JP2016178341A - 撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 撮像素子の画素が微細化された場合に、焦点検出用画素の瞳分割性能を良好に維持する。
【解決手段】 複数の画素を有し、前記複数の画素の内の少なくとも一部の画素が、それぞれ、マイクロレンズ（ＭＬ）と、瞳分割方式の焦点検出に用いられる信号を出力する、少なくとも１つ以上の光電変換部（ＰＤ−Ａ、ＰＤ−Ｂ）と、前記光電変換部と前記マイクロレンズとの間に形成された層内レンズ（ＭＬ２）と、前記層内レンズと前記光電変換部の受光面を包含する領域との間に充填された高屈折率層（ＨＬ）と、前記マイクロレンズと前記光電変換部との間であって、前記高屈折率層の周囲に充填され、前記マイクロレンズ及び前記高屈折率層の屈折率以下の屈折率を有する低屈折率層（ＬＬ）とを有する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、撮像素子及び撮像装置に関するものである。

撮影レンズの焦点状態を検出するために、デジタルスチルカメラに用いられるＣＭＯＳ型イメージセンサ（固体撮像装置）を用いて、瞳分割方式の焦点検出を行う固体撮像装置が開示されている（特許文献１）。特許文献１の固体撮像装置は、固体撮像装置を構成する多数の画素のうち、一部の画素が撮影レンズの焦点状態を検出するために光電変換部が２つに分割された構成になっている。そして、２つに分割された光電変換部は、マイクロレンズを介して撮影レンズの瞳の異なる所定領域をそれぞれ受光するように構成されている。

一方、特許文献２では、焦点検出用画素のマイクロレンズの集光パワーが不足した場合、集光パワーの不足を補うためにマイクロレンズと光電変換部の間に層内レンズを形成することが提案されている。

特開２００５−１０６９９４号公報 特開２００７−２８１２９６号公報

ところで、マイクロレンズの集光スポット径は、開口数と入射光の波長λによって決まる回折限界よりも小さくすることはできない。つまり、回折限界より小さい領域に光を結像することはできない。よって、撮像素子の高解像度化に伴い画素サイズが微細化し、回折限界と同程度に近づくと、瞳分割性能は急速に悪化してしまう。さらに、画素サイズが回折限界以下になると、マイクロレンズによる瞳分割は不可能となってしまう。

したがって、撮像素子の画素サイズの微細化に対応するためには回折限界を小さくする必要がある。しかしながら、特許文献２で提案されている構成では、回折限界を十分に小さくすることができず、画素サイズの微細化に伴い焦点検出用画素の瞳分割性能が低下してしまうという課題がある。さらに、高解像度のための画素サイズの微細化に加え、裏面照射型撮像素子などで、標準画素の受光効率を向上させるためにマイクロレンズと光電変換部との距離が短くなる場合、焦点検出用画素の瞳分割性能がより低下してしまうという課題がある。

本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、撮像素子の画素が微細化された場合に、焦点検出用信号を取得する画素の瞳分割性能を良好に維持することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の撮像素子は複数の画素を有し、前記複数の画素の内の少なくとも一部の画素が、それぞれ、マイクロレンズと、瞳分割方式の焦点検出に用いられる信号を出力する、少なくとも１つ以上の光電変換部と、前記光電変換部と前記マイクロレンズとの間に形成された層内レンズと、前記層内レンズと前記光電変換部の受光面を包含する領域との間に充填された高屈折率層と、前記マイクロレンズと前記光電変換部との間であって、前記高屈折率層の周囲に充填され、前記マイクロレンズ及び前記高屈折率層の屈折率以下の屈折率を有する低屈折率層とを有する。

