JP2015228466A - 撮像装置及び撮像システム - Google Patents

Abstract

【課題】 撮像面で位相差検出を行なうことが可能な撮像装置において、感度の維持と焦点検出精度の向上を図る。
【解決手段】 本発明の撮像装置は、位相差検出を行なうことが可能な焦点検出用の画素を含む複数の画素が２次元状に配された画素領域と、撮像用画素の光電変換部に対応して設けられたマイクロレンズと、焦点検出用画素の光電変換部に対応して設けられたマイクロレンズと、を有し、前記マイクロレンズを前記光電変換部に対し正射影した際の頂点の位置と中心の位置とがずれていることを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、非対称マイクロレンズを有する撮像装置、及び撮像システムに関する。

特許文献１、２には撮像面に撮像用画素と、位相差検出を行なうことが可能な焦点検出用画素とを設けた撮像装置が記載されている。特許文献１には、焦点検出用画素のマイクロレンズの焦点を、撮像用画素のマイクロレンズの焦点よりもマイクロレンズ側に配した構成が開示されている。特許文献２には、焦点検出用画素のマイクロレンズおよび撮像用画素のマイクロレンズの位置を像高に応じて変化させる構成が開示されている。

また特許文献３には、画素集合を構成する各画素にそれぞれ異なる形状のマイクロレンズを配して、これらの画素からの出力を比較することで焦点検出を行なう構成が開示されている。

特開２００９‐１０９９６５号公報 特開２００９‐２９０１５７号公報 特開２００９‐０８６１４４号公報

特許文献１、２は、撮像面に焦点検出用画素と撮像用画素とを設けた撮像装置において焦点検出精度を高めることが可能であるとされている。しかしながら、位相差検出による焦点検出精度と撮像性能の両立という観点では検討が充分ではなかった。ここでいう撮像性能とは、例えば、斜入射光に対する感度向上もしくは混色の低減である。特許文献３は、光路分割手段を設ける必要が無いことが可能とされているが、やはり、焦点検出精度と撮像性能の両立という点では検討が充分ではなかった。

本発明は上記課題に鑑み、撮像面に位相差検出可能な画素を設けた際の焦点検出精度と撮像性能との両立を可能にした撮像装置の提供を目的とする。

本発明の撮像装置は、複数の撮像用画素と、各々が位相差検出による焦点検出用の信号を出力する、複数の焦点検出用画素とを含む複数の画素が２次元状に配された画素領域と、前記撮像用画素の光電変換部に対応して設けられたマイクロレンズと、前記焦点検出用画素の光電変換部に対応して設けられたマイクロレンズと、を有し、前記複数のマイクロレンズのいずれかの頂点の位置が、平面視における当該マイクロレンズの中心位置からずれている非対称マイクロレンズであることを特徴とする。

本発明によれば、撮像面に位相差検出可能な画素を設けた際の焦点検出精度と撮像性能との両立が可能となる。

本発明に適用可能な撮像システムの全体ブロック図 本発明に適用可能な撮像装置の全体ブロック図 本発明に適用可能な撮像装置のチップ全体平面図 本発明に適用可能な撮像装置のチップ全体平面図 本発明に適用可能な画素回路の等価回路図の一例 本発明に適用可能な画素回路の等価回路図の一例 比較例の対称マイクロレンズを用いた撮像装置の一例 比較例の対称マイクロレンズを用いた撮像装置の一例 本発明の一実施形態の非対称マイクロレンズの上面図及び断面図 本発明の一実施形態の非対称マイクロレンズと対称マイクロレンズの比較図 本発明の一実施形態の非対称マイクロレンズを用いた撮像装置の上面図及び断面図 非対称マイクロレンズを撮像装置に適用した撮像装置の上面図及び断面図 実施例１の撮像装置の上面図及び断面図 実施例１の撮像装置の他の例を説明する図 比較例の撮像装置の上面図及び断面図 実施例１と比較例の光学特性図 実施例２及び比較例の撮像装置の上面図及び平面図 実施例２と比較例の光学特性図 実施例３の撮像装置の上面図及び断面図 実施例３の撮像装置の上面図及び断面図 実施例４の撮像装置の上面図及び断面図 実施例４の撮像装置の上面図及び断面図 実施例５の撮像装置の上面図及び断面図 実施例６の撮像装置の上面図及び断面図 実施例７の撮像装置の上面図及び断面図 実施例７の撮像装置の上面図及び断面図

本発明の一実施形態の撮像システム及び撮像装置に関して、図１、２を用いて説明する。

図１は撮像システムのブロック図を示している。撮像システム１００は、撮像レンズ１０１、撮像装置１０２、撮像レンズ制御部１０３、撮像装置制御部１０４、画像処理部１０５、絞りシャッタ制御部１０６、ＣＰＵ１０７、表示部１０８、操作スイッチ１０９、記憶部１１０を有している。

本実施形態の撮像装置１０２は撮像面での位相差に基づく焦点検出を行なうことが可能な構成である。この焦点検出動作に関して説明する。

被写体からの光が撮像レンズ１０１を通して撮像装置１０２に集光される。撮像装置１０２は、撮像レンズ１０１を通して入射した光を電気信号に変換し、この電気信号に対し所定の処理を行なった後にＣＰＵ１０７へ出力する。

撮像装置１０２は、撮像装置制御部１０４からの制御信号を受けて動作が制御される。また撮像装置制御部１０４は撮像装置１０２からの位相差検出信号などの信号を受け、画像信号や合焦状態を示す信号をＣＰＵ１０７へ送る。更に、撮像装置制御部１０４は、撮像素子の駆動モードを切り替えるための制御信号を撮像装置１０２へ送る。撮像装置制御部１０４からの信号を受けたＣＰＵ１０７は、レンズ制御部１０３へ合焦状態に関する信号を送り、レンズ制御部１０３はＣＰＵ１０７からの信号を受け撮像レンズ１０１を駆動する。この動作により、撮像装置１０２の合焦状態を調整することが可能となる。

ＣＰＵ１０７は撮像装置１０２から出力された画像信号を、画像処理部１０５に送り、画像処理部１０５で処理された後の画像信号が、表示部１０８で表示され、記録媒体１１０に記録される。操作スイッチ１０９は、ユーザが撮像システム１００の撮像に係る動作を、たとえば被写体などにより変更するために設けられるものである。絞りシャッタ制御部１０６はＣＰＵ１０７からの信号を受けて、絞り及び／またはメカシャッタの開閉状態を被写体の明るさに応じた露光量となるように制御する。

次に図２を用いて撮像装置１０２に関して説明する。

画素領域２０１には複数の画素が２次元状に配されている。紙面上下方向に沿って一列に並んだ複数の画素により画素列が構成され、これに直交する方向の複数の画素により画素行が構成される。各画素行の信号は、垂直走査回路２０２からの制御パルスを受けて、対応する複数の信号出力線へ略同時に信号が出力される。信号出力線へ出力された後に、各画素行の信号は列回路２０３に入力される。列回路２０３は、信号の保持、増幅、ノイズ除去、アナログデジタル変換のうちの少なくとも一つの処理を行なう。そしてその後、水平走査回路２０４からの制御パルスを受けて、各画素行の信号が順次水平出力線へ出力された後、出力部２０５、出力パッド２０６を介して、撮像装置１０２の外部に出力される。本例では、画素領域２０１を挟んで上下に、列回路２０３、水平走査回路２０４、出力部２０５、出力パッド２０６が配される。これら上下に設けられた各構成要素はそれぞれ画素領域の偶数列、奇数列のいずれかの信号を撮像装置１０２外部に出力するように動作する。後述する撮像用の信号及び位相差検出用の信号の両者が、上述の各構成要素を経由して、撮像装置１０２外部へ出力される。

次に図３、４を用いて、焦点検出用画素の構造に関して説明する。図３は、１つの画素の光電変換部に対し、平面視において、この光電変換部の一部を遮光する遮光部材を配した構成を有する。図４は図３とは異なり、遮光部材は設けられておらず、各画素の光電変換部が、複数の領域に分割され、これら複数の領域からの信号を独立に読み出し可能な構成となっている。

図３（ａ）は画素領域３００の平面図、図３（ｂ）は、画素領域３００に配された焦点検出用画素の平面図、図３（ｃ）は図３（ｂ）のＡＢ断面である。

画素領域３００には焦点検出用の画素と撮像用の画素の両者が配されている。焦点検出用画素３０１Ａは、図中左に偏心した位置に開口部が設けられている。つまり、焦点検出用画素３０１Ａの遮光部材３０２が、図中右に偏心した位置に配されている。焦点検出用画素３０１Ｂは、図中右に偏心した位置に開口部が設けられ、焦点検出用画素３０１Ｂの遮光部材３０２は、図中左に偏心した位置に配されている。

