(57)【要約】【課題】  入射角度が大きい光が、一対の光電変換部のうち、対応しない光電変換部に導かれることを抑制されるようにする。【解決手段】  複数の画素を備える撮像素子であって、一対の光電変換部により光電変換される被変換光束に対する光吸収率が、コア及びクラッドよりも高く、且つ、電気的に孤立している吸収部を有し、吸収部は、第３の方向視において、コアの第１の方向にあり、吸収部と、クラッドのマイクロレンズ側の界面と、の間の第３の方向における光学的距離は、被変換光束の波長以下である。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向及び前記第１の方向に垂直な第２の方向を含む平面に複数の画素を備え、
前記複数の画素はそれぞれ、前記平面に垂直な第３の方向に、マイクロレンズと、前記マイクロレンズから射出された光を伝搬可能な、コア及びクラッドを有する導波路部と、前記導波路部から射出された光を光電変換する、前記第１の方向に並列された一対の光電変換部と、を有する撮像素子であって、
前記画素は、前記一対の光電変換部により光電変換される被変換光束に対する光吸収率が、前記コア及び前記クラッドよりも高く、且つ、電気的に孤立している吸収部を有し、
前記吸収部は、前記第３の方向視において、前記コアの前記第１の方向にあり、
前記吸収部と、前記クラッドの前記マイクロレンズ側の界面と、の間の前記第３の方向における光学的距離は、前記被変換光束の波長以下であることを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
前記吸収部と、前記クラッドの前記第１の方向側の界面と、の間の前記第１の方向における光学的距離は、前記被変換光束の波長以下であることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記吸収部は、前記クラッドの前記第１の方向側の界面を跨ることを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像素子。
【請求項４】
配線を有し、
前記吸収部は、前記配線よりも前記マイクロレンズ側にあることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の撮像素子。
【請求項５】
前記マイクロレンズから射出された光が入射されるインナーレンズを有し、
前記インナーレンズは、前記コアの前記マイクロレンズ側にあることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の撮像素子。
【請求項６】
前記クラッドの前記マイクロレンズ側の界面の内径は、前記クラッドの前記第３の方向における大きさに、前記被変換光束の前記平面に対する最大入射角を乗じて得られた値の２倍以下であることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の撮像素子。
【請求項７】
前記クラッドの前記マイクロレンズ側の界面の内径は、１．４μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の撮像素子。
【請求項８】
前記一対の光電変換部と、前記クラッドの前記一対の光電変換部側の界面と、の間の前記第３の方向における光学的距離は、前記被変換光束の波長以上であることを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の撮像素子。
【請求項９】
前記吸収部は、前記第１の方向における前記コアを挟んだ両側にあることを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の撮像素子。
【請求項１０】
前記吸収部は、前記撮像素子の中心を通り前記第２の方向に平行な中心線までの前記第１の方向における距離がより大きい第１の吸収部と、第２の吸収部を含み、
前記第１の吸収部の前記第１の方向における大きさは、前記第２の吸収部の前記第１の方向における大きさよりも大きいことを特徴とする請求項９に記載の撮像素子。
【請求項１１】
前記吸収部は、前記撮像素子の中心を通り前記第２の方向に平行な中心線までの前記第１の方向における距離がより大きい第１の吸収部と、第２の吸収部を含み、
前記第１の吸収部の前記第３の方向における大きさは、第２の吸収部の前記第３の方向における大きさよりも大きいことを特徴とする請求項９又は１０に記載の撮像素子。
【請求項１２】
前記吸収部は、前記撮像素子の中心を通り前記第２の方向に平行な中心線までの前記第１の方向における距離がより大きい第１の吸収部と、第２の吸収部を含み、
前記第１の吸収部の体積は、前記第２の吸収部の体積よりも大きいことを特徴とする請求項９乃至１１の何れかに記載の撮像素子。
【請求項１３】
前記複数の画素は、前記第１の方向に並列され、
前記吸収部は、前記第１の方向において互いに隣接する複数の画素の間で共用されることを特徴とする請求項９乃至１２の何れかに記載の撮像素子。
【請求項１４】
第１の方向及び前記第１の方向に垂直な第２の方向を含む平面に複数の画素を備え、
前記複数の画素はそれぞれ、前記平面に垂直な第３の方向に、マイクロレンズと、前記マイクロレンズから射出された光を伝搬可能な、コア及びクラッドを有する導波路部と、前記導波路部から射出された光を光電変換する、前記第１の方向に並列された一対の光電変換部と、を有する撮像素子であって、
前記画素は、前記一対の光電変換部により光電変換される被変換光束に対する光吸収率が、前記コア及び前記クラッドよりも高く、且つ、電気的に孤立している吸収部を有し、
