JP2012235444A - 撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光電変換部の分割に伴い生じる低感度帯の影響を抑制すること。
【解決手段】 撮像素子は、第１の方向に第１の分割数に分割され、前記第１の方向と垂直な第２の方向に第２の分割数に分割された光電変換部をそれぞれが有する、複数の第１画素と、前記第１の方向に第３の分割数に分割され、前記第２の方向に第４の分割数に分割された光電変換部をそれぞれが有する、複数の第２画素とをそれぞれが備えた、複数の撮像画素群を含み、第１画素及び前記第２画素を構成する複数の光電変換部は、撮像光学系からの光束のうち分割された光束により形成された複数の像を光電変換して位相差の検出に用いられる焦点検出信号を出力する機能を備えており、第１の分割数と第３の分割数が互いに素の自然数であり、第２の分割数と第４の分割数が互いに素の自然数であることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、撮像素子及び撮像素子を備えた撮像装置に関するものである。

撮影レンズの焦点状態を検出する方式の一つとして、各画素にマイクロレンズが形成された２次元撮像素子を用いて、瞳分割位相差方式の焦点検出を行う撮像装置が提案されている。

例えば、特許文献１では、各画素に、１つのマイクロレンズと複数に分割された光電変換部とが形成されている２次元撮像素子を用いた撮像装置が開示されている。分割された光電変換部は、１つのマイクロレンズを介して撮影レンズの射出瞳の異なる領域を受光するように構成され、瞳分割を行っている。これらの分割された光電変換部で受光したそれぞれの信号から像ずれ量を求めて、焦点検出を行い、分割された光電変換部で受光した信号を足し合わせることで、撮像信号を取得する。

また、特許文献１では、焦点検出に限らず、各画素で左右に分割された光電変換部で受光した視差信号を、右眼用と左眼用に別々に表示することで、立体画像が可能となることが開示されている。

また、特許文献２では、光電変換部の分割位置が異なる複数の画素列を備え、マイクロレンズの偏心誤差や、交換レンズの種類や像高による瞳変化に応じて最適な画素列を選択することで、画素出力のアンバランスを軽減させることが開示されている。

米国特許第４４１０８０４号明細書 特開２００９−０１５１６４号公報

しかしながら、光電変換部を複数に分離するために形成される分割帯では、光の受光感度が低下してしまう。この分割帯は、マイクロレンズを介して、撮影レンズの射出瞳に、射出瞳形状に応じた低感度帯を形成してしまい、撮像画像に不自然なボケを生じてしまうという課題がある。また、特許文献２に開示されている技術では、撮影レンズのＦナンバーを絞りこんだ場合に、画素出力が低下することで撮影画像の画質が低下するという問題がある。更に、隣接して並んだ画素全てが同じように分割されているため、複数画素連続して画素出力の低下が生じてしまい、より画質が低下してしまう。焦点検出を行う際には、撮影レンズのＦナンバーを明るく設定することで、画素出力の低下を防止することができるが、撮影画像を取得する際には、露出の要であるＦナンバーに制限を与えることはできないため、大きな問題となっている。

本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、光電変換部の分割に伴い生じる低感度帯の影響を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の撮像素子は、第１の方向に第１の分割数に分割され、前記第１の方向と垂直な第２の方向に第２の分割数に分割された光電変換部をそれぞれが有する、複数の第１画素と、前記第１の方向に第３の分割数に分割され、前記第２の方向に第４の分割数に分割された光電変換部をそれぞれ有する、複数の第２画素とをそれぞれが備えた、複数の撮像画素群を含み、前記第１画素及び前記第２画素を構成する複数の前記光電変換部は、撮像光学系からの光束のうち分割された光束により形成された複数の像を光電変換して位相差の検出に用いられる焦点検出信号を出力する機能を備えており、第１の分割数と第３の分割数が互いに素の自然数であり、第２の分割数と第４の分割数が互いに素の自然数であることを特徴とする。

本発明により、光電変換部の分割に伴い生じる低感度帯の影響を抑制することができる。

本発明の実施形態に係るカメラの概略構成を示す図。 第１の実施形態における画素配列の概略図。 第１の実施形態における第１画素の概略平面図と概略断面図。 第１の実施形態における第２画素の概略平面図と概略断面図。 第１の実施形態における瞳分割の概略説明図。 第２の実施形態における画素配列の概略図。 第３の実施形態における画素配列の概略図。 第４の実施形態における画素配列の概略図。 画素部における光電変換素子の分割位置を示す図。 第５の実施形態における画素配列の概略図。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。ただし、本形態において例示される構成部品の寸法、形状、それらの相対配置などは、本発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、本発明がそれらの例示に限定されるものではない。

図１は本発明における撮像素子を有する撮像装置であるカメラの概略構成を示したものである。同図において、１０１は撮影光学系（結像光学系）の先端に配置された第１レンズ群で、光軸方向に進退可能に保持される。１０２は絞り兼用シャッタで、その開口径を調節することで撮影時の光量調節を行うほか、静止画撮影時には露光秒時調節用シャッタとしての機能も備える。１０３は第２レンズ群である。そして絞り兼用シャッタ１０２及び第２レンズ群１０３は一体となって光軸方向に進退し、第１レンズ群１０１の進退動作との連動により、変倍機能（ズーム機能）を実現することができる。

