JPH11150254A

JPH11150254A - 固体撮像素子

Info

Publication number: JPH11150254A
Application number: JP9332419A
Authority: JP
Inventors: Koichi Sato; 公一佐藤
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1997-11-17
Filing date: 1997-11-17
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2017-11-17
Also published as: JP3462736B2

Abstract

(57)【要約】【課題】固体撮像素子の受光面に結像される画像にお
いて、その周辺部に生じる信号レベルの落ち込み（シェ
ーディング）の発生を抑える。【解決手段】固体撮像素子１０は半導体基板１１と、
半導体基板１１の上面に積層されたカバーガラス１３と
を有する。半導体基板１１の上面に多数にフォトダイオ
ード１２を設ける。カバーガラス１３は各フォトダイオ
ード１２上に設けられたマイクロレンズ１４を有する。
光軸方向から見たマイクロレンズ１４の大きさは、受光
面の中央部から周辺部に近づくに従い大きくなる。マイ
クロレンズ１４の作用により、フォトダイオード１２へ
の入射光を集光し、シェーディングを防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子カメラ等に設
けられる固体撮像素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来電子カメラ等として、撮影光学系の
光軸上にＣＣＤ等の固体撮像素子が設けられたものが知
られている。固体撮像素子には多数のフォトダイオード
が配置されており、撮影光学系によって固体撮像素子の
受光面に結像された画像は、フォトダイオードによって
光電変換される。電気信号に変換された画像信号は画像
処理を施されて、ＩＣカード等の記録媒体に格納され、
あるいはモニタ装置に表示される。

【０００３】撮影光学系から固体撮像素子に導かれる光
は受光面の全体にわたって均一ではなく、撮影光学系の
影響等のため、受光面上の画像には、受光面の中央部よ
りも周辺部において暗くなるシェーディングが発生す
る。このため固体撮像素子から出力された画像信号のレ
ベルは画像の周辺部において低くなり、画像処理のひと
つとして、シェーディング補正が必要となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、固体撮像素
子の受光面に結像される画像において、その周辺部に生
じる信号レベルの落ち込み、すなわちシェーディングの
発生を抑えることができる固体撮像素子を提供すること
を目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る第１の固体
撮像素子は、受光面に配置された複数のフォトダイオー
ドと、これらのフォトダイオード上に設けられたマイク
ロレンズとを備え、マイクロレンズの光軸方向から見た
大きさが、受光面の中央部から周辺部に近づくに従い大
きくなることを特徴としている。

【０００６】マイクロレンズは例えば、その周囲に形成
された非レンズ面よりも突出している。

【０００７】マイクロレンズの表面形状は、例えば球面
の一部である。この場合、球面の曲率半径が全てのマイ
クロレンズに関して同じであってもよい。非レンズ面
は、固体撮像素子の基板に平行な平面であってもよい
し、また固体撮像素子の基板に対して、受光面の中央部
側が突出する傾斜面であってもよい。

【０００８】マイクロレンズの突出量は、受光面の全体
にわたって均一であってもよいし、また受光面の周辺部
において最大になるように構成されてもよい。

【０００９】マイクロレンズと非レンズ面を構成するカ
バーガラスは一体的に成形されることが好ましい。

【００１０】マイクロレンズの光軸に垂直な断面形状は
例えば円形である。その断面形状は受光面の中心からの
距離が大きくなるほど大きくなることが好ましい。

【００１１】マイクロレンズの先端とフォトダイオード
との距離は、受光面の周辺部において最大となるように
定められてもよく、あるいは受光面の全体にわたって均
一となるように定められてもよい。

【００１２】本発明に係る第２の固体撮像素子は、受光
面に配置された複数のフォトダイオードと、これらのフ
ォトダイオード上に設けられたマイクロレンズとを備
え、マイクロレンズの大きさが、受光面の周辺部の近傍
において最大であることを特徴としている。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施形態で
ある固体撮像素子１０を受光面側から見た図である。図
２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿って示す断面図であり、固
体撮像素子１０の断面形状を誇張して示している。

【００１４】固体撮像素子１０は概略的に、半導体基板
１１の上面に多数のフォトダイオード１２を配設して構
成される。半導体基板１１の上面にはカバーガラス１３
が積層される。カバーガラス１３はプラスチックから一
体的に成形された透明な部材であり、フォトダイオード
１２の位置に形成されたマイクロレンズ１４と、マイク
ロレンズ１４の周囲に形成された非レンズ面１５とから
成る。非レンズ面１５は半導体基板１１に平行な平面で
ある。マイクロレンズ１４は非レンズ面１５よりも突出
している。マイクロレンズ１４の表面形状は球面の一部
であり、マイクロレンズ１４と非レンズ面１５との境界
の形状、すなわちマイクロレンズ１４の光軸に垂直な断
面形状は円形である。なお各マイクロレンズ１４の光軸
同士は相互に平行である。

