JP2007184840A - 固体撮像素子及びこれを用いた電子カメラ - Google Patents

Abstract

【課題】
従来技術では、焦点検出用光電変換部の配置が良くない場合に、撮像エリア周辺部の画素において、瞳分割像の光束がけられてしまい、正確な焦点検出が難しいという課題があった。
【解決手段】
本発明に係る固体撮像素子は、撮像エリアにマトリクス状に配置され、画像用光電変換部を有する単位画素と、前記単位画素の中に少なくとも一つの焦点検出用光電変換部を有し、一つまたは二つの単位画素で瞳分割の１単位を構成し、且つ、前記撮像エリアの中心を軸とする同心円の略接線方向が瞳分割方向になるように前記焦点検出用光電変換部が配置された焦点検出単位とを有する。
【選択図】 図７

Description

本発明は、焦点検出が可能な固体撮像素子及びこれを用いた電子カメラに関する。

近年、ＣＣＤ（Ｃharge Ｃoupld Ｄevice)型やＣＭＯＳ（Ｃomplementary Ｍetal Ｏxide Ｓemiconductor)型（或いは増幅型と呼ばれる）などの固体撮像素子を用いたビデオカメラや電子カメラが広く普及している。固体撮像素子は複数の単位画素が二次元アレイ状に配置され、単位画素は受ける光を電気信号に変換する光電変換部や光電変換部の電気信号を読み取るための信号線などで構成される。また、光電変換部の光が入射する側にマイクロレンズがオンチップで形成される。

一方、一般的なカメラは、自動的にカメラレンズの焦点を合わせるＡＦ（Ａuto Ｆocus）機能を有しており、焦点検出するための専用の焦点検出素子が使用されるが、専用素子を設けると、カメラのコスト低減や小型化の障害となるため、固体撮像素子で焦点検出を行う瞳分割位相差方式などが提案されている。
例えば、特許文献１，２および３において、二つの光電変換部をペアとして焦点位置を検出する瞳分割位相差方式に関する技術が開示されている。特許文献１および２は、画像用の信号と焦点検出用の信号との出力方法に関する技術で、特許文献３は、焦点検出の際に二つの画素がペアになるように、光学要素アレイを固体撮像素子の前面に挿入する技術である。
特開２００２−３１４０６２号公報 特開２００３−２４４７１２号公報 特開２００４−１９１８９３号公報

一般に撮像エリアの周辺部の単位画素においては、マイクロレンズにより集光された光が撮像エリアの外周方向にシフトし、そのシフト量は、主に撮像エリア中心から外周方向への距離とマイクロレンズから光電変換部までの距離とに比例する。また、その固体撮像素子をカメラに使用した場合のカメラレンズの射出瞳距離に反比例する。
ところが、上記の特許文献１，２および３に記載されているような従来の技術では、撮像エリアの周辺部の単位画素において、マイクロレンズが適切に配置されていないため、撮像エリアの中心部から周辺部に行くに従って、マイクロレンズにより集光された光が、光電変換部に適切に集光されなくなる。画像用光電変換部だけでなく、同様に焦点検出用光電変換部においても、光が適切に集光されず、いわゆる、光のけられが生じる。その結果、焦点検出用光電変換部の感度が低下し、カメラのＡＦ精度が劣化する。

また、一つの単位画素に一対の焦点検出用光電変換部を有する単位画素においては、単位画素の受光部の開口位置を限定することにより、撮影する画像の瞳分割画像を取得することが可能となり、同一画像において、瞳分割画像の出力差の量に応じてデフォーカス量を算出することができる。特に撮像エリア周辺部の単位画素においては、瞳分割を行うための一対の焦点検出用光電変換部の開口位置を限定することにより、瞳分割した光を検出することができる。ペアとなる一対の瞳分割光は、それぞれがペアとなる一対の焦点検出用光電変換部に入射されなければならないが、焦点検出用光電変換部の開口部の限定する方向が適切でない場合は、瞳分割光がけられて、焦点検出用光電変換部に入射されなかったり、隣の焦点検出用光電変換部に入射されてしまうなど、ＡＦ精度が劣化してしまう。

図１３は、撮像エリアの周辺部分において、一対の焦点検出用光電変換部を有する単位画素の焦点検出用光電変換部の開口部分の形状と瞳分割光との関係を示した図である。
図１３（ａ）と（ｃ）は、カメラレンズの射出瞳距離が大きい場合の瞳分割像の位置を示し、図１３（ｂ）と（ｄ）は、カメラレンズの射出瞳距離が小さい場合の瞳分割像の位置をそれぞれ示しており、瞳分割像の変位方向および変位量は同じである。ところが、図１３（ｂ）と（ｄ）との瞳分割像の受光状態は明らかに異なる。つまり、図１３（ｂ）において、単位画素８０１上の瞳分割像８０４および８０５は、理想的な位置８０６および８０７から上方（撮像エリアの周辺部）に向かってずれているが、瞳分割像８０４および８０５の一部は焦点検出用光電変換部８０２および８０３のそれぞれに入射されている。これに対して、図１３（ｄ）では、瞳分割像８１０および８１１は、理想的な位置８１２および８１３から上方に向かってずれているため、瞳分割像８１１は本来入射すべき焦点検出用光電変換部８０９ではなく、他方の焦点検出用光電変換部８０８に入射され、瞳分割像８１０は完全にけられて、検出できなくなっている。

このように、従来技術では、焦点検出用光電変換部の配置が良くない場合に、撮像エリア周辺部の単位画素で、瞳分割像がけられてしまうため、正確な焦点検出ができないという課題があった。
上記に鑑み、本発明の目的は、撮像エリアの周辺部においても、カメラレンズの射出瞳距離等の撮像条件に影響を受けることなく、ＡＦ精度を劣化させずに、位相差焦点検出が可能な固体撮像素子及びこれを用いた電子カメラを提供することである。

