(57)【要約】【課題】従来の撮像装置に比較し、主光線入射角度を大きくすることができ、これにより光学系を設けたカメラモジュールの小形化（全長が小）や広い画角の光学系の設置を可能にした固体撮像装置を提供する。【解決手段】撮像部１は多数のフォトダイオード１ａ〜１ｊが並設されている。撮像部１の上には遮光膜１６による開口部が形成され、さらにその上にカラーフィルタ５が配置されている。カラーフィルタ５の上には樹脂レンズ２が接合されている。樹脂レンズ２は、主光線とマイクロレンズによる集光中心を近づけるような曲率で形成されており、周辺部の画素への集光効率を高め、シェーディングを低減化する。【選択図】　　　　図２
2004140426.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素を並設してなる撮像部を備え、各マイクロレンズで集光させることにより前記撮像部の各画素に光線を入射させる固体撮像装置において、
主軸を中心に所定角を越える角度で入射する光に対し、最も周辺方向へ配置される画素の受光量が所要の光量値以上になるような受光部形状に構成したことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
複数の画素を並設してなる撮像部を備え、各マイクロレンズで集光させることにより前記撮像部の各画素に光線を入射させる固体撮像装置において、
主軸を中心に所定角を越える角度で入射する光に対し、主光線光軸がマイクロレンズの中心と略一致するような受光部形状に構成したことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項３】
複数の画素を並設してなる撮像部を備え、各マイクロレンズで集光させることにより前記撮像部の各画素に光線を入射させる固体撮像装置において、
主軸を中心に所定角を越える角度で入射する光に対し、周辺方向に配置されるマイクロレンズの光軸を主光線光軸方向へ傾けるような受光部形状に構成したことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項４】
複数の画素を並設してなる撮像部を備え、各マイクロレンズで集光させることにより前記撮像部の各画素に光線を入射させる固体撮像装置において、
前記撮像部の各画素の開口部を、中心から周辺方向に配置される画素ほど大きくなるように構成したことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項５】
前記受光部形状は、前記複数の画素が並設する撮像部上に、主光線とマイクロレンズによる集光中心とを近づけるような曲率を持つ樹脂レンズを接合したことを特徴とする請求項１，２または３記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記受光部形状は、マイクロレンズによる集光中心が、主光線と略一致するようにマイクロレンズの接合をフレネル形状に構成したことを特徴とする請求項１，２または３記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記受光部形状は、前記各画素の開口中心とマイクロレンズの中心とを画素毎に、その開口中心がマイクロレンズの中心に略一致するようにずらし、
中心から周辺方向に配置される画素ほど、そのずらし量を増大させるように構成したことを特徴とする請求項５または６記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記受光部形状は、周辺方向の画素ほどマイクロレンズに近づくように階段形状で配列したことを特徴とする請求項５または６記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記受光部形状は、前記撮像部の各画素を、その開口中心がマイクロレンズの中心に略一致するように配列することを特徴とする請求項５または６記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記受光部形状は、前記撮像部の各画素の開口部を、中心から周辺方向に配置される画素ほど大きくなるように構成したことを特徴とする請求項５または６記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンパクトで、かつ広画角，高解像なカメラモジュールを小形の携帯端末などに内蔵させることができる固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の撮像装置は、撮像素子センサ上に多数の画素が離散的に配置され、各画素に対し遮光板を入れて他の方向からの光をカットするともに開口部を設け、さらに光を各画素に集光させるためにマイクロレンズを各画素ごとに設けているのが一般的な構成である。
図９は、従来の撮像装置の一般的な構成を説明するための図で、撮像装置の一部分を拡大して示した断面図である。図１０は、図９における固体撮像装置の画素位置に対する光出力の関係を示すグラフである。
