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JP4579503B2 - Solid-state image sensor - Google Patents
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
第1の従来の技術について説明する。
【0003】
図61は従来一般的に行われているカラー用固体撮像素子の受光部の模式的な断面構成図である。
【0004】
41はカラーフィルタであり、42は固体撮像素子の開口率を上げるために装着されているマイクロレンズである。又、44は遮光部を45は1画素の画素領域を示しており、46は入射光を電荷に変換する光電変換素子を示している。
【0005】
固体撮像素子は図4に示す画素領域45を2次元上に複数配列し画素45ごとに設けられる光電変換素子46において入射した光の光電変換を行い、その電荷を蓄積し、その電荷を電気回路により構成される転送部(図示せず)に周期的に送り、その電荷量に基づいて画像情報を得ている。
【0006】
図61にはカラー用の固体撮像素子を示したがモノクロ用又は単色用の固体撮像素子では41のカラーフィルタがなく、又、開口率を上げるために装着されているマイクロレンズがついていないものもある。
【0007】
この様な固体撮像素子は祈願の上に転送部(図示せず)、光電変換素子46などの固体撮像素子を構成する部分が半導体プロセスを経て順次形成されて製造される。
【0008】
又、カラー撮像素子のカラーフィルタもフォトリソグラフィ法或いは印刷法によって形成され、開口率を上げるために装着されているマイクロレンズもまたフォトリソグラフィ法やドライエッチング工程など半導体プロセスを通して製造される。
【0009】
現在、こうした撮像システムの中に用いられる固体撮像素子としてはラインセンサ、エリアセンサなどが存在し、それぞれ用途に応じたものが様々な分野において利用されており、固体撮像素子自体の性能も年々向上している。
【0010】
次に固体撮像素子の一般的な特性について説明する。
【0011】
図62は固体撮像素子の画素における入射光に対する電荷の出力特性を模式的に示しており、図62に示すように入射光の照度がある値よりも低い場合には照度に応じてその出力も増大するが、それ以上になると出力が飽和するという特性を有している。
【0012】
この様に固体撮像素子は光電変換の感度幅、即ちラチチュードが狭いという問題を有している。
【0013】
又、光電変換された電荷は一時各画素に蓄積されるが、入射光の光量が過大になると各画素に蓄積できる電荷量がその限界を超え余剰電荷が他の画素に流れ込んでゆくといった現象を引き起こし著しく画像を劣化させる。
【0014】
この様な問題を有しているためにカメラなどに固体撮像素子が用いられる場合には固体撮像素子への光量を制限するための絞りやNDフィルタを設けている。
【0015】
しかしこの様な方法は固体撮像素子全体に照射される光量を制御するだけの為に輝度の違いの大きい被写体を撮影する場合には適していない。
【0016】
そのことを以下に具体的に説明する。
【0017】
図63は明るさの違いが大きい被写体の例であり、フレーム52は固体撮像素子で撮影される範囲を示している。
【0018】
図63において53は背景に位置する比較的明るい山、54は光量の大きい太陽、55は太陽54をバックにした人物である。
【0019】
この様な時に背景となる山53を適正に露光するように絞りやNDフィルタを設定すると人物55の光量が不足して暗くなってしまう。
【0020】
又、人物55が適正に露光されるように絞りやNDフィルタを設定すると比較的明るい山53は露光過多になるために白く飛んでしまい、画像に残らない。
【0021】
更に太陽54の近傍においては光電変換素子の出力が飽和して他の画素に流れ込んだり、電荷転送部においても電荷が蓄積される現象が発生しブルーミング、スミアと呼ばれる画像劣化が生じてしまう。
【0022】
又、こうした問題以外にも固体撮像素子の製造時におけるシリコンウエハの欠陥、シリコン酸化膜などの膜厚や膜質の相違、固体撮像素子のカバーガラス表面の汚れ、傷などに起因して各画素の感度ばらつきを生じるという問題を有していた。
【0023】
そのような問題を解決する方法として各光電変換素子ごとに入射する光量を制御する方法が考案されている。
【0024】
この方法によれば各画素ごとに入射光量を制御できるので、前述した太陽54周辺に対応する画素に入射する光量を減光して画像劣化を防いだり、各画素の感度ばらつきを入射光量制御で補完したり、更には固体撮像素子を用いたカメラで問題になる周辺画素での感度低下(シェーディング)を補正することが可能になる。
【0025】
この様な提案は特開昭63−35081に開示されているようにいくつかの光電変換素子をまとめて一つのグループにして、各グループごとに入射面に液晶シャッタを設ける方法や、特開平8−294059に開示されているように各光電変換素子の全面に個別に液晶を設けて各々の光電変換素子に入射する光量を独立に制御する方法がある。
【0026】
図64は液晶を用いた光量制御の方法を示しており、図61で示した固体撮像素子においてマイクロレンズ42と光電変換素子46の間に光変調素子56が設けられている。
【0027】
光変調素子56はエレクトロミック素子や液晶素子などの物性素子よりなり電圧などを印加することでその光透過率を変化させることが出来るものである。
【0028】
この様な構成にすれば撮影に先立って被写体を固体撮像素子で観察し、出力が飽和しそうな光電変換素子を特定し、本撮影時には出力が飽和しそうな光電変換素子に対応する光変調素子56を駆動して入射光量を減らすことが出来る。
【0029】
そのために明るさの差が大きい被写体においても画像劣化や白とびのない撮像を行うことが出来る。
【0030】
又、各光電変換素子ごとに光変調素子が設けられているので、予め測定されている固体撮像素子製造時の各光電変換素子の感度ばらつきを補完する様に光変調素子を駆動することで感度を一様化できる。
【0031】
例えば固体撮像素子の中でもっとも感度の低い光電変換素子に対応する光変調素子の透過率を最大にして、順に感度の高い光電変換素子毎に対応する光変調素子の透過率を変えてゆくことですべての光電変換素子の感度をそろえることが出来る。
【0032】
更には固体撮像素子の中で周辺部の光電変換素子よりも中央部の固体撮像素子に対応する光変調素子の透過率を低く設定することでシェーディングの補正も行える。
【0033】
次に、第2の従来の技術について説明する。
【0034】
固体撮像素子を用いた撮影装置では、画素の配列ピッチで決まるサンプリング周波数の1/2の周波数(ナイキスト周波数)よりも高周波の成分が画像に含まれている場合、モアレと呼ばれる擬似信号が発生して画像を悪化させてしまうという問題がある。
【0035】
そこで、この問題を除去するために、撮影光学系の内部あるいは撮像素子の前方に画像の高周波成分を除去するための光学素子、すなわち光学的ローパスフィルタが用いられる。このような光学的ローパスフィルタとして、水晶等の複屈折を利用した複屈折板が代表的なものだが、当光学素子は高価なため、以下のような光学的ローパスフィルタが提案されている。
【0036】
例えば特開平3−296013号公報では、撮影光学系あるいは撮像素子を光軸と直交する方向に周期的に振動させることで撮影光束をずらし、ローパス効果を得ている。
【0037】
また特開平8−43878号公報では、撮影光学系の内部に配置された液体プリズムを高速駆動してその頂角を周期的に振動させ、撮影光束の方向を微小に変位させることでローパス効果を得ている。
【0038】
また特開平11−215514号公報では、カラーフィルタアレイと、ダイクロミラーを形成したマイクロプリズムアレイを撮像素子の直前に配置し、マイクロプリズムによる光の反射を利用してローパス効果を得ている。
【0039】
さらには特登録2539424号公報では、互いに平行で少なくとも2つの境界面を有した光学素子を光軸に対して略45度の角度に配置し、該境界面で光束の複数回反射させることで光束をずらし、ローパス効果を得ている。
【0040】
第2の従来技術について説明する。
【0041】
固体撮像素子を用いた撮影装置では、画素の配列ピッチで決まるサンプリング周波数の1/2の周波数(ナイキスト周波数)よりも高周波の成分が画像に含まれている場合、モアレと呼ばれる擬似信号が発生して画像を悪化させてしまうという問題がある。
【0042】
そこで、この問題を除去するために、撮影光学系の内部あるいは撮像素子の前方に画像の高周波成分を除去するための光学素子、すなわち光学的ローパスフィルタが用いられる。このような光学的ローパスフィルタとして、水晶等の複屈折を利用した複屈折板が代表的なものだが、当光学素子は高価なため、以下のような光学的ローパスフィルタが提案されている。
【0043】
例えば特開平3−296013号公報では、撮影光学系あるいは撮像素子を光軸と直交する方向に周期的に振動させることで撮影光束をずらし、ローパス効果を得ている。
【0044】
また特開平8−43878号公報では、撮影光学系の内部に配置された液体プリズムを高速駆動してその頂角を周期的に振動させ、撮影光束の方向を微小に変位させることでローパス効果を得ている。
【0045】
また特開平11−215514号公報では、カラーフィルタアレイと、ダイクロミラーを形成したマイクロプリズムアレイを撮像素子の直前に配置し、マイクロプリズムによる光の反射を利用してローパス効果を得ている。
【0046】
さらには特登録2539424号公報では、互いに平行で少なくとも2つの境界面を有した光学素子を光軸に対して略45度の角度に配置し、該境界面で光束の複数回反射させることで光束をずらし、ローパス効果を得ている。
【0047】
【発明が解決しようとする課題】
第1の従来の技術について、以下のような課題があった。
【0048】
以上説明した光変調素子56は上述したようにエレクトロミック素子や液晶素子などの物性素子より形成されているが、この様な物性素子は完全な透過状態や完全な遮光状態を作るのが難しいという欠点がある。
【0049】
そのために光電変換素子46の全面に光変調素子56を配置すると、その透過率が最大の場合においても光変調素子56が配置されていない状態よりも光電変換素子45に入射する光量は減少してしまう。
【0050】
即ち光電変換素子46の絶対感度が低下してしまうという欠点があった。
【0051】
そのために被写体が暗い場合には良好な撮影が出来なくなる。
【0052】
又、被写体が極めて明るい場合においては光電変換素子45の蓄積が完了して電荷を転送する場合においても光電変換素子には僅かに光線の入射があり、画像を劣化させてしまう。
【0053】
これは光変調素子56は完全な遮光状態が出来ないため外界からの光線が光電変換素子56に漏れ出てしまうからである。
【0054】
更に光変調素子56は応答性が低いという問題がある。
【0055】
これは光変調素子56の透過状態を変更すること、例えば透過率最大から最小に変更する動作は緩慢であり、特に低温下においてはその動作が極めて遅くなる現象が有る。
【0056】
この様な現象は撮影前に予め各光電変換素子へ入射する光量を制限するという目的の場合には、応答性はあまり考えなくて良いのでさほど問題にはならない。
【0057】
しかし、光電変換素子46に蓄積された電荷を転送する段階において光電変換素子46への光線の入射を防ぐという目的においてはその応答性は許容できず、例えば電荷転送時に光電変換素子46に更に電荷が蓄積し、その電荷も転送されてしまうことになってしまうので画像を劣化させてしまう。
【0058】
この様に光変調素子56を各光電変換素子46に対応させて配置すると各画素ごとに入射光量を制御できるので、明るさの差が大きい被写体に対しても適切な撮影が出来るダイナミックレンジの広い固体撮像素子が実現でき、更に各画素の感度ばらつきを入射光量制御で補完したり、更には固体撮像素子を用いたカメラで問題になる周辺画素での感度低下(シェーディング)を補正することが可能になるが、カメラでもっとも大切な条件である感度の低下や、画像劣化(光変調素子56の低応答性による光線漏れ)という問題が残っていた。
【0059】
そこで本発明においては上述した光変調素子56を用いた固体撮像素子の長所(ダイナミックレンジの拡大、ばらつき補完、シェーディング補正)を生かし、且つ問題点(絶対感度の低下、低応答性による光線漏れ)を解決してゆくことで高画質で撮影領域の広い(明るさの差が大きい被写体においても良好な撮影が出来る)固体撮像素子を実現することを目的としている。
【0060】
更にそのような固体撮像素子を安定して製造する方法を確立してゆくこと、並びにそのような固体撮像素子をデジタルカメラに適応してゆくときの撮影システムを構築してゆくことを目的としている。
【0061】
また、上記第2の従来の技術について、以下のような課題がある。
【0062】
特開平3−296013号公報及び特開平8−43878号公報に開示された従来技術では、駆動対象である撮影光学系、撮像素子もしくは液体プリズムは、一般に質量が大きいために高速駆動が困難で、露光時間が短い撮影シーンでは充分なローパス効果を得ることができない。また駆動に伴って騒音や振動が生じる恐れもある。
【0063】
特開平11−215514号公報に開示された従来技術では、マイクロプリズムアレイの各単位プリズムを撮像素子の各画素に対して1対1で正確に位置合わせをする必要がある。また一般にダイクロミラーは入射角に対する波長依存性が大きいため、撮影素子の中心と周辺で撮像素子の分光感度特性が異なってしまう欠点もある。
【0064】
特登録2539424号公報に開示された従来技術では、撮影光軸に対して光学素子を所定角度傾けて配置しなければならず、光軸方向に多大なスペースが必要となって機器が大型化してしまう。
【0065】
そこで本発明は、2枚のマイクロプリズムアレイを所定の波形で相対的に駆動し、該アレイ内での光束の経路を微小に変位させることで、小型かつローパス効果が可変の光学的ローパスフィルタを提供することを目的としている。
【0066】
第2の従来技術の課題について説明する。
【0067】
しかしながら、上記従来技術には、以下のような欠点がある。
【0068】
特開平3−296013号公報及び特開平8−43878号公報に開示された従来技術では、駆動対象である撮影光学系、撮像素子もしくは液体プリズムは、一般に質量が大きいために高速駆動が困難で、露光時間が短い撮影シーンでは充分なローパス効果を得ることができない。また駆動に伴って騒音や振動が生じる恐れもある。
【0069】
特開平11−215514号公報に開示された従来技術では、マイクロプリズムアレイの各単位プリズムを撮像素子の各画素に対して1対1で正確に位置合わせをする必要がある。また一般にダイクロミラーは入射角に対する波長依存性が大きいため、撮影素子の中心と周辺で撮像素子の分光感度特性が異なってしまう欠点もある。
【0070】
特登録2539424号公報に開示された従来技術では、撮影光軸に対して光学素子を所定角度傾けて配置しなければならず、光軸方向に多大なスペースが必要となって機器が大型化してしまう。
【0071】
そこで本発明は、2枚のマイクロプリズムアレイを所定の波形で相対的に駆動し、該アレイ内での光束の経路を微小に変位させることで、小型かつローパス効果が可変の光学的ローパスフィルタを提供することを目的としている。
【0072】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、半導体基盤の主面に配列される複数の光電変換素子からなる受光領域と、各光電変換素子の入射状態を制御する光制御素子からなる光制御領域で構成される固体撮像素子において、光制御素子は各光電変換素子ごとに設けられた可動マイクロプリズムと、可動マイクロプリズムに対向し可動マイクロプリズムのプリズム面と略同形状の入射面を有する固定マイクロプリズムと、可動マイクロプリズムの他端で対向する光導波路と、可動マイクロプリズムと固定マイクロプリズムの第1の対向間隔及び可動マイクロプリズムと光導波路の第2の対向間隔を変更する駆動手段と、第1の対向間隔と/或いは第2の対向間隔における主光軸に沿う面での光線の出射による迷光を遮光する遮光手段とで構成され、駆動手段により第1の対向間隔を変更することで可動マイクロプリズムの全反射状態と透過状態を制御する固体撮像素子を提供する。
【0082】
【発明の実施の形態】
(第1の実施の形態)
図1は本発明の第1の実施の形態であり、固体撮像素子10の断面図を示している。
【0083】
図において各構成部材の部番の末尾にあるアルファベットは各画素ごとの識別の為に設けられており、文中で部番末尾にアルファベットがない場合はそれらの総称を示している。
【0084】
11aaはマイクロレンズであり、後述する光電変換素子111の一つ一つに対応して設けられ屈折率が2.0以上のTIOの透明明層をエッチング法により削ってレンズ形状にしている。
【0085】
12aaはカラーフィルタであり例えばベイヤー配列の原色フィルタの場合には赤、青、緑のフィルタが交互に隣接し固体撮像素子10を上面から見て図1bの様に配置されている。
【0086】
図2において12aa、12ac、12ca、12ccは赤フィルタ、12ab,12ac、12ba、12bc、12cb、12cd、12da、12dcは緑フィルタ、12bb、12bd、12db、12ddは青フィルタである。
【0087】
各フィルタは所望色の顔料もしくは染料を含有させた樹脂(カラーレジン)の層をフォトリソグラフィ法等の方法によって所定箇所に形成することによって作成することが出来る。
【0088】
13aaは光導波路でありマイクロプリズム同様にTIOの透明明層をエッチング法により削って形成された円筒形状をしている。
【0089】
平坦化層15は光導波路13aaの外周を包むようにSIOで形成され、各々の光導波路を結合させている。
【0090】
平坦化層15の材質SIOの屈折率は1.5程度であり光導波路13の材料TIOの屈折率2.3程度とは異なるので光導波路13に入射する光線のうちその側面14から出射しようとする光線は平坦化層15との界面で全反射されて光電変換素子111方面に導かれる。
【0091】
そのために光電変換素子111に導かれる光量が多くなり固体撮像素子10の感度が向上する。
【0092】
平坦化層15には後述するシリコン製の板バネ16aaが設けられており、その板バネ16aaの他端には可動マイクロプリズム17aaが形成されている。
【0093】
可動マイクロプリズム17aaは光導波路13aa上にTIOで形成されているが、製造過程においてはその間に極めて薄い犠牲層を設け、可動マイクロプリズム形成後にその犠牲層をエッチング処理で除去する事で光導波路13aaと可動マイクロプリズム17aaを分離している。
【0094】
可動マイクロプリズム17aaの先端はコーナーキューブ形状をしており、先端部にはITOからなる透明電極層18aa及びSIOからなる絶縁層19aaが設けられている。
【0095】
以上マイクロレンズ11、カラーフィルタ12、光導波路13、平坦化層15、板バネ16により第2の基盤を形成している。
【0096】
平坦化層15と同様にSIOで形成されたベース層110の最端部には光電変換素子111aaが設けられている。
【0097】
光電変換素子111は例えばp型不純物領域(図の煩雑を避けるために省略しているが光電変換素子111の下面全体にわたりベース層として形成されている)の上にn型不純物領域を行列上に設け、その各々の上にp型不純物領域を設けることによって形成された埋め込み型のフォトダイオードであり、n型不純物領域は電荷蓄積領域として機能する。
【0098】
光電変換素子111aaに隣接して読み出しゲート112aaが設けられている。
【0099】
読み出しゲート112aaは垂直転送電極113aaの一領域であり、ポリシリコン層により形成される。
【0100】
垂直転送電極117aa対向して垂直転送電荷転送路114aaが設けられている。
【0101】
そして垂直転送電極113aaに読み出しパルス(例えば15V)を印加すると、この垂直転送電極113aaに対応する光電変換素子(ここでは光電変換素子111aa)に蓄積されている電荷は読み出しゲート112aaを介して対応する垂直電荷転送路114aaに読み出される。
【0102】
115aaはチャネルストップ領域であり、光電変換素子111aaの読み出しゲート112aa以外の周囲を囲む様に設けられている。
【0103】
チャネルストップ領域115aaは隣接するほかの放電変換素子や転送領域とを電気的に分離する為に設けられている。
【0104】
光電変換素子111から垂直電荷転送路114への電荷読み出しは光電変換素子111単位で行われ、インターレース走査、プログレッシブ走査、全画素読み出しなど種々の読み出し形態が有る。
【0105】
ベース層110には固定マイクロプリズム116aaが設けられている。
【0106】
固定マイクロプリズム116aaはTIOで形成されており、可動マイクロプリズム17aaとの対向面はその先端形状を転写した形状になっている。
【0107】
そしてその先端部にはITOからなる透明電極層117aa及びSIOからなる絶縁層118aaが設けられている。
【0108】
ここでもベース層15の材質SIOの屈折率は1.5程度であり固定マイクロプリズム116の材料TIOの屈折率2.3程度とは異なるので固定マイクロプリズム116に入射する光線のうちその側面から出射しようとする光線はベース層110との界面で全反射されて光電変換素子111方面に導かれる。
【0109】
119aaはアルミニウムの遮光層であり、光導波路14と可動マイクロプリズム17の間の隙間(第2の対向間隔)より平坦化層15やベース層110に入射する迷光や可動マイクロプリズム17と固定マイクロプリズム116の間の隙間(第1の対向間隔)よりベース層110に入射する迷光が光電変換素子111に到達したいための遮光手段として設けてある。
【0110】
これらベース層110、光電変換素子111、読み出しゲート112、垂直転送電極113、垂直転送路114、チャネルストップ領域115、固定マイクロプリズム116、遮光層119により第1の基盤を形成している。
【0111】
この様な構造の固体撮像素子10においてマイクロレンズ11より入射した光線の様子を以下に説明する。
【0112】
マイクロレンズ11aaの場合には光導波路13aaと可動マイクロプリズム17aaの間隔(第2の対向間隔)は例えば0.5μm程度と極めて微小であり、反対に可動マイクロプリズム17aaと固定マイクロプリズム116aaの間隔(第1の対向間隔)は1.0μmから2.0μm程度の隙間が有る。
【0113】
この様な場合には光導波路13aaから可動マイクロプリズム17aaにはその間の第2の対向間隔を通して光線120aaが入射するが、可動マイクロプリズム17aaの先端部においては図の様に光線120aaは折り返して被写体側に反射してしまう。
【0114】
これは可動マイクロプリズム17aaの先端と固定マイクロプリズム116aaの先端が離れているために、可動マイクロプリズム17aaの屈折率(2.3程度)と空気層の屈折率(1.0)の違いにより可動マイクロプリズム17aa先端のコーナーキューブ面で光線120aaを全反射させる為である。
そのためにマイクロレンズ11aaを透過した光線は光電変換素子111aaまで届かない。
【0115】
即ちこの様な可動マイクロプリズム17aaの状態のときは光電変換素子111aaに対してはシャッタが閉じた状態である。
【0116】
反対にマイクロレンズ17acの場合には光導波路13acと可動マイクロプリズム17acの間隔(第2の対向間隔)は例えば1.0μm程度隙間があり、可動マイクロプリズム17acと固定マイクロプリズム116acの間隔(第1の対向間隔)は0.5μm程度と極めて微小になっている。
【0117】
この様な場合にも光導波路13acから可動マイクロプリズム17acにはその間の第2の対向間隔を通して光線120acが入射する。
【0118】
これは第2の対抗間隔は開いているが光導波路13aaの先端は入射する光線120acに対しては直角な関係にあるために屈折率の違いによる全反射が生じないためである。
【0119】
そのため光線120acは光導波路13ac出射して可動マイクロプリズム17acに入射する。
【0120】
可動マイクロプリズムに17acに入射した光線120acはその先端部において光線120aaの様に折り返して反射されずに、そのまま固定マイクロプリズム116acに入射してゆく。
【0121】
これは第1の対向間隔が狭くなっており、更に可動マイクロプリズムの屈折率(2.3程度)と固定マイクロプリズムの屈折率(2.3程度)が揃っているために可動マイクロプリズム17acの先端で光線の全反射が生じないためである。
【0122】
固定マイクロプリズム13acに入射した光線120acはそのまま光電変換素子111acに導かれる。
【0123】
即ちこの様な可動マイクロプリズム17acの状態のときは光電変換素子111acに対してはシャッタが開いた状態である。
【0124】
可動マイクロプリズム17とそれを支持する板バネ16の状態は製造時は可動マイクロプリズム17acの様に第2の対向間隔が開いた状態に形成されている。
【0125】
そして板バネ16に逆らって可動マイクロプリズム17を光導波路13方向に移動させると可動マイクロプリズム17aaの状態になる。
【0126】
ここで、可動マイクロプリズム17を17aaの様な位置に設定にする駆動方法を説明する。
【0127】
このとき可動マイクロプリズム17aaの透明電極層18aaをプラスに帯電させ、同様に固定マイクロプリズム116aaの透明電極層117aaもプラスに帯電させる。
【0128】
すると可動マイクロプリズム17aaと固定マイクロプリズム116aaは互いに反発して可動マイクロプリズム17aaは板バネ16aaのバネ力に逆らって光導波路13aaの方向に押されて第1の対向間隔が開き第2の対向間隔が狭くなる。
【0129】
この様に可動マイクロプリズム17を駆動させないときはシャッタ開き、駆動させるとシャッタ閉じるノーマリーオープンのシャッタが出来る。
【0130】
反対に2つの透明電極18aa、117aaの帯電を解くと板バネ16aaの復元力で可動マイクロプリズム17aaは可動マイクロプリズム17acの状態に戻る。
【0131】
もちろん2つの透明電極18aa、117aaの帯電を解く変わりに透明電極117aaをマイナスに帯電させること可動マイクロプリズム17aaを固定マイクロプリズム116aa側に吸引してもよく、例えば10msec程度吸引力を発生させて可動マイクロプリズム17aaを可動マイクロプリズム17acの状態に戻し、その後板バネ16aaのバネ力でその状態を保つようにしても良い。
【0132】
今、一般的な固体撮像素子10における画素ピッチから可動マイクロプリズム17acの質量を求め、その質量に対して100倍の力(100G)が加わっても可動マイクロプリズム17acのたわみが第2の対向間隔の1/5程度になる様な板バネ16acのバネ定数を設定した場合を考える。
【0133】
これは固体撮像素子10を落下させてしまったときに可動マイクロプリズム17acが光導波路13acや固定マイクロプリズム117aaに対して衝撃的にぶつかり互いが破壊されることを防ぐだけの支持力を設定したことになる。
【0134】
この様なバネ定数を設定した場合、可動マイクロプリズム17acを可動マイクロプリズム17aaの位置に板バネ16acのバネ力に逆らって移動させる為には2つの透明電極層18aa、117aaは共に10V程度に帯電させておけばよい。
【0135】
特に駆動当初は2つの透明電極層18aa、117aaは近づいている(第1の対向間隔が狭い)ために、この電圧を与えることで可動マイクロプリズムを動き出させるのに十分な駆動力を与えられる。
【0136】
一般的に質点を動かすときには摩擦などの影響により動き始めに大きな力が必要になるが、上記の様に動き始めのときに静電力を発生させるギャップが狭いとそのときの発生力が極めて大きくなり、摩擦に逆らって安定な駆動が行える。
【0137】
もちろん上述したように反発を利用した駆動方法ではなく、吸引を利用して駆動する方法もある。
【0138】
これは図1において第2の基盤を形成するときに第2の対向間隔が狭く、第1の対向間隔が広くなる様に(可動マイクロプリズム17aaの位置)板バネ16と可動マイクロプリズム17の関係を設定すればよい。
【0139】
この場合には通常位置が可動マイクロプリズム17aaの様にシャッタ閉じであり、ここから2つの透明電極18aaと117aaをプラスとマイナスに帯電させて互いに吸引させることで可動マイクロプリズム17acの状態を作り出す。
【0140】
この様に可動マイクロプリズム17を駆動させないときはシャッタ閉じ、駆動させるとシャッタ開くノーマリークローズのシャッタが出来る。
【0141】
そして板バネ16のバネ力を上述と同様に可動マイクロプリズム17の質量に対して100倍の力(100G)が加わってもそのたわみが第2の対向間隔の1/5程度になる様にを設定した場合には吸引のための電圧は2つの透明電極層18aa、117aa間に5V程度の電位差を与えられればよい。
【0142】
吸引の場合の電圧と反発の場合の電圧が異なるのは、吸引の場合には吸引に応じて互いの透明電極18aaと117aaの間隔が狭くなってゆき、所定の間隔より近づいてゆくと板バネ16の線形バネ力に無関係に可動マイクロプリズム17は固定マイクロプリズム116に吸引される為である。
【0143】
尚、対の透明電極層の位置は図3に示すように光導波路13aaの可動マイクロプリズム17aa対向面に透明電極層121aa、絶縁層122aaを設け、可動マイクロプリズム17aaの光導波路13aa対向面に透明電極層123aa、絶縁層124aaを設けても良い。
【0144】
この場合には互いの透明電極層121aa、123aaを同極に帯電させると反発により第2の対向間隔が開き可動マイクロプリズム17acの状態になってシャッタが開き、逆極に帯電させると吸引により第1の対向間隔が開き可動マイクロプリズム17aaの状態になってシャッタが閉じる。
【0145】
そして製造時に可動マイクロプリズムを17acの状態で形成しておけば2つの透明電極層121aa、123aaに5V程度の電位差を与え、互いを吸引することでシャッタを閉じる動作が行える。
【0146】
静電気を用いた吸引、反発による可動マイクロプリズム17の駆動方法として図1、図3では可動マイクロプリズム17と固定マイクロプリズム116に透明電極層を設けていた。
【0147】
しかし透明電極層の位置はそれに限られるものではない。
【0148】
図4は透明電極層を板バネ16に設けた例である。
【0149】
ここで図4は図1、図3における中央の画素(可動マイクロプリズム17ab)を拡大して示している。
【0150】
図4において板バネ16abのベース層110に対向する側に透明電極層125ab及びそれを覆う絶縁層126abが設けてある。
【0151】
そしてベース層110の板バネ16abの対向面にも透明電極層127ab、絶縁層128abが設けてある。
【0152】
図5は可動マイクロプリズム17及び板バネ16をベース層15側から眺めた平面図である。(図1、図3は図5のA−A断面)
図5でわかるように各可動マイクロプリズム17に対して板バネ16は隣接する画素同士で向きが変えてある。
【0153】
これは各可動マイクロプリズム17の間の間隔を有効利用してなるべく長いバネを配置するためである。
【0154】