１０５は第３レンズ群で、光軸方向の進退により、焦点調節を行う。１０６は光学的ローパスフィルタで、撮影画像の偽色やモアレを軽減するための光学素子である。１０７は２次元ＣＭＯＳセンサとその周辺回路で構成された撮像素子である。撮像素子１０７を構成する各画素は複数の光電変換部に分割されており、分割された光電変換部の出力信号を独立に読みだすことで、視差画像を得たり、特許文献１にあるように撮影光学系の焦点調節を行うことができる。複数の光電変換部は、撮像光学系からの光束のうち分割された光束により形成された複数の像を光電変換して位相差の検出に用いられる焦点検出信号を出力する機能を備えている。一方、撮影画像を得る場合には、分割された光電変換部の出力信号を加算して１画素の出力信号とすることができる。このように本発明の撮像素子１０７は、撮影画像を形成するだけではなく、視差画像や位相差検出方式による焦点検出を行う機能も兼ね備えている。

１１１はズームアクチュエータで、不図示のカム筒を回動することで、第１レンズ群１０１ないし第３レンズ群１０３を光軸方向に進退駆動し、変倍操作を行う。１１２は絞りシャッタアクチュエータで、絞り兼用シャッタ１０２の開口径を制御して撮影光量を調節すると共に、静止画撮影時の露光時間制御を行う。１１４はフォーカスアクチュエータで、第３レンズ群１０５を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行う。

１１５は撮影時の被写体照明用電子フラッシュで、キセノン管を用いた閃光照明装置が好適だが、連続発光するＬＥＤを備えた照明装置を用いても良い。１１６はＡＦ補助光発光部で、所定の開口パターンを有したマスクの像を、投光レンズを介して被写界に投影し、暗い被写体あるいは低コントラスト被写体に対する焦点検出能力を向上させる。

１２１は、カメラ本体の種々の制御を司るカメラ内ＣＰＵで、演算部、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、通信インターフェイス回路等を有する。ＣＰＵ１２１は、ＲＯＭに記憶された所定のプログラムに基づいて、カメラが有する各種回路を駆動し、ＡＦ、撮影、画像処理と記録等の一連の動作を実行する。

１２２は電子フラッシュ制御回路で、撮影動作に同期して電子フラッシュ１１５を点灯制御する。１２３は補助光駆動回路で、焦点検出動作に同期してＡＦ補助光発光部１１６を点灯制御する。１２４は撮像素子駆動回路で、撮像素子１０７の撮像動作を制御するとともに、取得した画像信号をＡ／Ｄ変換してＣＰＵ１２１に送信する。１２５は画像処理回路で、撮像素子１０７が取得した画像のγ変換、カラー補間、ＪＰＥＧ圧縮等の処理を行う。

１２６はフォーカス駆動回路で、焦点検出結果に基づいてフォーカスアクチュエータ１１４を駆動制御し、第３レンズ群１０５を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行う。１２８は絞りシャッタ駆動回路で、絞りシャッタアクチュエータ１１２を駆動制御して絞り兼用シャッタ１０２の開口を制御する。１２９はズーム駆動回路で、撮影者のズーム操作に応じてズームアクチュエータ１１１を駆動する。

１３１はＬＣＤ等の表示器で、カメラの撮影モードに関する情報、撮影前のプレビュー画像と撮影後の確認用画像、焦点検出時の合焦状態表示画像等を表示する。１３２は操作スイッチ群で、電源スイッチ、レリーズ（撮影トリガ）スイッチ、ズーム操作スイッチ、撮影モード選択スイッチ等で構成される。１３３は着脱可能なフラッシュメモリで、撮影済み画像を記録する。

＜第１の実施形態＞
図２は、本第１の実施形態における図１に示す撮像素子１０７の画素配列を、４列×４行分の画素の範囲で示したものである。図２に示す４列×４行の画素配列を面上に多数配置し、高解像度画像の取得を可能としている。本第１の実施形態においては、画素ピッチが４μm、有効画素数が、横４０００列、縦２６６７行の約１０６７万画素、撮像画面サイズが横３６ｍｍ×縦２４ｍｍであるものとする。

第１の実施形態において、図２に示す画素配列のうち、左上２行×２列分を第１撮像画素群２１０とする。第１撮像画素群２１０は、対角２画素にＧ（緑）の分光感度を有する第１画素２１０Ｇを配置し、他の２画素にＲ（赤）の分光感度を有する第１画素２１０ＲとＢ（青）の分光感度を有する第１画素２１０Ｂとが配置されている。また、図２に示す画素配列のうち、左下２行×２列分を第２撮像画素群２２０とする。第２撮像画素群２２０は、対角２画素にＧの分光感度を有する第２画素２２０Ｇを配置し、他の２画素にＲの分光感度を有する第２画素２２０ＲとＢの分光感度を有する第２画素２２０Ｂとが配置されている。以下、第１撮像画素群２１０に含まれる１つの画素を「第１画素２１０ＲＧＢ」、第２撮像画素群２２０に含まれる１つの画素を「第２画素２２０ＲＧＢ」と記す。

