JPWO2012026292A1 - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

位相差検出画素の感度を向上させる。ＣＣＤイメージセンサ（１０）は、第１及び第２の２つの画素（１２）、（１３）と、マイクロレンズ（１４）とを有する画素セット（１６）を備えている。各画素（１２）、（１３）は、水平方向に隣接して配置されている。マイクロレンズ（１４）は、半球状に形成されている。マイクロレンズ（１４）は、各画素（１２）、（１３）の外形からなる縦横比が約１：２の矩形領域（１７）の縦方向の幅よりも大きい直径を有する。画素セット（１６）は、矩形領域（１７）の横方向に複数並べられ、画素列（１８）を構成する。ＣＣＤイメージセンサ（１０）は、矩形領域（１７）の縦方向に画素列（１８）を複数並べ、かつ隣接する各画素列（１８）の間で横方向に矩形領域（１７）の半ピッチだけずらしてある。

Description

本発明は、位相差方式のオートフォーカスの合焦検出及び立体視用の視差画像の撮影が可能な固体撮像装置に関する。

被写体像の撮像の他に位相差方式のオートフォーカス（以下、位相差ＡＦと称す）の合焦検出を行うことができる固体撮像装置が、特許文献１、２に記載されている。位相差ＡＦ用の固体撮像装置は、フォトダイオード（以下、ＰＤと称す）の受光面に入射する光の角度に左右の選択性を持たせた画素（以下、位相差検出画素と称す）を有している。位相差検出画素は、ＰＤに向けて光を集光するマイクロレンズの光軸と、ＰＤの表面を覆う遮光膜に形成された開口の中心とを右方向又は左方向に偏心させている。位相差ＡＦ用の固体撮像装置には、複数の位相差検出画素が撮像面内に所定のパターンで配置されている。

位相差ＡＦ用の固体撮像装置では、撮影光学系を介して撮像面に結像された被写体像のピントがずれている場合に、右方向に選択性を持つ各位相差検出画素の像と、左方向に選択性を持つ各位相差検出画素の像の間で位置ずれが生じる。この位置ずれ量から撮影光学系のデフォーカス量を求め、撮影光学系を移動することで、位相差方式のオートフォーカスを行うことができる。

また、近年では、撮像面に位相差検出画素のみを並べた固体撮像装置も提案されている。この固体撮像装置では、右方向に選択性を持つ各位相差検出画素によって構成される画像が右眼画像（R Viewpoint Image）、左方向に選択性を持つ各位相差検出画素によって構成される画像が左眼画像（L Viewpoint Image）となり、両眼視差の生じる一対の視点画像（以下、視差画像と称す）を取得することができる。一般に、視差画像を取得するためには、撮影レンズと固体撮像装置とを２組用意し、これらを平行に配置して撮影を行う必要がある。これに対し、上記構成の固体撮像装置では、１組の撮影レンズ及び固体撮像装置で良いため、簡便な構成で視差画像を取得することができる。

特開昭５９−３３４０９号公報 特開２０００−１５６８２３号公報

遮光膜の開口を偏心させて位相差検出画素を形成する構成では、その偏心の分だけ開口の面積を狭くしなければならない。このため、マイクロレンズの光軸と遮光膜の開口の中心とが一致している通常の画素に比べて、感度が低くなってしまうという問題が生じる。また、位相差検出画素の構成としては、上記の他に、ＰＤの受光面の中心に対してマイクロレンズの光軸を偏心させる方法も知られているが、この場合に隣接する画素に光が入らないようにするためにマイクロレンズの径が小さくされる。その結果、この構成でも同様に位相差検出画素の感度の低下を招いてしまう。このため、位相差検出画素を有する固体撮像装置では、位相差検出画素の感度の向上を図ることが望まれている。

本発明は、位相差検出画素の感度を向上させた固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の固体撮像装置は、画素セットと、画素列と、撮像面とを備える。前記画素セットは、入射光に応じた電荷を蓄積する光電変換部を有するＮ個（Ｎは２以上の整数）の画素と、前記各画素に向けて光を集光するマイクロレンズとを有する。前記各画素は、縦横比が約１：２の矩形の領域の横方向の中心に対して前記各光電変換部が線対称又は回転対称となるように並べられている。前記マイクロレンズは、その光軸が前記矩形領域の中心とほぼ一致するように配置されるとともに、前記矩形領域の縦方向の幅よりも大きく、かつ前記矩形領域の前記横方向の長さ以下となっている。前記画素列は、前記横方向に前記画素セットを複数配列することによって構成されている。前記撮像面は、前記画素列が前記縦方向に複数配列され、隣接する前記各画素列の間では、前記横方向に前記矩形領域の半分だけずらされている。そして、前記マイクロレンズの前記矩形領域からはみ出た部分が、隣接する画素列内で横に並んだ２つの画素セットの２つのマイクロレンズの間に入り込むようになっている。

前記撮像面の水平方向に前記画素列が延び、斜め４５度方向に前記マイクロレンズが並んでいることが望ましい。

前記画素セットは、カラーフィルタを有する。カラーフィルタは、前記マイクロレンズと同様に斜め４５度方向に隣接する配列で前記撮像面に並べられていることが望ましい。

前記カラーフィルタは、赤色の光を透過させる赤色カラーフィルタと、緑色の光を透過させる緑色カラーフィルタと、青色の光を透過させる青色カラーフィルタとを有する。斜め４５度方向に隣接して配置された２つの前記緑色カラーフィルタと、これらの各緑色カラーフィルタと隣接し、かつ互いに斜め４５度方向に隣接して配置された２つの前記赤色カラーフィルタとからなる第１フィルタセットを構成する。この第１フィルタセットの前記各赤色カラーフィルタを前記青色カラーフィルタに置き換えた第２フィルタセットを構成する。記各色のカラーフィルタは、これらの各フィルタセットが市松模様状に前記撮像面に配列されることが望ましい。

