JP5750394B2

JP5750394B2 - 固体撮像素子及び撮像装置

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Publication number: JP5750394B2
Application number: JP2012080666A
Authority: JP
Inventors: 周高橋; 正規永瀬
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2032-03-30
Also published as: JP2013211413A

Description

本発明は、位相差検出画素を搭載した固体撮像素子及び撮像装置に係り、特に、複数の位相差検出画素で１つのマイクロレンズを共有する瞳分割方式で入射光の位相差を検出する固体撮像素子及び撮像装置に関する。

図１９は、１画素に１つのマイクロレンズを搭載した固体撮像素子を示している。隣接２画素の各マイクロレンズ１，２は、夫々の入射光を集光し、対応する電荷蓄積領域（光電変換領域）３，４に入射する様になっている。マイクロレンズ１及び電荷蓄積領域３の配置構造と、マイクロレンズ２及び電荷蓄積領域４の配置構造は同一構造となっているため、各電荷蓄積領域３，４による検出電荷量は同じとなる。

これに対し、図２０に示す様に、隣接する２つの電荷蓄積領域５，６に対し１つのマイクロレンズ７を共用する構造にすると、２つの電荷蓄積領域５，６の検出電荷量に差が生じる。この差が位相差量の関数となる。電荷蓄積領域５，６の一方の検出電荷量が右眼で被写体を見た信号量に相当し、他方の検出電荷量が左眼で被写体を見た信号量に相当するからである。この位相差量を検出することで、その被写体までの距離を算出することができる。

この様な瞳分割方式を採用して位相差を検出する画素は、例えば下記の特許文献１に記載されており、被写体までの合焦位置を検出するセンサとして既に使用されている。

斯かる位相差検出画素のペアを製造する場合、マイクロレンズ７の中心位置に対し、電荷蓄積領域５と電荷蓄積領域６とを精度良く対称な位置に形成する必要がある。例えば図２１に示す様に、電荷蓄積領域５と電荷蓄積領域６との間の中央位置に、マイクロレンズ７の中心位置が来るように製造すれば、図２２に示す様に、電荷蓄積領域５と電荷蓄積領域６の光入射角度特性は同じとなる。つまり、光入射角度０度を中心として、入射角度に対する各電荷蓄積領域５，６の受光感度特性Ｖ，VIは対称となる。

しかし、図２３に示す様に、マイクロレンズ７の中心位置７ａと、電荷蓄積領域５，６の画素境界中心位置８とがずれて一方に偏って製造されてしまうと、図２４に示す様に、両方の電荷蓄積領域５，６の受光感度に偏りが生じる。即ち、入射角度０度のとき、一方の電荷蓄積領域５の受光感度Ｖが高く、他方の電荷蓄積領域６の受光感度VIは低くなり、差が生じてしまう。この差は、撮影レンズを絞るほど大きくなってしまう。

製造時の位置合わせズレによって、位相差検出画素ペアの受光感度特性に差があり、図２４の状態になっていると、位相差の無い遠方からの被写体光が位相差検出画素ペアに入射しても、夫々の検出信号量に差が生じてしまう。これは、検出信号量の差で位相差量を求める場合、問題となる。

このため、固体撮像素子の各画素の電荷蓄積領域やマイクロレンズの位置を微細加工技術で高精度に製造することが要求される。しかし、近年の固体撮像素子は画素数が１千万画素以上と膨大になってきているため、高精度の位置合わせは困難である。

そこで従来は、例えば下記の特許文献２に記載されている様に、製造時の位置合わせズレに起因する受光感度差を、信号処理によって補正する様にしている。

特開２００７―２８１２９６号公報特開２０１０―２３７４０１号公報

固体撮像素子の製造時の位置合わせズレは、その固体撮像素子に固有の固定された位置ズレである。このため、その位置合わせズレに起因する特性ズレを予め測定しておけば、信号処理で対処することができる。

しかし、デジタルカメラ等の撮像装置に搭載される制御部は、位相差検出処理だけではなく、オフセット処理やガンマ補正処理などの各種の画像信号処理や、データ圧縮処理，データ転送処理など様々な信号処理を行っている。更に近年では、デジタルカメラに高速連写機能を搭載するのが普通になってきており、高速連写中の各撮像画像の夫々に対し信号処理を施さなければならない。つまり、信号処理の、より一層の高速化が要求されている。

このため、デジタルカメラの制御部には、なるべく、必要な信号処理だけ行わせ、処理負荷の軽減を図って処理の高速化に繋げたいという要望が高い。そこで、製造時の位置合わせズレに起因するペア画素間の特性ズレを、信号処理で補正するのではなく、別の方法で解決することが望まれる。

本発明の目的は、製造時の位置合わせズレに起因する位相差検出画素ペア間の受光感度特性ズレを解消できる構造を持った固体撮像素子と撮像装置を提供することにある。

本発明の固体撮像素子は、受光面上に、画素境界部によって隣接画素と分離される複数の画素が二次元アレイ状に形成された半導体基板と、隣接２画素毎または最隣接４画素毎に設けられ該隣接２画素または最隣接４画素を位相差検出画素にする瞳分割用マイクロレンズと、前記瞳分割用マイクロレンズと前記半導体基板との間に積層された中間層と、前記瞳分割用マイクロレンズによって集光された入射光を受光する複数の前記位相差検出画素の画素境界部と前記瞳分割用マイクロレンズの中心位置とを結ぶ光路上且つ前記中間層内に設けられた入射光散乱体とを備え、前記瞳分割用マイクロレンズの天頂部が平坦に形成されたものである。

