JP5542248B2 - 撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、撮像素子及びこれを備える撮像装置に関する。
近年、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサ、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサ等の固体撮像素子の高解像度化に伴い、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯電話機、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ，携帯情報端末）等の撮影機能を有する情報機器の需要が急増している。なお、以上のような撮像機能を有する情報機器を撮像装置と称する。
ところで、主要な被写体までの距離を検出し、その被写体に焦点を合わせる合焦制御方法には、コントラストＡＦ（Ａｕｔｏ Ｆｏｃｕｓ、自動合焦）方式や位相差ＡＦ方式がある。位相差ＡＦ方式は、コントラストＡＦ方式に比べて合焦位置の検出を高速，高精度に行うことができるため、様々な撮像装置で多く採用されている（例えば特許文献１参照）。
特許文献１には、赤色光を検出するＲ画素セル、緑色光を検出するＧ画素セル、及び青色光を検出するＢ画素セルの各々の一部を、撮影光学系の焦点検出用の画素セルとした撮像素子が開示されている。
日本国特開２０１０−２４３７７２号公報
近年の撮像素子は、微細化が進んでいるため、各画素セルの光学開口に集光されるスポット光のサイズが、画素セルが検出する光の波長によって大きく異なるようになっている。
特許文献１に開示されているように、異なる色の光を検出する複数種類の画素セルを焦点検出用の画素セルにすると、複数種類の焦点検出用の画素セルのマイクロレンズによって集光される光が半導体基板表面において広がる範囲（スポット光の大きさ）は、長波長の光を検出する画素セルほど大きくなる。
焦点検出用の画素セルは、例えば、光電変換部を遮光する遮光膜の開口が、光電変換部上方（光入射側）のマイクロレンズ中心に対して互いに反対方向に偏心した２つの画素セルのペアにより構成される。
このような構成の焦点検出用の画素セルでは、スポット光が大きくなる画素セルほど、ペアの画素セルで検出される信号の位相差が小さくなる。
このため、焦点検出用の画素セルの種類によって、位相差情報（撮影光学系の異なる瞳領域を通過した一対の光束の各々に対応する像のずれ量）の取得精度にばらつきが生じ、位相差ＡＦを精度よく行うことができなくなる。
また、焦点検出用の画素セルを用いて撮像画像を生成しようとした場合には、画素セルの検出色によって位相差が異なるため、撮像画像上で不自然な色付きが発生し、撮像品質が低下する。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、撮影光学系の異なる瞳領域を通過した一対の光束の各々に対応する像のずれ量を精度良く検出して撮像品質を向上させることが可能な撮像素子及びこれを備える撮像装置を提供することを目的とする。
本発明の撮像素子は、撮影光学系の異なる瞳領域を通過する一対の光束の各々に対応する一対の像信号を出力可能な撮像素子であって、光電変換部、光電変換部の光入射側に設けられ光電変換部に光を集光するマイクロレンズ、及び光電変換部とマイクロレンズとの間に設けられ、光電変換部の光入射側に開口を有する遮光膜、を含む画素セルを有し、画素セルは、マイクロレンズの光軸に対して遮光膜の開口の中心位置が互いに逆方向に偏心された第一の画素セル及び第二の画素セルを有するペアを複数組含み、第一の画素セルと第二の画素セルは、それぞれ、異なる波長域の光を検出する複数種類に分けられており、画素セルにおいて、上記画素セルにおいて、上記光電変換部により検出される光の波長域が最も長波長側となる上記第一の画素セル及び上記第二の画素セルのそれぞれに対する上記マイクロレンズの光軸から上記遮光膜の開口中心までの距離が、上記光の波長域が最も短波長側となる上記第一の画素セル及び上記第二の画素セルのそれぞれに対する上記距離よりも長いものである。
本発明の撮像装置は、上記撮像素子を備えるものである。
本発明によれば、撮影光学系の異なる瞳領域を通過した一対の光束の各々に対応する像のずれ量を精度良く検出できる。この結果、位相差ＡＦの精度向上や撮像画像上の不自然な色付きの防止を図ることが可能となり、撮像品質を向上させることができる。
本発明の一実施形態を説明するための撮像装置の一例であるデジタルカメラの概略構成を示す図 図１に示す固体撮像素子５の概略構成を示す平面模式図 図２に示す固体撮像素子５の点線で囲んだ部分７０を拡大した平面模式図 図２，３に示す固体撮像素子５におけるＲ画素セル５０ｂ、Ｇ画素セル５０ｂ、及びＢ画素セル５０ｂの概略断面図 図４に示した各画素セル５０ａをマイクロレンズ５８側から視た平面図 図１に示す固体撮像素子５の各画素セル５０における遮光膜開口形状の変形例を示す図 図１に示す固体撮像素子５の各画素セル５０における遮光膜開口形状の変形例を示す図 図１に示す固体撮像素子５の各画素セル５０における遮光膜開口形状の変形例を示す図 図２に示す固体撮像素子５の変形例である固体撮像素子５ａの平面模式図 図９に示す固体撮像素子５ａの領域Ｈの拡大図 図２に示す固体撮像素子５の変形例である固体撮像素子５ｂの構成を示す平面図 図２に示す固体撮像素子５の変形例である固体撮像素子５ｃの平面模式図 図１２に示す固体撮像素子５ｃにおけるＲ光を検出する画素セルペア、Ｇ光を検出する画素セルペア、Ｂ光を検出する画素セルペアの詳細を示す図 撮像装置としてスマートフォンを説明する図 図１４のスマートフォンの内部ブロック図
