JP2011029932A - Imaging element and imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、撮像を行うための撮像素子から得られる像信号に基づいて撮影レンズの焦点状態を検出する技術に関するものである。 The present invention relates to a technique for detecting a focus state of a photographic lens based on an image signal obtained from an image sensor for performing imaging.
撮影レンズの焦点状態を検出する方式の一つとして、センサの各画素にオンチップレンズが形成された2次元のセンサを用いて瞳分割方式の焦点検出を行う装置が特許文献1に開示されている。特許文献1の装置では、センサを構成する各画素の光電変換部が複数に分割されており、分割された光電変換部がオンチップレンズを介して撮影レンズの瞳の異なる領域を通過した光を受光するように構成されている。
As one of the methods for detecting the focus state of the photographic lens,
また、特許文献2では、撮像素子の一部の受光素子(画素)において、オンチップマイクロレンズの光軸に対して受光部の感度重心を偏心させることで瞳分割機能を付与している。そしてこれらの画素を焦点検出用画素とし、撮像用画素群の間に所定の間隔で配置することで、位相差式焦点検出を行なう。また、焦点検出用画素が配置された箇所は撮像画素の欠損部に相当するため、周辺の撮像画素情報から補間して画像情報を創生している。
In
前述した特許文献2には、受光部の感度重心を偏心させるためにオンチップマイクロレンズの光軸に対して開口を偏らせた開口部を有する遮光層を設けた構成が開示されている。遮光層を配線層と兼ねるようにすれば従来の製造プロセスからの変更がほとんどなく有望な構成と言える。
図16は、遮光層を配線層と兼ねた撮像素子の構成を示す図である。図16において、60はシリコン基板、61は受光領域、69aはオンチップレンズ、51は遮光層を兼ねた配線層、62は層間絶縁膜である。また右側が標準画素の構成を示し、左側が受光部の感度重心を偏心させた画素の構成を示している。また図16は、オンチップレンズの焦点位置が受光領域61の表面部にほぼ一致している。図17は、オンチップレンズの高さを高くした撮像素子の構成を示す図である。このオンチップレンズ69bの焦点位置は遮光層を兼ねた配線層51の配置高さにほぼ一致しておりその他の構成は図16と同一となっている。
FIG. 16 is a diagram illustrating a configuration of an imaging element in which the light shielding layer also serves as a wiring layer. In FIG. 16, 60 is a silicon substrate, 61 is a light receiving region, 69a is an on-chip lens, 51 is a wiring layer that also serves as a light shielding layer, and 62 is an interlayer insulating film. The right side shows the configuration of the standard pixel, and the left side shows the configuration of the pixel in which the sensitivity center of gravity of the light receiving unit is decentered. In FIG. 16, the focal position of the on-chip lens substantially coincides with the surface portion of the
以下に、オンチップレンズ高さの違いによる各画素の特性の違いについて説明する。図18は標準画素の斜入射の様子を説明する図である。図18(a)は図16で示した光束が受光領域61表面部にほぼ収束するオンチップレンズ69aの例であり、受光領域61に全光束が照射されている様子がわかる。一方図18(b)は図17で示した光束が配線層51の配置高さにほぼ収束するオンチップレンズ69bの例であり、光束の一部が受光領域61からはみ出ている様子がわかる。図19は感度重心を偏心させた画素の開口を透過する様子を説明する図である。図19(a)は図16で示した光束が受光領域61表面部にほぼ収束するオンチップレンズ69aの例であり、光束の一部が遮光層を兼ねた配線層51により遮られ全光束が受光領域61に到達しない様子がわかる。一方図19(b)は図17で示した光束が配線層51の配置高さにほぼ収束するオンチップレンズ69bの例であり、全光束は配線層51の開口部を透過し、受光領域61に到達する様子がわかる。
Hereinafter, a difference in characteristics of each pixel due to a difference in on-chip lens height will be described. FIG. 18 is a diagram for explaining the oblique incidence of standard pixels. FIG. 18A shows an example of the on-
図20は標準画素の入射角特性を示した図で、横軸は入射角度、縦軸は受光効率を示す。図20(a)は図16で示した光束が受光領域61の表面部にほぼ収束するオンチップレンズ69aの場合に対応し、図20(b)は図17で示した光束が配線層51の配置高さにほぼ収束するオンチップレンズ69bの場合に対応する。図20から、標準画素においては光束が受光領域61表面部にほぼ収束するオンチップレンズほど、明るい入射角が大きいレンズや像高の高い画素においても光取り込み効率を確保することができることがわかる。
FIG. 20 is a diagram showing the incident angle characteristics of a standard pixel. The horizontal axis represents the incident angle, and the vertical axis represents the light receiving efficiency. 20A corresponds to the case of the on-
図21は感度重心を偏心させた画素の入射角特性を示した図で、横軸は入射角度、縦軸は受光効率を示す。図21(a)は図16で示した光束が受光領域61表面部にほぼ収束するオンチップレンズ69aの場合に対応し、図21(b)は図17で示した光束が配線層51の配置高さにほぼ収束するオンチップレンズ69bの場合に対応する。図21から、感度重心を偏心させた画素においては光束が配線層51の配置高さにほぼ収束するオンチップレンズほど偏心した瞳強度分布の特性が先鋭となる。つまりは位相差式焦点検出を行なう上で良好な画像信号が得られることがわかる。
FIG. 21 is a diagram showing the incident angle characteristics of a pixel in which the sensitivity center of gravity is decentered. The horizontal axis indicates the incident angle, and the vertical axis indicates the light receiving efficiency. 21A corresponds to the case of the on-
すなわち、標準画素の最適なオンチップレンズ形状と感度重心を偏心させた画素での最適なオンチップレンズ形状とは一致せず、同一のオンチップレンズ製造プロセスではどちらかの画素に適したオンチップレンズ形状を選択する必要があった。 In other words, the optimal on-chip lens shape of the standard pixel does not match the optimal on-chip lens shape of the pixel whose sensitivity center of gravity is decentered, and an on-chip suitable for either pixel in the same on-chip lens manufacturing process. It was necessary to select the lens shape.