ここで遮光部材３０２は１層で構成する場合を例示したが、複数層で構成されてもよいし、配線で構成されてもよい。

光電変換部はＮ型半導体領域３０３とＰ型半導体領域３０４とを有するフォトダイオードにより構成される。更にＮ型半導体領域３０３の表面側にＰ型半導体領域を設けて埋め込み型フォトダイオードとしてもよい。

遮光部材３０２、配線３０７ａ、ｂ間は、層間絶縁膜３０５によりそれぞれ電気的に絶縁されている。更に最上の配線上に所定の層３０８が配される。所定の層３０８は、平坦化膜、カラーフィルタ層、保護層などから選ばれる少なくとも一つの層により構成される。所定の層３０８上にはマイクロレンズ３０９が配されている。

撮像用画素は遮光部材３０２が設けられていない構成であり、そのほかは、焦点検出用画素の構成と同じである。以下ではこのような焦点検出用画素を他の画素構造と区別するために、遮光部材を用いた焦点検出用画素と呼ぶ。この遮光部材を用いた複数の焦点検出用画素は、瞳分割された一対の焦点検出画素群を有し、位相差検出による焦点検出を行なう。上記遮光部材は、上述した撮像レンズ１０１を含む撮影光学系の射出瞳の一部の領域を通る光を受光するために設けられている。言い換えれば、この遮光部材により撮影光学系の射出瞳の他の一部の領域を通る光を遮光していると言える。

次に図４を用いて別の焦点検出用画素の構成の説明を行なう。

図４（ａ）は画素領域４００の平面図、図４（ｂ）は、画素領域４００に配された焦点検出用画素の平面図、図４（ｃ）は図４（ｂ）のＣＤ断面である。ここで図３の構成においては焦点検出用画素と撮像用画素との両者が撮像面に存在していたが、図４の構成では、全ての画素が焦点検出と撮像用とを兼ねる構成となっている。

図３の構成との違いは、各画素の光電変換部を構成するＮ型半導体領域が複数存在する点であり、これらのＮ型半導体領域の信号を独立して読み出すことが可能である点である。

画素領域４００には焦点検出と撮像とを兼ねた画素４０１が複数配されている。

各画素４０１の光電変換部は、Ｎ型半導体領域４０２＿ＡとＰ型半導体領域４０３とを有するフォトダイオードと、Ｎ型半導体領域４０２＿ＢとＰ型半導体領域４０３とを有するフォトダイオードを有する。Ｎ型半導体領域４０２＿ＡとＮ型半導体領域４０２＿Ｂとの間には、Ｐ型半導体領域４０２が配されている。

更に各画素は、Ｎ型半導体領域４０２＿Ａの信号をフローティングディフュージョンＦＤ＿Ａへ転送する転送ゲート電極Ｔｘ＿Ａと、Ｎ型半導体領域４０２＿Ｂの信号をフローティングディフュージョンＦＤ＿Ｂへ転送する転送ゲート電極Ｔｘ＿Ｂを有している。

フローティングディフュージョンＦＤ＿Ａ、ＦＤ＿Ｂの各々は不図示の増幅トランジスタの入力ノードに接続されている。また各画素内でＮ型半導体領域４０２＿Ａ、４０２＿Ｂの信号を加算する場合には、フローティングディフュージョンＦＤ＿Ａ、ＦＤ＿Ｂとを電気的に接続可能な構成としておくとよい。もしくは共通の活性領域に、フローティングディフュージョンＦＤ＿Ａ、ＦＤ＿Ｂを配してもよい。

配線４０５ａ〜ｃ間は、層間絶縁膜４０４によりそれぞれ電気的に絶縁されている。更に最上の配線４０５ｃ上に所定の層４０６が配される。所定の層４０６は、平坦化膜、カラーフィルタ層、保護層などから選ばれる少なくとも一つの層により構成される。所定の層４０６上にはマイクロレンズ４０７が配されている。

以下ではこのような焦点検出用画素を他の画素構造と区別するために、複数の光電変換部を有する焦点検出用画素と呼ぶ。

後述するが、本発明の一実施形態に適用される、図３、４のマイクロレンズ３０９及び４０７は、光電変換部に対し正射影した際に、その高さが最大（頂点）となる位置と、マイクロレンズ３０９、４０７の中心の位置とがずれた構成となっている。または、非対称マイクロレンズの頂点位置は、対応する画素の光電変換部の中心位置に対して画素領域の中心側にずれている。

通常のマイクロレンズは、光電変換部へ正射影した際の頂点位置は中心位置と一致する。頂点位置を基準に対称な形状となるため、これとの違いを明確にするために図３、４に示したマイクロレンズを非対称マイクロレンズと呼ぶ。これに対し従来のマイクロレンズを対称マイクロレンズと呼ぶ。非対称マイクロレンズの構造の詳細に関しては後述する。

次に図５、６を用いて、図３、４で説明した撮像装置の画素の等価回路を説明する。両図共に２行２列に配された計４画素を示している。

図５は図３に対応する撮像装置の等価回路の一例である。数字の後に符号を付して行、列の区別をしているが、全画素共通の動作に関しては符号を付することなく説明を行ない、各画素行、列固有の動作に関しては適宜符号を付して説明する。

図５において、１行目の画素が焦点検出用の画素であり、２行目の画素が通常の撮像用画素である。しかし、焦点検出の画素と、通常の撮像用画素のそれぞれの信号読み出しは同じ読出し方法を用いることができるので特に区別することなく説明する。

まず基本的な信号の読出し動作を説明する。光電変換部５０１で生じた電荷は、転送トランジスタ５０２を介してフローティングディフュージョン５０６へ転送される。フローティングディフュージョン５０６は増幅トランジスタ５０４のゲートに接続されており、転送された電荷に基づく信号を、増幅トランジスタ５０４で増幅する。そして選択トランジスタ５０５を介して信号出力線へ出力する。その後、フローティングディフュージョン５０６へ転送された電荷は、リセットトランジスタ５０３を介してリセットされる。

本例では２つの画素でリセットトランジスタ５０３、増幅トランジスタ５０４、選択トランジスタ５０５が共有された構成となっている。

信号出力線の後段には図２で説明した列回路が配されており、列回路で所定の処理が行われる。

各行に含まれる複数の画素の信号は、それぞれ対応する信号出力線に同時に出力される。転送制御線ＴＸ＿１に供給される駆動信号により、１行目の複数の画素のそれぞれの転送トランジスタ５０２Ａ、５０２Ｂが略同時にオンする。これにより１行目の光電変換部５０１Ａ、５０１Ｂの電荷がフローティングディフュージョン５０６Ａ、５０６Ｂに転送される。選択制御線ＴＳＥＬ＿１がオンすることにより、１行目の選択トランジスタ５０５Ａ、５０５Ｂが同時にオンし、１列目、２列目の画素の信号が同時に信号出力線に出力される。これを全行に対して繰り返すことで１フレームの画像信号を読み出す。

焦点検出用の画素からの信号と、撮像用の画素からの信号は特に区別することなく撮像装置の外部に出力することができる。出力された信号から焦点検出用画素の信号を抽出して、位相差による焦点検出を行なうことができる。

もしくは撮像用画素からの信号と焦点検出画素からの信号とを別フレームに分けて出力するなどしてもよい。

次に図６を用いて、図４の撮像装置に関して説明する。数字の後に符号を付して行、列の区別をしているが、全画素共通の動作に関しては符号を付することなく説明を行ない、各画素固有の動作に関しては適宜符号を付して説明する。

図４の撮像装置は、１画素の光電変換部が複数の光電変換部を含んで構成されており、この複数の光電変換部からの信号を独立して読み出すことが可能な構成となっている。例えば、１画素目は光電変換部６０１＿Ａ１、６０１＿Ａ２を有している。そして各々に対応して、転送トランジスタ６０２＿Ａ１、６０２＿Ａ２が設けられている。そして、別々の制御配線である、転送制御線ＴＸ＿Ａ１、ＴＸ＿Ａ２により制御されるため、各々光電変換部６０１＿Ａ１、６０１＿Ａ２の信号を独立して読み出すことができる。

基本的な信号の読出し動作を説明する。光電変換部６０１で生じた電荷は、転送トランジスタ６０２を介してフローティングディフュージョン６０６へ転送される。フローティングディフュージョン６０６は増幅トランジスタ６０４のゲートに接続されており、転送された電荷に基づく信号を、増幅トランジスタ６０４で増幅する。そして選択トランジスタ６０５を介して信号出力線へ出力する。その後、フローティングディフュージョン６０６へ転送された電荷は、リセットトランジスタ６０３を介してリセットされる。

