CN102194839A - 固态成像器件、成像单元和成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及固态成像器件、成像单元和成像装置。固态成像器件包含具有光接收表面的成像元件和被设置在成像元件的光接收表面之上并且与其相对的覆盖部件，在所述覆盖部件与所述成像元件的光接收表面之间具有空间。覆盖部件具有石英板，并且，石英板的晶体的光轴与光接收表面平行。
Description
技术领域
本发明涉及使用成像元件的固态成像器件、成像单元和成像装置。
背景技术
已知的成像装置中的一些具有由包含少量的诸如重金属之类的杂质的单晶形成的Z切割石英板，该Z切割石英板用作对封装进行密封的固态成像元件覆盖件(参见日本专利特开No.2008-042797)。Z切割石英板是被切割为使得石英板的主表面的法线对于作为石英的光轴的Z轴呈零度角的石英板。
在上述的已知的成像装置中，在安装过程中的回流焊接(reflowsoldering)时或者在高温环境中使用照相机时，粘接到封装基体上的覆盖部件明显变形，并且，存在覆盖部件将剥离或破坏的可能性。随着覆盖部件的变形的增大，由于石英板的双折射性质引起的从透镜斜入射到石英板上的光线的分离宽度增大。由于Z切割石英板是与Z轴方向垂直地被切割的石英板，因此，在与入射光的所有振动方向对应的方向上发生光线分离。结果，拍摄的图像的分辨率降低。
发明内容
在本发明的一个方面中，固态成像器件包含具有光接收表面的成像元件和被设置在成像元件的光接收表面之上并且与所述成像元件的光接收表面相对的覆盖部件，在所述覆盖部件和所述成像元件的光接收表面之间具有空间。覆盖部件具有石英板，并且，石英板的晶体的光轴与光接收表面平行。
从参照附图对示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得清晰。
附图说明
图1A和图1B图示第一实施例的固态成像器件。
图2A和图2B图示示出石英板的晶轴的石英锭。
图3A～3F图示石英板的晶轴。
图4A～4C图示第一实施例的固态成像器件。
图5A和图5B图示第二实施例的固态成像器件。
图6图示第三实施例的成像单元。
图7图示第三实施例的成像单元的变更例。
图8A和图8B图示第四实施例的固态成像器件。
图9图示使用实施例的固态成像器件的成像装置。
具体实施方式
现在将参照图1A～9描述本发明的实施例。
第一实施例
本实施例的固态成像器件具有带有光接收表面的成像元件和被设置在光接收表面之上并且与该光接收表面相对的覆盖部件，在所述覆盖部件和所述光接收表面之间具有空间，并且，本实施例的固态成像器件的特征在于，覆盖部件具有石英板，并且，石英板的晶体的光轴与光接收表面平行。将参照图1A和图1B给出详细的描述。
图1A是示出第一实施例的固态成像器件的平面图，图1B是沿图1A的线IB-IB所取的截面图。
图1A和图1B所示的固态成像器件具有：带有多个光接收元件的固态成像元件1、带有凹陷部分的封装基体2、包含于封装基体2中的引线框架3和用作覆盖部件的石英板6。固态成像元件1具有光入射于其上的光接收表面1a。固态成像元件1通过粘接剂(未示出)被固定到封装基体2。覆盖部件6通过粘接剂(未示出)被固定到封装基体2的框架部分的上表面5。作为结果，固态成像元件1具有被封装基体2和石英板6包围的空间4。
石英板6具有光入射侧的第一主表面7和光出射侧的第二主表面8。附图标记9表示与石英板6的第一主表面7和第二主表面8平行的石英板6的光轴方向。石英板6可在第一主表面7和/或第二主表面8上具有AR涂层和/或IR切割涂层。当石英板具有各种薄膜涂层时，在石英板上形成的用于防止反射或切割红外光等的涂层的表面将被定义为石英板的主表面。