本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、オンチップレンズ形状をほぼ同じにしても、標準画素と感度重心を偏心させた画素の双方で必要な受光特性を満足できるようにすることである。 The present invention has been made in view of the above-described problems. The object of the present invention is to satisfy the required light receiving characteristics in both the standard pixel and the pixel whose sensitivity center of gravity is decentered even when the on-chip lens shape is substantially the same. Is to do so.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わる撮像素子は、撮影レンズにより結像される被写体像を光電変換して画像生成用の信号を生成する撮像用画素と、複数の前記撮像用画素の間に離散的に配置され、前記撮影レンズの瞳領域を分割して、分割された瞳領域からの被写体像を光電変換して位相差検出用の信号を生成する焦点検出用画素とを備え、前記撮像用画素は、光を電荷に変換する光電変換部と、該光電変換部に光を集光するオンチップレンズと、前記光電変換部と前記オンチップレンズの間に配置され前記光電変換部に光を導くための光導波路とを有し、前記焦点検出用画素は、光を電荷に変換する光電変換部と、該光電変換部に光を集光するオンチップレンズと、前記光電変換部と前記オンチップレンズの間に配置され前記光電変換部の一部を遮光するための遮光層とを有し、前記撮像用画素のオンチップレンズと前記焦点検出用画素のオンチップレンズとは、ともに、ほぼ前記遮光層が配置されている高さの位置に焦点位置を有することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, an imaging device according to the present invention includes an imaging pixel that photoelectrically converts a subject image formed by a photographic lens to generate an image generation signal, and a plurality of imaging pixels. Focus detection that is discretely arranged between the imaging pixels, divides a pupil region of the photographing lens, and photoelectrically converts a subject image from the divided pupil region to generate a phase difference detection signal The imaging pixel includes a photoelectric conversion unit that converts light into an electric charge, an on-chip lens that collects light on the photoelectric conversion unit, and a gap between the photoelectric conversion unit and the on-chip lens. An optical waveguide for guiding light to the photoelectric conversion unit, and the focus detection pixel includes a photoelectric conversion unit that converts light into electric charge, and an on-chip lens that condenses light on the photoelectric conversion unit And between the photoelectric conversion unit and the on-chip lens And a light shielding layer for shielding a part of the photoelectric conversion unit, and the on-chip lens of the imaging pixel and the on-chip lens of the focus detection pixel are both substantially disposed of the light shielding layer. It is characterized by having a focal position at a height position.
本発明によれば、オンチップレンズ形状をほぼ同じにしても、標準画素と感度重心を偏心させた画素の双方で必要な受光特性を満足することが可能となる。 According to the present invention, even if the on-chip lens shapes are substantially the same, it is possible to satisfy the required light receiving characteristics in both the standard pixel and the pixel whose sensitivity center of gravity is decentered.
(第1の実施形態)
図1は本発明の第1の実施形態に係わる撮像装置であるカメラ200の構成図で、撮像素子を有したカメラ本体と、被写体像を結像させるための撮影レンズ100が一体となった電子カメラを示している。図1において、101は撮影レンズ100の先端に配置された第1レンズ群で、光軸方向に進退可能に保持される。102は絞り兼用シャッタで、その開口径を調節することで撮影時の光量調節を行なうほか、静止画撮影時には露光秒時調節用シャッタとして機能する。103は第2レンズ群である。そして、絞り兼用シャッタ102及び第2レンズ群103は一体となって光軸方向に進退し、第1レンズ群101の進退動作との連動により、変倍作用(ズーム機能)をなす。105は第3レンズ群で、光軸方向の進退により、焦点調節を行なう。106は光学的ローパスフィルタで、撮影画像の偽色やモアレを軽減するための光学素子である。107はC−MOSセンサとその周辺回路で構成された撮像素子である。撮像素子は、横方向m画素、縦方向n画素の複数の各受光ピクセル上に、それぞれ1つの光電変換素子が配置されている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a configuration diagram of a
