JP7504630B2 - 撮像素子、撮像装置、コンピュータプログラム及び記憶媒体 - Google Patents
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Description
本発明は、このような従来技術の問題を改善し、瞳分割位相差方式の焦点検出に適した撮像素子を提供することを目的とする。
半導体基板の第1の面側に設けられ、複数の画素が2次元状に配された受光部と、
前記半導体基板の前記第1の面とは反対側の第2の面側に設けられ、前記画素からの信号を読出すための読出し回路と、を有する撮像素子であって、
前記画素はそれぞれ少なくとも2つの光電変換部と、前記2つの光電変換部の間の領域である分離部を有し、
前記画素はそれぞれが1つのマイクロレンズと対応し、該マイクロレンズから前記2つの光電変換部にそれぞれ入射される光によって視差信号を取得するものであり、
前記分離部の、前記第2の面側に配置され、前記分離部のポテンシャルを制御することにより瞳分割特性を補正するための分離部制御電極と、を有することを特徴とする。
なお、実施例においては、撮像装置としてデジタルスチルカメラに適用した例について説明する。しかし、撮像装置はデジタルムービーカメラ、カメラ付きのスマートフォン、カメラ付きのタブレットコンピュータ、車載カメラ、ネットワークカメラなど撮像機能を有する電子機器等を含む。
図1は、本発明の実施例1のCMOSタイプの撮像素子100の全体構成を概略的に示す図である。
撮像素子100は、画素アレイ部101、垂直走査回路102、列回路103、水平走査回路104を有する。
水平走査回路104は、列回路103に保持された信号を順次、ランダム、または同時に不図示の水平出力線に出力する。
また、205は光電変換部の画素境界であり、204はマイクロレンズ、カラーフィルタ、遮光壁からなる光学部材の画素境界である。図2のように光電変換部の画素境界と光学部材の画素境界はy方向にずれている。しかし、x方向についてはほぼ一致している。
図6中に示したように、分離部制御電極304の電圧が相対的に低い場合には、電極と接続されているp領域305を介して分離部303のポテンシャルがVaとなる。
蓄積期間中、画素200Gに入射した光は、マイクロレンズ501により集光される。そしてカラーフィルタ502で分光された後、分離部303、PDA201、PDB202へ入射する。
射出瞳面については光軸方向をz方向とし、図7の紙面内にx方向及びy方向を示している。図8は実施例1における、瞳強度分布とその変化を説明するための図である。
図8は、画素アレイ部101の中央に位置する画素に光が入射した場合の、受光信号の光入射角度依存性(瞳強度分布)を表している。PDA201により得られる信号強度を801a(801b)、PDB202により得られる信号強度を802a(802b)、PDA201とPDB202で得られる信号強度を加算した撮像信号強度を803で表している。
瞳強度分布測定と異なり、シェーディング波形の取得は、1度または数度の撮像手順だけで行えるため、補正するまでの効率が高いという利点がある。
実施例3では、分離部制御電極304の周囲に絶縁膜1301が構成されている。また、Siから成る受光部の内、絶縁膜1301とx方向またはy方向に接する側面領域付近には、多数キャリアとしてホールが存在するp領域1302が形成されている。
実施例4では、駆動面側から分離部303分まで延びたp層によって、分離部制御電極1401を構成する。即ち、注入エネルギーを変化させて複数回イオン注入を行うことにより、駆動面側から分離部303分まで延びるようにp層を形成し、このp層によって分離部制御電極1401を構成する。
実施例4の分離部制御電極1401は、実施例1~3と比較して、Si界面が少ないため暗電流を抑制することができる。
図12は、実施例5の撮像装置の全体構成を概略的に示す図であり、実施例1~4の撮像素子100を搭載した撮像装置(例えば、デジタルスチルカメラの構成例を示している。
全体制御演算部1503は、撮像素子100から出力される信号の補正、画像の生成、デフォーカス量算出、レンズ駆動信号生成、更には、前記2つの光電変換部で光電変換された信号を用いて瞳分割位相差方式の焦点検出等を行う。即ち、全体制御演算部1503は焦点検出手段としても機能している。
像ずれ量の計算においては、A像信号、B像信号の相対位置をずらした場合における、画素毎のA像信号とB像信号の差分の二乗の総和(信頼値)が最も小さいずらし量を像ずれ量とする。
記録部1506は、画像データの記録や読み出しを行うための着脱可能な、例えば半導体メモリである。操作部1507は、撮像システムの各種インターフェースであり、操作部1507を介したユーザからの指示に従って、全体制御演算部1503が、撮像システムの各構成を制御する。
