JP4091948B2

JP4091948B2 - 集光装置およびそれを用いた密着型固体撮像装置

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Publication number: JP4091948B2
Application number: JP2005178185A
Authority: JP
Inventors: 公明歳清; 基弘小島; 和利小野澤
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-06-17
Filing date: 2005-06-17
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2025-06-17
Also published as: US7860352B2; JP2006352686A; US20070035721A1; CN1882028A

Description

本発明は、固体撮像装置に関し、特にファクシミリ、スキャナ等に使用される密着型固体撮像装置等に関するものである。

固体撮像装置（イメージセンサ）は、画像入力装置として、デジタルビデオカメラ（ＤＶＣ）、デジタルスチルカメラ（ＤＳＣ）をはじめとする、各種撮像分野においてキーデバイスとなっている。特に近年では、情報のペーパーレス化、即ち画像／文字データの電子化に伴い、イメージスキャナ装置の需要が高まり、これに用いられる密着型固体撮像装置の小型化、高解像度化が大きく望まれている。

図１７は、従来の密着型固体撮像装置１０００のシステム構成図である。光源の発光ダイオード１０９によって、被写体（「原稿」ともいう。）１０３を照射し、被写体１０３からの拡散反射光（「入射光」ともいう。）１０２を屈折率分布型ロッドレンズ１１２によって集光し、直線状に複数配列された受光素子１０７に結像させる。受光素子１０７は、半導体集積回路１０８上に形成されており、原稿１０３の濃淡情報（即ち、光強度の強弱）を有する出射光１０６を電気信号に変換する。本構成は、レンズアレイを用いた密着型固体撮像装置の一般的な構成であり、広く普及している（例えば、特許文献1参照）。

図１６（ａ）は、従来の屈折率分布型ロッドレンズ１１２の構造図である。また、図１６（ｂ）は、上記屈折率分布型ロッドレンズ１１２の屈折率分布を示す図である。屈折率分布型ロッドレンズ１１２は、中心から周辺に向かって屈折率が連続的に変化する円柱状透明体で構成されており、半径方向に２次元状の屈折率分布を有する。図１５は、屈折率分布型ロッドレンズ１１２中において光が伝播する様子を示す図である。レンズ端面より入射した光は、正弦波を描きながら進行し、もう一方の端面から射出される。このときの光の収束性は、レンズ長によって制御することができる。レンズ長が、正弦波周期の１／４のときは等倍倒立像、１／２のときは端面倒立像、さらに３／４のときは等倍正立像となり、１周期であれば端面正立像となる。上記のような光特性を有する屈折率分布型ロッドレンズ１１２は、円柱状のままで使用できるので各種装置に容易に組み込まれるとともに、両端面が光軸に直交する平面であるので、光学系において光軸を容易に合わせることができる。
特開平６−３４２１３１号公報

しかしながら、従来の密着型固体撮像装置１０００においては、レンズアレイは２次元状の等倍正立像を得るために用いられることから、レンズ長を精度良く、３／４周期前後に合わせるとともに、隣接するレンズの像が一致するように正確な屈折率分布を有するロッドレンズを形成する必要がある。現在、屈折率分布型ロッドレンズは、主に２種類の手法によって形成されており、１つ目は単量体揮発法、２つ目は相互拡散法である。前者は、低屈折率ポリマと高屈折率モノマの混合物ファイバから、外周部のモノマを揮発、重合硬化することによって、屈折率分布のついたロッドレンズを形成する方法である。また、後者は、屈折率の異なるモノマ群を同軸ファイバ構造とし、層間でモノマを相互拡散、重合硬化することによってレンズを形成する。どちらの手法を用いるにしても、正確な屈折率分布を制御するためには、1ｍｍ以上のレンズ径が必要となるため、ロッドレンズの細線化は非常に困難である。

