JP2021082931A - 撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】位相差検出方向の解像度を保ちつつ撮影画像信号の補間精度を向上させ、さらに、幅広い入射角の光線に対応可能とする位相差検出画素を持つ撮像装置及び撮像素子を提供する。【解決手段】撮像装置は、複数の通常画素と、相対する方向に偏芯した受光面をそれぞれ有する１組の位相差検出画素からなる複数の位相差検出画素ペアとからなる複数のラインを有する。前記撮像装置の各位相差検出画素ペアは、全体で受光面積が通常画素と同等となるよう構成され、第１のラインは通常画素と第１の位相差検出画素ペアとからなり、第１の位相差検出画素ペアのライン内位置に応じて、第１の位相差検出画素ペアを構成する２つの位相差検出画素間の受光面積比率を変化させる。【選択図】図５

Description

本発明は、位相差検出画素を有する撮像素子及び撮像装置に関する。

近年、撮像素子上の通常画素の一部に替えて位相差検出画素を配置し、それらの出力する位相差検出用信号を用いて被写体のピント位置を取得する技術が一般化しつつある。ここで、撮像素子として広く普及しているいわゆるベイヤー型の撮像素子に注目すると、同色のカラーフィルタを備えた画素は水平方向に１画素分離間されているという特徴がある。

そのため、一対の位相差検出画素を配置する際に各画素を同じ感度特性を有する同色のカラーフィルタ位置に配置することが望ましいが、ベイヤー型撮像素子の場合には画素ペアを構成する画素同士が離れてしまい、位相差検出用信号の精度が低下するという問題があった。

また、位相差検出画素ペアを同一行内に連続して並べることで水平方向に高い位相差の解像度を得ることを目的とした方式が知られている。しかし、静止画像を生成する際に位相差検出画素が欠陥画素として扱われるため、同一行内に連続して配置してしまうと欠陥画素補正時に参照できる通常画素の数が減少する。その結果、静止画像における位相差検出画素行の画質が低下するという問題があった。

このような問題点を解決するための技術が従来より提案されている。例えば、特許文献１に開示の発明では、複数の水平方向のラインと複数の垂直方向のラインとが交差する正方格子位置の夫々に光電変換素子である画素を配置する撮像素子であって、撮像素子の画素が配置された所定の領域内において、画素のうち位相差を検出する隣接配置された第１及び第２の位相差検出画素であるペア画素ＸＹを、上記ラインのうちのいずれかのライン（第１ライン）内、及び第１ラインに平行なライン（第２ライン）内にペア画素を単位として複数ペア配置するに当たり、第１ライン内に少なくとも２画素分離間させてペア画素を複数ペア配置すると共に、第２ライン内にペア画素を、第１ライン上で離間させた位置と対応する位置に配置する、ことを特徴としている。

この発明によれば、位相差検出画素ペアが複数連続して同一ライン上に配列されることがないため、位相差検出画素位置の撮像画素信号を、位相差検出画素に隣接する通常画素の撮像画像信号を用いて画素補間することができ、これにより高品質な被写体画像を撮像することが可能となる、としている。

一方で、位相差検出画素では、ペアを構成する画素それぞれに正しく光線が入射することが、高いＡＦ精度を発揮するために特に重要となる。

入射した光線が正しく画素内の受光部に届かない原因の一つとして、撮像素子に入射する光線の角度が大きすぎるということがある。光線の入射角が大きすぎると、各画素の上部に配置するマイクロレンズを用いても入射光線を適切な角度に屈折しきれず、入射光線の一部乃至大部分が受光部以外の画素内構造物に入射されてしまう。

このような入射角の大きな光線におけるケラレの対応策としては、マイクロレンズを画素の増高に応じてシフトさせることが広く行われている。このようにしてマイクロレンズをシフトさせることによって、従来であればケラレてしまっていた光線を受光部まで集光させることが可能となる。

特許第５５８９１４６号公報

しかしながら、近年、デジタルカメラの小型化とともに、いわゆるフルサイズと言われるような大型の撮像素子が採用されるケースが増えている。このような大型の撮像素子を搭載したレンズ交換式のデジタルカメラでは、装着する交換レンズの種類によって、撮像面に入射する光線の角度が従来想定されてきた以上に大きな幅を持つことが明らかとなっている。対応すべき入射角の幅広さは、撮像面の周辺部において特に顕著である。

そして、上述したマイクロレンズシフトだけでは、このような幅広い入射角への対応としては限界があった。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、位相差検出方向の解像度を保ちつつ撮影画像信号の補間精度を向上させ、さらに、幅広い入射角の光線に対応可能な撮像素子及び撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明を実施の撮像素子は、複数の通常画素と、相対する方向に偏芯した受光面をそれぞれ有する１組の位相差検出画素からなる複数の位相差検出画素ペアと、からなる複数のラインを有し、前記各位相差検出画素ペアは全体で受光面積が前記通常画素と同等となるよう構成され、第１のラインは前記通常画素と第１の位相差検出画素ペアとからなり、前記第１の位相差検出画素ペアのライン内位置に応じて、前記第１の位相差検出画素ペアを構成する２つの前記位相差検出画素間の受光面積比率が変化すること特徴とする。

