JP2007158109A - 焦点検出用信号の生成機能を有する固体撮像装置、および電子カメラ - Google Patents

Abstract

【課題】 焦点検出用信号の生成機能を有する固体撮像装置において、良質な焦点検出用信号を生成する。
【解決手段】 本発明の固体撮像装置は、撮像面にマイクロレンズを多層形成した固体撮像装置であって、瞳形成用マイクロレンズ、瞳分割用マイクロレンズ、および光電変換域を備える。瞳形成用マイクロレンズは、受光光束を集光して、焦点検出対象である撮影レンズの射出瞳の実像を形成する。瞳分割用マイクロレンズは、射出瞳の実像の像面近傍に配置されて、瞳形成用マイクロレンズの通過光束の一部を分離し、瞳分割光束とする。光電変換域は、瞳分割光束を光電変換して、焦点検出用信号を生成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、画像信号の生成機能と、焦点検出用信号の生成機能とを兼ね備えた固体撮像装置に関する。

従来、焦点検出技術の１つとして瞳分割位相差方式が知られている。この方式は、撮影レンズの通過光束を瞳分割して一対の分割像を形成する。この一対の分割像のパターンズレを検出することで、撮影レンズのデフォーカス量を検出するものである。
このような瞳分割位相差方式の原理を適用した固体撮像装置として、特許文献１，２が知られている。特許文献１，２には、マイクロレンズ１つの下方に、光電変換域を２つずつ並べることで瞳分割を行い、焦点検出用信号を生成する構成が開示されている。また、特許文献３には、焦点検出時に光学要素アレイを固体撮像装置の前面に挿入することで瞳分割を行い、焦点検出用信号を生成する構成が開示されている。
なお、マイクロレンズを多層形成した固体撮像装置については、特許文献４に開示されている。
特開２００２−３１４０６２号公報 特開２００３−２４４７１２号公報 特開２００４−１９１８９３号公報 特開平６−１６３８６６号公報

上述した特許文献１，２では、１枚のマイクロレンズで受光光束を集光し、その集光範囲を２つの光電変換域で単純に区切ることで瞳分割を行う。この瞳分割では、狭い集光範囲内に２つの光電変換域を並べる必要があり、個々の光電変換域の受光効率を高めることが困難になる。そのため、焦点検出用信号の信号レベルが低く、焦点検出精度が悪いといった問題点があった。
一方、特許文献３では、瞳分割を正確に行うため、画素間隔の精度で光学要素アレイの位置決めを行う必要があり、その実現がとても困難であるという問題点があった。また、光学要素アレイを固体撮像装置の前面に挿抜する機構が必要となり、電子カメラの構成が複雑になるという問題点もあった。

そこで、本発明では、固体撮像装置を用いて、良質な焦点検出用信号を生成する技術を提供することを目的とする。

《１》 本発明の固体撮像装置は、撮像面にマイクロレンズを多層形成した固体撮像装置であって、瞳形成用マイクロレンズ、瞳分割用マイクロレンズ、および光電変換域を備える。
瞳形成用マイクロレンズは、受光光束を集光して、焦点検出対象である撮影レンズの射出瞳の実像を形成する。
瞳分割用マイクロレンズは、射出瞳の実像の像面近傍に配置されて、瞳形成用マイクロレンズの通過光束の一部を分離し、瞳分割光束とする。
光電変換域は、瞳分割光束を光電変換することで、焦点検出用信号を生成する。
《２》 なお好ましくは、画素単位に光電変換して、画像信号を生成する撮像用画素を更に備える。これら撮像用画素は、瞳分割用マイクロレンズと光電変換域と同一の構造を有する画素である。
《３》 また好ましくは、瞳分割用マイクロレンズは、撮像用画素の複数個に相当する区画を占有する。
《４》 なお好ましくは、射出瞳の実像を像中心に対して対称的に分割するよう、１つの瞳形成用マイクロレンズに対して複数の瞳分割用マイクロレンズを配置する。
《５》 また好ましくは、所定の最小色配列の繰り返しで、前記光電変換域ごとに色フィルタを備える。そして、この最小色配列の区域ごとに、１つの前記瞳形成用マイクロレンズを形成する。
《６》 なお好ましくは、１つの瞳形成用マイクロレンズに対して、放射状に４つの瞳分割用マイクロレンズを配置する。この場合、４つの光電変換域の組み合わせによって瞳分割方向が変更可能になる。
《７》 なお好ましくは、瞳分割用マイクロレンズを、瞳形成用マイクロレンズ／光電変換域の中間層の内部に形成されるインナーレンズとする。
《８》 本発明の電子カメラは、固体撮像装置、焦点演算部、および撮像制御部を備える。
固体撮像装置は、上記《１》ないしか《７》のいずれか１項に記載の固体撮像装置である。
焦点演算部は、この固体撮像装置から焦点検出用信号を読み出し、その焦点検出用信号から抽出される瞳分割像のパターンズレを検出して、焦点検出を行う。
撮像制御部は、この固体撮像装置から光電変換出力を読み出して画像信号を得る。

