光学元件阵列和包括该阵列的固态成像装置本申请是申请号为201410299663.8，申请日为2014年6月27
日，题为“光学元件阵列和包括该阵列的固态成像装置”的中国发明
专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及光学元件阵列以及包括光学元件阵列的固态成像装
置。
背景技术
诸如微透镜阵列之类的光学元件阵列用在固态成像装置和显示设
备中。日本专利申请早期公开No.2007-335723公开了具有泪滴形状
的微透镜，以及配备具有泪滴形状的微透镜的阵列的固态成像装置，
以用于高效地收集来自对角方向的入射光。从平面视图看，具有泪滴
形状的微透镜具有朝向固态成像装置的外侧逐渐变窄的曲线形状，并
且在外侧的端部处具有顶点。
根据在日本专利申请早期公开No.2007-335723中公开的微透
镜，从平面视图看，微透镜的面积占有率降低。入射到固态成像装置
中未设置微透镜的部分上的光不被收集，这降低了面积占有率并且降
低了所收集的光量。另外，根据在日本专利申请早期公开No.2007-
335723中公开的微透镜，包括其中泪滴形状的曲率半径较小的部
分，因此，存在光收集能力受到限制的可能性。
发明内容
根据本公开一个或多个实施例的一种光学元件阵列包括沿第一方
向放置的多个第一光学元件，其中第一光学元件位于沿第一方向距其
中放置所述多个光学元件的阵列区域的中心第一距离处。第一光学元
件具有底面，所述底面与包括第一方向和与第一方向正交的第二方向
的面一致。底面具有沿第二方向的、位于第一光学元件内的第一方向
上的第一位置处第一宽度，以及比第一宽度窄的、沿第二方向的、位
于比第一光学元件内的第一方向上的第一位置更远离阵列区域的中心
的第二位置处的第二宽度。第一光学元件具有第一曲率半径和第一
高度以及第二曲率半径和第二高度，第一高度是当在第一位置处沿第
二方向取第一横截面时在第一横截面内的最高点，第二曲率半径大于
第一曲率半径，第二高度低于第一高度，第二高度是当在第二位置处
沿第二方向取第二横截面时在第二横截面内的最高点。
根据本公开其它实施例的一种光学元件阵列，包括沿第一方向布
置的多个第一光学元件，其中第一光学元件位于沿第一方向距其中放
置所述多个光学元件的阵列区域的中心第一距离处。第一光学元件具
有在包括第一方向和与第一方向正交的第二方向的面中的底面。底面
具有沿第二方向的位于第一光学元件内的第一方向上的第一位置处的
第一宽度，以及比第一宽度窄的、沿第二方向的、位于比第一光学
元件内的第一方向上的第一位置更远离阵列区域的中心的第二位置处
的第二宽度。第一光学元件具有第一高度，第一高度是当在第一位置
处沿第二方向取第一横截面时在第一横截面内的最高点，以及第二高
度，第二高度低于第一高度，第二高度是当在第二位置处沿第二方向
取第二横截面时在第二横截面内的最高点。第二位置位于底面的外边
缘处。
本发明的更多特征将从参考所附附图对示例性实施例的以下描述
变得显然。
附图说明
图1A和1B是描述根据第一实施例的光学元件阵列的平面示意
图。
图2A是描述根据第一实施例的光学元件的平面示意图。
图2B和2C是描述根据第一实施例的光学元件的横截面示意
图。
图3A和3B是描述根据第一实施例的光学元件的平面示意图。
图3C和3D是描述根据第一实施例的光学元件的横截面示意
图。
图4A和4B是描述根据第一实施例的光学元件的平面示意图。
图4C和4D是描述根据第一实施例的光学元件的横截面示意
图。
图5是描述根据第一实施例的光学元件的横截面示意图。
图6A和6B是描述根据第二实施例的光学元件的平面示意图。
图7是描述根据第三实施例的光学元件的平面示意图。
图8A是描述根据第四实施例的光学元件阵列的横截面示意图。
图8B是描述根据第四实施例的光学元件阵列的平面示意图。
图9A至9C是描述根据第四实施例的光学元件阵列的修改例的
平面示意图。
图10A至10E是描述根据第五实施例的光学元件阵列的平面示
意图。
图11是描述根据第六实施例的光学元件阵列的平面示意图。
图12是描述根据第七实施例的固态成像装置的横截面示意图。
具体实施方式
将使用多个实施例来描述本公开的光学元件的配置。每个实施例
可以被修改或被组合。光学元件阵列可以应用于固态成像装置和显示
设备，以及应用于使用该固态成像装置的成像系统和使用该显示设备
的显示系统。
以下描述使用以中心0为基准的X轴方向(第一方向)，和Y轴
方向(第二方向)，其中X轴方向也简称为“X轴”，Y轴方向也简称