板バネ16aaは付け根部16aa1により平坦化層15に取り付けられ、反対の端面16aa2が可動マイクロプリズム17aaに取り付けられている。
【0155】
そのために可動マイクロプリズム17aaは平坦化層15に対して板バネ16aaのバネ力に逆らって紙面垂直方向に移動可能に支持されてる。
【0156】
同様に板バネ16abは付け根部16ab1により平坦化層15に取り付けられ、反対の端面16ab2が可動マイクロプリズム17abに取り付けら、板バネ16acは付け根部16ac1により平坦化層15に取り付けられ、反対の端面16ac2が可動マイクロプリズム17aaに取り付けられている。
【0157】
よって各々のマイクロプリズム17は独立でして紙面垂直方向に動くことが出来る。
【0158】
そして板バネ16aaの可動マイクロプリズム17aaの取り付け部(端面16aa2)付近には透明電極層125aa(平面図では見えない)とその絶縁層126aaが設けられており、同様に板バネ16abの可動マイクロプリズム17abの取り付け部(端面16ab2)付近には透明電極層125ab(平面図では見えない)とその絶縁層126abが設けられ、板バネ16acの可動マイクロプリズム17acの取り付け部(端面16ac2)付近には透明電極層125ac(平面図では見えない)とその絶縁層126acが設けられている。
【0159】
そしてそれら透明電極層125に対向してベース層110に設けられた透明電極層127との関連により可動マイクロプリズム17は駆動させられる。
【0160】
例えば図1aの可動マイクロプリズム17acの状態で可動マイクロプリズム17と板バネ16が形成されている場合には通常はシャッタ開であり、透明電極層125と127に同極の電荷を与えて互いを反発させることで可動マイクロプリズム17と固定マイクロプリズムを離反させてシャッタを閉じることが出来る。
【0161】
或いは図1の可動マイクロプリズム17aaの状態で可動マイクロプリズム17と板バネ16が形成されている場合には通常はシャッタ閉であり、透明電極層125と127に逆極の電荷を与えて互いを吸引させることで可動マイクロプリズム17と固定マイクロプリズムの間隔を近づけてシャッタを開くことが出来る。
【0162】
これらの駆動の時に必要な電圧は図1、図3の場合と同様である。
【0163】
この様に透明電極層を光路(可動マイクロプリズム17や固定マイクロプリズム116や光導波路13上)に設けない場合には光電変換素子111の感度をばらつき無く安定的に製造することが出来る。
【0164】
以上の駆動方法はすべて静電気を用いていたが、駆動方法はそれに限られない。
【0165】
図6は駆動方法として圧電部材を用いた場合である。
【0166】
図6において板バネ16abのベース層110対向面側には圧電部材129abが設けられている。
【0167】
図7は可動マイクロプリズム17及び板バネ16をベース層15側から眺めた平面図である。
【0168】
図7において板バネ16aa上には圧電部材129aaが設けられている。
【0169】
圧電部材129aaは圧電特性を有し、板バネ16aaの上に蒸着等で成膜される。
【0170】
そして電圧を与えることで圧電部材129aaはその分極方向に対する歪みの変化により撓み力を発生し、その力により板バネ16aaを撓ませる。
【0171】
撓んだ板バネ16aaはその先端に固定されている可動マイクロプリズム17aaを変位させる。
【0172】
例えば上述したように可動マイクロプリズム17の質量を求め、その質量に対して100倍の力(100G)が加わっても可動マイクロプリズム17のたわみが第2の対向間隔の1/5程度になる様に板バネ16のバネ定数を設定した場合、圧電部材に0.3V程度の電圧を与えることで可動マイクロプリズム17は図7の紙面方向に2μm程度変位する。
【0173】
そのため、この変位により固体撮像素子10のシャッタ閉とシャッタ開を制御できる。
【0174】
同様に板バネ16ad上には圧電部材129adが設けられ、板バネ16ac上には圧電部材129acが設けられている。
【0175】
そのために各々の圧電部材に個別に電圧を与えることで,各光電変換素子を独立してシャッタ閉、開状態に制御できる。
【0176】
従来例においては各画素ごとに液晶の可変NDを設け、その光の透過量で飽和画素の制御を行っていたが、本発明においてはNDではなく飽和が生じそうな画素に関しては他の画素よりも早い時点でシャッタ閉を行う様にしており、光の透過量で飽和制御しているのではなく蓄積時間で飽和制御している点が異なる。
【0177】
図8は想定した適切な露光時間では飽和に達しない画素であり曲線130Aにおいてシャッタ閉となるタイミングは電荷蓄積が終了し、電荷転送に移行したタイミングである。
【0178】
しかし同じ撮影被写体においても図9における画素では極めて明るい被写体光を受光しており適切な露光時間では電荷の飽和が予想されるので図8のシャッタ閉のタイミングより早くシャッタを閉じている。(曲線130B)
そしてこのタイミングの差131を飽和を防ぐ蓄積制御時間としている。
【0179】
以上の駆動方法において特に静電的に可動マイクロプリズム17を駆動する場合には、大きな電圧が必要となる。
【0180】
それを回避する方法を以下に説明する。
【0181】
前述の計算の様に可動マイクロプリズム17の質量の100倍の力が加わったときに可動マイクロプリズム17が第2の対向間隔の1/5(0.4μm)変位する様にバネ定数を設定すると、そのときの可動マイクロプリズム17と板バネ16で決まる共振周波数は7Hz程度になる。
【0182】
そして、板バネ16などをシリコン化合物で作成し、可動マイクロプリズム17に摩擦や粘性抵抗が加わらない。(空気によるダンピングは考慮)場合には共振点におけるQは500以上を見込める。
【0183】
即ち共振周波数で駆動する場合には通常の駆動の1/500の駆動力で済む。これは例えば図1aにおいて2つの透明電極層18aa、117aaを共に10V程度に帯電させる事で可動マイクロプリズム17acを可動マイクロプリズム17aaの位置に板バネ16acのバネ力に逆らって移動させる時に比べると透明電極18aa、117aaに与える電圧は20mvに出来ることになる。
【0184】
この様に駆動力が少なくなる分を例えばバネの補強にあてて、1Vの駆動力でバネを50倍(厚みを4倍)にして丈夫な固体撮像素子10を得ることが出来る。
【0185】
共振駆動を行っている期間はノーマリークローズのシャッタ形式の場合ではシャッタを閉じている間であり、その間継続して可動マイクロプリズム17を共振駆動しておく。
【0186】
もちろん交番的に駆動するわけであるからシャッタ閉じの状態とシャッタ開の状態が交互に起きる訳であり、完全な遮光状態にはならないが被写体の状態により特定の画素に飽和が生じる可能性があるときには蓄積中にその画素のシャッタを共振駆動させて画素の光電変換素子111に入射する光線を減光することが出来る。
【0187】
従来例においては各画素ごとに液晶の可変NDを設け、その光の透過量で飽和画素の制御を行っていたが、本発明においてはNDではなく断続的にシャッタ閉を行う事で画素の飽和防止を行っている。
【0188】
図10は図8と同様に想定した適切な露光時間では飽和に達しない画素であり曲線130Aにおいてシャッタ閉となるタイミングは電荷蓄積が終了し、電荷転送に移行したタイミングである。
【0189】
しかし同じ撮影被写体においても図9における画素では極めて明るい被写体光を受光しており適切な露光時間では電荷の飽和が予想されるので蓄積時間中もシャッタを開閉させて入射光量を減光している。(曲線130C)
そして図8のシャッタ閉のタイミングと同じタイミング(電荷転送タイミング)でシャッタを閉じている。
【0190】
そしてこの交番的なシャッタ開閉の期間を131を飽和を防ぐ蓄積制御時間としている。
【0191】
更に、飽和制御ではなくて電荷転送時における固体撮像素子10の完全な遮光を少ない電力で行うことについて説明する。
【0192】
例えば図3の様な構成において透明電極層121acと123acに逆極の電圧を与えると互いに吸引しあって可動マイクロプリズム17acと光導波路13acの間隔(第2の対向間隔)は狭くなる。
【0193】
このとき透明電極層121ac、と123acに交番的に電圧を加えた場合には第2の対向間隔もそれにつれて変動する。
【0194】
しかし,共振状態において第2の対向間隔が狭くなるタイミングの時にはその静電力は極めて大きくなる。
【0195】
これは静電気による吸引の力はその間の間隔の平方に比例するためである。
【0196】
そのために第2の対向間隔が狭くなると、少ない電力でも可動マイクロプリズム17acを光導波路13acに吸引しておくことが出来る。
【0197】
駆動方法としては始めに透明電極層121ac、123acに交番的に電圧を与え、可動マイクロプリズム17の共振駆動が安定した後は、可動マイクロプリズム17が光導波路13acにもっとも近づくタイミングで透明電極層121ac、123acに例えば2V程度の直流の電圧を与える。
【0198】
するとその時点で可動マイクロプリズム17acは光導波路13acに吸着される。
【0199】
吸着後は更に第2の対向間隔が狭くなっているわけだから透明電極層121ac、123acに与える電圧を更に低く(例えば0.1v)しても良い。
【0200】
図12は透明電極層121、123に与える電圧の時間変化を表したものであり,電圧の変化は図の様に5段階に分けられている。
・シャッタ開期間
露光を開始して固体撮像素子10に被写体像に応じた電荷を蓄積している期間・初期駆動期間
露光時間がほぼ終了し転送時のスミア防止の為にシャッタを閉じ始める期間
この期間に透明電極層121、123に交番的に電圧を与え可動マイクロプリズム17を共振させ、光導波路13との間の第2の対向間隔を近づけたり、広げたりしてゆく。
【0201】
共振の振幅は振動が安定してゆくにつれて大きくなるので、それにつれて第2の対向間隔は大きく変化してゆく(可動マイクロプリズム17と光導波路13の間隔がかなり近づくタイミングが出てくる)
尚、図の曲線130Dでは初期駆動期間に2波長分の交番駆動しか行っていないが、これは図を見やすくするためであり、実際にはより多くの周期の駆動を行っている。
・吸着期間
電荷転送の為にシャッタを閉じる期間
初期駆動期間において駆動振幅が安定し(振幅が大きくなり)、その状態で第2の対向間隔がもっとも狭くなるタイミングにおいて透明電極層121、123にDC電圧を与える。
【0202】
このとき第2の対向間隔は狭いので少ない電圧印加でも可動マイクロプリズム17は光導波路13に吸着する。(シャッタ閉)
・安定期間
可動マイクロプリズム17が光導波路13に吸着するとその間の第2の対向間隔は極めて狭くなるためにより少ない電圧でも吸着状態を保持できる。
【0203】
そのため省電力化の為に印加電圧を下げる。(この安定期間の印加電圧を吸着期間と同じにしても良い)
・シャッタ開期間
撮影が終了した後にも被写体像を固体撮像素子10に導き、継続して撮影者が被写体像を観察できるようにする機期間。
【0204】
透明電極層121、123への電圧印加を止めて、板バネ16のバネ力で第2の対向間隔を広げる。(可動マイクロプリズム17と固定マイクロプリズム116の間の第1の対向間隔を狭くして可動マイクロプリズム17から固定マイクロプリズム116に被写体光線が入射できる様にする)
尚、この期間では透明電極層121、123への電圧印加を止めるのではなく、互いに同極の電圧を与えることで反発させてシャッタを開、シャッタが開終わった後で印加電圧を取り去っても良い。
【0205】
ここで固体撮像素子10の使われ方を考える。
【0206】
図13においてレンズ133から入射した光線は絞り135を通り光量制限された後に固体撮像素子10に結像する。
【0207】
撮像手段はMOSやCCDなどの半導体撮像素子からなる。
【0208】
レンズ133はピント調整のためにAF駆動モータ134により光軸132上を移動して焦点調節を行う。
【0209】
AF駆動モータ134は焦点駆動手段138により駆動させられ、絞り135は絞り駆動手段137によりその絞り径が定められ固体撮像素子10に入射する光線を制御している。
【0210】
そして各々焦点駆動手段138、絞り駆動手段137は撮影制御手段141により制御されている。
【0211】
撮影制御手段141は後述する信号処理手段142に取り込まれた画像により測光を行うことで絞り135の径と固体撮像素子10のシャッタ速度を定めており、又、焦点駆動手段138との連携でジャストピントの点を求めている。
【0212】
そして撮影制御手段141は絞り駆動手段137を駆動して絞り135の径を適正化し、又、焦点駆動手段138を制御してAFモータ134を駆動して被写体にピントを合わせる。
【0213】
更に撮影時には固体撮像素子10の各々の光電変換素子111に被写体情報を蓄積し、蓄積されている電荷を転送するとき、或いは転送前に蓄積電荷が飽和する可能性があるときには上述したように透明電極層18aa、117aa、121aa、123aaを帯電させてシャッタ閉じの状態を作り出す。
【0214】
固体撮像素子10から出力される映像信号はA/D変換手段140によりディジタル信号に変換されて信号処理手段142に入力される。
【0215】
信号処理回路142においては輝度信号や色信号を形成するなどの信号処理を行ってカラー映像信号が形成される。
【0216】
そして形成された映像振動は表示手段143に表示されるとともに記録手段144に記録される。
【0217】
又、被写体が暗い場合においては撮影制御装置141に制御される閃光手段139は、撮影時に必要に応じて被写体を照射して被写体の露出不足を補う。
【0218】
図1nはカメラの動作まとめたフローチャートであり、このフローはカメラのメインスイッチをオンさせたときにスタートする。
【0219】
ステップ#1001では固体撮像素子10は被写体像を取り込むと共にその明るさを測り絞り135の制御量を求める。
【0220】
ステップ#1002では求めた制御量に対応して絞り駆動手段137が絞り135を駆動して固体撮像素子10に適正な光量が入射するように調節し、その調節が完了するまで待機する。
【0221】
ステップ#1003では固体撮像素子10に結像される被写体像を表示手段143に表示する。
【0222】
ステップ#1004では撮影者がレリースボタンの半押しsw1を行い撮影準備部動作を行うまでまでこのステップを循環して待機し、sw1がオンされるとステップ#1005に進む。
【0223】
ステップ#1005では固体撮像素子10が被写体を撮像し、信号処理手段142でその画像のコントラストを検出しながら撮影制御手段141、焦点調節手段138によりAFモータ134を焦点検出範囲全域で駆動してレンズ133を繰り出し、もっともコントラストが高かった繰り出し位置を求める。
【0224】
更に現在の絞りの状態の下で被写体を再測光して撮影時に必要な露光時間を求める。
【0225】
以上の動作が完了するまでステップ#1005を循環して待機する。
【0226】
ステップ#1006では求めた繰り出し位置に向かって再びレンズ133を駆動し、その位置でレンズ133を停止させる。
【0227】
その動作が完了するまでステップ#1006を循環して待機する。
【0228】
ステップ#1007では固体撮像素子10の各光電変換素子111の中で入射する被写体光量により電荷が飽和する、或いは撮影時には飽和が予測される素子を選ぶ。
【0229】
更にそれら飽和が予想される画素に関して各々に最適な露光時間を求めておく。
【0230】
ステップ#1008ではレリースボタンを押し切り撮影の指示があるまで待機する。
【0231】
尚、この待機ステップ中にレリースボタン半押しsw1を離す動作が行われたときにはこのフローはスタートに戻る。
【0232】
ステップ#1009では撮影を開始する。
【0233】
このとき始めに各光電変換素子111に所定のリセットパルスを与え、各々蓄積されていた電荷を掃き捨てる。
【0234】
ついで各光電変換素子111は被写体光の蓄積を開始する。
【0235】
そしてステップ#1005で求めた露光時間が経過した時点でシャッタを閉じる訳であるが、このときステップ#1007で求めた特定光電変換素子に関してはステップ#1005で求めた露光時間ではなくステップ#1007で求めた露光時間が経過後にシャッタを閉じておく。
【0236】
即ち飽和が予想される光電変換素子は他の光電変換素子よりも早くシャッタが閉じられる。
【0237】
ステップ#1010では飽和が予想されない光電変換素子に関してシャッタを閉じる。
【0238】
尚、ステップ#1009、#1010でシャッタを閉じるというのは図1a、図1cにおいて透明電極層18aa、117aa、121aa、123aaに電圧を与える、或いは電圧を除去することにより、可動マイクロプリズム17aaと固定マイクロプリズム116aaの間の第1の対向間隔を広くすることである。
【0239】
ステップ#1011では蓄積された電荷を垂直転送路114や図示しない水平転送路を通して転送し、増幅、安定化させられた後に出力する。
【0240】
ステップ#1012では出力された画像をカメラの背面などに配置された液晶の表示手段143に表示する。
【0241】
ステップ#1013では出力された画像を公知の圧縮処理などを行い、情報量を少なくした後に例えば半導体メモリなどでカメラに対して着脱可能な記録媒体(記録手段144)に記録する。
【0242】
ステップ#1014ではシャッタを開く。
【0243】
以上説明したように固体撮像素子10においてシャッタを閉じている期間はステップ#1010からステップ#1014の間であり、この時間はすべて撮影者の操作とは無関係な極めて僅かな時間である。(例えば0.5秒)
それに対してステップ#1001からステップ#1009までは被写体像を取り込む必要があり、更にその時間は被写体の操作(レリーズボタンの操作)により左右される。
【0244】
そのために長時間にわたりシャッタを開いておく必要がある。
【0245】
そのために固体撮像素子10のシャッタをノーマリオープンにするかノーマリークローズにするかを選択する場合にはシャッタを開いているときに駆動電力が不要なノーマリーオープンの方が省電力のうえから好ましい。
【0246】
そこで可動マイクロプリズム17aaは固定マイクロプリズム116aaとの間隔が狭くなるように予め形成しておき、図1の場合では透明電極層18aa、117aaを同極に帯電させて、互いに反発させることでシャッタを閉じさせ、図3の場合では透明電極層121aa、123aaを逆極に帯電させて互いに吸引させることでシャッタを閉じる構成が望ましい。
【0247】
次に図1に示した様な構造の固体撮像素子10の製造方法に付いて説明する。
【0248】
1.第1の製造工程(第1の基盤と第2の基盤を個別に形成する工程)
・第1の基盤
ベース層110及びベース層110に設けられる光電変換素子111、読み出しゲート112、垂直転送電極113、垂直転送路114、チャネルストップ領域115、遮光層119の製造方法は従来と同様である。
【0249】
但し光電変換素子111の上面にはSIOなどの酸化膜145を設けておく。
【0250】
そして図15の様に出来上がったベース層110に対してその上面、下面にレジスト146、147を設け、基盤ごとエッチングして穴を掘る。
【0251】
このときレジスト146、147に覆われている部分はエッチングが進行せず、又、光電変換素子111上に酸化膜145が設けられているので、その部分でエッチストップされて光電変換素子111はエッチングされない。
【0252】
ここでエッチングはDEEP RIEなどのプロセスを用いることでほぼ垂直な穴を掘ることが出来る。(図16)
そして酸化膜145を除去し、掘られた穴にスパッタでTIO層を形成する。
【0253】
そしてベース層110の上面、下面に再度レジスト148,149を設ける。
【0254】
レジスト148はTIO層をエッチング液につけた時に侵食されない部分に設ける。
【0255】
例えばポジレジストの場合、始めはベース層110の全面にスピンコートなどで設けておき、残したいレジストエリアの上にマスクを密着させ、その上面より光を当ててレジストの組成を変化させた後にエッチング液につけて残りのレジストを除去する。
【0256】
ここでレジスト148のマスクは図17に示す様に中央の透過率が高く周辺に行くほど透過率が低くなるグラディーションパターンにすると、残ったレジストは図18の様になる。
【0257】
そしてレジスト148の上からエッチングを行うとエッチバックによりレジストの形状がTIO層に転写されて円錐形状の窪みを有する固定マイクロプリズム116が出来る。(図19)
そして出来た窪みに対して透明電極層117になるITOをスパッタで設け、更にその上に縁層118になる酸化膜SIOを設けて第1の基盤が完成する。
(図20)
・第2の基盤
SIO平坦化層15の上面、下面にレジストを設け、基盤ごとエッチングして穴を掘る。
【0258】
エッチングはDEEP RIEなどのプロセスを用いることでほぼ垂直な穴を掘ることが出来る。(図21)
その後再度上面よりエッチング処理を行い図22の様にテーパ−面を作る。
【0259】
設けたテーパ−面に掘られた穴にスパッタでTIO層で光導波路13を形成する。
【0260】
平坦化層15及び光導波路13の上面にカラーフィルタ12を各光導波路13に対応させて設けてゆく。(図23)
更にカラーフィルタの上面にスパッタでTIO層11を形成する。
【0261】
そして平坦化層15の上面、下面に再度レジスト150,151を設ける。
【0262】
レジスト150はTIO層11をエッチング液につけた時に侵食されない部分に設ける。
【0263】
例えばポジレジストの場合、始めはTIO層11の全面にスピンコートなどで設けておき、残したいレジストエリアの上にマスクを密着させ、その上面より光を当ててレジストの組成を変化させた後にエッチング液につけて残りのレジストを除去する。
【0264】
ここでレジスト150のマスクは図24に示す様に中央の透過率が低く周辺に行くほど透過率が高くなるグラディーションパターンにすると、残ったレジストは図25の様になる。
【0265】
そしてレジスト150の上からエッチングを行うとエッチバックによりレジストの形状がTIO層に転写されて円錐形状の窪みを有するマイクロレンズ11が出来る。
【0266】
マイクロレンズ11の上面には保護のためのレジスト層を設けておく。
【0267】
次に平坦化層15の裏面側の形成に移る。
【0268】
始めに平坦化層15及び光導波路13の裏面に犠牲層151を一面に形成する。
【0269】
板バネ16の付け根部16aa2、16ab2・・の部分の犠牲層151は予めエッチングなどで除去しておく。(図5の平面図を参考)
図26はその状態の図5のB−B断面を示している。
【0270】
そして犠牲層の上からポリシリコン層152をCVDで形成し、更に上面よりレジストを設けてパターンエッチングすることでバネ形状を作成する。
【0271】
その後板バネ16の上面を再度レジスト152で保護し、可動マイクロプリズム17の形成面のみレジストを除去する。(図27)
その後板バネ16の端部を含む犠牲層151上にスパッタでTIO層17を形成する。
【0272】
形成されたTIO層上に更にレジスト層153を設ける。
【0273】
そしてレジスト層153はコーナーキューブ形状にしておく。
【0274】
例えばポジレジストの場合レジスト153のマスクは図28に示す様に中央の透過率が低く周辺に行くほど透過率が高くなるグラディーションパターンにすると、残ったレジストは図29の様になる。
【0275】
そしてレジスト153の上からエッチングを行うとエッチバックによりレジストの形状がTIO層に転写されて円錐形状の突起部有する可動マイクロプリズム17が出来る。
【0276】
その後可動マイクロプリズム17以外の部分をレジストで保護し、可動マイクロプリズム17の上面に透明電極層18aa、絶縁層19aaを設ける。
【0277】
可動マイクロプリズム17は板バネ16の端部(16aa2など)に接合している。
【0278】
その後犠牲層を取り去ると図30に示すように板バネ16は一端(付け根部16aa1など)を平坦化層15に固定され他端(端面16aa2など)は可動マイクロプリズム17に固定され、それ以外の面は自由面になる。
【0279】
又、可動マイクロプリズム17と光導波路13の間にも犠牲層151が設けられていたので犠牲層151を取り去ることで可動マイクロプリズム17は光導波路13に対して自由に動ける状態になる。
【0280】
尚、このときの平面図は図31の様に板バネ16abの付け根部16ab1などは可動マイクロプリズム17aa、17acにも固定されている。(16aa3、16ab3、16ac3)
これは第1の基盤の形成の終盤まで可動マイクロプリズム17を安定して保っておくためである。(以上第1の形成ステップ)
そのため最後の工程で更にレジストをパターニングして可動マイクロプリズム17、板バネ16の主要部を保護した状態で接合部16aa3、16ab3、16ac3を除去して第2の基盤が完成する。(以上第2の形成ステップ)
2.第2の製造工程(第1の基盤と第2の基盤を接合する工程)
完成した第1の基盤と第2の基盤はアライナーによりアライメント調整され、例えばベース層110に設けたレジスト層により互いを接着する。
【0281】
2つの基盤の位置調整の為に互いの基盤に凹凸部を設けて位置調整を行っても良い。
【0282】
以上説明した様に半導体基盤(第1の基盤、ベース層110)の主面に複数の光電変換素子111が配列されて複数の画素からなる受光領域と、
光軸方向に駆動されることで各光電変換素子111の入射状態を制御する移動部材(可動マイクロプリズム17)からなる光制御領域でシャッタを構成しており、
移動部材(可動マイクロプリズム17)は光電変換素子111の入射面側に配置され、入射光を全反射させて光電変換素子111に導かない全反射状態と、入射光を透過させて光電変換素子111に導く透過状態を選択可能な光学手段(コーナーキューブの全反射を利用)とすることで透過率の向上と応答性の改善を実現している。
【0283】
そして光学手段は各光電変換素子111ごとに設けられた可動マイクロプリズム17と、可動マイクロプリズム17に対向し可動マイクロプリズム17のプリズム面と略同形状の入射面を有する固定マイクロプリズム116と、可動マイクロプリズム17と固定マイクロプリズム116の対向間隔(第1の対向間隔)を変更する駆動手段(透明電極層18、117、121、124、125,127、圧電部材129)で構成され、第1の対向間隔を制御することで全反射状態と透過状態を選択する構成になっている為に小型な光学手段を実現している。
【0284】
そして駆動手段は第1の対向間隔を広くすることで全反射状態を選択し、第1の対向間隔を狭くすることで透過状態を選択するようになっている為に小型な光学手段を実現している。
【0285】
又、光電変換素子に対応する各可動マイクロプリズム17は弾性手段(板バネ16)により光制御領域の基盤に接続支持されている為に簡単な構成で各可動マイクロプリズム17を支持できると共に対向する各固定マイクロプリズム116との位置ズレも吸収できるようになっている。
【0286】
駆動手段は可動マイクロプリズム17の対向間隔面に設けられた第1電極(透明電極層18)と、固定マイクロプリズム116の対向間隔面に設けられた第2電極(透明電極層117)で構成され、第1電極(透明電極層18)と第2電極(透明電極層117)の電荷を制御することで静電的に第1の対向間隔を制御する構成になっている為に小型な駆動手段に出来ている。
【0287】
別の駆動手段として弾性手段上に設けられた第1電極と、弾性手段と対向する面に設けられた第2電極で構成され、第1電極と第2電極の電荷を制御することで静電的に第1の対向間隔を制御する構成になっている為に小型な駆動手段に出来ている。
【0288】
更に別の駆動手段として駆動手段は弾性手段上(板バネ16)に設けられた圧電部材129により第1の対向間隔を制御する構成になっているので小型な駆動手段に出来ている。
【0289】
又、駆動手段は複数の光電変換素子111各々に対応する可動マイクロプリズム17を独立して駆動することで各光電変換素子111に入射する光量を個別に制御する様にしている為に撮影時のダイナミックレンジを拡大できている。
【0290】
以上の光制御方法及びその駆動方法全般において
駆動手段は移動部材(可動マイクロプリズム17)を交番的に駆動することで光電変換素子に入射する光量を制御する構成にしており、特に駆動手段は移動部材(可動マイクロプリズム17)をその共振周波数(可動マイクロプリズム17の質量と板バネ16のバネ定数で決まる固有振動数)で駆動することで光電変換素子111に入射する光量を制御する様にしている為に少ない駆動力で大きな駆動ストロークを実現できている。
【0291】
そして駆動手段が移動手段(可動マイクロプリズム17)を交番的に駆動している期間(蓄積制御機関131)と駆動を駆動を行わない期間を設けることで光電変換素子111に入射する光量を変更する様にして光電変換素子111への入射光を制御して撮影ダイナミックの拡大を実現している。
【0292】
又は、駆動手段は移動部材を交番的に駆動(図12の初期駆動期間)した後に直流的に駆動(図12の吸着期間、安定機関)を行うことで光電変換素子に入射する光量を制御する様にしている為にで少ない駆動力で確実に大きな駆動ストロークを持続できている。
【0293】
そして駆動手段が移動手段を交番的に駆動(図12の初期駆動期間)したのち直流的に駆動(図12の吸着期間、安定機関)を行う期間と前記移動手段の駆動を駆動を行わない期間(図12のシャッタ開期間)を設ける事で光電変換素子に入射する光量を変更する様にして光電変換素子への入射光を制御して撮影ダイナミックの拡大を実現している。
【0294】
これまで述べた固体撮像素子10における可動マイクロプリズム17、固定マイクロプリズム116の上面から見た形状は図5の可動マイクロプリズム17に示すように円形(図1aの断面が楔形なので立体形状は円錐形)であったがこの様な上面形状に限られるものではない。
【0295】
図32は可動マイクロプリズム17の上面形状が三角形(立体形状は三角錐)の場合であり、板バネ16のベースに取り付けられている。(もちろん板バネ16の円形部の中心はくりぬかれており入射光を遮らないようになっている。)
不図示ではあるが対応する固定マイクロプリズム116も三角錐形状になる。
【0296】
その他四角錐形状など様々な形状を取ることが出来る。
【0297】
以上述べた固体撮像素子10の構成において
移動部材(可動マイクロプリズム17)に電力を供給することで光電変換素子111に入射する光量を減衰させる構成にしている為に通常時においては電力を不要とし撮影終了時のみ電力供給を行えばよいので省電力にできる。
【0298】
又、半導体基盤の主面(ベース層110)に複数の光電変換素子111が配列された受光領域を有する第1の基盤と、
受光領域における複数の光電変換素子111各々に対応しそれぞれの入射状態を制御する光制御素子(可動マイクロプリズム17)が配列された光制御領域を有する第2の基盤で構成された固体撮像素子10の製造方法であって、第1の基盤と第2の基盤を個別に製造する第1の製造過程と、第1の基盤と第2の基盤を位置あわせして組み合わせる第2の製造過程により固体撮像素子10を製造する様にしているので第1、第2の基盤とも通常のプロセスで安定的に製造できる様になっている。
【0299】
又、それぞれの製造の歩留まりが積になってしまい、歩留まりを悪化させてしまう事も防ぐことが出来る。
