JP4968893B2

JP4968893B2 - 撮像素子及び撮像システム

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Publication number: JP4968893B2
Application number: JP2006249953A
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Inventors: 明彦長野
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Publication date: 2012-07-04
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Description

本発明は、デジタルスチルカメラ等に用いる撮像素子及び撮像システムに関する。

近年、デジタルスチルカメラの高画素化に伴い、撮像素子を構成する１画素の大きさが年々縮小され、それに伴って光電変換手段の開口率も小さくなってきている。光電変換手段の開口率が小さくなると、受光感度も低下してしまう。

特許文献１は、光入射面と光電変換手段との間に、光入射側の開口率が大きな光導波路を設け、集光特性を高めた撮像素子を開示している。特許文献１では、光導波路を高屈折率の透明材料で構成することにより、全反射を利用して入射光を光電変換手段に効率よく導いている。

また、従来の一眼レフタイプのデジタルスチルカメラには、瞳分割方式の焦点検出装置が搭載されている。瞳分割方式の焦点検出装置は、撮影光束を分割し、撮影レンズの異なる瞳領域を通過する光束を専用の撮像素子で受光するように構成されている。そして、撮像素子で生成された２つの像の相関を取ることによって、撮影レンズのデフォーカス量を算出している。

特許文献２は、撮像装置を構成する複数画素のうち一部の画素の光電変換手段を２分割し、分割された光電変換手段のそれぞれの像信号から瞳分割方式の焦点検出を行っている。撮影レンズの予定結像面に配置され、通常画像の撮影も可能な撮像装置を用いて焦点検出を行っているため、従来の焦点検出装置で生じていた焦点面のずれ等が無く、精度の高い焦点検出を行うことができる。
特開平５−２８３６６１号公報（第３頁、図１）特開２００５−１０６９９４号公報（第１０頁、図７）

像素子の受光効率を向上させるとともに、精度の高い焦点検出を達成するためには、撮像素子を構成する一部の画素の光電変換手段を２分割することにより瞳分割方式の焦点検出が行えるように構成するとともに、撮像素子を構成する各画素に光導波路を設け光を効率よく集光することが考えられる。

しかしながら、撮像素子に設けた光導波路は、全反射を利用して光を光電変換手段へ導くため、焦点検出を行うために光電変換手段を２分割した画素にも光導波路を設けると、オンチップレンズによる光電変換手段と撮影レンズの瞳との共役関係が崩れる。その結果、焦点検出を行うための瞳分離ができないという欠点があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、撮像素子において、撮像するための複数の第１の画素における受光効率を向上させるとともに、焦点検出を行うための複数の第２の画素における精度の高い焦点検出を達成することを目的とする。

本発明の第１の側面に係る撮像素子は、撮影レンズを介した光束を受ける撮像素子であって、前記撮影レンズにより形成された被写体像を撮像するための複数の第１の画素と、前記撮影レンズの焦点検出を行うための複数の第２の画素とを備え、前記第１の画素は、分割されていない第１の光電変換手段と、前記第１の光電変換手段の上方に配された第１のオンチップレンズと、前記第１のオンチップレンズと前記第１の光電変換手段との間に配された光導波路とを有し、前記第２の画素は、互いに分割されている複数の第２の光電変換手段と、前記複数の第２の光電変換手段の上方に配された第２のオンチップレンズとを有し、前記第２の画素は、前記第２のオンチップレンズと前記複数の第２の光電変換手段との間に光導波路を有しないことを特徴とする。

本発明の第２の側面に係る撮像システムは、撮影レンズと、前記撮影レンズを介した光束を受ける上記の撮像素子とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、撮像素子の受光効率を向上させるとともに、精度の高い焦点検出を達成することができる。

以下に図面を参照して、本発明の好適な実施の形態に係る撮像素子を備えるデジタルスチルカメラについて説明する。本実施形態では、カメラの一例としてデジタルスチルカメラを用いて説明するが、本発明はこれに限定されない。

（第１の実施形態）
本発明の好適な実施の形態に係る撮像素子を有するデジタルスチルカメラなどの撮像システムの構成について説明する。図１は、本発明の好適な実施の形態に係る撮像素子を備えるカメラ本体１と撮影レンズ５とを含む撮像システムの構成を示す図である。

図１において、撮像素子（撮像部）１０（又は９０、１００）は、カメラ本体１の光学系としての撮影レンズ５の予定結像面に配置される。カメラ本体１は、カメラ全体を制御するＣＰＵ２０と、撮像素子１０を駆動制御する撮像素子制御回路２１と、撮像素子１０で撮像した画像信号を画像処理する画像処理回路２４と、画像処理された画像を表示する液晶表示素子９とを備える。カメラ本体１はまた、液晶表示素子９を駆動する液晶表示素子駆動回路２５と、液晶表示素子９に表示された被写体像を観察するための接眼レンズ３とを備える。カメラ本体１はまた、撮像素子１０で撮像された画像を記録するメモリ回路２２と、画像処理回路２４で画像処理された画像をカメラ外部に出力するためのインターフェース回路２３とを備える。メモリ回路２２には、各種情報に加えて、撮影レンズの固有情報（開放Ｆ値や射出窓情報等）も記憶される。なお、ＣＰＵ２０は、焦点検出手段も兼ねている。

