JP4348062B2 - Solid-state imaging device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンパクトで、かつ広画角,高解像なカメラモジュールを小形の携帯端末などに内蔵させることができる固体撮像装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の撮像装置は、撮像素子センサ上に多数の画素が離散的に配置され、各画素に対し遮光板を入れて他の方向からの光をカットするともに開口部を設け、さらに光を各画素に集光させるためにマイクロレンズを各画素ごとに設けているのが一般的な構成である。
図7は、従来の撮像装置の一般的な構成を説明するための図で、撮像装置の一部分を拡大して示した断面図である。図8は、図7における固体撮像装置の画素位置に対する光出力の関係を示すグラフである。
撮像部の画素であるフォトダイオード35の上に、開口部を形成する遮光膜36が設けられ、その上にカラーフィルタ37が配置されている。さらに、その上面にフォトダイオード35対応のマイクロレンズ38が接合されている。入射光39の最大入射角度は遮光膜36による開口部で制限されている。
【0003】
上記構成は、各画素に効率良く、光を入射するものであるが、実際は周辺部分の画素への光量は開口があるため図8に示すように極端に減少する。すなわち、テーキングレンズの周辺でのコサイン4乗則による光量の減少があることと、開口部でのケラレが発生するため、シェーデングが大きくなってしまう。そのため、テーキングレンズのテレセントリック性を良好にしてできるだけ平行に光が入射するようにして、ディジタルカメラや携帯電話などでの使用を可能にしているのが現状である。
【0004】
携帯端末に取り付けるカメラにおいては、従来の固体撮像装置ではシェーディングの規制が大きく、上述のようにレンズ構成が制限され、レンズおよび固体撮像装置で構成されるカメラモジュールを小形化することは困難である。したがって、小型化が押し進められている携帯端末などにに高解像のカメラを内蔵させることは困難が付きまとう。
【0005】
そこで、上記問題を解決する撮像装置として種々の提案がなされている。
その提案の1(特開2002−170944号公報)は、レンズから入射する主光線角度が周辺になればなるほど大きくなるが、周辺の画素をずらし、周辺になるほど大きくなるよう設定している。そして遮光層はマイクロレンズの光をさえぎらないようにレイアウトするものである。
提案の2(特開2002−237404号公報)は、上記と同様、中心より外側になる受光部を外側にずらすものである。
提案の3(特開2001−160973号公報)は、マイクロレンズおよび受光部を適正な量だけずらすことを示すものである。
【特許文献1】
特開2002−170944号公報
【特許文献2】
特開2002−237404号公報
【特許文献3】
特開2001−160973号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
図9は上記提案1の具体的構成を説明するための図である。
周辺付近のフォトダイオード領域34は主軸光線の傾きに対応して、その配置位置をずらして設けられている。同様に遮光層31による開口部30もずらしている。このような構成によって、周辺部でのシェーディングを抑制するものである。
しかしながらこの例を含めて上記提案は一定の小形化を実現できるが、いずれも一層の小形化は困難である。特に上述したように携帯端末などにおける一層の小形化の要請に応えることは難しい。
【0007】
また、上述した従来の撮像装置では、実用化のためのシェーディングを所要値以下に抑えるために、図9の入射角度(θ)を所定の角度以下、例えば20度以下にしている。
そこで、テーキングレンズの主光線入射角度を所定の角度以上にできる撮像装置の実現が要請されている。
主光線入射角度を大きくとることができないことは、上述したようにカメラモジュールの小形化に困難を伴うとともに主光線の入射角度が大きい場合には十分な集光率を得ることができないからである。さらに光学系の小形化(全長小)および広画角の光学系を設置することは困難となるからである。
本発明の目的は、従来の撮像装置に比較し、主光線入射角度を大きくすることができ、これにより光学系を設けたカメラモジュールの小形化(全長が小)や広い画角の光学系の設置を可能にした固体撮像装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明による撮像装置は、以下のように構成される。すなわち請求項1によれば、複数の画素が並設してなる撮像部と、前記各画素の上に遮光膜によって形成される開口部と、前記撮像部の上に設けられた第1のレンズと、前記第1のレンズの上に各画素に対応して設けられた第2のレンズと、を有し前記第1のレンズは主光線と前記第2のレンズによる集光中心とを近づける曲率を持つことを特徴とする。
請求項2によれば、前記開口部の中心と前記開口部に対応する第2のレンズの中心とのずれが、前記撮像部の中心部から周辺部に行くほど、大きくなることを特徴とする。
請求項3によれば、前記画素は、前記撮像部の中心部から周辺部に行くほど前記第2のレンズに近づくように階段形状で配列することを特徴とする。
請求項4によれば、前記開口部の、中心と前記開口部に対応する第2のレンズの中心とが略一致するように配列することを特徴とする。
請求項5によれば、前記開口部は、前記撮像部の中心部から周辺部に行くほど大きくなるように構成することを特徴とする。
