JP2017111347A

JP2017111347A - 撮像装置及びカメラ

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Publication number: JP2017111347A
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Inventors: 太朗加藤; Taro Kato
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Abstract

【課題】光導波路とマイクロレンズとを有する焦点検出用の画素において、焦点検出の精度の向上と、感度の向上とを両立するための技術を提供する。【解決手段】位相差方式による焦点検出を行うための焦点検出画素を有する撮像装置が提供される。焦点検出画素は、基板に配された光電変換部と、光電変換部の上に配されたマイクロレンズと、光電変換部とマイクロレンズとの間に配された光導波路と、を含む。第１平面におけるマイクロレンズの屈折力は、第２平面におけるマイクロレンズの屈折力よりも小さい。第１平面は、マイクロレンズの頂点を通り、基板の上面に直交し、焦点検出画素が焦点検出を行う方向に沿っている。第２平面は、マイクロレンズの頂点を通り、基板の上面に直交し、第１平面に交差する。【選択図】図３

Description

本発明は、撮像装置及びカメラに関する。

近年、ビデオカメラや電子スチルカメラなどに用いられる撮像装置が普及している。特許文献１及び２に記載される撮像装置は、位相差方式による焦点検出を行うための画素を有する。これらの文献の焦点検出用の画素は、マイクロレンズと光電変換部との間に光導波路を有していない。

特開２００８−７１９７２号公報特開２００９−１０９９６５号公報

焦点検出用の画素での感度を向上するために、マイクロレンズと光電変換部との間に光導波路を配することが考えられる。光導波路を配した場合に、特許文献１及び２に記載されたマイクロレンズの形状では、焦点検出の精度の向上と、感度の向上とを両立することが困難である。本発明の一部の側面は、光導波路とマイクロレンズとを有する焦点検出用の画素において、焦点検出の精度の向上と、感度の向上とを両立するための技術を提供することを目的とする。

上記課題に鑑みて、位相差方式による焦点検出を行うための焦点検出画素を有する撮像装置であって、前記焦点検出画素は、基板に配された光電変換部と、前記光電変換部の上に配されたマイクロレンズと、前記光電変換部と前記マイクロレンズとの間に配された光導波路と、を含み、第１平面における前記マイクロレンズの屈折力は、第２平面における前記マイクロレンズの屈折力よりも小さく、前記第１平面は、前記マイクロレンズの頂点を通り、前記基板の上面に直交し、前記焦点検出画素が焦点検出を行う方向に沿っており、前記第２平面は、前記マイクロレンズの頂点を通り、前記基板の上面に直交し、前記第１平面に交差することを特徴とする撮像装置が提供される。

上記手段により、光導波路とマイクロレンズとを有する焦点検出用の画素において、焦点検出の精度の向上と、感度の向上とを両立するための技術が提供される。

一部の実施形態の撮像装置の構成例を説明する図。一部の実施形態の焦点検出画素の構成例を説明する図。一部の実施形態のマイクロレンズの構成例を説明する図。図３のマイクロレンズの特性を説明する図。図３のマイクロレンズの特性を説明する図。図３のマイクロレンズの特性を説明する図。図３のマイクロレンズの特性を説明する図。図２の焦点検出画素の変形例を説明する図。図２の焦点検出画素の変形例を説明する図。図２の焦点検出画素の変形例を説明する図。図２の焦点検出画素の変形例を説明する図。一部の実施形態の撮像画素の構成例を説明する図。一部の実施形態の焦点検出画素の構成例を説明する図。

添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について以下に説明する。様々な実施形態を通じて同様の要素には同一の参照符号を付し、重複する説明を省略する。また、各実施形態は適宜変更、組み合わせが可能である。

図１を参照して、一部の実施形態に係る撮像装置１００のブロック図について説明する。図１で説明される撮像装置１００の各構成要素として既存の構成を用いてもよい。そのため、以下では撮像装置１００の構成の一例を簡単に説明する。撮像装置１００は、撮像領域１０１と、垂直走査回路１０２と、２つの読み出し回路１０３と、２つの水平走査回路１０４と、２つの出力アンプ１０５とを備える。撮像装置１００のうち、撮像領域１０１以外の領域は周辺回路領域と呼ばれうる。撮像装置１００には、複数の画素が２次元アレイ状に配されている。

垂直走査回路１０２は、制御部１０７からの指示に応じて、複数の画素を行単位で選択する。読み出し回路１０３は、列アンプ、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）回路、加算回路などを含み、制御部１０７からの指示に応じて、選択された画素からの信号に対して加算、増幅などを行う。水平走査回路１０４は、読み出し回路１０３によって読み出された１画素行分の信号を、制御部１０７からの指示に応じて、出力アンプ１０５に順次出力する。出力アンプ１０５は、読み出し回路１０３から供給された信号を増幅し、増幅した信号を信号処理部１０６に供給する。

信号処理部１０６は、撮像装置１００から供給された信号を用いて焦点検出や画像生成を行う。制御部１０７は、撮像装置１００全体の動作を制御する。信号処理部１０６及び制御部１０７は、撮像装置１００に含まれてもよいし、撮像装置１００を搭載する電子装置（例えば、カメラ）に含まれていてもよい。信号処理部１０６及び制御部１０７は、ＣＰＵ等のプロセッサがプログラムを実行することによって実現されてもよいし、ＡＳＩＣ等のハードウェア（例えば、回路）によって実現されてもよい。

