JPH05326903A - オンチップレンズ構造の固体撮像素子および撮影装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、オンチップレンズ構造の固体撮像
素子において、集光レンズの焦点距離を可変にして、光
センサ部に入射する光量の最適化を図る。また撮影装置
の絞りに連動させて集光レンズの屈折率を決定して光セ
ンサ部に入射する光量の最適化を図る。 【構成】 複数の光センサ部１２上に集光レンズとなる
液晶レンズ２１を設けたオンチップレンズ構造の固体撮
像素子１である。また各液晶レンズ２１上に偏光層１５
または当該液晶レンズ２１の液晶分子の配向方向と直交
する液晶分子の配向方向を有する液晶セル（図示せず）
を設けたものである。また上記固体撮像素子１を搭載し
た撮影装置（図示せず）であって、撮影装置の絞り値に
対応して各液晶レンズ２１に印加する電圧値を決定し、
その電圧値の電圧を各液晶レンズ２１に印加する屈折率
可変システム（図示せず）を備えたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、オンチップレンズ構造
の固体撮像素子および撮影装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像素子には、感度を向上させる手
段として、例えば各光センサ部上に集光レンズを設け
た、いわゆるオンチップレンズ構造のものがある。上記
オンチップレンズ構造の固体撮像素子の一例を、図９の
概略構成断面図により説明する。図に示すように、半導
体基板９１に複数の光センサ部９２が形成されている。
各光センサ部９２上には、透光性の保護膜９３を介して
集光レンズ９４が設けられている。各集光レンズ９４
は、例えば透光性の樹脂で形成されている。なお図では
電荷転送部，チャネルストッパー領域等の図示は省略し
た。上記の如くに、オンチップレンズ構造の固体撮像素
子９０は構成されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成のオンチップレンズ構造の固体撮像素子では、集光レ
ンズが透光性の樹脂で形成されているので、集光レンズ
の形状や屈折率を露光量に対応して変化させることがで
きない。そのため、被写体の明るさに応じて撮影装置の
絞り値を変えると、固体撮像素子の光センサ部に被写体
像の光が効率的に集光されないことが生じる。

【０００４】すなわち、図１０に示すように、例えば、
非常に明るい被写体を撮影する場合には、絞り８１を絞
ってＦ値を小さくしても、対応できない場合がある。例
えば、絞り８１より入射した光１９１（実線の斜線で示
す部分）は集光レンズ９４により集光されて光センサ部
９２の一部分に入射する。このため、必要以上の光が光
センサ部９２の一部分に照射されることになる。この結
果、光センサ部９２における像は露光オーバな状態の像
になる。

【０００５】一方図１１に示すように、例えば、非常に
暗い被写体を撮影する場合には、絞り８１を開放にして
Ｆ値を大きくしても、対応できない場合がある。例え
ば、絞り８１より入射した光１９２は集光レンズ９４に
より集光されるが、集光された一部の光１９３（実線の
斜線で示す部分）が光センサ部９２に入射し、集光され
た残りの光１９４（破線の斜線で示す部分）は光センサ
部９２に入射しない。この結果、光センサ部９２に入射
する光量が減少するので、固体撮像素子９０の感度は低
下する。したがって、光センサ部９２における像は露光
不足な状態の像になる。

【０００６】本発明は、適性な露光状態で撮像できかつ
感度に優れたオンチップレンズ構造の固体撮像素子およ
び撮影装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するためになされたオンチップレンズ構造の固体撮像
素子である。すなわち、固体撮像素子の各光センサ部上
のそれぞれに設けた集光レンズを液晶レンズで形成した
ものである。

【０００８】あるいは、各液晶レンズ上に偏光層を設け
たものである。または各液晶レンズ上に、透光性の膜を
介して、当該液晶レンズの液晶分子の配向方向と直交す
る液晶分子の配向方向を有する液晶セルを設けたもので
ある。

【０００９】上記オンチップレンズ構造の固体撮像素子
を搭載した撮影装置であって、撮影装置の絞り値に対応
してオンチップレンズ構造の固体撮像素子の各液晶レン
ズに印加する電圧値を決定し、その電圧値の電圧を各液
晶レンズに印加する屈折率可変システムを備えたもので
ある。