また、本発明を実施の撮像素子は、さらに前記第１の位相差検出画素ペアが、ライン内位置が撮像面周辺に近づくほど前記受光面積比率の差が大きくなり、ライン内位置が撮像面中央に近づくほど前記受光面積比率の差が小さくなること特徴とする。

また、本発明を実施の撮像素子は、さらに、前記第１のラインと平行で、前記通常画素と第２の位相差検出画素ペアとからなる第２のラインをさらに有し、前記第１のラインと前記第２のラインとはラインと直交する方向に所定の画素分離間して交互に配置され、前記第１の位相差検出画素ペアと前記第２の位相差検出画素ペアとはラインと直交する方向で重ならない位置関係で配置されていることを特徴とする。

また、本発明を実施の撮像素子は、さらに、前記第２の位相差検出画素ペアが、前記第１の位相差検出画素ペアとは異なる、ライン内位置に応じた前記受光面積比率の変化割合を有することを特徴とする。

また、本発明を実施の撮像素子は、さらに、前記第２の位相差検出画素ペアが、前記受光面積比率の上限又は下限の少なくとも一方が前記第１の位相差検出画素ペアとは異なることを特徴とする。

また、本発明を実施の撮像素子は、さらに、前記位相差検出画素が遮光マスクを有し、前記受光面積は前記遮光マスクにより形成される開口部の開口面積であることを特徴とする。

また、撮影レンズと上記の撮像素子とを備えた撮像装置であって、前記撮影レンズの特性情報に基づいて、前記第１のラインと前記第２のラインとから、位相差検出処理に用いる画素信号を読み出すラインを選択する手段をさらに備えることを特徴とする。

本発明を実施の撮像素子及び撮像装置によれば、位相差検出方向の解像度を保ちつつ撮影画像信号の補間精度を向上させ、さらに、幅広い入射角の光線に対応することが可能となる。また、位相差検出の際のデータ読み出し量を削減でき、処理の高速化が可能となる。

本発明の一実施形態である撮像装置の主要な構成を示したブロック図である。 垂直色分離型の撮像素子の概念図である。 撮像面の上面模式図である。 画素ペアの内部構造を説明するための断面模式図である。 遮光マスクシフトにより生じる開口比率の変化を説明するグラフである。 第２のラインＬＮ２の画素ペアの遮光マスクとそれにより形成される開口部の形状の一例を示す上面模式図である。 ライン選択処理の一例を示したフローチャートである。 ライン選択処理の他の一例を示したフローチャートである。

以下、添付の図面に従って、本発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態である撮像装置１００の主要な構成を示したブロック図である。撮像装置１００は、カメラ本体２００と、カメラ本体２００に着脱可能な交換レンズである撮影レンズ３００と、で構成されている。

カメラ本体２００は、撮像素子２１０と、信号処理部２３０と、画像処理部２４０と、メインＣＰＵ２５０と、ＲＯＭ２５１と、ＲＡＭ２５２と、記録媒体インターフェース（Ｉ／Ｆ）２６０と、ユーザインターフェース（Ｉ／Ｆ）２７０と、画像表示部２８０と、を備えている。

また、撮影レンズ３００は、ズーム制御部３１０と、ズームレンズ３１１と、フォーカス制御部３２０と、フォーカスレンズ３２１と、絞り制御部３３０と、絞りユニット３３１と、レンズＣＰＵ３４０と、を備えている。

撮像素子２１０は、撮影レンズ３００により集光された光線を受光して光電変換し、画像信号を出力する。撮像素子２１０の受光面は多数の画素から構成されている。本実施形態の撮像素子２１０としては、いわゆる３層垂直色分離型の撮像素子が用いられている。このタイプの撮像素子については、例えば特許第５２０１７７６号公報に開示されている。

撮像素子２１０は内部に不図示のゲイン可変アンプ、Ａ／Ｄコンバータを備えており、画像信号はデジタルデータとして出力される。これらのゲイン可変アンプ、Ａ／Ｄコンバータを内蔵していない撮像素子２１０を採用する場合には、これらのデバイスを個別に搭載すればよい。

信号処理部２３０は撮像素子２１０から読み出された画像信号に対して各種の信号処理を施す。信号処理としては、例えば、画素受光量と出力値との間の線形性を確保するための補正処理や、読み出した画像信号を増幅するための増幅処理がある。

