JP3259433B2 - 固体撮像素子の光学的特性測定・検査装置とそれを用いた測定・検査方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体撮像素子の光学的
特性の測定・検査装置に関し、さらに詳述すると、固体
撮像素子のシェーディング特性の測定・検査に好適に使
用することができる測定・検査装置とそれを用いた測定
・検出方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、固体撮像素子の各光電変換領域
（センサー）上にマイクロレンズを配置し、等価的な開
口率を上げることによる集光効果を利用した固体撮像素
子の感度向上技術が一般的に用いられている。しかし、
上記感度向上技術では、マイクロレンズを通って光電変
換領域に入る光の入射角が光軸から離れるほど垂直から
ずれ、光の入射角が大きい固体撮像素子の周辺部では入
射角の大きさによっては光の一部が光電変換領域に入射
しなくなる現象（光の部分的なけられ）が起こる。その
結果、固体撮像素子の光軸中心部と周辺部とでは光に対
する出力信号レベルに差が生じ、いわゆるシェーディン
グ現象が発生する。

【０００３】ここで、シェーディング現象を図４により
説明する。図４において１０は射出瞳、１２は光軸、１
４はマイクロレンズ、１６は固体撮像素子の撮像面、１
８は固体撮像素子の各光電変換領域を示す。図４（Ａ）
のように射出瞳距離（Ｌ₁）が長い場合、射出瞳１０か
ら射出された光は固体撮像素子の周辺部でもその全部
（斜線部）が光電変換領域１８に入り、全光線に対応す
る信号が出力される。しかし、図４（Ｂ）のように射出
瞳距離（Ｌ₂）が短い場合には、固体撮像素子の周辺部
では光の入射角が大きくなるため、射出瞳１０から射出
された光の一部（斜線部）のみが光電変換領域１８に入
り、残りの部分（白抜き部）はけられとなるため、光の
一部に対応する信号しか出力されない。したがって、図
５に示すように固体撮像素子の周辺部に行くにしたがい
固体撮像素子の出力が低下し、シェーディング現象が起
こる。このような現象は、射出瞳距離が短くなればなる
ほど顕著になる。図６は、射出瞳距離が短くなるにした
がい周辺出力／中心出力の比が小さくなり、シェーディ
ング特性が変化する原理的な固体撮像素子の特性を示し
ている。

【０００４】また、マイクロレンズを用いない場合で
も、固体撮像素子の光電変換領域は構造的に谷間のよう
な深い部分に位置しているため、光の入射角の大きさに
よっては光電変換領域に入る光が部分的にけられ、同様
の問題が生じる。したがって、シェーディング特性等の
固体撮像素子の光学的特性を測定・検査することは、固
体撮像素子の品質管理等のために重要である。

【０００５】従来、均一光を与える面光源を有する固体
撮像素子の光学的特性測定・検査装置として、図７に示
した構成のものが知られている。図７において、３０は
光源、３２は拡散部材、３４は平行光化部材、３６はミ
ラー、３８は固体撮像素子、４０は固体撮像素子に接続
されたＣＤＳ（相関二重サンプリング回路）、４２はア
ンプ、４４は信号処理部である。ここで、測定・検査の
対象である固体撮像素子２８としては、ＣＣＤチップや
ＣＣＤウェハーの固体撮像素子が挙げられる。この固体
撮像素子の光学的特性測定・検査装置においては、光源
３０から出た光を拡散部材３２で均一化し、平行光化部
材３４で平行光化した後、この平行光化された均一光を
ミラー３６で反射させて固体撮像素子３８の撮像面４６
に照射し、固体撮像素子３８の出力を信号処理部４４で
処理することにより、固体撮像素子３８の光学的特性を
測定・検査するものである。

【発明が解決しようとする課題】

【０００６】図７の測定・検査装置を用いて固体撮像素
子のシェーディング特性を適正に測定するためには、固
体撮像素子周辺部の光電変換領域への光の入射角を大き
くする必要がある。一方、固体撮像素子周辺部の光電変
換領域への光の入射角が大きくなる原因としては、対物
レンズの絞りを開放した場合と、射出瞳距離を短くした
場合とがある。したがって、図７に示した従来の測定・
検査装置で固体撮像素子のシェーディング特性を測定す
るためには、固体撮像素子への入射光学系としてＦナン
バーを小さくできる対物レンズを用いたり、射出距離の
非常に短い対物レンズを用いたりすることが必要となる
が、このような入射光学系を従来の測定・検査装置に組
み込み、通常の光学系と切り換えてシェーディング特性
の測定に使用することは非常に困難であった。

