JP2012113027A - 撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】瞳分割型位相差検出方式における焦点検出精度の低下を防止する。
【解決手段】本発明による撮像素子は、マイクロレンズと、マイクロレンズを通る通過光束を一対の分離光束に分離する偏向素子と、一対の分離光束を受光する一対の光電変換素子とを有する画素が、半導体基板上に一体的に構成され、一対の光電変換素子が一対の分離光束に応じて焦点検出用の焦点検出信号を出力することを特徴とする。
【選択図】図７

Description

本発明は瞳分割型位相差焦点検出用の画素を有する撮像素子及び撮像装置に関する。

マイクロレンズとその背後に配置された一対の光電変換素子からなる焦点検出画素を撮像素子上に一体的に形成し、該撮像素子を光学系の予定焦点面上に配置する。これにより、光学系を通る一対の焦点検出光束が形成する一対の像に応じた一対の像信号を焦点検出画素から出力し、この一対の像信号間の像ズレ量を検出することによって光学系の焦点調節状態を検出する、いわゆる瞳分割型位相差検出方式の焦点検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような瞳分割型位相差検出に用いられる焦点検出画素の構成においては、光学系の射出瞳と一対の光電変換素子とがマイクロレンズにより略共役な関係となっている。したがって、一対の光電変換素子上において光学系の絞り開口のサイズに対応したサイズの領域に光束が入射することになる。

特開２０１０−１２９７８３号公報

上述した従来の技術においては、マイクロレンズを通る光束を受光するための一対の光電変換素子を１つの焦点検出画素内に並べて配置している。それぞれの光電変換素子で発生した電荷が他の光電変換素子に混入しないように、一対の光電変換素子の間には素子分離領域を形成する必要があり、該素子分離領域は最低サブミクロンオーダーの幅を必要としていた。画素サイズが数ミクロンオーダーになると、絞り開口のＦ値が例えば５．６以上というように暗くなった場合、上記光電変換素子上で光束が入射する領域のサイズと素子分離領域のサイズが近づくために、多くの光束が素子分離領域上に入射してしまい、一対の光電変換素子に効率的に光束が入射しなくなる。そのため、焦点検出画素の一対の光電変換素子からは十分な信号が得られなくなり、焦点検出精度が低下したり、焦点検出が不能になるといった問題があった。

（１）請求項１に記載の撮像素子は、マイクロレンズと、マイクロレンズを通る通過光束を一対の分離光束に分離する偏向素子と、一対の分離光束を受光する一対の光電変換素子とを有する画素が、半導体基板上に一体的に構成され、一対の光電変換素子が一対の分離光束に応じて焦点検出用の焦点検出信号を出力することを特徴とする。
（２）請求項１１に記載の撮像装置は、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の撮像素子と、通過光束を射出する光学系と、撮像素子によって出力される撮像信号に基づき画像信号を形成する撮像手段と、撮像素子によって出力される焦点検出信号に基づき光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出手段とを備えることを特徴とする。

本発明の撮像素子によれば、瞳分割型位相差検出方式における焦点検出精度の低下を防止できる。

第１の実施の形態の撮像素子を含むデジタルスチルカメラ２０１の構成を示す横断面図である。 撮像面に設定した撮影画面上における焦点検出エリアを示す図である。 撮像素子の詳細な構成を示す正面図である。 従来の撮像画素の断面図である。 従来の焦点検出画素の断面図である。 従来の焦点検出画素の光電変換素子の境界近傍の拡大正面図である。 焦点検出画素の断面図である。 プリズムと開口部および一対の光電変換素子との位置関係の正面図の一例である。 焦点検出画素の素子分離領域付近を拡大表示した断面図である。 焦点検出画素の光電変換素子の境界近傍の拡大正面図である。 撮像画素の断面図である。 デジタルスチルカメラの撮像動作を示すフローチャートである。 第２の実施の形態の撮像素子に配置される焦点検出画素の断面図である。 撮像素子の詳細な構成を示す正面図である。

−−−第１の実施の形態−−−
第１の実施の形態の撮像素子を含む撮像装置として、レンズ交換式のデジタルスチルカメラを例に挙げて説明する。図１は第１の実施の形態のデジタルスチルカメラ２０１の構成を示す横断面図である。本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とから構成され、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る。レンズ駆動制御装置２０６は、フォーカシング用レンズ２１０の焦点調節、絞り２１１の開口径調節のための駆動制御、ならびに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。また、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およびカメラ情報（デフォーカス量や絞り値など）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、撮像素子２１２、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２１２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（焦点検出エリア）に対応した部分に焦点検出画素が組み込まれている。この撮像素子２１２については詳細を後述する。

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る。ボディ駆動制御装置２１４は、撮像素子２１２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および交換レンズ２０２の焦点調節を繰り返し行うとともに、画像信号の処理および記録、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との通信を行い、レンズ情報の受信およびカメラ情報の送信を行う。

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２１２から読み出された画像データに基づき、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２１２により撮像された画像データ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２１２の撮像面上に被写体像が形成される。この被写体像は撮像素子２１２により光電変換され、撮像画素および焦点検出画素の画素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２１２の焦点検出画素からの画素信号（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２１２の撮像画素の画素信号（撮像信号）を処理して画像データを生成し、メモリカード２１９に格納するとともに、撮像素子２１２から読み出された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。ボディ駆動制御装置２１４は、図１２を用いて後述するように、撮像制御機能および焦点検出制御機能を有する。

