JP2018201207A - 撮像素子および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２つの受光領域に対する入射光を均等化する。
【解決手段】第１方向および第２方向に沿って配列され、それぞれ分離された２つの受光領域を有する複数の画素と、複数の画素のうち一部の画素に対して設けられ、対応する画素に入射する光の前記受光領域における照射領域を拡大させる拡大光学素子とを備える撮像素子を提供する。撮像素子は、第１受光領域が蓄積した電荷をリセットするリセットタイミングに対して、第２受光領域のリセットタイミングを遅らせて、且つ、第１受光領域および第２受光領域が蓄積した電荷量に応じた出力信号を同時に読み出し、第１受光領域の出力信号の値から、第２受光領域の出力信号の値を減算して当該画素の画素信号を生成する。
【選択図】図６

Description

本発明は、撮像素子および撮像装置に関する。

一つの画素が２つの光電変換素子を有し、焦点検出信号を出力する撮像素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１ 特開２０１２−１１３０２７号公報

２つの光電変換素子を焦点検出用に用いる場合、２つの光電変換素子にはそれぞれ分離された光が入射される。これに対し、一方の光電変換素子の出力を、他方の光電変換素子の出力の補正に用いるような場合等、２つの光電変換素子には均等に光が入射されることが好ましい場合がある。しかし、２つの光電変換素子を同一の位置に配置することはできないので、２つの光電変換素子への入射光は均等にならない。

本発明の第１の態様においては、第１方向および第２方向に沿って配列され、それぞれ分離された２つの受光領域を有する複数の画素と、複数の画素のうち一部の画素に対して設けられ、対応する画素に入射する光の前記受光領域における照射領域を拡大させる拡大光学素子とを備える撮像素子を提供する。

本発明の第２の態様においては、第１の態様の撮像素子を備える撮像装置を提供する。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

一つの実施形態に係る撮像素子１００の概要を示す図である。 第１画素２０２−１の一例を示す図である。 第２画素２０２−２および第３画素２０２−３の一例を示す図である。 受光部２００の一例を示す図である。 信号処理部２１０の他の処理例を示す図である。 受光部２００の構成例を示す図である。 受光部２００の構造例を示す図である。 受光部２００の構造例を示す図である。 信号処理部２１０における配列変換処理の一例を示す図である。 第１変換画素２０３−１の配列例を示す図である。 信号処理部２１０における配列変換処理の一例を示す図である。 第２変換画素２０３−２および第３変換画素２０３−３の配列例を示す図である。 第１変換画素２０３−１、第２変換画素２０３−２および第３変換画素２０３−３の配列例を示す図である。 マイクロレンズ１０１の斜視図である。 マイクロレンズ１０１の平面形状を示す図である。 受光部２００の他の構成例を示す図である。 図１４に示した例における、転送トランジスタＴＸのおよび電荷検出部の配置例を示す図である。 撮像素子１００の断面の一例を示す図である。 一つの実施形態に係る撮像装置５００の構成例を示すブロック図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、一つの実施形態に係る撮像素子１００の概要を示す図である。撮像素子１００は、複数の画素２０２が配列される受光部２００と、受光部２００からの信号を処理する信号処理部２１０とを備える。複数の画素２０２は、それぞれフォトダイオード等の受光素子を有しており、受光量に応じて電荷を蓄積する。本例の信号処理部２１０は、各画素２０２が蓄積した電荷量に応じた信号を読み出し、予め定められた処理を行う。

本例における複数の画素２０２は、行列状に配列される。つまり、複数の画素２０２が複数の行および複数の列に沿って配置される。本明細書では、行方向をｘ軸方向とし、列方向をｙ軸方向として図示している。行方向は第１方向の一例であり、列方向は第２方向の一例である。

複数の画素２０２は、複数の第１画素２０２−１、複数の第２画素２０２−２および複数の第３画素２０２−３を含む。第１画素２０２−１は、第１の色のカラーフィルタに対応する画素であり、第２画素２０２−２は、第２の色のカラーフィルタに対応する画素であり、第３画素２０２−３は、第３の色のカラーフィルタに対応する画素である。本例において第１の色は緑色であり、第２の色は青色であり、第３の色は赤色である。本例において、それぞれの画素２０２の平面形状は四角形であり、画素２０２の各辺が第１方向および第２方向に対して４５度傾いている。より具体的な例では、それぞれの画素２０２の平面形状は正方形である。

複数の第１画素２０２−１は、行方向および列方向の両方向に沿って配列される。本例では、第１画素２０２−１の各頂点が互いに隣接するように配置される。このような配置により、近接して配置される４つの第１画素２０２−１に囲まれる領域が生じる。第２画素２０２−２および第３画素２０２−３は、４つの第１画素２０２−１に囲まれる領域に設けられる。本例において、それぞれの画素２０２の形状は同一である。

第２画素２０２−２は、列方向に沿って配列される。また、第３画素２０２−３も、列方向に沿って配列される。第２画素２０２−２の列および第３画素２０２−３の列は、行方向において交互に配置される。また、第２画素２０２−２の列および第３画素２０２−３の列は、第１画素２０２−１の列に対して、列方向において半画素分ずれて配列される。

