(57)【要約】【課題】結像光学系の絞りＦ値と裏面照射型撮像素子が出力する信号レベルとの線形性を維持する。【解決手段】裏面照射型撮像素子の撮像画素３１０においては、オンチップレンズ１０により、遮光膜３０が配置された面は撮像素子上に像を形成する結像光学系の射出瞳面の共役面となっており、単結晶シリコン層４０１の裏面側のオンチップレンズ１０に入射した光は色フィルタ９を通過し、遮光膜３０が配置された面で一旦焦点を結ぶ。遮光膜３０上の開口１１で制限された光が最終的に光電変換素子４０４に導かれる。射出瞳面上の絞り開口面積に比例した光量の光を撮像画素が受光することができ、露出制御の線形性を向上させることができる。【選択図】図９
2011176715.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結像光学系を通過して半導体基板の裏面側に入射した入射光を前記半導体基板内に形成された複数の光電変換素子が受光して電気信号を生成し、前記電気信号を前記半導体基板の表面側に形成した読み出し回路から出力して撮像を行う裏面照射型撮像素子であって、
前記複数の光電変換素子の前記入射光の入射側に形成され、前記複数の光電変換素子の各々に対応して開口が形成された遮光膜と、
前記遮光膜より所定距離離れた位置に、前記複数の光電変換素子の各々に対応して形成されたオンチップレンズとを備え、
前記遮光膜と前記結像光学系の射出瞳面とが、前記オンチップレンズによって共役関係となっていることを特徴とする裏面照射型撮像素子。
【請求項２】
請求項１に記載の裏面照射型撮像素子において、
前記オンチップレンズの曲率半径をＲ、前記オンチップレンズの頂点から前記遮光膜までの距離をＤ、および前記オンチップレンズから前記遮光膜までの媒質の平均的な屈折率をｎとすれば、Ｄ＝Ｒ×ｎ／（ｎ−１）を満たすことを特徴とする裏面照射型撮像素子。
【請求項３】
請求項２に記載の裏面照射型撮像素子において、
前記複数の光電変換素子は２次元格子状に配列され、
前記２次元格子のピッチをＰ、前記結像光学系の射出瞳の最小ＦナンバーをＦ０、前記距離をＤとすれば、Ｆ０×Ｐ×ｎ＞Ｄ＞Ｐ×ｎ／（２×（ｎ−１））を満たすことを特徴とする裏面照射型撮像素子。
【請求項４】
請求項３に記載の裏面照射型撮像素子において、
前記オンチップレンズは、前記オンチップレンズ周辺部の曲率半径が前記オンチップレンズ中央部の曲率半径より大きいことを特徴とする裏面照射型撮像素子。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の裏面照射型撮像素子において、
前記複数の光電変換素子は一対の焦点検出用光電変換素子を含み、
前記一対の焦点検出用光電変換素子は、前記結像光学系が有する一対の領域を通過した一対の光束を受光し、前記結像光学系の結像状態に関する一対の焦点検出信号を生成することを特徴とする裏面照射型撮像素子。
【請求項６】
請求項５に記載の裏面照射型撮像素子において、
前記遮光膜には、前記オンチップレンズの光軸に対して一方向に偏位して形成された第１の開口と、前記一方向とは逆方向に偏位した第２開口とのうちの少なくとも一方が形成され、
前記一対の焦点検出信号は、前記一対の光束のうち、前記第１開口を通過する光束を受光した前記一対の焦点検出用光電変換素子のうちの一方が生成する前記電気信号と、前記一対の光束のうち、前記第２開口を通過する光束を受光した前記一対の焦点検出用光電変換素子のうちの他方が生成する前記電気信号とを含み、前記一対の焦点検出信号の位相差に基づいて前記結像光学系の結像状態を検出可能な信号であることを特徴とする裏面照射型撮像素子。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の裏面照射型撮像素子において、
前記入射光のうちの前記オンチップレンズの通過光が、前記複数の光電変換素子のうち、前記オンチップレンズに隣接するオンチップレンズに対応した光電変換素子へ入射するのを防止する遮光部材をさらに備え、
前記遮光部材は前記オンチップレンズと前記遮光膜との間に配置されることを特徴とする裏面照射型撮像素子。
【請求項８】
請求項７に記載の裏面照射型撮像素子において、
前記遮光部材は前記オンチップレンズの光軸に平行に配置された隔壁部材であり、
前記隔壁部材の表面には、前記通過光の反射を防止する反射防止膜が形成されていることを特徴とする裏面照射型撮像素子。
【請求項９】
請求項７に記載の裏面照射型撮像素子において、
前記遮光部材は、前記オンチップレンズの近傍に設けられた第１色フィルタと、前記第１色フィルタと同色であって、前記遮光膜に形成された開口の近傍に設けられた第２色フィルタとを有し、
該遮光部材の色は、前記オンチップレンズに隣接するオンチップレンズが有する前記遮光部材の色と異なることを特徴とする裏面照射型撮像素子。
【請求項１０】
請求項１に記載の裏面照射型撮像素子において、
前記オンチップレンズと前記遮光膜との間に透明な媒質を隙間無く配置し、
前記透明な媒質の材料は、前記オンチップレンズの材料とは異なることを特徴とする裏面照射型撮像素子。
【請求項１１】
請求項１０に記載の裏面照射型撮像素子において、
前記オンチップレンズと前記透明な媒質との間に色フィルタを配置し、
前記透明な媒質が透過する光の波長帯域は、前記色フィルタが透過する光の波長帯域を含むことを特徴とする裏面照射型撮像素子。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか１項に記載の撮像素子と、
前記撮像素子上に像を形成する前記入射光を射出する前記結像光学系とを備えることを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、裏面照射型撮像素子および撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に撮像素子では、低輝度性能を向上させるために、各光電変換素子の各々に対応してオンチップレンズを形成するとともに、集光された光が各光電変換素子に照射される。特許文献１に開示されている裏面照射型撮像素子は、半導体基板の裏面側に照射された光を、半導体基板内の光電変換素子が受光して生成した信号を、半導体基板の表面側に形成した読み出し回路から出力して撮像を行う。裏面照射型撮像素子においては、波長の長い赤色の光を効率的に受光するために厚さが１０μｍ程度確保された光電変換素子（フォトダイオード）が配置される。その光電変換素子の表面とオンチップレンズとの間の間隔を短くし、オンチップレンズを通過した光を光電変換素子の内部で集光させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１６４３８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した従来の裏面照射型撮像素子においては、オンチップレンズは集光性能や画面周辺でのシェーディングを重視して設計されている。しかしながら、裏面照射型撮像素子と結像光学系の射出瞳との位置関係が十分考慮されていなかったため、結像光学系の絞りＦ値と裏面照射型撮像素子が出力する信号レベルとの線形性が崩れ、特に明るいＦ値においては露出制御に際し補正が必要となるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）請求項１に記載の裏面照射型撮像素子は、結像光学系を通過して半導体基板の裏面側に入射した入射光を半導体基板内に形成された複数の光電変換素子が受光して電気信号を生成し、電気信号を半導体基板の表面側に形成した読み出し回路から出力して撮像を行う裏面照射型撮像素子であって、複数の光電変換素子の入射光の入射側に形成され、複数の光電変換素子の各々に対応して開口が形成された遮光膜と、遮光膜より所定距離離れた位置に、複数の光電変換素子の各々に対応して形成されたオンチップレンズとを備え、遮光膜と結像光学系の射出瞳面とが、オンチップレンズによって共役関係となっていることを特徴とする。