撮影レンズ５は、カメラ本体１に対して着脱可能である。図１では、便宜上２枚のレンズ５ａ、５ｂが図示されているが、実際は多数枚のレンズで構成される。撮影レンズ５は、カメラ本体１のＣＰＵ２０から送られる焦点調節情報を電気接点２６を介してレンズＣＰＵ５０で受信し、その焦点調節情報に基づいて、撮影レンズ駆動機構５１により合焦状態に調節される。絞り部５３は、絞り駆動機構５２によって所定の絞り値に設定される。

図２は、図１の撮像システムの動作を示すタイミング図である。なお、下記の処理は、ＣＰＵ２０がメモリ回路２２に格納された制御プログラムに基づいて、各部を制御しながら行う。

まず、ステップＳ２０１では、ＣＰＵ２０は、カメラ本体１の不図示のメインスイッチの状態を調べ、メインスイッチが撮影者によってＯＮされたか否かを検出する。メインスイッチがＯＦＦの場合には（ステップＳ２０１で「ｙｅｓ」）、ステップＳ２１０に進み、メインスイッチがＯＮされた場合には（ステップＳ２０１で「ｎｏ」）、ステップＳ２０２に進む。

ステップＳ２０２では、ＣＰＵ２０は、撮影レンズ５の焦点検出を実行する。上述のように、ＣＰＵ２０は、焦点検出手段も兼ねている。撮影レンズ５の焦点検出は、後述する図３の第２の画素（０,０）、（１,３）、（２,６）、（３,１）、（４,４）、（５,７）、（６,２）、（７,５）等の光電変換手段１０１α及び１０１βの各出力より生成される像信号の相関を取ることにより行われる。撮像素子１０からの画像の出力方法は後述する。撮像素子１０の出力に基づいて、撮影レンズ５のデフォーカス量が算出されると、撮影レンズの駆動量が算出される。

ステップＳ２０３では、ＣＰＵ２０は、撮影レンズ駆動機構５１にレンズ駆動信号を送信し、算出したデフォーカス量に対応する量だけ撮影レンズ５ｂを駆動して、撮影レンズ５ｂを合焦状態となる位置まで移動させる。

ステップＳ２０４では、ＣＰＵ２０は、撮像素子制御回路２１に撮像信号を送信し、撮像素子１０に通常の撮像を行わせる。

ステップＳ２０５では、ＣＰＵ２０は、撮像素子１０で撮像された画像信号を撮像素子制御回路２１でＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換された画像信号を画像処理回路２４で画像処理するように制御する。このとき、撮像素子１０からの出力信号に基づいて、色再現のための画像処理を行うよう制御する。ＣＰＵ２０は、画像処理された画像信号を液晶表示素子駆動回路２５に送信し、液晶表示素子９に表示するように制御する。その結果、撮影者は、接眼レンズ３を通して液晶表示素子９に表示された被写体像を観察することができる。

ステップＳ２０６では、ＣＰＵ２０は、撮像画像を記録するための操作スイッチＳＷ２の状態を調べ、操作スイッチＳＷ２が撮影者によってＯＮされたか否かを検出する。操作スイッチＳＷ２がＯＮされた場合には（ステップＳ２０６で「ｙｅｓ」）、ステップＳ２０７に進み、操作スイッチＳＷ２がＯＦＦの場合には（ステップＳ２０１で「ｎｏ」）、ステップＳ２０１に戻る。

ステップＳ２０７では、ＣＰＵ２０は、イメージセンサ制御回路２１に撮像信号を送信し、撮像素子１０で本撮像を行うように制御する。

ステップＳ２０８では、ＣＰＵ２０は、撮像素子制御回路２１によってＡ／Ｄ変換された画像信号を画像処理回路２４で画像処理した後、液晶表示素子駆動回路２５に送信し、液晶表示素子９に表示するように制御する。

ステップＳ２０９では、ＣＰＵ２０は、撮像された画像信号をそのままカメラ本体１のメモリ回路２２に記憶するように制御した後、ステップＳ２０１に戻る。ステップＳ２０１において、ＣＰＵ２０は、撮影動作が終了して、撮影者がメインスイッチをＯＦＦしたのを検出すると、ステップＳ２１０に進む。

ステップＳ２１０では、ＣＰＵ２０は、カメラの電源を落とし（ＯＦＦとし）、待機状態となるように制御し、処理を終了する。

図３は、本発明の好適な実施の形態に係る撮像素子の画素配列を示す図である。図中（０,０）、（１,０）、（０,１）等で示される各領域は１画素を示す。また、各領域に記された「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」の文字は、各画素上に形成されるカラーフィルタの色相を表す。カラーフィルタの透過率は、例えば、約３０％である。

