JP4798270B2

JP4798270B2 - 撮像素子、撮像装置及び撮像素子の製造方法

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Publication number: JP4798270B2
Application number: JP2009176543A
Authority: JP
Inventors: 智鈴木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2009-02-13
Filing date: 2009-07-29
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2029-07-29
Also published as: JP2010213253A

Description

本発明は、撮像素子、撮像装置及び撮像素子の製造方法に関する。

撮像素子の多数の撮像画素中に焦点検出画素を混在させて、撮像画素から撮像信号を得ると共に、焦点検出画素から焦点検出信号を得る撮像装置が知られている（例えば、特許文献１）。

特開平１−２１６３０６号公報

しかしながら、上述の撮像装置は、撮像画素の構成と焦点検出画素の構成とが互いに異なる為に、同一の光量が撮像画素と焦点検出画素に入射した場合に撮像画素の出力信号が飽和しないにも拘わらず、焦点検出画素の出力信号が飽和してしまうことがある。この飽和によって焦点検出精度が低下したり、更には焦点検出が不能になってしまうという問題がある。

請求項１に記載の発明による撮像素子は、第１のマイクロレンズと、色フィルターと、前記第１のマイクロレンズ及び前記色フィルターを透過した光束を受光して撮像信号を出力する第１の光電変換部とを有する複数の撮像画素と、第２のマイクロレンズと、前記第２のマイクロレンズを透過したマイクロレンズ透過光束を受光して焦点検出信号を出力する第２の光電変換部と、前記第２の光電変換部の上方近傍に配置され前記第２の光電変換部の受光領域を規定する遮光マスク部材と、前記第２のマイクロレンズ及び前記第２の光電変換部の間であって前記第２のマイクロレンズの近傍に配置された、開口を有する遮光部材とを有する複数の焦点検出画素とを備え、前記複数の撮像画素と前記複数の焦点検出画素は、前記複数の焦点検出画素が前記複数の撮像画素中に散在するように２次元的に配置され、前記遮光部材は、前記第１のマイクロレンズに入射した光束と前記第２のマイクロレンズに入射した光束とが同一光量である場合に前記第２の光電変換部から出力される前記焦点検出信号の強度が前記第１の光電変換部から出力される前記撮像信号の強度以下になるように、前記マイクロレンズ透過光束の外縁部分を遮光することを特徴とする。
請求項８に記載の発明による撮像素子は、第１のマイクロレンズと、色フィルターと、前記第１のマイクロレンズ及び前記色フィルターを透過した光束を受光して撮像信号を出力する第１の光電変換部とを有する複数の撮像画素と、第２のマイクロレンズと、可視光域の全体を透過する分光特性を有する減光フィルターと、前記第２のマイクロレンズ及び前記減光フィルターを透過したマイクロレンズ透過光束を受光して焦点検出信号を出力する第２の光電変換部とを有する複数の焦点検出画素とを備え、前記複数の撮像画素と前記複数の焦点検出画素は、前記複数の焦点検出画素が前記複数の撮像画素中に散在するように２次元的に配置され、前記減光フィルターは、前記第１のマイクロレンズに入射した光束と前記第２のマイクロレンズに入射した光束とが同一光量である場合に前記第２の光電変換部から出力される前記焦点検出信号の強度が前記第１の光電変換部から出力される前記撮像信号の強度以下になるように、前記マイクロレンズ透過光束を減光することを特徴とする。
請求項１１に記載の発明による撮像素子は、第１のマイクロレンズと、色フィルターと、前記第１のマイクロレンズ及び前記色フィルターを透過した光束を受光して撮像信号を出力する第１の光電変換部と、前記第１の光電変換部の上に配置された反射防止膜とを有する複数の撮像画素と、第２のマイクロレンズと、前記第２のマイクロレンズを透過したマイクロレンズ透過光束を受光して焦点検出信号を出力する第２の光電変換部と、前記第２の光電変換部の上に配置された減光フィルターとを有する複数の焦点検出画素とを備え、前記複数の撮像画素と前記複数の焦点検出画素は、前記複数の焦点検出画素が前記複数の撮像画素中に散在するように２次元的に配置され、前記減光フィルターは、前記撮像画素の前記反射防止膜とほぼ同一の高さ位置に配置され、前記減光フィルターは、前記第１のマイクロレンズに入射した光束と前記第２のマイクロレンズに入射した光束とが同一光量である場合に前記第２の光電変換部から出力される前記焦点検出信号の強度が前記第１の光電変換部から出力される前記撮像信号の強度以下になるように、前記マイクロレンズ透過光束を減光することを特徴とする。
請求項２１に記載の発明による撮像装置は、絞り装置を有する撮影レンズと、前記撮影レンズによる被写体像を撮像する撮像素子と、焦点検出信号に基づき前記撮影レンズの焦点調節を行う焦点調節手段と、を備え、前記撮像素子は、２次元的に配置された複数の撮像画素と前記複数の撮像画素中に散在するように２次元的に配置された複数の焦点検出画素とを有し、前記複数の撮像画素の各々は、第１のマイクロレンズと、色フィルターと、前記第１のマイクロレンズ及び前記色フィルターを透過した光束を受光して撮像信号を出力する第１の光電変換部とを有し、前記複数の焦点検出画素の各々は、第２のマイクロレンズと、前記第２のマイクロレンズを透過したマイクロレンズ透過光束を受光して焦点検出信号を出力する第２の光電変換部と、前記第２のマイクロレンズ及び前記第２の光電変換部の間に配置された、開口を有する遮光部材とを有し、前記遮光部材は、前記マイクロレンズ透過光束の外縁部分を遮光し、前記撮像素子は、複数の前記焦点検出画素が配列した第１の焦点検出画素列と、複数の前記焦点検出画素が配列した第２の焦点検出画素列とを備え、前記第１の焦点検出画素列の前記複数の焦点検出画素の各々は、前記開口として相対的に大きな開口を有する前記遮光部材を有し、前記第２の焦点検出画素列の前記複数の焦点検出画素の各々は、前記開口として相対的に小さな開口を有する前記遮光部材を有し、前記焦点調節手段は、前記撮影レンズの前記絞り装置の絞り口径が相対的に大きい時に前記第１の焦点検出画素列の焦点検出信号に基づき前記撮影レンズの焦点調節を行い、前記撮影レンズの前記絞り装置の絞り口径が相対的に小さい時に前記第２の焦点検出画素列の焦点検出信号に基づき前記撮影レンズの焦点調節を行うことを特徴とする。

