(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光を集め、検出するための光センサであって、
それぞれが光検出領域、及び非光検出領域を備える複数の矩形ピクセルであって、前記光検出領域は前記矩形ピクセルの中央部に位置し、前記非光検出領域は前記矩形ピクセルのコーナ領域に位置する、矩形ピクセルと、
前記複数の矩形ピクセルのそれぞれに対応して設けられるマイクロレンズであって、前記矩形ピクセルの前記光検出領域に向かって入射する光を透過して前記光検出領域に導くフラットな光透過部分と、前記矩形ピクセルの前記コーナ領域の上方に、前記コーナ領域のそれぞれに対応して互いに独立して形成された、それぞれが切子面によって形成される四つのコーナ部分であって、前記矩形ピクセルの前記非光検出領域に向かって入射する光を前記光検出領域に導くように形成されたコーナ部分とを有する、マイクロレンズと
を有することを特徴とする光センサ。
【請求項２】
前記光検出領域の周縁の形状が円形であることを特徴とする請求項１に記載の光センサ。
【請求項３】
前記光検出領域の周縁の形状が多角形であることを特徴とする請求項１に記載の光センサ。
【請求項４】
前記光検出領域の多角形の形状が、三角形、正方形、矩形、六角形、七角形、八角形、九角形、十角形、十一角形、または十二角形であることを特徴とする請求項３に記載の光センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、マイクロレンズ・アレイ及びイメージ・センサ内における光センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光センサは、イメージ検出のため、線形構造または２次元構造をなすように組み合わせれらる場合が多い。イメージ・センサ内における個々の光センサは、その出力信号の大きさが光源体の所定の領域から入射する、光の強度に対応する出力信号を発生する。従って、検出される光の強度、並びに対応する光センサの出力信号パターンは、光源体またはイメージの線形または２次元表現を形成する。
【０００３】
多くの状況において、低い光強度、または検出できる限界の光強度である限界光強度を検出するために、電荷結合素子（ＣＣＤ）、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）、及び、他の固体電子素子のような固体イメージ・センサが必要とされる。こうした場合、検出可能な光のわずかな損失でさえ、極めて重要になる。弱い光信号を検出するシステムの能力を強化するため、イメージ・センサの設計者にはさまざまな手段を利用することが可能である。これらの手段には、（１）センサの光検出領域の拡大、（２）信号を増幅するための能動回路要素の追加、（３）光信号の時間積分、（４）イメージング光学装置によって集められる光の増加、並びに（５）入射光をより多く集めるためのマイクロレンズの追加が含まれる場合が多い。これらの技法は、全て、貴重なものであり、一般に、用途及び検出に利用されるテクノロジに応じて用いられる。
【０００４】
一般に、個々の光センサは、光検出領域、並びに電子回路要素、相互接続金属トレース、及び分離拡散のような関連支援要素を備えた非光検出領域から構成される。光センサは、イメージ・センサの正方形または矩形領域を占める場合が多い。この領域は、ピクセルと呼ばれる。ピクセル内の非光検出領域に入射する光は、マイクロレンズのような手段を用いて屈折させ、別様であれば失われたであろう光を集め、光センサの光検出領域に送り込まなければ失われることになる。マイクロレンズは、一般に、光センサの検出平面に対して平行な平面内に円形断面を備えている。ただし、他の断面も提案されている。マイクロレンズの周辺は、それに関連したピクセルの境界内で内接しており、集光がその周辺内に限られるのは明白である。従来のシステムは、ピクセルのコーナ領域からの光を集めようとはしなかった。
【０００５】