続いて、図２を参照して、焦点検出画素２００の構造について説明する。焦点検出画素２００とは、位相差方式による焦点検出を行うための画素のことである。撮像装置１００は、撮像領域１０１に１つ以上の焦点検出画素２００を含む。撮像装置１００が複数の焦点検出画素２００を含む場合に、これらの焦点検出画素２００は撮像領域１０１に分散して配されてもよいし、１次元状又は２次元状に配されてもよい。焦点検出画素２００は、焦点検出を行うためだけに用いられてもよいし、焦点検出だけでなく画像を生成するために用いられてもよい。複数の画素は、焦点検出画素２００以外に、撮像画素を含んでもよい。撮像画素とは、焦点検出を行うためには用いられず、画像を生成するために用いられる画素のことである。撮像画素の構造については後述する。図２（ａ）に示すように、焦点検出画素２００は、とりわけ、光電変換部２０２が配された基板２０１と、光導波路２０４と、カラーフィルタ２０７と、マイクロレンズ２０９とを有する。

以下、焦点検出画素２００の形状について説明するために、座標系ＳＹＳを設定する。座標系ＳＹＳのＸ方向は、基板２０１の上面２０１ａに平行かつ焦点検出を行う方向に平行な方向である。ここで、焦点検出を行う方向とは、焦点検出画素２００が焦点のずれを検出可能な方向である。図２の例では、２つの光電変換領域２０２ａ、２０２ｂが並ぶ方向が焦点検出を行う方向となる。座標系ＳＹＳのＹ方向は、基板２０１の上面２０１ａに平行かつＸ方向に直交する方向である。座標系ＳＹＳのＺ方向は、基板２０１の上面２０１ａに直交し、焦点検出画素２００に光が入射する側を正とする方向である。焦点検出画素２００の２つの光電変換領域２０２ａ、２０２ｂはＸ方向に沿って並んでいるが、撮像装置１００は、２つの光電変換領域がＹ方向に沿って並んだ他の焦点検出画素を有してもよい。

焦点検出画素２００に対して６つの平面を規定する。図２（ｃ）に示すように、マイクロレンズ２０９の頂点２０９ｂを通り、基板２０１の上面２０１ａに直交する平面を平面ＰＬ１と呼ぶ。平面ＰＬ１はＸＺ平面に平行である。マイクロレンズ２０９の頂点２０９ｂを通り、基板２０１の上面２０１ａに直交し、平面ＰＬ１に交差する平面を平面ＰＬ２と呼ぶ。マイクロレンズ２０９の頂点２０９ｂを通り、基板２０１の上面２０１ａ及び平面ＰＬ１に直交する平面を平面ＰＬ３と呼ぶ。平面ＰＬ３はＹＺ平面に平行である。平面ＰＬ２は、平面ＰＬ３に交差する。

図２（ｂ）に示すように、光電変換部２０２の中心２０２ｃを通り、基板２０１の上面２０１ａに直交する平面を平面ＰＬ１´と呼ぶ。平面ＰＬ１´はＸＺ平面に平行である。また、光電変換部２０２の中心２０２ｃを通り、基板２０１の上面２０１ａに直交し、平面ＰＬ１´に交差する平面を平面ＰＬ２´と呼ぶ。平面ＰＬ２´は平面ＰＬ２と一致又は平行になるように規定する。さらに、光電変換部２０２の中心２０２ｃを通り、基板２０１の上面２０１ａ及び平面ＰＬ１´に直交する平面を平面ＰＬ３´と呼ぶ。平面ＰＬ３´はＹＺ平面に平行である。平面ＰＬ２´は、平面ＰＬ３´に交差する。光電変換部２０２の中心２０２ｃとは、例えば、基板２０１の上面２０１ａに平行な平面における光電変換部２０２の幾何的重心である。

本実施形態では、Ｚ方向においてマイクロレンズ２０９の頂点２０９ｂと光電変換部２０２の中心２０２ｃとが一致する。そのため、平面ＰＬ１と平面ＰＬ１´、平面ＰＬ１と平面ＰＬ１´、平面ＰＬ１と平面ＰＬ１´はそれぞれ同一の平面である。Ｚ方向においてマイクロレンズ２０９の頂点２０９ｂと光電変換部２０２の中心２０２ｃとが一致しない実施形態では、これらの平面は同一の平面ではない。図２（ａ）は、平面ＰＬ１における焦点検出画素２００の断面図である。図２（ｂ）は、Ｚ方向から見た光電変換領域２０２ａ、２０２ｂ、ゲート電極２１０ａ、２１０ｂ、光導波路２０４の上面を示す。図２（ｃ）は、Ｚ方向から見たマイクロレンズ２０９を示す。図２（ｃ）において、破線は基板２０１の上面２０１ａからの高さの等高線を示す。

光電変換部２０２は基板２０１に配された半導体領域である。光電変換部２０２の導電型は、光電変換部２０２の周囲の部分の導電型とは反対である。本実施形態では、光電変換部２０２が２つの光電変換領域２０２ａ、２０２ｂによって構成される。２つの光電変換領域２０２ａ、２０２ｂは、互いに電気的に分離されている。例えば、２つの光電変換領域２０２ａ、２０２ｂの間に、光電変換領域２０２ａ、２０２ｂとは反対の導電型を有する不純物領域が配されてもよいし、素子分離領域が配されてもよい。上述のように、光電変換部２０２は、その中心２０２ｃに対して対称の形状を有する。さらに、光電変換部２０２は、平面ＰＬ１´と平面ＰＬ３´とのそれぞれに対して対称の形状を有する。光電変換領域２０２ａと、光電変換領域２０２ｂとは、平面ＰＬ３´に対して互いに反対側に位置する。ゲート電極２１０ａ、２１０ｂは、光電変換領域２０２ａ、２０２ｂで発生した電荷をそれぞれ転送するための転送トランジスタを構成する。ゲート電極２１０ａと、ゲート電極２１０ｂとは、平面ＰＬ３´に対して対称の形状を有する。

基板２０１の上に、絶縁層２０３が設けられている。絶縁層２０３は可視光を透過可能であってもよい。絶縁層２０３は、１種類の材料で形成された単層膜であってもよいし、互いに異なる複数の材料で形成された積層膜であってもよい。絶縁層２０３を構成する材料として、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ2）、窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）、炭化シリコン（ＳｉＣ）などがある。例えば、絶縁層２０３は酸化シリコンの単層膜であってもよいし、酸化シリコン、窒化シリコン及び炭化シリコンの積層膜であってもよい。絶縁層２０３はその内部に配線パターン２０５を有する。配線パターン２０５は、１層であってもよいし、多層構造（図２では２層構造の例を示す。）であってもよい。

