JP2014096428A - 固体撮像装置および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速なオートフォーカス制御と良好な画質の画像の取得とを両立させることができる固体撮像装置および撮像装置を提供する。
【解決手段】画素は、第１の画素と第２の画素とを含み、第１の画素は、第１の基板内に形成され、入射光を電気信号に変換する第１の光電変換手段を備え、第２の画素は、第１の基板内に形成され、入射光を電気信号に変換する第２の光電変換手段と、第１の基板内に形成され、第２の光電変換手段に入射する光線を選択する光線選択手段と、第２の基板内に形成され、第１の基板を透過した入射光を電気信号に変換する第３の光電変換手段とを備え、第１の光電変換手段によって変換された電気信号と、第３の光電変換手段によって変換された電気信号とを、画像信号として出力し、第２の光電変換手段によって変換された電気信号を、フォーカス信号として出力する。
【選択図】図４

Description

本発明は、固体撮像装置および撮像装置に関する。

近年、固体撮像装置としてＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：相補型金属酸化膜半導体）型固体撮像装置（以下、「ＭＯＳ型固体撮像装置」という）が注目され、実用化されている。
このＭＯＳ型固体撮像装置は、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ：電荷結合素子）型固体撮像装置と異なり、単一電源で駆動することが可能である。また、ＣＣＤ型固体撮像装置では、専用の製造プロセスを必要とするのに対し、ＭＯＳ型固体撮像装置は、他のＬＳＩと同じ製造プロセスを用いて製造することができることからＳＯＣ（Ｓｙｓｔｅｍ Ｏｎ Ｃｈｉｐ）への対応が容易であり、固体撮像装置の多機能化を可能としている。
また、ＭＯＳ型固体撮像装置は、各画素に増幅回路を備えることによって画素内で信号電荷を増幅しているため、信号の伝達経路からのノイズの影響を受けづらい構成になっている。さらに、各画素の信号電荷を選択して取り出す（選択方式）ことが可能であり、原理上、信号の蓄積時間や読み出し順序を画素毎に自由に制御することができるという特徴がある。

従来から、ＭＯＳ型固体撮像装置（以下、「固体撮像装置」ともいう）を搭載した撮像装置として、デジタル一眼レフカメラがある。
従来のデジタル一眼レフカメラでは、レンズを通過した被写体光（入射光）を固体撮像装置に入射させると共に、ミラーを使用して、例えば、位相差ＡＦセンサのようなオートフォーカス（ＡＦ）用のセンサに被写体光を導いて、被写体情報を得ている。

しかし、上記のようなミラーを備えない、いわゆる、ミラーレスカメラも普及している。このミラーレスカメラでは、従来のデジタル一眼レフカメラのように、被写体光をミラーによって位相差ＡＦセンサに導くことができない。このため、ミラーレスカメラにおけるＡＦ方式では、固体撮像装置から出力される画素信号に基づいてオートフォーカスの制御を行う、いわゆる、コントラストＡＦの方式を採用せざるを得ない。

しかしながら、一般的に、コントラストＡＦ方式のオートフォーカス制御は、位相差ＡＦセンサを用いた方式のオートフォーカス制御に比べて、ＡＦ動作が遅いという問題がある。
このような問題を解決するための技術として、例えば、特許文献１のように、固体撮像装置の有効画素エリア内に、画像を取得するための通常の画素だけではなく、オートフォーカス制御を行うための被写体情報を取得する位相差ＡＦ用の画素を設ける技術が開示されている。

特開２０１１−１７１７４９号公報

しかしながら、特許文献１で開示された技術のように、固体撮像装置の有効画素エリア内にオートフォーカス制御を行うために用いる位相差ＡＦ用の画素を配置すると、この位相差ＡＦ用の画素が配置された位置には通常の画素を配置することができなくなる。このため、画像を取得するための通常の画素アレイとしては、位相差ＡＦ用の画素が配置された位置に画素欠けが発生しているのと同様の状態になり、欠陥画素と同様に扱って、位相差ＡＦ用の画素が配置された位置の画素を補完する処理が必要となる。

ところで、オートフォーカス制御においてＡＦ動作の性能を確保するためには、ある程度の数の位相差ＡＦ用の画素を、固体撮像装置の画素アレイ内に配置しなければならない。このため、画像を取得するための通常の画素アレイには多数の欠陥画素を有してしまうことになり、その結果、欠陥画素の補完処理を行ったとしても、カメラとして良好な画質の画像を得ることが困難になってしまうということが懸念される。

本発明は、上記の課題認識に基づいてなされたものであり、高速なオートフォーカス制御と良好な画質の画像の取得とを両立させることができる固体撮像装置および撮像装置を提供することを目的としている。

上記の課題を解決するため、本発明の固体撮像装置は、画素を構成する回路要素が形成された第１の基板と第２の基板とが接続部によって電気的に接続されている固体撮像装置であって、前記画素は、第１の画素と第２の画素とを含み、前記第１の画素は、前記第１の基板内に形成され、入射光を電気信号に変換する第１の光電変換手段、を備え、前記第２の画素は、前記第１の基板内に形成され、入射光を電気信号に変換する第２の光電変換手段と、前記第１の基板内に形成され、前記第２の光電変換手段に入射する光線を選択する光線選択手段と、前記第２の基板内に形成され、前記第１の基板を透過した入射光を電気信号に変換する第３の光電変換手段と、を備え、前記第１の光電変換手段によって変換された電気信号と、前記第３の光電変換手段によって変換された電気信号とを、画像信号として出力し、前記第２の光電変換手段によって変換された電気信号を、フォーカス信号として出力する、ことを特徴とする。