ピクセルから潜在的に失われる可能性のある光の一例として、図１（Ａ）〜（Ｄ）及び表１（コーナ領域に対する入射光の損失）を参照されたい。図１（Ａ）及び表１（数１参照）から明らかなように、正方形のピクセル内で内接し、可能性のある最大領域を占める円形レンズの場合、マイクロレンズの円形断面ではピクセルのコーナをカバーすることができないので、入射光の約２１．５％を集めることができない。表１を参照すると、図１（Ｂ）の正方形の集光領域、図１（Ｃ）の六角形の集光領域、及び、図１（Ｄ）の八角形の集光領域は、それぞれ、そのコーナ領域に対する入射光の約５０％、３５．１％、及び、１７．２％を失うことになる。図１（Ａ）〜（Ｄ）の特定の幾何学形状は、例示のために選択されたものである。
【０００６】
【数１】
0004285711.tif 000002
【０００７】
【表１】
0004285711.tif 000003
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上から明らかなように、本発明の目的は、イメージ・センサ及び同様の光検出装置に集められる、利用可能な光の集光効率を改善することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本明細書に記載の光センサの典型的な実施態様によれば、これまで得られなかった集光能力の向上が可能になる。これらの技法を利用すれば、入射光のほぼ全てを集めることが可能になり、特に、光強度の弱い状況で動作するイメージ・センサにとって有利な能力である。
【００１０】
典型的な実施態様の場合、集光効率の強化されたセンサは、ピクセル、並びに集光効率の強化されたマイクロレンズを有して構成される。集光効率の強化されたマイクロレンズは、ピクセルと光源またはイメージ源の間に配置される。光センサのピクセルは、光検出領域と非光検出領域から構成される。非光検出領域は、直接光の検出に寄与しないが、電子回路要素、相互接続金属トレース、並びに光センサの光検出領域を分離するために用いられる領域を含むことが可能である。この非光検出領域は、その下にある電子構造または電子回路要素を光源またはイメージからの入射光による影響から保護するため、金属でカバーされる場合が多い。光検出領域は、一般に、多角形の周辺を備え、一般には矩形領域をなすピクセル内に位置するか、又はせいぜい、そのピクセルに接している。この典型的な実施態様におけるマイクロレンズには、ピクセルのコーナ領域に位置する１つ以上のコーナ・マイクロレンズが含まれている。これらのコーナ・マイクロレンズに対する入射光は、コーナ・マイクロレンズ表面において屈折され、非光検出領域から光検出領域に送り込まれる。
【００１１】
集光効率の強化されたマイクロレンズのコーナ・マイクロレンズとは別の部分をなす光透過マイクロレンズは、光検出領域の上において、光検出領域と光源の間に配置される。光源に面した光透過マイクロレンズの表面は、別様であれば、光検出領域に入射するであろう光を集め、その光をただ単に透過または反射して、光検出領域の任意の部分に送り込むだけである。従って、光透過マイクロレンズは、フラットな光透過材料にすぎないと言ってもさしつかえない。
【００１２】
本発明の典型的な実施態様は、光検出領域に関する光の伝搬線に対して垂直な、さまざまな多角形断面形状を利用して実施することも可能である。これらの光検出領域のさまざまな多角形の形状は、制限するわけではないが、三角形、正方形、矩形、六角形、七角形、八角形、九角形、十角形、十一角形、十二角形から構成される。しかし、他の実施態様も可能であり、本明細書の実施態様は、これらの幾何学形状に制限されるものではない。さらに、本明細書に教示されているように、個別光センサの典型的な実施態様は、線形アレイまたは面アレイをなすように組み合わせることが可能である。
【００１３】
典型的な実施態様の場合、ピクセルに入射する光のほぼ全てを集めることが可能である。
【００１４】
本明細書の光センサに関する他の態様及び利点については、本発明の原理を例示する、添付の図面に関連して示される下記の詳細な説明から明らかになるであろう。本明細書に開示の詳細は、本発明を制限するものと解釈してはならない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
