DE102015108591A1

DE102015108591A1 - Bildaufnahmevorrichtung und bildaufnahmesystem

Info

Publication number: DE102015108591A1
Application number: DE102015108591.7A
Authority: DE
Inventors: Taro Kato; Jun Iba; Kazunari Kawabata; Takeshi Kojima
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2014-06-02
Filing date: 2015-06-01
Publication date: 2015-12-03
Also published as: JP2015228466A; BR102015012208A2; GB2543691A; GB201701721D0; CN105280654B; US20150350529A1; RU2015118892A; GB201509474D0; GB2528762B; CN105280654A; CN109686750A; GB2528762A; RU2650368C2; US10389930B2; GB2543691B

Abstract

Eine Bildaufnahmevorrichtung (102) umfasst einen Pixelbereich (201) mit einer Vielzahl von Pixel, die zweidimensional angeordnet sind, wobei die Vielzahl von Pixel eine Vielzahl von Bildaufnahmepixel und eine Vielzahl von Fokuserfassungspixel (301A, 301B; 401) umfassen, die zur Phasendifferenzerfassung imstande sind; eine Vielzahl von Mikrolinsen, die so angeordnet sind, dass sie jeweiligen fotoelektrischen Wandlungseinheiten der jeweiligen Bildaufnahmepixel entsprechen; und eine Vielzahl von Mikrolinsen (309; 407), die so angeordnet sind, dass sie jeweiligen fotoelektrischen Wandlungseinheiten der jeweiligen Fokuserfassungspixel (301A, 301B; 401) entsprechen. Wenn zumindest eine der Vielzahl von Mikrolinsen (301A, 301B; 401) orthogonal auf die entsprechende fotoelektrische Wandlungseinheit projiziert wird, liegt eine Scheitelposition (923) der zumindest einen Mikrolinse abseits einer Mittelposition (P5) der zumindest einen Mikrolinse.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Bildaufnahmevorrichtung mit einer asymmetrischen Mikrolinse und auf ein Bildaufnahmesystem.
Beschreibung der verwandten Technik
Die japanischen Patentoffenlegungen Nr. 2009-109965 und Nr. 2009-290157 beschreiben jeweils eine Bildaufnahmevorrichtung, bei der Bildaufnahmepixel und Fokuserfassungspixel, die zur Phasendifferenzerfassung imstande sind, in einer Bildgebungsebene bereitgestellt sind. Die japanische Patentoffenlegung Nr. 2009-109965 offenbart einen Aufbau, bei dem der Brennpunkt einer Mikrolinse für ein Fokuserfassungspixel näher an der Mikrolinse liegt als der Brennpunkt einer Mikrolinse für ein Bildaufnahmepixel. Die japanische Patentoffenlegung Nr. 2009-290157 offenbart einen Aufbau, bei dem die Position einer Mikrolinse für ein Fokuserfassungspixel und die Position einer Mikrolinse für ein Bildaufnahmepixel gemäß einer Bildhöhe verändert sind.
Die japanische Patentoffenlegung Nr. 2009-086144 offenbart einen Aufbau, bei dem Pixel, die einen Pixelsatz bilden, mit jeweiligen Mikrolinsen unterschiedlicher Formen versehen sind. Dann wird eine Fokuserfassung durch Vergleich der Ausgaben von diesen Pixel durchgeführt.
Die japanischen Patentoffenlegungen Nr. 2009-109965 und Nr. 2009-290157 geben jeweils an, dass bei der Bildaufnahmevorrichtung, die Fokuserfassungspixel und Bildaufnahmepixel umfasst, die in der Bildgebungsebene bereitgestellt sind, die Fokuserfassungsgenauigkeit verbessert werden kann. Es wurden jedoch keine ausreichenden Studien durchgeführt, um sowohl die Fokuserfassungsgenauigkeit basierend auf einer Phasendifferenzerfassung als auch die Bildaufnahmeleistung bzw. -leistungsfähigkeit zu verbessern. Der Ausdruck "Bildaufnahmeleistung" bzw. "Bildaufnahmeleistungsfähigkeit" bezieht sich zum Beispiel auf die Empfindlichkeit auf schräges einfallendes Licht oder die Fähigkeit zur Verringerung einer Mischung von Farben, die von benachbarten Pixelsignalen unterschiedlicher Farben herrührt. Die japanische Patentoffenlegung Nr. 2009-086144 gibt an, dass es möglich ist, die Notwendigkeit einer Lichtwegaufspaltungseinheit zu beheben. Erneut wurden jedoch keine ausreichenden Studien durchgeführt, um sowohl die Fokuserfassungsgenauigkeit als auch die Bildaufnahmeleistung bzw. -leistungsfähigkeit zu verbessern.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
In Anbetracht der vorstehend beschriebenen Probleme stellt die vorliegende Erfindung eine Bildaufnahmevorrichtung bereit, die Pixel, die zur Phasendifferenzerfassung imstande sind, in einer Bildgebungsebene aufweist und sowohl die Fokuserfassungsgenauigkeit als auch die Bildaufnahmeleistung bzw. -leistungsfähigkeit verbessern kann.
Eine Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst einen Pixelbereich mit einer Vielzahl von Pixel, die zweidimensional angeordnet sind, wobei die Vielzahl von Pixel eine Vielzahl von Bildaufnahmepixel und eine Vielzahl von Fokuserfassungspixel umfassen, wobei die Fokuserfassungspixel jeweils konfiguriert sind zum Ausgeben eines Signals zur Fokuserfassung basierend auf einer Phasendifferenzerfassung; eine Vielzahl von Mikrolinsen, die so angeordnet sind, dass sie jeweiligen fotoelektrischen Wandlungseinheiten der jeweiligen Bildaufnahmepixel entsprechen; und eine Vielzahl von Mikrolinsen, die so angeordnet sind, dass sie jeweiligen fotoelektrischen Wandlungseinheiten der jeweiligen Fokuserfassungspixel entsprechen. Zumindest eine der Vielzahl von Mikrolinsen ist eine asymmetrische Mikrolinse, deren Scheitelposition in Draufsicht abseits einer Mittelposition von dieser liegt.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlich. Jedes der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, die nachstehend beschrieben sind, kann einzeln oder als Kombination einer Vielzahl von Ausführungsbeispielen oder Merkmalen von diesen implementiert werden, je nachdem, wie es notwendig ist, oder wenn die Kombination von Elementen oder Merkmalen von individuellen Ausführungsbeispielen in einem einzigen Ausführungsbeispiel vorteilhaft ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein allgemeines Blockschaltbild eines Bildaufnahmesystems, das für die vorliegende Erfindung anwendbar ist.
2 ist ein allgemeines Blockschaltbild einer Bildaufnahmevorrichtung, die für die vorliegende Erfindung anwendbar ist.
3A ist eine Draufsicht eines Pixelbereichs einer Bildaufnahmevorrichtung, der für die vorliegende Erfindung anwendbar ist, 3B ist eine Draufsicht von in dem Pixelbereich angeordneten Pixel, und 3C veranschaulicht einen Querschnitt von 3B.
4A ist eine Draufsicht eines Pixelbereichs einer Bildaufnahmevorrichtung, der für die vorliegende Erfindung anwendbar ist, 4B ist eine Draufsicht eines Pixels in dem Pixelbereich, und 4C veranschaulicht einen Querschnitt von 4B.
5 ist ein Ersatzschaltbild einer Pixelschaltung, die für die vorliegende Erfindung anwendbar ist.
6 ist ein Ersatzschaltbild einer Pixelschaltung, die für die vorliegende Erfindung anwendbar ist.
7A und 7B veranschaulichen jeweils ein Pixel, das mit einer symmetrischen Mikrolinse gemäß einem Vergleichsbeispiel versehen ist.
8A und 8B veranschaulichen jeweils ein Pixel, das mit einer symmetrischen Mikrolinse gemäß einem Vergleichsbeispiel versehen ist.
9A ist eine Draufsicht einer asymmetrischen Mikrolinse gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und 9B und 9C sind Schnittansichten der asymmetrischen Mikrolinsen gemäß 9A.
10A bis 10D vergleichen die asymmetrische Mikrolinse gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einer symmetrischen Mikrolinse gemäß dem Stand der Technik.
11A ist eine Draufsicht einer Bildaufnahmevorrichtung mit einer asymmetrischen Mikrolinse gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und 11B bis 11D veranschaulichen Querschnittsstrukturen eines Zielpixels gemäß 11A.
12A und 12C sind jeweils eine Draufsicht eines mit einer asymmetrischen Mikrolinse versehenen Pixels, und 12B ist eine Schnittansicht gemäß 12A.
13A und 13B sind eine Draufsicht und eine Schnittansicht von Pixel in einer Bildaufnahmevorrichtung von Ausführungsbeispiel 1.
14A und 14B veranschaulichen weitere Pixel in der Bildaufnahmevorrichtung von Ausführungsbeispiel 1.
15A und 15B sind eine Draufsicht und eine Schnittansicht von Pixel in einer Bildaufnahmevorrichtung eines Vergleichsbeispiels.
16 zeigt optische Eigenschaften von Ausführungsbeispiel 1 und dem Vergleichsbeispiel.
17A und 17B sind eine Draufsicht und eine Schnittansicht eines Pixels in einer Bildaufnahmevorrichtung von Ausführungsbeispiel 2, und 17C und 17D sind eine Draufsicht und eine Schnittansicht eines Pixels in einer Bildaufnahmevorrichtung eines Vergleichsbeispiels.
18 zeigt optische Eigenschaften von Ausführungsbeispiel 2 und dem Vergleichsbeispiel.
19A ist eine Draufsicht eines Pixels in einer Bildaufnahmevorrichtung von Ausführungsbeispiel 3, und 19B und 19C sind Schnittansichten gemäß 19A.
20A ist eine Draufsicht der Bildaufnahmevorrichtung von Ausführungsbeispiel 3, und 20B bis 20D sind jeweils eine Draufsicht und eine Schnittansicht eines Pixels gemäß 20A.
21A ist eine Draufsicht eines Pixels in einer Bildaufnahmevorrichtung von Ausführungsbeispiel 4, und 21B und 21C sind Schnittansichten gemäß 21A.
22A ist eine Draufsicht der Bildaufnahmevorrichtung von Ausführungsbeispiel 4, und 22B bis 22D sind jeweils eine Draufsicht und eine Schnittansicht eines Pixels gemäß 22A.
23A ist eine Draufsicht eines Pixelbereichs in einer Bildaufnahmevorrichtung von Ausführungsbeispiel 5, und 23B und 23C sind jeweils eine Draufsicht von Pixel gemäß 23A.
24A ist eine Draufsicht eines Pixelbereichs in einer Bildaufnahmevorrichtung von Ausführungsbeispiel 6, und 24B ist eine Schnittansicht gemäß 24A.
25A und 25B sind jeweils eine Draufsicht und eine Schnittansicht eines Pixels in einer Bildaufnahmevorrichtung von Ausführungsbeispiel 7.
26A ist eine Draufsicht der Bildaufnahmevorrichtung von Ausführungsbeispiel 7, und 26B und 26C sind jeweils eine Schnittansicht eines Pixels gemäß 26A.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Unter Bezugnahme auf 1 und 2 werden ein Bildaufnahmesystem und eine Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
1 ist ein Blockschaltbild eines Bildaufnahmesystems. Ein Bildaufnahmesystem 100 umfasst ein Bildaufnahmeobjektiv 101, eine Bildaufnahmevorrichtung 102, eine Objektivsteuereinheit 103, eine Bildaufnahmevorrichtungssteuereinheit 104, eine Bildverarbeitungseinheit 105, eine Blenden-/Verschlusssteuereinheit 106, eine Zentralverarbeitungseinheit (CPU) 107, eine Anzeigeeinheit 108, einen Bedienschalter 109 und eine Aufzeichnungseinheit 110.
Die Bildaufnahmevorrichtung 102 des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist zur Fokuserfassung basierend auf einer Phasendifferenz in einer Bildgebungsebene imstande. Der Fokuserfassungsbetrieb wird nun beschrieben.
Licht von einem Objekt tritt durch das Bildaufnahmeobjektiv 101 und wird auf der Bildaufnahmevorrichtung 102 gesammelt. Die Bildaufnahmevorrichtung 102 wandelt das durch das Bildaufnahmeobjektiv 101 einfallende Licht in ein elektrisches Signal, führt eine vorbestimmte Verarbeitung auf dem elektrischen Signal durch, und gibt das resultierende Signal an die CPU 107 aus.
Der Betrieb der Bildaufnahmevorrichtung 102 wird gemäß einem Steuersignal von der Bildaufnahmevorrichtungssteuereinheit 104 gesteuert. Die Bildaufnahmevorrichtungssteuereinheit 104 empfängt ein Phasendifferenzerfassungssignal und dergleichen von der Bildaufnahmevorrichtung 102 und überträgt ein Bildsignal und ein Signal, das einen fokussierten Zustand bezeichnet, an die CPU 107. Zusätzlich überträgt die Bildaufnahmevorrichtungssteuereinheit 104 ein Steuersignal zum Umschalten des Ansteuermodus der Bildaufnahmevorrichtung 102 an die Bildaufnahmevorrichtung 102. Auf Empfang der Signale von der Bildaufnahmevorrichtungssteuereinheit 104 überträgt die CPU 107 das Signal, das den fokussierten Zustand bezeichnet, an die Objektivsteuereinheit 103. In Erwiderung auf das Signal von der CPU 107 steuert die Objektivsteuereinheit 103 das Bildaufnahmeobjektiv 101 an. Dieser Betrieb macht es möglich, den fokussierten Zustand der Bildaufnahmevorrichtung 102 anzupassen.
Die CPU 107 überträgt ein von der Bildaufnahmevorrichtung 102 ausgegebenes Bildsignal an die Bildverarbeitungseinheit 105. Das durch die Bildverarbeitungseinheit 105 verarbeitete Bildsignal wird durch die Anzeigeeinheit 108 angezeigt und in der Aufzeichnungseinheit 110 aufgezeichnet. Der Bedienschalter 109 ist für den Benutzer zur Änderung des Bildaufnahmebetriebs des Bildaufnahmesystems 100 abhängig von dem Objekt oder dergleichen bereitgestellt. Die Blenden-/Verschlusssteuereinheit 106 empfängt ein Signal von der CPU 107 und steuert den Öffnungs- und Schließzustand der Blende und/oder des mechanischen Verschlusses derart, dass die Belichtungsmenge für die Helligkeit des Objekts geeignet ist.
Die Bildaufnahmevorrichtung 102 wird nun unter Bezugnahme auf 2 beschrieben.