前記カラーフィルタは、正方形をほぼ４５度回転させた形状で、その対角線の長さが前記矩形領域の前記横方向の幅とほぼ同一となる大きさであり、その中心が前記マイクロレンズの光軸と一致していることが望ましい。

前記各画素は、前記Ｎは２である場合、正方形をし、水平方向及び垂直方向に隣接する単純正方格子配列で前記撮像面に並べられていることが望ましい。

前記撮像面の斜め４５度方向に前記画素列が延び、水平方向及び垂直方向に隣接して前記マイクロレンズを並べてもよい。この場合に前記Ｎが２であるときは、２個の正方形をした画素が斜め４５度方向に隣接して配置されていることが望ましい。

前記画素セット内の前記各画素の前記光電変換部、又は前記各画素の遮光膜開口部が、前記マイクロレンズの中央に寄るように偏心していることが望ましい。

前記画素列は、前記Ｎが３〜５である場合、前記矩形領域の前記横方向に延びていることが望ましい。

前記Ｎ個の画素が、第１〜第５画素である場合、前記矩形領域の中央に前記第１の画素を配置する。前記第１の画素の右側に上下２列に前記第２及び第３の画素を配置する。そして、前記第１の画素の左側に上下２列に前記第４及び第５の画素を配置することが望ましい。

前記マイクロレンズは、前記矩形領域の前記縦方向の幅をＡとしたとき、直径が√２Ａのほぼ半球状に形成されていることが望ましい。前記マイクロレンズは、ほぼ正方形状の外形を有する凸曲面状の形状でもよい。前記マイクロレンズは、前記画素セットの前記横方向の長さが長軸の長さとほぼ同じ半楕円球状でもよい。

本発明では、複数の画素に跨るように１つのマイクロレンズを設け、これらの各画素を位相差検出画素としている。マイクロレンズは、その直径、あるいは最大幅が各画素の光電変換部が設けられた矩形領域の縦方向の幅よりも大きく形成している。そして、この領域からはみ出た部分が、隣接する画素列の対面する２つの画素セットの各マイクロレンズの間に入り込むように、複数の画素セットを配列して撮像面を構成している。こうすれば、遮光膜の開口を偏心させて形成した位相差検出画素などに比べて、マイクロレンズの直径が大きくなり、位相差検出画素である各画素の感度を高めることができる。

ＣＣＤイメージセンサの断面構造を概略的に示す説明図である。 撮像面の構成を示す説明図である。 画素セットの構成を示す説明図である。 各画素のカラーフィルタの配列を示す説明図である。 カラーフィルタの他の配列例を示す説明図である。 ＰＤの位置がカラーフィルタとマイクロレンズの中心に向かって偏心した配列を示す説明図である。 マイクロレンズが正方形の例を示す説明図である。 マイクロレンズが半楕円球の例を示す説明図である。 各画素を斜め４５度に配列し、マイクロレンズとカラーフィルタとを単純正方格子配列にした例を示す説明図である。 ベイヤ配列のカラーフィルタを配置した例を示す説明図である。 ＰＤの位置がカラーフィルタとマイクロレンズの左右方向の中心線に向かって偏心した配列を示す説明図である。 ３つの画素を有する画素セットの例を示す説明図である。 ４つの画素を有する画素セットの例を示す説明図である。 ５つの画素を有する画素セットの例を示す説明図である。 大きさの異なる５つの画素を有する画素セットの例を示す説明図である。 瞳位置に絞りを設けた例を示す説明図である。 絞りの構成を示す説明図である。 裏面照射型の固体撮像装置の画素セットの構成を示す説明図である。 図１７に示す固体撮像装置における光の入射例を示す説明図である。

図１及び図２に示すように、固体撮像装置であるＣＣＤイメージセンサ１０は、画素セット１６を備えている。各画素セット１６は、フォトダイオード（以下ＰＤという）１１を有する第１及び第２の２つの画素１２、１３と、マイクロレンズ１４と、カラーフィルタ１５とから構成されている。ＰＤ１１は、入射した光を電荷に変換して蓄積する光電変換部である。各画素１２、１３は、互いに水平方向に隣接して配置されている。マイクロレンズ１４は、各画素１２、１３に対応して設けられ、各画素１２、１３に向けて光を集光する。カラーフィルタ１５は、各画素１２、１３とマイクロレンズ１４との間に設けられている。そして、カラーフィルタ１５は、マイクロレンズ１４が集光させた光のうち特定の色（波長）の光のみを各画素１２、１３に入射させる。

各画素１２、１３は、撮像面２０（図２参照）上でそれぞれ同一の大きさの正方形に形成され、互いの辺が接するように配置されている。ＰＤ１１は、正方形に形成され、その中心が各画素１２、１３の中心と一致するように形成されている。半導体基板上での画素セット１６の領域１７は、縦横比が約１：２の矩形をしており、各画素１２、１３のＰＤ１１は、領域１７の横方向（長手方向）の中心に対して線対称となっている。なお、ＰＤ１１の形状とは、正確には遮光膜の開口を介して露呈された部分の形状を意味する。

マイクロレンズ１４は、半球状に形成され、その光軸が各画素１２、１３の中間、すなわち領域１７の中心と一致するように配置されている。このマイクロレンズ１４は、在来の２つのマイクロレンズをそれぞれＡ／２ずつ近寄せて１つに合体し、かつ寸法を拡大させた構成であるということもできる。ここで、Ａは、領域１７の縦方向（長手方向と直交する方向）の幅である。なお、在来のマイクロレンズとは、光軸がＰＤ１１の中心と一致し、かつ直径が対応する画素の領域にほぼ等しいマイクロレンズである。

正方形のカラーフィルタ（カラーフィルタセグメント）１５は、４５度に回転させた状態に形成され、その中心がマイクロレンズ１４の光軸と一致するように配置されている。また、カラーフィルタ１５は、その対角線の長さが２Ａ、すなわち領域１７の横方向の幅となる大きさで形成されている。マイクロレンズ１４は、このカラーフィルタ１５の内接円となる大きさで形成されている。この大きさが、画素セット１６を並べて配置することが可能なマイクロレンズ１４とカラーフィルタ１５との最大の大きさである。