撮像装置１００は、絶縁層２０３の上に撮像領域１０１にわたるカラーフィルタ層２０６を有し、カラーフィルタ層の上に撮像領域１０１にわたるマイクロレンズ層２０８を有する。焦点検出画素２００の各画素は、カラーフィルタ層２０６にカラーフィルタ２０７を有する。カラーフィルタ２０７は、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の何れかの光又はＣ（シアン）、Ｍ（マゼンタ）、Ｙ（イエロー）の何れかの光を透過するフィルタである。これに代えて、カラーフィルタ２０７は、ＲＧＢすべての光又はＣＭＹすべての光を透過するフィルタ（いわゆる白色フィルタ）であってもよいし、ＩＲ（赤外光）を透過するフィルタであってもよい。

焦点検出画素２００の各画素は、マイクロレンズ層２０８にマイクロレンズ２０９を有する。本実施形態では、マイクロレンズ層２０８の上面のうちＺ方向に凸の部分を上面とする部分を１つのマイクロレンズと呼ぶ。そのため、マイクロレンズ層２０８の上面の接平面の傾きが切り替わる部分及び平坦な部分が、隣接する２つのマイクロレンズの境界となる。マイクロレンズ２０９の形状は、マイクロレンズ２０９の頂点２０９ｂを通りＺ方向に平行な直線（以下、この直線をマイクロレンズ２０９の中心軸と呼ぶ。）に対して対称である。また、マイクロレンズ２０９の形状は、平面ＰＬ１、ＰＬ３のそれぞれに対して対称である。

フィルタ膜厚の安定性を向上させるため、撮像装置１００は、カラーフィルタ層２０６とマイクロレンズ層２０８との間に平坦化層を含んでもよい。マイクロレンズ層２０８、カラーフィルタ層２０６、平坦化層は、例えば樹脂などの材料で形成される。

光導波路２０４は、絶縁層２０３に埋め込まれており、マイクロレンズ２０９と光電変換部２０２との間に配されている。光導波路２０４の屈折率は、絶縁層２０３の屈折率よりも大きい。そのため、カラーフィルタ２０７を透過した後、光導波路２０４の上面２０４ａから光導波路２０４に入射した光は、光導波路２０４に閉じ込められ、光電変換部２０２に導かれる。光導波路２０４は１つの材料で形成されてもよいし、複数の材料で形成されてもよい。屈折率の比較は、例えば絶対屈折率で行われる。屈折率は周波数に依存するので、この比較をカラーフィルタ２０７が透過する光の波長の中心付近で行ってもよい。光導波路２０４の屈折率は、光導波路２０４の大部分をなす材料の屈折率であってもよい。絶縁層２０３の屈折率についても同様である。

続いて、図３を参照して、マイクロレンズ２０９の形状について説明する。平面ＰＬ１〜ＰＬ３におけるマイクロレンズ２０９の上面２０９ａ（すなわち、平面ＰＬ１〜ＰＬ３と上面２０９ａとの交わり）をそれぞれ上面３０１〜３０３と呼ぶ。平面ＰＬ１〜ＰＬ３におけるマイクロレンズ２０９の上面２０９ａの縁をそれぞれ縁２０９ｃ〜２０９ｅと呼ぶ。

図３（ａ）は、上面３０１〜３０３を重ねて示すとともに、光導波路２０４を示す。上面３０１〜３０３の幅をそれぞれＷ１〜Ｗ３で表し、光導波路２０４の上面２０４ａの幅をＷ４で表す。ここで、幅とは、基板２０１の上面２０１ａに平行な方向における長さのことである。本実施形態で光導波路２０４の上面２０４ａは円形であるので、平面ＰＬ１〜ＰＬ３のそれぞれにおいてＷ４は同じ値となる。本実施形態では、Ｗ１〜Ｗ４は、Ｗ４＜Ｗ１＝Ｗ３＜Ｗ２という大小関係を満たす。すなわち、平面ＰＬ１、ＰＬ２、ＰＬ３のそれぞれにおいて、マイクロレンズ２０９の幅は、光導波路２０４の上面２０４ａの幅よりも広い。また、平面ＰＬ１におけるマイクロレンズ２０９の幅は、平面ＰＬ３におけるマイクロレンズ２０９の幅と等しく、平面ＰＬ２におけるマイクロレンズ２０９の幅よりも狭い。

図３（ｂ）は、上面３０１に着目した図である。上面３０１は、マイクロレンズ２０９の中心軸に対して対称であるので、図３（ｂ）では半分のみを示す。マイクロレンズ２０９の頂点２０９ｂと縁２０９ｃとの間を基板２０１の上面２０１ａに沿った距離で４等分することによって得られる４つの部分を、縁２０９ｃから近い順に３０１ａ〜３０１ｄで表す。縁２０９ｃに最も近い部分３０１ａの上面は、縁２０９ｃから２番目にある部分３０１ｂの上面よりもなだらかである。縁２０９ｃから２番目にある部分３０１ｂの上面は縁２０９ｃから３番目にある部分３０１ｃの上面よりも急である。縁２０９ｃから３番目にある部分３０１ｃの上面は縁２０９ｃから４番目にある部分３０１ｄの上面よりも急である。

