固体撮像素子及び固体撮像素子を有する撮像システム
【課題】画素サイズの小さい場合においても、高精度の測距が可能となる固体撮像素を提供する。
【解決手段】主導波路１０１と、主導波路に導かれた光の射出側に設けられた副導波路１０４，１０５と、副導波路に導かれた光の射出側に設けられた光電変換部と、を備えた画素を有する固体撮像素子であって、主導波路は、第１の方向から入射した光と、それとは異なる第２の方向から入射した光を導波するように構成し、副導波路は、主導波路を導波する光と結合するように構成された第１と第２の副導波路と、を備え、第１の方向から入射して第１の副導波路に導かれて射出される光量が、第２の方向から入射して第１の副導波路に導かれて射出される光量よりも大きい光量が射出可能に構成し、第２の方向から入射して第２の副導波路に導かれて射出される光量が、第１の方向から入射して第２の副導波路に導かれて射出される光量よりも大きい光量が射出可能に構成する。
【解決手段】主導波路１０１と、主導波路に導かれた光の射出側に設けられた副導波路１０４，１０５と、副導波路に導かれた光の射出側に設けられた光電変換部と、を備えた画素を有する固体撮像素子であって、主導波路は、第１の方向から入射した光と、それとは異なる第２の方向から入射した光を導波するように構成し、副導波路は、主導波路を導波する光と結合するように構成された第１と第２の副導波路と、を備え、第１の方向から入射して第１の副導波路に導かれて射出される光量が、第２の方向から入射して第１の副導波路に導かれて射出される光量よりも大きい光量が射出可能に構成し、第２の方向から入射して第２の副導波路に導かれて射出される光量が、第１の方向から入射して第２の副導波路に導かれて射出される光量よりも大きい光量が射出可能に構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子及び固体撮像素子を有する撮像システムに関し、特にデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどに用いられる固体撮像素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
デジタルスチルカメラやビデオカメラにおいて、ＡＦ用距離検出技術が知られている。
このようなＡＦ用距離検出技術に関し、特許文献１では撮像素子の一部の画素に測距機能を持たせ、位相差方式で検出するようにした固体撮像素子が提案されている。
この位相差方式とは、カメラレンズの瞳上の異なる領域を通過した光像を比較し、ステレオ画像による三角測量を用いて距離を検出する方法である。
これによると、従来のコントラスト方式とは異なり、距離を測定するためにレンズを動かす必要が無いため、高速高精度なＡＦが可能となる。また、動画撮影時にリアルタイムＡＦが可能になる。
上記特許文献１では、測距用画素の構造として、マイクロレンズとその下に複数の光電変換部を設けた構成が開示されている。
これにより、カメラレンズの瞳上における特定の領域を通過した光を、選択的に光電変換部に導き、距離を測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許２００２−３１４０６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記した特許文献１の構成では、マイクロレンズを通過した光が配線部などによる散乱の影響を受け、十分な光束分離ができないことから、測距精度が悪化するという課題を有している。
また、特許文献１の構成で、入射角度が小さい光は、２つの光電変換部の間の領域に到達し、光電変換部で検出されず、損失となる。そのため、測距用画素で検出される光量が小さく、ノイズの影響を受け易くなり、測距精度が悪化する。
さらに、特許文献１の構造を、画素サイズの小さい固体撮像素子に適用した場合、つぎのような課題が生じる。
画素サイズが小さくなると、光電変換部に光を導くためのマイクロレンズのＦ値が大きくなり、画素サイズと回折像の大きさがほぼ同じとなる。
そのため、画素内で光が広がってしまい、十分な光束分離ができず、さらに測距精度が悪化する。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑み、高精度の測距を行うことができ、特に画素サイズの小さい場合においても、高精度の測距が可能となる固体撮像素子及び固体撮像素子を有する撮像システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の固体撮像素子は、
主導波路と、前記主導波路に導かれた光の射出側に設けられた副導波路と、前記副導波路に導かれた光の射出側に設けられた該副導波路からの光を電気信号に変換する光電変換部と、を備えた画素を有する固体撮像素子であって、
前記主導波路は、第１の方向から入射した光と、該第１の方向とは異なる第２の方向から入射した光を導波するように構成され、
前記副導波路は、前記主導波路を導波する光と結合するように構成された第１の副導波路と第２の副導波路と、を備え、
前記第１の方向から入射して前記第１の副導波路に導かれて射出される光量が、前記第２の方向から入射して前記第１の副導波路に導かれて射出される光量よりも大きい光量が射出可能に構成され、
前記第２の方向から入射して前記第２の副導波路に導かれて射出される光量が、前記第１の方向から入射して前記第２の副導波路に導かれて射出される光量よりも大きい光量が射出可能に構成されていることを特徴とする。
また、本発明の撮像システムは、上記した固体撮像素子と、該固体撮像素子に被写体像を形成する光学系と、を有する撮像システムであって、
前記第１の方向から入射する光は、前記光学系の射出瞳面上の第１の射出瞳領域を通過して前記主導波路に入射する光であり、
前記第２の方向から入射する光は、前記光学系の射出瞳面上の前記第１の射出瞳領域とは異なる第２の射出瞳領域を通過して前記主導波路に入射する光であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、高精度の測距を行うことができ、特に画素サイズの小さい場合においても、高精度の測距が可能となる固体撮像素子及び固体撮像素子を有する撮像システムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例１における固体撮像素子中に配置された距離測定用の画素の概略断面図である。
【図２】実施例１における光導波路中の導波モードを示す図である。
【図３】実施例１における画素による検出光量の入射角度依存性を示す図である。
【図４】実施例１における撮像素子を用いて被写体の距離を測定する方法について説明する図である。
【図５】実施例１における固体撮像素子中に配置された距離測定用の画素の概略断面図である。
【図６】実施例１における画素による検出光量の入射角度依存性を示す図である。
【図７】実施例１における画素を含む固体撮像素子の製造プロセスについて説明する図である。
【図８】実施例１における固体撮像素子中に配置された距離測定用の画素の概略断面図である。
【図９】実施例２における固体撮像素子中の一部に配置された距離測定用の画素の概略断面図である。
【図１０】実施例２における固体撮像素子中の一部に配置された距離測定用の画素の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明は、導波路に入射する光束の入射角に応じて、導波路内の光伝播状態（導波モード）が異なるという特性を用いて構成されたものである。
具体的には、画素内に複数の光電変換部を配置し、導波路の構造を適切に形成する。
これにより、入射光のうち、特定の角度で入射した光を特定の光電変換部に導き、検出することを可能とし、高精度な距離測定が行える固体撮像素子を実現したものである。
以下、図を用いて、本発明の実施例における固体撮像素子について説明する。
その際、全ての図において同一の機能を有するものは同一の数字を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【実施例１】
【００１０】
実施例１として、本発明における固体撮像素子の構成例について図１を用いて説明する。
図１において、１００は本実施例における固体撮像素子中の一部に配置された距離測定用の画素である。
画素１００は、光の入射側（＋ｚ側）より、主導波路１０１（コア部１０２、クラッド部１０３）、副導波路（第１の副導波路）１０４および副導波路（第２の副導波路）１０５、基板１０８を有している。
主導波路１０１の入射側（＋ｚ側）の端面を入射端面１０９、射出側（−ｚ側）の端面を射出端面１１０とする。
副導波路１０４、１０５は、主導波路１０１の射出端面１１０と基板１０８の間に配置され、コア部１０６とクラッド部１０７を有している。
