JP2019149607A - 撮像素子 - Google Patents

Abstract

【課題】被写体の色による焦点検出精度の変化や、色シェーディングを低減した撮像素子を提供する。【解決手段】撮像画素は瞳分割位相差方式による焦点調節を行うための複数に分割された光電変換部と、光電変換部に導光するためのレンズと、撮像画素に対してレンズと光電変換部に配置され、撮像素子群の中心から遠ざかるほど撮像画素の中心に対して撮像素子群の中心に向かって偏心して配置されることで入射した光を撮像画素に集光させる内部レンズと、光電変換部への導光される光の波長帯域を制限するカラーフィルタと、を有する撮像画素であって、第一の撮像画素は、第一の波長帯域を表現する第一のカラーフィルタと、第一の偏心率を有する第一の内部レンズを具備し第二の撮像画素は、第一の波長帯域より長い第二の波長帯域を表現する第二のカラーフィルタと、第一の偏心率が大きい第二の偏心率を有する第二の内部レンズを具備する、ことを特徴とする。【選択図】図８

Description

本発明は、撮像素子に関するものである。

マイクロレンズと光電変換部の相対位置を偏位させた画素を２次元的に多数配置した、撮像素子が焦点検出素子の機能も兼ねた固体撮像装置が特許文献１に開示されている。特許文献１の固体撮像装置では、通常の画像を撮影するときは、マイクロレンズと光電変換部の相対偏位方向が異なる画素を加算することにより、画像を生成している。また、特許文献２の固体撮像装置では、分光に応じて絶縁膜の厚さを変えることで、分光バランスを補正可能にしている。

特開２０１５−１６２５６２号公報 特開２０１５−６９９９２号公報

特許文献１に開示された従来技術では、複数の方向で瞳分割された画素構造を用いて瞳分割位相差方式の焦点検出を行うが、色毎で設定瞳距離が異なるため、被写体の色に応じて焦点検出精度が変化しやすい。また、特許文献２に開示された従来技術では、色毎で設定瞳距離が異なるため、色シェーディングの低減効果は少ない。

撮像面上に複数の撮像画素を備える撮像素子であって、該撮像画素は瞳分割位相差方式による焦点調節を行うための複数に分割された光電変換部と、光電変換部に導光するためのレンズと、前記撮像画素に対して前記レンズと前記光電変換部に配置され、前記撮像素子群の中心から遠ざかるほど前記撮像画素の中心に対して前記撮像素子群の中心に向かって偏心して配置されることで入射した光を前記撮像画素に集光させる内部レンズと、前記光電変換部への導光される光の波長帯域を制限するカラーフィルタと、を有する撮像画素であって、第一の撮像画素は、第一の波長帯域を表現する第一のカラーフィルタと、第一の偏心率を有する第一の内部レンズを具備し第二の撮像画素は、前記第一の波長帯域より長い第二の波長帯域を表現する第二のカラーフィルタと、前記第一の偏心率が大きい第二の偏心率を有する第二の内部レンズを具備する、ことを特徴とする。

本発明によれば、被写体の色による焦点検出精度の変化や、色シェーディングを低減した撮像素子が可能となる。

撮像装置の構成例を表す模式図である。 撮像用画素の構造図である。 本発明の実施例１における撮像画素の概略平面図と概略断面図である。 本発明の実施例１における撮像画素と瞳分割の概略説明図である。 本発明の実施例１における撮像素子の設計瞳距離の説明図である。 本発明の実施例１におけるカラーフィルタがＲＧＢの撮像素子それぞれの設計瞳距離の概略図である。 本発明の実施例１におけるカラーフィルタがＲＧＢの像高が高い位置の撮像素子それぞれの内部レンズの偏心率を表した概略図である。 本発明の実施例２における内部レンズを具備する撮像画素と内部レンズを具備しない撮像画素との比較図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。