111はズームアクチュエータで、不図示のカム筒を回動することで、第1レンズ群111乃至第3レンズ群103を光軸方向に進退駆動し、変倍操作を行なう。112は絞りシャッタアクチュエータで、絞り兼用シャッタ102の開口径を制御して撮影光量を調節すると共に、静止画撮影時の露光時間制御を行なう。114はフォーカスアクチュエータで、第3レンズ群105を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行なう。115は撮影時の被写体照明用の電子フラッシュで、キセノン管を用いた閃光照明装置が好適であるが、連続発光するLEDを備えた照明装置を用いても良い。
121は、カメラ本体の種々の制御を司るカメラ内CPUで、演算部、ROM、RAM、A/Dコンバータ、D/Aコンバータ、通信インターフェイス回路等を有し、ROMに記憶された所定のプログラムに基づいて、カメラが有する各種回路を駆動する。そして、AF、撮影、画像処理、記録等の一連の動作を実行する。またCPU121は、撮影レンズ100の焦点状態を検出する焦点検出手段及び、焦点ずれ量演算手段としての機能も有する。
122は電子フラッシュ制御回路で、撮影動作に同期して電子フラッシュ115を点灯制御する。124は撮像素子駆動回路で、撮像素子107の撮像動作を制御するとともに、取得した画像信号をA/D変換してCPU121に送信する。125は画像処理回路で、撮像素子107が取得した画像のγ変換、カラー補間、JPEG圧縮等の処理を行なう。126はフォーカス駆動回路で、焦点検出結果に基づいてフォーカスアクチュエータ114を駆動制御し、第3レンズ群105を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行なう。128は絞りシャッタ駆動回路で、絞りシャッタアクチュエータ112を駆動制御して絞り兼用シャッタ102の開口を制御する。129はズーム駆動回路で、撮影者のズーム操作に応じてズームアクチュエータ111を駆動する。
An electronic
131はLCD等の表示器で、カメラの撮影モードに関する情報、撮影前のプレビュー画像と撮影後の確認用画像、焦点検出時の合焦状態表示画像等を表示する。132は操作スイッチ群で、電源スイッチ、レリーズ(撮影トリガ)スイッチ、ズーム操作スイッチ、撮影モード選択スイッチ等で構成される。133は着脱可能なフラッシュメモリで、撮影済み画像を記録する。
図2は、本発明の第1の実施形態における撮像素子の概略的回路構成を示した図で、本願出願人による特開平09−046596号公報等に開示された技術が好適である。図2は2次元C−MOSエリアセンサの2列×4行の光電変換部の範囲を示したものであり、8画素分の回路構成となる。 FIG. 2 is a diagram showing a schematic circuit configuration of the image sensor according to the first embodiment of the present invention, and a technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 09-046596 by the applicant of the present application is suitable. FIG. 2 shows the range of a photoelectric conversion unit of 2 columns × 4 rows of a two-dimensional C-MOS area sensor, and has a circuit configuration for 8 pixels.
図2において、1はMOSトランジスタゲートとゲート下の空乏層からなる光電変換部、2はフォトゲート、3は転送スイッチMOSトランジスタ、4はリセット用MOSトランジスタ、5はソースフォロワアンプMOSトランジスタである。6は水平選択スイッチMOSトランジスタ、7はソースフォロワの負荷MOSトランジスタ、8は暗出力転送MOSトランジスタ、9は明出力転送MOSトランジスタ、10は暗出力蓄積容量CTN、11は明出力蓄積容量CTSである。12は水平転送MOSトランジスタ、13は水平出力線リセットMOSトランジスタ、14は差動出力アンプ、15は水平走査回路、16は垂直走査回路である。 In FIG. 2, 1 is a photoelectric conversion unit comprising a MOS transistor gate and a depletion layer under the gate, 2 is a photogate, 3 is a transfer switch MOS transistor, 4 is a reset MOS transistor, and 5 is a source follower amplifier MOS transistor. 6 is a horizontal selection switch MOS transistor, 7 is a load MOS transistor of the source follower, 8 is a dark output transfer MOS transistor, 9 is a light output transfer MOS transistor, 10 is a dark output storage capacitor CTN, and 11 is a light output storage capacitor CTS. . 12 is a horizontal transfer MOS transistor, 13 is a horizontal output line reset MOS transistor, 14 is a differential output amplifier, 15 is a horizontal scanning circuit, and 16 is a vertical scanning circuit.
図3に画素配線部の断面図を示す。図3において、17はP型ウェル、18はゲート酸化膜、19は一層目ポリSi、20は二層目ポリSi、21はn+フローティングディフュージョン部(FD部)である。FD部21は別の転送MOSトランジスタを介して別の光電変換部と接続される。図3において、2つの転送MOSトランジスタ3のドレインとFD部21を共通化して微細化とFD部21の容量低減による感度向上を図っているが、Al配線でFD部21を接続しても良い。
FIG. 3 shows a cross-sectional view of the pixel wiring portion. In FIG. 3, 17 is a P-type well, 18 is a gate oxide film, 19 is a first-layer poly-Si, 20 is a second-layer poly-Si, and 21 is an n + floating diffusion portion (FD portion). The
次に、図4のタイミングチャートを用いて撮像素子の動作について説明する。このタイミングチャートは全画素独立出力の場合である。まず垂直走査回路16からのタイミング出力によって、制御パルスφLをハイとして垂直出力線をリセットする。また制御パルスφR0,φPG00,φPGe0をハイとし、リセット用MOSトランジスタ4をオンとし、フォトゲート2の一層目ポリSi19をハイとしておく。時刻T0において、制御パルスφS0をハイとし、選択スイッチMOSトランジスタ6をオンさせ、第1、第2ラインの画素部を選択する。次に制御パルスφR0をローとし、FD部21のリセットを止め、FD部21をフローティング状態とし、ソースフォロワアンプMOSトランジスタ5のゲート・ソース間をスルーとした後、時刻T1において制御パルスφTNをハイとする。そして、FD部21の暗電圧をソースフォロワ動作で蓄積容量CTN10に出力させる。