請求項6によれば、前記第1のレンズは樹脂材料で形成され、物体側に凹面を向けることを特徴とする。
【0009】
【作用】
上記構成によれば、撮像装置に対する周辺の主光線入射角度が大きくても、撮像領域周辺部の光量の低減を抑止することができる。また、撮像装置に対する周辺の主光線入射角度を大きくすることによって光学全長を短くでき、設計の自由度を増すことができる。この撮像装置に光学系を配置することにより、小形の光学モジュールを構成することができる。さらに広画角の光学系を構成できる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳しく説明する。
図1は、本発明による固体撮像装置の実施の形態を示す断面図、図2は図1の詳細を示す部分図である。
図1(a)は、固体撮像装置の撮像部の各画素(フォトダイオード)および各マイクロレンズを少ない個数で形状を誇張して表現したもので、実際のものよりは少ない画素数で構成されている。
撮像部1は多数の画素1a〜1jが隣合わせで並べて配置されている。撮像部1の平面形状は、例えば方形状である。撮像部1の上には遮光膜16による開口部が形成され、さらにその上にカラーフィルタ5が配置されている。カラーフィルタ5の上には樹脂レンズ2が接合されている。樹脂レンズ2は、主光線とマイクロレンズによる集光中心を近づけるような曲率で形成されており、周辺部の画素への集光効率を高めている。
【0011】
さらに樹脂レンズ2の上に各画素対応にマイクロレンズ3a〜3jが接合されている。
例えば、マイクロレンズ3eが中心位置であるとすると、マイクロレンズ3eの中心とそれに対応する画素1eの開口中心を一致させている。しかしながら、中心から外側に配置されている画素1a〜1d,1f〜1jの開口中心は対応するマイクロレンズ3a〜3d,3f〜3jの中心に対し外側にずれている(図1(b))。そして周辺方向になるほど画素のずらし量を大きくしている。これにより周辺部の画素へのマイクロレンズで集光された光の入射量を増大させている。
【0012】
図1(c)に撮像部1の画素が周辺付近になるほど対応のマイクロレンズに近づくような階段形状の撮像部の実施の形態を示す。この実施の形態では、周辺方向になるほど画素を外側にずらすという構成に加えて、撮像部1を階段形状に構成するものである。また、周辺方向になるほど画素を外側にずらすという構成を加えることなく、撮像部1を階段形状に構成することも可能である。この構成を加えることによってもさらに周辺部の画素への入射光量を増大させることができる。
【0013】
さらに図1dに撮像部1の各画素の開口中心と、対応するマイクロレンズの中心とを略一致させた実施の形態を示す。この実施の形態の場合には、周辺方向になるほど画素を外側にずらすという構成は採用しないで、樹脂レンズ2の上のマイクロレンズの中心と、これに対応する各画素の開口中心とをすべて略一致させるように構成することによって、周辺部の画素への光量を増加させている。
したがって、上記実施の形態では、主光線入射角が所定角より大きくなってもシェーディングを低減化でき、主光線入射角度が大きい、例えば20度〜35度の入射角の主光線でも所要の性能の固体撮像装置の実現が可能である。なお、主光線入射角度35度以上でも対応できる場合がある。
以上の実施の形態について樹脂レンズを用いているのは、製造が容易であるからであり、レンズの材質は他のものを用いても良い。例えば、硝材などである。
【0014】
図3は、周辺部の画素ほど開口部を大きくする構成を示す図である。中心の画素と両隣の画素付近の構成の拡大図で、図3も図1(a)と同様に固体撮像装置の撮像部の各画素および各マイクロレンズを形状を誇張して表現したものである。
撮像部の各画素であるフォトダイオード領域11a〜11cに対し、その上に遮光層12a−1,12a−2,12b−1,12b−2,12c−1,12c−2が配置されて各フォトダイオード領域11a〜11cに対し開口部15a〜15cが形成されている。さらにその上に各フォトダイオード領域11a〜11cに対応するマイクロレンズ13a〜13cが接合されている。
中心の開口部15aに対し、両隣の開口部15b,15cの開口面積を大きくし、フォトダイオード領域が周辺位置になるほど開口面積をより大きくすることにより光シェーディングを低減化している。
周辺部の画素ほど受光面を大きくするという構成は、本実施の形態に加えることが可能である。
【0015】
図4は、固体撮像装置の画素位置に対する光出力の理想的な関係を示すグラフ、図5は、固体撮像装置の画素位置に対する光出力の関係について本発明を適用したときのグラフである。
理想的には図4に示すように中央の画素と周辺部の画素への光出力(出力電圧)は同じであることが要請されるが、従来の構成では図8に示すような特性となり、周辺部になるほど、出力電圧は落ち、シェーディングが大きくなる。
しかしながら、本発明を適用すると、図5に示すように周辺部への光出力は図8に比較し大きくすることができる。
【0016】
以下に具体的な数値例を示す。
マイクロレンズを受光面に形成した場合の集光率は以下の通りである。
主光線角度(°) 0 10 20 30 40
受光面の集光率(%) 55 30 40 19 8
上記数値に対し、樹脂レンズで補正した場合の集光率は、
主光線角度(°) 0 10 20 30 40
受光面の集光率(%) 60 50 45 35 25
【0017】
主光線角度が0〜40°まで変化する場合の集光率を比較したもので、樹脂レンズで補正した場合、大きな主光線角度に対し、本発明の構成を適用していない場合に比較し、大きな集光率の数値が示されている。さらに樹脂レンズの形成よりはマイクロレンズをフレネル形状にした方が集光率が高いことが理解できる。