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の絞り値とを検出し、これらのレンズ位置と絞り値と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と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２は、交換レンズ２０２の予定結像面、すなわち撮像面に設定した撮影画面上における焦点検出位置（焦点検出エリア）を示す図であり、後述する撮像素子２１２上の焦点検出画素列が焦点検出の際に撮影画面上で像をサンプリングする領域（焦点検出エリア、焦点検出位置）の一例を示す。矩形の撮影画面１００上の中央は交換レンズ２０２の光軸上に位置し、その位置を中心とする水平方向をＸ方向、垂直方向をＹ方向とする。この例では、矩形の撮影画面１００上の中央および上下左右の５箇所に焦点検出エリア１０１、１０２、１０３、１０４、１０５が配置される。長方形で示す焦点検出エリアの長手方向に、焦点検出画素が直線的に配列される。すなわち、焦点検出エリア１０１、１０２、１０３、１０４、１０５においては焦点検出画素が水平方向に直線的に配列される。

図３は撮像素子２１２の詳細な構成を示す正面図であり、図２における焦点検出エリア１０１、１０２、１０３、１０４、１０５の近傍を拡大した画素配列の詳細を示す。撮像素子２１２には撮像画素３１０が二次元正方格子状に稠密に配列される。撮像画素３１０は赤画素（Ｒ）、緑画素（Ｇ）、青画素（Ｂ）からなり、ベイヤー配列の配置規則によって配置されている。図３においては撮像画素と同一の画素サイズを有する焦点検出用の焦点検出画素３１２が水平方向に、本来緑画素と青画素とが連続的に配置されるべき水平行に直線上に連続して配列される。画素サイズは数マイクロメータである。

撮像画素３１０および焦点検出画素３１２のマイクロレンズの形状は、元々画素サイズより大きな円形のマイクロレンズから画素サイズに対応した正方形の形状で切り出した形状をしている。

撮像画素３１０は、矩形のマイクロレンズ１０、後述の遮光マスクで受光領域を略正方形に制限された光電変換素子１１、および色フィルタ（不図示）から構成される。本実施の形態において、光電変換素子１１はフォトダイオードを有する。色フィルタは赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３種類からなり、それぞれの色に対応する分光感度特性を有している。撮像素子２１２には、各色フィルタを有する撮像画素３１０がベイヤー配列されている。

このようにして撮像素子２１２に配置された撮像画素３１０においては、例えば特開２００７−２８２１０７号公報や特開２０１０−１２９７８３号公報に開示されるように、射出瞳に含まれる領域であって、後述する一対の測距瞳に略外接する領域から各マイクロレンズに到来する撮影光束を光電変換素子１１が受光する。各撮像画素３１０の有する光電変換素子１１が出力する撮像信号に基づき、ボディ駆動制御装置２１４が画像データを生成する。

焦点検出画素３１２は、図３に示すように、矩形のマイクロレンズ１０と、受光領域が左右水平方向に分離された一対の光電変換素子１５、１６と、白色フィルタ（不図示）とから構成される。本実施の形態において、光電変換素子１５および１６はフォトダイオードを有する。

また、図３において、焦点検出画素３１２の一対の光電変換素子１５および１６の受光領域を合わせると、撮像画素の光電変換素子１１の受光領域と略同じサイズの正方形となる。

焦点検出画素３１２には全ての色に対して焦点検出を行うために全ての可視光を透過する白色フィルタが設けられている。その白色フィルタは、緑画素、赤画素および青画素の分光感度特性を加算したような分光感度特性を有し、高い感度を示す光波長領域は緑画素、赤画素および青画素の各々において各色フィルタが高い感度を示す光波長領域を包括している。

このようにして撮像素子２１２に配置された焦点検出画素３１２においては、例えば特開２００７−２８２１０７号公報や特開２０１０−１２９７８３号公報に開示されるように、一対の測距瞳から各マイクロレンズに到来する焦点検出光束を一対の光電変換素子１５および１６が受光する。各焦点検出画素３１２が有する一対の光電変換素子１５および１６は焦点検出信号を出力する。ボディ駆動制御装置２１４は、焦点検出信号に基づき、瞳分割型位相差検出方式によって像ズレ量を検出するとともに、デフォーカス量を算出する。

ここで従来の撮像素子における従来の撮像画素および従来の焦点検出画素の構造を、従来の撮像画素３２０および従来の焦点検出画素３２２が図３に示す撮像素子２１２に撮像画素３１０および焦点検出画素３１２の代わりに配置されていた場合を仮定して、図４、図５を用いて説明する。

図４は、図３において水平方向の直線で撮像画素配列の断面をとった場合の従来の撮像画素３２０の断面図である。撮像画素３２０では撮像用の光電変換素子２１の上に近接した面４１に遮光マスク３０が形成される。光電変換素子２１は、遮光マスク３０の開口部３０ａを通過した光を受光する。開口部３０ａは略正方形であり、その中心はマイクロレンズ１０の光軸４２と一致している。遮光マスク３０の上には平坦化層３１が形成され、その上に色フィルタ３８が形成される。色フィルタ３８の上には平坦化層３２が形成され、その上にマイクロレンズ１０がオンチップレンズとして形成される。マイクロレンズ１０により開口部３０ａが配置された面４１は交換レンズの平均的な射出瞳距離にある面と共役な関係になっている。光電変換素子２１は半導体回路基板２９上に形成され、半導体基板表面４０の受光面への入射光を光電変換して入射光量に応じた量の電荷を発生する。この電荷は電気信号として撮像素子の外部に読み出される。半導体基板表面４０と遮光マスク３０との間には平坦化層３１と同じ材質が充填される。

