JP6120508B2

JP6120508B2 - 撮像素子および撮像装置

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Description

本発明は、デジタルカメラ等の撮像装置に用いられる撮像素子に関し、特に撮影光学系の射出瞳のうち複数の領域からの光束をそれぞれ光電変換するのに好適な撮像素子に関する。

上記のような撮像素子を用いた撮像装置として、特許文献１には、１つの画素に対して１つのマイクロレンズと複数に分割された光電変換部とを設けた２次元撮像素子を用いた撮像装置が開示されている。分割された光電変換部は、１つのマイクロレンズを介して撮影光学系の射出瞳のうち互いに異なる複数の領域（以下、瞳部分領域という）からの光を受光する、すなわち瞳分割を行う。そして、分割された光電変換部での光電変換により得られた電気信号を用いることで、複数の瞳部分領域に応じた複数の視差画像を生成することができる。

生成された複数の視差画像は、光強度の空間分布および角度分布情報であるＬｉｇｈｔＦｉｅｌｄ（ＬＦ）データと等価である。非特許文献１には、取得されたＬＦデータを用いて、撮像面とは異なる仮想結像面における画像を再構成することにより、撮影画像とは異なる合焦位置に対応した画像を生成するリフォーカス技術が提案されている。

また、特許文献２には、撮像素子の各画素において分割された光電変換部からの電気信号を全て加算することにより、１つの撮影画像を生成する撮像装置が開示されている。

米国特許第４４１０８０４号明細書特開２００１−０８３４０７号公報号公報

Stanford Tech Report CTSR 2005-02,1(2005)

上記のような撮像素子において、分割された光電変換部の間にこれらを分離して配置するために形成される分離帯では、光電変換部と比較して受光感度が低下する場合がある。このような分離帯は、各画素の瞳強度分布（受光率の入射角分布）に、分離帯の形状（光電変換部の分離形状）に応じた低感度領域を形成し、この結果、撮影画像に不自然なぼけを生じさせるおそれがある。

本発明は、各画素において複数の光電変換部を分離配置することで瞳強度分布に生じる低感度領域の影響を抑制できるようにした撮像素子およびこれを備えた撮像装置を提供する。

本発明の一側面としての撮像素子は、複数の画素を有し、複数の画素の各々の画素は、受光した光を集光するためのマイクロレンズと、分離帯を間に挟んで互いに分離され、マイクロレンズを通過した集光された光束を光電変換する複数の光電変換部とを有する。該複数の光電変換部は、撮影光学系の異なる射出瞳を通過した複数の光束を該マイクロレンズによって共役に対応する光電変換部において光電変換する場合に、マイクロレンズは、光軸方向における分離帯上のレンズ部がレンズ部に入射する光束に対して負のパワーを持つことを特徴とする。

また、本発明の他の一側面としての撮像素子は、複数の画素を有し、複数の画素の各々の画素は、受光した光を集光するためのマイクロレンズと、分離帯を間に挟んで互いに分離され、マイクロレンズを通過した集光された光束を光電変換する複数の光電変換部とを有する。該複数の光電変換部は、撮影光学系の異なる射出瞳を通過した複数の光束を該マイクロレンズによって共役に対応する光電変換部において光電変換する場合に、マイクロレンズは、光軸方向における分離帯上のレンズ部がレンズ部に入射する光束に対して発散させる作用を有することを特徴とする。

さらに、本発明の他の一側面としての撮像素子は、複数の画素を有し、複数の画素の各々の画素は、受光した光を集光するためのマイクロレンズと、分離帯を間に挟んで互いに分離され、マイクロレンズを通過した集光された光束を光電変換する複数の光電変換部とを有する。該複数の光電変換部は、撮影光学系の異なる射出瞳を通過した複数の光束を該マイクロレンズによって共役に対応する光電変換部において光電変換する場合に、マイクロレンズは、画素の中心に対して複数の光電変換部の分離方向に各々が偏心した頂点を有する複数のサブマイクロレンズ部を含むことを特徴する。

なお、上記撮像素子と、撮影光学系とを備えた撮像装置も、本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、撮像素子において複数の光電変換部を分離配置することで瞳強度分布に生じる低感度領域の影響を抑制することができる。このため、低感度領域の影響による不自然なぼけの発生を回避できる撮像素子およびこれを備えた撮像装置を実現することができる。

