JP3918320B2 - 固体撮像素子 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体撮像素子に係り、特にビデオカメラ、電子スチルカメラ等のカメラの小型化を図ることができる固体撮像素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に固体撮像素子では、入射光像は垂直方向と水平方向にそれぞれ一定の間隔で配列されたセンサによってサンプリングされるため、解像できる最高の空間周波数は、センサの配列で決まるサンプリングの空間周波数の２分の１、即ち、ナイキスト周波数となる。もし、入射光像にこのナイキスト周波数以上の空間周波数以上の空間周波数が含まれる場合には、通過帯域内で折り返されて偽信号あるいはモアレ効果が生じる。
【０００３】
従って、固体撮像素子では、サンプリングする前に、この高い周波数を光学ローパスフィルタで取り除くようにしている。
図１９乃至図２３は従来の水晶、方解石などの複屈折物質からなる光学ローパスフィルタが適用された固体撮像素子を示している。
図１９において、１は固体撮像素子であり、この固体撮像素子１は、固体撮像素子チップ２が搭載されたパッケージ３の上面にカバーガラス４が貼り付けられて構成されている。尚、５はリードである。
【０００４】
また、６は人工水晶からなる光学ローパスフィルタであり、この光学ローパスフィルタ６の表面には、赤外線（ＩＲ）カットコート７が施されている。
図２０乃至図２３に示す固体撮像素子１は、図１９のものと同じであり、光学ローパスフィルタ等が異なる。
即ち、図２０に示す光学ローパスフィルタ８は、２枚の人工水晶複屈折板８Ａ、８Ｂが貼り合わされて構成され、その表面にＩＲカットコート７が施されている。図２１に示す光学ローパスフィルタ９は、ＩＲカットフィルタ１０を２枚の人工水晶複屈折板９Ａ、９Ｂでサンドイッチして構成されている。図２２に示す光学ローパスフィルタ１１は、３枚の人工水晶複屈折板１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃが貼り合わされて構成され、その表面にＩＲカットコート７が施されている。図２３に示す光学ローパスフィルタ１２は、人工水晶複屈折板１２Ａ、ＩＲカットフィルタ１０、人工水晶λ／４板１２Ｂ、及び人工水晶複屈折板１２Ｃが貼り合わされて構成されている。
【０００５】
尚、図２２に示す光学ローパスフィルタ１１は、水平垂直斜め方向に必要な点像分離を得るために３枚の水晶複屈折板１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃが貼り合わされており、このような光学ローパスフィルタ１１は、特公昭５７−１５３６９号公報に詳細に記載されている。
一方、複屈折物質からなる光学ローパスフィルタの代わりに、表面に回折格子が形成された位相型光学ローパスフィルタがある（特開平８−２０１７２９号公報、特開平７−２０９６１０号公報）。
【０００６】
特開平８−２０１７２９号公報に記載されている位相型光学ローパスフィルタは、樹脂製ＩＲカットフィルタ表明に光学的ローパス効果のある回折格子が形成されている。また、特開平７−２０９６１０号公報に記載されている位相型光学ローパスフィルタは、固体撮像素子チップを封止する透明樹脂上に光学的ローパス効果のある回折格子が形成されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記位相型光学ローパスフィルタは、薄くできるというメリットがあるが、カットオフ値に波長依存性があり、画面に格子パターンの陰が出やすく、ボケ像がきたなくなるなどのデメリットがあり、高画質タイプのビデオカメラ、電子スチルカメラ等には適さない。
【０００８】
一方、図１９乃至図２３等に示したように高品位な画質を得るために最近は人工水晶光学ローパスフィルタを用いることが多いが、カメラの小型化に伴い撮影レンズ系全長に対する水晶光学ローパスフィルタと固体撮像素子のカバーガラスの占める割合は、１０〜２０％と無視できなくなってきている。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、複屈折物質からなる光学ローパスフィルタを効率よく配置してカメラの小型化を図ることができる固体撮像素子を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本願請求項１に係る発明は、固体撮像素子チップが搭載されたパッケージの上面に撮像面を保護する透明カバー部材が貼り付けられてなる固体撮像素子において、複数の複屈折板からなる光学ローパスフィルタを２以上に分割し、そのうちの１つの複屈折板を前記透明カバー部材として使用したことを特徴としている。
