KR101590146B1 - 고체 촬상 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 위상차 검출 화소의 감도를 향상시킨다. CCD이미지 센서(10)는, 제 1 및 제 2의 2개의 화소(12, 13)와, 마이크로렌즈(14)를 갖는 화소 세트(16)를 구비하고 있다. 각 화소(12, 13)는, 수평 방향으로 인접해서 배치되어 있다. 마이크로렌즈(14)는, 반구 형상으로 형성되어 있다. 마이크로렌즈(14)는, 각 화소(12, 13)의 외형으로 이루어지는 종횡비가 약 1:2인 직사각형 영역(17)의 가로 방향의 폭보다 큰 직경을 갖는다. 화소 세트(16)는, 직사각형 영역(17)의 가로 방향으로 복수 나열되어, 화소열(18)을 구성한다. CCD이미지 센서(10)는, 직사각형 영역(17)의 세로 방향으로 화소열(18)을 복수 나열하고, 또한 인접하는 각 화소열(18) 사이에서 가로 방향으로 직사각형 영역(17)의 반 피치만큼 어긋나게 하고 있다.

Description

고체 촬상 장치{SOLID-STATE IMAGING DEVICE}
본 발명은, 위상차(位相差) 방식의 오토 포커스의 포커싱 검출 및 입체시용 시차(視差) 화상의 촬영이 가능한 고체 촬상 장치에 관한 것이다.
피사체상(像)의 촬상 외에 위상차 방식의 오토 포커스(이하, 위상차 AF라고 칭함)의 포커싱 검출을 행할 수 있는 고체 촬상 장치가, 특허문헌 1, 2에 기재되어 있다. 위상차 AF용 고체 촬상 장치는, 포토 다이오드(이하, PD라고 칭함)의 수광면에 입사하는 광의 각도에 좌우의 선택성을 갖게 한 화소(이하, 위상차 검출 화소라고 칭함)를 갖고 있다. 위상차 검출 화소는, PD를 향해서 광을 집광하는 마이크로렌즈의 광축과, PD의 표면을 덮는 차광막에 형성된 개구의 중심을 우방향 또는 좌방향으로 편심시키고 있다. 위상차 AF용 고체 촬상 장치에는, 복수의 위상차 검출 화소가 촬상면 내에 소정의 패턴으로 배치되어 있다.
위상차 AF용 고체 촬상 장치에서는, 촬영 광학계를 통해서 촬상면에 결상된 피사체상의 포커스가 어긋나 있을 경우에, 우방향에 선택성을 갖는 각 위상차 검출 화소의 상(像)과, 좌방향에 선택성을 갖는 각 위상차 검출 화소의 상 사이에서 위치 어긋남이 생긴다. 이 위치 어긋남 양으로부터 촬영 광학계의 디포커스 양을 구하여, 촬영 광학계를 이동함으로써, 위상차 방식의 오토 포커스를 행할 수 있다.
또한, 최근에는, 촬상면에 위상차 검출 화소만을 나열한 고체 촬상 장치도 제안되어 있다. 이 고체 촬상 장치에서는, 우방향에 선택성을 갖는 각 위상차 검출 화소에 의해 구성되는 화상이 우안(右眼) 화상(R Viewpoint Image), 좌방향에 선택성을 갖는 각 위상차 검출 화소에 의해 구성되는 화상이 좌안(左眼) 화상(L Viewpoint Image)이 되어, 양안(兩眼) 시차가 생기는 한 쌍의 시점 화상(이하, 시차 화상이라고 칭함)을 취득할 수 있다. 일반적으로, 시차 화상을 취득하려면, 촬영 렌즈와 고체 촬상 장치를 2세트 준비하고, 이들을 평행하게 배치해서 촬영을 행할 필요가 있다. 이에 반해, 상기 구성의 고체 촬상 장치에서는, 1세트의 촬영 렌즈 및 고체 촬상 장치로 되기 때문에, 간편한 구성으로 시차 화상을 취득할 수 있다.
일본국 특개소59-33409호 공보 일본국 특개2000-156823호 공보
차광막의 개구를 편심시켜서 위상차 검출 화소를 형성하는 구성에서는, 그 편심의 정도만큼 개구의 면적을 좁게 해야만 한다. 이 때문에, 마이크로렌즈의 광축과 차광막의 개구의 중심이 일치하고 있는 통상의 화소에 비해서, 감도가 낮아지게 되는 문제가 생긴다. 또한, 위상차 검출 화소의 구성으로서는, 상기 외에, PD의 수광면의 중심에 대하여 마이크로렌즈의 광축을 편심시키는 방법도 알려져 있지만, 이 경우에 인접하는 화소에 광이 들어가지 않도록 하기 위해서 마이크로렌즈의 직경이 작아진다. 그 결과, 이 구성에서도 마찬가지로 위상차 검출 화소의 감도의 저하를 초래하게 된다. 이 때문에, 위상차 검출 화소를 갖는 고체 촬상 장치에서는, 위상차 검출 화소의 감도의 향상을 도모하는 것이 요구되고 있다.
본 발명은 위상차 검출 화소의 감도를 향상시킨 고체 촬상 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 고체 촬상 장치는, 복수의 화소 세트와, 화소열과, 촬상면을 구비한다. 상기 화소 세트는, 입사광에 따른 전하를 축적하는 광전 변환부를 갖는 N개(N은 2 이상의 정수)의 화소와, 상기 N개의 화소 각각을 향해서 광을 집광하는 마이크로렌즈를 포함한다. 상기 N개의 화소는, 종횡비가 약 1:2인 직사각형 영역의 가로 방향의 중심에 대하여 상기 각 광전 변환부가 선대칭 또는 회전 대칭이 되도록 나열되어 있다. 상기 마이크로렌즈는, 그 광축이 상기 직사각형 영역의 중심과 거의 일치하도록 배치됨과 함께, 상기 직사각형 영역의 세로 방향의 폭보다 크고, 또한 상기 직사각형 영역의 상기 가로 방향의 길이보다 작게 되어 있다. 상기 화소열은, 상기 가로 방향으로 상기 화소 세트를 복수 배열함으로써 구성되어 있다. 상기 촬상면은, 상기 화소열이 상기 세로 방향으로 복수 배열되고, 인접하는 상기 각 화소열의 사이에서는, 상기 가로 방향으로 상기 직사각형 영역의 절반만큼 어긋나 있다. 그리고, 상기 마이크로렌즈의 상기 직사각형 영역으로부터 돌출된 부분이, 인접하는 화소열 내에서 가로로 나열된 2개의 화소 세트의 2개의 마이크로렌즈 사이에 들어가도록 되어 있다.
상기 촬상면의 수평 방향으로 상기 화소열이 연장되고, 기울기 45도 방향으로 상기 마이크로렌즈가 나열되어 있는 것이 바람직하다.
상기 화소 세트는, 컬러 필터를 갖는다. 컬러 필터는, 상기 마이크로렌즈와 마찬가지로 기울기 45도 방향으로 인접하는 배열로 상기 촬상면에 나열되어 있는 것이 바람직하다.
상기 컬러 필터는, 적색의 광을 투과시키는 적색 컬러 필터와, 녹색의 광을 투과시키는 녹색 컬러 필터와, 청색의 광을 투과시키는 청색 컬러 필터를 갖는다. 기울기 45도 방향으로 인접해서 배치된 2개의 상기 녹색 컬러 필터와, 이들 각 녹색 컬러 필터와 인접하고, 또한 서로 기울기 45도 방향으로 인접해서 배치된 2개의 상기 적색 컬러 필터로 이루어지는 제 1 필터 세트를 구성한다. 이 제 1 필터 세트의 상기 각 적색 컬러 필터를 상기 청색 컬러 필터로 치환한 제 2 필터 세트를 구성한다. 상기 각 색의 컬러 필터는, 이들 각 필터 세트가 체크 무늬 형상으로 상기 촬상면에 배열되는 것이 바람직하다.