ベイヤー（Ｂａｙｅｒ）配列の場合、１画素は「Ｒ」、「Ｂ」の画素と２つの「Ｇ」の画素とで構成されるが、本実施形態では「Ｇ」であるべき画素の一つに無色透明のカラーフィルタ「Ｗ」（「Ｗ」の文字は不図示）が形成される。さらに、この画素は、少なくとも２つの光電変換手段に分割された構成になっている。この少なくとも２つの光電変換手段に分割された第２の画素（例えば、図中（０,０）および（３,１）など）の各光電変換手段の出力に基づいて撮影レンズの焦点状態が検出される。

第２の画素の１つの光電変換手段の面積は、光電変換手段が分割されていない第１の画素（例えば、図３の（１,０））の光電変換手段の面積の半分以下であるため、Ｓ／Ｎ比が相対的に悪い。しかしながら、図中（０,０）および（３,１）などの配列に示す第２の画素には、無色透明のカラーフィルタ「Ｗ」を形成されるため、入射光の利用効率が上昇し、Ｓ／Ｎ比の悪化を抑えることができる。

また、通常画像の撮影時は、光電変換手段が分割されていない第１の画素である「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」の画素で色差信号が生成され、さらに「Ｇ」画素で輝度信号が生成される。しかしながら、無色透明のカラーフィルタ「Ｗ」が形成された第２の画素では、正しい輝度信号が生成されないため、隣接する第１の画素である「Ｇ」の画素で補間することにより、撮影画像の解像感を向上させる。例えば、（３,１）に位置する焦点検出用の第２の画素の輝度信号は、（２,０）、（４,０）、（２,２）、（４,２）に位置する「Ｇ」画素の輝度信号で補間される。

図４は、本発明の好適な実施の形態に係る撮像素子の平面構造図であり、図３の（０,０）及び（１,０）に配列された画素の素子平面構造を示したものである。

撮像素子１０の平坦化膜１３１の上には、オンチップレンズ１３０α及び１３０βが形成される。

図４の左側に示す瞳分割方式の焦点検出を行う第２の画素では、オンチップレンズ１３０αの開口は円形であり、オンチップレンズ１３０αは球形形状である。これにより、不図示の撮影レンズの鏡筒等で受光光束が遮られないように、オンチップレンズ１３０αの結像性能を確保している。

また、光電変換手段１０１α及び１０１βは、共に卵形の形状をなしている。これにより、不図示の撮影レンズの瞳領域のできるだけ広い領域を確保し、感度と基線長を確保するとともに、相関度が高い焦点検出画像が得られる。

一方、図４の右側に示す通常の撮像を行う第１の画素では、オンチップレンズ１３０γの開口は略矩形であり、オンチップレンズ１３０γは径方向で曲率の異なる非球面形状をなしている。これにより、オンチップレンズ１３０γによる開口率を向上させ、感度の高い画像を得ることができる。

同様に、光電変換手段１０１γも矩形形状であり、できるだけ広い面積を確保することにより感度の向上を図っている。

次に、本発明の好適な実施の形態に係る撮像素子の構造について説明する。図５は、本実施形態に係る撮像素子１０の断面図であり、図３の（０,０）及び（１,０）に配列された画素の素子断面構造を示したものである。

図５の左側に示す（０,０）に配列された画素は、撮影レンズの焦点状態を検出するための第２の画素であり、光電変換手段１０１が２つの領域（１０１α及び１０１β）に分割されている。図５の右側に示す（１,０）に配列された画素は、通常の撮影画像を得るための第１の画素であり、光電変換手段１０１が１つの領域（１０１γ）で構成されている。光電変換手段１０１の周辺には、光電変換手段１０１で発生した電荷を転送するためのポリシリコンで構成された不図示の第１の電極が配置される。また、転送された電荷を選択的に外部に出力するためのアルミニウムで構成された第２の電極１２７及び第３の電極１２８が配置される。第１の電極と第２の電極１２７との間、及び、第２の電極１２７と第３の電極１２８との間には、屈折率が約１.４６のシリコン酸化膜で構成された層間絶縁膜１１９が配置される。第１の電極と第２の電極１２７、及び、第２の電極１２７と第３の電極１２８とは、タングステンで構成された不図示の第１のプラグ及び第２のプラグでそれぞれ接続されている。

光電変換手段１０１γと第３の電極１２８との間には、光導波路１３４が形成される。光導波路１３４は、屈折率が約１.９のシリコン窒化膜で構成されている。光導波路１３４の光入射側には、シリコン窒化膜で構成されたレンズ１３３が配置される。レンズ１３３を構成するシリコン窒化膜の屈折率は、約２.０である。レンズ１３３によって、光導波路１３４への集光効率を更に向上させることができる。レンズ１３３の光入射側には、平坦化層１３２を介してカラーフィルタ層１２９γが形成される。通常の撮影画像を得るための第１の画素には、色相のカラーフィルタが形成される。例えば、カラーフィルタ層１２９γには、青色を透過するカラーフィルタが形成される。

