JP2005249846A - 撮像装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 固体撮像素子の撮像面の中心部と周辺部との明るさの格差によるシェーディングの問題を解決する。
【解決手段】 ＣＭＯＳセンサの光学系において、撮像面の中心部では射出瞳距離が小さく見え、撮像面の周辺部では大きく見えるような非球面レンズを用いる。また、この非球面レンズにおいて、撮像面で中心部から周辺部に向かうに従って射出瞳距離が単調に増加する。さらに、この射出瞳距離が単調に増加するときに、撮像面の中心での瞳射出距離がｄ１、撮像面の端での瞳射出距離がｄ２となる場合、（ｄ１＋ｄ２）／２＜ｄ＜ｄ２の関係を満たす射出瞳距離ｄに対して瞳補正を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子を用いた撮像装置に関する。

例えばＣＭＯＳセンサを用いた撮像装置では、光学系を通して入射した光を半導体基板上に形成した受光部のフォトダイオードによって光電変換し、この発生した電子を蓄積、転送して増幅回路によって電圧出力または電流出力として取り出す。
以下、このような撮像装置での一般的な光入射について説明する。図９はＣＭＯＳセンサを搭載したカメラモジュールの構成例を示す断面図である。また、図１０は図９に示すＣＭＯＳセンサの受光部の各画素部分の構造を示す拡大断面図であり、図１０（ａ）は光が垂直に入射する位置の画素（図９のａ部）を示し、図１０（ｂ）は光が斜めに入射する画素（図９のｂ部）を示している。
図示のように、光１０は鏡筒１１に設置されたレンズ１２、絞り１３、及びレンズ１４等を通り抜け、ＣＭＯＳセンサ１５の表面の各画素に対して配置されているオンチップレンズ１６に入射し、このオンチップレンズ１６にて再び屈折させられて受光部１７のフォトダイオードに入射する。なお、ＣＭＯＳセンサ１５の内部には、各種の配線層１８が設けられている。
このとき、撮像面の中心部付近では、図１０（ａ）に示すように、入射光は撮像面に対してほぼ垂直に入射するので、オンチップレンズ１６を通りそのまま受光部１７に入射する。しかしながら、図１０（ｂ）に示すように、撮像面の中心部から周辺部に向かうに従って入射角が大きくなり、入射光は撮像面に対して浅い角度で入射するようになるので、オンチップレンズ１６にその光が入射しても、全ての入射光が受光部１７に入射するのではなく、受光部１７を外れるようになる。そのために、撮像面の周辺部での受光部への入射光量が減少するという問題があった。

ここで、光学系の射出瞳という概念について説明する。図１１は、ＣＭＯＳセンサ２０に対する光学系の一例を示す図であり、絞り２１の前方に２つのレンズ２２、２３が配置され、後方にレンズ２４が配置されている。
そして、射出瞳とは、絞り２１より後方にあるレンズ２４によって作られる絞りの像（虚像）のことである。また、撮像面から射出瞳までの距離を射出瞳距離という。
そして、射出瞳距離の長いレンズを用いた場合、撮像面の周辺部においても入射角は小さくなるが、厚みの薄いレンズモジュールを作ることが困難になる。一方、射出瞳距離が短いレンズを用いた場合、厚みの薄いレンズモジュールを作ることはできるが、撮像面の周辺部での入射角が大きくなる。
従来は、この射出瞳距離に合わせて、図１２に示すように、オンチップレンズ３１をそれに対応する受光部３２の中心から撮像面の中心方向に、撮像面の中心からオンチップレンズ中心までの距離に比例してある一定比率で短くし、ずらしていた。入射角の大きい光をより効率よく受光部に入射させるためである。これを瞳補正という。
しかしながら根本的な問題として、厚みの薄いレンズモジュールでは撮像面の周辺部で入射角が大きいという問題がある。このことが起因してオンチップレンズを一定比率でずらすだけでは集光効率に限界があるという問題があった。
特開平１−２１３０７９号公報

