JP2009302299A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】撮影装置全体の低コスト化を可能とし、スムーズかつ高品位に撮影することができる固体撮像素子を提供する。
【解決手段】基板２１と、基板２１に造り込まれた複数の光電変換部２２と、複数の光電変換部２２に積層された光透過層３０と、基板２１および光透過層３０を封止する樹脂パッケージ４０とを備えた固体撮像素子Ａであって、この固体撮像素子Ａにおいては、樹脂パッケージ４０から光電変換部２２までの間に、光量に応じて光の透過率が変化する調光層６０が設けられている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、カメラなどの撮影装置に用いられる固体撮像素子に関する。

従来の固体撮像素子としては、特許文献１に開示されたものがある。この固体撮像素子は、基板に複数のフォトダイオード部を造り込むとともに、その基板の表面にフォトダイオード部からの電荷を転送するための電極パターンを形成し、さらにフォトダイオード部以外の部分を遮光膜で覆うようにして形成されている。フォトダイオード部のそれぞれからは、入射光量に応じた電荷が画素信号として出力され、これらの画素信号に基づいて静止画像あるいは動画像が生成される。

このような固体撮像素子においては、たとえば屋外の明るい景色を背景にして人物を撮影した場合、撮影画像のハイライト部分にいわゆる白飛びが生じ、その部分の階調が十分に表現されないことがある。これは、人間の目に比べて固体撮像素子のダイナミックレンジが低く、フォトダイオード部が露光オーバーになってしまうためである。この露光オーバーを防ぐには、たとえば特許文献２に開示された撮影装置のように、画像処理によって適正な露出時間を求めた後、その露出時間で撮影する方法がある。

しかしながら、上記固体撮像素子に画像処理を組み合わせた撮影装置では、画像処理用のソフトウェアあるいはハードウェアを必要とすることでコスト高となり、また、画像処理にある程度の時間がかかることでスムーズに撮影することができないという難点があった。

特開平５−１７５４７９号公報 特開２００７−２５７６５８号公報

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、撮影装置全体の低コスト化を可能とし、スムーズかつ高品位に撮影することができる固体撮像素子を提供することをその課題とする。

本発明によって提供される固体撮像素子は、基板と、上記基板に造り込まれた複数の光電変換部と、上記複数の光電変換部に積層された光透過層と、上記基板および上記光透過層を封止する樹脂パッケージと、を備えた固体撮像素子であって、上記樹脂パッケージから上記光電変換部までの間に、光量に応じて光の透過率が変化する調光層が設けられていることを特徴としている。

本発明の好ましい実施の形態としては、上記光透過層には、上記光電変換部のそれぞれに光を収束させる複数のマイクロレンズと、これらマイクロレンズの下地となる平滑化膜と、上記マイクロレンズから上記光電変換部へと所定の波長の光を透過させるカラーフィルタ層と、上記光電変換部からの信号を伝えるための配線層とが含まれている。

本発明の好ましい実施の形態としては、上記樹脂パッケージには、カバーガラスが設けられており、上記調光層は、上記カバーガラスの表面に形成されている。

本発明の好ましい実施の形態としては、上記樹脂パッケージは、透光性の樹脂からなり、上記調光層は、上記樹脂パッケージに調光物質を配合することで形成されている。

本発明の好ましい実施の形態としては、上記調光層は、上記マイクロレンズの表面に形成されている。

本発明の好ましい実施の形態としては、上記調光層は、上記マイクロレンズと上記平滑化膜との間に形成されている。

本発明の好ましい実施の形態としては、上記調光層は、上記平滑化膜と上記カラーフィルタ層との間、あるいは上記カラーフィルタ層と上記配線層との間に形成されている。

本発明の好ましい実施の形態としては、上記調光層は、上記配線層と上記基板との間に形成されている。

このような構成によれば、光強度が比較的強い光であっても調光層を通って光強度が弱められた状態で光電変換部に入射する。つまり、強い光を受ける部分の光電変換部にあっても調光層を介して受光することで露光オーバーが抑制されるので、白飛びをできる限り防止してダイナミックレンジ拡張を図ることができ、スムーズかつ高品位に撮影することができる。また、白飛びを防止するための画像処理システムを構築する必要がないので、撮影装置全体の低コスト化を実現することができる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。

図１および図２は、本発明にかかる固体撮像素子の一実施形態を示している。図１に示すように、固体撮像素子Ａは、レンズホルダ１の底部に固定されるプリント配線板２に実装されており、レンズ３からの透過光を受けるように配置されている。図２に示すように、固体撮像素子Ａは、パッケージ基板１０、配線パターン１１、入出力端子１２、素子本体となるベアチップ２０、樹脂パッケージ４０、およびカバーガラス５０を有して構成されている。