Eine Vielzahl von Pixel sind in einem Pixelbereich 201 zweidimensional angeordnet. Eine Vielzahl von Pixel, die in einer Linie/Reihe in einer Hoch-Runter-Richtung in der Zeichnung angeordnet sind, bilden eine Pixelspalte, und eine Vielzahl von Pixel, die in einer Richtung angeordnet sind, die zu der Pixelspalte orthogonal ist, bilden eine Pixelzeile. In Erwiderung auf Steuerpulse von einer Vertikalabtastschaltung 202 werden Signale von jeweiligen Pixelzeilen im Wesentlichen gleichzeitig an eine Vielzahl von entsprechenden Signalausgangsleitungen ausgegeben. Nachdem sie an die Signalausgangsleitungen ausgegeben wurden, werden die Signale der jeweiligen Pixelzeilen an eine Spaltenschaltung 203 eingegeben. Die Spaltenschaltung 203 führt zumindest einen der folgenden Vorgänge durch: Signalbeibehaltung bzw. -rückhaltung, Verstärkung, Entrauschung bzw. Rauschunterdrückung und Analog-Digital-Wandlung. Dann werden die Signale der jeweiligen Pixelzeilen, in Erwiderung auf Steuerpulse von einer Horizontalabtastschaltung 204, sequentiell an Horizontalausgangsleitungen ausgegeben, verlaufen sie eine durch Ausgangseinheit 205 und einen Ausgangskontakt 206, und werden sie nach außerhalb der Bildaufnahmevorrichtung 102 ausgegeben. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Spaltenschaltung 203, die Horizontalabtastschaltung 204, die Ausgangseinheit 205 und der Ausgangskontakt 206 sowohl über als auch unter dem Pixelbereich 201 angeordnet. Jede der Komponenten, die über und unter dem Pixelbereich 201 angeordnet sind, arbeitet dahingehend, Signale entweder von geradzahligen oder ungeradzahligen Spalten des Pixelbereichs 201 nach außerhalb der Bildaufnahmevorrichtung 102 auszugeben. Sowohl ein Bildaufnahmesignal als auch ein (nachstehend beschriebenes) Phasendifferenzerfassungssignal verlaufen durch jede der vorgenannten Komponenten und werden nach außerhalb der Bildaufnahmevorrichtung 102 ausgegeben.
Strukturen von Fokuserfassungspixel werden nun unter Bezugnahme auf 3A bis 3C und 4A bis 4C beschrieben. Gemäß 3A bis 3C ist eine fotoelektrische Wandlungseinheit von jedem Pixel mit einem Lichtabschirmungselement versehen, das einen Teil der fotoelektrischen Wandlungseinheit in Draufsicht vor Licht abschirmt. Gemäß 4A bis 4C umfasst jedes Pixel eine Vielzahl von fotoelektrischen Wandlungseinheiten und können Signale von der Vielzahl von fotoelektrischen Wandlungseinheiten unabhängig ausgelesen werden.
3A ist eine Draufsicht eines Pixelbereichs 300, 3B ist eine Draufsicht von in dem Pixelbereich 300 angeordneten Fokuserfassungspixel, und 3C veranschaulicht einen entlang der Linie IIIC-IIIC in 3B genommenen Querschnitt.
Fokuserfassungspixel 301A und 301B und Bildaufnahmepixel sind beide in dem Pixelbereich 300 angeordnet. Das Fokuserfassungspixel 301A weist eine Öffnung bzw. Apertur auf der linken Seite in der Zeichnung auf. Das heißt, dass das Fokuserfassungspixel 301A ein Lichtabschirmungselement 302 auf der rechten Seite in der Zeichnung aufweist. Das Fokuserfassungspixel 301B weist eine Öffnung bzw. Apertur auf der rechten Seite in der Zeichnung auf, und es weist das Lichtabschirmungselement 302 auf der linken Seite in der Zeichnung auf.
Obwohl das Lichtabschirmungselement 302 bei diesem Ausführungsbeispiel durch eine einzelne Schicht ausgebildet ist, kann das Lichtabschirmungselement 302 durch eine Vielzahl von Schichten oder durch eine Verdrahtung ausgebildet sein.
Die fotoelektrische Wandlungseinheit ist durch eine Fotodiode gebildet, die einen N-Typ-Halbleiterbereich 303 und einen P-Typ-Halbleiterbereich 304 umfasst. Die fotoelektrische Wandlungseinheit kann eine eingelassene Fotodiode sein, bei der der N-Typ-Halbleiterbereich 303 mit einem P-Typ-Halbleiterbereich auf seiner Vorderseite versehen ist.
Ein Zwischenschichtisolationsfilm 305 ist zur elektrischen Isolierung zwischen dem Lichtabschirmungselement 302 und einer Verdrahtung 307a und auch zwischen der Verdrahtung 307a und einer Verdrahtung 307b bereitgestellt. Eine vorbestimmte Schicht 308 ist auf der obersten Verdrahtung 307b angeordnet. Die vorbestimmte Schicht 308 ist gebildet durch zumindest einen/eine von einem Planarisierungsfilm, einer Farbfilterschicht, einer Schutzschicht und dergleichen. Eine Mikrolinse 309 ist auf der vorbestimmten Schicht 308 angeordnet.
Ein Bildaufnahmepixel weist die gleiche Struktur wie das Fokuserfassungspixel auf, mit der Ausnahme, dass es das Lichtabschirmungselement 302 nicht umfasst. Zur Unterscheidung von anderen Pixelstrukturen wird ein Fokuserfassungspixel wie dasjenige, das vorstehend beschrieben ist, hierin nachstehend als ein Fokuserfassungspixel mit einem Lichtabschirmungselement bezeichnet. Eine Vielzahl von Fokuserfassungspixel, von denen jedes ein Lichtabschirmungselement aufweist, umfassen eine Gruppe von Paaren von Fokuserfassungspixel mit geteilter Pupille. Mit Signalen, die von der Gruppe von Paaren von Fokuserfassungspixel mit geteilter Pupille ausgegeben werden, wird eine Fokuserfassung basierend auf einer Phasendifferenzerfassung durchgeführt. Das Lichtabschirmungselement 302 ist vorgesehen, um Licht zu empfangen, das einen Teil einer Austrittspupille eines optischen Bildgebungssystems einschließlich des Bildaufnahmeobjektivs 101 durchtritt. Mit anderen Worten blockiert das Lichtabschirmungselement 302 Licht, das den anderen Teil der Austrittspupille des optischen Bildgebungssystems durchtritt.
Als Nächstes wird die Struktur eines anderen Fokuserfassungspixels unter Bezugnahme auf 4A bis 4C beschrieben.
4A ist eine Draufsicht eines Pixelbereichs 400, 4B ist eine Draufsicht eines Fokuserfassungspixels in dem Pixelbereich 400, und 4C veranschaulicht einen entlang der Linie IVC-IVC in 4B genommenen Querschnitt. In der in 3A bis 3C veranschaulichten Struktur sind sowohl Fokuserfassungspixel als auch Bildaufnahmepixel in der Bildgebungsebene vorhanden. In der in 4A bis 4C veranschaulichten Struktur dient jedes Pixel als ein Fokuserfassungspixel und ein Bildaufnahmepixel.
Unterschiede gegenüber der in 3A bis 3C veranschaulichten Struktur bestehen darin, dass jedes Pixel eine Vielzahl von fotoelektrischen Wandlungseinheiten umfasst, und dass Signale von den fotoelektrischen Wandlungseinheiten unabhängig ausgelesen werden können.
Eine Vielzahl von Pixel 401, die jeweils sowohl als ein Fokuserfassungspixel als auch ein Bildaufnahmepixel dienen, sind in dem Pixelbereich 400 angeordnet.
Jedes Pixel 401 umfasst eine fotoelektrische Wandlungseinheit (Fotodiode) PD(A) mit einem N-Typ-Halbleiterbereich 402_A und einem P-Typ-Halbleiterbereich 403, sowie eine weitere fotoelektrische Wandlungseinheit (Fotodiode) PD(B) mit einem N-Typ-Halbleiterbereich 402_B und dem P-Typ-Halbleiterbereich 403. Der P-Typ-Halbleiterbereich 403 ist zwischen dem N-Typ-Halbleiterbereich 402_A und dem N-Typ-Halbleiterbereich 402_B eingebracht.
Jedes Pixel umfasst 401 umfasst ferner eine Übertragungsgateelektrode Tx_A, die ein Signal von dem N-Typ-Halbleiterbereich 402_A an einen potentialfreien Diffusionsbereich („Floating-Diffusion“) FD_A überträgt, und eine Übertragungsgateelektrode Tx_B, die ein Signal von dem N-Typ-Halbleiterbereich 402_B an einen potentialfreien Diffusionsbereich („Floating-Diffusion“) FD_B überträgt.
Jeder der potentialfreien Diffusionsbereiche FD_A und FD_B ist mit einem Eingangsknoten eines (nicht gezeigten) Verstärkungstransistors verbunden. Die potentialfreien Diffusionsbereiche FD_A und FD_B können so konfiguriert sein, dass sie miteinander elektrisch verbindbar sind, um Signale von den N-Typ- Halbleiterbereichen 402_A und 402_B in jedem Pixel aufzuaddieren. Wahlweise können die potentialfreien Diffusionsbereiche FD_A und FD_B in einem gemeinsamen aktiven Bereich angeordnet sein.
Verdrahtungen 405a bis 405c sind durch einen Zwischenschichtisolationsfilm 404 elektrisch voneinander isoliert. Eine vorbestimmte Schicht 406 ist auf der obersten Verdrahtung 405c angeordnet. Die vorbestimmte Schicht 406 ist gebildet durch zumindest einen/eine von einem Planarisierungsfilm, einer Farbfilterschicht, einer Schutzschicht und dergleichen. Eine Mikrolinse 407 ist auf der vorbestimmten Schicht 406 angeordnet.
Zur Unterscheidung von anderen Pixelstrukturen wird ein Fokuserfassungspixel wie dasjenige, das vorstehend beschrieben ist, hierin nachstehend als Fokuserfassungspixel mit einer Vielzahl von fotoelektrischen Wandlungseinheiten bezeichnet.
Wie es vorstehend beschrieben ist, liegen die höchsten Positionen (Scheitel bzw. Scheitelpunkte) der Mikrolinsen 309 und 407 abseits bzw. entfernt von bzw. neben ihrer/ihren Mittel- bzw. Mittelpunktpositionen, wenn die Mikrolinsen 309 und 407 des vorliegenden Ausführungsbeispiels, die gemäß 3C und 4C veranschaulicht sind, orthogonal auf die entsprechenden fotoelektrischen Wandlungseinheiten projiziert werden. Wahlweise liegt die Scheitel- bzw. Scheitelpunktposition der Mikrolinsen 309 abseits bzw. entfernt von bzw. neben der Mittel- bzw. Mittelpunktposition der fotoelektrischen Wandlungseinheit des entsprechenden Pixels und abseits der Mittel- bzw. Mittelpunktpositionen in einer Richtung hin zu der Mitte des Pixelbereichs 300 (z.B. in einer linken Richtung in 3B). In dem Fall eines Fokuserfassungspixels mit einer Vielzahl von fotoelektrischen Wandlungseinheiten liegt die Scheitel- bzw. Scheitelpunktposition der Mikrolinse 407 abseits von bzw. entfernt von bzw. neben dem P-Typ-Halbleiterbereich 403 zwischen den N-Typ-Halbleiterbereichen 402_A und 402_B des entsprechenden Pixels und in Richtung der Mitte des Pixelbereichs 400.
Wenn eine normale Mikrolinse orthogonal auf eine fotoelektrische Wandlungseinheit projiziert wird, stimmt die Scheitelposition der Mikrolinse mit ihrer Mittelposition überein. Das heißt, dass eine normale Mikrolinse mit Bezug auf ihre Scheitelposition symmetrisch ist. Um den Unterschied gegenüber einer solchen normalen Mikrolinse zu verdeutlichen, werden die in 3C und 4C veranschaulichten Mikrolinsen hierin nachstehend als asymmetrische Mikrolinsen bezeichnet. Andererseits werden Mikrolinsen des Stands der Technik als symmetrische Mikrolinsen bezeichnet. Die Struktur einer asymmetrischen Mikrolinse wird nachstehend ausführlich beschrieben.
Unter Bezugnahme auf 5 und 6 werden nun Ersatzschaltbilder von Pixel der Bildaufnahmevorrichtungen beschrieben, die unter Bezugnahme auf 3A bis 3C und 4A bis 4C beschrieben sind. 5 und 6 veranschaulichen jeweils eine Gesamtzahl von vier Pixel, die in einer Anordnung von zwei Zeilen und zwei Spalten angeordnet sind.
5 veranschaulicht ein Ersatzschaltbild der Bildaufnahmevorrichtung, die 3A bis 3C entspricht. Obgleich Buchstaben an die Enden von Bezugszeichen angefügt sind, um Zeilen und Spalten zu bezeichnen, werden Vorgänge, die allen Pixel gemein sind, ohne Anfügung von Buchstaben beschrieben. Vorgänge, die für jede Pixelzeile oder -spalte eindeutig bzw. einzigartig sind, werden nach Bedarf durch Anfügung von Buchstaben beschrieben.
In 5 stellen die Pixel in der ersten Zeile Fokuserfassungspixel dar, und stellen die Pixel in der zweiten Zeile Bildaufnahmepixel dar. Da Signale von Fokuserfassungspixel und normalen Bildaufnahmepixel in dem gleichen Leseverfahren ausgelesen werden können, werden diese Pixel ohne gegenseitige Unterscheidung beschrieben.
Zunächst wird ein grundlegender Signallesevorgang beschrieben. In einer fotoelektrischen Wandlungseinheit 501 erzeugte Ladungen werden über einen Übertragungstransistor 502 an einen potentialfreien Diffusionsbereich 506 übertragen. Der potentialfreie Diffusionsbereich 506 ist mit dem Gate eines Verstärkungstransistors 504 verbunden, der ein Signal basierend auf den übertragenen Ladungen verstärkt. Das verstärkte Signal wird über einen Auswahltransistor 505 an eine Signalausgangsleitung ausgegeben. Dann werden die an den potentialfreien Diffusionsbereich 506 übertragenen Ladungen durch einen Rücksetztransistor 503 rückgesetzt bzw. gelöscht.
Bei diesem Ausführungsbeispiel teilen sich zwei Pixel den Rücksetztransistor 503, den Verstärkungstransistor 504 und den Auswahltransistor 505.
Die unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen Spaltenschaltungen 203 sind in der den Signalausgangsleitungen nachfolgenden Stufe bereitgestellt. In den Spaltenschaltungen 203 wird eine vorbestimmte Verarbeitung durchgeführt.
