JP4864326B2 - 固体撮像素子 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像素子に関し、特に、液体マイクロレンズ装置を多数備えた固体撮像素子に関する。

カラー情報を得るための固体撮像素子は、通常、マイクロレンズとカラーフィルタとを含む。しかしながら、固体撮像素子用のマイクロレンズとして、有色マイクロレンズを用いることによりカラーフィルタを使用しない固体撮像素子も開示されている（例えば特許文献１参照）。

一方、焦点距離を調整するために、電圧の印加により液滴の形状を変化させる液体レンズが知られている（例えば特許文献２参照）。
特許第２５６６０８７号公報（図５、６） 特開２００１−１３３０６号公報（段落［００３５］〜［００３９］、図１）

マイクロレンズとカラーフィルタとを有する固体撮像素子は、一般に、カラーフィルタを層状に設けることから、マイクロレンズから光電変換部材までの距離が長くなり、集光率、撮像素子の感度の低下やスミアを発生させ、画質を低下させる場合がある。

また、カラーフィルタを使用せずに有色マイクロレンズを用いる固体撮像素子においては、透過するマイクロレンズの色が異なるために焦点距離が一定でない複数の光を、同一平面上の光電変換部材に集光させる必要がある。このため、マイクロレンズを配置する位置やマイクロレンズの形状を、その色に応じて調整する必要があり、構造の複雑化、及び製造コストの増大を招く。

本発明は、集光率及び感度が良好で、簡易な構造を有するカラー固体撮像素子を実現することを目的とする。

本発明の液体マイクロレンズ装置は、透過性のセルと、セルの中で、透過した光を集光させるための液滴を形成する絶縁性の着色された第１の液体と、第１の液体と分離した状態でセルの内部に充填された、導電性を有する透過性の第２の液体と、セルの外壁面に沿って設けられた電極と、液滴の形状を変化させるために第２の液体と電極との間に電圧を印加する電圧印加手段とを備える。そして、液体マイクロレンズ装置は、電圧印加手段が、液滴を透過した光の焦点距離が第１の液体の色に関わらず所定の大きさになるように、液滴の形状を変化させるための電圧を印加可能であることを特徴とする。

第１の液体は、例えば光の３原色であるレッド、グリーン、ブルーのいずれかの色で着色されている。また、第１の液体は、例えば補色のマゼンダ、グリーン、シアン、イエローのいずれかの色で着色されている。そして第１の液体は、例えば有機溶剤である。

本発明の固体撮像素子は、複数の画素ごとに液体マイクロレンズ装置を備えることを特徴とする。固体撮像素子においては、液滴を透過した光の焦点距離が、第１の液体の色に関わらず一定であることが好ましい。

電圧印加手段は、例えばコンデンサを含む。そしてこの場合、コンデンサは、例えば画素ごとにセルの近傍に配置される。また例えば、複数のコンデンサが互いに近接するように配置される。固体撮像素子は、例えばＣＭＯＳイメージセンサを有する。

本発明によれば、集光率及び感度が良好で、簡易な構造を有するカラー固体撮像素子を実現できる。

以下、本発明の第１の実施形態を、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態における固体撮像素子の画素の構造を概略的に示す側断面図である。図２は、固体撮像素子に含まれるＣＭＯＳイメージセンサを回路記号で示す図である。

固体撮像素子１０は、液体マイクロレンズ装置２０とＣＭＯＳイメージセンサ４０とを含む。液体マイクロレンズ装置２０とＣＭＯＳイメージセンサ４０とは、固体撮像素子１０の多数の画素ごとにそれぞれ設けられている。図１においては、固体撮像素子１０に含まれる１画素分の液体マイクロレンズ装置２０とＣＭＯＳイメージセンサ４０とを示す。

液体マイクロレンズ装置２０には、導電性の上面部材２２と下面部材２４とを含む光透過性のセル２６が設けられている。セル２６の内部には、いずれも光透過性を有する絶縁性液体２８（第１の液体）と導電性液体３０（第２の液体）とが充填されている。そして、絶縁性液体２８が疎水性を有するのに対して導電性液体３０が親水性を有し、両者の極性が大きく異なることから、絶縁性液体２８と導電性液体３０とは混合せずに互いに分離している。

下面部材２４の内壁面２４Ｓは、絶縁性の膜（図示せず）で覆われている。このため絶縁性液体２８は、下面部材２４との親和性が導電性液体３０よりも高い。一方、絶縁性液体２８と、下面部材内壁面２４Ｓの一部を覆う導電性の表面層３２との親和性は、導電性液体３０と表面層３２との親和性よりも低い。以上のことから、絶縁性液体２８は、下面部材２４に沿って液滴を形成する。そして下面部材内壁面２４Ｓのうちで表面層３２に覆われていない領域が円形であることから、絶縁性液体２８の液滴は、底面が円形のドーム状である。また、絶縁性液体２８は、レッド、グリーン、ブルーのいずれかの色に着色されており、液体マイクロレンズ装置２０は、透過した光をＣＭＯＳイメージセンサ４０のフォトダイオード４２に集光させる有色マイクロレンズとして機能する。