本発明によると、撮像画素の出力信号の飽和に先立って焦点検出画素の出力信号が飽和することを低減することができる。

一実施の形態の撮像素子を搭載したレンズ交換式のデジタルスチルカメラの全体構成を示した断面図である。本デジタルスチルカメラの撮影画面を模式的に示した正面図である。撮像素子の一部を示した正面図である。撮像素子の一部を示した正面図である。図３に示した焦点検出画素の焦点検出光学系の要部を示した断面図である。図３の撮像画素の構成を示した断面図である。図３の焦点検出画素の構成を示した断面図である。図３の撮像画素の構成を示した断面図である。図３の焦点検出画素の構成を示した断面図である。図９に示した反射防止兼減光フィルターの具体的な構成例を示した断面図である。図９に示した反射防止兼減光フィルターの別の具体的な構成例を示した断面図である。図３に示した焦点検出画素の構成を示した断面図である。遮光部材の正面図である。別の遮光部材の正面図である。図３に示した焦点検出画素の構成を示した断面図である。開口部の大きさが異なった遮光部材をそれぞれ示した正面図である。図１５の遮光部材をそれぞれ備えた焦点検出画素列を示した概略図である。

本発明の一実施の形態の撮像素子を説明する。図１は、一実施の形態の撮像素子を搭載したレンズ交換式のデジタルスチルカメラの全体構成を示した断面図である。図１において、デジタルスチルカメラ１００は、交換式の撮影レンズ１１０とカメラボディ１２０とを有し、この交換レンズ１１０はマウント部１３０を介して、カメラボディ１２０に着脱可能に装着される。

交換レンズ１１０は、ズームレンズとして構成された撮影光学系１１１と、この撮影光学系１１１内に配置された絞り装置１１２と、レンズ駆動制御装置１１３等とを備える。撮影光学系１１１は、ズーミング用レンズ１１１ａとフォーカシング用レンズ１１１ｂとを有する。レンズ駆動制御装置１１３は、不図示のマイクロコンピューターやメモリや駆動制御回路などから構成され、フォーカシング用レンズ１１１ｂの焦点調節の為の駆動制御と絞り装置１１２の開口径調節の為の駆動制御とを行うと共に、ズーミング用レンズ１１１ａの位置検出とフォーカシング用レンズ１１１ｂの位置検出と絞り装置１１２の開口径の検出などを行う。

カメラボディ１２０は、本発明の一実施の形態の固体撮像素子１２１と、ボディ駆動制御装置１２２と、液晶表示素子駆動回路１２３と、駆動回路１２３によって駆動される液晶表示素子１２４と、この液晶表示素子１２４を観察する接眼レンズ１２５と、撮像素子１２１で撮像された画像データを記録するメモリカード１２６とを備える。

撮像素子１２１は、後に詳述するように、撮像信号、即ち画像信号を出力する複数の撮像画素と、焦点検出信号を出力する複数の焦点検出画素とを有する。複数の撮像画素と複数の焦点検出画素とは、複数の焦点検出画素が複数の撮像画素中に散在又は混在するように、２次元的に配置されている。なお、焦点検出画素は、後に詳述するように、瞳分割位相差式の焦点検出装置用の焦点検出画素である。

液晶表示素子１２４と接眼レンズ１２５とは、電子ビューファインダーを構成し、撮影者は、接眼レンズ１２５を介して液晶表示素子１２４に表示される被写体のスルー画像を観察することができる。

ボディ駆動制御装置１２２は、不図示のマイクロコンピューターやメモリや駆動制御回路などから構成され、撮像素子１２１の駆動制御と、撮像素子１２１の撮像信号や焦点検出信号の読み出しと、画像信号の画像処理及び記録と、焦点検出信号に基づく焦点検出演算と、露出制御などのカメラ全体の動作制御等とを行う。

ボディ駆動制御装置１２２とレンズ駆動制御装置１１３とは、マウント部１３０に設けられた電気接点１３１を介して、カメラボディ１２０と交換レンズ１１０との間でのレンズ情報信号とカメラ情報信号との授受を行う。

次に、このレンズ交換式デジタルスチルカメラの動作の概略を説明する。交換レンズ１１０の撮影光学系１１１は、被写体像を撮像素子１２１に形成し、撮像素子１２１は、撮像画素から撮像信号を出力すると共に焦点検出画素から焦点検出信号を出力して、これらの撮像信号と焦点検出信号とをボディ駆動制御装置１２２に送出する。ボディ駆動制御装置１２２は、焦点検出信号に基づきデフォーカス量を算出し、このデフォーカス量を、電気接点１３１を介してレンズ駆動制御装置１１３に送出する。レンズ駆動制御装置１１３は、このデフォーカス量に基づいてフォーカシング用レンズ１１１ｂのレンズ駆動量を算出して、このレンズ駆動量に応じてフォーカシング用レンズ１１１ｂを合焦位置に駆動する。