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態を説明するための撮像装置の一例であるデジタルカメラの概略構成を示す図である。
図示するデジタルカメラの撮像系は、フォーカスレンズ、ズームレンズ等を含む単一の撮影光学系１と、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像素子５と、この両者の間に設けられた絞り２と、赤外線カットフィルタ３と、光学ローパスフィルタ４とを備える。
デジタルカメラの電気制御系全体を統括制御するシステム制御部１１は、フラッシュ発光部１２を制御する。また、システム制御部１１は、レンズ駆動部８を制御して、撮影光学系１に含まれるフォーカスレンズの位置を光軸方向に移動させて合焦させる調整と、撮影光学系に含まれるズームレンズの位置を光軸方向に移動させて撮影倍率を変更する調整とを行う。また、システム制御部１１は、絞り駆動部９を介し絞り２の開口量を制御して露光量調整を行う。
また、システム制御部１１は、撮像素子駆動部１０を介して固体撮像素子５を駆動し、撮影光学系１を通して撮像した被写体像を撮像画像信号として出力させる。システム制御部１１には、操作部１４を通してユーザからの指示信号が入力される。
デジタルカメラの電気制御系は、更に、固体撮像素子５の出力に接続された相関二重サンプリング処理等のアナログ信号処理を行うアナログ信号処理部６と、このアナログ信号処理部６から出力されたＲＧＢの色信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路７とを備える。アナログ信号処理部６とＡ／Ｄ変換回路７は、システム制御部１１によって制御される。なお、色信号は色差信号であってもよい。
更に、このデジタルカメラの電気制御系は、メインメモリ１６と、メインメモリ１６に接続されたメモリ制御部１５と、デジタル信号処理部１７と、圧縮伸張処理部１８と、３Ｄ画像生成部１９と、着脱自在の記録媒体２１が接続される外部メモリ制御部２０と、カメラ背面等に搭載された液晶表示部２３が接続される表示制御部２２とを備える。
デジタル信号処理部１７は、Ａ／Ｄ変換回路７から出力された撮像画像信号に対し、補間演算やガンマ補正演算，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行って撮影画像データを生成する。
圧縮伸張処理部１８は、デジタル信号処理部１７で生成された撮影画像データをＪＰＥＧ形式に圧縮したり圧縮画像データを伸張したりする。
３Ｄ画像生成部１９は、固体撮像素子５によって撮影して得られる視点の異なる複数の撮影画像データ（視差のある複数の撮影画像データ）を用いて立体画像データを生成する。
液晶表示部２３は、視差のある２つの撮影画像データを立体視可能に表示できるものである。
メモリ制御部１５、デジタル信号処理部１７、圧縮伸張処理部１８、３Ｄ画像生成部１９、外部メモリ制御部２０、及び表示制御部２２は、制御バス２４及びデータバス２５によって相互に接続され、システム制御部１１からの指令によって制御される。
図２は、図１に示す固体撮像素子５の概略構成を示す平面模式図である。
固体撮像素子５は、撮影光学系１の異なる瞳領域を通過する一対の光束の各々に対応する一対の像信号のうちの一方を得るための画素セル５０ａと、一対の像信号のうちの他方を得るための画素セル５０ｂとを備える。以下では、画素セル５０ａと画素セル５０ｂを区別しない場合、これらを画素セル５０という。
画素セル５０は、行方向Ｘとこれに直交する列方向Ｙに二次元状（図２の例では正方格子状）に配列されている。各画素セル５０は、フォトダイオード等の光電変換部を含む。
画素セル５０の配置は、行方向Ｘに一定ピッチで並ぶ複数の画素セル５０を含む画素セル行を、列方向Ｙに一定ピッチで複数個並べたものとなっている。
この配置において、奇数行にある画素セル行は、画素セル５０ａにより構成され、偶数行にある画素セル行は、画素セル５０ｂにより構成されている。
画素セル５０ａと画素セル５０ｂは、それぞれ、撮影光学系１の異なる瞳領域を通過する光束を受光するものである。つまり、奇数行にある画素セル５０ａによって、上記一対の像信号の一方を取得し、偶数行にある画素セル５０ｂによって、上記一対の像信号の他方を取得できる。
画素セル５０ａは、赤色の波長域の光（Ｒ光）を検出する画素セル（Ｒ画素セル５０ａという）と、緑色の波長域の光（Ｇ光）を検出する画素セル（Ｇ画素セル５０ａという）と、青色の波長域の光（Ｂ光）を検出する画素セル（Ｂ画素セル５０ａという）の３種類の画素セルを含む。
画素セル５０ｂは、Ｒ光を検出する画素セル（Ｒ画素セル５０ｂという）と、Ｇ光を検出する画素セル（Ｇ画素セル５０ｂという）と、Ｂ光を検出する画素セル（Ｂ画素セル５０ｂという）の３種類の画素セルを含む。
図２では、Ｒ画素セル５０ａ及びＲ画素セル５０ｂには、ブロック内に“Ｒ”の文字を付している。また、Ｇ画素セル５０ａ及びＧ画素セル５０ｂには、ブロック内に“Ｇ”の文字を付している。また、Ｂ画素セル５０ａ及びＢ画素セル５０ｂには、ブロック内に“Ｂ”の文字を付している。
図２に示すように、奇数行にある画素セル５０ａの検出色の並びはベイヤ状となっている。
各画素セル５０ａに対して同一方向（列方向Ｙ）の隣には、その画素セル５０ａと同じ種類の画素セル５０ｂが配置されている。つまり、偶数行にある画素セル５０ｂの検出色の並びもベイヤ状となっている。
列方向Ｙにおいて隣接する同一種類の画素セル５０ａ及び画素セル５０ｂにより、画素セルペアが構成される。固体撮像素子５は、この画素セルペアが正方格子状に配列されたものということもできる。