前記分割された複屈折板のうちのいずれかの表面に、本願請求項２に示すように赤外カットコートを施したことを特徴としている。
【００１１】
本願請求項３に係る発明は、固体撮像素子チップが搭載されたパッケージの上面に撮像面を保護する透明カバー部材が貼り付けられてなる固体撮像素子において、複数の複屈折板と赤外線カットフィルタとからなる光学ローパスフィルタを２以上に分割し、そのうちの１つの複屈折板又は赤外線カットフィルタを前記透明カバー部材として使用したことを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下添付図面に従って本発明に係る固体撮像素子の好ましい実施の形態について詳説する。
図１乃至図５はそれぞれ本発明に係る固体撮像素子の第１乃至第５の実施の形態を示す図である。
【００１３】
これらの第１乃至第５の実施の形態の固体撮像素子は、図１９乃至図２３に示した従来の固体撮像素子に対応して構成されており、カバーガラス４に代えて光学ローパスフィルタ等が効率よく配置されている。
即ち、図１に示す固体撮像素子１０は、固体撮像素子チップ２と、リード５が設けられたセラミック板等からなるパッケージ３と、表面に多層膜からなるＩＲカットコート１１が施された複屈折物質（人工水晶）からなる光学ローパスフィルタ１２とから構成されている。上記固体撮像素子チップ２は、パッケージ３に搭載されリード５とワイヤボンディングされており、光学ローパスフィルタ１２は、パッケージ３の上面に貼り付けられている。
【００１４】
上記光学ローパスフィルタ１２は、入射光を正常光と異常光に分離する複屈折物質（水晶）の性質を利用したもので、その分離幅がカットオフ周波数に対応するように設計されており、これにより光学的ローパス効果を有する。また、パッケージ３の上面に貼り付けられているため、撮像面を保護する透明カバー部材として機能する。
【００１５】
図２に示す固体撮像素子２０は、２枚の人工水晶複屈折板２１、２２からなる光学ローパスフィルタを分割し、そのうちの１枚の人工水晶複屈折板２１をパッケージ３の上面に貼り付けることによって構成されている。尚、その他の構成は、図１に示した固体撮像素子１０と同じである。また、分割された他方の人工水晶複屈折板２２は、前記人工水晶複屈折板２１の前方に配置され、その表面にはＩＲカットコート２３が施されている。
【００１６】
図３に示す固体撮像素子２０は、ＩＲカットフィルタ（シアンフィルタ）２４を２枚の人工水晶複屈折板２１、２５でサンドイッチした光学ローパスフィルタを分割し、そのうちの１枚の人工水晶複屈折板２１をパッケージ３の上面に貼り付けることによって構成されている。
従って、図３に示した固体撮像素子２０自体は、図２に示したものと同じ構成となるが、前記人工水晶複屈折板２１の前方には、分割されたＩＲカットフィルタ２４及び人工水晶複屈折板２５が配置されることになる。
【００１７】
図４に示す固体撮像素子１０は、３枚の人工水晶複屈折板１２、１３、１４からなる光学ローパスフィルタを分割し、そのうちの１枚の人工水晶複屈折板１２をパッケージ３の上面に貼り付けることによって構成されている。この人工水晶複屈折板１２の表面には、ＩＲカットコート１１が施されている。
従って、図４に示した固体撮像素子１０自体は、図１に示したものと同じ構成となるが、前記人工水晶複屈折板１２の前方には、分割された人工水晶複屈折板１３、１４が配置されることになる。
【００１８】
図５に示す固体撮像素子３０は、ＩＲカットフィルタ３１、人工水晶複屈折板３２、人工水晶λ／４板３３及び人工水晶複屈折板３４の４要素からなる光学ローパスフィルタを分割し、ＩＲカットフィルタ３１をパッケージ３の上面に貼り付けることによって構成されている。そして、ＩＲカットフィルタ３１の前方には、分割された人工水晶複屈折板３２、人工水晶λ／４板３３及び人工水晶複屈折板３４が配置されることになる。