例えば、部分３０１ａの上面と、基板２０１の上面２０１ａに平行な平面ＰＬ４（すなわち、ＸＹ平面に平行な平面）とがなす角度の代表値をφ１とする。部分３０１ａの上面と平面ＰＬ４とがなす角の代表値とは、部分３０１ａの上面と平面ＰＬ４とがなす角度を表す値であり、例えば部分３０１ａの上面と平面ＰＬ４とがなす角度の最大値、最小値、平均値や、部分３０１ａの中央での値などである。部分３０１ａの上面と平面ＰＬ４とがなす角の平均値は、部分３０１ａの上面の両端における２つの角度の平均値であってもよいし、部分３０１ａの上面における３つ以上の位置における角度の平均値であってもよい。以下に説明されるマイクロレンズ２０９の様々な部分と平面ＰＬ４とがなす角度の代表値についても同様である。部分３０１ｂの上面と平面ＰＬ４とがなす角度の代表値をφ４とする。部分３０１ａの上面が部分３０１ｂの上面よりもなだらかであるので、φ１＜φ４が成り立つ。例えば、５°≦φ１≦３０°であり、４０°≦φ４≦６０°である。

図３（ｃ）は、上面３０２に着目した図である。上面３０２は、マイクロレンズ２０９の中心軸に対して対称であるので、図３（ｃ）では半分のみを示す。マイクロレンズ２０９の頂点２０９ｂと縁２０９ｄとの間を基板２０１の上面２０１ａに沿った距離で４等分することによって得られる４つの部分を、縁２０９ｄから近い順に３０２ａ〜３０２ｄで表す。縁２０９ｄに最も近い部分３０２ａの上面は、縁２０９ｄから２番目にある部分３０２ｂの上面よりも急である。縁２０９ｃから２番目にある部分３０２ｂの上面は縁２０９ｄから３番目にある部分３０２ｃの上面よりも急である。縁２０９ｄから３番目にある部分３０２ｃの上面は縁２０９ｄから４番目にある部分３０２ｄの上面よりも急である。例えば、部分３０２ａの上面と平面ＰＬ４とがなす角度の代表値をφ２とし、部分３０２ｂの上面と平面ＰＬ４とがなす角度の代表値をφ５とする。部分３０２ａの上面が部分３０２ｂの上面よりも急であるので、φ２＞φ５が成り立つ。例えば、４０°≦φ２≦６０°であり、３０°≦φ５≦４０°である。

図３（ｄ）は、上面３０３に着目した図である。上面３０３は、マイクロレンズ２０９の中心軸に対して対称であるので、図３（ｄ）では半分のみを示す。マイクロレンズ２０９の頂点２０９ｂと縁２０９ｅとの間を基板２０１の上面２０１ａに沿った距離で４等分することによって得られる４つの部分を、縁２０９ｅから近い順に３０３ａ〜３０３ｄで表す。縁２０９ｅに最も近い部分３０３ａの上面は、縁２０９ｅから２番目にある部分３０３ｂの上面よりも急である。縁２０９ｃから２番目にある部分３０３ｂの上面は縁２０９ｅから３番目にある部分３０３ｃの上面よりも急である。縁２０９ｅから３番目にある部分３０３ｃの上面は縁２０９ｅから４番目にある部分３０３ｄの上面よりも急である。例えば、部分３０３ａの上面と平面ＰＬ４とがなす角度の代表値をφ３とし、部分３０３ｂの上面と平面ＰＬ４とがなす角度の代表値をφ６とする。部分３０３ａの上面が部分３０３ｂの上面よりも急であるので、φ３＞φ６が成り立つ。例えば、５０°≦φ３≦８０°であり、３０°≦φ６≦５０°である。

さらに、本実施形態では、平面ＰＬ１におけるマイクロレンズ２０９の上面３０１のうち縁２０９ｃの付近は、平面ＰＬ２におけるマイクロレンズ２０９の上面３０２のうち縁２０９ｄの付近よりもなだらかである。すなわち、φ１＜φ２を満たす。縁の付近とは、上述のようにマイクロレンズを４等分することによって得られる４つの部分のうち縁に最も近い部分のことであってもよい。さらに、φ１＜（１／２）×φ２を満たしてもよい。また、平面ＰＬ３におけるマイクロレンズ２０９の上面３０３のうち縁２０９ｅの付近は、平面ＰＬ２におけるマイクロレンズ２０９の上面３０２のうち縁２０９ｄの付近よりも急である。すなわち、φ２＜φ３を満たす。

続いて、図４を参照して、マイクロレンズ２０９の集光について説明する。図４は、平面ＰＬ１における焦点検出画素２００と、平面ＰＬ２における焦点検出画素２００とを重ねた図である。ただし、図４では一部の要素を省略する。また、平面ＰＬ１と平面ＰＬ２とでは光電変換部２０２の大きさが異なるが、図４では同じ大きさに示している。基板２０１の上面２０１ａに対して垂直な方向（すなわち、Ｚ方向）から入射した光のうち、上面３０１の縁の付近に入射した光４０１は、基板２０１の上面からの高さがＨ２である点４０２に集光する。一方、基板２０１の上面２０１ａに対して垂直な方向から入射した光のうち、上面３０２の縁の付近に入射した光４０３は、基板２０１の上面からの高さがＨ３である点４０４に集光する。φ１＜φ２を満たすので、Ｈ２＜Ｈ３となる。すなわち、平面ＰＬ１におけるマイクロレンズ２０９の屈折力は、平面ＰＬ２におけるマイクロレンズ２０９の屈折力よりも小さい。さらに、光導波路２０４の上面２０４ａの、基板２０１の上面２０１ａからの高さをＨ１とすると、Ｈ２＜（１／３）×Ｈ１＜Ｈ３を満たしてもよい。すなわち、上面３０１のうち縁の付近に入射した光４０１は高さＨ１の１／３よりも基板側に集光してもよく、上面３０２のうち縁の付近に入射した光４０３は高さＨ１の１／３よりもマイクロレンズ側に集光してもよい。

