(57)【要約】  位相差画素で感度を落とすことなく位相差情報を得ることができる固体撮像素子を提供する。  位相差を検出する複数画素ＰＤ１，ＰＤ２を画素群とし、該画素群ＰＤ１，ＰＤ２の各々の画素が受光する入射光を非対称とする溝部４６を該画素群ＰＤ１，ＰＤ２の光入射側上層に設けた光学素子（マイクロレンズ）４３間や中間屈折率層４５間に形成し、溝部４６の側面を光反射面とする。
2012042963.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位相差を検出する複数画素で構成された画素群と、
前記画素群の光入射側上層に設けた光学素子と、
前記光学素子に形成された溝部と、を備え
前記溝部は、前記画素群の各々の画素において受光する入射光を非対称とし、該溝部の側面が光反射面である固体撮像素子。
【請求項２】
請求項１に記載の固体撮像素子であって、
前記画素群は隣接する２画素で構成され、
前記光学素子は前記２画素の光入射側上層に設けられた前記２画素にそれぞれ対応する２つのマイクロレンズを含み、
前記溝部は前記２つのマイクロレンズの間を分離する固体撮像素子。
【請求項３】
請求項１に記載の固体撮像素子であって、
前記画素群は最隣接する４画素で構成され、
前記光学素子は該４画素の光入射側上層に設けられた前記４つ画素にそれぞれ対応する４つのマイクロレンズを含み、
前記溝部は前記４つのマイクロレンズの間を分離するように平面視において十字形に形成された固体撮像素子。
【請求項４】
請求項１に記載の固体撮像素子であって、
前記光学素子は前記画素群の前記複数の画素の光入射側上層に設けられ、
前記溝部は前記光学素子の外周囲を包囲するように形成された固体撮像素子。
【請求項５】
請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の固体撮像素子であって、
前記マイクロレンズの光入射側上層に形成され、該マイクロレンズより低屈折率である中間屈折率層と、
前記中間屈折率層の光入射側上層に形成され、該中間屈折率層より低屈折率である低屈折率層と、を有し、
前記溝部は前記中間屈折率層にも形成され、
該溝部内に前記低屈折率層と同じ材料が埋設される固体撮像素子。
【請求項６】
請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の固体撮像素子であって、
前記マイクロレンズの光入射側上層に形成され、該マイクロレンズより低屈折率である中間屈折率層と、
前記中間屈折率層の光入射側上層に形成され、該中間屈折率層より低屈折率である低屈折率層と、を有し、
前記溝部はその内部が光反射率の高い材料で埋められた固体撮像素子。
【請求項７】
請求項２又は３に記載の固体撮像素子であって、
該固体撮像素子の受光面の中心から周辺部に行くに従って、前記溝部が形成された前記マイクロレンズが該受光面の中心方向にずらして設けられる固体撮像素子。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の固体撮像素子であって、
複数の前記画素群が設けられ、
前記複数の画素群は固体撮像素子受光面の離散的な位置に設けられている固体撮像素子。
【請求項９】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の固体撮像素子であって、
複数の前記画素群が設けられ、
前記複数の画素群は固体撮像素子受光面の全面に連続して設けられている固体撮像素子。
【請求項１０】
請求項１に記載の固体撮像素子であって、
前記光学素子は前記画素群の複数画素を共通に覆う１枚のマイクロレンズを有する固体撮像素子。
【請求項１１】
請求項４に記載の固体撮像素子であって、
複数の前記画素群が設けられ、
前記複数の画素群が受光面の全面に連続して設けられ、
前記光学素子は各画素群の画素を共通に覆い、各画素群に対応するマイクロレンズを有し
固体撮像素子は、
該マイクロレンズの光入射側上層に該マイクロレンズの材料より低屈折率の材料で形成された中間屈折率層と、
該中間屈折率層の光入射側上層に形成され、該中間屈折率層より低屈折率の低屈折率層と、
を有し、
前記溝部は前記中間屈折率層にも形成され、該溝部内に前記低屈折率層と同じ材料が埋設される固体撮像素子。
【請求項１２】
請求項１１に記載の固体撮像素子であって、
前記中間屈折率層は、その表面が前記マイクロレンズの表面の形状に倣う形状である固体撮像素子。
【請求項１３】
請求項４に記載の固体撮像素子であって、
複数の前記画素群が設けられ、
前記複数の画素群が受光面の全面に連続して設けられ、
前記光学素子は各画素群の画素を共通に覆い、各画素群に対応するマイクロレンズを有し、
固体撮像素子は、
該マイクロレンズの光入射側上層に該マイクロレンズの材料より低屈折率の材料で形成された中間屈折率層と、
該中間屈折率層の光入射側上層に形成され、該中間屈折率層より低屈折率の低屈折率層と、
を有し、
前記溝部は前記中間屈折率層にも形成され、
前記溝部はその内部が、光反射率の高い材料で埋められた固体撮像素子。
【請求項１４】
請求項９から請求項１３のいずれか１項に記載の固体撮像素子であって、
画素群が固体撮像素子受光面に正方格子配列され、