【００１９】
図６は図４に示した固体撮像素子１０等の拡大図であり、人工水晶複屈折板１２は、水平又は垂直方向に対して所要の分離幅が得られる板圧（ｔ）を有し、人工水晶複屈折板１３及び１４は、それぞれ板圧（ｔ／√２）を有している。また、各人工水晶複屈折板１２、１３及び１４における入射光を分離する方向にかかわる光学軸の方向は、図６上で矢印等で示されている。
【００２０】
図７は上記人工水晶複屈折板１２、１３及び１４によって点像が分離される様子を示す図である。１つの点像は１枚目の人工水晶複屈折板１４を通過することにより図７（Ａ）に示す点像となり、続いて２枚目の人工水晶複屈折板１３を通過することにより図７（Ｂ）に示す点像となり、更に３枚目の人工水晶複屈折板１２を通過することにより図７（Ｃ）に示す点像となる。即ち、３枚の人工水晶複屈折板を通過することにより、分離点像（４点正方）が得れ、かつ各点像の強度も等しいものとなる。
【００２１】
次に、人工水晶複屈折板１２を分割してパッケージ３に貼り付けた場合に懸念される人工水晶複屈折板１２の光学軸と、人工水晶複屈折板１３、１４の光学軸の相対的な角度ズレによって起こる周波数特性の変動について説明する。
図１０は分離幅をＰで正規化した角度ズレ０°の場合の点像分離状態及び｜ウ｜＝１００とした場合の相対強度を示している。この場合には、分離点像は、４点正方となり、かつ各点像の強度も等しいものとなる。また、この場合の水平垂直方向の周波数特性を図１３に示す。
【００２２】
ここで、図８に示すように入射側から見て人工水晶複屈折板１２に対して分離している２枚の人工水晶複屈折板１３、１４が反時計回り方向に５°回転した場合の点像分離状態及び｜ウ｜＝１００とした場合の相対強度を、図１１に示す。図１１に示すように４つの分離点像は、平行四辺形の頂点に位置し、水平方向の分離幅はＰ、垂直方向の分離幅は０．９９６Ｐ（≒cos ５°×Ｐ）となる。また、上下の点像の水平方向のズレは０．０８７２Ｐ（≒sin ５°×Ｐ）となる。
【００２３】
一方、｜イ｜＝｜ウ｜＝１００とすると、図９に示すように｜ア｜、｜エ｜の強度は振幅の２乗に比例するため、
【００２４】
【数１】
｜ア｜＝｜ウ｜×sin2４０°／sin2５０°≒７０．４
｜エ｜＝｜ウ｜×cos2５０°／sin2５０°≒７０．４
となる。また、この場合の水平方向の周波数特性及び垂直方向の周波数特性をそれぞれ図１４及び図１６に示す。
【００２５】
これに対し、入射側から見て人工水晶複屈折板１２に対して分離している２枚の人工水晶複屈折板１３、１４が時計回り方向に５°回転した場合の点像分離状態及び｜ウ｜＝１００とした場合の相対強度を、図１２に示す。
図１２に示すように４つの分離点像の位置関係は、図１１の場合と比較して上下の点像の水平方向のズレが逆になり、その他は同じである。
【００２６】
一方、｜イ｜＝｜ウ｜＝１００とすると、｜ア｜、｜エ｜の強度は、
【００２７】
【数２】
｜ア｜＝｜ウ｜×sin2５０°／cos2５０°≒１４２
｜エ｜＝｜ウ｜×cos2４０°／cos2５０°≒１４２
となる。また、この場合の水平方向の周波数特性及び垂直方向の周波数特性をそれぞれ図１５及び図１６に示す。
【００２８】
以上の結果から、人工水晶複屈折板１２に対して分離している２枚の人工水晶複屈折板１３、１４が±５°回転した場合、カットオフ値のズレは数％程度であり、他のレスポンスはほとんど変化がない。固体撮像素子チップ２とパッケージ３の相対的なズレ、パッケージ３とパッケージ３に貼り付けられる人工水晶複屈折板１２との光学軸のズレ、パッケージ３と２枚の人工水晶複屈折板１３、１４との光学軸のズレ等を加算してもメカニカルなズレ量としては、５°を越えることは考えられないため、このように光学ローパスフィルタの人工水晶複屈折板を分割しても実用上十分な特性が得られる。
【００２９】
図１７は本発明に係る固体撮像素子の第６の実施の形態を示す図であり、特に図１に示した第１の実施の形態と比較すると、ＩＲカットコート１５を施す領域のみが異なる。尚、図１と共通する部分には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図１７（Ａ）及び（Ｂ）に示すＩＲカットコート１５は、光学ローパスフィルタ１２の全面に施されておらず、パッケージ３に貼り付けられる領域１６を除いた領域に施されている。