本例では１つの画素に含まれる２つの光電変換部でリセットトランジスタ６０３、増幅トランジスタ６０４、選択トランジスタ６０５が共有された構成となっている。

信号出力線の後段には図２で説明した列回路が配されており、列回路で所定の処理が行われる。

各行に含まれる複数の画素の信号は、それぞれ対応する信号出力線に同時に出力される。転送制御線ＴＸ＿Ａ１に供給される駆動信号により、１行目の複数の画素のうち、一方の光電変換部の信号が読み出される。転送トランジスタ６０２Ａ１、６０２Ｂ１が略同時にオンする。これにより光電変換部６０１＿Ａ１、６０１＿Ｂ１の電荷がフローティングディフュージョン６０６Ａ、６０６Ｂに転送される。選択制御線ＴＳＥＬ＿１がオンすることにより、１行目の選択トランジスタ６０５Ａ、６０５Ｂが同時にオンし、１列目、２列目の画素の信号が同時に信号出力線に出力される。そして、転送制御線ＴＸ＿Ａ２に供給される駆動信号により、１行目の複数の画素のうち、他方の光電変換部の信号が読み出される。転送トランジスタ６０２＿Ａ２、６０２＿Ｂ２が略同時にオンする。これにより光電変換部６０１＿Ａ２、６０１＿Ｂ２の電荷がフローティングディフュージョン６０６Ａ、６０６Ｂに転送される。選択制御線ＴＳＥＬ＿１がオンすることにより、１行目の選択トランジスタ６０５Ａ、６０５Ｂが同時にオンし、１列目、２列目の画素の信号が同時に信号出力線に出力される。これを全行に対して繰り返し行うことで、１画面分の画像信号を読み出す。

本例の撮像装置は、基本的には全画素が焦点検出用と撮像用を兼ねているため、撮像面から必要な領域、必要な画素数を適宜選択して、撮像装置の外部に出力することができる。出力された信号から焦点検出用画素の信号を抽出して、位相差による焦点検出を行なうことができる。

次に本発明の撮像装置に用いられる上述の非対称マイクロレンズに関して説明する。

非対称マイクロレンズの説明をする前に、比較例として、対称マイクロレンズを用いた構成に関して説明する。

図７（ａ）、（ｂ）は、図３、５で説明を行なった撮像装置の比較例であり、図８（ａ）、（ｂ）は、図４、６で説明を行なった撮像装置の比較例である。ここで対称マイクロレンズとは、マイクロレンズの平面視における中心においてマイクロレンズ高さが最大値となる構成である。図７（ａ）、（ｂ）、図８（ａ）、（ｂ）は、マイクロレンズの形状は同一である。

一般に撮像装置の特性として斜入射特性が知られている。これは撮像面に対し、斜め方向からの光が入射する場合に、その斜め方向から入射する光を、どの程度光電変換部に集めることができるかを示す特性である。この斜入射特性を改善する１つの方法として、マイクロレンズの中心を光電変換部の中心からずらして配置する方法が知られている。

図７（ａ）、（ｂ）、図８（ａ）、（ｂ）は対称マイクロレンズを用いた場合に、感度と焦点検出性能を両立すべく、ずらす量を変更したものである。図７（ａ）のずれ量は図７（ｂ）のずれ量よりも大きく、図８（ａ）のずれ量は図８（ｂ）のずれ量よりも大きい。

図７（ａ）において、Ｎ型半導体領域７０１とＰ型半導体領域７０２とにより光電変換部となるフォトダイオードが形成される。光電変換部上には、層間絶縁膜７０３が配され、更に遮光部材７０４により、Ｎ型半導体領域７０１の一部が遮光されている。配線７０５ａ、７０５ｂは層間絶縁膜７０３により互いに絶縁されている。そして最上配線層である配線７０５ｂ上には所定の層７０６（カラーフィルタなど）が配され、その上部には、マイクロレンズ７０７が配されている。図７（ｂ）においても基本となる構成は図７（ａ）と同一であり、図７（ｂ）のマイクロレンズ７０８のＮ型半導体領域７０１に対する位置が、図７（ａ）のマイクロレンズ７０７のＮ型半導体領域７０１に対する位置と異なっている。

図７（ａ）の構成によれば、Ｎ型半導体領域７０１の中心よりも左側の領域でマイクロレンズ７０７に入射した光は遮光部材７０４により遮光される。したがって、焦点検出性能は高い。これに対し、この画素を用いて撮像用の信号を形成する場合には、より多くの光が遮光部材７０４により遮光されるため感度という点では改善の余地がある。

これに対し図７（ｂ）の構成によれば、マイクロレンズ７０８のＮ型半導体領域７０１に対応する領域の全体において、遮光部材７０４に遮光されることなく光電変換部に光が入射する。このため図７（ａ）に比べて感度を高めることが可能である。しかし、本来遮光部材７０４により遮光されるべき光も光電変換部に入射してしまう。具体的には、マイクロレンズ７０８の左側の部分に入射した光は、焦点検出という観点では、遮光部材７０４により遮光された方が好ましいが遮光されることなく光電変換部へ入射してしまう。したがって、図７（ａ）に比べて感度という観点では好ましいが、焦点検出精度という点では改善の余地がある。

つまり図７（ａ）、（ｂ）ともに焦点検出精度と感度の両立という点では改善の余地がある。

図８（ａ）において、Ｎ型半導体領域８０１＿ＡとＰ型半導体領域８０２とＮ型半導体領域８０１＿ＢとＰ型半導体領域８０２により光電変換部となるフォトダイオードが二つ形成される。二つの光電変換部上には、層間絶縁膜８０３が配されている。配線８０４ａ〜ｃは層間絶縁膜８０３により互いに絶縁されている。そして最上配線層である配線８０４ｃ上には所定の層８０５（カラーフィルタなど）が配され、その上部には、マイクロレンズ８０６が配されている。図８（ｂ）においても基本となる構成は図８（ａ）と同一であり、図８（ｂ）のマイクロレンズ８０７のＮ型半導体領域７０１に対する位置が、図７（ａ）のマイクロレンズ７０７のＮ型半導体領域７０１に対する位置と異なっている。

図８（ａ）の構成においては、Ｎ型半導体領域８０１＿ＡとＮ型半導体領域８０１＿Ｂの間を画素の中心とすることができる。この中心よりも左側の領域でマイクロレンズ８０６に入射した光は、Ｎ型半導体領域８０１＿ＡとＮ型半導体領域８０１＿Ｂとの間の領域に入射し、比較的多くの電荷がＮ型半導体領域８０１＿Ｂを介して信号が読み出される。したがって、焦点検出精度は高い。これに対し、この画素を用いて撮像用の信号を形成する場合には、多くの光が配線８０４ａ〜ｃにより遮光されるため感度という点では改善の余地がある。

これに対し図８（ｂ）の構成によれば、マイクロレンズ８０７のＮ型半導体領域８０１＿Ａ、８０１＿Ｂに対応する領域の全体において、配線８０４ａ〜ｃに遮光されることなく、光電変換部に入射する。したがって、図８（ａ）に比べて感度を高めることが可能である。しかし、Ｎ型半導体領域８０１＿Ｂの方に偏った領域に光が入射するため、焦点検出精度という点では改善の余地がある。

つまり図８（ａ）、（ｂ）においても焦点検出精度と感度の両立という点では改善の余地がある。

次に本発明の一実施形態の撮像装置を説明する。本実施形態では非対称マイクロレンズを用いる。非対称マイクロレンズを用いることで、光電変換部への焦点位置の設定の自由度を高めることが可能となる。

比較例のように対称マイクロレンズを用いた場合には、マイクロレンズ全体を移動させなければ焦点の深さ方向の位置を保ったまま焦点の平面的な位置を変更させることは困難である。これに対し、非対称マイクロレンズを用いることで、焦点の深さ方向の位置を大きく変更することなく焦点の平面的な位置を変更することが可能となる。したがって、非対称マイクロレンズを用いることで、光電変換部を構成する半導体領域、ポリシリコンもしくは金属で形成される配線、もしくは上述の遮光部材などの平面レイアウトによらず、焦点検出精度と感度とを両立することが可能となる。

本発明の一実施形態の非対称マイクロレンズは、少なくとも、最大高さとなる位置が、マイクロレンズの平面視における中心位置からずれていればよい。このような構成により、焦点の平面的な位置を容易に変更できる。

しかしこのような構成に加えてさらにマイクロレンズの占有面積を上昇させることが可能な非対称マイクロレンズの構成に関して説明する。

本実施形態の非対称マイクロレンズについて、図９を用いて説明を行う。図９（ａ）は非対称マイクロレンズ１１１の平面模式図であり、図９（ｂ）と図９（ｃ）は非対処マイクロレンズ１１１の断面模式図である。

図９（ａ）は、Ｘ軸方向とＹ軸方向を含む面における非対称マイクロレンズ１１１の底面９００を示す平面模式図である。底面９００は、Ｘ軸方向とＹ軸方向を含む面に対して非対称マイクロレンズ１１１を投影した像（正射影像）の外縁と等しい。底面９００にあるように、非対称マイクロレンズ１１１は、Ｘ軸方向に沿って第１の長さＬ１を有し、Ｙ軸方向に沿って第１の長さＬ１を有する。ここで底面９００は、隣接するマイクロレンズ間にギャップが存在しない構成の場合には、隣接するマイクロレンズに接した高さにおけるマイクロレンズの高さで規定される。