続いて、図５を参照して、焦点検出画素２００の感度について説明する。図５（ａ）は、平面ＰＬ１における焦点検出画素２００を示し、図５（ｂ）は、平面ＰＬ２における焦点検出画素２００を示す。ただし、図５では一部の要素を省略する。マイクロレンズ２０９の上面３０１に入射した光５０１は、波形５０２に示すように、回折効果による波動的な広がりを有しつつ集光する。同様に、マイクロレンズ２０９の上面３０２に入射した光５０３は、波形５０４に示すように、回折効果による波動的な広がりを有しつつ集光する。平面ＰＬ１におけるマイクロレンズ２０９の屈折力が平面ＰＬ２におけるマイクロレンズ２０９の屈折力よりも小さいので、波形５０２は、波形５０４よりも幅広い。そのため、光５０１の一部の光は光導波路２０４に入らないが、光５０３の大半は光導波路２０４に入る。したがって、マイクロレンズ２０９の上面３０２の形状の方が、マイクロレンズ２０９の上面３０１の形状よりも、焦点検出画素２００の感度が高くなる。

続いて、図６を参照して、焦点検出画素２００による焦点検出の原理について説明する。図６は、撮像光学系の射出瞳６００と、マイクロレンズ２０９と、光電変換領域２０２ａ、２０２ｂとの位置関係を説明する。射出瞳６００は、２つの瞳領域６０１、６０２を有する。射出瞳６００から入射した光の入射角をθで表す。ただし、Ｚ方向に対して光が時計回り方向にある場合にθを正とし、反時計回り方向にある場合にθを負とする。瞳領域６０１から入射した光６０３（すなわち、入射角θ＞０の光）は、マイクロレンズ２０９を透過し、光電変換領域２０２ａに入射する。瞳領域６０２から入射した光６０４（すなわち、入射角θ＜０の光）は、マイクロレンズ２０９を透過し、光電変換領域２０２ｂに入射する。光６０３と光６０４との位相差を測定することによって、焦点検出が行われる。

続いて、図７を参照して、焦点検出画素２００による焦点検出の精度について説明する。図７（ａ）は、平面ＰＬ１における焦点検出画素２００を示し、図７（ｂ）は、平面ＰＬ２における焦点検出画素２００を示す。ただし、図７では一部の要素を省略する。図７（ｃ）及び（ｄ）は、図６で説明した入射角θと、光電変換部２０２の感度との関係を示す。図７（ｃ）において、グラフ７０２はマイクロレンズ２０９の上面３０１に入射した光に対する光電変換領域２０２ａの感度を示し、グラフ７０３はマイクロレンズ２０９の上面３０１に入射した光に対する光電変換領域２０２ｂの感度を示す。図７（ｄ）において、グラフ７０５はマイクロレンズ２０９の上面３０２に入射した光に対する光電変換領域２０２ａの感度を示し、グラフ７０６はマイクロレンズ２０９の上面３０２に入射した光に対する光電変換領域２０２ｂの感度を示す。感度の単位は任意である。

図４において上述したように、平面ＰＬ１におけるマイクロレンズ２０９の屈折力が平面ＰＬ２におけるマイクロレンズ２０９の屈折力よりも小さい。そのため、上面３０１に対して斜めに入射した光７０１の集光点は、上面３０２に対して斜めに入射した光７０４の集光点よりも基板２０１の近くにある。そのため、θ＞０の入射光のうち、光電変換領域２０２ｂに入射してしまい、偽信号となる光の比率は、上面３０１に入射した光７０１の方が上面３０２に入射した光７０４よりも低い。そのため、マイクロレンズ２０９の上面３０１の形状の方が、マイクロレンズ２０９の上面３０２の形状よりも、焦点検出画素２００の焦点検出の精度が高い。

マイクロレンズ２０９の上面３０１は焦点検出を行う方向（ｘ方向）に沿っているのに対して、マイクロレンズ２０９の上面３０２は焦点検出を行う方向に交差する。そのため、マイクロレンズ２０９の上面３０１に入射する光は、マイクロレンズ２０９の上面３０２に入射する光よりも偽信号を発生しにくい。そこで、本実施形態では、マイクロレンズ２０９の上面３０１の形状を、焦点検出の精度を優先した形状にする。また、マイクロレンズ２０９の上面３０２の幅は、マイクロレンズ２０９の上面３０１の幅よりも広い。そのため、マイクロレンズ２０９の上面３０２は、マイクロレンズ２０９の上面３０１よりも多くの光を受ける。そこで、本実施形態では、マイクロレンズ２０９の上面３０２の形状を、感度を優先した形状とする。以上により、本実施形態では、焦点検出画素２００の焦点検出の精度の向上と感度の向上とを両立する。

また、本実施形態では、平面ＰＬ３に対してマイクロレンズ２０９が対称の形状を有し、平面ＰＬ３´に対して光電変換領域２０２ａ、２０２ｂ及びゲート電極２１０ａ、２１０ｂが対称の形状を有するので、光の入射光に対する感度がθ＝０に対して対称となる。さらに、ゲート電極２１０ａ、２１０ｂが光電変換領域２０２ａ、２０２ｂの端にあるので、ゲート電極２１０ａ、２１０ｂで光が損失する割合が低減される。

続いて、図８を参照して、焦点検出画素２００の変形例について説明する。この変形例では、マイクロレンズ２０９の構造が上述の実施形態とは異なる。そこで、以下では主にこの相違点について説明し、同様であってもよい点についての説明を省略する。図８（ａ）〜（ｄ）は、図２（ｃ）、図３（ｂ）〜（ｄ）にそれぞれ対応する。図８の変形例では、平面ＰＬ１におけるマイクロレンズ２０９の上面３０１と、平面ＰＬ３におけるマイクロレンズ２０９の上面３０３とが同じ形状を有する。したがって、上記で定義した様々な角度について、
φ１＜φ４、
φ２＜φ５、
φ３＜φ６、
φ１＝φ３＜φ２、
Ｗ４＜Ｗ１＝Ｗ３＜Ｗ２
を満たす。この変形例では、マイクロレンズ２０９の上面３０２のよりも幅が狭い上面３０３の形状を、焦点検出の精度を優先した形状とする。すなわち、平面ＰＬ３におけるマイクロレンズ２０９の屈折力は、平面ＰＬ２におけるマイクロレンズ２０９の屈折力よりも小さい。

