(57)【要約】【課題】従来よりもＭＴＦおよび解像度を改善することが可能な高解像度撮像装置を提供する。【解決手段】被写体１の被写体像を形成する光学系１１と、被写体像を複数に分割された領域ごとに電気信号に変換する複数の受光素子を有する少なくとも１つの機能性撮像素子１４と、光学系１１と機能性撮像素子１４との間に配置され、被写体像を複数の前記領域に分割して伝送する複数の光導波路１２が形成された光導波素子１３と、を含み、受光素子のピッチと光導波路１２の機能性撮像素子１４側のピッチとが一致する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体像を形成する光学系と、
前記被写体像を複数に分割された領域ごとに電気信号に変換する複数の受光素子を有する少なくとも１つの機能性撮像素子と、
前記光学系と前記機能性撮像素子との間に配置され、前記被写体像を複数の前記領域に分割して伝送する複数の光導波路が形成された光導波素子と、を含み、
前記受光素子のピッチと前記光導波路の前記機能性撮像素子側のピッチとが一致する高解像度撮像装置。
【請求項２】
前記光導波路の前記光学系側のピッチが、前記機能性撮像素子側のピッチよりも小さい請求項１に記載の高解像度撮像装置。
【請求項３】
前記光導波路が自己形成光導波路である請求項１または請求項２に記載の高解像度撮像装置。
【請求項４】
前記機能性撮像素子が画素周辺記録型撮像素子である請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の高解像度撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高解像度撮像装置に係り、特に、機能性撮像素子を備えた高解像度撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
今までに高解像度化を目的とした撮像装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。図１０に特許文献１に開示された撮像装置５０の概略構成を示す。これは、光学系５２により形成される被写体５１の像を複数の光ファイバ束５３により複数の撮像素子５４の撮像面５４ａに導く方法である。光ファイバ束５３は、複数の光ファイバを束ねてなるものであり、撮像素子５４の１つの画素（受光素子）ごとに複数の光ファイバが割り当てられるように構成されている。
【０００３】
また、近年、半導体技術の進展により、画素周辺記録型撮像素子のような機能的撮像素子が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２８３９０６号公報
【特許文献２】特開２００８−２８８４４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された撮像素子の画素に割り当てられる光ファイバの本数は画素ごとに均等ではなく、また実際に光ファイバを均等に割り当てることはできないと考えられる。さらに、２つの画素にまたがって配置される光ファイバが存在することも特許文献１に示されている。
【０００６】
つまり、特許文献１に開示された撮像装置においては、被写体像を伝送する光導波路と、画素ごとに配置される受光素子とが１対１に対応していない。このような場合、光学伝達関数の絶対値（ＭＴＦ：Modulation Transfer Function）および解像度が低下する。ここで、ＭＴＦとは、被写体の持つコントラストをどの程度忠実に再現できるかを空間周波数特性として表現するものである。また、撮像素子の個数に応じて複数の光ファイバ束の入力面は複数個に区分されているが、その入力面を互いに高精度に位置合わせすることは非常に困難である。
【０００７】
図１１は、特許文献２に開示された機能的撮像素子において、画素が配置される領域（以下、画素エリアと記す）の一部を模式的に示す概念図である。画素エリア６１内には、複数の画素６２（図１１中には６個だけ示している）が配置されている。画素６２内には、受光素子６３の他に、メモリ、ＡＤＣ回路などで構成される機能的回路６４が配置されており、この機能的回路６４が１画素の面積の大半（例えば、８０％以上）を占有している。
