JP2000507048A - イメージセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 イメージセンサ（１０）は光応答性の画素（２２）のアレイ及び集束性レンズ素子（３２）のアレイ（３０）を具える。各レンズ素子（３２）は複数の画素（２２）と関連するので、これらのレンズ素子は簡単に製造することができる。アレイ（３０）は好ましくは非反転性集束光学系の一部とし、レンズ素子（３２）は好ましくは屈折性のマイクロレンズ素子とする。

Description

【発明の詳細な説明】 イメージセンサ 本発明は、光応答性画素のアレイを有するイメージセンサに関するものである 。本発明は、特に接触型イメージセンサの画素アレイ上に像を結像することに関 するものである。 接触型イメージセンサの画素アレイ上に像を結像する場合、画素アレイから極 めて短い距離を以てオリジナルの原稿を配置することができ又は結像光学系を設 けることができる。 結像光学系を設けない場合、撮像されるべき原稿は例えば画素のピッチよりも 大きな距離だけ画素アレイから離間させる必要がある。 画素のアレイから原稿までに大きな距離がある場合、各画素は撮像すべき原稿 の所望以上の大きな区域からの光を受光する。イメージセンサのが解像力は高い ので、撮像画素は累進的に小さなピッチで配置され、高解像度イメージセンサの 場合原稿と画素アレイとの間に十分に小さな間隔を維持することができず、結像 光学系の必要性が生じている。 米国特許第５２８６６０５号は、イメージセンサアレイの上側に設けたマイク ロレンズアレイを有し、各マイクロレンズ素子が撮像装置の個々の画素と関連す る固体撮像装置を開示している。勿論、イメージセンサの画素と正確に整列した 微小なマイクロレンズを必要としている。 本発明においては、光応答性画素のアレイとこの画素のアレイと関連する結像 レンズ素子のアレイとを具え、各レンズ素子が複数の画素とそれぞれ関連するイ メージセンサを提供する。 画素のグループと関連するレンズ素子を用いることにより、各レンズ素子の大 きさを大きくすることができる。レンズ素子の大きさは、簡単化された製造技術 を用いてレンズアレイを製造できるように選択することができる。 レンズ素子は、好ましくは共通の基板上で離間させ、レンズ素子間に不透明な 区域を設ける。これらの不透明区域は、画素アレイにより受光された全ての光が レンズ素子により結像させることを確実なものとする。 別のレンズ素子からあるレンズ素子と関連する画素に至る光路をさえぎる手段 を設けることができる。これにより、いわゆる「ゴースト画像」の発生が防止さ れる。 光路をさえぎる手段は画素アレイとほぼ隣接するように配置した遮光素子のア レイで構成でき、遮光素子は画素間の間隔以上の間隔で配置する。 画素アレイは前記光応答性画素の上側に配置した光シールド部分のアレイを含 み、各光シールド部分は個別の画素と関連すると共に受光開口を含む。これによ り、各画素のサイズを有効に縮小することができる（検出光の範囲が低減される ）と共に画像を記憶するための大きな画素容量を維持することができる。この場 合、光路を遮る手段は前記画素アレイとほぼ隣接するように配置した遮光素子の アレイを具え、この遮光素子が前記光シールド部分の上側に配置する。 このイメージセンサは少なくとも１個の別のレンズ素子のアレイを具えことで き、レンズアレイのレンズ素子は前記少なくとも１個の別のレンズアレイの対応 するレンズ素子と同一の光軸を有し、前記レンズアレイ及び少なくとも１個の別 のレンズアレイが一緒になって非反転光学系を構成する。 非反転光学系を用いることにより、レンズ素子が撮像すべき像の一部の局部的 な反転を発生する場合、必要とされる画像処理の必要性が回避される。さらに、 非反転光学系を用いることにより、レンズ素子を関連する画素に正確に整列させ る必要性が回避される。