JP2005340811A - 光フィルタリングイメージセンサ - Google Patents

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Abstract

【課題】装置全体の奥行きを低減し、装置の光学的性能が劣化する可能性も小さくする。
【解決手段】光(290)を光センサ(205)に方向付けし、方向付けられた光から赤外線成分をフィルタリングして除去するための方法と装置。この装置(200)は、基板(204)上に配置された光センサ(205)のアレイを含み、光センサは、光の強度を電圧信号に変換するように動作可能である。装置(200)は、光センサ上に配置されたカバープレート(230)を更に含み、そのためカバープレートは光センサアレイ上にキャビティ(221)を形成する。装置(200)は、光センサ(205)とカバープレート(230)との間に形成されたキャビティ内において、カバープレートと光センサとの間に配置されたフィルタ材料を更に含む。このフィルタ材料は、カバープレートを通過する光をフィルタリングするように動作でき、特に、赤外範囲の波長を有する光がフィルタリングされて除去され得る。
【選択図】図2

Description

本発明は、イメージセンサに関する。

デジタルカメラ及び他のイメージングデバイスは一般に、イメージをキャプチャして格納するための光センシング装置を有する。例えば、一般的な一つの設計では、フォトダイオードのアレイが、電荷結合素子(CCD)内に、又は相補型金属酸化膜半導体(CMOS)マイクロチップ上に配置されており、イメージをキャプチャして格納するために使用される。各々のフォトダイオード及びその関連する回路(回路の組合せは、アクティブピクセルセンサ(APS)又は、より単純にはピクセルと呼ばれることが多い)は、フォトダイオードで検出された光の強度を電圧信号に変換し、その電圧信号は、格納、再生および操作のためにデジタル化され得る。CMOS及びCCDチップの双方は、光電効果を利用することにより、類似の機構を通じて光をセンシングし、光電効果は、光子が結晶化シリコンと相互作用して、電子を価電子帯から伝導帯に進める時に生じる。従って、キャプチャされるイメージの品質は、どれぐらいの光が光センサ(即ち、フォトダイオード)に到達するか、及び光が光センサに到達する態様を表す。即ち、入射角度、光ビームの操作、及び光ビームのフィルタリングなどのパラメータは、キャプチャされる真の正しいイメージを正確に反映する高品質のイメージを確実にキャプチャするように制御するために重要である。

キャプチャされるイメージの品質に影響を与える係るパラメータの1つは、光センサに到達する赤外光の量である。可視光(人間の眼に対して)は、400〜700nmの波長範囲を有することは、十分に知られている。可視光範囲の直ぐ向こうには、700〜2500nmの範囲の波長を有する光により画定される赤外範囲が存在する。赤外範囲のサブセットは、デジタルイメージング業界にとってより大きな関心事である近赤外(NIR)範囲である。NIR範囲は、700〜1200nmの範囲の波長を有する光により画定される。特に、CMOSアレイでは、あまりに多くのNIR光により、キャプチャされたイメージは色あせたように見える。即ち、色間のコントラストは、実際に見えるものほど鮮明ではない。そういうものだから、CMOSデバイス、又は光センサを使用する任意の他のデバイスでもってイメージをキャプチャして、入射光の強度を電圧信号に変換する場合には、NIR光を可視光からフィルタリングして除去することが重要である。

これまで、干渉または吸収IRフィルタは、多くの異なる用途で赤外光を可視光から遮るために設計され、イメージキャプチャデバイスに使用されていた。一般に、干渉IRフィルタは、IR光が光キャプチャデバイスに到達する前にIR光を反射し、吸収IRフィルタは、IR光が光キャプチャデバイスに到達する前にIR光を吸収する。IRフィルタは、700nm未満の波長を有する可視光を通過させると同時に、近赤外領域(700〜1200+nm)に及ぶより高い波長を有する赤外光を遮断する。係るIRフィルタは、多くの場合、一般にデジタルイメージングデバイスに組み込まれた赤外線に弱いCMOSアレイを赤外線波長から保護するために利用される。従って、赤外フィルタを光路内に使用する(即ち、入射光が光センサに到達するためにフィルタを通過しなければならないようにフィルタを配置する)場合には、イメージをキャプチャする際に、赤外光のマイナスの影響が低減される。