〔実施例１〕
本発明の実施例１について、図２〜図７を用いて以下で説明する。

［撮像素子］
本実施例１における撮像素子の撮像画素と焦点検出画素の配列の概略図を図２に示す。

図２は、本実施例１の２次元ＣＭＯＳセンサー（撮像素子）の画素（撮像画素）配列を４列×４行の範囲で、焦点検出画素配列を８列×４行の範囲で示したものである。

実施例１において、図２に示した２列×２行の画素群２００は、左上の位置にカラーフィルタの配置によりＲ（赤）の分光感度を有する画素２００Ｒが左上に、カラーフィルタの配置によりＧ（緑）の分光感度を有する画素２００Ｇが右上と左下に、カラーフィルタの配置によりＢ（青）の分光感度を有する画素２００Ｂが右下に配置されている。さらに、各画素は２列×２行に配列された第１焦点検出画素２０１と第２焦点検出画素２０２により構成されている。

図２に示した４列×４行の画素（８列×８行の焦点検出画素）を面上に多数配置し、撮像画像（焦点検出信号）の取得を可能としている。本実施例１では、画素の周期Ｐが４μｍ、画素数Ｎが横５５７５列×縦３７２５行＝約２０７５万画素、焦点検出画素の列方向周期Ｐ_ＡＦが２μｍ、焦点検出画素数Ｎ_ＡＦが横１１１５０列×縦７４５０行＝約８３０６万画素の撮像素子として説明を行う。

入射光は、マイクロレンズ３０５（光電変換部に導光するためのレンズ）により集光され、カラーフィルター（不図示）で分光され、光導波路３１０を伝搬する。

図３（ｃ）の中央図のように、入射光が光軸に対して０°で（光軸に平行に）入射した場合は、光電変換部３０１（瞳分割位相差方式による焦点調節を行うための複数に分割された光電変換部の一方）で受光される受光量と、光電変換部３０２（瞳分割位相差方式による焦点調節を行うための複数に分割された光電変換部のもう一方）で受光される受光量とが、概ね同じとなる。これに対して、図３（ｃ）の左図のように、入射光が光軸に対して−１５°で入射した場合は、光電変換部３０２で受光される受光量がより多くなる。一方、図３（ｃ）の右図のように、入射光が光軸に対して１５°で入射した場合は、光電変換部３０１で受光される受光量がより多くなる。

光電変換部３０１と３０２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、一方、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の外部へ排出される。

図３に示した本実施例１の画素構造と瞳分割との対応関係を示した概略説明図を図４に示す。図３（ａ）に示した本実施例１の画素構造の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を図４に示す。図４では、射出瞳面の座標軸と対応を取るために、断面図のｘ軸とｙ軸を図３に対して反転させている。

図４で、第１瞳部分領域４０１は、重心が＋Ｘ方向に偏心している光電変換部３０１と、マイクロレンズによって、概ね、共役関係になっており、第１焦点検出画素２０１が受光可能な瞳領域を表している。

図４で、第２瞳部分領域４０２は、瞳面上で−Ｘ側に重心が偏心している。重心が＋ｘ方向に偏心している光電変換部３０２の受光面と、マイクロレンズによって、概ね、共役関係になっており、第２焦点検出画素２０２で受光可能な瞳領域を表している。また、図４で、瞳領域４００は、光電変換部３０１と光電変換部３０２を全て合わせた際の画素２００Ｇ全体で受光可能な瞳領域である。

本実施例１の撮像素子と瞳分割との対応関係を示した概略図を図５に示す。第１瞳部分領域４０１と第２瞳部分領域４０２の異なる瞳部分領域を通過した光束は、撮像画素の各画素に、それぞれ、異なる角度で入射し、２×１分割された第１焦点検出画素２０１と第２焦点検出画素２０２で受光される。