パッケージ基板１０の上面（内側面）には、ボンディングワイヤ１３を介してあるいは直接的にベアチップ２０に接続するための配線パターン１１が形成されている。パッケージ基板１０の下面（外側面）には、プリント配線板２に接続するためのはんだボールからなる入出力端子１２が形成されている。配線パターン１１と入出力端子１２は、たとえば図示しないスルーホールを介して導通している。

ベアチップ２０は、パッケージ基板１０、樹脂パッケージ４０、およびカバーガラス５０によって封止されている。カバーガラス５０は、外部からの光をベアチップ２０へと導くように樹脂パッケージ４０の上面に設けられている。このカバーガラス５０の内側面となる下面には、調光層６０が被覆形成されている。調光層６０は、たとえば紫外線が透過する部位ごとにその紫外線の光量に応じて光の透過率が変化するものである。具体的に調光層６０は、紫外線量が多くなると光透過率が低下するフォトクロミック反応物質（たとえばハロゲン化銀）を透光物質に配合した構成からなる。なお、調光層は、紫外線に限らず、紫外線以外のたとえば可視光の光量に応じて光の透過率が変化するものであってもよい。

上記ベアチップ２０は、基板２１、光電変換部２２、および光透過層３０を有して構成されている。光透過層３０は、配線層３１、カラーフィルタ層３２、平滑化膜３３、および複数のマイクロレンズ３４からなる。

基板２１は、たとえば半導体製造プロセスを経て製作されたＳｉ基板からなる。

光電変換部２２は、たとえばフォトダイオードとして基板２１の表面に造り込まれたものであり、その基板２１の表面内でマトリクス状の配列パターンをなすように形成されている。

配線層３１は、たとえば基板２１の表面上に形成された透光性および絶縁性をもつシリコン酸化層内に、光電変換部２２の電荷転送電極としてＡｌの配線パターンを含む層である。配線パターンは、光電変換部２２に入射する光を遮ることがないように光電変換部２２と光電変換部２２との間に形成されている。

カラーフィルタ層３２は、光電変換部２２のそれぞれに対して特定波長の光を導くフィルタ部が形成された層である。フィルタ部は、各光電変換部２２と対応する位置にあって配線層３１上に形成されている。

平滑化膜３３は、マイクロレンズ３４の下地となる透光膜であり、カラーフィルタ層３２上に形成されている。

マイクロレンズ３４は、光電変換部２２に対する集光性を高めるものであり、各光電変換部２２と対応する位置にあって平滑化膜３３上に形成されている。

上記固体撮像素子Ａは、次のような光学的作用をもつ。

固体撮像素子Ａに対して外部からの光は、カバーガラス５０、調光層６０、マイクロレンズ３４、平滑化膜３３、カラーフィルタ３２、および配線層３１を順に通って光電変換部２２に受光される。光電変換部２２では、受光量に応じた電荷が画素信号として出力される。

このとき、比較的光強度が大きい光束が通る調光層６０の部位においては、光の透過率が相当低下するため、そのような光強度大の光束に対応する光電変換部２２にあっても、露光オーバーになることがほとんどなく、階調表現可能なレベルの画素信号が出力される。その一方、比較的光強度が小さい光束が通る調光層６０の部位においては、光の透過率がそれほど変化しないため、光強度小の光束に対応する光電変換部２２では、そのまま忠実に階調表現された画素信号が出力される。これらの画素信号は、所定の画像処理を経ることで静止画像や動画像となる。

このようにして得られた画像においては、ハイライト部分においてもいわゆる白飛びが生じていないものとなる。画像処理では、特に白飛びを除去するための処理を行う必要はない。

したがって、本実施形態の固体撮像素子Ａによれば、強い光を受ける部分の光電変換部２２にあっても調光層６０を介して受光することで露光オーバーが抑制されるので、白飛びをできる限り防止してダイナミックレンジを拡張することができ、スムーズかつ高品位に撮影することができる。また、白飛びを防止するための画像処理システムを構築する必要がないので、撮影装置全体の低コスト化を実現することができる。たとえば、レンズ３の中央部よりも周縁部付近を通して得られる像が暗くなるといった現象が調光層６０によって軽減されるので、いわゆるレンズシェーディング補正を行うことなく画像処理をスムーズに行うことができる。

図３〜８は、本発明にかかる固体撮像素子の他の実施形態を示している。なお、先述した実施形態のものと同一または類似の構成要素については、同一符号を付してその説明を省略する。

図３に示す個体撮像素子は、ベアチップ２０全体を透光性の樹脂パッケージ４０’で封止したものである。樹脂パッケージ４０’は、たとえば透光物質にフォトクロミック反応物質を配合して構成されている。すなわち、調光層は、樹脂パッケージ４０’そのものである。

