JP2013157442A - Image pickup element and focal point detection device - Google Patents

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Yosuke Kusaka
洋介 日下
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To make a pixel size smaller than that of a conventional image pickup element.SOLUTION: Each of plural pixels of an image pickup element comprises: an optical waveguide; a photoelectric conversion part; a microlens; and at least three light-shielding layers arranged between the photoelectric conversion part and the microlens at different positions in an optical axis direction of the microlens. Each of at least three light-shielding layers is provided with an opening for limiting light transmitted from the microlens and making the photoelectric conversion part receive the light. Among at least three light-shielding layers, a main light-shielding layer except for the light-shielding layer nearest the photoelectric conversion part and the light-shielding layer nearest the microlens is arranged at a position optically conjugate with a pupil surface. At least one part of the light of a light flux passing through a predetermined region of the pupil surface is incident on the opening of the main light-shielding layer. The optical waveguide is provided between the main light-shielding layer and the photoelectric conversion part, and at least one part of the light incident on the opening of the main light-shielding layer is guided to the photoelectric conversion part.

Description

本発明は瞳分割型位相差検出用の画素信号を生成する画素を有する撮像素子および該撮像素子を含む焦点検出装置に関する。   The present invention relates to an imaging device having pixels that generate pixel signals for pupil division type phase difference detection and a focus detection device including the imaging device.

マイクロレンズとその背後に配置された光電変換部からなる焦点検出用画素を有する撮像素子が撮影レンズの予定焦点面上に配置され、光学系を通る一対の焦点検出光束が形成する一対の像に応じた一対の像信号を生成し、この一対の像信号間の像ズレ量(位相差)を検出することによって光学系の焦点調節状態を検出する、いわゆる瞳分割型位相差検出方式の焦点検出装置が知られている。   An imaging element having a focus detection pixel composed of a microlens and a photoelectric conversion unit disposed behind the microlens is disposed on a planned focal plane of the photographing lens, and a pair of images formed by a pair of focus detection light beams passing through the optical system. Focus detection using a so-called pupil division type phase difference detection system that generates a pair of corresponding image signals and detects the focus adjustment state of the optical system by detecting an image shift amount (phase difference) between the pair of image signals. The device is known.

この種の焦点検出装置の焦点検出画素においては、光学系を通る一対の焦点検出光束を選択的に光電変換部に導くために、マイクロレンズと光電変換部の間に、開口部を有する遮光層が配置される。その遮光層として、光電変換部に蓄積された信号電荷の蓄積や読出しを制御するための複数の金属配線層の中で最も光電変換部に近接した金属配線層が用いられる(例えば、特許文献1参照)。   In the focus detection pixel of this type of focus detection device, a light shielding layer having an opening between the microlens and the photoelectric conversion unit in order to selectively guide a pair of focus detection light beams passing through the optical system to the photoelectric conversion unit. Is placed. As the light shielding layer, a metal wiring layer closest to the photoelectric conversion unit among a plurality of metal wiring layers for controlling accumulation and reading of signal charges stored in the photoelectric conversion unit is used (for example, Patent Document 1). reference).

特開2010−213253号公報JP 2010-213253 A

近年撮像素子の高画素化に伴い画素サイズ縮小の要求が強くなっているが、画素サイズを縮小するためには、光電変換部の受光部の面積を小さくする必要があり、それに伴い上述した遮光層の開口部の面積も小さくする必要がある。   In recent years, with the increase in the number of pixels of an image sensor, the demand for pixel size reduction has increased, but in order to reduce the pixel size, it is necessary to reduce the area of the light receiving portion of the photoelectric conversion portion, and accordingly the above-described light shielding. It is also necessary to reduce the area of the opening of the layer.

面積が小さな開口部にFナンバーの小さな明るい光束を入射させるためには、マイクロレンズと、開口部を備えた遮光層との間の距離を縮小する必要がある。該距離を縮小しないと、光電変換部が、該光電変換部の直上のマイクロレンズではなく該マイクロレンズに隣接するマイクロレンズを透過した光束を受光する虞があるためである。   In order for a bright light beam having a small F number to enter an opening having a small area, it is necessary to reduce the distance between the microlens and the light shielding layer having the opening. This is because if the distance is not reduced, the photoelectric conversion unit may receive a light beam that has passed through the microlens adjacent to the microlens instead of the microlens directly above the photoelectric conversion unit.

しかし、焦点検出画素においては、マイクロレンズと遮光層との間にマイクロレンズの焦点距離以上の距離を確保する必要がある。撮像画素においても、上述した複数の金属配線層の厚さは電気抵抗が高くなってしまうためにむやみに薄くすることはできない。また金属配線層間の距離や金属配線層と光電変換部との間の距離も、容量結合効果により生じるノイズ誤動作を生じさせる可能性があるので、むやみに薄くすることができない。   However, in the focus detection pixel, it is necessary to ensure a distance greater than the focal length of the microlens between the microlens and the light shielding layer. Also in the imaging pixel, the thickness of the plurality of metal wiring layers described above cannot be reduced excessively because the electrical resistance increases. Further, the distance between the metal wiring layers and the distance between the metal wiring layer and the photoelectric conversion unit may cause a noise malfunction caused by the capacitive coupling effect, and thus cannot be made thin.

すなわち従来の撮像素子では、画素サイズを縮小することができないという問題があった。   That is, the conventional image sensor has a problem that the pixel size cannot be reduced.

請求項1に記載の撮像素子は、複数の画素を備え、複数の画素の各々は、光導波路と、光導波路により導光された光を信号電荷に変換して蓄積する光電変換部と、入射する光束を集光して光電変換部に向けて透過光として出射するマイクロレンズと、光電変換部とマイクロレンズとの間の、マイクロレンズの光軸方向に沿って相異なる位置に配置された少なくとも3つの遮光層とを含み、少なくとも3つの遮光層の各々には、透過光を制限して光電変換部に受光させる開口部が設けられ、少なくとも3つの遮光層のうち、光電変換部に最も近い遮光層およびマイクロレンズに最も近い遮光層以外の主遮光層は、マイクロレンズから光軸方向に光電変換部とは反対側に所定距離離れた位置に設定された瞳面と光学的に共役となる位置に配置され、瞳面の所定領域を通過する光束のうちの少なくとも一部の光が主遮光層の開口部に入射し、光導波路は、主遮光層から光電変換部までの間に設けられ、主遮光層の開口部に入射する少なくとも一部の光を光電変換部に導光することを特徴とする。   The image pickup device according to claim 1 includes a plurality of pixels, and each of the plurality of pixels includes an optical waveguide, a photoelectric conversion unit that converts the light guided by the optical waveguide into a signal charge and stores the incident light, and an incident A microlens that collects the luminous flux to be emitted and emits the transmitted light toward the photoelectric conversion unit, and at least different positions along the optical axis direction of the microlens between the photoelectric conversion unit and the microlens. Each of the at least three light shielding layers is provided with an opening for limiting the transmitted light to be received by the photoelectric conversion unit, and of the at least three light shielding layers, the closest to the photoelectric conversion unit. The main light-shielding layer other than the light-shielding layer and the light-shielding layer closest to the microlens is optically conjugate with the pupil plane set at a predetermined distance away from the photoelectric conversion unit in the optical axis direction from the microlens. Placed in position At least a part of the light beam passing through a predetermined region of the pupil plane enters the opening of the main light shielding layer, and the optical waveguide is provided between the main light shielding layer and the photoelectric conversion unit. At least a part of light incident on the opening is guided to the photoelectric conversion unit.

本発明の撮像素子によれば、従来の撮像素子よりも画素サイズを縮小することができる。   According to the image sensor of the present invention, the pixel size can be reduced as compared with the conventional image sensor.

第1の実施の形態のデジタルカメラの構成を示す横断面図である。It is a cross-sectional view showing the configuration of the digital camera of the first embodiment. 焦点検出位置を示す図である。It is a figure which shows a focus detection position. 撮像素子の詳細な構成を示す図である。It is a figure which shows the detailed structure of an image pick-up element. 撮像画素の断面図である。It is sectional drawing of an imaging pixel. 撮像画素を正面から見た場合の開口部および光電変換部の形状を示した図である。It is the figure which showed the shape of the opening part at the time of seeing an imaging pixel from the front, and a photoelectric conversion part. 焦点検出画素の断面図である。It is sectional drawing of a focus detection pixel. 焦点検出画素を正面から見た場合の、開口部の形状と、光電変換部の形状とを示した図である。It is the figure which showed the shape of the opening part at the time of seeing a focus detection pixel from the front, and the shape of a photoelectric conversion part. 撮像画素が受光する撮影光束の様子を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the mode of the imaging light beam which an imaging pixel receives. 焦点検出画素が受光する焦点検出光束の様子を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the mode of the focus detection light beam which a focus detection pixel receives. 撮像素子の回路構成を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the circuit structure of an image pick-up element. 撮像画素の詳細回路図である。It is a detailed circuit diagram of an imaging pixel. 撮像画素の断面構造を簡略化して示す図である。It is a figure which simplifies and shows the cross-section of an imaging pixel. 撮像素子の動作タイミングチャートである。It is an operation | movement timing chart of an image pick-up element. デジタルカメラの動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of a digital camera. 焦点検出画素の変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the modification of a focus detection pixel. 撮像素子の部分拡大図である。It is the elements on larger scale of an image sensor. 焦点検出画素の断面図である。It is sectional drawing of a focus detection pixel.

−−−第1の実施の形態−−−
第1の実施の形態の撮像装置として、レンズ交換式のデジタルカメラを例に挙げて説明する。図1は、第1の実施の形態のデジタルカメラ201の構成を示す横断面図である。本実施の形態のデジタルカメラ201は、交換レンズ202とカメラボディ203とから構成され、交換レンズ202がマウント部204を介してカメラボディ203に装着される。カメラボディ203にはマウント部204を介して種々の撮影光学系を有する交換レンズ202が装着可能である。
--- First embodiment ---
As an imaging apparatus according to the first embodiment, a lens interchangeable digital camera will be described as an example. FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a digital camera 201 according to the first embodiment. A digital camera 201 according to the present embodiment includes an interchangeable lens 202 and a camera body 203, and the interchangeable lens 202 is attached to the camera body 203 via a mount unit 204. An interchangeable lens 202 having various photographing optical systems can be attached to the camera body 203 via a mount unit 204.

交換レンズ202は、レンズ209、ズーミング用レンズ208、フォーカシング用レンズ210、絞り211、レンズ駆動制御装置206などを有する。レンズ駆動制御装置206は、不図示のマイクロコンピューター、メモリ、駆動制御回路などから構成される。レンズ駆動制御装置206は、フォーカシング用レンズ210の焦点調節および絞り211の開口径調節のための駆動制御、ならびにズーミング用レンズ208、フォーカシング用レンズ210および絞り211の状態検出などを行う。また、後述するボディ駆動制御装置214との通信によりレンズ情報の送信とカメラ情報(デフォーカス量や絞り値など)の受信とを行う。絞り211は、光量およびボケ量調整のために光軸中心に開口径が可変な開口を形成する。   The interchangeable lens 202 includes a lens 209, a zooming lens 208, a focusing lens 210, a diaphragm 211, a lens drive control device 206, and the like. The lens drive control device 206 includes a microcomputer (not shown), a memory, a drive control circuit, and the like. The lens drive control device 206 performs drive control for adjusting the focus of the focusing lens 210 and adjusting the aperture diameter of the aperture 211, and detecting the states of the zooming lens 208, the focusing lens 210, and the aperture 211, and the like. In addition, transmission of lens information and reception of camera information (defocus amount, aperture value, etc.) are performed by communication with a body drive control device 214 described later. The aperture 211 forms an aperture having a variable aperture diameter at the center of the optical axis in order to adjust the amount of light and the amount of blur.

カメラボディ203は、撮像素子212、ボディ駆動制御装置214、液晶表示素子駆動回路215、液晶表示素子216、接眼レンズ217、メモリカード219などを有している。撮像素子212には、撮像画素が行と列とで規定される二次元状配列にしたがって配置されるとともに、焦点検出位置に対応した部分に焦点検出用画素が配置されている。この撮像素子212については詳細を後述する。   The camera body 203 includes an imaging element 212, a body drive control device 214, a liquid crystal display element drive circuit 215, a liquid crystal display element 216, an eyepiece lens 217, a memory card 219, and the like. In the imaging element 212, imaging pixels are arranged according to a two-dimensional array defined by rows and columns, and focus detection pixels are arranged at portions corresponding to the focus detection positions. Details of the image sensor 212 will be described later.

ボディ駆動制御装置214は、マイクロコンピューター、メモリ、駆動制御回路などから構成される。ボディ駆動制御装置214は、撮像素子212の駆動制御と、撮像素子212からの画素信号の読み出しと、焦点検出画素の画素信号に基づく焦点検出演算および交換レンズ202の焦点調節とを繰り返し行うとともに、画像信号の処理および記録、カメラの動作制御などを行う。また、ボディ駆動制御装置214は電気接点213を介してレンズ駆動制御装置206との通信を行い、レンズ情報の受信およびカメラ情報の送信を行う。   The body drive control device 214 includes a microcomputer, a memory, a drive control circuit, and the like. The body drive control device 214 repeatedly performs drive control of the image sensor 212, readout of the pixel signal from the image sensor 212, focus detection calculation based on the pixel signal of the focus detection pixel, and focus adjustment of the interchangeable lens 202, and Processing and recording of image signals, camera operation control, etc. The body drive control device 214 communicates with the lens drive control device 206 via the electrical contact 213 to receive lens information and send camera information.

液晶表示素子216は電気的なビューファインダー(EVF:Electronic View Finder)として機能する。液晶表示素子駆動回路215は撮像素子212から読み出された画像信号に基づきスルー画像を液晶表示素子216に表示し、撮影者は接眼レンズ217を介してスルー画像を観察することができる。メモリカード219は、撮像素子212により撮像された画像信号に基づいて生成される画像データを記録する画像ストレージである。   The liquid crystal display element 216 functions as an electric view finder (EVF). The liquid crystal display element driving circuit 215 displays a through image on the liquid crystal display element 216 based on the image signal read from the image sensor 212, and the photographer can observe the through image through the eyepiece 217. The memory card 219 is an image storage that records image data generated based on an image signal captured by the image sensor 212.

交換レンズ202を通過した光束により、撮像素子212の受光面上に被写体像が形成される。この被写体像は撮像素子212により光電変換され、撮像画素および焦点検出画素の画素信号がボディ駆動制御装置214へ送られる。   A subject image is formed on the light receiving surface of the image sensor 212 by the light beam that has passed through the interchangeable lens 202. This subject image is photoelectrically converted by the image sensor 212, and the pixel signals of the imaging pixels and focus detection pixels are sent to the body drive control device 214.