本発明の撮像装置は、上記のいずれかの固体撮像素子を搭載したことを特徴とする。

本発明によれば、瞳分割用マイクロレンズの中心を通って複数の位相差検出画素間の画素境界部に入射した光を光散乱体で等分割して各位相差検出画素に振り分けることが可能となる。これにより、イメージセンサの製造誤差に起因する各位相差検出画素間の受光感度ズレが補正され、高精度の位相差量の検出が可能となる。

本発明の一実施形態に係る撮像装置の外観斜視図である。図１に示す撮像装置の機能ブロック構成図である。図１に示すイメージセンサの表面図である。図３のIV―IV線断面模式図である。図４に示す入射光散乱体をマイクロレンズ側から見た図である。図４の実施形態における位相差画素ペアの特性図である。図４の実施形態に係るイメージセンサの製造工程説明図である。本発明の第２実施形態に係るイメージセンサの断面模式図である。本発明の第３実施形態に係るイメージセンサの断面模式図である。本発明の第４実施形態に係るイメージセンサの断面模式図である。図１０の実施形態における位相差画素ペアの特性図である。最隣接４画素に１つのマイクロレンズを搭載して位相差検出画素にするイメージセンサの表面模式図である。図１２の最隣接４画素の位相差検出画素に設ける入射光散乱体をマイクロレンズ側から見た図である。全画素を位相差検出画素ペアで構成するイメージセンサの表面模式図である。全画素を４画素単位で位相差検出画素にするイメージセンサの表面模式図である。シェーディング対策を施した本発明の第５の実施形態に係るイメージセンサの断面模式図である。撮像装置の別実施形態に係るスマートフォンの外観斜視図である。図１７のスマートフォンの機能ブロック構成図である。１画素１マイクロレンズのイメージセンサの断面模式図である。２画素１マイクロレンズの位相差検出画素ペアの断面模式図である。図２０の位相差検出画素ペアの理想的な断面模式図である。図２１の位相差検出画素ペアの特性図である。図２０の位相差検出画素ペアでマイクロレンズと位相差検出画素との間に位置合わせズレが存在する場合の断面模式図である。図２３の位相差検出画素ペアの特性図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る撮像装置（デジタルカメラ）１０の外観斜視図である。このデジタルカメラ１０は、矩形の筐体１１の前部に、撮影レンズ１２を備える。この撮影レンズ１２は、沈胴式のレンズ鏡筒１３内に収納されている。筐体１１の向かって左肩部分にはシャッタレリーズボタン１４が設けられている。筐体１１の背面には、撮影画像やスルー画像（ライブビュー画像），カメラメニュー画像等を表示する液晶表示部（図２のＬＣＤ１６）が設けられている。右肩部分の前部にはフラッシュ発光部４４が設けられている。

図２は、図１に示すデジタルカメラの機能ブロック構成図である。このデジタルカメラ１０は、撮影レンズ１２の背部に設けられたイメージセンサ（この実施形態ではＣＭＯＳ型撮像素子）２１と、デジタルカメラ１０を統括的に制御するＣＰＵ（中央演算処理装置）２２を備える。

ＣＰＵ２２は、バス２３に接続され、このバス２３に、フレームメモリ２４と、画像処理を行う信号処理部（ＤＳＰ）２５と、ＪＰＥＧ形式等に圧縮された撮影画像データを外部メモリカード２６に保存するカードインタフェース（Ｉ／Ｆ）２７と、カメラ背面のＬＣＤ（液晶表示部）１６の表示制御を行う表示制御部２８と、ＬＣＤ１６に表示する文字情報等のＯＳＤ信号を発生させるＯＳＤ信号発生部２９とが接続される。

ＣＰＵ２２には、制御プログラム等を格納したＲＯＭ２２ａやＲＡＭ２２ｂが接続されており、また、シャッタレリーズボタン１４を含む操作部４０が接続されている。また、このデジタルカメラ１０には、撮影レンズ１２のフォーカスレンズ位置等を制御するレンズ駆動部４１と、イメージセンサ２１の駆動タイミング信号を発生するタイミングジェネレータ（ＴＧ）４２と、イメージセンサ２１を駆動するドライバ４３と、発光部４４の発光制御を行うフラッシュ制御回路４５とが設けられており、これらはＣＰＵ２２によって制御指示される。

ＣＰＵ２２は、配下のＤＳＰ２５等を用いて、各種制御処理を行う。例えば、詳細は後述する構造を持つイメージセンサ２１の位相差検出画素から出力される信号を処理し、被写体までの距離を算出し、撮影レンズ１２のフォーカスレンズ位置を調整して、被写体に合焦した画像を撮像する。

図３は、イメージセンサ（固体撮像素子）２１の表面模式図である。半導体基板に形成されるイメージセンサ２１には、各画素（電荷蓄積領域：光電変換部）が二次元アレイ状に、図示の例では正方格子状に配列されている。そして、水平方向に連続する２画素を１単位として、三原色Ｒ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）のカラーフィルタがベイヤ配列されている。即ち、ＲＲＧＧＲＲＧＧ…とカラーフィルタが並ぶ行と、ＧＧＢＢＧＧＢＢ…とカラーフィルタが並ぶ行とが交互に配列されている。

