JP2006203011A - Solid-state imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体撮像素子に関し、特に、液体マイクロレンズ装置を多数備えた固体撮像素子に関する。 The present invention relates to a solid-state image sensor, and more particularly to a solid-state image sensor provided with a large number of liquid microlens devices.
カラー情報を得るための固体撮像素子は、通常、マイクロレンズとカラーフィルタとを含む。しかしながら、固体撮像素子用のマイクロレンズとして、有色マイクロレンズを用いることによりカラーフィルタを使用しない固体撮像素子も開示されている(例えば特許文献1参照)。 A solid-state imaging device for obtaining color information usually includes a microlens and a color filter. However, a solid-state imaging device that does not use a color filter by using a colored microlens as a microlens for the solid-state imaging device is also disclosed (see, for example, Patent Document 1).
一方、焦点距離を調整するために、電圧の印加により液滴の形状を変化させる液体レンズが知られている(例えば特許文献2参照)。
マイクロレンズとカラーフィルタとを有する固体撮像素子は、一般に、カラーフィルタを層状に設けることから、マイクロレンズから光電変換部材までの距離が長くなり、集光率、撮像素子の感度の低下やスミアを発生させ、画質を低下させる場合がある。 In general, a solid-state imaging device having a microlens and a color filter is provided with a color filter in a layered manner, so that the distance from the microlens to the photoelectric conversion member becomes long, reducing the light collection rate, sensitivity of the imaging device, and smear. May be generated to reduce the image quality.
また、カラーフィルタを使用せずに有色マイクロレンズを用いる固体撮像素子においては、透過するマイクロレンズの色が異なるために焦点距離が一定でない複数の光を、同一平面上の光電変換部材に集光させる必要がある。このため、マイクロレンズを配置する位置やマイクロレンズの形状を、その色に応じて調整する必要があり、構造の複雑化、及び製造コストの増大を招く。 Further, in a solid-state imaging device using a colored microlens without using a color filter, a plurality of light whose focal lengths are not constant is condensed on a photoelectric conversion member on the same plane because the color of the transmitted microlens is different. It is necessary to let For this reason, it is necessary to adjust the position where the microlens is disposed and the shape of the microlens according to the color, which leads to a complicated structure and an increase in manufacturing cost.
本発明は、集光率及び感度が良好で、簡易な構造を有するカラー固体撮像素子を実現することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to realize a color solid-state imaging device that has a good light collection rate and sensitivity and has a simple structure.
本発明の液体マイクロレンズ装置は、透過性のセルと、セルの中で、透過した光を集光させるための液滴を形成する絶縁性の着色された第1の液体と、第1の液体と分離した状態でセルの内部に充填された、導電性を有する透過性の第2の液体と、セルの外壁面に沿って設けられた電極と、液滴の形状を変化させるために第2の液体と電極との間に電圧を印加する電圧印加手段とを備える。そして、液体マイクロレンズ装置は、電圧印加手段が、液滴を透過した光の焦点距離が第1の液体の色に関わらず所定の大きさになるように、液滴の形状を変化させるための電圧を印加可能であることを特徴とする。 The liquid microlens device of the present invention includes a transparent cell, an insulating colored first liquid that forms a droplet for condensing transmitted light in the cell, and a first liquid. In order to change the shape of the liquid droplets, the conductive second transparent liquid filled in the cell in a separated state, the electrode provided along the outer wall surface of the cell, and the like. Voltage applying means for applying a voltage between the liquid and the electrode. In the liquid microlens device, the voltage application unit is configured to change the shape of the droplet so that the focal length of the light transmitted through the droplet becomes a predetermined size regardless of the color of the first liquid. A voltage can be applied.
第1の液体は、例えば光の3原色であるレッド、グリーン、ブルーのいずれかの色で着色されている。また、第1の液体は、例えば補色のマゼンダ、グリーン、シアン、イエローのいずれかの色で着色されている。そして第1の液体は、例えば有機溶剤である。 For example, the first liquid is colored in any one of the three primary colors of light, red, green, and blue. In addition, the first liquid is colored, for example, in one of complementary colors magenta, green, cyan, and yellow. The first liquid is, for example, an organic solvent.