下面部材２４の外壁面２４Ｒに沿って電極３４が設けられており、上面部材２２は、それ自身電極として機能する。さらに、電極３４と上面部材２２との間には、外部電源（図示せず）からの電荷を蓄積するためのコンデンサ３６が接続されており、電極３４と導電性液体３０との間に電圧を印加することが可能である。上面部材２２と下面部材２４を介して電極３４と導電性液体３０との間に電圧が印加されると、絶縁性液体２８の形状は、実線の示す電圧が印加されていなかった状態における平らな形状から、破線の示すように、中心部がより盛り上がった山形へと変化する。なお、電極３４の下には、スミアを防止するためのアルミニウム製の遮光層３８が設けられている。

絶縁性液体２８の形状は、実線の示す平らな形状と破線の示す山形の形状との間で、印加される電圧量に応じて変化する。液体マイクロレンズ装置２０においては、このように液滴の形状を変化させることにより、液滴を透過する光の焦点距離を所定の大きさに調整できる。これは、絶縁性液体２８による平らな形状の液滴を透過した光の焦点距離が、同じ絶縁性液体２８の山形の液滴を透過した光の焦点距離よりも長いためである。

ここでは、絶縁性液体２８を始めとする、固体撮像素子１０に設けられた多数の画素のそれぞれに含まれる絶縁性液体の形状は、透過した光の焦点距離が一定になるように定められる。すなわち、絶縁性液体がレッド、グリーン、ブルーのいずれかの色に着色されていて、レッド、グリーン、ブルーの順に同一の液滴を透過した光の焦点距離が長くなることから、原則としてレッド、グリーン、ブルーの順に絶縁性液体の液滴を平らな形状にして、曲率半径を小さくするように、印加される電圧量が設定される。さらに、絶縁性液体の素材によっても透過する光の屈折率が異なることから、印加電圧の量は、絶縁性液体の色、すなわち絶縁性液体を透過する光の波長に加え、付された色ごとに異なる絶縁性液体の素材に応じて絶縁性液体の形状（曲率半径）を変化させて、焦点距離が一定となるように調整される。

このように、絶縁性液体の色、素材に応じて印加される電圧量が調整され、液滴の形状が定められるため、固体撮像素子１０に含まれる全ての画素において、絶縁性液体２８を透過した光の焦点距離は一定である。このため、液体マイクロレンズ装置２０とＣＭＯＳイメージセンサ４０との距離を絶縁性液体の色等に応じて調整することは不要であり、全ての画素において、液体マイクロレンズ装置２０とＣＭＯＳイメージセンサ４０の構造を同一にすることができる。従って、固体撮像素子１０の構造は簡素化される。

ＣＭＯＳイメージセンサ４０は汎用的なものであり、フォトダイオード４２で生じた電気信号は、増幅部４４で増幅されて垂直信号線５０、又は第１及び第２水平信号線５２、５４によって伝送される（図２参照）。なお電気信号は、所定のタイミングでリセット部４６によってリセットされながら伝送され、伝送される信号線は、切換スイッチ４８によって、垂直信号線５０と水平信号線５２、５４との間で切換えられる。なお、コンデンサ３６は、図１及び図２に示すように、固体撮像素子１０の画素ごとに、セル２６の近傍に配置されている。

図３は、レッド、グリーン、ブルーのいずれかに着色された絶縁性液体２８を含む固体撮像素子１０を概略的に示す上面図である。図４は、マゼンダ、グリーン、シアン、イエローのいずれかに着色された絶縁性液体２８を含む固体撮像素子１０を概略的に示す上面図である。

原色フィルタの機能を有する有色マイクロレンズとして液体マイクロレンズ装置２０が用いられる場合、絶縁性液体２８はレッド、グリーン、ブルーのいずれかの色に着色され、例えば図３に示すように、各画素の色配列が定められる。一方、補色フィルタとしての機能をもたせる場合、絶縁性液体２８はマゼンダ、グリーン、シアン、イエローのいずれかの色に着色され、各画素の色配列は、例えば図４に示すように定められる。

絶縁性液体２８が、補色であるマゼンダ、グリーン、シアン、イエローのいずれかに着色される場合においても、光の３原色であるレッド、グリーン、ブルーのいずれかに着色された場合と同様に、各色のマイクロレンズ間で異なる焦点距離特性を考慮して、固体撮像素子１０に含まれる全ての液体マイクロレンズ装置２０において、絶縁性液体を透過する光の焦点距離が一定であるように、電極３４と導電性液体３０との間に印加される電圧量が定められる。