コア部１０２、１０６およびクラッド部１０３、１０７は、撮像する波長帯域で透明な材料で形成される。例えば、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、有機材料などで形成される。
なお、コア部１０２は、クラッド部１０３より高い屈折率を有する材料で形成され、コア部１０６は、クラッド部１０７より高い屈折率を有する材料で形成される。
これによりコア部１０２および１０６内に光を閉じ込めて伝播させることができる。
基板１０８は、撮像する波長帯域で吸収を有する材料、例えばＳｉであり、イオン打ち込みなどで、内部の少なくとも一部の領域に光電変換部を形成する。
画素１００に外部から入射した光束は、主導波路１０１および副導波路１０４、１０５を伝播し、基板１０８中に射出可能に構成されている。
副導波路１０４あるいは１０５の下に光電変換部を設けると、射出光は光電変換部に到達し、電子に変換され、図示しない信号処理回路に出力される。
【００１１】
画素１００に第１の方向から入射した光束１１１は、主導波路１０１の導波モード１１３（図２（ａ））に変換されて主導波路中を伝播し、更に副導波路１０４の導波モード１１５（図２（ａ））に変換されて副導波路１０４を伝播する。一方、画素１００に第２の方向から入射した光束１１２は、主導波路１０１の導波モード１１４（図２（ｂ）に変換されて主導波路中を伝播し、更に副導波路１０５の導波モード１１６（図２（ｂ）に変換されて副導波路１０５を伝搬する。導波モードとは、導波路の持つ複数の固有モードの和で表され、導波路中の伝播状態を示すものである。
固有モードは、導波路のコア、クラッドの形状、屈折率によって一意に決まる。主導波路１０１に光束１１１、１１２が入射すると、複数の固有モードと結合し、固有の導波モードで伝播する。
入射角によって、導波モードを構成する固有モードの割合は異なり、それによって、導波モードの電場分布も異なる分布となる。
主導波路１０１の形状、媒質を適切に設定することで、入射角によって異なる電場分布を有する導波モードで伝播させることができる。
さらに、主導波路１０１を伝搬する光の各導波モードと各副導波路の導波モードと結合させることで、入射角が異なる各入射光束を異なる副導波路１０４、１０５へ伝播させる。
【００１２】
導波モード間の結合効率は、導波路の接続部における両導波モードの電場分布が互いに近い分布であるほど、高くなる。
主導波路１０１の導波モード１１３と副導波路１０４の導波モード１１５の電場分布が近くなるように、主導波路１０１および副導波路１０４、１０５を設ける。
さらに、主導波路１０１の導波モード１１４と副導波路１０５の導波モード１１６の電場分布が近い分布となるように、主導波路１０１および副導波路１０４、１０５を設ける。
これにより、第１の方向から入射した光束１１１は、導波モード１１３が導波モード１１５と高い効率で結合することで、副導波路１０４へ伝播する。
一方、導波モード１１３と導波モード１１６との結合効率は低くなり、副導波路１０５へ伝播する光は低減する。
また、入射方向が第１の方向から外れると、入射光は、導波モード１１３とは電場分布が異なる導波モードで伝播するため、副導波路１０４へ伝播する光は減少する。
同様に、第２の方向からの入射光束１１２は、副導波路１０５へ伝播し、副導波路１０５へ伝播する光は減少する。
これにより、副導波路１０４には、第１の方向からの光束１１１が導かれ、それ以外の方向からの光は減少する。
また、副導波路１０５には、第２の方向からの光束１１２が導かれ、それ以外の方向からの光は減少させることができる。
【００１３】
また、副導波路１０４、１０５の導波モード１１５、１１６で伝播する光は、各副導波路内に閉じ込められ、空間的な広がりが抑制された状態で、基板中に射出される。
これにより、基板中の射出光の分布が制限される。各副導波路１０４、１０５の下に光電変換部を適切に配置すると、各副導波路中の光は、光電変換部がある領域へ射出されるため、効率良く光を検出することができる。
配線等を導波路外の領域に設けても、入射光は導波路のコア部に集中して伝搬するため、配線部などによる散乱の影響は軽減する。画素サイズが小さくなっても、光は導波路のコア部に閉じ込められるため、画素内で光が広がらずに伝播させることができる。これらの効果により、入射角に応じた光を光電変換部に効率良く導くことができる。
主導波路は、入射角度が小さい光も、入射方向によって異なる導波モードで伝播させることができる。
そして、主導波路の導波モードと副導波路の導波モードとを結合させ、副導波路を伝播させることにより、入射角度が小さい光も分離することができる。
各副導波路の射出側に光電変換部を設けると、分離した各光を検出することができ、光電変換部が無い領域に到達する損失光を低減することができる。
主導波路１０１および副導波路１０４、１０５の導波モードは、各導波路の形状や媒質あるいは設ける位置で決定される。
本実施例で示す構成で、各導波路の形状、媒質、設ける位置を適切に設定することで、上記で述べた効果を得ることができ、入射角に応じた光をより正確かつ高効率に検出することができる。
【００１４】
図２に、導波路中の導波モードを示す。
図２（ａ）は角度＋θ（第１の方向）から入射した光束１１１の、主導波路１０１の第１の導波モード１１３と、副導波路１０４の導波モード１１５の電場強度分布を示す図である。
図２（ｂ）は角度−θ（第２の方向）から入射した光束１１２の、主導波路１０１の第２の導波モード１１４および副導波路１０５中の導波モード１１６の電場分布を示す図である。このように、各導波路の導波モードは入射角に応じて異なる。
図２（ａ）に示すように、第１の方向から入射した光束１１１は第１の導波モード１１３に変換されて、導波路１０１中を導波する。そして、導波モード１１５と結合することで、副導波路１０４中を導波する。
一方、図２（ｂ）に示すように、第２の方向から入射した光束１１２は第２の導波モード１１４に変換され導波路１０１を導波し、導波モード１１６と結合することで副導波路１０５中を導波する。
【００１５】
図３に、画素１００の副導波路１０４あるいは副導波路１０５を伝播し、基板１０８の光電変換部側に射出される光の入射角度依存性を示す。
横軸は入射光の入射角度、縦軸は光量を示している。実線が副導波路１０４、破線が副導波路１０５から光電変換部側に射出される光の光量を示している。
図のように入射角度によって、光が異なる副導波路を伝播し、基板中の光電変換部側に射出されることが分かる。
【００１６】
つぎに、本実施例の撮像素子を用いて、被写体の距離を測定する方法について図４を用いて説明する。
図４（ａ）に示すように、結像レンズ１２１は外界の像を撮像素子１２０の面上に結像する。
撮像素子１２０は、画素１００を複数備え、図４（ｂ）に示すように、基板１０８内に光電変換部（第１の光電変換部）１２５、光電変換部（第２の光電変換部）１２６を備える。
光電変換部１２５および１２６は、それぞれ副導波路１０４および１０５の下に配置されている。
画素の大きさに対して、結像レンズ１２１と撮像素子１２０の間の距離が長い。このため、結像レンズ１２１の射出瞳面上の異なる領域を通過した光束は、異なる入射角の光束として撮像素子１２０の面上に入射する。
撮像素子１２０の各画素に含まれる光電変換部１２６では、結像レンズ１２１の射出瞳（被写体像を形成する光学系の射出瞳）のうち、主に第１の方向に対応する領域１２２（第１の射出瞳領域）を通過した光束が検出される。
同様に、光電変換部１２５では、結像レンズ１２１の射出瞳のうち、主に第２の方向に対応する領域１２３（第２の射出瞳領域）を通過した光束が検出される。そのため、結像レンズ１２１の射出瞳面上の異なる領域を通過した光像を検出することができ、複数の光電変換部１２６からの画素信号と複数の光電変換部１２５からの画素信号を比較する。
これにより公知の方法によって、被写体測距用信号を出力するようにして被写体距離を検出することができる。
【００１７】
つぎに、主導波路のコア部の幅が、射出端面１１０から入射端面１０９に向かって太くなる形状を有する構成例について、図５を用いて説明する。
図５において、画素１００は、光の入射側（＋ｚ側）より、主導波路１３１（コア部１３２、クラッド部１３３）、副導波路１０４および１０５、基板１０８を有している。
副導波路１０４、１０５は、主導波路１３１の射出端面１１０と基板１０８の間に配置されている。主導波路１３１のコア部１３２は、射出端面１１０から入射端面１０９に向かって幅が太くなる形状（テーパ形状）を有している。なお、コア部１３２は、クラッド部１３３より高い屈折率を有する材料で形成される。
画素１００に外部から入射した光束は、導波路１３１および副導波路１０４、１０５を伝播し、基板１０８中に射出される。
副導波路１０４あるいは１０５の下に光電変換部を設けると、射出光は光電変換部に到達し、電子に変換され、図示しない信号処理回路に出力される。
【００１８】
