JP2011221253A - 撮像装置、固体撮像素子、撮像方法およびプログラム - Google Patents

撮像装置、固体撮像素子、撮像方法およびプログラム Download PDF

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Abstract

【課題】位相差検出方式によるフォーカス調整の精度を向上させる。
【解決手段】イメージセンサ２００には、１対の受光素子間を隔てる分離領域を設け、光を集光するマイクロレンズの光軸を基準にして、大きさおよび性能が同一である１対の受光素子が非対称となるように配置されている画素が、焦点検出画素として所定の規則に基づいて配置されている。この焦点検出画素は、分離領域の中心と１対の受光素子のいずれか一方の受光素子の分離領域側の端部との間に光軸が位置するようにその１対の受光素子が配置される。制御部１４０は、１対の焦点検出画素により生成された焦点検出信号に基づいて、合焦判定を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は撮像装置に関し、特に位相差検出を行う撮像装置、固体撮像素子、撮像方法ならびに当該方法をコンピュータに実行させるプログラムに関する。
近年、人物等の被写体を撮像して撮像画像を生成し、この生成された撮像画像を記録するデジタルスチルカメラ等の撮像装置が普及している。また、この撮像装置として、ユーザーの撮影操作を簡便にするため、撮像時のフォーカス（ピント、焦点）調整を自動的に行うオートフォーカス（ＡＦ：Auto Focus）機能を備える撮像装置が広く普及している。
このような撮像装置として、例えば、撮像レンズを通過した光を瞳分割して１対の像を形成し、その形成された像の間隔を計測（位相差を検出）することによって撮像レンズの位置を決定する撮像装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この撮像装置は、１つの画素に１対の受光素子が設けられている焦点検出用の画素をイメージセンサに設けることにより１対の像を形成し、その形成された像の間隔を計測することによってフォーカスのズレの量を算出している。そして、この撮像装置は、算出したフォーカスのズレの量に基づいて撮像レンズの移動量を算出し、算出した移動量に基づいて撮像レンズの位置を調整することによってフォーカスを合わせている（フォーカス調整）。
特開２０００−３０５０１０号公報（図１）
上述の従来技術では、位相差検出（焦点検出）用の画素と撮像画像の生成用の画素との両方の画素を１つのイメージセンサに設けるため、焦点検出用のセンサと撮像画像用のセンサとの２つのセンサを別々に設ける必要がない。
しかしながら、上述の従来技術では、焦点検出用の画素において、２つの受光素子に略均等な量の瞳分割された光を照射するため、それぞれの受光素子に入射する光量が不足になる場合または過剰になる場合には、１対の像を精度よく形成することができない。これにより、フォーカスのズレの量が精度よく算出できず、フォーカス調整の精度が低下する可能性がある。
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、フォーカス調整の精度を向上させることを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その第１の側面は、１対の受光素子間を隔てる分離領域を設け、光を集光するマイクロレンズの光軸を基準にして上記１対の受光素子が非対称となるように配置されている画素が、焦点検出画素として所定の規則に基づいて配置されている撮像素子と、上記焦点検出画素により生成された焦点検出信号に基づいて、合焦判定を行う判定部とを具備する撮像装置、固体撮像素子、撮像方法ならびに当該方法をコンピュータに実行させるプログラムである。これにより、マイクロレンズの光軸を基準として１対の受光素子が非対称となるように配置されている画素を用いて合焦判定を行わせるという作用をもたらす。
また、この第１の側面において、上記画素において、上記分離領域の中心と上記１対の受光素子のいずれか一方の受光素子の上記分離領域側の端部との間に上記光軸が位置するように上記１対の受光素子が配置されるようにしてもよい。これにより、分離領域の中心と１対の受光素子のいずれか一方の受光素子の分離領域側の端部との間に光軸を位置させるという作用をもたらす。
また、この第１の側面において、上記画素は、当該画素の中心に上記光軸が位置するように上記マイクロレンズが配置されるようにしてもよい。これにより、画素の中心にマイクロレンズの光軸が位置するようにマイクロレンズを配置させるという作用をもたらす。
また、この第１の側面において、上記画素において、当該画素の中心に上記分離領域の中心が位置するように上記１対の受光素子が配置されるようにしてもよい。これにより、画素の中心に分離領域の中心が位置するように１対の受光素子を配置させるという作用をもたらす。
また、この第１の側面において、上記撮像素子は、上記１対の受光素子の位置が互いに１８０度異なる１対の焦点検出画素が隣接して配置されるようにしてもよい。これにより、１対の受光素子の位置が互いに１８０度異なる１対の焦点検出画素が隣接して配置されるという作用をもたらす。
また、この第１の側面において、上記撮像素子は、撮像画像を生成するための撮像信号を生成する撮像画素と上記焦点検出画素とが混在し、所定の規則に基づいて配置されているようにしてもよい。これにより、撮像画素と焦点検出画素とが混在し、所定の規則に基づいて配置されるという作用をもたらす。また、この場合において、上記撮像素子は、上記焦点検出画素が上記撮像画素間に一定間隔で配置されているようにしてもよい。これにより、撮像画素と焦点検出画素とが一定間隔で配置されるという作用をもたらす。
本発明によれば、フォーカス調整の精度を向上させるという優れた効果を奏し得る。
本発明の第１の実施の形態における撮像装置１００の一構成例を示すブロック図である。 既存の撮像画素と同一の画素である撮像画素３１０の一例を模式的に示す断面図および上面図である。 本発明の第１の実施の形態における焦点検出画素の一例を模式的に示す断面図である。 既存の焦点検出画素と同一の画素である焦点検出画素４９０を模式的に示す上面図および焦点検出画素４９０に入射する光の受光量の例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における焦点検出画素４１０を模式的に示す上面図および焦点検出画素４９０に入射する光の受光量の例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態の焦点検出画素４１０による受光の効果を示す模式図である。 本発明の第１の実施の形態における焦点検出画素４２０乃至４４０を模式的に示す上面図である。 本発明の第１の実施の形態における焦点検出画素４５０乃至４６０を模式的に示す上面図である。 本発明の第１の実施の形態における焦点検出画素４７０乃至４８０を模式的に示す上面図である。 本発明の第１の実施の形態におけるイメージセンサ２００において焦点検出画素４１０乃至４９０が配置される領域の一例を示す模式図である。 本発明の第１の実施の形態の焦点検出エリア２９０における画素配置の一例を示す模式図である。 本発明の第１の実施の形態の焦点検出エリア２１０における画素配置の一例を示す模式図である。 本発明の第１の実施の形態の焦点検出エリア２３０における画素配置の一例を示す模式図である。 本発明の第１の実施の形態の焦点検出エリア２５０における画素配置の一例を示す模式図である。 本発明の第１の実施の形態の焦点検出エリア２７０における画素配置の一例を示す模式図である。 本発明の第１の実施の形態における合焦時の位相差検出例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における後ピン時の位相差検出例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における光量不足時の位相差検出例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における光量飽和時の位相差検出例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における撮像装置１００によるフォーカス制御手順例を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態における焦点検出画素の一例を模式的に示す断面図および上面図である。 本発明の第３の実施の形態におけるイメージセンサ２００の信号線の一例を示した模式図である。
以下、本発明を実施するための形態（以下、実施の形態と称する）について説明する。説明は以下の順序により行う。
１．第１の実施の形態（撮像制御：１対の受光素子の配置位置を非対称にする例）
２．第２の実施の形態（撮像制御：マイクロレンズの配置位置を調整する例）
３．第３の実施の形態（撮像制御：２つの信号線を配置する例）
＜１．第１の実施の形態＞
［撮像装置の機能構成例］
図１は、本発明の第１の実施の形態における撮像装置１００の一構成例を示すブロック図である。この撮像装置１００は、レンズ部１１０と、イメージセンサ２００と、信号処理部１３０と、制御部１４０と、駆動部１５０と、記憶部１６０と、表示部１７０とを備える。
