JP6091204B2 - 固体撮像素子および撮像装置 - Google Patents
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Description
本発明は、固体撮像素子および撮像装置に関し、特にデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどに用いられる測距装置に適用可能な固体撮像素子に関するものである。
デジタルスチルカメラやビデオカメラにおいて、撮像素子の一部あるいは全部の画素に測距機能を有する距離測定用画素（以下、測距画素）を配置し、位相差方式で検出するようにした固体撮像素子が特許文献１等において提案されている。
測距画素は、複数の光電変換部を備え、カメラレンズの瞳上の異なる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。
各測距画素に含まれる光電変換部で得た信号により、異なる瞳領域を通過した光束により生成される光像（それぞれＡ像、Ｂ像と呼び、両像をまとめてＡＢ像と呼ぶ）を取得する。
位相差方式では、このＡＢ像のズレ量を算出したのち、ステレオ画像による三角測量を用いてズレ量をデフォーカス量に変換することで、距離を測定することができる。
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、高速高精度な測距が可能となる。
また、各測距画素に含まれる複数の光電変換部で取得した信号は、撮影画像を生成するために、各測距画素の画素値として用いることができる。
測距画素は、複数の光電変換部を備え、カメラレンズの瞳上の異なる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。
各測距画素に含まれる光電変換部で得た信号により、異なる瞳領域を通過した光束により生成される光像（それぞれＡ像、Ｂ像と呼び、両像をまとめてＡＢ像と呼ぶ）を取得する。
位相差方式では、このＡＢ像のズレ量を算出したのち、ステレオ画像による三角測量を用いてズレ量をデフォーカス量に変換することで、距離を測定することができる。
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、高速高精度な測距が可能となる。
また、各測距画素に含まれる複数の光電変換部で取得した信号は、撮影画像を生成するために、各測距画素の画素値として用いることができる。
このような測距画素では、複数の光電変換部間のクロストークを抑制するために、光電変換部間に素子分離部が配置されている。
しかしながら、素子分離部には電位勾配が形成されていないため、素子分離部に入射した光により生成される電子は拡散し、光電変換部における検出感度が低下する。
このため、素子分離部に入射した光は損失となり、測距画素からの信号を撮影画像に用いる際に感度が低下し、撮影画像の画質の向上を図る上で好ましくないこととなる。
しかしながら、素子分離部には電位勾配が形成されていないため、素子分離部に入射した光により生成される電子は拡散し、光電変換部における検出感度が低下する。
このため、素子分離部に入射した光は損失となり、測距画素からの信号を撮影画像に用いる際に感度が低下し、撮影画像の画質の向上を図る上で好ましくないこととなる。
本発明は、上記課題に鑑み、高精度の測距を行うことができ、撮像時の感度低下を抑制することが可能となる固体撮像素子、および該固体撮像素子を備え画質の向上を図ることができる撮像装置を提供することを目的とする。
本発明の固体撮像素子は、複数の画素を有し、前記複数の画素の少なくとも一部の画素が、マイクロレンズと受光部とを有し、前記受光部が、複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部における光電変換部と光電変換部との間に配置されている分離部と、を有する、固体撮像素子であって、前記分離部上であって且つ前記マイクロレンズと前記受光部との間に配置されている散乱体を有し、前記散乱体を構成する材料の屈折率は、前記散乱体の周囲を構成する材料の屈折率よりも低く、前記散乱体の入射側端部は、前記マイクロレンズの近軸結像面よりも入射側に配置されていることを特徴とする。
本発明によれば、高精度の測距を行うことができ、撮像時の感度低下を抑制することが可能となる固体撮像素子、および該固体撮像素子を備え画質の向上を図ることができる撮像装置を実現することができる。
以下に、本発明の実施形態における固体撮像素子について図を用いて説明する。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、その説明は省略する。
まず、本実施形態における固体撮像素子について、図１、２を用いて説明する。図１において、１００は本発明の固体撮像素子中の一部に配置された測距画素である。
図１（ａ）は、画素１００のｘｚ断面図であり、図１（ｂ）は、画素１００のＤ−Ｄ´断面図である。
画素１００は、光の入射側（＋ｚ側）より、瞳分割手段１１０、受光部１２０を有している。
受光部内には複数の光電変換部が設けられ、例えば、受光部１２０は２つの光電変換部１０２、１０３を有しており、光電変換部１０２と光電変換部１０３の間に素子分離部１０４が配置されている。素子分離部１０４は、受光部１２０を構成する材料と同じ材料で構成されている。素子分離部１０４には電位勾配が形成されていないため、素子分離部１０４に入射した光により生成される電子は拡散し、光損失となる。
図１（ａ）に示す測距画素１００では、瞳分割手段の受光部側の面に接する位置である瞳分割手段１１０の−ｚ側の端面に接し、且つ素子分離部１０４上に散乱体１０１が配置されている。
図１（ａ）は、画素１００のｘｚ断面図であり、図１（ｂ）は、画素１００のＤ−Ｄ´断面図である。
画素１００は、光の入射側（＋ｚ側）より、瞳分割手段１１０、受光部１２０を有している。
