JP2013069987A - 撮像素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】焦点検出の精度、画質などを損なわずに、低コストで自由度の高い撮像素子を提供することができるようにする。
【解決手段】フォトダイオードおよび画素内トランジスタを含んで構成される画素であって、金属製の遮光膜を有する複数の第1の画素と、フォトダイオードおよび画素内トランジスタを含んで構成される画素であって、前記遮光膜を有しない複数の第2の画素とを備え、前記第1の画素および前記第2の画素に含まれるフォトダイオードの周囲が金属製の枠により覆われている。
【選択図】図8

Description

本技術は、撮像素子に関し、特に、焦点検出の精度、画質などを損なわずに、低コストで自由度の高い撮像素子を提供することができるようにする撮像素子に関する。
従来より、撮像用信号を出力する画素(以下、通常画素と称する)と、焦点距離を検出する画素(以下、AF(Auto Focus)画素と称する)を、同一撮像素子内に混在させるような撮像素子が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1の技術によれば、撮像素子と同一チップ上に瞳分割微小レンズ群と瞳分割光等を受光する一対の受光素子群とを複数領域において形成し、上記受光素子群の出力に基づいて焦点検出が行われる。これにより、例えば、新たな機構や光学系を追加することなく、省スペースで、より広い焦点検出領域を有し、AFスピードを向上させ、且つ正確な焦点調節を行うことができる。
また、焦点検出精度向上の為に、AF画素には一定方向の入射光を照射する必要がある。このため、例えば、AF画素の一部に遮光膜を設ける構成を採用することが提案されている(例えば、特許文献2参照)。
特許文献2の技術によれば、遮光膜は、開口部が設けられており、AF画素の光の入射する側に配置され、入射光が光電変換部に入射する領域を規定する。これにより、AF画素の光電変換部は、撮影レンズの射出瞳の中心から−Y方向へ実質的に偏心した射出瞳の領域からの光束を選択的に受光して光電変換することになる。
特開2000−292686号公報 特開2009−105358号公報
しかしながら、AF画素の一部に遮光膜を設ける場合、AF画素に追加した遮光膜の配置位置や形状により、容量の変動(変換効率の変動)が発生する。つまり、個々のAF画素間で電気特性の差が生じることになる。
また、撮像素子の中で、AF画素と通常画素が隣接している部分では、AF画素に配置した遮光膜の影響で、AF画素に隣接している通常画素の電気特性が変動する。すなわち、AF画素に隣接した通常画素と、AF画素に隣接していない通常画素との間に電気的特性の差が生じることになる。
その結果、例えば、AF画素間での電気特性の差に起因して、焦点検出用の信号出力差が発生し、焦点検出精度が低下する場合がある。また、通常画素間での電気特性の差に起因して、撮像用信号に出力差が発生し、画質が著しく低下する場合がある。
さらに、従来の技術では、上述したように、AF画素の配置によって隣接する通常画素の電気特性が変動するので、AF画素の配置に係る自由度も少ない。
本技術はこのような状況に鑑みて開示するものであり、焦点検出の精度、画質などを損なわずに、低コストで自由度の高い撮像素子を提供することができるようにするものである。
本技術の一側面は、フォトダイオードおよび画素内トランジスタを含んで構成される画素であって、前記画素に入射する光の一部を遮光する金属製の遮光膜を有する複数の第1の画素と、フォトダイオードおよび画素内トランジスタを含んで構成される画素であって、前記遮光膜を有しない複数の第2の画素とを備え、前記第1の画素および前記第2の画素に含まれるフォトダイオードの周囲が金属製の枠により覆われている撮像素子である。
前記複数の第1の画素または前記複数の第2の画素のそれぞれにおいて、前記画素内トランジスタの端子に接続される配線の一部と、当該画素に隣接する画素の前記枠との距離が一定となるように、前記複数の第1の画素および前記複数の第2の画素が配置されているようにすることができる。