カラーフィルタ１５が正方形の場合に、その一辺の長さＢは、√２Ａであり、その面積は、２Ａ^２である。すなわち、カラーフィルタ１５の面積は、各画素１２、１３の面積の２倍となる。また、カラーフィルタ１５の一辺の長さＢは、マイクロレンズ１４の直径と等しい。従って、マイクロレンズ１４の外形円（Ｂを直径とする円）の面積は、πＡ^２／２である。Ａを直径とする在来のマイクロレンズの外形円の面積は、πＡ^２／４であるから、画素セット１６のマイクロレンズ１４の外形円の面積は、在来のマイクロレンズの外形円の面積の２倍であることが分る。

ＣＣＤイメージセンサ１０は、画素セット１６の領域１７の横方向（長手方向）が水平方向と平行になるように、この横方向に画素セット１６を複数配列することによって画素列１８を構成している。図２及び３に示すように、ＣＣＤイメージセンサ１０は、この画素列１８を領域１７の縦方向（垂直方向）に複数配列する。そして、隣接する各画素列１８間で第１画素１２同士又は第２画素１３同士が隣り合わないように、一方を領域１７の半ピッチだけずらしている。

ＣＣＤイメージセンサ１０は、このように画素列１８を配列することで、被写体の撮像を行うための矩形状の撮像面２０を構成している。なお、図２では、３×６の１８個の画素セット１６で撮像面２０を構成した状態を示しているが、周知のように、実際にはかなり多数の画素セット１６で撮像面２０が構成される。

画素列１８を縦方向に配列すると、水平方向及び垂直方向に隣接する単純正方格子配列に各画素１２、１３が並ぶ。また、いわゆるハニカム配列に画素を配列した場合と同様に、斜め４５度方向に隣接する配列にマイクロレンズ１４とカラーフィルタ１５とが並ぶ。ここで、水平方向とは、矩形状に形成された撮像面２０の左右方向であり、垂直方向とは、撮像面２０の上下方向である。そして、斜め４５度方向とは、撮像面２０の左右方向に対して４５度傾斜した方向である。

隣接する各画素列１８の間で領域１７の半ピッチだけ、すなわち水平方向に１画素分ずらすことにより、領域１７からマイクロレンズ１４が上又は下にはみ出た部分は、隣りの画素列１８の対面する２つの画素セット１６の各マイクロレンズ１４の間に入り込む。そして、カラーフィルタ１５の領域１７から上下にはみ出た部分が、隣接する画素列１８の対面する２つの画素セット１６の各カラーフィルタ１５の間に入り込む。これにより、ＣＣＤイメージセンサ１０では、各画素１２、１３が水平方向及び垂直方向に隙間なく配置され、マイクロレンズ１４とカラーフィルタ１５とが斜め４５度方向に隙間なく形成されている。

画素セット１６は、各画素１２、１３に入射する光の角度に対して選択性を持っている。具体的には、マイクロレンズ１４の光軸に対して右側に位置する第１画素１２では、右方向からマイクロレンズ１４に進入する光が入射し難くなる。そして、マイクロレンズ１４の光軸に対して左側に位置する第２画素１３では、左方向からマイクロレンズ１４に進入する光が入射し難くなる。これにより、各第１画素１２には、左眼画像（Ｌ視点画像）が入射し、各第２画素１３には、右眼画像（Ｒ視点画像）が入射する。

各画素セット１６では、１つのマイクロレンズ１４を用い、各画素１２、１３のＰＤ１１の中心に対してマイクロレンズ１４の光軸をそれぞれ逆方向に偏心させるようにマイクロレンズ１４を配置して、各画素１２、１３を位相差検出画素としている。正確には、マイクロレンズ１４の焦点距離が、マイクロレンズ１４とＰＤ１１の入射光領域を決める遮光膜開口部との間の距離Ｌ１と同程度の場合には、前述の左右の関係が成立する。なお、マイクロレンズ１４の焦点距離は、入射光が開口部に集光するように、距離Ｌ１にしてある。

ＣＣＤイメージセンサ１０をデジタルカメラなどの画像記録装置に用いた場合、撮像面２０内に設けられた各第１画素１２の撮像信号によって構成される左眼画像と、各第２画素１３の撮像信号によって構成される右眼画像とには、ＣＣＤイメージセンサ１０に被写体像を結像する撮影レンズの合焦状態に応じて左右方向にずれが生じる。

これにより、各第１画素１２の撮像信号によって構成される画像と、各第２画素１３の撮像信号によって構成される画像とのずれ量及びそのずれの方向を検知することで、撮影レンズの合焦状態を知ることができる。

このように、ＣＣＤイメージセンサ１０では、各第１画素１２からなる左眼画像と各第２画素１３からなる右眼画像とを用いることにより、位相差方式のＡＦを行うことができる。さらに、このＣＣＤイメージセンサ１０では、各第１画素１２と各第２画素１３とを用いることにより、両眼視差の生じる一対の画像を取得する、いわゆる単眼３Ｄ撮影を行うこともできる。

ＣＣＤイメージセンサ１０は、ｎ型半導体基板３０上に形成されている。ｎ型半導体基板３０には、垂直転送路（ＶＣＣＤ）３１と、素子分離部３２とが設けられている。垂直転送路（ＶＣＣＤ）３１は、各ＰＤ１１と、各ＰＤ１１が蓄積した電荷を垂直方向に転送する。素子分離部３２は、隣接する各画素１２、１３間で電荷の移動が起こらないように各画素１２、１３を分離させる。

ＶＣＣＤ３１及び素子分離部３２は、各ＰＤ１１の列毎に設けられている。ＶＣＣＤ３１は、読み出しゲートトランジスタ３３を介して対応する各ＰＤ１１と接続されている。各ＰＤ１１に蓄積された信号電荷は、この読み出しゲートトランジスタ３３を介してＶＣＣＤ３１に読み出される。ＶＣＣＤ３１は、読み出した信号電荷を水平転送路（図示せず）に向けて垂直方向（図１において紙面と直交する方向）に転送する。素子分離部３２は、ＰＤ１１から読み出した信号電荷が隣の列のＶＣＣＤ３１に流れ込むことを防ぐ。