主導波路１３１のコア部１３２の幅および高さに加えて、側壁のテーパ部分の傾きを適切に設定することで、主導波路１３１の導波モードをより詳細に制御することができる。
そして、主導波路１３１の導波モードと副導波路１０４あるいは１０５の導波モードとを結合させ、伝播させることで、画素の入射角度特性をより詳細に制御することができる。
例えば、検出光が最大となる入射角度や入射角度に対する検出光の変化の仕方などを詳細に制御することができる。
また、コア部１３２をテーパ形状にすると、画素１００の全面に入射した光束を、副導波路１０４、１０５のコア部１０６に導くことができ、基板側に射出される光を増加することができる。
テーパ形状にすることで、図５には示してないが、電気信号を抽出するための配線を設ける空間を確保することができる。また、光が伝播する領域を画素の特定領域に限定し、隣接する画素に光が漏れて生じるクロストークを軽減することができる。
【００１９】
図６に画素１００の副導波路１０４または副導波路１０５を伝播し、基板１０８に射出される光の入射角度依存性を示す。
横軸は入射光の入射角度、縦軸は光量を示している。実線が副導波路１０４、破線が副導波路１０５から射出される光の光量を示している。
図のように入射角度によって、光が異なる副導波路を伝播し、基板中に射出されることが分かる。
【００２０】
主導波路１３１の側壁の傾きは緩やかであることが好ましい。主導波路１３１に入射した光は、側壁で全反射され伝播する。
側壁の傾きが急峻であるほど、入射光の側壁に入射する角度は浅くなり、全反射される光は減少する。
側壁の傾きを緩やかにすることで、全反射される光が増加し、伝播光が増加する。
また、導波路中の光は、伝播に伴って、導波路幅の変化によって、導波モードが変換される。側壁の傾きが急峻であるほど、導波モードの変換が急激に起こり、一部の光は導波モード以外の、反射光や散乱光に変換されやすくなる。
側壁の傾きを緩やかにすることで、導波モード以外の光に変換される割合を軽減し、効率良く光を伝播することができる。
主導波路１３１の側壁と光軸（ｚ軸）となす角度は、４５度以内であることが望ましく、より望ましくは３５度以内であることが望ましい。
主導波路１３１の側壁をこのような角度にすることで、効率良く光を伝播することができる。
なお、本発明において、主導波路１３１のコア部の形状はテーパ形状に限定されず、側壁が階段状の形状であってもよい。
例えば、コア部の幅が異なる２つあるいは多数の導波路を、射出側から入射側に向かってコア部の幅が広くなるように、順に配置した構成であってもよい。
このような構成は、射出側に近い導波路から順に作製し、積層していくことで容易に作製することができ、上記効果を得ることができる。
【００２１】
主導波路１３１中の光を異なる導波モードで伝播させ、副導波路に導くためには、主導波路１３１の射出端１１０において、複数の固有モードが存在できる状態が望ましい。
固有モードの数は、導波路の幅と導波路を構成する媒質の屈折率および伝播光の波長によって決定される。コア部１３２の射出端１１０における幅は長い方が望ましい。
検出する光の波長とコア部１３２を形成する媒質の屈折率との積の１．５倍以上よりも長いことが望ましく、より望ましくは、２倍以上の長さ有することが望ましい。
これにより、主導波路１３１の射出端１１０において、複数の固有モードが存在でき、上記効果を得ることができる。
【００２２】
副導波路１０４、１０５は、検出する入射光に対して複数の固有モードが存在する、マルチモード導波路であることが望ましい。
導波モードの電場分布は、複数の固有モードの和で決まる。固有モードの数が多いほど、様々な電場分布を有する導波モードが存在することができる。
副導波路をマルチモード導波路にすることで、主導波路の導波モードと高い効率で結合させやすくなる。
そして、主導波路１０１から副導波路１０４、１０５に伝播する光を増加させ、検出される光量を増加することができる。
検出光量が大きくなると、光電変換部や配線等で発生するノイズの、画像信号に対する影響が軽減し、信号の品質が向上する。
【００２３】
副導波路１０４と副導波路１０５は、十分な間隔を空けて配置することが望ましい。
導波モードの電場分布は、コア部およびクラッド部まで広がった分布を有している。
副導波路１０４と副導波路１０５を互いに近づけると、クラッド部まで広がった電場分布の重なりにより、両導波路の導波モードが結合し、片方の副導波路を伝播する光の一部が、他方の副導波路へ伝播する。この光はノイズとなり、画像信号の検出精度を悪化させる。
また、各副導波路の下に光電変換部を設ける場合、副導波路間の距離に応じて、光電変換部や配線を互いに近い位置に形成する必要があり、作製が難しくなる。副導波路間の距離は、検出する入射光の波長の２０分の１以上、より望ましくは１０分の１以上、更に望ましくは５分の１以上の間隔を空けて配置することが望ましい。
これにより、他方副導波路がもう一方の副導波路へ伝播することを軽減することができる。
【００２４】
なお、被写体の距離や位置によらず距離を精度良く検出するために、第１の射出瞳領域１２２と第２の射出瞳領域１２３は、射出瞳中心１２４に対して、対称な位置に設定することが望ましい。
第１の方向および第２の方向は、射出瞳中心１２４を通り撮像素子に入射する光線である主光線を基準として定義される。
つまり、主光線が撮像素子面に傾いて入射する場合は、第１の方向および第２の方向は、傾いた主光線の入射角を基準として反対方向に等角度となるようにそれぞれ定義される。
主導波路のコア部の形状を変えることで、入射光の入射角に応じた導波モードの空間分布を変えることができる。
そして、導波モードの空間分布を元に、副導波路１０４、１０５を設ける位置を決定することにより、必要な検出光量の入射角度依存性を実現することができる。
結像レンズの射出瞳位置が撮像素子面から有限の距離にあり、主光線の入射角が画角によって変化する場合は、入射角の変化量に応じて撮像素子面内で画素内のコア部の形状および副導波路１０４、１０５の配置を変えても良い。
また、副導波路１０４、１０５の配置に応じて、光電変換部の配置を変えてもよい。
【００２５】
画素１００は撮像素子１２０の全画素に配置してもよい。これにより、撮像素子１２０の任意の領域あるいは全領域の測距が可能となる。
また、各画素１００に含まれる光電変換部１２５と１２６で受光した光を積算し、撮像画像の画像信号として利用することができる。画素１００が、撮影画像の欠陥画素となることを防ぎ、撮影画像の画質を向上することができる。
画素１００に含まれる副導波路および光電変換部は本実施例の配置に限定されるものではない。
例えば、副導波路を縦に２個、横に２個（合計４個）配置してもよい。このような画素を複数個配置することで、縦方向および横方向から入射した光を分離することができる。各副導波路の射出側に光電変換部を設けると、縦方向および横方向にパターンを有する被写体の測距を行うことができる。
あるいは、画素１００内に、３個以上の副導波路を横あるいは縦に並べて配置してもよい。射出瞳をより詳細に分割することができ、各副導波路の射出側に光電変換部を配置すると、更に高精度な測距を行うことができる。
【００２６】
画素１００に入射する光の波長帯域を限定するカラーフィルタを光入射側に設けても良い。
これにより、導波モードの波長による変化の影響を小さくすることができ、検出光量の角度選択性をより高くすることができ、距離検出精度を高くすることができる。
カラーフィルタは、特定の波長帯域の光を透過し、それ以外の波長帯域の光は吸収または反射、散乱させる材料で形成され、例えば有機材料や無機材料を用いる。
以上で示したように、画素内に主導波路と複数の副導波路を設け、各導波路の形状や媒質や配置を適切に設定することで、入射角に応じた光を分離することができる。各光を検出することで、高精度な距離測定が行える固体撮像素子が実現できる。
【００２７】
図７を用いて、本実施例における画素１００を含む固体撮像素子の製造プロセスについて説明する。
まず、シリコン基板１０８の所定の位置にイオンを打ち込み、光電変換部１２５、１２６を作製し、図示しない配線等を形成した後、裏面側からＣＭＰやエッチバックなどにより、基板を薄膜化する（図７（ａ））。
次に、ＳｉＮを成膜し、フォトリソグラフィ、リフトオフなどによりコア部１０６を形成し、ＳＯＧ成膜およびＣＭＰやエッチバックにより平坦化し、クラッド部１０７を形成することで副導波路１０４、１０５を形成する（図７（ｂ））。更に、主導波路１０１を形成することで、画素１００を作製することができる（図７（ｃ））。
本発明の固体撮像素子を構成する媒質は、本実施例に限定されるものではなく、他の媒質を用いてもよい。
主導波路と副導波路のコア部、あるいは主導波路と副導波路のクラッド部は、互いに異なる媒質を用いてもよい。
【００２８】
