JP5955000B2 - 固体撮像素子、該固体撮像素子を備えた距離検出装置、及びカメラ - Google Patents
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Description
距離検出画素は、複数の光電変換部を備え、撮影レンズの異なる射出瞳領域を通過した光束が、異なる光電変換部に導かれるように構成される。
複数の距離検出画素を用いて、射出瞳の異なる領域を通過した光束による像を検出し(それぞれA像、B像)、A像とB像のズレ量を測定する。このズレ量と基線長(異なる射出瞳領域の間隔)からデフォーカス量を算出し、距離(焦点位置)を検出する。
また、光電変換部を大きくすれば、通過する射出瞳領域が大きくなり光電変換部で受光する光量が多くなり、感度が高くなる。
例えば、高精度に距離を検出する場合、基線長を長くする必要がある。また、低輝度の被写体の場合、ノイズが大きくなり距離精度が悪化するため、光電変換部の面積を大きくして感度を高くする必要がある。
しかしながら、従来までの手法では、距離検出画素を設計すると、一意に基線長が決まるため、被写体や撮影条件に応じて、最適な距離検出測定ができなかった。
また、本発明の固体撮像素子は、各々が複数の光電変換部を有する複数の画素を備える固体撮像素子であって、前記複数の画素の各々は、絶縁膜を有し、前記絶縁膜の一方の側に前記複数の光電変換部を有し、前記絶縁膜の他方の側に制御電極を有し、前記制御電極に電圧が印加されることにより、像を検出するときの前記複数の光電変換部の重心間隔が広がることを特徴とする。
また、本発明の距離検出装置は、上記した固体撮像素子を備え、撮影レンズの射出瞳の異なる領域をそれぞれ通過した光束による複数の像を前記複数の画素を用いて検出し、前記複数の像のズレ量に基づいて距離を検出することを特徴とする。
また、本発明のカメラは、上記した距離検出装置を備えることを特徴とする。
その際、実施の形態にて上記距離検出装置を備えた撮像装置の一例として、デジタルスチルカメラを用いて説明するが、本発明はこれに限定するものではない。また以下、図を用いて説明するが、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。
本発明の構成を適用した固体撮像素子を備えた距離検出装置の説明をする。
図1において、100は実施形態1における距離検出装置である。距離検出装置100は、撮影レンズ101、固体撮像素子102、演算部103で構成される。
このとき、被写体の距離情報を取得するため、撮影レンズ101を固体撮像素子102へ結像させ、固体撮像素子102に配置された距離検出画素群で被写体のA像及びB像を取得する。
得られたA像とB像の情報を演算部103へ転送し、ズレ量と基線長の関係から被写体の距離情報を算出する。
図2において、200は固体撮像素子中の一部の画素に配置された距離検出画素群の1つの画素である。
画素200は半導体201中にP型から成るP型ウエル202、表面P+層203と、N型の第1の光電変換部204、第2の光電変換部205、フローティングディフュージョン部(以下、FD部)206、207で構成する。
また、前記半導体上に、絶縁膜を介して制御電極が配置される。具体的には、半導体201の表面P+層203側にゲート絶縁膜208、ゲート電極209、210、制御電極211、212、213が配置される。
画素200に入射した光は、マイクロレンズなどの集光手段214、カラーフィルタ215、平坦化層216を介し、第1の光電変換部204、第2の光電変換部205に導かれる。
光電変換部204、205に入射した光は電子に変換され、光電変換部内に蓄積される。その後、ゲート電極209、210に信号を加え、電子をFD部206、207へと転送し、それぞれの電荷量を電気信号として検出する。
半導体201表面と撮影レンズ101の射出瞳104面が略共役の関係にある。このため、距離検出画素の第1の光電変換部204と第2の光電変換部205は異なる射出瞳の領域(第1の領域105、第2の領域106)を通過した光束を受光する(図3)。
このとき、複数の第1の光電変換部204から生成されるA像と、複数の第2の光電変換部205から生成されるB像のズレ量、及び、基線長107を用いて、公知の方法によって、被写体距離を検出することができる。
また、撮像情報の取得はつぎのように行われる。
距離検出画素を用いて撮像画像を取得するためには、画素内にある全ての光電変換部(第1の光電変換部204と第2の光電変換部205)の信号を加算すれば、射出瞳全域を通過した撮像信号となる。