（２）請求項１２に記載の撮像装置は、請求項１から１１のいずれか１項に記載の撮像素子と、撮像素子上に像を形成する入射光を射出する結像光学系とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、結像光学系の絞りＦ値と裏面照射型撮像素子が出力する信号レベルとの線形性を維持することが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】一実施の形態のデジタルスチルカメラの構成を示す横断面図である。
【図２】交換レンズの撮影画面上における焦点検出位置を示す図である。
【図３】撮像素子の詳細な構成を示す正面図である。
【図４】撮像画素および焦点検出画素のオンチップレンズの形状を示す図である。
【図５】撮像画素の正面図である。
【図６】焦点検出画素の正面図である。
【図７】撮像画素の断面図である。
【図８】焦点検出画素の断面図である。
【図９】撮像画素の遮光膜の面と結像光学系の射出瞳面との関係を示す図である。
【図１０】焦点検出画素の遮光膜の面と結像光学系の射出瞳面との関係を示す図である。
【図１１】遮光膜の面と射出瞳面が共役関係となるための光学的条件を考察した図である。
【図１２】射出瞳面に配置された絞り開口が遮光膜の面に結像された場合の絞り開口の像の大きさについて考察した図である。
【図１３】迷光を防止するための遮光部材６６をオンチップレンズの４隅に配置した図である。
【図１４】撮像画素の断面図である。
【図１５】焦点検出画素の断面図である。
【図１６】偏光素子Ｈ、偏光素子Ｖの２次元的な配置関係を示した図である。
【図１７】焦点検出画素の正面図である。
【図１８】色フィルタの２次元的な配置関係を示した図である。
【図１９】撮像画素の断面図である。
【図２０】焦点検出画素の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
一実施の形態の裏面照射型撮像素子（以下、単に「撮像素子」と言う）を有する撮像装置として、レンズ交換式のデジタルスチルカメラを例に挙げて説明する。図１は一実施の形態のデジタルスチルカメラの構成を示す横断面図である。本実施の形態のデジタルスチルカメラ２０１は、交換レンズ２０２とカメラボディ２０３とから構成され、交換レンズ２０２がマウント部２０４を介してカメラボディ２０３に装着される。カメラボディ２０３にはマウント部２０４を介して種々の撮影光学系を有する交換レンズ２０２が装着可能である。
【０００９】
交換レンズ２０２は、レンズ２０９、ズーミング用レンズ２０８、フォーカシング用レンズ２１０、絞り２１１、レンズ駆動制御装置２０６などを備えている。レンズ駆動制御装置２０６は、不図示のマイクロコンピューター、メモリ、駆動制御回路などから構成される。レンズ駆動制御装置２０６は、フォーカシング用レンズ２１０の焦点調節と絞り２１１の開口径調節のための駆動制御や、ズーミング用レンズ２０８、フォーカシング用レンズ２１０および絞り２１１の状態検出などを行う。また、後述するボディ駆動制御装置２１４との通信によりレンズ情報の送信とカメラ情報（デフォーカス量や絞り値など）の受信を行う。絞り２１１は、光量およびボケ量調整のために光軸中心に開口径が可変な開口を形成する。
【００１０】
カメラボディ２０３は、撮像素子２１２、ボディ駆動制御装置２１４、液晶表示素子駆動回路２１５、液晶表示素子２１６、接眼レンズ２１７、メモリカード２１９などを備えている。撮像素子２１２には、撮像画素が行と列とからなる二次元状に配置されるとともに、焦点検出位置（焦点検出エリア）に対応した部分に焦点検出画素が組み込まれている。この撮像素子２１２については詳細を後述する。
【００１１】
ボディ駆動制御装置２１４は、マイクロコンピューター、メモリ、駆動制御回路などから構成される。ボディ駆動制御装置２１４は、撮像素子２１２の駆動制御と、撮像素子２１２からの画素信号の読み出しと、焦点検出画素の画素信号に基づく焦点検出演算と、交換レンズ２０２の焦点調節とを繰り返し行う。また、画像信号の処理と記録、デジタルスチルカメラ２０１の動作制御などを行う。また、ボディ駆動制御装置２１４は電気接点２１３を介してレンズ駆動制御装置２０６と通信を行い、レンズ情報の受信とカメラ情報の送信を行う。
【００１２】
液晶表示素子２１６は電気的なビューファインダー（ＥＶＦ：Electronic View Finder）として機能する。液晶表示素子駆動回路２１５は撮像素子２１２から読み出された画像データに基づき、スルー画像を液晶表示素子２１６に表示し、撮影者は接眼レンズ２１７を介してそのスルー画像を観察することができる。メモリカード２１９は、撮像素子２１２により撮像された画像データを記憶する画像ストレージである。
【００１３】
交換レンズ２０２を通過した光束により、撮像素子２１２上に被写体像が形成される。この被写体像は撮像素子２１２により光電変換され、撮像画素および焦点検出画素の画素信号がボディ駆動制御装置２１４へ送られる。
【００１４】
ボディ駆動制御装置２１４は、撮像素子２１２の焦点検出画素からの画素信号に基づいてデフォーカス量を算出し、このデフォーカス量をレンズ駆動制御装置２０６へ送る。また、ボディ駆動制御装置２１４は、撮像素子２１２の撮像画素の画素信号を処理して画像データを生成し、メモリカード２１９に格納する。それとともに、撮像素子２１２から読み出されたスルー画像信号を液晶表示素子駆動回路２１５へ送り、スルー画像を液晶表示素子２１６に表示させる。さらに、ボディ駆動制御装置２１４は、レンズ駆動制御装置２０６へ絞り制御情報を送って絞り２１１の開口制御を行う。
【００１５】
レンズ駆動制御装置２０６は、フォーカシング状態、ズーミング状態、絞り設定状態、絞り開放Ｆ値などに応じてレンズ情報を更新する。具体的には、ズーミング用レンズ２０８とフォーカシング用レンズ２１０の位置と絞り２１１の絞り値を検出する。そして、これらのレンズ位置と絞り値に応じてレンズ情報を演算したり、あるいは予め用意されたルックアップテーブルからレンズ位置と絞り値に応じたレンズ情報を選択する。
【００１６】
レンズ駆動制御装置２０６は、受信したデフォーカス量に基づいてレンズ駆動量を算出し、レンズ駆動量に応じてフォーカシング用レンズ２１０を合焦位置へ駆動する。また、レンズ駆動制御装置２０６は受信した絞り値に応じて絞り２１１を駆動する。
【００１７】