各画素群のそれぞれの画素が同色のカラーフィルタを持ち、
画素群のカラーフィルタ配列がベイヤ配列又はストライプ配列となっている
固体撮像素子。
【請求項１５】
請求項９から請求項１３のいずれか１項に記載の固体撮像素子であって、
固体撮像素子受光面に形成される奇数行の前記画素群と偶数行の前記画素群とが１／２ピッチづつずらして形成され、
各画素群のそれぞれの画素が同色のカラーフィルタを持ち、
奇数行の前記画素群のカラーフィルタがベイヤ配列され、
偶数行の前記画素群のカラーフィルタがベイヤ配列される
固体撮像素子。
【請求項１６】
請求項９から請求項１３のいずれか１項に記載の固体撮像素子であって、
固体撮像素子受光面に形成される奇数行の前記画素群と偶数行の前記画素群とが１／２ピッチづつずらして形成され、
各画素群のそれぞれの画素が同色のカラーフィルタを持ち、
偶数列または奇数列のいずれか一方の画素群が緑色フィルタを持ち、
偶数列または奇数列の他方の画素群が群単位に赤色フィルタと青色フィルタを交互に持つ
固体撮像素子。
【請求項１７】
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の固体撮像素子と、
被写体までの合焦を行う撮影レンズと、
前記固体撮像素子の前記画素群のそれぞれの画素の検出信号から前記被写体までの測距を行い前記撮影レンズの合焦制御を行う制御部と
を備える撮像装置。
【請求項１８】
請求項９から請求項１６のいずれか１項に記載の固体撮像素子と、
前記画素群のそれぞれの画素が検出した撮像画像信号を取り込み被写体の３次元画像を生成する信号処理部と
を備える撮像装置。
【請求項１９】
請求項１から請求項１８のいずれか１項に記載の固体撮像素子であって、
裏面照射型である固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位相差画素が形成された固体撮像素子とこの固体撮像素子を搭載した撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
位相差方式（瞳分割方式）の位相差画素をＣＣＤ型やＣＭＯＳ型等のイメージセンサ（固体撮像素子）に形成することで、位相差画素の検出信号を用いて被写体までの測距ができ、オートフォーカスの高速化を図ることが可能となる。また、位相差画素で撮像した被写体画像により、被写体の立体画像を生成することも可能になる。【０００３】
位相差方式の瞳分割を行う位相差画素として、例えば下記の特許文献１，２に記載されたものが知られている。特許文献１の位相差画素は、隣接する複数画素に１個のマイクロレンズを搭載することで構成される。特許文献２の位相差画素は、各画素に夫々搭載されるマイクロレンズの一部を遮光膜で覆うことで構成される。マイクロレンズではなく、各画素の遮光膜開口を小さくして偏心させることで、位相差画素とすることもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】日本国特開２００７―１５８１０９号公報
【特許文献２】日本国特開２００３―７９９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の位相差画素は、複数画素で１個のマイクロレンズを共用したり、各画素のマイクロレンズの一部を遮光する、又は遮光膜開口を狭めて偏心させている。【０００６】
１個のマイクロレンズを複数画素で共用する位相差画素の場合、マイクロレンズの曲率を大きくし扁平なマイクロレンズにしなければならない。このため、このような位相差画素は位相差情報の検出能力が低いという課題がある。【０００７】
マイクロレンズの一部を遮光する、又は遮光膜開口を狭めて偏心させる位相差画素の場合、遮光膜開口を狭めて偏心させればさせるほど精度の高い位相差情報を得ることが可能となる。しかし、マイクロレンズや遮光膜開口を透過する光量が減るため、光利用効率つまり位相差画素の感度が低下してしまうという課題がある。【０００８】
本発明の目的は、位相差情報の検出能力が高くかつ光利用効率が高い位相差画素を持つ固体撮像素子及びこの固体撮像素子を搭載した撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の固体撮像素子は、位相差を検出する複数画素で構成された画素群と、
前記画素群の光入射側上層に設けた光学素子と、
前記光学素子に形成された溝部と、を備え
前記溝部は、前記画素群の各々の画素において受光する入射光を非対称とし、該溝部の側面が光反射面である。【００１０】
本発明の撮像装置は、上記の固体撮像素子と、被写体までの合焦を行う撮影レンズと、
前記固体撮像素子の前記画素群のそれぞれの画素の検出信号から前記被写体までの測距を行い前記撮影レンズの合焦制御を行う制御部とを備える。【００１１】
本発明の撮像装置は、上記記載の固体撮像素子と、前記画素群のそれぞれの画素が検出した撮像画像信号を取り込み被写体の３次元画像を生成する信号処理部とを備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、溝部の側面で反射した光を位相差画素に入射し非対称な光情報を得る構成のため、感度を犠牲にすることなく位相差情報を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る撮像装置の機能ブロック構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る位相差画素の説明図である。