受光部内には複数の光電変換部が設けられ、例えば、受光部１２０は２つの光電変換部１０２、１０３を有しており、光電変換部１０２と光電変換部１０３の間に素子分離部１０４が配置されている。素子分離部１０４は、受光部１２０を構成する材料と同じ材料で構成されている。素子分離部１０４には電位勾配が形成されていないため、素子分離部１０４に入射した光により生成される電子は拡散し、光損失となる。
図１（ａ）に示す測距画素１００では、瞳分割手段の受光部側の面に接する位置である瞳分割手段１１０の−ｚ側の端面に接し、且つ素子分離部１０４上に散乱体１０１が配置されている。
瞳分割手段１１０は、たとえば、マイクロレンズや導波路を含む構成を有し、撮像装置
における結像レンズの瞳上の異なる領域を通過した光束を、異なる光電変換部（１０２または光電変換部１０３）に導くことで、瞳を光学的に分割することができる。
散乱体１０１及び瞳分割手段１１０は、撮像する波長帯域で透明な材料で構成される。
また、散乱体１０１は、瞳分割手段１１０における散乱体１０１の周囲を構成する材料よりも低い屈折率を有する材料で形成される。
ここで、高い屈折率を有する材料としては、窒化シリコン、酸化チタン、有機材料、基材に粒子を分散させ構成した複合材料などから選ぶことができる。
また、低い屈折率を有する材料としては、酸化シリコン、有機材料、基材に粒子を分散させ構成した複合材料などから選ぶことができる。
受光部１２０は、撮像する波長帯域で吸収を有する材料、例えばシリコンで形成され、イオン打ち込みなどで画素内部の一部領域に光電変換部を形成する。
画素１００に外部から入射した光束は、瞳分割手段１１０を伝搬し、受光部１２０に射出される。
その際、瞳分割手段１１０を伝搬する光の一部は、素子分離部上の散乱体１０１により散乱される。
受光部１２０に射出された光は、光電変換部に到達したのち、電子に変換され、図示しない信号処理回路に出力される。
における結像レンズの瞳上の異なる領域を通過した光束を、異なる光電変換部（１０２または光電変換部１０３）に導くことで、瞳を光学的に分割することができる。
散乱体１０１及び瞳分割手段１１０は、撮像する波長帯域で透明な材料で構成される。
また、散乱体１０１は、瞳分割手段１１０における散乱体１０１の周囲を構成する材料よりも低い屈折率を有する材料で形成される。
ここで、高い屈折率を有する材料としては、窒化シリコン、酸化チタン、有機材料、基材に粒子を分散させ構成した複合材料などから選ぶことができる。
また、低い屈折率を有する材料としては、酸化シリコン、有機材料、基材に粒子を分散させ構成した複合材料などから選ぶことができる。
受光部１２０は、撮像する波長帯域で吸収を有する材料、例えばシリコンで形成され、イオン打ち込みなどで画素内部の一部領域に光電変換部を形成する。
画素１００に外部から入射した光束は、瞳分割手段１１０を伝搬し、受光部１２０に射出される。
その際、瞳分割手段１１０を伝搬する光の一部は、素子分離部上の散乱体１０１により散乱される。
受光部１２０に射出された光は、光電変換部に到達したのち、電子に変換され、図示しない信号処理回路に出力される。
図２は、画素１００内における、外部から入射した光束の光伝搬を説明する図である。外部から入射した素子分離部１０４に向かう光束２０１の一部は、瞳分割手段１１０内に配置された散乱体１０１により散乱され、散乱光２０２となる。散乱光２０２は指向性の低い配向分布となるため、光電変換部１０２及び１０３に光が分配される。
その結果、光電変換部１０２及び１０３にて受光される光量が増加し、画素感度が高くなる。
本実施形態では、散乱体１０１を構成する材料の屈折率（散乱体１０１屈折率）を、瞳分割手段１１０内であって且つ散乱体１０１の周囲を構成する材料の屈折率（散乱体１０１周囲の瞳分割手段１１０屈折率）よりも低くしている。
散乱体１０１の屈折率を、散乱体１０１周囲の瞳分割手段１１０屈折率よりも高くすると、瞳分割手段１１０を伝搬する光の一部は散乱体１０１により散乱されるが、散乱体１０１内部に電場が集中する。
散乱体１０１内部に集中した電場は、散乱体１０１下面（−ｚ側面）より射出されるために、素子分離部１０４に射出される光が多くなり、光損失が大きくなる。
その結果、光電変換部１０２及び１０３にて受光される光量が増加し、画素感度が高くなる。
本実施形態では、散乱体１０１を構成する材料の屈折率（散乱体１０１屈折率）を、瞳分割手段１１０内であって且つ散乱体１０１の周囲を構成する材料の屈折率（散乱体１０１周囲の瞳分割手段１１０屈折率）よりも低くしている。
散乱体１０１の屈折率を、散乱体１０１周囲の瞳分割手段１１０屈折率よりも高くすると、瞳分割手段１１０を伝搬する光の一部は散乱体１０１により散乱されるが、散乱体１０１内部に電場が集中する。
散乱体１０１内部に集中した電場は、散乱体１０１下面（−ｚ側面）より射出されるために、素子分離部１０４に射出される光が多くなり、光損失が大きくなる。
一方、散乱体１０１の屈折率を散乱体１０１周囲の瞳分割手段１１０屈折率よりも低くすることで、散乱体１０１内への電場集中を抑制することができ、光電変換部１０２及び光電変換部１０３へ効率よく光を分配することができる。散乱体１０１は、瞳分割手段１１０を１つの媒質１で構成する場合には、散乱体１０１を構成する材料の屈折率を、媒質１の屈折率よりも低くする。
また、瞳分割手段１１０が複数の媒質から構成される場合には、瞳分割手段１１０内であって且つ散乱体１０１の周囲を構成する材料の屈折率よりも、散乱体１０１を構成する材料の屈折率を低くする。
例えば、図１１に、画素１００の構成例を示すように、散乱体１０１の周囲であって、且つ瞳分割領域１１０内の一部に、高屈折率部１１０１を形成してもよい。
この場合には、高屈折率部１１０１を構成する材料の屈折率よりも、散乱体１０１を構成する材料の屈折率が低くなるように構成する。