前記複数の第1の画素または前記複数の第2の画素のそれぞれにおいて、前記画素内トランジスタのうちの電荷を電圧信号に変換するためのトランジスタのゲート端子と当該画素を構成する回路のFD(Floating Diffusion)とを接続する配線と、前記画素に隣接する画素の前記枠との距離が一定となるように、前記複数の第1の画素および前記複数の第2の画素が配置されているようにすることができる。
前記遮光膜および前記枠が、画素内トランジスタの所定の端子を接続する配線を構成する金属箔により構成されているようにすることができる。
前記第1の画素は、焦点距離を検出するための画素とされ、前記第2の画素は、撮像用信号を出力するための画素とされるようにすることができる。
本技術の一側面においては、フォトダイオードおよび画素内トランジスタを含んで構成される画素であって、前記画素に入射する光の一部を遮光する金属製の遮光膜を有する複数の第1の画素と、フォトダイオードおよび画素内トランジスタを含んで構成される画素であって、前記遮光膜を有しない複数の第2の画素とが設けられ、前記第1の画素および前記第2の画素に含まれるフォトダイオードの周囲が金属製の枠により覆われている。
本技術によれば、焦点検出の精度、画質などを損なわずに、低コストで自由度の高い撮像素子を提供することができる。
通常画素とAF画素を混在させた撮像素子の構成例を示す図である。 通常画素とAF画素を混在させた撮像素子の別の構成例を示す図である。 通常画素の構成とAF画素の構成を説明する図である。 通常画素の回路構成を説明する図である。 通常画素の回路構成を説明する図である。 AF画素の回路構成を説明する図である。 従来の通常画素とAF画素を混在させた撮像素子における回路のレイアウトの例を示す図である。 本技術を適用した場合における通常画素とAF画素を混在させた撮像素子における回路のレイアウトの例を示す図である。
以下、図面を参照して、ここで開示する技術の実施の形態について説明する。
最初に撮像素子の構成について説明する。従来より、撮像用信号を出力する画素(以下、通常画素と称する)と、焦点距離を検出する画素(以下、AF(Auto Focus)画素と称する)を、同一撮像素子に混在するような撮像素子が提案されている。
図1は、通常画素とAF画素を混在させた撮像素子の構成例を示す図である。同図に示されるように、この撮像素子10には、図中「N」と記された矩形で表示される通常画素と、図中「AF」と記された矩形で表示されるAF画素がそれぞれ1列おきに配置されている。
また、例えば、図2に示されるように、通常画素とAF画素とが配置される場合もある。図2に示される撮像素子20の場合、AF画素が1列配置された後、続いて通常画素が2列配置される構成とされている。
また、AF画素1列に対して通常画素が3列、4列、・・・配置される構成の撮像素子も存在する。さらに、通常画素1列に対してAF画素が2列、3列、・・・という構成も採用し得る。
図3は、通常画素の構成とAF画素の構成を説明する図である。
図3の左側には、通常画素51が示されている。同図に示されるように通常画素51は、フォトダイオード51a、および、オンチップレンズ51bにより構成されている。なお、同図において図中上側がフォトダイオードの受光面とされ、フォトダイオードは、受光面に照射された光の強度に応じた電流を発生されるようになされている。また、必要に応じてフォトダイオード51aの受光面の上にカラーフィルタなどが設けられる。
図3の右側には、AF画素52が示されている。同図に示されるようにAF画素52は、フォトダイオード52a、オンチップレンズ52b、および、遮光膜52cを有する構成とされている。なお、同図において図中上側がフォトダイオードの受光面とされ、フォトダイオードは、受光面に照射された光の強度に応じた電流を発生されるようになされている。また、必要に応じてフォトダイオード52aの受光面の上にカラーフィルタなどが設けられる。
焦点検出の精度を向上させるために、AF画素には一定方向の入射光を照射する必要がある。このため、AF画素52には、遮光膜52cが設けられている。遮光膜52cは、例えば、フォトダイオード52aの受光面に入射する光のうち、特定の方向の光を遮断するように設けられる。遮光膜52cには、例えば、回路基板にプリントされる配線パターンなどを構成する銅箔などが用いられる。このようにすることで、例えば、画素の駆動配線などに係る製造工程において、配線などとともに遮光膜がパターン形成されるようにすることができ、特別な製造工程を追加することなく、通常画素とAF画素を混在させた撮像素子を製造することが可能となる。
