JP2009290157A - 撮像素子および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像用画素と焦点検出用画素とを備えた撮像素子による焦点検出精度を向上させる。
【解決手段】焦点検出用画素は、撮影光学系を透過する一対の光束の内の主に一方の光束を受光する複数の第１焦点検出用画素と、撮影光学系を透過する光束の内の主に他方の光束を受光する複数の第２焦点検出用画素とからなり、焦点検出用画素のマイクロレンズを透過した光束の内の光電変換素子３ｂ、４ｂにより光電変換される領域を光電変換領域としたときに、マイクロレンズから所定距離ＰＯの位置にある撮影光学系の瞳面ＥＰにおいて、すべての第１焦点検出用画素の光電変換領域をそれぞれのマイクロレンズ３ａにより瞳面に投影した複数の光電変換領域像が重なるとともに、すべての第２焦点検出用画素の光電変換領域をそれぞれのマイクロレンズ４ａにより瞳面に投影した複数の光電変換領域像が重なるように、撮像素子受光面における像高ｈに応じてそれぞれの焦点検出用画素のマイクロレンズ３ａ、４ａと光電変換領域との位置関係を決定する。
【選択図】図７

Description

本発明は被写体像を撮像する撮像素子と撮像装置に関する。

撮像用画素の二次元配列中の一部に焦点検出用画素を配列し、撮影光学系により結像された被写体像を撮像するとともに、瞳分割位相差検出方式により撮影光学系の焦点調節状態を検出する撮像素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この出願の発明に関連する先行技術文献としては次のものがある。
特開２０００−１５６８２３号公報

しかしながら、上述した従来の撮像素子では、撮像素子の受光面において撮影光学系の光軸と交わる点から遠ざかるにしたがって、撮影光学系の射出瞳上の異なる領域を通過した一対の焦点検出用光束が焦点検出用画素の光電変換素子へ正しく入射せず、焦点検出精度が低下するという問題がある。

（１） 請求項１の発明は、マイクロレンズと光電変換素子からなる撮像用画素の二次元配列中の一部に、マイクロレンズと光電変換素子からなる焦点検出用画素を配列し、撮影光学系を透過した光束を各マイクロレンズを介して各光電変換素子により受光する撮像素子であって、焦点検出用画素は、撮影光学系を透過する一対の光束の内の主に一方の光束を受光する複数の第１焦点検出用画素と、撮影光学系を透過する光束の内の主に他方の光束を受光する複数の第２焦点検出用画素とからなり、焦点検出用画素のマイクロレンズを透過した光束の内の光電変換素子により光電変換される領域を光電変換領域としたときに、マイクロレンズから所定距離の位置にある撮影光学系の瞳面において、すべての第１焦点検出用画素の光電変換領域をそれぞれのマイクロレンズにより瞳面に投影した複数の光電変換領域像が重なるとともに、すべての第２焦点検出用画素の光電変換領域をそれぞれのマイクロレンズにより瞳面に投影した複数の光電変換領域像が重なるように、撮像素子受光面における像高に応じてそれぞれの焦点検出用画素のマイクロレンズと光電変換領域との位置関係を決定する。
（２） 請求項２の発明は、請求項１に記載の撮像素子において、光電変換領域と瞳面とが略共役関係になるように、それぞれのマイクロレンズの曲率を設定するか、マイクロレンズと光電変換領域の設定面との撮影光学系の光軸方向の距離を設定するか、いずれか一方または両方を実施する。
（３） 請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の撮像素子において、光電変換領域は、光電変換素子が形成された半導体基板上のそれぞれの光電変換素子により規定される。
（４） 請求項４の発明は、請求項１または請求項２に記載の撮像素子において、光電変換領域は、それぞれの光電変換素子へ入射する光束を制限するマスクの開口により規定される。
（５） 請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の撮像素子において、焦点検出用画素のマイクロレンズの正面形状を円形にするとともに、撮像用画素のマイクロレンズの正面形状を略矩形にする。
（６） 請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の撮像素子において、焦点検出用画素のマイクロレンズの断面形状を円形または略円形にする。
（７） 請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の撮像素子において、撮像用画素は、撮像用画素のマイクロレンズを透過した光束の内の光電変換素子により光電変換される領域を光電変換領域としたときに、撮像用画素のマイクロレンズと光電変換領域との位置関係を像高によらず一定とする。
（８） 請求項８の発明は、請求項１〜７のいずれか一項に記載の撮像素子と、撮像用画素と焦点検出用画素の出力に基づいて被写体像を生成する画像生成手段と、焦点検出用画素の出力に基づいて撮影光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出手段と、焦点検出手段の検出結果にしたがって撮影光学系の焦点調節を行う焦点調節手段とを備える撮像装置である。

本発明によれば、撮像素子の受光面において撮影光学系の光軸と交わる点から離れた位置の焦点検出用画素においても、撮影光学系の射出瞳上の異なる領域を通過した一対の焦点検出用光束を焦点検出用画素の光電変換素子へ正しく入射させることができ、瞳分割位相差検出方式による焦点検出精度の低下を防止することができる。

図１は一実施の形態の撮像素子の正面図である。一実施の形態の撮像素子１は、その有効画素領域１ａ内に撮像用画素が二次元状に配列され、その配列中の一部、すなわち有効画素領域１ａの中央とその左右に焦点検出用画素が配列されている。図２(ａ)は図１に示す撮像素子１の中央Ａ部を拡大して示し、図２(ｂ)は図２(ａ)の一部をさらに拡大して示す。また、図３(ａ)は図２(ｂ)に示す撮像素子１のＢ〜Ｂ断面を示し、図３(ｂ)は図２(ｂ)に示す撮像素子１のＣ〜Ｃ断面を示す。なお、図２(ｂ)ではマイクロレンズ下の光電変換素子を透視して示す。

