JP2013157606A - Solid state imaging device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent light color mixing between adjacent micro lenses, and to suppress the deterioration of matching accuracy of a parallax image group.SOLUTION: A solid state imaging device includes: an imaging element; a first optical system 40 for imaging a subject on an imaging surface; a second optical system including a microlens array having a plurality of microlenses 10 provided corresponding to a plurality of pixel blocks, and re-imaging an image formed on the imaging surface on the pixel blocks corresponding to the individual microlenses; a first filter 12 provided corresponding to the plurality of microlenses on the second optical system side, and having a plurality of first color filter; and a second filter 6 provided on the imaging element side, and having a plurality of second color filters corresponding to the plurality of first color filters of the first filter. The first and second filters are configured so as to shift in a peripheral direction of an imaging area, toward a peripheral portion of the imaging area.

Description

本発明の実施形態は、可視画像及び距離情報を同時取得する固体撮像装置に関する。   Embodiments described herein relate generally to a solid-state imaging device that simultaneously acquires a visible image and distance information.

2次元アレイ情報として奥行き方向距離を得ることができる撮像技術は、参照光を使用する技術、複数カメラを使用したステレオ測距技術など様々な方法が検討されている。特に近年は、民生用途での新たな入力デバイスとして比較的廉価な製品のニーズが高まっている。   As an imaging technique capable of obtaining a depth direction distance as two-dimensional array information, various methods such as a technique using a reference light and a stereo distance measuring technique using a plurality of cameras are being studied. In particular, in recent years, there has been an increasing need for relatively inexpensive products as new input devices for consumer use.

そこで多眼で多数視差を得ることができ、かつ解像度低下を抑えるための構成として、結像レンズを持つ複眼構成の撮像装置が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。この撮像装置は、例えば結像系レンズを有し、結像系レンズと撮像素子の中間に、再結像系光学系として複数光学系が配置される。例えば複数光学系としては、平面上に多数の微小レンズが形成されたマイクロレンズアレイなどが用いられる。各マイクロレンズの下部には複数の画素がその像を取得するため対応する位置に設けられている。結像レンズにおいて結像された像は、再結像マイクロレンズによって再度撮像素子へ結像し、その再結像した個眼像は、それぞれマイクロレンズの配置位置によって存在する視差の分、視点ずれした画像となる。多数のマイクロレンズから得られた視差画像群を画像処理することで、三角測量の原理にて被写体の距離推定が可能であり、またつなぎ合わせの画像処理を行うことによって、2次元画像として再構成することも可能である。被写体の距離推定のための画像処理の例としては、画像同士を比較し、被写体の同一点を撮像した部分を画像マッチング法などによって求める、汎用のステレオ画像処理を用いることができる。   Therefore, an imaging apparatus having a compound eye configuration that has an imaging lens has been proposed as a configuration that can obtain multiple parallaxes with multiple eyes and suppress a reduction in resolution (for example, see Non-Patent Document 1). This imaging apparatus has an imaging system lens, for example, and a plurality of optical systems are arranged as a re-imaging system optical system between the imaging system lens and the imaging device. For example, as a plurality of optical systems, a microlens array in which a large number of microlenses are formed on a plane is used. Below each microlens, a plurality of pixels are provided at corresponding positions to acquire the image. The image formed in the imaging lens is re-imaged on the image sensor by the re-imaging microlens, and the re-imaged single-eye image is shifted in viewpoint by the amount of parallax that exists depending on the position of the microlens The resulting image. By subjecting a group of parallax images obtained from a large number of microlenses to image processing, it is possible to estimate the distance of the subject based on the principle of triangulation, and to reconstruct it as a two-dimensional image by performing splicing image processing. It is also possible to do. As an example of image processing for estimating the distance of a subject, general-purpose stereo image processing that compares images and obtains a portion where the same point of the subject is imaged by an image matching method or the like can be used.

K. Fife, A. E. Gamal, and H. Wong, “A 3D multi-aperture image sensor architecture,” Custom Integrated Circuits Conference, pp. 281-284, Sep.2006.K. Fife, A. E. Gamal, and H. Wong, “A 3D multi-aperture image sensor architecture,” Custom Integrated Circuits Conference, pp. 281-284, Sep. 2006.

しかし、隣接するマイクロレンズ間の光混色が、視差画像群のマッチング精度を低下させるという問題がある。   However, there is a problem that light color mixing between adjacent microlenses reduces the matching accuracy of the parallax image group.

本発明の実施形態は、隣接するマイクロレンズ間の光混色を防止し、視差画像群のマッチング精度の低下を抑制することのできる固体撮像装置を提供する。   Embodiments of the present invention provide a solid-state imaging device that can prevent light color mixing between adjacent microlenses and suppress a decrease in matching accuracy of a parallax image group.

本実施形態の固体撮像装置は、半導体基板に形成され、それぞれが複数の画素を含む複数の画素ブロックを有する撮像領域を備えた撮像素子と、被写体を結像面に結像する第1の光学系と、前記複数の画素ブロックに対応して設けられた複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイを含み、前記結像面に結像された像を、個々のマイクロレンズに対応する画素ブロックに再結像する第2の光学系と、前記第2の光学系側に前記複数のマイクロレンズに対応して設けられ、複数の第1の色フィルタを有する第1のフィルタと、前記撮像素子側に設けられ、前記第1のフィルタの前記複数の第1の色フィルタに対応する複数の第2の色フィルタを有する第2のフィルタと、同じ色の画素ブロック間で画像マッチング処理を行うことにより、前記被写体までの距離を求める処理部と、を備え、前記第1および第2のフィルタは、前記撮像領域の周辺部へいくほど、前記撮像領域の周辺方向へ前記第1および第2の色フィルタがずれるように構成されたことを特徴とする。   The solid-state imaging device according to the present embodiment includes an imaging element that includes an imaging region that is formed on a semiconductor substrate and includes a plurality of pixel blocks each including a plurality of pixels, and a first optical that images a subject on an imaging plane. A microlens array having a system and a plurality of microlenses provided corresponding to the plurality of pixel blocks, and the image formed on the imaging plane is re-converted into pixel blocks corresponding to the individual microlenses. A second optical system that forms an image; a first filter that is provided on the second optical system side corresponding to the plurality of microlenses, and that has a plurality of first color filters; A second filter having a plurality of second color filters corresponding to the plurality of first color filters of the first filter and performing an image matching process between pixel blocks of the same color A processing unit that obtains a distance to the subject, and the first and second color filters move toward the periphery of the imaging region in the peripheral direction of the imaging region. It is characterized by being configured to shift.

