(57)【要約】【課題】従来の固体撮像素子に対し、シェーディング量を低減でき、結像光学系の変倍による上記固体撮像素子への入射光線角度の変化に対し追随出来る固体撮像素子を提供する。【解決手段】多数の画素が２次元に配置され、その上にカラーフィルタ、遮光膜の開口部、形状可変レンズで構成されたマイクロレンズが順に配置されている。このマイクロレンズの曲率は、各々独立に或いは同心円上のグループ毎に可変可能に構成されている。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の受光素子からなる受光素子群と、各受光素子に対象物を結像するマイクロレンズからなるマイクロレンズ群を配置した固体撮像素子において、
少なくとも前記マイクロレンズ群の一部を形状可変可能な形状可変レンズで構成したことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記受光素子群に入射する光量を前記形状可変レンズにて均一にしたことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
固体撮像素子の受光面の周辺部への入射方向を該受光面に対して垂直な方向に傾けた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４】
前記受光面の中央部及び／又は周辺部のマイクロレンズを形状可変レンズとし、該レンズ形状を可変することで中央部における曲率を周辺部における曲率より大きくしたことを特徴とする請求項１記載の固定固体撮像素子。
【請求項５】
前記形状可変レンズを電圧又は圧力で形状を可変可能であることを特徴とする請求項１乃至４記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記可変形状レンズの形状を前記受光素子に入射する入射角に合せて可変させることを特徴とする請求項１乃至５記載の固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子に関し、特に固体撮像素子の受光面に形状を可変可能なマイクロレンズを配置したものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ビデオカメラ、デジタルカメラ、更に、携帯電話内蔵カメラ等が急速に普及してきている。これらのカメラには、ＣＣＤやＣ−ＭＯＳといった固体撮像素子が使用されているが、この固体撮像素子には、その表面に多数の画素が離散的に配置され、各画素に対し遮光膜を入れて、他の方向からの光をカットするとともに、光を受光する開口部を設けているが、より効率よく光を受光するために、マイクロレンズを画素毎に配置している。
【０００３】
図７は、従来の一般的な固体撮像素子の一部を拡大した断面図である。また、図８は、図７における固体撮像素子の画素位置に対する光出力の関係を示すグラフである。
【０００４】
撮像部の画素であるフォトダイオード７１の上に開口部を形成する遮光膜７２が設けられ、その上にカラーフィルタ７３が配置されている。さらに、その上面にフォトダイオード７１に対応したマイクロレンズ７４が接合されている。入射光７５の最大入射角度は遮光膜７２による開口部で制限される。
【０００５】
上記構成は、各画素に効率よ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の存在のため、図７のグラフに示すように光軸の中心から離れるに従って極端に減少する。
【０００６】
すなわち、結像光学系の周辺でのコサイン４乗則による光量の減少があるため、また、開口部でのケラレが発生するため、シェーディングが大きくなってしまう。
【０００７】
そのため、結像光学系のテレセントリック性を良好にして出来るだけ平行に光が入射するように設計することにより、デジタルカメラや携帯電話等に使用を可能にしているのが現状である。
【０００８】
これらの固体撮像素子を用いたカメラモジュールにおいては、固体撮像素子におけるシェーディングの規制が大きく、上述のように結像光学系の構成が制限され、結像光学系および固体撮像素子で構成されるカメラモジュールを小型化することが困難であった。
【０００９】
したがって、これらデジタルビデオ、デジタルカメラ、携帯電話内蔵カメラ等、小型化が推し進められている中で、シェーディングを改善し、高解像のカメラモジュールを設計するには困難があった。
【００１０】
そこで、上記問題を解決する各種の固体撮像素子が提案されている。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００１−１６０９７３号公報
【特許文献２】
特開１９９７−２６０６２４号公報
【特許文献３】
特開１９９９−１５０２４号公報