このような図３の個体撮像素子でも、調光層をなす樹脂パッケージ４０’を介して光電変換部２２が受光することで露光オーバーが抑制されるので、白飛びをできる限り防止してダイナミックレンジを拡張することができることができるとともに、スムーズかつ高品位に撮影することができ、撮影装置全体の低コスト化を実現することができる。

図４に示す個体撮像素子は、マイクロレンズ３４の表面に調光層６０を形成して構成されたものである。このような図４の個体撮像素子によれば、光電変換部２２に対してより近い位置に調光層６０が形成されているため、そのような調光層６０によってより適切に強い光を受ける光電変換部２２の露光オーバーが抑制され、先述した実施形態によるものよりも白飛びが少なくてより解像力の高い画像を得ることができる。

図５に示す個体撮像素子は、マイクロレンズ３４と平滑化膜３３との間に調光層６０を形成して構成されたものである。このような図５の個体撮像素子によれば、光電変換部２２に対してさらに近い位置に調光層６０が形成されているため、先述した実施形態によるものよりもさらに白飛びが少なくてより解像力の高い画像を得ることができる。

図６に示す個体撮像素子は、平滑化膜３３とカラーフィルタ層３２との間に調光層６０を形成して構成されたものである。このような図６の個体撮像素子によっても、光電変換部２２に対してさらに近い位置に調光層６０が形成されているため、先述した実施形態によるものよりもさらに白飛びが少なくてより解像力の高い画像を得ることができる。

図７に示す個体撮像素子は、カラーフィルタ層３２と配線層３１との間に調光層６０を形成して構成されたものである。このような図７の個体撮像素子によっても、光電変換部２２に対してさらに近い位置に調光層６０が形成されているため、先述した実施形態によるものよりもさらに白飛びが少なくてより解像力の高い画像を得ることができる。

図８に示す個体撮像素子は、配線層３１と基板２１との間、すなわち光電変換部２２の直上に調光層６０を形成して構成されたものである。このような図８の個体撮像素子によれば、光電変換部２２に対して最も近い位置に調光層６０が形成されているため、先述した実施形態によるものを含めて最も白飛びが少なくて高解像力の画像を得ることができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明にかかる固体撮像素子の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。たとえば、調光層は、カバーガラスの上面に形成してもよく、より好ましくは配線層の内部に形成してもよい。

本発明にかかる固体撮像素子の一実施形態を示す斜視図である。 図１に示す固体撮像素子の断面図である。 本発明にかかる固体撮像素子の他の実施形態を示す断面図である。 本発明にかかる固体撮像素子の他の実施形態を示す断面図である。 本発明にかかる固体撮像素子の他の実施形態を示す断面図である。 本発明にかかる固体撮像素子の他の実施形態を示す断面図である。 本発明にかかる固体撮像素子の他の実施形態を示す断面図である。 本発明にかかる固体撮像素子の他の実施形態を示す断面図である。

符号の説明

Ａ 固体撮像素子
２１ 基板
２２ 光電変換部
３０ 光透過層
３１ 配線層
３２ カラーフィルタ層
３３ 平滑化膜
３４ マイクロレンズ
４０ 樹脂パッケージ
５０ カバーガラス
６０ 調光層

Claims (8)

1. 基板と、
   上記基板に造り込まれた複数の光電変換部と、
   上記複数の光電変換部に積層された光透過層と、
   上記基板および上記光透過層を封止する樹脂パッケージと、
   を備えた固体撮像素子であって、
   上記樹脂パッケージから上記光電変換部までの間に、光量に応じて光の透過率が変化する調光層が設けられていることを特徴とする、固体撮像素子。
2. 上記光透過層には、上記光電変換部のそれぞれに光を収束させる複数のマイクロレンズと、これらマイクロレンズの下地となる平滑化膜と、上記マイクロレンズから上記光電変換部へと所定の波長の光を透過させるカラーフィルタ層と、上記光電変換部からの信号を伝えるための配線層とが含まれている、請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 上記樹脂パッケージには、カバーガラスが設けられており、上記調光層は、上記カバーガラスの表面に形成されている、請求項１または２に記載の固体撮像素子。
4. 上記樹脂パッケージは、透光性の樹脂からなり、上記調光層は、上記樹脂パッケージに調光物質を配合することで形成されている、請求項１または２に記載の固体撮像素子。
5. 上記調光層は、上記マイクロレンズの表面に形成されている、請求項２に記載の固体撮像素子。
6. 上記調光層は、上記マイクロレンズと上記平滑化膜との間に形成されている、請求項２に記載の固体撮像素子。
7. 上記調光層は、上記平滑化膜と上記カラーフィルタ層との間、あるいは上記カラーフィルタ層と上記配線層との間に形成されている、請求項２に記載の固体撮像素子。
8. 上記調光層は、上記配線層と上記基板との間に形成されている、請求項２に記載の固体撮像素子。

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