專利名稱：固體攝像器件、攝像機以及信號處理方法
技術領域：
本發明涉及固體攝像器件以及攝像機。
背景技術：
在現有的固體攝像器件中，為了獲得對應于紅(R)、綠(G)、藍(B)的像素信號，通過彩色濾光片來得到所希望的顏色信號。入射到固體攝像器件的光通過微透鏡、彩色濾光片入射到光電二極管中。彩色濾光片的排列例如有拜耳(Bayer)排列等。
專利文獻1中，揭示了高靈敏度化以及改良顏色分離特性的固體攝像器件的現有技術。
圖1是表示上述現有技術的攝像元件的平面圖。圖2是沿圖1的A-A’線的截面圖。
在圖2中，固體攝像器件在半導體基板1的表面附近具有紅色用光電二極管2、綠色用光電二極管3、藍色用光電二極管4。紅色用光電二極管2、綠色用光電二極管3、藍色用光電二極管4被例如由石英玻璃等構成的透明膜5覆蓋。
覆蓋光電二極管2、3、4的透明膜5的下表面和相對側的上表面形成山型的形狀，在山型形狀的上表面中的向同一方以一定角度傾斜的傾斜面形成有濾光片6、7、8，配置在對應于光電二極管2～4的位置。
優選濾光片6、7、8的傾斜角盡可能接近45°，以便從上方入射到濾光片6的光向圖中右側的橫方向反射，并由濾光片7或者濾光片8反射，分別入射到光電二極管3或者光電二極管4中。
濾光片6具有透射紅色光R、反射綠色光G以及藍色光B的特性。此外，濾光片7具有透射藍色光B、反射綠色光G的特性。此外，濾光片8具有反射所有的光的特性。
濾光片6及7一般由被稱為分色濾光片的多層膜構成，通常與在3板式視頻攝像機、電子靜止攝像機的分色棱鏡的表面形成的膜具有同樣的結構。此外，濾光片8是全反射膜，例如由鋁等金屬薄膜等構成。
濾光片6～8由折射率比透明膜5低的透明膜9覆蓋，透明膜9由透明膜10覆蓋。
在透明膜10的對應于濾光片6的部位設有凹透鏡11。透明膜10由遮光膜35覆蓋，在遮光膜35的對應于濾光片6的部位設有開口部36，光通過遮光膜35的開口部36及凹透鏡11，只入射到濾光片6，在除此以外的濾光片7、8中通過遮光膜35將不需要的光隔斷。
遮光膜35以及凹透鏡11由透明膜12覆蓋，有透明膜12的對應于濾光片6的部位設有凸透鏡13。由此，對紅、綠、藍，3像素的光電二極管2～4具有一組由凸透鏡13以及凹透鏡11組成的聚光單元。
入射光由凸透鏡13和凹透鏡11聚光，作為平行光線入射到初級的濾光片6。
入射到濾光片6的光中的紅色光R透射濾光片6而入射到紅色用光電二極管2。入射到濾光片6的光中的綠色光G和藍色光B由濾光片6反射，向右方向具體地向濾光片7側反射。
綠色光G和藍色光B入射到濾光片7，綠色光G在濾光片7的表面反射，入射到綠色用光電二極管3中。此外，藍色光B透射濾光片7入射到濾光片8，由濾光片8反射而入射到藍色用光電二極管4中。
這樣，現有技術的固體攝像器件通過用濾光片6、7、8反射、透射入射光而進行顏色分離而分光成紅綠藍，分配給各光電二極管2、3、4。這樣一來，與在濾光片內對特定的光進行熱變換而僅使殘余的光通過的濾光片結構比較，使入射光到達光電二極管的效率提高，提高靈敏度。
專利文獻1(日本)特開2000-151933號公報。
但是，伴隨著近年的固體攝像器件中的像素單元的高密度化、細微化，更希望高靈敏度化。例如，在上述現有技術中，為了從入射光中分離原色，產生透射原色時的損失以及因反射帶來的光損失。例如，在圖2中，藍色光B通過由濾光片6反射、透射濾光片7、由濾光片8反射而產生損失。
發明內容
本發明目的在于提供適合高分辨率以及高靈敏度的固體攝像器件以及攝像機。
為了解決上述問題，本發明的固體攝像器件，其特征在于，包括二維狀排列的光電二極管；多個聚光單元，匯聚光，對相鄰的兩個光電二極管各設有一個；以及多個分離單元，對應上述聚光單元來設置，該分離單元將從上述聚光單元入射的光分離成具有規定范圍內的波長的第1光和具有規定范圍外的波長的第2光這兩種光；各分離單元包括光選擇單元，在從上述聚光單元入射的光中，選擇性地透射第1光以及第2光中的一種光而反射另一種光，使透射的光入射到一個光電二極管中；以及光反射單元，將由上述光選擇單元反射的光向另一個光電二極管反射。若采用該結構，將入射光分離為兩種光，使被分離的兩種光分別入射到光電二極管中，因此在分離的過程中光的損失減少，能夠高靈敏度化。具體地，第1光和第2光中的一種光由光選擇單元的一次透射而入射到光電二極管中，另一種光由光選擇單元及光反射單元的2次反射而入射光電二極管中，因此與將光分離成3種的情況相比，由透射及反射帶來的光的損失減少，能夠使靈敏度提高。此外，與含有顏料或染料的吸收型的彩色濾光片相比，能夠降低光的損失。此外，由于對兩個光電二極管各設置1個聚光單元，因此能夠將更多的光量匯聚集到光電二極管。
在此，優選上述光反射單元只反射可見光的結構。此外，優選上述固體攝像器件還包括去除紅外光的去除單元；上述分離單元的結構為，在從去除紅外光后的光中，分離具有規定范圍內的波長的光和除此以外的光。若采用該結構，由于去除可見光以外的不需要的光(例如紅外線)，因此，可以提高可見光的靈敏度，能夠實現高像質。
