DE4422825A1 - Ladungskopplungs-Festkörperbildsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ladungskopplungs­ bzw. CCD-Festkörperbildsensor und insbesondere auf eine Anordnung einer Mikrolinse und eines Lichtaufnahmebe­ reichs des Festkörperbildsensors für das Vergrößern einer nutzbaren Fokussierfläche.

In einem Festkörperbildsensor ist als ein Bildelement eine Abbildungsfläche geformt, die aus einer Festkörper­ vorrichtung besteht, die die Funktion zur photoelektri­ schen Umwandlung zu einer Signalladung hat. Der Sensor setzt die in einem jeweiligen Bildelement gesammelte Si­ gnalladung in ein elektrisches Signal um, wodurch Bildin­ formationen in elektrische Signale umgesetzt werden.

Die Sensoren sind abhängig von dem Abtastverfahren für das Auslesen der Signale aus dem einzelnen Bildelementen grob in zwei Arten zu unterteilen. Die eine Art ist ein Festkörperbildsensor, bei dem ein XY-Adressensystem ange­ wandt wird, während bei der anderen Art ein Signalüberta­ gungssystem angewandt wird. Aus dem Festkörperbildsensor mit dem XY-Adressensystem wird ein Ausgangssignal durch selektives Auslesen einer Signalladung aus einem jeweili­ gen Bildelement erhalten. Im Handel ist ein derartiger Metalloxydhalbleiter- bzw. MOS-Festkörperbildsensor er­ hältlich. Demgegenüber wird in einem Festkörperbildsensor mit einem Signalübertragungssystem gleichzeitig ein alle Bildelemente darstellendes Signal zu einer Ladungskopp­ lungsvorrichtung CCD übertragen. Das Signal wird dann se­ riell ausgelesen. Solche Ladungskopplungs- bzw. CCD-Fest­ körperbildsensoren stellen den Hauptteil der Sensoren mit einem Signalübertragungssystem dar.

Die CCD-Festkörperbildsensoren können in Abhängigkeit von dem Übertragungssystem weiter in zwei Arten von Sensoren unterteilt werden. Bei der einen Art von Sensoren wird ein Bildübertragungssystem verwendet, während bei der anderen Art ein Zeilenzwischenübertragungssystem ange­ wandt wird. Die Sensoren der ersteren Art sind durch einen Aufnahmeteil für das Umsetzen von einfallendem Licht in eine Signalladung, einen Sammler für das Sammeln der Signalladung und eine Vertikalübertragungs-Ladungs­ kopplungsvorrichtung für das vertikale Übertragen der Si­ gnalladungen gebildet. Die Sensoren der letzteren Art sind durch Photodioden zum Erzeugen von Signalladungen in Abhängigkeit von der Stärke des einfallenden Lichtes, eine Vertikalübertragungs-Ladungskopplungsvorrichtung für das vertikale Übertragen der Signalladungen, eine Hori­ zontalübertragungs-Ladungskopplungsvorrichtung für das horizontale Übertragen der aus der Vertikalübertragungs- Ladungskopplungsvorrichtung übertragenen Signalladungen und eine Ausgabeschaltung für das Erfassen der aus der Horizontalübertragungs-Ladungskopplungsvorrichtung über­ tragenen Signalladungen gebildet.

Ein herkömmlicher CCD-Festkörperbildsensor ist in Fig. 1 dargestellt. Demnach sind an einem Halbleitersubstrat Photodioden 10, nämlich Zonen zur photoelektrischen Wand­ lung angeordnet. Die Fig. 1 zeigt einen Teil der Bildele­ mentzellenanordnung eines CCD-Festkörperbildsensors, bei welchem ein Zeilenzwischenübertragungssystem verwendet wird, in welchem eine Vertikalübertragungs-Ladungskopp­ lungvorrichtung für das vertikale Übertragen von Signal­ ladungen enthalten ist.

Gemäß Fig. 1 sind die Zonen zur photoelektronischen Wand­ lung, nämlich die Photodioden 10 in einer Matrix angeord­ net, wobei vertikal zwischen den Photodioden 10 ein Mas­ kenmuster 11 zum Bilden eines Vertikalübertragungskanals angeordnet ist, der eine Vertikalübertragungs-Ladungs­ kopplungsvorrichtung bildet, senkrecht in bezug auf die Photodioden ein Maskenmuster 13 zum Bilden einer ersten Übertragungselektrode angeordnet ist, die die Vertikal­ übertragungs-Ladungskopplungsvorrichtung bildet, und par­ allel zu dem Maskenmuster 13 ein Maskenmuster 14 als zweite Übertragungselektrode angeordnet ist, die die Ver­ tikalübertragungs-Ladungskopplungsvorrichtung bildet. Das Maskenmuster 14 überlappt teilweise das Maskenmuster 13. Zwischen den Photodioden 10 und dem Maskenmuster 11 liegt ein Übertragungskanal 12, der von dem Maskenmuster 14 überdeckt ist. Über den Übertragungskanal 12 werden die Signalladungen aus den Zonen zur photoelektrischen Wand­ lung durch die zweite Übertragungselektrode zu einer Ver­ tikalübertragungs-Ladungskopplungsvorrichtung übertragen.

