JP6653482B2 - 撮像装置、およびそれに用いられる固体撮像装置 - Google Patents

撮像装置、およびそれに用いられる固体撮像装置 Download PDF

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Description

本発明は、撮像装置、およびそれに用いられる固体撮像装置に関する。
スマートフォンなどに搭載されるカメラモジュールには、薄型化が求められ、カメラモジュールの薄型化を実現するには、固体撮像装置の前に配置される光学レンズにも、薄型化が必要となる。
これを解決するために、特許文献１において、画素上に配置されたマイクロレンズをずらす（シュリンクする）技術が開示されている。
特開２００１−１９６５６８号公報
近年、スマートフォン、ゲーム機等に、例えば、赤外光を撮影対象空間に照射して、被写体（人物）の体や手の動きの検出や、被写体の形状を判別する測距カメラが搭載されている。測距カメラで被写体の距離を検知する動作原理の１つとして、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式が知られている。ＴＯＦ方式を用いた測距カメラでは、例えば、赤外光をパルス状に発光させて、２種類の露光期間で被写体からの反射光を受光する。これにより、２種類の信号電荷Ａ０およびＡ１が生成され、その比率から被写体までの距離が求められる。
また、測距カメラは、広い範囲の被写体を検出することが求められ、広角レンズを使うことが求められている。
しかしながら、光学レンズの薄型化と広角レンズの使用とを実現すべく、従来技術で開示されたマイクロレンズをずらす（シュリンクする）技術を測距カメラに用いた場合、一部の入射した光は受光部に向かわずに、意図しない信号電荷の混入が増大してしまう。このため、これがノイズ成分となり、測距精度が低下するという課題を有する。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、測距精度を向上させる撮像装置および固体撮像装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る撮像装置は、被写体へ赤外光を照射する赤外光源と、複数の画素が行列状に配置された画素アレイ部を有する固体撮像装置と、を備えた撮像装置であって、前記固体撮像装置は、前記被写体からの入射光を信号電荷に変換し、前記複数の画素に対応して行列状に配置された複数の受光部と、前記信号電荷を蓄積する信号蓄積部と、前記信号電荷が排出される信号排出部と、前記複数の受光部のそれぞれに対応し当該受光部の上に配置された複数のマイクロレンズと、前記複数の受光部のそれぞれに対応し前記入射光が入射される複数の開口部と、を備え、前記固体撮像装置は、信号排出電圧のＯＮおよびＯＦＦにより、前記信号電荷の読み出しと排出を行い、前記複数のマイクロレンズのそれぞれは、前記画素アレイ部の周辺側に位置するにつれ、当該マイクロレンズに対応した前記受光部の中心よりも画素アレイ部の中心側に寄るように配置され、前記複数の開口部のそれぞれは、前記画素アレイ部の位置に応じて、形状が異なる。
また、前記信号排出電圧は、基板電圧（φＳｕｂ）であり、前記信号排出部は、縦型オーバーフロードレインであってもよい。
また、前記信号排出部は、横型オーバーフロードレインであってもよい。
また、前記信号電荷の読み出し時及び排出時には、読み出し電圧はＯＮであってもよい。
また、前記複数の開口部のそれぞれは、読み出し経路における入射光（斜め光）を遮るような形状を有してもよい。
また、画素アレイ部は、行方向または列方向において、前記受光部と当該受光部の信号電荷が読み出される前記信号蓄積部とが交互に配置された構成を有し、前記画素アレイ部は、一の前記受光部から一の前記信号蓄積部へ一の前記信号電荷を第１斜め方向へ読み出す複数の第１画素と、他の前記受光部から他の前記信号蓄積部へ他の前記信号電荷を前記第１斜め方向と異なる第２斜め方向へ読み出す複数の第２画素と、を含み、前記複数の第１画素のそれぞれに対応する前記開口部は、前記画素アレイ部からの信号電荷の出力方向と逆方向に向かうにつれ、読み出し経路における入射光（斜め光）の遮りが大きくなるような形状を有し、前記複数の第２画素のそれぞれに対応する前記開口部は、前記出力方向の順方向に向かうにつれ、読み出し経路における入射光（斜め光）の遮りが大きくなるような形状を有してもよい。
また、画素アレイ部は、行方向において、前記受光部と当該受光部の信号電荷が読み出される前記信号蓄積部とが交互に配置された構成を有し、前記複数の開口部は、画素から信号蓄積部への前記信号電荷の読み出し方向に向かうにつれて、読み出し経路における入射光（斜め光）の遮りが大きくなるような形状を有してもよい。
また、画素アレイ部は、行方向において、前記受光部と当該受光部の信号電荷が読み出される前記信号蓄積部とが交互に配置された構成を有し、前記画素アレイ部は、一の前記受光部から一の前記信号蓄積部へ一の前記信号電荷を第１斜め方向へ読み出す複数の第１画素と、他の前記受光部から前記一の信号蓄積部へ他の前記信号電荷を前記第１斜め方向と異なる第２斜め方向へ読み出す複数の第２画素と、を含み、前記複数の第１画素及び前記複数の第２画素のそれぞれに対応する前記開口部は、前記画素アレイ部からの信号電荷の出力方向と逆方向に向かうにつれ、読み出し経路における入射光（斜め光）の遮りが大きくなるような形状を有してもよい。
