(57)【要約】  本発明は、光伝素子1を具備した基板3、及び該基板3の光が入射する側に具備されていて、入射光を前記基板3上に入射するように光路変換する光路変換素子配列を含んで成り立ち、イメージセンサーの中心との距離によって入射光の入射角が互いに異なることを補うために、各光路変換素子はイメージセンサーの中心との距離によって入射面の対応部位の接線の傾きが互いに異なることを特徴とするイメージセンサーを提供する。また、本発明は、前述したイメージセンサーを製作するための方法を提供する。それによると、グレースケールマスク14を利用したフォトリゾグラフィー工程だけを利用したり、それと共に反応性イオンエッチング工程との組み合わせ工程を利用したり、さらにそれらと共に紫外線硬化成形工程との組み合わせ工程を利用して前記光路変換素子を製作する。  【選択図】図１２
2006528424.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光伝素子を具備した基板と、及び前記基板の光が入射する側に具備されていて、入射光を前記基板上に入射するように光路変換する光路変換素子配列とを有しているイメージセンサーであって、イメージセンサーの中心との距離によって入射光の入射角が互いに異なることを補うために、各光路変換素子は、イメージセンサーの中心との距離によって入射面の対応部位の接線の傾きが互いに異なることを特徴とするイメージセンサー。
【請求項２】
前記光路変換素子が、イメージセンサーの中心との距離によって入射面の傾きが互いに異なるマイクロプリズムまたはマイクロ反射鏡からなることを特徴とする、請求項１記載のイメージセンサー。
【請求項３】
単一イメージセンサー内に前記マイクロプリズム形態の光路変換素子及び前記マイクロ反射鏡形態の光路変換素子を共に具備することを特徴とする、請求項２記載のイメージセンサー。
【請求項４】
前記マイクロプリズムにおいて、前記マイクロプリズムの入射面と接する層の屈折率をn1、前記マイクロプリズムの入射面に入射する光が光軸となす入射角をΦ１、前記マイクロプリズムの屈折率をn2とする時、前記マイクロプリズムの入射面の傾きαは、
α ＝ tan−１ [ｎ１sinΦ１／（ｎ１cosΦ１ - ｎ２）]
であることを特徴とする、請求項２記載のイメージセンサー。
【請求項５】
前記マイクロ反射鏡において、前記マイクロ反射鏡の入射面に入射する光が光軸となす入射角をΦ３とする時、前記マイクロ反射鏡の入射面の傾きβが、
β ＝ ９０°+ Φ３／２
であることを特徴とする、請求項２記載のイメージセンサー。
【請求項６】
前記光路変換素子が、前記マイクロプリズムで、単一光路変換素子内に複数個のマイクロプリズムを組み合わせて使用することを特徴とする、請求項２記載のイメージセンサー。
【請求項７】
前記光路変換素子として第1マイクロプリズム及び第2マイクロプリズムの二個のマイクロプリズムを組み合わせて使用し、第1マイクロプリズムの入射面は光軸の直角面に傾きを有し、第2マイクロプリズムは前記第1マイクロプリズム上に形成され、入射面が光軸と直角をなすことを特徴とする、請求項６記載のイメージセンサー。
【請求項８】
前記光路変換素子が、光路変換された光が光軸と平行になるように変換することを特徴とする、請求項１記載のイメージセンサー。
【請求項９】
前記イメージセンサーが、マイクロレンズを含み、前記マイクロレンズは前記光路変換素子によって光路変換され進行する光の経路上に位置して光を光伝素子に集光することを特徴とする、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載のイメージセンサー。
【請求項１０】
前記光路変換素子が、非球面マイクロレンズまたは非球面マイクロ反射鏡からなっていて、前記非球面マイクロレンズ及び前記非球面マイクロ反射鏡が、イメージセンサー中心との距離によって入射面の対応部位の接線の傾きが互いに異なり、互いに異なる形状を有することを特徴とする、請求項１記載のイメージセンサー。
【請求項１１】
単一イメージセンサー内に前記非球面マイクロレンズ形態の光路変換素子及び前記非球面マイクロ反射鏡形態の光路変換素子を共に具備することを特徴とする、請求項１０記載のイメージセンサー。
【請求項１２】
前記非球面マイクロレンズにおいて、前記非球面マイクロレンズの入射面と接する層の屈折率をn1、前記非球面マイクロレンズの入射面に入射する光が光軸となす入射角をΦ１、前記非球面マイクロレンズの屈折率をn2、前記非球面マイクロレンズの一地点に入射して前記非球面マイクロレンズによって屈折され前記光伝素子に集光されるために屈折光が光軸となすべき角度をΦ２とする時、前記非球面マイクロレンズの入射面の一地点の接線の傾きαは、
α ＝ tan−１ [（ｎ１sinΦ１- ｎ２sinΦ２)／（ｎ１cosΦ１ - ｎ２cosΦ２）]
であることを特徴とする、請求項１０記載のイメージセンサー。
【請求項１３】
前記非球面マイクロ反射鏡において、前記非球面マイクロ反射鏡の入射面に入射する光が光軸となす入射角をΦ３、前記非球面マイクロ反射鏡の一地点に入射して前記非球面マイクロ反射鏡によって反射され光伝素子に集光されるために反射光が光軸となすべき角度をΦ４とする時、前記非球面マイクロ反射鏡の入射面の一地点の接線の傾きβは、
β＝９０°+ (Φ３+Φ４)／２
であることを特徴とする、請求項１０記載のイメージセンサー。
【請求項１４】
前記光路変換素子が、イメージセンサー中心との距離により前記光路変換素子の中心が前記光伝素子の中心から偏った位置に形成されることを特徴とする、請求項１乃至請求項８、請求項１０乃至請求項１３の中のいずれか一項に記載のイメージセンサー。
【請求項１５】
イメージセンサー中心との距離によってイメージセンサーを複数個の領域に区分する時、同一領域内の光路変換素子は、入射面の対応部位の接線の傾きが互いに同一であるが、異なる領域に属する光路変換素子は、該当領域のイメージセンサー中心との距離によって入射面の対応部位の接線の傾きが互いに異なることを特徴とする、請求項１乃至請求項８、請求項１０乃至請求項１３の中のいずれか一項に記載のイメージセンサー。
【請求項１６】
請求項１乃至請求項８、請求項１０乃至請求項１３の中のいずれか一項に記載のイメージセンサーを製作するための方法として、グレースケールマスクを利用したフォトリゾグラフィー工程を利用して前記光路変換素子を製作することを特徴とするイメージセンサー製作方法。
【請求項１７】
前記グレースケールマスクを利用したフォトリゾグラフィー工程を利用して反応性イオンエッチング可能な材質のエッチング層上に前記光路変換素子のパターンを形成し、前記光路変換素子のパターンが形成されたエッチング層を反応性イオンエッチングして前記光路変換素子のパターンを前記エッチング層に転写して前記光路変換素子を製作することを特徴とする、請求項１６記載のイメージセンサー製作方法。
【請求項１８】
前記グレースケールマスクを利用したフォトリゾグラフィー工程を利用して反応性イオンエッチング可能な紫外線透過性材料のエッチング層上に前記光路変換素子の凹パターンを形成し、前記光路変換素子の凹パターンが形成されたエッチング層を反応性イオンエッチングして前記光路変換素子の凹パターンを前記エッチング層に転写してモールドを製作した後、基板上に光硬化性ポリマーを塗布して前記モールドで前記光硬化性ポリマーを加圧した状態で紫外線を照射して硬化させることにより前記光路変換素子を製作することを特徴とするイメージセンサー製作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イメージセンサー及びその製造方法に関するものである。より詳細には、イメージセンサーのすべての位置で強く均一な光が検出されるようにするイメージセンサー及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
CCD、CMOS等のイメージセンサーは、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、CCTV等の多様な製品に使用されていて、製品の性能向上のために数枚のレンズと組み合わせて使用されている。さらに向上した性能、超小型化等に対する消費者の要求が高まるにつれて、超小型高性能イメージセンサー具現のために開発努力が集中している。
【０００３】
図1は、マイクロレンズ5配列を具備しない従来のイメージセンサーの基本構造を示した図面である。
【０００４】
図示したように、イメージセンサーの基板3には、基本的に光伝素子1を含む電気回路が形成される。レンズ群6を通過した光が基板3に入射すると、光伝素子1がそれを感知して電気的信号に変換することによりイメージを感知する。
【０００５】
また、カラーイメージセンサーの場合には、カラーフィルター2が具備される。カラーフィルター2は、特定波長帯の光だけを透過させる。光伝素子1としては、通常フォトダイオードが使用される。
【０００６】
基板3は、色々な多様な複合層を具備することができるけれど、本明細書では説明の簡略化のために、基板3がシリコンチップ層3aとカラーフィルター層3bを具備するものに簡略化して説明する。ここで、前記光伝素子1は、シリコンチップ層3aに、前記カラーフィルター2は、カラーフィルター層3bに存在する。
【０００７】
イメージセンサーの感度(sensitivity)は、光を感知する光伝素子1側に入射する光の量に大きく依存する。しかし、図1のイメージセンサーの構造では、面積の狭い光伝素子1で検出できる光の量が限定されるため、光効率が良くないという問題点を有する。したがって、マイクロレンズ5を利用して光伝素子1に光を集光させることにより、検出される光の量が多くなるようにしてイメージセンサーの光効率を増加させている。
【０００８】
図2は、このようなマイクロレンズ5配列を具備した従来のイメージセンサーの基本構造を示した図面である。最近、イメージセンサーの超小型化及び高集積化の傾向につれて、イメージセンサーの性能面においてマイクロレンズ5は漸次必須構成要素として認識されるようになってきている。しかし、特に低価イメージセンサー市場では、今も変わらずマイクロレンズを具備しないイメージセンサーがそれなりの有用性を有している。
【０００９】
図3は、イメージセンサー8を利用したシステム(例、デジタルカメラ)の一例を示した図面である。
【００１０】
図示したように、イメージセンサー8を利用したシステムは、イメージセンサー8と共に単一レンズまたは数枚のレンズからなるレンズ群6と、イメージセンサー8を保護する保護ガラス7を含んで成り立っている。
【００１１】
図4は、図2のイメージセンサーの周辺部ピクセルで光効率が低下することを説明するための図面である。
【００１２】
イメージセンサーを利用したシステムで最も問題になるのは、入ってくる光の量をイメージセンサーの光伝素子1で効率的に検出できるか否かということである。
【００１３】
イメージセンサーの中心部8aでは、光が光軸にそってイメージセンサー面に入射され、マイクロレンズ5とカラーフィルター2を通過した光は光伝素子1で効率的に検出される。