【0018】
図6は、本発明による固体撮像装置に光学系を配置した装置例を示す図である。
カメラモジュールは、本発明による固体撮像装置22と、その上にテーキングレンズを配置して構成される。この例のテーキングレンズは固体撮像装置22側に凹レンズ21を、その背後に凸レンズ20を配置したものである。
撮像装置を小形化するためにはテレフォト型の方が有利であり、また、絞りに対し対称な構成にした方が収差補正に対し有利である。したがって、主光線の入射角度を大きくとってもシェーディングを低減化できる本発明による固定撮像装置に用いれば、カメラモジュールの一層の小形化を図ることができる。
【0019】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、撮像装置とレンズ系からなるカメラモジュールを小形化することができる。したがって、該カメラモジュールを携帯端末に用いれば、カメラを内蔵させる携帯端末の小形化を図ることができる。また、撮像部の画素へ入射する主光線角度が大きい光学系を用いることができ、シェーディングも低減できる。
さらに広画角の光学系を固体撮像装置に形成することができる。
本発明による固体撮像装置と固体撮像装置上に配置される光学系よりなるカメラモジュールは携帯端末に限らず、小形化を要求される機器、例えばディジタルカメラ,車載カメラ,セキュリティカメラなどに広く適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による固体撮像装置の実施の形態を示す断面図である。
【図2】 図1の固体撮像装置の詳細を示す図である。
【図3】 周辺部の画素ほど開口部を大きくする構成を示す断面図である。
【図4】 固体撮像装置の画素位置に対する光出力の理想的な関係を示すグラフである。
【図5】 固体撮像装置の画素位置に対する光出力の関係について本発明を適用したときのグラフである。
【図6】 本発明による固体撮像装置に光学系を配置した装置例を示す図である。
【図7】 従来の撮像装置の一般的な構成を説明するための図である。
【図8】 図7における固体撮像装置の画素位置に対する光出力の関係を示すグラフである。
【図9】 従来の撮像装置の具体的な一例を説明するための図である。
【符号の説明】
1 撮像部
2 樹脂レンズ部
3,13a,13b,13c マイクロレンズ
14a,14b,14c 主光線
5 カラーフィルタ
11a,11b,11c フォトダイオード領域
12a−1,12a─2,12b−1,12b−2,12c−1,12c−2 遮光層
16 遮光膜
20 凸レンズ
21 凹レンズ
22 固体撮像装置
30 開口部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid-state imaging device capable of incorporating a compact, wide-angle, high-resolution camera module in a small portable terminal or the like.
[0002]
[Prior art]
In a conventional imaging device, a large number of pixels are discretely arranged on an image sensor, and a light-shielding plate is inserted into each pixel to cut light from other directions, and an opening is provided. In general, a microlens is provided for each pixel in order to collect light.
FIG. 7 is a diagram for explaining a general configuration of a conventional imaging apparatus, and is a cross-sectional view showing an enlarged part of the imaging apparatus. Figure 8 is a graph showing the relationship between the light output to the pixel position of the solid-state imaging device in FIG.
A light-shielding film 36 that forms an opening is provided on a photodiode 35 that is a pixel of the imaging unit, and a color filter 37 is disposed thereon. Further, a microlens 38 corresponding to the photodiode 35 is bonded to the upper surface thereof. The maximum incident angle of the incident light 39 is limited by the opening formed by the light shielding film 36.
[0003]
