JP2004260830A - 自動レジスタ成分ｒｇｂ撮像方法 - Google Patents

Abstract

【課題】効果的かつ非常に製造性のよい新規な電子撮像システムを提供する。
【解決手段】このシステムは、第１の色領域１４、第２の色領域１８および第３の色領域２２を有するセンサを備える。プリズムシステムは、第１の屈折率を有し、第１の色領域にオーバーレイする第１のプリズム２６を備える。第１のプリズムは、第１の色の入射光をセンサの第１の色領域に導く。第２のプリズム３０は、第２の屈折率を有し、第２の色領域にオーバーレイする。第２のプリズムは、第２の色の入射光をセンサの第２の色領域に導く。第３のプリズム３４は、第３の屈折率を有し、第３の色領域にオーバーレイする。第３のプリズムは、第３の色の入射光をセンサの第３の色領域に導く。
【選択図】図３

Description

本発明は、カラー撮像、より詳細にはカラープリズムを使用したカラー撮像センサに関する。

本出願は、２００３年２月２６日に出願され、参照により本明細書に組み込まれている米国仮出願第６０／４５０，０８８号の優先権を主張するものである。
いくつかの従来技術の発明が撮像システムに関係している。Ｓｕｎの米国特許第６，２１１，９０６号Ｂ１には、地上追跡画像を取得するための撮像スペクトロメータシステムが記載されている。装着された線形可変干渉フィルタによってスペクトル濾波される検出器アレイを有する修正型ＣＣＤビデオ撮像装置が提供される。Ｗｉｇｈｔの米国特許第５，３３３，０７６号には、空中偵察用安定化撮像システムが記載されている。画像安定性を向上させるために固定プリズムおよび回転プリズムが使用されている。線形ＣＣＤアレイが使用されている。
米国仮出願第６０／４５０，０８８号 米国特許第６，２１１，９０６号Ｂ１ 米国特許第５，３３３，０７６号

本発明の主たる目的は、効果的かつ非常に製造性のよい撮像システムを提供することである。
本発明のさらなる目的は、複数のカラー画像を１つの次元に変換する手段を提供することである。

本発明のさらなる目的は、撮像センサのコストを低減することである。

本発明の目的に従って、電子撮像システムが達成される。このシステムは、第１の色領域、第２の色領域および第３の色領域を有するセンサを備える。プリズムシステムは、第１の屈折率を有し、第１の色領域にオーバーレイする第１のプリズムを備える。第１のプリズムは、第１の色の入射光をセンサの第１の色領域に導く。第２のプリズムは、第２の屈折率を有し、第２の色領域にオーバーレイする。第２のプリズムは、第２の色の入射光をセンサの第２の色領域に導く。第３のプリズムは、第３の屈折率を有し、第３の色領域にオーバーレイする。第３のプリズムは、第３の色の入射光をセンサの第３の色領域に導く。

また、本発明の目的に従って、電子撮像システムを形成する方法が達成される。この方法は、複数の光センサを半導体ウェハ上に形成するステップを含む。光センサに載せる複数のプリズムを形成する。各プリズムは光センサの１つにオーバーレイする。各プリズムは屈折率を有する。各プリズムは高さを有する。各プリズムは、ある色の入射光を、プリズムの下に位置する光センサに導く。

添付の図面は、この説明の重要な部分を形成する。

本発明の好ましい実施形態は撮像センサを開示している。本発明をその範囲から逸脱することなく適用および拡張できることが当業者には明らかになるはずである。
本発明は、入射光信号を、１つの次元で変換された赤色、緑色および青色の画像に分離する方法を提供する。３つの隣接するセンサ色領域をひとまとめにして、自動記録された三色撮像を提供できるように、それらの境界寸法を最小にするように固体センサを設計することができる。これによってシステムのコストが低減され、必要な補正が簡素化される。コストをさらに低減するために、各センサ領域が同一になるように設計され、任意の３つの連続的なセンサ色領域をウェハから生成することを可能にする。これらの「スーパーダイ」は、センサの色領域間のエリアを切断することなく、ウェハから切り出される。