Der CCD-Festkörperbildsensor, in welchem ein Zeilenzwi­ schenübertagungssystem verwendet ist und dessen Zellenan­ ordnungsteil schematisch in Fig. 1 dargestellt ist, ar­ beitet allgemein folgendermaßen:

Wenn ein Photosignal, beispielsweise sichtbares Licht auf die Photodiode 10 aufgestrahlt wird, wird in der Photodi­ ode eine Signalladung gesammelt, die durch einen Photo­ neneffekt erzeugt wird, bei dem proportional zu der Stärke des einfallenden Lichtes Elektronen erzeugt wer­ den. Während einer Bildverschiebungsperiode wird das um­ gesetzte und gesammelte Photosignal als elektrische Si­ gnalladung über den zwischen der Photodiode und dem durch das Maskenmuster 11 gebildeten Vertikalübertragungskanal geformten Übertragungskanal 12 zu dem Vertikalübertra­ gungskanal übertragen. Dann werden Taktimpulse an eine Vielzahl von an dem Vertikalübertragungskanal gebildeten Übertragungselektroden angelegt, nämlich an eine durch das Maskenmuster 13 gebildete erste Übertragungselektro­ dengruppe und eine durch das Maskenmuster 14 gebildete zweite Übertragungselektrodengruppe. Auf diese Weise wird die Signalladung in einer Richtung eines Vertikalübertra­ gungskanals, im allgemeinen in Richtung der Formung einer Horizontalübertragungs-Ladungskopplungsvorrichtung trans­ portiert und weiter zu der (nicht dargestellten) Horizon­ talübertragungs-Ladungsvorrichtung befördert, die an dem Ende des Vertikalübertragungskanals ausgebildet ist. Die zu der Horizontalübertragungs-Ladungskopplungsvorrichtung beförderten Signalladungen werden aufeinanderfolgend horizontal zu einem (nicht dargestellten) Ausgabeschal­ tungsteil übertragen, in welchem die Signalladungen in Spannungspegel umgesetzt und als Signal nach außen abge­ geben werden.

Da in der letzten Zeit die Festkörperbildsensoren für den Einsatz in einem Camcorder oder in einem anderen handels­ üblichen Heimgerät miniaturisiert und leichter gemacht wurden, wird die Photoempfindlichkeit eines Festkörper­ bildsensors sehr wichtig. Die Photoempfindlichkeit eines CCD-Festkörperbildsensors hängt von einem Aperturverhält­ nis ab, welches durch das Verhältnis eines Lichtaufnahme­ teilbereichs zu einer Gesamtfläche einer Bildelementean­ ordnung ausgedrückt werden kann. Wenn infolge hoher Inte­ gration eine Bildelementeinheit kleiner wird, werden in­ folge dessen die Fläche und der Anteil der in der Bild­ elementeinheit angeordneten Photodiode verringert, so daß dadurch die Photoempfindlichkeit herabgesetzt ist. Außer­ dem wird die Photoempfindlichkeit durch eine Farbfilter­ schicht (38 in Fig. 3) weiter gesenkt, die im wesentli­ chen für die Farbempfindlichkeit eines Festkörperbildsen­ sors ausgebildet ist. Durch die Farbfilterschicht wird das auf eine Photodiode fallende Licht gemäß den Wellen­ längen aufgelöst und selektiv auf die Photodiode aufge­ strahlt. Somit wird auf die Photodiode Licht mit einer geringeren Intensität als das ursprünglich einfallende Licht aufgestrahlt.

Kürzlich wurden verschiedenerlei Verfahren zum Erhöhen der Photoempfindlichkeit vorgeschlagen. Beispielsweise wurden ein CCD-Festkörperbildsensor, bei dem eine photo­ leitfähige Schicht aus amorphem Silizium verwendet wird (siehe "A High-Resolution staggered Configuration CCD Imager Overlaid with an a-Si Photoconductive Layer", von N. Harada u. a., IEEE Transactions on Electron Devices, Band ED-32, Seiten 1499-1504, 1985), und ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem eine monolithische Kunstharzlinse verwendet wird (siehe "A High-Photosensitivity I1-CCD Imager Sensor with Momolithic Resin Lens Array", von Y. Ishihara u. a., IEDM Technical Digest, Seiten 497-500, 1983). Bei dem ersteren Sensor bestehen jedoch Probleme hinsichtlich des Bildnachzieheffektes und des Dunkel­ stroms, wodurch die Eigenschaften der Ladungskopplungs­ vorrichtung verschlechtert werden. Bei dem letzteren Ver­ fahren besteht ein Problem darin, daß keine zufrieden­ stellende Empfindlichkeit erzielbar ist.

