JP5455706B2 - 固体撮像装置、撮像ユニット及び撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮像素子を用いた固体撮像装置、撮像ユニット及び撮像装置に関する。

従来の撮像装置には、パッケージを封止する固体撮像素子カバーとして、重金属等の不純物の少ない単結晶からなるＺカット水晶板を備えたものがある（特許文献１参照。）。Ｚカット水晶板は、水晶板の主面の法線が水晶の光学軸であるＺ軸に対して０°となるようにカットされた水晶板である。

特開２００８−０４２７９７号公報

以上に述べた従来の撮像装置では、実装工程におけるリフローハンダ付けや、高温環境下でのカメラの使用時に、パッケージ基体に接着したカバー部材の変形が大きく、場合によってはカバー部材の剥離や割れの可能性があった。また、カバー部材の変形が大きくなると、レンズから水晶板へ斜め方向に入射した光線が水晶板の複屈折性によって光線分離幅が拡大する。そして、Ｚカット水晶板は、Ｚ軸方向に垂直にカットされた水晶板であるため、入射光の振動方向の全てに対応する方向に必ず光線分離する。その結果、撮影した画像の解像度が低下するという問題があった。

本発明は、このような従来の構成が有していた問題を解決しようとするものであり、高画質の画像を得ることができる固体撮像装置を提供することを目的とする。

そして、本発明は上記目的を達成するために、固体撮像装置は、受光面を有する撮像素子と、前記撮像素子の前記受光面上に空間を介して対向配置されたカバー部材と、を有し、前記カバー部材は水晶板を有し、前記水晶板の結晶の光軸は前記受光面に対する傾きの範囲が±３°である構成としたものである。

本発明の固体撮像装置は、高耐熱性を有するため、高画質の画像を得ることができる固体撮像装置を提供できる。

第１の実施例の固体撮像装置を説明する図。 水晶板の結晶軸を示す水晶のインゴットを説明する図。 水晶板の結晶軸を説明する図。 第１の実施例の固体撮像装置を説明する図。 第２の実施例の固体撮像装置を説明する図。 第３の実施例の撮像ユニットを説明する図。 第３の実施例の撮像ユニットの変形例を説明する図。 第４の実施例の固体撮像装置を説明する図。 実施例の固体撮像装置を用いた撮像装置を説明する図。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図９に基づいて説明する。

本実施例の固体撮像装置は、受光面を有する撮像素子と、受光面上に空間を介して対向配置されたカバー部材と、を有し、カバー部材は水晶板を有し、水晶板の結晶の光軸が受光面に対して平行であることが特徴である。以下に図１を用いて詳細に説明する。

図１（ａ）は、第１の実施例を示す固体撮像装置の平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ’線での断面図である。
図１（ａ）および図１（ｂ）で示す固体撮像装置は、複数の受光素子を有する固体撮像素子１、凹部を有するパッケージ基体２、パッケージ基体２に含まれるリードフレーム３、カバー部材となる水晶板６を有する。固体撮像素子１は、光が入射する受光面１ａを有する。固体撮像素子１はパッケージ基体２に不図示の接着剤で固定されている。固体撮像装置は、パッケージ基体２の枠部の上面５には、不図示の接着剤でカバー部材６が固定されることで、パッケージ基体２と水晶板６とで囲まれた空間４を有する。

水晶板６は、光入射側の第１の主面７と、光出射側である第２の主面８とを有する。符号９は、水晶板６の光軸方向を示しており、水晶板の第１の主面７および第２の主面８とは平行である。水晶板６は、第１の主面７や第２の主面にＡＲコーティングやＩＲカットコーティングを有しても良い。薄膜からなる各種コーティングを水晶板が有する場合は、水晶板に形成したＡＲやＩＲカットなどのためのコーティングの表面を水晶板の主面とする。