屈折率が異なるいくつかの光学ガラス要素を使用することによって、色成分を互いに直線的に分離することができる。これは、単一平面で色分離を行うことができるという点で標準的なプリズムと異なる。この光学要素は、３つのガラス要素を互いに接合することによって、アセンブリに加工することができる。回転アーティファクトは存在せず、これは、プリズム上の従来の３ＣＣＤアセンブリにおける改善を表す。

図１から図３は、本発明の好ましい実施形態を示す。特に図１を参照すると、基板１０の断面が示されている。好ましくは、基板１０は、単結晶シリコンなど半導体材料を含む。次に図２を参照すると、基板１０にセンサ領域１４、１８および２２が形成されている。これらのセンサ領域１４、１８および２２は、各領域が特定の色の光を検出するのに使用されるため、色領域とも呼ばれる。センサ領域１４、１８および２２は、当該技術分野において知られている光感知構造を含む。たとえば、各色領域は、ダイオード構造の一部として、ｎ型またはｐ型のドープ領域を含むことができる。そのようなダイオード構造は入射光に対する電気的応答を生成し、この応答は入射光の強度に比例することが当該技術分野において知られている。断面において、３つの色領域１４、１８および２２が示されている。しかし、好ましくは、多数の光感知領域が基板１０に形成される。

次に図３を参照すると、本発明のいくつかの重要な特徴が示されている。光感知領域１４、１８および２０にオーバーレイする複数のプリズム２６、３０および３４が形成されている。各プリズム２６、３０および３４は、比較的屈折率の高い材料を含む。好ましくは、３つの隣接色領域１４、１８および２２のプリズム２６、３０および３４は、３つの異なる色を透過させるように構成される。たとえば、第１のプリズム２６は、入射光の青色成分を下にある色領域１４へと透過させるように構成することができる一方、第２のプリズム３０は、緑色光を下にある色領域１８へと透過させるように構成され、第３のプリズム３４は、赤色光を下にある色領域２２へと透過させるように構成される。この方式では、３つの隣接色領域は、ＲＧＢ検出方式用として特に青色、緑色および赤色を検出するように構成されることになる。

図示されている多色感知撮像装置用の各プリズム２６、３０および３４は、プリズム長を有する。例示の場合では、第１のプリズム２６は長さＨ１を有し、第２のプリズム３０は長さＨ２を有し、第３のプリズム３４は長さＨ３を有する。各プリズム２６、３０および３４に、他の色を反射させながらある種の色の入射光を透過させるのは、長さと屈折率の組合せである。各プリズム２６、３０および３４は、好ましくは、各色領域１４、１８および２２の最上面３９、４３および４７に対してある角度にある最上面３８、４２および４６を有する。傾斜したこれらの最上面は、以下に説明するように、各プリズム２６、３０および３４が入射光を透過させることも反射させることも可能にする。

次に図４を参照すると、ここでも、三色（ＲＧＢ）撮像システムの好ましい実施形態が断面で示されている。この図は、本発明と共に使用するのに好適なレンズ６４と、プリズム２６、３０および３４と、色領域１４、１８および２２とを備えたシステムを示す。図７を参照すると、上面図により、全センサ１０’が青色領域１４、緑色領域１８および赤色領域２２を含むことが示されている。再び図４を参照すると、プリズム２６、３０および３４のそれぞれは、上述の最上面に対応する反射面３８、４２および４６を有する。第１の反射面３８は第１のプリズム２６上にあり、第２の反射面４２は第２のプリズム３０上にあり、第３の反射面４６は第３のプリズム３４上にある。充填領域５０、５４および５８は透明の材料を含み、プリズムの高さＨ１からＨ３を調節するのに使用される。

