JP2008193565A - 固体撮像デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】固体撮像素子とプリズムが接合された固体撮像デバイスにおいて、上記固体撮像素子と上記プリズムとの接合が接着剤を用いて行われることに起因する問題を解決して、レジストレーションの精度低下を抑制することができる固体撮像デバイスを提供する。
【解決手段】固体撮像素子とプリズムとの接合構造において、固体撮像素子とプリズムとの接合部分にその周囲雰囲気よりも減圧された減圧空間を形成する減圧空間形成部が配置され、上記減圧空間の圧力によって、上記固体撮像素子と上記プリズムとを接合し、接着剤を用いない接合構造を実現する。
【選択図】図４

Description

本発明は、固体撮像素子を備えるテレビジョンカメラ、ビデオカメラなどに代表される撮像装置に用いられる固体撮像素子とプリズムが接合された固体撮像デバイスに関する。

近年、固体撮像素子を３個用いる撮像装置として３板式カラーカメラ（以下３板カメラという）が開発され広く用いられるようになってきている。このような従来の３板カメラの構造について、図面を用いて説明する。

図１は、従来の３板カメラにおける撮像ブロック（固体撮像デバイス）１０の模式断面図である。図１に示すように、撮像ブロック１０は、３板カメラにおける図示しない撮像レンズを通過して入射された光を所定の色成分に分解する色分解プリズムと、複数の固体撮像素子と、各々の固体撮像素子が搭載された撮像素子基板とにより構成されている。

図１に示すように、色分解プリズムは、３つのプリズム部材１ｒ、１ｇ、１ｂが互いに接着剤で接合されることより構成され、入射光を３つの色成分に分解する３色分解プリズム１である。プリズム部材１ｒと１ｂはダイクロイックミラーの機能を有する接合部５に配置された接着剤により互いに接合されており、同様にプリズム部材１ｒと１ｇはダイクロイックミラーの機能を有する接合部４に配置された接着剤により互いに接合されている。また、３つのプリズム部材１ｒ、１ｇ、１ｂの光の出射面には、個別に固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂが接着剤を介して固定されている。

ここで、図１の撮像ブロック１０を部分的に分解した模式図を図２に示す。なお、図２においては、撮像ブロック１０におけるそれぞれの部材の中で、プリズム部材１ｒと固体撮像素子２ｒとを分解した状態を示している。図２に示すように、固体撮像素子２ｒの受光側表面である接合面１１、プリズム部材１ｒの素子側接合面１２は、略平坦な面として形成され、それぞれの接合面１１、１２の間に接着剤１３が配置されて、接着剤１３を介してそれぞれの接合面１１、１２が互いに接着、すなわち接合されている。なお、その他の接合面についても同様に接着剤を用いて接合されている。

このような接着剤１３としては、例えばＵＶ接着剤（紫外線硬化性接着剤）が用いられており、接着剤１３をそれぞれの接合面に塗布した状態にて、各固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂの位置調整（６軸位置調整）を実施した後、紫外線を照射して接着剤を硬化させ、接合面間を固定する工法が広く利用されている。

このような構造を有する撮像ブロック１０においては、図１に示すように、３色分解プリズム１に入射した光束７は、ダイクロイックミラーの機能を有する接合部４、５によって、３つの色成分、すなわち光の３原色の光束６ａ、６ｂ、６ｃに色分解され、各々の固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂに受光される。接合部４、５にて３原色に分解反射された光束のうちの光束６ａ、６ｂは、それぞれのプリズム部材１ｇ、１ｂ内にて再度全反射されることで、裏返し像（鏡像）ではなく表像を形成する光束として固体撮像素子２ｇ、２ｂに受光される。それぞれの固体撮像素子２ｇ、２ｂ、２ｒにて受光されたそれぞれの光束は、それぞれの撮像素子基板３ｒ、３ｇ、３ｂにて撮像信号の処理がなされて、撮像信号が合成されたカラーテレビジョン信号が得られる。