本発明の実施例１である撮像素子を備えた撮像装置の構成を示すブロック図。実施例１の撮像素子の画素配列を示す図。実施例１の撮像素子の画素の平面図と断面図。比較例の撮像素子の画素と瞳分割の説明図。実施例１の撮像素子における画素構造と光学的に等価な画素構造の説明図。実施例１における瞳分割の説明図。本発明の実施例２である撮像素子における画素の平面図と断面図。本発明の実施例３である撮像素子における画素の平面図と断面図。本発明の実施例４である撮像素子における画素の平面図と断面図。実施例１の撮像素子を用いて行う撮像面位相差ＡＦの原理図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例１である撮像素子を備えたデジタルカメラ（撮像装置）の構成を示している。１０１は撮影光学系（結像光学系）のうち最も物体側に配置され、光軸方向に移動可能な第１レンズ群である。１０２は絞りシャッタユニットであり、その開口径を変化させて光量調節や静止画撮影時の露光秒時制御を行う。１０３は第２レンズ群である。絞りシャッタユニット１０２は、第２レンズ群１０３と一体となって光軸方向に移動する。第１レンズ群１０１と第２レンズ群１０３とが光軸方向に移動することで、変倍（ズーム）が行われる。

１０５はフォーカスレンズとしての第３レンズ群であり、光軸方向に移動して焦点調節を行う。１１１はズームアクチュエータであり、不図示のカム筒を光軸周りで回転させることで、第１レンズ群１０１および第２レンズ群１０３を光軸方向に移動させ、変倍を行わせる。

１１２は絞りシャッタアクチュエータであり、絞りシャッタユニット１０２の絞り羽根を駆動して開口径を変化させたり露光秒時制御のために開閉駆動したりする。１１４はフォーカスアクチュエータであり、第３レンズ群１０５を光軸方向に移動させて焦点調節を行わせる。

１０６は光学的ローパスフィルタであり、撮影画像の偽色やモアレを軽減するための光学素子である。１０７はＣＭＯＳセンサとその周辺回路で構成された本実施例の撮像素子である。撮像素子１０７は、撮影光学系の結像面（又はその近傍）に配置されている。

１１５は電子フラッシュであり、キセノン管やＬＥＤを光源として有する。１１６はＡＦ補助光発光部であり、所定の開口パターンを有したマスクの像を、投光レンズを介して被写体に投影する。これにより、暗い被写体あるいは低コントラストの被写体に対する焦点検出性能を向上させることができる。

１２１はコントローラとしてのカメラＣＰＵであり、カメラの種々の動作の制御を司る。カメラＣＰＵ１２１は、演算部、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータおよび通信インターフェイス回路等を有する。カメラＣＰＵ１２１は、ＲＯＭに記憶されたコンピュータプログラムに従ってカメラ内の各部の動作を制御し、撮影光学系の焦点状態の検出（焦点検出）を含むＡＦ、撮像、画像処理および記録等の一連の撮影動作を実行させる。

１２２は電子フラッシュ制御回路であり、撮影動作に連動した電子フラッシュ１１５の点灯制御を行う。１２３は補助光駆動回路であり、焦点検出動作に連動したＡＦ補助光発光部１１６の点灯制御を行う。１２４は撮像素子駆動回路であり、撮像素子１０７の動作を制御するとともに、該撮像素子１０７から出力された画素信号（撮像信号）をＡ／Ｄ変換してカメラＣＰＵ１２１に送信する。１２５は画像処理回路であり、Ａ／Ｄ変換された撮像信号に対してγ変換やカラー補間等の画像処理を行って画像信号を生成し、さらに画像信号に対してＪＰＥＧ圧縮等の処理を行う。

１２６はフォーカス駆動回路であり、焦点検出結果に基づいてフォーカスアクチュエータ１１４を駆動し、第３レンズ群１０５を光軸方向に移動させて焦点調節を行う。１２８は絞り駆動回路であり、絞りシャッタアクチュエータ１１２を駆動して絞りシャッタユニット１０２を動作させる。１２９はズーム駆動回路で、撮影者の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。

１３１はＬＣＤ等の表示器であり、カメラの撮影モードに関する情報、撮影前のプレビュー画像、撮影後の確認用画像および焦点検出時の合焦状態等を表示する。１３２は操作スイッチ群であり、電源スイッチ、レリーズ（撮影トリガ）スイッチ、ズーム操作スイッチ、撮影モード選択スイッチ等で構成される。１３３は着脱可能なフラッシュメモリであり、撮影済み画像を記録する。

次に、本実施例における撮像素子１０７の画素配列を、図２を用いて説明する。図２には、本実施例の撮像素子１０７である２次元ＣＭＯＳセンサの画素配列を、４行×４列の画素（２００Ｒ，２００Ｇ，２００Ｂ）の範囲で示している。各画素内には、さらに４行×４列（Ｎ_θ×Ｎ_θ）のサブ画素２０１〜２１６が配置されている。すなわち、図２には、１６行×１６列のサブ画素の範囲を示している。実際の撮像素子１０７には、図２に示す４行×４列の画素（１６行×１６列のサブ画素）が縦横に繰り返し配置されている。