本発明によれば、撮像素子の画素が微細化された場合に、焦点検出用信号を取得する画素の瞳分割性能を良好に維持することができる。

本発明の実施形態に係るカメラの概略構成を示す図。 実施形態における撮像素子の概略回路構成を示す図。 実施形態における撮像用画素の概略平面図と、撮影用画素と射出瞳との関係を説明するための図。 第１の実施形態における焦点検出用画素の概略平面図と、焦点検出用画素と射出瞳との関係を説明するための図。 第１の実施形態における焦点検出用画素の断面遮光層の開口部が高屈折率層で充填されている焦点検出用画素の概略断面図。 遮光層の開口部が低屈折率層で充填されている従来の焦点検出用画素の回折限界を説明するための概略断面図。 遮光層の開口部が高屈折率層で充填されている第１の実施形態の焦点検出用画素の回折限界を説明するための概略断面図。 分割された光電変換部の受光面が高屈折率層で充填されている第２の実施形態の焦点検出用画素の概略断面図。 光導波路の受光面に形成された遮光層の開口部が高屈折率層で充填されている第３の実施形態の焦点検出用画素の概略断面図。 光導波路の受光面に形成された遮光層の開口部が高屈折率層で充填されている焦点検出用画素の数値解析例。 光導波路の受光面に形成された遮光層の開口部が高屈折率層で充填されている焦点検出用画素の瞳強度分布例。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。ただし、本形態において例示される構成部品の寸法、材質、形状、それらの相対配置などは、本発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、本発明がそれらの例示に限定されるものではない。

＜第１の実施形態＞
図１は本発明の第１の実施形態に係る焦点検出装置を有する撮像装置であるカメラの概略構成を示したものである。図１において、１０１は撮影光学系（結像光学系）の先端に配置された第１レンズ群で、光軸方向に進退可能に保持される。１０２は絞り兼用シャッタで、その開口径を調節することで撮影時の光量調節を行うほか、静止画撮影時には露光秒時調節用シャッタとしての機能も備える。１０３は第２レンズ群である。そして絞り兼用シャッタ１０２及び第２レンズ群１０３は一体となって光軸方向に進退し、第１レンズ群１０１の進退動作との連動により、変倍機能（ズーム機能）を実現することができる。

１０５は第３レンズ群で、光軸方向の進退により、焦点調節を行う。１０６は光学的ローパスフィルタで、撮影画像の偽色やモアレを軽減するための光学素子である。１０７はＣＭＯＳセンサとその周辺回路で構成された撮像素子である。撮像素子１０７には、横方向ｍ画素、縦方向ｎ画素の受光画素上に、ベイヤー配列の原色カラーモザイクフィルタがオンチップで形成された、２次元単板カラーセンサが用いられる。

１１１はズームアクチュエータで、不図示のカム筒を回動することで、第１レンズ群１０１ないし第３レンズ群１０３を光軸方向に進退駆動し、変倍操作を行う。１１２は絞りシャッタアクチュエータで、絞り兼用シャッタ１０２の開口径を制御して撮影光量を調節すると共に、静止画撮影時の露光時間制御を行う。１１４はフォーカスアクチュエータで、第３レンズ群１０５を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行う。

１１５は撮影時の被写体照明用電子フラッシュで、キセノン管を用いた閃光照明装置が好適だが、連続発光するＬＥＤを備えた照明装置を用いても良い。１１６はＡＦ補助光発光部で、所定の開口パターンを有したマスクの像を、投光レンズを介して被写界に投影し、暗い被写体あるいは低コントラスト被写体に対する焦点検出能力を向上させる。

１２１は、カメラ本体の種々の制御を司るカメラ内ＣＰＵで、演算部、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、通信インターフェイス回路等を有する。ＣＰＵ１２１は、ＲＯＭに記憶された所定のプログラムに基づいて、カメラが有する各種回路を駆動し、ＡＦ、撮影、画像処理と記録等の一連の動作を実行する。

１２２は電子フラッシュ制御回路で、撮影動作に同期して電子フラッシュ１１５を点灯制御する。１２３は補助光駆動回路で、焦点検出動作に同期してＡＦ補助光発光部１１６を点灯制御する。１２４は撮像素子駆動回路で、撮像素子１０７の撮像動作を制御するとともに、取得した画像信号をＡ／Ｄ変換してＣＰＵ１２１に送信する。１２５は画像処理回路で、撮像素子１０７が取得した画像のγ変換、カラー補間、ＪＰＥＧ圧縮等の処理を行う。

