TW202332938A - 透鏡陣列及固態攝像元件 - Google Patents
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Abstract
本發明為一種透鏡陣列，具有對齊配置的複數個微透鏡，在將具有開口的螢幕配置在透鏡陣列上方的狀態下，將雷射光經由開口照射於透鏡陣列時，在螢幕上產生的繞射圖案的亮度的平均值為36以下。
Description
本發明有關透鏡陣列。還涉及使用了該透鏡陣列的固態攝像元件。本申請案基於2021年12月15日在日本申請的日本特願2021-203223號主張優先權，在此援引其內容。
目前普及的是利用在入射到光電轉換元件的光路徑上，設置平面配置有選擇性地透過特定波長的光之複數種顏色的著色透明圖案的彩色濾光片，就能夠得到對象物的顏色資訊之單板式固態攝像元件。
隨著固態攝像元件的薄型輕量化和高精細化，在光電變換元件的排列基板上直接形成彩色濾光片的片上型(on chip type)的固態攝像元件日益增加。
在片上型的固態攝像元件中，有時為了有效地將光導入到光電轉換元件，會配置微透鏡(例如參考專利文獻1)。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
專利文獻1：日本特開2013-8777號公報
[發明欲解決之課題]
隨著數位圖像機器的高畫質化和小型化的發展，在片上型的固態攝像元件方面也要求更高的精細度。
在進行與這種固態攝像元件的高精細化對應的研究的過程中，本發明人認識到並解決了過去未被視為問題的花瓣耀斑(petal flare)之新問題。
本發明的目的在於提供一種能夠在抑制花瓣耀斑的同時對應高精細化的透鏡陣列。
本發明的第一態樣為一種透鏡陣列，具有對齊配置的複數個微透鏡，在將具有開口的螢幕配置在該透鏡陣列上方的狀態下，將雷射光經由該開口照射於該透鏡陣列時，在該螢幕上產生的繞射圖案的亮度的平均值為36以下。
本發明的第二態樣為根據該第一態樣的透鏡陣列，其配置成具有形狀互不相同的複數個種類的該微透鏡，且相鄰的該微透鏡的形狀不同。
本發明的第三態樣為根據該第一態樣的透鏡陣列，其在該透鏡陣列的俯視中，在配置有該微透鏡的區域之該微透鏡所占的面積的比例為96%以下。
本發明的第四態樣為一種固態攝像元件，具備有如該第一態樣至該第三態樣中任一態樣之透鏡陣列。
[發明之效果]
根據本發明，可以提供在抑制花瓣耀斑的同時能夠對應高精細化的透鏡陣列。
[用以實施發明的形態]
以下，茲參考圖1至圖4來說明本發明的一實施形態。圖1為根據本實施形態的固態攝像元件的剖面示意圖。固態攝像元件100具備：具有複數個光電轉換元件PD的晶圓基板101和在晶圓基板101上所形成的片上彩色濾光片1。
片上彩色濾光片(On-chip Color Filter)1具有：包含複數種類的顏色濾光片的濾光片部10和配置在濾光片部10上的透鏡陣列20。本實施形態的透鏡陣列20係本發明之透鏡陣列。
濾光片部10包含顏色濾光片11、12、13這三種顏色濾光片。濾光片部10的顏色的種類、數量及分配可以適當決定，並可以採用公知者。例如，可以舉出使用紅、綠、藍三色的拜爾排列(Bayer array)等。在固態攝像元件100的俯視中，各顏色濾光片與光電轉換元件PD中的一個重疊。
透鏡陣列20具有複數個微透鏡21。在本實施形態中，微透鏡21排列成二維矩陣狀，具有與濾光片部10的顏色濾光片大致相同的配置方式。在固態攝像元件100的俯視中，各顏色濾光片與微透鏡21中的一個重疊。
在具有上述結構的固態攝像元件100中，入射到微透鏡21上的光經由相應的顏色濾光片被引導到光電轉換元件PD，從而發揮攝像功能。
