JP2010273757A - Image sensor applied device - Google Patents
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Landscapes
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Abstract
Description
本発明は、狭い空間の中で画像情報を得るためのイメージセンサ応用装置に関するものである。より具体的には、医療機器分野や工業計測分野で用いられるイメージセンサを用いたイメージセンサ応用装置や観測装置に関するものである。 The present invention relates to an image sensor application apparatus for obtaining image information in a narrow space. More specifically, the present invention relates to an image sensor application apparatus and an observation apparatus using an image sensor used in the medical equipment field and the industrial measurement field.
近年、医療機器分野や工業計測分野での画像を利用したイメージセンサ応用装置の高度化要請が強まっている。例えば、医療機器分野においては、開腹手術をすることなく、腹腔鏡やカニューレ(体内への挿入管)を活用した所謂「日帰り手術」が普及し始めている。この事例では、腹部に数ミリメータサイズの穴を複数開け、ここから複数の装置を体内へ挿入し、画像を観察しながら施術が行われる。このような目的のイメージセンサ応用装置は内視鏡とも称され、装置先端部(遠位端とも称される)から光ファイバあるいはリレーレンズなどで画像を光学情報として装置の手元部(近位端とも称される)まで伝送し、肉眼あるいはテレビカメラで施術者へ画像を提供している。また、工業機器分野では、工場プラント配管内の損傷を検査し、事故を未然に防ぐため、内視鏡と類似した構造のイメージセンサ応用装置(「ボアスコープ」とも称される)が利用されている。一般に、「ボアスコープ」には直管型とフレキシブル型とがある。前者では、直径6mm程度のステンレス直円管の内部にリレーレンズが搭載されている。後者では、自由に曲げることができるフレキシブルなステンレス円管(蛇腹管)の内部に、細径(数マイクロメータ)のガラスファイバが数万本束ねられている。この構成から「ファイバスコープ」とも呼ばれている。しかし、これらのイメージセンサ応用装置では、金属管内部で画像を光学的に伝送しているため、画像の先鋭度が劣り、視野角も狭い欠点があった。 In recent years, there has been an increasing demand for image sensor application devices using images in the medical device field and industrial measurement field. For example, in the field of medical equipment, so-called “one-day surgery” using a laparoscope or a cannula (insertion tube into the body) has started to spread without performing a laparotomy. In this case, a plurality of holes of several millimeters size are made in the abdomen, a plurality of devices are inserted into the body from here, and the treatment is performed while observing images. An image sensor application apparatus for such a purpose is also referred to as an endoscope, and an image is optically transmitted from an apparatus tip (also referred to as a distal end) through an optical fiber or a relay lens to the proximal portion (proximal end) of the apparatus. (Also referred to as a “simply”) and provide images to the practitioner with the naked eye or a TV camera. Also, in the industrial equipment field, an image sensor application device (also called “borescope”) with a structure similar to an endoscope is used to inspect damage in factory plant piping and prevent accidents. Yes. In general, the “borescope” includes a straight pipe type and a flexible type. In the former, a relay lens is mounted inside a stainless steel straight tube having a diameter of about 6 mm. In the latter case, tens of thousands of small-diameter (several micrometers) glass fibers are bundled inside a flexible stainless steel tube (bellows tube) that can be bent freely. This configuration is also called “fiberscope”. However, in these image sensor application apparatuses, since the image is optically transmitted inside the metal tube, there is a disadvantage that the sharpness of the image is inferior and the viewing angle is narrow.
前記した応用分野は、検査対象が狭い空間内にあるため、また人体への低侵襲性確保のため、イメージセンサ応用装置の大きさ、例えば、カニューレ(腹腔鏡手術などで用いられ、腹腔内へ液体は気体を送り込む挿管であり、中空部分に内視鏡や手術器具が挿入されることもある)やステンレス円管での「管」の直径が制限されている。この結果、光学系の明るさを高めたり、画像の先鋭さ(上記例では、ガラスファイバの総本数に依存する)を向上させるには限界があった。一方、近年の高齢化社会の進展、医療技術の進展、工場プラントの安全確保への要請増大に伴い、これらのイメージセンサ応用装置の高度化、例えば、明るく高分解能で広視野の画像情報が強く求められている。 In the above-mentioned application field, the size of the image sensor application device, for example, a cannula (used in laparoscopic surgery, etc., is used to enter the abdominal cavity because the inspection object is in a narrow space and to ensure minimal invasiveness to the human body. The liquid is an intubation that feeds gas, and an endoscope or a surgical instrument may be inserted into the hollow portion), and the diameter of the “tube” in the stainless circular tube is limited. As a result, there is a limit to increasing the brightness of the optical system or improving the sharpness of the image (in the above example, depending on the total number of glass fibers). On the other hand, along with the recent progress of an aging society, the advancement of medical technology, and the increasing demands for ensuring the safety of factory plants, these image sensor application devices have become more sophisticated, for example, bright, high-resolution, wide-field image information has become stronger. It has been demanded.
かかる要求に応えるため、内視鏡を電子化する試みが進められている。具体的には、内視鏡の装置先端部(遠位端)に光学レンズとイメージセンサを搭載し、画像情報を電気信号で装置の手元部(近位端)まで伝送し、テレビモニタで画像を提供する「電子式内視鏡」がある。下記引用特許文献1では、このような電子式内視鏡の構造が提案されている。また、下記引用特許文献2では、ラパロポートのポート管に平行して広視野のイメージセンサを収納した構造が提案されている。さらに、下記引用特許文献3では、血管内壁の検査用として近赤外光を利用した電子式内視鏡の構成が提案されている。 In order to meet such demands, attempts have been made to digitize endoscopes. Specifically, an optical lens and an image sensor are mounted on the distal end (distal end) of the endoscope, and image information is transmitted to the hand (proximal end) of the device using an electrical signal, and the image is displayed on a television monitor. There is an "electronic endoscope" that provides In the following cited Patent Document 1, such a structure of an electronic endoscope is proposed. In Patent Document 2 below, a structure in which an image sensor with a wide field of view is accommodated in parallel with the port tube of the Rapallo port is proposed. Furthermore, the following cited patent document 3 proposes a configuration of an electronic endoscope using near-infrared light for examination of a blood vessel inner wall.
図16は下記引用特許文献1の図1(a)と図1(b)に記載されている図である。同図(a)は腹腔鏡の断面図であり、2はカニューレ、3は前記2内に挿入された内視鏡、1は照明光を導くライトガイド、31aは撮像用の広角レンズである。カニューレの先端部(図では右端)の詳細が同図(b)に示されている。同図において、32は連結筒、31は撮像手段であり、前記広角レンズ31aと、31bのCCDで構成されている。かかる構造では、カニューレ先端に装着された撮像手段で電気信号に変換された画像信号が接続ケーブル34を介して図示されていないテレビモニタに表示される。下記引用特許文献1では、かかる構成により、従来のファイバスコープと比較して、広視野で鮮明で細かい画像が得られるとしている。 FIG. 16 is a diagram described in FIG. 1A and FIG. 1A is a cross-sectional view of a laparoscope, 2 is a cannula, 3 is an endoscope inserted into the 2, 1 is a light guide for guiding illumination light, and 31 a is a wide-angle lens for imaging. Details of the tip of the cannula (right end in the figure) are shown in FIG. In the figure, 32 is a connecting cylinder, 31 is an image pickup means, and is composed of the wide-angle lenses 31a and 31b. In such a structure, an image signal converted into an electrical signal by the imaging means attached to the tip of the cannula is displayed on a television monitor (not shown) via the connection cable 34. In the following cited patent document 1, it is said that with this configuration, a clear and fine image can be obtained with a wide field of view as compared with a conventional fiberscope.
図17は下記引用特許文献2の図1に記載されている図である。同図において、100はラパロポート(前記したカニューレと類似しており、体外と腹腔内とのアクセスを容易にする管)、11はポート管で内部の中空部分には内視鏡14が挿入されている事例が示されている。13はイメージセンサであり、先端のレンズにより広角な視野の撮像ができる。かかる構成は「広角アシストモニタシステム」と記載されており、手術対象が14の内視鏡で、当該手術対象の周辺部が13のイメージセンサで観察でき、臓器損傷の危険が少なく、かつ、迅速な手術が可能とされている。 FIG. 17 is a diagram described in FIG. In the figure, reference numeral 100 denotes a Rapallo port (a tube similar to the above-described cannula, which facilitates access between the outside of the body and the abdominal cavity), 11 is a port tube, and an endoscope 14 is inserted into the hollow portion inside. Examples are shown. Reference numeral 13 denotes an image sensor, which can pick up a wide-angle field of view with a lens at the tip. Such a configuration is described as a “wide-angle assist monitor system”. The surgical object can be observed with 14 endoscopes, and the peripheral part of the surgical object can be observed with 13 image sensors. Surgery is possible.
図18(a)と(b)はそれぞれ下記引用特許文献3の図2と図3に記載されている図である。同図(a)において、100はカテーテル先端の断面図であり、108aと108bはレンズ、112は光検出器アレイ、114は半導体チップ、80はケーブルである。同図(b)では光検出器アレイ112の組立を概念的に示した図である。下記引用特許文献では、112は3族5族化合物やInGaAsなどの半導体で構成され、1.5〜1.8マイクロメータ、あるいは、2.1〜2.3マイクロメータの近赤外波長域で動作することが好ましいとされている。また、112はアレイ表面が114側に相対するように配置され、112と114はフリップチップボンディングで結合されることも示されている。かかる構成は心臓血管検査に適しているとされている。すなわち、血液は可視光に対しては不透明であるが、前記した近赤外波長域では透過性があるので、血管壁の観察が容易になるとされている。 18 (a) and 18 (b) are diagrams described in FIG. 2 and FIG. 3 of the following cited patent document 3, respectively. In FIG. 9A, 100 is a sectional view of the catheter tip, 108a and 108b are lenses, 112 is a photodetector array, 114 is a semiconductor chip, and 80 is a cable. FIG. 2B conceptually shows the assembly of the photodetector array 112. In the following cited patent document, 112 is composed of a semiconductor such as a Group 3 group 5 compound or InGaAs, and has a near infrared wavelength range of 1.5 to 1.8 micrometers, or 2.1 to 2.3 micrometers. It is preferred to operate. It is also shown that 112 is arranged so that the surface of the array faces the 114 side, and 112 and 114 are coupled by flip chip bonding. Such a configuration is considered suitable for cardiovascular examination. That is, blood is opaque to visible light, but is transparent in the near-infrared wavelength region described above, so that blood vessel walls can be easily observed.
上記したように、引用特許文献1では「ファイバスコープ」を電子化した事例が、引用特許文献2では内視鏡と併用した「広角アシストモニタシステム」の事例が、引用特許文献3では近赤外波長域での電子化された内視鏡の事例が、それぞれ提案されている。いずれの事例においても、イメージセンサ応用装置先端部に搭載されたレンズとイメージセンサにより画像が電気信号に変換されることに特徴がある。かかる電子化により、狭視野、不鮮明で粗い画像といった従来の「ファイバスコープ」などの欠点が排除され、医療機器分野や工業計測分野へ多大な貢献に寄与することが可能となった。 As described above, in Cited Patent Document 1, an example in which a “fiber scope” is computerized is cited. In Cited Patent Document 2, a case of a “wide-angle assist monitor system” combined with an endoscope is cited. Examples of electronic endoscopes in the wavelength range have been proposed. Each case is characterized in that an image is converted into an electric signal by a lens and an image sensor mounted at the tip of the image sensor application apparatus. Such computerization has eliminated the drawbacks of the conventional “fiberscope” such as a narrow field of view, unclear and coarse images, and has made it possible to contribute greatly to the medical equipment field and the industrial measurement field.
しかしながら、上記した構成のイメージセンサ応用装置では、「断面が円形の管内に四角形のイメージセンサを搭載する」ことに起因する高解像度化、高感度化の限界が存在する。すなわち、内視鏡などで代表される体内挿入型の医療機器は断面が円形である。これは、腹部に5〜10ミリメータ程度の穴を開ける必要があるため、断面形状に突起部分が存在しない円形が好ましいからである。一方、イメージセンサは半導体技術を用いて作成されるが、その形状は正方形あるいは長方形である。図18で示した引用特許文献3からの引用図でもかかる構成が図示されている。図1に示すように、円形形状の管の内側に四角形のイメージセンサを搭載すると、当該イメージセンサ周辺に空間が存在することは避けられない。同図は断面が円形形状の管300に各種形状のイメージセンサが収納される様子が模式的に示されている。同図(a)には正方形形状のイメージセンサ301が、同図(b)と(c)にはそれぞれ円形形状のイメージセンサ302と六角形形状のイメージセンサ303とが示されている。同図(a)と(c)に示すように、イメージセンサが正方形を含む多角形である場合には、当該イメージセンサの外周部と、円形形状の管の内壁間に空間が発生することが避けられない。例えば、前記した管の内径(半径)がrである場合、この内径に内接する正方形(301)の一辺の長さL1と、その面積S1は以下の式で表される。
円管300の断面積(S0)は
であるので、イメージセンサが占有する面積比は 2/π、即ち、64%に過ぎない。一方、図1(c)のような正六角形のイメージセンサ(303)の場合には、その面積S3は
となり、イメージセンサが占有する面積比は3√3/2π、即ち、83%となる。さらに、図4(b)のような円形のイメージセンサ(302)の場合には、そのイメージセンサが占有する面積比は100%となる。
However, in the image sensor application apparatus having the above-described configuration, there is a limit of high resolution and high sensitivity due to “mounting a square image sensor in a tube having a circular cross section”. That is, the cross-section of an intracorporeal medical device represented by an endoscope or the like is circular. This is because it is necessary to make a hole of about 5 to 10 millimeters in the abdomen, and thus a circular shape having no protruding portion in the cross-sectional shape is preferable. On the other hand, an image sensor is manufactured using semiconductor technology, and the shape thereof is a square or a rectangle. Such a configuration is also illustrated in a cited drawing from cited Patent Document 3 shown in FIG. As shown in FIG. 1, when a square image sensor is mounted inside a circular tube, it is inevitable that a space exists around the image sensor. The figure schematically shows how various shapes of image sensors are housed in a tube 300 having a circular cross section. 2A shows a square image sensor 301, and FIGS. 2B and 2C show a circular image sensor 302 and a hexagonal image sensor 303, respectively. As shown in FIGS. 3A and 3C, when the image sensor is a polygon including a square, a space may be generated between the outer periphery of the image sensor and the inner wall of the circular tube. Inevitable. For example, when the inner diameter (radius) of the tube is r, the length L1 of one side of the square (301) inscribed in the inner diameter and the area S1 are expressed by the following equations.
The cross-sectional area (S0) of the circular pipe 300 is
Therefore, the area ratio occupied by the image sensor is 2 / π, that is, only 64%. On the other hand, in the case of a regular hexagonal image sensor (303) as shown in FIG.
Thus, the area ratio occupied by the image sensor is 3√3 / 2π, that is, 83%. Furthermore, in the case of a circular image sensor (302) as shown in FIG. 4B, the area ratio occupied by the image sensor is 100%.
前段落で記載したように、断面が円形の管内部にイメージセンサを搭載する場合、利用可能な断面積に対して、正方形では64%、正六角形では83%しか有効に利用できないことになる。この結果、後述するように、イメージセンサに集積化できる画素数が制限されたり、光感度が制限されたり、さらには円管の直径を減少できないため、前記イメージセンサ応用装置の高度化要求に応えることが困難となっている。 As described in the previous paragraph, when an image sensor is mounted inside a tube having a circular cross section, only 64% of a square and 83% of a regular hexagon can be effectively used with respect to the available cross sectional area. As a result, as described later, the number of pixels that can be integrated in the image sensor is limited, the photosensitivity is limited, and the diameter of the circular tube cannot be reduced. It has become difficult.
