JP2006352686A - 集光装置およびそれを用いた密着型固体撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 各画素は、保護ガラス板4、集光素子5、受光素子7、半導体集積回路8、発光ダイオード(LED)9、実装パッケージ10から構成されている。集光素子は2種類の分布屈折率レンズ(O型、凸型)によって構成されており、2段構造を有する同心円形状であるSiN(N=2)膜が、Si O2(N=1.45)膜中に埋め込まれている。
【選択図】 図1
Description
図1は、本実施の形態に係る、解像度600dpi対応の密着型固体撮像装置100の基本構造を示す図である。図1に示す密着型固体撮像装置100は、画素単位の構成例であり、保護ガラス板4、集光素子5、受光素子7、半導体集積回路8、発光ダイオード(LED)9および実装パッケージ10を備える。
(A、B、C:定数)
ここで、Δnmaxは、入射側媒質とレンズ材料との屈折率差(今回は0.55)である。また、上記(1)式においては、入射側媒質の屈折率をN0、出射側媒質の屈折率をN1とするとき、
A=−(k0N1)/2f (2)
B=−k0N0 (3)
k0=2π/λ (4)
のようにパラメータを設定することができる。これにより、目的とする焦点距離ならびに対象とする入射光の入射角度θ、波長λ毎にレンズを最適化することが可能となる。なお、上記(1)式において、画素中心からの距離xの2次関数で定義されている項は集光成分を、xと三角関数の積で定義されている項は偏向成分をそれぞれ示している。
(実施の形態2)
図6は、本実施の形態に係る、パソコン用カラースキャナ(300dpi)の密着型固体撮像装置における集光装置と画素配列の様子を示す図である。信号光2は、2次元に配置された複数の分布屈折率レンズ26によって構成されている集光装置27によって集光され、単一の受光素子7上に照射される。ここで、集光装置27は、入射側レンズ群28と、出射側レンズ群29とから構成され、各々のレンズ群は、集光性だけではなく偏向性も具備している。このとき、集光装置27の面内方向に対して垂直に入射してくる光については、上述した(1)式におけるパラメータのθが0°であるため、分布屈折率レンズ26の同心構造は画素中心に対して対称である。しかしながら、入射角度の増加(θ成分の増加)に伴って、同心構造の中心を画素中心からシフトさせ、非対称形状とする(図7(a)の分布屈折率レンズの上面図を参照)。これは、上記(1)式において、xと三角関数の積で定義されている偏向成分の絶対値が増加するためである。図7(a)において、画素中心11と屈折率分布の頂点を結んだ直線111における離散屈折率分布を図7(b)に示す。図7(b)からも明らかなように、屈折率分布のピークは、画素中心11からシフトしている。
図9は、実施の形態3に係る、パソコン用カラースキャナ(300dpi)の密着型固体撮像装置における集光装置と画素配列の様子を示す図である。信号光2は、複数の分布屈折率レンズ26によって構成されている集光装置27によって集光され、受光素子7上に照射される。ここで、集光装置27は、入射側レンズ群28と、出射側レンズ群29とから構成される。このとき、入射光2は集光装置27の面内方向に対して略垂直であることから、上述した(1)式におけるパラメータのうちθは「0°」となり、分布屈折率レンズの同心構造は画素中心に対して対称である。
通常の厚さ分布型レンズの場合、色収差を補正するためには、アクロマティクレンズ形状にする必要がある。従来のレンズは、波長による屈折率差の少ない凸レンズ(クラウンガラス)と、波長による屈折率差の大きい凹レンズ(フリントガラス)の組み合わせによって構成している。しかしながら、2材料を貼り合わせるアクロマティクレンズは、微細化が困難でコストが掛かるという問題がある。
図10(b)は、本実施の形態に係る、焦点ぼけを補正するための分布屈折率レンズを組み合わせた様子を示す図である。なお、図10(b)では、集光装置における出射側レンズ群の一部を表している。図10(b)に示すように、短焦点レンズ33と長焦点レンズ32を組み合わせれば、原稿面と集光装置との距離が多少変動したとしても、信号光を高効率に受光素子へと導入することができる。
図11(a)、(b)は、実施の形態6に係る、焦点ぼけを補正するための分布屈折率レンズの一例を示す図である。なお、図11(a)、(b)は、集光装置の出射側レンズ群の一部を表している。フレネル型の屈折率分布(図11(a))、または厚さ分布(図11(b))を有する集光系において、入射光は、屈折現象(0次回折光34または36)と、回折現象(1次回折光35または37)によって集光される。そこで、0次回折光を第1の焦点に集光するとともに、1次回折光を異なる第2の焦点に集光するようすれば、原稿面と集光装置との距離の変動に依存することなく、信号光を高効率に受光素子へと導入させることができる。
図12は、実施の形態7に係る、光導波路構造を有する集光装置を示す図である。入射光は、入射側結像系38によって、導波路39のコア部分に導入され、低損失ロスである路内を受光素子付近まで伝播する。その後、射出された光は入射側結像系40によって、受光素子に集光される。本実施の形態では、コア径10μmのシングルモードファイバを用いたが、光導波路構造は、屈折率の高低差によって生じる、光閉じ込め効果を備えたものであればどのような構造でも良い。