図２に示す第１撮像画素群２１０のうちの１つの第１画素２１０ＲＧＢを、撮像素子１０７の受光面側（＋ｚ側）から見た平面図を図３（ａ）に示し、図３（ａ）のａ−ａ断面を−ｙ側から見た断面図を図３（ｂ）に示す。また、図２に示した撮像素子の１つの第２画素２２０ＲＧＢを、撮像素子１０７の受光面側（＋ｚ側）から見た平面図を図４（ａ）に示し、図４（ａ）のｂ−ｂ断面を−ｙ側から見た断面図を図４（ｂ）に示す。

図３に示すように、本第１の実施形態の第１画素２１０ＲＧＢでは、受光側に入射光を集光するためのマイクロレンズ３０５が形成される。そして、分離帯ＳＰにより、ｘ方向（第１の方向）にＭ１分割（本第１の実施形態では２分割）、ｙ方向（第２の方向）にＮ１分割（本第１の実施形態では３分割）された光電変換部ＰＤが形成される。ここで、Ｍ１（第１の分割数）とＮ１（第２の分割数）は自然数である。また、図４に示すように、本第１の実施形態の第２画素２２０ＲＧＢでは、受光側に入射光を集光するためのマイクロレンズ３０５が形成される。そして、分離帯（不感帯）ＳＰにより、ｘ方向にＭ２分割（本第１の実施形態では３分割）、ｙ方向にＮ２分割（本第１の実施形態では２分割）された光電変換部ＰＤが形成される。ここで、Ｍ２（第３の分割数）とＮ２（第４の分割数）は自然数である。本第１の実施形態では、Ｍ１×Ｎ１分割された光電変換部を持つ第１画素と、Ｍ２×Ｎ２分割された光電変換部を持つ第２画素が、Ｍ１とＭ２が互いに素であり、Ｎ１とＮ２が互いに素となるように形成される。

なお、光電変換部ＰＤは、ｐ型層とｎ型層の間にイントリンシック層を挟んだｐｉｎ構造フォトダイオードとしても良いし、必要に応じて、イントリンシック層を省略し、ｐｎ接合フォトダイオードとしても良い。

また、第１画素２１０ＲＧＢと第２画素２２０ＲＧＢでは、マイクロレンズ３０５と光電変換部ＰＤとの間にカラーフィルター３０６が形成される。なお、必要に応じて、カラーフィルターを省略しても良い。

図３及び図４に示す第１画素２１０ＲＧＢ及び第２画素２２０ＲＧＢに入射した光は、マイクロレンズ３０５により集光され、カラーフィルター３０６で分光されたのち、光電変換部ＰＤで受光される。光電変換部ＰＤでは、受光量に応じて電子とホールが対生成し、空乏層で分離された後、負電荷の電子はｎ型層（不図示）に蓄積され、ホールは定電圧源（不図示）に接続されたｐ型層を通じて撮像素子１０７外部へ排出される。

同様に、光電変換部ＰＤを複数に分離するための分離帯（不感帯）ＳＰでも、受光量に応じて電子とホールが対生成する。しかし、電荷の拡散長と比較して分離帯ＳＰの幅が広い場合、対生成された電子とホールの一部は、隣接する光電変換部ＰＤの空乏層まで到達して分離される前に、再結合し光を再放出してしまう。そのため、分割帯ＳＰでは光電変換部ＰＤに対して光の受光感度が低下する。

図５は、画素の分割された光電変換部ＰＤと瞳分割との対応関係を示した概略説明図である。図５（ａ）は、図３（ａ）に示した第１画素２１０ＲＧＢのａ−ａ断面を＋ｙ側から見た断面図と結像光学系の射出瞳面とと示す図である。また、図５（ｂ）は、図４（ａ）に示した第２画素２２０ＲＧＢのｂ−ｂ断面を＋ｙ側から見た断面図と結像光学系の射出瞳面とを示す図である。なお、図５では、射出瞳面の座標軸と対応を取るため、断面図のｘ軸とｙ軸を図３、図４に対して反転させている。

図５（ａ）の５１１は第１画素２１０ＲＧＢのＭ１×Ｎ１分割（２×３分割）された光電変換部ＰＤの瞳強度分布であり、光電変換部ＰＤの受光面とマイクロレンズとによって概ね共役関係になっており、第１画素２１０ＲＧＢで受光可能な瞳領域を表している。また、図５（ｂ）の５２１は第２画素２２０ＲＧＢのＭ２×Ｎ２分割（３×２分割）された光電変換部ＰＤの瞳強度分布であり、光電変換部ＰＤの受光面とマイクロレンズとによって概ね共役関係になっており、第２画素２２０ＲＧＢで受光可能な瞳領域を表している。また、結像光学系の射出瞳４００、５００は分割された光電変換部ＰＤを全て合わせた際の画素全体の瞳強度分布である。被写体からの光束は、結像光学系の射出瞳４００または５００を通過してそれぞれの画素に入射する。