金属、あるいは樹脂、あるいは金属と樹脂との組合せ、から成る管の先端部に搭載され、少なくともレンズとイメージセンサと画像処理ICとから構成されている撮像装置を有するイメージセンサ応用装置であって、前記イメージセンサの形状を円形あるいは少なくとも五角形にする。 An image sensor application device having an imaging device mounted at the tip of a tube made of metal, or resin, or a combination of metal and resin, and comprising at least a lens, an image sensor, and an image processing IC, The shape of the image sensor is a circle or at least a pentagon.
なお、前記した画像処理ICの「IC」なる用語はトランジスタなどが多数集積化された半導体素子であり、その集積化されたトランジスタの数によっては、VLSIあるいはULSIとも呼ばれている。本明細書では「IC」なる用語にこれらを含ませている。 Note that the term “IC” in the above-described image processing IC is a semiconductor element in which a large number of transistors and the like are integrated, and is also referred to as VLSI or ULSI depending on the number of integrated transistors. In the present specification, these are included in the term “IC”.
なお、前記した管の材料としては、ステンレスなどの金属や、ABSやアクリルなどの樹脂であって良い。また、金属と樹脂との組合せ、例えば、金属の表面に樹脂を被覆した材料、樹脂の表面に金属を被覆した材料などであっても良い。 The tube material may be a metal such as stainless steel or a resin such as ABS or acrylic. Further, a combination of a metal and a resin, for example, a material in which a metal surface is coated with a resin, a material in which a resin surface is coated with a metal, or the like may be used.
なお、医療機器や工業計測機器においては、前記管は断面形状が円形である場合が多い。この理由としては、例えば医療分野で腹腔内へ前記検査機器を挿入する際、周辺からの抵抗が少なくなるように「角が無い」円形あるいは、楕円形状が低侵襲性の観点からは好ましいからである。医療分野では感染防止や衛生上の観点から、前記イメージセンサ応用装置の先端部分や前記管の外周は酸化チタンなどで被覆されていることが好ましく、また、滅菌処理などに耐えるような構造であることが好ましい。前記イメージセンサ応用装置の先端部の撮像装置が湿気などで曇り撮像機能が低下しないよう、当該先端部は親水性であることが好ましい。一般に、前記レンズは画像歪みが少なく、かつ、広角の視野を有していることが好ましい。かかるレンズは1枚構成であっても良いがこれに限ることはない。例えば、複群複数枚のレンズ構成、非曲面レンズを用いた構成、さらには、より広い視野を得るために魚眼レンズ構成であっても良い。前記撮像装置は可視光でのカラー撮像機能を有していることが多いが、これに限らない。例えば、可視光での白黒撮像機能を有していても良い。さらに、例えば、1〜2マイクロメータ程度の近赤外波長領域や、赤外波長領域での撮像機能を有していても良い。前記イメージセンサ応用装置の先端部には、対象物を照明するためのLEDなどで構成された照明装置を有していることが好ましい。この照明装置は対象物に影がでないよう、前記管の周囲に沿って複数個配置され、リングライトのような形態であっても良い。 In medical equipment and industrial measuring equipment, the tube often has a circular cross-sectional shape. This is because, for example, in the medical field, when inserting the inspection device into the abdominal cavity, a “cornerless” circular shape or an elliptical shape is preferable from the viewpoint of low invasiveness so as to reduce resistance from the periphery. is there. In the medical field, from the viewpoint of infection prevention and hygiene, it is preferable that the tip portion of the image sensor application device and the outer periphery of the tube are coated with titanium oxide or the like, and has a structure that can withstand sterilization treatment and the like. It is preferable. It is preferable that the tip portion is hydrophilic so that the imaging device at the tip portion of the image sensor application device does not deteriorate the cloudy imaging function due to moisture or the like. In general, it is preferable that the lens has little image distortion and a wide-angle field of view. Such a lens may have a single lens structure, but is not limited thereto. For example, a multi-group multiple lens configuration, a configuration using an aspherical lens, or a fish-eye lens configuration to obtain a wider field of view may be used. The imaging apparatus often has a color imaging function with visible light, but is not limited thereto. For example, it may have a monochrome imaging function with visible light. Furthermore, for example, it may have an imaging function in the near infrared wavelength region of about 1 to 2 micrometers or in the infrared wavelength region. It is preferable that the tip of the image sensor application device has an illumination device composed of an LED or the like for illuminating an object. A plurality of the lighting devices may be arranged along the periphery of the tube so that the object is not shaded, and may be in the form of a ring light.
なお、前記管の形状は円形に限らず、楕円形であっても良い。さらに、前記管が腹腔などの体内に挿入される先端部分のみが円形であり、体外に露出している部分が円形以外の形状であっても良い。 The shape of the tube is not limited to a circle but may be an ellipse. Furthermore, only the tip portion where the tube is inserted into the body such as the abdominal cavity may be circular, and the portion exposed to the outside of the body may have a shape other than circular.
なお、前記管の断面内部には、前記撮像装置以外の装置類が配置されていても良い。一般的な内視鏡では、前記撮像装置以外に、チャネルと呼ばれる空洞が設けられている。このチャネルは、例えば、鉗子などの手術器具の挿入路や、生理食塩水などの薬液噴射路として利用される。このチャネルの断面形状は円形であることが多く、前記管内でチャネル部分以外の部分に前記撮像装置が配置される。かかる構成では、金属などから成る管(例えば、内視鏡本体の筒)の内側に、前記管が偏心して配置された構成になる。かかる構成においても、前記撮像装置の構成要素である前記イメージセンサの形状を円形あるいは五角形以上の多角形にすることができる。 Note that devices other than the imaging device may be disposed inside the cross section of the tube. In a general endoscope, a cavity called a channel is provided in addition to the imaging device. This channel is used, for example, as an insertion path for a surgical instrument such as forceps or a medical solution ejection path such as physiological saline. The cross-sectional shape of the channel is often circular, and the imaging device is arranged in a portion other than the channel portion in the tube. In such a configuration, the tube is eccentrically arranged inside a tube made of metal or the like (for example, a tube of an endoscope main body). Also in this configuration, the shape of the image sensor that is a component of the imaging device can be a circle or a polygon that is a pentagon or more.
なお、前記撮像装置を構成するイメージセンサと画像処理ICとは積層構造であることが好ましい。かかる積層構造を採用することにより、当該イメージセンサへの電気的接続手段を当該積層方向に配置することが可能となる。この結果、従来多用されてきたボンディングワイヤによる電気的接続手段と比較して、当該イメージセンサの周囲に当該ボンディングワイヤのためのスペースを準備する必要がなくなり、狭い面積への搭載が可能となる利点が発生する。また、かかる構造では、当該画像処理ICの外形は、前記イメージセンサと類似形状であることが好ましいが、この限りではない。例えば、円形形状のイメージセンサに長方形形状の画像処理ICが組み合わされていても良い。さらに、前記画像処理に配線基板が付随していても良い。当該配線基板には、前記撮像装置と当該イメージセンサ応用装置の外部とをつなぎ、所望の情報伝達を行う配線が接続されていても良い。かかる配線基板は、通常の半導体素子でのパターン寸法が小さく(数10マイクロメータ程度)、前記配線を接続するのに必要な比較的大きな寸法(1ミリメータ程度)へ変換するために使用されても良い。前記イメージセンサには駆動回路や出力信号を処理する回路が含まれていることが多い。前記画像処理ICに、画像信号のデジタル変換機能、画像の先鋭化機能、画像の帯域圧縮機能、無線通信機能などの機能を持たせても良い。また、前記配線基板にも、トランジスタなどの能動素子や静電容量、抵抗などの受動素子を搭載しても良い。 In addition, it is preferable that the image sensor and image processing IC which comprise the said imaging device are laminated structure. By adopting such a laminated structure, it is possible to arrange an electrical connection means to the image sensor in the lamination direction. As a result, it is not necessary to prepare a space for the bonding wire around the image sensor as compared with the electrical connection means using the bonding wire that has been widely used in the past, and it is possible to mount in a small area. Will occur. In such a structure, the outer shape of the image processing IC is preferably similar to that of the image sensor, but is not limited thereto. For example, a rectangular image processing IC may be combined with a circular image sensor. Furthermore, a wiring board may be attached to the image processing. The wiring board may be connected to a wiring that connects the imaging device and the outside of the image sensor application device and transmits desired information. Such a wiring board has a small pattern size (about several tens of micrometers) in a normal semiconductor element, and can be used to convert to a relatively large size (about 1 mm) necessary for connecting the wiring. good. The image sensor often includes a drive circuit and a circuit for processing an output signal. The image processing IC may have functions such as an image signal digital conversion function, an image sharpening function, an image band compression function, and a wireless communication function. Further, active elements such as transistors and passive elements such as capacitance and resistance may be mounted on the wiring board.
なお、前記イメージセンサの形状が、少なくとも五角形(すなわち、五角形以上の多角形)である場合、必ずしも正多角形である必要はない。 In addition, when the shape of the image sensor is at least a pentagon (that is, a polygon that is a pentagon or more), it is not necessarily a regular polygon.
なお、前記撮像装置は少なくともレンズとイメージセンサと画像処理ICとから構成されるが、必ずしもこの限りではない。例えば、当該イメージセンサに画像処理機能が搭載されている場合には、前記画像処理ICが不要になる場合もある。また、前記画像処理ICの代替として、インターポーザを用いても良い。かかる場合には、インターポーザに、前記イメージセンサの配線を変更したり、配線ピッチを変更したりする「再配線」機能を持たせても良い。 The image pickup apparatus includes at least a lens, an image sensor, and an image processing IC, but is not limited to this. For example, when the image sensor is equipped with an image processing function, the image processing IC may be unnecessary. An interposer may be used as an alternative to the image processing IC. In such a case, the interposer may be provided with a “rewiring” function for changing the wiring of the image sensor or changing the wiring pitch.
なお、前記イメージセンサはウェーハに複数個配列されている状態から、単一のイメージセンサに切り出す必要がある。かかる切り出し工程では、レーザによる溶融や、レーザによる局所加熱により発生した歪が誘起するクラックを利用しても良い。さらに、サンドブラストや、ウォータージェットなどの手法を用いても良い。また、切り出し工程では、(1)前記イメージセンサが配列されているウェーハと、前記画像処理ICが配列されているウェーハとを相対させ、ウェーハレベルで積層化し、(2)当該積層構造から、単一のイメージセンサと単一の画像処理ICとが積層された構造体を、前記した各種の手法で切り出すという2段階を採用しても良い。また、かかる切り出し工程では、ウェーハから分離した前記イメージセンサなどが散逸しないように、当該イメージセンサなどの下面にクッションを張り付けても良い。さらに、前記した切り出しには、湿式、乾式のエッチングを用いても良い。 Note that it is necessary to cut the image sensor into a single image sensor from a state where a plurality of image sensors are arranged on the wafer. In this cutting-out process, a crack induced by strain generated by melting by laser or local heating by laser may be used. Furthermore, methods such as sand blasting and water jet may be used. In the cutting process, (1) the wafer on which the image sensor is arranged and the wafer on which the image processing IC are arranged are opposed to each other and laminated at the wafer level. (2) From the laminated structure, You may employ | adopt the two steps of cutting out the structure by which one image sensor and single image processing IC were laminated | stacked with the above-mentioned various methods. In such a cutting-out process, a cushion may be attached to the lower surface of the image sensor or the like so that the image sensor or the like separated from the wafer does not dissipate. Furthermore, wet and dry etching may be used for the above-described cutting.
なお、前記イメージセンサには、感光素子が配列された領域と、駆動回路や信号処理回路といった周辺回路が配列された領域とが存在する。前記イメージセンサの外形を円形形状とすることにより、配列された感光素子の数を増大することが可能となり、解像度特性の向上や画像の鮮鋭度を向上させることができる。また、感光素子の占有面積を大きくすることが可能となり、光感度特性を向上させ、暗い被写体に対しても良好な画像を得ることができる。 The image sensor has a region where photosensitive elements are arranged and a region where peripheral circuits such as a drive circuit and a signal processing circuit are arranged. By making the outer shape of the image sensor circular, the number of arranged photosensitive elements can be increased, and the resolution characteristics and the sharpness of the image can be improved. In addition, the area occupied by the photosensitive element can be increased, the photosensitivity characteristics can be improved, and a good image can be obtained even for a dark subject.
なお、前記イメージセンサの外形を正六角形形状とすることによっても、前段落に記載したような、感光素子数の増大や感光素子の占有面積を大きくすることが可能となる。さらに、断面が円形の前記管内に当該正六角形のイメージセンサを搭載すると、当該管の内壁と当該イメージセンサの外周部との間に空間が残されることになるが、この空間を他の機能に利用することもできる。例えば、前記照明系への配線を当該空間に収納することがある。 Note that the outer shape of the image sensor can also be a regular hexagonal shape, so that the number of photosensitive elements and the area occupied by the photosensitive elements can be increased as described in the previous paragraph. Further, when the regular hexagonal image sensor is mounted in the tube having a circular cross section, a space is left between the inner wall of the tube and the outer peripheral portion of the image sensor. It can also be used. For example, the wiring to the illumination system may be stored in the space.
前記撮像装置の構成要素であるレンズに、前記管の内部に斜めに配置され、かつ、前記管の軸の周りに回転できる機構を有している反射鏡を設ける。 The lens, which is a component of the imaging device, is provided with a reflecting mirror that is disposed obliquely inside the tube and has a mechanism that can rotate around the axis of the tube.
なお、前記反射鏡はモータの回転部(ロータ)に取り付けられ、当該モータの静止部(ステータ)は前記管に固定されている。当該ロータの回転中心は、前記レンズの光軸と一致し、さらに、当該光軸は前記イメージセンサの感光素子領域の中心位置と一致していることが好ましい。また、前記反射鏡は当該光軸に対して45度の角度をなしていることが好ましいが、この限りではない。 The reflecting mirror is attached to a rotating part (rotor) of the motor, and a stationary part (stator) of the motor is fixed to the pipe. It is preferable that the rotation center of the rotor coincides with the optical axis of the lens, and further, the optical axis coincides with the center position of the photosensitive element region of the image sensor. Moreover, it is preferable that the reflector has an angle of 45 degrees with respect to the optical axis, but this is not restrictive.
なお、当該反射鏡は前記イメージセンサ応用装置が動作中に絶えず回転しているとは限らない。例えば、当該イメージセンサ応用装置を体内へ挿入していく過程では、絶えず回転させることにより、当該イメージセンサ応用装置の先端部の周辺を360度に亘って観察することができるようになり、検査対象への近接が容易となる。一方、検査対象に近接してからは、当該反射鏡の回転を停止すれば、当該イメージセンサ応用装置の先端部の周辺の一方向のみを詳細に観察することができる。 Note that the reflecting mirror does not always rotate during operation of the image sensor application apparatus. For example, in the process of inserting the image sensor application device into the body, the periphery of the tip portion of the image sensor application device can be observed over 360 degrees by continuously rotating the image sensor application device. Proximity to becomes easier. On the other hand, if the rotation of the reflecting mirror is stopped after approaching the inspection object, only one direction around the tip of the image sensor application apparatus can be observed in detail.