なお、図2と図3に示した構成は概略的な構成であり、実際の通常画素、AF画素には、画素内トランジスタなども設けられている。
次に図4乃至図6を参照して、従来の通常画素またはAF画素の詳細な構成について説明する。
図4は、通常画素の回路構成を説明する図である。図4Aは、通常画素の回路図を示しており、図4Bは、通常画素の回路のレイアウトを表している。図4Aと図4Bは、それぞれ撮像素子を構成する1個の通常画素の回路構成を表している。
図4Aに示されるように、この回路には、4つの画素内トランジスタが設けられている。すなわち、この回路には、TG(Transmission Gate)線に接続されたトランジスタであって、フォトダイオードに蓄積された電荷をFD(Floating Diffusion)に伝送するための伝送用トランジスタが設けられている。また、この回路には、RST線に接続されたリセット用トランジスタが設けられている。さらに、この回路には、FDの電荷を電圧値に変換するための変換用トランジスタが設けられている。また、この回路には、SEL線に接続された選択用トランジスタが設けられている。
図4Bは、通常画素を2段(MT1、MT2)の構成とした場合のMT1の構成例を示している。図4Bに示されるように、フォトダイオードの図中下側に変換用トランジスタ(AMP)が配置されている。そして、FDから図中下に向かう配線によって、FDとAMPのゲート端子がFDに接続されている。
図5は、通常画素の回路構成を説明する図である。図5Aは、通常画素の回路図を示しており、図5Bは、通常画素の回路のレイアウトを表している。図5Bは、通常画素を2段(MT1、MT2)の構成とした場合のMT1およびMT2の構成例を示している。図5Bの場合、図4Bに加えてTG線、SEL線、RST線が設けられている。
なお、図5Aと図5Bは、それぞれ撮像素子を構成する1個の通常画素の回路構成を表している。
図6は、AF画素の回路構成を説明する図である。図6Aは、AF画素の回路図を示しており、図6Bは、AF画素の回路のレイアウトを表している。なお、AF画素の回路図は、通常画素の回路図と同じものとなる。図6Bは、AF画素を2段(MT1、MT2)の構成とした場合のMT1およびMT2の構成例を示している。図6Bに示されるように、AF画素には、フォトダイオードに遮光膜が設けられている。この遮光膜は、GND用の配線パターンを利用して構成されている。図6Bにおけるそれ以外の部分は、図5Bの通常画素の場合と同様とされている。
なお、図6Aと図6Bは、それぞれ撮像素子を構成する1個のAF画素の回路構成を表している。
図4乃至図6に示されるFDの静電容量は、FDから図中下に向かう配線の近傍に存在する金属によって影響を受ける。そして、FDの静電容量が変化すると、変換用トランジスタ(AMP)の変換効率も変化する。一般的に、FDから図中下に向かう配線の近傍に金属が存在すると変換用トランジスタの変換効率が低くなる。すなわち、画素の近傍の金属の配置に応じて画素の電気的特性が変化することになり、画素を構成する回路の間で電気的特性の差が生じると、画素間で変換効率に差が生じることになる。
図7は、従来の通常画素とAF画素を混在させた撮像素子における回路のレイアウトの例を示す図である。同図の例においては、画素101乃至画素105が図中縦方向に一列に並べられている。なお、図7に示されるのは、撮像素子の一部であって、実際にはもっと多くの画素が設けられている。
図7における画素101は、遮光膜101aを有する画素であり、AF画素とされる。画素102は、遮光膜を有しておらず、通常画素とされる。また、画素103は、遮光膜103aを有する画素であり、AF画素とされる。画素104は、遮光膜を有しておらず、通常画素とされる。さらに、画素105は、遮光膜105aを有する画素であり、AF画素とされる。
なお、図7における各画素の回路は、図5Bまたは図6Bを参照して上述した回路のレイアウトと同様のレイアウトを有する構成とされる。すなわち、画素101乃至画素105のそれぞれが、図5Bまたは図6Bを参照して上述した回路のレイアウトと同様のレイアウトを有する。
