特許 5785995 ライトフィールド装置用のイメージセンサおよびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5785995

(24)【登録日】2015年7月31日

(45)【発行日】2015年9月30日

(54)【発明の名称】ライトフィールド装置用のイメージセンサおよびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 27/14 20060101AFI20150910BHJP

   H04N 5/369 20110101ALI20150910BHJP

   G02B 3/00 20060101ALI20150910BHJP

【ＦＩ】

   H01L27/14 D

   H04N5/335 690

   G02B3/00 A

【請求項の数】9

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2013-143373(P2013-143373)

(22)【出願日】2013年7月9日

(65)【公開番号】特開2014-132632(P2014-132632A)

(43)【公開日】2014年7月17日

【審査請求日】2013年7月9日

(31)【優先権主張番号】13/733,691

(32)【優先日】2013年1月3日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】507296388

【氏名又は名称】采▲ぎょく▼科技股▲ふん▼有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＶｉｓＥｒａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ

(74)【代理人】

【識別番号】100064414

【弁理士】

【氏名又は名称】磯野 道造

(72)【発明者】

【氏名】王 唯科

(72)【発明者】

【氏名】張 志清

(72)【発明者】

【氏名】呉 佳惠

(72)【発明者】

【氏名】黄 建雄

(72)【発明者】

【氏名】林 承軒

(72)【発明者】

【氏名】鄭 傑元

(72)【発明者】

【氏名】陳 昶維

【審査官】 柴山 将隆

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０６−１６３８６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０６０４６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２０６００９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１８４３２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０９４１０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０１６５７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−３０９３９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／０２６２９２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１２−１５６３１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／１６８８１１（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２７／１４

Ｇ０２Ｂ ３／００

Ｈ０４Ｎ ５／３６９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のサブマイクロレンズと、
前記複数のサブマイクロレンズ上に配置された単一の間隙層と、
前記間隙層上に配置された複数のメインマイクロレンズと、
を含む、ライトフィールド装置用のイメージセンサであって、
前記複数のメインマイクロレンズの各々の直径は、前記複数のサブマイクロレンズの各々の直径より大きく、
前記複数のメインマイクロレンズは、複数の第１のマイクロレンズおよび複数の第２のマイクロレンズを含み、
前記複数の第１のマイクロレンズの各々の焦点距離は、前記複数の第２のマイクロレンズの各々の焦点距離より大きく、
前記複数の第１のマイクロレンズおよび前記複数の第２のマイクロレンズは、交互に配列されることを特徴とするライトフィールド装置用のイメージセンサ。

【請求項2】

複数のフィルターユニットと、
複数のセンサユニットを含むセンサ層と、
を含み、
前記複数のサブマイクロレンズの各々は、前記フィルターユニットの一つに配置され、
前記フィルターユニットの各々は、前記センサユニットの一つに配置される、請求項１に記載のイメージセンサ。

【請求項3】

前記複数のメインマイクロレンズの各々の直径は、前記複数のサブマイクロレンズの各々の直径の２倍〜２０倍であり、
前記複数のメインマイクロレンズの各々の焦点は、前記複数のサブマイクロレンズの一つに配置される、請求項１に記載のイメージセンサ。

【請求項4】

前記間隙層の屈折率は、１.６より小さく、
前記複数のメインマイクロレンズの各々の屈折率は、１.７より小さく、
前記複数のサブマイクロレンズの各々の屈折率は、１.７より大きい、請求項１に記載のイメージセンサ。

【請求項5】

前記間隙層は、ＳｉＯ２を含み、透明であり、
前記複数のメインマイクロレンズは、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２、またはＳｉＯＮを含み、
前記複数のサブマイクロレンズは、ＳｉＮ、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、またはＨｆＯ２を含む、請求項１に記載のイメージセンサ。

【請求項6】

前記複数のメインマイクロレンズは、複数の第３のマイクロレンズを含み、
前記複数の第２のマイクロレンズの各々の焦点距離は、前記複数の第３のマイクロレンズの各々の焦点距離より大きく、
前記複数の第１のマイクロレンズ、前記複数の第２のマイクロレンズ、および前記複数の第３のマイクロレンズは、交互に配列される、請求項１に記載のイメージセンサ。