図２は、交換レンズ２０２の撮影画面上における焦点検出位置（焦点検出エリア）を示す図であり、後述する撮像素子２１２上の焦点検出画素列が焦点検出の際に撮影画面上で像をサンプリングする領域（焦点検出エリア、焦点検出位置）の一例を示す。この例では、矩形の撮影画面１００上の中央（交換レンズ２０２の光軸上の焦点検出画素に対応する位置）および上下左右の５箇所に焦点検出エリア１０１〜１０５が配置される。長方形で示す焦点検出エリアの長手方向に、焦点検出画素が直線的に配列される。焦点検出エリア１０１、１０２、１０３においては焦点検出画素が水平方向に配列され、焦点検出エリア１０４、１０５においては焦点検出画素が水平方向に配列される。
【００１８】
図３は撮像素子２１２の詳細な構成を示す正面図である。図３は図２における焦点検出エリア１０４、１０５の近傍を拡大した画素配列の詳細を示す。撮像素子２１２には撮像画素３１０が二次元正方格子状に稠密に配列される。撮像画素３１０は赤画素（Ｒ）、緑画素（Ｇ）、青画素（Ｂ）からなり、ベイヤー配列の配置規則によって配置されている。図３においては、撮像画素３１０と同一の画素サイズを有する垂直方向焦点検出用の焦点検出画素３１３、３１４（正面図を図６（ａ）および（ｂ）に示す）が交互に、本来緑画素と赤画素が連続的に配置されるべき垂直方向の直線上に連続して配列される。
【００１９】
また、図２における焦点検出エリア１０１、１０２、１０３に含まれる水平方向の焦点検出用の画素配列においては、撮像画素３１０と同一の画素サイズを有する焦点検出画素３１５、３１６（正面図を図６（ｃ）および（ｄ）に示す）が交互に、本来緑画素と青画素が連続的に配置されるべき水平方向の直線上に連続して配列される。
【００２０】
図４は、撮像画素３１０および焦点検出画素３１３、３１４、３１５、３１６のオンチップレンズ１０の形状を示す図である。撮像画素３１０および焦点検出画素３１３、３１４、３１５、３１６のオンチップレンズ１０の形状は、元々、画素サイズより大きな円形のオンチップレンズ１から画素サイズに対応した正方形の形状で切り出した形状をしている。オンチップレンズ１０の光軸を通る対角線の方向の断面と、オンチップレンズ１０の光軸を通る水平線の方向の断面とは、それぞれ図４に（ａ）、（ｂ）で示す形状になっている。
【００２１】
撮像画素３１０には、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３種類の色フィルタが設けられている。それぞれの種類の色フィルタは、赤色、緑色、青色の各色に対応する分光感度特性を有している。撮像素子２１２には、各色フィルタを備えた撮像画素３１０がベイヤー配列されている。
【００２２】
図５は撮像画素３１０の正面図である。上述したように、オンチップレンズ１０の形状は正方形である。開口１１は、後述する遮光膜上に設けられ、光電変換素子の受光領域を正方形に制限する。
【００２３】
焦点検出画素３１３、３１４、３１５、３１６には全ての色に対して焦点検出を行うために全ての可視光を透過する白色フィルタが設けられている。その白色フィルタの分光感度特性は、上述した撮像画素３１０に含まれる緑画素、赤画素および青画素の分光感度特性を加算したような分光感度特性となる。そのような分光感度特性に対応する光波長領域は、緑画素、赤画素および青画素が高い分光感度特性を示す光波長領域を包括している。
【００２４】
図６は焦点検出画素の正面図である。図６(ａ)は、焦点検出画素３１３の正面図である。オンチップレンズ１０の形状は正方形である。開口１３は、後述の遮光膜上に設けられ、光電変換素子の受光領域を正方形の上半分（正方形を水平線で２等分した場合の上半分）に制限する。
【００２５】
図６(ｂ)は、焦点検出画素３１４の正面図である。オンチップレンズ１０の形状は正方形である。開口１４は、後述の遮光膜上に設けられ、光電変換素子の受光領域を正方形の下半分（正方形を水平線で２等分した場合の下半分）に制限する。
【００２６】
焦点検出画素３１３と焦点検出画素３１４とをオンチップレンズ１０を基準に重ね合わせて表示すると、遮光膜の開口１３、１４は垂直方向に並んでおり、互いに撮像画素３１０の開口１１に対し水平方向の２等分線を境界とした相補的な関係となっている。
【００２７】
図６(ｃ)は、焦点検出画素３１５の正面図である。オンチップレンズ１０の形状は正方形である。開口１５は、後述の遮光膜上に設けられ、光電変換素子の受光領域を正方形の左半分（正方形を垂直線で２等分した場合の左半分）に制限する。
【００２８】
図６(ｄ)は、焦点検出画素３１６の正面図である。オンチップレンズ１０の形状は正方形である。開口１６は、後述の遮光膜上に設けられ、光電変換素子の受光領域を正方形の右半分（正方形を垂直線で２等分した場合の右半分）に制限する。
【００２９】
焦点検出画素３１５と焦点検出画素３１６とをオンチップレンズ１０を基準に重ね合わせて表示すると、遮光膜の開口１５、１６は水平方向に並んでおり、互いに撮像画素３１０の開口１１に対し垂直方向の２等分線を境界とした相補的な関係となっている。
【００３０】
図７は、本発明の実施形態である裏面照射型撮像素子の光軸近傍にある撮像画素３１０の断面模式図である。図７に示すように、配列された多数の単位画素領域４０３に含まれる半導体基板、例えば単結晶シリコン層４０１内に、高濃度のＮ型の半導体領域よりなる光電変換素子（フォトダイオード）４０４が形成されている。互いに隣接する単位画素領域４０３各々の光電変換素子４０４は、単結晶シリコン層４０１内に形成されたＰ型半導体からなる素子分離領域４０２により区切られている。
【００３１】
単結晶シリコン層４０１の一方の主面、すなわち図７では上側の面にあたる裏面４０８上には遮光膜３０が形成されている。遮光膜３０には、各光電変換素子４０４に対応させて開口１１が形成されており、開口１１内には透明な絶縁膜３１が埋め込まれている。この遮光膜３０の開口１１により、この開口１１に対応する光電変換素子４０４の受光領域が決定されている。なお、図７においては、遮光膜３０と単結晶シリコン層４０１の裏面４０８との間にも透明な絶縁膜３１が埋め込まれている。
【００３２】
遮光膜３０はアルミニウムなどの金属で形成され、表面には反射防止膜が蒸着されている。遮光膜３０上には、透明な絶縁膜３１が所定の厚さで積層され、その上に各光電変換素子４０４に対応させて色フィルタ９が形成されている。所定の厚さは、後述するように、遮光膜３０が配置された面が、結像光学系の射出瞳面の共役面になるようにすることにより規定される。色フィルタ９には、赤色の波長域の光を透過するＲ色フィルタ（図中“Ｒ”を記載）と、緑色の波長域の光を透過するＧ色フィルタ（図中“Ｇ”を記載）と、青色の波長域の光を透過するＢ色フィルタとが含まれており、これらがベイヤー配列されている。 
【００３３】
色フィルタ９上には各光電変換素子４０４に対応させてオンチップレンズ１０が形成されている。各光電変換素子４０４に対応したオンチップレンズ１０の光軸２７の位置と、その光電変換素子４０４に対応する遮光膜３０の開口１１の中心の位置とは一致している。 なお撮像画素３１０が撮像素子２１２の周辺部にある場合には、画面周辺のシェーディングを防止するために、オンチップレンズ１０の光軸２７の位置と、その光電変換素子４０４に対応する遮光膜３０の開口１１の中心の位置とは相対的に若干シフトされる。
【００３４】