また、本発明の撮像装置は、画素を構成する回路要素が形成された第１の基板と第２の基板とが接続部によって電気的に接続されている固体撮像装置であって、前記画素は、第１の画素と第２の画素とを含み、前記第１の画素は、前記第１の基板内に形成され、入射光を電気信号に変換する第１の光電変換手段、を備え、前記第２の画素は、前記第１の基板内に形成され、入射光を電気信号に変換する第２の光電変換手段と、前記第１の基板内に形成され、前記第２の光電変換手段に入射する光線を選択する光線選択手段と、前記第２の基板内に形成され、前記第１の基板を透過した入射光を電気信号に変換する第３の光電変換手段と、を備え、前記第１の光電変換手段によって変換された電気信号と、前記第３の光電変換手段によって変換された電気信号とを、画像信号として出力し、前記第２の光電変換手段によって変換された電気信号を、フォーカス信号として出力する固体撮像装置、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、高速なオートフォーカス制御と良好な画質の画像の取得とを両立させることができる固体撮像装置および撮像装置を提供することができるという効果が得られる。

本発明の実施形態による固体撮像装置の概略構成を示した概観図である。 本実施形態の固体撮像装置内の画素チップの概略構成を示した回路図である。 本実施形態の固体撮像装置内の画素信号処理チップの概略構成を示した回路図である。 本実施形態の固体撮像装置の単位画素および単位メモリの第１の構造を示した断面図である。 本実施形態の固体撮像装置の単位画素および単位メモリの第２の構造を示した断面図である。 本発明の実施形態による固体撮像装置を搭載した撮像装置の概略構成を示したブロック図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明は、例示のために特定の詳細な内容が含まれている。しかし、当業者であれば、以下に説明する詳細な内容に様々な変更を加えた場合であっても、本発明の範囲を超えないことは理解できるであろう。従って、以下に説明する本発明の例示的な実施形態は、権利を請求された発明に対して、一般性を失わせることなく、また、何ら限定をすることもなく、述べられたものである。

＜固体撮像装置＞
図１は、本実施形態による固体撮像装置の概略構成を示した概観図である。図１において、固体撮像装置１は、画素チップ１１、画素信号処理チップ１２、チップ接続部１３から構成される。

画素チップ１１は、後述する光電変換部を含む通常の画素が２次元状に配列され、入射した被写体光（入射光）を電気信号に変換するチップである。また、画素チップ１１内の予め定められた画素の位置には、オートフォーカス制御に用いられる位相差ＡＦ用の画素が配置されている。画素チップ１１は、画素チップ１１内の信号、あるいは画素信号処理チップ１２から送信された信号によって駆動、制御される。そして、画素チップ１１は、変換した電気信号を画素信号処理チップ１２に送信する。

画素信号処理チップ１２は、画素チップ１１から送信されてきた電気信号の一時的な記憶（保持）や積分、電気信号に対する簡単な演算などの処理を行うチップである。また、画素チップ１１において位相差ＡＦ用の画素が配置された位置に対応する画素信号処理チップ１２内の位置には、画素チップ１１に配置された通常の画素と同様に、入射した被写体光（入射光）を電気信号に変換する画素が配置されている。また、画素信号処理チップ１２は、画素チップ１１を駆動、制御するための信号を画素チップ１１に送信する。

チップ接続部１３は、画素チップ１１と画素信号処理チップ１２とを電気的に接続するための接続部である。チップ接続部１３は、例えば、蒸着法、めっき法で作製されるバンプなどを用いる。なお、チップ接続部１３は、画素チップ１１に配置された電極（第１の電極）と画素信号処理チップ１２に配置された電極（第２の電極）とを接続する構成にしても良い。また、画素チップ１１と画素信号処理チップ１２との間に存在する空間には、接着剤などの絶縁部材を充填させてもよい。画素チップ１１と画素信号処理チップ１２とは、チップ接続部１３を介して信号の送受信を行う。

次に、本実施形態の画素チップ１１について説明する。図２は、本実施形態の固体撮像装置１内の画素チップ１１の概略構成を示した回路図である。図２において、画素チップ１１は、画素チップ垂直走査回路１１１、画素アレイ部１１２、撮像用単位画素１１３、画素信号線１１４、画素チップ垂直走査回路信号線１１５、撮像用画素制御線１１６、ＡＦ用画素制御線１１７、ＡＦ用単位画素１１８から構成される。なお、図２に示した画素チップ１１では、複数の撮像用単位画素１１３およびＡＦ用単位画素１１８（以下、撮像用単位画素１１３およびＡＦ用単位画素１１８を区別しない場合には、単に「単位画素」という）が、１０行１０列に２次元的に配置された画素アレイ部１１２の例を示している。