これにより、例えば、横３４８０列×縦２３２０の約８００万の画素（横１３９２０列×縦９２８０行の約１２８００万のサブ画素）を含む撮像素子が形成される。なお、この例での画素の配置周期ΔＸは８．０μｍであり、サブ画素の配置周期Δｘが２．０μｍである。

図２に示した４行×４列の画素のうち互いに隣接する２行×２列の画素群２００において、互いに対角位置に配置された２つの画素は、Ｇ（緑）の分光感度を有する画素２００Ｇである。また、他の２画素はＲ（赤）の分光感度を有する画素２００ＲとＢ（青）の分光感度を有する画素２００Ｂである。

図２に示した１つの画素（２００Ｒ，２００Ｇ，２００Ｂ）を、撮像素子１０７の受光面側（＋ｚ側）から見たときの画素構造を図３（ａ）に示し、図３（ａ）中のａ−ａ断面を−ｙ側から見た画素構造を図３（ｂ）に示す。

１つの画素には、受光面側に配置され、入射光を集光するためのマイクロレンズ３５０と、該マイクロレンズ３５０を通過した入射光を光電変換する複数（本実施例では、Ｎ_θ＝４つ）の光電変換部群３０６，３０７，３１０，３１１が設けられている。図３（ａ）に示すように、４つの光電変換部群３０６，３０７，３１０，３１１は、画素の中心を通る十字形状の分離帯Ｓを間に挟んで互いに分離されて配置されている。本実施例にいう４つの光電変換部群３０６，３０７，３１０，３１１が、「分離帯を間に挟んで互いに分離された複数の光電変換部」に相当する。

各光電変換部群は、ｘ方向にＮ_θ／２（＝２）個およびｙ方向にＮ_θ／２（＝２）個の光電変換部を含む。つまり、４つの光電変換部群３０６，３０７，３１０，３１１は、その全体において、ｘ方向にＮ_θ（＝４）個およびｙ方向にＮ_θ（＝４）個の光電変換部３０１〜３１６を含む。光電変換部３０１〜３１６はそれぞれ、サブ画素２０１〜２１６に対応する。

本実施例におけるマイクロレンズ３５０は、Ｎ_θ（＝４）個のサブマイクロレンズ部３５１〜３５４を含む。サブマイクロレンズ部３５１〜３５４はそれぞれ、画素の中心に対して４つ光電変換部群３０６，３０７，３１０，３１１の分離方向（図３（ａ）における右上、右下、左上および左下に向かう斜め４５°の方向）にそれぞれ偏心した頂点を有する。各サブマイクロレンズ部の頂点は、そのサブマイクロレンズ部の光軸が通る点である。そして、各サブマイクロレンズ部は、そのサブマイクロレンズ部に対して縦横にて隣り合う２つのサブマイクロレンズ部と直線状の境界で互いに接触（線接触）した形状に形成されている。図３（ａ）には、破線によって各サブマイクロレンズ部がそれぞれの頂点を中心とした円形に形成されている場合の外形線を示している。

図３（ｂ）の断面方向から見た場合、各サブマイクロレンズ部の頂点は、分離帯Ｓの外縁部に位置する。つまり、図３（ｂ）の一点鎖線上に各サブマイクロレンズ部の頂点が位置する。光電変換部群３１０又は３１１の分離帯Ｓ側の端部の真上に位置している。

但し、図３（ｂ）の断面方向から見た場合、各サブマイクロレンズ部の頂点は、画素中心から偏心して、且つ、分離帯Ｓ内の領域に位置していれば良い。言い方を換えれば各サブマイクロレンズ部の頂点は、画素中心から偏心して、且つ、図３（ｂ）の一点鎖線内の領域内（マイクロレンズの光軸方向において分離帯Ｓに重なる領域）に位置していればよい。

図３（ｂ）の一点鎖線内の領域内（分離帯Ｓ内の領域）の各サブマイクロレンズ部を通過する光束は、レンズ面にて発散作用を受ける。つまり、光電変換部群３１０又は３１１が位置する一点鎖線内の領域外（分離帯Ｓ外の領域）に向う方向に光束は向うことになる。それに対して、図３（ｂ）の一点鎖線内の領域外（分離帯Ｓ外の領域）の各サブマイクロレンズ部を通過する光束は、レンズ面にて集束作用を受ける。

マイクロレンズ３５０は、光軸方向における分離帯Ｓ上のレンズ部がレンズ部に入射する光束に対して発散させる作用を有することになる。すなわち、マイクロレンズ３５０は、光軸方向における分離帯Ｓ上の（分離帯Ｓに重なる）レンズ部がレンズ部に入射する光束に対して負のパワーを持つこととなる。