また各単位画素領域４０３内において、隣接する画素領域との境界にはオンチップレンズ光軸に平行な方向の遮光部材として隔壁８が遮光膜３０からオンチップレンズ１０の位置まで設けられている。隔壁８は配線などに用いられるアルミニウムで形成されており、その表面、すなわち透明な絶縁膜３１と接する面には、窒化チタンなどの反射防止膜が蒸着されている。
【００３５】
単結晶シリコン層４０１の他方の主面側、すなわち図９では下側の面にあたる表面４０９側には、各光電変換素子４０４に蓄積された信号電荷に応じた信号を読み出す読み出し回路４０５が形成される。これら読み出し回路４０５上に絶縁層４１７が形成され、絶縁層４１７の内部に複数の配線層４１８が形成されている。 
【００３６】
読み出し回路４０５は、Ｐ型の半導体領域よりなる読み出しゲート部４１１と、この読み出しゲート部４１１に隣接して設けられ、光電変換素子４０４で蓄積された信号電荷が転送される高濃度のＮ型の半導体領域よりなるフローティングディフュージョン部（ＦＤ部）４１２と、ＦＤ部４１２に蓄積された信号電荷を掃き捨てるリセットゲート部（不図示）と、ＦＤ部４１２に接続され、ＦＤ部４１２に蓄積された信号電荷に応じた信号を出力するＭＯＳトランジスタからなるＭＯＳ回路（不図示）と、読み出しゲート部４１１上に形成された読み出し電極４１３とを有している。 
【００３７】
さらに、単結晶シリコン層には、Ｐ型の半導体領域よりなる第２の素子分離領域４１４、および光電変換素子４０４に隣接し、単結晶シリコン層４０１の表面４０９側に形成された高濃度のＰ型の半導体領域よりなる正電荷蓄積領域４１５が形成されている。
【００３８】
配線層４１８は、４層の配線を有している。具体的には、単結晶シリコン層４０１上であって表面４０９側に形成された絶縁層４１７中において、１層目の配線４８１と、この１層目の配線４８１上に絶縁層４１７を介して形成された２層目の配線４８２と、この２層目の配線４８２上に絶縁層４１７を介して形成された３層目の配線４８３と、この３層目の配線１４３上に絶縁層４１７を介して形成された４層目の配線４８４とから形成されている。尚、絶縁層４１７上には、不図示のパッシベーション膜からなる平坦化膜が形成され、この平坦化膜上に接着剤層を介して支持基板４１６が接着されている。 
【００３９】
このような構成の裏面照射型撮像素子の撮像画素３１０においては、後述するように、遮光膜３０が配置された面は、オンチップレンズ１０に関して、撮像素子上に像を形成する結像光学系の射出瞳面の共役面となっている。単結晶シリコン層４０１の裏面４０８側のオンチップレンズ１０に入射した光２８は色フィルタ９を通過し、遮光膜３０が配置された面で一旦焦点を結ぶ。遮光膜３０の開口１１で制限された光２８が最終的に光電変換素子４０４に導かれる。この光２８に応じて光電変換素子４０４で発生し蓄積された信号電荷は、読み出し電極４１３に高電圧が印加されることにより、読み出しゲート部４１１を通ってＦＤ４１２へと転送され、ここに蓄積される。そして、ＦＤ部４１２に蓄積された信号電荷に応じた信号がＭＯＳ回路によって出力される。信号出力後は、ＦＤ４１２に蓄積された信号電荷がリセットされ、次の露光が開始される。
【００４０】
入射角度の大きな迷光２１は隔壁８にて遮光され、隣接する単位画素領域４０３には入射しない。また隔壁８にて遮断された迷光２１は、隔壁８の表面に蒸着された反射防止膜の作用により、隔壁８にて反射して遮光膜３０の開口１１に入射することも防止される。
【００４１】
上記のような構成においては、オンチップレンズ１０から遮光膜３０までの距離が、従来の裏面照射型撮像素子の画素に比較して長くなる。隔壁８が設けられていないと、迷光２１よりも比較的入射角度の小さい斜入射光でも隣接する単位画素領域４０３に入射し易くなる。したがって、隔壁８のような遮光部材を設けることは重要である。また、隔壁８の表面に蒸着された反射防止膜により、隔壁８で反射した迷光２１が、その遮光膜３０の開口１１を通過して光電変換素子４０４に入射することも防止しているので、信号の品質も向上する。
【００４２】
図８は、本発明の実施形態である裏面照射型撮像素子の焦点検出画素３１３、３１４の断面模式図である。図８において、撮像画素３１０と焦点検出画素３１３，３１４との違いは遮光膜３０より上の部分なので、この部分のみを説明する。
【００４３】
単結晶シリコン層４０１の一方の主面、すなわち図８では下側の面にあたる裏面４０８上には遮光膜３０が形成されている。遮光膜３０には、各光電変換素子４０４に対応させて、焦点検出画素３１３の場合は開口１３、焦点検出画素３１４の場合は開口１４が形成されており、開口１３、１４内には透明な絶縁膜３１が埋め込まれている。開口１３、１４は撮像画素３１０の開口１１の左半分または右半分を覆った形状となっている。この遮光膜３０に形成された開口１３、１４により、この開口１３、１４に対応する光電変換素子４０４の受光領域が決定されている。なお、図８においては、遮光膜３０と単結晶シリコン層４０１の裏面４０８との間にも透明な絶縁膜３１が埋め込まれている。
【００４４】
遮光膜３０はアルミニウムなどの金属で形成され、表面には反射防止膜が蒸着されている。遮光膜３０上には、透明な絶縁膜３１が所定の厚さで積層され、その上に各光電変換素子４０４に対応させて白色フィルタ７が形成されている。所定の厚さは、後述するように、遮光膜３０が配置された面が、結像光学系の射出瞳面の共役面になるようにすることにより規定される。白色フィルタ７上には各光電変換素子４０４に対応させてオンチップレンズ１０が形成されている。
【００４５】
また各単位画素領域４０３内において、隣接する画素領域との境界にはオンチップレンズ光軸に平行な方向の遮光部材として隔壁８が遮光膜３０からオンチップレンズ１０の位置まで設けられている。隔壁８は配線などに用いられるアルミニウムで形成されており、その表面、すなわち透明な絶縁膜３１と接する面には、窒化チタンなどの反射防止膜が蒸着されている。このような構成の裏面照射型撮像素子の焦点検出画素３１３、３１４においては、単結晶シリコン層４０１の裏面４０８側のオンチップレンズ１０に入射した光２９は色フィルタ９を通過し、遮光膜３０が配置された面で一旦焦点を結ぶ。遮光膜３０の開口１３，１４で制限された光２９が最終的に光電変換素子４に導かれる。
【００４６】
入射角度の大きな迷光２１は隔壁８にて遮光され、隣接する単位画素領域４０３には入射しない。また隔壁８にて遮断された迷光２１は、隔壁８の表面に蒸着された反射防止膜の作用により、隔壁８にて反射して迷光２１が入射した単位画素領域４０３の遮光膜３０の開口１３，１４に入射することも防止される。
【００４７】
後述するように焦点検出画素３１３、３１４を構成する際には、遮光膜３０において相補的な開口１３，１４を形成するとともに、オンチップレンズ１０にて遮光膜３０上に焦点を結ぶことが必須となる。そのため、オンチップレンズ１０から遮光膜３０までの距離が従来の裏面照射型撮像素子の画素に比較して必然的に長くなる。隔壁８が設けられていないと、迷光２１よりも比較的入射角度の小さい斜入射光でも隣接する単位画素領域４０３に入射し易くなる。したがって、隔壁８のような遮光部材を設けることは重要である。また、反射防止膜により隔壁８で反射した迷光２１が、その遮光膜３０の開口１３、１４を通過して光電変換素子４０４に入射することも防止しているので、信号の品質も向上し、焦点検出精度を向上させることができる。
【００４８】