为“Y轴”，但本发明不限于此。例如，如图1A和1B中所示的与
X轴成θ1角度倾斜的方向131可以指定为第一方向，而与方向131
正交的方向可以指定为第二方向。即，从布置光学元件的区域(阵列
区域)的中心向外周辐射的任意方向都可以指定为第一方向，并且与
之正交的任意方向可以指定为第二方向。
第一实施例
将参考图1至7来描述根据本实施例的光学元件阵列。图1A是
描述光学元件阵列100的平面示意图。光学元件阵列100包括多个光
学元件110。阵列区域120包括中心O并且是放置多个光学元件110
的地方。这多个光学元件110在包括X轴和Y轴的面(平面)上按
矩阵(两个维度)布置，矩阵包括沿X轴的n列(n是自然数)和沿Y
轴的m行(m是自然数)。沿一个方向(X轴)的这多个光学元件被放置
在阵列区域120中，阵列区域120可以被设置为使得每个光学元件的
中心位于表示单个方向的线上。在图1A中图示出每个光学元件110
的坐标。之后，描述将关注第一光学元件111至第四光学元件114。
第一光学元件111至第四光学元件114是位于沿X轴的线130
上的距中心O的一距离处的任意光学元件。光学元件被布置在该线
上，按照从第二光学元件112到第一光学元件111、第三光学元件
113然后到第四光学元件114的次序从阵列区域120的中心O到阵列
区域120的外周(外边缘)。相似的光学元件位于任何线131上，线
131是绕中心O从线130旋转角度θ1的线。
第一光学元件111位于距阵列区域120的中心O的距离D1(第一
距离)处。第二光学元件112位于距阵列区域120的中心O的距离
D2(第二距离)处。第三光学元件113位于距阵列区域120的中心O
的距离D3(第三距离)处。第四光学元件114位于距阵列区域120的
中心O的距离D4(第四距离)处。当测量距离时光学元件的位置是光
学元件的中心沿X轴的位置。第二光学元件112的中心与阵列区域
120的中心O处于相同位置，并且第二距离D2的距离为零。然而，
阵列区域120的中心O和第二光学元件112的中心不是必须匹配。
这些距离之间的关系可以表示为D2＝0<D1<D3<D4。距阵列区域120
的中心O的距离表示沿单个方向(X轴)从中心O到每个光学元件的
中心的距离。
图1B是图1A中图示出的光学元件阵列100的更具体的平面示
意图。
图1B中的第二光学元件112具有球状形状并且包括在中心O处
的顶点，如从平面视图可见。顶点描述第二光学元件112的最高点。
第一光学元件111、第三光学元件113和第四光学元件114具有相同
形状，其不是球状形状，如从平面视图可见。将使用第一光学元件
111作为示例参考图2A至2C来描述该形状。
图2A是第一光学元件111的平面示意图，并且图2B和2C是
第一光学元件111的横截面示意图。
图2A是图示出第一光学元件111在包括X轴和Y轴的面中
(或平面上)的底面(底表面)200的平面示意图。底面200等于将
第一光学元件111投影在包括X轴和Y轴的面上的图像(正投影表
示)的外边缘。第一光学元件111具有沿X轴的第一长度L1和沿Y
轴的第一长度L1，如能够在底面200上看见的。
第一位置P1到第六位置P6沿底面200中(光学元件中)中的X
轴存在，它们按照从光学元件阵列的中心O到第三位置P3、第一位
置P1、第六位置P6、第五位置P5、第二位置P2和第四位置P4的
次序布置。
光学元件111的底面200的边缘中，沿Y轴并且最靠近第一区
域121的中心O的边缘211设置在第三位置P3处。光学元件111的
底面200的边缘中，沿Y轴并且与第一区域121的中心O最远的边
缘215设置在第四位置P4处。光学元件111的底面200的中心设置
在第五位置P5处，第五位置P5是第三位置P3和第四位置P4之间
的中央的位置。即，第四位置P4位于远离第三位置P3第一长度L1
处，并且第五位置P5位于远离第三位置P3第一长度L1的一半
(L1/2)处。第六位置P6表示光学元件111的顶点沿X轴的位置，这
将在稍后描述。第一区域121是在阵列区域120中二维地设置的矩阵
的一个晶格。一个光学元件被提供给一个晶格。
如图2A中所示，底面200具有关于X轴成垂直线对称的形状，
并且配置有外边缘211到218。边缘211是连接点201和208的直
线，而边缘212是连接点201和202的曲线。边缘213是连接点202
和203的直线，而边缘214是连接点203和204的曲线。边缘215是