Signale einer Vielzahl von Pixel, die in jeder Zeile enthalten sind, werden an die entsprechenden Signalausgangsleitungen ausgegeben. In Erwiderung auf ein Ansteuersignal, das an eine Übertragungssteuerleitung Tx_1 zugeführt wird, werden Übertragungstransistoren 502A und 502B von jeweiligen Pixel in der ersten Zeile im Wesentlichen gleichzeitig eingeschaltet. Dies bewirkt, dass Ladungen in fotoelektrischen Wandlungseinheiten 501A und 501B in der ersten Zeile an die potentialfreien Diffusionsbereiche 506A und 506B übertragen werden. Wenn eine Auswahlsteuerleitung TSEL_1 eingeschaltet wird, werden Auswahltransistoren 505A und 505B in der ersten Zeile eingeschaltet, sodass Signale der Pixel in der ersten und der zweiten Spalte an die Signalausgangsleitungen ausgegeben werden. Durch Wiederholung dieses Vorgangs für alle Zeilen wird ein Bild bzw. Vollbild von Bildsignalen ausgelesen.
Signale von Fokuserfassungspixel und Signale von Bildaufnahmepixel können ohne Unterscheidung nach außerhalb der Bildaufnahmevorrichtung ausgegeben werden. Die Signale von Fokuserfassungspixel werden aus den Ausgangssignalen extrahiert, sodass eine Fokuserfassung basierend auf einer Phasendifferenz durchgeführt werden kann.
Wahlweise können Signale von Bildaufnahmepixel und Signale von Fokuserfassungspixel für unterschiedliche Bilder bzw. Vollbilder ausgegeben werden.
Unter Bezugnahme auf 6 wird die Bildaufnahmevorrichtung gemäß 4A bis 4C beschrieben. Obgleich Buchstaben an die Enden von Bezugszeichen angefügt sind, um Zeilen und Spalten zu bezeichnen, werden Vorgänge, die allen Pixel gemein sind, ohne Anfügung von Buchstaben beschrieben. Vorgänge, die für jede Pixelzeile oder -spalte eindeutig bzw. einzigartig sind, werden nach Bedarf durch Anfügung von Buchstaben beschrieben.
In der in 4A bis 4C veranschaulichten Bildaufnahmevorrichtung umfasst jedes Pixel eine Vielzahl von fotoelektrischen Wandlungseinheiten, von denen Signale unabhängig ausgelesen werden können. Zum Beispiel umfasst das erste Pixel fotoelektrische Wandlungseinheiten 601_A1 und 601_A2, für die Übertragungstransistoren 602_A1 und 602_A2 bereitgestellt sind. Aufgrund einer Steuerung über Übertragungssteuerleitungen Tx_A1 und Tx_A2, die unterschiedliche Steuerverdrahtungen darstellen, können Signale von den fotoelektrischen Wandlungseinheiten 601_A1 und 601_A2 unabhängig ausgelesen werden.
Ein grundlegender Signallesevorgang wird nachstehend beschrieben. In einer fotoelektrischen Wandlungseinheit 601 erzeugte Ladungen werden über einen Übertragungstransistor 602 an einen potentialfreien Diffusionsbereich 606 übertragen. Der potentialfreie Diffusionsbereich 606 ist mit dem Gate eines Verstärkungstransistors 604 verbunden, der ein Signal basierend auf den übertragenen Ladungen verstärkt. Das verstärkte Signal wird über einen Auswahltransistor 605 an eine Signalausgangsleitung ausgegeben. Dann werden die an den potentialfreien Diffusionsbereich 606 übertragenen Ladungen durch einen Rücksetztransistor 603 rückgesetzt bzw. gelöscht.
Bei diesem Ausführungsbeispiel teilen sich zwei fotoelektrische Wandlungseinheiten, die in jedem Pixel umfasst sind, den Rücksetztransistor 603, den Verstärkungstransistor 604 und den Auswahltransistor 605.
Die unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen Spaltenschaltungen 203 sind in der den Signalausgangsleitungen nachfolgenden Stufe bereitgestellt. In den Spaltenschaltungen 203 wird eine vorbestimmte Verarbeitung durchgeführt.
Signale einer Vielzahl von Pixel, die in jeder Zeile enthalten sind, werden an die entsprechenden Signalausgangsleitungen ausgegeben. In Erwiderung auf ein Ansteuersignal, das an die Übertragungssteuerleitung Tx_A1 zugeführt wird, werden Signale der fotoelektrischen Wandlungseinheiten 601_A1 und 601_B1 der Pixel in der ersten Zeile ausgelesen. Die Übertragungstransistoren 602_A1 und 602_B1 werden gleichzeitig eingeschaltet. Dies bewirkt, dass Ladungen in den fotoelektrischen Wandlungseinheiten 601_A1 und 601_B1 an potentialfreie Diffusionsbereiche 606A und 606B übertragen werden. Wenn eine Auswahlsteuerleitung TSEL_1 eingeschaltet wird, werden Auswahltransistoren 605A und 605B in der ersten Zeile gleichzeitig eingeschaltet, und werden die Signale der Pixel in der ersten und der zweiten Spalte gleichzeitig an die Signalausgangsleitungen ausgegeben. Dann werden in Erwiderung auf ein Ansteuersignal, das an die Übertragungssteuerleitung Tx_A2 zugeführt wird, Signale der anderen fotoelektrischen Wandlungseinheiten 601_A2 und 601_B2 der Pixel in der ersten Zeile ausgelesen. Übertragungstransistoren 602_A2 und 602_B2 werden gleichzeitig eingeschaltet. Dies bewirkt, dass Ladungen in den fotoelektrischen Wandlungseinheiten 601_A2 und 601_B2 an die potentialfreien Diffusionsbereiche 606A und 606B übertragen werden. Wenn die Auswahlsteuerleitung TSEL_1 eingeschaltet wird, werden die Auswahltransistoren 605A und 605B in der ersten Zeile eingeschaltet, und werden die Signale der Pixel in der ersten und der zweiten Spalte an die Signalausgangsleitungen ausgegeben. Durch Wiederholung dieses Vorgangs für alle Zeilen wird ein Bild bzw. Vollbild von Bildsignalen ausgelesen.
Bei der Bildaufnahmevorrichtung dieses Ausführungsbeispiels dient grundsätzlich jedes Pixel sowohl als ein Fokuserfassungspixel als auch als ein Bildaufnahmepixel. Daher ist es möglich, einen erforderlichen Bereich und eine erforderliche Anzahl von Pixel aus der Bildgebungsebene auf geeignete Weise auszuwählen und diese nach außerhalb der Bildaufnahmevorrichtung auszugeben. Auch ist es möglich, Signale von Fokuserfassungspixel aus Ausgangssignalen zu extrahieren und eine Fokuserfassung basierend auf einer Phasendifferenz durchzuführen.
Es wird nun eine asymmetrische Mikrolinse beschrieben, die bei einer Bildaufnahmevorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Vor einer Beschreibung der asymmetrischen Mikrolinse wird eine Struktur unter Verwendung einer symmetrischen Mikrolinse als Vergleichsbeispiel beschrieben.
7A und 7B veranschaulichen jeweils ein Vergleichsbeispiel der unter Bezugnahme auf 3A bis 3C und 5 beschriebenen Bildaufnahmevorrichtung. 8A und 8B veranschaulichen jeweils ein Vergleichsbeispiel der unter Bezugnahme auf 4A bis 4C und 6 beschriebenen Bildaufnahmevorrichtung. Die symmetrische Mikrolinse bezieht sich auf eine Mikrolinse, die ihren höchsten Punkt in Draufsicht in ihrer Mitte hat. Die in 7A und 7B und 8A und 8B veranschaulichten Mikrolinsen haben die gleiche Form.
Eine Schrägeinfallscharakteristik ist generell als eine Charakteristik von Bildaufnahmevorrichtungen bekannt. Dies ist eine Charakteristik, die angibt, zu welchem Grad Licht, das schräg auf die Bildgebungsebene einfällt, auf der fotoelektrischen Wandlungseinheit gesammelt werden kann. Es ist ein Verfahren zur Verbesserung der Schrägeinfallscharakteristik bekannt, bei dem die Mitte der Mikrolinse aus der Mitte der fotoelektrischen Wandlungseinheit verlagert wird.
Gemäß 7A und 7B und 8A und 8B ist der Verlagerungsbetrag der symmetrischen Mikrolinse variiert, um sowohl Empfindlichkeit als auch Fokuserfassungsleistung bzw. -leistungsfähigkeit zu verbessern. Der Verlagerungsbetrag gemäß 7A ist größer als der Verlagerungsbetrag gemäß 7B, und der Verlagerungsbetrag gemäß 8A ist größer als der Verlagerungsbetrag gemäß 8B.
Gemäß 7A bilden ein N-Typ-Halbleiterbereich 701 und ein P-Typ-Halbleiterbereich 702 eine Fotodiode, die als eine fotoelektrische Wandlungseinheit dient. Ein Zwischenschichtisolationsfilm 703 ist auf der fotoelektrischen Wandlungseinheit angeordnet. Ein Lichtabschirmungselement 704 schirmt einen Teil des N-Typ-Halbleiterbereichs 701 vor Licht ab. Verdrahtungen 705a und 705b sind durch den Zwischenschichtisolationsfilm 703 voneinander isoliert. Eine vorbestimmte Schicht 706 (z.B. ein Farbfilter) ist auf der Verdrahtung 705b angeordnet, die die oberste Verdrahtungsschicht darstellt. Eine Mikrolinse 707 ist auf der oberen Seite der vorbestimmten Schicht 706 angeordnet. Die grundlegende Struktur gemäß 7B ist gleich derjenigen gemäß 7A. Die Position einer Mikrolinse 708 relativ zu dem N-Typ-Halbleiterbereich 701 gemäß 7B unterscheidet sich von der Position der Mikrolinse 707 relativ zu dem N-Typ-Halbleiterbereich 701 gemäß 7A.
In der in 7A veranschaulichten Struktur wird Licht, das durch die Mikrolinse 707 an einen Bereich links der Mitte des N-Typ-Halbleiterbereichs 701 gesammelt wird, durch das Lichtabschirmungselement 704 blockiert. Daher ist die mit der Struktur gemäß 7A erreichte Fokuserfassungsleistung bzw. -leistungsfähigkeit hoch. In dem Fall einer Erzeugung eines Signals zur Bildaufnahme unter Verwendung dieses Pixels besteht daher Raum zur Verbesserung im Hinblick auf die Empfindlichkeit, da eine große Lichtmenge durch das Lichtabschirmungselement 704 blockiert wird.
In der in 7B veranschaulichten Struktur fällt Licht in dem gesamten Bereich der Mikrolinse 708, der dem N-Typ-Halbleiterbereich 701 entspricht, auf die fotoelektrische Wandlungseinheit ein, ohne durch das Lichtabschirmungselement 704 blockiert zu werden. Daher ist die mit dieser Struktur erreichte Empfindlichkeit höher als diejenige gemäß 7A. Jedoch fällt auch Licht, das ursprünglich durch das Lichtabschirmungselement 704 zu blockieren ist, auf die fotoelektrische Wandlungseinheit ein. Im Speziellen fällt auf der linken Seite der Mikrolinse 708 einfallendes Licht, das durch das Lichtabschirmungselement 704 zur Fokuserfassung blockiert werden sollte, stattdessen auf die fotoelektrische Wandlungseinheit ein, ohne blockiert zu werden. Obwohl die Struktur gemäß 7B im Hinblick auf die Empfindlichkeit gegenüber derjenigen gemäß 7A bevorzugt ist, besteht daher Raum zur Verbesserung im Hinblick auf die Fokuserfassungsgenauigkeit.
Das heißt, dass bei den Strukturen gemäß beiden 7A und 7B eine gewisse Verbesserung vorgenommen werden muss, um sowohl Fokuserfassungsgenauigkeit als auch Empfindlichkeit zu erreichen.
Gemäß 8A bilden ein N-Typ-Halbleiterbereich 801_A und ein P-Typ-Halbleiterbereich 802, sowie ein N-Typ-Halbleiterbereich 801_B und der P-Typ-Halbleiterbereich 802 zwei Fotodioden, die jeweils als eine fotoelektrische Wandlungseinheit dienen. Ein Zwischenschichtisolationsfilm 803 ist auf den zwei fotoelektrischen Wandlungseinheiten angeordnet. Verdrahtungen 804a bis 804c sind durch den Zwischenschichtisolationsfilm 803 voneinander isoliert. Eine vorbestimmte Schicht 805 (z.B. ein Farbfilter) ist auf der Verdrahtung 804c angeordnet, die die oberste Verdrahtungsschicht darstellt. Eine Mikrolinse 806 ist auf der oberen Seite der vorbestimmten Schicht 805 angeordnet. Die grundlegende Struktur gemäß 8B ist gleich derjenigen gemäß 8A. Die Position einer Mikrolinse 807 relativ zu den N-Typ-Halbleiterbereichen 801_A und 801_B gemäß 8B unterscheidet sich von der Position der Mikrolinse 806 relativ zu den N-Typ-Halbleiterbereichen 801_A und 801_B gemäß 8A.
In der Struktur gemäß 8A befindet sich der Bereich zwischen dem N-Typ-Halbleiterbereich 801_A und dem N-Typ-Halbleiterbereich 801_B in der Mitte des Pixels. Licht, das durch die Mikrolinse 806 auf einen Bereich links der Mitte gesammelt wird, fällt auf den Bereich zwischen dem N-Typ-Halbleiterbereich 801_A und dem N-Typ-Halbleiterbereich 801_B ein. Dann wird eine relativ große Anzahl von Ladungen erzeugt und werden Signale durch den N-Typ-Halbleiterbereich 801_B ausgelesen. Daher ist die mit der Struktur gemäß 8A erzielte Fokuserfassungsgenauigkeit hoch. In dem Fall einer Erzeugung eines Signals zur Bildaufnahme unter Verwendung dieses Pixels besteht jedoch Raum zur Verbesserung im Hinblick auf die Empfindlichkeit, da eine große Lichtmenge durch die Verdrahtungen 804a bis 804c blockiert wird.
In der in 8B veranschaulichten Struktur fällt durch die Mikrolinse 807 gesammeltes Licht auf die fotoelektrische Wandlungseinheit 801_B ein, ohne durch die Verdrahtungen 804a bis 804c blockiert zu werden. Daher ist die mit dieser Struktur erzielte Empfindlichkeit höher als diejenige gemäß 8A. Da Licht auf einen Bereich einfällt, der sich näher an dem N-Typ-Halbleiterbereich 801_B befindet, besteht jedoch Raum zur Verbesserung im Hinblick auf die Fokuserfassungsgenauigkeit.
Das heißt, dass bei den Strukturen gemäß beiden 8A und 8B eine gewisse Verbesserung vorgenommen werden muss, um sowohl Fokuserfassungsgenauigkeit als auch Empfindlichkeit zu erreichen.
Als Nächstes wird eine Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird eine asymmetrische Mikrolinse verwendet. Die Verwendung einer asymmetrischen Mikrolinse kann den Freiheitsgrad beim Einstellen einer Fokusposition in der fotoelektrischen Wandlungseinheit erhöhen.
