JP6347620B2 - 固体撮像素子及び撮像装置 - Google Patents
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Description
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。測距画素110aは、固体撮像素子100内の−X方向の周辺領域100aに配置された測距画素である。一方、測距画素110bは、固体撮像素子100の+X方向の周辺領域100bに配置された測距画素である。なお、110a、110bの符号が付けられていない画素は、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。また、図1において、X方向は固体撮像素子100の長手方向であり、Y方向は固体撮像素子100の短手方向である。そして、Z方向は、X方向とY方向に垂直な方向である。
図2では、導波路102のコア104の断面積と導波路103のコア105の断面積とを変えるために、各コアのX方向の幅を変えていた。この他に、図4(a)のように各コアのY方向の幅を変えてもよいし、図4(b)のように各コアのX方向の幅とY方向の幅の両方を変えてもよい。ただし、配線レイアウトの対称性の観点から、導波路の並置方向(図2の場合は、X方向)の幅のみ変えることが好ましい。コア104、105の平面視形状は、図2(a)、図4(a)、(b)に示すような矩形等の多角形でもよいし、円や楕円等でもよい。
図6(a)は、図1の固体撮像素子100内の周辺領域100aに配置された本実施形態の測距画素210を示した模式図である。図6(a)に示す測距画素210は、実施形態1の測距画素110aとは、光電変換部222、223の形状が異なっている。具体的には、測距画素210の中心軸に対して、マイクロレンズ101の射影偏心方向とは反対方向に位置する光電変換部223の断面積が、マイクロレンズ101の射影偏心方向と同じ方向に位置する光電変換部222の断面積よりも大きくなっている。ここで、光電変換部の断面積は、XY断面における導波路側に位置する端面における断面積をいう。
図7は、図1の固体撮像素子100の周辺領域100aに配置された本実施形態の測距画素310を示した図である。図7に示す測距画素310は、実施形態1の測距画素110に対し、導波路302、303の構成が異なる。実施形態1の測距画素110では、コアの断面積を変えていた。一方、本実施形態の測距画素310では、導波路を構成するコアとクラッドの屈折率差を変えている。ここで、屈折率の比較は、測距画素に入射する光の波長における屈折率で比較を行う。
導波路302のコア304と導波路303のコア305の屈折率を変えるためには以下のような製造方法を用いればよい。まず、基板121の上にダマシンプロセスで配線108を作製した後、クラッド306、307を構成する材料を成膜する(図9(a))。次に、導波路303のコア305となる部分をリソグラフィとドライエッチングによって除去する(図9(b))。次に、コア305を構成する材料を成膜して、導波路303を作製する(図9(c))。続いて、導波路302のコア304となる部分を、フォトリソグラフィとドライエッチングによって除去する(図9(d))。そして、コア304を構成する材料を成膜して導波路302を作製する(図9(e))。
実施形態1から3に示す固体撮像素子中の測距画素では、複数の導波路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13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122、123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122、123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。
以上の実施形態1から5において、いずれも導波路および光電変換部が2つである場合を示したが、導波路および光電変換部が3つ以上あってもよい。導波路および光電変換部が3つ以上ある場合でも、そのうちの少なくとも2つの導波路において、以下の構成を満たしていればよい。すなわち、測距画素の中心軸に対して、マイクロレンズの射影偏心方向とは反対方向に配置されている導波路の方が、マイクロレンズの射影偏心方向と同じ方向に配置されている導波路よりも、コアの断面積を大きくなっていればよい。または、測距画素の中心軸に対してマイクロレンズの射影偏心方向とは反対方向に配置されている導波路の方が、マイクロレンズの射影偏心方向と同じ方向に配置されている導波路よりも、コアとクラッドの屈折率差を大きくなっていればよい。このような構成とすることで、複数の光電変換部の最大感度の差を低減することができるため、測距精度が向上する。
101、401 マイクロレンズ
102、103、302、303、402、403 導波路
104、105、305、306 コア
106、107、306、307 クラッド
110、210、310、410 測距画素
122、123、222、223、422、423 光電変換部
Claims (19)
- 複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部に対応して配置されたコアとクラッドを有する複数の導波路と、前記複数の導波路に対応して配置されたマイクロレンズと、を有する画素を備えた固体撮像素子であって、
前記固体撮像素子の周辺領域に配置された少なくとも1つの画素において、前記マイクロレンズは、その中心軸が前記画素の中心軸に対して偏心して配置され、前記複数の導波路は、第1の導波路と第2の導波路とを有し、