ボディ駆動制御装置214は、撮像素子212の焦点検出画素からの画素信号に基づいてデフォーカス量を算出し、このデフォーカス量を、レンズ駆動制御装置206へ出力する。また、ボディ駆動制御装置214は、撮像素子212の撮像画素の画像信号を処理して画像データを生成し、メモリカード219に格納するとともに、撮像素子212から読み出されたスルー画像信号を液晶表示素子駆動回路215へ出力し、スルー画像を液晶表示素子216に表示させる。さらに、ボディ駆動制御装置214は、レンズ駆動制御装置206へ絞り制御情報を出力して、絞り211の開口制御を行う。   The body drive control device 214 calculates the defocus amount based on the pixel signal from the focus detection pixel of the image sensor 212, and outputs this defocus amount to the lens drive control device 206. In addition, the body drive control device 214 processes the image signal of the imaging pixel of the imaging element 212 to generate image data, stores the image data in the memory card 219, and displays the through image signal read from the imaging element 212 on the liquid crystal display. The image is output to the element driving circuit 215 and the through image is displayed on the liquid crystal display element 216. Further, the body drive control device 214 outputs aperture control information to the lens drive control device 206 to perform aperture control of the aperture 211.

レンズ駆動制御装置206は、フォーカシング状態、ズーミング状態、絞り設定状態、絞り開放F値などに応じてレンズ情報を更新する。具体的には、レンズ駆動制御装置206は、ズーミング用レンズ208およびフォーカシング用レンズ210の位置と絞り211の絞り値とを検出し、これらのレンズ位置と絞り値とに応じてレンズ情報を演算したり、あるいは予め用意されたルックアップテーブルからレンズ位置と絞り値とに応じたレンズ情報を選択する。   The lens drive controller 206 updates the lens information according to the focusing state, zooming state, aperture setting state, aperture opening F value, and the like. Specifically, the lens drive control device 206 detects the positions of the zooming lens 208 and the focusing lens 210 and the aperture value of the aperture 211, and calculates lens information according to these lens positions and aperture value. Or lens information corresponding to the lens position and the aperture value is selected from a lookup table prepared in advance.

レンズ駆動制御装置206は、受信したデフォーカス量に基づいてレンズ駆動量を算出し、レンズ駆動量に応じてフォーカシング用レンズ210を合焦位置へ駆動する。また、レンズ駆動制御装置206は受信した絞り値に応じて絞り211を駆動する。   The lens drive control device 206 calculates a lens drive amount based on the received defocus amount, and drives the focusing lens 210 to the in-focus position according to the lens drive amount. Further, the lens drive control device 206 drives the diaphragm 211 in accordance with the received diaphragm value.

図2は、交換レンズ202の予定結像面、すなわち撮像面に設定した撮影画面100上における焦点検出位置(焦点検出エリア)101を示す図であり、後述する撮像素子212上の焦点検出画素列が焦点検出の際に撮影画面上で像をサンプリングする領域(焦点検出エリア、焦点検出位置)の一例を示す。この例では、矩形の撮影画面100上の中央(光軸上)に配置された焦点検出エリア101に焦点検出画素が水平方向に配列される。   FIG. 2 is a diagram showing a focus detection position (focus detection area) 101 on the imaging screen 100 set on the planned imaging plane of the interchangeable lens 202, that is, the imaging plane, and a focus detection pixel array on the imaging element 212 described later. Shows an example of a region (focus detection area, focus detection position) where an image is sampled on the photographing screen during focus detection. In this example, focus detection pixels are arranged in the horizontal direction in the focus detection area 101 arranged at the center (on the optical axis) on the rectangular shooting screen 100.

図3は、撮像素子212の詳細な構成を示す図であり、図3は図2における焦点検出エリア101の近傍を拡大した画素配列の詳細を示す。撮像素子212には撮像画素310が二次元正方格子状に稠密に配列される。撮像画素310は赤画素(R)、緑画素(G)、青画素(B)からなり、ベイヤー配列の配置規則によって配置されている。図3においては、水平方向の焦点検出用に撮像画素310と同一の画素サイズを有する水平方向焦点検出用の焦点検出画素313および314が交互に、本来緑画素と青画素とが連続的に配置されるべき水平方向の直線上に連続して配列される。   3 is a diagram showing a detailed configuration of the image sensor 212, and FIG. 3 shows details of a pixel array in which the vicinity of the focus detection area 101 in FIG. 2 is enlarged. Imaging pixels 310 are densely arranged on the imaging element 212 in a two-dimensional square lattice pattern. The imaging pixel 310 includes a red pixel (R), a green pixel (G), and a blue pixel (B), and is arranged according to a Bayer arrangement rule. In FIG. 3, focus detection pixels 313 and 314 for horizontal focus detection having the same pixel size as that of the imaging pixel 310 for horizontal focus detection are alternately arranged, and originally green pixels and blue pixels are continuously arranged. Arranged continuously on a horizontal line to be done.

マイクロレンズ10の形状は、元々画素サイズより大きな円形のマイクロレンズから画素サイズに対応した正方形の形状で切り出した形状をしている。撮像画素310は、矩形のマイクロレンズ10、遮光マスクで受光領域を正方形に制限された光電変換部11および色フィルタ(不図示)から構成される。色フィルタは赤(R)、緑(G)、青(B)の3種類からなる。撮像素子21には、各色フィルタを備えた撮像画素310がベイヤー配列されている。   The shape of the microlens 10 is a shape that is originally cut out from a circular microlens larger than the pixel size into a square shape corresponding to the pixel size. The imaging pixel 310 includes a rectangular microlens 10, a photoelectric conversion unit 11 whose light receiving area is limited to a square by a light shielding mask, and a color filter (not shown). There are three types of color filters: red (R), green (G), and blue (B). In the image sensor 21, image pickup pixels 310 having respective color filters are arranged in a Bayer array.

焦点検出画素313および314には、全ての色に対して焦点検出を行うためにすべての可視光を透過する白色フィルタが設けられている。従って、焦点検出画素313および314は、緑画素、赤画素および青画素の分光感度特性を加算したような分光感度特性を有し、高い感度を示す光波長領域は、緑画素、赤画素および青画素の各々において各色フィルタが高い感度を示す光波長領域を包括する。   The focus detection pixels 313 and 314 are provided with a white filter that transmits all visible light in order to perform focus detection for all colors. Accordingly, the focus detection pixels 313 and 314 have a spectral sensitivity characteristic that is obtained by adding the spectral sensitivity characteristics of the green pixel, the red pixel, and the blue pixel, and the light wavelength region exhibiting high sensitivity is the green pixel, the red pixel, and the blue pixel. In each pixel, each color filter includes a light wavelength region in which high sensitivity is exhibited.

焦点検出画素313は、矩形のマイクロレンズ10と、後述の遮光機能を有する金属配線層で受光領域を撮像画素310の受光領域の左半分に制限された光電変換部13と、色フィルタ(不図示)とを含んで構成される。また、焦点検出画素314は、矩形のマイクロレンズ10と、後述の遮光機能を有する金属配線層で受光領域を撮像画素310の受光領域の右半分に制限された光電変換部14と、色フィルタ(不図示)とを含んで構成される。焦点検出画素313と焦点検出画素314とをマイクロレンズ10を重ね合わせて表すと、遮光機能を有する金属配線層で受光領域を制限された光電変換部13および14が水平方向に並んでいる。なお図3において撮像画素310を構成するマイクロレンズ10および光電変換部11と、焦点検出画素313および314を構成するマイクロレンズ10ならびに光電変換部13および14とは簡略に描かれており、詳細の構成については後述する。   The focus detection pixel 313 includes a rectangular microlens 10, a photoelectric conversion unit 13 in which a light receiving region is limited to the left half of the light receiving region of the imaging pixel 310 by a metal wiring layer having a light shielding function described later, and a color filter (not illustrated). ). The focus detection pixel 314 includes a rectangular microlens 10, a photoelectric conversion unit 14 in which a light receiving region is limited to the right half of the light receiving region of the imaging pixel 310 by a metal wiring layer having a light shielding function described later, and a color filter ( (Not shown). When the focus detection pixel 313 and the focus detection pixel 314 are represented by superimposing the microlenses 10, the photoelectric conversion units 13 and 14 in which the light receiving area is limited by a metal wiring layer having a light shielding function are arranged in the horizontal direction. In FIG. 3, the microlens 10 and the photoelectric conversion unit 11 constituting the imaging pixel 310 and the microlens 10 and the photoelectric conversion units 13 and 14 constituting the focus detection pixels 313 and 314 are illustrated in a simplified manner. The configuration will be described later.

図4は撮像画素310の断面図である。撮像画素310において、マイクロレンズ10と光電変換部11との間に色フィルタ38及び遮光機能を有する3層の金属配線層40、41および42が配置される。光電変換部11は半導体回路基板29上(マイクロレンズ10側の面)に形成される。光電変換部11の上(マイクロレンズ10側)に平坦化層30が形成され、その上(マイクロレンズ10側)に開口部40aを有する金属配線層40が形成される。金属配線層40の上(マイクロレンズ10側)に平坦化層31が形成され、その上(マイクロレンズ10側)に開口部41aを有する金属配線層41が形成される。金属配線層41の上(マイクロレンズ10側)に平坦化層32が形成され、その上(マイクロレンズ10側)に開口部42aを有する金属配線層42が形成される。金属配線層42の上(マイクロレンズ10側)には平坦化層33が形成され、その上(マイクロレンズ10側)に色フィルタ38が形成される。色フィルタ38の上(マイクロレンズ10側)には平坦化層34が形成され、その上にマイクロレンズ10が形成される。   FIG. 4 is a cross-sectional view of the imaging pixel 310. In the imaging pixel 310, a color filter 38 and three layers of metal wiring layers 40, 41, and 42 having a light shielding function are disposed between the microlens 10 and the photoelectric conversion unit 11. The photoelectric conversion unit 11 is formed on the semiconductor circuit substrate 29 (the surface on the microlens 10 side). A planarization layer 30 is formed on the photoelectric conversion unit 11 (on the microlens 10 side), and a metal wiring layer 40 having an opening 40a is formed on the planarization layer 30 (on the microlens 10 side). The planarization layer 31 is formed on the metal wiring layer 40 (microlens 10 side), and the metal wiring layer 41 having the opening 41a is formed thereon (microlens 10 side). A planarizing layer 32 is formed on the metal wiring layer 41 (microlens 10 side), and a metal wiring layer 42 having an opening 42a is formed thereon (microlens 10 side). A planarizing layer 33 is formed on the metal wiring layer 42 (on the microlens 10 side), and a color filter 38 is formed thereon (on the microlens 10 side). A planarizing layer 34 is formed on the color filter 38 (on the microlens 10 side), and the microlens 10 is formed thereon.

平坦化層30〜34は同一の材料で構成され、金属配線層40〜42相互間、ならびに金属配線層40と半導体基板29および光電変換部11との間の電気的な絶縁機能も有している。金属配線層41の開口部41aから光電変換部11までの間には平坦化層30および31よりも高い屈折率を有する材料で構成された光導波路50が形成される。光導波路50の光入射部(図4において光導波路50の上端)の寸法は開口部41aの寸法より大きくなっており、これにより開口部41aに入射した光が平坦化層31に直接抜けてしまうことを防止している。光導波路50の光出射部(図4において光導波路50の下端)の寸法は光電変換部11の寸法より小さくなっており、光導波路50の光出射部を出射した光がその光電変換部11以外の半導体回路基板29表面上の領域に直接入射してしまうことを防止している。   The planarization layers 30 to 34 are made of the same material, and also have an electrical insulating function between the metal wiring layers 40 to 42 and between the metal wiring layer 40 and the semiconductor substrate 29 and the photoelectric conversion unit 11. Yes. An optical waveguide 50 made of a material having a higher refractive index than that of the planarization layers 30 and 31 is formed between the opening 41 a of the metal wiring layer 41 and the photoelectric conversion unit 11. The size of the light incident portion of the optical waveguide 50 (the upper end of the optical waveguide 50 in FIG. 4) is larger than the size of the opening 41a, so that the light incident on the opening 41a passes directly to the planarization layer 31. To prevent that. The size of the light emitting portion of the optical waveguide 50 (the lower end of the optical waveguide 50 in FIG. 4) is smaller than the size of the photoelectric conversion portion 11, and the light emitted from the light emitting portion of the optical waveguide 50 is other than the photoelectric conversion portion 11. The direct incidence to the area on the surface of the semiconductor circuit board 29 is prevented.

光導波路50と平坦化層30および31との境界には境界面51が形成される。光導波路50を通り境界面51に入射する光線55は、その入射角(境界面51の法線と光線55との間の角度)が光導波路50と平坦化層30および31との屈折率差により決まる臨界角より大きい場合には、境界面51で全反射して光電変換部11に向かう。したがって、境界面51が存在しない場合には光電変換部11に入射しない光も効率的に光電変換部11で受光することができる。また光導波路50を通り境界面51に入射する光線55の入射角が前述の臨界角より小さい場合には、光線55の一部の光線56が境界面51を透過するが、金属配線層40がこの光線56を遮光する。したがって、半導体基板29や隣接する撮像画素310の光電変換部11に光線56が直接入射してノイズとなる電荷が発生することを防止できる。金属配線層40の開口部40aの大きさは、光導波路50に入り込まない範囲でなるべく小さく設定する。   A boundary surface 51 is formed at the boundary between the optical waveguide 50 and the planarization layers 30 and 31. The light beam 55 incident on the boundary surface 51 through the optical waveguide 50 has an incident angle (an angle between the normal line of the boundary surface 51 and the light beam 55) of the refractive index difference between the optical waveguide 50 and the planarizing layers 30 and 31. When the angle is larger than the critical angle determined by the equation (1), the light is totally reflected at the boundary surface 51 and travels toward the photoelectric conversion unit 11. Therefore, when the boundary surface 51 does not exist, light that does not enter the photoelectric conversion unit 11 can be efficiently received by the photoelectric conversion unit 11. When the incident angle of the light beam 55 incident on the boundary surface 51 through the optical waveguide 50 is smaller than the aforementioned critical angle, a part of the light beam 56 of the light beam 55 passes through the boundary surface 51, but the metal wiring layer 40 The light beam 56 is shielded. Therefore, it can be prevented that the light beam 56 is directly incident on the photoelectric conversion unit 11 of the semiconductor substrate 29 or the adjacent image pickup pixel 310 to generate a noise charge. The size of the opening 40 a of the metal wiring layer 40 is set as small as possible within a range that does not enter the optical waveguide 50.