図１（ａ）に示す測距画素１００では、瞳分割手段１１０の−ｚ側の端面と接する位置に散乱体１０１を配置したが、外部から入射した素子分離部１０４に向かう光束２０１の一部を光散乱可能な位置に散乱体１０１を配置すればよい。
すなわち、素子分離部１０４上であり且つ瞳分割手段１１０内に散乱体１０１が配置されていればよい。
例えば、図１（ｃ）に示すように、素子分離部１０４上であり、且つ瞳分割手段１１０の−ｚ側の端面から距離Ｈだけ離れた位置（瞳分割手段１１０内）に散乱体１０１を配置してもよい。
この場合にも、外部から入射した素子分離部１０４に向かう光束２０１の一部を散乱体１０１により光散乱させ、光電変換部１０２及び１０３に光を分配することができる。その結果、画素１００における画素感度を高めることができる。
また、瞳分割手段１１０が複数の媒質から構成される場合には、瞳分割手段１１０内であって且つ散乱体１０１の周囲を構成する材料の屈折率よりも、散乱体１０１を構成する材料の屈折率を低くする。
例えば、図１１に、画素１００の構成例を示すように、散乱体１０１の周囲であって、且つ瞳分割領域１１０内の一部に、高屈折率部１１０１を形成してもよい。
この場合には、高屈折率部１１０１を構成する材料の屈折率よりも、散乱体１０１を構成する材料の屈折率が低くなるように構成する。
図１（ａ）に示す測距画素１００では、瞳分割手段１１０の−ｚ側の端面と接する位置に散乱体１０１を配置したが、外部から入射した素子分離部１０４に向かう光束２０１の一部を光散乱可能な位置に散乱体１０１を配置すればよい。
すなわち、素子分離部１０４上であり且つ瞳分割手段１１０内に散乱体１０１が配置されていればよい。
例えば、図１（ｃ）に示すように、素子分離部１０４上であり、且つ瞳分割手段１１０の−ｚ側の端面から距離Ｈだけ離れた位置（瞳分割手段１１０内）に散乱体１０１を配置してもよい。
この場合にも、外部から入射した素子分離部１０４に向かう光束２０１の一部を散乱体１０１により光散乱させ、光電変換部１０２及び１０３に光を分配することができる。その結果、画素１００における画素感度を高めることができる。
次に、本発明の固体撮像素子を用いて、被写体の距離を測定する測距方法について、図３を用いて説明する。
図３（ａ）は、本発明の固体撮像素子中に配置された画素１００における光電変換部１０２の感度と、光電変換部１０３の感度を示している。
図３（ａ）の横軸は、画素１００の外部から入射する光束が光軸となす角度であり、縦軸は感度である。
図３（ａ）においては、光電変換部１０２の感度を実線で、光電変換部１０３の感度を破線で示した。
図３（ａ）に示すように、光電変換部１０２と光電変換部１０３は、外部から入射する光の角度に応じて、異なる感度を有している。
図３（ａ）は、本発明の固体撮像素子中に配置された画素１００における光電変換部１０２の感度と、光電変換部１０３の感度を示している。
図３（ａ）の横軸は、画素１００の外部から入射する光束が光軸となす角度であり、縦軸は感度である。
図３（ａ）においては、光電変換部１０２の感度を実線で、光電変換部１０３の感度を破線で示した。
図３（ａ）に示すように、光電変換部１０２と光電変換部１０３は、外部から入射する光の角度に応じて、異なる感度を有している。
図３（ｂ）は、デジタルスチルカメラ３００の概略図である。
デジタルスチルカメラ３００内の結像レンズ３２０は、外界の像を固体撮像素子３１０の面上に結像する。
固体撮像素子３１０は、画素１００を複数備えている。結像レンズ３２０の射出瞳３３０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固体撮像素子３１０の面上に入射する。
固体撮像素子３１０の各画素に含まれる光電変換部１０２では、射出瞳３３０のうち、主に第１の方向に対応する領域３３１（第１の射出瞳領域）を通過した光束が検出される。同様に、光電変換部１０３では、射出瞳３３０のうち、主に第２の方向に対応する領域３３２（第２の射出瞳領域）を通過した光束が検出される。
このため、射出瞳３３０の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る。
複数の光電変換部１０２からの画素信号と、複数の光電変換部１０３からの画素信号を比較することにより、公知の方法によって被写体測距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。
画素１００は、固体撮像素子３１０の一部画素にのみ配置し、残りの画素は画素ごとに光電変換部を１つのみ有する画素で構成してもよい。
望ましくは、全画素に画素１００を配置することで、被写体距離をより高精度に検出することができる。
デジタルスチルカメラ３００内の結像レンズ３２０は、外界の像を固体撮像素子３１０の面上に結像する。
固体撮像素子３１０は、画素１００を複数備えている。結像レンズ３２０の射出瞳３３０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固体撮像素子３１０の面上に入射する。
固体撮像素子３１０の各画素に含まれる光電変換部１０２では、射出瞳３３０のうち、主に第１の方向に対応する領域３３１（第１の射出瞳領域）を通過した光束が検出される。同様に、光電変換部１０３では、射出瞳３３０のうち、主に第２の方向に対応する領域３３２（第２の射出瞳領域）を通過した光束が検出される。
このため、射出瞳３３０の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る。
複数の光電変換部１０２からの画素信号と、複数の光電変換部１０３からの画素信号を比較することにより、公知の方法によって被写体測距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。
画素１００は、固体撮像素子３１０の一部画素にのみ配置し、残りの画素は画素ごとに光電変換部を１つのみ有する画素で構成してもよい。
