JP6338443B2 - 固体撮像素子およびそれを用いた撮像装置 - Google Patents
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Description
この課題に対し、特許文献1では、画素表面に設けたマイクロレンズを固体撮像素子の中心方向に偏心させ、画素に対して傾いた角度で入射する光束を効率良く検出することができる固体撮像素子が開示されている。
従って、マイクロレンズの偏心量を小さくすると、結像光学系の射出瞳位置が近い場合の測距精度が悪化し、マイクロレンズの偏心量を大きくすると、結像光学系の射出瞳位置が遠い場合の測距精度が悪化するというトレードオフが生じる。
結像光学系により結像される被写体像を光電変換する複数の画素を備える固体撮像素子であって、
前記複数の画素のうち少なくとも一部は、第1の光電変換部、バリア領域、第2の光電変換部がこの順序で第1の方向に設けられた測距画素であり、
前記固体撮像素子の領域を、前記固体撮像素子の中心を通り前記第1の方向と垂直な直線によって、前記第1の方向と垂直な直線よりも前記第1の方向の負の方向に位置する第1の領域および、前記第1の方向と垂直な直線よりも前記第1の方向の正の方向に位置する第2の領域に分けた場合に、
前記第1の領域の中であって前記固体撮像素子の中心を通り前記第1の方向と垂直な直線から所定の距離以上離れた領域の中の測距画素の半分より多くの測距画素は、バリア領域の中心が測距画素の中心に対して前記第1の方向の負の方向に偏心している第1の測距画素であり、
前記第2の領域の中であって前記固体撮像素子の中心を通り前記第1の方向と垂直な直線から前記所定の距離以上離れた領域の中の測距画素の半分より多くの測距画素は、バリア領域の中心が測距画素の中心に対して前記第1の方向の正の方向に偏心している第2の測距画素であり、
前記第1の領域の中の前記第1の測距画素において、前記第1の光電変換部の容量の方が、前記第2の光電変換部の容量よりも大きく、
前記第2の領域の中の前記第2の測距画素において、前記第2の光電変換部の容量の方が、前記第1の光電変換部の容量よりも大きい、
固体撮像素子である。
本発明の第二の態様は、
結像光学系により結像される被写体像を光電変換する複数の画素を備える固体撮像素子であって、
前記複数の画素のうち少なくとも一部は、第1の光電変換部、バリア領域、第2の光電変換部がこの順序で第1の方向に設けられた測距画素であり、
前記固体撮像素子の領域を、前記固体撮像素子の中心を通り前記第1の方向と垂直な直線によって、前記第1の方向と垂直な直線よりも前記第1の方向の負の方向に位置する第1の領域および、前記第1の方向と垂直な直線よりも前記第1の方向の正の方向に位置する第2の領域に分けた場合に、
前記第1の領域の中であって前記固体撮像素子の中心を通り前記第1の方向と垂直な直線から所定の距離以上離れた領域の中の測距画素の半分より多くの測距画素は、バリア領域の中心が測距画素の中心に対して前記第1の方向の負の方向に偏心している第1の測距画素であり、
前記第2の領域の中であって前記固体撮像素子の中心を通り前記第1の方向と垂直な直線から前記所定の距離以上離れた領域の中の測距画素の半分より多くの測距画素は、バリア領域の中心が測距画素の中心に対して前記第1の方向の正の方向に偏心している第2の測距画素であり、
前記第1の領域の中の前記第1の測距画素において、前記第1の光電変換部の体積の方が、前記第2の光電変換部の体積よりも大きく、
前記第2の領域の中の前記第2の測距画素において、前記第2の光電変換部の体積の方が、前記第1の光電変換部の体積よりも大きい、
固体撮像素子である。
本発明の第三の態様は、
結像光学系により結像される被写体像を光電変換する複数の画素を備える固体撮像素子であって、
前記複数の画素のうち少なくとも一部は、第1の光電変換部、バリア領域、第2の光電変換部がこの順序で第1の方向に設けられた測距画素であり、
前記固体撮像素子の領域を、前記固体撮像素子の中心を通り前記第1の方向と垂直な直線によって、前記第1の方向と垂直な直線よりも前記第1の方向の負の方向に位置する第1の領域および、前記第1の方向と垂直な直線よりも前記第1の方向の正の方向に位置する第2の領域に分けた場合に、
