JP2015095546A - 撮像素子パッケージ及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微細化の進んだ撮像素子及び光学機能構造体を用いた場合であっても、光学性能を十分に発揮させることが可能な撮像素子パッケージ及びこれを備えた撮像装置を提供する。
【解決手段】撮像素子パッケージ１０は、入射した光を集光する複数のフィルタ用マイクロレンズ２２ａ、及び、各フィルタ用マイクロレンズにより集光された光を夫々透過させると共に所定の光学機能を備えた領域を複数有する光学機能構造体２１を備えた光学素子基板２３と、光学機能構造体の各領域を透過した光を夫々受光する複数のフォトダイオード１１ｂを含む撮像素子１１が形成された撮像素子基板１３と、を備えている。本発明によれば、レンズにより光学機能構造体の各領域に集光された光をフォトダイオード１１ｂに受光させるので、微細化の進んだ撮像素子及び光学機能構造体を用いた場合であっても、その光学性能を十分に発揮させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、所定の光学成分を透過させる領域を複数有した光学機能構造体と光学機能構造体の各領域を透過した光を夫々受光する複数の受光素子を有する撮像素子とを備えた撮像素子パッケージ、及び該撮像素子パッケージを備える撮像装置に関し、特に、微細化の進んだ撮像素子及び光学機能構造体を用いる場合であっても、その光学性能を十分に発揮させることが可能な撮像素子パッケージ及び該撮像素子パッケージを備える撮像装置に関する。

撮像素子は半導体微細加工技術の進展に伴い、高画素化がすすんでいる。撮像素子は基板に搭載され、汚染防止や損傷防止のために配置されるカバーとしてのガラス基板とともにパッケージ化されて撮像装置に用いられる。ガラス基板は可視光領域において透明であり、入射した光を透過する。このような撮像素子とガラス基板を含む撮像素子パッケージは広く知られている（例えば特許文献１、２）。
更に近年では、透明基板の表面に、多層膜からなる反射防止膜や赤外線フィルタのような光学機能膜等の微細構造を形成した平板型光学素子が作製可能となり、その利用が進んでいる。

図９は、従来の撮像素子パッケージの例を示す断面図である。
撮像素子パッケージ１０００は、ＰＷＢ基板１０１２上にマイクロレンズ１０１１ａ及びフォトダイオード１０１１ｂが形成された撮像素子基板１０１３を備えている。撮像素子基板１０１３の受光面側には、撮像素子をカバーするガラス等からなる透明基板１０２０が、支持部材１０１４と接着剤層１０３０を介して接合されている。
透明基板１０２０の下面には光学機能構造体１０２１が配置されている。光学機能構造体１０２１は図６（ａ）に示すように、フォトダイオード１０１１ｂに１対１で対応する複数の領域１０２１ａを有した領域分割素子である。各領域１０２１ａには、多層膜などの薄膜のほか、波長の半分程度のサイズの構造を周期的に配列したサブ波長構造等を形成して所定の光学成分のみを透過させることにより、フォトダイオード１０１１ｂごとに異なる光学情報を得ることができる。

撮像素子パッケージ１０００においては、光学機能構造体１０２１を透明基板１０２０の上面に配置するよりも、透明基板１０２０の下面に配置した方がマイクロレンズ１０１１ａとの距離をより小さくできるので、その光学性能が向上する。
近年では撮像素子の高画素化に伴い、画素ピッチが数μｍレベルのものが実現されている。このような微細化が進んだ撮像素子を用いる場合は、光学機能構造体１０２１を透明基板１０２０の下面に配置したとしても、十分な光学性能を得られない場合がある。例えば図６（ａ）に示すように、透明基板１０２０と撮像素子基板１０１３との間に水平方向の位置ずれが生じた場合、光学機能構造体１０２１の領域１０２１ａを通過した光の一部はフォトダイオード１０１１ｂによって受光されないこととなる。このように、従来の撮像素子パッケージ１０００においては、その光学性能を十分に発揮できない場合がある。
本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、微細化の進んだ撮像素子及び光学機能構造体を用いる場合であっても、その光学性能を十分に発揮させることが可能な撮像素子パッケージ及びこれを備えた撮像装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、入射した光を集光する複数のレンズ、及び、前記各レンズにより集光された光を夫々透過させると共に所定の光学機能を備えた領域を複数有する光学機能構造体を備えた光学素子基板と、前記光学機能構造体の前記各領域を透過した光を夫々受光する複数の受光素子を含む撮像素子が形成された撮像素子基板と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、レンズにより光学機能構造体の各領域に集光された光を受光素子に受光させるので、微細化の進んだ撮像素子及び光学機能構造体を用いる場合であっても、その光学性能を十分に発揮させることが可能な撮像素子パッケージ及びこれを備えた撮像装置を提供できる。