【特許文献４】
特開２００１−１８９４４２号公報
特許文献１には、結像光学系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為、マイクロレンズおよび受光素子を適正な量だけずらすことによりシェーディングを出来るだけ少なくするものが開示されている。
【００１２】
更に詳しく説明すると、光軸の中心から離れた固定固体撮像素子の受光端部付近のフォトダイオード領域は、主光線の傾きに対応して、その配置位置をずらして配置され、同様に遮光層による開口部及びマイクロレンズもずらして配置されている。
【００１３】
特許文献１に記載のものは、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が、ある程度の小型化は実現できるが、一層の小型化は困難なものである。
【００１４】
また、一般的に実用化のためのシェーディングを所用値以下に押さえるために、結像光学系の入射角度を所定の角度以下にしなければならない（例えば２０度以下にしている）。このため特許文献１に記載ものを採用した光学系においては、結像光学系のレンズ構成が枚数の増加など、複雑にならざるを得ず、レンズ設計に対して大きな制約を加えることになる。
【００１５】
特許文献２および３には、固体撮像素子上の各画素に対するマイクロレンズの曲率を中心付近は小さく、周辺に行くほど大きくして、周辺の光量を増やすものが開示されている。
【００１６】
特許文献２および３に記載のものは、マイクロレンズの径を中心と端部において変えるものであるが、端部の光量に対して、中心部の開口を制限して全体の光量を一定に合せるものであり、全体の光量自体を減らすことになり性能を落とす問題がある。
【００１７】
特許文献４には、シェーディング量を改善する為、マイクロレンズの中央部を周辺部より透過率を低くして光量の平均化を図っている。更に、また別提案の透過光量を中心部で落とし、周辺と合せることも全体の光量を下げることになる。
【００１８】
これらの提案は、単にシェーディングを改善するだけで、小型化に対応出来る内容ではない。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の固体撮像素子の問題である入射光角度に影響されない固体撮像素子が求められている。また、特に、ズームレンズと共に固体撮像素子が用いられる場合においては、図９に示すように、焦点距離が短いとき（ＷＩＤＥ）と長いとき（ＴＥＬＥ）とでは、固体撮像素子に対する光線の入射角が異なる。このような場合、通常のマイクロレンズでは固体撮像素子の特に光軸から遠い画素への入射光量が異なってくる。このため、ＷＩＤＥ側で最適となるようにマイクロレンズを設計すると、ＴＥＬＥ側では最適とはなり得ず、その逆でも最適とはなり得ない。
【００２０】
よって、ズーム位置に伴って変化する場合に入射光角度に影響されない固体撮像素子も求められている。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、複数の受光素子からなる受光素子群と、各受光素子に対象物を結像するマイクロレンズからなるマイクロレンズ群を配置した固体撮像素子において、少なくとも前記マイクロレンズ群の一部を形状可変可能な形状可変レンズで構成したことを特徴とする。
【００２２】
また、本発明の固体撮像素子は、前記受光素子群に入射する光量を前記形状可変レンズにて均一にしたことを特徴とする。
【００２３】
また、本発明の固体撮像素子は、固体撮像素子の受光面の周辺部への入射方向を該受光面に対して垂直な方向に傾けたことを特徴とする。
【００２４】
また、本発明の固体撮像素子は、前記受光面の中央部及び／又は周辺部のマイクロレンズを形状可変レンズとし、該レンズ形状を可変することで中央部における曲率を周辺部における曲率より大きくしたことを特徴とする。
【００２５】
また、本発明の固体撮像素子は、前記形状可変レンズを電圧又は圧力で形状を可変可能であることを特徴とする。
【００２６】
更に、本発明の固体撮像素子は、前記可変形状レンズの形状を前記受光素子に入射する入射角に合せて可変させることを特徴とする。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００２８】
図１に結像光学系と固体撮像素子の構成を示す。シェーディングを防ぐ為、結像光学系はテレセントリック構成となり受光素子に入射する光を出来るだけ光軸方向に対して平行になるような結像光学系で構成される。
【００２９】
しかしながら、同図に示す固体撮像素子の場合、レンズ枚数が増え、構成が複雑になる。
【００３０】
図２は、固体撮像素子のマイクロレンズ部に形状可変レンズを設けた図である。
【００３１】
