JP5465244B2

JP5465244B2 - 固体撮像素子及び撮像装置

Info

Publication number: JP5465244B2
Application number: JP2011515623A
Authority: JP
Inventors: 明彦長野; 一朗大貫; 誠高宮; 真追川; 吉隆橋本; 文裕梶村; 康夫須田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2008-11-27
Filing date: 2009-11-11
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2029-11-11
Also published as: CN102227665B; EP2370846A4; KR20110084332A; KR101342968B1; WO2010061756A1; JP2012505422A; US8913175B2; CN102227665A; US20110169997A1; EP2370846A1

Description

本発明は、固体撮像素子及び撮像装置に関し、更に詳しくは、撮像を行うための固体撮像素子及び固体撮像素子から得られる像に基づいて撮影レンズの焦点状態を検出可能なデジタルスチルカメラ等の撮像装置に関する。

イメージセンサを用いて撮影を行うデジタルカメラにおいて撮影レンズの焦点状態を検出する方式の一つとして、各画素にマイクロレンズが形成された２次元のセンサを用いて、瞳分割方式の焦点検出を行う装置が特開昭５８−２４１０５号公報に開示されている。特開昭５８−２４１０５号公報の装置では、イメージセンサを構成する各画素の光電変換部が複数に分割され、分割された光電変換部がマイクロレンズを介して撮影レンズの瞳の異なる領域を通過した光束を受光するように構成されている。

また特許２９５９１４２号公報では、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次元に配置した、イメージセンサを兼ねた固体撮像装置を開示している。特許２９５９１４２号公報の固体撮像装置では、撮影レンズの焦点状態を検出する時は、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列で生成される像に基づいて撮影レンズの焦点状態を検出している。一方、通常の画像を撮像するときは、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、本出願人はデジタルスチルカメラに用いられるＣＭＯＳ型イメージセンサ（固体撮像装置）を用いて瞳分割方式の焦点検出を行う固体撮像装置を特開２００５−１０６９９４号公報に開示している。特開２００５−１０６９９４号公報の固体撮像装置では、固体撮像装置を構成する多数の画素のうちの一部の画素は、撮影レンズの焦点状態を検出するために光電変換部が２つに分割された構成となっている。光電変換部は、マイクロレンズを介して撮影レンズの瞳の所定領域を通過した光束を受光するように構成されている。

図１１は、特開２００５−１０６９９４号公報に開示されている固体撮像素子の中央に位置する焦点検出を行う画素の受光分布の説明図で、２つに分割された光電変換部がそれぞれ受光可能な撮影レンズの瞳上の領域を示している。図中円は撮影レンズの射出瞳を示し、白抜きされた領域Ｓα、領域Ｓβは２つに分割された光電変換部の受光可能な領域で、通常撮影レンズの光軸（図中ｘ軸とｙ軸の交点）に対して対称になるように設定されている。

カメラにおいては、撮影レンズの瞳上の領域Ｓαを透過した光束により生成された像と領域Ｓβを透過した光束により生成される像の相関演算を行って、撮影レンズの焦点状態が検出される。撮影レンズの異なる瞳領域を透過した光束より生成される像の相関演算を行って焦点検出を行う方法は、特開平５−１２７０７４号公報に開示されている。

特開昭５８−２４１０５号公報特許２９５９１４２号公報特開２００５−１０６９９４号公報特開平５−１２７０７４号公報

一般的にＣＭＯＳ型固体撮像素子は、複数回のマスクプロセスを経て製造される。各マスクプロセス間では位置合わせを行いながら製造が行われるが、初期の工程で製造された部材と後の工程で製造された部材では位置ずれが生じてしまう。つまり、固体撮像素子の光電変換部は製造工程の初期工程で形成され、マイクロレンズは最終工程で形成されるため、光電変換部とマイクロレンズとの間には通常位置ずれが生じてしまう。

図１２Ａ及び図１２Ｂは撮影レンズの瞳上での固体撮像素子の受光分布説明図で、図１２Ａは光電変換部が２つに分割された焦点検出を行う画素の光電変換部の位置とマイクロレンズの位置が設計上の値に対してずれが生じている場合の受光領域の分布を示している。同図において、一方の光電変換部の受光領域Ｓαともう片方の光電変換部の受光領域Ｓβは撮影レンズの光軸（図中ｘ軸とｙ軸の交点）に対して−ｘ方向にずれている。

一方、カメラの撮影レンズの焦点状態を検出する場合、撮影画面の中央に位置する被写体のみならず、通常撮影画面の周辺に位置する被写体に対しても焦点検出が可能である。

図１２Ｂは、光電変換部の位置とマイクロレンズの位置が設計上の値に対してずれが生じている固体撮像素子の、撮影画面の周辺に対応する焦点検出用画素の受光分布の説明図である。撮影画面の周辺では、撮影レンズのレンズ枠による光束のけられ、いわゆる口径蝕が生じてしまうため、図中一方の光電変換部の受光領域Ｓαは狭くなってしまう。

そのため、撮影レンズの瞳上の領域Ｓαを透過した光束により生成された像と領域Ｓβを透過した光束により生成される像の一致度は低くなる。その結果、領域Ｓαを透過した光束により生成された像と領域Ｓβを透過した光束により生成される像に基づいて相関演算を行っても、精度の高い焦点検出ができないという欠点があった。

本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、固体撮像素子の製造誤差に関わらず、より精度の高い焦点検出ができるようにすることを目的とする。

本発明によれば、撮影レンズの焦点状態を検出するための相関演算用の像を形成する信号を出力する固体撮像素子であって、前記相関演算用の一対の像を形成する信号を出力するように、第１の焦点検出用画素対として、光電変換部に対して電極を用いてシフトされた位置に開口が形成された複数の画素部を含む第１の画素ラインと、第２の画素ラインと、前記相関演算用の一対の像を形成する信号を出力するように、第２の焦点検出用画素対として、光電変換部に対して電極を用いてシフトされた位置に開口が形成された複数の画素部を含む第３の画素ラインと、第４の画素ラインとを有し、前記第１、第２、第３、第４の画素ラインでは、それぞれ前記シフト方向に画素部が配列され、且つそれぞれのラインごとに異なるシフト量、電極を用いてシフトされた位置に開口が形成されていることを特徴とする固体撮像素子を提供する。

