JP2010066494A - 固体撮像素子及びデジタルカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】画像の検出精度を落とさずに焦点検出の性能を向上できる固体撮像素子、及びこのような固体撮像素子を備えたデジタルカメラを提供すること。
【解決手段】固体撮像素子の受光面を、複数の画素群を２次元に配することで構成する。各画素群は、９つの画素を正方形状に配列して構成する。この正方形状に配列した画素のうち、一方の対角線の両端位置には画素Ｂを配置し、他方の対角線の両端位置には画素Ｒを配置する。さらに、中央の位置には画素Ｇを配置する。また、画素Ｇを挟むようにして垂直方向及び水平方向に隣接するように画素Ｔ＿ｂ、Ｔ＿ｔ、Ｔ＿ｌ、Ｔ＿ｒを配置する。このような構成において、画素Ｒ、Ｇ、Ｂによってカラー画像を検出し、画素Ｔ＿ｂ、Ｔ＿ｔ、Ｔ＿ｌ、Ｔ＿ｒによって位相差を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像素子及び固体撮像素子を備えるデジタルカメラに関する。

被写体の像を電気信号として取り込む固体撮像素子を利用して、被写体像を電子的に撮像することができる撮像装置に関して種々の提案がなされている。

例えば、固体撮像素子を撮像装置のオートフォーカス（以下、ＡＦと称する）に利用する方式の１つとして、所謂「山登り方式」を採用した撮像装置に関する提案がなされている。この山登り方式は、固体撮像素子で撮像した被写体像のコントラストが最大となる撮像レンズ位置を探索する方式である。

また、固体撮像素子をＡＦに利用する別の方式として、所謂「位相差検出方式」がある。この位相差検出方式は、対をなす固体撮像素子によって被写体像を撮像し、それぞれの固体撮像素子で得られる被写体像のずれ（位相差）から、撮像レンズの焦点ずれ量を算出する方式である。この位相差検出方式に関して、特許文献１では微小レンズ群とこの微小レンズ群と対となる受光素子群とを用いて位相差検出を行っている。即ち、特許文献１においては、撮像レンズを通過した光束を微小レンズ群によって瞳分割し、微小レンズ群によって瞳分割された光束を受光素子群で受光して位相差を検出している。また、特許文献２等においては、特許文献１に記載されているような受光素子群を、画像を得るための固体撮像素子上に形成することで、位相差検出方式の焦点検出と画像の検出の両方を１つの固体撮像素子上で実現できるようにしている。
米国特許第４４１０８０４号明細書 特許第４００７７１３号公報

ここで、特許文献２等において提案されている手法では、位相差検出方式用の受光素子群を配置するためのエリアと画像検出用の受光素子群を配置するためのエリアとに１つの固体撮像素子を分けている。この場合、位相差検出方式用の受光素子群を配置するためのエリアでは画像検出を行うことができないため、その分だけ画像の検出精度が落ちてしまう。なお、位相差検出方式用の受光素子の部分の画像については周囲の受光素子で検出される画像によって補間することもできる。しかしながら、この場合には、焦点検出の性能を上げることを目的として位相差検出方式用の受光素子群を増やす、即ち位相差検出方式用の受光素子群を配置するためのエリアを広げると補間の精度がより低下し、また位相差検出方式用の受光素子群を配置するためのエリアを広げた分だけ画像検出用の受光素子群を配置するためのエリアを狭くする必要がある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、画像の検出精度を落とさずに焦点検出の性能を向上できる固体撮像素子、及びこのような固体撮像素子を備えたデジタルカメラを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の態様の固体撮像素子は、光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子を含む９つの画素を正方形状に配列した画素群を単位とし、該画素群を２次元に配列した受光面を有する固体撮像素子であって、前記各画素群における前記正方形の一方の対角線の両端位置に配置され、受光面側に第１の帯域を透過させるフィルタが貼付された２つの第１の画素と、前記各画素群における前記正方形の他方の対角線の両端位置に配置され、受光面側に第２の帯域を透過させるフィルタが貼付された２つの第２の画素と、前記各画素群における前記正方形の中央位置に配置され、受光面側に第３の帯域を透過させるフィルタが貼付された第３の画素と、前記各画素群における前記第３の画素を挟むようにして垂直方向及び水平方向に隣接して配置されるともに受光面側に集光用のマイクロレンズが配置され、前記マイクロレンズからの斜光光のみを受光する４つの第４の画素とを有することを特徴とする。

本発明によれば、画像の検出精度を落とさずに焦点検出の性能を向上できる固体撮像素子、及びこのような固体撮像素子を備えたデジタルカメラを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
［第１の実施形態］
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る固体撮像素子の構成を示す図である。

図１（ａ）は、第１の実施形態における固体撮像素子の構成を示す正面図である。本実施形態における固体撮像素子１００の受光面は、図１（ａ）に示すように、９つの画素（左上からＢ、Ｔ＿ｂ、Ｒ、Ｔ＿ｒ、Ｇ、Ｔ＿ｌ、Ｒ、Ｔ＿ｔ、Ｂ）を正方形状に配列した画素群１０１を単位とし、この画素群を２次元に配列して構成されている。さらに、各画素群１０１の中央の画素Ｇの直上には集光用のマイクロレンズ１０２が配置されている。

画素群１０１を構成する各画素は、フォトダイオード等の光電変換素子を含んで構成されている。光電変換素子は、入射光の光量に応じた信号電荷を生成する素子である。画素群１０１の各画素で生成された信号電荷は例えば図１（ａ）に示す画素群１０１の裏面に設けられた図示しない読み出し回路によってアナログの電気信号として読み出される。