撮像素子１は、図３に示すように、複数のマイクロレンズ(２ａ，３ａ，４ａ)が二次元状に配列されたマイクロレンズアレイ５の背面に、複数の光電変換素子(２ｂ，３ｂ，４ｂ)が二次元状に配列された光電変換素子アレイ６が密着して形成される。マイクロレンズとそのマイクロレンズに対応する光電変換素子の組み合わせを画素と呼び、マイクロレンズ２ａと光電変換素子２ｂが撮像用画素２を構成し、マイクロレンズ３ａと光電変換素子３ｂが第１焦点検出用画素３を構成し、マイクロレンズ４ａと光電変換素子４ｂが第２焦点検出用画素４を構成する。つまり、撮像素子１は、その有効画素領域１ａ内に撮像用画素２が二次元上に配列され、その配列中の一部の有効画素領域１ａの中央と左右の３カ所に焦点検出用画素３、４が配列されている。

撮像用画素２において、マイクロレンズ２ａは、隣接するマイクロレンズとの境界部分を少なくして集光性能を上げるために、図２に示すように正面から見た形状が矩形に形成されている。なお、製造上の理由等から完全な矩形でなくて略矩形であればよい。また、マイクロレンズ２ａは、撮影光学系の瞳の位置と絞りの位置に依存した周辺光量の低下を抑制して受光量を増大させるために、意図的に明確な結像作用を有さないような断面形状に形成されている。一方、光電変換素子２ｂは、図２(ｂ)にハッチング領域で示すように、マイクロレンズ２ａと同様に集光性能を上げるために正面形状が矩形に形成される。撮像用画素２のマイクロレンズ２ａと光電変換素子２ｂの間には赤Ｒ、緑Ｇ、青Ｂの色フィルター（不図示）が配置され、これらの色フィルターを備えた撮像用画素２がベイヤー配列されている。

撮像素子１の有効画素領域１ａの中央と左右の３カ所には、それぞれ２種類の焦点検出用画素３、４が交互に配列されている。第１焦点検出用画素３は、撮影光学系の射出瞳上の左右の領域の内、主に右側の領域を通過した光束を受光する。一方、第２焦点検出用画素４は、撮影光学系の射出瞳上の左右の領域の内の主に左側の領域を通過した光束を受光する。焦点検出用画素３、４のマイクロレンズ３ａ、４ａは、ともに結像性能を上げるために正面形状が円形に形成されている。また、これらのマイクロレンズ３ａ、４ａは、図３(ｂ)に示すように、結像性能を上げるために断面形状が円形もしくはそれに近い曲面に形成されている。

一方、焦点検出用画素３、４の光電変換素子３ｂ、４ｂは互いに異なる正面形状に形成されている。図２(ｂ)にハッチング領域で示すように、焦点検出用画素３の光電変換素子３ｂは、主に撮影光学系の射出瞳の右側領域を通過した光束をマイクロレンズ３ａを介して受光するために、正面形状が左半分の矩形に形成されている。また、焦点検出用画素４の光電変換素子４ｂは、主に撮影光学系の射出瞳の左側領域を通過した光束をマイクロレンズ４ａを介して受光するために、正面形状が右半分の矩形に形成されている。

なお、撮像用画素２のマイクロレンズ２ａと焦点検出用画素３、４のマイクロレンズ３ａ、４ａの、２種類のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイ５を製作する際には、同一のマイクロレンズ形成用膜厚において２種類のマイクロレンズを成形するための円形マスクの形状をそれぞれ最適化することによって製作することができる。

図４は、撮像素子１の焦点検出用画素３、４による焦点検出方法を説明するための図である。なお、説明を解りやすくするために、図４では撮像素子中央部に８個の焦点検出用画素３、４を配列した場合の例を示す。図において、ＥＰは撮影光学系の射出瞳であり、ＰＯは撮像素子１のマイクロレンズ面から射出瞳ＥＰまでの射出瞳距離である。また、図中の“中心軸”は撮像素子１の有効画素領域１ａ（図１参照）の中心を通る垂線であり、この一実施の形態では撮影光学系の光軸と一致するものとする。

上述したように、第１焦点検出用画素３は、射出瞳ＥＰの左右一対の領域ＥＰ１、ＥＰ２の内、右側領域ＥＰ１を通過した“右光束”をマイクロレンズ３ａを介して光電変換素子３ｂで受光し、第２焦点検出用画素４は、射出瞳ＥＰの左側領域ＥＰ２を通過した“左光束”をマイクロレンズ４ａを介して光電変換素子４ｂで受光する。そして、焦点検出用画素３，４の配列において、第１焦点検出用画素３の光電変換素子３ｂの出力を順に並べた第１信号列ａ1、ａ2、ａ3、・・・と、第２焦点検出用画素４の光電変換素子４ｂの出力を順に並べた第２信号列ｂ1、ｂ2、ｂ3、・・・との相対的なずれ量を検出することによって、周知の瞳分割位相差検出方式により撮影光学系の焦点調節状態、すなわちデフォーカス量を検出することができる。

なお、撮像素子１の有効画素領域１ａの左右に配列した焦点検出用画素３、４においても、同様な構成を備えており、瞳分割位相差検出方式による焦点検出が可能である。

撮影光学系の射出瞳ＥＰの左右一対の領域ＥＰ１、ＥＰ２を通過した右光束と左光束をマイクロレンズ３ａ、４ａを介して受光し、実際に光電変換する領域を“光電変換領域”と定義すると、この光電変換領域の形状、大きさおよび位置を次の２つの方法により設定することができる。

第１の方法は、図５に示すように、光電変換素子アレイ６の半導体基板上において、光電変換素子３ｂ、４ｂの実際に受光して光電変換可能な範囲が上記“光電変換領域”に一致するように、光電変換素子アレイ６の半導体基板上に光電変換素子３ｂ、４ｂを形成する方法である。図５において、マイクロレンズアレイ５と光電変換素子アレイ６の間には、マスク３ｃ、４ｃと配線材料が配置されている。この方法では、光電変換素子３ｂ、４ｂの受光面の光電変換可能範囲で“光電変換領域”を規定するので、マスク３ｃ、４ｃの開口は光電変換領域よりも大きな開口が形成されている。なお、この場合の光電変換領域の設定位置は、光電変換素子３ｂ、４ｂの受光面である。

第２の方法は、図６に示すように、マイクロレンズアレイ５と光電変換素子アレイ６の間に配置されるマスク３ｃ、４ｃの開口により“光電変換領域”を規定する方法である。この場合の光電変換領域の設定位置は、マスク３ｃ、４ｃの配置面である。

