JP2010532921A - バックライトを伴う二次元コンタクトイメージセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】優れたイメージセンサを提供する。
【解決手段】バックライトを伴う二次元イメージセンサは光検出器配列（１２０）を備える。光源（１３５）からの光は、後方から配列（１２０）を通過して、撮像されるべき表面（１１０）に反射する。この場合、反射された光が配列（１２０）によって検出される。光検出器配列は不透明のシリコン基板（１９０）に形成されてもよく、その場合、撮像されるべき表面（１１０）へ向けて光が通過できるように、チャンネル（１８０）が基板を貫通してエッチングされる。センサは拡散層（１３０）とスペーサ層（１５０）とを更に備える。イメージセンサは、密に離間されたドットコーディングパターン（１１１、１１２）を撮像するのに適している。ＵＶ誘起赤外光エミッタがＵＶフィルタおよび光検出器配列の下側に配置された前方照明イメージセンサも開示される。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般にイメージセンサに関し、特に、走査されるべき表面と接触できる自己照明イメージセンサに関する。

表面を走査するためにイメージセンサが使用される多くの用途が存在する。そのような多くの用途では、イメージセンサを表面に近接させ或いは接触させることが有利である。

表面に近接し或いは接触する従来技術のイメージセンサは一般に一次元である。そのようなイメージセンサにおいて一次元光検出器配列を使用する理由は、光検出器配列と平行な光源から表面を照明できるようにするためである。表面の二次元像を得るために、表面および光検出器配列が互いに対して移動される。

密に離間されるドットパターンを使用して表面がコード化される用途も存在する。ドットパターンは、一般に、表面上の少なくとも１つの位置をエンコードする。

１つのそのようなパターンは、１２０ミクロン離間されるドットを使用する。２つのうちの最小のサンプリングレートを得るためには、６０ミクロンの光検出器サイズまたは４２３ピクセル／インチ（ppi）の最小分解能を有するイメージセンサが必要とされる。ドットパターンは二次元パターンであり、また、１つの特定のケースでは、各パターンが１００ピクセル×１００ピクセルの範囲を有する。

イメージセンサの二次元範囲は、検出されるパターンのそれと一致するように増大するため、表面のための照明を行なうことが益々難しくなる。特に、イメージセンサは、一般に、光がセンサの中心領域の下側の表面に到達するのを妨げる。典型的な解決策は、センサを表面から離間させることであるが、そのような解決策は、センサの合焦に関して更なる問題をもたらす。

したがって、可能な限り薄い二次元イメージセンサであって、少なくとも１つのフルドットパターンを検出するのに十分な視野を有して自己照明する二次元イメージセンサの必要性が存在する。

本発明の目的は、既存の装置の１つ以上の欠点を実質的に克服する或いは少なくとも改善することである。

本開示の第１の態様によれば、
シリコン基板と、
上記シリコン基板中に形成される光検出器の配列と、
光が一表面へ向けて上記基板を通過できるように上記シリコン基板を貫通してエッチングされるチャンネルと、
を備え、
光検出器の上記配列は、上記表面からの光の反射を検出するように配置されるイメージセンサが提供される。

本開示の第２の態様によれば、
光検出器の配列と、
光を光検出器の上記配列を通過して光検出器の上記配列の第２の側の少なくとも一表面上へと放射するために光検出器の上記配列の第１の側に配置される光源と、
を備え、
光検出器の上記配列は、上記表面からの光の反射を検出するように配置されるイメージセンサが提供される。

本開示の更に他の態様によれば、
その第１の側へ向けて方向付けられる光検出器の配列と、
光検出器の上記配列の上記第１の側へ向けて方向付けられるとともに、第１の波長の光を、第２の波長の光によって照明されるときに放射する１つ以上のエミッタと、
上記１つ以上のエミッタを照明するための光源であって、上記第２の波長の光を放射する光源と、
上記第２の波長の光が上記光検出器を照明しないようにするためのフィルタと、
を備えるイメージセンサが提供される。

本発明の他の態様も開示される。

任意選択で、イメージセンサは、光検出器の上記配列を上記表面から離間させるためのスペーサを更に備える。

任意選択で、イメージセンサは、光検出器の上記配列の第１の側に拡散器を更に備え、上記拡散器の内部を照らすために光源が上記拡散器と関連付けられ、上記拡散器から漏れる光が上記基板を通過して上記表面へと至る。