Next, the operation of the image sensor will be described using the timing chart of FIG. This timing chart is for the case of all pixel independent output. First, according to the timing output from the
次に、第1ラインの画素の光電変換出力を行うため、第1ラインの制御パルスφTX00をハイとして転送スイッチMOSトランジスタ3を導通した後、時刻T2において制御パルスφPG00をローとして下げる。この時フォトゲート2の下に拡がっていたポテンシャル井戸を上げて、光発生キャリアをFD部21に完全転送させるような電圧関係が好ましい。従って完全転送が可能であれば制御パルスφTXはパルスではなくある固定電位でもかまわない。時刻T2でフォトダイオードの光電変換部1からの電荷がFD部21に転送されることにより、FD部21の電位が光に応じて変化することになる。この時ソースフォロワアンプMOSトランジスタ5がフローティング状態であるので、FD部21の電位を時刻T3において制御パルスφTsをハイとして蓄積容量CTS11に出力する。この時点で第1ラインの画素の暗出力と光出力はそれぞれ蓄積容量CTN10とCTS11に蓄積されおり、時刻T4の制御パルスφHCを一時ハイとして水平出力線リセットMOSトランジスタ13を導通して水平出力線をリセットする。そして、水平転送期間において水平走査回路15の走査タイミング信号により水平出力線に画素の暗出力と光出力を出力させる。この時、蓄積容量CTN10とCTS11に対して、差動増幅器14によって、差動出力VOUTを取れば、画素のランダムノイズ、固定パターンノイズを除去したS/Nの良い信号が得られる。また画素30−12、30−22の光電荷は画素30−11、30−21と同時に夫々の蓄積容量CTN10とCTS11に蓄積されるが、その読み出しは水平走査回路15からのタイミングパルスを1画素分遅らして水平出力線に読み出して差動増幅器14から出力される。本実施形態では、差動出力VOUTをチップ内で行う構成を示しているが、チップ内に含めず、外部で従来のCDS(Correlated Double Sampling:相関二重サンプリング)回路を用いても同様の効果が得られる。
Next, in order to perform photoelectric conversion output of the pixels of the first line, the control pulse φTX00 of the first line is set high, the transfer
蓄積容量CTS11に明出力を出力した後、制御パルスφR0をハイとしてリセット用MOSトランジスタ4を導通しFD部21を電源VDDにリセットする。第1ラインの水平転送が終了した後、第2ラインの読み出しを行う。第2ラインの読み出しは、制御パルスφTXe0、制御パルスφPGe0を同様に駆動させ、制御パルスφTN、φTSに夫々ハイパルスを供給して、蓄積容量CTN10とCTS11に夫々光電荷を蓄積し、暗出力及び明出力を取り出す。以上の駆動により、第1、第2ラインの読み出しが夫々独立に行える。この後、垂直走査回路を走査させ、同様に第2n+1ライン、第2n+2ライン(n=1,2,…)の読み出しを行えば全画素独立出力が行える。即ち、n=1の場合は、まず制御パルスφS1をハイとし、次にφR1をローとし、続いて制御パルスφTN、φTX01をハイとし、制御パルスφPG01をロー、制御パルスφTSをハイ、制御パルスφHCを一時ハイとして画素30−31,30−32の画素信号を読み出す。続いて、制御パルスφTXe1,φPGe1及び上記と同様に制御パルスを印加して、画素30−41,30−42の画素信号を読み出す。
After a bright output is output to the storage capacitor CTS11, the control pulse φR0 is set high to turn on the
図5は、撮像素子であるC−MOSセンサの一部平面図である。図5において、51,52は電極である。電極(配線層)51及び52で区切られた領域が1画素を示しており、1画素中に書かれた「R」「G」「B」の文字は各画素のカラーフィルタの色相を表している。「R」の文字の書かれた画素は赤の成分の光を透過し、「G」の文字の書かれた画素は緑の成分の光を透過し、「B」の文字の書かれた画素は青の成分の光を透過する。また、「R」、「G」、「B」の文字が書かれた各画素は、撮影レンズ100の全瞳領域を通過した光を受光するように構成された画像生成用の画素である。
FIG. 5 is a partial plan view of a C-MOS sensor which is an image sensor. In FIG. 5, 51 and 52 are electrodes. A region separated by the electrodes (wiring layers) 51 and 52 represents one pixel, and the letters “R”, “G”, and “B” written in one pixel represent the hue of the color filter of each pixel. Yes. Pixels with the letter “R” transmit red component light, pixels with the letter “G” transmit green component light, and pixels with the letter “B” written Transmits blue component light. In addition, each pixel on which the characters “R”, “G”, and “B” are written is an image generation pixel configured to receive light that has passed through the entire pupil region of the photographing
カラーフィルタの配列がベイヤ配列の場合、1絵素は「R」、「B」の画素と2つの「G」の画素から構成される。これに対し、本実施形態の撮像素子は「R」あるいは「B」であるべき画素の一部に、撮影レンズ100の一部の瞳領域を通過した光を受光する焦点検出用画素が割り当てられている。図中、α、βは撮影レンズ100の焦点状態を検出するための焦点検出用画素で、電極51で水平方向の開口が制限されている。焦点検出用画素は、複数の撮像用画素の間に離散的に配置され、撮影レンズ100の瞳領域を分割して、分割された瞳領域からの被写体像を光電変換して位相差検出用の信号を生成する。
When the color filter array is a Bayer array, one picture element is composed of “R” and “B” pixels and two “G” pixels. On the other hand, in the imaging device of this embodiment, focus detection pixels that receive light that has passed through a part of the pupil region of the photographing