在此，優選上述多個分離單元包括第1類型的分離單元以及第2類型的分離單元；第1類型的分離單元的第1光是表示紅綠藍中的某一個原色的第1原色光，第2光是表示第1原色光的補色的第1補色光；第2類型的分離單元中的第1光是不同于第1原色光的第2原色光，第2光是表示第2原色光的補色的第2補色光這樣的結構。在此，優選上述第1原色光、第1補色光、第2原色光、第2補色光分別是紅色光、青色光、藍色光、黃色光，第1類型的分離單元和第2類型的分離單元分別排列在同一列或者同一行。若采用該結構，由于利用第1原色、第1補色、第2原色、第2補色，因此，通過2組的原色和補色的組合能夠將光的損失抑制為最小限度。此外，由于第1類型及第2類型的分離單元分別排列在同一行內或者同一列內，因此能夠容易地制造。
在此，優選上述第1原色光、第1補色光、第2原色光、第2補色光分別是紅色光、青色光、綠色光、品紅色光，第1類型的分離單元和第2類型的分離單元分別排列在同一列或者同一行。若采用該結構，當對藍色光的光選擇單元的透射特性(例如半值寬度)比其他的顏色差時，能夠提高靈敏度。
在此，優選上述固體攝像器件還包括轉換單元，該轉換單元將從光電二極管中獲得的表示第1原色的信號、表示第1補色的信號、表示第2原色的信號及表示第2補色的信號轉換成紅色信號、綠色信號、藍色信號這樣的結構。若采用該結構，由于將第1原色、第1補色、第2原色、第2補色轉換成紅、綠、藍的原色信號，因此能夠得到靈敏度更高的三原色信號。
在此，優選在由上述聚光單元聚光的光軸上配置上述光選擇單元以及一個光電二極管。此外，優選上述聚光單元的中心配置成與鄰接行或者鄰接列的相鄰的聚光單元的中心偏移1個光電二極管的量。若采用該結構，通過將聚光單元錯開來配置，能夠使聚光的空間分辨率成為最大限度。
在此，優選上述光選擇單元包括折射率不同的兩種光學膜的多層膜，上述光學膜的光學膜厚相當于設定中心波長的四分之一，上述多層膜還包括根據設定中心波長的光子結構的絕緣體層這樣的結構。若采用該結構，能夠根據絕緣體層的光學膜厚，對與設定中心波長對應的多層膜的作為分色濾光片以及分色鏡的光透射特性進行調整。其結果，能夠將兩種光選擇單元的形成工序共用化，能夠削減制造人工數。
在此，優選上述光選擇單元是包括折射率不同的兩種光學膜的多層膜，上述光學膜的光學膜厚相當于設定中心波長的四分之一，上述多層膜還包括具有設定中心波長的四分之一以外的光學膜厚的絕緣體層這樣的結構。若采用該結構，能夠根據絕緣體層的光學膜厚，對與設定中心波長對應的多層膜的作為分色濾光片以及分色鏡的光透射特性進行調整。其結果，能夠將兩種光選擇單元的形成工序共用化，能夠削減制造人工數。
此外，本發明的攝像機具有與上述固體攝像器件同樣的結構。
此外，本發明的固體攝像器件的信號處理方法是固體攝像器件的信號處理方法，其特征在于，從4個光電二極管中取得表示第1原色的信號、表示第1補色的信號、表示第2原色的信號以及表示第2補色的信號，并將取得的4個信號轉換成紅色信號、綠色信號、藍色信號。若采用該結構，由于將第1原色、第1補色、第2原色以及第2補色轉換成紅、綠、藍的原色信號，因此能夠得到靈敏度更高的三原色的信號。
進而，根據聚光單元的配置，能夠使特定方向(例如垂直方向或者水平方向)的分辨率比其他方向的分辨率高。
若采用本發明的固體攝像器件、攝像機以及信號處理方法，能夠實現高靈敏度化，適合于細微加工，所以能夠容易實現高分辨率。此外，能夠提高特定方向的分辨率。
在此作為參考合并2006年4月10日提交的日本專利申請2006-108035。
本發明的其它目的、優點以及特征將在下面的詳細說明部分中列出，并且，它們通過說明部分會變得顯而易見，或者可以通過實施本發明來獲悉。
圖1是表示現有技術中的固體攝像器件的光電二極管的排列的圖。
圖2是表示現有技術中的固體攝像器件的截面的圖。
圖3是表示實施方式1中的固體攝像器件的光電二極管的顏色排列的圖。
圖4是表示固體攝像器件的微透鏡的排列的圖。
圖5是表示固體攝像器件的截面的圖。
圖6是表示相鄰的行的截面的模式圖。
圖7A是藍色光用的光選擇部的截面圖。
圖7B是紅色光用的光選擇部的截面圖。
圖8A是光反射部104M的截面圖。
圖8B是光反射部104M的截面圖。
圖9A是藍色光用的光選擇部的變形例的截面圖。
圖9B是紅色光用的光選擇部的變形例的截面圖。
圖10A是藍色光用的光選擇部的其他變形例的截面圖。
圖10B是紅色光用的光選擇部的其他變形例的截面圖。
圖11是表示固體攝像器件的光電二極管的顏色排列(變形例1)的圖。
圖12是表示相鄰的行的截面的模式圖。
圖13是實施方式2中的固體攝像器件的截面圖。
圖14A是光選擇部的截面圖。
圖14B是光選擇部的截面圖。
圖15A是表示光選擇部的分光特性的圖。
圖15B、15C是表示絕緣體層的膜厚和分光特性的說明圖。
圖16是表示固體攝像器件的光電二極管的顏色排列(變形例2)的圖。
圖17是表示變形例2中的相鄰的行的截面的模式圖。
圖18是表示固體攝像器件的光電二極管的顏色排列(變形例3)的圖。
圖19是表示變形例3中的相鄰的行的截面的模式圖。
圖20是表示變形例4中的相鄰的行的截面的模式圖。
圖21是表示固體攝像器件的光電二極管的顏色排列(變形例5)的圖。
圖22是表示變形例5中的相鄰的行的截面的模式圖。
圖23是表示固體攝像器件的光電二極管的顏色排列(變形例6)的圖。
圖24是表示變形例6中的相鄰的行的截面的模式圖。
圖25是表示實施方式3中的攝像機的結構的框圖。
圖26是顏色轉換部的說明圖。
具體實施例方式