例示を目的として図面に示されるように、本明細書には、典型的な実施態様として、イメージ検出システムに用いられる新規の集光効率が強化されたセンサ及び集光効率が強化されたセンサ・アレイを示している。従来のイメージ検出システムに用いられる従来の光センサ、並びに関連するマイクロレンズは、その幾何学形状などの設計のため、かなりの光信号の損失を被った。下記の詳細な説明、及び、図面のいくつかの図において、同様の構成要素は、同様の参照番号によって識別される。
【００１６】
本明細書に記載の実施態様は、入射光が、能動光源から直接受けるものか、あるいは、イメージから反射されるものかによって左右されることはない。本明細書において用いられる限りにおいて、光源という用語それ自体が、イメージ源と同義語である。また、本明細書において、ピクセルの幾何学形状は、正方形または矩形として記述される。正方形は、実際には、全ての辺が等しい、矩形の特殊事例である点に留意されたい。イメージ・センサにおけるピクセルは、一般に、矩形、または、等しい辺から構成される矩形の特殊事例をなす正方形であるが、本明細書の実施態様は、こうしたピクセルの幾何学形状に制限されるものではない。
【００１７】
多くの状況において、電荷結合素子（ＣＣＤ）、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）、及び、他の固体電子素子といった固体イメージ・センサは、弱い光強度または限界光強度の検出が必要とされる。こうした場合、検出可能な光におけるわずかな損失でも、極めて重要になる。
【００１８】
本明細書における光センサ及び関連するマイクロレンズの典型的な実施態様では、従来の個別光センサ、及び光センサ・アレイにおいて失われる、光検出領域の周辺領域からの光を集めることによって、従来の装置に比べて強化された集光能力が得られる。これらの実施態様の場合、ピクセルのコーナ領域、または、ピクセル内及びピクセル外のいずれかにおける他の都合の良い任意の場所に、光信号の増幅に利用可能な任意の関連電子回路要素を配置することが可能である。下記から明らかになるように、本明細書の教示によれば、イメージ・センサまたは他の感光素子のピクセルに入射する光のほぼ全てを集めることが可能になる。
【００１９】
図２は、正方形のピクセル内における八角形の光検出領域に関して集光効率が強化されたセンサ２００の平面図である。集光効率の強化されたマイクロレンズ２０２は、ピクセル２０１内で内接している。集光効率の強化されたマイクロレンズ２０２は、ピクセル２０１の４つのコーナのそれぞれにおけるコーナ・マイクロレンズ２０３と、光透過マイクロレンズ２０６とから構成される。他の幾何学形状も可能であるが、この実施態様に関する光透過マイクロレンズ２０６は、八角形である。
【００２０】
図３は、４つの集光効率が強化されたセンサ２００から構成される集光効率が強化されたセンサ・アレイ２０９の平面図である。
【００２１】
図４は、図３の集光効率が強化されたセンサ・アレイ２０９のＡ―Ａ線に沿った断面図である。図４において、光源２１０からの光の一部が、図示のように、集光効率が強化されたセンサ・アレイ２０９の集光効率が強化された２つの隣接するセンサ２００に入射する。集光効率が強化されたマイクロレンズ２０２は、コーナ・マイクロレンズ２０３と、光透過マイクロレンズ２０６とから構成される。コーナ・マイクロレンズ２０３は、光源２１０に面したコーナ・マイクロレンズ表面２０５を備える、コーナ・マイクロレンズ本体２０４から構成される。光透過マイクロレンズ２０６は、光源２１０に面した光透過マイクロレンズ表面２０８を備える、光透過マイクロレンズ本体２０７から構成される。コーナ・マイクロレンズ２０３と光透過マイクロレンズ２０６は、両方とも、光透過材料から製作される。光源２１０からの光は、図示のように、２つの隣接するコーナ・マイクロレンズ２０３のコーナ・マイクロレンズ表面２０５に入射する。別様であれば、ピクセル２０１の非光検出領域２１４に入射するであろう光が、屈折によって、ピクセル２１０の光検出領域２１２に送られる。図２〜４が、隣接するピクセル２０１の光検出領域２１２間における分離領域を無視して描かれている点に留意されたい。これらの分離領域に入射する光は、こうした領域を含むように、コーナ・マイクロレンズ２０３を延長することによって集めることが可能である。
【００２２】