また、画素アレイ部は、行方向において、前記受光部と当該受光部の信号電荷が読み出される前記信号蓄積部とが交互に配置された構成を有し、前記画素アレイ部は、一の前記受光部から一の前記信号蓄積部へ一の前記信号電荷を第３斜め方向へ読み出す複数の第３画素と、他の前記受光部から前記一の信号蓄積部へ他の前記信号電荷を前記第３斜め方向と異なる第４斜め方向へ読み出す複数の第４画素と、を含み、前記複数の第３画素及び前記複数の第４画素のそれぞれに対応する前記開口部は、前記画素アレイ部からの信号電荷の出力方向の順方向に向かうにつれ、読み出し経路における入射光（斜め光）の遮りが大きくなるような形状を有してもよい。
また、画素アレイ部は、行方向において、前記受光部と当該受光部の信号電荷が読み出される前記信号蓄積部とが交互に配置された構成を有し、前記画素アレイ部は、一の前記受光部から一の前記信号蓄積部へ一の前記信号電荷を第１斜め方向へ読み出す複数の第１画素と、他の前記受光部から前記一の信号蓄積部へ他の前記信号電荷を前記第１斜め方向と異なる第２斜め方向へ読み出す複数の第２画素と、を含み、同じ行方向に配置された前記複数の第１画素と前記複数の第２画素のそれぞれに対応する前記開口部は、読み出し経路における入射光（斜め光）を同じように遮る形状を有してもよい。
また、画素アレイ部は、行方向において、前記受光部と当該受光部の信号電荷が読み出される前記信号蓄積部とが交互に配置された構成を有し、前記画素アレイ部は、一の前記受光部から一の前記信号蓄積部へ一の前記信号電荷を第３斜め方向へ読み出す複数の第３画素と、他の前記受光部から前記一の信号蓄積部へ他の前記信号電荷を前記第３斜め方向と異なる第４斜め方向へ読み出す複数の第４画素と、を含み、同じ行方向に配置された前記複数の第３画素と前記複数の第４画素のそれぞれに対応する前記開口部は、読み出し経路における入射光（斜め光）を同じように遮る形状をそれぞれ有してもよい。
また、画素アレイ部は、行方向において、前記受光部と当該受光部の信号電荷が読み出される前記信号蓄積部とが交互に配置された構成を有し、前記画素アレイ部は、一の前記受光部から一の前記信号蓄積部へ一の前記信号電荷を第１斜め方向へ読み出す複数の第１画素と、他の前記受光部から前記第１画素の信号電荷を読み出した信号蓄積部へ他の前記信号電荷を前記第１斜め方向と異なる第２斜め方向へ読み出す複数の第２画素と、を含み、前記画素アレイ部は、さらに、一の前記受光部から一の前記信号蓄積部へ一の前記信号電荷を第３斜め方向へ読み出す複数の第３画素と、他の前記受光部から前記第３画素の信号電荷を読み出した信号蓄積部へ他の前記信号電荷を前記第３斜め方向と異なる第４斜め方向へ読み出す複数の第４画素と、を含み、前記複数の第１画素及び前記複数の第２画素のそれぞれに対応する前記開口部は、前記画素アレイ部からの信号電荷の出力方向と逆方向に向かうにつれて、読み出し経路における入射光（斜め光）の遮りが大きくなるような形状を有し、前記複数の第３画素及び前記複数の第４画素のそれぞれに対応する前記開口部は、前記画素アレイ部からの信号電荷の出力方向の順方向に向かうにつれて、読み出し経路における入射光（斜め光）の遮りが大きくなるような形状を有し、同じ行方向に配置された前記複数の第１画素と前記複数の第２画素のそれぞれに対応する前記開口部は、読み出し経路における入射光（斜め光）を同じように遮る形状を有し、同じ行方向に配置された前記複数の第３画素と前記複数の第４画素のそれぞれに対応する前記開口部は、読み出し経路における入射光（斜め光）を同じように遮る形状を有してもよい。
また、近赤外光を被写体に照射して、当該被写体で反射した光を撮像し、その結果から距離を算出するＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式により、前記被写体までの距離を測定してもよい。
また、本発明の一態様に係る固体撮像装置は、被写体へ赤外光を照射する赤外光源と、固体撮像装置とを備える撮像装置に用いられる固体撮像装置であって、前記固体撮像装置は、複数の画素が行列上に配置される画素アレイ部と、前記被写体からの入射光を信号電荷に変換し、前記複数の画素に対応して行列状に配置された複数の受光部と、前記信号電荷を蓄積する信号蓄積部と、前記信号電荷が排出される信号排出部と、前記複数の受光部のそれぞれに対応し当該受光部の上に配置された複数のマイクロレンズと、前記複数の受光部のそれぞれに対応し前記入射光が入射される複数の開口部と、を備え、信号排出電圧のＯＮとＯＦＦにより、前記信号電荷の読み出しと排出を行い、前記複数のマイクロレンズのそれぞれは、前記画素アレイ部の周辺側に位置するにつれ、当該マイクロレンズに対応した前記受光部の中心よりも画素アレイ部の中心側に寄るように配置され、前記複数の開口部のそれぞれは、前記画素アレイ部の位置に応じて、形状が異なる。
本発明に係る撮像装置および固体撮像装置によれば、画素アレイ部への不要な信号電荷の漏れこみを抑制でき、測距精度を向上できる。