以上のような実情により、従来の撮像装置において、ＣＭＯＳセンサの撮像面の中心部と周辺部で入射光量差が発生し、ＣＭＯＳセンサの出力が中心部で大きく周辺部で小さいというシェーディングの発生が問題となっている。
そこで本発明は、固体撮像素子の撮像面の中心部と周辺部との明るさの格差によるシェーディングの問題を解決することができる撮像装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の撮像装置は、光電変換手段を含む複数の画素を集積した受光部を設けた固体撮像素子と、前記固体撮像素子の受光部の撮像面上に各画素に対応して配置されるオンチップレンズと、前記固体撮像素子の受光部への入射光を制御する光学系とを有し、前記光学系は、前記受光部への入射光量を制御する絞りと、前記受光部と絞りとの間に配置され、前記受光部の撮像面の中心部では射出瞳距離が小さく見え、撮像面の周辺部では射出瞳距離が大きく見えるように入射光を制御する非球面レンズとを有することを特徴とする。

本発明によれば、固体撮像装置の光学系において、像高（受光部の撮像面の中心からの距離）によって射出瞳距離が異なって見えるようなレンズを用いることにより、撮像面の周辺部での集光効率を上昇させることができ、シェーディングの抑制が可能となり、撮像特性を改善することができる効果がある。

本発明の実施の形態による撮像装置は、ＣＭＯＳセンサの光学系において、撮像面の中心部では射出瞳距離が小さく見え、撮像面の周辺部では大きく見えるような非球面レンズを用いる。これにより、撮像面の周辺部での集光効率を上昇させることができ、シェーディングの抑制が可能となる。
また、この非球面レンズにおいて、撮像面で中心部から周辺部に向かうに従って射出瞳距離が単調に増加する。さらに、この射出瞳距離が単調に増加するときに、撮像面の中心での瞳射出距離がｄ１、撮像面の端での瞳射出距離がｄ２となる場合、（ｄ１＋ｄ２）／２＜ｄ＜ｄ２の関係を満たす射出瞳距離ｄに対して瞳補正を行う。このように、ある適当な射出瞳距離を想定し、一定比率でオンチップレンズをずらすことで、撮像面の周辺部での集光効率が改善し、シェーディング特性を改善できる。
また、撮像面で中心部から周辺部に向かうに従って射出瞳距離が単調に増加する非球面レンズを用いた構成において、オンチップレンズを像高によって異なる比率でずらし、撮像面の中心部より周辺部でのずれ量の変化率を小さくする（図７参照）。また、この場合、ずれ量の変化率が単調に減少するものを用いる。このように、オンチップレンズのずれ量を変化させることにより、ずれ量を一定比率として射出瞳距離が単調に増加する場合に比べて、さらに効率よく受光部に光を入射させることが可能となる。

さらに、上述した非球面レンズを用いたときに、像高（受光部の撮像面の中心からの距離）による射出瞳距離の変化を記述した射出瞳関数と各位置での射出瞳距離に対するオンチップレンズのずれ量を記述する瞳補正距離関数との変化が像高によらずほぼ一致しているものを用いる（図８（ａ）参照）。これにより、全域にわたって感度を最大化する場合に有効な構成を得ることができる。
あるいは、この射出瞳関数と瞳補正距離関数において、撮像面の中心部では瞳補正距離関数の方が大きく、周辺部では近い値になるものを用いる（図８（ｂ）参照）。これにより、撮像面の中心部と周辺部での感度差を小さくし、シェーディングを抑制するのに有効な構成を得ることができる。
あるいは、この射出瞳関数と瞳補正距離関数において、撮像面の中心部では瞳補正距離関数の方が大きいが、射出瞳距離が（ｄ１＋ｄ２）／２とｄ２の間で交わって、周辺部で近い値になるものを用いる（図８（ｃ）参照）。これにより、撮像面の中心部と周辺部での感度差を小さくし、シェーディングを抑制するのに有効な構成を得ることができる。