瞳距離が数１０ｍｍであるのに対し、マイクロレンズ３０５の直径は数μｍである。そのため、マイクロレンズ３０５の絞り値が数万となり、数１０ｍｍレベルの回折ボケが生じる。よって、光電変換部ＰＤの受光面の像は、明瞭な領域とならずに、受光率分布となる。

更に、光電変換部ＰＤを複数に分離するために形成される分割帯ＳＰでは、光の受光感度が低下してしまう。この分割帯ＳＰは、マイクロレンズ３０５を介して、結像光学系の射出瞳に、射出瞳形状に応じた低感度帯を生じさせる。第１画素２１０ＲＧＢの瞳強度分布５１１の破線で示された領域間と、第２画素２２０ＲＧＢの瞳強度分布５２１の破線で示された領域間に、それぞれ、低感度帯が形成される。瞳強度分布に低感度帯が形成されると、撮像画像に不自然なボケを生じてしまう。

本第１の実施形態では、Ｍ１×Ｎ１分割（２×３分割）された光電変換部ＰＤを持つ第１画素２１０ＲＧＢと、Ｍ２×Ｎ２分割（３×２分割）された光電変換部ＰＤを持つ第２画素２２０ＲＧＢが次のように構成される。即ち、Ｍ１とＭ２が互いに素であり、Ｎ１とＮ２が互いに素となるように構成される。これにより、第１画素２１０ＲＧＢの瞳強度分布に形成される低感度帯の領域と、第２画素２２０ＲＧＢの瞳強度分布に形成される低感度帯の領域を異ならせ、低感度帯の影響を平均化して抑制することが可能となる。

本発明の撮像素子１０７が搭載された撮像装置（カメラ）が横位置の場合は、分割された光電変換部ＰＤの信号をｙ方向（垂直方向）にだけ加算することで、ｘ方向（水平方向）の視差画像を取得することができる。同様に、撮像装置（カメラ）が縦位置の場合は、分割された光電変換部ＰＤの信号をｘ方向（水平方向）にだけ加算することで、ｙ方向（垂直方向）の視差画像を取得することができる。このようにカメラの横位置、縦位置のいずれにも対応するために、Ｍ１、Ｎ１、Ｍ２、Ｎ２はそれぞれが２以上であることが望ましい。

また、第１画素２１０ＲＧＢの光電変換部ＰＤの個数Ｍ１×Ｎ１と第２画素２２０ＲＧＢの光電変換部ＰＤの個数Ｍ２×Ｎ２が等しいことが望ましい。このようにすることで、第１画素２１０ＲＧＢと第２画素２２０ＲＧＢの制御に必要な配線数を同一にして配線を単純化し、製造しやすくすることができる。更に、第１画素２１０ＲＧＢと第２画素２２０ＲＧＢの受光面積を同一にすることができる。

また、分割された光電変換部の受光面積を正方形に近づけるために、Ｍ１とＮ１の差が１であり、Ｍ２とＮ２の差が１であることが望ましい。

また、図２に示すように、低感度帯の影響をより平均化するために、同色のカラーフィルターを有する第１画素と第２画素は隣接しないことが望ましい。

以上の構成により、光電変換部の分割に伴い生じる低感度帯の影響を抑制することが可能となり、画素内の分割帯による画質低下の影響を受けにくく、安定した撮影画像が取得可能な撮像装置を実現することができる。

＜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６は、本第２の実施形態における図１に示す撮像素子１０７の画素配列を、４列×４行分の画素の範囲で示したものである。図６に示す４列×４行画素を面上に多数配置し、高解像度画像の取得を可能としている。

本第２の実施形態において、図６に示す画素配列のうち、左上２行×２列分を第１撮像画素群２３０とする。第１撮像画素群は、対角２画素にＧ（緑）の分光感度を有する第１画素２３０Ｇを配置し、他の２画素にＲ（赤）の分光感度を有する第１画素２３０ＲとＢ（青）の分光感度を有する第１画素２３０Ｂとが配置されている。また、図６に示す画素配列のうち、左下２行×２列分を第２撮像画素群２４０とする。第２撮像画素群２４０は、対角２画素にＧの分光感度を有する第２画素２４０Ｇを配置し、他の２画素にＲの分光感度を有する第２画素２４０ＲとＢの分光感度を有する第２画素２４０Ｂとが配置されている。以下、第１撮像画素群２３０に含まれる１つの画素を「第１画素２３０ＲＧＢ」、第２撮像画素群２４０に含まれる１つの画素を「第２画素２４０ＲＧＢ」と記す。