【0300】
又、半導体基盤の主面(ベース層110)に設けられた複数の光電変換素子111と、複数の光電変換素子111各々に対応してそれぞれの入射状態を制御する複数の光制御素子(可動マイクロプリズム17)を有する固体撮像素子10の製造方法であって、各々の光制御素子(可動マイクロプリズム17)を支持部材(板バネ16)で支持した状態で形成する第1の形成ステップと、形成された光制御素子(可動マイクロプリズム17)の各々の支持部材(板バネ16)の支持力を減ずる第2の形成ステップにより固体撮像素子10を製造する様にしており、詳しくは第1の形成ステップにおいて光制御素子(可動マイクロプリズム17)の各々を支持する複数本数の支持部材(板バネ16)を形成し、第2の形成ステップにおいて支持部材(板バネ16)の支持本数を削減する様にしているので第1の形成ステップにおいて光制御素子(可動マイクロプリズム17)を安定的に製造できる様になっている。
【0301】
又、半導体基盤の主面(ベース層110)に複数の光電変換素子111が配列された受光領域を有する第1の基盤と、受光領域における複数の光電変換素子111各々に対応しそれぞれの入射状態を制御する光制御素子(可動マイクロプリズム17)が配列される光制御領域を有する第2の基盤で構成された固体撮像素子10において、各光制御素子(可動マイクロプリズム17)を弾性支持手段(板バネ16)により第2の基盤に対して弾性的に支持する事で各光制御素子とそれに対応する各光電変換素子の位置ズレを吸収出来るようになっている。
【0302】
又、半導体基盤の主面(ベース層110)に配列された複数の光電変換素子111からなる受光領域と、各光電変換素子111に対応して入射状態を制御する複数の光制御素子(可動マイクロプリズム17)からなる光制御領域と、各光制御素子(可動マイクロプリズム17)を駆動することで各光電変換素子111への入射光を遮光し、各光制御素子(可動マイクロプリズム17)を駆動しないときは各光電変換素子111への入射光を許可する駆動手段(透明電極層18、117、121、124、125,127、圧電部材129)と、各光電変換素子111の蓄積時間終了に応答して駆動手段(透明電極層18、117、121、124、125,127、圧電部材129)を駆動する制御手段とで構成された固体撮像素子10をカメラに用いることで少ない駆動回数、駆動時間で省電力に撮像を行うことができた。
【0303】
又、半導体基盤の主面(ベース層110)に配列された複数の光電変換素子111からなる受光領域と、各光電変換素子111に対応して入射光を制御する複数の光制御素子(可動マイクロプリズム17)からなる光制御領域と、各光制御素子(可動マイクロプリズム17)を駆動することで各光電変換素子への入射光を遮光する駆動手段(透明電極層18、117、121、124、125,127、圧電部材129)と、各光電変換素子111ごとに独立したタイミングで駆動手段を駆動する制御手段(撮影制御手段141)とで構成された固体撮像素子10をカメラに用いることで露光時間をパラメータにしてダイナミックレンジの広い撮影が可能になっており、詳しくは制御手段(撮影制御手段141)は各光電変換素子111が蓄積を開始してから予め定められた各々のタイミング、即ち各光電変換素子111の蓄積開始前の撮像状態により設定される各々の光電変換素子の露光時間(図1nステップ#1007)に従って撮影を行うか、或いは露光中の各光電変換素子111に蓄積される電荷の量に応じて各光電変換素子111の露光時間を独立に制御することでにしてダイナミックレンジの広い撮影が可能になっている。
【0304】
又、半導体基盤の主面(ベース層110)に配列される複数の光電変換素子111からなる受光領域と、各光電変換素子111の入射状態を制御する光制御素子からなる光制御領域で構成される固体撮像素子10において、光制御素子は各光電変換素子ごとに設けられた可動マイクロプリズム17と、可動マイクロプリズム17に対向し可動マイクロプリズム17のプリズム面と略同形状の入射面を有する固定マイクロプリズム116と、可動マイクロプリズム17の他端で対向する光導波路13と、可動マイクロプリズム17と固定マイクロプリズム116の第1の対向間隔及び可動マイクロプリズム17と光導波路13の第2の対向間隔を変更する駆動手段(透明電極層18、117、121、124、125,127、圧電部材129)と、第1の対向間隔と/或いは第2の対向間隔をにおける主光軸に沿う面での光線の出射による迷光を遮光する遮光手段(遮光層119)とで構成され、駆動手段(透明電極層18、117、121、124、125,127、圧電部材129)により第1の対向間隔を変更することで可動マイクロプリズム17の全反射状態と透過状態を制御するので対向間隔の変化に伴う外光の影響を遮光手段(遮光層119)で遮光できるために良好な画像を得ることが出来る。
【0305】
(第2の実施の形態)
第1の実施の形態においては各光電変換素子111毎に可動マイクロプリズム17の動作時間を独立に制御することで被写体からの入射光が強い光電変換素子111に対しては露光時間を短くして蓄積電荷の飽和を防いでいた。
【0306】
そのために広いダイナミックレンジの撮影を行うことが可能になっていた。
【0307】
第2の実施の形態においては駆動、制御の構成をより簡単にすることを目的にして、上記ダイナミックレンジの拡大は行わず、エレクトロミック素子や液晶素子などの物性素子より固体撮像素子10のシャッタを形成した場合の問題点である絶対感度の低下、低応答性による光線漏れのみを解決してゆく。
【0308】
そのための各可動マイクロプリズム17は個別に駆動できるようにはなっておらず、第1の基盤と第2の基盤の間隔が変更できるようになっている。
【0309】
図33は第2実施の形態の断面図であり、可動マイクロプリズム17上の透明電極18、絶縁層19及び固定マイクロプリズム116上の透明電極117、絶縁層118は省かれている。
【0310】
又、固体撮像素子10の第1の基盤はステーター21に固定され(図では結合部は省略されている)、第2の基盤はスライダー25に固定されている。(同様に図では結合部は省略されている)
ステーター21の上部には永久磁石23及びヨーク24が設けられ、永久磁石23の上部にはヨーク24を取り囲むようにコイル22が設けられている。
【0311】
スライダー25はコイル22に対してコイルバネ26で反発方向にバネ付勢されている。
【0312】
スライダー25を構成する部材の中でコイル22の中に挿入される部分は磁性体で形成されている。
【0313】
そして図33の様にスライダー25が永久磁石23に近づいた状態ではヨーク24とスライダー25はコイルバネ26の付勢力に逆らって磁気結合しているために第1の基盤と第2の基盤は近づいた状態になる。
【0314】
そのための各光電変換素子111への入射光120は入射光120acの様に可動マイクロプリズム17から固定マイクロプリズム116に入射し、光電変換素子111には電荷が蓄積される。
【0315】
ここでコイル22に所定の方向の電流を流すと、永久磁石23の磁力はコイルに発生する磁力により弱まる。
【0316】
そのためにスライダー25はコイルバネ26の反発力によりヨーク24から離れ図34の状態になる。
【0317】
すると可動マイクロプリズム17と固定マイクロプリズム116の隙間(第1の対向間隔)が広くなり光電変換素子111への入射光120は120aaの様に可動マイクロプリズム17内で全反射を起こし、固定マイクロプリズム116に入射しなくなる。
【0318】
再度第1の基盤と第2の基盤を近づけたい場合(第1の対向間隔を狭くしたい場合)にはコイル22に上記した所定の方向とは逆方向の電流を流す。
【0319】
するとコイル22の発生する磁力と永久磁石23の発生する磁力の合力はコイルバネ26の反発力を上回るためにスライダー25はヨーク24に引き寄せられる。
【0320】
一端スライダー25がヨーク25に当接すると、その吸着力は大きくなるので、その後はコイル22への電流を切ってもその状態を保つ。
【0321】
この様にプランジャー構成で第1の基盤と第2の基盤の間隔を制御すると以下のメリットがある。
・消費電力が少ない
第1の実施例の様に大きな電圧を印加して静電力を発生させるのに比べてアクチュエータ(コイル22)の大きさを十分大きく出来るので少ない電力で大きな駆動力が得られる。
【0322】
又、第1の基盤と第2の基盤の間隔を変更するときだけコイル22に電流を流し、その間隔を保つためにはコイル22への電流は不要なために消費電力が少ない。
・シャッタ閉の状態が安定
第1の実施例では静電駆動を行う関係から第1の対向間隔を大きく設定出来なかった。(間隔が大きいと静電力が小さくなる)しかし第2の実施例の方法では第1の対向間隔を広く取れるためにシャッタ閉の状態でも可動マイクロプリズム17から固定マイクロプリズム116に漏れる入射光は完全に無くなる。
【0323】
尚、第2の実施の形態においては第2の基盤全体が移動するために可動マイクロプリズム17を支える板バネ16は不要で可動マイクロプリズム17と光導波路13は一体で形成しても良い。
【0324】
図33、図34の実施の形態で可動マイクロプリズム17を板バネ16で支持し、光導波路13と分離しているのは以下の理由による。
【0325】
第1の実施の形態で説明した様に第1の基盤と第2の基盤は各々異なる工程で作成されている。そのため第1の基盤、第2の基盤とも製造しやすく、且つそれぞれの歩留まりが互いに影響しあうことは無くなる。
【0326】
しかしながら第1の基盤における固定マイクロプリズム116の第1の対向間隔面の形状や互いの固定マイクロプリズム116のピッチのばらつき、第2の基盤における可動マイクロプリズム17の第1の対向間隔面の形状や互いの可動マイクロプリズム17のピッチのばらつき、及び第1の基盤と第2の基盤を結合したときのズレが問題になってくる。
【0327】
そこで可動マイクロプリズム17は板バネ16により可撓に支持し、第1の対向間隔が狭くなったときには固定マイクロプリズム116とのテーパ−(コーナーキューブ面)に可動マイクロプリズム17がならい、上記ばらつきやズレを吸収するようにしている。
【0328】
第1の基盤と第2の基盤の間隔を変化させる方法としては上述したプランジャー方式ばかりではなく、ボイスコイルやバイモルフなどを用いてもよく、図35に示すようにカムを用いて確実に間隔変化を制御しても良い。
図35においてはステータ21には軸受け27が設けられ、軸受け27にはスライダー25の軸が嵌合している。
【0329】
スライダー25はコイルバネ28によりステータ押し付け方向に付勢されている。
【0330】
カム板29は不図示のモータなどにより回転可能であり、図35の状態ではカムの最頂点にいるのでスライダー25はステータ21から離れる。
【0331】
そのために第1の対向間隔は広がりシャッタ閉の状態を作り出す。
【0332】
この状態でカム板29を矢印210の方向に回転させるとその回転につれてコイルバネ28の付勢力でスライダー25はステータ21に近づき第1の対向間隔は狭くなりシャッタ開の状態を作る。
【0333】
この様にカム板29を用いると第1の対向間隔の変化を大きく出来、又、カム板29の1回の回転の中で第1の対向間隔の変化をいくつも設定できるために撮影機器の撮影シーケンスに合わせて自在な設定が出来る。
【0334】
以上説明した様に半導体基盤(第1の基盤、ベース層110)の主面に複数の光電変換素子111が配列されて複数の画素からなる受光領域と、
光軸方向に駆動されることで各光電変換素子111の入射状態を制御する移動部材(可動マイクロプリズム17)からなる光制御領域でシャッタを構成しており、
移動部材(可動マイクロプリズム17)は光電変換素子111の入射面側に配置され、入射光を全反射させて光電変換素子111に導かない全反射状態と、入射光を透過させて光電変換素子111に導く透過状態を選択可能な光学手段(コーナーキューブの全反射を利用)とすることで透過率の向上と応答性の改善を実現している。
【0335】
そして光学手段は各光電変換素子111ごとに設けられた可動マイクロプリズム17と、可動マイクロプリズム17に対向し可動マイクロプリズム17のプリズム面と略同形状の入射面を有する固定マイクロプリズム116と、可動マイクロプリズム17と固定マイクロプリズム116の対向間隔(第1の対向間隔)を変更する駆動手段(コイル22、永久磁石23、コイルバネ26)で構成され、第1の対向間隔を制御することで全反射状態と透過状態を選択する構成になっている為に小型な光学手段を実現している。
【0336】
そして駆動手段(コイル22、永久磁石23、コイルバネ26、カム板29)は複数の光電変換素子11各々に対応する可動マイクロプリズム17全体(第2の基盤)を駆動して光電変換素子111に入射する光量を制御する様にしている為に確実な駆動力で確実な光制御が可能になっている。
【0337】
又、半導体基盤の主面(ベース層110)に複数の光電変換素子111が配列された受光領域を有する第1の基盤と、受光領域における複数の光電変換素子111各々に対応しそれぞれの入射状態を制御する光制御素子(可動マイクロプリズム17)が配列される光制御領域を有する第2の基盤で構成された固体撮像素子10において、各光制御素子(可動マイクロプリズム17)を弾性支持手段(板バネ16)により第2の基盤に対して弾性的に支持する事で各光制御素子(可動マイクロプリズム17)とそれに対応する各光電変換素子111(或いは固定マイクロプリズム116)の位置ズレを吸収出来るようになっている。
【0338】
又、半導体基盤の主面(ベース層110)に複数の光電変換素子111が配列された受光領域を有する第1の基盤と、受光領域における複数の光電変換素子111各々に対応する光制御素子(可動マイクロプリズム17)が配列される光制御領域を有する第2の基盤と、第1の基盤と第2の基盤を相対的に駆動することで各光電変換素子への入射状態を制御する駆動手段(コイル22、永久磁石23、コイルバネ26、カム板29)とで固体撮像素子10を構成することで簡単な構造で確実な光制御が可能になった。
【0339】
(第3の実施の形態)
図36は本発明の第3の実施の形態であり、固体撮像素子30の断面図を示している。
【0340】
図において各構成部材の部番の末尾にあるアルファベットは各画素ごとの識別の為に設けられており、文中で部番末尾にアルファベットがない場合はそれらの総称を示している。
【0341】
11aaはマイクロレンズであり、後述する光電変換素子111の一つ一つに対応して設けられ屈折率が2.0以上のTIOの透明明層をエッチング法により削ってレンズ形状にしている。
【0342】
12aaはカラーフィルタであり例えばベイヤー配列の原色フィルタの場合には赤、青、緑のフィルタが交互に隣接し固体撮像素子10を上面から見て図37の様に配置されている。
【0343】
図37において12aa、12ac、12ca、12ccは赤フィルタ、12ab,12ac、12ba、12bc、12cb、12cd、12da、12dcは緑フィルタ、12bb、12bd、12db、12ddは青フィルタである。
【0344】
各フィルタは所望色の顔料もしくは染料を含有させた樹脂(カラーレジン)の層をフォトリソグラフィ法等の方法によって所定箇所に形成することによって作成することが出来る。
【0345】
隔壁層32aaは光導波路となる空間領域31aaの外周を包むようにシリコンで形成され、各々の空間領域31を区分けしている。
【0346】
隔壁32aaには後述するポリシリコン製のフラップ37aaが設けられている。
【0347】
フラップ37aaの表面部にはアルミニウムやニッケル、金などによる反射層38aaが蒸着されている。
【0348】
又、隔壁32aaの表面にはITOからなる透明電極層33aa及びSIOからなる絶縁層34aaが設けられている。
【0349】
同様にフラップ37aaの裏面にもITOからなる透明電極層36aa及びSIOからなる絶縁層35aaが設けられている。
【0350】
平坦化層15と同様にSIOで形成されたベース層110の最端部には光電変換素子111aaが設けられている。
【0351】
光電変換素子111は例えばp型不純物領域(図の煩雑を避けるために省略しているが光電変換素子111の下面全体にわたりベース層として形成されている)の上にn型不純物領域を行列上に設け、その各々の上にp型不純物領域を設けることによって形成された埋め込み型のフォトダイオードであり、n型不純物領域は電荷蓄積領域として機能する。
【0352】
光電変換素子111aaに隣接して読み出しゲート112aaが設けられている。
【0353】
読み出しゲート112aaは垂直転送電極113aaの一領域であり、ポリシリコン層により形成される。
【0354】
垂直転送電極117aa対向して垂直転送電荷転送路114aaが設けられている。
【0355】
そして垂直転送電極113aaに読み出しパルス(例えば15V)を印加すると、この垂直転送電極113aaに対応する光電変換素子(ここでは光電変換素子111aa)に蓄積されている電荷は読み出しゲート112aaを介して対応する垂直電荷転送路114aaに読み出される。
【0356】
115aaはチャネルストップ領域であり、光電変換素子111aaの読み出しゲート112aa以外の周囲を囲む様に設けられている。
【0357】
チャネルストップ領域115aaは隣接するほかの放電変換素子や転送領域とを電気的に分離する為に設けられている。
【0358】
光電変換素子111から垂直電荷転送路114への電荷読み出しは光電変換素子111単位で行われ、インターレース走査、プログレッシブ走査、全画素読み出しなど種々の読み出し形態が有る。
【0359】
次に図36に示した様な構造の固体撮像素子30の製造方法に付いて説明する。
【0360】
ベース層110及びベース層110に設けられる光電変換素子111、読み出しゲート112、垂直転送電極113、垂直転送路114、チャネルストップ領域115、遮光層119の製造方法は従来と同様である。
【0361】
但し光電変換素子111の上面にはSIOなどの酸化膜39を設けておく。
【0362】
その上に更に隔壁層32になるシリコン層310を形成しておく。
【0363】
そして図38の様に出来上がった基盤に対してその上面、下面にレジスト311、312を設ける、基盤ごとエッチングして穴を掘る。
例えばポジレジストの場合、始めはシリコン層310全面にスピンコートなどで設けておき、残したいレジストエリアの上にマスクを密着させ、その上面より光を当ててレジストの組成を変化させた後にエッチング液につけて残りのレジストを除去する。
【0364】
ここでレジスト311のマスクは図39に示す様に中央の透過率が高く周辺に行くほど透過率が低くなるグラディーションパターンにすると、残ったレジストは図40の様になる。
【0365】
そしてレジスト311の上からエッチングを行うとエッチバックによりレジスト311の形状がシリコン層310に転写されて円錐形状の窪みを有し、残った部分が隔壁層32となる。
【0366】
もちろんレジスト312に覆われている部分はエッチングが進行せず、又、光電変換素子111上に酸化膜39が設けられているので、その部分でエッチストップされて光電変換素子111はエッチングされない。
【0367】
次に透明電極層33を設け、隔壁32の場合と同様にエッチバックで斜面形状を形成し、同じ工程を繰り返して絶縁層34を形成する。
【0368】
次に犠牲層313をベース層110上設ける。
【0369】
図39と同様なマスクでレジスト表面を加工する。
このときエッチングの進行時間をレジスト310とは異ならせると、残った犠牲層313は図41のようになる。
【0370】
その犠牲層313の表面に絶縁層35となるSIO層を設け、隔壁層32の形成と同じ手順を繰り返して斜面形状を作成し、更にその上面に同様な手順でITOからなる透明電極層36を形成する。
【0371】
透明電極層36もエッチバック工程により斜面を作成し、その上にフラップ37の基礎になるポリシリコン層314をCVDで形成し、更に上面よりレジスト315を設ける。
【0372】
このレジスト315も上述同様なグラデーションパターンで削り図42の形状を形成する。
【0373】
そしてレジスト315の上からエッチングを行うとエッチバックによりレジスト315の形状がポリシリコン層314に転写されてフラップ37が形成される。
【0374】
形成されたフラップの表面にはアルミニウムなどの金属反射面となる反射層38を蒸着する。
【0375】
その後酸化膜39や残ったレジストを除去する。
【0376】
隔壁層32の上面にカラーフィルタ12を各光電変換素子111に対応させて設けてゆく。(図43)
更にカラーフィルタの上面にスパッタでTIO層11を形成する。
【0377】
そして平坦化層ベース層110の上面、下面に再度レジスト316,317を設ける。
【0378】
レジスト316はTIO層をエッチング液につけた時に侵食されない部分に設ける。
【0379】
例えばポジレジストの場合、始めはのTIO層11全面にスピンコートなどで設けておき、残したいレジストエリアの上にマスクを密着させ、その上面より光を当ててレジストの組成を変化させた後にエッチング液につけて残りのレジストを除去する。
【0380】
ここでレジスト316のマスクは図44に示す様に中央の透過率が低く周辺に行くほど透過率が高くなるグラディーションパターンにすると、残ったレジストは図45の様になる。
【0381】
そしてレジスト316の上からエッチングを行うとエッチバックによりレジストの形状がTIO層11に転写されて円錐形状の窪みを有するマイクロレンズ11が出来る。
【0382】
この様にして出来上がった固体撮像素子30の動作について説明する。
【0383】
光電変換素子111においては透明電極層33aa、36aaには電圧印加を行っていない。
【0384】
そのためフラップ37aaは隔壁32aaに沿っており、被写体からの入射は光電変換素子111aaに導かれる。
【0385】
更に斜めからの入射や迷光(光線317)に対しても反射層38aaが反射して光電変換素子111aaに導くために光電変換素子111aの見かけの感度が向上し、シェーディング特性にも優れた固体撮像素子30となる。
【0386】
光電変換素子111abにおいては透明電極層33ab、36abに例えば10vの電圧印加を行ってる。
【0387】
このとき透明電極層33ab、36abは互いに反発するためにフラップ37abは図の様に2つのフラップが閉じて光路を遮る。
【0388】
そのために光電変換素子111abには被写体からの入射光はない。
【0389】
又、透明電極層33ab、36abに与える電圧を制御することでフラップ37abの完全閉鎖ではなく絞りの様に入射光を絞る効果も得られる。
【0390】
各光電変換素子111に対する独立した光量は第1の実施例と同様に図13の撮影制御手段141により図14のフローにしたがって制御される。
【0391】
この様なシャッタ構成の為に以下の特長が得られる。
・透過率の高いシャッタ
従来例の様に液晶やエレクトロクロミック素子が光電変換素子111の前面に配置されていないために透過率が高く、絶対感度の高い光電変換素子111が出来る。
・応答性の高いシャッタ
液晶などに比べると応答性が高く、低温においても高い応答でシャッタの制御が出来るため安定した撮像性能が得られる。
・ダイナミックレンジを広げる
各光電変換素子毎に独立してシャッタの開閉が行えるために飽和が予測される光電変換素子111においては露光の早い時点でシャッタを閉じることで、その飽和を防ぐことが出来、広いダイナミックレンジの撮影が出来る。
【0392】
或いは各光電変換素子毎に独立して絞りの大きさを変化できるために飽和が予測される光電変換素子111においては絞りを絞って(フラップ37を半閉状態にする)その飽和を防ぐことが出来、広いダイナミックレンジの撮影が出来る。
・低消費電力
電力を与えないときにはシャッタが開いており(図36のフラップ37の状態)電荷転送の僅かの時間だけシャッタ閉のための電力を使う為に消費電力が少なくて済む。
・更なる高感度
フラップ37の表面には反射層38が設けられているために直接光電変換素子111に入射しない光も光電変換素子111に導くことが出来、高感度でシェーディングの影響も少なくなる。
【0393】
図36においてはフラップ37の駆動に静電力を用いていたが、それに限らずPZTやバイモルフ、形状記憶合金などの電歪部材を用いても良い。
【0394】
図46は電歪素子を用いた例であり、図36における透明電極33,36、絶縁層335が省かれ,代わりに電歪素子317が蒸着されている。
【0395】
電歪素子317は電圧の印加により歪が生ずるが、電歪素子317をフラップ37に一体にすると電圧印加による歪の違いからフラップ37が撓む。
【0396】
図46においてフラップ37は電歪素子317に電圧を印加してフラップ37を撓ませた場合であり、この様な状態にすることで光電変換素子111abの入射光を絞ったり遮光する事が出来る。
【0397】
又、例えば形状記憶合金を用いた場合、一つの形状記憶合金は極めて微小なために熱伝導が早く高いレスポンスが期待できる。
【0398】
更に、光電変換素子111を飽和させるような強烈な入射光があったときには、その入射による熱で形状記憶合金が沿って放電変換素子111の入射光を絞ったり、或いは遮るため自動的に光電変換素子111の飽和を防ぐことが出来る。
【0399】
尚フラップ37や隔壁32の形状は図36に限られず、図47の様な構成でも良い。
【0400】
図47においてはシリコンの隔壁32はほぼ垂直な形状になっているが、これは第1の実施例の製造方法で説明したDEEP RIE製法などで作成する。
同様な工程を繰り返してITOからなる透明電極層33、SIOからなる絶縁層3ポリシリコンのフラップ37、ITOからなる透明電極層36、SIOからなる絶縁層35を作成している。
【0401】
以上の様に半導体基盤の主面(ベース層110)に複数の光電変換素子111が配列されて複数の画素からなる受光領域と、
光軸方向に駆動されることで各光電変換素子の入射状態を制御する移動部材(フラップ37)からなる光制御領域でシャッタを構成しており、
移動部材(フラップ37)は光電変換素子111の入射面側に配置され、入射光を遮光して光電変換素子111に導かない遮光状態と、入射光を光電変換素子111に導く非遮光状態を選択可能な移動部材(フラップ37)で構成されており、
移動部材(フラップ37)は各光電変換素子111の入射光路の側壁(隔壁32)に沿って配置される遮光膜(フラップ37)と、遮光膜を駆動する駆動手段(透明電極層33、36、電歪素子317)とで構成され、駆動手段(透明電極層33、36、電歪素子317)は遮光膜(フラップ37)を入射光路に駆動させて遮光状態を選択するようになっている為に更に小型な構成で光制御が行える。
【0402】
そして遮光膜(フラップ37)が入射光路の側面に沿っている状態において光電変換素子111以外の部分に集光する光を反射し、反射光を光電変換素子に集光する反射層38を設けている為に今まで使われていなかった光線も光電変換素子111に入射するために感度の向上が図られる。
【0403】
そのような遮光膜の駆動方法として駆動手段は遮光膜(フラップ37)の入射光路の側壁(隔壁32)対向面に設けられた第1電極(透明電極層36)と、入射光路側壁(隔壁32)の遮光膜(フラップ37)対向面に設けられた第2電極(透明電極33)と、遮光膜(フラップ37)を駆動する駆動手段とで構成され、第1電極(透明電極層36)と第2電極(透明電極33)の電荷を制御することで静電的に遮光膜(フラップ37)を入射光路内に移動する様にしている為に小型な構成で駆動手段が実現できる。
【0404】
別の駆動方法として駆動手段は遮光膜(フラップ37)に設けられた電歪部材(電歪素子317)により遮光膜(フラップ37)を入射光路内に移動する構成になっているので小型な構成で駆動手段が実現できる。
【0405】
又、半導体基盤の主面(ベース層110)に配列された複数の光電変換素子111からなる受光領域と、各光電変換素子111に対応して入射光を制御する複数の光制御素子(フラップ37)からなる光制御領域と、各光制御素子(フラップ37)を駆動することで各光電変換素子111への入射光を絞る駆動手段(透明電極層33、36、電歪素子317)と、各光電変換素子111ごとに独立した絞り量で駆動手段を駆動する制御手段とで構成された固体撮像素子30をカメラに用いることで露光時間をパラメータにしてダイナミックレンジの広い撮影が可能になっており、詳しくは制御手段は各光電変換素子111が蓄積を開始してから予め定められた各々の絞り量、即ち各光電変換素子111の蓄積開始前の撮像状態により設定される各々の光電変換素子111の絞り量に従って撮影を行うか、或いは露光中の各光電変換素子111に蓄積される電荷の量に応じて各光電変換素子の絞り量を独立に制御することでにしてダイナミックレンジの広い撮影が可能になっている。
【0406】
(第4の実施形態)
図48ないし図54は、本発明の第4の実施形態に係わる図である。
【0407】
まず図53を用いて本発明のローパスフィルタを用いた撮影装置の構成を説明する。
【0408】
本実施例では、撮影装置は静止画像を撮像手段で電気信号に光電変換し、これをデジタルデータとして記録するデジタルスチルカメラを例として説明する。ただし、デジタルスチルカメラに限定されることなく、ビデオカメラ、産業用工具カメラ、監視カメラ等、光電変換手段を有した他の撮影装置に適用しても同様の効果を得る。
【0409】
400は複数のレンズ群からなる撮影光学系で、フロントレンズ群401、バリエータレンズ群402、フォーカシングレンズ群403を有する。405は公知の虹彩絞り機構で、複数枚の絞り羽根と該羽根の駆動手段からなり、該羽根が形成する開口径を調節して撮影光学系400を通過する光束の量を調節する。406は公知のシャッタ機構で、複数枚のシャッタ羽根と該羽根の駆動手段からなり、該羽根の走行タイミングを調節して露光時間を調節する。
【0410】
撮影光学系400の焦点位置(予定結像面)には、撮像手段150が配置される。これは照射された光エネルギを電荷に変換する複数の光電変換部、該電荷を蓄える電荷蓄積部、及び該電荷を転送し、外部に送出する電荷転送部からなる2次元CCD等の光電変換手段が用いられる。
【0411】
撮像手段150上に結像した被写体の像は、その明るさの強弱に応じた画素毎の電荷量として電気信号に変換され、アンプ回路441で増幅された後、カメラ信号処理回路442でA/D変換され、画素補間、γ補正、JPEG圧縮等の処理が施される。このようにして作られた映像信号はメモリ443に記録される。メモリ443は、フラッシュROM等の半導体メモリ、光磁気ディスク等の光メモリ、磁気テープ等の磁気メモリ等、種々のものが利用可能である。
【0412】
撮影光学系400と撮像手段150の間には、本発明の光学的ローパスフィルタ100H、100Vが配置される。100Hは撮影光束を水平方向に横ずらしするためのローパスフィルタ、100Vは撮影光束を垂直方向に横ずらしするためのローパスフィルタで、その構成は後述する。
【0413】
421は液晶ディスプレイ等の表示器で、撮像手段150で取得した被写体像や、光学装置の動作状況を表示する。422は操作スイッチ群で、ズームスイッチ、撮影準備スイッチ、撮影開始スイッチ、露出制御モードやAFモード等を設定する撮影条件スイッチで構成される。423はズームアクチュエータで、前記バリエータレンズ群402を駆動し、撮影光学系400の焦点距離を変える。424はフォーカスアクチュエータで、前記フォーカシングレンズ群403を駆動し、撮影光学系400の焦点状態を調節する。