図13は、実施の形態8に係る、解像度600dpi対応の密着型固体撮像装置の基本構造を示す図である。各画素は、保護ガラス板4、集光素子5、受光素子7、半導体集積回路8、発光ダイオード(LED)9、実装パッケージ10を備える。ここで、集光素子5は、半導体集積回路上に、モノリシックに形成されている。これにより、集光素子5を一連のSiプロセスによって形成することが可能となり、光学系の位置精度を向上させることができる。また、レンズのセッティングが不要となるため、実装が容易となり、コストダウンにもつながる。
2 入射光(信号光)
3 被写体(原稿、写真)
4 保護ガラス
5 集光素子
5a、5b 分布屈折率レンズ
6 出射光
7 受光素子
8 半導体集積回路
9 発光ダイオード
10 実装パッケージ
11 画素中心
12 SiO2(N=1.45)
13 SiN(N=2.0)
14 λ/2n
15 O型レンズ(2段構造)
16 凸型レンズ(2段構造)
17 O型レンズ(連続N分布)
18 凸型レンズ(連続N分布)
19 レジスト
20 SiN膜
21 SiO2基板
22 光リソグラフィ
23 エッチング
24 バーク
25 分布屈折率レンズ
26 分布屈折率レンズ
27 集光素子
28 入射側レンズ群
29 出射側レンズ群
30 短波長用レンズ
31 長波長用レンズ
32 長焦点距離用レンズ
33 短焦点距離用レンズ
34 0次回折光(分布屈折率レンズ)
35 1次回折光(分布屈折率レンズ)
36 0次回折光(厚さ分布レンズ)
37 1次回折光(厚さ分布レンズ)
38 入射側結像系
39 光ファイバ(光導波路)
40 出射側結像系
41 ロッドレンズ
42 入射光
43 入射光
100 密着型固体撮像装置
102 拡散反射光
103 被写体
104 保護ガラス
106 出射光
107 受光素子
108 半導体集積回路
109 発光ダイオード
110 実装パッケージ
112 屈折率分布型ロッドレンズ
1000 密着型固体撮像装置
Claims (17)
- 集光素子と受光素子とを備える密着型固体撮像装置であって、
前記集光素子は、部分的に形成された光透過膜によって生じる実効屈折率分布を備え、前記実効屈折率分布が異なる少なくとも2種類の光透過膜が、入射光の伝播方向に対して直列に近軸結像配置されている
ことを特徴とする密着型固体撮像装置。 - 前記集光素子は、入射光の波長と同程度かそれより短い線幅で分割された同心構造の複数のゾーン領域の組み合わせによって構成されており、
前記複数のゾーン領域のうち少なくとも一のゾーン領域は、第1線幅および第1膜厚の前記同心構造の下段透過膜と、当該下段光透過膜の上位に構成される第2線幅および第2膜厚の前記同心構造の上段光透過膜とを含む
ことを特徴とする請求項1記載の密着型固体撮像装置。 - 前記集光素子における前記実効屈折率分布は、光軸に対して非対称である
ことを特徴とする請求項1記載の密着型固体撮像装置。 - 前記密着型固体撮像装置は、さらに、複数の前記集光素子を備え、
前記複数の集光素子を透過した入射光を一の受光素子に伝播させる
ことを特徴とする請求項1記載の密着型固体撮像装置。 - 近軸結像配置された前記2種類の光透過膜のうち、少なくとも一の光透過膜は、他の光透過膜の色収差とは異なる色収差を有する
ことを特徴とする請求項1記載の密着型固体撮像装置。 - 近軸結像配置された前記2種類の光透過膜のうち、少なくとも一の光透過膜は、他の光透過膜の焦点距離とは異なる焦点距離を有する
ことを特徴とする請求項1記載の密着型固体撮像装置。 - 前記集光素子は、回折によって集光する第1集光手段と、屈折によって集光する第2集光手段とを備える
ことを特徴とする請求項1記載の密着型固体撮像装置。 - 前記集光素子は、受光素子を備える半導体集積回路上にモノリシックに形成されている
ことを特徴とする請求項1記載の密着型固体撮像装置。 - 前記光透過膜は、屈折率の高低差によって生じる、光閉じ込め効果を備えた光導波路構造を有する
ことを特徴とする請求項1記載の密着型固体撮像装置。 - 前記光透過膜の一部または全体は、その断面が曲率を有する凸構造で構成されている
ことを特徴とする請求項1記載の密着型固体撮像装置。 - 集光素子が2次元または1次元で配列されている集光装置であって、
前記集光素子は、部分的に形成された光透過膜によって生じる実効屈折率分布を備え、前記実効屈折率分布が異なる少なくとも2種類の光透過膜が、入射光の伝播方向に対して直列に近軸結像配置されている、
ことを特徴とする集光装置。 - 前記集光素子は、入射光の波長と同程度かそれより短い線幅で分割された同心構造の複数のゾーン領域の組み合わせによって構成されており、
前記複数のゾーン領域のうち少なくとも一のゾーン領域は、第1線幅および第1膜厚の前記同心構造の下段透過膜と、当該下段光透過膜の上位に構成される第2線幅および第2膜厚の前記同心構造の上段光透過膜とを含む
ことを特徴とする請求項11記載の集光装置。 - 前記集光素子における前記実効屈折率分布は、光軸に対して非対称である
ことを特徴とする請求項11記載の集光装置。 - 近軸結像配置された前記2種類の光透過膜のうち、少なくとも一の光透過膜は、他の光透過膜の色収差とは異なる色収差を有する
ことを特徴とする請求項11記載の集光装置。 - 近軸結像配置された前記2種類の光透過膜のうち、少なくとも一の光透過膜は、他の光透過膜の焦点距離とは異なる焦点距離を有する
ことを特徴とする請求項11記載の集光装置。 - 前記集光素子は、回折によって集光する第1集光手段と、屈折によって集光する第2集光手段とを備える
ことを特徴とする請求項11記載の集光装置。 - 前記光透過膜の一部または全体は、その断面が曲率を有する凸構造で構成されている
ことを特徴とする請求項11記載の集光装置。
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