本発明では、瞳形成用マイクロレンズと瞳分割用マイクロレンズを撮像面に多層形成する。そのため、両マイクロレンズの位置関係は安定しており、常に正確な瞳分割を実現することが可能になる。そのため、良質な焦点検出用信号を生成することが可能になる。

《第１実施形態》
［電子カメラの構成説明］
図１は、本実施形態の電子カメラ１０を示すブロック図である。
図１において、電子カメラ１０には、撮影レンズ１２が装着される。この撮影レンズ１２は、レンズ制御部１２ａによってフォーカスや絞りが駆動される。この撮影レンズ１２の像空間には、固体撮像装置１１の撮像面が配置される。この固体撮像装置１１は、撮像制御部１４によって駆動される。固体撮像装置１１から出力される画像データは、信号処理部１５、およびＡ／Ｄ変換部１６を介して処理された後、メモリ１７に一時蓄積される。
このメモリ１７は、バス１８に接続される。このバス１８には、レンズ制御部１２ａ、撮像制御部１４、マイクロプロセッサ１９、焦点演算部２０、記録部２２、画像圧縮部２４および画像処理部２５なども接続される。
上記のマイクロプロセッサ１９には、レリーズ釦などの操作部１９ａが接続される。また、上記の記録部２２には、記録媒体２２ａが着脱自在に装着される。

［画素レイアウトの説明］
図２は、固体撮像装置１１の焦点検出エリア（焦点検出用画素３７の配置エリア）を示す図である。このような焦点検出エリアは、撮像面の複数箇所に設けられる。
図３は、固体撮像装置１１の撮像面の断面を示す図である。
以下、図２および図３を参照しながら、固体撮像装置１１の画素構成を説明する。まず、固体撮像装置１１の撮像面には、撮像用画素３１の群が配置される。個々の撮像用画素３１には、画素単位に受光光束を光電変換する光電変換域３２が設けられる。この光電変換域３２の上層には、平坦化層３８を介して、受光光束を光電変換域３２に集光するマイクロレンズ３３が設けられる。

撮像用画素３１の群は、撮影レンズ１２を介して撮像面に投影される被写体像を画素単位に光電変換することによって、画像信号を生成する。
一方、焦点検出エリアでは、撮像用画素３１の群の間を縫うように、焦点検出用画素３７が配置される。この焦点検出用画素３７は、撮像用画素３１の複数区画分に相当するサイズの瞳形成用マイクロレンズ３６を有する。この瞳形成用マイクロレンズ３６は、平坦化層３９を介することで、マイクロレンズ３３よりも上層に形成される。

この瞳形成用マイクロレンズ３６は、撮影レンズ１２からの受光光束を集光することにより、撮影レンズ１２の射出瞳の実像を像空間側に形成する。瞳形成用マイクロレンズ３６は、この像形成によって、射出瞳の半分から入射する光束（図３に示す実線光束）を実像の片側へ集め、射出瞳のもう半分から入射する光束（図３に示す点線光束）を実像のもう片側へ集める。

この射出瞳の実像の像面近傍には、瞳分割用マイクロレンズ３５が配置される。この瞳分割用マイクロレンズ３５は、この実像の像面近傍で瞳形成用マイクロレンズ３６の通過光束の一部をレンズ開口によって分離抽出することで、瞳分割光束を生成する。この瞳分割光束は光電変換域３４で光電変換され、焦点検出用信号に変換される。なお、ここでの像面近傍とは、瞳分割光束の分離に支障無い許容範囲を意味する。