一方、撮影レンズの焦点状態を検出するための第２の画素のカラーフィルタ層１２９αは、可視光を吸収しない無色透明の材料で構成され、被写体の色による焦点検出能力差を無くすとともに、光電変換手段１０１α及び１０１βの受光効率を向上させている。

カラーフィルタ層１２９α及び１２９γの上には、平坦化層１３１を介してオンチップレンズ１３０α及び１３０γが形成される。オンチップレンズ１３０αの厚さは、不図示の撮影レンズの瞳と光電変換手段１０１α及び１０１βとが略結像関係になるレンズパワーになるように設定されている。

次に、本実施形態に係る撮像素子１０に入射する光について説明する。図５の左側に示す撮影レンズの焦点状態を検出するための第２の画素では、オンチップレンズ１３０αに入射した焦点検出光束は集光され、カラーフィルタ層１２９αで吸収されることなく、光電変換手段１０１α及び１０１βの表面近傍に集光する。オンチップレンズ１３０αによって、不図示の撮影レンズの瞳と光電変換手段１０１α及び１０１βとが略結像関係になっているため、光電変換手段１０１α及び１０１βは、各光電変換手段を撮影レンズの瞳側に逆投影した瞳領域の光束を受光可能になっている。このとき、光電変換手段１０１α及び１０１βは、受光光束が撮影レンズの鏡筒等で遮られないように、撮影レンズの最大Ｆ値で決まる画角よりも小さい画角の光Ａを受光するように構成されている。

一方、図５の右側の通常の撮影画像を得るための第１の画素では、オンチップレンズ１３０γで集光された光は、カラーフィルタ層１２９γで一部吸収され、レンズ１３３に入射する。屈折率が約１.５４の樹脂で構成される平坦化層１３２に埋め込まれたレンズ１３３は、正のパワーを有するため、不図示の撮影レンズからの入射光束は、光導波路１３４の中央部に集光する。光導波路１３４に入射した光の一部は、光導波路１３４と層間絶縁膜１１９との境界面で全反射して、光電変換手段１０１γに導かれる。その結果、撮影レンズの開放光束をカバーする広い画角の光Ｂも、光導波路１３４を介して光電変換手段１０１γに集光可能になっている。

図６は、本発明の好適な実施の形態に係る撮像素子の一部の概略断面図であり、図３の（０、０）及び（１,０）の２画素の断面を示したものである。

図６において、１１７はＰ型ウェル、１１８はＳｉＯ_２膜で構成されたゲート絶縁膜である。１２６α０、１２６β０及び１２６γ０は、Ｐ型ウェル１１７の表面に形成されたＰ＋層であり、ｎ層１２５α０、１２５β０及び１２５γ０と共に光電変換手段１０１α０、１０１β０及び１０１γ０を構成する。１２０α０、１２０β０及び１２０γ０は、光電変換手段１０１α０、１０１β０及び１０１γ０で発生した信号電荷をフローティングディフュージョン部（以下「ＦＤ部」という。）１２１α０及び１２１γ０へ転送するための転送ゲートである。１２９はカラーフィルタ、１３０はオンチップレンズであり、オンチップレンズ１３０は、撮影レンズ５の瞳と撮像素子１０の光電変換手段１０１α０、１０１β０及び１０１γ０とが略共役になるような形状及び位置に形成される。

また、（０,０）の画素では、ＦＤ部１２１α０を挟んで２つの領域に光電変換手段１０１α０、１０１β０がそれぞれ形成される。さらに、各光電変換手段１０１α０、１０１β０で発生した信号電荷をそれぞれＦＤ部１２１α０へ転送する転送ゲート１２０α０、１２０β０’が形成される。

また、（１,０）の画素では、ＦＤ部１２１γ０は、光電変換手段１０１γ０と隣接する画素の光電変換手段１０１β０との間に形成される。さらに、各光電変換手段１０１γ０、１０１β０で発生した信号電荷をそれぞれＦＤ部１２１γ０へ転送する転送ゲート１２０γ０、１２０β０が形成される。ここで、転送ゲート１２０γ０及び転送ゲート１２０β０’は、同じ制御パルスΦＴＸγ０で制御されるように構成される。光電変換手段１０１β０の信号電荷は、制御パルスΦＴＸβ０及びΦＴＸγ０の論理状態（ハイ又はロー）に応じて、ＦＤ部１２１α０及びＦＤ部１２１γ０のいずれかに選択的に転送される。また、（１,０）の画素では、光電変換手段１０１γ０とカラーフィルタ１２９との間に光導波路１３４が配置される。

図７は、本発明の好適な実施の形態に係る撮像素子の回路構成図であり、図３の（０,０）（１,０）（０,１）（１,１）の４画素を例示的に示したものであるが、画素数はこれに限定されない。