半導体基板上に形成された画素のうちＧフィルタが搭載された画素がＲフィルタやＢフィルタを搭載した画素より多い。このため、水平方向に連続する２つのＧフィルタ搭載画素ペアのうち離散的な位置に在るペア画素を、位相差検出画素ペアとしている。

本実施形態の位相差検出画素ペアは、瞳分割用のマイクロレンズ（オンチップレンズ）をペア画素で共通とすることで形成されている。図３では、楕円形状のマイクロレンズ５０を搭載した２画素が位相差検出画素ペアを構成し、○印で示すマイクロレンズ５１を搭載した画素が通常の撮像画像信号を検出する画素である。マイクロレンズ５１を搭載した通常画素は、図１９に示す画素と同様に、１つのマイクロレンズ５１に一つの電荷蓄積領域が対応している。

図４は、楕円形状のマイクロレンズ５０を搭載した位相差検出画素ペアの水平方向（図３のIV-IV線位置）の断面模式図である。ｐ型半導体基板６０には、２つのペアとなる光電変換領域（電荷蓄積領域：ｎ領域）６１，６２が、素子分離帯６３を挟んで隣接して設けられている。そして、半導体基板６０の表面に透明な絶縁膜６４が積層され、更にその上に、透明な平坦化層（絶縁層）６５が積層され、更にその上にカラーフィルタ層６６が積層される。このカラーフィルタ層６６の上に、平坦化層６７を介して図３に示す楕円形状のマイクロレンズ５０が設けられる。

図示する例では、半導体基板上に形成された絶縁膜６４とマイクロレンズ５０との間の中間層は、平坦化層６５，６７とカラーフィルタ層６６で形成される。

本実施形態の固体撮像素子では、平坦化層６５の中に、入射光散乱体７０を設けている。入射光散乱体７０は、２つの画素（電荷蓄積領域）６１，６２間の境界部分（図４の例では、素子分離帯６３が設けられた箇所）と、マイクロレンズ５０の中心位置（天頂部）とを結ぶ線の途中に設けられる。入射光散乱体７０は、例えば周囲物質より低屈折率物質を埋め込むことで形成される。入射光散乱体７０は、境界部分６３の幅と同程度あるいはそれより少し広い幅で設けられ、境界部分６３を覆う形となる。

マイクロレンズ５０の製造位置と、２つのペア画素６１，６２の製造位置との間に位置合わせズレが生じていたとする。図４の例は、レンズ５０の中心位置７１と、画素境界６３の中心位置７２との間にズレが生じて製造された状態を示している。この様な位置合わせズレが存在していても、本実施形態の固体撮像素子２１では、画素６１，６２間の境界部分に入射する光は、入射光散乱体７０で散乱されることで拡散される。これにより、境界部分に入射した光は、略１／２づつ、２つの画素６１，６２に振り分けて入射されることになる。

図５は、入射光散乱体７０を光入射側（マイクロレンズ５０側）から見た図である。図５にクロスハッチングした部分が入射光散乱体７０である。図５（ａ）では、マイクロレンズ５０の入射光が中心部分（境界部分６３の中央部分）に集まるため、この中心部分を覆うような円盤状に形成している。図５（ｂ）では、画素６１，６２の境界部分６３に沿って入射光散乱体７０を設けている。どちらの入射光散乱体７０でも良く、製造が容易な方を採用する。

図６は、マイクロレンズ５０と画素６１，６２との間に位置合わせズレが生じた場合で、且つ入射光散乱体７０を設けた場合における特性図である。縦軸は各画素６１，６２の受光感度であり、横軸は光入射角度である。図２４と比較すると分かるが、各画素６１，６２のピーク感度における入射角度位置は図２４と同じである。しかし、入射光散乱体７０の影響により、入射角０度で、散乱体７０に入射する光が略１／２づつ各画素６１，６２に振り分けられ、各画素６１，６２の受光感度はほぼ同じとなる。

即ち、本実施形態によれば、製造時に位置合わせズレが生じても、ペア画素６１，６２間では検出信号量に殆ど差が出ないことが分かる。このため、ペア画素６１，６２間で検出信号量に差が出た場合、この差は、位相差量に起因することになり、高精度に位相差量すなわち被写体までの距離を算出することが可能となる。

図７は、入射光散乱体７０の製造工程図である。半導体基板６０に電荷蓄積領域６１，６２や素子分離帯（画素境界部）６３を製造し、半導体基板６０の表面を絶縁膜６４で覆った後、工程Ｉで、ＳｉＮ等の高屈折率材料層６５を絶縁膜６４に積層する。次の工程IIでは、画素境界部６３の上部に当たる部分の高屈折率材料層６５をエッチングし、凹所７４を設ける。

次の工程IIIでは、凹所７４が埋まる様に、ＳｉＯ_２等の低屈折材料を積層し、次の工程IVで、表面を平坦化する。そして、工程Ｖで、表面に高屈折率材料層６５を積層する。更に、図４に示すカラーフィルタ層６６や平担化層６７、マイクロレンズ層を設けて、固体撮像素子２１を製造する。

半導体装置製造技術で膜を製膜する場合、内部に隙間が混入してしまう粗雑な不均質膜を製造するより、隙間のない均質膜を製造する方が難しい。このため、半導体装置の製造技術は、均質膜が製造できる様に発達してきた。