１２６はフォーカス駆動回路で、焦点検出結果に基づいてフォーカスアクチュエータ１１４を駆動制御し、第３レンズ群１０５を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行う。１２８は絞りシャッタ駆動回路で、絞りシャッタアクチュエータ１１２を駆動制御して絞り兼用シャッタ１０２の開口を制御する。１２９はズーム駆動回路で、撮影者のズーム操作に応じてズームアクチュエータ１１１を駆動する。

１３１はＬＣＤ等の表示器で、カメラの撮影モードに関する情報、撮影前のプレビュー画像と撮影後の確認用画像、焦点検出時の合焦状態表示画像等を表示する。１３２は操作スイッチ群で、電源スイッチ、レリーズ（撮影トリガ）スイッチ、ズーム操作スイッチ、撮影モード選択スイッチ等で構成される。１３３は着脱可能なフラッシュメモリで、撮影済み画像を記録する。

図２は、本発明の第１の実施形態における撮像素子の概略回路構成を示したものである。図２は多数の画素から成る２次元ＣＭＯＳエリアセンサの内、２列×４行分の画素の範囲を示したものであるが、撮像素子１０７として利用する場合は、図２に示した画素を多数配置し、高解像度画像の取得を可能としている。本第１の実施形態においては、フォトダイオードに、回路が形成されている面とは反対側の面から光が入射する、即ち、光の入射方向について、フォトダイオードよりも下層に回路が形成されている裏面照射型の撮像素子として説明を行う。

図２において、１はＭＯＳトランジスタゲートとゲート下の空乏層からなる光電変換素子の光電変換部、２はフォトゲート、３は転送スイッチＭＯＳトランジスタ、４はリセット用ＭＯＳトランジスタ、５はソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタである。また、６は水平選択スイッチＭＯＳトランジスタ、７はソースフォロワの負荷ＭＯＳトランジスタである。８は暗出力転送ＭＯＳトランジスタ、９は明出力転送ＭＯＳトランジスタ、１０は暗出力蓄積容量Ｃ_ＴＮ、１１は明出力蓄積容量Ｃ_ＴＳ、１２は水平転送ＭＯＳトランジスタである。１３は水平出力線リセットＭＯＳトランジスタ、１４は差動出力アンプ、１５は水平走査回路、１６は垂直走査回路である。

図３と図４は、それぞれ撮像用画素と焦点検出用画素の構造を説明する図である。本第１の実施形態においては、２行×２列の４画素のうち、対角２画素にＧ（緑色）の分光感度を有する画素を配置し、他の２画素にＲ（赤色）とＢ（青色）の分光感度を有する画素を各１個配置した、ベイヤー配列が採用されている。そして、ベイヤー配列の間に、図４に示す後述する構造の複数の焦点検出用画素が所定の規則にて分散配置される。

図３（ａ）は撮像素子１０７の中央付近に位置する２行×２列の撮像用画素の平面図である。ベイヤー配列では対角方向にＧ画素が、他の２画素にＲとＢの画素が配置され、２行×２列の構造が繰り返し配置される。図３（ｂ）は、図３（ａ）の断面Ａ−Ａを示した図である。ＭＬは各画素の最前面に配置されたオンチップマイクロレンズ、ＣＦＲはＲ（赤）のカラーフィルタ、ＣＦＧはＧ（緑）のカラーフィルタを示している。ＰＤは図２で説明したＣＭＯＳセンサの光電変換部１を模式的に示したものであり、ＣＬはＣＭＯＳセンサ内の各種信号を伝達する信号線を形成するための配線層である。ＴＬは撮影光学系を模式的に示したものである。