図２は、水晶板の結晶軸を示す水晶のインゴットの概略図である。図１に示したように、水晶板６の光軸方向は、図２におけるＺ軸方向である。図２において、Ｚ軸は光軸と呼ばれている水晶のインゴットの結晶成長方向である。なお、Ｚ軸に直交するＸ軸は電気軸、Ｙ軸は機械軸と呼ばれている方向である。本発明に係る水晶板は、光軸（Ｚ軸）が主面と平行となる方向で切り出すことで形成できる。図２（ａ）には、水晶のインゴットから得られる水晶板６の例を示している。水晶板６がＺ軸とＸ軸方向に平行の場合、Ｚ軸とＹ軸方向に平行の場合である。なお、水晶板６は、主面がＺ軸と平行であれば、いずれの方向に切り出すことも可能である。図２（ｂ）は、水晶板６がＺ軸とＸ軸と平行に切り出される場合を示している。なお、インゴットから水晶板を切り出す時の加工誤差などによって、光軸に対して傾いた水晶板が形成される可能性があるが、光軸に対して±３°の傾きであれば、高耐熱性を得ることや画像の解像度の低下を抑えることが十分可能である。したがって、水晶板の第１の主面および第２の主面が光軸に平行であることの技術的な範囲には、光軸に対して±３°の傾きの範囲が光軸との平行方向として含まれる。

図３は、インゴットから切り出した水晶板の例を示す平面図及び正面図であり、いずれも光軸方向９に対して第１の主面７、第２の主面８となる平面が平行であることを示している。以下にそれぞれの特徴を説明する。

平面図である図３（ａ）と対応する正面図である図３（ｂ）で示した水晶板６は、光軸方向９に対して水晶板６の長辺が平行である。平面図である図３（ｃ）と対応する正面図である図３（ｄ）で示した水晶板６は、光軸方向９に対して水晶板６の短辺が平行である。平面図である図３（ｅ）と対応する正面図である図３（ｆ）で示した水晶板６は、光軸方向９に対して長辺及び短辺のそれぞれに対して平行ではない。

このような水晶板６は、水晶の持つ異方性から水晶板自体の曲げに対する剛性が他の切り出し方向で作成した水晶板に対して高い。そこで、固体撮像装置のカバー部材として上述の水晶板を使用すれば、高温時の中空部の内圧上昇に対して、カバー部材の変形を小さくすることが可能となるため、少なくとも２点の効果が得られる。

第一の効果は、カバー部材の割れや剥離などの可能性を低減することできることである。カバー部材の変形によって、カバー部材の破壊強度を超えた場合または接着強度を超えた場合に割れや剥離などが発生するが、カバー部材の変形が小さいためこれらの問題の可能性が低減できる。

第二の効果は、解像度の低下の可能性を低減することができることである。カバー部材の変形によって、固体撮像素子の受光面に対して垂直の入射光であっても水晶板の主面に対して傾いた入射光となるため、水晶の複屈折特性によって解像度が低下するが、カバー部材の変形が小さいため解像度の低下を低減できる。カメラやビデオなどのレンズを通した光学系を考えた場合には、水晶板の主面に対して垂直光だけではなく、水晶板の主面に対して傾いた角度の光がほとんどである。このような水晶板の主面に対して傾いた角度の光であっても、他の切り出し角度の水晶板に比べて光の分離幅を小さくすることができるため、本実施例の固体撮像装置で得られる画像は解像度が良好である。

特に、図３（ｃ）及び図３（ｄ）で示した光軸方向９に短辺方向が平行な水晶板は、剛性が最も高くなる構成であるため、第一の効果及び第二の効果が共に良好である。
なお、図３で示した水晶板６は、矩形の場合を示したが、正方形であっても良い。

図４は、固体撮像装置の水晶板６の配置を示す平面図である。
図４（ａ）、図４（ｂ）及び図（ｃ）は、パッケージ基体２内に、複数の受光素子が配置された有効画素領域１０を有する固体撮像素子１が配置され、枠部の上面上に配置された水晶板６を有する固体撮像装置を示している。固体撮像素子１の受光面の有効画素領域は矩形である。各図は、水晶板６の結晶の光軸方向９が受光面に対して平行であること、そして、平行水晶板６の主面が光軸方向９と平行であることが共通であり、異なる点を以下に示す。

図４（ａ）の固体撮像装置は、固体撮像素子１の有効画素領域１０の長辺に対して水晶板６の結晶の光軸方向９が平行に配置されている。図４（ｂ）の固体撮像装置は、固体撮像素子１の有効画素領域１０の短辺に対して水晶板６の結晶の光軸方向９が平行に配置されている。図４（ｃ）の固体撮像装置は、固体撮像素子１の有効画素領域１０の長辺及び 短辺のそれぞれに対して水晶板６の結晶の光軸方向９が平行に配置されていない。いずれの固体撮像装置も受光面と水晶板６の結晶の光軸方向９と平行であるため、上述の第一及び第二の効果を有する。図４（ｂ）の固体撮像装置は、光軸方向９と有効画素領域１０の短辺方向とを平行に配置したため、入射光の分離幅が最も小さくなり、解像度の低下の可能性をより低減することができる。