In dem Fall einer Verwendung einer symmetrischen Mikrolinse wie bei den Vergleichsbeispielen ist es schwierig, die Ebenenposition des Fokus unter Beibehalten der Position des Fokus in der Tiefenrichtung zu verändern, ohne die gesamte Mikrolinse zu bewegen. Im Gegensatz dazu macht es die Verwendung einer asymmetrischen Mikrolinse möglich, die Ebenenposition des Fokus ohne erhebliche Veränderung der Position des Fokus in der Tiefenrichtung zu verändern. Daher macht es die Verwendung einer asymmetrischen Mikrolinse möglich, ungeachtet des Ebenenlayouts von die fotoelektrische Wandlungseinheit bildenden Halbleiterbereichen, aus Polysilizium oder Metall bestehenden Verdrahtungen, dem Lichtabschirmungselements oder dergleichen, sowohl Fokuserfassungsgenauigkeit als auch Empfindlichkeit zu erreichen.
Für die asymmetrische Mikrolinse des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist es nur erforderlich, dass zumindest der höchste Punkt der Mikrolinse in Draufsicht abseits ihrer Mittelposition liegt. Mit dieser Struktur kann die Ebenenposition des Fokus leicht verändert werden.
Neben dieser Struktur wird eine asymmetrische Mikrolinsenstruktur beschrieben, die die Belegungs- bzw. Nutzungsfläche der Mikrolinse erhöhen kann.
Eine asymmetrische Mikrolinse des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird unter Bezugnahme auf 9A bis 9C beschrieben. 9A ist eine schematische Draufsicht einer asymmetrischen Mikrolinse 111. 9B und 9C sind schematische Schnittansichten der asymmetrischen Mikrolinse 111.
9A ist eine schematische Draufsicht, die einen unteren Teil 900 der asymmetrischen Mikrolinse 111 in einer Ebene veranschaulicht, die die X-Achsenrichtung und die Y-Achsenrichtung beinhaltet. Der untere Teil 900 stimmt mit der Form eines Bilds (eines Orthogonalprojektionsbilds) überein, das durch Projektion der asymmetrischen Mikrolinse 111 auf die Ebene erhalten wird, die die X-Achsenrichtung und die Y-Achsenrichtung beinhaltet. Im unteren Teil 900 hat die asymmetrische Mikrolinse 111 eine erste Länge L1 entlang der X-Achsenrichtung und auch die erste Länge L1 entlang der Y-Achsenrichtung. Im Fall einer Struktur, bei der zwischen benachbarten Mikrolinsen kein Zwischenraum besteht, ist der untere Teil 900 mit einer Mikrolinsenhöhe definiert, auf der benachbarte Mikrolinsen miteinander in Kontakt stehen.
Innerhalb des unteren Teils 900 (der asymmetrischen Mikrolinse 111) gibt es eine erste Position P1 bis zu einer sechsten Position P6 entlang der X-Achsenrichtung. Die dritte Position P3, die erste Position P1, die sechste Position P6, die fünfte Position P5, die zweite Position P2 und die vierte Position P4 sind in dieser Reihenfolge ausgehend von einem Mittelpunkt O eines Anordnungsbereichs angeordnet.
Auf der Außenkante des unteren Teils 900 der asymmetrischen Mikrolinse 111 befindet sich eine Seite 911 eines ersten Bereichs 121 an der dritten Position P3, wobei die Seite 911 am nächsten zu dem Mittelpunkt O liegt und sich entlang der Y-Achsenrichtung erstreckt. Auf der Außenkante des unteren Teils 900 der asymmetrischen Mikrolinse 111 befindet sich eine Seite 915 des ersten Bereichs 121 an der vierten Position P4, wobei die Seite 915 am weitesten von dem Mittelpunkt O entfernt liegt und sich entlang der Y-Achsenrichtung erstreckt. Die Mitte des unteren Teils 900 der asymmetrischen Mikrolinse 111 befindet sich an der fünften Position P5, die die Mitte zwischen der dritten Position P3 und der vierten Position P4 darstellt. Das heißt, dass die vierte Position P4 um die erste Länge L1 von der dritten Position P3 entfernt liegt, und die fünfte Position P5 um die Hälfte der ersten Länge L1 (L1/2) von der dritten Position P3 entfernt liegt. Wie es vorstehend beschrieben ist, bezeichnet die sechste Position P6 die Position des Scheitels bzw. Scheitelpunkts der asymmetrischen Mikrolinse 111 in der X-Achsenrichtung. Der erste Bereich 121 ist einer von Zellen, die in einer zweidimensionalen Matrix in dem Anordnungsbereich angeordnet sind. Jede der Zellen ist mit einer Mikrolinse versehen.
Wie es in 9A veranschaulicht ist, ist der untere Teil 900 vertikal symmetrisch zu der X-Achse, und ist dessen Außenkante durch die Seiten 911 bis 918 gebildet. Die Seite 911 ist eine gerade Linie, die einen Punkt 901 mit einem Punkt 908 verbindet, und die Seite 912 ist eine Kurve/Rundung, die den Punkt 901 mit einem Punkt 902 verbindet. Die Seite 913 ist eine gerade Linie, die den Punkt 902 mit einem Punkt 903 verbindet, und die Seite 914 ist eine Kurve/Rundung, die den Punkt 903 mit einem Punkt 904 verbindet. Die Seite 915 ist eine gerade Linie, die den Punkt 904 mit einem Punkt 905 verbindet, und die Seite 916 ist eine Kurve/Rundung, die den Punkt 905 mit einem Punkt 906 verbindet. Die Seite 917 ist eine gerade Linie, die den Punkt 906 mit einem Punkt 907 verbindet, und die Seite 918 ist eine Kurve/Rundung, die den Punkt 907 mit dem Punkt 908 verbindet. Die Seiten 911 und 915 sind gerade Linien, die sich entlang der Y-Achsenrichtung erstrecken. Die Seiten 913 und 917 sind gerade Linien, die sich entlang der X-Achsenrichtung erstrecken. Die Seiten 912, 914, 916 und 918 weisen jeweils eine Krümmung auf und stellen eine Verbindung zwischen geraden Linien her.
An der ersten Position P1 entlang der X-Achsenrichtung hat der untere Teil 900 eine erste Breite W1 entlang der Y-Achsenrichtung. An der zweiten Position P2 entlang der X-Achsenrichtung hat der untere Teil 900 eine zweite Breite W2 entlang der Y-Achsenrichtung. An der dritten Position P3 und der vierten Position P4 hat der untere Teil 900 eine dritte Breite W3 und eine vierte Breite W4, die entlang der Y-Achsenrichtung verlaufen. Zumindest die Beziehung W1 > W2 ist erfüllt, und es ist wünschenswerter, dass die Beziehung W1 > W2 > W3 > W4 erfüllt ist. Es ist zu beachten, dass W1 = L1 gemäß 9A erfüllt ist.
Die erste Position P1 ist eine beliebige Position in einem Abstand von der Hälfte der ersten Länge L1 oder weniger von der dritten Position P3, und die zweite Position P2 ist eine beliebige Position in einem Abstand von mehr als der Hälfte der ersten Länge L1 von der dritten Position P3. Die erste Position P1 kann eine beliebige Position in einem Abstand von weniger als der Hälfte der ersten Länge L1 von der dritten Position P3 sein, und die zweite Position P2 kann eine beliebige Position in einem Abstand von der ersten Länge L1 oder mehr von der dritten Position P3 sein. Der Abstand von dem Mittelpunkt O zu der zweiten Position P2 ist größer als derjenige von dem Mittelpunkt O zu der ersten Position P1.
9B ist eine schematische Schnittansicht der asymmetrischen Mikrolinse 111 entlang der X-Achse gemäß 9A. In einer Ebene, die die Z-Achsenrichtung und die X-Achsenrichtung beinhaltet, bilden Seiten 931 bis 933 die Außenkante eines Querschnitts 920 der asymmetrischen Mikrolinse 111. Die Seite 931 ist eine gerade Linie, die einen Punkt 921 mit einem Punkt 922 verbindet, die Seite 932 ist eine Kurve/Rundung, die den Punkt 922 mit einem Punkt 923 verbindet, und die Seite 933 ist eine Kurve/Rundung, die den Punkt 923 mit einem Punkt 924 verbindet. Die asymmetrische Mikrolinse 111 hat eine erste Höhe H1 an der ersten Position P1, eine zweite Höhe H2 an der zweiten Position P2 und eine dritte Höhe H3 an der sechsten Position P6. Diese Höhen haben die Beziehung H3 > H1 > H2. Hier ist die dritte Höhe H3 in der asymmetrischen Mikrolinse 111 am höchsten. Mit anderen Worten stellt der Punkt 923 an der sechsten Position P6 den Scheitel bzw. Scheitelpunkt der asymmetrischen Mikrolinse 111 dar. Die asymmetrische Mikrolinse 111 hat ihren Scheitel bzw. Scheitelpunkt an der sechsten Position P6, die näher zu dem Mittelpunkt O liegt als die fünfte Position P5. Hier stellt der Scheitel bzw. Scheitelpunkt den höchsten Punkt in dem Querschnitt 920 dar. Obgleich die asymmetrische Mikrolinse 111 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel den Scheitelpunkt aufweist, muss der höchste Abschnitt nicht notwendigerweise ein Punkt sein. Zum Beispiel kann die asymmetrische Mikrolinse 111 die dritte Höhe H3 an einem beliebigen Punkt entlang der Linie von der ersten Position P1 bis zu der fünften Position P5 aufweisen.
Wie es in 9B veranschaulicht ist, weist die Seite 932 der asymmetrischen Mikrolinse 111 einen Abschnitt mit einem Krümmungsradius auf, der kleiner ist als derjenige der Seite 933. Die Seite 932 kann einen Abschnitt mit einem Krümmungsradius aufweisen, der größer ist als derjenige der Seite 933. Mit dieser Struktur wird von der Seite 933 einfallendes Licht durch eine hohe Linsenleistung erheblich gekrümmt und wird die Lichtsammeleffizienz verbessert. Der Krümmungsradius kann zum Beispiel durch eine Tangente an einem beliebigen Punkt in einem Querschnitt der asymmetrischen Mikrolinse 111 bestimmt werden. Zum Beispiel wird eine Tangente zu der Seite 933 an der Mitte der Seite 933 in der X-Achsenrichtung (d.h. der Mitte zwischen der sechsten Position P6 und der vierten Position P4) bestimmt. Der Krümmungsradius kann aus einem Inkreis bzw. (innerer) Tangentialkreis der Tangente erhalten werden. Es können auch andere Verfahren, die generell zur Messung des Krümmungsradius verwendet werden, zur Bestimmung des Krümmungsradius von jedem Teil verwendet werden.
9C zeigt Querschnitte der asymmetrischen Mikrolinse 111 an der ersten Position P1 und der zweiten Position P2 gemäß 9A. Ein erster Querschnitt 941 ist ein Querschnitt der asymmetrischen Mikrolinse 111, der an der ersten Position P1 gemäß 9A entlang der Y-Achsenrichtung genommen ist. Ein zweiter Querschnitt 942 ist ein Querschnitt der asymmetrischen Mikrolinse 111, der an der zweiten Position P2 gemäß 9A entlang der Y-Achsenrichtung genommen ist. In dem ersten Querschnitt 941 hat die asymmetrische Mikrolinse 111 die erste Breite W1 und die erste Höhe H1, die am höchsten ist und dem Scheitel bzw. Scheitelpunkt des ersten Querschnitts 941 entspricht. Die Außenkante des ersten Querschnitts 941 hat einen Krümmungsradius R1. In dem zweiten Querschnitt 942 hat die asymmetrische Mikrolinse 111 die zweite Breite W2 und die zweite Höhe H2, die am höchsten ist und dem Scheitel bzw. Scheitelpunkt des zweiten Querschnitts 942 entspricht. Obwohl die asymmetrische Mikrolinse 111 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel diese Scheitelpunkte aufweist, müssen die Abschnitte mit der ersten Höhe H1 und der zweiten Höhe H2 nicht notwendigerweise Punkte sein, wie es vorstehend beschrieben ist.
Die Außenkante des zweiten Querschnitts 942 hat einen zweiten Krümmungsradius R2. Der erste und der zweite Krümmungsradius R1 und R2 haben die Beziehung R1 < R2. Diese Beziehung kann R1 > R2 sein, aber die zweite Breite W2 kann verengt/verschmälert sein und das Flächenbelegungsverhältnis kann herabgesetzt sein. In diesem Fall kann die zweite Breite W2 der asymmetrischen Mikrolinse 111 die Außenkante gemäß 9A bilden. Wenn die asymmetrische Mikrolinse 111 eine Seite mit einer Länge gleich der zweiten Breite W2 an der Position hat, die am weitesten von dem Mittelpunkt O entfernt liegt, ist es möglich, das Flächenbelegungsverhältnis zu erhöhen und Licht aus einem weiteren Bereich einzubringen/-führen.
Wie es in 9A bis 9C veranschaulicht ist, hat die asymmetrische Mikrolinse 111 die erste Breite W1, die erste Höhe H1 und den ersten Krümmungsradius R1 an der ersten Position P1, und hat sie die zweite Breite W2, die zweite Höhe H2 und den zweiten Krümmungsradius R2 an der zweiten Position P2. Die Erfüllung der Beziehungen W1 > W2, H1 > H2 und R1 < R2 ermöglicht, dass die asymmetrische Mikrolinse 111 eine große Belegungs- bzw. Nutzungsfläche hat, während die Lichtsammelfähigkeit hochgehalten wird, sodass das Lichtsammelverhältnis verbessert werden kann.
Als Nächstes wird ein Vergleich zwischen der asymmetrischen Mikrolinse 111 und einer symmetrischen Mikrolinse 1011 des Stands der Technik unter Bezugnahme auf 10A bis 10D vorgenommen. Die gleichen Teile wie diejenigen gemäß 9A bis 9C sind durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und deren ausführliche Beschreibung wird ausgelassen.
10A ist eine schematische Draufsicht, die den unteren Teil 900 der asymmetrischen Mikrolinse 111 veranschaulicht, und 10B ist eine schematische Draufsicht, die einen unteren Teil 1000 der symmetrischen Mikrolinse 1011 zum Vergleich veranschaulicht. 10C ist eine schematische Schnittansicht der asymmetrischen Mikrolinse 111, und 10D ist eine schematische Schnittansicht der symmetrischen Mikrolinse zum Vergleich.
Gemäß 10A bis 10D sind die Mikrolinsen in den jeweiligen ersten Bereichen 121 mit der gleichen Fläche positioniert.
Wie es in 10B veranschaulicht ist, weist die symmetrische Mikrolinse 1011 den unteren Teil 1000 auf. Der untere Teil 1000 ist in der Form eines Kreises mit einem Radius ausgebildet, der die Hälfte der ersten Länge L1 (L1/2) ist. Wie es in 10B veranschaulicht ist, befindet sich der Scheitel der symmetrischen Mikrolinse 1011 an der fünften Position P5, die die Mitte des ersten Bereichs 121 darstellt.