続いて、図９を参照して、焦点検出画素２００の変形例について説明する。この変形例では、マイクロレンズ２０９の構造が上述の実施形態とは異なる。そこで、以下では主にこの相違点について説明し、同様であってもよい点についての説明を省略する。図９（ａ）〜（ｄ）は、図２（ｃ）、図３（ｂ）〜（ｄ）にそれぞれ対応する。図９の変形例では、上記で定義した様々な角度について、
φ１＜φ４、
φ２＜φ５、
φ３＞φ６、
φ１＜φ３＜φ２、
Ｗ４＜Ｗ１＝Ｗ３＜Ｗ２
を満たす。この変形例では、本実施形態では、マイクロレンズ２０９の上面３０２のよりも幅が狭い上面３０３の形状を、感度を優先した形状とする。すなわち、平面ＰＬ３におけるマイクロレンズ２０９の屈折力は、平面ＰＬ２におけるマイクロレンズ２０９の屈折力よりも大きい。この変形例において、φ２＝φ３であってもよい。

続いて、図１０を参照して、焦点検出画素２００の変形例について説明する。この変形例では、光電変換部及びゲート電極の構造が上述の実施形態とは異なる。そこで、以下では主にこの相違点について説明し、同様であってもよい点についての説明を省略する。マイクロレンズ２０９の形状は、上述の変形例で説明したものであってもよい。図１０（ａ）、（ｂ）はどちらも図２（ｂ）に対応する。この変形例では、光電変換部２０２が互いに互いに電気的に分離されている４つの光電変換領域２０２ａ〜２０２ｄを含む。光電変換領域２０２ａ、２０２ｄの組と、光電変換領域２０２ｂ、２０２ｅの組とは、Ｘ方向に並んでいる。また、光電変換領域２０２ａ、２０２ｂの組と、光電変換領域２０２ｄ、２０２ｅの組とは、Ｙ方向に並んでいる。そのため、この変形例の焦点検出画素２００を用いて、Ｘ方向とＹ方向との両方について焦点検出を行うことができる。光電変換部２０２の形状は、平面ＰＬ１´と平面ＰＬ３´とのそれぞれに対して対称である。

ゲート電極２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｄ、２１０ｅの形状も平面ＰＬ１´と平面ＰＬ３´とのそれぞれに対して対称である。図１０（ａ）に示す変形例では、ゲート電極２１０ａ、２１０ｂが焦点検出画素２００の１辺に沿っており、ゲート電極２１０ｄ、２１０ｅが焦点検出画素２００の反対側の辺に沿っている。図１０（ｂ）に示す変形例では、ゲート電極２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｄ、２１０ｅが焦点検出画素２００の四隅にある。

続いて、図１１を参照して、焦点検出画素２００の変形例について説明する。この変形例では、光導波路２０４の形状が上述の実施形態とは異なる。そこで、以下では主にこの相違点について説明し、同様であってもよい点についての説明を省略する。マイクロレンズ２０９の形状は、上述の変形例で説明したものであってもよい。図１１（ａ）、（ｂ）は、図２（ａ）、（ｂ）に対応する。光導波路２０４の上面２０４ａ及び基板２０１の上面２０１ａに平行な平面での断面は、いずれも楕円である。この楕円の長軸は平面ＰＬ１´上にあり、短軸は平面ＰＬ３´上にある。そのため、平面ＰＬ１´における光導波路２０４の上面２０４ａの幅は平面ＰＬ３´における光導波路２０４の上面２０４ａの幅よりも広い。上述のように、焦点検出画素２００では、マイクロレンズ２０９の上面３０２のよりも幅が狭い上面３０１の形状を、焦点検出の精度を優先している。そのため、この変形例では、平面ＰＬ１´における光導波路２０４の上面２０４ａの幅を広くすることによって、焦点検出画素２００の感度の低下を抑制する。この変形例でも、平面ＰＬ１におけるマイクロレンズ２０９の幅は平面ＰＬ１´における光導波路２０４の上面２０４ａの幅よりも広く、平面ＰＬ３におけるマイクロレンズ２０９の幅は平面ＰＬ３´における光導波路２０４の上面２０４ａの幅よりも広い。

続いて、図１２を参照して、一部の実施形態において撮像装置１００が備える撮像画素１２００について説明する。撮像画素１２００は、マイクロレンズ２０９の代わりにマイクロレンズ１２０９を有する点と、光電変換部２０２が１つの領域で構成される点とで焦点検出画素２００と異なり、他の点は同様であってもよい。そこで、以下では主にこの相違点について説明し、同様であってもよい点についての説明を省略する。撮像装置１００が備える光電変換部２０２は、撮像用光電変換部と呼ばれてもよく、撮像装置１００が備えるマイクロレンズ１２０９は、撮像用マイクロレンズと呼ばれてもよい。図１２（ａ）〜（ｄ）は、図２（ａ）、図２（ｂ）、図３（ｂ）、図２（ｃ）にそれぞれ対応する。マイクロレンズ１２０９の頂点１２０９ｂを通り基板２０１の上面２０１ａに直交する平面ＰＬ１におけるマイクロレンズ１２０９の上面を上面１２０９ａで表す。撮像画素１２００の平面ＰＬ１は、焦点検出画素２００の平面ＰＬ１と同一又は平行である。図１２（ｄ）に示すように、マイクロレンズ１２０９の上面の等高線は、頂点１２０９ｂを中心として同心円状となる。