连接点204和205的直线，而边缘216是连接点205和206的曲线。
边缘217是连接点206和207的直线，而边缘218是连接点207和
208的曲线。边缘211是沿X轴的直线。边缘213和217是沿Y轴
的直线。边缘212，214，216和218具有曲率，连接直线中的每条。
底面200具有关于X轴位于第一位置P1处的沿Y轴的第一宽度
W1。底面200还具有位于X轴中的第二位置P2处的沿Y轴的第二
宽度W2。底面200还具有分别位于第三位置P3和第四位置P4处的
沿Y轴的第三宽度W3和第四宽度W4。这些宽度至少满足如下关
系：W1大于W2。另外，优选它们满足关系：W1>W2>W3>W4。关
于图2A，W1＝L1。
第一位置P1可选地位于距第三位置P3的不大于第一长度L1的
一半的距离处。第二位置P2可选地位于距第三位置P3至少为第一
长度L1的一半的距离处。可选地，第一位置P1可选地位于与第三
位置P3更近的不大于第一长度L1的一半的距离处。第二位置P2可
选地位于距第三位置P3为至少第一长度L1的一半的距离处。第一
位置P1和第二位置P2满足如下关系：关于距中心O的距离，
P2>P1。
图2B是图2A中沿X轴的第一光学元件111的横截面示意图。
在包括Z轴和X轴的面中，第一光学元件111被配置有在横截面
220内的外边缘231到233。边缘231是连接点221和222的直线。
边缘232是连接点222和223的曲线。边缘233是连接点223和224
的曲线。第一光学元件111具有位于第一位置P1的第一高度H1、
位于第二位置P2的第二高度H2和位于第六位置P6的第三高度
H3。这些高度之间的关系是H3>H1>H2。第三高度H3是第一光学
元件111的最高高度。即，点223，即第六位置P6，是第一光学元
件111的顶点。第六位置P6是第一光学元件111的顶点，其比第五
位置P5更靠近中心O。这里，顶点是在该横截面内的最高位置。根
据本实施例，第一光学元件111具有顶点，其不是必须是最高点。例
如，从第一位置P1到第五位置P5的高度H3可以具有顶点。
关于如图2B中所示的第一光学元件111，边缘232比边缘233
具有更小的曲率半径。边缘232可以比边缘233具有更大的曲率半
径。根据该配置，输入到边缘233上的入射光由于强大的屈光能力而
显著弯曲，这增大光收集效率。曲率半径可以根据光学元件的横截面
的任意点处的切线(tangent)确定。例如，可以在边缘233沿X轴
的中心点(第六位置P6和第四位置P4之间的中央)处获得边缘233的
切线。可以从该切线的内切圆求得曲率半径。另外，可以使用用于测
量曲率半径的其它典型方法来获取每个曲率半径。
图2C图示出第一光学元件111在如图2A中的第一位置P1和第
二位置P2处的横截面。横截面241是第一光学元件111沿Y轴的位
于图2A中的第一位置P1处的横截面。横截面242是第一光学元件
111沿Y轴的位于图2A中的第二位置P2处的横截面。关于第一横
截面241，第一光学元件111具有第一宽度W1，和最高的第一高度
H1，其是第一横截面241的顶点。该外边缘在第一横截面241中具
有第一曲率半径R1。关于第二横截面242，第一光学元件111具有
第二宽度W2，和最高的第二高度H2，其是第二横截面242的顶
点。本实施例具有这些顶点，但是它们不是必须在包含前述第一高度
H1和第二高度H2的部分中。
关于第二横截面242，该外边缘具有第二曲率半径R2。这些曲
率半径之间的关系是R1<R2。R1可以大于或等于R2，但在此情况
中，宽度W2减小，这减小面积占有率。在此情况中，光学元件的第
二宽度W2可以配置图2A中的外边缘。通过具有包括位于与中心O
最远的位置处的第二宽度W2的边缘来提高面积占有率，从而使得能
够收集更宽范围的光。
如图2A至2C中所示，第一光学元件111具有位于第一位置P1
处的第一宽度W1、第一高度H1和第一曲率半径R1，并具有位于第
二位置P2处的第二宽度W2、第二高度H2，和第二曲率半径R2。
与现有技术相比，第一光学元件111能够在具有高占有面积的同时维
护高的光收集能力，这通过建立W1>W2，H1>H2，和R1<R2的关
系来提高光收集率。接着，将参考图3A至3D和图4A至4D来描述
光收集率。
图3A至3D是比较第一光学元件111和泪滴形光学元件311的
示图。图3A是图示出第一光学元件111的底面200的平面示意图，
并且图3B是图示出用于比较目的的光学元件311的底面300的平面