図１は本発明の実施例によるＣＭＯＳセンサを搭載したカメラモジュールの構成例を示す断面図である。また、図２は図１に示すＣＭＯＳセンサの受光部の各画素部分の構造を示す拡大断面図であり、図２（ａ）は光が垂直に入射する位置の画素（図１のａ部）を示し、図２（ｂ）は光が斜めに入射する画素（図１のｂ部）を示している。
図示のように、本実施例の撮像装置は、鏡筒１１１の内部にＣＭＯＳセンサ１２０、絞り１１２、レンズ１１３〜１１５を配置したものである。
ＣＭＯＳセンサ１２０は、センサホルダ１２１やカバー１２２によってモジュール化され、鏡筒１１１の底部側に設けられている。絞り１１２は、鏡筒１１１の先端部側に設けられ、ＣＭＯＳセンサ１２０への入射光量を制御する。レンズ１１３は、絞り１１２の外側に配置され、レンズ１１４及びレンズ１１５は絞り１１２とＣＭＯＳセンサ１２０との間に配置されており、これらの形状が本実施例の特徴となるＣＭＯＳセンサ１２０の撮像面の中心部では射出瞳距離が小さく見え、撮像面の周辺部では大きく見えるような非球面レンズを構成するものである。なお、各レンズ１１３〜１１５は、それぞれレンズホルダを介して鏡筒１１１に装着されている。
このような構成のカメラモジュールにおいて、光１１０は鏡筒１１１に設置されたレンズ１１３、絞り１１２、及びレンズ１１４、１１５等を通り抜け、ＣＭＯＳセンサ１２０の表面の各画素に対して配置されているオンチップレンズ１１６に入射し、このオンチップレンズ１１６にて再び屈折させられて受光部１２３のフォトダイオードに入射する。なお、ＣＭＯＳセンサ１２０の内部には、各種の配線層１２４が設けられている。

本発明の実施例１では、３枚のレンズ１１３〜１１５によるレンズ群構成により、上述した射出瞳距離が一つに定まらず、撮像面の中心付近では射出瞳距離が小さく見え、撮像面の周辺部では射出瞳距離が大きく見えるような非球面レンズを実現している。
最も外側のレンズ１１３は、外側が凸面、内側が凹面のレンズであり、その内側に配置されるレンズ１１４は、外側が凹面、内側が凸面のレンズであるが、最も内側のレンズ１１５は、外側が凹面であるものの、内側は中心部が凹面でその外周が凸面という、やや複雑なレンズ面を有するものとなっている。なお、これらのレンズ群によって、撮像面の中心付近では射出瞳距離が小さく見え、撮像面の周辺部では射出瞳距離が大きく見えるような作用が得られることは、実測によって確認されるものである。
これらは一部に非球面を含むものであり、本発明では、このようなレンズ群を総称する意味で、非球面レンズというものとする。
ただし、図２に示すレンズ構成は本発明を実施する際の一例であり、具体的には種々の形態が可能で、例えば２枚のレンズ群を用いて実現することも可能であり、各種のシュミレーション設計や試作、実験によって適宜最適なものを選択できるものとする。