図１４は、原稿１０３からの拡散反射光１０２が、屈折率分布型ロッドレンズ１１２によって受光素子１０７に収束する様子を示す図である。屈折率分布型ロッドレンズ１１２は、等倍結像系であるため、原稿像がそのままセンサ上に投影されることになる。このとき、出射光１０６の広がりは２mm以上となり、画素サイズに比べて非常に大きいため（画素サイズは、解像度４００ｄｐｉで６４μｍ、６００ｄｐｉで４２μm）、複数の画素に対し、１個のレンズが集光し結像を行う。その結果として、センサの信号特性は、屈折率分布型ロッドレンズ１１２の集光特性に強く影響を受け、レンズ内の光強度分布による、数画素単位での明暗の山谷（シェーディング）が発生する。

上述したように、現行の屈折率分布型ロッドレンズは、レンズ径が大きくＭＴＦ特性も良くないことから、撮像装置の小型化ならびに高解像度化は非常に困難である。今後、密着型固体撮像装置の小型化、ローコスト化、高性能化を図るためには、屈折率分布型ロッドレンズよりも正確な屈折率制御が可能で容易に形成が可能な、新しい集光素子の開発が必要である。

上記課題を解決するため、本発明は、集光素子と受光素子とを備える密着型固体撮像装置であって、前記集光素子は、部分的に形成された光透過膜によって生じる実効屈折率分布を備え、前記実効屈折率分布が異なる少なくとも２種類の光透過膜が、入射光の伝播方向に対して直列に近軸結像配置されていることを特徴とする。

これにより、従来の半導体プレーナープロセスを踏襲して、屈折率分布型レンズを作製することが可能となり、入射光を高効率に受光素子へと導入することができるため、高解像度のセンサを実現することができる。

また、前記集光素子は、入射光の波長と同程度かそれより短い線幅で分割された同心構造の複数のゾーン領域の組み合わせによって構成されており、前記複数のゾーン領域のうち少なくとも一のゾーン領域は、第１線幅および第１膜厚の前記同心構造の下段透過膜と、当該下段光透過膜の上位に構成される第２線幅および第２膜厚の前記同心構造の上段光透過膜とを含むように構成することもできる。さらに、前記集光素子における前記実効屈折率分布は、光軸に対して非対称であることを特徴とする。これにより、入射光を任意の方向に伝播させることができ、集光光学系の設計自由度を向上させることができる。

さらに、前記密着型固体撮像装置は、複数の前記集光素子を備え、前記複数の集光素子を透過した入射光を一の受光素子に伝播させるように構成することもできる。これにより、集光素子の高次の回折領域を減らすことができるため、集光ロスが減少し、集光効率を向上させることができる。

さらに、近軸結像配置された前記２種類の光透過膜のうち、少なくとも一の光透過膜は、他の光透過膜の色収差とは異なる色収差を有するように構成することもできる。これにより、入射波長に依存した集光効率の変動を緩和することができ、広い波長領域で安定した感度を保つことができる。

さらに、近軸結像配置された前記２種類の光透過膜のうち、少なくとも一の光透過膜は、他の光透過膜の焦点距離とは異なる焦点距離を有するように構成することもできる。これにより、被写体（原稿、写真等）と集光素子との距離が少々変動したとしても、受光素子に効率よく信号光を導入することができる。

また、前記集光素子は、回折によって集光する第１集光手段と、屈折によって集光する第２集光手段とを備えることとしてもよい。屈折光と回折光の光強度を同程度に設定することによって、焦点深度が長くなり、原稿の読み取り精度を向上させることができる。

さらに、前記集光素子は、受光素子を備える半導体集積回路上にモノリシックに形成されていることを特徴とする。これにより、集光素子を一連のプロセスによって形成することが可能となり、光学系の位置精度が向上する。また、レンズのセッティングが不要となるため、実装が容易となり、コストダウンにもつながる。

さらに、前記光透過膜は、屈折率の高低差によって生じる、光閉じ込め効果を備えた光導波路構造を有することとしてもよい。これにより、入射光を効率よく受光素子に導入することができ、センサの感度を向上させることができる。

また、前記光透過膜の一部または全体は、その断面が曲率を有する凸構造で構成されていることを特徴とする。これにより、集光素子の集光効率が向上し、高感度のセンサが実現できる。