前記吸収部は、前記第３の方向視において、前記コアの前記第１の方向にあり、
前記吸収部は、前記クラッドの前記マイクロレンズ側の界面よりも前記マイクロレンズ側にあることを特徴とする撮像素子。
【請求項１５】
結像光学系と、
前記結像光学系から射出された光を受光する請求項１乃至１４のいずれかに記載の撮像素子と、を備えることを特徴とする撮像装置。
【請求項１６】
前記クラッドの前記マイクロレンズ側の界面の内径は、前記クラッドの前記第３の方向における大きさを、前記結像光学系の最小Ｆ値で除して得られた値以下であることを特徴とする請求項１５に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置において用いられる撮像素子、及びそれを用いた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等において、オートフォーカス（ＡＦ）技術が知られている。ＡＦ技術に関し、特許文献１では、撮像素子が有する複数の画素のうち、一部の画素に一対の光電変換部を持たせた撮像素子が提案されている。当該撮像素子からの出力信号を用いることで、位相差方式でＡＦ可能である。
【０００３】
位相差方式とは、結像光学系の瞳領域上の、互いにずれた領域を通過した一対の入射光束（以下、単に「一対の入射光束」という）が入射された一対の光電変換部からの一対の出力信号を用いるＡＦ方式である。当該一対の出力信号を用いて一対の像（以下、「二像」という）が取得され、取得された二像間のズレ量（以下、「像ズレ量」という）を検出することによりピントのズレ量を検出するのである。当該位相差方式によれば、所謂コントラスト方式とは異なり、合焦動作の際にレンズを前後に動かす所謂ウォブリングが不要である。そのため、高速・高精度なＡＦが可能である。
【０００４】
特許文献１には、マイクロレンズと導波路部と一対の光電変換部を有する画素構造が開示されている。当該画素構造より、一対の入射光束がそれぞれ、一対の光電変換部のうち、互いに異なる光電変換部に選択的に導かれる。そして、一対の光電変換部からの一対の出力信号を用いることで、位相差方式でＡＦ可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１５８８００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
撮像装置で使用されるレンズ（結像光学系）のＦ値が小さい場合には、当該Ｆ値が大きい場合と比較して、一対の入射光束のうち、画素への入射角度が大きい光（以下、単に「入射角度が大きい光」という）の割合が増加する。入射角度が大きい光は、導波路部のコアとクラッドの界面で多数回折り返され、一対の光電変換部のうち、対応しない（導かれるべきでない）光電変換部に導かれ易い。
【０００７】
その結果、特許文献１に記載の構成は、撮像装置で使用されるレンズのＦ値が小さい場合には、当該Ｆ値が大きい場合と比較して、ＡＦ精度が低下し易いという課題が発生する。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑み、入射角度が大きい光が、一対の光電変換部のうち、対応しない光電変換部に導かれることを抑制した撮像素子及びそれを有する撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の撮像素子は、第１の方向及び前記第１の方向に垂直な第２の方向を含む平面に複数の画素を備え、前記複数の画素はそれぞれ、前記平面に垂直な第３の方向に、マイクロレンズと、前記マイクロレンズから射出された光を伝搬可能な、コア及びクラッドを有する導波路部と、前記導波路部から射出された光を光電変換する、前記第１の方向に並列された一対の光電変換部と、を有する撮像素子であって、前記画素は、前記一対の光電変換部により光電変換される被変換光束に対する光吸収率が、前記コア及び前記クラッドよりも高く、且つ、電気的に孤立している吸収部を有し、前記吸収部は、前記第３の方向視において、前記コアの前記第１の方向にあり、前記吸収部と、前記クラッドの前記マイクロレンズ側の界面と、の間の前記第３の方向における光学的距離は、前記被変換光束の波長以下であることを特徴とする。
【００１０】
また、上記課題を解決するために、本発明の撮像素子は、第１の方向及び前記第１の方向に垂直な第２の方向を含む平面に複数の画素を備え、前記複数の画素はそれぞれ、前記平面に垂直な第３の方向に、マイクロレンズと、前記マイクロレンズから射出された光を伝搬可能な、コア及びクラッドを有する導波路部と、前記導波路部から射出された光を光電変換する、前記第１の方向に並列された一対の光電変換部と、を有する撮像素子であって、前記画素は、前記一対の光電変換部により光電変換される被変換光束に対する光吸収率が、前記コア及び前記クラッドよりも高く、且つ、電気的に孤立している吸収部を有し、前記吸収部は、前記第３の方向視において、前記コアの前記第１の方向にあり、前記吸収部は、前記クラッドの前記マイクロレンズ側の界面よりも前記マイクロレンズ側にあることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、入射角度が大きい光が、一対の光電変換部のうち、対応しない光電変換部に導かれることを抑制した撮像素子及びそれを有する撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明（実施例１、２に記載）の撮像素子を有する撮像装置の概略断面図（ＸＺ平面）。