本発明において、図８に示すように、シリコン基板１０８中に主導波路１０１および副導波路１０４、１０５を設けた、裏面入射型の構成としてもよい。
光電変換部は、基板中の副導波路１０４、１０５の表側（＋ｚ側）に配置される。
このような構成にすると、基板の裏側から入射した光（＋ｚ方向に伝播する光）が検出される。配線等はシリコン基板１０８の表側に配置することができ、入射光の伝播が、配線等によって妨げられるのを回避することができる。
また、配線等による空間的制約が軽減され、主導波路および副導波路の形状をより自由に選択することができ、入射光を光電変換部に効率良く導くことができる。
【００２９】
［実施例２］
実施例２として、本発明における固体撮像素子の構成例について図９を用いて説明する。
図９（ａ）、（ｂ）において、２００、２０１は本実施例における固体撮像素子中の一部に配置された距離測定用の画素である。
画素（第１の画素）２００、画素（第２の画素）２０１は、光の入射側（＋ｚ側）より、主導波路１３１（コア部１３２、クラッド部１３３）、副導波路１０４および１０５、光電変換部２０２あるいは２０３を有する基板１０８を有している。
光電変換部２０２あるいは２０３は、それぞれ副導波路１０４および１０５の射出側に設けられている。
【００３０】
図９（ａ）の画素２００に外部から第１の方向から入射した光束１１１は、実施例１と同様に、主導波路１３０および副導波路１０４を伝播し、光電変換部２０２に導かれる。
一方、第２の方向から入射した光束１１２は、主導波路１３１および副導波路１０５を伝搬する。副導波路１０５を伝播する光は、基板１０８中に射出され、吸収されて減衰する。
これにより、第１の方向から入射した光束１１１を検出することができる。同様に、図９（ｂ）の画素２０１では、第２の方向から入射した光束１１２を検出することができる。
このような画素２００、２０１を複数配置し、各画素に含まれる光電変換部２０２、２０３によって検出した信号により、実施例１と同様に、被写体の距離検出を精度良く行うことができる。
また、光電変換部２０２および２０３で検出した信号を積算し、撮像画像の画素２００および２０１における画像信号として使用してもよい。
【００３１】
このような構成にすると、副導波路１０５を伝播する光が光電変換部２０３に、あるいは副導波路１０４を伝播する光が光電変換部２０２に入射することによって発生するクロストークを抑制することができる。
また、光電変換部２０２、２０３を互いに近傍に設けなくてよいため、作製が容易となる。
【００３２】
本発明における固体撮像素子の画素は、図１０（ａ）、（ｂ）に示す構成としてもよい。
画素２１０、２１１は、主導波路１３１、副導波路１０４および１０５、内部に光電変換部２１２あるいは２１３を有する基板１０８を有している。副導波路１０４あるいは副導波路１０５の一部には、遮光部材２１４、２１５が配置されている。
図１０（ａ）の画素２１０に外部の第１の方向から入射した光束１１１は、実施例１と同様に、主導波路１３１および副導波路１０４を伝播し、光電変換部２１２に導かれる。
一方、第２の方向から入射した光束１１２は、主導波路１３１および副導波路１０５を伝搬する。
副導波路１０５を伝播する光は、遮光部材２１４によって遮光されるため、光電変換部２１２には到達しない。
これにより、第１の方向から入射した光束１１１を検出することができる。
【００３３】
同様に、図１０（ｂ）の画素２１１では、第２の方向から入射した光束１１２を検出することができる。
このような画素２１０、２１１を複数配置し、各画素に含まれる光電変換部２１２、２１３によって検出した信号により、実施例１と同様に、被写体の距離検出を精度良く行うことができる。
また、光電変換部２１２および２１３で検出した信号を積算し、撮像画像の画素２１０および２１１における画像信号として使用してもよい。
なお、主導波路１３１、副導波路１０４、１０５の構成は、本実施例に限定されるものではなく、実施例１と同様に他の構成としてもよい。
【００３４】
また、本発明においては、以上に説明した固体撮像素子と、この固体撮像素子に被写体像を形成する光学系と、を有する撮像システムを構成することができる。
この撮像システムでは、上記した第１の方向から入射する光が、前記光学系の射出瞳面上の第１の射出瞳領域を通過して上記した主導波路に入射するように構成され、
また、上記した第２の方向から入射する光が、前記光学系の射出瞳面上の上記した第１の射出瞳領域とは異なる第２の射出瞳領域を通過して上記した主導波路に入射するように構成される。
その際、上記した第１の射出瞳領域と第２の射出瞳領域は、前記光学系の射出瞳の中心に対して互いに対称な位置にある構成を採ることができる。
【符号の説明】
【００３５】
１００：距離測定用の画素
１０１：主導波路
１０２：コア部
１０３：クラッド部
１０４、１０５：副導波路
１０６：コア部
１０７：クラッド部
１０８：基板
１１１、１１２：光束
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子及び固体撮像素子を有する撮像システムに関し、特にデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどに用いられる固体撮像素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
デジタルスチルカメラやビデオカメラにおいて、ＡＦ用距離検出技術が知られている。
このようなＡＦ用距離検出技術に関し、特許文献１では撮像素子の一部の画素に測距機能を持たせ、位相差方式で検出するようにした固体撮像素子が提案されている。
この位相差方式とは、カメラレンズの瞳上の異なる領域を通過した光像を比較し、ステレオ画像による三角測量を用いて距離を検出する方法である。
これによると、従来のコントラスト方式とは異なり、距離を測定するためにレンズを動かす必要が無いため、高速高精度なＡＦが可能となる。また、動画撮影時にリアルタイムＡＦが可能になる。
上記特許文献１では、測距用画素の構造として、マイクロレンズとその下に複数の光電変換部を設けた構成が開示されている。
これにより、カメラレンズの瞳上における特定の領域を通過した光を、選択的に光電変換部に導き、距離を測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許２００２−３１４０６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記した特許文献１の構成では、マイクロレンズを通過した光が配線部などによる散乱の影響を受け、十分な光束分離ができないことから、測距精度が悪化するという課題を有している。
また、特許文献１の構成で、入射角度が小さい光は、２つの光電変換部の間の領域に到達し、光電変換部で検出されず、損失となる。そのため、測距用画素で検出される光量が小さく、ノイズの影響を受け易くなり、測距精度が悪化する。
さらに、特許文献１の構造を、画素サイズの小さい固体撮像素子に適用した場合、つぎのような課題が生じる。
画素サイズが小さくなると、光電変換部に光を導くためのマイクロレンズのＦ値が大きくなり、画素サイズと回折像の大きさがほぼ同じとなる。
そのため、画素内で光が広がってしまい、十分な光束分離ができず、さらに測距精度が悪化する。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑み、高精度の測距を行うことができ、特に画素サイズの小さい場合においても、高精度の測距が可能となる固体撮像素子及び固体撮像素子を有する撮像システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の固体撮像素子は、
主導波路と、前記主導波路に導かれた光の射出側に設けられた副導波路と、前記副導波路に導かれた光の射出側に設けられた該副導波路からの光を電気信号に変換する光電変換部と、を備えた画素を有する固体撮像素子であって、
前記主導波路は、第１の方向から入射した光と、該第１の方向とは異なる第２の方向から入射した光を導波するように構成され、
前記副導波路は、前記主導波路を導波する光と結合するように構成された第１の副導波路と第２の副導波路と、を備え、
前記第１の方向から入射して前記第１の副導波路に導かれて射出される光量が、前記第２の方向から入射して前記第１の副導波路に導かれて射出される光量よりも大きい光量が射出可能に構成され、
前記第２の方向から入射して前記第２の副導波路に導かれて射出される光量が、前記第１の方向から入射して前記第２の副導波路に導かれて射出される光量よりも大きい光量が射出可能に構成されていることを特徴とする。
また、本発明の撮像システムは、上記した固体撮像素子と、該固体撮像素子に被写体像を形成する光学系と、を有する撮像システムであって、
前記第１の方向から入射する光は、前記光学系の射出瞳面上の第１の射出瞳領域を通過して前記主導波路に入射する光であり、