實施方式1本實施方式中的固體攝像器件構成為將從微透鏡入射的光分離成具有規定范圍內的波長的第1光和具有規定范圍外的波長的第2光這兩種光，使第1光入射到1個光電二極管，使第2光入射到另一個光電二極管。此外，在分離從微透鏡入射的光時，還使用具有與規定范圍的波長對應的光子結構的絕緣體層(也稱為隔離層)的多層膜。這樣一來，實現固體攝像器件的高靈敏度化。
圖3是表示實施方式1中的固體攝像器件的光電二極管的顏色排列的俯視圖。如該圖那樣，固體攝像器件包括二維狀排列的多個光電二極管。上述的第1光、第2光分別入射到相鄰的兩個光電二極管中。相鄰的兩個光電二極管有兩種對。1種是由用于接受藍色光的光電二極管102B和用于接受藍色光的補色即黃色光的光電二極管102Ye組成的對。還有1種是由用于接受紅色光的光電二極管102R和用于接受紅色光的補色即青色光的光電二極管102Cy組成的對。
這樣，多個光電二極管具有與表示紅綠藍中的某一個原色的第1原色光對應的光電二極管、與表示第1原色光的補色的第1補色光對應的光電二極管、與不同于第1原色光的第2原色光對應的光電二極管、以及與表示第2原色光的補色的第2補色光對應的光電二極管這4種光電二極管。
圖4是表示固體攝像器件的微透鏡的排列的俯視圖。如該圖那樣，多個微透鏡109對應于光電二極管的對來設置，具有聚光的聚光單元的功能。如該圖那樣，微透鏡109的形狀是帶圓角的菱形(帶圓角的正方形)，但也可以是圓形、正方形。將微透鏡109的光軸配置成與對應原色的光電二極管102B、102R的中心一致。總之，各微透鏡109的中心配置成與鄰接行或者鄰接列的相鄰的微透鏡109的中心偏移1個光電二極管的量(1位的量)。換言之，屬于一個行的聚光單元的中心與屬于鄰接的行的聚光單元的中心，在行方向上偏移。該偏移的距離等于行方向上鄰接的兩個光電二極管的中心之間的距離。
圖5是表示沿圖4中的A-A切斷面的固體攝像器件的截面的圖。在該圖中，固體攝像器件在半導體基板101的表面附近具有光電二極管102B、光電二極管102Ye。光電二極管102B、光電二極管102Ye被例如由石英玻璃等構成的透明膜103覆蓋。
覆蓋光電二極管102B、102Ye的透明膜103的下表面和相對側的上表面形成山型形狀，在山型形狀的上表面內，向同一方按一定角度傾斜的傾斜面上形成有光選擇部104B、光反射部104M，且配置在對應于光電二極管102B、102Ye的位置。
光選擇部104B具有在從微透鏡109入射的光中作為規定范圍內的波長的光選擇性地透射具有藍色光的波長的光、選擇性地反射其補色即黃色光(即具有藍色光以外的波長的光)的特性，使透射的藍色光入射到光電二極管102B，使反射的黃色光朝向光電二極管102Ye上方的光反射部104M傾斜。優選光選擇部104B的傾斜角度盡可能接近45°，以便來自上方的入射光向圖中右側的橫方向反射，進而由光反射部104M反射而入射到光電二極管102Ye中。
此外，光選擇部104R具有在從微透鏡109入射的光中選擇性地透射具有紅色光的波長的光、選擇性地反射其補色即青色光(即具有紅色光以外的波長的光)的特性，使透射的紅色光入射到光電二極管102R，使反射的青色光向光電二極管102Cy上方的光反射部104M傾斜。
這樣向光選擇部104B、104R的入射光在光選擇部104B、104R中反射還是透射由波長決定，該波長的范圍可以選擇性地設定。光選擇部104B一般可以利用與在電子靜態攝像機、3板式視頻攝像機等中形成于分色棱鏡的表面的膜具有同樣的結構的被稱為分色鏡的多層膜，在本實施方式中，是分色濾光片的改良版，由包括光子結構的絕緣體層的多層膜形成。
光反射部104M具有反射入射光的特性，由全反射膜例如鋁等金屬薄膜等構成。
光選擇部104B以及光反射部104M由折射率比透明膜103低的透明膜105覆蓋。
在透明膜105的對應于光選擇部104B的部位設有凹透鏡106。透明膜105由遮光膜107覆蓋，在遮光膜107的對應于光選擇部104B的部位設有開口部，光通過開口部以及凹透鏡106入射到光選擇部104B，在鄰接的光反射部104M或光選擇部104R中由遮光膜107遮斷不需要的光。
遮光膜107以及凹透鏡106被透明膜108覆蓋，透明膜108的對應于光電二極管102B的部位設有微透鏡109(凸透鏡)。由此，對于成為對的兩個鄰接的光電二極管102B、102Ye具有一組由微透鏡109及凹透鏡106組成的聚光單元。
入射光由微透鏡109和凹透鏡106集光，作為平行光線入射到光選擇部104B。
入射到光選擇部104B的光中的藍色光B透射光選擇部104B而入射到藍色用光電二極管102中。入射到光選擇部104B的光中的藍色的補色即黃色光Ye由光選擇部104B反射，朝向光反射部104M反射。
黃色光Ye由光反射部104M反射，入射到光電二極管102Ye中。
這樣，來自微透鏡109的光，通過由光選擇部104B及光反射部104M反射、透射而被顏色分離成為原色光和補色光，并分配給各光電二極管102B、102Ye。原色光通過光選擇部104B的一次透射而入射到光電二極管102B中，補色光通過光選擇部104B以及光反射部104M的2次反射而入射到光電二極管102Ye中。與將光分離成3種光的情況相比，由于因透射以及反射造成的光的損失減少，因此能夠使靈敏度提高。
微透鏡的比例相對于2個光電二極管是1個，因此作為與入射光對應的分辨率，相對于光電二極管數量成為1/2，但通過如圖4那樣將微透鏡配置在傾斜45度方向上，作為微透鏡間隔成為光電二極管間隔的1.4倍，作為分辨率也能夠垂直水平均等地抑制在光電二極管的數量的1/1.4。