【図２】実施例１の一形態における画素の断面図（ＸＺ平面）。
【図３】実施例１の一形態におけるコア及びクラッドの概略断面図（ＸＺ平面）。
【図４】実施例１の一形態における画素の断面図（ＸＺ平面。光が伝搬される様子を模式的に図示）。
【図５】実施例１の一形態における一対の光電変換部への入射光量と入射角度の関係を示したグラフ。
【図６】実施例１の一形態における光電変換部への入射光量と入射角度の関係を示したグラフ。
【図７】実施例１の他の形態における画素の断面図（ＸＺ平面、ＸＹ平面）。
【図８】実施例１の他の形態における画素の断面図（ＸＺ平面）（光が伝搬される様子を模式的に図示）。
【図９】実施例２における撮像素子の平面図（ＸＹ平面）。
【図１０】実施例２における画素の断面図（ＸＺ平面）。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を用いて、本発明の撮像素子について説明する。その際、全ての図面において、同一の機能を有する対象には同一の符号を振る。
【実施例１】
【００１４】
図１は、本発明の撮像素子を有するデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置１９０の概略断面図（ＸＺ平面）である。
【００１５】
撮像装置１９０は、結像光学系１９１、結像光学系１９１から射出された光を受光する撮像素子１００（２００）、ＣＰＵ１９２、転送回路１９３、信号処理部１９４を有する。
【００１６】
ＣＰＵ１９２は、転送回路１９３、信号処理部１９４の動作を制御する。
【００１７】
光電変換部１２１、１２２のそれぞれからの出力信号を用いて取得された像ズレ量を検出することで、位相差方式でＡＦ可能である。光電変換部１２１、１２２のそれぞれからの出力信号を加算することで、撮影画像用の信号も取得することができる。
【００１８】
図２は、実施例１における、撮像素子１００（図１参照）が有する複数の画素のうちの１つの断面図（ＸＺ平面）である。撮像素子１００は、第１の方向（±Ｘ軸方向）及び第１の方向に垂直な第２の方向（±Ｙ軸方向）を含む平面（ＸＹ平面）に、複数の画素を有する。「第１の方向」、「第２の方向」については後述する。
【００１９】
複数の画素１０１はそれぞれ、光束の入射側より、マイクロレンズ１０２、導波路部１１０、ゲッタリング層１０３、一対の光電変換部としての第１の光電変換部１２１及び第２の光電変換部１２２を有する。ゲッタリング層１０３は、反射防止やゲッタリングの機能を有する層である。画素１０１は、一対の光電変換部１２１、１２２を有することにより、撮像のみならず、位相差ＡＦ、距離又は距離に相当する情報の測定（測距）にも用いることができる。
【００２０】
マイクロレンズ１０２は、微細加工技術により形成された口径が数〜数百μｍの微小なレンズである。
【００２１】
導波路部１１０は、コア１１１及び（コア１１１よりも屈折率が小さい）クラッド１１２を有し、マイクロレンズ１０２から射出された光を伝搬可能な導波路構造を有する。導波路部１１０は、入射端１１３、射出端１１５を有する。入射端１１３とは、コア１１１における、マイクロレンズ１０２から射出された光が入射される側の端である。入射端１１３の径は、クラッド１１２のマイクロレンズ１０２側の界面（第２の界面）１１７（図２、図３参照）の内径と一致する。射出端１１５とは、コア１１１における、導波路部１１０に入射された光が射出される側の端である。射出端１１５の径は、クラッド１１２の一対の光電変換部側の界面（第３の界面）１１８（図２、図３参照）の内径と一致する。
【００２２】
一対の光電変換部１２１、１２２は、導波路部１１０（射出端１１５）から射出された光を光電変換する。一対の光電変換部１２１、１２２は、基板１２０に設けられる。また、一対の光電変換部１２１、１２２は、並列（して配置）される。一対の光電変換部１２１、１２２が並列される方向を、以下、「第１の方向」という。第１の方向は、図２等における±Ｘ軸方向と一致する。
【００２３】
基板１２０は、シリコン等の材料により設けられる。当該材料は、一対の光電変換部１２１、１２２で検出されるべき波長帯域に応じて適宜選択される。一対の光電変換部１２１、１２２は、ポテンシャル勾配を有するが、当該ポテンシャル勾配は、基板１２０へのイオン打込み等により設けられる。
【００２４】
複数の画素１０１は、第１の方向に並列される（図７参照）。また、複数の画素１０１は、第１の方向に垂直な方向にも並列される。複数の画素１０１が設けられる、第１の方向に垂直な方向を、以下、「第２の方向」という。第２の方向は、図２等における±Ｙ軸方向と一致する。
【００２５】
マイクロレンズ１０２、導波路部１１０及びゲッタリング層１０３は、第１の方向及び第２の方向を含む平面（ＸＹ平面）に垂直な方向に設けられる。第１の方向及び第２の方向を含む平面に垂直な方向を、以下、「第３の方向」という。第３の方向は、図２等における±Ｚ軸方向と一致する。
【００２６】
マイクロレンズ１０２及び導波路部１１０は、一対の入射光束をそれぞれ、互いに異なる光電変換部に選択的に導く機能（瞳分割機能）を有している。当該機能において瞳を分割する方向を、瞳分割方向という。光電変換部１２１、１２２のそれぞれからの出力信号を用いて取得された像ズレ量を検出することで、位相差方式でＡＦ可能である。また、測距も可能である。
【００２７】
マイクロレンズ１０２、コア１１１、クラッド１１２、ゲッタリング層１０３は、たとえば、酸化シリコン、窒化シリコン、ＢＰＳＧ、有機材料等の材料により設けられる。但し、クラッド１１２は、コア１１１よりも屈折力が低い（コア１１１は、クラッド１１２よりも屈折率が高い）材料により設けられる（形成される）必要がある。