撮像部の画素であるフォトダイオード３５の上に、開口部を形成する遮光膜３６が設けられ、その上にカラーフィルタ３７が配置されている。さらに、その上面にフォトダイオード３５対応のマイクロレンズ３８が接合されている。入射光３９の最大入射角度は遮光膜３６による開口部で制限されている。
【０００３】
上記構成は、各画素に効率良く、光を入射するものであるが、実際は周辺部分の画素への光量は開口があるため図１０に示すように極端に減少する。すなわち、テーキングレンズの周辺でのコサイン４乗則による光量の減少があることと、開口部でのケラレが発生するため、シェーデングが大きくなってしまう。そのため、テーキングレンズのテレセントリック性を良好にしてできるだけ平行に光が入射するようにして、ディジタルカメラや携帯電話などでの使用を可能にしているのが現状である。
【０００４】
携帯端末に取り付けるカメラにおいては、従来の固体撮像装置ではシェーディングの規制が大きく、上述のようにレンズ構成が制限され、レンズおよび固体撮像装置で構成されるカメラモジュールを小形化することは困難である。したがって、小型化が押し進められている携帯端末などにに高解像のカメラを内蔵させることは困難が付きまとう。
【０００５】
そこで、上記問題を解決する撮像装置として種々の提案がなされている。
その提案の１（特開２００２−１７０９４４号公報）は、レンズから入射する主光線角度が周辺になればなるほど大きくなるが、周辺の画素をずらし、周辺になるほど大きくなるよう設定している。そして遮光層はマイクロレンズの光をさえぎらないようにレイアウトするものである。
提案の２（特開２００２−２３７４０４号公報）は、上記と同様、中心より外側になる受光部を外側にずらすものである。
提案の３（特開２００１−１６０９７３号公報）は、マイクロレンズおよび受光部を適正な量だけずらすことを示すものである。
【特許文献１】特開２００２−１７０９４４号公報
【特許文献２】特開２００２−２３７４０４号公報
【特許文献３】特開２００１−１６０９７３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図１１は上記提案１の具体的構成を説明するための図である。
周辺付近のフォトダイオード領域３４は主軸光線の傾きに対応して、その配置位置をずらして設けられている。同様に遮光層３１による開口部３０もずらしている。このような構成によって、周辺部でのシェーディングを抑制するものである。
しかしながらこの例を含めて上記提案は一定の小形化を実現できるが、いずれも一層の小形化は困難である。特に上述したように携帯端末などにおける一層の小形化の要請に応えることは難しい。
【０００７】
また、上述した従来の撮像装置では、実用化のためのシェーディングを所要値以下に抑えるために、図１１の入射角度（θ）を所定の角度以下、例えば２０度以下にしている。
そこで、テーキングレンズの主光線入射角度を所定の角度以上にできる撮像装置の実現が要請されている。
主光線入射角度を大きくとることができないことは、上述したようにカメラモジュールの小形化に困難を伴うとともに主光線の入射角度が大きい場合には十分な集光率を得ることができないからである。さらに光学系の小形化（全長小）および広画角の光学系を設置することは困難となるからである。
本発明の目的は、従来の撮像装置に比較し、主光線入射角度を大きくすることができ、これにより光学系を設けたカメラモジュールの小形化（全長が小）や広い画角の光学系の設置を可能にした固体撮像装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明による撮像装置は、以下のように構成される。すなわち請求項１によれば、複数の画素を並設してなる撮像部を備え、各マイクロレンズで集光させることにより前記撮像部の各画素に光線を入射させる固体撮像装置において、主軸を中心に所定角を越える角度で入射する光に対し、最も周辺方向へ配置される画素の受光量が所要の光量値以上になるような受光部形状に構成される。
請求項２によれば、複数の画素を並設してなる撮像部を備え、各マイクロレンズで集光させることにより前記撮像部の各画素に光線を入射させる固体撮像装置において、主軸を中心に所定角を越える角度で入射する光に対し、主光線光軸がマイクロレンズの中心と略一致するような受光部形状に構成される。
請求項３によれば、複数の画素を並設してなる撮像部を備え、各マイクロレンズで集光させることにより前記撮像部の各画素に光線を入射させる固体撮像装置において、主軸を中心に所定角を越える角度で入射する光に対し、周辺方向に配置されるマイクロレンズの光軸を主光線光軸方向へ傾けるような受光部形状に構成される。
請求項４によれば、複数の画素を並設してなる撮像部を備え、各マイクロレンズで集光させることにより前記撮像部の各画素に光線を入射させる固体撮像装置において、前記撮像部の各画素の開口部を、中心から周辺方向に配置される画素ほど大きくなるように構成される。
請求項５によれば、請求項１，２または３における前記受光部形状は、前記複数の画素が並設する撮像部上に、主光線とマイクロレンズによる集光中心とを近づけるような曲率を持つ樹脂レンズを接合して構成される。