なお、前々段落に記載した構成を「飲み込み型」のイメージセンサ応用装置に適用することも容易である。かかる適用形態では、前記した円形の管に代替して、断面が円形の錠剤カプセル型容器を用いて良い。当該形態では、撮像装置とイメージセンサ応用装置外部との間の情報伝達は、前記した配線を介して行うのではなく、前記撮像装置に近接して配置された無線装置を介して行うことが好ましい。当該形態では、人体内を当該イメージセンサ応用装置が移動しながら検査情報を送出するので、前記した反射鏡は絶えず回転していることが好ましい。 It is easy to apply the configuration described in the previous paragraph to a “swallow type” image sensor application apparatus. In such an application form, instead of the circular tube described above, a tablet capsule type container having a circular cross section may be used. In this mode, information transmission between the imaging device and the outside of the image sensor application device is preferably performed not via the above-described wiring but via a wireless device arranged close to the imaging device. . In this mode, since the image sensor application apparatus moves the inspection information while moving in the human body, it is preferable that the reflecting mirror is constantly rotating.
なお、前記した「飲み込み型」のイメージセンサ応用装置では、反射鏡を搭載せず、前記撮像装置が当該イメージセンサ応用装置の「前方」のみを撮像するような形態であっても良い。かかる構成においては、広い観察視野を得るために、当該撮像装置のレンズは広角、あるいは、魚眼レンズであることが好ましい。 Note that the “swallow-type” image sensor application apparatus described above may be configured such that the imaging device captures only “front” of the image sensor application apparatus without mounting a reflecting mirror. In such a configuration, in order to obtain a wide observation field of view, the lens of the imaging device is preferably a wide-angle lens or a fish-eye lens.
前記円形あるいは少なくとも五角形の形状を有するイメージセンサを構成する半導体基板の表面には、1)複数の感光素子が配列された四角形形状の感光素子領域と、2)該感光素子領域の周囲に、前記イメージセンサの駆動回路および信号処理回路を含む周辺回路領域とを配置し、該半導体基板の裏面には、前記イメージセンサからの信号、あるいは、前記イメージセンサへの信号を伝達する電気的接続手段を配置する。 On the surface of the semiconductor substrate constituting the image sensor having the circular or at least pentagonal shape, 1) a rectangular photosensitive element region in which a plurality of photosensitive elements are arranged, and 2) around the photosensitive element region, An image sensor driving circuit and a peripheral circuit region including a signal processing circuit are arranged, and electrical connection means for transmitting a signal from the image sensor or a signal to the image sensor is provided on the back surface of the semiconductor substrate. Deploy.
なお、前記電気的接続手段は、前記イメージセンサと前記画像処理ICとの間で、電気信号を伝達するために利用される。前記電気的接続手段は、前記半導体基板の表面側に配置された電極パッドに向けて、前記半導体基板の裏面側から形成された貫通電極を含んでいても良い。また、電極パッドは、前記半導体基板の周辺に配置されているとは限らない。前記イメージセンサの感光素子領域あるいは周辺回路領域に前記電極パッドが配置されていても良い。 The electrical connection means is used for transmitting an electrical signal between the image sensor and the image processing IC. The electrical connection means may include a through electrode formed from the back surface side of the semiconductor substrate toward the electrode pad disposed on the front surface side of the semiconductor substrate. Further, the electrode pads are not necessarily arranged around the semiconductor substrate. The electrode pads may be arranged in a photosensitive element region or a peripheral circuit region of the image sensor.
前記イメージセンサの外形形状を円形あるいは多角形にすることにより、高解像度化、あるいは、高感度化が容易に達成できる。 By making the outer shape of the image sensor circular or polygonal, high resolution or high sensitivity can be easily achieved.
例えば、同一内径の円管内に前記イメージセンサを搭載する場合、当該イメージセンサが正方形の場合と比較して、
円形形状のイメージセンサでは、面積を1.57倍に
正六角形のイメージセンサでは、面積を1.21倍に
増大させることが可能である。この面積増大の効果は、(1)感光素子数の増大、(2)感光素子の面積の増大に寄与できる。例えば、(1)イメージセンサの面積が、感光素子の面積と感光素子の数との積で表される、(2)イメージセンサの感度が感光素子の面積に比例する、の2点を仮定して、具体的な数値例を下記に挙げる。
1):円形形状のイメージセンサでは、感光素子数を1.57倍に増大できる。
〔例えば、従来30万画素であるとすれば、47万画素へ増大〕
2):正六角形形状のイメージセンサでは、感光素子数を1.21倍に増大できる。
〔例えば、従来30万画素であるとすれば、36万画素へ増大〕
3):円形形状のイメージセンサでは、感度を1.57倍に増大できる。
〔例えば、従来の64%の明るさで撮像可能〕
4):正六角形形状のイメージセンサでは、感度を1.21倍に増大できる。
〔例えば、従来の83%の明るさで撮像可能〕
For example, when mounting the image sensor in a circular tube with the same inner diameter, compared to the case where the image sensor is a square,
For circular image sensors, the area is 1.57 times larger
In a regular hexagonal image sensor, the area can be increased by 1.21 times. This effect of increasing the area can contribute to (1) an increase in the number of photosensitive elements and (2) an increase in the area of the photosensitive elements. For example, assume two points: (1) the area of the image sensor is represented by the product of the area of the photosensitive element and the number of photosensitive elements, and (2) the sensitivity of the image sensor is proportional to the area of the photosensitive element. Specific numerical examples are given below.
1): In a circular image sensor, the number of photosensitive elements can be increased 1.57 times.
[For example, if it is 300,000 pixels in the past, it will increase to 470,000 pixels]
2): In a regular hexagonal image sensor, the number of photosensitive elements can be increased by 1.21 times.
[For example, if it is 300,000 pixels in the past, increase to 360,000 pixels]
3): In a circular image sensor, the sensitivity can be increased 1.57 times.
[For example, it is possible to capture images with a brightness of 64% of the conventional one]
4): In a regular hexagonal image sensor, the sensitivity can be increased 1.21 times.
[For example, it is possible to capture images at 83% brightness]
さらに、前記した面積増大の効果として、前記イメージセンサ応用装置が搭載された前記円管の直径を小さくすることも挙げられる。具体的な数値例を下記に挙げる。
1):円形形状のイメージセンサでは、円管の直径を80%に低減できる。
〔例えば、従来5ミリメータであるとすれば、4ミリメータへ低減〕
2):正六角形形状のイメージセンサでは、円管の直径を90%に低減できる。
〔例えば、従来5ミリメータであるとすれば、4.5ミリメータへ低減〕
かかる具体例で示したように、体内への挿入を想定した応用分野では、低侵襲性の観点からは大きな効果が得られることになる。
Further, as an effect of increasing the area, it is also possible to reduce the diameter of the circular tube on which the image sensor application apparatus is mounted. Specific numerical examples are listed below.
1): In a circular image sensor, the diameter of the circular tube can be reduced to 80%.
[For example, if it was 5 millimeters conventionally, it will be reduced to 4 millimeters]
2): In a regular hexagonal image sensor, the diameter of the circular tube can be reduced to 90%.
[For example, if it was 5 millimeters conventionally, it will be reduced to 4.5 millimeters]
As shown in this specific example, in an application field that is assumed to be inserted into the body, a great effect can be obtained from the viewpoint of minimally invasiveness.
前記撮像装置の構成要素であるレンズに、前記管の内部に斜めに配置され、かつ、前記管の軸の周りに回転できる機構を有している反射鏡を設けることにより、当該イメージセンサ応用装置の先端部の周辺を360度に亘って観察することができるようになる。この機構により、当該イメージセンサ応用装置の検査対象への誘導が安全かつ容易となる。当該検査対象へ近接してからは、当該反射鏡の回転を停止して、当該イメージセンサ応用装置の先端部の周辺の一方向のみを詳細に観察することができる。また、当該反射鏡を微小量回転させることにより、検査対象の場所を変更することもできる。 The image sensor application device is provided by providing a reflecting mirror having a mechanism that is disposed obliquely inside the tube and that can rotate around the axis of the tube on a lens that is a component of the imaging device. It becomes possible to observe the periphery of the tip of the lens over 360 degrees. This mechanism makes it safe and easy to guide the image sensor application apparatus to the inspection target. After approaching the inspection object, the rotation of the reflecting mirror can be stopped, and only one direction around the tip of the image sensor application apparatus can be observed in detail. In addition, the location of the inspection object can be changed by rotating the reflecting mirror by a minute amount.
本発明による構成においては、イメージセンサの占有面積を前記円形金属管の断面積と同一(あるいは、ほぼ同一)にすることができるため、前記したように、イメージセンサの解像度特性や光感度特性の大幅な向上が可能で、さらには、前記イメージセンサ応用装置の小型化が可能で、本発明の効果は多大であると言える。 In the configuration according to the present invention, the area occupied by the image sensor can be made the same (or substantially the same) as the cross-sectional area of the circular metal tube. The image sensor application apparatus can be downsized, and the effect of the present invention can be said to be great.
以下、図面に示した本発明によるイメージセンサ応用装置を詳細に説明する。 Hereinafter, an image sensor application apparatus according to the present invention shown in the drawings will be described in detail.
<円形形状のセンサを搭載したイメージセンサ応用装置−1>
図2は本発明の実施例1であり、装置先端部に円形形状のイメージセンサを搭載したイメージセンサ応用装置の構成を示す図である。同図(a)は当該装置先端部の構成を示す概念図、同図(b)はその断面図である。同図において、310は断面が円形の金属や樹脂などから成る管(例えば、カニューレやカテーテル)、311は当該310の先端部も設けられて透明な保護板で、その周辺部分には照光用の光源312が複数個配置されている。この光源には発光ダイオード(LED)などが利用されており、当該発光ダイオードを円周上に配置することにより、いわゆるリングライトが構成でき、被写体に影が出ない撮像が可能となる。前記金属などの管や前記透明な保護板の表面は平坦であり、酸化チタンなどで表面が被覆されていることが、衛生上好ましい。特に、保護板311の表面は親水性であって、検査対象の雰囲気に含まれる湿度で表面が曇らないように表面処理されていることが好ましい。また、前記イメージセンサ応用装置を複数回の手術に繰り返し利用するためには、前記イメージセンサ応用装置の少なくとも先端部分が滅菌処理などに耐えうるような構成になっている必要がある。図2において、313はレンズ、314は円形形状のイメージセンサ、315は当該イメージセンサからの信号を処理するための画像処理IC、316はプリント基板などで構成された配線基板、317は前記金属管内部に配置され、316からの電気信号を当該装置の外部へ供給するための配線である。当該313から当該316は撮像装置318を構成している。同図(b)では、313、314、315が積層され一体化された場合が示されている。レンズ313は1枚構成の場合が示されているが、一般には、画像歪を低減したり、被写体からの光を減少させることなく通過させるために、複数のレンズが複群構成されることが多い。また、当該313は広角レンズであることが好ましく、魚眼レンズである場合もある。さらに、当該装置の小型化を図るために、非球面レンズを用いることもあり得る。図示していないが、当該レンズは自動焦点機構を備えていても良い。また、イメージセンサ313は可視光の撮像だけではなく、1〜2マイクロメータの近赤外波長域や、3マイクロメータ以上の赤外波長域で撮像できるように当該イメージセンサの材料や構成を選択して良い。
<Image sensor application device-1 equipped with a circular sensor>
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of an image sensor application apparatus according to the first embodiment of the present invention, in which a circular image sensor is mounted at the front end of the apparatus. FIG. 4A is a conceptual diagram showing the configuration of the tip of the apparatus, and FIG. 4B is a sectional view thereof. In this figure, 310 is a tube (for example, a cannula or catheter) made of metal or resin having a circular cross section, 311 is a transparent protective plate provided with a tip of 310, and a peripheral portion for illumination. A plurality of light sources 312 are arranged. A light-emitting diode (LED) or the like is used as the light source. By arranging the light-emitting diodes on the circumference, a so-called ring light can be formed, and an image can be taken without shadowing the subject. It is preferable for hygiene that the surface of the tube made of metal or the like and the surface of the transparent protective plate are flat and the surface is coated with titanium oxide or the like. In particular, the surface of the protective plate 311 is hydrophilic and is preferably surface-treated so that the surface is not clouded by the humidity contained in the atmosphere to be inspected. Further, in order to repeatedly use the image sensor application apparatus for a plurality of operations, it is necessary that at least the distal end portion of the image sensor application apparatus be configured to withstand sterilization treatment. In FIG. 2, 313 is a lens, 314 is a circular image sensor, 315 is an image processing IC for processing a signal from the image sensor, 316 is a wiring board composed of a printed circuit board, and 317 is the metal tube. Wiring is arranged inside to supply an electrical signal from 316 to the outside of the device. The said 313 to the said 316 comprises the imaging device 318. FIG. FIG. 5B shows a case where 313, 314, and 315 are stacked and integrated. Although the case where the lens 313 has a single lens structure is shown, in general, a plurality of lenses may be configured in multiple groups in order to reduce image distortion and allow light from the subject to pass through without decreasing. Many. The 313 is preferably a wide-angle lens, and may be a fish-eye lens. Furthermore, an aspheric lens may be used to reduce the size of the device. Although not shown, the lens may include an autofocus mechanism. The image sensor 313 not only picks up visible light, but also selects the material and configuration of the image sensor so that it can pick up images in the near-infrared wavelength range of 1 to 2 micrometers or in the infrared wavelength range of 3 micrometers or more. You can do it.
図2に示した実施例1では、円形の金属管が体内あるいは工場配管内に挿入され、検査対象は光源312で照射され、この検査対象から反射した光がレンズ313でイメージセンサ314の表面上に結像され、光電変換される。光電変換された画像信号は315の画像処理ICで処理され、配線基板316と配線317を介して当該イメージセンサ応用装置の外部へ導かれる。画像処理IC315は必ずしも必要としない場合もあるが、前記金属管が細いため、配線317の数を低減するために画像処理ICを採用することが好ましい。また、イメージセンサ313には一般にセンサを駆動する回路や、光電変換された電気信号に対して波形整形、増幅、温度補償といった前処理回路を集積化させることが多い。しかし、これらの回路を314に集積化せず、315に集積化することもある。 In the first embodiment shown in FIG. 2, a circular metal tube is inserted into the body or factory piping, the inspection object is irradiated by the light source 312, and the light reflected from the inspection object is reflected on the surface of the image sensor 314 by the lens 313. Is imaged and photoelectrically converted. The photoelectrically converted image signal is processed by the image processing IC 315 and guided to the outside of the image sensor application apparatus via the wiring board 316 and the wiring 317. Although the image processing IC 315 may not necessarily be required, it is preferable to employ an image processing IC in order to reduce the number of wirings 317 because the metal tube is thin. In general, the image sensor 313 often integrates a circuit for driving the sensor and a preprocessing circuit such as waveform shaping, amplification, and temperature compensation for photoelectrically converted electric signals. However, these circuits may not be integrated into 314 but may be integrated into 315.
前記した実施例1では、金属管310の断面形状は「円形」であるとしたが、その形状に限らない。例えば、楕円形状であっても良い。また、当該金属管が体内あるいは配管に挿入される部分のみが円形あるいは楕円形の断面形状を有し、当該部分以外は他の形状(例えば多角形)であっても良い。 In the first embodiment described above, the cross-sectional shape of the metal tube 310 is “circular”, but the shape is not limited thereto. For example, it may be oval. Further, only the part where the metal tube is inserted into the body or the pipe may have a circular or elliptical cross-sectional shape, and other shapes (for example, polygons) other than the part may be used.