ここで、上述したように、撮像素子１の受光面において撮影光学系の光軸と交わる点から遠ざかるにしたがって、撮影光学系の射出瞳ＥＰ上の異なる領域ＥＰ１、ＥＰ２を通過した一対の焦点検出用光束（右光束と左光束）が焦点検出用画素３、４の光電変換素子３ｂ、４ｂに正しく入射せず、焦点検出精度が低下するという問題がある。

そこで、この一実施の形態の撮像素子１では、(１)射出瞳距離ＰＯに対して“光電変換領域”の配置を最適化するとともに、(２)射出瞳距離ＰＯに対して焦点検出用画素３、４のマイクロレンズ３ａ、４ａの結像性を最適化することによって、上記問題を解決する。

図７は、射出瞳ＥＰ上の左右一対の領域ＥＰ１、ＥＰ２を通る一対の光束が、中心軸（撮影光学系の光軸が撮像素子１と交わる点を通る垂線）近傍の一対の焦点検出用画素３、４と、中心軸から像高ｈの近傍にある焦点検出用画素３、４とへ入射する光路図である。以下、図７を参照して一実施の形態の上記(１)、(２)の最適化方法を説明する。図７において、撮像素子１のマイクロレンズ面から射出瞳距離ＰＯにある射出瞳ＥＰにおいて、中心軸（撮影光学系の光軸）と交わる点をＳとする。また、射出瞳ＥＰ上のＳ点から発し、像高ｈの位置のマイクロレンズに入射する光束の主光線が光電変換素子受光面と交わる点を“基準点”と呼ぶ。

なお、複数種類の撮影光学系を対象とする場合には、複数種類の射出瞳距離から所定方法により統計平均して代表的な射出瞳距離ＰＯを決定する。また、この一実施の形態では、撮影光学系の光軸と撮像素子１の中心を通る中心軸とが一致するとして説明するが、意図的に中心軸を撮影光学系の光軸からずらしてもよい。

まず、図７を参照して上記(１)の最適化方方法を説明する。撮像素子１の中心軸（撮影光学系の光軸）が交差する点から像高ｈの位置にある焦点検出用画素３において、この画素３のマイクロレンズ３ａに対応する光電変換素子３ｂの位置を、マイクロレンズ３ａの光軸から“基準点”までずらす。なお、このずらし量Δｈは像高ｈ、射出瞳距離ＰＯ等に応じて光学的に一義的に定まる。この第１焦点検出用画素３は、射出瞳ＥＰ上の右側領域ＥＰ１を通過した右光束をマイクロレンズ３ａを介して光電変換素子３ｂで受光するために、光電変換素子３ｂの右端を基準点に合わせて光電変換素子３が中心軸へ向かって延びるように配置する。

第２焦点検出用画素４についても同様に、この画素４のマイクロレンズ４ａに対応する光電変換素子４ｂの位置を、マイクロレンズ４ａの光軸から基準点までずらす。第２焦点検出用画素４は、射出瞳ＥＰ上の左側領域ＥＰ２を通過した左光束をマイクロレンズ４ａを介して光電変換素子４ｂで受光するために、光電変換素子４ｂの左端を基準点に合わせて光電変換素子４ｂが中心軸から遠ざかる方へ延びるように配置する。ちなみに、撮像素子１の中心軸上にある焦点検出用画素４では、像高ｈは０であり、かつ基準点が中心軸上にあるため、マイクロレンズ４ａの光軸に対する光電変換素子４ｂのずらし量は０である。

このように、撮像素子１の中心軸から像高ｈの位置にある焦点検出用画素３，４において、光電変換素子３ｂ，４ｂの位置を、マイクロレンズ３ａ，４ａの光軸から“基準点”までずらすことによって、すべて第１焦点検出用画素３の“光電変換領域”のマイクロレンズ３ａによる投影像が、射出瞳ＥＰ上の右側領域ＥＰ１で重なり合うとともに、すべての第２焦点検出用画素４の“光電変換領域”のマイクロレンズ４ａによる投影像が、射出瞳ＥＰ上の左側領域ＥＰ２で重なり合う。

図７から明らかなように、射出瞳ＥＰ上の右側領域ＥＰ１と左側領域ＥＰ２は、射出瞳ＥＰと中心軸の交点Ｓを境にした左右対象の領域であるから、右側領域ＥＰ１と左側領域ＥＰ２において撮影光学系の絞り等によるケラレが発生したとしても、ケラレの影響が右側領域ＥＰ１と左側領域ＥＰ２で同一になり、焦点検出精度の低下が避けられる。

上述した一実施の形態では、図８(ａ)に示すように、光電変換素子３ｂの右端を基準点に合わせるとともに、光電変換素子４ｂの左端を基準点に合わせる例を示したが、光電変換素子３ｂ、４ｂと基準点との間の位置関係はこれに限定されない。

例えば図８(ｂ)に示すように、第１焦点検出用画素３の光電変換素子３ｂの右端を基準点からΔ１だけ離して光電変換素子３ｂを中心軸の方へ配置するとともに、第２焦点検出用画素４の光電変換素子４ｂの左端を基準点からΔ１だけ離して光電変換素子４ｂを中心軸から遠ざかる方へ配置してもよい。このようにすると、焦点検出における開角が大きくなるので、焦点検出精度を上げることができる。

また、例えば図８(ｃ)に示すように、第１焦点検出用画素３の光電変換素子３ｂの右端から距離Δ２の位置に基準点を合わせるとともに、第２焦点検出用画素４の光電変換素子４ｂの左端から距離Δ２の位置に基準点を合わせるようにしてもよい。このようにすると、射出瞳ＥＰ上における右側領域ＥＰ１と左側領域ＥＰ２の一部が重なることになる。

これまでは、図５に示すように、光電変換素子アレイ６の半導体基板上において光電変換素子３ｂ、４ｂが実際に受光して光電変換する範囲により“光電変換領域”を規定する場合に、撮像素子１の中心軸から像高ｈの位置にある焦点検出用画素３，４において、光電変換素子３ｂ，４ｂの位置をマイクロレンズ３ａ，４ａの光軸から基準点までずらすことを説明したが、図６に示すように、マイクロレンズアレイ５と光電変換素子アレイ６の間に配置されるマスク３ｃ、４ｃの開口により“光電変換領域”を規定する場合には、次のようにしてマイクロレンズ３ａ、４ａと光電変換素子３ｂ、４ｂの位置関係を決定する。

