JPH07120759B2 - 光学的イメ−ジヤ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は回折レンズ状アレイを備えた光学的イメージ
ヤに関し、特に、電荷結合素子（CCD）型イメージヤの
ようにその検出領域に向かう光量を改善するために回折
レンズ状アレイを備えた固体光学的イメージヤに関す
る。

〈発明の背景〉 固体イメージヤは一般に、感知された像からの光を受け
てそれを電子に変換する光検出器のアレイと、その光検
出器内で発生した電子をイメージヤの出力回路へ転送す
る手段とを含む。例えば、或る型のイメージヤは光検出
器として、単結晶シリコン基板の表面に沿つて行列に配
列されたシヨツトキー障壁検出器のアレイを含む。ま
た、その各列の検出器に沿つて、その各列の検出器から
電子を受け取りそれを出力CCDレジスタへ転送するCCDシ
フトレジスタが設けられている。このようなイメージヤ
は、SPIE,Vol,344,“インフラレツド センサー テク
ノロジイ（Infrared Sensor Technology）″（1982）,P
P.66-77,に発表されたダブル．エフ．コソノキー等によ
る“64×128素子の珪化白金シヨツトキー障壁赤外線電
荷結合素子（IRCCD）焦点面アレイの設計と性能（Desig
n and Performance cf 64×128 element PtSi Scho-ttk
y-barrier Infrared Charge-Coupled Device Focal Pla
ne Array）”と題する論文中に示されている。このよう
なイメージヤでは、検出器に衝突する光だけが電子に変
換され、検出器の列間の電荷結合素子に衝突する光は失
なわれるので、イメージヤの効率が減少する。

検出器に到達する光量を改善するために開発された１つ
の技術として、CCDから離れた光を検出器の方向へ向か
わせる手段を設けるものがある。その指向手段は透明な
基板上に形成された円筒状レンズのレンズ状アレイであ
つて、各円筒状レンズが検出器の列に整列してその列に
沿つて伸延するようにしてイメージヤ基板の表面上に取
付けられている。このような装置は、SPIE,Vol.501,
“ステイト−オブ−ザ−アート イメイジングアレイズ
アンド ゼア アプリケイシヨン（State-of-the-Art
Imaging Arrays and Their Applications）”（198
4）,PP.165-172に発表されたエツチ・ジー・エルハート
等による“焦点面アレイ中の改善された光応答のための
シリコン円筒状レンズアレイ（Silicon Cylindrical Le
ns Ar-rays For Improved Photoresponse in Focal Pl-
ane Arrays）”と題する論文中に示されている。上記レ
ンズ状アレイのレンズを最初に通過する光はCCDから離
れ且つイメージヤの効率を増加させるために検出器の方
向へ向かう。この型のレンズ状アレイでは、そのレンズ
状アレイを作ること及びそれをレンズが検出器に整列す
るようにしてイメージヤに取付けることが困難であると
いう問題がある。また、基板の一方の表面に沿つてイメ
ージヤを形成し且つその基板の他方の表面に沿つてレン
ズを形成するようにしてイメージヤの基板に直接レンズ
状アレイのレンズを形成することが提案されている。し
かし、この提案の方法では、イメージヤとレンズのいず
れを最初に作るとしても最初に作られた一方のものは他
方のものを作る際に悪影響を受けるので、多くの問題が
生ずる。

〈発明の要約〉 光学的イメージヤは１対の対向する主表面を有する半導
体材料基板を含み、その基板の一方の主表面に沿つて複
数の放射線検出器のアレイが設けられ、各検出器は放射
線を電子に変換することができるようになつている。ま
た、上記基板の他方の主表面に沿つて回折レンズ状アレ
イが設けられていて、そのレンズ状アレイには放射線を
検出器へ指向させるための線幅と間隔とを有する複数の
回折線が含まれている。