なお、この撮像装置１００は、位相差検出方式によるＡＦ（Auto Focus）制御を行うものとする。この位相差検出方式は、２つのレンズにより分離された被写体の像間隔を計測し、この像間隔が所定値になった位置に基づいて撮像レンズの位置を決定する方式である。
レンズ部１１０は、フォーカスレンズやズームレンズ等の複数の撮像レンズにより構成され、これらのレンズを介して入力された被写体からの入射光をイメージセンサ２００に供給するものである。このレンズ部１１０は、複数の撮像レンズの位置が駆動部１５０により調整されることによって、被写体に対するフォーカス（ピント、焦点ともいう）が合うように調整される。
イメージセンサ２００は、制御部１４０の制御に基づいて、レンズ部１１０を通過した被写体からの入射光を電気信号に光電変換する撮像素子である。このイメージセンサ２００は、撮像画像を生成するための電気信号（撮像信号）を生成する画素と、フォーカスを調整するための電気信号（焦点調整信号）を生成する画素とにより構成される。このイメージセンサ２００は、光電変換により発生した電気信号を信号処理部１３０に供給する。なお、イメージセンサ２００は、略長方形状であるものとする。また、撮像信号を生成する画素（撮像画素）については、図２を用いて詳細に説明する。また、焦点調整信号を生成する画素（焦点検出画素）については、図３乃至９を用いて詳細に説明する。また、このイメージセンサ２００については、図１０乃至１５を用いて詳細に説明する。なお、イメージセンサ２００は、特許請求の範囲に記載の撮像素子の一例である。また、焦点調整信号は、特許請求の範囲に記載の焦点検出信号の一例である。
信号処理部１３０は、イメージセンサ２００から供給された電気信号に対して各種の信号処理を施すものである。例えば、この信号処理部１３０は、イメージセンサ２００から供給された撮像信号に基づいて撮像画像データを生成し、この生成した撮像画像データを記憶部１６０に供給して画像ファイルとして記憶部１６０に記録させる。また、信号処理部１３０は、その生成した撮像画像データを表示部１７０に供給して撮像画像として表示させる。また、この信号処理部１３０は、イメージセンサ２００から供給された焦点調整信号に基づいて焦点調整用画像データを生成し、この生成した焦点調整用画像データを制御部１４０に供給する。
制御部１４０は、信号処理部１３０から供給された焦点調整用画像データに基づいてフォーカスのズレの量（デフォーカス量）を算出し、その算出されたデフォーカス量に基づいてレンズ部１１０の撮像レンズの移動量を算出するものである。そして、この制御部１４０は、算出した撮像レンズの移動量に関する情報を駆動部１５０に供給する。すなわち、この制御部１４０は、フォーカスのズレの量を算出することにより合焦判定を行い、この合焦点判定の結果に基づいて、撮像レンズの移動量に関する情報を生成し、この生成した情報を駆動部１５０に供給する。なお、制御部１４０は、特許請求の範囲に記載の判定部の一例である。
駆動部１５０は、制御部１４０から供給された撮像レンズの移動量に関する情報に基づいて、レンズ部１１０の撮像レンズを移動させるものである。
記憶部１６０は、信号処理部１３０から供給された撮像画像データを画像ファイルとして記憶するものである。
表示部１７０は、信号処理部１３０から供給された撮像画像データを撮像画像（例えば、スルー画像）として表示するものである。
［撮像画素の構成例］
図２は、既存の撮像画素と同一の画素である撮像画素３１０の一例を模式的に示す断面図および上面図である。図２に示される撮像画素３１０は、イメージセンサ２００を構成する各画素のうち、撮像信号を生成する画素（撮像画素）の一例である。
図２（ａ）には、イメージセンサ２００における撮像画素３１０の断面構成が模式的に示されている。
この撮像画素３１０は、平坦化膜３１２と、絶縁膜３１３と、受光素子３１４とを備える。また、撮像画素３１０に入射される光を受光素子３１４に集光するマイクロレンズ３１１が、撮像画素３１０上に設けられている。
なお、ここでは、マイクロレンズ３１１を通過した光は、受光素子３１４の受光面上で合焦することとする。
マイクロレンズ３１１は、マイクロレンズ３１１の中心と、受光素子３１４の中心とが同一軸上に位置するように配置される。また、このマイクロレンズ３１１は、受光素子３１４の受光位置とマイクロレンズ３１１の焦点Ｆ１の位置とが同一面上になるように配置される。
平坦化膜３１２および絶縁膜３１３は、受光素子３１４の受光面を覆う透明な絶縁体により構成される層である。なお、実際の装置における平坦化膜３１２と絶縁膜３１３との間には、赤、緑または青のカラーフィルタが配置されるが、本発明の第１の実施の形態では、説明の便宜上、モノクロ（光の明暗）を検出するイメージセンサ２００を想定する。
受光素子３１４は、受けた光を電気信号に変換（光電変換）することによって、受けた光の量に応じた強さの電気信号を生成するものである。この受光素子３１４は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）により構成される。
ここで、受光素子３１４に入射する光（入射光）について、図２（ａ）を用いて説明する。図２（ａ）には、受光素子３１４への入射光のうち、マイクロレンズ３１１の中心位置を通り光軸方向に平行する軸Ｌ１に対して平行な角度でマイクロレンズ３１１に入射する光（図２（ａ）に示す範囲Ｒ１内に照射する光）が模式的に示されている。また、図２（ａ）には、軸Ｌ１に対して所定角度だけ傾いた角度（図２（ａ）に示す角度−αおよびα）でマイクロレンズ３１１に入射する光（図２（ａ）に示す範囲Ｒ２およびＲ３内に入射する光）が模式的に示されている。なお、軸Ｌ１は、特許請求の範囲に記載のマイクロレンズの光軸の一例である。
範囲Ｒ１内に入射する光（範囲Ｒ１入射光）は、軸Ｌ１に対して平行な角度でマイクロレンズ３１１に入射する光である。この範囲Ｒ１入射光は、マイクロレンズ３１１によって焦点Ｆ１に集光する。
範囲Ｒ２およびＲ３内に入射する光（範囲Ｒ２入射光および範囲Ｒ３入射光）は、軸Ｌ１に対して所定角度（−αおよびα）だけ傾いた角度でマイクロレンズ３１１に入射する光である。この範囲Ｒ２入射光および範囲Ｒ３入射光は、軸Ｌ１に対して所定角度だけ傾いた角度でマイクロレンズ３１１に入射する光の一例を示す入射光である。この範囲Ｒ２入射光および範囲Ｒ３入射光は、受光素子３１４の受光面における所定の領域に集光する。
図２（ｂ）には、図２（ａ）において示した撮像画素３１０に入射する光の照射位置の一例が示されている。
なお、この図２（ｂ）では、マイクロレンズ３１１の中心位置を通り光軸方向に平行する軸Ｌ１と受光素子３１４の受光面との交点を原点とし、イメージセンサ２００における長辺方向をｘ軸とし、その短辺方向をｙ軸とするｘｙ座標を想定して説明する。また、以下に示すｘｙ座標についても同様に、マイクロレンズの中心位置を通り光軸に平行する軸と受光素子の受光面との交点を原点とし、イメージセンサ２００における長辺方向をｘ軸とし、その短辺方向をｙ軸とするｘｙ座標を想定して説明する。
この図２（ｂ）において、光分布領域Ａ３以外は、図２（ａ）において示したものと同一であるため、図２（ａ）と同一の符号を付してここでの説明を省略する。
光分布領域Ａ３は、マイクロレンズ３１１への入射光が受光素子３１４の受光面に照射する領域である。この光分布領域Ａ３に照射する光（照射光）は、図２（ａ）において示すように、軸Ｌ１から離れるほどマイクロレンズ３１１への入射角度が大きい光となる。
ここで、光分布領域Ａ３における照射光について説明する。受光素子３１４が受光する光量は、軸Ｌ１から離れると著しく低下する。これは、レンズ部１１０がテレセントリック光学系であることや、マイクロレンズ自体の周辺光量低下（例えば、コサイン４乗則）と呼ばれる現象により発生する。例えば、図２（ａ）において示したαを３２度とした場合におけるマイクロレンズ自体の周辺光量低下を考える。この場合には、角度α（３２度）から入射される入射光の受光面における光量は、光軸に平行な光が照射される領域（焦点Ｆ１）における光量の略半分となる。すなわち、受光素子３１４における照射光は、受光素子３１４の中心付近（軸Ｌ１付近）の光が最も強く、受光素子３１４の中心から端部に近づくにつれて弱くなる。
［焦点検出画素の構成例］
図３は、本発明の第１の実施の形態における焦点検出画素の一例を模式的に示す断面図である。図３では、従来の撮像装置における焦点検出画素と同様の構成とする焦点検出画素４９０と、従来の撮像装置における焦点検出画素とは異なる構成とする焦点検出画素４１０との断面を示す。この焦点検出画素４１０および４９０は、イメージセンサ２００を構成する各画素のうち、焦点調整信号を生成する画素（焦点検出画素）の一例である。なお、焦点検出画素のイメージセンサ２００における配置構成については、図１１乃至図１５を参照して詳細に説明する。
なお、本発明の第１の実施の形態では、焦点検出画素４１０および４９０におけるマイクロレンズ３１１は、図２において示した撮像画素３１０のマイクロレンズ３１１と同一であるものとする。
また、本発明の第１の実施の形態では、焦点検出画素４１０および４９０のそれぞれの画素全体の大きさは、図２において示した撮像画素３１０の大きさと同一であるものとする。また、本発明の第１の実施の形態では、焦点検出画素４１０および４９０のそれぞれにおいて、焦点検出画素の中心と軸Ｌ１とが同一線上に位置するものとする。
図３（ａ）には、焦点検出画素４９０の断面構成が模式的に示されている。この図３（ａ）では、図３（ａ）の左右方向を、焦点検出画素４９０における受光素子の短辺方向とする場合における断面構成を示す。