図９は、マスク３ｃ、４ｃの開口により光電変換領域を規定する場合の、射出瞳ＥＰ上の左右一対の領域ＥＰ１、ＥＰ２を通る一対の光束が、中心軸（撮影光学系の光軸が撮像素子と交わる点を通る垂線）近傍の一対の焦点検出用画素３、４と、中心軸から像高ｈの近傍にある焦点検出用画素３、４とへ入射する光路図である。なお、この図９は図７に対応する図であり、図９に示す記号等は図７に示すものと同様である。

まず、図９を参照して上記(１)の最適化方法を説明する。撮像素子１の中心軸（撮影光学系の光軸）が交差する点から像高ｈの位置にある焦点検出用画素３において、この画素３のマイクロレンズ３ａに対応するマスク３ｃの開口の位置を、マイクロレンズ３ａの光軸から“基準点”までずらす。なお、このずらし量Δｈは像高ｈ、射出瞳距離ＰＯ等に応じて光学的に一義的に定まる。この第１焦点検出用画素３は、射出瞳ＥＰ上の右側領域ＥＰ１を通過した右光束をマイクロレンズ３ａとマスク３ｃの開口を介して光電変換素子３ｂで受光するために、マスク３ｃの開口の右端を基準点に合わせて開口が中心軸へ向かって延びるように配置する。なお、この焦点検出用画素３の光電変換素子３ｂは、中心軸近傍の光電変換素子３ｂと同様に充分に広いものとする。

第２焦点検出用画素４についても同様に、この画素４のマイクロレンズ４ａに対応するマスク４ｃの開口位置を、マイクロレンズ４ａの光軸から基準点までずらす。第２焦点検出用画素４は、射出瞳ＥＰ上の左側領域ＥＰ２を通過した左光束をマイクロレンズ４ａとマスク４ｃの開口を介して光電変換素子４ｂで受光するために、マスク４ｃの開口の左端を基準点に合わせて開口を中心軸から遠ざかる方へ延びるように配置する。なお、この焦点検出用画素４の光電変換素子４ｂは、中心軸上の光電変換素子４ｂと同様に充分に広いものとする。また、ちなみに、撮像素子１の中心軸上にある焦点検出用画素４では、像高ｈは０であり、かつ基準点が中心軸上にあるため、マスク４ｃの開口のずらし量は０である。

このように、撮像素子１の中心軸から像高ｈの位置にある焦点検出用画素３，４において、マスク３ｃ、４ｃの開口の位置を、マイクロレンズ３ａ，４ａの光軸から基準点までずらすことによって、すべての第１焦点検出用画素３の“光電変換領域”（ここではマスク３ｃの開口）のマイクロレンズ３ａによる投影像が、射出瞳ＥＰ上の右側領域ＥＰ１で重なり合うとともに、すべての第２焦点検出用画素４の“光電変換領域”（ここではマスク４ｃの開口）のマイクロレンズ４ａによる投影像が、射出瞳ＥＰ上の左側領域ＥＰ２で重なり合う。

図９から明らかなように、射出瞳ＥＰ上の右側領域ＥＰ１と左側領域ＥＰ２は、射出瞳ＥＰと中心軸の交点Ｓを境にした左右対象の領域であるから、右側領域ＥＰ１と左側領域ＥＰ２において撮影光学系の絞り等によるケラレが発生したとしても、ケラレの影響が右側領域ＥＰ１と左側領域ＥＰ２で同一になり、焦点検出精度の低下が避けられる。

なお、この一実施の形態では、マスク３ｃの開口の右端を基準点に合わせるとともに、マスク４ｃの開口の左端を基準点に合わせる例を示したが、マスク３ｃ、４ｃの開口と基準点との位置関係はこれに限定されない。

例えば図８(ｂ)で説明したように、第１焦点検出用画素３のマスク３ｃの開口の右端を、基準点からΔ１だけ離して中心軸の方へ配置するとともに、第２焦点検出用画素４のマスク４ｃの開口の左端を、基準点からΔ１だけ離して中心軸から遠ざかる方へ配置してもよい。このようにすると、焦点検出における開角が大きくなるので、焦点検出精度を上げることができる。

また、例えば図８(ｃ)で説明したように、第１焦点検出用画素３のマスク３ｃの開口の右端から距離Δ２の位置に基準点を合わせるとともに、第２焦点検出用画素４のマスク４ｃの開口の左端から距離Δ２の位置に基準点を合わせるようにしてもよい。このようにすると、射出瞳ＥＰ上における右側領域ＥＰ１と左側領域ＥＰ２の一部が重なることになる。

撮像用画素２のマイクロレンズ２ａと“光電変換領域”との位置関係について説明する。図１０に、この一実施の形態の焦点検出用画素３、４におけるマイクロレンズ３ａ、４ａと光電変換素子３ｂ、４ｂの位置関係と、撮像用画素２におけるマイクロレンズ２ａと光電変換素子２ｂの位置関係とを対比して示す。図１０(ａ)は撮像素子１の正面図であり、図１に示すように中央部と左右周辺部に焦点検出用画素３，４の配列を備えている。なお、図１０(ａ)では、説明を解りやすくするために撮像用画素２と焦点検出用画素３，４を４個ずつ３カ所に配列した例を示すが、焦点検出用画素３，４の配列箇所、個数はこの例に限定されない。

上述したように、焦点検出用画素３、４は、図１０(ｂ)に示すように、撮像素子１の中心（中心軸と交わる点、この一実施の形態では撮影光学系の光軸と交わる点）から離れるほど、つまり像高が大きくなるほど、“光電変換領域”の中心すなわち光電変換素子３ｂ、４ｂの中心をマイクロレンズ３ａ、４ａの光軸から偏心させる。これに対し撮像用画素２は、図１０(ｃ)に示すように、撮像素子１の中心からの像高とは無関係に、光電変換素子２ｂの中心をマイクロレンズ２ａの光軸と一致させる。