なお、図２に示した画素チップ１１において、各符号の後に表す“（）：括弧”内の数字および記号は、画素チップ１１内に配置されている単位画素のそれぞれに対応した行番号と列番号とを表す。そして、“（）：括弧”内の最初の数字は行番号、最後の数字は列番号を示す。例えば、２行２列目のＡＦ用単位画素１１８は、ＡＦ用単位画素１１８（２，２）と表し、２行３列目の撮像用単位画素１１３は、撮像用単位画素１１３（２，３）と表す。また、行番号または列番号のいずれか一方のみ、すなわち、同一の行番号または列番号を表す場合には、同一の行番号または列番号を数字で表し、同一ではない行番号または列番号を“＊：アスタリスク”で表す。例えば、１行目の撮像用画素制御線１１６は、撮像用画素制御線１１６（１，＊）と表し、２行目のＡＦ用画素制御線１１７は、ＡＦ用画素制御線１１７（２，＊）と表す。また、行番号および列番号の両方を特定しない場合には、各符号の後の“（）：括弧”を表記しない。

画素チップ垂直走査回路１１１は、画素アレイ部１１２内のそれぞれの単位画素を制御し、各単位画素の画素信号を対応するそれぞれの画素信号線１１４に出力させる。画素チップ垂直走査回路１１１は、制御線（撮像用画素制御線１１６およびＡＦ用画素制御線１１７）に、単位画素を制御するための制御信号を、画素アレイ部１１２に配置された単位画素の行毎に出力する。

画素アレイ部１１２内のそれぞれの撮像用単位画素１１３は、リセットされたときのリセット信号、および入射した被写体光の受光量（光線量）に応じた電気信号を撮像用画素信号として、撮像用画素信号の出力期間中に画素信号線１１４に出力する。また、画素アレイ部１１２内には、任意の間隔でＡＦ用単位画素１１８が配置されており、画素アレイ部１１２内のそれぞれのＡＦ用単位画素１１８は、入射した被写体光の受光量（光線量）に応じた電気信号をＡＦ用画素信号として、ＡＦ用画素信号の出力期間中に画素信号線１１４に出力する。

なお、図２においては、撮像用単位画素１１３を制御するための撮像用画素制御線１１６と、ＡＦ用単位画素１１８を制御するためのＡＦ用画素制御線１１７とを分けて示しているが、撮像用単位画素１１３の制御とＡＦ用単位画素１１８の制御とを、同じ制御線で行う構成であってもよい。また、撮像用単位画素１１３とＡＦ用単位画素１１８との制御を行うタイミングも同じであってもよい。

画素信号線１１４および画素チップ垂直走査回路信号線１１５は、チップ接続部１３を介して画素信号処理チップ１２に接続される。画素チップ１１と画素信号処理チップ１２とは、画素信号線１１４および画素チップ垂直走査回路信号線１１５によって、画素チップ１１の駆動、制御に必要な各種信号、および画素チップ１１内のそれぞれの撮像用単位画素１１３またはＡＦ用単位画素１１８が出力する撮像用画素信号またはＡＦ用画素信号の送受信を行う。

次に、本実施形態の画素信号処理チップ１２について説明する。図３は、本実施形態の固体撮像装置１内の画素信号処理チップ１２の概略構成を示した回路図である。図３において、画素信号処理チップ１２は、画素信号処理チップ垂直走査回路１２１、メモリアレイ部１２２、撮像用単位メモリ１２３、メモリ信号線１２４、画素信号処理チップ垂直信号線１２５、画素信号処理チップ列処理回路１２６、画素信号処理チップ水平走査回路１２７、画素信号処理チップ水平走査回路信号線１２８、イメージセンサ制御回路１２９、イメージセンサ制御回路信号線１２１０、撮像用メモリ制御線１２１１、ＡＦ用メモリ制御線１２１２、ＡＦ用単位メモリ１２１３から構成される。なお、図３に示した画素信号処理チップ１２では、複数の撮像用単位メモリ１２３およびＡＦ用単位メモリ１２１３（以下、撮像用単位メモリ１２３およびＡＦ用単位メモリ１２１３を区別しない場合には、単に「単位メモリ」という）が、１０行１０列に２次元的に配置されたメモリアレイ部１２２の例を示している。

なお、図３に示した画素信号処理チップ１２において、各符号の後に表す“（）：括弧”内の数字および記号は、画素信号処理チップ１２内に配置されている単位メモリのそれぞれに対応した行番号と列番号とを表し、その表し方は、図２に示した画素チップ１１と同様である。

画素信号処理チップ垂直走査回路１２１は、メモリアレイ部１２２内のそれぞれの単位メモリを制御し、各単位メモリのメモリ信号を対応するそれぞれの画素信号処理チップ垂直信号線１２５に出力させる。画素信号処理チップ垂直走査回路１２１は、制御線（撮像用メモリ制御線１２１１およびＡＦ用メモリ制御線１２１２）に、単位メモリを制御するための制御信号を、メモリアレイ部１２２に配置された単位メモリの行毎に出力する。

メモリアレイ部１２２内のそれぞれの撮像用単位メモリ１２３には、画素チップ１１に備えた画素アレイ部１１２内の対応するそれぞれの撮像用単位画素１１３からチップ接続部１３を介してメモリ信号線１２４に送信された撮像用画素信号が入力される。また、メモリアレイ部１２２内には、画素チップ１１において画素アレイ部１１２内に配置されたＡＦ用単位画素１１８に対応する位置に、ＡＦ用単位メモリ１２１３が配置されており、メモリアレイ部１２２内のそれぞれのＡＦ用単位メモリ１２１３には、対応するそれぞれのＡＦ用単位画素１１８からチップ接続部１３を介してメモリ信号線１２４に送信されたＡＦ用画素信号が入力される。そして、それぞれの単位メモリは、入力された撮像用画素信号またはＡＦ用画素信号に応じた電気信号を、メモリ信号として画素信号処理チップ垂直信号線１２５に出力する。