焦点検出画素３１５、３１６の構造も焦点検出画素３１３、３１４の構造を９０度回転しただけであって、基本的に図８に示す焦点検出画素の構造と同様である。
【００４９】
図９は、撮像画素３１０の遮光膜３０の面と結像光学系の射出瞳面との関係を示す図である。撮像素子２１２上に配列された全ての撮像画素３１０の遮光膜３０に形成された開口１１の位置は、各撮像画素３１０のオンチップレンズ１０に関して、オンチップレンズ１０から瞳距離Ｌだけ離間した射出瞳面９０上の全撮像画素３１０共通な領域９５の位置と共役な位置関係となっている。すなわち遮光膜３０の面は、結像面であるオンチップレンズ１０の頂点面に関し、射出瞳面９０の共役面となっていて、結像面上に形成された像の強度に対応する信号が、各撮像画素３１０により出力されるという結像関係が成り立っている。このとき、各オンチップレンズ１０を介して各撮像画素３１０の遮光膜３０に形成された開口１１を射出瞳面９０に投影すると、全ての撮像画素３１０の開口１１の投影像がいずれも領域９５として得られる。
【００５０】
従って各撮像画素３１０は、領域９５と各撮像画素３１０のオンチップレンズ１０を通過する光束７１を受光し、その光束７１によって各オンチップレンズ１０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。
【００５１】
なお、撮像画素３１０が像高によらず射出瞳面９０上の全撮像画素共通な領域９５を通過する光束７１を受光するために、撮像画素３１０の像高に応じてオンチップレンズ１０の光軸位置と開口１１の中心位置との位置関係がシフトされている。
【００５２】
このように、遮光膜３０の面が射出瞳面９０の共役面となっているので、射出瞳面９０上の絞り開口面積に比例した光量の光を撮像画素３１０が受光することができ、露出制御の線形性を向上させることができる。
【００５３】
交換レンズシステムにおいては、交換レンズ２０２により射出瞳面９０の位置が異なるが、実用的には交換レンズシステムの平均的な射出瞳面９０の位置を瞳距離Ｌとすることができる。
【００５４】
図１０は、焦点検出画素３１３、３１４の遮光膜３０の面と結像光学系の射出瞳面との関係を示す図である。
【００５５】
撮像素子２１２上に配列された全ての焦点検出画素３１３の遮光膜３０に形成された開口１３の位置は、各焦点検出画素３１３のオンチップレンズ１０に関して、オンチップレンズ１０から瞳距離Ｌだけ離間した射出瞳面９０上の全焦点検出画素共通な領域９３の位置と共役な位置関係となっている。すなわち遮光膜３０の面は、結像面であるオンチップレンズ１０の頂点面に関し、射出瞳面９０の共役面となっていて、結像面上に形成された像の強度に対応する信号が、各焦点検出画素３１３により出力されるという結像関係が成り立っている。このとき、各オンチップレンズ１０を介して各焦点検出画素３１３の遮光膜３０に形成された開口１３を射出瞳面９０に投影すると、全ての焦点検出画素３１３の開口１３の投影像がいずれも領域９３として得られる。
【００５６】
また、撮像素子２１２上に配列された全ての焦点検出画素３１４の遮光膜３０に形成された開口１４の位置は、各焦点検出画素３１４のオンチップレンズ１０に関して、オンチップレンズ１０から瞳距離Ｌだけ離間した射出瞳面９０上の全焦点検出画素共通な領域９４の位置と共役な位置関係となっている。すなわち遮光膜３０の面は、結像面であるオンチップレンズ１０の頂点面に関し、射出瞳面９０の共役面となっていて、結像面上に形成された像の強度に対応する信号が、各焦点検出画素３１４により出力されるという結像関係が成り立っている。このとき、各オンチップレンズ１０を介して各焦点検出画素３１４の遮光膜３０に形成された開口１４を射出瞳面９０に投影すると、全ての焦点検出画素３１４の開口１４の投影像がいずれも領域９４として得られる。
【００５７】
図１０の説明においては、一対の領域９３，９４を一対の測距瞳９３、９４と呼ぶ。各焦点検出画素３１３は、測距瞳９３と各焦点検出画素３１３のオンチップレンズ１０とを通過する光束７３を受光し、その光束７３によって各オンチップレンズ１０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。また、各焦点検出画素３１４は、測距瞳９４と各焦点検出画素３１４のオンチップレンズ１０を通過する光束７４を受光し、その光束７４によって各オンチップレンズ１０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。
【００５８】
一対の焦点検出画素３１３，３１４が受光する光束７３，７４が通過する射出瞳９０上の測距瞳９３、９４を統合した領域は、撮像画素３１０が受光する光束７１が通過する射出瞳９０上の領域９５と一致する。射出瞳９０上において、光束７３，７４は光束７１に対して相補的な関係になっている。
【００５９】
上述した一対の焦点検出画素３１３、３１４を交互にかつ直線状に多数配置する。各焦点検出画素３１３、３１４の光電変換素子４０４の出力を、測距瞳９３および測距瞳９４に対応した一対の出力グループにまとめることによって、測距瞳９３と測距瞳９４をそれぞれ通過する一対の光束が焦点検出画素配列上（垂直方向）に形成する一対の像の強度分布に関する情報が得られる。この情報に対して、公知の像ズレ検出演算処理（相関演算処理、位相差検出処理）を施すことによって、いわゆる瞳分割型位相差検出方式で一対の像の像ズレ量が検出される。さらに、像ズレ量に一対の測距瞳の重心間隔と測距瞳距離の比例関係に応じた変換演算を行うことによって、焦点検出位置（垂直方向）における予定結像面と実際の結像面との偏差（デフォーカス量）が算出される。
【００６０】
焦点検出画素３１５、３１６が受光する焦点検出光束も焦点検出画素３１３、３１４の受光する一対の焦点検出光束７３，７４を９０度回転しただけであって、基本的に図１２に示す光束と同様であり、測距瞳９３、９４を９０度回転した一対の測距瞳が設定される。一対の焦点検出画素３１５、３１６を交互にかつ直線状に多数配置する。各焦点検出画素３１５、３１６の光電変換素子４０４の出力を一対の測距瞳に対応した一対の出力グループにまとめることによって、一対の測距瞳のそれぞれを通過する一対の光束が焦点検出画素配列上（水平方向）に形成する一対の像の強度分布に関する情報が得られる。この情報に基づき、焦点検出位置（水平方向）における予定結像面と実際の結像面との偏差（デフォーカス量）が算出される。
【００６１】
図１１は遮光膜３０の面と射出瞳面９０が共役関係となるための光学的条件を考察した図であって、撮像画素または焦点検出画素の単位画素領域４０３における光学系を単純化して示している。
【００６２】
一般的には、良好な共役関係を実現するためにはオンチップレンズ１０を非球面化することが望ましい。以下の説明では、撮像素子に用いられるオンチップレンズは微細なためレンズ形状は曲率半径が一定の球面を基本として説明するが、その説明は、適当な近似により、非球面化したオンチップレンズ１０にもあてはまる。
【００６３】
オンチップレンズ１０の曲率半径をＲ、オンチップレンズ１０の頂点Ｔから射出瞳面９０までの距離をＬ、オンチップレンズ１０の頂点Ｔから遮光膜３０の面までの距離をＤ、オンチップレンズ１０と射出瞳面９０との間の媒質の平均的な屈折率をｎ０、オンチップレンズ１０およびオンチップレンズ１０と遮光膜３０との間の媒質の平均的な屈折率をｎとする。