図５は、液体マイクロレンズ装置２０の製造工程を示す図である。

液体マイクロレンズ装置２０は、以下のように製造される。まず、セル２６を構成する部材のうち、上面部材２２と側面部材２３とが、セル２６の外枠の一部であるセル中間体２７を形成するように、接着剤により固定される。そして、導電性液体３０が、セル中間体２７の凹部に注入される。その後、適当な大きさの液滴を形成するための所定量の絶縁性液体２８がセル中間体２７の凹部に注入され、下面部材２４が、絶縁性液体２８及び導電性液体３０を密閉するように、セル中間体２７に取り付けられる（図５参照）。こうしてセル２６が完成すると、電極３４、コンデンサ３６、遮光層３８等が所定の位置に配置され、液体マイクロレンズ装置２０が完成する。

導電性液体３０には、所定の粘性を備えるようにゲル化剤が加えられる。また、絶縁性液体２８としては、例えばフタル酸ジエチル、安息香酸メチル、イソブタン等の有機溶剤が用いられる。そして、絶縁性液体２８を着色する着色剤としては有機系のアゾ顔料等が用いられ、色を安定させるために、絶縁性液体２８にはさらにｐＨ調整剤が加えられる。

以上のように本実施形態によれば、カラーフィルタが不要であって液体マイクロレンズ装置２０からフォトダイオード４２までの距離が短いため、集光率及び感度に優れ、なおかつ、付された色に応じて絶縁性液体２８の液滴の形状を調整可能であることから簡易な構造を有する固体撮像素子１０を実現できる。

図６は、第２の実施形態における固体撮像素子１０のコンデンサ３６の配置を概略的に示す図である。

本実施形態においては、液体マイクロレンズ装置２０に電圧を供給するために設けられる多数のコンデンサ３６が互いに近接するように配置されている点が、第１の実施形態と異なる。このように、固体撮像素子１０の端部等に多数のコンデンサ３６をまとめて配置することにより、固体撮像素子１０の構造をさらに簡素化することが可能である。

いずれの実施形態においても、固体撮像素子１０に設けられるイメージセンサは、コンデンサ３６を用いて電圧を印加する際に適用が容易なＣＭＯＳイメージセンサ４０であることが好ましいが、これには限定されない。例えばイメージセンサは、ＣＣＤイメージセンサであっても良い。

また、いずれの実施形態においても、絶縁性液体２８に代わって導電性液体３０が所定の色に着色されていても良い。さらに、絶縁性液体２８及び導電性液体３０の双方とも所定の色に着色されていても良い。

第１の実施形態における固体撮像素子の画素の構造を概略的に示す側断面図である。 固体撮像素子に含まれるＣＭＯＳイメージセンサを回路記号で示す図である。 レッド、グリーン、ブルーに着色された絶縁性液体を含む固体撮像素子を概略的に示す上面図である。 マゼンダ、グリーン、シアン、イエローに着色された絶縁性液体を含む固体撮像素子を概略的に示す上面図である。 液体マイクロレンズ装置の製造工程を示す図である。 第２の実施形態における固体撮像素子のコンデンサの配置を概略的に示す図である。

符号の説明

１０ 固体撮像素子
２０ 液体マイクロレンズ装置
２６ セル
２８ 絶縁性液体（第１の液体）
３０ 導電性液体（第２の液体）
３４ 電極
３６ コンデンサ（電圧印加手段）
４０ ＣＭＯＳイメージセンサ

Claims (10)

1. 透過性のセルと、
   前記セルの中で、透過した光を集光させるための液滴を形成する絶縁性の着色された第１の液体と、
   前記第１の液体と分離した状態で前記セルの内部に充填された、導電性を有する透過性の第２の液体と、
   前記セルの外壁面に沿って設けられた電極と、
   前記液滴の形状を変化させるために前記第２の液体と前記電極との間に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、
   前記電圧印加手段が、前記液滴を透過した光の焦点距離が前記第１の液体の色に関わらず所定の大きさになるように、前記液滴の形状を変化させるための電圧を印加可能であることを特徴とする液体マイクロレンズ装置。
2. 前記第１の液体が、レッド、グリーン、ブルーのいずれかの色で着色されていることを特徴とする請求項１に記載の液体マイクロレンズ装置。
3. 前記第１の液体が、マゼンダ、グリーン、シアン、イエローのいずれかの色で着色されていることを特徴とする請求項１に記載の液体マイクロレンズ装置。
4. 前記第１の液体が、有機溶剤であることを特徴とする請求項１に記載の液体マイクロレンズ装置。
5. 複数の画素ごとに請求項１に記載の液体マイクロレンズ装置を備えることを特徴とする固体撮像素子。
6. 前記液滴を透過した光の焦点距離が、前記第１の液体の色に関わらず一定であることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像素子。
7. 前記電圧印加手段が、コンデンサを含むことを特徴とする請求項５に記載の固体撮像素子。
8. 前記コンデンサが、前記画素ごとに前記セルの近傍に配置されていることを特徴とする請求項７に記載の固体撮像素子。
9. 複数の前記コンデンサが、互いに近接するように配置されていることを特徴とする請求項７に記載の固体撮像素子。
10. ＣＭＯＳイメージセンサを有することを特徴とする請求項５に記載の固体撮像素子。
    
    

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