【0414】
431はCPUで、撮影装置全体の動作を制御する。432は絞り駆動回路で、前述の絞り機構405を駆動し、虹彩絞りの開口径を調節して撮像手段150に到達する光束の量を調節する。433はシャッタ駆動回路で、前記シャッタ機構406を駆動し、撮像手段150への露光時間を制御する。434は光学ローパスフィルタ駆動回路で、本発明のローパスフィルタ100H、100Vを駆動し、所定の光学効果を得る。
【0415】
図48は本発明の光学的ローパスフィルタと、その後方に配置された撮像手段の断面図である。同図において、100Hは撮影光束を撮影画面の水平方向に横ずらしするためのローパスフィルタ、150はCCD等の撮像手段である。Cは光軸で、前記図53の撮影光学系400の光軸に一致するものである。まず、撮像手段150について説明する。
【0416】
151は撮像手段のパッケージ、152は入射光を光電変換する受光部、153は色分解用にモザイク状に配列されたカラーフィルタアレイ、154は入射光を受光部152に集光するためのマイクロレンズアレイである。該撮像手段150は公知の素子が用いられるため、詳しい説明は省略する。
【0417】
100Hは、入射した撮影光束を所定方向に横ずらしするための光学的ローパスフィルタ全体を示す。101は第1のマイクロプリズムアレイで、個々のプリズムは頂角が略90度で前記光軸に対して略対称形の格子状プリズムよりなり、これらが一方向に等ピッチで並んだ光学素子となっている。そして個々のマイクロプリズムにおいて、法線が右上方に延びた斜面群を101a、法線が左上方に延びた斜面群を101bとする。102は第2のマイクロプリズムアレイで、第1のマイクロプリズムアレイ101と同様の形状をなした格子状光学素子である。そして個々のマイクロプリズムにおいて、法線が左下方に延びた斜面群を102a、法線が右下方に延びた斜面群を102bとする。そしてマイクロプリズムアレイ101及び102のプリズム部は対向配置されている。
【0418】
103はプリズム固定手段で、固定部103bで第1のマイクロプリズムアレイ101を固定するとともに、突起部103aが第2のマイクロプリズムアレイ102の外縁部下面に摺接している。104はプリズム押さえ板で、突起部104aが第2のマイクロプリズムアレイ102の外縁部上面に摺接している。
【0419】
105は印加電圧に応じて伸縮する積層型圧電素子で、一端はプリズム固定手段103の内壁に固着され、他端は第2のマイクロプリズムアレイ102の外縁部側面に固着される。そして同図においては、圧電素子105へは電圧が印加されておらず、その自由長はAとなっている。このとき、2つのマイクロプリズムアレイは、一方の斜面群101aと102aは密着し、他方の斜面群101bと102bは微小量δHだけ空隙Gap1が設けられた状態となっている。すると、光学的ローパスフィルタ100Hの上方から入射する光束のうち、第2のマイクロプリズムアレイ102の斜面群102aに入射した光線Laは、密着して対向する斜面群101aを通過して直進し、撮像手段150の所定の画素Pix4に入射する。一方、第2のマイクロプリズムアレイ102の斜面群102bに入射した光線Lbは、該斜面群102bで全反射して左方向に進み、斜面群102a及び101aを通過したのちに斜面群101bで全反射して下方に進み、撮像手段150の所定の画素Pix5に入射する。
【0420】
よって、光学的ローパスフィルタ100Hの上方から入射する光束のうち、約50%は直進して撮像手段に到達し、残りの50%はマイクロプリズムの1ピッチ分だけ左方向にシフトして撮像手段に到達するため、光束全体の平均ではマイクロプリズムの0.5ピッチ分だけ左方向にシフトすることになる。
【0421】
図49は上記ローパスフィルタ100Hが備える圧電素子105に所定電圧を印加し、その長さをδHだけ伸張させた時の状態を示す図である。このとき、2つのマイクロプリズムアレイは、図48では密着していた斜面群101aと102aは、微小量δHだけ空隙Gap2が設けられた状態となり、図48ではギャップのあった斜面群101bと102bは図28では密着している。すると、光学的ローパスフィルタ100Hの上方から入射する光束のうち、第2のマイクロプリズムアレイ102の斜面群102aに入射した光線Laは、該斜面群102aで全反射して右方向に進み、斜面群102b及び101bを通過したのちに斜面群101aで全反射して下方に進み、撮像手段150の所定の画素Pix5に入射する。一方、第2のマイクロプリズムアレイ102の斜面群102bに入射した光線Lbは、密着して対向する斜面群101bを通過して直進し、撮像手段150の所定の画素Pix6に入射する。
【0422】
よって、光学的ローパスフィルタ100Hの上方から入射する光束のうち、約50%は直進して撮像手段に到達し、残りの50%はマイクロプリズムの1ピッチ分だけ右方向にシフトして撮像手段に到達するため、光束全体の平均ではマイクロプリズムの0.5ピッチ分だけ右方向にシフトすることになる。
【0423】
よって、光学的ローパスフィルタ100Hの上方から入射する光束のうち、約50%は直進して撮像手段に到達し、残りの50%はマイクロプリズムの1ピッチ分だけ右方向にシフトして撮像手段に到達するため、光束全体の平均ではマイクロプリズムの0.5ピッチ分だけ右方向にシフトすることになる。
【0424】
図50は前記圧電素子105への印加電圧を、図49の状態の約半分に減じ、その長さを初期状態からδHの半分だけ伸張させた時の状態を示す図である。このとき、2つのマイクロプリズムアレイは離反状態となる。すると、光学的ローパスフィルタ100Hの上方から入射する光束は、第2のマイクロプリズムアレイ102の斜面群102a及び斜面群102bで全反射して、元の方向に戻ってしまう。すなわち、第2のマイクロプリズムアレイ102はコーナーキューブに類似の作用を有した反射光学部材となり、本ローパスフィルタは入射光束を遮断する光スイッチとしての機能も有することになる。
【0425】
以上の構成において、撮像手段150の1回の露光時間中に、光学的ローパスフィルタ100Hを図48から図49の状態に遷移させることで、入射光束をマイクロプリズムの1ピッチ分だけ横ずらししたローパス効果を得ることができる。
【0426】
また、撮像手段150の露光終了時に、光学的ローパスフィルタ100Hを図48あるいは図49の状態から図50の状態に遷移させることで、入射光束を遮断する効果を得ることができる。
【0427】
図51は本発明の光学的ローパスフィルタを撮影装置に応用した場合の斜視図で、撮像手段150のカラーフィルタアレイ153と、ローパスフィルタのマイクロプリズムアレイのみを示し、他の部材は省略している。撮像手段は2次元イメージセンサで、これに用いるカラーフィルタアレイも2次元のモザイクフィルタアレイとなっている。従って、光学的ローパスフィルタも2次元方向、すなわち撮影画面の水平方向(矢印Hで表示)と垂直方向(矢印Vで表示)の両方向に光束を横ずらしする必要がある。したがって、光学的ローパスフィルタも横ずらし用のフィルタユニット100Hと縦ずらし用のフィルタユニット100Vの2組が設けられ、それぞれに駆動用の圧電素子が組み込まれている。
【0428】
図52は、図51に示した2組の光学的ローパスフィルタの駆動方法を説明する図で、同図(a)は圧電素子105のタイミングチャート、同図(b)は射出光束の移動軌跡図である。
【0429】
まず同図(a)にて、2つの圧電素子の駆動方法を説明する。同図(a)の横軸は時刻t、縦軸は圧電素子の変位で、下段はローパスフィルタ100H用、上段はローパスフィルタ100V用の圧電素子の変位を示している。
【0430】
時刻t0においては両素子の変位はゼロであり、時刻t1にて圧電素子105Hに所定電圧を印加して伸張させ、変位をδHにする。時刻t2においては圧電素子105Vに所定電圧を印加して伸張させ、変位をδHにする。その後時刻t3にて圧電素子105Hの印加電圧を解除して変位をゼロに戻す。最後に時刻t4にて、圧電素子105H及び105Vの印加電圧を、所定値の約2分の1にして変位をδH/2にする。そして、時刻t0からt4までのTが電荷蓄積時間、すなわち全露光時間に相当し、これを4分割したT0ないしT3の各露光時間中は、射出する光束の位置が相対的にシフトした状態となっている。
【0431】
以上の制御を行なった場合に、撮像手段に入射する光束のシフト軌跡を同図(b)に示す。時刻t0からt4までの圧電素子への電圧制御により、各露光時間中の射出光束の位置はT0ないしT3で示した位置をたどり、光学的なローパス効果を得ることができる。そして最後に中央のT4に到達した時には、ローパスフィルタは光シャッタとして作用するため、撮像手段150への撮影光束は遮断される。したがって、図53のシャッタ機構406を廃止することも可能である。
【0432】
なお、時刻t1ないしt3の各タイミングでは、マイクロプリズムアレイ101と102が一瞬離反して光シャッタ機能が働いてしまうが、本実施形態では高速変形可能な積層型圧電素子を用いているため、実害が出ないようになっている。
【0433】
図54は、図53に示した撮影装置が有するCPU431の制御フロー図である。以下、54を用いて撮影装置の制御フローを説明する。
【0434】
ステップS101を経由して、ステップS102では、撮影者によりメインスイッチがオン操作されたか否かを判別し、オン操作されていない時はステップS102に留まる。ステップS102でメインスイッチがオン操作されたと判定されたら、CPU431はスリープ状態から脱してステップS111以降を実行する。
【0435】
ステップS111では、撮影装置の初期化を行なう。具体的には、沈胴状態にある撮影光学系を撮影可能状態に繰り出し駆動し、撮影者による撮影条件の設定を受け付ける。
【0436】
ステップS112では、撮像手段150及びカメラ信号処理回路442を駆動して、プレビュー画像を取得し、ステップS113で表示器421に前記プレビュー画像を表示する。
【0437】
ステップS114では、撮影者によってレリーズボタンの第1ストロークに連動した撮影準備スイッチ(フロー図では、SW1と表記)のオン操作がなされたか否かを判別する。オン操作されていない時はステップS112に戻り、プレビュー画像表示を繰り返し実行する。ステップS114で撮影準備スイッチがオン操作されたと判定されたら、ステップS114を脱してステップS121以降を実行する。
【0438】
ステップS121ないしステップS122では、撮影光学系400の焦点調節を行なう。これはいわゆる山登り式サーボAFと呼ばれる、画像信号の高周波成分が最大値となるフォーカス位置を探してレンズを停止させる焦点調節制御である。ステップS123では合焦したか否かを判定し、合焦していない場合は前記ステップS121およびステップS122を繰り返し実行する。合焦した場合はフォーカシングレンズの駆動を停止し、ステップS131へ移行する。
【0439】
ステップS131では、測光演算を行なう。具体的には、撮像手段411が受光する被写体光束の量を判定し、撮影時の光量を適切にするための絞り値とシャッタ秒時を演算する。この際、撮影装置の露出制御モードとして絞り優先AEモードが選択されている場合は、撮影者によって設定された絞り値が採用される。一方シャッタ優先AEモード、あるいはプログラムAEモードが選択されている場合は、撮影装置が内蔵する所定のプログラムに従って、絞り値を演算する。
【0440】
ステップS132では、前記ステップS131で算出した絞り値に基づき、絞り駆動量を演算する。これは現在の絞り値とステップS131で算出した絞り値の差分に相当する。ステップS133では前記ステップS132で演算した絞り駆動量に基づいて、絞り駆動を行なう。
【0441】
ステップS134では、レリーズボタンの第2ストロークに連動した撮影トリガスイッチ(フロー図では、SW2と表記)がオン操作されたか否かの判定を行ない、オン操作されていない場合は前記ステップS131ないしステップS133を繰り返し実行する。一方オン操作された場合は、ステップS134からステップS141にジャンプし、撮影動作を実行する。
【0442】
ステップS141では撮像手段150への画像信号の蓄積を開始する。ステップS142では、図52で説明したタイミングチャートに従い、ローパスフィルタ100H及び100Vを駆動し、射出光束をシフトするとともに、最後に光シャッタとして機能させ、撮像手段150への入射光束を遮断する。ステップS143ではシャッタの閉動作を行なう。ステップS144では撮像手段150に蓄積された電荷を、電荷転送ラインを介して読み出し、増幅手段441を介してカメラ信号処理回路442に入力させる。ステップS145では、カメラ信号処理回路442において、入力したアナログ画像信号をA/D変換し、AGC制御、ホワイトバランス、γ補正、エッジ強調等の画像処理を施し、さらに必要に応じてCPU431内に記憶された画像圧縮プログラムでJPEG圧縮等を施す。ステップS146では、上記ステップS145で得られた画像信号をメモリ443に記録し、ステップS147にて撮影動作が終了する。
【0443】
以上説明したように、撮影に際しての撮影手段への電荷蓄積中に、本実施形態のローパスフィルタを駆動することで、水平及び垂直方向に撮影光束が所定量シフトして光学的ローパス効果が得られ、撮影画像に生ずる有害なモアレを回避することができる。更には、ローパスフィルタを光シャッタとして機能させることも可能であり、機械的シャッタ手段との併用で、シャッタ秒時の高速化と遮光性能向上を図ることができる。あるいは機械的シャッタを廃止することもできる。
【0444】
(第5の実施形態)
前記第4の実施形態におけるマイクロプリズムは、頂角が略90度の格子状光学素子の集合体で、1組のマイクロプリズムユニットは撮影光束を1方向のみにシフトするものであった。以下に示す本発明の第2実施形態のマイクロプリズムは、頂角が略90度の四角錐状光学素子の集合体で、一方のマイクロプリズムユニットを水平及び垂直の2方向に駆動することで、撮影光束を2方向にシフトする機能を有する。
【0445】
図55は、第5の実施形態における光学的ローパスフィルタの斜視図で、第4の実施形態の図50に対応するものである。当図においても、撮像手段のカラーフィルタアレイ253と、ローパスフィルタのマイクロプリズムアレイのみを示し、他の部材は省略している。
【0446】
200は、入射した撮影光束を所定の2方向に横ずらしするための光学的ローパスフィルタ全体を示す。201は第1のマイクロプリズムアレイ、202は第2のマイクロプリズムアレイである。当図においては、第2のマイクロプリズムアレイの形状が理解しやすいように、これを裏返したものを併記してある。
【0447】
ここで、第1のマイクロプリズムアレイ201を構成する個々のプリズムは、底面が正方形で頂角が略90度の正四角錐であり、これらが等ピッチで2次元平面上に並んでいる。一方、第2のマイクロプリズムアレイ201を構成する個々のプリズムは、頂角が略90度の正四角錐を裏返した形状、すなわち第1のマイクロプリズムと対向密着させると、両者のすきまが全面に渡って実質上ゼロになる形状をなしており、これらが等ピッチで2次元平面上に並んでいる。そしてマイクロプリズムアレイ201及び202のプリズム部は光軸方向に微小寸法だけ離して対向配置され、その断面形状は第4の実施形態の図48に示したものと同一形状を呈する。
【0448】
そして第2のマイクロプリズムアレイ202は、図48の機構と類似の機構により、光軸に対して直交する面内を、2方向に独立して駆動されるように構成されている。そして撮影に際しては、第2のマイクロプリズムアレイ202は図55の駆動軌跡Tr2のごとく駆動される。ただし、この際の駆動軌跡の各辺の長さは、図52で説明したものと同一、すなわちδHである。すると、四角錐形状の第1のマイクロプリズムは、4つの斜面のうちの2面が常に第2のマイクロプリズムと密着し、かつ第2のマイクロプリズムアレイの駆動に伴って密着斜面が順次移動するため、該プリズムアレイに入射する光束は撮影画面上を水平及び垂直方向にシフトする。すなわち、第4の実施形態においては、2枚のマイクロプリズムアレイで構成されたプリズムユニットを1組用い、一方のプリズムアレイを2次元方向に駆動することで、第4の実施形態と同等のローパス効果を得ることができる。
【0449】
図56は、第5の実施形態の光学的ローパスフィルタを内蔵した撮像装置の断面図である。当実施形態においては、1組のローパスフィルタ200が配置され、ローパスフィルタ駆動回路434によって一方のフィルタアレイが2方向に駆動される点のみが第1実施形態と異なる。その他の構成は図52に示したものと実質的に同一である。また、制御フローも図54に示したものと同一なので、説明は省略する。
【0450】
以上説明したように、本実施形態では1組のローパスフィルタで水平及び垂直方向への光学的ローパス効果が得られ、撮影装置の一層の小型化及び低コスト化が達成できる。
【0451】
(第6の実施形態)
前記第4の実施形態におけるマイクロプリズムは、頂角が略90度の格子状光学素子の集合体で、片方のマイクロプリズムアレイを光軸と直交する方向に移動することで、撮影光束をシフトするものであった。以下に示す本発明の第3実施形態のマイクロプリズムは、頂角が略45度の格子状光学素子の集合体で、一方のマイクロプリズムアレイを光軸方向に駆動することで、撮影光束を光軸と直交する方向にシフトする機能を有する。
【0452】
図57は、第6の実施形態における光学的ローパスフィルタの断面図で、第4の実施形態の図48に対応するものである。同図において、300Hは撮影光束を撮影画面の水平方向に横ずらしするためのローパスフィルタ、350はCCD等の撮像手段である。Cは光軸で、撮影光学系の光軸に対応するものである。撮像手段350は、第4の実施形態の撮像手段150と同一の構造のため、説明は省略する。
【0453】
300Hは、入射した撮影光束を所定方向に横ずらしするための光学的ローパスフィルタ全体を示す。301は第1のマイクロプリズムアレイで、個々のプリズムの断面形状は、頂角が略45度の三角形が等ピッチで並んだ形状をなし、紙面垂直方向に同一形状のまま伸びた格子状光学素子となっている。そして個々のマイクロプリズムにおいて、法線が光軸に対して45度傾斜した斜面群を301a、法線が光軸に対して直交する斜面群を301bとする。302は第2のマイクロプリズムアレイで、第1のマイクロプリズムアレイ301と同様の形状をなした格子状光学素子である。そして個々のマイクロプリズムにおいて、法線が光軸に対して45度傾斜した斜面群を302a、法線が光軸に対して直交する斜面群を302bとする。そしてマイクロプリズムアレイ301及び302のプリズム部は対向配置され、斜面群301aと302a、及び斜面群301bと302bはそれぞれ密着している。
【0454】
303はプリズム固定手段で、固定部303bで第1のマイクロプリズムアレイ301を固定するとともに、嵌合部303aが第2のマイクロプリズムアレイ302の外縁部端面に摺接している。
【0455】
305は印加電圧に応じて伸縮する積層型圧電素子で、一端はプリズム固定手段303の内壁底部に固着され、他端は第2のマイクロプリズムアレイ302の外縁部下面に固着される。該圧電素子305は、同一形状のものが2個備えられる。そして同図においては、圧電素子305へは電圧が印加されておらず、その自由長はAとなっている。このとき、2つのマイクロプリズムアレイは、斜面群301aと302aは密着し、301bと302bも密着している。すると、光学的ローパスフィルタ100Hの上方から入射する光線Lは、第2のマイクロプリズムアレイ302の斜面群302aに入射し、密着して対向する斜面群301aを通過して直進して、撮像手段350の所定の画素Pix6に入射する。
【0456】
よって、光学的ローパスフィルタ100Hの上方から入射する全ての光束が直進して撮像手段に到達するため、光束のシフト効果は生じない。
【0457】
図48は上記ローパスフィルタ300Hが備える圧電素子305に所定電圧を印加し、その長さをδAだけ伸張させた時の状態を示す図である。このとき、2つのマイクロプリズムアレイは、図57では密着していた斜面群301aと302aは、微小量δAだけ空隙が設けられた状態とる。すると、光学的ローパスフィルタ300Hの上方から入射する光線Lは、該斜面群302aで全反射して左方向に進み、斜面群302b及び301bを通過したのちに斜面群301aで全反射して下方に進み、撮像手段350の所定の画素Pix5に入射する。
【0458】
よって、光学的ローパスフィルタ300Hの上方から入射するすべての光束がマイクロプリズムの1ピッチ分だけ左方向にシフトして撮像手段に到達する。そこで、露光時間中に該フィルタ300Hを図58の状態から図59の状態に遷移させることで、光学的ローパス効果を得ることができる。
【0459】
図59は本発明の光学的ローパスフィルタを撮影装置に応用した場合の斜視図で、撮像手段350のカラーフィルタアレイ353と、ローパスフィルタのマイクロプリズムアレイのみを示し、他の部材は省略している。撮像手段は2次元イメージセンサで、これに用いるカラーフィルタアレイも2次元のモザイクフィルタアレイとなっている。従って、光学的ローパスフィルタも2次元方向、すなわち撮影画面の水平方向(矢印Hで表示)と垂直方向(矢印Vで表示)の両方向に光束を横ずらしする必要がある。したがって、光学的ローパスフィルタも横ずらし用のフィルタユニット300Hと縦ずらし用のフィルタユニット300Vの2組が設けられ、それぞれに駆動用の圧電素子が組み込まれている。
【0460】
図60は、図59に示した2組の光学的ローパスフィルタの駆動方法を説明する図で、同図(a)は圧電素子305のタイミングチャート、同図(b)は射出光束の移動軌跡図である。
【0461】
まず同図(a)にて、2つの圧電素子の駆動方法を説明する。同図(a)の横軸は時刻t、縦軸は圧電素子の変位で、下段はローパスフィルタ300H用、上段はローパスフィルタ300V用の圧電素子の変位を示している。
【0462】
時刻t0においては両素子の変位はゼロであり、時刻t1にて圧電素子305Hに所定電圧を印加して伸張させ、変位をδHにする。時刻t2においては圧電素子305Vに所定電圧を印加して伸張させ、変位をδHにする。その後時刻t3にて圧電素子305Hの印加電圧を解除して変位をゼロに戻す。最後に時刻t4にて、圧電素子305Vの印加電圧を解除して変位をゼロに戻す。そして、時刻t0からt4までのTが電荷蓄積時間、すなわち全露光時間に相当し、これを4分割したT0ないしT3の各露光時間中は、射出する光束の位置が相対的にシフトした状態となっている。
【0463】
以上の制御を行なった場合に、撮像手段に入射する光束のシフト軌跡を同図(b)に示す。時刻t0からt4までの圧電素子への電圧制御により、各露光時間中の射出光束の位置はT0ないしT3で示した位置をたどり、光学的なローパス効果を得ることができる。
【0464】
また、以上の第6の実施形態の光学的ローパスフィルタを撮影装置に組み込んだ際の構成、及び制御フローは、第4の実施形態の図52及び図53と同一であるため、説明は省略する。
【0465】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、小型軽量のマイクロプリズムアレイを微小量駆動することで光束を短時間にシフトでき、騒音や振動を防止するとともに、露光時間が短い場合にも充分なローパス効果を得ることができる。また、光シャッタ機能を付加することも可能で、撮影装置を小型軽量安価に提供できる。
【0466】
また、本発明においてはマイクロメカニクスを用いる事で小型で精度の高いメカニカルなシャッタを作成できることに着目しており、特に固体撮像素子を形成する各光電変換素子に対応してメカニカルなシャッタを固体撮像素子製造工程で作りこみ、そのようなシャッタを各光電変換素子ごとに個別に駆動制御することで撮影ダイナミックレンジの拡大や光電変換素子感度のばらつき補完、シェーディング補正を行い、更に入射透過率を上げることが出来るので絶対感度の低下を防ぐことが出来ると共に駆動レスポンスが高くなるので低応答性による光線漏れも解決できる。
【0467】
また、本発明によれば、小型軽量のマイクロプリズムアレイを微小量駆動することで光束を短時間にシフトでき、騒音や振動を防止するとともに、露光時間が短い場合にも充分なローパス効果を得ることができる。また、光シャッタ機能を付加することも可能で、撮影装置を小型軽量安価に提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態断面図である。
【図2】本発明の第1実施形態カラーフィルタ説明図である。
【図3】本発明の第1実施形態変形例断面図である。
【図4】本発明の第1実施形態変形例断面図である。
【図5】本発明の第1実施形態変形例平面図である。
【図6】本発明の第1実施形態変形例断面図である。
【図7】本発明の第1実施形態駆動波形図である。
【図8】本発明の第1実施形態駆動波形図である。
【図9】本発明の第1実施形態駆動波形図である。
【図10】本発明の第1実施形態駆動波形図である。
【図11】本発明の第1実施形態駆動波形図である。
【図12】本発明の第1実施形態駆動波形図である。
【図13】本発明の第1実施形態ブロック図である。
【図14】本発明の第1実施形態フローチャート図である。
【図15】本発明の第1実施形態の製造方法である。
【図16】本発明の第1実施形態の製造方法である。
【図17】本発明の第1実施形態の製造方法である。
【図18】本発明の第1実施形態の製造方法である。
【図19】本発明の第1実施形態の製造方法である。
【図20】本発明の第1実施形態の製造方法である。
【図21】本発明の第1実施形態の製造方法である。
【図22】本発明の第1実施形態の製造方法である。
【図23】本発明の第1実施形態の製造方法である。
【図24】本発明の第1実施形態の製造方法である。
【図25】本発明の第1実施形態の製造方法である。
【図26】本発明の第1実施形態の製造方法である。
【図27】本発明の第1実施形態の製造方法である。
【図28】本発明の第1実施形態の製造方法である。
【図29】本発明の第1実施形態の製造方法である。
【図30】本発明の第1実施形態の製造方法である。
【図31】本発明の第1実施形態の製造方法である。
【図32】本発明の変形例平面図である。
【図33】本発明の第2実施形態断面図である。
【図34】本発明の第2実施形態変形例断面図である。
【図35】本発明の第2実施形態変形例断面図である。
【図36】本発明の第3実施形態断面図である。
【図37】本発明の第3実施形態カラーフィルタ説明図である。
【図38】本発明の第3実施形態の製造方法である。
【図39】本発明の第3実施形態の製造方法である。
【図40】本発明の第3実施形態の製造方法である。
【図41】本発明の第3実施形態の製造方法である。
【図42】本発明の第3実施形態の製造方法である。
【図43】本発明の第3実施形態の製造方法である。
【図44】本発明の第3実施形態の製造方法である。
【図45】本発明の第3実施形態の製造方法である。
【図46】本発明の第3実施形態変形例断面図である。
【図47】本発明の第3実施形態変形例断面図である。
【図48】本発明第4の実施形態における光学的ローパスフィルタの断面図である。
【図49】本発明第4の実施形態における光学的ローパスフィルタのローパス効果説明図である。
【図50】本発明第4の実施形態における光学的ローパスフィルタの光シャッタ効果説明図である。
【図51】本発明第4の実施形態における光学的ローパスフィルタの斜視図である。
【図52】本発明第4の実施形態における光学的ローパスフィルタの駆動方法説明図である。
【図53】本発明第4の実施形態における撮影装置の構成図である。
【図54】本発明第4の実施形態の撮影装置における制御フロー図である。
【図55】本発明第5の実施形態における光学的ローパスフィルタの斜視図である。
【図56】本発明第5の実施形態における撮影装置の構成図である。
【図57】本発明第6の実施形態における光学的ローパスフィルタの断面図である。
【図58】本発明第6の実施形態における光学的ローパスフィルタのローパス効果説明図である。
【図59】本発明第6の実施形態における光学的ローパスフィルタの斜視図である。
【図60】本発明第6の実施形態における光学的ローパスフィルタの駆動方法説明図である。
【図61】従来の技術の固体撮像素子断面図である。
【図62】従来の技術の固体撮像素子の特性説明図である。
【図63】従来の技術の固体撮像素子の問題点説明図である。
【図64】従来の技術の固体撮像素子の改良断面図である。
【符号の説明】
10 固体撮像素子
11 マイクロレンズ
12 カラーフィルタ
13 光導波路
14 界面
15 平坦化層
16 板バネ
17 可動マイクロプリズム
18 透明電極層
19 絶縁層
21 ステーター
22 コイル
23 永久磁石
24 ヨーク
25 スライダー
26 コイルバネ
27 軸受け
28 コイルバネ
29 カム板
30 固体撮像素子
31 空間領域
32 隔壁層
33 透明電極層
34 絶縁層
35 絶縁層
36 透明電極層
37 フラップ
38 反射層
110 ベース層
111 光電変換素子
112 読み出しゲート
113 垂直転送電極
114 垂直転送電荷転送路
115 チャネルストップ領域
116 固定マイクロプリズム
117 透明電極層
118 絶縁層
119 遮光層
120 入射光
121 透明電極層
122 絶縁層
123 透明電極層
124 絶縁層
125 透明電極層
126 絶縁層
127 透明電極層
128 絶縁層
129 圧電部材
130 シャッタ開口曲線
131 蓄積制御時間
132 光軸
133 レンズ
135 絞り
134 AF駆動モータ
137 絞り駆動手段
138 焦点駆動手段
139 閃光手段
140 A/D変換手段
141 撮影制御手段
142 信号処理手段
143 表示手段
144 記録手段
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention Solid-state image sensor It is about.
[0002]
[Prior art]
The first conventional technique will be described.
[0003]
FIG. 61 is a schematic cross-sectional configuration diagram of a light-receiving portion of a color solid-state imaging device that is generally used in the past.
[0004]
Reference numeral 41 denotes a color filter, and reference numeral 42 denotes a microlens that is mounted to increase the aperture ratio of the solid-state imaging device. Reference numeral 44 denotes a light shielding portion, 45 denotes a pixel area of one pixel, and 46 denotes a photoelectric conversion element that converts incident light into electric charges.
