JPH06260623A - 固体撮像素子及びその撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 集光度ないし受光効率に優れ、レンズの細密
アレイが可能で開口率に優れ受光素子の高密度配置にも
対処できて、樹脂封止にても光の利用効率に優れて耐衝
撃性に優れる固体撮像素子及びその撮像装置を得るこ
と。 【構成】 受光素子（１１）の入射側に、屈折率分布型
のレンズ（３）を設けた固体撮像素子（１）、及びかか
る固体撮像素子を用いてなる撮像装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、集光度ないし受光効率
に優れて受光素子の高密度配置が容易な固体撮像素子及
びその撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、図３に例示の如く、固体撮像素子
１における受光素子（光電変換部）１１の入射側に樹脂
からなる均一屈折率の凸レンズ５を設け、それをセラミ
ックパッケージ６とガラス板７で封止処理８したものが
知られていた。凸レンズは、光を受光素子に集光して受
光効率を高めるためのもので、塗布層のエッチング処理
や滴下等で樹脂を点在させて加熱溶融し凸レンズ形態と
することにより形成される。

【０００３】しかしながら、受光素子毎に凸レンズを均
一性よく形成することが困難で集光度がバラツキやす
く、隣接の点在樹脂が溶融時や滴下時に一体化して形成
凸レンズが複数の受光素子に跨ることの防止のため凸レ
ンズ径が制約され集光度や開口率の向上をはかりにく
く、また受光素子の高密度配置が困難な問題点があっ
た。

【０００４】一方、封止体ではガラス窓（７）のため耐
衝撃性に乏しく、その改善のため樹脂封止に転換するこ
とは凸レンズとに屈折率差をもたせにくく集光度の低下
を招くことから実用上困難な問題点があった。すなわち
凸レンズとの界面を空気層より樹脂層へと置換すること
により屈折率差が小さくなって凸レンズの焦点距離が長
くなり集光度が低下して受光効率に乏しくなり実用的で
ない問題点があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、集光度ない
し受光効率に優れ、レンズの細密アレイが可能で開口率
に優れ受光素子の高密度配置にも対処できて、樹脂封止
にても光の利用効率に優れて耐衝撃性に優れる固体撮像
素子及びその撮像装置の開発を課題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、受光素子の入
射側に、屈折率分布型のレンズを設けたことを特徴とす
る固体撮像素子、及びかかる固体撮像素子を用いてなる
ことを特徴とする撮像装置を提供するものである。

【０００７】

【作用】導光方向と垂直な方向に屈折率が分布するレン
ズ、特に中心部の屈折率が周辺部より高い分布を示すレ
ンズは、導光部（厚さ）が長いとレンズ径と屈折率差で
決まるピッチで正弦曲線（凸レンズ作用又は凹レンズ作
用）を描きながら進むので導光部の長さの設定で入射平
行光を中心部に集める凸レンズ作用を得ることができ、
例えば１／２ピッチの屈折率分布型レンズでは出射側端
面を焦点位置とすることができる。

【０００８】また屈折率分布型のレンズでは、隙間（レ
ンズ以外の部分）のないレンズアレイやレンズ間の隙間
の微小化が容易でレンズ部分の面積を大きくして開口率
を向上させることができ、受光素子の高密度配置に対処
することができる。さらに屈折率分布型のレンズでは前
記の如く屈折率分布が光屈折のパワーとなるため樹脂封
止にても受光効率に優れて光利用効率に優れる耐衝撃性
の固体撮像素子を得ることができる。

【０００９】

【実施例】本発明の固体撮像素子は、受光素子の入射側
に屈折率分布型のレンズを設けたものである。図１にそ
の例を示した。これは、受光素子と屈折率分布型のレン
ズを透明樹脂で封止したもので、１が固体撮像素子、１
１がその受光素子、３が屈折率分布型のレンズのアレイ
板、４が封止樹脂である。なお２は、透明な接着層であ
る。

【００１０】屈折率分布型のレンズを設ける対象の固体
撮像素子については特に限定はなく、適宜なものを用い
うる。その例としては、ＭＯＳキャパシタやｐ−ｎホト
ダイオード等からなる受光素子（光電変換部）と、電荷
転送形やＸ−Ｙアドレス形等からなる信号読出し部を組
合せてなる、フレーム転送型ＣＣＤ、インターライン転
送型ＣＣＤ、ＭＯＳ型撮像素子、ＣＰＤ固体撮像素子、
ＣＩＤ型撮像素子、ＢＢＤ型撮像素子、その他、光導電
膜積層型固体撮像素子、赤外用固体撮像素子などがあげ
られる。

【００１１】固体撮像素子は、画素となる受光素子を複
数有するものが通例であるが、本発明においては１個又
は２個以上の適宜な個数の受光素子を有するものであっ
てよい。本発明において有利に用いうる固体撮像素子
は、受光素子間の隙間を可及的に小さくして、また受光
素子の表面面積を可及的に小さくして受光素子の高密度
配置を達成したものである。