任意選択で、上記チャンネルが反射側壁を有する。

任意選択で、イメージセンサは、上記各光検出器の視野を制御するために上記各光検出器と関連付けられる絞りおよびレンズを更に備える。

任意選択で、上記スペーサは、光検出器の上記配列と上記表面との間の少なくとも部分的に不透明な平面層であり、上記少なくとも部分的に不透明な平面層は、上記チャンネルを通過した光が上記表面へ向けて通過できるようにするための上記チャンネルに対応する第１の通路と、光が上記表面から上記光検出器へと通過できるようにするための上記光検出器に対応する第２の通路とを有する。

任意選択で、イメージセンサは、光を光検出器の上記配列へ向けて方向付けるために上記拡散器と関連付けられる反射層を更に備える。

他の態様において、本発明は、
光検出器の配列と、
光を光検出器の上記配列を通過して光検出器の上記配列の第２の側の少なくとも一表面上へと放射するために光検出器の上記配列の第１の側に配置される光源と、
を備え、
光検出器の上記配列は、上記表面からの光の反射を検出するように配置されるイメージセンサを提供する。

任意選択で、イメージセンサは、光検出器の上記配列を上記表面から離間させるために光検出器の上記配列の第２の側に配置されるスペーサを更に備える。

任意選択で、イメージセンサは、光検出器の上記配列の上記第１の側に拡散器を更に備え、上記拡散器の内部を照らすために上記光源が上記拡散器と関連付けられ、上記拡散器から漏れる光が光検出器の上記配列を通過する。

任意選択で、イメージセンサは、上記拡散器から発せられる光が光検出器の上記配列を照射しないようにするための不透明カバーを更に備える。

任意選択で、光検出器の上記配列がシリコンウエハから形成され、上記シリコンウエハのバルクが上記不透明カバーを形成する。

任意選択で、光検出器の上記配列がシリコンウエハから形成され、上記シリコンウエハのバルクは、光が光検出器の上記配列の上記第１の側から通過できるようにエッチングされるチャンネルを備える。

任意選択で、上記チャンネルが反射側壁を有する。

任意選択で、イメージセンサは、上記各光検出器の視野を制御するために上記各光検出器と関連付けられる絞りおよびレンズを更に備える。

任意選択で、イメージセンサは、光検出器の上記配列を上記表面から離間させるために光検出器の上記配列の第２の側に配置されるスペーサを更に備え、上記スペーサは、光が上記第１の側から上記表面へ向けて通過できるようにするための上記チャンネルに対応する第１の通路と、光が上記表面から上記光検出器へと通過できるようにするための上記光検出器に対応する第２の通路とを有する少なくとも部分的に不透明な平面層である。

任意選択で、イメージセンサは、光を光検出器の上記配列へ向けて方向付けるために上記拡散器と関連付けられる反射層を更に備える。

任意選択で、イメージセンサは、
光検出器の上記配列と関連して配置され、散乱される光子を検出する光検出器の第２の配列と、
光検出器の上記第２の配列からの信号に基づいて光検出器の上記配列からの信号を変化させるための手段と、
を更に備える。

任意選択で、上記１つ以上のエミッタが上記光検出器と交互に配置される。

任意選択で、上記フィルタは、光検出器の上記配列と上記１つ以上のエミッタとの間の層中に配置される。

任意選択で、イメージセンサは、上記第２の波長の光が光検出器の上記配列の上記第１の側の一表面を照明しないようにするための第２のフィルタを更に備え、
光検出器の上記配列は、上記表面からの光の反射を検出するように配置される。

任意選択で、イメージセンサは、上記光源からの光を上記１つ以上のエミッタへと方向付けるために上記フィルタ間に透明層を更に備える。

任意選択で、上記透明層は、光検出器の上記配列を上記表面から離間させるためのスペーサとしての機能を果たす。

任意選択で、イメージセンサは、上記１つ以上のエミッタから発せられる光が光検出器の上記配列を照明しないようにするための不透明カバーを更に備える。

任意選択で、上記１つ以上のエミッタは、上記フィルタ上に印刷されるとともに、光検出器の上記配列の上記第１の側へ向けて方向付けられる。

任意選択で、上記第１の波長の光が赤外光であり、上記第２の波長の光が紫外光である。

バックライトを有する二次元イメージセンサの断面図である。 バックライトを有する二次元イメージセンサであって光検出器の配列がシリコンウエハに形成されるイメージセンサの断面図である。 図２に示される二次元イメージセンサのシリコンウエハの平面図である。 フロントライトを有する二次元イメージセンサの断面図である。 図４に示されるイメージセンサ２００の平面図である。