画像処理部２４０は、信号処理部２３０から送られてきた画像信号に対して各種の画像処理を施す。画像処理として、例えば、ホワイトバランス処理、色再現処理、ＪＰＥＧ形式やＴＩＦＦ形式の画像データへの現像処理等がある。

メインＣＰＵ２５０は、プログラムを実行することで撮像装置１００全体の包括的な制御を行う。例えば、撮像素子２１０の読み出し制御を行う。メインＣＰＵ２５０が撮像素子２１０の駆動タイミングを決定する信号を出力することで、画素毎の水平駆動並びに垂直駆動が制御され、各画素からＲＧＢの画像信号が読み出される。

メインＣＰＵ２５０はレンズＣＰＵ３４０と電気的に接続されており、協働して撮影レンズ３００の制御を行う。ライブビュー画像取得時や通常撮影時には、レンズＣＰＵ３４０からの各種情報を取得して撮影条件等の決定に利用する。

ＲＯＭ２５１は、メインＣＰＵ２５０が実行する各種プログラムや、メインＣＰＵ２５０が処理を実行するのに使用する各種特性情報や設定情報等が記憶される。特性情報としては、例えば、撮像素子２１０の分光感度特性が含まれる。

ＲＡＭ２５２は、メインＣＰＵ２５０がプログラムに従った処理を実行するときの作業領域として使用される。

記録媒体Ｉ／Ｆ２６０は、不図示の記録媒体との間でＲＡＷデータや現像後の画像データの記録又は読み出しを行う。この記録媒体は、半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体である。

ユーザＩ／Ｆ２７０は、例えば、レリーズボタン、電源ボタン、コマンドダイヤル、十字キー等の操作部材を有しており、ユーザがこれらの操作部材を操作すると、メインＣＰＵ２５０は所定の動作を行う指示を出す。

画像表示部２８０は、撮影画像や不図示の記録媒体から読み出された画像等を表示する。

撮影レンズ３００の光学系の一部であるズームレンズ３１１及びフォーカスレンズ３２１は、それぞれズーム制御部３１０及びフォーカス制御部３２０に接続されており、レンズの駆動や位置検出等の制御が行われる。ズームレンズ３１１及びフォーカスレンズ３２１は図中において簡単のためにそれぞれ１枚のレンズで描写しているが、これに限らない。また、ズームレンズ３１１を有さない単焦点レンズであってもよい。

絞りユニット３３１は、絞り制御部３３０に接続されている。絞り制御部３３０は絞りユニット３３１の絞り値（Ｆ値）を制御する。

レンズＣＰＵ３４０は、上述したメインＣＰＵ２５０と協働して各種制御部の制御内容を決定し、指示を出す。また、レンズＣＰＵ３４０は撮影レンズ３００のズーム位置、フォーカス位置、Ｆ値等の各種情報を各制御部から取得し、適宜メインＣＰＵ２５０に出力する。

また、レンズＣＰＵ３４０は不図示のＲＯＭと接続されており、必要に応じて、格納されたレンズＩＤ、主光線角情報や各種補正処理に利用する補正データ等を読み出して適宜メインＣＰＵ２５０に出力する。これらの情報の出力は、例えば、撮影レンズ３００がカメラ本体２００に装着されたタイミングで行われる。

図２は、上述した本実施形態の撮像装置１００に実装される撮像素子２１０の垂直色分離構造を説明するための概念図である。いわゆる３層垂直色分離型の撮像素子では、簡単には、光電変換層として機能するフォトダイオードが深さ方向に３つ積層されて構成されている。３層に積層されたフォトダイオードの上層には入射光の集光率を改善するためのマイクロレンズＭＬが設けられている。

ある画素に光が入射すると、入射光中の青色（Ｂ）成分は主に最上層に位置するＢフォトダイオードＰＤ＿Ｂで光電変換される。同様に、入射光中の緑色（Ｇ）成分は主に中間層に位置するＧフォトダイオードＰＤ＿Ｇで光電変換され、赤色（Ｒ）成分は主に最下層に位置するＲフォトダイオードＰＤ＿Ｒで光電変換される。

これらの垂直方向の色分離は、フォトダイオードの材料として用いられるシリコン（Ｓｉ）の特性を利用したものである。これにより、垂直色分離型の撮像素子では、ベイヤー型の撮像素子に必須のカラーフィルタが不要でありながら、１つの画素でＲＧＢの各色成分信号を取得することが可能となる。各画素で３色全ての波長成分を光電変換できるため画素補間を行う必要がないというメリットもある。

なお、フォトダイオードに換えて、有機物や無機物等を用いて特定の吸収特性を持つように構成された光電変換膜を光電変換層として複数積層させた構成としてもよい。

図３は、撮像素子２１０を被写体側から見たときの模式図であり、図３ａは撮像素子２１０の撮像面全体の上面模式図、図３ｂは図３ａにおいて破線で囲んだ一部分を拡大した上面模式図である。