望ましくは、全画素に画素１００を配置することで、被写体距離をより高精度に検出することができる。
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１として、本発明の固体撮像素子の構成例について図４を用いて説明する。
図４において、４００は本実施例における固体撮像素子の一部に配置された測距画素である。
図４（ａ）は画素４００のｘｚ断面図を示しており、図４（ｂ）は、画素４００のＤ−Ｄ’断面を示している。
本実施例の画素４００における受光部１２０は、２つの光電変換部（１０２と１０３）を有しており、光電変換部１０２と光電変換部１０３の間に素子分離部１０４が配置されている。
本実施例においては、瞳分割手段１１０はマイクロレンズ４１０と不図示のカラーフィルターを含んだ構成を有している。
４２０はマイクロレンズ４１０の近軸結像面を示しており、本実施例においては受光部１２０の＋ｚ側の面から＋ｚ方向に０．３μｍの位置に設定している。
［実施例１］
実施例１として、本発明の固体撮像素子の構成例について図４を用いて説明する。
図４において、４００は本実施例における固体撮像素子の一部に配置された測距画素である。
図４（ａ）は画素４００のｘｚ断面図を示しており、図４（ｂ）は、画素４００のＤ−Ｄ’断面を示している。
本実施例の画素４００における受光部１２０は、２つの光電変換部（１０２と１０３）を有しており、光電変換部１０２と光電変換部１０３の間に素子分離部１０４が配置されている。
本実施例においては、瞳分割手段１１０はマイクロレンズ４１０と不図示のカラーフィルターを含んだ構成を有している。
４２０はマイクロレンズ４１０の近軸結像面を示しており、本実施例においては受光部１２０の＋ｚ側の面から＋ｚ方向に０．３μｍの位置に設定している。
本実施例の画素４００では、マイクロレンズ４１０を配置することにより、外部から入射した光束を効率よく受光部１２０に導くと共に、結像レンズの瞳と光電変換部を共役関係にする。これにより、瞳上の異なる領域３３１と領域３３２をより明確に分離することができる。
マイクロレンズ４１０は、撮像する波長帯域で透明な材料で構成され、例えば、窒化シリコン、酸化シリコン、有機材料などで構成される。
本実施例においては、散乱体１０１を屈折率の低い材料である酸化シリコンで構成し、瞳分割手段１１０を屈折率の高い材料である窒化シリコンで構成した。また、受光部１２０をシリコンで構成した。
一般に、酸化シリコンの屈折率は１．４５前後であり、窒化シリコンの屈折率は２．０前後である。
本実施例では、散乱体１０１を構成する材料の屈折率を、瞳分割手段１１０内であって且つ散乱体１０１周囲を構成する材料の屈折率よりも低く設定している。これにより、散乱体１０１内部への電場集中を抑制し、光電変換部１０２及び光電変換部１０３へ効率よく光を分配することができる。
散乱体１０１及び素子分離部１０４の形状は、ｗ１＝０．１μｍ、ｗ２＝０．２μｍ、ｈ＝０．４μｍ、ｗ＝０．２μｍである。
なお、図４に示す通り、ｗ１は散乱体１０１上面の幅、ｗ２は散乱体１０１の下面の幅、ｈは散乱体１０１の高さ、ｗは素子分離部１０４の幅である。光電変換部１０２及び１０３の幅は０．５５μｍである。
マイクロレンズ４１０は、撮像する波長帯域で透明な材料で構成され、例えば、窒化シリコン、酸化シリコン、有機材料などで構成される。
本実施例においては、散乱体１０１を屈折率の低い材料である酸化シリコンで構成し、瞳分割手段１１０を屈折率の高い材料である窒化シリコンで構成した。また、受光部１２０をシリコンで構成した。
一般に、酸化シリコンの屈折率は１．４５前後であり、窒化シリコンの屈折率は２．０前後である。
本実施例では、散乱体１０１を構成する材料の屈折率を、瞳分割手段１１０内であって且つ散乱体１０１周囲を構成する材料の屈折率よりも低く設定している。これにより、散乱体１０１内部への電場集中を抑制し、光電変換部１０２及び光電変換部１０３へ効率よく光を分配することができる。
散乱体１０１及び素子分離部１０４の形状は、ｗ１＝０．１μｍ、ｗ２＝０．２μｍ、ｈ＝０．４μｍ、ｗ＝０．２μｍである。
なお、図４に示す通り、ｗ１は散乱体１０１上面の幅、ｗ２は散乱体１０１の下面の幅、ｈは散乱体１０１の高さ、ｗは素子分離部１０４の幅である。光電変換部１０２及び１０３の幅は０．５５μｍである。
図５（ａ）は、本実施例の画素４００内における光電変換部１０２及び１０３のそれぞれの感度の和を示している。
図５（ａ）の横軸は外部から画素に入射する光がｚ軸と成す角度であり、縦軸は感度である。
また、画素４００を実線で、比較例として散乱体１０１を配置しない比較画素を破線で示した。画素４００では、散乱体１０１を配置することにより、比較画素に比べて画素感度が向上している。
本実施例においては、散乱体１０１のｘｚ断面形状を台形にて構成したが、外部から入射した光束の一部が散乱され、且つ瞳分割手段１１０を構成する材料よりも屈折率が低ければよく、四角形や三角形でもよい。
望ましくは、散乱体１０１上面（＋ｚ側面）の面積を下面（−ｚ側面）の面積よりも小さくすることで、散乱体１０１の後方散乱に比べて前方散乱を大きくすることができ、光電変換部１０２及び光電変換部１０３に入射する光量を大きくすることができる。
また、媒質中に微粒子や空隙を分散させた構成でもよい。媒質中に微粒子や空隙を分散させることで、散乱体１０１による光の散乱性を高めることができる。
また、散乱体１０１の幅ｗ１、ｗ２は、本実施例に示した長さよりも短くても、長くてもよい。
図５（ｂ）は、図５（ａ）と同様に、画素４００の感度を示している。
図５（ｂ）において、実線は図５（ａ）の散乱体１０１に比べて幅ｗ１とｗ２が０．１μｍ長い場合（ｗ１＝０．２μｍ、ｗ２＝０．３μｍ）、一点鎖線は図５（ａ）の散乱体１０１に比べて幅ｗ１とｗ２が０．１μｍ短い場合（ｗ１＝０μｍ、ｗ２＝０．１μｍ）、破線は散乱体１０１を配置しない比較画素である。