１０１α０及び１０１γ０は光電変換手段、１０３α０及び１０３γ０は転送スイッチＭＯＳトランジスタ、１０４はリセット用ＭＯＳトランジスタ、１０５はソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ、１０６は水平選択スイッチＭＯＳトランジスタである。また、１０７はソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５の負荷ＭＯＳトランジスタ、１０８α０及び１０８β０は暗出力転送ＭＯＳトランジスタ、１０９α０及び１０９β０は明出力転送ＭＯＳトランジスタである。また、１１０α０及び１１０β０は暗出力蓄積容量、１１１α０及び１１１β０は明出力蓄積容量、１１２α０及び１１２β０は水平転送ＭＯＳトランジスタ、１１３は水平出力線リセットＭＯＳトランジスタ、１１４は差動出力アンプである。また、１１５は水平走査回路、１１６は垂直走査回路であり、制御手段としての撮像素子制御回路２１（図１を参照）を構成する。

次に、図８Ａ及び図８Ｂに示すタイミングチャートを用いて撮像素子１０の信号出力動作を説明する。

図８Ａは、撮像素子１０で通常の撮像を行う際のタイミングチャートを示す図である。通常撮像時には、分割画素（０,０）の光電変換手段１０１α０及び１０１β０で発生した信号電荷は、共にＦＤ部１２１α０に転送されて加算され、撮像素子１０の外部に出力されるように構成されている。このとき、非分割画素（１,０）の光電変換手段１０１γ０で発生した信号電荷は、ＦＤ部１２１γ０に転送され、撮像素子１０の外部に出力される。

時刻ｔ１では、垂直走査回路１１６から出力されたＨ（ハイ）の制御パルスΦＳ０により、水平選択スイッチＭＯＳトランジスタ１０６がオンし、第０ラインの画素が選択される。

時刻ｔ２では、制御パルスΦＲ０がＬ（ロー）となり、ＦＤ部１２１α０、１２１γ０のリセット動作を停止し、ＦＤ部１２１α０、１２１γ０をフローティング状態とする。そして、ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５のゲート・ソース間に電圧を加えて、ＭＯＳトランジスタ１０５をオンさせる。

時刻ｔ３では、制御パルスΦＴＮがＨとなり、ＦＤ部１２１α０、１２１γ０の暗電圧がソースフォロワ動作により蓄積容量１１０α０、１１０β０にそれぞれ出力される。

時刻ｔ４では、光電変換手段１０１α０、１０１β０及び１０１γ０に蓄積された信号電荷を出力するため、制御パルスΦＴＸα０及びΦＴＸγ０がＨとなる。これにより、転送スイッチＭＯＳトランジスタ１０３α０（転送ゲート１２０α０）、１０３β０’（転送ゲート１２０β０’）及び１０３γ０（転送ゲート１２０γ０）が導通される。光電変換手段１０１α０及び１０１β０で発生した信号電荷は、ＦＤ部１２１α０に転送され、光電変換手段１０１γ０で発生した信号電荷は、ＦＤ部１２１γ０に転送される。光電変換手段１０１α０、１０１β０及び１０１γ０の信号電荷がＦＤ部１２１α０及び１２１γ０に転送されることにより、ＦＤ部１２１α０及び１２１γ０の電位が入射光に応じて変化する。

時刻ｔ５では、制御パルスΦＴＳがハイとなる。このとき、ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５は、フローティング状態であるため、ＦＤ部１２１α０及び１２１γ０の電位が蓄積容量１１１α０、１１１β０にそれぞれ出力される。この時点で、第０ラインの各画素の暗出力は、蓄積容量１１０α０及び１１０β０に出力されている。また、第０ラインの各画素の光出力は、それぞれ１１１α０、１１１β０に蓄積されている。時刻ｔ６では、制御パルスΦＨＣがＨとなり、水平出力線リセットＭＯＳトランジスタ１１３がＯＮし、水平出力線がリセットされる。そして、水平転送期間において、水平走査回路１１５が走査タイミング信号を出力し、水平転送ＭＯＳトランジスタ１１２α０、１１２β０を順次ＯＮして、水平出力線に各画素の暗出力と光出力とを出力する。このとき、差動増幅器１１４により、蓄積容量１１０α０及び１１１α０、並びに、蓄積容量１１０β０及び１１１β０の差動出力Ｖｏｕｔがそれぞれ出力され、各画素のランダムノイズと固定パターンノイズが除去された、Ｓ／Ｎ比の良い信号が得られる。

さらに、垂直走査回路１１６は、次のライン（例えば、第１ライン）についても、同様の動作を行うことにより、撮像素子１０の各画素の信号を出力する。

撮像素子１０から出力された信号は、図１の画像処理回路２４で信号処理され、液晶表示素子９に表示される。また、メモリ回路２２に画像データが記憶される。このとき、第２の画素の光電変換手段１０１α０及び１０１β０の合成出力は、低輝度時の輝度情報として利用される。

撮影レンズ５の焦点状態の検出を行う場合、第２の画素の光電変換手段１０１α０及び光電変換手段１０１β０のそれぞれの出力から得られた２つの画像の相関演算を行い、２つの画像のずれ量から撮影レンズ５の焦点状態を検出する。