【図３】図２に示す位相差画素の感度入射角依存性を示すシミュレーション結果を示すグラフである。
【図４】本発明の第１実施形態の位相差画素の説明図である。
【図５】図４のＡ―Ａ線断面模式図である。
【図６】本発明の第２実施形態の位相差画素の説明図である。
【図７】本発明の第３実施形態の位相差画素の断面模式図である。
【図８】本発明の第４実施形態の位相差画素の説明図である。
【図９】図８のＢ―Ｂ線断面模式図である。
【図１０】本発明の第５実施形態の位相差画素の説明図である。
【図１１】図１０のＣ―Ｃ線断面模式図である。
【図１２】本発明の第６実施形態の位相差画素の断面模式図である。
【図１３】本発明の第７実施形態の位相差画素の説明図である。
【図１４】図１３のＤ―Ｄ線断面模式図である。
【図１５】本発明の第８実施形態の位相差画素の説明図である。
【図１６】図１５のＥ―Ｅ線断面模式図である。
【図１７】本発明の第９実施形態の位相差画素の断面模式図である。
【図１８】本発明の第１０実施形態の位相差画素の説明図である。
【図１９】図１８のＦ―Ｆ線断面模式図である。
【図２０】本発明の第１１実施形態の位相差画素の説明図である。
【図２１】図２０のＨ―Ｈ線断面模式図である。
【図２２】本発明の第１２実施形態の位相差画素の断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態に係る撮像装置の機能ブロック図である。この実施形態の撮像装置は、被写体の静止画像或いは動画像を撮影するデジタルカメラ１０を例としている。デジタルカメラ１０は、撮影レンズ２０と、固体撮像素子２１と、アナログ信号処理部２２と、アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換部２３と、駆動部２４と、フラッシュ２５とを備える。固体撮像素子２１は、撮影レンズ２０の背部に置かれその結像面に配置される。アナログ信号処理部２２は、固体撮像素子２１から出力されるアナログ画像データを自動利得調整（ＡＧＣ）や相関二重サンプリング処理等のアナログ処理を行う。Ａ／Ｄ変換部２３は、アナログ信号処理部２２から出力されるアナログ画像データをデジタル画像データに変換する。駆動部２４は、後述のシステム制御部（ＣＰＵ）２９からの指示によってＡ／Ｄ変換部２３，アナログ信号処理部２２，固体撮像素子２１，撮影レンズ２０の駆動制御を行う。駆動部２４は、タイミングジェネレータを含む。フラッシュ２５は、ＣＰＵ２９からの指示によって発光する。
【００１６】
本実施形態のデジタルカメラ１０は更に、デジタル信号処理部２６と、圧縮／伸長処理部２７と、表示部２８と、システム制御部（ＣＰＵ）２９と、フレームメモリ等の内部メモリ３０と、メディアインタフェース（Ｉ／Ｆ）部３１と、これらを相互に接続するバス４０とを備える。デジタル信号処理部２６は、Ａ／Ｄ変換部２３から出力されるデジタル画像データを取り込み、補間処理やホワイトバランス補正，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行う。圧縮／伸長処理部２７は、画像データをＪＰＥＧ形式などの画像データに圧縮したり、逆に伸長したりする処理を実行する。表示部２８は、メニューなどを表示したりスルー画像（ライブビュー画像）や撮像画像を表示する。ＣＰＵ２９は、デジタルカメラ全体を統括制御する。メディアインタフェース（Ｉ／Ｆ）部３１は、ＪＰＥＧ画像データ等を格納する記録メディア３２との間のインタフェース処理を行う。また、システム制御部２９には、ユーザからの指示入力を行う操作部３３が接続されている。
【００１７】
詳細は後述する固体撮像素子２１は、ＣＣＤ型でもＣＭＯＳ型でも良く、画素が二次元アレイ状に配列形成されていればよい。固体撮像素子２１には、一部の画素として位相差画素が後述する構成で設けられている。ＣＰＵ２９は、この位相差画素の検出信号を取り込み、デジタル信号処理部２６を用いて位相差画素の検出信号を解析し、被写体までの測距を行う。そして、ＣＰＵ２９は、測距結果に基づいて駆動部２４を介して撮影レンズ２０の焦点位置合わせレンズを移動させ、被写体に合焦させる。
【００１８】
固体撮像素子２１の有効画素領域内の全画素を例えば２画素ずつペアとして位相差画素とすることでも良い。この場合、各ペアの一方の画素と他方の画素との光入射方向が異なるため、視差が生じる。各ペアの一方の画素の撮像画像を左眼で見た画像、他方の画素の撮像画像を右眼で見た画像となるように位相差を設けることで、図１のＣＰＵ２９は、左眼の撮像画像と右眼の撮像画像から立体画像を生成することができる。
【００１９】
図２は、本発明の第１実施形態に係る位相差画素の説明図である。水平方向に並ぶ４つの画素を図示されており、半導体基板４０には各画素に対応するフォトダイオード（ＰＤ）が設けられている。水平方向に隣接する２つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２がペアとなる位相差画素を構成する。