【請求項7】

前記複数のメインマイクロレンズ上に配置された反射防止層を含む、請求項１に記載のイメージセンサ。

【請求項8】

センサ層を用意するステップと、
前記センサ層に複数のサブマイクロレンズを形成するステップと、
半導体プロセスによって前記複数のサブマイクロレンズ上に単一の間隙層を形成するステップと、
前記間隙層上に複数のメインマイクロレンズを形成するステップと、
を含む、イメージセンサの製造方法であって、
前記複数のメインマイクロレンズの各々の直径を、前記複数のサブマイクロレンズの各々の直径より大きく、
前記複数のメインマイクロレンズは、複数の第１のマイクロレンズおよび複数の第２のマイクロレンズを含み、
前記複数の第１のマイクロレンズの各々の焦点距離は、前記複数の第２のマイクロレンズの各々の焦点距離より大きく、
前記複数の第１のマイクロレンズおよび前記複数の第２のマイクロレンズは、交互に配列されることを特徴とするイメージセンサの製造方法。

【請求項9】

前記センサ層に複数のフィルターユニットを形成し、
前記複数のサブマイクロレンズの各々は、前記フィルターユニットの一つに配置され、
前記センサ層は、複数のセンサユニットを含み、
前記フィルターユニットの各々は、前記センサユニットの一つに配置される、請求項８に記載の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、イメージセンサ、特に、ライトフィールドカメラ用のイメージセンサに関するものである。

【背景技術】

【0002】

ライトフィールドカメラは、マイクロレンズアレイを用いて情景（ｓｃｅｎｅ）の３Ｄライトフィールド情報を捕捉するカメラである。これにより、ユーザーは、ライトフィールドカメラによって生成されたイメージをリフォーカス（ｒｅｆｏｃｕｓ）できる。図１は、従来のライトフィールドカメラＡ１の概略図である。図２は、従来のイメージセンサＡ３の分解図である。ライトフィールドカメラＡ１は、レンズＡ２およびイメージセンサＡ３を含み、イメージセンサＡ３は、マイクロレンズアレイＡ１０、センサアレイ（ｓｅｎｓｉｎｇ ａｒｒａｙ）Ａ２０、およびフレームＡ３０を含む。マイクロレンズアレイＡ１０は、フレームＡ３０によって、センサアレイＡ２０から所定の距離を隔てて配置される。

【0003】

物体Ｂ１の光線は、レンズＡ２に照射され、この光線がマイクロレンズアレイＡ１０に合焦するとき、光線はセンサアレイＡ２０に照射される。よって、マイクロレンズアレイＡ１０のマイクロレンズＡ１１からの光線は、センサアレイＡ２０のいくつかの所定のセンサユニットＡ２１に正確に照射されなければならない。このように、マイクロレンズアレイＡ１０およびセンサアレイＡ２０に関連した位置は、ライトフィールドカメラＡ１が適切なパフォーマンスを得るために、非常に重要である。しかしながら、図２に示されるように、イメージセンサＡ３は、マイクロレンズアレイＡ１０、センサアレイＡ２０、およびフレームＡ３０を組み立てて一体したものであるため、マイクロレンズアレイＡ１０とセンサアレイＡ２０との間に大きな公差がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来、上記のマイクロレンズアレイとセンサアレイとの間の位置は、イメージセンサＡ３のいくつかの機構、例えばネジＡ４０およびばねＡ５０によって調整される。

【0005】

しかしながら、多くの時間が、各イメージセンサＡ２のマイクロレンズアレイＡ１０とセンサアレイＡ２０の相対位置を補正するのに必要である。また、これらの相対位置は、ライトフィールドカメラＡ１に衝撃が加わった時、変化する可能性がある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

