JP5699573B2

JP5699573B2 - 撮像素子

Info

Publication number: JP5699573B2
Application number: JP2010270267A
Authority: JP
Inventors: 寛信村田; 栗山　孝司; 孝司栗山
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2010-12-03
Filing date: 2010-12-03
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2030-12-03
Also published as: JP2012118447A

Description

本発明は、撮像素子に関する。

同一撮像面上に撮像用画素と焦点検出用画素とを２次元的に配置し、撮像面に形成される像を撮像すると共に、その像の焦点調節状態を検出するようにした撮像素子が知られている。焦点検出用画素はそれぞれ一対の光電変換部を有し、瞳分割式による像ズレに基づいて焦点検出が行われる。撮像用画素及び焦点検出用画素は、撮像面の法線周りに４５度回転された方向に正方配列され、その配列方向の焦点を検出している。（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−２１１６３１号公報

高精細な画像を得るために撮像用画素のサイズを小さくすると、焦点検出用画素のサイズも小さくなり、受光部分も小さくなる。その結果、瞳分割方式による焦点検出精度が低下するという問題がある。

請求項１の発明に係る撮像素子は、赤色光を受光する四辺形形状の赤色撮像画素と緑色光を受光する四辺形形状の緑色撮像画素と青色光を受光する四辺形形状の青色撮像画素とが直交する方向に稠密状態にベイヤー配列された複数の撮像画素と、前記複数の撮像画素の一部の撮像画素を置換して配置され、結像光学系の一対の瞳部分をそれぞれ通過した一対の光束の一方を第１の受光開口を介して受光して焦点検出信号を出力する四辺形形状の第１の焦点検出画素と、前記撮像画素を置換して配置され、前記一対の光束の他方を第２の受光開口を介して受光して焦点検出信号を出力する四辺形形状の第２の焦点検出画素とが交互に配列された焦点検出画素列と、を備え、前記第１及び第２の焦点検出画素の各々は、その四辺形形状の第1の対角線方向に交互に配列され、前記第１及び第２の受光開口の各々は、前記第1の対角線方向に伸びた長辺と前記第1の対角線方向に直交する第２の対角線方向に伸びた短辺とを有する長方形形状であることを特徴とする。
請求項２の発明に係る撮像素子は、赤色光を受光する四辺形形状の赤色撮像画素と緑色光を受光する四辺形形状の緑色撮像画素と青色光を受光する四辺形形状の青色撮像画素とが直交する方向に稠密状態にベイヤー配列された複数の撮像画素と、前記複数の撮像画素の一部の撮像画素を置換して配置され、結像光学系の一対の瞳部分をそれぞれ通過した一対の光束をそれぞれ一対の受光開口を介して受光して一対の焦点検出信号を出力する四辺形形状の焦点検出画素が複数配列された焦点検出画素列と、を備え、前記焦点検出画素は、その四辺形形状の第１の対角線方向に配列され、前記一対の受光開口は、前記第１の対角線に直交する第２の対角線を挟んで、対称な位置に配置され、前記第１の対角線方向に伸びた長辺と前記第２の対角線方向に伸びた短辺とを有する長方形形状であることを特徴とする。

本発明の撮像素子によれば、矩形の焦点検出用画素の一対の対角線の一方が焦点検出画素列の配列方向にほぼ一致するように配置され、受光領域は、他方の対角線付近から、一方の対角線の起点をなす矩形形状の頂点付近まで延在するので、その一方の対角線方向において対をなす受光領域の重心間距離を大きくすることができ、焦点検出精度の向上をもたらす。