図３（ａ），（ｂ）に示した本実施例の画素構造においても、画素の中央部では光電変換部群３０６，３０７，３１０，３１１を分離配置するための分離帯Ｓに静電容量部（フローティングディフュージョン部：以下、ＦＤ部という）３２０が形成されている。

しかし、第１に、画素の中央部におけるマイクロレンズ３５０とＦＤ部３２０との間に遮光層を兼ねた配線層３４０を形成し、マイクロレンズ３５０からＦＤ部３２０に向かう光を遮って、該光がＦＤ部３２０に入射しないようにしている。

第２に、マイクロレンズ３５０を画素の中心に対して偏心した頂点を有するサブマイクロレンズ部３５１〜３５４により形成し、分離帯Ｓ（ＦＤ部３２０）および画素の中心部に設けられた配線層３４０を光学的に無くしている。これにより、分離帯Ｓ（ＦＤ部３２０）および配線層３４０の存在が、画素の中央部に配置された各光電変換部に光学的に影響することを回避している。

これら第１および第２の構成により、本実施例では、分離帯上に配置されたＦＤ部３２０に、マイクロレンズ３５０からの光が入射することによる上記不都合を回避することができる。

なお、「光がＦＤ部３２０に入射しない」とは、完全に光がＦＤ部３２０に入射しない場合だけでなく、光電変換部の本来の受光量に応じた電気信号の取得を妨げない程度にＦＤ部３２０に光が入射するに過ぎない場合も含む。

また、各サブマイクロレンズ部のレンズ面は、球面であってもよいし、非球面であってもよい。

各光電変換部（３０１〜３１６）は、図示はしないが、ｐ型層とｎ型層の間にイントリンシック層を挟んだｐｉｎ構造フォトダイオードである。ただし、イントリンシック層を設けずに、ｐｎ接合フォトダイオードとしてもよい。

また、各画素（２００Ｒ，２００Ｇ，２００Ｂ）には、マイクロレンズ３５０と光電変換部３０１〜３１６との間にカラーフィルタ３６０が設けられている。なお、必要に応じて、サブ画素ごとにカラーフィルタ３６０の分光透過率を変えてもよいし、カラーフィルタを設けなくてもよい。

１つの画素に入射した光は、マイクロレンズ（サブマイクロレンズ部）３５０によって集光され、カラーフィルタ３６０で分光された後、光電変換部３０１〜３１６に到達する。

各光電変換部は、その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型層に蓄積される。一方、ホールは定電圧源（図示せず）に接続されたｐ型層を通じて撮像素子１０７の外部に排出される。

本実施例では、図３（ａ）に示すように、２つの光電変換部ごとに、その両側に隣接して転送ゲート３３０とＦＤ部３２０とが設けられている。ＦＤ部３２０を配置するために、前述した分離帯Ｓの幅が広く設定されている。そして、図３（ｂ）に示すように、ＦＤ部３２０の上方（マイクロレンズ側）には、配線層３４０が形成されている。

各光電変換部のｎ型層に蓄積された電子は、転送ゲート３３０を介してＦＤ部３２０に転送され、電圧信号に変換される。

以下、本実施例の作用効果について説明する。まず、図４に示す比較例について説明する。図４（ａ）は、１つの画素を受光面側（＋ｚ側）から見た図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）中のｂ−ｂ断面を−ｙ側から見た図である。

この比較例では、１つの画素に、１つの頂点のみを有する（つまりサブマイクロレンズ部を含まない）マイクロレンズ３５９と、本実施例と同様に複数（４つ）の光電変換部群３０６，３０７，３１０，３１１とが設けられている。図４（ａ）に示すように、４つの光電変換部群３０６，３０７，３１０，３１１は、画素の中心を通る十字形状の分離帯Ｓを間に挟んで互いに分離されている点は本実施例と同じである。また、ＦＤ部３２０を配置するために、分離帯Ｓの幅が広く設定されている点も本実施例と同じである。

比較例の図４（ｂ）のｂ−ｂ断面方向から見た場合、１つの頂点のみを有するマイクロレンズ３５９のレンズ面に入射する光束は、レンズ面の全域にて集束作用を受ける。

マイクロレンズ３５９で集光された光が分離帯Ｓに入射すると、分離帯Ｓでも受光量に応じて電子とホールが対となって生成される。しかし、電荷の拡散長と比較して分離帯Ｓの幅が広い場合、対として生成された電子とホールの一部は、分離帯Ｓに隣接する光電変換部の空乏層まで到達して分離される前に、再結合して光を再放出する。このため、比較例では、分離帯Ｓでは、光電変換部３０１〜３１６と比較して受光感度が低下する。また、分離帯Ｓのマイクロレンズ側（上側）に配線層３４０や遮光層（図示せず）が設けられる場合も、光電変換部３０１〜３１６と比較して、分離帯Ｓの受光感度が低下する。

