JP2005526454A - イメージセンサデバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、物体の像を検出するセンサデバイスに関し、かかるセンサデバイスでは、物体から受け取った放射を検出する検出手段（14）が、検出手段（14）の所定の動作期間中、放射を物体に向かって放出する発光半導体手段（12）によって支援される。検出手段（14）は、低光強度条件であっても低電力消費量で動作可能である。検出手段（14）は、二面照明型検出手段であるのが良く、かかる二面照明型検出手段では、一方の側面は、発光半導体手段（12）によって支援され、他方の側面は、感度を向上させたバックエッチング側面である。かくして、安価で且つ非常に小型の多目的カメラ又はセンサモジュールを提供できる。

Description

発明の詳細な説明

本発明は、物体の像を検出するセンサデバイス、例えばＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）イメージセンサ（撮像素子）に関する。

固体撮像素子は例えばビデオカメラに用いられ、現在、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）及びＣＭＯＳイメージセンサを含む多くの形態で実現されている。これらイメージセンサは、画素の２次元アレイを基礎としている。各画素は、光学像の一部を電子信号に変換できる検出要素を含んでいる。これら電子信号は次に、光学像を例えばディスプレイ上に再生するために用いられる。

しかしながら、最近、ＣＭＯＳイメージセンサが人気を博している。純然たるＣＭＯＳイメージセンサは、マイクロプロセッサ及びＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）に関するＣＭＯＳ技術の進歩の恩恵を受け、ＣＣＤイメージセンサと比べて幾つかの利点をもたらしている。アドバンスト信号処理アルゴリズムと結合された収縮リソグラフィーは、これら十分に確立されたＣＭＯＳ技術を利用することにより得られた１つのチップ上にセンサアレイ、アレイ制御及び画像処理のためのステージを設定する。しかしながら、画素は、それほど大きくは収縮することができず、或いは、不十分な光電性領域を有する。それにもかかわらず、収縮リソグラフィーにより、トランジスタとバスをアレイ内で接続する幅の減少された金属ラインが得られる。前側面照明型イメージセンサでは、金属ライン幅のこの減少により、より多くのシリコンが光に露出され、それにより光感度が増大する。また、これらＣＭＯＳイメージセンサは、必要とする電源電圧がＣＣＤイメージセンサよりも低いため、大幅な電力の節約が得られる。加うるに、ＣＭＯＳ画素の改良に起因して、新開発のＣＭＯＳイメージセンサは、高解像度で低ノイズの画像をもたらす。

ＣＭＯＳ画素アレイ構造では、能動又は受動画素を用いることができる。能動画素センサ（ＡＰＳ）は、各画素内に増幅回路を有している。ＣＭＯＳ能動画素センサは、能動回路、例えばトランジスタを各画素内に設けることにより受動画素の欠点を解決している。ＡＰＳセルは、リセット制御ライン及び行選択制御ライン上に受け取った信号により制御される積分及び読出しフェーズで動作する。リセットトランジスタは、積分フェーズ中、パルスによりオンオフされる。このリセットプロセスにより、対応関係にあるフォトダイオードの電位がリセットレベルでフローティングになる。フォトダイオードは本来的に、物体から反射された放射強度に比例する量の電荷を蓄える能力を備えている。光により生じた電流は、画素のキャパシタンスを放出し、それによりフォトダイオードの電位が光発生電流の大きさによって決められる信号値まで減少する。この場合、リセットレベルと信号レベルの差は、入射光に比例し、ビデオ信号を構成する。

前側面照明型ＣＭＯＳ ＡＰＳセルに関連した問題は、能動回路、特に能動回路と関連した金属ラインが、フィルファクタ、即ち、ＣＭＯＳ ＡＰＳ画素アレイの光検出面積と全画素面積の比を減少させるということにある。特に、リセット制御ライン、行選択制御ライン、電圧源ライン、金属ライン及び列出力ラインは全て、基板に被着された二酸化シリコン絶縁層中に形成される。光子の形態をした光が、絶縁層を通って光電性拡散領域に至り、それにより光起電反応を生じさせる。能動回路と関連した金属ライン及びポリシリコンラインが存在することにより、フォトダイオードの拡散領域に到達する光の量が減少し、それにより非最適フィルファクタが生じる。