更に、撮影レンズの予定結像面に配設された上記記載の前記固体撮像素子と、前記第１及び第２の焦点検出用画素対が対の光束を受光する受光領域の画素内の位置と、前記複数の第１及び第２の焦点検出用画素対それぞれの前記固体撮像素子における位置と、前記撮影レンズの情報とに基づいて、前記第１及び第２の焦点検出用画素対それぞれについて前記受光領域に対応する前記撮影レンズの瞳上の領域の面積比を求める演算手段と、前記演算手段により求めた面積比が予め設定された範囲内にある焦点検出用画素対から出力された信号を用いて、焦点状態を検出する検出手段と、前記検出手段により検出された焦点状態に基づいて、前記撮影レンズを制御する制御手段とを有することを特徴とする撮像装置を提供する。

本発明の更なる特徴は、（添付図面を参照して）以下の例示的な実施形態の説明により明らかになるであろう。

本発明の第１の実施形態におけるデジタルカメラの概略構成を示す図である。本発明の第１の実施形態におけるイメージセンサの一部平面図である。図２に示すイメージセンサの一部断面図である。本発明の第１の実施形態におけるイメージセンサの一部に配設された焦点検出用画素の撮影レンズの瞳上での設計上の受光分布の一例を示す図である。本発明の第１の実施形態におけるマイクロレンズと第１の電極との位置ずれが生じたイメージセンサの一部に配設された焦点検出用画素の撮影レンズの瞳上での受光分布の一例を示す図である。、、本発明の第１の実施形態における焦点検出用画素群の出力により生成される線像分布図の一例を示す図である。本発明の第１の実施形態におけるマイクロレンズと第１の電極との位置ずれが生じたイメージセンサの一部に配設された焦点検出用画素の撮影レンズの瞳上での別の受光分布の一例を示す図である。本発明の第２の実施形態におけるイメージセンサの一部平面図である。図８に示すイメージセンサの一部断面図である。本発明の第２の実施形態におけるマイクロレンズと第１の電極との位置ずれが生じたイメージセンサの一部に配設された焦点検出用画素の撮影レンズの瞳上での受光分布を示す図である。従来の固体撮像素子の受光分布の一例を示す図である。、従来の固体撮像素子の受光分布の別の一例を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本第１の実施形態における撮像装置の一例として、デジタルカメラの概略構成を示す図である。

図１に示すデジタルカメラは、主にカメラ本体１と、カメラ本体１に対して着脱可能な撮影レンズ５により構成されている。先ず、カメラ本体１の構成について説明する。

１０は複数の画素から成るイメージセンサ（固体撮像素子）で、撮影レンズ５の予定結像面に配置されている。２０は、カメラ全体を制御するＣＰＵ、２１はイメージセンサ１０を駆動制御するイメージセンサ制御回路である。また、ＣＰＵ２０は、撮影レンズ５の焦点状態も算出する。また、２４はイメージセンサ１０にて撮像した画像信号を画像処理する画像処理回路、２５は画像処理された画像を表示する液晶表示素子９を駆動する液晶表示素子駆動回路、３は液晶表示素子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である。２２は、イメージセンサ１０にて撮像された画像を記録するメモリ回路、２３は画像処理回路２４にて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である。メモリ回路２２は、イメージセンサ１０の受光分布も記憶できるようになっている。

次に、撮影レンズ５の構成について説明する。

５ａ及び５ｂはレンズであり、ここでは便宜上２枚のレンズ５ａ、５ｂで図示しているが、実際は多数枚のレンズで構成されている。撮影レンズ５は、カメラ本体１のＣＰＵ２０から送られてくる焦点調節情報を電気接点２６を介してレンズＣＰＵ５０にて受信し、その焦点調節情報に基づいて撮影レンズ駆動機構５１によって合焦状態に調節される。また５３は撮影レンズ５の瞳近傍に配設された絞り装置で、絞り駆動機構５２によって所定の絞り値に絞り込まれるようになっている。

図２はイメージセンサ１０の一部平面図である。

図２において、１３１、１３２は電極を示している。第１の電極１３１及び１３２で区切られた領域が１画素を示しており、各画素中に書かれた「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」の文字は各画素のカラーフィルタの色相を表している。「Ｒ」の文字の書かれた画素は赤の成分の光を透過し、「Ｇ」の文字の書かれた画素は緑の成分の光を透過し、「Ｂ」の文字の書かれた画素は青の成分の光を透過する。また、「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」の文字が書かれた各画素は、撮影レンズ５の全瞳領域を受光するように構成されている。

カラーフィルタの配列がベイヤー配列の場合、「Ｒ」と「Ｇ」及び「Ｂ」と「Ｇ」の画素が交互に配置されて構成される。本第１の実施形態におけるイメージセンサ１０は「Ｒ」あるいは「Ｂ」であるべき画素の一部に、撮影レンズ５の一部の瞳領域を通過した光束を受光する焦点検出用画素が割り当てられている。図中、Ｐα１、Ｐβ１、Ｐα２、Ｐβ２、Ｐα３、Ｐβ３が撮影レンズ５の焦点状態を検出するための画素で、第１の電極１３１（遮光部材）にてｘ方向の開口が制限されている。

本第１の実施形態のイメージセンサ１０の一部に配設される焦点検出用の画素は、第１の電極１３１にて制限される開口のｘ方向の画素内における開口中心位置が、画素中心に対して対称を成す異なる５種類が設定されている。

例えば、電極１３１_３と電極１３１_４とで決まる開口が画素中心に対して＋ｘ方向に偏位した焦点検出用画素Ｐα１に対して、ｘ方向に４画素隣接した位置に同様の電極開口を有する焦点検出用画素が配設されている。また、焦点検出用画素Ｐα１に対して斜めに隣接する位置に、電極１３１_１と電極１３１_２とで決まる開口が画素中心と略一致する焦点検出用画素Ｐβ１が配設されている。さらに、焦点検出用画素Ｐβ１に対して、ｘ方向に４画素隣接した位置に同様の電極開口を有する焦点検出用画素が配設されている。