なお、図３においては、撮像用単位メモリ１２３を制御するための撮像用メモリ制御線１２１１と、ＡＦ用単位メモリ１２１３を制御するためのＡＦ用メモリ制御線１２１２とを分けて示しているが、撮像用単位メモリ１２３の制御とＡＦ用単位メモリ１２１３の制御とを、同じ制御線で行う構成であってもよい。また、撮像用単位メモリ１２３とＡＦ用単位メモリ１２１３との制御を行うタイミングも同じであってもよい。

画素信号処理チップ列処理回路１２６は、単位メモリから送信されたメモリ信号に対する処理を行う。画素信号処理チップ列処理回路１２６によるメモリ信号に対する処理では、イメージセンサ制御回路１２９から入力されたクランプパルスΦＣＬおよびサンプルホールドパルスΦＳＨに基づいて、信号の減算（差分処理）が行われる。さらに、画素信号処理チップ列処理回路１２６による処理には、信号の増幅、比較などの処理が含まれる。また、画素信号処理チップ列処理回路１２６は、画素信号処理チップ垂直信号線１２５に接続される電流源負荷を含んでいる。

画素信号処理チップ水平走査回路１２７は、イメージセンサ制御回路１２９から入力された水平走査パルスΦＨに基づいて、画素信号処理チップ列処理回路１２６から出力された処理後のメモリ信号を順次、画素信号処理チップ水平走査回路信号線１２８に読み出す。

イメージセンサ制御回路１２９は、画素信号処理チップ垂直走査回路１２１、画素信号処理チップ列処理回路１２６、画素信号処理チップ水平走査回路１２７、および画素チップ１１内の画素チップ垂直走査回路１１１を制御する。

メモリ信号線１２４およびイメージセンサ制御回路信号線１２１０は、チップ接続部１３を介して画素チップ１１に接続される。画素チップ１１と画素信号処理チップ１２とは、メモリ信号線１２４およびイメージセンサ制御回路信号線１２１０によって、画素チップ１１の駆動、制御に必要な各種信号、および画素チップ１１内のそれぞれの撮像用単位画素１１３またはＡＦ用単位画素１１８が出力する撮像用画素信号またはＡＦ用画素信号の送受信を行う。

このイメージセンサ制御回路１２９、画素信号処理チップ垂直走査回路１２１、画素信号処理チップ列処理回路１２６、画素信号処理チップ水平走査回路１２７、および画素チップ垂直走査回路１１１による制御によって、固体撮像装置１は、入射した被写体光の受光量に応じた撮像用画素信号またはＡＦ用画素信号に基づいた画像信号またはＡＦ用信号を出力する。

＜第１の構造＞
次に、本実施形態の固体撮像装置１の第１の構造について説明する。図４は、本実施形態の固体撮像装置１の単位画素および単位メモリの第１の構造を示した断面図である。図４には、図２に示した画素チップ１１の画素アレイ部１１２内の単位画素と、図３に示した画素信号処理チップ１２のメモリアレイ部１２２内の単位メモリとによって構成される固体撮像装置１の画素の構造の一部を示しており、対応する回路要素には、同一の符号を付加している。より具体的には、画素アレイ部１１２の撮像用単位画素１１３とメモリアレイ部１２２の撮像用単位メモリ１２３とがチップ接続部１３によって接続されて構成される撮像用画素と、画素アレイ部１１２のＡＦ用単位画素１１８とメモリアレイ部１２２のＡＦ用単位メモリ１２１３とがチップ接続部１３によって接続されて構成されるＡＦ用画素との構造を示している。なお、図４に示した固体撮像装置１において、撮像用画素とＡＦ用画素とを区別しない場合には、単に「画素」という。

固体撮像装置１のそれぞれの画素には、マイクロレンズ１１２０およびカラーフィルタ（色フィルタ）１１２１が形成されている。また、それぞれの画素においては、画素チップ１１内に形成された配線層１１２４と、画素信号処理チップ１２内に形成された配線層１２１４とが、チップ接続部１３によって接続されている。この配線層１１２４と配線層１２１４とは、画素内の異なる層同士を接続する、いわゆる、ＶＩＡやコンタクトなどといわれる基板内接続部によって接続された、撮像用単位画素１１３およびＡＦ用単位画素１１８内の配線と、撮像用単位メモリ１２３およびＡＦ用単位メモリ１２１３内の配線である。

撮像用画素は、撮像用単位画素１１３内に撮像用フォトダイオード１１９が形成されている。撮像用フォトダイオード１１９は、マイクロレンズ１１２０およびカラーフィルタ１１２１を透過した被写体光を受光して、撮像用画素信号を出力する光電変換部である。なお、撮像用画素の構造は、通常の画素の構造と同様であるため、詳細な説明は省略する。

また、ＡＦ用画素は、ＡＦ用単位画素１１８内にＡＦ用フォトダイオード１１２２と遮光部材１１２３とが形成され、ＡＦ用単位メモリ１２１３内に撮像用フォトダイオード１２１５が形成されている。
ＡＦ用フォトダイオード１１２２は、マイクロレンズ１１２０およびカラーフィルタ１１２１を透過した被写体光を受光して、ＡＦ用画素信号を出力する光電変換部である。