為了使固態攝像元件的靈敏度提升，需要利用微透鏡將盡可能多餘的光導入到光電轉換元件。因此，如圖2所示，習知的透鏡陣列200的各微透鏡21使用熱回流、回蝕(etch back)等公知的技術，形成為光學面在俯視中幾乎沒有間隙地配置，乃係通識。
然而，在被高精細化為微透鏡的直徑或配置有微透鏡的顏色濾光片一邊的尺寸為1.2μm以下之固態攝像元件中，不能得到充分的色純度的現象隨處可見。
本發明人對這種現象進行了研究後，發現微透鏡的花瓣耀斑是其主要原因。
花瓣耀斑是在微透鏡的光軸周圍隔著間隔地產生花瓣狀的耀斑，這被認為是由於反射光在微透鏡的光學面的法線方向以外的方向所發生干涉而引起的。從原理上來看，花瓣耀斑本身也被認為會發生在傳統的微透鏡陣列中。然而，認為傳統上因為光電轉換元件受光的光量多，以及與彼此相鄰的顏色濾光片區域間的距離(間距)大，因而問題沒有明顯化。
由於花瓣耀斑並未被作為問題而充分的被認識，目前還沒有能夠量測和評價花瓣耀斑的裝置，因此，本發明人建構了一種用於評價製造的透鏡陣列花瓣耀斑的方法。
如圖3所示，將量測對象的透鏡陣列301以平坦的狀態靜置，將在中央部具有開口302a的半透明螢幕302隔開空隙而配置在透鏡陣列301的上方。空隙約為0.5cm至5cm。
接著，從螢幕302的上方發射雷射光L，通過開口302a往透鏡陣列301垂直照射雷射光L。雷射光L的光點直徑只要是至少覆蓋以3×3的二維矩陣狀排列的9個微透鏡的尺寸即可，例如可以約為800μm。
照射到透鏡陣列301上的雷射光L係被設置在透鏡陣列301上的複數個微透鏡反射。由複數個微透鏡反射的每個反射光產生的繞射圖案P作為光點而投影在開口302a周圍的螢幕302上。透鏡陣列301產生的花瓣耀斑的強度可以根據從螢幕302的上方拍攝該繞射圖案P的圖像而得到的繞射圖案P的亮度值來評價。
上述方法可用於基於亮度值的絕對評價，也可以用於相對評價，該相對評價為例如利用比較習知品和改良品的亮度值，以推測改進產品是否有望改善花瓣耀斑等。
在絕對評價的情況下，在暗室環境中，在將透鏡陣列301和螢幕302之間的距離設為120mm的狀態下，按照基於JIS C 6802的步驟將強度等級2、振盪波長為670nm的雷射光L照射到透鏡陣列301上。成像投影在螢幕302上的繞射圖案P的圖像，並且獲取該繞射圖案P作為8位元單色圖像。利用將該圖像中的繞射圖案P的亮度平均值設為36以下，即使將透鏡陣列301應用於固態攝像元件等，也能夠充分抑制花瓣耀斑。
發明人等係使用上述評價方法，針對不易產生花瓣耀斑的透鏡陣列的構造進行了各種研究。結果發現至少以下兩種構造是有效的。
第一種構造是使彼此相鄰的微透鏡的形狀不同。在圖4所示的透鏡陣列中，利用使微透鏡21A和圖4中位於微透鏡21A的上下左右的微透鏡21B的尺寸相同，而使彼此相鄰的微透鏡的形狀不同。使彼此相鄰的微透鏡的形狀不同的手段並不限於如圖4所示的在俯視中的尺寸變更，也可以是高度(厚度)的變更、俯視形狀的變更(例如圓形、橢圓形等)、光學面的曲率半徑的變更等。一般認為在這種透鏡陣列中，由於彼此相鄰的微透鏡的形狀不同，而難以發生繞射現象本身，從而可以抑制花瓣耀斑。
圖5(a)、(b)、(c)顯示3個透鏡陣列，其中彼此相鄰的微透鏡具有不同的俯視尺寸。關於圖5的(a)、(b)、(c)的透鏡陣列，用上述方法評價花瓣耀斑後，圖5的(a)、(b)、(c)的透鏡陣列中的繞射圖案的亮度值分別為27.6、19.0、和35.9，圖5的(a)、(b)、(c)的透鏡陣列均抑制了花瓣耀斑。另外，與彼此相鄰的微透鏡的形狀差較小的圖5的(c)的透鏡陣列的亮度值相比，彼此相鄰的微透鏡的形狀差較大的圖5的(a)及(b)的透鏡陣列的亮度值較小(亦即，圖5(a)和(b)中透鏡陣列的亮度值小於圖5(c)中透鏡陣列的亮度值，其中彼此相鄰的微透鏡的形狀差大於圖5(c)中的透鏡陣列)，並發現隨著彼此相鄰的微透鏡的形狀差變大，亮度值趨於變小。
