JP5157436B2 - Solid-state imaging device and imaging apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、固定撮像素子、および、その固体撮像素子を備えた撮像装置に関する。 The present invention relates to a fixed imaging element and an imaging apparatus including the solid-state imaging element.
近年、AF(オートフォーカス)機能を有するビデオカメラや電子カメラが広く一般に普及している。これらのカメラには、CCD型やCMOS型の固体撮像素子が使用されている。これらの固体撮像素子は、入射光の光量に応じて信号電荷を生成する光電変換部を有する画素が2次元的に複数配置されている。光電変換部の光入射側には、マイクロレンズがオンチップ形態で配置されている。マイクロレンズは、光電変換部以外の画素領域に入射する光を光電変換部に集光させ、光電変換部に入射する光量の増大を図るために設けられている。 In recent years, video cameras and electronic cameras having an AF (autofocus) function have been widely used. In these cameras, CCD type or CMOS type solid-state imaging devices are used. In these solid-state imaging devices, a plurality of pixels having a photoelectric conversion unit that generates a signal charge according to the amount of incident light is two-dimensionally arranged. On the light incident side of the photoelectric conversion unit, a microlens is arranged in an on-chip form. The microlens is provided to collect light incident on the pixel region other than the photoelectric conversion unit on the photoelectric conversion unit and increase the amount of light incident on the photoelectric conversion unit.
一般的に、一眼レフ式の電子カメラでは、このような撮像用の固体撮像素子とは別に瞳分割位相差方式の焦点検出器を設けて、高速な焦点検出を行うようにしている。しかし、焦点検出時には撮像素子に被写体光が入射しないので、カメラ背面に設けられた小型モニターによるライブビュー画像を確認することができない。また、逆にライブビュー画像表示中は、瞳分割位相差方式の焦点検出器には被写体光が入射されない。したがって、焦点検出器による焦点検出が行えない。このような場合、固体撮像素子からの信号を用いてコントラスト方式(山登り方式)の焦点検出も提案されているが、これでは焦点検出が高速に行えない。そのようなことから、瞳分割位相差方式による焦点検出用の画素を組み込んだ固体撮像素子が提案されている(例えば、特許文献1および2参照)。
In general, in a single-lens reflex electronic camera, a pupil division phase difference type focus detector is provided separately from such a solid-state imaging device for imaging so as to perform high-speed focus detection. However, since subject light does not enter the image sensor at the time of focus detection, it is not possible to confirm a live view image from a small monitor provided on the back of the camera. Conversely, during live view image display, subject light is not incident on the pupil division phase difference type focus detector. Therefore, focus detection by the focus detector cannot be performed. In such a case, contrast detection (mountain climbing) focus detection using a signal from the solid-state imaging device has been proposed, but this cannot perform focus detection at high speed. For this reason, solid-state imaging devices incorporating focus detection pixels based on the pupil division phase difference method have been proposed (see, for example,
しかしながら、上述したように、撮像用の固体撮像素子に瞳分割位相差方式による焦点検出用の画素を組み込んだ場合、焦点検出性能が低下するという問題があった。 However, as described above, when a focus detection pixel based on the pupil division phase difference method is incorporated in a solid-state imaging device for imaging, there is a problem that the focus detection performance deteriorates.
請求項1の発明は、集光用の第1のマイクロレンズが各々設けられた複数の撮像用画素と、集光用の第2のマイクロレンズが各々設けられて焦点検出に用いる複数の焦点検出用画素とを、2次元的に配置した固体撮像素子において、第2のマイクロレンズと焦点検出用画素との間に設けられ、光学系の射出瞳において瞳分割された一対の光束のうち、一方の光束を通過させるとともに、他方の光束を遮光するように配置された開口部を有する遮蔽膜を備え、光学系が合焦状態において、第2のマイクロレンズによる集光位置が第1のマイクロレンズによる集光位置よりもマイクロレンズ側であって遮蔽膜の近傍となるように、第1および第2のマイクロレンズを形成したことを特徴とする。
請求項2の発明は、請求項1に記載の固体撮像素子において、第2のマイクロレンズのレンズ面の曲率を第1のマイクロレンズのレンズ面の曲率よりも大きく設定することで、第2のマイクロレンズによる集光位置が第1のマイクロレンズによる集光位置よりもマイクロレンズ側となるようにしたものである。
請求項3の発明は、請求項2に記載の固体撮像素子において、第2のマイクロレンズのレンズ厚さを第1のマイクロレンズのレンズ厚さよりも大きく設定することで、第2のマイクロレンズのレンズ面の曲率を第1のマイクロレンズのレンズ面の曲率よりも大きくしたものである。
請求項4の発明は、請求項3に記載の固体撮像素子において、レンズ口径を同一とした場合における第2のマイクロレンズのレンズ厚さと記第1のマイクロレンズのレンズ厚さとの比を、1.1以上1.4未満に設定したものである。
請求項5の発明は、請求項2に記載の固体撮像素子において、第2のマイクロレンズのレンズ口径を第1のマイクロレンズのレンズ口径よりも小さく設定することで、第2のマイクロレンズのレンズ面の曲率を第1のマイクロレンズのレンズ面の曲率よりも大きくしたものである。
請求項6の発明は、請求項5に記載の固体撮像素子において、レンズ厚さを同一とした場合における第2のマイクロレンズのレンズ口径と第1のマイクロレンズのレンズ口径との比を、0.95以上1.0未満に設定したものである。
請求項7の発明は、請求項2に記載の固体撮像素子において、第2のマイクロレンズのレンズ平面形状を円形とするとともに、第1のマイクロレンズのレンズ平面形状を矩形とすることで、第2のマイクロレンズのレンズ面の曲率を第1のマイクロレンズのレンズ面の曲率よりも大きくしたものである。
請求項8の発明は、請求項2に記載の固体撮像素子において、第2のマイクロレンズのレンズ平面形状を角数が8以上の多角形とするとともに、第1のマイクロレンズのレンズ平面形状を角数が7以下の多角形とすることで、第2のマイクロレンズのレンズ面の曲率を第1のマイクロレンズのレンズ面の曲率よりも大きくしたものである。
請求項9の発明は、請求項1に記載の固体撮像素子において、第2のマイクロレンズのレンズ材の屈折率を第1のマイクロレンズのレンズ面のレンズ材の屈折率よりも大きく設定することで、第2のマイクロレンズによる集光位置が第1のマイクロレンズによる集光位置よりもマイクロレンズ側となるようにしたものである。
請求項10の発明は、請求項1に記載の固体撮像素子において、マイクロレンズの厚さをL1、マイクロレンズと該マイクロレンズが設けられている画素の受光面との距離をL2としたとき、第2のマイクロレンズによる集光位置が第1のマイクロレンズによる集光位置よりもマイクロレンズ側となるように、比L2/L1を第1のマイクロレンズと第2のマイクロレンズとで異なる値に設定したことを特徴とする。
請求項11の発明は、請求項10に記載の固体撮像素子において、第2のマイクロレンズの比L2/L1を、3.72以上3.98以下に設定したものである。
請求項12の発明による撮像装置は、請求項1〜11のいずれか一つに記載の固体撮像素子と、複数の撮像用画素の出力に基づいて画像情報を形成する画像形成手段と、複数の焦点検出用画素の出力に基づいて瞳分割位相差方式の焦点検出を行う焦点検出手段とを備えたことを特徴とする。
According to the first aspect of the present invention, a plurality of imaging pixels each provided with a first condensing microlens and a plurality of focus detections each provided with a second concentrating microlens and used for focus detection. and use pixel, the two-dimensionally arranged solid imaging element provided between the second microlens and the focus detection pixels, a pair of light beams pupil division in the exit pupil of the optical system, whereas And a light- shielding film having an opening disposed so as to shield the other light beam , and when the optical system is in focus, the condensing position by the second microlens is the first microlens. The first and second microlenses are formed so as to be closer to the microlens and closer to the shielding film than the condensing position.