前記第1の領域の中であって前記固体撮像素子の中心を通り前記第1の方向と垂直な直線から所定の距離以上離れた領域の中の測距画素の半分より多くの測距画素は、バリア領域の中心が測距画素の中心に対して前記第1の方向の負の方向に偏心している第1の測距画素であり、
前記第2の領域の中であって前記固体撮像素子の中心を通り前記第1の方向と垂直な直線から前記所定の距離以上離れた領域の中の測距画素の半分より多くの測距画素は、バリア領域の中心が測距画素の中心に対して前記第1の方向の正の方向に偏心している第2の測距画素であり、
前記第1の領域の中の前記第1の測距画素において、前記第1の光電変換部の不純物濃度の方が、前記第2の光電変換部の不純物濃度よりも高く、
前記第2の領域の中の前記第2の測距画素において、前記第2の光電変換部の不純物濃度の方が、前記第1の光電変換部の不純物濃度よりも高い、
固体撮像素子である。
<面内配置>
図1は、本実施形態に示す固体撮像素子100内の測距画素の配置を示した図である。第1の測距画素110aは、固体撮像素子100中の−X方向の周辺領域100a(第1の領域)に配置された測距画素である。周辺領域100aは、固体撮像素子100の中心を通り、X方向に垂直な方向(Y方向)に延びる直線101から、−X方向に所定の距離以上離れた領域である。一方、第2の測距画素110bは、固体撮像素子100中の+X方向の周辺領域100b(第2の領域)に配置された測距画素である。周辺領域100b
は、固体撮像素子100の中心を通り、X方向に垂直な方向(Y方向)に延びる直線101から、+X方向に所定の距離以上離れた領域である。なお、110a、110bの符号が付けられていない四角は、測距画素であってもよいし、通常の撮像画素であってもよい。測距画素、撮像画素については後述する。上記所定の距離は、固体撮像素子100のX方向長さの0.25倍以上とすることが好ましく、0.40倍以上とすれば、更に好ましい。この理由については後述する。
図2は、図1において一点鎖線102で囲んだ、固体撮像素子の周辺領域100a(第1の領域)に配置された3つの測距画素110aの構成を示した図である。図2(b)は、3つ分の測距画素110aのXZ断面模式図である。測距画素110aは、光の入射側より、マイクロレンズ111と、基板120内に形成された光電変換部121、122と、光電変換部121、122の間に配置されたバリア領域123を有している。図2(a)は、図1のXY面内における測距画素110a3つ分の平面模式図である。第1の光電変換部121、バリア領域123、第2の光電変換部122は、+X方向(第1の方向の正の方向)にこの順序で配置されている。
マイクロレンズ111は、結像光学系の射出瞳(不図示)の異なる領域の光束をそれぞれ光電変換部121、122に導いている。各々の光電変換部に入射した光束は電気信号に変換され、測距画素を囲むように配置された配線112によって信号処理部(不図示)に送られる。そして、光電変換部121で変換された電気信号から取得した被写体像と光電変換部122で変換された電気信号から取得した被写体像の、位置ずれ量を求めることで、三角測量の原理から被写体までの距離を算出することができる。
図3に示すように、+X方向の周辺領域(第2の領域)に配置された測距画素110bでは、バリア領域123の中心が画素中心113に対して+X方向(第1の方向の正の方向)に偏心している。同様に、マイクロレンズ111の光軸は、画素中心113に対して−X方向(第1の方向の負の方向)に偏心して配置されている。
図11(a)は、比較例の固体撮像素子1000中の−X方向の周辺領域に配置された測距画素1010aの模式図を示している。測距画素1010aは、光入射側より、マイクロレンズ1011と、複数の光電変換部1021、1022と、複数の光電変換部間に配置されたバリア領域1023を有している。そして、マイクロレンズ1011の中心軸が、測距画素1010aの画素中心1013に対して、+X方向に偏心している。ただし、上述した測距画素110aとは異なり、バリア領域1023の中心は画素中心1013と一致している。なお、図11(a)の矢印は、光束の伝搬の様子を示している。これについては後述する。