図１（ａ）において、正方形状に配列された画素のうち、１つの対角線の両端位置には第１の画素である画素Ｂが配置され、それぞれの画素Ｂの受光面側には青色用フィルタが貼付されている。このような構成の画素Ｂは、固体撮像素子１００に入射した光のうち、青色用フィルタを透過した光（即ち青色帯域の光）を受光してその受光量に応じた信号電荷を生成する。

また、正方形状に配列された画素のうち、もう１つの対角線の両端位置には第２の画素である画素Ｒが配置され、それぞれの画素Ｒの受光面側には赤色用フィルタが貼付されている。このような構成の画素Ｒは、固体撮像素子１００に入射した光のうち、赤色用フィルタを透過した光（即ち赤色帯域の光）を受光してその受光量に応じた信号電荷を生成する。

また、正方形状に配列された画素のうち、中央の位置には第３の画素である画素Ｇが配置され、この画素Ｇの受光面側には緑色用フィルタが貼付されている。このような構成の画素Ｇは、固体撮像素子１００に入射した光のうち、緑色用フィルタを透過した光（即ち緑色帯域の光）を受光してその受光量に応じた信号電荷を生成する。

以上のような画素Ｂ、画素Ｒ、画素Ｇでそれぞれ得られる信号電荷に基づいてカラー画像信号を得ることが可能である。なお、画素Ｂと画素Ｒの位置は、図１（ａ）に示す位置に限るものではない。即ち、画素Ｂと画素Ｒの位置を入れ替えて配置するようにしても良い。

さらに、図１（ａ）において、正方形状に配列された画素のうち、画素Ｇに対して垂直方向に隣接する位置には第４の画素である画素Ｔ＿ｂ、Ｔ＿ｔがそれぞれ配置されている。また、画素Ｇに対して水平方向に隣接する位置には同じく第４の画素である画素Ｔ＿ｌ、Ｔ＿ｒがそれぞれ配置されている。これらの画素Ｔ＿ｂ、Ｔ＿ｔ、Ｔ＿ｌ、Ｔ＿ｒの受光面側には、固体撮像素子１００に入射した光のうちで、マイクロレンズ１０２によって瞳分割される光のみが受光されるように遮光幕が貼付されている。

図１（ｂ）は、画素群１０１における画素Ｔ＿ｌ、Ｇ、Ｔ＿ｒの断面図である。なお、図示は省略するが、画素Ｔ＿ｂと画素Ｔ＿ｔも図１（ｂ）で示したものと同様の断面構成を有しているものである。

図１（ｂ）に示すように、画素Ｇの受光面側には緑色用フィルタ１０１１が配置され、さらに緑色用フィルタ１０１１の前面にはマイクロレンズ１０２が配置されている。また、画素Ｔ＿ｌと画素Ｇの隣接部分及び画素Ｔ＿ｒと画素Ｇの隣接部分以外を遮光するように遮光幕１０１２が貼付されている。

図１（ｂ）のような構成により、マイクロレンズ１０２に対して垂直入射した光は画素Ｇで受光される。一方、マイクロレンズ１０２に対して斜めに入射した斜光光は緑色用フィルタ１０１１と遮光幕１０１２との間に形成されている非遮光部分を介して画素Ｔ＿ｌと画素Ｔ＿ｒで受光される。

以上のような画素Ｔ＿ｌと画素Ｔ＿ｒとで得られる信号電荷に基づいて水平方向に瞳分割された光に基づく位相差検出を行うことが可能である。また、画素Ｔ＿ｂと画素Ｔ＿ｔとで得られる信号電荷に基づいて垂直方向に瞳分割された光に基づく位相差検出を行うことが可能である。

図２は、図１に示す固体撮像素子を用いたデジタルカメラの構成を示す図である。図２に示すデジタルカメラは、固体撮像素子１００と、撮像レンズ２００と、レンズ駆動部３００と、コントローラ４００、操作部５００と、表示部６００と、記録部７００とを有している。なお、固体撮像素子１００は、図１で説明したものと同一であるのでここでは説明を省略する。

撮像レンズ２００は、図示しない被写体の像を固体撮像素子１００の受光面上に集光するための光学系である。ここで、本実施形態において、撮像レンズ２００の中央を透過した光は、固体撮像素子１００の各画素群１０１における画素Ｒ、Ｇ、Ｂのそれぞれで受光される。また、撮像レンズ２００の左側の瞳を透過した光は、固体撮像素子１００の各画素群１０１における画素Ｔ＿ｌで受光される。また、撮像レンズ２００の右側の瞳を透過した光は、固体撮像素子１００の各画素群１０１における画素Ｔ＿ｒで受光される。撮像レンズ２００の下側の瞳を透過した光は、固体撮像素子１００の各画素群１０１における画素Ｔ＿ｂで受光される。撮像レンズ２００の上側の瞳を透過した光は、固体撮像素子１００の各画素群１０１における画素Ｔ＿ｔで受光される。

レンズ駆動部３００は、コントローラ４００の制御に従って撮像レンズ２００を図示矢印Ａで示す光軸方向に移動させる。レンズ駆動部３００によって撮像レンズ２００を移動させることにより、撮像レンズ２００の焦点位置を変えることが可能である。

コントローラ４００は、本デジタルカメラのレンズ駆動部３００の動作制御を行うための撮像レンズ２００の焦点位置に係る信号を生成する。また、コントローラ４００は、固体撮像素子１００において生成される信号電荷に基づいてカラー画像信号を生成する。

図３は、第１の実施形態におけるコントローラ４００の内部の構成を示す図である。図３に示すコントローラ４００は、カラー画像生成部４０１と、垂直方向位相差検出部４０２と、水平方向位相差検出部４０３とを有している。