図５（ｂ）に示すように、散乱体１０１により入射光束の一部を散乱させる限りは、散乱体１０１の幅は素子分離部の幅よりも長くても短くてもよい。
図５（ａ）の横軸は外部から画素に入射する光がｚ軸と成す角度であり、縦軸は感度である。
また、画素４００を実線で、比較例として散乱体１０１を配置しない比較画素を破線で示した。画素４００では、散乱体１０１を配置することにより、比較画素に比べて画素感度が向上している。
本実施例においては、散乱体１０１のｘｚ断面形状を台形にて構成したが、外部から入射した光束の一部が散乱され、且つ瞳分割手段１１０を構成する材料よりも屈折率が低ければよく、四角形や三角形でもよい。
望ましくは、散乱体１０１上面（＋ｚ側面）の面積を下面（−ｚ側面）の面積よりも小さくすることで、散乱体１０１の後方散乱に比べて前方散乱を大きくすることができ、光電変換部１０２及び光電変換部１０３に入射する光量を大きくすることができる。
また、媒質中に微粒子や空隙を分散させた構成でもよい。媒質中に微粒子や空隙を分散させることで、散乱体１０１による光の散乱性を高めることができる。
また、散乱体１０１の幅ｗ１、ｗ２は、本実施例に示した長さよりも短くても、長くてもよい。
図５（ｂ）は、図５（ａ）と同様に、画素４００の感度を示している。
図５（ｂ）において、実線は図５（ａ）の散乱体１０１に比べて幅ｗ１とｗ２が０．１μｍ長い場合（ｗ１＝０．２μｍ、ｗ２＝０．３μｍ）、一点鎖線は図５（ａ）の散乱体１０１に比べて幅ｗ１とｗ２が０．１μｍ短い場合（ｗ１＝０μｍ、ｗ２＝０．１μｍ）、破線は散乱体１０１を配置しない比較画素である。
図５（ｂ）に示すように、散乱体１０１により入射光束の一部を散乱させる限りは、散乱体１０１の幅は素子分離部の幅よりも長くても短くてもよい。
本実施例では、画素４００内に光電変換部を２つ含む構成を示したが、図４（ｃ）に画
素４００のＤ−Ｄ’断面を示すように、受光部１２０内に４つの光電変換部（１０２、１０３、１０５、１０６）を含んでも良い。
受光部１２０内に４つの光電変換部を配置することで、ｙ軸と平行な方向に端部を有する被写体のみならず、ｘ軸と平行な方向に端部を有する被写体についても被写体距離を高精度に検出することができる。
本実施例では、散乱体１０１の高さを０．４μｍとしたが、光が散乱される限りはこれよりも高くても低くてもよい。
望ましくは、散乱体１０１のマイクロレンズ４１０側の端部を、マイクロレンズ４１０の近軸結像面よりもマイククロレンズ４１０側に配置する。
さらに、散乱体１０１の高さを１μｍ以下にすることで、素子分離部１０４による光損失を低減しつつ、被写体距離をより高精度に測距できる測距画素を構成することができる。この理由を以下に述べる。
素４００のＤ−Ｄ’断面を示すように、受光部１２０内に４つの光電変換部（１０２、１０３、１０５、１０６）を含んでも良い。
受光部１２０内に４つの光電変換部を配置することで、ｙ軸と平行な方向に端部を有する被写体のみならず、ｘ軸と平行な方向に端部を有する被写体についても被写体距離を高精度に検出することができる。
本実施例では、散乱体１０１の高さを０．４μｍとしたが、光が散乱される限りはこれよりも高くても低くてもよい。
望ましくは、散乱体１０１のマイクロレンズ４１０側の端部を、マイクロレンズ４１０の近軸結像面よりもマイククロレンズ４１０側に配置する。
さらに、散乱体１０１の高さを１μｍ以下にすることで、素子分離部１０４による光損失を低減しつつ、被写体距離をより高精度に測距できる測距画素を構成することができる。この理由を以下に述べる。
図６（ａ）は、横軸にマイクロレンズ４１０の近軸結像面から散乱体１０１の＋ｚ側端部までの距離（下軸）及び散乱体１０１の高さｈ（上軸）、縦軸に光電変換部１０２の入射角＝５度の感度と入射角＝−５度の感度の差分（感度差）を示している。
この感度差が大きいほど、射出瞳面上の領域を明確に分割することができるため、より高い精度で被写体距離を検出することができる。
図６（ｂ）は、横軸にマイクロレンズ４１０の近軸結像面から散乱体１０１の＋ｚ側端部までの距離（下軸）及び散乱体１０１の高さｈ（上軸）、縦軸に光電変換部１０２と光電変換部１０３の感度和を示している。
図６（ｂ）に示すように、散乱体１０１を配置することにより、画素４００の感度を向上させることができる。図６（ｃ）は、マイクロレンズ４１０を透過後の光束を説明する図である。
６４０は光軸、６３０はマイクロレンズ４１０の近軸結像面、６１０及び６１１はマイクロレンズ４１０中央部の光線を示し、６２０及び６２１はマイクロレンズ４１０周辺部の光線を示している。
マイクロレンズ４１０は球面で構成されるため、収差を有している。このため、マイクロレンズ４１０周辺部を通過した光線６２０、６２１は、近軸結像面６３０よりも＋ｚ側に集光する。
散乱体１０１の＋ｚ側端部を近軸結像面６３０よりも＋ｚ側に配置することで、周辺光線６２１を散乱させることができ、＋ｘ側に入射する光量を下げることができる。
すなわち、光量差を大きくすることができる。したがって、散乱体の入射側端部は、マイクロレンズの近軸結像面よりも入射側に配置されていること、すなわち散乱体１０１の＋ｚ側端部をマイクロレンズ４１０の近軸結像面よりも＋ｚ側に配置することが望ましい。
この感度差が大きいほど、射出瞳面上の領域を明確に分割することができるため、より高い精度で被写体距離を検出することができる。
図６（ｂ）は、横軸にマイクロレンズ４１０の近軸結像面から散乱体１０１の＋ｚ側端部までの距離（下軸）及び散乱体１０１の高さｈ（上軸）、縦軸に光電変換部１０２と光電変換部１０３の感度和を示している。
図６（ｂ）に示すように、散乱体１０１を配置することにより、画素４００の感度を向上させることができる。図６（ｃ）は、マイクロレンズ４１０を透過後の光束を説明する図である。