【００１４】
一方、イメージセンサーの周辺部8b、8cでは、光軸に対して傾斜をなす光がイメージセンサー面に入射して、マイクロレンズ5とカラーフィルター2を通過してセンター部分より少ない量の光が光伝素子1に入射する。
【００１５】
このように従来のイメージセンサーは、その中心部8aと周辺部8b、8cから検出される光量に大きな差がみられるので、中心部8aより周辺部8b、8cのイメージが暗くなり、ひどい場合は周辺部8b、8cのイメージがはっきりしない場合が発生する。
【００１６】
そのため、マイクロレンズ5を通過した光が損失なしに効率的に光伝素子1に集光するようにするために、多くの研究努力が重ねられてきた。
【００１７】
その第一番目が、イメージセンサー面に入射する光の角度を減らすためにサイズの大きいレンズ群6を使用して光効率を向上させようとする試みがあった。しかし、これは収差補正のために多くのレンズ枚数を使用しなければならず、全体システムのサイズが大きくなるという問題点を有していた。これは最近のイメージセンサーを利用したシステムの超小型化傾向に逆行する結果である。
【００１８】
二番目と三番目の方法は、図5乃至図7を参照して説明する。
【００１９】
図5は、また他の従来のイメージセンサーの構造を示した図面であり、イメージセンサー中心との距離によって互いに異なる平面上にマイクロレンズ5を配列したイメージセンサーの構造を示している。
【００２０】
このような構造のイメージセンサーは、例えば米国特許第6,556,349号に開示されている。この方法は、イメージセンサーを利用したシステムのレンズ群6により発生する球面収差を補正する方法としては非常に効率的である。しかし、図4と比較してみる時、周辺部ではマイクロレンズ5により屈折する光の角度は同じであるが、マイクロレンズ5と光伝素子1間の距離が遠くなるので、それだけ光が光伝素子1から離れた位置に集光する問題点を有している。
【００２１】
図6は、また他の従来のイメージセンサーの構造を示した図面であり、イメージセンサー中心との距離によって互いに異なるサイズのマイクロレンズ5を配列したイメージセンサーの構造を示している。
【００２２】
このような構造のイメージセンサーは、例えば、大韓民国公開特許第2003-0010148号、米国特許第6,556,349号等に開示されている。
【００２３】
この方法は、イメージセンサー面に入射する光の光軸に対する角度が大きい部分では、フィルファクター(Fill factor)を大きくして、入射する光の角度が小さい部分では、フィルファクターを小さくすることにより光伝素子1で検出する光の量を均一にする方法である。
【００２４】
しかし、この場合は、相対的に大きいサイズのマイクロレンズ5は、小さいサイズのマイクロレンズ5に比べて曲率半径が大きくなり、焦点距離が長くなるので、屈折機能が制限される。したがって、大きいサイズのマイクロレンズ5により集光された光は小さいサイズのマイクロレンズ5により集光された光に比べて、さらに遠い所に焦点を結ぶだけではなく、光が光伝素子1から離れた位置に集光される問題点を有している。
【００２５】
図7は、また他の従来のイメージセンサーの構造を示した図面であり、イメージセンサーの中心との距離によって光伝素子1から偏位した位置にマイクロレンズ5が配列されたイメージセンサーの構造を示す。
【００２６】
このような構造のイメージセンサーは、例えば米国特許第6,518,640号、6,008,511号等に開示されている。
【００２７】
この方法は、図5と図6の方法のように集光された光が光伝素子1の外に結ばれることを防止するために、マイクロレンズ5を移動させることにより光を光伝素子1に集光させるために案出された方法である。しかし、この方法は、光が相対的に大きい角度で入射する時、基板3内に存在する他の構造物によって光が遮断されて、検出される光の量が低下する問題点を有している。また、イメージセンサーの中心部と周辺部でのマイクロレンズ5間の間隔が異なり、製作工程上の難しさを持っている。
【００２８】
まとめると、従来の光効率向上のための方案は、根本的な問題から解決方案をさがさないで、結果として現れる現象にだけ執着したあまり、その意図にも関わらず光効率増加に対する効果は、あまり得られなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
本発明は、上記の問題点を解決するために案出されたもので、本発明は、イメージセンサーの各位置別に光伝素子で検出される光の量の差が発生することによりイメージの明るさ及び解像度が低下する問題点をイメージセンサーの構造を変更することによって解決することを目的としている。
【００３０】
すなわち、本発明は、イメージセンサーを利用したシステムにおいてレンズ群を通過した光が基板内のカラーフィルター層を通過して光伝素子で検出される時、イメージセンサーのすべての位置で強く均一な光が検出されるようにしてイメージセンサーの効率を向上させるところに目的がある。
【００３１】
そのために、本発明は、従来のイメージセンサーの問題点の根本的な原因に着眼して、その根本的な原因を解消することにより、イメージセンサーの効率を高めることである。従来のイメージセンサーでは、根源的な解決よりは結果的に現れる現象に執着してイメージセンサーの効率向上が微弱であったのに比べて、本発明では、より優秀なイメージセンサー効率の向上が可能になる。
【００３２】
そのために本発明では、非常に単純な二つの基本原理をパターンにしている。
【００３３】
その一つは、従来のイメージセンサーにおける効率低下の問題点に対する考察から導き出せる。従来のイメージセンサーの光効率がよくないのは、光がマイクロレンズに傾斜して入射することにある。
【００３４】
したがって、本発明では、光がマイクロレンズに直角に入射するようにしたり、最低限マイクロレンズ自体がそのような機能を遂行できるようにしたりする (非球面マイクロレンズ)。光が直角に入射するということは、非常に重要な意味を持つ。これは、イメージセンサーの周辺部ピクセルのマイクロレンズでも中心部ピクセルのマイクロレンズと同様に、光が直角に入射されることを意味する。
【００３５】
その二番目は、上記の一番目の基本原理を解決することと関連する。すなわち、傾斜して入射する光をイメージセンサーの面に直角に入射するようにする方案と関連する。ここで、私たちは、光が互いに異なる媒質の境界面を通過する時の屈折現象を規律する屈折法則、即ち、スネル(Snell)の法則とまたは反射の法則を利用する。
【００３６】
光は、屈折または反射によってその光路が変化する。ここで、イメージセンサーの周辺部ピクセルに入射する傾斜入射光が屈折器具または反射器具によって光路変換した後、マイクロレンズに直角に入射するようにすることを考えてみよう。
【００３７】
マイクロレンズに直角に入射しなければならないので、屈折器具または反射器具によって屈折または反射してでる光の角度は、固定値とみることができる。したがって、屈折器具または反射器具に入射する光の入射角と屈折器具または反射器具の入射面の傾きは、相互従属変数に属すようになる。
【００３８】
即ち、光の入射角が変わればそれによって入射面の傾きを変化させることによって、屈折または反射してでる光の角度を光軸と平行に維持できるのである。これは、イメージセンサーの中心との距離によって入射面の対応部位の接線の傾きが 互いに異なる光路変換素子を利用して屈折光または反射光を光軸と平行にできることを意味する。
【００３９】
本発明は、単純でありながら非常に重要なこのような根本的な原理に基づいて案出されたものである。これは、後述する図8乃至図10そして図14乃至図16を参照して詳細に説明する。
【課題を解決するための手段】
【００４０】
上記の目的を達成するために、本発明は、光伝素子を具備した基板と、前記基板の光が入射する側に具備されていて、入射光を前記基板上に入射するように光路変換する光路変換素子配列とを有していて、イメージセンサーの中心との距離によって入射光の入射角が互いに異なることを補うために、各光路変換素子は、イメージセンサーの中心との距離によって入射面の対応部位の接線の傾きが互いに異なることを特徴とするイメージセンサーを提供する。
【００４１】
前記光路変換素子は、イメージセンサーの中心との距離によって入射面の傾きが互いに異なるマイクロプリズムまたはマイクロ反射鏡であることが好ましい。
【００４２】
ここで、単一イメージセンサー内に前記マイクロプリズム形態の光路変換素子及び前記マイクロ反射鏡形態の光路変換素子を共に具備することができる。
【００４３】
また、単一光路変換素子内に、複数個のマイクロプリズムを組み合わせて使用することもできる。
【００４４】
前記マイクロプリズム形態の光路変換素子と前記平面マイクロ反射鏡形態の光路変換素子は、光路変換された光が光軸と平行になるように変換する機能を遂行する。
【００４５】
前記イメージセンサーは、マイクロレンズを含むことが好ましく、前記マイクロレンズは前記光路変換素子によって光路変換され進行する光の経路上に位置して光を光伝素子へ集光する。
【００４６】
ここで、前記光路変換素子は、非球面マイクロレンズまたは、非球面マイクロ反射鏡である。
【００４７】
単一イメージセンサー内に、前記非球面マイクロレンズ形態の光路変換素子及び前記非球面マイクロ反射鏡形態の光路変換素子を共に具備できる。
【００４８】
前記光路変換素子は、好ましくはイメージセンサー中心との距離により、前記光路変換素子の中心が前記光伝素子の中心から偏った位置に形成され得る。
【００４９】
好ましくは、イメージセンサーの中心との距離によってイメージセンサーを複数個の領域に区分する時、同一領域内の光路変換素子は、入射面の対応部位の接線の傾きが互いに同一であるが、異なる領域に属する光路変換素子は、該当領域のイメージセンサーの中心との距離によって入射面の対応部位の接線の傾きを互いに異ならせて構成することもできる。
【００５０】
また、本発明は、前述したイメージセンサーを製作するための方法を提供する。すなわち、グレースケールマスクを利用したフォトリゾグラフィー工程だけを利用したり、それと共に反応性イオンエッチング工程との組み合わせ工程を利用したり、さらにそれらと共に紫外線硬化成形工程との組み合わせ工程を利用して前記光路変換素子を製作する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。
【実施例】
【００５２】
図8は、プリズム10を利用して光の光路を変化させられることを示した概念図である。
【００５３】
図示したように、イメージセンサーの周辺部ピクセルに光が傾斜入射することにより惹起される光効率低下の問題点を解決するために、マイクロプリズム10を利用して光路を光軸と平行に変換した後、イメージセンサー面に入射するようにする。
【００５４】
プリズム10表面に入射した光の入射角及び屈折光の角度と、プリズム10の入射面の傾きとの関係を図9を参照して下記に説明する。
【００５５】
図9は、光、特に図8のプリズム10を通過する光の屈折法則を説明するための図面である。