상기 컬러 필터는, 정방형을 대략 45도 회전시킨 형상으로, 그 대각선의 길이가 상기 직사각형 영역의 상기 가로 방향의 폭과 대략 동일해지는 크기이며, 그 중심이 상기 마이크로렌즈의 광축과 일치하고 있는 것이 바람직하다.
상기 각 화소는, 상기 N은 2일 경우, 정방형을 하고, 수평 방향 및 수직 방향으로 인접하는 단순 정방 격자 배열로 상기 촬상면에 나열되어 있는 것이 바람직하다.
상기 촬상면의 기울기 45도 방향으로 상기 화소열이 연장되고, 수평 방향 및 수직 방향으로 인접해서 상기 마이크로렌즈를 나열해도 된다. 이 경우에 상기 N이 2일 때는, 2개의 정방형을 한 화소가 기울기 45도 방향으로 인접해서 배치되어 있는 것이 바람직하다.
상기 화소 세트 내의 상기 각 화소의 상기 광전 변환부, 또는 상기 각 화소의 차광막 개구부가, 상기 마이크로렌즈의 중앙에 치우치도록 편심하고 있는 것이 바람직하다.
상기 화소열은, 상기 N이 3∼5일 경우, 상기 직사각형 영역의 상기 가로 방향으로 연장되어 있는 것이 바람직하다.
상기 N개의 화소가, 제 1∼제 5 화소일 경우, 상기 직사각형 영역의 중앙에 상기 제 1 화소를 배치한다. 상기 제 1 화소의 우측에 상하 2열로 상기 제 2 및 제 3 화소를 배치한다. 그리고, 상기 제 1 화소의 좌측에 상하 2열로 상기 제 4 및 제 5 화소를 배치하는 것이 바람직하다.
상기 마이크로렌즈는, 상기 직사각형 영역의 상기 세로 방향의 폭을 A로 했을 때, 직경이 √2A인 대략 반구 형상으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 상기 마이크로렌즈는, 대략 정방형 형상의 외형을 갖는 볼록 곡면 형상의 형상이어도 된다. 상기 마이크로렌즈는, 상기 화소 세트의 상기 가로 방향의 길이가 장축의 길이와 거의 같은 반타원구 형상이어도 된다.
본 발명에서는, 복수의 화소에 걸치도록 1개의 마이크로렌즈를 설치하고, 이들 각 화소를 위상차 검출 화소로 하고 있다. 마이크로렌즈는, 그 직경, 또는 최대폭이 각 화소의 광전 변환부가 설치된 직사각형 영역의 세로 방향의 폭보다 크게 형성하고 있다. 그리고, 이 영역으로부터 돌출된 부분이, 인접하는 화소열이 대면하는 2개의 화소 세트의 각 마이크로렌즈 사이에 들어가도록, 복수의 화소 세트를 배열해서 촬상면을 구성하고 있다. 이렇게 하면, 차광막의 개구를 편심시켜서 형성한 위상차 검출 화소 등에 비해서, 마이크로렌즈의 직경이 커지고, 위상차 검출 화소인 각 화소의 감도를 높일 수 있다.
도 1은 CCD이미지 센서의 단면 구조를 개략적으로 나타내는 설명도.
도 2는 촬상면의 구성을 나타내는 설명도.
도 3은 화소 세트의 구성을 나타내는 설명도.
도 4는 각 화소의 컬러 필터의 배열을 나타내는 설명도.
도 5는 컬러 필터의 다른 배열예를 나타내는 설명도.
도 6은 PD의 위치가 컬러 필터와 마이크로렌즈의 중심을 향해서 편심한 배열을 나타내는 설명도.
도 7은 마이크로렌즈가 정방형인 예를 나타내는 설명도.
도 8은 마이크로렌즈가 반타원구인 예를 나타내는 설명도.
도 9는 각 화소를 기울기 45도로 배열하여, 마이크로렌즈와 컬러 필터를 단순 정방 격자 배열로 한 예를 나타내는 설명도.
도 10은 베이어(Bayer) 배열의 컬러 필터를 배치한 예를 나타내는 설명도.
도 11은 PD의 위치가 컬러 필터와 마이크로렌즈의 좌우 방향의 중심선을 향해서 편심한 배열을 나타내는 설명도.
도 12는 3개의 화소를 갖는 화소 세트의 예를 나타내는 설명도.
도 13은 4개의 화소를 갖는 화소 세트의 예를 나타내는 설명도.
도 14는 5개의 화소를 갖는 화소 세트의 예를 나타내는 설명도.
도 15는 크기가 상이한 5개의 화소를 갖는 화소 세트의 예를 나타내는 설명도.
도 16은 눈동자 위치에 스톱 플레이트(stop plate)를 설치한 예를 나타내는 설명도.
도 17은 스톱 플레이트의 구성을 나타내는 설명도.
도 18은 이면 조사형 고체 촬상 장치의 화소 세트의 구성을 나타내는 설명도.
도 19는 도 17에 나타내는 고체 촬상 장치에 있어서의 광의 입사예를 나타내는 설명도.
도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 고체 촬상 장치인 CCD이미지 센서(10)는, 화소 세트(16)를 구비하고 있다. 각 화소 세트(16)는, 포토다이오드(이하, PD라고 함)(11)를 갖는 제 1 및 제 2의 2개의 화소(12, 13)와, 마이크로렌즈(14)와, 컬러 필터(15)로 구성되어 있다. PD(11)는 입사한 광을 전하로 변환해서 축적하는 광전 변환부이다. 각 화소(12, 13)는, 서로 수평 방향으로 인접해서 배치되어 있다. 마이크로렌즈(14)는, 각 화소(12, 13)에 대응해서 설치되고, 각 화소(12, 13)를 향해서 광을 집광한다. 컬러 필터(15)는, 각 화소(12, 13)와 마이크로렌즈(14) 사이에 설치되어 있다. 그리고, 컬러 필터(15)는, 마이크로렌즈(14)가 집광시킨 광 중 특정색(파장)의 광만을 각 화소(12, 13)에 입사시킨다.
각 화소(12, 13)는, 촬상면(20)(도 2 참조) 위에서 각각 동일한 크기의 정방형으로 형성되며, 서로의 변이 접하도록 배치되어 있다. PD(11)는, 정방형으로 형성되며, 그 중심이 각 화소(12, 13)의 중심과 일치하도록 형성되어 있다. 반도체 기판 위에서의 화소 세트(16)의 영역(17)은, 종횡비가 약 1:2인 직사각형을 하고 있고, 각 화소(12, 13)의 PD(11)는, 영역(17)의 가로 방향(길이 방향)의 중심에 대하여 선대칭으로 되어 있다. 한편, PD(11)의 형상이란, 정확하게는 차광막의 개구를 통해서 노정(露呈)된 부분의 형상을 의미한다.
마이크로렌즈(14)는, 반구 형상으로 형성되어, 그 광축이 각 화소(12, 13)의 중간, 즉 영역(17)의 중심과 일치하도록 배치되어 있다. 이 마이크로렌즈(14)는, 종래의 2개의 마이크로렌즈를 각각 A/2씩 접근시켜서 1개로 합체하고, 또한 치수를 확대시킨 구성이라고도 할 수 있다. 여기서, A는 영역(17)의 세로 방향(길이 방향과 직교하는 방향)의 폭이다. 또한, 종래의 마이크로렌즈란, 광축이 PD(11)의 중심과 일치하고, 또한 직경이 대응하는 화소의 영역과 거의 동일한 마이크로렌즈이다.