本発明の実施の形態に係るデジタルカメラの概略構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態に係る撮像素子における画素配列状態を模式的に示す図であり、図２（ａ）は部分平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。本発明の実施の形態に係る撮像素子の焦点検出用画素の構造を模式的に示す部分平面図であり、図３（ａ）は本実施の形態に係る撮像素子の焦点検出用画素、図３（ｂ）は比較例の焦点検出用画素を示す。本発明の実施の形態に係る撮像素子における焦点検出用画素１つの構造の変形例を模式的に示す部分平面図である。本発明の実施の形態に係る撮像素子における焦点検出用画素の変形例を模式的に示す部分平面図である。図５に示す焦点検出用画素の上部の３次元構造を模式的に示す図である。

＜構成＞
本発明の実施の形態による撮像素子及びこれを備えるデジタルカメラについて、図１〜６を参照しながら説明する。
図１に示されるように、デジタルカメラ１０は、撮像素子１、撮影レンズ２、画像信号生成部３、画像処理部４、ディスプレイ５、焦点検出信号生成部６、焦点調節部７、レンズ駆動モータ８及びバッファメモリ９を備える。

撮像素子１は、ＣＣＤイメージセンサーやＣＭＯＳイメージセンサーなどから構成されており、後に詳述するように、複数の撮像用画素が規則的に２次元配列されている撮像面の所定の領域に、焦点検出用画素列が撮像用画素列に置換する形で配置されている。焦点検出用画素列の配置領域は、撮像用画素列に比べて狭い領域に限られている。撮像素子１の各撮像用画素は、被写体光束Ｌを受光して画像信号を出力し、各焦点検出用画素は、撮影レンズ２の瞳分割された光束により焦点調節状態を示す焦点検出信号を出力する。

撮影レンズ２は、図示しないフォーカシングレンズ、ズーミングレンズ、絞りなどを備え、被写体光Ｌを受光して被写体像を撮像素子１の撮像面に結像する。図１では簡単のため、撮影レンズ２は１枚のレンズで示されている。

画像信号生成部３は、撮像素子１の撮像用画素からの電気信号に基づいて画像信号を生成し、これらの画像信号はバッファメモリ９に一時的に記憶される。この際に、撮像用画素に置換する形で配置されている焦点検出用画素上に結像する像の部分は、周辺の撮像用画素の画像信号を用いて補間される。
画像処理部４は、例えば、ＡＳＩＣとして構成され、バッファメモリ９から読み出された画像信号に対して画像処理を行う。画像処理には、例えば、輪郭強調、ガンマ補正処理、色温度調整（ホワイトバランス調整）処理、画像信号に対するフォーマット変換処理が含まれる。また、画像処理部４は、撮影画像をディスプレイ５に表示させるための画像データを作成する。ディスプレイ５は、画像処理部４で作成された画像データに基づく再生画像や撮影前段階のスルー画像を表示する。

焦点検出信号生成部６は、撮像素子１の焦点検出用画素の瞳分割された受光エリアからの電気信号に基づいて焦点検出信号を生成し、これらの焦点検出信号はバッファメモリ９に一時的に記憶される。
焦点調節部７は、バッファメモリ９から読み出された焦点検出信号を用い、位相差検出方式により焦点検出演算を行い、撮像素子１の撮像面上の結像状態を検出する、すなわちデフォーカス量を算出する。そして、焦点調節部７は、このデフォーカス量に対応する信号をレンズ駆動モータ８へ送出する。レンズ駆動モータ８は、この出力信号に基づいて撮影レンズ２のフォーカシングレンズをその光軸方向に駆動することにより焦点調節を行う。

図２を参照しながら、撮像素子１の画素配列と画素構造を詳細に説明する。
図２（ａ）の部分平面図においては、紙面の左右方向をｘ、上下方向をｙで表し、ｘ軸と４５°をなす方向をＤ１、ｘ軸と１３５°をなす方向、すなわち、Ｄ１方向に直交する方向をＤ２で表す。ｘ方向は被写界の水平方向、ｙ方向は被写界の垂直方向に対応する。

