JPH05226623A

JPH05226623A - 撮像素子

Info

Publication number: JPH05226623A
Application number: JP4029470A
Authority: JP
Inventors: Kazuji Hyakumura; 百村和司
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1992-02-17
Filing date: 1992-02-17
Publication date: 1993-09-03

Abstract

(57)【要約】【目的】レンズアレイを用いないで、固体撮像素子の
入射光に対する開口率を向上させる。【構成】入射開口部と、入射開口部と光電変換素子と
の間で各々に対向する射出開口部と、入射開口部と射出
開口部とが両端面となるように包囲配設され、内側が反
射面からなる側面部とから構成され、この反射面が、入
射開口部の法線に対して所定の角度以下で入射する入射
光を反射して、反射光が射出開口部から射出して固体撮
像素子の光電変換素子２に入射するような合成放物面か
らなる非結像光学系ミラー４を撮像素子の集光素子とし
て用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、イメージセンサ等の撮
像素子に関し、特に、素子に入射する光の集光効率を高
めた撮像素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体集積技術の進歩に伴い、撮
像管に代わり固体撮像装置が使われている。ここで、固
体撮像装置においては、入射光は表面に形成されている
電極の間隙から光電変換部に照射されるので、開口率が
悪いという欠点がある。特に、ＣＣＤ等の荷電転送素子
を用いた固体撮像素子においては、光電変換素子以外の
垂直、水平転送レジスタ、オーバーフロードレイン等が
遮光されているので、特に開口率が悪い。

【０００３】このような問題を解決するために、光電変
換部の上に各光電変換素子に対応した微小凸レンズを有
するレンズアレイを配することが考えられる。この凸レ
ンズによって遮光部に直進する入射光を光電変換素子上
に集束することにより、開口率を向上することができ
る。

【０００４】しかしながら、通常、各光電変換素子の寸
法はおよそ１０μｍ以下であり、これと同じ精度で凸レ
ンズの球面を成型することは困難である。また、このレ
ンズアレイと光電変換部の相対的な位置合わせが正確に
行われないと、入射光が光電変換素子上でなく遮光領域
上に集束してしまうことも起こる。

【０００５】また、撮影レンズの射出瞳を光電変換素子
に結像することが集光条件として望ましい関係上、レン
ズアレイの焦点距離は、アレイから光電変換面までの距
離に概略等しくとる必要がある。製造プロセス上、この
距離をあまり大きくとることは好ましくないので、短い
焦点距離のレンズアレイが要求される。例えば、素子の
大きさを１０μｍ、素子間隔を２０μｍとした場合、直
径２０μｍの領域をカバーするために、最小の曲率半径
ｒ＝１０μｍの球面（半球レンズ）を用いたとすると、
焦点距離は２２μｍ（透光性基板の屈折率＝１．４６と
仮定）となる。このように、焦点距離を小さくする必要
上から、集光レンズは半球レンズに近い形状のものとな
り、そのため、反射光の増大、収差によるフレヤーが大
きくなり、好ましいものではない。以上はレンズ曲面が
空気接触面となっている場合であるが、透光性基板との
境界面に屈折面を持たせる特公平３−５２６０２号のよ
うな場合には、条件はさらに悪くなる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような問
題に対処すべくなされたものであり、その目的は、固体
撮像素子において、レンズアレイを用いないで、入射光
に対する開口率を向上させるようにすることである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の撮像素子は、入射光を電気信号に変換する光電変換
素子を少なくとも１つ有する撮像素子において、前記光
電変換素子の前方に配設され、入射光が入射する入射開
口部と、該入射開口部と前記光電変換素子との間で各々
に対向する射出開口部と、前記入射開口部と前記射出開
口部とが両端面となるように包囲配設され、内側が反射
面からなる側面部とから構成され、前記反射面が、前記
入射開口部の法線に対して所定の角度以下で入射する入
射光を反射して、反射光が前記射出開口部から射出して
前記光電変換素子に入射するような合成放物面からなる
非結像光学系ミラーを有することを特徴とするものであ
る。