【００２０】
フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２が形成された半導体基板４０の上には、図示を省略した周知の配線層（ＣＭＯＳ型の場合）又は電荷転送電極（ＣＣＤ型の場合）や遮光膜等が積層され、その上に、カラーフィルタ層４１が積層される。更にその上には、各画素対応のマイクロレンズ（ＭＣＬ）４３が形成される。マイクロレンズ４３は、例えば屈折率ｎがｎ＝１．６程度の透明樹脂層で形成される。
【００２１】
固体撮像素子２１の最表面には、例えば空気（屈折率ｎ＝１．０）等の低屈折率層４４が設けられている。マイクロレンズ４３と低屈折率層４４との間には、両者の屈折率の中間の屈折率の屈折率層（中間屈折率層）４５が設けられる。中間屈折率層４５は、例えば屈折率ｎがｎ＝１．４程度である。
【００２２】
以上の構成だけでは、フォトダイオードＰＤ１に入射する光とフォトダイオードＰＤ２に入射する光との間に位相差は生じず、両画素（両フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２）は位相差画素にはなっていない。
【００２３】
そこで、本実施形態では、１つおきのフォトダイオードと隣接するフォトダイオードとの間の光学素子（中間屈折率層４５，マイクロレンズ４３）に、図１の撮影レンズ２０の光軸に平行となるスリット（溝）４６が設けられる。このスリット４６内には、低屈折率層４４と同じ材料が埋められている。これにより、中間屈折率層４５に入射し、スリット４６の側面（光反射面）に入射した光は、この側面において全反射し、直下のフォトダイオードＰＤ（図２では、ＰＤ２）に入射する。
【００２４】
即ち、スリット４６を挟んだ２つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２、或いは同じであるが、スリット４６間に挟まれた２つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２は、左右非対称な光学特性を持つことになり、位相差画素となる。
【００２５】
図３は、位相差画素を構成する２つのフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の感度の入射角依存性を調べたシミュレーション結果を示すグラフである。光の入射角θ（図２の右上部分を参照）を横軸にとり、感度を縦軸にとっている。このシミュレーション結果によれば、ペアとなる２個の位相差画素ＰＤ１，ＰＤ２の受光感度は、光入射角依存性を持つことが分かる。
【００２６】
この実施形態に係る位相差画素ＰＤ１，ＰＤ２は、マイクロレンズの一部を遮光したりしていないため、感度低下は無い。なお、スリット４６の側面で入射光を全反射するのが好ましいため、この側面は荒れた状態でなく鏡面であることが好ましい。
【００２７】
図４は、図２で説明したペアとなる位相差画素を受光面の離散的位置に設けた固体撮像素子の表面模式図である。なお、図４では、各画素に積層したマイクロレンズを○印で示し、それ以外の信号読出部等については図示を省略している。図５は、図４のＡ―Ａ線断面模式図である。図５に示す実施形態の固体撮像素子は、図２のカラーフィルタ層４１の替わりに平坦化層４２が設けられ、モノクロ画像を撮影できる構成である。
【００２８】
図４に示す固体撮像素子２１は、複数の画素が正方格子状に配列形成されており、各画素上にマイクロレンズが搭載されている。本実施形態では、受光面の中心から水平方向に延びる画素行の離散的位置（図示する例では２画素置き）に位相差画素のペア５０が配置され、各ペアの画素間が垂直方向に延びるスリット４６で分けられている。
【００２９】
更に、受光面の中心の垂直方向に延びる画素列においても、離散的位置（図示する例では２画素置き）に位相差画素のペア５１が配置され、各ペアの画素間が水平方向に延びるスリット４６で分けられている。
【００３０】
位相差画素の水平方向のペア５０に基づいて、被写体の水平方向の位相差が検出される。位相差画素の垂直方向のペア５１に基づいて、被写体の垂直方向の位相差が検出される。即ち、本実施形態の各位相差画素のペアは、２眼式の位相差検出画素である。
【００３１】
図６は、本発明の第２実施形態に係る位相差画素の説明図である。固体撮像素子２１の受光面の離散的位置に、図示する例では、受光面中心及びその水平方向，垂直方向の４画素おきの位置に、位相差画素群５２が設けられている。
【００３２】
位相差画素群５２は、最隣接する２×２＝４個の画素を一群として構成されている。この４個の画素は、平面視において十字形のスリット４７で分けられている。この実施形態では、１群の位相差画素５２に基づいて、垂直方向及び水平方向の位相差が検出される、４眼式の位相差画素となる。
【００３３】
なお、この画素群の内部に十字形の溝部を設けるのではなく、画素群を取り囲む四角形の溝部でも良い。また、十字形の溝部や四角形の溝部を持つ画素群に後述の図１５の実施形態と同様に、１枚の共通のマイクロレンズを搭載することもできる。
【００３４】
