JP5506517B2 - 固体撮像素子 - Google Patents
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Description
このようなAF用距離検出技術に関し、特許文献1では撮像素子の一部の画素に測距機能を持たせ、位相差方式で検出するようにした固体撮像素子が提案されている。
この位相差方式とは、カメラレンズの瞳上の異なる領域を通過した光像を比較し、ステレオ画像による三角測量を用いて距離を検出する方法である。
これによると、従来のコントラスト方式とは異なり、距離を測定するためにレンズを動かす必要が無いため、高速高精度なAFが可能となる。また、動画撮影時にリアルタイムAFが可能になる。
上記特許文献1では、測距用画素の構造として、マイクロレンズと光電変換部との間にマイクロレンズの光学中心に対して偏心した開口部を設けるように構成されている。
これにより、カメラレンズの瞳上における特定の領域を通過した光を、選択的に光電変換部に導き、距離を測定することができる。
さらに、特許文献1の構造を、画素サイズの小さい固体撮像素子に適用した場合、つぎのような課題が生じる可能性がある。
すなわち、画素サイズが小さくなると、光電変換部に光を導くためのマイクロレンズのF値が大きくなり、画素サイズと回折像の大きさがほぼ同じとなる。
そのため、画素内で光が広がってしまい、偏心した開口部では十分な光束分離ができず、さらに測距精度が低くなる可能性がある。
前記光導波路は、第1の方向から入射した光が第1の導波モードに変換されて導波し、かつ、前記第1の方向とは異なる方向から入射した第2の方向から入射した光が第2の導波モードに変換されて導波するように構成され、
前記光電変換部に導かれる前記第1の導波モードの光よりも、該光電変換部に導かれる前記第2の導波モードの光を低減する遮光部材が前記光導波路中に設けられていることを特徴とする。
具体的には、導波路内に遮光部材を配置し、これによって入射光のうち、特定の角度で入射した光を検出することを可能とし、高精度な距離測定が行える固体撮像素子を実現したものである。
以下、図を用いて、本発明の実施例における固体撮像素子について説明する。
その際、全ての図において同一の機能を有するものは同一の数字を付け、その繰り返しの説明は省略する。
実施例1として、本発明の構成を適用した固体撮像素子の構成例について図1を用いて説明する。
図1において、100は本実施例における固体撮像素子中の一部に配置された測距機能を備えた画素である。
画素100は、光の入射側(+z側)より、光入射部101、内部に遮光部材106を有する光導波路(コア部102、クラッド部103)、内部に光電変換部104を有する基板105を有している。
遮光部材106は、光導波路の中心軸107を含むyz平面に対して、非対称に配置されている。ここで、光導波路の中心軸107はコア部102の中心軸とする。
光入射部101、コア部102およびクラッド部103は、撮像する波長帯域で透明な材料で形成される。例えば、SiO2、SiN、有機材料などで形成される。
なお、光入射部101およびコア部102は、クラッド部103より高い屈折率を有する材料で形成される。
これにより光入射部101およびコア部102内に光を閉じ込めて伝播させることができる。
光入射部101は、光入射側に向かって、徐々に径が太くなる形状、つまりテーパ形状に形成してあり、これにより、画素100に入射した光束を、効率よくコア部102に導いている。
基板105は、撮像する波長帯域で吸収を有する材料、例えばSiであり、イオン打ち込みなどで光電変換部104を内部に形成する。
遮光部材106は、撮像する波長帯域の光に対して不透明な材料で形成され、例えば、AlやCuの金属などで形成される。
光電変換部104に入射した光束は、電子に変換され、入射光量に応じた電気信号を、図示しない信号処理回路に出力する。
導波モードとは、光導波路の持つ複数の固有モードの和で表され、光導波路中の伝播状態を示すものである。固有モードは、光導波路のコア、クラッドの形状、屈折率によって一意に決まるものである。
図2に、遮光部材106が無い場合の光導波路102中の導波モードを示す。
図2(a)は角度−θ(第1の方向)から入射した光束110の第1の導波モード111の電場強度分布、図2(b)は角度+θ(第2の方向)から入射した光束120の第2の導波モード121の電場強度分布を示す図である。
このように、光導波路中の導波モードは入射角に応じて異なる。
図3(a)は角度−θ(第1の方向)から入射した光束110の第1の導波モード112の電場強度分布、図3(b)は角度+θ(第2の方向)から入射した光束120の第2の導波モード122の電場強度分布を示す図である。