정방형 컬러 필터(컬러 필터 세그먼트)(15)는, 45도로 회전시킨 상태로 형성되며, 그 중심이 마이크로렌즈(14)의 광축과 일치하도록 배치되어 있다. 또한, 컬러 필터(15)는, 그 대각선의 길이가 2A, 즉 영역(17)의 가로 방향의 폭이 되는 크기로 형성되어 있다. 마이크로렌즈(14)는, 이 컬러 필터(15)의 내접원이 되는 크기로 형성되어 있다. 이 크기가, 화소 세트(16)를 나열해서 배치하는 것이 가능한 마이크로렌즈(14)와 컬러 필터(15)의 최대 크기이다.
컬러 필터(15)가 정방형인 경우에, 그 일 변의 길이(B)는 、√ 2A이며, 그 면적은, 2A2이다. 즉, 컬러 필터(15)의 면적은, 각 화소(12, 13)의 면적의 2배가 된다. 또한, 컬러 필터(15)의 일 변의 길이(B)는, 마이크로렌즈(14)의 직경과 같다. 따라서, 마이크로렌즈(14)의 외형원(B를 직경으로 하는 원)의 면적은, πA2/2이다. A를 직경으로 하는 종래의 마이크로렌즈의 외형원의 면적은, πA2/4이기 때문에, 화소 세트(16)의 마이크로렌즈(14)의 외형원의 면적은, 종래의 마이크로렌즈의 외형원의 면적의 2배인 것을 알 수 있다.
CCD이미지 센서(10)는, 화소 세트(16)의 영역(17)의 가로 방향(길이 방향)이 수평 방향과 평행해지도록, 이 가로 방향으로 화소 세트(16)를 복수 배열함으로써 화소열(18)을 구성하고 있다. 도 2 및 3에 나타내는 바와 같이 CCD이미지 센서(10)는, 이 화소열(18)을 영역(17)의 세로 방향(수직 방향)으로 복수 배열한다. 그리고, 인접하는 각 화소열(18)간에서 제 1 화소(12)끼리 또는 제 2 화소(13)끼리가 인접하지 않도록, 한쪽을 영역(17)의 반(半) 피치만큼 어긋나게 하고 있다.
CCD이미지 센서(10)는, 이렇게 화소열(18)을 배열함으로써 피사체의 촬상을 행하기 위한 직사각형 형상의 촬상면(20)을 구성하고 있다. 또한, 도 2에서는, 3×6의 18개의 화소 세트(16)로 촬상면(20)을 구성한 상태를 나타내고 있지만, 주지하는 바와 같이, 실제로는 상당히 다수의 화소 세트(16)로 촬상면(20)이 구성된다.
화소열(18)을 세로 방향으로 배열하면, 수평 방향 및 수직 방향으로 인접하는 단순 정방 격자 배열로 각 화소(12, 13)가 나열된다. 또한, 소위 벌집 배열로 화소를 배열했을 경우와 마찬가지로, 기울기 45도 방향으로 인접하는 배열로 마이크로렌즈(14)와 컬러 필터(15)가 나열된다. 여기서, 수평 방향이란, 직사각형 형상으로 형성된 촬상면(20)의 좌우 방향이며, 수직 방향이란, 촬상면(20) 상하 방향이다. 그리고, 기울기 45도 방향이란, 촬상면(20)의 좌우 방향에 대하여 45도 기울어진 방향이다.
인접하는 각 화소열(18) 사이에서 영역(17)의 반 피치만큼, 즉 수평 방향으로 1 화소만큼 어긋나게 함으로써, 영역(17)으로부터 마이크로렌즈(14)가 상 또는 하로 돌출된 부분은, 이웃하는 화소열(18)이 대면하는 2개의 화소 세트(16)의 각 마이크로렌즈(14) 사이에 들어간다. 그리고, 컬러 필터(15)의 영역(17)으로부터 상하로 돌출된 부분이, 인접하는 화소열(18)이 대면하는 2개의 화소 세트(16)의 각 컬러 필터(15) 사이에 들어간다. 이에 따라, CCD이미지 센서(10)에서는, 각 화소(12, 13)가 수평 방향 및 수직 방향으로 극간없이 배치되며, 마이크로렌즈(14)와 컬러 필터(15)가 기울기 45도 방향으로 극간없이 형성되어 있다.
화소 세트(16)는, 각 화소(12, 13)에 입사하는 광의 각도에 대하여 선택성을 갖고 있다. 구체적으로는, 마이크로렌즈(14)의 광축에 대하여 우측에 위치하는 제 1 화소(12)에서는, 우방향으로부터 마이크로렌즈(14)에 진입하는 광이 입사하기 어려워진다. 그리고, 마이크로렌즈(14)의 광축에 대하여 좌측에 위치하는 제 2 화소(13)에서는, 좌방향으로부터 마이크로렌즈(14)에 진입하는 광이 입사하기 어려워진다. 이에 따라, 각 제 1 화소(12)에는, 좌안 화상(L시점 화상)이 입사하고, 각 제 2 화소(13)에는, 우안 화상(R시점 화상)이 입사한다.
각 화소 세트(16)에서는, 1개의 마이크로렌즈(14)를 이용하여, 각 화소(12, 13)의 PD(11)의 중심에 대하여 마이크로렌즈(14)의 광축을 각각 역방향으로 편심시키도록 마이크로렌즈(14)를 배치하여, 각 화소(12, 13)를 위상차 검출 화소로 하고 있다. 정확하게는, 마이크로렌즈(14)의 초점 거리가, 마이크로렌즈(14)와 PD(11)의 입사광 영역을 정하는 차광막 개구부 사이의 거리(L1)와 같은 정도의 경우에는, 전술한 좌우의 관계가 성립한다. 또한, 마이크로렌즈(14)의 초점 거리는, 입사광이 개구부에 집광하도록, 거리(L1)로 되어 있다.
CCD이미지 센서(10)를 디지털 카메라 등의 화상 기록 장치에 이용했을 경우, 촬상면(20) 내에 설치된 각 제 1 화소(12)의 촬상 신호에 의해 구성되는 좌안 화상과, 각 제 2 화소(13)의 촬상 신호에 의해 구성되는 우안 화상에는, CCD이미지 센서(10)에 피사체상을 결상하는 촬영 렌즈의 포커싱 상태에 따라 좌우 방향으로 어긋남이 생긴다.
이에 따라 각 제 1 화소(12)의 촬상 신호에 의해 구성되는 화상과, 각 제 2 화소(13)의 촬상 신호에 의해 구성되는 화상의 어긋남 양 및 그 어긋남의 방향을 검지함으로써, 촬영 렌즈의 포커싱 상태를 알 수 있다.
이렇게, CCD이미지 센서(10)에서는, 각 제 1 화소(12)로 이루어지는 좌안 화상과 각 제 2 화소(13)로 이루어지는 우안 화상을 이용함으로써, 위상차 방식의 AF를 행할 수 있다. 또한, 이 CCD이미지 센서(10)에서는, 각 제 1 화소(12)와 각 제 2 화소(13)를 이용함으로써, 양안 시차가 생기는 한 쌍의 화상을 취득하는, 소위 단안(單眼) 3D촬영을 행할 수도 있다.