第二種構造是降低微透鏡的填充因子(fill factor)。所謂填充因子，是指在透鏡陣列的俯視中，按每個微透鏡所劃分的區域(在本實施形態中，是俯視略為正方形的區域)中微透鏡所占的面積的比例。
圖6的(a)、(b)、(c)表示填充因子不同的3個透鏡陣列。關於圖6的(a)、(b)、(c)的透鏡陣列，用上述方法評價花瓣耀斑後，圖6的(a)、(b)、(c)的透鏡陣列中的繞射圖案的平均亮度值分別為38.4、35.4、和32.4。圖6(a)的透鏡陣列的填充因子約為99%，與傳統的一般透鏡陣列程度相同，但圖6的(b)和(c)的透鏡陣列的填充因子分別為92.2%和84.4%，比一般的透鏡陣列小，圖6的(b)和(c)的透鏡陣列的任何一個平均亮度值都比圖6的(a)的透鏡陣列的平均亮度值小，並發現隨著填充因子的降低，花瓣耀斑有被強烈抑制的傾向。在本發明人的研究中，確認了利用將填充因子設定為96%以下，可以將繞射圖案P的平均亮度值設定為36以下。
如上說明所述，在本實施形態的透鏡陣列中，利用將具有開口的螢幕配置在透鏡陣列上方的狀態下，並經由開口向透鏡陣列照射雷射光時，在螢幕上產生的繞射圖案的亮度的平均值為36以下，即使在縮小微透鏡的尺寸以對應高精細化的情況下，也能夠適當地抑制花瓣耀斑。
此外，根據本實施形態的透鏡陣列可以使用微影技術來製造。對於上述任何一種構造，都可以適當設定用於形成透鏡的光罩的設計，例如在圖5的(a)、(b)或圖6的(b)、(c)的方式中形成透鏡陣列來實現。
以上對本發明的實施形態及實施例進行了說明，但具體的構造並不限於該實施形態，也包含在不脫離本發明的主旨的範圍內的構造的變更、組合等。
在上述實施形態中，表示了在基板上直接形成有彩色濾光片的片上型的固態攝像元件，但本發明的技術思想的適用範圍並不限於此。本發明的技術思想也可以應用於例如配置在有機EL(OLED)上的透鏡片等。
此外，根據本發明的透鏡陣列可以在微透鏡上具備各種功能層。作為功能層，可以例示繞射格柵的層、低折射率層、防眩層、防汙層等。
1:片上彩色濾光片
10:濾光片部
11,12,13:顏色濾光片
20:透鏡陣列
21:微透鏡
100:固態攝像元件
302:螢幕
302a:開口
L:雷射光
P:繞射圖案
圖1為根據本發明之一實施形態的固態攝像元件的剖面示意圖。
圖2為顯示習知的微透鏡部的俯視照片。
圖3為用以說明花瓣耀斑之評價方法的圖。
圖4為顯示彼此相鄰的微透鏡的俯視尺寸不同的透鏡陣列的一示例的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。
圖5為顯示評價花瓣耀斑的三個透鏡陣列的SEM照片。
圖6為顯示評價花瓣耀斑的三個透鏡陣列的SEM照片。
無。
Claims (4)
- 一種透鏡陣列，具有對齊配置的複數個微透鏡，在將具有開口的螢幕配置在該透鏡陣列上方的狀態下，將雷射光經由該開口照射於該透鏡陣列時，在該螢幕上產生的繞射圖案的亮度的平均值為36以下。
- 如請求項1之透鏡陣列，其中，配置成具有形狀互不相同的複數個種類的該微透鏡，且彼此相鄰的該微透鏡的形狀不同。
- 如請求項1之透鏡陣列，其中，在該透鏡陣列的俯視中，在配置有該微透鏡的區域之該微透鏡所占的面積的比例為96%以下。
- 一種固態攝像元件，具備有如請求項1至3中任一項之透鏡陣列。
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