[0005]
The solid-state imaging device has a plurality of pixel regions 45 shown in FIG. 4 arranged two-dimensionally, performs photoelectric conversion of incident light in a photoelectric conversion device 46 provided for each pixel 45, accumulates the charge, and stores the charge in an electric circuit. The image information is obtained based on the amount of charge periodically sent to a transfer unit (not shown) constituted by
[0006]
FIG. 61 shows a solid-state image pickup device for color, but a monochrome or single-color solid-state image pickup device does not have 41 color filters and does not have a microlens attached to increase the aperture ratio. is there.
[0007]
Such a solid-state imaging device is manufactured by praying a transfer unit (not shown) and portions constituting the solid-state imaging device such as the photoelectric conversion element 46 sequentially formed through a semiconductor process.
[0008]
In addition, the color filter of the color imaging element is also formed by a photolithography method or a printing method, and the microlens mounted for increasing the aperture ratio is also manufactured through a semiconductor process such as a photolithography method or a dry etching process.
[0009]
Currently, there are line sensors, area sensors, etc. as solid-state imaging devices used in such imaging systems, and each one is used in various fields, and the performance of the solid-state imaging device itself also improves year by year. is doing.
[0010]
Next, general characteristics of the solid-state imaging device will be described.
[0011]
FIG. 62 schematically shows the output characteristics of charges with respect to incident light in the pixels of the solid-state imaging device. When the illuminance of incident light is lower than a certain value as shown in FIG. Although it increases, it has a characteristic that the output saturates at more than that.
[0012]
As described above, the solid-state imaging device has a problem that the sensitivity width of photoelectric conversion, that is, the latitude is narrow.
[0013]
In addition, the photoelectrically converted charge is temporarily stored in each pixel, but when the amount of incident light becomes excessive, the amount of charge that can be stored in each pixel exceeds its limit, and surplus charges flow into other pixels. Causes the image to deteriorate significantly.
[0014]
When a solid-state image sensor is used for a camera or the like because of such a problem, an aperture or an ND filter for limiting the amount of light to the solid-state image sensor is provided.
[0015]
However, such a method is not suitable for photographing a subject with a large difference in luminance because it only controls the amount of light applied to the entire solid-state imaging device.
[0016]
This will be specifically described below.
[0017]
FIG. 63 is an example of a subject with a large difference in brightness, and a frame 52 indicates a range captured by a solid-state imaging device.
[0018]
In FIG. 63, 53 is a relatively bright mountain located in the background, 54 is a sun with a large amount of light, and 55 is a person with the sun 54 as the back.
[0019]
In such a case, if an aperture or ND filter is set so that the background mountain 53 is properly exposed, the amount of light of the person 55 becomes insufficient and the person becomes dark.
[0020]
Further, when a diaphragm or ND filter is set so that the person 55 is properly exposed, the relatively bright mountain 53 is overexposed and flies white and does not remain in the image.
[0021]
Further, in the vicinity of the sun 54, the output of the photoelectric conversion element saturates and flows into other pixels, or a charge is accumulated in the charge transfer unit, resulting in image degradation called blooming or smear.
[0022]
In addition to these problems, each pixel is caused by defects in the silicon wafer during manufacturing of the solid-state image sensor, differences in film thickness and film quality of the silicon oxide film, dirt on the cover glass surface of the solid-state image sensor, and scratches. There was a problem of causing sensitivity variations.
[0023]
As a method for solving such a problem, a method of controlling the amount of incident light for each photoelectric conversion element has been devised.
[0024]
According to this method, since the amount of incident light can be controlled for each pixel, the amount of light incident on the pixels corresponding to the periphery of the sun 54 described above can be reduced to prevent image degradation, and the sensitivity variation of each pixel can be controlled by controlling the amount of incident light. In addition, it is possible to compensate for sensitivity reduction (shading) in surrounding pixels, which is a problem in a camera using a solid-state image sensor.
[0025]
In this proposal, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 63-35081, several photoelectric conversion elements are combined into one group, and a liquid crystal shutter is provided on the entrance surface for each group. As disclosed in Japanese Patent No. 294059, there is a method in which liquid crystals are individually provided on the entire surface of each photoelectric conversion element, and the amount of light incident on each photoelectric conversion element is controlled independently.
[0026]
FIG. 64 shows a light amount control method using liquid crystal, and a light modulation element 56 is provided between the microlens 42 and the photoelectric conversion element 46 in the solid-state imaging device shown in FIG.
[0027]
The light modulation element 56 is made of a physical element such as an electronic element or a liquid crystal element, and its light transmittance can be changed by applying a voltage or the like.
[0028]
With such a configuration, the subject is observed with a solid-state imaging device prior to shooting, a photoelectric conversion element whose output is likely to be saturated is specified, and the light modulation element 56 corresponding to the photoelectric conversion element whose output is likely to be saturated during actual shooting. Can be driven to reduce the amount of incident light.
[0029]
Therefore, it is possible to perform imaging without image deterioration or overexposure even for a subject with a large difference in brightness.
[0030]
In addition, since a light modulation element is provided for each photoelectric conversion element, the sensitivity can be improved by driving the light modulation element so as to compensate for the sensitivity variation of each photoelectric conversion element during manufacture of a solid-state imaging element that has been measured in advance. Can be made uniform.
[0031]
For example, the transmittance of the light modulation element corresponding to the photoelectric conversion element having the lowest sensitivity among the solid-state imaging elements is maximized, and the transmittance of the light modulation element corresponding to each photoelectric conversion element having higher sensitivity is sequentially changed. This makes it possible to align the sensitivity of all photoelectric conversion elements.
[0032]
Furthermore, shading can also be corrected by setting the transmittance of the light modulation element corresponding to the solid-state image sensor in the central part lower than that in the peripheral photoelectric conversion element in the solid-state image sensor.
[0033]
Next, the second conventional technique will be described.
[0034]
In an imaging apparatus using a solid-state image sensor, a pseudo signal called moire is generated when a component having a frequency higher than half the sampling frequency (Nyquist frequency) determined by the pixel arrangement pitch is included in the image. There is a problem that the image gets worse.
[0035]
Therefore, in order to eliminate this problem, an optical element for removing high-frequency components of an image, that is, an optical low-pass filter, is used in the photographing optical system or in front of the imaging element. A typical example of such an optical low-pass filter is a birefringent plate using birefringence such as quartz. However, since this optical element is expensive, the following optical low-pass filter has been proposed.
[0036]
For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-296013, a photographing light beam is shifted by periodically vibrating a photographing optical system or an image sensor in a direction orthogonal to the optical axis to obtain a low pass effect.
[0037]
Japanese Patent Laid-Open No. 8-43878 discloses a low-pass effect by driving a liquid prism arranged inside a photographing optical system at high speed, periodically oscillating its apex angle, and minutely changing the direction of a photographing light beam. It has gained.
[0038]
In Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-215514, a color filter array and a micro prism array on which a dichroic mirror is formed are arranged immediately in front of an image pickup device, and a low pass effect is obtained by utilizing light reflection by the micro prism.
[0039]
Further, in Japanese Patent Registration No. 2539424, optical elements that are parallel to each other and have at least two boundary surfaces are arranged at an angle of about 45 degrees with respect to the optical axis, and the light beam is reflected by the boundary surface multiple times. The low pass effect is obtained.
[0040]
The second prior art will be described.
[0041]
In an imaging apparatus using a solid-state image sensor, a pseudo signal called moire is generated when a component having a frequency higher than half the sampling frequency (Nyquist frequency) determined by the pixel arrangement pitch is included in the image. There is a problem that the image gets worse.
[0042]
Therefore, in order to eliminate this problem, an optical element for removing high-frequency components of an image, that is, an optical low-pass filter is used in the photographing optical system or in front of the imaging element. A typical example of such an optical low-pass filter is a birefringent plate using birefringence such as quartz. However, since this optical element is expensive, the following optical low-pass filter has been proposed.
[0043]
For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-296013, a photographing light beam is shifted by periodically vibrating a photographing optical system or an image sensor in a direction orthogonal to the optical axis to obtain a low pass effect.
[0044]
Japanese Patent Laid-Open No. 8-43878 discloses a low-pass effect by driving a liquid prism arranged inside a photographing optical system at high speed, periodically oscillating its apex angle, and minutely changing the direction of a photographing light beam. It has gained.
[0045]
In Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-215514, a color filter array and a micro prism array on which a dichroic mirror is formed are arranged immediately in front of an image pickup device, and a low pass effect is obtained by utilizing light reflection by the micro prism.
[0046]
Further, in Japanese Patent Registration No. 2539424, optical elements that are parallel to each other and have at least two boundary surfaces are arranged at an angle of about 45 degrees with respect to the optical axis, and the light beam is reflected by the boundary surface multiple times. The low pass effect is obtained.
[0047]
[Problems to be solved by the invention]
The first conventional technique has the following problems.
[0048]
The light modulation element 56 described above is formed of a physical element such as an electronic element or a liquid crystal element as described above, but such a physical element is difficult to produce a complete transmission state or a complete light shielding state. There are drawbacks.
[0049]
Therefore, when the light modulation element 56 is arranged on the entire surface of the photoelectric conversion element 46, the amount of light incident on the photoelectric conversion element 45 is reduced even when the transmittance is maximum compared to the state where the light modulation element 56 is not arranged. End up.
[0050]
That is, there is a drawback that the absolute sensitivity of the photoelectric conversion element 46 is lowered.
[0051]
Therefore, when the subject is dark, good shooting cannot be performed.
[0052]
In addition, when the subject is extremely bright, even when the accumulation of the photoelectric conversion element 45 is completed and the charge is transferred, the photoelectric conversion element has a slight incidence of light, which deteriorates the image.
[0053]
This is because light from the outside leaks into the photoelectric conversion element 56 because the light modulation element 56 cannot be completely shielded.
[0054]
Furthermore, the light modulation element 56 has a problem of low response.
[0055]
This is because the operation of changing the transmission state of the light modulation element 56, for example, changing from the maximum transmittance to the minimum is slow, and there is a phenomenon that the operation becomes extremely slow particularly at low temperatures.
[0056]
Such a phenomenon is not a problem because the response is not so much considered in the case of limiting the amount of light incident on each photoelectric conversion element in advance before photographing.
[0057]
However, for the purpose of preventing the incidence of light rays on the photoelectric conversion element 46 at the stage of transferring the charge accumulated in the photoelectric conversion element 46, the responsiveness cannot be allowed. For example, when the charge is transferred, the photoelectric conversion element 46 is further charged. Will accumulate and the charge will also be transferred, degrading the image.
[0058]
When the light modulation element 56 is arranged in correspondence with each photoelectric conversion element 46 in this way, the amount of incident light can be controlled for each pixel, so that a wide dynamic range can be taken even for a subject with a large difference in brightness. A solid-state image sensor can be realized, and the sensitivity variation of each pixel can be supplemented by controlling the amount of incident light. Furthermore, sensitivity reduction (shading) can be corrected at surrounding pixels, which is a problem with cameras using solid-state image sensors. However, there remain problems such as sensitivity reduction and image degradation (light leakage due to low response of the light modulation element 56), which are the most important conditions for the camera.
[0059]
Therefore, in the present invention, taking advantage of the above-described solid-state imaging device using the light modulator 56 (dynamic range expansion, dispersion compensation, shading correction), and problems (decrease in absolute sensitivity, light leakage due to low response) It is an object of the present invention to realize a solid-state imaging device having a high image quality and a wide imaging area (good imaging can be performed even with a subject having a large difference in brightness).
[0060]
Furthermore, it aims to establish a method for stably manufacturing such a solid-state imaging device, and to construct a photographing system for adapting such a solid-state imaging device to a digital camera. .
[0061]
Further, the second conventional technique has the following problems.
[0062]
In the prior art disclosed in JP-A-3-296603 and JP-A-8-43878, a photographing optical system, an image sensor or a liquid prism as a driving target is generally difficult to be driven at high speed because of its large mass. A sufficient low-pass effect cannot be obtained in a shooting scene with a short exposure time. In addition, there is a risk of noise and vibration accompanying the drive.
[0063]
In the prior art disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 11-215514, it is necessary to accurately align each unit prism of the microprism array on a one-to-one basis with each pixel of the image sensor. In general, since the dichroic mirror has a large wavelength dependency with respect to the incident angle, there is also a drawback that the spectral sensitivity characteristics of the image sensor differ between the center and the periphery of the image sensor.
[0064]
In the prior art disclosed in Japanese Patent Registration No. 2539424, the optical element has to be disposed at a predetermined angle with respect to the photographing optical axis, which requires a large space in the direction of the optical axis, which increases the size of the device. End up.
[0065]
Therefore, the present invention provides an optical low-pass filter that is small and has a variable low-pass effect by relatively driving two micro-prism arrays with a predetermined waveform and finely displacing the path of the light beam in the array. It is intended to provide.
[0066]
The problem of the second prior art will be described.
[0067]
However, the above prior art has the following drawbacks.
[0068]
In the prior art disclosed in JP-A-3-296603 and JP-A-8-43878, a photographing optical system, an image sensor or a liquid prism as a driving target is generally difficult to be driven at high speed because of its large mass. A sufficient low-pass effect cannot be obtained in a shooting scene with a short exposure time. In addition, there is a risk of noise and vibration accompanying the drive.
[0069]
In the prior art disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 11-215514, it is necessary to accurately align each unit prism of the microprism array on a one-to-one basis with each pixel of the image sensor. In general, since the dichroic mirror has a large wavelength dependency with respect to the incident angle, there is also a drawback that the spectral sensitivity characteristics of the image sensor differ between the center and the periphery of the image sensor.
[0070]
In the prior art disclosed in Japanese Patent Registration No. 2539424, the optical element has to be disposed at a predetermined angle with respect to the photographing optical axis, which requires a large space in the direction of the optical axis, which increases the size of the device. End up.
[0071]
Therefore, the present invention provides an optical low-pass filter that is small and has a variable low-pass effect by relatively driving two micro-prism arrays with a predetermined waveform and finely displacing the path of the light beam in the array. It is intended to provide.
[0072]
[Means for Solving the Problems]
To solve the above problem, In a solid-state imaging device comprising a light receiving region comprising a plurality of photoelectric conversion elements arranged on the main surface of a semiconductor substrate and a light control region comprising a light control element for controlling the incident state of each photoelectric conversion element, the light control element Is opposed to the movable microprism provided for each photoelectric conversion element, the fixed microprism facing the movable microprism and having an incident surface substantially the same shape as the prism surface of the movable microprism, and the other end of the movable microprism. Drive means for changing the optical waveguide, the first opposing interval of the movable microprism and the fixed microprism, and the second opposing interval of the movable microprism and the optical waveguide, and the first opposing interval and / or the second opposing interval And a light shielding means for shielding stray light due to the emission of light rays on a surface along the main optical axis, and the first facing interval is changed by the driving means. A solid-state image pickup device for controlling the transmission state and the total reflection state of the movable micro prism Rukoto I will provide a.
[0082]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a solid-state image sensor 10 according to a first embodiment of the present invention.
[0083]
In the drawing, the alphabet at the end of the part number of each constituent member is provided for identification for each pixel, and when there is no alphabet at the end of the part number in the sentence, the general name thereof is shown.
[0084]
Reference numeral 11aa denotes a microlens, which is provided corresponding to each of the photoelectric conversion elements 111 described later and has a refractive index of 2.0 or more. 2 The transparent bright layer is cut into a lens shape by etching.
[0085]
Reference numeral 12aa denotes a color filter. For example, in the case of a Bayer array primary color filter, red, blue, and green filters are alternately adjacent to each other and arranged as shown in FIG.
[0086]
In FIG. 2, 12aa, 12ac, 12ca and 12cc are red filters, 12ab, 12ac, 12ba, 12bc, 12cb, 12cd, 12da and 12dc are green filters, and 12bb, 12bd, 12db and 12dd are blue filters.
[0087]
Each filter can be formed by forming a resin (color resin) layer containing a pigment or dye of a desired color at a predetermined location by a method such as photolithography.
[0088]
13aa is an optical waveguide, which is similar to a microprism as TIO. 2 The transparent bright layer has a cylindrical shape formed by etching by an etching method.
[0089]
The planarization layer 15 is SIO so as to wrap the outer periphery of the optical waveguide 13aa. 2 The optical waveguides are coupled to each other.
[0090]
Material SIO of the planarization layer 15 2 The refractive index of the optical waveguide 13 is about 1.5 and the material TIO of the optical waveguide 13 2 Since the refractive index of the optical waveguide 13 is different from the refractive index of about 2.3, the light beam to be emitted from the side surface 14 of the light beam incident on the optical waveguide 13 is totally reflected at the interface with the planarizing layer 15 and guided to the photoelectric conversion element 111. .
[0091]
Therefore, the amount of light guided to the photoelectric conversion element 111 is increased, and the sensitivity of the solid-state imaging element 10 is improved.
[0092]
The planarizing layer 15 is provided with a later-described silicon leaf spring 16aa, and a movable microprism 17aa is formed at the other end of the leaf spring 16aa.
[0093]
The movable microprism 17aa is placed on the optical waveguide 13aa 2 However, in the manufacturing process, an extremely thin sacrificial layer is provided between the optical waveguide 13aa and the movable microprism 17aa by removing the sacrificial layer by etching after the movable microprism is formed.
[0094]
The tip of the movable microprism 17aa has a corner cube shape, and the transparent electrode layer 18aa made of ITO and the SIO are on the tip. 2 An insulating layer 19aa made of is provided.
[0095]
As described above, the second substrate is formed by the microlens 11, the color filter 12, the optical waveguide 13, the planarizing layer 15, and the leaf spring 16.
[0096]
Similar to the planarization layer 15, SIO 2 A photoelectric conversion element 111aa is provided at the outermost end portion of the base layer 110 formed in (1).
[0097]
The photoelectric conversion element 111 has, for example, an n-type impurity region on a matrix on a p-type impurity region (which is omitted as a base layer over the entire lower surface of the photoelectric conversion device 111 but is omitted for the sake of simplicity). And p on each of them + This is a buried photodiode formed by providing a type impurity region, and the n type impurity region functions as a charge storage region.
[0098]
A read gate 112aa is provided adjacent to the photoelectric conversion element 111aa.
[0099]
The read gate 112aa is a region of the vertical transfer electrode 113aa and is formed of a polysilicon layer.
[0100]
A vertical transfer charge transfer path 114aa is provided to face the vertical transfer electrode 117aa.
[0101]
When a read pulse (for example, 15 V) is applied to the vertical transfer electrode 113aa, the charge accumulated in the photoelectric conversion element (here, the photoelectric conversion element 111aa) corresponding to the vertical transfer electrode 113aa corresponds via the read gate 112aa. Data is read out to the vertical charge transfer path 114aa.
[0102]
Reference numeral 115aa denotes a channel stop region, which is provided so as to surround the periphery of the photoelectric conversion element 111aa other than the readout gate 112aa.
[0103]
The channel stop region 115aa is provided to electrically isolate other adjacent discharge conversion elements and transfer regions.
[0104]
Charge reading from the photoelectric conversion element 111 to the vertical charge transfer path 114 is performed in units of the photoelectric conversion element 111, and there are various reading modes such as interlace scanning, progressive scanning, and all pixel reading.
[0105]
The base layer 110 is provided with a fixed microprism 116aa.
[0106]
Fixed microprism 116aa is TIO 2 The surface facing the movable microprism 17aa has a shape obtained by transferring the tip shape.
[0107]
At the tip thereof, a transparent electrode layer 117aa made of ITO and SIO 2 An insulating layer 118aa made of is provided.
[0108]
Again, the material SIO of the base layer 15 2 Has a refractive index of about 1.5 and the material TIO of the fixed microprism 116. 2 Since the refractive index is different from about 2.3, the light beam entering the fixed microprism 116 is totally reflected at the interface with the base layer 110 and guided to the photoelectric conversion element 111 direction.
[0109]
119aa is an aluminum light-shielding layer, and stray light that enters the planarizing layer 15 and the base layer 110 through the gap (second opposing interval) between the optical waveguide 14 and the movable microprism 17, or the movable microprism 17 and the fixed microprism. The stray light incident on the base layer 110 through a gap (first facing interval) 116 is provided as a light shielding unit for reaching the photoelectric conversion element 111.
[0110]
These base layer 110, photoelectric conversion element 111, readout gate 112, vertical transfer electrode 113, vertical transfer path 114, channel stop region 115, fixed microprism 116, and light shielding layer 119 form a first base.
[0111]
The state of the light beam incident from the microlens 11 in the solid-state imaging device 10 having such a structure will be described below.
[0112]
In the case of the microlens 11aa, the distance between the optical waveguide 13aa and the movable microprism 17aa (second opposing distance) is extremely small, for example, about 0.5 μm, and conversely, the distance between the movable microprism 17aa and the fixed microprism 116aa ( The first facing interval) has a gap of about 1.0 μm to 2.0 μm.
[0113]
In such a case, the light beam 120aa is incident from the optical waveguide 13aa to the movable microprism 17aa through the second facing interval, but the light beam 120aa is folded back at the tip of the movable microprism 17aa as shown in the figure. Reflected to the side.
[0114]
This is because the tip of the movable microprism 17aa and the tip of the fixed microprism 116aa are separated, so that the movable microprism 17aa is movable due to the difference between the refractive index of the movable microprism 17aa (about 2.3) and the refractive index of the air layer (1.0). This is because the light beam 120aa is totally reflected by the corner cube surface at the tip of the microprism 17aa.
Therefore, the light beam that has passed through the microlens 11aa does not reach the photoelectric conversion element 111aa.
[0115]
That is, when the movable microprism 17aa is in such a state, the shutter is closed with respect to the photoelectric conversion element 111aa.
[0116]
On the other hand, in the case of the microlens 17ac, the interval between the optical waveguide 13ac and the movable microprism 17ac (second opposing interval) is, for example, about 1.0 μm, and the interval between the movable microprism 17ac and the fixed microprism 116ac (first ) Is extremely small, about 0.5 μm.
[0117]
Even in such a case, the light beam 120ac is incident from the optical waveguide 13ac to the movable microprism 17ac through the second facing interval therebetween.
[0118]
This is because, although the second counter gap is open, the tip of the optical waveguide 13aa is at a right angle to the incident light beam 120ac, so that total reflection due to the difference in refractive index does not occur.
[0119]
Therefore, the light beam 120ac exits the optical waveguide 13ac and enters the movable microprism 17ac.
[0120]
The light beam 120ac incident on the movable microprism 17ac is not reflected and reflected at the tip portion like the light beam 120aa, but enters the fixed microprism 116ac as it is.
[0121]
This is because the first facing interval is narrow, and the refractive index of the movable microprism (about 2.3) and the refractive index of the fixed microprism (about 2.3) are aligned. This is because total reflection of light does not occur at the tip.
[0122]
The light beam 120ac incident on the fixed microprism 13ac is directly guided to the photoelectric conversion element 111ac.
[0123]
That is, when the movable microprism 17ac is in this state, the shutter is open with respect to the photoelectric conversion element 111ac.
[0124]
The state of the movable microprism 17 and the leaf spring 16 that supports the movable microprism 17 is formed in a state where the second facing interval is opened like the movable microprism 17ac at the time of manufacture.
[0125]
When the movable microprism 17 is moved in the direction of the optical waveguide 13 against the leaf spring 16, the movable microprism 17aa is obtained.
[0126]
Here, a driving method for setting the movable microprism 17 to a position like 17aa will be described.
[0127]
At this time, the transparent electrode layer 18aa of the movable microprism 17aa is positively charged, and similarly, the transparent electrode layer 117aa of the fixed microprism 116aa is also positively charged.
[0128]
Then, the movable microprism 17aa and the fixed microprism 116aa repel each other, and the movable microprism 17aa is pushed in the direction of the optical waveguide 13aa against the spring force of the leaf spring 16aa, so that the first facing interval is opened and the second facing interval is opened. Becomes narrower.
[0129]
As described above, when the movable microprism 17 is not driven, the shutter is opened. When the movable microprism 17 is driven, a normally open shutter is formed.
[0130]
Conversely, when the charging of the two transparent electrodes 18aa and 117aa is released, the movable microprism 17aa returns to the state of the movable microprism 17ac by the restoring force of the leaf spring 16aa.
[0131]
Of course, instead of uncharging the two transparent electrodes 18aa and 117aa, the transparent electrode 117aa may be negatively charged, and the movable microprism 17aa may be attracted to the fixed microprism 116aa side. The microprism 17aa may be returned to the state of the movable microprism 17ac, and then the state may be maintained by the spring force of the leaf spring 16aa.
[0132]
Now, the mass of the movable microprism 17ac is obtained from the pixel pitch in the general solid-state imaging device 10, and the deflection of the movable microprism 17ac is the second opposing interval even when a force (100G) 100 times the mass is applied. Consider the case where the spring constant of the leaf spring 16ac is set to about 1/5 of the above.
[0133]
This is because the support force is set to prevent the movable microprism 17ac from colliding with the optical waveguide 13ac and the fixed microprism 117aa when the solid-state image pickup device 10 is dropped and being destroyed. become.
[0134]
When such a spring constant is set, in order to move the movable microprism 17ac to the position of the movable microprism 17aa against the spring force of the leaf spring 16ac, the two transparent electrode layers 18aa and 117aa are both charged to about 10V. You can let it go.
[0135]
In particular, since the two transparent electrode layers 18aa and 117aa are close to each other at the beginning of driving (the first facing interval is narrow), the driving force sufficient to start moving the movable microprism can be given by applying this voltage. .
[0136]
Generally, when moving a mass point, a large force is required at the beginning of movement due to the influence of friction, etc., but if the gap that generates an electrostatic force at the beginning of movement as described above is narrow, the generated force at that time becomes extremely large. Stable driving against friction is possible.
[0137]
Of course, as described above, there is a driving method using suction instead of a driving method using repulsion.
[0138]
The relationship between the leaf spring 16 and the movable microprism 17 is such that when the second substrate is formed in FIG. 1, the second facing interval is narrow and the first facing interval is widened (position of the movable microprism 17aa). Should be set.
[0139]
In this case, the normal position is the shutter closed like the movable microprism 17aa, and the state of the movable microprism 17ac is created by charging the two transparent electrodes 18aa and 117aa positively and negatively and attracting them to each other.
[0140]
Thus, when the movable microprism 17 is not driven, the shutter is closed, and when it is driven, a normally closed shutter is opened.
[0141]
The spring force of the leaf spring 16 is about 1/5 of the second facing interval even when a force (100 G) that is 100 times the mass of the movable microprism 17 is applied as described above. In the case of setting, the voltage for suction may be a potential difference of about 5 V between the two transparent electrode layers 18aa and 117aa.
[0142]
The difference between the voltage in the case of suction and the voltage in the case of repulsion is that, in the case of suction, the distance between the transparent electrodes 18aa and 117aa becomes narrower and the leaf spring becomes closer to a predetermined distance. This is because the movable microprism 17 is attracted to the fixed microprism 116 regardless of the 16 linear spring force.
[0143]
As shown in FIG. 3, the pair of transparent electrode layers is provided with a transparent electrode layer 121aa and an insulating layer 122aa on the surface facing the movable microprism 17aa of the optical waveguide 13aa, and transparent on the surface facing the optical waveguide 13aa of the movable microprism 17aa. An electrode layer 123aa and an insulating layer 124aa may be provided.
[0144]
In this case, if the transparent electrode layers 121aa and 123aa are charged to the same polarity, the second facing interval is opened due to repulsion and the movable microprism 17ac is opened, and the shutter is opened. 1 is opened, the movable micro prism 17aa is brought into a closed state, and the shutter is closed.
[0145]
If the movable microprism is formed in a state of 17ac at the time of manufacture, a potential difference of about 5V is applied to the two transparent electrode layers 121aa and 123aa, and the shutter can be closed by sucking each other.
[0146]
As a driving method of the movable microprism 17 by suction and repulsion using static electricity, a transparent electrode layer is provided on the movable microprism 17 and the fixed microprism 116 in FIGS.
[0147]
However, the position of the transparent electrode layer is not limited thereto.
[0148]
FIG. 4 shows an example in which a transparent electrode layer is provided on the leaf spring 16.
[0149]
Here, FIG. 4 shows an enlarged view of the central pixel (movable microprism 17ab) in FIGS.
[0150]
In FIG. 4, a transparent electrode layer 125ab and an insulating layer 126ab covering the transparent electrode layer 125ab are provided on the side of the leaf spring 16ab facing the base layer 110.
[0151]
A transparent electrode layer 127ab and an insulating layer 128ab are also provided on the surface of the base layer 110 facing the leaf spring 16ab.
[0152]
FIG. 5 is a plan view of the movable microprism 17 and the leaf spring 16 as viewed from the base layer 15 side. (FIG. 1 and FIG. 3 are AA cross sections of FIG. 5)
As can be seen from FIG. 5, the direction of the leaf spring 16 is changed between adjacent pixels with respect to each movable microprism 17.
[0153]
This is because a spring as long as possible is arranged by effectively using the interval between the movable microprisms 17.
[0154]
The leaf spring 16aa is attached to the planarizing layer 15 by a base portion 16aa1, and the opposite end face 16aa2 is attached to the movable microprism 17aa.
[0155]
Therefore, the movable microprism 17aa is supported so as to be movable with respect to the planarizing layer 15 in the direction perpendicular to the paper surface against the spring force of the leaf spring 16aa.
[0156]
Similarly, the leaf spring 16ab is attached to the flattening layer 15 by the root portion 16ab1, the opposite end face 16ab2 is attached to the movable microprism 17ab, and the leaf spring 16ac is attached to the flattening layer 15 by the root portion 16ac1. 16ac2 is attached to the movable microprism 17aa.
[0157]
Therefore, each microprism 17 can move independently in the direction perpendicular to the paper surface.
[0158]
A transparent electrode layer 125aa (not visible in a plan view) and an insulating layer 126aa are provided in the vicinity of the attachment portion (end face 16aa2) of the movable microprism 17aa of the leaf spring 16aa. Similarly, the movable microprism of the leaf spring 16ab is provided. A transparent electrode layer 125ab (not visible in the plan view) and its insulating layer 126ab are provided near the mounting portion (end surface 16ab2) of 17ab, and transparent near the mounting portion (end surface 16ac2) of the movable microprism 17ac of the leaf spring 16ac. An electrode layer 125ac (not visible in a plan view) and its insulating layer 126ac are provided.
