JP5744599B2 - 撮像素子、および撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、撮像素子および撮像装置に関する。
各画素にマイクロレンズが形成された２次元撮像素子を用いて、撮像レンズの焦点検出を位相差検出方式で行う撮像装置が提案されている。
特許文献１では、複数の画素からなる２次元ＣＭＯＳイメージセンサ（撮像素子）において、複数対の焦点検出用画素を配置した撮像装置が開示されている。１対の焦点検出用画素は、開口部を有する遮光層により、撮像レンズの射出瞳の異なる領域を受光するように構成され、瞳分割を行っている。２次元撮像素子の大部分に配置された撮像画素で撮像信号を取得し、一部に配置された焦点検出用画素の信号から像ずれ量を求めて、焦点検出を行うことができる。
また、特許文献２では、低感度用フォトダイオードと高感度用フォトダイオードを有するＣＣＤ（撮像素子）が開示されている。特許文献２では、低感度用フォトダイオードと高感度用フォトダイオードとで、ソースフォロワ回路（増幅回路）のフローティングディフージョン（電荷蓄積層）の静電容量を異ならせて、信号強度の差を低減している。
特開２０００−１５６８２３号公報 特開２００４−３２０２７０号公報
特許文献１における焦点検出用画素は、撮像レンズの射出瞳を通過した光束の一部を、撮像素子中に形成された遮光層で遮ることで瞳分割を行っている。遮光層は撮像画素には影響しないため、撮像画素の透過率の方が焦点検出用画素の透過率より高く、受光効率が良い。従って、撮像画素と焦点検出用画素の飽和容量に差異が生じてしまう。
この差異に対応するため、撮像画素と焦点検出用画素にそれぞれ形成されるソースフォロワ回路のフローティングディフージョンの静電容量を異ならせることが考えられる。
しかしながら、瞳強度が分布する領域（瞳領域）の重心位置は、焦点検出用画素と撮像画素とで異なる。そのため、焦点検出用画素と撮像画素の受光効率比は一定でなく、撮像光学系の設定変化（絞り値）や、射出瞳距離（射出瞳から結像面までの距離）などに応じて大きく変化する。従って、フローティングディフュージョンの静電容量を画素の種類によって異ならせるだけでは、撮像画素と焦点検出用画素の飽和容量の差異を十分抑制できない。
本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、撮像画素と焦点検出用画素とを有する撮像素子において、撮像画素と焦点検出用画素との飽和容量の差異を抑制することを目的とする。
上述の目的は、第１電荷蓄積層を備え、結像光学系の第１瞳領域を通過する光束を受光する撮像画素と、第２電荷蓄積層を備え、結像光学系の第２瞳領域を通過する光束を受光する焦点検出用画素と、を有し、第１瞳領域は第２瞳領域よりも大きく、かつ、第１瞳領域の重心位置と第２瞳領域の重心位置とが異なるように、開口部を有する遮光層が焦点検出用画素に構成された撮像素子であって、第１電荷蓄積層の静電容量と第２電荷蓄積層の静電容量の比が、結像光学系の絞り値、射出瞳距離の少なくとも一方の変化に応じて変化する、撮像画素の受光効率と焦点検出用画素の受光効率の比の最も１に近い値もしくは平均値に従って決定された値を有することを特徴とする撮像素子によって達成される。
このような構成により、本願発明によれば、撮像画素と焦点検出用画素とを有する撮像素子において、撮像画素と焦点検出用画素との飽和容量の差異を抑制することができる。
本発明の第１の実施形態に係る撮像素子、を用いた撮像装置の一例としてのデジタルスチルカメラの機能構成例を示す図 本発明の第１の実施形態における撮像素子の画素配列の一例を示す図 本発明の第１の実施形態における撮像素子の焦点検出用画素ＳＡの平面図および垂直断面図 本発明の第１の実施形態における撮像素子の焦点検出用画素ＳＢの平面図および垂直断面図 本発明の第１の実施形態における撮像素子の撮像画素の平面図および垂直断面図 本発明の第１の実施形態における撮像素子の画素の概略回路図 本発明の第１の実施形態における撮像素子の焦点検出用画素および撮像画素の垂直断面と、結像光学系の射出瞳面との関係を説明する図 本発明の第１の実施形態における撮像素子の瞳分割の概略と瞳強度分布例とを示す図 焦点検出用画素と撮像画素の受光効率比と、絞り値との関係例を示す図 焦点検出用画素と撮像画素の受光効率比と、絞り値との関係例を示す図 焦点検出用画素と撮像画素の受光効率比と、絞り値との関係例を示す図 焦点検出用画素と撮像画素の受光効率比と、絞り値との関係例を示す図 本発明の第２の実施形態における焦点検出用画素ＳＡの平面図および垂直断面図 本発明の第３の実施形態における撮像素子の画素の概略回路図
以下、図面を参照して、本発明の例示的な実施形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る撮像素子を用いた撮像装置の一例としてのデジタルスチルカメラ１００（以下、単にカメラ１００という）の機能構成例を示す図である。