ここで、底面９００内（光学素子内）には、Ｘ軸方向に第１の位置Ｐ１〜第６の位置Ｐ６が存在し、中心Ｏから第３の位置Ｐ３、第１の位置Ｐ１、第６の位置Ｐ６、第５の位置Ｐ５、第２の位置Ｐ２、第４の位置Ｐ４の順で並んでいる。

光学素子１１１の底面９００の外縁のうち、第１の領域１２１の最も中心Ｏに近い、Ｙ軸方向に沿った辺９１１が第３の位置Ｐ３に配される。光学素子１１１の底面９００の外縁のうち、第１の領域１２１の最も中心Ｏに遠い、Ｙ軸方向に沿った辺９１５が第４の位置Ｐ４に配される。光学素子１１１の底面９００の中心は、第３の位置Ｐ３と第４の位置Ｐ４の中心の位置、第５の位置Ｐ５に配される。つまり、第３の位置Ｐ３から第１の長さＬ１だけ離れた位置に第４の位置Ｐ４があり、第３の位置Ｐ３から第１の長さＬ１の半分（Ｌ１／２）だけ離れた位置に第５の位置Ｐ５がある。そして、第６の位置Ｐ６は、後述するように非対称マイクロレンズ１１１の頂点のＸ軸方向における位置を示す。なお、第１の領域１２１は、アレイ領域１２０に２次元に設けられるマトリクスの１つの格子である。この１つの格子には１つのマイクロレンズが設けられるものとする。

図９（ａ）に示すように、底面９００は、Ｘ軸を基準に、上下に線対称の形状を有し、辺９１１〜９１８によって外縁が構成されている。辺９１１は点９０１と点９０８とを結ぶ直線であり、辺９１２は点９０１と点９０２を結ぶ曲線である。辺９１３は点９０２と点９０３を結ぶ直線であり、辺９１４は点９０３と点９０４を結ぶ曲線である。辺９１５は点９０４と点９０５とを結ぶ直線であり、辺９１６は点９０５と点９０６を結ぶ曲線である。辺９１７は点９０６と点９０７を結ぶ直線であり、辺９１８は点９０７と点９０８を結ぶ曲線である。辺９１１、９１５はＹ軸方向に沿った直線である。辺９１３、９１７はＸ軸方向に沿った直線である。辺９１２、９１４、９１６、９１８は、曲率を有し、各直線の間をつなぐともいえる。

底面９００は、Ｘ軸方向における第１の位置Ｐ１にて、Ｙ軸方向に沿った第１の幅Ｗ１を有する。そして、底面９００は、Ｘ軸方向における第２の位置Ｐ２にて、Ｙ軸方向に沿った第２の幅Ｗ２を有する。更に底面９００は、第３の位置Ｐ３、第４の位置Ｐ４のそれぞれにおいて、Ｙ軸方向に沿った第３の幅Ｗ３、第４の幅Ｗ４を有する。そしてこれらの幅は少なくともＷ１＞Ｗ２の関係を満たす。更にＷ１＞Ｗ２＞Ｗ３＞Ｗ４の関係を満たすことが好ましい。なお、図９（ａ）において、Ｗ１＝Ｌ１となっている。

第１の位置Ｐ１は、第３の位置Ｐ３から第１の長さＬ１の半分以下の距離の任意の位置であり、第２の位置Ｐ２は、第３の位置Ｐ３から第１の長さＬ１の半分より離れた任意の位置である。若しくは、第１の位置Ｐ１は、第３の位置Ｐ３から第１の長さＬ１の半分より近い任意の位置であり、第２の位置Ｐ２は、第３の位置Ｐ３から第１の長さＬ１の半分以上離れた任意の位置である。第１の位置Ｐ１と第２の位置Ｐ２とは、中心Ｏからの距離として、Ｐ２＞Ｐ１の関係を満たす。

図９（ｂ）は、図９（ａ）のＸ軸に沿った非対称マイクロレンズ１１１の断面模式図である。Ｚ軸方向とＸ軸方向を含む面における非対称マイクロレンズ１１１の断面９２０において、辺９３１〜辺９３３によって外縁が構成される。辺９３１は点９２１と点９２２を結ぶ直線であり、辺９３２は点９２２と点９２３を結ぶ曲線であり、辺９３３は点９２３と点９２４を結ぶ曲線である。非対称マイクロレンズ１１１は、第１の位置Ｐ１において、第１の高さＨ１を有し、第２の位置Ｐ２において第２の高さＨ２を有し、第６の位置Ｐ４において第３の高さＨ３を有する。ここで、高さの関係は、Ｈ３＞Ｈ１＞Ｈ２である。この時、第３の高さＨ３は、非対称マイクロレンズ１１１において最も高い。つまり、第６の位置Ｐ６の点９２３は、非対称マイクロレンズ１１１の頂点である。非対称マイクロレンズ１１１は、その頂点を第５の位置Ｐ５よりも中心Ｏに近い第６の位置Ｐ６に有している。ここで、頂点とは、この断面における最も高い位置である。本実施形態において、非対称マイクロレンズ１１１は頂点を有するが、最も高い部分が点でなくてもよく、例えば、第１の位置Ｐ１から第５の位置Ｐ５まで高さＨ３を有していてもよい。

また、図９（ｂ）に示すように、非対称マイクロレンズ１１１において、辺９３２は辺９３３よりも曲率半径が小さい部分を有する。なお、辺９３２は辺９３３よりも曲率半径が大きい部分を有してもよい。この構成によって、辺９３３に入射した光は、強いレンズパワーによって、大きく曲げられ、より集光効率が向上する。ここで、曲率半径は、例えば、光学素子のある断面を取り、その断面形状の任意の点における接線から求めることができる。例えば、Ｘ軸方向に沿った辺９３３の中心（第６の位置Ｐ６と第４の位置Ｐ４の中心）における辺２３３の接線を求める。この接線に対する内接円から曲率半径を得ることができる。また、その他の一般的な曲率半径の測定方法によって、各部分の曲率半径を求めることができる。

図９（ｃ）は、図９（ａ）の第１の位置Ｐ１と第２の位置Ｐ２における非対称マイクロレンズ１１１の断面を示したものである。断面９４１は、図９（ａ）の第１の位置Ｐ１にて、Ｙ軸方向に沿った非対称マイクロレンズ１１１の断面である。断面９４２は、図９（ａ）の第２の位置Ｐ２にて、Ｙ軸方向に沿った非対称マイクロレンズ１１１の断面である。第１の断面９４１において、非対称マイクロレンズ１１１は、第１の幅Ｗ１を有し、第１の断面９４１の頂点であり、最も高い第１の高さＨ１を有する。また、第１の断面９４１において、その外縁は第１の曲率半径Ｒ１を有する。第２の断面９４２において、非対称マイクロレンズ１１１は、第２の幅Ｗ２を有し、第２の断面９４２の頂点であり、最も高い第２の高さＨ２を有する。本実施形態では、これら頂点を有するが、上述したように第１の高さＨ１や第２の高さＨ２を有する部分が点でなくてもよい。

そして、第２の断面２４２において、その外縁は第２の曲率半径Ｒ２を有する。この曲率半径の関係は、Ｒ１＜Ｒ２である。なお、Ｒ１≧Ｒ２であってもよいが、この場合には幅Ｗ２が小さくなり、面積占有率が低下してしまう場合がある。この場合には、光学素子の第２の幅Ｗ２が図９（ａ）における外縁を構成すればよい。中心Ｏから最も離れた位置に第２の幅Ｗ２を有する辺が存在することで面積占有率が向上し、より広い範囲の光を取り込むことができる。

図９で示したように、非対称マイクロレンズ１１１は、第１の位置Ｐ１にて、第１の幅Ｗ１と、第１の高さＨ１と、第１の曲率半径Ｒ１を有し、第２の位置Ｐ２にて、第２の幅Ｗ２と、第２の高さＨ２と、第２の曲率半径Ｒ２を有する。これらがＷ１＞Ｗ２、Ｈ１＞Ｈ２、Ｒ１＜Ｒ２の関係を有することで、非対称マイクロレンズ１１１は、高い集光能力を維持しつつ、高い占有面積を有することができ、集光率を向上することができる。

次に、図１０を用いて、非対称マイクロレンズ１１１と、従来の対称レンズ１０１１との比較を行う。図９と同様の部分には同じ符号を付し詳細な説明は省略する。

図１０（ａ）は非対称マイクロレンズ１１１の底面９００を示した平面模式図であり、図１０（ｂ）は、比較用の対称マイクロレンズ１０１１の底面１０００を示した平面模式図である。図１０（ｃ）は非対称マイクロレンズ１１１の断面模式図であり、図１０（ｄ）は、比較用の対称マイクロレンズ１０１１の断面模式図である。