請求項６によれば、請求項１，２または３における前記受光部形状は、マイクロレンズによる集光中心が、主光線と略一致するようにマイクロレンズの接合をフレネル形状に構成される。
請求項７によれば、請求項５または６における前記受光部形状は、前記各画素の開口中心とマイクロレンズの中心とを画素毎に、その開口中心がマイクロレンズの中心に略一致するようにずらし、
中心から周辺方向に配置される画素ほど、そのずらし量を増大させるように構成される。
請求項８によれば、請求項５または６における前記受光部形状は、周辺方向の画素ほどマイクロレンズに近づくように階段形状で配列して構成される。
請求項９によれば、請求項５または６における前記受光部形状は、前記撮像部の各画素を、その開口中心がマイクロレンズの中心に略一致するように配列して構成される。
請求項１０によれば、請求項５または６における前記受光部形状は、前記受光部形状は、前記撮像部の各画素の開口部を、中心から周辺方向に配置される画素ほど大きくなるように構成される。
【０００９】
【作用】
上記構成によれば、撮像装置に対する周辺の主光線入射角度が大きくても、撮像領域周辺部の光量の低減を抑止することができる。また、撮像装置に対する周辺の主光線入射角度を大きくすることによって光学全長を短くでき、設計の自由度を増すことができる。この撮像装置に光学系を配置することにより、小形の光学モジュールを構成することができる。さらに広画角の光学系を構成できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳しく説明する。
図１は、本発明による固体撮像装置の第１の実施の形態を示す断面図、図２は図１の詳細を示す部分図である。
図１（ａ）は、固体撮像装置の撮像部の各画素（フォトダイオード）および各マイクロレンズを少ない個数で形状を誇張して表現したもので、実際のものよりは少ない画素数で構成されている。
撮像部１は多数の画素１ａ〜１ｊが隣合わせで並べて配置されている。撮像部１の平面形状は、例えば方形状である。撮像部１の上には遮光膜１６による開口部が形成され、さらにその上にカラーフィルタ５が配置されている。カラーフィルタ５の上には樹脂レンズ２が接合されている。樹脂レンズ２は、主光線とマイクロレンズによる集光中心を近づけるような曲率で形成されており、周辺部の画素への集光効率を高めている。
【００１１】
さらに樹脂レンズ２の上に各画素対応にマイクロレンズ３ａ〜３ｊが接合されている。
例えば、マイクロレンズ３ｅが中心位置であるとすると、マイクロレンズ３ｅの中心とそれに対応する画素１ｅの開口中心を一致させている。しかしながら、中心から外側に配置されている画素１ａ〜１ｄ，１ｆ〜１ｊの開口中心は対応するマイクロレンズ３ａ〜３ｄ，３ｆ〜３ｊの中心に対し外側にずれている（図１（ｂ））。そして周辺方向になるほど画素のずらし量を大きくしている。これにより周辺部の画素へのマイクロレンズで集光された光の入射量を増大させている。
【００１２】
図１（ｃ）に撮像部１の画素が周辺付近になるほど対応のマイクロレンズに近づくような階段形状の撮像部の実施の形態を示す。この実施の形態では、周辺方向になるほど画素を外側にずらすという構成に加えて、撮像部１を階段形状に構成するものである。また、周辺方向になるほど画素を外側にずらすという構成を加えることなく、撮像部１を階段形状に構成することも可能である。この構成を加えることによってもさらに周辺部の画素への入射光量を増大させることができる。
【００１３】
さらに図１ｄに撮像部１の各画素の開口中心と、対応するマイクロレンズの中心とを略一致させた実施の形態を示す。この実施の形態の場合には、周辺方向になるほど画素を外側にずらすという構成は採用しないで、樹脂レンズ２の上のマイクロレンズの中心と、これに対応する各画素の開口中心とをすべて略一致させるように構成することによって、周辺部の画素への光量を増加させている。
したがって、上記実施の形態では、主光線入射角が所定角より大きくなってもシェーディングを低減化でき、主光線入射角度が大きい、例えば２０度〜３５度の入射角の主光線でも所要の性能の固体撮像装置の実現が可能である。なお、主光線入射角度３５度以上でも対応できる場合がある。
以上の実施の形態について樹脂レンズを用いているのは、製造が容易であるからであり、レンズの材質は他のものを用いても良い。例えば、硝材などである。
【００１４】
図３は、本発明による固体撮像装置の第２の実施の形態を示す断面図、図４は図３の詳細を示す部分図である。
図３（ａ）も図１（ａ）と同様に固体撮像装置の撮像部の各画素および各マイクロレンズを少ない個数で形状を誇張して表現したもので、実際のものよりは少ない画素数で表現されており、中心部より右部分を示したものである。
撮像部６は多数の画素６ａ〜６ｊが隣合わせて並べて配置されている。撮像部６の平面形状は、例えば方形状である。撮像部６の上には遮光膜１８による開口部が形成され、さらにその上にカラーフィルタ１７が配置されている。カラーフィルタ１７上には各画素６ａ〜６ｉ対応にマイクロレンズ７ａ〜７ｉが接合されている。
図３（ｂ）に示すようにマイクロレンズによる集光中心が、主光線と略一致するようにマイクロレンズの接合部１０をフレネル形状に構成することにより集光効率を向上させている。