操作部1507は、電源スイッチ、シャッタースイッチ、ズーム操作スイッチ、撮影モード選択スイッチ、或いは表示部1505のタッチパネル等で構成される。シャッタースイッチは、シャッターボタンが全押しされることによりオンとなって撮像を開始させる撮像指示スイッチSW2を含む。
印加電圧に関する補正データは撮像素子ごとに製造工程で測定されたものを例えばメモリ部1504に保存しておき、撮影時に前記補正データをメモリから読み出すことによって画素毎の分離部電極に印加される電圧を制御する。
即ち、電圧制御手段は、受光部に光学像を結像するための結像光学系に応じて、分離部制御電極に印加する電圧を変更することで瞳分割特性を改善している。
なお、受光面の中央に位置する画素においては、マイクロレンズ501は偏心しておらず入射角度は0となる。従ってPDA201とPDB202が受光する光は均等となり信号強度は略等しくなる。
一方、装着される結像レンズの光学的な絞りを1008とした場合に、この絞り開口の中心と画素200Gを結ぶ線1006が入射光軸を表し、絞り開口からは角度幅1001をもつ光が画素200Gへ入射される。
この状況は、入射角度(センサー瞳角度)1002と結像レンズの射出瞳角度1007とのずれ、つまりセンサー瞳距離1003とレンズ射出瞳距離1004のずれが大きい場合に起こりうる。
一方、レンズ射出瞳距離1004とセンサー瞳距離1003の差が小さい場合には、分離部電極へ印加する電圧を小さくし(またはゼロにし)PDA波形(A像信号)とPDB波形(B像信号)の基線長が長くなるようにして測距精度を向上させる。
このように、射出瞳距離と前記センサー瞳距離の差が大きい場合には、前記差が小さい場合よりも、高い電圧を分離部電極へ印加することで、PDA201とPDB202の信号強度801aと802aはそれぞれ、801bと802bへと補正される。
このように、実施例1~6においては、撮像素子、およびこれを用いた撮像装置における撮像素子の個体ばらつきを抑制したり、交換レンズとの光学的な性能ずれを補正したりすることで瞳分割位相差方式の焦点検出のための瞳分割特性を向上させることできる。
各画素の受光部を構成する3つの光電変換部は、それぞれ完全電荷転送が可能なフォトダイオード(PD)で構成されている。1つの画素部の中で、相対的にx座標値が小さい側に配置されたPDA201、相対的にx座標値が大きい側に配置されたPDB202に対して、相対的にy座標値が大きい側に、PDとしてのPDC203が配置されている。
図16は、実施例7の画素200Gを、撮像素子100の受光面側(+z側)から見た場合の図である。なお、図16に示される画素のa-a’断面を-y側から見た場合の断面構造については実施例1の図4に示されるのと同じ構造であるので図4を実施例7の説明においても用いる。なお、図16(A)は、図4のe-e’断面図に対応しており、図16(B)は図4のf-f’断面図に対応している。
また、画素へ入射する光の入射角度によらず、排出用PDであるPDC203に入射する光がPDA201とPDB202に入射する光より少なくなるように形成されている。
図18は、実施例7における図4のe-e’部に示したx方向のポテンシャル分布を概略的に示す図である。図18(A)は分離部制御電極304の電圧が相対的に低い場合、図18(B)は分離部制御電極304の電圧が相対的に高い場合のポテンシャル分布の例を示す。
なお、図16に示される画素のa-a’断面を-y側から見た場合の断面構造については実施例1の図4に示されるのと同じ構造であるので図4を実施例7の説明においても用いる。
実施例1と同様に、ポテンシャル分布601は分離部制御電極304の電圧が相対的に低い場合、ポテンシャル分布602は分離部制御電極304の電圧が相対的に高い場合を示している。
この時、実施例7においては、図18(B)に示すように、x方向におけるポテンシャルの山の中央付近において、上記のポテンシャル変化がより大きく生じるため、分離部303のポテンシャルの山の中央部分に谷ができる。
<蓄積動作>
<<分離部排出モード>>
<<分離部収集モード>>
一方、分離部303内で発生した電子は、分離部収集モードにおいては、分離部制御電極304に印加する電圧は相対的に低くなっている。
<画素読み出し回路・読み出し動作>
信号電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部(FD)904、PDA201中の信号電荷をFD904に転送するための転送スイッチ(TXA)901、PDB202中の信号電荷をFD904に転送するための転送スイッチ(TXB)902を有する。