【００１０】

【作用】上記固体撮像素子では、集光レンズを液晶レン
ズで形成したことにより、集光レンズは屈折率を変える
ことが可能になる。このため、光センサ部には適性な光
量の光が照射される。また上記撮影装置では、撮影装置
の絞り値に対応して集光レンズの屈折率を印加電圧によ
って変える屈折率可変システムを設けたので、絞り値に
対応した受光量が光センサ部に照射される。

【００１１】

【実施例】本発明の第１の実施例を、図１の概略構成断
面図により説明する。図に示すように、半導体基板１１
には複数の光センサ部１２（図では代表して一つの光セ
ンサ部を示す）が形成されている。各光センサ部１２上
には、透光性の絶縁膜１３を介して集光レンズになる液
晶レンズ２１が形成されている。この液晶レンズ２１
は、上記透光性の絶縁膜１３の上面に形成した第１の透
明電極２２と、上記第１の透明電極２２上に形成したも
ので、光センサ部１２上が平凸レンズ状に形成された液
晶層２３と、上記液晶層２３の表面に形成した第２の透
明電極２４とよりなる。また上記液晶レンズ２１の第２
の透明電極２４上には透光性の膜１４が形成されてい
る。

【００１２】上記液晶レンズ２１は異常光成分のみに有
効に作用するので、上記各液晶レンズ２１の上方には、
透光性の膜１４を介して、異常光成分のみを透過させる
性質の偏光層１５が設けられている。さらに上記第１の
透明電極２２と第２の透明電極２４とには電圧可変電源
１６が接続されている。上記の如くに、オンチップレン
ズ構造の固体撮像素子１は形成されている。

【００１３】上記固体撮像素子１では、集光レンズを液
晶レンズ２１で形成したことにより、液晶レンズ２１に
印加する電圧を変化させることによって、液晶層２３の
屈折率を変えることが可能になる。このため、液晶レン
ズ２１の屈折率が変化して、光センサ部１２には適性な
光量の光が照射される。

【００１４】すなわち、図２に示すように、例えば、非
常に明るい被写体を撮影する場合には、絞り８１を絞っ
てＦ値を小さくしても、対応できない場合がある。例え
ば絞り８１より入射する光１１１は液晶レンズ２１によ
り集光される。そして集光された光１１２（破線の斜線
で示す部分）は光センサ部１２の一部分に集中的に照射
される。このため、光センサ部１２の一部分に、非常に
強い光が照射されることになる。そこで液晶レンズ２１
の屈折率を変えることにより、集光後の光の拡がり角を
変えて、光センサ部１２に入射する光１１３（実線の斜
線で示す部分）を得る。この結果、光センサ部１２に入
射する光強度が調節されて、光センサ部１２における像
の明るさが最適な状態になる。なお図２において、各構
成部品を示すハッチングは、図面を見やすくするために
省略する。

【００１５】また図３に示すように、例えば、非常に暗
い被写体を撮影する場合には、絞り８１を開放にしてＦ
値を大きくしても対応できない場合がある。例えば、絞
り８１より入射する光１１４は液晶レンズ２１により集
光されるが、集光された一部の光１１５（破線の斜線で
示す部分）が光センサ部１２に入射し、集光された残り
の光１１６（２点鎖線の斜線で示す部分）は光センサ部
１２には入射しない。この結果、露光不足な状態の像し
か得られない。そこで液晶レンズ２１の屈折率を変える
ことにより、光センサ部１２に入射する光１１７（実線
の斜線で示す部分）を得る。このように、光センサ部１
２の受光面のほぼ全域に光センサ部１２に入射する光１
１７が照射されるので、光センサ部１２に入射する光量
が増加する。この結果、光センサ部１２における像の明
るさが最適な状態になる。上記のようにして、固体撮像
素子１の感度は向上する。なお図３において、各構成部
品を示すハッチングは、図面を見やすくするために省略
する。