According to a second aspect of the present invention, in the solid-state imaging device according to the first aspect, the curvature of the lens surface of the second microlens is set larger than the curvature of the lens surface of the first microlens. The condensing position by the microlens is set to be closer to the microlens than the condensing position by the first microlens.
According to a third aspect of the present invention, in the solid-state imaging device according to the second aspect, by setting the lens thickness of the second microlens to be larger than the lens thickness of the first microlens, The curvature of the lens surface is larger than the curvature of the lens surface of the first microlens.
According to a fourth aspect of the present invention, in the solid-state imaging device according to the third aspect, the ratio of the lens thickness of the second microlens to the lens thickness of the first microlens when the lens aperture is the same is 1 .1 or more and less than 1.4.
According to a fifth aspect of the present invention, in the solid-state imaging device according to the second aspect, the lens diameter of the second microlens is set to be smaller than the lens diameter of the first microlens. The curvature of the surface is larger than the curvature of the lens surface of the first microlens.
According to a sixth aspect of the present invention, in the solid-state imaging device according to the fifth aspect, the ratio between the lens diameter of the second microlens and the lens diameter of the first microlens when the lens thickness is the same is set to 0. .95 or more and less than 1.0.
According to a seventh aspect of the present invention, in the solid-state imaging device according to the second aspect of the present invention, the lens planar shape of the second microlens is circular, and the lens planar shape of the first microlens is rectangular. The curvature of the lens surface of No. 2 microlens is made larger than the curvature of the lens surface of the first microlens.
According to an eighth aspect of the present invention, in the solid-state imaging device according to the second aspect, the lens plane shape of the second microlens is a polygon having eight or more angles, and the lens plane shape of the first microlens is the same. The curvature of the lens surface of the second microlens is made larger than the curvature of the lens surface of the first microlens by using a polygon having 7 or less corners.
According to a ninth aspect of the present invention, in the solid-state imaging device according to the first aspect, the refractive index of the lens material of the second microlens is set larger than the refractive index of the lens material of the lens surface of the first microlens. Thus, the condensing position by the second microlens is arranged closer to the microlens side than the condensing position by the first microlens.
According to a tenth aspect of the present invention, in the solid-state imaging device according to the first aspect, when the thickness of the microlens is L1, and the distance between the microlens and the light receiving surface of the pixel provided with the microlens is L2, The ratio L2 / L1 is set to a value different between the first microlens and the second microlens so that the condensing position by the second microlens is closer to the microlens side than the condensing position by the first microlens. It is characterized by setting.
According to an eleventh aspect of the invention, in the solid-state imaging device according to the tenth aspect, the ratio L2 / L1 of the second microlens is set to 3.72 or more and 3.98 or less.
An imaging apparatus according to a twelfth aspect of the invention includes a solid-state imaging element according to any one of
本発明によれば、第2のマイクロレンズによる集光位置が第1のマイクロレンズによる集光位置よりもマイクロレンズ側となるようにしたので、瞳分割位相差方式による焦点検出の性能向上を図ることができる。 According to the present invention, since the condensing position by the second microlens is closer to the microlens side than the condensing position by the first microlens, the performance of focus detection by the pupil division phase difference method is improved. be able to.