本発明の固体撮像素子は、複数の画素ごとに液体マイクロレンズ装置を備えることを特徴とする。固体撮像素子においては、液滴を透過した光の焦点距離が、第1の液体の色に関わらず一定であることが好ましい。 The solid-state imaging device of the present invention includes a liquid microlens device for each of a plurality of pixels. In the solid-state imaging device, it is preferable that the focal length of the light transmitted through the droplet is constant regardless of the color of the first liquid.
電圧印加手段は、例えばコンデンサを含む。そしてこの場合、コンデンサは、例えば画素ごとにセルの近傍に配置される。また例えば、複数のコンデンサが互いに近接するように配置される。固体撮像素子は、例えばCMOSイメージセンサを有する。 The voltage application unit includes, for example, a capacitor. In this case, the capacitor is disposed, for example, in the vicinity of the cell for each pixel. Further, for example, the plurality of capacitors are arranged so as to be close to each other. The solid-state image sensor has a CMOS image sensor, for example.
本発明によれば、集光率及び感度が良好で、簡易な構造を有するカラー固体撮像素子を実現できる。 According to the present invention, it is possible to realize a color solid-state imaging device having a simple structure and good condensing rate and sensitivity.
以下、本発明の第1の実施形態を、図面を参照して説明する。図1は、本実施形態における固体撮像素子の画素の構造を概略的に示す側断面図である。図2は、固体撮像素子に含まれるCMOSイメージセンサを回路記号で示す図である。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, a first embodiment of the invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a side sectional view schematically showing the structure of a pixel of a solid-state imaging device in the present embodiment. FIG. 2 is a diagram showing circuit diagrams of CMOS image sensors included in the solid-state imaging device.
固体撮像素子10は、液体マイクロレンズ装置20とCMOSイメージセンサ40とを含む。液体マイクロレンズ装置20とCMOSイメージセンサ40とは、固体撮像素子10の多数の画素ごとにそれぞれ設けられている。図1においては、固体撮像素子10に含まれる1画素分の液体マイクロレンズ装置20とCMOSイメージセンサ40とを示す。
The solid-
液体マイクロレンズ装置20には、導電性の上面部材22と下面部材24とを含む光透過性のセル26が設けられている。セル26の内部には、いずれも光透過性を有する絶縁性液体28(第1の液体)と導電性液体30(第2の液体)とが充填されている。そして、絶縁性液体28が疎水性を有するのに対して導電性液体30が親水性を有し、両者の極性が大きく異なることから、絶縁性液体28と導電性液体30とは混合せずに互いに分離している。
The
下面部材24の内壁面24Sは、絶縁性の膜(図示せず)で覆われている。このため絶縁性液体28は、下面部材24との親和性が導電性液体30よりも高い。一方、絶縁性液体28と、下面部材内壁面24Sの一部を覆う導電性の表面層32との親和性は、導電性液体30と表面層32との親和性よりも低い。以上のことから、絶縁性液体28は、下面部材24に沿って液滴を形成する。そして下面部材内壁面24Sのうちで表面層32に覆われていない領域が円形であることから、絶縁性液体28の液滴は、底面が円形のドーム状である。また、絶縁性液体28は、レッド、グリーン、ブルーのいずれかの色に着色されており、液体マイクロレンズ装置20は、透過した光をCMOSイメージセンサ40のフォトダイオード42に集光させる有色マイクロレンズとして機能する。
The
下面部材24の外壁面24Rに沿って電極34が設けられており、上面部材22は、それ自身電極として機能する。さらに、電極34と上面部材22との間には、外部電源(図示せず)からの電荷を蓄積するためのコンデンサ36が接続されており、電極34と導電性液体30との間に電圧を印加することが可能である。上面部材22と下面部材24を介して電極34と導電性液体30との間に電圧が印加されると、絶縁性液体28の形状は、実線の示す電圧が印加されていなかった状態における平らな形状から、破線の示すように、中心部がより盛り上がった山形へと変化する。なお、電極34の下には、スミアを防止するためのアルミニウム製の遮光層38が設けられている。