前記第1の導波路は、前記画素の中心軸に対して、前記マイクロレンズの偏心方向を前記第1の導波路の中心と前記第2の導波路の中心とを結ぶ直線上に射影した方向とは反対方向に配置され、
前記第2の導波路は、前記画素の中心軸に対して、前記マイクロレンズの偏心方向を前記直線上に射影した方向と同じ方向に配置され、
前記第1の導波路は、前記第2の導波路よりも、コアとクラッドの屈折率差及びコアの断面積のうち少なくとも一方が大きいことを特徴とする固体撮像素子。 - 前記第1の導波路のコアの断面積が、前記第2の導波路のコアの断面積よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記第1の導波路と前記第2の導波路とが配列された配列方向における前記第1の導波路のコアの幅が、前記配列方向における前記第2の導波路のコアの幅よりも大きいことを特徴とする請求項2に記載の固体撮像素子。
- 前記複数の光電変換部が、前記第1の導波路に対応する第1の光電変換部と、前記第2の導波路に対応する第2の光電変換部と、を有し、
前記第1の光電変換部の断面積が、前記第2の光電変換部の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項2又は3に記載の固体撮像素子。 - 前記第1の光電変換部の断面積の前記第2の光電変換部の断面積に対する比の値が、前記第1の導波路のコアの断面積の前記第2の導波路のコアの断面積の比の値よりも大きいことを特徴とする請求項4に記載の固体撮像素子。
- 前記周辺領域に、マイクロレンズの偏心量が異なる少なくとも2つの画素が配置され、前記マイクロレンズの偏心量が大きい画素の方が、前記マイクロレンズの偏心量が小さい画素よりも、前記第2の導波路のコアの断面積に対する前記第1の導波路のコアの断面積の比の値が大きいことを特徴とする請求項2乃至5のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
- 複数の画素を有し、
前記複数の画素において、各画素内の前記複数の導波路のコアの断面積の和が等しいことを特徴とする請求項2乃至6のいずれか1項に記載の固体撮像素子。 - 前記第1の導波路のコアとクラッドの屈折率差が、前記第2の導波路のコアとクラッドの屈折率差よりも大きいことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
- 前記第1の導波路のコアの屈折率が、前記第2の導波路のコアの屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項8に記載の固体撮像素子。
- 前記第1の導波路のクラッドの屈折率が、前記第2の導波路のクラッドの屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項8又は9に記載の固体撮像素子。
- 前記周辺領域に、マイクロレンズの偏心量が異なる少なくとも2つの画素が配置され、前記マイクロレンズの偏心量が大きい画素の方が、前記マイクロレンズの偏心量が小さい画素よりも、前記第2の導波路のコアとクラッドの屈折率差に対する前記第1の導波路のコアとクラッドの屈折率差の比の値が大きいことを特徴とする請求項8乃至10のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
- 前記マイクロレンズが、前記固体撮像素子の中心に向かって偏心していることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
- 前記周辺領域が、前記固体撮像素子の中心から前記固体撮像素子の対角線の長さの0.2倍以上離れた領域であることを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
- 前記周辺領域に、少なくとも2つの画素が配置され、
前記2つの画素のうち前記固体撮像素子の中心から遠い画素のマイクロレンズが、前記固体撮像素子の中心に近い画素のマイクロレンズに比べて偏心量が大きいことを特徴とする請求項1乃至13のいずれか1項に記載の固体撮像素子。 - さらにマイクロレンズが偏心していない画素を有することを特徴とする請求項1乃至14のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
- さらにマイクロレンズが偏心する偏心方向と複数の導波路が配列された配列方向とが直交する画素を有し、
前記偏心方向と前記配列方向とが直交する画素において、複数の導波路のコアとクラッドの屈折率差及びコアの断面積のいずれも等しいことを特徴とする請求項1乃至15のいずれか1項に記載の固体撮像素子。 - 前記固体撮像素子の中央領域に、さらに画素を有することを特徴とする請求項1乃至16のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
- さらに、単一の光電変換部と、前記単一の光電変換部の上に配置されたコアとクラッドを有する単一の導波路と、前記単一の導波路の上に配置されたマイクロレンズと、を有する撮像画素を有することを特徴とする請求項1乃至17のいずれか1項に記載の固体撮像素子。
- 請求項1乃至18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光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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