図１０において、いずれのマイクロレンズも等しい面積の第１の領域１２１に設けられている。

まず、図１０（ｂ）に示すように、対称マイクロレンズ４１１は、底面１０００を有する。底面１０００は、第１の長さＬ１の半分（Ｌ１／２）が半径の円である。に示すように、光学素子１０１１の頂点は、第１の領域１２１の中心である第５の位置Ｐ５に位置する。

図１０（ｃ）は、図１０（ａ）のＸ軸に沿った非対称マイクロレンズ１１１の断面１０５１を示した断面模式図である。図１０（ｄ）は、図１０（ｂ）のＸ軸に沿った対称マイクロレンズ１０１１の断面１０５２を示した断面模式図である。いずれの光学素子も頂点の高さは、第３の高さＨ３とする。ここで、図１０（ｃ）及び図１０（ｄ）では、各光学素子による光の挙動を示すため、各底面から等しい距離に仮想の入射面１０６１を設けている。いずれの光学素子にも、光学素子の受光面の法線に対して角度θ２を有する斜め光１０８１が入射するものとする。

まず、対称マイクロレンズ１０１１に入射した光１０８１は、例えば、光１０８１に対して角度θ４を有する光を含む光１０８３となり、集光される。一方、非対称マイクロレンズ１１１に入射した光１０８１は、例えば、光１０８１に対して角度θ４よりも大きな角度θ３を有する光を含む光１０８２となり、集光される。ここで、非対称マイクロレンズ１１１は、第６の位置Ｐ６を境に断面１０５１に示されるように傾きが徐々に変化する、各辺における光の屈折の仕方が異なる。本実施形態では、第１の位置Ｐ１における曲率半径が、第２の位置Ｐ２における曲率半径よりも小さい。また、第４の位置Ｐ４に近い位置では、対称マイクロレンズ１０１１に比べて非対称マイクロレンズ１１１は、斜め方向から入射する光（角度θ２）をＺ軸方向に沿った光（角度θ３）にすることができ、斜め方向から入射する光を、効率よく集光させることができる。ここで、θ２が２０度〜４０度の場合には、非対称マイクロレンズ１１１を用いた場合の画素の感度が、対称マイクロレンズ４１１の場合よりも１０〜２０％向上する。

このような非対称マイクロレンズ１１１は、高い集光能力を有しつつ、高い占有面積を有するため、高い集光率を有する。したがって、少なくとも１つの非対称マイクロレンズ１１１をアレイ領域の中心Ｏから第１の距離Ｄ１だけ離れた位置に設けることで、高い集光率を有する光学素子アレイを提供することが可能となる。

なお、第２の位置Ｐ２は、上述の条件を満たせば任意であるため、第４の位置Ｐ４であってもよい。つまり、辺２１５が第２の幅Ｗ２であってもよい。上述の形態よりも高い面積占有率を有することができる。

また、第１の位置Ｐ１において、非対称マイクロレンズが頂点を有していてもよい。つまり、第６の位置Ｐ６が第１の位置Ｐ１と同じ位置であってもよい。更に、本実施形態では第１の位置Ｐ１の第１の幅Ｗ１が最も大きな幅となっている。しかし、最も大きな幅を有する位置は異なる位置でもよく、第５の位置Ｐ５と第２の位置Ｐ２との間にあることが望ましい。このような位置に最大の幅を有することで、面積占有率を更に、高めることができる。

本実施形態では、第１の領域１２１が正方形の場合を示した。しかし、第１の領域１２１は、平面視した時に、非対称マイクロレンズの外縁に外接する矩形であればよく、第１の長さＬ１の辺を有する長方形を含む矩形でもよい。また、複数のマイクロレンズは、少なくとも１次元に配されていればよい。また、第３の位置Ｐ３における第３の幅Ｗ３は、Ｗ３＝Ｌ１であってもよい。

なお、本実施形態において、第１の長さＬ１は、０．５μｍ以上５０μｍ以下である。第１の幅Ｗ１と第２の幅Ｗ２は、０．５μｍ以上５０μｍ以下であり、第１の幅Ｗ１と第２の幅Ｗ２の比は、０．０５以上０．９９以下の範囲であり、好ましくは、０．２以上０．８以下である。第１の高さＨ１と第２の高さＨ２は、０．１μｍ以上５．０μｍ以下である。第１の曲率半径Ｒ１は、第１の高さＨ１と第１の幅Ｗ１より決まる値であり、第２の曲率半径Ｒ２は、第２の高さＨ２と第２の幅Ｗ２より決まる値であり、概ね、０．２５μｍ以上１００μｍ以下である。この時、非対称マイクロレンズは、幅、高さ、曲率半径を設定し、８０％以上の面積占有率を有するようにするとよい。例えば、撮像装置において、非対称マイクロレンズを８０％未満の面積占有率にしてしまうと、集光できない光が２０％以上発生するため、画像の周辺においてシェーディングが顕著に生じてしまうためである。

本実施形態の非対称マイクロレンズは、例えば、フォトリソグラフィ技術を用いて形成することができる。この場合には、非対称マイクロレンズの形状の設計データから求めた透過率を得られる面積階調マスクやグレートーンマスクを用いた露光装置にて、フォトレジストを露光し、現像することで、所望の光学素子を得ることができる。

また、マイクロレンズの占有面積に関して設計の自由度がある場合には、非対称マイクロレンズの輪郭が、平面視で放射方向に漸次幅狭となる曲線形状で形成されるとともに、断面視で放射方向に漸次低くなる曲線形状で形成されていてもよい。

以上、非対称マイクロレンズに関して説明を行なった。従来、非対称マイクロレンズを撮像面における位相差検出を行なうことが可能な撮像装置（以下、像面ＡＦ撮像装置）に適用することは検討されていなかった。本発明者らの検討により、焦点の平面視における位置が非対称マイクロレンズを用いることによって自由に変更することが可能となり、像面ＡＦ撮像装置において、感度の維持と焦点検出精度の向上を両立することが可能となることが分かった。

次に図１１を用いて、本発明の非対称マイクロレンズを焦点検出用画素に適用した際の光が集光される様子に関して説明する。

図１１（ａ）は撮像装置の上面図である。撮像装置１１００は画素領域１１０１とその周辺に配置された周辺回路領域を有している。周辺回路領域には走査回路や増幅回路、アナログデジタル変換回路から選ばれた少なくとも１つが配される。注目画素１１０２は、画素領域１１０１の中の周辺部に配される画素である。図１１（ｂ）〜（ｄ）は注目画素１１０２の断面構造を例示したものである。図１１（ｂ）は、注目画素１１０２が撮像用の画素である場合の例である。光電変換部はＮ型半導体領域１１０３とＰ型半導体領域１１０４とを有するフォトダイオードにより構成される。更にＮ型半導体領域１１０３の表面側にＰ型半導体領域を設けて埋め込み型フォトダイオードとしてもよい。転送ゲート電極Ｔｘにより、Ｎ型半導体領域１１０３の電荷がフローティングディフュージョンＦＤへ転送される。配線１１０６ａ〜ｃ間は、層間絶縁膜１１０５によりそれぞれ電気的に絶縁されている。更に最上の配線１１０６ｃ上に所定の層１１０７が配される。所定の層１１０７は、平坦化膜、カラーフィルタ層、保護層などから選ばれる少なくとも一つの層により構成される。所定の層１１０７上にはマイクロレンズ１１０８が配されている。

図１１（ｃ）、（ｄ）は注目画素１１０２が焦点検出用画素である場合の例である。図１１（ｃ）は遮光部材を用いた焦点検出用画素を用いた場合の例であり、図３と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し詳細な説明は省略する。図１１（ｄ）は複数の光電変換部を有する焦点検出用画素を用いた例であり、図４と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し詳細な説明は省略する。

図１１（ｂ）の撮像用画素には対称マイクロレンズ１１０８を用いている。そして、マイクロレンズ１１０８の平面視における中心が画素領域１１０１の中心方向にずれている。図１１（ｃ）、（ｄ）の焦点検出用画素においては非対称マイクロレンズを用いている。図１１（ｂ）〜（ｄ）において、マイクロレンズの両方向矢印で示した部分の各マイクロレンズのパワーを比較すると、図１１（ｃ）、（ｄ）の方が図１１（ｂ）よりも高い。このような構成により、画素領域１１０１内の周辺部においても、感度の維持と焦点検出精度の向上を図ることができる。