An
絶縁性液体28の形状は、実線の示す平らな形状と破線の示す山形の形状との間で、印加される電圧量に応じて変化する。液体マイクロレンズ装置20においては、このように液滴の形状を変化させることにより、液滴を透過する光の焦点距離を所定の大きさに調整できる。これは、絶縁性液体28による平らな形状の液滴を透過した光の焦点距離が、同じ絶縁性液体28の山形の液滴を透過した光の焦点距離よりも長いためである。
The shape of the insulating
ここでは、絶縁性液体28を始めとする、固体撮像素子10に設けられた多数の画素のそれぞれに含まれる絶縁性液体の形状は、透過した光の焦点距離が一定になるように定められる。すなわち、絶縁性液体がレッド、グリーン、ブルーのいずれかの色に着色されていて、レッド、グリーン、ブルーの順に同一の液滴を透過した光の焦点距離が長くなることから、原則としてレッド、グリーン、ブルーの順に絶縁性液体の液滴を平らな形状にして、曲率半径を小さくするように、印加される電圧量が設定される。さらに、絶縁性液体の素材によっても透過する光の屈折率が異なることから、印加電圧の量は、絶縁性液体の色、すなわち絶縁性液体を透過する光の波長に加え、付された色ごとに異なる絶縁性液体の素材に応じて絶縁性液体の形状(曲率半径)を変化させて、焦点距離が一定となるように調整される。
Here, the shape of the insulating liquid included in each of a large number of pixels provided in the solid-
このように、絶縁性液体の色、素材に応じて印加される電圧量が調整され、液滴の形状が定められるため、固体撮像素子10に含まれる全ての画素において、絶縁性液体28を透過した光の焦点距離は一定である。このため、液体マイクロレンズ装置20とCMOSイメージセンサ40との距離を絶縁性液体の色等に応じて調整することは不要であり、全ての画素において、液体マイクロレンズ装置20とCMOSイメージセンサ40の構造を同一にすることができる。従って、固体撮像素子10の構造は簡素化される。
In this way, the amount of voltage to be applied is adjusted according to the color and material of the insulating liquid, and the shape of the liquid droplets is determined, so that all the pixels included in the solid-
CMOSイメージセンサ40は汎用的なものであり、フォトダイオード42で生じた電気信号は、増幅部44で増幅されて垂直信号線50、又は第1及び第2水平信号線52、54によって伝送される(図2参照)。なお電気信号は、所定のタイミングでリセット部46によってリセットされながら伝送され、伝送される信号線は、切換スイッチ48によって、垂直信号線50と水平信号線52、54との間で切換えられる。なお、コンデンサ36は、図1及び図2に示すように、固体撮像素子10の画素ごとに、セル26の近傍に配置されている。
The
図3は、レッド、グリーン、ブルーのいずれかに着色された絶縁性液体28を含む固体撮像素子10を概略的に示す上面図である。図4は、マゼンダ、グリーン、シアン、イエローのいずれかに着色された絶縁性液体28を含む固体撮像素子10を概略的に示す上面図である。
FIG. 3 is a top view schematically showing the solid-
原色フィルタの機能を有する有色マイクロレンズとして液体マイクロレンズ装置20が用いられる場合、絶縁性液体28はレッド、グリーン、ブルーのいずれかの色に着色され、例えば図3に示すように、各画素の色配列が定められる。一方、補色フィルタとしての機能をもたせる場合、絶縁性液体28はマゼンダ、グリーン、シアン、イエローのいずれかの色に着色され、各画素の色配列は、例えば図4に示すように定められる。
When the
絶縁性液体28が、補色であるマゼンダ、グリーン、シアン、イエローのいずれかに着色される場合においても、光の3原色であるレッド、グリーン、ブルーのいずれかに着色された場合と同様に、各色のマイクロレンズ間で異なる焦点距離特性を考慮して、固体撮像素子10に含まれる全ての液体マイクロレンズ装置20において、絶縁性液体を透過する光の焦点距離が一定であるように、電極34と導電性液体30との間に印加される電圧量が定められる。
Even when the insulating
図5は、液体マイクロレンズ装置20の製造工程を示す図である。
FIG. 5 is a diagram illustrating a manufacturing process of the
液体マイクロレンズ装置20は、以下のように製造される。まず、セル26を構成する部材のうち、上面部材22と側面部材23とが、セル26の外枠の一部であるセル中間体27を形成するように、接着剤により固定される。そして、導電性液体30が、セル中間体27の凹部に注入される。その後、適当な大きさの液滴を形成するための所定量の絶縁性液体28がセル中間体27の凹部に注入され、下面部材24が、絶縁性液体28及び導電性液体30を密閉するように、セル中間体27に取り付けられる(図5参照)。こうしてセル26が完成すると、電極34、コンデンサ36、遮光層38等が所定の位置に配置され、液体マイクロレンズ装置20が完成する。
The