同図に示す固体撮像素子の結像光学系の構成は、図１に示す固体撮像素子の結像光学系の構成に比べて、結像光学系を簡単化、或いは、レンズ枚数を減らすことが可能である。これは、周辺の光線の入射角が光軸方向に対し、角度がきつくなっているが、形状可変レンズを使用することにより、固体撮像素子周辺のマイクロレンズの曲率を小さくしパワーを上げることにより光量を増やしている。
【００３２】
以下、順を追って説明をする。
【００３３】
図３は、固体撮像素子における、第１の実施の形態を示す図である。
【００３４】
同図に示すように、中心付近は従来の樹脂による通常のマイクロレンズ、周辺部分を形状可変レンズで構成している。全体が形状可変レンズで構成することも、当然可能である。固体撮像素子部の受光素子には２次元配列で画素（フォトダイオード）が配置され、その上にカラーフィルタ、遮光膜、開口部が構成され、更に上部にマイクロレンズが構成される。マイクロレンズの中心と周辺の曲率を変えることにより、シェーディングを補正し、尚且つ、周辺への入射光線の角度も例えば前述の２０°を越えて結像光学系を構成することが可能となる。
【００３５】
図４にマイクロレンズ部に液体レンズを使用した実施例を示す。各画素に対応して上部にある液体レンズの形状を、結像光学系の光速に合せて変化させ、周辺部の光量を増やす。この場合、結像光学系が変倍（ズーム）できる構成であっても可変焦点レンズを用いることで、ズーム位置の違いによる固体撮像素子への入射光角度の変化にも細かく最適な対応が可能となる。ズームレンズの場合、焦点距離が短いとき（ＷＩＤＥ）と長いとき（ＴＥＬＥ）とでは、固体撮像素子に対する光線の入射角が異なる（図９参照）。このような場合、通常のマイクロレンズでは固体撮像素子の特に光軸から遠い画素への入射光量が異なってくる。ここで、マイクロレンズを可変焦点レンズで構成すれば、各焦点面上の位置において、ズーム位置に伴って変化する入射光角度に応じてレンズ形状を変化させ曲率を変えることが出来るため、常にケラレの無い最大の光量を得ることが可能となる。
【００３６】
図５に第６の実施形態である液状レンズの例を示す。特開２００３−５０３０３に示されるような液状レンズの曲率を印可電圧で制御するものである。これは、電極と導電性液状レンズの間で、容量性エネルギーを蓄積する構造で、与えられる電圧で液体レンズ側の絶縁層に対する電極となる面積が変化する。この時、液状レンズの表面張力と釣合った状態でレンズを形成し、曲率が変化する。この作用で形状可変レンズを構成することが可能である。
【００３７】
図６に形状可変レンズに液体レンズを使用した実施例を示したものである。この場合、各々の液体レンズに電圧を各々印可し、形状を可変する。周辺部に行くほど液状レンズの曲率を小さくし、フォトダイオードに達する光量を増やして、シェーディングを補正する。また、個々単独ではなく、同心円状のグループをまとめて制御しても、結像光学系に対する入射角は同じになるので、同様の効果が得られる。
【００３８】
尚、本実施の形態において、固体撮像素子のマイクロレンズ群のうち、周辺部のみ形状可変のマイクロレンズを配置してもよいし、逆に、中心部のみ形状可変のマイクロレンズを配置してもよい。更に、全てのマイクロレンズ群を形状可変のマイクロレンズで形成してもよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、入射光角度に影響されない固体撮像素子を提供することができる。
【００４０】
【図面の簡単な説明】
【図１】結像光学系を含んだ固体撮像素子の断面図である。
【図２】結像光学系を含んだ本発明の形状可変レンズを備えた固体撮像素子の断面図である。
【図３】本発明の形状可変レンズを備えた固体撮像素子のマイクロレンズの配置領域を示した図である。
【図４】本発明の形状可変マイクロレンズへの入射光角を示す図である。
【図５】本発明の形状可変マイクロレンズにおける形状可変の原理を説明する図である。
【図６】本発明の形状可変マイクロレンズによる入射光角の制御状態を示す図である。
【図７】従来の固体撮像素子の断面図である。
【図８】固体撮像素子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９】焦点距離の違いによる固体撮像素子への入射光角の違いを示す図である。
【符号の説明】
７１：フォトダイオード
７２：遮光板
７３：カラーフィルタ
７４：マイクロレンズ
７５：入射光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004311666.tif 000009
【図８】
2004311666.tif 000010
【図９】
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