また、本発明は、上記密着型固体撮像装置が備える集光素子を２次元又は１次元に配列した集光装置として実現したり、上記密着型固体撮像装置を用いた撮像方法として実現することもできる。

本発明に係る密着型固体撮像装置は、上記特徴を有する集光素子を備えるため、解像度ならびに感度の向上や製造工程の容易化を実現することができる。

以下、本発明に係る実施の形態について、図面を用いながら具体的に説明する。なお、本発明について、以下の実施の形態および添付の図面を用いて説明を行うが、これは例示を目的としており、本発明はこれらに限定されることを意図しない。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態に係る、解像度６００ｄｐｉ対応の密着型固体撮像装置１００の基本構造を示す図である。図１に示す密着型固体撮像装置１００は、画素単位の構成例であり、保護ガラス板４、集光素子５、受光素子７、半導体集積回路８、発光ダイオード（ＬＥＤ）９および実装パッケージ１０を備える。

発光ダイオード９から出射した光１は、被写体（「原稿」ともいう。）３の表面で拡散反射し、集光素子５を介して、受光素子７に集光される。このときの集光素子５は、上下２枚の分布屈折率レンズ５ａ、５ｂを有している。

図２（ａ）は、本実施の形態に係る、ＳiＯ₂１２（屈折率＝１．４５）とＳiＮ１３（屈折率＝２．０）とからなる、同心構造の分布屈折率レンズの断面図を示す図である。一般的な分布屈折率レンズでは、屈折率は画素中心（この場合は「光学中心」でもある。）１１で最も高くなる。本実施の形態の場合、画素中心１１付近の単位領域（以下「ゾーン領域」という。）では、ＳiＮ１３が「密」であり（即ち、ＳiＮ１３の割合が大きく）、外側のゾーン領域になるに従って「疎」（即ち、ＳiＮ１３の割合が小さく）へと変化していく。このとき、各ゾーン領域の幅ｄ₀（以下「線幅」という。）１４が入射光の波長と同程度かそれよりも小さければ、光が感じる有効屈折率は、そのゾーン領域内の高屈折率材料（本例ではＳiＮ１３）と低屈折率材料（本例ではＳiＯ₂１２）の体積比によって決まる。つまり、各ゾーン領域内の高屈折率材料の割合を増やせば有効屈折率は高くなり、ゾーン領域内の高屈折率材料の割合を減らせば有効屈折率は低くなる。

本実施の形態に係る分布屈折率レンズの最大の特長は、ゾーン領域中の高低屈折率材料の体積比率を変えるだけで、屈折率分布を自由自在に制御できることである。本発明における分布屈折率レンズの屈折率分布式は下記の（１）式ように表される。

Δｎ(x)＝Δｎ_max［(Ａｘ²＋ＢｘＳiＮθ)／２π＋Ｃ］（１）
（A、B、C：定数）
ここで、Δｎ_maxは、入射側媒質とレンズ材料との屈折率差（今回は０．５５）である。また、上記（１）式においては、入射側媒質の屈折率をＮ₀、出射側媒質の屈折率をＮ₁とするとき、
Ａ＝−（ｋ₀Ｎ₁）／２ｆ（２）
Ｂ＝−ｋ₀Ｎ₀ （３）
ｋ₀＝２π／λ （４）
のようにパラメータを設定することができる。これにより、目的とする焦点距離ならびに対象とする入射光の入射角度θ、波長λ毎にレンズを最適化することが可能となる。なお、上記（１）式において、画素中心からの距離ｘの２次関数で定義されている項は集光成分を、xと三角関数の積で定義されている項は偏向成分をそれぞれ示している。

ここで、上記（１）式で表される放物線はもちろん連続であり、理想的な屈折率分布である。しかしながら、実際の微小光学系（サブミクロン領域）では、連続的な分布を形成することが極めて困難であり、プロセス負荷が非常に大きい。本発明では、屈折率分布を、入射光波長の半分以下の領域で離散化し、体積充填率を制御することによって、同様の効果を得ることに成功している。