2層目の金属配線層41が配置された面41bと、マイクロレンズ10の前方(図4では上方)、すなわち光学系側に設定された射出瞳面とは、マイクロレンズ10により互いに光学的に共役な関係となっている。これにより開口部41aの形状がマイクロレンズ10により射出瞳面に投影された領域を通過する光が開口部41aに入射することになる。なお、カメラボディ203に取り付け可能な様々な交換レンズ群の平均的な射出瞳位置の面が、上述した射出瞳面として設定される。またマイクロレンズ10により開口部41aの形状が射出瞳面に投影された領域は、交換レンズ群の中の最も明るい開放F値の光束が該射出瞳面を通過する領域を含むように構成されている。上述した共役な関係を実現するためには、マイクロレンズ10と金属配線層41(主遮光層)との間にマイクロレンズ10の焦点距離と略等しい距離を確保する必要がある。しかしながらマイクロレンズ10と金属配線層41との間隔が空いていると、隣接画素のマイクロレンズ10から出射されて金属配線層41の開口部41aに向かって進む光線57がクロストーク光として入射する虞がある。金属配線層42は、このような隣接画素間のクロストーク光の発生を防止するために光線57を遮光している。金属配線層42の開口部42aの大きさは、マイクロレンズ10から開口部41aに入射する最も外側を通る正規光58を遮光しない範囲でなるべく小さく設定する。   The surface 41b on which the second metal wiring layer 41 is disposed and the exit pupil plane set in front of the microlens 10 (upward in FIG. 4), that is, on the optical system side, are optically coupled to each other by the microlens 10. It is a conjugate relationship. As a result, the light passing through the region where the shape of the opening 41a is projected onto the exit pupil plane by the microlens 10 enters the opening 41a. Note that the surface of the average exit pupil position of various interchangeable lens groups that can be attached to the camera body 203 is set as the exit pupil surface described above. The region where the shape of the opening 41a is projected onto the exit pupil plane by the microlens 10 is configured to include a region where the brightest open F-number light beam in the interchangeable lens group passes through the exit pupil plane. Yes. In order to realize the above conjugate relationship, it is necessary to ensure a distance approximately equal to the focal length of the microlens 10 between the microlens 10 and the metal wiring layer 41 (main light shielding layer). However, if the distance between the microlens 10 and the metal wiring layer 41 is large, a light beam 57 emitted from the microlens 10 of an adjacent pixel and traveling toward the opening 41a of the metal wiring layer 41 may be incident as crosstalk light. There is. The metal wiring layer 42 blocks the light beam 57 in order to prevent the occurrence of such crosstalk light between adjacent pixels. The size of the opening 42a of the metal wiring layer 42 is set to be as small as possible without blocking the normal light 58 that passes through the outermost side and enters the opening 41a from the microlens 10.

なお、図4は、撮影画面100上の中心近傍に対応する撮像素子212上の位置、すなわち撮像素子212と交換レンズ202の光軸との交点近傍に配置された撮像画素310の断面を示しており、マイクロレンズ10の光軸19と各金属配線層40〜42の開口部40a〜42aの中心および光電変換部11の中心とが一致している。撮影画面100の周辺に配置された撮像画素310においては、いわゆる撮影光束のシェーディングを防止するために、撮像画素310と撮影画面100上の中心に対応する撮像素子212上の位置との距離に応じて、マイクロレンズ10の光軸19に対して各金属配線層40〜42の開口部40a〜42aの中心および光電変換部11の中心を、撮影画面100上の中心に対応する撮像素子212上の位置から撮像画素310に向かう方向へ偏心させる。   FIG. 4 shows a cross section of the image pickup pixel 310 disposed near the intersection between the image pickup element 212 and the optical axis of the interchangeable lens 202 on the image pickup element 212 corresponding to the vicinity of the center on the photographing screen 100. In addition, the optical axis 19 of the microlens 10 and the centers of the openings 40 a to 42 a of the metal wiring layers 40 to 42 and the centers of the photoelectric conversion units 11 coincide. In the imaging pixels 310 arranged in the periphery of the imaging screen 100, in order to prevent so-called shading of the imaging light flux, the imaging pixels 310 and the position on the imaging device 212 corresponding to the center on the imaging screen 100 are used. Thus, with respect to the optical axis 19 of the microlens 10, the centers of the openings 40 a to 42 a of the metal wiring layers 40 to 42 and the center of the photoelectric conversion unit 11 are on the image sensor 212 corresponding to the center on the imaging screen 100. It is decentered in the direction from the position toward the imaging pixel 310.

また図4は撮像画素310の基本構造を示した図であって、必要に応じて他の構成要素、例えば層内レンズやパッシベーション層などを追加することができる。例えば、半導体基板29はシリコン(Si)、平坦化層30〜34は酸化シリコン(SiO2、屈折率1.46)、光導波路は窒化シリコン(SiN、屈折率2.02)または酸化チタン(TiO2、屈折率2.35)、金属配線層はアルミニウム(Al)または銅(Cu)により構成される。上記構造は、例えばフォトリソグラフィーやエッチングなどの半導体製造技術を用いて製造されることが可能である。 FIG. 4 is a diagram showing the basic structure of the imaging pixel 310, and other components such as an intra-layer lens and a passivation layer can be added as necessary. For example, the semiconductor substrate 29 is silicon (Si), the planarization layers 30 to 34 are silicon oxide (SiO 2 , refractive index 1.46), and the optical waveguide is silicon nitride (SiN, refractive index 2.02) or titanium oxide (TiO 2 , refractive index). 2.35) The metal wiring layer is made of aluminum (Al) or copper (Cu). The structure can be manufactured using a semiconductor manufacturing technique such as photolithography or etching, for example.

図5は図4で示した撮像画素310を正面から見た場合の開口部40a〜42aおよび光電変換部11の形状を示した図である。正方形の光電変換部11の上に正八角形の開口部40aがあり、その上に開口部40aより小さな正八角形の開口部41aがあり、その上に開口部41aより大きな正八角形の開口部42aがある。なお、図4に示した光導波路50の光入射部の正面視形状(不図示)は、開口部41aを一回り大きくした形状である。   FIG. 5 is a diagram illustrating the shapes of the openings 40 a to 42 a and the photoelectric conversion unit 11 when the imaging pixel 310 illustrated in FIG. 4 is viewed from the front. There is a regular octagonal opening 40a on the square photoelectric conversion part 11, a regular octagonal opening 41a smaller than the opening 40a on it, and a regular octagonal opening 42a larger than the opening 41a on it. is there. Note that the front-view shape (not shown) of the light incident portion of the optical waveguide 50 shown in FIG. 4 is a shape in which the opening 41a is made slightly larger.

光電変換部11の形状は正方形に限定されたものではなく、例えば正八角形や円であっても構わない。開口部40a〜42aの形状は正八角形に限定されたものではなく、例えば正方形や円であっても構わない。開口部40a〜42aの形状は、開口面積を最も大きくすることが可能な円形が好ましいが、製造容易性の観点に基づき、ここでは一例として正八角形としている。またカメラボディ203に交換レンズ202を装着した際には、交換レンズ202の絞り開口により制限された光束が開口部41aより小さな範囲に入射するので、開口部41aの形状は完全な正八角形でなくてもよく、配線の都合により一部欠けたり歪んだりした形状であってもよい。また開口部40a、42aの形状は遮光の目的を満たす上では完全な正八角形でなくてもよく、配線の都合により一部欠けたり歪んだりした形状であってもよい。   The shape of the photoelectric conversion unit 11 is not limited to a square, and may be, for example, a regular octagon or a circle. The shapes of the openings 40a to 42a are not limited to regular octagons, and may be squares or circles, for example. The shape of the openings 40a to 42a is preferably a circular shape capable of maximizing the opening area, but here is a regular octagon as an example based on the viewpoint of ease of manufacture. Further, when the interchangeable lens 202 is attached to the camera body 203, the light beam limited by the aperture opening of the interchangeable lens 202 enters a range smaller than the opening 41a. Therefore, the shape of the opening 41a is not a perfect regular octagon. Alternatively, the shape may be partially cut or distorted due to the convenience of wiring. Further, the shape of the openings 40a and 42a may not be a perfect regular octagon in order to satisfy the purpose of light shielding, and may be a shape that is partially missing or distorted due to the convenience of wiring.

図6は焦点検出画素313および314の断面図であり、図4に示した撮像画素と同じ構成要件については同じ符号を付し、説明を一部省略する。焦点検出画素313および314の構成において撮像画素310の構成と異なる点は、少なくとも、金属配線層40〜42に設けられる開口部の形状、フィルタの分光特性、および光導波路の構成である。   FIG. 6 is a cross-sectional view of the focus detection pixels 313 and 314. The same components as those of the imaging pixel shown in FIG. The configuration of the focus detection pixels 313 and 314 differs from the configuration of the imaging pixel 310 at least in the shape of the opening provided in the metal wiring layers 40 to 42, the spectral characteristics of the filter, and the configuration of the optical waveguide.

焦点検出画素313および314において、マイクロレンズ10と光電変換部13および14との間に白色フィルタ39及び遮光機能を有する3層の金属配線層40、41および42が配置される。光電変換部13および14は半導体回路基板29上(マイクロレンズ10側の面)に形成される。   In the focus detection pixels 313 and 314, a white filter 39 and three layers of metal wiring layers 40, 41, and 42 having a light shielding function are disposed between the microlens 10 and the photoelectric conversion units 13 and 14. The photoelectric conversion units 13 and 14 are formed on the semiconductor circuit substrate 29 (surface on the microlens 10 side).

焦点検出画素313において、光電変換部13の上(マイクロレンズ10側)に平坦化層30、31および32を挟み、開口部40cを有する金属配線層40、開口部41cを有する金属配線層41、および開口部42cを有する金属配線層42が形成される。金属配線層42の上(マイクロレンズ10側)には平坦化層33が形成され、その上(マイクロレンズ10側)に白色フィルタ39が形成される。白色フィルタ39の上(マイクロレンズ10側)には平坦化層34が形成され、その上にマイクロレンズ10が形成される。   In the focus detection pixel 313, the planarization layers 30, 31 and 32 are sandwiched on the photoelectric conversion unit 13 (on the microlens 10 side), the metal wiring layer 40 having the opening 40c, the metal wiring layer 41 having the opening 41c, And the metal wiring layer 42 which has the opening part 42c is formed. A planarizing layer 33 is formed on the metal wiring layer 42 (on the microlens 10 side), and a white filter 39 is formed thereon (on the microlens 10 side). A planarizing layer 34 is formed on the white filter 39 (on the microlens 10 side), and the microlens 10 is formed thereon.

金属配線層41に設けられた開口部41cは、図4の開口部41aに比較すると、マイクロレンズ10の光軸19から右半分が略遮光されている。   In the opening 41c provided in the metal wiring layer 41, the right half from the optical axis 19 of the microlens 10 is substantially shielded as compared to the opening 41a in FIG.

金属配線層41の開口部41cから光電変換部13までの間には平坦化層30および31よりも高い屈折率を有する材料で構成された光導波路50cが形成される。光導波路50cの光入射部の寸法は開口部41cの寸法より大きくなっており、これにより開口部41cに入射した光が平坦化層31に直接抜けてしまうことを防止している。光導波路50cの光出射部の寸法は光電変換部13の寸法より小さくなっており、光導波路50cの光出射部を出射した光がその光電変換部13以外の半導体回路基板29表面上の領域に直接入射してしまうことを防止している。   Between the opening 41c of the metal wiring layer 41 and the photoelectric conversion unit 13, an optical waveguide 50c made of a material having a refractive index higher than that of the planarization layers 30 and 31 is formed. The size of the light incident portion of the optical waveguide 50c is larger than the size of the opening 41c, thereby preventing light incident on the opening 41c from directly passing through the planarizing layer 31. The size of the light emitting portion of the optical waveguide 50 c is smaller than the size of the photoelectric conversion portion 13, and the light emitted from the light emitting portion of the optical waveguide 50 c is in a region on the surface of the semiconductor circuit substrate 29 other than the photoelectric conversion portion 13. Preventing direct incidence.

光導波路50cと平坦化層30および31との境界には境界面51cが形成される。光導波路50cを通り境界面51cに入射する光線55cは、その入射角が臨界角より大きい場合には、境界面51cで全反射して光電変換部13に向かう。したがって、境界面51cが存在しない場合には光電変換部13に入射しない光も効率的に光電変換部13で受光することができる。また光導波路50cを通り境界面51cに入射する光線55cの入射角が臨界角より小さい場合には、光線55cの一部の光線56cが境界面51cを透過するが、金属配線層40がこの光線56cを遮光する。したがって、半導体基板29や隣接する焦点検出画素314の光電変換部14に光線56cが直接入射してノイズとなる電荷が発生することを防止できる。金属配線層40の開口部40cの大きさは、光導波路50cに入り込まない範囲でなるべく小さく設定する。   A boundary surface 51 c is formed at the boundary between the optical waveguide 50 c and the planarization layers 30 and 31. When the incident angle of the light beam 55c passing through the optical waveguide 50c and entering the boundary surface 51c is larger than the critical angle, the light beam 55c is totally reflected by the boundary surface 51c and travels toward the photoelectric conversion unit 13. Therefore, when the boundary surface 51 c does not exist, light that does not enter the photoelectric conversion unit 13 can be efficiently received by the photoelectric conversion unit 13. When the incident angle of the light beam 55c passing through the optical waveguide 50c and entering the boundary surface 51c is smaller than the critical angle, a part of the light beam 56c of the light beam 55c passes through the boundary surface 51c, but the metal wiring layer 40 has this light beam. 56c is shielded from light. Therefore, it can be prevented that the light ray 56c is directly incident on the photoelectric conversion unit 14 of the semiconductor substrate 29 or the adjacent focus detection pixel 314 to generate a noise charge. The size of the opening 40c of the metal wiring layer 40 is set as small as possible within a range not entering the optical waveguide 50c.

2層目の金属配線層41(主遮光層)が配置された面41bと、マイクロレンズ10の前方(図6では上方)、すなわち光学系側に設定された射出瞳面とは、マイクロレンズ10により互いに光学的に共役な関係となっている。なお、カメラボディ203に取り付け可能な様々な交換レンズ群の平均的な射出瞳位置の面が、上述した射出瞳面として設定される。   The surface 41b on which the second metal wiring layer 41 (main light shielding layer) is disposed and the exit pupil plane set in front of the microlens 10 (upward in FIG. 6), that is, on the optical system side are the microlens 10. Therefore, they are optically conjugate with each other. Note that the surface of the average exit pupil position of various interchangeable lens groups that can be attached to the camera body 203 is set as the exit pupil surface described above.

焦点検出画素314においては、図6に示すように、上述した焦点検出画素313の構成をマイクロレンズ10の光軸19を対称軸として左右反転した構成となっている。すなわち光電変換部14の上(マイクロレンズ10側)に平坦化層30、31および32を挟み、開口部40dを有する金属配線層40、開口部41dを有する金属配線層41、および開口部42dを有する金属配線層42が形成される。金属配線層41の開口部41dから光電変換部14までの間には平坦化層30および31よりも高い屈折率を有する材料で構成された光導波路50dが形成される。   In the focus detection pixel 314, as shown in FIG. 6, the configuration of the focus detection pixel 313 described above is reversed left and right with the optical axis 19 of the microlens 10 as the symmetry axis. That is, the planarization layers 30, 31 and 32 are sandwiched on the photoelectric conversion unit 14 (on the microlens 10 side), and the metal wiring layer 40 having the opening 40d, the metal wiring layer 41 having the opening 41d, and the opening 42d are formed. A metal wiring layer 42 is formed. Between the opening 41d of the metal wiring layer 41 and the photoelectric conversion unit 14, an optical waveguide 50d made of a material having a refractive index higher than that of the planarization layers 30 and 31 is formed.