導電性液体30には、所定の粘性を備えるようにゲル化剤が加えられる。また、絶縁性液体28としては、例えばフタル酸ジエチル、安息香酸メチル、イソブタン等の有機溶剤が用いられる。そして、絶縁性液体28を着色する着色剤としては有機系のアゾ顔料等が用いられ、色を安定させるために、絶縁性液体28にはさらにpH調整剤が加えられる。
A gelling agent is added to the conductive liquid 30 so as to have a predetermined viscosity. Further, as the insulating
以上のように本実施形態によれば、カラーフィルタが不要であって液体マイクロレンズ装置20からフォトダイオード42までの距離が短いため、集光率及び感度に優れ、なおかつ、付された色に応じて絶縁性液体28の液滴の形状を調整可能であることから簡易な構造を有する固体撮像素子10を実現できる。
As described above, according to the present embodiment, since a color filter is not required and the distance from the
図6は、第2の実施形態における固体撮像素子10のコンデンサ36の配置を概略的に示す図である。
FIG. 6 is a diagram schematically showing the arrangement of the
本実施形態においては、液体マイクロレンズ装置20に電圧を供給するために設けられる多数のコンデンサ36が互いに近接するように配置されている点が、第1の実施形態と異なる。このように、固体撮像素子10の端部等に多数のコンデンサ36をまとめて配置することにより、固体撮像素子10の構造をさらに簡素化することが可能である。
This embodiment is different from the first embodiment in that a large number of
いずれの実施形態においても、固体撮像素子10に設けられるイメージセンサは、コンデンサ36を用いて電圧を印加する際に適用が容易なCMOSイメージセンサ40であることが好ましいが、これには限定されない。例えばイメージセンサは、CCDイメージセンサであっても良い。
In any of the embodiments, the image sensor provided in the solid-
また、いずれの実施形態においても、絶縁性液体28に代わって導電性液体30が所定の色に着色されていても良い。さらに、絶縁性液体28及び導電性液体30の双方とも所定の色に着色されていても良い。
In any embodiment, the
10 固体撮像素子
20 液体マイクロレンズ装置
26 セル
28 絶縁性液体(第1の液体)
30 導電性液体(第2の液体)
34 電極
36 コンデンサ(電圧印加手段)
40 CMOSイメージセンサ
DESCRIPTION OF
30 Conductive liquid (second liquid)
34
40 CMOS image sensor
Claims (10)
前記セルの中で、透過した光を集光させるための液滴を形成する絶縁性の着色された第1の液体と、
前記第1の液体と分離した状態で前記セルの内部に充填された、導電性を有する透過性の第2の液体と、
前記セルの外壁面に沿って設けられた電極と、
前記液滴の形状を変化させるために前記第2の液体と前記電極との間に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、
前記電圧印加手段が、前記液滴を透過した光の焦点距離が前記第1の液体の色に関わらず所定の大きさになるように、前記液滴の形状を変化させるための電圧を印加可能であることを特徴とする液体マイクロレンズ装置。 A transparent cell;
An insulative colored first liquid forming a droplet for condensing the transmitted light in the cell;
A conductive and permeable second liquid filled inside the cell in a state separated from the first liquid;
Electrodes provided along the outer wall surface of the cell;
Voltage applying means for applying a voltage between the second liquid and the electrode to change the shape of the droplet;
The voltage applying means can apply a voltage for changing the shape of the droplet so that the focal length of the light transmitted through the droplet becomes a predetermined size regardless of the color of the first liquid. A liquid microlens device characterized by the above.
The solid-state imaging device according to claim 5, further comprising a CMOS image sensor.
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