図３は、図２に示す固体撮像素子５の点線で囲んだ部分７０の詳細を示す模式図である。
各画素セル５０において中に“Ｒ”、“Ｇ”、又は“Ｂ”の文字が記入された領域は、遮光膜５５に形成され光を受光する開口５４であり、ハッチングを付した領域は遮光膜５５による遮光領域である。
画素セル５０ａにおいては、開口５４が行方向Ｘにおいて右側に偏心している。また、画素セル５０ｂにおいては、開口５４が行方向Ｘにおいて左側に偏心している。
このように、ペア画素セルを構成する画素セル５０ａと画素セル５０ｂは、開口５４が行方向Ｘにおいて互いに逆方向にずれている。
この結果、固体撮像素子５を用いて被写体を撮影した場合、画素セル５０ａによって得られる第一の撮像画像信号は左眼で被写体を視たものとなり、画素セル５０ｂによって得られる第二の撮像画像信号は右眼で被写体を視たものとなり、双方の撮像画像信号にはずれ量（位相差、視差）が生じる。
したがって、第一の撮像画像信号と第二の撮像画像信号を左右の撮像画像信号とすることで、単一の撮影光学系と単一の撮像素子で、立体画像の撮像が可能となる。
図１の３Ｄ画像生成部１９は、固体撮像素子５から出力される第一の撮像画像信号から左眼用撮像画像データを生成し、固体撮像素子５から出力される第二の撮像画像信号から右眼用撮像画像データを生成し、これらを関連付けたものを、立体画像データとして生成する。
図１のシステム制御部１１は、固体撮像素子５から出力される第一の撮像画像信号と第二の撮像画像信号との位相差に基づいて、撮影光学系１の焦点調節を行う位相差ＡＦ制御を行う。
図１のデジタル信号処理部１７は、固体撮像素子５から出力される第一の撮像画像信号及び第二の撮像画像信号のうち、画素セルペアから得られた撮像信号同士を加算する。これにより、被写体を単一の視点で撮影したものに相当する撮像画像信号を生成することができる。デジタル信号処理部１７は、この撮像画像信号を処理することで、通常の二次元の撮像画像データを生成する。
このように、図１に示すデジタルカメラは、図２に示す構成の固体撮像素子５を搭載していることにより、立体画像の撮影と二次元画像の撮影の切り替えが容易となる。また、撮像用の固体撮像素子５を用いて位相差ＡＦを行うことができるため、位相差ＡＦ専用のセンサを設けることなく、高速ＡＦが可能になる。
本実施形態では、このような利点が得られる固体撮像素子５において、立体画像及び二次元画像の撮像画質低下や、位相差ＡＦの精度低下を防ぐために、画素セル５０の構成をその種類（検出色）毎に変更している。以下、詳述する。
図４は、図２，３に示す固体撮像素子５におけるＲ画素セル５０ｂ、Ｇ画素セル５０ｂ、及びＢ画素セル５０ｂの概略断面図である。ＦＩＧ４ＡはＲ画素セル５０ｂの断面図であり、ＦＩＧ４ＢはＧ画素セル５０ｂの断面図であり、ＦＩＧ４ＣはＢ画素セル５０ｂの断面図である。
画素セル５０ａは、シリコン基板等の半導体基板５３と、半導体基板５３内に設けられた光電変換部（ＰＤ）５４ａと、光電変換部５４ａ上に形成された絶縁層５６と、絶縁層５６上に形成されたカラーフィルタ５７と、カラーフィルタ５７上に形成されたマイクロレンズ５８とを備える。
絶縁層５６内には、光電変換部５４ａの光入射範囲を制限するための遮光膜５５が形成されている。遮光膜５５には光電変換部５４ａ上方（光入射側）に開口５４が形成されており、この開口５４から、マイクロレンズ５８によって集光された光が光電変換部５４ａに入射する。
画素セル５０ａにおいて、マイクロレンズ５８の光軸と開口５４の中心とは一致しておらず、開口５４の中心がマイクロレンズ５８の光軸に対し行方向Ｘにおいて左側に偏心した構成になっている。そして、開口５４の偏心量は、画素セル５０ａの種類によって異なっている。
具体的には、Ｒ画素セル５０ａの開口５４の偏心量Ｏｒと、Ｇ画素セル５０ａの開口５４の偏心量Ｏｇと、Ｂ画素セル５０ａの開口５４の偏心量Ｏｂとの関係が、Ｏｒ＞Ｏｇ＞Ｏｂとなっている。
偏心量Ｏｒは、Ｒ画素セル５０ａにおけるマイクロレンズ５８の光軸位置と開口５４の中心位置との、行方向Ｘにおける距離を示す。
偏心量Ｏｇは、Ｇ画素セル５０ａにおけるマイクロレンズ５８の光軸位置と開口５４の中心位置との、行方向Ｘにおける距離を示す。
偏心量Ｏｂは、Ｂ画素セル５０ａにおけるマイクロレンズ５８の光軸位置と開口５４の中心位置との、行方向Ｘにおける距離を示す。
図５は、図４に示した各画素セル５０ａをマイクロレンズ５８側から視た平面図である。図５ではマイクロレンズとカラーフィルタについては図示を省略している。
ＦＩＧ５ＡはＦＩＧ４Ａに示すＲ画素セル５０ａの平面図を示し、ＦＩＧ５ＢはＦＩＧ４Ｂに示すＧ画素セル５０ａの平面図を示し、ＦＩＧ５ＣはＦＩＧ４Ｃに示すＢ画素セル５０ａの平面図を示す。
図４，５の例では、遮光膜５５の開口５４の左側端部の位置は各画素セル５０ａで同じとし、右側端部の行方向Ｘにおける位置を、長波長域の光を検出する画素セル５０ａほど、画素セル５０ａの光学中心（マイクロレンズ５８の光軸位置）から離すことで、Ｏｒ＞Ｏｇ＞Ｏｂを実現している。
前述したように、画素セル５０ａに入射する光束のスポット径は、画素セル５０ａの検出波長が長波長ほど大きくなるため、瞳分割性能（位相差分離量）は、検出波長が長波長になる画素セル５０ａほど低下する。そこで、図４，５に示すように、Ｏｒ＞Ｏｇ＞Ｏｂの関係を満たすようにすることで、各画素セル５０ａにおいて瞳分割性能を揃えることができる。
したがって、画素セル５０ａの種類によって、位相差情報（撮影光学系１の異なる瞳領域を通過した一対の光束の各々に対応する像のずれ量）の取得精度にばらつきが生じず、位相差ＡＦを精度よく行うことができる。また、立体画像データや二次元の撮像画像データ上で不自然な色付きが発生せず、撮像品質を高めることができる。