In the above configuration, light is efficiently incident on each pixel. Actually, however, the amount of light to the pixels in the peripheral portion is extremely reduced as shown in FIG . That is, there is a reduction in the amount of light due to the cosine fourth power rule around the taking lens, and vignetting occurs at the opening, which increases shading. For this reason, the telecentricity of the taking lens is improved so that light is incident as parallel as possible so that the taking lens can be used in a digital camera or a mobile phone.
[0004]
In a camera attached to a portable terminal, shading restrictions are large in the conventional solid-state imaging device, and the lens configuration is limited as described above, and it is difficult to reduce the size of the camera module including the lens and the solid-state imaging device. . Therefore, it is difficult to incorporate a high-resolution camera in a portable terminal or the like that is being miniaturized.
[0005]
Accordingly, various proposals have been made as imaging devices that solve the above-described problems.
In the proposed 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-170944), the principal ray angle incident from the lens becomes larger as it goes to the periphery, but the surrounding pixels are shifted so as to become larger as it goes to the periphery. The light shielding layer is laid out so as not to block the light of the microlens.
Proposed No. 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-237404) shifts the light receiving portion outside the center to the outside in the same manner as described above.
Proposed 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-160973) shows that the microlens and the light receiving unit are shifted by an appropriate amount.
[Patent Document 1]
JP 2002-170944 A [Patent Document 2]
JP 2002-237404 A [Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-160973
[Problems to be solved by the invention]
FIG. 9 is a diagram for explaining a specific configuration of
The photodiode region 34 in the vicinity of the periphery is provided with its arrangement position shifted corresponding to the inclination of the principal axis light beam. Similarly, the opening 30 by the
However, although this proposal including this example can achieve a certain size reduction, it is difficult to further reduce the size. In particular, as described above, it is difficult to meet the demand for further downsizing of portable terminals and the like.