【００１５】固体撮像素子１０は受光面側から見て矩形
を呈し、フォトダイオード１１は格子状に配置されてい
る。図１においてフォトダイオード１１は、横方向に１
０個、縦方向に８個並んでいるが、実際にはもっと多数
設けられている。

【００１６】図２に示されるようにマイクロレンズ１４
の非レンズ面１５からの突出量は、固体撮像素子１０の
中央部において相対的に小さく、周辺部ほど大きい。図
示例では、周辺部近傍のマイクロレンズ１４は半球状で
あり、その曲率中心は非レンズ面１５の近傍に位置して
いるが、中央部に近づくほどマイクロレンズ１４の曲率
中心は半導体基板１１の底面１６側に位置している。

【００１７】図３および図４を参照してマイクロレンズ
１４の大きさについて説明する。レンズＬを結像面から
その焦点距離ｆだけ離れた所に配置したとき、レンズＬ
の光軸上（符号０）における結像面での単位面積当たり
の受光量をＥ₀とする。このときレンズＬの光軸上から
距離Ｒだけ離れた部位における結像面での単位面積当た
りの受光量Ｅ（Ｒ）は、コサイン４乗則により、Ｅ（Ｒ）＝Ｅ₀・cos⁴θ ＝Ｅ₀・（ｆ／（ｆ²＋Ｒ²）^1/2）⁴ ・・・（１）である。ただしθは、距離Ｒだけ離れた部位とレンズＬ
の中心を結んだ線と、光軸とのなす角である。

【００１８】（１）式に示されるように結像面での単位
面積当たりの受光量Ｅ（Ｒ）は、レンズＬの光軸から離
れるほど小さくなり、このため、固体撮像素子１０の受
光面の周辺部では中央部と比較して少なくなる。そこで
本実施形態では、次に述べるように、受光面の周辺部に
おけるフォトダイオード１２に入射する光量を補正すべ
く、マイクロレンズ１４の光軸方向から見た大きさが周
辺部の近傍において最大になるように定めている。

【００１９】受光面の中央部におけるマイクロレンズ１
４ａの半径をｒ₀とし、中央部から距離Ｒだけ離れた部
位に設けられたマイクロレンズ１４ｂの半径をｒとする
と、マイクロレンズ１４ａ、１４ｂの面積はそれぞれπ
ｒ₀ ²、πｒ²である。したがって中央部のマイクロレン
ズ１４ａにより集光される光量はＥ₀・πｒ₀ ²であり、
周辺部のマイクロレンズ１４ｂにより集光される光量は
Ｅ（Ｒ）・πｒ²である。

【００２０】周辺部における受光量を増加させて中央部
における受光量に等しくするには、Ｅ（Ｒ）・πｒ²＝Ｅ₀・πｒ₀ ² とすればよい。したがって中央部のマイクロレンズ１４
ａの半径ｒ₀と周辺部のマイクロレンズ１４ｂの半径ｒ
との関係はｒ＝ｒ₀（１＋（Ｒ／ｆ）²）・・・（２）となるように定められてもよいが、これによると、コサ
イン４乗則による周辺部のシェーディングの補正しか考
慮されない。しかし実際には、口径蝕等に基づくシェー
ディングも存在するので、実験によってマイクロレンズ
の半径を定めることが好ましい。

【００２１】図５は、中央部のマイクロレンズ１４ａと
周辺部のマイクロレンズ１４ｂを示す断面図である。上
述したようにマイクロレンズ１４ａ、１４ｂの表面形状
は球面の一部であり、その曲率半径は全てのマイクロレ
ンズに関して同じである。またマイクロレンズの非レン
ズ面１５からの突出量は、受光面の中央部から周辺部に
向かって大きくなり、周辺部において最大である。すな
わち、マイクロレンズの先端とフォトダイオード１２と
の距離は受光面の周辺部において最大である。