遮光部材１１２３は、ＡＦ用フォトダイオード１１２２に入射する被写体光の一部を遮光する。また、遮光部材１１２３は、図４に示したＡＦ用単位画素１１８（２，２）とＡＦ用単位画素１１８（２，４）とのように、ＡＦ用フォトダイオード１１２２に入射する被写体光の方向（入射方向）が異なる位置に形成される。この遮光部材１１２３の位置の違い、すなわち、被写体光の入射方向の違いによって、ＡＦ用単位画素１１８（２，２）とＡＦ用単位画素１１８（２，４）とのそれぞれが出力するＡＦ用画素信号が位相差を持つことになる。そして、固体撮像装置１を搭載した撮像装置では、ＡＦ用単位画素１１８（２，２）とＡＦ用単位画素１１８（２，４）とを、対応する１つの組として扱うことによって、位相差ＡＦセンサを用いた方式のオートフォーカス制御と同様のオートフォーカス制御を、固体撮像装置１が出力したＡＦ用信号に基づいて行うことができる。図４には、ＡＦ用単位画素１１８（２，２）とＡＦ用単位画素１１８（２，４）とに具備されるＡＦ用フォトダイオード１１２２に異なる光路で光線が入射する位置に、遮光部材１１２３を形成した一例を示している。

撮像用フォトダイオード１２１５は、ＡＦ用単位画素１１８を透過した被写体光を受光して、ＡＦ用画素が配置された位置における撮像用画素信号を出力する光電変換部である。そして、固体撮像装置１は、撮像用フォトダイオード１１９が出力した撮像用画素信号と、撮像用フォトダイオード１２１５が出力した撮像用画素信号とを、入射した被写体光の受光量に応じた画像信号として出力する。これにより、固体撮像装置１では、従来の固体撮像装置のような、ＡＦ用画素が配置された位置での画素欠けの発生を防ぐことができ、固体撮像装置１を搭載した撮像装置は、良好な画質の画像を生成することができる。

なお、固体撮像装置１において、ＡＦ用画素を配置する位置は、カラーフィルタ１１２１が赤色の光線を透過するカラーフィルタである位置が望ましい。これは、赤色の光線は光の波長が長いため、被写体光が撮像用フォトダイオード１２１５まで到達しやすいからである。

なお、撮像用フォトダイオード１２１５は、上述したように、ＡＦ用単位画素１１８を透過した被写体光を受光して撮像用画素信号を出力する。このため、撮像用フォトダイオード１２１５が出力する撮像用画素信号は、撮像用フォトダイオード１１９が出力する撮像用画素信号に比べて、電気信号のレベルが低くなってしまうことが考えられる。しかし、この場合には、例えば、ＡＦ用画素が配置された位置に対応した画素信号処理チップ列処理回路１２６が、信号を増幅して出力することによって、撮像用フォトダイオード１２１５が出力する撮像用画素信号のレベルを、撮像用フォトダイオード１１９が出力する撮像用画素信号のレベルと同等のレベルにした画像信号を出力する対応が考えられる。また、固体撮像装置１を搭載した撮像装置による画像処理によって、ＡＦ用画素が配置された位置の画像信号のレベルを、撮像用画素が配置された位置の画像信号のレベルと同等にする対応も考えられる。

＜第２の構造＞
次に、本実施形態の固体撮像装置１の第２の構造について説明する。図５は、本実施形態の固体撮像装置１の単位画素および単位メモリの第２の構造を示した断面図である。図５には、図４に示した固体撮像装置１の第１の構造と同様に、図２に示した画素チップ１１の画素アレイ部１１２内の単位画素と、図３に示した画素信号処理チップ１２のメモリアレイ部１２２内の単位メモリとによって構成される固体撮像装置１の画素の構造の一部を示しており、対応する回路要素には、同一の符号を付加している。なお、本実施形態の固体撮像装置１における第２の構造と、図４に示した第１の構造との違いは、ＡＦ用画素の構造が異なるのみである。従って、以下の説明においては、撮像用画素およびＡＦ用画素の構造において、図４に示した第１の構造と同様の構造に関する説明は省略し、第１の構造と異なる構造について説明する。

第２の構造におけるＡＦ用画素は、ＡＦ用単位画素１１８内にＡＦ用フォトダイオード１１２２と光導波路１１２５とが形成され、ＡＦ用単位メモリ１２１３内に撮像用フォトダイオード１２１５と光導波路１２２５とが形成されている。

光導波路１１２５と光導波路１２２５とは、マイクロレンズ１１２０およびカラーフィルタ１１２１を透過したＡＦ用単位画素１１８の領域内の被写体光を、撮像用フォトダイオード１２１５に導く。これにより、第２の構造の固体撮像装置１では、被写体光を、図４に示した第１の構造の固体撮像装置１よりも効率的に撮像用フォトダイオード１２１５に導くことができる。これにより、第２の構造の固体撮像装置１では、図４に示した第１の構造の固体撮像装置１のような、カラーフィルタ１１２１の色による差をなくすことができる。