【０００８】この場合、非結像光学系ミラー内部に屈折
率が１．４６以上の透光性部材を充填することが、非結
像光学系ミラーを小さくする上から望ましい。

【０００９】

【作用】本発明においては、入射開口部の法線に対して
所定の角度以下で入射する入射光を反射して、反射光が
射出開口部から射出して光電変換素子に入射するような
合成放物面からなる非結像光学系ミラーを用いているの
で、簡単な構成で開口率が向上した固体撮像装置を得る
ことができる。また、撮像装置は、フレヤーが極めて低
く、フィルターと同時に形成できる等のメリットを有す
る。

【００１０】

【実施例】本発明では、光電変換素子の前に非結像集光
鏡（合成放物面鏡）を配置して、その開口率を高めてい
る。ここで、非結像集光鏡とは、結像作用を持たず、開
口部への入射光を集光して射出部へ導くような鏡をい
う。このような反射鏡は非結像であるため、作成誤差が
あっても集光効率はあまり低下しない特長を有してい
る。

【００１１】以下、図面を参照して、この発明による撮
像素子の１実施例を説明する。図１は、撮像素子の断面
図である。撮像素子は、半導体基板１の表面領域に光電
変換素子２がマトリクス状に形成されている。図１で
は、制御電極、垂直転送レジスタ、水平転送レジスタ、
光電変換素子上の酸化膜等は図示が省略されている。光
電変換素子２、その他の撮像素子としての必要素子の上
に、適当な部材３を用いて合成放物面鏡４が形成されて
おり、各合成放物面鏡４は各光電変換素子２と位置合わ
せされている。光電変換素子２相互は反射鏡４で分離さ
れているので、部材３は透光性のものであっても遮光性
のものであってもよい。合成放物面鏡４の反射面は、ア
ルミニウム、その他の適当な金属で反射作用を持たせ、
さらに、その内部は屈折率１．４６以上の透光性部材
５、６、７等で充填されている。透光性部材５、６、７
等は、赤、青、緑それぞれの色素を混入し、フィルタの
作用を持たせてもよい。透光性部材５、６、７等の空気
接触面８は、必要に応じて反射防止処理が施される。

【００１２】合成放物面鏡４は、使用条件により定まる
ある入射角以下の入射光線は全て光電変換素子２上に反
射するように設計されている。合成放物面鏡４の開口部
に入射した光線は全て光電変換部２に入射するので、合
成放物面鏡４の開口と光電変換部２の開口の比が開口の
改善率となる。ここで、集光率を以下のように定義す
る。すなわち、２次元的に考えれば、合成放物面鏡４の
開口部の面積と光電変換部の開口部の面積の比であり、
１次元的に考えれば、合成放物面鏡４の開口部の直径と
光電変換部２の開口部の直径の比である。これらをそれ
ぞれ、ＩＡ２、ＩＡ１と表記することにする。

【００１３】ここで、合成放物面鏡４は結像作用を持た
ないため、従来のレンズアレイのように、撮影レンズの
射出瞳を光電変換面と共役にする必要がなく、受光素子
の配置の自由度が大きい。また、合成放物面鏡４自体が
受光素子２を分離する働きを持つため、フレヤーの極め
て低い撮像素子が得られる。さらに、合成放物面鏡４は
軸対称である必要はなく、２つの２次元合成放物面鏡４
を直角にあわせた形（軸に直角な断面形状が矩形のも
の）でも、効率がそれほど落ちることはない。このよう
にすることによって、開口部を矩形にでき、開口比を高
めることができる。

【００１４】次に、合成放物面鏡４の設計法について簡
単に説明する。これは、以下のような作図により形状を
決めることができる。合成放物面鏡の設計手法の１つ
は、所定の最大角で入射する全ての光線が反射面での１
回の反射で射出孔の縁へ向かうようにするものである
（周縁光線法）。このような形状は、１本の糸を用意し
て、その片方の端を射出孔の縁に固定し、もう一方の端
を棒に沿って滑らせ、糸をぴんと張って入射光と常に平
行になるようにしておけば、その折れ曲がる点によって
描かれ、この形状によって集光鏡内面の形状が決まる。