ｎ型半導体基板３０の表面には、ｐウェル層３５が形成されている。ＰＤ１１、ＶＣＣＤ３１、素子分離部３２、読み出しゲートトランジスタ３３は、ｐウェル層３５の表層に形成されている。ＣＣＤイメージセンサ１０は、周知のＣＶＤ（化学気相堆積法）やＰＶＤ（スパッタリング、物理的気相堆積法）、ドーピング、フォトリソグラフ、エッチングなどの技術を用いてｎ型半導体基板３０の上に各部を形成することによって製造される。

ＰＤ１１は、ｐウェル層３５の表層にｎ型層を形成することによって構成されている。ＰＤ１１は、ＰＮ接合部に入射した光に応じて電子‐正孔対を生成し、その電子をｎ型層に蓄積する。なお、ＰＤ１１のｎ型層の表面に、暗電流や白キズを抑制するためのｐ型層を形成してもよい。

ＶＣＣＤ３１は、ｐウェル層３５の表層に形成されたｎ型層からなる。ＶＣＣＤ３１の上には、転送電極４０が設けられている。読み出しゲートトランジスタ３３は、ｐウェル層３５の表層に形成されたｐ型層からなる。読み出しゲートトランジスタ３３の上には、転送電極４１とで構成されている。各転送電極４０、４１には、例えば、低抵抗ポリシリコンが用いられる。

ＰＤ１１に蓄積された信号電荷は、転送電極４１に電圧を印加し、読み出しゲートトランジスタ３３の電位を変化させることで、ＶＣＣＤ３１に転送される。ＶＣＣＤ３１に転送された信号電荷は、転送電極４０に電圧が印加されると、垂直方向に転送される。これにより、各ＰＤ１１で光電変換されて蓄積された信号電荷が、ＶＣＣＤ３１によって水平転送路に向けて転送される。

素子分離部３２は、ＰＤ１１とＶＣＣＤ３１との間に配置されている。素子分離部３２は、ｐウェル層３５の表層に形成されたｐ＋層からなる。素子分離部３２は、ＰＤ１１を構成するｎ型層及びＶＣＣＤ３１を構成するｎ型層とは反対の導電型の不純物の濃度を高めたポテンシャル障壁である。これにより、素子分離部３２は、隣のＰＤ１１用のＶＣＣＤ３１への信号電荷の流れ込みを防止する。

転送電極４０、４１が表面に形成されたｐウェル層３５の上には、遮光膜４２が設けられている。遮光膜４２は、ＶＣＣＤ３１、素子分離部３２、読み出しゲートトランジスタ３３の表面全体を覆うように形成されている。また、遮光膜４２には、ＰＤ１１の受光領域を露呈させる開口４２ａが設けられている。これにより、遮光膜４２は、ＰＤ１１以外の部分に余計な光が入射することを防ぐ。この遮光膜４２には、例えば、タングステンが用いられる。

遮光膜４２の上には、平坦化層４３が設けられ、この平坦化層４３の上にカラーフィルタ１５とマイクロレンズ１４とが設けられている。平坦化層４３は、転送電極４０、４１などによって生じる基板上の凹凸を埋め、カラーフィルタ１５を形成するための平面を構成する。この平坦化層４３には、ＢＰＳＧなどのリフロー処理が可能な透光性を有する材料が用いられる。なお、平坦化層４３内には、平坦化層４３の屈折率より大きな屈折率を有する材料、例えば窒化ケイ素（ＳｉＮ）などにより、下に凸、あるいは上に凸、または上下に凸の層内レンズを形成する場合もある（図示は省略）。

カラーフィルタ１５は、カラーレジストと呼ばれる高分子材料によって平坦化層４３の上に薄膜状に形成されている。マイクロレンズ１４には、有機薄膜、あるいは窒化ケイ素（ＳｉＮ）などが用いられている。マイクロレンズ１４は、例えば、カラーフィルタ１５の上にＳｉＮの材料膜を製膜し、その材料膜の上に各画素対１６の配列パターンに応じてレジストを塗布し、そのレジストを熱処理で溶融させて半球状に成形し、異方性のエッチングによってレジストの形状を材料膜に転写させることによって形成される。あるいは、カラーフィルタ１５上の有機膜自身を熱処理で溶融させて半球状に形成し、マイクロレンズ１４とする場合もある。

図４に示すように、カラーフィルタ１５は、赤色の光を透過させる赤色カラーフィルタ１５Ｒと、緑色の光を透過させる緑色カラーフィルタ１５Ｇと、青色の光を透過させる青色カラーフィルタ１５Ｂとで構成されている。これらの各色のカラーフィルタ（カラーフィルタセグメント）１５Ｒ、１５Ｇ、１５Ｂは、各画素セット１６にそれぞれ個別に設けられているため、画素セット１６の２つの画素１２、１３は、同色となる。なお、各図では、ハッチングなしで赤色、ドットのハッチングで緑色、斜線のハッチングで青色をそれぞれ示している。

各色のカラーフィルタ１５は、第１フィルタセット５０と第２フィルタセット５２とに区画され、これらの各フィルタセット５０、５２が市松模様状のパターンで配置されている。第１フィルタセット５０は、斜め４５度方向に隣接して配置された２つの緑色カラーフィルタ１５Ｇと、これらの各緑色カラーフィルタ１５Ｇと隣接し、かつ互いに斜め４５度方向に隣接して配置された２つの赤色カラーフィルタ１５Ｒとで構成されている。第２フィルタセット５２は、この第１フィルタセット５０の各赤色カラーフィルタ１５Ｒを青色カラーフィルタ１５Ｂに置き換えたものである。