なお、図１に示した画素２０２の配列は一例であり、画素２０２の配列は図１の例に限定されない。画素２０２は任意の配列であってよい。例えば画素２０２の配列は、いわゆるベイヤー配列であってよい。

図２Ａは、第１画素２０２−１の一例を示す図である。第１画素２０２−１は、分離された２つの受光領域２１４を有する。第１画素２０２−１の第１受光領域２１４ａおよび第２受光領域２１４ｂは、行方向に並んで配列される。本例では、第１画素２０２−１の領域を、列方向に伸びる直線で２等分することで、２つの受光領域２１４が規定される。本例において当該直線は、第１画素２０２−１の対角線である。入射光に応じて生成された電荷が受光領域２１４間で移動しないように、受光領域２１４間には素子分離部が設けられる。なお、図２Ａにおいては、第１画素２０２−１に対応して設けられるマイクロレンズ１０１を点線で示す。本例の２つの受光領域２１４は、共通のマイクロレンズ１０１に対して、行方向において異なる位置に設けられる。

受光部２００において、複数の第１画素２０２−１が、行方向に隣接して配列される。信号処理部２１０は、一部の行方向に隣接して配列された第１画素２０２−１の第１受光領域２１４ａからの信号と、第２受光領域２１４ｂからの信号との行方向における像面位相差を検出することで、焦点状態を検出する焦点検出部として機能する。像面位相差検出用の第１画素２０２−１が、行方向に隣接して配列されるので、行方向における像面位相差を精度よく検出することができる。また、遮光を用いて像面位相差を検出する方式に比べ、光の利用効率を向上させることができる。

図２Ｂは、第２画素２０２−２および第３画素２０２−３の一例を示す図である。第２画素２０２−２および第３画素２０２−３は、分離された２つの受光領域２１４を有する。第２画素２０２−２および第３画素２０２−３の第１受光領域２１４ａおよび第２受光領域２１４ｂは、列方向に並んで配列される。本例では、第２画素２０２−２または第３画素２０２−３の領域を、行方向に伸びる直線で２等分することで、２つの受光領域２１４が規定される。第２画素２０２−２および第３画素２０２−３の２つの受光領域２１４は、共通のマイクロレンズ１０１に対して、列方向において異なる位置に設けられる。

受光部２００において、複数の第２画素２０２−２または第３画素２０２−３が、列方向に隣接して配列される。信号処理部２１０は、一部の列方向に隣接して配列された第２画素２０２−２または第３画素２０２−３の第１受光領域２１４ａからの信号と、第２受光領域２１４ｂからの信号との列方向における像面位相差を検出することで、焦点状態を検出する焦点検出部として機能する。像面位相差検出用の第２画素２０２−２または第３画素２０２−３が、列方向に隣接して配列されるので、列方向における像面位相差を精度よく検出することができる。また、遮光を用いて像面位相差を検出する方式に比べ、光の利用効率を向上させることができる。

図３は、受光部２００の一例を示す図である。本例の受光部２００においては、全ての画素２０２が２つの受光領域２１４を有する。図３においては、各画素２０２における受光領域２１４の境界を点線で示している。本例では、一部の画素２０２の出力を用いて画像データを生成するとともに、残りの画素２０２の出力を像面位相差検出に用いる。

図３においては、画像データを生成するのに用いる画素２０２を白抜きの四角で示しており、像面位相差検出用に用いる画素２０２を網掛けの四角で示している。上述したように、像面位相差検出用の第１画素２０２−１は列方向に並んで配置され、像面位相差検出用の第２画素２０２−２は行方向に並んで配置され、像面位相差検出用の第３画素２０２−３は行方向に並んで配置される。上述したように、信号処理部２１０は、これらの像面位相差検出用の画素２０２の出力を用いて、像面位相差を検出する。

また、信号処理部２１０は、画像データ生成用の画素２０２において、一方の受光領域２１４の出力信号を用いて、他方の受光領域２１４の出力信号を補正する。補正後の信号を、当該画素２０２における画素信号として用いる。なお、本例の受光部２００においては、画像データ生成用の画素２０２は、像面位相差検出用の画素２０２よりも多い。

図４は、画像データ生成用の画素２０２の出力に対する、信号処理部２１０の処理例を示す図である。本例の信号処理部２１０は、受光領域２１４の出力信号を読み出す画素２０２を行単位で選択する。信号処理部２１０は、選択した行に属する画素２０２の出力信号を同時に読み出す。この場合、出力信号の読み出しタイミングが行毎に相違し、電荷蓄積時間が行毎に相違してしまう。本例の信号処理部２１０は、各画素２０２の第２受光領域２１４ｂの出力信号を用いて、第１受光領域２１４ａの出力信号を補正することで、電荷蓄積時間の相違を補償する。なお、本例の受光部２００は、全ての画素２０２が２つの受光領域２１４を有する。

図４では、第１行に属する画素２０２の第１受光領域２１４ａの電荷蓄積時間をａ１で示し、第２受光領域２１４ｂの電荷蓄積時間をｂ１で示す。また、第２行に属する画素２０２の第１受光領域２１４ａの電荷蓄積時間をａ２で示し、第２受光領域２１４ｂの電荷蓄積時間をｂ２で示す。他の行についても同様である。また、図４におけるＡＤＣは、それぞれの受光領域２１４の出力信号をデジタル変換する時間を示している。