圖6是表示鄰接的行中的光選擇部及光反射部的方向的模式圖。該圖(a)是表示藍色用光電二極管102B與黃色用光電二極管102Ye交替排列的行和青色用光電二極管102Cy與光電二極管102R交替排列的鄰接行的俯視圖。該圖(b)是表示沿B-B線的截面的模式圖。在該圖(b)的光電二極管102B和光電二極管Ye(以下標記為(B、Ye)。)交替排列的行中，選擇性地反射光選擇部104B中的具有除藍色光以外的波長的黃色光的反射面朝向該圖右側，光反射部104M的反射面朝向該圖左側。兩者的反射面對置，向相同方向(圖中向右向下45度)傾斜。
該圖(c)是表示沿C-C線的截面的模式圖。在該圖(c)中，由于與該圖(b)相比光反射部104M和光選擇部104R的排列順序相反，因此兩者的反射面的方向和傾斜的方向相反。
圖7A、7B是表示光選擇部104B、104R的更詳細的構成的截面圖。如圖7A那樣，光選擇部104B構成為包括二氧化鈦層501a、二氧化硅層501b、二氧化鈦層501c、絕緣體層501B、二氧化鈦層501e、二氧化硅層501f、二氧化鈦層501g的多層膜。
總之，是交替地層疊氧化硅層(SiO2)等具有低折射率的材料和氧化鈦(TiO2)或氮化硅層(Si3N4)等具有高折射率的材料的電介質多層膜，而且成為包括絕緣體層501B的結構。各層除絕緣體層501B以外都具有相同的光學膜厚。所謂光學膜厚是指在該層的材料的折射率n乘以該層的膜厚d的值nd。除絕緣體層501B以外的各層501a～501g的光學膜厚都是波長λ(在圖7A、7B中是紅色光的波長)的4分之1(λ/4)。將面向具有λ/4的光學膜厚的各層設定的λ稱為設定中心波長。
另一方面，如圖7那樣，光選擇部104R與光選擇部104B相比，不同點在于取代絕緣體層501B而包括具有λ/4的光學膜厚的二氧化硅層501d。由于光選擇部104R不包括絕緣體層501B，因此各層與具有λ/4的光學膜厚的分色濾光片具有相同的結構，因此，選擇性透射相當于設定中心波長λ的波長的光(在此是紅色光)，反射除此以外的波長的光。由此，如圖7B所示的光選擇部104R具有透射紅色光，反射成為其補色的青色光的分色濾光片以及分色鏡的功能。而且，在下述的圖15A的下段示出光選擇部104B、104R的光透射特性。
圖7A中的絕緣體層501B具有沿主表面交替地排列了二氧化鈦和二氧化硅的光子結構，且具有透射λ/4以外的波長的特性。光選擇部104B包括絕緣體層501B這一點是本實施方式中的一個特征。即，根據絕緣體層501B的光學膜厚，能夠調整透射光選擇部104B的光的波長范圍。換言之，如圖7A所示的光選擇部104B通過包括絕緣體層501B，能夠使各層具有如下特性，將具有紅色光的λ/4的光學膜厚的分色濾光片的透射波長錯開，選擇性地透射所希望的波長范圍的光(即綠色光)，選擇性地反射其補色即黃色光。
如圖7B所示的光選擇部104R也可以是分色濾光片。如圖7A所示，光選擇部104B成為如下結構將絕緣體層插入構成光選擇部104R的電介質多層膜，利用絕緣體層的光學膜厚，將透射光的波長調整為綠色光。其結果，由于光選擇部104B和光選擇部104R具有共用的層501a、501b、501c、501e、501f、501g，因此能夠將光選擇部104B和光選擇部104R的制造工序共用化，能夠削減制造人工數。
而且，各層在λ/4的電介質多層膜中設置絕緣體層，從而調整為使透射波長從設定中心波長偏移的技術，記載在國際公開公報WO2005/069376A1號公報中。依據該公報能夠制造光選擇部104B、光選擇部104R。
圖8A、8B是光反射部104M的截面圖。圖8A示出的反射部104M由鋁層601a構成。利用鋁層601a，使從選擇部104B或者光選擇部104R入射的光向光電二極管102Ye或者光電二極管102Cy全反射。圖8B示出的光反射部104M具有僅全反射可見光、去除紫外光以及紅外光的去除單元的功能。為此，由吸收紫外光以及紅外光的部件形成，例如作為多層膜601b～601g形成。
如以上說明那樣，本實施方式中的固體攝像器件的結構為，將從微透鏡109入射的光分離成具有規定范圍內的波長的第1原色光和具有規定范圍外的波長的第2補色光這兩種光，使第1原色光入射到1個光電二極管，使第2補色光入射到另一個光電二極管。作為分離從微透鏡109入射的光的單元，使用由具有與規定范圍的波長對應的光子結構的絕緣體層的多層膜構成的光選擇部104B以及光選擇部104R。這樣一來，實現固體攝像器件的高靈敏度化的同時，能夠實現制造工序的共用化，能夠降低制造成本。
接著，對幾個變形例進行說明。
圖9A、9B是表示光選擇部104B、104R的第1變形例的截面圖。圖9A中的光選擇部104B是由包括二氧化鈦層701a、二氧化硅層701b、二氧化鈦層701c、二氧化硅層701d、二氧化鈦層701e、二氧化硅層701f、二氧化鈦層701g的多層膜構成的分色濾光片。該設定中心波長是藍色光。圖9B中的光選擇部104R與圖9A的光選擇部104B相比，取代二氧化硅層701d而具有光子結構的絕緣體層701R。在絕緣體層701R中利用光學膜厚調整為使透射波長成為紅色光。即使采用該結構，由于光選擇部104B和光選擇部104R中的層701a、701b、701c、701e、701f、701g具有相同的光學膜厚，因此兩者間能夠共同地制造，實現制造工序的共同化，能夠降低制造成本。