図３ｂの各矩形がそれぞれ画素を表している。白い矩形は通常画素であり、主に撮影画像用の信号の生成に用いられる。濃い色の矩形は位相差検出画素であり、主に位相差検出用の信号の生成に用いられる。各画素はそれぞれ上述した垂直色分離型の画素構造である。

本図に示すように、２次元状に配置された通常画素の中に、隣接する一対の位相差検出画素のペアが所定のパターンで分布されている

この一対の位相差検出画素のペアを位相差検出画素ペア、又は単に画素ペアと呼ぶこととする。また、画素ペアを構成する一対の位相差検出画素のうち、撮像面の−Ｘ側に位置する画素をＬ画素、撮像面の＋Ｘ側に位置する画素をＲ画素とも呼ぶこととする。

画素ペアを構成する一対の位相差検出画素は、それぞれ相対する方向に偏芯された遮光マスクにより開口部が制限されている。

撮像素子２１０の撮像面において、複数の画素ペアは第１のラインＬＮ１と第２のラインＬＮ２のいずれかに属すことになる。これらのラインは共に撮像素子２１０撮像面のＸ方向と平行となっていて、第１のラインＬＮ１と第２のラインＬＮ２とはラインと直交するＹ方向に所定の間隔を空けて規則的に配置されている。本図では第１のラインＬＮ１と第２のラインＬＮ２はそれぞれ２本ずつ示されている。

また、各ライン内では画素ペアは所定の間隔を空けて規則的に配置されていて、各ライン内の画素ペアは、対を構成する２つの位相差検出画素の隣接方向が、各ラインの伸びるＸ方向と平行となっている。

詳しくは後述するが、第１のラインＬＮ１内の画素ペアは全て同一の遮光マスクを有している。また、第２のラインＬＮ２内の画素ペアは画素ペアのＸ方向の位置によって遮光マスクの大きさが異なるように構成されている。

各ラインの画素ペアは、互いにラインと直交するＹ方向には重ならないように配置されている。すなわち、第１のラインＬＮ１内の画素ペアが離間して形成された隙間に対応する位置に、第２のラインＬＮ２内の画素ペアが配置されるよう構成されている。

これにより、単一行内にまとまって位相差検出画素を配置するよりも、画素補間による画質の劣化に強いというメリットがある。

以降では、第１のラインＬＮ１に属する画素ペアを第１の画素ペア、第２のラインＬＮ２に属する画素ペアを第２の画素ペアとも呼ぶこととする。そして、第１の画素ペア２１１と第２の画素ペア２２１は図３ｂ中の最も−Ｘ側に位置する特定の画素ペアをそれぞれ指している。

このように配置された位相差検出画素を含む各画素に対して、上述したようにメインＣＰＵ２５０が信号値の読み出し制御を行う。水平駆動信号によってある行が選択されると、例えばＢフォトダイオードＰＤ＿Ｂ、ＧフォトダイオードＰＤ＿Ｇ、ＲフォトダイオードＰＤ＿Ｒの順に、選択行の各画素から信号値が読み出される。

選択行が通常画素のみで構成される行であった場合には、メインＣＰＵ２５０は、各画素から読み出したＲＧＢ信号値を用いて画像信号を生成する。

一方、選択行が位相差検出画素を含む行、すなわち上述した第１のラインＬＮ１又は第２のラインＬＮ２のいずれかであった場合には、メインＣＰＵ２５０は、行内の各位相差検出画素から読み出したＲＧＢ信号値を用いて位相差検出用信号を生成する。なお、ＲＧＢいずれか一層のフォトダイオードから読み出した信号値を用いて位相差検出用信号を生成するようにしてもいい。

続いてメインＣＰＵ２５０は、同一ライン上の画素ペアにより生成される一対の位相差検出用信号から位相差情報を生成する。すなわち、同一ライン上の画素ペアの、Ｌ画素のみから得られる位相差検出用信号とＲ画素のみから得られる位相差検出用信号とに基づいて相関演算を行うことで、位相差情報を生成する。そして、この得られた位相差情報を用いることで、フォーカス制御部３２０によるフォーカスレンズ３２１の焦点調節処理が行われる。

一般に、撮影レンズが同一の場合、撮像素子の周辺部であるほど入射する光線の入射角がきつくなる。従って、図３ｂに示すような周辺領域に位置する位相差検出画素は、入射角のきつい光線を正しく受光できる必要がある。以降では、これを達成するための本発明の画素構造を説明する。

図４は、上述した画素ペアの内部構造を説明するための概念図であり、図４ａは図３ｂ中の第１の画素ペア２１１の断面を、図４ｂは図３ｂ中の第２の画素ペア２２１の断面を表している。