ボディ駆動制御装置１２２は、更に撮像信号に基づいてスルー画像を作成して液晶表示素子駆動回路１２３を介して液晶表示素子１２４に表示させると共に、シャッターレリーズ信号に応じて撮像信号に所定の画像処理を施して画像データを作成し、これをメモリカード１２６に記録する。

図２は、本デジタルスチルカメラ１００の撮影画面を示したものである。図２において、撮影画面２００には複数、図示例では５個の焦点検出エリア２０１、２０２、２０３、２０４、２０５が形成されている。この例では焦点検出エリア２０１と２０２とが図において横方向に延在し、焦点検出エリア２０３、２０４、２０５が縦方向に延在している。この撮影画面２００は撮像素子１２１の撮像面に対応しており、焦点検出エリア２０１〜２０５の各々に対応する撮像素子１２１の領域には、複数の焦点検出画素が配列されている。

図３は、撮像素子１２１の一部を示した正面図である。図３において、撮像素子１２１の一部１２１ａには、多数の撮像画素２１０が２次元状に配置されている。撮像画素２１０は、赤（Ｒ）画素と緑（Ｇ）画素と青（Ｂ）画素とを含み、これらの赤画素と緑画素と青画素とはベイヤー配列に従い規則的に配列されている。各撮像画素２１０は光電変換部２１０ａを有する。複数の焦点検出画素２２０は一方向、具体的には縦方向に配列され、焦点検出画素列（焦点検出画素アレイ）を構成し、この焦点検出画素列は、例えば図２に示した撮影画面２００の縦方向の焦点検出エリア２０４に対応する。なお、複数の焦点検出画素２２０は、ベイヤー配列された撮像画素２１０の一部を焦点検出画素２２０によって置き換えたように、配置されている。

複数の焦点検出画素２２０は、複数の焦点検出画素２２０Ａと複数の焦点検出画素２２０Ｂとから構成され、これらの焦点検出画素２２０Ａ、２２０Ｂは互いに、縦方向に交互に配置されている。焦点検出画素２２０Ａは、画素の上方位置に位置する小型の光電変換部２２０ａを有し、焦点検出画素２２０Ｂは画素の下方位置に位置する小型の光電変換部２２０ｂを有する。このように、焦点検出画素２２０Ａの光電変換部２２０ａ及び焦点検出画素２２０Ｂの光電変換部２２０ｂの大きさは、それぞれ撮像画素２１０の光電変換部２１０ａの大きさのほぼ半分程度に定められている。

図４は、図３と同様に撮像素子１２１の一部を示した正面図であり、図３との相違点は、各焦点検出画素２３０が画素内に互いに離間した一対の光電変換部２３０ａ、２３０ｂを有することである。これらの焦点検出画素２３０も一方向、具体的には縦方向に配列され、焦点検出画素列を構成し、この焦点検出画素列は、例えば図２に示した撮影画面２００の縦方向の焦点検出エリア２０４に対応する。図３及び図４の焦点検出画素２２０及び２３０は、それぞれ、瞳分割位相差式の焦点検出装置の一部を構成するものであり、以下にこれの焦点検出光学系を説明する。

図５は、図３に示した焦点検出画素２２０の焦点検出光学系の要部を示した断面図である。図５において、焦点検出画素２２０Ａの光電変換部２２０ａは、撮影光学系の射出瞳２４０の第１の部分２４０ａを透過した光束２４１をマイクロレンズアレイ２５０を介して受光し、焦点検出画素２２０Ｂの光電変換部２２０ｂは、射出瞳２４０の第２の部分２４０ｂを透過した光束２４２をマイクロレンズアレイ２５０を介して受光する。こうして、複数の焦点検出画素２２０Ａの光電変換部２２０ａの焦点検出信号列と複数の焦点検出画素２２０Ｂの光電変換部２２０ｂの焦点検出信号列との位相差を測定することによって、デフォーカス量を算出することができる。

また、図４に示した焦点検出画素２３０は、焦点検出画素２３０の一方の光電変換部２３０ａが、図５の撮影光学系の射出瞳２４０の第１の部分２４０ａを透過した光束２４１を、マイクロレンズアレイ２５０を介して受光すると共に、他方の光電変換部２３０ｂが射出瞳２４０の第２の部分２４０ｂを透過した光束２４２を、マイクロレンズアレイ２５０を介して受光する。こうして、複数の焦点検出画素２３０の光電変換部２３０ａの焦点検出信号列と複数の焦点検出画素２３０の光電変換部２３０ｂの焦点検出信号列との位相差を測定することによって、デフォーカス量を算出することができる。

次に、本発明に係る撮像素子の第１の実施の形態を図６及び図７を用いて説明する。図６は図３の撮像画素の構成を示した断面図である。撮像画素２１０は、光電変換部２１０ａと遮光マスク２６１と平坦化層２６２と色フィルター２６３と平坦化層２６４とマイクロレンズ２６５とを有する。