示意图。图3C是第一光学元件111的横截面示意图，而图3D是用
于比较目的的光学元件311的横截面示意图。图3A图示出在图2A
中图示出的相同第一光学元件111，因此，省略了其标号和详细描
述。第一区域121在图3A至3D中被设置用于描述面积。第一区域
121是正方形，其中一条边缘具有第一长度L1，并且第一区域121
也是限定每个光学元件的外边缘的矩形。在图3A至3D中，每个光
学元件都设有第一区域121。第一光学元件111和光学元件311关于
第一位置P1具有等同的形状。
如图3B中所示，光学元件311具有底面300。底面300沿Y轴
的宽度从第五位置P5朝向第四位置P4减小，终止于点312，其是第
四位置P4。即，光学元件311的底面300具有比光学元件111的底
面200小的面积。如前所述和根据本实施例，光学元件的正投影的图
像等于底面，因此光学元件111的面积大于光学元件311的面积。关
于图3A，区域341至344是关于第一区域121未被包括在底面200
中的部分。关于图3B，区域351至354是关于第一区域121未被包
括在底面300中的部分。这些区域341至344和区域351至354未被
包括在光学元件中，因此这些区域不收集光(无效区域)。如前所述，
区域341至344的面积之和小于区域351至354的面积之和。
面积占有率是关于包括X轴和Y轴的面，提供给光学元件的面
积与第一区域121的面积之比。如前所述，第一光学元件111的面积
占有率大于用于比较目的的光学元件311的面积占有率。具体地，第
一光学元件111的面积占有率约91％，而用于比较目的的光学元件
311的面积占有率约73％。如果入射在第一区域121上的所有光为
100％，则相比于能够收集的，存在略少于20％的光量差。相比于现
有技术的配置，第一光学元件111具有更高的面积占有率，使能更高
的光收集率。
图3C是图示出第一光学元件111在图3A中的第二位置P2处沿
Y轴的横截面351的横截面示图。图3D是图示出用于比较目的的光
学元件311在图3B的第二位置P2处沿Y轴的横截面352的横截面
示图。在图3C和3D中提供与底面等距离的虚拟入射面361以图示
出每个光学元件的光行为。等同的光380和381入射到任一光学元件
上。光学元件111在第二位置P2处具有宽度W2，并且具有比第一
位置P1处的第一曲率半径R1大的第二曲率半径R2，因此光学元件
111的光收集能力不显著。因此，光学元件111收集光381中的大多
数，并且入射面361能够在适当位置处收集集聚光382。相反，光学
元件311具有在第二位置P2处更窄的宽度W302，因此具有较小的
曲率半径。因此，光学元件311只能收集光381中的一部分。另外，
由于曲率半径小，在光学元件311中发生显著的折射，并且光383由
于入射面361的大角度而杂散。相比于这种方式的现有技术的配置，
光学元件111的形状提高了光收集能力和面积占有率，从而提高了光
收集率。
接着，将使用图4A至4D来比较第一光学元件111和半球形透
镜411，半球形透镜411是现有技术的不同配置。图4A是图示出第
一光学元件111的底面200的平面示意图，而图4B是图示出用于比
较目的的光学元件411的底面400的平面示意图。图4C是第一光学
元件111的横截面示意图，而图4D是用于比较目的的光学元件411
的横截面示意图。
图4A和4C图示出在图2A和2B中图示出的同样的第一光学元
件111，因此，省略其标号和详细描述。在图4A至4D中，具有相
同面积的第一区域121被提供给每个光学元件。
如图4B中所示，光学元件411具有底面400。底面400是半径
为第一长度L1的一半(L1/2)的圆。如图4B中所示，光学元件411的
顶点位于第五位置P5，第五位置P5是第一区域121的中心。
图4C是图示出光学元件111如图4A中沿X轴的横截面451的
横截面示意图。图4D是图示出光学元件411如图4B中沿X轴的横
截面452的横截面示意图。两个光学元件的顶点的高度都是第三高度
H3。在图4C和4D中提供与底面等距的虚拟入射面461来图示出每
个光学元件的光行为。相对于光学元件的光接收面的法线具有角度θ2
的对角光481被照射到这两个光学元件上。
输入到光学元件411的入射光481，例如，被收集为光483，光
483包括相对于光481具有角度θ4的光。相反，输入到光学元件111
的入射光481，例如，被收集作为光482，光482包括相对于光481
具有角度θ3的光，角度θ3大于角度θ4。如具有由第六位置P6示出