図５に示した第２の構造では、光導波路１１２５が、ＡＦ用フォトダイオード１１２２に入射する被写体光の一部を遮光する、図４に示した第１の構造における遮光部材１１２３の機能を兼務する位置に形成される。すなわち、光導波路１１２５と光導波路１２２５とは、図５に示したＡＦ用単位画素１１８（２，２）とＡＦ用単位画素１１８（２，４）とのように、ＡＦ用フォトダイオード１１２２に入射する特定の方向の被写体光を遮光する位置に形成される。この光導波路１１２５と光導波路１２２５との位置の違いによって、ＡＦ用単位画素１１８（２，２）とＡＦ用単位画素１１８（２，４）とのそれぞれが出力するＡＦ用画素信号が位相差を持つことになる。そして、固体撮像装置１を搭載した撮像装置が、図４に示した第１の構造の固体撮像装置１と同様に、ＡＦ用単位画素１１８（２，２）とＡＦ用単位画素１１８（２，４）とを、対応する１つの組として扱うことによって、固体撮像装置１が出力したＡＦ用信号に基づいて、位相差ＡＦセンサを用いた方式のオートフォーカス制御と同様のオートフォーカス制御を行うことができる。図５には、ＡＦ用単位画素１１８（２，２）とＡＦ用単位画素１１８（２，４）とに具備されるＡＦ用フォトダイオード１１２２に異なる光路で光線が入射する位置に、光導波路１１２５と光導波路１２２５とを形成した一例を示している。

なお、図５に示した第２の構造では、上述したように、光導波路１１２５が、図４に示した第１の構造における遮光部材１１２３の機能を兼務する位置に形成されている。このため、第２の構造では、第１の構造における遮光部材１１２３を形成していない構造を示している。しかし、第２の構造においても、遮光部材１１２３を形成した構造にすることができる。この場合、遮光部材１１２３を、光導波路１１２５と光導波路１２２５とは異なる位置に形成することによって、被写体光がＡＦ用フォトダイオード１１２２に入射する開口部の形状を変えることができる。例えば、遮光部材１１２３を、光導波路１１２５と光導波路１２２５とが形成された位置と反対方向の位置に形成することによって、被写体光がＡＦ用フォトダイオード１１２２に入射する開口部の形状をスリット状にすることができる。

撮像用フォトダイオード１２１５は、光導波路１１２５と光導波路１２２５とによって導かれた被写体光を受光して、ＡＦ用画素が配置された位置における撮像用画素信号を出力する。そして、固体撮像装置１は、撮像用フォトダイオード１１９が出力した撮像用画素信号と、撮像用フォトダイオード１２１５が出力した撮像用画素信号とを、入射した被写体光の受光量に応じた画像信号として出力する。これにより、第２の構造の固体撮像装置１でも、図４に示した第１の構造の固体撮像装置１と同様に、従来の固体撮像装置のような、ＡＦ用画素が配置された位置での画素欠けの発生を防ぐことができ、固体撮像装置１を搭載した撮像装置は、良好な画質の画像を生成することができる。

なお、撮像用フォトダイオード１２１５は、上述したように、光導波路１１２５と光導波路１２２５とによって導かれた被写体光を受光して撮像用画素信号を出力する。このため、撮像用フォトダイオード１２１５が出力する撮像用画素信号と撮像用フォトダイオード１１９が出力する撮像用画素信号との電気信号のレベルの差は、図４に示した第１の構造における電気信号のレベルの差よりも少なくなると考えられる。しかし、撮像用フォトダイオード１２１５が出力する撮像用画素信号と撮像用フォトダイオード１１９が出力する撮像用画素信号との若干のレベルの差をなくすために、図４に示した第１の構造の固体撮像装置１と同様の対応を行ってもよい。

上記に述べたように、本実施形態の固体撮像装置１では、固体撮像装置１の有効画素領域内、すなわち、画素チップ１１内の画素アレイ部１１２および画素信号処理チップ１２内のメモリアレイ部１２２の領域内に、画像を取得するための撮像用画素だけではなく、オートフォーカス制御を行うための位相差の情報を取得するＡＦ用画素を設ける。そして、ＡＦ用画素内には、ＡＦ用画素信号を出力するＡＦ用フォトダイオード１１２２に加えて、撮像用画素信号を出力する撮像用フォトダイオード１２１５を設ける。これにより、本実施形態の固体撮像装置１では、ＡＦ用画素が配置された位置におけるＡＦ用画素信号に基づいたＡＦ用信号を出力することができ、さらに、ＡＦ用画素が配置された位置における撮像用画素信号に基づいた画像信号を、撮像用画素の撮像用画素信号に基づいた画像信号と共に出力することができる。このことにより、本実施形態の固体撮像装置１を搭載した撮像装置では、固体撮像装置１が出力したＡＦ用信号に基づいて、位相差ＡＦセンサを用いた方式のオートフォーカス制御と同様の高速なオートフォーカス制御を行うことができ、ＡＦ用画素が配置された位置における欠陥画素の補完処理を行わない良好な画質の画像を取得することができる。

なお、固体撮像装置１の有効画素領域内に配置されるＡＦ用画素の位置は、固体撮像装置１を搭載した撮像装置において位相差ＡＦ用のオートフォーカス制御を行う際に必要な位置に配置されることが望ましい。

＜撮像装置＞
次に、第１の構造または第２の構造の固体撮像装置１のいずれかを搭載した撮像装置について説明する。図６は、本発明の実施形態による固体撮像装置１を搭載した撮像装置（例えば、ミラーレスデジタルカメラ）の概略構成を示したブロック図である。ここに示した各構成要素は、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子で実現することができ、ソフトウェア的にはコンピュータプログラムなどによって実現されるものであるが、ここでは、これらの連携によって実現される機能ブロックとして示している。従って、これらの機能ブロックは、ハードウェア、ソフトウェアの組合せによって、様々な形式で実現できるということは、当業者には理解できるであろう。