ここで、図面を参照して、本発明の１つ以上の実施形態について説明する。添付図面のうちの任意の１つ以上において同じ参照符号を有する特徴を参照する場合、これらの特徴は、この説明の目的のため、正反対の意図が明らかでなければ、同じ機能を有する。

図１は、バックライトを有する二次元イメージセンサ１００の断面図を示している。イメージセンサ１００は、フォトダイオードまたはピクセルセンサとしても知られる光検出器１２０の配列を含み、各光検出器１２０は、上記光検出器１２０によって検出される照明の量に基づいて信号を供給する。説明を容易にするため、図示のイメージセンサ１００は２列の光検出器１２０のみを含むが、当業者であれば分かるように、イメージセンサ１００に含まれる光検出器１２０の数はその用途によって決定される。

イメージセンサ１００には、光検出器１２０を下層面１１０から離間させるために光検出器１２０の配列の下側に配置されるスペーサ１５０が更に設けられる。好ましい実施において、スペーサ１５０は透明層である。

イメージセンサ１００のバックライトは、光検出器１２０の配列よりも上側に取り付けられる拡散透過媒体１３０によって供給される。拡散透過媒体１３０は、上記拡散透過媒体１３０の１つ以上の縁部に沿って配置される１つ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）１３５によって照らされる。ＬＥＤ１３５によって発せられる光は透過媒体１３０内で反射し、それにより、透過媒体１３０の全体にわたって光が運ばれる。光の一部は拡散透過媒体１３０の平面に沿って漏れ出す。光が上方へ（下層面１１０から離れて）漏れるのを防止するため、拡散透過媒体１３０には、上記拡散透過媒体１３０の上側平面上に反射層１４０が設けられる。反射層１４０は、光検出器１２０の配列および下層面１１０の方へと光を反射して戻す。

各光検出器１２０には、光検出器１２０が拡散透過媒体１３０から直接に放射される光で照射されないように保護するためのキャップ１２５も設けられている。このようにすると、光検出器１２０は、下層面１１０によって反射される光に対してのみ応答する。

図２は、バックライトを有する二次元イメージセンサ１０１であって、光検出器１２０の配列がシリコンウエハに形成されるイメージセンサ１０１の断面図を示している。この実施では、シリコンウエハのバルク（巨大な本体）１９０が、光検出器１２０が拡散透過媒体１３０から直接に照射されないように保護するキャップ１２５（図１）としての役目を果たす。

図３は、図２に示される二次元イメージセンサのシリコンウエハの平面図を示している。図２および図３を参照すると、光が拡散透過媒体１３０から下層面１１０へ向けて通過できるようにするために、チャンネル１８０がシリコンウエハを貫通してエッチングされる。好ましい実施では、エッチングされたチャンネル１８０の側壁が反射性を有するように形成され、それにより、チャンネルが部分的に光パイプとして作用できるようにする。

図１および図２を再び参照すると、拡散透過媒体１３０から逃げる光は、光検出器１２０を通り越して、透明層１５０を通り抜け、下層面１１０へと至る。下層面１１０は光吸収領域１１１と光反射領域１１２とを有する。光吸収領域１１１は光を吸収し、一方、光反射領域１１２は上記領域を照射する光を反射する。下層面１１０が光を僅かに散乱すると、光反射領域１１２よりも上側に位置される１つ以上の光検出器１２０が照明を検出して対応する信号を供給する。

イメージセンサの１つの実施（図示せず）では、透明層１５０の厚さによって規定される光検出器１２０から下層面１１０までの距離が、個々の光検出器１２０の面積よりもかなり大きいため、各光検出器１２０には絞りおよびレンズが設けられる。絞りおよびレンズは、光検出器１２０の視野を制限し、それにより、インメージセンサによって捕捉される“像”のぼけを最小限に抑える。

更なる実施（図示せず）において、ぼけは、光検出器１２０の面積を減少させて、各光検出器１２０を更なる光検出器により例えば同心円筒形態で取り囲むことによって、最小限に抑えられる。更なる光検出器は散乱された光子を検出し、また、光検出器１２０の出力信号は、光検出器１２０と関連付けられる更なる光検出器によって出力される信号に基づいて変化する。

更なる他の実施（図示せず）において、ぼけは、スペーサ１５０であるシリコンの層を使用することによって最小限に抑えられる。シリコンの層は、それを貫通してエッチングされる照明光チャンネルおよび光検出器光チャンネルの両方を有している。図２を参照すると、光が拡散透過媒体１３０から下層面１１０へと通過できるようにするためにチャンネル１８０に対応するチャンネルまたは通路が設けられ、また、光が下層面１１０から上記光検出器１２０へと通過できるようにするために光検出器１２０に対応するチャンネルまたは通路が設けられる。