ここで、撮像用画素のマイクロレンズＭＬと光電変換部ＰＤは、撮影光学系ＴＬを通過した光束を可能な限り有効に取り込むように構成されている。撮影光学系ＴＬの射出瞳ＥＰと光電変換部ＰＤは、マイクロレンズＭＬにより共役関係にあり、かつ光電変換部ＰＤの有効面積は大面積に設計される。また、図３（ｂ）ではＲ画素の入射光束について説明したが、Ｇ画素及びＢ（青）画素も同一の構造となっている。従って、撮像用のＲＧＢ各画素に対応した射出瞳ＥＰは大径となり、被写体からの光束を効率よく取り込んで画像信号のＳ／Ｎを向上させている。

図４（ａ）は、撮像素子１０７の中央付近に位置する、撮影レンズの図中ｘ方向に瞳分割を行うための焦点検出用画素を含む２行×２列の画素の平面図である。撮像信号を得る場合、Ｇ画素は輝度情報の主成分をなす。人間の画像認識特性は輝度情報に敏感であるため、Ｇ画素が欠損すると画質劣化が認められやすい。一方で、ＲもしくはＢ画素は、色情報を取得する画素であるが、人間は色情報には鈍感であるため、色情報を取得する画素は多少の欠損が生じても画質劣化に気づきにくい。そこで本第１の実施形態においては、２行×２列の画素のうち、Ｇ画素は撮像用画素として残し、ＲとＢに相当する位置の一部の画素に、ある割合で焦点検出用画素を配列している。これを図４（ａ）においてＳ_ＨＡ及びＳ_ＨＢで示す。

図４（ｂ）は、図４（ａ）の断面Ｂ−Ｂを示した図である。マイクロレンズＭＬと、光電変換部ＰＤは図３（ｂ）に示した撮像用画素と同一構造である。本第１の実施形態においては、焦点検出用画素の信号は撮像画像生成には用いないため、色分離用カラーフィルタの代わりに透明膜ＣＦ_Ｗ（無色）が配置される。また、撮像素子１０７で瞳分割を行うため、配線層ＣＬの開口部はマイクロレンズＭＬの中心線に対してｘ方向に偏心している。具体的には、画素Ｓ_ＨＡの開口部ＯＰ_ＨＡは−ｘ方向に偏心しているため、撮影光学系ＴＬの左側の射出瞳ＥＰ_ＨＡを通過した光束を受光する。同様に、画素Ｓ_ＨＢの開口部ＯＰ_ＨＢは+ｘ方向に偏心しているため、撮影光学系ＴＬの右側の射出瞳ＥＰ_ＨＢを通過した光束を受光する。ここで、画素Ｓ_ＨＡをｘ方向に規則的に配列し、これらの画素群で取得した被写体像をＡ像とする。同様に、画素Ｓ_ＨＢもｘ方向規則的に配列し、これらの画素群で取得した被写体像をＢ像とする。これらＡ像とＢ像の相対位置を検出することで、被写体像のピントずれ量（デフォーカス量）が検出できる。

なお、画素Ｓ_ＨＡ及びＳ_ＨＢでは、撮影画面のｘ方向に輝度分布を有した被写体、例えばｙ方向の線に対しては焦点検出可能である。必要に応じて、撮影画面のｙ方向に輝度分布を有した被写体、例えばｘ方向の線に対しても焦点検出できるように、撮影レンズのｙ方向にも瞳分割を行う画素を備えても良い。

●焦点検出用画素の構造
次に、本第１の実施形態におけるＡ像用の焦点検出用画素の構造を図５（ａ）に、Ｂ像用の焦点検出用画素の構造を図５（ｂ）に示す。ＰＤ−Ａ、ＰＤ−Ｂは光電変換部、ＭＬはマイクロレンズである。光電変換部ＰＤ−Ａ及びＰＤ−ＢとマイクロレンズＭＬとの間には、少なくともマイクロレンズＭＬの屈折率以下の屈折率を有する低屈折率層ＬＬが形成されている。必要に応じて、カラーフィルター（ＣＦ）層を配置しても良い。マイクロレンズＭＬや低屈折率層ＬＬはポリマーやシリカＳｉＯ_２などからなり、可視域での屈折率は１．４から１．８程度である。光電変換部ＰＤ−Ａ及びＰＤ−ＢとマイクロレンズＭＬとの間に、瞳分割のために開口部が形成された遮光層ＳＬ−ＡとＳＬ−Ｂが配置されている。これら遮光層ＳＬ−ＡとＳＬ−Ｂの開口部は、マイクロレンズＭＬの光軸からそれぞれ互いに反対方向に偏心して構成されている。遮光層は、チタンＴｉやアルミＡｌなどと窒化チタンＴｉＮなどの多層干渉膜や、可視域での吸収係数が大きい材料で構成される。