従来の課題を解決するために、本発明は、メインマイクロレンズおよびサブマイクロレンズの正確な相対位置を有するイメージセンサを提供する。

【0007】

本発明は、複数のサブマイクロレンズ、単一の間隙層、および複数のメインマイクロレンズを含むイトフィールド装置用のイメージセンサを提供する。単一の間隙層は、複数のサブマイクロレンズ上に配置される。複数のメインマイクロレンズは、単一の間隙層上に配置される。複数のメインマイクロレンズの各々の直径は、複数のサブマイクロレンズの各々の直径より大きい。複数のメインマイクロレンズは、複数の第１のマイクロレンズおよび複数の第２のマイクロレンズを含み、複数の第１のマイクロレンズの各々の焦点距離は、複数の第２のマイクロレンズの各々の焦点距離より大きい。複数の第１のマイクロレンズおよび複数の第２のマイクロレンズは、交互に配列される。

【0008】

本発明は、センサ層を用意するステップ、センサ層に複数のサブマイクロレンズを形成するステップ、半導体プロセスによって複数のサブマイクロレンズ上に単一の間隙層を形成するステップ、および単一の間隙層上に複数のメインマイクロレンズを形成するステップを含み、複数のメインマイクロレンズの各々の直径を、複数のサブマイクロレンズの各々の直径より大きくするイメージセンサの製造方法を提供する。複数のメインマイクロレンズは、複数の第１のマイクロレンズおよび複数の第２のマイクロレンズを含み、複数の第１のマイクロレンズの各々の焦点距離は、前記複数の第２のマイクロレンズの各々の焦点距離より大きく、複数の第１のマイクロレンズおよび前記複数の第２のマイクロレンズは、交互に配列される。

【0009】

結論として、イメージセンサは、半導体プロセスによって製造され、一体成形されるため、メインマイクロレンズとサブマイクロレンズ間の相対位置は正確であり、且つ固定される。

【0010】

本発明は、添付の図面と併せて後に続く詳細な説明と実施例を解釈することによって、より完全に理解できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】従来のライトフィールドカメラＡ１の概略図である。

【図2】従来のイメージセンサＡ３の分解図である。

【図3】本発明の第１の実施形態に基づいたライトフィールド装置の概略図である。

【図4】本発明の第１の実施形態に基づいたイメージセンサの断面図である。

【図5】本発明の第２の実施形態に基づいたイメージセンサの断面図である。

【図6】本発明の第２の実施形態に基づいたイメージセンサの上面図である。

【図7】本発明の上述の実施形態に基づいたイメージセンサの製造方法のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

図３は、本発明の第１の実施形態に基づいたライトフィールド装置１００の概略図である。図４は、本発明の第１の実施形態に基づいたイメージセンサ１の断面図である。ライトフィールド装置１００は、ライトフィールドカメラ、あるいは、例えば携帯電話または携帯型コンピュータのような電子装置中に配置されたライトフィールドカメラモジュールであってもよい。

【0013】

ライトフィールド装置１００は、イメージセンサ１、レンズ２、およびハウジング３を含む。イメージセンサ１は、ハウジング３内に設置され、レンズ２は、ハウジング３に直接取り付けられている。光線Ｌ１は、レンズ２を通過してハウジング３に入り、イメージセンサ１に照射される。

【0014】

イメージセンサ１は、センサ層１０、フィルター構造２０、スペース層３０、およびメインマイクロレンズ４０を含む。センサ層１０と、フィルター構造２０と、間隙層３０と、メインマイクロレンズ４０の一つとは、互いに積層され、方向Ｄ１に沿って順次配置される。センサ層１０は、センサユニット１１を含む。

【0015】

フィルター構造２０は、センサ層１０上に配置され、フィルターユニット２１およびサブマイクロレンズ２２を含む。フィルターユニット２１の各々は、センサユニット１１の一つの上に配置され、サブマイクロレンズ２２の各々は、フィルターユニット２１の一つの上に配置される。

【0016】

サブマイクロレンズ２２は、ＳｉＮ、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、またはＨｆＯ２を含み、透明である。サブマイクロレンズ２２の屈折率は、１.７より大きく、好ましくは１.８〜１.９である。本実施形態では、サブマイクロレンズ２２は、約９０ｗｔ％以上のＳｉＮ、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、またはＨｆＯ２を含む。サブマイクロレンズ２２の屈折率は、約１.８である。本発明では、屈折率は、５８９ｎｍの波長を有する光線の屈折率として定義される。