距画素に対して固体撮像素子の中心方向(+X方向)に配置された配線1012によって吸収される。そのため、光電変換部1022が受光する光束の重心角度が、正の角度側にずれる。結果として、光電変換部1021が受光する光束の重心角度と、光電変換部1022が受光する光束の重心角度の差が小さくなり、測距精度が低下してしまう。ここで、光束の入射角の正負の向きは、図11(a)に示すとおり、固体撮像素子の周辺方向(−X方向)に傾いて入射する光束(−Z方向に対して時計回り)の角度を正とした。
これに対し、本発明に示す測距画素110aでは、バリア領域123の中心が、画素中心113に対して−X方向(第1の方向の負の方向)に偏心している。このような構成とすることで、トレードオフの解消が可能となっている。以下で、説明を行う。
精度を殆ど低下させずに、射出瞳距離が近い場合の測距精度を向上できていることがわかる。
更に、測距画素110aを本発明の構成とすることで、従来の測距画素1010aを用いた場合に対して低輝度の被写体を撮影した場合の測距画素も向上するため、更に好ましい。以下で説明を行う。
測距画素において、光電変換部121と光電変換部122の容量が異なっていると更に好ましい。具体的には、測距画素110aにおいては−X方向に位置する光電変換部121の容量が+X方向に位置する光電変換部122よりも大きい方が好ましい。一方、測距画素110bにおいては、+X方向に位置する光電変換部の容量が−X方向に位置する光電変換部の容量よりも大きい方が好ましい。このようにすることで、特にコントラスト比の高い被写体を撮影した場合の測距精度を向上させることができる。以下でその理由を説明する。
光電変換部の容量を大きくするには、光電変換部の体積を大きくすればよい。具体的には、光電変換部のX方向の幅、Y方向の幅、Z方向の深さのいずれかを大きくすればよい。あるいは、光電変換部に打ち込む不純物の濃度を上げても、光電変換部の容量を大きくすることが出来る。但し、本発明を用いた固体撮像素子中の測距画素110aにおいては、光電変換部121、122間のバリア領域123の中心を画素中心に対して光電変換部121側に偏心させておく必要がある。そのため、光電変換部のZ方向の深さか、または
不純物の濃度を変えることで容量を変えることが好ましい。
相対的に容量の大きい光電変換部中の横方向のドリフト電界の大きさを、相対的に容量の小さい光電変換部中のドリフト電界の大きさよりも大きくすると、更に好ましい。なぜならば、光電変換部の容量が大きいほど、電荷の転送速度が遅くなるためである。光電変換部の容量が相対的に大きい光電変換部のドリフト電界の大きさを、光電変換部の容量が相対的に小さい光電変換部のドリフト電界の大きさよりも大きくすることで、電荷の転送速度の相違を抑制することができる。ドリフト電界の大きさを大きくするには、横方向にずらして複数回打ち込みを行うことで、横方向に不純物分布の傾斜を形成すればよい。
固体撮像素子の中心を通る直線101から離れた位置に配置された測距画素ほど、測距画素への主光線の入射角が、結像光学系の射出瞳距離に大きく依存する。特に、直線101から固体撮像素子のX方向の長さの0.25倍以上離れた領域では、入射角が大きく変化する。更に、直線101から固体撮像素子のX方向の長さの0.40倍以上離れた領域では、更に入射角の変化が大きい。そのため、直線101と周辺領域100a、100bとの間隔(所定の距離)は、固体撮像素子のX方向の長さの0.25倍であることが好ましく、固体撮像素子のX方向の長さの0.40倍以上であれば更に好ましい。
また、直線101から離れた測距画素ほど、バリア領域123の中心の画素中心113に対する偏心量が大きい方が好ましい。この構成により、固体撮像素子中の測距画素の位置によらず、レンズやそのズームやフォーカス状態が変化した場合でも高精度な測距が可能となる。更に、直線101から離れた測距画素ほど、マイクロレンズ111の偏心量を大きくしても良い。
あるほど大きくなっている。