例えば、図1は、一般に従来のイメージキャプチャデバイスに使用される従来のCMOSアレイ100の破断図である。CMOSアレイ100は、入射光190と各ピクセル101、102及び103との間の光路内にIRフィルタ135を含む。従来のCMOSアレイ100は、列および行に配列された複数のピクセル101、102及び103を含む。列および行は、分かりやすくするために図示されないが、同一行の隣接するピクセル102及び103の一部が、図1においてピクセル101の左右に示される。

各ピクセル101は、シリコン基板104に埋め込まれたフォトダイオード105を含み、各フォトダイオード105は、隣接する金属層110内に包含された電子回路(分かりやすくするために図示せず)に関連付けられる。フォトダイオード105及び金属層110内のその関連する電子回路は共に、収集ウェル107を形成し、それにより入射光190はフォトダイオード105の方へ方向付けられ得る。入射光子(入射光190から)を収集ウェル107内に集中するために、収集ウェル107は、マイクロレンズ120又はレンチキュラとして知られている小型の正メニスカスレンズによって覆われる。

一種の特定のピクセル101は、標準の3トランジスタのピクセルであり、これは従来技術で十分に知られているので、本明細書では詳細に説明しない。広い波長帯域の可視光190がピクセル101上に入射する場合には、可変数の電子が、フォトダイオードの表面に入射する光子−フラックス密度に比例して半導体(シリコン基板)104から放出される。事実上、生成される電子の数は、半導体104に衝突する光の波長および強度の関数である。電子は、積分期間(関連する回路により決定される)が完了するまで電位ウェル(図示せず)内に蓄積され、蓄積された電子は電圧信号に変換される。次いで、電圧信号はアナログ/デジタル変換器(図1に図示せず)を通過させられることができ、それによってCMOSアレイ100によりキャプチャされたイメージのデジタル電子表現がピクセルごとに形成される。

CMOSアレイ100を形成するピクセル101の列および行は、カバーガラス130又はカバープレートにより一括して覆われ、シェルケースパッケージを形成する。カバーガラス130は、ピクセル101のアレイ上にある金属層110の部分に堅固に取り付けられ、そのためキャビティ121が各ピクセル101のマイクロレンズ120上に形成される。従来のCMOSアレイ100において、このキャビティ121には空気のみを充填するか、又は真空とすることができる。一般的に、シェルケースパッケージはユニットとして製造され、吸収フィルタ135を追加するなどの任意の変更は、別個の製造段階中に行なわれる。図1の従来のCMOSアレイ100から看取されるように、IRフィルタ135はカバーガラス130の上面に配置される。IRフィルタ135は、赤外線範囲内の(即ち、約700nmを超える)波長を有する光を遮る又は吸収するように設計される。そういうものだから、入射光190内の任意のNIR光は、下のピクセル101に到達する前にフィルタリングされて除去される。

従来のIRフィルタ135は、一般に染色ガラスから製造され、デジタルイメージキャプチャデバイスにおいて赤外光を減衰させるために、最も広く使用されているタイプのフィルタからなる。特定波長の吸収、即ちフィルタのスペクトル性能は、従来のIRフィルタ135の物理的厚さ、及びフィルタのガラス中に存在する染料の量の関数である。従来のIRフィルタ135は、主に着色フィルタガラスから作成され、透過波長の正確な定義を必要としない用途には、最大クラス及び最も広く使用されているタイプのフィルタである。これらの従来のフィルタは、ガラス、プラスチックコートガラス、アセテートの形態で一般に入手可能である。ガラスフィルタに使用される材料としては、希土類遷移元素、コロイド色素(セレン化物など)、及びほどよく急峻な吸収遷移を生じる高い吸光率を有する他の分子が挙げられる。