また、PDC203中の信号電荷をFD904に転送するための転送スイッチ(TXC)903、PDの信号電荷を排出してリセットするリセットスイッチ(RES)905を有する。
また、図20には示されていないが、PDA201~PDC203の間の領域には、分離部303と、その輸送先を制御するための分離部制御電極304を有する。そして、分離部303で発生した電荷をPDCに輸送するか、PDAまたはPDBに輸送することを切り替えることができる。また、TXC903を省略し、PDC203を定電圧源909と接続してもよい。
図21中のt1001~t1009はタイミングチャート中の各タイミングを示しており、実施例7にいては、各タイミングを(t1001)のように示す。また、例えばφSELは、SELのオン/オフを示しており、オン時はH側(上側)、オフ時はL側(下側)で示している。他のスイッチについても同様である。
以下、蓄積期間・画素信号読み出し期間の画素動作を説明する。
蓄積期間中はSEL906がオフであり、SF907と出力信号線908が切り離されている。また、図21においては、蓄積期間中は分離部排出モード(H側)となっており、しかもRES905とTXC903がオンとなっている。従って、分離部303の谷や溝を伝ってPDC203に集められた信号電荷はTXC903、FD904、RES905を介して画素から排出される。
蓄積期間終了後、SELがオンとなるので、SF907と出力信号線908が接続される(t1002)。続いてRES905とTXC903がオフとなる(t1003)。その後のFD904の電位に対応した電圧がN信号として、SF907を介して画素から出力信号線908に読み出される(t1003~t1004)。
<撮像信号/位相差信号の取得>
図22は、実施例7における、射出瞳面内のx軸に沿った信号強度である瞳強度分布例を示す図であり、図22(A)は分離部収集モードにおける瞳強度分布例、図22(B)は分離部排出モードにおける瞳強度分布例を示す。
デフォーカス量が大きい場合、分離部排出モードでは、A像、B像それぞれのボケ量も大きくなるためA像とB像の信号強度分布が異なりやすくなる。
なお、前述のように、焦点検出演算(像ずれ量の計算)において、A像信号、B像信号の相対位置をずらした場合における、画素毎のA像信号とB像信号の差分の二乗の総和(信頼値)が最も小さいずらし量を像ずれ量(デフォーカス量)とする。
なお、信頼値は焦点検出の状態を表す値として用いているが、焦点検出状態を表す値としては上記信頼値に限定されず、例えばA像信号、B像信号の形状の類似度やレベル差などを用いても良い。
即ち、デフォーカス量の精度が高くなる。そのため、デフォーカス量が大きい場合、分離部排出モードの方が、焦点検出に適した信号を取得することができる。
従って実施例7においては、デフォーカス量検出(焦点検出)時か画像取得時かに応じて分離部排出モードと分離部収集モードとを切り替えることで、不自然なボケを抑制した撮像信号の取得と焦点検出に適した信号を最適に切り替えて取得することができる。
<カメラ動作シーケンス>
操作部1507のユーザ操作により、撮影モードがAFワンショット撮影モードに設定されている状態で、撮像指示スイッチSW2が全押しされた場合に図23のフローがスタートする。
次にステップS1602で撮像素子100から信号を読み出し、ステップS1603でデフォーカス量とデフォーカス量の信頼値を算出する。即ち、ステップS1603は、焦点検出手段における焦点検出の信頼値を算出する信頼値算出手段として機能している。
ステップS1604では、S1603で算出した信頼値が予め定められた閾値より低ければ(デフォーカス量の精度が高ければ)S1605に移行し、信頼値が予め定められた閾値より高ければS1609に移行する。
ステップ1605では、レンズ駆動部1502を介して、ステップS1603またはステップS1611で算出したデフォーカス量を元に結像レンズをフォーカス位置まで駆動することで、ピントを被写体に合わせる。
このように、分離部収集モードで露光・蓄積した信号を元に算出したデフォーカス量の信頼値が高い(デフォーカス量の精度が低い)被写体の場合には、分離部排出モードで露光・蓄積した信号を元に算出したデフォーカス量を用いる。それによって、ピントを被写体に合わせることができる。
しかし実施例7のような構成によれば、画像信号を取得する場合には、不自然なボケを抑制した撮像信号(画像信号)を取得することができる。しかも、焦点検出をする場合には精度の高い焦点検出が可能な撮像装置を得ることができるという効果を得ることができる。