なお、画素セル５０ｂについては、図４，５に示した構成を左右反転させただけであるため、説明を省略する。
以上の説明では、画素セル５０において、その検出波長毎に遮光膜５５の開口Ｋの大きさを変えている。しかし、瞳分割性能は、マイクロレンズ５８の光軸から開口Ｋの中心までの距離によって決まるため、各画素セル５０において開口Ｋの大きさは全て同じにしてもよい。
例えば、図６に示すように、全ての画素セル５０において開口５４は同一形状とし、その開口５４の中心位置を、画素セル５０の種類に応じて変えた構成としてもよい。このように、開口Ｋを全ての画素セル５０で同一形状にすることで、製造が容易になり、コスト削減に繋がる。
また、以上の説明では、Ｏｒ＞Ｏｇ＞Ｏｂとしたが、スポット光の大きさは、Ｒ画素セル５０ａ，５０ｂと、Ｂ画素セル５０ａ，５０ｂとの間で最も差が大きくなるため、少なくとも、Ｏｒ＞Ｏｂとなっていれば、位相差ＡＦ精度向上や画質向上の効果を得られる。
例えば、図７に示すようにＯｒ＝Ｏｇ＞Ｏｂとしたり、図８に示すようにＯｒ＞Ｏｇ＝Ｏｂとしたりしてもよい。
図９は、図２に示す固体撮像素子５の変形例である固体撮像素子５ａの平面模式図である。
固体撮像素子５ａは、図２における画素セル５０ａと画素セル５０ｂとをそれぞれ４５度回転させた上で、奇数行の画素セル行を、行方向Ｘにおける画素セル５０の配列ピッチの１／２だけ行方向Ｘにずらした、所謂ハニカム配列としたものである。
図１０は、図９に示す固体撮像素子５ａの領域Ｈの拡大図である。
図１０に示すように、各画素セル５０における遮光膜５５の開口５４の中心位置の、その各画素セル５０の光軸中心からの離間距離は、Ｒ画素セル５０ａ，５０ｂ＞Ｇ画素セル５０ａ，５０ｂ＞Ｂ画素セル５０ａ，５０ｂとなっている。
このような画素セル配置でも、固体撮像素子５と同様の効果を得ることができる。
図１１は、図２に示す固体撮像素子５の変形例である固体撮像素子５ｂの構成を示す平面図である。
固体撮像素子５，５ａは、撮影光学系１の異なる瞳領域を通過する一対の光束の両方を受光する画素セル（瞳分割されていない画素セル）を持たないものであった。これに対し、固体撮像素子５ｂは、瞳分割されていない画素セル５０ｃと、これまで説明してきた瞳分割された画素セル５０ａ，５０ｂとを備えている。
固体撮像素子５ｂでは、二次元状（図１１の例では正方格子状）に配列された画素セル５０ｃのうちの一部を、画素セル５０ａ，５０ｂとしている。図１１では、Ｒ光を検出する画素セル５０ｃとＧ光を検出する画素セル５０ｃの一部を、画素セル５０ａ，５０ｂに置き換えている。
なお、Ｒ光を検出する画素セル５０ｃとＢ光を検出する画素セル５０ｃのそれぞれの一部を、画素セル５０ａ，５０ｂに置き換えた構成、Ｇ光を検出する画素セル５０ｃとＢ光を検出する画素セル５０ｃのそれぞれの一部を、画素セル５０ａ，５０ｂに置き換えた構成、Ｒ光を検出する画素セル５０ｃとＧ光を検出する画素セル５０ｃとＢ光を検出する画素セル５０ｃのそれぞれの一部を、画素セル５０ａ，５０ｂに置き換えた構成としてもよい。
固体撮像素子５ｂが、瞳分割された画素セルとして、Ｒ光を検出する画素セル５０ａ，５０ｂと、Ｇ光を検出する画素セル５０ａ，５０ｂとのみを有する場合は、前述したＯｒとＯｇの関係はＯｒ＞Ｏｇとなっていればよい。
固体撮像素子５ｂが、瞳分割された画素セルとして、Ｒ光を検出する画素セル５０ａ，５０ｂと、Ｂ光を検出する画素セル５０ａ，５０ｂとのみを有する場合は、前述したＯｒとＯｂの関係はＯｒ＞Ｏｂとなっていればよい。
固体撮像素子５ｂが、瞳分割された画素セルとして、Ｇ光を検出する画素セル５０ａ，５０ｂと、Ｂ光を検出する画素セル５０ａ，５０ｂとのみを有する場合は、前述したＯｇとＯｂの関係はＯｇ＞Ｏｂとなっていればよい。
固体撮像素子５ｂが、瞳分割された画素セルとして、Ｒ光を検出する画素セル５０ａ，５０ｂと、Ｇ光を検出する画素セル５０ａ，５０ｂと、Ｂ光を検出する画素セル５０ａ，５０ｂとを有する場合は、前述したＯｒとＯｇとＯｂの関係はＯｒ＞Ｏｇ＞Ｏｇ、Ｏｒ＝Ｏｇ＞Ｏｂ、Ｏｒ＞Ｏｇ＝Ｏｂのいずれかとなっていればよい。
この固体撮像素子５ｂを搭載するデジタルカメラでは、画素セル５０ａ，５０ｂから取得した信号を用いて、システム制御部１１が位相差ＡＦを行う。具体的には、システム制御部１１は、画素セル５０ａから取得した像信号と、画素セル５０ｂから取得した像信号との位相差に基づいてＡＦ制御を行う。
このように、瞳分割されていない通常の画素セル５０ｃが二次元状に配列された固体撮像素子において、その一部の画素セル５０ｃを、瞳分割された画素セル５０ａ，５０ｂに置き換えたものであっても、Ｏｒ，Ｏｇ，Ｏｂの大小関係を上述したように設定することで、位相差ＡＦ精度の向上と撮像画像の品質向上を図ることができる。
なお、固体撮像素子５ｂが、瞳分割された画素セルとして、Ｒ光を検出する画素セル５０ａ，５０ｂと、Ｇ光を検出する画素セル５０ａ，５０ｂと、Ｂ光を検出する画素セル５０ａ，５０ｂとを有するものとし、この３種類の画素セル５０ａ，５０ｂを全体に満遍なく配置しておくことで、３Ｄ撮影と２Ｄ撮影の両方に対応することが可能になる。
例えば、３Ｄ撮影時には、３種類の画素セル５０ａ，５０ｂから取得した撮像画像信号を用いて立体画像データを生成し、２Ｄ撮影時には、画素セル５０ｃから取得した撮像画像信号を用いて撮像画像データを生成するといった使い方が可能である。なお、２Ｄ撮影時には、画素セル５０ａ，５０ｂに対応する信号については、画素セル５０ｃから得た信号を用いて補間生成すればよい。
図１２は、図２に示す固体撮像素子５の変形例である固体撮像素子５ｃの構成を示す平面図である。