図５は、図３において水平方向の直線で焦点検出画素配列の断面をとった場合の従来の焦点検出画素３２２の断面図である。焦点検出画素３２２では焦点検出用の光電変換素子２５、２６の上に近接した面４１に遮光マスク３０が形成される。光電変換素子２５、２６は、遮光マスク３０の開口部３０ｄを通過した光を受光する。開口部３０ｄは略正方形であり、その中心はマイクロレンズ１０の光軸４２と一致している。遮光マスク３０の上には平坦化層３１が形成され、その上に白色フィルタ３４が形成される。白色フィルタ３４の上には平坦化層３２が形成され、その上にマイクロレンズ１０がオンチップレンズとして形成される。マイクロレンズ１０により開口部３０ｄが配置された面４１は交換レンズの平均的な射出瞳距離にある面と共役な関係になっている。光電変換素子２５、２６は素子分離領域２７を境界領域として半導体回路基板２９上に形成される。

光電変換素子２５、２６の境界領域の位置は、焦点検出画素が配置された位置、すなわち図２において画面中央からの水平方向（Ｘ方向）の位置に応じて設定される。焦点検出画素の画面中央からの水平方向の位置が画面中央を表す場合、すなわち水平方向の像高が０の場合は、境界領域の位置はマイクロレンズ１０の光軸４２上に設定される。また焦点検出画素の画面中央からの水平方向の位置が画面中央を表すものではない場合、すなわち水平方向の像高が０でない場合は、境界領域の位置はマイクロレンズ１０の光軸４２上から、画面中央から焦点検出画素の位置に向かう方向と略同一の方向に偏位して設定される。これにより境界領域がマイクロレンズ１０により交換レンズの平均的な射出瞳距離にある面に投影された時、該境界領域の投影像が交換レンズの光軸上を通るようになる。

光電変換素子２５、２６は半導体回路基板２９上に形成され、半導体基板表面４０の受光面への入射光を光電変換して入射光量に応じた量の電荷を発生する。この電荷は焦点検出信号を構成し、電気信号として撮像素子の外部に読み出される。半導体基板表面４０と遮光マスク３０との間には平坦化層３１と同じ材質が充填される。

なお図４、図５において上記マイクロレンズ１０から光電変換素子２１、２５、２６までの構造物は、周知の半導体イメージセンサ製造技術により半導体基板２９上に一体的に形成される。

図６に、図５で示した従来の焦点検出画素３２２の光電変換素子２５、２６の境界近傍の拡大正面図を示す。一対の光電変換素子２５、２６の境界領域には、一方の光電変換素子で発生した電荷が他方の光電変換素子に混入しないように素子分離領域２７が配置される。素子分離領域２７の幅は最低でも数百ナノメートルが必要となる。光電変換素子２５、２６が配置された半導体基板表面４０は遮光マスク３０が配置された面４１に近接しているので、マイクロレンズ１０による交換レンズの射出瞳の像と略同等な像１８が半導体基板表面４０上に形成される。すなわち半導体基板表面４０上における像１８内に光が入射することになる。像１８の大きさは射出瞳径に応じて変化するので、交換レンズの絞り開口の径が小さくなるほど、すなわち交換レンズのＦナンバーが大きくなるほど、像１８のサイズは小さくなる。

図６（ａ）は、図２において撮影画面１００上の中央近傍に対応する交換レンズ光軸上の焦点検出エリア１０１に配置された焦点検出画素３２２の光電変換素子２５、２６を示した図である。交換レンズの絞りのＦナンバーが大きくなると、像１８の径が小さくなって素子分離領域２７の幅の寸法に近づくので、光電変換素子２５、２６の受光面への入射光量が減少し、光電変換素子２５、２６の出力する焦点検出信号を用いた焦点検出に支障を来たす。

図６（ｂ）は図２において撮影画面１００上の水平方向、すなわちＸ方向の像高が高い位置の焦点検出エリア１０５に配置された焦点検出画素３２２の光電変換素子２５、２６を示した図である。交換レンズの絞りのＦナンバーが大きくなり、かつ交換レンズの射出瞳距離の平均的な射出瞳距離からの離脱量が大きくなると、像１８の径が小さくなって素子分離領域２７の幅の寸法に近づくとともに、像１８の中心が光電変換素子２５、２６の間の境界領域の中心と一致せずに偏る。この場合、光電変換素子２５、２６の受光面への入射光量が減少するとともに、光電変換素子２５、２６の受光面への入射光量のバランスが大きく崩れてしまうので、光電変換素子２５、２６の出力する焦点検出信号を用いた焦点検出に支障を来たす。

焦点検出画素を従来のような構成とした場合には、上記のような問題が発生するので、本発明においては焦点検出画素３１２を図７に示す構造とする。

図７は、図３において水平方向の直線で焦点検出画素配列の断面をとった場合の焦点検出画素３１２の断面図であり、従来の焦点検出画素３２２と同一の構成については図５と同じ符号で示すこととし、説明を省略する。図７において図５と異なる点の１つは、遮光マスク３０が形成された面４１において開口部３０ｄに重畳して、光分離素子である一対の偏向素子、すなわちプリズム５０、５１が配置される点である。一対のプリズム５０、５１は三角柱の形状をしたプリズムであって、その三角柱の中心軸が一対の光電変換素子１５および１６の長手方向と平行となるように、かつ遮光マスク３０の開口部３０ｄを等分するように配置される。これに伴い、光電変換素子１５および１６の大きさについても、後述するように焦点検出画素３２２の光電変換素子２５および２６の大きさと異なることとなる。

また、従来の焦点検出画素３２２と同様に、焦点検出画素３１２においても、マイクロレンズ１０により開口部３０ｄが配置された面４１は交換レンズの平均的な射出瞳距離にある面と共役な関係になっている。上述したように、一対のプリズム５０、５１は面４１に配置されるので、すなわち一対のプリズム５０、５１が配置された面４１とマイクロレンズ１０を通過する通過光束を射出する交換レンズの射出瞳面とは、マイクロレンズ１０により互いに光学的に略共役となっている。