本発明の一実施形態に係る撮像素子パッケージを備えた撮像装置の概略構成を示す説明図である。 本発明の第一の実施形態に係る撮像素子パッケージの概略構成を示した模式図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は上面図である。 （ａ）は、光学機能構造体の模式的平面図であり、（ｂ）はフィルタ用レンズアレイの模式的平面図である。 （ａ）、（ｂ）は、撮像素子パッケージの断面構造を説明するための拡大断面図である。 図４（ａ）に示す構造をさらに拡大して示した模式的断面図である。 （ａ）は従来の撮像素子パッケージの模式的断面図であり、（ｂ）は本発明に係る撮像素子パッケージの模式的断面図である。 第二の実施形態を示す光学素子基板の部分拡大断面図である。 第四の実施形態に係る撮像素子パッケージの一例を示す要部の概略断面図である。 従来の撮像素子パッケージの例を示す断面図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。

〔撮像装置〕
図１は、本実施形態にかかる撮像装置１００の概略構成を示す説明図である。
この撮像装置１００は、主に、撮像レンズ４０と、撮像素子基板１３及び光学素子基板２３からなる撮像素子パッケージ１０と、信号処理部５０とから構成される。
撮像素子基板１３は、撮像素子１１が実装されたＰＷＢ（printed wiring board）基板１２から構成され、撮像素子１１は、入射する光（例えば、撮像レンズ４０からの入射光）を受光する受光素子である。
光学素子基板２３は、使用帯域の光に対して透明な基板（以下、「透明基板」という）２０の撮像素子１１の受光面との対向面に、所望の光学機能が付与された光学機能構造体２１を有する。光学機能構造体２１は、所望の光学成分を選択的に透過させる光学フィルタであり、特に光学機能膜とすることができる。光学機能構造体２１は、例えば、所定の偏光成分のみを透過させる偏光フィルタや、所定の波長の光のみを透過させるバンドパスフィルタ、或いは、位相板とすることができる。
被検物からの光は、撮像レンズ４０を通り、光学素子基板２３を透過して撮像素子１１で電気信号に変換される。信号処理部５０には撮像素子１１から出力される電気信号が入力される。信号処理部５０は、この電気信号を処理して、輝度情報、分光情報、偏光情報、又は位相情報などの画像信号を生成する。撮像装置１００は、信号処理部５０で生成した画像信号であるデジタル信号を、後続の出力機器（図示せず）へ出力する。

〔第一の実施形態〕
＜撮像素子パッケージの概略構成＞
図２は、本発明の第一の実施形態に係る撮像素子パッケージの概略構成を示した模式図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は上面図である。なお、図２（ｂ）においては透明基板を省略している。本実施形態に係る撮像素子パッケージは、光学機能構造体の各領域に光を集光させるマイクロレンズを備えている点に特徴がある。

撮像素子パッケージ１０は、入射する光を受光する撮像素子１１を有する撮像素子基板１３と、撮像素子の受光面１５との対向面（光の出射面）に、所定の光学機能が選択的に与えられた複数の領域を有する光学機能構造体２１を備えると共に、受光面１５との非対向面から入射した光を光学機能構造体２１の各領域に集光させる複数のフィルタ用マイクロレンズ２２ａを有する光学素子基板２３とを備えている。
撮像素子基板１３は、撮像素子１１が配置されていない領域に、光学素子基板２３に向かって突出した支持部材１４を有し、支持部材１４と光学素子基板２３とは接着剤層３０を介して接合されている。
撮像素子パッケージ１０は、撮像素子基板１３及び光学素子基板２３を、例えば、図示しないインターポーザ基板上にダイボンディングにて接着し、ワイヤボンディングを行った後に樹脂封止を行うことにより得られる。