なお、焦点検出用画素３７の下層（瞳分割用マイクロレンズ３５および光電変換域３４）の構造は、複数の撮像用画素３１（マイクロレンズ３３と光電変換域３２）の構造と同一である。
上述した構成により、焦点検出用画素３７は、瞳形成用マイクロレンズ３６の通過光束の内、撮影レンズ１２の射出瞳の異なる位置を通った光束（瞳分割光束）を分離して受光するようになる。

例えば、撮像面の横方向に並べた光電変換域３４は、射出瞳を横方向に分割した瞳分割光束を受光する。
また例えば、撮像面の縦方向に並べた光電変換域３４は、射出瞳を縦方向に分割した瞳分割光束を受光する。
また、撮像面の斜め方向に並べた光電変換域３４については、射出瞳を斜め方向に分割した瞳分割光束を受光する。
撮像面では、これらの焦点検出用画素３７が、その瞳分割の方向に並ぶように、所定のピッチごとに配置される。なお、図２では、これらの焦点検出用画素３７が単純に一直線に並ばないよう、その並び方を千鳥足状にずらしている。

［回路説明］
図４は、固体撮像装置１１の等価回路と半導体パターンを示す図である。
固体撮像装置１１は、垂直転送回路３、水平転送回路４、相関二重サンプリング回路５、および画素から概略構成される。
以下、この画素の構成について説明する。画素には、フローティングデフージョンＦＤが設けられる。このフローティングデフージョンＦＤには、リセットトランジスタＱＲのゲート１３４を介して、リセットドレイン１３８が隣接配置される。このフローティングデフージョンＦＤと光電変換域３２，３４との間には、転送トランジスタＱＴの転送ゲート１３３が配置される。このようなフローティングデフージョンＦＤの電圧は、配線を介して増幅素子ＱＡのゲート１３５に印加される。増幅素子ＱＡのソース１３９は、行選択トランジスタＱＳのゲート１３６をオン制御することにより、垂直読み出し線２に接続される。

［焦点検出用信号の読み出し動作］
続いて、電子カメラ１０による焦点検出用信号の読み出し動作について説明する。
電子カメラ１０内のマイクロプロセッサ１９は、レリーズ釦の半押し操作に同期して撮像制御部１４を駆動し、焦点検出用信号の読み出し動作を開始する。
図５は、この焦点検出用信号の読み出し動作を説明するタイミングチャートである。
まず、垂直転送回路３は、焦点検出用画素３７の存在するｎ行目の制御信号φＲＳ（ｎ）と制御信号φＴＧ（ｎ）を立ち上げる。これにより、ｎ行目の光電変換域３２，３４の不要電荷は、転送トランジスタＱＴ、フローティングデフージョンＦＤ、およびリセットトランジスタＱＲを介して、リセットドレイン１３８に排出される。
その後、垂直転送回路３は、ｎ行目の制御信号φＴＧ（ｎ）を立ち下げて、転送トランジスタＱＴを非導通に変化させる。この時点から、ｎ行目の光電変換域３２，３４は信号電荷の蓄積を開始する。

この状態で、垂直転送回路３は、期間Ｔ１の間、制御信号φＬ（ｎ）をハイレベルに設定し、ｎ行目の行選択トランジスタＱＳを導通させる。これに同期して、垂直転送回路３は、ｎ行目のリセットトランジスタＱＲの導通状態を期間Ｔ２だけ維持する。この導通状態の維持によって、ｎ行目のフローティングデフージョンＦＤは、リセットドレイン１３８の電位にリセットされる。

期間Ｔ２の後、リセットトランジスタＱＲが非導通に変化すると、フローティングデフージョンＦＤは、フローティング状態に戻る。このスイッチングの瞬間の電圧（リセット電圧）がフローティングデフージョンＦＤに保持される。このｎ行目のリセット電圧は、増幅素子ＱＡを介して垂直読み出し線２にソースホロワ出力される。
このように垂直読み出し線２からは、ｎ行目のリセット電圧が列単位に出力される。これらのリセット電圧は、制御信号φＳＨの立ち下げタイミング（期間Ｔ３の終了時点）に同期して、相関二重サンプリング回路５（回路内のコンデンサ群）に保持される。

次に、垂直転送回路３は、制御信号φＴＧ（ｎ）を用いて、ｎ行目の転送トランジスタＱＴを期間Ｔ４だけ導通させる。この導通によって、ｎ行目の光電変換域３２，３４に蓄積された信号電荷が、フローティングデフージョンＦＤに転送される。この転送動作に伴って、フローティングデフージョンＦＤの電圧はリセット電圧から信号電荷の転送分だけ相対変化する。このｎ行目の信号電圧は、増幅素子ＱＡを介して垂直読み出し線２にソースホロワ出力される。