そして、ＣＰＵ２０は、焦点検出用画素Ｐα１と同じ電極開口を有する焦点検出用画素群から第１の焦点検出用画像を生成し、同様に焦点検出用画素Ｐβ１と同じ電極開口を有する焦点検出用画素群から第２の焦点検出用画像を生成する。さらにＣＰＵ２０は、第１の焦点検出用画像と第２の焦点検出用画像に基づいて相関演算を行うことにより、焦点検出用画素Ｐα１とＰβ１が位置する領域での撮影レンズ５の焦点状態を検出する。

同様にＣＰＵ２０は、焦点検出用画素Ｐα２と同じ電極開口を有する焦点検出用画素群から第３の焦点検出用画像を生成する。更に、同様にして焦点検出用画素Ｐβ２と同じ電極開口を有する焦点検出用画素群から第４の焦点検出用画像を生成する。さらにＣＰＵ２０は、第３の焦点検出用画像と第４の焦点検出用画像に基づいて相関演算を行うことにより、焦点検出用画素Ｐα２とＰβ２が位置する領域での撮影レンズ５の焦点状態を検出する。

同様にＣＰＵ２０は、焦点検出用画素Ｐα３と同じ電極開口を有する焦点検出用画素群から第５の焦点検出用画像を生成する。更に、同様にして焦点検出用画素Ｐβ３と同じ電極開口を有する焦点検出用画素群から第６の焦点検出用画像を生成する。さらにＣＰＵ２０は、第５の焦点検出用画像と第６の焦点検出用画像に基づいて相関演算を行うことにより、焦点検出用画素Ｐα３とＰβ３が位置する領域での撮影レンズ５の焦点状態を検出する。

そして、ＣＰＵ２０は、焦点検出用画素Ｐα１とＰβ１が位置する領域、焦点検出用画素Ｐα２とＰβ２が位置する領域、そして焦点検出用画素Ｐα３とＰβ３が位置する領域それぞれにおける撮影レンズ５の焦点状態を平均する。さらに、ＣＰＵ２０は焦点検出結果に基づいて撮影レンズ駆動機構５１に焦点調節情報を送って、撮影レンズ５の焦点調節を行う。

一方、通常の画像の撮像時は、画素の電極開口が制限されている焦点検出用画素は欠陥画素として取り扱われ、焦点検出用画素に対応する画像信号を、焦点検出用画素の周辺に位置する画素からの画像信号により補間する。

図３は、図２のイメージセンサ１０のＡ−Ａ’面の断面図である。

図３の右側の画素は、撮影レンズ５の全瞳領域を通過した光束を受光可能な通常撮像用画素を示し、図中左側の画素は、撮影レンズ５の一部の瞳領域を通過した光束を受光可能な焦点検出用画素を示している。

図３に示すように、シリコン基板１１０の内部に光電変換部１１１が形成されている。光電変換部１１１で発生した信号電荷は、不図示のフローティングディフュージョン部、第１の電極１３１及び第２の電極１３２を介して外部に出力される。光電変換部１１１と第１の電極１３１との間には層間絶縁膜１２１が形成され、第１の電極１３１と第２の電極１３２との間には層間絶縁膜１２２が形成されている。また、第２の電極１３２の光入射側には層間絶縁膜１２３が形成され、さらにパッシべーション膜１４０、平坦化層１５０が形成されている。平坦化層１５０の光入射側には、カラーフィルタ層１５１または透明フィルタ層１５４、平坦化層１５２及びマイクロレンズ１５３が形成されている。ここで、マイクロレンズ１５３のパワーは、撮影レンズ５の瞳と光電変換部１１１が略共役になるように設定されている。また、イメージセンサ１０の中央に位置する画素ではマイクロレンズ１５３は画素の中心に配設され、周辺に位置する画素では、撮影レンズ５の光軸側に偏位して配設される。

撮影レンズ５を透過した被写体光はイメージセンサ１０近傍に集光される。さらにイメージセンサ１０の各画素に到達した光は、マイクロレンズ１５３で屈折され光電変換部１１１に集光される。通常の撮像に使う右側の画素では、入射する光を遮光しないように第１の電極１３１及び第２の電極１３２が配設されている。

一方、左側の焦点検出用画素では、第１の電極１３１の一部が光電変換部１１１を覆うように構成されている。その結果、左側の焦点検出用画素では、撮影レンズ５の瞳の一部を透過する光束を受光可能となっている。また、第１の電極１３１が入射光束の一部を遮光しているために光電変換部１１１の出力が小さくなることを防ぐため、焦点検出用画素の透明フィルタ層１５４は光を吸収しない透過率の高い樹脂で形成されている。

本第１の実施形態のイメージセンサ１０の一部に配設される焦点検出用画素は、マイクロレンズ１５３の位置と第１の電極１３１の開口中心の相対位置を異ならせることによって、撮影レンズ５の受光分布を異ならせるように構成している。

図４は、イメージセンサ１０の一部に配設された焦点検出用画素の撮影レンズ５の瞳上での設計上の受光分布を示す図である。

図４において、４０１は、図２のイメージセンサ１０の一部平面図に示した焦点検出用画素Ｐα１の、撮影レンズ５の瞳上での設計上の受光分布を示している。焦点検出用画素Ｐα１の電極１３１_３と電極１３１_４とで決まる開口の中心は画素の中心に対して＋ｘ方向に大きく偏位している。そのため、焦点検出用画素Ｐα１の光電変換部の受光可能な領域Ｓα１（以下、「受光領域Ｓα１」と呼ぶ。）の中心は、撮影レンズ５の射出瞳上のｘ軸上で光軸（図中ｘ軸とｙ軸の交点）に対して距離−ｘα１だけ偏位している。

４０２は、図２のイメージセンサ１０の一部平面図に示した焦点検出用画素Ｐβ１の、撮影レンズ５の瞳上での設計上の受光分布を示している。焦点検出用画素Ｐβ１の電極１３１_１と電極１３１_２とで決まる開口の中心は画素の中心と略一致している。そのため、焦点検出用画素Ｐβ１の光電変換部の受光可能な領域Ｓβ１（以下、「受光領域Ｓβ１」と呼ぶ。）の中心は、撮影レンズ５の射出瞳上の図中ｘ軸上で光軸（図中ｘ軸とｙ軸の交点）と略一致している。