10C ist eine schematische Schnittansicht, die einen Querschnitt 1051 der asymmetrischen Mikrolinse 111 entlang der X-Achse gemäß 10A veranschaulicht. 10D ist eine schematische Schnittansicht, die einen Querschnitt 1052 der symmetrischen Mikrolinse 1011 entlang der X-Achse gemäß 10B veranschaulicht. Beide Mikrolinsen haben die dritte Höhe H3 an ihren Scheiteln. 10C und 10D stellen jeweils eine virtuelle Einfallsebene 1061 dar, die von dem entsprechenden unteren Rand gleich weit entfernt ist, um das Verhalten von Licht in der Mikrolinse zu zeigen. Schräges Licht 1081 mit einem Winkel θ2 gegenüber der Normalen auf die Lichtempfangsfläche von jeder der Mikrolinsen fällt auf die Mikrolinse ein.
Das Licht 1081, das auf die symmetrische Mikrolinse 1011 einfällt, wird zum Beispiel zu Licht 1083 mit einem Winkel θ4 gegenüber dem Licht 1081 und gesammelt. Andererseits wird das Licht 1081, das auf die asymmetrische Mikrolinse 111 einfällt, zum Beispiel zu Licht 1082 mit einem Winkel θ3 gegenüber dem Licht 1081 und gesammelt. Der Winkel θ3 ist größer als der Winkel θ4. Wie es in dem Querschnitt 1051 gemäß 10C gezeigt ist, ändert die asymmetrische Mikrolinse 111 sukzessive ihre Neigungen auf beiden Seiten der sechsten Position P6, und wird Licht auf beiden Seiten der sechsten Position P6 auf unterschiedliche Arten abgelenkt bzw. gebrochen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Krümmungsradius an der ersten Position P1 kleiner als der Krümmungsradius an der zweiten Position P2. An einem Punkt nahe der vierten Position P4 kann die asymmetrische Mikrolinse 111 schräg einfallendes Licht (Winkel θ2) in Licht entlang der Z-Achsenrichtung (Winkel θ3) verwandeln und schräg einfallendes Licht effektiver sammeln als die symmetrische Mikrolinse 1011. Wenn der Winkel θ2 von 20 Grad bis 40 Grad reicht, ist die Empfindlichkeit von Pixel unter Verwendung der asymmetrischen Mikrolinse 111 10% bis 20% höher als diejenige von Pixel unter Verwendung der symmetrischen Mikrolinse 1011.
Die asymmetrische Mikrolinse 111 weist eine große Belegungsfläche auf, während sie eine hohe Lichtsammelfähigkeit beibehält, und somit hat sie ein hohes Lichtsammelverhältnis. Daher ist es durch Bereitstellung von zumindest einer asymmetrischen Mikrolinse 111 in einem vorbestimmten Abstand vom Mittelpunkt O des Anordnungsbereichs möglich, eine Mikrolinsenanordnung mit einem hohen Lichtsammelverhältnis bereitzustellen.
Da die zweite Position P2 (9A) eine beliebige Position sein kann, die die vorstehend beschriebenen Bedingungen erfüllt, kann die zweite Position P2 die vierte Position P4 sein. Das heißt, dass die Seite 915 die zweite Breite W2 als ihre Länge haben kann. In diesem Fall kann die asymmetrische Mikrolinse 111 eine größere Belegungsfläche haben als diejenige, die vorstehend beschrieben ist.
Die asymmetrische Mikrolinse 111 kann den Scheitel an der ersten Position P1 haben. Das heißt, dass die sechste Position P6 an der gleichen Stelle liegen kann wie die erste Position P1. Die erste Breite W1 an der ersten Position P1 ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die größte Breite. Die asymmetrische Mikrolinse 111 kann jedoch die größte Breite an einer anderen Position haben, oder insbesondere zwischen der fünften Position P5 und der zweiten Position P2. Die asymmetrische Mikrolinse 111 mit der größten Breite an einer derartigen Position kann ein höheres Flächenbelegungsverhältnis aufweisen.
Der erste Bereich 121 hat bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine quadratische Form. Der erste Bereich 121 kann jedoch in Form eines beliebigen Rechtecks vorliegen, das die Außenkante der asymmetrischen Mikrolinse 111 in Draufsicht umschließt. Der erste Bereich 121 kann in Form eines Rechtecks mit Seiten mit der ersten Länge L1 vorliegen. Eine Vielzahl von Mikrolinsen kann zumindest eindimensional angeordnet sein. Die dritte Breite W3 an der dritten Position P3 kann gleich der ersten Länge L1 sein (W3 = L1).
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel reicht die erste Länge L1 von 0,5 µm bis 50 µm. Die erste Breite W1 und die zweite Breite W2 reichen von 0,5 µm bis 50 µm. Das Verhältnis der zweiten Breite W2 zu der ersten Breite W1 reicht von 0,05 bis 0,99 und vorzugsweise von 0,2 bis 0,8. Die erste Höhe H1 und die zweite Höhe H2 reichen von 0,1 µm bis 5,0 µm. Der erste Krümmungsradius R1 wird durch die erste Höhe H1 und die erste Breite W1 bestimmt, und der zweite Krümmungsradius R2 wird durch die zweite Höhe H2 und die zweite Breite W2 bestimmt. Der erste Krümmungsradius R1 und der zweite Krümmungsradius R2 reichen von ungefähr 0,25 µm bis ungefähr 100 µm. Die Breiten, Höhen und Kurvenradien der asymmetrischen Mikrolinse können auf geeignete Weise festgelegt werden, um ein Flächenbelegungsverhältnis von 80% oder mehr zu erreichen. Dies ist zum Beispiel deshalb so, da zumindest 20% von Licht nicht gesammelt werden können und dies zu einer merklichen Abschattung rund um ein Bild führt, wenn das Flächenbelegungsverhältnis von asymmetrischen Mikrolinsen in der Bildaufnahmevorrichtung kleiner ist als 80%.
Die asymmetrische Mikrolinse des vorliegenden Ausführungsbeispiels kann zum Beispiel unter Verwendung einer Fotolithografietechnik ausgebildet werden. In diesem Fall wird ein Fotolack bzw. Fotoresist durch eine Belichtungsvorrichtung Licht ausgesetzt, die eine Flächengradationsmaske oder eine Grauwertmaske mit einer Lichtdurchlässigkeit verwendet, die aus Konstruktionsdaten für die Form der asymmetrischen Mikrolinse bestimmt ist. Der Fotolack bzw. Fotoresist wird dann entwickelt, um eine gewünschte asymmetrische Mikrolinse auszubilden.
Wenn ein Grad an Designfreiheit im Hinblick auf eine Mikrolinsenbelegungsfläche vorhanden ist, kann die Kontur bzw. das Profil der asymmetrischen Mikrolinse durch eine gekrümmte/gebogene Form, die sich in Draufsicht bzw. im Grundriss in der Radialrichtung sukzessive verengt, und eine gekrümmte/gebogene Form, die sich in Schnittansicht bzw. im Querschnitt in der Radialrichtung sukzessive absenkt, gebildet werden.
Es wurde eine asymmetrische Mikrolinse beschrieben. Im Stand der Technik wurden keine Studien durchgeführt, um eine asymmetrische Mikrolinse auf eine Bildaufnahmevorrichtung anzuwenden, die zur Phasendifferenzerfassung in der Bildgebungsebene imstande ist (wobei diese hierin nachstehend als eine Bildebene-Autofokus-(AF-)Bildaufnahmevorrichtung bezeichnet wird). Durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung vorgenommene Studien haben gezeigt, dass die Fokusposition in Draufsicht bzw. im Grundriss durch Verwendung einer asymmetrischen Mikrolinse frei verändert werden kann, und haben auch gezeigt, dass es bei einer Bildebene-AF-Bildaufnahmevorrichtung möglich ist, sowohl die Empfindlichkeit beizubehalten als auch die Fokuserfassungsgenauigkeit zu verbessern.
Unter Bezugnahme auf 11A bis 11D wird eine Beschreibung dafür gegeben, wie Licht gesammelt wird, wenn eine asymmetrische Mikrolinse der vorliegenden Erfindung auf ein Fokuserfassungspixel angewandt wird.
11A ist eine Draufsicht einer Bildaufnahmevorrichtung. Eine Bildaufnahmevorrichtung 1100 umfasst einen Pixelbereich 1101 und einen Peripherieschaltungsbereich rund um den Pixelbereich 1101. Zumindest eine einer Abtastschaltung, einer Verstärkungsschaltung und einer Analog-Digital-Schaltung ist in dem Peripherieschaltungsbereich bereitgestellt. Ein Zielpixel 1102 befindet sich in einem äußeren Teil des Pixelbereichs 1101. 11B bis 11D veranschaulichen jeweils eine Querschnittsstruktur des Zielpixels 1102. 11B veranschaulicht ein Beispiel, in dem das Zielpixel 1102 ein Bildaufnahmepixel ist. Eine fotoelektrische Wandlungseinheit ist durch eine Fotodiode gebildet, die einen N-Typ-Halbleiterbereich 1103 und einen P-Typ-Halbleiterbereich 1104 umfasst. Die fotoelektrische Wandlungseinheit kann eine eingelassene Fotodiode sein, bei der der N-Typ-Halbleiterbereich 1103 auf seiner Vorderseite mit einem P-Typ-Halbleiterbereich versehen ist. Ladungen in dem N-Typ-Halbleiterbereich 1103 werden durch eine Übertragungsgateelektrode Tx an einen potentialfreien Diffusionsbereich FD übertragen. Verdrahtungen 1106a bis 1106c sind durch einen Zwischenschichtisolationsfilm 1105 elektrisch voneinander isoliert. Eine vorbestimmte Schicht 1107 ist auf der obersten Verdrahtung 1106c angeordnet. Die vorbestimmte Schicht 1107 ist gebildet durch zumindest einen/eine von einem Planarisierungsfilm, einer Farbfilterschicht, einer Schutzschicht und dergleichen. Eine Mikrolinse 1108 ist auf der vorbestimmten Schicht 1107 angeordnet.
11C und 11D veranschaulichen jeweils ein Beispiel, in dem das Zielpixel 1102 ein Fokuserfassungspixel ist. 11C veranschaulicht ein Beispiel der Verwendung eines Fokuserfassungspixels, das ein Lichtabschirmungselement umfasst. Teile mit der gleichen Funktion wie diejenigen gemäß 3A bis 3C sind durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und deren ausführliche Beschreibung wird ausgelassen. 11D veranschaulicht ein Beispiel der Verwendung eines Fokuserfassungspixels, das eine Vielzahl von fotoelektrischen Wandlungseinheiten umfasst. Teile mit den gleichen Funktionen wie diejenigen gemäß 4A bis 4C sind durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und deren ausführliche Beschreibung wird ausgelassen.
Das in 11B veranschaulichte Bildaufnahmepixel verwendet eine symmetrische Mikrolinse. Die Mitte der Mikrolinse 1108 in Draufsicht ist in Richtung der Mitte des Pixelbereichs 1101 verlagert. Die in 11C und 11D veranschaulichten Fokuserfassungspixel verwenden jeweils eine asymmetrische Mikrolinse. Die Niveaus bzw. Höhen der Mikrolinsenleistung in Abschnitten, die in 11C und 11D durch zweispitzige Pfeile bezeichnet sind, sind höher als diejenigen gemäß 11B. Mit den in 11C und 11D veranschaulichten Strukturen ist es möglich, selbst in einem äußeren Teil des Pixelbereichs 1101, die Empfindlichkeit beizubehalten und die Fokuserfassungsgenauigkeit zu verbessern.
Unter Bezugnahme auf 12A und 12C wird eine Beschreibung eines Beispiels gegeben, in dem eine asymmetrische Mikrolinse der vorliegenden Erfindung für ein Bildaufnahmepixel verwendet wird. 12A und 12C sind Draufsichten zur Erläuterung von Punkt- bzw. Fleckenformen, die unterschiedlichen Blendenzahlen von Objektivlinsen entsprechen. 12B ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie XIIB-XIIB in 12A genommen ist. In 12B sind Teile mit den gleichen Funktionen wie diejenigen gemäß 11B durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und deren ausführliche Beschreibung wird ausgelassen. Gemäß 12A und 12C wird jeder Punkt bzw. Fleck, der durch eine durchgezogene Linie dargestellt ist, ausgebildet, wenn eine asymmetrische Mikrolinse 1201 für ein Bildaufnahmepixel verwendet wird, und wird jeder Punkt bzw. Fleck, der durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist, ausgebildet, wenn eine symmetrische Mikrolinse für ein Bildaufnahmepixel verwendet wird. Die Bildaufnahmevorrichtung ist so gestaltet, dass ein aus Metall oder Polysilizium bestehendes leitfähiges Muster nicht mit Licht bestrahlt wird, bevor das Licht, das die Mikrolinse durchtritt, die fotoelektrische Wandlungseinheit erreicht. Im Fall eines kleineren Pixels kann jedoch ein aus Polysilizium bestehendes leitfähiges Muster bzw. Leiterbild infolge von optischen Eigenschaften und Nebenbedingungen bzw. Einschränkungen einer Gestaltung des leitfähigen Musters bzw. Leiterbilds mit Licht bestrahlt werden. Zum Beispiel, wie im Fall der durch durchgezogene Linien in 12A und 12C dargestellten Punkte bzw. Flecken, kann das leitfähige Muster bzw. Leiterbild abhängig von der Blendenzahl der Linse entweder bestrahlt werden oder nicht. In diesem Fall kann die Verwendung einer asymmetrischen Mikrolinse eine Lichtbestrahlung des leitfähigen Musters bzw. Leiterbilds reduzieren. Dies macht es zum Beispiel möglich, das Phänomen einer Änderung von optischen Eigenschaften abhängig von der Blendezahl zu reduzieren. Dieses Phänomen kann auch bis zu einem gewissen Grad durch eine planare Verlagerung eines Fokus unter Verwendung einer symmetrischen Mikrolinse reduziert werden. Es ist praktisch jedoch schwierig, den Verlagerungsbetrag für jedes Pixel zu variieren. Daher ist es wünschenswert, eine asymmetrische Mikrolinse zu verwenden, um die Fokusposition in Draufsicht zu verändern. Dies ist insbesondere wirkungsvoll, wenn die fotoelektrische Wandlungseinheit und das aus Polysilizium bestehende leitfähige Muster bzw. Leiterbild in spiegelbildlicher Anordnung angeordnet sind.
Wie es vorstehend beschrieben ist, umfasst die Idee der vorliegenden Erfindung die Verwendung einer asymmetrischen Mikrolinse für jedes/beliebige Pixel in der Bildebene-AF-Bildaufnahmevorrichtung, um sowohl Empfindlichkeit als auch Fokuserfassungsgenauigkeit zu verbessern. Strukturen der vorliegenden Erfindung werden unter Verwendung der folgenden speziellen Ausführungsbeispiele in näheren Einzelheiten beschrieben. Es ist selbstverständlich, dass die vorliegende Erfindung nicht so zu interpretieren ist, als sei sie auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt. Es können verschiedene Änderungen und Kombinationen innerhalb des Umfangs der Idee der Erfindung vorgenommen werden.