【００１６】次に上記液晶レンズ２１とは別の構造の液
晶レンズ３１を、図４の概略構成断面図により説明す
る。図では上記図１で説明した構成部品と同様の構成部
品には同一符号を付す。図に示すように、半導体基板１
１には複数の光センサ部１２（図では代表して一つの光
センサ部を示す）が形成されている。各光センサ部１２
上には透光性の絶縁膜１３を介して液晶レンズ３１が形
成されている。各液晶レンズ３１は、透光性の絶縁膜１
３の上面に形成した第１の透明電極３２と、上記第１の
透明電極３２上に形成した液晶層３３と、上記液晶層３
３上に形成した第２の透明電極３４とよりなる液晶セル
３５と、上記液晶セル３５上に形成した平凸レンズ３６
とよりなる。

【００１７】上記液晶レンズ３１も異常光成分のみに有
効に作用するので、上記各液晶レンズ３１の上方には、
透光性の膜１４を介して、異常光成分のみを透過させる
性質の偏光層１５が設けられている。さらに上記第１の
透明電極３２と第２の透明電極３４とには電圧可変電源
１６が接続されている。

【００１８】上記液晶レンズ３１では、第１，第２の透
明電極３２，３４に印加する電圧を変化させることによ
って、液晶層３３の屈折率を変えることが可能になる。
このため、液晶レンズ３１の屈折率を変化させて、光セ
ンサ部１２に適性な光量の光を照射することが可能にな
る。

【００１９】次に第２の実施例を、図５の概略構成断面
図により説明する。図に示す構成部品のうち、上記第１
の実施例で説明した構成部品と同様のものには同一符号
を付す。

【００２０】図に示すように、半導体基板１１には複数
の光センサ部１２（図では代表して一つの光センサ部を
示す）が形成されている。各光センサ部１２上には、透
光性の絶縁膜１３を介して集光レンズになる液晶レンズ
４１が形成されている。この液晶レンズ４１は、各光セ
ンサ部１２上の上記透光性の絶縁膜１３の上層に形成し
た湾曲面状の凹状部４２と、上記凹状部４２の内面と透
光性の絶縁膜１３の上面とに沿って形成した第１の透明
電極４３と、上記第１の透明電極４３の上面に形成した
第１の液晶層４４と、上記第１の液晶層４４の上面に形
成した第２の透明電極４５とよりなる。この液晶レンズ
４１上には透光性の膜１４が形成されている。また上記
第１の透明電極４３と第２の透明電極４５とには電圧可
変電源１６が接続されている。

【００２１】さらに上記透光性の膜１４の上面には、異
常光成分のみを透過させる性質を有する液晶セル４６が
形成されている。この液晶セル４６は、上記透光性の膜
１４の上面に形成した第３の透明電極４７と、第３の透
明電極４７の上面に形成した第２の液晶層４８と、この
第２の液晶層４８の上面に形成した第４の透明電極４９
とよりなる。上記第２の液晶層４８は、上記第１の液晶
層４４の配向方向とは９０°異なる配向方向を有する。
上記第３の透明電極４７と第４の透明電極４９とには電
圧可変電源１７が接続されている。上記の如くに、オン
チップレンズ構造の固体撮像素子２は形成されている。

【００２２】上記固体撮像素子２では、集光レンズを液
晶レンズ４１で形成したことにより、集光レンズの屈折
率を変えることが可能になる。このため、光センサ部１
２には適性な光量の光が照射される。また上記液晶レン
ズ３１も異常光成分のみに有効に作用するので、異常光
成分のみを透過させる性質の液晶セル４６を形成したこ
とにより、第１の実施例で説明した偏光層（１５）を用
いた場合よりも透過率が２倍程度向上する。

【００２３】次に上記液晶セル４６とは別の構造の液晶
セル５１を、図６の概略構成断面図により説明する。図
では上記図５で説明した構成部品と同様の構成部品には
同一符号を付す。図に示すように、半導体基板１１には
複数の光センサ部１２（図では代表して一つの光センサ
部を示す）が形成されている。各光センサ部１２上に
は、透光性の絶縁膜１３を介して上記図３により説明し
たと同様の液晶レンズ４１が形成されている。上記液晶
レンズ４１の第１の透明電極４３と第２の透明電極４５
とには、電圧可変電源１６が接続されている。上記液晶
レンズ４１の上面には透光性の膜１４が形成されてい
る。