４１１は、図２のイメージセンサ１０の一部平面図に示した焦点検出用画素Ｐα２の、撮影レンズ５の瞳上での設計上の受光分布を示している。焦点検出用画素Ｐα２の電極１３１_３と電極１３１_４とで決まる開口の中心は画素の中心に対して＋ｘ方向に所定量偏位している。そのため、焦点検出用画素Ｐα２の光電変換部の受光可能な領域Ｓα２（以下、「受光領域Ｓα２」と呼ぶ。）の中心は、撮影レンズ５の射出瞳上の図中ｘ軸上で光軸（図中ｘ軸とｙ軸の交点）に対して距離−ｘα２偏位している。

４１２は、図２のイメージセンサ１０の一部平面図に示した焦点検出用画素Ｐβ２の、撮影レンズ５の瞳上での設計上の受光分布を示している。焦点検出用画素Ｐβ２の電極１３１_１と電極１３１_２とで決まる開口の中心は画素の中心に対して−ｘ方向に所定量偏位している。そのため、焦点検出用画素Ｐβ２の光電変換部の受光可能な領域Ｓβ２（以下、「受光領域Ｓβ２」と呼ぶ。）の中心は、撮影レンズ５の射出瞳上の図中ｘ軸上で光軸（図中ｘ軸とｙ軸の交点）に対して距離ｘβ２偏位している。

４２１は、図２のイメージセンサ１０の一部平面図に示した焦点検出用画素Ｐα３の、撮影レンズ５の瞳上での設計上の受光分布を示している。焦点検出用画素Ｐα３の電極１３１_３と電極１３１_４とで決まる開口の中心は画素の中心と略一致している。そのため、焦点検出用画素Ｐα３の光電変換部の受光可能な領域Ｓα３（以下、「受光領域Ｓα３」と呼ぶ。）の中心は、撮影レンズ５の射出瞳上の図中ｘ軸上で光軸（図中ｘ軸とｙ軸の交点）と略一致している。ここで、焦点検出用画素Ｐα３の撮影レンズ５の瞳上での設計上の受光分布は、焦点検出用画素Ｐβ１の撮影レンズ５の瞳上での設計上の受光分布と略一致している。

４２２は、図２のイメージセンサ１０の一部平面図に示した焦点検出用画素Ｐβ３の、撮影レンズ５の瞳上での設計上の受光分布を示している。焦点検出用画素Ｐβ３の電極１３１_１と電極１３１_２とで決まる開口の中心は画素の中心に対して−ｘ方向に大きく偏位している。そのため、焦点検出用画素Ｐβ３の光電変換部の受光可能な領域Ｓβ３（以下、「受光領域Ｓβ３」と呼ぶ。）の中心は、撮影レンズ５の射出瞳上の図中ｘ軸上で光軸（図中ｘ軸とｙ軸の交点）に対して距離ｘβ３偏位している。

４００は、図２のイメージセンサ１０の一部平面図に示した通常撮像用画素の、撮影レンズ５の瞳上での設計上の受光分布を示している。通常撮像用画素の電極１３１は光電変換部を遮光しないように構成されているため、通常撮像用画素の光電変換部は、撮影レンズ５の全瞳領域Ｓγを透過した光束を受光可能である。このとき通常撮像用画素の受光可能な領域Ｓγの中心は、撮影レンズ５の射出瞳上の光軸（図中ｘ軸とｙ軸の交点）と略一致している。

以上のように、本第１の実施形態におけるイメージセンサ１０は、受光分布の中心がｘ軸上の異なる位置に存在する７種類の画素群から構成されている。

図５は、マイクロレンズ１５３と第１の電極１３１との位置ずれが生じたイメージセンサ１０の一部に配設された、撮影画面の周辺に位置する焦点検出用画素の撮影レンズ５の瞳上での受光分布説明図、図６Ａ〜図６Ｃは、焦点検出用画素群からの信号で生成される線像分布図である。図５は、第１の電極１３１に対してマイクロレンズ１５３が設計値に対して−ｘ方向に位置ずれしたイメージセンサ１０の、イメージセンサ１０の中心に対して−ｘ方向に位置する焦点検出用画素群の受光分布を示している。イメージセンサ１０の焦点検出用画素自身の受光分布はメモリ回路２２に記憶されている。

第１の電極１３１に対してマイクロレンズ１５３が設計値から−ｘ方向に位置ずれした場合、イメージセンサ１０の焦点検出用画素の受光分布は、撮影レンズ５の瞳上で一律−ｘ方向に偏位する。また、イメージセンサ１０の中心に対して−ｘ方向に位置する焦点検出用画素群では、撮影レンズ５のレンズ枠により図中−ｘ方向側から光束がけられてしまう。

図５において、５０１は、図２のイメージセンサ１０の一部平面図に示した焦点検出用画素Ｐα１の、撮影レンズ５の瞳上での受光分布を示している。電極１３１_３と電極１３１_４とで決まる焦点検出用画素Ｐα１の開口の中心、即ち、焦点検出用画素Ｐα１の光電変換部の受光領域Ｓα１の中心は、画素の中心に対して＋ｘ方向に大きく偏位している。従って、受光領域Ｓα１の中心は、撮影レンズ５の射出瞳上で光軸（図中ｘ軸とｙ軸の交点）に対してさらに−ｘ方向に偏位した距離−ｘα１’となる。さらに、撮影レンズ５のレンズ枠により図中−ｘ方向側から光束がけられてしまうため、焦点検出用画素Ｐα１の受光可能な領域は狭くなる。

５０２は、図２のイメージセンサ１０の一部平面図に示した焦点検出用画素Ｐβ１の、撮影レンズ５の瞳上での受光分布を示している。電極１３１_１と電極１３１_２とで決まる焦点検出用画素Ｐβ１の開口の中心、即ち、焦点検出用画素Ｐβ１の光電変換部の受光領域Ｓβ１の中心は、画素の中心と略一致している。従って、領域Ｓβ１の中心は、撮影レンズ５の射出瞳上で光軸（図中ｘ軸とｙ軸の交点）に対してさらに−ｘ方向に偏位した距離−ｘβ１‘となる。