この非反転光学系は、好ましくはレンズ素子の３個のア レイを具える。 レンズ素子は例えば屈折性のマイクロレンズ又はホログラフィックレンズで構 成でき、或いはレンズアレイはグレイデッドインテックス型のレンズの平坦なア レイで構成することができる。 レンズ素子は、０．１ｍｍと０．３ｍｍとの間の直径を有するほぼ円形の集束 性レンズとすることできる。この場合、イメージセンサの解像力は、各レンズ素 子と関連する画素の数を決定する。 以下添付図面に基づき本発明を説明する。 図１は結像装置を有する本発明によるイメージセンサを示し、 図２は第１の別の結像装置を有する本発明によるイメージセンサを示し、 図３は第２の別の結像装置を有するイメージセンサを示し、 図４は第３の別の結像装置を有するイメージセンサを示し、 図５は図３の結像装置に対応する結像装置を有する本発明によるイメージセン サを示し、このイメージセンサは遮光装置をさらに有し、 図６は図１の結像装置に対応する結像装置を有する本発明によるイメージセン サを示し、このイメージセンサは第１の別の遮光装置をさらに有し、 図７は第２の別の遮光装置を示す。 図１は、複数の撮像画素２２及び画素２２上に合焦したオリジナルの画像を形 成する結像装置３０を支持する基板２０を具えるイメージセンサ１０を示す。本 発明において、結像装置３０は、画素２２の各グループとそれぞれ関連する複数 のレンズ素子３２（３個のレンズ素子３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃを図１に示す）を 具える。 撮像素子の上側に形成したマイクロレンズ素子のアレイの形態の結像装置を用 い個別のマイクロレンズ素子が撮像画素とそれぞれ関連する接触型のイメージセ ンサは既知である。この装置では、各マイクロレンズが個別の画素と関連する区 域よりも大きくない領域を占める必要がある。高解像度で撮像する用途に要求さ れる画素サイズの低減により、極めて小さな画素寸法が必要であり、従って極め て小さいマイクロレンズが必要となる。例えば、撮像の用途では、画素ピッチが ４２μｍ（マイクロメータ）になる６００ｄｐｉ（１インチ当たりのドット数） の解像力が要求される。既知の方法は、リフォームされた熱可塑性樹脂から５０ μｍ程度の直径の成型されたレンズ素子を形成するためのものである。この目的 のため、レンズアレイの基板（通常は、ガラス）に熱可塑性樹脂層をコートし、 この層はスピンコーティングに形成することができる。次に、フォトリソグラフ ィにより、熱可塑性樹脂層にパターニングを行う。これにより、所望の位置にお いて各々が個別のマイクロレンズにそれぞれ対応する離散的な部分を有する熱可 塑性樹脂層が形成される。予め定めた温度で樹脂層に熱的なリフローを行うこと により、熱可塑性樹脂が凸レンズ形状にリフローされる。一方、マイクロレンズ の大きさが小さくなるに従って各レンズ素子のパワーを制御することが困難にな り、レンズアレイの製造コストが増大する。 画素グループ２２に本発明によるレンズ素子３２を関連させることにより、各 レンズ素子の大きさを増大させることができ、一層安価な製造技術が可能になる 。これらのレンズ素子は、例えば既知のモールディング技術により形成すること ができる。従って、モールドは金属プレートに凹部を形成することにより形成で き、このモールドを用いてガラス基板上に又はプラスチックのシート上にプラス チックの屈折性レンズを形成することができる。 図１に示す撮像画素２２は２次元アレイとして配置する。このアレイは既知の 形態のものとすることができ、例えば基板20上に適切なパターンに堆積され画素 ２２のアレイを規定する薄膜半導体層を具えることができる。各画素は、好まし くはフォトダイオードを含み、種々のフォトマスクダイオードの画素装置が当業 者にとって既知である。或いは、撮像画素２２のアレイは静電撮像装置の一部を 構成することができ、又は画素２２は電荷転送装置で構成することができる。 