図４に示すように信号処理部２１０は、それぞれの画素２０２について、第１受光領域２１４ａが蓄積した電荷をリセットするリセットタイミングＡに対して、第２受光領域２１４ｂのリセットタイミングＢを遅らせる。このため、受光部２００は、それぞれの画素２０２の第１受光領域２１４ａおよび第２受光領域２１４ｂのリセットタイミングを独立に制御するリセット線を有する。リセットタイミングＡおよびリセットタイミングＢは、全ての画素２０２において共通である。

そして、信号処理部２１０は、それぞれの画素２０２について、第１受光領域２１４ａおよび第２受光領域２１４ｂが蓄積した電荷量に応じた出力信号を同時に読み出す。このため、受光部２００は、それぞれの画素２０２の第１受光領域２１４ａおよび第２受光領域２１４ｂの出力信号を並列に伝送する読み出し線を有する。また、信号処理部２１０は、それぞれの画素２０２の第１受光領域２１４ａおよび第２受光領域２１４ｂの出力信号を並列に処理する処理回路を有する。

信号処理部２１０は、それぞれの画素２０２について、第１受光領域２１４ａの出力信号の値から、第２受光領域２１４ｂの出力信号の値を減算して、各画素２０２の画素信号を生成する。これにより、全ての画素２０２において、リセットタイミングＡからリセットタイミングＢまでの電荷蓄積時間に応じた画素信号を生成することができる。このような処理により、ローリング読み出しで読み出した出力信号から、グローバルシャッタによる画素信号を擬似的に生成することができる。信号処理部２１０は、図４において説明した処理を行うグローバルシャッタ処理部としても機能する。

図５は、受光部２００の構成例を示す図である。図５では、一つの画素２０２に関する構成だけを示すが、受光部２００は、全ての画素２０２について同様の構成を有する。上述したように、受光部２００は、第１受光領域２１４ａのリセットタイミングを制御するリセット線２２１−１と、第２受光領域２１４ｂのリセットタイミングを制御するリセット線２２１−２とを有する。リセット線２２１−１およびリセット線２２１−２は、画素２０２の行毎に設けられる。同一の行に含まれる画素２０２は、共通のリセット線２２１−１およびリセット線２２１−２に接続される。

また、受光部２００は、第１受光領域２１４ａの出力信号を読み出す読み出し線２２４−１と、第２受光領域２１４ｂの出力信号を読み出す読み出し線２２４−２とを有する。読み出し線２２４−１および読み出し線２２４−２は、画素２０２の列毎に設けられる。同一の列に含まれる画素２０２は、共通の読み出し線２２４−１および読み出し線２２４−２に接続される。読み出し線２２４は、それぞれの出力信号を信号処理部２１０に伝送する。

なお、信号処理部２１０は、行選択信号ＳＥＬにより、出力信号を読み出す行を選択する。また、信号処理部２１０は、出力信号を転送すべき受光領域２１４を、転送信号Ｔｘ１、Ｔｘ２により選択する。

このような構成により、信号処理部２１０は、それぞれの画素２０２について、第１受光領域２１４ａおよび第２受光領域２１４ｂが蓄積した電荷量に応じた出力信号を同時に、且つ、受光領域毎に独立して読み出す読出部として機能する。更に、信号処理部２１０は、ローリング読み出しで読み出した出力信号から、グローバルシャッタによる画素信号を擬似的に生成することができる。第２受光領域２１４ｂの出力信号を用いて、第１受光領域２１４ａの出力信号を補正するので、第１受光領域２１４ａおよび第２受光領域２１４ｂには均等に光が入射することが好ましい。しかし、第１受光領域２１４ａおよび第２受光領域２１４ｂは異なる位置に設けられるので、第１受光領域２１４ａおよび第２受光領域２１４ｂに均等に光が入射しない場合もある。

通常、撮像素子１００におけるマイクロレンズ１０１は、光軸に対する画素２０２の位置に応じて、画素２０２に対してずらして配置される。このように設計することで、ある特定のＥＰＤ値のレンズに対して、どの位置の画素２０２であっても、画素２０２の中心に光のスポットが配置される。ＥＰＤ値は、像面（撮像素子１００の表面）から、レンズの射出瞳までの距離を示す値である。このように、どの位置の画素２０２であっても、画素２０２の中心に光スポットがくるＥＰＤ値を、ＥＰＤジャストと称する。

これに対して、ＥＰＤジャストのレンズよりも、ＥＰＤが短くなるレンズ、または、ＥＰＤが長くなるレンズでは、画素２０２の位置に応じて、光のスポットが画素２０２の中心からずれてしまう。画素２０２は、中心線で２つの受光領域２１４に分割されるので、光のスポットが画素２０２の中心からずれると、２つの受光領域２１４で、出力信号の大きさに差が生じてしまう。例えば、光軸から離れた位置では、光のスポットの大部分が、一方の受光領域２１４に含まれてしまい、当該受光領域２１４の出力信号が非常に大きくなるのに対して、他方の受光領域２１４の出力信号が非常に小さくなる。このように、２つの受光領域２１４には、必ずしも均等に光が入射されない。