【００６４】
遮光膜３０の面と射出瞳面９０とがオンチップレンズ１０に関して共役な関係となるための条件式を求める。距離Ｌ＞＞距離Ｄとした近似により、オンチップレンズ１０の頂点Ｔから遮光膜３０の面までの距離Ｄを、幾何光学的な近軸結像条件に基づいて導出すると、（１）式の条件が満足される必要がある。
Ｄ＝Ｒ×ｎ／（ｎ−ｎ０）            （１）
【００６５】
さらなる近似として、オンチップレンズ１０と射出瞳面９０との間の媒質を空気とすると、すなわち屈折率ｎ０＝１とすると、（２）式が得られる。
Ｄ＝Ｒ×ｎ／（ｎ−１）              （２）
【００６６】
単位画素領域４０３の大きさ、すなわち画素ピッチをＰとすると、曲率半径Ｒは画素ピッチＰの半分より大きいという条件の下で（２）式を変形すると、（３）式の条件が得られる。曲率半径Ｒは画素ピッチＰの半分より大きいとするのは、光電変換素子４０４の受光しない不感帯をなくし、受光効率を大きくするためである。なお、オンチップレンズ１０の周辺部の曲率は、後述するように、球面収差を考慮してオンチップレンズ１０の中央部より緩くする。
Ｄ＞Ｐ×ｎ／（２×（ｎ−１））                （３）
【００６７】
また、オンチップレンズ１０は球面で形成されるが、オンチップレンズ１０の中央部寄りを通る光線６１の焦点位置に対し、オンチップレンズ１０の周辺部を通る光線６２の焦点位置が球面収差のためにオンチップレンズ１０側に近づいてしまう。そこで、オンチップレンズ１０の曲率半径を、オンチップレンズ１０の周辺部へ向かうにつれてオンチップレンズ１０の中央部の曲率半径より徐々に大きくすることにより、球面収差を補正する。これにより、遮光膜３０の面と射出瞳面９０との共役関係が、より厳密となるため、焦点検出精度の向上および露出制御の線形性の向上を図ることができる。
【００６８】
図１２は射出瞳面９０に配置された絞り開口９６が遮光膜３０の面に結像された場合の絞り開口９６の像の大きさについて考察した図である。オンチップレンズ１０のレンズ形状を曲率半径Ｒの球面とすると、絞り開口９６の端部から射出されてその曲率半径Ｒの球面の曲率中心６５に向かう光線６３は、その曲率半径Ｒの球面の表面で屈折しない。絞り開口９６の直径をＱとし、絞り開口９６の端部から曲率中心６５に向かう光線６３を幾何学的に作図すると、遮光膜３０の面上において絞り開口９６の像の直径Ｓは次式で表される。
Ｓ＝（Ｑ×（Ｄ−Ｒ））／（Ｌ＋Ｒ）            （４）
【００６９】
絞り開口のＦ値をＦとすると、Ｆ＝Ｌ／Ｑで表されるととともに、距離Ｌ＞＞曲率半径Ｒの近似を行うと次式となる。
Ｓ＝（Ｄ−Ｒ）／Ｆ            （５）
【００７０】
画素ピッチをＰとし、交換レンズシステムの有効な最小Ｆ値を最も明るいＦ値であるＦ０とする。単位画素領域に入射した光線が、隣接する単位画素領域に入り込まないという条件（Ｐ＞Ｓ）の下に、曲率半径Ｒに（２）式を代入してＤについて整理すると次式が得られる。
Ｄ＜Ｆ０×Ｐ×ｎ            （６）
【００７１】
従って、オンチップレンズ１０の頂点Ｔから遮光膜３０の面までの距離Ｄは、（３）式および（６）式を満足するように決定される。例えばオンチップレンズ１０およびオンチップレンズ１０と遮光膜３０との間の媒質の平均的な屈折率ｎを１．５、画素ピッチＰを４μｍ、最小Ｆ値Ｆ０を１．４とする。このとき、オンチップレンズ１０の頂点Ｔから遮光膜３０の面までの距離Ｄを６μｍ〜８．４μｍに設定することにより、射出瞳面９０と遮光膜３０の面との共役関係を良好に達成できるとともに、隣接画素への迷光を効率的に防止できる。
【００７２】
オンチップレンズ１０と遮光膜３０との間に、屈折率の異なる複数種類の媒質が存在する場合においても、オンチップレンズ１０およびオンチップレンズ１０と遮光膜３０との間の媒質の平均的な屈折率を仮定することにより、上述した（１）〜（６）式を適用することができる。またオンチップレンズ１０を複数のレンズで形成する場合、例えばインナーレンズを付加する場合においても、レンズ作用を１つのレンズで近似することにより、上述した（１）〜（６）式を適用することができる。
【００７３】
前述したように、オンチップレンズ１０の周辺部では曲率を緩めるが、それでも画素の対角方向の４隅においては、レンズ表面の傾斜度が強くなるので、多重反射などによる迷光が発生し易くなる。図１３は、このような迷光を防止するための遮光部材６６をオンチップレンズの４隅に配置した図である。遮光部材６６は、複数のオンチップレンズ１０により形成されるオンチップレンズアレイの谷部を埋めた光吸収部材でも良いし、図７の色フィルタ９および図８の白色フィルタ７の位置に配置した光吸収部材でもよい。光吸収部材は、例えば黒色フィルタである。
【００７４】
以上のように上述した実施形態においては、結像光学系の射出瞳面９０のオンチップレンズ１０に関する共役面を光電変換素子４０４より前の位置に形成することができ、該共役面に配置した開口１１、１３、１４により光電変換素子４０４に入射する光を制限する。そのため、絞りＦ値と信号レベルの線形性を維持することや隣接画素への不要な斜入射光を遮断することが容易になる。
【００７５】
従来の裏面照射型撮像素子の構造では、瞳の共役面が光電変換素子の内部に入り込んでしまうために、瞳を分割するための開口を配置できず、瞳分割型位相差検出方式の焦点検出画素を実現できなかった。しかし、本発明によれば、上述した実施形態のように、結像光学系の射出瞳面９０のオンチップレンズ１０に関する共役面を光電変換素子４０４より前の位置に形成することができるので、該共役面に瞳を分割するための開口１１、１３、１４を配置することができる。さらに、オンチップレンズ１０と遮光膜３０との間の距離Ｄを、所定条件を満足するように定めることで、瞳分割型位相差検出方式の焦点検出画素を、裏面照射型撮像素子において、高精度に、かつ迷光の影響を少なくして実現することができる。
【００７６】
−−−発明の他の実施の形態−−−
（１）隣接画素への入射を偏光素子で防止する実施形態
図７、図８において、各単位画素領域４０３の境界には、オンチップレンズ光軸に平行な方向に配置する遮光部材として、隔壁８を遮光膜３０からオンチップレンズ１０の位置まで設けていた。しかし、これ以外の方策で隣接単位画素領域４０３への入射光を防止することも可能である。
【００７７】
図１４〜図１６は偏光素子を用いた遮光の例を示す図である。図１４は、隣接画素への入射を偏光素子で防止する実施形態の裏面照射型撮像素子において、結像光学系の光軸近傍にある撮像画素３１０の断面模式図である。図１４に示した構成要素のうち、遮光膜３０より下の部分は図７に示した構成要素と同一なので、説明を省略する。図１４に示す撮像画素３１０には、遮光部材として、図７に示した隔壁８の代わりに偏光素子Ｈ３２、偏光素子Ｖ３３が配置されている。遮光膜３０の直上の偏光素子Ｈ３２、偏光素子Ｖ３３と色フィルタ９との間には透明な絶縁膜３１が埋め込まれている。また、その偏光素子Ｈ３２、偏光素子Ｖ３３と遮光膜３０との間、および遮光膜３０と単結晶シリコン層４０１の裏面４０８との間には、ともに透明な絶縁膜３１が埋め込まれている。
【００７８】