このように垂直読み出し線２を介して列単位に出力されるｎ行目の信号電圧は、相関二重サンプリング回路５に印加される。相関二重サンプリング回路５からは、この信号電圧とリセット電圧の差に相当する真の信号電圧が出力される。
この状態で、水平転送回路４は、焦点検出用画素３７が存在する列の制御信号φＨ３，φＨ４などを用いて、光電変換域３４の真の信号電圧をＶｏｕｔから順次に読み出す。
以上の動作を焦点検出用画素３７に限定して繰り返すことにより、全画素を読み出すことなく、焦点検出用信号を短時間に読み出すことが可能になる。
このように読み出された焦点検出用信号は、信号処理部１５およびＡ／Ｄ変換部１６を介してデジタル化された後、メモリ１７に一時蓄積される。

［焦点演算部２０の動作について］
電子カメラ１０内の焦点演算部２０は、メモリ１７内に蓄積された焦点検出用信号を用いて、焦点検出演算を実施する。以下、図３を参照しながら、この焦点検出の光学的な原理とその演算処理について説明する。
まず、１つの瞳形成用マイクロレンズ３６に入射する受光光束は、撮影レンズ１２の射出瞳を通過した光束である。この受光光束は瞳形成用マイクロレンズ３６を介して集光され、射出瞳の実像を空中で結ぶ。この射出瞳の実像を分離するように、瞳分割用マイクロレンズ３５が並べて配置される。このような配置により、個々の瞳分割用マイクロレンズ３５には、撮影レンズ１２の射出瞳を部分的に通過した光束が入射する。個々の瞳分割用マイクロレンズ３５は、この光束を瞳分割光束（図３中に示すＡ，Ｂ）として出射する。このように分離された瞳分割光束Ａ，Ｂは、対応する光電変換域３４に到達して個別に光電変換される。

ところで、合焦被写体の一点（近接点も含む）から出た光束は、撮影レンズ１２の射出瞳のそれぞれ違う位置を通過した後、撮像面に点像を結ぶために再び集束する。そのため、合焦状態にある場合、一組の光電変換域３４は、被写体の同じ一点から出た瞳分割光束を受光する。したがって、光電変換によって得られる一組の瞳分割像は、その像パターンが略一致してほぼ位相差ゼロを示す。

一方、前ピン状態の被写体から出た光束は、撮影レンズ１２の射出瞳の異なる箇所をそれぞれ通過した後、撮像面の手前で交差してずれた画素位置に到達する。この場合、一組の瞳分割像は、瞳分割方向にずれた位相差を示す。
逆に、後ピン状態の被写体から出た光束は、撮影レンズ１２の射出瞳の異なる箇所をそれぞれ通過した後、集束不足のまま撮像面のずれた画素位置に到達する。この場合、一組の瞳分割像は、前ピン状態と逆方向にずれた位相差を示す。

以上説明したように、撮影レンズ１２の合焦状況に応じて、瞳分割像の位相差が変化する。そこで、焦点演算部２０は、メモリ１７内の焦点検出用信号を分配して、一組の瞳分割像の像パターンを求める。焦点演算部２０は、これらの像パターンについてパターンマッチング処理を実施して、位相差（像ズレ）を検出する。焦点演算部２０は、この位相差に基づいて、撮影レンズ１２の合焦状況やデフォーカス量を検出する。

［画像信号の読み出し動作について］
焦点演算部２０によって検出されたデフォーカス量は、レンズ制御部１２ａに伝達される。レンズ制御部１２ａは、伝達されるデフォーカス量に基づいて撮影レンズ１２の焦点駆動を行い、撮影レンズ１２を被写体に合焦させる。
その後、電子カメラ１０内のマイクロプロセッサ１９は、レリーズ釦の全押し操作に同期して撮像制御部１４を用いて、画像信号の読み出し動作を開始する。

この画像信号の読み出し動作は、上述した焦点検出用信号と同様の読み出し手順を、撮像用画素３１ごとに順次繰り返すことによって実施される。
なお、焦点検出用画素３７の配置箇所については、画像信号が欠落する。この欠落部分の画像信号については、周辺の画像信号を用いて補間することが可能である。また、焦点検出用画素３７の光電変換域３４の信号に基づいて、欠落部分の画像信号を生成してもよい。