なお、上述したＥＰＤ値に応じて、受光領域２１４の出力信号を補正することも考えられるが、条件によっては、一方の受光領域２１４にまったく光が入射されないこともある。この場合、演算で出力信号を補正することができない。

図６は、受光部２００の構造例を示す図である。図６では、受光部２００の断面構造を示す。また図６では、受光部２００のうち、画像データ生成用の２つの画素２０２に対応する部分だけを示している。受光部２００は、画像データ生成用の画素２０２に対応して、拡大光学素子１１４を備える。拡大光学素子１１４は、対応する画素２０２に入射する光の受光領域２１４における照射領域を拡大させる。つまり、拡大光学素子１１４は、２つの受光領域２１４に入射される光の量を均等化させる。拡大光学素子１１４は、例えば入射光を拡散させて出力する拡散板、または、回折格子が形成された回折板等である。

拡大光学素子１１４は、当該画素２０２への入射光の光路上に設けられる。本例では、拡大光学素子１１４は、当該画素２０２に対応するカラーフィルタ１０２と、受光領域２１４との間に設けられる。ただし、拡大光学素子１１４の位置は、当該位置に限定されない。拡大光学素子１１４は、カラーフィルタ１０２とマイクロレンズ１０１との間に設けられてもよいし、他の位置に設けられてもよい。

図６に示すように、各画素２０２の間には、画素分離部１１５が形成される。また、各画素２０２における２つの受光領域２１４の間には、領域分離部１１６が形成される。画素分離部１１５および領域分離部１１６は、絶縁材料で形成されてよい。

入射光のスポットが一方の受光領域２１４に偏ってしまうような場合であっても、拡大光学素子１１４を設けることにより光量の偏りを低減することができる。また、入射光のスポットの大部分が領域分離部１１６上に位置してしまう場合であっても、拡大光学素子１１４を設けることにより、入射光を２つの受光領域２１４に分散させることができる。このように、受光部２００の画素２０２の一部である、画像データ生成用の画素２０２に対して拡大光学素子１１４を設けることで、画素信号を精度よく生成することができる。

図７は、受光部２００の構造例を示す図である。図７では、受光部２００の断面構造を示す。また図７では、受光部２００のうち、像面位相差検出用の２つの画素２０２に対応する部分だけを示している。受光部２００は、像面位相差検出用の画素２０２に対応して、分離光学素子１１７を備える。つまり、分離光学素子１１７は、拡大光学素子１１４が設けられていない画素に対して設けられる。

分離光学素子１１７は、入射する光を２つの受光領域２１４のそれぞれに分離させる。つまり、分離光学素子１１７は、マイクロレンズ１０１を通過した光束を一対の分離光束に分離し、それぞれの分離光束を、対応する受光領域２１４に入射させる。分離光学素子１１７は、撮影光学系の射出瞳面と、分離光学素子１１７が配置される配置面とが、マイクロレンズ１０１により光学的に共役となるように配置されることが好ましい。分離光学素子１１７は、例えばプリズム、レンズ等である。分離光学素子１１７は、受光領域２１４毎にプリズムまたはレンズ等を有する。プリズムまたはレンズは、対応する受光領域２１４に対して分離光束を照射する。

分離光学素子１１７は、当該画素２０２への入射光の光路上に設けられる。本例では、分離光学素子１１７は、当該画素２０２に対応するカラーフィルタ１０２と、受光領域２１４との間に設けられる。ただし、分離光学素子１１７の位置は、当該位置に限定されない。分離光学素子１１７は、カラーフィルタ１０２とマイクロレンズ１０１との間に設けられてもよいし、他の位置に設けられてもよい。

また、受光部２００は、遮光マスク１１８を更に備えてよい。遮光マスク１１８は、分離光学素子１１７と略同一面に設けられ、分離光学素子１１７が分離する分離光束を通過させる開口が設けられている。

図６および図７に示したように、受光部２００は、画像データ生成用の画素２０２に対しては拡大光学素子１１４を設け、像面位相差検出用の画素２０２に対しては分離光学素子１１７を設ける。これにより、画素信号を精度よく生成しつつ、像面位相差も精度よく検出することができる。

また、信号処理部２１０は、受光部２００からの各画素信号に基づく画像データを、ベイヤー配列等の所定の画素配列の画像データに変換する配列変換部としても機能する。上述したように、信号処理部２１０は、画像データ生成用の各画素２０２の２つの受光領域２１４からの信号を用いて、各画素２０２の画素信号を生成する。また、像面位相差検出用の画素２０２に対しては、当該画素２０２の周辺の画素２０２の出力値を用いて、画素信号を生成してよい。例えば、信号処理部２１０は、周辺の同一色の画素２０２の出力値を補間することで、当該画素２０２の画素信号を生成する。