前記第２の方向から入射する光は、前記光学系の射出瞳面上の前記第１の射出瞳領域とは異なる第２の射出瞳領域を通過して前記主導波路に入射する光であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、高精度の測距を行うことができ、特に画素サイズの小さい場合においても、高精度の測距が可能となる固体撮像素子及び固体撮像素子を有する撮像システムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例１における固体撮像素子中に配置された距離測定用の画素の概略断面図である。
【図２】実施例１における光導波路中の導波モードを示す図である。
【図３】実施例１における画素による検出光量の入射角度依存性を示す図である。
【図４】実施例１における撮像素子を用いて被写体の距離を測定する方法について説明する図である。
【図５】実施例１における固体撮像素子中に配置された距離測定用の画素の概略断面図である。
【図６】実施例１における画素による検出光量の入射角度依存性を示す図である。
【図７】実施例１における画素を含む固体撮像素子の製造プロセスについて説明する図である。
【図８】実施例１における固体撮像素子中に配置された距離測定用の画素の概略断面図である。
【図９】実施例２における固体撮像素子中の一部に配置された距離測定用の画素の概略断面図である。
【図１０】実施例２における固体撮像素子中の一部に配置された距離測定用の画素の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明は、導波路に入射する光束の入射角に応じて、導波路内の光伝播状態（導波モード）が異なるという特性を用いて構成されたものである。
具体的には、画素内に複数の光電変換部を配置し、導波路の構造を適切に形成する。
これにより、入射光のうち、特定の角度で入射した光を特定の光電変換部に導き、検出することを可能とし、高精度な距離測定が行える固体撮像素子を実現したものである。
以下、図を用いて、本発明の実施例における固体撮像素子について説明する。
その際、全ての図において同一の機能を有するものは同一の数字を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【実施例１】
【００１０】
実施例１として、本発明における固体撮像素子の構成例について図１を用いて説明する。
図１において、１００は本実施例における固体撮像素子中の一部に配置された距離測定用の画素である。
画素１００は、光の入射側（＋ｚ側）より、主導波路１０１（コア部１０２、クラッド部１０３）、副導波路（第１の副導波路）１０４および副導波路（第２の副導波路）１０５、基板１０８を有している。
主導波路１０１の入射側（＋ｚ側）の端面を入射端面１０９、射出側（−ｚ側）の端面を射出端面１１０とする。
副導波路１０４、１０５は、主導波路１０１の射出端面１１０と基板１０８の間に配置され、コア部１０６とクラッド部１０７を有している。
コア部１０２、１０６およびクラッド部１０３、１０７は、撮像する波長帯域で透明な材料で形成される。例えば、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、有機材料などで形成される。
なお、コア部１０２は、クラッド部１０３より高い屈折率を有する材料で形成され、コア部１０６は、クラッド部１０７より高い屈折率を有する材料で形成される。
これによりコア部１０２および１０６内に光を閉じ込めて伝播させることができる。
基板１０８は、撮像する波長帯域で吸収を有する材料、例えばＳｉであり、イオン打ち込みなどで、内部の少なくとも一部の領域に光電変換部を形成する。
画素１００に外部から入射した光束は、主導波路１０１および副導波路１０４、１０５を伝播し、基板１０８中に射出可能に構成されている。
副導波路１０４あるいは１０５の下に光電変換部を設けると、射出光は光電変換部に到達し、電子に変換され、図示しない信号処理回路に出力される。
【００１１】
画素１００に第１の方向から入射した光束１１１は、主導波路１０１の導波モード１１３（図２（ａ））に変換されて主導波路中を伝播し、更に副導波路１０４の導波モード１１５（図２（ａ））に変換されて副導波路１０４を伝播する。一方、画素１００に第２の方向から入射した光束１１２は、主導波路１０１の導波モード１１４（図２（ｂ）に変換されて主導波路中を伝播し、更に副導波路１０５の導波モード１１６（図２（ｂ）に変換されて副導波路１０５を伝搬する。導波モードとは、導波路の持つ複数の固有モードの和で表され、導波路中の伝播状態を示すものである。
固有モードは、導波路のコア、クラッドの形状、屈折率によって一意に決まる。主導波路１０１に光束１１１、１１２が入射すると、複数の固有モードと結合し、固有の導波モードで伝播する。
入射角によって、導波モードを構成する固有モードの割合は異なり、それによって、導波モードの電場分布も異なる分布となる。
主導波路１０１の形状、媒質を適切に設定することで、入射角によって異なる電場分布を有する導波モードで伝播させることができる。
さらに、主導波路１０１を伝搬する光の各導波モードと各副導波路の導波モードと結合させることで、入射角が異なる各入射光束を異なる副導波路１０４、１０５へ伝播させる。
【００１２】
導波モード間の結合効率は、導波路の接続部における両導波モードの電場分布が互いに近い分布であるほど、高くなる。
主導波路１０１の導波モード１１３と副導波路１０４の導波モード１１５の電場分布が近くなるように、主導波路１０１および副導波路１０４、１０５を設ける。
さらに、主導波路１０１の導波モード１１４と副導波路１０５の導波モード１１６の電場分布が近い分布となるように、主導波路１０１および副導波路１０４、１０５を設ける。
これにより、第１の方向から入射した光束１１１は、導波モード１１３が導波モード１１５と高い効率で結合することで、副導波路１０４へ伝播する。
一方、導波モード１１３と導波モード１１６との結合効率は低くなり、副導波路１０５へ伝播する光は低減する。
また、入射方向が第１の方向から外れると、入射光は、導波モード１１３とは電場分布が異なる導波モードで伝播するため、副導波路１０４へ伝播する光は減少する。
同様に、第２の方向からの入射光束１１２は、副導波路１０５へ伝播し、副導波路１０５へ伝播する光は減少する。
これにより、副導波路１０４には、第１の方向からの光束１１１が導かれ、それ以外の方向からの光は減少する。
また、副導波路１０５には、第２の方向からの光束１１２が導かれ、それ以外の方向からの光は減少させることができる。
【００１３】
また、副導波路１０４、１０５の導波モード１１５、１１６で伝播する光は、各副導波路内に閉じ込められ、空間的な広がりが抑制された状態で、基板中に射出される。
これにより、基板中の射出光の分布が制限される。各副導波路１０４、１０５の下に光電変換部を適切に配置すると、各副導波路中の光は、光電変換部がある領域へ射出されるため、効率良く光を検出することができる。
配線等を導波路外の領域に設けても、入射光は導波路のコア部に集中して伝搬するため、配線部などによる散乱の影響は軽減する。画素サイズが小さくなっても、光は導波路のコア部に閉じ込められるため、画素内で光が広がらずに伝播させることができる。これらの効果により、入射角に応じた光を光電変換部に効率良く導くことができる。
主導波路は、入射角度が小さい光も、入射方向によって異なる導波モードで伝播させることができる。
そして、主導波路の導波モードと副導波路の導波モードとを結合させ、副導波路を伝播させることにより、入射角度が小さい光も分離することができる。
各副導波路の射出側に光電変換部を設けると、分離した各光を検出することができ、光電変換部が無い領域に到達する損失光を低減することができる。
主導波路１０１および副導波路１０４、１０５の導波モードは、各導波路の形状や媒質あるいは設ける位置で決定される。
本実施例で示す構成で、各導波路の形状、媒質、設ける位置を適切に設定することで、上記で述べた効果を得ることができ、入射角に応じた光をより正確かつ高効率に検出することができる。
【００１４】
図２に、導波路中の導波モードを示す。
図２（ａ）は角度＋θ（第１の方向）から入射した光束１１１の、主導波路１０１の第１の導波モード１１３と、副導波路１０４の導波モード１１５の電場強度分布を示す図である。
図２（ｂ）は角度−θ（第２の方向）から入射した光束１１２の、主導波路１０１の第２の導波モード１１４および副導波路１０５中の導波モード１１６の電場分布を示す図である。このように、各導波路の導波モードは入射角に応じて異なる。
図２（ａ）に示すように、第１の方向から入射した光束１１１は第１の導波モード１１３に変換されて、導波路１０１中を導波する。そして、導波モード１１５と結合することで、副導波路１０４中を導波する。