固体撮像素子100の中心近傍の領域、すなわち固体撮像素子100の中心を通りX方向に垂直な直線101から所定の距離未満の領域では、画素に入射する主光線が、結像光学系の射出瞳距離によらず、常に垂直に近い角度で入射する。具体的には、直線101からの距離が固体撮像素子のX方向の長さの0.25倍未満であれば、垂直に近い角度で入射する。そのため、固体撮像素子の中心近傍では、バリア領域123の中心が画素中心113に対して偏心していなくても良い。
なお、図2および図3では、測距画素においてマイクロレンズ111の光軸が画素中心113に対して偏心している例を示したが、マイクロレンズ111は偏心していなくても良い。マイクロレンズ111が偏心していない場合でも、バリア領域123の中心を画素中心113に対して偏心したことにより、バリア領域の中心と画素中心が一致している場合に対して、感度曲線が正の角度側にずれる。その結果、射出瞳距離が近い場合の測距精度を向上させることができる。但し、図2および図3に示したように、マイクロレンズ111の光軸が、画素中心113に対し、固体撮像素子の中心方向に偏心している方が、射出瞳距離が近い場合の測距精度が向上するため、好ましい。
固体撮像素子の周辺領域100a、100bに配置された測距画素110a、110bの全てにおいて、バリア領域の中心が画素中心に対して偏心している必要はなく、一部の画素において、バリア領域の中心が画素中心に対して偏心していればよい。但し、射出瞳距離によらずに高精度な測距を行うためには、少なくとも半分より多くの測距画素について、バリア領域の中心が画素中心に対して固体撮像素子の周辺方向に偏心している必要がある。上記の条件を満たす測距画素の割合が大きいほど高精度な測距が可能となるため、更に好ましい。例えば、8割以上の測距画素が上記の条件を満たしていると更に好ましい。
固体撮像素子100の全ての画素が測距画素であってもよいし、一部だけが測距画素であり、その他が通常の撮像画素であってもよい。全ての画素が測距画素の場合、複数の光電変換部で取得した電気信号の和を取ることで、撮影画像を取得することができる。なお、撮像画素とは、単一の光電変換部と、単一の光電変換部の上に配置されたマイクロレンズと、を有した画素をいう。
なお、マイクロレンズ111と基板120の間にカラーフィルタを設け、色情報が取得できるようにしても良い。また、図7のように、マイクロレンズ111と基板120の間に光束を効率良く光電変換部121、122に導くための導波路114が設けられていても良い。この時、導波路114は、光電変換部121、122にまたがるように設けられていることが好ましい。
また、以上では光電変換部よりも光の入射側に配線を有する、表面照射型の構成としてきたが、光の入射側とは反対側に配線を有する、裏面照射型の固体撮像素子に本発明を適用しても良い。裏面照射型の固体撮像素子においても、マイクロレンズの偏心量を増加させて射出瞳距離が近い場合の測距精度を向上させた場合、隣接画素とのクロストークを防止するための遮光部で、光束の一部が吸収されてしまう。本発明を適用することで、遮光部での光束の吸収量が低減するため、射出瞳距離によらず高精度な測距が可能となる。
実施形態1に示す固体撮像素子中の測距画素では、第1の光電変換部と第2の光電変換部が並置された方向がX方向であった。すなわち、測距画素に入射した光束をX方向に分割して取得することで測距を行う固体撮像素子を示してきた。しかし、入射方向をX方向以外の方向に分割する測距画素を有する固体撮像素子に本発明を適用してもよい。図8は、本実施形態の固体撮像素子200の一部を示している。
図10は、実施形態1に示す固体撮像素子100を備えたデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどの撮像装置190の概略図である。撮像装置190は、固体撮像素子100の他に、固体撮像素子に光入射側に配置された結像光学系191、CPU192、転送回路193、信号処理部194を有する。CPU192は、転送回路193、信号処理部194の動作を制御する。光電変換部121、122で取得した信号を転送回路193によって信号処理部194に転送し、信号処理部194で測距像を形成し、各々の測距像を信号処理部194で比較することで測距を行っている。また、同様に光電変換部121、122で取得した信号は、信号処理部194で処理され、撮影画像用の信号としても使用される。