Zum Lösen der Probleme wurde in der letzten Zeit zum Ver­ bessern der Photoempfindlichkeit eines CCD-Festkörper­ bildsensors im allgemeinen ein Verfahren angewandt, bei dem die Fokussierwirkung einer Mikrolinse genutzt wird.

Das Verfahren, bei dem eine Mikrolinse innerhalb des Festkörperbildsensors angeordnet ist, ist darauf gerich­ tet, die an einem Lichtaufnahmeteil gebündelte Lichtmenge zu erhöhen. Bei dem Verfahren wird ferner je Bildele­ menteinheit eine Mikrolinse derart angeordnet, daß auf den Lichtaufnahmeteil das Licht fokussiert wird, welches ansonsten andere Bereiche als den Lichtaufnahmeteil be­ strahlen würde. Vergleicht man Festköperbildsensoren mit und ohne Mikrolinse, die beide das gleiche Aperturver­ hältnis haben, so hat daher der Sensor mit der Mikrolinse die höherer Photoempfindlichkeit.

Im allgemeinen nimmt in einem CCD-Festkörperbildsensor, bei dem ein Zeilenzwischenübertragungssystem verwendet ist, der Lichtaufnahmeteil (10 nach Fig. 2) für das Auf­ nehmen eines zu erfassenden Bildes ungefähr 30% einer jeweiligen Bildelementfläche ein, während die restlichen 70% der Fläche beispielsweise durch eine Vertikalüber­ tragungs-Ladungskopplungsvorrichtung belegt sind. Ferner fällt das auf den Lichtaufnahmeteil aufgestrahlte Licht unter jedem möglichen Winkel ein und enthält paralleles Licht. Infolge dessen muß zum Erhöhen des Fokussierver­ hältnisses einer Mikrolinse, nämlich des Verhältnisses der Empfindlichkeit mit der Mikrolinse zu der Empfind­ lichkeit ohne Mikrolinse die Krümmung der Mikrolinse in einem derartigen Ausmaß gesteuert werden, daß das auf ein jeweiliges Bildelement aufgestrahlte Licht, nämlich das auf den Lichtaufnahmeteil sowie auch auf die anderen, das Licht nicht aufnehmenden Teile aufgestrahlte Licht am be­ sten auf dem Lichtaufnahmeteil fokussiert wird.

Als Mikrolinsen werden Linsen in Form einer rechteckigen Kuppel, eines Halbzylinders und einer Halbkugel vorge­ schlagen. Die Linse in Form einer rechteckigen Kuppel hat hervorragende Fokussierwirkung und ist die am meisten verbreitet eingesetzte (siehe "Submicorn-spaced Lens Array Process Technology for a High Photosensitivity CCD Image Sensor", von Yoshikazu Sano u. a. IEDM Technical Digest, Seiten 283-286, 1990).

Fig. 2 zeigt eine Anordnung von rechteckigen kuppelförmi­ gen Mikrolinsen, die auf der oberen Schicht der Bildele­ mentanordnung nach Fig. 1 ausgebildet sind. Um die Photo­ dioden zentriert ist als Matrix ein Maskenmuster 15 für das Bilden der Mikrolinsen angeordnet.

Fig. 3 ist eine Ansicht eines Schnittes entlang einer Li­ nie III-III in Fig. 2 und zeigt einen CCD-Festkörperbild­ sensor mit den Mikrolinsen.

Der Festkörperbildsensor enthält ein N-Halbleitersubstrat 27, eine an dem N-Halbleitersubstrat ausgebildete P-Senke 28, Photodioden 30, die das einfallende Licht in ein Lad­ ungssignal umsetzen und dieses sammeln und die in der P- Senke derart ausgebildet sind, daß sie in Bildelement­ einheiten eingegrenzt sind, N-Vertikalübertragungskanäle 31 einer Vertikalübertragungs-Ladungskopplungsvorrichtung für das Aufnehmen der in den Photodioden gesammelten Signalladungen und das Übertragen der Signalladungen zu der (nicht dargestellten) Horizontalübertragungs-Ladungs­ kopplungsvorrichtung, Übertragungskanäle 32, die jeweils die in den Photodioden gesammelten Signalladungen an den Vertikalübertragungskanal abgeben und die jeweils zwischen der Photodiode 30 und dem Vertikalüber­ tragungskanal 31 ausgebildet sind, Kanalsperrschichten 29, die die Bildelementeinheiten voneinander isolieren, erste (nicht gezeigte) Übertragungselektroden und zweite Übertragungselektroden 34, die mittels der Maskenmuster 13 und 14 geformt werden und an die Taktimpulse für das Befördern der zu den Vertikalübertragungskanälen übertra­ genen Signalladungen zu der Horizontalübertragungs-La­ dungskopplungsvorrichtung angelegt werden, einen Lichtab­ schirmungsfilm 37, der über den ganzen Bereich der Bilde­ lementanordnung mit Ausnahme der Lichtaufnahmeteile aus­ gebildet ist, eine Farbfilterschicht 38, die selektiv das einfallende Licht entsprechende Wellenlänge durchläßt, um ein Farbsignal zu erfassen, und die an den jeweiligen Lichtaufnahmeteilen ausgebildet ist, eine erste und eine zweite Planierschicht 39a und 39b, die jeweils unter­ bzw. oberhalb der Farbfilterschicht ausgebildet sind, und Mikrolinsen 35, die mittels des Maskenmusters 15 auf der zweiten Planierschicht um den jeweiligen Lichtaufnahme­ teil, nämlich die jeweilige Photodiode zentriert derart ausgebildet sind, daß das einfallende Licht auf dem Lichtaufnahmeteil fokussiert wird.