請求項１に係る発明の固体撮像素子は、撮像エリアにマトリクス状に配置され、画像用光電変換部を有する単位画素と、前記単位画素の中に少なくとも一つの焦点検出用光電変換部を有し、一つまたは二つの単位画素で瞳分割の１単位を構成し、且つ、前記撮像エリアの中心を軸とする同心円の略接線方向が瞳分割方向になるように前記焦点検出用光電変換部が配置された焦点検出単位とを有する。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の固体撮像素子において、連続する複数の前記焦点検出単位からなる焦点検出ブロックを構成し、前記焦点検出用ブロックの中心に位置する前記焦点検出単位の前記焦点検出用光電変換部が、前記撮像エリアの中心を軸とする同心円の略接線方向が瞳分割方向になるように配置され、前記焦点検出用ブロックの中心以外に位置する前記焦点検出単位の前記焦点検出用光電変換部が、前記焦点検出用ブロックの中心に位置する前記焦点検出単位の前記焦点検出用光電変換部と同じ位置に配置されたことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載の固体撮像素子において、前記焦点検出ブロックは、連続する複数の前記焦点検出単位が直線状に配置されたことを特徴とする。
請求項４に係る発明は、請求項２に記載の固体撮像素子において、前記焦点検出ブロックは、連続する複数の前記焦点検出単位が前記撮像エリアの中心を軸とする略同心円状に配置されたことを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の固体撮像素子において、前記単位画素にマイクロレンズを設け、前記焦点検出単位の前記マイクロレンズが、前記撮像エリアの中心を軸とする略同心円状に配置されたことを特徴とする。
請求項６に係る発明は、請求項５に記載の固体撮像素子において、前記固体撮像素子にカメラレンズを使用する場合であって、前記カメラレンズの射出瞳距離をＬ、前記撮像エリアの中心から前記焦点検出用光電変換部までの距離をｒ、前記マイクロレンズと前記焦点検出用光電変換部との距離をｄとした時に、前記撮像エリアの中心軸に対するマイクロレンズずらし量ｓとの関係が
d × (r/L) × 0.8 ≦ s ≦ d × (r/L) × 1.2
で表されるようにマイクロレンズを配置したことを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項５に記載の固体撮像素子において、前記固体撮像素子にカメラレンズを使用する場合であって、前記カメラレンズの射出瞳距離をＬ、前記撮像エリアの中心から前記焦点検出用光電変換部までの距離をｒ、前記マイクロレンズと前記焦点検出用光電変換部との距離をｄとした時に、前記マイクロレンズに対する前記焦点検出用光電変換部のずらし量ｔとの関係が
d × (r/L) × 0.8 ≦ t ≦ d × (r/L) × 1.2
で表されるように前記焦点検出用光電変換部を配置したことを特徴とする。

請求項８に係る発明は、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の固体撮像素子において、前記焦点検出用光電変換部の形状は、前記撮像エリアの中心から放射状方向に長い形状を有することを特徴とする。
請求項９に係る発明は、請求項８に記載の固体撮像素子において、前記固体撮像素子にカメラレンズを使用する場合であって、前記焦点検出用光電変換部の形状は、前記撮像エリアの中心から放射状方向の長さをｗ、前記カメラレンズの射出瞳距離をＬ、前記カメラレンズのＦ値をｆ、前記撮像エリアの中心から前記焦点検出用光電変換部までの距離をｒ、前記マイクロレンズと前記焦点検出用光電変換部との距離をｄとした時に、
d/f + d × (r/L) × 0.8 ≦ w ≦ d/f + d × (r/L) × 1.2
で表されるように前記焦点検出用光電変換部を配置したことを特徴とする。

請求項１０に係る発明の電子カメラは、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の固体撮像素子と、前記画像用光電変換部から電気信号を読み出すための第１の読み出し手段と、前記焦点検出用光電変換部から電気信号を読み出すための第２の読み出し手段と、前記第２の読み出し手段が読み出した電気信号に従って焦点制御を行う焦点制御手段とを少なくとも備えることを特徴とする。

本発明によれば、撮像エリアの周辺部において、瞳分割像の光束がけられることなく、正確な焦点検出が可能な固体撮像素子を提供することができる。また、本発明に係る固体撮像素子を用いることによって、焦点検出精度を大幅に向上した電子カメラを提供することができる。

以下、本発明に係る固体撮像素子及びこれを用いた電子カメラの実施形態について説明する。図１は電子カメラのブロック図で、１０１は電子カメラ、１０２はカメラレンズ、１０３はハーフミラー、１０４はファインダ用プリズム、１０５はファインダ、１０６は固体撮像素子、１０７は固体撮像素子１０６から画像信号を読み出して色補正などの画像処理を行う画像処理部、１０８はカメラ全体の動作を制御するカメラシステム制御部、１０９は記憶部、１１０はメモリカード、１１１はシャッターボタンやフラッシュ設定などの操作を行う操作パネル、１１２は撮影中の画像や撮影済みの画像を表示する液晶表示部、１１３は焦点検出部、１１４はカメラレンズを指定位置に動かすレンズ制御部をそれぞれ示す。尚、本電子カメラ１０１は、ＡＦ用の専用モジュールを搭載せずに、固体撮像素子１０６からの信号によって焦点検出を行う電子カメラである。また、固体撮像素子１０６は、増幅型固体撮像素子の一つであるＣＭＯＳ型の固体撮像素子を用いる。ＣＭＯＳ型の固体撮像素子の特徴は、焦点検出用画素など選択した任意の単位画素の信号を読み出すことができるため、高速化が可能である。