CCD이미지 센서(10)는, n형 반도체 기판(30)상에 형성되어 있다. n형 반도체 기판(30)에는, 수직 전송로(VCCD)(31)와, 소자 분리부(32)가 설치되어 있다. 수직 전송로(VCCD)(31)는, 각 PD(11)와, 각 PD(11)가 축적한 전하를 수직 방향으로 전송한다. 소자 분리부(32)는, 인접하는 각 화소(12, 13)간에서 전하의 이동이 일어나지 않도록 각 화소(12, 13)를 분리시킨다.
VCCD(31) 및 소자 분리부(32)는, 각 PD(11)의 열마다 설치되어 있다. VCCD(31)는, 판독 게이트 트랜지스터(33)를 통해서 대응하는 각 PD(11)와 접속되어 있다. 각 PD(11)에 축적된 신호 전하는, 이 판독 게이트 트랜지스터(33)를 통해서 VCCD(31)에 판독된다. VCCD(31)는, 판독한 신호 전하를 수평 전송로(도시 생략)를 향해서 수직 방향(도 1에 있어서 지면(紙面)과 직교하는 방향)으로 전송한다. 소자 분리부(32)는, PD(11)로부터 판독한 신호 전하가 이웃한 열의 VCCD(31)에 흘러 들어가는 것을 막는다.
n형 반도체 기판(30)의 표면에는, p웰층(35)이 형성되어 있다. PD(11), VCCD(31), 소자 분리부(32), 판독 게이트 트랜지스터(33)는, p웰층(35)의 표층에 형성되어 있다. CCD이미지 센서(10)는, 주지하고 있는 CVD(화학 기상 퇴적법)나 PVD(스퍼터링, 물리적 기상 퇴적법), 도핑, 포토리소그래피, 에칭 등의 기술을 이용하여 n형 반도체 기판(30) 위에 각 부를 형성함으로써 제조된다.
PD(11)는, p웰층(35)의 표층에 n형층을 형성함으로써 구성되어 있다. PD(11)는, PN접합부에 입사한 광에 따라 전자-정공쌍을 생성하고, 그 전자를 n형층에 축적한다. 또한, PD(11)의 n형층의 표면에, 암전류나 백점(white spot)을 억제하기 위한 p형층을 형성해도 된다.
VCCD(31)는, p웰층(35)의 표층에 형성된 n형층으로 이루어진다. VCCD(31)의 위에는, 전송 전극(40)이 설치되어 있다. 판독 게이트 트랜지스터(33)는, p웰층(35)의 표층에 형성된 p형층으로 이루어진다. 판독 게이트 트랜지스터(33) 위에는, 전송 전극(41)으로 구성되어 있다. 각 전송 전극(40, 41)에는, 예를 들면 저저항 폴리 실리콘이 이용된다.
PD(11)에 축적된 신호 전하는, 전송 전극(41)에 전압을 인가하고, 판독 게이트 트랜지스터(33)의 전위를 변화시킴으로써 VCCD(31)에 전송된다. VCCD(31)에 전송된 신호 전하는, 전송 전극(40)에 전압이 인가되면, 수직 방향으로 전송된다. 이에 따라, 각 PD(11)에서 광전 변환되어서 축적된 신호 전하가, VCCD(31)에 의해 수평 전송로를 향해서 전송된다.
소자 분리부(32)는, PD(11)와 VCCD(31) 사이에 배치되어 있다. 소자 분리부(32)는, p웰층(35)의 표층에 형성된 p+층으로 이루어진다. 소자 분리부(32)는, PD(11)를 구성하는 n형층 및 VCCD(31)를 구성하는 n형층과는 반대인 도전형의 불순물의 농도를 높인 포텐셜 장벽이다. 이에 따라, 소자 분리부(32)는, 이웃한 PD(11)용의 VCCD(31)로의 신호 전하의 유입을 방지한다.
전송 전극(40, 41)이 표면에 형성된 p웰층(35) 위에는, 차광막(42)이 설치되어 있다. 차광막(42)은, VCCD(31), 소자 분리부(32), 판독 게이트 트랜지스터(33)의 표면 전체를 덮도록 형성되어 있다. 또한, 차광막(42)에는, PD(11)의 수광 영역을 노정시키는 개구(42a)가 설치되어 있다. 이에 따라, 차광막(42)은, PD(11) 이외의 부분에 불필요한 광이 입사하는 것을 막는다. 이 차광막(42)에는, 예를 들면 텅스텐이 이용된다.
차광막(42) 위에는, 평탄화층(43)이 설치되고, 이 평탄화층(43) 위에 컬러 필터(15)와 마이크로렌즈(14)가 설치되어 있다. 평탄화층(43)은, 전송 전극(40, 41) 등에 의해 생기는 기판 위의 요철을 메우고, 컬러 필터(15)를 형성하기 위한 평면을 구성한다. 이 평탄화층(43)에는, BPSG 등의 리플로우 처리가 가능한 투광성을 갖는 재료가 이용된다. 또한, 평탄화층(43) 내에는, 평탄화층(43)의 굴절률보다 큰 굴절률을 갖는 재료, 예를 들면 질화 규소(SiN) 등에 의해, 아래로 볼록, 또는 위로 볼록, 또는 상하로 볼록한 층내 렌즈를 형성하는 경우도 있다(도시 생략).
컬러 필터(15)는, 컬러 레지스트라고 불리는 고분자 재료에 의해 평탄화층(43) 위에 박막 형상으로 형성되어 있다. 마이크로렌즈(14)에는, 유기 박막, 또는 질화 규소(SiN) 등이 이용되고 있다. 마이크로렌즈(14)는, 예를 들면 컬러 필터(15) 위에 SiN의 재료막을 제막하고, 그 재료막 위에 각 화소쌍(16)의 배열 패턴에 따라 레지스트를 도포하며, 그 레지스트를 열처리로 용융시켜서 반구 형상으로 성형하고, 이방성의 에칭에 의해 레지스트의 형상을 재료막에 전사시킴으로써 형성된다. 또는, 컬러 필터(15) 위의 유기막 자신을 열처리로 용융시켜서 반구 형상으로 형성하여, 마이크로렌즈(14)로 할 경우도 있다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 컬러 필터(15)는 적색의 광을 투과시키는 적색 컬러 필터(15R)와, 녹색의 광을 투과시키는 녹색 컬러 필터(15G)와, 청색의 광을 투과시키는 청색 컬러 필터(15B)로 구성되어 있다. 이들 각 색의 컬러 필터(컬러 필터 세그먼트)(15R, 15G, 15B)는, 각 화소 세트(16)에 각각 개별적으로 설치되어 있기 때문에, 화소 세트(16)의 2개의 화소(12, 13)는 동색이 된다. 또한, 각 도면에서는, 해칭없이 적색, 도트 해칭으로 녹색, 사선 해칭으로 청색을 각각 나타내고 있다.
각 색의 컬러 필터(15)는, 제 1 필터 세트(50)와 제 2 필터 세트(52)로 구획되고, 이들 각 필터 세트(50, 52)가 체크 무늬 형상의 패턴으로 배치되어 있다. 제 1 필터 세트(50)는, 기울기 45도 방향으로 인접해서 배치된 2개의 녹색 컬러 필터(15G)와, 이들 각 녹색 컬러 필터(15G)와 인접하고, 또한 서로 기울기 45도 방향으로 인접해서 배치된 2개의 적색 컬러 필터(15R)로 구성되어 있다. 제 2 필터 세트(52)는, 이 제 1 필터 세트(50)의 각 적색 컬러 필터(15R)를 청색 컬러 필터(15B)로 치환한 것이다.