固体撮像素子５ｃは、画素セル５０ａと画素セル５０ｂが二次元状に配列された点では固体撮像素子５と同じである。固体撮像素子５ｃは、奇数列に画素セル５０ａがベイヤ状に配列され、各画素セル５０ａに対し行方向Ｘの隣に、その各画素セル５０ａと同一色の光を検出する画素セル５０ｂが配置された構成である。固体撮像素子５ｃでは、行方向Ｘにおいて隣接する同一種類の画素セル５０ａ及び画素セル５０ｂにより、画素セルペアが構成される。
図１３は、図１２に示す固体撮像素子５ｃにおけるＲ光を検出する画素セルペア、Ｇ光を検出する画素セルペア、Ｂ光を検出する画素セルペアの詳細を示す図である。
ＦＩＧ１３Ａは、固体撮像素子５ｃにおけるＲ光を検出する画素セルペアの構成を示す。ＦＩＧ１３Ｂは、固体撮像素子５ｃにおけるＧ光を検出する画素セルペアの構成を示す。ＦＩＧ１３Ｃは、固体撮像素子５ｃにおけるＢ光を検出する画素セルペアの構成を示す。
図１３に示すように、固体撮像素子５ｃでは、画素セルペアに対して１つのマイクロレンズ５３ａが設けられている。マイクロレンズ５３ａは、画素セルペアを構成する２つの画素セル５０に跨って設けられた楕円形状となっている。
この固体撮像素子５ｃにおいても、マイクロレンズ５３ａの光軸と、そのマイクロレンズ５３ａに対応する各画素セル５０の開口５４の中心との距離をＯｒ，Ｏｇ，Ｏｂとして、これらの距離が上述してきたような関係となっている。
このように、画素セルペアに対して１つのマイクロレンズを設ける構成であっても、固体撮像素子５と同様の効果を得ることができる。
次に、撮像装置としてスマートフォンの構成について説明する。
図１４は、本発明の撮影装置の一実施形態であるスマートフォン２００の外観を示すものである。図１４に示すスマートフォン２００は、平板状の筐体２０１を有し、筐体２０１の一方の面に表示部としての表示パネル２０２と、入力部としての操作パネル２０３とが一体となった表示入力部２０４を備えている。また、このような筐体２０１は、スピーカ２０５と、マイクロホン２０６と、操作部２０７と、カメラ部２０８とを備えている。なお、筐体２０１の構成はこれに限定されず、例えば、表示部と入力部とが独立した構成を採用したり、折り畳み構造やスライド機構を有する構成を採用したりすることもできる。
図１５は、図１４に示すスマートフォン２００の構成を示すブロック図である。図１４に示すように、スマートフォンの主たる構成要素として、無線通信部２１０と、表示入力部２０４と、通話部２１１と、操作部２０７と、カメラ部２０８と、記憶部２１２と、外部入出力部２１３と、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）受信部２１４と、モーションセンサ部２１５と、電源部２１６と、主制御部２２０とを備える。また、スマートフォン２００の主たる機能として、図示省略の基地局装置ＢＳと図示省略の移動通信網ＮＷとを介した移動無線通信を行う無線通信機能を備える。
無線通信部２１０は、主制御部２２０の指示にしたがって、移動通信網ＮＷに収容された基地局装置ＢＳに対し無線通信を行うものである。この無線通信を使用して、音声データ、画像データ等の各種ファイルデータ、電子メールデータなどの送受信や、Ｗｅｂデータやストリーミングデータなどの受信を行う。
表示入力部２０４は、主制御部２２０の制御により、画像（静止画像及び動画像）や文字情報などを表示して視覚的にユーザに情報を伝達するとともに、表示した情報に対するユーザ操作を検出する、いわゆるタッチパネルであって、表示パネル２０２と、操作パネル２０３とを備える。
表示パネル２０２は、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）、ＯＥＬＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ Ｄｉｓｐｌａｙ）などを表示デバイスとして用いたものである。
操作パネル２０３は、表示パネル２０２の表示面上に表示される画像を視認可能に載置され、ユーザの指や尖筆によって操作される一又は複数の座標を検出するデバイスである。このデバイスをユーザの指や尖筆によって操作すると、操作に起因して発生する検出信号を主制御部２２０に出力する。次いで、主制御部２２０は、受信した検出信号に基づいて、表示パネル２０２上の操作位置（座標）を検出する。
図１４に示すように、本発明の撮影装置の一実施形態として例示しているスマートフォン２００の表示パネル２０２と操作パネル２０３とは一体となって表示入力部２０４を構成しているが、操作パネル２０３が表示パネル２０２を完全に覆うような配置となっている。
係る配置を採用した場合、操作パネル２０３は、表示パネル２０２外の領域についても、ユーザ操作を検出する機能を備えてもよい。換言すると、操作パネル２０３は、表示パネル２０２に重なる重畳部分についての検出領域（以下、表示領域と称する）と、それ以外の表示パネル２０２に重ならない外縁部分についての検出領域（以下、非表示領域と称する）とを備えていてもよい。
なお、表示領域の大きさと表示パネル２０２の大きさとを完全に一致させても良いが、両者を必ずしも一致させる必要はない。また、操作パネル２０３が、外縁部分と、それ以外の内側部分の２つの感応領域を備えていてもよい。更に、外縁部分の幅は、筐体２０１の大きさなどに応じて適宜設計されるものである。更にまた、操作パネル２０３で採用される位置検出方式としては、マトリクススイッチ方式、抵抗膜方式、表面弾性波方式、赤外線方式、電磁誘導方式、静電容量方式などが挙げられ、いずれの方式を採用することもできる。
通話部２１１は、スピーカ２０５やマイクロホン２０６を備え、マイクロホン２０６を通じて入力されたユーザの音声を主制御部２２０にて処理可能な音声データに変換して主制御部２２０に出力したり、無線通信部２１０或いは外部入出力部２１３により受信された音声データを復号してスピーカ２０５から出力させたりするものである。また、図１４に示すように、例えば、スピーカ２０５を表示入力部２０４が設けられた面と同じ面に搭載し、マイクロホン２０６を筐体２０１の側面に搭載することができる。