被写体からの光はカメラレンズ１０２を介してハーフミラー１０３に入り、一部はファインダ用プリズム１０４へ反射され、透過した光は固体撮像素子１０６に結像される。固体撮像素子１０６上に結像された光は電気信号に変換されて画像信号として画像処理部１０７に出力される。画像処理部１０７は色補正や画像圧縮など適切な画像処理を行ってカメラシステム制御部１０８に画像信号を出力する。カメラシステム制御部１０８は受け取った画像信号を記憶部１０９に出力し、一時的に画像信号を記憶すると共に、必要に応じてメモリカード１１０に画像信号を保存する。また、カメラシステム制御部１０８は、操作パネル１１１の操作に従って、記憶部１０９に一時的に記憶された画像信号を読み出し、液晶表示部１１２に画像を表示する。ここで、カメラシステム制御部１０８はソフトウェアによってプログラムされ、電子カメラ１０１全体の制御を行う。尚、ハーフミラー１０３は半透過型のミラーではなく、撮影時にミラーを跳ね上げる方式のものでも構わない。

一方、焦点検出部１１３は、固体撮像素子１０６から焦点検出用の信号を読み出して、焦点位置を検出し、カメラシステム制御部１０８に出力する。カメラシステム制御部１０８は焦点検出部１１３から受け取った焦点位置にカメラレンズ１０２を動かすようレンズ制御部１１４に指示する。カメラレンズ１０２が焦点位置に来ると、画像処理部１０７は、固体撮像素子１０６に結像された画像信号を読み出して画像処理を行い、カメラシステム制御部１０８は、記憶部１０９に画像処理された画像データを記録すると共に、液晶表示部１１２に撮影した画像を表示する。

次に、本発明に係る固体撮像素子１０６の第１の実施形態について説明する。
（第１の実施形態）
図２は、４×４画素に簡略化して描いた固体撮像素子１０６の回路図で、２０１は画像用フォトダイオード、２０２は画像用転送トランジスタ、２０３は増幅用トランジスタ、２０４は行選択用トランジスタ、２０５はリセット用トランジスタ、２０６は焦点検出用フォトダイオード、２０７は焦点検出用転送トランジスタ、２１０は水平走査回路、２１１は垂直走査回路、２１２は１行１列目の単位画素、２１３および２１４は単位画素２１２と同じ回路構成で３行１列目および４行１列目の単位画素、２１５は２行１列目の単位画素、２１６は相関二重サンプリング回路をそれぞれ示す。また、１列目の各単位画素２１２，２１５，２１３、２１４は、２列目，３列目および４列目にも同じように構成される。

また、φで始まる信号名は駆動信号を表し、駆動信号のφＲ₁，φＲ₂，φＲ₃およびφＲ₄は、それぞれ順番に１行目，２行目，３行目および４行目のリセット用の駆動信号を示す。同様に、駆動信号のφＳ₁，φＳ₂，φＳ₃およびφＳ₄は、それぞれ順番に１行目，２行目，３行目および４行目の信号を垂直信号線に読み出す時の選択用の駆動信号を示し、駆動信号のφＴＧ₁，φＴＧ₂₁，φＴＧ₃およびφＴＧ₄は、それぞれ順番に１行目，２行目，３行目および４行目の各列の画像用フォトダイオードの電荷を各増幅用トランジスタに転送するための転送用の駆動信号を示す。また、２行目の駆動信号φＴＧ₂₂は、２行目の各列の焦点検出用フォトダイオードの電荷を各増幅用トランジスタに転送するための転送用の駆動信号を示す。φＣは相関二重サンプリング回路２１６にリセットノイズ電圧をクランプする駆動信号、φＲＨは水平読み出し線リセット用の駆動信号、φＲＶは垂直信号線リセット用の駆動信号、φＨ₁，φＨ₂，φＨ₃およびφＨ₄は、それぞれ１列目，２列目，３列目および４列目の水平読み出し用の駆動信号をそれぞれ示す。尚、ＶＲＥＳはリセット電圧、ＶＣＳは電流源に加えられる電源、ＶＤＤは各単位画素に供給される電源電圧をそれぞれ示す。

ここで、単位画素２１５は、単位画素２１２，２１３および２１４と回路構成が異なり、画像用フォトダイオード２０１と画像用転送トランジスタ２０２の他に、焦点検出用フォトダイオード２０６と焦点検出用フォトダイオード２０６の電荷を転送する焦点検出用転送トランジスタ２０７がさらに設けられる。また、画像用フォトダイオードおよび焦点検出用フォトダイオードのいずれも、フローティングディフュージョン（ＦＤ）部、増幅用トランジスタ、リセット用トランジスタ、行選択用トランジスタを有する。これらの構成により、行選択用トランジスタがオンすると、定電流源ＰＳ₁からＰＳ₄に接続されている各垂直信号線にソースフォロワ読み出しが可能となる。

次に、図２の回路図の動作を、図３および図４に示したタイミングチャートを用いて説明する。図３は画像用信号を読み出す時のタイミングを示した図で、図４は焦点検出用信号を読み出す時のタイミングを示した図である。尚、図２と同じ名称の駆動信号は同じものである。
先ず、画像信号を読み出す場合の動作を説明する。ｔ₁₁の期間に１行目のリセット用トランジスタ２０５と転送用トランジスタ２０２とがオンされ、画像用フォトダイオード２０１に蓄積された電荷がリセットされる。その後、ｔ₁₂，ｔ₁₃およびｔ₁₄の期間で、転送用トランジスタ２０２はオフされ、画像用フォトダイオード２０１で露光が開始され、電荷が蓄積されていく。また、この期間、増幅用トランジスタ２０３のゲート及びＦＤ部が駆動信号φＲ１によってリセットされ、それに対応するダークレベル、つまりリセットノイズが保持される。尚、ｔａ_lは露光期間を示す。

一方、ｔ₁₂からｔ₁₆の期間で、行選択用トランジスタ２０４が駆動信号φＳ₁によってオンされると、上記ダークレベルは列アンプＡ₁からＡ₄によって増幅されて相関二重サンプリング回路２１６のコンデンサに蓄積される。露光期間ｔａ₁の終了時のｔ₁₅の期間で、転送用トランジスタ２０２が駆動信号φＴＧ₁によってオンされ、画像用フォトダイオード２０１に蓄積された光信号電荷がＦＤ部および増幅用トランジスタ２０３のゲートに転送される。これによって、ダークレベルと光信号電荷とが重畳された電気信号が相関二重サンプリング回路２１６に読み出され、先にクランプしておいたダークレベルを差し引いた光信号に相当する信号だけが水平信号線に出力される。