第１レンズ群１０１は撮像光学系（結像光学系）の先端に配置され、光軸に沿って前後に移動可能に保持される。シャッタ１０２は、静止画撮像時の露光時間を制御するためのシャッタとしてだけでなく、開口径を調節することで撮像時の光量調節を行なう絞りとしても機能する。シャッタ１０２の背面（撮像素子側）に配置された第２レンズ群１０３は、シャッタ１０２と一体となって光軸に沿って前後に可能であり、第１レンズ群１０１とともにズーム機能を実現する。
第３レンズ群１０５はフォーカスレンズであり、光軸に沿って前後に移動可能である。光学ローパスフィルタ１０６は、撮像素子１０７の前方に配置され、撮像画像に発生する偽色やモアレを軽減する。撮像素子１０７は２次元ＣＭＯＳイメージセンサとその周辺回路で構成される。本実施形態において、撮像素子１０７は、横方向にｍ個、縦方向にｎ個の複数の受光素子（画素）が２次元配列され、受光素子にベイヤー配列の原色カラーモザイクフィルタが形成された、２次元単板カラーイメージセンサである。カラーフィルタは受光素子に入射する透過光の波長を画素単位で制限する。
ズームアクチュエータ１１１は、ズーム駆動回路１２９の制御に従い、不図示のカム筒を回動して第１レンズ群１０１と第３レンズ群１０５の少なくとも一方を光軸に沿って駆動して、ズーム（変倍）機能を実現する。シャッタアクチュエータ１１２は、シャッタ駆動回路１２８の制御に従い、シャッタ１０２開口径を制御して撮像光量を調節すると共に、静止画撮像時の露光時間を制御する。
フォーカスアクチュエータ１１４は、フォーカス駆動回路１２６の制御に従い、第３レンズ群１０５を光軸に沿って駆動する。
フラッシュ１１５は、好ましくはキセノン管を用いた閃光照明装置であるが、連続発光するＬＥＤを備えた照明装置であってもよい。ＡＦ補助光出力部１１６は、所定の開口パターンを有するマスクの像を投稿レンズを介して被写界に投影し、低輝度の被写体や低コントラストの被写体に対する焦点検出能力を向上させる。
ＣＰＵ１２１は、カメラ１００全体の動作を制御し、図示しない演算部、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、通信インターフェイス回路等を有する。ＣＰＵ１２１は、ＲＯＭに記憶されたプログラムを実行して、カメラ１００が有する各種回路を制御し、ＡＦ、ＡＥ、画像処理、記録等、カメラ１００の機能を実現する。
フラッシュ制御回路１２２は、撮像動作に同期してフラッシュ１１５を点灯制御する。補助光駆動制御回路１２３は、焦点検出動作時にＡＦ補助光出力部１１６を点灯制御する。撮像素子駆動回路１２４は、撮像素子１０７の動作を制御するとともに、撮像素子１０７から読み出した画像信号をＡ／Ｄ変換してＣＰＵ１２１に出力する。画像処理回路１２５は、画像信号に対してγ変換、色補間、ＪＰＥＧ符号化などの画像処理を適用する。
フォーカス駆動回路１２６は、焦点検出結果に基づいてフォーカスアクチュエータ１１４を駆動することにより第３レンズ群１０５を光軸に沿って移動させ、焦点調節を行なう。シャッタ駆動回路１２８は、シャッタアクチュエータ１１２を駆動してシャッタ１０２の開口径及び開閉タイミングを制御する。ズーム駆動回路１２９は、例えば操作スイッチ群１３２に含まれるズーム操作スイッチの押下によって撮像者から入力されるズーム操作に応じてズームアクチュエータ１１１を駆動する。
表示器１３１はＬＣＤ等であり、カメラ１００の撮像モードに関する情報、撮像前のプレビュー画像と撮像後の確認用画像、焦点検出時の合焦状態の情報等を表示する。操作スイッチ群１３２は、電源スイッチ、レリーズ（撮像トリガ）スイッチ、ズーム操作スイッチ、撮像モード選択スイッチ等を含む。記録媒体１３３は例えば着脱可能な半導体メモリカードであり、撮像画像を記録する。
（撮像素子の画素配列）
図２は、本実施形態における撮像素子１０７の画素配列の一例を、１２列×１２行画素の範囲で示す図である。同様のパターンで画素が撮像素子１０７の撮像画面に配置される。本実施形態では、撮像素子１０７の撮像画面サイズが横２２．３ｍｍ×縦１４．９ｍｍであり、画素ピッチ４μｍ、有効画素数が横５５７５列×縦３７２５行＝約２０００万画素であるものとする。
図２に示すように、撮像素子１０７の画素は、２行×２列の撮像画素群２１０と、２行×２列の焦点検出用画素群２２０から構成される。撮像画素群２１０は、対角２画素に配置された、Ｇ（緑）の分光感度を有する撮像画素２１０Ｇと、他の２画素に１つずつ配置されたＲ（赤）の分光感度を有する撮像画素２１０ＲとＢ（青）の分光感度を有する撮像画素２１０Ｂとからなる。また、焦点検出用画素群２２０は、対角２画素配置された、Ｇの分光感度を有する撮像画素２２０Ｇと、他の２画素に配置された焦点検出用画素２２０ＳＡと焦点検出用画素２２０ＳＢとからなる。後述するように、本実施形態において焦点検出用画素２２０ＳＡと焦点検出用画素２２０ＳＢはＧ（緑）の分光感度を有する。