【００５６】
図示したように、互いに異なる媒質の傾きがαの境界面に光が入射する時、光が屈折される経路を示している。入射光が境界面の法線となす角をθ１、屈折光が境界面の法線となす角をθ２とし、入射部分の媒質の屈折率をｎ１、屈折部分の媒質の屈折率をｎ２とする時、スネルの法則は式(1)のようになる。
【００５７】
ｎ１sinθ１ ＝ ｎ２sinθ２......(1)
【００５８】
ここで、境界面傾きをα、入射光が光軸となす入射角をΦ１、屈折光が光軸となす角度をΦ2とし、式(1)に代入して拡張すると式(2)の関係が成立する。
【００５９】
tanα ＝ （ｎ１sinΦ１- ｎ２sinΦ２）／（ｎ１cosΦ１ - ｎ２cosΦ２）.....(2)
【００６０】
式(2)を利用すると、プリズム10面を通過して垂直(Φ2  ＝  ０)に屈折するプリズム10の入射面の傾きαは、入射光の入射角Φ１と、媒質の屈折率ｎ１、ｎ２を利用して式(3)のように整理できる。
【００６１】
α ＝ tan−１ [ｎ１sinΦ１／（ｎ１cosΦ１ - ｎ２）]......(3)
【００６２】
図10は、プリズム10によって屈折された光が光軸と平行になるための入射角と入射面傾きの関係を示した図面である。
【００６３】
図示したように、入射部分の媒質の屈折率が1で、屈折部分の媒質の屈折率が１．５の時、プリズム10の入射面に入射する光の入射角Φ１によって屈折する光が光軸と平行になるようにするプリズム10の入射面の傾きαを示している。
【００６４】
ここで、二つの点に注目する必要がある。
【００６５】
一番目は、入射角が大きくなるほど、即ちイメージセンサーの周辺部ピクセルほどプリズム10の入射面の傾きは、マイナスの方向にさらに大きくなるという点である。それは、図11aによって詳しく見てみる。
【００６６】
二番目は、プリズム10の屈折率が入射部分の屈折率に比べて大きい場合、プリズム10の入射面の傾きは、マイナスの値を持つが、反対にプリズム10の屈折率が入射部分の屈折率に比べて小さい場合には、プリズム10の入射面の傾きは、プラスの値を持つようになる点である。これは、図11bによって詳しく見ることができる。
【００６７】
図11a及び図11bは、本発明の一実施例による光路変換素子としてマイクロプリズム10配列を具備するイメージセンサーの構造を示した図面であり、図11aは、単一マイクロプリズム10配列を、図11bは、二重マイクロプリズム10a、10b配列を具備するイメージセンサーを示している。
【００６８】
図11aと図11bは、各ピクセル位置によって互いに異なる角度で入射する光を互いに異なる入射面傾きを有するマイクロプリズム10配列を利用することにより入射した光を光軸に平行に屈折させられることを示している。
【００６９】
この方法は、イメージセンサーの光伝素子1に入射する光の角度がすべて同じであるためにイメージセンサーの各位置で検出される光の量をほとんど均一に維持できる。
【００７０】
図11aのような構造は、空気層とプリズム10層からなっていて、プリズム10 層の屈折率が空気層の屈折率より大きいためにマイクロプリズム10の入射面が右側を向くようになる。
【００７１】
一方、図11bの構造のように、第1マイクロプリズム10aの屈折率より空気層が接する第2マイクロプリズム10bの屈折率を高く選択することにより、第1マイクロプリズム10aの入射面を左側に向かせることができる。第2マイクロプリズム10bは、光を屈折させられる多様な形状を有することができるが、図11bでは、第1マイクロプリズム10a上に形成される平坦層形状の第2マイクロプリズム10bを例示している。第1マイクロプリズム10aの入射面は光軸の直角面に対して傾きを持ち、第2マイクロプリズム10bは入射面が光軸と直角をなす。
【００７２】
図12は、本発明の一実施例による光路変換素子であり、マイクロプリズム10とマイクロレンズ5配列を具備したイメージセンサーの構造を示した図面である。
【００７３】
図示したように、図12のイメージセンサーでは、マイクロプリズム10配列とマイクロレンズ5配列が同時に使用されている。マイクロプリズム10配列を通じて光軸に平行に光路変換した後、マイクロレンズ5配列を通じ光伝素子1に集光させることにより、図11a及び図11bで提案した方法より効率的に光を検出でき、各位置で検出される光の量も均一にすることができる。
【００７４】
図11a乃至図12のイメージセンサーは、従来のイメージセンサーにマイクロプリズムを追加的に配列することにより、光効率の向上をもたらす利点を有している。また、後述する図20a乃至図20cのグレースケールマスクを利用して手軽に本発明のイメージセンサーを製造できる。
【００７５】
一方、次の図13のイメージセンサーは、非球面マイクロレンズ製作の単一工程だけで図12と同一な光効率の増加をもたらすイメージセンサーを製作できるという利点を有している。
【００７６】
図13は、本発明の一実施例による非球面マイクロレンズ11配列を具備するイメージセンサーの構造を示した図面である。
【００７７】
図示したように、イメージセンサーの中心との距離によって入射面の対応部位の接線の傾きが互いに異なり、互いに異なる形状を有する非球面マイクロレンズ11を配列することにより、傾斜入射する入射光を光路変換すると同時に光伝素子1に集光する。したがって、非球面マイクロレンズ11は、集光素子としてのマイクロレンズ5の機能の外に光路変換素子としてのマイクロプリズム10の機能までも具備したものとみることができる。
【００７８】
非球面マイクロレンズ11は、前述したマイクロプリズム10とは異なり、いずれか一つの非球面マイクロレンズ11の入射面内においても各地点ごとの接線の傾きが異なることになり、各地点の接線の傾きは、式(2)を利用して求める。
【００７９】
図8乃至図14を通じて、私たちは、屈折法則を利用してイメージセンサーの光効率を増加させられることを詳しくみてきた。しかし、これは、後述するとおり、反射法則にもそのまま応用できる。
【００８０】
図14は、反射鏡12を利用して光の光路を変化させられることを示した概念図である。
【００８１】
反射鏡12の表面に入射した光の入射角及び反射光の角度と、反射鏡12の入射面の傾きの関係を図15を参照して下記に説明する。
【００８２】
図15は、光、特に図14の反射鏡12に入射する光の反射法則を説明するための図面である。
【００８３】
図示したように、傾きがβの入射面の表面に光が入射する時、反射される光の角度を示している。入射面の表面の法線に対する光の入射角をθ３、屈折角をθ４とすると、反射法則は式(4)のようになる。
【００８４】
θ３  ＝ θ４....(4)
【００８５】
ここで、入射面の傾きをβ、入射光が光軸となす入射角をΦ３、反射光が光軸となす角度をΦ４として、式(4)に代入して拡張すると式(5)のような関係が成立する。
【００８６】
β ＝ ９０°+ (Φ３+Φ４)／２.....(5)
【００８７】
式(5)を利用すると、反射鏡12で反射した光が光軸と平行Φ４になる反射鏡12の傾きβは、入射した光の傾きΦ３に対して式(6)のように整理できる。
【００８８】
β ＝ ９０°+ Φ３／２....(6)
【００８９】
図16は、反射鏡12によって反射した光が光軸と平行になるための入射角と入射面の傾きの関係を示した図面である。
【００９０】
ここで、入射角が大きくなるほど、即ちイメージセンサーの周辺部ピクセルほど反射鏡12の傾きは、大きくなるのである。これは、図17を通じて詳しくみることができる。
【００９１】
図17は、本発明の一実施例による、光路変換素子としてマイクロ反射鏡12配列を具備するイメージセンサーの構造を示した図面である。
【００９２】
図示したように、各ピクセル毎に互いに異なる角度で入射する光を互いに異なる傾きを有するマイクロ反射鏡12配列を利用することにより入射した光を光軸に平行に反射させる方法である。この方法は、光伝素子1に入射する光の角度をすべて一定にすることができるのでイメージセンサーの各位置で検出される光の量を均一にできる。
【００９３】
図18は、本発明の一実施例による、光路変換素子としてマイクロ反射鏡12とマイクロレンズ5配列を具備したイメージセンサーの構造を示した図面である。
【００９４】
図示したように、図18のイメージセンサーでは、マイクロ反射鏡12配列とマイクロレンズ5配列が同時に使用されている。マイクロ反射鏡12配列を通じ光軸に平行に光路変換した後、マイクロレンズ5配列を通じ光を光伝素子1に集光させることにより、図17で提案した方法より効果的に光を検出でき、各位置で検出される光の量もほとんど均一にできる。
【００９５】
図19は、本発明の一実施例による非球面マイクロ反射鏡13配列を具備するイメージセンサーの構造を示した図面である。
【００９６】
図示したように、イメージセンサー面に入射する光の角度により、即ち、各ピクセルのイメージセンサーの中心との距離によって、入射面の対応部位の接線の傾きが互いに異なり、互いに異なる形状を有する非球面マイクロ反射鏡13を配列することにより、傾斜入射する入射光を光路変換すると同時に光伝素子1に集光する。したがって、非球面マイクロ反射鏡13は、光路変換素子としての機能と共に集光素子として機能する。
【００９７】
非球面マイクロ反射鏡13は、前述した平面マイクロ反射鏡12とは異なり、いずれか一つの非球面マイクロ反射鏡13の入射面内でも各地点ごとに接線の傾きが異なり、各地点の接線の傾きは、式(5)を利用して求める。
【００９８】
前述したように、本発明の好ましい実施例によるイメージセンサーは、イメージセンサー中心との距離によって入射面の対応部位の接線の傾きが互いに異なる光路変換素子を具備する。したがって、同一なマイクロレンズ配列を有するイメージセンサーとは異なり、このような多様な接線の傾きを有する微細構造物を製作することが問題になる。このような構造物を既存のMEMS工程を応用した単一工程を通じて製作することは、非常に難しいことである。
【００９９】
しかし、図20a乃至図20cのようにグレースケールマスクを利用したフォトリゾグラフィー、RIE(反応性イオンエッチング)工程、紫外線硬化成形法等を利用すれば多様な接線の傾きを有する微細構造物を手軽に製作できるようになる。
【０１００】
図20aは、本発明の一実施例によるイメージセンサー製作工程を示した図面である。
【０１０１】
図示したように、イメージセンサーの基板3上にフォトレジスト15をコーティングしてグレースケールマスク14を利用してフォトレジスト15を紫外線に露光させる。
【０１０２】
以後、紫外線に露光したフォトレジスト15を除去して、多様な接線の傾きのフォトレジスト微細構造物(15a)を得られるようになる。
【０１０３】
図20bは、本発明のまた他の実施例によるイメージセンサー製作工程を示した図面である。
【０１０４】
図示したように、図20bは、フォトリゾグラフィー工程とRIE工程を通じイメージセンサーの基板3上に互いに異なる接線の傾きの微細構造物16aを製作する。
【０１０５】