このように、相関二重サンプリング回路２１６でノイズ低減された光信号は、１列目の場合、水平走査回路２１０の駆動信号φＨ₁によって読み出され、２列目はφＨ₂，３列目はφＨ₃，４列目はφＨ₄によってそれぞれ読み出され、出力アンプＰＡを介してＶＳ_out端子から出力される。尚、図２において、φＲＨやφＲＶおよびφＣなどの駆動信号を出力する制御回路は省略してある。

同様に、他の行の単位画素の画像信号が読み出され、全ての行を読み終えると、１フレームの画像信号の読み出しが終了する。尚、ｔ₂₁，ｔ₂₂，ｔ₂₃，ｔ₂₄，ｔ₂₅，ｔ₂₆およびｔ₂₇は、２列目の単位画素２１５に対応する。１列目の単位画素２１２の駆動信号φＲ₁をφＲ₂に、φＳ₁をφＳ₂に、φＴＧ₁をφＴＧ₂₁に置き換えて、ｔ₁₁，ｔ₁₂，ｔ₁₃，ｔ₁₄，ｔ₁₅，ｔ₁₆およびｔ₁₇と同様のタイミングで動作する。３列目および４列目に関しても同様である。尚、このように画像信号を出力する場合は、φＴＧ₂₂はいつも非選択の信号である。

次に、焦点検出用の信号を読み出す場合の動作について説明する。図２の２行目の単位画素２１５において、図４のｔ₁₁の期間にリセット用トランジスタ２０５と焦点検出用転送トランジスタ２０７とがオンされ、焦点検出用フォトダイオード２０６に蓄積された電荷がリセットされる。その後、ｔ₁₂，ｔ₁₃およびｔ₁₄の期間で、焦点検出用転送トランジスタ２０５はオフされ、焦点検出用フォトダイオード２０６で露光が開始され、電荷が蓄積されていく。また、この期間、増幅用トランジスタ２０３のゲート及びＦＤ部が駆動信号φＲ₂によってリセットされ、それに対応するダークレベル、つまりリセットノイズが保持される。尚、ｔａ_lは露光期間を示す。

一方、ｔ₁₂からｔ₁₆の期間で、行選択用トランジスタ２０４が駆動信号φＳ₂によってオンされると、図３で説明した画像用信号の読み出しと同様に、上記ダークレベルが相関二重サンプリング回路２１６のコンデンサに蓄積される。露光期間ｔａ₁の終了時のｔ₁₅の期間で、焦点検出用転送トランジスタ２０７が駆動信号φＴＧ₂₂によってオンされ、焦点検出用フォトダイオード２０６に蓄積された焦点検出用の光信号電荷がＦＤ部および増幅用トランジスタ２０３のゲートに転送される。この後の動作は、先に説明した画像用フォトダイオードの信号を読み出す場合と同じで、焦点検出用のフォトダイオードを有する単位画素がある行の読み出しを同様に繰り返す。図１の焦点検出部１１３は、このようにして読み出された焦点検出用の信号を用いて、瞳分割方式による焦点検出処理を行う。

以上の動作により、本実施形態の固体撮像素子は、焦点検出用フォトダイオードのみの電荷を電気信号として読み出すことができるので、焦点検出に関係のない単位画素の電気信号を読み出す必要が無く、ＡＦ処理の高速化が可能になる。
尚、本実施形態では、ＡＦ専用の単位画素の信号だけを部分読出しする場合について説明しているが、全画素を順次読出し、後処理にてＡＦ専用の単位画素の出力を取り出して、その出力データからＡＦ処理を行うようにしても構わない。このような方法によれば、ＣＣＤ型の固体撮像素子においても本発明の技術は利用できるが、ランダムアクセスが可能なＣＭＯＳ型センサではＡＦ画素の部分読み出しによる高速化が可能であるため、ＣＭＯＳ型の固体撮像素子の方がより好ましい。

ここで、本実施形態による瞳分割方式の原理を説明する。図５（ａ）は図６（ａ）に示す固体撮像素子１０６ａを切断位置（Ａ１−Ａ２）で切断した時の断面図である。５０１および５０２はそれぞれ隣接する単位画素のマイクロレンズである。５０３はマイクロレンズ直下の平坦化膜および層間膜、５０４は半導体基板、５０５および５０６は半導体基板５０４の上に形成された画像用フォトダイオード、５０７および５０８は半導体基板５０４の上に形成された焦点検出用フォトダイオード、５０９は図１のカメラレンズ１０２から入射する光線をそれぞれ示す。

光線５０９において、実線で示す光線は、カメラレンズ系の光軸を中心として入射する光線で、画像用フォトダイオード５０５の上の点５１２、および画像用フォトダイオード５０６の上の点５１３にそれぞれ集光される。点線で示す光線は、カメラレンズ系の光軸を中心として紙面左側のレンズの瞳部分より入射する光線で、画像用フォトダイオード５０６の右側にある焦点検出用フォトダイオード５０８の上の点５１５に集光される。一点鎖線で示す光線は、カメラレンズ系の光軸を中心として紙面右側のレンズの瞳部分より入射する光線で、画像用フォトダイオード５０５の左側にある焦点検出用フォトダイオード５０７の上の点５１４に集光される。

焦点がずれた場合には像ずれが生じるので、焦点検出用フォトダイオード５０７と５０８との出力が一致しない。合焦時は像ずれが生じないので、焦点検出用フォトダイオード５０７と５０８との出力が一致する。このように、焦点検出用フォトダイオード５０７と５０８の出力を比較することにより、像ずれ量を検出することができ、デフォーカス量の算出が可能となる。