焦点検出用画素２２０ＳＡを、撮像素子１０７の受光面側（＋ｚ側）から見た平面図を図３（ａ）に、図３（ａ）のａ−ａ断面を−ｙ側から見た断面図を図３（ｂ）に示す。また、焦点検出用画素２２０ＳＢを、撮像素子の受光面側（＋ｚ側）から見た平面図を図４（ａ）に、図４（ａ）のｂ−ｂ断面を−ｙ側から見た断面図を図４（ｂ）に示す。さらに、図２に示した撮像素子の１つの撮像画素２２０Ｇを、撮像素子の受光面側（＋ｚ側）から見た平面図を図５（ａ）に示し、図５（ａ）のｃ−ｃ断面を−ｙ側から見た断面図を図５（ｂ）に示す。なお、便宜上、図３（ｂ）、図４（ｂ）及び図５（ｂ）には、転送ゲート３０４とｎ＋フローティングディフュージョン（ｎ型電荷蓄積層）３０３ａ、３０３ｂ、及び３０３を図示していない。
図３（ｂ）に示すように、焦点検出用画素２２０ＳＡには、ｐ型層３００とｎ型層３０１の間にｎ−イントリンシック層３０２を挟んだｐｉｎ構造のフォトダイオード（光電変換部）ＰＤが形成される。焦点検出用画素２２０ＳＡの光電変換部ＰＤの領域は、図３のｎ−イントリンシック層３０２に形成される空乏層と、その周辺の、少数キャリアの拡散距離だけ拡がった領域であり、概ね、ｎ−イントリンシック層３０２とｎ型層３０１を合わせた領域に等しい。必要に応じて、ｎ−イントリンシック層３０２を省略し、ｐｎ接合フォトダイオードとしても良い。焦点検出用画素２２０ＳＢや撮像画素２２０Ｇ、２１０Ｒ、２１０Ｇ、２１０Ｂでも同様である。
図３（ｂ）、図４（ｂ）及び図５（ｂ）に示すように、本実施形態における各画素の受光側には、入射光を集光するためのマイクロレンズ３０５が形成される。また、光電変換部ＰＤよりマイクロレンズ３０５側に、受光波長を選択して色分離を行うためのカラーフィルタ３０６が形成されている。上述の通り、本実施形態では、焦点検出用画素２２０ＳＡ、焦点検出用画素２２０ＳＢ、撮像画素２２０Ｇには、Ｇカラーフィルタが形成される。同様に、撮像画素２１０ＲではＲカラーフィルタ、撮像画素２１０ＧではＧカラーフィルタ、撮像画素２１０ＢではＢカラーフィルタが形成される。必要に応じて、他の色のカラーフィルタを形成しても良い。また、カラーフィルタを形成せず、Ｗ（白）画素としても良い。
図３に示した焦点検出用画素２２０ＳＡでは、瞳分割のために、マイクロレンズ３０５と光電変換部ＰＤとの間に、開口部３１０ａ’を有する遮光層３１０ａが形成される。光電変換部ＰＤの受光面の重心に対して、遮光層３１０ａの開口部３１０ａ’の重心が−ｘ方向に偏心して構成される。図３（ａ）に破線で遮光層３１０ａの開口部３１０ａ’を示す。
一方、図４の焦点検出用画素２２０ＳＢでは、瞳分割のために、マイクロレンズ３０５と光電変換部ＰＤとの間に、開口部３１０ｂ’を有する遮光層３１０ｂが形成される。そして、光電変換部の受光面の重心に対して、遮光層３１０ｂの開口部３１０ｂ’の重心が＋ｘ方向に偏心して構成される。図４（ａ）に破線で遮光層３１０ｂの開口部３１０ｂ’を示す。
なお、第１の実施形態では、開口部３１０ａ’、３１０ｂ’を有する遮光層３１０ａ、３１０ｂが配線層を兼ねているが、配線層と遮光層を別々に形成しても良い。
また、図３（ａ）及び図４（ａ）に示すように、焦点検出用画素２２０ＳＡと焦点検出用画素２２０ＳＢでは、それぞれ、第２電荷蓄積層であるｎ型電荷蓄積層３０３ａと３０３ｂが、転送ゲート３０４を介して、光電変換部ＰＤと接続されている。同様に、図５（ａ）に示すように、撮像画素２２０Ｇでは、光電変換部ＰＤは転送ゲート３０４を介して、第１電荷蓄積層であるｎ型電荷蓄積層３０３と接続されている。
図５に示した撮像画素２２０Ｇに入射した光は、マイクロレンズ３０５により集光され、光電変換部ＰＤで受光される。光電変換部ＰＤでは、受光量に応じて電子とホールが対生成し、空乏層で分離された後、負電荷の電子はｎ型層３０１に蓄積され、一方、正電荷のホールは定電圧源（不図示）に接続されたｐ型層３００を通じて撮像素子外部へ排出される。
一方、図３、図４に示した焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢに入射した光は、マイクロレンズ３０５により集光され、集光された光の一部が、遮光層３１０ａ、３１０ｂの開口部を通過し、光電変換部ＰＤで受光される。したがって、撮像画素２２０Ｇの光透過率の方が焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢの光透過率より高く、すなわち受光効率が良い。
よって、カラーフィルタの分光透過率が同一で、等しい光量が入射する場合、撮像画素２２０Ｇで生成される電荷ＱＩＭＧの方が、焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢで生成される電荷ＱＡＦよりも多い。