吸収フィルタ135などの従来の吸収フィルタは高価で嵩高であり、光路全体の奥行き、及び嵩をシェルケースパッケージに追加する。典型的な吸収フィルタ135は10μmの厚さであり、CMOSアレイ100を含むシェルケースパッケージの上面に更なる奥行きを追加する。更に、典型的な吸収フィルタ135をデジタルイメージキャプチャデバイスに設けるには、吸収フィルタをガラスカバー130の上面に取り付ける追加の製造ステップを必要とする。この製造ステップは、一般に、CMOSアレイ100の製造中にクリーンルーム内で行なわれないため、微粒子および/または塵がカバーガラス130と吸収フィルタ135との間に埋め込まれることが多い。係る塵および微粒子は、イメージキャプチャデバイス内におけるCMOSアレイ100の性能に著しい影響を与える可能性がある。従って、製造の複雑さ及び組立てプロセスは、デジタルイメージキャプチャデバイスに適するCMOSアレイ100の製造に必要なコストと時間を増加させる。

本発明の一実施形態は、光を光センサに方向付けし、方向付けられた光から赤外線成分をフィルタリングして除去するための装置を対象とする。この装置は、基板上に配置された光センサのアレイを含み、光センサは、光の強度を電圧信号に変換するように動作可能である。この装置は、光センサ上に配置されたカバープレートを更に含み、そのためカバープレートは光センサアレイ上にキャビティを形成する。カバープレートは、光を通過させるように動作可能である。即ち、カバープレートは、任意の入射光の一部分を遮ることができるガラスフィルタのフィルムカバーを含まない。この装置は、光センサとカバープレートとの間に形成されたキャビティ内において、カバープレートと光センサとの間に配置されたフィルタ材料を更に含む。このフィルタ材料は、カバープレートを通過する光の一部分をフィルタリングするように動作可能である。特に、一実施形態では、赤外範囲(700〜2500nm)の波長を有する光がフィルタリングされて除去されることができ、そのため約700nm未満の波長を有する光のみがカバープレート及びフィルタ材料を通過して、下の光センサ内の電子を励起させることができる。

カバープレートの下の、内部に形成されたキャビティ内に内蔵型IRフィルタを設けることは有利である。その理由は、装置全体の奥行きが、カバープレートの上面に結合されたフィルタプレートを有する装置に比べて減少するからである。更に、微粒子または塵が装置内に埋め込まれて、光学的性能が劣化する可能性も小さくなる。その理由は、赤外フィルタ材料が、装置の他の部分と一緒に注入されるか、又は製造されるためである。そういうものだから、この製造は一般にクリーンルーム内で実施され、装置は内蔵式であり、即ち単一のシェルケースパッケージであるため、微粒子または塵が光路内の装置に埋め込まれる可能性は著しく減少する。

更に、フィルタ材料は、フィルタカバープレート又はフィルタフィルムより安価であり、典型的な従来のイメージキャプチャ装置上にある従来のフィルタカバーの場合のように、掻き傷および/または摩耗による劣化を受けない。

本発明によれば、カバープレートの下のキャビティ内にIRフィルタを設けることにより、装置全体の奥行きが減少すると同時に、微粒子または塵が装置内に埋め込まれて、光学的性能が劣化する可能性を小さくすることも可能になる。更に、フィルタ材料は、フィルタカバープレート又はフィルタフィルムより安価であり、従来のフィルタカバーのように掻き傷および/または摩耗による劣化を受けない。

本発明の上述の態様および付随する多くの利点は、以下の詳細な説明を添付図面に関連して読むことによって、より容易に解釈され、より良く理解されるであろう。

以下の説明は、当業者が本発明を実施および使用することを可能にするために提示される。本明細書に説明される一般的な原理は、本発明の思想および範囲から逸脱することなく、上記以外の実施形態および用途に適用され得る。本発明は、図示された実施形態に限定されることは意図されておらず、本明細書で開示または示唆される原理および特徴に一致する最も広い範囲に一致されるべきである。