カラー画像生成部４０１は、固体撮像素子１００の画素Ｒ、Ｇ、Ｂにおいて生成される信号電荷に基づく電気信号をデジタル信号として取り込み、取り込んだデジタル信号からカラー画像信号を生成する。

垂直方向位相差検出部４０２は、固体撮像素子１００の画素Ｔ＿ｂにおいて生成される信号電荷に基づく信号と画素Ｔ＿ｔにおいて生成される信号電荷に基づく信号とから、画素Ｔ＿ｂに入射した被写体の像と画素Ｔ＿ｔに入射した被写体の像との位相差を演算する。位相差は、例えば、画素Ｔ＿ｂにおいて生成される信号電荷に基づく信号と画素Ｔ＿ｔにおいて生成される信号電荷に基づく信号との間の相関演算によって演算できる。

水平方向位相差検出部４０３は、固体撮像素子１００の画素Ｔ＿ｌにおいて生成される信号電荷に基づく信号と画素Ｔ＿ｒにおいて生成される信号電荷に基づく信号とから、画素Ｔ＿ｌに入射した被写体の像と画素Ｔ＿ｒに入射した被写体の像との位相差を演算する。位相差は垂直方向位相差検出部４０２と同様の相関演算によって演算できる。

操作部５００は、ユーザが本デジタルカメラの操作を行うための各種の操作部材である。表示部６００は、コントローラ４００で生成されたカラー画像信号に基づいて画像を表示する。記録部７００は、コントローラ４００で生成されたカラー画像信号が記録される。

以下、図２に示すデジタルカメラの動作について説明する。
上述したように、撮像レンズ２００の中央部を透過した光は各画素群１０１における画素Ｒ、Ｇ、Ｂで受光される。また、撮像レンズ２００の左側の瞳を透過した光は各画素群１０１における画素Ｔ＿ｌで受光され、撮像レンズ２００の右側の瞳を透過した光は各画素群１０１における画素Ｔ＿ｒで受光される。さらに、撮像レンズ２００の下側の瞳を透過した光は各画素群１０１における画素Ｔ＿ｂで受光され、撮像レンズ２００の上側の瞳を透過した光は各画素群１０１における画素Ｔ＿ｔで受光される。それぞれの画素で受光された光はその光量に応じた信号電荷に変換される。

その後、コントローラ４００のカラー画像生成部４０１によって、各画素群１０１の画素Ｒ、Ｇ、Ｂでそれぞれ得られる信号電荷に基づく電気信号がデジタル信号として取り込まれる。この取り込まれたＲ、Ｇ、Ｂ信号に対して表示部６００における表示のために必要な画像処理が施されてカラー画像信号が生成される。画像処理の後、生成されたカラー画像信号が表示部６００に出力され、表示部６００における画像の表示が行われる。この表示部６００に表示された画像によって、ユーザは被写体の状態を観察することが可能である。

また、画像表示と並行して撮像レンズ２００のＡＦ制御が行われる。このために、コントローラ４００の垂直方向位相差検出部４０２によって、各画素群１０１の画素Ｔ＿ｂからの信号電荷に基づく電気信号と画素Ｔ＿ｔからの信号電荷に基づく電気信号とがデジタル信号として取り込まれる。この画素Ｔ＿ｂを介して得られる信号と画素Ｔ＿ｔを介して得られる信号とを用いて画素Ｔ＿ｂに入射した被写体の像と画素Ｔ＿ｔに入射した被写体の像との位相差が演算される。この位相差に基づいて第１の位相差信号が生成され、この第１の位相差信号が撮像レンズ２００の焦点位置に係る信号としてレンズ駆動部３００に供給される。

また、コントローラ４００の水平方向位相差検出部４０３によって、各画素群１０１の画素Ｔ＿ｌからの信号電荷に基づく電気信号と画素Ｔ＿ｒからの信号電荷に基づく電気信号とがデジタル信号として取り込まれる。この画素Ｔ＿ｌを介して得られる信号と画素Ｔ＿ｒを介して得られる信号とを用いて画素Ｔ＿ｌに入射した被写体の像と画素Ｔ＿ｒに入射した被写体の像との位相差が演算される。この位相差に基づいて第２の位相差信号が生成され、この第２の位相差信号が撮像レンズ２００の焦点位置に係る信号としてレンズ駆動部３００に供給される。

レンズ駆動部３００においては、第１の位相差信号と第２の位相差信号の少なくとも何れか一方から、撮像レンズ２００の焦点ずれを無くすためのレンズの駆動量が演算される。このレンズの駆動量に従って撮像レンズ２００が駆動されて撮像レンズ２００が合焦状態となる。

その後、ユーザの操作部５００の操作によって撮影実行の指示がなされると、画像の撮影が実行される。このとき、コントローラ４００のカラー画像生成部４０１によって、各画素群１０１の画素Ｒ、Ｇ、Ｂでそれぞれ得られる信号電荷に基づく電気信号がデジタル信号として取り込まれる。この取り込まれたＲ、Ｇ、Ｂ信号に対して記録のための画像処理が施されてカラー画像信号が生成される。画像処理の後、生成されたカラー画像信号が記録部７００に記録される。この記録部７００に記録させたカラー画像信号をプリンタに入力すれば、プリンタによってカラー画像を紙面に印刷することが可能である。

以上説明したように、第１の実施形態においては、固体撮像素子を、カラー画像の検出用の画素と位相差検出用の画素とからなる画素群を単位として構成している。このため、カラー画像の検出と位相差検出との両方を画素群単位で行うことが可能である。また、画素群を単位として構成することにより、位相差検出領域を広げた場合にはカラー画像の検出領域も広げることができ、画像の検出精度を落とさずに焦点検出の性能を向上できる。