[0159]
The movable microprism 17 is driven in association with the transparent electrode layer 127 provided on the base layer 110 so as to face the transparent electrode layer 125.
[0160]
For example, when the movable microprism 17 and the leaf spring 16 are formed in the state of the movable microprism 17ac shown in FIG. 1a, the shutter is normally opened, and the transparent electrode layers 125 and 127 are given the same polarity charges to each other. By repelling, the movable microprism 17 and the fixed microprism can be separated to close the shutter.
[0161]
Alternatively, when the movable microprism 17 and the leaf spring 16 are formed in the state of the movable microprism 17aa in FIG. 1, the shutter is normally closed, and the transparent electrode layers 125 and 127 are given opposite charges to each other. By suctioning, the distance between the movable microprism 17 and the fixed microprism can be reduced to open the shutter.
[0162]
The voltages required for these driving operations are the same as those shown in FIGS.
[0163]
Thus, when the transparent electrode layer is not provided on the optical path (on the movable microprism 17, the fixed microprism 116, and the optical waveguide 13), the sensitivity of the photoelectric conversion element 111 can be stably manufactured without variation.
[0164]
All of the above driving methods use static electricity, but the driving method is not limited thereto.
[0165]
FIG. 6 shows a case where a piezoelectric member is used as a driving method.
[0166]
In FIG. 6, a piezoelectric member 129ab is provided on the surface of the leaf spring 16ab facing the base layer 110.
[0167]
FIG. 7 is a plan view of the movable microprism 17 and the leaf spring 16 as viewed from the base layer 15 side.
[0168]
In FIG. 7, a piezoelectric member 129aa is provided on the leaf spring 16aa.
[0169]
The piezoelectric member 129aa has piezoelectric characteristics and is formed on the leaf spring 16aa by vapor deposition or the like.
[0170]
By applying a voltage, the piezoelectric member 129aa generates a bending force due to a change in strain with respect to the polarization direction, and the leaf spring 16aa is bent by the force.
[0171]
The bent leaf spring 16aa displaces the movable microprism 17aa fixed to the tip thereof.
[0172]
For example, as described above, the mass of the movable microprism 17 is obtained, and the deflection of the movable microprism 17 is about 1/5 of the second facing interval even when a force (100 G) that is 100 times the mass is applied. When the spring constant of the leaf spring 16 is set, the movable microprism 17 is displaced by about 2 μm in the paper surface direction of FIG. 7 by applying a voltage of about 0.3 V to the piezoelectric member.
[0173]
Therefore, the shutter closing and shutter opening of the solid-state imaging device 10 can be controlled by this displacement.
[0174]
Similarly, a piezoelectric member 129ad is provided on the leaf spring 16ad, and a piezoelectric member 129ac is provided on the leaf spring 16ac.
[0175]
Therefore, by individually applying a voltage to each piezoelectric member, each photoelectric conversion element can be independently controlled to be in a shutter closed or open state.
[0176]
In the conventional example, a variable ND of the liquid crystal is provided for each pixel, and the saturation pixel is controlled by the amount of transmitted light. However, the shutter is closed at an early point, and the saturation control is not performed by the light transmission amount but by the accumulation time.
[0177]
FIG. 8 shows a pixel that does not reach saturation at an assumed appropriate exposure time, and the timing at which the shutter is closed in the curve 130A is the timing at which the charge accumulation is completed and the process proceeds to charge transfer.
[0178]
However, even in the same photographic subject, the pixel in FIG. 9 receives extremely bright subject light, and charge saturation is expected at an appropriate exposure time, so the shutter is closed earlier than the shutter closing timing in FIG. (Curve 130B)
The timing difference 131 is set as an accumulation control time for preventing saturation.
[0179]
In the above driving method, particularly when the movable microprism 17 is driven electrostatically, a large voltage is required.
[0180]
A method for avoiding this will be described below.
[0181]
When the spring constant is set so that the movable microprism 17 is displaced by 1/5 (0.4 μm) of the second facing interval when a force 100 times the mass of the movable microprism 17 is applied as in the above calculation. The resonance frequency determined by the movable microprism 17 and the leaf spring 16 at that time is about 7 Hz.
[0182]
Then, the leaf spring 16 or the like is made of a silicon compound, and friction and viscous resistance are not applied to the movable microprism 17. In the case where air damping is taken into consideration, Q at the resonance point can be expected to be 500 or more.
[0183]
That is, when driving at the resonance frequency, a driving force that is 1/500 of the normal driving is sufficient. For example, in FIG. 1a, the two transparent electrode layers 18aa and 117aa are both charged to about 10V so that the movable microprism 17ac is moved to the position of the movable microprism 17aa against the spring force of the leaf spring 16ac. The voltage applied to the electrodes 18aa and 117aa can be 20 mv.
[0184]
In this way, the amount of the driving force is reduced, for example, to reinforce the spring, and the spring is increased 50 times (thickness is 4 times) with the driving force of 1 V, so that a durable solid-state imaging device 10 can be obtained.
[0185]
In the case of the normally closed shutter type, the period during which resonance driving is performed is during the time when the shutter is closed, and the movable microprism 17 is continuously driven during resonance.
[0186]
Of course, since the drive is performed alternately, the shutter closed state and the shutter open state occur alternately, and although there is no complete light shielding state, there is a possibility that saturation occurs in a specific pixel depending on the state of the subject. Sometimes, during storage, the shutter of the pixel can be driven to resonate to reduce the light incident on the photoelectric conversion element 111 of the pixel.
[0187]
In the conventional example, a variable ND of the liquid crystal is provided for each pixel, and the saturation pixel is controlled by the amount of transmitted light. However, in the present invention, the pixel is saturated by intermittently closing the shutter instead of ND. Prevention is in progress.
[0188]
FIG. 10 is a pixel that does not reach saturation with an appropriate exposure time assumed in the same manner as in FIG. 8, and the timing at which the shutter is closed in the curve 130A is the timing at which the charge accumulation is completed and the process proceeds to charge transfer.
[0189]
However, even in the same photographic subject, the pixel in FIG. 9 receives extremely bright subject light, and charge saturation is expected at an appropriate exposure time, so that the amount of incident light is reduced by opening and closing the shutter during the accumulation time. . (Curve 130C)
Then, the shutter is closed at the same timing (charge transfer timing) as the shutter closing timing in FIG.
[0190]
The alternate shutter opening / closing period 131 is set as an accumulation control time for preventing saturation.
[0191]
Further, a description will be given of performing the complete light-shielding of the solid-state imaging device 10 at the time of charge transfer instead of the saturation control with less power.
[0192]
For example, in the configuration as shown in FIG. 3, when a reverse voltage is applied to the transparent electrode layers 121ac and 123ac, they are attracted to each other and the distance between the movable microprism 17ac and the optical waveguide 13ac (second facing distance) becomes narrow.
[0193]
At this time, when a voltage is alternately applied to the transparent electrode layers 121ac and 123ac, the second facing interval also varies accordingly.
[0194]
However, the electrostatic force becomes extremely large at the timing when the second facing interval becomes narrow in the resonance state.
[0195]
This is because the electrostatic attraction force is proportional to the square of the interval between them.
[0196]
Therefore, when the second facing interval is narrowed, the movable microprism 17ac can be attracted to the optical waveguide 13ac with a small amount of power.
[0197]
As a driving method, first, a voltage is alternately applied to the transparent electrode layers 121ac and 123ac, and after the resonance driving of the movable microprism 17 is stabilized, the transparent electrode layer 121ac is moved at the timing when the movable microprism 17 is closest to the optical waveguide 13ac. , 123ac is applied with a DC voltage of about 2V, for example.
[0198]
At that time, the movable microprism 17ac is attracted to the optical waveguide 13ac.
[0199]
Since the second facing interval is further narrowed after the adsorption, the voltage applied to the transparent electrode layers 121ac and 123ac may be further reduced (for example, 0.1 v).
[0200]
FIG. 12 shows the time change of the voltage applied to the transparent electrode layers 121 and 123. The voltage change is divided into five stages as shown in the figure.
・ Shutter opening period
Period when exposure is started and charge corresponding to the subject image is accumulated in the solid-state imaging device 10 / initial driving period
Period when exposure time is almost over and shutter starts to close to prevent smearing during transfer
During this period, an alternating voltage is applied to the transparent electrode layers 121 and 123 to resonate the movable microprism 17, and the second facing interval with the optical waveguide 13 is made closer or wider.
[0201]
Since the amplitude of resonance increases as the vibration becomes stable, the second facing interval changes greatly accordingly (the timing at which the interval between the movable microprism 17 and the optical waveguide 13 approaches considerably).
Incidentally, in the curve 130D in the figure, only alternating driving for two wavelengths is performed in the initial driving period, but this is to make the figure easier to see, and in actuality, driving with more cycles is performed.
・ Adsorption period
Period of closing the shutter for charge transfer
In the initial drive period, the drive amplitude is stabilized (the amplitude is increased), and in this state, the DC voltage is applied to the transparent electrode layers 121 and 123 at the timing when the second facing interval is the narrowest.
[0202]
At this time, since the second facing interval is narrow, the movable microprism 17 is attracted to the optical waveguide 13 even when a small voltage is applied. (Shutter closed)
・ Stable period
When the movable microprism 17 is attracted to the optical waveguide 13, the second facing interval therebetween becomes extremely narrow, so that the attracted state can be maintained even with a smaller voltage.
[0203]
Therefore, the applied voltage is lowered to save power. (The applied voltage during this stable period may be the same as the adsorption period)
・ Shutter opening period
A time period in which the subject image is guided to the solid-state image sensor 10 even after the photographing is completed so that the photographer can continuously observe the subject image.
[0204]
The voltage application to the transparent electrode layers 121 and 123 is stopped, and the second opposing interval is widened by the spring force of the leaf spring 16. (The first facing interval between the movable microprism 17 and the fixed microprism 116 is narrowed so that the subject light beam can enter the fixed microprism 116 from the movable microprism 17).
In this period, the voltage application to the transparent electrode layers 121 and 123 is not stopped, but the shutters are repelled by applying voltages of the same polarity to each other, and the applied voltage is removed after the shutters are opened. good.
[0205]
Here, how the solid-state imaging device 10 is used will be considered.
[0206]
In FIG. 13, a light beam incident from a lens 133 passes through a diaphragm 135 and is limited in light amount, and then forms an image on the solid-state imaging device 10.
[0207]
The imaging means is composed of a semiconductor imaging device such as a MOS or CCD.
[0208]
The lens 133 moves on the optical axis 132 by the AF drive motor 134 for focus adjustment to adjust the focus.
[0209]
The AF drive motor 134 is driven by the focus drive unit 138, and the aperture 135 of the aperture 135 is determined by the aperture drive unit 137 and controls the light rays incident on the solid-state image sensor 10.
[0210]
The focus driving means 138 and the aperture driving means 137 are controlled by the imaging control means 141, respectively.
[0211]
The photographing control unit 141 determines the diameter of the aperture 135 and the shutter speed of the solid-state image sensor 10 by performing photometry with an image captured by the signal processing unit 142 described later. We are looking for a point of focus.
[0212]
The photographing control unit 141 drives the aperture driving unit 137 to optimize the diameter of the aperture 135, and controls the focus driving unit 138 to drive the AF motor 134 to focus on the subject.
[0213]
Further, when photographing, the subject information is accumulated in each photoelectric conversion element 111 of the solid-state image sensor 10, and when the accumulated charge is transferred or when the accumulated charge may be saturated before the transfer, as described above, it is transparent. The electrode layers 18aa, 117aa, 121aa, 123aa are charged to create a shutter closed state.
[0214]
The video signal output from the solid-state imaging device 10 is converted into a digital signal by the A / D conversion unit 140 and input to the signal processing unit 142.
[0215]
The signal processing circuit 142 performs signal processing such as forming a luminance signal and a color signal to form a color video signal.
[0216]
The formed image vibration is displayed on the display unit 143 and recorded on the recording unit 144.
[0217]
In addition, when the subject is dark, the flash unit 139 controlled by the photographing control device 141 irradiates the subject as necessary at the time of photographing to compensate for the insufficient exposure of the subject.
[0218]
FIG. 1n is a flowchart summarizing the operation of the camera. This flow starts when the main switch of the camera is turned on.
[0219]
In step # 1001, the solid-state imaging device 10 captures the subject image and measures its brightness to obtain the control amount of the diaphragm 135.
[0220]
In Step # 1002, the diaphragm driving unit 137 adjusts the appropriate amount of light to be incident on the solid-state imaging device 10 in accordance with the obtained control amount, and waits until the adjustment is completed.
[0221]
In step # 1003, the subject image formed on the solid-state image sensor 10 is displayed on the display means 143.
[0222]
In step # 1004, the process circulates and waits until the photographer presses the release button halfway sw1 and performs the shooting preparation unit operation. When sw1 is turned on, the process proceeds to step # 1005.
[0223]
In step # 1005, the solid-state image pickup device 10 picks up an image of the subject, the signal processing unit 142 detects the contrast of the image, and the AF control unit 141 and the focus adjustment unit 138 drive the AF motor 134 over the entire focus detection range. 133 is fed out and the feeding position with the highest contrast is obtained.
[0224]
Further, the subject is re-photometered under the current aperture state to obtain an exposure time necessary for photographing.
[0225]
It circulates through step # 1005 and waits until the above operation is completed.
[0226]
In step # 1006, the lens 133 is driven again toward the obtained feeding position, and the lens 133 is stopped at that position.
[0227]
It circulates through step # 1006 and waits until the operation is completed.
[0228]
In step # 1007, an element is selected from which the charge is saturated by the amount of incident subject light in each of the photoelectric conversion elements 111 of the solid-state image sensor 10 or is predicted to be saturated at the time of photographing.
[0229]
Further, an optimum exposure time is obtained for each pixel for which saturation is expected.
[0230]
In step # 1008, the release button is pressed down and the process waits until a shooting instruction is given.
[0231]
Note that this flow returns to the start when the release button half-press sw1 is released during this standby step.
[0232]
In step # 1009, shooting is started.
[0233]
At this time, first, a predetermined reset pulse is given to each photoelectric conversion element 111 to sweep away the accumulated charges.
[0234]
Next, each photoelectric conversion element 111 starts accumulation of subject light.
[0235]
The shutter is closed when the exposure time obtained in step # 1005 has elapsed. At this time, the specific photoelectric conversion element obtained in step # 1007 is not the exposure time obtained in step # 1005 but in step # 1007. The shutter is closed after the obtained exposure time has elapsed.
[0236]
That is, the shutter of the photoelectric conversion element expected to be saturated is closed earlier than the other photoelectric conversion elements.
[0237]
In step # 1010, the shutter is closed for the photoelectric conversion element that is not expected to be saturated.
[0238]
Note that closing the shutter in steps # 1009 and # 1010 means fixing the movable microprism 17aa by applying a voltage to or removing the voltage from the transparent electrode layers 18aa, 117aa, 121aa, and 123aa in FIGS. 1a and 1c. The first facing interval between the microprisms 116aa is increased.
[0239]
In step # 1011, the accumulated charges are transferred through the vertical transfer path 114 or a horizontal transfer path (not shown), amplified and stabilized, and then output.
[0240]
In step # 1012, the output image is displayed on the liquid crystal display means 143 disposed on the back of the camera.
[0241]
In step # 1013, the output image is subjected to a known compression process or the like, and after the amount of information is reduced, it is recorded on a recording medium (recording means 144) that can be attached to and detached from the camera, for example, with a semiconductor memory.
[0242]
In step # 1014, the shutter is opened.
[0243]
As described above, the period during which the shutter is closed in the solid-state imaging device 10 is between step # 1010 and step # 1014, and this time is all very short time that is unrelated to the operation of the photographer. (Eg 0.5 seconds)
On the other hand, from step # 1001 to step # 1009, it is necessary to capture the subject image, and the time depends on the operation of the subject (operation of the release button).
[0244]
Therefore, it is necessary to keep the shutter open for a long time.
[0245]
Therefore, when selecting whether the shutter of the solid-state imaging device 10 is normally open or normally closed, normally open, which does not require driving power when the shutter is open, saves power. preferable.
[0246]
Therefore, the movable microprism 17aa is formed in advance so that the interval between the movable microprism 17aa and the fixed microprism 116aa is narrowed. In the case of FIG. 1, the transparent electrode layers 18aa and 117aa are charged to the same polarity and repel each other to repel the shutter. In the case of FIG. 3, it is desirable to close the shutter by charging the transparent electrode layers 121aa and 123aa to opposite polarities and attracting them to each other.
[0247]
Next, a manufacturing method of the solid-state imaging device 10 having the structure as shown in FIG. 1 will be described.
[0248]
1. First manufacturing process (process for forming the first base and the second base individually)
・ First base
The base layer 110 and the photoelectric conversion element 111 provided in the base layer 110, the read gate 112, the vertical transfer electrode 113, the vertical transfer path 114, the channel stop region 115, and the light shielding layer 119 are manufactured in the same manner as the conventional method.
[0249]
However, the top surface of the photoelectric conversion element 111 is SIO. 2 An oxide film 145 such as is provided.
[0250]
Then, resists 146 and 147 are provided on the upper and lower surfaces of the base layer 110 completed as shown in FIG. 15, and the whole substrate is etched to dig a hole.
[0251]
At this time, etching does not proceed in the portions covered with the resists 146 and 147, and since the oxide film 145 is provided on the photoelectric conversion element 111, the etching is stopped in that portion and the photoelectric conversion element 111 is etched. Not.
[0252]
The etching can dig a substantially vertical hole by using a process such as DEEP RIE. (Fig. 16)
Then, the oxide film 145 is removed, and TIO is sputtered into the dug hole. 2 Form a layer.
[0253]
Then, resists 148 and 149 are provided again on the upper and lower surfaces of the base layer 110.
[0254]
Resist 148 is TIO 2 The layer is provided in a portion that is not eroded when it is applied to the etching solution.
[0255]
For example, in the case of a positive resist, the base layer 110 is first provided by spin coating or the like, and a mask is brought into close contact with the resist area to be left, and the resist composition is changed by applying light from the upper surface to perform etching. Apply the solution to remove the remaining resist.
[0256]
Here, if the mask of the resist 148 has a gradient pattern in which the transmittance at the center is high and the transmittance is lowered toward the periphery as shown in FIG. 17, the remaining resist is as shown in FIG.
[0257]
When etching is performed on the resist 148, the shape of the resist is changed to TIO by etch back. 2 A fixed microprism 116 having a conical depression is transferred to the layer. (Fig. 19)
Then, ITO that becomes the transparent electrode layer 117 is formed by sputtering on the formed depression, and the oxide film SIO that becomes the edge layer 118 is further formed thereon. 2 To complete the first base.
(Fig. 20)
・ Second base
SIO 2 A resist is provided on the upper and lower surfaces of the planarizing layer 15, and the entire substrate is etched to dig a hole.
[0258]
Etching can dig a substantially vertical hole by using a process such as DEEP RIE. (Fig. 21)
Thereafter, etching is performed again from the upper surface to form a tapered surface as shown in FIG.
[0259]
TIO is sputtered into the hole dug in the tapered surface. 2 The optical waveguide 13 is formed of layers.
[0260]
The color filter 12 is provided on the upper surface of the planarizing layer 15 and the optical waveguide 13 so as to correspond to each optical waveguide 13. (Fig. 23)
Further, TIO is sputtered on the upper surface of the color filter. 2 Layer 11 is formed.
[0261]
Then, resists 150 and 151 are provided again on the upper and lower surfaces of the planarizing layer 15.
[0262]
Resist 150 is TIO 2 The layer 11 is provided in a portion that is not eroded when it is applied to the etching solution.
[0263]
For example, in the case of a positive resist, initially TIO 2 It is provided on the entire surface of the layer 11 by spin coating or the like, a mask is brought into close contact with the resist area to be left, and the resist composition is changed by applying light from the upper surface, and then the remaining resist is removed by applying to an etching solution. .
[0264]
Here, if the mask of the resist 150 is a gradient pattern in which the transmittance at the center is low and the transmittance increases toward the periphery as shown in FIG. 24, the remaining resist is as shown in FIG.
[0265]
When etching is performed on the resist 150, the shape of the resist is changed to TIO by etch back. 2 A microlens 11 having a conical depression is transferred to the layer.
[0266]
A resist layer for protection is provided on the upper surface of the microlens 11.
[0267]
Next, the process proceeds to the formation of the back surface side of the planarizing layer 15.
[0268]
First, a sacrificial layer 151 is formed on the entire surface of the planarizing layer 15 and the back surface of the optical waveguide 13.
[0269]
The sacrificial layer 151 at the base portions 16aa2, 16ab2,... Of the leaf spring 16 is removed in advance by etching or the like. (See the plan view in Fig. 5)
FIG. 26 shows a BB cross section of FIG. 5 in that state.
[0270]
Then, a polysilicon layer 152 is formed on the sacrificial layer by CVD, a resist is provided from the upper surface, and pattern etching is performed to create a spring shape.
[0271]
Thereafter, the upper surface of the leaf spring 16 is again protected with the resist 152, and the resist is removed only on the surface on which the movable microprism 17 is formed. (Fig. 27)
Thereafter, TIO is sputtered onto the sacrificial layer 151 including the end of the leaf spring 16. 2 Layer 17 is formed.
[0272]
TIO formed 2 A resist layer 153 is further provided on the layer.
[0273]
The resist layer 153 has a corner cube shape.
[0274]
For example, in the case of a positive resist, if the mask of the resist 153 has a gradient pattern in which the transmittance at the center is low and the transmittance increases toward the periphery as shown in FIG. 28, the remaining resist is as shown in FIG.
[0275]
When etching is performed on the resist 153, the shape of the resist is changed to TIO by etch back. 2 A movable microprism 17 having a conical protrusion is transferred to the layer.
[0276]
Thereafter, portions other than the movable microprism 17 are protected with a resist, and a transparent electrode layer 18aa and an insulating layer 19aa are provided on the upper surface of the movable microprism 17.
[0277]
The movable microprism 17 is joined to the end (16aa2 etc.) of the leaf spring 16.
[0278]
Thereafter, when the sacrificial layer is removed, as shown in FIG. 30, the leaf spring 16 has one end (base 16aa1, etc.) fixed to the planarizing layer 15 and the other end (end face 16aa2, etc.) fixed to the movable microprism 17, The surface becomes a free surface.
[0279]
Since the sacrificial layer 151 is also provided between the movable microprism 17 and the optical waveguide 13, the movable microprism 17 can move freely with respect to the optical waveguide 13 by removing the sacrificial layer 151.
[0280]
In this plan view, as shown in FIG. 31, the base 16ab1 of the leaf spring 16ab is also fixed to the movable microprisms 17aa and 17ac. (16aa3, 16ab3, 16ac3)
This is to keep the movable microprism 17 stable until the end of the formation of the first substrate. (First formation step)
Therefore, in the final step, the resist is further patterned to remove the joints 16aa3, 16ab3, and 16ac3 while protecting the main parts of the movable microprism 17 and the leaf spring 16, thereby completing the second substrate. (End of second forming step)
2. Second manufacturing process (joining the first base and the second base)
The completed first base and second base are aligned by an aligner, and are bonded to each other by a resist layer provided on the base layer 110, for example.
[0281]
In order to adjust the position of the two bases, the positions may be adjusted by providing an uneven portion on the bases of each other.
[0282]
As described above, a light receiving region including a plurality of pixels in which a plurality of photoelectric conversion elements 111 are arranged on a main surface of a semiconductor substrate (first substrate, base layer 110);
A shutter is configured with a light control region composed of a moving member (movable microprism 17) that controls the incident state of each photoelectric conversion element 111 by being driven in the optical axis direction.
The moving member (movable microprism 17) is disposed on the incident surface side of the photoelectric conversion element 111, and the total reflection state where the incident light is totally reflected and is not guided to the photoelectric conversion element 111, and the incident light is transmitted and the photoelectric conversion element 111 is transmitted. By using optical means (using total reflection of the corner cube) that can select the transmission state leading to the light, improvement in transmittance and improvement in response are realized.
[0283]
The optical means includes a movable microprism 17 provided for each photoelectric conversion element 111, a fixed microprism 116 facing the movable microprism 17 and having an incident surface substantially the same shape as the prism surface of the movable microprism 17, and a movable microprism. The driving means (transparent electrode layers 18, 117, 121, 124, 125, 127, piezoelectric member 129) that changes the facing distance (first facing distance) between the microprism 17 and the fixed microprism 116, and the first Since the configuration is such that the total reflection state and the transmission state are selected by controlling the facing distance, a compact optical means is realized.
[0284]
The drive means selects the total reflection state by widening the first facing interval, and selects the transmission state by narrowing the first facing interval, thereby realizing a compact optical means. ing.
[0285]
In addition, each movable microprism 17 corresponding to the photoelectric conversion element is connected to and supported by the base of the light control region by an elastic means (plate spring 16). Misalignment with each fixed microprism 116 can also be absorbed.
[0286]
The driving means is composed of a first electrode (transparent electrode layer 18) provided on the opposing spacing surface of the movable microprism 17 and a second electrode (transparent electrode layer 117) provided on the opposing spacing surface of the fixed microprism 116. Since the first opposing distance is controlled electrostatically by controlling the charges of the first electrode (transparent electrode layer 18) and the second electrode (transparent electrode layer 117), the driving means is small. It is made.
[0287]
As another driving means, it is composed of a first electrode provided on the elastic means and a second electrode provided on the surface facing the elastic means, and controls the electrostatic charge by controlling the charges of the first electrode and the second electrode. Since the first opposing distance is controlled, the driving means is small.
[0288]
Further, as another driving means, the driving means is configured to control the first facing distance by the piezoelectric member 129 provided on the elastic means (leaf spring 16), so that it can be a small driving means.
[0289]
Further, the driving means independently drives the movable microprism 17 corresponding to each of the plurality of photoelectric conversion elements 111 to individually control the amount of light incident on each photoelectric conversion element 111. The dynamic range can be expanded.
[0290]
In the above light control method and its driving method in general
The driving means is configured to control the amount of light incident on the photoelectric conversion element by alternately driving the moving member (movable microprism 17). In particular, the driving means sets the moving member (movable microprism 17) to its resonance frequency. Since the amount of light incident on the photoelectric conversion element 111 is controlled by driving at (the natural frequency determined by the mass of the movable microprism 17 and the spring constant of the leaf spring 16), a large driving stroke is achieved with a small driving force. It has been realized.
[0291]
The amount of light incident on the photoelectric conversion element 111 is changed by providing a period (accumulation control engine 131) in which the driving unit alternately drives the moving unit (movable microprism 17) and a period in which the driving is not performed. In this way, the incident light to the photoelectric conversion element 111 is controlled to realize the enlargement of photographing dynamics.
[0292]
Alternatively, the driving means controls the amount of light incident on the photoelectric conversion element by driving the moving member alternately (initial driving period in FIG. 12) and then driving in a DC manner (adsorption period in FIG. 12, stable engine). Because of this, a large driving stroke can be reliably maintained with a small driving force.
[0293]
Then, after the driving means alternately drives the moving means (initial driving period in FIG. 12), a period in which the driving means is driven in a direct current (adsorption period, stable engine in FIG. 12) and a period in which the driving of the moving means is not driven. By providing (the shutter opening period of FIG. 12), the incident light to the photoelectric conversion element is controlled so as to change the amount of light incident on the photoelectric conversion element, thereby realizing an increase in photographing dynamics.
[0294]
The shapes of the movable microprism 17 and the fixed microprism 116 in the solid-state imaging device 10 described so far are circular as shown in the movable microprism 17 of FIG. 5 (the three-dimensional shape is a conical shape because the cross section of FIG. 1a is a wedge shape). However, it is not limited to such a top surface shape.
[0295]
FIG. 32 shows a case where the upper surface shape of the movable microprism 17 is a triangle (a three-dimensional shape is a triangular pyramid) and is attached to the base of the leaf spring 16. (Of course, the center of the circular portion of the leaf spring 16 is hollowed out so as not to block incident light.)
Although not shown, the corresponding fixed microprism 116 also has a triangular pyramid shape.
[0296]
In addition, various shapes such as a quadrangular pyramid shape can be taken.
[0297]
In the configuration of the solid-state imaging device 10 described above
Since power is supplied to the moving member (movable micro prism 17) to attenuate the amount of light incident on the photoelectric conversion element 111, power is not required in normal times and power is supplied only at the end of photographing. So you can save power.
[0298]
A first substrate having a light receiving region in which a plurality of photoelectric conversion elements 111 are arranged on a main surface (base layer 110) of the semiconductor substrate;
A solid-state imaging device 10 composed of a second base having a light control region in which light control elements (movable microprisms 17) for controlling the respective incident states corresponding to each of the plurality of photoelectric conversion elements 111 in the light receiving region are arranged. The manufacturing method according to claim 1, wherein the first base and the second base are manufactured separately, and the first base and the second base are aligned and combined to align the first base and the second base. Since the image pickup device 10 is manufactured, both the first and second substrates can be stably manufactured by a normal process.
[0299]
Further, it is possible to prevent the yield of each manufacturing from becoming a product and deteriorating the yield.
[0300]
Also, a plurality of photoelectric conversion elements 111 provided on the main surface (base layer 110) of the semiconductor substrate, and a plurality of light control elements (movable micros) that control the respective incident states corresponding to each of the plurality of photoelectric conversion elements 111. A method of manufacturing a solid-state imaging device 10 having a prism 17), the first forming step of forming each light control element (movable microprism 17) supported by a support member (leaf spring 16), and The solid-state imaging device 10 is manufactured by the second forming step of reducing the supporting force of each supporting member (leaf spring 16) of the light control element (movable microprism 17), and the first forming is described in detail. In the step, a plurality of support members (plate springs 16) that support each of the light control elements (movable microprisms 17) are formed, and in the second formation step, a support portion It has become like a light control element (movable microprisms 17) can be stably produced in the first forming step so that in the manner to reduce the support number of (leaf spring 16).