図１は、実施の形態１に係る撮像装置（測距撮像装置）の概略構成の一例を示す機能ブロック図である。 図２は、実施の形態１に係る撮像装置（測距撮像装置）の概略構成の別の一例を示す機能ブロック図である。 図３Ａは、実施の形態１に係る固体撮像装置を示す図である。 図３Ｂは、実施の形態１に係る別の固体撮像装置を示す図である。 図４は、実施の形態１に係る撮像装置の信号処理のシーケンスを表す図である。 図５Ａは、一般的な固体撮像装置の平面構造図である。 図５Ｂは、図５ＡのＡ−Ａ’断面構造を説明する図である。 図６は、図５ＢのＣ１−Ｃ１’方向のポテンシャルを示す図である。 図７Ａは、実施の形態１に係る固体撮像装置の平面構造図である。 図７Ｂは、図７ＡのＤ−Ｄ’断面構造を示す図である。 図８は、図７ＢのＣ２−Ｃ２’方向のポテンシャルを示す図である。 図９Ａは、実施の形態２に係る固体撮像装置の平面構造図である。 図９Ｂは、図９ＡのＦ−Ｆ’断面構造を示す図である。 図１０Ａは、実施の形態３に係る固体撮像装置の平面構造図である。 図１０Ｂは、図１０ＡのＨ−Ｈ’断面構造を示す図である。 図１１は、実施の形態３に係る固体撮像装置の断面構造図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、駆動タイミング等は、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうちの、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、各図は、必ずしも厳密に図示したものではない。各図において、実質的に同一の構成について、重複する説明は省略又は簡略化する。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る撮像装置（測距撮像装置）の概略構成の一例を示す機能ブロック図である。
近年、ゲーム機器等をはじめとしたジェスチャー入力によるユーザーインターフェースの用途、もしくは、自動車やロボットの自動走行制御のために、周囲空間（物体）との距離を正確に把握する用途で撮像装置（測距装置、測距撮像装置）が活用されている。
撮像装置（測距装置、測距撮像装置）としては、例えば、（１）２つのカメラを使ったステレオ方式、（２）近赤外光の特定パターンを照射し、その形の変化から距離を算出するパターン照射（Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ Ｌｉｇｈｔ）方式、（３）近赤外光を照射し、反射してきた光を撮像し、その結果から距離を算出するＴＯＦ方式、などが挙げられる。なお、以下の説明では、一例としてＴＯＦ方式を用いる。
図１より、本実施の形態の撮像装置は、発光制御信号及び露光制御信号を出力する制御部と、発光制御信号のタイミングで光の照射を行う光源部と、照射される光の対象体（被写体）からの反射光を、露光制御信号により複数の異なるタイミングで露光し、複数の撮像信号（露光信号）を出力する撮像部と、露光信号を入力として距離演算を行う演算部（ＴＯＦ演算部）と、で構成される。撮像部は、固体撮像装置などを含む。
また、図２は、実施の形態に係る撮像装置（測距撮像装置）の概略構成の別の一例を示す機能ブロック図であり、一例として、制御部及び演算部の回路をオンチップで搭載するイメージセンサ（一例として、ＣＭＯＳイメージセンサ）の構成例である。
図３Ａは、本実施の形態に係る固体撮像装置を示す図である。同図に示すように、固体撮像装置は、受光部（一例として、フォトダイオード、ＰＤ、光電変換部）、信号蓄積部（一例として、垂直転送部）、第２信号蓄積部（一例として、水平転送部）、出力部などで構成され、複数の受光部がアレイ状となる画素アレイ部を構成する。信号蓄積部は受光部に隣接して配置され、受光部から読み出される信号電荷の蓄積と転送とを行う。
なお、図３Ａには図示されていないが、各受光部には集光部（一例として、マイクロレンズ）が配置され、これにより、カメラに入射する光を効率よく受光部に届けることが可能となる。なお、マイクロレンズの詳細については、後述する。
図３Ｂは、実施の形態に係る別の固体撮像装置を示す図である。同図に示すように、固体撮像装置は、タイミング制御部と、参照信号生成部と、受光部及び信号蓄積部などを含む画素アレイ部と、垂直走査回路と、カラム処理部と、水平走査回路と、出力回路と、を備える。
また、図３Ａと同じく、信号蓄積部は受光部に隣接して配置され、受光部から読み出される信号電荷を蓄積と転送とを行う。また、図３Ａと同じく、図３Ｂには図示されていないが、各受光部には、各受光部の上にマイクロレンズ（集光部）が配置されている。
図４は、本実施の形態に係る撮像装置の信号処理のシーケンスを表す図である。本実施の形態は、ＴＯＦ方式を用い、Ｚ＝（Ａ１−Ａ２）／（Ａ０＋Ａ１−２Ａ２）という距離演算がなされる一例である。
撮像装置から発光された赤外光は、距離の離れた被写体から、光路による遅延を含んだ形で反射して、その反射光が固体撮像装置に到達する。この反射光を、異なるタイミングで発光・露光制御し、１フレームの中で、複数種類の信号（一例として、３種類の異なる信号（Ａ０、Ａ１、Ａ２））を取得する。
Ａ０及びＡ１信号は、それぞれ、反射光成分と背景光成分とを含み、Ａ２信号は背景光成分のみを含む。この３つの異なる信号を使うことで、背景光成分が排除された反射光成分を抽出でき、距離演算することが出来る。
また、パルス状の近赤外光の発光幅ＴＡは、一般的に数十ナノ秒程度のオーダーである。また、１発光あたりに得られる信号量は少ないため、この発光・露光制御をＭ回（Ｍ≧１）行った後、異なる信号の露光を順次行う。すべての信号を取得した後、信号出力期間に、順次出力する。
ここで、本実施の形態の理解を容易とするため、一般的な固体撮像装置を説明する。
図５Ａは、一般的な固体撮像装置であり、特に、マイクロレンズの配置を表す平面図である。また、図５Ｂは、図５ＡにおけるＡ−Ａ’断面構造である。
