JP6091204B2 - 固体撮像素子および撮像装置 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
[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。
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)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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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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