各画素の蓄積動作制御について説明する。図５に示した撮像画素２２０Ｇの概略回路図を図６に示す。図６で図５と同じ構成要素には同じ参照数字を付してある。３００はｐ型層、３０１はｎ型層、３０２はｎ−イントリンシック層、３０３はｎ型電荷蓄積層、３０４は転送ゲート、ＴｓｆはソースフォロワＭＯＳトランジスタである。また、Ｖｄｄ、Ｖｓｓ（Ｖｄｄ＞Ｖｓｓ）は電源電圧であり、φＴは転送ゲート電圧、φＲはリセットゲート電圧、φＳは画素の選択ゲート電圧、φＬはライン選択ゲート電圧である。
まず、各画素の光電変換部ＰＤをリセットするために、全行の転送ゲート電圧φＴとリセットゲート電圧φＲを同時にＯＮにする。転送ゲート電圧φＴとリセットゲート電圧φＲを同時にＯＦＦした瞬間から、蓄積動作が始まり、光電変換部ＰＤの受光量に応じてｎ型層３０１に電荷が蓄積される。所望の時間だけ蓄積を行った後、全行の転送ゲート電圧φＴをＯＮにし、再びＯＦＦにすることで、各画素の信号電荷が、一斉に、各画素のｎ型層３０１からｎ型電荷蓄積層３０３に転送される。次に、行ごとに選択ゲート電圧φＳｐをＯＮ／ＯＦＦさせることにより、ｎ型電荷蓄積層３０３に転送された信号電荷が行ごとに順次読み出される。また、ライン選択ゲート電圧φＬｎのＯＮ／ＯＦＦにより、読み出す列を順次選択してすることができる。焦点検出用画素２２０ＳＡ，２２０ＳＢの蓄積動作制御は、上述の説明におけるｎ型電荷蓄積層３０３をそれぞれ３０３ａ，３０３ｂと読み替えればよい。
撮像画素２２０Ｇのｎ型層３０１に蓄積された電荷ＱＩＭＧは、転送ゲート３０４の制御により、ｎ型電荷蓄積層３０３に転送され、ソースフォロワ回路により増幅され、電圧信号ＶＩＭＧに変換される。同様に、焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢのｎ型層３０１に蓄積された電荷ＱＡＦは、転送ゲート３０４の制御により、ｎ型電荷蓄積層３０３ａ、３０３ｂに転送され、ソースフォロワ回路により増幅され、電圧信号ＶＡＦに変換される。
図７を参照して、画素の遮光層３１０ａ（３１０ｂ）の開口部３１０ａ’（３１０ｂ’）と、瞳分割との対応関係について説明する。図７（ａ）及び図７（ｂ）は、それぞれ図３（ｂ）及び図４（ｂ）焦点検出用画素２２０ＳＡ及び２２０ＳＢの断面図と、結像光学系の射出瞳面との関係を示している。また、撮像画素２２０Ｇの垂直断面図と、結像光学系の射出瞳面との関係を図７（ｃ）に示す。なお、図７では、射出瞳面の座標軸との対応を取るため、断面図のｘ軸とｙ軸を図３、図４、図５と反転させている。
図７の射出瞳面には、結像光学系の射出瞳４００、撮像画素２２０Ｇの瞳強度分布範囲５００、焦点検出用画素２２０ＳＡの瞳強度分布範囲５１１、焦点検出用画素２２０ＳＢの瞳強度分布範囲５２１を示している。
被写体からの光束は、結像光学系の射出瞳４００を通過してそれぞれの画素に入射する。
図７（ｃ）で、撮像画素２２０Ｇの瞳強度分布範囲５００は、光電変換部ＰＤの受光面と、マイクロレンズによって概ね共役関係になっており、撮像画素２２０Ｇで受光可能な瞳領域（第１瞳領域）を表している。瞳距離が数１０ｍｍであるのに対し、マイクロレンズの直径は数μｍである。そのため、マイクロレンズの絞り値が数万となり、数１０ｍｍレベルの回折ボケが生じる。よって、光電変換部ＰＤの受光面の像は、明瞭な領域とならずに、受光率分布範囲となる。
撮像画素２２０Ｇの瞳強度分布範囲５００は、射出瞳４００を通過した光束をより多く受光できるように、受光領域を可能な限り大きくし、また、撮像画素２２０Ｇの瞳強度分布範囲５００の重心が、光軸と概ね一致するように構成されている。
図７（ａ）で、焦点検出用画素２２０ＳＡの瞳強度分布範囲５１１は、遮光層３１０ａの重心が−ｘ方向に偏心している開口部と、マイクロレンズによって概ね共役関係になっており、焦点検出用画素２２０ＳＡで受光可能な瞳領域を表している。焦点検出用画素２２０ＳＡの瞳強度分布範囲５１１は、撮像画素２２０Ｇの瞳強度分布範囲５００よりも受光領域が狭く、射出瞳面上で＋Ｘ側に重心が偏心している。
一方、図７（ｂ）で、焦点検出用画素２２０ＳＢの瞳強度分布範囲５２１は、遮光層３１０ｂの重心が＋ｘ方向に偏心している開口部と、マイクロレンズによって概ね共役関係になっており、焦点検出用画素２２０ＳＢで受光可能な瞳領域を表している。焦点検出用画素２２０ＳＢの瞳強度分布範囲５２１は、撮像画素２２０Ｇの瞳強度分布範囲５００よりも受光領域が狭く、焦点検出用画素２２０ＳＡとは反対に、瞳面上でーＸ側に重心が偏心している。焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢに対応する結像光学系の瞳領域をまとめて第２瞳領域とよぶ。