[0301]
In addition, a first substrate having a light receiving region in which a plurality of photoelectric conversion elements 111 are arranged on the main surface (base layer 110) of the semiconductor substrate, and a respective incident state corresponding to each of the plurality of photoelectric conversion elements 111 in the light receiving region. In the solid-state imaging device 10 having a second base having a light control region in which light control elements (movable microprisms 17) for controlling the light are arranged, each light control element (movable microprism 17) is elastically supported ( By elastically supporting the second base by the leaf spring 16), it is possible to absorb the positional deviation between each light control element and each corresponding photoelectric conversion element.
[0302]
In addition, a light receiving region composed of a plurality of photoelectric conversion elements 111 arranged on the main surface (base layer 110) of the semiconductor substrate, and a plurality of light control elements (movable micros) that control the incident state corresponding to each photoelectric conversion element 111. By driving the light control area composed of the prism 17) and each light control element (movable microprism 17), the incident light to each photoelectric conversion element 111 is shielded, and each light control element (movable microprism 17) is driven. When not, it responds to the drive means (transparent electrode layer 18, 117, 121, 124, 125, 127, piezoelectric member 129) which permits the incident light to each photoelectric conversion element 111, and the accumulation time end of each photoelectric conversion element 111 Then, the solid-state imaging device 10 composed of control means for driving the drive means (transparent electrode layers 18, 117, 121, 124, 125, 127, piezoelectric member 129) is Small number of times of driving by using La, it was possible to perform imaging to the power saving in the driving time.
[0303]
In addition, a light receiving region composed of a plurality of photoelectric conversion elements 111 arranged on the main surface (base layer 110) of the semiconductor substrate, and a plurality of light control elements (movable micros) that control incident light corresponding to each photoelectric conversion element 111. A light control region composed of a prism 17) and driving means (transparent electrode layers 18, 117, 121, 124, etc.) for shielding incident light to each photoelectric conversion element by driving each light control element (movable microprism 17). 125, 127, piezoelectric member 129) and a solid-state imaging device 10 composed of a control means (shooting control means 141) for driving the driving means at an independent timing for each photoelectric conversion element 111 is used for exposure. Shooting with a wide dynamic range is possible using time as a parameter. Specifically, the control means (shooting control means 141) is stored in each photoelectric conversion element 111. Whether to perform shooting according to each predetermined timing from the start of the image, that is, according to the exposure time (step # 1007 in FIG. 1n) of each photoelectric conversion element set according to the imaging state before the start of accumulation of each photoelectric conversion element 111 Alternatively, it is possible to perform shooting with a wide dynamic range by independently controlling the exposure time of each photoelectric conversion element 111 in accordance with the amount of charge accumulated in each photoelectric conversion element 111 during exposure.
[0304]
The light receiving area is composed of a plurality of photoelectric conversion elements 111 arranged on the main surface (base layer 110) of the semiconductor substrate, and the light control area is composed of a light control element that controls the incident state of each photoelectric conversion element 111. In the solid-state imaging device 10, the light control element is a fixed microscopic prism 17 provided for each photoelectric conversion element, and a stationary surface facing the movable microprism 17 and having an incident surface substantially the same shape as the prism surface of the movable microprism 17. The microprism 116, the optical waveguide 13 facing the other end of the movable microprism 17, the first opposing distance between the movable microprism 17 and the fixed microprism 116, and the second opposing distance between the movable microprism 17 and the optical waveguide 13. Driving means (transparent electrode layers 18, 117, 121, 124, 125, 127, piezoelectric member 129 And a light-shielding means (light-shielding layer 119) that shields stray light due to the emission of light rays on the surface along the main optical axis at the first facing distance and / or the second facing distance, and driving means (transparent electrode) The total reflection state and transmission state of the movable microprism 17 are controlled by changing the first facing interval by the layers 18, 117, 121, 124, 125, 127, and the piezoelectric member 129). Since the influence of light can be blocked by the light blocking means (the light blocking layer 119), a good image can be obtained.
[0305]
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the operation time of the movable microprism 17 is controlled independently for each photoelectric conversion element 111 to shorten the exposure time for the photoelectric conversion element 111 with strong incident light from the subject. The accumulated charge was prevented from being saturated.
[0306]
Therefore, it has become possible to perform shooting with a wide dynamic range.
[0307]
In the second embodiment, for the purpose of further simplifying the drive and control configuration, the dynamic range is not expanded, and the shutter of the solid-state imaging device 10 is replaced by a physical property element such as an electronic element or a liquid crystal element. This solves only the problem of light beam leakage caused by the decrease in absolute sensitivity and low response, which are the problems when forming the lens.
[0308]
For this purpose, each movable microprism 17 cannot be driven individually, and the distance between the first base and the second base can be changed.
[0309]
FIG. 33 is a cross-sectional view of the second embodiment, in which the transparent electrode 18 on the movable microprism 17, the insulating layer 19, the transparent electrode 117 on the fixed microprism 116, and the insulating layer 118 are omitted.
[0310]
The first base of the solid-state imaging device 10 is fixed to the stator 21 (the coupling portion is omitted in the figure), and the second base is fixed to the slider 25. (Similarly, the joint is omitted in the figure)
A permanent magnet 23 and a yoke 24 are provided above the stator 21, and a coil 22 is provided above the permanent magnet 23 so as to surround the yoke 24.
[0311]
The slider 25 is biased against the coil 22 by a coil spring 26 in a repulsive direction.
[0312]
Of the members constituting the slider 25, the portion inserted into the coil 22 is formed of a magnetic material.
[0313]
As shown in FIG. 33, when the slider 25 is close to the permanent magnet 23, the yoke 24 and the slider 25 are magnetically coupled against the urging force of the coil spring 26, so the first base and the second base are close. It becomes a state.
[0314]
Therefore, the incident light 120 to each photoelectric conversion element 111 enters the fixed microprism 116 from the movable microprism 17 like the incident light 120ac, and charges are accumulated in the photoelectric conversion element 111.
[0315]
Here, when a current in a predetermined direction is passed through the coil 22, the magnetic force of the permanent magnet 23 is weakened by the magnetic force generated in the coil.
[0316]
Therefore, the slider 25 is separated from the yoke 24 by the repulsive force of the coil spring 26 and is in the state shown in FIG.
[0317]
Then, the gap (first opposing interval) between the movable microprism 17 and the fixed microprism 116 becomes wide, and the incident light 120 to the photoelectric conversion element 111 causes total reflection in the movable microprism 17 like 120aa, and the fixed microprism. No incident on 116.
[0318]
When it is desired to bring the first base plate and the second base plate closer again (when it is desired to reduce the first facing interval), a current in the direction opposite to the predetermined direction is passed through the coil 22.
[0319]
Then, since the resultant force of the magnetic force generated by the coil 22 and the magnetic force generated by the permanent magnet 23 exceeds the repulsive force of the coil spring 26, the slider 25 is attracted to the yoke 24.
[0320]
When the slider 25 is brought into contact with the yoke 25, the attracting force is increased, so that the state is maintained even after the current to the coil 22 is cut.
[0321]
In this way, controlling the distance between the first base and the second base with the plunger configuration has the following advantages.
・ Low power consumption
Compared with the case where an electrostatic force is generated by applying a large voltage as in the first embodiment, the size of the actuator (coil 22) can be sufficiently increased, so that a large driving force can be obtained with a small amount of power.
[0322]
Further, only when the distance between the first base and the second base is changed, a current is passed through the coil 22, and the current to the coil 22 is not required to maintain the distance, so that power consumption is small.
・ Stable shutter closed
In the first embodiment, the first facing interval cannot be set large because of the relationship of electrostatic driving. (When the interval is large, the electrostatic force is reduced.) However, in the method of the second embodiment, since the first facing interval can be widened, the incident light leaking from the movable microprism 17 to the fixed microprism 116 is complete even when the shutter is closed. It will disappear.
[0323]
In the second embodiment, since the entire second base moves, the leaf spring 16 that supports the movable microprism 17 is unnecessary, and the movable microprism 17 and the optical waveguide 13 may be formed integrally.
[0324]
In the embodiment of FIGS. 33 and 34, the movable microprism 17 is supported by the leaf spring 16 and separated from the optical waveguide 13 for the following reason.
[0325]
As described in the first embodiment, the first base and the second base are formed by different processes. Therefore, both the first base and the second base are easy to manufacture, and the yields do not affect each other.
[0326]
However, the shape of the first opposing spacing surface of the fixed microprism 116 on the first base, the variation in the pitch of the fixed microprisms 116 with each other, the shape of the first opposing spacing surface of the movable microprism 17 on the second base, Variations in the pitch of the movable microprisms 17 relative to each other and a shift when the first substrate and the second substrate are combined become problems.
[0327]
Therefore, the movable microprism 17 is flexibly supported by the leaf spring 16, and when the first facing interval is narrowed, the movable microprism 17 follows the taper (corner cube surface) with the fixed microprism 116, and the above-described variation and I try to absorb the deviation.
[0328]
As a method of changing the distance between the first base and the second base, not only the plunger method described above but also a voice coil or bimorph may be used. As shown in FIG. The change may be controlled.
In FIG. 35, the stator 21 is provided with a bearing 27, and the shaft of the slider 25 is fitted to the bearing 27.
[0329]
The slider 25 is urged by a coil spring 28 in the stator pressing direction.
[0330]
The cam plate 29 can be rotated by a motor (not shown) or the like, and in the state shown in FIG.
[0331]
Therefore, the first facing interval is widened to create a shutter closed state.
[0332]
When the cam plate 29 is rotated in the direction of the arrow 210 in this state, the slider 25 approaches the stator 21 by the urging force of the coil spring 28 as the rotation is made, and the first facing interval is narrowed to create a shutter open state.
[0333]
When the cam plate 29 is used in this way, the change in the first facing interval can be increased, and since the number of changes in the first facing interval can be set during one rotation of the cam plate 29, You can freely set according to the shooting sequence.
[0334]
As described above, a light receiving region including a plurality of pixels in which a plurality of photoelectric conversion elements 111 are arranged on a main surface of a semiconductor substrate (first substrate, base layer 110);
A shutter is configured with a light control region composed of a moving member (movable microprism 17) that controls the incident state of each photoelectric conversion element 111 by being driven in the optical axis direction.
The moving member (movable microprism 17) is disposed on the incident surface side of the photoelectric conversion element 111, and the total reflection state where the incident light is totally reflected and is not guided to the photoelectric conversion element 111, and the incident light is transmitted and the photoelectric conversion element 111 is transmitted. By using optical means (using total reflection of the corner cube) that can select the transmission state leading to the light, improvement in transmittance and improvement in response are realized.
[0335]
The optical means includes a movable microprism 17 provided for each photoelectric conversion element 111, a fixed microprism 116 facing the movable microprism 17 and having an incident surface substantially the same shape as the prism surface of the movable microprism 17, and a movable microprism. It comprises driving means (coil 22, permanent magnet 23, coil spring 26) that changes the facing distance (first facing distance) between the microprism 17 and the fixed microprism 116, and is totally reflected by controlling the first facing distance. Since it is configured to select a state and a transmission state, a small optical means is realized.
[0336]
Driving means (coil 22, permanent magnet 23, coil spring 26, cam plate 29) drives the entire movable microprism 17 (second base) corresponding to each of the plurality of photoelectric conversion elements 11 and enters the photoelectric conversion element 111. Since the amount of light to be controlled is controlled, reliable light control is possible with a certain driving force.
[0337]
In addition, a first substrate having a light receiving region in which a plurality of photoelectric conversion elements 111 are arranged on the main surface (base layer 110) of the semiconductor substrate, and a respective incident state corresponding to each of the plurality of photoelectric conversion elements 111 in the light receiving region. In the solid-state imaging device 10 having a second base having a light control region in which light control elements (movable microprisms 17) for controlling the light are arranged, each light control element (movable microprism 17) is elastically supported ( The plate spring 16) is elastically supported with respect to the second base to absorb the positional deviation between each light control element (movable microprism 17) and each corresponding photoelectric conversion element 111 (or fixed microprism 116). It can be done.
[0338]
In addition, a first substrate having a light receiving region in which a plurality of photoelectric conversion elements 111 are arranged on the main surface (base layer 110) of the semiconductor substrate, and a light control element corresponding to each of the plurality of photoelectric conversion elements 111 in the light receiving region ( A second base having a light control region in which the movable microprisms 17) are arranged, and a driving means for controlling the incident state to each photoelectric conversion element by relatively driving the first base and the second base By configuring the solid-state imaging device 10 with the coil 22, the permanent magnet 23, the coil spring 26, and the cam plate 29, it is possible to perform reliable light control with a simple structure.
[0339]
(Third embodiment)
FIG. 36 is a cross-sectional view of the solid-state imaging device 30 according to the third embodiment of the present invention.
[0340]
In the drawing, the alphabet at the end of the part number of each constituent member is provided for identification for each pixel, and when there is no alphabet at the end of the part number in the sentence, the general name thereof is shown.
[0341]
Reference numeral 11aa denotes a microlens, which is provided corresponding to each of the photoelectric conversion elements 111 described later and has a refractive index of 2.0 or more. 2 The transparent bright layer is cut into a lens shape by etching.
[0342]
Reference numeral 12aa denotes a color filter. For example, in the case of a Bayer array primary color filter, red, blue, and green filters are alternately adjacent to each other and arranged as shown in FIG.
[0343]
In FIG. 37, 12aa, 12ac, 12ca and 12cc are red filters, 12ab, 12ac, 12ba, 12bc, 12cb, 12cd, 12da and 12dc are green filters, and 12bb, 12bd, 12db and 12dd are blue filters.
[0344]
Each filter can be formed by forming a resin (color resin) layer containing a pigment or dye of a desired color at a predetermined location by a method such as photolithography.
[0345]
The partition wall layer 32aa is formed of silicon so as to surround the outer periphery of the space region 31aa serving as an optical waveguide, and divides each space region 31.
[0346]
The partition wall 32aa is provided with a later-described polysilicon flap 37aa.
[0347]
A reflective layer 38aa made of aluminum, nickel, gold or the like is deposited on the surface of the flap 37aa.
[0348]
Further, the transparent electrode layer 33aa made of ITO and the SIO are formed on the surface of the partition wall 32aa. 2 An insulating layer 34aa made of is provided.
[0349]
Similarly, the transparent electrode layer 36aa made of ITO and the SIO are also formed on the back surface of the flap 37aa. 2 An insulating layer 35aa made of is provided.
[0350]
Similar to the planarization layer 15, SIO 2 A photoelectric conversion element 111aa is provided at the outermost end portion of the base layer 110 formed in (1).
[0351]
The photoelectric conversion element 111 has, for example, an n-type impurity region on a matrix on a p-type impurity region (which is omitted as a base layer over the entire lower surface of the photoelectric conversion device 111 but is omitted for the sake of simplicity). And p on each of them + This is a buried photodiode formed by providing a type impurity region, and the n type impurity region functions as a charge storage region.
[0352]
A read gate 112aa is provided adjacent to the photoelectric conversion element 111aa.
[0353]
The read gate 112aa is a region of the vertical transfer electrode 113aa and is formed of a polysilicon layer.
[0354]
A vertical transfer charge transfer path 114aa is provided to face the vertical transfer electrode 117aa.
[0355]
When a read pulse (for example, 15 V) is applied to the vertical transfer electrode 113aa, the charge accumulated in the photoelectric conversion element (here, the photoelectric conversion element 111aa) corresponding to the vertical transfer electrode 113aa corresponds via the read gate 112aa. Data is read out to the vertical charge transfer path 114aa.
[0356]
Reference numeral 115aa denotes a channel stop region, which is provided so as to surround the periphery of the photoelectric conversion element 111aa other than the readout gate 112aa.
[0357]
The channel stop region 115aa is provided to electrically isolate other adjacent discharge conversion elements and transfer regions.
[0358]
Charge reading from the photoelectric conversion element 111 to the vertical charge transfer path 114 is performed in units of the photoelectric conversion element 111, and there are various reading modes such as interlace scanning, progressive scanning, and all pixel reading.
[0359]
Next, a method for manufacturing the solid-state imaging device 30 having the structure as shown in FIG. 36 will be described.
[0360]
The base layer 110 and the photoelectric conversion element 111 provided in the base layer 110, the read gate 112, the vertical transfer electrode 113, the vertical transfer path 114, the channel stop region 115, and the light shielding layer 119 are manufactured in the same manner as the conventional method.
[0361]
However, the top surface of the photoelectric conversion element 111 is SIO. 2 An oxide film 39 such as is provided.
[0362]
A silicon layer 310 that becomes the partition wall layer 32 is further formed thereon.
[0363]
Then, resists 311 and 312 are provided on the upper surface and the lower surface of the completed substrate as shown in FIG. 38, and the entire substrate is etched to dig a hole.
For example, in the case of a positive resist, the silicon layer 310 is first provided by spin coating or the like, a mask is brought into close contact with the resist area to be left, and the resist composition is changed by applying light from the upper surface. And remove the remaining resist.
[0364]
Here, if the mask of the resist 311 has a gradient pattern in which the transmittance at the center is high and the transmittance is lowered toward the periphery as shown in FIG. 39, the remaining resist is as shown in FIG.
[0365]
When etching is performed from the top of the resist 311, the shape of the resist 311 is transferred to the silicon layer 310 by etch back to have a conical depression, and the remaining portion becomes the partition layer 32.
[0366]
Of course, the portion covered with the resist 312 is not etched, and the oxide film 39 is provided on the photoelectric conversion element 111, so that the etching is stopped at that portion and the photoelectric conversion element 111 is not etched.
[0367]
Next, a transparent electrode layer 33 is provided, and a slope shape is formed by etch back as in the case of the partition wall 32, and the same process is repeated to form the insulating layer 34.
[0368]
Next, a sacrificial layer 313 is provided on the base layer 110.
[0369]
The resist surface is processed with the same mask as in FIG.
At this time, if the etching progress time is different from that of the resist 310, the remaining sacrificial layer 313 becomes as shown in FIG.
[0370]
The SIO which becomes the insulating layer 35 on the surface of the sacrificial layer 313 2 A layer is provided, the same procedure as the formation of the partition wall layer 32 is repeated to create a slope shape, and a transparent electrode layer 36 made of ITO is formed on the upper surface by the same procedure.
[0371]
The transparent electrode layer 36 is also formed with a slope by an etch back process, a polysilicon layer 314 serving as a basis for the flap 37 is formed thereon by CVD, and a resist 315 is further provided from the upper surface.
[0372]
The resist 315 is also shaved with the same gradation pattern as described above to form the shape shown in FIG.
[0373]
When etching is performed from above the resist 315, the shape of the resist 315 is transferred to the polysilicon layer 314 by etch back, and the flap 37 is formed.
[0374]
A reflective layer 38 is deposited on the surface of the formed flap as a metal reflective surface such as aluminum.
[0375]
Thereafter, the oxide film 39 and the remaining resist are removed.
[0376]
The color filter 12 is provided on the upper surface of the partition layer 32 so as to correspond to each photoelectric conversion element 111. (Fig. 43)
Further, TIO is sputtered on the upper surface of the color filter. 2 Layer 11 is formed.
[0377]
Then, resists 316 and 317 are provided again on the upper and lower surfaces of the planarizing layer base layer 110.
[0378]
Resist 316 is TIO 2 The layer is provided in a portion that is not eroded when it is applied to the etching solution.
[0379]
For example, in the case of a positive resist, the first TIO 2 A layer is provided on the entire surface of the layer 11 by spin coating or the like, a mask is brought into close contact with the resist area to be left, light is applied from the upper surface, the composition of the resist is changed, and then the remaining resist is removed by applying an etching solution.
[0380]
Here, if the mask of the resist 316 has a gradient pattern in which the transmittance at the center is low and the transmittance increases toward the periphery as shown in FIG. 44, the remaining resist is as shown in FIG.
[0381]
When etching is performed from above the resist 316, the shape of the resist is changed to TIO by etch back. 2 A microlens 11 having a conical depression transferred to the layer 11 is formed.
[0382]
The operation of the solid-state image sensor 30 thus completed will be described.
[0383]
In the photoelectric conversion element 111, no voltage is applied to the transparent electrode layers 33aa and 36aa.
[0384]
Therefore, the flap 37aa is along the partition wall 32aa, and the incident light from the subject is guided to the photoelectric conversion element 111aa.
[0385]
Further, since the reflective layer 38aa is reflected by oblique incidence or stray light (light ray 317) and guided to the photoelectric conversion element 111aa, the apparent sensitivity of the photoelectric conversion element 111a is improved, and the solid-state imaging excellent in shading characteristics is also provided. Element 30 is formed.
[0386]
In the photoelectric conversion element 111ab, a voltage of 10 v, for example, is applied to the transparent electrode layers 33ab and 36ab.
[0387]
At this time, since the transparent electrode layers 33ab and 36ab repel each other, the flap 37ab blocks the optical path by closing two flaps as shown in the figure.
[0388]
Therefore, there is no incident light from the subject in the photoelectric conversion element 111ab.
[0389]
Further, by controlling the voltage applied to the transparent electrode layers 33ab and 36ab, it is possible to obtain an effect of narrowing the incident light like a diaphragm instead of completely closing the flap 37ab.
[0390]
The independent light quantity for each photoelectric conversion element 111 is controlled according to the flow of FIG. 14 by the photographing control means 141 of FIG. 13 as in the first embodiment.
[0390]
Due to such a shutter configuration, the following features are obtained.
・ Highly transparent shutter
Since no liquid crystal or electrochromic element is arranged on the front surface of the photoelectric conversion element 111 as in the conventional example, the photoelectric conversion element 111 with high transmittance and high absolute sensitivity can be obtained.
・ Highly responsive shutter
Compared with liquid crystal or the like, the response is high, and the shutter can be controlled with high response even at low temperatures, so that stable imaging performance can be obtained.
・ Expand the dynamic range
In the photoelectric conversion element 111 in which saturation is predicted because the shutter can be opened and closed independently for each photoelectric conversion element, the saturation can be prevented by closing the shutter at an early stage of exposure, and a wide dynamic range is achieved. I can shoot.
[0392]
Alternatively, since the size of the diaphragm can be changed independently for each photoelectric conversion element, in the photoelectric conversion element 111 that is predicted to be saturated, the diaphragm is throttled (the flap 37 is semi-closed) to prevent the saturation. Yes, you can shoot a wide dynamic range.
·Low power consumption
When no power is applied, the shutter is open (the state of the flap 37 in FIG. 36), and the power for closing the shutter is used only for a short time of charge transfer.
・ Further high sensitivity
Since the reflection layer 38 is provided on the surface of the flap 37, light that does not directly enter the photoelectric conversion element 111 can be guided to the photoelectric conversion element 111, and the influence of shading is reduced with high sensitivity.
[0393]
In FIG. 36, the electrostatic force is used to drive the flap 37, but not limited thereto, an electrostrictive member such as PZT, bimorph, or shape memory alloy may be used.
[0394]
FIG. 46 shows an example using an electrostrictive element. The transparent electrodes 33 and 36 and the insulating layer 335 in FIG. 36 are omitted, and an electrostrictive element 317 is deposited instead.
[0395]
The electrostrictive element 317 is distorted by application of voltage, but when the electrostrictive element 317 is integrated with the flap 37, the flap 37 bends due to a difference in distortion caused by voltage application.
[0396]
In FIG. 46, a flap 37 is a case where a voltage is applied to the electrostrictive element 317 to bend the flap 37, and in this state, incident light of the photoelectric conversion element 111ab can be reduced or shielded.
[0397]
For example, when a shape memory alloy is used, since one shape memory alloy is extremely small, heat conduction is fast and a high response can be expected.
[0398]
Furthermore, when there is intense incident light that saturates the photoelectric conversion element 111, the heat generated by the incident causes the shape memory alloy to squeeze or block the incident light of the discharge conversion element 111. Saturation of the element 111 can be prevented.
[0399]
The shapes of the flap 37 and the partition wall 32 are not limited to those shown in FIG. 36, but may be configured as shown in FIG.
[0400]
In FIG. 47, the silicon partition wall 32 has a substantially vertical shape, which is produced by the DEEP RIE manufacturing method described in the manufacturing method of the first embodiment.
By repeating the same process, the transparent electrode layer 33 made of ITO, SIO 2 Insulating layer 3 made of polysilicon, flap 37 of polysilicon, transparent electrode layer 36 made of ITO, SIO 2 An insulating layer 35 made of
[0401]
As described above, a light receiving region composed of a plurality of pixels in which a plurality of photoelectric conversion elements 111 are arranged on the main surface (base layer 110) of the semiconductor substrate,
The shutter is configured with a light control region composed of a moving member (flap 37) that controls the incident state of each photoelectric conversion element by being driven in the optical axis direction,
The moving member (flap 37) is arranged on the incident surface side of the photoelectric conversion element 111, and selects a light shielding state in which incident light is shielded and not guided to the photoelectric conversion element 111 and a non-light shielding state in which incident light is guided to the photoelectric conversion element 111. It consists of possible moving members (flaps 37),
The moving member (flap 37) includes a light shielding film (flap 37) disposed along the side wall (partition wall 32) of the incident optical path of each photoelectric conversion element 111, and driving means (transparent electrode layers 33, 36, The electrostrictive element 317), and the driving means (transparent electrode layers 33 and 36, electrostrictive element 317) drives the light-shielding film (flap 37) in the incident optical path to select the light-shielding state. In addition, light control can be performed with a more compact configuration.
[0402]
In addition, a reflection layer 38 is provided that reflects light collected on a portion other than the photoelectric conversion element 111 in a state where the light shielding film (flap 37) is along the side surface of the incident optical path and collects the reflected light on the photoelectric conversion element. Therefore, the light beam that has not been used until now is also incident on the photoelectric conversion element 111, so that the sensitivity can be improved.
[0403]
As a driving method of such a light shielding film, the driving means includes a first electrode (transparent electrode layer 36) provided on the surface of the light shielding film (flap 37) facing the side wall (partition 32) of the incident optical path, and the side wall of the incident optical path (partition wall 32). ) Of the second electrode (transparent electrode 33) provided on the surface facing the light-shielding film (flap 37) and driving means for driving the light-shielding film (flap 37), and the first electrode (transparent electrode layer 36) By controlling the charge of the second electrode (transparent electrode 33), the light shielding film (flap 37) is electrostatically moved into the incident optical path, so that the driving means can be realized with a small configuration.
[0404]
As another driving method, the driving means is configured to move the light shielding film (flap 37) into the incident optical path by an electrostrictive member (electrostrictive element 317) provided on the light shielding film (flap 37). Thus, the driving means can be realized.
[0405]
In addition, a light receiving region composed of a plurality of photoelectric conversion elements 111 arranged on the main surface (base layer 110) of the semiconductor substrate, and a plurality of light control elements (flaps 37) for controlling incident light corresponding to each photoelectric conversion element 111. ) And a driving means (transparent electrode layers 33, 36, electrostrictive element 317) for narrowing incident light to each photoelectric conversion element 111 by driving each light control element (flap 37), By using a solid-state imaging device 30 configured with a control unit that drives a driving unit with an independent aperture amount for each photoelectric conversion element 111 in a camera, it is possible to perform imaging with a wide dynamic range using an exposure time as a parameter. Specifically, the control means is set according to each predetermined aperture amount after each photoelectric conversion element 111 starts accumulation, that is, according to the imaging state before each photoelectric conversion element 111 starts accumulation. Photographing is performed according to the aperture amount of each photoelectric conversion element 111, or the aperture amount of each photoelectric conversion element is controlled independently according to the amount of charge accumulated in each photoelectric conversion element 111 during exposure. Shooting with a wide dynamic range is possible.
[0406]
(Fourth embodiment)
48 to 54 are views according to the fourth embodiment of the present invention.
[0407]
First, the configuration of the photographing apparatus using the low-pass filter of the present invention will be described with reference to FIG.
[0408]
In this embodiment, a description will be given by taking as an example a digital still camera in which a photographing apparatus photoelectrically converts a still image into an electrical signal by an imaging unit and records this as digital data. However, the present invention is not limited to a digital still camera, and the same effect can be obtained even when applied to other photographing apparatuses having photoelectric conversion means such as a video camera, an industrial tool camera, and a surveillance camera.
[0409]
An imaging optical system 400 includes a plurality of lens groups, and includes a front lens group 401, a variator lens group 402, and a focusing lens group 403. Reference numeral 405 denotes a known iris diaphragm mechanism, which includes a plurality of diaphragm blades and driving means for the blades. The aperture diameter formed by the blades is adjusted to adjust the amount of light beam passing through the photographing optical system 400. A known shutter mechanism 406 includes a plurality of shutter blades and driving means for the blades. The exposure time is adjusted by adjusting the travel timing of the blades.
[0410]
An imaging unit 150 is disposed at the focal position (planned imaging plane) of the photographing optical system 400. This is a photoelectric conversion means such as a two-dimensional CCD comprising a plurality of photoelectric conversion units for converting irradiated light energy into charges, a charge storage unit for storing the charges, and a charge transfer unit for transferring the charges and sending them to the outside. Is used.
[0411]
The image of the subject formed on the imaging unit 150 is converted into an electric signal as a charge amount for each pixel corresponding to the intensity of the brightness, amplified by the amplifier circuit 441, and then converted by the camera signal processing circuit 442 to A / D conversion is performed, and processing such as pixel interpolation, γ correction, and JPEG compression is performed. The video signal created in this way is recorded in the memory 443. As the memory 443, various types such as a semiconductor memory such as a flash ROM, an optical memory such as a magneto-optical disk, and a magnetic memory such as a magnetic tape can be used.
[0412]
Between the photographing optical system 400 and the image pickup means 150, the optical low-pass filters 100H and 100V of the present invention are arranged. 100H is a low-pass filter for horizontally shifting the imaging light beam in the horizontal direction, and 100V is a low-pass filter for horizontally shifting the imaging light beam in the vertical direction, the configuration of which will be described later.