本実施形態の撮像素子107の一部に配設される焦点検出用の画素は、電極51にて制限される開口の水平方向の開口中心位置が画素中心に対して異なる2種類が設定されている。例えば、電極51−1αと電極51−2αとで決まる開口が画素中心に対して水平左方向に偏位した焦点検出用画素αに対して、水平方向及び垂直方向に4画素隣接した位置に同様の電極開口を有する焦点検出用画素が配設されている。また、焦点検出用画素αに対して斜めに隣接する位置に、電極51−3βと電極51−4βとで決まる開口が水平右方向に偏位した焦点検出用画素βが配設されている。さらに、焦点検出用画素βに対して、水平方向及び垂直方向に4画素隣接した位置に同様の電極開口を有する焦点検出用画素が配設されている。
Two types of focus detection pixels arranged in a part of the
図6は、図5の撮像素子107の焦点検出用画素α、βとその隣接画素の水平断面図を示し、図6(a)は図5のC―C矢視断面図で、図6(b)は図5のD―D矢視断面図である。
6 is a horizontal sectional view of the focus detection pixels α and β and the adjacent pixels of the
図6(a)の左側の画素は、焦点検出用画素αを示し、右側の画素は撮影レンズ100の全瞳領域を受光可能な画素(撮像用画素)を示している。撮像素子107は、シリコン基板60の内部に光電変換部61が形成されている。光電変換部61で発生した信号電荷は、不図示のフローティングディフュージョン部、第1の電極51及び不図示の第2の電極52を介して外部に出力される。光電変換部61と電極51との間には層間絶縁膜62が形成され、電極51と電極52との間には層間絶縁膜63が形成されている。層間絶縁膜63の光入射側には、カラーフィルタ層67、平坦化層64、オンチップレンズ69が形成されている。ここで、オンチップレンズ69のパワーは、撮影レンズ100の瞳と電極51が略共役になるように設定されている。言い換えれば、オンチップレンズ69は、オンチップレンズ69に入射した光束を電極51の配置高さにほぼ収束させるように、ほぼ電極51の配置高さに焦点位置を有している。また、撮像素子107の中央に位置する画素ではオンチップレンズ69は画素の中心に配設され、周辺に位置する画素では、撮影レンズ100の光軸側に偏位して配設される。70は、電極51より下に形成されたエアギャップ層であり、エアギャップ層70に照射された光束を全反射条件を満たす角度において反射する導波路の機能を有する。
The left pixel in FIG. 6A indicates the focus detection pixel α, and the right pixel indicates a pixel (imaging pixel) that can receive the entire pupil region of the
撮影レンズ100を透過した被写体光は撮像素子107近傍に集光される。さらに撮像素子107の各画素に到達した光は、オンチップレンズ69で屈折され電極51の位置に集光される。通常の撮像に使う図中右側の画素では、入射する光を遮光しないように第1の電極51及び第2の電極52が配設されている。
The subject light transmitted through the photographing
一方、図中左側の撮影レンズ100の焦点検出を行う画素では、電極51の一部が光電変換部61を覆うように構成されている。その結果図中左側の焦点検出用画素は、撮影レンズ100の瞳の一部を透過する光束を受光可能となっている。また、電極51が入射光束の一部を遮光していることにより光電変換部61の出力が小さくなることを防ぐため、焦点検出用の画素のカラーフィルタ層67Wは光を吸収しない透過率の高い樹脂で形成されている。
On the other hand, in the pixel that performs focus detection of the
同様に、図6(b)の右側の画素は、焦点検出用画素βを示し、左側の画素は撮影レンズ100の全瞳領域を受光可能な画素(撮像用画素)を示している。図6からわかるように、焦点検出用画素αとβとはほとんど左右対称形状となっており、オンチップレンズ69の位置と電極51の開口中心の相対位置を異ならせることによって、撮影レンズ100の受光分布を異ならせるように構成している。
Similarly, the pixel on the right side of FIG. 6B indicates the focus detection pixel β, and the pixel on the left side indicates a pixel (imaging pixel) that can receive the entire pupil region of the
図7は標準画素の斜入射の様子を説明する図である。図7に示すようにオンチップレンズ69により光束が遮光層を兼ねた配線層(電極)51の配置高さにほぼ収束しているが、エアギャップ層70による全反射構成になっているために全光束が受光領域61に照射される様子がわかる。
FIG. 7 is a diagram for explaining the oblique incidence of standard pixels. As shown in FIG. 7, the on-
図8は感度重心を偏心させた画素(焦点検出用画素)の開口を透過する様子を説明する図である。図8に示すようにオンチップレンズ69により光束が電極51の配置高さにほぼ収束しており、全光束は電極51の開口部を透過し、受光領域61に到達する様子がわかる。この際、エアギャップ層70は導波路としてはあまり機能しないため、エアギャップ層70は無くてもよい。ここでは標準画素と同一工程で作製可能とするために、また特に弊害はないため、エアギャップ層70を設けた例を示している。
FIG. 8 is a diagram for explaining a state of passing through the opening of a pixel (focus detection pixel) in which the sensitivity center of gravity is decentered. As shown in FIG. 8, it can be seen that the on-
図9は第1の実施形態の標準画素の入射角特性を示した図で、横軸は入射角度、縦軸は受光効率を示す。図9より、図20で示した光束が受光領域61の表面部にほぼ収束するオンチップレンズでの特性とほぼ同等の特性となることがわかる。 FIG. 9 is a diagram illustrating the incident angle characteristics of the standard pixel according to the first embodiment. The horizontal axis represents the incident angle, and the vertical axis represents the light receiving efficiency. From FIG. 9, it can be seen that the luminous flux shown in FIG.