一対のプリズム５０、５１の材質の屈折率は平坦化層３１の材質の屈折率よりも高く設定されている。例えば平坦化層３１の材質はシリコン酸化物（ＳｉＯ_２：屈折率１．４６）とし、一対のプリズム５０、５１の材質はシリコン窒化物（ＳｉＮ：屈折率２．０）とする。一対のプリズム５０、５１は、周知のフォトリソグラフィーと、特開２００１-３０９３９５号公報などに開示されるエッチングプロセス（等方性エッチング、異方性エッチング、エッチバックなど）とを用いた製造方法により層内プリズムとして形成される。そのため、一対のプリズム５０、５１の境界部の位置精度およびエッジ形状の形状精度も高く、境界部での光束散乱を防止することができる。

図８にマイクロレンズ１０側から見たプリズムと開口部３０ｄおよび一対の光電変換素子１５、１６との位置関係の正面図の一例を示す。

一対のプリズム５０、５１は、焦点検出画素３１２が撮影画面の中央近傍にある場合には図７および８に示すようにマイクロレンズ１０の光軸４２を対称軸として対称的に配置され、一対のプリズム５０、５１の境界線４４は光軸４２を通る。一対のプリズム５０、５１は光軸４２を挟んで互いに反対側の等距離の位置に設けられている。すなわち、図８（ａ）において、プリズム５０と光軸４２との距離Ｌ１は、プリズム５１と光軸４２との距離Ｌ２に等しい。従って、マイクロレンズ１０を通過して開口部３０ｄに入射する通過光束のうち、開口部３０ｄの左半分に入射する光束は、プリズム５０により、左方向に偏向されて開口部３０ｄから一方の分離光束として出射して光電変換素子１５の受光面に入射する。換言すると、プリズム５０は、光電変換素子１５が開口部３０ｄの左半分に入射する光束に由来する分離光束を受光するように、通過光束から分離光束を分離する。一方マイクロレンズ１０を通過して開口部３０ｄに入射する通過光束のうち、開口部３０ｄの右半分に入射する光束は、プリズム５１により、右方向に偏向されて開口部３０ｄから他方の分離光束として出射して光電変換素子１６の受光面に入射する。換言すると、プリズム５１は、光電変換素子１６が開口部３０ｄの右半分に入射する光束に由来する分離光束を受光するように、通過光束から分離光束を分離する。一対のプリズム５０、５１の屈折作用により、通過光束から分離されて一対のプリズム５０、５１から出射された一対の分離光束は、これらを受光する一対の光電変換素子１５、１６に近づくにつれて、互いに離間する。

図７に示すように、焦点検出画素３１２においては、開口部３０ｄが配置された面４１と半導体基板表面４０との距離を、図５に示す焦点検出画素３２２よりも長く設定する。このことにより、一対のプリズム５０、５１により分離偏向された一対の分離光束を、半導体基板表面４０上において、素子分離領域１７の幅よりも大きく分離することができる。上記開口部３０ｄが配置された面４１と半導体基板表面４０との距離は、一対のプリズム５０、５１の偏向角、面４１を基準としたマイクロレンズ１０のＦナンバー、および素子分離領域１７の幅に応じて決められる。プリズムの偏向角とは、プリズムに入射する光線とプリズムから出射する光線とのなす角度である。例えばマイクロレンズ１０の左端からプリズム５０の右端に入射する光線６０（開口部３０ｄの左半分に入射する光線の中で左方向からの入射角が最も大きくなる光線）は、プリズム５０により偏向され、光電変換素子１５の右端に入射するように上記距離が設定される。マイクロレンズ１０の右端から開口部３０ｄの左端に入射する光線６１（開口部３０ｄの左半分に入射する光線の中で右方向からの入射角が最も大きくなる光線）は、プリズム５０により偏向され、光電変換素子１５の左端に入射するように光電変換素子１５の大きさが設定される。

したがって、開口部３０ｄが配置された面４１と半導体基板表面４０との距離に起因して、図７に示す焦点検出画素３１２の有する一対の光電変換素子１５および１６は、図５に示す焦点検出画素３２２の有する一対の光電変換素子２５および２６よりも幅が広がっていて大きい。例えば図２における焦点検出エリア１０４を構成する焦点検出画素３１２の一対のプリズム５０、５１、開口部３０ｄ、一対の光電変換素子１５および１６、ならびに素子分離領域１７は、図８（ａ）に示すような位置関係で表される。図８（ａ）に示すように、焦点検出エリア１０４を構成する焦点検出画素３１２においては、一対の光電変換素子１５および１６の各々の外周を構成する４辺のうち、素子分離領域１７と接する辺を除く他の３辺は、開口部３０ｄよりも外側に位置する。

図７に示すように、素子分離領域１７上には遮光部材４３が半導体基板表面４０と面４１との間に配置される。遮光部材４３は、開口部３０ｄの左半分を通過する光束に含まれる光線が迷光となって光電変換素子１６に入射することを防止するとともに、開口部３０ｄの右半分を通過する光束に含まれる光線が迷光となって光電変換素子１５に入射することを防止する。