偏光素子Ｈ３２、偏光素子Ｖ３３は、例えば国際公開第２００４／００８１９６号に開示されているアレイ状のフォトニック結晶偏光素子であって、偏光素子Ｈ３２の偏光方向と、偏光素子Ｖ３３の偏光方向とは互いに直交している。偏光素子Ｈ３２、偏光素子Ｖ３３の構造は、微細な周期的溝列が形成された基板上にＳｉあるいはＴａなどの高屈折率材とＳｉＯ２ のような低屈折率材の交互多層膜を積層したものであり、各層が周期的な凹凸形状をなしている。
【００７９】
図１４において、偏光素子Ｈ３２は、右側の撮像画素３１０のオンチップレンズ１０と色フィルタ９との間、および遮光膜３０の直前の２カ所に配置されている。また、偏光素子Ｖ３３は、左側の撮像画素３１０のオンチップレンズ１０と色フィルタ９との間、および遮光膜３０の直前の２カ所に配置されている。
【００８０】
上記のような構成において、入射角度の大きな迷光２１は、隣接する単位画素領域４０３の開口１１に入射するまでに、偏光方向が互いに直交する偏光素子Ｖ３３および偏光素子Ｈ３２を１度ずつ通過することになる。したがって、迷光２１は隣接する単位画素領域４０３の開口１１には入射せず、混色（クロストーク）が押さえられる。結果として、高品質な画像を生成することが可能になる。
【００８１】
図１５は、隣接画素への入射を偏光素子で防止する実施形態の裏面照射型撮像素子において、結像光学系の光軸近傍にある焦点検出画素３１３、３１４の断面模式図である。図１５に示した構成要素のうち、遮光膜３０より下の部分は図７に示した構成要素と同一なので、説明を省略する。図１５に示す焦点検出画素３１３、３１４には、遮光部材として、図８で示した隔壁８の代わりに偏光素子Ｈ３２、偏光素子Ｖ３３が配置されている。遮光膜３０の直上の偏光素子Ｈ３２、偏光素子Ｖ３３と白色フィルタ７との間には透明な絶縁膜３１が埋め込まれている。また、その偏光素子Ｈ３２、偏光素子Ｖ３３と遮光膜３０との間、および遮光膜３０と単結晶シリコン層４０１の裏面４０８との間には、ともに透明な絶縁膜３１が埋め込まれている。
【００８２】
図１５において、偏光素子Ｈ３２は、焦点検出画素３１４のオンチップレンズ１０と白色フィルタ７との間、および遮光膜３０の直前の２カ所に配置されている。また、偏光素子Ｖ３３は、焦点検出画素３１０のオンチップレンズ１０と白色フィルタ７との間、および遮光膜３０の直前の２カ所に配置されている。
【００８３】
上記のような構成において、入射角度の大きな迷光２１は、隣接する単位画素領域４０３の開口１３，１４に入射するまでに、偏光方向が互いに直交する偏光素子Ｖ３３および偏光素子Ｈ３２を１度ずつ通過することになる。したがって、迷光２１は隣接する単位画素領域４０３の開口１３，１４には入射せず、混色（クロストーク）が押さえられる。結果として、高精度な焦点検出を実現することが可能になる。
【００８４】
焦点検出画素３１５、３１６の構造も焦点検出画素３１３、３１４の構造を９０度回転しただけであって、基本的に図１５に示す焦点検出画素の構造と同様である。
【００８５】
図１６は図３に対応しており、図１４，図１５に示した偏光素子Ｈ３２、偏光素子Ｖ３３の２次元的な配置関係を示した図である。偏光素子Ｈ３２、偏光素子Ｖ３３は互いに市松模様の関係で配置されており、上下左右の画素からの迷光を有効に防止することができる。
【００８６】
図１４、図１５においては各単位画素領域４０３あたり２カ所に偏光素子を配置している。しかし、遮光膜３０の直前の偏光素子については、色フィルタ９または白色フィルタ７直後から遮光膜３０直前までの空間を、透明な絶縁膜３１を排してその偏光素子で充填するようにしても同様な効果が得られる。
【００８７】
（２）１つの焦点検出画素に一対の受光領域を備える実施形態
図３に示す撮像素子２１２の部分拡大図では、各画素に１つの光電変換素子を有する一対の焦点検出画素３１３，３１４を備える例を示した。しかし、図１７（ａ）、（ｂ）に正面図を示す焦点検出画素３１１および３１２のように、ひとつの焦点検出画素内に一対の光電変換素子を備えるようにしてもよい。
【００８８】
図１７（ａ）に示す焦点検出画素３１１は、図６（ａ）、（ｂ）に示す焦点検出画素３１３と焦点検出画素３１４のペアに相当した機能を果たし、図１７（ｂ）に示す焦点検出画素３１２は、図６（ｃ）、（ｄ）に示す焦点検出画素３１５と焦点検出画素３１６のペアに相当した機能を果たす。焦点検出画素３１１、３１２は、図１７（ａ）、（ｂ）に示すように、オンチップレンズ１０と一対の受光領域２３，２４および一対の受光領域２５，２６から構成される。
【００８９】
図１８は、図３において、焦点検出画素３１３、３１４の代わりに焦点検出画素３１１を配置した撮像素子に対応しており、色フィルタの２次元的な配置関係を示した図である。図１８において、焦点検出画素３１１,３１２にも撮像画素３１０と同じ色配列の色フィルタが配置されている。焦点検出画素３１５、３１６の代わりに焦点検出画素３１２を配置した撮像素子に対応して色フィルタの２次元的な配置関係を示した図もまた、図１８で表される。
【００９０】
図１９は、１つの焦点検出画素に一対の受光領域を備える実施形態の裏面照射型撮像素子において、結像光学系の光軸近傍にある撮像画素３１０の断面模式図である。図７に示した構成要素のうち、遮光膜３０より下の部分は図７に示した構成要素と同一なので、説明を省略する。図２３に示す撮像画素３１０には、遮光部材として、図７に示した隔壁８の代わりに色フィルタ９が遮光膜３０の直前にも配置されている。遮光膜３０の直上の色フィルタ９とオンチップレンズ１０の直下の色フィルタ９との間には、透明な絶縁膜３１が埋め込まれている。また、その遮光膜３０の直上の色フィルタ９と遮光膜３０との間、および遮光膜３０と単結晶シリコン層４０１の裏面４０８との間には、ともに透明な絶縁膜３１が埋め込まれている。しかし、色フィルタ９を遮光膜３０の直上に透明な絶縁膜３１を埋め込まずに形成しても良い。
【００９１】
上記のような構成において、入射角度の大きな迷光２１は、隣接する単位画素領域４０３の開口１１に入射するまでに、相異なる２種類の色フィルタ９を１度ずつ通過することになる。上述したように、相異なる２種類の色フィルタ９の各々が有する分光感度特性は相異なる。そのため隣接する単位画素領域４０３の開口１１に入射する光は十分に減衰し、混色（クロストーク）が押さえられるので、高品質な画像を生成することが可能になる。
【００９２】
図２０は、１つの焦点検出画素に一対の受光領域を備える実施形態の裏面照射型撮像素子の焦点検出画素３１１の断面模式図である。図２０に示す焦点検出画素３１１には、遮光部材として、図８に示した隔壁８の代わりに色フィルタ９がオンチップレンズ１０の直後と遮光膜３０の開口１１の直前に配置されている。遮光膜３０の直上の色フィルタ９とオンチップレンズ１０の直下の色フィルタ９との間には、透明な絶縁膜３１が埋め込まれている。また、その遮光膜３０の直上の色フィルタ９と遮光膜３０との間、および遮光膜３０と単結晶シリコン層４０１の裏面４０８との間には、ともに透明な絶縁膜３１が埋め込まれている。しかし、色フィルタ９を遮光膜３０の直上に透明な絶縁膜３１を埋め込まずに形成しても良い。
【００９３】
上記のような構成において、入射角度の大きな迷光２１は、隣接する単位画素領域４０３の開口１１に入射するまでに、相異なる２種類の色フィルタ９を１度ずつ通過することになる。上述したように、相異なる２種類の色フィルタ９の各々が有する分光感度特性は相異なる。そのため隣接する単位画素領域４０３の開口１１に入射する光は十分に減衰し、混色（クロストーク）が押さえられるので、高精度な焦点検出を実現することが可能になる。