次に図１２を用いて本発明の非対称マイクロレンズを撮像用画素に用いた例に関して説明する。図１２（ａ）、（ｃ）はそれぞれ対物レンズのＦ値を変更した場合のスポット形を説明するための上面図である。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のＥＦ断面における断面図である。図１２（ｂ）において図１１（ｂ）と同様の機能を有する部分に鑑定は同様の符号を付し詳細な説明は省略する。図１２（ａ）、（ｃ）において実線で示したスポットは撮像用画素に非対称マイクロレンズを用いた場合の例であり、点線は対称マイクロレンズを用いた場合の例である。撮像装置は、マイクロレンズを通して光電変換部に光が至るまで、金属、もしくはポリシリコンで形成された導電パターンに照射されないように光学設計を行なう、もしくは導電パターンを配置する必要がある。しかし、画素のサイズが微小になるにつれ、光学特性と導電パターンのレイアウトの制約から、光がポリシリコンで形成される導電パターンに照射されてしまう場合がある。例えば、図１２（ａ）、（ｃ）において実線で示したスポットのように、レンズのＦ値によって、照射される場合とされない場合とが切り替わる場合がある。このような場合に、非対称マイクロレンズを用いることによって、導電パターンに照射されることを抑制することができる。これは例えば、Ｆ値によって光学特性が変化してしまうような現象を抑制することが可能となる。対称マイクロレンズを用いて、平面位置をずらすことでもある程度は抑制できるが、画素ごとにずらし量を変化させることは現実的に困難である。したがって、非対称マイクロレンズを用いて、平面視における焦点位置を変えて対応することが望ましい。特に、光電変換部やポリシリコンで形成される導電パターンが所定の先を基準にミラー配置されている場合には有効である。

以上述べたように、本発明の思想は、像面ＡＦ撮像装置のいずれかの画素に非対称マイクロレンズを用いることで、感度と、焦点検出精度の向上の両立を可能にするものである。以下実施例を用いて本発明の具体的な実施例に関してさらに詳細に説明する。しかし本発明はこれら実施例に限定して解釈されるべきものではなく、発明の思想を超えない範囲で適宜変更、組み合わせ可能である。

また以下の実施例で撮像用画素と表現した場合には、必ずしも撮像専用である必要は無く焦点検出、光量検出などの機能を有していてもよい。例えば焦点検出として、撮像装置によって被写体像を光電変換して得られた映像信号中より映像の鮮鋭度を検出する。そしてこれをＡＦ評価値とし、このＡＦ評価値が最大となるフォーカスレンズの位置を検索するよう制御する、いわゆるＴＶ−ＡＦ方式用の信号を出力してもよい。

（実施例１）
図１３、１４を用いて、本実施例の撮像装置を説明する。本実施例の撮像装置は、図３、５を用いて説明した撮像装置と同様のものである。図３と同様に機能を有する部分には同じ符号を付し詳細な説明は省略する。

図１３（ａ）は本実施例の撮像装置の焦点検出用画素の上面図である。図１３（ａ）の斜線でハッチングかかった部分は遮光部材３０２を示す。そして円で示されているのが、遮光部材３０２近傍に形成される、非対称マイクロレンズ１３０９により形成されるスポットを示している。また図１３（ａ）の右図は、光電変換部の右半分が遮光部材３０２により遮光されており、左図は左半分が遮光部材３０２により遮光されている。そしてこの二つの焦点検出用画素の信号を用いることで、位相差焦点検出を行なうことができる。図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のｕ−ｖ断面である。

本実施例においては、非対称マイクロレンズ１３０９の頂点位置を平面視において遮光部材３０２には重ならない位置とした。このような構成とすることはつまり、遮光部材３０２側のマイクロレンズ高さが低くすることとなり、遮光部材３０２上のレンズパワーが弱くなる。これにより、遮光部材３０２へ入射する光の量を増加させ、Ａ，Ｂ像分離を良くできる。その結果、焦点検出精度が向上する。

次に図１４に本実施例の他の例を示す。本例においても、図３と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し詳細な説明は省略する。図１４との違いは、非対称マイクロレンズの頂点位置であり、本例では、非対称マイクロレンズ１４０９の頂点位置を平面視において遮光部材３０２と重なる位置とした。遮光膜側のマイクロレンズ高さが高い構成とすることで、遮光部材３０２と平面視において重なる部分のマイクロレンズのパワーが高くなる。したがって、遮光部材３０２で遮光される光の量を増加させること可能となり、Ａ、Ｂ像分離を精度良くできる。その結果、焦点検出精度が向上する。

（比較例）
図１５に比較例の撮像装置の上面図、断面図を示す。本比較例の図１３、１４の例との違いは、マイクロレンズが対称マイクロレンズである点である。図１６に、図１３、１４の本実施例の撮像装置と、図１５の比較例の撮像装置の光学特性を示す。実線が図１３、１４の撮像装置の光学特性であり、点線が図１５の比較例の光学特性である。点線の方が瞳強度分布の形状がなだらかになっていることがわかる。これは、Ａ，Ｂ像の分離がよくないことを示しており、焦点検出精度は、図１３、１４の構成の方が高いことがわかる。

よって本実施例によれば、焦点検出用画素に従来の対称マイクロレンズを用いるのに比べて、非対称マイクロレンズを用いることで、焦点の平面位置を変更することが可能となり、焦点検出精度を高めることが可能となる。

（実施例２）
図１７を用いて本実施例の撮像装置を説明する。本実施例の撮像装置は、図４、６を用いて説明した撮像装置と同様のものである。図４と同様に機能を有する部分には同じ符号を付し詳細な説明は省略する。図１７（ａ）は本実施例の撮像装置の上面図、図１７（ｂ）は図１７（ａ）のｑｒ断面における断面図である。図１７（ｃ）は比較例の撮像装置の上面図であり、図１７（ｄ）は図１７（ｃ）のｏｐ断面における断面図である。本比較例の撮像装置は対称マイクロレンズ１７０１を有している点が実施例との違いである。

また図４と図示している断面部分が異なっており、図４は光電変換部からフローティングディフュージョンへの電荷の通り道であるチャネルに直交する方向の断面を示している。これに対して、本実施例では、このチャネルと平行な方向の断面を示している。

本実施例の撮像装置は、光電変換部からフローティングディフュージョンへ電荷を転送するための転送ゲート電極Ｔｘ＿Ａ、Ｔｘ＿Ｂを有している。転送ゲート電極Ｔｘ＿Ａ、Ｔｘ＿Ｂはポリシリコンを用いて形成される。このポリシリコンに光が入射すると、信号として用いることができなくなるため、特定の入射角度における光量が低減することとなる。

図１８に、図１７（ａ）、（ｂ）に示した本実施例の撮像装置と、図１７（ｃ）、（ｄ）に示した比較例の撮像装置の光学特性の比較を示す。上述したように比較例は入射角０°から１５°において感度が低下し、また瞳強度分布の形状がなだらかになっていることがわかる。よって、本実施例は比較例に比べて、感度が高く焦点検出精度も高い。

（実施例３）
図１９、２０を用いて本実施例の撮像装置を説明する。本実施例の撮像装置は、焦点検出用の画素として、遮光部材を用いた焦点検出画素を用いている。図１９は撮像面の所定の位置に配された、瞳分割された一対の画素の断面構造を示しており、図２０は撮像面の位置による焦点検出画素の断面構造の違いを示している。

図１９（ａ）は焦点検出用画素の上面図を示しており、遮光部材と光電変換部ＰＤの平面視における外縁を示している。また画素１９００の外縁は、隣接画素との境界を示している。この外縁は、たとえば活性領域と素子分離領域との境界により規定される。図１９（ｂ）、（ｃ）は、図１９（ａ）のＫＬ断面、ＩＪ断面にそれぞれ対応した断面図である。線分ＫＬと線分ＩＪとの交点が非対称マイクロレンズ１９１１の頂点となる位置である。頂点位置は平面視におけるＰＤの中心からずれている。

図１９（ｂ）、（ｃ）において、Ｎ型半導体領域１９０３とその表面に配されたＰ型半導体領域１９０４とを含んで、光電変換部となる埋め込み型のフォトダイオードが構成されている。Ｎ型半導体領域１９０３の周囲は低濃度の半導体領域となっており、たとえばＮ型のエピタキシャル層により、Ｎ型半導体領域１９０３が囲まれている。Ｐ型半導体領域１９０２はＮ型半導体領域１９０３の周囲に配される高濃度の半導体領域であり、隣接画素との間で電荷の混入を抑制するために設けられる。Ｐ型半導体領域１９０１は所定の深さに配される層で、基板深部の信号電荷をＮ型半導体領域１９０３に集めるために設けられる。もしくはＰ型半導体領域１９０１の下部にＮ型の半導体基板が配されている場合には、この半導体基板からのノイズ電荷混入を抑制する役割を持たせてもよい。

光電変換部の上部には、反射防止膜１９０５が配されており、反射防止膜１９０５はシリコン窒化膜を含んで構成される。反射防止膜１９０５上には層間絶縁膜１９０６を介して遮光部材１９０７が配される。図１９（ａ）によれば、遮光部材１９０７は、平面視において光電変換部ＰＤの右側部分を遮光するように配されている。また遮光部材１９０７は、第１層目の配線層である配線層１９０８ａで構成されている。第１層目の配線層１９０８ａ上部には層間絶縁膜１９０６を介して、第２層目の配線層１９０８ｂ、第３層目の配線層１９０８ｃが配されている。そして最上配線層である第３層目の配線層１９０８ｃ上部の層間絶縁膜１９０６が平坦化され、その上部に保護膜１９０９が配されている。層間絶縁膜１９０６は好適にはシリコン酸化膜が用いられ、保護膜１９０９には好適にはシリコン窒化膜が用いられる。そして保護膜１９０９上にはカラーフィルタ１９１０が配されており、その上部には必要に応じて設けられた平坦化膜を介して非対称マイクロレンズ１９１１が配されている。