操作部２０７は、キースイッチなどを用いたハードウェアキーであって、ユーザからの指示を受け付けるものである。例えば、図１４に示すように、操作部２０７は、スマートフォン２００の筐体２０１の側面に搭載され、指などで押下されるとオンとなり、指を離すとバネなどの復元力によってオフ状態となる押しボタン式のスイッチである。
記憶部２１２は、主制御部２２０の制御プログラムや制御データ、アプリケーションソフトウェア、通信相手の名称や電話番号などを対応づけたアドレスデータ、送受信した電子メールのデータ、ＷｅｂブラウジングによりダウンロードしたＷｅｂデータや、ダウンロードしたコンテンツデータを記憶し、またストリーミングデータなどを一時的に記憶するものである。また、記憶部２１２は、スマートフォン内蔵の内部記憶部２１７と着脱自在な外部メモリスロットを有する外部記憶部２１８により構成される。なお、記憶部２１２を構成するそれぞれの内部記憶部２１７と外部記憶部２１８は、フラッシュメモリタイプ（ｆｌａｓｈ ｍｅｍｏｒｙ ｔｙｐｅ）、ハードディスクタイプ（ｈａｒｄ ｄｉｓｋ ｔｙｐｅ）、マルチメディアカードマイクロタイプ（ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ ｃａｒｄ ｍｉｃｒｏ ｔｙｐｅ）、カードタイプのメモリ（例えば、ＭｉｃｒｏＳＤ（登録商標）メモリ等）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）などの格納媒体を用いて実現される。
外部入出力部２１３は、スマートフォン２００に連結される全ての外部機器とのインターフェースの役割を果たすものであり、他の外部機器に通信等（例えば、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）、ＩＥＥＥ１３９４など）又はネットワーク（例えば、インターネット、無線ＬＡＮ、ブルートゥース（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ）（登録商標）、ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）、赤外線通信（Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｄａｔａ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ：ＩｒＤＡ）（登録商標）、ＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅｂａｎｄ）（登録商標）、ジグビー（ＺｉｇＢｅｅ）（登録商標）など）により直接的又は間接的に接続するためのものである。
スマートフォン２００に連結される外部機器としては、例えば、有／無線ヘッドセット、有／無線外部充電器、有／無線データポート、カードソケットを介して接続されるメモリカード（Ｍｅｍｏｒｙ ｃａｒｄ）やＳＩＭ（Ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒ Ｉｄｅｎｔｉｔｙ Ｍｏｄｕｌｅ Ｃａｒｄ）／ＵＩＭ（Ｕｓｅｒ Ｉｄｅｎｔｉｔｙ Ｍｏｄｕｌｅ Ｃａｒｄ）カード、オーディオ・ビデオＩ／Ｏ（Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ）端子を介して接続される外部オーディオ・ビデオ機器、無線接続される外部オーディオ・ビデオ機器、有／無線接続されるスマートフォン、有／無線接続されるパーソナルコンピュータ、有／無線接続されるＰＤＡ、有／無線接続されるパーソナルコンピュータ、イヤホンなどがある。外部入出力部２１３は、このような外部機器から伝送を受けたデータをスマートフォン２００の内部の各構成要素に伝達することや、スマートフォン２００の内部のデータが外部機器に伝送されるようにすることができる。
ＧＰＳ受信部２１４は、主制御部２２０の指示にしたがって、ＧＰＳ衛星ＳＴ１〜ＳＴｎから送信されるＧＰＳ信号を受信し、受信した複数のＧＰＳ信号に基づく測位演算処理を実行し、そのスマートフォン２００の緯度、経度、高度を含む位置情報を検出する。ＧＰＳ受信部２１４は、無線通信部２１０や外部入出力部２１３（例えば、無線ＬＡＮ）から位置情報を取得できる時には、その位置情報を用いて位置を検出することもできる。
モーションセンサ部２１５は、例えば、３軸の加速度センサなどを備え、主制御部２２０の指示にしたがって、スマートフォン２００の物理的な動きを検出する。スマートフォン２００の物理的な動きを検出することにより、スマートフォン２００の動く方向や加速度が検出される。係る検出結果は、主制御部２２０に出力されるものである。
電源部２１６は、主制御部２２０の指示にしたがって、スマートフォン２００の各部に、バッテリ（図示しない）に蓄えられる電力を供給するものである。
主制御部２２０は、マイクロプロセッサを備え、記憶部２１２が記憶する制御プログラムや制御データにしたがって動作し、スマートフォン２００の各部を統括して制御するものである。また、主制御部２２０は、無線通信部２１０を通じて、音声通信やデータ通信を行うために、通信系の各部を制御する移動通信制御機能と、アプリケーション処理機能を備える。
アプリケーション処理機能は、記憶部２１２が記憶するアプリケーションソフトウェアにしたがって主制御部２２０が動作することにより実現するものである。アプリケーション処理機能としては、例えば、外部入出力部２１３を制御して対向機器とデータ通信を行う赤外線通信機能や、電子メールの送受信を行う電子メール機能、Ｗｅｂページを閲覧するＷｅｂブラウジング機能などがある。