【０００７】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、固体撮像素子のシェーディング特性を簡便に測定・
検査することが可能な固体撮像素子の光学的特性測定・
検査装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【０００８】本発明は、上記目的を達成するため、光学
系からの均一光を固体撮像素子に照射して、該固体撮像
素子からの出力信号を信号処理部にて処理することで固
体撮像素子の光学的特性を測定・検査する方法におい
て、光学系と固体撮像素子との間に配置されたピンホー
ル機構にて固体撮像素子からの射出瞳距離を任意に設定
し、該ピンホール機構を介して光学系から均一光を固体
撮像素子の撮像面に照射することととした。また、この
本発明に係る測定・検査方法に好適な装置は、固体撮像
素子に向けて均一光を照射する光学系と、一端開口部が
前記光学系を向き、他端開口部が固体撮像素子の撮像面
を向くピンホールを有し、ピンホールの径（ピンホール
径）およびピンホールと固体撮像素子の撮像面との間の
距離（撮像面間距離）の調節が可能でかつ光学系と固体
撮像素子との間に駆動可能なピンホール機構と、光学系
から照射されピンホールを通過した均一光を撮像面にて
受光することで固体撮像素子から出力される出力信号を
処理する信号処理部とを備えた。

【０００９】本発明に係る固体撮像素子の光学的特性測
定・検査装置において、前記光学系の構成に特に限定は
なく、固体撮像素子に向けて均一光を照射できるもので
あればどのような構成のものでも使用することができ
る。このような光学系として、具体的には、光源と、光
源から照射された光を拡散して均一化する光拡散部材
（例えばすりガラス、乳白板等）と、光拡散部材を通過
した光を平行光化する平行光化部材（例えばレンズ、フ
ァイバーアレイ等）と、平行光化部材を通過した光を反
射して固体撮像素子に向けて照射するミラーとからなる
ものなどを好適に使用できる。光学系として平行光を固
体撮像素子に向けて照射するものを用いた場合には、ピ
ンホール機構を駆動して光学系と固体撮像素子との間か
ら外すことにより、平行光を用いた通常の光学的特性の
測定・検査を容易に行うことができる。

【００１０】本発明に係る固体撮像素子の光学的特性測
定・検査装置においては、前記光学系と固体撮像素子と
の間にピンホール機構を配置してある。このピンホール
機構は、一端開口部が光学系を向き、他端開口部が固体
撮像素子の撮像面を向いたピンホールを有し、光学系か
ら照射された均一光をピンホールに通して固体撮像素子
の撮像面に入射させるもので、これにより固体撮像素子
の撮像面への光の入射角を大きくするものである。本発
明においては、ピンホール機構を駆動可能とし、これに
より光学系と固体撮像素子との間にピンホール機構を配
置して固体撮像素子のシェーディング特性を測定・検査
したり、ピンホール機構を光学系と固体撮像素子との間
から外して固体撮像素子の通常の光学的特性を測定・検
査したりすることができるようになっている。

【００１１】ピンホール径および撮像面間距離を調節可
能なピンホール機構としたので、ピンホールの径や固体
撮像素子とピンホールとの距離は、測定・検査の目的等
に応じて適宜選択することができる。この場合たとえ
ば、ピンホール機構に異なる径のピンホールを有する複
数のピンホール板を設けてこれらを切り替えて使用でき
るようにしたり、固体撮像素子とピンホールとの距離が
異なる複数のピンホール板を設けてこれらを切り替えて
使用できるようにしたり、ピンホールの径や固体撮像素
子とピンホールとの距離を調節可能なピンホール板を使
用したりすることで、ピンホール径および撮像面間距離
を調節可能にする構成を実現できる。

【００１２】本発明の測定・検査装置により固体撮像素
子の光学的特性を測定・検査する場合、ＣＣＤチップの
固体撮像素子及びＣＣＤウェハーの固体撮像素子のいず
れでも測定・検査を行うことができる。いずれの場合
も、１つの固体撮像素子に対する入射光学系を設定すれ
ばよい。