しかし、本実施形態の散乱体７０は、内部に隙間が多数入り、入射光が散乱し易い状態の方が好ましい。そこで、入射光散乱体７０を製造する場合、図７工程IIIにおけるＳｉＯ_２の製膜条件の設定を、均質膜の製膜条件からずらして設定する。これにより、入射光散乱体７０は容易に製造可能である。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る位相差検出画素ペアの断面模式図である。図４の実施形態に比べて、平坦化層６５内に、両画素６１，６２に共通のインナーレンズ７５を設けた点が異なる。

この様なインナーレンズ７５を設けた場合、インナーレンズ７５の中心位置、マイクロレンズ（トップレンズ）５０の中心位置、画素境界６３の中心位置の位置合わせは更に困難となる。しかし、図８に示す実施形態の様に、入射光散乱体７０を設けることで、高精度に位置合わせを行わなくても、画素境界部６３に入射してくる入射光を、２つの位相差検出画素６１，６２に振り分けることが可能になる。

入射光散乱体７０は、図８の例ではインナーレンズ７５の下側（電荷蓄積領域側）に設けたが、インナーレンズ７５の上側（トップレンズ５０側）に設けても良い。カラーフィルタ層６６やその上の平坦化層６７に設けることも可能である。

図９は、本発明の第３実施形態に係る位相差検出画素ペアの断面模式図である。図８の実施形態では、位相差検出画素６１，６２で共通のインナーレンズ７５を設けたが、本実施形態では、位相差検出画素６１，６２で個別のインナーレンズ７６，７７を設けている。そして、入射光散乱体７０を、インナーレンズ７６，７７間且つ画素境界部６３の上部に設けている。

これにより、本実施形態でも、マイクロレンズ（トップレンズ）５０とインナーレンズ７６，７７と各画素（電荷蓄積領域）６１，６２との位置合わせズレが生じても、画素境界部６３に入射する光を略２等分して各画素６１，６２に振り分けることが可能になる。

なお、本実施形態でも、入射光散乱体７０を、インナーレンズ７６，７７の下側に設けることができる。

図１０は、本発明の第４実施形態に係る位相差検出画素ペアの断面模式図である。図４の実施形態の構成と殆ど同じであり、異なる点は、マイクロレンズ５０の天頂部５０ａを平坦にしている点だけである。勿論、図８，図９の実施形態と同様に、インナーレンズを設けても良い。

本実施形態の様に、天頂部５０ａを平坦にすることで、マイクロレンズ５０による錯乱円は広がり、これだけでも、レンズ５０の中心を通る光はぼけて、画素６１，６２に略均等に入射する。本実施形態では、更に、入射光散乱体７０を画素境界部６３の上部に設けているため、更に、レンズ中心を通る光は、２等分されて各画素６１，６２に振り分けられる。

図１１は、この第４実施形態における特性図である。図６の特性図と比較して、入射角度０度における画素６１の受光感度と、画素６２の受光感度とはほぼ等しくなっている。これにより、画素６１，６２の検出信号量に差が出たとき、この差は、位相差にだけ起因すると見ることができる。

以上述べた実施形態は、位相差検出画素を隣接２画素でペア画素とし、共通に１つのマイクロレンズを搭載した。しかし、例えば、図１２に示す様に、最隣接する４画素に１つのマイクロレンズ８０を搭載して、４画素を横方向，縦方向の位相差検出画素とすることも可能である。勿論、この４画素に搭載するカラーフィルタの色は同色とする。例えば最隣接する４画素を１単位として、カラーフィルタをベイヤ配列すれば、４画素を位相差検出画素とすることができる。

この様に、最隣接４画素に対して１つの共通マイクロレンズ８０を搭載する場合、図１３（ａ）に示す様に、中央部分にのみ円盤状の入射光散乱体７０を設ければ良い。或いは、図１３（ｂ）に示す様に、最隣接４画素を仕切る十字状の境界部分に、十字状の入射光散乱体７０を設ければ良い。位相差検出画素ペアの断面形状及び入射光散乱体７０を設ける位置は、図４，図８，図９，図１０と同じである。これにより、マイクロレンズ８０の中心を通り最隣接４画素の中央部の画素境界部に入射する光は、散乱体７０で略４等分され、それぞれの位相差検出画素に割り振られる。

以上述べた実施形態は、イメージセンサ２１の受光面すなわち被写体画像を撮像する撮像面の一部に設ける位相差検出画素ペアについて述べたが、イメージセンサ２１ではなく、これとは別に設けた位相差検出専用のセンサに入射光散乱体を設けても良い。

図１４，図１５は、イメージセンサ２１の受光面に形成される全画素を位相差検出画素としている例を示している。図１４では、隣接２画素ペアを位相差検出画素ペアとしてマイクロレンズ５０を共用し、図１５では、最隣接４画素を位相差検出画素としてマイクロレンズ８０を共用する構成となっている。

被写体からの入射光を各位相差検出画素で受光し、各検出信号から被写体画像を生成すれば、例えば特開２０１１―１５８２０号公報記載の様に、被写体の立体画像を撮像することができる。

図１６は、本発明の第５実施形態に係るイメージセンサの断面模式図である。イメージセンサでは、中央部の画素に対し周辺部の画素の感度が低下するため、例えば特開平１―２１３０７９号公報や特開２００７―２０１０９０号公報に記載されている様に、マイクロレンズの形成位置を、対応する電荷蓄積領域の形成位置に対して、イメージセンサ中心方向にずらすものがある。