図１９（ａ）、（ｂ）を参照すれば明らかなように、平面視において、非対称マイクロレンズ１９１１の頂点位置は、遮光部材１９０７からずれて開口部分に存在している。頂点の平面視における位置を遮光部材１９０７に重ねず、開口部に設けることで、遮光部材１９０７上部に入射した光を効率よく画素の中心に向けて集光できる。これにより焦点検出精度を高めることが可能となる。

次に図２０を用いて、撮像面の位置による焦点検出画素の断面構造の違いを説明する。図２０（ａ）は撮像装置の上面図であり、点ｂが画素領域の略中心位置である。点ｃ、ｄは所定の方向に沿って、点ｂから離れる方向に配されている。つまり、点ｃ、ｄは点ｂに比べて画素領域の周辺に配されていると言える。図２０（ｂ）は点ｂに配された焦点検出用画素の断面構造、図２０（ｃ）は点ｃに配された焦点検出用画素の断面構造、図２０（ｄ）は点ｄに配された焦点検出用画素の断面構造である。図１９と同様の機能を有する部分には同じ符号を付し詳細な説明を省略する。また図２０（ｂ）〜（ｄ）の同様の部材に関しては図２０（ｂ）にのみ符号を付し説明を省略する。

図２０（ｂ）〜図２０（ｄ）の違いは、各々の非対称マイクロレンズ２００１〜２００３の頂点位置が異なっている点である。図２０（ｂ）に比べて、図２０（ｃ）の方が、頂点位置が遮光部材から離れる方向、つまり中心方向にずれている。更に、図２０（ｄ）は、図２０（ｂ）、（ｃ）に比べて、頂点位置が遮光部材から離れる方向、つまり中心方向にずれている。図２０（ｂ）の非対称マイクロレンズ２００１の頂点位置は遮光部材１９０７の開口部分に配されるが、図２０（ｄ）は配線層１９０８ｂ、もしくは１９０８ｃに重なる位置までずれている。図２０（ｃ）は開口部分に配されてもよいし、配線層１９０８ｂ、ｃと重なる位置までずれていてもよい。

このように画素領域の場所に応じて非対称マイクロレンズの頂点位置を変化させることで、上述の実施例で得られる効果に加えて、斜入射特性を向上させることが可能となる。

（実施例４）
図２１、２２を用いて本実施例の撮像装置を説明する。本実施例の実施例３との大きな違いは、焦点検出用の画素として、複数の光電変換部を有する構成を用いた点である。図２１は撮像面の所定の位置に配された焦点検出用画素の断面図を示している。図２２は、撮像面の位置による焦点検出画素の断面構造の違いを示している。

図２０（ａ）は焦点検出用画素の上面図を示しており、光電変換部ＰＤ１、ＰＤ２と転送ゲート電極ＴＸ１、ＴＸ２、フローティングディフュージョンＦＤ１、ＦＤ２を示している。光電変換部ＰＤ１、ＰＤ２及びフローティングディフュージョンＦＤ１、ＦＤ２の外縁は、素子分離領域との境界により外縁が規定される。ただし、光電変換部ＰＤ１、ＰＤ２の間の領域は、Ｐ型半導体領域２１１１とのＰＮ接合面により外縁が規定される。線分ｕ１−ｕ２と線分ｖ１−ｖ２との交点が非対称マイクロレンズ１９１１の頂点となる位置である。頂点位置は平面視において転送ゲート電極ＴＸ１、ＴＸ２から離れた位置（オフセットした位置）に配されている。このような構成とすることにより、ゲート電極ＴＸ１、ＴＸ２によって吸収される光を低減して、感度を高めることが可能となる。また画素２１００の外縁は、隣接画素との境界を示している。この外縁は、たとえば活性領域と素子分離領域との境界により規定される。図２１（ｂ）、（ｃ）は、図２１（ａ）のｕ１−ｕ２断面、ｖ１−ｖ２断面における断面図をそれぞれ示す。

図２１（ｂ）、（ｃ）において、Ｎ型半導体領域２１０３Ａ、２１０３Ｂとその表面に配されたＰ型半導体領域２１０４とを含んで、光電変換部となる二つの埋め込み型のフォトダイオードが構成されている。Ｎ型半導体領域２１０３Ａ、２１０３Ｂの周囲はＰ型半導体領域２１１１が配されており、Ｎ型半導体領域２１０３Ａの電荷とＮ型半導体領域２１０３Ｂの電荷とを独立に読み出し可能としている。

Ｐ型半導体領域２１０２はＮ型半導体領域２１０３Ａ、Ｂの周囲に配される高濃度の半導体領域であり、隣接画素との間で電荷の混入を抑制するために設けられる。Ｐ型半導体領域２１０１は所定の深さに配される層で、基板深部の信号電荷をＮ型半導体領域２１０３Ａ、Ｂに集めるために設けられる。もしくはＰ型半導体領域２１０１の下部にＮ型の半導体基板が配されている場合には、この半導体基板からのノイズ電荷混入を抑制する役割を持たせてもよい。

光電変換部の上部には、反射防止膜２１０５が配されており、反射防止膜２１０５はシリコン窒化膜を含んで構成される。第１〜第３層目の配線層２１０７ａ〜ｃは層間絶縁膜２１０６により互いに電気的に絶縁されている。そして最上配線層である第３層目の配線層２１０８ｃ上部の層間絶縁膜２１０６が平坦化され、その上部に保護膜２１０８が配されている。層間絶縁膜２１０６は好適にはシリコン酸化膜が用いられ、保護膜２１０８には好適にはシリコン窒化膜が用いられる。そして保護膜２１０８上にはカラーフィルタ２１０９が配されており、その上部には必要に応じて設けられた平坦化膜を介して非対称マイクロレンズ２１１０が配されている。

次に図２２を用いて、撮像面の位置による焦点検出画素の断面構造の違いを説明する。図２２（ａ）は撮像装置の上面図であり、点ｂが画素領域の略中心位置である。点ｃ、ｄは所定の方向に沿って、点ｂから離れる方向に配されている。つまり、点ｃ、ｄは点ｂに比べて画素領域の周辺に配されている。図２２（ｂ）は点ｂに配された焦点検出用画素の断面構造、図２２（ｃ）は点ｃに配された焦点検出用画素の断面構造、図２２（ｄ）は点ｄに配された焦点検出用画素の断面構造である。図２１と同様の機能を有する部分には同じ符号を付し詳細な説明を省略する。また図２２（ｂ）〜（ｄ）の同様の部材に関しては図２２（ｂ）にのみ符号を付し説明を省略する。

図２２（ｂ）〜図２２（ｄ）の違いは、各々の非対称マイクロレンズ２２０１〜２２０３の頂点位置が異なっている点である。図２２（ｂ）に比べて、図２２（ｃ）の方が、頂点位置が中心方向にずれている。更に、図２２（ｄ）は、図２２（ｂ）、（ｃ）に比べて、頂点位置が中心方向にずれている。図２２（ｂ）の非対称マイクロレンズ２２０１の頂点位置は配線層２１０７ａ〜ｃの開口部分に配されるが、図２２（ｄ）は配線層２１０７ｂ、もしくは２１０７ｃに重なる位置までずれている。図２２（ｃ）は開口部分に配されてもよいし、配線層２１０７ａ〜ｃと重なる位置までずれていてもよい。

このように画素領域の場所に応じて非対称マイクロレンズの頂点位置を変化させることで、上述の実施例で得られる効果に加えて、斜入射特性を向上させることが可能となる。

（実施例５）
本実施例の撮像装置を図２３を用いて説明する。本実施例の概念は上述の各実施例のいずれに対しても適用可能である。図で示すように、本実施例においては、対称マイクロレンズと非対称マイクロレンズとが混在して配置された構成となっている。そしてたとえば焦点検出用画素に非対称マイクロレンズを用いている。

図２３（ａ）は画素領域全体の上面図である、図２３（ｂ）は図２３（ａ）の位置ｂの１５画素の上面図を示しており、図２３（ｃ）は図２３（ａ）の位置ｃの１５画素の上面図を示している。図２３（ｂ）、（ｃ）において×印で示しているのがマイクロレンズの頂点位置である。また図２３（ｂ）、（ｃ）において実線で示しているのが、光電変換部など、半導体基板に配された１画素毎の１画素領域の外縁を示している。そして点線で示しているのが１画素に対応するマイクロレンズ領域の外縁を示している。ここでマイクロレンズ領域の外縁は、各対称マイクロレンズの中心を中心とし、マイクロレンズのピッチを１辺の長さとする正方形で規定している。