よって、距離検出画素を用いて、通常の固体撮像素子と同様、全ての画素で被写体像を取得することができる。
本実施形態では、制御電極211、212、213に電圧を印加することで、第1の光電変換部204、第2の光電変換部205の位置または形状を動的に制御することができる。
制御電極に正の電圧を印加することにより、ゲート絶縁膜208を介した制御電極近傍の半導体201の電子エネルギーは低くなる。
よって、電子密度が増加し、N型半導体に変化する。
一方、制御電極に負の電圧を印加することにより、制御電極近傍の半導体201の電子エネルギーは高くなり電子密度が低下しP型半導体へと変化する。
光電変換部は、光を電子に変換し、さらに、周囲より電子エネルギーが低く発生した電子を蓄積する機能をもつ。
このため、光電変換部、またはその周囲の電子エネルギー状態を相対的に変化させることで、光電変換部の位置または形状を制御することができる。
続いて、第1の光電変換部の上に制御電極211、第1の光電変換部と第2の光電変換部の上に制御電極212、第2の光電変換部の上に制御電極213を配置した場合の距離検出装置の検出精度に関して説明する。
ただし、制御電極を光電変換部の上に配置すると、直下の光電変換部の電子エネルギーを効率よく制御できるため好ましい。
また、光電変換部間に制御電極を配置すると、光電変換部の周囲の電子エネルギーを効率よく制御できるため好ましい。
光電変換部は電子を蓄積するため、電子エネルギーが低くなるようにN型で形成する(図4(b))。
このとき、電圧を印加しないため消費電力が小さく、長時間の距離検出や撮像測定が可能となる。
さらに、第1の光電変換部204と第2の光電変換部205を画素の中心軸に対して左右対称となるように形成すれば、SN比の高いA像、B像の信号が得られる。
この場合、A像を取得するための距離検出画素(図5(a))では、制御電極211に負、212正に、213にゼロ、の電位をそれぞれ与える。
すると、電子エネルギー分布は図5(b)に示すようになり、特に、第1の光電変換部204の重心位置は画素の中心軸から外側へ変位する。
また、A像取得画素の近傍に配置したB像を取得するための画素(図5(c))では、制御電極211にゼロ、212正に、213に負、の電位をそれぞれ与える。
これにより、第2の光電変換部205の重心を画素の中心軸から外側へ離れるようにする(図5(d))。
以上のA像とB像を用いることで、画素の中心軸から外側へ変位した第1の光電変換部と第2の光電変換部が得られる。
このため、基線長107が長くなり、距離検出精度が向上する。
また、撮像画像を取得する際も、画素内の光電変換部を加算した信号は十分と大きく、SNの高い撮像画像を得ることができる。
この場合、A像を取得するための画素では、制御電極211にゼロ、212に正、213に負、の電位をそれぞれ与える。
一方、B像を取得するための画素では、制御電極211に負、212に正、213にゼロ、の電位をそれぞれ与える。
よって、高感度モードでは、高精度モード(図5)でA像を取得した画素をB像取得に切り替え、B像を取得した画素をA像取得に切り替えることで実現できる。
このとき、A像、B像取得の光電変換部の面積が大きくなり、距離検出に必要なSN比を確保できる。
以上のように、距離検出画素の光電変換部の面積比を変更し、特定の光電変換部の面積を大きくした。
これにより、面積の大きな光電変換部の信号を用いて距離検出することでSN比が高くなり、結果として、低輝度の被写体においても距離検出誤差が小さい測定をすることができる。
こうすることで、光電変換部の信号を別々に取得することなく同時に取得でき、読み取りや処理時間の短縮になる。結果として、高速撮像を行うことができる(図6(a)(b)、図6(c)(d))。
これにより、被写体や撮影条件に応じて、最適な測定モードで距離検出や被写体像を取得することができる。
また、動的に変化させるため、全ての距離検出画素を距離情報や撮像情報に用いることができ、距離精度が向上し、また、撮像画像のSNが向上する。
尚、本実施形態では裏面照射型の固体撮像素子とした。
このとき、制御電極が光の入射方向と逆側に配置されるため、制御電極による光の散乱・吸収がなくなる。
このため、裏面照射型の固体撮像素子を用いた方が、固体撮像素子の感度が高くなるため望ましい。