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図1は本発明に係る撮像装置の一実施の形態を示す図であり、電子カメラ1の概略構成を示すブロック図である。電子カメラ1には被写体を結像する光学系としての撮影レンズ2が装着される。撮影レンズ2は、レンズ制御部2aによりフォーカスや絞りが駆動される。撮影レンズ2の像空間には、撮影レンズ2により結像された被写体像を光電変換する固体撮像素子3の撮像面が配置される。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram illustrating an embodiment of an imaging apparatus according to the present invention, and is a block diagram illustrating a schematic configuration of an
固体撮像素子3は撮像制御部4の指令によって駆動され、被写体像に応じた電気信号を出力する。固体撮像素子3からは、被写体像を示す画像信号を形成するための撮像用信号と、撮影レンズ2の焦点調節状態を検出するための焦点検出用信号とが出力される。なお、本発明とは関連がないため説明を省略するが、その他に露出制御用の信号が出力されることもある。
The solid-
上述した撮像用電気信号および焦点検出用信号は信号処理部5およびA/D変換部6により処理され、メモリ7に一旦記憶される。メモリ7はバス8に接続されている。バス8には、レンズ制御部2a、撮像制御部4、マイクロプロセッサ9、焦点演算部10、記録部11、画像圧縮部12および画像処理部13なども接続されている。マイクロプロセッサ9には、レリーズ釦などの操作部9aが接続されている。また、記録部11には記録媒体11aが着脱自在に装着され、記録部11により記録媒体11aへのデータの記録および記録媒体11aからのデータの再生が行われる。
The above-described electrical signals for imaging and focus detection signals are processed by the
メモリ7に一旦記憶された焦点検出用信号は、バス8を介して焦点演算部10へと送られる。焦点演算部10は焦点検出用信号に基づいて合焦状態を計算し、撮影レンズ2のずれ量を求めてその値をレンズ制御部2aに送る。すなわち、焦点演算部10は、焦点調節状態を示す検出信号をレンズ制御部2aに出力する。レンズ制御部2aは、焦点調節状態を示す検出信号に基づいて撮影レンズ2を所定位置に移動させて焦点調節を行う。
The focus detection signal once stored in the
図2は、図1に示す固体撮像素子3の概略構成を示す回路図である。固体撮像素子3は、二次元状に配置された複数の画素20と、画素20から信号を出力するための周辺回路とを有している。図2では、画素20が二次元状に配置されている有効画素領域(撮像領域)を符号31で示している。画素20は、縦方向(列方向)、横方向(行方向)のように直交する方向に二次元状に配置されるのが一般的である。図2では図示を簡単にするために、画素20が横に4行、縦に4列並んだ画素数=16としているが、本実施の形態における固体撮像素子3の実際の画素数は、図2に示すよりもはるかに多数になっている。ただし、本発明では、画素数は特に限定されるものではない。
FIG. 2 is a circuit diagram showing a schematic configuration of the solid-
本実施の形態では、固体撮像素子3は、撮像信号を生成する撮像用画素20Aと、焦点検出用信号(以下、「AF信号」とも称する)を生成する焦点検出用画素(以下「AF用画素」とも称する)20Bとを画素20として有している。図2では、それらを区別することなく画素20として示した。画素20の具体的な回路構成や構造については後述する。これらの画素20、周辺回路の駆動信号に従って撮像用信号または焦点検出用信号を出力する。
In the present embodiment, the solid-
周辺回路は、垂直走査回路21、水平走査回路22、これらと接続されている駆動用配線23,24、画素20からの電気信号を受け取る垂直出力線25、垂直出力線25と接続される定電流源26および相関二重サンプリング回路(CDS回路)27、CDS回路27から出力される信号を受け取る水平出力線28、出力アンプ29等からなる。
The peripheral circuit includes a
垂直走査回路21および水平走査回路22は、電子カメラ1の撮像制御部4からの指令に基づいて駆動信号を駆動用配線23,24に出力する。各画素20は、垂直走査回路21から出力される駆動信号を所定の駆動用配線23から受け取って駆動され、撮像用信号または焦点検出用信号を垂直出力線25に出力する。垂直走査回路21から出力される駆動信号は複数あり、それに伴い駆動用配線23は複数ある。なお、垂直走査回路21と接続される駆動用配線23は、正確には画素に配置されるMOSトランジスタのゲート電極と接続されている。画素20から出力された信号は、CDS回路27にて所定のノイズ除去が施され、水平走査回路22の駆動信号により水平出力線28および出力アンプ29を介して外部に出力される。
The
図3は、図1に示す固体撮像素子3(特に、その有効画素領域31)を模式的に示す平面図である。図3に示すように、本実施の形態の固体撮像素子3では、中央に配置された十字状をなす2つの焦点検出領域32,33と、左右に配置された2つの焦点検出領域34,35と、上下に配置された2つの焦点検出領域36,37とが、有効画素領域31に設けられている。しかし、本発明はこれに限らない。焦点検出領域は、他のパターン状に配置されていても良いし、AF用画素が有効画素領域31全体にわたって周期的に配置されていても良い。
FIG. 3 is a plan view schematically showing the solid-state imaging device 3 (particularly, its effective pixel region 31) shown in FIG. As shown in FIG. 3, in the solid-
なお、図3に示すように、互いに直交するX軸、Y軸およびZ軸を定義する。また、X軸方向のうち、矢印の向きを+X方向または+X側、その反対の向きを−X方向または−X側と呼び、Y軸方向についても同様とする。XY平面と平行な平面が固体撮像素子3の撮像面(受光面)と一致している。X軸方向の並びを行と呼び、Y軸方向の並びを列と呼ぶことにする。なお、撮影レンズ2からの入射光は、図3の紙面手前側から奥側に入射する。これらの点は、後述する図についても同様である。
As shown in FIG. 3, an X axis, a Y axis, and a Z axis that are orthogonal to each other are defined. Of the X-axis directions, the direction of the arrow is referred to as the + X direction or + X side, and the opposite direction is referred to as the −X direction or −X side, and the same applies to the Y-axis direction. A plane parallel to the XY plane coincides with the imaging surface (light receiving surface) of the solid-
図4は、図3に示す焦点検出領域32,33の交差部付近を拡大して示す図であり、画素配置を模式的に示したものである。固体撮像素子3は、1種類の撮像用画素20Aと、右、左、上、下にそれぞれ入射光を受光する領域が規定されている4種類のAF用画素20Bとを有しているが、以下の説明では、特に断らない場合には、AF用画素の種類を区別しないで説明する。
FIG. 4 is an enlarged view showing the vicinity of the intersection of the