本発明の好適な実施の形態に係る撮像素子１０は、撮影レンズ５の焦点状態を検出する際に、２つの光電変換手段に分割された画素（０,０）に隣接する非分割画素（１,０）の光電変換手段の出力は読み出さないように構成されている。そして、２つの光電変換手段に分割された画素（０,０）の一方の光電変換手段の出力は、隣接する非分割画素（１,０）の転送部から出力され、焦点検出時の焦点検出用画像の読み出し時間を半減している。

図８Ｂは、撮像素子１０の第２の画素で焦点検出用画像を読み出す際のタイミングチャートを示す図である。

時刻ｔ１１では、垂直走査回路１１６から出力されたＨ（ハイ）の制御パルスΦＳ０により、水平選択スイッチＭＯＳトランジスタ１０６がオンし、第０ラインの画素が選択される。

時刻ｔ１２では、制御パルスΦＲ０がＬ（ロー）となり、ＦＤ部１２１α０、１２１γ０のリセット動作を停止し、ＦＤ部１２１α０、１２１γ０をフローティング状態とする。そして、ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５のゲート・ソース間に電圧を加えて、ＭＯＳトランジスタ１０５をオンさせる。

時刻ｔ１３では、制御パルスΦＴＮがＨとなり、ＦＤ部１２１α０、１２１γ０の暗電圧がソースフォロワ動作により蓄積容量１１０α０、１１０β０にそれぞれ出力される。

時刻ｔ１４では、光電変換手段１０１α０及び１０１β０に蓄積された信号電荷を出力するため、制御パルスΦＴＸα０及びΦＴＸβ０がＨとなる。これにより、転送スイッチＭＯＳトランジスタ１０３α０（転送ゲート１２０α０）及び１０３β０（転送ゲート１２０β０）が導通される。光電変換手段１０１α０で発生した信号電荷は、ＦＤ部１２１α０に転送され、光電変換手段及び１０１β０で発生した信号電荷は、ＦＤ部１２１γ０に転送される。光電変換手段１０１α０及び１０１β０の信号電荷がＦＤ部１２１α０及び１２１β０に転送されることにより、ＦＤ部１２１α０及び１２１β０の電位が入射光に応じて変化する。このとき、制御パルスΦＴＸγ０はローであるため、非分割画素（１,０）の光電変換手段１０１γ０の信号電荷は、ＦＤ部１２１γ０には転送されない。

時刻ｔ１５では、制御パルスΦＴＳがハイとなる。このとき、ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５は、フローティング状態であるため、ＦＤ部１２１α０及び１２１γ０の電位が蓄積容量１１１α０、１１１β０にそれぞれ出力される。この時点で、第０ラインの各画素の暗出力は、蓄積容量１１０α０及び１１０β０に出力されている。また、第０ラインの各画素の光出力は、それぞれ１１１α０、１１１β０に蓄積されている。

時刻ｔ１６では、制御パルスΦＨＣがＨとなり、水平出力線リセットＭＯＳトランジスタ１１３がＯＮし、水平出力線がリセットされる。そして、水平転送期間において、水平走査回路１１５が走査タイミング信号を出力し、水平転送ＭＯＳトランジスタ１１２α０、１１２β０を順次ＯＮして、水平出力線に各画素の暗出力と光出力とを出力する。このとき、差動増幅器１１４により、蓄積容量１１０α０及び１１１α０、並びに、蓄積容量１１０β０及び１１１β０の差動出力Ｖｏｕｔがそれぞれ出力され、各画素のランダムノイズと固定パターンノイズが除去された、Ｓ／Ｎ比の良い信号が得られる。

撮像素子１０からの出力は、焦点検出手段を兼ねるＣＰＵ２０で焦点検出用画像信号として整形され、相関演算処理を行った後に、撮影レンズ５の焦点状態が算出される。

以上のように、本実施形態によれば、通常の撮像を行う第１の画素では光導波路による全反射を利用して受光効率を向上させることができる。そして、焦点検出を行うための第２の画素では光導波路が配置されないため、撮影レンズの瞳領域を良好に分割し、瞳分割方式の焦点検出を良好に行うことができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の好適な第２の実施形態に係る撮像素子９０について説明する。図９は、本発明の好適な第２の実施形態に係る撮像素子９０の断面図であり、図３の（０,０）、（１,０）に配列された画素に対応する素子断面構造を示したものである。

図９の左側に示す（０,０）に配列された画素は、撮影レンズの焦点状態を検出するための第２の画素であり、光電変換手段１０１が２つの領域（１０１α及び１０１β）に分割されている。図９の右側に示す（１,０）に配列された画素は、通常の撮影画像を得るための第１の画素であり、光電変換手段１０１が１つの領域（１０１γ）で構成されている。