この構成を詳述すると、半導体基板２６０には光電変換部２１０ａが形成され、この光電変換部２１０ａの直ぐ上には遮光マスク２６１が設けられている。この遮光マスク２６１は光電変換部２１０ａの外周囲を遮光して、光電変換部２１０ａの受光領域を規定する。こうして、遮光マスク２６１の開口部２６１ａは、光電変換部２１０ａの受光領域を規定するので、図３の撮像画素２１０の光電変換部２１０ａの大きさに相当している。遮光マスク２６１の上には平坦化層２６２が積層され、この平坦化層２６２の上には色フィルター２６３が形成されている。これらの色フィルター２６３は図３に示した赤（Ｒ）画素２１０、緑（Ｇ）画素２１０、青（Ｂ）画素２１０に応じた分光特性を有する。色フィルター２６３の上には平坦化層２６４が積層され、この平坦化層２６４の上には図５に示したマイクロレンズアレイ２５０の各マイクロレンズ２６５が配置されている。

色フィルター２６３は、高屈折の無機材料と低屈折の無機材料とを多層積層したフォトニック結晶色フィルターである。高屈折の無機材料としてはＴｉＯ_２が使用され、低屈折無機材料としてはＳｉＯ_２が使用される。このフォトニック結晶色フィルターにあっては、多層構造の高屈折材料ＴｉＯ_２と低屈折材料ＳｉＯ_２とのそれぞれの膜厚を調整することによって、赤、緑及び青の分光特性を持った色フィルターを作成することができる。なお、高屈折の無機材料及び低屈折無機材料は、それぞれ、ＴｉＯ_２及びＳｉＯ_２に限るものではなく、その他の無機材料を使用することもできる。例えば、ＴｉＯ_２の代わりにＳｉＮを使用することもできる。

図７は図３の焦点検出画素の構成を示した断面図である。焦点検出画素２２０Ａ、２２０Ｂは、光電変換部２２０ａ、２２０ｂと遮光マスク２６１と平坦化層２６２と減光フィルター２６６と平坦化層２６４とマイクロレンズ２６５とを有する。

この構成を詳述すると、半導体基板２６０には焦点検出画素２２０Ａの光電変換部２２０ａと焦点検出画素２２０Ｂの光電変換部２２０ｂがそれぞれ形成され、これらの光電変換部２２０ａ、２２０ｂの直ぐ上には遮光マスク２６１が設けられている。この遮光マスク２６１は光電変換部２２０ａのほぼ半分と光電変換部２２０ｂのほぼ半分とを遮光して、光電変換部２２０ａ、２２０ｂの受光領域を規定する。こうして、遮光マスク２６１の開口部２６１ａは、光電変換部２２０ａ、２２０ｂの受光領域を規定するので、図３の焦点検出画素２２０Ａ、２２０Ｂの光電変換部２２０ａ、２２０ｂの大きさに相当している。

遮光マスク２６１の上には平坦化層２６２が積層され、この平坦化層２６２の上には減光フィルター２６６が形成されている。この減光フィルター２６６は、撮像画素２１０の色フィルター２６３と同一の層に形成されている、即ち、色フィルター２６３の高さと同一の高さ位置に形成されている。この減光フィルター２６６もフォトニック結晶フィルターであり、色フィルター２６３と同一の無機材料の多層構造体である。即ち、減光フィルター２６６は高屈折の無機材料ＴｉＯ_２と低屈折の無機材料ＳｉＯ_２との多層積層体である。減光フィルター２６６は、可視光域の全体を透過する分光特性を有する、即ち、赤画素の色フィルターの分光特性と緑画素の色フィルターの分光特性と青画素の色フィルターの分光特性とを加算したような分光特性を有する。

この減光フィルター２６６の働きは、次の通りである。即ち、撮像画素２１０は色フィルター２６３が存在するので、撮像画素２１０の光電変換部２１０ａへの入射光量がこの色フィルター２６３によって低減される。他方、焦点検出画素２２０ａ、２２０ｂには色フィルターが存在しない為に、焦点検出画素２２０Ａ、２２０Ｂの出力信号レベルが撮像画素２１０の出力信号レベルを上回り、撮像画素２１０に先立って飽和する虞がある。このような焦点検出画素２２０Ａ、２２０Ｂの出力信号レベルの飽和を防止する為に、減光フィルター２６６は、焦点検出画素２２０Ａ、２２０Ｂの光電変換部２２０ａ、２２０ｂへの入射光量が撮像画素２１０の光電変換部２１０ａへの入射光量以下になるように、光電変換部２２０ａ、２２０ｂへの入射光量を低減する。

なお、撮像画素２１０と焦点検出画素２２０Ａ、２２０Ｂの製造は、以下の通りである。先ず、半導体基板２６０に光電変換部２１０ａ、２２０ａ、２２０ｂが同時に形成される。その後に遮光マスク２６１が形成され、更に平坦化層２６２が積層される。その後に、Ｒ、Ｇ、Ｂの色フィルター２６３が順次、高屈折無機材料と低屈折無機材料との積層によって作成される。その後に、減光フィルター２６６が色フィルター２６３と同一の無機材料の積層によって作成される。勿論、先に減光フィルター２６６を作成した後に、色フィルター２６３を作成することもできる。その後に、平坦化層２６４とマイクロレンズ２６５が作成される。このように、色フィルター２６３と減光フィルター２６６とを同一の無機材料で作成することができるので、撮像素子１２１の製造工程が単純化される。

次に、本発明に係る撮像素子の第２の実施の形態を図８及び図９を用いて説明する。図８は、図３の撮像画素の構成を示した断面図である。図８において、撮像画素２１０は、光電変換部２１０ａを含む半導体基板２６０の表面に反射防止薄膜２７０が積層され、この反射防止薄膜２７０は光電変換部２１０ａへの入射光がこの光電変換部で反射することを防止している。反射防止膜２７０は高屈折の無機材料と低屈折の無機材料との多層積層体から構成されている。図８の撮像画素２１０のその他の構成は、図６の撮像画素の構成と同一である。