図3(a)に示すように、第1の方向から入射した光束110は第1の導波モード112に変換され光導波路中を導波し、遮光部材106の影響を受けることなく、光電変換部104に導かれる。
一方、図3(b)に示すように、第2の方向から入射した光束120は第2の導波モード122に変換され光導波路中を導波し、遮光部材106により遮光され、光電変換部104には達しない。
図4に、画素100による検出光量の入射角度依存性を示す。これにより、角度+θ(第2の方向)から入射した光よりも、角度−θ(第1の方向)から入射した光の方が、より多くの光を検出することが可能となっていることが分かる。
以上のように、遮光部材106を光導波路中に配置することにより、光電変換部に導かれる、第1の方向の入射光による光よりも該第1の方向とは異なる第2の方向の入射光による光が低減される。これにより、特定の入射角で入射した光を検出することが可能となる。
なお、上記では角度−θを第1の方向とし、角度+θを第2の方向とする例を説明したが、第1の方向と第2の方向は異なる方向であればよく、例えば角度−θを第2の方向とし、角度+θを第1の方向としてもよい。また、第1の方向の角度と第2の方向の角度は対称でなくてもよく、正負も問わない。
図5(a)に示すように、結像レンズ300は外界の像を撮像素子400の面上に結像する。
撮像素子400は、図1および図5(b)に示す第1の方向から入射した光を検出する画素(第1の画素)100を複数備えた第1の画素領域を有する。また、この撮像画素400は、図5(c)に示す第2の方向から入射した光を検出する画素(第2の画素)200を複数備えた第2の画素領域も有する。画素200は、図5(b)に示す画素100の遮光部材106に対して、光導波路102の中心軸107を含むyz平面に対して面対称な位置に、遮光部材206が配置されている。
画素の大きさに対して、結像レンズ300と撮像素子400の間の距離が長い。このため、結像レンズ300の射出瞳面上の異なる領域を通過した光束は、異なる入射角の光束として撮像素子400の面上に入射する。
第1の画素領域に含まれる画素100では、結像レンズ300の射出瞳(被写体像を形成する光学系の射出瞳)のうち、主に第1の方向に対応する領域301(第1の射出瞳領域)を通過した光束が検出される。
同様に、第2の画素領域に含まれる画素200では、結像レンズ300の射出瞳のうち、主に第2の方向に対応する領域302(第2の射出瞳領域)を通過した光束が検出される。
そのため、結像レンズの射出瞳面上の異なる領域を通過した光像を検出することができ、第1の画素領域からの画素信号と第2の画素領域からの画素信号を比較する。これにより、被写体測距用信号を出力するようにして被写体距離を検出することができる。
図13に、撮像素子における、第1の画素100と第2の画素200の配置例を示す。図13(a)に示すように、通常のベイヤ配列の撮像素子に、第1の画素100を有するライン(第1の画素領域)と、第2の画素200を有するライン(第2の画素領域)とを並べて配列することができる。
撮像素子に像を結ぶカメラレンズが撮像素子上でピントがあっているのであれば、第1の画素領域からの像信号と、第2の画素領域からの像信号は一致する。もし、ピントを結ぶ点が撮像素子のイメージ面よりも前方か後方にあるならば、第1の画素領域からの像信号と、第2の画素領域からの像信号の位相差が生じる。そして、結像点が前の場合と後の場合では位相のずれ方向が逆になる。この位相差および位相のずれ方向から、被写体距離を検出することができる。
また、図13(b)に示すように、同一のライン内または近接したライン内に、第1の画素領域100と第2の画素領域200が形成されるように配置されていてもよい。
よって、第1の方向および第2の方向は、射出瞳中心303を通り撮像素子に入射する光線である主光線を基準として定義される。
つまり、主光線が撮像素子面に傾いて入射する場合は、第1の方向および第2の方向は、傾いた主光線の入射角を基準として反対方向に等角度となるようにそれぞれ定義される。
入射角に応じた導波モードの空間分布をもとに、遮光部材の形状および位置を決定することにより、必要な検出光量の入射角度依存性を実現することができる。結像レンズの射出瞳位置が撮像素子面から有限の距離にあり、主光線の入射角が画角によって変化する場合は、入射角の変化量に応じて撮像素子面内で画素内の遮光部材の形状および位置を変えても良い。
これにより、導波モードの波長により変化の影響を小さくすることができ、検出光量の角度選択性をより高くすることができ、距離検出精度を高くすることができる。