図２（ｂ）は、本実施の形態に係る、上下２段の同心構造（以下「２段同心構造」という。）を有する分布屈折率レンズの断面図を示す図である。図２（ｂ）に示される２段同心構造の主材料はＳiＮ１３であり、周りの媒質はＳiＯ₂１２である。上段（光入射側）の膜厚ｔ₁と下段（基板側）の膜厚ｔ₂は、それぞれ０．４μｍ、０．８μｍであり、膜厚比（上段／下段）は０．５である。本構造では、屈折率分布によって発生する集光性を、膜厚分布によって補強することができる。一般的に回折光学では、波長に比べて大きい構造をフーリエ光学、波長に比べて小さい構造を有効屈折率法によって体系化でき、前者の場合は光を線として、後者の場合は電磁場における現象として取り扱うことができる。共鳴領域とは、上記２領域の間に位置する領域であり、光の挙動は線と電磁場、どちらの振る舞いも許容されている。

ここで、本発明に係るレンズ構造においては、上記ゾーン領域をさらに同心状に細かく分割した領域の幅ｄ₁を「λ／２ｎ」程度に設定しており、共鳴領域と有効屈折率法領域の境界に位置している。このとき、入射光は材料自体の屈折率と、構造に起因して平均化した屈折率（有効屈折率）の両方を感じることになる。結果として、屈折率分布型レンズと膜厚分布型レンズ両方の集光特性を備えることとなり、集光効率は、従来の屈折率分布型レンズよりも高くなる。

上記図２（ａ）、（ｂ）に示した分布屈折率レンズにおいては、その入射窓領域を各画素の開口に合わせて四角形状としている。入射窓領域が円形の場合は、レンズとレンズの間に隙間ができるため、漏れ光が発生し、集光ロスの大きな原因となる。しかしながら、入射窓領域を四角とすると、画素全領域の入射光を集光することができるので、漏れ光は無くなり、集光ロスは低減する。

図３（ａ）は、本実施の形態に係る集光素子の構成図である。図３（ａ）は、２種類の２段同心構造の分布屈折率レンズによって構成されている光学系を示しており、原稿３からの反射光（入射光）２は、コリメートレンズ１５によって平行化され、保護ガラス板４中を伝播した後、集光レンズ１６によって受光素子７上に集光される。このときの屈折率分布は、図３（ｂ）のグレースケールのようになっており、１段目のコリメートレンズ１５における屈折率分布１７は、レンズの中心部分の屈折率が低いＯレンズ型であり、２段目の集光レンズ１６における屈折率分布１８は、レンズの中心部分の屈折率が高い凸レンズ型である。

図４（ａ）〜（ｇ）は、本実施の形態に係る分布屈折率レンズの作製工程を示す図である。分布屈折率レンズは、２段同心構造であり、２回のフォトリソグラフィとエッチングによって形成を行った。１画素のサイズは、４２μｍ角である。

まず、ＣＶＤ装置を用いて、ＳiＯ₂基板２１上に、ＳiＮ膜２０を形成し、その上にレジスト１９を塗布する（図４（ａ））。その後、光露光２２によって、パターニングを行う（図４（ｂ））。ＳiＮ膜２０とレジスト１９の厚みはそれぞれ、１．２μｍと０．５μｍである。現像した後、エッチング２３を行い、画素表面に微細構造を形成する（図４（ｃ））。レジスト１９を除去した後、バークを埋め込み、平坦化する（図４（ｄ））。レジスト１９を塗布した後、再び光露光２２によってパターニングを行う（図４（ｅ））。エッチングの後（図４（ｆ））、レジスト１９とバークを取り除くことによって本発明の分布屈折率レンズが形成される。（図４（ｇ））。同様の、ＳiＯ₂の埋め込み、リソグラフィ、エッチングを繰り返すことによって、複数個の分布屈折率レンズを有する集光素子を形成することが可能である。

なお、本実施の形態では、２段同心構造の分布屈折率レンズの形成を試みたが、上記図４（ａ）〜（ｇ）に示した、フォトリソグラフィとエッチングを組み合わせた工程を用いることにより、さらなる段数（即ち、３段以上）のレンズを構成することが可能である。段数が多ければ多いほど、屈折率分布の諧調数が増加することから、集光効率は向上する。