尚、図６（ａ）において、焦点検出用フォトダイオード５０７と５０８とがペアになって、瞳分割方式における一つの焦点検出単位を構成する。つまり、焦点検出の最小単位は、単位画素５１９と５２０の二つの単位画素で構成され、その最小単位を「焦点検出単位」と称す。同様に、焦点検出用フォトダイオード６０１と６０２とがペアになって、一つの焦点検出単位を構成する。

次に、一つの単位画素の中にペアとなる二つの焦点検出用フォトダイオードを有する場合の例を説明する。図５（ｂ）は図６（ｂ）に示す固体撮像素子１０６ｂを切断位置（Ｂ１−Ｂ２）で切断した時の断面図である。５０１乃至５０５および５０９は図５（ａ）と同じものを示し、５１０および５１１は、半導体基板５０４の上に形成された焦点検出用フォトダイオードである。図５（ａ）と異なるのは、一つの単位画素に二つの焦点検出用フォトダイオード５１０および５１１が形成されていることである。

図５（ｂ）の実線で示す光線は、カメラレンズ系の光軸を中心として入射する光線で、画像用フォトダイオード５０５上の点５１６に集光される。点線で示す光線は、カメラレンズ系の光軸を中心として紙面左側のレンズの瞳部分より入射する光線で、画像用フォトダイオード５０５の右側にある焦点検出用フォトダイオード５１１上の点５１８に集光される。一点鎖線で示す光線は、カメラレンズ系の光軸を中心として紙面右側のレンズの瞳部分より入射する光線で、画像用フォトダイオード５０５の左側にある焦点検出用フォトダイオード５１０上の点５１７に集光される。

焦点がずれた場合には像ずれが生じ、焦点検出用フォトダイオード５１０と５１１との出力が一致しない。合焦時は像ずれが生じないので、焦点検出用フォトダイオード５１０と５１１との出力が一致する。このように、焦点検出用フォトダイオード５１０と５１１との出力を比較することにより、像ずれ量を検出することができ、デフォーカス量の算出が可能となる。

尚、図６（ｂ）において、焦点検出用フォトダイオード５１０と５１１とがペアになって、瞳分割方式における一つの焦点検出単位を構成する。つまり、ここでは、焦点検出単位は、単位画素５２１の一つの単位画素で構成される。同様に、焦点検出用フォトダイオード６０３と６０４，６０５と６０６，６０７と６０８はそれぞれがペアになって一つの焦点検出単位を構成する。ここで、図６（ａ）では、二つの単位画素で一つの焦点検出単位を構成するのに対して、図６（ｂ）では、一つの単位画素で一つの焦点検出単位を構成するので、焦点検出の解像度を約２倍に向上させることができる。

尚、本実施形態では、１行分の単位画素に焦点検出用フォトダイオードが配置されているが、複数行であっても構わないし、隣接する単位画素でなくても、瞳分割方向であれば、複数画素跳んでいても構わない。但し、図６の各単位画素において、一対の焦点検出用フォトダイオードの瞳分割方向が、撮像エリアの中心を軸とする同心円の略接線方向に配置されていることが重要である。

次に、複数個の焦点検出単位がまとまって配置された焦点検出用ブロック（以降、ＡＦ用画素と呼ぶ）の配置について説明する。図７は、固体撮像素子１０６の撮像エリア内に様々な形状のＡＦ用画素が配置された例を示した図である。３００は２０×２０の単位画素で構成される撮像エリア、３０１は撮像エリア３００の中心３０７を軸とする同心円をそれぞれ示す。また、点線円３０２から３０６は、ＡＦ用画素の形状例を説明するために付けた符号である。撮像エリア３００の中心３０７付近では、図１３で説明したような瞳分割像のずれは少ないので、直線状のＡＦ用画素を３６０度あらゆる方向に配置可能である。

ところが、撮像エリア３００の周辺部では、瞳分割像が撮像エリア３００の中心３０７から放射状方向にずれる。そこで、本実施形態では、図１３（ａ）および（ｂ）のようにＡＦ用画素を配置する。そこで、図７（ｂ）において、撮像エリア３００の周辺部に配置された８箇所のＡＦ用画素は、各ＡＦ用画素の瞳分割方向が撮像エリア３００の中心３０７を軸とする同心円３０１の略接線方向になるように配置される。

次に、ＡＦ用画素の配置例について説明する。図８（ａ）は図７のＡＦ用画素３０２の部分を拡大した図である。同様に、図８（ｂ）はＡＦ用画素３０３を、図８（ｃ）はＡＦ用画素３０４を、図９（ａ）はＡＦ用画素３０５を、図９（ｂ）はＡＦ用画素３０６をそれぞれ拡大した図を示す。また、３５１は同心円３０１上の接線を示す。
図８（ａ）において、３１１，３１２および３１３は二つの単位画素で構成される焦点検出単位で、これら三つの焦点検出単位３１１，３１２および３１３で一つのＡＦ用画素３０２を構成する。ここで、ＡＦ用画素３０２の中心にある焦点検出単位３１２の瞳分割方向は、焦点検出単位３１２の中点における同心円３０１の接線３５１の方向になるように配置される。

一方、焦点検出単位３１１および３１３の瞳分割方向は、それぞれの焦点検出単位の中点における同心円３０１の接線方向とは少し異なるが、実際の固体撮像素子では百万画素レベルの単位画素がアレイ状に配置されているので、固体撮像素子全体の大きさに対してＡＦ用画素の長さが占める割合が小さければ、略接線方向に配置されているものと見なせる。

次に、図８（ｂ）において、３１４から３１９は一つの単位画素で構成される焦点検出単位で、これら六つの焦点検出単位３１４から３１９で一つのＡＦ用画素３０３を構成している。ここで、ＡＦ用画素３０３の中心にある二つの焦点検出単位３１７および３１８の瞳分割方向は、焦点検出単位３１７と３１８との中点における同心円３０１の接線３５１方向になるように配置される。