〈実施例の詳細な説明〉 第１図乃至第３図において、本願発明を具体化した光学
的イメージヤ10が示されている。この光学的イメージヤ
10は感知器12とレンズ状アレイ14を含む。感知器12は１
対の対向する主表面18と20を有する、例えばＰ型単結晶
シリコンのような半導体材料の基板16を含み、行列のア
レイに配置された複数の光検出器22が基板16の前表面20
に沿つて設けられている。各光検出器22は基板16と共に
シヨツトキー障壁接合を形成する例えば珪化白金のよう
な導電材料の層であり、前表面20に沿つて基板16の内部
に在る。各光検出器22はP⁺型チヤンネル遮断領域24で囲
まれているが、Ｎ型保護輪（図示せず）で囲まれるよう
にしてもよい。各光検出器22はアルミニウムのような光
反射材料層26で覆われ、その反射層26は全基板表面20を
覆う酸化珪素のような絶縁材料層27によつて検出器22か
ら絶縁されている。

基板前表面20に沿つて光検出器22の列間にCCDシフトレ
ジスタ28が在り、その各CCDレジスタ28には基板12内で
面20に沿つて伸延するＮ型埋込みチヤンネル領域30が含
まれる。ドープされた多結晶シリコンのような導電性材
料の複数のゲート32が酸化珪素層27上に在つてチヤンネ
ル領域30を横断して伸延しており、しかもそれらのゲー
ト32はチヤンネル領域30の全長に沿つて並んで配列され
ている。間隔を置いて平行に配列されたアルミニウムの
ような導電性材料の複数の母線34がゲート32上に在つて
チヤンネル領域30の全長に沿つて伸延している。また、
それらの母線34は酸化珪素のような絶縁材料層36によつ
てゲート32から絶縁されていて、その酸化珪素層36中の
孔を介して伸延してゲート32の個々のものに接触してい
る。ドープされた多結晶シリコンのような導電性材料の
転送ゲート38が酸化珪素層27上に在り、埋込みチヤンネ
ル30とそれに隣接する光検出器22の列との間の基板表面
20の部分に沿つて伸延していて、光検出器22からそれに
隣接するCCDレジスタ28の埋込みチヤンネル30へ電荷を
転送させる。

回折レンズ状アレイ14には、ガラスや単結晶シリコンの
ような検出される放射線に対して透明な材料の基板40が
含まれている。検出器基板16の裏面18に隣接する基板40
の表面42には、不透明あるいは透明な材料の間隔を置い
て並列に配列された複数の線条44が在る。その線条44は
硫化亜鉛のような高反射率を持ち高い効率で正確さ位相
構造を与える透明材料で生成するのが望ましい。その線
条44は感知器12の個々の列の画素に沿つて伸延するパタ
ーンを繰返すようにして配列されている。また、各画素
は光検出器22を含む。線条44の各パターンでは、線幅、
すなわち線条44の幅と周期、すなわち線条44間の間隔と
はパターンの中心位置で大きく、且つその中心位置から
パターンの端の方向へ行くに従つて小さくなつている。
例えば、第１図と第３図とに示すように、断続線A-A間
の線条44によつて１パターンが形成される。このパター
ンでは、その中心に最も近い線条44a同士は光検出器22
の幅と実質的に同じ比較的長い距離を隔てて配置される
が、各線条44aとそれに隣接するパターンの中心から遠
ざかる方向に在る次の線条44bとの間隔はより狭くなつ
ている。また、線条44aは線条44bよりも幅が広い。この
パターンによつて、その中心に入射する光に対しては弱
い回折が生じ、また、パターンの端に近いところに入射
する光に対しては一層強い回折が生ずる。線条44の線幅
と間隔の分布は、平面波が入射されるとパターンの中心
に向かうすべての１次回折が１本の焦線に沿つて出会う
ように設計することができる。その設計の論理は例え
ば、エム・ボーン，イー・ウルフ著“プリンシプルズ
オブ オプテイクス（Principles of Optics）”パーガ
モン プレス、オツクスフオード 1965のような光学の
教科書から得ることができる。

回折レンズ状アレイ14は次のようにして作ることができ
る。使用する特定材料のための周知の被着技術を用いて
基板40の表面42上に線条44の材料層を設ける。その後、
その材料層上にオフトレジスト層を塗布し、且つ標準の
写真平版技術を用いて、線条を形成する材料層の部分を
覆つて伸延する領域を形成するようにする。それから、
材料層の被覆されなかつた部分を適当なエツチング技術
を用いて除去し、基板上にその材料の線条を残す。それ
から、フオトレジスト材料を適当な溶剤を用いて除去す
る。