この様な対策が施されたイメージセンサに、上述した実施形態の入射光散乱体を設ける例を説明する。図１の撮影レンズ１２を通った被写体からの入射光は、撮影レンズ１２で集光された後、広がってイメージセンサ２１に入射する。

イメージセンサ２１の中央付近の画素に対して、入射光は、ほぼ垂直に入射する。これに対し、周辺画素に対しては、入射光は斜めに入射することになる。このため、図示する左側周辺画素６１Ｌ，６２Ｌに対して、マイクロレンズ５０Ｌは、右側の中央方向にずらして形成される。逆に、右側周辺画素６１Ｒ，６２Ｒに対して、マイクロレンズ５０Ｒは、左側の中央方向にずらして形成される。

図１６の中央領域の画素については、図４，図８，図９，図１０で説明した実施形態をそのまま適用できる。これに対し、左側の周辺画素や右側の周辺画素については、各位相差検出画素の垂直上方位置からずれた位置にマイクロレンズ５０Ｌ，５０Ｒが形成されているため、入射光散乱体７０Ｌ，７０Ｒの形成位置を、上記実施形態で説明した位置から少しずらす必要が生じる。

マイクロレンズ５０Ｒ，５０Ｌの中央位置（天頂部位置）に入射する斜め入射光は、レンズ集光作用の影響はあまり受けずに、そのまま斜めに直進する。この光路を点線８１Ｒ，８１Ｌで示している。点線８１Ｒ，８１Ｌが、周辺画素における図６，図１１の入射角度０度に対応する。

マイクロレンズ５０Ｒ（５０Ｌ）と位相差検出画素６１Ｒ，６２Ｒとを位置合わせして製造する場合、この点線８１Ｒ（８１Ｌ）の進む位置が、画素境界部６３Ｒ（６３Ｌ）の中央位置と一致する様に製造することになる。

この製造時に位置合わせズレが生じたときの、ペア画素間の受光感度ズレを補償するために、上述した実施形態と同様に、入射光散乱体７０Ｒ（７０Ｌ）を設ける。この入射光散乱体７０Ｒ，７０Ｌは、周辺画素では、斜めの点線８１Ｒ，８１Ｌに重なる位置に設けることになる。

入射光散乱体７０Ｒ（７０Ｌ）を、画素境界部６３Ｒ（６３Ｌ）に近い位置に設けるのであれば、上記実施形態と同様に、画素境界部６３Ｒ（６３Ｌ）の直上に設けても良い。しかし、図８のインナーレンズ７５の上側やカラーフィルタ層６６に散乱体７０を設ける場合には、即ち、画素境界部６３Ｒ（６３Ｌ）から上方の離れた位置に設ける場合には、点線８１Ｒ（８１Ｌ）上に設ける必要がある。つまり、マイクロレンズの中央位置（天頂部）と画素境界位置とを結ぶ線（＝入射角度０度に相当する線）上に設ける必要がある。

なお、上述した図４，図８，図９，図１０，図１６の実施形態は、裏面照射型のＭＯＳ型固体撮像素子２１を対象としているため、配線層等が図示する中間層６５内に設けられていない。このため、入射光散乱体７０の製造が容易であるが、表面照射型すなわち配線層が中間層６５内に設けられるイメージセンサにも、上述した実施形態を適用可能である。また、ＭＯＳ型に限らずに、ＣＣＤ型のイメージセンサにも適用可能である。

以上、本発明の撮影装置の実施形態として、デジタルカメラについて説明してきたが、撮影装置の構成はこれに限定されない。本発明のその他の撮影装置としては、例えば、内蔵型又は外付け型のPC用カメラ、或いは、以下に説明するような、撮影機能を有する携帯端末装置とすることができる。

本発明の撮影装置の一実施形態である携帯端末装置としては、例えば、携帯電話機やスマートフォン、PDA(Personal Digital Assistants)、携帯型ゲーム機が挙げられる。以下、スマートフォンを例に挙げ、図面を参照しつつ、詳細に説明する。

図１７は、本発明の撮影装置の一実施形態であるスマートフォン２００の外観を示すものである。図１７に示すスマートフォン２００は、平板状の筐体２０１を有し、筐体２０１の一方の面に表示部としての表示パネル２０２と、入力部としての操作パネル２０３とが一体となった表示入力部２０４を備えている。また、この様な筐体２０１は、スピーカ２０５と、マイクロホン２０６、操作部２０７と、カメラ部２０８とを備えている。なお、筐体２０１の構成はこれに限定されず、例えば、表示部と入力部とが独立した構成を採用したり、折り畳み構造やスライド機構を有する構成を採用することもできる。

図１８は、図１７に示すスマートフォン２００の構成を示すブロック図である。図１８に示すように、スマートフォンの主たる構成要素として、無線通信部２１０と、表示入力部２０４と、通話部２１１と、操作部２０７と、カメラ部２０８と、記憶部２１２と、外部入出力部２１３と、ＧＰＳ(Global Positioning System)受信部２１４と、モーションセンサ部２１５と、電源部２１６と、主制御部２２０とを備える。また、スマートフォン２００の主たる機能として、図示省略の基地局装置ＢＳと図示省略の移動通信網ＮＷとを介した移動無線通信を行う無線通信機能を備える。

無線通信部２１０は、主制御部２２０の指示にしたがって、移動通信網ＮＷに収容された基地局装置ＢＳに対し無線通信を行うものである。この無線通信を使用して、音声データ、画像データ等の各種ファイルデータ、電子メールデータなどの送受信や、Ｗｅｂデータやストリーミングデータなどの受信を行う。