図９は、図３の焦点検出画素の構成を示した断面図である。焦点検出画素２２０Ａ、２２０Ｂは、光電変換部２２０ａ、２２０ｂを含む半導体基板２６０の表面に反射防止機能兼減光機能を備えた薄膜、即ち反射防止兼減光フィルター２７１が積層されている。この反射防止兼減光フィルター２７１は、図８の反射防止膜２７０と同一の無機材料の多層積層体であり、反射防止機能と減光機能とを備える。この反射防止兼減光フィルター２７１の働きは、図７の減光フィルター２６６と同様に光電変換部２２０ａ、２２０ｂへの入射光量を低減すると共に、入射光が光電変換部２２０ａ、２２０ｂで反射することを防止して迷光の発生を防止する。従って、反射防止兼減光フィルター２７１を設けることによって、図７の減光フィルター２６６を除去することができる。減光フィルター２６６を除去せずに、減光フィルター２６６と反射防止兼減光フィルター２７１の両方を設けることもできる。この場合には、減光フィルター２６６と反射防止兼減光フィルター２７１は、必要な光電変換部２２０ａ、２２０ｂの入射光量の減光量を按分することになる。

この反射防止兼減光フィルター２７１は、反射防止膜２７０の代わりに、反射防止膜２７０と同一の層に、同一の材料で形成される。従って、撮像画素２１０及び焦点検出画素２２０Ａ、２２０Ｂの製造の際には、反射防止兼減光フィルター２７１は、反射防止膜２７０の作成に相前後して、即ち反射防止膜２７０の作成の直前に又は直後に作成することができる。

以上の説明では、図３に示した焦点検出画素２２０に減光フィルター２６６及び反射防止兼減光フィルター２７１を設ける例を説明したが、図４に示した焦点検出画素２３０にも全く同様に、減光フィルター２６６及び反射防止兼減光フィルター２７１を設けることができる。

図１０は、図９に示した反射防止兼減光フィルター２７１の具体的な構成例を示したものである。図１０において、半導体基板２６０に形成された撮像画素２１０は、光電変換部２１０ａを有し、この光電変換部２１０ａには反射防止膜２７０が積層されている。反射防止膜２７０は上述したように、高屈折の無機材料と低屈折の無機材料との多層積層体から構成されている。

また、半導体基板２６０に形成された焦点検出画素２２０Ａ（２２０Ｂ）は、光電変換部２２０ａ（２２０ｂ）を有し、この光電変換部２２０ａ（２２０ｂ）には反射防止膜２７１ａが積層されている。この反射防止膜２７１ａは、反射防止膜２７０と同一の構成の多層積層体から構成されている。従って、反射防止膜２７１ａは、反射防止膜２７０と同一高さ位置であり、かつ反射防止膜２７０と同一厚さを有する。

光電変換部２２０ａの反射防止膜２７１ａには減光薄膜、即ち減光フィルター２７１ｂが積層されている。この減光フィルター２７１ｂは、反射防止膜２７１ａ、２７０と同一の無機材料の多層薄膜である。

このように、図１０に示した反射防止兼減光フィルター２７１は、反射防止膜２７１ａとこれに積層された減光フィルター２７１ｂとを含むものである。従って、反射防止兼減光フィルター２７１の厚さは、厳密に言うと撮像画素２１０の反射防止膜２７０の厚さよりも、減光フィルター２７１ｂの分だけ厚くなっている。しかしながら、これらの反射防止膜２７１ａ及び減光フィルター２７１ｂは共にその厚さが焦点検出画素２２０の他の構成部材に比べて非常に薄いので、反射防止兼減光フィルター２７１は、撮像画素２１０の反射防止膜２７０とほぼ同一高さ位置に位置しているということができる。

図１１は、図９に示した反射防止兼減光フィルター２７１の別の具体的な構成例を示したものである。焦点検出画素２２０Ａ（２２０Ｂ）の光電変換部２２０ａ（２２０ｂ）に積層された反射防止兼減光フィルター２７１は、この光電変換部２２０ａ（２２０ｂ）にそれぞれ順次積層され反射防止膜２７１ｃ及び減光薄膜、即ち減光フィルター２７１ｄを含む。

これらの反射防止膜２７１ｃ及び減光フィルター２７１ｄは、それぞれ光電変換部２１０ａの反射防止膜２７０と同一の無機材料の多層積層体であり、反射防止膜２７１ｃ及び減光フィルター２７１ｄの合計の厚さが光電変換部２１０ａの反射防止膜２７０の厚さと同一である。

次に、本発明に係る撮像素子の第３の実施の形態を、図１２を用いて説明する。図１２は、図３に示した焦点検出画素２２０Ａ、２２０Ｂの構成を示した断面図である。図１２において、半導体基板２６０には焦点検出画素２２０Ａの光電変換部２２０ａと焦点検出画素２２０Ｂの光電変換部２２０ｂがそれぞれ形成され、これらの光電変換部２２０ａ、２２０ｂの直ぐ上には遮光マスク２６１が設けられている。この遮光マスク２６１は光電変換部２２０ａのほぼ半分と光電変換部２２０ｂのほぼ半分とを遮光して、光電変換部２２０ａ、２２０ｂの受光領域を規定する。