Die Mikrolinsen 35 sind dabei rechteckige kuppelförmige asphärische Linsen. In der Mitte der Linse bildet der Krümmungsradius ein leichtes Gefälle und ist daher groß, während der Krümmungsradius um den Rand der Linse herum einen steilen Abhang bildet und daher klein ist. Das heißt, der Krümmungsradius einer jeweiligen Linse ändert sich entsprechend den Linsenteilabschnitten. Somit ist die Brennweite der Rechtecklinse nicht konstant, sondern ändert sich mit dem erwünschten Blickwinkel.

Fig. 4 zeigt eine nutzbare Fokussierfläche der rechtecki­ gen kuppelförmigen Mikrolinseneinheit 35. Ein Schnitt A zeigt den Schnitt durch die Mikrolinseneinheit 35 in einer Richtung A, in welcher die Photodiode 30 schmal ist, ein Schnitt B zeigt einen Schnitt durch die Mikro­ linse 35 in einer Richtung B, in der die Breite der Pho­ todiode 30 groß ist, und ein Schnitt C zeigt einen Schnitt durch die Mikrolinse 35 in einer Richtung C, die in bezug auf die Mikrolinse 35 diagonal verläuft. Der Linsenkrümmungsradius ändert sich entsprechend der Rich­ tung. Die Lichtabschirmschicht 37 und die Mikrolinse 35 sind zum schematischen Vergleich der nutzbaren Fokussier­ flächen in einer jeweiligen Richtung in der gleichen Ebene dargestellt.

Die Hauptfaktoren, die das Fokussierverhältnis einer Mi­ krolinse bestimmen, sind die Dicke und die Breite (der Krümmungsradius) der Mikrolinse, das die Linse bildende Material, der Reflexionsfaktor und die Dicke der Farbfil­ terschicht, die Fläche der Photodiode, die Dicke des Lichtabschirmfilms und die Fläche einer Bildelementein­ heit. Von diesen Faktoren ist der Krümmungsradius der wichtigste Faktor für das Bestimmen des Fokussierverhält­ nisses der Mikrolinse. Infolge dessen ist die Darstellung in Fig. 4 auf den Krümmungsradius der Mikrolinse gerich­ tet.

Im allgemeinen werden die Mikrolinsen aus einem Material geformt, das Photoresist-Eigenschaften hat. Dieses Mate­ rial wird belichtet und entwickelt, um ein Muster mit einem Profil zu formen, wobei der Rand des Musters durch einen Wärmeschmelzprozeß aufgeweicht wird. Auf diese Weise wird eine Linse mit brauchbarem Profil und brauch­ barer Krümmung geformt. Hierbei ist es wichtig, den Krüm­ mungsradius der Mikrolinse richtig einzustellen, um alles auf die Mikrolinse fallende Licht auf dem Lichtauf­ nahmeteil, nämlich der Photodiode zu fokussieren, aber sogar noch wichtiger ist der Krümmungsradius an dem das Licht nicht aufnehmenden Teil.

Der Krümmungsradius an dem Lichtaufnahmeteil ist zufrie­ denstellend, wenn damit das einfallende Licht auf dem Lichtaufnahmeteil fokussiert werden kann, jedoch muß mit dem Radius an dem das Licht nicht aufnehmenden Teil auf wirkungsvolle Weise das Licht, das ansonsten auf die das Licht nicht aufnehmenden Flächen fallen würde, auf den Lichtaufnahmeteil fokussiert werden. Das heißt, der Krüm­ mungsradius der Mikrolinse ist derart zu gestalten, daß das auf irgendeinen Teil der Mikrolinse fallende Licht wirkungsvoll auf den Lichtaufnahmeteil fokussiert werden kann. Dies wird unter Berücksichtigung des Abstandes zwi­ schen der Mikrolinse und der Photodiode und des Abstandes zwischen dem Lichtaufnahmeteil und dem das Licht nicht aufnehmenden Teil bewerkstelligt.