［第１実施形態の効果など］
第１実施形態では、図３に示すように、瞳形成用マイクロレンズ３６および瞳分割用マイクロレンズ３５を撮像面に多層形成する。そのため、両マイクロレンズ３５，３６の位置関係はずれることがなく、常に正確な瞳分割を実現することができる。

さらに、この多層形成では、瞳分割用マイクロレンズ３５の光軸位置を、瞳形成用マイクロレンズ３６の光軸位置からずらして配置する。このようなレンズのシフト作用によって、瞳分割光束Ａ、Ｂの出射方向は、図３に示すように互いに離れる。この場合、瞳分割光束Ａ、Ｂを受光する光電変換域３４を通常の画素間隔程度まで離すことが可能となる。そのため、一組の光電変換域３４を不自然に接近させることがなく、固体撮像装置１１の設計や製造が容易になる。

さらに、行方向に並ぶ光電変換域３４では、光電変換の期間を一致させることができる。そのため、時間差なく瞳分割を行うことが可能となり、動体被写体であっても瞳分割像の一致度が損なわれない。その結果、正確かつ確実な焦点検出が可能になる。

また、焦点検出用画素３７は、瞳形成用マイクロレンズ３６を有する点を除けば、撮像用画素３１と同一構造を有する。そのため、焦点検出用画素３７の下層部分は、撮像用画素３１と同様に製造することが可能となる。

言い換えると、瞳形成用マイクロレンズ３６の配置パターンを変更するだけで、焦点検出エリアの配置を自在に変更することが可能になる。

また、複数の焦点検出用画素３７は、瞳分割方向に沿って撮像面に千鳥配置される。この千鳥配置では、個々の焦点検出用画素３７の上下左右に、撮像用画素３１が必ず存在する。そのため、焦点検出用画素３７によって欠落する画像信号を、周囲の撮像用画素３１を用いて高品質に補間することが可能になる。

さらに、第１実施形態の電子カメラ１０では、特許文献３に比べて、光学要素アレイを挿抜する機構が不要となる。その結果、電子カメラ１０の構成を単純にすることが可能になる。
次に、別の実施形態について説明する。

《第２実施形態》
図６は、固体撮像装置１１ａの焦点検出エリア（焦点検出用画素３７ａの配置エリア）を示す図である。図７は、固体撮像装置１１ａの半導体パターンを示す図である。
なお、電子カメラの構成や信号の読み出し手順などについては、第１実施形態と同じため、ここでの説明を省略する。

第２実施形態の特徴は、焦点検出用画素３７ａを、瞳分割方向と直交する方向へサイズ拡大した点である。
このサイズ拡大に伴って、光電変換域３４ａの１区画は、図７に示すように、撮像用画素３１の（２×１）区画分を占有する。瞳分割用マイクロレンズ３５ａは、この光電変換域３４ａを覆うように、楕円状にサイズ拡大する。さらに、瞳形成用マイクロレンズ３６ａは、瞳分割用マイクロレンズ３５ａの２個分を覆うように、サイズ拡大して等方形状となる。

［第２実施形態の効果など］
瞳分割用マイクロレンズ３５ａは、瞳分割方向と直交する方向に拡大する。そのため、瞳分割の性能を落とすことなく、光電変換域３４ａの受光効率を一段と高くすることができる。そのため、光電変換域３４ａの信号出力レベルは高くなり、低照度の環境下においても正確な焦点検出が可能になる。

さらに、瞳形成用マイクロレンズ３６ａは等方形状をなす。そのため、瞳形成用マイクロレンズ３６ａの設計や製造が容易となる。
また、第２実施形態では、焦点検出用画素３７ａのサイズを、撮像用画素３１の複数個分のサイズに一致させている。そのため、撮像用画素３１の群の間に焦点検出用画素３７ａを配置しても、無駄な隙間が生じず、受光量の損失は少ない。

さらに、行方向に並ぶ光電変換域３４ａでは、列方向にサイズ拡大しているにも拘わらず、光電変換の期間を一致させることができる。そのため、時間差なく瞳分割を行うことが可能となり、動体被写体であっても瞳分割像の一致度が損なわれない。その結果、正確かつ確実な焦点検出が可能になる。