上述したように、最先端のＣＭＯＳ作製法と関連した金属ライン幅の減少により、より多くのシリコンが光に露出される。しかしながら、金属ラインが非常に細くても、これにより幾分かの光遮断が生じ、それにより前側面照明型イメージセンサは、１００％のフィルファクタを達成するのが阻止される。

現在のマーケット状況では、センサは、最低ほんの３０ルックスまでの光強度でこれらの仕様範囲内で動作できなければならない。しかしながら、上述の問題により、ＣＭＯＳセンサの感度は低すぎ、これら低光強度での所要の仕様に合うよう大規模な開発を行う必要がある。

したがって、本発明の目的は、低光強度で動作できる改良型イメージセンサデバイスを提供することにある。

この目的は、請求項１に記載されたセンサデバイスによって達成される。したがって、発光半導体手段は、スナップショットの際及び（又は）短時間のテレビ会議期間中、センサデバイスを支援するよう構成されている。それにより、センサの動作条件は、画像品質が向上し、しかもセンサを感度に関して改良する労力から解放できるような仕方で改善される。

好ましくは、発光半導体手段は、少なくとも１つの発光ダイオードから成るのがよい。

さらに、所定の動作期間は、検出手段の積分期間に一致するのがよい。

有利な別の開発例によれば、検出手段は、第１の検出面及び第２の検出面を有し、発光半導体手段は、放射を、像が第１及び第２の検出面のうちの所定の一方により検出されるようになっている物体に向かって放出するよう配置されている。この場合、第１の検出面は、検出手段の前側面のところに位置しても良く、第２の検出面は、検出手段のバックエッチングされた後側面のところに位置しても良く、前側面は、第１及び第２の検出面のうちの前記所定の一方に相当する。それにより、検出手段の２つの側面、例えば、前側面と後側面を用いることにより、センサを１つしか使用しなくても、２つのセンサ機能を提供することができる。前側面及び後側面の感度の差に起因して、センサは、幾つかの応用をカバーすることができる。かくして、安価で且つ非常に小型のカメラ又はセンサモジュールを提供できる。さらに、方向付け手段は、放射を第１の検出面に向ける第１のレンズ及び放射を第２の検出面に向ける第２のレンズから成るのがよい。第１のレンズ及び第２のレンズをセンサデバイスのハウジングの互いに反対側の壁のところに設けるのがよい。

更なる開発例が、従属形式の請求項に記載されている。

以下において、図面を参照して好ましい実施形態に基づき本発明を詳細に説明する。

例えば移動電話等向きのセンサ及び（又は）カメラモジュールに用いることができるＣＣＤイメージセンサデバイスに基づき、好ましい実施形態について説明する。

図１は、本発明の第１の好ましい実施形態としてのセンサ又はカメラモジュールの概略ブロック図であり、このセンサ又はカメラモジュールは、検出要素のマトリックスアレイを備えたＣＭＯＳセンサ１４及び制御回路１１が収納されたハウジング１０を有している。制御回路１１は、ＣＭＯＳセンサ１４の読出し動作を制御するために必要な制御信号及び電力をＣＭＯＳセンサ１４に供給するのに必要な制御信号をもたらすよう構成されている。さらに、ＣＭＯＳセンサ１４により検出されるべき物体の放射が差し向けられるハウジング１０の受入れ壁のところに発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイス１２が設けられている。加うるに、光学レンズ１３が、受入れ壁の対応開口部に嵌め込まれており、放射は、ＣＭＯＳセンサ１４の検出面に向けられることを目的としてこの光学レンズを通過する。この構成により、ＣＭＯＳセンサ１４により検出されるべき物体をＬＥＤデバイス１２により照明し又は照射してスナップショットの際又は短いビデオ検出期間中、ＣＭＯＳセンサ１４を支援できるという利点が得られる。この場合、イメージセンサを低光強度でも動作させることができる。