【００２８】
撮像素子１００は、配線１２３を有する。配線１２３は、クラッド１１２の第１の方向側の界面（第１の界面）１１６（図２、図３参照）よりもクラッド１１２側にある。つまり、クラッド１１２内に設けられている。配線１２３には、一対の光電変換部１２１、１２２により取得された撮像信号が伝送される。配線１２３は、たとえば、Ａｌ、Ｃｕ等の金属材料により形成される。撮像信号は、配線１２３を介して、一対の光電変換部１２１、１２２から撮像素子１００が有する（図示しない）走査回路（周辺回路）へ送信される。
【００２９】
撮像素子１００は、吸収部１１４を有する。吸収部１１４は、コア１１１に対して第１の方向に設けられている。吸収部１１４は、被変換光束（一対の光電変換部１２１、１２２により光電変換される光束）に対する光吸収率（以下、単に「光吸収率」という）が、コア１１１及びクラッド１１２（の光吸収率）よりも高い。そのために、吸収部１１４は、コア１１１及びクラッド１１２を形成する材料よりも光吸収率が高い材料、たとえば、Ａｌ、Ｃｕ等の金属材料や、色素等の有機材料により設けられる。吸収部１１４は、被光電変換光に対する消衰係数が、０．０１以上の材料により設けられてもよい。また、吸収部１１４は、配線１２３と同じ材料により設けられてもよいし、配線１２３と異なる材料により設けられてもよい。吸収部１１４の光吸収率は、０．１以上が好ましく、１．０以上がさらに好ましい。
【００３０】
吸収部１１４は、電気的に孤立している。「電気的に孤立している」とは、たとえば、撮像信号が伝送される配線１１４と吸収部１１４の間の直列抵抗が１メガオーム以上のことをいう。配線１２３が吸収部を兼ねず、吸収部１１４が電気的に孤立していることにより（吸収部１１４が配線１２３とは独立して設けられることにより）、伝送特性の悪化が低減される。伝送特性の悪化は、配線により光が吸収されることにより発生し得るが、吸収部１１４が配線として用いられないので、このような問題は発生しない。
【００３１】
吸収部１１４と配線１２３は、ＸＹ平面上の位置をずらして設けられるのが好ましい。これにより、吸収部１１４と配線１２３との間の容量性のカップリングが低減されるからである。さらに、吸収部１１４は、配線１２３のマイクロレンズ１０２側にある方が好ましい。これにより、配線よりも吸収部の方が光源に近づき、より多くの光が吸収部に吸収され、配線１２３の伝送特性の悪化が低減されるからである。
【００３２】
本発明に示す撮像素子１００は、画素１０１が吸収部１１４を有することにより、使用される結像光学系のＦ値が小さい場合でも、入射角度が大きい光が、一対の光電変換部のうち、対応しない光電変換部に導かれることを抑制する。そして、それにより、ＡＦ精度や測距精度が低下することを抑制することを可能とする。以下で、説明を行う。なお、以下において、「画素への入射角度」は、マイクロレンズ１０２への入射角度ではなく、第３の方向に対する入射角度として定義する。また、「画素への入射角度」を、単に「入射角度」ともいう。
【００３３】
まず、マイクロレンズ１０２及び導波路部１１０による瞳分割の原理について説明する。
【００３４】
結像光学系の射出瞳上の異なる領域を通過した光は、異なる入射角度の光として画素に入射される。そのため、異なる入射角度で入射された光を、各々の光電変換部に選択的に導けば、瞳分割を行うことができる。
【００３５】
マイクロレンズ１０２に光が入射されると、光束の入射角度に応じて、入射端１１３において異なる位置に光が集光され、その集光位置に応じた導波モードに変換されて、導波路部中を伝搬される。従って、マイクロレンズ１０２の形状、導波路部１１０の形状と媒質及び、一対の光電変換部１２１、１２２の位置を適切に設計することで、変換される導波モードを制御することができる。その結果、光束の入射角度に応じて、異なる光電変換部に選択的に光を導くことができ、瞳分割が可能となる。
【００３６】
図２に示す画素では、第１の方向（±Ｘ軸方向）が瞳分割方向であり、−Ｘ軸方向かつ−Ｚ軸方向に傾いて入射される光を光電変換部１２１に、＋Ｘ軸方向かつ−Ｚ軸方向に傾いて入射される光を光電変換部１２２に選択的に導く。
【００３７】
次に、吸収部１１４が、画素１０１に入射された光に及ぼす作用について、図面を用いて説明する。
【００３８】
図４は、第３の方向に対してそれぞれ異なる入射角度で画素１０１に入射された光が、画素１０１内を伝搬される様子を模式的に図示している。図４（ａ）、図４（ｂ）は、相対的に小さい入射角度で画素１０１に入射された光（入射角度が小さい光１１、１２）が、画素１０１内を伝搬される様子を模式的に図示している。図４（ｃ）、図４（ｄ）は、相対的に大きい入射角度で画素１０１に入射された光（入射角度が大きい光２１、２２）が、画素１０１内を伝搬される様子を模式的に図示している。
【００３９】
入射角度が小さい光１１、１２は、マイクロレンズ１０２により、入射端１１３の第１の方向における中心近傍に集光される。一般に、入射端１１３の第１の方向における中心近傍に入射された光ほど、低次の導波モード１３１に結合する。低次の導波モード１３１に結合した光は、導波路部１１０内を、第３の方向に対して比較的小さい角度で伝搬される。従って、入射角度が小さい光１１、１２は、一対の光電変換部１２１、１２２のいずれか一方（所望する方の光電変換部）に選択的に入射される。
【００４０】