圖10A、10B是表示光選擇部104B、104R的第2變形例的截面圖。圖10A中的光選擇部104B由包括二氧化鈦層801a、二氧化硅層801b、二氧化鈦層801c、絕緣體層801B、二氧化鈦層801e、二氧化硅801f、二氧化鈦層801g的多層膜構成。除絕緣體層801B以外的各層801a、801b、801c、801e、801f、801g不以藍色光也不以紅色光，例如以綠色光作為設定中心波長(光學膜厚為綠色光的λ/4)。圖10B中的光選擇部104R與圖10A的光選擇部104B相比具有絕緣體層801R來取代絕緣體層801B。絕緣體層801B具有將光選擇部104B的透射光的波長從綠色光偏移為藍色光的光學膜厚，透射光的波長被調整為藍色光。絕緣體層801R具有將光選擇部104B的透射光的波長從綠色光偏移為紅色光的光學膜厚，透射光的波長被調整為紅色光。
即使該結構，由于光選擇部104B和光選擇部104R中的層801a、801b、801c、801e、801f、801g具有相同的光學膜厚，因此兩者能夠共同地制造，實現制造工序的共同化，能夠降低制造成本。而且，光選擇部104B和光選擇部104R的光學膜厚不同，但是具有絕緣體層，因此能夠使光選擇部104B的膜厚和光選擇部104R的膜厚相同。
而且，在上述實施方式中，對原色光和補色光(B、Ye)和(R、Cy)的組進行了說明，但也可以選擇(B、Ye)、(R、Cy)、(G、Mg)中的某一個2組的結構。
圖11是表示成為原色光和補色光的組的光電二極管的顏色排列的第1變形例的圖。在該圖中，鄰接的2行中的1個交替排列有與(G、Mg)對應的光電二極管102G、光電二極管102Mg。另一行，對應(Cy、R)交替地排列光電二極管102Cy、光電二極管102R。
圖12是表示圖11中的微透鏡109的排列及相鄰的行的截面的模式圖。如圖12(a)那樣，微透鏡109的中心排列成與對應于原色的光電二極管102G、102R的中心一致。如圖12(b)、12(c)那樣，在鄰接的行中，光選擇部104及光反射部104M的傾斜角方向成為反向。而且，當光選擇部104R、104G、104B的透射特性如圖15A下段那樣時，圖11的顏色排列是最優選的顏色排列。這是因為在圖15A中藍色光的半值寬度比綠色光以及紅色光的半值寬度窄的緣故。總之，通過利用選擇性地使透射特性比藍色光更好的紅色光、綠色光透射的光選擇部104R、104G，能夠使固體攝像器件更加提高靈敏度。
(實施方式2)在本實施方式中，對光選擇部104中的絕緣體層取代利用光子結構調整光學的膜厚而利用物理的膜厚調整光學膜厚的例子進行說明。
圖13是實施方式2中的固體攝像器件的截面圖。該圖中的光電二極管的排列，如圖11所示那樣交替地排列有(G、Mg)的行和(Cy、R)的行。
圖13與圖5所示的截面圖相比不同點在于，取代光電二極管102Ye、102B而具備光電二極管102Mg、102G，取代光選擇部104B而具備光選擇部904G。以下省略相同點的說明以不同點為中心進行說明。
光電二極管102Mg、102G僅是入射的光不同，物理上是與光電二極管102Ye、102B等光電二極管相同的結構。
光選擇部104G的絕緣體層不具有光子結構這一點與光選擇部104不同。
圖14A、14B是光選擇部904R、904G的更詳細的截面圖。如圖14A那樣，光選擇部904R作為包括二氧化鈦層201a、二氧化硅層201b、二氧化鈦層201c、絕緣體層201R、二氧化鈦層201e、二氧化硅層201f、二氧化鈦層201g的多層膜構成。除絕緣體層501R以外，各層都具有相同的光學膜厚。絕緣體層201R以外的各層201a～201g的設定中心波長是綠色光的波長。圖14A中的絕緣體層201R是二氧化硅，具有綠色光的λ/4以外的光學膜厚。根據該絕緣體層201R的光學膜厚，能夠調整透過光選擇部904R的光的波長范圍。換言之，圖14A所示的光選擇部904R由于包括絕緣體層201R，能夠使各層具有如下特性將具有綠色光的λ/4的光學膜厚的分色濾光片的透射波長偏移，選擇性地透射所希望的波長范圍的光(即紅色光)，選擇性地反射其補色即青色光。
另一方面，在圖14B中，光選擇部904G與光選擇部104B相比不同點在于，取代絕緣體層501R而包括具有λ/4的光學膜厚的二氧化硅層201d。由于光選擇部904G不包括絕緣體層201R，因此，將綠色光的波長作為設定中心波長，各層成為與具有λ/4的光學膜厚的分色濾光片相同的結構，因此，透射相當于設定中心波長λ的波長的光(在此是綠色光)。由此，圖14B所示的光選擇部904G具有透射綠色光、對其補色即品紅色光進行反射的分色濾光片以及分色鏡的功能。
接著，對本實施方式的光選擇部904的分光特性進行說明。
圖15A是表示光選擇部904B、904G、904R的分光特性的圖。該圖的光選擇部904G表示圖14B所示的光選擇部904G。絕緣體層(隔離層)的膜厚是0nm。光選擇部904B做成對于圖14B所示的光選擇部904G的多層膜追加了膜厚200nm的絕緣體層(隔離層)的結構。光選擇部904R做成對于圖14B所示的光選擇部904G的多層膜追加了膜厚50nm的絕緣體層(隔離層)的結構。
而且，該分光特性利用矩陣法求出。此外，在求出分光特性時，設二氧化鈦(高折射率材料)的折射率為2.5、二氧化硅(低折射率材料)的折射率為1.45，設絕緣體層(隔離層)的光學膜厚和物理膜厚分別在光選擇部904B中為200nm和80nm、在光選擇部904R中為50nm和20nm、在光選擇部904G中為0nm。