Wenn die in Fig. 4 dargestellte rechteckige kuppelförmige Mikrolinse 35 tatsächlich geformt wird, wird der Krüm­ mungsradius der Mikrolinse allgemein gemäß dem Schnitt A bestimmt, in welchem der Anteil des Bereichs außerhalb des Lichtaufnahmebereichs hoch ist. Das heißt, für den Schnitt A wird der Krümmungsradius derart gebildet, daß das maximale Fokussierverhältnis der Linse erreicht wer­ den kann, nämlich in einem Ausmaß, bei dem alles auf den Rand des Bereichs außerhalb des Lichtaufnahmebereichs fallende Licht auf dem Lichtaufnahmebereich selbst fokus­ siert werden kann. Da im Falle des Schnittes B der Ab­ stand zwischen dem Lichtaufnahmebereich und dem Bereich außerhalb des Lichtaufnahmebereichs kürzer als im Falle des Schnittes A ist, ist natürlich durch den für den Schnitt A bestimmten Krümmungsradius der Mikrolinse dem Fokussierverhältnis der Mikrolinse genügt.

Im Falle des Schnittes C ist jedoch der Abstand zwischen dem Lichtaufnahmebereich und dem Bereich außerhalb des Lichtaufnahmebereichs größer als bei dem Schnitt A. Dies bedeutet, daß bei dem Verwenden der Mikrolinse mit den gemäß dem Schnitt A bestimmten Krümmungsradius das auf den Bereich außerhalb des Lichtaufnahmebereichs aufge­ strahlte Licht nicht wirkungsvoll auf den Lichtaufnahme­ bereich fokussiert werden kann. Das heißt, das Fokussier­ verhältnis der Mikrolinse ist bei dem Schnitt C geringer als bei dem Schnitt A oder B.

Fig. 5 zeigt eine effektive Fokussierfläche der recht­ eckigen kuppelförmigen Mikrolinse.

Gemäß der Erläuterung anhand der Fig. 4 ist das Fokus­ sierverhältnis bei dem Schnitt C der Mikrolinse stark verringert, da das auf den Rand des Schnittes C aufge­ strahlte Licht bei der Verwendung der Mikrolinse, deren Krümmungsradius gemäß dem Schnitt A bestimmt ist, nicht wirkungsvoll an dem Lichtaufnahmeteil fokussiert werden kann. Daher ist eine tatsächlich nutzbare Fokussierfläche 20 elliptisch.

Wenn der CCD-Festkörperbildsensor höher integriert wird, wird das Breite-/Längeverhältnis einer Bildelementeinheit allmählich geringer. Beispielsweise beträgt das Breite/Längeverhältnis einer Bildelementeinheit in einem quadratischen CCD-Festkörperbildsensor mit 8,5 mm Seiten­ länge und 250 000 Bildelementen ungefähr 1,28 (9,6 µm zu 7,5 µm). Falls jedoch der CCD-Festkörperbildsensor 25,4 mm im Quadrat mit 2 000 000 Bildelementen groß ist, be­ trägt das Breite/Länge-Verhältnis einer Bildelementein­ heit ungefähr 0,96 (7,3 µm zu 7,6 µm), so daß die Bild­ elemente annähernd quadratisch werden.

Fig. 6 zeigt eine Anordnung nutzbarer Fokussierflächen von Mikrolinsen, die auf der herkömmlichen Bildelemen­ teanordnung ausgebildet sind.

Wenn an den in einer Matrix angeordneten Photodioden nach Fig. 1 die rechteckigen kuppelförmigen Mikrolinsen ange­ bracht sind, sind die nahezu runden nutzbaren Fokussier­ flächen der Mikrolinsen in Form einer einfachen zweidi­ mensionalen Matrix angeordnet.

Falls jedoch gemäß Fig. 6 die nutzbare Fokussierfläche der auf einem jeweiligen Bildelement geformten Mikrolinse als ein Kreis mit einem Radius r angenommen wird, ist theoretisch der Anteil der nutzbaren Fokussierfläche je Bildelement 78,5%. Infolge dessen geht das den restli­ chen 21,5% entsprechende einfallende Licht der Zellen­ einheit verloren, ohne fokussiert zu werden. Somit ist das Fokussierverhältnis der Mikrolinse verringert, so daß die Photoempfindlichkeit des Festkörperbildsensors ver­ schlechtert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ladungs­ kopplungs-Festkörperbildsensor zu schaffen, dessen Photo­ empfindlichkeit durch Erweitern der nutzbaren Fokussier­ fläche je Bildelement erhöht ist.

Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Ladungs­ kopplungs-Festkörperbildsensor geschaffen, der eine Bild­ elementeanordnung, in der die Bildelemente in einer er­ sten und zweiten Spalte wiederholt gegeneinander versetzt aufgereiht sind, und jeweils direkt über dem Lichtaufnah­ mebereich eines jeweiligen Bildelementes geformte Fokus­ siervorrichtungen zum Erhöhen der Photoempfindlichkeit der jeweiligen Bildelemente aufweist.

Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Lichtaufnahmebe­ reich ein Viereck und die Fokussiervorrichtung ist eine viereckige kuppelförmige Mikrolinse. Außerdem ist zwi­ schen der ersten und der zweiten Spalte jeweils eine Ver­ tikalübertragungs-Ladungskopplungsvorrichtung ausgebil­ det, welche die in den Lichtaufnahmebereichen gesammelten Signalladungen aufnimmt und überträgt, während an einem Ende der Vertikalübertragungs-Ladungskopplungsvorrichtun­ gen eine Horizontalübertragungs-Ladungskopplungsvorrich­ tung ausgebildet ist, die die durch die Vertikalübertra­ gungs-Ladungskopplungsvorrichtungen vertikal übertragenen Signalladungen aufnimmt und horizontal überträgt.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist der Lichtauf­ nahmebereich ein Polygon mit mindestens sechs Seiten, während die Fokussiervorrichtung eine Mikrolinse ist, die die Form eines Polygons mit mindestens sechs Seiten hat, nämlich nahezu kreisförmig ist. Außerdem ist jeweils zwi­ schen der ersten und der zweiten Spalte eine Vertikal­ übertragungs-Ladungskopplungsvorrichtung ausgebildet, die die in den Lichtaufnahmebereichen gesammelten Signalla­ dungen aufnimmt und vertikal überträgt, während an den Enden der Vertikalübertragungs-Ladungskopplungsvorrich­ tungen eine Horizontalübertragungs-Ladungskopplungsvor­ richtung ausgebildet ist, die die durch die Vertikalüber­ tragungs-Ladungskopplungsvorrichtungen vertikal übertra­ genen Signalladungen aufnimmt und horizontal überträgt. Die Vertikalübertragungs-Ladungskopplungsvorrichtungen sind hierbei zickzackförmig.

Auf diese Weise kann an einer Bildelementeanordnung, die die gleiche Fläche wie die herkömmliche Anordnung ein­ nimmt, eine größere nutzbare Fokussierfläche erzielt wer­ den.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläu­ tert.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung von Bildelementen eines her­ kömmlichen Ladungskopplungs-Festkörperbildsensors.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung, bei der auf die Bildelemen­ teanordnung nach Fig. 1 ein Maskenmuster für das Formen von rechteckigen Mikrolinsen aufgebracht ist.

Fig. 3 ist eine Ansicht eines Schnittes entlang einer Li­ nie III-III in Fig. 2.

Fig. 4 zeigt eine nutzbare Fokussierfläche einer Einheit mit der rechteckigen Mikrolinse.

Fig. 5 zeigt eine nutzbare Fokussierfläche einer recht­ eckigen Mikrolinse.

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung einer Anordnung von nutzbaren Fokussierflächen der Mikrolinsen, welche auf der Bildelementeanordnung ausgebildet sind, die nach dem herkömmlichen Verfahren gestaltet ist.

Fig. 7 ist eine schematische Ansicht einer Anordnung von nutzbaren Fokussierflächen von Mikrolinsen, die auf einer Bildelementeanordnung ausgebildet sind, welche erfin­ dungsgemäß gestaltet ist.

Fig. 8 zeigt eine Bildelementeanordnung eines Ladungs­ kopplungs-Festkörperbildsensors gemäß einem ersten Aus­ führungsbeispiel gemäß der Erfindung.

Fig. 9 zeigt eine Anordnung, bei der auf die Bildelemen­ teanordnung nach Fig. 8 ein Maskenmuster zum Formen von Mikrolinsen aufgebracht ist.

Fig. 10 zeigt eine Bildelementeanordnung eines Ladungs­ kopplungs-Festkörperbildsensors gemäß einem zweiten Aus­ führungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 11 zeigt eine Anordnung, bei der auf die Bildelemen­ teanordnung nach Fig. 10 ein Maskenmuster zum Formen von Mikrolinsen aufgebracht ist.

Die Fig. 7 ist eine schematische Ansicht, die nur die nutzbaren Fokussierflächen von Mikrolinsen, nämlich Fo­ kussiervorrichtungen zeigt, welche jeweils auf Bildele­ menten geformt sind, die gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung angeordnet sind.

Gemäß Fig. 7 sind die nutzbaren Fokussierflächen, die je­ weils in einer ersten und einer zweiten Spalte aufgereiht sind, derart verschoben, daß sie gegeneinander versetzt sind, wodurch die gesamte nutzbare Fokussierfläche ver­ gleichsweise eine Wabenanordnung ist. Nimmt man an, daß die nutzbare Fokussierfläche einer auf einem jeweiligen Bildelement ausgebildeten Mikrolinse ein Kreis mit einem Radius r ist, so beträgt der theoretische Anteil der nutzbaren Fokussierfläche je Bildelement 90,6%. Dies zeigt, daß das Fokussierverhältnis im Vergleich zu dem theoretisch 78,5% betragenden Anteil der nutzbaren Fokussierfläche bei dem in Fig. 6 dargestellten herkömm­ lichen Aufbau außerordentlich verbessert ist.