図８は、信号処理部２１０における配列変換処理の一例を示す図である。図８においては、複数の画素２０２の各列の番号をｍ、ｍ＋１、ｍ＋２、・・・、ｍ＋ｋ、・・・とし、各行の番号をｎ、ｎ＋１、ｎ＋２、・・・、ｎ＋ｌ、・・・とする。ただし、ｋ、ｌは整数とする。図８においては、第１画素２０２−１の画素信号から、配列変換後の第１変換画素２０３−１の変換画素信号を生成する処理を説明する。本例の第１画素２０２−１は、ｋが０または偶数の列と、ｌが０または偶数の行に配列される。

信号処理部２１０は、行方向において隣接する２つの第１画素２０２−１の画素信号を加算して、当該２つの第１画素２０２−１の間に仮想的に配置される第１変換画素２０３−１の変換画素信号を生成する。図８においては、画素信号を加算する２つの第１画素２０２−１を両矢印で結合している。

より具体的には、信号処理部２１０は、各行の第１画素２０２−１が、それぞれ隣接する２つの第１画素２０２−１のペアとなるようにグルーピングする。信号処理部２１０は、ペアとなった２つの第１画素２０２−１の画素信号を加算して、第１変換画素２０３−１の変換画素信号を生成する。このとき、第１変換画素２０３−１の行方向の位置が、第１画素２０２−１の行毎に交互に異なるように、各行の第１画素２０２−１をグルーピングする。例えば、第ｎ＋ｓ（但し、ｓは０、４、８、・・・）行においては、（ｍ、ｍ＋２）、（ｍ＋４、ｍ＋６）、（ｍ＋８、ｍ＋１０）の列位置の第１画素２０２−１がグルーピングされる。これに対して、第ｎ＋ｓ＋２行においては、（ｍ＋２、ｍ＋４）、（ｍ＋６、ｍ＋８）、（ｍ＋１０、ｍ＋１２）の列位置の第１画素２０２−１がグルーピングされる。

図９は、第１変換画素２０３−１の配列例を示す図である。図８に説明した変換処理により、第１変換画素２０３−１は図９のように配列される。つまり、第１変換画素２０３−１の行方向の位置が、第１変換画素２０３−１の行毎に交互に異なるように配列される。具体的には、第ｎ＋ｓ行においては、ｍ＋１、ｍ＋５、ｍ＋９の列位置に第１変換画素２０３−１が配置される。また、第ｎ＋ｓ＋２行においては、ｍ＋３、ｍ＋７、ｍ＋１１の列位置に第１変換画素２０３−１が配置される。

図１０は、信号処理部２１０における配列変換処理の一例を示す図である。図１０においては、第２画素２０２−２および第３画素２０２−３の画素信号から、配列変換後の第２変換画素２０３−２および第３変換画素２０３−３の変換画素信号を生成する処理を説明する。本例の第２画素２０２−２および第３画素２０２−３は、ｋが奇数の列に配列される。本例では、第２画素２０２−２は、ｍ＋３、ｍ＋７、ｍ＋１１、・・・の列に配列される。また、第３画素２０２−３は、ｍ＋１、ｍ＋５、ｍ＋９、・・・の列に配列される。

信号処理部２１０は、列方向において隣接する２つの第２画素２０２−２の画素信号を加算して、当該２つの第２画素２０２−２の間に仮想的に配置される第２変換画素２０３−２の変換画素信号を生成する。また、信号処理部２１０は、列方向において隣接する２つの第３画素２０２−３の画素信号を加算して、当該２つの第３画素２０２−３の間に仮想的に配置される第３変換画素２０３−３の変換画素信号を生成する。図１０においては、画素信号を加算する２つの画素２０２を両矢印で結合している。

なお、図８において説明した２つの第１画素２０２−１を結ぶ両矢印と、図１０において説明した２つの第２画素２０２−２を結ぶ両矢印、および、２つの第３画素２０２−３を結ぶ両矢印とが重ならないように、画素信号を加算する第２画素２０２−２のペアおよび第３画素２０２−３のペアが選択される。つまり、第１変換画素２０３−１、第２変換画素２０３−２、第３変換画素２０３−３の位置が重ならないように、画素信号を加算する第２画素２０２−２のペアおよび第３画素２０２−３のペアが選択される。

より具体的には、第２画素２０２−２は、（ｎ＋３、ｎ＋５）、（ｎ＋７、ｎ＋９）、（ｎ＋１１、ｎ＋１３）の行位置の第２画素２０２−２がグルーピングされる。これに対して、第３画素２０２−３は、（ｎ＋１、ｎ＋３）、（ｎ＋５、ｎ＋７）、（ｎ＋９、ｎ＋１１）の列位置の第３画素２０２−３がグルーピングされる。

図１１は、第２変換画素２０３−２および第３変換画素２０３−３の配列例を示す図である。図１０に説明した変換処理により、第２変換画素２０３−２および第３変換画素２０３−３は図１１のように配列される。具体的には、ｍ＋３、ｍ＋７、ｍ＋１１列においては、ｎ＋４、ｎ＋８、ｎ＋１２の行位置に第２変換画素２０３−２が配置される。また、ｍ＋１、ｍ＋５、ｍ＋９行においては、ｎ＋２、ｎ＋６、ｎ＋１０の行位置に第３変換画素２０３−３が配置される。