図２３（ｂ）において、各マイクロレンズの頂点の位置と、１画素領域の中心とは一致しておらず、いずれの画素においても各マイクロレンズの頂点の位置が中心方向にずれている。更に、対称マイクロレンズの頂点位置のずれ量に比べて非対称マイクロレンズのずれ量が大きい。

また図２３（ｃ）において、各マイクロレンズの頂点の位置と、１画素領域の中心とは一致しておらず、いずれの画素においても各マイクロレンズの頂点の位置が中心方向にずれている。図２３（ｂ）では一方向（図面左方向）にのみずれているが、図２３（ｃ）では斜め方向（図面左上方向）にずれている。更に、対称マイクロレンズの頂点位置のずれ量に比べて非対称マイクロレンズのずれ量が大きい。

このように画素領域の場所に応じて非対称マイクロレンズの頂点位置を変化させることで、上述の実施例で得られる効果に加えて、斜入射特性を向上させることが可能となる。

（実施例６）
本実施例の撮像装置を図２４を用いて説明する。本実施例の概念は上述の各実施例のいずれに対しても適用可能である。本実施例の撮像装置の画素領域は有効画素領域とその周囲に配されたオプティカルブラック領域（ＯＢ領域）を含んで構成されている。図２４（ａ）は本実施例の撮像装置の上面図を示しており、図２４（ｂ）は図２４（ａ）のＧ−Ｈ断面における断面図を示している。図２２の構成と同様の機能を有する部分には同じ符号を付し詳細な説明は省略する。

本実施例においては、ＯＢ領域は遮光部材２４００により光電変換部の全体が遮光されている。そして、ＯＢ領域においても非対称マイクロレンズ２４０１を配している。このような構成とすることにより、有効画素とＯＢ領域との境界部における不連続性を低減させることができるため好ましい。

また更に有効画素と同様に非対称マイクロレンズの頂点位置を中心方向に向けてずらして配置してもよい。また焦点検出用画素として複数の光電変換部を有する焦点検出用画素を例に説明したが、遮光部材を用いた焦点検出用画素にも適用できる。

本実施例によれば、上述の実施例に加えて、有効画素とＯＢ領域との境界部における不連続性を低減することが可能となる。

（実施例７）
本実施例の撮像装置を図２５、２６を用いて説明する。上述の実施例は表面照射型の撮像装置を例に説明したが、本実施例は裏面照射型の撮像装置である点が異なる。裏面照射型とは、各トランジスタのゲート電極や配線が配される主面とは反対側の主面に非対称マイクロレンズを設けて、この反対側の主面から光を入射させる構成をいう。

図２５は、焦点検出用の画素として遮光部材を用いた焦点検出用画素の例であり、図２６は、焦点検出用の画素として複数の光電変換部を有する焦点検出用画素の例である。図２５において、図１９の構成と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し詳細な説明は省略する。また図２６においても、図２１の構成と同様の機能を有する部分には同様の符号を付し詳細な説明は省略する。

図２５（ａ）、（ｂ）は、撮像面の所定の位置に配された、瞳分割された一対の画素の断面構造を示している。遮光部材１９０７は裏面側（光入射側）に配され、周りを絶縁体２５００で囲まれている。そして非対称マイクロレンズ２５０１、２５０２の頂点位置は、遮光部材１９０７の存在しない領域、つまり開口部に存在している。

図２６（ａ）は撮像装置の上面図であり、図２６（ｂ）は図２６（ａ）の位置ｂに配された焦点検出用画素の断面構造を示し、図２６（ｃ）は図２６（ａ）の位置ｃに配された焦点検出画素の断面構造を示している。位置ｂは位置ｃに比べて画素領域の中心に近い位置に配されている。

裏面側（光入射側）に、周りを絶縁体２６０１で囲まれた遮光部材２６００が配されている。裏面照射型の撮像装置においても、非対称マイクロレンズ２６０２、２６０３は、画素領域の位置によって頂点位置のずれ量が異なっている。

本実施例によれば、裏面照射型の像面ＡＦ撮像装置に非対称マイクロレンズを用いることで、上述の実施例の効果に加えて、更に感度を向上させることが可能となる。更に、焦点位置の変更の自由度が増すため、混色を低減することも可能となる。

Claims (15)

1. 複数の撮像用画素と、各々が位相差検出による焦点検出用の信号を出力する、複数の焦点検出用画素とを含む複数の画素が２次元状に配された画素領域と、
   前記撮像用画素の光電変換部に対応して設けられたマイクロレンズと、
   前記焦点検出用画素の光電変換部に対応して設けられたマイクロレンズと、を有し、
   前記複数のマイクロレンズのうちのいずれかのマイクロレンズを前記光電変換部に対して正射影した際の頂点の位置と中心の位置とがずれていることを特徴とする撮像装置。
2. 前記複数の焦点検出用画素は、瞳分割された一対の焦点検出画素群を有することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記焦点検出画素群の各画素は、
   撮影光学系の射出瞳の一部の領域を通る光を受光することを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記瞳分割された一対の焦点検出画素群に含まれる複数の画素は、各光電変換部の一部を遮光する遮光部材を有していることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
5. 前記複数の焦点検出用画素の各々は複数の光電変換部を有し、各光電変換部の信号を独立に読み出し可能な構成であることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の撮像装置。
6. 前記焦点検出用画素の光電変換部に対応して設けられたマイクロレンズのうちのいずれかのマイクロレンズは、前記光電変換部に対して正射影した際の頂点の位置と中心の位置とがずれていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の撮像装置。
7. 前記撮像用画素の光電変換部に対応して設けられたマイクロレンズのうちのいずれかのマイクロレンズは、前記光電変換部に対して正射影した際の頂点の位置と中心の位置とがずれていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の撮像装置。
8. 前記複数の画素は、第１の位置に配置された第１の画素と、前記第１の位置よりも周辺に設けられた第２の画素とを有し、
   前記第１の画素の光電変換部に対応して設けられた第１のマイクロレンズの頂点位置は、前記第１の画素の光電変換部の中心位置に対して前記画素領域の中心側にずれており、
   前記第２の画素の光電変換部に対応して設けられた第２のマイクロレンズの頂点位置は前記第２の画素の光電変換部の中心位置に対して、前記画素領域の中心側にずれており、
   前記第２の画素の、前記第２のマイクロレンズと前記光電変換部の中心との前記画素領域の中心方向へのずれ量は、
   前記第１の画素の、前記第１のマイクロレンズと前記光電変換部の中心との前記画素領域の中心方向へのずれ量よりも大きいことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の撮像装置。
9. 前記第１の画素及び前記第２の画素は焦点検出用画素であることを特徴とする請求項８に記載の撮像装置。
10. 前記第１の画素及び前記第２の画素は撮像用画素であることを特徴とする請求項８に記載の撮像装置。
11. 前記光電変換部に対して正射影した際の頂点の位置と中心の位置とがずれているマイクロレンズの輪郭が、平面視で放射方向に漸次幅狭となる曲線形状で形成されるとともに、断面視で放射方向に漸次低くなる曲線形状で形成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の撮像装置。
12. 前記複数のマイクロレンズは、第１方向に沿って配列し、前記複数のマイクロレンズが配された画素領域の中心から前記第１の方向に沿って第１の距離だけ離れて位置する第３のマイクロレンズを含み、
    前記第３のマイクロレンズは、前記第１の方向と、前記第１の方向に直交する第２の方向を含む面に底面を有し、
    前記底面は、
    前記第３のマイクロレンズ内の前記第１の方向における第１の位置にて、前記第２の方向に沿った第１の幅と、
    前記第３のマイクロレンズ内の前記第１の方向における前記第１の位置よりも前記画素領域の中心から離れて位置する第２の位置にて、前記第２の方向に沿った、前記第１の幅よりも狭い第２の幅を有し、
    前記光電変換部に対して正射影した際の頂点の位置と中心の位置とがずれているマイクロレンズは、
    前記第１の位置にて、前記第２の方向に沿った第１の断面をとった時に、第１の曲率半径と、前記第１の断面において最も高い第１の高さを有し、
    前記第２の位置にて、前記第２の方向に沿った第２の断面をとった時に、前記第１の曲率半径よりも大きな第２の曲率半径と、前記第２の断面において最も高く、前記第１の高さよりも低い第２の高さを有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の撮像装置。
13. 前記画素領域は有効画素領域とＯＢ領域とを有し、前記有効画素領域と前記ＯＢ領域の両者に前記光電変換部に対して正射影した際の頂点の位置と中心の位置とがずれているマイクロレンズが配されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の撮像装置。
14. 前記複数の画素は、各光電変換部で生じた信号を増幅する増幅トランジスタを有し、前記増幅トランジスタのゲート電極が配される主面とは反対側の主面から光が入射することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の撮像装置。
15. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の撮像装置と、
    前記撮像装置に光を集光させる撮像レンズとを有し、
    前記撮像装置から出力された位相差検出信号により、前記撮像レンズの制御を行なう撮像システム。

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