一方、焦点検出単位３１６および３１９の瞳分割方向は、それぞれの焦点検出単位の中点における同心円３０１の接線方向とは少し異なっているが、先に説明した図８（ａ）の場合と同様に、ＡＦ用画素の中心付近の焦点検出単位の瞳分割方向は、略接線方向に配置されているものと見なせる。
ところが、直線状に長いＡＦ用画素の場合は、ＡＦ用画素の中心付近の焦点検出単位が同心円３０１の接線方向に配置されていても、ＡＦ用画素の端部に行くにつれて、同心円３０１の接線方向とのずれが大きくなる。図８（ｂ）の例の場合、ＡＦ画素３０３の端部の焦点検出単位３１４および３１５は、中心付近の焦点検出単位３１６から３１９に対して、撮像エリアの中心方向にずらして配置してある。このため、焦点検出単位３１４および３１５は、他の焦点検出単位３１６から３１９を通る同心円３０１の線上に配置でき、同心円３０１の接線方向とのずれの影響を少なくできる。

図８（ｃ）のＡＦ用画素３０４が図８（ｂ）のＡＦ用画素３０３と異なる点は、ＡＦ画素３０３が一つの単位画素で一つの焦点検出単位を構成しているのに対して、ＡＦ画素３０４は二つの単位画素で一つの焦点検出単位を構成していることである。また、図８（ｃ）の場合も、ＡＦ用画素３０４の端部の焦点検出単位３２０と３２１とが、ＡＦ用画素３０４の中心にある焦点検出単位３２２に対して、撮像エリアの中心方向にずらして配置してある。このため、焦点検出単位３２０および３２１は、焦点検出単位３２２を通る同心円３０１の線上に近い位置に配置でき、同心円３０１の接線方向とのずれの影響を少なくできる。

次に、図９を用いて、その他のＡＦ用画素の形状例について説明する。図８で説明したＡＦ用画素３０２から３０４は、いずれも図７の撮像エリア３００の水平方向または垂直方向に配置されているが、ここで説明するＡＦ用画素３０５および３０６は、図７の撮像エリア３００の角の部分に斜め方向に配置されている。
図９（ａ）において、３２３から３２７は一つの単位画素で構成される焦点検出単位で、これら五つの焦点検出単位３２３から３２７で一つのＡＦ用画素３０５を構成する。ここで、ＡＦ用画素３０５の中心にある焦点検出単位３２５の瞳分割方向は、焦点検出単位３２５の中点における同心円３０１の接線３５１の方向になるように配置される。

一方、ＡＦ用画素３０５の中心からずれた位置にある焦点検出単位３２３，３２４，３２６および３２７の瞳分割方向は、同心円３０１の接線方向とは少し異なるが、図８（ａ）で説明したように、固体撮像素子全体の大きさに対してＡＦ用画素の長さが占める割合が小さければ、略接線方向に配置されているものと見なせるので、同心円３０１の接線方向とのずれの影響は無視できる。

次に、ずれの影響を少なくしたＡＦ用画素の例を図９（ｂ）に示す。同図のＡＦ用画素３０６は、七つの焦点検出単位３２８から３３４で構成される。ＡＦ用画素３０６の中心にある二つの焦点検出単位３３０および３３１の瞳分割方向は、焦点検出単位３３０と３３１との中点における同心円３０１の接線３５１の方向になるように配置される。
一方、ＡＦ用画素３０６の端部にある焦点検出単位３２８および３３３は、ＡＦ用画素３０６の中心付近の焦点検出単位３２９から３３２に対して、撮像エリアの中心方向にずらして配置してある。このため、焦点検出単位３２８および３３３は、ＡＦ用画素３０６の中心に位置する焦点検出単位３３０および３３１を通る同心円３０１の線上に近い位置に配置でき、同心円３０１の接線方向とのずれの影響を少なくできる。

また、ＡＦ用画素３０６の中点が焦点検出単位３３０と３３１との間に位置するため、焦点検出単位３３０および３３１は、同心円３０１の接線方向とは少しずれている。この影響を少なくするために、もう一つの焦点検出用画素３３４を焦点検出単位３３０と３３１との間に位置するように配置する。
このように、撮像エリア３００の周辺部において、ＡＦ用画素の瞳分割方向が、撮像エリア３００の中心３０７を軸とする同心円の略接線方向になるように配置されるので、瞳分割像がけられることなく、正確な焦点検出を行うことが可能になる。

（第２の実施形態）
次に、本発明に係る固体撮像素子の第２の実施形態について説明する。図１０は、カメラレンズ１０２および固体撮像素子１０６と、撮像エリア３００の中の一つの単位画素４０５との位置関係を示した図である。４０１は固体撮像素子１０６の半導体基板、４０２は平坦化層、４０３はマイクロレンズ、４０４は半導体基板４０１上に形成された一対の焦点検出用フォトダイオード、４０４ａおよび４０４ｂは一対の焦点検出用フォトダイオード４０４を構成するそれぞれの焦点検出用フォトダイオード、４０９は画像用フォトダイオード、４５０はカメラレンズ１０２と撮像エリア３００との中心軸、４５１は単位画素４０５の中心軸をそれぞれ示す。尚、４５２の点線円は単位画素４０５を中心とする断面図、４５３の点線円は単位画素４０５の平面図をそれぞれ示す。

ここで、焦点検出用フォトダイオード４０４ａおよび４０４ｂは２個で一対を成し、一つの焦点検出単位を構成する。また、単位画素４０５において、撮像エリア３００の中心を軸とする同心円の接線３５１の方向に瞳分割方向が来るように、焦点検出用フォトダイオード４０４ａおよび４０４ｂが配置される。これによって、瞳分割位相差情報を取得することができ、デフォーカス量を検出することが可能となる。尚、図１０では省略しているが、第１の実施形態で説明したように、複数の焦点検出単位でＡＦ用画素を形成しても構わない。