【００１２】屈折率分布型のレンズは、固体撮像素子に
おける受光素子の光の入射側に設けられる。前記の如く
固体撮像素子は通例複数の受光素子を有し、その場合レ
ンズは必要に応じ、レンズアレイ板として設けうる。図
２にレンズアレイ板３を例示した。３１が屈折率分布型
のレンズ単位で、レンズアレイ板３はかかるレンズ単位
３１を縦ないし横に所定の個数を適宜に配列してなる。
なお図例のものは、レンズ単位をその外縁部が隣接同士
で共有するように隙間（レンズ以外の部分）のない状態
に縦横に配列したものであり、開口率に優れるタイプで
ある。

【００１３】本発明において好ましく用いうるレンズア
レイ板は、レンズ単位を受光素子に対応させて設けうる
ものである。就中、レンズと受光素子の中心同士を対応
させて設けうるものが好ましい。なおレンズアレイ板は
必要に応じ、屈折率分布型でないレンズ単位を含んでい
てもよい。

【００１４】レンズにおける屈折率分布については特に
限定はなく、滑らかに変化する分布形態が好ましい。特
に、レンズの中心部を最大屈折率部として周辺部に２次
関数的に減少する分布形態が好ましい。また屈折率が同
心円状に変化する分布形態が好ましい。

【００１５】レンズないしそのアレイ板の材質や形状等
については適宜に決定することができ、焦点距離の点か
らは凸レンズ形態が好ましい。また集光度の制御性の点
よりは平坦な形態が好ましく、特に受光素子とのアライ
メント性や接続性の点よりは受光素子側が平坦な形態が
好ましい。従ってレンズないしそのアレイ板の特に好ま
しい形態は、両面が凸形態又は平坦、あるいは一方が凸
形態で他面が平坦なものである。

【００１６】屈折率分布型のレンズないしそのアレイ板
は、適宜な方法で形成することができる。その例として
は、基材に貫通孔を設けて２種以上のモノマーやオリゴ
マー等を注入しゲル効果で屈折率分布をもたせる方法、
屈折率分布型の光ファイバーを束ねて固着し切断研磨す
る方法などがあげられる。

【００１７】また、光反応性の２種以上のモノマーやオ
リゴマー等の混合物、ないし屈折率の大きいモノマーや
オリゴマー等を含浸させた透明樹脂に強度分布を有する
光を照射する方法などもあげられる。強度分布を有する
光は、例えば透過率分布型の光マスクを介して露光する
方式や、モードによる強度分布を有するレーザー光を照
射する方式などにより得ることができる。

【００１８】レンズ径は、受光素子の大きさやその間
隔、集光能力などにより適宜に決定される。前記のレー
ザー光による方法では、照射ビーム径の調節等で０．０
１〜２００mm程度のレンズ径に容易に制御でき、微細レ
ンズを高密度に容易に形成できて開口率に優れるレンズ
アレイ板が効率よく得られる。屈折率分布型のレンズな
いしそのアレイ板の厚さは、レンズ効果等により適宜に
決定されるが一般には、１０μm〜１０mmとされる。

【００１９】屈折率分布型のレンズないしそのアレイ板
は、受光素子ないし固体撮像素子の所定位置に単に配置
されていてもよいが、透明な接着剤や粘着剤等の適宜な
固定手段で固着されていることが好ましい。就中、受光
素子の封止の観点よりエポキシ系樹脂による固着が好ま
しい。レンズと受光素子の固着は、封止前に行うことも
できるし、封止処理時に行うこともできる。

【００２０】固着用の接着剤等の屈折率は光損失の抑制
の点より、封止樹脂やレンズの中心部又は周辺部のいず
れかと等しいか、それらの中間値であることが好まし
い。レンズの受光素子側が凸形態である場合には、屈折
等の光学的パワーの点より屈折率の低いものが好まし
い。屈折率分布型のレンズと受光素子との距離は任意に
設定でき、薄型化の点よりは密着させることが好まし
い。なお本発明においては集光度の制御等を目的に、屈
折率分布型のレンズないしレンズアレイ板を重畳状態で
設けることもできる。

【００２１】前記においてレンズと受光素子を接着剤等
を介して密着させる場合、集光度の点よりは受光素子の
表面に屈折率分布型のレンズの焦点が位置するようにす
ることが好ましく、その達成は例えば屈折率分布型レン
ズの伝送ピッチを１／４又は３／４とすることで行うこ
とができる。

【００２２】なお一般に、ｉ、ｊを正の整数として、屈
折率分布型レンズの伝送ピッチの最適条件は、式：ｉ／
２＋１／４で表されるが光学的には（４ｊ＋１）／４ピ
ッチは１／４ピッチと同様でｉが２以上であることに好
都合な点はなく、むしろレンズ厚の増大で光の伝送損失
が増大して好ましくない。レンズと受光素子とが離れて
いる場合には、前記の最適な伝送ピッチは若干短縮され
る。