また、第１の実施形態では、水平方向に分割した瞳で受けた被写体の像に基づく位相差検出と垂直方向に分割した瞳で受けた被写体の像に基づく位相差検出を画素群毎に行うことができる。２方向での位相差検出を行うことで、位相差検出方式によるＡＦ制御を高精度に行うことが可能である。

ここで、本実施形態において、複数の画素群を隣接して配置した場合には、画素Ｔ＿ｂと画素Ｔ＿ｔとが隣接し、画素Ｔ＿ｌと画素Ｔ＿ｒとが隣接することになる。これら画素部分からはカラー画像信号を得ることができないため、これら位相差検出用の画素の部分におけるカラー画像については周囲の６画素分のカラー画像信号から補間して得るようにしても良い。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図１に示すように、第１の実施形態において、位相差検出用の４つの画素Ｔ＿ｂ、Ｔ＿ｔ、Ｔ＿ｌ、Ｔ＿ｒはそれぞれ画素群１０１における１画素分を占めている。実際には、これらの画素はマイクロレンズ１０２に対して斜めに入射した斜光光が受光できる面積を有していれば良い。第２の実施形態では、画素Ｔ＿ｂ、Ｔ＿ｔ、Ｔ＿ｌ、Ｔ＿ｒの面積を小さくし、各画素の受光面積を小さくしたことによって残余した領域に信号電荷の読み出し回路を設けるようにしたものである。なお、固体撮像素子の構成以外については第１の実施形態において説明したものと同様であるので説明を省略する。

図４（ａ）は、第２の実施形態における固体撮像素子の構成を示す正面図である。本実施形態においても、固体撮像素子１００の受光面は、図４（ａ）に示すように、９つの画素（左上からＢ、Ｔ＿ｂ、Ｒ、Ｔ＿ｒ、Ｇ、Ｔ＿ｌ、Ｒ、Ｔ＿ｔ、Ｂ）を正方形状に配列した画素群１０１を単位とし、この画素群を２次元に配列して構成されている。さらに、各画素群１０１の中央の画素Ｇの直上には集光用のマイクロレンズ１０２が配置されている。

ここで、図４（ａ）において、カラー画像検出用の画素Ｒ、Ｇ、Ｂについては図１（ａ）と同様であるので説明を省略する。

図４（ａ）において、正方形状に配列された画素のうち、画素Ｇに対して垂直方向に隣接する位置には第４の画素である画素Ｔ＿ｂ、Ｔ＿ｔがそれぞれ配置されている。また、画素Ｇに対して水平方向に隣接する位置には同じく第４の画素である画素Ｔ＿ｌ、Ｔ＿ｒがそれぞれ配置されている。本実施形態においては、画素Ｔ＿ｂ、Ｔ＿ｔ、Ｔ＿ｌ、Ｔ＿ｒの面積が図１（ａ）における画素Ｔ＿ｂ、Ｔ＿ｔ、Ｔ＿ｌ、Ｔ＿ｒの非遮光領域（第１の領域）の面積と略同一となっている。そして、画素Ｔ＿ｂ、Ｔ＿ｔ、Ｔ＿ｌ、Ｔ＿ｒの面積を小さくしたことによって残余した領域（第２の領域）に読み出し回路１０３を配置している。

図４（ｂ）は、画素群１０１における画素Ｔ＿ｌ、Ｇ、Ｔ＿ｒの断面図である。図４（ｂ）に示すように、画素Ｇの受光面側には緑色用フィルタ１０１１が配置され、さらに緑色用フィルタ１０１１の前面にはマイクロレンズ１０２が配置されている。第２の実施形態では、画素Ｔ＿ｌ及び画素Ｔ＿ｒの面積を小さくしているので、第１の実施形態と異なり遮光幕１０１２が不要である。

図４（ｂ）のような構成であっても第１の実施形態と同様に、マイクロレンズ１０２に対して垂直入射した光は画素Ｇで受光される。一方、マイクロレンズ１０２に対して斜めに入射した斜光光は画素Ｔ＿ｌと画素Ｔ＿ｒで受光される。

以上説明したように、第２の実施形態においては、位相差検出のための画素の面積を位相差検出に必要な分だけとすることで遮光幕を設ける必要がない。これにより、固体撮像素子の構成を簡素化することができる。

［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。第３の実施形態はカラー画像検出用の画素Ｒ、Ｇ、Ｂの直上にさらに別のマイクロレンズを配する例である。

図５（ａ）は、第３の実施形態における固体撮像素子の構成を示す正面図である。本実施形態においても、固体撮像素子１００の受光面は、図５（ａ）に示すように、９つの画素（左上からＢ、Ｔ＿ｂ、Ｒ、Ｔ＿ｒ、Ｇ、Ｔ＿ｌ、Ｒ、Ｔ＿ｔ、Ｂ）を正方形状に配列した画素群１０１を単位とし、この画素群を２次元に配列して構成されている。なお、図５（ａ）に示す画素の配置については第２の実施形態で示したものと同様である。これに対し、第３の実施形態において第１の実施形態で示した遮光幕を用いる形式で画素を配置するようにしても良い。

ここで、第３の実施形態においては、図５（ａ）に示すように各画素群１０１のカラー画像検出用の画素Ｒ、Ｇ、Ｂの直上にマイクロレンズ１０１３が配置されており、さらに中央の画素Ｇについてはマイクロレンズ１０１３の直上にマイクロレンズ１０２が配置されている。