図10は感度重心を偏心させた画素(焦点検出用画素)の入射角特性を示した図で、横軸は入射角度、縦軸は受光効率を示す。図10(a)は開口が右側に偏心した画素の入射角特性、図10(b)は開口が左側に偏心した画素の入射角特性となる。 FIG. 10 is a diagram showing the incident angle characteristics of a pixel (focus detection pixel) whose sensitivity center of gravity is decentered. The horizontal axis represents the incident angle, and the vertical axis represents the light receiving efficiency. FIG. 10A shows the incident angle characteristic of a pixel whose opening is decentered to the right side, and FIG. 10B shows the incident angle characteristic of a pixel whose opening is decentered to the left side.
図9、図10からわかるように、本実施形態により、同一のオンチップレンズ高さにおいても、標準画素(撮像用画素)と感度重心を偏心させた画素(焦点検出用画素)に対して、最適となる構成を実現することができる。 As can be seen from FIGS. 9 and 10, according to the present embodiment, even with the same on-chip lens height, the standard pixel (imaging pixel) and the pixel (sensitivity detection pixel) in which the sensitivity centroid is decentered can be used. An optimal configuration can be realized.
撮影レンズ100の焦点状態を検出する焦点検出手段としての機能を有するCPU121は、焦点検出用画素αと同じ電極開口を有する焦点検出用画素群から第1の焦点検出用画像を生成する。同様に、焦点検出用画素βと同じ電極開口を有する焦点検出用画素群から第2の焦点検出用画像を生成する。さらに焦点ずれ量演算手段としての機能を有するCPU121は、第1の焦点検出用画像と第2の焦点検出用画像に基づいて相関演算を行うことにより、焦点検出用画素αとβが位置する領域での撮影レンズ100の焦点状態を検出する。通常の画像の撮像時は、画素の電極開口が制限されている焦点検出用画素は欠陥画素として取り扱われ、焦点検出用画素の周辺に位置する画素から補間処理を行って画像信号が生成される。
The
図11は、オートフォーカスの一部である本実施形態の焦点ずれ量(デフォーカス量)検出に関わるフローチャートを示す図である。メインフローは、一般的なカメラのフローと同一なので省略する。 FIG. 11 is a diagram illustrating a flowchart relating to detection of a defocus amount (defocus amount) according to the present embodiment, which is a part of autofocus. The main flow is the same as a general camera flow, and is therefore omitted.
オートフォーカス機能が選択された場合は、焦点検出を行うためにまずステップS1の撮像用画素と焦点検出用画素の読み出しが行われる。ステップS2では2種類の焦点検出用画素群より、位相差方向に形成される2種類のパターン像を創生する。図11は、2本の巾の異なるバーチャートでのパターン像の例になる。次に、ステップS3においては、対の焦点検出画素群α、βの像について相関演算する。 When the autofocus function is selected, first, in order to perform focus detection, reading of the imaging pixels and focus detection pixels in step S1 is performed. In step S2, two types of pattern images formed in the phase difference direction are created from the two types of focus detection pixel groups. FIG. 11 shows an example of a pattern image on two bar charts having different widths. Next, in step S3, a correlation calculation is performed on the pair of focus detection pixel groups α and β.
次にステップS4で、ステップS3の相関演算結果の信頼性を判定する。ここで信頼性とは、対の像の一致度や像のコントラストなどを評価しており、対の像の一致度が良い場合は一般的に焦点検出結果の信頼性が高く、またコントラストが高い場合は測距対象として得意なものと判断できる。ここで信頼性が低いと判断された場合は、焦点検出信号自身の信頼性が低いと判断され、ステップS1に戻って画像の読み出しからやり直す。ステップS4で、信頼性OKと判断された場合は、最終的にステップS5で像の相関値をデフォーカス量に換算して、デフォーカス量を算出する。 Next, in step S4, the reliability of the correlation calculation result in step S3 is determined. Here, the reliability refers to the degree of coincidence of the paired images and the contrast of the images. When the degree of coincidence of the paired images is good, the reliability of the focus detection result is generally high and the contrast is high. In this case, it can be determined that the subject is good at ranging. If it is determined that the reliability is low, the reliability of the focus detection signal itself is determined to be low, and the process returns to step S1 and starts again from the image reading. If it is determined in step S4 that the reliability is OK, the image correlation value is finally converted into a defocus amount in step S5, and the defocus amount is calculated.
ステップS6では、ステップS5で計算した焦点ずれ量が許容値以下か否かを判断する。そして焦点ずれ量が許容値より大きい場合は、非合焦と判断し、ステップS7で、ステップS5で算出したデフォーカス量を補正するようにフォーカスレンズを駆動し、その後ステップS1乃至ステップS7を繰り返し実行する。そしてステップS6にて合焦状態に達したと判定されると、ステップS8にて合焦表示を行ない、オートフォーカスサブルーチンから抜ける。 In step S6, it is determined whether or not the defocus amount calculated in step S5 is less than or equal to an allowable value. If the defocus amount is larger than the allowable value, it is determined that the subject is out of focus, and in step S7, the focus lens is driven so as to correct the defocus amount calculated in step S5, and then steps S1 to S7 are repeated. Execute. If it is determined in step S6 that the in-focus state has been reached, in-focus display is performed in step S8, and the process exits from the autofocus subroutine.