遮光マスク２６１の側部には、第１の配線膜２８０が配置されている。即ち、これらの第１の配線膜２８０は遮光マスク２６１が配置された層と同一高さの層に配置されている。遮光マスク２６１の上には、平坦化層２６２が積層され、この平坦化層２６２には、第２の配線膜２８１と遮光膜２８２とが設けられている。この遮光膜２８２は、迷光の発生を防止する。

遮光膜２８２の上には、顔料を含んだ黒フィルター２８３が設けられている。この黒フィルター２８３は、図６の撮像画素２１０の色フィルター２６３と同一の高さ位置に配置される。この黒フィルター２８３の上には平坦化層２６４が積層され、この平坦化層２６４の上にマイクロレンズ２６５が形成される。なお、この実施形態の撮像素子は、撮像画素２１０の色フィルターと焦点検出画素の黒フィルター２８３は共に有機材料によって作成されている。

黒フィルター２８３の働きは次の通りである。即ち、黒フィルター２８３は遮光部材として作用し、マイクロレンズ２６５を透過して光電変換部２２０ａ、２２０ｂ（光電変換部２２０ａ、２２０ｂのうちの遮光マスク２６１で遮光されていない部分）に向かう光束２８４のうち、その外縁部の光束２８４ａを遮光する。即ち、黒フィルター２８３は、絞りとして作用する。

図１３に示したように、黒フィルター２８３は中央に円形の開口２８３ａを有し、マイクロレンズ２６５を透過した光束２８４の外縁部の全周を遮光して、光電変換部２２０ｂへの入射光量を低減する。

また、マイクロレンズ２６５に入射した光束２８４のうち、マイクロレンズ２６５の外縁部に入射した光束２８４ａは、マイクロレンズ２６５の外縁部における比較的大きな収差の影響を受け、迷光を発生しがちである。従って、黒フィルター２８３がマイクロレンズ２６５の透過光束の外縁部を遮光することは、光電変換部２２０ａ、２２０ｂへの入射光量を低減する効果に加えて、迷光を防止する効果をも奏する。

なお、黒フィルター２８３の開口２８３ａの形状は、図１３のような円形に限らず、六角形や八角形などの多角形に構成することもできる。更に、黒フィルター２８３の開口２８３ａの形状は、図１３に示したような閉じた形状に限らず、図１４に示したように一部が開放したものであっても良い。

この図１４に示した黒フィルター２８３は、その開口２８３ａを挟んで配置された一対の黒フィルター片２８３ｂ、２８３ｃを含み、これらの一対の黒フィルター片２８３ｂ、２８３ｃは、焦点検出画素２２０または２３０の並び方向に沿って位置している。

図１５は、撮像素子の第３の実施の形態の変形例を示したものである。図１５において、開口部２８５ａを有する薄膜遮光フィルター２８５が図１２の黒フィルター２８３の代わりに平坦化層２６２中に設けられている。この薄膜遮光フィルター２８５の高さ方向の位置は、撮像画素の色フィルター層の直下である。焦点検出画素のその他の構成は、図１２と同一である。なお、黒フィルター２８３や薄膜遮光フィルター２８５は、光束外縁部２８４ａを確実に遮光する為に、できるだけマイクロレンズ２６５に近い位置に配置することが望ましい。

また、遮光部材２８３、２８５として、開口部の大きさが異なった複数種の遮光部材を用意して、図１に示した交換レンズ１１０の絞り装置１１２の絞り開口径に応じて、その絞り開口径に適した大きさの開口部の遮光部材が配置された焦点検出画素列の焦点検出信号を選択し、この選択された焦点検出信号に基づきデフォーカス量を求めることによって、一層高精度な焦点検出が達成される。これを以下に更に詳細に説明する。

図１６（ａ）は相対的に大径の開口部２９０ａを有する遮光部材２９０を示し、同図（ｂ）は相対的に中径の開口部２９１ａを有する遮光部材２９１を示し、同図（ｃ）は相対的に小径の開口部２９２ａを有する遮光部材２９２を示す。

図１７（ａ）は大径の開口部２９０ａを有する遮光部材２９０を備えた焦点検出画素列２９３を示し、同図（ｂ）は中径の開口部２９１ａを有する遮光部材２９１を備えた焦点検出画素列２９４を示し、同図（ｃ）は小径の開口部２９２ａを有する遮光部材２９２を備えた焦点検出画素列２９５を示す。

焦点検出画素列２９３は一方向に配列された複数の焦点検出画素２２０又は２３０から構成され、焦点検出画素列２９３の各焦点検出画素２２０又は２３０は、図１６（ａ）に示した大径の開口部２９０ａを有する遮光部材２９０を有する。

同様に、焦点検出画素列２９４は一方向に配列された複数の焦点検出画素２２０又は２３０から構成され、焦点検出画素列２９４の各焦点検出画素２２０又は２３０は、図１６（ｂ）に示した中径の開口部２９１ａを有する遮光部材２９１を有し、焦点検出画素列２９５は一方向に配列された複数の焦点検出画素２２０又は２３０から構成され、焦点検出画素列２９５の各焦点検出画素２２０又は２３０は、図１６（ｃ）に示した小径の開口部２９２ａを有する遮光部材２９２を有する。これらの焦点検出画素列２９３、２９４、２９５は、それぞれ撮像素子の撮像画素内に散在するように配置されている。

図１に示した交換レンズ１１０のレンズ駆動制御装置１１３は、絞り装置１１２の絞り口径の情報をボディ駆動制御装置１２２に送信する。このボディ駆動制御装置１２２は、受信した絞り口径が比較的に大径である場合、即ち受信した絞り値のＦナンバーが小さい場合には、大径の開口部２９０ａを有する遮光部材２９０を備えた焦点検出画素列２９３を選択して、この焦点検出画素列２９３の焦点検出信号に基づき焦点検出及び焦点調節を行う。