概略図において、レンズ６４は、多色の外光を第１のプリズム２６に入射するビーム７０に集束させる。多色光は、典型的には撮像応用例で有用であるように、可視スペクトルのいくつかの色を含む光である。具体的な種類の多色光は、可視スペクトルにわたって光周波数を含む白色光である。第１の反射面３８は、多色入射光ビーム７０の約３分の２を第１の反射ビーム７８として反射させ、一方、入射光ビーム７０の約３分の１を第１の透過ビーム７４として透過させるように設計される。第１の色領域１４が青色領域である場合には、多色光源７０の青色成分が、第１の透過ビームになって青色領域１４まで透過する。赤色成分および緑色成分は、第１の反射ビーム７８として第１の反射面３８によって反射される。

第２のプリズム３０は、第１の反射ビーム７８が、第２のプリズム３０の第２の反射面４２と交差するように構成される。さらに、第２の反射面４２は、残りの入射光７０（第１の反射ビーム７８）の約半分を透過させ、残りの入射光７０（第１の反射ビーム７８）の約半分を第２の色領域１８に反射させるように設計される。第１の反射ビーム７８が第２の反射面４２と交差した結果、第２の反射ビーム８２が第２の色領域１８に誘導され、第２の透過ビーム８６が第３のプリズム３４に向かって誘導される。第２の色領域１８が緑色領域の場合には、第２の反射ビームは、多色光７０の緑色成分を含む。

第３の反射面４６は、残りの入射光ビーム（第２の透過ビーム８６）のほぼすべてを第３の色領域２２に反射させるように設計される。第２の透過ビーム８６は、第３のプリズム３４において第３の反射面４６と交差し、反射光は、第３の色領域２２に誘導される第３の反射ビーム９０である。一部の光は、第３の透過ビーム９４として第３の反射面４６を透過することができる。第３の色領域が赤色である場合には、第３の反射ビーム９０は、多色光７０の赤色成分を含む。

再び図３を参照すると、プリズム２６、３０および３４は、比較的高い屈折率を含む。第１のプリズム２６の長さＨ１は、好ましくは、第２のプリズム３０の長さＨ２より大きい。第２のプリズム３０の長さＨ２は、好ましくは、第３のプリズム３４の長さＨ３より大きい。主として青色光がセンサ１０の青色領域１４に到達し、主として緑色光がセンサ１０の緑色領域１８に到達し、主として赤色光がセンサ１０の赤色領域２２に到達するように、屈折率および長さが選択される。

次に図５を参照すると、基板１０上に、複数の色領域１４、１８および２２ならびにプリズム２６、３０および３４が形成された後で、次いで基板１０を切断し、図示されているような三色センサ１０’を形成することができる。プリズム２６、３０および３４の設計は、個々の成分色（ＲＧＢ）用のセンサを、基板ウェハから切り出すことができる単一のスーパーダイ内でインラインにすることを可能にする。この特徴により、図７に示したように、センサの色領域はウェハ上で共に形成されるときに整列するため、パッケージングステップにおいてセンサを整列させる必要がなくなる。

図８を参照すると、すべてのセンサ色領域が単一ウェハ３１０上で作製されたとき、さらなる経済的効果を実現することができる。ウェハ３１０は４０個の色領域位置３１２、３１４、３１６、３１８、３２０、３２２、３２４、３２６および３２８を有する。赤色センサ領域３１２、緑色センサ領域３１４および青色センサ領域３１６を列の形で形成することにより、本発明に従って三色センサを形成することができる。さらに、ウェハを切断してダイにする前にセンサ領域の試験を行うのが好ましい。このようにして、赤色、緑色および青色グループ３２４、３２６および３２８など、ウェハのグループを単一のダイとしてまとめることができる。すなわち、赤色、緑色および青色センサ領域３２４、３２６および３２８が単一の「スーパーダイ」センサとして取り出されるようにウェハを切断する。あるいは、グループのセンサ領域の１つに欠陥がある場合には、残りのセンサ領域を切断して取り出して、単一の単色センサ３２０を形成することができる。次に図６を参照すると、単一の色領域１８およびプリズム３０を有する単一の色、すなわち単色センサが示されている。