図９は、焦点検出画素３１２の素子分離領域１７付近を拡大表示した断面図であって、光電変換素子１５および１６は、Ｐウェル（Ｐ型半導体領域）上に形成されたＮ型半導体領域によりフォトダイオードとして形成される。光電変換素子１５および１６を形成するＰＮ接合の間には２つのフォトダイオードを分離するための高濃度Ｐ型半導体領域が素子分離領域１７として形成される。素子分離領域１７の構成としてはこの他に、半導体回路基板２９をエッチングしてその中に酸化物（例えばＳｉＯ_２）を埋め込むような構成であってもよい。遮光部材４３はフォトリソグラフィーおよびエッチングプロセスにより平坦化層３１に溝部を形成した後、該溝部にスパッタリング法などを用いてタングステン、窒化チタン、アルミニウムなどの無機材料を埋め込むことにより形成される。

以上のような構成により、マイクロレンズ１０を通過して開口部３０ｄに入射した通過光束は、一対のプリズム５０、５１により一対の分離光束に分離偏向される。図１０に、図７で示した焦点検出画素３１２の光電変換素子１５、１６の境界近傍の拡大正面図を示す。図１０（ａ）は、図２において撮影画面１００上の中央近傍に対応する交換レンズ光軸上の焦点検出エリア１０１に配置された焦点検出画素３１２の光電変換素子１５、１６を示した図である。図１０（ｂ）は図２において撮影画面１００上の水平方向、すなわちＸ方向の像高が高い位置の焦点検出エリア１０５に配置された焦点検出画素３１２の光電変換素子１５、１６を示した図である。図１０（ａ）および（ｂ）は、従来技術に基づく図６（ａ）および（ｂ）と対応している。図１０（ａ）および（ｂ）に示すように、開口部３０ｄの左半分を通る分離光束８５は光電変換素子１５によりすべて受光され、開口部３０ｄの右半分を通る分離光束８６は光電変換素子１６によりすべて受光される。従って、図６に示した従来技術のように素子分離領域２７上に入射する光束が、図１０（ａ）および（ｂ）に示す素子分離領域１７上においては存在しなくなるので、前述した従来技術の問題点を解消することができる。

図１１は、図３において水平方向の直線で撮像画素配列の断面をとった場合の撮像画素３１０の断面図であり、従来の撮像画素３２０と同一の構成については図４と同じ符号で示すこととし、説明を省略する。図１１において図４と異なる点の１つは、図４における遮光マスク３０が形成された面４１と光電変換素子１１の表面４０との距離に比して、図１１における遮光マスク３０が形成された面４１と光電変換素子１１の表面４０との距離が、撮像画素３１０の構造を焦点検出画素３１２の構造に合わせるために増大した点である。該距離の増大に伴い、開口部３０ａへの入射角度の大きな光線を受光するために、光電変換素子１１の大きさが図４の光電変換素子２１より大きくなっている。

なお、図７および１１において上記マイクロレンズ１０から光電変換素子１５および１６または１１までの構造物は、周知の半導体イメージセンサ製造技術により、半導体回路基板２９上に一体的に形成される。

図１２は、本実施の形態の撮像素子を含むデジタルスチルカメラ２０１の撮像動作を示すフローチャートである。図１２に示す各処理ステップは、ボディ駆動制御装置２１４によって実行される。ボディ駆動制御装置２１４は、ステップＳ１００でカメラの電源がオンされると、ステップＳ１１０以降の撮像動作を開始する。

ステップＳ１１０において撮像素子２１２は一定周期で撮像動作を繰り返す（例えば１秒間に６０フレームを出力する）動作モードに設定される。そして１フレーム分の全画素データを読み出す。続くステップＳ１２０では、撮像画素データから間引きしたデータを液晶表示素子２１６にライブビュー表示させる。

ステップＳ１３０では焦点検出画素データに基づき図２に示した５つの焦点検出エリアにおいて焦点検出を行い、最終的に１つのデフォーカス量を算出する。デフォーカス量の信頼性が低い場合またはデフォーカス量の算出が不能であった場合は焦点検出不能となる。ステップＳ１３０の詳細については後述する。

ステップＳ１４０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Ｓ１５０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のフォーカシング用レンズ２１０を合焦位置に駆動させる。その後、ステップＳ１１０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のフォーカシング用レンズ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Ｓ１１０へ戻って上述した動作を繰り返す。

ステップＳ１４０で合焦近傍であると判定された場合はステップＳ１６０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Ｓ１１０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Ｓ１７０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（撮影者により設定されたＦ値または自動設定されたＦ値）にする。絞り制御が終了した時点で、撮像素子２１２に被写体輝度に応じた露光時間による撮像動作を行わせ、撮像素子２１２の撮像画素３１０および全ての焦点検出画素３１２から画素データを読み出す。

ステップＳ１８０において、例えば特開２００７-２８２１０７号公報に開示されるように、焦点検出画素列の各画素位置における仮想的な撮像画素の画素データを、焦点検出画素の周囲の撮像画素の画素データと焦点検出画素の画素データとに基づいて画素補間する。続くステップＳ１９０では、撮像画素データおよび補間された撮像画素データからなる画像データをメモリカード２１９に記憶させ、ステップＳ１１０へ戻って上述した動作を繰り返す。

図１８のステップＳ１３０におけるデフォーカス量の算出、およびその算出で用いられる一般的な像ズレ検出演算処理（相関演算処理）の詳細は、特開２０１０−１２９７８３号公報に開示されており、その像ズレ量に変換係数を乗じてデフォーカス量が算出される。こうしたデフォーカス量の算出は、図２に示した５つの焦点検出エリアのうちのいずれの焦点検出エリアにおいても同様である。なお、上記変換係数は焦点検出画素が受光する一対の光束の開き角に対応しており、測距瞳距離を一対の測距瞳の重心間隔で除算した値である。また、測距瞳の重心間隔が絞り開口径に応じて変化するために、上記変換係数も絞り開口径に応じて変化する。