最近開発された効率の高いＬＥＤデバイスを用いることにより、電力消費量を低レベルに維持することができる。特に、ＬＥＤデバイス１２は、高出力切頭逆ピラミッド（ＴＩＰ）形ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＰ型ＬＥＤ、高出力ＴＳ形ＡｌＧａＩｎＰ型ＬＥＤ又はＡｌＩｎＧａＰ型ＬＥＤとＩｎＧａＮ型ＬＥＤの組合せを含む高線束ＬＥＤアレイから成るのがよい。かかるＬＥＤデバイスは、５０ルーメン／ワットを超える増大した発光効率をもたらす。

ＬＥＤデバイス１２をＣＭＯＳセンサ１４の積分期間中にのみ作動させることにより電力消費量を一段と減少させることができる。したがって、これに対応した制御信号を制御回路１１からＬＥＤデバイス１２に送るのがよい。さらに、支援放射をＣＭＯＳセンサ１４により検出されるべき物体に向けるレンズ系（図示せず）をＬＥＤデバイス１２の前側に設けるようにしてもよい。

その結果、良好な画像品質をセンサデバイスによって低光強度レベルであっても低電力消費量で達成することができる。

潜在的には、集積回路の後側面のところに入射した十分な光が基板を通過できることを条件とすれば、前側面及び後側面のＣＭＯＳイメージセンサＩＣ（集積回路）の両方をＣＭＯＳセンサ１４として用いることができる。ただし、感度を向上させるため、基板をエッチングしてその材料をできるだけ多く除去するのがよい。しかしながら、これは恐らくは、低光強度条件でＣＭＯＳセンサ１４の許容レベルの性能を達成するには十分ではない。両方の場合において、ＬＥＤデバイス１２による支援が必要である。

図２は、本発明の改良型の第２の好ましい実施形態としての二面照明型センサ又はカメラモジュールの概略ブロック図である。同一の参照符号で示された部品又は要素は、第１の好ましい実施形態の部品又は要素にそれぞれ対応しており、したがってその詳細な説明はここでは省くことに留意されたい。第２の好ましい実施形態では、ＣＭＯＳセンサ１４を前側面と後側面の両方から照明でき、２つのレンズ１３１，１３２が、ハウジング１０の互いに反対側の壁のそれぞれの開口部に設けられている。かくして、センサ又はカメラモジュールを、その反対側の側部に配置された物体の像を検出するために用いることができ、又は、モジュールの検出側を変えることにより、即ちモジュールを回転させることにより、画像検出操作の感度又は用途を制御することができる。かくして、センサデバイスの両方の側面を用いることによって広範な用途につき安価で且つ非常に小型のカメラ又はセンサモジュールを得ることができる。例えば、移動電話において、顧客は、スナップショット機能とテレビ会議機能にカバーするよう各移動電話に２つのセンサを設けて欲しいと思っている。２つのレンズを二面照明型ＣＣＤセンサ１４の各側で利用することにより、移動電話は、小さなサイズを維持しながら、あらゆる用途をカバーすることができる。それにより、安価で且つ非常に小型のカメラモジュールを提供できる。さらに、ＬＥＤデバイス１２は、迅速に切換え可能な高効率ＬＥＤ、例えば、低駆動電圧の高輝度白色デバイスであるのがよい。

後側レンズは、ＣＳＭ（カセグレン・シュミット・マンジャン）レンズの場合がある。したがって、ＣＳＭレンズは、マイクロレンズと一緒には利用できず、デバイスのその特定の側で用いられるべきである。