第1実施形態による固体撮像装置を示す断面図。1 is a cross-sectional view illustrating a solid-state imaging device according to a first embodiment. 2つのカラーフィルタの関係を説明する図。The figure explaining the relationship between two color filters. 2つのカラーフィルタがベイヤー配列である場合を説明する図。The figure explaining the case where two color filters are Bayer arrangement. 混色防止効果を説明する図。The figure explaining the color-mixing prevention effect. 混色防止効果を説明する図。The figure explaining the color-mixing prevention effect. カラーフィルタのずらし量を説明する図。The figure explaining the shift amount of a color filter. 図7(a)、7(b)はカラーフィルタのずらし量を説明する図。7A and 7B are diagrams for explaining the shift amount of the color filter. 光学像から距離情報を取得する方法を説明する図。The figure explaining the method of acquiring distance information from an optical image. ずれ量に関する結像面とML主面との距離の依存性を示す図。The figure which shows the dependence of the distance of the imaging surface regarding ML and the ML main surface. 第1実施形態の固体撮像装置によって取得される光学像を説明する図。The figure explaining the optical image acquired by the solid-state imaging device of 1st Embodiment. カラーフィルタの膜厚と混色防止効果を説明する図。The figure explaining the film thickness and color mixing prevention effect of a color filter. カラーフィルタの膜厚と混色防止効果を説明する図。The figure explaining the film thickness and color mixing prevention effect of a color filter. 図13(a)乃至13(e)は第1実施形態の固体撮像装置の製造方法を説明する図。13A to 13E are views for explaining a method of manufacturing the solid-state imaging device according to the first embodiment. 図14(a)乃至14(c)は第1実施形態の固体撮像装置の製造方法を説明する図。14A to 14C are views for explaining a method of manufacturing the solid-state imaging device according to the first embodiment. 図15(a)乃至15(c)は、カラーフィルタおよびマイクロレンズの製造を説明する図。FIGS. 15A to 15C are diagrams illustrating the manufacture of a color filter and a microlens. 第2実施形態による固体撮像装置を示す断面図。Sectional drawing which shows the solid-state imaging device by 2nd Embodiment. 第3実施形態による固体撮像装置を示す断面図。Sectional drawing which shows the solid-state imaging device by 3rd Embodiment.

以下、図面を参照して実施形態を説明する。   Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.

本実施形態の固体撮像装置は、半導体基板に形成され、それぞれが複数の画素を含む複数の画素ブロックを有する撮像領域を備えた撮像素子と、被写体を結像面に結像する第1の光学系と、前記複数の画素ブロックに対応して設けられた複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイを含み、前記結像面に結像された像を、個々のマイクロレンズに対応する画素ブロックに再結像する第2の光学系と、前記第2の光学系側に前記複数のマイクロレンズに対応して設けられ、複数の第1の色フィルタを有する第1のフィルタと、前記撮像素子側に設けられ、前記第1のフィルタの前記複数の第1の色フィルタに対応する複数の第2の色フィルタを有する第2のフィルタと、同じ色の画素ブロック間で画像マッチング処理を行うことにより、前記被写体までの距離を求める処理部と、を備えている。そして、前記第1および第2のフィルタは、前記撮像領域の周辺部へいくほど、前記撮像領域の周辺方向へ前記第1および第2の色フィルタがずれるように構成されている。   The solid-state imaging device according to the present embodiment includes an imaging element that includes an imaging region that is formed on a semiconductor substrate and includes a plurality of pixel blocks each including a plurality of pixels, and a first optical that images a subject on an imaging plane. A microlens array having a system and a plurality of microlenses provided corresponding to the plurality of pixel blocks, and the image formed on the imaging plane is re-converted into pixel blocks corresponding to the individual microlenses. A second optical system that forms an image; a first filter that is provided on the second optical system side corresponding to the plurality of microlenses, and that has a plurality of first color filters; A second filter having a plurality of second color filters corresponding to the plurality of first color filters of the first filter and performing an image matching process between pixel blocks of the same color And a, a processing unit for determining the distance to the object. The first and second filters are configured such that the first and second color filters are shifted in the peripheral direction of the imaging region as they go to the peripheral part of the imaging region.

(第1実施形態)
第1実施形態による固体撮像装置を図1に示す。
(First embodiment)
A solid-state imaging device according to the first embodiment is shown in FIG.

本実施形態の固体撮像装置においては、半導体基板2上にフォトダイオードを有する複数の画素4が形成されるとともに、これらの画素4を駆動してこれらの画素4からの信号を読み出す駆動/読み出し回路(図示せず)が形成された撮像素子を有している。画素4の上部には、pおよびqを自然数とするとき例えばp×q個の画素ブロックごとにカラーフィルタ6が形成される。このカラーフィルタ6の上部には、1画素ごとに画素集光用のマイクロレンズ8が形成されていてもよい。   In the solid-state imaging device according to the present embodiment, a plurality of pixels 4 having photodiodes are formed on a semiconductor substrate 2, and a driving / reading circuit that drives these pixels 4 and reads signals from these pixels 4 (Not shown) is provided. On the upper part of the pixel 4, when p and q are natural numbers, for example, a color filter 6 is formed for every p × q pixel blocks. A microlens 8 for condensing pixels may be formed for each pixel on the color filter 6.

カラーフィルタ6の上方に、結像マイクロレンズアレイ10およびカラーフィルタ12が形成された、可視光を透過する可視光透過基板14が設けられている。この可視光透過基板14は、画素4が形成された撮像領域の周囲に設けられた樹脂材料のスペーサ9によって半導体基板2と接合される。なお、半導体基板2と可視光透過基板14とを接合する際の位置合わせは、合わせマーク等を基準にして行う。可視光透過基板14は、例えば不要な赤外光をカットする材料であっても良いし、赤外光をカットする膜が形成されていても良い。可視光透過基板14を半導体基板に接合する時に、カラーフィルタ6、12はその色の組み合わせが同一となるように接合する。また、カラーフィルタ6の色の間隔はカラーフィルタ12の色の間隔よりも狭くなるように構成する。   Above the color filter 6, a visible light transmitting substrate 14 on which the imaging microlens array 10 and the color filter 12 are formed and which transmits visible light is provided. The visible light transmitting substrate 14 is bonded to the semiconductor substrate 2 by a spacer 9 made of a resin material provided around the imaging region where the pixels 4 are formed. The alignment when the semiconductor substrate 2 and the visible light transmitting substrate 14 are bonded is performed with reference to an alignment mark or the like. The visible light transmitting substrate 14 may be a material that cuts unnecessary infrared light, for example, or may be formed with a film that cuts infrared light. When the visible light transmitting substrate 14 is bonded to the semiconductor substrate, the color filters 6 and 12 are bonded so that the combination of colors is the same. In addition, the color interval of the color filter 6 is configured to be narrower than the color interval of the color filter 12.

また、半導体基板2には、画素4の読出し用電極パッド22が設けられ、この電極パッド22の下部には半導体基板2を貫通する貫通電極24が形成されている。そして半導体基板2は、貫通電極24およびバンプ26を介してチップ30と電気的に接続される。このチップ30には、撮像装置を駆動し読み出された信号を処理する駆動処理回路が形成されている。   The semiconductor substrate 2 is provided with a read electrode pad 22 of the pixel 4, and a through electrode 24 penetrating the semiconductor substrate 2 is formed below the electrode pad 22. The semiconductor substrate 2 is electrically connected to the chip 30 through the through electrode 24 and the bump 26. The chip 30 is formed with a drive processing circuit that drives the imaging apparatus and processes the read signals.

また、可視光透過基板14の上方には結像レンズ40が設けられ、この結像レンズ40はレンズ鏡筒42に取り付けられ、このレンズ鏡筒42はレンズホルダ44に取り付けられる。レンズホルダ44は可視光透過基板14のカラーフィルタ12が設けられていない周囲の領域上に接合される。このレンズ40の取り付け時に、押し付け圧と出力像の関係からレンズ40の焦点距離の調整をしても良い。なお、半導体基板2、可視光透過基板14、およびチップ30の周囲には、不要な光を遮断するための光遮蔽カバー50が取り付けられる。そして、光遮蔽カバー50にチップ30と外部とを電気的に接続するモジュール電極52が設けられる。   Further, an imaging lens 40 is provided above the visible light transmitting substrate 14, and this imaging lens 40 is attached to a lens barrel 42, and this lens barrel 42 is attached to a lens holder 44. The lens holder 44 is bonded onto a peripheral region of the visible light transmitting substrate 14 where the color filter 12 is not provided. When the lens 40 is attached, the focal length of the lens 40 may be adjusted from the relationship between the pressing pressure and the output image. A light shielding cover 50 for blocking unnecessary light is attached around the semiconductor substrate 2, the visible light transmitting substrate 14, and the chip 30. The light shielding cover 50 is provided with a module electrode 52 that electrically connects the chip 30 and the outside.