図５（ｂ）は、画素群１０１における画素Ｒ、Ｇ、Ｒの断面図である。なお、図示は省略するが、画素Ｂも図５（ｂ）で示したものと同様の断面構成を有しているものである。

図５（ｂ）に示すように、画素Ｒの受光面側には赤色用フィルタ１０１１ｂが配置され、画素Ｇの受光面側には緑色用フィルタ１０１１ａが配置されている。さらに、これら色フィルタの前面にはマイクロレンズ１０１３が配置され、画素Ｇの直上のマイクロレンズ１０１３のさらに直上にはマイクロレンズ１０２が配置されている。

図５（ｂ）に示す構成において、マイクロレンズ１０２に対して垂直入射した光はマイクロレンズ１０１３でさらに集光されて画素Ｇで受光される。また、マイクロレンズ１０２を介さずに入射した光はマイクロレンズ１０１３で集光されて画素Ｒ（及び画素Ｂ）で受光される。さらに、図５（ｂ）では示していないが、マイクロレンズ１０２に対して斜めに入射した斜光光は画素Ｔ＿ｒと画素Ｔ＿ｌ、及び画素Ｔ＿ｂと画素Ｔ＿ｔで受光される。

以上説明したように、第３の実施形態においては、各カラー画像検出用の画素の直上にマイクロレンズを設けるようにしている。これにより、第１、第２の実施形態に比べてカラー画像検出用の画素における信号検出精度を向上させることが可能である。

［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。第４の実施形態は、カラー画像検出用の画素からの信号を山登り方式のＡＦ制御に利用する例である。なお、固体撮像素子の構成については上述の第１〜第３の実施形態で説明した何れの構成も適用できる。

図６は、第４の実施形態におけるコントローラ４００の内部の構成を示す図である。図６に示すコントローラ４００は、カラー画像生成部４０１と、垂直方向位相差検出部４０２と、水平方向位相差検出部４０３と、フィルタ処理部４０４とを有している。なお、カラー画像生成部４０１と、垂直方向位相差検出部４０２と、水平方向位相差検出部４０３については第１の実施形態で説明したものと同様であるので説明を省略する。

フィルタ処理部４０４は、カラー画像生成部４０１で生成されたカラー画像信号をフィルタリングし、このフィルタリングした信号を用いてカラー画像におけるコントラストを演算する。

第４の実施形態におけるレンズ駆動部３００は、垂直方向位相差検出部４０２の出力信号と水平方向位相差検出部４０３の出力信号との少なくとも何れかを用いた位相差検出方式、又はフィルタ処理部４０４の出力信号を用いた山登り方式を用いて撮像レンズ２００のＡＦ制御を行う。即ち、垂直方向位相差検出部４０２又は水平方向位相差検出部４０３からの出力信号が入力である場合に、レンズ駆動部３００は、位相差信号から撮像レンズ２００を合焦状態とするために必要なレンズ駆動量を演算し、この演算した駆動量に従って撮像レンズ２００を駆動する。一方、フィルタ処理部４０４の出力信号が入力である場合に、レンズ駆動部３００は、この入力されるフィルタ処理部４０４の出力信号が最大となるレンズ位置（カラー画像のコントラストが最大となるレンズ位置）に撮像レンズ２００を駆動する。

なお、位相差検出方式と山登り方式の何れを用いてＡＦ制御を行うかについては特に限定されるものではない。例えば、動画を撮影する撮影モード（第１のモード）の場合にはフィルタ処理部４０４からの出力信号を用いた山登り方式のＡＦ制御を行い、静止画を撮影するモード（第２のモード）の場合には垂直方向位相差検出部４０２又は水平方向位相差検出部４０３からの出力信号を用いた位相差検出方式のＡＦ制御を行う等、撮影モードに応じてＡＦ制御の切り替えを行うようにしても良い。なお、撮影モードは、例えば、ユーザがモード設定部としての操作部５００を操作することで切り替えることができる。

以上説明したように、第４の実施形態においては、１つの固体撮像素子からの出力信号を用いて位相差検出方式のＡＦ制御と山登り方式のＡＦ制御の両方を行うことが可能である。

［第５の実施形態］
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。上述した第１〜第３の実施形態で説明した固体撮像素子は画素群毎に位相差を検出することができる。本実施形態はこの画素群毎に求められた位相差を利用して距離画像を生成する例である。

図７は、第５の実施形態におけるコントローラ４００の内部の構成を示す図である。図７に示すコントローラ４００は、カラー画像生成部４０１と、垂直方向位相差検出部４０２と、水平方向位相差検出部４０３と、距離画像演算部４０５とを有している。なお、カラー画像生成部４０１と、垂直方向位相差検出部４０２と、水平方向位相差検出部４０３については第１の実施形態で説明したものと同様であるので説明を省略する。

距離画像演算部４０５は、垂直方向位相差検出部４０２からの位相差信号、画素Ｔ＿ｂと画素Ｔ＿ｔの間隔、マイクロレンズ１０２の焦点距離と、水平方向位相差検出部４０３からの位相差信号、画素Ｔ＿ｌと画素Ｔ＿ｒの間隔、マイクロレンズ１０２の焦点距離との何れか一方から画素群毎の被写体までの距離を演算し、演算した距離に基づいて距離画像を生成する。距離画像演算部４０５で生成された距離画像は表示部６００に表示させたり、記録部７００に記録したりすることが可能である。

ここで、距離画像とは、被写体までの距離と色（画素の値）とを対応づけして画像化したものである。したがって、それぞれが異なる色を有する複数の被写体を撮影した場合であっても、それぞれの被写体とデジタルカメラとの距離が等距離であれば距離画像上ではそれぞれの被写体の色が同じ色であるとして扱われる。図８にカラー画像と距離画像とを比較して示す。図８（ａ）が通常のカラー画像を示し、図８（ｂ）が距離画像を示す。