図７は、本発明の第３実施形態に係る位相差画素の説明図である。第１及び第２の実施形態では、位相差画素間がスリット４６，４７で分けられ、スリット内に低屈折率材料が埋設された構成である。低屈折率材料が空気である場合は、スリット４６，４７はエアギャップ部となっていた。
【００３５】
これに対し、本実施形態では、スリット４６，４７内に金属板４８が埋設されている。金属板４８は、例えば、中間屈折率層４５を積層した後にエッチングでスリット４６，４７を開け、次に金属を蒸着してスリット４６，４７内を埋めることによって形成される。そして、金属板４８が埋設された後で、ＣＭＰなどで中間屈折率層４５の表面を研磨することで固体撮像素子２１を製造することができる。金属板４８が、スリット４６，４７の替わりに中間屈折率層４５に埋設されても良い。
【００３６】
この実施形態でも、第１及び第２実施形態と同様の効果を得ることができ、また、第１及び第２実施形態では、光反射面で全反射する条件を超えた光は、スリットを透過する。しかし、本実施形態の様に光反射率の高い金属面を光反射面としていれば、全ての入射光を反射することが可能となる。
【００３７】
なお、以上述べた実施形態は、各画素が正方格子状に配列された固体撮像素子に適用した例である。しかし、画素配列が奇数行の画素行に対して偶数行の画素行が１／２画素ピッチずつずれた、所謂ハニカム画素配列にも同様に適用可能である。この場合には、スリット４６，４７や金属板４８は、斜め４５度に傾く形状となる。
【００３８】
図８は、本発明の第４実施形態に係る固体撮像素子の説明図であり、図９は図８のＢ―Ｂ線断面模式図である。本実施形態では、有効画素領域内の全画素が位相差画素である。即ち、１列おきに、受光面の全面に渡る垂直方向のスリット４９が設けられている。本実施形態の構成においても、図７の実施形態と同様に、スリット４９内を金属で埋めても良い。
【００３９】
これにより、２眼式で全画素から位相差情報を取得でき、更に、１つの固体撮像素子２１で２眼式の３次元画像を取得することが可能となる。即ち、各スリット４９の左側の画素で右眼で見た被写体画像を撮像でき、各スリット４９の右側の画素で左眼で見た被写体画像を撮像できる。各画素が位相差画素であるが、マイクロレンズの一部を遮光する構成や遮光膜開口を狭めて偏心させた構成ではない。このため、感度を落とすことなく、被写体の立体画像を撮像することが可能となる。また、被写体までの測距も全画素で可能となる。
【００４０】
図８に例示する実施形態では、水平方向の画素数をｘとしたとき、ｘ＝２毎に垂直方向に延びるスリット４９を設けている。しかし、ｘ≧３とすることも可能である。この場合でも、２眼式の水平方向の位相差情報を検出できる。被写体画像を撮像する場合、位相差画素に挟まれた通常画素の感度特性を利用し、画素補正を行うことが可能となる。
【００４１】
スリット４９を垂直方向（列方向）に設けるのではなく、水平方向（行方向）に形成してもよい。この場合は、縦方向（垂直方向）の位相差情報を取得することができる。また、画素配列を４５度ずらした所謂ハニカム画素配列の固体撮像素子においては、スリット４９による光反射面の形成方向を、同様に、４５度傾ければ良い。
【００４２】
図１０は、本発明の第５実施形態に係る位相差画素の説明図であり、図１１は図１０のＣ―Ｃ線断面模式図である。図８の実施形態では、隣接するスリット４９の間にある２個の画素が夫々マイクロレンズを搭載していた。しかし、本実施形態では、隣接するスリット４９間の２個の画素が楕円状の１個のマイクロレンズ４３ａを共有する構造である。本実施形態によれば、１個のマイクロレンズを２個の位相差画素が共有することにより、スリット４９による光反射面が左右のいずれに有るかの違いによる位相差情報に加え、マイクロレンズによる光分離の位相差が加わり、位相差検出能力が向上する。
【００４３】
図１２は、本発明の第６実施形態に係る位相差画素の断面模式図である。平面図における画素の配列は図１０の配列と同じとする。図１１に示す実施形態では、中間屈折率層４５の表面は平面となっていた。しかし、本実施形態では、中間屈折率層４５ａの厚さを均一厚さとし、マイクロレンズ４３ａの表面に沿う曲面形状としている点で、図１１の実施形態とは相違する。本実施形態によれば、中間屈折率層４５ａの表面のレンズ効果による光分離効果が加わり、位相差検出能力が更に向上する。
【００４４】
図１３は、本発明の第７実施形態に係る位相差画素の説明図であり、図１４は図１３のＤ―Ｄ線断面模式図である。本実施形態では、３×３の最隣接する９個の画素群を１群とし、各群が受光面全面で分離するように、水平方向で３画素毎に垂直方向に延びるスリット６１が設けられ、更に垂直方向で３画素毎に水平方向に延びるスリット６２が設けられている。
【００４５】
この実施形態によれば、各群９個の画素が夫々異なる位相差情報を持つ被写体画像を撮影することができ、被写体までの測距情報を得ることができると共に、３次元の被写体画像を撮影することができる。３次元画像は、多眼にするほど滑らかな画像となる。なお、この実施形態では、３×３画素を１群の画素としているが、２×３画素でも４×３画素でも良く、一般的にｎ×ｍ（ｎ＝ｍも含む）画素として良い。１群内の画素数があまり多くなると、画素間での位相差が小さくなるため、４×４画素や５×５画素程度を上限とするのが良い。