(カラーフィルタによる混色防止)
このように構成された本実施形態の固体撮像装置におけるカラーフィルタによる混色防止機能について図2乃至図5を参照して説明する。
(Color mixing prevention by color filter)
The color mixing prevention function by the color filter in the solid-state imaging device of the present embodiment configured as described above will be described with reference to FIGS.

カラーフィルタ6、12と、画素領域の対応を図2に示す。各画素ブロック5R、5Bにマイクロレンズ10、カラーフィルタ6、12を配置し、カラーフィルタ12はマイクロレンズ10の側に配置、カラーフィルタ6は光電変換を行う画素ブロック側5R、5B側に配置する。結像レンズ40を透過した光線は、結像面60で結像した後、カラーフィルタ12に入射する。マイクロレンズ10側、画素ブロック5R、5B側でそれぞれ各色をフィルタリングし、隣接する画素の異なる色の混色成分をカラーフィルタ6、12で吸収し排除する。画素ブロック5Rは、赤色を検出する画素ブロックを示し、画素ブロック5Bは緑色を検出する画素ブロックを示す。すなわち、赤色を表す光線62Rは結像レンズ40を透過して結像面60で結像した後、カラーフィルタ12の赤色透過フィルタおよびカラーフィルタ6の赤色透過フィルタを透過し、画素ブロック5Rに取り込まれる。同様に、緑色を表す光線62Gは結像レンズ40を透過して結像面60で結像した後、カラーフィルタ12の緑色透過フィルタおよびカラーフィルタ6の緑色透過フィルタを透過し、画素ブロック5Bに取り込まれる。   The correspondence between the color filters 6 and 12 and the pixel area is shown in FIG. The microlens 10 and the color filters 6 and 12 are arranged in each pixel block 5R and 5B, the color filter 12 is arranged on the microlens 10 side, and the color filter 6 is arranged on the pixel block side 5R and 5B side that performs photoelectric conversion. . The light beam that has passed through the imaging lens 40 forms an image on the imaging surface 60 and then enters the color filter 12. Each color is filtered on each of the microlens 10 side and the pixel blocks 5R and 5B side, and mixed color components of different colors of adjacent pixels are absorbed by the color filters 6 and 12 and eliminated. The pixel block 5R indicates a pixel block that detects red, and the pixel block 5B indicates a pixel block that detects green. That is, the light ray 62R representing red passes through the imaging lens 40 and forms an image on the imaging surface 60, then passes through the red transmission filter of the color filter 12 and the red transmission filter of the color filter 6, and is taken into the pixel block 5R. It is. Similarly, the light ray 62G representing green is transmitted through the imaging lens 40 and formed on the imaging surface 60, and then passes through the green transmission filter of the color filter 12 and the green transmission filter of the color filter 6, and enters the pixel block 5B. It is captured.

画素ブロック毎の色配列は、図3に示すように例えば原色ベイヤー配列を用いても良い。隣接画素同士は異なるカラーフィルタとする方が、より混色防止に効果がある。   As the color arrangement for each pixel block, for example, a primary color Bayer arrangement may be used as shown in FIG. It is more effective to prevent color mixing when different color filters are used for adjacent pixels.

カラーフィルタ6、12がベイヤー配列の場合の、混色防止効果を図4、図5を参照して説明する。カラーフィルタ6、12を透過する際に、同色である組み合わせのみ、光線がカラーフィルタ12およびカラーフィルタ12を透過し、画素ブロック5へ結像する。例えば、結像レンズ40に入射角θで入射した赤色の主光線62Rmが、カラーフィルタ12の赤色透過フィルタを透過した後、マイクロレンズ10を介してカラーフィルタ6の赤色透過フィルタを透過する。また、この主光線62Rmの周辺の赤色の光線62Rcも同様に、カラーフィルタ12の赤色透過フィルタを透過した後、マイクロレンズ10を介してカラーフィルタ6の赤色透過フィルタを透過する。 The effect of preventing color mixture when the color filters 6 and 12 are in a Bayer array will be described with reference to FIGS. When passing through the color filters 6, 12, only the combination having the same color causes the light rays to pass through the color filter 12 and the color filter 12 and form an image on the pixel block 5. For example, the principal ray 62Rm red incident at angle theta R on the imaging lens 40, passes through the red transmission filter of the color filter 12, transmitted through the red transmission filter of the color filter 6 via the micro-lens 10. Similarly, the red light beam 62Rc around the principal light beam 62Rm also passes through the red transmission filter of the color filter 6 after passing through the red transmission filter of the color filter 12.

また、図5に示すように、結像レンズ40に入射角θで入射した緑色の主光線62Gmが、カラーフィルタ12の緑色透過フィルタを透過した後、マイクロレンズ10を介してカラーフィルタ6の緑色透過フィルタを透過する。しかし、図5に示すように、カラーフィルタ12の緑色透過フィルタを透過し、カラーフィルタ6の赤色透過フィルタを通るような緑色光、例えば乱反射緑光線62Grがある場合、これは混色成分となる。しかし、この緑光線62Grはカラーフィルタ6の赤色透過フィルタにおいて減衰する。このため、画素ブロック5内にあるフォトダイオード4へ光信号として入射することを防止することが可能となり、混色を防止することができる。 In addition, as shown in FIG. 5, after the green principal ray 62Gm incident on the imaging lens 40 at an incident angle θ G passes through the green transmission filter of the color filter 12, the color filter 6 passes through the micro lens 10. Transmits through the green transmission filter. However, as shown in FIG. 5, when there is green light that passes through the green transmission filter of the color filter 12 and passes through the red transmission filter of the color filter 6, for example, diffusely reflected green light 62 Gr, this becomes a color mixture component. However, the green light 62Gr attenuates in the red transmission filter of the color filter 6. For this reason, it becomes possible to prevent light from entering the photodiode 4 in the pixel block 5 as an optical signal, and color mixing can be prevented.

(カラーフィルタのずらし量)
次に、本実施形態による固体撮像装置における、カラーフィルタ6、12のずらし量について説明する。
(Color filter shift amount)
Next, the shift amounts of the color filters 6 and 12 in the solid-state imaging device according to the present embodiment will be described.

カラーフィルタ6、12は撮像領域の周辺部によって周辺方向へとずらされて配置されるが、その対応関係について図6、図7(a)、7(b)に示す。図6はカラーフィルタ6、12を示す斜視図であり、図7(a)は図6に示す、カラーフィルタ6の対角方向の面で切断した断面図であり、図7(b)は図7(a)に示す破線部の拡大図である。   The color filters 6 and 12 are arranged so as to be shifted in the peripheral direction by the peripheral part of the imaging region, and the corresponding relationship is shown in FIGS. 6, 7 (a), and 7 (b). 6 is a perspective view showing the color filters 6 and 12, FIG. 7A is a cross-sectional view taken along a diagonal plane of the color filter 6 shown in FIG. 6, and FIG. It is an enlarged view of the broken-line part shown to 7 (a).