的边界的横截面451所示，光学元件111在具有逐渐改变的斜率的每
个边缘处不同地折射光。根据本实施例，第一位置P1处的曲率半径
小于第二位置P2处的曲率半径。当与光学元件411比较时，在第四
位置P4附近的位置处，光学元件111能够通过将对角入射光(角度
θ2)改变成沿Z轴的光(角度θ3)来更高效地收集对角入射光。当
角度θ2在20到40度之间时，使用第一光学元件111时的像素灵敏
度相比于光学元件411增大10到20％。
与现有技术相比，这样的第一光学元件111在具有高占有面积的
同时保持高的光收集能力，从而使能高的光收集率。因此，通过提供
远离阵列区域120的中心O第一距离D1的至少一个第一光学元件
111，能够提供具有高的光收集率的光学元件阵列。
第二位置P2还可以是第四位置P4，只要满足之前描述的条件。
即，边缘215可以具有第二宽度W2。这相比于之前描述的形状使能
更高的面积占有率。
光学元件的顶点可以处于第一位置P1。即，第六位置P6可以处
于与第一位置P1相同的位置。根据本实施例，第一位置P1的第一
宽度W1是最宽宽度。然而，具有最宽宽度的位置可以不同，并且优
选在第五位置P5和第二位置P2之间。可以通过在这样的位置具有
最宽宽度来进一步提高面积占有率。
根据本实施例，第一区域121被表示为具有正方形形状。然而，
从平面视图看，第一区域121可以是其中外边缘限定光学元件的矩
形，并且该矩形形状可以具有第一长度L1的边缘。多个光学元件可
以布置在至少一个维度上。第三位置P3处的第三宽度W3可以等于
L1。
根据本实施例，第一长度L1是至少0.5μm并且不大于50μm。
第一宽度W1和第二宽度W2是至少0.5μm并且不大于50μm，并且
第一宽度W1和第二宽度W2之间的比在0.05和0.99之间的范围
内。该范围优选在0.2和0.8之间。第一高度H1和第二高度H2为至
少0.1μm并且不大于5.0μm。第一曲率半径R1的值由第一高度H1
和第一宽度W1确定。第二曲率半径R2的值由第二高度H2和第二
宽度W2确定。这些值一般至少是0.25μm并且不大于100μm。因
此，第一光学元件的宽度、高度和曲率半径应当被设置为使得面积占
有率为至少80％。关于固态成像装置，如果第一光学元件的面积占
有率小于80％，则不被收集的光量将至少为20％，这产生围绕图像
的周边的显著阴影的问题。
根据本实施例的第一光学元件，例如，能够具有使用光刻
(photolithography)技术的形状。在该情况中，通过在使用能够获
取从关于第一光学元件的形状的设计数据获得的透射率的灰阶掩模或
面积灰度掩模的曝光装置中曝光和显影光刻胶，可以获得期望的光学
元件。
将参考图5来描述制造后的第一光学元件。图5是图示出横截面
541的横截面示意图，横截面541对应于图2C中的横截面241。在
图5中，配置与图2C中的配置相同，因此具有相同标号，并且省略
这样的描述。光学元件111具有在与底面200连接的部分中向底面
200延伸的部分501。连接底面200的这部分的扩展可能在任何部分
中发生。在测量第一宽度W1、第二宽度W2等时，优选通过采用在
具有第三高度H3的1％的高度的点(X轴位置)处的与底面200平行
的横截面500来进行测量，其中第三高度H3是第一光学元件111的
最高点。在连接相邻光学元件时，测量此连接处点的长度和宽度。
第二实施例
根据本实施例的第一光学元件611具有根据第一实施例的第一光
学元件111的底面200的修改版本。图6A和6B是对应于图2A的
平面示意图。对于相同配置的各个部分，省略标号和描述。图6A和
6B是图示出相同光学元件611的平面示意图。光学元件611具有底
面600。底面600不具有与边缘211和215对应的边缘，边缘211和
215被包括在图2A中的光学元件111的底面200中。
如图6A中所示，底面600的外边缘具有弯曲边缘621，其从点
601连接到602，通过第三位置P3。底面600在第三位置P3处具有
第三曲率半径R3。第三曲率半径R3至少是第一长度L1的一半，
即，具有如下关系：R3≥(L1/2)。面积占有率可以利用具有这样的曲
率半径的形状来提高。如图6B中所示，底面600的外边缘具有弯曲
边缘622，其从点603连接到点604，通过第四位置P4。底面600在
第四位置P4处具有第四曲率半径R4。第四曲率半径R4至少是第一
长度L1的一半，即，具有如下关系：R4≥(L1/2)。沿Y轴的宽度由