ここで、カメラレンズ１０２と固体撮像素子１０６の平坦化膜４０２の上面（マイクロレンズ４０３の下面）との距離（射出瞳距離）をＬ、撮像エリア３００の中心軸４５０と単位画素４０５の中心軸との距離をｒ、平坦化膜４０２の厚さ（マイクロレンズ４０３の下面と焦点検出用フォトダイオード４０４の上面との距離）をｄ、単位画素４０５の中心軸４５１を通る中心線４６１と焦点検出用フォトダイオード４０４の長手方向の中心線４６２とのずらし量をｓとした場合に、（式１）の関係が成立するように、各部を配置する。
d × (r/L) × 0.8 ≦ s ≦ d × (r/L) × 1.2 ・・・ （式１）
これにより、マイクロレンズ１０２の収束光がけられることなく、ＡＦ用画素の焦点検出用フォトダイオード４０４に集光することが可能になる。さらに、第１の実施形態で説明したように、撮像エリア３００の中心を軸とする同心円の接線方向に焦点検出単位を配置することによって、瞳分割光のクロストークを抑制することができ、ＡＦ感度の低下防止やＡＦ精度の向上を実現できる。

（第３の実施形態）
次に、本発明に係る固体撮像素子の第３の実施形態について説明する。図１１は、第２の実施形態の図１０と同様に、カメラレンズ１０２および固体撮像素子１０６と、撮像エリア３００の中の一つの単位画素４０５との位置関係を示した図である。第２の実施形態と異なるのは、マイクロレンズ４０６と焦点検出用フォトダイオード４０７の位置である。つまり、単位画素４０５の平面図を示す点線円４５５において、マイクロレンズ４０６の中心線４６３は、焦点検出用フォトダイオード４０７および単位画素４０５の中心線４６４から、撮像エリア３００の中心３０７に向って、ずらし量ｔだけずれて配置される。

ここで、カメラレンズ１０２と固体撮像素子１０６の平坦化膜４０２の上面（マイクロレンズ４０３の下面）との距離（射出瞳距離）をＬ、撮像エリア３００の中心軸４５０と単位画素４０５の中心軸との距離をｒ、平坦化膜４０２の厚さ（マイクロレンズ４０３の下面と焦点検出用フォトダイオード４０４の上面との距離）をｄとした場合に、（式２）の関係が成立するように、各部を配置する。
d × (r/L) × 0.8 ≦ t ≦ d × (r/L) × 1.2 ・・・ （式２）
これにより、マイクロレンズ１０２の収束光がけられることなく、ＡＦ用画素の焦点検出用フォトダイオード４０７に集光することが可能になる。第１の実施形態で説明したように、撮像エリア３００の中心を軸とする同心円の接線方向に焦点検出単位を配置することによって、瞳分割光のクロストークを抑制することができ、ＡＦ感度の低下防止やＡＦ精度の向上を実現できる。

（第４の実施形態）
次に、本発明に係る固体撮像素子の第４の実施形態について説明する。図１２は、第２および第３の実施形態と同様に、カメラレンズ１０２および固体撮像素子１０６と、撮像エリア３００の中の一つの単位画素４０５との位置関係を示した図である。マイクロレンズ４０３は第２の実施形態と同じように単位画素４０５と中心軸４５１を同じくする位置に配置されており、焦点検出用フォトダイオード４０８は第３の実施形態と同じように単位画素４０５と中心線４６５を同じくする位置に配置される。第２および第３の実施形態と異なるのは、焦点検出用フォトダイオード４０８の長さＷが長いことである。

一つの焦点検出単位を構成する焦点検出用フォトダイオード４０４ａおよび４０４ｂは、撮像エリア３００の中心を軸とする同心円の接線３５１の方向に瞳分割方向が来るように、配置されているので、図１３（ａ）および（ｂ）で説明したように、瞳分割像８０４および８０５は焦点検出用光電変換部８０２および８０３の長手方向にずれる。ずれた場合でも、瞳分割方向は正しいので、焦点検出が可能であるが、瞳分割像がはみ出した分だけ検出信号の出力が低くなる。そこで、図１２においては、焦点検出用フォトダイオード４０８は、長手方向に長く形成されるので、瞳分割像が焦点検出用フォトダイオード４０８の長手方向にずれた場合でも、焦点検出用フォトダイオードからはみ出る部分を少なくできる。

ここで、カメラレンズ１０２と固体撮像素子１０６の平坦化膜４０２の上面（マイクロレンズ４０３の下面）との距離（射出瞳距離）をＬ、カメラレンズ１０２のＦ値をｆ、撮像エリア３００の中心軸４５０と単位画素４０５の中心軸との距離をｒ、平坦化膜４０２の厚さ（マイクロレンズ４０３の下面と焦点検出用フォトダイオード４０４の上面との距離）をｄ、焦点検出用フォトダイオード４０８の長さをｗ、とした場合に、（式３）の関係が成立するように、各部を配置する。
d/f + d × (r/L) × 0.8 ≦ w ≦ d/f + d × (r/L) × 1.2 ・・・ （式３）
これにより、マイクロレンズ１０２の収束光がけられることなく、ＡＦ用画素の焦点検出用フォトダイオード４０８に集光することが可能になる。本実施形態においても、第１の実施形態で説明した焦点検出単位の配置と複合することによって、瞳分割光のクロストークを抑制することができ、ＡＦ感度の低下防止やＡＦ精度の向上を実現できる。

以上、各実施形態において説明してきたように、本発明に係る固体撮像素子は、撮像エリアの周辺部において、ＡＦ用画素の瞳分割方向が、撮像エリアの中心を軸とする同心円の略接線方向になるように配置されるので、瞳分割像がけられることなく、正確な焦点検出を行うことができる。
また、マイクロレンズと焦点検出用フォトダイオードの位置関係を撮像エリアの中心からの距離によって変えることによって、瞳分割像のけられを少なくすることができる。