各撮像画素２２は画素上に配置した遮光部分のアレイを含むことができ、各遮 光部分は個別の画素と関連し画素２２の部分に光を入射させることができるセン サ開口２３を有する。このようにして、信号を蓄積するために必要な大きな容量 を維持しながら、センサの小さな受光エリアが得られる。小さな受光エリアを利 用することにより、画素に入射する光の入射角の拡がりが制限され、２個又はそ れ以上の隣接する撮像画素上に合焦している撮像エリアからの光の光量が減少す ることになる。 図１に示す結像装置３０は、上述したように通常のモールディング技術により 形成することができるマイクロレンズ素子３２の単一のアレイを具える。その代 わりに、ホログラフィックレンズを用いることができ、或いはマイクロレンズ素 子のアレイをグレイデッドインテックスレンズの平坦なアレイで構成することが できる。図１の形態において、各マイクロレンズ素子３２は３個の画素２２Ａ、 ２２Ｂ、２２Ｃと関連するように図示されている。従って、２次元的には各マイ クロレンズ素子は、３×３のサブアレイに配置した９個の画素のグループと関連 する。実際には、各マイクロレンズ素子３２はより多数の撮像画素、例えば１０ ０個程度又はそれ以上の撮像画素と関連するので、マイクロレンズアレイの製造 は一層簡単になる。マイクロレンズは、０．１ｍｍ〜３ｍｍの典型的なピッチで 形成され、この場合イメージセンサ１０の解像力は個々のマイクロレンズ素子３ ２と関連する撮像画素の数を決定する。 図１の実施例において、各レンズ素子３２はオリジナル４０の一部の反転画像 を形成する。この状態は、各画素２２と関連する限界光線を用いて図１に示す。 通常の場合にように、各マイクロレンズ素子が個別の画素と関連する場合、個々 のマイクロレンズにより生ずる局部的な反転が画素のアレイ２２上に形成される 画像を歪ませることはない。一方、各マイクロレンズ素子３２が画素のグループ と関連する場合、ある画素グループ（あるレンズ素子と関連する）と隣接するグ ループ（隣接するレンズ素子と関連する）との間の境界に不連続部分が発生して しまう。従って、図１に示すフォーカシング装置３０を用いる場合、画素によっ て受光された信号を処理してオリジナル４０の画像を再構成する必要がある。こ の画像処理は可能であるが、図１の光学系３０を用いる場合どの画素が各レンズ 素子３２と関連するかを正確に知る必要があるので、正確な信号処理を行うこと ができる。各レンズ素子３２が極めて小さな多数の画素と関連する場合、レンズ 素子３２のアレイの位置決めすべき精度は不所望なことに高くなってしまう。 図１に示す光学系の上述した欠点は、別の実施例において説明する非反転型の 結像装置を用いることにより解消できる。 結像装置３０の正確な形態にかかわらず、装置３０は、オリジナル４０を撮像 画素２２上に合焦するように配置できる焦点深度４２を与えるこの焦点深度４２ は、好ましくは画像が非合焦となることなくオリジナル４０を局部的に変形して させることができる十分な範囲を有し、且つ好ましくはオリジナル４０が配置さ れる面が形成されるように撮像窓を結像装置３０の上方に位置できるように結像 装置３０から十分な距離だけ離間する。イメージセンサ１０の全ての構成要素を 相対的に正確に位置決めできるようにするため種々の間隔維持層を用いることが できる。 結像装置３０はレンズ素子間に配置した不透明な部分３４を有し、オリジナル からの受光された全ての光がレンズ素子３２を通過できレンズアレイの基板３３ を直接通過できないようにする。或いは、レンズ素子３２は互いに接触させるこ とができ、例えばハニカム構造体を構成することができる。一方、円形のレンズ 素子も好ましく、その場合レンズ素子３２の間には例えば印刷処理により遮光材 料３４を設ける。イメージセンサ１０の全体の厚さを薄くするため短い焦点距離 が望ましい場合、取り得る最大の大きさよりも小さいレンズ素子３２を用いるこ とが望ましい。 