図５Ａおよび図５Ｂより、一般的な固体撮像装置において、画素アレイ部の中央の画素では、受光部の中心に光を効率よく入射させることができるが、画素アレイ部の外周側の画素（図で言うと、左端や右端の画素）では、光が金属配線層や遮光膜等に当たり、受光部に光を効率よく入射させることができない場合があり、光量落ちの要因となる。
この問題を解決するため、一般的に周辺画素のマイクロレンズをずらす（シュリンクする）方法が提案されている。
しかしながら、単にマイクロレンズをずらすだけでは、以下の問題が生じる。その理由を、図５ＢにおけるＣ１−Ｃ１’方向のポテンシャルを示す図６の（ａ）〜（ｆ）を用いて説明する。なお、図６の（ａ）〜（ｆ）は、本実施の形態に係る固体撮像装置と、一般的な固体撮像装置との双方に関する説明を含むものとする。
初めに、一般的な固体撮像装置の信号電荷の読み出し動作を説明すると、まず、図６の（ａ）に示すように、受光部に信号電荷（電荷、信号）が発生する。次に、図６の（ｂ）に示すように、信号蓄積部上の電極（Ｇａｔｅ）に読み出し電圧を与えて、信号電荷を信号蓄積部に読み出す。また、図６の（ｃ）に示すように、不要な信号電荷を排出する際は、基板電圧に高電圧を与えて、受光部に溜まった信号電荷を、信号排出部（一例として、縦型オーバーフロードレイン）を介して基板へ排出する。
一方、数十ナノ秒オーダー程度という非常に高速な露光制御を行うため、信号電荷の読み出しと排出とを、露光制御信号による信号排出電圧（露光制御電圧、制御電圧、リセット電圧、一例として、基板電圧（φＳｕｂ））の状態（ｏｎ／ｏｆｆ）で制御する場合、非露光状態である図６の（ｄ）の場合でも、一部の信号は信号蓄積部側へ読み出される場合がある。しかし、その対策として、図６の（ｅ）に示すように、ポテンシャル勾配の鞍点（ｓａｄｄｌｅ ｐｏｉｎｔ）を信号蓄積部側に近くして、受光部で発生する不要な信号電荷は、基板側に排出されやすいポテンシャル勾配を用いることで、信号蓄積部への不要な信号電荷の流入を防ぐことが可能である。
しかし、図６の（ｆ）に示すように、斜めに入った光（斜入射光）が、遮光膜の隙間などから受光部と信号蓄積部との間の領域に到達し、光電変換されて信号蓄積部に到達する場合がある。
特に、図６の（ｆ）の場合、斜入射光が受光部と信号蓄積部との間の領域に到達し、光電変換される信号（偽信号、ノイズ信号）は、受光部と信号蓄積部との距離が近いため、また、ポテンシャル勾配の鞍点（ｓａｄｄｌｅ ｐｏｉｎｔ）を信号蓄積部側に近く、信号蓄積部側のポテンシャル勾配が急傾斜（図６の（ｆ）おける角度Ａ＜角度Ｂ）となるため、また、読み出し電圧が印加（ＯＮ）された状態であるため（図６の（ｆ）における信号蓄積部電極（Ｇａｔｅ）の電圧がＯＮの状態であるため）、信号蓄積部に容易に到達しやすい。
この本来意図しない信号電荷が信号蓄積部上に蓄積される信号電荷に混入することにより、測距誤差が大きくなるという問題は、単にマイクロレンズをずらすだけでは解決出来ない。
一方、本実施の形態では、図４で示した駆動を数十ナノ秒オーダー程度という非常に高速な露光制御を行いつつ、上述した偽信号（ノイズ信号）の発生を防ぐことが出来る。その詳細について、図面を用いて説明する。
図７Ａは、本実施の形態に係る固体撮像装置の平面構造図であり、より具体的には、固体撮像装置は、受光部の信号電荷を、当該受光部の左側に配置された信号蓄積部に読み出す画素構成を有している。なお、本発明の理解を容易にするため、複数の画素が配列される画素部（画素アレイ部）を、縦５画素、横７画素のみで表現する。
図７Ａより、光学レンズ（図示せず）から入った光（入射光）は、画素に備わるマイクロレンズ（集光部）を通して、受光部に集光される。入射光は、受光部で光電変換され、読み出し経路を通じて、信号蓄積部（一例として、垂直転送部）に蓄積される。信号蓄積部に蓄積される信号電荷は、順次、第２信号蓄積部（一例として、水平転送部）に蓄積と転送され、最終的に出力アンプを通して、信号出力される。
また、各マイクロレンズは、受光部に最も効率よく集光して光を到達させるために形成される。入射する光が信号蓄積部に乱入し、スミア等の要因になることを防ぐため、信号蓄積部上などにはタングステンなどの遮光膜が配置される。受光部上は、遮光膜により開口されており（つまり、開口部が形成されており）、この開口部から、光が入射する。
また、図７Ｂに、図７ＡのＤ−Ｄ’断面構造を示す。図７Ｂより、受光部と信号蓄積部とがペアで配置されており、信号蓄積部上などには、信号の読み出し、蓄積、及び転送などを制御するための電極（例えばポリシリコン）が配置されている。
また、アルミニウムやタングステンなどの金属膜（金属配線）が受光部以外の部分に配置されている。なお、金属膜を形成する材料として、タングステンは、信号蓄積部などの遮光膜としても活用され、受光部上は開口部を設けて、受光部に光が入るような設計になっている。
また、受光部上には、入射光を効率よく入れるために、マイクロレンズが配置されている。
また、信号排出電圧の印加（ＯＮとＯＦＦ）により、受光部に溜められた信号電荷は、信号蓄積部に読み出され（及び、蓄積され）、更に、受光部上に溜まった不要な信号電荷は、信号排出部（一例として、縦型オーバーフロードレイン）に排出される（一例として、縦型オーバーフロードレインを介して、基板に排出される）。
さらに、図７Ａおよび図７Ｂより、画素アレイ部の左端の列の画素では、斜めから入ってきた光は受光部の左側（読み出し経路側）に最も届きやすいが、受光部の右側（読み出し経路と反対側）には最も届きにくい。