表示入力部２０４は、主制御部２２０の制御により、画像（静止画像および動画像）や文字情報などを表示して視覚的にユーザに情報を伝達するとともに、表示した情報に対するユーザ操作を検出する、いわゆるタッチパネルであって、表示パネル２０２と、操作パネル２０３とを備える。

表示パネル２０２は、LCD(Liquid Crystal Display)、OELD(Organic Electro-Luminescence Display)などを表示デバイスとして用いたものである。操作パネル２０３は、表示パネル２０２の表示面上に表示される画像を視認可能に載置され、ユーザの指や尖筆によって操作される一又は複数の座標を検出するデバイスである。このデバイスをユーザの指や尖筆によって操作すると、操作に起因して発生する検出信号を主制御部２２０に出力する。次いで、主制御部２２０は、受信した検出信号に基づいて、表示パネル２０２上の操作位置（座標）を検出する。

図１７に示すように、本発明の撮影装置の一実施形態として例示しているスマートフォン２００の表示パネル２０２と操作パネル２０３とは一体となって表示入力部２０４を構成しているが、操作パネル２０３が表示パネル２０２を完全に覆うような配置となっている。係る配置を採用した場合、操作パネル２０３は、表示パネル２０２外の領域についても、ユーザ操作を検出する機能を備えてもよい。換言すると、操作パネル２０３は、表示パネル２０２に重なる重畳部分についての検出領域（以下、表示領域と称する）と、それ以外の表示パネル２０２に重ならない外縁部分についての検出領域（以下、非表示領域と称する）とを備えていてもよい。

なお、表示領域の大きさと表示パネル２０２の大きさとを完全に一致させても良いが、両者を必ずしも一致させる必要は無い。また、操作パネル２０３が、外縁部分と、それ以外の内側部分の２つの感応領域を備えていてもよい。更に、外縁部分の幅は、筐体２０１の大きさなどに応じて適宜設計されるものである。更にまた、操作パネル２０３で採用される位置検出方式としては、マトリクススイッチ方式、抵抗膜方式、表面弾性波方式、赤外線方式、電磁誘導方式、静電容量方式などが挙げられ、いずれの方式を採用することもできる。

通話部２１１は、スピーカ２０５やマイクロホン２０６を備え、マイクロホン２０６を通じて入力されたユーザの音声を主制御部２２０にて処理可能な音声データに変換して主制御部２２０に出力したり、無線通信部２１０あるいは外部入出力部２１３により受信された音声データを復号してスピーカ２０５から出力するものである。また、図１７に示すように、例えば、スピーカ２０５を表示入力部２０４が設けられた面と同じ面に搭載し、マイクロホン２０６を筐体２０１の側面に搭載することができる。

操作部２０７は、キースイッチなどを用いたハードウェアキーであって、ユーザからの指示を受け付けるものである。例えば、図１７に示すように、操作部２０７は、スマートフォン２００の筐体２０１の側面に搭載され、指などで押下されるとオンとなり、指を離すとバネなどの復元力によってオフ状態となる押しボタン式のスイッチである。

記憶部２１２は、主制御部２２０の制御プログラムや制御データ、アプリケーションソフトウェア、通信相手の名称や電話番号などを対応づけたアドレスデータ、送受信した電子メールのデータ、ＷｅｂブラウジングによりダウンロードしたＷｅｂデータや、ダウンロードしたコンテンツデータを記憶し、またストリーミングデータなどを一時的に記憶するものである。また、記憶部２１２は、スマートフォン内蔵の内部記憶部２１７と着脱自在な外部メモリスロットを有する外部記憶部２１８により構成される。なお、記憶部２１２を構成するそれぞれの内部記憶部２１７と外部記憶部２１８は、フラッシュメモリタイプ（flash memory type）、ハードディスクタイプ（hard disk type）、マルチメディアカードマイクロタイプ（multimedia card micro type）、カードタイプのメモリ（例えば、ＭｉｃｒｏＳＤ（登録商標）メモリ等）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）などの格納媒体を用いて実現される。

外部入出力部２１３は、スマートフォン２００に連結される全ての外部機器とのインターフェースの役割を果たすものであり、他の外部機器に通信等（例えば、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）、IEEE１３９４など）又はネットワーク（例えば、インターネット、無線ＬＡＮ、ブルートゥース（Bluetooth）（登録商標）、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）、赤外線通信（Infrared Data Association：ＩｒＤＡ）（登録商標）、ＵＷＢ（Ultra Wideband）（登録商標）、ジグビー（ZigBee）（登録商標）など）により直接的又は間接的に接続するためのものである。

スマートフォン２００に連結される外部機器としては、例えば、有／無線ヘッドセット、有／無線外部充電器、有／無線データポート、カードソケットを介して接続されるメモリカード（Memory card）やＳＩＭ(Subscriber Identity Module Card)／ＵＩＭ(User Identity Module Card)カード、オーディオ・ビデオＩ／Ｏ（Input/Output）端子を介して接続される外部オーディオ・ビデオ機器、無線接続される外部オーディオ・ビデオ機器、有／無線接続されるスマートフォン、有／無線接続されるパーソナルコンピュータ、有／無線接続されるPDA、有／無線接続されるパーソナルコンピュータ、イヤホンなどがある。外部入出力部２１３は、このような外部機器から伝送を受けたデータをスマートフォン２００の内部の各構成要素に伝達することや、スマートフォン２００の内部のデータが外部機器に伝送されるようにすることができる。