このように分離帯Ｓの受光感度が低下すると、画素の瞳強度分布（受光率の入射角分布）に、分離帯Ｓの十字形状（つまりは、４つの光電変換部群３０６，３０７，３１０，３１１の分離形状）に応じた低感度領域が形成されてしまう。この結果、撮像素子１０７を用いて生成される撮影画像に不自然なぼけが生じる。

これに対して本実施例では、前述したように、マイクロレンズ３５０を、画素の中心に対して４つの光電変換部群３０６，３０７，３１０，３１１の分離方向にそれぞれ偏心した頂点を有する４つのサブマイクロレンズ部３５１〜３５４により形成している。

図５（ａ）には、図３（ａ），（ｂ）に示した画素構造のうち、サブマイクロレンズ部３５１〜３５４と４つの光電変換部群３０６，３０７，３１０，３１１とを抽出して示している。図５（ａ）に示す画素構造を、サブマイクロレンズ部３５１〜３５４の頂点（光軸）が全て重なり合うように再構成すると、光学的には、図５（ｂ）に示した画素構造とほぼ等価となる。

図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す画素構造にてサブマイクロレンズ部３５１〜３５４の頂点の偏心量（つまりはサブマイクロレンズ部３５１〜３５４の光軸間隔）を分離帯Ｓの幅に対して適切に設定したときの光学的な状態を示している。この状態では、広い幅を有する分離帯Ｓを光学的に無くする（又は狭める）ことができる。言い換えれば、各サブマイクロレンズ部を通過した光が分離帯Ｓに入射しないようにすることができる。また、同時に、画素の中心付近に設けられた配線層３４０の領域も光学的に無くする（又は狭める）ことができる。

したがって、本実施例によれば、光電変換部の分離配置に伴って瞳強度分布に生じる低感度領域の影響を抑制することができる。つまり、撮像素子１０７を用いて生成される撮影画像に不自然なぼけが生じることを防止することができる。

なお、「光が分離帯Ｓに入射しない」とは、完全に光が分離帯Ｓに入射しない場合だけでなく、上述した低感度領域を形成させない程度の光が分離帯Ｓに入射するに過ぎない場合も含む。

また、サブマイクロレンズ部３５１〜３５４の頂点の偏心量を調節することで、４つの光電変換部群３０６，３０７，３１０，３１１の一部を互いに光学的に重ね合わせることも可能である。

図６には、図５（ｂ）に示した画素構造、すなわち本実施例の画素構造と光学的にほぼ等価で、画素の中心付近の分離帯Ｓと配線層３４０を光学的に無くした画素構造での光電変換部と撮影光学系の射出瞳のうち複数の領域（瞳部分領域）との対応関係を示している。

図６において、４００は撮影光学系の射出瞳を示している。被写体からの光束は、撮影光学系の射出瞳４００を通過して、撮影光学系の結像面（又はその近傍）に配置された画素に入射する。なお、図６では、射出瞳側の座標軸と合わせるために、画素構造を示すｘ軸とｙ軸を図３〜図５に対して反転させている。

５００は１つの画素（２００Ｒ，２００Ｇ，２００Ｂ）においてＮ_θ×Ｎ_θ分割（＝４×４分割）された光電変換部３０１〜３１６（サブ画素２０１〜２１６）の全部によって受光可能な瞳領域である。５０１〜５１６は瞳領域５００内においてＮ_θ×Ｎ_θ分割（４×４分割）された瞳部分領域を示している。瞳部分領域５０１〜５１６と光電変換部３０１〜３１６の受光面とはマイクロレンズ３５０（サブマイクロレンズ部３５１〜３５４）によって共役な関係となっており、瞳部分領域５０１〜５１６からの光束をそれぞれ光電変換部３０１〜３１６によって受光する。

本実施例では、瞳距離が数１０ｍｍであるのに対し、マイクロレンズ３５０の直径は数μｍである。このため、マイクロレンズ３５０の絞り値が数万となり、数１０ｍｍレベルの回折によるぼけが生じる。このため、各光電変換部の受光面上に形成される光学像は、明瞭な瞳領域や瞳部分領域の像とはならずに、瞳強度分布（受光率の入射角分布）となる。

以上説明したように、本実施例では、画素の中央部にてマイクロレンズ３５０とＦＤ部３２０との間に遮光層を兼ねる配線層３４０を配置している。しかも、本実施例によれば、サブマイクロレンズ部３５１〜３５４をその頂点が画素の中心に対して偏心するように配置することで、４つの光電変換部群３０６，３０７，３１０，３１１の間に形成された分離帯Ｓを光学的に無くすることができる。すなわち、各サブマイクロレンズ部を通過した光を分離帯Ｓに入射させないようにすることができる。これにより、４つの光電変換部群３０６，３０７，３１０，３１１の分離配置に伴って瞳強度分布に生じる低感度領域の影響を抑制することができる。