【００９４】
単位画素領域４０３の開口１１の直後にはＰ型半導体からなる素子分離領域４０２により区切られた１対の光電変換素子４３，４４が配置される。単結晶シリコン層４０１の他方の主面側、すなわち図２４では下側の面にあたる表面側４０９には、１対の光電変換素子４３，４４の信号を読み出すための読み出し回路４０５および配線層４１８が、第２の素子分離領域４１４、正電荷蓄積領域４１５、支持基盤４１６、および絶縁層４１７とともに形成される。
【００９５】
上記のような構成において、図１７（ａ）に示す受光領域２３，２４の境界部分は素子分離領域４０２により形成され、受光領域２３，２４の外周は開口１１により形成されることになる。
【００９６】
焦点検出画素３１２の構造も焦点検出画素３１１の構造を９０度回転しただけであって、基本的に図２０に示す焦点検出画素の構造と同様である。
【００９７】
図２３、図２４においては、各単位画素領域４０３のオンチップレンズの直後に色フィルタ９を配置しているが、オンチップレンズ１０自身を色フィルタとするようにしても同様な効果が得られる。
【００９８】
図１９、図２０においては、各単位画素領域４０３あたり２カ所に色フィルタ９を配置している。しかし、オンチップレンズ１０直後から遮光膜３０直前までの空間を、透明な絶縁膜３１を排して１つの色フィルタで充填するようにしても同様な効果が得られる。
【００９９】
以上のような構成の撮像素子においては、Ｇ色フィルタを有する焦点検出画素３１１、３１２の光電変換素子４３の信号と、Ｇ色フィルタを有する焦点検出画素３１１、３１２の光電変換素子４４の信号との位相比較（像ズレ検出）を行うことにより、Ｇ色成分での焦点検出を行うことができる。またＲ色フィルタを有する焦点検出画素３１１、３１２の光電変換素子４３の信号と、Ｒ色フィルタを有する焦点検出画素３１１、３１２の光電変換素子４４の信号との位相比較（像ズレ検出）を行うことにより、Ｒ色成分での焦点検出を行うことができる。
【０１００】
さらにＧ色フィルタを有する同一の焦点検出画素３１１、３１２の光電変換素子４３の信号と光電変換素子４４の信号とを加算することにより、該焦点検出画素位置にＧ色フィルタを有した撮像画素３１０が存在した時と同等の撮像信号を生成することができる。またＲ色フィルタを有する同一の焦点検出画素３１１、３１２の光電変換素子４３の信号と光電変換素子４４の信号とを加算することにより、該焦点検出画素位置にＲ色フィルタを有した撮像画素３１０が存在した時と同等の撮像信号を生成することができる。
【０１０１】
このように焦点検出画素位置での撮像信号を高精度に生成することができるので、撮像画像の品質を向上させることができる。
【０１０２】
なお、１対の光電変換素子４３、４４の信号を加算した信号値を得るためには、加算回路により、１対の光電変換素子４３、４４の信号を加算した信号が焦点検出画素３１１、３１２より出力されるようにすれば良い。あるいは、光電変換素子４３と光電変換素子４４から別々に読み出された信号を外部回路で加算することにより、１対の光電変換素子４３、４４の信号を加算した信号値を得ることも可能である。
【０１０３】
（３）その他の実施形態
上述した実施形態における撮像素子では、撮像画素がベイヤー配列の色フィルタを備えた例を示した。しかし、色フィルタの構成や配列はこれに限定されることはなく、補色フィルタ（緑：Ｇ、イエロー：Ｙｅ、マゼンタ：Ｍｇ，シアン：Ｃｙ）の配列やベイヤー配列以外の配列にも本発明を適用することができる。
【０１０４】
また色フィルタを備えないモノクロの撮像素子にも本発明を適用することができる。
【０１０５】
なお、撮像装置としては、上述したような、カメラボディに交換レンズが装着される構成のデジタルスチルカメラやフィルムスチルカメラに限定されない。例えば、レンズ一体型のデジタルスチルカメラやビデオカメラにも本発明を適用することができる。さらには、携帯電話などに内蔵される小型カメラモジュール、監視カメラやロボット用の視覚認識装置、車載カメラなどにも適用できる。
【符号の説明】
【０１０６】
１、１０  オンチップレンズ、７  白色フィルタ、８  隔壁、９  色フィルタ、
１１、１３、１４、１５、１６  開口、
２１  迷光、２３、２４、２５、２６  受光領域、
２７  オンチップレンズの光軸、２８、２９  光、３０  遮光膜、３１  透明な絶縁膜、
３２  偏光素子Ｈ、３３  偏光素子Ｖ、４３、４４、４０４  光電変換素子、
６１、６２、６３  光線、６５  曲率中心、６６  遮光部材、
７１、７３、７４  光束、９０  射出瞳、９１  交換レンズの光軸、
９３、９４  測距瞳、９５  領域、９６  絞り開口、
１００  撮影画面、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５  焦点検出エリア、
２０１  デジタルスチルカメラ、２０２  交換レンズ、２０３  カメラボディ、
２０４  マウント部、２０６  レンズ駆動制御装置、
２０８  ズーミング用レンズ、２０９  レンズ、２１０  フォーカシング用レンズ、
２１１  絞り、２１２  撮像素子、２１３  電気接点、
２１４  ボディ駆動制御装置、
２１５  液晶表示素子駆動回路、２１６  液晶表示素子、２１７  接眼レンズ、
２１９  メモリカード、
３１０  撮像画素、３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６  焦点検出画素、
４０１  単結晶シリコン層、４０２  素子分離領域、４０３  単位画素領域、
４０５  読み出し回路、
４０８  単結晶シリコン層の裏面、４０９  単結晶シリコン層の表面、
４１１  ゲート部、４１２  ＦＤ部、４１３  読み出し電極、
４１４  第２の素子分離領域、４１５  正電荷蓄積領域、４１６  支持基盤、
４１７  絶縁層、４１８  配線層、４８１、４８２、４８３、４８４  配線
【図１】
2011176715.tif 000003
【図２】
2011176715.tif 000004
【図３】
2011176715.tif 000005
【図４】
2011176715.tif 000006
【図５】
2011176715.tif 000007
【図６】
2011176715.tif 000008
【図７】
2011176715.tif 000009
【図８】
2011176715.tif 000010
【図９】
2011176715.tif 000011
【図１０】
2011176715.tif 000012
【図１１】
2011176715.tif 000013
【図１２】
2011176715.tif 000014
【図１３】
2011176715.tif 000015
【図１４】
2011176715.tif 000016
【図１５】
2011176715.tif 000017
【図１６】
2011176715.tif 000018
【図１７】
2011176715.tif 000019
【図１８】
2011176715.tif 000020
【図１９】
2011176715.tif 000021
【図２０】
2011176715.tif 000022