また、本第１の実施形態では、開口部を持つ遮光層ＳＬ−Ａ及びＳＬ−Ｂと、マイクロレンズＭＬとの間に、低屈折率層ＬＬの屈折率より大きい屈折率である層内レンズＭＬ２が形成される。さらに、層内レンズＭＬ２から遮光層ＳＬ−Ａ及びＳＬ−Ｂの開口部まで、遮光層ＳＬ−Ａ及びＳＬ−Ｂの開口部のマイクロレンズＭＬ側が、少なくとも低屈折率層ＬＬの屈折率より大きい屈折率を有する高屈折率層ＨＬで充填されている。さらに、マイクロレンズＭＬと層内レンズＭＬ２からなる光学系が、入射光を光電変換部ＰＤ−Ａ及びＰＤ−Ｂの受光面付近に焦点を結ぶように構成されている。層内レンズＭＬ２や高屈折率層ＨＬは、窒化シリコンＳｉＮ_ｘ、窒化酸化シリコンＳｉＮ_ｘＯ_ｙ、酸化チタンＴｉＯ_２、酸化ニオブ、ＩＴＯ、ＩＺＯなどで構成される。これらの可視域での屈折率は１．８〜２．５程度であり、低屈折率層ＬＬの屈折率より高い。

このような構成により、集光スポットの回折限界を小さくすることが可能となり、撮像素子の画素サイズが微細化され、マイクロレンズと光電変換部との距離が短縮されても、焦点検出用画素の瞳分割性能を良好に維持することができる。

以下、本発明の効果について説明する。図６は、従来例における、層内レンズＭＬ２と遮光層ＳＬの開口部の間が低屈折率層ＬＬで充填された画素を示す。一方、図７は、層内レンズＭＬ２と遮光層ＳＬの開口部の間が高屈折率層ＨＬで充填された本発明の第１の実施形態における画素を示す。なお、図６及び図７において、（ａ）はマイクロレンズの光軸に平行な角度で、入射光Ｌ１及びＬ２が焦点検出用画素に入射する状態を示し、（ｂ）はマイクロレンズの光軸に対して斜めの角度で、入射光Ｌ１及びＬ２が焦点検出用画素に入射する状態を示している。

図６、図７において、ＰＤは光電変換部、ＭＬはマイクロレンズ、ＭＬ２は層内レンズ、ＬＬは低屈折率層、ＨＬは高屈折率層、ＳＬは開口部を持つ遮光層である。Ｐは画素周期（画素の幅）、Ｄは層間膜厚（マイクロレンズＭＬから光電変換部ＰＤもしくは遮光層ＳＬまでの距離）、Ｗはスリット幅（遮光層の開口部の幅）である。また、ΔはマイクロレンズＭＬと層内レンズＭＬ２による結像系の回折限界である。この例では、入射光の波長５４０ｎｍ、マイクロレンズＭＬの屈折率を１．６、低屈折率層ＬＬの屈折率を１．４５、層内レンズＭＬ２と高屈折率層ＨＬの屈折率を２．３としている。

入射光は、マイクロレンズＭＬと層内レンズＭＬ２により結像位置に集光される。しかし、光の波動性により集光スポットの直径は回折限界Δより小さくすることはできない。回折限界Δは、入射光の波長をλ、結像位置の屈折率をｎ、マイクロレンズと層内レンズを合成した光学系の見込み角の半分の角度をθとすると、おおよそ、式（１）で見積もることができる。