また、ボディ駆動制御装置１２２は、受信した絞り口径が比較的に中径の場合には、中径の開口部２９１ａを有する遮光部材２９１を備えた焦点検出画素列２９４を選択して、この選択した焦点検出画素列２９４の焦点検出信号に基づき焦点検出を行う。

ボディ駆動制御装置１２２は、受信した絞り口径が比較的に小径の場合には、即ち受信した絞り値のＦナンバーが大きい場合には、小径の開口部２９２ａを有する遮光部材２９２を備えた焦点検出画素列２９５を選択して、この選択した焦点検出画素列２９５の焦点検出信号に基づき焦点検出を行う。

上述した実施の形態によると、撮像画素の出力信号の飽和に先立って焦点検出画素の出力信号が飽和することを低減することができるという作用効果が得られる。

１２１撮像素子、２１０撮像画素、２２０焦点検出画素、２３０焦点検出画素、２１０ａ光電変換部、２２０ａ、２２０ｂ光電変換部、２３０ａ、２３０ｂ光電変換部、２６３色フィルター、２６５マイクロレンズ、２６６減光フィルター、２７０反射防止膜、２７１反射防止兼減光フィルター、２８３遮光部材（黒フィルター）、２８５遮光部材（薄膜遮光フィルター）

Claims

第１のマイクロレンズと、色フィルターと、前記第１のマイクロレンズ及び前記色フィルターを透過した光束を受光して撮像信号を出力する第１の光電変換部とを有する複数の撮像画素と、
第２のマイクロレンズと、前記第２のマイクロレンズを透過したマイクロレンズ透過光束を受光して焦点検出信号を出力する第２の光電変換部と、前記第２の光電変換部の上方近傍に配置され前記第２の光電変換部の受光領域を規定する遮光マスク部材と、前記第２のマイクロレンズ及び前記第２の光電変換部の間であって前記第２のマイクロレンズの近傍に配置された、開口を有する遮光部材とを有する複数の焦点検出画素とを備え、
前記複数の撮像画素と前記複数の焦点検出画素は、前記複数の焦点検出画素が前記複数の撮像画素中に散在するように２次元的に配置され、
前記遮光部材は、前記第１のマイクロレンズに入射した光束と前記第２のマイクロレンズに入射した光束とが同一光量である場合に前記第２の光電変換部から出力される前記焦点検出信号の強度が前記第１の光電変換部から出力される前記撮像信号の強度以下になるように、前記マイクロレンズ透過光束の外縁部分を遮光することを特徴とする撮像素子。
請求項１に記載の撮像素子において、
前記遮光部材は、前記撮像画素の前記色フィルターと実質的に同一の高さ位置に配置されることを特徴とする撮像素子。
請求項１又は２に記載の撮像素子において、
前記遮光部材は、前記マイクロレンズ透過光束の外縁部分の全周を遮光することを特徴とする撮像素子。
請求項３に記載の撮像素子において、
前記遮光部材は、前記開口が円形と多角形状との一方であることを特徴とする撮像素子。
請求項１又は２に記載の撮像素子において、
前記遮光部材は、前記マイクロレンズ透過光束の外縁部分の一部を遮光することを特徴とする撮像素子。
請求項１〜５のいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記複数の焦点検出画素の複数の前記遮光部材は、その一部の遮光部材の前記開口が、その他の遮光部材の前記開口に比べて大きさが異なることを特徴とする撮像素子。
請求項６に記載の撮像素子において、
前記複数の焦点検出画素は、それぞれ所定の方向に配列された第１及び第２の焦点検出画素列を有し、
前記第１の焦点検出画素列を構成する各焦点検出画素の前記遮光部材の前記開口と、
前記第２の焦点検出画素列を構成する各焦点検出画素の前記遮光部材の前記開口とは、互いに大きさが異なることを特徴とする撮像素子。
第１のマイクロレンズと、色フィルターと、前記第１のマイクロレンズ及び前記色フィルターを透過した光束を受光して撮像信号を出力する第１の光電変換部とを有する複数の撮像画素と、
第２のマイクロレンズと、可視光域の全体を透過する分光特性を有する減光フィルターと、前記第２のマイクロレンズ及び前記減光フィルターを透過したマイクロレンズ透過光束を受光して焦点検出信号を出力する第２の光電変換部とを有する複数の焦点検出画素とを備え、
前記複数の撮像画素と前記複数の焦点検出画素は、前記複数の焦点検出画素が前記複数の撮像画素中に散在するように２次元的に配置され、
前記減光フィルターは、前記第１のマイクロレンズに入射した光束と前記第２のマイクロレンズに入射した光束とが同一光量である場合に前記第２の光電変換部から出力される前記焦点検出信号の強度が前記第１の光電変換部から出力される前記撮像信号の強度以下になるように、前記マイクロレンズ透過光束を減光することを特徴とする撮像素子。
請求項８に記載の撮像素子において、
前記色フィルターの多層薄膜の材料と前記減光フィルターの多層薄膜の材料は、互いに同一であることを特徴とする撮像素子。
請求項８に記載の撮像素子において、
前記減光フィルターは、前記撮像画素の前記色フィルターとほぼ同一高さ位置に配置され、
前記色フィルターと前記減光フィルターは共に、無機材料の多層薄膜によって構成されることを特徴とする撮像素子。
第１のマイクロレンズと、色フィルターと、前記第１のマイクロレンズ及び前記色フィルターを透過した光束を受光して撮像信号を出力する第１の光電変換部と、前記第１の光電変換部の上に配置された反射防止膜とを有する複数の撮像画素と、
