JP4798270B2 - 撮像素子、撮像装置及び撮像素子の製造方法 - Google Patents

撮像素子、撮像装置及び撮像素子の製造方法 Download PDF

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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が使用され、低屈折無機材料としてはSiO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と低屈折材料SiO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及びSiO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と低屈折の無機材料SiO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 (21)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 請求項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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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。
  12. 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。
  13. 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。
  14. 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。
  15. 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。
  16. 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。
  17. 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。
  18. 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。
  19. 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。
  20. 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。
  21. 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。
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