上述のように、水晶板の光軸方向とカバー部材としての水晶板の配置関係を説明したが、水晶板の厚みは、０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることが好適であり、０．３ｍｍ以上０．６ｍｍ以下であることがより好適である。水晶板はガラス板より剛性が高いが、厚みが０．２ｍｍ未満では、例えば高温時などの温度変化による水晶板の熱膨張や空間４の内圧の変化による水晶板の変形が大きくなる。そのため、水晶板の剛性が充分でないことによって水晶板の割れや剥がれの可能性が高くなり、水晶板の変形量（反り量）が大きくなって光の分離幅が大きくなることで解像度が低下する可能性が高くなる。逆に、水晶板の厚みが１．０ｍｍより厚いと、主面に対して傾いた入射光に対して光の分離幅が大きくなることから、解像度の低下の可能性が高くなる。上述の、より好適な範囲は、水晶板の変形や解像度の観点から最も好ましい範囲である。

以上説明したように、固体撮像装置のカバー部材である水晶板６の結晶の光軸方向９は、受光面に対して平行であることが好適であり、光軸方向９に対して有効画素領域の短辺が平行であることがより好適である。水晶板の主面となる平面は、光軸方向９に対して平行であることが好適である。

以上のように、本実施形態によれば、高耐熱性を有するため信頼性が高く、高画質の画像を得ることができる固体撮像装置が得られるものである。

図５は本発明の第２の実施例を示すものであり、図５（ａ）は固体撮像装置の平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＹ−Ｙ’線に沿った断面図である。

本実施例が実施例１の固体撮像装置と異なる点は、パッケージ基体内に金属板が一体化され、金属板が一部突出した部分を有することである。このようなパッケージ基体２は、樹脂と金属板１２のインサート成形によって形成される。金属板１２は例えば、ＳＵＳやアルミニウムが用いられる。

そして、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、水晶板６の光軸方向９に対して垂直方向の辺にパッケージ基体から突出するように金属板が配置されている。

パッケージ基体２と水晶板６とは熱膨張係数が異なるため、固体撮像装置の周囲の温度変化が大きい場合には、パッケージ基体２と水晶板６とが剥離する可能性がある。しかし、本実施例の構成によってパッケージ基体の温度変化による変形量を小さくできるため、パッケージ基体２と水晶板６との剥離の可能性を低減することができる。また、剥離に至らない場合でも、固体撮像装置自体の反りを低減することができる。なぜなら、伸縮率が大きいパッケージ基体の金属板の突出方向と、伸縮率が大きい水晶板の光軸の垂直方向とを同じ方向に配置することで、パッケージ基体と水晶板との接着部に加わる応力が緩和できるからである。

また、パッケージ基体２の変形量を低減できることから、より安定して高画質の画像を得ることができる。
したがって、本実施例によって、より高い耐熱性を有し、高画質の画像を得ることができる固体撮像装置を得ることができる。

図６は、第３の実施例としての撮像ユニットを示す断面図である。
図６の固体撮像装置２０は、図１で示した固体撮像装置である。固体撮像装置２０の前面である光入射側には、ホルダ２１に保持された光学ローパスフィルタ２２が１枚設置されている。言い換えると、光学ローパスフィルタ（ＬＰＦ）は、固体撮像装置の水晶板に対して撮像素子側とは反対側に配置され、水晶板と隣り合って配置されている。光学ＬＰＦ２２に入射する光の分離の方向は、符号２３で示した方向である。分離とは、光線が常光線と異常光線とに別れることである。

光学ＬＰＦ２２は、その分離方向２３が、固体撮像装置２０の水晶板６の結晶の光軸方向９と一致するように設置されている。このような構成により、固体撮像装置による解像度の低下を防止することが可能である。

なぜなら、光学ＬＰＦ２２に対して垂直に入射する光線に対しては、水晶板６による光の複屈折、すなわち光の分離が発生しないからである。また、光学ＬＰＦ２２の主面に対して斜めに入射する光線に対しても、水晶板６による光の分離が発生するものの、その分離方向は光学ＬＰＦ２２の分離方向と一致しているため、一方向だけの解像度低下にとどめることができるからである。