ところで、サブマイクロレンズ部３５１〜３５４の頂点（光軸）を画素の中心に対して偏心配置した場合には、サブマイクロレンズ部３５１〜３５４間の光軸間隔の分だけ分離帯Ｓの幅を狭くすることができる。このため、分離帯Ｓを光学的に無くするためには、分離帯Ｓのうち最も広い幅とサブマイクロレンズ部３５１〜３５４間の光軸間隔とが概ね等しいことが望ましい。具体的には、サブマイクロレンズ部３５１〜３５４間の光軸間隔が、分離帯Ｓのうち最も広い幅の０．５倍より大きく、１．５倍より小さいことが望ましい。

また、本実施例では、図３（ａ）に示すように、１つのサブマイクロレンズ部と２×２分割された光電変換部（サブ画素）を含む１つの光電変換部群を１つの構成単位としている。この場合、４つのＦＤ部を、必ず遮光層を兼ねた配線層３４０の下方（サブマイクロレンズ部とは反対側）に配置することができる。このため、各画素は、２×２分割された光電変換部（サブ画素）をそれぞれ有する複数の光電変換部群により構成されることが望ましい。

なお、本実施例では、４つの光電変換部群３０６，３０７，３１０，３１１間の受光クロストークを抑制することが望ましい。このために、マイクロレンズ３５０におけるサブマイクロレンズ部３５１〜３５４の境界領域と各光電変換部との間に、入射光を遮るための配線層や遮光層が形成されることが望ましい。

次に、上記光電変換部群３０６，３０７，３１０，３１１に相当する複数の光電変換部群が、撮影光学系の異なる射出瞳を通過した複数の光束を光電変換し、位相差検出用の焦点検出信号を出力する場合について説明する。このように撮像素子に設けられた画素（光電変換部群）を用いた位相差検出方式を撮像面位相差方式といい、この方式で検出された位相差を用いたオートフォーカス（ＡＦ）を撮像面位相差ＡＦという。

図１０には、撮像面位相差ＡＦの原理の一例を示す。撮像素子は、撮影光学系の結像面近傍に配置され、被写体からの光束は、撮影光学系の射出瞳１４００を通過して、それぞれの画素に入射する。瞳部分領域１５０１と瞳部分領域１５０２は、Ｎ１×Ｎ２分割（１×２分割）された光電変換部群１３０１と光電変換部群１３０２の受光面と、マイクロレンズ１３５０によって概ね共役関係になっており、光電変換部群毎に受光可能な瞳部分領域を表している。また、瞳領域１５００は、Ｎ１×Ｎ２分割（１×２分割）された光電変換部群１３０１と光電変換部群１３０２を全て合わせた際の画素１２００Ｇ全体（撮像画素）で受光可能な瞳領域である。

瞳距離が数１０ｍｍであるのに対し、マイクロレンズ１３５０の直径は数μｍであるため、マイクロレンズ１３５０の絞り値が数万となり、数１０ｍｍレベルの回折ボケが生じる。このため、光電変換部群の受光面の像は、明瞭な瞳領域や瞳部分領域とはならずに、瞳強度分布（受光率の入射角分布）となる。

図１０において、光電変換部群（第１焦点検出用画素）１３０１の瞳部分領域１５０１は、重心が−ｘ方向に偏心している光電変換部群１３０１の受光面と、マイクロレンズ１３５０によって概ね共役関係になっており、光電変換部群１３０１で受光可能な瞳領域を表している。光電変換部群１３０１の瞳部分領域１５０１は、瞳面上で＋Ｘ側に重心が偏心している。

また、図１０において、光電変換部群（第２焦点検出用画素）１３０２の瞳部分領域１５０２は、重心が＋ｘ方向に偏心している光電変換部群１３０２の受光面と、マイクロレンズ１３５０によって概ね共役関係になっており、光電変換部群１３０２で受光可能な瞳領域を表している。光電変換部群１３０２の瞳部分領域１５０２は、瞳面上で−Ｘ側に重心が偏心している。

撮像素子に配列された画素１２００Ｇ（１２００Ｒ、１２００Ｂ）を構成する光電変換部群１３０１から取得される信号をＡ像とする。同様に、撮像素子に配列された画素１２００Ｇ（１２００Ｒ、１２００Ｂ）を構成する光電変換部群１３０２から取得される信号をＢ像とする。Ａ像とＢ像の像ずれ量（相対位置）を算出し、デフォーカス量（合焦ずれ量）に換算することで、撮像面位相差方式による焦点検出を行うことができる。