【００１３】

【作用】本発明に係る固体撮像素子の光学的特性測定・
検査装置においては、固体撮像素子に向けて均一光を照
射する光学系があり、この光学系と固体撮像素子との間
に、任意の径のピンホールを有するなどピンホール径お
よび撮像面間距離を調整可能でかつ駆動可能なピンホー
ル機構がある。そして、一端開口部を上記光学系、他端
開口部を固体撮像素子の撮像面に向けた状態で上記ピン
ホールを固体撮像素子から任意の距離の位置に配置し、
ピンホールを原理的な射出瞳とすることで、ピンホール
を通って入射する光に対する固体撮像素子の出力特性を
測定し、固体撮像素子の持つ斜め入射光に対する出力特
性を調べることにより、シェーディング特性の測定・検
査を行う。また、ピンホール機構を駆動して光学系と固
体撮像素子との間から外すことにより、通常の光学的特
性の測定・検査を行う。

【００１４】

【実施例】次に、実施例により本発明を具体的に示す
が、本発明は下記実施例に限定されるものではない。実施例 図１に本発明の一実施例に係る固体撮像素子の光学的特
性測定・検査装置を示す。なお、図１において、図７の
装置と同一構成の部分には同一参照符号を付してその説
明を簡略化する。本装置においては、光源３０、拡散部
材３２、平行光化部材３４及びミラー３６によって固体
撮像素子３８に向けて均一光を照射する光学系が構成さ
れている。また、ミラー３６と固体撮像素子３８との間
に駆動可能なピンホール機構５０が設置されている。上
記ピンホール機構５０は、一端開口部がミラー３６を向
き、他端開口部が固体撮像素子３８の撮像面４６を向い
たピンホール５２を有し、上記光学系から照射された均
一光をピンホール５２に通して固体撮像素子３８の撮像
面４６に入射させるもので、これにより撮像面４６への
光の入射角を大きくするものである。

【００１５】ピンホール機構５０として、具体的には、
図２及び図３に示すものが挙げられる。図２に示すピン
ホール機構５０は、ピンホール５２を形成した羽根板状
の複数のピンホール板５４を高さを違えて階段状に連結
することにより連結体５６を形成するとともに、この連
結体５６をギヤ変換又はベルトドライブにより回転する
モータ又はステッピングモータ５８の回転軸６０に固定
したものである。各ピンホール板５４のピンホール５２
は互いに異なる径に形成してあり、モータ又はステッピ
ングモータ５８を回転させて光軸６２上のピンホール板
５４を切り替えることにより、測定・検査に用いるピン
ホール５２の径及びピンホール５２と撮像面４６との距
離を変えられるようになっている。

【００１６】図３に示すピンホール機構５０は、ピンホ
ール５２を形成した四角板状の複数のピンホール板６４
を高さを違えて階段状に連結することにより連結体６６
を形成するとともに、この連結体６６をレール６８上に
スライド可能に設置し、連結体６６をリニアモータ（図
示せず）でスライドさせるようにしたものである。各ピ
ンホール板６４のピンホール５２は互いに異なる径に形
成してあり、リニアモータを作動して光軸６２上のピン
ホール板６４を切り替えることにより、測定・検査に用
いるピンホール５２の径及びピンホール５２と撮像面４
６との距離を変えられるようになっている。

【００１７】図１の装置を用いて固体撮像素子のシェー
ディング特性の測定・検査を行う方法としては、光源３
０から出た光を拡散部材３２及び平行光化部材３４に順
次通し、ミラー３６で反射させ、平行光化された均一光
をピンホール機構５０のピンホール５２に通した後、固
体撮像素子３８の撮像面４６に照射し、固体撮像素子３
８の出力を信号処理部４４で処理することにより、固体
撮像素子３８のシェーディング特性が測定・検査され
る。また、平行光を用いた固体撮像素子の通常の光学的
特性の測定・検査を行う場合には、ピンホール機構５０
を駆動してミラー３６と固体撮像素子３８との間から外
して平行光がミラー３６から直接固体撮像素子３８の撮
像面４６に照射されるようにし、図７の装置と同様に測
定を行う。