[0413]
Reference numeral 421 denotes a display such as a liquid crystal display, which displays the subject image acquired by the imaging unit 150 and the operating status of the optical device. A group of operation switches 422 includes a zoom switch, a shooting preparation switch, a shooting start switch, and shooting condition switches for setting an exposure control mode, an AF mode, and the like. A zoom actuator 423 drives the variator lens group 402 to change the focal length of the photographing optical system 400. Reference numeral 424 denotes a focus actuator that drives the focusing lens group 403 to adjust the focus state of the photographing optical system 400.
[0414]
A CPU 431 controls the operation of the entire photographing apparatus. Reference numeral 432 denotes an aperture driving circuit that drives the aperture mechanism 405 described above and adjusts the aperture diameter of the iris aperture to adjust the amount of light beam reaching the image pickup means 150. Reference numeral 433 denotes a shutter drive circuit that drives the shutter mechanism 406 to control the exposure time to the image pickup means 150. An optical low-pass filter driving circuit 434 drives the low-pass filters 100H and 100V of the present invention to obtain a predetermined optical effect.
[0415]
FIG. 48 is a cross-sectional view of the optical low-pass filter of the present invention and the image pickup means disposed behind the optical low-pass filter. In the figure, reference numeral 100H denotes a low-pass filter for horizontally shifting the imaging light flux in the horizontal direction of the imaging screen, and 150 denotes an imaging means such as a CCD. C is an optical axis which coincides with the optical axis of the photographing optical system 400 of FIG. First, the imaging unit 150 will be described.
[0416]
151 is a package of imaging means, 152 is a light receiving unit that photoelectrically converts incident light, 153 is a color filter array arranged in a mosaic pattern for color separation, and 154 is a microlens for condensing incident light on the light receiving unit 152 It is an array. Since the imaging unit 150 uses a known element, detailed description thereof is omitted.
[0417]
Reference numeral 100H denotes an entire optical low-pass filter for laterally shifting an incident photographing light beam in a predetermined direction. Reference numeral 101 denotes a first microprism array. Each prism has an apex angle of approximately 90 degrees and a substantially symmetric lattice prism with respect to the optical axis. These optical elements are arranged at equal pitches in one direction. It has become. In each microprism, a slope group whose normal extends to the upper right is 101a, and a slope group whose normal extends to the upper left is 101b. Reference numeral 102 denotes a second microprism array, which is a lattice-like optical element having the same shape as the first microprism array 101. In each microprism, a slope group whose normal extends to the lower left is denoted as 102a, and a slope group whose normal extends to the lower right is denoted as 102b. The prism portions of the microprism arrays 101 and 102 are arranged to face each other.
[0418]
Reference numeral 103 denotes a prism fixing means for fixing the first microprism array 101 by the fixing portion 103b, and the protrusion 103a is in sliding contact with the lower surface of the outer edge portion of the second microprism array 102. Reference numeral 104 denotes a prism pressing plate, and the protrusion 104 a is in sliding contact with the upper surface of the outer edge of the second microprism array 102.
[0419]
Reference numeral 105 denotes a laminated piezoelectric element that expands and contracts in response to an applied voltage. One end is fixed to the inner wall of the prism fixing means 103, and the other end is fixed to the outer edge side surface of the second microprism array 102. In the figure, no voltage is applied to the piezoelectric element 105 and its free length is A. At this time, in the two microprism arrays, one of the slope groups 101a and 102a is in close contact, and the other slope groups 101b and 102b are provided with a gap Gap1 by a minute amount δH. Then, among the light beams incident from above the optical low-pass filter 100H, the light beam La incident on the slope group 102a of the second microprism array 102 passes straight through the slope group 101a facing closely and is imaged. The light enters the predetermined pixel Pix4 of the means 150. On the other hand, the light beam Lb incident on the slope group 102b of the second microprism array 102 is totally reflected by the slope group 102b and proceeds to the left, passes through the slope groups 102a and 101a, and then totally reflected by the slope group 101b. Then, it proceeds downward and enters a predetermined pixel Pix5 of the imaging means 150.
[0420]
Therefore, about 50% of the light beam incident from above the optical low-pass filter 100H travels straight to reach the image pickup means, and the remaining 50% shifts to the left by one pitch of the micro prism to the image pickup means. Therefore, the average of the total luminous flux shifts to the left by 0.5 pitch of the microprism.
[0421]
FIG. 49 is a diagram showing a state when a predetermined voltage is applied to the piezoelectric element 105 included in the low-pass filter 100H and its length is expanded by δH. At this time, in the two micro prism arrays, the slope groups 101a and 102a in close contact with each other in FIG. 48 are provided with the gap Gap2 by a minute amount δH. In FIG. 48, the slope groups 101b and 102b with a gap are In FIG. 28, they are in close contact. Then, out of the light flux incident from above the optical low-pass filter 100H, the light beam La incident on the slope group 102a of the second microprism array 102 is totally reflected by the slope group 102a and proceeds to the right. After passing through 102b and 101b, the light is totally reflected by the slope group 101a and proceeds downward, and enters a predetermined pixel Pix5 of the image pickup means 150. On the other hand, the light beam Lb incident on the slope group 102b of the second microprism array 102 passes straight through the slope group 101b facing closely and enters the predetermined pixel Pix6 of the imaging means 150.
[0422]
Therefore, about 50% of the light beam incident from above the optical low-pass filter 100H travels straight to reach the image pickup means, and the remaining 50% shifts to the right by one pitch of the micro prism to the image pickup means. Therefore, the average of the entire luminous flux is shifted to the right by 0.5 pitch of the micro prism.
[0423]
Therefore, about 50% of the light beam incident from above the optical low-pass filter 100H travels straight to reach the image pickup means, and the remaining 50% shifts to the right by one pitch of the micro prism to the image pickup means. Therefore, the average of the entire luminous flux is shifted to the right by 0.5 pitch of the micro prism.
[0424]
FIG. 50 is a diagram showing a state when the voltage applied to the piezoelectric element 105 is reduced to about half of the state of FIG. 49 and its length is extended by half of δH from the initial state. At this time, the two microprism arrays are separated. Then, the light beam incident from above the optical low-pass filter 100H is totally reflected by the slope group 102a and the slope group 102b of the second microprism array 102 and returns to the original direction. That is, the second microprism array 102 is a reflective optical member having an action similar to that of a corner cube, and the low-pass filter also has a function as an optical switch that blocks an incident light beam.
[0425]
In the above-described configuration, the optical low-pass filter 100H is changed from the state shown in FIG. 48 to the state shown in FIG. 49 during one exposure time of the image pickup unit 150, whereby the incident light beam is laterally shifted by one pitch of the microprism. An effect can be obtained.
[0426]
In addition, when the exposure of the imaging unit 150 is completed, the effect of blocking the incident light beam can be obtained by changing the optical low-pass filter 100H from the state of FIG. 48 or 49 to the state of FIG.
[0427]
FIG. 51 is a perspective view when the optical low-pass filter of the present invention is applied to an imaging apparatus, showing only the color filter array 153 of the imaging means 150 and the micro-prism array of the low-pass filter, and other members are omitted. . The imaging means is a two-dimensional image sensor, and the color filter array used therefor is also a two-dimensional mosaic filter array. Therefore, the optical low-pass filter also needs to shift the light flux in the two-dimensional direction, that is, both the horizontal direction (indicated by the arrow H) and the vertical direction (indicated by the arrow V) of the photographing screen. Accordingly, the optical low-pass filter is also provided with two sets of a laterally shifting filter unit 100H and a longitudinally shifting filter unit 100V, each of which includes a driving piezoelectric element.
[0428]
FIGS. 52A and 52B are diagrams for explaining a method of driving the two sets of optical low-pass filters shown in FIG. 51. FIG. 52A is a timing chart of the piezoelectric element 105, and FIG. It is.
[0429]
First, referring to FIG. 2A, a method for driving two piezoelectric elements will be described. In FIG. 6A, the horizontal axis represents time t, the vertical axis represents the displacement of the piezoelectric element, the lower stage represents the displacement of the piezoelectric element for the low-pass filter 100H, and the upper stage represents the displacement of the piezoelectric element for the low-pass filter 100V.
[0430]
At time t0, the displacement of both elements is zero, and at time t1, a predetermined voltage is applied to the piezoelectric element 105H to expand it, and the displacement is set to δH. At time t2, a predetermined voltage is applied to the piezoelectric element 105V to expand it, and the displacement is set to δH. Thereafter, at time t3, the voltage applied to the piezoelectric element 105H is released to return the displacement to zero. Finally, at time t4, the applied voltages of the piezoelectric elements 105H and 105V are set to about one half of the predetermined value, and the displacement is set to δH / 2. T from time t0 to t4 corresponds to the charge accumulation time, that is, the total exposure time, and during each exposure time from T0 to T3 divided into four, the position of the emitted light beam is relatively shifted and It has become.
[0431]
When the above control is performed, the shift locus of the light beam incident on the imaging means is shown in FIG. By controlling the voltage to the piezoelectric element from time t0 to time t4, the position of the emitted light beam during each exposure time follows the position indicated by T0 to T3, and an optical low-pass effect can be obtained. Finally, when reaching the center T4, the low-pass filter acts as an optical shutter, so that the imaging light flux to the imaging means 150 is blocked. Therefore, the shutter mechanism 406 of FIG. 53 can be eliminated.
[0432]
At each timing from time t1 to time t3, the microprism arrays 101 and 102 are momentarily separated from each other and the optical shutter function works. However, in this embodiment, a multilayer piezoelectric element that can be deformed at high speed is used, which is actually harmful. Will not come out.
[0433]
FIG. 54 is a control flowchart of the CPU 431 included in the photographing apparatus shown in FIG. Hereinafter, the control flow of the photographing apparatus will be described using 54.
[0434]
Through step S101, in step S102, it is determined whether or not the main switch is turned on by the photographer. If the main switch is not turned on, the process stays in step S102. If it is determined in step S102 that the main switch is turned on, the CPU 431 exits the sleep state and executes step S111 and subsequent steps.
[0435]
In step S111, the photographing apparatus is initialized. Specifically, the photographic optical system in the retracted state is driven out to the shootable state and accepts the setting of the photographic conditions by the photographer.
[0436]
In step S112, the imaging unit 150 and the camera signal processing circuit 442 are driven to obtain a preview image, and the preview image is displayed on the display unit 421 in step S113.
[0437]
In step S114, it is determined whether or not the photographing preparation switch (denoted as SW1 in the flow chart) linked to the first stroke of the release button has been turned on by the photographer. When the on operation is not performed, the process returns to step S112, and the preview image display is repeatedly executed. If it is determined in step S114 that the shooting preparation switch has been turned on, step S114 is skipped and step S121 and subsequent steps are executed.
[0438]
In steps S121 to S122, the focus of the photographing optical system 400 is adjusted. This is so-called hill-climbing servo AF, which is focus adjustment control for stopping the lens by searching for a focus position where the high-frequency component of the image signal is the maximum value. In step S123, it is determined whether or not the subject is in focus. If the subject is not in focus, step S121 and step S122 are repeated. When the in-focus state is achieved, the driving of the focusing lens is stopped, and the process proceeds to step S131.
[0439]
In step S131, photometric calculation is performed. Specifically, the amount of the subject luminous flux received by the image pickup unit 411 is determined, and an aperture value and a shutter time for making the light amount appropriate for photographing are calculated. At this time, when the aperture priority AE mode is selected as the exposure control mode of the photographing apparatus, the aperture value set by the photographer is adopted. On the other hand, when the shutter priority AE mode or the program AE mode is selected, the aperture value is calculated according to a predetermined program built in the photographing apparatus.
[0440]
In step S132, the aperture drive amount is calculated based on the aperture value calculated in step S131. This corresponds to the difference between the current aperture value and the aperture value calculated in step S131. In step S133, the aperture drive is performed based on the aperture drive amount calculated in step S132.
[0441]
In step S134, it is determined whether or not the shooting trigger switch (indicated by SW2 in the flowchart) linked to the second stroke of the release button is turned on. If not, the steps S131 to S133 are performed. Repeatedly. On the other hand, if it is turned on, the process jumps from step S134 to step S141 to execute the photographing operation.
[0442]
In step S141, accumulation of image signals in the imaging unit 150 is started. In step S142, the low-pass filters 100H and 100V are driven in accordance with the timing chart described with reference to FIG. 52, and the emitted light beam is shifted and finally functions as an optical shutter to block the incident light beam to the imaging unit 150. In step S143, the shutter is closed. In step S144, the electric charge accumulated in the imaging unit 150 is read out via the charge transfer line and input to the camera signal processing circuit 442 via the amplifying unit 441. In step S145, the camera signal processing circuit 442 performs A / D conversion on the input analog image signal, performs image processing such as AGC control, white balance, γ correction, and edge enhancement, and further stores it in the CPU 431 as necessary. JPEG compression or the like is performed with the image compression program. In step S146, the image signal obtained in step S145 is recorded in the memory 443, and in step S147, the photographing operation ends.
[0443]
As described above, by driving the low-pass filter of this embodiment during charge accumulation in the photographing means during photographing, the photographing light flux is shifted by a predetermined amount in the horizontal and vertical directions, and an optical low-pass effect is obtained. The harmful moire that occurs in the photographed image can be avoided. Furthermore, the low-pass filter can be made to function as an optical shutter, and in combination with the mechanical shutter means, the shutter speed can be increased and the light shielding performance can be improved. Alternatively, the mechanical shutter can be eliminated.
[0444]
(Fifth embodiment)
The microprism in the fourth embodiment is an aggregate of lattice-like optical elements having an apex angle of about 90 degrees, and one set of microprism units shifts a photographing light beam only in one direction. The microprism of the second embodiment of the present invention described below is an aggregate of quadrangular pyramid optical elements having an apex angle of approximately 90 degrees, and by driving one microprism unit in two directions, horizontal and vertical, It has a function of shifting the photographing light flux in two directions.
[0445]
FIG. 55 is a perspective view of an optical low-pass filter according to the fifth embodiment, and corresponds to FIG. 50 of the fourth embodiment. Also in this figure, only the color filter array 253 of the image pickup means and the micro prism array of the low-pass filter are shown, and other members are omitted.
[0446]
Reference numeral 200 denotes an entire optical low-pass filter for laterally shifting an incident photographing light beam in two predetermined directions. 201 is a first microprism array, and 202 is a second microprism array. In the drawing, the second micro prism array is shown upside down so that the shape of the second micro prism array can be easily understood.
[0447]
Here, each prism constituting the first microprism array 201 is a regular quadrangular pyramid having a square bottom surface and an apex angle of approximately 90 degrees, and these are arranged on a two-dimensional plane at an equal pitch. On the other hand, the individual prisms constituting the second microprism array 201 have a shape in which a regular quadrangular pyramid having an apex angle of approximately 90 degrees is turned over, that is, when they are brought into close contact with the first microprism, the clearance therebetween is spread over the entire surface. The shape is substantially zero, and these are arranged on a two-dimensional plane at an equal pitch. The prism portions of the microprism arrays 201 and 202 are opposed to each other with a minute dimension in the optical axis direction, and the cross-sectional shape thereof is the same as that shown in FIG. 48 of the fourth embodiment.
[0448]
The second microprism array 202 is configured to be driven independently in two directions within a plane orthogonal to the optical axis by a mechanism similar to the mechanism of FIG. When photographing, the second microprism array 202 is driven as shown in the driving locus Tr2 of FIG. However, the length of each side of the drive locus at this time is the same as that described in FIG. 52, that is, δH. Then, in the first pyramid-shaped first microprism, two of the four inclined surfaces are always in close contact with the second microprism, and the inclining inclined surfaces are sequentially moved as the second microprism array is driven. Therefore, the light beam incident on the prism array is shifted in the horizontal and vertical directions on the photographing screen. In other words, in the fourth embodiment, one set of prism units composed of two microprism arrays is used, and one prism array is driven in a two-dimensional direction, so that a low pass equivalent to that in the fourth embodiment is obtained. An effect can be obtained.
[0449]
FIG. 56 is a cross-sectional view of an imaging apparatus incorporating the optical low-pass filter of the fifth embodiment. The present embodiment is different from the first embodiment only in that one set of low-pass filters 200 is arranged and one filter array is driven in two directions by a low-pass filter driving circuit 434. Other configurations are substantially the same as those shown in FIG. The control flow is also the same as that shown in FIG.
[0450]
As described above, in the present embodiment, the optical low-pass effect in the horizontal and vertical directions can be obtained with one set of low-pass filters, and further downsizing and cost reduction of the photographing apparatus can be achieved.
[0451]
(Sixth embodiment)
The microprism in the fourth embodiment is an aggregate of lattice-like optical elements having an apex angle of approximately 90 degrees, and shifts the photographing light flux by moving one microprism array in a direction perpendicular to the optical axis. It was a thing. The microprism of the third embodiment of the present invention shown below is an aggregate of lattice-like optical elements having an apex angle of about 45 degrees, and one of the microprism arrays is driven in the optical axis direction, so that the photographing light beam It has a function of shifting in a direction perpendicular to the axis.
[0452]
FIG. 57 is a cross-sectional view of the optical low-pass filter in the sixth embodiment, and corresponds to FIG. 48 in the fourth embodiment. In the figure, reference numeral 300H denotes a low-pass filter for horizontally shifting the imaging light flux in the horizontal direction of the imaging screen, and 350 denotes imaging means such as a CCD. C is an optical axis, which corresponds to the optical axis of the photographing optical system. Since the imaging unit 350 has the same structure as the imaging unit 150 of the fourth embodiment, description thereof is omitted.
[0453]
Reference numeral 300H denotes an entire optical low-pass filter for laterally shifting an incident photographing light beam in a predetermined direction. Reference numeral 301 denotes a first microprism array. The cross-sectional shape of each prism is a lattice-like optical element in which triangles having apex angles of approximately 45 degrees are arranged at an equal pitch and extend in the same direction in the direction perpendicular to the paper surface. It has become. In each microprism, a slope group whose normal is inclined by 45 degrees with respect to the optical axis is 301a, and a slope group whose normal is orthogonal to the optical axis is 301b. Reference numeral 302 denotes a second microprism array, which is a lattice-like optical element having the same shape as the first microprism array 301. In each microprism, a slope group whose normal is inclined by 45 degrees with respect to the optical axis is 302a, and a slope group whose normal is orthogonal to the optical axis is 302b. The prism portions of the microprism arrays 301 and 302 are arranged to face each other, and the slope groups 301a and 302a and the slope groups 301b and 302b are in close contact with each other.
[0454]
Reference numeral 303 denotes prism fixing means, which fixes the first microprism array 301 by the fixing portion 303b, and the fitting portion 303a is in sliding contact with the end surface of the outer edge of the second microprism array 302.
[0455]
Reference numeral 305 denotes a laminated piezoelectric element that expands and contracts in response to an applied voltage. One end is fixed to the bottom of the inner wall of the prism fixing means 303 and the other end is fixed to the lower surface of the outer edge of the second microprism array 302. Two piezoelectric elements 305 having the same shape are provided. In the figure, no voltage is applied to the piezoelectric element 305 and its free length is A. At this time, in the two microprism arrays, the slope groups 301a and 302a are in close contact, and 301b and 302b are also in close contact. Then, the light ray L incident from above the optical low-pass filter 100H enters the slope group 302a of the second microprism array 302, passes through the slope group 301a that is in close contact with each other, travels straight, and is imaged. Is incident on a predetermined pixel Pix6.
[0456]
Therefore, since all the light beams incident from above the optical low-pass filter 100H travel straight and reach the imaging unit, the light beam shift effect does not occur.
[0457]
FIG. 48 is a diagram showing a state when a predetermined voltage is applied to the piezoelectric element 305 provided in the low-pass filter 300H and its length is expanded by δA. At this time, in the two microprism arrays, the slope groups 301a and 302a that are in close contact with each other in FIG. Then, the light beam L incident from above the optical low-pass filter 300H is totally reflected by the slope group 302a and travels in the left direction. After passing through the slope groups 302b and 301b, the light beam L is totally reflected by the slope group 301a and travels downward. Then, the light enters the predetermined pixel Pix5 of the imaging unit 350.
[0458]
Therefore, all the light beams incident from above the optical low-pass filter 300H are shifted leftward by one pitch of the microprism and reach the image pickup means. Therefore, the optical low-pass effect can be obtained by changing the filter 300H from the state of FIG. 58 to the state of FIG. 59 during the exposure time.
[0459]
FIG. 59 is a perspective view when the optical low-pass filter of the present invention is applied to a photographing apparatus, showing only the color filter array 353 of the imaging means 350 and the micro-prism array of the low-pass filter, and other members are omitted. . The imaging means is a two-dimensional image sensor, and the color filter array used therefor is also a two-dimensional mosaic filter array. Therefore, the optical low-pass filter also needs to shift the light flux in the two-dimensional direction, that is, both the horizontal direction (indicated by the arrow H) and the vertical direction (indicated by the arrow V) of the photographing screen. Accordingly, the optical low-pass filter is also provided with two sets of a laterally shifting filter unit 300H and a longitudinally shifting filter unit 300V, each of which includes a driving piezoelectric element.
[0460]
FIGS. 60A and 60B are diagrams for explaining a method of driving the two sets of optical low-pass filters shown in FIG. 59. FIG. 60A is a timing chart of the piezoelectric element 305, and FIG. It is.
[0461]
First, referring to FIG. 2A, a method for driving two piezoelectric elements will be described. In FIG. 6A, the horizontal axis represents time t, the vertical axis represents the displacement of the piezoelectric element, the lower stage represents the displacement of the piezoelectric element for the low-pass filter 300H, and the upper stage represents the displacement of the piezoelectric element for the low-pass filter 300V.
[0462]
At time t0, the displacement of both elements is zero, and at time t1, a predetermined voltage is applied to the piezoelectric element 305H to expand it, and the displacement is set to δH. At time t2, a predetermined voltage is applied to the piezoelectric element 305V to expand it, and the displacement is set to δH. Thereafter, at time t3, the voltage applied to the piezoelectric element 305H is released to return the displacement to zero. Finally, at time t4, the voltage applied to the piezoelectric element 305V is released to return the displacement to zero. T from time t0 to t4 corresponds to the charge accumulation time, that is, the total exposure time, and during each exposure time from T0 to T3 divided into four, the position of the emitted light beam is relatively shifted and It has become.
[0463]
When the above control is performed, the shift locus of the light beam incident on the imaging means is shown in FIG. By controlling the voltage to the piezoelectric element from time t0 to time t4, the position of the emitted light beam during each exposure time follows the position indicated by T0 to T3, and an optical low-pass effect can be obtained.
[0464]
The configuration and control flow when the optical low-pass filter of the sixth embodiment described above is incorporated in the photographing apparatus are the same as those in FIGS. 52 and 53 of the fourth embodiment, and thus description thereof is omitted. .
[0465]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a light beam can be shifted in a short time by driving a small and light microprism array, and noise and vibration can be prevented. A low-pass effect can be obtained. Further, an optical shutter function can be added, and the photographing apparatus can be provided in a small size and at a low cost.
[0466]
In the present invention, attention is paid to the fact that micromechanics can be used to create a small and highly accurate mechanical shutter, and in particular, a mechanical shutter corresponding to each photoelectric conversion element forming the solid-state image sensor is solid-state imaged. Created in the element manufacturing process, such a shutter is individually driven and controlled for each photoelectric conversion element to expand the shooting dynamic range, compensate for variations in photoelectric conversion element sensitivity, correct shading, and further increase the incident transmittance Therefore, a decrease in absolute sensitivity can be prevented and a drive response can be increased, so that light leakage due to low response can be solved.
[0467]
Further, according to the present invention, the light beam can be shifted in a short time by driving a small and light microprism array in a minute amount, so that noise and vibration can be prevented and a sufficient low-pass effect can be obtained even when the exposure time is short. be able to. Further, an optical shutter function can be added, and the photographing apparatus can be provided in a small size and at a low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a color filter according to a first embodiment of this invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a modified example of the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a modified example of the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a plan view of a modified example of the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a sectional view of a modified example of the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a drive waveform diagram according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a drive waveform diagram according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a drive waveform diagram according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a drive waveform diagram according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a drive waveform diagram according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a drive waveform diagram according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a block diagram of a first embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a flowchart of the first embodiment of the present invention.
FIG. 15 shows a manufacturing method according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 16 shows a manufacturing method according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 17 shows a manufacturing method according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 18 shows a manufacturing method according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 19 shows a manufacturing method according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 20 shows a manufacturing method according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a manufacturing method according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 22 shows a manufacturing method according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 23 shows a manufacturing method according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 24 is a manufacturing method according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 25 is a manufacturing method according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 26 shows a manufacturing method according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 27 shows a manufacturing method according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 28 is a manufacturing method according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 29 is a manufacturing method according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 30 shows a manufacturing method according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 31 is a manufacturing method according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 32 is a plan view of a modified example of the present invention.
FIG. 33 is a cross-sectional view of a second embodiment of the present invention.
FIG. 34 is a sectional view of a modification of the second embodiment of the present invention.
FIG. 35 is a sectional view of a modification of the second embodiment of the present invention.
FIG. 36 is a cross-sectional view of a third embodiment of the present invention.
FIG. 37 is an explanatory diagram of a color filter according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 38 shows a manufacturing method according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 39 shows a manufacturing method according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 40 shows a manufacturing method according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 41 is a manufacturing method according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 42 is a manufacturing method according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 43 is a manufacturing method according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 44 shows a manufacturing method according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 45 is a manufacturing method according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 46 is a sectional view of a modification of the third embodiment of the present invention.
FIG. 47 is a sectional view of a modification of the third embodiment of the present invention.
FIG. 48 is a cross-sectional view of an optical low-pass filter according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 49 is an explanatory diagram of a low-pass effect of the optical low-pass filter according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 50 is an explanatory diagram of an optical shutter effect of the optical low-pass filter according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 51 is a perspective view of an optical low-pass filter according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 52 is an explanatory diagram of an optical low-pass filter driving method according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 53 is a configuration diagram of a photographing apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 54 is a control flow diagram for a photographing apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 55 is a perspective view of an optical low-pass filter according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 56 is a configuration diagram of a photographing apparatus according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 57 is a cross-sectional view of an optical low-pass filter according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 58 is an explanatory diagram of a low-pass effect of an optical low-pass filter according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 59 is a perspective view of an optical low-pass filter according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 60 is an explanatory diagram of an optical low-pass filter driving method according to the sixth embodiment of the present invention.
FIG. 61 is a cross-sectional view of a conventional solid-state imaging device.
FIG. 62 is a characteristic explanatory diagram of a solid-state imaging element according to a conventional technique.
FIG. 63 is an explanatory diagram of problems of a conventional solid-state imaging device.
FIG. 64 is an improved cross-sectional view of a conventional solid-state imaging device.
[Explanation of symbols]
10 Solid-state image sensor
11 Microlens
12 Color filters
13 Optical waveguide
14 Interface
15 Planarization layer
16 leaf spring
17 Movable microprism
18 Transparent electrode layer
19 Insulating layer
21 Stator
22 coils
23 Permanent magnet
24 York
25 slider
26 Coil spring
27 Bearing
28 Coil spring
29 Cam plate
30 Solid-state image sensor
31 Spatial domain
32 Bulkhead layer
33 Transparent electrode layer
34 Insulating layer
35 Insulation layer
36 Transparent electrode layer
37 flaps
38 Reflective layer
110 Base layer
111 photoelectric conversion element
112 Read gate
113 Vertical transfer electrode
114 Vertical transfer charge transfer path
115 channel stop region
116 Fixed microprism
117 Transparent electrode layer
118 Insulating layer
119 Shading layer
120 Incident light
121 Transparent electrode layer
122 Insulating layer
123 Transparent electrode layer
124 Insulating layer
125 Transparent electrode layer
126 Insulating layer
127 Transparent electrode layer
128 Insulating layer
129 Piezoelectric member
130 Shutter aperture curve
131 Accumulation control time
132 Optical axis
133 lens
135 aperture
134 AF drive motor
137 Aperture driving means
138 Focus drive means
139 Flashing means
140 A / D conversion means
141 Shooting control means
142 Signal processing means
143 Display means
144 Recording means

Claims (1)

半導体基盤の主面に配列される複数の光電変換素子からなる受光領域と、A light receiving region comprising a plurality of photoelectric conversion elements arranged on the main surface of the semiconductor substrate;
各光電変換素子の入射状態を制御する光制御素子からなる光制御領域で構成される固体撮像素子において、In a solid-state imaging device composed of a light control region composed of a light control element that controls the incident state of each photoelectric conversion element,
光制御素子は各光電変換素子ごとに設けられた可動マイクロプリズムと、The light control element is a movable microprism provided for each photoelectric conversion element,
可動マイクロプリズムに対向し可動マイクロプリズムのプリズム面と略同形状の入射面を有する固定マイクロプリズムと、A stationary microprism facing the movable microprism and having an incident surface substantially the same shape as the prismatic surface of the movable microprism;
可動マイクロプリズムの他端で対向する光導波路と、An optical waveguide facing the other end of the movable microprism;
可動マイクロプリズムと固定マイクロプリズムの第1の対向間隔及び可動マイクロプリズムと光導波路の第2の対向間隔を変更する駆動手段と、Driving means for changing the first facing distance between the movable microprism and the fixed microprism and the second facing distance between the movable microprism and the optical waveguide;
第1の対向間隔と/或いは第2の対向間隔における主光軸に沿う面での光線の出射による迷光を遮光する遮光手段とで構成され、A light shielding means for shielding stray light due to the emission of light rays on a surface along the main optical axis in the first facing distance and / or the second facing distance;
駆動手段により第1の対向間隔を変更することで可動マイクロプリズムの全反射状態と透過状態を制御する固体撮像素子。A solid-state imaging device that controls a total reflection state and a transmission state of a movable microprism by changing a first facing interval by a driving unit.
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