実施例1の図4との違いは、実施例1では分離部303内のp型半導体の不純物濃度が分離部303のx方向(分離方向)の中心(画素中心)で最も高くなっており、分離部制御電極304のx方向の中心位置も画素中心に合っている。それに対して、実施例8では分離部303内のp型半導体の不純物濃度が、画素中心からx方向にずれた領域507において最も高くなっている。
このように実施例8においては、分離部の分離方向について見たときに、分離部の内部の不純物濃度が最も高い領域が、分離部制御電極の中心線とずれた位置に配置されている。
なお、分離部の内部の不純物濃度が最も高い領域と分離部制御電極の中心線が、分離方向について見たときに、画素中心から見て反対側に配置されるように構成しても良い。
また、所定行数ごとに、分離部の内部の不純物濃度が最も高い領域と分離部制御電極の中心線の相対位置が対称関係である画素を交互に配置しても良い。
図25(A)と図25(B)に示すように、分離部制御電極304に印加する電圧を、電圧制御手段により変更することによって、分離部303内のx方向のポテンシャルが最大となる位置をx方向に移動させることができる。
分離部制御電極304の印加電圧を変化させることで、ポテンシャルが最大となる位置をx方向に移動させることができ、分離部303で発生した電荷をPDA201とPDB202に振り分ける分割位置を変更することができる。
図26は、実施例8の、射出瞳面内のx軸に沿った信号強度である瞳強度分布例を示す図である。図26において、901a、902aは、図25(A)に対応した、分離部制御電極304の印加電圧が低い場合のPDA201およびPDB202の瞳強度分布を示す。
なお、図24に示した断面構造における分離部制御電極の構造のみを、実施例3、4のように変更しても良い。
実施例9では、分離部制御電極は、画素中心よりx座標が小さい側の分離部制御電極1201と、x座標が大きい側の分離部制御電極1202との2つに分かれて配置されており、それぞれ独立に異なる電圧を印加することができる。
実施例8と比較して、分離部303内で電界がかかる領域がx方向に広くなるため、ポテンシャルのピーク位置の変化量を大きくすることができ、瞳分割領域1103内で瞳分割位置が変位量を大きくすることができる。
以上のように実施例9の撮像素子では、瞳分割の位置を実施例8より広い範囲で変更することができる。
図28は実施例8、実施例9における、瞳強度分布の例を示す図である。
図14で説明したように、装着された結像レンズの光学的な絞りを1008とした場合に、この絞り開口の中心と画素200Gを結ぶ線1006が入射光軸を表し、絞り開口からは角度幅1001をもつ光が画素200Gに入射される。この時結像レンズの光学的な絞り1008と受光面はレンズ射出瞳距離1004だけ離れている。
しかし、その時に仮にPDA201とPDB202の瞳強度分布が図28の901a、902aだったとすると、強度波形の重心差が小さくなり位相差検知の精度が低下する。
101 画素アレイ部
102 垂直走査回路
103 列回路
104 水平走査回路
Claims (29)
- 半導体基板の第1の面側に設けられ、複数の画素が2次元状に配された受光部と、
前記半導体基板の前記第1の面とは反対側の第2の面側に設けられ、前記画素からの信号を読出すための読出し回路と、を有する撮像素子であって、
前記画素はそれぞれ少なくとも2つの光電変換部と、前記2つの光電変換部の間の領域である分離部を有し、
前記画素はそれぞれが1つのマイクロレンズと対応し、該マイクロレンズから前記2つの光電変換部にそれぞれ入射される光によって視差信号を取得するものであり、
前記分離部の、前記第2の面側に配置され、前記分離部のポテンシャルを制御することにより瞳分割特性を補正するための分離部制御電極と、を有することを特徴とする撮像素子。 - 前記分離部制御電極が、前記受光部を構成する半導体と接する金属またはポリシリコンで構成されることを特徴とする請求項1に記載の撮像素子。
- 前記分離部制御電極と前記受光部を構成する半導体の一部の領域との間に絶縁膜を有することを特徴とする請求項2に記載の撮像素子。
- 前記分離部制御電極が、前記光電変換部と異なる導電型の半導体で構成されることを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載の撮像素子。
- 前記画素毎にカラーフィルタを有し、前記分離部制御電極の前記受光部の深さ方向の長さが前記カラーフィルタ毎に異なることを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載の撮像素子。
- 前記分離部に接続され、前記分離部の電荷を排出するための排出部を有することを特徴とする請求項1~5のいずれか1項に記載の撮像素子。