なお、このようなレンズを用いる場合、正確には射出瞳は定まらないが、各画素において射出瞳距離はある値として実際に存在するので、自然な概念としてここでは射出瞳関数というものを導入し、射出瞳距離を像高の関数として表現するものとする。ただし、像高とは撮像面の中心からの距離を表す。
図３は像高と射出瞳距離との関係（射出瞳関数）のグラフを示し、図４は像高と入射角との関係のグラフを示している。従来は、射出瞳距離が一定値であったが、本実施例では図３に示すように像高によって単調に増加する関数とする。この場合、図４に示すように、撮像面の周辺部（端）にいくにしたがって、入射角の変化が小さくなる。このレンズを用いれば、撮像面の周辺部での入射角を小さくしつつ、薄いレンズモジュールを作ることが可能となる。
したがって、本実施例では、ＣＭＯＳセンサの光学系において、像高によって射出瞳距離が異なって見えるようなレンズを用い、また各オンチップレンズでの射出瞳距離に応じて、オンチップレンズをそれに対応する受光部の中心に対して、受光部の撮像面の中心から画素までの距離に比例しないもしくは比例した比率でずらすことで、撮像面の周辺部での集光効率が上昇する。これより、シェーディングの抑制が可能となりシェーディング特性が改善する。

本発明の実施例２は、図３に示す２つの射出瞳距離ｄ１とｄ２を用いて、図５に示すように、（ｄ１＋ｄ２）／２とｄ２の間の射出瞳距離を想定し、それを基に一定比率でオンチップレンズをずらすようにしたものである。この場合、レンズ自体の光量シェーディングを考慮しない場合の像高における感度は、図６（ａ）に示すように、撮像面の周辺部で高い値となる。実際にはレンズ自体の光量のシェーディングが図６（ｃ）に示すように、存在するので、これらの積をとると、チップの感度は図６（ｂ）に示すようになる。
図６（ａ）で周辺部の感度が大きくなっているので、レンズのシェーディングを考慮した場合でも、図６（ｂ）に示すように、周辺部の光量低下を防止できる。
よって、本実施例１のレンズを実施例１で示した図１に示す構成で配置し、さらに、ある適当な射出瞳距離を想定し、一定比率でオンチップレンズをずらすことで、撮像面の周辺部での集光効率が改善し、シェーディング特性を改善できる。

次に、本実施例３では、実施例１のレンズを用いて、実施例２のように、オンチップレンズのずれ量を一定比率とするのではなく、図７に示すように、像高によって異なる比率となるようにずらす。すなわち、撮像面の中心部よりも周辺部でずれ量の変化率を小さくする。ここで、各位置のオンチップレンズずれ量がどの射出瞳距離に対して最適なのかを示す関数が定義できる。これを射出瞳距離関数とする。
従来は、射出瞳距離が一定であったので、瞳補正距離関数が一定値であったが、本実施例で用いるような、像高によって射出瞳距離が異なって見えるレンズを用いると、最適なオンチップレンズずれ量が各位置で異なる。
例えば図７に示すようにした場合、瞳補正距離関数は像高とともに、撮像面の周辺部まで単調に増加する関数となる。
また、瞳補正距離関数は、図８（ａ）に示すように、射出瞳距離関数とほぼ一致していてもよいが、図８（ｂ）に示すように、中心部では射出瞳距離関数の方が大きく、周辺部では近いという形や、あるいは図８（ｃ）に示すように、（ｄ１＋ｄ２）／２とｄ２の間で射出瞳関数と瞳補正距離関数が交差して射出瞳関数が大きくなり、周辺部で再び近い値になっている形が好ましい。
図８（ａ）は全域にわたって感度を最大化する場合に用い、図８（ｂ）（ｃ）は撮像面の中心部と周辺部での感度差を小さくし、シェーディングを抑制する場合に用いる。
なお、本実施例３の場合においても、装置構成は図１に示すものとなるが、オンチップレンズずれ量が瞳補正距離関数で表されており、一定比率でずれていない点で、実施例２とは異なる。よって、さらに効率よく受光部に光を入射させることが可能となる。