図２（ａ）に示されるように、撮像素子１の撮像面には、赤色の画像信号Ｒを生成する撮像用画素１０Ｒと、緑色の画像信号Ｇを生成する撮像用画素１０Ｇと、青色の画像信号Ｂを生成する撮像用画素１０Ｂと、図中、画素の右半分に受光開口Ｗ１１を有し、撮影レンズ２の射出瞳の左側の光束による焦点検出信号Ｆ１を生成する第１の焦点検出用画素１１と、左半分に受光開口Ｗ１２を有し、撮影レンズ２の射出瞳の右側の光束による焦点検出信号Ｆ２を生成する第２の焦点検出用画素１２とが規則的に２次元配列されている。

赤色の撮像用画素１０Ｒと緑色の撮像用画素１０Ｇと青色の撮像用画素１０Ｂと第１及び第２の焦点検出用画素１１、１２は、いずれもほぼ正方形状を成しており、互いにその大きさがほぼ等しく定められている。各画素がほぼ正方形状であるため、図２（ａ）に示す２次元配列は、Ｄ１方向、Ｄ２方向について稠密正方格子状の配列を成すものである。換言すれば、各画素の対角線の一方がｘ軸に平行、且つ他方がｙ軸に平行に配置された「斜め配列」となっており、これが本発明の大きな特徴である。

図２（ａ）の画素配列を詳述すると、焦点検出用画素１１と１２とがｘ方向に沿った同一行に交互に配列している。この焦点検出用画素列の下側の行に、赤色の撮像用画素１０Ｒと青色の撮像用画素１０Ｂとが交互に配列しており、さらにその下側の行に、緑色の撮像用画素１０Ｇが交互に配列しており、さらにその下側の行に、赤色の撮像用画素１０Ｒと青色の撮像用画素１０Ｂとが交互に配列している。焦点検出用画素列の上側の行についても撮像用画素列は同様に配列されている。その結果、撮像用画素１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂはベイヤー配列を形成している。

図２（ｂ）は図２（ａ）のＩ−Ｉ線に沿った断面図であり、被写体光は上から下へ進む。
図２（ｂ）において、第１の焦点検出用画素１１は、被写体光の進路に沿って、マイクロレンズ１３と無色の透明フィルター１４と配線層１５ａ、１５ｂと受光開口Ｗ１１が形成された遮光層１６とフォトダイオード１７とが積層配置されている。フォトダイオード１７は、分離層１８によって電気的に絶縁されている。透明フィルター１４は、入射光の赤、緑及び青の波長の全ての光を透過するため、フォトダイオード１７は、受光開口Ｗ１１を介して受光したすべてのカラー成分の光を光電変換して焦点検出信号Ｆ１を出力する。

第２の焦点検出用画素１２の画素構造も同様に、被写体光の進路に沿って、マイクロレンズ１３と無色の透明フィルター１４と配線層１５ａ、１５ｂと受光開口Ｗ１２が形成された遮光層１６とフォトダイオード１７とが積層配置されている。このフォトダイオード１７は、分離層１８によって電気的に絶縁されており、受光開口Ｗ１２を介して受光したすべてのカラー成分の光を光電変換して焦点検出信号Ｆ２を出力する。

受光開口Ｗ１１と受光開口Ｗ１２は、同一の矩形形状、同一寸法であり、ｙ軸に平行な対角線Ｔ２に関して対称的に設けられている。そして、受光開口Ｗ１１を有する第１の焦点検出用画素１１の列と受光開口Ｗ１２を有する第２の焦点検出用画素１２の列とは、瞳分割方式、即ち位相差検出方式の一対の焦点検出用画素列を構成するものである。
なお、矢印線１１１は受光開口Ｗ１１の幅を示し、矢印線１１２は受光開口Ｗ１２の幅を示すものである。