まず、基板3上に反応性イオンエッチング可能な材料16を載せる。その上にフォトレジスト15をコーティングしてグレースケールマスク14を利用してフォトレジスト15を紫外線に露光させてフォトレジスト微細構造物15aを作る。
【０１０６】
このように作られた構造物をRIE工程を通じエッチングすると、基板3上に多様な接線の傾きの微細構造物(16a)を得ることができる。
【０１０７】
図20cは、本発明のまた他の実施例によるイメージセンサー製作工程を示した図面である。
【０１０８】
図示したように、図20cでは、紫外線硬化成形工程を利用してイメージセンサーを製作する。反応性イオンエッチング可能な紫外線透過性材料17上にフォトレジスト15をコーティングして、グレースケールマスクを利用したフォトリゾグラフィー工程とRIE 工程を通じ微細構造物が形成されたモールド17aを製作する。
【０１０９】
基板3上に光硬化性ポリマー18を塗布して、製作したモールド17aを利用して紫外線硬化モールディングして多様な接線の傾きの微細構造物18aを得られる。
【０１１０】
図20cの方法を利用して例えば、図12のイメージセンサーを製作する工程を詳しく見てみると下記のようになる。
【０１１１】
まず、上で説明した図20cの工程を通じ基板3上にマイクロレンズ5を成形する。その後、光硬化性ポリマーを塗布して凹型マイクロプリズム10パターンが形成されたモールド17aを利用してマイクロレンズ5上に位置する平坦層とマイクロプリズム10を同時に成形する。
【０１１２】
もちろん、順次的に平面モールドを利用して平坦層を成形した後、凹型マイクロプリズム10パターンが形成されたモールド17aを利用してマイクロプリズム10を成形することも可能である。しかし、この方法は工程数の面で好ましくない。
【０１１３】
次に、図20cの方法を利用して例えば、図17のイメージセンサーを製作する工程を詳しく見てみると下記のようになる。
【０１１４】
図17のマイクロ反射鏡12を製作するには多様な製作方法が可能である。その一実施例によると、まず図11aと類似に三角断面形態の微細構造物を紫外線硬化成形法を通じてマイクロモールディングして製作する。その後、図17のマイクロ反射鏡12の右側斜面の外面にコーティングをして右側斜面の内面が反射面(反射鏡12の入射面)になるようにする。この場合、微細構造物はその屈折率が空気層の屈折率とほぼ一致する材料を使用することが好ましく、最小限空気層と微細構造物間の屈折率差異に対する考慮が設計に反映されなければならない。
【０１１５】
図21aと図21bは、図2のマイクロレンズ5配列だけを備えたイメージセンサーのシミュレーション結果を示した図面であり、図21aは、光の光路を、図21bは光伝素子1での光の強さ分布を示している。
【０１１６】
シミュレーションのために、イメージセンサーのセル(Cell)のサイズは、5μm×5μm、フォトダイオードのサイズは、2μm×2μmにし、フォトダイオード周辺の回路部分の厚みを1μm、マイクロレンズ5からフォトダイオードまでの厚みを8μmにした。
【０１１７】
図示したように、マイクロプリズム10配列がない場合、光の入射角が0o、10oの場合には、焦点がフォトダイオード面に結ばれることによりフォトダイオードで光を検出することができたが、入射角が20o、30oの場合には、フォトダイオードで光を検出できなかった。
【０１１８】
他の側面としては、入射角が10oの場合にもフォトダイオードの面積が狭くなれば、多くの光を検出できないことが推測できる。
【０１１９】
図22aと図22bは、図12のマイクロプリズム10配列とマイクロレンズ5配列を備えたイメージセンサーのシミュレーション結果を示した図面であり、図22aは、光の光路を、図22bは、光伝素子1での光の強さ分布を示している。
【０１２０】
図22a及び図22bのようにマイクロプリズム10配列及びマイクロレンズ5配列を備えた場合、光の入射角が0o、10o、20o、30oのすべての場合で焦点がフォトダイオードに結ばれてフォトダイオードで光を検出できた。
【０１２１】
入射角が0oの時のフォトダイオードで検出する光の量を基準に入射角が10oの時、マイクロプリズム10配列が存在しない場合と存在する場合の集光効率は、各々 92％、93％であり、入射角が20oの時は、各々0％、90％、入射角が30oの時は、各々0％、76％と計算された。
【０１２２】
これは、マイクロプリズム10を追加することにより、イメージセンサーに入る光の入射角が大きい場合にも効率的にイメージセンサーのフォトダイオードで光を検出できることを示したものである。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】マイクロレンズ配列を具備しない従来のイメージセンサーの基本構造を示した図面である。
【図２】マイクロレンズ配列を具備する従来のイメージセンサーの基本構造を示した図面である。
【図３】イメージセンサーを利用したシステムの一例を示した図面である。
【図４】図2のイメージセンサーにおいて、周辺部ピクセルの光効率が良くないことを説明するための図面である。
【図５】また他の従来のイメージセンサーの構造を示した図面であり、イメージセンサー中心との距離によって互いに異なる平面上にマイクロレンズが配列されたイメージセンサーの構造を示している。
【図６】また他の従来のイメージセンサーの構造を示した図面であり、イメージセンサー中心との距離によって互いに異なるサイズのマイクロレンズが配列されたイメージセンサーの構造を示している。
【図７】また他の従来のイメージセンサーの構造を示した図面であり、イメージセンサー中心との距離によって光伝素子と偏位した位置にマイクロレンズが配列されたイメージセンサーの構造を示している。
【図８】プリズムを利用して光の光路を変化させられることを示した概念図である。
【図９】光、特に図8のプリズムを通過する光の屈折法則を説明するための図面である。
【図１０】プリズムによって屈折した光が、光軸と平行になるための入射角と入射面の傾きの関係を示した図面である。
【図１１ａ】本発明の一実施例による、光路変換素子としてマイクロプリズム配列を具備するイメージセンサーの構造を示した図面であり、単一マイクロプリズム配列を具備するイメージセンサーを示している。
【図１１ｂ】本発明の一実施例による、光路変換素子としてマイクロプリズム配列を具備するイメージセンサーの構造を示した図面であり、二重マイクロプリズム配列を具備するイメージセンサーを示している。
【図１２】本発明の一実施例による、マイクロプリズムの光路変換素子とマイクロレンズ配列を具備するイメージセンサーの構造を示した図面である。
【図１３】本発明の一実施例による、非球面マイクロレンズ配列を具備するイメージセンサーの構造を示した図面である。
【図１４】反射鏡を利用して光の光路を変化させられることを示した概念図である。
【図１５】光、特に図14の反射鏡によって反射される光の反射法則を説明するための図面である。
【図１６】反射鏡によって反射した光が、光軸と平行になるための入射角と入射面の傾きの 関係を示した図面である。
【図１７】本発明の一実施例による、光路変換素子としてマイクロ反射鏡配列を具備するイメージセンサーの構造を示した図面である。
【図１８】本発明の一実施例による、光路変換素子としてマイクロ反射鏡とマイクロレンズ配列を具備するイメージセンサーの構造を示した図面である。
【図１９】本発明の一実施例による、非球面マイクロ反射鏡配列を具備するイメージセンサーの構造を示した図面である。
【図２０ａ】本発明の多様な実施例によるイメージセンサーの製作工程を示した図面である。
【図２０ｂ】本発明の多様な実施例によるイメージセンサーの製作工程を示した図面である。
【図２０ｃ】本発明の多様な実施例によるイメージセンサーの製作工程を示した図面である。
【図２１ａ】図2のマイクロレンズ配列だけを具備するイメージセンサーのシミュレーション結果を示した図面であり、 光の光路を示している。
【図２１ｂ】図2のマイクロレンズ配列だけを具備するイメージセンサーのシミュレーション結果を示した図面であり、光伝素子における光の強さ分布を示している。
【図２２ａ】図12のマイクロプリズム配列とマイクロレンズ配列を具備するイメージセンサーのシミュレーション結果を示した図面であり、光の光路を示している。
【図２２ｂ】図12のマイクロプリズム配列とマイクロレンズ配列を具備するイメージセンサーのシミュレーション結果を示した図面であり、光伝素子における光の強さ分布を示している。
【図１】
2006528424.tif 000003
【図２】
2006528424.tif 000004
【図３】
2006528424.tif 000005
【図４】
2006528424.tif 000006
【図５】
2006528424.tif 000007
【図６】
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【図７】
2006528424.tif 000009
【図８】
2006528424.tif 000010
【図９】
2006528424.tif 000011
【図１０】
2006528424.tif 000012
【図１１ａ】
2006528424.tif 000013
【図１１ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2006528424.tif 000019
【図１７】
2006528424.tif 000020
【図１８】
2006528424.tif 000021
【図１９】
2006528424.tif 000022
【図２０ａ】
2006528424.tif 000023
【図２０ｂ】
2006528424.tif 000024
【図２０ｃ】
2006528424.tif 000025
【図２１ａ】
2006528424.tif 000026
【図２１ｂ】
2006528424.tif 000027
【図２２ａ】
2006528424.tif 000028
【図２２ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年5月19日(2005.5.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電素子配列を具備した基板と、前記基板の光が入射する側に具備されていて、入射光を前記基板上に入射させる光路変換素子を各光電素子にマッチングするように具備した各光路変換素子配列とを有しているイメージセンサーであって、イメージセンサーの中心からの距離が遠くなるにつれて光軸に対して除々に大きな傾斜角を有し、イメージセンサー周辺部に斜めに入射する入射光を、傾斜角を持たないでイメージセンサーの中心部に垂直に入射する入射光と同様な光路をたどるように光路変換させ、入射光の傾斜角を無くす接線傾き値を各光路変換素子の入射面に与えることにより、各光電素子からの相対位置が同一な各光路変換素子の入射面の対応部位の接線傾き値が、イメージセンサーの中心からの距離によって異なることを特徴とするイメージセンサー。
【請求項２】