図７は、本実施例の他の形態を示す撮像ユニットを示している。
図７の撮像ユニットが図６の撮像ユニットと異なる点は、光学ＬＰＦを複数有する４点分離型の撮像ユニットということである。図７に示すように、撮像ユニットのホルダ２１は、光学ＬＰＦ２２ａと光学ＬＰＦ２２ｂ、そして、光学ＬＰＦ２２ａと光学ＬＰＦ２２ｂとの間に配置された位相板２４とＩＲカットガラス２５とを保持している。

このような構成においては、固体撮像装置２０に最も近接配置された光学ＬＰＦ２２ａの光の分離方向２３を、水晶板６の結晶の光軸方向９と平行にすることで、上述と同様の効果を得ることが可能である。なお、光学ＬＰＦ２２ｂは、分離方向２６で示すように、光学ＬＰＦ２２ａの分離方向２３に対して垂直方向である。

本実施例で示した撮像ユニットは、カメラやビデオの撮像装置に内蔵されているユニットであり、光学ＬＰＦを含むホルダと固体撮像装置とが組み合わされて１つの部品となっていても、個々の別の部品となっていてもよい。すなわち、光学ＬＰＦと水晶板の配置が上述の関係になっていることが重要である。

図８は、第４の実施例としての固体撮像装置を示す平面図及び断面図である。
上述の固体撮像装置と異なる点は、固体撮像素子とカバー部材としての水晶板が枠部を介して固定されていることである。

図８（ａ）及び図８（ｂ）に示したように固体撮像素子１と水晶板６は枠部１３を介してそれぞれ不図示の接着剤で固定されている。そのため、固体撮像装置は、固体撮像素子１と枠部１３と水晶板６とで囲まれた空間４を有する。水晶板６の第１の主面７および第２の主面８は、固体撮像素子１の受光面１ａに平行に配置されている。そして、水晶板６の結晶の光軸方向９は、固体撮像素子１の受光面１ａに平行に配置されている。すなわち、水晶板６の第１の主面７および第２の主面８は、水晶板６の結晶の光軸方向９と平行である。水晶板の厚みは、０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることが好適であり、０．３ｍｍ以上０．６ｍｍ以下であることがより好適である。

このような構成によって、カバー部材の割れや剥離などの可能性を低減すること、解像度の低下の可能性を低減することができ、信頼性が高く、高画質の画像を得ることができる固体撮像装置を得ることができる。

図９は、本発明の好適な実施形態の撮像装置の概略構成を示す図である。撮像装置９００は、上記の実施例の固体撮像装置に代表される固体撮像装置９０４を備える。なお固体撮像装置９０４は、上記の実施例の撮像ユニットを備えることも可能である。なお、撮像装置は、静止画や動画を撮影できるカメラやビデオなどである。

ブロック９０５〜９０８は、固体撮像装置９０４と同一チップ上に形成されてもよい。撮像装置９００の各ブロックは、全体制御・演算部９０９によって制御される。撮像装置９００は、その他、画像データを一時的に記憶するためのメモリ部９１０、記録媒体への画像の記録又は読み出しのための記録媒体制御インターフェース（Ｉ／Ｆ）部９１１を備える。記録媒体９１２は、半導体メモリ等を含んで構成され、着脱が可能である。撮像装置９００は、外部コンピュータ等と通信するための外部インターフェース（Ｉ／Ｆ）部９１３を備えてもよい。

次に、図９に示す撮像装置９００の動作について説明する。バリア９０１のオープンに応じて、メイン電源、コントロール系の電源、Ａ／Ｄ変換器９０６等の撮像系回路の電源が順にオンする。その後、露光量を制御するために、全体制御・演算部９０９が絞り９０３を開放にする。固体撮像装置９０４から出力された信号は、撮像信号処理回路９０５をスルーしてＡ／Ｄ変換器９０６へ提供される。Ａ／Ｄ変換器９０６は、その信号をＡ／Ｄ変換して信号処理部９０７に出力する。信号処理部９０７は、そのデータを処理して全体制御・演算部９０９に提供し、全体制御・演算部９０９において露出量を決定する演算を行う。全体制御・演算部９０９は、決定した露出量に基づいて絞り９０３を制御する。

次に、全体制御・演算部９０９は、固体撮像装置９０４から出力され信号処理部９０７で処理された信号にから高周波成分を取り出して、高周波成分に基づいて被写体までの距離を演算する。その後、レンズ９０２を駆動して、合焦か否かを判断する。合焦していないと判断したときは、再びレンズ９０２を駆動し、距離を演算する。

そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。露光が終了すると、固体撮像装置９０４から出力された撮像信号は、撮像信号処理回路９０５において補正等がされ、Ａ／Ｄ変換器９０６でＡ／Ｄ変換され、信号処理部９０７で処理される。信号処理部９０７で処理された画像データは、全体制御・演算部９０９によりメモリ部９１０に蓄積される。

その後、メモリ部９１０に蓄積された画像データは、全体制御・演算部９０９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部９１１を介して記録媒体９１２に記録される。また、画像データは、外部Ｉ／Ｆ部９１３を通してコンピュータ等に提供されて処理されうる。

１ 固体撮像素子
１ａ 受光面
２ パッケージ基体
３ リードフレーム
４ 空間
５ 上面部
６ 水晶板
７ 第１の主面
８ 第２の主面
９ 光軸方向

Claims (19)

1. 受光面を有する撮像素子と、前記撮像素子の前記受光面上に空間を介して対向配置されたカバー部材と、を有し、
   前記カバー部材は水晶板を有し、前記水晶板の結晶の光軸は前記受光面に対する傾きの範囲が±３°であることを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記受光面の有効画素領域が矩形であり、前記有効画素領域の短辺方向と前記水晶板の結晶の光軸が平行であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記水晶板の前記受光面の側の面が矩形であり、前記水晶板の短辺方向と前記水晶板の結晶の光軸が平行であることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
4. 前記水晶板は、０．２ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下の厚みを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
5. 前記水晶板は、０．３ｍｍ以上、０．６ｍｍ以下の厚みを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
6. 前記水晶板の前記受光面の側の面と前記水晶板の結晶の電気軸が平行であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
7. 前記水晶板の前記受光面の側の面と前記水晶板の結晶の機械軸が平行であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
8. 前記撮像素子が固定された基体を更に有し、前記基体と前記カバー部材とが固定され、前記空間は前記基体と前記カバー部材とで囲まれていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
9. 前記基体は、樹脂と、樹脂と一体の金属板とを有し、
   前記金属板は、前記樹脂から突出した部分を有し、
   前記金属板の前記突出した部分の突出方向と前記水晶板の結晶の光軸とは垂直に配置されていることを特徴とする請求項８に記載の固体撮像装置。
10. 前記撮像素子と前記カバー部材とが枠部を介して固定され、前記空間は前記撮像素子と前記カバー部材と前記枠部とで囲まれていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
    前記水晶板に対して前記撮像素子の側とは反対側に配置された光学ローパスフィルタと、を有することを特徴とする撮像ユニット。
12. 前記光学ローパスフィルタは前記水晶板と隣り合って配置されており、
    前記水晶板の結晶の光軸と前記光学ローパスフィルタの光線の分離方向が平行であることを特徴とする請求項１１に記載の撮像ユニット。
13. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
    前記水晶板に対して前記撮像素子の側とは反対側に配置された第１の光学ローパスフィルタと、前記第１の光学ローパスフィルタに対して前記水晶板の側とは反対側に配置された第２の光学ローパスフィルタと、を有することを特徴とする撮像ユニット。
14. 前記第１の光学ローパスフィルタの光線の分離方向と前記第２の光学ローパスフィルタの光線の分離方向が垂直であることを特徴とする請求項１３に記載の撮像ユニット。
15. 前記水晶板の結晶の光軸と前記第１の光学ローパスフィルタの光線の分離方向が平行であることを特徴とする請求項１３または１４に記載の撮像ユニット。
16. 前記第１の光学ローパスフィルタと前記第２の光学ローパスフィルタの間には位相板が配置されていることを特徴とする請求項１３乃至１５のいずれか１項に記載の撮像ユニット。
17. 前記第１の光学ローパスフィルタと前記第２の光学ローパスフィルタの間にはＩＲカットガラスが配置されていることを特徴とする請求項１３乃至１６のいずれか１項に記載の撮像ユニット。
18. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
    前記固体撮像装置によって得られた信号を処理する信号処理部と、
    を備えることを特徴とする撮像装置。
19. 請求項１１乃至１７のいずれか１項に記載の撮像ユニットと、
    前記固体撮像装置によって得られた信号を処理する信号処理部と、
    を備えることを特徴とする撮像装置。

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