[0007]
Further, in the above-described conventional imaging apparatus, the incident angle (θ) in FIG. 9 is set to a predetermined angle or less, for example, 20 degrees or less in order to suppress shading for practical use to a required value or less.
Therefore, there is a demand for an imaging apparatus that can make the chief ray incident angle of the taking lens greater than a predetermined angle.
The reason that the chief ray incident angle cannot be made large is that, as described above, it is difficult to reduce the size of the camera module, and when the chief ray incident angle is large, a sufficient light collection rate cannot be obtained. . Furthermore, it is difficult to reduce the size of the optical system (small overall length) and install an optical system with a wide angle of view.
An object of the present invention is to increase the chief ray incident angle as compared with a conventional imaging apparatus, thereby reducing the size (total length is small) of a camera module provided with an optical system and an optical system with a wide angle of view. An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device that can be installed.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an imaging apparatus according to the present invention is configured as follows. In other words, according to the first aspect , an imaging unit in which a plurality of pixels are arranged in parallel , an opening formed by a light-shielding film on each pixel, and a first lens provided on the imaging unit When, that close a condensing center by said first of said first lens is the principal ray and the second lens and a second lens which is provided corresponding to each pixel, on top of the lens characterized as having a curvature.
According to
According to claim 3, wherein the pixel is characterized by arranging at step shape so as to approach the second lens toward the periphery from the center of the imaging unit.
According to claim 4, characterized in that the said opening, and a center of the second lens corresponding to the opening and the center arranged so as to be substantially coincident.
According to claim 5, wherein the opening is characterized by configuring so as to increase toward the periphery from the center of the imaging unit.
According to a sixth aspect of the present invention, the first lens is made of a resin material and has a concave surface directed toward the object side.
[0009]
[Action]
According to the above configuration, even if the peripheral chief ray incident angle with respect to the imaging apparatus is large, it is possible to suppress the reduction in the amount of light at the periphery of the imaging region. Further, by increasing the peripheral chief ray incident angle with respect to the imaging device, the optical total length can be shortened, and the degree of design freedom can be increased. By arranging an optical system in this imaging apparatus, a small optical module can be configured. Furthermore, an optical system with a wide field angle can be configured.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
Figure 1 is a sectional view showing an embodiment of the solid-state image pickup equipment according to the present invention, FIG. 2 is a partial view showing the details of FIG.
FIG. 1A is an exaggerated shape of each pixel (photodiode) and each microlens of the imaging unit of the solid-state imaging device, and is configured with a smaller number of pixels than the actual one. Yes.
In the
[0011]
Further,
For example, assuming that the
[0012]
FIG. 1C shows an embodiment of a staircase-shaped imaging unit that approaches a corresponding microlens as the pixels of the
[0013]
Further, FIG. 1d shows an embodiment in which the aperture center of each pixel of the
Therefore, in the above embodiment, shading can be reduced even if the chief ray incident angle is larger than a predetermined angle, and the chief ray having a large chief ray incident angle, for example, an incident angle of 20 to 35 degrees, has a required performance. A solid-state imaging device can be realized. In some cases, a chief ray incident angle of 35 degrees or more can be handled.
The resin lens is used in the above embodiment because it is easy to manufacture, and other lens materials may be used. For example, a glass material.
[0014]
FIG. 3 is a diagram showing a configuration in which the opening is made larger in the peripheral pixels . An enlarged view of the configuration in the vicinity pixels centered pixel and both neighboring, 3 also FIGS. 1 (a) and which was exaggerated shapes each pixel and each microlens of the imaging section of the same solid state imaging device is there.
With respect to the
Light shading is reduced by increasing the opening area of the
Configuration of increasing the light receiving surface as the pixel of the peripheral portions may be obtained pressurized to the present embodiment.
[0015]
FIG. 4 is a graph showing an ideal relationship of light output with respect to the pixel position of the solid-state imaging device, and FIG. 5 is a graph when the present invention is applied with respect to the relationship of light output with respect to the pixel position of the solid-state imaging device.