Bei den folgenden speziellen Ausführungsbeispielen muss ein Pixel, das als "Bildaufnahmepixel" bezeichnet wird, nicht notwendigerweise nur zur Bildaufnahme verwendet werden, und kann es auch die Funktion der Fokuserfassung oder der Lichtleistungserfassung aufweisen. Zum Beispiel umfasst die Fokuserfassung ein Erfassen einer Schärfe eines Bilds aus einem durch die Bildaufnahmevorrichtung erhaltenen Videosignal. Dann kann ein Signal für ein sogenanntes TV-AF-Verfahren ausgegeben werden, um die Suche nach einer Fokuslinsenposition zu steuern, an der die erfasste Schärfe, die einen AF-Bewertungswert darstellt, am höchsten ist.
(Ausführungsbeispiel 1)
Eine Bildaufnahmevorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird unter Bezugnahme auf 13A und 13B sowie 14A und 14B beschrieben. Die Bildaufnahmevorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist gleich der Bildaufnahmevorrichtung, die unter Bezugnahme auf 3A bis 3C und 5 beschrieben ist. Teile mit den gleichen Funktionen wie diejenigen gemäß 3A bis 3C sind durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und deren ausführliche Beschreibung wird ausgelassen.
13A ist eine Draufsicht von Fokuserfassungspixel der Bildaufnahmevorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels. In 13A bezeichnet jede Fläche, die mit diagonalen Linien schraffiert ist, das Lichtabschirmungselement 302. Jeder Kreis in 13A stellt einen Punkt bzw. Fleck dar, der nahe dem Lichtabschirmungselement 302 durch eine asymmetrische Mikrolinse 1309 ausgebildet wird. Auf der rechten Seite von 13A ist die linke Hälfte der fotoelektrischen Wandlungseinheit durch das Lichtabschirmungselement 302 vor Licht abgeschirmt, und auf der linken Seite von 13A ist die rechte Hälfte der fotoelektrischen Wandlungseinheit durch das Lichtabschirmungselement 302 vor Licht abgeschirmt. Durch Verwendung von Signalen von diesen beiden Fokuserfassungspixel kann eine Fokuserfassung basierend auf einer Phasendifferenz durchgeführt werden. 13B ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie XIIIB-XIIIB in 13A genommen ist.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel überlappt sich die Scheitelposition der asymmetrischen Mikrolinse 1309 in Draufsicht nicht mit dem Lichtabschirmungselement 302. Mit dieser Struktur ist die Mikrolinsenhöhe auf der Seite des Lichtabschirmungselements 302 abgesenkt und ist die Linsenleistung auf dem Lichtabschirmungselement 302 abgeschwächt. Dies erhöht die Lichtmenge, die auf das Lichtabschirmungselement 302 einfällt, steigert eine A-B-Bild-Trennung, und verbessert somit die Fokuserfassungsgenauigkeit.
14A und 14B veranschaulichen weitere Pixel von Ausführungsbeispiel 1. 14A ist eine Draufsicht von Fokuserfassungspixel in der Bildaufnahmevorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels, und 14B ist eine Schnittansicht entlang der Linie XIVB-XIVB in 14A. Wiederum sind Teile mit den gleichen Funktionen wie diejenigen gemäß 3A bis 3C durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet und wird deren ausführliche Beschreibung ausgelassen. Ein Unterschied gegenüber 13A und 13B besteht in der Scheitelposition der asymmetrischen Mikrolinse. Bei diesem Ausführungsbeispiel überlappt sich die Scheitelposition einer asymmetrischen Mikrolinse 1409 in Draufsicht mit dem Lichtabschirmungselement 302. Die Mikrolinsenhöhe auf der Seite des Lichtabschirmungselements 302 ist höher. Mit dieser Struktur ist die Mikrolinsenleistung auf einer Fläche höher, die sich in Draufsicht mit dem Lichtabschirmungselement 302 überlappt. Dies erhöht die durch das Lichtabschirmungselement 302 blockierte Lichtmenge, ermöglicht eine genaue A-B-Bild-Trennung, und verbessert somit die Fokuserfassungsgenauigkeit.
(Vergleichsbeispiel)
15A ist eine Draufsicht von Fokuserfassungspixel in einer Bildaufnahmevorrichtung eines Vergleichsbeispiels, und 15B ist eine Schnittansicht entlang der Linie XVB-XVB in 15A. Ein Unterschied gegenüber den in 13A und 13B sowie 14A und 14B veranschaulichten Ausführungsbeispielen besteht darin, dass die Mikrolinse dieses Vergleichsbeispiels eine symmetrische Mikrolinse 1509 ist. 16 zeigt optische Eigenschaften der Bildaufnahmevorrichtung von Ausführungsbeispiel 1 gemäß 13A und 13B sowie 14A und 14B und der Bildaufnahmevorrichtung des Vergleichsbeispiels gemäß 15A und 15B. Durchgezogene Linien stellen optische Eigenschaften der Bildaufnahmevorrichtung gemäß 13A und 13B sowie 14A und 14B dar, und gestrichelte Linien stellen optische Eigenschaften der Bildaufnahmevorrichtung des Vergleichsbeispiels gemäß 15A und 15B dar. 16 zeigt, dass die gestrichelten Kurven, die eine Verteilung einer Pupillenstärke darstellen, sanfter verlaufen. Dies bedeutet, dass eine A-B-Bild-Trennung bei dem Vergleichsbeispiel nicht gut genug ist, und dass die Fokuserfassungsgenauigkeit in den Strukturen, die gemäß 13A und 13B sowie 14A und 14B veranschaulicht sind, höher ist.
Somit kann bei Ausführungsbeispiel 1, das eine asymmetrische Mikrolinse für ein Fokuserfassungspixel verwendet, die Ebenenposition des Fokus verändert werden und, im Vergleich zu der Verwendung einer symmetrischen Mikrolinse gemäß dem Stand der Technik, eine höhere Fokuserfassungsgenauigkeit erreicht werden.
(Ausführungsbeispiel 2)
Eine Bildaufnahmevorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird unter Bezugnahme auf 17A bis 17D beschrieben. Die Bildaufnahmevorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist gleich der Bildaufnahmevorrichtung, die unter Bezugnahme auf 4A bis 4C und 6 beschrieben ist. Teile mit den gleichen Funktionen wie diejenigen gemäß 4A bis 4C sind durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und deren ausführliche Beschreibung wird ausgelassen. 17A ist eine Draufsicht eines Pixels in der Bildaufnahmevorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels, und 17B ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie XVIIB-XVIIB in 17A genommen ist. 17C ist eine Draufsicht eines Pixels in einer Bildaufnahmevorrichtung eines Vergleichsbeispiels, und 17D ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie XVIID-XVIID in 17C genommen ist. Die Bildaufnahmevorrichtung dieses Vergleichsbeispiels unterscheidet sich von derjenigen von Ausführungsbeispiel 2 darin, dass sie eine symmetrische Mikrolinse 1701 umfasst.
Der in 17B gezeigte Querschnitt unterscheidet sich von demjenigen gemäß 4C. 4C zeigt einen Querschnitt, der orthogonal auf einen Kanal steht, der sich von der fotoelektrischen Wandlungseinheit zu dem potentialfreien Diffusionsbereich FD erstreckt. Andererseits zeigt das vorliegende Ausführungsbeispiel einen Querschnitt, der parallel zu diesem Kanal verläuft.
Die Bildaufnahmevorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels umfasst die Übertragungsgateelektroden Tx_A und Tx_B, die Ladungen von den fotoelektrischen Wandlungseinheiten an die potentialfreien Diffusionsbereiche FD übertragen. Die Übertragungsgateelektroden Tx_A und Tx_B bestehen aus Polysilizium. Da auf das Polysilizium einfallendes Licht nicht als Signal verwendet werden kann, ist die Lichtmenge bei bestimmten Einfallswinkeln reduziert.
18 vergleicht optische Eigenschaften der Bildaufnahmevorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels, die gemäß 17A und 17B veranschaulicht ist, und der Bildaufnahmevorrichtung des Vergleichsbeispiels, die gemäß 17C und 17D veranschaulicht ist. 18 zeigt, dass bei dem Vergleichsbeispiel die Empfindlichkeit bei einem Einfallswinkel herabgesetzt ist, der von 0° bis 15° reicht, und die Kurven, die Verteilungen einer Pupillenstärke darstellen, sanfter verlaufen. Somit sind die Empfindlichkeit und die Fokuserfassungsgenauigkeit bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel höher als bei dem Vergleichsbeispiel.
(Ausführungsbeispiel 3)
Eine Bildaufnahmevorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird unter Bezugnahme auf 19A bis 19C und 20A bis 20D beschrieben. Als Pixel zur Fokuserfassung verwendet die Bildaufnahmevorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels ein Fokuserfassungspixel, das ein Lichtabschirmungselement umfasst. 19B und 19C veranschaulichen Querschnittsstrukturen eines Paars von Pixel mit geteilter Pupille, die an einer vorbestimmten Position in der Bildgebungsebene angeordnet sind. 20A bis 20D veranschaulichen Unterschiede in Querschnittsstrukturen zwischen Fokuserfassungspixel an unterschiedlichen Positionen in der Bildgebungsebene.
19A ist eine Draufsicht eines Fokuserfassungspixels und zeigt Außenkanten eines Lichtabschirmungselements 1907 und einer fotoelektrischen Wandlungseinheit PD in Draufsicht. Die Außenkante eines Pixels 1900 stellt Grenzen zu benachbarten Pixel dar. Zum Beispiel ist diese Außenkante durch eine Grenze zwischen einem aktiven Bereich und einem Elementisolationsbereich definiert. 19B und 19C sind Schnittansichten, die entlang der Linie XIXB-XIXB und der Linie XIXC-XIXC in 19A genommen sind. Ein Schnittpunkt von Linien XIXB-XIXB und XIXC-XIXC ist eine Position, die dem Scheitel einer asymmetrischen Mikrolinse 1911 entspricht. Die Scheitelposition liegt in Draufsicht abseits der Mitte der fotoelektrischen Wandlungseinheit PD.
Gemäß 19B und 19C bilden ein N-Typ-Halbleiterbereich 1903 und ein P-Typ-Halbleiterbereich 1904 auf der Oberfläche des N-Typ-Halbleiterbereichs 1903 eine eingelassene Fotodiode, die als eine fotoelektrische Wandlungseinheit dient. Der N-Typ-Halbleiterbereich 1903 ist von einem leicht dotierten Halbleiterbereich umgeben. Zum Beispiel ist der N-Typ-Halbleiterbereich 1903 von einer N-Typ-Epitaxialschicht umgeben. Ein P-Typ-Halbleiterbereich 1902 ist ein stark dotierter Halbleiterbereich, der rund um den N-Typ-Halbleiterbereich 1903 angeordnet ist. Der P-Typ-Halbleiterbereich 1902 ist bereitgestellt, um ein Einmischen von Ladungen von benachbarten Pixel zu reduzieren. Ein P-Typ-Halbleiterbereich 1901 ist eine Schicht, die auf einer vorbestimmten Tiefe angeordnet ist. Der P-Typ-Halbleiterbereich 1901 ist bereitgestellt, um Signalladungen in einem tiefen Gebiet des Substrats in dem N-Typ-Halbleiterbereich 1903 zu sammeln. Wahlweise, wenn ein N-Typ-Halbleitersubstrat unter dem P-Typ-Halbleiterbereich 1901 bereitgestellt ist, kann der P-Typ-Halbleiterbereich 1901 dazu dienen, ein Einmischen von Rausch- bzw. Störladungen von diesem N-Typ-Halbleiterbereich zu reduzieren. Ein P-Typ-Halbleiterbereich kann zwischen dem N-Typ-Halbleiterbereich 1903 und dem potentialfreien Diffusionsbereich FD bereitgestellt sein, um die Höhe einer Potentialschwelle zwischen dem N-Typ-Halbleiterbereich 1903 und dem potentialfreien Diffusionsbereich FD zu erhöhen.
Auf der oberen Seite der fotoelektrischen Wandlungseinheit PD ist ein Antireflexionsfilm 1905 angeordnet. Der Antireflexionsfilm 1905 umfasst einen Siliziumnitritfilm. Das Lichtabschirmungselement 1907 ist auf dem Antireflexionsfilm 1905 angeordnet, wobei ein Zwischenschichtisolationsfilm 1906 dazwischen eingeschoben ist. Bezug nehmend auf 19A ist das Lichtabschirmungselement 1907 so positioniert, dass die rechte Seite der fotoelektrischen Wandlungseinheit PD in Draufsicht vor Licht abgeschirmt wird. Das Lichtabschirmungselement 1907 ist durch eine Verdrahtungsschicht 1908a gebildet, die die erste Verdrahtungsschicht darstellt. Eine Verdrahtungsschicht 1908b (zweite Verdrahtungsschicht) ist auf der oberen Seite der Verdrahtungsschicht 1908a (ersten Verdrahtungsschicht) angeordnet, wobei der Zwischenschichtisolationsfilm 1906 dazwischen eingeschoben ist, und eine Verdrahtungsschicht 1908c (dritte Verdrahtungsschicht) ist auf der oberen Seite der Verdrahtungsschicht 1908b (zweiten Verdrahtungsschicht) angeordnet, wobei der Zwischenschichtisolationsfilm 1906 dazwischen eingeschoben ist. Der Zwischenschichtisolationsfilm 1906 auf der oberen Seite der Verdrahtungsschicht 1908c (dritten Verdrahtungsschicht), die die oberste Verdrahtungsschicht darstellt, ist planarisiert und mit einem Schutzfilm 1909 auf seiner Oberseite versehen. Als der Zwischenschichtisolationsfilm 1906 kann ein Siliziumoxidfilm verwendet werden, und als der Schutzfilm 1909 kann ein Siliziumnitridfilm verwendet werden. Ein Farbfilter 1910 ist auf dem Schutzfilm 1909 angeordnet, und die asymmetrische Mikrolinse 1911 ist auf dem Farbfilter 1910 angeordnet. Zwischen dem Farbfilter 1910 und der asymmetrischen Mikrolinse 1911 kann nach Bedarf ein Planarisierungsfilm bereitgestellt sein.
Wie es aus 19A und 19B ersichtlich ist, liegt die Scheitelposition der asymmetrischen Mikrolinse 1911 in Draufsicht abseits des Lichtabschirmungselements 1907 und in einem Öffnungs- bzw. Aperturbereich. Da die Position des Scheitels in Draufsicht nicht mit dem Lichtabschirmungselement 1907 überlappt und in dem Öffnungs- bzw. Aperturbereich liegt, kann auf die Oberseite des Lichtabschirmungselements 1907 einfallendes Licht effizient auf die Mitte der fotoelektrischen Wandlungseinheit PD konvergiert werden. Dies verbessert die Fokuserfassungsgenauigkeit.