一方、撮像用画素１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの画素構造も焦点検出用画素１１、１２と基本的には同様であるが、透明フィルター１４の代りにカラーフィルターが用いられている。
例えば、赤色の撮像用画素１０Ｒは、被写体光中の赤のカラー成分の光のみを透過する赤色フィルターが用いられ、フォトダイオードは、赤色の光を光電変換して画像信号Ｒを出力する。同様に、緑色の撮像用画素１０Ｇは、被写体光中の緑のカラー成分の光のみを透過する緑色フィルターが用いられ、フォトダイオードは、緑色の光を光電変換して画像信号Ｇを出力する。青色の撮像用画素１０Ｂは、被写体光中の青のカラー成分の光のみを透過する青色フィルターが用いられ、フォトダイオードは、青色の光を光電変換して画像信号Ｂを出力する。
なお、撮像用画素１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの受光開口の寸法は、互いに略等しく定められている。

図３を参照しながら、焦点検出用画素１１について詳細に説明する。上述したように、図３（ａ）に示す焦点検出用画素１１は、正方形状を呈しており、一方の対角線Ｔ１はｘ軸に平行であり、他方の対角線Ｔ２はｙ軸に平行である。受光開口Ｗ１１は、対角線Ｔ２の右側に開口幅１１１で形成されている。

図３（ｂ）は、比較例としての焦点検出用画素２１を示し、焦点検出用画素２１は、焦点検出用画素１１と同じく正方形状、同一寸法であるが、上下辺はｘ軸に平行であり、左右辺はｙ軸に平行である。矩形の受光開口Ｗ２１は、中心線Ｃの右側に開口幅１２１で形成されている。

ここで焦点検出精度を考えると、被写界の水平方向（ｘ方向）に関しては、焦点検出用画素の受光開口のｘ方向の長さ、すなわち開口幅が広い程、焦点検出精度が高いことが知られている。開口幅が広いということは、水平方向で対をなす焦点検出用画素の各受光領域の重心間距離を大きくすることである。
焦点検出用画素１１の開口幅１１１は、焦点検出用画素２１の開口幅１２１よりも幾何学的に広く形成することができ、開口幅１１１は、開口幅１２１の√２倍（約１．４倍）に広くすることができる。実際には、開口の高さがある程度必要になるため、開口幅１１１は、開口幅１２１の√２倍未満となり、例えば１．２倍とすることができる。つまり、開口幅１１１は、開口幅１２１よりも２０％広くとることができ、その分だけ焦点検出精度が向上する。

この観点から、図３（ａ）に示す本実施の形態による焦点検出用画素１１は、図３（ｂ）に示す焦点検出用画素２１よりも焦点検出精度が向上することが分かる。
なお、撮像用画素１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂについては、図２（ａ）に示すようなｘ軸と４５°をなす斜め配列とした場合であっても、通常の配列（ｘ軸、ｙ軸に沿った配列）と機能上は同等である。

＜動作＞
上記のように構成された撮像素子１を具備するデジタルカメラ１０の撮影動作の一例を図１以下を参照しながら説明する。
カメラの電源が投入されると、撮像素子１が起動される。シャッタレリーズボタンの半押し状態で、画像信号生成部３は、撮像素子１の赤色の撮像用画素１０Ｒ、緑色の撮像用画素１０Ｇ、青色の撮像用画素１０Ｂからの電気信号に基づいて、それぞれ赤色の画像信号Ｒ、緑色の画像信号Ｇ、青色の画像信号Ｂを生成する。これと同時に、焦点検出信号生成部６は、第１及び第２の焦点検出用画素１１、１２からの電気信号に基づいて、それぞれ焦点検出信号Ｆ１、Ｆ２を生成する。画像信号Ｒ、Ｇ、Ｂ及び焦点検出信号Ｆ１、Ｆ２はバッファメモリ９に一時的に記憶される。

画像処理部４は、バッファメモリ９から読み出した画像信号Ｒ、Ｇ、Ｂをベイヤー配列状に合成して合成画像データを作成し、この合成画像データは、スルー画像としてディスプレイ５に表示される。また、画像処理部４は、画像信号Ｒ、Ｇ、Ｂに対して、例えば輪郭強調、ガンマ補正処理、色温度調整（ホワイトバランス調整）処理を施す。