各画素20には、光電変換部42と、光電変換部42に入射光を導くマイクロレンズ41とが配置されている。なお、AF用画素20Bの光電変換部(図4には図示されていない)上には開口部44を有する遮光膜43が設けられており、この開口部44の位置によって、光電変換部に入射光が導かれる領域が規定される。
Each
図5は、固定撮像素子3に設けられた多数の画素20の内の、2×2個の画素20を示す回路図であり、焦点検出領域33の一部を含む画素領域を示したものである。すなわち、図5は、2個のAF用画素20Bおよび2個の撮像用画素20Aについての回路図を示す。本実施の形態では、いずれの画素20(撮像用画素20AおよびAF用画素20B)も、同一の回路構成を有している。各画素20は、入射光に応じた電荷を生成して蓄積する光電変換部(フォトダイオード)42と、電荷を受け取る浮遊拡散部52と、浮遊拡散部52の電位に応じた信号を出力する画素アンプトランジスタ53と、光電変換部42から浮遊拡散部52に電荷を転送する転送トランジスタ51と、浮遊拡散部52の電圧をリセットするリセットトランジスタ55と、当該画素20を選択する選択トランジスタ54とを備えている。
FIG. 5 is a circuit diagram showing 2 × 2
このように、各画素20には前記電荷に対応する電気信号を生成し出力するための複数のトランジスタが設けられている。この画素20の回路構成は、CMOS固体撮像素子の単位画素の回路構成として一般的なものである。
Thus, each
本実施形態では、転送トランジスタ51、画素アンプトランジスタ53、リセットトランジスタ55、選択トランジスタ54は、いずれもNMOSトランジスタで構成されている。実際には、浮遊拡散部52は、p型シリコン基板に設けられたn型不純物半導体領域(以下、FDと称する)、FDと画素アンプトランジスタ53のゲート電極とを電気的に接続する内部配線、および画素アンプトランジスタ53のゲート電極からなる。
In the present embodiment, the
なお、図2及び図5において、各画素20の転送トランジスタ51のゲート電極は、画素行毎に共通に駆動用配線23と接続され、垂直走査回路21から駆動用配線23を介して駆動信号φTXが供給される。各画素20の選択トランジスタ54のゲート電極は、画素行毎に共通に駆動用配線23と接続され、垂直走査回路21から駆動用配線23を介して駆動信号φSELが供給される。各画素20のリセットトランジスタ55のゲート電極は、画素行毎に共通に駆動用配線23と接続され、垂直走査回路21から駆動用配線23を介して駆動信号φRESが供給される。垂直走査回路21と接続される駆動用配線23は、行方向(X方向)にそれぞれが平行となるように設けられている。
2 and 5, the gate electrode of the
図6は、固体撮像素子3の動作を説明するタイミングチャートである。ここでは、撮像用信号と焦点検出用信号とを、各行毎に出力する場合を示している。しかし、例えば、焦点検出領域のAF用画素から選択的にAF信号を出力させても良い。
FIG. 6 is a timing chart for explaining the operation of the solid-
図6のt1の時点に至る前において、駆動信号φRESはハイレベルとされ、リセットトランジスタ55はオン状態とされている。これにより、浮遊拡散部52は基準レベルにリセットされる。t1の時点において、駆動信号φRESはローレベルとされる。これにより、リセットトランジスタ55はオフ状態とされるが、浮遊拡散部52のリセットレベルはオフ状態が維持される。また、t1の時点において、選択行(図6では1行目)の駆動信号φSELはハイレベルとされ、選択トランジスタ54はオン状態とされる。これにより、選択行の各画素は対応する垂直出力線25と接続され、浮遊拡散部52の基準レベルに応じたレベル(ダークレベル)が、画素アンプトランジスタ53から垂直信号線25を介してCDS回路27に蓄積される。
Before reaching the time point t1 in FIG. 6, the drive signal φRES is set to the high level, and the
次いで、t2の時点において駆動信号φTXはハイレベルとされ、t3の時点において駆動信号φTXは再びローレベルとされる。これにより、光電変換部42に蓄積されていた電荷が浮遊拡散部52に転送され、当該信号および基準レベルの重畳された信号が、画素アンプトランジスタ53から垂直出力線25を介してCDS回路27に蓄積される。そして、CDS回路27によって、この信号と先のダークレベルとの差分を取ることで得られる画像信号および焦点検出用信号が出力される。
Next, the drive signal φTX is set to the high level at time t2, and the drive signal φTX is set to the low level again at time t3. As a result, the charge accumulated in the
t4の時点において、駆動信号φSELはローレベルとされ、選択トランジスタ54はオフ状態とされる。これにより、選択行の各画素20と対応する垂直出力線25との接続が遮断される。その後、次の行(2行目)が選択されて、同様に信号が出力される。読み出された画像信号またはAF信号は、所定の処理が行われた後に一旦メモリ7に記憶される。そして、焦点検出処理を行う場合には、メモリ7からAF信号を取り出して所定の処理が行われる。一方、画像化する場合には、メモリ7から画像信号を取り出して所定の処理が行われる。
At time t4, the drive signal φSEL is set to the low level, and the
図7は撮像用画素20Aの主要部を模式的に示す図であり、(a)は平面図、(b)は(a)のX1−X1断面図、(c)は(a)のX2−X2断面図である。撮像用画素20Aは光電変換部42と、光電変換部42上にオンチップで形成されたマイクロレンズ41とを備えている。実際には、マイクロレンズ41と光電変換部42との間にはカラーフィルタを含む種々の層が形成されているが図7では図示を省略した。
7A and 7B are diagrams schematically showing the main part of the
図7に示すように、マイクロレンズ41の平面形状は矩形状となっており、X2−X2断面におけるレンズ曲面S2の曲率は、対角方向の断面であるX1−X1断面におけるレンズ曲面S1の曲率よりも小さくなっている。そして、撮像用画素20Aの場合には、マイクロレンズ41による集光位置P1は受光面上または受光面より基板45側の近傍とされる。光電変換部42の中心とマイクロレンズ41の中心とは一致しており、撮像用画素20Aの光電変換部42は、撮影レンズ2の射出瞳の中心から実質的に偏心していない射出瞳領域からの光束を受光して光電変換することになる。
As shown in FIG. 7, the
図8はAF用画素20Bの主要部を模式的に示す図であり、(a)は平面図、(b)は(a)のX3−X3断面図である。図8は、図4の焦点検出領域32に配置されたAF用画素20Bの内、光軸の左側で入射光を受光する画素に関して示したものであり、図7に示す要素と同一または対応する要素は同一の符号を付し、ここでは異なる要素を中心に説明する。
FIG. 8 is a diagram schematically showing the main part of the
AF用画素20Bでは、マイクロレンズ41と光電変換部42との間に遮光膜43が配置され、この遮光膜43により瞳分割された光が光電変換部42に入射する。また、マイクロレンズ41の平面形状は図8(a)に示すように円形を成し、レンズ口径は、図7に示した平面形状が矩形のマイクロレンズ41に比べて小さく設定されている。そのため、マイクロレンズ41の高さ(厚さ)を図7に示した撮像用画素20Aのマイクロレンズ41と同一に設定した場合、レンズ曲面S3の曲率は図7に示した曲面S1,S2の各曲率よりも大きくなる。その結果、AF用画素20Bのマイクロレンズ41の集光位置P2は、撮像用画素20Aのマイクロレンズ41の集光位置P1よりもマイクロレンズ側に近い位置となる。本実施の形態では、集光位置P2は、遮光膜43の位置とほぼ同一となるように設定されている。