【０００８】
この結果として、画素６２の面積が大きくなり、水平および垂直方向に隣り合う受光素子６３の間隔（以下、画素ピッチＰX、ＰYと記す）が大きくなってしまう。画素６２の面積が大きければ、光学系によって規定されるイメージエリア内に配置できる画素数が少なくなるため、高解像度化が困難になる。
【０００９】
特許文献２に開示された機能的撮像素子において、被写体像を伝送する光導波路と、画素６２ごとに配置される受光素子６３とを１対１に対応させて、ＭＴＦを向上させるためには、複数のファイバオプティクプレート（ＦＯＰ：Fiber Optic Plate）を加工して組み合わせることが考えられる。図１２に断面図を示すように、ＦＯＰ７１は、コア７２とクラッド７３からなる光ファイバを複数束ねて、互いに溶融、焼結させて作製されるものである。入力面７４と出力面７５におけるコア７２とクラッド７３の断面積はそれぞれ変わらない。
【００１０】
また、図１２に示したＦＯＰ７１の変形例として、図１３に示すようなテーパを付けたテーパードＦＯＰ８１が実際に製品化されている。これは、上記図１２のＦＯＰ７１をさらに加熱しながら一方を引き伸ばすことによって得られる。入力面８４と出力面８５におけるコア８２とクラッド８３の断面積は異なるが、その面積比率は変わらない。
【００１１】
しかしながら、コア７２、８２と撮像素子の受光素子６３とが１対１に対応する精度でガラス材料からなるＦＯＰ７１、８１を加工することは現実的ではない。このことは、ＭＴＦおよび解像度の低下に加えて、ＦＯＰ７１、８１の受光素子６３側の開口率の低下をもたらす。さらに、複数の撮像素子に対応させて、ＦＯＰ７１、８１を複数個組み合わせて位置合わせする必要があるが、現実には困難である。
【００１２】
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、従来よりもＭＴＦおよび解像度を改善することが可能な高解像度撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明の高解像度撮像装置は、被写体像を形成する光学系と、前記被写体像を複数に分割された領域ごとに電気信号に変換する複数の受光素子を有する少なくとも１つの機能性撮像素子と、前記光学系と前記機能性撮像素子との間に配置され、前記被写体像を複数の前記領域に分割して伝送する複数の光導波路が形成された光導波素子と、を含み、前記受光素子のピッチと前記光導波路の前記機能性撮像素子側のピッチとが一致する構成を有している。
【００１４】
この構成により、機能性撮像素子の受光素子と光導波路とが１対１に対応し、各受光素子の受光面と各光導波路の出力端面とが互いに対向するため、従来よりもＭＴＦおよび解像度を改善することができる。
【００１５】
また、本発明の高解像度撮像装置は、前記光導波路の前記光学系側のピッチが、前記機能性撮像素子側のピッチよりも小さい構成を有している。
この構成により、十分な開口率を確保した光導波素子を備えた高解像度撮像装置を実現できる。
【００１６】
また、本発明の高解像度撮像装置は、前記光導波路が自己形成光導波路であってもよく、前記機能性撮像素子が画素周辺記録型撮像素子であってもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、機能性撮像素子の受光素子と光導波路とが１対１に対応し、各受光素子の受光面と各光導波路の出力端面とが互いに対向することにより、従来よりもＭＴＦおよび解像度を改善することが可能な高解像度撮像装置を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る高解像度撮像装置の構成を示す概略図
【図２】光導波路が形成された光導波素子の構成を示す正面図および背面図
【図３】機能性撮像素子の構成を示す上面図
【図４】高解像度撮像素子の構成を示す断面図
【図５】本発明に係る高解像度撮像装置の光導波素子の製造方法を示す工程図
【図６】縮小光学系を用いて形成した光導波路の構成を示す断面図
【図７】入射角度の異なる複数の平行光を用いて形成した複数の光導波路束の構成を示す断面図