【００２４】さらに上記透光性の膜１４の上面には液晶
セル５１が形成されている。この液晶セル５１は、上記
透光性の膜１４の上面に形成した第３の透明電極５２
と、第３の透明電極５２の上面に形成した第２の液晶層
５３と、この第２の液晶層５３の上面に形成した第４の
透明電極５４とよりなる。上記第２の液晶層５３は、光
センサ部１２上において例えば平凸レンズ形状に形成さ
れていて、上記液晶レンズ４１の第１の液晶層４４の配
向方向とは９０°異なる配向方向を有する。上記第３の
透明電極４７と第４の透明電極４９とには、電圧可変電
源１７が接続されている。上記の如くに、オンチップレ
ンズ構造の固体撮像素子２は形成されている。

【００２５】上記固体撮像素子２では、集光レンズを液
晶レンズ４１で形成したことにより、当該液晶レンズ４
１の屈折率を変えることが可能になる。このため、光セ
ンサ部１２には適性な光量の光が照射される。また液晶
セル５１を形成したことにより、第１の実施例で説明し
た偏光層（１５）を用いた場合よりも透過率が２倍程度
向上するとともに、光センサ部１２に集光される光量の
調節が広範囲な光強度に対して行うことが可能になる。

【００２６】次に第３の実施例を、図７の概略構成断面
図により説明する。図に示す構成部品のうち、上記第１
の実施例で説明した構成部品と同様のものには同一符号
を付す。

【００２７】図に示すように、半導体基板１１には複数
の光センサ部１２（図では代表して一つの光センサ部を
示す）が形成されている。各光センサ部１２上には、透
光性の絶縁膜１３を介して集光レンズになる液晶レンズ
６１が形成されている。この液晶レンズ６１は、上記透
光性の絶縁膜１３の上面に形成した第１の透明電極６２
と、上記第１の透明電極６２上に液晶層６３を介して形
成した第２の透明電極６４とよりなる。この第２の透明
電極６４の液晶層６３側には、当該第２の透明電極６４
と同質の材料よりなる環状凸部６５が形成されている。
この環状凸部６５の中心は光センサ部１２の中心上方に
配置されている。上記液晶レンズ６１の上面には透光性
の膜１４が形成されている。さらに上記第１の透明電極
６２と第２の透明電極６４とには電圧可変電源１６が接
続されている。上記の如くに、オンチップレンズ構造の
固体撮像素子３は形成されている。

【００２８】上記各液晶レンズ６１は異常光成分のみに
有効に作用するので、前記第１の実施例で説明したと同
様に、上記各液晶レンズ６１の上方には、透光性の膜１
４を介して、異常光成分のみを透過させる性質の偏光層
１５を設けることが好ましい。あるいは前記第２の実施
例で説明したと同様に、上記各液晶レンズ６１の上方に
は、透光性の膜１４を介して、異常光成分のみを透過さ
せる性質の液晶セル（図示せず）を設けることもでき
る。

【００２９】上記固体撮像素子３では、集光レンズを液
晶レンズ６１で形成したことにより、液晶レンズ６１に
印加する電圧を変化させることによって、第１，第２の
透明電極６２，６４間に軸対称状の電界を発生する。こ
のため、液晶層６３の液晶分子の配向が変化して、液晶
層６３の屈折率が同心円状に変化する。よって、液晶層
６３にレンズ効果が生じる。すなわち、液晶レンズ６１
の屈折率を変えることにより、光センサ部１２には適性
な光量の光が照射される。

【００３０】次に第４の実施例を、図８のシステム構成
図により説明する。図では、一例として、前記第１の実
施例の図１で説明した固体撮像素子１を搭載した撮影装
置４の液晶レンズ２１の屈折率可変システム７１を説明
する。図に示すように、撮影装置４の絞り８１には、絞
り値に対応して液晶レンズ２１の分子の配向方向を決定
する電圧設定器７２が接続されている。上記電圧設定器
７２には電圧可変電源７３が接続されている。この電圧
可変電源７３には、固体撮像素子１の液晶レンズ２１の
第１の透明電極２２と第２の透明電極２４とが接続され
ている。