于具有这样的曲率半径的形状而增大，其提高面积占有率。当沿Y
轴的宽度增大时，沿Y轴的横截面中的曲率半径也增大，这会减少
由于曲率半径太小，即，折射角太大，而引起的杂散光的发生。
本实施例呈现了其中底面的两个位置处的曲率半径至少为L1/2
的配置，但底面的这些位置中的仅一个处的曲率半径需要是至少
L1/2。
第三实施例
根据本实施例的第一光学元件711具有根据第一实施例的第一光
学元件111的底面200的修改版本。图7A是对应于图2A的平面示
意图。对于相同的配置的各个部分，省略标号和描述。
图7中的光学元件711具有底面700。在X轴中光学元件711的
中心位于第五位置P5。然而，在X轴中底面700端部在位置P71和
位置P72之间。对应于图2A中的边缘211的边缘711位于位置P71
而不是第三位置P3，并且对应于图2A中的边缘215的边缘715位于
位置P72而不是第四位置P4。即，在X轴中光学元件711的长度短
于第一长度L1。即，在相邻光学元件之间存在间隙。在此情况中，
关于限定光学元件的第一区域121'的面积占有率相比于根据现有技术
的光学元件能够被增大。通过调节相邻光学元件之间的间隙的宽度，
可以容易地执行瞳孔校正以及简化相邻光学元件之间的制造过程。间
隙的宽度不大于有关光学元件的X轴长度的L1/2，并且具体地，优
选不大于L1/4。
在图7中，边缘721的切线731与边缘722的切线732的交点位
于位置P70，其中边缘721是从点701连接到点702的曲线，边缘
722是从点703连接到点704的曲线，位置P70比位置P72更远离中
心O。具有高面积占有率的光学元件具有这样的切线交点。
本实施例呈现了其中光学元件711在X轴中具有间隙的形状，
但该形状可以在Y轴中具有间隙，或该形状可以在X轴和Y轴中都
具有间隙。
光学元件与相邻光学元件之间的边界，例如，可以位于X轴中
光学元件的长度的中心与相邻光学元件的长度的中心之间。在Y轴
中可以同样如此，并且也可以以相同方式规定其它方向。光学元件的
外边缘，例如，在遵循X轴的横截面处与相邻光学元件的外边缘接
触，并且可以从一点获得，在该点中，光学元件的外边缘的切线的斜
率在沿X轴的横截面中变为零。例如，通过获得在光学元件的外边
缘的斜率变为零的两点处的在X轴中的位置的距离，可以获得在X
轴中的光学元件的长度。当光学元件与相邻光学元件接触时，可以以
同样的方式获得它。
第四实施例
本实施例描述了其中图1A和1B中的第三光学元件113和第四
光学元件114的形状不同于第一光学元件111的情况。第一光学元件
811具有与图2B中的第一光学元件111相同的结构。图8A是图示
出分别对应于图2B中的横截面的横截面831至834的第一光学元件
811至第四光学元件814的横截面示意图。如由横截面831至834所
示出的，第一光学元件811至第四光学元件814全都具有不同形状。
第一光学元件811至第四光学元件814各自具有相等的第三高度H3
和第一长度L1。
第一光学元件811至第四光学元件814的顶点的位置不同。第一
光学元件811的顶点是第六位置P6，第二光学元件812的顶点是第
五位置P5，第三光学元件的顶点是位置P83，而第四光学元件814
的顶点是位置P84。此时，顶点的位置与作为在X轴中的每个光学
元件中心的第五位置P5的位置在第二光学元件812中隔开距离
D82(未示出)，并且在第一光学元件811中隔开距离D81(第四距离)。
顶点的位置与距离作为在X轴中的每个光学元件中心的第五位置P5
在第三光学元件813中隔开距离D83(第五距离)，并且在第四光学元
件814中隔开距离D84。距离D82为零。距离具有如下关系
D82＝0<D81<D83<D84。即，位于距阵列区域的中心O更远位置处的
光学元件具有在X轴中的距光学元件的中心更远的位置处提供的顶
点。通过将光学元件阵列中的每个光学元件的顶点的位置从中心O
朝向外边缘改变，可以抑制阵列区域中的光收集率的变化(在阵列区
域的外周处收集的光量的减小)。
如图8B中所示，阵列区域120优选被配置为包括多个分区821
至826。这多个分区各自具有为平面视图中的矩形形状的带状，并且
包括设有第一光学元件811的第一分区821和设有第二光学元件812
并且比第一分区821的位置更靠近阵列区域120的中心O的第二分
区822。多个第一光学元件811被设置在第一分区821中，并且多个
第二光学元件812被设置在第二分区822中。还可以包括比第一分区