図６Ａは、焦点検出用画素Ｐα１で代表される焦点検出用画素群からの信号により生成される線像分布Ｉα１及び焦点検出用画素Ｐβ１で代表される焦点検出用画素群からの信号により生成される線像分布Ｉβ１を示している。焦点検出用画素Ｐα１の撮影レンズ５の瞳上の受光領域Ｓα１の面積と焦点検出用画素Ｐβ１の撮影レンズ５の瞳上の受光領域Ｓβ１の面積は大きく異なるため、線像分布Ｉα１と線像分布Ｉβ１の出力差が大きくなる。その結果、焦点検出用画素Ｐα１で代表される焦点検出用画素群からの信号により生成される焦点検出像と焦点検出用画素Ｐβ１で代表される焦点検出用画素群からの信号により生成される焦点検出像を用いて撮影レンズ５の焦点状態の検出を行っても、精度の高い焦点検出はできない。

そこで、本第１の実施形態では、焦点検出用画素Ｐα１及びＰβ１にそれぞれ代表される焦点検出用画素群の撮影レンズ５の瞳上の受光分布を、焦点検出用画素自身の受光分布及びイメージセンサ１０上の位置情報、及び撮影レンズ５の情報に基づいて推定する。そして、所定の焦点検出用画素群で生成される像に基づいて精度良く焦点検出ができるかどうかを判定する。例えば、ＣＰＵ２０は、焦点検出用画素Ｐα１に対応する撮影レンズ５の瞳上の受光領域Ｓα１の面積と焦点検出用画素Ｐβ１に対応する撮影レンズ５の瞳上の受光領域Ｓβ１の面積との比を計算する。そして、面積比が予め設定された範囲内にある焦点検出用画素群から得られる像を用い、範囲外（例えば、２倍以上あるいは１／２以下）の焦点検出用画素群から得られる像を用いて焦点検出を行わないように構成している。本第１の実施形態における焦点検出用画素Ｐα１の撮影レンズ５の瞳上の受光領域Ｓα１の面積と焦点検出用画素Ｐβ１の撮影レンズ５の瞳上の受光領域Ｓβ１の面積との比はおおよそ１／３である。そのため、ＣＰＵ２０は焦点検出用画素Ｐα１及びＰβ１で代表される焦点検出用画素群から得られる像に基づいた焦点検出は実行しない。

図５において５１１は、図２のイメージセンサ１０の一部平面図に示した焦点検出用画素Ｐα２の、撮影レンズ５の瞳上での受光分布を示している。電極１３１_３と電極１３１_４とで決まる焦点検出用画素Ｐα２の開口の中心、即ち、焦点検出用画素Ｐα２の光電変換部の受光領域Ｓα２の中心は、画素の中心に対して＋ｘ方向に所定量偏位している。従って、領域Ｓα２の中心は、撮影レンズ５の射出瞳上で光軸（図中ｘ軸とｙ軸の交点）に対してさらに−ｘ方向に偏位した距離−ｘα２’となる。さらに、撮影レンズ５のレンズ枠により図中−ｘ方向側から光束がけられてしまうため、焦点検出用画素Ｐα２の受光領域は狭くなる。

５１２は、図２のイメージセンサ１０の一部平面図に示した焦点検出用画素Ｐβ２の、撮影レンズ５の瞳上での受光分布を示している。電極１３１_１と電極１３１_２とで決まる焦点検出用画素Ｐβ２の開口の中心、即ち、焦点検出用画素Ｐβ２の光電変換部の受光領域Ｓβ２の中心は、画素の中心に対して−ｘ方向に所定量偏位している。従って、受光領域Ｓβ２の中心は、撮影レンズ５の射出瞳上で光軸（図中ｘ軸とｙ軸の交点）に対してさらに−ｘ方向に偏位した距離ｘβ２’となる。

図６Ｂは、焦点検出用画素Ｐα２で代表される焦点検出用画素群からの信号により生成される線像分布Ｉα２及び焦点検出用画素Ｐβ２で代表される焦点検出用画素群からの信号により生成される線像分布Ｉβ２を示している。焦点検出用画素Ｐα２の撮影レンズ５の瞳上の受光領域Ｓα２の面積と焦点検出用画素Ｐβ２の撮影レンズ５の瞳上の受光領域Ｓβ２の面積は若干異なるため、線像分布Ｉα２と線像分布Ｉβ２に若干の出力差が生じる。

そこで、本第１の実施形態では、焦点検出用画素Ｐα２及びＰβ２にそれぞれ代表される焦点検出用画素群の撮影レンズ５の瞳上の受光分布を、焦点検出用画素自身の受光分布及びイメージセンサ１０上の位置情報、及び撮影レンズ５の情報に基づいて推定する。そして、所定の焦点検出用画素群で生成される像に基づいて精度良く焦点検出ができるかどうかを判定する。例えば、ＣＰＵ２０は、焦点検出用画素Ｐα２の撮影レンズ５の瞳上の受光領域Ｓα２の面積と焦点検出用画素Ｐβ２の撮影レンズ５の瞳上の受光領域Ｓβ２の面積との比を計算する。そして、面積比が予め設定された範囲内にある焦点検出用画素群から得られる像を用い、範囲外（例えば、２倍以上あるいは１／２以下）の焦点検出用画素群から得られる像を用いて焦点検出を行わないように構成している。本第１の実施形態における焦点検出用画素Ｐα２の撮影レンズ５の瞳上の受光領域Ｓα２の面積と焦点検出用画素Ｐβ２の撮影レンズ５の瞳上の受光領域Ｓβ２の面積との比はおおよそ４／５である。そのため、ＣＰＵ２０は焦点検出用画素Ｐα２及びＰβ２で代表される焦点検出用画素群からの信号により得られる像に基づいた焦点検出を行う。このときＣＰＵ２０は、焦点検出用画素Ｐα２及びＰβ２で代表される焦点検出用画素群からの信号により得られる像に対して、先に求めた撮影レンズ５の瞳上の受光領域の面積比に基づいてゲイン補正を行い、焦点検出精度を向上させている。