上述した本実施の形態では、光学系の射出瞳を一対に分割した測距瞳を通過した通過光束を受光して一対の信号を出力する瞳分割方式の焦点検出画素において、マイクロレンズと一対の光電変換素子との間に、偏向素子（プリズム）を配置する。偏向素子は、マイクロレンズから一対の光電変換素子に向かう通過光束を一対の分離光束に分離する。一対の光電変換素子は一対の分離光束をそれぞれ受光する。このように構成したため、マイクロレンズから一対の光電変換素子に向かう通過光束が一対の光電変換素子の境界領域に設けられた素子分離領域に到達することなく、通過光束を一対の光電変換素子で効率的に受光することができる。したがって、光学系の絞りのＦナンバーが大きい場合にも焦点検出性能を良好に維持することができる。また、撮像素子上の像高が高い位置に配置された焦点検出画素においても、通過光束を素子分離領域で受光せずに一対の光電変換素子で効率的に受光することができる。したがって、一対の光電変換素子の出力信号のレベルの相違が拡大することを防止し、焦点検出性能を良好に維持することができる。

−−−第２の実施の形態−−−
第１の実施の形態の撮像素子２１２においては、焦点検出画素３１２は図７に示すように開口部３０ｄに重畳して一対のプリズム５０、５１を配置している。しかし、開口部３０ｄに配置する偏向素子としてはプリズムに限定されることなく、偏向作用を有する光学素子であればよい。

図１３は、図３において水平方向の直線で焦点検出画素配列の断面をとった場合の、第２の実施の形態の撮像素子２１２に配置される焦点検出画素３１２の断面図である。図７に示す焦点検出画素３１２と同一の構成については図７と同じ符号で示すこととし、説明を省略する。図１３において図７と異なる点の１つは、遮光マスク３０が形成された面４１において開口部３０ｄに重畳して、光分離素子である一対の偏向素子としてのレンズ５２、５３が配置される点である。一対のレンズ５２、５３は、例えば半円柱形状のシリンドリカルレンズであって、その半円柱の中心軸が一対の光電変換素子１５および１６の長手方向と平行となるように、かつ遮光マスク３０の開口部３０ｄを等分するように配置される。一対のレンズ５２、５３は、シリンドリカルレンズでなくても、一対のレンズ５２、５３の境界線が一対のレンズ５２、５３の並び方向と垂直な直線となるレンズであれば、多角柱形状等の他のレンズでも良い。

図１３においては、一対のレンズ５２、５３の光軸は開口部３０ｄを等分した場合の各領域の中心位置（すなわち開口部３０ｄの端から開口部３０ｄの幅の１／４だけ開口部３０ｄの中心に寄った位置）よりも、開口部３０ｄの中心から外側に離れる方向に偏位している。図１３は、説明を簡略化するために、図７に示す第１の実施の形態における一対のプリズム５０、５１を本実施の形態における一対のレンズ５２、５３に置き換えたに過ぎない例を示している。しかし、本実施の形態における一対のレンズ５２、５３を用いる場合は、図１３に示した配置に限られず、開口部３０ｄを覆う配置であれば他の配置であっても良い。

また、第１の実施の形態における焦点検出画素３１２と同様に、本実施の形態における焦点検出画素３１２においても、一対のレンズ５２、５３が配置された面４１とマイクロレンズ１０を通過する通過光束を射出する交換レンズの射出瞳面とは、マイクロレンズ１０により互いに光学的に略共役となっている。

一対のレンズ５２、５３の材質の屈折率は平坦化層３１の材質の屈折率よりも高く設定されている。例えば平坦化層３１の材質はシリコン酸化物（ＳｉＯ_２：屈折率１．４６）とし、一対のレンズ５２、５３の材質はシリコン窒化物（ＳｉＮ：屈折率２．０）とする。一対のレンズ５２、５３は、周知のフォトリソグラフィーと、特開２００１−３０９３９５号公報などに開示されるエッチングプロセス（等方性エッチング、異方性エッチング、エッチバックなど）とを用いた製造方法により層内レンズとして形成される。そのため、一対のレンズ５２、５３の境界部の位置精度およびエッジ形状の形状精度も高く、境界部での光束散乱を防止することができる。

一対のレンズ５２、５３は、焦点検出画素３１２が撮影画面の中央近傍にある場合には図１３に示すようにマイクロレンズ１０の光軸４２を対称軸として対称的に配置され、一対のレンズ５２、５３の境界線は光軸４２を通る。一対のレンズ５２、５３は光軸４２を挟んで互いに反対側の等距離の位置に設けられている。従って、マイクロレンズ１０を通過して開口部３０ｄに入射する通過光束のうち、開口部３０ｄの左半分に入射する光束は、レンズ５２により、左方向に偏向されて開口部３０ｄから一方の分離光束として出射し集光しながら光電変換素子１５の受光面に入射する。換言すると、レンズ５２は、光電変換素子１５が開口部３０ｄの左半分に入射する光束に由来する分離光束を受光するように、通過光束から分離光束を分離する。一方マイクロレンズ１０を通過して開口部３０ｄに入射する通過光束のうち、開口部３０ｄの右半分に入射する光束は、レンズ５３により、右方向に偏向されて開口部３０ｄから他方の分離光束として出射して集光しながら光電変換素子１６の受光面に入射する。換言すると、レンズ５３は、光電変換素子１６が開口部３０ｄの右半分に入射する光束に由来する分離光束を受光するように、通過光束から分離光束を分離する。一対のレンズ５２、５３の屈折作用により通過光束から分離されて一対のレンズ５２、５３から出射された一対の分離光束は、これらを受光する一対の光電変換素子１５、１６に近づくにつれて、互いに離間する。

