JP2010186942A

JP2010186942A - 撮像素子

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Publication number: JP2010186942A
Application number: JP2009031336A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Suzuki; 智鈴木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2009-02-13
Filing date: 2009-02-13
Publication date: 2010-08-26
Anticipated expiration: 2029-02-13
Also published as: JP5476731B2

Abstract

【課題】遮光性能に起因した焦点検出信号の精度の低下を防止することができる撮像素子を提供する。
【解決手段】撮像素子は、マイクロレンズ２６５と、それを透過した光束を受光して撮像信号を出力する光電変換部と、マイクロレンズ及び光電変換部の間に配置された配線層とを有する複数の撮像画素と、マイクロレンズ２６５と、それを透過した光束を受光して焦点検出信号を出力する光電変換部２２０ａ、２２０ｂと、マイクロレンズ及び光電変換部の間に配置された配線層２８０、２８１とを有する複数の焦点検出画素２２０Ａ、２２０Ｂと、光電変換部の一部を被覆する遮光マスク２６１と、マイクロレンズを透過した光束が配線層及び遮光マスクの間の間隙を通過して光電変換部２２０ａ、２２０ｂに入射することを阻止する遮光部材２８３とを備える。
【選択図】図７

Description

本発明は、撮像素子に関する。

撮像素子の多数の撮像画素中に焦点検出画素を混在させて、撮像画素から撮像信号を得ると共に、焦点検出画素から焦点検出信号を得る撮像装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。その撮像装置の有する撮像素子に配置された焦点検出画素においては、フォトダイオードが、遮光層に設けられた開口を通して撮影レンズの射出瞳の領域からの光束を選択的に受光し、光電変換を行う。

特開２００８−３１２０７３号公報

撮像素子の製造上の観点から、撮像画素と焦点検出画素とは構造を共通化することが好ましいが、上述したように、焦点検出画素においては、光束の選択的受光のため、開口部が撮像画素の半分の大きさとなるように遮光層を設ける必要がある。しかし、ＭＯＳ型撮像素子のように複雑な配線構成を有する撮像素子においては、遮光層と配線層の間隙より侵入する迷光を十分に遮光できず、焦点検出信号の精度が低下するという問題があった。

請求項１に記載の発明による撮像素子は、第１のマイクロレンズと、マイクロレンズを透過した光束を受光して撮像信号を出力する第１の光電変換部と、マイクロレンズと第１の光電変換部との間に配置された第１の配線層とを有する複数の撮像画素と、第２のマイクロレンズと、第２のマイクロレンズを透過したマイクロレンズ透過光束を受光して焦点検出信号を出力する第２の光電変換部と、第２のマイクロレンズ及び第２の光電変換部の間に配置された第２の配線層とを有する複数の焦点検出画素と、第２の配線層とほぼ同一高さ位置に配置され、第２の光電変換部の一部を被覆する遮光マスクと、マイクロレンズと遮光マスクとの間に配置され、第２のマイクロレンズを透過した光束が第２の配線層と遮光マスクとの間の間隙を通過して第２の光電変換部に入射することを阻止する遮光部材とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、遮光性能に起因した焦点検出信号の精度の低下を防止することができる。

一実施の形態の撮像素子を搭載したレンズ交換式のデジタルスチルカメラの全体構成を示した断面図である。本デジタルスチルカメラの撮影画面を模式的に示した正面図である。撮像素子の一部を示した正面図である。撮像素子の一部を示した正面図である。図３に示した焦点検出画素の焦点検出光学系の要部を示した断面図である。図３の撮像画素の構成を示した断面図である。第１の実施の形態による図３の焦点検出画素の構成を示した断面図である。第２の実施の形態による図３の焦点検出画素の構成を示した断面図である。

本発明の一実施の形態の撮像素子を説明する。図１は、一実施の形態の撮像素子を搭載したレンズ交換式のデジタルスチルカメラの全体構成を示した断面図である。図1において、デジタルスチルカメラ１００は、交換式の撮影レンズ１１０とカメラボディ１２０とを有し、この交換レンズ１１０はマウント部１３０を介して、カメラボディ１２０に着脱可能に装着される。