焦点検出用画素３、４において、マイクロレンズ３ａ、４ａは、撮像面に多方向から到来する光束を光電変換素子３ｂ、４ｂにできる限り多く入射させる集光的な性能より、焦点検出用画素３，４の前方の同一領域から到来する光束を光電変換素子３ｂ、４ｂに入射させる結像的な性能が重要である。そのため、マイクロレンズ３ａ、４ａの正面形状を円形にし、隣接するマイクロレンズ３ａ、４ａと周囲を連続的に接しない（マイクロレンズ形状の乱れを防止する）ように配置するとともに、マイクロレンズ３ａ、４ａの光軸と光電変換素子３ｂ、４ｂの中心とを像高に応じて偏心させることによって、像高が異なる焦点検出用画素３、４において画素前方の同一領域から到来する光束を光電変換素子３ｂ、４ｂへ入射させることができる。

これに対し撮像用画素２においては、マイクロレンズ２ａは、画素前方の同一領域から到来する光束を光電変換素子２ｂに入射させる結像的な性能より、撮像面に多方向から到来する光束を光電変換素子２ｂにできる限り多く入射させるという集光的な性能が重要である。そのため、マイクロレンズ２ａの正面形状を矩形にして広くとり、隣接するマイクロレンズ２ａと周囲を連続的に近接させて密集させ、像高によらずマイクロレンズ２ａの光軸と光電変換素子２ｂの中心を一致させることによって、性能上あるいは製造上有利になる。

なお、図１０では“光電変換領域”が光電変換素子２ｂ、３ｂ、４ｂにより規定される例を示したが、“光電変換領域”がマスク（焦点検出用画素３，４のマスク３ｃ、４ｃ、および撮像用画素２において実際に光を受光して光電変換する領域を規制するためのマスク（不図示））により規定される場合においても同様である。

次に、上記(２)射出瞳距離ＰＯに対して焦点検出用画素３、４のマイクロレンズ３ａ、４ａの結像性を最適化する方法を説明する。“光電変換領域”は、光電変換素子アレイ６の半導体基板上において光電変換素子３ｂ、４ｂが実際に受光して光電変換する範囲により規定されるか、またはマスク３ｃ、４ｃの開口により規定される。この光電変換領域のマイクロレンズ３ａ、４ａによる射出瞳ＥＰ上の投影像は、ボケが少ないのが好ましい。ボケが少なければ、射出瞳ＥＰ上で一対の焦点検出用光束、すなわち右側領域ＥＰ１を通る右光束と左側領域ＥＰ２を通る左光束のケラレが少なくなり、焦点検出精度の低下が避けられる。逆にボケが大きいと、光電変換領域の投影像の裾が長くなり、射出瞳ＥＰ上においてケラレ易くなり、焦点検出精度の低下が避けられない。

そこで、この一実施の形態では、マイクロレンズ３ａ、４ａから射出瞳距離ＰＯの位置にある射出瞳ＥＰにおいて、“光電変換領域”の投影像の境界部が最も鮮明になるように、(２ａ)焦点検出用画素３，４のマイクロレンズ３ａ、４ａの曲率を設定するか、または(２ｂ)マイクロレンズ３ａ、４ａと“光電変換領域”の設定位置との間の中心軸方向（この一実施の形態では撮影光学系の光軸方向）の距離を設定するか、あるいは上記(２ａ)と(２ｂ)の両方を実施する。

なお、マイクロレンズ３ａ、４ａと“光電変換領域”設定位置との中心軸方向の距離は、図７で説明した半導体基板上の光電変換素子３ｂ、４ｂが実際に受光して光電変換を行う範囲により“光電変換領域”を規定する場合には、マイクロレンズ３ａ、４ａと光電変換素子３ｂ、４ｂの受光面との間の中心軸方向の距離であり、一方、図９で説明したマスク３ｃ、４ｃの開口により“光電変換領域”を規定する場合には、マイクロレンズ３ａ、４ａとマスク３ｃ、４ｃの設置面との間の中心軸方向の距離である。

なお、上記(２ａ)〜(２ｃ)のいずれかの方策をとることは、マイクロレンズ３ａ、４ａに対して“光電変換領域”の設定面と射出瞳ＥＰ面とを共役関係にすることである。

このように、一実施の形態の撮像素子１では、(１)射出瞳距離ＰＯに対して“光電変換領域”の配置を最適化し、さらに(２)射出瞳距離ＰＯに対して焦点検出用画素３、４のマイクロレンズ３ａ、４ａの結像性を最適化したので、撮像素子１の受光面において撮影光学系の光軸と交わる点から離れた位置の焦点検出用画素３，４においても、撮影光学系の射出瞳ＥＰ上の異なる領域ＥＰ１、ＥＰ２を通過した一対の焦点検出用光束（右光束と左光束）を焦点検出用画素３、４の光電変換素子３ｂ、４ｂへ正しく入射させることができ、瞳分割位相差検出方式による焦点検出精度の低下を防止することができる。

なお、一実施の形態の撮像素子１に対して、(１)射出瞳距離ＰＯに対して“光電変換領域”の配置を最適化するだけにしも、焦点検出精度の低下防止という効果を期待できる。

《撮像装置》
次に、この一実施の形態の撮像素子１を自動焦点調節機能を備えた一眼レフデジタルカメラに適用した一実施の形態を説明する。一実施の形態のデジタルスチルカメラ２０１は交換レンズ２０２とカメラボディ２０３から構成され、交換レンズ２０２がマウント部２０４を介してカメラボディ２０３に装着される。カメラボディ２０３にはマウント部２０４を介して種々の撮影光学系を有する交換レンズ２０２が装着可能である。

交換レンズ２０２はレンズ２０９、ズーミング用レンズ２０８、フォーカシング用レンズ２１０、絞り２１１、レンズ駆動制御装置２０６などを備えている。レンズ駆動制御装置２０６は不図示のマイクロコンピューター、メモリ、駆動制御回路などから構成され、フォーカシング用レンズ２１０の焦点調節と絞り２１１の開口径調節のための駆動制御や、ズーミング用レンズ２０８、フォーカシング用レンズ２１０および絞り２１１の状態検出などを行う他、後述するボディ駆動制御装置２１４との通信によりレンズ情報の送信とカメラ情報の受信を行う。絞り２１１は、光量およびボケ量調整のために光軸中心に開口径が可変な開口を形成する。