遮光材料３４に加えて、異なる画素グループと関連するレンズ素子３２から画 素２２に入射する光に起因する所謂「ゴースト画像」を除去する手段を用いるこ とも望ましい。例えば、図１において、矢印３５は画素２２Ａ（レンズ素子３２ Ｂと関連する）に対する取り得る光路を示すが、この光路はレンズ素子３２Ａを 通過している。ゴースト画像を除去するために、遮光材料及び／又は開ロアレイ の形態の種々の方策を用いることができる。有用な例について以下に説明する。 上述したように、非反転型の結像装置を用いることが好ましく、その方策を図 ２に示す。図１で用いた部材と同一の部材には同一符号を用いる。明確に表現す るため、結像装置３０の各レンズ素子は３個の画素２２（従って、９個の画素の サブアレイ）と関連するように図示する。 図２において、結像装置３０は一緒になってオリジナル４０の非反転画像を形 成する３個のレンズアレイ５０、５２、５４を具える。１個のアレイ５０により 反転画像が形成され、このアレイは次ぎのアレイにより再結像されて非反転画像 が形成される。中央のレンズアレイの目的については後述する。レンズアレイの 特有の間隔について、合焦させるためのオリジナル及び画素アレイの関連する必 要な位置が存在する。これは当業者にとって明かなことである。結果として、オ リジナル４０のフォーカシング装置３０からの距離、レンズアレイ５０，５２， ５４間の間隔、及び撮像画素２２のアレイの結像装置３０からの距離は本発明を 適切に実施できるようにそれぞれ選択する。 図２のイメージセンサの動作中、オリジナルに最も接近した各レンズ素子５１ はオリジナルの多数の区域からの光を受光する。レンズ素子５１のレンズアレイ ５０はこれらの区域の反転像をレンズアレイ５２に接近した位置に形成する。こ の場合、レンズアレイ５４の各レンズ素子５５は撮像画素２２おアレイ上に非反 転像を形成する。レンズアレイ５２の目的は、光の拡散を防止することである。 レンズアレイ５２を削除した場合、レンズ素子５１からの光は数個のレンズ素子 ５５に入射する。別のレンズ系を用いることができることは当業者にとって明か である。 図２において、レンズアレイ５０、５２、５４は個別の基板上に示されている 。アレイ５０及び５２は適切な厚さの単一の基板の互いに反対側に形成できるこ と明かである。或いは、アレイ５２を反対向きにすることによりアレイ５２と５ ４を単一基板上に形成することができる。 変形例として、レンズアレイ５２のレンズ力を２個のアレイ間に分割する。こ の場合、図３に示すように、各アレイはアレイ５０又は５４のいずれかの反対側 に形成する。 図２及び図３の両方において、遮光材料３４は各レンズアレイ５０、５２、５ ４のレンズ素子間に図示されており、これらの遮光材料３４は図１に基づいて説 明した遮光材料３４と同一の機能を有する。 結像装置３０の別の変形例を図４に示し、この変形例はオリジナルと残りの結 像装置の構成要素５０、５２、５４との間に別のマイクロレンズアレイ６０を用 いる。この別のマイクロレンズアレイ６０の目的は、オリジナルの複数の区域か ら光軸からずれた位置にある画素に向けて進行する光線を適切に偏向してオリジ ナル４０に接近している場合光軸にほぼ平行にすることである。この場合、オリ ジナル４０が僅かに焦点からずれても、位置的な誤差は最小になり、これにより 焦点深度が有効に増大する。 上述したように、図１の矢印３５で図示した光を遮光することにより所謂「ゴ ースト画像」の形成を防止する別の方策をとることも望ましい。勿論、レンズ素 子３２から関連する画素２２への光路を遮光してはならず、図５Ａはゴースト画 像減衰装置を構成する遮光材料６２の構成を示す。図示のように、遮光材料６２ は撮像素子２２の上側の開口２３間に設ける。