図１２（ｃ）に示すように、マイクロレンズ１２０９の頂点１２０９ｂと縁１２０９ｅとの間を基板２０１の上面２０１ａに沿った距離で４等分することによって得られる４つの部分を、縁１２０９ｅから近い順に１２０１ａ〜１２０１ｄで表す。撮像画素１２００では焦点検出の精度を考慮する必要がないので、マイクロレンズ１２０９を上述の感度の優先した形状にしてもよい。例えば、縁１２０９ｅに最も近い部分１２０１ａの上面は、縁１２０９ｅから２番目にある部分１２０１ｂの上面よりも急である。縁１２０９ｅから２番目にある部分１２０１ｂの上面は縁１２０９ｅから３番目にある部分１２０１ｃの上面よりも急である。縁１２０９ｅから３番目にある部分１２０１ｃの上面は縁１２０９ｅから４番目にある部分１２０１ｄの上面よりも急である。例えば、部分１２０１ａの上面と平面ＰＬ４とがなす角度の代表値をφ０とし、部分１２０１ｂの上面と平面ＰＬ４とがなす角度の代表値をφ７とする。部分１２０１ａの上面が部分１２０１ｂの上面よりも急であるので、φ０＞φ７が成り立つ。さらに、φ０＞φ１であってもよい。すなわち、平面ＰＬ１におけるマイクロレンズ１２０９の上面１２０９ａのうち縁の付近の傾斜が、平面ＰＬ１におけるマイクロレンズ２０９の上面３０１のうち縁の付近の傾斜よりも急であってもよい。すなわち、平面ＰＬ１におけるマイクロレンズ１２０９の屈折力は、平面ＰＬ１におけるマイクロレンズ２０９の屈折力よりも小さくてもよい。

上述の実施形態及び様々な変形例では、マイクロレンズ２０９の頂点２０９ｂと光電変換部２０２の中心２０２ｃとが、Ｚ方向に重なる位置にある。これに代えて、マイクロレンズ２０９の頂点２０９ｂと光電変換部２０２の中心２０２ｃとが互いにずれていてもよい。例えば、マイクロレンズ２０９の頂点２０９ｂは、撮像領域１０１の中心から焦点検出画素２００までの距離に応じた分だけ、撮像領域１０１の中心に向けてずれていてもよい。このようにずらすことによって、撮像領域１０１の外周の付近に配された焦点検出画素２００の感度及び焦点検出の精度を向上できる。これに代えて、マイクロレンズ層２０８全体を基板２０１に対してずらしてもよい。例えば、マイクロレンズ層２０８をＹ方向にずらすことによって、ゲート電極２１０で損失される光の割合を低減できる。また、マイクロレンズ２０９又はマイクロレンズ層２０８をずらすとともに、光導波路２０４も光電変換部２０２に対してずらしてもよい。

上述のマイクロレンズ層２０８は、例えばフォトリソグラフィ−法により形成されうる。例えば、カラーフィルタ層２０６の上に、マイクロレンズ層２０８を形成するためポジ型感光性レジストをスピンコートで塗布する。このレジストを、パターン形成されたフォトマスクを用いて露光、現像することにより、マイクロレンズ２０９を有するマイクロレンズ層２０８を形成できる。フォトマスクは微細なドットパターンの密度により透過率を制御する面積階調マスクであってもよく、面積階調マスクの透過率分布の調整することにより上述の形状を有するマイクロレンズ２０９を形成できる。

続いて、図１３を参照して、一部の実施形態に係る撮像装置について説明する。この撮像装置は、焦点検出画素１３００ａ、１３００ｂを備える。焦点検出画素１３００ａ、１３００ｂは、光電変換部及びゲート電極の構造が異なる点と、遮光部１３０１ａ、１３０１ｂを更に有する点とで焦点検出画素２００とは異なる。そこで、以下では主にこの相違点について説明し、同様であってもよい点についての説明を省略する。マイクロレンズ２０９の形状は、上述の変形例で説明したものであってもよい。図１１（ａ）、（ｃ）はどちらも図２（ａ）に対応し、図１１（ｂ）、（ｄ）はどちらも図２（ｂ）に対応する。

焦点検出画素１３００ａにおいて、光電変換部２０２は１つの領域で構成され、この１つの領域に対して１つのゲート電極２１０が配される。光電変換部２０２の形状は、平面ＰＬ１´と平面ＰＬ３´とのそれぞれに対して対称である。ゲート電極２１０の形状は、平面ＰＬ３´に対して対称である。

遮光部１３０１ａは、光電変換部２０２と光導波路２０４との間に配されている。遮光部１３０１ａは、例えば金属で形成される。遮光部１３０１ａは、配線パターン２０５と同じ層に形成されてもよい。遮光部１３０１ａは、光電変換部２０２の一部を覆う。図１３（ａ）の例で、遮光部１３０１ａは、光電変換部２０２の左側半分を覆い、光電変換部２０２の右側半分を覆わない。光電変換部２０２のうち遮光部１３０１ａで覆われる部分と覆われない部分とは、平面ＰＬ３´に対して互いに反対側に位置する。入射角θ（図６）が正である光は遮光部１３０１ａに反射するので、光電変換部２０２に入射しない。一方、入射角θが負である光は光電変換部２０２に入射する。

焦点検出画素１３００ｂは、遮光部１３０１ｂが、光電変換部２０２の右側半分を覆い、光電変換部２０２の左側半分を覆わない点で焦点検出画素１３００ａと異なり、他の点は同様であってもよい。焦点検出画素１３００ａと焦点検出画素１３００ｂとを用いて、位相差方式による焦点検出が行われる。

以下、上記の各実施形態に係る撮像装置の応用例として、この撮像装置が組み込まれたカメラについて例示的に説明する。カメラの概念には、撮影を主目的とする装置のみならず、撮影機能を補助的に有する装置（例えば、パーソナルコンピュータ、携帯端末、自動車等）も含まれる。また、カメラはたとえばカメラヘッドなどのモジュール部品であってもよい。カメラは、上記の実施形態として例示された本発明に係る撮像装置と、この撮像装置から出力される信号を処理する信号処理部とを含む。この信号処理部は、例えば、撮像装置からで得られた信号に基づくデジタルデータを処理するプロセッサを含みうる。このデジタルデータを生成するためのＡ／Ｄ変換器を、撮像装置の半導体基板に設けてもよいし、別の半導体基板に設けてもよい。