如圖15A所示，通過調整隔離層的膜厚，能夠使透過隔離層的光的波長變化。
而且，也可以取代上述的二氧化鈦而將氮化硅或五氧化鉭、二氧化鋯等用作高折射率材料。此外，也可以將二氧化硅以外的材料用作低折射率材料。
接著，對光選擇部904的透射特性進行說明。
圖15B是表示根據隔離層的有無而不同的電介質多層膜的透射特性的圖。而且，圖15B所示的透射特性是利用使用了菲涅爾計數的矩陣法求出，設對數為10、設定波長為550nm，僅求出垂直入射光。各圖表的縱軸表示透射率，橫軸表示入射到電介質多層膜的光的波長。
當由氮化硅和二氧化硅組成的電介質多層膜整體成為λ/4的多層膜時，如圖15B所示，反射以上述設定波長為中心的波長帶的光。而且，構成多層膜的材料的折射率差越大反射波段的寬度越大。
另一方面，當在光學膜厚不同于λ/4的隔離層的上下λ/4的多層膜關于隔離層對稱地形成電介質多層膜時，如圖15C所示，能夠得到僅使λ/4的多層膜的反射波段中的設定波長附近的光透射的光選擇部904。
如上所述，若使隔離層的膜厚變化，則能夠使透射峰值波長變化。在本實施方式中，著眼于這種特性而使用電介質多層膜，因此能夠使光選擇部904的厚度大致為入射光的波長(500nm左右)。由此，能夠使固體攝像器件小型化。
此外，圖15A～15C的特性，對于實施方式1中的光子結構的絕緣體層也同樣適用。這是因為使用光子結構的絕緣體層時，取代調整物理膜厚，通過光子結構的間距或配置來調整折射率，其結果調整光學膜厚的緣故。
如以上所述，由于光選擇部904R和光選擇部904G具有共用層201a、201b、201c、201e、201f、201g，因此能夠將光選擇部904R和光選擇部904G的制造工序共用化，能夠削減制造人工數。
而且，對各層在λ/4的電介質多層膜中設置絕緣體層，通過該膜厚的調整來調整透射波長以便從設定中心波長偏移的技術，記載在國際公開公報WO2005/069376A1號公報中。光選擇部104B、光選擇部104R能夠根據該公報制造。
接著，對幾個變形例進行說明。
圖16是表示對成為原色光和補色光的組的光電二極管的顏色排列的第2變形例的圖。在該圖中，鄰接的2行中的1行將(B、Ye)作為對，交替地排列有光電二極管102B、光電二極管102Ye。另一行將(R、Cy)作為對，交替地排列有光電二極管102R、光電二極管102Cy。對的位置與鄰接行偏移一個光電二極管的量(一個像素的量)。為此，不使用(R、Cy)的前頭的光電二極管102X(圖中的X)。
圖17是表示與圖16對應的微透鏡109的排列以及相鄰的行的截面的模式圖。如圖17(a)那樣，微透鏡109的形狀是帶圓角的菱形(正方形)。微透鏡109的中心排列成與對應于原色的光電二極管102B、102R的中心一致。如圖16那樣，通過使光電二極管的對與鄰接行偏移一個像素的量(一個光電二極管的量)，如圖17(b)、(c)那樣，能夠在鄰接的行中，使光選擇部104及光反射部104M的傾斜角度成為相同方向，能夠提高制造的可靠性。
圖18是表示對固體攝像器件的光電二極管的顏色排列的第3變形例的圖。在該圖中，對應于原色的光電二極管在鄰接行之間配置在相同列。鄰接的2行中的1行將(Ye、B)作為對，交替地排列有光電二極管102Ye、光電二極管102B。另一行將(Cy、R)作為對，交替地排列光電二極管102Cy、光電二極管102R。在對應于原色的光電二極管的列上排列。
圖19是表示對應于圖18的微透鏡109的排列及相鄰的行的截面的模式圖。如圖19(a)所示，微透鏡109的形狀大致是長方形。微透鏡109的中心排列成與對應于原色的光電二極管102B、102R的中心一致。如圖18那樣，通過將光電二極管的對中的對應于原色的光電二極管配置在相同列上，如圖19(b)、(c)那樣，在鄰接的行中能夠使光選擇部104及光反射部104M的傾斜角成為相同方向，容易使所有的光選擇部104及所有的光反射部104M的傾斜角度一致。
只要是圖19的微透鏡109的排列，就能夠對入射光提高特定方向的分辨率。即，在本實施方式的固體攝像器件中，微透鏡109的排列間距在垂直方向和水平方向不同，垂直方向的排列間距成為水平方向的排列間距的1/2。這樣一來，形成能夠將垂直方向的分辨率提高為2倍于水平方向的分辨率的結構。
圖20是表示關于微透鏡109的排列以及相鄰的行的截面的第4變形例的模式圖。該圖與圖8所示的光電二極管的顏色排列對應。但是，圖20(b)、(c)所示那樣，光電二極管的對的位置與鄰接行偏移一個光電二極管的量。即，不使用光電二極管102X。在該排列中，在鄰接的行中，光選擇部104以及光反射部104M的傾斜角成為相反方向。
圖21是表示關于成為原色光和補色光的組的光電二極管的顏色排列的第5變形例的圖。在該圖中，各行交替地排列(B、Ye)(Cy、R)的2個對。在鄰接行不同的對相鄰。
圖22是表示對應于圖21的微透鏡109以及相鄰的行的截面的模式圖。如圖22(a)那樣，微透鏡109的中心不與原色用光電二極管102的中心一致，也不與補色用光電二極管102的中心一致。微透鏡109必須形成為朝向原色用光電二極管102聚光。如圖22(b)、(c)所示，在鄰接的行中，光選擇部104及光反射部104M的傾斜角成為相反方向。