【００２２】換言すれば、球面の中心の深さ位置は、受
光面の中央部のマイクロレンズ１４ａにおいて相対的に
下方（半導体基板１１の底面１６側）にあり、受光面の
周辺部のマイクロレンズ１４ｂにおいて相対的に上方
（非レンズ面１５側）にある。このようなマイクロレン
ズの突出量の変化は、例えば実験結果に基づいて、シェ
ーディングが最小になるように定められる。

【００２３】以上のように第１の実施形態は、固体撮像
素子１０の各フォトダイオード１２の上側に設けられた
マイクロレンズ１４の大きさが、受光面の周辺部ほど大
きくなるように構成されている。これにより、周辺部の
フォトダイオード１２による受光量の低下が防止され、
シェーディング補正を省略することが可能となる。

【００２４】第１の実施形態において、マイクロレンズ
の球面の中心の深さ位置は、そのマイクロレンズの受光
面上における中央部からの距離Ｒによって異なってい
る。すなわち、各マイクロレンズの焦点は中央部からの
距離Ｒによって異なっている。しかしマイクロレンズの
機能は単なる集光であり、画像を結像させるものではな
い。したがって、各マイクロレンズ毎に焦点位置がずれ
ていても大きな問題は生じない。

【００２５】図６および図７は第２の実施形態における
固体撮像素子２０を示している。図６は、第１の実施形
態における図２と同様な断面図であり、図７はひとつの
マイクロレンズを拡大して示す断面図である。

【００２６】非レンズ面２５は、固体撮像素子２０の半
導体基板２１に対して、受光面の中央部側が突出する傾
斜面である。マイクロレンズ２４の突出量は、受光面の
中央部から周辺部に向かって大きくなり、周辺部におい
て最大である。すなわちマイクロレンズ２４の先端とフ
ォトダイオード２２との距離は受光面の全体にわたって
均一である。換言すれば、マイクロレンズ２４の表面の
球形の中心の深さ位置は、受光面の全体にわたって同じ
であり、全てのマイクロレンズ２４の焦点はフォトダイ
オード２２に一致している。

【００２７】その他の構成は第１の実施形態と同様であ
り、マイクロレンズ２４の半径ｒは、受光面の周辺部ほ
ど大きくなるように構成されている。なお図６において
は、説明上、非レンズ面２５の部分のみの形状は比較的
大きな傾斜で描かれているが、実際には、中央部から周
辺部へ向けて、その厚みがごく緩やかに減少していく傾
斜面であり、この傾斜面による集光作用は無視できるほ
ど小さく、マイクロレンズ２４による集光作用に影響を
及ぼすものではない。

【００２８】したがって第２の実施形態によれば、第１
の実施形態と同様な効果が得られるのに加え、各マイク
ロレンズ２４の焦点位置が均一であるため、フォトダイ
オード２２によって検出される画像はマイクロレンズ２
４によって全く影響を受けない。

【００２９】図８および図９は、第３の実施形態におけ
る固体撮像素子３０を示している。図８と図９は、第２
の実施形態における図６と図７にそれぞれ対応する。

【００３０】非レンズ面３５は、固体撮像素子３０の半
導体基板３１に平行な平面である。マイクロレンズ３４
の非レンズ面３５からの突出量は、受光面の全体にわた
って均一であり、マイクロレンズ３４の先端とフォトダ
イオード３２との距離も受光面の全体にわたって均一で
ある。受光面の周辺部近傍のマイクロレンズ３４は半球
状であるが、それよりも中央部側に位置するマイクロレ
ンズ３４の側面３７は光軸を軸心とする円柱面状であ
り、例えば（２）式に従った半径ｒ、あるいは実験によ
って決定された半径ｒを有している。すなわち第１およ
び第２の実施形態と同様に、光軸方向から見たマイクロ
レンズ３４の大きさは、中央部から周辺部に近づくに従
い大きくなっている。

【００３１】一方、マイクロレンズ３４の球面の曲率中
心の位置は、受光面の全体にわたって同じであり、非レ
ンズ面３５と同一の面上に位置している。すなわち、全
てのマイクロレンズ３４の焦点はフォトダイオード３２
に一致している。その他の構成は第１および第２の実施
形態と同様である。

【００３２】したがって第３の実施形態によれば、第２
の実施形態と同様な効果が得られる。

【００３３】図１０および図１１は、第４の実施形態に
おける固体撮像素子４０を示している。図１０と図１１
は、第２の実施形態における図６と図７にそれぞれ対応
する。