カメラボディ２０３は上述した一実施の形態の撮像素子１、ボディ駆動制御装置２１４、液晶表示素子駆動回路２１５、液晶表示素子２１６、接眼レンズ２１７、メモリカード２１９などを備えている。撮像素子１には、撮像画素が二次元状に配置されるとともに、焦点検出位置に対応した部分に焦点検出用画素が組み込まれている。

ボディ駆動制御装置２１４はマイクロコンピューター、メモリ、駆動制御回路などから構成され、撮像素子１の駆動制御と画像信号および焦点検出信号の読み出しと、焦点検出信号に基づく焦点検出演算と交換レンズ２０２の焦点調節を繰り返し行うとともに、画像信号の処理と記録、カメラの動作制御などを行う。また、ボディ駆動制御装置２１４は電気接点２１３を介してレンズ駆動制御装置２０６と通信を行い、レンズ情報の受信とカメラ情報（デフォーカス量や絞り値など）の送信を行う。

液晶表示素子２１６は電気的なビューファインダー（ＥＶＦ：Electronic View Finder）として機能する。液晶表示素子駆動回路２１５は撮像素子１によるスルー画像を液晶表示素子２１６に表示し、撮影者は接眼レンズ２１７を介してスルー画像を観察することができる。メモリカード２１９は、撮像素子１により撮像された画像を記憶する画像ストレージである。

交換レンズ２０２を通過した光束により、撮像素子１の受光面上に被写体像が形成される。この被写体像は撮像素子１により光電変換され、画像信号と焦点検出信号がボディ駆動制御装置２１４へ送られる。

ボディ駆動制御装置２１４は、撮像素子１の焦点検出用画素からの焦点検出信号に基づいてデフォーカス量を算出し、このデフォーカス量をレンズ駆動制御装置２０６へ送る。また、ボディ駆動制御装置２１４は、撮像素子１からの画像信号を処理して画像を生成し、メモリカード２１９に格納するとともに、撮像素子１からのスルー画像信号を液晶表示素子駆動回路２１５へ送り、スルー画像を液晶表示素子２１６に表示させる。さらに、ボディ駆動制御装置２１４は、レンズ駆動制御装置２０６へ絞り制御情報を送って絞り２１１の開口制御を行う。

レンズ駆動制御装置２０６は、フォーカシング状態、ズーミング状態、絞り設定状態、絞り開放Ｆ値などに応じてレンズ情報を更新する。具体的には、ズーミング用レンズ２０８とフォーカシング用レンズ２１０の位置と絞り２１１の絞り値を検出し、これらのレンズ位置と絞り値に応じてレンズ情報を演算したり、あるいは予め用意されたルックアップテーブルからレンズ位置と絞り値に応じたレンズ情報を選択する。

レンズ駆動制御装置２０６は、受信したデフォーカス量に基づいてレンズ駆動量を算出し、レンズ駆動量に応じてフォーカシング用レンズ２１０を合焦位置へ駆動する。また、レンズ駆動制御装置２０６は受信した絞り値に応じて絞り２１１を駆動する。

図１１は、マイクロレンズを用いた瞳分割型位相差検出方式の焦点検出光学系の構成を示す。なお、焦点検出用画素の部分は拡大して示す。図において、ＥＰは、交換レンズ２０２（図１０参照）の予定結像面に配置されたマイクロレンズから前方ＰＯの距離に設定された射出瞳である。この距離ＰＯは、マイクロレンズの曲率、屈折率、マイクロレンズと“光電変換領域”設定面との間の距離などに応じて決まる射出瞳距離である。Ｌは交換レンズの光軸、１０ａ〜１０ｄはマイクロレンズ、１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂは光電変換素子、３１３ａ、３１３ｂ、３１４ａ、３１４ｂは焦点検出用画素、２３，２４、３３，３４は焦点検出光束である。

また、ＥＰ１は、マイクロレンズ１０ａ、１０ｃにより投影された光電変換素子１３ａ、１３ｂの右側領域である。図１１では、説明を解りやすくするために楕円形の領域で示しているが、実際には上述した光電変換素子３ｂの形状が拡大投影された形状になる。同様に、ＥＰ２は、マイクロレンズ１０ｂ、１０ｄにより投影された光電変換素子１４ａ、１４ｂの左側領域である。図１１では、説明を解りやすくするために楕円形の領域で示しているが、実際には光電変換素子４ｂの形状が拡大投影された形状になる。

図１１では、撮影光学系の光軸Ｌに隣接する４つの焦点検出用画素３１３ａ、３１３ｂ、３１４ａ、３１４ｂを模式的に例示しているが、光軸Ｌ外の焦点検出用画素においても、光電変換素子はそれぞれ対応した右側領域ＥＰ１と左側領域ＥＰ２から各マイクロレンズに到来する光束を受光するように構成されている。焦点検出用画素の配列方向は一対の左右領域ＥＰ１、ＥＰ２の並び方向、すなわち一対の光電変換素子の並び方向と一致させる。

マイクロレンズ１０ａ〜１０ｄは交換レンズ２０２（図１０参照）の予定結像面近傍に配置されており、マイクロレンズ１０ａ〜１０ｄによりその背後に配置された光電変換素子１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂの“光電変換領域”の形状がマイクロレンズ１０ａ〜１０ｃから射出瞳距離ＰＯだけ離間した射出瞳ＥＰ上に投影され、その投影形状は右側領域ＥＰ１と左側領域ＥＰ２を形成する。すなわち、距離ＰＯにある射出瞳ＥＰ上で各焦点検出用画素の光電変換領域の投影形状が一致するように、各焦点検出用画素におけるマイクロレンズと光電変換領域設定面との位置関係が定められる。

光電変換素子１３ａは右側領域ＥＰ１を通過し、マイクロレンズ１０ａに向う光束２３によりマイクロレンズ１０ａ上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。同様に、光電変換素子１３ｂは右側領域ＥＰ１を通過し、マイクロレンズ１０ｃに向う光束３３によりマイクロレンズ１０ｃ上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。また、光電変換素子１４ａは左側領域ＥＰ２を通過し、マイクロレンズ１０ｂに向う光束２４によりマイクロレンズ１０ｂ上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。同様に、光電変換素子１４ｂは左側領域ＥＰ２を通過し、マイクロレンズ１０ｄに向う光束３４によりマイクロレンズ１０ｄ上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。