上述したように、画素の回路の中のFDから図中下に向かう配線(FDとAMPのゲート端子を接続する配線)の近傍に金属が存在すると変換用トランジスタの変換効率が低くなる。図7における画素102の下側には、AF画素である画素103が存在する。画素102のFDとAMPのゲート端子を接続する配線は、画素103の遮光膜103aとの距離が近いため、画素102のAMPの変換効率は比較的低いものとなる。
一方、図7における画素104の下側にも、AF画素である画素105が存在する。しかし、画素104のFDとAMPのゲート端子を接続する配線は、画素105の遮光膜105aとの距離が近くないため、画素104のAMPの変換効率は画素102の場合と比較すると高いものとなる。
すなわち、画素103の遮光膜103aは、フォトダイオードの左側に構成されているので、画素103の上に配置される画素102のFDとAMPのゲート端子を接続する配線との距離が近くなる。一方、画素105の遮光膜105aは、フォトダイオードの下側にのみ構成されているので、画素103の上に配置される画素102のFDとAMPのゲート端子を接続する配線との距離があまり近くならない。
このように、例えば、AF画素に隣接する通常画素の変換効率が、AF画素の遮光膜の形状に応じて変化してしまう。図7では、通常画素とAF画素がそれぞれ1列おきに配置されている場合の例について説明したが、例えば、図2を参照して上述したような構成を有する撮像素子の場合、画素間の変換効率の差はより顕著なものとなる。
また、ここでは、通常画素の変換効率の変化のみを取り上げたが、例えば、AF画素の変換効率も隣接するAF画素の遮光膜の形状に応じて変化することも起こり得る。
このように、従来の撮像素子においては、例えば、AF画素間での電気特性の差に起因して、焦点検出用の信号出力差が発生し、焦点検出精度が低下する場合がある。また、従来の撮像素子においては、例えば、通常画素間での電気特性の差に起因して、撮像用信号に出力差が発生し、画質が著しく低下する場合がある。
そこで、本技術においては、画素間での電気的特性の差が生じないようにする。具体的には、例えば、フォトダイオードの周囲を所定の太さ(幅)の配線で囲むようにして画素の回路を構成する。
図8は、本技術を適用した場合における通常画素とAF画素を混在させた撮像素子における回路のレイアウトの例を示す図である。同図の例においては、画素151乃至画素153が図中縦方向に一列に並べられている。なお、図8に示されるのは、撮像素子の一部であって、実際にはもっと多くの画素が設けられている。
図8における画素151は、遮光膜151aを有する画素であり、AF画素とされる。画素152は、遮光膜を有しておらず、通常画素とされる。また、画素153は、遮光膜153aを有する画素であり、AF画素とされる。
また、図8において、画素151乃至画素153のそれぞれには、フォトダイオードの周囲を囲む所定の太さ(幅)の配線である囲み枠151b乃至囲み枠153bが設けられている。
すなわち、矩形に構成されたフォトダイオードの4辺を覆うように、フォトダイオードの受光面の面積を著しく狭めることがないような太さの配線が設けられている。なお、囲み枠151b乃至囲み枠153bのそれぞれは、画素151乃至画素153の回路におけるGND用の配線パターンを利用して構成されている。従って、囲み枠151bの一部は、遮光膜151aと一体化されて構成されており、囲み枠153bの一部は、遮光膜153aと一体化されて構成されている。
図8のような構成を採用した場合、例えば、画素151のFDとAMPのゲート端子を接続する配線の近傍には、画素152の囲み枠152bが存在することになる。また、画素152のFDとAMPのゲート端子を接続する配線の近傍には、画素153の囲み枠153bが存在することになる。従って、各画素のFDとAMPのゲート端子を接続する配線と近接する金属との距離を一定とすることができ、各画素間の電気的特性の差を極めて小さいものとすることができる。