【００３４】非レンズ面４５は、固体撮像素子４０の半
導体基板４１に平行な平面である。マイクロレンズ４４
の非レンズ面４５からの突出量は、受光面の中央部から
周辺部に向かって大きくなり、周辺部において最大であ
る。一方フォトダイオードに関しては、第１〜第３の実
施形態では、非レンズ面１１、２１、３１に平行に設け
られているが、第４の実施形態では、固体撮像素子４０
の周辺部から中央部に近づくほど半導体基板４１の底面
４６に近づくように配設されている。すなわち、マイク
ロレンズ４４の先端とフォトダイオード４２との距離は
受光面の全体にわたって均一であり、フォトダイオード
４２はマイクロレンズ４４の焦点位置に配置されてい
る。換言すれば、半導体基板４１とカバーガラス４３の
境界面４７は、受光面の周辺部から中央部に近づくに従
って底面４１に近接するように傾斜しており、また各マ
イクロレンズ３４の球面の曲率中心の位置は、境界面４
７に沿っている。

【００３５】その他の構成は第１〜第３の実施形態と同
様であり、第４の実施形態によれば、半導体基板４１と
カバーガラス４３の成形工程が複雑になるが、シェーデ
ィングを抑制する効果に関しては、第１〜第３の実施形
態と同様である。

【００３６】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、固体撮像
素子の受光面に結像される画像において、その周辺部に
生じる信号レベルの落ち込み、すなわちシェーディング
の発生を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態である固体撮像素子を
示す正面図である。

【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿って示す断面図であ
る。

【図３】コサイン４乗則を説明するための図である。

【図４】固体撮像素子の受光面上における各マイクロレ
ンズの大きさの関係を示す図である。

【図５】受光面の中央部と周辺部におけるマイクロレン
ズの形状を示す断面図である。

【図６】第２の実施形態における固体撮像素子を示す断
面図である。

【図７】第２の実施形態のマイクロレンズを拡大して示
す断面図である。

【図８】第３の実施形態における固体撮像素子を示す断
面図である。

【図９】第３の実施形態のマイクロレンズを拡大して示
す断面図である。

【図１０】第４の実施形態における固体撮像素子を示す
断面図である。

【図１１】第４の実施形態のマイクロレンズを拡大して
示す断面図である。

【符号の説明】

１０固体撮像素子１１、２１、３１、４１半導体基板１２、２２、３２、４２フォトダイオード１３、４３カバーガラス１４、２４、３４、４４マイクロレンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】受光面に配置された複数のフォトダイオ
ードと、これらのフォトダイオード上に設けられたマイ
クロレンズとを備え、前記マイクロレンズの光軸方向か
ら見た大きさが、前記受光面の中央部から周辺部に近づ
くに従い大きくなることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】前記マイクロレンズが、その周囲に形成
された非レンズ面よりも突出していることを特徴とする
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】前記マイクロレンズの表面形状が球面の
一部であることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像
素子。
【請求項４】前記球面の曲率半径が全てのマイクロレ
ンズに関して同じであることを特徴とする請求項３に記
載の固体撮像素子。
【請求項５】前記非レンズ面が固体撮像素子の基板に
平行な平面であることを特徴とする請求項２に記載の固
体撮像素子。
【請求項６】前記非レンズ面が、固体撮像素子の基板
に対して、前記受光面の中央部側が突出する傾斜面であ
ることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項７】前記マイクロレンズの突出量が前記受光
面の全体にわたって均一であることを特徴とする請求項
２に記載の固体撮像素子。
【請求項８】前記マイクロレンズの突出量が前記受光
面の周辺部において最大であることを特徴とする請求項
２に記載の固体撮像素子。
【請求項９】前記マイクロレンズと非レンズ面を構成
するカバーガラスが一体的に成形されることを特徴とす
る請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項１０】前記マイクロレンズの光軸に垂直な断
面形状が円形であることを特徴とする請求項１に記載の
固体撮像素子。
【請求項１１】前記断面形状が、前記受光面の中心か
らの距離が大きくなるほど大きくなることを特徴とする
請求項１０に記載の固体撮像素子。
【請求項１２】前記マイクロレンズの先端とフォトダ
イオードとの距離が前記受光面の周辺部において最大で
あることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１３】前記マイクロレンズの先端とフォトダ
イオードとの距離が前記受光面の全体にわたって均一で
あることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１４】受光面に配置された複数のフォトダイ
オードと、これらのフォトダイオード上に設けられたマ
イクロレンズとを備え、前記マイクロレンズの光軸方向
から見た大きさが、前記受光面の周辺部の近傍において
最大であることを特徴とする固体撮像素子。