In the
遮光膜43は、AF用画素20Bの光が入射する側に配置され、入射光が光電変換部42に入射される領域を規定している。具体的には、遮光膜43には開口部44が形成されており、この開口部44によって入射光が光電変換部42に入射される領域を規定している。開口部44は、マイクロレンズ41の光軸Oに対して−X側に設けられている。そのため、光電変換部42は、撮影レンズ2の射出瞳の中心から+X側に実質的に偏心した射出瞳領域からの光束を選択的に受光して光電変換することになる。
The
なお、従来技術においては、AF用画素20Bに設けられるマイクロレンズと撮像用画素20Aに設けられるマイクロレンズは同一形状であったため、AF用画素20Bの集光位置P2と撮像用画素20Aの集光位置P1とは同じ位置であった。よって、従来技術においては、逆方向に偏心した光もAF用画素20Bに入射されていた。しかしながら、本実施の形態の固体撮像素子3では、この逆方向の成分が低減される(詳細は後述する)。
In the prior art, since the microlens provided in the
同様に、図4に示したAF用画素20Bのうち、開口部44が光軸の右側(+X側)に設けられているものは、射出瞳中心から−X側に偏心した射出瞳領域からの光束を選択的に受光し、開口部44が光軸の上側(+Y側)に設けられているものは、射出瞳中心から−Y側に偏心した射出瞳領域からの光束を選択的に受光し、開口部44が光軸の下側(−Y側)に設けられているものは、射出瞳中心から+Y側に偏心した射出瞳領域からの光束を選択的に受光する。
Similarly, among the
瞳分割位相差方式の焦点検出を行う焦点演算部10では、+X側に偏心した射出瞳領域からの光束を受光する複数のAF用画素20BのAF信号と、−X側に偏心した射出瞳領域からの光束を受光する複数のAF用画素20BのAF信号とに基づいて相関演算を行い、デフォーカス量を算出する。また、+Y側に偏心した射出瞳領域からの光束を受光する複数のAF用画素20BのAF信号と、−Y側に偏心した射出瞳領域からの光束を受光する複数のAF用画素20BのAF信号とに基づく焦点演算も、同様に行われる。
In the
このような瞳分割位相差方式の焦点検出において高精度な焦点検出を行うためには、光軸に関して対称な位置の射出瞳領域からの光束を明確に分離して検出することが重要である。一方、撮像用画素20Aによる撮像性能を向上させるためには、マイクロレンズ41の集光位置を受光面またはその基板側近傍に設定することが求められる。しかしながら、従来の固体撮像素子ではこのようなことが考慮されず、撮像用画素20AもAF用画素20Bも撮像に適した同一形状のマイクロレンズ41が設けられていたため、焦点検出精度に問題があった。
In order to perform focus detection with high accuracy in such pupil division phase difference focus detection, it is important to clearly separate and detect the light flux from the exit pupil region at a symmetrical position with respect to the optical axis. On the other hand, in order to improve the imaging performance of the
一方、本実施の形態の固体撮像素子3では、上記2つの条件を満足させるために、撮像用画素20AとAF用撮像素子20Bとでマイクロレンズ41の集光位置を異ならせた。すなわち、撮像用画素20Bの場合には、集光位置P1を撮像に適した受光面近傍(具体的には、基板側の近傍)に設定し、AF用画素20Bの場合には、瞳分割を正確に行えるように、集光位置P2を受光面よりもマイクロレンズ側である遮光膜43の位置に設定した。
On the other hand, in the solid-
図9は、AF用画素20Bにおける受光光束を説明する図である。図9において、ハッチングを施した光束は受光面に入射する光束を示し、ハッチングが施されていない光束は受光面に達しない光束を示す。また、一点鎖線より右側の光束は射出瞳中心から右側(+X側)に偏心した射出瞳領域からの光束を示し、一点鎖線より左側の光束は射出瞳中心から左側(−X側)に偏心した射出瞳領域からの光束を示している。左側の射出瞳領域からの光束は遮蔽膜43によって遮蔽され、光電変換部42には右側の射出瞳領域からの光束のみが入射している。そのため、瞳分割位相差方式の焦点検出を精度良く行うことができる。
FIG. 9 is a diagram for explaining a received light beam in the
図10は、従来のAF用画素20Bを示す図である。従来は、上述した撮像用画素20Aと同様の構成の画素に遮光膜43を設けることでAF用画素としている。撮像用画素20Aの場合、集光位置P1が受光面の基板側近傍となっているため撮像特性に優れている。しかしながら、図10のように遮蔽膜43を設けてAF用として用いる場合、集光位置P1が受光面近傍にあるため、左側の射出瞳領域からの光束も開口部44を通過して光電変換部42に入射してしまっている。また、右側の射出瞳領域からの光束でありながら、遮蔽膜43によって遮蔽されている光束もある。そのため、従来の場合には、位相差AFの性能低下を招いてしまうという問題があった。
FIG. 10 is a diagram showing a
しかし、本実施の形態の固体撮像素子3では、撮像用画素20AおよびAF用撮像素子20Bのそれぞれにおいて最適となるようにマイクロレンズ41の集光位置を異ならせたので、撮像特性およびAF特性の両立を図ることができる。
However, in the solid-
なお、上述した実施の形態では、撮像用画素20Aのマイクロレンズ41の平面形状を画素形状と同じ矩形とし、AF用画素20Bのマイクロレンズ形状を丸形としたがこれらの形状に限定されない。すなわち、レンズ厚さが同一である場合には、レンズ平面形状の面積を大きくすることで、AF用画素20Bの場合の集光位置P2を撮像用画素20Aの場合の集光位置P1よりもマイクロレンズ側に設定することができる。例えば、AF用画素20Bのマクロレンズ41の平面形状を8角形以上に設定してほぼ円形に近い形状となるようにし、撮像用画素20Aのマクロレンズ41の平面形状を8角形よりも画数の少ない多角形に設定するようにしても良い。
In the above-described embodiment, the planar shape of the
オンチップのマイクロレンズ41を形成する一般的な方法としては、リフロー法(例えば、特許第2604890号公報を参照)やエッチバック法(例えば、特許第2776810号公報を参照)などが知られている。例えば、リフロー法の場合、矩形状にパターニングされたマイクロレンズ材(熱変形性樹脂)を加熱して熱変形させることで、図7に示すような凸状の曲率を有するマイクロレンズ41を形成することができる。また、パターニング形状を矩形の代わりに正6角形とすれば、平面形状が正6角形のマイクロレンズ41が得られることになる。
As a general method for forming the on-
一方、図8に示すAF用画素20Aの場合には、マイクロレンズ材を円形状にパターニングしてリフローすることで、円形状のマイクロレンズ41が得られる。なお、マイクロレンズ材を熱変形させてマイクロレンズ41を形成しているので、矩形状のマイクロレンズ41であっても厳密には矩形とならず、角部分が丸みを帯びた形状となる。すなわち、マイクロレンズ41の平面形状が矩形状であると称する場合、このような丸みを帯びたものや、角部を面取りしたものも矩形状に含むものとする。その他の多角形の場合も同様である。
On the other hand, in the case of the