ＧＰＳ受信部２１４は、主制御部２２０の指示にしたがって、GPS衛星ＳＴ１〜ＳＴｎから送信されるGPS信号を受信し、受信した複数のGPS信号に基づく測位演算処理を実行し、当該スマートフォン２００の緯度、経度、高度からなる位置を検出する。ＧＰＳ受信部２１４は、無線通信部２１０や外部入出力部２１３（例えば、無線ＬＡＮ）から位置情報を取得できる時には、その位置情報を用いて位置を検出することもできる。

モーションセンサ部２１５は、例えば、３軸の加速度センサなどを備え、主制御部２２０の指示にしたがって、スマートフォン２００の物理的な動きを検出する。スマートフォン２００の物理的な動きを検出することにより、スマートフォン２００の動く方向や加速度が検出される。係る検出結果は、主制御部２２０に出力されるものである。

電源部２１６は、主制御部２２０の指示にしたがって、スマートフォン２００の各部に、バッテリ（図示しない）に蓄えられる電力を供給するものである。

主制御部２２０は、マイクロプロセッサを備え、記憶部２１２が記憶する制御プログラムや制御データにしたがって動作し、スマートフォン２００の各部を統括して制御するものである。また、主制御部２２０は、無線通信部２１０を通じて、音声通信やデータ通信を行うために、通信系の各部を制御する移動通信制御機能と、アプリケーション処理機能を備える。

アプリケーション処理機能は、記憶部２１２が記憶するアプリケーションソフトウェアにしたがって主制御部２２０が動作することにより実現するものである。アプリケーション処理機能としては、例えば、外部入出力部２１３を制御して対向機器とデータ通信を行う赤外線通信機能や、電子メールの送受信を行う電子メール機能、Webページを閲覧するWebブラウジング機能などがある。

また、主制御部２２０は、受信データやダウンロードしたストリーミングデータなどの画像データ（静止画像や動画像のデータ）に基づいて、映像を表示入力部２０４に表示する等の画像処理機能を備える。画像処理機能とは、主制御部２２０が、上記画像データを復号し、この復号結果に画像処理を施して、画像を表示入力部２０４に表示する機能のことをいう。

更に、主制御部２２０は、表示パネル２０２に対する表示制御と、操作部２０７、操作パネル２０３を通じたユーザ操作を検出する操作検出制御を実行する。表示制御の実行により、主制御部２２０は、アプリケーションソフトウェアを起動するためのアイコンや、スクロールバーなどのソフトウェアキーを表示したり、あるいは電子メールを作成するためのウィンドウを表示する。なお、スクロールバーとは、表示パネル２０２の表示領域に収まりきれない大きな画像などについて、画像の表示部分を移動する指示を受け付けるためのソフトウェアキーのことをいう。

また、操作検出制御の実行により、主制御部２２０は、操作部２０７を通じたユーザ操作を検出したり、操作パネル２０３を通じて、上記アイコンに対する操作や、上記ウィンドウの入力欄に対する文字列の入力を受け付けたり、あるいは、スクロールバーを通じた表示画像のスクロール要求を受け付ける。

更に、操作検出制御の実行により主制御部２２０は、操作パネル２０３に対する操作位置が、表示パネル２０２に重なる重畳部分（表示領域）か、それ以外の表示パネル２０２に重ならない外縁部分（非表示領域）かを判定し、操作パネル２０３の感応領域や、ソフトウェアキーの表示位置を制御するタッチパネル制御機能を備える。

また、主制御部２２０は、操作パネル２０３に対するジェスチャ操作を検出し、検出したジェスチャ操作に応じて、予め設定された機能を実行することもできる。ジェスチャ操作とは、従来の単純なタッチ操作ではなく、指などによって軌跡を描いたり、複数の位置を同時に指定したり、あるいはこれらを組み合わせて、複数の位置から少なくとも１つについて軌跡を描く操作を意味する。

カメラ部２０８は、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)やCCD(Charge-Coupled Device)などの撮像素子を用いて電子撮影するデジタルカメラである。また、カメラ部２０８は、主制御部２２０の制御により、撮像によって得た画像データを例えばJPEG(Joint Photographic coding Experts Group)などの圧縮した画像データに変換し、記憶部２１２に記録したり、入出力部２１３や無線通信部２１０を通じて出力することができる。図１７に示すにスマートフォン２００において、カメラ部２０８は表示入力部２０４と同じ面に搭載されているが、カメラ部２０８の搭載位置はこれに限らず、表示入力部２０４の背面に搭載されてもよいし、あるいは、複数のカメラ部２０８が搭載されてもよい。なお、複数のカメラ部２０８が搭載されている場合には、撮影に供するカメラ部２０８を切り替えて単独にて撮影したり、あるいは、複数のカメラ部２０８を同時に使用して撮影することもできる。

また、カメラ部２０８はスマートフォン２００の各種機能に利用することができる。例えば、表示パネル２０２にカメラ部２０８で取得した画像を表示することや、操作パネル２０３の操作入力のひとつとして、カメラ部２０８の画像を利用することができる。また、ＧＰＳ受信部２１４が位置を検出する際に、カメラ部２０８からの画像を参照して位置を検出することもできる。更には、カメラ部２０８からの画像を参照して、３軸の加速度センサを用いずに、或いは、３軸の加速度センサと併用して、スマートフォン２００のカメラ部２０８の光軸方向を判断することや、現在の使用環境を判断することもできる。勿論、カメラ部２０８からの画像をアプリケーションソフトウェア内で利用することもできる。