遮光材料６２は、撮像素子から離 れるにしたがって傾斜した複数の山型のものとして配置され、レンズ素子から関 連する撮像素子に至る光路を妨害することはない。遮光材料の山型体の形態及び その位置は光学系に依存する。この山型体は、例えば撮像素子のピッチの半分の ピッチだけずれた（画素アレイ内の直交する両方の軸に対して）山型体を有する 規則的なアレイとして配置することができる。この状態を図５Ｂに示す。各山型 体は正方形の基部の裁頭円錐状のピラミッドとして示す。 図５の装置の変形例を図６に示し、この変形例は撮像すべき原稿の照明をイメ ージセンサ１０の基板２０を介して行う場合に用いることができる。 図６において、遮光撮像６２は各撮像素子２２の上側でセンサ開口２３の遮光 位置に配置したピラミッド体として配置する。このように、遮光材料６２は、基 板２０の下側からセンサ画素２２間の間隙を経て結像装置３０に至る光路を遮光 することはない。 別の変形例を図７に示し、本例では遮光壁６４の格子体が各画素グループを包 囲し、これらの壁は異なるグループの画素間の間の上側に配置し、この格子体は 隣接するレンズ素子からの光を遮光する。壁６４の形状は画素グループの形状に 依存し、例えば六角形のハニカム構造体或いは四角形若しくは矩形の格子体を形 成する。 本開示内容を読むことにより、当業者にとって別の変形が明かである。このよ うな変形は設計上既知の別の構成及び電気回路又は電子回路で用いられているも の及びその部品を含むものであり、さらに前述した構成の代わりに或いはこれら の構成に加えて用いることができる構成を含むものである。請求の範囲は本願に おいて複数の構成の特有の組合せとして形式化されているが、本明細書において 明示され又は示唆した新規な事項又は新規な事項の組合せ又は当業者にとって明 かな構成を含むものと理解すべきである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．光応答性画素のアレイと、この画素アレイと関連する結像レンズ素子のアレ イとを具え、各レンズ素子が複数の画素とそれぞれ関連するイメージセンサ。 ２．請求項１に記載のイメージセンサにおいて、前記レンズ素子が共通の基板上 において離間し、レンズ素子間に不透明な区域が設けられているイメージセンサ 。 ３．一のレンズ素子から別のレンズ素子と関連する画素へ至る光路を遮る手段を さらに具える請求項１又は２に記載のイメージセンサ。 ４．請求項３に記載のイメージセンサにおいて、前記光路を遮る手段が、前記画 素アレイとほぼ隣接するように配置した遮光素子のアレイを具え、この遮光素子 が隣接するレンズ素子と関連する画素間の間隔以上の間隔で配置されているイメ ージセンサ。 ５．請求項４に記載のイメージセンサにおいて、前記遮光素子が全ての画素間の 間隔以上の間隔で配置されているイメージセンサ。 ６．請求項３に記載のイメージセンサにおいて、前記画素アレイが前記光応答性 画素の上側に配置した光シールド部分のアレイを含み、各光シールド部分が個別 の画素と関連すると共に受光開口を含むイメージセンサ。 ７．請求項６に記載のイメージセンサにおいて、前記光路を遮る手段が、前記画 素アレイとほぼ隣接するように配置した遮光素子のアレイを具え、この遮光素子 が前記光シールド部分の上側に配置されているイメージセンサ。 ８．さらに、少なくとも１個の別のレンズ素子のアレイを具え、前記レンズアレ イのレンズ素子が前記少なくとも１個の別のレンズアレイの対応するレンズ素子 と同一の光軸を有し、前記レンズアレイ及び少なくとも１個の別のレンズアレイ が一緒になって非反転光学系を構成するイメージセンサ。 ９．請求項８に記載のイメージセンサにおいて、前記非反転光学系がレンズ素子 の３個のアレイを具えるイメージセンサ。 １０．請求項１から９までのいずれか１項に記載のイメージセンサにおいて、前 記レンズ素子が、０．１ｍｍと０．３ｍｍとの間の直径を有するほぼ円形の集 束性レンズを具えるイメージセンサ。