図2は、カバーガラス230と各フォトダイオード205との間の光路内にフィルタ材料235を有するCMOSアレイ200の破断図である。従来のCMOSアレイ(図1に示されたCMOSアレイ100など)の場合のように、CMOSアレイ200は、シリコン基板204内に配置された列および行に配列された複数のピクセル201、202及び203を含む(分かりやすくするために、すべてのピクセルを図示せず)。ピクセル201などの各ピクセルは、関連するフォトダイオード205と、隣接する金属層210内に収容された電子回路(やはり、分かりやすくするために図示せず)と、前述したようなマイクロレンズ220とを含む。ピクセル201の列および行も、やはりCMOSアレイ200を形成し、カバーガラス230により一括して覆われる。覆われた(カバーされた)CMOSアレイ200は、シェルケースパッケージと呼ばれる。

カバーガラス230はピクセル201のアレイの上面に堅固に取り付けられ、そのためピクセルアレイ上にキャビティ221が形成される。この実施形態では、キャビティ221はピクセル201の全体のアレイに及び、そのためカバーガラス230は、ピクセルCMOSアレイ200の一番外側の縁部(図示せず)など、限られた数の場所における基板上の金属層の接触点に結合される。別の実施形態では、個々のキャビティ(図示せず)は、1対1で関連するピクセル201に対応するように形成され得る。どの実施形態であるか、又はカバーガラス230をどのように金属層210に結合するかに関わりなく、キャビティ221は、各ピクセル201とカバーガラス230との間に、何らかの態様で形成される。

この実施形態では、形成されたキャビティ221には、フィルタ材料が充填される。フィルタ材料は、吸収性染料を充填されたポリマー(即ち、ゲル状物質)とすることができる。吸収性染料は、非常に小さい微粒子が入射光290と相互作用して、カバーガラス230及びキャビティ221からフォトダイオード205まで通過する光290から赤外光を吸収する(即ち、フィルタリングする)ように製造される。一実施形態において、ポリマー中の吸収性染料は、650nmを超える波長を有する光を実質的にフィルタリングして除去すると同時に、650nm未満の波長を有する光が、実質的にフィルタリングされずに残り、フォトダイオード205まで通過することが可能であるようにカスタマイズされる。

ポリマーの製造に使用されるフィルタ材料の品質は、光学グレードであり、キャビティ221の容積全体にわたって密度および色の均一性を提供する。フィルタ材料は、吸収によって光をフィルタリングし、そのためフィルタ材料のスペクトル性能は、フィルタ材料の厚さおよび光学密度によって決まる。厚さを増加すると、望ましくない波長の遮断レベルがそれに対応して増加するが、帯域内の透過ピークも減少し、それにより吸収帯域の両端における減衰が生じる。

ポリマーのフィルタ材料を使用することは、費用対効果が大きく(図1の吸収性フィルタ135などのような別個に製造されたガラス又はプラスチックフィルタと比較した場合)、赤外光をフィルタリングするには光学的に十分である。ポリマーのフィルタ材料は市販されており、このフィルタ材料は、一般に穏やかに取り扱う必要があるにも関わらず、多種多様な用途に適する。

カバーガラス230とフォトダイオード205との間のキャビティ内にポリマーのフィルタ材料を使用する利点はいくつかある。これらの利点には、比較的低コストであること、並びに多種多様な気候および動作条件の下での安定性が含まれる。更に、ポリマーのフィルタ材料は、図1に関して上述したフィルム又はガラスフィルタの場合のように、フィルタプレートの表面上に付着されるのではなく、光吸収化学種をフィルタ材料の全体にわたって混合して構成される。従って、ポリマーのフィルタ材料は、小さな掻き傷または磨耗により破壊する傾向がない。更に、ポリマーのフィルタ材料は、入射光290の角度に敏感ではなく、実質的には任意の入射角度で均一なスペクトル特性を提供する。

更に、典型的な製造ステップは、シェルケースパッケージの全体がクリーンルーム内で製造されている間に、ポリマーのフィルタ材料をキャビティの中へ注入することを含む。従って、(従来技術の場合のように)シェルケースパッケージ内、又はカバープレートと従来のフィルタプレートとの間に微粒子および/または塵が埋め込まれる可能性は、著しく低減される。