821更远离中心O的第三分区823和第四分区824。多个第三光学元
件813被设置在第三分区823中，并且多个第四光学元件814被设置
在第四分区824中。具有等同形状的光学元件被设置在每个对应的分
区中，这相比于为所有光学元件改变形状的情况，简化了设计。
将利用将光学元件阵列应用于固态成像装置的情况作为示例来描
述提供多个分区的方法。一般而言，较小数目的分区简化光学元件阵
列的设计。然而，当分区的数目小时，在相邻分区中设置的光学元件
的形状之间的差异增大。形状中的差异例如，可以产生分区边界处的
光收集率的差异，这会导致固态成像装置中的像素灵敏度的差异和图
像中的亮度的差异。有必要减小在相邻分区中设置的光学元件形状的
差异来减小亮度差异。体积上的差异优选保持在相邻光学元件的体积
的95％到105％的范围内。因此优选调节分区的数目来使得体积上的
差异不大于±5％。
分区的形状可以按照需要设置，诸如通过改变如本实施例所呈现
的每个分区的X轴的长度。具体而言，当看着X轴时，第一分区
821的长度短于第二分区822，但是长于第三分区823。第三分区823
的长度长于第四分区824的长度。然而，每个分区的长度可以相同。
这里，长度表示沿X轴从第一分区821和第二分区822之间的边界
到第一分区821和第三分区823之间的边界的长度。
如图9A中所示，阵列区域120还可以分割成例如晶格形状，并
且每个分区901的大小可以按照需要设置。在图9A的情况中，分区
901越靠近中心O，分区901的面积增大越多。利用这样的形状，可
以减小光收集率的变化。
如图9B中所示，可以针对中心O的中心设置具有同心形状的分
区并且随后可以利用从中心O放射状扩展的分区902来分割阵列。
具有同心形状的多个分区共有中心O，并且不共有外圆周。外圆周中
的一个外圆周在外圆周中的另一个外圆周内。如图9C中所示，可以
设置以中心O为中心的具有多边形形状的分区，随后可以利用从中
心O放射状扩展的分区903来分割阵列。
关于图9A至9C中所示的情况，分区的长度是指关于某分区的
边界的沿某一轴的、在该分区和相邻分区的边界与该分区和另一相邻
分区的边界之间的长度。
第五实施例
本实施例涉及根据第四实施例的分区的边界。图10A至10E是
多个分区之间的边界的扩展平面示意图。
图10A至10D图示出两个分区之间的边界。图10A图示出分区
1001和分区1002之间的边界，并且该边界用直线1031表示。相
反，图10B图示出分区1003和分区1004之间的边界，并且边界用z
字线1032表示。通过设计这样的配置，相比于图10A中的情况，可
以减小由于与相邻部分具有不同形状的光学元件之间的光收集率的差
异引起的图像电平的差异。
图10C图示出分区1005和分区1006之间的边界，并且该边界
由不规则的z字线1033表示。通过使用这样的没有规则的形状，相
比于图10B中的情况，可以减小由于与相邻部分具有不同形状的光
学元件之间的光收集效率的差异引起的图像电平的差异。
图10D图示出分区1007和分区1008之间的边界，并且该边界
由直线1034表示。然而，分区1007和1008两者都具有包括线1034
的缓冲区域1020。缓冲区域1020部分包含在其它分区中使用的光学
元件类型。例如，分区1008中的光学元件1014被设置在分区1007
中，而分区1007的光学元件1042被设置在分区1008中。以这种方
式，通过在边界处在分区之间切换光学元件中的若干光学元件，可以
减小由于与相邻部分具有不同形状的光学元件之间的光收集率的差异
引起的图像电平的差异。
图10E图示出图9B中的边界区域910的扩展示图。四个分区
1009至1012之间的边界区域910的边界由z字线1035至1038表
示。如图10E中所示，四个分区1009至1012连接的点可以被设置
为使得两个分区1010和1012位于两个分区1009和1011之间。
第六实施例
将参考图11来描述根据本实施例的光学元件阵列。本实施例是
区别这多个光学元件的形状的与第四实施例不同的方法。图11是第
一光学元件1111、第三光学元件1113和第四光学元件1114的平面
示意图。第二光学元件与第四实施例的第二光学元件类似，并且因此
省略其标号和描述。
第一光学元件1111具有重心为G1的底面1131。第三光学元件
1113具有重心为G3的底面1133。第四光学元件1114具有重心为
G4的底面1134。重心G1位于点P111，重心G3位于点P113，而重