一方、図１０において、光電変換部群１３０１と光電変換部群１３０２を合わせた画素１２００Ｇの瞳領域１５００は、撮影光学系の射出瞳１４００を通過した光束をより多く受光できるように可能な限り大きく、また、瞳領域１５００の重心が、所定の瞳距離で結像光学系の光軸と概ね一致するように構成されている。

撮像素子に配列された画素１２００Ｇ（１２００Ｒ、１２００Ｂ）毎に、光電変換部群１３０１から取得される焦点検出信号と光電変換部群１３０２から取得される焦点検出信号とを加算することで、有効画素数の解像度の撮像画像を生成することができる。

図７（ａ）には、本発明の実施例２である撮像素子の１つの画素を、撮像素子１０７の受光面側（＋ｚ側）から見たときの画素構造を示している。図７（ｂ）には、図７（ａ）中のａ−ａ断面を−ｙ側から見た画素構造を示す。実施例１の撮像素子は、表面照射型のＣＭＯＳセンサであったのに対し、本実施例の撮像素子は、裏面照射型のＣＭＯＳセンサである。なお、本実施例において、実施例１と共通する機能を有する構成要素には、実施例１と同符号を付す。

本実施例では、マイクロレンズ３５０と光電変換部３０１〜３１６との間に、遮光層３７０が形成されている。また、光電変換部３０１〜３１６およびＦＤ部３２０に対してマイクロレンズ３５０とは反対側、すなわち光の入射側とは反対側に、配線層３４０が形成されている。これら以外は実施例１と同じである。

本実施例でも、４つの光電変換部群３０６，３０７，３１０，３１１の間に形成された分離帯Ｓを光学的に無くすることができる。すなわち、各サブマイクロレンズ部を通過した光を分離帯Ｓに入射させないようにすることができる。これにより、４つの光電変換部群３０６，３０７，３１０，３１１の分離配置に伴って瞳強度分布に生じる低感度領域の影響を抑制することができる。

本実施例でも、画素の中央部にて４つの光電変換部群３０６，３０７，３１０，３１１の間に形成された分離帯Ｓおよびそこに形成されたＦＤ部３２０に光が入射することを回避しつつ、配線層３４０の光学的な影響を無くすることができる。したがって、良好な瞳分割性能を維持したまま、画素の中央部に配置された光電変換部からその受光量に応じた正確な電気信号を取得することができる。

図８（ａ）には、本発明の実施例３である撮像素子の１つの画素を、撮像素子１０７の受光面側（＋ｚ側）から見たときの画素構造を示している。図８（ｂ）には、図８（ａ）中のａ−ａ断面を−ｙ側から見た画素構造を示す。実施例１の撮像素子は、サブマイクロレンズ部３５１〜３５４の交差部分が鋭角であったのに対し、本実施例の撮像素子は、サブマイクロレンズ部３５１〜３５４の交差部分が滑らかな曲面構造となっている例である。グレートーンマスクを利用したフォトリソプロセス等でマイクロレンズを作製する場合、サブマイクロレンズ部３５１〜３５４の交差部分が滑らかな曲面構造になることが多い。なお、本実施例において、実施例１と共通する機能を有する構成要素には、実施例１と同符号を付す。

サブマイクロレンズ部３５１〜３５４の交差部分が滑らかな曲面構造とは、図８（ｂ）のａ−ａ断面から見た場合、分離帯Ｓの外縁部で極大値をとり、画素の中心で極小値をとる曲線形状であり、極大値と極小値の中間位置にて変曲点を有している曲線形状である。

図８（ｂ）の点線内の領域内（分離帯Ｓ内の領域）の各サブマイクロレンズ部を通過する光束は、レンズ面にて発散作用を受ける。つまり、光電変換部群３１０又は３１１が位置する点線内の領域外（分離帯Ｓ外の領域）に向う方向に光束は向うことになる。
それに対して、図８（ｂ）の点線内の領域外（分離帯Ｓ外の領域）の各サブマイクロレンズ部を通過する光束は、レンズ面にて集束作用を受ける。
マイクロレンズ３５０は、光軸方向における分離帯Ｓ上のレンズ部がレンズ部に入射する光束に対して発散させる作用を有することになる。

マイクロレンズ３５０は、光軸方向における分離帯Ｓ上のレンズ部がレンズ部に入射する光束に対して負のパワーを持つ。

図９（ａ）には、本発明の実施例４である撮像素子の１つの画素を、撮像素子１０７の受光面側（＋ｚ側）から見たときの画素構造を示している。図９（ｂ）には、図９（ａ）中のａ−ａ断面を−ｙ側から見た画素構造を示す。実施例１の撮像素子は、サブマイクロレンズ部３５１〜３５４の交差部分が鋭角であったのに対し、本実施例の撮像素子は、サブマイクロレンズ部３５１〜３５４の頂点を結んだ面が平面構造となっている例である。なお、本実施例において、実施例１と共通する機能を有する構成要素には、実施例１と同符号を付す。