更に、フィルタは、もはやシェルケースパッケージの外部にあるプレート又はフィルムで具現化されないので、シェルケースパッケージ全体の奥行きが減少する。シェルケースパッケージの奥行きの減少は、シェルケースパッケージがより低いプロファイルを有し、より浅いデジタルイメージキャプチャデバイスに適合することができるという理由で有利である。

図3は、内部に配置された図2のCMOSアレイ200を含むシステム300のブロック図を示す。このシステム300は、デジタルカメラ、デジタルカメラ付き電話、又はデジタルイメージキャプチャ装置を利用する他の電子装置とすることができる。係る装置は、任意のサイズと数のピクセルからなることができ、各ピクセルは個々のフォトダイオードを含む。

CMOSアレイ200は、光子収集の主な仕事に含まれない多くの処理および制御機能を単一のシェルケースパッケージ上に直接的に統合することができる。これらの特徴には一般に、タイミングロジック、露光制御、アナログ/デジタル変換、シャッター制御、ホワイトバランス、ゲイン調節、及び初期イメージ処理アルゴリズムが含まれる。これらすべての機能を実行するために、CMOS集積回路アーキテクチャは、単純なフォトダイオードアレイではなく、ランダムアクセスメモリセルのアーキテクチャに、より密接に類似する。一般的な1つのCMOSアレイ200は、フォトダイオード205及び読出し増幅器(図示しないが、金属層210の範囲内にある)の双方を各ピクセル201に組み込むアクティブピクセルセンサ(APS)技術を通じて構築される。これにより、フォトダイオード205により蓄積された電荷がピクセル201内で増幅された電圧信号に変換され、連続した行および列でチップのアナログ信号処理部分に転送されることを可能にする。

従って、各ピクセル201は、フォトダイオード205のほかに三つ組のトランジスタを含み、これらのトランジスタは、蓄積された電子電荷を測定可能な電圧に変換し、フォトダイオードをリセットし、電圧を垂直列のバスに転送する。結果としてのアレイは、金属読出しバスの構成されたチェッカーボードであり、このチェッカーボードは、フォトダイオード205及び関連する信号生成回路を各交点、即ち各ピクセル201に含む。これらのバスは、タイミング信号をフォトダイオード205に印加し、CMOSアレイ200から離れて収用されているアナログ復号/処理回路に読み出された情報を戻す。この設計は、アレイ内の各ピクセル201からの信号を単純なx、yアドレス指定技術で読み取ることを可能にする。

フォトダイオード205は、デジタルイメージセンサの重要な要素である。感度は、フォトダイオード205により蓄積され、入射光子の変換効率を電子に結合することが可能な最大電荷と、デバイスが電荷を漏出または流出することなく、限られた領域に蓄積する能力との組合せにより決定される。これらの要因は一般に、フォトダイオード205の物理的なサイズ及びアパーチャ、並びにCMOSアレイ200における隣接した要素に対する空間的および電子的関係により決定される。別の要因は電荷対電圧の変換比であり、これは、効果的に積分された電子電荷を、測定および処理され得る電圧信号にどのように変換するかを決定する。

フォトダイオードは一般に、サイズが128×128ピクセル(16Kピクセル)から、より一般的には1280×1024(100万ピクセルを超える)までの範囲を有することができる直交格子に構成される。高精細度テレビ(HDTV)用に設計されたような最新のCMOSアレイ200のいくつかは、2000平方ピクセルを超える非常に大きなアレイに構成された数百万のピクセルを含む。アレイの各行および各列を構成するすべてのピクセル201からの信号は、フォトダイオードの電荷蓄積データからイメージを組み立てるために、正確に検出および測定(読み出し)されなければならない。

図3のシステムは、バス320に結合された中央処理ユニット(CPU)315を含む。バス320には、CMOSアレイ200によりキャプチャされたデジタルイメージを格納するためのメモリ325も結合される。CPU315は、バス320を介してCMOSアレイ200を制御することによりイメージのキャプチャを容易にし、イメージがキャプチャされると、イメージをデジタル形式でメモリ325に格納する。

