JP6232108B2 - 撮像素子および撮像装置 - Google Patents

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が形成されている２次元撮像素子を用いた撮像装置が開示されている。複数の光電変換部は、１つのマイクロレンズを介して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。個々の光電変換部で受光した信号から像ずれ量を求めて、焦点検出を行うとともに、個々の光電変換部で受光した信号を足し合わせて撮像信号を取得する。また、焦点検出に限らず、各画素の右側の光電変換部と左側の光電変換部で受光した信号を視差信号として表示することで、立体画像の表示が可能となることが開示されている。

特許文献２では、複数の画素からなる２次元撮像素子において、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。

２次元撮像素子を用いた位相差検出方式の焦点検出では、焦点検出精度が焦点検出用画素の瞳強度分布（瞳分割性能）に大きく依存する。焦点検出用画素の瞳強度分布のピーク強度を高く、半値幅を狭くすることで、精度の良い焦点検出を行うことができる。

特開昭５８−２４１０５号公報 特開２０００−１５６８２３号公報

しかしながら、撮像素子を構成する要素の位置の製造上のばらつきにより焦点検出用画素の瞳強度分布にもばらつきが生じ、結果として焦点検出精度や視差信号が安定しないという課題があった。

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、構成要素の位置の製造上のばらつきによる焦点検出用画素の瞳強度分布のばらつきを抑制した撮像素子を提供することを目的とする。また、本発明の別の目的は、本発明に係る撮像素子を用いた撮像装置の提供である。

上述の目的は、焦点検出用画素と、撮像画素とを含む複数の画素が２次元配列された撮像素子であって、複数の画素の各々の受光側に設けられたマイクロレンズと、複数の画素の各々に設けられ、マイクロレンズが集光した光を受光する光電変換部と、焦点検出用画素のマイクロレンズと光電変換部との間に設けられた遮光層であって、焦点検出用画素の光電変換部の受光面の重心に対して偏心した重心を有する開口を有する遮光層とを有し、マイクロレンズの焦点位置が、マイクロレンズが設けられている画素の分光感度に応じて制限された波長領域に対応した焦点位置であり、マイクロレンズの焦点位置が、遮光層を基準にして所定距離だけマイクロレンズ側に設定され、マイクロレンズの焦点位置での屈折率をｎ、マイクロレンズの絞り値をＦ、波長領域における波長をλ、マイクロレンズの回折限界ΔをΔ＝２．４４λＦとしたとき、所定距離が、波長領域において０より大きくｎＦΔより小さい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、本発明によれば、構成要素の位置の製造上のばらつきによる焦点検出用画素の瞳強度分布のばらつきを抑制した撮像素子を提供することができる。

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Ａ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焦点検出用Ｂ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焦点検出用画素の概略回路図 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 本発明の第１の実施形態における撮像素子の、マイクロレンズ光軸に平行な断面および垂直な断面の光強度分布の例を示す図 本発明の第１の実施形態における撮像素子の、マイクロレンズの集光位置と遮光層との位置関係の例を示す図 本発明の第１の実施形態における撮像素子の構成による効果の一例を説明するための瞳強度分布を示す図 本発明の第２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２の実施形態における撮像素子の画素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垂直断面図

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が２次元配列され、その上に、ベイヤー配列の原色カラーモザイクフィルタがオンチップで形成された、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光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Ｗ（白）の分光感度を有する焦点検出用画素２２０ＳＡと焦点検出用画素２２０ＳＢとからなる。

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。

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。

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、マイクロレンズ３０５と光電変換部ＰＤとの間に、開口部を有する遮光層３１０ａが形成される。焦点検出用画素２２０ＳＡでは、光電変換部の受光面の重心に対して、遮光層３１０ａの開口部ＳＡの重心がーｘ方向に偏心して構成される。

一方、図４に示すように、焦点検出用画素２２０ＳＢでは、光電変換部の受光面の重心に対して、遮光層３１０ｂの開口部ＳＢの重心が＋ｘ方向に偏心して構成される。

開口部ＳＡ（ＳＢ）を有する遮光層３１０ａ（３１０ｂ）は、配線層を兼ねても良い。また、必要に応じて、マイクロレンズ３０５と光電変換部ＰＤとの間に、カラーフィルタを形成しても良い。