このように各色のカラーフィルタ１５Ｒ、１５Ｇ、１５Ｂを配列すると、緑色カラーフィルタ１５Ｇが斜め４５度方向に並ぶ列と、２つの赤色カラーフィルタ１５Ｒと２つの青色カラーフィルタ１５Ｂとが交互に斜め４５度方向に並ぶ列とが構成される。これらの各列は、列と直交する方向に交互に並ぶ。また、列と直交する方向には、緑色カラーフィルタ１５Ｇを挟んで赤色カラーフィルタ１５Ｒと青色カラーフィルタ１５Ｂとが交互に並ぶ。

このカラーフィルタ１５の配列は、斜め４５度の配列に画素を並べ、斜め４５度方向に隣接する一対の画素の一方を高感度用、他方を低感度用とし、これらの各画素の画素値を混合することによって、ダイナミックレンジの広い画像を取得する、いわゆるハニカム構造の固体撮像装置のカラーフィルタの配列と同じである。

このように、本実施形態によれば、各画素１２、１３に対応するマイクロレンズ１４の面積を、在来のマイクロレンズの面積の２倍にすることができる。従って、遮光膜の開口を偏心させて形成した場合に比べて画素の感度を高めることができる。

また、本実施形態の各画素セット１６の配列は、ダイナミックレンジの広い画像を取得するのに適している。例えば、位相差方式のＡＦ制御のための画像を取得したり、単眼３Ｄ撮影を行って両眼視差の生じる一対の画像を取得したりする際に、画素セット１６の各画素は同色であるから、その一方を高感度用、他方を低感度用とすることで、それらの画像の広ダイナミックレンジ化を図ることもできる。

上記実施形態では、各フィルタセット５０、５２を市松模様状に配置しているが、例えば、図５に示すように、同じ色のカラーフィルタ１５が並ぶ方向と直交する方向に各フィルタセット５０、５２が一列に並ぶように縞模様状に交互に配置してもよい。この場合には、緑色カラーフィルタ１５Ｇが斜め４５度方向に並ぶ列と直交する方向に、赤色カラーフィルタ１５Ｒ又は青色カラーフィルタ１５Ｂの同じ色のカラーフィルタ１５が緑色カラーフィルタ１５Ｇを挟んで連続的に並ぶようになる。

また、上記実施形態の構造では、マイクロレンズ１４の中央直下に近い方が、ＰＤ１１の感度が高くなる。そこで、図６に示すＣＣＤイメージセンサ６０の画素セット６２のように、ＰＤ６４の位置をマイクロレンズ１４の中央に寄せた配置でもよい。

上記実施形態では、マイクロレンズ１４は、半球状をしているが、例えば、図７に示すＣＣＤイメージセンサ７０の画素セット７２のように、正方形状の外形を有する凸曲面のマイクロレンズ７４を用いてもよい。このマイクロレンズ７４は、画素対７２を並べて配置することが可能な大きさ、すなわち、底面の形状が対角線の長さが２Ａの正方形に近付くように、半球状のレンズを正方形化させたものである。こうすれば、半球状のレンズに比べて面積を拡大させることができるので、各画素１２、１３の感度を向上させることができる。

また、図８に示すように、画素セット７５上のマイクロレンズ７６の形状を半楕円球状としてもよい。マイクロレンズ７６の底面は、２Ａの長軸と、Ａよりも僅かに大きい短軸とを有する楕円形に形成されている。マイクロレンズ７６は、その光軸と領域１７の中心とが一致するように配置されている。これにより、マイクロレンズ７６の短軸側の頂点部分が、垂直方向の上側又は下側に隣接する一対のマイクロレンズ７６の間に形成される隙間に入り込んでいる。

また、カラーフィルタ（カラーフィルタセグメント）７７は、上記楕円形に形成されたマイクロレンズ７６の底面に外接する六角形状に形成されている。カラーフィルタ７７は、半楕円球状にマイクロレンズ７６を形成した場合にも、撮像面にカラーフィルタ７７を隙間なく形成することができる。

ここで、垂直方向に隣接する各マイクロレンズ７６の最近接部分Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４の座標は、画素の一辺の長さをＡとし、領域１７の中心Ｐ０を原点としたとき、それぞれＰ１＝（Ａ／２、Ａ／２）、Ｐ２＝（Ａ／２、−Ａ／２）、Ｐ３＝（−Ａ／２、Ａ／２）、Ｐ４＝（−Ａ／２、−Ａ／２）である。また、これらの４点Ｐ１〜Ｐ４は、マイクロレンズ７６とカラーフィルタ７７との接点でもある。なお、図８では、頂点部分の尖った六角形状に各マイクロレンズ７６が形成されているが、実際の製造においては、頂点（角）部分が丸みを帯びるので、滑らかな六角形状となる。

半球状に形成されたマイクロレンズ１４及び矩形状に形成されたカラーフィルタ１５では、カラーフィルタ１５の四隅の部分において、マイクロレンズ１４の外形よりも外側にはみ出た余白の部分が比較的広くなってしまう。このため、この余白の部分に斜めに入射した光によって混色が生じることが懸念される。これに対し、上記のマイクロレンズ７６及びカラーフィルタ７７では、より円形に近い六角形状にカラーフィルタ７７が形成されていることから、マイクロレンズ１４及びカラーフィルタ１５の構成に比べて余白の面積を狭めることができ、混色の発生も抑えることができる。

さらに、半楕円球状に形成されたマイクロレンズ７６では、半球状に形成されたマイクロレンズ１４に比べて各画素１２、１３と重なる部分の面積を広くすることができる。従って、図８に示すように、従来と同様の矩形状にＰＤ１１の遮光膜の開口領域１１ａを形成しても、マイクロレンズ７６から開口領域１１ａがはみ出さなくなるので、各画素１２、１３の感度の低下を防ぐことができる。

また、マイクロレンズ７６とカラーフィルタ７７とを横長に形成し、画素セット７５の縦横比と同様に、その短軸と長軸の比も、１：２とすると、開口領域１１ａの端部から、マイクロレンズ７６の端部までの最大距離を短くすることができる。これにより、マイクロレンズ７６で屈折した光が、開口領域１１ａに入射するための屈折角も小さくなり、感度に有利となる。従って、横長のマイクロレンズ７６やカラーフィルタ７７は、単眼３Ｄ撮影や位相差信号を取得するための画素構造として非常に好適である。また、マイクロレンズ７６が横長であるから、半球状である場合よりもＰＤ１１に対する光の集光効率を高めることができるので、