シャッタレリーズボタンの半押し状態で、焦点調節部７は、バッファメモリ９に記憶された焦点検出信号Ｆ１、Ｆ２をそれぞれ読み出し、第１の焦点検出用画素列からの焦点検出信号列と第２の焦点検出用画素列からの焦点検出信号列とから得られる像ズレ量に基づき、デフォーカス量を算出する。

図２に示すように、ｘ軸に対して４５°の斜めに配列され、画素の右半分に受光開口Ｗ１１を有する焦点検出用画素１１と、左半分に受光開口Ｗ１２を有する焦点検出用画素１２との出力信号に基づいて像ズレ量を検出する場合は、被写界の水平方向の焦点調節状態が検出できる。その結果、焦点が調節された画像データが得られる。勿論、焦点検出用画素がｘ軸に対して４５°に斜め配列され、各画素の上半分に受光開口を有する焦点検出用画素と下半分に受光開口を有する焦点検出用画素が交互に複数個づつ配列された焦点検出用画素列からの焦点検出信号列に基づけば、被写界の垂直方向の焦点調節状態が検出できる。

シャッタレリーズボタンの全押しによって撮影が行われると、合成画像データや上述の画像処理が施された処理画像データは、不図示の記録媒体に記録される。これらの画像データは、再生画像としてディスプレイ５に表示される。

撮像素子１の製造では、半導体回路基板上に、フォトダイオード１７と分離層１８が形成され、その上に遮光層１６、配線層１５ａ、１５ｂが順次形成され、その上に透明フィルターと赤色フィルターと緑色フィルターと青色フィルターとが画素単位でパターン状に形成され、最上部にマイクロレンズ１３が形成される。マイクロレンズ１３は、透明樹脂を塗布した後にエッチングと熱処理によって所望の形状に形成される。撮像素子１は、半導体イメージセンサーの製造工程（シリコンプロセスの一つ）により一体に製造することができる。また、フィルターの色と受光開口の寸法、形状を変えるだけで、焦点検出用画素１１、１２、撮像用画素１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの総てを同様の工程で製造することができる。

本実施の形態による撮像素子１、デジタルカメラ１０によれば、以下の作用効果を奏する。
（１）撮像素子１の正方形形状の焦点検出用画素を、各画素の対角線の一方をｘ軸に平行、他方をｙ軸に平行に配置した斜め配列としたので、他方の対角線に関して対称的に設けられる受光開口の幅（ｘ軸方向の長さ）を広くとることができる。従って、デジタルカメラ１０は、被写界の水平方向の焦点検出精度を向上させることができ、その結果、高精度の焦点調節が可能となる。
（２）撮像素子１の焦点検出用画素の画素配列は、通常の画素配列、即ち、上下辺がｘ軸に平行、左右辺がｙ軸に平行となる配列と比べて、４５°の斜め配列のために画素に対する受光開口の配置が異なるだけであるので、通常の画素配列の撮像素子と同等の工程、費用で製造することができる。

以下、本実施の形態による撮像素子１の変形例を挙げる。
（１）上述の実施の形態では、撮像素子１の形状は略正方形であったが、対角線がｘ軸及びｙ軸に平行な菱形形状でもよい。
（２）図３（ａ）に示した焦点検出用画素１１に代えて、図４（ａ）に示す焦点検出用画素３１のように、受光開口Ｗ３１を他方の対角線Ｔ２の右側と左側に同一形状、同一寸法で対称的に２つ形成してもよい。当然に、左右の受光開口の開口幅１３１が等しく形成される。
（３）図３（ａ）に示した焦点検出用画素１１の代りに、図４（ｂ）に示す焦点検出用画素４１の受光開口Ｗ４１のように、矩形の受光開口の右側の２つの角を切り落とした形状、即ち六角形状にすることができる。これにより、開口幅１３１よりも更に拡がった開口幅１４１が得られる。
（４）図２（ａ）に示した焦点検出用画素１１，１２のマイクロレンズ１３は、その縁が正方形状の画素の四辺に内接するように形成したが、図５及び図６に示されるマイクロレンズ１３Ａのように、その縁の４辺を切り落した形状にすることにより、実質的にレンズ開口径を拡げたことになるので、焦点検出精度がより一層向上する。符号Ａは、切り落しによって露出した面を表わす。