図４ａに示す第１の画素ペア２１１は、Ｌ画素２１１ＬとＲ画素２１１Ｒとから構成されている。Ｌ画素２１１Ｌは、簡単には、入射側から順番に、マイクロレンズＭＬ、遮光マスク２１２Ｌ、フォトダイオードＰＤを有している。その他に不図示の金属配線層等を備えている。Ｒ画素２１１Ｒも同様に、マイクロレンズＭＬ、遮光マスク２１２Ｒ、フォトダイオードＰＤを有し、その他に不図示の金属配線層等を備えている。

本図からわかるように、第１のラインＬＮ１に属する第１の画素ペア２１１では、各位相差検出画素の遮光マスク２１２は互いに線対称で同一の形状となっており、Ｌ画素２１１Ｌは右半分が遮光され左半分の開口部２１３Ｌを有し、Ｒ画素２１１Ｒは左半分が遮光され右半分の開口部２１３Ｒを有している。

そして上述したように、第１のラインＬＮ１に属する第１の画素ペアは全て本図に示した５：５の開口比率を持つ構成となっている。従って、以降ではこの５：５の開口比率を有する第１の画素ペアを５：５ペアとも呼ぶことがある。

Ｌ画素２１１Ｌ及びＲ画素２１１Ｒは、双方のマイクロレンズＭＬ及び遮光マスク２１２によって撮影レンズ３００の射出瞳の瞳分割が行われる。すなわち、Ｌ画素２１１Ｌは、＋Ｘ方向に偏芯して形成された遮光マスク２１２Ｌにより撮影レンズ３００の射出瞳の−Ｘ方向の光束のみを受光し、またＲ画素２１１Ｒは、−Ｘ方向に偏芯して形成された遮光マスク２１２Ｒにより撮影レンズ３００の射出瞳の＋Ｘ方向の光束のみを受光する。

図４ｂに示す第２の画素ペア２２１も同様にＬ画素２２１ＬとＲ画素２２１Ｒとから構成されている。それぞれの内部構造は上述した第１の画素ペア２１１とほぼ同等となっており、それぞれマイクロレンズＭＬ、遮光マスク２２２、フォトダイオードＰＤを有し、その他に不図示の金属配線層等を備えている。

第１の画素ペア２１１と比較して第２の画素ペア２２１では開口部２２３Ｌ、２２３Ｒの大きさが異なっている。すなわち、Ｌ画素２２１Ｌでは遮光マスク２２２Ｌがせり出す方向（−Ｘ方向）にシフトしており、その結果開口部２２３Ｌが小さくなっている。また、Ｒ画素２２１Ｒでは遮光マスク２２２Ｒが引っ込む方向（＋Ｘ方向）にシフトしており、その結果開口部２２３Ｒが大きくなっている。

後述するように、第２の画素ペアでは第２のラインＬＮ２上の位置に応じて遮光マスクのシフト量を変化させている。そこで、以降では第２の画素ペアをシフトペアとも呼ぶことがある。

次に、図３ｂ中の各画素ペア２１１、２２１に入射する光線について図４を用いて説明する。上述したように、本図の第１の画素ペア２１１及び第２の画素ペア２２１は撮像素子２１０撮像面の−Ｘ方向端部に位置しており、そのため画素に入射する光線の入射角は撮像面の中央領域と比べてきつくなっている。

きつい角度で光線が入射した場合、図４ａに示すように、５：５ペアである第１の画素ペア２１１のＬ画素２１１Ｌに対して入射する光線が正しく半分に遮光できておらず、その一方で、Ｒ画素２１１Ｒに対して入射する光線が遮光マスクによって全てケラレてしまっている。そのため、この第１の画素ペア２１１では左右の画素の受光量がアンバランスになり位相差検出用信号として不適切なものとなってしまう。同様に、周辺領域に位置するその他の５：５ペアでも適切な位相差検出用信号が生成できないので、第１のラインＬＮ１を用いた焦点検出の精度が大きく低下してしまう。

一方で、第１の画素ペア２１１に近接する第２の画素ペア２２１では、図４ｂに示すように、Ｌ画素２２１Ｌ、Ｒ画素２２１Ｒの各遮光マスク２２２がいずれもシフトされていて、その結果Ｌ画素２２１ＬとＲ画素２２１Ｒの双方でフォトダイオードＰＤに入射する光線が正しく遮光され、両者の受光量のバランスが適正になっている。そのため、焦点検出に適した位相差検出用信号が生成できるので、５：５ペアと比べて焦点検出の精度が大きく向上する。