以上説明したように、第５の実施形態によれば、カラー画像の取得と距離画像の取得とを１つの固体撮像素子で且つ同時に行うことが可能である。

［第６の実施形態］
次に、本発明の第６の実施形態について説明する。第６の実施形態は、２種類の固体撮像素子を用途に応じて使い分ける例である。

図９は、第６の実施形態におけるデジタルカメラの構成を示す図である。図９に示すデジタルカメラは、固体撮像素子１００ａ、１００ｂと、撮像レンズ２００と、レンズ駆動部３００と、コントローラ４００、操作部５００と、表示部６００と、記録部７００と、光路分割部８００とを有している。

固体撮像素子１００ａは上述の第１〜第３の実施形態で説明した固体撮像素子であり、カラー画像検出用の画素と位相差検出用の画素とからなる画素群を単位として構成されている。また、固体撮像素子１００ｂはカラー画像検出用の画素が例えばベイヤ配列をなして構成されている。なお、ベイヤ配列とは、画素Ｒ、Ｇ、Ｇ、Ｂを正方形状に配列した画素群を単位として、この画素群を２次元状に配列したものである。

また、光路分割部８００は、撮像レンズ２００を透過した光を固体撮像素子１００ａ側と固体撮像素子１００ｂ側とに時分割で分割する。この光路分割部８００としては、一眼レフレックスカメラで広く一般的に使われているクイックリターンミラーを用いることができる。クイックリターンミラーは、撮像レンズ２００の光軸上の位置に進退可能に設けられるものである。クイックリターンミラーが撮像レンズ２００の光軸上の位置に駆動された場合には、撮像レンズ２００を透過した光が固体撮像素子１００ａ側に入射する。一方、クイックリターンミラーが撮像レンズ２００の光軸上の位置から退避するように駆動された場合には、撮像レンズ２００を透過した光が固体撮像素子１００ｂ側に入射する。

図１０は、第６の実施形態におけるコントローラ４００の内部の構成を示す図である。図１０に示すコントローラ４００は、カラー画像生成部４０１ａ、４０１ｂと、垂直方向位相差検出部４０２と、水平方向位相差検出部４０３とを有している。なお、垂直方向位相差検出部４０２と、水平方向位相差検出部４０３については第１の実施形態で説明したものと同様であるので説明を省略する。

カラー画像生成部４０１ａは、固体撮像素子１００ａの画素Ｒ、Ｇ、Ｂにおいて生成される信号電荷に基づく電気信号をデジタル信号として取り込み、取り込んだデジタル信号からカラー画像信号を生成する。このカラー画像信号は表示部６００における画像の表示に用いられる。また、カラー画像生成部４０１ｂは、固体撮像素子１００ｂの画素Ｒ、Ｇ、Ｂにおいて生成される信号電荷に基づく電気信号をデジタル信号として取り込み、取り込んだデジタル信号からカラー画像信号を生成する。このカラー画像信号は記録部７００における画像の記録に用いられる。固体撮像素子１００ｂは、カラー画像検出用の画素のみで構成されており、固体撮像素子１００ａよりもカラー画像の検出精度が高い固体撮像素子である。このため、固体撮像素子１００ｂは、固体撮像素子１００ａよりも静止画像の記録に好適である。また、固体撮像素子１００ａを用いることで、撮影前に被写体の像を確認するための表示用のカラー画像とＡＦ制御用の位相差信号の検出とを同時に行うことが可能である。

以下、図９に示すデジタルカメラの動作について説明する。
ユーザによって画像の撮影の指示がなされていない状態では、撮像レンズ２００を透過した光が固体撮像素子１００ａに入射するように光路分割部８００が設定されている。このとき、撮像レンズ２００の中央部を透過した光は固体撮像素子１００ａの各画素群１０１における画素Ｒ、Ｇ、Ｂで受光される。また、撮像レンズ２００の左側の瞳を透過した光は各画素群１０１における画素Ｔ＿ｌで受光され、撮像レンズ２００の右側の瞳を透過した光は各画素群１０１における画素Ｔ＿ｒで受光される。さらに、撮像レンズ２００の下側の瞳を透過した光は各画素群１０１における画素Ｔ＿ｂで受光され、撮像レンズ２００の上側の瞳を透過した光は各画素群１０１における画素Ｔ＿ｔで受光される。それぞれの画素で受光された光はその光量に応じた信号電荷に変換される。

その後、コントローラ４００のカラー画像生成部４０１ａによって、各画素群１０１の画素Ｒ、Ｇ、Ｂでそれぞれ得られる信号電荷に基づく電気信号がデジタル信号として取り込まれる。この取り込まれたＲ、Ｇ、Ｂ信号に対して表示部６００における表示のために必要な画像処理が施されてカラー画像信号が生成される。画像処理の後、生成されたカラー画像信号が表示部６００に出力され、表示部６００における画像の表示が行われる。この表示部６００に表示された画像によって、ユーザは被写体の状態を観察することが可能である。

また、画像表示と並行して撮像レンズ２００のＡＦ制御が行われる。このために、コントローラ４００の垂直方向位相差検出部４０２によって、各画素群１０１の画素Ｔ＿ｂからの信号電荷に基づく電気信号と画素Ｔ＿ｔからの信号電荷に基づく電気信号とがデジタル信号として取り込まれる。この画素Ｔ＿ｂを介して得られる信号と画素Ｔ＿ｔを介して得られる信号とを用いて画素Ｔ＿ｂに入射した被写体の像と画素Ｔ＿ｔに入射した被写体の像との位相差が演算される。この位相差に基づいて第１の位相差信号が生成され、この第１の位相差信号が撮像レンズ２００の焦点位置に係る信号としてレンズ駆動部３００に供給される。