図６に示した撮像装置２は、レンズユニット部２１、固体撮像装置１、発光装置２２、メモリ２３、記録装置２４、表示装置２５、画像信号処理回路２６、レンズ制御装置２７、イメージセンサ制御装置２８、発光制御装置２９、カメラ制御装置２１０から構成される。

レンズユニット部２１は、レンズ制御装置２７によってズーム、フォーカス、絞りなどが駆動制御され、被写体像を固体撮像装置１に結像させる。

固体撮像装置１は、第１の構造または第２の構造の固体撮像装置１である。固体撮像装置１は、イメージセンサ制御装置２８によって駆動、制御され、レンズユニット部２１を介して固体撮像装置１に入射した被写体光の受光量に応じた画像信号を出力するＭＯＳ型固体撮像装置である。また、固体撮像装置１は、入射した被写体光の受光量に応じたＡＦ用信号も出力する。

発光装置２２は、発光制御装置２９によって駆動、制御され、発光装置２２から発せられる光を被写体に当てることにより、被写体から反射する光を調節するストロボやフラッシュなどの装置である。

画像信号処理回路２６は、固体撮像装置１から出力された画像信号に対して、信号の増幅、画像データへの変換および各種の補正、画像データの圧縮などの処理を行う。また、画像信号処理回路２６は、固体撮像装置１から出力されたＡＦ用信号に基づいて、位相差ＡＦセンサを用いた方式のオートフォーカス制御と同様のオートフォーカス制御を行うための処理を行う。なお、画像信号処理回路２６は、各処理における画像データや処理データの一時記憶手段としてメモリ２３を利用する。

記録装置２４は、半導体メモリなどの着脱可能な記録媒体であり、画像データや処理データの記録または読み出しを行う。
表示装置２５は、固体撮像装置１に結像され、画像信号処理回路２６によって処理された画像データ、または記録装置２４から読み出された画像データに基づく画像を表示する液晶などの表示装置である。

カメラ制御装置２１０は、撮像装置２の全体の制御を行う制御装置である。また、カメラ制御装置２１０は、画像信号処理回路２６による位相差ＡＦセンサを用いた方式のオートフォーカス制御の処理結果に基づいて、レンズ制御装置２７を制御することによって、レンズユニット部２１によるフォーカス駆動を制御する。また、カメラ制御装置２１０は、イメージセンサ制御装置２８と発光制御装置２９とを制御することによって、固体撮像装置１と、発光装置２２とを協調制御する。

上記に述べたように、本実施形態の撮像装置２は、第１の構造または第２の構造の固体撮像装置１を搭載する。これにより、本実施形態の撮像装置２に備えた画像信号処理回路２６は、位相差ＡＦセンサを用いた方式のオートフォーカス制御と同様のオートフォーカス制御を行うと共に、良好な画質の画像を生成することができる。

上記に述べたように、本発明を実施するための形態によれば、固体撮像装置の有効画素領域内に、画像を取得するための通常の撮像用の画素だけではなく、オートフォーカス制御を行うための位相差の情報を取得する位相差ＡＦ用の画素を設ける。そして、位相差ＡＦ用の画素内には、位相差ＡＦ用の画素信号を出力するためのフォトダイオードに加えて、通常の撮像用の画素信号を出力するためのフォトダイオードを設ける。これにより、本発明を実施するための形態による固体撮像装置では、位相差ＡＦ用の画素が配置された位置における位相差ＡＦ用の画素信号に基づいた位相差ＡＦ用の信号を出力することができる。また、本発明を実施するための形態による固体撮像装置では、位相差ＡＦ用の画素が配置された位置における通常の撮像用の画素信号に基づいた画像信号を、通常の撮像用の画素が配置された位置における通常の撮像用の画素信号に基づいた画像信号と共に出力することができる。

このことにより、本発明を実施するための形態による固体撮像装置を搭載した撮像装置では、固体撮像装置が出力した位相差ＡＦ用の信号に基づいて、位相差ＡＦセンサを用いた方式のオートフォーカス制御と同様の高速なオートフォーカス制御を行うことができる。また、本発明を実施するための形態による固体撮像装置を搭載した撮像装置では、位相差ＡＦ用の画素が配置された位置において欠陥画素の補完処理を行う必要がなくなり、欠陥画素の補完処理を行っていない良好な画質の画像を取得することができる。

なお、本発明における具体的な構成や構造は、本発明を実施するための形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更をすることができる。例えば、画素（本実施形態においては、撮像用単位画素１１３と撮像用単位メモリ１２３とよって構成される撮像用画素や、ＡＦ用単位画素１１８とＡＦ用単位メモリ１２１３とによって構成されるＡＦ用画素）内の回路要素が変わったことにより、固体撮像装置または画素の構成要素や回路構成が変更された場合でも、それぞれの画素に備えるフォトダイオードや遮光部材、光導波路を形成する方法として、本発明の考え方を適用することができる。

また、単位画素や単位メモリの行方向および列方向の配置は、本発明を実施するための形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において単位画素や単位メモリを配置する行方向および列方向の数を変更することができる。