【００１５】このことを図２を用いて、以下に説明す
る。この形状はある角度だけ傾いた放物線の一部からな
り、射出孔の縁がその放物線の焦点に当たる。図２にお
いて、焦点がＡ（０，０）にあるような放物線を考え
る。この焦点を通り、ｙ軸に対して角度θだけ傾いた線
分ＡＣを引く。次に、Ａ（０，０）から線分ＡＣに垂直
な線分ＡＢを引く。Ｂはこの線分と放物線との交点とす
る。次に、線分ＡＣ上の適当な位置Ａ’から線分ＡＣに
垂直な線分を引き、放物線との交点をＢ’とする。放物
線上のＢＢ’の部分が放物面鏡の形状を与える。

【００１６】次に図３を用いて光線の振る舞いを説明す
る。上記のように形状を定めると、ＢＢ’に入射する光
線は、線分ＡＣに対して角度θをなす光線（ｙ軸に平行
に入射する光線）は全てＡを通り、θより角度の小さな
光はＡＢの線分を通過する。ＢＢ’と反対側の鏡の形状
は、ＢＢ’を線分ＡＡ’に対称に折り返し、さらに、線
分ＡＢ方向へ平行移動して、折り返したＢとＡを一致さ
せることにより、図示のＡＡ”のように定められる。

【００１７】このとき集光率は、以下の式（１）で与え
られる。

【００１８】ＩＡ１＝２×（Ａ’Ｂ’−ＡＢ／２）／ＡＢ・・・（１）具体的な形状を示すために、撮影レンズのＦナンバーを
１．２、合成放物面鏡内部の媒質の屈折率を１．５５と
する。また、受光素子の一辺の長さは５μｍとし、ピッ
チは１０μｍであるとする。撮影レンズのＦナンバーを
１．２としたので、撮像素子側でのＮＡ（開口数）は
０．４１７となり、入射角は空気中では２４．６度、合
成放物面鏡内部では、スネルの法則により、１５．６度
となる。集光鏡へ入射する光線の最大角は１５．６度と
なり、集光比ＩＡ１＝２とすると、以下のような集光鏡
の形状が定まる。

【００１９】この合成放物面鏡の断面を図４に示す。

【００２０】このような合成放物面鏡の形状は、例え
ば、部材３を等方性エッチング及び異方性エッチングを
組み合わせて加工することにより得ることができる。

【００２１】ここで、合成放物面鏡４内部の透光性部材
５、６、７等の屈折率を、１．４６以上に選ぶことが重
要であり、これよりも低い屈折率である場合には、合成
放物面鏡４が非常に大きくなり、実用性が低下する。な
お、前記したように、内部の透光性部材５、６、７等
に、特公平３−５２６０２号のもののように、各集束光
学エレメント毎に異なる色素を混入してフィルター作用
を持たせることも可能である。

【００２２】また、合成放物面鏡４は、その入射開口、
射出開口が必ずしも円形である必要はなく、４角形あい
は６角形とし、最密充填することも可能である。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、簡単な構成で開口率が向上した固体撮像装置を提供
することができる。この撮像装置は、フレヤーが極めて
低く、フィルターと同時に形成できる等の特長を持つも
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による固体撮像装置の１実施例の断面図
である。

【図２】合成放物面鏡の設計法の説明図である。

【図３】合成放物面鏡による光線の反射の様子を説明す
るための図である。

【図４】合成放物面鏡の１実施例の形状を示す図であ
る。

【符号の説明】

１…半導体基板２…光電変換素子３…鏡形成部材４…合成放物面鏡５、６、７…透光性充填部材８…空気接触面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入射光を電気信号に変換する光電変換素
子を少なくとも１つ有する撮像素子において、前記光電
変換素子の前方に配設され、入射光が入射する入射開口
部と、該入射開口部と前記光電変換素子との間で各々に
対向する射出開口部と、前記入射開口部と前記射出開口
部とが両端面となるように包囲配設され、内側が反射面
からなる側面部とから構成され、前記反射面が、前記入
射開口部の法線に対して所定の角度以下で入射する入射
光を反射して、反射光が前記射出開口部から射出して前
記光電変換素子に入射するような合成放物面からなる非
結像光学系ミラーを有することを特徴とする撮像素子。