カラーフィルタは、特定の波長帯域の光を透過し、それ以外の波長帯域の光は吸収または反射、散乱させる材料で形成され、例えば有機材料や無機材料を用いる。
また、図6に示すように光導波路の光入射側に、マイクロレンズ109を用いて構成しても良い。
また、図3(b)に示すように、光導波路中の伝播光はコア部102のみでなく、一部クラッド部103も通過する。このため、遮光部材106をコア部102内のみでなく、クラッド部103の一部に配置しても良い。
以上、示したように、遮光部材106を、光導波路の中心軸107を含むyz平面に対して、非対称な位置に配置することにより、特定の角度で入射した光を検出することを可能とし、高精度な距離測定が行える固体撮像素子が実現できる。
まず、シリコン基板105の所定の位置にイオンを打ち込み、光電変換部104を作製し、図示しない配線等を形成した後、裏面側からCMPやエッチバックなどにより、基板を薄膜化する(図7(a))。
次に、SiNを成膜し、フォトリソグラフィ、リフトオフなどによりコア部102を形成し、SOG成膜およびCMPやエッチバックにより平坦化し、クラッド部103を形成する(図7(b))。
次に、フォトリソグラフィ、エッチングによりコア部の所定位置に凹部を形成し、Alを埋め込み、遮光部106を形成する(図7(c))。
さらに、SiNを成膜し、フォトリソグラフィ、リフトオフなどによりコア部102を形成する(図7(d))。
続いて、SOG成膜、平坦化によりクラッド部103を形成後、フォトリソグラフィ、エッチングにより凹部を形成し、SiNを埋め込むことにより、光入射部101を形成し、画素100を作製することができる(図7(e))。
実施例2として、本発明における固体撮像素子の構成例について図8を用いて説明する。
図8において、130は本実施例における固体撮像素子中の一部に配置された距離測定用の画素である。
画素130は、光の入射側(+z側)より、光入射部131、内部に遮光部材136を有する光導波路(コア部132、クラッド部133)、内部に光電変換部134を有する基板135を有している。
光導波路の中心軸137は、画素130の中心軸138に対して、xz平面内でシフトしている。遮光部材136は、光導波路の中心軸137を含むyz平面に対して、対称に配置されている。
光入射部131は、光入射側に向かって、徐々に径が太くなる形状、つまりテーパ形状になるように形成している。
さらに、光入射部131の入射側の中心軸は、画素130の中心軸138と一致し、射出側の中心軸は光導波路の中心軸137と一致するように形成している。このように、光入射部131は、光導波路の中心軸137を含むyz平面に対し、非対称な形状のテーパ形状になっている。これにより画素130に入射した光束を、効率よくコア部132に導いている。
画素130に外部から入射した光束139は、光入射部131を介して光導波路に入射し、導波モードに変換されて光導波路中を伝播して光電変換部134に導かれる。
光電変換部134に入射した光束は、電子に変換され、入射光量に応じた電気信号を、図示しない信号処理回路に出力する。
図9(a)は角度−θ(第1の方向)から入射した光束110の第1の導波モード113の電場強度分布、図9(b)は角度+θ(第2の方向)から入射した光束120の第2の導波モード123の電場強度分布を示す図である。
このように、光導波路中の導波モードは入射角に応じて異なる。
遮光部材136を光導波路中に配置した場合の導波モードを図10に示す。
図10に、所定の方向から入射した光束における導波モードの電場強度分布を示す。
図10(a)は、角度−θ(第1の方向)から入射した光束110の第1の導波モード114の電場強度分布、図10(b)は角度+θ(第2の方向)から入射した光束120の第2の導波モード124の電場強度分布を示す図である。
図10(a)に示すように、第1の方向から入射した光束110は第1の導波モード114に変換され光導波路中を導波し、遮光部材136の影響を受けることなく、光電変換部134に導かれる。
一方、図10(b)に示すように、第2の方向から入射した光束120は第2の導波モード124に変換され光導波路中を導波し、遮光部材136により遮光され、光電変換部134には達しない。
図11に画素130による検出光量の入射角度依存性を示す。これにより、角度+θ(第2の方向)から入射した光よりも、角度−θ(第1の方向)から入射した光の方が、より多くの光を検出することが可能となっていることが分かる。
以上示したように、遮光する入射角に対応する導波モードが通過し、導光する入射角に対応する導波モードが通過しない領域に遮光部材を配置することにより、特定の入射角で入射した光を検出することが可能となる。