本第２の実施形態の第１画素２３０ＲＧＢでは、各画素の受光側に入射光を集光するためのマイクロレンズが形成される。そして、分離帯により、ｘ方向にＭ１分割（本第２の実施形態では２分割）、ｙ方向にＮ１分割（本第２の実施形態では２分割）された光電変換部ＰＤが形成される。一方、本第２の実施形態の第２画素２４０ＲＧＢでは、受光側に入射光を集光するためのマイクロレンズが形成される。そして、分離帯により、ｘ方向にＭ２分割（本第２の実施形態では３分割）、ｙ方向にＮ２分割（本第２の実施形態では３分割）された光電変換部ＰＤが形成される。これら以外は、上述した第１の実施形態と同様である。

以上の構成により、上述した第１の実施形態と同様に、光電変換部の分割に伴い生じる低感度帯の影響を抑制することが可能となる。

＜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。図７は、本第３の実施形態における図１に示す撮像素子１０７の画素配列を２×２行分の画素の範囲で示したものであり、左上及び右下の画素を第１画素、右上及び左下の画素を第２画素と呼ぶ。２×２行分の４つの画素で１つの撮像画素群を構成している。

本第３の実施形態の第１画素では、各画素の受光側に入射光を集光するためのマイクロレンズが形成され、ｘ方向に６分割（Ｍ１＝６）、ｙ方向に５分割（Ｎ１＝５）された光電変換部ＰＤが形成される。分割されたそれぞれの光電変換部ＰＤに対応して、隣接した色が異なるように、ＲＧＢのいずれかのカラーフィルタが形成される。一方、本第３の実施形態の第２画素では、各画素の受光側に入射光を集光するためのマイクロレンズが形成され、ｘ方向に５分割（Ｍ２＝５）、ｙ方向に６分割（Ｎ２＝６）された光電変換部ＰＤが形成される。分割されたそれぞれの光電変換部ＰＤに対応して、隣接した色が異なるように、ＲＧＢのいずれかのカラーフィルターが形成されている。これら以外は、上述した第１の実施形態と同様である。

以上の構成により、上述した第１の実施形態と同様に、光電変換部の分割に伴い生じる低感度帯の影響を抑制することが可能となる。

＜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。本第４の実施形態では、撮像素子１０７として、横方向にＭ画素、縦方向にＮ画素の受光ピクセルが正方配置され、ベイヤー配列の原色カラーモザイクフィルタがオンチップで形成された、２次元単板カラーセンサが用いられる。

図８は本第４の実施形態における図１に示す撮像素子１０７の画素配列を８列×８行分の画素の範囲で示したものであり、撮影光学系側から観察した状態を示している。カラーフィルタは周知のベイヤー配列が適用され、奇数行の画素には、左から順にＧ（緑）とＲ（赤）のカラーフィルタが交互に設けられる。また、偶数行の画素には、左から順にＢ（青）とＧのカラーフィルタが交互に設けられる。１１ｉ〜１５ｉの円はオンチップマイクロレンズを表わし、オンチップマイクロレンズ１１ｉ〜１５ｉの内側に配置された複数の矩形１１ａ〜１１ｄ、１２ａ〜１２ｄ、１３ａ〜１３ｄ、１４ａ〜１４ｄ、１５ａ〜１５ｄは光電変換部である。

本第４の実施形態では、すべての画素の光電変換部は４分割されている。そして分割された各々の光電変換部の出力信号は独立して読み出すことができる構成となっている。ただし、その分割パターンは全画素一様ではなく、分割パターンが異なる５種類の撮像画素群から構成される。以下にこれら撮像画素群の特徴を説明する。

第１の画素１１は、画素部の中心から−Ｘ方向と＋Ｙ方向にずれた位置で交差する分割帯によりＸ方向及びＹ方向にそれぞれ２分割された、合計４個の光電変換部１１ａ〜１１ｄを有する。縦横２分割された光電変換部１１ａ〜１１ｄは、オンチップマイクロレンズ１１ｉにより撮影光学系の射出瞳に投影されるように構成されており、光電変換部１１ａ〜１１ｄには、撮影光学系の射出瞳の異なる領域を透過した被写体光束が到達する。

第２の画素１２は、画素部の中心から＋Ｘ方向と＋Ｙ方向にずれた位置で交差する分割帯によりＸ方向及びＹ方向にそれぞれ２分割された、合計４個の光電変換部１２ａ〜１２ｄを有する。縦横２分割された光電変換部１２ａ〜１２ｄは、オンチップマイクロレンズ１２ｉにより撮影光学系の射出瞳に投影されるように構成されており、光電変換部１２ａ〜１２ｄには、撮影光学系の射出瞳の異なる領域を透過した被写体光束が到達する。

第３の画素１３は、画素部の中心から−Ｘ方向と−Ｙ方向にずれた位置で交差する分割帯によりＸ方向及びＹ方向にそれぞれ２分割された、合計４個の光電変換部１３ａ〜１３ｄを有する。縦横２分割された光電変換部１３ａ〜１３ｄは、オンチップマイクロレンズ１３ｉにより撮影光学系の射出瞳に投影されるように構成されており、光電変換部１３ａ〜１３ｄには、撮影光学系の射出瞳の異なる領域を透過した被写体光束が到達する。