光電変換手段１０１の周辺には、光電変換手段１０１で発生した電荷を転送するためのポリシリコンで構成された不図示の第１の電極が配置される。また、転送された電荷を選択的に外部に出力するためのアルミニウムで構成された第２の電極１２７及び第３の電極１２８が配置される。第１の電極と第２の電極１２７との間、及び、第２の電極１２７と第３の電極１２８との間には、屈折率が約１.４６のシリコン酸化膜で構成された層間絶縁膜１１９が配置される。第１の電極と第２の電極１２７、及び、第２の電極１２７と第３の電極１２８とは、タングステンで構成された不図示の第１のプラグ及び第２のプラグでそれぞれ接続されている。

第１の画素の光電変換手段１０１αと第３の電極１２８との間には、光導波路１３４が形成される。光導波路１３４は、屈折率が約１.９のシリコン窒化膜で構成されている。光導波路１３４の光入射側には、平坦化層１３２を介してカラーフィルタ層１２９γが形成される。通常の撮影画像を得るための第１の画素には、色相のカラーフィルタが形成される。例えば、カラーフィルタ層１２９γには、青色を透過するカラーフィルタが形成される。

カラーフィルタ層１２９α及び１２９γの上には、平坦化層１３１を介してオンチップレンズ１３０α及び１３０γが形成される。ここで、オンチップレンズ１３０αの厚さｔαは、不図示の撮影レンズの瞳と光電変換手段１０１α及び１０１βとが略結像関係になるレンズパワーになるように設定されている。一方、オンチップレンズ１３０γの厚さｔγは、第２の画素のオンチップレンズ１３０αの厚さｔαよりも厚く、不図示の撮影レンズからの入射光束が光導波路１３４の中央部に集光するようなレンズパワーになるように設定されている。

次に、本実施形態に係る撮像素子９０に入射する光について説明する。図９の左側に示す撮影レンズの焦点状態を検出するための第２の画素では、オンチップレンズ１３０αに入射した焦点検出光束は集光され、カラーフィルタ層１２９αで吸収されることなく、光電変換手段１０１α及び１０１βの表面近傍に集光する。オンチップレンズ１３０αによって、不図示の撮影レンズの瞳と光電変換手段１０１α及び１０１βとが略結像関係になっているため、光電変換手段１０１α及び１０１βは、各光電変換手段を撮影レンズの瞳側に逆投影した瞳領域の光束を受光可能になっている。このとき、光電変換手段１０１α及び１０１βは、受光光束が撮影レンズの鏡筒等で遮られないように、撮影レンズの最大Ｆ値で決まる画角よりも小さい画角の光Ａを受光するように構成されている。

その結果、光電変換手段１０１α及び１０１βのそれぞれの出力より生成される像信号の相関を取ることにより、公知の瞳分割方式の焦点検出を行うことが可能となっている。

一方、図９の右側に示す通常の撮影画像を得るための第１の画素では、オンチップレンズ１３０γで集光された光は、カラーフィルタ層１２９γで一部吸収され、光導波路１３４の中央部に集光する。光導波路１３４に入射した光の一部は、光導波路１３４と層間絶縁膜１１９との境界面で全反射して、光電変換手段１０１γに導かれる。その結果、撮影レンズの開放光束をカバーする広い画角の光Ｂも、光導波路１３４を介して光電変換手段１０１γに集光可能になっている。

（第３の実施形態）
次に、本発明の好適な第３の実施形態に係る撮像素子１００について説明する。図１０は、本発明の好適な第３の実施形態に係る撮像素子１００の断面図であり、図３の（０,０）、（１,０）に配列された画素に対応する素子断面構造を示したものである。

図１０の左側に示す（０,０）に配列された画素は、撮影レンズの焦点状態を検出するための第２の画素であり、光電変換手段１０１が２つの領域（１０１α及び１０１β）に分割されている。図１０の右側に示す（１,０）に配列された画素は、通常の撮影画像を得るための第１の画素であり、光電変換手段１０１が１つの領域（１０１γ）で構成されている。

光電変換手段１０１の周辺には、光電変換手段１０１で発生した電荷を転送するためのポリシリコンで構成された不図示の第１の電極が配置される。また、転送された電荷を選択的に外部に出力するためのアルミニウムで構成された第２の電極１２７及び第３の電極１２８が配置される。第１の電極と第２の電極１２７との間、及び、第２の電極１２７と第３の電極１２８との間には、屈折率が約１.４６のシリコン酸化膜で構成された層間絶縁膜１１９が配置される。第１の電極と第２の電極１２７、及び、第２の電極１２７と第３の電極１２８とは、タングステンで構成された不図示の第１のプラグ及び第２のプラグとで接続されている。

また、図１０の右側に示す通常の撮影画像を得るための第１の画素の光電変換手段１０１γと第３の電極１２８との間には、光導波路１２９γが形成される。光導波路１２９γは所定の波長領域を吸収する材料で構成され、カラーフィルタを兼用している。光導波路１２９γを構成するカラーフィルタ材料の屈折率は、約１.６である。さらに、光導波路１２９γの光入射側には、平坦化層１３２を介してシリコン窒化膜で構成されたレンズ１３３が配置される。レンズ１３３を構成するシリコン窒化膜の屈折率は約２.０である。また、レンズ１３３の光入射側には、平坦化層１３１を介してオンチップレンズ１３０α及び１３０γが形成される。ここで、オンチップレンズ１３０αの厚さは、不図示の撮影レンズの瞳と光電変換手段１０１α及び１０１βとが略結像関係になるレンズパワーになるように設定されている。