しかしながら、撮像面の中央付近の比較的入射角が緩い領域では、図４ｂに示した第２の画素ペア２２１の有する遮光マスク２２２のシフト量のままだと逆に双方の遮光マスク２２２によってアンバランスな遮光が発生してしまうという問題がある。このような入射角が比較的緩い領域であれば、従来の５：５ペアのような構成の方がバランスよく入射光を遮光することができる。

そこで、本発明を実施の撮像素子２１０では、第２のラインＬＮ２のシフトペアにおける遮光マスクのシフト量をシフトペアの水平位置に応じて変化させることとした。これにより、上述した図４ａの画素ペアのように、不適切なケラレによる入射光線のアンバランスのエラーケースを防ぐことが可能となり、その結果、位相差検出画素による焦点検出において対応可能な入射光線角度の幅が広がる。

図５は、上述したシフトペアの水平位置に応じた遮光マスクシフトにより生じる開口比率の変化を説明するグラフであり、水平方向（Ｘ方向）の画素位置と遮光マスクの開口比率との関係を示している。実線は第２のラインＬＮ２に属するシフトペアのＬ画素の開口率を、破線は第２のラインＬＮ２に属するシフトペアのＲ画素の開口率をそれぞれ示している。

また、本図には参考として、第１のラインＬＮ１に属する５：５ペアの開口比率を示すグラフも表記してある。上述したように、第１のラインＬＮ１では全ての画素ペアで開口比率が等しく５：５となっているので、本図中には常に５０％を示す１本の水平グラフとして表されている。

なお、画素ペアは、実際には各ライン上に所定の間隔を空けて離散的に配置されているが、本図では便宜的に線で表記している。

本図に示すように、本実施形態の撮像素子２１０の第２のラインＬＮ２では、Ｌ画素とＲ画素の開口比率が画素ペアのＸ方向の位置に応じて所定の割合で変化している。詳しくは、Ｌ画素では、Ｘ方向左端における開口比率４０％からＸ方向右端における開口比率６０％まで開口比率が直線的に変化するよう構成されている。反対に、Ｒ画素では開口比率６０％から４０％まで変化するよう構成されている。

このように、第２のラインＬＮ２では画素ペアの水平位置に応じて遮光マスクをシフトさせ、入射角のきつくなる周辺領域では画素ペアのうち入射角による影響をより大きく受ける内側の画素の開口比率を大きくし、一方で入射角の緩い中央領域では従来通りの５：５の開口比率に近づけるよう構成することにより、幅広い入射角の光線を適切にフォトダイオードＰＤに導くことが可能となる。

図６は、第２のラインＬＮ２の画素ペアの遮光マスクとそれにより形成される開口部の形状の一例を示す上面模式図であり、図６ａはＸ方向左端付近に位置する画素ペアの上面図、図６ｂはＸ方向右端付近に位置する画素ペアの上面図を示している。図５でも説明したように、第２のラインＬＮ２では４：６〜６：４まで開口比率が変化しており、図６ａはＸ方向左端付近で画素ペアの開口比率が４：６となっている様子を、図６ｂはＸ方向右端付近で画素ペアの開口比率が６：４となっている様子をそれぞれ表している。

上述したように、第２のラインＬＮ２のシフトペアにおける開口比率の変化は、遮光マスクの形状変化によって達成される。すなわち、Ｌ画素では、Ｘ方向左端（図６ａ）からＸ方向右端（図６ｂ）に移動するのに応じて遮光マスクを徐々に開口部を広げる方向（−Ｘ方向）にシフトさせ、その結果画素の開口部が大きくなる方向に変化する。またＲ画素も同様に、遮光マスクを徐々に開口部を覆う方向（＋Ｘ方向）にシフトさせ、その結果画素の開口部が小さくなる方向に変化する。

なお、本図では位相差検出画素の開口部を矩形形状としているが、これには限られない。

以上のように、本実施形態に係る撮像素子２１０では幅広い入射角の光線から適切に位相差検出用情報を取得するために、開口比率の異なる位相差検出画素ペアをそれぞれ含む２種類のラインを備えている。ここで、これらのラインを適切に選択することによって位相差検出処理のためのデータ読み出し量を削減でき、その結果位相差検出処理を高速化することができる。

具体例としては、カメラ本体２００に装着される撮影レンズ３００の主光線角情報を利用し、撮像素子２１０の第１のラインと第２のラインのうち入射光ケラレの発生しにくいラインを選択して読み出すこととする。これにより、位相差検出精度の低下を抑えつつデータの読み出し量を削減できるので、位相差検出処理の高速化に繋がる。

このライン選択について以降で詳しく説明する。なお、以降の実施例ではフローチャートの分岐の条件として撮影レンズ３００の主光線角情報を利用しているが、これに限られず、その他のレンズ特性情報、例えば上光線角と下光線角の平均値が利用できる。