図８（ａ）に、焦点検出用画素２２０ＳＡの瞳強度分布範囲５１１、焦点検出用画素２２０ＳＢの瞳強度分布範囲５２１、撮像画素２２０Ｇの瞳強度分布範囲５００の関係を示す。また、図８（ｂ）に、射出瞳面のＸ軸に沿った瞳強度分布範囲の例を、焦点検出用画素２２０ＳＡについて破線で、焦点検出用画素２２０ＳＢについて一点鎖線で、撮像素子について実線でそれぞれ示す。焦点検出用画素２２０ＳＡの瞳強度分布範囲と焦点検出用画素２２０ＳＢの瞳強度分布範囲は、それぞれ、射出瞳をＸ軸方向に分割していることがわかる。同様にして、遮光層３１０ａ（３１０ｂ）の開口部の重心をｙ軸方向に偏心させると、射出瞳をＹ軸方向に分割することができる。
図２に示したように、焦点検出用画素２２０ＳＡをｘ軸方向に規則的に配列し、これら焦点検出用画素２２０ＳＡ群から取得した被写体像をＡ像とする。同様に、焦点検出用画素２２０ＳＢをｘ軸方向に規則的に配列し、これら焦点検出用画素２２０ＳＢ群から取得した被写体像をＢ像とする。Ａ像とＢ像の像ずれ量（相対位置）を検出することで、ｘ軸方向に輝度分布を有する被写体像のデフォーカス量（合焦ずれ量）を検出することができる。
図７（ａ）の焦点検出用画素２２０ＳＡの結像光学系の射出瞳４００より内側の瞳強度分布範囲５１１の重心をＣＡとし、図７（ｂ）の焦点検出用画素２２０ＳＢの結像光学系の射出瞳４００より内側の瞳強度分布範囲５２１の重心をＣＢとする。基線長は、２つの重心間隔ＣＡ―ＣＢで定義される。基線長の絶対値が大きいほど、デフォーカス量に対するＡ像とＢ像の像ずれ量が大きくなり、焦点検出精度が向上する。
［ｎ型電荷蓄積層の静電容量の決定方法］
第１の実施形態では、焦点検出用画素２２０ＳＡ、焦点検出用画素２２０ＳＢにも撮像画素２２０Ｇと同じＧカラーフィルタが形成されており、カラーフィルタの分光透過率に差はない。そして、撮像画素２２０Ｇの瞳領域の方が、焦点検出用画素２２０ＳＡ，２２０ＳＢの瞳領域より大きい。従って、等しい光量が入射する場合、撮像画素２２０Ｇで生成される電荷ＱＩＭＧの方が、焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢで生成される電荷ＱＡＦよりも多い。
ここで、撮像画素２２０Ｇのｎ型電荷蓄積層３０３の静電容量ＣＩＭＧと、焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢのｎ型電荷蓄積層３０３ａ，３０３ｂの静電容量ＣＡＦが同じとする。この場合、撮像画素２２０Ｇのｎ型電荷蓄積層３０３の方が早く飽和することになり、撮像画素２２０Ｇと焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢの飽和容量に差異が生じてしまう。
撮像画素と焦点検出用画素の飽和容量を同一にするための条件は、以下の式（１）となる。
Figure 0005744599
式（１）から、撮像画素２２０Ｇの受光効率をηＩＭＧ、焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢの受光効率をηＡＦとして、以下の式（２）の関係式が得られる。よって、撮像画素２２０Ｇと焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢの飽和容量の差異を抑制するためには、
（ａ） 焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢのｎ型電荷蓄積層３０３ａ，３０３ｂの静電容量を撮像画素２２０Ｇのｎ型電荷蓄積層３０３の静電容量で割った静電容量比ＱＩＭＧ／ＱＩＭＧ
（ｂ） 焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢの受光効率を撮像画素２２０Ｇの受光効率で割った受光効率比ηＡＦ／ηＩＭＧ
が、概ね等しくなるように構成すれば良い。
Figure 0005744599
したがって、本実施形態では、撮像画素２２０Ｇのｎ型電荷蓄積層３０３の静電容量ＣＩＭＧと、焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢのｎ型電荷蓄積層３０３ａ、３０３ｂの静電容量ＣＡＦとを異ならせる。これにより、撮像画素２２０Ｇと焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢの飽和容量の差異を抑制することができる。
具体的には、第１の実施形態では、撮像画素２２０Ｇのｎ型電荷蓄積層３０３の静電容量ＣＩＭＧが、焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢのｎ型電荷蓄積層３０３ａ、３０３ｂの静電容量ＣＡＦより大きくなるように構成される。
しかしながら、第１の実施形態では、位相差方式の焦点検出を行うために、撮像画素２２０Ｇの瞳強度分布領域（瞳領域）の重心位置が、焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢの瞳領域の重心位置と異なっている。そして、瞳領域の重心位置が異なることにより起因して、結像光学系の絞り値Ｆや射出瞳距離、像高の変化に伴い、焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢと撮像画素２２０Ｇとの受光効率比ηＡＦ／ηＩＭＧが大きく変化してしまう。