圖23是表示關于原色光和補色光成為組的光電二極管的顏色排列的第6變形例的圖。在該圖中，鄰接的2列中的1列排列(R、Cy)對，另一列排列(Ye、B)對。
圖24是表示對應于圖23的微透鏡109及相鄰的行的截面的模式圖。如圖24(a)那樣，微透鏡109的中心與原色用光電二極管102的中心一致，也與補色用光電二極管102的中心一致。圖24(b)是表示O-O線上的列方向的截面的模式圖，圖24(c)是表示P-P線上的列方向的截面的模式圖。這樣，也可以將在縱方向鄰接的2個光電二極管作為對。
此外，如圖19那樣，若形成大致長方形的微透鏡的光電二極管排列以垂直/水平切換其排列方向，則微透鏡成為在垂直方向具有長邊的形狀，能夠使水平方向的分辨率提高到垂直方向的分辨率的2倍。
而且，在上述各實施方式中，示出了利用光選擇部104選擇性地透射原色光、反射補色光的結構，但也可以選擇性地透射補色光、反射原色光的結構。這時也可以構成為微透鏡109的中心與補色光用的光電二極管102的中心一致。此外，也可以在某行中將微透鏡109配置在對應于原色光的光電二極管102上，在鄰接行中將微透鏡109配置在對應于補色光的光電二極管102上。
(實施方式3)在本實施方式中，說明將從上述各實施方式中的固體攝像器件獲得的顏色信號轉換成3原色的信號的信號處理。
圖25是表示實施方式3中的攝像機結構的框圖。如該圖所示，本實施方式中的攝像機401包括信號處理部410、固體攝像器件411、驅動部412、控制部414、機械快門415、透鏡416以及顯示部420。
信號處理部410包括顏色轉換部413，獲取從固體攝像器件411輸出的各光電二極管的信號并進行顏色轉換。
固體攝像器件411是上述實施方式1或者2的固體攝像器件，來自攝像對象的光通過透鏡416、機械快門415入射。作為攝像結果，每4個光電二極管將表示第1原色的信號、表示第1補色的信號、表示第2原色的信號以及表示第2補色的信號順序地輸出到信號處理部410。第1原色信號以及第1補色信號是(B信號、Ye信號)、(R信號、Cy信號)、(G信號、Mg信號)中的一個。第2原色信號以及第2補色信號由另一個表示。
驅動部412輸出用于驅動固體攝像器件411的各種驅動信號。
控制部414控制整個攝像機401。
顯示部420進行監控顯示或已攝像的圖像的顯示。
圖26是顏色轉換部413的說明圖。顏色轉換部413將第1原色信號、第1補色信號、第2原色信號、第2補色信號轉換成紅色信號、綠色信號、藍色信號。該顏色轉換能夠通過眾所周知的運算進行。
而且，在機械快門415中也可以具備具有去除紫外光及紅外光的去除單元的功能的濾光片。
此外，在上述各實施方式中，固體攝像器件可以是CCD(電荷耦合器件，Charge Coupled Device)型，也可以是MOS(金屬氧化物半導體，Metal Oxide Semiconductor)型。
此外，作為高折射率材料，也可以使用氮化硅或五氧化鉭、二氧化鋯等來取代上述二氧化鈦。此外，也可以使用二氧化硅以外的材料作為低折射率材料。
而且，光選擇部的多層膜結構的層數不限于上述實施方式所示的層數，幾層均可。當然，各層的材料不限定于上述二氧化鈦、二氧化硅、氧化鎂，也可以使用氧化鉭(Ta2O5)、氧化鋯(ZrO2)、一氮化硅(SiN)、氮化硅(Si3N5)、氧化鋁(Al2O3)、氟化鎂(MgF2)、氧化鉿(HfO3)。
本發明適合于形成在半導體基板上的具有多個光電二極管的固體攝像器件及具有該固體攝像器件的攝像機，例如適合于CCD攝像傳感器、MOS攝像傳感器、數字靜止攝像機、帶攝像機的便攜式電話、監視攝像機、內置于筆記型個人計算機中的攝像機、連接到信息處理設備的攝像機組件等。
對于本領域技術人員來說，其他優點和變更是很容易想到的。因此，本發明就其較寬方面而言，并不限于本申請給出和描述的具體細節和說明性實施例。因此，在不偏離所附權利要求及其等同物定義的總發明構思精神或保護范圍的前提下，可以做出各種修改。
權利要求
1.一種固體攝像器件，其特征在于，包括二維狀排列的光電二極管；多個聚光單元，匯聚光，對相鄰的兩個光電二極管各設有一個；以及多個分離單元，對應上述聚光單元來設置，該分離單元將從上述聚光單元入射的光分離成具有規定范圍內的波長的第1光和具有規定范圍外的波長的第2光這兩種光；各分離單元包括光選擇單元，在從上述聚光單元入射的光中，選擇性地透射第1光以及第2光中的一種光而反射另一種光，使透射的光入射到一個光電二極管中；以及光反射單元，將由上述光選擇單元反射的光向另一個光電二極管反射。
2.根據權利要求1記載的固體攝像器件，其特征在于上述光反射單元只反射可見光。
3.根據權利要求1記載的固體攝像器件，其特征在于上述固體攝像器件還包括去除紅外光的去除單元；上述分離單元從去除紅外光后的光中，分離具有規定范圍內的波長的光和除此以外的光。
4.根據權利要求1記載的固體攝像器件，其特征在于上述多個分離單元包括第1類型的分離單元以及第2類型的分離單元；第1類型的分離單元中的第1光是表示紅綠藍中的某一個原色的第1原色光，第2光是表示第1原色光的補色的第1補色光；第2類型的分離單元中的第1光是不同于第1原色光的第2原色光，第2光是表示第2原色光的補色的第2補色光。
5.根據權利要求4記載的固體攝像器件，其特征在于上述第1原色光、第1補色光、第2原色光、第2補色光分別是紅色光、青色光、藍色光、黃色光，第1類型的分離單元和第2類型的分離單元分別排列在同一列或者同一行。