CMOSアレイ200は、図2に関して上述したように、イメージのキャプチャおよびデジタル化を容易にするためのいくつかのコンポーネント、及びイメージキャプチャ電子回路に関して当該技術分野で十分に知られたコンポーネントを含む。CMOSアレイ200の各ピクセル201は、接続部351を介して行制御回路350に結合され、接続部361を介して列制御回路360に結合されて、イメージをキャプチャするための制御信号を容易にする。更に、CMOSアレイ200の各ピクセル201は、Vdd311及びGROUND312に結合される(個々の接続部は図示せず)。

典型的なイメージキャプチャ手順では、各ピクセル201に対する電圧信号は、列制御回路360により読み取られ、マルチプレクサ370に送られる。マルチプレクサ370は、各電圧信号を単一の多重化信号に結合し、この多重化信号は、各ピクセル201の各フォトダイオード205においてキャプチャされた電圧信号を表す。増幅段380の後に、この信号は、アナログ/デジタル変換器390を介してデジタル信号に変換されてから、バス320に伝達される。次いで、CPU315は、多重化デジタル信号のメモリ325における格納を容易にする。

CMOSアレイ200に到達することができる任意の入射光から赤外光を遮る仕事を行なうフィルタ材料を組み込むことにより、図3のシステム300は、より浅い環境および/またはハウジング内に収用され得る。

入射光と各ピクセルとの間の光路内に吸収フィルタを有する従来のCMOSアレイの破断図である。 入射光と各ピクセルとの間の光路内に存在するシェルケースパッケージ内のキャビティ内部に配置された吸収フィルタ材料を有するCMOSアレイの破断図である。 内部に配置された図2のCMOSアレイを含むシステムのブロック図である。

符号の説明

200 CMOSアレイ
204 シリコン基板
205 フォトダイオード
220 マイクロレンズ
221 キャビティ
230 カバーガラス
290 入射光

Claims (10)

  1. 基板(204)上に配置され、光の強度を電圧信号に変換するように動作可能な光センサ(205)と、
    前記光センサ(205)上に配置され、光(290)を通過させるように動作可能なカバープレート(230)と、及び
    前記カバープレート(230)と前記光センサ(205)との間に配置され、前記カバープレート(230)を通過する光の一部分をフィルタリングするように動作可能なフィルタ材料とを含む、装置(200)。
  2. 前記フィルタ材料がポリマーからなる、請求項1に記載の装置(200)。
  3. 前記フィルタ材料が吸収性染料を含む、請求項1に記載の装置(200)。
  4. 前記フィルタ材料によりフィルタリングされた光(290)の一部分が、赤外光を含む、請求項1に記載の装置。
  5. 前記基板に結合され、フィルタリングされた光を前記光センサ(205)上に集束させるように動作可能なマイクロレンズ(220)を更に含む、請求項1に記載の装置(200)。
  6. 前記光センサ(205)が、フォトダイオードである、請求項1に記載の装置(200)。
  7. 前記フォトダイオードに電気的に結合され、光を電圧信号に変換するのを容易にするように動作可能な3トランジスタのアクティブピクセルセンサを更に含む、請求項6に記載の装置(200)。
  8. 赤外線成分を有する光(290)を光センサ(205)の方へ方向付けるステップであって、前記光(290)が、前記光センサ(205)に隣接するキャビティ(221)を通って方向付けられ、前記キャビティ(221)にフィルタ材料を充填するステップと、及び
    前記光が前記キャビティ(221)を通過する時に、前記光(290)の少なくとも一部分をフィルタリングするステップとを含む、方法。
  9. 前記フィルタリングされた光の強度を前記光センサ(205)において測定するステップを更に含む、請求項8に記載の方法。
  10. 前記測定された光(290)の強度を、測定強度を表す電気信号に変換するステップを更に含む、請求項8に記載の方法。
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