再び図４を参照すると、光源２１０からの光の一部は、集光効率が強化されたマイクロレンズ２０２の光透過マイクロレンズ２０６に入射する。光検出領域２１２は、光透過マイクロレンズ２０６とほぼ同じ幾何学形状であり、そのすぐ下に位置しているので、光透過マイクロレンズ２０６は、光学的に透明な材料のフラットなシートで製作することによって、屈折することなく、それに入射した光を光検出領域２１２に透過するだけでよい。しかし、光透過マイクロレンズ２０６に入射するほぼ全ての光が光検出領域２１２に入射する限りにおいて、光透過マイクロレンズ２０６による拡大または分散といった任意の形態の屈折も、本発明の教示に従うものである。
【００２３】
図２に戻ると、光検出領域２１２の幾何学形状が多角形であり、光検出領域２１２の周辺がピクセル２０１の周辺と交差する、典型的な実施態様が示されている。この実施態様に関するコーナ・マイクロレンズ２０３は、ピクセル２０１の頂点２１８、下記に説明される第１の最も近い点２２０、並びに第２の最も近い点２２２によって領域を限定される。第１の最も近い点２２０の選択は、まず、頂点２１８と交差するピクセル２０１の辺の１つである、第１の隣接辺２２４に最も近い光検出領域２１２の周辺上に位置する全ての点の集合を求めることによって行われる。この図面の場合、第１の隣接辺２２４に最も近い光検出領域２１２の周辺上に位置する全ての点の集合は、光検出領域２１２が第１の隣接辺２２４と交差する線分である。この点集合内において、頂点２１８に最も近い点が、第１の最も近い点２２０であると定義される。第２の最も近い点２２２の選択は、同様に、まず、頂点２１８と交差するピクセル２０１のもう１つの辺である、第２の隣接辺２２６に最も近い光検出領域２１２の周辺上に位置する全ての点の集合を求めることによって行われる。この図面の場合、第２の隣接辺２２６に最も近い光検出領域２１２の周辺上に位置する全ての点の集合は、光検出領域２１２が第２の隣接辺２２６と交差する線分である。この点集合内において、頂点２１８に最も近い点が、第２の最も近い点２２２であると定義される。
【００２４】
図５は、光検出領域３１２が、その辺が正方形ピクセル３０１に対してほぼ平行であり、そのコーナが切除された正方形から形成されているもう１つの典型的な実施態様に関する平面図である。また、図６は、図５中の４つの隣接するコーナ・マイクロレンズ３０３の３次元の立体図である。コーナ・マイクロレンズ３０３は、光検出領域３１２の切除領域のそれぞれの上に配置される。４つの集光効率が強化されたセンサ３００を組み合わせて、集光効率が強化されたセンサ・アレイ３０９が形成される。図６において、４つの隣接するコーナ・マイクロレンズ３０３は、部分的に頂点３５２、３５４、３５６、３５８によって形成される。これらの図面の理解を容易にするため、４つの隣接する光検出領域３１２が、３６２、３６４、３６６、３６８として示されている。この場合、コーナ・マイクロレンズ３０３のマイクロレンズ表面３０８が、光を屈折して、４つの隣接するピクセル３０１の光検出領域３１２に送り込む。図５〜６の場合、隣接するマイクロレンズの４つの切子面が、光を屈折し、図５の矢印によって示されるように、４つの隣接するピクセル３０１の光検出領域３１２に送り込むように構成されている。
【００２５】
本明細書の教示を利用して、図２〜４の光検出領域２１２及び図５〜６の光検出領域３１２のさまざまな断面形状による他の実施態様を構成することも可能である。とりわけ、光の伝搬線に対して垂直な位置において、光検出領域２１２、３１２の断面形状は、制限するわけではないが、三角形、正方形、矩形、六角形、七角形、八角形、九角形、十角形、十一角形、十二角形といった、任意の正多角形または不均整な多角形とすることもできるし、あるいは、さらに云えば、湾曲及び円形形状を含む任意の断面幾何学形状とすることも可能である。
【００２６】
図７は、光検出領域４１２が正方形ピクセル４０１内に位置する円形であるさらにもう１つの典型的な実施態様に関する平面図である。