【0017】

間隙層３０は、サブマイクロレンズ２２上に、配置される。間隙層３０は、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２、またはＳｉＯＮを含み、透明である。間隙層３０の屈折率は、１.７より小さく、好ましくは１.３〜１.６である。間隙層３０の厚さは、１００μｍ〜１５０μｍである。本実施形態では、間隙層３０は、約９０ｗｔ％以上のＳｉＯ２、ＭｇＦ２、またはＳｉＯＮを含む。間隙層の屈折率は、約１.４６であり、間隙層３０の厚さは、約１２０μｍである。

【0018】

メインマイクロレンズ４０は、間隙層３０上に配置される。メインマイクロレンズ４０は、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２、またはＳｉＯＮを含み、透明である。メインマイクロレンズ４０の屈折率は、１.７より小さく、好ましくは１.３〜１.６である。本実施形態では、メインマイクロレンズ４０は、約９０ｗｔ％以上のＳｉＯ２、ＭｇＦ２、またはＳｉＯＮを含む。メインマイクロレンズ４０の屈折率は、間隙層３０と同じように約１.４６である。

【0019】

メインマイクロレンズ４０の各々の直径Ｍ１は、サブマイクロレンズ２２の各々の直径Ｍ２よりも大きい。直径Ｍ１は、約１０μｍ〜１５０μｍであり、直径Ｍ２は、約１μｍ〜１０μｍである。直径Ｍ１は、直径Ｍ２の２倍〜２０倍である。本実施形態では、直径Ｍ１は、直径Ｍ２の３倍である。メインマイクロレンズ４０の一つと、サブマイクロレンズ２２と、フィルターユニット２１と、センサユニット１１とは、方向Ｄ１に沿って順次配置される。センサユニット１１、フィルターユニット２１、サブマイクロレンズ２２、およびメインマイクロレンズ４０は、一つのアレーとなるように配置され、各々は一つの平面上に配置される。方向Ｄ１は、これらの平面に垂直である。

【0020】

メインマイクロレンズ４０の各々は、焦点距離Ｈ１および焦点Ｆを有する。焦点距離Ｈ１は、約１０μｍ〜１５０μｍである。本実施形態では、焦点距離Ｈ１は、約１２０μｍである。メインマイクロレンズ４０の各々の焦点Ｆは、サブマイクロレンズ２２の一つに配置される。即ち、サブマイクロレンズ２２およびメインマイクロレンズ４０は、間隙層３０によって所定の距離を隔てて配置され、間隙層３０の厚さは、およそメインマイクロレンズ４０の焦点距離Ｈ１である。

【0021】

図３および図４に表されるように、イメージセンサ１に照射される光線Ｌ１は、メインマイクロレンズ４０、間隙層３０、サブマイクロレンズ２２、フィルターユニット２１、およびセンサユニット１１を通過する。フィルターユニット２１は、例えば赤、緑、青などの各種の色を有する。光線Ｌ１がフィルターユニット２１を通過した時、光線Ｌ１の色は、フィルターユニット２１の色に基づいて変えられる。次いで、センサユニット１１の各々は、その上に照射された光線Ｌ１に基づいて信号を生成し、ライトフィールド装置１００は、信号に基づいて画像を生成する。
尚、センサユニット１１、フィルターユニット２１、および信号に基づいたイメージの生成は、従来技術であるため、ここで更に説明していないことに留意されたい。

【0022】

図５は、本発明の第２の実施形態に基づいたイメージセンサ１ａの断面図である。図６は、本発明の第２の実施形態に基づいたイメージセンサ１ａの上面図である。第２の実施形態と第１の実施形態との違いを、以下で説明する。メインマイクロレンズ４０ａは、第１のマイクロレンズ４１、第２のマイクロレンズ４２、および第３のマイクロレンズ４３を含み、メインマイクロレンズ４１、４２、および４３上に配置された反射防止層５０を含む。但し、反射防止層５０は、選択可能である。