また、コントローラ４００の水平方向位相差検出部４０３によって、各画素群１０１の画素Ｔ＿ｌからの信号電荷に基づく電気信号と画素Ｔ＿ｒからの信号電荷に基づく電気信号とがデジタル信号として取り込まれる。この画素Ｔ＿ｌを介して得られる信号と画素Ｔ＿ｒを介して得られる信号とを用いて画素Ｔ＿ｌに入射した被写体の像と画素Ｔ＿ｒに入射した被写体の像との位相差が演算される。この位相差に基づいて第２の位相差信号が生成され、この第２の位相差信号が撮像レンズ２００の焦点位置に係る信号としてレンズ駆動部３００に供給される。

レンズ駆動部３００においては、第１の位相差信号と第２の位相差信号の少なくとも何れか一方から、撮像レンズ２００の焦点ずれを無くすためのレンズの駆動量が演算される。このレンズの駆動量に従って撮像レンズ２００が駆動されて撮像レンズ２００が合焦状態となる。なお、この例では位相検出方式のみでＡＦ制御を行う例を示しているが、カラー画像をフィルタリングすることで山登り方式によるＡＦ制御を行えるようにしても良い。

ＡＦ制御の後、ユーザの操作部５００の操作によって撮影実行の指示がなされると、画像の撮影が実行される。この場合に、撮像レンズ２００を透過した光が固体撮像素子１００ｂに入射するように光路分割部８００が設定される。このとき、撮像レンズ２００を透過した光は固体撮像素子１００ｂの各画素Ｒ、Ｇ、Ｂで受光される。

その後、コントローラ４００のカラー画像生成部４０１ｂによって、各画素Ｒ、Ｇ、Ｂでそれぞれ得られる信号電荷に基づく電気信号がデジタル信号として取り込まれる。この取り込まれたＲ、Ｇ、Ｂ信号に対して記録のための画像処理が施されてカラー画像信号が生成される。画像処理の後、生成されたカラー画像信号が記録部７００に記録される。この記録部７００に記録させたカラー画像信号をプリンタに入力すれば、プリンタによってカラー画像を紙面に印刷することが可能である。

以上説明したように、第６の実施形態によれば、２種の固体撮像素子を用途に応じて使い分けることにより、高解像度の画像の記録と、１つの固体撮像素子を用いた画像表示及びＡＦ制御とを行うことが可能である。

［第７の実施形態］
次に、本発明の第７の実施形態について説明する。第７の実施形態は、第６の実施形態の変形例であり、被写体の像を表示部６００に表示された画像と光学ファインダの両方で観察できるようにした例である。

図１１は、第７の実施形態におけるデジタルカメラの構成を示す図である。図１１に示すデジタルカメラは、固体撮像素子１００ａ、１００ｂと、撮像レンズ２００と、レンズ駆動部３００と、コントローラ４００、操作部５００と、表示部６００と、記録部７００と、光路分割部８００と、光学ファインダ９００とを有している。なお、固体撮像素子１００ａ、１００ｂと、撮像レンズ２００と、レンズ駆動部３００と、コントローラ４００、操作部５００と、表示部６００と、記録部７００と、光路分割部８００は、構成及び動作ともに第６の実施形態で説明したものと同様であるので説明を省略する。

光学ファインダ９００は、光路分割部８００としてクイックリターンミラーが撮像レンズ２００の光軸上の位置に駆動されたときに、撮像レンズ２００を透過した光が導かれるように構成されている。この光学ファインダ９００には、表示部６００に表示される画像又は記録部７００に記録される画像と同等の被写体の像が投影される。このような光学ファインダ９００を用いてもユーザは被写体の像を確認することが可能である。

以上説明したように、第７の実施形態によれば、被写体の像を表示部６００に表示された画像と光学ファインダ９００に投影された像の両方で確認することが可能である。

以上実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。例えば、上述の実施形態においては、第１の画素には青色帯域を透過させるフィルタが、第２の画素には赤色帯域を透過させるフィルタが、および第３の画素には緑色帯域を透過させるフィルタが貼付されているように記載したが、その他の組合せでも同様の効果は期待できる。即ち、第１、第２、及び第３の画素に設けられたフィルタの透過帯域がそれぞれ異なり、それぞれの透過帯域が青成分、赤成分、又は緑成分の何れかを透過するものであれば、上述した各実施形態と同様の作用・効果が得られるものである。

さらに、上記した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適当な組合せにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、上述したような課題を解決でき、上述したような効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。

図１（ａ）は本発明の第１の実施形態における固体撮像素子の構成を示す正面図であり、図１（ｂ）は画素群における画素Ｔ＿ｌ、Ｇ、Ｔ＿ｒの断面図である。 図１に示す固体撮像素子を用いたデジタルカメラの構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態におけるコントローラの内部の構成を示す図である。 図４（ａ）は本発明の第２の実施形態における固体撮像素子の構成を示す正面図であり、図４（ｂ）は画素群における画素Ｔ＿ｌ、Ｇ、Ｔ＿ｒの断面図である。 図５（ａ）は本発明の第３の実施形態における固体撮像素子の構成を示す正面図であり、図５（ｂ）は画素群における画素Ｒ、Ｇ、Ｒの断面図である。 本発明の第４の実施形態におけるコントローラの内部の構成を示す図である。 本発明の第５の実施形態におけるコントローラの内部の構成を示す図である。 図８（ａ）は通常のカラー画像を示す図であり、図８（ｂ）が距離画像を示す図である。 本発明の第６の実施形態におけるデジタルカメラの構成を示す図である。 本発明の第６の実施形態におけるコントローラの内部の構成を示す図である。 本発明の第７の実施形態におけるデジタルカメラの構成を示す図である。