撮像素子基板１３は、ワイヤボンディングなどの手法によりＰＷＢ（printed wiring board）基板１２に撮像素子１１が接合されて形成されている。
撮像素子１１は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などを用いたイメージセンサであり、受光素子であるフォトダイオード１１ｂと、フォトダイオード用マイクロレンズ１１ａとを備える。フォトダイオード１１ｂは、画素ごとに２次元的にアレイ配置されており、フォトダイオード１１ｂの集光効率を高めるために、各フォトダイオード１１ｂよりも光の入射側にフォトダイオード用マイクロレンズ１１ａが配置されている。１個のフォトダイオード１１ｂが単位画素を構成し、一画素の大きさは例えば６μｍとすることができる。
光学機能構造体２１が形成される透明基板２０は、使用帯域の光に対して透明な材料からなる基板であり、例えば、石英基板、ホウケイ酸ガラス基板、ＢＫ７などのガラス基板が挙げられる。また、ガラス基板に限定されず、例えば、透明な樹脂フィルム等であってもよい。

接着剤層３０を形成する接着剤としては、光重合開始剤を含有し紫外線を照射することにより硬化する紫外線硬化型樹脂や、一定温度以上の加熱工程を加えることで硬化する熱硬化型樹脂、またはそれらのハイブリッド型のものが挙げられる。具体的には、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン系材料、有機・無機ハイブリッド、無機材料からなる接着剤等を用いることができる。接着剤の粘度、弾性率などは適宜選定又は調整が必要である。また、接着剤として、内部にスペーサ球等の充填剤を包含させたものを用いてもよい。
また、塗布可能な性状の接着剤以外に、シート状物として積層し、その後の加熱工程により接着力を示す接着剤を用いてもよい。

支持部材１４は、有機材料からなり、フォトリソグラフィ技術により形成されている。
接着剤は、被接合面の面積などに応じて、塗布する厚さと幅を適宜調整することができる。例えば、接着剤は支持部材１４に厚み約５μｍ、幅８０μｍとなるように塗布される 接着剤には、光硬化型接着剤（紫外線硬化型接着剤）を用いることができる。この場合には、支持部材１４に接着剤を塗布し、光学素子基板２３を接合した後、紫外線照射及び加熱により接着剤を硬化させることで、ほぼ均一な接着剤層３０が得られる。なお、紫外線照射工程における紫外線照射量は適宜調整することができるが、例えば、照度１０ｍＷ／ｃｍ^２にて、積算エネルギー６，０００Ｊ／ｃｍ^２となる照射量とすることができる。加熱工程における加熱温度及び時間も同様に適宜調整することができるが、例えば、８０℃で３０分間の加熱とすることができる。

光学機能構造体について図３（ａ）に基づいて説明する。図３（ａ）は、光学機能構造体の模式的平面図である。光学機能構造体２１は、入射した光の第一の偏光成分を透過させる第一偏光領域と、第一の偏光成分に直交する第二の偏光成分を透過させる第二偏光領域とが、２次元配列された光学機能膜である。本実施形態における光学機能構造体２１は、直交する２方向のワイヤグリッド構造を有するワイヤグリッド偏光子であり、各ワイヤグリッド構造には金属細線が周期的に配列されている。
図３（ａ）に示す光学機能構造体２１には、同じ面積の横方向ワイヤグリッド２１０ａ（第一偏光領域）と縦方向ワイヤグリッド２１０ｂ（第二偏光領域）とが格子状に交互に配置されている。各領域の大きさは一辺が約６μｍであり、一画素の大きさとほぼ一致する。