その他、静止画又は動画の画像データにＧＰＳ受信部２１４により取得した位置情報、マイクロホン２０６により取得した音声情報（主制御部等により、音声テキスト変換を行ってテキスト情報となっていてもよい）、モーションセンサ部２１５により取得した姿勢情報等などを付加して記録部２１２に記録したり、入出力部２１３や無線通信部２１０を通じて出力することもできる。

以上述べた実施形態の固体撮像素子は、受光面上に、画素境界部によって隣接画素と分離される複数の画素が二次元アレイ状に形成された半導体基板と、隣接２画素毎または最隣接４画素毎に設けられ該隣接２画素または最隣接４画素を位相差検出画素にする瞳分割用マイクロレンズと、前記瞳分割用マイクロレンズと前記半導体基板との間に積層された中間層と、前記瞳分割用マイクロレンズによって集光された入射光を受光する複数の前記位相差検出画素の画素境界部と前記瞳分割用マイクロレンズの中心位置とを結ぶ光路上且つ前記中間層内に設けられた入射光散乱体とを備えることを特徴とする。

また、実施形態の固体撮像素子の前記入射光散乱体は、少なくとも、前記画素境界部の幅と同じ幅に設けられることを特徴とする。

また、実施形態の固体撮像素子の前記入射光散乱体は、前記中間層よりも低い屈折率の材料を前記中間層内に埋め込むことで形成されることを特徴とする。

また、実施形態の固体撮像素子は、前記入射光散乱体の前記瞳分割用マイクロレンズ側または前記半導体基板側にインナーレンズが設けられたことを特徴とする。

また、実施形態の固体撮像素子は、前記１つの瞳分割用マイクロレンズによって集光される入射光を受光する複数の位相差検出画素に対し共通の１つのインナーレンズが設けられることを特徴とする。

また、実施形態の固体撮像素子は、前記１つの瞳分割用マイクロレンズによって集光される入射光を受光する複数の位相差検出画素毎にインナーレンズが設けられることを特徴とする。

また、実施形態の固体撮像素子は、前記瞳分割用マイクロレンズの天頂部が平坦に形成されたことを特徴とする。

また、実施形態の固体撮像素子は、固体撮像素子が裏面照射型であることを特徴とする。

また、実施形態の撮像装置は、上記のいずれかに記載の固体撮像素子を搭載したことを特徴とする。

以上述べた実施形態によれば、瞳分割用マイクロレンズの中心を通って複数の位相差検出画素間の画素境界部に入射した光を光散乱体で等分割して各位相差検出画素に振り分けることが可能となる。これにより、イメージセンサの製造誤差に起因する各位相差検出画素間の受光感度ズレが補正され、高精度の位相差量の検出が可能となる。

本発明に係るイメージセンサ（固体撮像素子）は、入射光散乱体を位相差検出画素ペアの境界上に設けたため、高精度に位相差を検出でき、位相差検出方式のＡＦ処理を行う撮像装置や、単眼３Ｄカメラ等に適用すると有用である。

１０，２００撮像装置
２０ＣＰＵ
２１イメージセンサ（固体撮像素子）
５０，８０マイクロレンズ（オンチップレンズ）
６０半導体基板
６１，６２位相差検出画素（電荷蓄積領域）ペア
６３画素境界部
６５平坦化層（中間層）
７０，７１Ｒ，７１Ｌ入射光散乱体
７５，７６，７７インナーレンズ
８１Ｌ，８１Ｒ斜め入射光の光路

Claims

受光面上に、画素境界部によって隣接画素と分離される複数の画素が二次元アレイ状に形成された半導体基板と、隣接２画素毎または最隣接４画素毎に設けられ該隣接２画素または最隣接４画素を位相差検出画素にする瞳分割用マイクロレンズと、前記瞳分割用マイクロレンズと前記半導体基板との間に積層された中間層と、前記瞳分割用マイクロレンズによって集光された入射光を受光する複数の前記位相差検出画素の画素境界部と前記瞳分割用マイクロレンズの中心位置とを結ぶ光路上且つ前記中間層内に設けられた入射光散乱体とを備え、前記瞳分割用マイクロレンズの天頂部が平坦に形成された固体撮像素子。
請求項１に記載の固体撮像素子であって、前記入射光散乱体は、少なくとも、前記画素境界部の幅と同じ幅に設けられる固体撮像素子。
請求項１又は請求項２に記載の固体撮像素子であって、前記入射光散乱体は、前記中間層よりも低い屈折率の材料を前記中間層内に埋め込むことで形成される固体撮像素子。
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の固体撮像素子であって、前記入射光散乱体の前記瞳分割用マイクロレンズ側または前記半導体基板側にインナーレンズが設けられた固体撮像素子。
請求項４に記載の固体撮像素子であって、前記１つの瞳分割用マイクロレンズによって集光される入射光を受光する複数の位相差検出画素に対し共通の１つのインナーレンズが設けられる固体撮像素子。
請求項４に記載の固体撮像素子であって、前記１つの瞳分割用マイクロレンズによって集光される入射光を受光する複数の位相差検出画素毎にインナーレンズが設けられる固体撮像素子。
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の固体撮像素子であって、該固体撮像素子が裏面照射型である固体撮像素子。
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の固体撮像素子を搭載した撮像装置。