JP4954391B2

JP4954391B2 - 撮像装置

Info

Publication number: JP4954391B2
Application number: JP2001205249A
Authority: JP
Inventors: 武雄菅原; 好夫夏目
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2001-07-05
Filing date: 2001-07-05
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2021-07-05
Also published as: JP2003021732A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は撮像装置に関し、より詳細には指紋などのように測定対象物の表面に存在する凹凸パターンを検出するための撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
かかる撮像装置として、例えば特開平７−１７４９４７号公報（以下、文献１という）には、複数の光ファイバを一体化してなるファイバ光学プレートと、ＣＣＤ（電荷結合素子）イメージセンサなどの固体撮像素子とを接合してなる指紋検出装置が開示されている。しかしながら、文献１に開示の撮像装置では、光ファイバの光軸に対して出射面が傾斜しているため、入斜面に接触した指を通じて指紋の像がプレート内へ入射されたとしても、出射面において光が反射されて出射面から出射される光量が非常に小さく、検出すべき指紋の像は暗くなってしまうという問題があった。
【０００３】
そこで、特開平９−２８８２２３号公報（以下、文献２という）には、第１のファイバ光学プレートと、その第１のファイバ光学プレートよりも傾斜角が大きい第２のファイバ光学プレートとを接合し、これをＣＣＤイメージセンサなどの固体撮像素子と接合してなる指紋検出装置が開示されている。この指紋検出装置では、第１の光学プレートから第２の光学プレートへ光が入射し易く、また第２のファイバ光学プレートの出射面から出射する光の出射角度が広くなるため、出射される光量が大きくなって、検出すべき指紋の像が明るくなり、撮像特性が向上する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した文献２に開示の撮像装置では、２枚のファイバ光学プレートを接合するに際して高度の位置合わせを必要とし、製造が容易ではなかった。
【０００５】
そこで本発明は、製造作業の簡略化を図ることが可能な構造を有すると共に、撮像特性に優れた撮像装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る撮像装置は、（１）半導体基板の主面上に２次元状に配列形成された光電変換部を有する固体撮像素子と、（２）コアとコアの外周を覆うクラッドとを有する光ファイバを複数束ねて形成されており、光ファイバの光軸に対して傾斜する入射面及び出射面を有するファイバ光学プレートと、（３）固体撮像素子とファイバ光学プレートの出射面との間に設けられた光拡散部材と、を備え、固体撮像素子は、ファイバ光学プレートの出射面から出射された光を、光拡散部材を介して受光することを特徴とする。ここで本明細書において「光拡散部材」とは、単体あるいは混合物として、光の直進をランダムに妨げながら、光を最終的に透過させる作用を有する部材を指す。
【０００７】
この撮像装置では、ファイバ光学プレートを伝搬した光は出射面における反射が抑制されて光拡散部材に入射され、光拡散部材の光拡散作用により直進をランダムに妨げられながら最終的に透過されて、固体撮像素子に受光される。このように、光拡散部材により拡散されてより多くの光が固体撮像素子に受光されるため、より鮮明な画像を得ることが可能となり、撮像特性の向上が図られる。また、この撮像装置では固体撮像素子とファイバ光学プレートの出射面との間に光拡散部材を設けるだけであるため、２枚のファイバ光学プレートを用いる場合のような精密な位置合わせが不要となり、製造作業の簡略化が図られる。
【０００８】