Ein erfindungsgemäßer Ladungskopplungs- bzw. CCD-Festkör­ perbildsensor ist folgendermaßen verbessert:
Erstens kann dann, wenn eine Bildelementeanordnungsfläche und eine nutzbare Fokussierfläche vorgegeben sind, die Integration von Mikrolinsen gegenüber derjenigen bei dem herkömmlichen Verfahren nach Fig. 6 erhöht werden. In­ folge dessen kann selbst dann eine hohe Photoempfindlich­ keit beibehalten werden, wenn die Integration der Bild­ elemente erhöht wird.

Zweitens kann dann, wenn die Bildelementeintegration kon­ stant ist, die nutzbare Fokussierfläche je Bildelement gegenüber derjenigen bei dem herkömmlichen Verfahren ver­ größert werden. Infolge dessen kann die Photoempfindlich­ keit des Festkörperbildsensors erhöht werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden ausführlicher unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, in der durchgehend gleiche Komponenten wie die in Fig. 1 gezeig­ ten mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.

Erstes Ausführungsbeispiel

Die Fig. 8 zeigt eine Anordnung von Bildelementen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Photodioden 10, die in gleichmäßigen Abständen in einer ersten Spalte aufgereiht sind, und Photodioden 10, die in gleichmäßigen Abständen in einer zweiten Spalte aufge­ reiht sind, sind gegeneinander um ungefähr einen halben Teilungsabstand versetzt. Somit sind alle Photodioden 10 in einer Bildelementeanordnung alle etwa wabenförmig an­ geordnet.

Auf diese Weise sind die wabenförmigen Photodioden 10 in ersten und zweiten Spalten aufgereiht, welche auf wieder­ holte Weise über die ganze Bildelementeanordnung hinweg gebildet sind. Außerdem ist jeweils zwischen der ersten und der zweiten Spalte ein Maskenmuster 11 zum Bilden eines Vertikalübertragungskanals angeordnet, der eine Vertikalübertragungs-Ladungskopplungsvorrichtung bildet. Über dem Maskenmuster 11 sind wiederholt Maskenmuster 13 und 14 zum Bilden von ersten und zweiten Übertragungs­ elektroden aufgebracht, an die Impulssignale für das Übertragen der zu einer Vertikalübertragungs-Ladungskopp­ lungsvorrichtung übertragenen Signalladungen zu einer Ho­ rizontalübertagungsladung-Ladungskopplungsvorrichtung an­ gelegt werden. In Fig. 8 stellt eine strichlierte Fläche zwischen der Photodiode 10 und dem Vertikalübertragungs­ kanal 11 einen Übertagungskanal 12 für die Übergabe der Signalladungen aus der Photodiode zu der Vertikalübertra­ gungs-Ladungskopplungsvorrichtung dar.

Die grundlegende Funktion des in Fig. 8 gezeigten CCD- Festkörperbildsensors ist wie die des Sensors nach Fig. 1, obgleich die Anordnung der Photodioden 10 und der Maskenmuster 13 und 14 für das Bilden der ersten und der zweiten Übertragungselektrode davon verschieden ist.

Die Fig. 9 zeigt eine Anordnung, bei der auf die jeweili­ gen Bildelemente nach Fig. 8 ein Maskenmuster 15 zum For­ men einer Mikrolinse aufgebracht ist. Das heißt, die Mas­ kenmuster 15 sind jeweils derart angeordnet, daß auf eine jeweilige Photodiode 10 zentriert eine rechteckige oder quadratische Mikrolinse gebildet werden kann.

Wenn mittels des in Fig. 9 gezeigten Maskenmusters an je­ dem Bildelement des Festkörperbildsensors eine Mikrolinse geformt wird, zeigen die nutzbaren Fokussierflächen der Mikrolinsen die gleiche Anordnung wie gemäß Fig. 7. Dabei ist dann, wenn in Fig. 6 und 7 die Breite in der Quer­ richtung die gleiche ist, die Linse nach Fig. 7 größer als diejenige nach Fig. 6.

Infolge dessen haben bei der Linsenanordnung gemäß der Darstellung in Fig. 7 die durch Anwenden der Maskenmuster nach Fig. 9 geformten Mikrolinsen jeweils eine größere nutzbare Fokussierfläche. Daher ist der Anteil der nutz­ baren Fokussierfläche je Bildelement gegenüber demjenigen bei dem Stand der Technik mit den in Fig. 6 dargestellten nutzbaren Fokussierflächen erhöht.