本発明の撮像画素は、結像光学系の第１瞳部分領域を通過する光束を受光する第１焦点検出画素、第２瞳部分領域を通過する光束を受光する第２焦点検出画素と、第１瞳部分領域から第２瞳部分領域全てを合わせた瞳領域を通過する光束を受光する撮像画素が複数配列されている。本実施例１の撮像画素では、それぞれの撮像画素が第１焦点検出画素、第２焦点検出画素から構成されている。

必要に応じて、撮像画素と第１焦点検出画素、第２焦点検出画素を個別の画素構成とし、撮像画素配列の一部に、第１焦点検出画素と第２焦点検出画素を部分的に配置する構成としても良い。

本実施例１では、撮像素子の各撮像画素の第１焦点検出画素２０１を第１焦点信号として生成し、撮像素子の各撮像画素の第２焦点検出画素２０２を第２焦点信号として生成し、焦点検出を行う。また、撮像画素の各画素で、第１焦点検出画素２０１、第２焦点検出画素２０２を加算することで、有効画素数Ｎの解像度の撮像信号（撮像画像）を生成する。

［撮像素子の設計瞳距離］
図５は撮像素子の設計瞳距離と射出瞳距離の関係を示した図である。５０１は焦点検出画素２０１の入射角受光感度特性、５０２は焦点検出画素２０２の入射角受光感度特性、５０３は中央像高の撮像画素の主光線、５０４は中央像高の撮像画素の受光する光束、５０５は周辺像高の撮像画素の主光線、５０６は周辺像高の撮像画素の受光する光束、５０７は撮像センサの設計瞳距離、５０８は中央像高の撮像画素の中心（マイクロレンズの頂点と撮像画素の中心は一致し、それぞれが撮像画素の中心である）から周辺像高のマイクロレンズの頂点までの距離、５０９は中央像高の撮像画素中心（開口部中心）から周辺像高の撮像画素中心までの距離、５１０は焦点検出画素２０１と焦点検出画素２０２を足した撮像画素としての入射角受光感度特性、をそれぞれ表している。

図５を用いて、撮像素子の設計瞳距離について説明する。距離５０９と比較し、距離５０８は小さく設定されている。これは、撮影レンズの射出瞳によるケラレが生じた際に、感度が低下するのを低減することを目的としている。中央像高の主光線５０３と周辺像高の主光線５０５の交点を本件では撮像素子の設計瞳距離と呼ぶとする。設計瞳距離は撮影レンズに依存しない、撮像素子固有の値である。撮像素子の焦点検出性能や撮像性能を設計する上で、この設計瞳距離と撮影レンズの射出瞳距離との関係性を加味して設計瞳距離を決定する。

［波長と設計瞳距離の関係］
図６は図５にＲＧＢのカラーフィルタを入れた場合の概略図であり、波長の長さの違いによる設計瞳距離の違いを示した図である。図６（ａ）はカラーフィルタＲの撮像素子の設計瞳距離、図６（ｂ）はカラーフィルタＧの撮像素子の設計瞳距離、図６（ｃ）はカラーフィルタＢの撮像素子の設計瞳距離を説明した図である。Ｒの設計瞳距離を５０７Ｒ、Ｇの設計瞳距離を５０７Ｇ、Ｂの設計瞳距離を５０７Ｂと定義する。カラーフィルタＲ、Ｇ、Ｂのように、波長が異なるカラーフィルタを用いると、マイクロレンズ３０５から入光した光が光電変換部まで到達するまでに屈折する角度が異なるため、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）のように、Ｒ、Ｇ、Ｂで設計瞳距離が異なる。ホイヘンスの原理に基づいており、波長が長い順に設計瞳距離５０７の長さは５０７Ｒ＞５０７Ｇ＞５０７Ｂとなる。

Ｒ、Ｇ、Ｂで設計瞳距離が異なると、焦点検出の観点では撮影レンズの射出瞳距離と設計瞳距離の距離関係がＲ、Ｇ、Ｂで変わるため、被写体の色に応じて焦点検出精度が変化しやすくなる。また、Ｒ、Ｇ、Ｂで設計瞳距離が異なると、撮像の観点では入射角受光感度特性５１０もＲ、Ｇ、Ｂで異なるため、色シェーディングとして撮影した画像に影響を与える。