Unter Bezugnahme auf 20A bis 20D werden Unterschiede in einer Querschnittsstruktur zwischen Fokuserfassungspixel an unterschiedlichen Positionen in der Bildgebungsebene beschrieben. 20A ist eine Draufsicht der Bildaufnahmevorrichtung, wobei Punkt b im Wesentlichen in der Mitte des Pixelbereichs liegt und Punkte c und d in einer vorbestimmten Richtung entfernt von Punkt b angeordnet sind. Mit anderen Worten sind Punkte c und d außerhalb von Punkt b innerhalb des Pixelbereichs angeordnet. 20B bis 20D stellen jeweils eine Draufsicht eines Pixels und eine Schnittansicht, die entlang der Linie L-M der Draufsicht genommen ist, dar. Im Speziellen veranschaulicht 20B eine Querschnittsstruktur eines Fokuserfassungspixels an Punkt b gemäß 20A, veranschaulicht 20C eine Querschnittsstruktur eines Fokuserfassungspixels an Punkt c gemäß 20A, und veranschaulicht 20D eine Querschnittsstruktur eines Fokuserfassungspixels an Punkt d gemäß 20A. Teile mit den gleichen Funktionen wie diejenigen gemäß 19A bis 19C sind durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und deren ausführliche Beschreibung wird ausgelassen. Was die gleichen Komponenten über 20B bis 20D hinweg betrifft, sind nur diejenigen in 20B durch die Bezugszeichen bezeichnet und wird ihre wiederholte Beschreibung ausgelassen.
Die Unterschiede zwischen 20B bis 20D liegen in den Scheitelpositionen (angegeben durch x-Markierungen) von asymmetrischen Mikrolinsen 2001 bis 2003. Die Scheitelposition gemäß 20C ist weiter von dem entsprechenden Lichtabschirmungselement 1907 entfernt als die Scheitelposition gemäß 20B. Das heißt, dass die Scheitelposition gemäß 20C weiter zur Mitte des Pixelbereichs verlagert ist als die Scheitelposition gemäß 20B. Die Scheitelposition gemäß 20D ist weiter von dem entsprechenden Lichtabschirmungselement 1907 entfernt als die Scheitelpositionen gemäß 20B und 20C. Das heißt, dass die Scheitelposition gemäß 20D weiter zur Mitte des Pixelbereichs verlagert ist als die Scheitelpositionen gemäß 20B und 20C. Obwohl die Scheitelposition der asymmetrischen Mikrolinse 2001 gemäß 20B in Draufsicht in dem Öffnung- bzw. Aperturbereich des Lichtabschirmungselements 1907 liegt, ist die Scheitelposition der asymmetrischen Mikrolinse 2003 gemäß 20D zu einer Position hin verlagert, die sich in Draufsicht mit der Verdrahtungsschicht 1908b oder 1908c des benachbarten Pixels überlappt. Die Scheitelposition der asymmetrischen Mikrolinse 2002 gemäß 20C kann in Draufsicht in dem Öffnungs- bzw. Aperturbereich des Lichtabschirmungselements 1907 liegen, oder kann in Draufsicht zu einer Position hin verlagert sein, die sich mit der Verdrahtungsschicht 1908b oder 1908c überlappt.
Wie es vorstehend beschrieben ist, ist es durch Variation der Scheitelposition der asymmetrischen Mikrolinse abhängig von der Stelle in dem Pixelbereich möglich, nicht nur die Wirkungen zu erzielen, die bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen erhalten werden, sondern auch die Schrägeinfallscharakteristik zu verbessern.
(Ausführungsbeispiel 4)
Eine Bildaufnahmevorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird unter Bezugnahme auf 21A bis 21C und 22A bis 22D beschrieben. Ein Unterschied gegenüber Ausführungsbeispiel 3 besteht darin, dass ein Fokuserfassungspixel des vorliegenden Ausführungsbeispiels eine Vielzahl von fotoelektrischen Wandlungseinheiten umfasst. 21B und 21C sind Schnittansichten eines Fokuserfassungspixels, das sich an einer vorbestimmten Position in der Bildgebungsebene befindet. 22A bis 22D veranschaulichen Unterschiede in Querschnittsstrukturen zwischen Fokuserfassungspixel an unterschiedlichen Positionen in der Bildgebungsebene.
21A ist eine Draufsicht des Fokuserfassungspixels, das fotoelektrische Wandlungseinheiten PD1 und PD2, Übertragungsgateelektroden TX1 und TX2, sowie potentialfreie Diffusionsbereiche FD1 und FD2 umfasst. Die Außenkanten der fotoelektrischen Wandlungseinheiten PD1 und PD2 und der Übertragungsgateelektroden TX1 und TX2 sind jeweils durch eine Grenze mit einem Elementisolationsbereich definiert. Die Außenkante des Bereichs zwischen den fotoelektrischen Wandlungseinheiten PD1 und PD2 ist durch eine PN-Übergangsfläche definiert, die mit einem P-Typ-Halbleiterbereich 2111 verbunden bzw. gekoppelt ist. Ein Schnittpunkt von Linien XXIB-XXIB und XXIC-XXIC ist eine Position, die dem Scheitel einer asymmetrischen Mikrolinse 2110 entspricht. Die Scheitelposition liegt in Draufsicht entfernt von (verlagert gegenüber) den Übertragungsgateelektroden TX1 und TX2. Mit dieser Struktur ist es möglich, die durch die Übertragungsgateelektroden TX1 und TX2 absorbierte Lichtmenge zu reduzieren und die Empfindlichkeit zu verbessern. Die Außenkante eines Pixels 2100 stellt Grenzen zu benachbarten Pixel dar. Zum Beispiel ist diese Außenkante durch eine Grenze zwischen einem aktiven Bereich und einem Elementisolationsbereich definiert. 21B ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie XXIB-XXIB in 21A genommen ist, und 21C ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie XXIC-XXIC in 21A genommen ist.
Bezug nehmend auf 21B und 21C umfassen zwei eingelassene Fotodioden, die als die fotoelektrischen Wandlungseinheiten PD1 und PD2 dienen, N-Typ-Halbleiterbereiche 2103A und 2103B, die mit einem P-Typ-Halbleiterbereich 2104 auf deren Oberflächen versehen sind. Die N-Typ-Halbleiterbereiche 2103A und 2103B sind durch den P-Typ-Halbleiterbereich 2111 umgeben, und Ladungen in dem N-Typ-Halbleiterbereich 2103A können unabhängig von Ladungen in dem N-Typ-Halbleiterbereich 2103B ausgelesen werden.
Ein P-Typ-Halbleiterbereich 2102 ist ein stark dotierter Halbleiterbereich, der rund um die N-Typ-Halbleiterbereiche 2103A und 2103B angeordnet ist. Der P-Typ-Halbleiterbereich 2102 ist bereitgestellt, um ein Einmischen von Ladungen von benachbarten Pixel zu reduzieren. Ein P-Typ-Halbleiterbereich 2101 ist eine Schicht, die in einer vorbestimmten Tiefe angeordnet ist. Der P-Typ-Halbleiterbereich 2101 ist bereitgestellt, um Signalladungen in einem tiefen Gebiet des Substrats in den N-Typ-Halbleiterbereichen 2103A und 2103B zu sammeln. Wahlweise, wenn ein N-Typ-Halbleitersubstrat unter dem P-Typ-Halbleiterbereich 2101 bereitgestellt ist, kann der P-Typ-Halbleiterbereich 2101 dazu dienen, ein Einmischen von Rausch- bzw. Störladungen von diesem N-Typ-Halbleitersubstrat zu reduzieren.
Ein Antireflexionsfilm 2105 ist auf der oberen Seite der fotoelektrischen Wandlungseinheiten PD1 und PD2 angeordnet. Der Antireflexionsfilm 2105 umfasst einen Siliziumnitritfilm. Verdrahtungsschichten 2107a bis 2107c, die die erste bis dritte Schicht darstellen, sind durch einen Zwischenschichtisolationsfilm 2106 elektrisch voneinander isoliert. Der Zwischenschichtisolationsfilm 2106 auf der oberen Seite der Verdrahtungsschicht 2107c (dritten Schicht), die die oberste Verdrahtungsschicht darstellt, ist planarisiert und mit einem Schutzfilm 2108 auf seiner Oberseite versehen. Als der Zwischenschichtisolationsfilm 2106 kann ein Siliziumoxidfilm verwendet werden, und als der Schutzfilm 2108 kann ein Siliziumnitridfilm verwendet werden. Ein Farbfilter 2109 ist auf dem Schutzfilm 2108 angeordnet, und die asymmetrische Mikrolinse 2110 ist auf dem Farbfilter 2109 angeordnet. Zwischen dem Farbfilter 2109 und der asymmetrischen Mikrolinse 2110 kann nach Bedarf ein Planarisierungsfilm bereitgestellt sein.
Unter Bezugnahme auf 22A bis 22D werden Unterschiede in Querschnittsstrukturen zwischen Fokuserfassungspixel an unterschiedlichen Positionen in der Bildgebungsebene beschrieben. 22A ist eine Draufsicht der Bildaufnahmevorrichtung, wobei Punkt b im Wesentlichen in der Mitte des Pixelbereichs liegt und Punkte c und d in einer vorbestimmten Richtung entfernt von Punkt b angeordnet sind. Mit anderen Worten sind Punkte c und d außerhalb von Punkt b innerhalb des Pixelbereichs angeordnet. 22B bis 22D stellen jeweils eine Draufsicht eines Pixels und eine Schnittansicht, die entlang der Linie u3-u4 der Draufsicht genommen ist, dar. Im Speziellen veranschaulicht 22B eine Querschnittsstruktur eines Fokuserfassungspixels an Punkt b gemäß 22A, veranschaulicht 22C eine Querschnittsstruktur eines Fokuserfassungspixels an Punkt c gemäß 22A, und veranschaulicht 22D eine Querschnittsstruktur eines Fokuserfassungspixels an Punkt d gemäß 22A. Teile mit den gleichen Funktionen wie diejenigen gemäß 21A bis 21C sind durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und deren ausführliche Beschreibung wird ausgelassen. Was die gleichen Komponenten über 22B bis 22D betrifft, sind nur diejenigen gemäß 22B durch die Bezugszeichen bezeichnet und wird deren wiederholte Beschreibung ausgelassen.
Die Unterschiede zwischen 22B bis 22D bestehen in den Scheitelpositionen (angegeben durch x-Markierungen) von asymmetrischen Mikrolinsen 2201 bis 2203. Die Scheitelposition gemäß 22C ist mehr zur Mitte des Pixelbereichs hin verlagert als die Scheitelposition gemäß 22B. Die Scheitelposition gemäß 22D ist mehr zu der Mitte des Pixelbereichs verlagert als die Scheitelpositionen gemäß 22B und 22C. Obwohl die Scheitelposition der asymmetrischen Mikrolinse 2201 gemäß 22B in Draufsicht in dem Öffnungs- bzw. Aperturbereich der Verdrahtungsschichten 2107a bis 2107c liegt, ist die Scheitelposition der asymmetrischen Mikrolinse 2203 gemäß 22D an eine Position verlagert, die sich in Draufsicht mit der Verdrahtungsschicht 2107b oder 2107c des benachbarten Pixels überlappt. Die Scheitelposition der asymmetrischen Mikrolinse 2202 gemäß 22C kann in Draufsicht in dem Öffnungs- bzw. Aperturbereich liegen, oder kann zu einer Position hin verlagert sein, die sich in Draufsicht mit den Verdrahtungsschichten 2107a bis 2107c überlappt.
Wie es vorstehend beschrieben ist, ist es durch Variation der Scheitelposition der asymmetrischen Mikrolinse abhängig von der Stelle in dem Pixelbereich möglich, nicht nur die Wirkungen zu erzielen, die bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen erhalten werden, sondern auch die Schrägeinfallscharakteristik zu verbessern.
(Ausführungsbeispiel 5)
Eine Bildaufnahmevorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird unter Bezugnahme auf 23A bis 23C beschrieben. Das Konzept des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist auf alle/beliebige der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele anwendbar. Wie es veranschaulicht ist, sind bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sowohl symmetrische als auch asymmetrische Mikrolinsen eingerichtet. Zum Beispiel werden die asymmetrischen Mikrolinsen für Fokuserfassungspixel verwendet.
23A ist eine Draufsicht des gesamten Pixelbereichs. 23B ist eine Draufsicht von 15 Pixel an Position b gemäß 23A, und 23C ist eine Draufsicht von 15 Pixel an Position c gemäß 23A. In 23B und 23C bezeichnet eine x-Markierung die Scheitelposition von jeder Mikrolinse. Auch bezeichnet in 23B und 23C eine durchgezogene Linie die Außenkante der Pixelfläche von jedem Pixel, das auf einem Halbleitersubstrat angeordnet ist, wie etwa eine fotoelektrische Wandlungseinheit, und bezeichnet eine gestrichelte Linie die Außenkante von jeder Mikrolinse, die einem Pixel entspricht. Die Außenkante der Mikrolinse ist durch ein Quadrat definiert, dessen Mitte sich in der Mitte von jeder symmetrischen Mikrolinse befindet, und das einen Mikrolinsenabstand als die Länge seiner Seite aufweist.
Gemäß 23B stimmt die Scheitelposition von jeder Mikrolinse nicht mit der Mitte der entsprechenden Pixelfläche überein. In allen/beliebigen Pixel ist die Scheitelposition von jeder Mikrolinse in Richtung der Mitte des Gesamtpixelbereichs verlagert. Der Verlagerungsbetrag der Scheitelposition von jeder asymmetrischen Mikrolinse ist größer als der Verlagerungsbetrag der Scheitelposition von jeder symmetrischen Mikrolinse.
Gemäß 23C stimmt die Scheitelposition von jeder Mikrolinse nicht mit der Mitte der entsprechenden Pixelfläche überein. In allen/beliebigen Pixel ist die Scheitelposition von jeder Mikrolinse in Richtung der Mitte des Gesamtpixelbereichs verlagert. Gemäß 23B ist die Scheitelposition von jeder Mikrolinse in einer horizontalen Richtung (in der Zeichnung nach links) verlagert. Gemäß 23C ist die Scheitelposition von jeder Mikrolinse in einer schrägen Richtung (in der Zeichnung nach links oben) verlagert. Der Verlagerungsbetrag der Scheitelposition von jeder asymmetrischen Mikrolinse ist größer als der Verlagerungsbetrag der Scheitelposition von jeder symmetrischen Mikrolinse.