第２のマイクロレンズと、前記第２のマイクロレンズを透過したマイクロレンズ透過光束を受光して焦点検出信号を出力する第２の光電変換部と、前記第２の光電変換部の上に配置された減光フィルターとを有する複数の焦点検出画素とを備え、
前記複数の撮像画素と前記複数の焦点検出画素は、前記複数の焦点検出画素が前記複数の撮像画素中に散在するように２次元的に配置され、
前記減光フィルターは、前記撮像画素の前記反射防止膜とほぼ同一の高さ位置に配置され、
前記減光フィルターは、前記第１のマイクロレンズに入射した光束と前記第２のマイクロレンズに入射した光束とが同一光量である場合に前記第２の光電変換部から出力される前記焦点検出信号の強度が前記第１の光電変換部から出力される前記撮像信号の強度以下になるように、前記マイクロレンズ透過光束を減光することを特徴とする撮像素子。
請求項１１に記載の撮像素子において、
複数の焦点検出画素の各々は、前記第２の光電変換部の上に配置された反射防止膜を有し、
前記減光フィルターは、前記第２の光電変換部の上に配置された反射防止膜の上に積層されていることを特徴とする撮像素子。
請求項１２に記載の撮像素子において、
前記第２の光電変換部の上に配置された反射防止膜の厚さは、前記第１の光電変換部の上に配置された反射防止膜の厚さと実質的に同一であることを特徴とする撮像素子。
請求項１２に記載の撮像素子において、
前記第２の光電変換部の上に配置された反射防止膜の厚さと前記減光フィルターの厚さとの合計は、前記第１の光電変換部の上に配置された反射防止膜の厚さと実質的に同一であることを特徴とする撮像素子。
請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の撮像素子において、
前記反射防止膜の多層薄膜の材料と前記減光フィルターの多層薄膜の材料は、互いに同一であることを特徴とする撮像素子。
請求項１２に記載の撮像素子において、
前記第２の光電変換部の上に配置された反射防止膜の材料は、前記第１の光電変換部の上に配置された反射防止膜の材料と同一であることを特徴とする撮像素子。
請求項１１〜１６のいずれか１項に記載の撮像素子において、
前記反射防止膜と前記減光フィルターは共に、無機材料の多層薄膜によって構成されることを特徴とする撮像素子。
請求項１〜１７のいずれか１項に記載された撮像素子と、
撮影光学系と、
前記撮像画素の出力信号に基づき画像データを生成する画像生成手段と、
前記焦点検出画素の出力信号に基づき前記撮影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。
請求項８に記載の撮像素子の製造方法であって、
前記撮像画素の前記第１の光電変換部及び前記焦点検出画素の前記第２の光電変換部を作成し、
その後に、前記色フィルターと前記減光フィルターとの一方を前記無機材料によって作成した後に前記色フィルターと前記減光フィルターとの他方を前記無機材料によって作成し、
その後に、前記第１及び第２のマイクロレンズを作成することを特徴とする撮像素子の製造方法。
請求項１１に記載の撮像素子の製造方法であって、
前記撮像画素の前記第１の光電変換部及び前記焦点検出画素の前記第２の光電変換部を作成し、
その後に、前記反射防止膜と前記減光フィルターとの一方を前記無機材料によって作成した後に前記反射防止膜と前記減光フィルターとの他方を前記無機材料によって作成し、
その後に、前記第１及び第２のマイクロレンズを作成することを特徴とする撮像素子の製造方法。
絞り装置を有する撮影レンズと、
前記撮影レンズによる被写体像を撮像する撮像素子と、
焦点検出信号に基づき前記撮影レンズの焦点調節を行う焦点調節手段と、
を備え、
前記撮像素子は、２次元的に配置された複数の撮像画素と前記複数の撮像画素中に散在するように２次元的に配置された複数の焦点検出画素とを有し、
前記複数の撮像画素の各々は、第１のマイクロレンズと、色フィルターと、前記第１のマイクロレンズ及び前記色フィルターを透過した光束を受光して撮像信号を出力する第１の光電変換部とを有し、
前記複数の焦点検出画素の各々は、第２のマイクロレンズと、前記第２のマイクロレンズを透過したマイクロレンズ透過光束を受光して焦点検出信号を出力する第２の光電変換部と、前記第２のマイクロレンズ及び前記第２の光電変換部の間に配置された、開口を有する遮光部材とを有し、
前記遮光部材は、前記マイクロレンズ透過光束の外縁部分を遮光し、
前記撮像素子は、複数の前記焦点検出画素が配列した第１の焦点検出画素列と、複数の前記焦点検出画素が配列した第２の焦点検出画素列とを備え、
前記第１の焦点検出画素列の前記複数の焦点検出画素の各々は、前記開口として相対的に大きな開口を有する前記遮光部材を有し、
前記第２の焦点検出画素列の前記複数の焦点検出画素の各々は、前記開口として相対的に小さな開口を有する前記遮光部材を有し、
前記焦点調節手段は、前記撮影レンズの前記絞り装置の絞り口径が相対的に大きい時に前記第１の焦点検出画素列の焦点検出信号に基づき前記撮影レンズの焦点調節を行い、前記撮影レンズの前記絞り装置の絞り口径が相対的に小さい時に前記第２の焦点検出画素列の焦点検出信号に基づき前記撮影レンズの焦点調節を行うことを特徴とする撮像装置。