【００２３】一般には、受光素子の配置密度（受光素子
間の距離）で好ましいレンズ径が決まることより、レン
ズの中心と周辺との屈折率差を△ｎとしてその△ｎとレ
ンズ厚の一方が決まれば他方の最適条件は一義的に決ま
る。ただし、レンズが中心ほど屈折率が高くなる分布を
有する場合、伝送時における吸収等の損失を無視すれば
上記の条件を満足しなくても集光効率はレンズがないと
きに比べて向上する。

【００２４】図１に例示の如き封止構造は、固体撮像素
子を水分等より保護するためのものであるが、その封止
樹脂については適宜なものを用いてよく受光側が透明で
あればよい。従って封止層の一体的形成の点よりは透明
な樹脂が好ましい。また封止性能の点よりは、吸湿量や
透湿量の小さい樹脂が好ましく、さらに熱膨張係数の小
さい樹脂が好ましい。好ましく用いうる樹脂の例として
は、エポキシ系樹脂や透明ポリイミド系樹脂などがあげ
られる。なおレンズの表面形態に基づく屈折で光学的パ
ワーを得る場合には、屈折率の低い樹脂で封止すること
が外部よりの入射光の反射損失を抑制する点より好まし
い。

【００２５】本発明においては、樹脂封止層の表面に反
射防止層等の光利用効率の向上処理を施すこともでき
る。また受光素子の表面、ないし屈折分布型レンズの位
置に必要に応じカラーフィルターを設けることもでき、
屈折分布型レンズ自体を染色してカラーフィルターとす
ることもできる。本発明の固体撮像素子は、例えばカメ
ラ等の被写体の撮像装置など種々の目的に好ましく用い
ることができる。

【００２６】実施例１ トリブロモフェノキシエチルアクリレート１部と光重合
開始剤（イルガキュア６５１、チバガイギー社製）１部
をクロロホルム１部に溶解させた溶液を、厚さ２００μ
mのウレタンアクリレート系シート（ユニディックＶ４
２２０、大日本インキ社製）に含浸させたのち、暗所に
てクロロホルムを除去しそのシートに０次の横方向発振
モードのヘリウム・カドミウムレーザー（ビーム出力：
２．９mW、ビーム径：１．２mm）を集光して０．２mmの
ビーム径で走査させながら１スポットあたり０．２秒間
照射したのち、メタノール中に６時間浸漬して未反応の
トリブロモフェノキシエチルアクリレートを抽出除去
し、縦横１０列ずつのレンズ単位を有するレンズアレイ
板を得た。

【００２７】前記のレンズアレイ板は市販の受光素子に
適合するよう作製したもので、形成された各円形レンズ
部の直径は約０．２mm、各レンズ中心間のピッチは約
０．０５mm、レンズにおける屈折率分布は２次曲線状
で、その屈折率は中心が１．５２５、周辺部が１．４９
５であった。次に前記のレンズアレイ板を市販の受光素
子上にそれらの中心同士が一致するよう透明接着剤を用
いて接着したのち、市販の透明なエポキシ樹脂で封止し
固体撮像素子を得た。

【００２８】比較例１ レンズアレイ板を用いないで実施例１に準じ受光素子を
エポキシ樹脂で封止し固体撮像素子を得た。

【００２９】比較例２ 受光素子の受光部中心にポリメチルメタクリレートの３
０重量％酢酸エチル溶液を滴下し、乾燥させて凸レンズ
を形成しそれを実施例１に準じエポキシ樹脂で封止し固
体撮像素子を得た。

【００３０】評価試験 実施例、比較例で得た固体撮像素子に暗室中で、ヘリウ
ム・ネオンレーザーにて光強度０．１mW／cm²の平行光
を照射し、受光素子１個についての出力を取出して増幅
回路で増幅し、出力電圧を調べた。前記の結果、実施例
１では１．８５Ｖであったが、比較例１では１．１Ｖ、
比較例２では１．０Ｖであった。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、屈折率分布型のレンズ
を用いたので集光度ないし受光効率に優れ、開口率に優
れて受光素子が高密度に配置された固体撮像素子を形成
することことができる。また樹脂による封止にても光の
利用効率に優れて耐衝撃性に優れる固体撮像素子を得る
ことことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の断面図。

【図２】レンズアレイ板を例示した部分断面斜視図。

【図３】従来例の断面図。

【符号の説明】

１：固体撮像素子 １１：受光素子 ２：接着層 ３：屈折率分布型のレンズのアレイ板 ４：封止樹脂

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 受光素子の入射側に、屈折率分布型のレ
   ンズを設けたことを特徴とする固体撮像素子。
2. 【請求項２】 受光素子とレンズを透明樹脂で封止して
   なる請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の固体撮像素子を
   用いてなることを特徴とする撮像装置。