【図８】縮小光学系を用いて形成した複数の光導波路束の構成を示す断面図
【図９】バッティングされた機能性撮像素子の構成を示す上面図
【図１０】光ファイバ束を用いた従来の撮像装置の構成を示す概略図
【図１１】撮像装置の画素エリアの一部を示す概念図
【図１２】ＦＯＰの構成を示す断面図
【図１３】テーパードＦＯＰの構成を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る高解像度撮像装置の実施形態について図面を用いて説明する。図１は本発明に係る高解像度撮像装置１０の構成を示す概略図である。図１に示すように、高解像度撮像装置１０は、被写体１の被写体像を形成する光学系１１と、被写体像を複数に分割された領域ごとに電気信号に変換する複数の受光素子を有する少なくとも１つの機能性撮像素子１４と、光学系１１と機能性撮像素子１４との間に配置され、被写体像を該複数の領域に分割して伝送する複数の光導波路１２が形成された光導波素子１３と、を含む。
【００２０】
光学系１１は、図１に示したように１枚のレンズから構成されてもよいが、組み合わせレンズで構成されていてもよい。
【００２１】
光導波素子１３の光導波路１２は光ファイバのコアに相当し、光導波路１２の周囲はクラッドに相当する。以降では、光導波路１２の周囲をクラッド部１５と呼ぶ。また、以降では、光導波素子１３と少なくとも１つの機能性撮像素子１４とを高解像度撮像素子２０と呼ぶ。
【００２２】
機能性撮像素子１４は、例えば画素周辺記録型撮像素子であり、複数の画素からなる画素エリアＰAを有している。さらに、画素エリアＰA内の各画素は、１つの受光素子（例えば、フォトダイオード）を有する。各画素は、受光素子の他に、メモリ、ＡＤＣ回路などで構成される機能的回路を有する。
【００２３】
図２は、光導波路１２が形成された光導波素子１３の構成を示す模式図である。図２（ａ）は光導波素子１３の光学系１１に対向する面を示す正面図であり、図２（ｂ）は光導波素子１３の機能性撮像素子１４に対向する面を示す背面図である。
【００２４】
図面が煩雑になるのを避けるために、図２には機能性撮像素子１４の個数が４個である場合に対応した光導波素子１３を示している。なお、図１における光導波素子１３は、図２のＡ−Ａ'線断面に対応している。また、機能性撮像素子１４の個数や配置位置は、図１、図２に示した例に限定されるものではない。
【００２５】
光導波素子１３は、各機能性撮像素子１４に対応した光導波路束１２−１、１２−２、１２−３、１２−４を備える。各光導波路束１２−１〜４は複数本の光導波路１２からなる。光導波素子１３として十分な開口率を得るためには、光導波路１２のピッチは、光学系１１側で小さく、機能性撮像素子１４側で大きくなっていることが好ましい。
【００２６】
次に、光導波路１２が形成された光導波素子１３と、複数の機能性撮像素子１４と、からなる高解像度撮像素子２０の詳細な構成を説明する。図３は機能性撮像素子１４の構成を示す上面図であり、図４は高解像度撮像素子２０の構成を示す断面図である。
【００２７】
図３に示すように、機能性撮像素子１４は、画素エリアＰAの周囲に、周辺回路１４−１と、ボンディングパッド１４−２と、を有している。また、図４に示すように、高解像度撮像素子２０は、機能性撮像素子１４に加えて、ボンディングワイヤ２０−１と、パッケージ２０−２と、キャビティ２０−３と、を有している。キャビティ２０−３は、パッケージ２０−２とボンディングパッド１４−２とを接続するためのボンディングワイヤ２０−１を配置する空間を確保するために設けられている。
【００２８】
光導波路束１２−１、１２−２は、画素エリアＰAの周囲の周辺回路１４−１、ボンディングパッド１４−２を避けるようにハの字状に配置されることが好ましい。
【００２９】
以下、光導波路１２を内部に有する光導波素子１３の製造方法を説明する。ここでは、光導波路１２が自己形成光導波路である場合を例に取る。
まず、図５（ａ）に示すように、第１の光硬化性樹脂溶液と、第１の光硬化性樹脂溶液と硬化開始波長および硬化後の屈折率が異なる第２の光硬化性樹脂溶液と、の混合溶液３０を作製して透明容器３１に満たす（混合溶液作製段階）。