図１２は、第１変換画素２０３−１、第２変換画素２０３−２および第３変換画素２０３−３の配列例を示す図である。図１２に示す配列は、図９および図１１に示した各変換画素２０３の配列を重ねた配列である。図８から図１１において説明した処理により、信号処理部２１０は、図１２に示すような、ベイヤー配列の画像データを取得することができる。

以上説明した撮像素子１００によれば、像面位相差検出用の画素を、行方向および列方向において連続して配置できるので、像面位相差の検出精度を向上させることができる。そして、隣接する画素２０２の画素信号を加算するという簡単な演算で、ベイヤー配列の画像データを取得することができる。

図１３Ａおよび図１３Ｂは、マイクロレンズ１０１の構造例を示す図である。図１３Ａは、マイクロレンズ１０１の斜視図である。ただし、曲線のグリッド線は曲面を示しており、直線のグリッド線は平面を示している。図１３Ｂは、マイクロレンズ１０１の平面形状を示す図である。図１３Ａ、図１３Ｂに示すように、マイクロレンズ１０１は、球面レンズの４辺を切り落としたような形状を有する。これにより、直径の大きい球面レンズを用いることができ、マイクロレンズ１０１の実質開口を上げることができる。また、マイクロレンズ１０１の４辺の位置を、画素２０２の４辺の位置と一致させることで、マイクロレンズ１０１を効率よく敷き詰めることができる。

図１４は、受光部２００の他の構成例を示す図である。本例において、それぞれの各受光領域２１４はフォトダイオードである。本例の受光部２００においては、４つのフォトダイオードに対して、リセットトランジスタＲ、ソースフォロワトランジスタＳＦおよび選択トランジスタＳが共通に設けられる。例えば、領域２４０に含まれる４つのフォトダイオードに対して、リセットトランジスタＲ等が共通に設けられる。

また、それぞれのフォトダイオードに対して転送トランジスタＴＸが設けられる。また、当該４つのフォトダイオードは、それぞれ異なる画素２０２に含まれる。例えば、リセットトランジスタＲ等を共有する４つのフォトダイオードは、２つの第１画素２０２−１および２つの第２画素２０２−２に含まれる。

なお、転送トランジスタＴＸは、フォトダイオードが蓄積した電荷を、電荷検出部に転送するか否かを切り替える。電荷検出部は、例えば配線と基準電位間に接続された容量である（図示しない）。当該電荷検出部も、４つのフォトダイオードに共有される。

リセットトランジスタＲは、電荷検出部に転送された電荷をリセットするか否かを切り替える。ソースフォロワトランジスタＳＦは、電荷検出部に蓄積された電荷に応じた出力信号を出力する。選択トランジスタＳは、出力信号を読み出し線２２４に出力するか否かを切り替える。

図１５は、図１４に示した例における、転送トランジスタＴＸのおよび電荷検出部の配置例を示す図である。本例では、画素２０２と、トランジスタとは異なる層に設けられる。このため、画素２０２と、トランジスタを重ねて配置することができる。上述したように、４つのフォトダイオードＰＤにより、電荷検出部およびリセットトランジスタＲ等が共有される。それぞれのフォトダイオードＰＤには、転送トランジスタＴＸが設けられる。図１５においては、転送トランジスタＴＸのゲート電極を斜線部で示している。

４つのフォトダイオードは、２つの第１画素２０２−１、および、２つの第２画素２０２−２または第３画素２０２−３に含まれる。第１画素２０２−１と、第２画素２０２−２および第３画素２０２−３とは、画素が分割される方向が異なるので、４つの転送トランジスタＴＸで囲まれる領域が生じる。当該領域が電荷検出部として機能する。なお、図１５においては、リセットトランジスタＲ等を省略しているが、図１４に示したように、リセットトランジスタＲ等も、４つのフォトダイオードにより共有される。

図１６は、撮像素子１００の断面の一例を示す図である。本例では、裏面照射型の撮像素子１００を示すが、撮像素子１００は裏面照射型に限定されない。また、図１６においては、図６に示した拡大光学素子１１４および分離光学素子１１７を省略する。本例の撮像素子１００は、入射光に対応した信号を出力する撮像チップ１１３と、撮像チップ１１３からの信号を処理する信号処理チップ１１１と、信号処理チップ１１１が処理した画像データを記憶するメモリチップ１１２とを備える。これら撮像チップ１１３、信号処理チップ１１１およびメモリチップ１１２は積層されており、Ｃｕ等の導電性を有するバンプ１０９により互いに電気的に接続される。

なお、図示するように、入射光は主に白抜き矢印で示す方向へ入射する。本実施形態においては、撮像チップ１１３において、入射光が入射する側の面を裏面と称する。撮像チップ１１３の一例は、裏面照射型のＭＯＳイメージセンサである。撮像チップ１１３は、受光部２００に対応する。ＰＤ（フォトダイオード）層１０６は、配線層１０８の裏面側に配されている。ＰＤ層１０６は、二次元的に配され、入射光に応じた電荷を蓄積する複数のＰＤ部１０４、および、ＰＤ部１０４に対応して設けられたトランジスタ１０５を有する。一つの画素２０２に、一つのＰＤ部１０４が設けられる。つまり、ＰＤ部１０４は、第１受光領域２１４ａおよび第２受光領域２１４ｂを有する。