一方、入射角度が大きい光２１、２２は、マイクロレンズ１０２により、入射端１１３の第１の方向における端部近傍に集光される。一般に、入射端１１３の第１の方向における端部近傍に入射された光ほど、高次の導波モード１３２に結合する。高次の導波モード１３２に結合した光は、第１の界面１１６で折り返されて、導波路部１１０内を、第３の方向に対して比較的大きい角度で伝搬される。従って、入射角度が大きい光２１、２２については、一対の光電変換部１２１、１２２のうち、所望しない方の光電変換部に入射される割合が多くなる。
【００４１】
図５に、一対の光電変換部１２１、１２２への入射光量と入射角度の関係（入射光量のの入射角度依存性）を図５に示した。縦軸は、光電変換部への入射光量を示し、横軸は、入射角度を示す。入射角度（横軸）は、画素１０１に対して、第３の方向（−Ｚ軸方向）に入射する光束の入射角度をゼロとしている。また、−Ｘ軸方向かつ−Ｚ軸方向に傾いて入射する光束の入射角度を正とし、＋Ｘ軸方向かつ−Ｚ軸方向に傾いて入射する光束の入射角度を負としている。
【００４２】
実線により、画素１０１に吸収部１１４を設けたときの、入射光量の入射角度依存性を示した。また、破線により、画素１０１に吸収部１１４を設けなかったときの、入射光量の入射角度依存性を示した。
【００４３】
吸収部１１４が設けられた場合には、以下の傾向が見られる。第３の方向（±Ｚ軸方向）に対して＋２０度付近の入射角度で入射された光束のうち、光電変換部１２２に入射された成分が減少している。また、第３の方向に対して−２０度付近の入射角度で入射された光束のうち、光電変換部１２１に入射された成分が減少している。一方、第３の方向に対して±１０度以下の入射角度で入射された光については、吸収部１１４の影響は殆ど見られない。つまり、−Ｘ軸方向かつ−Ｚ軸方向に傾入射された光を光電変換部１２１に、＋Ｘ軸方向かつ−Ｚ軸方向に傾入射された光を光電変換部１２２に選択的に導けている。
【００４４】
吸収部１１４が設けられた場合には、入射端１１３の第１の方向における端部近傍に集光された光が、吸収部１１４により選択的に吸収された結果、入射角度が大きい光２１、２２が、高次の導波モード１３２に結合する前に吸収されたと考えられる。即ち、入射角度が大きい光２１、２２が入射される場合にも、−Ｘ軸方向かつ−Ｚ軸方向に傾入射された光を光電変換部１２１に、＋Ｘ軸方向かつ−Ｚ軸方向に傾入射された光を光電変換部１２２に、選択的に導くことができたと考えられる。
【００４５】
図２、４には、吸収部１１４と、クラッド１１２のマイクロレンズ１０２側の界面（第２の界面）１１７と、の間の第３の方向における光学的距離がゼロの場合を示した。但し、吸収部１１４と第２の界面１１７との距離はゼロでなくても良い。即ち、吸収部１１４の方が第２の界面１１７よりも基板側に設けられていても良いし、吸収部１１４の方が第２の界面１１７よりもマイクロレンズ１０２側に設けられていても良い。また、吸収部１１４と第２の界面１１７との間の第３の方向における光学的距離は短い方が好ましい。以下で理由を説明する。
【００４６】
一般に、導波モードの次数により導波路部内の拡がり方は異なるものの、導波モードは導波路部のコア全体に分布する。そのため、入射端１１３の異なる位置に集光された光は、導波路部１１０内を伝搬されるにつれて、導波路部１１０のコア１１１全体に広がるようになる。即ち、異なる入射角度で入射した光は、入射端１１３に近いほど、異なるＸ座標に分離している。そのため、吸収部１１４と第２の界面１１７との間の第３の方向における光学的距離が短いほど、画素１０１に大きい入射角度で入射した光を吸収部１１４により選択的に吸収され、瞳分割性能が向上する。
【００４７】
図６に、吸収部１１４（の入射側の界面）のＺ座標（吸収部１１４と第２の界面１１７との間の第３の方向における光学的距離）を変えたときの、光電変換部１２１への入射光量と入射角度の関係（入射光量の入射角度依存性）を示した。縦軸は、光電変換部への入射光量を示し、横軸は、入射角度を示す。入射角度（横軸）は、画素１０１に対して、第３の方向（−Ｚ軸方向）に入射する光束の入射角度をゼロとしている。また、−Ｘ軸方向かつ−Ｚ軸方向に傾いて入射する光束の入射角度を正とし、＋Ｘ軸方向かつ−Ｚ軸方向に傾いて入射する光束の入射角度を負としている。
【００４８】
実線により、吸収部１１４の入射側の界面が第２の界面１１７に一致する場合（吸収部１１４と第２の界面１１７との間の第３の方向における光学的距離がゼロの場合）における、光電変換部への入射光量の入射角度依存性を示した。「吸収部１１４の入射側の界面」とは、吸収部１１４の界面のうち、最もＺ座標が大きい界面のことである。「光電変換部への入射光量の入射角度依存性」のことを、単に「入射角度依存性」ともいう。
【００４９】
鎖線により、吸収部１１４の入射側の界面と第２の界面１１７との間の第３の方向における光学的距離が、被光電変換光束の波長λと同じ長さの場合における入射角度依存性を示した。点線により、吸収部１１４の入射側の界面と第２の界面１１７との間の第３の方向における光学的距離が、被変換光束の波長λの２．５倍の長さの場合における入射角度依存性を示した。そして、破線により、画素１０１に吸収部１１４を設けなかった場合における入射角度依存性を示した。
【００５０】
光学的距離（光学的な距離）とは、実際の距離に、媒質の屈折率を乗じて得た値である。なお、光電変換部１２２への入射光量の入射角度依存性は、図６に示された、光電変換部１２１への入射光量の入射角度依存性を、０度を中心として正負入れ替えたようになる（図示せず）。
【００５１】