一方、図２（ｂ）に示すように、第２の方向から入射した光束１１２は第２の導波モード１１４に変換され導波路１０１を導波し、導波モード１１６と結合することで副導波路１０５中を導波する。
【００１５】
図３に、画素１００の副導波路１０４あるいは副導波路１０５を伝播し、基板１０８の光電変換部側に射出される光の入射角度依存性を示す。
横軸は入射光の入射角度、縦軸は光量を示している。実線が副導波路１０４、破線が副導波路１０５から光電変換部側に射出される光の光量を示している。
図のように入射角度によって、光が異なる副導波路を伝播し、基板中の光電変換部側に射出されることが分かる。
【００１６】
つぎに、本実施例の撮像素子を用いて、被写体の距離を測定する方法について図４を用いて説明する。
図４（ａ）に示すように、結像レンズ１２１は外界の像を撮像素子１２０の面上に結像する。
撮像素子１２０は、画素１００を複数備え、図４（ｂ）に示すように、基板１０８内に光電変換部（第１の光電変換部）１２５、光電変換部（第２の光電変換部）１２６を備える。
光電変換部１２５および１２６は、それぞれ副導波路１０４および１０５の下に配置されている。
画素の大きさに対して、結像レンズ１２１と撮像素子１２０の間の距離が長い。このため、結像レンズ１２１の射出瞳面上の異なる領域を通過した光束は、異なる入射角の光束として撮像素子１２０の面上に入射する。
撮像素子１２０の各画素に含まれる光電変換部１２６では、結像レンズ１２１の射出瞳（被写体像を形成する光学系の射出瞳）のうち、主に第１の方向に対応する領域１２２（第１の射出瞳領域）を通過した光束が検出される。
同様に、光電変換部１２５では、結像レンズ１２１の射出瞳のうち、主に第２の方向に対応する領域１２３（第２の射出瞳領域）を通過した光束が検出される。そのため、結像レンズ１２１の射出瞳面上の異なる領域を通過した光像を検出することができ、複数の光電変換部１２６からの画素信号と複数の光電変換部１２５からの画素信号を比較する。
これにより公知の方法によって、被写体測距用信号を出力するようにして被写体距離を検出することができる。
【００１７】
つぎに、主導波路のコア部の幅が、射出端面１１０から入射端面１０９に向かって太くなる形状を有する構成例について、図５を用いて説明する。
図５において、画素１００は、光の入射側（＋ｚ側）より、主導波路１３１（コア部１３２、クラッド部１３３）、副導波路１０４および１０５、基板１０８を有している。
副導波路１０４、１０５は、主導波路１３１の射出端面１１０と基板１０８の間に配置されている。主導波路１３１のコア部１３２は、射出端面１１０から入射端面１０９に向かって幅が太くなる形状（テーパ形状）を有している。なお、コア部１３２は、クラッド部１３３より高い屈折率を有する材料で形成される。
画素１００に外部から入射した光束は、導波路１３１および副導波路１０４、１０５を伝播し、基板１０８中に射出される。
副導波路１０４あるいは１０５の下に光電変換部を設けると、射出光は光電変換部に到達し、電子に変換され、図示しない信号処理回路に出力される。
【００１８】
主導波路１３１のコア部１３２の幅および高さに加えて、側壁のテーパ部分の傾きを適切に設定することで、主導波路１３１の導波モードをより詳細に制御することができる。
そして、主導波路１３１の導波モードと副導波路１０４あるいは１０５の導波モードとを結合させ、伝播させることで、画素の入射角度特性をより詳細に制御することができる。
例えば、検出光が最大となる入射角度や入射角度に対する検出光の変化の仕方などを詳細に制御することができる。
また、コア部１３２をテーパ形状にすると、画素１００の全面に入射した光束を、副導波路１０４、１０５のコア部１０６に導くことができ、基板側に射出される光を増加することができる。
テーパ形状にすることで、図５には示してないが、電気信号を抽出するための配線を設ける空間を確保することができる。また、光が伝播する領域を画素の特定領域に限定し、隣接する画素に光が漏れて生じるクロストークを軽減することができる。
【００１９】
図６に画素１００の副導波路１０４または副導波路１０５を伝播し、基板１０８に射出される光の入射角度依存性を示す。
横軸は入射光の入射角度、縦軸は光量を示している。実線が副導波路１０４、破線が副導波路１０５から射出される光の光量を示している。
図のように入射角度によって、光が異なる副導波路を伝播し、基板中に射出されることが分かる。
【００２０】
主導波路１３１の側壁の傾きは緩やかであることが好ましい。主導波路１３１に入射した光は、側壁で全反射され伝播する。
側壁の傾きが急峻であるほど、入射光の側壁に入射する角度は浅くなり、全反射される光は減少する。
側壁の傾きを緩やかにすることで、全反射される光が増加し、伝播光が増加する。
また、導波路中の光は、伝播に伴って、導波路幅の変化によって、導波モードが変換される。側壁の傾きが急峻であるほど、導波モードの変換が急激に起こり、一部の光は導波モード以外の、反射光や散乱光に変換されやすくなる。
側壁の傾きを緩やかにすることで、導波モード以外の光に変換される割合を軽減し、効率良く光を伝播することができる。
主導波路１３１の側壁と光軸（ｚ軸）となす角度は、４５度以内であることが望ましく、より望ましくは３５度以内であることが望ましい。
主導波路１３１の側壁をこのような角度にすることで、効率良く光を伝播することができる。
なお、本発明において、主導波路１３１のコア部の形状はテーパ形状に限定されず、側壁が階段状の形状であってもよい。
例えば、コア部の幅が異なる２つあるいは多数の導波路を、射出側から入射側に向かってコア部の幅が広くなるように、順に配置した構成であってもよい。
このような構成は、射出側に近い導波路から順に作製し、積層していくことで容易に作製することができ、上記効果を得ることができる。
【００２１】
主導波路１３１中の光を異なる導波モードで伝播させ、副導波路に導くためには、主導波路１３１の射出端１１０において、複数の固有モードが存在できる状態が望ましい。
固有モードの数は、導波路の幅と導波路を構成する媒質の屈折率および伝播光の波長によって決定される。コア部１３２の射出端１１０における幅は長い方が望ましい。
検出する光の波長とコア部１３２を形成する媒質の屈折率との積の１．５倍以上よりも長いことが望ましく、より望ましくは、２倍以上の長さ有することが望ましい。
これにより、主導波路１３１の射出端１１０において、複数の固有モードが存在でき、上記効果を得ることができる。
【００２２】
副導波路１０４、１０５は、検出する入射光に対して複数の固有モードが存在する、マルチモード導波路であることが望ましい。
導波モードの電場分布は、複数の固有モードの和で決まる。固有モードの数が多いほど、様々な電場分布を有する導波モードが存在することができる。
副導波路をマルチモード導波路にすることで、主導波路の導波モードと高い効率で結合させやすくなる。
そして、主導波路１０１から副導波路１０４、１０５に伝播する光を増加させ、検出される光量を増加することができる。
検出光量が大きくなると、光電変換部や配線等で発生するノイズの、画像信号に対する影響が軽減し、信号の品質が向上する。
【００２３】
副導波路１０４と副導波路１０５は、十分な間隔を空けて配置することが望ましい。
導波モードの電場分布は、コア部およびクラッド部まで広がった分布を有している。
副導波路１０４と副導波路１０５を互いに近づけると、クラッド部まで広がった電場分布の重なりにより、両導波路の導波モードが結合し、片方の副導波路を伝播する光の一部が、他方の副導波路へ伝播する。この光はノイズとなり、画像信号の検出精度を悪化させる。
また、各副導波路の下に光電変換部を設ける場合、副導波路間の距離に応じて、光電変換部や配線を互いに近い位置に形成する必要があり、作製が難しくなる。副導波路間の距離は、検出する入射光の波長の２０分の１以上、より望ましくは１０分の１以上、更に望ましくは５分の１以上の間隔を空けて配置することが望ましい。
これにより、他方副導波路がもう一方の副導波路へ伝播することを軽減することができる。
【００２４】
なお、被写体の距離や位置によらず距離を精度良く検出するために、第１の射出瞳領域１２２と第２の射出瞳領域１２３は、射出瞳中心１２４に対して、対称な位置に設定することが望ましい。
第１の方向および第２の方向は、射出瞳中心１２４を通り撮像素子に入射する光線である主光線を基準として定義される。
つまり、主光線が撮像素子面に傾いて入射する場合は、第１の方向および第２の方向は、傾いた主光線の入射角を基準として反対方向に等角度となるようにそれぞれ定義される。
主導波路のコア部の形状を変えることで、入射光の入射角に応じた導波モードの空間分布を変えることができる。
そして、導波モードの空間分布を元に、副導波路１０４、１０５を設ける位置を決定することにより、必要な検出光量の入射角度依存性を実現することができる。