センサ中央からの像高が５ｍｍ近傍での、絞り値Ｆと、焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢと撮像画素２２０Ｇの受光効率比ηＡＦ／ηＩＭＧとの関係の具体例を図９から図１１に示す。横軸は絞り値Ｆ、縦軸は受光効率比ηＡＦ／ηＩＭＧであり、焦点検出用画素２２０ＳＡ（Ａ像の焦点検出用画素）と撮像画素２２０Ｇの受光効率比を実線で、焦点検出用画素２２０ＳＢ（Ｂ像の焦点検出用画素）と撮像画素２２０Ｇの受光効率比を破線で示す。図９は結像光学系の射出瞳距離が５０ｍｍの場合、図１０は結像光学系の射出瞳距離が１００ｍｍの場合、図１１は結像光学系の射出瞳距離が２００ｍｍの場合である。
図９から、絞り値Ｆの変化に対して、焦点検出用画素２２０ＳＢと撮像画素２２０Ｇの受光効率比が、約０．３から約０．８まで大きく変化することがわかる。さらに、図９から図１１より、結像光学系の射出瞳距離の変化に対して、焦点検出用画素２２０ＳＢと撮像画素２２０Ｇの受光効率比が約０．２から約０．８の範囲で大きく変化することがわかる。さらに、図９と図１１から、射出瞳距離の大小によって、焦点検出用画素２２０ＳＡと撮像画素２２０Ｇの受光効率比と、焦点検出用画素２２０ＳＢと撮像画素２２０Ｇの受光効率比とで、絞り値Ｆに対する変化の傾向が逆転することがわかる。
焦点検出用画素２２０ＳＡ／２２０ＳＢと撮像画素２２０Ｇとの受光効率比が、最も０に近い値（最小値）を基準にして、ｎ型電荷蓄積層３０３と、ｎ型電荷蓄積層３０３ａ，３０３ｂとの静電容量の比を、上述の式（２）に従って決定することを考える。この場合、結像光学系の絞り値Ｆや射出瞳距離の変化に伴い受光効率比が増加すると、撮像画素２２０Ｇより焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢの方が早く飽和してしまう過補正が生じる。過補正が大きい場合、撮像画素２２０Ｇと焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢの飽和容量の差異がより大きくなってしまう可能性がある。
したがって、結像光学系の絞り値Ｆと、射出瞳距離の予め定めた範囲内における焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢと撮像画素２２０Ｇとの受光効率比のうち、最も１に近い値（最大値）を求める。そして、この受光効率比と式（２）に従って、ｎ型電荷蓄積層３０３の静電容量ＣＩＭＧと、ｎ型電荷蓄積層３０３ａ，３０３ｂの静電容量ＣＡＦの比を決定する。これにより、受光効率比が変化した場合の飽和容量の過補正を回避することができる。
次に、結像光学系の射出瞳距離が２００ｍｍの場合の、センサ中央からの像高が１０ｍｍ近傍での、焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢと撮像画素２２０Ｇの受光効率比と絞り値との関係の具体例を図１２に示す。横軸は絞り値、縦軸は受光効率比であり、焦点検出用画素２２０ＳＡ（Ａ像の焦点検出用画素）と撮像画素２２０Ｇの受光効率比を実線で、焦点検出用画素２２０ＳＢ（Ｂ像の焦点検出用画素）と撮像画素２２０Ｇの受光効率比を破線で示す。よって、図１１と図１２とから、センサ像高のみが変化した場合の比較が可能である。
図１１と図１２の比較からわかるように、センサ像高の変化によっても、焦点検出用画素と撮像画素の受光効率比ηＡＦ／ηＩＭＧが大きく変化する。
結像光学系の予定結像面のセンサ像高に応じて、ｎ型電荷蓄積層３０３の静電容量ＣＩＭＧと、ｎ型電荷蓄積層３０３ａ，３０３ｂの静電容量ＣＡＦの比を決定することで、像高による受光効率比の変化にも対応できる。具体的には、センサ像高ごとに、絞り値と射出瞳距離とを予め定めた範囲内で変化させた場合の受光効率比のうち、最も１に近いものに従って、静電容量比を決定すればよい。センサ像高についてどの程度の間隔で静電容量比を変化させるかは、適宜定めることができる。等間隔であってもよいし、像高の大きさによって間隔を変えてもよい。
静電容量比から、具体的な容量の値を決定する方法に制限はない。ただし、焦点検出用画素のｎ型電荷蓄積層３０３ａ、３０３ｂの静電容量を小さくし、感度を上げることで、低照度領域での焦点検出用画素のＳ／Ｎを改善し、焦点検出精度を向上させることができる。
以上説明したように、本実施形態によれば、撮像画素の電荷蓄積層の静電容量と、焦点検出用画素の電荷蓄積層の静電容量の比を、少なくとも絞り値と射出瞳距離の変化による受光効率比の変化を考慮して決定する。これにより、撮像画素と焦点検出用画素の受光効率の差による飽和容量の差を良好に抑制することができる。