また、上記図４（ａ）〜（ｇ）の工程においては、分布屈折率レンズの表面は平坦に形成したが、エッチバック法等によって、分布屈折率レンズの一部又は全体に曲率を持たせることも可能である。これにより、膜厚分布を細かくサンプリングすることができるため、飛躍的な集光効率の改善が望める（図５参照）。

なお、以後の実施の形態におけるレンズの形成においても上述の工程を用いている。
（実施の形態２）
図６は、本実施の形態に係る、パソコン用カラースキャナ（３００ｄｐｉ）の密着型固体撮像装置における集光装置と画素配列の様子を示す図である。信号光２は、２次元に配置された複数の分布屈折率レンズ２６によって構成されている集光装置２７によって集光され、単一の受光素子７上に照射される。ここで、集光装置２７は、入射側レンズ群２８と、出射側レンズ群２９とから構成され、各々のレンズ群は、集光性だけではなく偏向性も具備している。このとき、集光装置２７の面内方向に対して垂直に入射してくる光については、上述した（１）式におけるパラメータのθが０°であるため、分布屈折率レンズ２６の同心構造は画素中心に対して対称である。しかしながら、入射角度の増加（θ成分の増加）に伴って、同心構造の中心を画素中心からシフトさせ、非対称形状とする（図７（ａ）の分布屈折率レンズの上面図を参照）。これは、上記（１）式において、xと三角関数の積で定義されている偏向成分の絶対値が増加するためである。図７（ａ）において、画素中心１１と屈折率分布の頂点を結んだ直線１１１における離散屈折率分布を図７（ｂ）に示す。図７（ｂ）からも明らかなように、屈折率分布のピークは、画素中心１１からシフトしている。

図８は、非対称な分布屈折率レンズを伝播する光の様子を示す図である。特定の角度で入射してきた光２は、画素中心１１に対して非対称な屈折率分布を有するレンズ２５によって偏向され、画素中心１１軸上に集光する。

一般的な分布屈折率レンズでは、レンズ厚を薄くするため、単位相による位相変調の折り返しを形成する（例：フレネルレンズ）。このとき、画素中心の第１ゾーン（屈折領域）部分は、高効率に集光することができるが、第２ゾーン以上の高次のゾーンでは、回折現象による集光であるため、多少のロスが発生する。特に、集光装置の薄膜化を狙って、レンズの焦点距離を短くする場合には、この影響は顕著である。そこで、本実施の形態では、低次のゾーン領域しか持たない分布屈折率レンズを複数配列し、単一の受光素子への集光を実現した。これにより、集光装置の高次の回折領域を減らすことができるため、集光ロスが減少し、センサの感度は向上する。

なお、本実施の形態では、集光素子を２次元に配置して集光装置を構成する実施例を示したが、集光素子を１次元に配置して集光装置を構成してもよい。

（実施の形態３）
図９は、実施の形態３に係る、パソコン用カラースキャナ（３００ｄｐｉ）の密着型固体撮像装置における集光装置と画素配列の様子を示す図である。信号光２は、複数の分布屈折率レンズ２６によって構成されている集光装置２７によって集光され、受光素子７上に照射される。ここで、集光装置２７は、入射側レンズ群２８と、出射側レンズ群２９とから構成される。このとき、入射光２は集光装置２７の面内方向に対して略垂直であることから、上述した（１）式におけるパラメータのうちθは「０°」となり、分布屈折率レンズの同心構造は画素中心に対して対称である。

本実施例では、３００ｄｐｉのラインセンサを使用したが、分布屈折率レンズのレンズ径を小さくすることによって、より微細な画素に対応させることができる。例えば、ディジタルカメラ等に使用されている３００万画素相当の受光素子を用いれば、画素ピッチは３μm程度となり、解像度は６０００ｄｐｉとなる。