また、各ワイヤグリッドはアルミニウム（Ａｌ）からなり、アルミニウム細線の周期は約１５０ｎｍ、高さは約２００ｎｍである。ワイヤグリッド素子を用いることにより、高コントラストかつ高透過率の画像を取得することが可能となる。
光学機能構造体２１は、複数の領域（例えば２領域×２領域＝４領域）からなる単位領域群が周期的に形成された構造を有する。図１に示す信号処理部５０が１つの単位領域群からの電気信号を１つの単位信号として処理することで、撮像装置１００はリアルタイムに偏光情報を取得できる。
なお、撮像素子パッケージ１０では、光学機能構造体２１を撮像素子１１よりも光の入射側に配置しているので、光学機能構造体２１の各領域２１０が有する光学機能に応じて、フォトダイオード１１ｂ毎に所定の光学成分を受光することができる。また、撮像素子パッケージ１０を搭載した撮像装置１００は、光学機能構造体２１の各領域が透過させる光学成分の種類に応じて、入射光の輝度情報、偏光情報、分光情報、位相情報等、様々な情報を取得可能である。

＜フィルタ用マイクロレンズ＞
フィルタ用マイクロレンズについて図３（ｂ）に基づいて説明する。図３（ｂ）は、フィルタ用マイクロレンズアレイの模式的平面図である。
図２に示したように、光学素子基板２３は、光学機能構造体２１よりも光の入射側に、光学機能構造体２１の各領域２１０に光を集光させるフィルタ用マイクロレンズ２２ａを備えている。フィルタ用マイクロレンズ２２ａは、２次元的にアレイ配置されてマイクロレンズアレイ２２を構成している。
各フィルタ用マイクロレンズ２２ａの各領域の大きさは、光学機能構造体２１の各領域の大きさと略同じ一辺が６μｍであり、１個のフォトダイオード１１ｂ（一画素）の大きさと略一致する。即ち、各フィルタ用マイクロレンズ２２ａは光学機能構造体２１の各領域２１０に１対１で対応し、光学機能構造体２１の各領域２１０は撮像素子１１の各フォトダイオード１１ｂに１対１で対応している。

図４（ａ）、（ｂ）は、撮像素子パッケージの断面構造を説明するための拡大断面図である。レンズ基板２６は、光の入射側から順に第一の屈折率を有する第一屈折材料層２４と、第一屈折材料層２４に隣接してフィルタ用マイクロレンズ２２ａが形成されたマイクロレンズ層２５とを有する。第一屈折材料層２４とマイクロレンズ層２５は、使用帯域の光に対して透明な材料から形成されている。
図４（ａ）に示すマイクロレンズ層２５には、光の入射側に向かって凸状の曲面形状を有する複数のフィルタ用マイクロレンズ２２ａからなるマイクロレンズアレイ２２が形成されている。第一屈折材料層２４は、フィルタ用マイクロレンズ２２ａよりも屈折率が低い低屈折率材料から作製されている。
図４（ｂ）に示すマイクロレンズ層２５には、光の入射側に向かって凹状の曲面形状を有する複数のフィルタ用マイクロレンズ２２ａからなるマイクロレンズアレイ２２が形成されている。第一屈折材料層２４は、フィルタ用マイクロレンズ２２ａよりも屈折率が高い高屈折率材料から作製されている。
図４（ａ）、（ｂ）に示す何れのフィルタ用マイクロレンズ２２ａも、レンズ表面における屈折を利用するレンズである。なお、フィルタ用マイクロレンズ２２ａは、球面レンズであっても非球面レンズであってもよい。

第一屈折材料層２４及びマイクロレンズ層２５には、樹脂（例えば可視光領域の屈折率がほぼ１．５８となるアクリル樹脂）やＳｉＯ_２（二酸化ケイ素）を主成分とするガラス（可視光領域の屈折率は約１．４８）を用いることができる。例えば、図４（ａ）、（ｂ）に示す各フィルタ用マイクロレンズ２２ａがＳｉＯ_２を主成分とするガラスである場合、第一屈折材料層２４を構成する材料の媒質として、フィルタ用マイクロレンズ２２ａの形状（入射側に凸形状か凹形状か）に応じて、フィルタ用マイクロレンズ２２ａに比して低屈折率、又は高屈折率の樹脂を選択することができる。