<六角形形状のセンサを搭載したイメージセンサ応用装置>
図3は本発明の実施例2であり、装置先端部に六角形形状のイメージセンサを搭載したイメージセンサ応用装置の構成を示す図である。同図(a)は当該装置先端部の構成を示す概念図、同図(b)はその断面図である。同図において、図2と同一番号は同一構成要素を示している。同図において、324は形状が六角形のイメージセンサ、325は画像処理ICである。本実施例2は前記した実施例1に類似しており、イメージセンサおよび画像処理ICの形状が異なっていることに特徴がある。なお、本実施例2では、六角形形状のイメージセンサを例示したが、当該イメージセンサは六角形に限らず、八角形などの多角形であっても良い。また、この六角形を含む多角形は、各辺の長さと各頂点の内角が等しい正多角形であることが好ましいが、この限りではない。
<Image sensor application device with hexagonal sensor>
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of an image sensor application apparatus according to the second embodiment of the present invention, in which a hexagonal image sensor is mounted at the tip of the apparatus. FIG. 4A is a conceptual diagram showing the configuration of the tip of the apparatus, and FIG. 4B is a sectional view thereof. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 2 denote the same components. In the figure, reference numeral 324 denotes a hexagonal image sensor, and reference numeral 325 denotes an image processing IC. The second embodiment is similar to the first embodiment, and is characterized in that the shapes of the image sensor and the image processing IC are different. In the second embodiment, a hexagonal image sensor is illustrated, but the image sensor is not limited to a hexagon and may be a polygon such as an octagon. The polygon including the hexagon is preferably a regular polygon in which the length of each side is equal to the interior angle of each vertex, but is not limited thereto.
<イメージセンサの構成>
図4は本発明の実施例3であり、イメージセンサ、画像処理IC、配線基板などの構成を示している。同図(a)はイメージセンサ(342)、同図(b)は画像処理IC(350)、同図(c)は配線基板(360)をそれぞれ示している。同図(a)において、330は半導体技術で作成されたセンサ部分であり、Siなどの半導体基板331の表面側には感光素子(フォトダイオード)332が複数個配列されている。333は絶縁層であり、その内部にはイメージセンサを駆動したり、前記感光素子からの信号を伝達するための複数層の配線層が配置されている。334は前記感光素子毎に配置されたカラーフィルタであり、感光素子毎に光透過特性が異なっている。例えば、選択された一つの感光素子に対しては「赤色」を透過し、右側に隣接する他の感光素子に対しては「青色」を透過し、左側に隣接する他の感光素子に対しては「緑色」を透過するように設定されている。かかる構成により、単一の前記イメージセンサでカラー画像の検出が可能となっている。なお、上記した例では、光の三原色構成の場合が示されているが、カラーフィルタの透過特性や配列はこれに限らず、他の構成であって良い。例えば、光の補色を通過させる補色フィルタ構成や、緑色フィルタの数を多くするようなことが挙げられる。335は前記感光素子毎に配置されたマイクロレンズであり、入射した光を効率良く前記感光素子へ導く機能を有している。336は前記絶縁層内に設けられた電極パッドである。図4(a)の構成例では、前記半導体基板331の裏側から前記電極パッドに向かって貫通穴が形成され、この内部には貫通電極337が埋め込まれている。338は当該貫通電極と電気的に接続されている配線パターンであり、半導体基板331の裏側面に配置されている。339は当該配線パターン338に電気接続されている半球状のボールグリッドアレイである。かかる構成により、前記イメージセンサへの電気的接続は、336〜339を介して、半導体基板の裏側から行うことが可能となる。340は、センサ部分330の上部に接着層341を介して配置されたセンサ保護のためのカバーガラスである。以上のように、センサ部分330と接着層341とカバーガラス340が前記イメージセンサ342を構成している。
<Configuration of image sensor>
FIG. 4 is a third embodiment of the present invention and shows the configuration of an image sensor, an image processing IC, a wiring board, and the like. FIG. 4A shows an image sensor (342), FIG. 2B shows an image processing IC (350), and FIG. 3C shows a wiring board (360). In FIG. 3A, reference numeral 330 denotes a sensor portion made by semiconductor technology, and a plurality of photosensitive elements (photodiodes) 332 are arranged on the surface side of a semiconductor substrate 331 such as Si. Reference numeral 333 denotes an insulating layer in which a plurality of wiring layers for driving an image sensor and transmitting a signal from the photosensitive element are arranged. Reference numeral 334 denotes a color filter arranged for each photosensitive element, and the light transmission characteristics are different for each photosensitive element. For example, “Red” is transmitted to one selected photosensitive element, “Blue” is transmitted to another photosensitive element adjacent to the right side, and “Photosensitive” is adjacent to the other photosensitive element adjacent to the left side. Is set to transmit “green”. With this configuration, it is possible to detect a color image with a single image sensor. In the above example, the case of the three primary color configuration of light is shown, but the transmission characteristics and arrangement of the color filter are not limited to this, and other configurations may be used. For example, a complementary color filter configuration that allows the complementary color of light to pass through or an increase in the number of green color filters can be cited. Reference numeral 335 denotes a microlens arranged for each photosensitive element, and has a function of efficiently guiding incident light to the photosensitive element. Reference numeral 336 denotes an electrode pad provided in the insulating layer. In the configuration example of FIG. 4A, a through hole is formed from the back side of the semiconductor substrate 331 toward the electrode pad, and a through electrode 337 is embedded therein. Reference numeral 338 denotes a wiring pattern electrically connected to the through electrode, and is disposed on the back side surface of the semiconductor substrate 331. Reference numeral 339 denotes a hemispherical ball grid array that is electrically connected to the wiring pattern 338. With this configuration, electrical connection to the image sensor can be made from the back side of the semiconductor substrate via 336 to 339. Reference numeral 340 denotes a cover glass for protecting the sensor, which is disposed on the upper portion of the sensor portion 330 via an adhesive layer 341. As described above, the sensor portion 330, the adhesive layer 341, and the cover glass 340 constitute the image sensor 342.
前段落に記載した構成では、当該イメージセンサの電気的接続を当該イメージセンサの裏側から全て行うことが可能である。現在多用されている一般の半導体集積回路では、半導体基板の表面側から「ボンディングワイヤ」と称される金属細線で外部との電気接続を行うことが多い。本実施例3においても、かかる「表面側からの電気接続」を行うことは可能である。かかる場合においては、図4(a)の電極パッドへ前記金属細線の一端を接続し、他端をパッケージやプリント基板(いずれも図示せず)へ接続する。しかしながら、「表面側からの電気接続」では金属細線を配置するための空間が、前記イメージセンサンの周囲に必要となってしまう。一方、図4(a)に示した構成、即ち、「裏面側からの電気接続」では、前記した空間が不要であり、前記イメージセンサの面積と同一サイズで実装が可能となっている。本発明が想定している応用分野においては、イメージセンサが必要とする面積を可能な限り小さくし、イメージセンサ応用装置の小型化、小口径化を図ることが強く要請されているため、かかる構成の有効性は大きい。 In the configuration described in the previous paragraph, all the electrical connections of the image sensor can be performed from the back side of the image sensor. In general semiconductor integrated circuits that are widely used at present, electrical connection to the outside is often made from the surface side of a semiconductor substrate by a thin metal wire called “bonding wire”. Also in the third embodiment, it is possible to perform such “electrical connection from the front side”. In such a case, one end of the thin metal wire is connected to the electrode pad of FIG. 4A, and the other end is connected to a package or a printed circuit board (both not shown). However, in the “electric connection from the front side”, a space for arranging the fine metal wires is required around the image sensor. On the other hand, in the configuration shown in FIG. 4A, that is, “electrical connection from the back side”, the above-described space is unnecessary, and mounting is possible with the same size as the area of the image sensor. In the application field assumed by the present invention, it is strongly required to reduce the area required by the image sensor as much as possible and to reduce the size and diameter of the image sensor application device. Is very effective.
なお、図4では、前項での「ボンディングワイヤによる表面側からの電気接続」を説明することが容易であるよう、電極パッド336がワイヤボンディング可能な構成(層内での空間的位置、材質、大きさなど)であるかのように図示されている。しかしながら、電極パッド336はその構成に制限されることはなく、貫通電極337との電気接続が可能であれば良い。例えば、ボンディングワイヤによる電気接続では電極パッドの大きさは100マイクロメータ程度必要であるが、貫通電極が接続できるような当該電極パッドの大きさは10マイクロメータ程度、あるいはそれ以下である。また、ボンディングワイヤによる電気接続の場合には、当該電極パッドはイメージセンサを構成する半導体基板の周辺部に配置されることが多い。もし、当該電極パッドが当該半導体基板の中央部分の信号に対応している場合には、この中央部分から前記周辺部まで距離の長い配線で接続することになる。しかしながら、貫通電極による電気接続では、当該電極パッドの位置はこれに限ることがなく、イメージセンサのパターンレイアウト上、適切な場所に配置することが可能となる。即ち、半導体基板の中央部分に当該電極パッドを配置することもできる。また、イメージセンサの処理速度を増大させるため、並列信号処理を採用する場合には、当該イメージセンサの出力を複数個所から取り出す構成になる。かかる構成では、当該イメージセンサ内に複数配置された電極パッド(その一部は中央部分に配置されることになる)を介して信号が出力される。このように、当該電極パッドの構成はイメージセンサを設計する際の設計事項である。 In FIG. 4, the electrode pad 336 can be wire-bonded (spatial position, material in the layer, material, etc.) so that it is easy to explain the “electric connection from the surface side by the bonding wire” in the previous section. It is shown as if it were a size. However, the electrode pad 336 is not limited to the configuration, and may be any electrical connection with the through electrode 337. For example, in the electrical connection using the bonding wire, the size of the electrode pad needs to be about 100 micrometers, but the size of the electrode pad to which the through electrode can be connected is about 10 micrometers or less. Further, in the case of electrical connection using bonding wires, the electrode pads are often arranged at the periphery of a semiconductor substrate constituting the image sensor. If the electrode pad corresponds to the signal of the central part of the semiconductor substrate, the electrode pad is connected by a long distance wiring from the central part to the peripheral part. However, in the electrical connection by the through electrode, the position of the electrode pad is not limited to this, and can be arranged at an appropriate place in the pattern layout of the image sensor. That is, the electrode pad can be disposed in the central portion of the semiconductor substrate. In addition, in order to increase the processing speed of the image sensor, when parallel signal processing is employed, the output of the image sensor is extracted from a plurality of locations. In such a configuration, a signal is output through a plurality of electrode pads (a part of which is arranged in the central portion) arranged in the image sensor. Thus, the configuration of the electrode pad is a design item when designing the image sensor.
図4(b)において、350は画像処理ICである。なお、同図においては、トランジスタなどの構成要素は図示されていない。同図(b)において、352はSiなどで構成された半導体基板であり、その表面側(図の上方側)には電極パッド351が配列されている。350の内部には当該画像処理ICの駆動のための配線層が設けられており、その一部には電極パッド356が含まれている。当該電極パッドには、図4(a)で詳述したような電気接続のための、貫通電極357、配線パターン358、ボールグリッドアレイ359が接続されている。かかる構成では、前記したイメージセンサ342のボールグリッドアレイ339が、対抗して配置された画像処理ICの電極パッド351と接続される。この結果、前記イメージセンサへの信号と前記イメージセンサからの信号は、前記画像処理ICと結合することになる。かかる構成は3次元ICの一形態とも言える。 In FIG. 4B, 350 is an image processing IC. In the figure, components such as transistors are not shown. In FIG. 2B, reference numeral 352 denotes a semiconductor substrate made of Si or the like, and electrode pads 351 are arranged on the surface side (the upper side in the figure). A wiring layer for driving the image processing IC is provided inside 350, and an electrode pad 356 is included in a part thereof. The electrode pad is connected with a through electrode 357, a wiring pattern 358, and a ball grid array 359 for electrical connection as described in detail in FIG. In such a configuration, the above-described ball grid array 339 of the image sensor 342 is connected to the electrode pads 351 of the image processing IC arranged to face each other. As a result, the signal to the image sensor and the signal from the image sensor are combined with the image processing IC. Such a configuration can be said to be a form of a three-dimensional IC.
図4(c)は配線基板360の構成を示している。同図(c)において、366は配線基板の表面側(図の上方側)に設けられた電極パッドであり、貫通電極367を介して配線パターン368へ接続されている。かかる構成は、プリント基板などに周知の加工を施すことにより実現される。当該配線基板360上の電極パッド366は、対抗して配置された前記画像処理ICのボールグリッドアレイ359と接続される。この結果、前記画像処理ICへの信号と前記画像処理ICからの信号は、当該配線基板360と結合することになる。さらに、配線基板360の裏面側(図の下方側)に設けられた配線パターンには、
360からの電気信号を当該装置の外部へ供給するための配線(同図には図示されていないが、図2の317に相当)が接続される。
FIG. 4C shows the configuration of the wiring board 360. In FIG. 6C, reference numeral 366 denotes an electrode pad provided on the surface side (upper side in the drawing) of the wiring board, and is connected to the wiring pattern 368 through the through electrode 367. Such a configuration is realized by performing known processing on a printed circuit board or the like. The electrode pads 366 on the wiring board 360 are connected to the ball grid array 359 of the image processing IC arranged in opposition. As a result, the signal to the image processing IC and the signal from the image processing IC are combined with the wiring board 360. Furthermore, the wiring pattern provided on the back side (the lower side in the figure) of the wiring board 360 includes:
A wiring for supplying an electric signal from 360 to the outside of the device (not shown in the figure, but corresponding to 317 in FIG. 2) is connected.
図4(a)〜(c)に示された、イメージセンサ342と画像処理IC350と配線基板360は垂直方向に積層化されるので、当該イメージセンサが占有する面積は、イメージセンサ342と同一になる。なお、図4(b)では350が画像処理ICとして記載されているが、必ずしもこれに限らない。例えば、350には、イメージセンサ342の駆動回路や、342からの電気信号を整形したり、増幅したり、温度特性を補正したりする複数の回路などから構成されていても良い。また、配線基板360の機能は342と350からの電気信号を当該イメージセンサ応用装置の外部へ引き出すことにある。一般的に、半導体集積回路での配線パターンのピッチは小さく、数10マイクロメータ程度であり、前記配線(図2の317に相当)を直接接続するには小さすぎる。このため、プリント基板(配線ピッチは数100マイクロメータからミリメータ)を介することにより、前記配線の接続が容易となる。かかる状況から判断すると、360は必ずしも必要でないこともある。例えば、350の裏面側の配線パターン358のピッチを十分に大きく設定でき、かつ、当該配線パターンに前記配線を直接接続できるような構成になっている場合には、360が不要となる場合である。 Since the image sensor 342, the image processing IC 350, and the wiring board 360 shown in FIGS. 4A to 4C are stacked in the vertical direction, the area occupied by the image sensor is the same as that of the image sensor 342. Become. In FIG. 4B, 350 is described as the image processing IC, but the present invention is not limited to this. For example, 350 may include a drive circuit for the image sensor 342, and a plurality of circuits that shape, amplify, and correct temperature characteristics of the electrical signal from the 342. The function of the wiring board 360 is to draw out electrical signals from 342 and 350 to the outside of the image sensor application apparatus. In general, the pitch of a wiring pattern in a semiconductor integrated circuit is small, about several tens of micrometers, and is too small to directly connect the wiring (corresponding to 317 in FIG. 2). For this reason, the connection of the said wiring becomes easy by passing through a printed circuit board (wiring pitch is several hundred micrometers to millimeters). Judging from this situation, 360 may not be necessary. For example, when the pitch of the wiring pattern 358 on the back side of 350 can be set sufficiently large and the wiring can be directly connected to the wiring pattern, 360 is not necessary. .