（実施の形態４）
通常の厚さ分布型レンズの場合、色収差を補正するためには、アクロマティクレンズ形状にする必要がある。従来のレンズは、波長による屈折率差の少ない凸レンズ(クラウンガラス)と、波長による屈折率差の大きい凹レンズ(フリントガラス)の組み合わせによって構成している。しかしながら、２材料を貼り合わせるアクロマティクレンズは、微細化が困難でコストが掛かるという問題がある。

図１０（ａ）は、本実施の形態に係る、色収差を補正するための分布屈折率レンズを組み合わせた様子を示す図である。なお、図１０（ａ）では、集光装置における出射側レンズ群の一部を表している。上記課題に対して、本実施の形態に係る分布屈折率レンズでは、入射光の波長をパラメータとして、焦点距離を制御することによって対応が可能である。図１０（ａ）に示すように、任意の焦点で集光するような、短波長用レンズ３０と長波長用レンズ３１とを組み合わせれば、光源の波長や分布に依存することなく、一定の集光効率を得ることができる。特に、白色光を光源として用いる場合は、３原色の中心波長（４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６５０ｎｍ）をパラメータ設定したレンズ群を３層組み合わせば、焦点がぼけることなく、高効率に受光素子へ集光させることができる。

（実施の形態５）
図１０（ｂ）は、本実施の形態に係る、焦点ぼけを補正するための分布屈折率レンズを組み合わせた様子を示す図である。なお、図１０（ｂ）では、集光装置における出射側レンズ群の一部を表している。図１０（ｂ）に示すように、短焦点レンズ３３と長焦点レンズ３２を組み合わせれば、原稿面と集光装置との距離が多少変動したとしても、信号光を高効率に受光素子へと導入することができる。

（実施の形態６）
図１１（ａ）、（ｂ）は、実施の形態６に係る、焦点ぼけを補正するための分布屈折率レンズの一例を示す図である。なお、図１１（ａ）、（ｂ）は、集光装置の出射側レンズ群の一部を表している。フレネル型の屈折率分布（図１１（ａ））、または厚さ分布（図１１（ｂ））を有する集光系において、入射光は、屈折現象（０次回折光３４または３６）と、回折現象（１次回折光３５または３７）によって集光される。そこで、０次回折光を第１の焦点に集光するとともに、１次回折光を異なる第２の焦点に集光するようすれば、原稿面と集光装置との距離の変動に依存することなく、信号光を高効率に受光素子へと導入させることができる。

（実施の形態７）
図１２は、実施の形態７に係る、光導波路構造を有する集光装置を示す図である。入射光は、入射側結像系３８によって、導波路３９のコア部分に導入され、低損失ロスである路内を受光素子付近まで伝播する。その後、射出された光は入射側結像系４０によって、受光素子に集光される。本実施の形態では、コア径１０μmのシングルモードファイバを用いたが、光導波路構造は、屈折率の高低差によって生じる、光閉じ込め効果を備えたものであればどのような構造でも良い。

以上のように、集光装置内に、光導波路を形成することによって、入射光を効率よく受光素子に導入することができ、センサの感度を向上させることが可能となる。

（実施の形態８）
図１３は、実施の形態８に係る、解像度６００ｄｐｉ対応の密着型固体撮像装置の基本構造を示す図である。各画素は、保護ガラス板４、集光素子５、受光素子７、半導体集積回路８、発光ダイオード（ＬＥＤ）９、実装パッケージ１０を備える。ここで、集光素子５は、半導体集積回路上に、モノリシックに形成されている。これにより、集光素子５を一連のＳiプロセスによって形成することが可能となり、光学系の位置精度を向上させることができる。また、レンズのセッティングが不要となるため、実装が容易となり、コストダウンにもつながる。