図7(a)に示すように、カラーフィルタ6における赤色透過フィルタ6Rと、カラーフィルタ12における赤色透過フィルタ12Rが対応関係にあり、入射角度θで結像レンズ40に入射する、被写体の主光線62が結像面60で結像した後、赤色透過フィルタ12Rおおよび赤色透過フィルタ6Rを透過するものとする。結像面60における被写体の像高Yは、結像レンズ40の焦点距離をfとすると、被写体が無限遠にあるときは、
tanθ=Y/f
で表される。そこで、赤色透過フィルタ6Rおよび赤色透過フィルタ12Rの中心は、ずれ量αだけずれることになる。このずれ量αは、Dをカラーフィルタ6とカラーフィルタ12との間の距離(マイクロレンズ10が存在する場合には、カラーフィルタ6とマイクロレンズ10との間の距離)とすると、以下の式にて表される。
α=D×tanθ=D×Y/f
ここで、撮像領域の最外部では主光線62の入射角度θは最大となるが、そのときの主光線62の入射角度θmaxを考える。例えば、主光線入射角度θを、携帯やコンパクトカメラで標準的な半画角30度とし、D=1mmとすると、撮像領域四隅でのずらし量αは0.577mmとなる。
As shown in FIG. 7A, the red light transmission filter 6R in the color filter 6 and the red light transmission filter 12R in the color filter 12 have a corresponding relationship, and enter the imaging lens 40 at an incident angle θ. After 62 forms an image on the imaging surface 60, it is assumed to transmit through the red transmission filter 12R and the red transmission filter 6R. The image height Y of the subject on the imaging surface 60 is, when the subject is at infinity, where f is the focal length of the imaging lens 40,
tan θ = Y / f
It is represented by Therefore, the centers of the red transmission filter 6R and the red transmission filter 12R are shifted by the shift amount α. This shift amount α is expressed by the following equation, where D is the distance between the color filter 6 and the color filter 12 (the distance between the color filter 6 and the microlens 10 when the microlens 10 is present). It is represented by
α = D × tan θ = D × Y / f
Here, the incident angle θ of the chief ray 62 is maximized at the outermost part of the imaging region, but the incident angle θ max of the chief ray 62 at that time is considered. For example, if the chief ray incident angle θ is a standard half angle of view of 30 degrees with a portable or compact camera and D = 1 mm, the shift amount α at the four corners of the imaging region is 0.577 mm.

最外部以外でのずらし量は、それぞれの位置での主光線62の入射角θによって決まる。撮像領域中心部では、主光線62の入射角度θは0度であるため、ずらし量αはゼロで良く、外縁部へ向かうほどθは大きくなるので、ずらし量αは大きくすることが好ましい。   The shift amount except for the outermost part is determined by the incident angle θ of the principal ray 62 at each position. Since the incident angle θ of the chief ray 62 is 0 degree at the center of the imaging region, the shift amount α may be zero, and θ increases toward the outer edge, so it is preferable to increase the shift amount α.

(光学像より距離情報を取得する方法)
次に、本実施形態による固体撮像装置における、光学像から距離情報を取得する方法について図8を参照して説明する。単純化のため、今回は光軸近似の範囲の式のみ記述する。
(Method to obtain distance information from optical image)
Next, a method for acquiring distance information from an optical image in the solid-state imaging device according to the present embodiment will be described with reference to FIG. For simplification, this time, only the formula of the optical axis approximation range is described.

光学結像系(結像レンズ)40により、被写体からの主光線及びその同族光線は、結像光学系の焦点距離と被写体距離から決まる結像面60において、式(1)の関係を満たすように結像する。

Figure 2013157606
ここでfは結像レンズ40の焦点距離、Aは結像レンズ40の物体側主面40aから被写体までの距離、Bは結像レンズ40の像側主面40aから結像面60までの距離を示す。結像レンズ40の像倍率(横倍率)は下式で表される。
Figure 2013157606
By the optical imaging system (imaging lens) 40, the principal ray from the subject and its cognate rays satisfy the relationship of the formula (1) on the imaging plane 60 determined by the focal length of the imaging optical system and the subject distance. To form an image.
Figure 2013157606
Here, f is the focal length of the imaging lens 40, A is the distance from the object-side main surface 40a of the imaging lens 40 to the subject, and B is the distance from the image-side main surface 40a of the imaging lens 40 to the imaging surface 60. Indicates. The image magnification (lateral magnification) of the imaging lens 40 is expressed by the following equation.
Figure 2013157606

結像面60における像は、その下部に配置されたマイクロレンズ(以下、MLとも記す)10によって再度、画素4が設けられた撮像素子面に結像する。ML10の結像は下式で表される。

Figure 2013157606
ここで、gはML10の焦点距離、CはML10の物体側主面10aから結像面60までの距離、DはML10の像側主面10aから撮像素子面までの距離を示す。このとき、結像系40による像倍率は次の式(3)によって表される。
Figure 2013157606
ここで、幾何関係により式(5)のEを導入する。光学系40が単焦点光学系の場合、Eは一定の関係となる。
E=B+C (5)
ここで、比較する個眼間を2個選択した場合の、個眼間距離LMLと片側の像ずれ量Δ/2は式(6)で表される。
Figure 2013157606
ここで、Dは基準被写体が位置Aのときの再結像距離を示す。 The image on the imaging surface 60 is again formed on the imaging element surface on which the pixels 4 are provided by a microlens (hereinafter also referred to as ML) 10 disposed below the imaging surface 60. The image of ML10 is expressed by the following equation.
Figure 2013157606
Here, g indicates the focal length of the ML 10, C indicates the distance from the object-side main surface 10 a of the ML 10 to the imaging surface 60, and D indicates the distance from the image-side main surface 10 a of the ML 10 to the imaging element surface. At this time, the image magnification by the imaging system 40 is expressed by the following equation (3).
Figure 2013157606
Here, E in Equation (5) is introduced due to the geometric relationship. When the optical system 40 is a single focus optical system, E has a certain relationship.
E = B + C (5)
Here, the distance between the single eyes L ML and the image shift amount Δ / 2 on one side when the two single eyes to be compared are selected are expressed by Expression (6).
Figure 2013157606
Here, D 0 indicates the re-imaging distance when the reference subject is at the position A 0 .

これより、被写体の移動(Aの変化)に対する各パラメータの変化量を示す。A等、右下に添え字0がついたパラメータは、該当パラメータの初期値とする。各パラメータの、初期値からの変化を式で示す。 Thus, the amount of change of each parameter with respect to the movement of the subject (change of A) is shown. Parameters with subscript 0 at the lower right, such as A 0 , are the initial values of the corresponding parameters. The change from the initial value of each parameter is shown by an equation.

式(1)〜式(5)よりDの変化量をM(結像レンズ倍率)で表すと次の式(7)に示す関係となる。

Figure 2013157606
If the amount of change in D is expressed by M (imaging lens magnification) from the equations (1) to (5), the relationship shown in the following equation (7) is obtained.
Figure 2013157606

また、式(1)、(2)、(6)、(7)より被写体の距離Aと像のずれ量Δは次の式(8)に示す関係となる。

Figure 2013157606
Further, from the expressions (1), (2), (6), and (7), the distance A of the subject and the image shift amount Δ have the relationship shown in the following expression (8).
Figure 2013157606

ずれ量Δと倍率Mは、次の式(9)に示す関係となる。

Figure 2013157606
The deviation amount Δ and the magnification M have the relationship shown in the following equation (9).
Figure 2013157606

被写体Aが遠方に位置する、すなわちA→∞のとき、M→0となり、ずれ量Δは次の式(10)に示す値に収束する。

Figure 2013157606
ここで、精度(Aの変化に対するΔの変化)は、下式で表される。
Figure 2013157606
When the subject A is located far away, that is, A → ∞, M → 0, and the shift amount Δ converges to the value shown in the following equation (10).
Figure 2013157606
Here, the accuracy (change in Δ with respect to change in A) is expressed by the following equation.
Figure 2013157606

上の精度を示す式(11)はM(=B/A)を含むため、精度は距離依存性を持つ。   Since Expression (11) indicating the above accuracy includes M (= B / A), the accuracy has distance dependency.