結像レンズの射出瞳位置が撮像素子面から有限の距離にあり、主光線の入射角が画角によって変化する場合は、入射角の変化量に応じて撮像素子面内で画素内のコア部の形状および副導波路１０４、１０５の配置を変えても良い。
また、副導波路１０４、１０５の配置に応じて、光電変換部の配置を変えてもよい。
【００２５】
画素１００は撮像素子１２０の全画素に配置してもよい。これにより、撮像素子１２０の任意の領域あるいは全領域の測距が可能となる。
また、各画素１００に含まれる光電変換部１２５と１２６で受光した光を積算し、撮像画像の画像信号として利用することができる。画素１００が、撮影画像の欠陥画素となることを防ぎ、撮影画像の画質を向上することができる。
画素１００に含まれる副導波路および光電変換部は本実施例の配置に限定されるものではない。
例えば、副導波路を縦に２個、横に２個（合計４個）配置してもよい。このような画素を複数個配置することで、縦方向および横方向から入射した光を分離することができる。各副導波路の射出側に光電変換部を設けると、縦方向および横方向にパターンを有する被写体の測距を行うことができる。
あるいは、画素１００内に、３個以上の副導波路を横あるいは縦に並べて配置してもよい。射出瞳をより詳細に分割することができ、各副導波路の射出側に光電変換部を配置すると、更に高精度な測距を行うことができる。
【００２６】
画素１００に入射する光の波長帯域を限定するカラーフィルタを光入射側に設けても良い。
これにより、導波モードの波長による変化の影響を小さくすることができ、検出光量の角度選択性をより高くすることができ、距離検出精度を高くすることができる。
カラーフィルタは、特定の波長帯域の光を透過し、それ以外の波長帯域の光は吸収または反射、散乱させる材料で形成され、例えば有機材料や無機材料を用いる。
以上で示したように、画素内に主導波路と複数の副導波路を設け、各導波路の形状や媒質や配置を適切に設定することで、入射角に応じた光を分離することができる。各光を検出することで、高精度な距離測定が行える固体撮像素子が実現できる。
【００２７】
図７を用いて、本実施例における画素１００を含む固体撮像素子の製造プロセスについて説明する。
まず、シリコン基板１０８の所定の位置にイオンを打ち込み、光電変換部１２５、１２６を作製し、図示しない配線等を形成した後、裏面側からＣＭＰやエッチバックなどにより、基板を薄膜化する（図７（ａ））。
次に、ＳｉＮを成膜し、フォトリソグラフィ、リフトオフなどによりコア部１０６を形成し、ＳＯＧ成膜およびＣＭＰやエッチバックにより平坦化し、クラッド部１０７を形成することで副導波路１０４、１０５を形成する（図７（ｂ））。更に、主導波路１０１を形成することで、画素１００を作製することができる（図７（ｃ））。
本発明の固体撮像素子を構成する媒質は、本実施例に限定されるものではなく、他の媒質を用いてもよい。
主導波路と副導波路のコア部、あるいは主導波路と副導波路のクラッド部は、互いに異なる媒質を用いてもよい。
【００２８】
本発明において、図８に示すように、シリコン基板１０８中に主導波路１０１および副導波路１０４、１０５を設けた、裏面入射型の構成としてもよい。
光電変換部は、基板中の副導波路１０４、１０５の表側（＋ｚ側）に配置される。
このような構成にすると、基板の裏側から入射した光（＋ｚ方向に伝播する光）が検出される。配線等はシリコン基板１０８の表側に配置することができ、入射光の伝播が、配線等によって妨げられるのを回避することができる。
また、配線等による空間的制約が軽減され、主導波路および副導波路の形状をより自由に選択することができ、入射光を光電変換部に効率良く導くことができる。
【００２９】
［実施例２］
実施例２として、本発明における固体撮像素子の構成例について図９を用いて説明する。
図９（ａ）、（ｂ）において、２００、２０１は本実施例における固体撮像素子中の一部に配置された距離測定用の画素である。
画素（第１の画素）２００、画素（第２の画素）２０１は、光の入射側（＋ｚ側）より、主導波路１３１（コア部１３２、クラッド部１３３）、副導波路１０４および１０５、光電変換部２０２あるいは２０３を有する基板１０８を有している。
光電変換部２０２あるいは２０３は、それぞれ副導波路１０４および１０５の射出側に設けられている。
【００３０】
図９（ａ）の画素２００に外部から第１の方向から入射した光束１１１は、実施例１と同様に、主導波路１３０および副導波路１０４を伝播し、光電変換部２０２に導かれる。
一方、第２の方向から入射した光束１１２は、主導波路１３１および副導波路１０５を伝搬する。副導波路１０５を伝播する光は、基板１０８中に射出され、吸収されて減衰する。
これにより、第１の方向から入射した光束１１１を検出することができる。同様に、図９（ｂ）の画素２０１では、第２の方向から入射した光束１１２を検出することができる。
このような画素２００、２０１を複数配置し、各画素に含まれる光電変換部２０２、２０３によって検出した信号により、実施例１と同様に、被写体の距離検出を精度良く行うことができる。
また、光電変換部２０２および２０３で検出した信号を積算し、撮像画像の画素２００および２０１における画像信号として使用してもよい。
【００３１】
このような構成にすると、副導波路１０５を伝播する光が光電変換部２０３に、あるいは副導波路１０４を伝播する光が光電変換部２０２に入射することによって発生するクロストークを抑制することができる。
また、光電変換部２０２、２０３を互いに近傍に設けなくてよいため、作製が容易となる。
【００３２】
本発明における固体撮像素子の画素は、図１０（ａ）、（ｂ）に示す構成としてもよい。
画素２１０、２１１は、主導波路１３１、副導波路１０４および１０５、内部に光電変換部２１２あるいは２１３を有する基板１０８を有している。副導波路１０４あるいは副導波路１０５の一部には、遮光部材２１４、２１５が配置されている。
図１０（ａ）の画素２１０に外部の第１の方向から入射した光束１１１は、実施例１と同様に、主導波路１３１および副導波路１０４を伝播し、光電変換部２１２に導かれる。
一方、第２の方向から入射した光束１１２は、主導波路１３１および副導波路１０５を伝搬する。
副導波路１０５を伝播する光は、遮光部材２１４によって遮光されるため、光電変換部２１２には到達しない。
これにより、第１の方向から入射した光束１１１を検出することができる。
【００３３】
同様に、図１０（ｂ）の画素２１１では、第２の方向から入射した光束１１２を検出することができる。
このような画素２１０、２１１を複数配置し、各画素に含まれる光電変換部２１２、２１３によって検出した信号により、実施例１と同様に、被写体の距離検出を精度良く行うことができる。
また、光電変換部２１２および２１３で検出した信号を積算し、撮像画像の画素２１０および２１１における画像信号として使用してもよい。
なお、主導波路１３１、副導波路１０４、１０５の構成は、本実施例に限定されるものではなく、実施例１と同様に他の構成としてもよい。
【００３４】
また、本発明においては、以上に説明した固体撮像素子と、この固体撮像素子に被写体像を形成する光学系と、を有する撮像システムを構成することができる。
この撮像システムでは、上記した第１の方向から入射する光が、前記光学系の射出瞳面上の第１の射出瞳領域を通過して上記した主導波路に入射するように構成され、
また、上記した第２の方向から入射する光が、前記光学系の射出瞳面上の上記した第１の射出瞳領域とは異なる第２の射出瞳領域を通過して上記した主導波路に入射するように構成される。
その際、上記した第１の射出瞳領域と第２の射出瞳領域は、前記光学系の射出瞳の中心に対して互いに対称な位置にある構成を採ることができる。
【符号の説明】
【００３５】
１００：距離測定用の画素
１０１：主導波路
１０２：コア部
１０３：クラッド部
１０４、１０５：副導波路
１０６：コア部
１０７：クラッド部
１０８：基板
１１１、１１２：光束
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主導波路と、前記主導波路に導かれた光の射出側に設けられた副導波路と、前記副導波路に導かれた光の射出側に設けられた該副導波路からの光を電気信号に変換する光電変換部と、を備えた画素を有する固体撮像素子であって、
前記主導波路は、第１の方向から入射した光と、該第１の方向とは異なる第２の方向から入射した光を導波するように構成され、
前記副導波路は、前記主導波路を導波する光と結合するように構成された第１の副導波路と第２の副導波路と、を備え、
前記第１の方向から入射して前記第１の副導波路に導かれて射出される光量が、前記第２の方向から入射して前記第１の副導波路に導かれて射出される光量よりも大きい光量が射出可能に構成され、