一方、画素アレイ部の右端の列の画素を見たとき、斜めから入ってきた光は受光部の右側（読み出し経路と反対側）に最も届きやすいが、受光部の左側（読み出し経路側）には最も届きにくい。
そこで、本実施の形態では、画素アレイ部の中央の画素は、マイクロレンズと受光部の中心とが一致するような位置とし、更に、画素アレイ部の外周の画素になればなるほど、マイクロレンズが受光部の中心からずれて、画素アレイ部の中心側に寄る位置にマイクロレンズが配置されている。
具体的には、画素アレイ部の中央の画素より左側に配置されている画素のマイクロレンズは、対応する受光部の中心よりも右側に寄るように位置し、逆に、画素アレイ部の中央の画素より右側に配置されている画素のマイクロレンズは、対応する受光部の中心よりも左側に寄るように位置している。
また、画素アレイ部の中央の画素より上側に配置されている画素のマイクロレンズは、対応する受光部の中心よりも下側に寄るように位置し、逆に、画素アレイ部の中央の画素より下側に配置されている画素のマイクロレンズは、対応する受光部の中心よりも上側に寄るように位置している。
言い換えると、マイクロレンズは、画素アレイ部の周辺側に位置するにつれ、当該マイクロレンズに対応した受光部の中心よりも画素アレイ部の中心側に寄るように配置される。
更に、本実施の形態では、読み出し経路側である受光部左側の遮光膜を受光部上に延在させる（光を遮断するように開口部の形状を変える）ことで、不要な光の混入を防ぐ。
具体的には、行列上に配置される画素のうち、画素アレイ部の左側（読み出し経路側）の画素ほど、遮光膜の受光部上への延在量を大きくする（言い換えると、右側（読み出し経路と反対側）の画素ほど、遮光膜の受光部上への延在量を小さくする）。
言い換えると、画素アレイ部は、行方向または列方向において、受光部と当該受光部の信号電荷が読み出される信号蓄積部とが交互に配置された構成を有し、画素の開口部は、当該画素から信号蓄積部への信号電荷の読み出し方向（左方向、読み出し方向）に向かうにつれて、上記読み出し経路における入射光（斜め光）の遮りが大きくなるような形状を有する。
これにより、画素に入る光の量が減少し、感度低下を招くことを抑えることができる。
また、図７Ａおよび図７Ｂより、受光部から当該受光部の信号電荷が斜め方向に読み出される画素構成の場合、図７ＡのＥ−Ｅ’方向のように画素を縦方向で見たときに、上方向に近い読み出し（言い換えると、図７Ａにおいて左斜め上方向（第１斜め方向）の読み出し）を行う第１画素と、下方向に近い読み出し（言い換えると、図７Ａにおいて、左斜め下方向（第２斜め方向）の読み出し）を行う第２画素と、の２種類の画素が存在する。つまり、左右方向は同じであるが、上下斜め方向が異なる２種類の画素が存在する。
この場合、斜めから入ってくる光（斜入射光）を考慮すると、上述したＤ−Ｄ’断面構造の場合と同じことが言える。つまり、画素アレイ部の上側の画素では、受光部の上側に斜入射光が最も届きやすく、受光部の下側には斜入射光が最も届きにくい。逆に、画素アレイ部の下側の画素では、受光部の下側に斜入射光が最も届きやすく、受光部の上側には斜入射光が最も届きにくい。
したがって、画素アレイ部において、図７Ａにおいて左斜め上方向（第１斜め方向）に読み出される画素のうち、画素アレイ部の上側の画素ほど（言い換えると、図７Ａにおいて、第２信号蓄積部から離れた画素ほど（出力方向と逆方向に向かうにつれ））、遮光膜の受光部上への延在量を大きくする（読み出し経路における入射光（斜め光）の遮りが大きくなるような形状を有する）。言い換えると、画素アレイ部の下側の画素ほど（言い換えると、図７Ａにおいて、第２信号蓄積部から近づく画素ほど（出力方向の順方向に向かうにつれ））、遮光膜の受光部上への延在量を小さくする（読み出し経路における入射光（斜め光）の遮りが小さくなるような形状を有する）。
更に、画素アレイ部において、図７Ａにおいて左斜め下方向（第１斜め方向と異なる第２斜め方向）に読み出される画素のうち、画素アレイ部の上側の画素ほど（言い換えると、図７Ａおいて、第２信号蓄積部から離れた画素ほど（出力方向と逆方向に向かうにつれ））、遮光膜の受光部上への延在量を小さくする（読み出し経路における入射光（斜め光）の遮りが小さくなるような形状を有する）。言い換えると、画素アレイ部の下側の画素ほど（言い換えると、図７Ａにおいて、第２信号蓄積部から近づく画素ほど（出力方向の順方向に向かうにつれ））、遮光膜の受光部上への延在量を大きくする（読み出し経路における入射光（斜め光）の遮りが大きくなるような形状を有する）。
言い換えると、画素アレイ部は、行方向において、受光部と当該受光部の信号電荷が読み出される信号蓄積部とが交互に配置された構成を有し、画素アレイ部は、一の受光部から一の信号蓄積部へ一の信号電荷を第１斜め方向へ読み出す複数の第１画素と、他の受光部から他の信号蓄積部へ他の信号電荷を第１斜め方向と異なる第２斜め方向へ読み出す複数の第２画素と、を含む。ここで、複数の第１画素のそれぞれに対応する開口部は、画素アレイ部からの信号電荷の出力方向と逆方向に向かうにつれ、読み出し経路における入射光（斜め光）の遮りが大きくなるような形状を有し、複数の第２画素のそれぞれに対応する開口部は、出力方向の順方向に向かうにつれ、読み出し経路における入射光（斜め光）の遮りが大きくなるような形状を有する。
これにより、周辺の画素になればなるほど画素に入射する斜入射光成分が多く、信号蓄積部へ不要な信号電荷の漏れこみを抑制でき、測距誤差を小さくすること出来る。