【００３０】
このように上記領域１６にＩＲカットコート１５を施さない理由は、光学ローパスフィルタ１２をパッケージ３に貼り付ける際に、ＵＶ接着することが多いが、ＩＲカットコート１５を光学ローパスフィルタ１２の全面に施すと、上記ＵＶ接着を良好に行うことができなくなるからでる。
即ち、図１８は代表的なＩＲカットコートの特性を示しており、同図に示すように、このＩＲカットコートは、ＵＶ接着に必要な波長域（約 350〜 380nm) の周波数もカットする。従って、図１７に示す実施の形態では、パッケージ３に貼り付けられる領域１６には、ＩＲカットコートを施さず、この領域１６を利用してＵＶ接着が良好にできるようにしている。
【００３１】
【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によれば、複屈折物質からなる光学ローパスフィルタを効率よく配置し、従来のパッケージに貼り付けられていたカバーガラスを省略するようにしたため、撮影レンズのバックフォーカスを短くするとができ、全体としてカメラを小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る固体撮像素子の第１の実施の形態を示す図
【図２】本発明に係る固体撮像素子の第２の実施の形態を示す図
【図３】本発明に係る固体撮像素子の第３の実施の形態を示す図
【図４】本発明に係る固体撮像素子の第４の実施の形態を示す図
【図５】本発明に係る固体撮像素子の第５の実施の形態を示す図
【図６】図４に示した固体撮像素子等の詳細を示す拡大図
【図７】図６に示した３枚の人工水晶複屈折板によって点像が分離される様子を示す図
【図８】図６に示した１枚の人工水晶複屈折板に対して分離された２枚の人工水晶複屈折板が入射側から見て反時計回り方向に５°回転した場合を示す図
【図９】５°回転した場合の点像の強度計算を説明するために用いた図
【図１０】図６に示した１枚の人工水晶複屈折板に対して分離された２枚の人工水晶複屈折板等の角度ズレがない場合の点像分離状態及び相対強度を示す図
【図１１】図６に示した１枚の人工水晶複屈折板に対して分離された２枚の人工水晶複屈折板が反時計回り方向に５°回転した場合の点像分離状態及び相対強度を示す図
【図１２】図６に示した１枚の人工水晶複屈折板に対して分離された２枚の人工水晶複屈折板が時計回り方向に５°回転した場合の点像分離状態及び相対強度を示す図
【図１３】図１０の場合の水平垂直方向の周波数特性を示す図
【図１４】図１１の場合の水平方向の周波数特性を示す図
【図１５】図１２の場合の水平方向の周波数特性を示す図
【図１６】図１１及び図１２の場合の垂直方向の周波数特性を示す図
【図１７】ＩＲカットコートを施す領域を説明するために用いた図
【図１８】代表的なＩＲカットコートの特性を示す図
【図１９】固体撮像素子の第１の従来例を示す図
【図２０】固体撮像素子の第２の従来例を示す図
【図２１】固体撮像素子の第３の従来例を示す図
【図２２】固体撮像素子の第４の従来例を示す図
【図２３】固体撮像素子の第５の従来例を示す図
【符号の説明】
２…固体撮像素子チップ
３…パッケージ
５…リード
１１、１５、２３…ＩＲカットコート
１２、１３、１４、２１、２２、２５、３２、３３、３４…人工水晶複屈折板
２４、３１…ＩＲカットフィルタ

Claims (3)

  1. 固体撮像素子チップが搭載されたパッケージの上面に撮像面を保護する透明カバー部材が貼り付けられてなる固体撮像素子において、
    複数の複屈折板からなる光学ローパスフィルタを２以上に分割し、そのうちの１つの複屈折板を前記透明カバー部材として使用したことを特徴とする固体撮像素子。
  2. 前記分割された複屈折板のうちのいずれかの表面に赤外線カットコートを施したことを特徴とする請求項１の固体撮像素子。
  3. 固体撮像素子チップが搭載されたパッケージの上面に撮像面を保護する透明カバー部材が貼り付けられてなる固体撮像素子において、
    複数の複屈折板と赤外線カットフィルタとからなる光学ローパスフィルタを２以上に分割し、そのうちの１つの複屈折板又は赤外線カットフィルタを前記透明カバー部材として使用したことを特徴とする固体撮像素子。
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