さらに、この静電容量の比を、像高に応じて決定することで、より精度のよい抑制効果が得られる。
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、図２の焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢにも撮像画素２２０Ｇと同様にＧカラーフィルタを形成した。これに対し、第２の実施形態では、焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢにはカラーフィルタを形成せずにＷ（白）画素とする。
第２の実施形態での焦点検出用画素２２０ＳＡを、撮像素子の受光面側（＋ｚ側）から見た平面図を図１３（ａ）に示し、図１３（ａ）のａ−ａ断面を−ｙ側から見た断面図を図１３（ｂ）に示す。本実施形態の焦点検出用画素２２０ＳＡでは、カラーフィルタが形成されないため、受光効率を向上することができる。なお、焦点検出用画素２２０ＳＢの構造も、遮光層３１０ａの開口位置が異なることを除き、焦点検出用画素２２０ＳＡと同様である。
本実施形態では、撮像画素２２０ＧにはＧカラーフィルタが形成される一方、焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢにはカラーフィルタは形成されない。そのため、焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢの方が光透過率が良い。そのため、瞳領域は撮像画素２２０Ｇの方が大きいが、同じ入射光量に対して生成される電荷量は焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢの方が多くなることがある。
したがって、本実施形態では、撮像画素２２０Ｇのｎ型電荷蓄積層３０３の静電容量ＣＩＭＧが、焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢのｎ型電荷蓄積層３０３ａ、３０３ｂの静電容量ＣＡＦより小さくなるように構成される。
本実施形態では、結像光学系の絞り値Ｆや射出瞳距離の変化に伴い、焦点検出用画素と撮像画素の受光効率比が１以上にも１以下にもなる。よって、第１の実施形態における最も１に近い受光効率比に換えて、焦点検出用画素と撮像画素の受光効率比の平均値を用いることができる。この点を除き、第１の実施形態と同様にして静電容量比ＣＡＦ／ＣＩＭＧを決定することができる。
本実施形態によれば、第１の実施形態の効果に加え、焦点検出用画素の受光効率が高くなるため、焦点検出用画素のＳ／Ｎが向上し、結果として焦点検出精度を向上させることができる。
（第３の実施形態）
第３の実施形態に係る撮像画素２２０Ｇの概略回路図を図１４に示す。図１４において、図６と同じ構成要素には同じ参照数字を付し、重複する説明は省略する。本実施形態の撮像画素２２０Ｇは、ｎ型電荷蓄積層３０３が、静電容量調整ゲート３０８を介して、付加的なｎ型電荷蓄積層３０７と接続されていることを特徴とする。
そのため、本実施形態のソースフォロワ回路の実効的な電荷蓄積層は、ｎ型電荷蓄積層３０３と付加的なｎ型電荷蓄積層３０７（付加的電荷蓄積層）を合成したものとなる。静電容量調整ゲート電圧φＦをＯＦＦにするとｎ型電荷蓄積層３０３のみが有効となるため電荷蓄積層全体の合成静電容量が小さくなる。一方、静電容量調整ゲート電圧φＦをＯＮにすると、ｎ型電荷蓄積層３０７も有効となるため、電荷蓄積層の合成静電容量が大きくなる。
図１４に示した画素の構成は、同様に、焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢにも適用可能である。この場合、ｎ型電荷蓄積層３０３がｎ型電荷蓄積層３０３ａ、３０３ｂとなる。
このように、本実施形態の撮像画素２２０Ｇ、焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢは、ｎ型電荷蓄積層が、複数のｎ型電荷蓄積層３０３／３０３ａ／３０３ｂ及び３０７と、静電容量を可変させるゲート電極（静電容量調整ゲート３０８）から構成される。そして、この構成により、ｎ型電荷蓄積層の静電容量を可変としたことを特徴とする。
なお、小画素化に対応する観点から、焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢの光電変換部の受光面積を、撮像画素２２０Ｇの光電変換部の受光面積より小さくし、焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢだけに図１４の構成を適用することができる。つまり、撮像画素２２０Ｇには静電容量調整ゲート電極３０８とｎ型電荷蓄積層３０７を形成しない（あるいは、付加的電荷蓄積層であるｎ型電荷蓄積層３０７を有効にしない）。