通常の撮像素子では、光電変換部の受光面とマイクロレンズとの間に配線層が配置されるため、画素周期Ｐよりも層間膜厚Ｄの方が長い。画素周期Ｐを２．０μｍ、層間膜厚Ｄを４．０μｍとすると、見込み角の半分の角度θは１４°程度となる。入射光の波長λを０．５４ｎｍ、シリカＳｉＯ_２からなる透明層ＴＲの屈折率を１．４６とすると、回折限界Δは１．９μｍ程度となる。したがって、集光スポット径の限界である回折限界と画素周期が同程度となってしまい、瞳分割を行うことが不可能となる。

回折限界をより小さくするためには、画素周期Ｐに対して層間膜厚Ｄを短くして、見込み角２θをより大きくする必要がある。裏面照射型の撮像素子であれば、画素周期Ｐに対して層間膜厚Ｄを短くすることができる。

しかしながら、図６に示す従来の画素では、遮光層ＳＬの開口部と層内レンズＭＬ２との間を低屈折率層ＬＬで充填しているため、画素周期Ｐに対して層間膜厚Ｄは短くなるが、回折限界Δに関して、以下の限界があった。すなわち、見込み角２θを大きくするためにマイクロレンズＭＬと層内レンズＭＬ２の集光パワーを大きくしても、層内レンズＭＬ２の底面と低屈折率層ＬＬの間で全反射が起こるため、見込み角２θを一定値以上に大きくすることができない。さらに、実線で示した入射光Ｌ１は遮光層ＳＬの開口部に到達するが、破線で示した入射光Ｌ２は遮光層ＳＬの開口部に到達できないため、実質的なマイクロレンズＭＬの開口率が減少し、受光効率も低下してしまう。特に、図６（ｂ）に示すように、マイクロレンズの光軸に対して斜めに光が入射する場合に受光効率の低下が大きい。

一方、図７で示した本願発明では、遮光層ＳＬの開口部と層内レンズＭＬ２との間を高屈折率層ＨＬで充填しているため、図６で説明したような全反射が生じることがなく、回折限界Δを小さくすることができる。式（１）から分かるように、屈折率ｎを大きくしているために、回折限界Δを従来例よりも小さくすることが可能となる。また、実質的なマイクロレンズＭＬの開口率が減少することもない。画素周期Ｐを２．０μｍ、層間膜厚Ｄを１．０μｍ、高屈折率層の屈折率を２．３とすると、回折限界Δは３７０ｎｍ程度となり、より小さい画素周期でも瞳分割を行うことができる。

したがって、以上のような構成により、撮像素子の画素サイズが微細化され、マイクロレンズと光電変換部との距離が短縮されても、焦点検出用画素の瞳分割性能を良好に維持することができる。

なお、本実施形態では、開口部を有する遮光層により瞳分割を行う撮像素子で説明を行ったが、図８に示すように、分割された光電変換部の受光面を、高屈折率層で充填した撮像素子でも良い。

＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態における焦点検出用画素の構造を図８に示す。ＰＤ−Ａ及びＰＤ−Ｂは光電変換部、ＭＬはマイクロレンズである。光電変換部ＰＤ−Ａ及びＰＤ−ＢとマイクロレンズＭＬとの間は、マイクロレンズＭＬの屈折率以下の屈折率を有する低屈折率層ＬＬが形成されている。必要に応じて、カラーフィルター（ＣＦ）層を配置しても良い。１つのマイクロレンズＭＬに対して、瞳分割のために、光電変換部はＰＤ−ＡとＰＤ−Ｂの複数（２つ以上）に分割されて構成されており、光電変換部ＰＤ−ＡとＰＤ−Ｂはマイクロレンズの光軸からそれぞれ反対方向に偏心して配置されている。

