JP3170847B2 - 固体撮像素子及びそれを用いた光学機器 - Google Patents

固体撮像素子及びそれを用いた光学機器

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は固体撮像素子（以下固体
撮像装置ともいう。）及びそれを用いた光学機器に関
し、特に所定の周期で配列した複数の受光素子（受光
部）の光入射側に各々の受光素子に対応させて集光性の
複数のマイクロレンズを所定の周期で設けたエリアセン
サやラインセンサ等の固体撮像素子を用いた固体撮像装
置及びそれを用いた光学機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来よりエリアセンサやラインセンサ等
の固体撮像素子を用いた固体撮像装置は光検出効率を高
める為に所定の周期で配列した複数の受光素子（受光
部）の光入射面側に各受光素子に対応させて集光性の複
数のマイクロレンズを所定の周期で配列している。
【０００３】これによりチップサイズの小型化及び多画
素化に伴い、これに形成される画素としての受光素子の
面積が縮小し、各受光素子での受光量が減少したときの
検出感度の低下を防止している。
【０００４】図３は従来のこの種のカラー固体撮像装置
の要部断面図である。
【０００５】同図においては半導体基板２１面上にフォ
トダイオードより成る複数の受光素子（受光部）２２
（２２ａ，２２ｂ〜）と各受光素子に発生蓄積した電荷
を転送する為の複数の転送部２３（２３ａ，２３ｂ〜）
を設けている。そして各受光素子２２の光入射側にゼラ
チン又はカゼイン等の赤色Ｒ、緑色Ｇ、青色Ｂに染色し
たワンチップカラーフィルター２４Ｒ，２４Ｇ，２４Ｂ
・・・を形成した後、該各々のカラーフィルターの光入
射側に複数のマイクロレンズ２５（２５ａ，２５ｂ・・
・）を設けている。
【０００６】このような構成により受光素子で光検出す
る際の光検出効率を高めている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従来の固体撮像装置で
用いているマイクロレンズは無限遠からの光束を集光
し、受光素子に入射するように屈折力や形状等が最適化
されている。この為、このような固体撮像装置を光電変
換手段として像面に用いる撮影レンズ（対物レンズ）
は、その射出瞳位置が無限遠位置にある、所謂テレセン
トリック系であることが前提となっている。
【０００８】テレセントリック系では軸上及び軸外主光
線が撮像面の中心部及び周辺部におけるマイクロレンズ
に対して略垂直に入射する。この為画面全体にわたり均
一の光学的作用を受け、画面全体にわたり均一な画像が
得られる。
【０００９】しかしながら近年、固体撮像装置のチップ
サイズの小型化に伴って、撮影レンズの小型化が要望さ
れている。
【００１０】一般に撮影レンズの小型化を図ると、その
射出瞳が遠方より近方に変化してくる。この結果、図４
に示すように軸外主光線ＲＡは撮像面の周辺には光軸に
対して斜めに入射する。
【００１１】そうすると周期的に配列した受光素子（２
２ａ，２２ｂ・・・）に対応して設けたマイクロレンズ
（２５ａ，２５ｂ・・・）に対して、撮影レンズ３１か
らの周辺光束ＲＬが各々異った状態で入射する。即ち各
マイクロレンズ毎に集光状態が異ってきて、例えば周辺
部では光束の全てが受光素子に入射しなくなってくる場
合がある。
【００１２】この結果、画面の中心部の受光素子に対し
て周辺部の受光素子での受光光量が減少し、所謂輝度シ
ェーディングが発生するという問題点が生じてくる。
【００１３】本発明は複数の受光素子の配列周期とそれ
に対応した複数のマイクロレンズの配列周期とを適切に
設定することにより、撮影レンズのテレセントリック性
が多少崩れても画面全体にわたり均一な受光光量が得ら
れ、輝度シェーディングのない良好なる画像が得られる
固体撮像装置及びそれを用いた光学機器の提供を目的と
する。
【００１４】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明の固体撮
像素子は、基板面上に配列された複数の受光素子と、該
複数の受光素子の各々に対応した複数の集光性のマイク
ロレンズとを有した固体撮像素子において、該複数のマ
イクロレンズの屈折力が、前記基板面の中心部と周辺部
とで異なることを特徴としている。請求項２の発明は請
求項１の発明において、前記複数のマイクロレンズの屈
折力は、前記基板面の中心部に比べて周辺部で強い屈折
力を持つことを特徴としている。請求項３の発明は請求
項２の発明において、前記複数のマイクロレンズは凸レ
ンズであって、前記基板面の中心部から周辺部にいくに
従って曲率が強くなることを特徴としている。
【００１５】請求項４の発明の固体撮像素子は、基板面
上に配列された複数の受光素子と、該複数の受光素子の
各々に対応した複数の集光性のマイクロレンズとを有し
た固体撮像素子において、前記複数の受光素子の配列周
期が、前記基板面の中心部に比べて周辺部で長くなって
おり、かつ前記複数のマイクロレンズの配列周期が、前
記基板面全体で同一であることを特徴としている。請求
項５の発明の光学機器は撮影光学系と、請求項１乃至４
いずれか１項記載の固体撮像素子を有することを特徴と
している。
【００１６】
【実施例】図１は本発明の実施例１の要部概略図であ
る。同図は固体撮像装置を光入射側から見たときを示し
ている。
【００１７】同図において１は基板であり、長方形状を
している。１ａは基板１の中心部を示し、１ｂは周辺部
を示している。
【００１８】２（２ａ，２ｂ，２ｃ・・・）は受光素子
（受光部）であり、例えばＣＣＤやフォトダイオード等
から成っており、基板１面上の長手方向（水平方向）１
ｃに周期ＰＨで、又短手方向（垂直方向）１ｄに周期Ｐ