本発明の実施例に係るＣＭＯＳセンサを搭載したカメラモジュールの構成例を示す断面図である。 図１に示すＣＭＯＳセンサの受光部の各画素部分の構造を示す拡大断面図であり、（ａ）は光が垂直に入射する位置の画素を示し、（ｂ）は光が斜めに入射する画素を示している。 図１に示すＣＭＯＳセンサの光学系における像高と射出瞳距離の関係を示す説明図である。 図１に示すＣＭＯＳセンサの光学系における像高と入射角の関係を従来と対比して示す説明図である。 図１に示すＣＭＯＳセンサの光学系による瞳補正のかけ方を示す説明図である。 図１に示すＣＭＯＳセンサの光学系による補正特性を示す説明図である。 図１に示すＣＭＯＳセンサの光学系による像高とオンチップレンズずれ量の関係を示す説明図である。 図１に示すＣＭＯＳセンサの光学系による瞳補正距離関数と射出瞳関数の関係を示す説明図である。 従来のＣＭＯＳセンサを搭載したカメラモジュールの構成例を示す断面図である。 図９に示すＣＭＯＳセンサの受光部の各画素部分の構造を示す拡大断面図であり、（ａ）は光が垂直に入射する位置の画素を示し、（ｂ）は光が斜めに入射する画素を示している。 一般のＣＭＯＳセンサの光学系における射出瞳と射出瞳距離とを示す説明図である。 従来のＣＭＯＳセンサにおけるオンチップレンズの配置を示す説明図である。

符号の説明

１１０……光、１１１……鏡筒、１１２……絞り、１１３〜１１５……レンズ、１１６……オンチップレンズ、１２０……ＣＭＯＳセンサ、１２１……センサホルダ、１２２……カバー、１２３……受光部、１２４……配線層。

Claims (8)

1. 光電変換手段を含む複数の画素を集積した受光部を設けた固体撮像素子と、
   前記固体撮像素子の受光部の撮像面上に各画素に対応して配置されるオンチップレンズと、
   前記固体撮像素子の受光部への入射光を制御する光学系とを有し、
   前記光学系は、前記受光部への入射光量を制御する絞りと、前記受光部と絞りとの間に配置され、前記受光部の撮像面の中心部では射出瞳距離が小さく見え、撮像面の周辺部では射出瞳距離が大きく見えるように入射光を制御する非球面レンズとを有する、
   ことを特徴とする撮像装置。
2. 前記非球面レンズは、受光部の撮像面で中心部から周辺部に向かうに従って射出瞳距離が単調に増加することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 前記非球面レンズは、射出瞳距離が単調に増加するときに、撮像面の中心での瞳射出距離がｄ１、撮像面の端での瞳射出距離がｄ２となる場合、（ｄ１＋ｄ２）／２＜ｄ＜ｄ２の関係を満たす射出瞳距離ｄに対して瞳補正を行うことを特徴とする請求項２記載の撮像装置。
4. 前記オンチップレンズを受光部の撮像面の中心からの距離に対応して異なる比率でずらし、撮像面の中心部より周辺部でのずれ量の変化率を小さくしたことを特徴とする請求項２記載の撮像装置。
5. 前記ずれ量の変化率が単調に減少することを特徴とする請求項４記載の撮像装置。
6. 前記非球面レンズは、受光部の撮像面の中心からの距離による射出瞳距離の変化を記述した射出瞳関数と各位置での射出瞳距離に対するオンチップレンズずれ量を記述する瞳補正距離関数との変化が受光部の撮像面の中心からの距離によらずほぼ一致していることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
7. 前記射出瞳関数と瞳補正距離関数は、撮像面の中心部では瞳補正距離関数の方が大きく、周辺部では近い値になることを特徴とする請求項６記載の撮像装置。
8. 前記射出瞳関数と瞳補正距離関数は、撮像面の中心部では瞳補正距離関数の方が大きいが、撮像面の中心での瞳射出距離がｄ１、撮像面の端での瞳射出距離がｄ２となる場合、射出瞳距離が（ｄ１＋ｄ２）／２とｄ２の間で、射出瞳関数と瞳補正距離関数が交差し、周辺部で近い値になることを特徴とする請求項６記載の撮像装置。

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