【００４６】
図１５は、本発明の第８実施形態に係る位相差画素の説明図であり、図１６は図１５のＥ―Ｅ線断面模式図である。図１３の実施形態では、１群９画素の各画素が夫々マイクロレンズ４３を持っていた。しかし、本実施形態では、１群９画素が１つの扁平なマイクロレンズ４３ｂを共有する構成である。
【００４７】
本実施形態のように各群９画素が夫々１個のマイクロレンズ４３ｂを共有することで、スリット６１，６２による光反射面との９画素との位置関係による位相差だけでなく、光分離による位相差も検出することができ、位相差検出性能が更に向上する。この図１５の実施形態では、９画素の中央の検出信号を基準として、周りの８画素夫々の位相差を求めることができる。
【００４８】
図１７は、本発明の第９実施形態に係る位相差画素の断面模式図である。本実施形態は、図１２の実施形態と同様に、中間屈折率層４５ｂの形状を、下地となるマイクロレンズ４３ｂの表面に沿う曲面形状とした点が図１５の実施形態と異なる。
【００４９】
本実施形態によれば、中間屈折率層４５ｂの表面のレンズ効果による光分離効果が加わり、更に、位相差検出能力が向上する。
【００５０】
図１８は、本発明の第１０実施形態に係る位相差画素の説明図であり、図１９は、図１８のＦ―Ｆ線断面模式図である。断面の基本的構造は図１２の実施形態と同じである。しかし、本実施形態では、図１２の実施形態の平坦化層４２の代わりにカラーフィルタ層４１を設けた点で図１２の実施形態とは相違する。
【００５１】
本実施形態の固体撮像素子は、二次元アレイ状に配列形成された複数の画素（ＰＤ）が、正方格子配列ではなく、所謂、ハニカム画素配列である。即ち、奇数行の画素行に対し偶数行の画素行が１／２画素ピッチづつずらして形成されている。この結果、２画素置きに形成されるスリット４９は、斜め方向に延びるように設けられる。
【００５２】
奇数行の画素行だけを見ると各画素は正方格子配列され、ここに３原色ＲＧＢのカラーフィルタをベイヤ配列する。そして更に、偶数行の画素行だけを見ると各画素は同じく正方格子配列され、ここにＲＧＢのカラーフィルタをベイヤ配列する。
【００５３】
これにより、斜めに隣接する画素は、同色のカラーフィルタを持つことになる。Ｇ（緑）色フィルタを持つ斜め画素行が１行おきに設けられる。また、残りの斜め画素行には、Ｒ（赤）色フィルタを持つ画素が２画素連続し、次にＢ（青）色フィルタを持つ画素が２画素連続し、Ｒ色フィルタを持つ画素が２画素連続する斜め画素行と、逆にＢ（青）色フィルタを持つ画素が２画素連続し、次にＲ（赤）色フィルタを持つ画素が２画素連続し、Ｂ色フィルタを持つ画素が２画素連続する斜め画素行とが、Ｇ色フィルタを持つ斜め画素行を挟んで交互に並ぶことになる。
【００５４】
この様にベイヤ配列が二重に設けられたカラーフィルタ配列において、本実施形態では、斜めに２画素連続する同色画素に１つのマイクロレンズ４３ａを搭載する。同一色の２画素に位相差画素を組み込むことで、位相差画素を特別なカラーフィルタ配列にする必要がなくなる。しかも、ベイヤ配列が二重に設けられているため、この２画素の同色画素を加算して３次元の高感度な被写体画像を撮像することと、２画素夫々の露光時間を変えることで３次元のダイナミックレンジの広い被写体画像を撮像することが可能となる。
【００５５】
なお、斜めに隣接する２画素を１単位画素としたとき、奇数列の単位画素に搭載するカラーフィルタ配列として、Ｒ色フィルタとＢ色フィルタを交互に搭載した列と、Ｂ色フィルタとＲ色フィルタとを交互に搭載した列とを交互に設け、偶数列の単位画素にＧ色フィルタだけを搭載する構成としてもよい。このようなカラーフィルタ配列をハニカムカラーフィルタ配列という。
【００５６】
図２０は、本発明の第１１実施形態に係る位相差画素の説明図であり、図２１は、図２０のＨ―Ｈ線断面模式図である。本実施形態は、図１５の実施形態と同様に、最隣接３×３＝９画素を１群としてスリット６１，６２を形成した固体撮像素子である。この実施形態では、各群の配列は正方配列となり、そこで、同一群に同一色のカラーフィルタを搭載し、各群にＲＧＢのカラーフィルタをベイヤ配列する。そして、各群に１個のマイクロレンズ４３ｂを積層し、マイクロレンズ４３ｂの上に、中間屈折率層４５ｂをレンズ状に積層する。
【００５７】
本実施形態においても、全画素を多眼式の位相差画素としており、被写体までの測距と３次元の被写体画像の撮像が可能となる。なお、各群のカラーフィルタ配列は、ベイヤ配列に限るものではなく、ストライプ配列でも良い。
【００５８】
図２２は、本発明の第１２実施形態に係る位相差画素の断面模式図である。第１〜第１１実施形態の固体撮像素子は、表面照射型の固体撮像素子であり、半導体基板の表面側にフォトダイオード（ＰＤ）と信号読出回路が形成され、その表面側上層にマイクロレンズ等が積層した構造になっている。この構造だと、表面側に信号読出回路等を形成しなければならないため、開口率が低下してしまう。
【００５９】