［設計瞳距離の調整方法］
図５を見ると、設計瞳距離５０７は距離５０８を変更すれば変わることが分かる。つまり、マイクロレンズ３０５の偏心率を変更することで、設計瞳距離５０７を調整することができることが分かる。具体的には、マイクロレンズ３０５の偏心率を大きくする（距離５０８を短くする）と、設計瞳距離５０７は短くなる。対して、マイクロレンズ３０５の偏心率を大きくする（距離５０８を長くする）と、設計瞳距離５０７は長くなる。これは、内部レンズ３０６でも同様であり、内部レンズ３０６の偏心率を変更することで、設計瞳距離５０７を調整することができることが分かる。

［波長の異なるカラーフィルタで瞳距離合わせる方法］
前述のとおり、Ｒ、Ｇ、Ｂの波長毎で設計瞳距離が異なることで、焦点検出の観点では被写体の色に応じて焦点検出精度の変化の一因となり、撮像の観点では色シェーディング低下の一因となる。そのため、ＲＧＢで設計瞳距離を同じにすることで色シェーディングや、被写体の色による焦点検出精度のばらつきを低減することが可能となる。

異なる波長のカラーフィルタを用いた場合においても、設計瞳距離５０７を同じ値に設定するには、マイクロレンズ３０５の偏心率、または、内部レンズ３０６のうち、少なくとも一方の偏心率をＲ、Ｇ、Ｂで適切に設定すれば良い。

具体例として、本実施例では色ムラ等の撮像性能への影響の少ない内部レンズを用いて設計瞳距離の設定方法を説明する。

図７は図５で示したｘ像高が高い場所の撮像画素の拡大図であり、内部レンズの偏心率をＲＧＢのカラーフィルタが異なる撮像画素毎で変えることで、ＲＧＢの設計瞳距離を合わせる場合の概略図である。図７（ａ）はカラーフィルタＲの撮像画素の偏心率、図７（ｂ）はカラーフィルタＧの撮像画素の偏心率、図７（ｃ）はカラーフィルタＢの撮像画素の偏心率を示している。Ｒの撮像画素の偏心率を７０１Ｒ、Ｇの撮像画素の偏心率を７０１Ｇ、Ｂの撮像画素の偏心率を７０１Ｂと定義する。

内部レンズの偏心率を用いてＲ、Ｇ、Ｂの設計瞳距離の長さを同じにするには、波長の長いＲは図７（ａ）のように偏心率を大きくし、波長の短いＢは図７（ｃ）のように偏心率を小さくすれば良い。つまり、図７（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、７０１Ｒ＞７０１Ｇ＞７０１Ｂとすれば良い。

また、構造をシンプルにするために（Ｒ）と（Ｇ、Ｂ）で偏心率を変えるといったカラーフィルタの波長の種類に対して偏心率の種類を一部省略する方法でも良い。

以上説明したように、波長が長いカラーフィルタを有する撮像画素は内部レンズ、または、マイクロレンズのうち少なくとも一方の偏心率を大きくし、波長が短いカラーフィルタを有する撮像画素は内部レンズ、または、マイクロレンズのうち少なくとも一方の偏心率を小さくした撮像素子とすることで、異なる波長のカラーフィルタを有する撮像素子においても、各波長の違いからくる撮像画素の設計瞳距離の違いを低減し、被写体の色による焦点検出精度の変化や色シェーディングや低減した撮像素子が実現可能となる。

〔実施例２〕
本発明の実施例２について、図８を用いて以下で説明する。なお、実施例１では、撮像画素全てに内部レンズが配置されている撮像素子の場合について説明を実施した。一方、実施例２では、撮像画素に内部レンズが配置されたものと内部レンズが配置されていないものが混合されて配置されている撮像素子の場合について説明する。このため、内部レンズ以外の部分に関しては全て同じ構成を取る。従って、同様の構成及び処理については同一の符号を付与してそれらの詳細な説明を省略し、相違点を中心に説明する。 本発明の実施例２について、図８を用いて以下で説明する。

