子１４０ｂが、多数の緑色画素１１０Ｇに配置されているという点で、図１５に示されたイメージセンサ４００と異なる。また、第２画素行１１０ｂにおいて、マイクロレンズ１３０は、緑色画素１１０Ｇの領域を中心に、その両側の赤色画素１１０Ｒの一部領域まで延長されて配置される。

【0058】

第１色分離素子１４０ａは、対向する青色画素１１０Ｂに向かう光において、青色の比率を上昇させ、両側の緑色画素１１０Ｇに向かう光において、緑色の比率を上昇させることができる。また、第２色分離素子１４０ｂは、対向する緑色画素１１０Ｇに向かう光において、緑色の比率を上昇させ、両側の赤色画素１１０Ｒに向かう光において、赤色の比率を上昇させることができる。本実施形態において、第１色分離素子１４０ａ及び第２色分離素子１４０ｂは、同一の構造を有することができる。例えば、第１色分離素子１４０ａを透過し、青色画素１１０Ｂに向かう光は、図４において、「１」と表示されたスペクトル分布を有することができ、緑色画素１１０Ｇに向かう光は、図４において、「２」と表示されたスペクトル分布を有することができる。また、第２色分離素子１４０ｂを透過し、緑色画素１１０Ｇに向かう光は、図４において、「１」と表示されたスペクトル分布を有することができ、赤色画素１１０Ｒに向かう光は、図４において、「２」と表示されたスペクトル分布を有することができる。

【0059】

一般的に、短い波長の光を正面から透過させ、長い波長の光をエッジに屈折させるように色分離素子を構成することが、その反対の場合よりも効率的に動作することができる。従って、第２画素行１１０ｂにおいて、第２色分離素子１４０ｂが緑色画素１１０Ｇに配置された構成を有するイメージセンサ４００’の光利用効率がさらに向上することができる。

【0060】

一方、第１色分離素子１４０ａと、第２色分離素子１４０ｂは、相異なる構造を有することもできる。例えば、第１色分離素子１４０ａを透過し、青色画素１１０Ｂに向かう光は、図１４において、「１」と表示されたスペクトル分布を有することができ、緑色画素１１０Ｇに向かう光は、図１４において、「２」と表示されたスペクトル分布を有することができる。また、第２色分離素子１４０ｂを透過し、緑色画素１１０Ｇに進む光は、図１５において、「４」と表示されたスペクトル分布を有することができ、赤色画素１１０Ｒに向かう光は、図１５において、「３」と表示されたスペクトル分布を有することもできる。

【0061】

以上、本発明の理解の一助とするために、光利用効率を向上できるイメージセンサに係わる例示的な実施形態について説明し、添付された図面に示した。しかし、かような実施形態は、単に本発明を例示するためのものであり、それを制限するものではないという点について理解されなければならない。そして、本発明は、図示されて説明された説明に限られるものではないという点についても理解されなければならない。それは、多様な異なる変形が、本技術分野で当業者によって可能であるためである。

【産業上の利用可能性】

【0062】

本発明の光利用効率を向上できるイメージセンサは、例えば、カラー表示関連の技術分野に効果的に適用可能である。

【符号の説明】

【0063】

１００，１００’，２００，２００’，３００，４００，４００’ イメージセンサ、
１１０Ｂ 青色画素、
１１０Ｃ シアン画素、
１１０Ｇ 緑色画素、
１１０Ｍ マゼンタ画素、
１１０Ｒ 赤色画素、
１１０Ｙ イエロー画素、
１１０ａ 第１画素行、
１１０ｂ 第２画素行、
１１１ 光検出素子、
１１２Ｂ 青色カラーフィルタ、
１１２Ｇ 緑色カラーフィルタ、
１１２Ｒ 赤色カラーフィルタ、
１１３ 透明カバー層、
１２０，１３０ マイクロレンズ、
１４０ 色分離素子、
１４０ａ 第１色分離素子、
１４０ｂ 第２色分離素子。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】