＜実施例１＞
図７は、撮影レンズ３００の主光線角情報を利用したライン選択処理の一例を示したフローチャートである。

まずステップＳ１０１において、メインＣＰＵ２５０は装着されている撮影レンズ３００のレンズＣＰＵ３４０から主光線角情報を取得する。主光線角情報を取得するタイミングは、例えば、撮影レンズ３００を装着したときやカメラ本体２００の電源を入れたときが考えられるが、これらに限られない。

次にステップＳ１０２において、メインＣＰＵ２５０は取得した主光線角があらかじめ設定された閾値未満であるか否かを判定する。ここで、主光線角が閾値未満である場合にはステップＳ１０３に進み、主光線角が閾値以上である場合にはステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０３では、メインＣＰＵ２５０は位相差検出処理に用いるラインとして、５：５ペアを有する第１のラインを選択する。

一方、ステップＳ１０４では、メインＣＰＵ２５０は位相差検出処理に用いるラインとして、シフトペアを有する第２のラインを選択する。

以上のフローチャートによって、後段の位相差検出処理に用いられる画素ペアのラインが決定される。本フローチャートには記載していないが、読み出すラインの決定後、撮影者によるレリーズボタン半押しの検知を行い、これが検知されると本フローチャートで選択されたラインを用いて公知の焦点検出が行われる。これにより、撮影レンズの主光線角に適した焦点検出が行えると共に、読み出すラインを削減できるので焦点検出に係る演算処理が高速化される。そして、さらに撮影者によるレリーズボタン全押しが検知されると、公知の焦点調節処理が行われた後に撮像処理が行われる。

＜実施例２＞
次に、位相差検出処理に利用するラインの選択についての他の実施例を説明する。図８は、撮影レンズ３００の主光線角情報を利用したライン選択処理の他の一例を示したフローチャートである。

まずステップＳ２０１において、メインＣＰＵ２５０は測距枠の設定が所定の中央領域内にあるか否かを判定する。具体的には、メインＣＰＵ２５０は撮影者によるユーザＩ／Ｆ２７０の操作によって測距枠が移動されているかを検知し、移動が行われている場合にその測距枠が所定の中央領域内に位置しているか否かを判定する。ここで、測距枠が中央領域内に設定されている場合にはステップＳ２０２に進み、測距枠が中央領域外に設定されている場合にはステップＳ２０３に進む。

そしてステップＳ２０２では、メインＣＰＵ２５０は位相差検出処理に用いるラインとして、第１のライン及び第２のライン双方を選択する。

一方、ステップＳ２０３では、メインＣＰＵ２５０は装着されている撮影レンズ３００のレンズＣＰＵ３４０から主光線角情報を取得する。以降の各ステップは上記した実施例１と同じなので、説明は省略する。

以上から、本実施例２では前述した実施例１の主光線角情報を用いた分岐の前に測距枠位置による分岐を挿入し、ラインを２種類とも利用する場合を追加した。すなわち、測距枠が中央領域内に設定されている場合であれば当該測距枠位置における光線入射角は緩いと想定できるので、第１と第２のラインを両方とも用いることで高精度の焦点検出を行うことが可能となる。

一方で、測距枠が中央領域内に設定されていなければ、前述した実施例１と同様の主光線角情報を用いた分岐を行って位相差検出処理に利用するラインを選択することで、位相差検出のために読み出すデータ量を削減でき、演算処理等の高速化が可能となる。

なお、図６にも示したように、上述してきた位相差検出画素では遮光マスクを用いて開口面積の規定や開口比率の変化を行う例を示したが、これに限られない。例えば、位相差検出画素内のＰＤの形状を変化させて製造することで、遮光マスクを用いずに受光面積を位相差検出画素ペアの位置に応じて変化させるようにしてもいい。この場合、開口比率は受光面積比率に置き換わることになる。また、ＰＤを有機光電変換膜で代用し、変換膜自体の面積或いは透明電極の開口面積を変化させるようにしてもいい。

また、図３にも示したように、上述してきた位相差検出画素を含むラインは撮像素子２１０のＸ方向に設けられる例を示したが、これに限られない。例えば、撮像素子２１０の撮像面を複数の領域に分割し、一部の領域ではラインをＸ方向に設け、その他の領域ではラインをＹ方向に設けるようにしてもいい。この場合、各領域において、第１と第２のラインの各画素ペアがラインと直交する方向には重ならないよう配置される。

また、図４にも示したように、上述してきた位相差検出画素では、各画素とマイクロレンズＭＬとでそれぞれの中心軸が一致するように構成されていた。しかし、このマイクロレンズＭＬに対して公知のいわゆるマイクロレンズシフトを行い、画素の撮像面中央からの増高に応じてマイクロレンズＭＬの中心軸をシフトさせて構成するようにしてもよい。この構成とした場合には、図７及び図８に示したフローチャートの分岐（ステップＳ１０２及びステップＳ２０４）の主光線角閾値は、適宜好適なものに変更する必要がある。