本発明に係る密着型固体撮像装置は、スキャナ、ファクシミリを始めとするラインセンサ関連製品の性能向上、低価格化を実現でき、産業上有用である。

実施の形態１における画素の基本構造を示す図である。（ａ）は、実施の形態１における分布屈折率レンズの断面構造の一例を示す図である。（ｂ）は、実施の形態１における分布屈折率レンズの断面構造の一例を示す図である。（ａ）は、実施の形態１における集光素子の断面構造の一例を示す図である。（ｂ）は、図３（ａ）にける集光素子の屈折率分布を模式的に表した図である。（ａ）〜（ｇ）は、実施の形態１における分布屈折率レンズの作製工程を示す図である。実施の形態１における分布屈折率レンズの断面構造の一例を示す図である。実施の形態２における集光素子と画素配列の基本構造を示す図である。（ａ）は、実施の形態２における分布屈折率レンズの上面図を示す図である。（ｂ）は、実施の形態２における分布屈折率レンズの屈折率分布を示す図である。実施の形態２における分布屈折率レンズの光伝播の様子を示す図である。実施の形態３における集光素子と画素配列の基本構造を示す図である。（ａ）は、実施の形態４および５における画素配列の基本構造を示す図である。（ｂ）は、実施の形態４および５における画素配列の基本構造を示す図である。（ａ）は、実施の形態６における分布屈折率レンズの断面構造の一例を示す図である。（ｂ）は、実施の形態６における分布屈折率レンズの断面構造の一例を示す図である。実施の形態７における集光素子の断面構造を示す図である。実施の形態８における密着型固体撮像装置の断面構造を示す図である。従来の集光素子と画素配列の基本構造を示す図である。従来のロッドレンズ内の光伝播を示す図である。（ａ）は、従来の実施の形態におけるロッドレンズの構造を示す図である。（ｂ）は、従来の実施の形態におけるロッドレンズの屈折率分布を示す図である。従来の画素の基本構造を示す図である。

符号の説明

１光源光
２入射光（信号光）
３被写体（原稿、写真）
４保護ガラス
５集光素子
５ａ、５ｂ分布屈折率レンズ
６出射光
７受光素子
８半導体集積回路
９発光ダイオード
１０実装パッケージ
１１画素中心
１２ＳiＯ₂（Ｎ＝１．４５）
１３ＳiＮ（Ｎ＝２．０）
１４ λ／２ｎ
１５Ｏ型レンズ（２段構造）
１６凸型レンズ（２段構造）
１７Ｏ型レンズ（連続Ｎ分布）
１８凸型レンズ（連続Ｎ分布）
１９レジスト
２０ＳiＮ膜
２１ＳiＯ₂基板
２２光リソグラフィ
２３エッチング
２４バーク
２５分布屈折率レンズ
２６分布屈折率レンズ
２７集光素子
２８入射側レンズ群
２９出射側レンズ群
３０短波長用レンズ
３１長波長用レンズ
３２長焦点距離用レンズ
３３短焦点距離用レンズ
３４０次回折光（分布屈折率レンズ）
３５１次回折光（分布屈折率レンズ）
３６０次回折光（厚さ分布レンズ）
３７１次回折光（厚さ分布レンズ）
３８入射側結像系
３９光ファイバ（光導波路）
４０出射側結像系
４１ロッドレンズ
４２入射光
４３入射光
１００密着型固体撮像装置
１０２拡散反射光
１０３被写体
１０４保護ガラス
１０６出射光
１０７受光素子
１０８半導体集積回路
１０９発光ダイオード
１１０実装パッケージ
１１２屈折率分布型ロッドレンズ
１０００密着型固体撮像装置