이렇게 각 색의 컬러 필터(15R, 15G, 15B)를 배열하면, 녹색 컬러 필터(15G)가 기울기 45도 방향으로 나열되는 열과, 2개의 적색 컬러 필터(15R)와 2개의 청색 컬러 필터(15B)가 번갈아 기울기 45도 방향으로 나열되는 열이 구성된다. 이들 각 열은, 열과 직교하는 방향으로 번갈아 나열된다. 또한, 열과 직교하는 방향으로는, 녹색 컬러 필터(15G)를 사이에 두고 적색 컬러 필터(15R)와 청색 컬러 필터(15B)가 번갈아 나열된다.
이 컬러 필터(15)의 배열은, 기울기 45도의 배열로 화소를 나열하여, 기울기 45도 방향으로 인접하는 한 쌍의 화소의 한쪽을 고감도용, 다른 쪽을 저감도용으로 하고, 이들 각 화소의 화소값을 혼합함으로써, 다이나믹 렌즈의 넓은 화상을 취득하는, 소위 벌집 구조의 고체 촬상 장치의 컬러 필터의 배열과 같다.
이렇게, 본 실시형태에 따르면, 각 화소(12, 13)가 대응하는 마이크로렌즈(14)의 면적을, 종래의 마이크로렌즈의 면적의 2배로 할 수 있다. 따라서, 차광막의 개구를 편심시켜서 형성했을 경우에 비해서 화소의 감도를 높일 수 있다.
또한, 본 실시형태의 각 화소 세트(16)의 배열은, 다이나믹 렌즈의 넓은 화상을 취득하는데도 적합하다. 예를 들면, 위상차 방식의 AF제어를 위한 화상을 취득하거나, 단안 3D촬영을 행해서 양안 시차가 생기는 한 쌍의 화상을 취득하거나 할 때에, 화소 세트(16)의 각 화소는 동색이기 때문에, 그 한 쪽을 고감도용, 다른 쪽을 저감도용으로 함으로써 그들 화상의 광(廣)다이나믹 렌즈화를 도모할 수도 있다.
상기 실시형태에서는, 각 필터 세트(50, 52)를 체크 무늬 형상으로 배치하고 있지만, 예를 들면 도 5에 나타내는 바와 같이, 같은 색의 컬러 필터(15)가 나열되는 방향과 직교하는 방향으로 각 필터 세트(50, 52)가 일렬로 나열되도록 줄무늬 형상으로 번갈아 배치해도 된다. 이 경우에는, 녹색 컬러 필터(15G)가 기울기 45도 방향으로 나열되는 열과 직교하는 방향으로, 적색 컬러 필터(15R) 또는 청색 컬러 필터(15B)와 같은 색의 컬러 필터(15)가 녹색 컬러 필터(15G)를 사이에 두고 연속적으로 나열되게 된다.
또한, 상기 실시형태의 구조에서는, 마이크로렌즈(14)의 중앙 바로 아래에 가까운 쪽이, PD(11)의 감도가 높아진다. 그래서, 도 6에 나타내는 CCD이미지 센서(60)의 화소 세트(62)와 같이, PD(64)의 위치를 마이크로렌즈(14)의 중앙으로 치우치게 하는 배치여도 된다.
상기 실시형태에서는, 마이크로렌즈(14)는, 반구 형상을 하고 있지만, 예를 들면 도 7에 나타내는 CCD이미지 센서(70)의 화소 세트(72)와 같이, 정방형 형상의 외형을 갖는 볼록 곡면의 마이크로렌즈(74)를 이용해도 된다. 이 마이크로렌즈(74)는, 화소쌍(72)을 나열해서 배치하는 것이 가능한 크기, 즉 저면의 형상이 대각선의 길이가 2A인 정방형에 접근하도록, 반구 형상의 렌즈를 정방형화시킨 것이다. 이렇게 하면, 반구 형상의 렌즈에 비해서 면적을 확대시킬 수 있으므로, 각 화소(12, 13)의 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 도 8에 나타내는 바와 같이, 화소 세트(75) 위의 마이크로렌즈(76)의 형상을 반타원구 형상으로 해도 된다. 마이크로렌즈(76)의 저면은, 2A인 장축과, A보다 약간 큰 단축을 갖는 타원형으로 형성되어 있다. 마이크로렌즈(76)는, 그 광축과 영역(17)의 중심이 일치하도록 배치되어 있다. 이에 따라, 마이크로렌즈(76)의 단축 측의 정점(頂点) 부분이, 수직 방향의 상측 또는 하측에 인접하는 한 쌍의 마이크로렌즈(76) 사이에 형성되는 극간에 들어가 있다.
또한, 컬러 필터(컬러 필터 세그먼트)(77)는, 상기 타원형으로 형성된 마이크로렌즈(76)의 저면에 외접하는 육각형 형상으로 형성되어 있다. 컬러 필터(77)는, 반타원구 형상으로 마이크로렌즈(76)를 형성했을 경우에도, 촬상면에 컬러 필터(77)를 극간없이 형성할 수 있다.
여기서, 수직 방향으로 인접하는 각 마이크로렌즈(76)의 최근접 부분(P1, P2, P3, P4)의 좌표는, 화소의 일 변의 길이를 A로 하고, 영역(17)의 중심(P0)을 원점으로 했을 때, 각각 P1=(A/2, A/2), P2=(A/2, -A/2), P3=(-A/2, A/2), P4=(-A/2, -A/2)이다. 또한, 이들 4점 P1∼P4는, 마이크로렌즈(76)와 컬러 필터(77)의 접점이기도 한다. 또한, 도 8에서는, 정점 부분이 뾰족한 육각형 형상으로 각 마이크로렌즈(76)가 형성되어 있지만, 실제의 제조에 있어서는, 정점(에지) 부분이 둥그스름함을 띠기 때문에, 매끈한 육각형 형상이 된다.
반구 형상으로 형성된 마이크로렌즈(14) 및 직사각형 형상으로 형성된 컬러 필터(15)에서는, 컬러 필터(15)의 네 모서리의 부분에 있어서, 마이크로렌즈(14)의 외형보다 외측으로 돌출된 여백의 부분이 비교적 넓어지게 된다. 이 때문에, 이 여백의 부분에 비스듬히 입사한 광에 의해 혼색이 생기는 것이 우려된다. 이에 대하여, 상기의 마이크로렌즈(76) 및 컬러 필터(77)에서는, 보다 원형에 가까운 육각형 형상으로 컬러 필터(77)가 형성되어 있음으로, 마이크로렌즈(14) 및 컬러 필터(15)의 구성에 비해서 여백의 면적을 좁힐 수 있어, 혼색의 발생도 억제할 수 있다.
또한, 반타원구 형상으로 형성된 마이크로렌즈(76)에서는, 반구 형상으로 형성된 마이크로렌즈(14)에 비해서 각 화소(12, 13)와 겹치는 부분의 면적을 넓게 할 수 있다. 따라서, 도 8에 나타내는 바와 같이, 종래와 마찬가지인 직사각형 형상으로 PD(11)의 차광막의 개구 영역(11a)를 형성해도, 마이크로렌즈(76)로부터 개구 영역(11a)이 돌출하지 않게 되므로, 각 화소(12, 13)의 감도의 저하를 막을 수 있다.
또한, 마이크로렌즈(76)와 컬러 필터(77)를 가로로 길게 형성하여, 화소 세트(75)의 종횡비와 마찬가지로, 그 단축과 장축의 비도, 1:2로 하면, 개구 영역(11a)의 단부로부터, 마이크로렌즈(76)의 단부까지의 최대 거리를 짧게 할 수 있다. 이에 따라, 마이크로렌즈(76)에서 굴절된 광이, 개구 영역(11a)에 입사하기 위한 굴절각도 작아져, 감도에 유리해진다. 따라서, 가로로 긴 마이크로렌즈(76)나 컬러 필터(77)는, 단안 3D촬영이나 위상차 신호를 취득하기 위한 화소 구조로서 매우 적합하다. 또한, 마이크로렌즈(76)가 가로로 길기 때문에, 반구 형상일 경우보다 PD(11)에 대한 광의 집광 효율을 높일 수 있다.