また、上述してきた実施例では位相差検出画素ペアとして５：５ペアを含む第１のラインＬＮ１と、シフトペアを含む第２のラインＬＮ２とを備えていたが、これらのラインに異なる構成の画素ペアを配してもいい。例えば、第１のラインＬＮ１の画素ペアも遮光マスクをシフトさせ、第２のラインＬＮ２とは異なる３：７〜７：３まで開口比率を変化させるようにする。これにより、より幅広い入射角に対応することが可能となり、例えば同一撮像素子を異なるマウントシステムの撮像装置に組み込むような場合により好適となり得る。

以上で説明したように、本発明に記載の撮像素子及び撮像装置によれば、位相差検出画素ペアの位置に応じて開口比率を変化させることで、幅広い入射角の光線を正しく遮光してＰＤに導くことが可能となる。それにより、特にきつい入射角の光線に対して焦点検出精度が大きく向上する。さらに、開口比率の変化の割合が異なる位相差検出画素ペアを有するラインを複数備えることで、位相差検出の際に読み出すラインを選択できてデータ量が削減できるので処理の高速化が可能となる。

１００ 撮像装置、２００ カメラ本体、２１０ 撮像素子、ＰＤ＿Ｂ Ｂフォトダイオード、ＰＤ＿Ｇ Ｇフォトダイオード、ＰＤ＿Ｒ Ｒフォトダイオード、ＬＮ１ 第１のライン、２１１ 第１の画素ペア、２１１Ｌ Ｌ画素、２１２Ｌ 遮光マスク、２１３Ｌ 開口部、２１１Ｒ Ｒ画素、２１２Ｒ 遮光マスク、２１３Ｒ 開口部、ＬＮ２ 第２のライン、２２１ 第２の画素ペア、２２１Ｌ Ｌ画素、２２２Ｌ 遮光マスク、２２３Ｌ 開口部、２２１Ｒ Ｒ画素、２２２Ｒ 遮光マスク、２２３Ｒ 開口部、２３０ 信号処理部、２４０ 画像処理部、２５０ メインＣＰＵ、２５１ ＲＯＭ、２５２ ＲＡＭ、２６０ 記録媒体インターフェース（Ｉ／Ｆ）、２７０ ユーザインターフェース（Ｉ／Ｆ）、２８０ 画像表示部、３００ 撮影レンズ、３１０ ズーム制御部、３１１ ズームレンズ、３２０ フォーカス制御部、３２１ フォーカスレンズ、３３０ 絞り制御部、３３１ 絞りユニット、３４０ レンズＣＰＵ

Claims (7)

1. 複数の通常画素と、
   相対する方向に偏芯した受光面をそれぞれ有する１組の位相差検出画素からなる複数の位相差検出画素ペアと、
   からなる複数のラインを有する撮像素子において、
   前記各位相差検出画素ペアは全体で受光面積が前記通常画素と同等となるよう構成され、
   第１のラインは前記通常画素と第１の位相差検出画素ペアとからなり、
   前記第１の位相差検出画素ペアのライン内位置に応じて、前記第１の位相差検出画素ペアを構成する２つの前記位相差検出画素間の受光面積比率が変化する
   こと特徴とする撮像素子。
2. 前記第１の位相差検出画素ペアは、ライン内位置が撮像面周辺に近づくほど前記受光面積比率の差が大きくなり、ライン内位置が撮像面中央に近づくほど前記受光面積比率の差が小さくなる
   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のラインと平行で、前記通常画素と第２の位相差検出画素ペアとからなる第２のラインをさらに有し、
   前記第１のラインと前記第２のラインとはラインと直交する方向に所定の画素分離間して交互に配置され、
   前記第１の位相差検出画素ペアと前記第２の位相差検出画素ペアとはラインと直交する方向で重ならない位置関係で配置されている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像素子。
4. 前記第２の位相差検出画素ペアは、前記第１の位相差検出画素ペアとは異なる、ライン内位置に応じた前記受光面積比率の変化割合を有する
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の撮像素子。
5. 前記第２の位相差検出画素ペアは、前記受光面積比率の上限又は下限の少なくとも一方が前記第１の位相差検出画素ペアとは異なる
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の撮像素子。
6. 前記位相差検出画素は遮光マスクを有し、
   前記受光面積は前記遮光マスクにより形成される開口部の開口面積である
   こと特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の撮像素子。
7. 撮影レンズと請求項３に記載の撮像素子とを備えた撮像装置であって、
   前記撮影レンズの特性情報に基づいて、前記第１のラインと前記第２のラインとから、位相差検出処理に用いる画素信号を読み出すラインを選択する手段をさらに備える
   ことを特徴とする撮像装置。

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