- 前記画素は矩形形状を有し、前記排出部が、前記画素内の角側に配置されていることを特徴とする請求項6に記載の撮像素子。
- 前記受光部に光学像を結像するための結像光学系の光軸と前記受光部が交わる点を中心として、前記排出部の画素内における位置が異なることを特徴とする請求項6または7に記載の撮像素子。
- 前記分離部は内部に不純物の濃度分布を有し、前記分離部の分離方向について見たときに、前記分離部の内部の不純物濃度が最も高い領域が、前記分離部制御電極の中心線とずれた位置に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の撮像素子。
- 前記分離部の内部の不純物濃度が最も高い領域と前記分離部制御電極の中心線が、前記分離方向について見たときに、画素中心から見て反対側に配置されていることを特徴とする請求項9に記載の撮像素子。
- 前記受光部の中心に対して、前記分離部の内部の不純物濃度が最も高い領域と前記分離部制御電極の中心線の相対位置が対称の関係となる画素を有していることを特徴とする請求項9に記載の撮像素子。
- 所定行数ごとに、前記分離部の内部の不純物濃度が最も高い領域と前記分離部制御電極の中心線の相対位置が対称関係である画素を交互に配置したことを特徴とする請求項9に記載の撮像素子。
- 請求項1~12のいずれか1項に記載の撮像素子の前記分離部制御電極に印加する電圧を変更することによって、前記分離部のポテンシャルを制御するための電圧制御手段と、を有することを特徴とする撮像装置。
- 前記2つの光電変換部で光電変換された信号を用いて瞳分割位相差方式の焦点検出を行う焦点検出手段を有することを特徴とする請求項13に記載の撮像装置。
- 前記電圧制御手段は、前記分離部制御電極に印加する電圧を、前記焦点検出手段における瞳分割特性を改善するように変更することを特徴とする、請求項14に記載の撮像装置。
- 前記瞳分割特性は、前記光電変換部における瞳強度分布特性を含むことを特徴とする請求項15に記載の撮像装置。
- 前記瞳分割特性は、前記光電変換部から得られる信号のシェーディング特性を含むことを特徴とする請求項15に記載の撮像装置。
- 前記電圧制御手段は、前記受光部に光学像を結像するための結像光学系に応じて、前記分離部制御電極に印加する電圧を変更することを特徴とする請求項13に記載の撮像装置。
- 前記電圧制御手段は、前記受光部の中心からの距離に応じて、前記分離部制御電極に印加する電圧を変化させることを特徴とする請求項13に記載の撮像装置。
- 前記瞳分割特性は、前記受光部に光学像を結像するための結像光学系の射出瞳距離と、前記撮像素子のセンサー瞳距離の関係に応じた特性を含むことを特徴とする請求項15に記載の撮像装置。
- 前記電圧制御手段は、前記射出瞳距離と前記センサー瞳距離の差が大きい場合には、前記差が小さい場合よりも、大きな電圧を前記分離部制御電極に印加することを特徴とする請求項20に記載の撮像装置。
- 前記電圧制御手段により、前記分離部制御電極に所定の電圧を印加することにより、前記分離部における電荷を所定の排出部に排出することを特徴とする請求項13に記載の撮像装置。
- 前記電圧制御手段により、前記分離部制御電極に前記所定の電圧を印加した場合に、前記分離部で発生した電荷を前記所定の排出部に排出するための溝状のポテンシャルを前記分離部に形成することを特徴とする請求項22に記載の撮像装置。
- 前記電圧制御手段により前記分離部制御電極に印加する電圧に応じて、前記分離部で発生した電荷を前記2つの光電変換部に振り分けるか、前記所定の排出部に排出させるかを切り替えることを特徴とする請求項22に記載の撮像装置。
- 前記焦点検出手段における焦点検出状態を算出する算出手段を有し、
前記電圧制御手段は、前記焦点検出状態に基づいて、前記分離部制御電極に印加する電圧を変更することを特徴とする請求項14に記載の撮像装置。 - 前記電圧制御手段により、前記分離部制御電極に印加する電圧を変更することによって、前記分離部の内部のポテンシャルが最も高い領域を前記分離部の分離方向に移動させることを特徴とする請求項13に記載の撮像装置。
- 前記受光部に光学像を結像するための結像光学系が、前記撮像装置に対して着脱可能なレンズ鏡筒に含まれることを特徴とする請求項13に記載の撮像装置。
- 請求項13~27のいずれか1項に記載の前記撮像装置の各手段としてコンピュータを機能させるためのコンピュータプログラム。
- 請求項28に記載のコンピュータプログラムを記憶したコンピュータで読み取り可能な記憶媒体。
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