さらに、焦点検出用フォトダイオードの長さを撮像エリアの中心からの距離によって変えることで、瞳分割像のけられを少なくすることができる。
或いは、上記の各実施形態を複合して実施することで、より効果的に瞳分割像のけられやクロストークを抑圧することができる。
また、上記のような本発明に係る固体撮像素子を電子カメラに利用することによって、カメラレンズの射出瞳距離等の撮像条件に影響を受けることなく、ＡＦ感度やＡＦ精度を劣化させずに、位相差焦点検出が可能な電子カメラを実現することができる。特に、ＡＦ用画素を配置する位置に応じて、水平，垂直あるいは斜め方向など、あらゆる方向に瞳分割が可能な固体撮像素子を用いることで、高級デジタル一眼レフカメラなどで要求される多点ＡＦ機能も可能となる。

本発明に係る固体撮像素子を用いた電子カメラのブロック図である。 本発明に係る固体撮像素子の回路図である。 本発明に係る固体撮像素子の画像信号用タイミングチャートである。 本発明に係る固体撮像素子の焦点検出信号用タイミングチャートである。 各実施形態における瞳分割の原理図である。 各実施形態における焦点検出単位を説明する平面図である。 第１の実施形態による固体撮像素子全体の平面図である。 第１の実施形態によるＡＦ用画素の平面図である。 第１の実施形態によるＡＦ用画素の平面図である。 第２の実施形態による固体撮像素子の構成図である。 第３の実施形態による固体撮像素子の構成図である。 第４の実施形態による固体撮像素子の構成図である。 従来技術における瞳分割方向の説明図である。

符号の説明

１０１・・・電子カメラ １０２・・・カメラレンズ
１０６・・・固体撮像素子 １１３・・・焦点検出部
３００・・・撮像エリア ３０１・・・同心円
３０２，３０３，３０４，３０５，３０６・・・ＡＦ用画素
３０７・・・撮像エリア３００の中心
３１１〜３３４・・・焦点検出単位
３５１・・・同心円３０１の接線
４０３，４０６・・・マイクロレンズ ４０５・・・単位画素
４０４，４０７，４０８・・・焦点検出用フォトダイオード

Claims (10)

1. 撮像エリアにマトリクス状に配置され、画像用光電変換部を有する単位画素と、
   前記単位画素の中に少なくとも一つの焦点検出用光電変換部を有し、一つまたは二つの単位画素で瞳分割の１単位を構成し、且つ、前記撮像エリアの中心を軸とする同心円の略接線方向が瞳分割方向になるように前記焦点検出用光電変換部が配置された焦点検出単位と
   を有する固体撮像素子。
2. 連続する複数の前記焦点検出単位からなる焦点検出ブロックを構成し、
   前記焦点検出用ブロックの中心に位置する前記焦点検出単位の前記焦点検出用光電変換部が、前記撮像エリアの中心を軸とする同心円の略接線方向が瞳分割方向になるように配置され、
   前記焦点検出用ブロックの中心以外に位置する前記焦点検出単位の前記焦点検出用光電変換部は、前記焦点検出用ブロックの中心に位置する前記焦点検出単位の前記焦点検出用光電変換部と画素内の配置の位置が同一であることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
3. 前記焦点検出ブロックは、連続する複数の前記焦点検出単位が直線状に配置されたことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
4. 前記焦点検出ブロックは、連続する複数の前記焦点検出単位が前記撮像エリアの中心を軸とする略同心円状に配置されたことを特徴とする請求項２に記載の固体撮像素子。
5. 前記単位画素にマイクロレンズを設け、
   前記焦点検出単位の前記マイクロレンズが、前記撮像エリアの中心を軸とする略同心円状に配置されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の固体撮像素子。
6. 前記固体撮像素子にカメラレンズを使用する場合であって、
   前記カメラレンズの射出瞳距離をＬ、前記撮像エリアの中心から前記焦点検出用光電変換部までの距離をｒ、前記マイクロレンズと前記焦点検出用光電変換部との距離をｄとした時に、
   前記撮像エリアの中心軸に対するマイクロレンズずらし量ｓとの関係が
   d × (r/L) × 0.8 ≦ s ≦ d × (r/L) × 1.2
   で表されるようにマイクロレンズを配置したことを特徴とする請求項５に記載の固体撮像素子。
7. 前記固体撮像素子にカメラレンズを使用する場合であって、
   前記カメラレンズの射出瞳距離をＬ、前記撮像エリアの中心から前記焦点検出用光電変換部までの距離をｒ、前記マイクロレンズと前記焦点検出用光電変換部との距離をｄとした時に、
   前記マイクロレンズに対する前記焦点検出用光電変換部のずらし量ｔとの関係が
   d × (r/L) × 0.8 ≦ t ≦ d × (r/L) × 1.2
   で表されるように前記焦点検出用光電変換部を配置したことを特徴とする請求項５に記載の固体撮像素子。
8. 前記焦点検出用光電変換部の形状は、前記撮像エリアの中心から放射状方向に長い形状を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の固体撮像素子。
9. 前記固体撮像素子にカメラレンズを使用する場合であって、前記焦点検出用光電変換部の形状は、前記撮像エリアの中心から放射状方向の長さをｗ、前記カメラレンズの射出瞳距離をＬ、前記カメラレンズのＦ値をｆ、前記撮像エリアの中心から前記焦点検出用光電変換部までの距離をｒ、前記マイクロレンズと前記焦点検出用光電変換部との距離をｄとした時に、
   d/f + d × (r/L) × 0.8 ≦ w ≦ d/f + d × (r/L) × 1.2
   で表されるように前記焦点検出用光電変換部を配置したことを特徴とする請求項８に記載の固体撮像素子。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の固体撮像素子と、
    前記画像用光電変換部から電気信号を読み出すための第１の読み出し手段と、
    前記焦点検出用光電変換部から電気信号を読み出すための第２の読み出し手段と、
    前記第２の読み出し手段が読み出した電気信号に従って焦点制御を行う焦点制御手段と
    を少なくとも備えることを特徴とする電子カメラ。
    

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