さらに、イメージセンサ342に駆動回路、信号処理回路、画像処理回路などが集積化されている場合には、図4(c)の画像処理ICが必ずしも必要とは限らない。かかる場合においては、イメージセンサ342が配線基板360に直接接続されていて良い。また、画像処理ICの代替として、インターポーザを350に代替させても良い。インターポーザとは、例えば、イメージセンサのボールグリッドアレイ339の配列順序を入れ替えて前記配線の取り出しを容易にしたり、より広いピッチの配線パターンに変換して前記配線の取り出しを容易にする機能を有している構造体である。かかるインターポーザを採用する場合には、インターポーザにトランジスタなどの能動素子を集積化する必要は必ずしもなく、単に導電性のパターンだけが含まれていて良い。 Furthermore, when a drive circuit, a signal processing circuit, an image processing circuit, and the like are integrated in the image sensor 342, the image processing IC in FIG. 4C is not necessarily required. In such a case, the image sensor 342 may be directly connected to the wiring board 360. Further, as an alternative to the image processing IC, the interposer may be replaced with 350. The interposer has a function of facilitating the removal of the wiring by changing the arrangement order of the ball grid array 339 of the image sensor, for example, or converting it to a wiring pattern having a wider pitch. It is a structure. When such an interposer is employed, it is not always necessary to integrate active elements such as transistors in the interposer, and only a conductive pattern may be included.
本実施例3では、配線基板360には単なる導電性パターンのみが含まれている場合が示されている。しかしながら、配線基板360には小規模なICやトランジスタなどの能動素子、雑音除去のための静電容量素子などが搭載されていても良い。かかる構成は、一般的なプリント基板と同様である。 In the third embodiment, a case where the wiring board 360 includes only a conductive pattern is shown. However, the wiring board 360 may be equipped with a small-scale active element such as an IC or a transistor, a capacitance element for removing noise, or the like. Such a configuration is the same as that of a general printed circuit board.
図4(a)に示したイメージセンサは、感光素子が設けられた半導体基板331の表面側(図で上方側)から光が入射する構成になっている。イメージセンサの構成としては、半導体基板の裏面側から光を入射させる「裏面入射型センサ」があり、本実施例3においては、かかる構成のイメージセンサであっても構わない。また、感光素子としては、可視光を光電変換する場合以外に、近赤外線や赤外線に対して感度を有する構成を採用しても良い。 The image sensor shown in FIG. 4A is configured such that light enters from the surface side (upper side in the drawing) of the semiconductor substrate 331 provided with the photosensitive element. As a configuration of the image sensor, there is a “back-side incident type sensor” that makes light incident from the back side of the semiconductor substrate. In the third embodiment, the image sensor having such a configuration may be used. Moreover, as a photosensitive element, you may employ | adopt the structure which has a sensitivity with respect to near infrared rays or infrared rays besides the case where photoelectric conversion of visible light is carried out.
本段落では、図4(a)から同図(b)で示したイメージセンサ342と画像処理IC350の結合方法について記載する。この結合は前記したように、ボールグリッドアレイ339と電極パッド351を相対させてから、高温雰囲気(場合によっては上方から圧力を印加することもある)で処理することにより達成される。かかる結合方法は、図4に示した単一のイメージセンサと単一の画像処理ICとを組み合わせるだけではない。製造の容易性やコストを考慮すると、「ウェーハレベル」で結合させ、その後、単一のイメージセンサと画像処理ICへとウェーハを分割することも可能である。より具体的に記載するならば、前記したイメージセンサが多数配列されたウェーハと、前記画像処理ICが多数配列されたウェーハとを結合させ、その後、スクライブと称されるプロセスで、2枚の重なったウェーハを分割する。当該イメージセンサの大きさと画像処理ICの大きさが一致している場合には有効な製造方法である。しかしながら、両者が必ずしも一致しているとは限らないため、かかる結合方法の適用には限界がある。もちろん、両者が一致していない場合には、「ウェーハ・チップレベル」(例えば、イメージセンサが配列されているウェーハの裏側に、単一の画像処理ICを結合させる)や、「チップレベル」(単一のイメージセンサと単一の画像処理ICを別個に作成しておき両者を結合させる)で結合される。 In this paragraph, a method of combining the image sensor 342 and the image processing IC 350 shown in FIGS. 4A to 4B will be described. As described above, this bonding is achieved by processing the ball grid array 339 and the electrode pad 351 relative to each other and then processing in a high-temperature atmosphere (in some cases, pressure may be applied from above). Such a combination method is not limited to combining the single image sensor and the single image processing IC shown in FIG. In consideration of ease of manufacturing and cost, it is possible to combine at the “wafer level” and then divide the wafer into a single image sensor and image processing IC. More specifically, a wafer in which a large number of image sensors are arrayed and a wafer in which a large number of image processing ICs are arrayed are combined, and thereafter, a process called scribing is performed to overlap two sheets. Divide the wafer. This is an effective manufacturing method when the size of the image sensor matches the size of the image processing IC. However, since the two do not always match, there is a limit to the application of such a coupling method. Of course, if they do not match, “wafer / chip level” (for example, a single image processing IC is coupled to the back side of the wafer on which the image sensor is arranged) or “chip level” ( A single image sensor and a single image processing IC are separately created and combined with each other).
<イメージセンサなどの形状>
図5は本発明の実施例4であり、各種形状の組み合わせが示されている。
同図(a):イメージセンサ370、画像処理IC371、配線基板372の全てが円形形状であり、それぞれの大きさが等しい場合である。
同図(b):イメージセンサ374、画像処理IC375、配線基板376の全てが六角形形状であり、それぞれの大きさが等しい場合である。
同図(c):イメージセンサ378が円形形状、画像処理IC379と配線基板380が長方形形状であり、イメージセンサの面積が大きい場合である。
同図(d):イメージセンサ382が六角形形状、画像処理IC383と配線基板384が長方形形状であり、イメージセンサの面積が大きい場合である。
なお、同図に例示した以外の形状の組み合わせであっても良い。一般に、イメージセンサは高い光感度や高い解像度特性を実現するために、面積が大きくなる傾向がある。一方、画像処理ICは半導体技術の微細化に伴い面積を小さくすることが容易な傾向がある。また、汎用の画像処理ICを流用する場合には、その形状は長方形であることが多い。さらに、配線基板については、形状を長方形にした方が製造が容易になる。かかる状況を鑑みると、イメージセンサ、画像処理IC、配線基板のそれぞれの形状を規定された形状(例えば、全て円形形状)に制限する必要はなく、多くの組み合わせが本実施例4に含まれることになる。
<Shapes such as image sensors>
FIG. 5 shows a fourth embodiment of the present invention, in which combinations of various shapes are shown.
FIG. 5A shows a case where the image sensor 370, the image processing IC 371, and the wiring board 372 are all circular and have the same size.
FIG. 5B shows a case where the image sensor 374, the image processing IC 375, and the wiring board 376 are all hexagonal and have the same size.
(C): Image sensor 378 has a circular shape, image processing IC 379 and wiring board 380 have a rectangular shape, and the area of the image sensor is large.
FIG. 4D shows a case where the image sensor 382 has a hexagonal shape, the image processing IC 383 and the wiring board 384 have a rectangular shape, and the area of the image sensor is large.
Note that a combination of shapes other than those illustrated in FIG. In general, an image sensor tends to have a large area in order to realize high photosensitivity and high resolution characteristics. On the other hand, image processing ICs tend to be easily reduced in area with the miniaturization of semiconductor technology. When a general-purpose image processing IC is used, the shape is often rectangular. Furthermore, the wiring board is easier to manufacture if the shape is rectangular. In view of such a situation, it is not necessary to limit the shapes of the image sensor, the image processing IC, and the wiring board to prescribed shapes (for example, all circular shapes), and many combinations are included in the fourth embodiment. become.
<ウェーハ内でのイメージセンサなどの配列形態>
図6は本発明の実施例5であり、イメージセンサの形状によりウェーハ(400で示す)内での配列状態が異なることが示されている。同図(a)は3つのイメージセンサが並んで配置された構造体390の断面図であり、391の一点鎖線がそれぞれのイメージセンサの境界を示している。なお、390を構成している単一のイメージセンサの構成は図4(a)の342と同一である。
同図6(b):イメージセンサの形状が長方形(401)である場合の配列状態である。
同図6(c):イメージセンサの形状が正六角形(402)である場合の配列状態である。
同図6(d):イメージセンサの形状が円形(403)である場合の配列状態である。
図6(b)では、各イメージセンサが整列配置されているので、当該イメージセンサの周辺端部に沿って、図面上の縦方向と横方向に切断することが可能である。この配置は通常の半導体集積回路の場合と同一である。同図(c)では、正六角形のイメージセンサが「蜂の巣状」に密接して配列されており、各イメージセンサ間に無駄なスペースは発生しない。一方、同図(d)のような円形のイメージセンサの場合には、各イメージセンサを円周の一端で互いに接するように配置できるが、各イメージセンサ間には無駄なスペースが発生することになる。かかるスペースの存在は、ウェーハ1枚当たりに配列できるイメージセンサの数を低減するので、半導体製造上からは好ましくない。しかしながら、本発明では「円管内部に円形形状のイメージセンサを配置」することにより、多くの利点が生じるので、かかる無駄なスペースの存在を許容できると言える。また、同図(c)と同図(d)の場合は、ウェーハを分割して、多数のイメージセンサを切り出すためには、同図(b)について記載した従来の簡便な分割手法が採用できない。
<Arrangement form of image sensors etc. in wafer>
FIG. 6 shows a fifth embodiment of the present invention, which shows that the arrangement state in the wafer (indicated by 400) differs depending on the shape of the image sensor. FIG. 6A is a cross-sectional view of a structure 390 in which three image sensors are arranged side by side, and a dashed line 391 indicates the boundary between the image sensors. Note that the configuration of a single image sensor constituting 390 is the same as that of 342 in FIG.
FIG. 6B shows an arrangement state when the shape of the image sensor is a rectangle (401).
FIG. 6C shows an arrangement state when the shape of the image sensor is a regular hexagon (402).
FIG. 6D shows an arrangement state when the shape of the image sensor is a circle (403).
In FIG. 6B, since the image sensors are arranged in alignment, the image sensors can be cut in the vertical and horizontal directions along the peripheral edge of the image sensor. This arrangement is the same as that of a normal semiconductor integrated circuit. In FIG. 6C, regular hexagonal image sensors are closely arranged in a “honeycomb shape”, and no useless space is generated between the image sensors. On the other hand, in the case of the circular image sensor as shown in FIG. 4D, the image sensors can be arranged so as to contact each other at one end of the circumference, but a wasteful space is generated between the image sensors. Become. The existence of such a space is not preferable from the viewpoint of semiconductor manufacturing because it reduces the number of image sensors that can be arranged per wafer. However, in the present invention, “arranging the circular image sensor inside the circular tube” has many advantages, and thus it can be said that such a useless space can be allowed to exist. Further, in the case of FIG. 6C and FIG. 6D, the conventional simple division method described with reference to FIG. 5B cannot be employed to divide the wafer and cut out a large number of image sensors. .
<ウェーハからイメージセンサを切り出す手法−1>
図7は本発明の実施例6であり、正六角形あるいは円形形状のイメージセンサを1枚のウェーハから切り出す手法について説明する図である。同図(a)には六角形形状のイメージセンサを切り出す場合が示されている。同図において400は多数のイメージセンサ(402)が蜂の巣状に配列されたウェーハ、410から413は切断に使用するレーザ光の軌跡である。当該レーザは赤外線レーザであり、ビーム位置が制御できる専用装置で駆動される。また、当該専用装置には、シャッタなどでレーザを遮蔽する機構が含まれており、この機構により、レーザ光のオン状態(レーザ光が照射される状態)とオフ状態(レーザ光が遮断される状態)が設定可能となっている。レーザ光がオン状態でウェーハ面に照射されると、局所的な発熱が起こり、その部分が溶融して蒸発で穴が開けられる。このオン状態で当該レーザ光を移動させると、切断溝が形成される。図7(a)の軌跡410に沿ってレーザ光を動かし(走査し)、太い実線部分ではオン状態に、太い破線部分ではオフ状態に設定する。410の軌跡に沿った走査が完了すると、411の軌跡に沿って同様な走査を行う。410と411の斜め方向で、この走査を繰り返す。当該斜め方向の走査がウェーハ400の全面に渡って完了すると、レーザ光の軌跡の方向を右側へ60度傾斜させ、軌跡412に沿って同様な走査が繰り返される。続いて、軌跡413に沿って同様な走査が繰り返される。このように異なる3方向での、オン状態とオフ状態が断続的に繰り返される走査により、ウェーハ400から単一のイメージセンサ(402)が切り出されることになる。以上の工程により、正六角形形状のイメージセンサが容易に製造できる。
<Method for cutting out image sensor from wafer-1>
FIG. 7 is a diagram for explaining a method of cutting out a regular hexagonal or circular image sensor from one wafer according to a sixth embodiment of the present invention. FIG. 4A shows a case where a hexagonal image sensor is cut out. In the figure, reference numeral 400 denotes a wafer on which a large number of image sensors (402) are arranged in a honeycomb shape, and reference numerals 410 to 413 denote laser beam trajectories used for cutting. The laser is an infrared laser and is driven by a dedicated device that can control the beam position. In addition, the dedicated device includes a mechanism that shields the laser with a shutter or the like. By this mechanism, the laser light is turned on (a state in which the laser light is irradiated) and in an off state (the laser light is cut off). (Status) can be set. When the laser beam is applied to the wafer surface in the on state, local heat generation occurs, and the portion melts and a hole is formed by evaporation. When the laser beam is moved in this ON state, a cutting groove is formed. The laser beam is moved (scanned) along the locus 410 in FIG. 7A, and the thick solid line portion is set to the on state and the thick broken line portion is set to the off state. When the scanning along the trajectory 410 is completed, the same scanning is performed along the trajectory 411. This scanning is repeated in the oblique directions 410 and 411. When the scan in the oblique direction is completed over the entire surface of the wafer 400, the direction of the laser beam trajectory is tilted 60 degrees to the right, and the same scan is repeated along the trajectory 412. Subsequently, the same scanning is repeated along the locus 413. Thus, a single image sensor (402) is cut out from the wafer 400 by scanning in which the ON state and the OFF state are intermittently repeated in three different directions. Through the above steps, a regular hexagonal image sensor can be easily manufactured.
図7(b)には円形形状のイメージセンサを切り出す場合が示されている。同図において400は多数のイメージセンサ(403)が隣接して配列されたウェーハ、415は切断に使用するレーザ光の軌跡である。同図(b)ではレーザ光をオン状態にしたまま、イメージセンサの周囲に沿って円状に走査し、この走査を繰り返すことにより、単一のイメージセンサ403をウェーハ400から切り出すことが可能である。 FIG. 7B shows a case where a circular image sensor is cut out. In the figure, reference numeral 400 denotes a wafer on which a large number of image sensors (403) are arranged adjacent to each other, and reference numeral 415 denotes a locus of laser light used for cutting. In FIG. 6B, it is possible to cut out a single image sensor 403 from the wafer 400 by scanning in a circle along the periphery of the image sensor with the laser light turned on, and repeating this scanning. is there.