ＰＤ層１０６における入射光の入射側にはパッシベーション膜１０３を介してカラーフィルタ１０２が設けられる。カラーフィルタ１０２は、互いに異なる波長領域を透過する複数の種類を有しており、ＰＤ部１０４のそれぞれに対応して特定の配列を有している。カラーフィルタ１０２、ＰＤ部１０４および複数のトランジスタ１０５の組が一つの画素を形成する。複数のトランジスタ１０５のオンオフを制御することで、各受光領域２１４の読み出しタイミング、受光開始タイミング（リセットタイミング）等を制御する。

カラーフィルタ１０２における入射光の入射側には、それぞれの画素に対応して、マイクロレンズ１０１が設けられる。マイクロレンズ１０１は、対応するＰＤ部１０４へ向けて入射光を集光する。

配線層１０８は、ＰＤ層１０６からの信号を信号処理チップ１１１に伝送する配線１０７を有する。配線１０７は、例えば図５に示した読み出し線２２４に対応する。また、配線層１０８には、図５および図１４に示した各トランジスタのゲート電極が形成されてよい。また、図５および図１４に示した各トランジスタは、信号処理チップ１１１に形成されてもよい。この場合、配線１０７は、ＰＤ層１０６と、各トランジスタとを接続する配線に対応する。配線１０７は多層であってもよく、また、受動素子および能動素子が設けられてもよい。本例の信号処理チップ１１１は、信号処理部２１０を含む。

配線層１０８の表面には複数のバンプ１０９が配される。当該複数のバンプ１０９が信号処理チップ１１１の対向する面に設けられた複数のバンプ１０９と位置合わせされて、撮像チップ１１３と信号処理チップ１１１とが加圧等されることにより、位置合わせされたバンプ１０９同士が接合されて、電気的に接続される。

同様に、信号処理チップ１１１およびメモリチップ１１２の互いに対向する面には、複数のバンプ１０９が配される。これらのバンプ１０９が互いに位置合わせされて、信号処理チップ１１１とメモリチップ１１２とが加圧等されることにより、位置合わせされたバンプ１０９同士が接合されて、電気的に接続される。

なお、バンプ１０９間の接合には、固相拡散によるＣｕバンプ接合に限らず、はんだ溶融によるマイクロバンプ結合を採用してもよい。また、バンプ１０９は、後述する一つの単位ブロックに対して一つ程度設ければよい。したがって、バンプ１０９の大きさは、ＰＤ部１０４のピッチよりも大きくてもよい。また、画素が配列された撮像領域以外の周辺領域において、撮像領域に対応するバンプ１０９よりも大きなバンプを併せて設けてもよい。

信号処理チップ１１１は、表裏面にそれぞれ設けられた回路を互いに接続するＴＳＶ（シリコン貫通電極）１１０を有する。ＴＳＶ１１０は、周辺領域に設けられることが好ましい。また、ＴＳＶ１１０は、撮像チップ１１３の周辺領域、メモリチップ１１２にも設けられてよい。

図１７は、一つの実施形態に係る撮像装置５００の構成例を示すブロック図である。撮像装置５００は、撮影光学系としての撮影レンズ５２０を備え、撮影レンズ５２０は、光軸ＯＡに沿って入射する被写体光束を撮像素子１００へ導く。撮影レンズ５２０は、撮像装置５００に対して着脱できる交換式レンズであっても構わない。撮像装置５００は、撮像素子１００、システム制御部５０１、駆動部５０２、測光部５０３、ワークメモリ５０４、記録部５０５、表示部５０６および駆動部５１４を主に備える。

撮影レンズ５２０は、複数の光学レンズ群から構成され、シーンからの被写体光束をその焦点面近傍に結像させる。なお、図１７では瞳近傍に配置された仮想的な１枚のレンズで当該撮影レンズ５２０を代表して表している。

駆動部５１４は撮影レンズ５２０を駆動する。より具体的には駆動部５１４は撮影レンズ５２０の光学レンズ群を移動させて合焦位置を変更し、また、撮影レンズ５２０内の虹彩絞りを駆動して撮像素子１００へ入射する被写体光束の光量を制御する。

駆動部５０２は、システム制御部５０１からの指示に従って撮像素子１００のタイミング制御、領域制御等の電荷蓄積制御を実行する制御回路である。駆動部５０２は、撮像素子１００の受光部２００および信号処理部２１０を、図１から図１６に関連して説明したように動作させる。また、操作部５０８はレリーズボタン等により撮像者からの指示を受け付ける。

撮像素子１００は、図１から図１６に関連して説明した撮像素子１００と同一である。撮像素子１００は、画素信号をシステム制御部５０１の画像処理部５１１へ引き渡す。画像処理部５１１は、ワークメモリ５０４をワークスペースとして種々の画像処理を施し、画像データを生成する。例えば、ＪＰＥＧファイル形式の画像データを生成する場合は、ベイヤー配列で得られた信号からカラー映像信号を生成した後に圧縮処理を実行する。画像処理部５１１は、信号処理部２１０を有してよい。この場合、撮像素子１００は、信号処理部２１０を有さずともよい。生成された画像データは、記録部５０５に記録されるとともに、表示信号に変換されて予め設定された時間の間、表示部５０６に表示される。