次に、上記の関係に基づき、実際の光学パラメータを仮定し被写体Aの移動によってどの程度のずれ量Δが発生するかを示す。仮定する光学パラメータを以下と仮定する。
結像レンズ焦点距離f:7mm、もしくは42mm
ML焦点距離g:682μm
ML配置ピッチ:300μm
撮像素子画素ピッチ:4.3μm
初期位置Aを0.3mにした場合の精度を示す。
ここで、Aは、あるピント位置状態にて合焦する範囲で最も近い被写体距離(被写界深度の近い方の限界)を意味する。
Next, based on the above relationship, it is assumed how much deviation Δ is generated by the movement of the subject A assuming actual optical parameters. Assume the following optical parameters:
Imaging lens focal length f: 7 mm or 42 mm
ML focal length g: 682 μm
ML arrangement pitch: 300 μm
Image sensor pixel pitch: 4.3 μm
The initial position A 0 indicates the precision in the case of a 0.3 m.
Here, A 0 means the closest subject distance (the limit of the closer depth of field) in the range where the focus is achieved in a certain focus position state.

結像レンズの焦点距離f=7mm、または42mm、かつ初期合焦位置A=0.3mにおける、ずれ量に関するC配置距離(結像面60とML主面10aとの距離)の依存性を図9に示す。式(10)に示すずれ量Δより、fが小さいほど視差収束距離Δは大きくなる。この収束するずれ量Δ/2が画素ブロック間隔より大きくなると、ML間でクロストークするレンジオーバー領域となるため、収束距離とMLの関係は設計指針の1つである。 Dependence of the C 0 arrangement distance (distance between the imaging surface 60 and the ML main surface 10a) on the shift amount when the focal length f of the imaging lens is 7 mm or 42 mm and the initial focusing position A 0 is 0.3 m. Is shown in FIG. From the deviation amount Δ shown in Equation (10), the smaller the f, the larger the parallax convergence distance Δ. When this converged deviation amount Δ / 2 becomes larger than the pixel block interval, it becomes a range over region where crosstalk occurs between MLs. Therefore, the relationship between the convergence distance and ML is one of design guidelines.

図10に、被写体と本実施形態の固体撮像装置によって取得される光学像の関係を示す。結象光学系(結象レンズ)40により、結像面60には、被写体100の反転像が形成される。それぞれのマイクロレンズ10は、近接した距離から結像面60の像を見ている状態となり、少しずつオーバーラップした視差画像群が各画素ブロック5R、5G上に形成される。このときの再結像した像は、再度反転するため、正立像となる。結象光学系40によって形成された結像面60の像は、マイクロレンズ10によって縮小して撮像される。この縮小倍率が、光学的な解像度劣化の度合いを決める。   FIG. 10 shows a relationship between a subject and an optical image acquired by the solid-state imaging device of the present embodiment. A reverse image of the subject 100 is formed on the image plane 60 by the joint optical system (joint lens) 40. Each microlens 10 is in a state where the image on the imaging plane 60 is viewed from a close distance, and a group of parallax images that overlap each other is formed on each pixel block 5R, 5G. Since the re-imaged image at this time is inverted again, it becomes an erect image. The image of the image plane 60 formed by the culmination optical system 40 is reduced and picked up by the microlens 10. This reduction magnification determines the degree of optical resolution degradation.

次に、カラーフィルタ6、12の膜厚と混色防止効果について図11、図12を参照して説明する。図11は、カラーフィルタ6、12での混色防止効果を示すグラフである。カラーフィルタ6、12の合計膜厚を1μmとし、カラーフィルタ12を厚さ0.5μm、カラーフィルタ6の膜厚を0.5μmに分けて配置した場合を考える。ここで、図11において青色(B)、緑色(G)、赤色(R)を考え、次の(1)〜(5)に場合に分けて説明する。(1)Gフィルタ→Gフィルタを通るG光、(2)Gフィルタ→Gフィルタを通るB光、(3)Gフィルタ→Gフィルタを通るR光、(4)Gフィルタ→Rフィルタを通るG光、(5)Rフィルタ→Gフィルタを通るG光とする。ここでは、(4)、(5)の場合が隣接画素ブロック間の混色成分である。   Next, the film thickness and color mixing prevention effect of the color filters 6 and 12 will be described with reference to FIGS. FIG. 11 is a graph showing the effect of preventing color mixing in the color filters 6 and 12. Consider a case where the total film thickness of the color filters 6 and 12 is 1 μm, the color filter 12 is divided into a thickness of 0.5 μm, and the film thickness of the color filter 6 is divided into 0.5 μm. Here, blue (B), green (G), and red (R) are considered in FIG. 11, and the following (1) to (5) will be described separately. (1) G filter → G light passing through G filter, (2) G filter → B light passing through G filter, (3) G filter → R light passing through G filter, (4) G filter → G light passing through R filter Light, (5) R light → G light passing through the G filter. Here, cases (4) and (5) are color mixture components between adjacent pixel blocks.

カラーフィルタ特性として、信号成分となる、Gフィルタを合計1μm透過したG光が、透過後の強度はおよそ80%まで低下し、また、混色成分であるGフィルタを通る、R、B成分がGフィルタで吸収されたとき、1μm透過後は8%程度まで減少することを仮定する。上記仮定の場合、隣接画素からの混色の場合、すなわち(4)、(5)の場合について計算すると、透過後における混色成分は20%まで低下する。   As the color filter characteristics, the G light that has been transmitted through the G filter as a signal component for a total of 1 μm decreases in intensity after transmission to approximately 80%, and passes through the G filter that is a mixed color component. It is assumed that after being absorbed by the filter, it decreases to about 8% after 1 μm transmission. In the case of the above assumption, when calculation is performed for the color mixture from adjacent pixels, that is, cases (4) and (5), the color mixture component after transmission is reduced to 20%.

また、カラーフィルタ6、12で膜厚を増加させた場合の混色防止効果を示すグラフを図12に示す。カラーフィルタ6、12の合計膜厚を1.5μmとし、それぞれの厚さを0.75μm、0.75μmとして配置した場合、1μmの厚さを通過時のクロストーク成分まで抑えるには、合計膜厚を1.5倍にすれば良いことが分かる。このときの明るさ低下は8%で抑えられる。   FIG. 12 shows a graph showing the effect of preventing color mixing when the film thickness is increased by the color filters 6 and 12. When the total film thickness of the color filters 6 and 12 is 1.5 μm and the thicknesses are respectively set to 0.75 μm and 0.75 μm, the total film can be reduced to the crosstalk component when passing 1 μm. It can be seen that the thickness should be increased by a factor of 1.5. The brightness drop at this time is suppressed to 8%.

(製造方法)
次に、本実施形態の固体撮像装置の製造方法を図13(a)乃至14(c)を参照して説明する。
(Production method)
Next, a method for manufacturing the solid-state imaging device of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 13 (a) to 14 (c).