第４の画素１４は、画素部の中心から＋Ｘ方向と−Ｙ方向にずれた位置で交差する分割帯によりＸ方向及びＹ方向にそれぞれ２分割された、合計４個の光電変換部１４ａ〜１４ｄを有する。縦横２分割された光電変換部１４ａ〜１４ｄは、オンチップマイクロレンズ１４ｉにより撮影光学系の射出瞳に投影されるように構成されており、光電変換部１４ａ〜１４ｄには、撮影光学系の射出瞳の異なる領域を透過した被写体光束が到達する。

第５の画素１５は、画素部の中心で交差する分割帯によりＸ方向及びＹ方向にそれぞれ２分割された、合計４個の光電変換部１５ａ〜１５ｄを有する。４分割された光電変換部１５ａ〜１５ｄは、オンチップマイクロレンズ１５ｉにより撮影光学系の射出瞳に投影されるように構成されており、光電変換部１５ａ〜１５ｄには、撮影光学系の射出瞳の異なる領域を透過した被写体光束が到達する。

光電変換部１１ａ〜１１ｄ、１２ａ〜１２ｄ、１３ａ〜１３ｄ、１４ａ〜１４ｄ、１５ａ〜１５ｄから得られる出力信号を別々に読み出せば、視差画像を取得したり、焦点検出を行うことができる。一方、光電変換部１１ａ〜１１ｄ、１２ａ〜１２ｄ、１３ａ〜１３ｄ、１４ａ〜１４ｄ、１５ａ〜１５ｄから得られる出力を合成して読み出すことで、撮影光学系の射出瞳全域を透過した画素出力を取得することができ、通常の撮影画像を形成することが可能となる。

図９は、図８に示す第１〜第５の画素の構成をそれぞれ説明する断面図であり、＋Ｘ方向と−Ｙ方向から見た断面をそれぞれ示している。

図９（ａ）は、第５の画素１５の中央断面図であり、１５ｅ〜１５ｇはアルミ配線層、１５ｈはカラーフィルタ層、１５ｉはオンチップマイクロレンズ、１５ａ〜１５ｄは光電変換部である。

図９（ｂ）は、第１の画素１１の中央断面図であり、１１ｅ〜１１ｇはアルミ配線層、１１ｈはカラーフィルタ層、１１ｉはオンチップマイクロレンズ、１１ａ〜１１ｄは光電変換部である。

図９（ｃ）は、第２の画素１２の中央断面図であり、１２ｅ〜１２ｇはアルミ配線層、１２ｈはカラーフィルタ層、１２ｉはオンチップマイクロレンズ、１２ａ〜１２ｄは光電変換部である。

図９（ｄ）は、第３の画素１３の中央断面図であり、１３ｅ〜１３ｇはアルミ配線層、１３ｈはカラーフィルタ層、１３ｉはオンチップマイクロレンズ、１３ａ〜１３ｄは光電変換部である。

図９（ｅ）は、第４の画素１４の中央断面図であり、１４ｅ〜１４ｇはアルミ配線層、１４ｈはカラーフィルタ層、１４ｉはオンチップマイクロレンズ、１４ａ〜１４ｄは光電変換部である。

上述したように、光電変換部を分離する分離帯では受光感度が低下する。被写体光束がこの分離帯近傍に到達すると、得られる出力信号が低下してしまう。この分離帯の影響は、被写体光束が分離帯の位置に近づくほど大きく、さらにＦナンバーの暗い光束ほど大きくなる。

例えば、特許文献２で開示されている画素配列では、隣接画素同士の光電変換部の分割パターンが同じであるため、この影響が同じように発生してしまう。すると、或る画素部で分割位置の影響が非常に大きく、良好な出力が得られない場合、隣接する画素全ても同様に良好な出力が得られないことになってしまう。

これに対し、本第４の実施形態では、上述したように隣接画素部同士の光電変換部の分割パターンを異ならせるように構成している。さらに同色カラーフィルタを有する隣接画素間でも光電変換部の分割パターンを異ならせるように構成している。このようにすることで、撮影光学系の絞り兼用シャッタ１０２を絞り込んだ際にも画素出力が低下する画素が離散的に生じることとなる。そのため、通常の不良画素と同じ考え方で補正を行えば、画質の低下を防ぐことができる。なお、補正方法としては、周知のように隣接画素から補間、画素出力への係数掛けなどが考えられる。

なお、上記説明では５種類の分割パターンを用いる例を説明したが、より多数の種類の分割パターンにより光電変換部を分割するようにしても良い。

＜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。図１０は、本第５の実施形態における図１に示す撮像素子１０７の画素配列を４行×６列分の画素の範囲で示したものであり、撮影光学系側から観察した状態を示している。カラーフィルタは周知のベイヤー配列が適用され、奇数行の画素には、左から順にＲ（赤）とＧ（緑）のカラーフィルタが交互に設けられる。また、偶数行の画素には、左から順にＧとＢ（青）のカラーフィルタが交互に設けられる。各画素の円は、マイクロレンズを表し、Ｒ画素のＲ１ａ〜Ｒ３ａ、Ｒ１ｂ〜Ｒ３ｂ、Ｇ画素のＧ１ａ〜Ｇ３ａ、Ｇ１ｂ〜Ｇ３ｂ、Ｂ画素のＢ１ａ〜Ｂ３ａ、Ｂ１ｂ〜Ｂ３ｂは光電変換部を表す。