レンズ状アレイ14の他の形成法には周知のリフト−オフ
（lift-off）技術がある。この技術では、基板の表面に
オフトレジスト層が設けられ、標準の写真平版技術を用
いて、線条44の所望の形状、寸法及び位置の孔がそこに
設けられる。それから、線条44の材料がフオトレジスト
層上及びフオトレジスト層の孔を介して露出された基板
表面に塗布される。その後、フオトレジストが適当な溶
剤で除去され、基板上の線条44を残してフオトレジスト
上の材料が除かれる。

回折レンズ状アレイ14は線条44が感知器12の基板16の裏
面18に接近するようにしてその裏面18に沿つて配置さ
れ、且つ、各パターンの線条44a間の空白間隔が検出器2
2の列に沿つて整列するようにして配置されている。第
１図の矢印46で示された検出される放射線は最初、レン
ズ状アレイ14を通過しその後感知器12に入る。各パター
ンの線条44a間の間隔を通過する放射線は矢印48で示す
ように、感知器12の基板16を経て検出器22へ直接到る。
各パターンの中心をはずれたところのレンズ状アレイ14
を通過する放射線はそのパターンの中心に向つて矢印50
で示すように線条44によつて回折されるので、その放射
線は検出器22の方向へ進む。従つて、より多量の放射線
が検出器22に到達するのでイメージヤ10の効率が増加す
る。

第１図乃至第３図に示されたイメージヤ10では、回折レ
ンズ状アレイ14は光検出器22とCCDレジスタ28とが形成
される基板16から分離した基板40上に形成される。これ
には、レンズ状アレイ14と感知器12とを別々に作り且つ
別々に試験して良好なレンズ状アレイ14だけを良好な感
知器12と組合せることができるという利点がある。しか
し、レンズ状アレイ14は感知器を作る際に使用する標準
写真平版技術を用いて作られるので、第４図に示すよう
に、感知器基板16の裏面18上に線状44を直接形成するこ
とが可能である。これによつてイメージヤ10は更に小型
化される。所望ならば、基板16の裏面18の露出部分を反
射防止塗装で覆うことができる。

第１図乃至第３図に示されたレンズ状アレイ14では、線
条44のパターンは共通の焦線に向つて放射線を回折させ
るように設計される。しかしながら、放射線を伸延され
た領域、すなわちイメージヤの場合には光検出器22によ
つて覆われた領域に集中させるようにパターンを設計す
ることもできる。これは、第５図に示すように、中心に
大きな露出空間のある画素の端付近に一定周期の格子を
有する線条44のパターンを形成することによつて可能て
ある。上述の露出中心部分は検出器22へ光を直接通す。
端部に一定周期の格子を有するパターンでは、露出中心
部分を経て検出器へ直接通過する光を利用するばかりで
なく、格子に隣接する検出器領域22に対してその格子領
域の右及び左の側に向かつて正及び負の１次回折が行な
われる。同様に、正及び負の３次回折が上記隣接する検
出器領域の次の検出器領域に対して行なわれ、また、５
次回折がその次の検出器領域に対して行なわれるなどし
て、すべての奇数次回折が行なわれる。偶数次と０次は
後述のようにして線条44の厚さと幅を設計することによ
つて最小にすることができ、これによつて検出効率が一
層高くなる。

回折レンズ状アレイ14の各パターンは凸レンズと同じ作
用をする。また、第６図の点線52で示すように、レンズ
構造に段を導入することによつて凸レンズを平坦にする
ことができることは知られている。この型の構造は、こ
の発明の回折レンズ状アレイにおいては、第１の線条44
よりも狭い第２の線条54を各線条44の上に形成すること
によつて生成される。線条54と44の端はパターンの中心
側において整列されている。この２層構造にすることは
困難であるけれども、パターンの中心、従つて光検出器
に向かう放射線の回折効率を一層大きくする。

第１図乃至第３図に示された回折レンズ状アレイ14は、
１次元で伸延する長い線上に放射線を集中させる１次元
アレイである。放射線が失なわれる感知器12の主な領域
は１次元で伸延するCCDレジスタの領域内に在るけれど
も、光検出器22の行間にも放射線が失なわれる空白空間
がいくらか存在する。その空白空間で損失する放射線は
第７図に示すような、線条44に直交して伸延する線条56
のパターンを含む第２の回折レンズ状アレイを設けるこ
とによつて最小に、あるいは除去することができる。線
条56は、光検出器22の行間の空間内を通る放射線を光検
出器の方へ偏向させるように配置され且つ設計される。
第２の回折レンズ状アレイの線条56は第２の透明基板上
に在つてもよいし、線条44と反対側の基板40の表面上に
在つてもよいし、あるいは、線条44と同じ側の基板40の
表面42の上に在つてもよいし、あるいは、感知器基板16
の裏面上に在つてもよい。