また、本第２の実施形態では、分割された光電変換部ＰＤ−ＡとＰＤ−Ｂの受光面とマイクロレンズＭＬの間に低屈折率層ＬＬの屈折率より大きい屈折率を有する層内レンズＭＬ２が形成される。さらに、層内レンズＭＬ２から分割された光電変換部ＰＤ−ＡとＰＤ−Ｂの受光面まで、光電変換部ＰＤ−ＡとＰＤ−Ｂの受光面のマイクロレンズＭＬ側が、低屈折率層ＬＬの屈折率より大きい屈折率を有する高屈折率層ＨＬで充填されている。さらに、マイクロレンズＭＬと層内レンズＭＬ２を合成した光学系は、入射光を光電変換部ＰＤ−ＡとＰＤ−Ｂの受光面付近に焦点を結ぶように構成されている。

光電変換部ＰＤ−Ａで取得した被写体像をＡ像とし、光電変換部ＰＤ−Ｂで取得した被写体像をＢ像とすると、Ａ像とＢ像の相対位置を検出することで、被写体像のピントずれ量（デフォーカス量）が検出できる。また、光電変換部ＰＤ−Ａで取得した被写体像と光電変換部ＰＤ−Ｂで取得した被写体像を加算し、撮像画像とする。

したがって、以上のような構成により、撮像素子の画素サイズが微細化され、マイクロレンズと光電変換部との距離が短縮されても、焦点検出用画素の瞳分割性能を良好に維持することができる。

＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態におけるＡ像用の焦点検出用画素の構造を図９（ａ）に、Ｂ像用の焦点検出用画素の構造を図９（ｂ）に示す。ＰＤ−Ａ及びＰＤ−Ｂは光電変換部、ＭＬはマイクロレンズである。光電変換部ＰＤ−Ａ及びＰＤ−ＢとマイクロレンズＭＬとの間には、少なくともマイクロレンズＭＬの屈折率以下の屈折率を有する低屈折率層ＬＬが形成されている。低屈折率層ＬＬには、低屈折率層ＬＬの屈折率より大きい屈折率を有する光導波路ＬＧが形成されている。必要に応じて、カラーフィルター（ＣＦ）層を配置しても良い。光導波路ＬＧとマイクロレンズＭＬとの間に、瞳分割のために開口部を有した遮光層ＳＬ−Ａ及びＳＬ−Ｂが配置されている。これら遮光層ＳＬ−ＡとＳＬ−Ｂの開口部は、マイクロレンズＭＬの光軸からそれぞれ互いに反対方向に偏心して構成されている。ここで、撮像画素（不図示）では、遮光層の開口部は焦点検出用画素よりも広く形成される。

また、本第３の実施形態では、開口部を有する遮光層ＳＬ−Ａ及びＳＬ−ＢとマイクロレンズＭＬの間に低屈折率層ＬＬの屈折率より大きい屈折率を有する層内レンズＭＬ２が形成される。さらに、層内レンズＭＬ２から遮光層ＳＬ−Ａ及びＳＬ−Ｂの開口部まで、遮光層ＳＬ−Ａ及びＳＬ−Ｂの開口部のマイクロレンズＭＬ側が、少なくとも低屈折率層ＬＬの屈折率より大きい高屈折率層ＨＬで充填されている。さらに、マイクロレンズＭＬと層内レンズＭＬ２を合成した光学系が、入射光を光導波路ＬＧの受光面付近に焦点を結ぶように構成されている。

マイクロレンズＭＬや低屈折率層ＬＬはポリマーやシリカＳｉＯ_２などからなり、可視域での屈折率は１．４から１．８程度である。光導波路ＬＧや層内レンズＭＬ２、高屈折率層ＨＬは、窒化シリコンＳｉＮ_ｘ、窒化酸化シリコンＳｉＮ_ｘＯ_ｙ、酸化チタンＴｉＯ_２、酸化ニオブ、ＩＴＯ、ＩＺＯなどで構成される。これらの可視域での屈折率は１．８〜２．５程度であり、低屈折率層ＬＬの屈折率より高い。