本第５の実施形態では、すべての画素の光電変換部は水平方向に２分割されている。そして分割された各々の光電変換部の出力信号は独立して読み出すことができる構成となっている。ただし、その分割パターンは全画素一様ではなく、分割パターンが異なる３種類の撮像画素群（第１撮像画素群、第２撮像画素群、第３撮像画素群）から構成される。

第１画素の光電変換部Ｒ１ａ（Ｇ１ａ、Ｂ１ａ）と光電変換部Ｒ１ｂ（Ｇ１ｂ、Ｂ１ｂ）は、画素の中心から−ｘ方向に偏心した位置で分離帯により水平方向に分離されている。

第２画素の光電変換部Ｒ２ａ（Ｇ２ａ、Ｂ２ａ）と光電変換部Ｒ２ｂ（Ｇ２ｂ、Ｂ２ｂ）は、画素の中心位置で分離帯により水平方向に分離されている。

第３画素の光電変換部Ｒ３ａ（Ｇ３ａ、Ｂ３ａ）と光電変換部Ｒ３ｂ（Ｇ３ｂ、Ｂ３ｂ）は、画素の中心から＋ｘ方向に偏心した位置で分離帯により水平方向に分離されている。

光電変換部Ｇ１ａ〜Ｇ３ａ、Ｇ１ｂ〜Ｇ３ｂ、Ｒ１ａ〜Ｒ３ａ、Ｒ１ｂ〜Ｒ３ｂ、Ｂ１ａ〜Ｂ３ａ、Ｂ１ｂ〜Ｂ３ｂから得られる出力信号をそれぞれ別々に読み出せば、視差画像を取得したり、焦点検出を行うことができる。一方、光電変換部Ｇ１ａ（Ｒ１ａ、Ｂ１ａ）と光電変換部Ｇ１ｂ（Ｒ１ｂ、Ｂ１ｂ）から得られる出力を合成して読み出すことで、通常の撮影画像を形成することが可能となる。また、光電変換部Ｇ２ａ（Ｒ２ａ、Ｂ２ａ）と光電変換部Ｇ２ｂ（Ｒ２ｂ、Ｂ２ｂ）から得られる出力を合成して読み出すことで、通常の撮影画像を形成することが可能となる。同様に、光電変換部Ｇ３ａ（Ｒ３ａ、Ｂ３ａ）と光電変換部Ｇ３ｂ（Ｒ３ｂ、Ｂ３ｂ）から得られる出力を合成して読み出すことで、通常の撮影画像を形成することが可能となる。

例えば、特許文献２で開示されている画素配列では、隣接画素同士の光電変換部の分割パターンが同じであるため、この影響が同じように発生してしまう。すると、或る画素部で分割位置の影響が非常に大きく、良好な出力が得られない場合、隣接する画素全ても同様に良好な出力が得られないことになってしまう。

これに対し、本第５の実施形態では、上述したように隣接画素部同士の光電変換部の分割パターンを異ならせるように構成している。さらに同色カラーフィルタを有する隣接画素間でも光電変換部の分割パターンを異ならせるように構成している。このようにすることで、撮影光学系の絞り兼用シャッタ１０２を絞り込んだ際にも画素出力が低下する画素が離散的に生じることとなる。そのため、通常の不良画素と同じ考え方で補正を行えば、画質の低下を防ぐことができる。なお、補正方法としては、周知のように隣接画素から補間、画素出力への係数掛けなどが考えられる。

なお、上記説明では３種類の分割パターンを用いる例を説明したが、より多数の種類の分割パターンにより光電変換部を分割するようにしても良い。

Claims (17)