心G4位于点P114。这些点和作为光学元件的中心的第五位置P5之
间的距离用距离D1151，D1153至D1154表示，并且这些距离具有
如下关系：D1151<D1153<D1154。具有这样的光学元件配置的光学
元件阵列使得能够减小阵列区域之间的光收集率的变化。
第七实施例
根据本实施例，将参考图12来描述其中之前描述的光学元件阵
列被应用于固态成像装置的情况。根据本实施例的，固态成像装置是
CMOS传感器。
固态成像装置1200包括半导体部分1280和设置在半导体部分
1280上的光学元件阵列1270。光学元件阵列1270包括多个光学元
件。图12图示出第一光学元件1211、第三光学元件1213和第四光
学元件1214。第二光学元件与其它实施例中的第二光学元件相似，
因此省略其标号和描述。
半导体部分1280具有多个像素，这多个像素被布置为使得每个
像素对应于这多个光学元件中的每个。图12图示出对应于第一光学
元件1211的第一像素1291，对应于第三光学元件1213的第三像素
1293，和对应于第四光学元件1214的第四像素1294。每个光学元件
和每个像素的长度等于第一长度L1。即，这多个光学元件之间的间
隔和这多个像素之间的间隔相同。因此，在图12中，每个像素与每
个光学元件是一一对应的。
半导体部分1280上的每个像素具有提供给半导体基板1281的光
电转换元件。光电转换元件具有例如，N型半导体区域1282，其能
够保持提供给P型半导体区域的电荷。在半导体基板1281上设置多
个布线层1284和绝缘层1283，绝缘层1283由在每个布线层之间提
供的绝缘材料制成。在绝缘层1283上提供保护层1285和平坦化层
1286。例如，半导体基板1281由硅制成，绝缘层1283由硅氧化物制
成，而这多个布线层1284由诸如铜作为主要材料的导电材料制成。
例如，保护层1285由硅氮化物制成，而平坦化层1286由有机材料制
成。在每个布线层与半导体基板1281之间提供晶体管电路、元件隔
离器、插头等，但是在图12中没有示出这些，因为那些元件对于本
领域普通技术人员是公知的。
关于根据本实施例的光学元件阵列，每个光学元件的中心的第五
位置P5对应于每个像素的中心的位置而变化。每个像素的中心的位
置由在半导体区域1282的面上示出的位置P12表示。例如，第一光
学元件1211对于第一像素1291从中心O改变距离1201。第三光学
元件1213对于第三像素1293从中心O改变距离1203。第四光学元
件1214对于第四像素1294从中心O改变距离1204。以这种方式，
通过沿着中心O的方向关于中心O改变光学元件的位置，可以减小
由于应用到固态成像装置而可能发生的光收集率的变化(阴影)。
表示每个光学元件和对应像素之间的变化量的距离D1201、
D1203和D1204具有如下关系：D1201<D1203<D1204。以这种方
式，通过增大处于远离中心O的位置的光学元件与对应像素之间的
变化量，可以进一步减小阴影。
当改变多个光学元件的中心与这多个像素的中心之间的位置关系
时，这多个光学元件之前的间隔可以不同于这多个像素之间的间隔。
光学元件的中心例如是光学元件沿X轴的长度的中心以及光学元件
沿Y轴的宽度的中心。像素的中心是例如以重复的单位提供的区域
的沿X轴的中心和沿Y轴的中心。例如，这多个光学元件沿X轴的
大小和像素的大小可以改变。每个光学元件沿X轴的大小，例如，
也可以不同。以这种方式，光学元件的大小和位置可以按照需要设置
以减小阵列区域的光收集率中的变化。
根据本实施例，固态成像装置是CMOS传感器，但也可以是
CCD传感器、背光型传感器或具有带滤色镜的形状或带波导的形状
的传感器。
根据本实施例的固态成像装置通常被包括在诸如相机之类的成像
系统中。成像系统的概念不限于主要意图用于拍摄图像的设备，并且
也包括配备有补充拍摄功能的设备(例如个人计算机或移动设备)。
成像系统包括与用前述实施例图示出的本发明有关的固态成像装置和
用于处理从固态成像装置输出的信号的信号处理单元。该信号处理单
元包括已知的电子电路系统，例如A/D(模数)转换器和可操作地连接
到存储用于处理从A/D转换器输出的数字数据的指令的存储器的一
个或多个处理器(多核)的中央处理单元(CPU)。
尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发
明不限于所公开的示例性实施例。以下权利要求书的范围依照最广泛
的解释，以便涵盖所有这样的修改例和等同结构和功能。