なお、焦点検出画素４１０および４９０の入射光については、図２（ａ）と同様であるため、範囲Ｒ１入射光のみを図示し、所定角度だけ傾いた角度の入射光の一例である範囲Ｒ２入射光および範囲Ｒ３入射光の図示を省略する。
なお、この図３（ａ）では、第１受光素子４９１、第２受光素子４９２および素子分離領域４９３以外の構成は、図２（ａ）において示した撮像画素３１０の各構成と同一であるため、図２（ａ）と同一の符号を付してここでの説明を省略する。
第１受光素子４９１は、第２受光素子４９２と対をなす受光素子であり、瞳分割された２つの入射光のうちの一方を受光するものである。この第１受光素子４９１は、図２（ａ）において示した受光素子３１４と同様に、受けた光を電気信号に変換（光電変換）することによって、受けた光の量に応じた強さの電気信号を生成する。また、この第１受光素子４９１は、大きさおよび性能が第２受光素子４９２と同一の受光素子である。なお、撮像画素３１０の大きさと同一である焦点検出画素４１０および４９０が２つの受光素子を備えるため、第１受光素子４９１の面積は、撮像画素３１０の受光素子３１４と比較して、受光する面の面積が２分の１以下となる。
第２受光素子４９２は、第１受光素子４９１と対をなす受光素子であり、瞳分割された２つの入射光のうちの他方（第１受光素子４９１が受光する光とは異なる光）を受光するものである。この第２受光素子４９２の機能については、第１受光素子４９１の機能と同様のものであるため、ここでの説明を省略する。
素子分離領域４９３は、第１受光素子４９１と第２受光素子４９２との間に位置する絶縁体の領域であり、第１受光素子４９１と第２受光素子４９２とが接しないように分離するための領域である。この素子分離領域４９３は、第１受光素子４９１と第２受光素子４９２とが平行に位置するように、第１受光素子４９１と第２受光素子４９２との間に構成される。また、この素子分離領域４９３は、第１受光素子４９１および第２受光素子４９２が軸Ｌ１から等しい距離に位置するように構成される。例えば、軸Ｌ１を含む面を対称面として、第１受光素子４９１と第２受光素子４９２とが対称になるように素子分離領域４９３が構成される。
すなわち、焦点検出画素４９０では、素子分離領域４９３の中央に軸Ｌ１が位置する。また、焦点検出画素４９０の中心は軸Ｌ１と一致するため、第１受光素子４９１および第２受光素子４９２は、焦点検出画素４９０の中心から等しい距離に位置するように構成される。
なお、本発明の第１の実施の形態では、この素子分離領域４９３による第１受光素子４９１と第２受光素子４９２との間隔は、焦点検出画素を作成する際に、第１受光素子４９１と第２受光素子４９２とが接しないように作成できる最も狭い間隔であるものとする。
図３（ｂ）には、焦点検出画素４１０の断面構成が模式的に示されている。この図３（ｂ）では、図３（ｂ）の左右方向を、焦点検出画素４１０における受光素子の短辺方向とする場合における断面構成を示す。なお、図７乃至９において示す焦点検出画素４２０乃至４８０の断面構成は焦点検出画素４１０と同様のものであるため、ここでは焦点検出画素４１０について説明し、焦点検出画素４２０乃至４８０の説明を省略する。
なお、この図３（ｂ）では、第１受光素子４０１、第２受光素子４０２および素子分離領域４０３以外の構成は、図２（ａ）において示した撮像画素３１０の各構成と同一であるため、同一の符号を付してここでの説明を省略する。また、第１受光素子４０１、第２受光素子４０２および素子分離領域４０３については、図３（ａ）において示した第１受光素子４９１、第２受光素子４９２および素子分離領域４９３と同様であるため、ここでの説明を省略する。
この図３（ｂ）において示す焦点検出画素４１０における第１受光素子４０１、第２受光素子４０２および素子分離領域４０３の大きさは、焦点検出画素４９０の第１受光素子４９１、第２受光素子４９２および素子分離領域４９３の大きさと同一である。すなわち、この焦点検出画素４１０および焦点検出画素４９０は、受光素子の受光面と同一面上における受光素子の配置位置のみが異なる。このため、この図３（ｂ）では、第１受光素子４０１、第２受光素子４０２および素子分離領域４０３の配置位置についてのみ説明し、その他の説明を省略する。
この焦点検出画素４１０において、第２受光素子４０２は、第２受光素子４０２の素子分離領域４０３側の端部が軸Ｌ１に接する位置に構成される。一方、第１受光素子４０１は、第２受光素子４０２の素子分離領域４０３側の端部と比較して、第１受光素子４０１の素子分離領域４０３側の端部が軸Ｌ１から遠くなる。すなわち、焦点検出画素４１０において、第１受光素子４０１および第２受光素子４０２は、軸Ｌ１を含む面に対して第１受光素子４０１と第２受光素子４０２とが非対称になるように構成される。なお、第１受光素子４０１および第２受光素子４０２は、特許請求の範囲に記載の１対の受光素子の一例である。
この図３（ｂ）において示すように、第１受光素子４０１および第２受光素子４０２を軸Ｌ１に対して非対称に設けることによって、焦点検出画素４１０の軸Ｌ１付近における照射光の一部を第２受光素子４９２の受光面に入射させることができる。
［焦点検出画素４９０の受光例］
図４は、既存の焦点検出画素と同一の画素である焦点検出画素４９０を模式的に示す上面図および焦点検出画素４９０に入射する光の受光量の例を示す図である。
図４（ａ）には、図３（ａ）において示した焦点検出画素４９０に入射する光の照射位置例が示されている。
なお、光分布領域Ａ１および光分布領域Ａ２以外は、図２（ｂ）および図３（ａ）において示したものと同様のものであるため、同一の符号を付してここでの説明を省略する。また、図４（ｂ）では、光分布領域Ａ１および光分布領域Ａ２を点線の丸で示す。
光分布領域Ａ１は、光量が大きい光であって、ほとんどが素子分離領域４９３に照射される光を示す領域である。すなわち、この光分布領域Ａ１は、軸Ｌ１に対する角度が小さい光（平行光線（テレセントリック光）に近い非テレセントリックな光）が照射される領域である。図２（ｂ）において説明したように、受光面に照射する光は、周辺光量低下などにより、軸Ｌ１（焦点Ｆ１）から離れると著しく低下する。すなわち、光分布領域Ａ１における照射光は、光分布領域Ａ１の外側の光分布領域Ａ２における照射光と比較して、光量が大きくなる。しかしながら、この光分布領域Ａ１における照射光の大部分は、素子分離領域４９３に照射されるため、その一部のみが第１受光素子４９１および第２受光素子４９２に照射される。すなわち、この光分布領域Ａ１における照射光は、大部分が素子分離領域４９３へ照射されることによって、第１受光素子４９１および第２受光素子４９２において光電変換に使用される光は少ない。
光分布領域Ａ２は、光分布領域Ａ１の外側の領域であり、光分布領域Ａ１における照射光の軸Ｌ１に対する入射角度より大きい角度でマイクロレンズ３１１に入射した光（平行光線と大きく角度が異なる非テレセントリックな光）が照射される領域である。この光分布領域Ａ２における照射光は、光分布領域Ａ１における照射光と比較して、光量が小さくなる。そのため、第１受光素子４９１および第２受光素子４９２における受光量（照射される光の総量）は、光分布領域Ａ１の幅によっては、素子分離領域４９３における照射光の光量よりも小さくなることが想定される。
この図４（ａ）に示すように、第１受光素子４９１および第２受光素子４９２は、軸Ｌ１からある程度離れた領域（光分布領域Ａ１より外側の領域）に照射する光を受光する。すなわち、第１受光素子４９１および第２受光素子４９２には、面積当たりの光量が光分布領域Ａ１に照射する光よりも弱い光（光分布領域Ａ１に照射する光より大きい角度の光）が照射する。
図４（ｂ）には、第１受光素子４９１および第２受光素子４９２の受光量（照射光の総量）の一例を表すグラフが示されている。この図４（ｂ）におけるグラフでは、縦軸を受光量として、第１受光素子４９１における受光量（受光量Ｂ１）と、第２受光素子４９２における受光量（受光量Ｂ２）と、素子分離領域４９３における照射光の総量（照射量Ｂ３）とを示す棒グラフを示す。
なお、この図４（ｂ）では、一例として、光分布領域Ａ１における照射光の光量が非常に多く、一方、光分布領域Ａ２における照射光の光量が少ない場合を想定して説明する。
受光量Ｂ１および受光量Ｂ２は、第１受光素子４９１および第２受光素子４９２における受光量である。この受光量Ｂ１および受光量Ｂ２には、第１受光素子４９１および第２受光素子４９２が軸Ｌ１に対して対称の位置に備えられるため、受光量Ｂ１および受光量Ｂ２の受光量が等しくなることが示されている。
照射量Ｂ３は、素子分離領域４９３に照射する光量である。この照射量Ｂ３には、第１受光素子４９１および第２受光素子４９２における照射光の光量より、素子分離領域４９３における照射光の光量が多いことが一例として示されている。例えば、レンズ部１１０がテレセントリック光学系であるとともに、素子分離領域４９３がある程度広く、また、マイクロレンズ３１１と受光素子が近接している場合には、このように素子分離領域４９３における照射光の光量が非常に多くなることが考えられる。
このように、焦点検出画素４９０では、素子分離領域４９３における照射光の光量が非常に多くなるにもかかわらず、光分布領域Ａ１における照射光は、第１受光素子４９１および第２受光素子４９２における光電変換にほとんど使用されない。
［焦点検出画素４１０の受光例］