図２から図７の実施形態では、単純正方格子配列に各画素１２、１３が並び、ハニカム配列状にマイクロレンズ１４とカラーフィルタ１５とが並ぶようにしているが、これとは反対に、図９に示すＣＣＤイメージセンサ８０のように構成してもよい。

ＣＣＤイメージセンサ８０は、第１及び第２の２つの画素８１、８２と、マイクロレンズ８３と、カラーフィルタ８４とからなる画素セット８５を備えている。各画素８１、８２は、正方形を４５度回転させた形状に形成され、斜め４５度方向に隣接して配置されている。マイクロレンズ８３は、上記実施形態のマイクロレンズ１４と同様に構成されている。カラーフィルタ８４は、正方形状に形成され、その中心がマイクロレンズ８３の光軸と一致するように配置されている。

ＣＣＤイメージセンサ８０は、各画素８１、８２の並ぶ領域８６の長手方向と斜め４５度方向とを平行にし、この長手方向に画素セット８５を複数配列することによって画素列８７を構成している。ＣＣＤイメージセンサ８０は、領域８６の幅方向に画素列８７を複数配列する。そして、隣接する各画素列８７内で第１画素８１同士又は第２画素８２同士が隣り合わないように、隣接する各画素列８７を長手方向に領域８６の半分だけずらすことにより、矩形状の撮像面８８を構成している。

ＣＣＤイメージセンサ８０は、各画素セット８５を配列させて撮像面８８を構成することにより、斜め４５度の配列に各画素８１、８２を並べ、単純正方格子配列状にマイクロレンズ８３とカラーフィルタ８４とを並べている。こうした構成でも、上記実施形態と同様に、位相差検出画素である各画素８１、８２の感度を高めることができる。なお、このＣＣＤイメージセンサ８０の構成は、上記実施形態のＣＣＤイメージセンサ１０の構成を約４５度回転させたものであると考えることもできる。

ＣＣＤイメージセンサ８０に赤色、緑色、青色の各色のカラーフィルタ（カラーフィルタセグメント）８４Ｒ、８４Ｇ、８４Ｂを配置する場合には、図１０に示すように、格子状に配置された２×２の４つのカラーフィルタのうちの斜め２つを緑色カラーフィルタ８４Ｇとし、残り２つの一方を赤色カラーフィルタ８４Ｒ、他方を青色カラーフィルタ８４Ｂとし、これを１組として各画素セット８５に並べる、いわゆるベイヤ配列とすることが好適である。

ＣＣＤイメージセンサ８０の構成では、ＰＤ１１の感度が最大になる光の入射角が、単純な左右方向からではなく斜め方向からとなる。より具体的には、マイクロレンズ８３の光軸に対して左斜め上方向に位置する第１画素８１では、右斜め下方向から入射する光に対する感度が最大となる。マイクロレンズ８３の光軸に対して右斜め下方向に位置する第２画素８２では、左斜め上方向から入射する光に対する感度が最大となる。このため、各画素を単純正方格子配列に並べた場合に比べて、視差画像の生成に必要な左右方向からの光の感度が低下してしまうことが懸念される。

そこで、図１１に示すＣＣＤイメージセンサ９０の画素セット９２のように、第１画素８１のＰＤ９３を下方向に偏心させ、第２画素８２のＰＤ９４を上方向に偏心させる構造としてもよい。このように、各画素８１、８２のＰＤ９３、９４を偏心させ、マイクロレンズ８３及びカラーフィルタ８４の左右方向の中心線ＣＬに、各ＰＤ９３、９４の中心を近付けるようにすれば、各ＰＤ９３、９４の感度が最大になる光の入射角が左右方向に寄るから、視差画像の生成に必要な左右方向からの光の感度を高めることができる。さらには、上記のように各ＰＤ９３、９４を偏心させると、各ＰＤ９３、９４全体がマイクロレンズ８３の光軸に近寄るので、左右方向からの光の感度のみならず、各画素８１、８２の全体的な感度も高めることができる。

なお、各ＰＤ９３、９４の偏心方向は、その中心が中心線ＣＬに近付くのであれば、任意の方向でよい。但し、各画素８１、８２が斜め４５度に配列するとともに、マイクロレンズ８３の光軸に対して左斜め上方向に第１画素８１が位置し、マイクロレンズ８３の光軸に対して右斜め下方向に第２画素８２が位置している場合には、第１画素８１のＰＤ９３を下方向に偏心させ、第２画素８２のＰＤ９４を上方向に偏心させた際に、各ＰＤ９３、９４の中心を最も中心線ＣＬに近付けることができる。よって、各ＰＤ９３、９４の偏心方向は、上記のように上下方向とすることが好適である。

なお、各ＰＤ９３、９４を偏心させた場合、これらの各ＰＤ９３、９４は、領域８６の長手方向の中心に対して回転対称になっている。上記実施形態では、各ＰＤ１１を線対称とした例を示しているが、このように、各ＰＤ９３、９４が回転対称であっても、各画素８１、８２を位相差検出画素として適切に機能させることができる。

上記実施形態では、各画素１２、１３を正方形状に形成し、半導体基板上の縦横比が約１：２の矩形状の領域１７内に、２つの各画素１２、１３が配置されているが、画素セット１６に含まれる画素の数は、２つに限るものではない。

例えば、図１２に示す画素セット１００のように、同一の矩形状に形成された第１〜第３の３つの画素１０１、１０２、１０３を領域１７の長手方向に並べて設けてもよい。各画素１０１、１０２、１０３には、同一の矩形状に形成されたＰＤ１０４が設けられている。各ＰＤ１０４は、その中心と各画素１０１、１０２、１０３の中心とが一致するように、それぞれ配置されている。