この発明のイメージヤ10のための回折レンズ状アレイ14
の形状を設計する際には、次のような条件が満たされる
べきである。

（１）アレイ上の異なる点から生ずるすべての１次回折
の少なくとも半分が所望の光感知領域へ向くように格子
周期は線条の位置と共に変えなければならない。

（２）０次回折は、線条44の厚さＴを λ：検出される放射線の波長 n:線条の材料の屈折率 となるように選択することによつて、最小にしなければ
ならない。

（３）２次回折とその他の偶数次回折は線条の幅とそれ
に隣接する空間とをほぼ等しくすることによつて最小に
しなければならない。

（４）画素端における周期は滑らかに変えなければなら
ない。

〈例〉 この発明の回折レンズ状アレイは、１個の画素寸法が80
μｍ×40μｍ、１個の光検出器領域寸法が40μｍ×23μ
ｍであつて約４μｍの波長で動作する第１図及び第２図
示構造のCCDイメージヤ用に作られた。また、上記レン
ズ状アレイは、両面が磨き仕上げされた単結晶シリコン
基板の一方の表面を３μｍのポジテイブ・フオトレジス
ト層で被覆し、そのフオトレジスト層に標準写真平版技
術を使用して、基板上に形成される回折線条のパターン
に対応する孔を形成するようにして作られた。各パター
ンは、中心の溝間隔が約41.5μｍ、溝幅が約5.5μｍ、
パターンの端における溝間隔が約5.5μｍとなるように
された。基板表面の露出面は酸素プラズマエツチングで
清浄にされ、その後、硫化亜鉛層が真空蒸発によつてフ
オトレジスト層上及びそのフオトレジスト層の孔によつ
て露出された基板表面上に被着された。４μｍの波長で
屈折率2.274を持つ上記硫化亜鉛は1.57μｍの厚さにさ
れた。その後、フオトレジスト層が適当な溶剤で除去さ
れて、基板上の硫化亜鉛の線条を残してフオトレジスト
上の硫化亜鉛層が取除かれた。その後、酸化珪素単層の
反射防止塗装が基板の両面に施された。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のレンズ状アレイを有する光学的イメ
ージヤの１実施例の一部断面を示す図、第２図は第１図
の線2-2に沿つて見た光学的イメージヤの一部上面を示
す図、第３図は第１図の線3-3に沿つて見たレンズ状ア
レイの一部上面を示す図、第４図及び第５図はこの発明
のレンズ状アレイを有する光学的イメージヤのそれぞれ
別の実施例の一部断面を示す図、第６図はこの発明のレ
ンズ状アレイの別の実施例の一部断面を示す図、第７図
はこの発明のレンズ状アレイの更に別の実施例の一部上
面を示す図、である。 10……光学的イメージヤ、14……回折レンズ状アレイ、
16……半導体材料基板、18、20……１対の対向する主表
面、22……放射線検出器、44……回折線、46……放射
線。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】１対の対向する主表面と、その主表面の一
   方の面に沿った複数個の放射線検出器のアレイとを有す
   る半導体基板と、 前記半導体基板の前記主表面の他方の面に沿った回折レ
   ンズ状アレイとを備え、 前記放射線検出器は、放射線を電子に変換することがで
   き、前記一方の面に沿って複数個の等間隔の列を成して
   配置され、 前記回折レンズ状アレイは、前記列に平行な複数個の回
   折線を有し、回折線の幅と間隔は放射線が前記検出器の
   方に向けられるようにし、前記回折線は前記列に対し直
   角をなす方向に繰り返される平行な縞模様を成し、各模
   様における縞の間隔は模様の中央で広く、模様の端で狭
   くなっており、各模様の中央における広い間隔は前記複
   数個の列の各々と整列している、光学的イメージャ。
2. 【請求項２】前記回折レンズ状アレイを覆う反射防止用
   のコーティングを含んでいる、特許請求の範囲第１項記
   載の光学的イメージャ。