＜寸法の決定方法＞
フィルタ用マイクロレンズの寸法の決定方法について説明する。図５は、図４（ａ）に示す構造をさらに拡大して示した模式的断面図である。

マイクロレンズ２２ａのサグ量をＺ、マイクロレンズ２２ａの媒質の屈折率をＮ１、第一屈折材料層２４の媒質の屈折率をＮ２とする。マイクロレンズの曲率半径をＲ、焦点距離をｆとする。１画素の大きさ（フォトダイオード１０１１ｂの大きさ）をＸ１とし、光学機能構造体２１の各領域２１０を透過した光が撮像素子１１の受光面に形成するスポット径をＸ２とする。光学機能構造体２１が形成された光学素子基板２３から撮像素子の表面までのギャップをｇとする。
これらのパラメーターには式（１）〜（３）の関係が成り立つ。

・・・式（１）

・・・式（２）

・・・式（３）

従って、式（１）〜（３）に基づいて各パラメーターを決定することができる。
ここで、屈折率Ｎ１は、マイクロレンズに用いる材料に応じて決まる値である。また屈折率Ｎ２は、マイクロレンズ上に配置する材料に応じて決まる値である。画素エリアの幅Ｘ１は、撮像素子のサイズと画素数により決まる値である。
例えば、屈折率Ｎ１を１．４５、Ｎ２を１．０、Ｘ１を３μｍ、Ｒを１０μｍとした場合、ｆは３２．２μｍ、Ｚは０．１１μｍとなる。また、ｇを１０μｍとすれば、Ｘ２は０．９３μｍとなる。
凹状マイクロレンズを用いた構造においても式（１）〜（３）は成り立つ。したがって、凸状マイクロレンズの場合と同様に、式（１）〜（３）に基づいて各パラメーターを決定することができる。
例えば、屈折率Ｎ１を１．４５、Ｎ２を１．６２、Ｘ１を３μｍ、Ｒを１０μｍとした場合、ｆは８５．２μｍ、Ｚは０．１１μｍとなる。
また、屈折率Ｎ１、Ｎ２、Ｘ１を上記と同様の値とし、Ｒを６μｍとすれば、ｆは５１．２μｍ、Ｚは０．１９μｍとなる。
屈折率Ｎ１、Ｎ２、Ｘ１を上記と同様の値とし、Ｒを１０μｍ、ｇを２８μｍとした場合、Ｘ２は０．９８μｍとなる。Ｒを１０μｍ、ｇを１７μｍとした場合、Ｘ２は０．９８μｍとなる。

＜レンズ基板の作製＞
レンズ基板は、例えば以下のようにして作製することができる。
まず、フィルタ用マイクロレンズをフォトリソグラフィにより作製する。即ち、マイクロレンズ層２５となるガラス基板上にフォトレジストを塗布する。フォトレジストの厚さはレンズの高さ（サグ量）、レンズ基板材料のエッチング速度と感光性材料とのエッチング速度の比（選択比）に応じて設定する。フォトマスクを介して光を照射することにより、フォトレジストをマイクロレンズ形状となるようにパターニングする。その後、ガラス基板に対して垂直な方向にエッチングすることにより、マイクロレンズアレイ２２を得る。
更に、マイクロレンズ層２５のマイクロレンズアレイ２２の形成された面に、第一屈折材料層２４となる材料を塗布することにより、レンズ基板２６を得る。第一屈折材料層２４となる材料は、フィルタ用マイクロレンズ２２ａの屈折率と曲率半径に応じて、所望の焦点距離ｆ（図５参照）を実現できるように屈折率を設定される。
なお、平坦な第一屈折材料層２４の表面に接着剤層を形成し、この接着剤層に透明基板２０を接着すれば光学素子基板２３となる。