このため、各ＰＤ１０４は、領域１７の長手方向の中心を境に、線対称となっている。また、中央に設けられた第２の画素１０２のＰＤ１０４は、その中心がマイクロレンズ１４の光軸と一致している。このように、３つの画素１０１〜１０３を有する画素セット１００では、各画素１０１〜１０３によって３つの位相差情報を得ることができる。そして、より多くの位相差情報が得られれば、その分だけ位相差ＡＦの検出精度の向上を図ることができる。

また、図１３に示す画素セット１１０のように、同一の矩形状に形成された第１〜第４の４つの画素１１１、１１２、１１３、１１４を領域１７の長手方向に並べて設けてもよい。各画素１１１、１１２、１１３、１１４には、ほぼ同一の矩形状に形成されたＰＤ１１５が設けられている。各ＰＤ１１５は、その中心と各画素１１１、１１２、１１３、１１４の中心とが一致している。このため、各ＰＤ１１５は、領域１７の長手方向の中心に対して線対称となっている。この画素セット１１０では、各画素１１１〜１１４によって４つの位相差情報が得られるので、位相差ＡＦの検出精度の更なる向上を図ることができる。

また、図１４に示す画素セット１２０では、同一の矩形状に形成された第１〜第５の５つの画素１２１、１２２、１２３、１２４、１２５を領域１７の長手方向に並べている。画素が５個である以外は、図１３に示す画素が４個のものと同じであるので、その詳細な説明は省略する。

図１５に示す画素セット１３０は、５つの画素１３１〜１３５を備えている。第１の画素１３１は、中央に設けられ、第２の画素１３２第３の画素１３３とは、第１の画素１３１の右側に上下２列に設けられ、第４の画素１３４と第５の画素１３５とは、第１の画素１３１の左側に上下２列で設けられている。

第１の画素１３１は、ほぼ矩形状に形成され、その中心が領域１７の中心とほぼ一致するように配置されている。第２の画素１３２及び第３の画素１３３は、領域１７の第１の画素１３１よりも右側の部分を上下に２分割した形状に形成されている。同様に、第４の画素１３４及び第５の画素１３５は、領域１７の第１の画素１３１よりも左側の部分を上下に２分割した形状に形成されている。

第１の画素１３１には、矩形状に形成されたＰＤ１３６が設けられている。このＰＤ１３６は、その中心が第１の画素１３１の中心、及びマイクロレンズ１４の光軸と一致するように配置されている。第２の画素１３２〜第５の画素１３５には、それぞれ同一の矩形状に形成されたＰＤ１３７が設けられている。各ＰＤ１３７は、その中心が対応する各画素１３２〜１３５の中心と一致するように配置されている。

なお、画素セット１３０に設けられる各画素１３１〜１３５、及び各ＰＤ１３６、１３７の形状は、必ずしも同一である必要はなく、領域１７の長手方向の中心に対して線対称又は回転対称となっていればよい。

また、マイクロレンズ１４によって集光された光の光量は、光軸付近が最も高い。従って、マイクロレンズ１４の光軸上となるＰＤを有する画素セット１００、１２０、１３０では、マイクロレンズ１４の光軸上にＰＤが存在しない画素セット１６、１１０よりも感度を高めることができる。

上記各実施形態は、ＣＣＤイメージセンサであるが、本発明は、ＣＭＯＳイメージセンサなどの他のタイプの固体撮像装置に適用することもできる。特に、裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサでは、開口面積を大きくすることができ、感度低下を抑えながら、マイクロレンズ１４やカラーフィルタ１５と、各画素１２、１３のＰＤ１１との距離を遠ざけ、フォーカスに対する像のずれ量を大きくすること、あるいは視差角を狭くすることができるので、位相差特性の最適化には好適である。

通常のＣＭＯＳイメージセンサは、マイクロレンズの下に金属の配線層が形成され、この配線層の下にＰＤが形成されている。一方、裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサは、マイクロレンズの下にＰＤが形成され、ＰＤの下に配線層が形成されている。すなわち、裏面照射型ＣＭＯＳイメージセンサは、配線層とＰＤの位置を通常のＣＭＯＳイメージセンサと逆転させて形成したものである。

また、ＣＣＤイメージセンサ１０のように各画素（カラーフィルタより下層の部分）を単純正方格子配列に並べる固体撮像装置は、ＣＣＤイメージセンサ８０のように各画素を斜め４５度の配列に並べる固体撮像装置に比べて生産メーカの数が多く、これに起因して生産数量も格段に多い。このため、技術やノウハウの蓄積度、生産設備の充実度では、単純正方格子配列の固体撮像装置の方が勝っていると考えられる。従って、本明細書では、各画素を単純正方格子配列に並べる構成と斜め４５度の配列に並べる構成との双方を示しているが、位相差ＡＦや３Ｄ技術の技術開発・展開を考えた場合には、各画素を単純正方格子配列に並べる構成とした方が優位である。

前記画素セット内での光入射領域野分離は、各ＰＤ１１間を物理的に離したり、あるいは遮光膜で開口膜の位置を離している。光入射領域を分離する方法として、図１６に示すように、瞳レンズ１４０の位置に遮光板（絞り）１４２を導入する方法もある。

遮光板１４２は、図１７に示すように、長辺の長さが瞳レンズ１４０の直径よりも長く、短辺の長さが瞳レンズ１４０の直径よりも短い長方形状に形成されている。遮光板１４２は、移動機構（図示せず）により、瞳レンズ１４０の中央を透過する光を遮る遮光位置（図１６に実線で示す位置）と、瞳レンズ１４０から退避した退避位置（図１６に二点鎖線で示す位置）との間で移動する。

瞳レンズ１４０及び遮光板１４２は、裏面照射型の固体撮像装置１４４に用いることが好ましい。図１８に示すように、裏面照射型の固体撮像装置１４４の画素セット１５０では、第１の画素１５１のＰＤ１５１ａと、第２の画素１５２のＰＤ１５２ａとの間に遮光膜が不要であり、画素セット１５０内のほぼ全面に感度を有している。