前段落では、レーザ光の照射により、ウェーハの一部を溶融、蒸発させる手法が記載された。しかしながら、ウェーハが溶融する時に、液状となったウェーハの一部が蒸発時に周囲に飛び散り、イメージセンサの表面に付着する可能性がある。この付着が発生すると、イメージセンサの一部が前記入射光を遮るため、センサを不良品にしてしまう可能性がある。これを防止するため、最近では「ステルスダイシング」と称されるレーザ切断技術が開発されている。この技術では、赤外光レーザをウェーハの内部に集光させ、内部に大きな歪を発生させ、この歪が内部から表面に到達する「裂け目」を誘起することを利用している。当該裂け目の発生により、ウェーハに衝撃力を印加すればウェーハから単一のイメージセンサを分離することができる。図7(a)と図10(b)に示したイメージセンサの切り出しに、かかるステルスダイシングを用いても良い。 In the previous paragraph, a method for melting and evaporating a part of a wafer by laser light irradiation was described. However, when the wafer is melted, a part of the wafer that has become liquid may scatter to the periphery during evaporation and adhere to the surface of the image sensor. When this adhesion occurs, a part of the image sensor blocks the incident light, which may make the sensor defective. In order to prevent this, a laser cutting technique called “stealth dicing” has recently been developed. This technique utilizes the fact that an infrared laser is focused inside a wafer, a large strain is generated inside, and this strain induces a “break” that reaches the surface from the inside. Due to the generation of the tear, a single image sensor can be separated from the wafer by applying an impact force to the wafer. Such stealth dicing may be used to cut out the image sensor shown in FIGS. 7A and 10B.
<ウェーハからイメージセンサを切り出す手法−2>
図8は本発明の実施例7であり、円形形状のイメージセンサを1枚のウェーハから切り出す他の手法について説明する図である。本実施例7では、サンドブラストを用いていることに特徴がある。図8(a)において、420はウェーハ、421は円形形状のイメージセンサであり、複数個のイメージセンサが配列されている。同図(a)の一点鎖線422での断面図が同図(b)に示されている。同図(b)において、423はイメージセンサであり、3個のイメージセンサが横方向に並んでいる場合が示されている。424は各イメージセンサの境界を示す線である。425はサンドブラストでのマスク層であり、当該工程で除去しない部分(ウェーハ内のイメージセンサが存在する領域)のみに積層化されている。426はサンドブラストでの砥粒の流れを示している。以下では、425のマスク層の形成法について記載する。
(1)シート状のドライフィルムをウェーハ上に張り付ける。マスク層の素材として
は感光性ウレタン樹脂であることが多い。
(2)周知の露光技術を用いて、イメージセンサが存在する領域に紫外線を照射する。
当該ドライフィルムがネガ型である場合には、この露光によりイメージセンサ
が存在する領域の組成が変化する。
(3)紫外線が照射されていない領域のドライフィルムは、現像液により溶融除去さ
れる。この結果、図8(b)に示すように、イメージセンサの上部のみにドラ
イフィルムが残り、マスク層となる。
(4)残されたドライフィルムをベーキング(焼き締め)する。
(5)サンドブラストで高速の砥粒を衝突させ、マスク層以外の領域を物理的に除去
する。
(6)マスク層からドライフィルムを剥離して、イメージセンサを洗浄する。
マスク層となるドライフィルムは柔らかいので、砥粒が衝突しても、衝撃力を吸収することができる。一方、マスク層で覆われていない領域は、保護ガラス、接着層、半導体などの硬い材料で構成されているので、砥粒の衝突により、衝撃力で破壊される。砥粒の大きさは適宜選択されて良いが、微細な面積に対して加工を行う場合には、小口径の砥粒を選択する。また、サンドブラストでは、極度に加工面積が小さくなると、砥粒が対象物に埋まってしまい、加工が進まないことが知られている。一例として挙げると、加工面積50マイクロメータ程度が限界と言われている。このため、図8(a)でのイメージセンサの配列では、その間隔が50マイクロメータ以上であることが必要となる。この間隔が大きいと、口径が大きい砥粒を使うことができ、加工時間の短縮が可能になる利点がある。
<Method-2 for cutting out image sensor from wafer-2>
FIG. 8 is a diagram for explaining another method of cutting out a circular image sensor from one wafer, which is Embodiment 7 of the present invention. The seventh embodiment is characterized in that sand blasting is used. In FIG. 8A, 420 is a wafer, 421 is a circular image sensor, and a plurality of image sensors are arranged. A cross-sectional view taken along one-dot chain line 422 is shown in FIG. In FIG. 4B, reference numeral 423 denotes an image sensor, and a case where three image sensors are arranged in the horizontal direction is shown. Reference numeral 424 denotes a line indicating the boundary of each image sensor. Reference numeral 425 denotes a sandblast mask layer, which is laminated only on a portion that is not removed in this process (an area in the wafer where an image sensor is present). Reference numeral 426 indicates the flow of abrasive grains in sandblasting. Hereinafter, a method for forming the mask layer 425 will be described.
(1) A sheet-like dry film is stuck on the wafer. As a material for the mask layer
Is often a photosensitive urethane resin.
(2) Using a well-known exposure technique, irradiate the region where the image sensor exists with ultraviolet rays.
When the dry film is a negative type, the image sensor is obtained by this exposure.
The composition of the region where there is is changed.
(3) The dry film in the region not irradiated with ultraviolet rays is melted and removed by the developer.
It is. As a result, as shown in FIG.
The film remains and becomes a mask layer.
(4) The remaining dry film is baked.
(5) High-speed abrasive grains collide with sandblasting to physically remove areas other than the mask layer
To do.
(6) The dry film is peeled off from the mask layer, and the image sensor is cleaned.
Since the dry film serving as the mask layer is soft, even if abrasive grains collide, the impact force can be absorbed. On the other hand, since the region not covered with the mask layer is made of a hard material such as a protective glass, an adhesive layer, or a semiconductor, it is destroyed by an impact force due to collision of abrasive grains. The size of the abrasive grains may be selected as appropriate, but when processing is performed on a fine area, a small-diameter abrasive grain is selected. In sandblasting, it is known that if the processing area is extremely small, the abrasive grains are buried in the object and the processing does not proceed. As an example, a processing area of about 50 micrometers is said to be the limit. For this reason, in the arrangement of the image sensors in FIG. 8A, the interval needs to be 50 micrometers or more. When this interval is large, abrasive grains having a large diameter can be used, and there is an advantage that the processing time can be shortened.
図8では、イメージセンサが円形形状である場合が例示されている。しかしながら、本実施例7はこれに限らず、円形以外の形状、例えば、六角形や八角形のイメージセンサに対しても適用できる。また、同図では、イメージセンサの表面側(図では上方側)から砥粒を衝突させることが示されているが、イメージセンサの裏面側(図では下方側)にマスク層を設け、裏面側から砥粒を衝突させても良い。前段落でのマスク層の形成には、シート状のドライフィルムにパターンを形成する手法が例示されているが、その限りではない。例えば、ドライフィルム単体を露光、現像、ベーキングして、円形のドライフィルムを予め作成しておき、この円形のドライフィルムをウェーハ上に複数個貼り付けても良い。さらに、図8(b)では、イメージセンサの下側にクッションとなるシート(図示せず)を張り付けても良い。この場合には、当該クッションは、サンドブラストが完了して、個々の円形形状のイメージセンサが作成された段階で、個々のイメージセンサがばらばらに散逸することを防止できる利点がある。当該クッションはラミネートされても良く、場合によってはスピンコートされても良い。当該クッションは半導体製造工程のスクライブ(チップ分離)工程で使用されるダイシングシートであっても良い。また、図8の実施例7では、「サンドブラスト」を利用する場合が記載されているが、高圧の水を対象物に衝突させて加工する「ウォータジェット」技術も利用できる。 FIG. 8 illustrates a case where the image sensor has a circular shape. However, the seventh embodiment is not limited to this, but can be applied to shapes other than circular shapes, for example, hexagonal and octagonal image sensors. In addition, in the figure, it is shown that abrasive grains collide from the front side (upper side in the figure) of the image sensor, but a mask layer is provided on the back side (lower side in the figure) of the image sensor, and the back side The abrasive grains may collide with each other. In the formation of the mask layer in the previous paragraph, a method of forming a pattern on a sheet-like dry film is exemplified, but not limited thereto. For example, a single dry film may be exposed, developed, and baked to create a circular dry film in advance, and a plurality of the circular dry films may be attached to the wafer. Further, in FIG. 8B, a seat (not shown) serving as a cushion may be attached to the lower side of the image sensor. In this case, the cushion has an advantage that the individual image sensors can be prevented from being scattered apart at the stage where the sandblasting is completed and the individual circular image sensors are created. The cushion may be laminated and optionally spin coated. The cushion may be a dicing sheet used in a scribe (chip separation) process of a semiconductor manufacturing process. In addition, in Example 7 of FIG. 8, the case where “sand blast” is used is described, but “water jet” technology in which high-pressure water is collided with an object to be processed can also be used.
<ウェーハからイメージセンサを切り出す手法−3>
図9は本発明の実施例8であり、円形形状のイメージセンサを1枚のウェーハから切り出す他の手法について説明する図である。本実施例8においても、サンドブラストを用いる例が記載される。図9に示すように、本実施例8は、前記した実施例7と異なり、前記イメージセンサ(423として表示)と前記画像処理IC(350として表示)とがウェーハレベルで積層化された構造体430に対してサンドブラストを行うことに特徴がある。なお、図9において、一点鎖線431は、ウェーハ内での単一のイメージセンサの境界を示しており、この鎖線に沿ってイメージセンサと画像処理ICとがウェーハから分離される。なお、前記した実施例7では、イメージセンサと画像処理ICとは、それぞれが配列されているウェーハを個別にサンドブラストし、ウェーハから分離された、単一のイメージセンサと単一の画像処理ICとを積層することが必要になる。これに対して、本実施例8は、構造体430をウェーハレベルで構成してから、ウェーハを裁断するため、製造工程が簡略化され、製造技術面からは実施例7よりも好ましい実施形態と言える。また、本段落では記載していないが、実施例7で記載したように、六角形形状への適用、裏面側からのサンドブラスト、クッションの貼り付けなど、多くの変形が含まれる。
<Method 3 for cutting out image sensor from wafer-3>
FIG. 9 shows an eighth embodiment of the present invention, and is a diagram for explaining another method for cutting out a circular image sensor from one wafer. In Example 8 as well, an example using sandblasting is described. As shown in FIG. 9, the eighth embodiment is different from the seventh embodiment in that the image sensor (displayed as 423) and the image processing IC (displayed as 350) are stacked at the wafer level. It is characterized by sandblasting 430. In FIG. 9, an alternate long and short dash line 431 indicates a boundary of a single image sensor in the wafer, and the image sensor and the image processing IC are separated from the wafer along the chain line. In Example 7 described above, the image sensor and the image processing IC are obtained by sandblasting each of the wafers on which the image sensor and the image processing IC are arranged individually, and separating the single image sensor and the single image processing IC from the wafer. Need to be laminated. On the other hand, in the eighth embodiment, since the structure 430 is configured at the wafer level and then the wafer is cut, the manufacturing process is simplified, and the manufacturing technique is more preferable than the seventh embodiment. I can say that. Although not described in this paragraph, as described in Example 7, many modifications are included such as application to a hexagonal shape, sandblasting from the back side, and attachment of a cushion.
<ウェーハからイメージセンサを切り出す手法−4>
図10は本発明の実施例9であり、円形形状のイメージセンサを1枚のウェーハから切り出す他の手法について説明する図である。同図において、図8と同一番号は同一構成要素を示している。同図(b)は同図(a)の一点鎖線422で示した部分の構造断面図である。同図(b)において、441は前記イメージセンサを構成するセンサ部分(図4(a)での330に相当)であり、表面側にはマイクロレンズが露出した構造となっている。一点鎖線442は単一のセンサ部分の境界である。443は当該441上に配置されたレジスト層である。かかるレジスト層は周知の露光技術で作成される。444は当該443の存在しない領域をエッチング(食刻)する溶液あるいは気体の流れを示している。かかるエッチングには溶液を用いる湿式と、気体を用いる乾式とがある。湿式では、多くの溶液が利用できる。例えば、酸化シリコンに対しては弗酸系の溶液、シリコンに対しては硝弗酸系の溶液、EDP(エチレンジアミンピロカテコール)、KOH(水酸化カリウム)、ヒドラジン、TMA(トリメチルアルミニウム)などがある。また、乾式では、弗素系の気体イオンを用いたイオンエッチング手法がある。かかるエッチングにより、レジスト層443で覆われていないウェーハ領域が除去でき、単一のセンサ部分を切り出すことが可能となる。なお、かかるエッチングでは、ウェーハの厚さ方向に沿ってエッチングが進むため、エッチングの深さが大きくなると、横方向にもエッチングが進み、前記レジスト層443の形状とは異なった(一般には、より面積が小さくなる方向)形状になりがちである。かかる形状の変化が好ましくない場合には、エッチングがウェーハの厚さ方向のみに進行する「異方性エッチング」を採用することが好ましい。
<Method 4 for cutting out image sensor from wafer-4>
FIG. 10 is a diagram for explaining another method of cutting out a circular image sensor from one wafer according to the ninth embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 8 denote the same components. FIG. 4B is a structural cross-sectional view of the portion indicated by the alternate long and short dash line 422 in FIG. In FIG. 4B, reference numeral 441 denotes a sensor portion (corresponding to 330 in FIG. 4A) constituting the image sensor, and has a structure in which a microlens is exposed on the surface side. An alternate long and short dash line 442 is a boundary of a single sensor portion. Reference numeral 443 denotes a resist layer disposed on the 441. Such a resist layer is formed by a known exposure technique. Reference numeral 444 denotes a flow of a solution or gas for etching (etching) a region where the 443 does not exist. Such etching includes a wet method using a solution and a dry method using a gas. Many solutions can be used in the wet process. For example, hydrofluoric acid solution for silicon oxide, nitric hydrofluoric acid solution for silicon, EDP (ethylenediamine pyrocatechol), KOH (potassium hydroxide), hydrazine, TMA (trimethylaluminum), etc. . In the dry method, there is an ion etching method using fluorine-based gas ions. By this etching, the wafer region not covered with the resist layer 443 can be removed, and a single sensor portion can be cut out. In this etching, since the etching proceeds along the thickness direction of the wafer, when the etching depth increases, the etching proceeds in the lateral direction, which is different from the shape of the resist layer 443 (generally, more The area tends to become smaller. When such a shape change is not preferable, it is preferable to employ “anisotropic etching” in which etching proceeds only in the thickness direction of the wafer.
前段落まででは、ウェーハからイメージセンサを切り出す各種の手法について記載してきた。いずれの手法も、ウェーハから最終形状のイメージセンサを切り出している。しかしながら、本発明はかかる手法に限らず、「ウェーハから途中形状のイメージセンサを切り出し、単一のイメージセンサに対して最終形状への加工を施す」ことも含まれる。一例として、ウェーハからイメージセンサを含む(望むらくは外接するような)「長方形」領域を切り出し、その後に、分離された長方形から最終形状(例えば円形や多角形)へ加工することが挙げられる。かかる手法においては、長方形への切り出しに、通常の半導体製造工程で利用されているスクライブが利用できる利点がある。 Up to the previous paragraph, various methods for cutting out image sensors from wafers have been described. In either method, the final shape image sensor is cut out from the wafer. However, the present invention is not limited to such a method, and includes “cutting out an image sensor having a halfway shape from a wafer and processing the single image sensor into a final shape”. One example is to cut out a “rectangular” region that contains (preferably circumscribing) the image sensor from the wafer, and then processing from the separated rectangle to a final shape (eg, circular or polygonal). This method has an advantage that a scribe used in a normal semiconductor manufacturing process can be used for cutting into a rectangle.
なお、前段落までに記載したような、ウェーハからイメージセンサを切り出す各種の手法は、当該イメージセンサが六角形や円形以外の形状、例えば、五角形以上の多角形に対しても適用されることは明らかである。 In addition, as described in the previous paragraph, various methods for cutting out an image sensor from a wafer can be applied to shapes other than hexagons and circles, for example, polygons of pentagons or more. it is obvious.