Wie es vorstehend beschrieben ist, ist es durch Variation der Scheitelposition der asymmetrischen Mikrolinse abhängig von der Stelle in dem Pixelbereich möglich, nicht nur die Wirkungen zu erzielen, die bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen erhalten werden, sondern auch die Schrägeinfallscharakteristik zu verbessern.
(Ausführungsbeispiel 6)
Eine Bildaufnahmevorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird unter Bezugnahme auf 24A und 24B beschrieben. Das Konzept des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist auf alle/beliebige der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele anwendbar. Ein Pixelbereich in der Bildaufnahmevorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels umfasst einen effektiven Pixelbereich und einen den effektiven Pixelbereich umgebenden optisch schwarzen Bereich (OB-Bereich). 24A ist eine Draufsicht der Bildaufnahmevorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels, und 24B ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie XXIVB-XXIVB in 24A genommen ist. Teile mit den gleichen Funktionen wie diejenigen gemäß 22B sind durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und deren ausführliche Beschreibung wird ausgelassen.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die fotoelektrischen Wandlungseinheiten von jedem Pixel in dem OB-Bereich durch ein Lichtabschirmungselement 2400 vollständig vor Licht abgeschirmt. Sowohl in dem effektiven Pixelbereich als auch in dem OB-Bereich sind asymmetrische Mikrolinsen 2401 eingerichtet. Mit dieser Struktur kann der Diskontinuitäts- bzw. Unstetigkeitsgrad an der Grenze zwischen dem effektiven Pixelbereich und dem OB-Bereich reduziert werden.
Die Scheitelposition von jeder asymmetrischen Mikrolinse kann sowohl in dem effektiven Pixelbereich als auch in dem OB-Bereich in Richtung der Mitte des Pixelbereichs verlagert sein. Obwohl ein Fokuserfassungspixel mit einer Vielzahl von fotoelektrischen Wandlungseinheiten hier verwendet wird, ist die Struktur dieses Ausführungsbeispiels auch auf ein Fokuserfassungspixel mit einem Lichtabschirmungselement anwendbar.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist es nicht nur möglich, die Wirkungen zu erzielen, die bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen erhalten werden, sondern auch den Diskontinuitäts- bzw. Unstetigkeitsgrad an der Grenze zwischen dem effektiven Pixelbereich und dem OB-Bereich zu reduzieren.
(Ausführungsbeispiel 7)
Eine Bildaufnahmevorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird unter Bezugnahme auf 25A und 25B sowie 26A bis 26C beschrieben. Bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen wurden die Bildaufnahmevorrichtungen einer Vorderseitenbeleuchtungsbauart beschrieben. Die Bildaufnahmevorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels unterscheidet sich darin von denjenigen, die vorstehend beschrieben sind, dass sie von einer Rückseitenbeleuchtungsbauart ist. Die Rückseitenbeleuchtungsbauart bezieht sich auf eine Struktur, bei der eine asymmetrische Mikrolinse auf einer Hauptfläche (zweiten Fläche) gegenüber der anderen Hauptfläche (ersten Fläche) angeordnet ist, wo eine Gateelektrode von jedem Transistor und eine Verdrahtung bereitgestellt sind, sodass Licht von der gegenüberliegenden Hauptfläche (zweiten Fläche) einfällt.
25A und 25B veranschaulichen Fokuserfassungspixel, die jeweils ein Lichtabschirmungselement umfassen, und 26A bis 26C veranschaulichen Beispiele von Fokuserfassungspixel, die jeweils eine Vielzahl von fotoelektrischen Wandlungseinheiten umfassen. In 25A und 25B sind Teile mit den gleichen Funktionen wie diejenigen gemäß 19A bis 19C durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und deren ausführliche Beschreibung wird ausgelassen. Auch sind in 26A bis 26C Teile mit den gleichen Funktionen wie diejenigen in 21A bis 21C durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und wird deren ausführliche Beschreibung ausgelassen.
25A und 25B veranschaulichen Schnittansichten von einem Paar von Fokuserfassungspixel mit geteilter Pupille, die an einer vorbestimmten Position in der Bildgebungsebene angeordnet sind. Das Lichtabschirmungselement 1907 ist auf der Rückseite (Lichteinfallsseite) angeordnet und von einem Isolationsmaterial 2500 umgeben. Die Scheitelpositionen von asymmetrischen Mikrolinsen 2501 und 2502 befinden sich jeweils in einem Bereich (d.h. Öffnungs- bzw. Aperturbereich), wo das Lichtabschirmungselement 1907 in Draufsicht nicht vorhanden ist.
26A ist eine Draufsicht der Bildaufnahmevorrichtung, 26B veranschaulicht eine Querschnittsstruktur eines Fokuserfassungspixels an Position b gemäß 26A, und 26C veranschaulicht eine Querschnittsstruktur eines Fokuserfassungspixels an Position c gemäß 26A. Position b liegt näher an der Mitte des Pixelbereichs als Position c.
Ein Lichtabschirmungselement 2600, das von einem Isolationsmaterial 2601 umgeben ist, ist auf der Rückseite (Lichteinfallsseite) angeordnet. Bei der Bildaufnahmevorrichtung einer Rückseitenbeleuchtungsbauart unterscheiden sich die Verlagerungsbeträge der Scheitelpositionen von asymmetrischen Mikrolinsen 2602 und 2603 an unterschiedlichen Stellen in dem Pixelbereich.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, bei dem asymmetrische Mikrolinsen für eine Bildebene-AF-Bildaufnahmevorrichtung einer Rückseitenbeleuchtungsbauart verwendet werden, ist es nicht nur möglich, die Wirkungen zu erzielen, die bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen erhalten werden, sondern auch die Empfindlichkeit zu verbessern. Da der Freiheitsgrad zur Veränderung der Fokusposition erhöht wird, kann zusätzlich ein Mischen von Farben reduziert werden.
Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist es selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Dem Umfang der folgenden Patentansprüche ist die breiteste Auslegung zuzugestehen, sodass alle derartigen Modifikationen und äquivalenten Strukturen und Funktionen umfasst sind.
Eine Bildaufnahmevorrichtung (102) umfasst einen Pixelbereich (201) mit einer Vielzahl von Pixel, die zweidimensional angeordnet sind, wobei die Vielzahl von Pixel eine Vielzahl von Bildaufnahmepixel und eine Vielzahl von Fokuserfassungspixel (301A, 301B; 401) umfassen, die zur Phasendifferenzerfassung imstande sind; eine Vielzahl von Mikrolinsen, die so angeordnet sind, dass sie jeweiligen fotoelektrischen Wandlungseinheiten der jeweiligen Bildaufnahmepixel entsprechen; und eine Vielzahl von Mikrolinsen (309; 407), die so angeordnet sind, dass sie jeweiligen fotoelektrischen Wandlungseinheiten der jeweiligen Fokuserfassungspixel (301A, 301B; 401) entsprechen. Wenn zumindest eine der Vielzahl von Mikrolinsen (301A, 301B; 401) orthogonal auf die entsprechende fotoelektrische Wandlungseinheit projiziert wird, liegt eine Scheitelposition (923) der zumindest einen Mikrolinse abseits einer Mittelposition (P5) der zumindest einen Mikrolinse.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2009-109965 [0002, 0002, 0004]
JP 2009-290157 [0002, 0002, 0004]
JP 2009-086144 [0003, 0004]

Claims

Bildaufnahmevorrichtung, mit: einem Pixelbereich mit einer Vielzahl von Pixel, die zweidimensional angeordnet sind, wobei die Vielzahl von Pixel eine Vielzahl von Bildaufnahmepixel und eine Vielzahl von Fokuserfassungspixel umfassen, wobei die Fokuserfassungspixel jeweils konfiguriert sind zum Ausgeben eines Signals zur Fokuserfassung basierend auf einer Phasendifferenzerfassung; einer Vielzahl von Mikrolinsen, die so angeordnet sind, dass sie jeweiligen fotoelektrischen Wandlungseinheiten der jeweiligen Bildaufnahmepixel entsprechen; und einer Vielzahl von Mikrolinsen, die so angeordnet sind, dass sie jeweiligen fotoelektrischen Wandlungseinheiten der jeweiligen Fokuserfassungspixel entsprechen, wobei, wenn zumindest eine der Vielzahl von Mikrolinsen orthogonal auf die entsprechende fotoelektrische Wandlungseinheit projiziert wird, eine Scheitelposition der zumindest einen Mikrolinse abseits einer Mittelposition der zumindest einen Mikrolinse liegt.
Bildaufnahmevorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Fokuserfassungspixel eine Gruppe von Paaren von Fokuserfassungspixel mit geteilter Pupille umfassen.
Bildaufnahmevorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei jedes Pixel in der Gruppe von Paaren von Fokuserfassungspixel mit geteilter Pupille Licht empfängt, das einen Teil einer Austrittspupille eines optischen Bildgebungssystems durchtritt.
Bildaufnahmevorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei eine Vielzahl von Pixel, die in der Gruppe von Paaren von Fokuserfassungspixel mit geteilter Pupille umfasst sind, jeweils ein Lichtabschirmungselement umfassen, das einen Teil der entsprechenden fotoelektrischen Wandlungseinheit vor Licht abschirmt.
Bildaufnahmevorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Vielzahl von Fokuserfassungspixel jeweils eine Vielzahl von fotoelektrischen Wandlungseinheiten umfassen, und ein Signal von jeder der fotoelektrischen Wandlungseinheiten unabhängig ausgelesen werden kann.
Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei, wenn die Vielzahl von Mikrolinsen, die so angeordnet sind, dass sie den jeweiligen fotoelektrischen Wandlungseinheiten der jeweiligen Fokuserfassungspixel entsprechen, orthogonal auf die entsprechende fotoelektrische Wandlungseinheit projiziert werden, eine Scheitelposition der Mikrolinsen jeweils abseits einer Mittelposition der Mikrolinsen liegt.
Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei, wenn die Vielzahl von Mikrolinsen, die so angeordnet sind, dass sie den jeweiligen fotoelektrischen Wandlungseinheiten der jeweiligen Bildaufnahmepixel entsprechen, orthogonal auf die entsprechende fotoelektrische Wandlungseinheit projiziert werden, eine Scheitelposition der Mikrolinsen jeweils abseits einer Mittelposition der Mikrolinsen liegt.
Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Vielzahl von Pixel ein erstes Pixel, das an einer ersten Position angeordnet ist, und ein zweites Pixel, das außerhalb der ersten Position in dem Pixelbereich angeordnet ist, umfassen; eine Scheitelposition einer ersten Mikrolinse, die so angeordnet ist, dass sie einer fotoelektrischen Wandlungseinheit des ersten Pixels entspricht, abseits einer Mittelposition der fotoelektrischen Wandlungseinheit des ersten Pixels in Richtung einer Mitte des Pixelbereichs liegt, und eine Scheitelposition einer zweiten Mikrolinse, die so angeordnet ist, dass sie einer fotoelektrischen Wandlungseinheit des zweiten Pixels entspricht, abseits einer Mittelposition der fotoelektrischen Wandlungseinheit des zweiten Pixels in Richtung der Mitte des Pixelbereichs liegt; und ein Abstand, in dem die Scheitelposition der zweiten Mikrolinse abseits der Mittelposition der fotoelektrischen Wandlungseinheit des zweiten Pixels in Richtung der Mitte des Pixelbereichs liegt, größer ist als ein Abstand, in dem die Scheitelposition der ersten Mikrolinse abseits der Mittelposition der fotoelektrischen Wandlungseinheit des ersten Pixels in Richtung der Mitte des Pixelbereichs liegt.
Bildaufnahmevorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei das erste Pixel und das zweite Pixel Fokuserfassungspixel sind.
Bildaufnahmevorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei das erste Pixel und das zweite Pixel Bildaufnahmepixel sind.
Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei eine Kontur der zumindest einen Mikrolinse, deren Scheitelposition abseits ihrer Mittelposition liegt, wenn sie orthogonal auf die entsprechende fotoelektrische Wandlungseinheit projiziert wird, durch eine gekrümmte Form, die sich in Draufsicht radial verengt, und eine gekrümmte Form, die sich in Schnittansicht radial absenkt, ausgebildet ist.
Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Vielzahl von Mikrolinsen in einer ersten Richtung angeordnet sind und eine dritte Mirkolinse umfassen, die um einen ersten Abstand in der ersten Richtung von einer Mitte des Pixelbereichs entfernt liegt; die dritte Mikrolinse einen unteren Teil umfasst, der sich in einer Ebene erstreckt, die die erste Richtung und eine zu der ersten Richtung orthogonale zweite Richtung beinhaltet; der untere Teil in Draufsicht an einer ersten Position eine erste Breite entlang der zweiten Richtung aufweist, wobei die erste Position innerhalb der dritten Mikrolinse und entlang der ersten Richtung liegt, und auch an einer zweiten Position eine zweite Breite entlang der zweiten Richtung aufweist, wobei die zweite Position innerhalb der dritten Mikrolinse und von der Mitte des Pixelbereichs weiter entfernt liegt als die erste Position, und wobei die zweite Breite schmaler ist als die erste Breite; und die zumindest eine Mikrolinse, deren Scheitelposition abseits ihrer Mittelposition liegt, wenn sie orthogonal auf die entsprechende fotoelektrische Wandlungseinheit projiziert wird, wenn ein erster Querschnitt von dieser entlang der zweiten Richtung an der ersten Position genommen wird, einen ersten Krümmungsradius und eine erste Höhe aufweist, die in dem ersten Querschnitt am höchsten ist, und auch, wenn ein zweiter Querschnitt von dieser entlang der zweiten Richtung an der zweiten Position genommen wird, einen zweiten Krümmungsradius, der größer ist als der erste Krümmungsradius, und eine zweite Höhe aufweist, die in dem zweiten Querschnitt am höchsten ist, wobei sie niedriger ist als die erste Höhe.
Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Pixelbereich einen effektiven Pixelbereich und einen optisch schwarzen Bereich umfasst, und Mikrolinsen sowohl in dem effektiven Pixelbereich als auch in dem optisch schwarzen Bereich angeordnet sind, wobei die Mikrolinsen jeweils eine Scheitelposition abseits ihrer Mittelposition aufweisen, wenn sie orthogonal auf die entsprechende fotoelektrische Wandlungseinheit projiziert werden.
Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Vielzahl von Pixel einen Verstärkungstransistor umfassen, der ein durch jede fotoelektrische Wandlungseinheit erzeugtes Signal verstärkt, und Licht von einer Hauptfläche gegenüber der anderen Hauptfläche einfällt, wo eine Gateelektrode des Verstärkungstransistors angeordnet ist.
Bildaufnahmesystem mit: der Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14; und einem Bildaufnahmeobjektiv, das konfiguriert ist zum Sammeln von Licht auf der Bildaufnahmevorrichtung, wobei das Bildaufnahmeobjektiv gemäß einem Phasendifferenzerfassungssignal gesteuert wird, das von der Bildaufnahmevorrichtung ausgegeben wird.