上記開口部３０ｄが配置された面４１と半導体基板表面４０との距離は、一対のレンズ５２、５３の偏向角、焦点距離、面４１を基準したマイクロレンズ１０のＦナンバー、および素子分離領域１７の幅に応じて決められる。レンズの偏向角とは、プリズムに入射する光線とプリズムから出射する光線とのなす角度である。例えばマイクロレンズ１０の左端からレンズ５２の右端に入射する光線６０（開口部３０ｄの左半分に入射する光線の中で左方向からの入射角が最も大きくなる光線）は、レンズ５２により偏向され、光電変換素子１５の右端に入射するように上記距離が設定される。マイクロレンズ１０の右端から開口部３０ｄの左端に入射する光線６１（開口部３０ｄの左半分に入射する光線の中で右方向からの入射角が最も大きくなる光線）は、レンズ５２により偏向され、光電変換素子１５の左端に入射するように光電変換素子１５の大きさが設定される。

以上のような構成により、マイクロレンズ１０を通過して開口部３０ｄに入射した通過光束は、一対のレンズ５２、５３により一対の分離光束に分離偏向される。図１３で示した焦点検出画素３１２の光電変換素子１５、１６の境界近傍の拡大正面図は、図１０と同様である。図１０に示すように、開口部３０ｄの左半分を通る分離光束８５は光電変換素子１５によりすべて受光され、開口部３０ｄの右半分を通る分離光束８６は光電変換素子１６によりすべて受光される。従って、図６に示した従来技術のように素子分離領域２７上に入射する光束が、図１０に示す素子分離領域１７上においては存在しなくなるので、前述した従来技術の問題点を解消することができる。

また上記のように偏向素子としてレンズを用いた場合には、偏向素子としてプリズムを用いた場合と比較して、次の利点がある。まず、開口部３０ｄに入射する通過光束を集光して分離光束として出射することにより、開口部３０ｄの光軸４２近傍に入射する光線をより大きく偏向できる。また、図１３に示す光線６１のように開口部３０ｄの端に入射する光線をマイクロレンズ１０の光軸４２に近づく方向に偏向することができるので、開口部３０ｄが配置された面４１と半導体基板表面４０との距離を短くするとともに、光電変換素子１５、１６の大きさを小さくすることができる。偏向素子としてレンズを用いた場合には、偏向素子としてプリズムを用いた場合よりも、偏向素子表面と光軸４２とがなす角度を小さくすることができるので、上記距離が短くても素子分離領域１７のために一対の光電変換素子１５、１６の境界領域を十分に確保できる。なお、一対のレンズ５２、５３の表面は球面でなくても、例えば多面体であっても良い。

−−−変形例−−−
（１）図３に示す実施形態においては、撮像画素が２次元的に配列された撮像素子において一部の撮像画素を焦点検出画素に置換した構成になっていたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば図１４に示すように、撮像素子の全画素を焦点検出画素として構成してもよい。

図１４は、図３に対応した撮像素子２１２の詳細な構成を示す正面図であり、画面の一部を拡大した場合の画素配列の詳細を示す。撮像素子２１２には焦点検出画素３１１が二次元正方格子状に稠密に配列される。焦点検出画素３１１は色フィルタを有している。焦点検出画素３１１の構造は色フィルタを有している点を除き、上述した各実施の形態における焦点検出画素３１２と同一である。焦点検出画素３１１の有する色フィルタには赤画素（Ｒ）用、緑画素（Ｇ）用、青画素（Ｂ）用の３種類の相異なる分光感度特性を有する色フィルタが含まれ、これら３種類の色フィルタがベイヤー配列の配置規則によって配置されている。

このような実施形態においては、同一の水平行に存在する同一の色同士の焦点検出画素の各々に含まれる一対の光電変換素子の出力に対して、前述した像ズレ検出演算処理を施すことにより、いわゆる瞳分割型位相差検出方式の焦点検出を行うことができる。

また各焦点検出画素に含まれる一対の光電変換素子の出力を加算することにより、従来のベイヤー配列された撮像画素の撮像信号出力と同様の出力を得ることができ、これにより画像信号を生成することができる。各焦点検出画素の一対の光電変換素子の出力を加算する処理は、一旦撮像素子から全画素の一対の光電変換素子の出力信号を読み出した後にボディ駆動制御装置２１４側で行う。あるいは、特開２００１−３０５４１５号公報に開示されるように、焦点検出画素毎に出力加算回路を設け、画像信号出力を読み出したい場合は、撮像素子側で該加算回路にて加算した出力をボディ駆動制御装置２１４が読み出すようにしてもよい。焦点検出画素毎に出力加算回路が設けられる場合には、偏向素子により分離した分離光束を受光する一対の光電変換素子の間の境界領域に該出力加算回路を設けるようにすれば、画素内の半導体表面の効率的な利用が可能になる。

このような実施形態においては、撮像画面の任意の位置で焦点検出が可能になるとともに、従来の撮像素子と同様の品質の画像信号を得ることが出来る。

（２）上述した実施形態においてはマイクロレンズと光電変換素子との間に一対の偏向素子を設けた。しかし、必ずしも一対の偏向素子が必要であると言うわけではなく、一対の偏向素子の一方のみを配置する構成としても良い。このような構成においても光束の分離効果を得ることが出来る。例えば図２における焦点検出エリア１０４を構成する焦点検出画素３１２のプリズム５０、開口部３０ｄ、一対の光電変換素子１５および１６、ならびに素子分離領域１７は、図８（ｂ）に示すような位置関係で表される。図８（ｂ）に一例を示すように、焦点検出エリア１０４を構成する焦点検出画素３１２においては、光電変換素子１５の外周を構成する４辺のうち、素子分離領域１７と接する辺を除く他の３辺は、開口部３０ｄよりも外側に位置する。図８（ｂ）に示す例では、光電変換素子１６の外周を構成する４辺のうち、素子分離領域１７と接する辺を除く他の３辺は、開口部３０ｄの位置と略一致する。プリズム５０は、開口部３０ｄに入射する通過光束に対して、光電変換素子１５が受光する一方の分離光束を、光電変換素子１６が受光する他方の分離光束から分離している。