Ｖで配列している。同図では受光素子２の受光面は短手
方向１ｄに長い長方形状をしている。
【００１９】尚、図１では基板１面上に設けた受光素子
２のうち中心部１ａと一方の周辺部１ｂを含む一領域の
一部分のみを例として示している。
【００２０】３（３ａ，３ｂ，３ｃ・・・）はマイクロ
レンズであり、基板１面上の複数の受光素子２（２ａ，
２ｂ・・・）に各々対応して設けている。
【００２１】マイクロレンズ３も受光素子２と同様に基
板１面上に設けたマイクロレンズのうちの中心部と一方
の周辺部を含む一部分のみを例として示している。マイ
クロレンズ３は基板１面の中心部１ａと周辺部１ｂとで
配列周期が異っている。
【００２２】本実施例ではマイクロレンズ３は基板１面
の中心部１ａ近傍では長手方向１ｃと短手方向１ｄで共
に同一の周期ＭＣで配列している。周辺部１ｂでは長手
方向１ｃは周期ＭＨ、短手方向１ｄは周期ＭＶとなるよ
うに配列している。このときＭＣ≧ＭＶ，ＭＣ＞ＭＨと
している。
【００２３】又、長手方向１ｃの周期ＭＨは基板１の中
心部１ａから周辺部１ｂにかけて連続的に又は段階的に
変化するようにしている。そして受光素子２の配列周期
ＰＨ，ＰＶに対して ＭＨ＜ＰＨ ＭＶ≦ＰＶ となるようにしている。
【００２４】図２は本発明の固体撮像装置を撮影レンズ
の像面に設けた光学機器の光路を示す説明図である。同
図において４は撮影レンズ、５は撮影レンズ４の絞りで
ある。
【００２５】同図に示すようにマイクロレンズ３の配列
周期を画面中心に比べて画面周辺で短くして集光作用を
高めている。これにより画面中心（光軸近傍）の光束Ｒ
Ｐが受光素子（３ａ）に入射する際の光量と画面周辺部
に入射する光束ＲＬが受光素子（２ｎ）に入射する際の
光量とが略等しくなるようにしている。
【００２６】このように本発明では撮影レンズとして完
全なるテレセントリック系でないものを用いたときに画
面周辺部の受光素子に入射する光量が画面中心部の受光
素子に入射する光量と略等しくなるようにして画面全体
にわたり均一でしかも良好なる画像が得られるようにし
ている。
【００２７】尚、本発明においては受光素子２の受光面
が短手方向に長い長手形状をしているときは短手方向に
は輝度シェーディングの発生が少ないのでマイクロレン
ズ３の短手方向の周期ＭＶを受光素子２の配列周期ＰＶ
と同じとし、かつ画面全体にわたり同一にしても良い。
【００２８】又、マイクロレンズ２を画面周辺にいくに
つれて配列周期を変えると共に又は周期は同一として外
形状を変えて、例えば曲率が順次、又は段階的に強くな
るよううな形状として配列しても良い。
【００２９】この他、本発明ではマイクロレンズの配列
周期を基板面全体で同一とし、逆に受光素子の配列周期
が基板面の中心部に比べて周辺部で長くなるようにして
も前述と同様の効果を得ることができる。
【００３０】尚、本実施例においてマイクロレンズとし
て内部の屈折率が連続的に変化し、入射光束を集光させ
る収斂作用を有する微小な光学要素を複数個配列して構
成し、このとき各光学要素の配列周期を前述の如く設定
しても同様の効果を得ることができる。
【００３１】
【発明の効果】本発明によれば前述の如く複数の受光素
子の配列周期とそれに対応した複数のマイクロレンズの
配列周期とを適切に設定することにより、撮影レンズの
テレセントリック性が多少崩れても画面全体にわたり均
一な受光光量が得られ、輝度シェーディングのない良好
なる画像が得られる固体撮像装置及びそれを用いた光学
機器を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１の要部概略図
【図２】 本発明を撮影レンズの像面に配置したときの
光路の説明図
【図３】 従来の固体撮像装置の要部断面図
【図４】 従来の固体撮像装置を撮影レンズの像面に配
置したときの光路の説明図
【符号の説明】
１ 基板 ２ 受光素子 ３ マイクロレンズ ４ 撮影レンズ ５ 絞り
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H04N 5/235 G02B 27/00 H04N 5/335

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板面上に配列された複数の受光素子
    と、該複数の受光素子の各々に対応した複数の集光性の
    マイクロレンズとを有した固体撮像素子において、該複
    数のマイクロレンズの屈折力が、前記基板面の中心部と
    周辺部とで異なることを特徴とする固体撮像素子。
  2. 【請求項２】 前記複数のマイクロレンズの屈折力は、
    前記基板面の中心部に比べて周辺部で強い屈折力を持つ
    ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
  3. 【請求項３】 前記複数のマイクロレンズは凸レンズで
    あって、前記基板面の中心部から周辺部にいくに従って
    曲率が強くなることを特徴とする請求項２記載の固体撮
    像素子。
  4. 【請求項４】 基板面上に配列された複数の受光素子
    と、該複数の受光素子の各々に対応した複数の集光性の
    マイクロレンズとを有した固体撮像素子において、前記
    複数の受光素子の配列周期が、前記基板面の中心部に比
    べて周辺部で長くなっており、かつ前記複数のマイクロ
    レンズの配列周期が、前記基板面全体で同一であること
    を特徴とする固体撮像素子。
  5. 【請求項５】 撮影光学系と、請求項１乃至４いずれ
    か１項記載の固体撮像素子を有することを特徴とする光
    学機器。
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