【００１５】
上記フレネル形状の構成に加えて、例えば、画素６ａが撮像装置の中心であるとすると、中心から外側に配置されている画素６ｂ〜６ｉの開口中心は対応するマイクロレンズ７ｂ〜７ｉの中心に対し外側にずれており、周辺方向になるほど画素のずらし量を大きくしている。これにより周辺部の画素へのマイクロレンズで集光された光の入射量を増大させている。
【００１６】
また、フレネル形状の構成に加えて、撮像部１を階段形状に構成することも可能である。周辺部になるほど画素を対応するマイクロレンズに近づけるようにするものである。さらにフレネル形状の構成に加えて　撮像部６の各画素６ａ〜６ｅの開口中心と、対応するマイクロレンズ７ａ〜７ｉの中心とを略一致させることも可能である。これらいずれの構成も周辺部の画素への光量を増加させることができる。したがって、図３に関連する実施の形態も図１で述べたと同様に、主光線入射角が所定角より大きくなってもシェーディングを低減化でき、主光線入射角度が大きい、例えば、２０度〜３５度の入射角の主光線でも所要の性能の固体撮像装置の実現が可能である
【００１７】
図５は、本発明による固体撮像装置の第３の実施の形態を示す断面図である。本図は中心の画素と両隣の画素付近の構成の拡大図で、図５も図１（ａ）と同様に固体撮像装置の撮像部の各画素および各マイクロレンズを形状を誇張して表現したものである。
撮像部の各画素であるフォトダイオード領域１１ａ〜１１ｃに対し、その上に遮光層１２ａ−１，１２ａ−２，１２ｂ−１，１２ｂ−２，１２ｃ−１，１２ｃ−２が配置されて各フォトダイオード領域１１ａ〜１１ｃに対し開口部１５ａ〜１５ｃが形成されている。さらにその上に各フォトダイオード領域１１ａ〜１１ｃに対応するマイクロレンズ１３ａ〜１３ｃが接合されている。
中心の開口部１５ａに対し、両隣の開口部１５ｂ，１５ｃの開口面積を大きくし、フォトダイオード領域が周辺位置になるほど開口面積をより大きくすることにより光シェーディングを低減化している。
周辺部の画素ほど受光面を大きくするという構成は、第１および第２の実施の形態に対し、さらにこの構成要素を加えることも可能である。
【００１８】
図６は、固体撮像装置の画素位置に対する光出力の理想的な関係を示すグラフ、図７は、固体撮像装置の画素位置に対する光出力の関係について本発明を適用したときのグラフである。
理想的には図６に示すように中央の画素と周辺部の画素への光出力（出力電圧）は同じであることが要請されるが、従来の構成では図１０に示すような特性となり、周辺部になるほど、出力電圧は落ち、シェーディングが大きくなる。
しかしながら、本発明を適用すると、図７に示すように周辺部への光出力は図１０に比較し大きくすることができる。
【００１９】
以下に具体的な数値例を示す。
マイクロレンズを受光面に形成した場合の集光率は以下の通りである。
主光線角度（°）　　　　０　　１０　　２０　　３０　　４０
受光面の集光率（％）　５５　　３０　　４０　　１９　　　８
上記数値に対し、樹脂レンズで補正した場合の集光率は、
主光線角度（°）　　　　０　　１０　　２０　　３０　　４０
受光面の集光率（％）　６０　　５０　　４５　　３５　　２５
【００２０】
フレネル形状で補正した場合の集光率は、
主光線角度（°）　　　　０　　１０　　２０　　３０　　４０
受光面の集光率（％）　６５　　５５　　５０　　４０　　３０
主光線角度が０〜４０°まで変化する場合の集光率を比較したもので、樹脂レンズおよびフレネル形状で補正した場合、いずれも大きな主光線角度に対し、本発明の構成を適用していない場合に比較し、大きな集光率の数値が示されている。さらに樹脂レンズの形成よりはマイクロレンズをフレネル形状にした方が集光率が高いことが理解できる。
【００２１】
図８は、本発明による固体撮像装置に光学系を配置した装置例を示す図である。
カメラモジュールは、本発明による固体撮像装置２２と、その上にテーキングレンズを配置して構成される。この例のテーキングレンズは固体撮像装置２２側に凹レンズ２１を、その背後に凸レンズ２０を配置したものである。
撮像装置を小形化するためにはテレフォト型の方が有利であり、また、絞りに対し対称な構成にした方が収差補正に対し有利である。したがって、主光線の入射角度を大きくとってもシェーディングを低減化できる本発明による固定撮像装置に用いれば、カメラモジュールの一層の小形化を図ることができる。
【００２２】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、撮像装置とレンズ系からなるカメラモジュールを小形化することができる。したがって、該カメラモジュールを携帯端末に用いれば、カメラを内蔵させる携帯端末の小形化を図ることができる。また、撮像部の画素へ入射する主光線角度が大きい光学系を用いることができ、シェーディングも低減できる。
さらに広画角の光学系を固体撮像装置に形成することができる。
本発明による固体撮像装置と固体撮像装置上に配置される光学系よりなるカメラモジュールは携帯端末に限らず、小形化を要求される機器、例えばディジタルカメラ，車載カメラ，セキュリティカメラなどに広く適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による固体撮像装置の第１の実施の形態を示す断面図である。