６４０は光軸、６３０はマイクロレンズ４１０の近軸結像面、６１０及び６１１はマイクロレンズ４１０中央部の光線を示し、６２０及び６２１はマイクロレンズ４１０周辺部の光線を示している。
マイクロレンズ４１０は球面で構成されるため、収差を有している。このため、マイクロレンズ４１０周辺部を通過した光線６２０、６２１は、近軸結像面６３０よりも＋ｚ側に集光する。
散乱体１０１の＋ｚ側端部を近軸結像面６３０よりも＋ｚ側に配置することで、周辺光線６２１を散乱させることができ、＋ｘ側に入射する光量を下げることができる。
すなわち、光量差を大きくすることができる。したがって、散乱体の入射側端部は、マイクロレンズの近軸結像面よりも入射側に配置されていること、すなわち散乱体１０１の＋ｚ側端部をマイクロレンズ４１０の近軸結像面よりも＋ｚ側に配置することが望ましい。
図６（ａ）に示すように、散乱体１０１の高さｈを高くすると、ｈ＝１μｍ付近の感度差は、散乱体１０１は配置しない場合（ｈ＝０の場合）と同等程度となる。
感度差を大きくするためには、周辺光線６２０を−ｘ側に導くことが求められるが、散乱体１０１を高くすると、周辺光線６２０が散乱され、＋ｘ側にも光が分配される。すなわち感度差が小さくなる。
したがって、素子分離部１０４による光損失を低減しつつ、感度差を大きくするためには、散乱体１０１の高さを１．０μｍ以下にすることが望ましい。
より望ましくは、散乱体１０１の＋ｚ側端部をマイクロレンズ４１０の近軸結像面よりも＋ｚ側にしつつ、散乱体１０１の高さｈを０．６μｍ以下にすることが好ましい。
なお、本実施例の画素４００は、瞳分割手段１１０と受光部１２０から構成しているが、図１２（ａ）に示すように受光部１２０と瞳分割手段１１０の間に中間層１３０を配置してもよい。
中間層１３０を配置した場合でも、外部から入射した素子分離部１０４に向かう光束を散乱体１０１により光散乱させ、光電変換部１０２及び１０３に光を分配することができる
。その結果、画素４００の画素感度を高めることができる。
なお、中間層１３０を複数の膜で構成し、画素４００を備えた固体撮像素子が撮像する波長帯域にて反射防止膜として機能するようにしてもよい。
反射防止膜として機能させることで、外部から入射した光束をより効率よく受光部１２０に導くことができ、画素４００の画素感度を高めることができる。
また、中間膜１３０を構成する材料を適切に選択することで、エッチング等の半導体プロセスから受光部１２０を保護する保護膜としての機能や、受光部１２０内の金属不純物濃度を下げるゲッタリング膜としての機能を兼ね備えても構わない。
感度差を大きくするためには、周辺光線６２０を−ｘ側に導くことが求められるが、散乱体１０１を高くすると、周辺光線６２０が散乱され、＋ｘ側にも光が分配される。すなわち感度差が小さくなる。
したがって、素子分離部１０４による光損失を低減しつつ、感度差を大きくするためには、散乱体１０１の高さを１．０μｍ以下にすることが望ましい。
より望ましくは、散乱体１０１の＋ｚ側端部をマイクロレンズ４１０の近軸結像面よりも＋ｚ側にしつつ、散乱体１０１の高さｈを０．６μｍ以下にすることが好ましい。
なお、本実施例の画素４００は、瞳分割手段１１０と受光部１２０から構成しているが、図１２（ａ）に示すように受光部１２０と瞳分割手段１１０の間に中間層１３０を配置してもよい。
中間層１３０を配置した場合でも、外部から入射した素子分離部１０４に向かう光束を散乱体１０１により光散乱させ、光電変換部１０２及び１０３に光を分配することができる
。その結果、画素４００の画素感度を高めることができる。
なお、中間層１３０を複数の膜で構成し、画素４００を備えた固体撮像素子が撮像する波長帯域にて反射防止膜として機能するようにしてもよい。
反射防止膜として機能させることで、外部から入射した光束をより効率よく受光部１２０に導くことができ、画素４００の画素感度を高めることができる。
また、中間膜１３０を構成する材料を適切に選択することで、エッチング等の半導体プロセスから受光部１２０を保護する保護膜としての機能や、受光部１２０内の金属不純物濃度を下げるゲッタリング膜としての機能を兼ね備えても構わない。
［実施例２］
実施例２として、本発明の固体撮像素子の構成例について図７を用いて説明する。
図７において、７００は、本実施例における固体撮像素子の一部に配置された測距画素である。
図７は、画素７００のｘｚ断面図を示している。本実施例においては、瞳分割手段１１０を入射側導波路部７１０、射出側導波路部７２０で構成している。
本実施例の画素７００では、瞳分割手段１１０を導波路で構成することにより、外部から入射した光束を効率よく受光部１２０に導くことができる。
入射側導波路７１０と射出側導波路７２０のコア部及びクラッド部は撮像する波長帯域で透明な材料で構成され、さらにコア部はクラッド部よりも屈折率の高い材料で構成される。
散乱体１０１は、射出側導波路７２０のコア部よりも屈折率の低い材料で構成される。
屈折率の高い材料として、例えば窒化シリコン、酸化チタン、有機材料、基材に粒子を分散させ構成した複合材料などを用いることができる。
また、屈折率の低い材料として、たとえば、酸化シリコン、有機材料、基材に粒子を分散させ構成した複合材料を用いることができる。
実施例２として、本発明の固体撮像素子の構成例について図７を用いて説明する。
図７において、７００は、本実施例における固体撮像素子の一部に配置された測距画素である。
図７は、画素７００のｘｚ断面図を示している。本実施例においては、瞳分割手段１１０を入射側導波路部７１０、射出側導波路部７２０で構成している。
本実施例の画素７００では、瞳分割手段１１０を導波路で構成することにより、外部から入射した光束を効率よく受光部１２０に導くことができる。
入射側導波路７１０と射出側導波路７２０のコア部及びクラッド部は撮像する波長帯域で透明な材料で構成され、さらにコア部はクラッド部よりも屈折率の高い材料で構成される。