<円形形状イメージセンサのレイアウト>
図11は本発明の実施例10であり、円形形状イメージセンサ表面でのレイアウトを示している。同図(a)は従来例であり、451は、円管の内壁450に沿って配置された正方形形状のイメージセンサであり、その表面には、感光素子が配列された領域(以後は「感光素子領域」と表示)452と、駆動回路や信号処理回路が配列された周辺回路の領域(以後は「周辺回路領域」と表示)453とが配列されている。同図(b)では、内壁450に沿って円形形状のイメージセンサ461が配置された状況が示されている。462は感光素子領域、463は周辺回路領域である。同図(b)では、同図(a)の感光素子と同一サイズの感光素子が配列されているが、その数は大きくなっている。例えば、同図(a)の36素子に対して、同図(b)では81素子となっており、2.25倍に増加している。即ち、イメージセンサを正方形から円形にすることにより、感光素子数の増大が可能で、イメージセンサの解像度特性を容易に向上させ、画像の鮮鋭化を図ることができる。
<Layout of circular image sensor>
FIG. 11 is a tenth embodiment of the present invention and shows a layout on the surface of a circular image sensor. FIG. 4A shows a conventional example, and reference numeral 451 denotes a square-shaped image sensor arranged along the inner wall 450 of the circular tube. On the surface thereof, a region where photosensitive elements are arranged (hereinafter referred to as “photosensitive”). An element region “display” 452 and a peripheral circuit region (hereinafter referred to as “peripheral circuit region”) 453 in which drive circuits and signal processing circuits are arranged are arranged. FIG. 5B shows a situation where a circular image sensor 461 is arranged along the inner wall 450. Reference numeral 462 denotes a photosensitive element region, and 463 denotes a peripheral circuit region. In FIG. 5B, photosensitive elements having the same size as the photosensitive elements in FIG. 5A are arranged, but the number thereof is large. For example, compared with 36 elements in FIG. 11A, the number of elements is 81 in FIG. 11B, which is increased by 2.25 times. That is, by changing the image sensor from a square to a circle, the number of photosensitive elements can be increased, the resolution characteristics of the image sensor can be easily improved, and the image can be sharpened.
同図(c)では、内壁450に沿って円形形状のイメージセンサ471が配置された状況が示されている。472は感光素子領域、473は周辺回路領域である。同図(c)では、同図(a)の感光素子と同じ数の感光素子が配列されているが、その面積(いわゆる「画素面積」)は大きくなっている。例えば、同図(a)の感光素子の面積に対して、同図(c)では2.25倍の感光素子面積になっている。一般的に、イメージセンサでは単位となる感光素子(画素)の面積が大きくなると、光感度が増大し、低照度の被写体でも撮像可能となることが知られている。即ち、イメージセンサを正方形から円形にすることにより、感光素子の面積を増大させることが可能で、イメージセンサの光感度特性を容易に向上させることができる。 FIG. 6C shows a situation where a circular image sensor 471 is arranged along the inner wall 450. Reference numeral 472 denotes a photosensitive element region, and 473 denotes a peripheral circuit region. In FIG. 8C, the same number of photosensitive elements as the photosensitive elements in FIG. 9A are arranged, but the area (so-called “pixel area”) is large. For example, the photosensitive element area is 2.25 times that of the photosensitive element in FIG. In general, it is known that in an image sensor, when the area of a photosensitive element (pixel) serving as a unit is increased, light sensitivity is increased, and even a low-illumination subject can be imaged. That is, by changing the image sensor from a square to a circle, the area of the photosensitive element can be increased, and the photosensitivity characteristics of the image sensor can be easily improved.
同図(d)では、内壁450に沿って円形形状のイメージセンサ481が配置された状況が示されている。同図では周辺回路領域がなく、全ての面積が感光素子領域482に割り当てられている場合が示されている。かかる構成は、イメージセンサの動作原理と駆動/信号処理方法に依存するが、前記した画像処理ICに、駆動/信号処理回路を割り振ることにより実現可能となる。同図(d)では、同図(a)の感光素子と同一サイズの感光素子が配列されているが、その数は大きくなっている。例えば、同図(a)の36素子に対して、同図(b)では128素子となっている。もちろん、同図(a)においても周辺回路領域453をなくすことにより、正方形内の感光素子を100程度まで増加させることが可能である。いずれにしても、イメージセンサの外形形状を正方形から円形にすることにより、感光素子数の増大が容易に図れることになる。 FIG. 4D shows a situation where a circular image sensor 481 is arranged along the inner wall 450. This figure shows a case where there is no peripheral circuit area and all the area is allocated to the photosensitive element area 482. Such a configuration depends on the operation principle of the image sensor and the drive / signal processing method, but can be realized by assigning a drive / signal processing circuit to the image processing IC described above. In FIG. 9D, photosensitive elements having the same size as the photosensitive elements in FIG. 9A are arranged, but the number thereof is large. For example, in contrast to 36 elements in FIG. 10A, there are 128 elements in FIG. Of course, it is possible to increase the number of photosensitive elements in the square to about 100 by eliminating the peripheral circuit region 453 in FIG. In any case, the number of photosensitive elements can be easily increased by changing the outer shape of the image sensor from a square to a circle.
前段落までで記載したように、イメージセンサを正方形から円形に変えることにより、イメージセンサの面積を大きくすることが可能であり、この面積増大を、感光素子数の増加や、感光素子面積の増大に利用することができる。この結果、イメージセンサの解像度特性や光感度特性の大幅な向上が期待でき、本発明の効果は多大であると言える。 As described in the previous paragraph, it is possible to increase the area of the image sensor by changing the image sensor from a square to a circle, and this increase in the area increases the number of photosensitive elements and the area of the photosensitive elements. Can be used. As a result, it can be expected that the resolution characteristics and photosensitivity characteristics of the image sensor will be greatly improved, and the effects of the present invention will be great.
<六角形形状イメージセンサのレイアウト>
図12は本発明の実施例11であり、六角形形状イメージセンサ表面でのレイアウトを示している。同図において、図11と同一番号は同一構成要素を示している。同図(a)は従来例であり、円管の内壁450に沿って配置された正方形形状のイメージセンサ451が示されている。同図(b)では、内壁450に沿って六角形形状のイメージセンサ491が配置された状況が示されている。492は感光素子領域、493は周辺回路領域である。同図(b)では、同図(a)の感光素子と同一サイズの感光素子が配列されているが、その数は大きくなっている。例えば、同図(a)の36素子に対して、同図(b)では64素子となっており、1.78倍に増加している。即ち、イメージセンサを正方形から六角形にすることにより、感光素子数の増大が可能で、イメージセンサの解像度特性を容易に向上させ、画像の鮮鋭化を図ることができる。また、実施例10で記載したように、感光素子の数を同じにして、感光素子の面積を増大することも可能である。さらに、イメージセンサの外形を六角形ではなく、八角形を含む多角形にしても同様な効果が得られる。図12(b)では、イメージセンサ491と内壁450との間に空間が発生することは避けられない。当該空間は無駄な面積とはならず、他の目的に利用可能である。例えば、前記したLEDなどで構成された照光用の光源(図2の312)への電力供給用の配線494のために利用することができる。
<Hexagonal shape image sensor layout>
FIG. 12 shows a layout on the surface of the hexagonal image sensor, which is Embodiment 11 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 11 denote the same components. FIG. 6A shows a conventional example, and shows a square-shaped image sensor 451 arranged along the inner wall 450 of the circular tube. FIG. 5B shows a situation where a hexagonal image sensor 491 is arranged along the inner wall 450. Reference numeral 492 denotes a photosensitive element region, and 493 denotes a peripheral circuit region. In FIG. 5B, photosensitive elements having the same size as the photosensitive elements in FIG. 5A are arranged, but the number thereof is large. For example, compared with 36 elements in FIG. 6A, 64 elements in FIG. 5B, which is increased 1.78 times. That is, by changing the image sensor from a square to a hexagon, the number of photosensitive elements can be increased, the resolution characteristics of the image sensor can be easily improved, and the image can be sharpened. Further, as described in Example 10, it is possible to increase the area of the photosensitive element by using the same number of photosensitive elements. Further, the same effect can be obtained even if the outer shape of the image sensor is not a hexagon but a polygon including an octagon. In FIG. 12B, it is inevitable that a space is generated between the image sensor 491 and the inner wall 450. The space does not become a useless area and can be used for other purposes. For example, it can be used for the wiring 494 for supplying power to the illumination light source (312 in FIG. 2) composed of the above-described LEDs.
前段落で記載したように、イメージセンサを正方形から六角形に変えることにより、イメージセンサの面積を大きくすることが可能であり、この面積増大を、感光素子数の増加や、感光素子面積の増大に利用することができる。この結果、イメージセンサの解像度特性や光感度特性の大幅な向上が期待でき、本発明の効果は多大であると言える。 As described in the previous paragraph, it is possible to increase the area of the image sensor by changing the image sensor from a square to a hexagon, and this increase in area increases the number of photosensitive elements and the area of the photosensitive elements. Can be used. As a result, it can be expected that the resolution characteristics and photosensitivity characteristics of the image sensor will be greatly improved, and the effects of the present invention will be great.
図11と図12を用いて、それぞれ詳記した実施例10と実施例11では、当該イメージセンサの信号は、当該イメージセンサの裏面側から電気接続されている。即ち、これらの実施例では、当該電気接続を当該イメージセンサの表面側から実現することはない。この電気接続手段は、図4で記載したように、「基板裏面からの貫通電極」などで実現される。 In Example 10 and Example 11 described in detail with reference to FIGS. 11 and 12, the signals of the image sensor are electrically connected from the back side of the image sensor. That is, in these embodiments, the electrical connection is not realized from the surface side of the image sensor. As described in FIG. 4, this electrical connection means is realized by “a through electrode from the back surface of the substrate” or the like.
さらに、前記した円形あるいは少なくとも五角形のイメージセンサを採用する効果として、前記イメージセンサ応用装置の前記円管の直径を小さくすることが挙げられる。即ち、円管の内部で円管壁に内接する正方形の面積と等しい面積を有する円管を採用することにより、前記円管の直径を低減できる。より詳細に記述するならば、前記円管壁に内接するような正方形イメージセンサの面積と等しい面積を有する円形イメージセンサ(すなわち、正方形イメージセンサと同一の撮像機能が実現できることになる)を想定すると、この円形イメージセンサを収納できる円管の直径は低減できることになる。例えば、円形形状のイメージセンサでは、円管の直径を80%に低減できる。具体的に例示すると、当該イメージセンサ応用装置の外径が従来5ミリメータであったとすれば、当該低減により、外径を4ミリメータにすることができる。体内への挿入を想定した応用分野では、低侵襲性の観点からは大きな効果と言える。また、前記したイメージセンサが多角形である場合も同様な効果が得られる。 Further, as an effect of adopting the above-described circular or at least pentagonal image sensor, it is possible to reduce the diameter of the circular tube of the image sensor application apparatus. That is, the diameter of the circular pipe can be reduced by employing a circular pipe having an area equal to the square area inscribed in the circular pipe wall inside the circular pipe. To describe in more detail, assuming a circular image sensor having an area equal to the area of the square image sensor inscribed in the circular tube wall (that is, the same imaging function as that of the square image sensor can be realized). The diameter of the circular tube that can accommodate the circular image sensor can be reduced. For example, in a circular image sensor, the diameter of the circular tube can be reduced to 80%. Specifically, if the outer diameter of the image sensor application device is 5 mm in the past, the outer diameter can be reduced to 4 mm by the reduction. In application fields that are supposed to be inserted into the body, this can be said to be a great effect from the viewpoint of minimally invasiveness. The same effect can be obtained when the image sensor is polygonal.
<管内にチャネルが併設されている構造>
図13は本発明の実施例12であり、イメージセンサ応用装置の内部に撮像装置と他の装置が収納されていることを示す図である。図において、500はイメージセンサ応用装置の外壁を構成する金属などの管、501は当該イメージセンサ応用装置の内部に配置されたチャネルと呼ばれる空洞である。一般的な内視鏡では、前記撮像装置以外に、チャネルと呼ばれる空洞が設けられている。このチャネルは、例えば、鉗子などの手術器具の挿入路や、生理食塩水などの薬液噴射路として利用されることが多い。チャネルの数も1本だけではなく、大きさの異なる複数本であることもある。このチャネルの断面形状は円形であることが多い。同図において、撮像装置を収納している管502は、前記管内でチャネル部分以外の部分に配置されている。かかる構成では、金属などから成る管500(例えば、内視鏡本体の筒)の内側に、前記管502が偏心して配置された構成になる。かかる構成においても、前記撮像装置の構成要素である前記イメージセンサの形状を円形あるいは五角形以上の多角形にすることにより、本明細書に記載した多くの利点が発生する。
<Structure with channels in the pipe>
FIG. 13 shows a twelfth embodiment of the present invention and shows that an image pickup device and other devices are housed inside the image sensor application device. In the figure, reference numeral 500 denotes a pipe made of metal or the like constituting the outer wall of the image sensor application apparatus, and 501 denotes a cavity called a channel disposed inside the image sensor application apparatus. In a general endoscope, a cavity called a channel is provided in addition to the imaging device. This channel is often used, for example, as an insertion path for surgical instruments such as forceps or a medical solution ejection path such as physiological saline. The number of channels is not limited to one, but may be a plurality of channels having different sizes. The cross-sectional shape of this channel is often circular. In the figure, a tube 502 housing an imaging device is arranged in a portion other than the channel portion in the tube. In such a configuration, the tube 502 is arranged eccentrically inside a tube 500 made of metal or the like (for example, a tube of an endoscope main body). Even in such a configuration, many advantages described in the present specification are generated by making the shape of the image sensor, which is a component of the imaging device, circular or a polygon of pentagon or more.
<円形形状のセンサを搭載したイメージセンサ応用装置−2>
図14は本発明の実施例13であり、装置先端部に円形形状のイメージセンサを搭載したイメージセンサ応用装置の他の構成を示す図である。本実施例においては、前記撮像装置の構成要素であるレンズに、回転する反射鏡が設けられていることが特徴となっている。同図において、図2と同一番号は同一構成要素を示している。同図は図2と異なり、イメージセンサが検出する対象が、当該装置の前方ではなく、横方向に存在することを想定して描かれている。同図(a)は当該装置先端部の構成を示す概念図、同図(b)はその断面図である。同図において、510は、断面が円形の金属管310の一部に相当し、検出すべき光に対して透明な素材で構成されている円柱窓である。511は310の先端に位置する保護板であり、前記した光に対して不透明な素材で構成されている。515はレンズの前方に設けられた反射鏡であり、前記円形の金属管の内部で斜めに配置され、回転する機構により駆動される。かかる回転は516で示されている。
<Image sensor application device-2 equipped with a circular sensor>
FIG. 14 is a view showing another configuration of the image sensor application apparatus according to the thirteenth embodiment of the present invention, in which a circular image sensor is mounted at the tip of the apparatus. This embodiment is characterized in that a rotating mirror is provided on a lens that is a component of the imaging apparatus. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 2 denote the same components. Unlike FIG. 2, this figure is drawn on the assumption that the object detected by the image sensor exists in the horizontal direction, not in front of the apparatus. FIG. 4A is a conceptual diagram showing the configuration of the tip of the apparatus, and FIG. 4B is a sectional view thereof. In the figure, reference numeral 510 denotes a cylindrical window that corresponds to a part of the metal tube 310 having a circular cross section and is made of a material that is transparent to the light to be detected. Reference numeral 511 denotes a protective plate positioned at the tip of 310, which is made of a material that is opaque to the light. Reference numeral 515 denotes a reflecting mirror provided in front of the lens, which is disposed obliquely inside the circular metal tube and driven by a rotating mechanism. Such rotation is indicated at 516.