図５は、本発明の第１の実施の形態における焦点検出画素４１０を模式的に示す上面図および焦点検出画素４９０に入射する光の受光量の例を示す図である。
図５（ａ）には、図３（ｂ）において示した焦点検出画素４１０に入射する光の照射位置例が示されている。
なお、第１受光素子４０１、第２受光素子４０２および素子分離領域４０３以外は、図２（ｂ）において示したものと同様のものであるため、図２（ｂ）と同一の符号を付してここでの説明を省略する。
この図５（ａ）に示すように、焦点検出画素４１０においては、光分布領域Ａ１における照射光の右半分が第２受光素子４０２に照射される。すなわち、焦点検出画素４１０では、光分布領域Ａ１に入射する光のうちマイクロレンズ３１１の左側（ｘ軸におけるマイナス側）方向から光分布領域Ａ１の右半分（ｘ軸におけるプラス側）に照射する光が第２受光素子４０２において受光される。一方、焦点Ｆ１に入射する光のうちマイクロレンズ３１１の右側（ｘ軸におけるプラス側）から焦点Ｆ１付近に集光する光は、焦点検出画素４９０と同様に、素子分離領域４０３に照射される。
また、光分布領域Ａ２における照射光は、焦点検出画素４９０と同様に、第１受光素子４０１および第２受光素子４０２に入射する。しかしながら、焦点検出画素４１０では、第１受光素子４０１に入射する光が、第２受光素子４０２に入射する光よりも少なくなる。
図５（ｂ）には、第１受光素子４０１および第２受光素子４０２の受光量（照射光の総量）の一例を表すグラフが示されている。この図５（ｂ）におけるグラフでは、縦軸を受光量として、第１受光素子４０１における受光量（受光量Ｂ４）と、第２受光素子４０２における受光量（受光量Ｂ５）と、素子分離領域４０３における照射光の総量（照射量Ｂ６）とを示す棒グラフを示す。また、このグラフでは、受光量Ｂ４、受光量Ｂ５および照射量Ｂ６の比較対象として、図４（ｂ）において示した受光量Ｂ１、受光量Ｂ２および照射量Ｂ３とを示す棒グラフを示す。
ここで、焦点検出画素４１０の受光量について、焦点検出画素４９０の受光量と比較しながら説明する。
受光量Ｂ４は、焦点検出画素４１０における第１受光素子４０１の受光量を示す。この受光量Ｂ４は、焦点検出画素４９０における第１受光素子４９１の受光量（受光量Ｂ１）と比較して、僅かに減少する。この減少は、図５（ａ）において示すように、第１受光素子４０１において、光分布領域Ａ２の照射光の受光量が減少することにより発生する。
受光量Ｂ５は、焦点検出画素４１０における第２受光素子４０２の受光量を示す。この受光量Ｂ５は、焦点検出画素４９０における第２受光素子４９２の受光量（受光量Ｂ２）と比較して、大幅に増加する。この増加は、図５（ａ）において示すように、光分布領域Ａ１の左半分への照射光が第２受光素子４９２に受光されることにより発生する。
照射量Ｂ６は、素子分離領域４０３における照射光の総量を示す。この照射量Ｂ６は、素子分離領域４９３の照射光の総量（照射量Ｂ３）と比較して、大幅に減少する。この減少は、軸Ｌ１に第２受光素子４０２が近接したことにより、光分布領域Ａ１の右半分への照射光が第２受光素子４０２に照射することにより発生する。
このように、焦点検出画素４１０では第２受光素子４０２が軸Ｌ１に近接することによって、瞳分割された光のうちのマイクロレンズ３１１の左側からの入射光を効率よく受光素子に入射することができる。
なお、ここでは、軸Ｌ１が第２受光素子４０２の素子分離領域４０３側の端部に位置する例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明の第１の実施の形態は、受光面の軸Ｌ１付近（焦点Ｆ１付近）に照射される光が第２受光素子４０２に照射されるように、第１受光素子４０１および第２受光素子４０２の位置を調整するのであればよい。すなわち、素子分離領域４０３の中心と第２受光素子４０２の素子分離領域４０３側の端部との間に軸Ｌ１が位置するように、第１受光素子４０１および第２受光素子４０２の位置を調整する場合が考えられる。
［焦点検出画素４１０の効果例］
図６は、本発明の第１の実施の形態の焦点検出画素４１０による受光の効果を示す模式図である。
図６（ａ）には、焦点検出画素４１０に入射する光量が不足の場合における第１受光素子４０１および第２受光素子４０２の受光量の一例を表すグラフが示されている。この図６（ａ）におけるグラフでは、縦軸を受光量として、第１受光素子４０１における受光量（受光量Ｂ９）と、第２受光素子４０２における受光量（受光量Ｂ１０）とを示す棒グラフを示す。また、このグラフでは、受光量Ｂ９およびＢ１０の比較対象として、同一の入射光が焦点検出画素４９０に入射した場合における、第１受光素子４９１の受光量（受光量Ｂ７）と、第２受光素子４９２の受光量（受光量Ｂ８）とを示す棒グラフを示す。
この図６（ａ）では、焦点検出画素に入射する光量の不足のため、焦点検出画素４９０の第１受光素子４９１および第２受光素子４９２は電気信号を発生できない状態を想定する。
受光量Ｂ７は、焦点検出画素４９０の第１受光素子４９１の受光量を示す。この受光量Ｂ７は、第１受光素子４９１の受光量が、受光素子の微弱な光の検出限界の光量（微弱光検出限界Ｔｈ２）よりも低い受光量であることを示している。この受光量である第１受光素子４９１は、微弱光検出限界Ｔｈ２以下の受光量であると電気信号を発生できないため、第１受光素子４９１における受光が無かったことを示す電気信号（例えば、２５６階調の電気信号のうちの「０」）を出力する。
受光量Ｂ８は、焦点検出画素４９０の第２受光素子４９２の受光量を示す。この受光量Ｂ８は、第２受光素子４９２の受光量が微弱光検出限界Ｔｈ２よりも低い受光量であることを示している。この受光量である第２受光素子４９２は、受光量が受光量Ｂ７である第１受光素子４９１と同様に、第２受光素子４９２における受光が無かったことを示す電気信号を出力する。
受光量Ｂ９および受光量Ｂ１０は、焦点検出画素４１０の第１受光素子４０１および第２受光素子４０２の受光量を示す。この受光量Ｂ９および受光量Ｂ１０では、図５において説明したように第２受光素子４９２における受光量が上昇し、その結果、第２受光素子４０２の受光量が微弱光検出限界Ｔｈ２を超えたことが示されている。この場合には、第１受光素子４０１は受光が無かったことを示す電気信号を出力し、第２受光素子４９２は受光したことを示す電気信号（例えば、２５６階調の電気信号のうちの「２０」）を出力する。
すなわち、焦点検出画素４１０は、焦点検出画素４９０では検出限界より低い入射光が照射する場合でも、第２受光素子４０２において微弱光検出限界Ｔｈ２より高い受光量となることで、光量を検出できるようになる。
図６（ｂ）には、焦点検出画素４１０に入射する光量が飽和している場合における第１受光素子４０１および第２受光素子４０２の受光量の一例を表すグラフが示されている。この図６（ｂ）におけるグラフでは、縦軸を受光量として、第１受光素子４０１における受光量（受光量Ｂ１３）と、第２受光素子４０２における受光量（受光量Ｂ１４）とを示す棒グラフを示す。また、このグラフでは、受光量Ｂ１３およびＢ１４の比較対象として、同一の入射光が焦点検出画素４９０に入射した場合における、第１受光素子４９１の受光量（受光量Ｂ１１）と、第２受光素子４９２の受光量（受光量Ｂ１２）とを示す棒グラフを示す。
受光量Ｂ１１は、焦点検出画素４９０の第１受光素子４９１の受光量を示す。この受光量Ｂ１１は、第１受光素子４９１の受光量が、受光素子の検出できる光量の最大（飽和検出限界Ｔｈ１）よりも高い受光量であることを示している。この受光量である第１受光素子４９１は、飽和検出限界Ｔｈ１以上における受光量の差を検出できないため、第１受光素子４９１における受光が最大を示す電気信号（例えば、２５６階調の電気信号のうちの「２５５」）を出力する。
受光量Ｂ１２は、焦点検出画素４９０の第２受光素子４９２の受光量を示す。この受光量Ｂ８は、第２受光素子４９２の受光量が飽和検出限界Ｔｈ１よりも高い受光量であることを示している。この受光量である第２受光素子４９２は、受光量が受光量Ｂ１１である第１受光素子４９１と同様に、第２受光素子４９２における受光が最大を示す電気信号を出力する。
受光量Ｂ１３および受光量Ｂ１４は、焦点検出画素４１０の第１受光素子４０１および第２受光素子４０２の受光量を示す。この受光量Ｂ１３および受光量Ｂ１４では、図５で説明したように第２受光素子４９２における受光量が上昇するとともに第１受光素子４９１における受光量が減少し、その結果、第１受光素子４０１の受光量が飽和検出限界Ｔｈ１以下になったことが示されている。
すなわち、焦点検出画素４１０は、焦点検出画素４９０では検出限界より高い入射光が照射する場合でも、第１受光素子４０１において飽和検出限界Ｔｈ１より低い受光量となることで、光量の差を検出できるようになる。
［焦点検出画素４２０乃至４８０の受光例］
図７乃至９は、本発明の第１の実施の形態における焦点検出画素４２０乃至４８０に入射する光の受光例を示す模式図である。
この図７乃至９では、焦点検出画素４２０乃至４８０に関して、図５（ａ）において示した焦点検出画素４１０との違いについて説明する。
また、本発明の第１の実施の形態では、焦点検出画素４１０乃至４９０おいて、マイクロレンズ３１１の光軸に近接する受光素子は第２受光素子４０２であることを想定する。
図７（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の第１の実施の形態における焦点検出画素４２０乃至４４０を模式的に示す上面図である。