本第３の実施形態におけるＡ像用の焦点検出用画素（画素周期１．６５μｍ）に、マイクロレンズＭＬ上部から光が入射した場合の電磁波解析による数値計算例を図１０に示す。光の強度が強いところほど、明るく示されている。図１０（ａ）は、焦点検出用画素に−１０°で光が入射した場合を示しており、遮光層により大部分の光が遮られている。一方、図１０（ｂ）は焦点検出用画素に０°で、図１０（ｃ）は焦点検出用画素に１０°で、それぞれ、光が入射した場合を示しており、光導波路を通じて大部分の光が光電変換部まで到達している。

図１１に、第３の実施形態における撮像画素の瞳強度分布例を実線で、Ａ像用の焦点検出用画素の瞳強度分布例を破線で示す。横軸は画素に入射する光の入射角度、縦軸は受光強度である。第３の実施形態の構成により、良好な瞳分割特性が得られることがわかる。

したがって、このような構成により、集光スポットの回折限界を小さくすることが可能となり、撮像素子の画素サイズが微細化されても、焦点検出用画素の瞳分割性能を良好に維持することができる。

１：光電変換部、１０７：撮像素子、ＭＬ：マイクロレンズ、ＭＬ２：層内レンズ、ＰＤ−Ａ，ＰＤ−Ｂ：光電変換部、ＨＬ：高屈折率層、ＬＬ低屈折率層、ＳＬ−Ａ，ＳＬ−Ｂ：遮光層、ＣＬ：配線層、ＣＦＲ，ＣＦＧ：カラーフィルタ、ＣＦ_Ｗ：透明膜

Claims (9)

1. 複数の画素を有し、前記複数の画素の内の少なくとも一部の画素が、それぞれ、
   マイクロレンズと、
   瞳分割方式の焦点検出に用いられる信号を出力する、少なくとも１つ以上の光電変換部と、
   前記光電変換部と前記マイクロレンズとの間に形成された層内レンズと、
   前記層内レンズと前記光電変換部の受光面を包含する領域との間に充填された高屈折率層と、
   前記マイクロレンズと前記光電変換部との間であって、前記高屈折率層の周囲に充填され、前記マイクロレンズ及び前記高屈折率層の屈折率以下の屈折率を有する低屈折率層と
   を有することを特徴とする撮像素子。
2. 前記マイクロレンズの底面と光導波路の受光面との距離が、前記画素の周期よりも短いことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
3. 前記光電変換部の前記マイクロレンズと反対側に配線層を有す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。
4. 前記マイクロレンズと前記光電変換部との間であって、前記マイクロレンズの光軸から偏心して配置された遮光層を更に有し、
   前記遮光層は、前記光電変換部の受光面の少なくとも一部を遮光することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像素子。
5. 焦点検出に用いられる信号を出力する前記光電変換部を有する前記一部の画素は、前記複数の画素間に分散配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像素子。
6. 前記複数の画素はベイヤー配列のカラーフィルタを備え、
   焦点検出に用いられる信号を出力する前記光電変換部を有する前記一部の画素は、前記カラーフィルタに代えて透明膜を備えることを特徴とする請求項1乃至５のいずれか１項に記載の撮像素子。
7. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像素子を備えたことを特徴とする撮像装置。
8. 複数の画素を有し、前記複数の画素の内の少なくとも一部の画素が、それぞれ、
   マイクロレンズと、
   瞳分割方式の焦点検出に用いられる信号を出力する、少なくとも１つ以上の光電変換部と、
   前記光電変換部と前記マイクロレンズとの間に形成され、前記光電変換部側に底面を有する層内レンズと、
   前記層内レンズと前記光電変換部との間に形成され、前記層内レンズの底面による全反射を低減するための反射低減層とを備え、
   前記反射低減層は前記層内レンズの底面に接して形成されることを特徴とする撮像素子。
9. 前記反射低減層と前記光電変換部との間であって、前記マイクロレンズの光軸から偏心して配置された遮光層を更に有し、
   前記遮光層は前記光電変換部の受光面の少なくとも一部を遮光することを特徴とする請求項８に記載の撮像素子。