本発明に係る撮像装置では、光拡散部材は、バインダ樹脂中に粉体を分散してなることを特徴としてもよい。このようにすれば、バインダ樹脂中に分散された粉体によりファイバ光学プレートの出射面から出射された光が拡散される。
【０００９】
また本発明に係る撮像装置では、バインダ樹脂は接着機能を有することを特徴としてもよい。このようにすれば、光拡散部材とファイバ光学プレートとを直接接合することが可能となり、製造作業の一層の簡略化が図られる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明に係る撮像装置の好適な一実施形態について説明する。なお、図面において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１１】
図１は、本実施形態に係る撮像装置の構成を示す図である。図１に示すように、指紋検出装置などとして用いられる本実施形態に係る撮像装置１０は、固体撮像素子２０とファイバ光学プレート３０と光拡散部材４０とを備える。
【００１２】
固体撮像素子２０は、半導体基板の主面上に２次元状に配列形成された光電変換部を有する。かかる固体撮像素子２０としては、ＣＣＤイメージセンサやＣMＯＳイメージセンサなどが挙げられる。本実施形態では、固体撮像素子２０としてインターライン転送方式ＣＣＤイメージセンサ（ＩＴＣＣＤ）について説明する。
【００１３】
固体撮像素子２０としてのＩＴＣＣＤでは、Ｎ型半導体基板の主面に形成されたＰ型ウェル２１内に、光電変換部２２が２次元状に配列形成されている。光電変換部２２それぞれの間には、該光電変換部２２に蓄積された信号電荷を垂直方向及び水平方向に転送する垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤ（図示しない）が形成されており、その上部には遮光膜２３が設けられている。これにより、遮光膜２３の間を通って光電変換部２２で受光され光は、光電変換されて信号電荷として蓄積される。そして、この信号電荷が垂直ＣＣＤ及び水平ＣＣＤにより転送され、図示しない出力部から画像処理系に向けて出力される。
【００１４】
ファイバ光学プレート３０は、光ファイバ３１を複数束ねて形成されている。このファイバ光学プレート３０は、光ファイバ３１の光軸に対して平行でなく、かつ垂直でない所定の傾斜角θで傾斜する入射面３２及び出射面３３を有し、これら入斜面３２及び出射面３３は互いに平行に対面している。このファイバ光学プレート３０を構成する光ファイバ３１は、コア３４とコア３４の外周を覆うクラッド３５とを有し、クラッド３５の屈折率に対してコア３４の屈折率が大きくなるように設定され、コア３４に沿って光が伝搬できるようになっている。更に、それぞれの光ファイバ３１の間には吸収体３６が設けられており、光ファイバ３１に入射した光がクラッド３５の外部へ進行すると吸収体３６により吸収されて消滅し、隣接する光ファイバ３１へ導光されないようになっている。
【００１５】
ここで傾斜角θは、空気中から光ファイバ３１のコア３４に入射した光がクラッド３５との境界面において全反射を生じないような角度に設定されていると好ましい。例えば、図２に示すように、入斜面３２とほぼ平行となる向きから光ファイバ３１内へ光が入射するときの光ファイバ３１内における屈折角をβ、その光がコア３４、クラッド３５の境界面で全反射を繰り返して進行するときの境界面への臨界入射角をα、空気の屈折率をｎ₀、コア３４の屈折率をｎ₁、クラッド３５の屈折率をｎ₂とすると、次に示す式（１）、（２）を満たすα、βを式（３）に代入することにより、設定すべき傾斜角θの角度が求められる。
【００１６】
ｎ₁ｓｉｎβ＝ｎ₀ｓｉｎ９０° （入射角９０°の条件） … （１）
ｎ₁ｓｉｎα＝ｎ₂ｓｉｎ９０° （全反射の条件） … （２）
θ+（９０°+β）+（９０°−α）＝１８０° … （３）
ｎ₀＝１、ｎ₁＝１．５６、ｎ₂＝１．５２とすると、これらの式（１）、（２）、（３）により、傾斜角θ＝３７°が算出される。このため、傾斜角θを３７°より小さい角度に設定することにより、空気中からファイバ光学プレート３０の光ファイバ３１に光が入射されても、その光ファイバ３１内で伝搬されないようになる。つまり、このように傾斜角θを設定すれば、空気中からファイバ光学プレート３０へ入射した光がファイバ光学プレート３０から出射されることなく、入斜面３２に接触した物を通じてファイバ光学プレート３０へ入射された光のみが出射面３３から出射されることとなり、撮像特性が向上する。