図６より、吸収部１１４と第２の界面１１７との間の第３の方向（Ｚ軸方向）における光学的距離が短いほど、±２０度付近の入射角度で入射した光束のうち、反対側の光電変換部に入射してしまう成分を選択的に吸収されていることがわかる。また、吸収部１１４と第２の界面１１７との間の第３の方向における光学的距離が、被変換光束の波長λよりも長い場合には、吸収部１１４を設けなかった場合と殆ど同じ入射角度依存性となることもわかる。
【００５２】
従って、吸収部１１４と第２の界面１１７との間の第３の方向における光学的距離が、被変換光束の波長λ以下であることが好ましい。
【００５３】
さらに、吸収部１１４と第１の界面１１６との間の第１の方向（Ｘ軸方向）における光学的距離は、被変換光束の波長以下であることが好ましい。以下で理由を説明する。
【００５４】
導波モードに結合した光は、光学的距離に換算して、波長の長さ程度の広がりを持って導波路中を伝搬する。言い換えると、導波モードは、コア１１１内だけではなく、クラッド１１２の内、第１の界面１１６から光束の波長の長さだけ離れた領域にまで広がって伝搬する。従って、第１の界面１１６からの光学的な距離が被変換光束の波長以下であれば、吸収部１１４によって、反対側の光電変換部に入射してしまう成分を選択的に吸収することができる。
【００５５】
次に、吸収部１１４の方が第２の界面１１７よりも基板１２０から遠い場合について説明する。
【００５６】
図４（ａ）、図４（ｂ）からわかるように、画素１０１に小さい入射角度で入射した光１１、１２は、入射端１１３では中央付近に集光されるが、第２の界面１１７よりも上側になるほど、画素１０１の周辺側にも広がる。
【００５７】
そのため、吸収部１１４と入射端１１３との間の第３の方向における光学的距離（の絶対値）が長いほど、画素１０１に小さい入射角度で入射した光も吸収部１１４により吸収されてしまう。従って、吸収部１１４と入射端１１３との間の第３の方向における光学的距離（の絶対値）は短いほど好ましい。
【００５８】
以上のように、吸収部１１４と入射端１１３との間の第３の方向における光学的距離（の絶対値）は短いほど好ましい。特に、吸収部１１４の第３の方向における位置と入射端１１３の第３の方向における位置とが一致する場合（吸収部１１４と入射端１１３との間の第３の方向における光学的距離がゼロの場合）がもっとも好ましい。
【００５９】
なお、吸収部１１４（の射出側の面）の方が、入射端１１３よりも、基板１２０から第３の方向において遠い場合には、導波路部を製造するプロセスとは独立に吸収部の配置を決定できる。その結果、吸収部の配置の自由度が向上したり、吸収部の製造が容易となったりするため好ましい。
【００６０】
なお、図７（ａ）のように、入射端１１３とマイクロレンズ１０２の間に（コア１１１のマイクロレンズ１０２側に）インナーレンズ１０４を設けられれば更に好ましい。インナーレンズ１０４により、画素１０１に第３の方向に対して大きい入射角度で入射した光を、入射端１１３よりも上側で、画素１０１の中心に集めることが可能となるためである。
【００６１】
図２では、吸収部１１４が、クラッド１１２の第１の方向側の界面（第１の界面）１１６を跨がない場合を示したが、図７（ｂ）に示すように、吸収部１１４の一部がコア１１１にはみ出していてもよい（吸収部１１４が第１の界面１１６を跨いでもよい）。
【００６２】
第３の方向視において、吸収部１１４が入射端１１３の中心に近いほど、吸収される光束の量が増加する。その結果、Ｆ値が小さい場合のＡＦ精度や測距精度を向上させることができる。一方、第３の方向視において、吸収部１１４が入射端１１３の中心に近いほど、高次の導波モードに結合した光だけではなく、より低次の導波モードに結合した光を吸収し易くなる。その結果、Ｆ値が大きい場合のＡＦ精度や測距精度を低下させてしまう。
【００６３】
従って、固定絞りの結像光学系を用いる場合等、Ｆ値が小さい場合のみのＡＦ精度や測距精度が重視されるならば、第３の方向視において、吸収部を入射端１１３の中心に近づける方が好ましい。一方、可変絞りの結像光学系を用いる場合等、Ｆ値が小さい場合のみならずＦ値が大きい場合のＡＦ精度や測距精度も重視されるならば、第３の方向視において、吸収部を入射端１１３の中心から遠ざける方が好ましい。第３の方向視における吸収部１１４の位置は、ＡＦ精度や測距精度を重視したいＦ値の範囲を基に決定すればよい。
【００６４】
吸収部１１４の形状は、第３の方向視において、図７（ｃ）に示すように、長方形であってもよいし、その他の多角形や円形であってもよい。また、図７（ｄ）に示すように、第１の方向（＋Ｘ軸方向）において互いに隣接する複数（この場合は２つ）の画素の間で、吸収部１１４が共用されていてもよい。なお、図７（ｃ）、（ｄ）において、破線は入射端１１３を示している。
【００６５】
図２では、吸収部１１４が、前記第１の方向における前記コアを挟んだ両側にある場合を示したが、片側のみにあっても良い。この場合、＋Ｘ軸方向または−Ｘ軸方向のどちらか一方に傾いて入射した光束のみ、対応しない光電変換部に入射する成分が減少する。一方、図２のように、前記第１の方向における前記コアを挟んだ両側にある場合、＋Ｘ軸方向に傾いて入射する光束と、−Ｘ軸方向に傾いて入射した光束の双方に対して、対応しない光電変換部に入射する成分が減少する。従って、図１のように、吸収部が前記第１の方向における前記コアを挟んだ両側にある方が好ましい。
【００６６】
クラッド１１２のマイクロレンズ１０２側の界面の内径（入射端１１３の第１の方向における径）が小さいほど、高次の導波モードに結合した光が、所望の光電変換部ではない、もう片方の光電変換部に入射し易くなるので、本発明の効果が大きくなる。
【００６７】
クラッド１１２のマイクロレンズ１０２側の界面の内径の好ましい大きさは、使用する結像光学系の最小Ｆ値と、製造条件により決定される導波路部の長さに応じて変化する。