图2A和图2B是示出石英板的晶轴的石英锭的示意图。如图1B所示，石英板6的光轴方向是图2A和图2B中的Z轴方向。在图2A和图2B中，Z轴是被称为光轴的、石英锭的晶体生长方向。与Z轴垂直的X轴是被称为电气轴的方向，并且，与Z轴垂直的Y轴是被称为机械轴的方向。可通过在使得光轴(Z轴)与主表面平行的方向上切下而形成根据本发明的石英板。图2A示出从石英锭获得的石英板6的例子。图2A示出石英板6与Z轴和X轴方向平行的情况和石英板6与Z轴和Y轴方向平行的情况这二者。可以在任何方向上切下石英板6，只要主表面与Z轴平行即可。图2B示出与Z轴和Y轴平行地切下石英板6的情况。由于从锭件切下石英板时的机加工误差，因此可能形成相对于光轴倾斜的石英板。然而，如果相对于光轴的倾斜在±3°的范围内，那么可以实现充分高的耐热性，并且，可以充分地防止图像分辨率的降低。因此，措词“石英板的第一主表面和第二主表面与光轴平行”应被理解为意味着相对于光轴的倾斜在±3°的范围内。
图3A～3F是示出从锭件切下的石英板的例子的平面图和前视图，并且各示出作为第一主表面7和第二主表面8的平面与光轴方向9平行。将描述每一个的特性。
在图3A(平面图)和图3B(前视图)中所示的石英板6中，石英板6的长边与光轴方向9平行。在图3C(平面图)和图3D(前视图)中所示的石英板6中，石英板6的短边与光轴方向9平行。在图3E(平面图)和图3F(前视图)中所示的石英板6中，长边和短边均不与光轴方向9平行。
由于石英的各向异性，因此，前述的石英板6具有比通过在其它方向上切割而制成的石英板高的弯曲刚度。使用前述的石英板中的任一个作为固态成像器件的覆盖部件可减少由高温下的中空部分内的增大的压力导致的覆盖部件的变形，并因此提供至少两个益处。
第一益处在于，可以降低覆盖部件会破坏或剥离的可能性。当应力由于覆盖部件的变形而超过覆盖部件的破坏强度或粘接强度时，会发生破坏或剥离。由于覆盖部件的变形小，因此，本实施例可减少这些情况的发生。
第二益处在于，可以减小分辨率降低的可能性。由于覆盖部件的变形，因此，即使垂直入射到固态成像器件的光接收表面上的光也斜入射到石英板的主表面上，并且因此，由于石英的双折射特性导致分辨率降低。由于覆盖部件的变形小，因此，可以减小分辨率的降低。在通过照相机或摄像机等的透镜的光学系统的情况下，大部分的光相对于石英板的主表面不是垂直的而是倾斜的。与其它切割角度的石英板相比，可使得相对于石英板的主表面倾斜的光的光分离宽度较小。因此，由本实施例的固态成像器件获得的图像的分辨率是优异的。
特别地，图3C和图3D中所示的其短边与光轴方向9平行的石英板具有最高的刚度，因此，其第一益处和第二益处二者均是优异的。
虽然图3A～3F中所示的石英板6是矩形，但是，它们可以是正方形。
图4A～4C是示出固态成像器件的石英板6的布置的平面图。
图4A、图4B和图4C各示出固态成像器件，该固态成像器件包含：固态成像元件1，被设置在封装基体2中，并且具有其中设置有多个光接收元件的有效像素区域10；和石英板6，被设置在框架部分的上表面上。固态成像元件1的光接收表面的有效像素区域是矩形。在各图中，石英板6的晶体的光轴方向9与光接收表面平行，并且，石英板6的主表面与光轴方向9平行。以下是图4A、图4B和图4C之间的差异。
在图4A的固态成像器件中，石英板6的晶体的光轴方向9被设置为与固态成像元件1的有效像素区域10的长边平行。在图4B的固态成像器件中，石英板6的晶体的光轴方向9被设置为与固态成像元件1的有效像素区域10的短边平行。在图4C的固态成像器件中，石英板6的晶体的光轴方向9被设置为既不与固态成像元件1的有效像素区域10的长边平行也不与其短边平行。在各固态成像器件中，光接收表面与石英板6的晶体的光轴方向9平行。因此，各固态成像器件具有上述的第一益处和第二益处。在图4B的固态成像器件中，光轴方向9被设置为与有效像素区域10的短边方向平行。因此，如果发生入射光的分离，那么分离的宽度最小，并且，可以进一步减小分辨率降低的可能性。