図８は内部レンズ３０６を具備する撮像画素と、内部レンズ３０６を具備しない撮像画素を比較した図である。

内部レンズは主に、設計瞳距離を短くするために配置される。よって、設計瞳距離を短くする必要のない画素に関しては、必ずしも内部レンズを配置する必要がない。よって、設計瞳距離を短くする必要がある撮像画素は図８（ａ）に示す内部レンズの存在する撮像画素を用い、設計瞳距離を短くする必要がない撮像画素は図８（ｂ）に示す内部レンズの存在しない撮像画素を用いることで、波長の異なる撮像画素の設計瞳距離を近づけることが可能である。Ｒ、Ｇ、Ｂのカラーフィルタがある場合を用いて説明すると、以下の２通りが考えられる。１つは、波長の長いＲは内部レンズのある撮像画素にし、ＧとＢは内部レンズがない撮像画素にする。もう１つは、ＲとＧは内部レンズのある撮像画素にし、Ｂは内部レンズがない撮像画素にする。

以上説明したように、波長が長いカラーフィルタを有する撮像画素は内部レンズを具備し、波長が短いカラーフィルタを有する撮像画素は内部レンズ具備しない、といった、内部レンズの校正が異なる撮像画素を具備する撮像素子とすることで、異なる波長のカラーフィルタを有する撮像素子においても、各波長の違いからくる撮像画素の設計瞳距離の違いを低減し、被写体の色による焦点検出精度の変化や色シェーディングや低減した撮像素子が実現可能となる。

１１１はズームアクチュエータ
１１５は撮影時の被写体照明用電子フラッシュ
１１６はＡＦ補助光部
１２２は電子フラッシュ制御回路
１２３は補助光駆動回路
１２５は画像処理回路
１３１はＬＣＤ等の表示器
１３２は操作スイッチ群
１３３は着脱可能なフラッシュメモリ

Claims (2)

1. 撮像面上に複数の撮像画素を備える撮像素子であって、
   該撮像画素は
   瞳分割位相差方式による焦点調節を行うための複数に分割された光電変換部と、
   光電変換部に導光するためのレンズと、
   前記撮像画素に対して前記レンズと前記光電変換部に配置され、前記撮像素子群の中心から遠ざかるほど前記撮像画素の中心に対して前記撮像素子群の中心に向かって偏心して配置されることで入射した光を前記撮像画素に集光させる内部レンズと、
   前記光電変換部への導光される光の波長帯域を制限するカラーフィルタと、
   を有する撮像画素であって、
   第一の撮像画素は、第一の波長帯域を表現する第一のカラーフィルタと、第一の偏心率を有する第一の内部レンズを具備し
   第二の撮像画素は、前記第一の波長帯域より長い第二の波長帯域を表現する第二のカラーフィルタと、前記第一の偏心率が大きい第二の偏心率を有する第二の内部レンズを具備する、
   ことを特徴とする撮像素子。
2. 撮像面上に複数の撮像画素を備える撮像素子であって、
   該撮像画素は
   瞳分割位相差方式による焦点調節を行うための複数に分割された光電変換部と、
   光電変換部に導光するためのレンズと、
   前記光電変換部への導光される光の波長帯域を制限するカラーフィルタと、
   を有する撮像画素であって、
   第一の撮像画素は、
   第一の波長帯域を表現する第一のカラーフィルタと、前記レンズと前記複数に分割された光電変換部との間に内部レンズを具備し
   第二の撮像画素は、第一の波長帯域より長い第二の波長帯域を表現する第二のカラーフィルタと、前記レンズと前記複数に分割された光電変換部との間に内部レンズを具備しない、
   ことを特徴とする撮像素子。