図２に示すＣＭＯＳセンサ１４は、ガラス基板１４２及び薄肉の又はバックエッチングされたセンサ層１４１を有している。背面照明型ＣＭＯＳセンサの例は、例えば特許文献である米国特許第６，１６２，９６５号明細書及び米国特許第４，５０７，６７４号明細書に記載されている。かかるＣＭＯＳセンサでは、イメージセンサ回路の光電性画素領域がウェーハの後面を通って効果的に露出されるまで材料がウェーハの後面から除去される。かくして、各光電性画素領域の画素は、後面を通過する光（光子）に応答して、電子の流れを生じさせる。それにより、冒頭に記載した正面又は前側面照明型ＣＭＯＳセンサに関するフィルファクタの問題を解決して１００％フィルファクタを達成することができる。かくして、バックエッチングされたセンサ層１４１のところの検出面は、ガラス基板１４２のところの検出面よりも光感度が高い。しかしながら、前側の検出面のところの感度の減少は、ＬＥＤデバイス１２によって支援され、それにより、ＣＭＯＳセンサ１４の通常の側面のところの感度に関する問題が解決される。

ＬＥＤデバイス１２による支援放射が電力消費量の増大を招くと共に（或いは）長い動作期間では望ましさの度合いが低くなる場合があるということに起因して、ＣＭＯＳセンサ１４の前側面をショートスナップショットに用い、後側の検出面を画素アレイの１００％フィルファクタに起因する高感度でビデオシーケンスに用いることができる。

また、第２の好ましい実施形態では、制御回路１１は、ＣＭＯＳセンサ１４の積分期間中だけＬＥＤデバイス１２を作動させるよう構成されたものであるのがよい。その結果、第２の好ましい実施形態では、パーソナルコンピュータカメラ、ディジタルスチルカメラ（ＤＳＣ）、テレビ会議、移動電話等用のセンサ又はカメラモジュールを提供できる。

本発明は、上述の好ましい実施形態には限定されず、低光強度でも動作を可能にするために任意の画像検出装置に使用できるということが注目される。ＬＥＤデバイス１２に代えて他の低出力発光半導体デバイス、例えば放射支援を提供するために物体上で走査できるレーザダイオードを用いることができる。さらに、任意の種類の放射センサ又は放射検出器をこのデバイス用に用いることができる。かくして、好ましい実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で様々であってよい。

第１の好ましい実施形態のイメージセンサデバイスの概略ブロック図である。 第２の好ましい実施形態の二面照明型イメージセンサの概略ブロック図である。

Claims (7)

1. 物体の像を検出するセンサデバイスであって、
   ａ）前記物体から受け取った放射を検出する検出手段と、
   ｂ）前記受け取った放射を前記検出手段の検出面に向ける方向付け手段と、
   ｃ）放射を前記物体に向けて放出する発光半導体手段と、
   ｄ）前記検出手段の所定の動作期間中、前記発光半導体手段を作動させる制御手段とを有することを特徴とするセンサデバイス。
2. 前記発光半導体手段は、少なくとも１つの発光ダイオードから成ることを特徴とする請求項１記載のセンサデバイス。
3. 前記所定の動作期間は、前記検出手段の積分期間に一致していることを特徴とする請求項１又は２記載のセンサデバイス。
4. 前記検出手段は、第１の検出面及び第２の検出面を有し、前記発光半導体手段は、放射を、像が前記第１及び第２の検出面のうちの所定の一方により検出されるようになっている物体に向かって放出するよう配置されていることを特徴とする請求項１〜３のうち何れか一に記載のセンサデバイス。
5. 前記第１の検出面は、前記検出手段の前側面のところに位置し、前記第２の検出面は、前記検出手段のバックエッチングされた後側面のところに位置し、前記前側面は、前記第１及び第２の検出面のうちの前記所定の一方に相当していることを特徴とする請求項４記載のセンサデバイス。
6. 前記方向付け手段は、放射を前記第１の検出面に向ける第１のレンズ構造体及び放射を前記第２の検出面に向ける第２のレンズ構造体から成ることを特徴とする請求項４又は５記載のセンサデバイス。
7. 前記第１のレンズ構造体及び前記第２のレンズ構造体は、前記センサデバイスのハウジングの互いに反対側の壁のところに設けられていることを特徴とする請求項６記載のセンサデバイス。

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