上述した実施の形態では、レンズ平面形状を変えることで異なる集光位置P1,P2としたが、集光位置を異ならせる方法としてはこのような形態に限らない。例えば、レンズ平面形状を同一形状および同一大きさとし、レンズ厚さを変えることで集光位置を変える。また、レンズ平面形状およびレンズ厚さは同一形状(例えば、円形)であるが、その口径を変えることで集光位置を変える。レンズ形状を変える代わりに、屈折率の異なるマイクロレンズ材を用いることで集光位置を変えるようにしても良い。さらに、屈折率の異なるマイクロレンズ材としては、ナフトキノンジアジドを感光基とするフェノール系のポジ型レジスト(リフロー法の場合)、酸化シリコンや窒化シリコン(エッチバック法の場合)などが上げられる。 In the above-described embodiment, different condensing positions P1 and P2 are obtained by changing the lens planar shape, but the method of changing the condensing position is not limited to such a form. For example, the condensing position is changed by changing the lens thickness by setting the lens planar shape to the same shape and the same size. The lens plane shape and the lens thickness are the same shape (for example, a circle), but the condensing position is changed by changing the aperture. Instead of changing the lens shape, the condensing position may be changed by using microlens materials having different refractive indexes. Further, examples of microlens materials having different refractive indexes include phenol-based positive resists having naphthoquinone diazide as a photosensitive group (in the case of the reflow method), silicon oxide and silicon nitride (in the case of the etch back method).
図11は、上述した集光位置を異ならせる方法を一覧にして示したものである。レンズ平面形状が同一である場合、レンズ厚さをより大きくすることでAF用画素20Bの集光位置P2を、マイクロレンズ側に移動させることができる。レンズ厚さが一定の場合にはレンズ口径をより小さくすることで、また、レンズ材の屈折率変える場合には屈折率をより大きくすることで、それぞれAF用画素20Bの集光位置Pをマイクロレンズ側に移動させることができる。
FIG. 11 shows a list of the above-described methods for changing the condensing position. When the lens planar shape is the same, the condensing position P2 of the
遮光膜43の開口部44によって瞳分割を行っているが、この場合の望ましい集光位置は上述したように遮光膜43の位置P2である。そして、集光位置が位置P2からずれるに従って、光電変換部42から出力される信号は位相差AF信号としての性能が低下する。図12は、3種類のマイクロレンズ(ML)41に関して、位相差AF信号としての性能(ここでは、位相差AF信号有効係数と呼ぶ)の光学シミュレーション結果を示したものである。マイクロレンズ41の形状は全て円形(図12では丸形と記載)とした。
The pupil division is performed by the
位相差AF信号有効係数とは、例えば、図9に示した射出瞳中心から右側(+X側)に偏心した射出瞳領域からの光束のみを、図9に示すように開口部44が光軸の左側にずれていて右側光束を検出するAF用画素20Bと、開口部44が光軸の右側にずれていて左側光束を検出するAF用画素20B(図4参照)とにそれぞれ入射させ、それらの検出信号の強度比を求めることにより得られる量である。すなわち、位相差AF信号有効係数は、(右側光束検出用画素20Bの出力)/(左側光束検出用画素20Bの出力)に比例する量である。この位相差AF信号有効係数が大きいほど、位相差AFの性能が向上する。
The phase difference AF signal effective coefficient is, for example, only the light flux from the exit pupil region decentered to the right (+ X side) from the exit pupil center shown in FIG. 9, and the
(右側光束検出用画素20Bの出力)/(左側光束検出用画素20Bの出力)の値を、集光位置が図10に示すように撮像用画素20Aと同じ場合について考える。前述したように、ハッチングを施した光束は受光面に達しており、ハッチングが施されていない光束は、遮蔽膜43により遮蔽されて受光面に入射しない。この場合、右側光束検出用画素20Bに対し、検出すべき右側光束の一部が遮蔽膜43により遮蔽されてしまうため、位相差AF信号有効係数の分子の部分が小さくなり、位相差AF信号有効係数を小さくするように作用する。また、図10からも分かるように、本来入射すべきでない反対側の瞳領域からの光束(左側光束)が入射している。このことは、上述した左側光束検出用画素20Bに、右側光束が入射することを意味している。よって、位相差AF信号有効係数の分母が大きくなり、この場合も位相差AF信号有効係数を小さくするように作用する。その結果、集光位置が図10に示すように撮像用画素20Aと同じ場合には、位相差AF信号有効係数が小さくなる。
Consider the case where the value of (output of the right
図12に示す光学シミュレーション結果では、図10に示す撮像に好適なマイクロレンズ(ML)構造では、位相差AF信号有効係数は4.3と小さい。一方、レンズ厚さを変えずにマイクロレンズ41の開口直径を10%削減すると、レンズ面の曲率が大きくなって集光位置が図10のP1からマイクロレンズ側に移動し、位相差AF信号有効係数は10.9と改善される。また、マイクロレンズの開口直径を変えずにレンズ厚さ(図12では高さと記載)を10%増加させると、位相差AF信号有効係数は9.7となり、この場合も、図10に示す構造と比べて位相差AFの性能が向上している。
In the optical simulation result shown in FIG. 12, in the microlens (ML) structure suitable for imaging shown in FIG. 10, the phase difference AF signal effective coefficient is as small as 4.3. On the other hand, if the aperture diameter of the
図13は、マイクロレンズ41の直径比と位相差AF信号有効係数比との関係を示したものである。比の値は、撮像用画素の場合と比較したときの値である。ML直径比が0.95以上1.0未満では、位相差AF信号有効係数比は1.0よりも大きくなり、AF性能が従来よりも改善される。また、図14は、マイクロレンズ41のレンズ厚さの比と位相差AF信号有効係数比との関係を示したものである。ML厚比を1.10以上1.40未満に設定した場合、位相差AF信号有効係数比は2以上となり、図13のマイクロレンズ41の直径を変える場合に比べてAF性能の改善がより大きく図れ、AF用画素20Bのマイクロレンズ41に適している。
FIG. 13 shows the relationship between the diameter ratio of the
なお、マイクロレンズ41の口径またはレンズ厚さを変えるだけでなく、AF用画素20Bのマイクロレンズ41に屈折率のより大きなレンズ材を用いることで、集光位置の移動をより効果的に行わせることができる。さらに、これらを組み合わせても良いことはいうまでもない