交換レンズ１１０は、ズームレンズとして構成された撮影光学系１１１と、この撮影光学系１１１内に配置された絞り装置１１２と、レンズ駆動制御装置１１３等とを備える。撮影光学系１１１は、ズーミング用レンズ１１１ａとフォーカシング用レンズ１１１ｂとを有する。レンズ駆動制御装置１１３は、不図示のマイクロコンピューターやメモリや駆動制御回路などから構成され、フォーカシング用レンズ１１１ｂの焦点調節の為の駆動制御と絞り装置１１２の開口径調節の為の駆動制御とを行うと共に、ズーミング用レンズ１１１ａの位置検出とフォーカシング用レンズ１１１ｂの位置検出と絞り装置１１２の開口径の検出などを行う。

カメラボディ１２０は、本発明の一実施の形態の固体撮像素子１２１と、ボディ駆動制御装置１２２と、液晶表示素子駆動回路１２３と、駆動回路１２３によって駆動される液晶表示素子１２４と、この液晶表示素子１２４を観察する接眼レンズ１２５と、撮像素子１２１で撮像された画像データを記録するメモリカード１２６とを備える。

撮像素子１２１は、後に詳述するように、撮像信号、即ち画像信号を出力する複数の撮像画素と、焦点検出信号を出力する複数の焦点検出画素とを有する。複数の焦点検出画素と複数の焦点検出画素とは、複数の焦点検出画素が複数の焦点検出画素中に散在又は混在するように、２次元的に配置されている。なお、焦点検出画素は、後に詳述するように、瞳分割位相差式の焦点検出装置用の焦点検出画素である。

液晶表示素子１２４と接眼レンズ１２５とは、電子ビューファインダーを構成し、撮影者は、接眼レンズ１２５を介して液晶表示素子１２４に表示される被写体のスルー画像を観察することができる。

ボディ駆動制御装置１２２は、不図示のマイクロコンピューターやメモリや駆動制御回路などから構成され、撮像素子１２１の駆動制御と、撮像素子１２１の撮像信号や焦点検出信号の読み出しと、画像信号の画像処理及び記録と、焦点検出信号に基づく焦点検出演算と、露出制御などのカメラ全体の動作制御等とを行う。

ボディ駆動制御装置１２２とレンズ駆動制御装置１１３とは、マウント部１３０に設けられた電気接点１３１を介して、カメラボディ１２０と交換レンズ１１０との間でのレンズ情報信号とカメラ情報信号との授受を行う。

次に、このレンズ交換式デジタルスチルカメラの動作の概略を説明する。交換レンズ１１０の撮影光学系１１１は、被写体像を撮像素子１２１に形成し、撮像素子１２１は、撮像画素から撮像信号を出力すると共に焦点検出画素から焦点検出信号を出力して、これらの撮像信号と焦点検出信号とをボディ駆動制御装置１２２に送出する。ボディ駆動制御装置１２２は、焦点検出信号に基づきデフォーカス量を算出し、このデフォーカス量を、電気接点１３１を介してレンズ駆動制御装置１１３に送出する。レンズ駆動制御装置１１３は、このデフォーカス量に基づいてフォーカシング用レンズ１１１ｂのレンズ駆動量を算出して、このレンズ駆動量に応じてフォーカシング用レンズ１１１ｂを合焦位置に駆動する。

ボディ駆動制御装置１２２は、更に撮像信号に基づいてスルー画像を作成して液晶表示素子駆動回路１２３を介して液晶表示素子１２４に表示させると共に、シャッターレリーズ信号に応じて撮像信号に所定の画像処理を施して画像データを作成し、これをメモリカード１２６に記録する。

図２は、本デジタルスチルカメラ１００の撮影画面を示したものである。図２において、撮影画面２００には複数、図示例では５個の焦点検出エリア２０１、２０２、２０３、２０４、２０５が形成されている。この例では焦点検出エリア２０１と２０２とが図において横方向に延在し、焦点検出エリア２０３、２０４、２０５が縦方向に延在している。この撮影画面２００は撮像素子１２１の撮像面に対応しており、焦点検出エリア２０１〜２０５の各々に対応する撮像素子１２１の領域には、複数の焦点検出画素が配列されている。