【００１７】
光拡散部材４０は、固体撮像素子２０とファイバ光学プレート３０の出射面３３との間に設けられている。この光拡散部材４０は、バインダ樹脂４１中に粉体４２を分散してなる。バインダ樹脂４１としては、アクリル樹脂、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂などの透光性を有する樹脂を用いることができる。粉体４２としては、ＴｉＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅、ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＺｒＯ₂、Ｌａ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃などの金属酸化物類、ＣａＣＯ₃、ＢａＣＯ₃、ＰｂＣＯ₃などの炭酸塩類、ＢａＳＯ₄、ＣａＳＯ₄などの硫酸塩類、Ａｌ（ＯＨ）₃、Ｐｂ（ＯＨ）₂などの水酸化物類、その他ＣａＦ₂、ＢＮや、Ｐ−２０、Ｐ−４７などの蛍光体を用いることができる。
【００１８】
これら粉体４２の大きさとしては、平均粒径で３μｍ〜１５μｍ程度であると好ましい。また光拡散部材４０の全体における粉体４２の含有割合は、２０体積％〜８０体積％程度であると好ましい。
【００１９】
ここで、上記したバインダ樹脂４１は接着機能を有していると好ましい。このようにすれば、ファイバ光学プレート３０及び固体撮像素子２０と光拡散部材４０とを直接接合することが可能となり、撮像装置１０の製造作業の簡略化を図ることが可能となる。
【００２０】
かかる撮像装置１０の製造方法の一例について説明する。まず、上記した構成の固体撮像素子２０と、ファイバ光学プレート３０と、バインダ樹脂４１としての接着剤と、粉体４２を準備する。接着剤は、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂などを用いることができる。なお、バインダ樹脂４１としての接着剤と粉体４２とは屈折率差が大きいと好ましい。典型的な屈折率としては、バインダ樹脂４１としての接着剤の屈折率が１．４〜１．７程度であり、ＴｉＯ₂の屈折率が２．５２程度である。また、粉体４２は反射率が大きいと好ましい。典型的な反射率として、ＴｉＯ₂の波長５００μｍにおける反射率は９４〜９５％程度である。
【００２１】
次に、バインダ樹脂４１としての接着剤に粉体４２を分散させ、この粉体４２が分散された接着剤をファイバ光学プレート３０の出射面３３に塗布する。塗布する厚みは、５μｍ〜５０μｍ程度であると好ましい。そして、粉体４２が分散された接着剤が出射面３３に塗布されたファイバ光学プレート３０を固体撮像素子２０の上面に接合する。
【００２２】
次に、本実施形態に係る撮像装置１０の作用及び効果について説明する。
【００２３】
まず、ファイバ光学プレート３０の入斜面３２に接触した接触部（例えば、指紋隆線部）を通じて各光ファイバ３１へ入射された光は、コア３４内を伝搬して出射面３３に至る。ファイバ光学プレート３０の出射面３３に至った光は、出射面３３における反射が抑制されて光拡散部材４０に入射される。そして、光拡散部材４０に入射した光は光拡散されて直進をランダムに妨げられながら最終的に透過され、固体撮像素子２０に受光される。
【００２４】
このように本実施形態に係る撮像装置１０では、光拡散部材４０により出射特性が向上されて出射面３３における光の反射が抑制されると共に、光拡散部材４０に入射した光が拡散され、光拡散部材４０がいわばスクリーンの機能を果たし、より多くの光が固体撮像素子２０に受光される。よって、非常に明るくコントラスの良い鮮明な画像を得ることができ、撮像特性の向上を図ることが可能となる。
【００２５】