【００３０】
第１の光硬化性樹脂溶液としては、例えば、屈折率１．４９であるエポキシ系の光硬化性樹脂溶液、第２の光硬化性樹脂溶液としては、例えば、屈折率１．３４のアクリル系の光硬化性樹脂溶液を用いることができる。
【００３１】
次に、混合溶液３０の液面上に、レジストを配置し、フォトリソグラフィによって機能性撮像素子１４の受光素子の受光面に対応した開口部３２ａを有するマスクパターンを露光して現像する。これにより、機能性撮像素子１４の水平および垂直方向の画素ピッチＰX、ＰYに合致したマスク３２が形成される（マスク形成段階）。
【００３２】
次に、図５（ｂ）に示すように、マスク３２を介して、第１および第２の光硬化性樹脂溶液のうち、第１の光硬化性樹脂溶液のみを硬化させる波長λ1の平行光３３を混合溶液３０に照射する。このとき、マスク３２の開口部３２ａを通過した平行光３３のみが混合溶液３０に入射し、平行光３３の進行方向に光導波路１２（コア部）が形成される（自己形成光導波路形成段階）。このとき、混合溶液３０中の平行光３３が入射した部分に存在した第２の光硬化性樹脂溶液は、マスク３２により平行光３３が遮られた部分に押しやられる。
【００３３】
平行光３３としては、例えば、波長λ1が３００ｎｍ〜５００ｎｍ程度のレーザ光を用いるのがよい。平行光３３を混合溶液３０に照射する際には、波長λ1のレーザ光を発するレーザ光源を複数個準備して同時に照射を行ってもよいし、波長λ1の複数のレーザ光を発するレーザアレイを用いて照射を行ってもよい。あるいは、１以上のレーザ光源を機能性撮像素子１４の画素ピッチＰXまたはＰYで移動させて順次照射を行ってもよい。
【００３４】
次に、第１および第２の光硬化性樹脂溶液のいずれも硬化させる波長λ2の紫外線を、光導波路１２が形成された混合溶液３０全体に照射することにより、光導波路１２の周囲を硬化させてクラッド部１５を形成する（クラッド部形成段階）。最後に、マスク３２および透明容器３１を除去して、光導波素子１３を完成する。
【００３５】
上述の段階を経ることにより、光導波路１２の出力端面（マスク３２が形成されていた側）のピッチが機能性撮像素子１４の画素ピッチＰX、ＰYと一致した光導波素子１３が形成される。これにより、機能性撮像素子１４の受光素子の受光面と光導波路１２の出力端面とを互いに１対１に対向させて配置することが可能となる。
【００３６】
なお、平行光３３を適当な光学系を介して混合溶液３０に照射することにより、光導波路１２の形状を変化させることができる。図６は、縮小光学系４１を介して平行光３３を照射することにより形成された光導波路１２の構成を示す断面図である。これは、図１、図２に示した光導波素子１３を作製するための構成である。平行光３３は縮小光学系４１を透過することにより、集束光３４となって混合溶液３０に入射する。これにより、逆テーパ状の光導波路１２を形成することができる。
【００３７】
このとき、図５に示した例と同様に機能性撮像素子１４の画素ピッチＰX、ＰYに合致したマスク３２を使用する。なお、光学系１１として拡大光学系を用いれば、図５に示した例とは反対に、テーパ状の光導波路１２を形成できることは言うまでもない。
【００３８】
図７は、入射角度の異なる複数の平行光３３−１、３３−２により形成された複数の光導波路束１２−１、１２−２の構成を示す断面図である。これは、高解像度撮像素子２０が複数の機能性撮像素子１４を有する場合の構成である。図７に示すように、複数の機能性撮像素子１４の受光素子の受光面に対応した開口部３２ｂを有するマスク３２を混合溶液３０の液面上に形成し、平行光３３−１、３３−２を互いに異なる入射角度で混合溶液３０に照射することにより、複数の光導波路束１２−１、１２−２を作製することができる。
【００３９】
図４に示したように、機能性撮像素子１４には周辺回路１４−１や配線に関わるボンディングパッド１４−２などがあるため、複数の光導波路束１２−１、１２−２同士は適当な距離Ｄだけ離して形成するのが好適である。所望の距離Ｄを得るためには、平行光３３−１、３３−２の入射角度を適宜調整すればよい。
【００４０】