まず、図13(a)に示すように、半導体基板2上にフォトダイオードからなる画素4、駆動及び読出し回路(図示せず)を形成し、画素4の上部には、例えばp×q個の画素ブロックごとにカラーフィルタパターン6を形成する。カラーフィルタ6の不必要な部分には透明な平坦化用樹脂または遮光膜7等が形成される。カラーフィルタ6の上部には、1画素ごとに画素集光用のマイクロレンズ8を形成してもよい。また、半導体基板の上面を開口し、この開口の底面に電極パッド22を設ける。   First, as shown in FIG. 13A, a pixel 4 made of a photodiode and a drive and readout circuit (not shown) are formed on a semiconductor substrate 2. A color filter pattern 6 is formed for each pixel block. A transparent planarizing resin or a light shielding film 7 is formed on unnecessary portions of the color filter 6. A pixel condensing microlens 8 may be formed for each pixel on the color filter 6. In addition, an upper surface of the semiconductor substrate is opened, and an electrode pad 22 is provided on the bottom surface of the opening.

続いて、画素4が形成された撮像領域の周囲にスペーサ用の樹脂9を塗布し、画素4が形成された撮像領域の上方に、フォトリソグラフィーにて開口を形成する(図13(b)、13(c))。   Subsequently, a spacer resin 9 is applied around the imaging region where the pixels 4 are formed, and an opening is formed by photolithography above the imaging region where the pixels 4 are formed (FIG. 13B). 13 (c)).

次に、半導体基板2の上方に、マイクロレンズアレイ10、カラーフィルタ12が形成された可視光透過基板14を、合わせマーク等を用いて半導体基板2と接合する(図13(d))。この可視光透過基板14は、例えば不要な赤外光をカットする材料であっても良いし、赤外光をカットする膜が形成されていても良い。この接合時に、カラーフィルタ6、12はその色の組み合わせが同一となるように接合する。   Next, the visible light transmitting substrate 14 on which the microlens array 10 and the color filter 12 are formed is bonded to the semiconductor substrate 2 using the alignment mark or the like above the semiconductor substrate 2 (FIG. 13D). The visible light transmitting substrate 14 may be a material that cuts unnecessary infrared light, for example, or may be formed with a film that cuts infrared light. At the time of this joining, the color filters 6 and 12 are joined so that the color combinations are the same.

次に、画素の読出し用電極パッド22の下部には貫通電極24を形成する(図13(e))。続いて、半導体基板2をバンプ26を介して駆動、処理回路が形成されたチップ30と接合する(図14(a))。画素4の上方に、レンズホルダ44、レンズ鏡筒42に取り付けられた結像レンズ40を接合により半導体基板2に取り付ける(図14(b))。この取付時、押し付け圧と出力像の関係から結象レンズ40の焦点距離を調整しても良い。次いで、単位モジュールごとに切り離し、周囲に、不要な光を遮断するための光遮蔽カバー50を取り付け、固体撮像装置を完成する(図14(c))。   Next, a penetrating electrode 24 is formed below the pixel readout electrode pad 22 (FIG. 13E). Subsequently, the semiconductor substrate 2 is driven through the bumps 26 and bonded to the chip 30 on which the processing circuit is formed (FIG. 14A). Above the pixel 4, the lens holder 44 and the imaging lens 40 attached to the lens barrel 42 are attached to the semiconductor substrate 2 by bonding (FIG. 14B). At the time of attachment, the focal length of the conspicuous lens 40 may be adjusted from the relationship between the pressing pressure and the output image. Next, each unit module is separated, and a light shielding cover 50 for blocking unnecessary light is attached to the periphery, thereby completing the solid-state imaging device (FIG. 14C).

次に、カラーフィルタおよびマイクロレンズの製造方法を図15(a)乃至15(e)を参照して説明する。   Next, a method for manufacturing a color filter and a microlens will be described with reference to FIGS. 15 (a) to 15 (e).

マイクロレンズアレイの作成は、汎用的に用いられている半導体製造技術であるフォトリソグラフィーやエッチング技術を用いる。可視光透過基板14上にカラーフィルタ12およびマイクロレンズ10を形成する場合を例にとって説明するが、半導体基板2上にカラーフィルタ6およびマイクロレンズ8を形成する場合も同様にして行うことができる。   The microlens array is created using photolithography and etching techniques, which are semiconductor manufacturing techniques used for general purposes. Although the case where the color filter 12 and the microlens 10 are formed on the visible light transmitting substrate 14 will be described as an example, the case where the color filter 6 and the microlens 8 are formed on the semiconductor substrate 2 can be similarly performed.

初めに可視光透過基板14を用意し、この可視光透過基板14にカラーフィルタ12をフォトリソグラフィーによって形成する(図15(a)、15(b))。カラーフィルタ12の配列が青、緑、赤のベイヤー配列の場合は、各色の顔料ないしは染料樹脂を塗布し、フォトリソグラフィーによりパターニングするという工程を繰り返して作成する。   First, a visible light transmitting substrate 14 is prepared, and a color filter 12 is formed on the visible light transmitting substrate 14 by photolithography (FIGS. 15A and 15B). When the color filter 12 is arranged in a Bayer arrangement of blue, green, and red, the process of applying a pigment or dye resin of each color and patterning by photolithography is repeated.

次に、カラーフィルタ12上に、感光性の再結像マイクロレンズ用樹脂を塗布し(図15(c))、フォトリソグラフィー技術を用いて画素ブロックとカラーフィルタ6の配列周期と同周期の樹脂パターンを形成する(図15(d))。   Next, a photosensitive resin for re-imaging microlens is applied on the color filter 12 (FIG. 15C), and the resin having the same period as the arrangement period of the pixel block and the color filter 6 by using a photolithography technique. A pattern is formed (FIG. 15D).

次に、基板を熱処理することより樹脂を熱変形させ、レンズ形状のパターンを作成し、マイクロレンズ10を形成する(図15(e))。   Next, the resin is thermally deformed by heat-treating the substrate, a lens-shaped pattern is created, and the microlens 10 is formed (FIG. 15E).

上記では、感光性透明樹脂にてマイクロレンズアレイを作成しているが、例えばガラス基板上に同様に樹脂のマイクロレンズパターンを作成した後、反応性イオンエッチング等でガラス基板とフォトレジストを均等に異方性エッチングすることで、樹脂形状をガラス基板に転写しても良い。この場合、マイクロレンズを先に形成するため、カラーフィルタはマイクロレンズ上に形成するか、もしくは基板の裏面側に形成する。   In the above, the microlens array is made of a photosensitive transparent resin. For example, after a resin microlens pattern is similarly formed on a glass substrate, the glass substrate and the photoresist are evenly distributed by reactive ion etching or the like. The resin shape may be transferred to the glass substrate by anisotropic etching. In this case, since the microlens is formed first, the color filter is formed on the microlens or on the back side of the substrate.

(画像の再構成)
次に、本実施形態による固体撮像装置による取得画像から通常のピクセル画像、及び距離情報を得るための画像処理について説明する。画素ブロック毎に得た単色(赤、青、または緑)の像は、それぞれマイクロレンズの位置に応じた視差を持っている。視差は、ベイヤー配列1単位に2個ある緑画素ブロック間で画像マッチング処理を行うことで、縦、横方向の視差情報を得ることができる。ベイヤー配列において、残りの青、赤は2つの対角に位置する緑の画素と直交しているため、2つの緑の画像から得られた視差成分より、残りの赤、青の視差量も計算できる。これら視差量は、距離の情報を含むため、画像マッチング処理によって得た視差量より被写体距離の推定が可能である。また、視差量より青、緑の画家画像を再構成することによって、通常のカメラで得られるような2次元画像を再構成することが可能である。
(Image reconstruction)
Next, image processing for obtaining a normal pixel image and distance information from an acquired image by the solid-state imaging device according to the present embodiment will be described. Monochromatic (red, blue, or green) images obtained for each pixel block each have a parallax corresponding to the position of the microlens. For the parallax, vertical and horizontal parallax information can be obtained by performing an image matching process between two green pixel blocks in one Bayer array unit. In the Bayer array, the remaining blue and red are orthogonal to the two diagonal green pixels, so the remaining red and blue parallax amounts are calculated from the parallax components obtained from the two green images. it can. Since these parallax amounts include distance information, the subject distance can be estimated from the parallax amounts obtained by the image matching processing. Further, by reconstructing blue and green painter images based on the amount of parallax, it is possible to reconstruct a two-dimensional image as obtained with a normal camera.