図３は、撮像素子１２１の一部を示した正面図である。図３において、撮像素子１２１の一部１２１ａには、多数の撮像画素２１０が２次元状に配置されている。撮像画素２１０は、赤（Ｒ）画素と緑（Ｇ）画素と青（Ｂ）画素とを含み、これらの赤画素と緑画素と青画素とはベイヤー配列に従い規則的に配列されている。各撮像画素２１０は光電変換部２１０ａを有する。複数の焦点検出画素２２０は縦方向に配列され、これは、例えば図２に示した撮影画面２００の縦方向の焦点検出エリア２０４に対応する。なお、複数の焦点検出画素２２０は、ベイヤー配列された撮像画素２１０の一部を焦点検出画素２２０によって置き換えたように、配置されている。

複数の焦点検出画素２２０は、複数の焦点検出画素２２０ａと複数の焦点検出画素２２０ｂとから構成され、これらの焦点検出画素２２０ａ、２２０ｂは互いに、縦方向に交互に配置されている。焦点検出画素２２０ａは、画素の上方位置に位置する小型の光電変換部２２０ａを有し、焦点検出画素２２０ｂは画素の下方位置に位置する小型の光電変換部２２０ｂを有する。このように、焦点検出画素２２０ａの光電変換部２２０ａ及び焦点検出画素２２０ｂの光電変換部２２０ｂの大きさは、それぞれ撮像画素２１０の光電変換部２１０ａの大きさのほぼ半分程度に定められている。

図４は、図３と同様に撮像素子１２１の一部を示した正面図であり、図３との相違点は、各焦点検出画素２３０が画素内に互いに離間した一対の光電変換部２３０ａ、２３０ｂを有することである。図３及び図４の焦点検出画素２２０及び２３０は、それぞれ、瞳分割位相差式の焦点検出装置の一部を構成するものであり、以下にこれの焦点検出光学系を説明する。

図５は、図３に示した焦点検出画素２２０の焦点検出光学系の要部を示した断面図である。図５において、焦点検出画素２２０ａの光電変換部２２０ａは、撮影光学系の射出瞳２４０の第１の部分２４０ａを透過した光束２４１をマイクロレンズアレイ２５０を介して受光し、焦点検出画素２２０ｂの光電変換部２２０ｂは、射出瞳２４０の第２の部分２４０ｂを透過した光束２４２をマイクロレンズアレイ２５０を介して受光する。こうして、複数の焦点検出画素２２０ａの光電変換部２２０ａの焦点検出信号列と複数の焦点検出画素２２０ｂの光電変換部２２０ｂの焦点検出信号列との位相差を測定することによって、デフォーカス量を算出することができる。

また、図４に示した焦点検出画素２３０は、焦点検出画素２３０の一方の光電変換部２３０ａが、図５の撮影光学系の射出瞳２４０の第１の部分２４０ａを透過した光束２４１を、マイクロレンズアレイ２５０を介して受光すると共に、他方の光電変換部２３０ｂが射出瞳２４０の第２の部分２４０ｂを透過した光束２４２を、マイクロレンズアレイ２５０を介して受光する。こうして、複数の焦点検出画素２３０の光電変換部２３０ａの焦点検出信号列と複数の焦点検出画素２３０Ｂの光電変換部２３０ｂの焦点検出信号列との位相差を測定することによって、デフォーカス量を算出することができる。

次に、本発明に係る撮像素子の実施の形態を、図６〜図８を用いて説明する。図６は図３の撮像画素の構成を示した断面図である。撮像画素２１０は、光電変換部２１０ａと遮光マスク２６１と平坦化層２６２と色フィルター２６３と平坦化層２６４とマイクロレンズ２６５とを有する。