【0023】

第１のマイクロレンズ４１の各々は焦点Ｆ１を有し、第２のマイクロレンズ４２の各々は焦点Ｆ２を有し、且つ第３のマイクロレンズ４３の各々は焦点Ｆ３を有する。第１のマイクロレンズ４１の焦点距離は、第２のマイクロレンズ４２の各々の焦点距離より大きく、第２のマイクロレンズ４２の焦点距離Ｈ２は、第３のマイクロレンズ４３の各々の焦点距離より大きい。図６に表されるように、第１のマイクロレンズ４１、第２のマイクロレンズ４２、および第３のマイクロレンズ４３は、同一平面上に交互に配列される。

【0024】

図７は、本発明の上述の実施形態に基づいたイメージセンサの製造方法のフローチャートである。まず、ステップＳ１０１では、センサ層１０を用意する。センサ層１０のセンサユニット１１は、半導体プロセスによって製作される。

【0025】

フィルター構造２０は、センサ層１１上に形成される（ステップＳ１０３）。ステップＳ１０３では、フィルターユニット２１は、例えばリソグラフィー、リフローイング、またはエッチングプロセスなどの半導体プロセスによってセンサ層１０上に形成される。次に、サブマイクロレンズ２２は、半導体プロセスによってフィルターユニット２１上に形成される。

【0026】

ステップＳ１０５では、間隙層３０は、例えばリソグラフィー、リフローイング、またはエッチングプロセスなどの半導体プロセスによってサブマイクロレンズ２２上に形成される。最後にステップＳ１０７では、メインマイクロレンズ４０は、例えばリソグラフィー、リフローイング、またはエッチングプロセスなどの半導体プロセスによって間隙層３０上に形成され、反射防止層５０は、例えばリソグラフィー、リフローイング、またはエッチングプロセスなどの半導体プロセスによってメインマイクロレンズ４０上に形成される。

【0027】

イメージセンサ１は、半導体プロセスによって製造され、一体成形されるため、サブマイクロレンズ２２とメインマイクロレンズ４０との間の距離および水平変位は正確であり、且つ固定される。サブマイクロレンズ２２とメインマイクロレンズ４０との間の公差は、数ナノメータに制御される。各イメージセンサ１に対するサブマイクロレンズ２２とメインマイクロレンズ４０の相対位置の調整時間が省かれる。

【0028】

結論として、イメージセンサは、半導体プロセスによって製造され、一体成形されるため、メインマイクロレンズとサブマイクロレンズ間の相対位置は正確であり、且つ固定される。

【0029】

発明の特徴が特定の実施形態に関して説明されているように思われるが、これらの実施形態の各種の特徴が多様に組み合わせ得ることは当業者なら認識するであろう。

【0030】

この発明は、望ましい実施の形態に関して、実施例を用いて記述されているが、本発明が、これらに限定されるものではないことは当然のことと理解されよう。逆に（当業者に明白なように）種々の変更及び同様の配置をカバーするものである。よって、添付の特許請求の範囲は、最も広義な解釈が与えられ、全てのこのような変更及び同様の配置を含むべきである。

【符号の説明】

【0031】

１００ ライトフィールド装置
１、１ａ イメージセンサ
１０ センサ層
１１ センサユニット
２０ フィルター構造
２１ フィルターユニット
２２ サブマイクロレンズ
３０ 間隙層
４０、４０ａ メインマイクロレンズ
４１ 第１のマイクロレンズ
４２ 第２のマイクロレンズ
４３ 第３のマイクロレンズ
５０ 反射防止層
２ レンズ
３ ハウジング
Ｄ１ 方向
Ｆ、Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３ 焦点
Ｈ１ 焦点距離
Ｌ１ 光線
Ｍ１、Ｍ２ 直径
Ａ１ ライトフィールドカメラ
Ａ２ レンズ
Ａ３ イメージセンサ
Ａ１０ マイクロレンズアレイ
Ａ１１ マイクロレンズ
Ａ２０ センサアレイ
Ａ２１ センサユニット
Ａ３０ フレーム
Ａ４０ ネジ
Ａ５０ ばね
Ｂ１ 物体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】