画像マッチング処理としては、例えば、2つの画像の類似度や相違度を調べる周知のテンプレートマッチング法を用いることができる。また、更に精密にずれ位置を求める際には、画素単位ごとに得られた類似度や相似度を連続なフィッティング関数等で補間し、フィッティング関数の最大や最小を与えるサブピクセル位置を求めることで、更に高精度にずれ量を求めることができる。   As the image matching process, for example, a well-known template matching method for examining the degree of similarity or difference between two images can be used. Further, when calculating the displacement position more precisely, the degree of similarity or similarity obtained for each pixel unit is interpolated with a continuous fitting function or the like to obtain the subpixel position that gives the maximum or minimum of the fitting function. In addition, the displacement amount can be obtained with higher accuracy.

以上説明したように、本実施形態においては、マイクロレンズ10側、画素ブロック側で各色をフィルタリングし、隣接の異なる色の混色成分をカラーフィルタ6、12で吸収し排除する。その際、結像面60からマイクロレンズアレイ10に入射する光線の、マイクロレンズ10にとっての主光線の角度によって、カラーフィルタ6、12を撮像領域周辺部へ向かうほど撮像領域周辺方向へずらしていくことで、効果的に混色を防ぎ、各マイクロレンズ10による有効撮像領域を増加させる。   As described above, in the present embodiment, each color is filtered on the microlens 10 side and the pixel block side, and adjacent color mixture components are absorbed and eliminated by the color filters 6 and 12. At that time, the color filters 6 and 12 are shifted toward the periphery of the imaging region toward the periphery of the imaging region, depending on the angle of the principal ray for the microlens 10 of the light rays incident on the microlens array 10 from the imaging surface 60. This effectively prevents color mixing and increases the effective imaging area of each microlens 10.

本実施形態によれば、隣接するマイクロレンズ間の光混色を防止し、視差画像群のマッチング精度の低下を抑制することができる。   According to the present embodiment, it is possible to prevent light color mixing between adjacent microlenses and suppress a decrease in matching accuracy of a parallax image group.

また、カラーフィルタ6、12を撮像領域周辺部へ向かうほど撮像領域周辺へずらしていくことで、周辺部での入射角の大きな光線のケラレ量を最小限にすることができる。ずらし量の調整は、結像レンズ40の結像角の特性によって適宜設計可能で、カラーフィルタ6、カラーフィルタ12のマスク設計に反映すればよく、設計に柔軟性がある。   Further, by shifting the color filters 6 and 12 toward the periphery of the imaging region toward the periphery of the imaging region, it is possible to minimize the amount of vignetting of light rays having a large incident angle at the periphery. The adjustment of the shift amount can be appropriately designed according to the characteristics of the image forming angle of the image forming lens 40, and may be reflected in the mask design of the color filter 6 and the color filter 12, so that the design is flexible.

また、隣接個眼への混色入射を防止するシャッター部品や、凹凸構造を有する隔壁などの追加部品を必要としないため、コスト低減を図ることができ、さらに、部品合せ誤差等による組立て時の歩留まり低下を防止することができる。   In addition, no additional parts such as shutter parts that prevent color mixture from entering the adjacent individual eyes or barrier ribs with a concavo-convex structure are required, so that cost can be reduced and the yield during assembly due to part alignment errors, etc. A decrease can be prevented.

また、カラーフィルタ12、マイクロレンズ10は透明ウエハ14上に通常用いる半導体工程を用いてウエハ上に作成することが可能なため、ウエハスケールで固体撮像素子を組立てすることが可能となる。   In addition, since the color filter 12 and the microlens 10 can be formed on the transparent wafer 14 using a semiconductor process that is normally used, a solid-state imaging device can be assembled on a wafer scale.

また、1画素が結像レンズ40の光学限界まで微細化された場合には、特に赤色などの長波長はシリコンフォトダイオードでは吸収係数が低いため、隣接画素への光混色が問題である。しかし、本実施形態のように1画素ごとではなく画素ブロック毎にカラーフィルタを配置することで、画素ブロック内では隣接画素は同色のカラー成分を光電変換するため、フォトダイオード間のクロストークを防止することができる。   In addition, when one pixel is miniaturized to the optical limit of the imaging lens 40, particularly, a long wavelength such as red has a low absorption coefficient in a silicon photodiode, and therefore, color mixing with adjacent pixels is a problem. However, by arranging color filters for each pixel block instead of for each pixel as in this embodiment, adjacent pixels in the pixel block photoelectrically convert the same color component, thus preventing crosstalk between photodiodes. can do.

また、カラーフィルタには顔料分散レジストが用いられることが多いが、画素微細化により顔料の粒径と画素サイズが同程度になり、顔料粒の塗布時のムラによる各画素上部のカラーフィルタの分光特性ムラが発生する問題がある。しかし、本実施形態のように画素ブロック毎にカラーフィルタを配置することで、色情報に関しては隣接画素部での平均化処理が可能のため、1画素ずつ画素フィルタを配置するよりもムラによる分光特性低下を防止することができる。   In addition, pigment dispersion resists are often used for color filters, but the pixel size and pixel size of pigments are about the same due to pixel miniaturization, and the spectral characteristics of the color filter above each pixel due to unevenness in the application of pigment particles. There is a problem that characteristic unevenness occurs. However, by arranging a color filter for each pixel block as in this embodiment, the color information can be averaged at adjacent pixel portions, and therefore, spectral dispersion due to unevenness is achieved rather than arranging a pixel filter for each pixel. The characteristic deterioration can be prevented.

また、結像レンズは色収差を最低限にするため、複数枚レンズ、非球面レンズなど設計が複雑化するが、画素ブロック毎にカラーフィルタ、マイクロレンズを設けることで、マイクロレンズの結像特性(焦点距離)を色ごとに変化させることが可能となるため、レンズ側の色収差要求が緩和しレンズの低コスト化を図ることができる。   In addition, the imaging lens has a complicated design such as a plurality of lenses and an aspherical lens in order to minimize chromatic aberration. However, by providing a color filter and a microlens for each pixel block, the imaging characteristics of the microlens ( (Focal length) can be changed for each color, so that the chromatic aberration requirement on the lens side can be relaxed and the cost of the lens can be reduced.