上述の実施の形態は、本発明をデジタルカメラに適用したものであったが、ビデオカメラに適用することもできる。
本発明は、その特徴を損なわない限り、以上説明した実施の形態に何ら限定されない。

１：撮像素子２：撮影レンズ
３：画像信号生成部４：画像処理部
５：ディスプレイ６：焦点検出信号生成部
７：焦点調節部８：レンズ駆動モータ
９：バッファメモリ１０：デジタルカメラ
１０Ｒ：赤色の撮像用画素１０Ｂ：青色の撮像用画素
１０Ｇ：緑色の撮像用画素１１：第１の焦点検出用画素
１２：第２の焦点検出用画素

Claims

赤色光を受光する四辺形形状の赤色撮像画素と緑色光を受光する四辺形形状の緑色撮像画素と青色光を受光する四辺形形状の青色撮像画素とが直交する方向に稠密状態にベイヤー配列された複数の撮像画素と、
前記複数の撮像画素の一部の撮像画素を置換して配置され、結像光学系の一対の瞳部分をそれぞれ通過した一対の光束の一方を第１の受光開口を介して受光して焦点検出信号を出力する四辺形形状の第１の焦点検出画素と、前記撮像画素を置換して配置され、前記一対の光束の他方を第２の受光開口を介して受光して焦点検出信号を出力する四辺形形状の第２の焦点検出画素とが交互に配列された焦点検出画素列と、を備え、
前記第１及び第２の焦点検出画素の各々は、その四辺形形状の第1の対角線方向に交互に配列され、
前記第１及び第２の受光開口の各々は、前記第1の対角線方向に伸びた長辺と前記第1の対角線方向に直交する第２の対角線方向に伸びた短辺とを有する長方形形状であることを特徴とする撮像素子。
赤色光を受光する四辺形形状の赤色撮像画素と緑色光を受光する四辺形形状の緑色撮像画素と青色光を受光する四辺形形状の青色撮像画素とが直交する方向に稠密状態にベイヤー配列された複数の撮像画素と、
前記複数の撮像画素の一部の撮像画素を置換して配置され、結像光学系の一対の瞳部分をそれぞれ通過した一対の光束をそれぞれ一対の受光開口を介して受光して一対の焦点検出信号を出力する四辺形形状の焦点検出画素が複数配列された焦点検出画素列と、を備え、
前記焦点検出画素は、その四辺形形状の第１の対角線方向に配列され、
前記一対の受光開口は、前記第１の対角線に直交する第２の対角線を挟んで、対称な位置に配置され、前記第１の対角線方向に伸びた長辺と前記第２の対角線方向に伸びた短辺とを有する長方形形状であ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、
前記第１及び第２の焦点検出画素は、前記緑色撮像画素を置換して配列されることを特徴とする撮像素子。
請求項１または３に記載の撮像素子において、
前記第１及び第２の焦点検出画素は、正方形であり、
前記第１及び第２の焦点検出画素の前記受光開口の前記長辺は、前記正方形の一辺の半分の長さよりも長いことを特徴とする撮像素子。
請求項２に記載の撮像素子において、
前記焦点検出画素は、前記緑色撮像画素を置換して配列されることを特徴とする撮像素子。
請求項２または５に記載の撮像素子において、
前記焦点検出用画素は、正方形であり、
前記焦点検出画素の前記受光開口の前記長辺は、前記正方形の一辺の半分の長さよりも長いことを特徴とする撮像素子。