도 2 내지 도 7의 실시형태에서는, 단순 정방 격자 배열로 각 화소(12, 13)가 나열되고, 벌집 배열 형상으로 마이크로렌즈(14)와 컬러 필터(15)가 나열되도록 하고 있지만, 이것과는 반대로, 도 9에 나타내는 CCD이미지 센서(80)와 같이 구성해도 된다.
CCD이미지 센서(80)는, 제 1 및 제 2의 2개의 화소(81, 82)와, 마이크로렌즈(83)와, 컬러 필터(84)로 이루어지는 화소 세트(85)를 구비하고 있다. 각 화소(81, 82)는 정방형을 45도 회전시킨 형상으로 형성되며, 기울기 45도 방향으로 인접해서 배치되어 있다. 마이크로렌즈(83)는, 상기 실시형태의 마이크로렌즈(14)와 마찬가지로 구성되어 있다. 컬러 필터(84)는, 정방형 형상으로 형성되며, 그 중심이 마이크로렌즈(83)의 광축과 일치하도록 배치되어 있다.
CCD이미지 센서(80)는, 각 화소(81, 82)가 나열되는 영역(86)의 길이 방향과 기울기 45도 방향을 평행하게 하여, 이 길이 방향으로 화소 세트(85)를 복수 배열함으로써 화소열(87)을 구성하고 있다. CCD이미지 센서(80)는, 영역(86)의 폭방향으로 화소열(87)을 복수 배열한다. 그리고, 인접하는 각 화소열(87) 내에서 제 1 화소(81)끼리 또는 제 2 화소(82)끼리가 인접하지 않도록, 인접하는 각 화소열(87)을 길이 방향으로 영역(86)의 절반만큼 어긋나게 함으로써, 직사각형 형상의 촬상면(88)을 구성하고 있다.
CCD이미지 센서(80)는, 각 화소 세트(85)를 배열시켜서 촬상면(88)을 구성함으로써, 기울기 45도의 배열로 각 화소(81, 82)를 나열하고, 단순 정방 격자 배열 형상으로 마이크로렌즈(83)와 컬러 필터(84)를 나열하고 있다. 이러한 구성에서도, 상기 실시형태와 마찬가지로, 위상차 검출 화소인 각 화소(81, 82)의 감도를 높일 수 있다. 또한, 이 CCD이미지 센서(80)의 구성은, 상기 실시형태의 CCD이미지 센서(10)의 구성을 약 45도 회전시킨 것이라고 생각할 수도 있다.
CCD이미지 센서(80)에 적색, 녹색, 청색의 각 색의 컬러 필터(컬러 필터 세그먼트)(84R, 84G, 84B)를 배치할 경우에는, 도 10에 나타내는 바와 같이, 격자 형상으로 배치된 2×2의 4개의 컬러 필터 중 기울기 2개를 녹색 컬러 필터(84G)로 하고, 나머지 2개 중 한쪽을 적색 컬러 필터(84R), 다른 쪽을 청색 컬러 필터(84B)로 하며, 이것을 1세트로 하여 각 화소 세트(85)에 나열하는, 소위 베이어 배열로 하는 것이 적합하다.
CCD이미지 센서(80)의 구성에서는, PD(11)의 감도가 최대가 되는 광의 입사각이, 단순한 좌우 방향으로부터가 아닌 기울기 방향으로부터가 된다. 보다 구체적으로는, 마이크로렌즈(83)의 광축에 대하여 좌상측 기울기 방향에 위치하는 제 1 화소(81)에서는, 우하측 기울기 방향으로부터 입사하는 광에 대한 감도가 최대가 된다. 마이크로렌즈(83)의 광축에 대하여 우하측 기울기 방향에 위치하는 제 2 화소(82)에서는, 좌상측 기울기 방향으로부터 입사하는 광에 대한 감도가 최대가 된다. 이 때문에, 각 화소를 단순 정방 격자 배열로 나열했을 경우에 비해서, 시차 화상의 생성에 필요한 좌우 방향으로부터의 광의 감도가 저하되는 것이 우려된다.
그래서, 도 11에 나타내는 CCD이미지 센서(90)의 화소 세트(92)와 같이, 제 1 화소(81)의 PD(93)를 하방향으로 편심시키고, 제 2 화소(82)의 PD(94)를 상방향으로 편심시키는 구조로 해도 된다. 이렇게, 각 화소(81, 82)의 PD(93, 94)를 편심시켜, 마이크로렌즈(83) 및 컬러 필터(84)의 좌우 방향의 중심선(CL)에, 각 PD(93, 94)의 중심을 접근시키도록 하면, 각 PD(93, 94)의 감도가 최대가 되는 광의 입사각이 좌우 방향으로 치우치기 때문에, 시차 화상의 생성에 필요한 좌우 방향으로부터의 광의 감도를 높일 수 있다. 또한, 상기한 바와 같이 각 PD(93, 94)를 편심시키면, 각 PD(93, 94) 전체가 마이크로렌즈(83)의 광축에 접근하므로, 좌우 방향으로부터의 광의 감도뿐만 아니라, 각 화소(81, 82)의 전체적인 감도도 높일 수 있다.
또한, 각 PD(93, 94)의 편심 방향은, 그 중심이 중심선(CL)에 접근하는 것이라면, 임의의 방향이어도 된다. 단, 각 화소(81, 82)가 기울기 45도로 배열됨과 함께, 마이크로렌즈(83)의 광축에 대하여 좌상측 기울기 방향에 제 1 화소(81)가 위치하고, 마이크로렌즈(83)의 광축에 대하여 우하측 기울기 방향에 제 2 화소(82)가 위치하고 있을 경우에는, 제 1 화소(81)의 PD(93)를 하방향으로 편심시키고, 제 2 화소(82)의 PD(94)를 상방향으로 편심시켰을 때에, 각 PD(93, 94)의 중심을 가장 중심선(CL)에 접근시킬 수 있다. 따라서, 각 PD(93, 94)의 편심 방향은, 상기한 바와 같이 상하 방향으로 하는 것이 적합하다.
또한, 각 PD(93, 94)를 편심시켰을 경우, 이들 각 PD(93, 94)는, 영역(86)의 길이 방향의 중심에 대하여 회전 대칭으로 되어 있다. 상기 실시형태에서는 각 PD(11)를 선대칭으로 한 예를 나타내고 있지만, 이렇게, 각 PD(93, 94)가 회전 대칭이더라도, 각 화소(81, 82)를 위상차 검출 화소로서 적절하게 기능시킬 수 있다.
상기 실시형태에서는 각 화소(12, 13)를 정방형 형상으로 형성하고, 반도체 기판상의 종횡비가 약 1:2인 직사각형 형상의 영역(17) 내에, 2개의 각 화소(12, 13)가 배치되어 있지만, 화소 세트(16)에 포함되는 화소의 수는, 2개에 한정되는 것은 아니다.
예를 들면, 도 12에 나타내는 화소 세트(100)와 같이, 동일한 직사각형 형상으로 형성된 제 1∼제 3의 3개의 화소(101, 102, 103)를 영역(17)의 길이 방향으로 나열해서 설치해도 된다. 각 화소(101, 102, 103)에는, 동일한 직사각형 형상으로 형성된 PD(104)가 설치되어 있다. 각 PD(104)는, 그 중심과 각 화소(101, 102, 103)의 중심이 일치하도록, 각각 배치되어 있다.
