JP2020120067A - 撮像素子 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、光電変換機能を有する画素部を複数個、マトリックス状に配列した固体撮像素子において、N個の隣接する画素部を一つの集合として単位画素を構成し、いわゆる瞳分割により測距、撮像兼用の撮像素子を実現する手法が知られている(特許文献1を参照)。
しかしながら、被写体像によってはこの分割方向とは異なる方向(例えば直交する方向)に空間周波数が高い状態となっている場合がある。このような場合には、サンプリング誤差が発生しやすくなり、光束の利用効率が低下することから、特に低輝度被写体に対する測距性能が低下してしまう。
すなわち、一般に、単位画素の分割数が増加するのにしたがって画素内に配置するトランジスタ数が増加し、1画素内のトランジスタ領域の面積割合が大きくなってしまう。このため、画素内の電荷蓄積部の面積割合が相対的に小さくなり、蓄積容量が減少することからダイナミックレンジが低下するなどの問題が生じ、どうしても撮像素子性能と焦点検出性能を共に良好とすることが困難となる。
すなわち、本発明の撮像素子は、
基板上に、光入射方向に向かって、撮像機能を有する第1撮像素子部と、焦点検出機能を有する第2撮像素子部をこの順に積層してなり、該第2撮像素子部は、光入射方向に向かって第1の感光層と第2の感光層をこの順に積層してなり、該第1の感光層と該第2の感光層は、前記第1撮像素子部と、各単位画素が積層方向に対応するように配列され、かつ該第1の感光層の該単位画素と該第2の感光層の該単位画素が、互いに異なる方向に瞳分割されるように配列されてなることを特徴とするものである。
また、前記第1撮像素子部が、前記第2撮像素子部を透過した光から所定の色光を分離する光電変換膜を備えていることが好ましい。
また、前記第1撮像素子部が、前記第2撮像素子部を透過した光から所定の複数の色光のそれぞれを分離する複数の光電変換膜を積層してなることが好ましい。
また、前記第1の感光層と前記第2の感光層は、赤外線の所定の波長帯域の光を光電変換するものであることが好ましい。
図1(C)に示すように、本実施形態に係る撮像素子10は、第1撮像素子部11上に第2撮像素子部12が配され、その第2撮像素子部12上の、各単位画素に対応する位置にマイクロレンズ13が配されている。このマイクロレンズ13は全体としてアレイ状に形成されている。
第1の感光層121は、各単位画素121(m,n)が行方向(水平方向)に瞳分割されるように配列されているのに対し、第2の感光層122は、各単位画素122(m,n)が列方向(垂直方向)に瞳分割されるように配列されている。なお、図中でmに対応する数値は左端からの単位画素行番号を示すものであり、図中でnに対応する数値は上端からの単位画素列番号を示すものである。
なお、図1(B)に示すように、上記第2の感光層122の画素は列方向(上(U)下(D)方向)に分割され、列方向に瞳分割がなされており、これに対して、図1(A)に示すように、上記第1の感光層121の画素は行方向(左(L)右(R)方向)に分割され、行方向に瞳分割がなされている。
このように本実施形態においては、第2撮像素子部12を構成する、光入射方向に互いに積層された第1の感光層121と第2の感光層122は、各々が互いに直交する方向に瞳分割されている。すなわち、第1の感光層121および第2の感光層122の画素はそれぞれ図1(A)、(B)に示すように一方が行方向に、他方が列方向に瞳分割されており、行・列方向どちらかのみに高い空間周波数を持つ被写体の撮像に対しても、高精度に焦点検出が可能である。これにより、サンプリング誤差の発生を抑制することが可能となり、光束の利用効率が向上することが可能となることから、特に被写体が低輝度である場合にも測距性能の低下を抑制することができる。
すなわち、撮像素子10Aおよび撮像素子10Bは、図2(A)および図2(B)に示されるように、第1撮像素子部11A、Bに設けられた光電変換膜11AC、11BCの配設状態が異なったものとされており、いずれを選択することも可能である。
このように、第1撮像素子部を、図2(B)に示す如く、いわゆる垂直色分離型の第1撮像素子部11B(文献:寺西信一,“垂直色分離型センサ”,画像入力とカメラ,電子情報通信学会(編),pp.116-117,オーム社,東京,2012.を参照)とし、各感光層122、121を透過してきた色光を、有機光電変換膜等を用いて深さ方向に色分解すれば、光電変換膜11BCの全ての層において解像度の劣化の無い映像が取得できるため、より望ましい。
各光電変換膜部11BB、11BRは、読み出し回路部34B、34Rに接続される画素電極32B、32Rと対向電極31B、31Rとに挟まれて両電極間の電圧を印加され、所定の色光(B光およびR光)を吸収して各色光の強度に応じた電荷を発生する。なお、各読み出し回路部34B、34Rの図中下方には各々絶縁膜35B、35Rが設けられている。また、各光電変換膜部11BB、11BRの間、およびR光用光電変換膜部11BRの下部には層間絶縁膜33、36が配設されている。