In addition to changing the aperture or lens thickness of the
上述した実施の形態では、マイクロレンズ41の口径、レンズ厚さ、屈折率を変えることで、AF用画素20Bの集光位置をマイクロレンズ側に移動させるようにした。しかし、このようにマイクロレンズ41の形状や材質を変えなくても、図9に示すマイクロレンズ41の下端と光電変換部42の受光面との距離L2を変えることでも、集光位置を移動させることができる。上述したように、集光位置はレンズ厚さL1により変わるので、種々の値のL2/L1に対して、AF用画素20Bに適したマイクロレンズ41を与えるL2/L1を期待することができる。
In the above-described embodiment, the condensing position of the
図16は、位相差AF信号有効係数比のL2/L1依存性についてのシミュレーション結果を示したものである。なお、図16における位相差AF信号有効係数比は、適正なオートフォーカス性能が得られるマイクロレンズ41の位相差AF信号有効係数、例えば、図14において位相差AF信号有効係数比=2を与えるマイクロレンズ41の位相差AF信号有効係数を基準として算出したものである。また、シミュレーションは、撮像用画素20Aに用いられているものと同形状のレンズ(円形のレンズ)について行った。
FIG. 16 shows a simulation result on the L2 / L1 dependence of the phase difference AF signal effective coefficient ratio. Note that the phase difference AF signal effective coefficient ratio in FIG. 16 is the phase difference AF signal effective coefficient of the
図16に示す計算結果では、L2/L1が3.72以上で3.98以下である場合に位相差AF信号有効係数比が1以上となり、適正なオートフォーカス性能が得られる。すなわち、マイクロレンズ41の形状を撮像用画素20Aのマイクロレンズと同様とした場合、L2/L1が3.72以上で3.98以下となるように設定すれば良い。図16は、所定レンズ形状のマイクロレンズに関してのシミュレーション結果であるが、他のレンズ形状であっても同様のL2/L1依存性を有し、ほぼ同様の位相差AF信号有効係数比が得られる。なお、AF感度を高めるためには、マイクロレンズ41の径は大きい方が好ましく、画素サイズ近傍まで大きくしたものを配置するのが良い。
In the calculation result shown in FIG. 16, when L2 / L1 is 3.72 or more and 3.98 or less, the phase difference AF signal effective coefficient ratio is 1 or more, and appropriate autofocus performance is obtained. That is, when the shape of the
以上説明したように、本実施の形態では、撮像用画素20Aに関しては、従来と同様にマイクロレンズ41の集光位置P1を受光面近傍に設定し、AF用画素20Bに関しては、マイクロレンズ41の平面形状やレンズ厚などを変えることで集光位置P2をよりマイクロレンズ側に設定するようにした。その結果、AF性能の向上を図ることができ、撮像性能とAF性能との両立を図ることができる。
As described above, in the present embodiment, for the
なお、上述した実施の形態では、図4に示すように、開口部44が左側の画素20Bと、それと対となる開口部44が右側に設けられた画素20BとをX方向の交互に配置した固体撮像素子3を例に説明した。しかし、本発明は、このような構成に限らず、図15に示すように、同一画素20Bに瞳領域の異なる一対の開口部44A,44Bを設けた構成でも同様に適用することができる。また、本発明は、電子カメラに限らずビデオカメラなどの撮像装置、すなわち、像ズレを検出して焦点検出を行う撮像装置に適用することができる。なお、以上の説明はあくまでも一例であり本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
In the above-described embodiment, as shown in FIG. 4, the
1:電子カメラ、2:撮影レンズ、3:固体撮像装置、10:焦点演算部、13:画像処理部、20:画素、20A:撮像用画素、20B:AF用画素、32〜37:焦点検出領域、41:マイクロレンズ、42:光電変換部、43:遮光膜、44,44A,44B:開口部、45:基板、P1,P2:集光位置、S1〜S3:レンズ曲面、 1: electronic camera, 2: photographing lens, 3: solid-state imaging device, 10: focus calculation unit, 13: image processing unit, 20: pixel, 20A: imaging pixel, 20B: AF pixel, 32-37: focus detection Area, 41: microlens, 42: photoelectric conversion part, 43: light shielding film, 44, 44A, 44B: opening, 45: substrate, P1, P2: condensing position, S1 to S3: lens curved surface,
Claims (12)
前記第2のマイクロレンズと前記焦点検出用画素との間に設けられ、光学系の射出瞳において瞳分割された一対の光束のうち、一方の光束を通過させるとともに、他方の光束を遮光するように配置された開口部を有する遮蔽膜を備え、
前記光学系が合焦状態において、前記第2のマイクロレンズによる集光位置が前記第1のマイクロレンズによる集光位置よりもマイクロレンズ側であって前記遮蔽膜の近傍となるように、前記第1および第2のマイクロレンズを形成したことを特徴とする固体撮像素子。 A plurality of imaging pixels each provided with a first condensing microlens and a plurality of focus detection pixels each provided with a second condensing microlens and used for focus detection are two-dimensional In a solid-state imaging device arranged in an
Among the pair of light beams that are provided between the second microlens and the focus detection pixel and are pupil-divided at the exit pupil of the optical system , one light beam is allowed to pass and the other light beam is shielded. Comprising a shielding film having an opening disposed in
When the optical system is in a focused state, the condensing position by the second microlens is closer to the microlens side than the condensing position by the first microlens and in the vicinity of the shielding film. A solid-state imaging device, wherein first and second microlenses are formed.