まず、熱酸化によりシリコン半導体201の表面にゲート絶縁膜208を形成する。続いて、半導体201中に光電変換部204、205、FD部206、207を形成するために、フォトレジストにより所定位置にレジストマスクを形成し、不純物のイオン打ち込みを行う。その後、レジストマスクをアッシング等により除去する。続いて、同様のイオン打ち込みの方法で、拡散層(不図示)を形成する(図7(a))。
さらに、光電変換部204、205にて発生した電子を転送するためのゲート電極と光電変換部の位置または形状を変化させる制御電極を形成するために、ポリシリコン膜を形成する。
その後、フォトリソ工程を用いてポリシリコンを所定パターンにエッチングしてゲート電極209、210、制御電極211、212、213を形成する(図7(b))。
次に、電気的な接続のため、コンタクトホール218などの接続孔を層間絶縁膜に形成して、他の金属配線に電気的に接続させる。同様に、配線219を形成し層間絶縁膜217で覆う(図7(c))。
続いて、半導体201のゲート絶縁膜208と反対側を光電変換部が露出するまで研磨し薄膜化する。その後、平坦化膜216、カラーフィルタ215、マイクロレンズ214を必要に応じて形成する(図7(d))。
実施形態2として、実施形態1とは異なる形態の固体撮像素子を備えた距離検出装置の説明をする。尚、実施形態1と同一のものはその説明を省略する。
図8において、300は距離検出画素であり、本実施形態において制御電極は2つで構成されており、それぞれ制御電極301、302で第1の光電変換部204と第2の光電変換部205の上部で距離検出画素300の中心軸側に配置される。
また、入射光はゲート電極・制御電極と同一の方向から入射し、光電変換部へと到達させる。
このとき、ゲート電極・制御電極などで光が散乱・吸収されないように、光電変換部の直上に周囲より屈折率の高い導波構造303を設ける。
これにより、ゲート電極・制御電極などの電極が配置されていても、効率良く入射光を光電変換部へと導くことができる。
またこのとき、距離検出画素の第1の光電変換部204と第2の光電変換部205は入射光の入射角に対し、図9に示すように、非対称な入射角感度特性をもつ。
図9に示した非対称な入射角感度特性を持つ場合、第1の光電変換部204は撮影レンズ101の射出瞳104の第1の領域105を通過した光を受光する。また、第2の光電変換部205は撮影レンズ101の射出瞳104の第2の領域106を通過した光を受光する。
よって、固体撮像素子は、レンズなどの集光手段の他に導波構造303などの導向手段を用いても、非対称な入射角感度特性を持てば同様に異なる射出瞳からの光束を検出できる。
これにより、複数の距離検出画素を用いてA像とB像を取得し、ズレ量と基線長から実施形態1と同様の手法で距離検出することができる。
図8のように構成すると、制御電極301、302に電圧を印加することで、光電変換部近傍の電子エネルギー分布を制御し、第1の光電変換部204、第2の光電変換部205の位置または形状を動的に変化させることができる。
制御電極が2つ挿入された状態での、光電変換部の変化と、距離検出装置の距離検出精度に関して説明する。
通常モードとして、図10に示すように、制御電極に電圧を印加しない場合(図10(a))、半導体201の電子エネルギー分布は、製造時のドープ濃度によって決まる。
光電変換部は電子を蓄積するため、電子エネルギーが低くなるようにN型で形成する(図10(b))。
このとき、電圧を印加しないため、消費電力が小さく、長時間の距離測定や撮像が可能となる。
さらに、第1の光電変換部204と第2の光電変換部205を画素の中心から左右対称となるように形成してやれば、A像、B像ともにSNが高くできる。
この場合、A像・B像を取得するための距離検出画素(図11(a))では、制御電極301、302に負、負の電位を与える。
すると、電子エネルギー分布は図11(b)に示すようになり、第1の光電変換部204と第2の光電変換部205の重心は画素の中心軸から外側へ離れるようになる。
以上のA像とB像を用いることで、画素の中心軸から外側に変位した第1の光電変換部204と第2の光電変換部205が得られる。このため、基線長107を長くとることができ、距離精度が向上する。
これにより、被写体や撮影条件に応じて、最適な距離検出や被写体像を取得することができる。
また、動的に変化させるため、全ての距離検出画素を距離情報、や撮像情報に用いることができ、距離精度が向上し、また、撮像画像のSNが向上する。