また必要な画素に、必要な領域だけ、遮光膜の開口を変えることで、感度低下を極力防ぐことができ、それによる赤外光の発光量増加でのカメラシステム全体の消費電力増大なども防ぐことが出来る。
次に、図８は、図７ＢにおけるＣ２−Ｃ２’方向のポテンシャルを示す図である。
本実施の形態では、図４で示した駆動を数十ナノ秒オーダー程度という非常に高速な露光制御を行うため、信号電荷の読み出しと排出は、露光制御信号による信号排出電圧の状態（ｏｎ／ｏｆｆ）で制御する。なお、図４で示した露光状態は、図８の（ａ）が該当し、図４で示した非露光状態は、図８の（ｂ）が該当する。
ここで、非露光状態である図８の（ｂ）の状態でも、一部の信号は信号蓄積部側へ読み出されること（図８の（ｃ））が考えられるが、一般的な固体撮像装置のポテンシャル勾配（図８の（ｃ））と比較すると、図８の（ｂ）のようにポテンシャル勾配の鞍点（ｓａｄｄｌｅ ｐｏｉｎｔ）は信号蓄積部側に近く位置する。
つまり、非露光状態である信号排出電圧がｏｎの場合、信号電荷は、信号排出部側に排出されやすいポテンシャル勾配としており、これにより、信号蓄積部への不要な信号電荷の流入を防ぐことが出来る。
なお、図３Ａの場合を用いて説明したが、本実施の形態は、図３Ｂのイメージセンサであっても同じ効果を得ることが出来る。
また、本実施の形態における露光状態・非露光状態の制御は、信号排出電圧として基板電圧（φＳｕｂ）を用い、電荷排出構造として縦型オーバーフロードレインを用いたが、信号排出電圧で制御し、電荷排出構造として横型オーバーフロードレインを用いることも出来る。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る撮像装置、及びそれに用いられる固体撮像装置について、図面を用いて、上述した実施の形態との相違点を中心に説明する。
図９Ａは、本実施の形態２に係る固体撮像装置の平面構造図である。また、図９Ｂに、図９ＡのＦ−Ｆ’断面構造を示す。
図９Ａおよび図９Ｂより、本実施の形態の固体撮像装置は、隣接する２つの受光部の信号電荷を１つの信号蓄積部に読み出す構成を有する画素が配置されている。
また、図７Ａ（実施の形態１）と異なり、信号電荷の読み出し方向が受光部から左側に向かう方向（を有する第１画素）だけでなく、当該受光部から右側に向かう方向（を有する第２画素）を有している。
この場合、行方向に隣り合う２画素から読み出される信号電荷は、同じ信号蓄積部に読み出される。この構成において、例えば、図９Ｂに示すように、画素アレイ部の中央から左側の領域においては、隣り合う２画素のうち左側の画素では不要な信号電荷の混入が少なく、右側の画素では不要な信号電荷の混入が多い。
一方、画素アレイ部の中央から右側の領域においては、隣り合う２画素のうち左側の画素では不要な信号電荷の混入が多く、右側の画素では不要な信号電荷の混入が少ない。
したがって、画素アレイ部の左端の２画素における不要な信号電荷混入量と、右端の２画素における不要な信号電荷混入量は、ほぼ同じとなる。このため、水平方向に見た場合は、左端の信号電荷と右端の信号電荷で不要な信号電荷混入量は変わらないので、遮光膜の受光部上への延在量を同じとする。
言い換えると、画素アレイ部は、信号電荷を第１斜め方向（左斜め上方向、左斜め逆方向、第１読み出し斜め上方向、第１読み出し斜め逆方向）へ読み出す複数の第１画素と、第１画素と行方向に隣接し、信号電荷を第２斜め方向（右斜め上方向、右斜め逆方向、第２読み出し斜め上方向、第２読み出し斜め逆方向）へ第１画素と同じ信号蓄積部に読み出す複数の第２画素と、信号電荷を第３斜め方向（左斜め下方向、左斜め順方向、第１読み出し斜め下方向、第１読み出し斜め順方向）へ読み出す複数の第３画素と、第３画素と行方向に隣接し、信号電荷を第４斜め方向（右斜め下方向、右斜め順方向、第２読み出し斜め下方向、第２読み出し斜め順方向）へ第３画素と同じ信号蓄積部に読み出す複数の第４画素と、を有し、同じ行方向に配置された第１画素及び第２画素の開口部は、読み出し経路における入射光（斜め光）を同じように遮る形状をそれぞれ有し、同じ行方向に配置された第３画素及び第４画素の開口部は、読み出し経路における入射光（斜め光）を同じように遮る形状をそれぞれ有する。
しかし、実施の形態１と同じように、図９Ａで示されたＧ−Ｇ’方向のように画素部を縦方向で見たときに、画素アレイ部の上側に近い読み出しの画素と、下側に近い読み出しの画素の２種類が存在するため、画素アレイ部の上端の画素と下端の画素とで、遮光膜の受光部上への延在量を変える。
したがって、画素アレイ部の上側に近い読み出し方向を有する画素（例えば、図９Ａの一番上のラインの画素のようなタイプ）は、上端の画素になればなるほど遮光膜を伸ばす量を多くし（画素アレイ部からの信号電荷の出力方向と逆方向に向かうにつれて、読み出し経路における入射光（斜め光）の遮りが大きくなるような形状を有し）、下端の画素になればなるほど、伸ばさない（画素アレイ部からの信号電荷の出力方向の順方向に向かうにつれて、読み出し経路における入射光（斜め光）の遮りが小さくなるような形状を有する）。
また、下方向に近い読み出し方向を有する画素（例えば、図９Ａの一番上から２番目のラインの画素のようなタイプ）は、下端の画素になればなるほど遮光膜を伸ばす量を多くし（画素アレイ部からの信号電荷の出力方向の順方向に向かうにつれて、読み出し経路における入射光（斜め光）の遮りが大きくなるような形状を有し）、上端の画素になればなるほど、伸ばさない（画素アレイ部からの信号電荷の出力方向と逆方向に向かうにつれて、読み出し経路における入射光（斜め光）の遮りが小さくなるような形状を有する）。