そこで、半導体基板の表面側にフォトダイオード（ＰＤ）と信号読出回路とが形成され、半導体基板の裏面側にマイクロレンズ等が形成され、被写体からの入射光が半導体基板の裏面側で受光され、半導体基板内に浸入した光量に応じた信号電荷が表面側のフォトダイオード（ＰＤ）で検出される構成とする。このような構成を有する裏面照射型の固体撮像素子によれば、開口率を高めることができる。
【００６０】
図２２は、この裏面照射型固体撮像素子に図１９の実施形態を適用した実施形態を示している。半導体基板４０の表面側に、信号読出回路の配線層３０が形成され、裏面側にマイクロレンズ４３ａや、スリット４９が設けた中間屈折率層４５ａが形成されている。このように、本発明の上記各実施形態は、裏面照射型の固体撮像素子に適用可能である。
【００６１】
なお、上述した実施形態では、マイクロレンズや表面を曲面形状にした中間屈折層が該当のフォトダイオード直上に設けられている。しかし、固体撮像素子の受光面周辺部に行くに従って入射光は斜め入射光となることを鑑みて、例えば特開２００９―８７９８３号公報に記載されている様に、斜め入射光に合わせる様にマイクロレンズ等を受光面中心方向にずらすスケーリングを行い、シェーディング対策を施してもよい。上述した各実施形態では、スリット４９等を設けたマイクロレンズや中間屈折率層を固体撮像素子受光面の周辺に行くほど受光面中心方向にずらすスケーリングを行うことが好ましい。
【００６２】
なお、上述した実施形態では、個々の実施形態を個別に説明したが、複数の実施形態を組み合わせて実施することも可能である。
【００６３】
本明細書は、以下の事項を開示するものである。
（１）  位相差を検出する複数画素で構成された画素群と、
前記画素群の光入射側上層に設けた光学素子と、
前記光学素子に形成された溝部と、を備え
前記溝部は、前記画素群の各々の画素において受光する入射光を非対称とし、該溝部の側面が光反射面である固体撮像素子。
（２）（１）に記載の固体撮像素子であって、
前記画素群は隣接する２画素で構成され、
前記光学素子は前記２画素の光入射側上層に設けられた前記２画素にそれぞれ対応する２つのマイクロレンズを含み、
前記溝部は前記２つのマイクロレンズの間を分離する固体撮像素子。
（３）（１）に記載の固体撮像素子であって、
前記画素群は最隣接する４画素で構成され、
前記光学素子は該４画素の光入射側上層に設けられた前記４つ画素にそれぞれ対応する４つのマイクロレンズを含み、
前記溝部は前記４つのマイクロレンズの間を分離するように平面視において十字形に形成された固体撮像素子。
（４）（１）に記載の固体撮像素子であって、
前記光学素子は前記画素群の前記複数の画素の光入射側上層に設けられ、
前記溝部は前記光学素子の外周囲を包囲するように形成された固体撮像素子。
（５）（２）から（４）のいずれか１つに記載の固体撮像素子であって、
前記マイクロレンズの光入射側上層に形成され、該マイクロレンズより低屈折率である中間屈折率層と、
前記中間屈折率層の光入射側上層に形成され、該中間屈折率層より低屈折率である低屈折率層と、を有し、
前記溝部は前記中間屈折率層にも形成され、
該溝部内に前記低屈折率層と同じ材料が埋設される固体撮像素子。
（６）（２）から（４）のいずれか１つに記載の固体撮像素子であって、
前記マイクロレンズの光入射側上層に形成され、該マイクロレンズより低屈折率である中間屈折率層と、
前記中間屈折率層の光入射側上層に形成され、該中間屈折率層より低屈折率である低屈折率層と、を有し、
前記溝部はその内部が光反射率の高い材料で埋められた固体撮像素子。
（７）（２）又は（３）に記載の固体撮像素子であって、
該固体撮像素子の受光面の中心から周辺部に行くに従って、前記溝部が形成された前記マイクロレンズが該受光面の中心方向にずらして設けられる固体撮像素子。
（８）（１）から（７）のいずれか１つに記載の固体撮像素子であって、
複数の前記画素群が設けられ、
前記複数の画素群は固体撮像素子受光面の離散的な位置に設けられている固体撮像素子。
（９）（１）から（７）のいずれか１つに記載の固体撮像素子であって、
複数の前記画素群が設けられ、
前記複数の画素群は固体撮像素子受光面の全面に連続して設けられている固体撮像素子。
（１０）（１）に記載の固体撮像素子であって、
前記光学素子は前記画素群の複数画素を共通に覆う１枚のマイクロレンズを有する固体撮像素子。
（１１）（４）に記載の固体撮像素子であって、
複数の前記画素群が設けられ、
前記複数の画素群が受光面の全面に連続して設けられ、
前記光学素子は各画素群の画素を共通に覆い、各画素群に対応するマイクロレンズを有し
固体撮像素子は、
該マイクロレンズの光入射側上層に該マイクロレンズの材料より低屈折率の材料で形成された中間屈折率層と、
該中間屈折率層の光入射側上層に形成され、該中間屈折率層より低屈折率の低屈折率層と、
を有し、
前記溝部は前記中間屈折率層にも形成され、該溝部内に前記低屈折率層と同じ材料が埋設される固体撮像素子。
（１２）（１１）に記載の固体撮像素子であって、
前記中間屈折率層は、その表面が前記マイクロレンズの表面の形状に倣う形状である固体撮像素子。
（１３）（４）に記載の固体撮像素子であって、
複数の前記画素群が設けられ、
前記複数の画素群が受光面の全面に連続して設けられ、
前記光学素子は各画素群の画素を共通に覆い、各画素群に対応するマイクロレンズを有し、