この場合、画素内で光電変換部を2分割するだけでよいため、開口率(画素に占める全光電変換部の割合)、光電変換部の容量を低下しすぎることなく距離検出画素を構成できる。
ただし、距離検出画素内の光電変換部は2つに限るものではなく、例えば、図12に示すように、4つにしてもよい。
この場合、射出瞳を縦・横に分割できるため、縦線・横線のいずれの被写体に対しても高精度に距離検出することができる。
ただし、距離検出画素の上面図を示した図12は、光電変換部401、ゲート電極402、FD部403をそれぞれ4つずつ配置し、光電変換部ごとに入射光の信号を検出する。
このとき、制御電極404を複数配置することで、実施形態1、実施形態2と同様に、被写体や撮影条件に応じて、最適な距離検出や被写体像を取得することができる。
101:撮影レンズ
102:固体撮像素子
103:演算部
200:距離検出画素群の1つの画素
201:半導体
202:P型ウエル
203:表面P+層
204:第1の光電変換部
205:第2の光電変換部
206、207:FD部
208:ゲート絶縁膜
209、210:ゲート電極
211、212、213:制御電極
214:集光手段
215:カラーフィルタ
216:平坦化層
Claims (13)
- 各々が複数の光電変換部を有する複数の画素を備える固体撮像素子であって、
前記複数の画素の各々は、絶縁膜を有し、前記絶縁膜の一方の側に前記複数の光電変換部を有し、前記絶縁膜の他方の側に制御電極を有し、
前記制御電極に電圧が印加されることにより、像を検出するときの前記複数の光電変換部の重心位置がそれぞれ、前記画素の中心軸から前記画素の外側へ向かう方向に変位することを特徴とする固体撮像素子。 - 各々が複数の光電変換部を有する複数の画素を備える固体撮像素子であって、
前記複数の画素の各々は、絶縁膜を有し、前記絶縁膜の一方の側に前記複数の光電変換部を有し、前記絶縁膜の他方の側に制御電極を有し、
前記制御電極に電圧が印加されることにより、像を検出するときの前記複数の光電変換部の重心間隔が広がることを特徴とする固体撮像素子。 - 前記制御電極に前記電圧が印加されることにより、前記光電変換部と前記光電変換部近傍の電子エネルギー分布が変化することを特徴とする請求項1又は2に記載の固体撮像素子。
- 前記画素は、前記制御電極を複数有することを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の固体撮像素子。
- 前記制御電極は、前記光電変換部と対向することを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の固体撮像素子。
- 前記制御電極は、前記複数の光電変換部の間と対向することを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の固体撮像素子。
- 前記画素が有する前記複数の光電変換部は、互いに非対称な入射角感度特性を有することを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項に記載の固体撮像素子。
- 前記画素が有する前記複数の光電変換部は、前記複数の光電変換部のそれぞれに入射される光が前記制御電極と反対の方向から入射される裏面照射型に構成されていることを特徴とする請求項1乃至7の何れか1項に記載の固体撮像素子。
- 請求項1乃至8の何れか1項に記載の固体撮像素子を備え、撮影レンズの射出瞳の異なる領域をそれぞれ通過した光束による複数の像を前記複数の画素を用いて検出し、前記複数の像のズレ量に基づいて距離を検出することを特徴とする距離検出装置。
- 前記制御電極に印加される前記電圧に応じて、入射角感度特性の異なる測定モードに切り替え可能に構成されていることを特徴とする請求項9に記載の距離検出装置。
- 前記複数の光電変換部の前記画素の中心軸の近傍に前記制御電極を有し、
前記制御電極に印加される前記電圧により、前記複数の光電変換部のそれぞれの重心位置が前記中心軸より外側に変位することを特徴とする請求項9又は10に記載の距離検出装置。 - 前記複数の光電変換部の前記画素の中心軸の近傍に前記制御電極を有し、
前記制御電極に印加される前記電圧により、前記画素が有する前記複数の光電変換部における面積比が変化することを特徴とする請求項9乃至11の何れか1項に記載の距離検出装置。 - 請求項9乃至12の何れか1項に記載の距離検出装置を備えることを特徴とするカメラ。
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