言い換えると、画素アレイ部は、受光部と信号蓄積部を有し、繰り返し単位となる画素を備え、画素アレイ部は、信号電荷を第１斜め方向（左斜め上方向、左斜め逆方向、第１読み出し斜め上方向、第１読み出し斜め逆方向）へ読み出す複数の第１画素と、第１画素と行方向に隣接し、信号電荷を第２斜め方向（右斜め上方向、右斜め逆方向、第２読み出し斜め上方向、第２読み出し斜め逆方向）へ第１画素と同じ信号蓄積部に読み出す複数の第２画素と、信号電荷を第３斜め方向（左斜め下方向、左斜め順方向、第１読み出し斜め下方向、第１読み出し斜め順方向）へ読み出す複数の第３画素と、第３画素と行方向に隣接し、信号電荷を第４斜め方向（右斜め下方向、右斜め順方向、第２読み出し斜め下方向、第２読み出し斜め順方向）へ第３画素と同じ信号蓄積部に読み出す複数の第４画素と、を有し、第１画素及び第２画素の開口部は、第１画素及び第２画素が出力方向と逆方向の位置となるに応じて、読み出し経路における入射光（斜め光）の遮りが大きくなるような形状を有し、第３画素及び第４画素の開口部は、第３画素及び第４画素が出力方向の順方向の位置となるに応じて、読み出し経路における入射光（斜め光）の遮りが大きくなるような形状を有する。
このようにすることで、従来、周辺の画素になればなるほど斜入射光成分が多く、信号蓄積部へ不要な信号電荷の漏れこみが多かったものが抑えられ、測距誤差を小さくすることできる。
また感度低下を極力防ぐことで、それによる赤外光の発光量増加でのカメラシステム全体の消費電力増大なども防ぐことができる。
なお、実施の形態１と同様に、図３ＢのようなＣＭＯＳセンサであっても、同様の効果を得ることができる。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る撮像装置、及びそれに用いられる固体撮像装置について、図面を用いて、上述した実施の形態との相違点を中心に説明する。
図１０Ａに示す実施の形態３の固体撮像装置は、上述した実施の形態の固体撮像装置から、受光部上に配置される反射防止膜のサイズも、画素毎もしくは画素領域毎に変えていることを特徴とする。また、図１０Ｂに、図１０ＡのＨ−Ｈ’断面構造を示す。
本実施の形態では、反射防止膜のサイズは一定とせず、受光部上に配置される反射防止膜は、受光部上の遮光膜の開口部に対して、どの部分においても十分にスペースを空けており、フォトマスクの合わせずれを考慮しても、互いに重なることがない状態としている。
また、遮光膜のサイズを画素毎もしくは画素領域毎に変えることに伴い、反射防止膜もそれに連動して、サイズを変更している。
図１１の（ａ）は、反射防止膜に遮光膜が乗り上げた場合の断面構造図であり、図１１の（ｂ）は、反射防止膜に遮光膜が乗り上げない場合の断面構造図である。なお、本実施の形態の構成について、理解を容易とするため、図１１の（ａ）および（ｂ）共に、信号蓄積部の電極端と遮光膜との距離は同じとして説明する。
図１１の（ａ）には、反射防止膜を製造形成する工程で、フォトマスクの合わせずれが発生し、遮光膜と反射防止膜とが重なってしまった場合が示されている。同図の（ａ）において、電極端と遮光膜端との設計上の距離は変わらないが、反射防止膜に遮光膜が乗り上げてしまう分、乗り上げない場合に比べて、光の通過スペースが多くなり、不要な信号電荷発生の一因となる。
これを防ぐために、遮光膜の開口サイズを画素毎に変える際には、同様に反射防止膜のサイズも変えることで、不要な信号電荷発生の要因を減らすことができる。

Claims (13)

  1. 被写体へ赤外光を照射する赤外光源と、複数の画素が行列状に配置された画素アレイ部を有する固体撮像装置と、を備えた撮像装置であって、
    前記固体撮像装置は、前記被写体からの入射光を信号電荷に変換し、前記複数の画素に対応して行列状に配置された複数の受光部と、前記信号電荷を蓄積する信号蓄積部と、前記信号電荷が排出される信号排出部と、前記複数の受光部のそれぞれに対応し当該受光部の上に配置された複数のマイクロレンズと、前記複数の受光部のそれぞれに対応し前記入射光が入射される複数の開口部と、を備え、
    前記固体撮像装置は、信号排出電圧のＯＮおよびＯＦＦにより、前記信号電荷の読み出しと排出を行い、
    前記複数のマイクロレンズのそれぞれは、前記画素アレイ部の周辺側に位置するにつれ、当該マイクロレンズに対応した前記受光部の中心よりも画素アレイ部の中心側に寄るように配置され、
    前記複数の開口部のそれぞれは、前記画素アレイ部の位置に応じて、形状が異なる
    撮像装置。
  2. 前記信号排出電圧は、基板電圧（φＳｕｂ）であり、
    前記信号排出部は、縦型オーバーフロードレインである
    請求項１に記載の撮像装置。
  3. 前記信号排出部は、横型オーバーフロードレインである
    請求項１に記載の撮像装置。
  4. 前記信号電荷の読み出し時及び排出時には、読み出し電圧はＯＮである
    請求項１〜３のいずれか一項に記載の撮像装置。
  5. 前記複数の開口部のそれぞれは、読み出し経路における入射光（斜め光）を遮るような形状を有する
    請求項１〜４のいずれか一項に記載の撮像装置。
  6. 画素アレイ部は、行方向または列方向において、前記受光部と当該受光部の信号電荷が読み出される前記信号蓄積部とが交互に配置された構成を有し、