前述した通り、2層目の金属配線層41(主遮光層)が配置された面41bと、マイクロレンズ10の前方(図6では上方)、すなわち光学系側に設定された射出瞳面とは、マイクロレンズ10により光学的に互いに共役な関係となっている。   As described above, the surface 41b on which the second metal wiring layer 41 (main light shielding layer) is disposed and the exit pupil surface set in front of the microlens 10 (upward in FIG. 6), that is, on the optical system side. The microlenses 10 are optically conjugate with each other.

金属配線層42は、マイクロレンズ10と金属配線層41との間を通る焦点検出画素間のクロストーク光となりうる光線57cを遮光している。例えば隣接する焦点検出画素313のマイクロレンズ10から焦点検出画素314の金属配線層41の開口部41dに向かう光線57cは、金属配線層42により遮光される。金属配線層42の開口部42dの大きさは、マイクロレンズ10から開口部41dに入射する最も外側を通る正規光58dを遮光しない範囲でなるべく小さく設定する。   The metal wiring layer 42 blocks a light beam 57 c that can be crosstalk light between focus detection pixels passing between the microlens 10 and the metal wiring layer 41. For example, a light beam 57 c from the microlens 10 of the adjacent focus detection pixel 313 toward the opening 41 d of the metal wiring layer 41 of the focus detection pixel 314 is blocked by the metal wiring layer 42. The size of the opening 42d of the metal wiring layer 42 is set to be as small as possible without blocking the normal light 58d that passes through the outermost side and enters the opening 41d from the microlens 10.

なお、図6は、撮影画面100上の中心近傍に対応する撮像素子212上の位置、すなわち撮像素子212と交換レンズ202の光軸との交点近傍に配置された焦点検出画素313および314の断面を示しており、マイクロレンズ10の光軸19と、各金属配線層40〜42の開口部40c〜42cおよび40d〜42dの中心と、光電変換部13および14の中心とが一致している。撮影画面100の周辺に配置された焦点検出画素313および314においては、焦点検出画素313および314と撮影画面100上の中心に対応する撮像素子212上の位置との距離に応じて、マイクロレンズ10の光軸19に対して各金属配線層40〜42の開口部40c〜42cおよび40d〜42dの中心ならびに光電変換部13および14の中心を、撮影画面100上の中心に対応する撮像素子212上の位置から焦点検出画素313および314に向かう方向へ偏心させる。   6 shows a cross section of the focus detection pixels 313 and 314 arranged at a position on the image sensor 212 corresponding to the vicinity of the center on the photographing screen 100, that is, in the vicinity of the intersection of the image sensor 212 and the optical axis of the interchangeable lens 202. The optical axis 19 of the microlens 10, the centers of the openings 40 c to 42 c and 40 d to 42 d of the metal wiring layers 40 to 42, and the centers of the photoelectric conversion units 13 and 14 coincide with each other. In the focus detection pixels 313 and 314 arranged in the periphery of the shooting screen 100, the microlens 10 is selected according to the distance between the focus detection pixels 313 and 314 and the position on the image sensor 212 corresponding to the center on the shooting screen 100. The centers of the openings 40c to 42c and 40d to 42d of the metal wiring layers 40 to 42 and the centers of the photoelectric conversion units 13 and 14 with respect to the optical axis 19 are on the image sensor 212 corresponding to the center on the imaging screen 100. Is decentered in the direction from the position toward the focus detection pixels 313 and 314.

図7は、図6で示した焦点検出画素313および314を正面から見た場合の、開口部40c〜42cおよび40d〜42dの形状と、光電変換部13および14の形状とを示した図である。   FIG. 7 is a diagram illustrating the shapes of the openings 40c to 42c and 40d to 42d and the shapes of the photoelectric conversion units 13 and 14 when the focus detection pixels 313 and 314 illustrated in FIG. 6 are viewed from the front. is there.

正方形の光電変換部13および14は撮像画素310の光電変換部11と同一の形状である。開口部41cおよび41dは、撮像画素310の開口部41aの正八角形の形状を、マイクロレンズ10の光軸19を通り光電変換部13および14の並び方向と直交する直線で左右対称に分割した場合の左半分および右半分の形状を有している。開口部41cおよび41dの直線部43cおよび43dは上述の直線に沿って形成される。開口部42cおよび42dの形状は、開口部41cおよび41dの形状を一回り大きくした形状となっており、撮像画素310の開口部42aの正八角形の形状を、光電変換部13および14の並び方向と直交する直線で分割した場合の形状に対応している。   The square photoelectric conversion units 13 and 14 have the same shape as the photoelectric conversion unit 11 of the imaging pixel 310. The openings 41 c and 41 d are obtained when the regular octagonal shape of the opening 41 a of the imaging pixel 310 is divided symmetrically by a straight line that passes through the optical axis 19 of the microlens 10 and is orthogonal to the arrangement direction of the photoelectric conversion units 13 and 14. The left half and the right half of the shape. The straight portions 43c and 43d of the openings 41c and 41d are formed along the straight lines described above. The shapes of the openings 42c and 42d are larger than the shapes of the openings 41c and 41d. The regular octagonal shape of the opening 42a of the imaging pixel 310 is changed to the alignment direction of the photoelectric conversion units 13 and 14. This corresponds to the shape when divided by a straight line perpendicular to the line.

開口部40cおよび40dの形状は、開口部41cおよび41dの形状を一回り大きくした形状となっており、撮像画素310の開口部40aの正八角形の形状を、光電変換部13および14の並び方向と直交する直線で分割した場合の形状に対応している。   The shapes of the openings 40c and 40d are larger than the shapes of the openings 41c and 41d. The regular octagonal shape of the opening 40a of the imaging pixel 310 is changed to the alignment direction of the photoelectric conversion units 13 and 14. This corresponds to the shape when divided by a straight line perpendicular to the line.

また図6に示した光導波路50cおよび50dの光入射部の正面視形状(不図示)は、開口部41cおよび41dを一回り大きくした形状である。   Further, the front view shape (not shown) of the light incident portions of the optical waveguides 50c and 50d shown in FIG. 6 is a shape obtained by enlarging the openings 41c and 41d.

光電変換部13および14の形状は光電変換部11の形状と同じく正方形に限定されたものではなく、例えば正八角形や円であっても構わない。開口部40c、42c、40dおよび42dの形状は図7に示す形状に限定されたものではなく、例えば配線の都合により一部欠けたり歪んだりした形状であってもよい。   The shape of the photoelectric conversion units 13 and 14 is not limited to a square like the shape of the photoelectric conversion unit 11, and may be, for example, a regular octagon or a circle. The shapes of the openings 40c, 42c, 40d, and 42d are not limited to the shapes shown in FIG. 7, and may be partially cut or distorted due to the convenience of wiring, for example.

開口部41cおよび41dの形状は正八角形を2等分割した形状でなくてもよく、配線の都合により一部欠けたり歪んだりした形状であってもよい。ただし焦点検出画素の瞳分割性能を維持するため、直線部43cおよび43dの部分には欠けや歪みが生じないようにすることが好ましい。   The shape of the openings 41c and 41d may not be a shape obtained by dividing a regular octagon into two equal parts, and may be a shape that is partially cut or distorted due to the convenience of wiring. However, in order to maintain the pupil division performance of the focus detection pixels, it is preferable that the straight portions 43c and 43d are not chipped or distorted.

以上、焦点検出画素313および314の構成について説明したが、それらの構成は撮像画素310の構成と同様であるので、撮像画素310ならびに焦点検出画素313および314を略同じ工程で製造することができる。   The configuration of the focus detection pixels 313 and 314 has been described above, but since the configuration is the same as the configuration of the imaging pixel 310, the imaging pixel 310 and the focus detection pixels 313 and 314 can be manufactured in substantially the same process. .

従来の焦点検出画素の構成においては、光電変換部に最も近接した金属配線層40が配置された面とマイクロレンズの前方に設定された射出瞳面とがマイクロレンズにより光学的に共役な関係となっていた。そのため、画素サイズを縮小した場合に、マイクロレンズと光電変換部との間に従来と同じ構成の平坦化層と金属配線層とを配置することができなかった。しかしながら図6に示した焦点検出画素313および314の構成においては、2層目の金属配線層41(主遮光層)が配置された面41bとマイクロレンズ10の前方に設定された射出瞳面とがマイクロレンズ10により光学的に共役な関係となっている。金属配線層41の開口部41cおよび41dに入射した光を、光導波路50cおよび50dがそれぞれ光電変換部13および14に導光している。そのため画素サイズを縮小した場合でも、マイクロレンズ10と光電変換部13および14との間に従来と同じ構成の平坦化層と金属配線層とを配置するだけの距離を維持することができるとともに、金属配線層41の開口部41cおよび41dに入射した光を効率的に光電変換部13および14に集光することができる。   In the conventional focus detection pixel configuration, the surface on which the metal wiring layer 40 closest to the photoelectric conversion unit is disposed and the exit pupil plane set in front of the microlens are optically conjugate by the microlens. It was. For this reason, when the pixel size is reduced, it is impossible to dispose a planarization layer and a metal wiring layer having the same configuration as the conventional one between the microlens and the photoelectric conversion unit. However, in the configuration of the focus detection pixels 313 and 314 shown in FIG. 6, the surface 41 b on which the second metal wiring layer 41 (main light shielding layer) is disposed and the exit pupil plane set in front of the microlens 10. Is in an optically conjugate relationship by the microlens 10. Light incident on the openings 41c and 41d of the metal wiring layer 41 is guided to the photoelectric conversion units 13 and 14 by the optical waveguides 50c and 50d, respectively. Therefore, even when the pixel size is reduced, it is possible to maintain a sufficient distance between the microlens 10 and the photoelectric conversion units 13 and 14 so as to arrange the planarization layer and the metal wiring layer having the same configuration as the conventional one, Light incident on the openings 41c and 41d of the metal wiring layer 41 can be efficiently condensed on the photoelectric conversion units 13 and 14.

さらに図6に示した焦点検出画素313および314の構成においては、マイクロレンズ10と金属配線層41の開口部41cおよび41dとの間に金属配線層42を配置するとともに、金属配線層41の開口部41cおよび41dと光電変換部13および14との間に金属配線層40を配置している。そのため焦点検出画素間のクロストーク光や、撮像画素から焦点検出画素へのクロストーク光を金属配線層42により効率的に防止できるとともに、光導波路50cおよび50dを透過する迷光も金属配線層40により効率的に遮光することができる。   Further, in the configuration of the focus detection pixels 313 and 314 shown in FIG. 6, the metal wiring layer 42 is disposed between the microlens 10 and the openings 41 c and 41 d of the metal wiring layer 41, and the opening of the metal wiring layer 41 is provided. A metal wiring layer 40 is disposed between the portions 41 c and 41 d and the photoelectric conversion portions 13 and 14. Therefore, the crosstalk light between the focus detection pixels and the crosstalk light from the imaging pixel to the focus detection pixel can be efficiently prevented by the metal wiring layer 42, and stray light transmitted through the optical waveguides 50 c and 50 d is also prevented by the metal wiring layer 40. It can be shielded efficiently.

また図6に示した焦点検出画素313および314の構成においては、2層目の金属配線層41が配置された面41bと光電変換部13および14との間に光導波路50cおよび50dを配置して、光導波路50cおよび50dが開口部41cおよび41dへ入射する光を光電変換部13および14に導光している。そのため、光導波路50cおよび50dの高さ(マイクロレンズ10の光軸19方向の寸法)を最小限に抑えることができ、光導波路50cから境界面51cを通り平坦化層30または31に抜ける光を最小限に低減することができる。   In the configuration of the focus detection pixels 313 and 314 shown in FIG. 6, optical waveguides 50c and 50d are arranged between the surface 41b on which the second metal wiring layer 41 is arranged and the photoelectric conversion units 13 and 14. Thus, the optical waveguides 50c and 50d guide the light incident on the openings 41c and 41d to the photoelectric conversion units 13 and 14. Therefore, the height of the optical waveguides 50c and 50d (the dimension of the microlens 10 in the direction of the optical axis 19) can be minimized, and the light passing from the optical waveguide 50c through the boundary surface 51c to the planarizing layer 30 or 31 can be transmitted. It can be reduced to a minimum.

図8は、撮像画素310が受光する撮影光束の様子を説明するための図であって、撮像画素配列の構成を簡略化した撮像素子212の断面を示す。撮像素子212上に配列された全ての撮像画素310の光電変換部11は、光電変換部11に近接して配置された金属配線層41の開口部41a(不図示)を通過した光束を受光する。開口部41aの形状は、各撮像画素310のマイクロレンズ10によって、マイクロレンズ10から光学系側に測距瞳距離dだけ離間した位置に規定される射出瞳90上の、全撮像画素310に共通な領域95に投影される。なお、上述したように、開口部41aの形状は正八角形またはその他の形状であるため、領域95はその開口部41aの形状に相似した形状であるが、図8においては、簡略化のため正方形として示している。   FIG. 8 is a diagram for explaining the state of the imaging light beam received by the imaging pixel 310, and shows a cross section of the imaging element 212 in which the configuration of the imaging pixel array is simplified. The photoelectric conversion units 11 of all the imaging pixels 310 arranged on the image sensor 212 receive the light flux that has passed through the opening 41 a (not shown) of the metal wiring layer 41 disposed in the vicinity of the photoelectric conversion unit 11. . The shape of the opening 41a is common to all the imaging pixels 310 on the exit pupil 90 that is defined by the microlens 10 of each imaging pixel 310 at a distance from the microlens 10 toward the optical system by the distance measuring pupil distance d. Is projected onto a large area 95. As described above, since the shape of the opening 41a is a regular octagon or other shape, the region 95 has a shape similar to the shape of the opening 41a. However, in FIG. As shown.

従って、各撮像画素310の光電変換部11は、領域95と各撮像画素310のマイクロレンズ10とを通過する光束71を受光する。そして、各撮像素子310の光電変換部11は、領域95を通過して各撮像画素310のマイクロレンズ10へ向かう光束71によって各マイクロレンズ10上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。   Therefore, the photoelectric conversion unit 11 of each imaging pixel 310 receives the light beam 71 that passes through the region 95 and the microlens 10 of each imaging pixel 310. Then, the photoelectric conversion unit 11 of each imaging element 310 outputs a signal corresponding to the intensity of the image formed on each microlens 10 by the light flux 71 that passes through the region 95 and travels toward the microlens 10 of each imaging pixel 310. To do.