また、主制御部２２０は、受信データやダウンロードしたストリーミングデータなどの画像データ（静止画像や動画像のデータ）に基づいて、映像を表示入力部２０４に表示する等の画像処理機能を備える。画像処理機能とは、主制御部２２０が、上記画像データを復号し、この復号結果に画像処理を施して、画像を表示入力部２０４に表示する機能のことをいう。
更に、主制御部２２０は、表示パネル２０２に対する表示制御と、操作部２０７、操作パネル２０３を通じたユーザ操作を検出する操作検出制御を実行する。表示制御の実行により、主制御部２２０は、アプリケーションソフトウェアを起動するためのアイコンや、スクロールバー（繋がった状態で連続的に表示させる指示を行うためのもの）などのソフトウェアキーを表示したり、或いは電子メールを作成したりするためのウィンドウを表示する。なお、スクロールバーとは、表示パネル２０２の表示領域に収まりきれない大きな画像などについて、画像の表示部分を移動する指示を受け付けるためのソフトウェアキーのことをいう。
また、操作検出制御の実行により、主制御部２２０は、操作部２０７を通じたユーザ操作を検出したり、操作パネル２０３を通じて、上記アイコンに対する操作や、上記ウィンドウの入力欄に対する文字列の入力を受け付けたり、或いは、スクロールバーを通じた表示画像のスクロール要求を受け付ける。
更に、操作検出制御の実行により主制御部２２０は、操作パネル２０３に対する操作位置が、表示パネル２０２に重なる重畳部分（表示領域）か、それ以外の表示パネル２０２に重ならない外縁部分（非表示領域）かを判定し、操作パネル２０３の感応領域や、ソフトウェアキーの表示位置を制御するタッチパネル制御機能を備える。
また、主制御部２２０は、操作パネル２０３に対するジェスチャ操作を検出し、検出したジェスチャ操作に応じて、予め設定された機能を実行することもできる。ジェスチャ操作とは、従来の単純なタッチ操作ではなく、指などによって軌跡を描いたり、複数の位置を同時に指定したり、或いはこれらを組み合わせて、複数の位置から少なくとも１つについて軌跡を描く操作を意味する。
カメラ部２０８は、図１に示したデジタルカメラにおける外部メモリ制御部２０、記録媒体２１、表示制御部２２、表示部２３、及び操作部１４以外の構成を含む。カメラ部２０８によって生成された撮像画像データは、記憶部２１２に記録したり、外部入出力部２１３や無線通信部２１０を通じて出力したりすることができる。図１４に示すにスマートフォン２００において、カメラ部２０８は表示入力部２０４と同じ面に搭載されているが、カメラ部２０８の搭載位置はこれに限らず、表示入力部２０４の背面に搭載されてもよい。
また、カメラ部２０８はスマートフォン２００の各種機能に利用することができる。例えば、表示パネル２０２にカメラ部２０８で取得した画像を表示することや、操作パネル２０３の操作入力のひとつとして、カメラ部２０８の画像を利用することができる。また、ＧＰＳ受信部２１４が位置を検出する際に、カメラ部２０８からの画像を参照して位置を検出することもできる。更には、カメラ部２０８からの画像を参照して、３軸の加速度センサを用いずに、或いは、３軸の加速度センサと併用して、スマートフォン２００のカメラ部２０８の光軸方向を判断することや、現在の使用環境を判断することもできる。勿論、カメラ部２０８からの画像をアプリケーションソフトウェア内で利用することもできる。
その他、静止画又は動画の画像データにＧＰＳ受信部２１４により取得した位置情報、マイクロホン２０６により取得した音声情報（主制御部等により、音声テキスト変換を行ってテキスト情報となっていてもよい）、モーションセンサ部２１５により取得した姿勢情報等などを付加して記憶部２１２に記録したり、外部入出力部２１３や無線通信部２１０を通じて出力したりすることもできる。
以上のような構成のスマートフォン２００においても、カメラ部２０８の撮像素子として固体撮像素子５，５ａ，５ｂを用いることで、高精度の位相差ＡＦ，高品質の撮影が可能になる。
以上説明してきたように、本明細書には以下の事項が開示されている。
開示された撮像素子は、撮影光学系の異なる瞳領域を通過する一対の光束の各々に対応する一対の像信号を出力可能な撮像素子であって、光電変換部、上記光電変換部の光入射側に設けられ上記光電変換部に光を集光するマイクロレンズ、及び上記光電変換部と上記マイクロレンズとの間に設けられ、上記光電変換部の光入射側に開口を有する遮光膜、を含む画素セルを有し、上記画素セルは、上記マイクロレンズの光軸に対して上記遮光膜の開口の中心位置が互いに逆方向に偏心された第一の画素セル及び第二の画素セルを有するペアを複数組含み、上記第一の画素セルと上記第二の画素セルは、それぞれ、異なる波長域の光を検出する複数種類に分けられており、上記画素セルにおいて、上記光電変換部により検出される光の波長域が最も長波長側となる上記第一の画素セル及び上記第二の画素セルのそれぞれに対する上記マイクロレンズの光軸から上記遮光膜の開口中心までの距離が、上記光の波長域が最も短波長側となる上記第一の画素セル及び上記第二の画素セルのそれぞれに対する上記距離よりも長いものである。
開示された撮像素子は、上記複数種類の画素セルは、赤色光を検出する画素セル、青色光を検出する画素セル、及び緑色光を検出する画素セルのうちの少なくとも２つを含むものである。
開示された撮像素子は、（上記赤色光を検出する画素セルにおける上記距離）＞（上記緑色光を検出する画素セルにおける上記距離）＞（上記青色光を検出する画素セルにおける上記距離）となっているものである。