＜本実施形態による効果、及び従来例との比較＞
本発明に係る撮像素子パッケージの効果について従来例との比較により説明する。図６（ａ）は従来の撮像素子パッケージの模式的断面図であり、（ｂ）は本発明に係る撮像素子パッケージの模式的断面図である。本発明に係る撮像素子パッケージは、入射した光を、レンズにより光学機能構造体の各領域に集光させる点に特徴がある。
図６（ａ）に示す従来の撮像素子パッケージ１０１０は、図９においても説明したように、入射側から順に、入射した光を透過させるガラス等からなる透明基板１０２０と、透明基板１０２０を透過した光のうちの所定の光学成分を透過させる領域分割素子としての光学機能構造体１０２１と、光学機能構造体１０２１を透過した光を受光するフォトダイオード１０１１ｂを有する撮像素子１０１１とを備えている。光学機能構造体１０２１の各領域１０２１ａは１対１で各フォトダイオード１０１１ｂ（１画素）に対応している。

仮に光学機能構造体１０２１が一体化された透明基板１０２０と撮像素子基板１０１３との間に水平方向（撮像素子基板面に沿った方向）における位置ずれが生じた場合、その位置ずれはそのまま入射光のずれとなる。その結果、光学機能構造体１０２１の領域１０２１ａを透過した入射光の一部はフォトダイオード１０１１ｂに入射しないこととなり、光学機能構造体１０２１の光学性能が十分に発揮されないこととなる。
特に近年では、撮像素子の高画素化に伴って画素ピッチが数μｍレベルの撮像素子も実現されている。マイクロサイズの撮像素子を用いた場合、わずかな位置ずれが大きな光学性能の低下をもたらす可能性がある。

図６（ｂ）に示すように、本発明の一実施形態に係る撮像素子パッケージ１０は、光学機能構造体２１よりも入射側に、入射光を光学機能構造体２１の各領域２１０の中心部に集光させるフィルタ用マイクロレンズ２２ａを備えている。そのため、光学機能構造体２１に入射する光の強度、及びフォトダイオード１１ｂが受光する光の強度が強くなり、撮像素子１１によって撮像される画像のコントラストが向上する。

また、仮に光学素子基板２３と撮像素子基板１３との間に水平方向（撮像素子基板面に沿った方向）における位置ずれが生じたとしても、フィルタ用マイクロレンズ２２ａによって光学機能構造体２１の各領域２１０の中心部に集光された高強度の光がフォトダイオード１１ｂに入射する。その結果、光学機能構造体２１の光学性能を十分に発揮させることができる。
また、光学機能構造体２１が、例えば図３（ａ）に示すワイヤグリッド偏光子である場合、各領域２１０の中央部ではＴＭ偏光とＴＥ偏光の強度比である消光比が十分高いが、端部では中央部に比べて消光比が低下し、偏光分離性能が低下するという性質がある。フィルタ用マイクロレンズ２２ａにより光学機能構造体２１の各領域２１０の中心部に集光することにより、消光比が高い光を効率的に撮像素子１１に入射させることができ、その光学性能を十分に発揮させることができる。
なお、本実施形態のように撮像素子パッケージとしてＰＷＢ基板を用いた樹脂パッケージを採用することにより、撮像素子パッケージを廉価に作製可能である。撮像素子パッケージとしてセラミックパッケージを採用してもよく、この場合は信頼性が高い撮像素子パッケージを得ることができる。

〔第二の実施形態〕
フィルタ用マイクロレンズには、屈折率分布レンズ（フレネルレンズ）を用いることができる。図７は、第二の実施形態を示す光学素子基板の部分拡大断面図である。
本実施形態に係る撮像素子パッケージは、フレネルレンズからなるフィルタ用マイクロレンズ２２ａを有する。第一の実施形態と同様に、１のフィルタ用マイクロレンズ２２ａが、光学機能構造体２１の各領域２１０及び１のフォトダイオード１１ｂ（１画素）に対応する（図３、図５参照）。