なお、撮像装置190は実施形態2に示す固体撮像素子200を備えて構成されてもよい。
101:直線
100a、100b、200a、200b:周辺領域
110a、110b、210a、210b:測距画素
113、213:画素中心
121、122、221、222:光電変換部
123、223:バリア領域
Claims (16)
- 結像光学系により結像される被写体像を光電変換する複数の画素を備える固体撮像素子であって、
前記複数の画素のうち少なくとも一部は、第1の光電変換部、バリア領域、第2の光電変換部がこの順序で第1の方向に設けられた測距画素であり、
前記固体撮像素子の領域を、前記固体撮像素子の中心を通り前記第1の方向と垂直な直線によって、前記第1の方向と垂直な直線よりも前記第1の方向の負の方向に位置する第1の領域および、前記第1の方向と垂直な直線よりも前記第1の方向の正の方向に位置する第2の領域に分けた場合に、
前記第1の領域の中であって前記固体撮像素子の中心を通り前記第1の方向と垂直な直線から所定の距離以上離れた領域の中の測距画素の半分より多くの測距画素は、バリア領域の中心が測距画素の中心に対して前記第1の方向の負の方向に偏心している第1の測距画素であり、
前記第2の領域の中であって前記固体撮像素子の中心を通り前記第1の方向と垂直な直線から前記所定の距離以上離れた領域の中の測距画素の半分より多くの測距画素は、バリア領域の中心が測距画素の中心に対して前記第1の方向の正の方向に偏心している第2の測距画素であり、
前記第1の領域の中の前記第1の測距画素において、前記第1の光電変換部の容量の方が、前記第2の光電変換部の容量よりも大きく、
前記第2の領域の中の前記第2の測距画素において、前記第2の光電変換部の容量の方が、前記第1の光電変換部の容量よりも大きい、
固体撮像素子。 - 光電変換部の深さが、前記第1の光電変換部と前記第2の光電変換部とで異なることにより、前記第1および第2の光電変換部の容量に差がある、
請求項1に記載の固体撮像素子。 - 不純物の濃度が、前記第1の光電変換部の中と前記第2の光電変換部の中とで異なることにより、前記第1および第2の光電変換部の容量に差がある、
請求項1または2に記載の固体撮像素子。 - 結像光学系により結像される被写体像を光電変換する複数の画素を備える固体撮像素子であって、
前記複数の画素のうち少なくとも一部は、第1の光電変換部、バリア領域、第2の光電変換部がこの順序で第1の方向に設けられた測距画素であり、
前記固体撮像素子の領域を、前記固体撮像素子の中心を通り前記第1の方向と垂直な直線によって、前記第1の方向と垂直な直線よりも前記第1の方向の負の方向に位置する第1の領域および、前記第1の方向と垂直な直線よりも前記第1の方向の正の方向に位置する第2の領域に分けた場合に、
前記第1の領域の中であって前記固体撮像素子の中心を通り前記第1の方向と垂直な直線から所定の距離以上離れた領域の中の測距画素の半分より多くの測距画素は、バリア領域の中心が測距画素の中心に対して前記第1の方向の負の方向に偏心している第1の測距画素であり、
前記第2の領域の中であって前記固体撮像素子の中心を通り前記第1の方向と垂直な直線から前記所定の距離以上離れた領域の中の測距画素の半分より多くの測距画素は、バリア領域の中心が測距画素の中心に対して前記第1の方向の正の方向に偏心している第2の測距画素であり、
前記第1の領域の中の前記第1の測距画素において、前記第1の光電変換部の体積の方が、前記第2の光電変換部の体積よりも大きく、
前記第2の領域の中の前記第2の測距画素において、前記第2の光電変換部の体積の方が、前記第1の光電変換部の体積よりも大きい、
固体撮像素子。 - 結像光学系により結像される被写体像を光電変換する複数の画素を備える固体撮像素子であって、
前記複数の画素のうち少なくとも一部は、第1の光電変換部、バリア領域、第2の光電変換部がこの順序で第1の方向に設けられた測距画素であり、