以上のように第1の実施形態では、各画素にエアギャップ層を形成して導波路機能を持たせることにより、同一のオンチップレンズ高さにおいても、撮像用画素と焦点検出用画素で受光光量が低下することを防止できる。 As described above, in the first embodiment, an air gap layer is formed in each pixel to provide a waveguide function, so that light is received by the imaging pixel and the focus detection pixel even at the same on-chip lens height. It is possible to prevent the amount of light from decreasing.
(第2の実施形態)
この第2の実施形態では、撮像装置の構成は図1〜図5で示した第1の実施形態と同じであり、撮像素子の内部構造が異なっている。図12は、図5の撮像素子107の焦点検出用画素α、βとその隣接画素の水平断面図を示し、図12(a)は図5のC―C矢視断面図で、図12(b)は図5のD―D矢視断面図である。
(Second Embodiment)
In the second embodiment, the configuration of the imaging device is the same as that of the first embodiment shown in FIGS. 1 to 5, and the internal structure of the imaging device is different. 12 is a horizontal sectional view of the focus detection pixels α and β and the adjacent pixels of the
図12(a)の左側の画素は、焦点検出用画素αを示し、右側の画素は撮影レンズ100の全瞳領域を受光可能な画素(撮像用画素)を示している。図12において、図6と同一の構成のものは同一符号を付している。
The left pixel in FIG. 12A indicates the focus detection pixel α, and the right pixel indicates a pixel (imaging pixel) that can receive the entire pupil region of the
71は、電極51より下に形成した金属反射部材(例えばアルミ材)である。ここではまずエアギャップ層を形成し、そのあと金属反射部材を埋め込むことにより、図6で示したエアギャップ層70と同一の形状の反射膜を構成している。またシリコン層60や配線層52との間に不図示のストッパ膜を構成したり、3次元的にオーバーラップしない配置工夫を行うことによって電気的に接続しないようにしている。金属反射部材71に照射された光束は金属反射を起こし導波路の機能を果たす。
同様に、図12(b)の右側の画素は、焦点検出用画素βを示し、左側の画素は撮影レンズ100の全瞳領域を受光可能な画素(撮像用画素)を示している。図12からわかるように、焦点検出用画素αとβとはほとんど左右対称形状となっており、オンチップレンズ69の位置と電極51の開口中心の相対位置を異ならせることによって、撮影レンズ100の受光分布を異ならせるように構成している。
Similarly, the pixel on the right side of FIG. 12B indicates the focus detection pixel β, and the pixel on the left side indicates a pixel (imaging pixel) that can receive the entire pupil region of the photographing
図13は第2の実施形態の入射角特性を示した図で、横軸は入射角度、縦軸は受光効率を示す。図13(a)は標準画素の入射角特性、図13(b)は開口が右側に偏心した画素の入射角特性、図13(c)は開口が左側に偏心した画素の入射角特性となる。図13からわかるように、本実施形態により、同一のオンチップレンズ高さにおいても、標準画素と感度重心を偏心させた画素に対して、最適となる構成を実現することができる。 FIG. 13 shows the incident angle characteristics of the second embodiment, where the horizontal axis represents the incident angle and the vertical axis represents the light receiving efficiency. 13A shows the incident angle characteristic of the standard pixel, FIG. 13B shows the incident angle characteristic of the pixel whose opening is decentered to the right side, and FIG. 13C shows the incident angle characteristic of the pixel whose opening is decentered to the left side. . As can be seen from FIG. 13, according to this embodiment, it is possible to realize an optimum configuration for the standard pixel and the pixel whose sensitivity centroid is decentered even at the same on-chip lens height.
以上のように第2の実施形態では、各画素のエアギャップ層に反射部材を埋め込むことにより導波路機能を持たせ、同一のオンチップレンズ高さにおいても、撮像用画素と焦点検出用画素で受光光量が低下することを防止している。 As described above, in the second embodiment, a reflection member is embedded in the air gap layer of each pixel to provide a waveguide function, and even at the same on-chip lens height, the imaging pixel and the focus detection pixel can be used. It prevents the amount of received light from decreasing.