この接続手法として、図4(A)および図4(B)に示す態様について説明する。
なお、第2撮像素子部42、52の各画素内において、光電変換により発生した光信号を外部に読み出したり、信号を増幅させるためのトランジスタおよびその配線が各感光層421、422、521、522毎に設けられている。図4(B)に示す態様においては、読み出し回路部521B、522Bが、各感光層521、522とは独立したブロックにより表されている。
また、図4(B)の態様のものにおいて、各読み出し回路521B、522Bの材料としては可視光に対して略透明な酸化物半導体であるTFTやSOI等が用いられる。
また、第1の感光層121と第2の感光層122が、互いに異なる波長帯域の吸収帯を有するものとした場合は、例えば、いずれも緑色光の波長帯域内とすることもできる。その場合、図5(B)のグラフに示すように、両感光層121、122の光吸収率は共に100%に近い程度まで大きく、かつ互いに略等しくなるように設定することが好ましい。
例えば、光電変換膜を構成する各層については、上記実施形態のものに限られるものではなく、他の層を上述した層間に挟むようにすることも可能である。また、上記実施形態のものでは第2撮像素子部12において、赤外線あるいは緑色光を光電変換して測距に用いるようにしている。第2撮像素子部12で、赤外線等の可視光以外の光を光電変換する場合には、第2撮像素子部12では測距のみを行い、第1撮像素子部11で、3原色光各々に対しての撮像を行えばよい。一方、第2撮像素子部12で、緑色光を光電変換する場合には、第2撮像素子部12で測距および緑色光の撮像を行い、第1撮像素子部11で、青色光と赤色光各々に対しての撮像を行うことは上記実施形態において説明したとおりである。
なお、第2撮像素子部12における、例えば緑色光の撮像は、各単位画素の各受光部において受光され光電変換された信号値を互いに加算することによって緑色光の撮像を行うようにしている。これらの撮像に係る演算は、この撮像素子の後段に配される演算部において行われ、これら撮像に係る各色信号値が図示されない出力部から外部に出力される。
また、上記実施形態においては、3原色光をR、G、Bとしているが、例えばM(マゼンタ)、C(シアン)、Y(イエロー)の3原色光とすることも可能である。
また、分割方向の交差角度は互いに直交する場合に限られるものではなく、それよりも小さい角度、例えば45度等に設定するようにしてもよい。
11、11A、11B、41、51 第1撮像素子部
11AR、11BR 赤色光用光電変換膜部
11AB、11BB 青色光用光電変換膜部
11AC、11BC 光電変換膜
12、12A、12B、42、52 第2撮像素子部
13 マイクロレンズ
14、14A 入射光
31R、31B 対向電極
32R、32B 画素電極
33、36 層間絶縁膜
34R、34B 読み出し回路部
35R、35B、123、423 絶縁膜
53 周辺回路
121、421、521 第1の感光層
121(m,n)、122(m,n) 単位画素
121(m,n)L、121(m,n)R、122(m,n)U、122(m,n)D 画素部(受光部)
122、422、522 第2の感光層
421A、422A、521A、522A ビアプラグ
521B 第1の感光層用読み出し回路
522B 第2の感光層用読み出し回路
Claims (5)
- 基板上に、光入射方向に向かって、撮像機能を有する第1撮像素子部と、焦点検出機能を有する第2撮像素子部をこの順に積層してなり、該第2撮像素子部は、光入射方向に向かって第1の感光層と第2の感光層をこの順に積層してなり、該第1の感光層と該第2の感光層は、前記第1撮像素子部と、各単位画素が積層方向に対応するように配列され、かつ該第1の感光層の該単位画素と該第2の感光層の該単位画素が、互いに異なる方向に瞳分割されるように配列されてなることを特徴とする撮像素子。
- 前記互いに異なる方向は、一方が行方向で他方が列方向とされた、互いに直交する方向であることを特徴とする請求項1に記載の撮像素子。
- 前記第1撮像素子部が、前記第2撮像素子部を透過した光から所定の色光を分離する光電変換膜を備えてなることを特徴とする請求項1または2に記載の撮像素子。
- 前記第1撮像素子部が、前記第2撮像素子部を透過した光から所定の複数の色光のそれぞれを分離する複数の光電変換膜を積層してなることを特徴とする請求項1または2に記載の撮像素子。
- 前記第1の感光層と前記第2の感光層は、赤外線の所定の波長帯域の光を光電変換するものであることを特徴とする請求項1〜4のうちいずれか1項記載の撮像素子。
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