図9は、焦点検出画素313および314が受光する焦点検出光束の様子を図4と比較して説明するための図であって、焦点検出画素配列の構成を簡略化した撮像素子212の断面を示す。撮像素子212上に配列された全ての焦点検出画素313および314の光電変換部13および14は、光電変換部13および14に近接して配置された金属配線層41の開口部41cおよび41d(不図示)を通過した光束を受光する。開口部41cの形状は、各焦点検出画素313のマイクロレンズ10によって、マイクロレンズ10から光学系側に測距瞳距離dだけ離間した位置に規定される射出瞳90上の、全ての焦点検出画素313に共通した領域93に投影される。同じく開口部41dの形状は、各焦点検出画素314のマイクロレンズ10によって、マイクロレンズ10から光学系側に測距瞳距離dだけ離間した位置に規定される射出瞳90上の、全ての焦点検出画素314に共通した領域94に投影される。なお、上述したように、開口部41cおよび41dの形状は正八角形またはその他の形状であるため、領域93および94はその開口部41cおよび41dの形状に相似した形状であるが、図9においては、簡略化のため長方形として示している。一対の領域93および94を測距瞳と呼ぶ。   FIG. 9 is a diagram for explaining the state of the focus detection light beam received by the focus detection pixels 313 and 314 in comparison with FIG. 4, and shows a cross section of the image sensor 212 in which the configuration of the focus detection pixel array is simplified. Show. The photoelectric conversion units 13 and 14 of all the focus detection pixels 313 and 314 arranged on the image sensor 212 have openings 41c and 41d (non-existing portions) of the metal wiring layer 41 arranged in proximity to the photoelectric conversion units 13 and 14. The light beam that has passed through is received. The shape of the opening 41c is such that all the focus detection pixels on the exit pupil 90 defined by the microlens 10 of each focus detection pixel 313 are spaced from the microlens 10 toward the optical system by the distance measurement pupil distance d. It is projected onto a region 93 common to 313. Similarly, the shape of the opening 41d is such that all the focus detections on the exit pupil 90 defined by the microlens 10 of each focus detection pixel 314 are spaced from the microlens 10 toward the optical system by the distance measurement pupil distance d. It is projected onto a region 94 common to the pixels 314. As described above, since the shapes of the openings 41c and 41d are regular octagons or other shapes, the regions 93 and 94 are similar to the shapes of the openings 41c and 41d, but in FIG. It is shown as a rectangle for simplicity. The pair of regions 93 and 94 is called a distance measuring pupil.

従って、各焦点検出画素313の光電変換部13は、測距瞳93と各焦点検出画素313のマイクロレンズ10とを通過する光束73を受光する。そして、各焦点検出画素313の光電変換部13は、測距瞳93を通過して各焦点検出画素313のマイクロレンズ10へ向かう光束73によってマイクロレンズ10上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。また、各焦点検出画素314の光電変換部14は、測距瞳94と各焦点検出画素314のマイクロレンズ10とを通過する光束74を受光する。そして、各焦点検出画素314の光電変換部14は、測距瞳94を通過して各焦点検出画素314のマイクロレンズ10へ向かう光束74によってマイクロレンズ10上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。   Therefore, the photoelectric conversion unit 13 of each focus detection pixel 313 receives the light flux 73 that passes through the distance measuring pupil 93 and the microlens 10 of each focus detection pixel 313. The photoelectric conversion unit 13 of each focus detection pixel 313 corresponds to the intensity of the image formed on the microlens 10 by the light flux 73 that passes through the distance measuring pupil 93 and travels toward the microlens 10 of each focus detection pixel 313. Output a signal. Further, the photoelectric conversion unit 14 of each focus detection pixel 314 receives the light flux 74 that passes through the distance measuring pupil 94 and the microlens 10 of each focus detection pixel 314. The photoelectric conversion unit 14 of each focus detection pixel 314 corresponds to the intensity of the image formed on the microlens 10 by the light flux 74 that passes through the distance measuring pupil 94 and travels toward the microlens 10 of each focus detection pixel 314. Output a signal.

一対の焦点検出画素313および314が受光する光束73および74が通過する射出瞳90上の測距瞳93および94を統合した領域は、撮像画素310が受光する光束71が通過する射出瞳90上の領域95と略一致する。すなわち、射出瞳90上において、光束73および74は光束71に対して相補的な関係になっている。   A region where the distance measuring pupils 93 and 94 on the exit pupil 90 through which the light beams 73 and 74 received by the pair of focus detection pixels 313 and 314 pass is integrated on the exit pupil 90 through which the light beam 71 received by the imaging pixel 310 passes. The region 95 of FIG. That is, on the exit pupil 90, the light beams 73 and 74 have a complementary relationship with the light beam 71.

上述した一対の焦点検出画素313および314を交互にかつ直線状に多数配置し、各焦点検出画素の光電変換部の出力を測距瞳93および94に対応した一対の出力グループにまとめることによって、測距瞳93および94のそれぞれを通過する一対の光束が焦点検出画素配列上に形成する一対の像の強度分布に関する情報が得られる。この情報に対して、たとえば特開2007−333720号公報や特開2010−139624号公報に開示されている像ズレ検出演算処理(相関演算処理、位相差検出処理)を施すことによって、いわゆる瞳分割型位相差検出方式による一対の像の像ズレ量が検出される。さらに、像ズレ量に対して一対の測距瞳の重心間隔と測距瞳距離の比例関係に応じた変換演算を行うことによって、焦点検出位置における予定結像面と結像面との偏差(デフォーカス量)が算出される。   By arranging a large number of the pair of focus detection pixels 313 and 314 alternately and linearly, and collecting the outputs of the photoelectric conversion units of the focus detection pixels into a pair of output groups corresponding to the distance measuring pupils 93 and 94, Information on the intensity distribution of the pair of images formed on the focus detection pixel array by the pair of light fluxes passing through the distance measuring pupils 93 and 94 is obtained. This information is subjected to, for example, image shift detection calculation processing (correlation calculation processing, phase difference detection processing) disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-333720 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-139624, so-called pupil division. An image shift amount of the pair of images by the mold phase difference detection method is detected. Further, by performing a conversion calculation according to the proportional relationship between the distance between the center of gravity of the pair of distance measurement pupils and the distance measurement pupil distance with respect to the image shift amount, the deviation between the planned image formation surface and the image formation surface at the focus detection position ( Defocus amount) is calculated.

次に、本実施の形態におけるデジタルカメラ201が有する撮像素子212の詳細について説明する。図10は、撮像素子212の回路構成を示す概念図である。撮像素子212は、CMOSイメージセンサとして構成されている。説明の都合上、図10では、撮像素子212の回路構成を、水平方向8画素×垂直方向4画素のレイアウトに簡略化して示す。また、図10は、図2の水平方向の焦点検出エリア101に対応して描かれており、水平方向に焦点検出画素313および314が同一の行に配置されている様子を示す。   Next, details of the image sensor 212 included in the digital camera 201 in this embodiment will be described. FIG. 10 is a conceptual diagram showing a circuit configuration of the image sensor 212. The image sensor 212 is configured as a CMOS image sensor. For convenience of explanation, in FIG. 10, the circuit configuration of the image sensor 212 is simply shown as a layout of 8 pixels in the horizontal direction × 4 pixels in the vertical direction. FIG. 10 is drawn corresponding to the focus detection area 101 in the horizontal direction of FIG. 2, and shows how the focus detection pixels 313 and 314 are arranged in the same row in the horizontal direction.

図10では、垂直方向において2行目は焦点検出画素313および314が配置された行であり、中央の4つの焦点検出画素313および314が複数の焦点検出画素を代表して示し、左右の2つずつの撮像画素310が焦点検出画素313および314の左右に配置された複数の画素を代表して示す。また、図10では、垂直方向において1行目、3行目、および4行目は撮像画素310のみが配置された行であり、焦点検出画素313および314が配置された行の上下の複数の撮像画素のみからなる行を代表して示す。   In FIG. 10, the second row in the vertical direction is a row in which the focus detection pixels 313 and 314 are arranged. The four focus detection pixels 313 and 314 in the center represent a plurality of focus detection pixels. A plurality of pixels in which the respective imaging pixels 310 are arranged on the left and right of the focus detection pixels 313 and 314 are shown as representatives. In FIG. 10, the first, third, and fourth rows in the vertical direction are rows in which only the imaging pixels 310 are arranged, and a plurality of rows above and below the row in which the focus detection pixels 313 and 314 are arranged. A row including only imaging pixels is shown as a representative.

撮像画素310ならびに焦点検出画素313および314は、受光した光量に応じた電荷を発生する光電変換部(フォトダイオード:PD)と、光電変換部で生成された電荷を蓄積するフローティングディフュージョン部(FD)と、FDに蓄積された電荷量に応じた画素信号を出力するアンプ(AMP)とを基本構成として含む。図10において、ラインメモリ320は1行分の画素の画素信号をサンプルホールドして一時的に保持するバッファであり、垂直信号線501に出力されている同一行の画素信号を垂直走査回路が発する制御信号φH1に基づいてサンプルホールドする。なお、ラインメモリ320に保持される画素信号は制御信号φS1〜φS4の立ち上がりに同期してリセットされる。   The imaging pixel 310 and the focus detection pixels 313 and 314 include a photoelectric conversion unit (photodiode: PD) that generates charges according to the amount of received light, and a floating diffusion unit (FD) that accumulates charges generated by the photoelectric conversion unit. And an amplifier (AMP) that outputs a pixel signal corresponding to the amount of charge accumulated in the FD as a basic configuration. In FIG. 10, a line memory 320 is a buffer that samples and holds pixel signals of pixels for one row and temporarily holds them, and a vertical scanning circuit emits pixel signals of the same row output to the vertical signal line 501. Sample and hold based on the control signal φH1. Note that the pixel signals held in the line memory 320 are reset in synchronization with the rise of the control signals φS1 to φS4.

撮像画素310および焦点検出画素313、314からの画素信号の出力は垂直走査回路が発生する制御信号(φS1〜φS4)により行ごとに独立して制御される。制御信号(φS1〜φS4)により選択された行の画素の画素信号は垂直信号線501に出力される。ラインメモリ320に保持された画素信号は水平走査回路が発生する制御信号(φV1〜φV8)により、順次出力回路330に転送され、出力回路330で設定された増幅度で増幅されて外部に出力される。   Output of pixel signals from the imaging pixel 310 and the focus detection pixels 313 and 314 is independently controlled for each row by a control signal (φS1 to φS4) generated by the vertical scanning circuit. Pixel signals of pixels in the row selected by the control signals (φS1 to φS4) are output to the vertical signal line 501. The pixel signals held in the line memory 320 are sequentially transferred to the output circuit 330 by the control signals (φV1 to φV8) generated by the horizontal scanning circuit, amplified by the amplification set by the output circuit 330, and output to the outside. The

撮像画素310および焦点検出画素313、314は、画素信号がサンプルホールドされた後、垂直走査回路が発生する制御信号(φR1〜φR4)によりリセットされ、制御信号φR1〜φR4の立ち下りで次回の画素信号のための電荷蓄積を開始する。垂直走査回路が発生する制御信号φT1〜φT4は撮像画素310および焦点検出画素313、314のフォトダイオードとフローティングディフュージョン部との間のゲートを制御するための信号である。この制御信号φR1〜φR4によりフォトダイオードで生成された電荷がフローティングディフュージョン部に転送されるか否かが行毎に制御される。   The image pickup pixel 310 and the focus detection pixels 313 and 314 are reset by the control signals (φR1 to φR4) generated by the vertical scanning circuit after the pixel signal is sampled and held, and the next pixel at the fall of the control signals φR1 to φR4. Start charge accumulation for signal. Control signals φT1 to φT4 generated by the vertical scanning circuit are signals for controlling gates between the photodiodes of the imaging pixel 310 and the focus detection pixels 313 and 314 and the floating diffusion portion. Whether or not charges generated by the photodiodes are transferred to the floating diffusion portion is controlled for each row by the control signals φR1 to φR4.

制御信号φSyncは垂直同期信号であって、フレーム毎に外部(ボディ駆動制御装置214)に出力される。   The control signal φSync is a vertical synchronization signal, and is output to the outside (body drive control device 214) for each frame.

図11は、図10に示す撮像素子212の撮像画素310の詳細回路図である。図11に示すように、光電変換部11はフォトダイオード(PD)で構成される。PDと浮遊拡散層(フローティングディフュージョン:FD)とは制御信号φTn(φT1〜φT4)により制御されるMOSトランジスタ511を介して連結される。そして、PDで生成された電荷は制御信号φTn(φT1〜φT4)によりMOSトランジスタ511がONとされた期間にFDに転送される。FDは増幅MOSトランジスタ(AMP)のゲートに接続されており、AMPはFDに蓄積された電荷の量に応じた信号を発生する。   FIG. 11 is a detailed circuit diagram of the imaging pixel 310 of the imaging device 212 shown in FIG. As shown in FIG. 11, the photoelectric conversion unit 11 includes a photodiode (PD). The PD and the floating diffusion layer (floating diffusion: FD) are connected via a MOS transistor 511 controlled by a control signal φTn (φT1 to φT4). Then, the charge generated by the PD is transferred to the FD during the period when the MOS transistor 511 is turned on by the control signal φTn (φT1 to φT4). The FD is connected to the gate of the amplification MOS transistor (AMP), and the AMP generates a signal corresponding to the amount of charge accumulated in the FD.

FDはリセットMOSトランジスタ510を介し電源電圧Vddに接続されている。FDは制御信号φRn(φR1〜φR4)によってリセットMOSトランジスタ510がONになることにより、FDに溜まった電荷がクリアされてリセット状態となる。AMPの出力は行選択MOSトランジスタ512を介して垂直出力線501に接続されている。制御信号φSn(φS1〜φS4)によって行選択MOSトランジスタ512がONになることにより、AMPの出力が垂直出力線501に出力される。PDはMOSトランジスタ513を介して電源電圧Vddに接続されている。制御信号φUによりMOSトランジスタ513がONになることにより、PDで生成した電荷がクリアされる。   FD is connected to the power supply voltage Vdd via the reset MOS transistor 510. When the reset MOS transistor 510 is turned on by the control signal φRn (φR1 to φR4), the charge accumulated in the FD is cleared and the FD is reset. The output of AMP is connected to a vertical output line 501 through a row selection MOS transistor 512. The row selection MOS transistor 512 is turned on by the control signal φSn (φS1 to φS4), so that the output of the AMP is output to the vertical output line 501. PD is connected to the power supply voltage Vdd through the MOS transistor 513. When the MOS transistor 513 is turned on by the control signal φU, the charge generated by the PD is cleared.