上述した２種類の焦点検出用画素を直線状に多数配置し、各画素の光電変換素子の出力を右側領域ＥＰ１および左側領域ＥＰ２に対応した出力グループにまとめることによって、右側領域ＥＰ１と左側領域ＥＰ２をそれぞれ通過する焦点検出用光束が画素列上に形成する一対の像の強度分布に関する情報が得られる。この情報に対して周知の像ズレ検出演算処理（相関演算処理、位相差検出処理）を施すことによって、瞳分割型位相差検出方式で一対の像の像ズレ量が検出される。さらに、像ズレ量に一対の領域ＥＰ１、ＥＰ２の重心間隔に応じた変換演算を行うことによって、予定結像面に対する現在の結像面（予定結像面上のマイクロレンズアレイの位置に対応した焦点検出位置における結像面）の偏差（デフォーカス量）が算出される。

図１２は、一実施の形態のデジタルスチルカメラ（撮像装置）の撮像動作を示すフローチャートである。ボディ駆動制御装置２１４は、ステップ１００でカメラの電源がオンされると、ステップ１１０以降の撮像動作を開始する。ステップ１１０において撮像用画素２のデータを間引き読み出しし、電子ビューファインダーに表示させる。続くステップ１２０では焦点検出用画素３，４から一対の像に対応した一対の像データを読み出す。

ステップ１３０では読み出された一対の像データに基づいて周知の像ズレ検出演算処理（相関演算処理）を行い、像ズレ量を演算してデフォーカス量に変換する。ステップ１４０で合焦近傍か否か、すなわち算出されたデフォーカス量の絶対値が所定値以内であるか否かを調べる。合焦近傍でないと判定された場合はステップ１５０へ進み、デフォーカス量をレンズ駆動制御装置２０６へ送信し、交換レンズ２０２のフォーカシングレンズ２１０を合焦位置に駆動させる。その後、ステップ１１０へ戻って上述した動作を繰り返す。

なお、焦点検出不能な場合もこのステップに分岐し、レンズ駆動制御装置２０６へスキャン駆動命令を送信し、交換レンズ２０２のフォーカシングレンズ２１０を無限から至近までの間でスキャン駆動させる。その後、ステップ１１０へ戻って上述した動作を繰り返す。

ステップ１４０で合焦近傍であると判定された場合はステップ１６０へ進み、シャッターボタン（不図示）の操作によりシャッターレリーズがなされたか否かを判別する。シャッターレリーズがなされていないと判定された場合はステップ１１０へ戻り、上述した動作を繰り返す。一方、シャッターレリーズがなされたと判定された場合はステップ１７０へ進み、レンズ駆動制御装置２０６へ絞り調整命令を送信し、交換レンズ２０２の絞り値を制御Ｆ値（撮影者または自動により設定されたＦ値）にする。絞り制御が終了した時点で、撮像素子１に撮像動作を行わせ、撮像素子１の撮像用画素２およびすべての焦点検出用画素３，４から画像データを読み出す。

ステップ１８０において、焦点検出用画素列の各画素位置の画素データを焦点検出用画素３，４の周囲の撮像用画素２のデータに基づいて画素補間する。続くステップ１９０では、撮像用画素２のデータおよび補間されたデータからなる画像データをメモリーカード２１９に記憶し、ステップ１１０へ戻って上述した動作を繰り返す。

なお、上述した一実施の形態では撮像素子１の中央とその左右に２種類の焦点検出用画素を交互に配列した例を示したが、焦点検出用画素の配列位置、配列数、配列方向はこの一実施の形態に限定されるものではなく、例えば縦方向の焦点検出用画素配列と横方向の画素配列が十字に交差するような配列も可能である。

また、上述した一実施の形態では２種類の焦点検出用画素を交互に配列した例を示したが、２種類の焦点検出用画素の配列はこの一実施の形態に限定されず、例えば第１、第１、第２、第２、第１、第１、第２、第２、・・・のような配列であってもよい。さらには、焦点検出用画素配列を２列並べて配列することも可能である。

上述した一実施の形態では正面形状が左半分の矩形の光電変換素子３ｂを有する第１焦点検出用画素３と、正面形状が右半分の矩形の光電変換素子４ｂを有する第２焦点検出用画素４とを用いた例を示したが、焦点検出用画素の光電変換素子の正面形状はこの一実施の形態の正面形状に限定されず、例えば左半円形と右半円形であってもよい。

なお、上述した一実施の形態とその変形例では、撮影光学系の射出瞳上の左右一対の互いに異なる領域を通過した一対の焦点検出用光束、すなわち右光束と左光束を例に挙げて説明したが、この説明は便宜的なものであり、射出瞳面の上下方向や斜め方向など、撮影光学系の光軸を回転軸とするあらゆる方向において、本願発明を適用できることは言うまでもない。また、上述した一実施の形態とその変形例では、撮影光学系の射出瞳を通過する一対の光束の内の一方の光束（右光束）と他方の光束（左光束）とに分けて説明したが、これは撮影光学系を透過する一対の光束の内の一方の光束（右光束）と他方の光束（左光束）とに分けた場合と同様である。

なお、上述した実施の形態とそれらの変形例において、実施の形態どうし、または実施の形態と変形例とのあらゆる組み合わせが可能である。

上述した実施の形態とその変形例によれば以下のような作用効果を奏することができる。まず、マイクロレンズと光電変換素子からなる撮像用画素の二次元配列中の一部に、マイクロレンズと光電変換素子からなる焦点検出用画素を配列し、撮影光学系を透過した光束を各マイクロレンズを介して各光電変換素子により受光する撮像素子であって、焦点検出用画素は、撮影光学系を透過する一対の光束の内の主に一方の光束を受光する複数の第１焦点検出用画素と、撮影光学系を透過する一対の光束の内の主に他方の光束を受光する複数の第２焦点検出用画素とからなり、焦点検出用画素のマイクロレンズを透過した光束の内のそれぞれの光電変換素子により光電変換される領域を光電変換領域としたときに、マイクロレンズから所定距離の位置にある撮影光学系の射出瞳面において、すべての第１焦点検出用画素の光電変換領域をそれぞれのマイクロレンズにより瞳面に投影した複数の光電変換領域像が重なるとともに、すべての第２焦点検出用画素の光電変換領域をそれぞれのマイクロレンズにより瞳面に投影した複数の光電変換領域像が重なるように、撮像素子受光面における像高に応じてそれぞれの焦点検出用画素のマイクロレンズと光電変換領域との位置関係を決定するようにしたので、撮像素子の受光面において撮影光学系の光軸と交わる点から離れた位置の焦点検出用画素においても、撮影光学系の射出瞳上の異なる領域を通過した一対の焦点検出用光束（右光束と左光束）を焦点検出用画素の光電変換素子へ正しく入射させることができ、瞳分割位相差検出方式による焦点検出精度の低下を防止することができる。