測光部５０３は、画像データを生成する一連の撮影シーケンスに先立ち、シーンの輝度分布を検出する。測光部５０３は、例えば１００万画素程度のＡＥセンサを含む。システム制御部５０１の演算部５１２は、測光部５０３の出力を受けてシーンの領域ごとの輝度を算出する。演算部５１２は、算出した輝度分布に従ってシャッタ速度、絞り値、ＩＳＯ感度を決定する。測光部５０３は撮像素子１００で兼用してもよい。なお、演算部５１２は、撮像装置５００を動作させるための各種演算も実行する。駆動部５０２は、一部または全部が撮像素子１００の信号処理チップ１１１に搭載されてよい。システム制御部５０１の一部が撮像素子１００の信号処理チップ１１１に搭載されてもよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１００ 撮像素子、１０１ マイクロレンズ、１０２ カラーフィルタ、１０３ パッシベーション膜、１０４ ＰＤ部、１０５ トランジスタ、１０６ ＰＤ層、１０７ 配線、１０８ 配線層、１０９ バンプ、１１０ ＴＳＶ、１１１ 信号処理チップ、１１２ メモリチップ、１１３ 撮像チップ、１１４ 拡大光学素子、１１５ 画素分離部、１１６ 領域分離部、１１７ 分離光学素子、１１８ 遮光マスク、２００ 受光部、２０２ 画素、２０３ 変換画素、２１０ 信号処理部、２１４ 受光領域、２１４ａ 第１受光領域、２１４ｂ 第２受光領域、２２２−１、２２２−２ リセット線、２２４ 読み出し線、２６０ 補正部、２７０ ルックアップテーブル、５００ 撮像装置、５０１ システム制御部、５０２ 駆動部、５０３ 測光部、５０４ ワークメモリ、５０５ 記録部、５０６ 表示部、５０８ 操作部、５１１ 画像処理部、５１２ 演算部、５１４ 駆動部、５２０ 撮影レンズ

Claims (8)

1. 第１方向および第２方向に沿って配列され、それぞれ分離された２つの受光領域を有する複数の画素と、
   前記複数の画素のうち一部の画素に対して設けられ、対応する画素に入射する光の前記受光領域における照射領域を拡大させる拡大光学素子と
   を備える撮像素子。
2. 前記拡大光学素子が設けられていない画素の前記２つの受光領域のそれぞれの出力信号に基づいて、前記撮像素子の焦点状態を検出する焦点検出部を更に備える
   請求項１に記載の撮像素子。
3. 前記拡大光学素子が設けられたそれぞれの画素について、前記２つの受光領域のうち、第１受光領域が蓄積した電荷をリセットするリセットタイミングに対して、第２受光領域のリセットタイミングを遅らせて、且つ、前記第１受光領域および前記第２受光領域が蓄積した電荷量に応じた出力信号を同時に読み出し、前記第１受光領域の前記出力信号の値から、前記第２受光領域の前記出力信号の値を減算して当該画素の画素信号を生成する、グローバルシャッタ処理部を更に備える
   請求項１または２に記載の撮像素子。
4. 前記拡大光学素子が設けられたそれぞれの画素について、前記２つの受光領域のそれぞれが蓄積した電荷量に応じた出力信号を同時に、且つ、受光領域毎に独立して読み出す読出部を更に備える
   請求項１または２に記載の撮像素子。
5. 前記拡大光学素子が設けられていない画素に対して設けられ、入射する光を前記２つの受光領域のそれぞれに分離させる分離光学素子を更に備える
   請求項１から４のいずれか一項に記載の撮像素子。
6. それぞれの画素に対して設けられたカラーフィルタを更に備え、
   前記拡大光学素子は、前記画素と、前記カラーフィルタとの間に設けられる
   請求項１から５のいずれか一項に記載の撮像素子。
7. 前記複数の画素は、
   前記第１方向および前記第２方向に沿って配列され、第１の色に対応する複数の第１画素と、
   近接する４つの第１画素に囲まれるそれぞれの領域に設けられ、前記第１の色とは異なる色に対応する複数の他の画素と
   を含む請求項１から６のいずれか一項に記載の撮像素子。
8. 前記複数の他の画素は、
   前記第２方向に沿って配列され、第２の色に対応する複数の第２画素と、
   前記第２方向に沿って配列され、第３の色に対応する複数の第３画素と
   を含み、
   第２画素の列および第３画素の列は、前記第１方向において交互に配置され、
   前記第１方向において隣接する２つの前記第１画素の出力信号を加算して前記第１の色に対応する画素信号を生成し、前記第２方向において隣接する２つの前記第２画素の出力信号を加算して前記第２の色に対応する画素信号を生成し、前記第２方向において隣接する２つの前記第３画素の出力信号を加算して前記第３の色に対応する画素信号を生成する配列変換部を更に備える
   請求項７に記載の撮像素子。

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