前記光路変換素子が、イメージセンサーの中心との距離によって入射面の傾き値が互いに異なるマイクロプリズムまたはマイクロ反射鏡からなることを特徴とする、請求項１記載のイメージセンサー。
【請求項３】
単一イメージセンサー内に前記マイクロプリズム形態の光路変換素子及び前記マイクロ反射鏡形態の光路変換素子を共に具備することを特徴とする、請求項２記載のイメージセンサー。
【請求項４】
前記マイクロプリズムにおいて、前記マイクロプリズムの入射面と接する層の屈折率をn1、前記マイクロプリズムの入射面に入射する光が光軸となす傾斜角をΦ１、前記マイクロプリズムの屈折率をn2とする時、前記マイクロプリズムの入射面の傾きαは、
α ＝ tan−１ [ｎ１sinΦ１／（ｎ１cosΦ１ - ｎ２）]
であることを特徴とする、請求項２記載のイメージセンサー。
【請求項５】
前記マイクロ反射鏡において、前記マイクロ反射鏡の入射面に入射する光が光軸となす傾斜角をΦ３とする時、前記マイクロ反射鏡の入射面の傾きβが、
β ＝ ９０°+ Φ３／２
であることを特徴とする、請求項２記載のイメージセンサー。
【請求項６】
前記光路変換素子が、前記マイクロプリズムで、単一光路変換素子内に複数個のマイクロプリズムを組み合わせて使用することを特徴とする、請求項２記載のイメージセンサー。
【請求項７】
前記光路変換素子として第1マイクロプリズム及び第2マイクロプリズムの二個のマイクロプリズムを組み合わせて使用し、第1マイクロプリズムの入射面は光軸の直角面に傾きを有し、第2マイクロプリズムは前記第1マイクロプリズム上に形成され、入射面が光軸と直角をなすことを特徴とする、請求項６記載のイメージセンサー。
【請求項８】
前記光路変換素子が、光路変換された光が光軸と平行になるように変換することを特徴とする、請求項１記載のイメージセンサー。
【請求項９】
前記イメージセンサーが、マイクロレンズを含み、前記マイクロレンズは前記光路変換素子によって光路変換され進行する光の経路上に位置して光を光電素子に集光することを特徴とする、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載のイメージセンサー。
【請求項１０】
前記光路変換素子が、非球面マイクロレンズまたは非球面マイクロ反射鏡からなっていて、入射光を前記光電素子に集光させるように光路変換素子の入射面を傾斜させることにより、同一光路変換素子の入射面内でも部位ごとに接線の傾き値が異なることを特徴とする、請求項１記載のイメージセンサー。
【請求項１１】
単一イメージセンサー内に前記非球面マイクロレンズ形態の光路変換素子及び前記非球面マイクロ反射鏡形態の光路変換素子を共に具備することを特徴とする、請求項１０記載のイメージセンサー。
【請求項１２】
前記非球面マイクロレンズにおいて、前記非球面マイクロレンズの入射面と接する層の屈折率をn1、前記非球面マイクロレンズの入射面に入射する光が光軸となす傾斜角をΦ１、前記非球面マイクロレンズの屈折率をn2、前記非球面マイクロレンズの一地点に入射して前記非球面マイクロレンズによって屈折され前記光電素子に集光されるために屈折光が光軸となすべき角度をΦ２とする時、前記非球面マイクロレンズの入射面の一地点の接線の傾きαは、
α ＝ tan−１ [（ｎ１sinΦ１- ｎ２sinΦ２)／（ｎ１cosΦ１ - ｎ２cosΦ２）]
であることを特徴とする、請求項１０記載のイメージセンサー。
【請求項１３】
前記非球面マイクロ反射鏡において、前記非球面マイクロ反射鏡の入射面に入射する光が光軸となす傾斜角をΦ３、前記非球面マイクロ反射鏡の一地点に入射して前記非球面マイクロ反射鏡によって反射され光電素子に集光されるために反射光が光軸となすべき角度をΦ４とする時、前記非球面マイクロ反射鏡の入射面の一地点の接線の傾きβは、
β＝９０°+ (Φ３+Φ４)／２
であることを特徴とする、請求項１０記載のイメージセンサー。
【請求項１４】
前記光路変換素子が、イメージセンサーの中心との距離により前記光路変換素子の中心が前記光電素子の中心から偏った位置に形成されることを特徴とする、請求項１乃至請求項８、請求項１０乃至請求項１３の中のいずれか一項に記載のイメージセンサー。
【請求項１５】
イメージセンサー中心との距離によって単一イメージセンサーを複数個の領域に区分する時、同一領域内の光路変換素子は、入射面の対応部位の接線の傾き値が互いに同一であるが、異なる領域に属する光路変換素子は、該当領域のイメージセンサー中心との距離によって入射面の対応部位の接線の傾き値が互いに異なることを特徴とする、請求項１乃至請求項８、請求項１０乃至請求項１３の中のいずれか一項に記載のイメージセンサー。
【請求項１６】
請求項１乃至請求項８、請求項１０乃至請求項１３の中のいずれか一項に記載のイメージセンサーを製作するための方法として、グレースケールマスクを利用したフォトリゾグラフィー工程を利用して前記光路変換素子を製作することを特徴とするイメージセンサー製作方法。
【請求項１７】
前記グレースケールマスクを利用したフォトリゾグラフィー工程を利用して反応性イオンエッチング可能な材質のエッチング層上に前記光路変換素子のパターンを形成し、前記光路変換素子のパターンが形成されたエッチング層を反応性イオンエッチングして前記光路変換素子のパターンを前記エッチング層に転写して前記光路変換素子を製作することを特徴とする、請求項１６記載のイメージセンサー製作方法。
【請求項１８】
前記グレースケールマスクを利用したフォトリゾグラフィー工程を利用して反応性イオンエッチング可能な紫外線透過性材料のエッチング層上に前記光路変換素子の凹パターンを形成し、前記光路変換素子の凹パターンが形成されたエッチング層を反応性イオンエッチングして前記光路変換素子の凹パターンを前記エッチング層に転写してモールドを製作した後、基板上に光硬化性ポリマーを塗布して前記モールドで前記光硬化性ポリマーを加圧した状態で紫外線を照射して硬化させることにより前記光路変換素子を製作することを特徴とするイメージセンサー製作方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イメージセンサー及びその製造方法に関するものである。より詳細には、イメージセンサーのすべての位置で強く均一な光が検出されるようにするイメージセンサー及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
CCD、CMOS等のイメージセンサーは、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、CCTV等の多様な製品に使用されていて、製品の性能向上のために数枚のレンズと組み合わせて使用されている。さらに向上した性能、超小型化等に対する消費者の要求が高まるにつれて、超小型高性能イメージセンサー具現のために開発努力が集中している。
【０００３】
図1は、マイクロレンズ5配列を具備しない従来のイメージセンサーの基本構造を示した図面である。
【０００４】
図示したように、イメージセンサーの基板3には、基本的に光電素子1を含む電気回路が形成される。レンズ群6を通過した光が基板3に入射すると、光電素子1がそれを感知して電気的信号に変換することによりイメージを感知する。
【０００５】
また、カラーイメージセンサーの場合には、カラーフィルター2が具備される。カラーフィルター2は、特定波長帯の光だけを透過させる。光電素子1としては、通常フォトダイオードが使用される。
【０００６】
基板3は、色々な多様な複合層を具備することができるけれど、本明細書では説明の簡略化のために、基板3がシリコンチップ層3aとカラーフィルター層3bを具備するものに簡略化して説明する。ここで、前記光電素子1は、シリコンチップ層3aに、前記カラーフィルター2は、カラーフィルター層3bに存在する。
【０００７】
イメージセンサーの感度(sensitivity)は、光を感知する光電素子1側に入射する光の量に大きく依存する。しかし、図1のイメージセンサーの構造では、面積の狭い光電素子1で検出できる光の量が限定されるため、光効率が良くないという問題点を有する。したがって、マイクロレンズ5を利用して光電素子1に光を集光させることにより、検出される光の量が多くなるようにしてイメージセンサーの光効率を増加させている。
【０００８】
図2は、このようなマイクロレンズ5配列を具備した従来のイメージセンサーの基本構造を示した図面である。最近、イメージセンサーの超小型化及び高集積化の傾向につれて、イメージセンサーの性能面においてマイクロレンズ5は漸次必須構成要素として認識されるようになってきている。しかし、特に低価イメージセンサー市場では、今も変わらずマイクロレンズを具備しないイメージセンサーがそれなりの有用性を有している。
【０００９】
図3は、イメージセンサー8を利用したシステム(例、デジタルカメラ)の一例を示した図面である。
【００１０】
図示したように、イメージセンサー8を利用したシステムは、イメージセンサー8と共に単一レンズまたは数枚のレンズからなるレンズ群6と、イメージセンサー8を保護する保護ガラス7を含んで成り立っている。
【００１１】
図4は、図2のイメージセンサーの周辺部ピクセルで光効率が低下することを説明するための図面である。
【００１２】
イメージセンサーを利用したシステムで最も問題になるのは、入ってくる光の量をイメージセンサーの光電素子1で効率的に検出できるか否かということである。
【００１３】
イメージセンサーの中心部8aでは、光が光軸にそってイメージセンサー面に入射され、マイクロレンズ5とカラーフィルター2を通過した光は光電素子1で効率的に検出される。
【００１４】
一方、イメージセンサーの周辺部8b、8cでは、光軸に対して傾斜をなす光がイメージセンサー面に入射して、マイクロレンズ5とカラーフィルター2を通過してセンター部分より少ない量の光が光電素子1に入射する。
【００１５】
このように従来のイメージセンサーは、その中心部8aと周辺部8b、8cから検出される光量に大きな差がみられるので、中心部8aより周辺部8b、8cのイメージが暗くなり、ひどい場合は周辺部8b、8cのイメージがはっきりしない場合が発生する。
【００１６】
そのため、マイクロレンズ5を通過した光が損失なしに効率的に光電素子1に集光するようにするために、多くの研究努力が重ねられてきた。
【００１７】
その第一番目が、イメージセンサー面に入射する光の角度を減らすためにサイズの大きいレンズ群6を使用して光効率を向上させようとする試みがあった。しかし、これは収差補正のために多くのレンズ枚数を使用しなければならず、全体システムのサイズが大きくなるという問題点を有していた。これは最近のイメージセンサーを利用したシステムの超小型化傾向に逆行する結果である。
【００１８】
二番目と三番目の方法は、図5乃至図7を参照して説明する。
【００１９】
図5は、また他の従来のイメージセンサーの構造を示した図面であり、イメージセンサー中心との距離によって互いに異なる平面上にマイクロレンズ5を配列したイメージセンサーの構造を示している。
【００２０】