固体撮像素子は、
該マイクロレンズの光入射側上層に該マイクロレンズの材料より低屈折率の材料で形成された中間屈折率層と、
該中間屈折率層の光入射側上層に形成され、該中間屈折率層より低屈折率の低屈折率層と、
を有し、
前記溝部は前記中間屈折率層にも形成され、
前記溝部はその内部が、光反射率の高い材料で埋められた固体撮像素子。
（１４）（９）から（１３）のいずれか１つに記載の固体撮像素子であって、
画素群が固体撮像素子受光面に正方格子配列され、
各画素群のそれぞれの画素が同色のカラーフィルタを持ち、
画素群のカラーフィルタ配列がベイヤ配列又はストライプ配列となっている固体撮像素子。
（１５）（９）から（１３）のいずれか１つに記載の固体撮像素子であって、
固体撮像素子受光面に形成される奇数行の前記画素群と偶数行の前記画素群とが１／２ピッチづつずらして形成され、
各画素群のそれぞれの画素が同色のカラーフィルタを持ち、
奇数行の前記画素群のカラーフィルタがベイヤ配列され、
偶数行の前記画素群のカラーフィルタがベイヤ配列される固体撮像素子。
（１６）（９）から（１３）のいずれか１つに記載の固体撮像素子であって、
固体撮像素子受光面に形成される奇数行の前記画素群と偶数行の前記画素群とが１／２ピッチづつずらして形成され、
各画素群のそれぞれの画素が同色のカラーフィルタを持ち、
偶数列または奇数列のいずれか一方の画素群が緑色フィルタを持ち、
偶数列または奇数列の他方の画素群が群単位に赤色フィルタと青色フィルタを交互に持つ固体撮像素子。
（１７）（１）から（８）のいずれか１つに記載の固体撮像素子と、
被写体までの合焦を行う撮影レンズと、
前記固体撮像素子の前記画素群のそれぞれの画素の検出信号から前記被写体までの測距を行い前記撮影レンズの合焦制御を行う制御部とを備える撮像装置。
（１８）（９）から（１６）のいずれか１つに記載の固体撮像素子と、
前記画素群のそれぞれの画素が検出した撮像画像信号を取り込み被写体の３次元画像を生成する信号処理部とを備える撮像装置。
（１９）（１）から（１８）のいずれか１つに記載の固体撮像素子であって、
裏面照射型である固体撮像素子。
【００６４】
以上述べた実施形態によれば、遮光膜開口を狭めることなく、光軸に沿う方向に溝部を設け該溝部の側面で入射光を全反射させて位相差画素間の非対称な光情報を得るため、感度を犠牲にすることなく位相差情報を得ることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明に係る固体撮像素子は、被写体までの距離を測定できるため合焦した被写体画像を撮像でき、デジタルカメラやカメラ付携帯電話機，カメラ付電子装置等の撮像装置に適用すると有用である。
本発明を詳細に又は特定の実施形態を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
本出願は、２０１０年９月２９日出願の日本特許出願（特願２０１０−２２００７４）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
【符号の説明】
【００６６】
２０  撮影レンズ
２１  固体撮像素子
２６  デジタル信号処理部
２９  システム制御部
４０  半導体基板
４１  カラーフィルタ層
４２  平坦化層
４３，４３ａ  マイクロレンズ（光学素子）
４４  低屈折率層（空気など）
４５，４５ａ，４５ｂ  中間屈折率層（光学素子）
４６，４７，４９，６１，６２  スリット（溝部）
４８  金属板
【図１】
2012042963.tif 000003
【図２】
2012042963.tif 000004
【図３】
2012042963.tif 000005
【図４】
2012042963.tif 000006
【図５】
2012042963.tif 000007
【図６】
2012042963.tif 000008
【図７】
2012042963.tif 000009
【図８】
2012042963.tif 000010
【図９】
2012042963.tif 000011
【図１０】
2012042963.tif 000012
【図１１】
2012042963.tif 000013
【図１２】
2012042963.tif 000014
【図１３】
2012042963.tif 000015
【図１４】
2012042963.tif 000016
【図１５】
2012042963.tif 000017
【図１６】
2012042963.tif 000018
【図１７】
2012042963.tif 000019
【図１８】
2012042963.tif 000020
【図１９】
2012042963.tif 000021
【図２０】
2012042963.tif 000022
【図２１】
2012042963.tif 000023
【図２２】
2012042963.tif 000024
【国際調査報告】
2012042963.tif 000025
2012042963.tif 000026
2012042963.tif 000027
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