(第3の実施形態)
この第3の実施形態では、撮像装置の構成は図1〜図5で示した第1の実施形態と同じであり、撮像素子の内部構造が異なっている。図14は、図5の撮像素子107の焦点検出用画素α、βとその隣接画素の水平断面図を示し、図14(a)は図5のC―C矢視断面図で、図14(b)は図5のD―D矢視断面図である。
(Third embodiment)
In the third embodiment, the configuration of the imaging device is the same as that of the first embodiment shown in FIGS. 1 to 5, and the internal structure of the imaging device is different. FIG. 14 is a horizontal sectional view of the focus detection pixels α and β and the adjacent pixels of the
図14(a)の左側の画素は、焦点検出用画素αを示し、右側の画素は撮影レンズ100の全瞳領域を受光可能な画素(撮像用画素)を示している。図14において、図6と同一の構成のものは同一符号を付している。
The left pixel in FIG. 14A indicates the focus detection pixel α, and the right pixel indicates a pixel (imaging pixel) that can receive the entire pupil region of the
72は、電極51より下に形成した高屈折率材例えばSiNにより構成されている導波路である。ここではまず高屈折率材埋め込み部をフォトリソ工程を用いて、プラズマエッチングを行い、高屈折率材埋め込み層を形成する。そのあと高密度プラズマCVDにより、HDP−SiN(高密度プラズマSiN)を埋め込む。以上により、図14に示す導波路形状の高屈折率材72を形成する。SiNは屈折率が2程度と絶縁部材SiOの屈折率1.43に対して大きいため、高屈折率材72側面ではある角度以上で全反射条件を満たし、導波路の機能を果たす。
同様に、図14(b)の右側の画素は、焦点検出用画素βを示し、左側の画素は撮影レンズ100の全瞳領域を受光可能な画素(撮像用画素)を示している。図14からわかるように、焦点検出用画素αとβとはほとんど左右対称形状となっており、オンチップレンズ69の位置と電極51の開口中心の相対位置を異ならせることによって、撮影レンズ100の受光分布を異ならせるように構成している。
Similarly, the pixel on the right side of FIG. 14B indicates the focus detection pixel β, and the pixel on the left side indicates a pixel (imaging pixel) that can receive the entire pupil region of the
図15は本実施形態の入射角特性を示した図で、横軸は入射角度、縦軸は受光効率を示す。図15(a)は標準画素の入射角特性、図15(b)は開口が右側に偏心した画素の入射角特性、図15(c)は開口が左側に偏心した画素の入射角特性となる。図15からわかるように、本実施形態により、同一のオンチップレンズ高さにおいても、標準画素と感度重心を偏心させた画素に対して、最適となる構成を実現することができる。 FIG. 15 is a diagram showing the incident angle characteristics of the present embodiment, where the horizontal axis indicates the incident angle and the vertical axis indicates the light receiving efficiency. 15A shows the incident angle characteristics of a standard pixel, FIG. 15B shows the incident angle characteristics of a pixel whose opening is decentered to the right, and FIG. 15C shows the incident angle characteristics of a pixel whose opening is decentered to the left. . As can be seen from FIG. 15, according to the present embodiment, it is possible to realize an optimum configuration for the standard pixel and the pixel whose sensitivity centroid is decentered even at the same on-chip lens height.
以上のように第3の実施形態では、高屈折率材72を配線層51下に配置することにより導波路機能を持たせ、同一のオンチップレンズ高さにおいても、撮像用画素と焦点検出用画素で受光光量が低下することを防止している。
As described above, in the third embodiment, the high
以上の第1乃至第3の実施形態では、光遮光部材を兼ねた電極(配線層)について説明したが、光遮光部材としては電極だけでなく、カラーフィルタ部に光を吸収する遮光フィルタを配置してもよい。また以上の実施形態では、光導波路を光遮光部材と同一の積層位置と光電変換部との間に配置する構成について説明したが、光導波路を光遮光部材よりオンチップレンズ方向に伸ばした構成をとってもよい。 In the first to third embodiments described above, the electrode (wiring layer) that also serves as the light shielding member has been described. However, as the light shielding member, not only the electrode but also a light shielding filter that absorbs light is disposed in the color filter portion. May be. In the above embodiment, the configuration in which the optical waveguide is arranged between the same stack position as the light shielding member and the photoelectric conversion unit has been described. However, the configuration in which the optical waveguide is extended in the on-chip lens direction from the light shielding member. It may be taken.
Claims (5)
複数の前記撮像用画素の間に離散的に配置され、前記撮影レンズの瞳領域を分割して、分割された瞳領域からの被写体像を光電変換して位相差検出用の信号を生成する焦点検出用画素とを備え、
前記撮像用画素は、光を電荷に変換する光電変換部と、該光電変換部に光を集光するオンチップレンズと、前記光電変換部と前記オンチップレンズの間に配置され前記光電変換部に光を導くための光導波路とを有し、
前記焦点検出用画素は、光を電荷に変換する光電変換部と、該光電変換部に光を集光するオンチップレンズと、前記光電変換部と前記オンチップレンズの間に配置され前記光電変換部の一部を遮光するための遮光層とを有し、
前記撮像用画素のオンチップレンズと前記焦点検出用画素のオンチップレンズとは、ともに、ほぼ前記遮光層が配置されている高さの位置に焦点位置を有することを特徴とする撮像素子。 An imaging pixel that photoelectrically converts an object image formed by the photographic lens to generate an image generation signal;
A focus that is discretely arranged between the plurality of imaging pixels, divides a pupil region of the photographing lens, and photoelectrically converts a subject image from the divided pupil region to generate a phase difference detection signal. A detection pixel,
The imaging pixel includes a photoelectric conversion unit that converts light into electric charge, an on-chip lens that collects light on the photoelectric conversion unit, and the photoelectric conversion unit that is disposed between the photoelectric conversion unit and the on-chip lens. And an optical waveguide for guiding light to
The focus detection pixel is disposed between the photoelectric conversion unit and the on-chip lens, a photoelectric conversion unit that converts light into electric charge, an on-chip lens that collects light on the photoelectric conversion unit, and the photoelectric conversion A light shielding layer for shielding a part of the part,
The on-chip lens of the imaging pixel and the on-chip lens of the focus detection pixel both have a focal position at a height position where the light shielding layer is disposed.
請求項1乃至4のいずれか1項に記載の撮像素子と、
を備えることを特徴とする撮像装置。 A taking lens that forms a subject image;
The imaging device according to any one of claims 1 to 4,
An imaging apparatus comprising:
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