6.根據權利要求4記載的固體攝像器件，其特征在于上述第1原色光、第1補色光、第2原色光、第2補色光分別是紅色光、青色光、綠色光、品紅色光，第1類型的分離單元和第2類型的分離單元分別排列在同一列或者同一行。
7.根據權利要求4記載的固體攝像器件，其特征在于上述固體攝像器件還包括轉換單元，該轉換單元將從光電二極管獲得的表示第1原色的信號、表示第1補色的信號、表示第2原色的信號以及表示第2補色的信號轉換成紅色信號、綠色信號、藍色信號。
8.根據權利要求4記載的固體攝像器件，其特征在于在被上述聚光單元聚光的光軸上配置有上述光選擇單元以及一個二極管。
9.根據權利要求8記載的固體攝像器件，其特征在于屬于一個行的聚光單元的中心與屬于鄰接的行的聚光單元的中心在行方向上偏移，該偏移的距離等于行方向上鄰接的兩個光電二極管的中心間的距離。
10.根據權利要求1記載的固體攝像器件，其特征在于上述多個聚光單元的排列間距，在垂直方向和水平方向上不同。
11.根據權利要求1記載的固體攝像器件，其特征在于上述光選擇單元是包括折射率不同的兩種光學膜的多層膜，上述光學膜的光學膜厚相當于設定中心波長的四分之一，上述多層膜還包括與設定中心波長對應的光子結構的絕緣體層。
12.根據權利要求11記載的固體攝像器件，其特征在于上述光反射單元只反射可見光。
13.根據權利要求11記載的固體攝像器件，其特征在于上述固體攝像器件還包括去除紅外光的去除單元；上述分離單元從去除紅外光后的光中分離具有規定范圍內的波長的光和除此以外的光。
14.根據權利要求11記載的固體攝像器件，其特征在于上述多個分離單元包括第1類型的分離單元以及第2類型的分離單元；第1類型的分離單元中的第1光是表示紅綠藍中的某一個原色的第1原色光，第2光是表示第1原色光的補色的第1補色光；第2類型的分離單元中的第1光是不同于第1原色光的第2原色光，第2光是表示第2原色光的補色的第2補色光。
15.根據權利要求1記載的固體攝像器件，其特征在于上述光選擇單元是包括折射率不同的兩種光學膜的多層膜；上述光學膜的光學膜厚相當于設定中心波長的四分之一；上述多層膜還包括具有設定中心波長的四分之一以外的光學膜厚的絕緣體層。
16.根據權利要求15記載的固體攝像器件，其特征在于上述光反射單元只反射可見光。
17.根據權利要求15記載的固體攝像器件，其特征在于上述固體攝像器件還包括去除紅外光的去除單元；上述分離單元從去除紅外光后的光中分離具有規定范圍內的波長的光和除此以外的光。
18.根據權利要求15記載的固體攝像器件，其特征在于上述多個分離單元包括第1類型的分離單元以及第2類型的分離單元；第1類型的分離單元中的第1光是表示紅綠藍中的某一個原色的第1原色光，第2光是表示第1原色光的補色的第1補色光；第2類型的分離單元中的第1光是不同于第1原色光的第2原色光，第2光是表示第2原色光的補色的第2補色光。
19.一種攝像機，其特征在于，具備固體攝像器件，上述固體攝像器件包括二維狀排列的光電二極管；多個聚光單元，匯聚光，對相鄰的兩個光電二極管各設有一個；以及多個分離單元，對應上述聚光單元來設置，該分離單元將從上述聚光單元入射的光分離成具有規定范圍內的波長的第1光和具有規定范圍外的波長的第2光這兩種光；各分離單元包括光選擇單元，在從上述聚光單元入射的光中，選擇性地透射第1光以及第2光中的一種光而反射另一種光，且使透射的光入射到一個光電二極管中；以及光反射單元，將由上述光選擇單元反射的光向另一個光電二極管反射。
20.一種信號處理方法，是固體攝像器件的信號處理方法，其特征在于上述固體攝像器件包括二維狀排列的光電二極管；多個聚光單元，匯聚光，對相鄰的兩個光電二極管各設有一個；以及多個分離單元，對應上述聚光單元來設置，該分離單元將從上述聚光單元入射的光分離成具有規定范圍內的波長的第1光和具有規定范圍外的波長的第2光這兩種光；各分離單元包括光選擇單元，在從上述聚光單元入射的光中，選擇性地透射第1光以及第2光中的一種光而反射另一種光，且使透射的光入射到一個光電二極管中；以及光反射單元，將由上述光選擇單元反射的光向另一個光電二極管反射；上述第1原色光、第1補色光、第2原色光、第2補色光分別是紅色光、青色光、藍色光、黃色光，第1類型的分離單元和第2類型的分離單元分別排列在同一列或者同一行；上述信號處理方法從4個光電二極管取得表示第1原色的信號、表示第1補色的信號、表示第2原色的信號以及表示第2補色的信號，將取得的4個信號轉換成紅色信號、綠色信號、藍色信號。
全文摘要
本發明的固體攝像器件包括二維狀排列的光電二極管；多個微透鏡，匯聚光，對相鄰的兩個光電二極管各設有一個；以及多個分離單元，對應微透鏡來設置，該分離單元將從微透鏡入射的光分離成具有規定范圍內的波長的第1光和具有規定范圍外的波長的第2光這兩種光。各分離單元包括光選擇部，從通過微透鏡而被聚光的光中，選擇性地透射第1光以及第2光中的一種光而反射另一種光，使透射的光入射到一個光電二極管中；以及光反射部，將由上述光選擇部反射的光向另一個光電二極管反射。
文檔編號H04N5/369GK101056365SQ20071009605
公開日2007年10月17日 申請日期2007年4月10日 優先權日2006年4月10日
發明者加藤良章 申請人:松下電器產業株式會社