１００撮像装置、２００焦点検出画素、２０２光電変換部、２０４光導波路、２０９マイクロレンズ

Claims

位相差方式による焦点検出を行うための焦点検出画素を有する撮像装置であって、
前記焦点検出画素は、
基板に配された光電変換部と、
前記光電変換部の上に配されたマイクロレンズと、
前記光電変換部と前記マイクロレンズとの間に配された光導波路と、を含み、
第１平面における前記マイクロレンズの屈折力は、第２平面における前記マイクロレンズの屈折力よりも小さく、
前記第１平面は、前記マイクロレンズの頂点を通り、前記基板の上面に直交し、前記焦点検出画素が焦点検出を行う方向に沿っており、
前記第２平面は、前記マイクロレンズの頂点を通り、前記基板の上面に直交し、前記第１平面に交差する
ことを特徴とする撮像装置。
前記第１平面における前記マイクロレンズの上面のうち縁の付近は、前記第２平面における前記マイクロレンズの上面のうち縁の付近よりもなだらかであることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記第１平面における前記マイクロレンズの頂点と縁との間を前記基板の上面に沿った距離で４等分することによって得られる４つの部分のうち当該縁に最も近い部分の上面は、当該縁から２番目にある部分の上面よりもなだらかであり、
前記第２平面における前記マイクロレンズの頂点と縁との間を前記基板の上面に沿った距離で４等分することによって得られる４つの部分のうち当該縁に最も近い部分の上面は、当該縁から２番目にある部分の上面よりも急であることを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
前記第１平面における前記マイクロレンズの幅は、前記第２平面における前記マイクロレンズの幅よりも狭いことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の撮像装置。
前記第１平面における前記マイクロレンズの幅は、前記第１平面における前記光導波路の上面の幅よりも広く、
前記第２平面における前記マイクロレンズの幅は、前記第２平面における前記光導波路の上面の幅よりも広いことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の撮像装置。
前記第１平面における前記マイクロレンズの上面のうち縁の付近に入射した光は、前記光導波路の上面の、前記基板の上面からの高さの１／３よりも前記基板側に集光し、
前記第２平面における前記マイクロレンズの上面のうち縁の付近に入射した光は、前記光導波路の上面の、前記基板の上面からの高さの１／３よりも前記マイクロレンズ側に集光することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の撮像装置。
前記第１平面における前記マイクロレンズの上面のうち縁の付近と前記基板の上面に平行な平面とがなす角度の代表値をφ１とし、前記第２平面における前記マイクロレンズの上面のうち縁の付近と前記基板の上面に平行な平面とがなす角度の代表値をφ２とすると、
φ１＜φ２
を満たすことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の撮像装置。
φ１＜（１／２）×φ２
をさらに満たすことを特徴とする請求項７に記載の撮像装置。
前記第２平面は、前記マイクロレンズの頂点を通り前記基板の上面及び前記第１平面に直交する第３平面に交差することを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の撮像装置。
前記マイクロレンズの形状は、前記第３平面に対して対称であることを特徴とする請求項９に記載の撮像装置。
前記第３平面における前記マイクロレンズの上面のうち縁の付近は、前記第１平面における前記マイクロレンズの上面のうち縁の付近よりも急であることを特徴とする請求項９又は１０に記載の撮像装置。
前記第３平面における前記マイクロレンズの上面のうち縁の付近は、前記第２平面における前記マイクロレンズの上面のうち縁の付近よりもなだらかであることを特徴とする請求項９又は１０に記載の撮像装置。
前記第１平面における前記光導波路の上面の幅が前記第３平面における前記光導波路の上面の幅よりも広いことを特徴とする請求項９乃至１２の何れか１項に記載の撮像装置。
前記光電変換部は、互いに電気的に分離された複数の領域を含むことを特徴とする請求項１乃至１３の何れか１項に記載の撮像装置。
前記複数の領域は第１領域及び第２領域を含み、
前記第１領域と前記第２領域とは、前記第１平面及び前記基板の上面に直交する平面に対して互いに反対側に位置することを特徴とする請求項１４に記載の撮像装置。
前記焦点検出画素は、前記光電変換部の一部を覆う遮光部を更に有することを特徴とする請求項１乃至１３の何れか１項に記載の撮像装置。
前記光電変換部のうち前記遮光部で覆われる部分と前記遮光部で覆われない部分とは、前記第１平面及び前記基板の上面に直交する平面に対して互いに反対側に位置することを特徴とする請求項１６に記載の撮像装置。
前記焦点検出画素は、前記光電変換部で発生した電荷を転送するための転送トランジスタのゲート電極を更に含み、
前記ゲート電極の形状は、前記第１平面及び前記基板の上面に直交する平面に対して対称であることを特徴とする請求項１乃至１７の何れか１項に記載の撮像装置。
前記撮像装置は画像を生成するための撮像画素を更に有し、
前記撮像画素は、
基板に配された撮像用光電変換部と、
前記撮像用光電変換部の上に配された撮像用マイクロレンズと、を含み、
前記撮像用マイクロレンズの頂点を通り前記基板の上面に直交する平面における前記撮像用マイクロレンズの上面のうち縁の付近の傾斜が、前記第１平面における前記マイクロレンズの上面のうち縁の付近の傾斜よりも急であることを特徴とする請求項１乃至１８の何れか１項に記載の撮像装置。
請求項１乃至１９の何れか１項に記載の撮像装置と、
前記撮像装置によって得られた信号を処理する信号処理部と、
を備えることを特徴とするカメラ。