このような構造のイメージセンサーは、例えば米国特許第6,556,349号に開示されている。この方法は、イメージセンサーを利用したシステムのレンズ群6により発生する球面収差を補正する方法としては非常に効率的である。しかし、図4と比較してみる時、周辺部ではマイクロレンズ5により屈折する光の角度は同じであるが、マイクロレンズ5と光電素子1間の距離が遠くなるので、それだけ光が光電素子1から離れた位置に集光する問題点を有している。
【００２１】
図6は、また他の従来のイメージセンサーの構造を示した図面であり、イメージセンサー中心との距離によって互いに異なるサイズのマイクロレンズ5を配列したイメージセンサーの構造を示している。
【００２２】
このような構造のイメージセンサーは、例えば、大韓民国公開特許第2003-0010148号、米国特許第6,556,349号等に開示されている。
【００２３】
この方法は、イメージセンサー面に入射する光の光軸に対する角度が大きい部分では、フィルファクター(Fill factor)を大きくして、入射する光の角度が小さい部分では、フィルファクターを小さくすることにより光電素子1で検出する光の量を均一にする方法である。
【００２４】
しかし、この場合は、相対的に大きいサイズのマイクロレンズ5は、小さいサイズのマイクロレンズ5に比べて曲率半径が大きくなり、焦点距離が長くなるので、屈折機能が制限される。したがって、大きいサイズのマイクロレンズ5により集光された光は小さいサイズのマイクロレンズ5により集光された光に比べて、さらに遠い所に焦点を結ぶだけではなく、光が光電素子1から離れた位置に集光される問題点を有している。
【００２５】
図7は、また他の従来のイメージセンサーの構造を示した図面であり、イメージセンサーの中心との距離によって光電素子1から偏位した位置にマイクロレンズ5が配列されたイメージセンサーの構造を示す。
【００２６】
このような構造のイメージセンサーは、例えば米国特許第6,518,640号、6,008,511号等に開示されている。
【００２７】
この方法は、図5と図6の方法のように集光された光が光電素子1の外に結ばれることを防止するために、マイクロレンズ5を移動させることにより光を光電素子1に集光させるために案出された方法である。しかし、この方法は、光が相対的に大きい角度で入射する時、基板3内に存在する他の構造物によって光が遮断されて、検出される光の量が低下する問題点を有している。また、イメージセンサーの中心部と周辺部でのマイクロレンズ5間の間隔が異なり、製作工程上の難しさを持っている。
【００２８】
まとめると、従来の光効率向上のための方案は、根本的な問題から解決方案をさがさないで、結果として現れる現象にだけ執着したあまり、その意図にも関わらず光効率増加に対する効果は、あまり得られなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
本発明は、上記の問題点を解決するために案出されたもので、本発明は、イメージセンサーの各位置別に光電素子で検出される光の量の差が発生することによりイメージの明るさ及び解像度が低下する問題点をイメージセンサーの構造を変更することによって解決することを目的としている。
【００３０】
すなわち、本発明は、イメージセンサーを利用したシステムにおいてレンズ群を通過した光が基板内のカラーフィルター層を通過して光電素子で検出される時、イメージセンサーのすべての位置で強く均一な光が検出されるようにしてイメージセンサーの効率を向上させるところに目的がある。
【００３１】
そのために、本発明は、従来のイメージセンサーの問題点の根本的な原因に着眼して、その根本的な原因を解消することにより、イメージセンサーの効率を高めることである。従来のイメージセンサーでは、根源的な解決よりは結果的に現れる現象に執着してイメージセンサーの効率向上が微弱であったのに比べて、本発明では、より優秀なイメージセンサー効率の向上が可能になる。
【００３２】
そのために本発明では、非常に単純な二つの基本原理をパターンにしている。
【００３３】
その一つは、従来のイメージセンサーにおける効率低下の問題点に対する考察から導き出せる。従来のイメージセンサーの光効率がよくないのは、光がマイクロレンズに傾斜して入射することにある。
【００３４】
したがって、本発明では、光がマイクロレンズに直角に入射するようにしたり、最低限マイクロレンズ自体がそのような機能を遂行できるようにしたりする (非球面マイクロレンズ)。光が直角に入射するということは、非常に重要な意味を持つ。これは、イメージセンサーの周辺部ピクセルのマイクロレンズでも中心部ピクセルのマイクロレンズと同様に、光が直角に入射されることを意味する。
【００３５】
その二番目は、上記の一番目の基本原理を解決することと関連する。すなわち、傾斜して入射する光をイメージセンサーの面に直角に入射するようにする方案と関連する。ここで、私たちは、光が互いに異なる媒質の境界面を通過する時の屈折現象を規律する屈折法則、即ち、スネル(Snell)の法則とまたは反射の法則を利用する。
【００３６】
光は、屈折または反射によってその光路が変化する。ここで、イメージセンサーの周辺部ピクセルに入射する傾斜入射光が屈折器具または反射器具によって光路 変換した後、マイクロレンズに直角に入射するようにすることを考えてみよう。
【００３７】
マイクロレンズに直角に入射しなければならないので、屈折器具または反射器具によって屈折または反射してでる光の角度は、固定値とみることができる。したがって、屈折器具または反射器具に入射する光の傾斜角と屈折器具または反射器具の入射面の傾き値は、相互従属変数に属すようになる。
【００３８】
即ち、光の傾斜角が変わればそれによって入射面の傾き値を変化させることによって、屈折または反射してでる光の角度を光軸と平行に維持できるのである。これは、イメージセンサーの中心との距離によって入射面の対応部位同士の接線の傾きが 互いに異なる光路変換素子を利用して屈折光または反射光を光軸と平行にできることを意味する。
【００３９】
本発明は、単純でありながら非常に重要なこのような根本的な原理に基づいて案出されたものである。これは、後述する図8乃至図10そして図14乃至図16を参照して詳細に説明する。
【課題を解決するための手段】
【００４０】
上記の目的を達成するために、本発明は、光電素子配列を具備する基板と、前記基板の光が入射する側に具備され、入射光が光路変換され前記基板上に入射させる光路変換素子を各光電素子にマッチングするように具備する各光路変換素子配列とを有しているイメージセンサーであって、イメージセンサーの中心からの距離が遠くなるにつれて光軸に対して除々に大きな傾斜角を有し、イメージセンサー周辺部に斜めに入射する入射光を、傾斜角を持たないでイメージセンサーの中心部に垂直に入射する入射光と同様な光路をたどるように光路変換させ入射光の傾斜角を無くす接線傾き値を各光路変換素子の入射面に与えることにより、各光電素子からの相対位置が同一な各光路変換素子の入射面の対応部位の接線傾き値が、イメージセンサーの中心からの距離によって異なることを特徴とするイメージセンサーを提供する。
【００４１】
前記光路変換素子は、イメージセンサーの中心との距離によって入射面の傾き値が互いに異なるマイクロプリズムまたはマイクロ反射鏡であることが好ましい。
【００４２】
ここで、単一イメージセンサー内に前記マイクロプリズム形態の光路変換素子及び前記マイクロ反射鏡形態の光路変換素子を共に具備することができる。
【００４３】
また、単一光路変換素子内に、複数個のマイクロプリズムを組み合わせて使用することもできる。
【００４４】
前記マイクロプリズム形態の光路変換素子と前記平面マイクロ反射鏡形態の光路変換素子は、光路変換された光が光軸と平行になるように変換する機能を遂行する。
【００４５】
前記イメージセンサーは、マイクロレンズを含むことが好ましく、前記マイクロレンズは前記光路変換素子によって光路変換され進行する光の経路上に位置して光を光電素子へ集光する。
【００４６】
ここで、前記光路変換素子は、非球面マイクロレンズまたは、非球面マイクロ反射鏡である。
【００４７】
単一イメージセンサー内に、前記非球面マイクロレンズ形態の光路変換素子及び前記非球面マイクロ反射鏡形態の光路変換素子を共に具備できる。
【００４８】
前記光路変換素子は、好ましくはイメージセンサー中心との距離により、前記光路変換素子の中心が前記光電素子の中心から偏った位置に形成され得る。
【００４９】
好ましくは、イメージセンサーの中心との距離によって単一イメージセンサーを複数個の領域に区分する時、同一領域内の光路変換素子は、入射面の対応部位の接線の傾き値が互いに同一であるが、異なる領域に属する光路変換素子は、該当領域のイメージセンサーの中心との距離によって入射面の対応部位の接線の傾き値を互いに異ならせて構成することもできる。
【００５０】
また、本発明は、前述したイメージセンサーを製作するための方法を提供する。すなわち、グレースケールマスクを利用したフォトリゾグラフィー工程だけを利用したり、それと共に反応性イオンエッチング工程との組み合わせ工程を利用したり、さらにそれらと共に紫外線硬化成形工程との組み合わせ工程を利用して前記光路変換素子を製作する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。
【実施例】
【００５２】
図8は、プリズム10を利用して光の光路を変化させられることを示した概念図である。
【００５３】
図示したように、イメージセンサーの周辺部ピクセルに光が傾斜入射することにより惹起される光効率低下の問題点を解決するために、マイクロプリズム10を利用して光路を光軸と平行に変換した後、イメージセンサー面に入射するようにする。
【００５４】
プリズム10表面に入射した光の傾斜角及び屈折光の角度と、プリズム10の入射面の傾き値との関係を図9を参照して下記に説明する。
【００５５】
図9は、光、特に図8のプリズム10を通過する光の屈折法則を説明するための図面である。
【００５６】
図示したように、互いに異なる媒質の傾きがαの境界面に光が入射する時、光が屈折される経路を示している。入射光が境界面の法線となす角をθ１、屈折光が境界面の法線となす角をθ２とし、入射部分の媒質の屈折率をｎ１、屈折部分の媒質の屈折率をｎ２とする時、スネルの法則は式(1)のようになる。
【００５７】
ｎ１sinθ１ ＝ ｎ２sinθ２......(1)
【００５８】
ここで、境界面傾きをα、入射光が光軸となす傾斜角をΦ１、屈折光が光軸となす角度をΦ2とし、式(1)に代入して拡張すると式(2)の関係が成立する。
【００５９】
tanα ＝ （ｎ１sinΦ１- ｎ２sinΦ２）／（ｎ１cosΦ１ - ｎ２cosΦ２）.....(2)
【００６０】
式(2)を利用すると、プリズム10面を通過して垂直(Φ2  ＝  ０)に屈折するプリズム10の入射面の傾きαは、入射光の入射角Φ１と、媒質の屈折率ｎ１、ｎ２を利用して式(3)のように整理できる。
【００６１】
α ＝ tan−１ [ｎ１sinΦ１／（ｎ１cosΦ１ - ｎ２）]......(3)