また、複数の焦点検出用画素３７ａは、瞳分割方向に沿って撮像面に千鳥配置される。この千鳥配置では、個々の焦点検出用画素３７ａの上下左右に、撮像用画素３１が必ず存在する。そのため、焦点検出用画素３７ａによって欠落する画像信号を、周囲の撮像用画素３１を用いて高品質に補間することが可能になる。
次に、別の実施形態について説明する。

《第３実施形態》
図８は、固体撮像装置１１ｂの断面図である。
第３実施形態の特徴は、瞳分割用マイクロレンズ３５ｂを、瞳形成用マイクロレンズ３６ｂと光電変換域３４の中間層内のインナーレンズとした点である。なお、その他の構成は、第１実施形態や第２実施形態と同一であるため、ここでの説明は省略する。

この瞳分割用マイクロレンズ３５ｂは、中間層を構成するレンズ形成層３８ｂと平坦化層３９ｂの屈折率を異ならせることによって形成される。なお、中間層を３層構成とすることによって、図８下段に示すように、瞳分割用マイクロレンズ３５ｂをダブルインナーレンズ化することも可能である。また、インナーレンズを回折格子レンズの形態で実現してもよい。

［第３実施形態の効果など］
第３実施形態においても、多層構成で瞳分割を行うことが可能になる。そのため、第１実施形態および第２実施形態と同じ効果を得ることができる。

さらに、第３実施形態では、瞳分割用マイクロレンズ３５ｂをインナーレンズとするため、固体撮像装置１１ｂの撮像面の構造を単純化することが可能になる。その結果、素子製造時の工程数を減らすことが可能になる。また、マイクロレンズ２層分の厚さを抑えることも可能となり、撮像用画素３１ｂに入射する光が焦点検出用画素３７ｂのマイクロレンズによってけられるなどの弊害を減らすことも可能になる。

また、第３実施形態では、撮像用画素３１ｂについても、２層のマイクロレンズ３３ｂ，３３ｃを配置する。その結果、２層のマイクロレンズによって、撮像用画素３１ｂの受光効率を高めることも同時に可能になる。
次に、別の実施形態について説明する。

《第４実施形態》
図９は、固体撮像装置１１ｃを示す図である。なお、電子カメラの構成や信号の読み出し手順などについては、第１実施形態と同じため、ここでの説明を省略する。

第４実施形態の特徴は、１つの瞳形成用マイクロレンズ３６ｃに対して、４つの瞳分割用マイクロレンズ３５ｃを放射状（ここでは縦２画素×横２画素）に配置した点である。この放射配置の中心点は、瞳形成用マイクロレンズ３６ｃのレンズ中心、または射出瞳の実像の像中心とすることが好ましい。つまり、４画素の瞳分割用マイクロレンズ３５ｃ及び光電変換域３４ｃは、瞳形成用マイクロレンズ３６ｃのレンズ中心などに対して点対称の位置に配置されることが好ましい。

一方、光電変換域３４ｃは、これら瞳分割用マイクロレンズ３５ｃごとに設けられ、瞳分割用マイクロレンズ３５ｃによって４分割された瞳分割光束をそれぞれ光電変換する。
さらに、固体撮像装置１１ｃの撮像面には、ベイヤ配列の色フィルタ４０ｃが、光電変換域３４ｃごとに設けられる。このベイヤ配列の最小色配列（Ｒ，Ｇｒ，Ｇｂ，Ｂ）ごとに、１つの瞳形成用マイクロレンズ３６ｃが形成される。
なお、瞳分割用マイクロレンズ３５ｃについては、瞳形成用マイクロレンズ３６ｃと光電変換域３４ｃの中間層内に形成するインナーレンズとしてもよい。

［第４実施形態の焦点検出］
電子カメラ１０は、予め範囲設定された焦点検出エリアに限定して、光電変換域３４ｃの光電変換出力を読み出し、焦点検出用信号を得る。
焦点演算部２０は、この焦点検出用信号から、Ｇｒ位置の光電変換出力とＧｂ位置の光電変換出力を分離抽出することにより、斜め方向に瞳分割されたＧ色の分割像パターンを得ることができる。
焦点演算部２０は、このＧ色の分割像パターンを斜め方向にずらして位相差を検出することによって焦点検出が可能になる。

また、焦点演算部２０は、放射状に４分割された光電変換出力を、縦２画素および横２画素にそれぞれ加算してもよい。この処理により、縦方向に瞳分割された分割像パターンと、横方向に瞳分割された分割像パターンとを同時に得ることができる。