虽然已描述了石英板的光轴方向和石英板作为覆盖部件的布置之间的关系，但是，在一个实施例中，石英板的厚度为至少0.2mm但不大于1.0mm，或者至少0.3mm但不大于0.6mm。石英板的刚度比玻璃板高。但是，当厚度小于0.2mm时，由于例如高温下的温度变化导致的石英板的膨胀和由于空间4(中空)内的压力的变化导致的石英板的变形是显著的。石英板的刚度不足增大石英板会破坏或剥离的可能性。由石英板的变形(翘曲)量的增加导致的光分离宽度的增加增大分辨率会降低的可能性。当石英板的厚度大于1.0mm时，相对于主表面倾斜的入射光的光分离宽度是显著的，因此，分辨率很可能低。
如上所述，用作固态成像器件的覆盖部件的石英板6的晶体的光轴方向9与光接收表面平行，并且，有效像素区域的短边与光轴方向9平行。并且，作为石英板的主表面的平面与光轴方向9平行。
如上所述，本实施例提供具有高的耐热性并因此具有高的可靠性并且可获得高质量图像的固态成像器件。
第二实施例
图5A和图5B示出本发明的第二实施例。图5A是固态成像器件的平面图，并且，图5B是沿图5A的线VB-VB所取的截面图。
本实施例与第一实施例的固态成像器件的不同在于，金属板被集成到封装基体中并且部分地从封装基体突出。通过树脂和金属板12的插入成型形成这种封装基体2。金属板12由例如不锈钢或铝制成。
如图5A和图5B所示，金属板被设置为在与石英板6的光轴方向9垂直的方向上从封装基体侧突出。
由于封装基体2和石英板6的热膨胀系数不同，因此，当固态成像器件的周围的温度变化显著时，石英板6可能从封装基体2剥离。本实施例的配置可减少由于温度变化导致的封装基体的变形量，并因此可减少石英板6会从封装基体2剥离的可能性。当不发生剥离时，可以减少固态成像器件自身的翘曲。原因是，封装基体在金属板突出的方向上具有较大的热膨胀系数，石英板在与光轴垂直的方向上具有较大的热膨胀系数，因此，设置封装基体和石英板使得金属板在与光轴垂直的方向上突出可松驰封装基体和石英板的接合部分上的应力。
由于可减少封装基体2的变形量，因此，可以更稳定地获得高质量图像。
因此，本实施例提供具有更高的耐热性并可获得高质量图像的固态成像器件。
第三实施例
图6是示出作为第三实施例的成像单元的截面图。
图6的固态成像器件20是图1所示的固态成像器件。在作为固态成像器件20的前方的光进入侧，设置由保持器21保持的光学低通滤波器22。换句话说，光学低通滤波器(LPF)被设置在固态成像器件的石英板的相对于成像元件的相对侧，并且被设置为与石英板相邻。入射到光学LPF 22上的光的分离的方向是由附图标记23表示的方向。术语“分离”意味着光线被分离成普通光线和异常光线。
光学LPF 22被设置为使得分离方向23与固态成像器件20的石英板6的晶体的光轴方向9对应。这种配置可防止由于固态成像器件导致的分辨率的降低。
原因是，垂直入射到光学LPF 22上的光线在穿过石英板6时不经受光的双折射即光的分离。虽然斜入射到光学LPF 22的主表面上的光线在穿过石英板6时经受光的分离，但是，分离方向与光学LPF22的分离方向对应，因此，分辨率的降低可仅限于一个方向。
图7示出表示本实施例的另一形式的成像单元。
图7的成像单元与图6的成像单元的不同在于，图7的成像单元是具有多个光学LPF的四点分离型成像单元。如图7所示，成像单元的保持器21保持光学LPF 22a和22b以及设置在光学LPF 22a和22b之间的相位板24和IR切割玻璃板25。