【００６２】
図10は、プリズム10によって屈折された光が光軸と平行するための傾斜角と入射面傾きの関係を示した図面である。
【００６３】
図示したように、入射部分の媒質の屈折率が1で、屈折部分の媒質の屈折率が１．５の時、プリズム10の入射面に入射する光の傾斜角Φ１によって屈折する光が光軸と平行になるようにするプリズム10の入射面の傾きαを示している。
【００６４】
ここで、二つの点に注目する必要がある。
【００６５】
一番目は、傾斜角Φ１が大きくなるほど、即ちイメージセンサーの周辺部ピクセルほどプリズム10の入射面の傾きは、マイナスの方向にさらに大きくなるという点である。それは、図11aによって詳しく見てみる。
【００６６】
二番目は、プリズム10の屈折率が入射部分の屈折率に比べて大きい場合、プリズム10の入射面の傾きは、マイナスの値を持つが、反対にプリズム10の屈折率が入射 部分の屈折率に比べて小さい場合には、プリズム10の入射面の傾き値は、プラスの値を持つようになる点である。これは、図11bによって詳しく見ることができる。
【００６７】
図11a及び図11bは、本発明の一実施例による光路変換素子としてマイクロプリズム10配列を具備するイメージセンサーの構造を示した図面であり、図11aは、単一マイクロプリズム10配列を、図11bは、二重マイクロプリズム10a、10b配列を具備するイメージセンサーを示している。
【００６８】
図11aと図11bは、各ピクセル位置によって互いに異なる角度で入射する光を互いに異なる入射面傾きを有するマイクロプリズム10配列を利用することにより入射した光を光軸に平行に屈折させられることを示している。
【００６９】
この方法は、イメージセンサーの光電素子1に入射する光の角度がすべて同じであるためにイメージセンサーの各位置で検出される光の量をほとんど均一に維持できる。
【００７０】
図11aのような構造は、空気層とプリズム10層からなっていて、プリズム10 層の屈折率が空気層の屈折率より大きいためにマイクロプリズム10の入射面が右側を向くようになる。
【００７１】
一方、図11bの構造のように、第1マイクロプリズム10aの屈折率より空気層が接する第2マイクロプリズム10bの屈折率を高く選択することにより、第1マイクロプリズム10aの入射面を左側に向かせることができる。第2マイクロプリズム10bは、光を屈折させられる多様な形状を有することができるが、図11bでは、第1マイクロプリズム10a上に形成される平坦層形状の第2マイクロプリズム10bを例示している。第1マイクロプリズム10aの入射面は光軸の直角面に対して傾きを持ち、第2マイクロプリズム10bは入射面が光軸と直角をなす。
【００７２】
図12は、本発明の一実施例による光路変換素子であり、マイクロプリズム10とマイクロレンズ5配列を具備したイメージセンサーの構造を示した図面である。
【００７３】
図示したように、図12のイメージセンサーでは、マイクロプリズム10配列とマイクロレンズ5配列が同時に使用されている。マイクロプリズム10配列を通じて光軸に平行に光路変換した後、マイクロレンズ5配列を通じ光電素子1に集光させることにより、図11a及び図11bで提案した方法より効率的に光を検出でき、各位置で検出される光の量も均一にすることができる。
【００７４】
図11a乃至図12のイメージセンサーは、従来のイメージセンサーにマイクロプリズムを追加的に配列することにより、光効率の向上をもたらす利点を有している。また、後述する図20a乃至図20cのグレースケールマスクを利用して手軽に本発明のイメージセンサーを製造できる。
【００７５】
一方、次の図13のイメージセンサーは、非球面マイクロレンズ製作の単一工程だけで図12と同一な光効率の増加をもたらすイメージセンサーを製作できるという利点を有している。
【００７６】
図13は、本発明の一実施例による非球面マイクロレンズ11配列を具備するイメージセンサーの構造を示した図面である。
【００７７】
図示したように、イメージセンサーの中心との距離によって入射面の対応部位同士の接線の傾きが互いに異なり、互いに異なる形状を有する非球面マイクロレンズ11を配列することにより、傾斜入射する入射光を光路変換すると同時に光電素子1に集光する。
即ち、入射光を光電素子に集光させるためには、同一光路変換素子の入射面内においても部位ごとに接線の傾きがお互いに異なる。したがって、非球面マイクロレンズ11は、集光素子としてのマイクロレンズ5の機能の外に光路変換素子としてのマイクロプリズム10の機能までも具備したものとみることができる。
【００７８】
非球面マイクロレンズ11は、前述したマイクロプリズム10とは異なり、いずれか一つの非球面マイクロレンズ11の入射面内においても各地点ごとの接線の傾きが異なることになり、各地点の接線の傾きは、式(2)を利用して求める。
【００７９】
図8乃至図14を通じて、私たちは、屈折法則を利用してイメージセンサーの光効率を増加させられることを詳しくみてきた。しかし、これは、後述するとおり、反射法則にもそのまま応用できる。
【００８０】
図14は、反射鏡12を利用して光の光路を変化させられることを示した概念図である。
【００８１】
反射鏡12の表面に入射した光の傾斜角及び反射光の角度と、反射鏡12の入射面の傾き値の関係を図15を参照して下記に説明する。
【００８２】
図15は、光、特に図14の反射鏡12に入射する光の反射法則を説明するための図面である。
【００８３】
図示したように、傾きがβの入射面の表面に光が入射する時、反射される光の角度を示している。入射光が入射面の法線となす角をθ３、反射光が入射面の法線となす角をθ４とすると、反射法則は式(4)のようになる。
【００８４】
θ３  ＝ θ４....(4)
【００８５】
ここで、入射面の傾きをβ、入射光が光軸となす傾斜角をΦ３、反射光が光軸となす角度をΦ４として、式(4)に代入して拡張すると式(5)のような関係が成立する。
【００８６】
β ＝ ９０°+ (Φ３+Φ４)／２.....(5)
【００８７】
式(5)を利用すると、反射鏡12で反射した光が光軸と平行Φ４になる反射鏡12の傾きβは、入射した光の傾きΦ３に対して式(6)のように整理できる。
【００８８】
β ＝ ９０°+ Φ３／２....(6)
【００８９】
図16は、反射鏡12によって反射した光が光軸と平行になるための傾斜角と入射面の傾き値の関係を示した図面である。
【００９０】
ここで、傾斜角が大きくなるほど、即ちイメージセンサーの周辺部ピクセルほど反射鏡12の傾きは、大きくなるのである。これは、図17を通じて詳しくみることができる。
【００９１】
図17は、本発明の一実施例による、光路変換素子としてマイクロ反射鏡12配列を具備するイメージセンサーの構造を示した図面である。
【００９２】
図示したように、各ピクセル毎に互いに異なる角度で入射する光を互いに異なる傾きを有するマイクロ反射鏡12配列を利用することにより入射した光を光軸に平行に反射させる方法である。この方法は、光電素子1に入射する光の角度をすべて一定にすることができるのでイメージセンサーの各位置で検出される光の量を均一にできる。
【００９３】
図18は、本発明の一実施例による、光路変換素子としてマイクロ反射鏡12とマイクロレンズ5配列を具備したイメージセンサーの構造を示した図面である。
【００９４】
図示したように、図18のイメージセンサーでは、マイクロ反射鏡12配列とマイクロレンズ5配列が同時に使用されている。マイクロ反射鏡12配列を通じ光軸に平行に光路変換した後、マイクロレンズ5配列を通じ光を光電素子1に集光させることにより、図17で提案した方法より効果的に光を検出でき、各位置で検出される光の量もほとんど均一にできる。
【００９５】
図19は、本発明の一実施例による非球面マイクロ反射鏡13配列を具備するイメージセンサーの構造を示した図面である。
【００９６】
図示したように、イメージセンサー面に入射する光の角度により、即ち、各ピクセルのイメージセンサーの中心との距離によって、入射面の対応部位の接線の傾きが互いに異なり、互いに異なる形状を有する非球面マイクロ反射鏡13を配列することにより、傾斜入射する入射光を光路変換すると同時に光電素子1に集光する。したがって、非球面マイクロ反射鏡13は、光路変換素子としての機能と共に集光素子として機能する。
【００９７】
非球面マイクロ反射鏡13は、前述した平面マイクロ反射鏡12とは異なり、いずれか一つの非球面マイクロ反射鏡13の入射面内でも各地点ごとに接線の傾きが異なり、各地点の接線の傾きは、式(5)を利用して求める。
【００９８】
前述したように、本発明の好ましい実施例によるイメージセンサーは、イメージセンサー中心との距離によって入射面の対応部位同士の接線の傾きが互いに異なる 光路変換素子を具備する。したがって、同一なマイクロレンズ配列を有するイメージセンサーとは異なり、このような多様な接線の傾きを有する微細構造物を製作することが問題になる。このような構造物を既存のMEMS工程を応用した単一工程を通じて製作することは、非常に難しいことである。
【００９９】
しかし、図20a乃至図20cのようにグレースケールマスクを利用したフォトリゾグラフィー、RIE(反応性イオンエッチング)工程、紫外線硬化成形法等を利用すれば多様な接線の傾きを有する微細構造物を手軽に製作できるようになる。
【０１００】
図20aは、本発明の一実施例によるイメージセンサー製作工程を示した図面である。
【０１０１】
図示したように、イメージセンサーの基板3上にフォトレジスト15をコーティングしてグレースケールマスク14を利用してフォトレジスト15を紫外線に露光させる。
【０１０２】
以後、紫外線に露光したフォトレジスト15を除去して、多様な接線の傾きのフォトレジスト微細構造物(15a)を得られるようになる。
【０１０３】
図20bは、本発明のまた他の実施例によるイメージセンサー製作工程を示した図面である。
【０１０４】
図示したように、図20bは、フォトリゾグラフィー工程とRIE工程を通じイメージセンサーの基板3上に互いに異なる接線の傾きの微細構造物16aを製作する。
【０１０５】
まず、基板3上に反応性イオンエッチング可能な材料16を載せる。その上にフォトレジスト15をコーティングしてグレースケールマスク14を利用してフォトレジスト15を紫外線に露光させてフォトレジスト微細構造物15aを作る。
【０１０６】
このように作られた構造物をRIE工程を通じエッチングすると、基板3上に多様な接線の傾きの微細構造物(16a)を得ることができる。
【０１０７】
図20cは、本発明のまた他の実施例によるイメージセンサー製作工程を示した図面である。
【０１０８】
図示したように、図20cでは、紫外線硬化成形工程を利用してイメージセンサーを製作する。反応性イオンエッチング可能な紫外線透過性材料17上にフォトレジスト15をコーティングして、グレースケールマスクを利用したフォトリゾグラフィー工程とRIE 工程を通じ微細構造物が形成されたモールド17aを製作する。
【０１０９】
基板3上に光硬化性ポリマー18を塗布して、製作したモールド17aを利用して紫外線硬化モールディングして多様な接線の傾きの微細構造物18aを得られる。