焦点検出画素４２０は、図７（ａ）において示すように、ｘｙ座標の原点を回転中心として、図５（ａ）に示す焦点検出画素４１０を時計回りに１８０°回転させたものである。この焦点検出画素４２０は、マイクロレンズ３１１の右側（ｘ軸におけるプラス側）から光分布領域Ａ１の左側（ｘ軸におけるマイナス側）に照射する光を、第２受光素子４０２において受光することができる。この焦点検出画素４２０は、焦点検出画素４１０とともに用いることによって、マイクロレンズ３１１の左右方向で瞳分割された光（ｘ軸においてプラス側およびマイナス側に分割された光）を効率よく受光することができる。
焦点検出画素４３０は、図７（ｂ）において示すように、ｘｙ座標の原点を回転中心として、図５（ａ）に示す焦点検出画素４１０を時計回りに２７０°回転させたものである。この焦点検出画素４３０は、マイクロレンズ３１１の下側（ｙ軸におけるマイナス側）から光分布領域Ａ１の上側（ｙ軸におけるプラス側）に照射する光を第２受光素子４０２において受光することができる。
焦点検出画素４４０は、図７（ｃ）において示すように、ｘｙ座標の原点を回転中心として、図５（ａ）に示す焦点検出画素４１０を時計回りに９０°回転させたものである。この焦点検出画素４４０は、マイクロレンズ３１１の上側（ｙ軸におけるプラス側）から光分布領域Ａ２の下側（焦点面において軸Ｌ１よりｙ軸におけるマイナス側）に照射する光を第２受光素子４０２において受光することができる。この焦点検出画素４４０は、焦点検出画素４３０とともに用いることによって、マイクロレンズ３１１の上下方向で瞳分割された光（ｙ軸においてプラス側およびマイナス側に分割された光）を効率よく受光することができる。
図８（ａ）乃至（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態における焦点検出画素４５０乃至４６０を模式的に示す上面図である。
焦点検出画素４５０は、図８（ａ）において示すように、ｘｙ座標の原点を回転中心として、図５（ａ）に示す焦点検出画素４１０を時計回りに３１５°回転させたものである。この焦点検出画素４５０は、マイクロレンズ３１１の右下半分（ｙ＝ｘの線で分割した領域のうち下側（ｙ軸におけるマイナス側））から光分布領域Ａ１の左上半分（ｙ＝ｘの線で分割した領域の上側）に照射する光を、第２受光素子４０２において受光することができる。
焦点検出画素４６０は、図８（ｂ）において示すように、ｘｙ座標の原点を回転中心として、図５（ａ）に示す焦点検出画素４１０を時計回りに１３５°回転させたものである。この焦点検出画素４６０は、マイクロレンズ３１１の左上半分（ｙ＝ｘの線で分割した領域の上側）から光分布領域Ａ１の右下半分（軸Ｌ１を中心としてｙ＝ｘの線で分割した領域の下側）に照射する光を、第２受光素子４０２において受光することができる。この焦点検出画素４６０は、焦点検出画素４５０とともに用いることによって、マイクロレンズ３１１の左上右下（ｙ＝ｘの線で分割）方向で瞳分割された光を効率よく受光することができる。
図９（ａ）乃至（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態における焦点検出画素４７０乃至４８０を模式的に示す上面図である。
焦点検出画素４７０は、図９（ａ）において示すように、ｘｙ座標の原点を回転中心として、図５（ａ）に示す焦点検出画素４１０を時計回りに２２５°回転させたものである。この焦点検出画素４７０は、マイクロレンズ３１１の左下半分（ｙ＝−ｘの線で分割した領域の下側）から光分布領域Ａ１の右上半分（ｙ＝−ｘの線で分割した領域の上側）に照射する光を、第２受光素子４０２において受光することができる。
焦点検出画素４８０は、図９（ｂ）において示すように、ｘｙ座標の原点を回転中心として、図５（ａ）に示す焦点検出画素４１０を時計回りに４５°回転させたものである。この焦点検出画素４８０は、マイクロレンズ３１１の右上半分（ｙ＝−ｘの線で分割した領域の上側）から光分布領域Ａ１の左下半分（軸Ｌ１を中心としてｙ＝−ｘの線で分割した領域の下側）に照射する光を、第２受光素子４０２において受光することができる。この焦点検出画素４８０は、焦点検出画素４７０とともに用いることによって、マイクロレンズ３１１の左下右上（ｙ＝−ｘの線で分割）方向で瞳分割された光を効率よく受光することができる。
このように、イメージセンサ２００における焦点検出画素として、１対の受光素子の焦点検出画素における配置位置が対称である焦点検出画素４９０と、１対の受光素子の焦点検出画素における配置位置が非対称である焦点検出画素４１０乃至４８０とが設けられる。
なお、ここでは、マイクロレンズ３１１の焦点面に受光素子の受光面を合わせたが、本発明はこれに限定されるものではない。マイクロレンズ３１１への入射光を正確に分離するため、受光素子の受光面は焦点面より後方とするようにしてもよい。
［イメージセンサにおける焦点検出画素の配置例］
図１０は、本発明の第１の実施の形態におけるイメージセンサ２００において焦点検出画素４１０乃至４９０が配置される領域の一例を示す模式図である。
この図１０には、イメージセンサ２００と、焦点検出エリア２１０、２３０、２５０、２７０および２９０とが示されている。
なお、この図１０乃至１４では、イメージセンサ２００の中心を原点として、左右方向をｘ軸とし、上下方向をｙ軸とするｘｙ軸を想定して説明する。
焦点検出エリア２１０、２３０、２５０、２７０および２９０は、焦点検出画素４１０乃至４９０が配置される領域の一例を示す領域である。この焦点検出エリアにおいては、撮像画素３１０と、焦点検出画素４１０乃至４９０のうちのいずれかとが所定のパターンで配置される。またイメージセンサ２００の焦点検出エリア以外の領域では、撮像画素３１０のみが配置される。
この焦点検出エリア２９０、２１０、２３０、２５０および２７０については図１１乃至１４を用いて詳細に説明する。
図１１は、本発明の第１の実施の形態の焦点検出エリア２９０における画素配置の一例を示す模式図である。
なお、この図１１以降では、焦点検出画素４９０を時計回りに９０°回転させたものを、焦点検出画素４９５と称することとする。
焦点検出エリア２９０は、イメージセンサ２００の中心付近における焦点検出画素が配置される領域である。この焦点検出エリア２９０では、例えば、図１１に示すように、撮像画素３１０と、焦点検出画素４９０および４９５とが所定のパターンで配置される。このパターンは、焦点検出画素４９０および４９５が配置される画素の撮像データを保管できるように撮像画素３１０が配置されるパターンである。この所定のパターンは、例えば、図１１に示すように、焦点検出画素４９０および４９５の上下左右に撮像画素３１０が配置されるパターンである。
図１２は、本発明の第１の実施の形態の焦点検出エリア２１０における画素配置の一例を示す模式図である。
焦点検出エリア２１０は、イメージセンサ２００の左端における中央および右端における中央付近における焦点検出画素が配置される領域である。この焦点検出エリア２１０では、例えば、図１２に示すように、撮像画素３１０と、焦点検出画素４１０、４２０および４９５とが図１１と同様のパターンで配置される。また、この焦点検出エリア２１０では、１対の受光素子の位置が互いに１８０度異なる焦点検出画素である焦点検出画素４１０および４２０が隣接して配置されている。
図１３は、本発明の第１の実施の形態の焦点検出エリア２３０における画素配置の一例を示す模式図である。
焦点検出エリア２３０は、イメージセンサ２００の上端における中央および下端における中央付近における焦点検出画素が配置される領域である。この焦点検出エリア２３０では、例えば、図１３に示すように、撮像画素３１０と、焦点検出画素４３０、４４０および４９０とが図１１と同様のパターンで配置される。また、この焦点検出エリア２３０では、１対の受光素子の位置が互いに１８０度異なる焦点検出画素である焦点検出画素４３０および４４０が隣接して配置されている。
図１４は、本発明の第１の実施の形態の焦点検出エリア２５０における画素配置の一例を示す模式図である。
焦点検出エリア２５０は、イメージセンサ２００の上端における左端および下端における右端付近における焦点検出画素が配置される領域である。この焦点検出エリア２５０では、例えば、図１４に示すように、撮像画素３１０と、焦点検出画素４５０、４６０および４９０とが図１１と同様のパターンで配置される。また、この焦点検出エリア２５０では、１対の受光素子の位置が互いに１８０度異なる焦点検出画素である焦点検出画素４５０および４６０が隣接して配置されている。
図１５は、本発明の第１の実施の形態の焦点検出エリア２７０における画素配置の一例を示す模式図である。
焦点検出エリア２７０は、イメージセンサ２００の上端における右端および下端における左端付近における焦点検出画素が配置される領域である。この焦点検出エリア２７０では、例えば、図１５に示すように、撮像画素３１０と、焦点検出画素４７０、４８０および４９０とが図１１と同様のパターンで配置される。また、この焦点検出エリア２７０では、１対の受光素子の位置が互いに１８０度異なる焦点検出画素である焦点検出画素４７０および４８０が隣接して配置されている。
このように、瞳分割の方向に合わせて、焦点検出画素４１０乃至４９０をイメージセンサ２００に配置することによって、第１受光素子４９１および第２受光素子４９２に効率よく光を照射することができる。