Claims

集光素子と受光素子とを備える密着型固体撮像装置であって、
前記集光素子は、部分的に形成された光透過膜によって生じる実効屈折率分布を備え、前記実効屈折率分布が異なる少なくとも２種類の光透過膜が、入射光の伝播方向に対して直列に近軸結像配置されており、
前記集光素子は、さらに、入射光の波長と同程度かそれより短い線幅で分割された同心構造の複数のゾーン領域の組み合わせによって構成されている
ことを特徴とする密着型固体撮像装置。
前記複数のゾーン領域のうち少なくとも一のゾーン領域は、第１線幅および第１膜厚の前記同心構造の下段透過膜と、当該下段光透過膜の上位に構成される第２線幅および第２膜厚の前記同心構造の上段光透過膜とを含む
ことを特徴とする請求項１記載の密着型固体撮像装置。
前記集光素子における前記実効屈折率分布は、光軸に対して非対称である
ことを特徴とする請求項１記載の密着型固体撮像装置。
前記密着型固体撮像装置は、さらに、複数の前記集光素子を備え、
前記複数の集光素子を透過した入射光を一の受光素子に伝播させる
ことを特徴とする請求項１記載の密着型固体撮像装置。
集光素子と受光素子とを備える密着型固体撮像装置であって、
前記集光素子は、部分的に形成された光透過膜によって生じる実効屈折率分布を備え、前記実効屈折率分布が異なる少なくとも２種類の光透過膜が、入射光の伝播方向に対して直列に近軸結像配置されており、
近軸結像配置された前記２種類の光透過膜のうち、少なくとも一の光透過膜は、他の光透過膜の色収差とは異なる色収差を有する
ことを特徴とする密着型固体撮像装置。
集光素子と受光素子とを備える密着型固体撮像装置であって、
前記集光素子は、部分的に形成された光透過膜によって生じる実効屈折率分布を備え、前記実効屈折率分布が異なる少なくとも２種類の光透過膜が、入射光の伝播方向に対して直列に近軸結像配置されており、
近軸結像配置された前記２種類の光透過膜のうち、少なくとも一の光透過膜は、他の光透過膜の焦点距離とは異なる焦点距離を有する
ことを特徴とする密着型固体撮像装置。
前記集光素子は、回折によって集光する第１集光手段と、屈折によって集光する第２集光手段とを備える
ことを特徴とする請求項１記載の密着型固体撮像装置。
前記集光素子は、受光素子を備える半導体集積回路上にモノリシックに形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の密着型固体撮像装置。
前記光透過膜は、屈折率の高低差によって生じる、光閉じ込め効果を備えた光導波路構造を有する
ことを特徴とする請求項１記載の密着型固体撮像装置。
前記光透過膜の一部または全体は、その断面が曲率を有する凸構造で構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の密着型固体撮像装置。
集光素子が２次元または１次元で配列されている集光装置であって、
前記集光素子は、部分的に形成された光透過膜によって生じる実効屈折率分布を備え、前記実効屈折率分布が異なる少なくとも２種類の光透過膜が、入射光の伝播方向に対して直列に近軸結像配置されており、
前記集光素子は、さらに、入射光の波長と同程度かそれより短い線幅で分割された同心構造の複数のゾーン領域の組み合わせによって構成されている
ことを特徴とする集光装置。
前記複数のゾーン領域のうち少なくとも一のゾーン領域は、第１線幅および第１膜厚の前記同心構造の下段透過膜と、当該下段光透過膜の上位に構成される第２線幅および第２膜厚の前記同心構造の上段光透過膜とを含む
ことを特徴とする請求項１１記載の集光装置。
前記集光素子における前記実効屈折率分布は、光軸に対して非対称である
ことを特徴とする請求項１１記載の集光装置。
集光素子が２次元または１次元で配列されている集光装置であって、
前記集光素子は、部分的に形成された光透過膜によって生じる実効屈折率分布を備え、前記実効屈折率分布が異なる少なくとも２種類の光透過膜が、入射光の伝播方向に対して直列に近軸結像配置されており、
近軸結像配置された前記２種類の光透過膜のうち、少なくとも一の光透過膜は、他の光透過膜の色収差とは異なる色収差を有する
ことを特徴とする集光装置。
集光素子が２次元または１次元で配列されている集光装置であって、
前記集光素子は、部分的に形成された光透過膜によって生じる実効屈折率分布を備え、前記実効屈折率分布が異なる少なくとも２種類の光透過膜が、入射光の伝播方向に対して直列に近軸結像配置されており、
近軸結像配置された前記２種類の光透過膜のうち、少なくとも一の光透過膜は、他の光透過膜の焦点距離とは異なる焦点距離を有する
ことを特徴とする集光装置。
前記集光素子は、回折によって集光する第１集光手段と、屈折によって集光する第２集光手段とを備える
ことを特徴とする請求項１１記載の集光装置。
前記光透過膜の一部または全体は、その断面が曲率を有する凸構造で構成されている
ことを特徴とする請求項１１記載の集光装置。