図５において、５２１は、図２のイメージセンサ１０の一部平面図に示した焦点検出用画素Ｐα３の、撮影レンズ５の瞳上での受光分布を示している。電極１３１_３と電極１３１_４とで決まる焦点検出用画素Ｐα３の開口の中心、即ち、焦点検出用画素Ｐα３の光電変換部の受光領域Ｓα３の中心は、画素の中心と略一致している。従って、受光領域Ｓα３の中心は、撮影レンズ５の射出瞳上で光軸（図中ｘ軸とｙ軸の交点）に対してさらに−ｘ方向に偏位した距離−ｘα３’となる。さらに、撮影レンズ５のレンズ枠により図中−ｘ方向側から光束がけられてしまうため、焦点検出用画素Ｐα３の受光可能な領域は狭くなる。ここで、焦点検出用画素Ｐα３の撮影レンズ５の瞳上での受光分布は、焦点検出用画素Ｐβ１の撮影レンズ５の瞳上での受光分布と略一致している。

５２２は、図２のイメージセンサ１０の一部平面図に示した焦点検出用画素Ｐβ３の、撮影レンズ５の瞳上での受光分布を示している。電極１３１_１と電極１３１_２とで決まる焦点検出用画素Ｐβ３の開口の中心、即ち、焦点検出用画素Ｐβ３の光電変換部の受光領域Ｓβ３の中心は、画素の中心に対して−ｘ方向に大きく偏位している。従って、受光領域Ｓβ３の中心は、撮影レンズ５の射出瞳上で光軸（図中ｘ軸とｙ軸の交点）に対してさらに−ｘ方向に偏位した距離ｘβ３’となる。

図６Ｃは、焦点検出用画素Ｐα３で代表される焦点検出用画素群からの信号により生成される線像分布Ｉα３及び焦点検出用画素Ｐβ３で代表される焦点検出用画素群からの信号により生成される線像分布Ｉβ３を示している。焦点検出用画素Ｐα３の撮影レンズ５の瞳上の受光領域Ｓα３の面積と焦点検出用画素Ｐβ３の撮影レンズ５の瞳上の受光領域Ｓβ３の面積は略同一のため、線像分布Ｉα３と線像分布Ｉβ３の出力は略同じになる。

そこで、本第１の実施形態では、焦点検出用画素Ｐα３及びＰβ３にそれぞれ代表される焦点検出用画素群の撮影レンズ５の瞳上の受光分布を、焦点検出用画素自身の受光分布及びイメージセンサ１０上の位置情報、及び撮影レンズ５の情報に基づいて推定する。そして、所定の焦点検出用画素群で生成される像に基づいて精度良く焦点検出ができるかどうかを判定する。例えば、ＣＰＵ２０は、焦点検出用画素Ｐα３の撮影レンズ５の瞳上の受光領域Ｓα３の面積と焦点検出用画素Ｐβ３の撮影レンズ５の瞳上の受光領域Ｓβ３の面積との比を計算する。そして、面積比が予め設定された範囲内にある焦点検出用画素群から得られる像を用い、範囲外（例えば、２倍以上あるいは１／２以下）の焦点検出用画素群から得られる像を用いて焦点検出を行わないように構成している。本第１の実施形態における焦点検出用画素Ｐα３の撮影レンズ５の瞳上の受光領域Ｓα３の面積と焦点検出用画素Ｐβ３の撮影レンズ５の瞳上の受光領域Ｓβ３の面積との比はおおよそ１である。そのため、ＣＰＵ２０は焦点検出用画素Ｐα３及びＰβ３で代表される焦点検出用画素群で得られる像に基づいた焦点検出を行う。

図５において、５００は、図２のイメージセンサ１０の一部平面図に示した通常撮像用画素の、撮影レンズ５の瞳上での受光分布を示している。通常撮像用画素の第１の電極１３１は光電変換部を遮光しないように構成されているため、通常撮像用画素の光電変換部は、撮影レンズ５の全瞳領域Ｓγを受光可能である。但し、撮影レンズ５のレンズ枠により図中−ｘ方向側から光束がけられてしまうため、受光可能な領域は狭くなる。

以上のように本第１の実施形態によれば、ＣＰＵ２０は、イメージセンサ１０を構成するマイクロレンズ１５３と第１の電極１３１との位置ずれによる焦点検出用画素の受光分布の偏りや、撮影レンズ５のレンズ枠による光束のけられが大きいことを判定する。そして、その判定結果に基づいて、焦点検出を行う焦点検出用画素群を選択する。本第１の実施形態ではＣＰＵ２０は、焦点検出用画素Ｐα２とＰβ２が位置する領域での撮影レンズ５の焦点状態及び焦点検出用画素Ｐα３とＰβ３が位置する領域での撮影レンズ５の焦点状態を平均する。さらにＣＰＵ２０は、焦点検出結果に基づいて撮影レンズ駆動機構５１に焦点調節情報を送って、撮影レンズ５の焦点調節を行う。

なお、本第１の実施形態では、撮影レンズ５の瞳上でのイメージセンサ１０の受光分布の形状をスリット状にした例を示した。しかしながら、図７の７０１〜７２２のイメージセンサの受光分布図に示すように、撮影レンズ５の瞳領域を２分割して、かつ受光領域の中心が異なるように構成しても構わない。例えば、図７に示すように、受光分布の中心がｘ軸上の異なる位置に存在する７種類の画素群から構成されたイメージセンサ１０であってもよい。なお、７００は図２のイメージセンサ１０の一部平面図に示した通常撮像用画素の、撮影レンズ５の瞳上での受光分布を表している。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、本第２の実施形態におけるデジタルカメラの概略構成は、上記第１の実施形態で図１を参照して説明したものと同様であるので、ここでは説明を省略する。

図８は、本第２の実施形態におけるイメージセンサ１０の一部平面図である。

図８において、１３１、１３２は電極を示している。また、Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃは焦点検出用画素を示し、タングステン等の遮光部材１１３で光電変換部１１１を覆うことによって、撮影レンズ５の瞳を透過した光束の受光領域を制限するように構成している。なお、画素Ｐａは第１の焦点検出用画素で、白抜き領域は第１の焦点検出用画素の受光領域対である。また、画素Ｐｂは第３の焦点検出用画素で、白抜き領域は第３の焦点検出用画素の受光領域対である。また、画素Ｐｃは第２の焦点検出用画素で、白抜き領域は第２の焦点検出用画素の受光領域対である。図８に示すように、第１〜第３の焦点検出用画素の受光領域対は、画素内において、互いに所定量シフトした位置に構成されている。また、受光領域対の各領域からは、光電変換により得られた信号をそれぞれ独立して読み出すことが可能な構成としている。