なお、本発明の第１の実施の形態では、焦点検出画素が配置される領域の一例として、焦点検出エリア２１０、２３０、２５０、２７０および２９０を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。焦点検出画素の配置は、フォーカスのズレを検出できるものであれば何であってもよく、例えば、ｘ軸方向およびｙ軸方向に一列に配置させる場合なども考えられる。
［位相差検出例］
図１６乃至１９は、本発明の第１の実施の形態における位相差検出例を示す模式図である。この図１６乃至１９では、便宜上、焦点検出画素として焦点検出画素４１０および４２０が横一列（例えば、図１０において示したｘ軸方向）に交互に配置されているイメージセンサ２００を想定して説明する。また、図１６乃至１９において示す例では、イメージセンサ２００の中央に光源（被写体）があることを想定する。
図１６は、本発明の第１の実施の形態における合焦時の位相差検出例を示す図である。この図では、焦点検出画素４１０および４２０の焦点調整信号から生成された焦点調整用画像データに基づいて、制御部１４０がフォーカスのズレを検出するまでの流れを模式的に説明する。
まず、信号処理部１３０によって生成される焦点調整用画像データについて説明する。
画像データ６１１は、焦点検出画素４１０からの焦点調整信号から生成した画像データを模式的に示すグラフである。この画像データ６１１は、横軸をイメージセンサにおける焦点検出画素４１０の画素位置とし、縦軸を焦点検出画素４１０の焦点調整信号の強度を示す階調とする焦点調整用画像データを示す。この画像データ６１１には、第１受光素子画像データＣ１および第２受光素子画像データＣ２が示されている。
第１受光素子画像データＣ１は、焦点検出画素４１０の第１受光素子４０１（ｘ軸におけるマイナス側に位置する受光素子）が供給する焦点調整信号に基づいて生成された画像データである。すなわち、この第１受光素子画像データＣ１は、マイクロレンズ３１１の右側（図５（ａ）において示したマイクロレンズ３１１のｘ軸における右側）から入射した光のイメージセンサにおける強度分布を示している。この図１６では合焦状態のため、イメージセンサの中央付近に位置する焦点検出画素４１０の第１受光素子４０１において被写体からの光が受光され、その受光した光の量に基づいて焦点調整信号が生成されている。
第２受光素子画像データＣ２は、焦点検出画素４１０の第２受光素子４０２（ｘ軸におけるプラス側に位置する受光素子）が供給する焦点調整信号に基づいて生成された画像データである。すなわち、この第２受光素子画像データＣ２は、マイクロレンズ３１１の左側（図５（ａ）において示したマイクロレンズ３１１のｘ軸の左側）から入射した光のイメージセンサにおける強度分布を示している。この図１６では合焦状態のため、第１受光素子画像データＣ１と同様に、イメージセンサの中央付近に位置する焦点検出画素４１０の第２受光素子４０２において被写体からの光が受光され、その受光した光の量に基づいて焦点調整信号が生成されている。また、図５において説明したように、第１受光素子４０１の焦点調整信号より大きい階調の焦点調整信号が、第２受光素子４０２において生成されている。
画像データ６１２は、焦点検出画素４２０からの焦点調整信号から生成した画像データを模式的に示すグラフである。この画像データ６１２は、横軸をイメージセンサにおける焦点検出画素４２０の画素位置とし、縦軸を焦点検出画素４２０の焦点調整信号の強度を示す階調とする焦点調整用画像データを示す。この画像データ６１２には、第１受光素子画像データＤ１および第２受光素子画像データＤ２が示されている。
第１受光素子画像データＤ１は、焦点検出画素４２０の第１受光素子４０１（ｘ軸におけるプラス側に位置する受光素子）が供給する焦点調整信号に基づいて生成された画像データである。すなわち、この第１受光素子画像データＤ１は、マイクロレンズ３１１の左側から入射した光のイメージセンサにおける強度分布を示している。この図１６では合焦状態のため、イメージセンサの中央付近に位置する焦点検出画素４２０の第１受光素子４０１において被写体からの光が受光され、その受光した光の量に基づいて焦点調整信号が生成されている。
第２受光素子画像データＤ２は、焦点検出画素４２０の第２受光素子４０２（ｘ軸におけるマイナス側に位置する受光素子）が供給する焦点調整信号に基づいて生成された画像データである。すなわち、この第２受光素子画像データＤ２は、マイクロレンズ３１１の右側から入射した光のイメージセンサにおける強度分布を示している。この図１６では合焦状態のため、第１受光素子画像データＤ１と同様に、イメージセンサの中央付近に位置する焦点検出画素４２０の第２受光素子４０２において被写体からの光が受光され、その受光した光の量に基づいて焦点調整信号が生成されている。また、図５において説明したように、第１受光素子４０１の焦点調整信号より大きい階調の焦点調整信号が、第２受光素子４０２において生成されている。
また、焦点検出画素４１０および４２０は横一列に交互に配置されているため、第１受光素子画像データＣ１と第１受光素子画像データＤ１とが略同一の像位置になっている。同様に第２受光素子画像データＣ２と第２受光素子画像データＤ２とが略同一の像位置になっている。
このように、信号処理部１３０は、焦点検出画素４１０および焦点検出画素４２０からの焦点調整信号に基づいて、４つの焦点調整用画像データを生成する。そして、この信号処理部１３０は、生成した４つの焦点調整用画像データを制御部１４０に供給する。
次に、制御部１４０におけるフォーカス検出の一例について説明する。
焦点検出比較画像データ６１３は、焦点検出する際に比較する２つの画像データを模式的に示すグラフである。この焦点検出比較画像データ６１３は、横軸をイメージセンサにおける焦点検出画素４１０および焦点検出画素４２０の画素位置とし、縦軸を焦点調整信号の強度を示す階調とする焦点調整用画像データを示す。この焦点検出比較画像データ６１３には、フォーカス検出において比較する２つの画像データ（第２受光素子画像データＣ２および第１受光素子画像データＤ２）が示されている。
ここで制御部１４０の動作について、焦点検出比較画像データ６１３を参照して説明する。まず、制御部１４０は、信号処理部１３０から供給された４つの焦点調整用画像データから、２つの焦点調整用画像データを選択する。すなわち、この制御部１４０は、位相差検出を行うため、マイクロレンズ３１１の右側から入射した光の強度分布と、マイクロレンズ３１１の左側から入射した光の強度分布とを１つずつ選択する。この制御部１４０は、信号の強弱がはっきりしている焦点調整用画像データを使うことにより正確にフォーカスの差異を検出できる。このため、制御部１４０は、４つの焦点調整用画像データのうち信号が強い焦点調整用画像データ（第２受光素子画像データＣ２および第１受光素子画像データＤ２）を選択する。
そして、制御部１４０は、第２受光素子画像データＤ２と第２受光素子画像データＣ２との間の像のズレ（像間隔Ｅ１）を検出する。なお、この図１６では合焦状態のため、像間隔Ｅ１は、最も強い光量を受光した焦点検出画素４１０の第２受光素子４０２の位置と、最も強い光量を受光した焦点検出画素４２０の第１受光素子４０１との間の間隔および位置関係になる。
制御部１４０は、像間隔Ｅ１に基づいて今の状態が合焦状態であると判定し、レンズ部１１０における撮像レンズの位置を維持させる信号を駆動部１５０に供給する。
図１７は、本発明の第１の実施の形態における後ピン時の位相差検出例を示す図である。
ここでは、被写体からの光量は図１６と同一のものを想定して説明する。すなわち、後ピンであることにより発生する焦点調整信号の違い以外は図１６と同一である。
画像データ６２１は図１６の焦点検出画素４１０画像データ６１１に相当し、画像データ６２２は図１６の画像データ６１２に相当する。また、焦点検出比較画像データ６２３は図１６の焦点検出比較画像データ６１３に相当する。
この図１７では、図１６において示した合焦状態との違いについて説明する。
まず、撮像レンズの左側から入射した光を受光する受光素子の画像データについて説明する。図１７では後ピンであるため、撮像レンズの左側から入射した光は、合焦の時よりもさらに右側に進んだ後に受光される。すなわち、焦点検出画素４１０の第２受光素子４０２による画像データ（図１７における第２受光素子画像データＣ２）は、合焦の時の画像データ（図１６における第２受光素子画像データＣ２）を右にズラしたような画像データになる。同様に、焦点検出画素４２０の第１受光素子４０１による画像データ（図１７における第１受光素子画像データＤ１）は、合焦の時の画像データ（図１６における第１受光素子画像データＤ１）を右にズラしたような画像データになる。
続いて、撮像レンズの右側から入射した光を受光する受光素子の画像データについて説明する。図１７では後ピンであるため、撮像レンズの右側から入射した光は、合焦の時よりもさらに左側に進んだ後に受光される。すなわち、焦点検出画素４１０の第１受光素子４０１による画像データ（第１受光素子画像データＣ１）は、合焦の時の画像データを左にズラしたような画像データになる。また、焦点検出画素４１０の第２受光素子４０２による画像データ（第２受光素子画像データＣ２）は、合焦の時の画像データを左にズラしたような画像データになる。
次に、制御部１４０におけるフォーカス検出について簡単に説明する。まず、制御部１４０は、図１６と同様にして、２つの焦点調整用画像データ（第２受光素子画像データＣ２および第１受光素子画像データＤ２）を選択する。そして、この制御部１４０は、第２受光素子画像データＤ２と第２受光素子画像データＣ２との間の像のズレ（像間隔Ｅ２）に基づいて、撮像レンズの移動量を決定し、駆動部１５０に撮像レンズを移動させるための信号を供給する。