Auf diese Weise ist das Fokussierverhältnis der Mikrolin­ sen erhöht, was eine Verbesserung der Photoempfindlich­ keit des Festkörperbildsensors ergibt.

Zweites Ausführungsbeispiel

Die Fig. 10 zeigt die Anordnung von Bildelementen, die gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ange­ ordnet sind, und die Fig. 11 zeigt eine Anordnung, bei der auf jedes in Fig. 10 dargestellte Bildelement ein Maskenmuster 15 zum Formen einer Mikrolinse aufgebracht ist.

Gemäß Fig. 10 und 11 sind die Photodioden 10 wie gemäß Fig. 8 wabenförmig angeordnet, so daß dementsprechend die Maskenmuster 15 für das Formen der Mikrolinsen gemäß der Darstellung in Fig. 9 angeordnet sind.

Von dem ersten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich das zweite Ausführungsbeispiel dadurch, daß die Photodioden 10 sechseckig gestaltet sind und demzufolge auch die Mas­ kenmuster 11 für das Bilden der Vertikalübertragungskanäle zickzackförmig sind, welche die Vertikalübertragungs-La­ dungskopplungsvorrichtungen bilden.

Auf diese Weise kann erstens das Verringern des Fokus­ sierwirkungsgrades, das bei einer rechteckigen Mikrolinse in diagonaler Richtung auftritt, auf ein Mindestmaß her­ abgesetzt werden. Zweitens wird bei gesteigerter Integra­ tion das Muster von Grund auf zu einem Sechseck, nämlich nahezu kreisförmig ausgebildet, um Fehler auf ein Min­ destmaß herabzusetzen, welche durch die Erscheinung ent­ stehen, daß der Rand des feinen Musters ungleichmäßig ge­ formt wird. Demgemäß können verschiedenerlei Fehler ver­ ringert werden, die durch das ungleichmäßig geformte feine Muster verursacht sind.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung der Ausführungsbei­ spiele werden die Photodioden erfindungsgemäß wabenförmig angeordnet, wodurch die Photoempfindlichkeit des Festkör­ perbildsensors erhöht wird.

Ein Festkörperbildsensor, dessen Photoempfindlichkeit durch Ändern der Anordnungen von Flächen photoelektischer Wandler und von entsprechenden Mikrolinsen verbessert ist, enthält eine Bildelementeanordnung, in der Bildele­ mente in einer ersten und einer zweiten Spalte wiederholt gegeneinander versetzt aufgereiht sind, und Fokussiervor­ richtungen, die jeweils direkt über dem Lichtaufnahmebe­ reich eines jeweiligen Bildelementes geformt sind, um die Photoempfindlichkeit des jeweiligen Bildelementes zu er­ höhen, wobei dadurch das auf die das Licht nicht aufneh­ menden Bereiche fallende Licht auf den Lichtaufnahmebe­ reich fokussiert und damit die Photoempfindlichkeit außerordentlich erhöht wird.

Claims (7)

1. Ladungskopplungs-Festkörperbildsensor, gekennzeichnet durch
eine Bildelementeanordnung, in der Bildelemente in jeweils einer ersten und einer zweiten Spalte wiederholt gegeneinander versetzt aufgereiht sind, und
Fokussiervorrichtungen (15), die jeweils direkt über dem Lichtaufnahmebereich (10) eines jeweiligen Bildele­ mentes ausgebildet sind, um die Photoempfindlichkeit des jeweiligen Bildelementes zu erhöhen.

2. Festkörperbildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Lichtaufnahmebereich (10) viereckig ist.

3. Festkörperbildsensor nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fokussiervorrichtung (15) jeweils eine viereckige kuppelförmige Mikrolinse ist.

4. Festkörperbildsensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Lichtaufnahmebereich (10) jeweils die Form eines Polygons mit mindestens sechs Seiten hat.

5. Festkörperbildsensor nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fokussiervorrichtung (15) jeweils eine Mikrolinse in Form eines Polygons mit mindestens sechs Seiten ist.

6. Festkörperbildsensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch jeweils zwischen den ersten und den zweiten Spalten ausgebildete Vertikalübertragungs-Ladungskopplungsvor­ richtungen (11), die jeweils in den Lichtaufnahmeberei­ chen (10) gesammelte Signalladungen zu deren vertikaler Übertragung aufnehmen, und eine an einem Ende der Verti­ kalübertragungs-Ladungskopplungsvorrichtungen (11) Hori­ zontalübertragungs-Ladungskopplungsvorrichtung, welche die durch die Vertikalübertragungs-Ladungskopplungsvor­ richtungen vertikal übertragenen Signalladungen zu deren horizontaler Übertragung aufnimmt.

7. Festkörperbildsensor nach Anspruch 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertikalübertragungs-Ladungskopp­ lungsvorrichtungen (11) jeweils zickzackförmig gestaltet sind.