すなわち、本技術を用いることにより、各画素間での変換効率に差が生じないようにすることができるので、例えば、AF画素間での電気特性の差に起因した焦点検出精度の低下や、通常画素間での電気特性の差に起因した画質の低下を抑止することができる。また、上述したように、囲み枠151b乃至囲み枠153bのそれぞれは、画素151乃至画素153の回路におけるGND用の配線パターンを利用して構成されるで、画素の回路の製造に要する素材などを変更する必要はなく、製造工程を大きく変更する必要もない。
従って、本技術を用いることにより、焦点検出の精度、画質などを損なわずに、低コストで自由度の高い撮像素子を提供することができる。
また、本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
(1) フォトダイオードおよび画素内トランジスタを含んで構成される画素であって、前記画素に入射する光の一部を遮光する金属製の遮光膜を有する複数の第1の画素と、
フォトダイオードおよび画素内トランジスタを含んで構成される画素であって、前記遮光膜を有しない複数の第2の画素とを備え、
前記第1の画素および前記第2の画素に含まれるフォトダイオードの周囲が金属製の枠により覆われている
撮像素子。
(2) 前記複数の第1の画素または前記複数の第2の画素のそれぞれにおいて、
前記画素内トランジスタの端子に接続される配線の一部と、当該画素に隣接する画素の前記枠との距離が一定となるように、前記複数の第1の画素および前記複数の第2の画素が配置されている
(1)に記載の撮像素子。
(3) 前記複数の第1の画素または前記複数の第2の画素のそれぞれにおいて、
前記画素内トランジスタのうちの電荷を電圧信号に変換するためのトランジスタのゲート端子と当該画素を構成する回路のFD(Floating Diffusion)とを接続する配線と、前記画素に隣接する画素の前記枠との距離が一定となるように、前記複数の第1の画素および前記複数の第2の画素が配置されている
(1)または(2)に記載の撮像素子。
(4) 前記遮光膜および前記枠が、
画素内トランジスタの所定の端子を接続する配線を構成する金属箔により構成されている
(1)乃至(3)のいずれかに記載の撮像素子。
(5) 前記第1の画素は、焦点距離を検出するための画素とされ、
前記第2の画素は、撮像用信号を出力するための画素とされる
(1)乃至(4)のいずれかに記載の撮像素子。
10 撮像素子, 20 撮像素子, 151 AF画素, 151a 遮光膜, 151b 囲み枠, 152 通常画素, 152b 囲み枠, 153 AF画素, 153a 遮光膜, 153b 囲み枠

Claims (5)

  1. フォトダイオードおよび画素内トランジスタを含んで構成される画素であって、前記画素に入射する光の一部を遮光する金属製の遮光膜を有する複数の第1の画素と、
    フォトダイオードおよび画素内トランジスタを含んで構成される画素であって、前記遮光膜を有しない複数の第2の画素とを備え、
    前記第1の画素および前記第2の画素に含まれるフォトダイオードの周囲が金属製の枠により覆われている
    撮像素子。
  2. 前記複数の第1の画素または前記複数の第2の画素のそれぞれにおいて、
    前記画素内トランジスタの端子に接続される配線の一部と、当該画素に隣接する画素の前記枠との距離が一定となるように、前記複数の第1の画素および前記複数の第2の画素が配置されている
    請求項1に記載の撮像素子。
  3. 前記複数の第1の画素または前記複数の第2の画素のそれぞれにおいて、
    前記画素内トランジスタのうちの電荷を電圧信号に変換するためのトランジスタのゲート端子と当該画素を構成する回路のFD(Floating Diffusion)とを接続する配線と、前記画素に隣接する画素の前記枠との距離が一定となるように、前記複数の第1の画素および前記複数の第2の画素が配置されている
    請求項1に記載の撮像素子。
  4. 前記遮光膜および前記枠が、
    画素内トランジスタの所定の端子を接続する配線を構成する金属箔により構成されている
    請求項1に記載の撮像素子。
  5. 前記第1の画素は、焦点距離を検出するための画素とされ、
    前記第2の画素は、撮像用信号を出力するための画素とされる
    請求項1に記載の撮像素子。
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