図１８は、本発明の第１の実施の形態における光量不足時の位相差検出例を示す図である。
ここでは、図６（ａ）と同様に、第１受光素子４０１においては光量を検出できないが、第２受光素子４０２においては光量を検出できることを想定する。
また、この図１８は、焦点調整用画像データにおける信号強度以外は図１７と同一である。画像データ６３１は図１７の画像データ６２１に相当し、画像データ６３２は図１７の画像データ６２２に相当する。また、焦点検出比較画像データ６３３は図１６の焦点検出比較画像データ６２３に相当する。
この図１８に示すように、焦点検出画素４１０および焦点検出画素４２０の第１受光素子４０１では光を検出できないような場合においても、焦点検出画素４１０および焦点検出画素４２０の第２受光素子４０２の信号に基づいて位相差検出を行うことができる。
図１９は、本発明の第１の実施の形態における光量飽和時の位相差検出例を示す図である。
ここでは、図６（ｂ）と同様に、第２受光素子４０２においては受光量が飽和する（光量の強弱の大部分を検出できない）が、第１受光素子４０１においては受光量が飽和しない（光量の強弱を検出できる）ことを想定する。
また、この図１９は、焦点調整用画像データにおける信号強度以外は図１７と同一である。画像データ６４１は図１７の画像データ６２１に相当し、画像データ６４２は図１７の画像データ６２２に相当する。また、焦点検出比較画像データ６４３は図１７の焦点検出比較画像データ６２３に相当する。
この図１９の第２受光素子画像データＣ２および第１受光素子画像データＤ２に示すように、信号の大部分が最大値（信号上限値Ｔｈ５）であるような焦点調整用画像データでは、焦点調整用画像データにおける信号の差異が減少してしまう。これにより、像のズレの検出が困難になる問題が生じる。
そこで、制御部１４０は、第２受光素子４０２の焦点調整用画像データで受光量の飽和が生じている場合には、受光量が少ない第１受光素子４０１の焦点調整用画像データ（第１受光素子画像データＣ１および第１受光素子画像データＤ１）を選択する。そして、この制御部１４０は、第１受光素子画像データＣ１と第１受光素子画像データＤ１との間の像のズレ（像間隔Ｅ２）に基づいて、撮像レンズの移動量を決定し、駆動部１５０に撮像レンズを移動させるための信号を供給する。
この図１９に示すように、焦点検出画素４１０および焦点検出画素４２０の第２受光素子４０２では受光量が飽和する場合においても、焦点検出画素４１０および焦点検出画素４２０の第１受光素子４０１の信号に基づいて位相差検出を精度よく行うことができる。
［制御部の動作例］
次に、本発明の第１の実施の形態における撮像装置１００の動作について図面を参照して説明する。
図２０は、本発明の第１の実施の形態における撮像装置１００によるフォーカス制御手順例を示すフローチャートである。
この図２０では、被写体を撮影する場合におけるフォーカス制御の開始から、合焦によるフォーカス制御の終了までの手順について説明する。また、ここでは、第１受光素子および第２受光素子のどちらかの焦点調整信号は使用できるような強度の光を撮像する場合を想定して説明する。
まず、イメージセンサ２００における焦点検出画素によって被写体が撮像されることにより、焦点調整信号が生成される（ステップＳ９０１）。続いて、その焦点調整信号に基づいて、焦点調整用画像データ（画像データ）が信号処理部１３０によって生成される（ステップＳ９０２）。なお、ステップＳ９０１は、特許請求の範囲に記載の撮像手段の一例である。
次に、制御部１４０によって、その生成された焦点調整用画像データのうち第２受光素子の焦点調整信号から生成された焦点調整用画像データが像間隔の算出に使用可能か否かが判断される（ステップＳ９０３）。そして、第２受光素子による焦点調整用画像データが使用可能でないと判断された場合には（ステップＳ９０３）、第１受光素子の焦点調整信号から生成された焦点調整用画像データが制御部１４０によって選択される（ステップＳ９０５）。ここで、第２受光素子による焦点調整用画像データが使用可能でないと判断される場合とは、例えば、図１９において示したように、第２受光素子４０２において受光量が飽和する場合を意味する。そして、その選択された第１受光素子による焦点調整用画像データに基づいて、像間隔が算出される（ステップＳ９０６）。
一方、第２受光素子の焦点調整信号から生成された焦点調整用画像データが使用可能であると判断された場合には（ステップＳ９０３）、その第２受光素子の焦点調整用画像データが制御部１４０によって選択される（ステップＳ９０４）。そして、その選択された第２受光素子の焦点調整用画像データに基づいて、像間隔が算出される（ステップＳ９０６）。
次に、その算出された像間隔に基づいて、合焦しているか否かが制御部１４０によって判断される（ステップＳ９０７）。そして、合焦していないと判断された場合には（ステップＳ９０７）、レンズ部１１０における撮像レンズの駆動量（移動量）が制御部１４０によって算出される（ステップＳ９０８）。続いて、駆動部１５０によって、レンズ部１１０における撮像レンズが駆動され（ステップＳ９０９）、ステップＳ９０１に戻る。なお、ステップＳ９０７は、特許請求の範囲に記載の判定手段の一例である。
一方、合焦していると判断された場合には（ステップＳ９０７）、フォーカス制御手順は終了する。
このように、本発明の第１の実施の形態では、軸Ｌ１が第２受光素子４９２に近接するようにするように、１対の受光素子の位置を調整することによって、フォーカスの調整を精度よく行うことができる。
＜２．第２の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態では、マイクロレンズの光軸が１対の受光素子の一方に近接させるために、１対の受光素子の焦点検出画素における位置を調整する例について説明した。この場合には、マイクロレンズが均等な間隔で配置された汎用のマイクロレンズアレイを用いることができる。
一方、マイクロレンズの光軸が１対の受光素子の一方に近接するようにすることは、焦点検出画素に対するマイクロレンズの位置を調整することによっても行うことができる。そこで、本発明の第２の実施の形態では、焦点検出画素に対するマイクロレンズの位置を調整する例について説明する。
［焦点検出画素の構成例］
図２１は、本発明の第２の実施の形態における焦点検出画素の一例を模式的に示す断面図および上面図である。図２１では、一例として、図３（ｂ）において示した焦点検出画素４１０に相当する焦点検出画素として、マイクロレンズ８１０を備える焦点検出画素４９０の断面構成および上面図を示す。
図２１（ａ）には、本発明の第２の実施の形態におけるマイクロレンズ８１０を備える焦点検出画素４９０の断面構成が模式的に示されている。
この本発明の第２の実施の形態では、マイクロレンズ８１０以外の構成は、図３（ａ）において示した焦点検出画素４９０の構成と同一であるため、この図２１での説明を省略する。また、この図２１（ａ）には、比較対象として、図３（ａ）において示したマイクロレンズ３１１の位置および範囲Ｒ１入射光が破線で示されている。
マイクロレンズ８１０は、マイクロレンズ３１１と同様に、撮像画素４９０に入射される光を集光するものである。このマイクロレンズ８１０は、マイクロレンズ８１０の中央を通過する軸（Ｌ１）が、第２受光素子４９２の素子分離領域４９３側の端部に位置するように配置される。すなわち、このマイクロレンズ８１０の軸Ｌ１は、焦点検出画素４９０の中心位置を通過しない。
図２１（ｂ）には、本発明の第２の実施の形態におけるマイクロレンズ８１０と焦点検出画素４９０との位置関係を示す上面図が示されている。この図２１（ｂ）には、本発明の第２の実施の形態における焦点検出エリアの一部が示されている。なお、この図２１（ｂ）には、比較対象として、図３（ａ）に置いて示したマイクロレンズ３１１の位置が破線で示されている。
ここでは、マイクロレンズ８１０の位置に着目して説明する。マイクロレンズ８１０は、本発明の第１の実施の形態において示した焦点検出画素４９０に備えられるマイクロレンズ３１１と比較して、右方向にズレている。これにより、焦点検出画素４９０は、焦点検出画素４９０画素の中心と分離領域４９３の中心とが同一であるにもかかわらず、マイクロレンズの位置がズレることにより、軸Ｌ１に対して１対の受光素子が非対称となる。
このように、この図２１（ｂ）では、焦点検出画素４９０のマイクロレンズ３１１の位置（図２１（ｂ）における破線）を調整（右に移動）することにより、焦点検出画素４１０と同様の効果を生じることができることが示されている。
このように、本発明の第２の実施の形態では、焦点検出画素に対するマイクロレンズの位置を調整することにより、本発明の第１の実施の形態と同様に、瞳分割された光のうちの一方の入射光を効率よく受光素子に照射することができる。
＜３．第３の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態および本発明の第２の実施の形態においては、第２受光素子への照射光を増加させる例について説明した。これまでに説明した焦点検出画素は、１つの焦点検出画素に１対の受光素子を備えているため、２つの焦点調整信号を生成する。そのため、この２つの焦点調整信号の読み出し方を工夫することにより、フォーカス制御の速度を向上させることができる。そこで、本発明の第３の実施の形態では、２つの焦点調整信号のうちの１つの焦点調整信号の読み出しにのみ使用する第２の信号線を設ける例について説明する。