이 때문에, 각 PD(104)는, 영역(17)의 길이 방향의 중심을 경계로, 선대칭으로 되어 있다. 또한, 중앙에 설치된 제 2 화소(102)의 PD(104)는, 그 중심이 마이크로렌즈(14)의 광축과 일치하고 있다. 이렇게, 3개의 화소(101∼103)를 갖는 화소 세트(100)에서는, 각 화소(101∼103)에 의해 3개의 위상차 정보를 얻을 수 있다. 그리고, 보다 많은 위상차 정보가 얻어지면, 그 정도만큼 위상차 AF의 검출 정밀도의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 도 13에 나타내는 화소 세트(110)와 같이, 동일한 직사각형 형상으로 형성된 제 1∼제 4의 4개의 화소(111, 112, 113, 114)를 영역(17)의 길이 방향으로 나열해서 설치해도 된다. 각 화소(111, 112, 113, 114)에는, 대략 동일한 직사각형 형상으로 형성된 PD(115)가 설치되어 있다. 각 PD(115)는, 그 중심과 각 화소(111, 112, 113, 114)의 중심이 일치하고 있다. 이 때문에, 각 PD(115)는, 영역(17)의 길이 방향의 중심에 대하여 선대칭으로 되어 있다. 이 화소 세트(110)에서는, 각 화소(111∼114)에 의해 4개의 위상차 정보가 얻어지므로, 위상차 AF의 검출 정밀도의 향상을 더욱더 도모할 수 있다.
또한 도 14에 나타내는 화소 세트(120)에서는, 동일한 직사각형 형상으로 형성된 제 1∼제 5의 5개의 화소(121, 122, 123, 124, 125)를 영역(17)의 길이 방향으로 나열하고 있다. 화소가 5개인 점 이외는, 도 13에 나타내는 화소가 4개인 것과 같으므로, 그 상세한 설명은 생략한다.
도 15에 나타내는 화소 세트(130)는, 5개의 화소(131∼135)를 구비하고 있다. 제 1 화소(131)는, 중앙에 설치되고, 제 2 화소(132)와 제 3 화소(133)는, 제 1 화소(131)의 우측에 상하 2열로 설치되며, 제 4 화소(134)와 제 5 화소(135)는, 제 1 화소(131)의 좌측에 상하 2열로 설치되어 있다.
제 1 화소(131)는, 대략 직사각형 형상으로 형성되며, 그 중심이 영역(17)의 중심과 거의 일치하도록 배치되어 있다. 제 2 화소(132) 및 제 3 화소(133)는, 영역(17)의 제 1 화소(131)보다 우측의 부분을 상하로 2분할한 형상으로 형성되어 있다. 마찬가지로, 제 4 화소(134) 및 제 5 화소(135)는, 영역(17)의 제 1 화소(131)보다 좌측의 부분을 상하로 2분할한 형상으로 형성되어 있다.
제 1 화소(131)에는, 직사각형 형상으로 형성된 PD(136)가 설치되어 있다. 이 PD(136)는, 그 중심이 제 1 화소(131)의 중심, 및 마이크로렌즈(14)의 광축과 일치하도록 배치되어 있다. 제 2 화소(132)∼제 5 화소(135)에는, 각각 동일한 직사각형 형상으로 형성된 PD(137)가 설치되어 있다. 각 PD(137)는, 그 중심이 대응하는 각 화소(132∼135)의 중심과 일치하도록 배치되어 있다.
또한, 화소 세트(130)에 설치되는 각 화소(131∼135), 및 각 PD(136, 137)의 형상은, 반드시 동일한 필요는 없고, 영역(17)의 길이 방향의 중심에 대하여 선대칭 또는 회전 대칭으로 되어 있으면 된다.
또한, 마이크로렌즈(14)에 의해 집광된 광의 광량은, 광축 부근이 가장 높다. 따라서, 마이크로렌즈(14)의 광축 위가 되는 PD를 갖는 화소 세트(100, 120, 130)에서는, 마이크로렌즈(14)의 광축 위에 PD가 존재하지 않는 화소 세트(16, 110)보다 감도를 높일 수 있다.
상기 각 실시형태는, CCD이미지 센서이지만, 본 발명은, CMOS 이미지 센서 등의 다른 타입의 고체 촬상 장치에 적용할 수도 있다. 특히, 이면 조사형 CMOS 이미지 센서에서는, 개구 면적을 크게 할 수 있고, 감도 저하를 억제하면서, 마이크로렌즈(14)나 컬러 필터(15)와, 각 화소(12, 13)의 PD(11)의 거리를 멀게하여, 포커스에 대한 상의 어긋남 양을 크게 하는 것, 또는 시차 각을 좁게 할 수 있으므로, 위상차 특성의 최적화에는 적합하다.
통상의 CMOS 이미지 센서는, 마이크로렌즈 아래에 금속의 배선층이 형성되고, 이 배선층 아래에 PD가 형성되어 있다. 한편, 이면 조사형 CMOS 이미지 센서는, 마이크로렌즈 아래에 PD가 형성되고, PD 아래에 배선층이 형성되어 있다. 즉, 이면 조사형 CMOS 이미지 센서는, 배선층과 PD의 위치를 통상의 CMOS 이미지 센서와 역전시켜서 형성한 것이다.
또한, CCD이미지 센서(10)와 같이 각 화소(컬러 필터보다 하층의 부분)를 단순 정방 격자 배열로 나열하는 고체 촬상 장치는, CCD이미지 센서(80)와 같이 각 화소를 기울기 45도의 배열로 나열하는 고체 촬상 장치에 비해서 생산 메이커의 수가 많고, 이에 기인하여 생산 수량도 현격히 많다. 이 때문에, 기술이나 노하우의 축적도, 생산 설비의 충실도에서는, 단순 정방 격자 배열의 고체 촬상 장치 쪽이 앞서 있다고 생각된다. 따라서, 본 명세서에서는, 각 화소를 단순 정방 격자 배열로 나열하는 구성과 기울기 45도의 배열로 나열하는 구성, 쌍방을 나타내고 있지만, 위상차 AF나 3D기술의 기술 개발·전개를 생각했을 경우에는, 각 화소를 단순 정방 격자 배열로 나열하는 구성으로 한 쪽이 우위하다.
상기 화소 세트 내에서의 광입사 영역의 분리는, 각 PD(11)간을 물리적으로 떼어 놓거나, 또는 차광막으로 개구막의 위치를 떼어 놓고 있다. 광입사 영역을 분리하는 방법으로서, 도 16에 나타내는 바와 같이, 동(瞳)렌즈(140)의 위치에 차광판(스톱 플레이트)(142)을 도입하는 방법도 있다.
차광판(142)은, 도 17에 나타내는 바와 같이, 긴 변의 길이가 동렌즈(140)의 직경보다 길고, 짧은 변의 길이가 동렌즈(140)의 직경보다 짧은 장방형 형상으로 형성되어 있다. 차광판(142)은, 이동 기구(도시 생략)에 의해, 동렌즈(140)의 중앙을 투과하는 광을 차단하는 차광 위치(도 16에 실선으로 나타내는 위치)와, 동렌즈(140)로부터 퇴피한 퇴피 위치(도 16에 2점 쇄선으로 나타내는 위치) 사이에서 이동한다.