Ideally, the optical output (output voltage) to the central pixel and the peripheral pixel is required to be the same as shown in FIG. 4 , but the conventional configuration has the characteristics shown in FIG. The closer to the periphery, the lower the output voltage and the greater the shading.
However, by applying the present invention, the light output to the peripheral portion as shown in FIG. 5 it can be increased compared to FIG.
[0016]
Specific numerical examples are shown below.
The condensing rate when the microlens is formed on the light receiving surface is as follows.
Principal ray angle (°) 0 10 20 30 40
Condensing rate of light receiving surface (%) 55 30 40 19 8
For the above numerical values, the light collection rate when corrected with a resin lens is
Principal ray angle (°) 0 10 20 30 40
Condensing rate of light receiving surface (%) 60 50 45 35 25
[0017]
A comparison of the light collection efficiency when the principal ray angle is changed to 0 to 40 °, when corrected with a resin lens, for large Kinanushi ray angle, if you do not have the configuration of the present invention In comparison, a large condensing rate is shown. Furthermore, it can be understood that the light condensing rate is higher when the microlens is formed into a Fresnel shape than when the resin lens is formed.
[0018]
FIG. 6 is a diagram showing an apparatus example in which an optical system is arranged in the solid-state imaging apparatus according to the present invention.
The camera module is configured by arranging a solid-state imaging device 22 according to the present invention and a taking lens thereon. The taking lens of this example has a concave lens 21 on the solid-state imaging device 22 side and a convex lens 20 behind it.
In order to reduce the size of the image pickup apparatus, the telephoto type is more advantageous, and a symmetric configuration with respect to the stop is more advantageous for aberration correction. Therefore, the camera module can be further miniaturized when used in the fixed imaging apparatus according to the present invention that can reduce shading even when the incident angle of the chief ray is large.
[0019]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to downsize a camera module including an imaging device and a lens system. Therefore, if the camera module is used for a portable terminal, the portable terminal incorporating the camera can be miniaturized. In addition, an optical system having a large chief ray angle incident on the pixels of the imaging unit can be used, and shading can be reduced.
Furthermore, an optical system with a wide field angle can be formed in the solid-state imaging device.
The camera module comprising the solid-state imaging device according to the present invention and the optical system disposed on the solid-state imaging device is not limited to a portable terminal, and can be widely applied to devices that require miniaturization, such as digital cameras, in-vehicle cameras, and security cameras. It is.
[Brief description of the drawings]
1 is a cross-sectional view illustrating a form of implementation of the solid-state imaging device according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating details of the solid-state imaging device of FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration in which the opening is made larger in the peripheral pixels .
FIG. 4 is a graph showing an ideal relationship of light output with respect to a pixel position of a solid-state imaging device.
5 is a graph of the time according to the present invention the relationship between the light output to the pixel position of the solid-state imaging device.
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of an apparatus in which an optical system is arranged in a solid-state imaging apparatus according to the present invention.
FIG. 7 is a diagram for explaining a general configuration of a conventional imaging apparatus.
8 is a graph showing the relationship between the light output to the pixel position of the solid-state imaging device in FIG.
FIG. 9 is a diagram for explaining a specific example of a conventional imaging apparatus.
[Explanation of symbols]
1 imaging unit
2
Claims (6)
前記各画素の上に遮光膜によって形成される開口部と、
前記撮像部の上に設けられた第1のレンズと、
前記第1のレンズの上に各画素に対応して設けられた第2のレンズと、を有し
前記第1のレンズは主光線と前記第2のレンズによる集光中心とを近づける曲率を持つことを特徴とする固体撮像装置。 An imaging unit comprising a plurality of pixels arranged in parallel ;
An opening formed by a light shielding film on each pixel;
A first lens provided on the imaging unit;
A second lens provided corresponding to each pixel on the first lens;
It said first lens is a solid-state image sensor you characterized as having a curvature that close a condensing center by the main ray and the second lens.
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