フィルタ用マイクロレンズ２２ａは、所定のレンズパターン２７の周囲にＳＯＧ（Spin On Glass）２８を充填した構成を有する。レンズパターン２７は、透明基板２０（ガラス基板）上に形成されており、ガラス材料（ほぼＳｉＯ_２）からなる。可視光領域におけるＳｉＯ_２の屈折率は約１．４８であり、ＳＯＧの屈折率は約１．４１であるため、レンズパターン２７とその周囲の媒質（ＳＯＧ２８）との屈折率差を大きくすることができ、効率的に集光できる。
なお、レンズパターン２７を形成する媒質として光硬化型のアクリル樹脂を用いてもよい。アクリル樹脂の可視光領域における屈折率は約１．５８であり、ＳｉＯ_２を用いる場合と同様に、レンズパターン２７とその周囲の媒質（ＳＯＧ２８）との屈折率差を大きくすることができるので、フレネルレンズとしての集光効果を高めることができる。

フレネルレンズは、球面レンズや非球面レンズとは異なる構造であり、光軸から周辺に向かって屈折率が除々に低くなるように半径方向に屈折率分布を形成することによって、所望の集光効果を得るものである。そのため、フレネルレンズでは光軸から放射状に半径方向に外側に進むにつれてレンズパターン２７の周期は小さくなる。レンズパターン２７の高さ（溝の深さ）を径方向外径側ほど減少させた構造の方が、集光効果を高めることができる。
なお、フレネルレンズは、第一の実施形態と同様にフォトリソグラフィにより作製することが可能である。フレネルレンズを用いることで集光効果を増大し、且つ作製を簡易にすることができる。

〔第三の実施形態〕
上述した光学機能構造体２１の各領域２１０は、オートクローニング法により形成された一次元フォトニック結晶としての多層膜とすることができる。一次元フォトニック結晶を用いることにより高コントラスト、且つ高透過率の画像を取得することが可能である。

〔第四の実施形態〕
図８は、第四の実施形態に係る撮像素子パッケージの一例を示す要部の概略断面図である。第一の実施形態と同一の機能を有する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
本実施形態に係る撮像素子パッケージ１０の光学素子基板２３は、光の入射面、言い換えれば、撮像素子基板１３との非対向面である透明基板２０の表面に、反射防止膜２９を備えている。撮像素子基板１３の光の入射面に反射防止膜２９を設けて無反射構造とすることにより、撮像素子基板１３、特に光学機能構造体２１の光の透過率特性を向上させることができる。
本発明の撮像素子パッケージは、上述の実施形態に限定されず、ＣＭＯＳ型イメージセンサ、ＣＣＤ型イメージセンサ等の撮像素子のパッケージ構造に適用することができる。
なお、光学機能構造体２１には、入射光をそのまま透過させる領域が存在していても構わない。この領域に対応するフォトダイオードからは、入射した光の輝度情報を得ることができる。

〔本発明の実施態様例と効果〕
＜第一の態様＞
本態様の撮像素子パッケージ１０は、入射した光を集光する複数のフィルタ用マイクロレンズ２２ａ、及び、各レンズにより集光された光を夫々透過させると共に所定の光学機能を備えた領域２１０を複数有する光学機能構造体２１を備えた光学素子基板２３と、光学機能構造体の各領域を透過した光を夫々受光する複数の受光素子（フォトダイオード１１ｂ）を含む撮像素子１１が形成された撮像素子基板１３と、を備えたことを特徴とする。
本態様によれば、レンズにより光学機能構造体の各領域に集光された光を受光素子に受光させるので、微細化の進んだ撮像素子及び光学機能構造体を用いた場合であっても、その光学性能を十分に発揮させることができる。

＜第二の態様＞
本態様の撮像素子パッケージにおいてレンズは、フレネルレンズであることを特徴とする。
本態様によれば、レンズによる集光効果を増大し、簡易に作製することができる。