【図２】図１の固体撮像装置の詳細を示す図である。
【図３】本発明による固体撮像装置の第２の実施の形態を示す断面図である。
【図４】図３の固体撮像装置の詳細を示す図である。
【図５】本発明による固体撮像装置の第３の実施の形態を示す断面図である。
【図６】固体撮像装置の画素位置に対する光出力の理想的な関係を示すグラフである。
【図７】固体撮像装置の画素位置に対する光出力の関係について本発明を適用したときのクラフである。
【図８】本発明による固体撮像装置に光学系を配置した装置例を示す図である。
【図９】従来の撮像装置の一般的な構成を説明するための図である。
【図１０】図９における固体撮像装置の画素位置に対する光出力の関係を示すグラフである。
【図１１】従来の撮像装置の具体的な一例を説明するための図である。
【符号の説明】
１，６，２８　撮像部
２，２４　樹脂レンズ部
３，７，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ　マイクロレンズ
４，８，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，２５　主光線
５，１７　カラーフィルタ
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ　フォトダイオード領域
１２ａ−１，１２ａ─２，１２ｂ−１，１２ｂ−２，１２ｃ−１，１２ｃ−２遮光層
１６，１８　遮光膜
２０　凸レンズ
２１　凹レンズ
２２　固体撮像装置
３０　開口部
【図１】
2004140426.tif 000003
【図２】
2004140426.tif 000004
【図３】
2004140426.tif 000005
【図４】
2004140426.tif 000006
【図５】
2004140426.tif 000007
【図６】
2004140426.tif 000008
【図７】
2004140426.tif 000009
【図８】
2004140426.tif 000010
【図９】
2004140426.tif 000011
【図１０】
2004140426.tif 000012
【図１１】
2004140426.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成14年10月21日(2002.10.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2004140426.tif 000014
【図２】
2004140426.tif 000015
【図３】
2004140426.tif 000016
【図４】
2004140426.tif 000017
【図５】
2004140426.tif 000018
【図６】
2004140426.tif 000019
【図７】
2004140426.tif 000020
【図８】
2004140426.tif 000021
【図９】
2004140426.tif 000022
【図１０】
2004140426.tif 000023
【図１１】
2004140426.tif 000024
【手続補正書】
【提出日】平成14年11月7日(2002.11.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】符号の説明
【補正方法】変更
【補正の内容】
【符号の説明】
１，６，２８　撮像部
２，２４　樹脂レンズ部
３，７，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ　マイクロレンズ
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，２５　主光線
５，１７　カラーフィルタ
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ　フォトダイオード領域
１２ａ−１，１２ａ─２，１２ｂ−１，１２ｂ−２，１２ｃ−１，１２ｃ−２遮光層
１６，１８　遮光膜
２０　凸レンズ
２１　凹レンズ
２２　固体撮像装置
３０　開口部


【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2004140426.tif 000025
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2004140426.tif 000026
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2004140426.tif 000027
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2004140426.tif 000028
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１１】
2004140426.tif 000029