［イメージセンサの構成例］
図２２は、本発明の第３の実施の形態におけるイメージセンサ２００の信号線の一例を示した模式図である。
この図２２では、従来の撮像装置におけるイメージセンサ２００と同様の信号線に接続される撮像画素３１０および焦点検出画素４１０と、本発明の第３の実施の形態における撮像画素３１０および焦点検出画素５３０とを示す。
図２２（ａ）には、従来の撮像装置におけるイメージセンサ２００と同様にして信号線に接続される撮像画素３１０および焦点検出画素４１０が模式的に示されている。この図２２（ａ）では、１つの撮像画素３１０（中央）、２つの焦点検出画素４１０（上段、下段）および第１列信号線５１０が示されている。
また、撮像画素３１０として、受光素子３１４、ＦＤ（Floating Diffusion）３１６およびアンプ３１７が示されている。また、焦点検出画素４１０として、第１受光素子４０１、第２受光素子４０２、ＦＤ４１６およびアンプ４１７が示されている。
なお、撮像画素３１０における受光素子３１４と、焦点検出画素４１０における第１受光素子４０１および第２受光素子４０２は、本発明の第１の実施の形態において示したものと同様のものであるため、ここでの説明を省略する。
ＦＤ３１６およびＦＤ４１６は、撮像画素３１０および焦点検出画素４１０のフローティング・ディフュージョンである。このＦＤ３１６およびＦＤ４１６は、受光素子の電荷を検出する。このＦＤ３１６およびＦＤ４１６は、検出した電荷を電圧に変えてアンプ３１７およびアンプ４１７に供給する。
アンプ３１７およびアンプ４１７は、ＦＤ３１６およびＦＤ４１６から供給された電圧を増幅するものである。このアンプ３１７およびアンプ４１７は、増幅した電圧を第１列信号線５１０に供給する。
第１列信号線５１０は、撮像画素３１０が生成した撮像信号および焦点検出画素４１０が生成した焦点調整信号を読み出すための信号線である。撮像信号および焦点調整信号は、この第１列信号線５１０を介して信号処理部１３０に読み出される。例えば、まず、図２１（ａ）の上段の焦点検出画素４１０における第１受光素子４０１の焦点調整信号が読み出される。続いて、上段の焦点検出画素４１０における第２受光素子４０２の焦点調整信号が読み出され、そして、中央の撮像画素３１０の撮像信号が読み出される。その後、下段の焦点検出画素４１０における第１受光素子４０１の焦点調整信号が読み出され、最後に、下段の焦点検出画素４１０における第２受光素子４０２の焦点調整信号が読み出される。
このように、従来の撮像装置におけるイメージセンサ２００と同様に、一本の信号線を介して焦点検出画素４１０の焦点調整信号を読み出す場合には、焦点検出画素４１０から焦点調整信号の読み出しを２回行う必要が生じる。
図２２（ｂ）には、本発明の第３の実施の形態におけるイメージセンサ２００の信号線が接続される撮像画素３１０および焦点検出画素４１０が模式的に示されている。この図２２（ａ）では、１つの撮像画素３１０（中央）、２つの焦点検出画素５３０（上段、下段）、第１列信号線５１０および第２列信号線５２０が示されている。
第１列信号線５１０には、撮像画素３１０（中央）と、焦点検出画素５３０（上段、下段）の第２受光素子４０２とが接続される。第２列信号線５２０には、焦点検出画素５３０（上段、下段）の第１受光素子４０１が接続される。
ここでは、図２２（ａ）において示した従来の撮像装置におけるイメージセンサ２００との違いについて説明する。なお、焦点検出画素５３０および第２列信号線５２０以外は、図２２（ａ）において示したものと同様であるため、ここでの説明を省略する。
焦点検出画素５３０は、図２２（ａ）において示した焦点検出画素４１０の第１受光素子４０１および第２受光素子４０２が、第１列信号線５１０および第２列信号線５２０に別々に接続されたものである。この焦点検出画素５３０は、第１受光素子４０１の電荷を検出して電圧に変換するためのＦＤ５３３と、その変換された電圧を増幅するためのアンプ５３４を備える。また、この焦点検出画素５３０は、第２受光素子４０２の電荷を検出して電圧に変換するためのＦＤ５３１と、その変換された電圧を増幅するためのアンプ５３２を備える。
第２列信号線５２０は、焦点検出画素５３０における第１受光素子４０１が生成した焦点調整信号を読み出すための信号線である。この第２列信号線５２０は、第１列信号線５１０が焦点検出画素５３０の第２受光素子４０２の焦点調整信号を取り出すタイミングと同時に、第１受光素子４０１の焦点調整信号を取り出す。
このように、本発明の第３の実施の形態では、第２列信号線５２０を設けることにより、信号処理部１３０への焦点調整信号の供給に掛かる時間を短縮することができる。これにより、焦点調整用画像データの生成に掛かる時間が短縮され、フォーカス制御に掛かる時間を短縮することができる。
このように、本発明の実施の形態によれば、１対の受光素子のいずれか一方の受光素子における受光量を増加させ、他方の受光素子における受光量を減少させることにより、フォーカス調整の精度を向上させることができる。
なお、本発明の実施の形態は本発明を具現化するための一例を示したものであり、本発明の実施の形態において明示したように、本発明の実施の形態における事項と、特許請求の範囲における発明特定事項とはそれぞれ対応関係を有する。同様に、特許請求の範囲における発明特定事項と、これと同一名称を付した本発明の実施の形態における事項とはそれぞれ対応関係を有する。ただし、本発明は実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において実施の形態に種々の変形を施すことにより具現化することができる。
また、本発明の実施の形態において説明した処理手順は、これら一連の手順を有する方法として捉えてもよく、また、これら一連の手順をコンピュータに実行させるためのプログラム乃至そのプログラムを記憶する記録媒体として捉えてもよい。この記録媒体として、例えば、ＣＤ（Compact Disc）、ＭＤ（MiniDisc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）、メモリカード、ブルーレイディスク（Blu-ray Disc（登録商標））等を用いることができる。
１００ 撮像装置
１１０ レンズ部
１３０ 信号処理部
１４０ 制御部
１５０ 駆動部
１６０ 記憶部
１７０ 表示部
２００ イメージセンサ
３１０ 撮像画素
３１１ マイクロレンズ
３１２ 平坦化膜
３１３ 絶縁膜
３１４ 受光素子
３１６ ＦＤ
３１７ アンプ
４０１ 第１受光素子
４０２ 第２受光素子
４０３ 素子分離領域
４１０、４２０、４３０、４４０、４５０、４６０、４７０、４８０、４９０ 焦点検出画素
８１０ マイクロレンズ

Claims (10)

  1. １対の受光素子間を隔てる分離領域を設け、光を集光するマイクロレンズの光軸を基準にして前記１対の受光素子が非対称となるように配置されている画素が、焦点検出画素として所定の規則に基づいて配置されている撮像素子と、
    前記焦点検出画素により生成された焦点検出信号に基づいて、合焦判定を行う判定部と
    を具備する撮像装置。
  2. 前記画素において、前記分離領域の中心と前記１対の受光素子のいずれか一方の受光素子の前記分離領域側の端部との間に前記光軸が位置するように前記１対の受光素子が配置される請求項１記載の撮像装置。
  3. 前記画素の中心に前記光軸が位置するように前記マイクロレンズが配置される請求項１記載の撮像装置。
  4. 前記画素において、当該画素の中心に前記分離領域の中心が位置するように前記１対の受光素子が配置される請求項１記載の撮像装置。
  5. 前記撮像素子は、前記１対の受光素子の位置が互いに１８０度異なる１対の焦点検出画素が隣接して配置される請求項１記載の撮像装置。
  6. 前記撮像素子は、撮像画像を生成するための撮像信号を生成する撮像画素と前記焦点検出画素とが所定の規則に基づいて混在して配置されている請求項１記載の撮像装置。
  7. 前記撮像素子は、前記焦点検出画素が前記撮像画素間に一定間隔で配置されている請求項６記載の撮像装置。
  8. 合焦判定を行うための焦点検出信号を生成する画素であって、１対の受光素子間を隔てる分離領域を設け、光を集光するマイクロレンズの光軸を基準にして前記１対の受光素子が非対称となるように配置されている画素が所定の規則に基づいて配置されている固体撮像素子。
  9. １対の受光素子間を隔てる分離領域を設け、光を集光するマイクロレンズの光軸を基準にして前記１対の受光素子が非対称となるように配置されている画素が、焦点検出画素として所定の規則に基づいて配置されている撮像素子において前記焦点検出画素が焦点検出信号を生成する撮像手段と、
    前記焦点検出画素により生成された焦点検出信号に基づいて、合焦判定を行う判定手段と
    を具備する撮像方法。
  10. １対の受光素子間を隔てる分離領域を設け、光を集光するマイクロレンズの光軸を基準にして前記１対の受光素子が非対称となるように配置されている画素が、焦点検出画素として所定の規則に基づいて配置されている撮像素子において前記焦点検出画素が焦点検出信号を生成する撮像手段と、
    前記焦点検出画素により生成された焦点検出信号に基づいて、合焦判定を行う判定手順と
    をコンピュータに実行させるプログラム。
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