図15は図14の回転機構を概念的に示した図であり、同図において、図14と同一番号は同一構成要素を示している。図において、520はレンズ313、撮像装置318の光軸を示す一点鎖線である。521と522は、それぞれ、超音波モータを形成するロータとステータである。522は前記管に固定され、521に入り込んだ部分には超音波振動エレメント(図示せず)が設けられている。521には反射鏡515が取り付けられている。515と521と522は、レンズ313に設けられた「回転する反射鏡」の機構525を構成している。かかる構成では、前記超音波振動エレメントに電気信号を印加することにより、ロータ521を、光軸520を中心軸として回転させたり、停止させたりできる。すなわち、超音波モータの制御により、反射鏡515を光軸の周りに回転/停止させることができる。なお、同図では、回転/停止の動作は超音波モータで制御される例が示されているが、他の駆動源、例えば、ステッピングモータなどで制御されていても良い。反射鏡515の取り付け角度(523で示す)は光軸に対して45度をなしていることが好ましいが、この限りではない。例えば、45度である場合には撮像装置は前記イメージセンサ応用装置の「真横」を観察することができ、45度よりも大きい場合には「真横よりも少し手前」を、また、45度より小さい場合には「真横よりも少し先」を観察することができる。また、ロータ521の回転の中心軸は光軸520と一致しており、さらに、撮像装置を構成しているイメージセンサ314の感光素子領域の中心が当該光軸520と一致していることが好ましい。かかる場合には、反射鏡515が回転しても、得られる画像の中心が変動せず、観察者にとって望ましい画像が得られることになる。 FIG. 15 is a diagram conceptually showing the rotation mechanism of FIG. 14, in which the same reference numerals as those in FIG. 14 denote the same components. In the figure, reference numeral 520 denotes a one-dot chain line indicating the optical axes of the lens 313 and the imaging device 318. Reference numerals 521 and 522 denote a rotor and a stator that form an ultrasonic motor, respectively. Reference numeral 522 is fixed to the tube, and an ultrasonic vibration element (not shown) is provided in a portion that enters 521. A reflecting mirror 515 is attached to 521. Reference numerals 515, 521, and 522 constitute a “rotating reflecting mirror” mechanism 525 provided in the lens 313. In such a configuration, the rotor 521 can be rotated about the optical axis 520 as a central axis or stopped by applying an electrical signal to the ultrasonic vibration element. In other words, the reflecting mirror 515 can be rotated / stopped around the optical axis by the control of the ultrasonic motor. In the figure, an example in which the rotation / stop operation is controlled by an ultrasonic motor is shown, but it may be controlled by another drive source, for example, a stepping motor. The attachment angle (indicated by 523) of the reflecting mirror 515 is preferably 45 degrees with respect to the optical axis, but is not limited thereto. For example, when the angle is 45 degrees, the imaging apparatus can observe “straight side” of the image sensor application apparatus, and when the angle is larger than 45 degrees, “slightly ahead of right side” and from 45 degrees. When it is small, it is possible to observe “a little ahead of the side”. Further, it is preferable that the central axis of rotation of the rotor 521 coincides with the optical axis 520 and that the center of the photosensitive element region of the image sensor 314 constituting the imaging apparatus coincides with the optical axis 520. . In such a case, even if the reflecting mirror 515 rotates, the center of the obtained image does not fluctuate, and an image desirable for the observer can be obtained.
本実施例13では、当該イメージセンサ応用装置の前方ではなく、先端部周囲の画像を360度に亘って検出することが可能となる。かかる構成においては、イメージセンサの占有面積を前記円形金属管の断面積と同一(あるいは、ほぼ同一)にすることができるため、前記したように、イメージセンサの解像度特性や光感度特性の大幅な向上が期待でき、本発明の効果は多大であると言える。 In the thirteenth embodiment, it is possible to detect an image around the front end portion of the image sensor application apparatus over 360 degrees. In such a configuration, the area occupied by the image sensor can be made the same (or substantially the same) as the cross-sectional area of the circular metal tube, and as described above, the resolution characteristics and photosensitivity characteristics of the image sensor are greatly increased. Improvement can be expected, and it can be said that the effect of the present invention is great.
なお、前記した反射鏡は前記イメージセンサ応用装置が動作中に絶えず回転しているとは限らない。例えば、体内へ挿入される当該イメージセンサ応用装置の応用を想定すると、
1):当該イメージセンサ応用装置を体内へ挿入していく過程
絶えず回転させることにより、当該イメージセンサ応用装置の先端部の周辺を
360度に亘って観察することができるようになる。この結果、検査対象への
近接が安全でかつ容易となる。
2):当該イメージセンサ応用装置が検査対象に近接してからの過程
当該反射鏡の回転を停止することにより、当該イメージセンサ応用装置の先端
部の周辺の一方向のみを詳細に観察することができる。また、観察場所を変更
したい場合には、当該反射鏡を微小量回転させる。
といった動作が可能である。
The reflecting mirror described above does not always rotate constantly while the image sensor application apparatus is in operation. For example, assuming the application of the image sensor application device inserted into the body,
1): The process of inserting the image sensor application device into the body
By rotating continuously, around the tip of the image sensor application device
It becomes possible to observe over 360 degrees. As a result, the inspection target
Proximity is safe and easy.
2): Process after the image sensor application device approaches the inspection object
By stopping the rotation of the reflecting mirror, the tip of the image sensor application device
Only one direction around the part can be observed in detail. Also change the observation location
If this is desired, the reflector is rotated by a small amount.
Is possible.
なお、本実施例では反射鏡を利用しているので、撮像された画像は左右逆転している。この逆転画像は、周知の画像処理手法で正常な画像に変換することができる。 In this embodiment, since the reflecting mirror is used, the captured image is reversed left and right. This reverse image can be converted into a normal image by a known image processing method.
実施例13で例示した構成を、「スマートピル」、「カプセル内視鏡」などと称される「飲み込み型」のイメージセンサ応用装置に適用することも容易である。かかる適用形態では、前記した円形の管に代替して、断面が円形の錠剤カプセル型容器を用いる。当該適用形態では、人体内を当該イメージセンサ応用装置が移動しながら検査情報を送出するので、前記した反射鏡は絶えず回転していることが好ましい。また、前記配線基板316からの配線317は不要となり、代替として画像処理IC315および配線基板316の領域に無線通信機能を持たせ、外部との情報伝達を行うことになる。さらに、当該適用分野では、イメージセンサ応用装置の小型化が強く要求され、当該装置内の有効利用が必須となっている。本発明では、円形あるいは多角形のイメージセンサを搭載することにより、かかる要求を満足させると同時に、イメージセンサの特性向上を図ることが可能である。 It is also easy to apply the configuration illustrated in the thirteenth embodiment to a “swallow type” image sensor application device called “smart pill”, “capsule endoscope”, or the like. In this application form, instead of the circular tube described above, a tablet capsule type container having a circular cross section is used. In the application mode, since the image sensor application apparatus transmits inspection information while moving in the human body, it is preferable that the reflecting mirror is constantly rotated. Further, the wiring 317 from the wiring board 316 is unnecessary, and as an alternative, the area of the image processing IC 315 and the wiring board 316 is provided with a wireless communication function to transmit information to the outside. Furthermore, in the application field, downsizing of the image sensor application apparatus is strongly required, and effective use in the apparatus is essential. In the present invention, by mounting a circular or polygonal image sensor, it is possible to satisfy the requirements and improve the characteristics of the image sensor.
なお、前段落に記載した「飲み込み型」のイメージセンサ応用装置では、反射鏡を搭載せず、前記撮像装置が当該イメージセンサ応用装置の「前方」のみを撮像するような形態であっても良い。かかる構成においては、広い観察視野を得るために、当該撮像装置のレンズは広角、あるいは、魚眼レンズであることが好ましい。 Note that the “swallow type” image sensor application device described in the preceding paragraph may be configured such that the imaging device captures only “front” of the image sensor application device without mounting a reflecting mirror. . In such a configuration, in order to obtain a wide observation field of view, the lens of the imaging device is preferably a wide-angle lens or a fish-eye lens.
本明細書では、イメージセンサ応用装置にイメージセンサを搭載した事例を記載した。当該イメージセンサは、可視光、近赤外光、赤外光などの「光」を検出する場合が多いが、必ずしもこれらに限らない。例えば、イメージセンサの感光素子の代替に、超音波検出素子を搭載することにより、「超音波イメージング」が可能なイメージセンサ応用装置にも適用可能である。かかる場合においても、センサを円形などにすることにより、超音波イメージングの解像度特性や感度特性を増大させることが可能である。 In this specification, an example in which an image sensor is mounted on an image sensor application apparatus is described. The image sensor often detects “light” such as visible light, near-infrared light, and infrared light, but is not necessarily limited thereto. For example, the present invention can be applied to an image sensor application apparatus capable of “ultrasonic imaging” by mounting an ultrasonic detection element in place of the photosensitive element of the image sensor. Even in such a case, it is possible to increase the resolution characteristics and sensitivity characteristics of ultrasonic imaging by making the sensor circular.
なお、本明細書では図4で示したように、標準的な構成と考えられるイメージセンサの構成を例として記載されている。しかしながら、イメージセンサの構成には多種あり、本発明はこれらの全てに適用できる。一例として挙げるならば、マイクロレンズが搭載されていない構成、カラーフィルタが搭載されていないモノクロ撮像の構成、感度増大のために画素毎に増幅機能を持たせたりフォトダイオード自身が増幅機能を有すると言ったいわゆる増幅型イメージセンサの構成、水平垂直レジスタを介して画素からの信号読み出しを実行するCCD型イメージセンサ、さらには、イメージセンサ自体が積層構造をなしていて各層毎に撮像機能、信号処理機能、メモリ機能、入出力制御機能などが割り当てられているような3次元の構成などがある。かかる複数の構成例に対しても本発明は容易に適用される。 In this specification, as shown in FIG. 4, the configuration of the image sensor considered as a standard configuration is described as an example. However, there are various image sensor configurations, and the present invention can be applied to all of them. As an example, a configuration without a microlens, a monochrome imaging configuration without a color filter, an amplification function for each pixel to increase sensitivity, or a photodiode itself has an amplification function. The so-called amplification-type image sensor configuration, CCD-type image sensor that reads signals from pixels via horizontal and vertical registers, and the image sensor itself has a stacked structure, so that each layer has an imaging function and signal processing. There are three-dimensional configurations in which functions, memory functions, input / output control functions, etc. are assigned. The present invention can be easily applied to such a plurality of configuration examples.
本発明は医療機器分野や工業機器分野における、イメージセンサを搭載したイメージセンサ応用装置への適用以外にも、他の分野へ広く適用できる。例えば、細い管内に電子回路を収納することが要求される分野(例えば、光通信分野での中継器、削孔機で地下を掘削するボーリングの先端など)へ適用した場合の効果は大きい。 The present invention can be widely applied to other fields in addition to application to an image sensor application apparatus equipped with an image sensor in the medical device field and the industrial device field. For example, the present invention has a great effect when applied to a field (for example, a repeater in the field of optical communication, a tip of a boring for excavating underground with a drilling machine, etc.) that needs to store an electronic circuit in a thin pipe.
300、310、500 円形形状の管
301、401、451 正方形形状のイメージセンサ
302、314、403、421、461、471、481
円形形状のイメージセンサ
303、324、402、491 六角形形状のイメージセンサ
311、511 保護板
312 光源
313 レンズ
315、325、350、371、375、379、383 画像処理IC
316、360、372、376、380、384 配線基板
317、494 配線
318 撮像装置
330、441 センサ部分
331、352 半導体基板
332 感光素子
333 絶縁層
334 カラーフィルタ
335 マイクロレンズ
336、351、356、366 電極パッド
337、357、367 貫通電極
338、358、368 配線パターン
339、359 ボールグリッドアレイ
340 カバーガラス
341 接着層
342、370、374、378、382、423 イメージセンサ
390、430 構造体
391、424、431、442 境界
400、420 ウェーハ
410、411、412、413、415 レーザ光の軌跡
425 マスク層
426 砥粒の流れ
443 レジスト層
444 エッチングする溶液あるいは気体の流れ
450 円管の内壁
452、462、472、482、492 感光素子領域
453、463、473、493 周辺回路領域
501 チャネル
502 撮像装置を収納している管
510 透明な円柱窓
515 反射鏡
516 回転の方向
520 光軸
521 超音波モータのロータ
522 超音波モータのステータ
523 角度
525 レンズに設けられた「回転する反射鏡」の機構
300, 310, 500 Circular tube 301, 401, 451 Square image sensor 302, 314, 403, 421, 461, 471, 481
Circular image sensor 303, 324, 402, 491 Hexagonal image sensor 311, 511 Protection plate 312 Light source 313 Lens 315, 325, 350, 371, 375, 379, 383 Image processing IC
316, 360, 372, 376, 380, 384 Wiring board 317, 494 Wiring 318 Imaging device 330, 441 Sensor part 331, 352 Semiconductor substrate 332 Photosensitive element 333 Insulating layer 334 Color filter 335 Micro lens 336, 351, 356, 366 Electrode Pad 337, 357, 367 Through electrode 338, 358, 368 Wiring pattern 339, 359 Ball grid array 340 Cover glass 341 Adhesive layer 342, 370, 374, 378, 382, 423 Image sensor 390, 430 Structure 391, 424, 431 , 442 Boundary 400, 420 Wafer 410, 411, 412, 413, 415 Laser beam trajectory 425 Mask layer 426 Flow of abrasive grains 443 Resist layer 444 Etching solution or Body flow 450 Inner wall of circular tube 452, 462, 472, 482, 492 Photosensitive element region 453, 463, 473, 493 Peripheral circuit region 501 Channel 502 Tube housing imaging device 510 Transparent cylindrical window 515 Reflector 516 Direction of rotation 520 Optical axis 521 Rotor of ultrasonic motor 522 Stator of ultrasonic motor 523 Angle 525 Mechanism of “rotating reflecting mirror” provided on lens
Claims (3)
前記イメージセンサの形状が円形あるいは少なくとも五角形であることを特徴とするイメージセンサ応用装置。 An image sensor application device having an imaging device mounted at the tip of a tube made of metal, or resin, or a combination of metal and resin, and comprising at least a lens, an image sensor, and an image processing IC,
An image sensor application device, wherein the shape of the image sensor is a circle or at least a pentagon.
前記イメージセンサを構成する半導体基板の表面には、
複数の感光素子が配列された四角形形状の感光素子領域と、
該感光素子領域の周囲には、前記イメージセンサの駆動回路および信号処理回路を含む周辺回路領域と、が配置され、
該半導体基板の裏面には、
前記イメージセンサからの信号、あるいは、前記イメージセンサへの信号を伝達する電気的接続手段が配置されていること
を特徴とするイメージセンサ。 An image sensor having the circular shape or at least a pentagonal shape according to claim 1 or 2,
On the surface of the semiconductor substrate constituting the image sensor,
A rectangular photosensitive element region in which a plurality of photosensitive elements are arranged; and
Around the photosensitive element region, a peripheral circuit region including a drive circuit and a signal processing circuit of the image sensor is disposed,
On the back surface of the semiconductor substrate,
An image sensor comprising: electrical connection means for transmitting a signal from the image sensor or a signal to the image sensor.
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