図12は、撮像素子212の撮像画素310の断面構造を簡略化して示す図である。図12は、図11に示す撮像画素310の詳細回路図に対応した図である。図12に示すように、撮像画素310には、P型半導体基板上にP層、N+層からなる埋め込みフォトダイオード(PD)が形成され、その隣にN+層からなるフローティングディフュージョン(FD)が形成される。PDとFDとに隣接してさらにN+層が形成され、電源電圧Vddに接続される。FDはAMPのゲートに接続される。FDとPDとの間にMOSトランジスタ511のゲート521が配置され、制御信号φTnが接続される。FDとFDに隣接するN+層との間にMOSトランジスタ510のゲート520が配置され、制御信号φRnが接続される。   FIG. 12 is a diagram illustrating a simplified cross-sectional structure of the imaging pixel 310 of the imaging element 212. FIG. 12 is a diagram corresponding to the detailed circuit diagram of the imaging pixel 310 shown in FIG. As shown in FIG. 12, in the imaging pixel 310, a buried photodiode (PD) composed of a P layer and an N + layer is formed on a P-type semiconductor substrate, and a floating diffusion (FD) composed of an N + layer is formed next thereto. Is done. An N + layer is further formed adjacent to PD and FD, and is connected to the power supply voltage Vdd. The FD is connected to the gate of the AMP. A gate 521 of a MOS transistor 511 is arranged between FD and PD, and a control signal φTn is connected. A gate 520 of MOS transistor 510 is arranged between FD and the N + layer adjacent to FD, and control signal φRn is connected.

図13は図10に示す撮像素子212の動作タイミングチャートである。撮像素子212がCMOSイメージセンサである場合、行ごとに光電変換素子の電荷蓄積の期間を所定期間ずつ重複させる、いわゆるローリングシャッタ動作(ライン露光)により画素のリセット、露光、信号の読み出しが以下のように各行毎に順次行われる。   FIG. 13 is an operation timing chart of the image sensor 212 shown in FIG. When the image sensor 212 is a CMOS image sensor, pixel reset, exposure, and signal readout are performed by a so-called rolling shutter operation (line exposure) that overlaps the charge accumulation period of the photoelectric conversion element for each row by a predetermined period. As described above, the process is sequentially performed for each row.

撮像素子212から全画素の信号出力(1フレーム分の画像信号の出力)の開始に同期して時刻t0に垂直同期信号φSync(ON)が発せられる。垂直同期信号φSyncに同期して時刻t0に垂直走査回路は制御信号φS1(ON)、制御信号φT1(OFF)を発する。1行目の撮像画素310は制御信号φS1(ON)により選択され、選択された1行目の撮像画素310の画素信号は垂直信号線501に出力される。また、制御信号φT1(OFF)により、画素信号出力時にはFDはPDから切り離される。このとき、撮像画素310のFD部に蓄積された電荷に対応した画素信号が垂直信号線501に出力される。   A vertical synchronization signal φSync (ON) is generated at time t0 in synchronization with the start of signal output of all pixels (output of image signals for one frame) from the image sensor 212. The vertical scanning circuit issues a control signal φS1 (ON) and a control signal φT1 (OFF) at time t0 in synchronization with the vertical synchronization signal φSync. The imaging pixel 310 in the first row is selected by the control signal φS1 (ON), and the pixel signal of the selected imaging pixel 310 in the first row is output to the vertical signal line 501. Further, the FD is disconnected from the PD when the pixel signal is output by the control signal φT1 (OFF). At this time, a pixel signal corresponding to the charge accumulated in the FD portion of the imaging pixel 310 is output to the vertical signal line 501.

垂直走査回路から時刻t1に発生される制御信号φH1により垂直信号線501に出力された1行目の画素信号はラインメモリ320に一時的に保持される。ラインメモリ320に保持された1行目の撮像画素310の画素信号は水平走査回路から順次発せられる制御信号φV1〜φV8にしたがって出力回路に転送され、出力回路330で設定された増幅度で増幅されて外部に出力される。   The pixel signal of the first row output to the vertical signal line 501 by the control signal φH1 generated from the vertical scanning circuit at time t1 is temporarily held in the line memory 320. The pixel signals of the imaging pixels 310 in the first row held in the line memory 320 are transferred to the output circuit according to the control signals φV1 to φV8 sequentially issued from the horizontal scanning circuit, and are amplified with the amplification degree set by the output circuit 330. Output to the outside.

1行目の撮像画素310の画素信号のラインメモリ320への転送が終了した時点(時刻t2)で、リセット回路は制御信号φR1(ON)、垂直走査回路は制御信号φS1(ON)、制御信号φT1(ON)を発する。制御信号φR1(ON)により1行目の撮像画素310がリセットされる。このとき、撮像画素310のPDおよびFDに蓄積された電荷が電源電圧Vddに吸い込まれ、FDは電源電圧にリセットされる。   When transfer of the pixel signals of the imaging pixels 310 in the first row to the line memory 320 is completed (time t2), the reset circuit has the control signal φR1 (ON), the vertical scanning circuit has the control signal φS1 (ON), and the control signal Issue φT1 (ON). The imaging pixel 310 in the first row is reset by the control signal φR1 (ON). At this time, charges accumulated in the PD and FD of the imaging pixel 310 are sucked into the power supply voltage Vdd, and the FD is reset to the power supply voltage.

時刻t3にリセット回路は制御信号φR1(OFF)を発し、制御信号φR1の立ち下がりで1行目の撮像画素の次の電荷蓄積が開始され、時刻t3以降にPDで生成された電荷がFDに蓄積されていく。1行目の撮像画素310の画素信号の出力回路330からの出力が終了した時点で2行目の撮像画素310および焦点検出画素313、314は垂直走査回路が発する制御信号φS2、φT2により選択され、選択された撮像画素310および焦点検出画素313、314の画素信号は垂直信号線501に出力される。   At time t3, the reset circuit issues a control signal φR1 (OFF), and the next charge accumulation of the imaging pixels in the first row is started at the falling edge of the control signal φR1, and the charge generated by the PD after time t3 becomes FD. Accumulate. When the output of the pixel signal of the imaging pixel 310 in the first row from the output circuit 330 is finished, the imaging pixel 310 and the focus detection pixels 313 and 314 in the second row are selected by the control signals φS2 and φT2 generated by the vertical scanning circuit. The pixel signals of the selected imaging pixel 310 and focus detection pixels 313 and 314 are output to the vertical signal line 501.

以下、同様にして2行目の撮像画素310および焦点検出画素313、314の画素信号の保持および撮像画素310および焦点検出画素313、314のリセット、画素信号の出力および次の電荷蓄積の開始が行われる。続いて、3行目、4行目の撮像画素310の画素信号の保持および撮像画素310のリセット、撮像画素310の画素信号の出力および次の電荷蓄積の開始が行われる。全ての画素の画素信号の出力が終了すると、再び1行目に戻って上記動作が周期的に繰り返される(フレーム2)。   Hereinafter, similarly, holding of the pixel signals of the imaging pixels 310 and the focus detection pixels 313 and 314 in the second row, resetting of the imaging pixels 310 and the focus detection pixels 313 and 314, output of the pixel signals and start of the next charge accumulation are performed. Done. Subsequently, the pixel signals of the imaging pixels 310 in the third row and the fourth row are held, the imaging pixels 310 are reset, the pixel signals of the imaging pixels 310 are output, and the next charge accumulation is started. When the output of the pixel signals of all the pixels is completed, the operation returns to the first row again and the above operation is repeated periodically (frame 2).

n行目の撮像画素310および焦点検出用画素313、314のリセット動作は制御信号φRnの立ち上がりから立ち下がりまでの時間に行われる。n行目の撮像画素310および焦点検出画素313、314の露光動作は、制御信号φRnの立ち下がりから、制御信号φSnの立ち上がりまでの時間(露光時間、電荷化蓄積期間)に行われる。そして、n行目の撮像画素310および焦点検出画素313、314の画素信号の読み出し動作は、制御信号φSnの立ち上がりから制御信号φSn+1の立ち上がりまでの時間に行われる。   The reset operation of the imaging pixels 310 and the focus detection pixels 313 and 314 in the n-th row is performed during the time from the rise to the fall of the control signal φRn. The exposure operation of the imaging pixels 310 and the focus detection pixels 313 and 314 in the n-th row is performed during the time (exposure time, charge accumulation period) from the falling edge of the control signal φRn to the rising edge of the control signal φSn. The pixel signal readout operation of the n-th imaging pixel 310 and the focus detection pixels 313 and 314 is performed during the time from the rise of the control signal φSn to the rise of the control signal φSn + 1.

以上撮像素子212の回路構成および動作について述べたが、上記回路構成中の各種制御信号線、出力線等が図4、図6で説明した金属配線層40、41、42として実装される。   Although the circuit configuration and operation of the image sensor 212 have been described above, various control signal lines, output lines, and the like in the circuit configuration are mounted as the metal wiring layers 40, 41, and 42 described with reference to FIGS.

図14は、図1に示すデジタルカメラ201の動作を示すフローチャートである。図14に示す各処理ステップは、ボディ駆動制御装置214によって実行される。ボディ駆動制御装置214は、ステップS100でデジタルカメラ201の電源がオンされると、ステップS110以降の動作を開始する。ステップS110で撮像画素のデータを間引き読み出しし、液晶表示素子216に表示する。続くステップS120では焦点検出画素列から一対の像に対応した一対の像データを読み出す。   FIG. 14 is a flowchart showing the operation of the digital camera 201 shown in FIG. Each processing step shown in FIG. 14 is executed by the body drive control device 214. When the power of the digital camera 201 is turned on in step S100, the body drive control device 214 starts the operation after step S110. In step S <b> 110, the image pickup pixel data is read out and displayed on the liquid crystal display element 216. In subsequent step S120, a pair of image data corresponding to the pair of images is read from the focus detection pixel array.

ステップS130において、読み出された一対の像データに対して像ズレ検出演算処理(差分型相関演算処理)を行い、像ズレ量を算出する。   In step S130, an image shift detection calculation process (difference type correlation calculation process) is performed on the read pair of image data, and an image shift amount is calculated.

ステップS135で、像ズレ量に変換係数を乗じてデフォーカス量に変換する。ステップS140で、合焦近傍か否か、つまり算出されたデフォーカス量の絶対値が所定値以内であるか否かを調べる。合焦近傍でないと判定された場合は、ステップS150へ進み、デフォーカス量をレンズ駆動制御装置206へ送信し、交換レンズ202のフォーカシング用レンズ210を合焦位置に駆動させ、ステップS110へ戻って上述した動作を繰り返す。焦点検出不能な場合もこのステップに分岐し、レンズ駆動制御装置206へスキャン駆動命令を送信し、交換レンズ202のフォーカシング用レンズ210を無限から至近までの間でスキャン駆動させる。その後、ステップS110へ戻って上述した動作を繰り返す。   In step S135, the image shift amount is multiplied by a conversion coefficient to be converted into a defocus amount. In step S140, it is checked whether or not the focus is close, that is, whether or not the calculated absolute value of the defocus amount is within a predetermined value. If it is determined that the lens is not in focus, the process proceeds to step S150, the defocus amount is transmitted to the lens drive control device 206, the focusing lens 210 of the interchangeable lens 202 is driven to the focus position, and the process returns to step S110. The above operation is repeated. Even when focus detection is impossible, the process branches to this step, a scan drive command is transmitted to the lens drive control device 206, and the focusing lens 210 of the interchangeable lens 202 is driven to scan from infinity to the nearest. Then, it returns to step S110 and repeats the operation | movement mentioned above.

一方、ステップS140で合焦近傍であると判定された場合はステップS160へ進み、シャッターボタン(不図示)の操作によりシャッターレリーズがなされたか否かを判定する。シャッターレリーズがなされていないと判定された場合はステップS110へ戻り、上述した動作を繰り返す。シャッターレリーズがなされた場合はステップS170へ進み、レンズ駆動制御装置206へ絞り調整命令を送信し、交換レンズ202の絞り値を制御F値(撮影者により設定されたF値または自動設定されたF値)に設定する。   On the other hand, if it is determined in step S140 that the focus is close to the in-focus state, the process proceeds to step S160, and it is determined whether or not a shutter release has been performed by operating a shutter button (not shown). If it is determined that the shutter release has not been performed, the process returns to step S110 and the above-described operation is repeated. If the shutter has been released, the process proceeds to step S170, where an aperture adjustment command is transmitted to the lens drive control device 206, and the aperture value of the interchangeable lens 202 is controlled to an F value (an F value set by the photographer or an automatically set F value). Value).

絞り制御が終了した時点で、撮像素子212に撮像動作を行わせ、撮像素子212の撮像画素およびすべての焦点検出画素から画像データを読み出す。ステップS180では、焦点検出画素列の各画素位置の画素データを、焦点検出画素の周囲の撮像画素の画素データに基づく画素補間により生成する。続くステップS190で、撮像画素の画素データおよび画素補間により生成された画素データからなる画像データを、メモリカード219に保存し、ステップS110へ戻って上述した動作を繰り返す。   When the aperture control is finished, the image sensor 212 is caused to perform an imaging operation, and image data is read from the imaging pixels of the image sensor 212 and all focus detection pixels. In step S180, pixel data at each pixel position in the focus detection pixel column is generated by pixel interpolation based on pixel data of imaging pixels around the focus detection pixel. In subsequent step S190, the image data including the pixel data of the imaging pixel and the pixel data generated by the pixel interpolation is stored in the memory card 219, and the process returns to step S110 to repeat the above-described operation.

図14のステップS130におけるデフォーカス量の算出、およびその算出に用いられる一般的な像ズレ検出演算処理(差分型相関演算処理)の詳細は、特開2010−139624号公報や特開2007−333720号公報に開示されており、その像ズレ量に変換係数を乗じてデフォーカス量が算出される。なお、その変換係数は、測距瞳の重心間隔が絞り開口径に応じて変化するために、絞り開口径(F値)に応じて変化する。   The details of the calculation of the defocus amount in step S130 of FIG. 14 and the general image shift detection calculation process (difference type correlation calculation process) used for the calculation are described in JP2010-139624A and JP2007-333720A. The defocus amount is calculated by multiplying the image shift amount by a conversion coefficient. Note that the conversion coefficient changes according to the aperture diameter (F value) because the center-of-gravity interval of the distance measuring pupil changes according to the aperture diameter.

−−−変形例−−−
上述した第1の実施の形態において、撮像素子212はCMOSイメージセンサとして構成される。CMOSイメージセンサにおいては金属配線層の層数は3層が一般的であり、図4、図6で示した撮像画素の構造においても金属配線層が3層であるとして説明を行ったが、金属配線層の数は3層に限定されることはなく4層以上であっても構わないし、2層であっても構わない。
---- Modified example ---
In the first embodiment described above, the image sensor 212 is configured as a CMOS image sensor. In the CMOS image sensor, the number of metal wiring layers is generally three, and the structure of the imaging pixel shown in FIGS. 4 and 6 has been described as having three metal wiring layers. The number of wiring layers is not limited to three, and may be four or more, or may be two.