更なる他の実施（図示せず）では、バックライトを可能にするためのバックエッチングの必要性を回避するため、金属マスクを陰極として使用して、イメージセンサ全体の表面上に大面積ＩＲ ＯＬＥＤの透明陽極および放射層を堆積させることができる。

図４は、フロントライトを有する二次元イメージセンサ２００の断面図を示している。イメージセンサ２００も、それぞれの光検出器２２０によって受けられる照明の量に基づいて信号を供給するための光検出器２２０の配列を含んでいる。

イメージセンサ２００のフロントライトは、紫外光誘起（ＵＶ誘起）蛍光（またはリン光）赤外光エミッタ２３０によって供給される。エミッタ２３０は、上記エミッタ２３０がＵＶ光で照明されるときにＩＲ照明を解放することによって作用する。図５は、光が光検出器２２０へ向けて通過できるようにするためのエミッタ２３０の開口の空間的関係を示す図４に示されるイメージセンサ２００の平面図を示している。図５を再び参照すると、エミッタ２３０は、光検出器２２０の配列の下側に配置されており、ＵＶ集積層２４０を介して下層面２１０と対向する。ＵＶ集積層２４０は、ＵＶ集積層２４０の１つ以上の縁部に沿って配置される１つ以上のＵＶ ＬＥＤ２３５によって照らされる。

光検出器２２０がＵＶ ＬＥＤ２３５からのＵＶ光およびＵＶ集積層２４０内で反射されるＵＶ光によって照射されることを防止するため、光検出器２２０の配列とＵＶ集積層２４０との間にＵＶフィルタ２５１が設けられる。ＵＶ集積層２４０の下側平面上には第２のＵＶフィルタ２５２が設けられる。ＵＶフィルタ２５１、２５２はＵＶ光がＵＶ集積層２４０から逃げるのを防止し、それにより、ＵＶ ＬＥＤ２３５によって発せられるＵＶ光がＵＶ集積層２４０内で反射する。ＵＶ光がＵＶ集積層２４０から逃げるのを更に防止するため、ＵＶ集積層２４０の縁部にリフレクタ２７０が設けられてもよい。

エミッタ２３０は、ＵＶ光を吸収して、ＩＲ光を放射する。エミッタ２３０によって放射されるＩＲ光が光検出器２２０を直接に照明しないように、エミッタ２３０にはキャップ２３１が設けられる。代わりに、エミッタ２３０によって放射されるＩＲ光は、ＵＶ集積層層２４０を通過し、下側ＵＶフィルタ２５２を通り抜けて下層面２１０へと向かう。

下層面２１０は、ＩＲ光吸収領域２１１とＩＲ光反射領域２１２とを有する。ＩＲ反射領域２１２によって反射されるＩＲ光は、ＵＶフィルタ２５２を通過して、ＵＶ集積層２４０を通り抜け、ＵＶフィルタ２５１を通過して光検出器２２０へと至る。ＩＲ光反射領域２１２よりも上側に位置される１つ以上の光検出器２２０は、ＩＲ照明を検出して、対応する信号を供給する。

各光検出器２２０の視野は、エミッタ２３０に設けられる開口のサイズを減少させることによっておよび／またはエミッタ層から光検出器層までの距離を増大させることによって、例えばＵＶフィルタ２５１および／またはキャップ２３１の厚さを増大させることによって減少されてもよい。

好ましい実施において、ＩＲエミッタ２３０は、例えば印刷によって第１のＵＶフィルタ２５１上に直接に堆積される。特に、ＩＲ反射（または、ＩＲ吸収）キャップ層２３１が最初に堆積され、その後、ＩＲエミッタ２３０自体が堆積される。

ＵＶ-ＩＲ蛍光に関して説明したが、フロントライトが任意の適したＩＲ蛍光またはリン光を使用してもよい。

イメージセンサ２００の別の実施では、下側ＵＶフィルタ２５２が存在しない。その場合、下層面２１０にはＵＶ誘起蛍光（またはリン光）ＩＲインクが設けられる。

以上は本発明の幾つかの実施形態のみを説明しているが、本発明の範囲および思想から逸脱することなく上記実施形態に対して変更および／または変形を成すことができ、上記実施形態は例示的であって限定的ではない。

Claims (18)