図８は、図７の構成に縮小光学系４１を加えることにより形成された複数の光導波路束１２−１、１２−２の構成を示す断面図である。図８に示すように、入射角度の異なる平行光３３−１、３３−２は縮小光学系４１を透過することにより、集束光３４−１、３４−２となって、図７に示したようなマスク３２を介して混合溶液３０に入射する。これにより、逆テーパ形状の光導波路束１２−１、１２−２を形成することができる。
【００４１】
図７に示した例と同様に、複数の光導波路束１２−１、１２−２同士が適当な距離Ｄだけ離れて形成されるようマスク３２を作製し、なおかつ縮小光学系４１を介することで光導波路１２の入力端面のピッチが狭まる。これにより、高解像度撮像装置１０が備える光学系１１によって規定されるイメージエリアが狭い場合に適した光導波素子１３を作製することができる。この場合も適当な距離Ｄ、および、一定のピッチを確保するため、平行光３３−１、３３−２は互いに角度を付けて混合溶液３０に入射させる。
【００４２】
以上説明したように、本発明に係る高解像度撮像装置は、機能性撮像素子の受光素子と光導波路とが１対１に対応し、各受光素子の受光面と各光導波路の出力端面とが互いに対向するため、従来よりもＭＴＦおよび解像度を改善することができる。
【００４３】
通常、撮像素子の歩留まりは、画素エリアの面積が増大するに連れて低下していく。このため、大面積の撮像素子は概して歩留まりが低い。これに対して本発明は、十分な歩留まりが確保できる小面積の機能性撮像素子を複数組み合わせて作製することが可能である。
【００４４】
また、本発明によれば、比較的画素ピッチが大きい機能的撮像素子においても、レイアウト上の工夫をすることなく複数の機能性撮像素子を繋ぎ合わせて高解像度の撮像素子を得ることが可能となる。
【００４５】
なお、従来は、複数の機能性撮像素子を用いて高解像度撮像素子２０を作製する手法として、バッティング可能な機能性撮像素子をモザイク状に繋ぎ合わせて並べる方法が用いられていた。これを実現するためには、図９に示すように複数の機能性撮像素子４４（図中では４個）を繋ぎ合わせることが必要となる。つまり、機能性撮像素子４４のレイアウトを、機能性撮像素子４４の周辺回路４４−１、ボンディングパッド４４−２などを一辺にまとめるなどの特殊なものとする必要がある。また、機能性撮像素子４４同士をバッティングするために、機能性撮像素子４４は画素エリアＰAの直近で切削されている必要がある。
【００４６】
このため、上記の従来の手法においては、特殊なレイアウトにより生じる不必要な配線遅延の問題や、画素の直近で切削されるために生じる端面からの暗電流によるノイズの問題などがあった。
【００４７】
しかしながら、本発明に係る高解像度撮像装置１０は、図３に示したような一般的なレイアウトの機能性撮像素子１４を所望の間隔で配置し、その配置に合った光導波路１２を用いることができる。このため、本発明に係る高解像度撮像装置１０は、バッティング可能な機能性撮像素子で見られた暗電流の問題を回避することも可能となる。
【符号の説明】
【００４８】
１  被写体
１０  高解像度撮像装置
１１  光学系
１２  光導波路
１２−１、１２−２、１２−３、１２−４  光導波路束
１３  光導波素子
１４、４４  機能性撮像素子
１４−１、４４−１  周辺回路
１４−２、４４−２  ボンディングパッド
１５  クラッド部
２０  高解像度撮像素子
２０−１  ボンディングワイヤ
２０−２  パッケージ
２０−３  キャビティ
３０  混合溶液
３１  透明容器
３２  マスク
３２ａ、３２ｂ  開口部
３３  平行光
３４  集束光
４１  縮小光学系
【図１】
2012191246.tif 000003
【図２】
2012191246.tif 000004
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2012191246.tif 000012
【図１１】
2012191246.tif 000013
【図１２】
2012191246.tif 000014
【図１３】
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