＜第三の態様＞
本態様の撮像素子パッケージにおいて領域２１０は、入射した光の第一の偏光成分を透過させる第一偏光領域（例：横方向ワイヤグリッド２１０ａ）と、第一の偏光成分に直交する第二の偏光成分を透過させる第二偏光領域（例：縦方向ワイヤグリッド２１０ｂ）とを含み、第一偏光領域と第二偏光領域は所定の配置にて２次元に配列されていることを特徴とする。
本態様によれば、リアルタイムに偏光情報を取得できる。

＜第四の態様＞
本態様の撮像素子パッケージにおいて第一偏光領域と第二偏光領域は、夫々金属細線が周期的に配列されたワイヤグリッド偏光子であることを特徴とする。
ワイヤグリッド素子を用いることにより、高コントラスト、且つ高透過率の画像を取得することが可能となる。

＜第五の態様＞
本態様の撮像素子パッケージにおいて第一偏光領域と第二偏光領域は、夫々一次元フォトニック結晶としての多層膜であることを特徴とする。
一次元フォトニック結晶を用いることにより、高コントラスト、且つ高透過率の画像を取得することが可能である。

＜第六の態様＞
本態様の撮像素子パッケージにおいて光学素子基板２３は、光の入射面に反射防止膜２９を備えていることを特徴とする。
本態様によれば、光の透過率特性を向上させることができる。

＜第七の態様＞
本発明は撮像装置１００として実施することができ、撮像装置１００は、入射した光を収束させる撮像レンズ４０と、撮像レンズを透過した光が入射する撮像素子パッケージ１０と、撮像素子パッケージの撮像素子１１が出力する電気信号を処理する信号処理部５０と、を備えたことを特徴とする。
本態様の撮像装置は、第一乃至第六の態様に係る撮像素子パッケージの有する各効果を享受することができる。

１００…撮像装置、１０…撮像素子パッケージ、１１…撮像素子、１１ａ…フォトダイオード用マイクロレンズ、１１ｂ…フォトダイオード、１２…基板、１３…撮像素子基板、１４…支持部材、１５…受光面、２０…透明基板、２１…光学機能構造体、２１０…領域、２１０ａ…横方向ワイヤグリッド、２１０ｂ…縦方向ワイヤグリッド、２２…マイクロレンズアレイ、２２ａ…フィルタ用マイクロレンズ、２３…光学素子基板、２４…第一屈折材料層、２５…マイクロレンズ層、２６…レンズ基板、２７…レンズパターン、２８…ＳＯＧ２９…反射防止膜、３０…接着剤層、４０…撮像レンズ、５０…信号処理部

特許第４５０１１３０号公報 特許第４７９３６１８号公報

Claims (7)

1. 入射した光を集光する複数のレンズ、及び、前記各レンズにより集光された光を夫々透過させると共に所定の光学機能を備えた領域を複数有する光学機能構造体を備えた光学素子基板と、
   前記光学機能構造体の前記各領域を透過した光を夫々受光する複数の受光素子を含む撮像素子が形成された撮像素子基板と、を備えたことを特徴とする撮像素子パッケージ。
2. 前記レンズは、フレネルレンズであることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子パッケージ。
3. 前記領域は、入射した光の第一の偏光成分を透過させる第一偏光領域と、前記第一の偏光成分に直交する第二の偏光成分を透過させる第二偏光領域とを含み、前記第一偏光領域と前記第二偏光領域は所定の配置にて２次元に配列されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像素子パッケージ。
4. 前記第一偏光領域と前記第二偏光領域は、夫々金属細線が周期的に配列されたワイヤグリッド偏光子であることを特徴とする請求項３に記載の撮像素子パッケージ。
5. 前記第一偏光領域と前記第二偏光領域は、夫々一次元フォトニック結晶としての多層膜であることを特徴とする請求項３に記載の撮像素子パッケージ。
6. 前記光学素子基板は、光の入射面に反射防止膜を備えていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の撮像素子パッケージ。
7. 入射した光を収束させる撮像レンズと、該撮像レンズを透過した光が入射する請求項１乃至６の何れか一項に記載の撮像素子パッケージと、該撮像素子パッケージの撮像素子が出力する電気信号を処理する信号処理手段と、を備えたことを特徴とする撮像装置。

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