    前記画素アレイ部は、一の前記受光部から一の前記信号蓄積部へ一の前記信号電荷を第１斜め方向へ読み出す複数の第１画素と、他の前記受光部から他の前記信号蓄積部へ他の前記信号電荷を前記第１斜め方向と異なる第２斜め方向へ読み出す複数の第２画素と、を含み、
    前記複数の第１画素のそれぞれに対応する前記開口部は、前記画素アレイ部からの信号電荷の出力方向と逆方向に向かうにつれ、読み出し経路における入射光（斜め光）の遮りが大きくなるような形状を有し、
    前記複数の第２画素のそれぞれに対応する前記開口部は、前記出力方向の順方向に向かうにつれ、読み出し経路における入射光（斜め光）の遮りが大きくなるような形状を有する
    請求項１〜５のいずれか一項に記載の撮像装置。
  7. 画素アレイ部は、行方向において、前記受光部と当該受光部の信号電荷が読み出される前記信号蓄積部とが交互に配置された構成を有し、
    前記複数の開口部は、画素から信号蓄積部への前記信号電荷の読み出し方向に向かうにつれて、読み出し経路における入射光（斜め光）の遮りが大きくなるような形状を有する
    請求項１〜６のいずれか一項に記載の撮像装置。
  8. 画素アレイ部は、行方向において、前記受光部と当該受光部の信号電荷が読み出される前記信号蓄積部とが交互に配置された構成を有し、
    前記画素アレイ部は、一の前記受光部から一の前記信号蓄積部へ一の前記信号電荷を第１斜め方向へ読み出す複数の第１画素と、他の前記受光部から前記一の信号蓄積部へ他の前記信号電荷を前記第１斜め方向と異なる第２斜め方向へ読み出す複数の第２画素と、を含み、
    前記複数の第１画素及び前記複数の第２画素のそれぞれに対応する前記開口部は、前記画素アレイ部からの信号電荷の出力方向と逆方向に向かうにつれ、読み出し経路における入射光（斜め光）の遮りが大きくなるような形状を有する
    請求項１〜５のいずれか一項に記載の撮像装置。
  9. 画素アレイ部は、行方向において、前記受光部と当該受光部の信号電荷が読み出される前記信号蓄積部とが交互に配置された構成を有し、
    前記画素アレイ部は、一の前記受光部から一の前記信号蓄積部へ一の前記信号電荷を第３斜め方向へ読み出す複数の第３画素と、他の前記受光部から前記一の信号蓄積部へ他の前記信号電荷を前記第３斜め方向と異なる第４斜め方向へ読み出す複数の第４画素と、を含み、
    前記複数の第３画素及び前記複数の第４画素のそれぞれに対応する前記開口部は、前記画素アレイ部からの信号電荷の出力方向の順方向に向かうにつれ、読み出し経路における入射光（斜め光）の遮りが大きくなるような形状を有する
    請求項１〜５のいずれか一項に記載の撮像装置。
  10. 画素アレイ部は、行方向において、前記受光部と当該受光部の信号電荷が読み出される前記信号蓄積部とが交互に配置された構成を有し、
    前記画素アレイ部は、一の前記受光部から一の前記信号蓄積部へ一の前記信号電荷を第１斜め方向へ読み出す複数の第１画素と、他の前記受光部から前記一の信号蓄積部へ他の前記信号電荷を前記第１斜め方向と異なる第２斜め方向へ読み出す複数の第２画素と、を含み、
    同じ行方向に配置された前記複数の第１画素と前記複数の第２画素のそれぞれに対応する前記開口部は、読み出し経路における入射光（斜め光）を同じように遮る形状を有する
    請求項１〜５、８のいずれか一項に記載の撮像装置。
  11. 画素アレイ部は、行方向において、前記受光部と当該受光部の信号電荷が読み出される前記信号蓄積部とが交互に配置された構成を有し、
    前記画素アレイ部は、一の前記受光部から一の前記信号蓄積部へ一の前記信号電荷を第３斜め方向へ読み出す複数の第３画素と、他の前記受光部から前記一の信号蓄積部へ他の前記信号電荷を前記第３斜め方向と異なる第４斜め方向へ読み出す複数の第４画素と、を含み、
    同じ行方向に配置された前記複数の第３画素と前記複数の第４画素のそれぞれに対応する前記開口部は、読み出し経路における入射光（斜め光）を同じように遮る形状をそれぞれ有する
    請求項１〜５、９のいずれか一項に記載の撮像装置。
  12. 近赤外光を被写体に照射して、当該被写体で反射した光を撮像し、その結果から距離を算出するＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式により、前記被写体までの距離を測定する
    請求項１〜１１のいずれか一項に記載の撮像装置。
  13. 被写体へ赤外光を照射する赤外光源と、固体撮像装置とを備える撮像装置に用いられる固体撮像装置であって、
    前記固体撮像装置は、
    複数の画素が行列上に配置される画素アレイ部と、前記被写体からの入射光を信号電荷に変換し、前記複数の画素に対応して行列状に配置された複数の受光部と、前記信号電荷を蓄積する信号蓄積部と、前記信号電荷が排出される信号排出部と、前記複数の受光部のそれぞれに対応し当該受光部の上に配置された複数のマイクロレンズと、前記複数の受光部のそれぞれに対応し前記入射光が入射される複数の開口部と、を備え、
    信号排出電圧のＯＮとＯＦＦにより、前記信号電荷の読み出しと排出を行い、
    前記複数のマイクロレンズのそれぞれは、前記画素アレイ部の周辺側に位置するにつれ、当該マイクロレンズに対応した前記受光部の中心よりも画素アレイ部の中心側に寄るように配置され、
    前記複数の開口部のそれぞれは、前記画素アレイ部の位置に応じて、形状が異なる
    固体撮像装置。
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