次に本発明の利点を要約することができる。効果的かつ非常に製造性のよい撮像システムが達成される。複数の色画像を１つの次元に変換する手段が提供される。得られるセンサは低コストである。

好ましい実施形態に示されるように、本発明の新規のデバイスおよび方法は、従来技術に代わる効果的かつ製造性のよいデバイスおよび方法を提供する。
本発明を具体的に示し、その好ましい実施形態を参照しながら説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく形態および詳細にさまざまな変更を加えることができることを当業者なら理解するであろう。

撮像センサの構成を断面で示す、本発明の好ましい実施形態を示す図である。 撮像センサの構成を断面で示す、本発明の好ましい実施形態を示す図である。 撮像センサの構成を断面で示す、本発明の好ましい実施形態を示す図である。 本発明の好ましい実施形態を示す図である。 本発明の三色センサを示す図である。 本発明の単色センサを示す図である。 三色センサを上面図で示す図である。 本発明のウェアレベルを示す図である。

符号の説明

１０ 基板
１４ 第１の色領域
１８ 第２の色領域
２２ 第３の色領域
２６ 第１のプリズム
３０ 第２のプリズム
３４ 第３のプリズム
３８ 第１の反射面
３９ 最上面
４２ 第２の反射面
４３ 最上面
４６ 第３の反射面
４７ 最上面
５０ 充填領域
５４ 充填領域
５８ 充填領域
６４ レンズ
７０ 入射光ビーム
７４ 第１の透過ビーム
７８ 第１の反射ビーム
８２ 第２の反射ビーム
８６ 第２の透過ビーム
９０ 第３の反射ビーム
９４ 第３の透過ビーム

Claims (25)