焦点演算部２０は、縦方向に瞳分割された分割像パターンを縦方向にずらしながら輝度分布の位相差を検出することにより、横エッジを主たる絵柄とする被写体について正確な焦点検出が可能になる。一方、横方向に瞳分割された分割像パターンを横方向にずらしながら輝度分布の位相差を検出することにより、縦エッジを主たる絵柄とする被写体について正確な焦点検出が可能になる。

なお、縦横の位相差検出誤差（画像マッチングの誤差）を比較することにより、２つの焦点検出結果から信頼度の高い方を選択することも可能である。

［第４実施形態の画像信号読み出し］
電子カメラ１０は、求めた焦点検出結果に基づいてピントの自動調整を実施する。
その後、電子カメラ１０内のマイクロプロセッサ１９は、レリーズ釦の全押し操作に同期して、画像信号の読み出し動作を開始する。
この画像信号の読み出し動作は、有効画素領域の全域について、光電変換域３４ｃの光電変換出力を順次読み出すことによって実施される。

［第４実施形態の効果など］
第４実施形態では、最小色配列ごとに、瞳形成用マイクロレンズ３６ｃを１つずつ配置する。この構成により、瞳形成用マイクロレンズ３６ｃは、モアレ防止用の光学ローパスフィルターと同様の機能を果たす可能になる。そのため、固体撮像装置１１ｃから光学ローパスフィルターを省くことが可能になる。また、瞳形成用マイクロレンズ３６ｃの光学作用分だけ、光学ローパスフィルターのぼかし量を低減して光学ローパスフィルターを薄型化することが可能になる。

また、第４実施形態では、放射状に４つ配置された光電変換域３４ｃを縦横にそれぞれ加算することで、瞳分割方向を臨機に変更することが可能になる。

《実施形態の補足事項》
なお、上述した実施形態では、瞳形成用マイクロレンズの入射面側を凸形状に形成する。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、瞳形成用マイクロレンズの出射面側を凸形状として入射面側を平坦化または平坦に近づけてもよい。この形状であれば隣接する画素への斜め入射光が瞳形成用マイクロレンズによって遮られることが少なくなり、固体撮像装置の受光効率を高めることができる。

なお、上述した第１〜第３実施形態では、撮像用画素に色フィルタを配置してもよい。この場合、焦点検出用画素については、色フィルタを省略することで、焦点検出用画素の受光効率を高めることが好ましい。

また、上述した第１〜第３実施形態では、予め定められた焦点検出エリアに限って、焦点検出用画素を配置する。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、撮像面の全域にわたって所定ピッチで焦点検出用画素を配置してもよい。この構成によって、所望の領域を柔軟に選択して、その領域から焦点検出用信号を読み出すことが可能になる。

なお、上述した第１〜第３実施形態では、焦点検出用画素の区画内に、２個の光電変換域を設けている。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。焦点検出用画素の区画内に、複数個（３個以上）の光電変換域を放射状に配置してもよい。これら光電変換域を適当な傾きの中心線で線対称に分離してそれぞれ合成することで、焦点検出用画素の瞳分割方向を多様に変化させることが可能になる。また逆に、焦点検出用画素の区画内に、１つの光電変換域を設けてもよい。この場合、近接する焦点検出用画素を組にして瞳分割を行うことで焦点検出用信号を生成することが可能になる。

また、上述した第４実施形態では、撮像面の全域にわたって焦点検出用画素を配置する。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。複数のＮ画素おき（Ｎ＝２，４，６・・など）に焦点検出用画素を配置し、その他の画素位置に撮像専用の画素を配置してもよい。また、市松状に焦点検出用画素を配置し、その他の画素位置に撮像専用の画素を配置してもよい。

なお、上述した第４実施形態では、原色ベイヤ配列のケースについて説明した。しかしながら、第４実施形態はこれに限定されるものではない。任意の色配列に応じて最小色配列を決定し、最小色配列の区域ごとに瞳形成用マイクロレンズを配置すればよい。

また、上述した実施形態では、ＸＹアドレス方式（ＣＭＯＳ型など）の固体撮像装置のケースについて説明した。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。ＣＣＤ型固体撮像装置などに本発明を適用してもよい。