撮像素子中に、第1の方向から入射した光を検出する画素130が複数個形成された第1の画素領域と、第2の方向から入射した光を検出する画素230が複数個形成された第2の画素領域を設ける。
これにより、実施例1と同様に、被写体の距離検出を精度良く行うことができる。なお、画素230は、図8に示す画素130に対して、画素中心軸138を含むyz平面に対称な構造となっている。
具体的には、光導波路の中心軸137を画素中心軸138の反対側にシフトするように配置する。遮光部材の光導波路中心軸に対する位置は、画素130と同じである。
また、遮光部材の形状および位置により、入射角度に対する検出光量の変化量を決定することができる。
このように、実施例1に対して、設計の自由度を増やすことができ、より高精度な距離検出が可能となる。
さらに、実施例1と同様に、主光線入射角に応じて、光導波路中心軸のシフト量を撮像素子面内で変化させるようにしても良い。
また、図12(a)に示すように、クラッド部133に配線部140を形成してもよい。
このとき、遮光部材136を配線部140と同じ材料を用いると、使用する材料の種類が軽減でき、作製が容易となる。遮光部材136と配線部140を同じ高さに設けると、同時に形成ができることから、さらに作製が容易になるため望ましい。
また、図12(b)に示すように、光導波路の入射側にマイクロレンズ141を設けても良い。
このとき、マイクロレンズ141の中心を画素中心軸138に対してシフトして配置すると、画素130に入射した光束を、効率よく光導波路に導くことができる。
101:光入射部
102:コア部
103:クラッド部
104:光電変換部
105:基板
106:遮光部材
107:光導波路の中心軸
108:光束
Claims (9)
- 光を電気信号に変換する光電変換部と、該光電変換部の光入射側に光導波路とを備えた画素を有する固体撮像素子であって、
前記光導波路は、第1の方向から入射した光が第1の導波モードに変換されて導波し、かつ、前記第1の方向とは異なる方向から入射した第2の方向から入射した光が第2の導波モードに変換されて導波するように構成され、
前記光電変換部に導かれる前記第1の導波モードの光よりも、該光電変換部に導かれる前記第2の導波モードの光を低減する遮光部材が前記光導波路中に設けられていることを特徴とする固体撮像素子。 - 前記光導波路または遮光部材は、前記画素の中心軸に対して非対称な形状に構成されていることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記遮光部材は、前記光導波路の中心軸を含む面に対し、非対称な位置に配置されていることを特徴とする請求項2に記載の固体撮像素子。
- 前記光導波路は、該光導波路の中心軸が前記画素の中心軸に対してシフトしており、
前記遮光部材は、前記光導波路の中心軸を含む面に対して対称に配置されていることを特徴とする請求項2に記載の固体撮像素子。 - 前記光導波路は、前記光入射側に向かって径が太くなるテーパ形状の光入射部を有し、
前記光入射部は、前記光導波路の中心軸を含む面に対して非対称な形状に構成されていることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の固体撮像素子。 - 前記光電変換部より光入射側に配線部を有し、
前記遮光部材は、該配線部と同じ材料で形成されていることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の固体撮像素子。 - 前記遮光部材は、前記配線部と同じ高さに配置されていることを特徴とする請求項6に記載の固体撮像素子。
- 前記第1の方向から入射する光は、撮像素子に被写体像を形成する光学系の射出瞳面上の第1の射出瞳領域を通過して前記光導波路に入射する光であり、
前記第2の方向から入射する光は、前記光学系の射出瞳面上で該射出瞳の中心に対して第1の射出瞳領域と対称な位置にある第2の射出瞳領域を通過して前記光導波路に入射する光であることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の固体撮像素子。 - 前記画素は、
前記遮光部材が前記光導波路中に設けられている第1の画素を複数備えた第1の画素領域と、
前記第1の画素領域の遮光部材とは異なるモードの光を低減する他の遮光部材が前記光導波路中に設けられている第2の画素を複数備えた第2の画素領域と、
を有し、
前記第1の画素領域と第2の画素領域からの画素信号を用い、被写体の測距用信号を出力することを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
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