【００６８】
具体的には、クラッド１１２の第３の方向における大きさに、被変換光束の画素１０１への最大入射角度（第３の方向に対する入射角度の最大値。以下、単に「最大入射角度」ともいう）を乗じて得られた値の２倍以下である方が好ましい。言い換えると、入射端１１３の第１の方向における長さは、クラッド１１２の第３の方向における大きさを、使用する結像光学系の最小Ｆ値で除した値以下である方が好ましい。
【００６９】
厳密には画素中の光束の伝搬の描像は導波モードで記述されるが、以下では図８を用いて、幾何光学で近似して説明を行う。
【００７０】
画素１０１は結像光学系のＦ値で決定される角度範囲の光を受光するように設計されるため、結像光学系の開口の端を通った光は、入射端１１３の第１の方向における端付近に入射される。
【００７１】
導波路部に入射した光は、界面１１６で反射されて導波路部内を伝搬し、射出端１１５から射出される。入射端１１３の第１の方向における端部近傍に入射された光束の主光線が、射出端１１５で射出される位置ｘは、以下の式１のように書ける。
ｘ＝ｈ×ｔａｎθ≒ｈ×θ・・・（式１）
【００７２】
ここで、ｈは、導波路部の伝搬方向の長さ、θは、光束の入射角度（導波路部が伝搬可能な光束の第３の方向に対する最大入射角度）である。また、ｘは、入射端１１３の第１の方向における端からの距離（クラッド１１２のマイクロレンズ１０２側の第１の方向における内径）である。ここで、近似的には、射出端１１５において、導波路部の中心よりも反対側から主光線が射出されたときに、所望の光電変換部とは反対側の光電変換部に光が入射すると近似する。すると、入射端１１３の第１の方向における長さｗが、以下の式２を満たすときに、本発明の効果が高くなる。
ｗ≦２×ｘ≒２×ｈ×θ・・・（式２）
【００７３】
即ち、入射端１１３の第１の方向における長さｗは、導波路部の第３の方向における大きさ（導波路部の伝搬方向の長さ）と、導波路部が伝搬可能な光束の第３の方向に対する最大入射角度を乗じた値の２倍以下である方が好ましい。更に、結像光学系のＦ値と、導波路部が伝搬可能な光束の第３の方向に対する最大入射角度の関係（Ｆ＝２×θ）から、以下の式３のように記述することもできる。
ｗ≦２×ｈ×θ≒ｈ÷Ｆ・・・（式３）
【００７４】
即ち、入射端１１３の第１の方向における長さｗは、導波路部の第３の方向における大きさ（導波路部の伝搬方向の長さ）を、使用する結像光学系の最小Ｆ値で除した値以下である方が好ましい。
【００７５】
例えば、導波路部の第３の方向における大きさが２．０μｍ、使用する結像光学系の最小Ｆ値が１．４の場合、入射端１１３の第１の方向における径が１．４μｍ以下である場合に、本発明の効果が大きくなる。「入射端１１３の第１の方向における径」とは、入射端１１３の第１の方向における長さが最も長い部分の長さのことをいう。たとえば、入射端１１３が円形の場合には直径を、第１の方向に長径を有する楕円形の場合には長径を、第１の方向における径を、第１の方向に沿った辺を有する正方形の場合には一辺の長さのことをいう。
【００７６】
また、基板１２０（一対の光電変換部１２１、１２２）と第３の界面１１８との間の第３の方向における光学的距離が長いほど、本発明の効果が大きくなる。なぜなら、第３の界面１１８（射出端１１５）が基板１２０（一対の光電変換部１２１、１２２）から離れているほど、高次の導波モードに結合した光が、導波路部から射出後に拡がって伝搬される距離が長くなるためである。
【００７７】
具体的には、基板１２０（一対の光電変換部１２１、１２２）と、射出端１１５との間の第３の方向における光学的距離が、被変換光束の波長以上が好ましい。
【００７８】
撮像素子１００が有する全ての画素を画素１０１としてもよいし、一部の画素のみを画素１０１とし、その他の画素を撮像画素（光電変換部を１つのみ有する画素）としてもよい。画素１０１で取得した信号を用いてＡＦや測距を行い、撮像画素で取得した信号を用いて画像を生成してもよい。また、撮像画素で取得した信号を用いて、近接する画素１０１の撮影画像用の信号を生成してもよい。
【００７９】
撮像素子１００が有する全ての画素を画素１０１とした場合には、撮像素子１００の全領域のＡＦや測距が可能となる。また、各画素に含まれる光電変換部１２１及び１２２で取得した信号を加算し、撮影画像用の信号としても利用することができる。
【００８０】
瞳分割方向はＸ軸方向でなくても良く、Ｙ軸方向や斜め方向であってもよい。また、瞳分割方向の異なる複数の画素が設けられていてもよい。このような構成とすると、被写体のコントラストの変化がある方向によらず、高精度なＡＦや測距が可能となる。
【００８１】
実施例１では、配線１２３が第１の光電変換部１２１及び第２の光電変換部１２２に対して光束の入射側に設けられる、所謂表面入射型の撮像素子に本発明を適用した例を示した。しかし、配線１２３が一対の光電変換部１２１、１２２に対して、光束の入射側とは反対側に設けられる、所謂裏面入射型の撮像素子に本発明を適用してもよい。
【００８２】
表面入射型の撮像素子において、配線１２３が吸収部１１４よりもマイクロレンズ側に設けられている場合には、配線１２３により光が吸収され、配線１２３の電気特性が不安定になる。また、複数の配線１２３、１２３間や、配線１２３の下部に吸収部を配置する必要が生じるため、配線レイアウトの自由度も制限される。
【００８３】