以上説明したように、本発明は、焦点検出用信号の生成機能を有する固体撮像装置に利用可能な技術である。

電子カメラ１０を示すブロック図である。 固体撮像装置１１の焦点検出エリアを示す図である。 固体撮像装置１１の撮像面の断面図である。 固体撮像装置１１の等価回路と半導体パターンを示す図である。 焦点検出用信号の読み出し動作を説明するタイミングチャートである。 固体撮像装置１１ａの焦点検出エリアを示す図である。 固体撮像装置１１ａの半導体パターンを示す図である。 固体撮像装置１１ｂの撮像面の断面図である。 固体撮像装置１１ｃを示す図である。

符号の説明

１０…電子カメラ，１１…固体撮像装置，１１ａ…固体撮像装置，１１ｂ…固体撮像装置，１１ｃ…固体撮像装置，１２…撮影レンズ，１２ａ…レンズ制御部，１３…固体撮像装置，１４…撮像制御部，１５…信号処理部，１６…Ａ／Ｄ変換部，１７…メモリ，１８…バス，１９…マイクロプロセッサ，１９ａ…操作部，２０…焦点演算部，２２…記録部，２２ａ…記録媒体，２４…画像圧縮部，２５…画像処理部，３１…撮像用画素，３１ｂ…撮像用画素，３２…光電変換域，３３…マイクロレンズ，３４…光電変換域，３４ａ…光電変換域，３４ｃ…光電変換域，３５…瞳分割用マイクロレンズ，３５ａ…瞳分割用マイクロレンズ，３５ｂ…瞳分割用マイクロレンズ，３５ｃ…瞳分割用マイクロレンズ，３６…瞳形成用マイクロレンズ，３６ａ…瞳形成用マイクロレンズ，３６ｂ…瞳形成用マイクロレンズ，３６ｃ…瞳形成用マイクロレンズ，３７…焦点検出用画素，３７ａ…焦点検出用画素，３８…平坦化層，３８ｂ…レンズ形成層，３９…平坦化層，３９ｂ…平坦化層，４０ｃ…色フィルタ

Claims (8)

1. 撮像面にマイクロレンズを多層形成した固体撮像装置であって、
   受光光束を集光して、焦点検出対象である撮影レンズの射出瞳の実像を形成する瞳形成用マイクロレンズと、
   前記射出瞳の実像の像面近傍に配置されて、前記瞳形成用マイクロレンズの通過光束の一部を分離し、瞳分割光束とする瞳分割用マイクロレンズと、
   前記瞳分割光束を光電変換して、焦点検出用信号を生成する光電変換域と
   を備えたことを特徴とする固体撮像装置。
2. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   画素単位に光電変換して、画像信号を生成する撮像用画素を更に備え、
   前記撮像用画素は、前記瞳分割用マイクロレンズと前記光電変換域と同一構造を有する
   ことを特徴とする固体撮像装置。
3. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   画素単位に光電変換して、画像信号を生成する撮像用画素を更に備え、
   前記瞳分割用マイクロレンズは、前記撮像用画素の複数個に相当する区画を占有する
   ことを特徴とする固体撮像装置。
4. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   前記射出瞳の実像を対称的に分割するよう、１つの前記瞳形成用マイクロレンズに対して複数の前記瞳分割用マイクロレンズを配置する
   ことを特徴とする固体撮像装置。
5. 請求項４に記載の固体撮像装置において、
   所定の最小色配列の繰り返しで、前記光電変換域ごとに色フィルタを備え、
   前記最小色配列の区域ごとに、１つの前記瞳形成用マイクロレンズを形成した
   ことを特徴とする固体撮像装置。
6. 請求項４または請求項５に記載の固体撮像装置において、
   １つの前記瞳形成用マイクロレンズに対して放射状に４つの前記瞳分割用マイクロレンズを配置し、
   前記４つの光電変換域の組み合わせによって瞳分割方向を変更可能にした
   ことを特徴とする固体撮像装置。
7. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   前記瞳分割用マイクロレンズは、前記瞳形成用マイクロレンズ／前記光電変換域の中間層の内部に形成されるインナーレンズである
   ことを特徴とする固体撮像装置。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
   前記固体撮像装置から前記焦点検出用信号を読み出し、前記焦点検出用信号から抽出される瞳分割像のパターンズレを検出して、焦点検出を行う焦点演算部と、
   前記固体撮像装置から光電変換出力を読み出して画像信号を得る撮像制御部と
   を備えたことを特徴とする電子カメラ。

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