図９（ｂ）の点線内の領域内（分離帯Ｓ内の領域）の各サブマイクロレンズ部を通過する光束は、平面部を通過することになる。

それに対して、図８（ｂ）の点線内の領域外（分離帯Ｓ外の領域）の各サブマイクロレンズ部を通過する光束は、レンズ面にて集束作用を受ける。
マイクロレンズ３５０は、光軸方向における分離帯Ｓ上のレンズ部がレンズ部に入射する光束に対してパワーを持たないこととなる。

上述した各実施例の撮像素子は、図１に示した通常のデジタルカメラ用の撮像素子としてだけでなく、非特許文献１等にて説明されているLight Fieldカメラ用の撮像素子としても用いることができる。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

デジタルカメラ等の撮像装置に利用される高画質の画像生成が可能な撮像素子を提供できる。

１０７撮像素子
２００Ｒ，２００Ｇ，２００Ｂ画素
２０１〜２１６サブ画素
３０６，３０７，３１０，３１１光電変換部群
３０１〜３１６光電変換部
３４０配線層
３５０マイクロレンズ
３５１〜３５４サブマイクロレンズ部
Ｓ分離帯

Claims

複数の画素を有する撮像素子であって、
前記複数の画素の各々の画素は、
受光した光を集光するためのマイクロレンズと、
分離帯を間に挟んで互いに分離され、前記マイクロレンズを通過した集光された光束を光電変換する複数の光電変換部とを有しており、
前記複数の光電変換部が撮影光学系の異なる射出瞳を通過した複数の光束を前記マイクロレンズによって共役に対応する光電変換部において光電変換する場合に、前記マイクロレンズは、光軸方向における前記分離帯上のレンズ部が前記レンズ部に入射する光束に対して負のパワーを持つことを特徴とする撮像素子。
複数の画素を有する撮像素子であって、
前記複数の画素の各々の画素は、
受光した光を集光するためのマイクロレンズと、
分離帯を間に挟んで互いに分離され、前記マイクロレンズを通過した集光された光束を光電変換する複数の光電変換部とを有しており、
前記複数の光電変換部が撮影光学系の異なる射出瞳を通過した複数の光束を前記マイクロレンズによって共役に対応する光電変換部において光電変換する場合に、前記マイクロレンズは、光軸方向における前記分離帯上のレンズ部が前記レンズ部に入射する光束に対して発散させる作用を有することを特徴とする撮像素子。
複数の画素を有する撮像素子であって、
前記複数の画素の各々の画素は、
受光した光を集光するためのマイクロレンズと、
分離帯を間に挟んで互いに分離され、前記マイクロレンズを通過した集光された光束を光電変換する複数の光電変換部とを有しており、
前記複数の光電変換部が撮影光学系の異なる射出瞳を通過した複数の光束を前記マイクロレンズによって共役に対応する光電変換部において光電変換する場合に、前記マイクロレンズは、前記画素の中心に対して前記複数の光電変換部の分離方向に各々が偏心した頂点を有する複数のサブマイクロレンズ部を含むことを特徴とする撮像素子。
前記複数のサブマイクロレンズ部のうち一つのサブマイクロレンズ部に対応する光電変換部は、少なくとも水平２分割されていることを特徴とする請求項３に記載の撮像素子。
前記サブマイクロレンズ部の頂点は、前記分離帯の外縁部に設けられることを特徴とする請求項３または４に記載の撮像素子。
前記複数の光電変換部の間に設けられた分離帯上に配置された静電容量部を備え、前記サブマイクロレンズ部の頂点は、前記サブマイクロレンズ部を通過した光束が前記静電容量部に入射しないように前記画素の中心に対して偏心していることを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載の撮像素子。
前記複数のサブマイクロレンズ部の頂点の間隔は、前記分離帯の間隔の０．５倍より大きく１．５倍よりも小さいことを特徴とする請求項３から６のいずれか一項に記載の撮像素子。
前記複数の光電変換部の間に設けられた分離帯に配置された静電容量部を備え、前記マイクロレンズから前記静電容量部に向う光束を遮光する遮光層が設けられていることを特徴とする請求項３から７のいずれか一項に記載の撮像素子。
前記撮像素子は、裏面照射型センサであることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の撮像素子。
前記複数の光電変換部は、前記撮影光学系の異なる射出瞳を通過した複数の光束を光電変換して位相差検出に用いられる焦点検出信号を出力する機能を有することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の撮像素子。
請求項１から１０のいずれか一項に記載の撮像素子と、
前記撮影光学系とを有することを特徴とする撮像装置。