また、この撮像装置１０では固体撮像素子２０とファイバ光学プレート３０の出射面３３との間に光拡散部材４０を設けるだけであるため、２枚のファイバ光学プレートを用いる場合のような精密な位置合わせが不要となり、製造作業の簡略化を図ることが可能となる。特に、光拡散部材４０のバインダ樹脂４１を接着剤により構成した場合は、ファイバ光学プレート３０及び固体撮像素子２０と光拡散部材４０とを直接接合することが可能となり、撮像装置１０の製造作業のより一層の簡略化を図ることが可能となる。
【００２６】
また、この撮像装置１０では極めて高価なファイバ光学プレートの使用枚数を減らすことができるため、製造コストの低減を図ることが可能となる。さらに、ファイバ光学プレートを２枚用いる場合と比べて薄く形成することが可能であるため、撮像装置１０の小型化を図ることが可能となる。
【００２７】
なお、本発明に係る撮像装置は上記した実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。
【００２８】
例えば、上記した撮像装置１０では光拡散部材４０はバインダ樹脂４１中に粉体４２を分散して構成されていたが、光拡散部材４０はパラフィン紙、硫酸紙などの紙、セルロースアセテート、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などのメンブランフィルター、アクリル、ポリエステル、ＰＴＦＥなどの乳白シート等のシート状物であってもよい。この場合、これら光拡散部材４０としてのシート状物は、接着剤を介してファイバ光学プレート３０と固体撮像素子２０との間に接合すると好ましい。あるいは、これら光拡散部材４０としてのシート状物を接着剤を介して固体撮像素子２０に接合する一方、出射面３３がシート状物に当接した状態でファイバ光学プレート３０を固体撮像素子２０の縁部などに固定してもよい。
【００２９】
また、光拡散部材４０はファイバ光学プレート３０の出射面３３、あるいは固体撮像素子２０の上面にＡｌ、Ｔｉ、Ｚｒなどの金属を酸化蒸着してなる乳白色の蒸着膜であってもよい。また、光拡散部材４０は液晶スペーサなどに用いられるマイクロビーズやマイクロロッドなどをアクリル樹脂中に分散してなるものであってもよい。また、光拡散部材４０はＴｉＯ２などの顔料をアクリル樹脂などの溶け込んでいる溶媒と混ぜたものを、ファイバ光学プレート３０の出射面３３、あるいは固体撮像素子２０の上面にスクリーン印刷やスプレイ印刷して形成したものであってもよい。
【００３０】
【発明の効果】
本発明に係る撮像装置では、ファイバ光学プレートを伝搬した光は出射面における反射が抑制されて光拡散部材に入射され易く、また光拡散部材に入射した光は拡散されてより多くの光が固体撮像素子に受光されるため、より鮮明な画像を得ることが可能となり、撮像特性の向上を図ることが可能となる。また本発明に係る撮像装置では、固体撮像素子とファイバ光学プレートの出射面との間に光拡散部材を設けるだけであるため、２枚のファイバ光学プレートを用いる場合のような精密な位置合わせが不要となり、製造作業の簡略化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る撮像装置の構成を示す図である。
【図２】ファイバ光学プレートの傾斜角を説明するための図である。
【符号の説明】
１０…撮像装置、２０…固体撮像素子、２２…光電変換部、３０…ファイバ光学プレート、３１…光ファイバ、３２…入斜面、３３…出射面、３４…コア、３５…クラッド、４０…光拡散部材、４１…バインダ樹脂、４２…粉体。

Claims

半導体基板の主面上に２次元状に配列形成された光電変換部を有する固体撮像素子と、
コアと該コアの外周を覆うクラッドとを有する光ファイバを複数束ねて形成されており、該光ファイバの光軸に対して傾斜する入射面及び出射面を有するファイバ光学プレートと、
前記固体撮像素子と前記ファイバ光学プレートの前記出射面との間に設けられた光拡散部材と、
を備え、
前記固体撮像素子は、前記ファイバ光学プレートの前記出射面から出射された光を、前記光拡散部材を介して受光することを特徴とする撮像装置。
前記光拡散部材は、バインダ樹脂中に粉体を分散してなることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記バインダ樹脂は接着機能を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の撮像装置。