この構成を詳述すると、半導体基板２６０には光電変換部２１０ａが形成され、この光電変換部２１０ａの直ぐ上には遮光マスク２６１が設けられている。この遮光マスク２６１は光電変換部２１０ａの外周囲を遮光して、光電変換部２１０ａの受光領域を規定する。こうして、遮光マスク２６１の開口部２６１ａは、光電変換部２１０ａの受光領域を規定するので、図３の撮像画素２１０の光電変換部２１０ａの大きさに相当している。遮光マスク２６１の上には平坦化層２６２が積層され、この平坦化層２６２の上には色フィルター２６３が形成されている。これらの色フィルター２６３は図３に示した赤（Ｒ）画素２１０、緑（Ｇ）画素２１０、青（Ｂ）画素２１０に応じた分光特性を有する。色フィルター２６３の上には平坦化層２６４が積層され、この平坦化層２６４の上には図５に示したマイクロレンズアレイ２５０の各マイクロレンズ２６５が配置されている。

色フィルター２６３は、高屈折の無機材料と低屈折の無機材料とを多層積層したフォトニック結晶色フィルターである。高屈折の無機材料としてはＴｉＯ_２が使用され、低屈折無機材料としてはＳｉＯ_２が使用される。このフォトニック結晶色フィルターにあっては、多層構造の高屈折材料ＴｉＯ_２と低屈折材料ＳｉＯ_２とのそれぞれの膜厚を調整することによって、赤、緑及び青の分光特性を持った色フィクターを作成することができる。なお、高屈折の無機材料及び低屈折無機材料は、それぞれ、ＴｉＯ_２及びＳｉＯ_２が限るものではなく、その他の無機材料を使用することもできる。例えば、ＴｉＯ_２の代わりにＳｉＮを使用することもできる。

図７は図３に示した焦点検出画素２２０ａ、２２０ｂの第１の実施の形態について、その構成を示した断面図である。図７において、半導体基板２６０には焦点検出画素２２０ａの光電変換部２２０ａと焦点検出画素２２０ｂの光電変換部２２０ｂがそれぞれ形成され、これらの光電変換部２２０ａ、２２０ｂの直ぐ上には遮光マスク２６１が設けられている。この遮光マスク２６１は光電変換部２２０ａのほぼ半分と光電変換部２２０ｂのほぼ半分とを遮光して、光電変換部２２０ａ、２２０ｂの受光領域を規定する。

遮光マスク２６１の側部には、第１の配線膜２８０が配置されている。即ち、これらの第１の配線膜２８０は遮光マスク２６１が配置された層と同一高さの層に配置されている。遮光マスク２６１の上には、平坦化層２６２が積層され、この平坦化層２６２には、第２の配線膜２８１と遮光膜２８２とが設けられている。この遮光膜２８２は、迷光の発生を防止する。

遮光マスク２６１は、その先端部が光電変換部２２０ｂのほぼ中央部分に位置し、その末端部が光電変換部２２０ｂの側端部よりも内側に位置しているため、第１の配線膜２８０、第２の配線膜２８１および遮光膜２８２の各々と、遮光マスク２６１との間には間隙がある。したがって、後述する黒フィルター２８３が設けられていない場合、マイクロレンズ２６５を透過した光束２８５ａが光電変換部２２０ｂに入射し、これが迷光として焦点検出信号の精度の低下を招来しうる。その間隙が小さくなるように、遮光マスク２６１を第１の配線膜２８０に近づく方向に延伸すると、容量性カップリングに起因したノイズが発生し、焦点検出信号の精度を著しく低下させてしまうこととなるため、その間隙を排除することができない。

遮光膜２８２の上には、顔料を含んだ黒フィルター２８３が設けられている。この黒フィルター２８３は、減光フィルター２６６と共に図６の撮像画素２１０の色フィルター２６３と同一の高さ位置に配置される。この黒フィルター２８３の上には平坦化層２６４が積層され、この平坦化層２６４の上にマイクロレンズ２６５が形成される。なお、この実施形態の撮像素子は、撮像画素２１０の色フィルターと焦点検出画素の黒フィルター２８３及び減光フィルター２６６は共に有機材料によって作成されている。