4層以上の金属配線層を用いた場合には、光電変換部に最も近い金属配線層とマイクロレンズに最も近い金属配線層とを除く金属配線層のうちの1つの金属配線層が、図4、図6に示す金属配線層41(主遮光層)として用いられ、マイクロレンズの焦点の位置近傍に配置される。これにより該金属配線層がマイクロレンズにより射出瞳面と光学的に共役関係となり、該金属配線層に設けられた開口部により焦点検出光束が規定される。該開口部から光電変換部までの間に光導波路を設け、該開口部に入射した光線が効率的に光電変換部で受光されるようにする。また該金属配線層以外の金属配線層は焦点検出画素間のクロストーク光や迷光を防止する遮光層として機能させる。   When four or more metal wiring layers are used, one metal wiring layer of the metal wiring layers excluding the metal wiring layer closest to the photoelectric conversion portion and the metal wiring layer closest to the microlens is shown in FIG. These are used as the metal wiring layer 41 (main light shielding layer) shown in FIG. 6 and are arranged in the vicinity of the focal point of the micro lens. Thereby, the metal wiring layer is optically conjugate with the exit pupil plane by the microlens, and the focus detection light beam is defined by the opening provided in the metal wiring layer. An optical waveguide is provided between the opening and the photoelectric conversion unit so that light incident on the opening is efficiently received by the photoelectric conversion unit. Metal wiring layers other than the metal wiring layer function as a light shielding layer for preventing crosstalk light and stray light between focus detection pixels.

2層の金属配線層を用いた場合には、マイクロレンズに近接した金属配線層が、図4、図6に示す金属配線層41(主遮光層)として用いられ、マイクロレンズの焦点の位置近傍に配置される。これにより該金属配線層がマイクロレンズにより射出瞳面と光学的に共役関係となり、該金属配線層に設けられた開口部により焦点検出光束が規定される。該開口部から光電変換部までの間に光導波路を設け、該開口部に入射した光線が効率的に光電変換部で受光されるようにする。また図4、図6に示す金属配線層42の代わりに隣接画素間のクロストーク光を防止するための専用の遮光層を設けるとともに、該遮光層を2層の金属配線層とマイクロレンズとの間に配置することで、全部で3層の遮光層を設ける。   When two metal wiring layers are used, the metal wiring layer close to the microlens is used as the metal wiring layer 41 (main light-shielding layer) shown in FIGS. 4 and 6, and in the vicinity of the focus position of the microlens. Placed in. Thereby, the metal wiring layer is optically conjugate with the exit pupil plane by the microlens, and the focus detection light beam is defined by the opening provided in the metal wiring layer. An optical waveguide is provided between the opening and the photoelectric conversion unit so that light incident on the opening is efficiently received by the photoelectric conversion unit. 4 and 6, a dedicated light shielding layer for preventing crosstalk light between adjacent pixels is provided instead of the metal wiring layer 42 shown in FIGS. 4 and 6, and the light shielding layer is composed of two metal wiring layers and a microlens. By arranging them in between, a total of three light-shielding layers are provided.

上述した第1の実施の形態においては、金属配線層を遮光層として兼用することにより、画素サイズが縮小された場合においても少ない構成要件でクロストークを防止できる瞳分割型位相差検出方式の焦点検出画素を構成することが可能となる。金属配線層のみでの遮光では不十分な場合には、必要に応じて遮光専用の遮光層(黒フィルタなど)による遮光を追加してもよい。例えば図6において金属配線層42からマイクロレンズ10までの間に専用の遮光層を設けることが可能である。また金属配線層に開口部を形成できず遮光層として利用できない場合には、上述した実施の形態で説明した一部あるいは全部を専用の遮光層に置換するようにしてもよい。   In the first embodiment described above, the focus of the pupil division type phase difference detection method that can prevent crosstalk with a small number of structural requirements even when the pixel size is reduced by using the metal wiring layer also as a light shielding layer. A detection pixel can be configured. If the light shielding by the metal wiring layer alone is insufficient, the light shielding by a light shielding layer (black filter or the like) dedicated to the light shielding may be added as necessary. For example, in FIG. 6, a dedicated light shielding layer can be provided between the metal wiring layer 42 and the microlens 10. In addition, when an opening cannot be formed in the metal wiring layer and cannot be used as a light shielding layer, a part or all of the above-described embodiment may be replaced with a dedicated light shielding layer.

例えば3層の金属配線層を有するCMOSイメージセンサ構造においてマイクロレンズに最も近い金属配線層を図4、図6に示す金属配線層41として用いる場合、該金属配線層がマイクロレンズにより射出瞳面と光学的に共役関係となり、該金属配線層に設けられた開口部により焦点検出光束が規定される。該開口部から光電変換部までの間に光導波路を設け、該開口部に入射した光線が効率的に光電変換部で受光されるようにする。また図4、図6に示す金属配線層42の代わりに隣接画素間のクロストーク光を防止するための専用の遮光層を設けるとともに、該遮光層を金属配線層とマイクロレンズとの間に配置することとしてもよい。   For example, when a metal wiring layer closest to the microlens is used as the metal wiring layer 41 shown in FIGS. 4 and 6 in a CMOS image sensor structure having three metal wiring layers, the metal wiring layer is connected to the exit pupil plane by the microlens. Optically conjugate, and the focus detection light beam is defined by the opening provided in the metal wiring layer. An optical waveguide is provided between the opening and the photoelectric conversion unit so that light incident on the opening is efficiently received by the photoelectric conversion unit. In addition, a dedicated light shielding layer for preventing crosstalk light between adjacent pixels is provided in place of the metal wiring layer 42 shown in FIGS. 4 and 6, and the light shielding layer is disposed between the metal wiring layer and the microlens. It is good to do.

図6で示した焦点検出画素313、314の構成においては、金属配線層41から光電変換部13,14までに配置される光導波路51c、51dの形状および金属配線層40の開口部40c、40dの形状を、撮像画素310の光導波路51aの形状および金属配線層40の開口部40aの形状と異ならせていたが、撮像画素310の光導波路51aの形状および金属配線層40の開口部40aの形状と略同一にすることもできる。   In the configuration of the focus detection pixels 313 and 314 shown in FIG. 6, the shapes of the optical waveguides 51 c and 51 d arranged from the metal wiring layer 41 to the photoelectric conversion units 13 and 14 and the openings 40 c and 40 d of the metal wiring layer 40. Is different from the shape of the optical waveguide 51a of the imaging pixel 310 and the shape of the opening 40a of the metal wiring layer 40, but the shape of the optical waveguide 51a of the imaging pixel 310 and the opening 40a of the metal wiring layer 40 are different. It may be substantially the same as the shape.

図15は、図6で示した焦点検出画素313、314の変形例を示す断面図であり、図6と同じ構成要素については同じ符号を付し、それらについての説明を一部省略する。   FIG. 15 is a cross-sectional view showing a modified example of the focus detection pixels 313 and 314 shown in FIG. 6. The same components as those in FIG.

図15において図6と異なる点は、平坦化層32a、33a、34aの材質が光導波路50c、50dの材質と同じという点である。図6で示した焦点検出画素313、314の構成においては、光導波路50c、50dの材質と平坦化層32、33、34の材質とが異なっており、その屈折率差により光導波路50c、50dと平坦化層32との界面において、開口部41c、41dに入射する光線の一部が反射されるため、光量損失が発生する。一方図15で示した焦点検出画素313、314の構成においては、光導波路50c、50dの材質と平坦化層32の材質とが同一で屈折率差がないため、光導波路50c、50dと平坦化層32との界面において開口部41cに入射する光線の反射が発生せず、光量損失もない。撮像画素310おいても、撮像画素310の構造を図15と同様な構造にすることにより、光導波路の入射部における界面反射による光量損失を防止することができる。   15 differs from FIG. 6 in that the material of the planarization layers 32a, 33a, and 34a is the same as the material of the optical waveguides 50c and 50d. In the configuration of the focus detection pixels 313 and 314 shown in FIG. 6, the material of the optical waveguides 50c and 50d and the material of the planarization layers 32, 33 and 34 are different, and the optical waveguides 50c and 50d are different depending on the refractive index difference. A part of the light rays incident on the openings 41c and 41d are reflected at the interface between the flattening layer 32 and the flattening layer 32, so that a light amount loss occurs. On the other hand, in the configuration of the focus detection pixels 313 and 314 shown in FIG. 15, the material of the optical waveguides 50c and 50d and the material of the planarization layer 32 are the same and there is no difference in refractive index. Reflection of light incident on the opening 41c does not occur at the interface with the layer 32, and there is no light loss. Also in the imaging pixel 310, by making the structure of the imaging pixel 310 the same as that in FIG. 15, it is possible to prevent light loss due to interface reflection at the incident portion of the optical waveguide.

図3に示す撮像素子212の部分拡大図では、各画素に1つの光電変換部を有する一対の焦点検出画素313、314を有する例を示したが、1つの焦点検出画素内に一対の光電変換部を有するようにしてもよい。図16は、図3に対応した撮像素子212の部分拡大図であり、焦点検出画素311は一対の光電変換部23および24を有する。   In the partial enlarged view of the image sensor 212 illustrated in FIG. 3, an example in which each pixel has a pair of focus detection pixels 313 and 314 having one photoelectric conversion unit is shown, but a pair of photoelectric conversions in one focus detection pixel. You may make it have a part. FIG. 16 is a partially enlarged view of the image sensor 212 corresponding to FIG. 3, and the focus detection pixel 311 has a pair of photoelectric conversion units 23 and 24.

焦点検出画素311は、焦点検出画素313および314のペアに相当する機能を果たす。焦点検出画素311は、マイクロレンズ10と一対の光電変換部23および24とから構成される。一対の光電変換部23および24は図9の射出瞳90上の測距瞳93および94を通過する一対の光束を受光する。   The focus detection pixel 311 performs a function corresponding to a pair of focus detection pixels 313 and 314. The focus detection pixel 311 includes the microlens 10 and a pair of photoelectric conversion units 23 and 24. The pair of photoelectric conversion units 23 and 24 receive a pair of light beams passing through the distance measuring pupils 93 and 94 on the exit pupil 90 of FIG.

焦点検出画素311には白色フィルタが配置されており、その分光感度特性は光電変換を行うフォトダイオードの分光感度特性と、赤外カットフィルタ(不図示)の分光感度特性とを総合した分光感度特性となる。つまり、焦点検出画素311は緑画素、赤画素および青画素の分光感度特性を加算したような分光感度特性を有し、高い感度を示す光波長領域は緑画素、赤画素および青画素の各々において各色フィルタが高い感度を示す光波長領域を包括する。   The focus detection pixel 311 is provided with a white filter, and its spectral sensitivity characteristic is a spectral sensitivity characteristic that combines the spectral sensitivity characteristic of a photodiode that performs photoelectric conversion and the spectral sensitivity characteristic of an infrared cut filter (not shown). It becomes. That is, the focus detection pixel 311 has a spectral sensitivity characteristic that is obtained by adding the spectral sensitivity characteristics of the green pixel, the red pixel, and the blue pixel. It covers the light wavelength region where each color filter exhibits high sensitivity.

図17は、図16で示した焦点検出画素311の断面図であり、図6と同じ構成要素については同じ符号を付し、それらについての説明を一部省略する。   17 is a cross-sectional view of the focus detection pixel 311 shown in FIG. 16. The same components as those in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be partially omitted.

図15において図6と異なる点は、1つの焦点検出画素311が一対の光電変換部23および24を有し、それぞれの光電変換部23および24に対応して別個の光導波路50eおよび50fが設けられている点である。一対の光電変換部23および24は、マイクロレンズ10の光軸19を境界にして、互いに素子分離領域17を隔てて配置されている。   15 differs from FIG. 6 in that one focus detection pixel 311 has a pair of photoelectric conversion units 23 and 24, and separate optical waveguides 50e and 50f are provided corresponding to the photoelectric conversion units 23 and 24, respectively. This is the point. The pair of photoelectric conversion units 23 and 24 are arranged with the element isolation region 17 therebetween with the optical axis 19 of the microlens 10 as a boundary.

光導波路50e、50fの光入射部(開口部41cで制限された平坦化層32と光導波路50e、50fとの界面)は、マイクロレンズ10の光軸19を境界にして、それぞれに分割されている。また光導波路50e、50fを隔てるように隔壁35が設けられている。隔壁35の材質の屈折率は光導波路50e、50fの屈折率より小さく設定されており、光導波路50e、50fの一方から他方に抜けようとする光線のほとんどは、光導波路50e、50fと隔壁35との界面で全反射される。したがって、光導波路50eに入射して光電変換部24で受光されるようなクロストーク光を防止することができる。隔壁35の材質を平坦化層30および31と同一にすることにより、製造工程を簡略化することができる。隔壁35の材質に黒色の顔料を含ませ、光導波路50eおよび50fの一方から他方に抜けようとする光線を吸収させることによりクロストーク光の防止効率を向上させることができる。   The light incident portions of the optical waveguides 50e and 50f (the interface between the planarizing layer 32 limited by the opening 41c and the optical waveguides 50e and 50f) are divided into portions with the optical axis 19 of the microlens 10 as a boundary. Yes. A partition wall 35 is provided so as to separate the optical waveguides 50e and 50f. The refractive index of the material of the partition wall 35 is set to be smaller than the refractive index of the optical waveguides 50e and 50f, and most of the light rays trying to pass from one of the optical waveguides 50e and 50f to the other are the optical waveguides 50e and 50f and the partition wall 35. Total reflection at the interface. Therefore, crosstalk light that enters the optical waveguide 50e and is received by the photoelectric conversion unit 24 can be prevented. By making the material of the partition 35 the same as that of the planarization layers 30 and 31, the manufacturing process can be simplified. It is possible to improve the prevention efficiency of crosstalk light by including a black pigment in the material of the partition wall 35 and absorbing the light beam that is about to escape from one of the optical waveguides 50e and 50f to the other.

図4、6,15の説明においては、金属配線層41から光電変換部11,13,14の間に配置される平坦化層30および31は光学的に透明であるという前提で説明を行ったが、本発明のように金属配線層41から光電変換部11,13,14までの間に光導波路50、50c、50dがそれぞれ配置される場合には、平坦化層30および31は必ずしも透明である必要はない。例えば平坦化層30および31の材質が黒の顔料を含むことによって、平坦化層30および31を黒色化することにより、光導波路50、50c、50dの漏れ光による隣接画素間のクロストークを、より効果的に防止することができる。   In the description of FIGS. 4, 6, and 15, the description has been made on the assumption that the planarization layers 30 and 31 disposed between the metal wiring layer 41 and the photoelectric conversion units 11, 13, and 14 are optically transparent. However, when the optical waveguides 50, 50c, and 50d are disposed between the metal wiring layer 41 and the photoelectric conversion units 11, 13, and 14 as in the present invention, the planarization layers 30 and 31 are not necessarily transparent. There is no need. For example, the material of the flattening layers 30 and 31 includes a black pigment, and the blackening of the flattening layers 30 and 31 causes crosstalk between adjacent pixels due to leakage light of the optical waveguides 50, 50c, and 50d. It can prevent more effectively.