散乱体１０１は、射出側導波路７２０のコア部よりも屈折率の低い材料で構成される。
屈折率の高い材料として、例えば窒化シリコン、酸化チタン、有機材料、基材に粒子を分散させ構成した複合材料などを用いることができる。
また、屈折率の低い材料として、たとえば、酸化シリコン、有機材料、基材に粒子を分散させ構成した複合材料を用いることができる。
本実施例においては、入射側導波路７１０及び射出側導波路７２０のコア部を窒化シリコンで、クラッド部を酸化シリコンで構成し、散乱体１０１を酸化シリコンで構成した。このように構成することで、散乱体１０１を構成する材料の屈折率が、射出側導波路７２０のコア部を構成する材料の屈折率よりも低くすることができる。
また、散乱体１０１内部への電場集中を抑制することで、光電変換部１０２及び光電変換部１０３へ効率よく光を分配することができる。
散乱体１０１及び素子分離部１０４の形状は、ｗ１＝０．１μｍ、ｗ２＝０．２μｍ、ｈ＝０．６μｍ、ｗ＝０．２μｍである。なお、ここで用いたｗ１、ｗ２、ｈ、ｗが示す長さは図４と同様である。光電変換部１０２及び１０３の幅は０．５５μｍである。
また、散乱体１０１内部への電場集中を抑制することで、光電変換部１０２及び光電変換部１０３へ効率よく光を分配することができる。
散乱体１０１及び素子分離部１０４の形状は、ｗ１＝０．１μｍ、ｗ２＝０．２μｍ、ｈ＝０．６μｍ、ｗ＝０．２μｍである。なお、ここで用いたｗ１、ｗ２、ｈ、ｗが示す長さは図４と同様である。光電変換部１０２及び１０３の幅は０．５５μｍである。
図８は、本実施例の画素７００内の光電変換部１０２及び１０３にて受光する光量を示している。図８の横軸及び縦軸は図５（ａ）と同様である。
図８では、本実施例の画素７００を実線で示し、比較例として散乱体１０１を配置しない比較画素を破線で示した。
散乱体１０１を配置することにより、光電変換部１０２及び１０３に入射する光量を向上させることができる。
図８では、本実施例の画素７００を実線で示し、比較例として散乱体１０１を配置しない比較画素を破線で示した。
散乱体１０１を配置することにより、光電変換部１０２及び１０３に入射する光量を向上させることができる。
本実施例においては、散乱体１０１のｘｚ断面形状を台形にて構成したが、外部から入射した光束の一部が散乱され、且つ瞳分割手段１１０を構成する材料よりも屈折率が低ければよく、四角形や三角形でもよい。
望ましくは、散乱体１０１上面（＋ｚ側面）の面積を下面（−ｚ側面）の面積よりも小さくすることで、散乱体１０１の後方散乱に比べて前方散乱を大きくすることができ、光電変換部１０２及び光電変換部１０３に入射する光量を大きくすることができる。
また、媒質中に微粒子や空隙を分散させた構成でもよい。媒質中に微粒子や空隙を分散さ
せることで、散乱体１０１による光の散乱性を高めることができる。
また、実施例１と同様に、散乱体１０１の幅は本実施例に示した長さよりも短くても長くてもよい。
望ましくは、散乱体１０１上面（＋ｚ側面）の面積を下面（−ｚ側面）の面積よりも小さくすることで、散乱体１０１の後方散乱に比べて前方散乱を大きくすることができ、光電変換部１０２及び光電変換部１０３に入射する光量を大きくすることができる。
また、媒質中に微粒子や空隙を分散させた構成でもよい。媒質中に微粒子や空隙を分散さ
せることで、散乱体１０１による光の散乱性を高めることができる。
また、実施例１と同様に、散乱体１０１の幅は本実施例に示した長さよりも短くても長くてもよい。
本実施例においては、散乱体１０１の高さｈを０．４μｍとしたが、これよりも高くても低くてもよい。
図９は、画素１００の−１５°から＋１５°の角度範囲の光が外部から入射したときの光電変換部１０２及び１０３にて受光する光量（画素１００の受光量）の和を示すグラフである。
横軸は散乱体１０１の高さｈ、縦軸は画素１００の受光量である。散乱体１０１の高さｈを高くするにつれ、光量は増加する。
しかし、高さｈ＝０．６μｍよりも散乱体１０１の高さを高くすると次第に光量が低下する。散乱体１０１の高さが高いほど作製時の難易度は高くなる。
したがって、作製時の難易度を考慮すると散乱体１０１の高さは０．６μｍ以下が望ましい。
なお、本実施例の画素７００は、瞳分割手段１１０と受光部１２０から構成しているが、図１２（ａ）、（ｂ）に示すように受光部１２０と瞳分割手段１１０の間に中間層１３０を配置してもよい。図１２（ａ）、（ｂ）においては、散乱体１０１は、中間層１３０上に位置している。
中間層１３０を配置した場合でも、外部から入射した素子分離部１０４に向かう光束を散乱体１０１により光散乱させ、光電変換部１０２及び１０３に光を分配することができる。その結果、画素４００の画素感度を高めることができる。
なお、中間層１３０を複数の膜で構成し、画素４００を備えた固体撮像素子が撮像する波長帯域にて反射防止膜として機能するようにしてもよい。
反射防止膜として機能させることで、外部から入射した光束をより効率よく受光部１２０に導くことができ、画素７００の画素感度を高めることができる。
また、中間膜１３０を構成する材料を適切に選択することで、エッチング等の半導体プロセスから受光部１２０を保護する保護膜としての機能や、受光部１２０内の金属不純物濃度を下げるゲッタリング膜としての機能を兼ね備えても構わない。
図９は、画素１００の−１５°から＋１５°の角度範囲の光が外部から入射したときの光電変換部１０２及び１０３にて受光する光量（画素１００の受光量）の和を示すグラフである。
横軸は散乱体１０１の高さｈ、縦軸は画素１００の受光量である。散乱体１０１の高さｈを高くするにつれ、光量は増加する。
しかし、高さｈ＝０．６μｍよりも散乱体１０１の高さを高くすると次第に光量が低下する。散乱体１０１の高さが高いほど作製時の難易度は高くなる。
したがって、作製時の難易度を考慮すると散乱体１０１の高さは０．６μｍ以下が望ましい。