第１及び第２の実施形態では、撮像画素２２０Ｇと焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢとの電荷蓄積層の静電容量比を動的に変更することはできなかったが、本実施形態ではそれが可能となる。
そのため、第１及び第２の実施形態において決定する静電容量比を、絞り値Ｆ、射出瞳距離、像高のいずれか、例えば絞り値Ｆに関して、静電容量調整ゲート電極３０８の制御によって実現可能な静電容量比の組み合わせ数に等しい種類、決定する。そして、決定した静電容量比を実現できるようにｎ型電荷蓄積層３０３、３０７それぞれの静電容量を決定し、図示しない制御回路により、絞り値Ｆの値に応じて静電容量調整ゲート電極３０８を制御する。
例えば、焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢのみに図１４の構成を適用した場合、実現可能な静電容量比ＣＡＦ／ＣＩＭＧは２通りである。第１の実施形態の方法を用いる場合、絞り値Ｆの可変範囲において、２通りの静電容量比を決定する。例えば、絞り値の第１の範囲と、第２の範囲のそれぞれにおいて最も１に近い受光効率比から、２通りの静電容量比を決定し、個々の静電容量比が実現できるように具体的なｎ型電荷蓄積層３０３、３０７の静電容量値を決定する。そして、実使用時の絞り値に応じて、静電容量調整ゲート電極３０８をＯＮ／ＯＦＦすることで、絞り値に応じた撮像画素２２０Ｇと焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢとの静電容量比を実現することができる。絞り値Ｆの代わりに射出瞳距離に応じて静電容量比を可変してもよい。
なお、像高に応じて静電容量比を変える場合も、像高ごとに上述の方法で複数種の静電容量比を決定すればよい。
ここでは、説明及び理解を容易にするため、静電容量調整ゲート電極３０８および付加的なｎ型電荷蓄積層３０７を１つずつ設けた例のみを説明したが、理論的にはそれぞれを２つ以上設け、よりきめ細かい制御が可能であることは容易に理解されよう。また、撮像画素２２０Ｇにおいても静電容量値を可変とし、より多くの静電容量比の組み合わせを実現することも可能である。
また、本実施形態において、焦点検出用画素２２０ＳＡ、２２０ＳＢにカラーフィルタを設けるかどうかは任意である。カラーフィルタを設けない場合には、第２の実施形態に記載した方法で静電容量比を決定すればよい。
このように、本実施形態によれば、電荷蓄積層の容量を動的に可変可能とすることにより、第１又は第２の実施形態の効果に加え、撮像時の状況に応じて、撮像画素と焦点検出用画素の受光効率の差による飽和容量の差を一層良好に抑制することができる。

Claims (5)

  1. 第１電荷蓄積層を備え、結像光学系の第１瞳領域を通過する光束を受光する撮像画素と、
    第２電荷蓄積層を備え、前記結像光学系の第２瞳領域を通過する光束を受光する焦点検出用画素と、を有し、
    前記第１瞳領域は前記第２瞳領域よりも大きく、かつ、前記第１瞳領域の重心位置と前記第２瞳領域の重心位置とが異なるように、開口部を有する遮光層が前記焦点検出用画素に構成された撮像素子であって、
    前記第１電荷蓄積層の静電容量と前記第２電荷蓄積層の静電容量の比が、前記結像光学系の絞り値、射出瞳距離の少なくとも一方の変化に応じて変化する、前記撮像画素の受光効率と前記焦点検出用画素の受光効率の比の最も１に近い値もしくは平均値に従って決定された値を有することを特徴とする撮像素子。
  2. さらに、前記第１電荷蓄積層の静電容量と前記第２電荷蓄積層の静電容量の比が、前記撮像素子の像高に応じて決定されることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
  3. 前記第１電荷蓄積層の静電容量が、前記第２電荷蓄積層の静電容量より大きいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の撮像素子。
  4. 前記第２電荷蓄積層が、複数の電荷蓄積層と、前記複数の電荷蓄積層の合成静電容量を調整する１つ以上のゲート電極から構成され、
    前記第１電荷蓄積層の静電容量と前記第２電荷蓄積層の静電容量の比が、前記結像光学系の絞り値、射出瞳距離の一方の可変範囲において、前記ゲート電極の制御によって実現可能な前記第１電荷蓄積層の静電容量と前記第２電荷蓄積層の静電容量の比の組み合わせ数に等しい種類の値を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の撮像素子。
  5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の撮像素子を備えたことを特徴とする撮像装置。
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