前記第２の方向から入射して前記第２の副導波路に導かれて射出される光量が、前記第１の方向から入射して前記第２の副導波路に導かれて射出される光量よりも大きい光量が射出可能に構成されていることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記第１および第２の副導波路は、前記光電変換部に導かれて検出される入射光の波長の２０分の１以上の間隔を空けて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記副導波路は、検出する入射光に対してマルチモード導波路であることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記主導波路における射出端の幅は、前記光電変換部に導かれて検出される入射光の波長と該主導波路のコア部を構成する媒質の屈折率との積の１．５倍以上の長さを有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記主導波路のコア部は、射出側から入射側に向かって幅が太くなる形状を有していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記光電変換部は、第１の光電変換部と第２の光電変換部とによって構成され、
前記第１の光電変換部は、前記第１の副導波路の射出側に設けられ、
前記第２の光電変換部は、前記第２の副導波路の射出側に設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記画素は第１の画素と第２の画素とによって構成されると共に、前記光電変換部は第１の光電変換部と第２の光電変換部とによって構成され、
前記第１の画素は、前記第１の副導波路の射出側に前記第１の光電変換部を備え、
前記第２の画素は、前記第２の副導波路の射出側に前記第２の光電変換部を備えていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記第１の画素は、前記第２の副導波路の一部に伝播光を遮光する遮光部材を備え、
前記第２の画素は、前記第１の副導波路の一部に伝播光を遮光する遮光部材を備えていることを特徴とする請求項７に記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部を備えた画素を複数備え、 前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部からの信号を用い、被写体の測距用信号を出力することを特徴とする請求項６から８のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
前記画素に含まれる前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部からの信号を足し合わせ、前記画素の画像信号として使用することを特徴とする請求項６から９のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の固体撮像素子と、該固体撮像素子に被写体像を形成する光学系と、を有する撮像システムであって、
前記第１の方向から入射する光が、前記光学系の射出瞳面上の第１の射出瞳領域を通過して前記主導波路に入射するように構成され、
前記第２の方向から入射する光が、前記光学系の射出瞳面上の前記第１の射出瞳領域とは異なる第２の射出瞳領域を通過して前記主導波路に入射するように構成されていることを特徴とする撮像システム。
【請求項１２】
前記第１の射出瞳領域と前記第２の射出瞳領域は、前記光学系の射出瞳の中心に対して互いに対称な位置にあることを特徴とする請求項１１に記載の撮像システム。
【請求項１】
主導波路と、前記主導波路に導かれた光の射出側に設けられた副導波路と、前記副導波路に導かれた光の射出側に設けられた該副導波路からの光を電気信号に変換する光電変換部と、を備えた画素を有する固体撮像素子であって、
前記主導波路は、第１の方向から入射した光と、該第１の方向とは異なる第２の方向から入射した光を導波するように構成され、
前記副導波路は、前記主導波路を導波する光と結合するように構成された第１の副導波路と第２の副導波路と、を備え、
前記第１の方向から入射して前記第１の副導波路に導かれて射出される光量が、前記第２の方向から入射して前記第１の副導波路に導かれて射出される光量よりも大きい光量が射出可能に構成され、
前記第２の方向から入射して前記第２の副導波路に導かれて射出される光量が、前記第１の方向から入射して前記第２の副導波路に導かれて射出される光量よりも大きい光量が射出可能に構成されていることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記第１および第２の副導波路は、前記光電変換部に導かれて検出される入射光の波長の２０分の１以上の間隔を空けて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記副導波路は、検出する入射光に対してマルチモード導波路であることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記主導波路における射出端の幅は、前記光電変換部に導かれて検出される入射光の波長と該主導波路のコア部を構成する媒質の屈折率との積の１．５倍以上の長さを有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記主導波路のコア部は、射出側から入射側に向かって幅が太くなる形状を有していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記光電変換部は、第１の光電変換部と第２の光電変換部とによって構成され、
前記第１の光電変換部は、前記第１の副導波路の射出側に設けられ、
前記第２の光電変換部は、前記第２の副導波路の射出側に設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記画素は第１の画素と第２の画素とによって構成されると共に、前記光電変換部は第１の光電変換部と第２の光電変換部とによって構成され、
前記第１の画素は、前記第１の副導波路の射出側に前記第１の光電変換部を備え、
前記第２の画素は、前記第２の副導波路の射出側に前記第２の光電変換部を備えていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記第１の画素は、前記第２の副導波路の一部に伝播光を遮光する遮光部材を備え、
前記第２の画素は、前記第１の副導波路の一部に伝播光を遮光する遮光部材を備えていることを特徴とする請求項７に記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部を備えた画素を複数備え、 前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部からの信号を用い、被写体の測距用信号を出力することを特徴とする請求項６から８のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
前記画素に含まれる前記第１の光電変換部および前記第２の光電変換部からの信号を足し合わせ、前記画素の画像信号として使用することを特徴とする請求項６から９のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の固体撮像素子と、該固体撮像素子に被写体像を形成する光学系と、を有する撮像システムであって、
前記第１の方向から入射する光が、前記光学系の射出瞳面上の第１の射出瞳領域を通過して前記主導波路に入射するように構成され、
前記第２の方向から入射する光が、前記光学系の射出瞳面上の前記第１の射出瞳領域とは異なる第２の射出瞳領域を通過して前記主導波路に入射するように構成されていることを特徴とする撮像システム。
【請求項１２】
前記第１の射出瞳領域と前記第２の射出瞳領域は、前記光学系の射出瞳の中心に対して互いに対称な位置にあることを特徴とする請求項１１に記載の撮像システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１５１２１５（Ｐ２０１２−１５１２１５Ａ）
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７７０８（Ｐ２０１１−７７０８）
【出願日】平成２３年１月１８日（２０１１．１．１８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１８日（２０１１．１．１８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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