在这种配置中，通过使得最接近固态成像器件20的光学LPF 22a的光分离方向23与石英板6的晶体的光轴方向9平行，可获得与上述的益处相同的益处。如图所示，光学LPF 22b的分离方向26与光学LPF 22a的分离方向23垂直。
本实施例中所示的成像单元是并入到诸如照相机或摄像机之类的成像装置中的单元。包含光学LPF或多个光学LPF的保持器和固态成像器件可以是一体化的或单独的部件，只要以上述的关系布置光学LPF或多个光学LPF和石英板即可。
第四实施例
图8A和图8B分别是示出作为第四实施例的固态成像器件的平面图和截面图。
该固态成像器件与上述的固态成像器件的不同在于，作为覆盖部件的石英板通过石英板与固态成像元件之间的框架部分被固定到固态成像元件。
如图8A和图8B所示，固态成像元件1和石英板6各通过粘接剂(未示出)被固定到框架部分13。结果，固态成像器件具有被固态成像元件1、框架部分13和石英板6包围的空间4。石英板6的第一主表面7和第二主表面8被设置为与固态成像元件1的光接收表面1a平行。石英板6的晶体的光轴方向9被设置为与固态成像元件1的光接收表面1a平行。因此，石英板6的第一主表面7和第二主表面8与石英板6的晶体的光轴方向9平行。石英板的厚度为至少0.2mm但不大于1.0mm，或者至少0.3mm但不大于0.6mm。
前述的配置可减少覆盖部件将破坏或剥离的可能性，并且可减少分辨率降低的可能性。因此，可以获得具有高的可靠性并可获得高质量图像的固态成像器件。
第五实施例
图9是本发明的实施例的框图概要。成像装置900具有以第一、第二和第四实施例的固态成像器件为典型的固态成像器件904。作为固态成像器件904的替代，成像装置900可具有第三实施例的成像单元。成像装置为例如可拍摄静止或运动图像的照相机或摄像机。
可以在固态成像器件904的同一芯片上形成块905～908。成像装置900的各块由总体控制和计算单元909控制。另外，成像装置900具有用于暂时存储图像数据的存储器单元910和用于在记录介质上写入或从记录介质读取图像的记录介质控制接口单元911。记录介质912包含例如半导体存储器并且是可移除的。成像装置900可具有用于例如与外部计算机通信的外部接口单元913。
下面将描述图9所示的成像装置900的操作。响应挡板901的打开，主电源、控制系统的电源和包含A/D转换器906的成像电路的电源被依次接通。然后，为了控制曝光值，总体控制和计算单元909完全打开光阑903。从固态成像器件904输出的信号穿过成像信号处理电路905并且被提供给A/D转换器906。A/D转换器906将信号A/D转换并且将经A/D转换的信号输出到信号处理单元907。信号处理单元907处理数据并且将经处理的数据提供给总体控制和计算单元909。总体控制和计算单元909执行用于确定曝光值的计算。总体控制和计算单元909基于确定的曝光值控制光阑903。
然后，总体控制和计算单元909从输出自固态成像器件904并且在信号处理单元907中被处理的信号提取高频成分，并且基于高频成分计算到对象的距离。然后，总体控制和计算单元909驱动透镜902并且确定对象是否对焦。如果总体控制和计算单元909确定对象失焦，那么它再次驱动透镜902并且计算距离。
在确认对象对焦之后，开始实际的曝光。在完成曝光之后，从固态成像器件904输出的成像信号在成像信号处理电路905中被校正、在A/D转换器906中被A/D转换，并且在信号处理单元907中被处理。通过总体控制和计算单元909，在信号处理单元907中处理的图像数据被存储于存储器单元910中。
然后，在总体控制和计算单元909的控制下，存储于存储器单元910中的图像数据通过记录介质控制接口单元911被记录于记录介质912上。图像数据可通过外部接口单元913被提供给计算机等并被其处理。
虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有这种变更方式以及等同的结构和功能。