本第２の実施形態では、撮影レンズの瞳をｘ方向に分割する焦点検出用画素群と、撮影レンズ５の瞳をｙ方向に分割する焦点検出用画素群とから構成されている。以下、撮影レンズ５の瞳をｘ方向に分割する焦点検出用画素に関して説明する。

図９は、図８のイメージセンサ１０のＢ−Ｂ′面の断面図である。

図９の右側の画素は、撮影レンズ５の全瞳領域を通過した高速を受光可能な通常撮像用画素を示し、図中左側の画素は、撮影レンズ５の一部の瞳領域からの光束を受光可能な焦点検出用画素を示している。なお、図９において、図３に示す構成と同様の役割を果たす構成には同じ参照番号を付している。

図９に示すように、シリコン基板１１０の内部に光電変換部１１１が形成されている。光電変換部１１１で発生した信号電荷は、不図示のフローティングディフュージョン部、第１の電極１３１及び第２の電極１３２を介して外部に出力される。光電変換部１１１と第１の電極１３１との間には層間絶縁膜１２１が形成され、第１の電極１３１と第２の電極１３２との間には層間絶縁膜１２２が形成されている。また、第２の電極１３２の光入射側には層間絶縁膜１２３が形成され、さらにパッシべーション膜１４０、平坦化層１５０が形成されている。平坦化層１５０の光入射側には、カラーフィルタ層１５１または透明フィルタ層１５４、平坦化層１５２及びマイクロレンズ１５３が形成されている。ここで、マイクロレンズ１５３のパワーは、撮影レンズ５の瞳と光電変換部１１１が略共役になるように設定されている。

撮影レンズ５を透過した被写体光はイメージセンサ１０近傍に集光される。さらにイメージセンサ１０の各画素に到達した光は、マイクロレンズ１５３で屈折され光電変換部１１１に集光される。このとき、第１の電極１３１及び第２の電極１３２は入射する光を遮光しないように配設されている。

通常の撮像時には欠陥画素として取り扱われる図中左側の焦点検出用画素では、光電変換部１１１が、第１の光電変換部１１１_１と第２の光電変換部１１１_２とに、酸化膜層１１２で分割されている。さらに、一方の光電変換部１１１_２の光入射側には、タングステンによる遮光層１１３_１〜３が形成されている。その結果、図中左側の焦点検出用画素の光電変換部１１１_１及び光電変換部１１１_２では、撮影レンズ５の瞳の一部を透過する光束を受光可能となっている。また、焦点検出用画素の光電変換部１１１からの出力が小さくなることを防ぐために、焦点検出用画素の透明フィルタ層１５４は光を吸収しない透過率の高い樹脂で形成されている。

図１０は、イメージセンサ１０の一部に配設された焦点検出用画素の撮影レンズ５の瞳上での設計上の受光分布を示す図で、本第２の実施形態では焦点検出用画素の各光電変換部は図１０に示す４種類の受光分布のいずれかを有する。

図１０において、１００１は、図８のイメージセンサ１０の一部平面図に示した焦点検出用画素Ｐｃの、撮影レンズ５の瞳上での設計上の受光分布を示している。焦点検出用画素Ｐｃの２つに分割された光電変換部の開口部の重心は画素の中心に対して＋ｘ方向に偏位している。そのため、焦点検出用画素Ｐｃの第１の光電変換部の受光領域Ｓα１と第２の光電変換部の受光領域Ｓβ１の重心は、撮影レンズの射出瞳上で光軸（図中ｘ軸とｙ軸の交点）に対して−ｘ方向に偏位している。

例えば、製造上の誤差で光電変換部１１１に対してマイクロレンズ１５３が設計値に対して＋ｘ方向に位置ずれしているものとする。その場合、撮影レンズ５の瞳上で焦点検出用画素Ｐｃの第１の光電変換部の受光領域Ｓα１と第２の光電変換部の受光領域Ｓβ１は設計値に対して＋ｘ方向に偏位する。その結果、第１の光電変換部の受光領域Ｓα１と第２の光電変換部の受光領域Ｓβ１の重心は撮影レンズ５の光軸寄りに偏位するため、２つの光電変換部から出力される２つの焦点検出像の相関性が向上し焦点検出精度が高まる。

１００２は、図８のイメージセンサ１０の一部平面図に示した焦点検出用画素Ｐｂの、撮影レンズ５の瞳上での設計上の受光分布を示している。焦点検出用画素Ｐｂの２つに分割された光電変換部の開口部の重心は画素の中心と略一致している。そのため、焦点検出用画素Ｐｂの第１の光電変換部の受光領域Ｓα２と第２の光電変換部の受光領域Ｓβ２の重心は、撮影レンズの射出瞳上で光軸（図中ｘ軸とｙ軸の交点）と略一致している。ここで、焦点検出用画素Ｐｃの第２の光電変換部の受光領域Ｓβ１と焦点検出用画素Ｐｂの第１の光電変換部の受光領域Ｓα２は略一致している。

例えば、製造上の誤差で光電変換部１１１に対してマイクロレンズ１５３が設計値に対して位置ずれしたものとする。その場合、撮影レンズ５の瞳上で焦点検出用画素Ｐｂの第１の光電変換部の受光領域Ｓα２と第２の光電変換部の受光領域Ｓβ２は設計値に対して偏位する。そのため、第１の光電変換部の受光領域Ｓα２と第２の光電変換部の受光領域Ｓβ２の重心は撮影レンズの光軸から偏位して受光領域Ｓα２と受光領域Ｓβ２の面積比も変化するが、その面積比の変化は小さい。その結果、２つの光電変換部から出力される２つの焦点検出像の相関性は低下するものの、２つの焦点検出像を用いた焦点検出は可能である。