1. 第１の方向に第１の分割数に分割され、前記第１の方向と垂直な第２の方向に第２の分割数に分割された光電変換部をそれぞれが有する、複数の第１画素と、前記第１の方向に第３の分割数に分割され、前記第２の方向に第４の分割数に分割された光電変換部をそれぞれ有する、複数の第２画素とをそれぞれが備えた、複数の撮像画素群を含み、
   前記第１画素及び前記第２画素を構成する複数の前記光電変換部は、撮像光学系からの光束のうち分割された光束により形成された複数の像を光電変換して位相差の検出に用いられる焦点検出信号を出力する機能を備えており、
   第１の分割数と第３の分割数が互いに素の自然数であり、第２の分割数と第４の分割数が互いに素の自然数であることを特徴とする撮像素子。
2. 前記第１から第４の分割数は、等しいことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
3. 前記第１の分割数と前記第２の分割数は互いに異なると共に、前記第３の分割数と前記第４の分割数は互いに異なり、前記第１の分割数と前記第２の分割数の積と、前記第３の分割数と前記第４の分割数の積とが等しいことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
4. 前記第１の分割数と前記第４の分割数とが等しく、前記第２の分割数と前記第３の分割数とが等しいことを特徴とする請求項１または３に記載の撮像素子。
5. 前記第１の分割数と前記第２の分割数の差、及び、前記第３の分割数と前記第４の分割数の差が１であることを特徴とする請求項１、３、４のいずれか１項に記載の撮像素子。
6. 前記第１の分割数と前記第３の分割数とが等しく、前記第２の分割数と前記第４の分割数とが等しいことを特徴とする請求項１または３に記載の撮像素子。
7. 前記複数の第１画素と前記複数の第２画素は、各々カラーフィルタを有し、同色の前記カラーフィルタを有する前記第１画素と前記第２画素は、前記第１及び第２の方向について接しないことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の撮像素子。
8. 前記分割された光電変換部は、隣接する光電変換部のカラーフィルタが異なる色となるように、それぞれがカラーフィルタにより覆われていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の撮像素子。
9. 各々が複数の異なる分割パターンにより分割された光電変換部を有する、複数の画素をそれぞれが備えた、複数の撮像画素群を含み、
   同じ分割パターンにより分割された前記光電変換部を有する前記画素が隣接しないように、前記複数の画素を配置したことを特徴とする撮像素子。
10. 前記複数の画素はそれぞれカラーフィルタを有し、同色のカラーフィルタを有する画素が第１の方向及び前記第１の方向と垂直な第２の方向について接しないように配置すると共に、各画素の前記光電変換部の分割パターンが、同色のカラーフィルタを有する隣接する画素の前記光電変換部の分割パターンと互いに異なるように配置したことを特徴とする請求項９に記載の撮像素子。
11. 各々が分離帯により複数に分割された光電変換部を有する、複数の画素をそれぞれが備えた、複数の撮像画素群を含み、
    前記複数の光電変換部は、撮像光学系からの光束のうち分割された光束により形成された複数の像を光電変換して位相差の検出に用いられる焦点検出信号を出力する機能を備えており、
    前記複数の撮像画素群の各撮像画素を構成する前記複数の画素は、前記分離帯により複数の異なる分割パターンに分割された光電変換部を有することを特徴とする撮像素子。
12. 各々が分離帯により第１の方向及び前記第１の方向と垂直な第２の方向の少なくともいずれかの方向に複数に分割された光電変換部を有する、複数の画素をそれぞれが備えた、複数の撮像画素群を含み、
    前記複数の光電変換部は、撮像光学系からの光束のうち分割された光束により形成された複数の像を光電変換して位相差の検出に用いられる焦点検出信号を出力する機能を備えており、
    前記複数の撮像画素群のうち前記第１の方向及び前記第２の方向に隣接する各撮像画素群を構成する複数の画素は、前記分離帯により、互いに異なる複数の分割パターンに分割された光電変換部を有することを特徴とする撮像素子。
13. 前記複数の撮像画素群の各々に含まれる前記複数の画素の各々はカラーフィルタを備えており、前記第１の方向及び前記第２の方向に隣接する各撮像画素群を構成する同色のカラーフィルタを有する画素は、前記分離帯により、互いに異なる複数の分割パターンに分割された光電変換部を有することを特徴とする請求項１２に記載の撮像素子。
14. 前記複数の撮像画素群の各々に含まれる各画素を構成する光電変換部の分割数は同じであることを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載の撮像素子。
15. 前記複数の撮像画素群は、第１撮像画素群及び第２撮像画素群を含み、
    前記第１撮像画素群及び前記第２撮像画素群の各々は、分離帯により第１の方向に複数に分割された光電変換部を各々が有する複数の画素を備え、
    前記第１撮像画素群を構成する第１画素の画素内に配置された分離帯と、前記第２の方向に前記第１画素と隣接する前記第２撮像画素群を構成する第２画素の画素内に配置された分離帯は、前記第１の方向にずれていることを特徴とする請求項１４に記載の撮像素子。
16. 前記複数の撮像画素群は、第１撮像画素群、第２撮像画素群、及び第３撮像画素群を有しており、
    前記第１撮像画素群、前記第２撮像画素群、及び前記第３撮像画素群の各々は、分離帯により第１の方向及びに前記第２の方向に複数に分割された光電変換部を各々が有する複数の画素を備え、
    前記第１撮像画素群を構成する第１画素の画素内に配置された前記光電変換部を前記第１の方向に分割する分離帯と、前記第２の方向に前記第１画素と隣接する前記第２撮像画素群を構成する第２画素の画素内に配置された前記光電変換部を前記第１の方向に分割する分離帯は、前記第１の方向にずれており、
    前記第１撮像画素群を構成する第１画素の画素内に配置された前記光電変換部を前記第２の方向に分割する分離帯と、前記第１の方向に前記第１画素と隣接する前記第３撮像画素群を構成する第３画素の画素内に配置された前記光電変換部を前記第２の方向に分割する分離帯は、前記第２の方向にずれていることを特徴とする請求項１４に記載の撮像素子。
17. 請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の撮像素子と、
    前記焦点検出信号を用いた位相差検出方式による焦点調節を行う制御手段と
    を備えたことを特徴とする撮像装置。

Images