Claims (20)
1.一种固态成像器件，包含：
成像元件，具有光接收表面；和
覆盖部件，被设置在成像元件的光接收表面之上并且与所述成像元件的光接收表面相对，使得在所述覆盖部件与所述成像元件的光接收表面之间具有空间，
其中，覆盖部件具有石英板，并且，石英板的晶体的光轴与光接收表面平行。
2.根据权利要求1的固态成像器件，其中，光接收表面的有效像素区域是矩形，并且，有效像素区域的短边方向与石英板的晶体的光轴平行。
3.根据权利要求1的固态成像器件，其中，石英板的与光接收表面相对的表面是矩形，并且，石英板的短边方向与石英板的晶体的光轴平行。
4.根据权利要求1的固态成像器件，其中，石英板具有至少0.2mm但不大于1.0mm的厚度。
5.根据权利要求1的固态成像器件，其中，石英板具有至少0.3mm但不大于0.6mm的厚度。
6.根据权利要求1的固态成像器件，还包含基体，成像元件被固定于所述基体，其中，基体和覆盖部件被相互固定，并且，由基体和覆盖部件包围所述空间。
7.根据权利要求6的固态成像器件，其中，所述基体具有树脂体和与树脂体一体化的金属板，所述金属板具有从树脂体突出的部分，并且，金属板的突出部分的突出方向与石英板的晶体的光轴垂直。
8.根据权利要求1的固态成像器件，其中，成像元件和覆盖部件通过其间的框架部分被相互固定，并且，由成像元件、覆盖部件和框架部分包围所述空间。
9.一种成像单元，包含：
成像元件，具有光接收表面；
覆盖部件，被设置在成像元件的光接收表面之上并且与所述成像元件的光接收表面相对，使得在所述覆盖部件与所述成像元件的光接收表面之间具有空间，覆盖部件具有石英板，石英板的晶体的光轴与光接收表面平行；和
光学低通滤波器，被设置在石英板的与成像元件相对的侧，并且被设置为与石英板相邻，
其中，石英板的晶体的光轴与低通滤波器分离光线的方向平行。
10.根据权利要求9的成像单元，其中，光接收表面的有效像素区域是矩形，并且，有效像素区域的短边方向与石英板的晶体的光轴平行。
11.根据权利要求9的成像单元，其中，石英板的与光接收表面相对的表面是矩形，并且，石英板的短边方向与石英板的晶体的光轴平行。
12.根据权利要求9的成像单元，其中，石英板具有至少0.2mm但不大于1.0mm、或者至少0.3mm但不大于0.6mm的厚度。
13.根据权利要求9的成像单元，还包含基体，所述成像元件被固定于所述基体，其中，基体和覆盖部件被相互固定，并且，由基体和覆盖部件包围所述空间。
14.根据权利要求9的成像单元，其中，成像元件和覆盖部件通过其间的框架部分被相互固定，并且，由成像元件、覆盖部件和框架部分包围所述空间。
15.一种成像装置，包括：
根据权利要求1的固态成像器件；和
信号处理单元，处理由固态成像器件获得的信号。
16.根据权利要求15的成像装置，其中，光接收表面的有效像素区域是矩形，并且，有效像素区域的短边方向与石英板的晶体的光轴平行。
17.根据权利要求15的成像装置，其中，石英板的与光接收表面相对的表面是矩形，并且，石英板的短边方向与石英板的晶体的光轴平行。
18.根据权利要求15的成像装置，其中，石英板具有至少0.2mm但不大于1.0mm、或者至少0.3mm但不大于0.6mm的厚度。
19.根据权利要求15的成像装置，其中，固态成像器件还包含基体，所述成像元件被固定到所述基体，其中，基体和覆盖部件被相互固定，并且，由基体和覆盖部件包围所述空间。
20.根据权利要求15的成像装置，其中，成像元件和覆盖部件通过其间的框架部分被相互固定，并且，由成像元件、覆盖部件和框架部分包围所述空间。
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