１００３は、図８のイメージセンサ１０の一部平面図に示した焦点検出用画素Ｐａの、撮影レンズ５の瞳上での設計上の受光分布を示している。焦点検出用画素Ｐａの２つに分割された光電変換部の開口部の重心は画素の中心に対して−ｘ方向に偏位している。そのため、焦点検出用画素Ｐａの第１の光電変換部の受光領域Ｓα３と第２の光電変換部の受光領域Ｓβ３の重心は、撮影レンズ５の射出瞳上で光軸（図中ｘ軸とｙ軸の交点）に対して＋ｘ方向に偏位している。ここで、焦点検出用画素Ｐｂの第２の光電変換部の受光領域Ｓβ２と焦点検出用画素Ｐａの第１の光電変換部の受光領域Ｓα３は略一致している。

例えば、製造上の誤差で光電変換部１１１に対してマイクロレンズ１５３が設計値に対して−ｘ方向に位置ずれしているものとする。その場合、撮影レンズ５の瞳上で焦点検出用画素Ｐａの第１の光電変換部の受光領域Ｓα３と第２の光電変換部の受光領域Ｓβ３は設計値に対して−ｘ方向に偏位する。その結果、第１の光電変換部の受光領域Ｓα３と第２の光電変換部の受光領域Ｓβ３の重心は撮影レンズ５の光軸寄りに偏位するため、２つの光電変換部から出力される２つの焦点検出像の相関性が向上し、焦点検出精度が高まる。

１０００は、図８のイメージセンサ１０の一部平面図に示した通常撮像用画素の、撮影レンズ５の瞳上での設計上の受光分布を示している。通常撮像用画素はタングステン等の遮光膜で光電変換部を遮光しないように構成されているため、通常撮像用画素の光電変換部は、撮影レンズ５の全瞳領域Ｓγを透過した光束を受光可能である。

なお、上記では、光電変換部がｘ軸方向に分割された焦点検出用画素について説明したが、図８のｙ軸方向に光電変換部が分割された焦点検出用画素についても同様である。

上記の通り、本第２の実施形態によれば、焦点検出用画素の各光電変換部は受光分布の重心がｘ軸またはｙ軸上に存在する６種類のいずれかの構成を有する。これにより、イメージセンサ１０のマイクロレンズと光電変換部の位置ずれが生じても、いずれかの焦点検出用画素群にて焦点検出が可能である。

また、本第２の実施形態のイメージセンサ１０は、焦点検出用画素と通常撮像用画素から構成された例を示したが、各光電変換部の受光分布の重心がｘ軸またはｙ軸上に存在するそれぞれ３種類の受光分布を有する焦点検出用画素群のみから構成されていても構わない。その際、通常画像を撮影する際は、異なる受光分布の光電変換部の出力を加算することにより画像を生成することが可能である。

また、第１の実施形態における焦点検出用画素では、電極により光電変換部への光の一部を遮光する遮光層により前記開口が形成されている。第２の実施形態における焦点検出用画素では、タングステンにより、光電変換部への光の一部を遮光する遮光層により前記開口が形成されている。この点、遮光の仕方は、第１の実施形態と第２の実施形態とで逆であってもよい。なお、第２の実施形態で説明したタングステンによる遮光の方が、電極による場合よりも光電変換部に近いところで遮光できる。そのため、第２の実施形態で説明したタングステンによる遮光の方が、電極による場合よりも通常撮像用画素と焦点検出用画素とで結像する位置が近いため、より良好である。

本発明は実施形態を参照して説明されているが、本発明は実施形態の開示に限定されないことは理解されるべきである。後述の特許請求の範囲は、すべての変更及び均等構造と機能を包含するように最も広い解釈に従うべきである。

本出願は、本出願に対して参照によりその構成部分として全体が編入された２００８年１１月２７日出願の日本国特許出願２００８−２５７７８８の利益を主張するものである。

Claims

撮影レンズの焦点状態を検出するための相関演算用の像を形成する信号を出力する固体撮像素子であって、
前記相関演算用の一対の像を形成する信号を出力するように、第１の焦点検出用画素対として、光電変換部に対して電極を用いてシフトされた位置に開口が形成された複数の画素部を含む第１の画素ラインと、第２の画素ラインと、
前記相関演算用の一対の像を形成する信号を出力するように、第２の焦点検出用画素対として、光電変換部に対して電極を用いてシフトされた位置に開口が形成された複数の画素部を含む第３の画素ラインと、第４の画素ラインとを有し、
前記第１、第２、第３、第４の画素ラインでは、それぞれ前記シフト方向に画素部が配列され、且つそれぞれのラインごとに異なるシフト量、電極を用いてシフトされた位置に開口が形成されていることを特徴とする固体撮像素子。
前記電極は、対の光束をそれぞれ通す位置に前記開口を有することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
前記第１の焦点検出用画素対が受光する対の光束が透過した瞳領域から所定量シフトし、且つ、前記第２の焦点検出用画素対が受光する対の光束が透過した瞳領域とは異なる瞳領域を透過した対の光束をそれぞれ受光する第３の焦点検出用画素対として、光電変換部に対して電極を用いてシフトされた位置に開口が形成された複数の画素部を含む第５の画素ラインと、第６の画素ラインとを有し、
前記第１の焦点検出用画素対が受光する対の光束が透過した瞳領域と、前記第２の焦点検出用画素対が受光する対の光束が透過した瞳領域は、前記第３の焦点検出用画素対が受光する対の光束が透過した瞳領域に対して、対称な位置にあることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子。
前記電極は、光電変換部への光の一部を遮光して開口を規制することで前記シフトされた位置に前記開口を形成していることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
撮影レンズの予定結像面に配設された請求項１に記載の前記固体撮像素子と、
前記第１及び第２の焦点検出用画素対が対の光束を受光する受光領域の画素内の位置と、前記複数の第１及び第２の焦点検出用画素対それぞれの前記固体撮像素子における位置と、前記撮影レンズの情報とに基づいて、前記第１焦点検出用画素対の一方の前記受光領域に対する前記第１焦点検出用画素対の他方の前記受光領域の前記撮影レンズの瞳上の領域の面積比と、前記第２焦点検出用画素対の一方の前記受光領域に対する前記第２焦点検出用画素対の他方の前記受光領域の前記撮影レンズの瞳上の領域の面積比とを求める演算手段と、
前記演算手段により求めた面積比が予め設定された範囲内にある焦点検出用画素対から出力された信号を用いて、焦点状態を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された焦点状態に基づいて、前記撮影レンズを制御する制御手段と
を有することを特徴とする撮像装置。