図１９に示すように、遮光板１４２が退避位置にある場合、瞳レンズ１４０の左側を透過した光は、画素セット１５０の第１の画素１５１に入射する。瞳レンズ１４０の右側を透過した光は、画素セット１５０の第２の画素１５２に入射する。そして、瞳レンズ１４０の中央を透過した光は、画素セット１５０の各画素１５１、１５２の双方に入射する。

一方、遮光板１４２が遮光位置にある場合、瞳レンズ１４０の中央を透過した光は、遮光板１４２によって遮られる。このため、第１の画素１５１には、瞳レンズ１４０の左側を透過した光のみが入射し、第２の画素１５２には、瞳レンズ１４０の右側を透過した光のみが入射する。

これにより、遮光板１４２を退避位置にし、画素セット１５０の各画素１５１、１５２の画素値を混合することで、２Ｄの撮影を行うことができる。そして、遮光体１４２を遮光位置にし、第１の画素１５１からなる画像と、第２の画素１５２からなる画像とを取得することで、３Ｄの撮影を行うことができる。また、遮光板１４２の短辺の長さを変えることで、３Ｄ撮影で重要な指標となっている視差角（基線長）を調整することができる。このように、裏面照射型の固体撮像装置１４４に遮光板１４２を組み合わせて、瞳レンズ１４０の中央を通る光を遮ったり、通過させたりすれば、単眼３Ｄ機能と２Ｄ機能を切り替えることができる。

１０、６０、７０、８０、９０ ＣＣＤイメージセンサ
１１、６４ ＰＤ
１２、８１ 第１画素
１３、８２ 第２画素
１４、７４、８３ マイクロレンズ
１５、８４ カラーフィルタ
１６、６２、７２、８５、９２ 画素セット
１８、８７ 画素列
２０、８８ 撮像面
５０ 第１フィルタセット
５２ 第２フィルタセット

Claims (14)

1. 入射光に応じた電荷を蓄積する光電変換部を有するＮ個（Ｎは２以上の整数）の画素と、前記各画素に向けて光を集光するマイクロレンズとを有し、縦横比が約１：２の矩形の領域の横方向の中心に対して前記各光電変換部が線対称又は回転対称となるように前記各画素が並べられており、前記マイクロレンズは、その光軸が前記矩形領域の中心とほぼ一致するように配置されるとともに、前記矩形領域の縦方向の幅よりも大きく、かつ前記矩形領域の前記横方向の長さ以下となっている画素セットと、
   前記横方向に前記画素セットを複数配列することによって構成された画素列と、
   前記画素列が前記縦方向に複数配列され、隣接する前記各画素列の間では、前記横方向に前記矩形領域の半分だけずらされている撮像面であり、前記マイクロレンズの前記矩形領域からはみ出た部分が、隣接する画素列内で横に並んだ２つの画素セットの２つのマイクロレンズの間に入り込むようになっている撮像面と、
   を備えた固体撮像装置。
2. 前記撮像面の水平方向に前記画素列が延びており、斜め４５度方向に前記マイクロレンズが並んでいる請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。
3. 前記画素セットは、カラーフィルタを有し、このカラーフィルタは、前記マイクロレンズと同様に斜め４５度方向に隣接する配列で前記撮像面に並べられている請求の範囲第２項記載の固体撮像装置。
4. 前記カラーフィルタは、赤色の光を透過させる赤色カラーフィルタと、緑色の光を透過させる緑色カラーフィルタと、青色の光を透過させる青色カラーフィルタとを有し、
   前記各色のカラーフィルタは、斜め４５度方向に隣接して配置された２つの前記緑色カラーフィルタと、これらの各緑色カラーフィルタと隣接し、かつ互いに斜め４５度方向に隣接して配置された２つの前記赤色カラーフィルタとからなる第１フィルタセットと、この第１フィルタセットの前記各赤色カラーフィルタを前記青色カラーフィルタに置き換えた第２フィルタセットとに分類され、これらの各フィルタセットが市松模様状に前記撮像面に配列される請求の範囲第３項記載の固体撮像装置。
5. 前記カラーフィルタは、正方形をほぼ４５度回転させた形状で、その対角線の長さが前記矩形領域の前記横方向の幅とほぼ同一となる大きさであり、その中心が前記マイクロレンズの光軸と一致している請求の範囲第４項記載の固体撮像装置。
6. 前記Ｎは２であり、
   前記各画素は、正方形をしており、水平方向及び垂直方向に隣接する単純正方格子配列で前記撮像面に並べられている請求の範囲第５項記載の固体撮像装置。
7. 前記撮像面の斜め４５度方向に前記画素列が延びており、水平方向及び垂直方向に隣接して前記マイクロレンズが並んでいる請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。
8. 前記Ｎは２であり、２個の正方形をした画素が斜め４５度方向に隣接して配置されている請求の範囲第７項記載の固体撮像装置。
9. 前記画素セット内の前記各画素の前記光電変換部、又は前記各画素の遮光膜開口部が、前記マイクロレンズの中央に寄るように偏心している請求の範囲第８項記載の固体撮像装置。
10. 前記Ｎは３〜５であり、前記画素列は前記矩形領域の前記横方向に延びている請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。
11. 前記Ｎ個の画素は、第１〜第５画素であり、前記第１の画素は、前記矩形領域の中央に配置され、前記第２及び第３の画素は、前記第１の画素の右側に上下２列に配置され、前記第４及び第５の画素は、前記第１の画素の左側に上下２列に配置されている請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。
12. 前記マイクロレンズは、前記矩形領域の前記縦方向の幅をＡとしたとき、直径が√２Ａのほぼ半球状に形成されている請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。
13. 前記マイクロレンズは、ほぼ正方形状の外形を有する凸曲面状の形状に形成されている請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。
14. 前記マイクロレンズは、前記画素セットの前記横方向の長さが長軸の長さとほぼ同じ半楕円球状をしており、その光軸と前記矩形領域の中心とがほぼ一致するように配置されている請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。

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