前記第2のマイクロレンズのレンズ面の曲率を前記第1のマイクロレンズのレンズ面の曲率よりも大きく設定することで、前記第2のマイクロレンズによる集光位置が前記第1のマイクロレンズによる集光位置よりもマイクロレンズ側となるようにしたことを特徴とする固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1,
By setting the curvature of the lens surface of the second microlens to be larger than the curvature of the lens surface of the first microlens, the condensing position by the second microlens is collected by the first microlens. A solid-state imaging device characterized in that it is located closer to the microlens than the light position.
前記第2のマイクロレンズのレンズ厚さを前記第1のマイクロレンズのレンズ厚さよりも大きく設定することで、前記第2のマイクロレンズのレンズ面の曲率を前記第1のマイクロレンズのレンズ面の曲率よりも大きくしたことを特徴とする固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 2,
By setting the lens thickness of the second microlens to be larger than the lens thickness of the first microlens, the curvature of the lens surface of the second microlens is set to the lens surface of the first microlens. A solid-state imaging device characterized by being larger than a curvature.
レンズ口径を同一とした場合における前記第2のマイクロレンズのレンズ厚さと前記第1のマイクロレンズのレンズ厚さとの比を、1.1以上1.4未満に設定したことを特徴とする固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 3,
Solid-state imaging characterized in that the ratio of the lens thickness of the second microlens and the lens thickness of the first microlens when the lens aperture is the same is set to 1.1 or more and less than 1.4 element.
前記第2のマイクロレンズのレンズ口径を前記第1のマイクロレンズのレンズ口径よりも小さく設定することで、前記第2のマイクロレンズのレンズ面の曲率を前記第1のマイクロレンズのレンズ面の曲率よりも大きくしたことを特徴とする固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 2,
By setting the lens diameter of the second microlens to be smaller than the lens diameter of the first microlens, the curvature of the lens surface of the second microlens is set to the curvature of the lens surface of the first microlens. A solid-state imaging device characterized by being larger than the above.
レンズ厚さを同一とした場合における前記第2のマイクロレンズのレンズ口径と前記第1のマイクロレンズのレンズ口径との比を、0.95以上1.0未満に設定したことを特徴とする固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 5,
The ratio of the lens aperture of the second microlens to the lens aperture of the first microlens when the lens thickness is the same is set to 0.95 or more and less than 1.0. Image sensor.
前記第2のマイクロレンズのレンズ平面形状を円形とするとともに、前記第1のマイクロレンズのレンズ平面形状を矩形とすることで、前記第2のマイクロレンズのレンズ面の曲率を前記第1のマイクロレンズのレンズ面の曲率よりも大きくしたことを特徴とする固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 2,
The lens plane shape of the second microlens is circular, and the lens plane shape of the first microlens is rectangular, so that the curvature of the lens surface of the second microlens is the first microlens. A solid-state imaging device characterized by being larger than the curvature of the lens surface of the lens.
前記第2のマイクロレンズのレンズ平面形状を角数が8以上の多角形とするとともに、前記第1のマイクロレンズのレンズ平面形状を角数が7以下の多角形とすることで、前記第2のマイクロレンズのレンズ面の曲率を前記第1のマイクロレンズのレンズ面の曲率よりも大きくしたことを特徴とする固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 2,
The second microlens lens planar shape is a polygon having an angle of 8 or more, and the first microlens lens planar shape is a polygon having an angle of 7 or less. A solid-state imaging device, wherein the curvature of the lens surface of the microlens is larger than the curvature of the lens surface of the first microlens.
前記第2のマイクロレンズのレンズ材の屈折率を前記第1のマイクロレンズのレンズ面のレンズ材の屈折率よりも大きく設定することで、前記第2のマイクロレンズによる集光位置が前記第1のマイクロレンズによる集光位置よりもマイクロレンズ側となるようにしたことを特徴とする固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1,
By setting the refractive index of the lens material of the second microlens to be larger than the refractive index of the lens material of the lens surface of the first microlens, the condensing position by the second microlens is set to the first microlens. A solid-state imaging device characterized in that it is located closer to the microlens side than the condensing position by the microlens.
前記マイクロレンズの厚さをL1、前記マイクロレンズと該マイクロレンズが設けられている画素の受光面との距離をL2としたとき、
前記第2のマイクロレンズによる集光位置が前記第1のマイクロレンズによる集光位置よりもマイクロレンズ側となるように、比L2/L1を前記第1のマイクロレンズと前記第2のマイクロレンズとで異なる値に設定したことを特徴とする固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 1,
When the thickness of the microlens is L1, and the distance between the microlens and the light receiving surface of the pixel provided with the microlens is L2,
The ratio L2 / L1 is set so that the condensing position by the second microlens is closer to the microlens side than the condensing position by the first microlens. The solid-state imaging device is characterized in that it is set to a different value.
前記第2のマイクロレンズの比L2/L1を、3.72以上3.98以下に設定したことを特徴とする固体撮像素子。 The solid-state imaging device according to claim 10,
A solid-state imaging device, wherein the ratio L2 / L1 of the second microlens is set to 3.72 or more and 3.98 or less.
前記複数の撮像用画素の出力に基づいて画像情報を形成する画像形成手段と、
前記複数の焦点検出用画素の出力に基づいて瞳分割位相差方式の焦点検出を行う焦点検出手段とを備えたことを特徴とする撮像装置。 A solid-state imaging device according to any one of claims 1 to 11,
Image forming means for forming image information based on outputs of the plurality of imaging pixels;
An imaging apparatus comprising: a focus detection unit that performs pupil division phase difference type focus detection based on outputs of the plurality of focus detection pixels.
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