また、固体撮像装置の寸法を撮像素子チップと同程度まで小型化できる。貫通電極を用いて外部への取り出しを行うため、ボンディングワイヤが不要となる。このため、マイクロレンズアレイ10およびカラーフィルタ12が形成された透明基板14にて感光領域を封止した以降は、付着ダストは透明基板14の表面に付着したゴミが問題となる。しかし、本実施形態においては、透明基板14の表面と感光領域は、透明基板14の厚さ、接着剤の厚さで決まる距離がありレンズにて結像する光路の途中にあるので、感光領域上には焦点がずれた状態で結像され、従来の固体撮像素子の感光領域上に乗ったダストと比べ、黒キズへの影響度を大幅に軽減することができる。   Further, the size of the solid-state imaging device can be reduced to the same level as the imaging element chip. Since the through electrode is used for extraction to the outside, no bonding wire is required. For this reason, after the photosensitive region is sealed with the transparent substrate 14 on which the microlens array 10 and the color filter 12 are formed, the attached dust becomes a problem that the dust attached to the surface of the transparent substrate 14 becomes a problem. However, in the present embodiment, the surface of the transparent substrate 14 and the photosensitive region have a distance determined by the thickness of the transparent substrate 14 and the thickness of the adhesive, and are in the middle of the optical path imaged by the lens. An image is formed on the upper side in a defocused state, and the degree of influence on black scratches can be greatly reduced as compared with dust on the photosensitive region of a conventional solid-state imaging device.

(第2実施形態)
次に、第2実施形態による固体撮像装置を図16に示す。この第2実施形態の固体撮像装置は、図1に示す第1実施形態の固体撮像装置のマイクロレンズ10およびカラーフィルタ12を、分光性能を有するマイクロレンズ10Aに置き換えた構成となっている。このマイクロレンズ10Aは、カラーフィルタを兼ねており、顔料分散レジストで作成することができる。
(Second Embodiment)
Next, a solid-state imaging device according to the second embodiment is shown in FIG. The solid-state imaging device of the second embodiment has a configuration in which the microlens 10 and the color filter 12 of the solid-state imaging device of the first embodiment shown in FIG. 1 are replaced with a microlens 10A having spectral performance. The micro lens 10A also serves as a color filter and can be made of a pigment dispersion resist.

この第2実施形態も第1実施形態と同様の効果を奏することができる。   This 2nd Embodiment can also have the same effect as a 1st embodiment.

(第3実施形態)
次に、第3実施形態による固体撮像装置を図17に示す。この第3実施形態の固体撮像装置は、図1に示す第1実施形態の固体撮像装置のマクロレンズ10をマイクロレンズ10Bに置き換えた構成となっている。このマイクロレンズ10Bは、カラーフィルタ12の結像光学系(結像レンズ)40側に形成され、凸部が結像光学系(結像レンズ)40の方に向いた構成となっている。
(Third embodiment)
Next, a solid-state imaging device according to the third embodiment is shown in FIG. The solid-state imaging device of the third embodiment has a configuration in which the macro lens 10 of the solid-state imaging device of the first embodiment shown in FIG. 1 is replaced with a microlens 10B. The micro lens 10B is formed on the image forming optical system (image forming lens) 40 side of the color filter 12, and has a configuration in which the convex portion faces the image forming optical system (image forming lens) 40.

この第3実施形態も第1実施形態と同様の効果を奏することができる。   This third embodiment can also achieve the same effects as the first embodiment.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the invention described in the claims and equivalents thereof as well as included in the scope and gist of the invention.

2 半導体基板
4 画素
5R 画素ブロック
5B 画素ブロック
6 カラーフィルタ
8 マイクロレンズ
9 スペーサ樹脂
10 マイクロレンズ
12 カラーフィルタ
14 可視光透過基板
22 電極パッド
24 貫通電極
26 バンプ
30 チップ
50 光遮蔽カバー
52 モジュール電極
2 Semiconductor substrate 4 Pixel 5R Pixel block 5B Pixel block 6 Color filter 8 Micro lens 9 Spacer resin 10 Micro lens 12 Color filter 14 Visible light transmitting substrate 22 Electrode pad 24 Through electrode 26 Bump 30 Chip 50 Light shielding cover 52 Module electrode

Claims (8)

半導体基板に形成され、それぞれが複数の画素を含む複数の画素ブロックを有する撮像領域を備えた撮像素子と、
被写体を結像面に結像する第1の光学系と、
前記複数の画素ブロックに対応して設けられた複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイを含み、前記結像面に結像された像を、個々のマイクロレンズに対応する画素ブロックに再結像する第2の光学系と、
前記第2の光学系側に前記複数のマイクロレンズに対応して設けられ、複数の第1の色フィルタを有する第1のフィルタと、
前記撮像素子側に設けられ、前記第1のフィルタの前記複数の第1の色フィルタに対応する複数の第2の色フィルタを有する第2のフィルタと、
同じ色の画素ブロック間で画像マッチング処理を行うことにより、前記被写体までの距離を求める処理部と、
を備え、
前記第1および第2のフィルタは、前記撮像領域の周辺部へいくほど、前記撮像領域の周辺方向へ前記第1および第2の色フィルタがずれるように構成されたことを特徴とする固体撮像装置。
An imaging device including an imaging region formed on a semiconductor substrate and having a plurality of pixel blocks each including a plurality of pixels;
A first optical system for imaging a subject on an imaging plane;
Including a microlens array having a plurality of microlenses provided corresponding to the plurality of pixel blocks, and re-images an image formed on the imaging plane onto a pixel block corresponding to each microlens A second optical system;
A first filter provided on the second optical system side corresponding to the plurality of microlenses and having a plurality of first color filters;
A second filter provided on the image sensor side and having a plurality of second color filters corresponding to the plurality of first color filters of the first filter;
A processing unit for obtaining a distance to the subject by performing an image matching process between pixel blocks of the same color;
With
The first and second filters are configured so that the first and second color filters are shifted in the peripheral direction of the imaging region as they go to the peripheral part of the imaging region. apparatus.
前記第1のフィルタの前記第1の色フィルタのそれぞれに前記第2のフィルタの同色の第2の色フィルタが対応するように配置されることを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。   2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the second color filter of the same color of the second filter corresponds to each of the first color filters of the first filter. 前記色フィルタのずれ量αは、前記結像面から対応するマイクロレンズに入射する光線の入射角度をθとし、前記第1および第2のフィルタ間の距離をDとすると、
α=D×tanθ
で表されることを特徴とする請求項1または2記載の固体撮像装置。
The shift amount α of the color filter is defined as follows. The incident angle of a light beam incident on the corresponding microlens from the imaging plane is θ, and the distance between the first and second filters is D.
α = D × tan θ
The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the solid-state imaging device is expressed by:
前記第2の光学系は、前記第1のフィルタに対して前記撮像素子側に設けられていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の固体撮像装置。   4. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the second optical system is provided on the imaging element side with respect to the first filter. 5. 前記第2の光学系は、前記第1のフィルタに対して前記第1の光学系側に設けられていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の固体撮像装置。   4. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the second optical system is provided on the first optical system side with respect to the first filter. 5. 前記第2のフィルタに対して、前記撮像素子と反対側に各画素に対応した他のマイクロレンズを含む他のマイクロレンズアレイが設けられていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の固体撮像装置。   The other microlens array including the other microlens corresponding to each pixel is provided on the opposite side to the image sensor with respect to the second filter. The solid-state imaging device described in 1. 前記第1および第2の色フィルタはそれぞれ、赤、緑、青の色フィルタを含むことを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の固体撮像装置。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein each of the first and second color filters includes a red, green, and blue color filter. 前記第1および第2のフィルタはそれぞれ、ベイヤー配列であり、前記ベイヤー配列1単位に2個存在する緑の画素ブロック間で画像マッチング処理を行うことにより、前記被写体までの距離を求めることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の固体撮像装置。   Each of the first and second filters is a Bayer array, and the distance to the subject is obtained by performing an image matching process between two green pixel blocks that exist in one unit of the Bayer array. The solid-state imaging device according to claim 1.
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