開示された撮像素子は、上記赤色光を検出する画素セルと上記青色光を検出する画素セルと上記緑色光を検出する画素セルのうちの２つについては、上記距離が同じであるものを含む。
開示された撮像素子は、上記赤色光を検出する画素セルと上記緑色光を検出する画素セルについては、上記距離が同じであり、上記青色光を検出する画素セルについては、上記距離が、上記赤色光を検出する画素セル及び上記緑色光を検出する画素セルにおける上記距離よりも短いものである。
開示された撮像素子は、上記青色光を検出する画素セルと上記緑色光を検出する画素セルについては、上記距離が同じであり、上記赤色光を検出する画素セルについては、上記距離が、上記青色光を検出する画素セル及び上記緑色光を検出する画素セルにおける上記距離よりも長いものである。
開示された撮像素子は、上記少なくとも４つの画素セルにおける上記遮光膜の開口は同一形状となっているものである。
開示された撮像素子は、上記ペアは、上記第一の画素セルと、その第一の画素セルに隣接して配置され、その第一の画素セルと同じ波長域の光を検出する上記第二の画素セルとを有して構成され、上記ペアが二次元状に配列されているものである。
開示された撮像装置は、上記撮像素子を備えるものである。
開示された撮像装置は、上記複数組のペアから得られる信号を用いて立体画像データを生成する立体画像生成部を備えるものである。
開示された撮像装置は、上記複数組のペアから得られる信号を用いて焦点調節を行う焦点調節部を備えるものである。
本発明に係る撮像素子及び撮像装置は、撮影光学系の異なる瞳領域を通過した一対の光束の各々に対応する像のずれ量を精度良く検出でき、位相差ＡＦの精度向上や撮像画像上の不自然な色付きの防止を図ることが可能となり、撮像品質を向上させることができる。そのため、この撮像素子及び撮像装置はデジタルカメラやスマートフォン等の各種情報機器に用いると有用である。
本出願は、２０１２年３月２８日出願の日本特許出願（特願２０１２−７４３０９）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
５ 固体撮像素子
５０ａ，５０ｂ 画素セル
５４ 遮光膜開口
Ｏｇ 遮光膜開口の偏心量

Claims (11)

  1. 撮影光学系の異なる瞳領域を通過する一対の光束の各々に対応する一対の像信号を出力可能な撮像素子であって、
    光電変換部、前記光電変換部の光入射側に設けられ前記光電変換部に光を集光するマイクロレンズ、及び前記光電変換部と前記マイクロレンズとの間に設けられ、前記光電変換部の光入射側に開口を有する遮光膜、を含む画素セルを有し、
    前記画素セルは、前記マイクロレンズの光軸に対して前記遮光膜の開口の中心位置が互いに逆方向に偏心された第一の画素セル及び第二の画素セルを有するペアを複数組含み、
    前記第一の画素セルと前記第二の画素セルは、それぞれ、異なる波長域の光を検出する複数種類に分けられており、
    前記画素セルにおいて、前記光電変換部により検出される光の波長域が最も長波長側となる前記第一の画素セル及び前記第二の画素セルのそれぞれに対する前記マイクロレンズの光軸から前記遮光膜の開口中心までの距離が、前記光の波長域が最も短波長側となる前記第一の画素セル及び前記第二の画素セルのそれぞれに対する前記距離よりも長い撮像素子。
  2. 請求項１記載の撮像素子であって、
    前記複数種類の画素セルは、赤色光を検出する画素セル、青色光を検出する画素セル、及び緑色光を検出する画素セルのうちの少なくとも２つを含む撮像素子。
  3. 請求項２記載の撮像素子であって、
    （前記赤色光を検出する画素セルにおける前記距離）＞（前記緑色光を検出する画素セルにおける前記距離）＞（前記青色光を検出する画素セルにおける前記距離）となっている撮像素子。
  4. 請求項２記載の撮像素子であって、
    前記赤色光を検出する画素セルと前記青色光を検出する画素セルと前記緑色光を検出する画素セルのうちの２つについては、前記距離が同じである撮像素子。
  5. 請求項４記載の撮像素子であって、
    前記赤色光を検出する画素セルと前記緑色光を検出する画素セルについては、前記距離が同じであり、
    前記青色光を検出する画素セルについては、前記距離が、前記赤色光を検出する画素セル及び前記緑色光を検出する画素セルにおける前記距離よりも短い撮像素子。
  6. 請求項４記載の撮像素子であって、
    前記青色光を検出する画素セルと前記緑色光を検出する画素セルについては、前記距離が同じであり、
    前記赤色光を検出する画素セルについては、前記距離が、前記青色光を検出する画素セル及び前記緑色光を検出する画素セルにおける前記距離よりも長い撮像素子。
  7. 請求項１〜６のいずれか１項記載の撮像素子であって、
    前記少なくとも４つの画素セルにおける前記遮光膜の開口は同一形状となっている撮像素子。
  8. 請求項１〜６のいずれか１項記載の撮像素子であって、
    前記ペアは、前記第一の画素セルと、当該第一の画素セルに隣接して配置され当該第一の画素セルと同じ波長域の光を検出する前記第二の画素セルとを有して構成され、
    前記ペアが二次元状に配列されている撮像素子。
  9. 請求項１〜８のいずれか１項記載の撮像素子を備える撮像装置。
  10. 請求項９記載の撮像装置であって、
    前記複数組のペアから得られる信号を用いて立体画像データを生成する立体画像生成部を備える撮像装置。
  11. 請求項９又は１０記載の撮像装置であって、
    前記複数組のペアから得られる信号を用いて焦点調節を行う焦点調節部を備える撮像装置。
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