동렌즈(140) 및 차광판(142)은, 이면 조사형 고체 촬상 장치(144)에 이용하는 것이 바람직하다. 도 18에 나타내는 바와 같이, 이면 조사형 고체 촬상 장치(144)의 화소 세트(150)에서는, 제 1 화소(151)의 PD(151a)와, 제 2 화소(152)의 PD(152a) 사이에 차광막이 불필요하므로, 화소 세트(150) 내의 거의 전체 면에 감도를 갖고 있다.
도 19에 나타내는 바와 같이 차광판(142)이 퇴피(退避) 위치에 있을 경우, 동렌즈(140)의 좌측을 투과한 광은, 화소 세트(150)의 제 1 화소(151)에 입사한다. 동렌즈(140)의 우측을 투과한 광은, 화소 세트(150)의 제 2 화소(152)에 입사한다. 그리고, 동렌즈(140)의 중앙을 투과한 광은, 화소 세트(150)의 각 화소(151, 152)의 쌍방에 입사한다.
한편, 차광판(142)이 차광 위치에 있을 경우, 동렌즈(140)의 중앙을 투과한 광은, 차광판(142)에 의해 차단된다. 이 때문에, 제 1 화소(151)에는, 동렌즈(140)의 좌측을 투과한 광만이 입사하고, 제 2 화소(152)에는, 동렌즈(140)의 우측을 투과한 광만이 입사한다.
이에 따라 차광판(142)을 퇴피 위치로 하고, 화소 세트(150)의 각 화소(151, 152)의 화소값을 혼합함으로써 2D의 촬영을 행할 수 있다. 그리고, 차광체(142)를 차광 위치로 하고, 제 1 화소(151)로 이루어지는 화상과, 제 2 화소(152)로 이루어지는 화상을 취득함으로써 3D의 촬영을 행할 수 있다. 또한, 차광판(142)의 짧은 변의 길이를 바꿈으로써, 3D촬영에서 중요한 지표가 되고 있는 시차각(기선(基線) 길이)을 조정할 수 있다. 이렇게, 이면 조사형 고체 촬상 장치(144)에 차광판(142)를 조합시켜서, 동렌즈(140)의 중앙을 지나는 광을 차단하거나, 통과시키거나 하면, 단안 3D기능과 2D기능을 전환할 수 있다.
10, 60, 70, 80, 90 CCD이미지 센서
11, 64 PD
12, 81 제 1 화소
13, 82 제 2 화소
14, 74, 83 마이크로렌즈
15, 84 컬러 필터
16, 62, 72, 85, 92 화소 세트
18, 87 화소열
20, 88 촬상면
50 제 1 필터 세트
52 제 2 필터 세트

Claims (14)

  1. 입사광에 따른 전하를 축적하는 광전 변환부를 갖는 N개(N은 2 이상의 정수)의 화소와, 상기 N개의 화소 각각을 향해서 광을 집광하는 마이크로렌즈를 각각 포함하고, 종횡비(縱橫比)가 1:2인 직사각형 영역의 가로 방향의 중심에 대하여 상기 각 광전 변환부가 선대칭 또는 회전 대칭이 되도록 상기 N개의 화소가 나열되어 있고, 상기 마이크로렌즈의 광축이 상기 직사각형 영역의 중심과 일치하도록 배치됨과 함께, 상기 마이크로렌즈의 크기가 상기 직사각형 영역의 세로 방향의 폭보다 크고, 또한 상기 직사각형 영역의 상기 가로 방향의 길이보다 작게 되어 있는 복수의 화소 세트와,
    상기 가로 방향으로 상기 화소 세트를 복수 배열함으로써 구성된 화소열과,
    상기 화소열이 상기 세로 방향으로 복수 배열되고, 인접하는 상기 각 화소열 사이에서는, 상기 가로 방향으로 상기 직사각형 영역의 절반만큼 어긋나 있는 촬상면이며, 상기 마이크로렌즈의 상기 직사각형 영역으로부터 돌출된 부분이, 인접하는 화소열 내에서 가로로 나열된 2개의 화소 세트의 2개의 마이크로렌즈 사이에 들어가도록 되어 있는 촬상면을 구비한 고체 촬상 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 촬상면의 수평 방향으로 상기 화소열이 연장되어 있고, 기울기 45도 방향으로 상기 마이크로렌즈가 나열되어 있는 고체 촬상 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 화소 세트는 컬러 필터를 갖고, 이 컬러 필터는, 상기 마이크로렌즈와 마찬가지로 기울기 45도 방향으로 인접하는 배열로 상기 촬상면에 나열되어 있는 고체 촬상 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 컬러 필터는, 적색의 광을 투과시키는 적색 컬러 필터와, 녹색의 광을 투과시키는 녹색 컬러 필터와, 청색의 광을 투과시키는 청색 컬러 필터를 갖고,
    상기 각 색의 컬러 필터는, 기울기 45도 방향으로 인접해서 배치된 2개의 상기 녹색 컬러 필터와, 이들 각 녹색 컬러 필터와 인접하고, 또한 서로 기울기 45도 방향으로 인접해서 배치된 2개의 상기 적색 컬러 필터로 이루어지는 제 1 필터 세트와, 이 제 1 필터 세트의 상기 각 적색 컬러 필터를 상기 청색 컬러 필터로 치환한 제 2 필터 세트로 분류되며, 이들 각 필터 세트가 체크 무늬 형상으로 상기 촬상면에 배열되는 고체 촬상 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 컬러 필터는, 정방형(正方形)을 45도 회전시킨 형상이며, 그 대각선의 길이가 상기 직사각형 영역의 상기 가로 방향의 폭과 동일해지는 크기이며, 그 중심이 상기 마이크로렌즈의 광축과 일치하고 있는 고체 촬상 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 N은 2이며,
    상기 각 화소는, 정방형을 하고 있고, 수평 방향 및 수직 방향으로 인접하는 단순 정방 격자 배열로 상기 촬상면에 나열되어 있는 고체 촬상 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 촬상면의 기울기 45도 방향으로 상기 화소열이 연장되어 있고, 수평 방향 및 수직 방향으로 인접해서 상기 마이크로렌즈가 나열되어 있는 고체 촬상 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 N은 2이며, 2개의 정방형을 한 화소가 기울기 45도 방향으로 인접해서 배치되어 있는 고체 촬상 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 화소 세트 내의 상기 각 화소의 상기 광전 변환부, 또는 상기 각 화소의 차광막 개구부가, 상기 마이크로렌즈의 중앙에 치우치도록 편심해 있는 고체 촬상 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 N은 3∼5이며, 상기 화소열은 상기 직사각형 영역의 상기 가로 방향으로 연장되어 있는 고체 촬상 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 N개의 화소는 제 1∼제 5 화소이며, 상기 제 1 화소는 상기 직사각형 영역의 중앙에 배치되고, 상기 제 2 및 제 3 화소는 상기 제 1 화소의 우측에 상하 2열로 배치되고, 상기 제 4 및 제 5 화소는 상기 제 1 화소의 좌측에 상하 2열로 배치되어 있는 고체 촬상 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마이크로렌즈는, 상기 직사각형 영역의 상기 세로 방향의 폭을 A로 했을 때, 직경이
    Figure 112015064689137-pct00020
    A인 반구 형상으로 형성되어 있는 고체 촬상 장치.
  13. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마이크로렌즈는, 정방형 형상의 외형을 갖는 볼록 곡면 형상의 형상으로 형성되어 있는 고체 촬상 장치.
  14. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마이크로렌즈는, 상기 화소 세트의 상기 가로 방향의 길이가 장축의 길이와 같은 반타원구(半楕圓球) 형상을 하고 있고, 그 광축과 상기 직사각형 영역의 중심이 일치하도록 배치되어 있는 고체 촬상 장치.
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