次に、本実施形態に係る撮像素子１００に入射する光について説明する。図１０の左側に示す撮影レンズの焦点状態を検出するための第２の画素では、オンチップレンズ１３０αに入射した焦点検出光束は集光され、光電変換手段１０１α及び１０１βの表面近傍に集光する。オンチップレンズ１３０αによって、不図示の撮影レンズの瞳と光電変換手段１０１α及び１０１βとが略結像関係になっているため、光電変換手段１０１α及び１０１βは、各光電変換手段を撮影レンズの瞳側に逆投影した瞳領域の光束を受光可能になっている。このとき、光電変換手段１０１α及び１０１βは、受光光束が撮影レンズの鏡筒等で遮られないように、撮影レンズの最大Ｆ値で決まる画角よりも小さい画角の光Ａを受光するように構成されている。

一方、図１０の右側に示す通常の撮影画像を得るための第１の画素では、オンチップレンズ１３０γで集光された光は、レンズ１３３に入射する。ここで、屈折率が約１.５４の樹脂で構成された平坦化層１３２に埋め込まれたレンズ１３３は、正のパワーを有するため、不図示の撮影レンズからの入射光束は、カラーフィルタを兼ねた光導波路１２９γの中央部に集光する。光導波路１２９γに入射した光の一部は、光導波路１２９γと層間絶縁膜１１９との境界面で全反射して、光電変換手段１０１γに導かれる。その結果、撮影レンズの開放光束をカバーする広い画角の光Ｂも、光導波路１２９γを介して光電変換手段１０１γに集光可能になっている。

本発明の好適な実施の形態に係る撮像素子を備えるカメラ本体と撮影レンズとを含む撮像システムの構成を示す図である。図１の撮像システムの動作を示すタイミング図である。本発明の好適な実施の形態に係る撮像素子の画素配列を示す図である。本発明の好適な実施の形態に係る撮像素子の平面構造図である。本発明の好適な第１の実施形態に係る撮像素子の断面図である。本発明の好適な実施の形態に係る撮像素子の一部の概略断面図である。本発明の好適な実施の形態に係る撮像素子の回路構成図である。図７の撮像素子の通常の撮像動作を示すタイミング図である。図７の撮像素子の焦点検出動作を示すタイミング図である。本発明の好適な第２の実施形態に係る撮像素子の断面図である。本発明の好適な第３の実施形態に係る撮像素子の断面図である。

符号の説明

１０撮像素子
１０１α、１０１β、１０１γ 光電変換手段
１３０α、１３０γ オンチップレンズ
（０，０）、（１，０）画素
１３４光導波路

Claims

撮影レンズを介した光束を受ける撮像素子であって、
前記撮影レンズにより形成された被写体像を撮像するための複数の第１の画素と、
前記撮影レンズの焦点検出を行うための複数の第２の画素と、
を備え、
前記第１の画素は、
分割されていない第１の光電変換手段と、
前記第１の光電変換手段の上方に配された第１のオンチップレンズと、
前記第１のオンチップレンズと前記第１の光電変換手段との間に配された光導波路と、
を有し、
前記第２の画素は、
互いに分割されている複数の第２の光電変換手段と、
前記複数の第２の光電変換手段の上方に配された第２のオンチップレンズと、
を有し、
前記第２の画素は、前記第２のオンチップレンズと前記第２の光電変換手段との間に光導波路を有しない
ことを特徴とする撮像素子。
前記第１のオンチップレンズは、前記第２のオンチップレンズより開口率の大きい形状を有しており、
前記第２のオンチップレンズは、前記撮影レンズの瞳と前記複数の第２の光電変換手段とを結像関係にする形状を有している
ことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
前記第１のオンチップレンズは、その上面が非球面であり、かつ、その開口の形状が矩形である
ことを特徴とする請求項２に記載の撮像素子。
前記第２のオンチップレンズは、その上面が球面であり、かつ、その開口の形状が円形である
ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の撮像素子。
前記第１の画素は、前記第１のオンチップレンズと前記光導波路との間に配されたレンズを更に有する
ことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
前記光導波路は、カラーフィルタを兼ねている
ことを特徴とする請求項５に記載の撮像素子。
前記第１のオンチップレンズは、前記第２のオンチップレンズよりも厚い
ことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
前記第２の画素は、
フローティングディフュージョン部と、
前記複数の第２の光電変換手段で発生した信号電荷を前記フローティングディフュージョン部へ転送する複数の転送スイッチと、
前記フローティングディフュージョン部の電位に応じた信号を出力するソースフォロワアンプと、
をさらに有する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の撮像素子。
撮影レンズと、
前記撮影レンズを介した光束を受ける請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の撮像素子と、
を備えたことを特徴とする撮像システム。