また、一実施の形態では、光電変換領域と射出瞳面とが略共役関係になるように、それぞれのマイクロレンズの曲率を設定するか、マイクロレンズと光電変換領域の設定面との撮影光学系の光軸方向の距離を設定するか、いずれか一方または両方を実施するようにしたので、射出瞳面上における第１焦点検出用画素の光電変換領域のマイクロレンズによる投影像と、第２焦点検出用画素の光電変換領域のマイクロレンズによる投影像とが鮮明になってケラレ難くなり、瞳分割位相差検出方式による焦点検出精度の低下を防止することができる。

一実施の形態の撮像素子の正面図 撮像素子の正面拡大図 撮像素子の断面拡大図 撮像素子の焦点検出用画素による焦点検出方法を説明するための図 光電変換素子の実際に光を受光して光電変換する範囲により光電変換領域を規定する図 マスクの開口により光電変換領域を規定する図 射出瞳上の左右一対の領域を通る一対の光束が、中心軸（撮影光学系の光軸が撮像素子と交わる点を通る垂線）近傍の一対の焦点検出用画素と、中心軸から像高ｈの近傍にある焦点検出用画素とへ入射する光路図 基準点と光電変換素子との位置関係を示す図 マスクの開口により光電変換領域を規定する場合の、射出瞳上の左右一対の領域ＥＰる一対の光束が、中心軸（撮影光学系の光軸が撮像素子と交わる点を通る垂線）近傍の一対の焦点検出用画素と、中心軸から像高ｈの近傍にある焦点検出用画素とへ入射する光路図 焦点検出用画素におけるマイクロレンズと光電変換素子の位置関係と、撮像用画素におけるマイクロレンズと光電変換素子の位置関係とを対比して示す図 一実施の形態の撮像装置の構成を示す図 一実施の形態の撮像装置の焦点検出方法を説明するための図 一実施の形態の撮像動作を示すフローチャート

符号の説明

１；撮像素子、２；撮像用画素、２ａ；マイクロレンズ、２ｂ；光電変換素子、３；第１焦点検出用画素、４；第２焦点検出用画素、３ａ、４ａ；マイクロレンズ、３ｂ、４ｂ；光電変換素子、３ｃ、４ｃ；マスク、５；マイクロレンズアレイ、６；光電変換素子アレイ、２０１；撮像装置、２０２；交換レンズ、２０６；レンズ駆動制御装置、２１４；ボディ駆動制御装置

Claims (8)

1. マイクロレンズと光電変換素子からなる撮像用画素の二次元配列中の一部に、マイクロレンズと光電変換素子からなる焦点検出用画素を配列し、撮影光学系を透過した光束を各マイクロレンズを介して各光電変換素子により受光する撮像素子であって、
   前記焦点検出用画素は、前記撮影光学系を透過する一対の光束の内の主に一方の光束を受光する複数の第１焦点検出用画素と、前記撮影光学系を透過する光束の内の主に他方の光束を受光する複数の第２焦点検出用画素とからなり、
   前記焦点検出用画素の前記マイクロレンズを透過した光束の内の前記光電変換素子により光電変換される領域を光電変換領域としたときに、前記マイクロレンズから所定距離の位置にある前記撮影光学系の瞳面において、すべての前記第１焦点検出用画素の前記光電変換領域をそれぞれの前記マイクロレンズにより前記瞳面に投影した複数の光電変換領域像が重なるとともに、すべての前記第２焦点検出用画素の前記光電変換領域をそれぞれの前記マイクロレンズにより前記瞳面に投影した複数の光電変換領域像が重なるように、撮像素子受光面における像高に応じてそれぞれの前記焦点検出用画素の前記マイクロレンズと前記光電変換領域との位置関係を決定することを特徴とする撮像素子。
2. 請求項１に記載の撮像素子において、
   前記光電変換領域と前記瞳面とが略共役関係になるように、それぞれの前記マイクロレンズの曲率を設定するか、前記マイクロレンズと前記光電変換領域の設定面との前記撮影光学系の光軸方向の距離を設定するか、いずれか一方または両方を実施することを特徴とする撮像素子。
3. 請求項１または請求項２に記載の撮像素子において、
   前記光電変換領域は、前記光電変換素子が形成された半導体基板上のそれぞれの前記光電変換素子により規定されることを特徴とする撮像素子。
4. 請求項１または請求項２に記載の撮像素子において、
   前記光電変換領域は、それぞれの前記光電変換素子へ入射する光束を制限するマスクの開口により規定されることを特徴とする撮像素子。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の撮像素子において、
   前記焦点検出用画素の前記マイクロレンズの正面形状を円形にするとともに、前記撮像用画素の前記マイクロレンズの正面形状を略矩形にすることを特徴とする撮像素子。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の撮像素子において、
   前記焦点検出用画素の前記マイクロレンズの断面形状を円形または略円形にすることを特徴とする撮像素子。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の撮像素子において、
   前記撮像用画素は、前記撮像用画素の前記マイクロレンズを透過した光束の内の前記光電変換素子により光電変換される領域を光電変換領域としたときに、前記撮像用画素の前記マイクロレンズと前記光電変換領域との位置関係を像高によらず一定とすることを特徴とする撮像素子。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の撮像素子と、
   前記撮像用画素と前記焦点検出用画素の出力に基づいて被写体像を生成する画像生成手段と、
   前記焦点検出用画素の出力に基づいて前記撮影光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出手段と、
   前記焦点検出手段の検出結果にしたがって前記撮影光学系の焦点調節を行う焦点調節手段とを備えることを特徴とする撮像装置。

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