このような従来の３板カメラでは、３色の被写体像の重ね合わせを精度良く行う必要がある。重ね合わせの精度、すなわちレジストレーションの精度が悪いと色ずれやモアレ偽信号が発生し、画質は微妙に劣化する。従って、レジストレーションの精度が低下しないように、それぞれの固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂを高精度に位置決めを行う必要がある。

また、固体撮像素子は高温環境下で使用すると、白傷による画質劣化や寿命短縮、さらに接合部に配置されている接着剤のクリープ変形によるレジストレーションの精度低下等の問題が発生するため、固体撮像素子を所定の温度以下で使用する必要がある。

例えば、従来の撮像装置においては、固体撮像素子を効率的に冷却するための様々な放熱構造が提案されており（例えば、特許文献１、２、３参照）、このような放熱構造が採用されることで、各固体撮像素子にて発生する熱を、各熱電冷却素子あるいは放熱部材等を通して逃がすことができるため、固体撮像素子の温度が低減され、クリープ変形を少なくすることができる。

特開平１−２９５５７５号公報 特開２００２−２４７５９４号公報 特開２００１−３０８５６９号公報

近年、このような３板カメラにおいてそれぞれの固体撮像素子の位置決めには、μｍオーダの精度が要求されつつある。例えば、それぞれの固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂの位置決めは光軸方向では焦点深度があるため数十μｍ、被写体映像面内方向ではμｍオーダの精度を必要とするようになりつつあり、僅かなクリープ変形をも抑制することが強く望まれている。

さらに、固体撮像素子が搭載される撮像装置に関しては、軽薄短小、多機能・高機能化による消費電力の増加に伴って、固体撮像素子の周辺温度（装置筐体内部温度）は益々上昇する傾向にある。そのため、固体撮像素子やプリズム部材を接合する接着剤のクリープ変形を抑制する手段が求められている。

特許文献１、２、３の従来の放熱構造では、固体撮像素子にて生じる熱の除去を行うことができても、環境雰囲気温度については何ら対策が施されていないため、接着剤のクリープ変形を抑制するという抜本的な解決には至っておらず、経年的なプリズム部材と固体撮像素子の接合部等の位置ズレによるレジストレーションの精度低下を解決することはできない。

また、固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂとそれぞれのプリズム部材１ｒ、１ｇ、１ｂ、及びそれぞれのプリズム部材１ｒ、１ｇ、１ｂを接合するのに用いられる接着剤は、その接着剤により接合面間に形成される接着層を光束が通過する必要があるため、光の損失等の光学特性を満足する必要がある。また、これと同時にクリープ等の機械的強度特性等のバランスを考慮して接着剤の選定を行う必要がある。

しかしながら、接着剤として一般的に用いられているＵＶ接着剤は、高温クリープ特性（高温環境下で負荷を掛け続けるとクリープする特性）を有するため、特に固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂの周辺温度（装置筐体内部温度）が高くなると、放熱部材等、固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂに固定された部材の熱膨張や熱収縮に伴うスプリングバックに起因する負荷が深刻な問題となる場合がある。

従って、本発明の目的は、固体撮像素子とプリズムが接合された固体撮像デバイスにおいて、上記固体撮像素子と上記プリズムとの接合が接着剤を用いて行われることに起因する上記問題を解決して、レジストレーションの精度低下を抑制することができる固体撮像デバイスを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

本発明の第１態様によれば、固体撮像素子とプリズムとが接合された固体撮像デバイスにおいて、
上記固体撮像素子と上記プリズムとの接合部分にその周囲雰囲気よりも減圧された減圧空間を形成する減圧空間形成部が配置されていることを特徴とする固体撮像デバイスを提供する。