（３）上述した実施形態においては、素子分離領域１７上の、半導体基板表面４０と面４１との間に遮光部材４３を配置した。しかし、一対の光電変換素子１５および１６への上述した迷光の入射が無ければ、あるいは他の方法によって迷光の入射が防止されていれば、必ずしも遮光部材４３は必要では無い。

（４）上述した実施形態においては、光電変換素子１５および１６はフォトダイオードを有することとした。しかし、それに限らず、光電変換素子１５および１６は、電圧を加えることによって電荷蓄積領域が形成されるフォトゲート型光電変換素子であっても良い。

（５）上述した実施形態においては、撮像素子としてＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等を用いることもできる。

（６）撮像装置としては、上述したようなカメラボディに交換レンズが装着される構成のデジタルスチルカメラに限定されない。例えばレンズ一体型のデジタルスチルカメラ、あるいはビデオカメラにも本発明を適用することができる。さらには、携帯電話などに内蔵される小型カメラモジュール、監視カメラやロボット用の視覚認識装置、車載カメラなどにも適用できる。

１０ マイクロレンズ、１１、１５、１６、２１、２５、２６ 光電変換素子、
２９ 半導体回路基板、３０ 遮光マスク、３１、３２ 平坦化層、
３４ 白色フィルタ、３８ 色フィルタ、
４０ 半導体基板表面、４１ 面、４２ 光軸、４３ 遮光部材、４４ 境界線、
５０、５１ プリズム、５２、５３ レンズ、６０、６１ 光線、８５、８６ 分離光束、
１００ 撮影画面、１０１〜１０５ 焦点検出エリア、
２０１ デジタルスチルカメラ、２０２ 交換レンズ、２０３ カメラボディ、
２０４ マウント部、２０６ レンズ駆動制御装置、
２０８ ズーミング用レンズ、２０９ レンズ、２１０ フォーカシング用レンズ、
２１１ 絞り、２１２ 撮像素子、２１３ 電気接点、
２１４ ボディ駆動制御装置、２１５ 液晶表示素子駆動回路、２１６ 液晶表示素子、
２１７ 接眼レンズ、２１９ メモリカード、
３１０、３２０ 撮像画素、３１１、３１２、３２２ 焦点検出画素

Claims (11)

1. マイクロレンズと、前記マイクロレンズを通る通過光束を一対の分離光束に分離する偏向素子と、前記一対の分離光束を受光する一対の光電変換素子とを有する画素が、半導体基板上に一体的に構成され、
   前記一対の光電変換素子が前記一対の分離光束に応じて焦点検出用の焦点検出信号を出力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、
   前記偏向素子が配置された偏向素子配置面と前記通過光束を射出する光学系の射出瞳面とは、前記マイクロレンズにより互いに光学的に略共役となっていることを特徴とする撮像素子。
3. 請求項１または２に記載の撮像素子において、
   前記画素は、前記偏向素子配置面に、前記通過光束が入射する開口を有する遮光マスクを有することを特徴とする撮像素子。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像素子において、
   前記偏向素子は、前記一対の分離光束の夫々に対応して２個設けられ、前記一対の分離光束を互いに離間させるように偏向して出射することを特徴とする撮像素子。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像素子において、
   前記偏向素子は、柱状の形状を有し、前記柱状の形状の中心軸が前記一対の光電変換素子の各々の長手方向と平行となるように配置され、前記通過光束を屈折させることにより前記一対の分離光束に分離することを特徴とする撮像素子。
6. 請求項５に記載の撮像素子において、
   前記偏向素子は層内プリズムであることを特徴とする撮像素子。
7. 請求項５に記載の撮像素子において、
   前記偏向素子は層内レンズであることを特徴とする撮像素子。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の撮像素子において、
   前記画素は、前記一対の分離光束に含まれる光線が、前記一対の光電変換素子のうち前記光線に対応する光電変換素子とは異なる光電変換素子へ入射することを防止する遮光部材をさらに備え、
   前記遮光部材は、前記偏向素子が配置された偏光素子配置面と前記一対の光電変換素子が配置された基板の表面との間に設けられることを特徴とする撮像素子。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の撮像素子において、
   前記一対の光電変換素子の各々はフォトダイオードを有し、
   前記画素は、前記一対の光電変換素子が互いに離間するための素子分離領域を前記一対の光電変換素子の間に有することを特徴とする撮像素子。
10. 請求項９に記載の撮像素子において、
    前記偏向素子が前記一対の分離光束の各々に対応するように一対の偏向素子が設けられ、前記マイクロレンズの光軸を挟んで互いに反対側の等距離の位置に設けられ、
    前記一対の偏向素子は、前記一対の光電変換素子がそれぞれ前記一対の分離光束を受光するように前記一対の分離光束を分離することを特徴とする撮像素子。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の撮像素子と、
    前記通過光束を射出する光学系と、
    前記撮像素子によって出力される撮像信号に基づき画像信号を形成する撮像手段と、
    前記撮像素子によって出力される前記焦点検出信号に基づき前記光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出手段とを備えることを特徴とする撮像装置。

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