この実施態様に関するコーナ・マイクロレンズ４０３は、以下で詳述するように領域が限定される。ピクセル４０１の頂点４１８と交差するピクセル４０１の２つの辺の一方である、第１の隣接辺４２４が識別される。光検出領域４１２は、ピクセル４０１の周辺に接触していないので、第１の最も近い点４２０は、第１の隣接辺４２４に最も近い光検出領域４１２の周辺上に位置する全ての点の集合のうち、第１の隣接辺４２４に対する突出部の中点となるように選択される。この実施態様の場合、第１の隣接辺４２４に最も近い光検出領域４１２の周辺上には１つの点しか存在しないので、この中点が、単の一点だけから構成される点集合から選択される。頂点４１８と交差するピクセル４０１の２つの辺の一方である、第２の隣接辺４２６が識別される。光検出領域４１２は、ピクセル４０１の周辺に接触していないので、第２の最も近い点４２２は、第２の隣接辺４２６に最も近い光検出領域４１２の周辺上に位置する全ての点の集合のうち、第２の隣接辺４２６に対する突出部の中点となるように選択される。やはり、この実施態様の場合、第２の隣接辺４２６に最も近い光検出領域４１２の周辺上には１つの点しか存在しないので、この中点が、単の一点だけから構成される点集合から選択される。コーナ・マイクロレンズ４０３は、頂点４１８、第１の最も近い点４２０、第２の最も近い点４２２、光検出領域４１２の周辺に対する第１の最も近い点４２０の突出部である第１の突出点４２８、光検出領域４１２の周辺に対する第２の最も近い点４２２の突出部である第２の突出点４３０、及び、第１の突出点４２８と第２の突出点４３０の間に位置する光検出領域４１２の周辺によって領域が限定される。コーナ・マイクロレンズ４０３の曲率及び垂直配置は、コーナ・マイクロレンズ４０３に入射する光のほぼ全てを屈折して、光検出領域４１２に送り込むことができるように決められる。光透過マイクロレンズ４０６は、上述の他の典型的な実施態様のように、光検出領域４１２の上に配置することも可能である。
【００２７】
本明細書の教示を利用して、例えば、光透過マイクロレンズ２０６,３０６,４０６の周辺が、光検出領域の周辺２１２,３１２,４１２に追随しない、他の実施態様を構成することも可能である。しかし、これらの実施態様におけるコーナ・マイクロレンズ２０３,３０３,４０３、及び、光透過マイクロレンズ２０６,３０６,４０６は、ピクセル２０１,３０１,４０１に入射する光のほぼ全てを屈折して、光検出領域２１２,３１２,４１２に送り込むように構成される。
【００２８】
本明細書のマイクロレンズの実施態様は、上記の解説のように、検出される光のレベルが、正確で、信頼できる検出に必要なレベルに対して限界に近い場合における用途において特に有効である。こうした状況では、光のごくわずかな損失でさえ重大になる。
【００２９】
以下に本発明の実施の形態を要約する。
【００３０】
１. 光源（２１０）からの光を集め、検出するための光センサ（２００、３００、４００）であって、
光検出領域（２１３,３１２,４１２）、及び非光検出領域（２１４）を備えるピクセル（２０１,３０１,４０１）と、
光源とピクセルの間に配置され非光検出領域の上方にあり、光学的透過材料から造られたマイクロレンズ本体（２０４）、並びに別様であれば非光検出領域に入射する光源からのほぼ全ての光を屈折させて光検出領域に送り込むように整形され、ピクセルの平面からある距離離れて配置されたマイクロレンズ表面（２０５）を備える、マイクロレンズ（２０２,３０３,４０３）と
を含む光センサ。
【００３１】
２. 前記光検出領域の周辺の形状が円形である上記１に記載の光センサ。
【００３２】
３. 前記ピクセルの形状が矩形であり、また
前記光検出領域の形状は、その光検出領域の辺がピクセルの辺と平行であり、少なくとも１つのコーナが切除されている矩形から形成される上記１に記載の光センサ。
【００３３】
４. 前記光検出領域の周辺の形状が多角形である上記１に記載のセンサ。
【００３４】
５. 前記光検出領域の多角形の形状が、三角形、正方形、矩形、六角形、七角形、八角形、九角形、十角形、十一角形、十二角形のいずれかを含む上記４に記載の光センサ。
【００３５】