本発明の第２態様によれば、上記減圧空間の圧力によって、上記固体撮像素子と上記プリズムとが接合されている、第１態様に記載の固体撮像デバイスを提供する。

本発明の第３態様によれば、上記減圧空間形成部は、上記固体撮像素子の接合面又は上記プリズムの接合面に形成された凹部が、他方の上記接合面により封止されて形成される、第１態様又は第２態様に記載の固体撮像デバイスを提供する。

本発明の第４態様によれば、上記凹部の周部と上記凹部を封止する上記接合面との間に封止部材が配置されている、第３態様に記載の固体撮像デバイスを提供する。

本発明の第５態様によれば、上記固体撮像素子の接合面と上記プリズムの接合面との間に配置された枠状の封止部材を備え、上記封止部材の内周によって囲まれた空間が、上記それぞれの接合面により封止されることにより、上記減圧空間形成部が構成される、第１態様に記載の固体撮像デバイスを提供する。

本発明の第６態様によれば、上記封止部材は、金属材料又は樹脂材料により形成される、第４態様又は第５態様に記載の固体撮像デバイスを提供する。

本発明の第７態様によれば、上記減圧空間形成部は、上記減圧空間と上記周囲雰囲気とを連通する連通孔と、上記連通孔を閉止して上記減圧空間を保持する閉止部材とを備える、第１態様から第６態様のいずれか１つに記載の固体撮像デバイスを提供する。

本発明によれば、固体撮像素子とプリズムとの接合を、ＵＶ接着剤等を用いることない接合構造を実現することができるため、従来において接着剤を使用することに伴う問題を解決する、すなわち、高温時の接着剤のクリープ特性に起因するレジストレーションの精度低下を抑制することができる。

このような接着剤を使用しない接合構造は、上記固体撮像素子と上記プリズムとの接合部分にその周囲雰囲気よりも減圧された減圧空間を形成する減圧空間形成部を配置して、上記減圧空間の圧力によって、上記固体撮像素子と上記プリズムとを互いに圧着するように接合させることにより実現することができる。

また、このような減圧空間形成部は、上記固体撮像素子の接合面又は上記プリズムの接合面に凹部を形成して、上記凹部を他方の上記接合面により封止することにより構成することができる。また、上記それぞれの接合面に間に枠状の封止部材を配置させることによっても構成することができる。

以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（第１実施形態）
本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像素子とプリズムとが接合された固体撮像デバイスの一例である３板カメラにおける撮像ブロック２０の模式斜視図を図３に示す。なお、撮像ブロック２０の組み立て状態における外観的な構造は、図１に示す撮像ブロック１０と類似した構造であるため、同じ構成部材には同じ参照符号を付してその説明を省略する。

図３に示すように、本第１実施形態の撮像ブロック２０は、３つのプリズム部材１ｒ、１ｇ、１ｂが接合された３色分解プリズム１に、それぞれの固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂが接合された構造を有している。なお、図３に示す撮像ブロック２０は、図１の撮像ブロック１０に対して、部材間の接合構造、例えばそれぞれのプリズム部材１ｒ、１ｇ、１ｂと固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂの接合構造が相違している。

本第１実施形態の撮像ブロック２０におけるそれぞれのプリズム部材１ｒ、１ｇ、１ｂと、固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂの接合構造について具体的に説明する。この説明にあたって、撮像ブロック２０におけるそれぞれの固体撮像素子とプリズム部材との接合構造を代表して、固体撮像素子２ｒとプリズム部材１ｒとの接合構造を分解した状態の模式斜視図を図４に示す。

図４に示すように、固体撮像素子２ｒの受光側表面である接合面２１と、プリズム部材１ｒの素子側接合面２２は、それぞれ略平坦な面として構成されている。また、それぞれの接合面２１、２２の間には、金属材料により枠状に形成された封止部材の一例である金属薄膜２３が配置されている。この金属薄膜２３は、その枠状の外周端部が、それぞれの接合面２１、２２の外周端部に沿うように配置されている。