また、本発明の実施形態に係る固体撮像装置は、２枚の基板が接続部により接続されていてもよいし、３枚以上の基板が接続部で接続されていてもよい。３枚以上の基板が接続部で接続される固体撮像装置の場合、そのうちの２枚が請求項に係る第１の基板と第２の基板に相当する。

以上、本発明の実施形態について、図面を参照して説明してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲においての種々の変更も含まれる。

１・・・固体撮像装置
１１・・・画素チップ（第１の基板）
１１１・・・画素チップ垂直走査回路
１１２・・・画素アレイ部（画素，第１の画素，第２の画素）
１１３・・・撮像用単位画素（画素，第１の画素）
１１４・・・画素信号線
１１５・・・画素チップ垂直走査回路信号線
１１６・・・撮像用画素制御線
１１７・・・ＡＦ用画素制御線
１１８・・・ＡＦ用単位画素（画素，第２の画素）
１１９・・・撮像用フォトダイオード（第１の光電変換手段）
１１２０・・・マイクロレンズ
１１２１・・・カラーフィルタ（画素，第１の画素，第２の画素，色フィルタ）
１１２２・・・ＡＦ用フォトダイオード（第２の光電変換手段）
１１２３・・・遮光部材（光線選択手段，遮光部材）
１１２４・・・配線層
１１２５・・・光導波路（光線選択手段，光導波路）
１２・・・画素信号処理チップ（第２の基板）
１２１・・・画素信号処理チップ垂直走査回路
１２２・・・メモリアレイ部（画素，第１の画素，第２の画素）
１２３・・・撮像用単位メモリ（画素，第１の画素）
１２４・・・メモリ信号線
１２５・・・画素信号処理チップ垂直信号線
１２６・・・画素信号処理チップ列処理回路
１２７・・・画素信号処理チップ水平走査回路
１２８・・・画素信号処理チップ水平走査回路信号線
１２９・・・イメージセンサ制御回路
１２１０・・・イメージセンサ制御回路信号線
１２１１・・・撮像用メモリ制御線
１２１２・・・ＡＦ用メモリ制御線
１２１３・・・ＡＦ用単位メモリ（画素，第２の画素）
１２１４・・・配線層
１２１５・・・撮像用フォトダイオード（第３の光電変換手段）
１２２５・・・光導波路（光線選択手段，光導波路）
１３・・・チップ接続部（接続部）
２・・・撮像装置
２１・・・レンズユニット部
２２・・・発光装置
２３・・・メモリ
２４・・・記録装置
２５・・・表示装置
２６・・・画像信号処理回路
２７・・・レンズ制御装置
２８・・・イメージセンサ制御装置
２９・・・発光制御装置
２１０・・・カメラ制御装置

Claims (5)

1. 画素を構成する回路要素が形成された第１の基板と第２の基板とが接続部によって電気的に接続されている固体撮像装置であって、
   前記画素は、
   第１の画素と第２の画素とを含み、
   前記第１の画素は、
   前記第１の基板内に形成され、入射光を電気信号に変換する第１の光電変換手段、
   を備え、
   前記第２の画素は、
   前記第１の基板内に形成され、入射光を電気信号に変換する第２の光電変換手段と、
   前記第１の基板内に形成され、前記第２の光電変換手段に入射する光線を選択する光線選択手段と、
   前記第２の基板内に形成され、前記第１の基板を透過した入射光を電気信号に変換する第３の光電変換手段と、
   を備え、
   前記第１の光電変換手段によって変換された電気信号と、前記第３の光電変換手段によって変換された電気信号とを、画像信号として出力し、
   前記第２の光電変換手段によって変換された電気信号を、フォーカス信号として出力する、
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記光線選択手段は、
   該光線選択手段が形成された前記第２の画素の前記第１の基板の領域内に入射した光線を、対応する前記第２の基板内の前記第３の光電変換手段に導く光導波路を備え、
   該光導波路が前記第３の光電変換手段に導かない光線が前記第２の光電変換手段に入射することによって、前記第２の光電変換手段に入射する光線を選択する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
3. 前記光線選択手段は、
   前記第２の光電変換手段に入射する光の一部を遮光する遮光部材を備える、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体撮像装置。
4. 前記第２の画素は、
   当該固体撮像装置に形成された前記画素のそれぞれに対応した色フィルタの内、赤色の光線を透過する色フィルタが形成された位置に配置する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
5. 画素を構成する回路要素が形成された第１の基板と第２の基板とが接続部によって電気的に接続されている固体撮像装置であって、
   前記画素は、
   第１の画素と第２の画素とを含み、
   前記第１の画素は、
   前記第１の基板内に形成され、入射光を電気信号に変換する第１の光電変換手段、
   を備え、
   前記第２の画素は、
   前記第１の基板内に形成され、入射光を電気信号に変換する第２の光電変換手段と、
   前記第１の基板内に形成され、前記第２の光電変換手段に入射する光線を選択する光線選択手段と、
   前記第２の基板内に形成され、前記第１の基板を透過した入射光を電気信号に変換する第３の光電変換手段と、
   を備え、
   前記第１の光電変換手段によって変換された電気信号と、前記第３の光電変換手段によって変換された電気信号とを、画像信号として出力し、
   前記第２の光電変換手段によって変換された電気信号を、フォーカス信号として出力する固体撮像装置、
   を備えることを特徴とする撮像装置。

Images