【００１８】ピンホールレンズでは、原理的にピンホー
ルそのものが絞り及び射出瞳と等しくなるため、ピンホ
ールの径及びピンホールと撮像面との間の距離を調節す
ることによって、射出瞳距離を任意に設定することがで
きる。ピンホールの径をｄ、射出瞳距離をｌとすると、
Ｆナンバーとの関係は下記式のようになる。 Ｆ＝ｌ／ｄ 原理的に、射出瞳距離に依存する固体撮像素子のシェー
ディング特性の変化はＦナンバーが大きいほど現れやす
い。Ｆナンバーが小さい場合には、対物レンズそのもの
の周辺減光が支配的となるため、マイクロレンズに起因
するシェーディングは見えにくくなる。

【００１９】この結果より、例えばＦナンバーを１６に
設定したとき、ピンホールの径と撮像面からの距離との
関係は表１のようになる。

【００２０】

【表１】

【００２１】したがって、例えば固体撮像素子から光軸
に沿って３２．０ｍｍ離れた位置に径が２．０ｍｍのピ
ンホールを配置することで、Ｆナンバー１６、射出瞳距
離３２．０ｍｍの面光源となる。このときに固体撮像素
子出力のシェーディング測定をすることで、シェーディ
ング特性の変化を検査することができる。また、本実施
例のピンホール機構は非常に簡単な構造であるため、通
常の平行光光源との切り替えも容易に行うことができ
る。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る固体
撮像素子の光学的特性測定・検査装置並びに方法によれ
ば、ピンホールの径及びピンホールと固体撮像素子との
距離を任意に設定することにより、固体撮像素子からの
射出瞳距離を自在に設定することができ、光電変換領域
への光入射角が大きいときの固体撮像素子の特性変化を
捉えてシェーディング特性の測定・検査を適正に行うこ
とができる。したがって、本発明装置によれば、固体撮
像素子の光電変換領域上に形成された集光光学系、例え
ばマイクロレンズに係わる撮像特性の変化を測定するこ
とができる。また、本発明装置は、ピンホール機構を駆
動して光学系と固体撮像素子との間から外すことにより
通常の光学系との切り替えを簡単に実現できるため、例
えば平行光を用いた通常の光学的特性の測定・検査を容
易に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る固体撮像素子の光学的
特性測定・検査装置を示す概略構成図である。

【図２】ピンホール機構の一例を示す概略構成図であ
る。

【図３】ピンホール機構の他の例を示す概略構成図であ
る。

【図４】シェーディング現象と射出瞳距離との関係を示
す説明図である。

【図５】固体撮像素子の光入射位置と出力との関係を示
す説明図である。

【図６】固体撮像素子の周辺出力／中心出力比の射出瞳
距離依存性を示すグラフである。

【図７】従来の固体撮像素子の光学的特性測定・検査装
置を示す概略構成図である。

【符号の説明】

３０ 光源 ３２ 拡散部材 ３４ 平行光化部材 ３６ ミラー ３８ 固体撮像素子 ４６ 撮像面 ５０ ピンホール機構 ５２ ピンホール

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 27/14 G01R 31/26

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体撮像素子に向けて均一光を照射する
   光学系と、 一端開口部が前記光学系を向き、他端開口部が前記固体
   撮像素子の撮像面を向くピンホールを有し、前記ピンホ
   ールの径および当該ピンホールと前記固体撮像素子の撮
   像面との間の距離の調節が可能でかつ前記光学系と前記
   固体撮像素子との間に駆動可能なピンホール機構と、前記光学系から照射され前記ピンホールを通過した均一
   光を前記撮像面にて受光することで 前記固体撮像素子か
   ら出力される出力信号を処理する信号処理部とを備えた
   ことを特徴とする固体撮像素子の光学的特性測定・検査
   装置。
2. 【請求項２】 光学系からの均一光を固体撮像素子に照
   射して、該固体撮像素子からの出力信号を信号処理部に
   て処理することで前記固体撮像素子の光学的特性を測定
   ・検査する方法において、 前記光学系と前記固体撮像素子との間に配置されたピン
   ホール機構にて前記固体撮像素子からの射出瞳距離を任
   意に設定し、該ピンホール機構を介して前記光学系から
   均一光を前記固体撮像素子の撮像面に照射することを特
   徴とする固体撮像素子の光学的特性測定・検査方法。