1. 第１の色領域、第２の色領域および第３の色領域を有するセンサと、プリズムシステムを備えた電子撮像システムであって、
   前記プリズムシステムは、
   第１の屈折率を有し、前記第１の色領域にオーバーレイし、前記第１の色の入射光を前記センサの前記第１の色領域に導く、第１のプリズムと、
   第２の屈折率を有し、前記第２の色領域にオーバーレイし、前記第２の色の入射光を前記センサの前記第２の色領域に導く、第２のプリズムと、
   第３の屈折率を有し、前記第３の色領域にオーバーレイし、前記第３の色の入射光を前記センサの前記第３の色領域に導く第３のプリズムとを備える、
   電子撮像システム。
2. 前記第１、第２および第３の色領域は、赤色、緑色および青色を含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１、第２および第３の屈折率は互いに異なる、請求項１に記載のシステム。
4. 前記第１、第２および第３のプリズムは、それぞれ第１、第２および第３の高さを備え、前記第１、第２および第３の高さが互いに異なる、請求項１に記載のシステム。
5. 各前記プリズムは最上面を有し、各前記最上面は前記センサの最上面に対して傾斜している、請求項１に記載のシステム。
6. 前記第２の色領域は前記第１の色領域と前記第２の色領域の間に配置され、前記第１のプリズムは、多色入射光の第１の部分を前記第１の色領域へと透過し、前記多色入射光の第２の部分を前記プリズムに反射し、前記第２のプリズムが、前記多色入射光の第３の部分を前記第２の色領域に反射し、前記多色入射光の第４の部分を前記第３のプリズムへと透過し、前記第３のプリズムが、前記多色入射光の第５の部分を前記第３の色領域に反射し、前記多色入射光の第６の部分を透過する、請求項１に記載のシステム。
7. 前記第１の部分、前記第３の部分および前記第５の部分は、各前記多色入射光の約３分の１である、請求項６に記載のシステム。
8. 前記第１、第２および第３の色領域は、赤色、緑色および青色を含む、請求項６に記載のシステム。
9. 前記センサは、半導体回路ウェハの単一ダイを含む、請求項１に記載のシステム。
10. 第１の色領域、第２の色領域および第３の色領域を有し、前記第１、第２および第３の色領域が赤色、緑色および青色を含むセンサと、プリズムシステムとを備え、
    前記プリズムシステムは、
    第１の屈折率を有し、前記第１の色領域にオーバーレイし、前記第１の色の入射光を前記センサの前記第１の色領域に導く、第１のプリズムと、
    第２の屈折率を有し、前記第２の色領域にオーバーレイし、前記第２の色の入射光を前記センサの前記第２の色領域に導く、第２のプリズムと、
    第３の屈折率を有し、前記第３の色領域にオーバーレイし、前記第３の色の入射光を前記センサの前記第３の色領域に導く第３のプリズムと、を備える、
    電子撮像システム。
11. 前記第１、第２および第３の屈折率は互いに異なる、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記第１、第２および第３のプリズムは、各第１、第２および第３の高さを備え、前記第１、第２および第３の高さは互いに異なる、請求項１０に記載のシステム。
13. 各前記プリズムは最上面を有し、各前記最上面は、前記センサの最上面に対して傾斜している、請求項１０に記載のシステム。
14. 前記第２の色領域は前記第１の色領域と前記第２の色領域の間に配置され、前記第１のプリズムは、多色入射光の第１の部分を前記第１の色領域へと透過し、前記多色入射光の第２の部分を前記プリズムに反射し、前記第２のプリズムは、前記多色入射光の第３の部分を前記第２の色領域に反射し、前記多色入射光の第４の部分を前記第３のプリズムへと透過し、前記第３のプリズムが、前記多色入射光の第５の部分を前記第３の色領域に反射し、前記多色入射光の第６の部分を透過する、請求項１０に記載のシステム。
15. 前記第１の部分、前記第３の部分および前記第５の部分は、各前記多色入射光の約３分の１である、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記センサは、半導体ウェハの単一ダイを含む、請求項１０に記載のシステム。
17. 複数の光センサを半導体ウェハ上に形成するステップと、
    前記光センサにオーバーレイする複数のプリズムを形成するステップとを含み、
    各前記プリズムが前記光センサの１つにオーバーレイし、各前記プリズムが屈折率を有し、各前記プリズムが高さを有し、各前記プリズムが、前記プリズムの下に位置する前記光センサに、色の入射光を導く、
    電子撮像システムを形成する方法。
18. 前記プリズムは、第１、第２および第３の前記色に対応する第１、第２および第３の前記屈折率を含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記プリズムは、第１、第２および第３の前記色に対応する第１、第２および第３の前記高さを備える、請求項１７に記載の方法。
20. 各前記プリズムは最上面を有し、各前記最上面は、前記センサの最上面に対して傾斜している、請求項１７に記載の方法。
21. 前記光センサは、第１、第２および第３の領域を含み、各前記第２の色領域が、前記第１の色領域の１つと前記第３の色領域の１つとの間に配置され、第１の前記プリズムが、前記第１の色領域にオーバーレイし、多色入射光の第１の部分を前記第１の色領域へと透過し、前記多色入射光の第２の部分を第２の前記プリズムに反射し、前記第２のプリズムが、前記第２の色領域にオーバーレイし、前記多色入射光の第３の部分を前記第２の色領域に反射し、前記多色入射光の第４の部分を第３の前記プリズムへと透過し、前記第３のプリズムが、前記多色入射光の第５の部分を前記第３の色領域に反射し、前記多色入射光の第６の部分を透過する、請求項１７に記載の方法。
22. 前記第１の部分、前記第３の部分および前記第５の部分は、各前記多色入射光の約３分の１である、請求項２１に記載の方法。
23. 前記第１、第２および第３の色領域は、赤色、緑色および青色を含む、請求項２１に記載の方法。
24. 前記光センサ間の領域で前記半導体基板を切断し、３つの前記光センサおよび３つの前記プリズムを備えた三色センサを形成するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
25. 前記光センサ間のエリアにおいて前記半導体基板を切断し、１つの前記光センサおよび１つの前記プリズムを備えた単色センサを形成するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。

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