前記固体撮像素子の領域を、前記固体撮像素子の中心を通り前記第1の方向と垂直な直線によって、前記第1の方向と垂直な直線よりも前記第1の方向の負の方向に位置する第1の領域および、前記第1の方向と垂直な直線よりも前記第1の方向の正の方向に位置する第2の領域に分けた場合に、
前記第1の領域の中であって前記固体撮像素子の中心を通り前記第1の方向と垂直な直線から所定の距離以上離れた領域の中の測距画素の半分より多くの測距画素は、バリア領域の中心が測距画素の中心に対して前記第1の方向の負の方向に偏心している第1の測距画素であり、
前記第2の領域の中であって前記固体撮像素子の中心を通り前記第1の方向と垂直な直線から前記所定の距離以上離れた領域の中の測距画素の半分より多くの測距画素は、バリア領域の中心が測距画素の中心に対して前記第1の方向の正の方向に偏心している第2の測距画素であり、
前記第1の領域の中の前記第1の測距画素において、前記第1の光電変換部の不純物濃度の方が、前記第2の光電変換部の不純物濃度よりも高く、
前記第2の領域の中の前記第2の測距画素において、前記第2の光電変換部の不純物濃度の方が、前記第1の光電変換部の不純物濃度よりも高い、
固体撮像素子。 - 前記第1の領域の中の測距画素の半分より多くの測距画素は、前記第1の測距画素であり、前記第2の領域の中の測距画素の半分より多くの測距画素は、前記第2の測距画素である、
請求項1から5のいずれか1項に記載の固体撮像素子。 - 前記第1の領域の中であって前記固体撮像素子の中心を通り前記第1の方向と垂直な直線から前記所定の距離未満の領域の中の測距画素の半分より多くの測距画素は、前記バリア領域の中心が測距画素の中心と一致しており、
前記第2の領域の中であって前記固体撮像素子の中心を通り前記第1の方向と垂直な直線から前記所定の距離未満の領域の中の測距画素の半分より多くの測距画素は、前記バリア領域の中心が測距画素の中心と一致している、
請求項6に記載の固体撮像素子。 - 前記所定の距離は、前記固体撮像素子の前記第1の方向の長さの0.25倍以上である、
請求項6または7に記載の固体撮像素子。 - 前記所定の距離は、前記固体撮像素子の前記第1の方向の長さの0.40倍以上である、
請求項6または7に記載の固体撮像素子。 - 前記固体撮像素子の中心を通り前記第1の方向と垂直な直線からの距離が大きい測距画素ほど、前記バリア領域の中心の、前記測距画素の画素中心に対する偏心量が大きい、
請求項1から9のいずれか1項に記載の固体撮像素子。 - 前記測距画素はマイクロレンズを有しており、
前記第1の領域の中の前記第1の測距画素は、前記マイクロレンズの光軸が画素中心に対して、前記第1の方向の正の方向に偏心しており、
前記第2の領域の中の前記第2の測距画素は、前記マイクロレンズの光軸が画素中心に対して、前記第1の方向の負の方向に偏心している、
請求項1から10のいずれか1項に記載の固体撮像素子。 - 前記第1の領域の中の前記第1の測距画素において、前記第1の光電変換部の中のドリフト電界の大きさが、前記第2の光電変換部の中のドリフト電界の大きさよりも大きく、
前記第2の領域の中の前記第2の測距画素において、前記第2の光電変換部の中のドリフト電界の大きさが、前記第1の光電変換部の中のドリフト電界の大きさよりも大きい、請求項1から11のいずれか1項に記載の固体撮像素子。 - 前記測距画素が、前記第1の光電変換部と前記第2の光電変換部にまたがった導波路を有している、
請求項1から12のいずれか1項に記載の固体撮像素子。 - 前記測距画素が、前記第1の光電変換部と前記第2の光電変換部よりも光の入射側に配線を有する、
請求項1から13のいずれか1項に記載の固体撮像素子。 - 前記測距画素の中心は、当該測距画素を囲む配線を基板の表面に射影した部分に囲まれる領域の重心である、
請求項1から14のいずれか1項に記載の固体撮像素子。 - 請求項1から15のいずれか1項に記載の固体撮像素子と、
前記固体撮像素子に対して光の入射側に配置された結像光学系と、を有することを特徴とする撮像装置。
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