符号の説明

１００，１００ａ…固体撮像素子、１００ｂ…固体撮像素子、１０１…画素群、１０２…マイクロレンズ、１０３…読み出し回路、２００…撮像レンズ、３００…レンズ駆動部、４００…コントローラ、５００…操作部、６００…表示部、７００…記録部、８００…光路分割部、９００…光学ファインダ

Claims (11)

1. 光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子を含む９つの画素を正方形状に配列した画素群を単位とし、該画素群を２次元に配列した受光面を有する固体撮像素子であって、
   前記各画素群における前記正方形の一方の対角線の両端位置に配置され、受光面側に第１の帯域を透過させるフィルタが貼付された２つの第１の画素と、
   前記各画素群における前記正方形の他方の対角線の両端位置に配置され、受光面側に第２の帯域を透過させるフィルタが貼付された２つの第２の画素と、
   前記各画素群における前記正方形の中央位置に配置され、受光面側に第３の帯域を透過させるフィルタが貼付された第３の画素と、
   前記各画素群における前記第３の画素を挟むようにして垂直方向及び水平方向に隣接して配置されるともに受光面側に集光用のマイクロレンズが配置され、前記マイクロレンズからの斜光光のみを受光する４つの第４の画素と、
   を有することを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記第１、第２、及び第３の帯域は、互いに異なり且つ青色帯域、赤色帯域、及び緑色帯域の中から選択された帯域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. 前記第１の帯域は青色の帯域、前記第２の帯域は赤色の帯域、第３の帯域は緑色の帯域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。
4. 前記各第４の画素の受光面側には、前記集光用のマイクロレンズからの斜光光のみを受光可能なように前記各第４の画素を遮光する遮光幕が貼付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。
5. 前記第４の画素は、各々、前記第３の画素に近接する第１の領域に前記光電変換素子が配置され、前記光電変換素子が配置されたときに残余する第２の領域に前記光電変換素子で生成された信号電荷を読み出す読み出し回路が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。
6. 前記第１の画素及び前記第２の画素は、各々、受光面側にマイクロレンズが配置され、
   前記第３の画素は、前記集光用のマイクロレンズの直上にさらにマイクロレンズが配置されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
7. 請求項１乃至６の何れか１項に記載の固体撮像素子と、
   前記固体撮像素子の前記受光面に被写体の像を集光する撮像レンズと、
   前記撮像レンズを光軸方向に移動させるレンズ駆動部と、
   前記第１の画素、前記第２の画素、前記第３の画素からの信号電荷に基づいてカラー画像信号を生成するとともに、前記カラー画像信号をフィルタリングして得られる合焦状態信号と、前記第４の画素における垂直方向の一対の画素からの信号電荷に基づいて得られる第１の位相差信号と、前記第４の画素における水平方向の一対の画素からの信号電荷に基づいて得られる第２の位相差信号との少なくとも何れかを前記撮像レンズの焦点位置に係る信号として前記レンズ駆動部に供給して前記撮像レンズを移動させるコントローラと、
   を具備することを特徴とするデジタルカメラ。
8. 前記コントローラに対して、動画撮影用の第１のモードと静止画撮影用の第２のモードとを設定するモード設定部をさらに具備し、
   前記コントローラは、前記第１のモードが設定されたときに前記合焦状態信号を前記撮像レンズの焦点位置に係る信号として前記レンズ駆動部に供給し、前記第２のモードが設定されたときに前記第１の位相差信号と前記第２の位相差信号との少なくとも何れかを前記撮像レンズの焦点位置に係る信号として前記レンズ駆動部に供給することを特徴とする請求項７に記載のデジタルカメラ。
9. 前記第１の位相差信号又は前記第２の位相差信号から、前記デジタルカメラから前記被写体までの距離が反映された距離画像を生成する距離画像生成部と、
   前記カラー画像信号に基づく画像と前記距離画像との何れかを表示する表示部と、
   をさらに具備することを特徴とする請求項７に記載のデジタルカメラ。
10. 請求項１乃至６の何れか１項に記載の第１の固体撮像素子と、
    光量に応じた信号電荷を生成する光電変換素子を含む複数の画素を２次元に配列してなる受光面を有し、該受光面に複数色のカラーフィルタが貼付された第２の固体撮像素子と、
    被写体の像を集光する撮像レンズと、
    前記撮像レンズを介して集光された前記被写体の像が前記第１の固体撮像素子と前記第２の固体撮像素子との何れかの受光面に結像されるように光路変更する光路変更部と、
    前記撮像レンズを光軸方向に移動させるレンズ駆動部と、
    前記第２の固体撮像素子からの信号電荷と前記第１の固体撮像素子の前記第１の画素、前記第２の画素、前記第３の画素からの信号電荷とに基づいてカラー画像信号を生成するとともに、前記第１の固体撮像素子の前記第１の画素、前記第２の画素、前記第３の画素からの信号電荷に基づいて生成されたカラー画像信号をフィルタリングして得られる合焦状態信号と、前記第１の固体撮像素子の前記第４の画素における垂直方向の一対の画素からの信号電荷に基づいて得られる第１の位相差信号と、前記第１の固体撮像素子の前記第４の画素における水平方向の一対の画素からの信号電荷に基づいて得られる第２の位相差信号との少なくとも何れかを前記撮像レンズの焦点位置に係る信号として前記レンズ駆動部に供給して前記撮像レンズを移動させるコントローラと、
    を具備することを特徴とするデジタルカメラ。
11. 前記被写体を光学的に観察するためのファインダをさらに具備し、
    前記光路変更部は、前記被写体の像がさらに前記ファインダに導かれるように光路変更することを特徴とする請求項１０に記載のデジタルカメラ。

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