1. シリコン基板と、
   前記シリコン基板内に形成される光検出器の配列と、
   光が一表面へ向けて前記基板を通過できるように前記シリコン基板を貫通してエッチングされるチャンネルと、
   を備え、
   光検出器の前記配列は、前記表面からの光の反射を検出するように配置されるイメージセンサ。
2. 前記イメージセンサは、
   光検出器の前記配列を前記表面から離間させるためのスペーサ、を更に備える請求項１に記載のイメージセンサ。
3. 前記イメージセンサは、光検出器の前記配列の第１の側に配置された拡散器、を更に備え、
   前記拡散器の内部を照らす光源が前記拡散器と関連付けられて設けられ、前記拡散器から漏れる光が前記基板を通過して前記表面へと至る、請求項１に記載のイメージセンサ。
4. 前記チャンネルが反射側壁を有する、請求項１に記載のイメージセンサ。
5. 前記イメージセンサは、
   前記光検出器の各々の視野を制御するための、当該光検出器の各々と関連付けられた開口部およびレンズ、を更に備える請求項１に記載のイメージセンサ。
6. 前記スペーサは、光検出器の前記配列と前記表面との間の少なくとも部分的に不透明な平面層であり、
   前記少なくとも部分的に不透明な平面層は、
   前記チャンネルを通過した光が前記表面へ向けて通過できるようにするための、前記チャンネルに対応する第１の通路と、
   光が前記表面から前記光検出器へと通過できるようにするための、前記光検出器に対応する第２の通路と、
   を有する請求項２に記載のイメージセンサ。
7. 前記イメージセンサは、
   光検出器の前記配列へ向けて光を方向付けるための、前記拡散器と関連付けられた反射層、を更に備える請求項３に記載のイメージセンサ。
8. 光検出器の配列と、
   光を、光検出器の前記配列を通過して光検出器の前記配列の第２の側の少なくとも一表面上へと放射するために、光検出器の前記配列の第１の側に配置される光源と、
   を備え、
   光検出器の前記配列は、前記表面からの光の反射を検出するように配置される、イメージセンサ。
9. 前記イメージセンサは、
   光検出器の前記配列を前記表面から離間させるために光検出器の前記配列の第２の側に配置されるスペーサ、を更に備える請求項８に記載のイメージセンサ。
10. 前記イメージセンサは、
    光検出器の前記配列の前記第１の側に配置される拡散器、を更に備え、
    前記拡散器の内部を照らす前記光源が前記拡散器と関連付けられて設けられ、前記拡散器から漏れる光が光検出器の前記配列を通過する、請求項８に記載のイメージセンサ。
11. 前記イメージセンサは、
    前記拡散器から発せられる光が光検出器の前記配列を照射しないようにするための不透明カバー、を更に備える請求項１０に記載のイメージセンサ。
12. 光検出器の前記配列がシリコンウエハから形成され、
    前記シリコンウエハのバルクが前記不透明カバーを形成する、請求項１１に記載のイメージセンサ。
13. 光検出器の前記配列がシリコンウエハから形成され、
    前記シリコンウエハのバルクは、光が光検出器の前記配列の前記第１の側から通過できるようにエッチングされたチャンネルを備える、請求項８に記載のイメージセンサ。
14. 前記チャンネルが反射側壁を有する、請求項１３に記載のイメージセンサ。
15. 前記イメージセンサは、
    前記光検出器の各々の視野を制御するための、当該光検出器の各々と関連付けられた開口部およびレンズ、を更に備える請求項８に記載のイメージセンサ。
16. 前記イメージセンサは、
    光検出器の前記配列を前記表面から離間させるために光検出器の前記配列の第２の側に配置されるスペーサ、を更に備え、
    前記スペーサは、少なくとも部分的に不透明な平面層であり、
    前記少なくとも部分的に不透明な平面層は、
    光が前記第１の側から前記表面へ向けて通過できるようにするための、前記チャンネルに対応する第１の通路と、
    光が前記表面から前記光検出器へと通過できるようにするための、前記光検出器に対応する第２の通路と、
    を有する、請求項１３に記載のイメージセンサ。
17. 前記イメージセンサは、
    光検出器の前記配列へ向けて光を方向付けるための、前記拡散器と関連付けられた反射層、を更に備える請求項１０に記載のイメージセンサ。
18. 前記イメージセンサは、
    光検出器の前記配列と関連して配置された光検出器の第２の配列であって、散乱される光子を検出する当該光検出器の第２の配列と、
    光検出器の前記第２の配列からの信号に基づいて、光検出器の前記配列からの信号を変化させるための手段と、
    を更に備える請求項８に記載のイメージセンサ。

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