６. さらに、前記マイクロレンズとマイクロレンズ表面が、両方とも、光検出領域に平行な平面内において、ピクセルの頂点（２１８,４１８）と、まず頂点に接続されたピクセルの第１の隣接する辺（２２４,４２４）に最も近い光検出領域の周辺上に位置する全ての点の集合を決定し、次にその点集合の中から頂点に最も近い点を選択することによって選択される第１の最も近い点（２２０,４２０）と、まず頂点に接続されたピクセルの第２の隣接する辺（２２６,４２６）に最も近い光検出領域の周辺上に位置する全ての点の集合を決定し、次にその点集合の中から頂点に最も近い点を選択することによって選択される第２の最も近い点（２２２,４２２）と、次に頂点、第１の隣接点、第２の隣接点を接続することによって光検出領域の周辺上における第１の最も近い隣接点の突出部と光検出領域の周辺上における第２の最も近い隣接点の突出部との間に位置することになる光検出領域の周辺によってほぼ領域が限定されるように、マイクロレンズの配置が実施されることと；前記マイクロレンズ表面が、マイクロレンズに入射する光源からの光を屈折させて、光検出領域に送り込むように整形され、光検出領域の平面の上にある距離離れて配置される上記１に記載の光センサ。
【００３６】
７. 前記光検出領域の周辺の形状が円である上記６に記載の光センサ。
【００３７】
８. 前記ピクセルの形状が矩形であり、
前記光検出領域の形状が、その辺がピクセルの辺と平行で、少なくとも１つのコーナが切除されている矩形から形成される上記６に記載の光センサ。
【００３８】
９. 前記光検出領域の周辺の形状が多角形である上記６に記載のセンサ。
【００３９】
１０. 前記光検出領域の多角形の形状に、三角形、正方形、矩形、六角形、七角形、八角形、九角形、十角形、十一角形、十二角形のいずれかが含まれる上記９に記載の光センサ。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、マイクロレンズを用いた光の屈折により、イメージ・センサ及び同様の光検出装置に集められる利用可能な光の集光効率を改善することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】幾何学的断面のマイクロレンズ集光領域を備えた、正方形ピクセルの光センサ装置の平面図である。
【図２】正方形のピクセル内における八角形の光検出領域に関して集光効率が強化されたセンサの平面図である。
【図３】アレイをなす４つの集光効率が強化されたセンサ・アレイの平面図である。
【図４】図３の集光効率が強化されたセンサ・アレイのＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図５】光検出領域が、その辺が正方形ピクセルに対してほぼ平行であり、そのコーナが切除された正方形から形成されているもう１つの典型的な実施態様に関する平面図である。
【図６】図５中の４つの隣接するコーナ・マイクロレンズの３次元の立体図である。
【図７】光検出領域が正方形ピクセル内に位置する円形であるもう１つの典型的な実施態様に関する平面図である。
【符号の説明】
２００，３００，４００  センサ
２０１，３０１,４０１  ピクセル
２０２            マイクロレンズ
２０３,３０３，４０３  コーナ・マイクロレンズ
２０４            コーナ・マイクロレンズ本体
２０５，３０８    コーナ・マイクロレンズ表面
２０６            光透過マイクロレンズ
２０７            光透過マイクロレンズ本体
２０８            光透過マイクロレンズ表面
２０９，３０９    センサ・アレイ
２１０            光源
２１２，３１２，４１２，３６２，３６４，３６６，３６８  光検出領域
２１８，３５２，３５４，３５６，３５８，４１８  頂点
２２０，４２０    第１の最も近い点
２２２，４２２    第２の最も近い点
２２４，４２４    第１の隣接辺
２２６，４２６    第２の隣接辺
４２８            第１の突出点
４３０            第２の突出点
【図１】
0004285711.tif 000004
【図２】
0004285711.tif 000005
【図３】
0004285711.tif 000006
【図４】
0004285711.tif 000007
【図５】
0004285711.tif 000008
【図６】
0004285711.tif 000009
【図７】
0004285711.tif 000010