なお、本実施例の画素７００は、瞳分割手段１１０と受光部１２０から構成しているが、図１２（ａ）、（ｂ）に示すように受光部１２０と瞳分割手段１１０の間に中間層１３０を配置してもよい。図１２（ａ）、（ｂ）においては、散乱体１０１は、中間層１３０上に位置している。
中間層１３０を配置した場合でも、外部から入射した素子分離部１０４に向かう光束を散乱体１０１により光散乱させ、光電変換部１０２及び１０３に光を分配することができる。その結果、画素４００の画素感度を高めることができる。
なお、中間層１３０を複数の膜で構成し、画素４００を備えた固体撮像素子が撮像する波長帯域にて反射防止膜として機能するようにしてもよい。
反射防止膜として機能させることで、外部から入射した光束をより効率よく受光部１２０に導くことができ、画素７００の画素感度を高めることができる。
また、中間膜１３０を構成する材料を適切に選択することで、エッチング等の半導体プロセスから受光部１２０を保護する保護膜としての機能や、受光部１２０内の金属不純物濃度を下げるゲッタリング膜としての機能を兼ね備えても構わない。
［実施例３］
実施例３として、本発明の固体撮像素子を備えたカメラ等の撮像装置について、図１０を用いて説明する。
１０００は、本発明の固体撮像素子１０１０を備えた撮像装置である。１０２０は撮像装置の結像レンズであり、１０３０は処理部である。
固体撮像素子１０１０中の少なくとも一部の画素には、測距画素を備えている。測距画素は、実施例１に記載の画素４００または実施例２に記載の画素７００を用いることができる。
処理部１０３０は、固体撮像素子１０１０からの画素信号に基づき、被写体距離を演算する演算手段と、被写体画像の生成を行う画像生成手段とを含んでいる。結像レンズ１０２０は、処理部１０３０にて演算された被写体距離情報に基づき、結像レンズ１０３０を駆動する駆動部を備えている。
本実施例の撮像装置では、演算された被写体距離に基づき結像レンズ１０２０を駆動するため、高速高精度にピント合わせを行うことができる。
また、固体撮像素子１０１０中の測距画素は、素子分離部による感度低下を抑制できるため、高画質の画像を生成することができる。
実施例３として、本発明の固体撮像素子を備えたカメラ等の撮像装置について、図１０を用いて説明する。
１０００は、本発明の固体撮像素子１０１０を備えた撮像装置である。１０２０は撮像装置の結像レンズであり、１０３０は処理部である。
固体撮像素子１０１０中の少なくとも一部の画素には、測距画素を備えている。測距画素は、実施例１に記載の画素４００または実施例２に記載の画素７００を用いることができる。
処理部１０３０は、固体撮像素子１０１０からの画素信号に基づき、被写体距離を演算する演算手段と、被写体画像の生成を行う画像生成手段とを含んでいる。結像レンズ１０２０は、処理部１０３０にて演算された被写体距離情報に基づき、結像レンズ１０３０を駆動する駆動部を備えている。
本実施例の撮像装置では、演算された被写体距離に基づき結像レンズ１０２０を駆動するため、高速高精度にピント合わせを行うことができる。
また、固体撮像素子１０１０中の測距画素は、素子分離部による感度低下を抑制できるため、高画質の画像を生成することができる。
１００：本発明の固体撮像素子に含まれる測距画素
１０１：散乱体
１０２：光電変換部
１０３：光電変換部
１０４：素子分離部
１１０：瞳分割手段
１２０：受光部
１０１：散乱体
１０２：光電変換部
１０３：光電変換部
１０４：素子分離部
１１０：瞳分割手段
１２０：受光部
Claims (10)
- 複数の画素を有し、
前記複数の画素の少なくとも一部の画素が、マイクロレンズと受光部とを有し、
前記受光部が、複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部における光電変換部と光電変換部との間に配置されている分離部と、を有する、固体撮像素子であって、
前記分離部上であって且つ前記マイクロレンズと前記受光部との間に配置されている散乱体を有し、
前記散乱体を構成する材料の屈折率は、前記散乱体の周囲を構成する材料の屈折率よりも低く、
前記散乱体の入射側端部は、前記マイクロレンズの近軸結像面よりも入射側に配置されていることを特徴とする固体撮像素子。 - 前記散乱体の高さは、１．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
- 前記散乱体の高さは、０．６μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
- 前記散乱体の受光部側の面の面積は、入射側の面の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
- 前記受光部と前記マイクロレンズとの間に中間層を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
- 前記散乱体は、前記中間層上に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の固体撮像素子。
- 前記中間層は、複数の膜からなることを特徴とする請求項５または６に記載の固体撮像素子。
- 前記中間層は、前記固体撮像素子が撮像する波長帯域の少なくとも一部の波長帯域にて光の反射を抑制する反射防止層として機能することを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
- 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の固体撮像素子と、被写体の像を前記固体撮像素子に形成する結像光学系と、を有することを特徴とする撮像装置。
- 前記被写体の距離情報を演算する演算手段を有することを特徴とする請求項９に記載の撮像装置。
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