また図15、図17は表面照射型の焦点検出画素の構成を示しており、金属配線層はマイクロレンズと光電変換部との間に配置されているが、本発明はこれに限定されることなく裏面照射型の画素構成にも適用することができり。その場合には、遮光層として専用の遮光層(金属層や黒フィルタなど)を用いることができる。また金属配線層を流用する必要がなくなるので、図5、図7に示した開口部の形状を正確に(高精度に)実現することができ、クロストーク光や迷光を確実に防止することができる。特に図17の表面照射型の焦点検出画素の構成を裏面照射型の画素構成に適用した場合には、開口部41cから光電変換部13,14までの間に、光導波路50e、50fを形成するのに必要な距離を確保することができる。そのため、開口部41cで分割された一対の光束を、一対の光導波路50e、50fにより、素子分離領域を隔てた一対の光電変換部13,14に確実に導光できるという利点がある。   FIGS. 15 and 17 show the configuration of a front-illuminated focus detection pixel, and the metal wiring layer is disposed between the microlens and the photoelectric conversion unit. However, the present invention is not limited to this. It can also be applied to a back-illuminated pixel configuration. In that case, a dedicated light shielding layer (such as a metal layer or a black filter) can be used as the light shielding layer. Further, since it is not necessary to divert the metal wiring layer, the shape of the opening shown in FIGS. 5 and 7 can be realized accurately (with high accuracy), and crosstalk light and stray light can be reliably prevented. it can. In particular, when the configuration of the front-illuminated focus detection pixel in FIG. 17 is applied to a back-illuminated pixel configuration, optical waveguides 50e and 50f are formed between the opening 41c and the photoelectric conversion units 13 and 14. The necessary distance can be secured. Therefore, there is an advantage that the pair of light beams divided by the opening 41c can be reliably guided to the pair of photoelectric conversion units 13 and 14 across the element isolation region by the pair of optical waveguides 50e and 50f.

図2において焦点検出画素列は画面の中央に配置されているが、これに限定されることなく画面の周辺に焦点検出画素列が配置されるようにしてもよい。    In FIG. 2, the focus detection pixel column is arranged at the center of the screen, but the present invention is not limited to this, and the focus detection pixel column may be arranged around the screen.

図10ではCMOSタイプの撮像素子の回路構成を示したが、撮像素子はこれに限定されることなく、例えばCCDタイプの撮像素子の回路構成においても本発明を適用することが可能である。   Although FIG. 10 shows the circuit configuration of a CMOS type image sensor, the image sensor is not limited to this, and the present invention can be applied to a circuit configuration of a CCD type image sensor, for example.

図3に示す撮像素子212において、撮像画素310はベイヤー配列の色フィルタを有する例を示したが、色フィルタの構成や配列はこれに限定されることはない。たとえば、補色フィルタ(緑:G、イエロー:Ye、マゼンタ:Mg,シアン:Cy)の配列を採用してもよい。   In the imaging device 212 illustrated in FIG. 3, an example in which the imaging pixel 310 includes a color filter with a Bayer arrangement is shown, but the configuration and arrangement of the color filter are not limited to this. For example, an array of complementary color filters (green: G, yellow: Ye, magenta: Mg, cyan: Cy) may be employed.

図3に示す撮像素子212において、焦点検出画素312および313には色フィルタを設けない例を示したが、撮像画素310が有する色フィルタのうちのひとつのフィルタ(たとえば緑フィルタ)を有するようにした場合でも、本発明を適用することができる。   In the image sensor 212 shown in FIG. 3, the focus detection pixels 312 and 313 are not provided with a color filter, but have one filter (for example, a green filter) among the color filters of the image pickup pixel 310. Even in this case, the present invention can be applied.

図3に示す撮像素子212では、撮像画素310、焦点検出画素312および313を稠密正方格子配列にしたがって配置した例を示したが、稠密正方格子配列を45度傾けたいわゆるハニカム配列や稠密六方格子配列にしたがって配置してもよい。   In the imaging device 212 shown in FIG. 3, the example in which the imaging pixels 310 and the focus detection pixels 312 and 313 are arranged according to the dense square lattice arrangement is shown, but a so-called honeycomb arrangement or dense hexagonal lattice in which the dense square lattice arrangement is inclined 45 degrees is shown. You may arrange | position according to arrangement | sequence.

撮像装置としては、上述したような、カメラボディに交換レンズが装着される構成のデジタルカメラに限定されない。例えば、レンズ一体型のデジタルカメラあるいはデジタルビデオカメラにも本発明を適用することができる。さらには、携帯電話などに内蔵される小型カメラモジュール、車載カメラや監視カメラやロボット用の視覚認識装置などにも適用できる。カメラ以外の焦点検出装置や測距装置、さらにはステレオ測距装置にも適用できる。   The imaging device is not limited to a digital camera having a configuration in which an interchangeable lens is attached to the camera body as described above. For example, the present invention can be applied to a lens-integrated digital camera or digital video camera. Furthermore, the present invention can be applied to a small camera module built in a mobile phone, a vehicle-mounted camera, a surveillance camera, a robot vision recognition device, and the like. The present invention can also be applied to a focus detection device other than a camera, a distance measuring device, and a stereo distance measuring device.

10 マイクロレンズ、11、13、14 光電変換部、
29 半導体回路基板、71、73、74 光束、
100 撮影画面、101 焦点検出エリア、
201 デジタルカメラ、202 交換レンズ、203 カメラボディ、
204 マウント部、206 レンズ駆動制御装置、
208 ズーミング用レンズ、209 レンズ、210 フォーカシング用レンズ、
211 絞り、212 撮像素子、213 電気接点、
214 ボディ駆動制御装置、215 液晶表示素子駆動回路、216 液晶表示素子、
217 接眼レンズ、219 メモリカード、
310 撮像画素、311、313、314 焦点検出画素
10 microlens, 11, 13, 14 photoelectric conversion unit,
29 semiconductor circuit board, 71, 73, 74 luminous flux,
100 shooting screen, 101 focus detection area,
201 digital camera, 202 interchangeable lens, 203 camera body,
204 mount unit, 206 lens drive control device,
208 zooming lens, 209 lens, 210 focusing lens,
211 Aperture, 212 Image sensor, 213 Electrical contact,
214 body drive control device, 215 liquid crystal display element drive circuit, 216 liquid crystal display element,
217 eyepiece, 219 memory card,
310 Imaging pixels, 311, 313, 314 Focus detection pixels

Claims (10)

複数の画素を備え、
前記複数の画素の各々は、
光導波路と、
前記光導波路により導光された光を信号電荷に変換して蓄積する光電変換部と、
入射する光束を集光して前記光電変換部に向けて透過光として出射するマイクロレンズと、
前記光電変換部と前記マイクロレンズとの間の、前記マイクロレンズの光軸方向に沿って相異なる位置に配置された少なくとも3つの遮光層とを含み、
前記少なくとも3つの遮光層の各々には、前記透過光を制限して前記光電変換部に受光させる開口部が設けられ、
前記少なくとも3つの遮光層のうち、前記光電変換部に最も近い遮光層および前記マイクロレンズに最も近い遮光層以外の主遮光層は、前記マイクロレンズから前記光軸方向に前記光電変換部とは反対側に所定距離離れた位置に設定された瞳面と光学的に共役となる位置に配置され、
前記瞳面の所定領域を通過する前記光束のうちの少なくとも一部の光が前記主遮光層の前記開口部に入射し、
前記光導波路は、前記主遮光層から前記光電変換部までの間に設けられ、前記主遮光層の前記開口部に入射する前記少なくとも一部の光を前記光電変換部に導光することを特徴とする撮像素子。
With multiple pixels,
Each of the plurality of pixels is
An optical waveguide;
A photoelectric conversion unit that converts the light guided by the optical waveguide into a signal charge and stores the signal charge;
A microlens that collects the incident light flux and emits it as transmitted light toward the photoelectric conversion unit;
Including at least three light shielding layers disposed at different positions along the optical axis direction of the microlens between the photoelectric conversion unit and the microlens,
Each of the at least three light shielding layers is provided with an opening for limiting the transmitted light to be received by the photoelectric conversion unit,
Of the at least three light shielding layers, the main light shielding layer other than the light shielding layer closest to the photoelectric conversion unit and the light shielding layer closest to the microlens is opposite to the photoelectric conversion unit in the optical axis direction from the microlens. It is arranged at a position optically conjugate with the pupil plane set at a position a predetermined distance on the side,
At least part of the light beam passing through a predetermined region of the pupil plane is incident on the opening of the main light-shielding layer;
The optical waveguide is provided between the main light-shielding layer and the photoelectric conversion unit, and guides the at least part of light incident on the opening of the main light-shielding layer to the photoelectric conversion unit. An image sensor.
請求項1に記載の撮像素子において、
前記複数の画素は第1画素と第2画素とを含み、
前記瞳面における一対の領域を通過する一対の光束のうちの一方の光束の光束のうちの少なくとも一部が、前記第1画素の前記主遮光層の前記開口部に入射し、
前記一対の光束のうちの他方の光束のうちの少なくとも一部が、前記第2画素の前記主遮光層の前記開口部に入射することを特徴とする撮像素子。
The imaging device according to claim 1,
The plurality of pixels includes a first pixel and a second pixel;
At least a part of one of the pair of light beams passing through the pair of regions on the pupil plane is incident on the opening of the main light shielding layer of the first pixel;
At least a part of the other light beam of the pair of light beams is incident on the opening of the main light shielding layer of the second pixel.
請求項1または2に記載の撮像素子において、
前記主遮光層よりも前記マイクロレンズ側に配置された遮光層は、前記少なくとも3つの遮光層を含む画素に隣接する画素のマイクロレンズから出射されて前記主遮光層の前記開口部に向かって進む光が、前記開口部に入射しないように、前記主遮光層の前記開口部に向かって進む光を遮光することを特徴とする撮像素子。
The image sensor according to claim 1 or 2,
The light shielding layer disposed on the microlens side of the main light shielding layer is emitted from the microlens of a pixel adjacent to the pixel including the at least three light shielding layers and proceeds toward the opening of the main light shielding layer. An imaging device, wherein light traveling toward the opening of the main light shielding layer is shielded so that light does not enter the opening.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の撮像素子において、
前記主遮光層よりも前記光電変換部側に配置された遮光層は、前記主遮光層の開口部から、前記光電変換部が配置された面上の前記光電変換部以外の領域に向かって進む光が、前記領域に入射しないように、前記領域に向かって進む前記光を遮光することを特徴とする撮像素子。
The imaging device according to any one of claims 1 to 3,
The light shielding layer disposed closer to the photoelectric conversion unit than the main light shielding layer proceeds from the opening of the main light shielding layer toward a region other than the photoelectric conversion unit on the surface where the photoelectric conversion unit is disposed. An imaging device, wherein the light traveling toward the region is shielded so that the light does not enter the region.
請求項1乃至4のいずれか1項に記載の撮像素子において、
前記少なくとも3つの遮光層は、3つの金属配線層であり、
前記3つの金属配線層は、前記光電変換部に蓄積された前記信号電荷を制御することを特徴とする撮像素子。
The imaging device according to any one of claims 1 to 4,
The at least three light shielding layers are three metal wiring layers;
The image pickup device, wherein the three metal wiring layers control the signal charges accumulated in the photoelectric conversion unit.
請求項5に記載の撮像素子において、
前記複数の画素の各々は、前記少なくとも3つの金属配線層と前記マイクロレンズとの間に配置される遮光専用の遮光層をさらに含むことを特徴とする撮像素子。
The imaging device according to claim 5,
Each of the plurality of pixels further includes a light shielding layer dedicated to light shielding disposed between the at least three metal wiring layers and the microlens.
請求項5に記載の撮像素子において、
前記複数の画素の各々は、前記少なくとも3つの金属配線層と前記マイクロレンズとの間に配置される金属配線層をさらに含むことを特徴とする撮像素子。
The imaging device according to claim 5,
Each of the plurality of pixels further includes a metal wiring layer disposed between the at least three metal wiring layers and the microlens.
光導波路と、
前記光導波路により導光された光を信号電荷に変換して蓄積する光電変換部と、
入射する光束を集光して前記光電変換部に向けて透過光として出射するマイクロレンズと、
前記光電変換部と前記マイクロレンズとの間の、前記マイクロレンズの光軸方向に沿って相異なる位置に配置された少なくとも3つの遮光層とを含み、
前記少なくとも3つの遮光層の各々には、前記透過光を制限して前記光電変換部に受光させる開口部が設けられ、
前記少なくとも3つの遮光層のうち、前記光電変換部に最も近い遮光層および前記マイクロレンズに最も近い遮光層以外の主遮光層は、前記マイクロレンズから前記マイクロレンズの焦点距離と略等しい距離に配置され、
前記透過光のうちの少なくとも一部の光が前記主遮光層の前記開口部に入射し、
前記光導波路は、前記主遮光層から前記光電変換部までの間に設けられ、前記主遮光層の前記開口部に入射する前記少なくとも一部の光を前記光電変換部に導光することを特徴とする撮像素子。
An optical waveguide;
A photoelectric conversion unit that converts the light guided by the optical waveguide into a signal charge and stores the signal charge;
A microlens that collects the incident light flux and emits it as transmitted light toward the photoelectric conversion unit;
Including at least three light shielding layers disposed at different positions along the optical axis direction of the microlens between the photoelectric conversion unit and the microlens,
Each of the at least three light shielding layers is provided with an opening for limiting the transmitted light to be received by the photoelectric conversion unit,
Of the at least three light-shielding layers, the main light-shielding layer other than the light-shielding layer closest to the photoelectric conversion unit and the light-shielding layer closest to the microlens is disposed at a distance substantially equal to the focal length of the microlens from the microlens. And
At least part of the transmitted light is incident on the opening of the main light shielding layer,
The optical waveguide is provided between the main light-shielding layer and the photoelectric conversion unit, and guides the at least part of light incident on the opening of the main light-shielding layer to the photoelectric conversion unit. An image sensor.
請求項1乃至8のいずれか1項に記載の撮像素子において、
前記光導波路の屈折率は、前記主遮光層から前記光電変換部までの間の前記光導波路以外の平坦化層の屈折率よりも高いことを特徴とする撮像素子。
The imaging device according to any one of claims 1 to 8,
The imaging device, wherein a refractive index of the optical waveguide is higher than a refractive index of a planarizing layer other than the optical waveguide between the main light shielding layer and the photoelectric conversion unit.
請求項1乃至9のいずれか1項に記載の撮像素子と、
前記複数の画素が出力する複数の画素信号に基づき、光学系を透過して前記光導波路により導光された前記光により前記撮像素子上に像が形成される際の、前記光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出手段とを備えることを特徴とする焦点検出装置。

The imaging device according to any one of claims 1 to 9,
Focus adjustment of the optical system when an image is formed on the imaging element by the light transmitted through the optical system and guided by the optical waveguide based on the plurality of pixel signals output from the plurality of pixels. A focus detection apparatus comprising: focus detection means for detecting a state.

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