従って、図２に示されたように、表面入射型の撮像素子においては、吸収部１１４は配線１２３よりもマイクロレンズ側に設けられる方が好ましい。なお、複数の配線１２３が設けられる場合には、吸収部１１４は、最もマイクロレンズ側に設けられた配線１２３よりもマイクロレンズ側に設けられる方が好ましい。
【実施例２】
【００８４】
実施例２に示す撮像素子２００は、撮像素子２００中の画素２０１の位置により、吸収部２１４の形状が異なる。図９は、実施例２に示す撮像素子２００中の画素の配置を示す図である。画素２０１ａ、２０１ｂは、各々、撮像素子２００の第１の方向（−Ｘ軸方向）の周辺領域２００ａ、第１の方向（＋Ｘ軸方向）の周辺領域２００ｂに設けられた画素である。
【００８５】
図１０（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、画素２０１ａ、２０１ｂの構成を示した断面図である。画素２０１ａ、２０１ｂは、図２に示す画素１０１と比較して、吸収部の大きさが異なる。
【００８６】
具体的には、撮像素子の周辺領域２００ａ（−Ｘ軸方向）に設けられた画素２０１ａにおいては、−Ｘ軸方向に設けられた、吸収部としての第１の吸収部２１４ａ１の方が、＋Ｘ軸方向に設けられた、吸収部としての第２の吸収部２１４ａ２の体積よりも大きい。また、撮像素子の周辺領域２００ｂ（＋Ｘ軸方向）に設けられた画素２０１ｂにおいては、＋Ｘ軸方向に設けられた第１の吸収部２１４ｂ１の方が、−Ｘ軸方向に設けられた第２の吸収部２１４ｂ２の体積よりも大きい。
【００８７】
即ち、撮像素子の周辺領域では、撮像素子２００の中心を通り第２の方向に平行な中心線までの第１の方向における距離が大きい第１の吸収部２１４ａ１、２１４ｂ１の体積は、第２の吸収部２１４ａ２、２１４ｂ２の体積よりも大きくなっている。このような構成とすることで、撮像素子中の画素の位置によらず、高精度なＡＦや測距が可能となる。以下で説明を行う。
【００８８】
撮像素子２００中の画素の位置により、画素に入射する主光線の入射角度は異なる。具体的には、−Ｘ軸方向の周辺領域２００ａでは主光線が、−Ｘ軸方向かつ−Ｚ軸方向に斜入射され、＋Ｘ軸方向の周辺領域２００ｂでは主光線が、＋Ｘ軸方向かつ−Ｚ軸方向に傾入射される。
【００８９】
画素２０１ａは、撮像素子の−Ｘ軸方向の周辺領域に設けられているので、画素２０１ａにおいては、−Ｘ軸方向かつ−Ｚ軸方向に傾入射される光束の方が、＋Ｘ軸方向かつ−Ｚ軸方向に傾入射される光よりも最大入射角度が大きい。そのため、−Ｘ軸方向かつ−Ｚ軸方向に傾入射される光束の方が、マイクロレンズ２０２ａにより、入射端１１３の第１の方向（−Ｘ軸方向）における端部近傍に集光される。
【００９０】
前述したように、入射端１１３の第１の方向における端部近傍に集光された光ほど、高次の導波モードに結合し、光電変換部２１１ａ、２１２ａの双方に入射して、瞳分割性能を悪化させる原因となる。
【００９１】
そのため、−Ｘ軸方向かつ−Ｚ軸方向に傾いて入射する光が集光される−Ｘ軸方向の吸収部２１４ａ１の体積を大きくすることで、瞳分割性能を更に向上させることができる。
【００９２】
一方、画素２０１ｂは、撮像素子の＋Ｘ軸方向の周辺領域に設けられているので、画素２０１ｂにおいては、＋Ｘ軸方向かつ−Ｚ軸方向に傾入射される光束の方が、−Ｘ軸方向かつ−Ｚ軸方向に傾入射される光よりも最大入射角度が大きい。そのため、＋Ｘ軸方向かつ−Ｚ軸方向に傾入射される光束の方が、マイクロレンズ２０２ｂにより、入射端１１３の第１の方向（＋Ｘ軸方向）における端部近傍に集光される。前述したように、入射端１１３の第１の方向における端部近傍に集光された光ほど、高次の導波モードに結合し、光電変換部２１１ａ、２１２ａの双方に入射して、瞳分割性能を悪化させる原因となる。
【００９３】
そのため、＋Ｘ軸方向かつ−Ｚ軸方向に傾いて入射する光が集光される＋Ｘ軸方向の吸収部２１４ｂ１の体積を大きくすることで、瞳分割性能を更に向上させることができる。
【００９４】
なお、図１０では、吸収部の体積を変える方法として、吸収部の長さ（吸収部の第１の方向における大きさ）を変えた場合を示した。しかし、吸収部における高さ（吸収部の第３の方向における大きさ）を変えてもよいし、吸収部の第１の方向の長さと厚みの双方を変えてもよい。
【００９５】
但し、図１０のように、吸収部の高さは変えずに吸収部の第１の方向における長さのみを変える方が、製造が容易となるため、好ましい。
【００９６】
撮像素子の中心領域については、画素に入射する主光線の入射角度の傾きが小さいため、撮像素子の第１の方向の両側に設けられた吸収部の体積が、互いに等しい方が好ましい。
【００９７】
周辺領域は、撮像素子の中心を通り、第１の方向に垂直な方向に延びる直線２３０からの距離が、撮像素子の第１の方向の長さの０．４０倍以上の領域であると好ましく、０．２５倍以上の領域であれば、更に好ましい。
【符号の説明】
【００９８】
１００、２００  撮像素子
１０１、２０１ａ、２０１ｂ  画素
１０２、２０２ａ、２０２ｂ  マイクロレンズ
１１０  導波路部
１１１、２１１ａ、２１１ｂ  コア
１１２  クラッド
１１３  入射端
１１４、２１４ａ１、２１４ａ２、２１４ｂ１、２１４ｂ２  吸収部
１１６  界面
１２１、１２２、２２１ａ、２２２ａ、２２１ｂ、２２２ｂ  光電変換部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2017054991.tif 000009
【図８】
2017054991.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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