このような金属薄膜２３を介在させてそれぞれの接合面２１、２２を互いに合わせることにより、金属薄膜２３における枠状の内周部により囲まれた空間Ｓが、それぞれの接合面２１、２２によって囲まれて封止された状態となる。この空間Ｓをその周囲雰囲気よりも減圧された、例えば大気圧よりも減圧された減圧空間Ｓとすることにより、それぞれの接合面２１、２２を、減圧空間Ｓの圧力によって金属薄膜２３を介して圧着させた状態とすることができ、両者を接合することができる。なお、このような圧着された状態においては、金属薄膜２３が僅かに押し潰すように変形されることで、それぞれの接合面２１、２２と金属薄膜２３との接触界面の圧着状態あるいは封止状態を良好なものとすることができる。

また、減圧環境下において、金属薄膜２３を介してそれぞれの接合面２１、２２を互いに合わせて、減圧空間Ｓを形成した後、減圧環境を大気圧環境に戻すことで、減圧空間Ｓによる接合面２１、２２の接合を実現することができる。なお、本第１実施形態においては、枠状の金属薄膜２３と、それぞれの接合面２１、２２が、減圧空間Ｓを形成する減圧空間形成部の一例となっている。

このような金属薄膜２３は、鉛、亜鉛、金、又はアルミニウムなどの金属材料、若しくはこれらの金属材料を主成分とする合金材料により構成されることが好ましい。このような金属材料や合金材料は、比較的変形し易い材料であるため、接合面２１、２２に介在された状態にて、減圧空間Ｓにより付加される押圧力により変形して、減圧空間Ｓを確実に封止することができ、接合状態を安定した状態で保持することができる。なお、封止部材は、金属材料以外に樹脂材料により構成することもできる。封止部材を樹脂材料により構成する場合、高温クリープ特性を考慮する必要があるが、従来のように接着剤を接合面の略全面に用いるような場合に比して、枠状の樹脂部材を用いることとなるため、樹脂の使用面積を少なくすることができ、高温時におけるクリープ変形量は従来に比して低減することができる。

また、金属薄膜２３は、少なくとも、減圧空間Ｓを形成する程度の厚さを有する必要がある。このような厚さとしては、それぞれの接合面２１、２２の表面粗さよりも大きな厚さとすることが好ましく、さらに減圧空間Ｓの圧力によって押圧変形される変形量を考慮して、このような厚さを決定することが好ましい。

また、金属薄膜２３の枠状形状は、その内側に形成される減圧空間Ｓの圧力によって、固体撮像素子２ｒとプリズム部材１ｒとの間に作用させる接合力を考慮して決定する必要がある。すなわち、このような接合力は、減圧空間Ｓの面積（接合面に沿う方向の面積）に比例するため、必要な接合力の大きさを考慮して金属薄膜２３の平面的な形状を決定することが好ましい。

なお、撮像ブロック２０において、このような減圧空間Ｓを用いた固体撮像素子２ｒとプリズム部材１ｒとの接合構造は、固体撮像素子２ｇ、２ｂとプリズム部材１ｇ、１ｂとの接合構造にも同様に適用されている。

また、上記説明においては、減圧環境下において、それぞれ接合面２１、２２を金属薄膜２３介して互いに合わせて、減圧空間Ｓを形成した後、大気圧環境下に戻すことで、それぞれの接合面２１、２２の接合を行うような場合について説明したが、減圧空間Ｓの形成方法としてその他の方法を適用することもできる。例えば、図５の模式図（分解図）に示すように、金属薄膜２４の一部に切り欠き部２４ａを形成し、この切り欠き部２４ａを通して、金属薄膜２４とそれぞれの接合面２１、２２により囲まれた空間Ｓを、切り欠き部２４ａにより構成された連通孔Ｈを通して外部雰囲気と連通可能に構成することもできる。このように空間Ｓが連通孔Ｈを通して外部雰囲気と連通された構成が採用されていることにより、連通孔Ｈを通して空間Ｓを減圧して減圧空間Ｓを形成した後、閉止部材（図示しない）を用いて連通孔Ｈを閉止することで、減圧空間Ｓを封止して、それぞれの接合面２１、２２を接合することができる。このような方法においては、大気圧環境下で、接合作業を行うことができるという利点がある。