【００３１】次に上記屈折率可変システム７１の作用を
説明する。上記電圧設定器７２は、絞り８１の絞り値を
読み取って、液晶レンズ２１に印加する電圧値を電圧可
変電源７３に指示する。上記電圧可変電源７３は、電圧
設定器７２によって指示された電圧値に基ついて、第１
の透明電極２２と第２の透明電極２４とに電圧を印加す
る。第１の透明電極２２と第２の透明電極２４とに電圧
が印加されると、液晶層２３の液晶分子の配向が変化し
て、液晶層２３の屈折率が変化する。このようにして、
絞り８１の絞り値に連動して、液晶レンズ２１の屈折率
を変えることが可能になる。この結果、絞り値に対応し
た受光量が固体撮像素子１の各光センサ部１２に照射さ
れる。

【００３２】

【発明の効果】以上、説明したように本発明の固体撮像
素子によれば、集光レンズを液晶レンズで形成したこと
により、集光レンズは屈折率を変えることができる。こ
のため、光センサ部には適性な光量の光が照射できる。
よって、固体撮像素子の感度の向上が図れる。また上記
撮影装置では、撮影装置の絞り値に対応して集光レンズ
の屈折率を変える屈折率可変システムを設けたので、絞
り値に対応した受光量を光センサ部に照射できる。よっ
て、被写体像の明暗に影響されることがなくなるので、
被写体像を適性露出な状態に撮影することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例の概略構成断面図である。

【図２】第１の実施例におけるＦ値と入射光との関係を
説明する図である。

【図３】第１の実施例におけるＦ値と入射光との関係を
説明する図である。

【図４】別の液晶レンズを搭載した固体撮像素子の概略
構成断面図である。

【図５】第２の実施例の概略構成断面図である。

【図６】別の液晶セルを搭載した固体撮像素子の概略構
成断面図である。

【図７】第３の実施例の概略構成断面図である。

【図８】第４の実施例の概略構成図である。

【図９】従来例の概略構成断面図である。

【図１０】Ｆ値と入射光との関係を説明する図である。

【図１１】Ｆ値と入射光との関係を説明する図である。

【符号の説明】

１ 固体撮像素子 ２ 固体撮像素子 ３ 固体撮像素子 ４ 撮影装置 １２ 光センサ部 １４ 透光性の膜 １５ 偏光層 ２１ 液晶レンズ ３１ 液晶レンズ ４１ 液晶レンズ ４６ 液晶セル ５１ 液晶セル ６１ 液晶レンズ ７１ 屈折率可変システ ム ８１ 絞り

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の光センサ部を有するもので各光セ
   ンサ部上に集光レンズを設けたオンチップレンズ構造の
   固体撮像素子において、 前記各集光レンズを液晶レンズで形成したことを特徴と
   するオンチップレンズ構造の固体撮像素子。
2. 【請求項２】 請求項１記載のオンチップレンズ構造の
   固体撮像素子において、 前記固体撮像素子に形成した各液晶レンズ上に偏光層を
   設けたことを特徴とするオンチップレンズ構造の固体撮
   像素子。
3. 【請求項３】 請求項１記載のオンチップレンズ構造の
   固体撮像素子において、 前記固体撮像素子に形成した各液晶レンズ上に、透光性
   の膜を介して、当該液晶レンズの液晶分子の配向方向と
   直交する液晶分子の配向方向を有する液晶セルを設けた
   ことを特徴とするオンチップレンズ構造の固体撮像素
   子。
4. 【請求項４】 請求項１，請求項２または請求項３記載
   のオンチップレンズ構造の固体撮像素子を搭載した撮影
   装置であって、 撮影装置の絞り値に対応して前記オンチップレンズ構造
   の固体撮像素子の各液晶レンズに印加する電圧値を決定
   し、当該電圧値の電圧を各液晶レンズに印加する屈折率
   可変システムを備えたことを特徴とする撮影装置。