【０１１０】
図20cの方法を利用して例えば、図12のイメージセンサーを製作する工程を詳しく見てみると下記のようになる。
【０１１１】
まず、上で説明した図20cの工程を通じ基板3上にマイクロレンズ5を成形する。その後、光硬化性ポリマーを塗布して凹型マイクロプリズム10パターンが形成されたモールド17aを利用してマイクロレンズ5上に位置する平坦層とマイクロプリズム10を同時に成形する。
【０１１２】
もちろん、順次的に平面モールドを利用して平坦層を成形した後、凹型マイクロプリズム10パターンが形成されたモールド17aを利用してマイクロプリズム10を成形することも可能である。しかし、この方法は工程数の面で好ましくない。
【０１１３】
次に、図20cの方法を利用して例えば、図17のイメージセンサーを製作する工程を詳しく見てみると下記のようになる。
【０１１４】
図17のマイクロ反射鏡12を製作するには多様な製作方法が可能である。その一実施例によると、まず図11aと類似に三角断面形態の微細構造物を紫外線硬化成形法を通じてマイクロモールディングして製作する。その後、図17のマイクロ反射鏡12の右側斜面の外面にコーティングをして右側斜面の内面が反射面(反射鏡12の入射面)になるようにする。この場合、微細構造物はその屈折率が空気層の屈折率とほぼ一致する材料を使用することが好ましく、最小限空気層と微細構造物間の屈折率差異に対する考慮が設計に反映されなければならない。
【０１１５】
図21aと図21bは、図2のマイクロレンズ5配列だけを備えたイメージセンサーのシミュレーション結果を示した図面であり、図21aは、光の光路を、図21bは光電素子1での光の強さ分布を示している。
【０１１６】
シミュレーションのために、イメージセンサーのセル(Cell)のサイズは、5μm×5μm、フォトダイオードのサイズは、2μm×2μmにし、フォトダイオード周辺の回路部分の厚みを1μm、マイクロレンズ5からフォトダイオードまでの厚みを8μmにした。
【０１１７】
図示したように、マイクロプリズム10配列がない場合、光の傾斜角が0o、10oの場合には、焦点がフォトダイオード面に結ばれることによりフォトダイオードで光を検出することができたが、傾斜角が20o、30oの場合には、フォトダイオードで光を検出できなかった。
【０１１８】
他の側面としては、傾斜角が10oの場合にもフォトダイオードの面積が狭くなれば、多くの光を検出できないことが推測できる。
【０１１９】
図22aと図22bは、図12のマイクロプリズム10配列とマイクロレンズ5配列を備えたイメージセンサーのシミュレーション結果を示した図面であり、図22aは、光の光路を、図22bは、光電素子1での光の強さ分布を示している。
【０１２０】
図22a及び図22bのようにマイクロプリズム10配列及びマイクロレンズ5配列を備えた場合、光の傾斜角が0o、10o、20o、30oのすべての場合で焦点がフォトダイオードに結ばれてフォトダイオードで光を検出できた。
【０１２１】
傾斜角が0oの時のフォトダイオードで検出する光の量を基準に傾斜角が10oの時、マイクロプリズム10配列が存在しない場合と存在する場合の集光効率は、各々 92％、93％であり、傾斜角が20oの時は、各々0％、90％、傾斜角が30oの時は、各々0％、76％と計算された。
【０１２２】
これは、マイクロプリズム10を追加することにより、イメージセンサーに入る光の傾斜角が大きい場合にも効率的にイメージセンサーのフォトダイオードで光を検出できることを示したものである。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】マイクロレンズ配列を具備しない従来のイメージセンサーの基本構造を示した図面である。
【図２】マイクロレンズ配列を具備する従来のイメージセンサーの基本構造を示した図面である。
【図３】イメージセンサーを利用したシステムの一例を示した図面である。
【図４】図2のイメージセンサーにおいて、周辺部ピクセルの光効率が良くないことを説明するための図面である。
【図５】また他の従来のイメージセンサーの構造を示した図面であり、イメージセンサー中心との距離によって互いに異なる平面上にマイクロレンズが配列されたイメージセンサーの構造を示している。
【図６】また他の従来のイメージセンサーの構造を示した図面であり、イメージセンサー中心との距離によって互いに異なるサイズのマイクロレンズが配列されたイメージセンサーの構造を示している。
【図７】また他の従来のイメージセンサーの構造を示した図面であり、イメージセンサー中心との距離によって光電素子と偏位した位置にマイクロレンズが配列されたイメージセンサーの構造を示している。
【図８】プリズムを利用して光の光路を変化させられることを示した概念図である。
【図９】光、特に図8のプリズムを通過する光の屈折法則を説明するための図面である。
【図１０】プリズムによって屈折した光が、光軸と平行になるための傾斜角と入射面の傾き値の関係を示した図面である。
【図１１ａ】本発明の一実施例による、光路変換素子としてマイクロプリズム配列を具備するイメージセンサーの構造を示した図面であり、単一マイクロプリズム配列を具備するイメージセンサーを示している。
【図１１ｂ】本発明の一実施例による、光路変換素子としてマイクロプリズム配列を具備するイメージセンサーの構造を示した図面であり、二重マイクロプリズム配列を具備するイメージセンサーを示している。
【図１２】本発明の一実施例による、マイクロプリズムの光路変換素子とマイクロレンズ配列を具備するイメージセンサーの構造を示した図面である。
【図１３】本発明の一実施例による、非球面マイクロレンズ配列を具備するイメージセンサーの構造を示した図面である。
【図１４】反射鏡を利用して光の光路を変化させられることを示した概念図である。
【図１５】光、特に図14の反射鏡によって反射される光の反射法則を説明するための図面である。
【図１６】反射鏡によって反射した光が、光軸と平行になるための傾斜角と入射面の傾き値の関係を示した図面である。
【図１７】本発明の一実施例による、光路変換素子としてマイクロ反射鏡配列を具備するイメージセンサーの構造を示した図面である。
【図１８】本発明の一実施例による、光路変換素子としてマイクロ反射鏡とマイクロレンズ配列を具備するイメージセンサーの構造を示した図面である。
【図１９】本発明の一実施例による、非球面マイクロ反射鏡配列を具備するイメージセンサーの構造を示した図面である。
【図２０ａ】本発明の多様な実施例によるイメージセンサーの製作工程を示した図面である。
【図２０ｂ】本発明の多様な実施例によるイメージセンサーの製作工程を示した図面である。
【図２０ｃ】本発明の多様な実施例によるイメージセンサーの製作工程を示した図面である。
【図２１ａ】図2のマイクロレンズ配列だけを具備するイメージセンサーのシミュレーション結果を示した図面であり、 光の光路を示している。
【図２１ｂ】図2のマイクロレンズ配列だけを具備するイメージセンサーのシミュレーション結果を示した図面であり、光電素子における光の強さ分布を示している。
【図２２ａ】図12のマイクロプリズム配列とマイクロレンズ配列を具備するイメージセンサーのシミュレーション結果を示した図面であり、光の光路を示している。
【図２２ｂ】図12のマイクロプリズム配列とマイクロレンズ配列を具備するイメージセンサーのシミュレーション結果を示した図面であり、光電素子における光の強さ分布を示している。
【手続補正書】
【提出日】平成17年10月13日(2005.10.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電素子配列を具備した基板と、前記基板の光が入射する側に具備されていて、入射光を光路変換させて該基板上に入射させる光路変換素子を各光電素子にマッチングするように具備した各光路変換素子配列とを有しているイメージセンサーであって、前記光路変換素子は、非球面マイクロレンズまたは非球面マイクロ反射鏡であり、入射光を前記光電素子に集光させるように、前記光路変換素子の入射面を傾斜させることにより、同一光路変換素子の入射面内でも部位ごとに、接線の傾き値が異なると同時に、前記入射面は、イメージセンサーの中心からの距離が遠くなるにつれて光軸に対して除々に大きな傾斜角を有し、イメージセンサー周辺部に斜めに入射する入射光を、傾斜角を持たないでイメージセンサーの中心部に垂直に入射する入射光と同様な光路をたどるように光路変換させ、入射光の傾斜角を相殺させる接線傾き値を各光路変換素子の入射面に与えることにより、各光電素子からの相対位置が同一な各光路変換素子の入射面の対応部位の接線傾き値が、イメージセンサーの中心からの距離によって異なることを特徴とするイメージセンサー。
【請求項２】
単一イメージセンサー内に前記非球面マイクロレンズ形態の光路変換素子及び前記非球面マイクロ反射鏡形態の光路変換素子を共に具備することを特徴とする、請求項１記載のイメージセンサー。
【請求項３】
前記非球面マイクロレンズにおいて、前記非球面マイクロレンズの入射面と接する層の屈折率をn1、前記非球面マイクロレンズの入射面に入射する光が光軸となす傾斜角をΦ１、前記非球面マイクロレンズの屈折率をn2、前記非球面マイクロレンズの一地点に入射して前記非球面マイクロレンズによって屈折され前記光電素子に集光されるために屈折光が光軸となすべき角度をΦ２とする時、前記非球面マイクロレンズの入射面の一地点の接線の傾きαは、
α ＝ tan−１ [（ｎ１sinΦ１- ｎ２sinΦ２)／（ｎ１cosΦ１ - ｎ２cosΦ２）]
であることを特徴とする、請求項１記載のイメージセンサー。
【請求項４】
前記非球面マイクロ反射鏡において、前記非球面マイクロ反射鏡の入射面に入射する光が光軸となす傾斜角をΦ３、前記非球面マイクロ反射鏡の一地点に入射して前記非球面マイクロ反射鏡によって反射され光電素子に集光されるために反射光が光軸となすべき角度をΦ４とする時、前記非球面マイクロ反射鏡の入射面の一地点の接線の傾きβは、
β＝９０°+ (Φ３+Φ４)／２
であることを特徴とする、請求項１記載のイメージセンサー。
【請求項５】
前記光路変換素子が、イメージセンサーの中心との距離により前記光路変換素子の中心が前記光電素子の中心から偏った位置に形成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のイメージセンサー。
【請求項６】
イメージセンサーの中心との距離によって単一イメージセンサーを複数個の領域に区分する時、同一領域内の光路変換素子は、入射面の対応部位の接線の傾き値が互いに同一であるが、異なる領域に属する光路変換素子は、該当領域のイメージセンサーの中心との距離によって入射面の対応部位の接線の傾き値が互いに異なることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のイメージセンサー。
【国際調査報告】
2006528424.tif 000030
2006528424.tif 000031