上記第１実施形態の接合構造によれば、固体撮像素子とプリズムとの接合を、ＵＶ接着剤等を用いることなく、それぞれの接合面間に枠状の金属薄膜２３を配置し、その内側の囲まれた空間（封止された空間）を減圧空間Ｓとして、減圧空間Ｓの圧力によって、両者の接合を行うような構造が採用されているため、従来において生じている接着剤を使用することに伴う問題を解決する、すなわち、高温時の接着剤のクリープ特性に起因するレジストレーションの精度低下を抑制することができる。

（第２実施形態）
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、本発明の第２の実施形態にかかる固体撮像デバイスの一例である撮像ブロック３０において、固体撮像素子２ｒとプリズム部材１ｒとの接合を分解した状態の模式部分分解図を図６に示す。なお、上記第１実施形態と同じ構成を有する構成部材には同じ参照符号を用いてその説明を省略する。

図６に示すように、撮像ブロック３０において、固体撮像素子２ｒの接合面３１は略平坦な面として構成されているのに対して、プリズム部材１ｒの素子側接合面３２には、凹部３２ａが形成されている。凹部３２ａは、枠状の突出部（周部）３２ｂの内側にその周囲全体が囲まれた凹状の空間Ｓを有している。また、枠状の突出部３２ｂは、枠状の平坦面を有している。

このようなプリズム部材１ｒの接合面３２における枠状の突出部３２ｂの平坦面と、固体撮像素子２ｒの接合面３１とが互いに合わせられることにより、凹部３２ａの内側の空間Ｓを接合面３１により封止することができる。さらにこのように封止された空間Ｓをその周囲雰囲気よりも減圧された減圧空間Ｓとして構成することで、それぞれの接合面３１、３２を減圧空間Ｓの圧力によって互いに押圧させることができ、両者を接合することができる。

このような減圧空間Ｓの形成は、上記第１実施形態と同様に、減圧環境下にて固体撮像素子２ｒとプリズム部材１ｒとの接合するような方法、あるいは、図６に示すように、プリズム部材１ｒにおいて、凹部３２ａに連通するような連通孔３２ｃを形成して、この連通孔３２ｃを通して、凹部３２ａ内に空間Ｓを減圧した後、連通孔３２ｃを閉止するような方法を用いることができる。

接合面３２における凹部３２ａや突出部３２ｂの平面的な形状は、必要な接合力を得ることができるような面積に基づいて決定することが好ましい。また、凹部３２ａの深さ（すなわち、突出部３２ｂの高さ）は、それぞれの接合面３１、３２間に空間Ｓを確実に形成するという観点から決定することができる。なお、本第２実施形態においては、凹部３２ａ、突出部３２ｂ、及び接合面３１が、減圧空間Ｓを形成する減圧空間形成部の一例となっている。

また、このような接合構造は、その他、固体撮像素子２ｇ、２ｂとプリズム部材１ｇ、１ｂとの接合構造にも適用されている。また、上記説明においては、プリズム部材の接合面に凹部が形成されるような場合について説明したが、固体撮像素子の接合面に凹部が形成されるような場合であっても良く、さらにそれぞれの接合面に共に凹部が形成されるような場合であっても良い。

上記第２実施形態の接合構造によれば、上記第１実施形態の接合構造のように、金属薄膜のような封止部材を用いることなく、減圧空間Ｓを形成することができ、撮像ブロック３０の構成部材を少なくすることができるという利点を有する。また、金属薄膜などにより空間Ｓを形成するのではなく、接合面３２の凹部３２ａによって空間Ｓを形成することができるため、必要な大きさの減圧空間Ｓを上記第１実施形態よりも確実に確保できるという利点も有している。

なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。例えば、図７の模式分解図に示す撮像ブロック４０のように、上記第１実施形態の接合構造と上記第２実施形態の接合構造と組み合わせた接合構造を採用することもできる。すなわち、プリズム部材１ｒの接合面４２に凹部４２ａを形成し、固体撮像素子２ｒの接合面４１とプリズム部材１ｒの接合面４２とを、枠状の金属薄膜２３を介して合わせて、凹部４２ａ及び金属薄膜２３の内側に減圧空間Ｓを形成するような接合構造を採用することもできる。

また、上記それぞれの実施形態においては、固体撮像素子とプリズム部材との接合構造において、減圧空間Ｓが用いられるような場合について説明したが、このような接着剤を用いることなく減圧空間Ｓを用いた接合構造は、３色分解プリズム１を構成するそれぞれのプリズム部材１ｒ、１ｇ、１ｂ間の接合構造にも同様に適用することができる。

本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、特許請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

従来の３板式カラーカメラにおける撮像ブロックの模式構成図 従来の撮像ブロックを部分的に分解した状態を示す模式斜視図 本発明の第１実施形態の撮像ブロックの模式斜視図 図３の撮像ブロックを部分的に分解した状態を示す模式斜視図 本第１実施形態の変形例にかかる接合構造を示す模式斜視図 本発明の第２実施形態の撮像ブロックを部分的に分解した状態を示す模式斜視図 本発明の第１実施形態の接合構造と第２実施形態の接合構造とを組み合わせた接合構造を有する撮像ブロックにおける接合部分を示す模式斜視図

符号の説明

１ ３色分解プリズム
１ｒ プリズム部材（赤色）
１ｇ プリズム部材（緑色）
１ｂ プリズム部材（青色）
２ｒ 固体撮像素子（赤色用）
２ｇ 固体撮像素子（緑色用）
２ｂ 固体撮像素子（青色用）
３ｒ 撮像素子基板（赤色用）
３ｇ 撮像素子基板（緑色用）
３ｂ 撮像素子基板（青色用）
４ 接合部
５ 接合部
６ａ 原色の光束（赤色用）
６ｂ 原色の光束（緑色用）
６ｃ 原色の光束（青色用）
７ 光束
１０、２０、３０、４０ 撮像ブロック
１１、１２、２１、２２、３１、３２、４１、４２ 接合面
２３、２４ 金属薄膜
３２ａ 凹部
３２ｂ 突出部
Ｓ 減圧空間

Claims (7)

1. 固体撮像素子とプリズムとが接合された固体撮像デバイスにおいて、
   上記固体撮像素子と上記プリズムとの接合部分にその周囲雰囲気よりも減圧された減圧空間を形成する減圧空間形成部が配置されていることを特徴とする固体撮像デバイス。
2. 上記減圧空間の圧力によって、上記固体撮像素子と上記プリズムとが接合されている、請求項１に記載の固体撮像デバイス。
3. 上記減圧空間形成部は、上記固体撮像素子の接合面又は上記プリズムの接合面に形成された凹部が、他方の上記接合面により封止されて形成される、請求項１又は２に記載の固体撮像デバイス。
4. 上記凹部の周部と上記凹部を封止する上記接合面との間に封止部材が配置されている、請求項３に記載の固体撮像デバイス。
5. 上記固体撮像素子の接合面と上記プリズムの接合面との間に配置された枠状の封止部材を備え、上記封止部材の内周によって囲まれた空間が、上記それぞれの接合面により封止されることにより、上記減圧空間形成部が構成される、請求項１に記載の固体撮像デバイス。
6. 上記封止部材は、金属材料又は樹脂材料により形成される、請求項４又は５に記載の固体撮像デバイス。
7. 上記減圧空間形成部は、上記減圧空間と上記周囲雰囲気とを連通する連通孔と、上記連通孔を閉止して上記減圧空間を保持する閉止部材とを備える、請求項１から６のいずれか１つに記載の固体撮像デバイス。

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