黒フィルター２８３の働きは次の通りである。即ち、黒フィルター２８３は遮光部材として作用し、マイクロレンズ２６５を透過して、第１の配線膜２８０、第２の配線膜２８１および遮光膜２８２の各々と、遮光マスク２６１との間の間隙から光電変換部２２０ｂに入射する光束２８５ａを遮光する。これにより、迷光防止効果を奏する。

なお、黒フィルター２８３の代わりに、薄膜干渉色フィルターを用いても良い。

図８は図３に示した焦点検出画素２２０ａ、２２０ｂの第２の実施の形態について、その構成を示した断面図である。上述した間隙へ入射する光束２８５ａを遮光するように光電変換部２２０ｂを被覆する薄膜遮光フィルター２８５が図７の黒フィルター２８３の代わりに平坦化層２６２中に設けられている。この薄膜遮光フィルター２８５の高さ方向の位置は、上述した間隙の直上である。焦点検出画素のその他の構成は、図７と同一である。なお、薄膜遮光フィルター２８５は、光束２８５ａを確実に遮光する為に、できるだけ上述した間隙に近い位置に配置することが望ましい。

薄膜遮光フィルター２８５は、黒フィルター２８３と同様に遮光部材として作用し、マイクロレンズ２６５を透過して、第１の配線膜２８０、第２の配線膜２８１および遮光膜２８２の各々と、遮光マスク２６１との間の間隙から光電変換部２２０ｂに入射する光束２８５ａを遮光する。これにより、迷光防止効果を奏する。

上述した第１または第２の実施の形態によると、遮光性能に起因した焦点検出信号の精度の低下を防止することができるという作用効果が得られる。

１２１撮像素子、２１０撮像画素、２２０焦点検出画素、２３０焦点検出画素、２１０ａ光電変換部、２２０ａ、２２０ｂ光電変換部、２３０ａ、２３０ｂ光電変換部、２６３色フィルター、２６５マイクロレンズ、２６６減光フィルター、２８３遮光部材（黒フィルター）、２８５遮光部材（薄膜遮光フィルター）

Claims

第１のマイクロレンズと、前記マイクロレンズを透過した光束を受光して撮像信号を出力する第１の光電変換部と、前記マイクロレンズと前記第１の光電変換部との間に配置された第１の配線層とを有する複数の撮像画素と、
第２のマイクロレンズと、前記第２のマイクロレンズを透過したマイクロレンズ透過光束を受光して焦点検出信号を出力する第２の光電変換部と、前記第２のマイクロレンズ及び前記第２の光電変換部の間に配置された第２の配線層とを有する複数の焦点検出画素と、
前記第２の配線層とほぼ同一高さ位置に配置され、前記第２の光電変換部の一部を被覆する遮光マスクと、
前記マイクロレンズと前記遮光マスクとの間に配置され、前記第２のマイクロレンズを透過した光束が前記第２の配線層と前記遮光マスクとの間の間隙を通過して前記第２の光電変換部に入射することを阻止する遮光部材とを備えることを特徴とする撮像素子。
請求項１に記載の撮像素子において、
前記撮像画素の前記第１のマイクロレンズと前記第１の光電変換部と前記第１の配線層は、それぞれ前記焦点検出画素の前記第２のマイクロレンズと前記第２の光電変換部と前記第２の配線層と実質的に同一の構造であり、
前記遮光マスクは、その先端部が前記第２の光電変換部のほぼ中央部分に位置し、その末端部が前記第２の光電変換部の側端部よりも内側に位置し、
前記遮光部材は、前記光束が前記間隙を通って前記第２の光電変換部の前記側端部の付近に入射することを阻止することを特徴とする撮像素子。
請求項２に記載の撮像素子において、
前記遮光部材は、前記第２のマイクロレンズの直ぐ下に配置されることを特徴とする撮像素子。
請求項２に記載の撮像素子において、
前記遮光部材は、前記間隙を覆うように前記間隙の直ぐ上に配置されることを特徴とする撮像素子。
請求項３に記載の撮像素子において、
前記遮光部材は、有機材料の薄膜によって構成されることを特徴とする撮像素子。
請求項４に記載の撮像素子において、
前記遮光部材は、無機材料の多層薄膜によって構成されることを特徴とする撮像素子。