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ＳＡ（ＳＢ）を通過して光電変換部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、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１０７の外部へ排出される。

各画素の蓄積動作制御について説明する。図３（図４）に示した焦点検出用画素２２０ＳＡ（２２０ＳＢ）の概略回路図を図５に示す。図５では、図３、図４と同じ構成要素には同じ参照数字を付してある。３０３はｎ＋フローティングディフュージョン領域（ｎ＋ＦＤ）、３０４は転送ゲートである。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。これらの構成は、撮像画素２１０Ｇ、２１０Ｒ、２１０Ｂ、２２０Ｇについても同様である。

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＋ＦＤ３０３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＋ＦＤ３０３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。

図６を参照して、画素の遮光層３１０ａ（３１０ｂ）の開口部ＳＡ（ＳＢ）と、瞳分割との対応関係について説明する。図６（ａ）及び図６（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。なお、図６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と反転させている。また、撮像画素２１０Ｇ（２１０Ｒ、２１０Ｂ、２２０Ｇ）の垂直断面図と、結像光学系の射出瞳面との関係を図６（ｃ）に示す。

図６の射出瞳面には、結像光学系の射出瞳４００、撮像画素の瞳受光領域５００、焦点検出用画素２２０ＳＡの瞳受光領域５１１、焦点検出用画素２２０ＳＢの瞳受光領域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６（ｃ）で、撮像画素の瞳受光領域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、撮像画素で受光可能な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、明瞭な瞳受光領域とならずに、受光率分布（瞳強度分布）となる。

撮像画素の瞳受光領域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、撮像画素の瞳受光領域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６（ａ）で、焦点検出用画素２２０ＳＡの瞳受光領域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の瞳受光領域５１１は、撮像画素の瞳受光領域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６（ｂ）で、焦点検出用画素２２０ＳＢの瞳受光領域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の瞳受光領域５２１は、撮像画素の瞳受光領域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。

図７（ａ）に、焦点検出用画素２２０ＳＡの瞳受光領域５１１、焦点検出用画素２２０ＳＢの瞳受光領域５２１、撮像画素の瞳受光領域５００の関係を示す。また、図７（ｂ）に、射出瞳面のＸ軸に沿った瞳受光領域（瞳強度分布）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の瞳強度分布と焦点検出用画素２２０ＳＢの瞳強度分布は、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６（ａ）の焦点検出用画素２２０ＳＡの結像光学系の射出瞳４００より内側の瞳受光領域５１１の重心をＣＡとし、図６（ｂ）の焦点検出用画素２２０ＳＢの結像光学系の射出瞳４００より内側の瞳受光領域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。

［焦点位置の構成］
次に、マイクロレンズ光学系の焦点位置の構成について説明する。
図３及び図４に示したマイクロレンズ３０５が形成された撮像素子に、光が入射した場合の光強度分布の数値解析例を図８に示す。電磁波の数値計算には、ＦＤＴＤ(Finite Difference Time Domain)法を用いた。波長λ＝５４０ｎｍ、右円偏光の平面波が、マイクロレンズ３０５の上方から光軸に平行に入射した場合の撮像素子内部での光強度分布の計算例である。

マイクロレンズ光軸に平行な断面での光強度分布の例を図８（ａ）に示す。撮像素子の各画素でのマイクロレンズ光学系は、マイクロレンズ３０５と平坦化層、封止層、絶縁層などから構成される。マイクロレンズ光学系は、複数のマイクロレンズを含んだ構成でも良い。画素周期を２ａ、マイクロレンズ光学系の焦点距離をｆ、マイクロレンズ光学系の開口角を２φとする。また、マイクロレンズ光学系の焦点位置での屈折率をｎとする。また、光軸に沿った座標をｚとする。座標ｚは、焦点位置を原点（ｚ＝０）として、マイクロレンズ側を負符号、マイクロレンズと反対側を正符号とする。

マイクロレンズ光学系の開口数ＮＡを、以下の式（１）で定義する。

また、マイクロレンズ光学系の絞り値Ｆを、以下の式（２）で定義する。

入射光は、マイクロレンズ光学系により、焦点位置に集光される。しかし、光の波動性により、集光スポットの直径は回折限界Δより小さくすることはできない。集光スポットの強度分布がエアリーパターン(Airy pattern)に近いとして、回折限界Δは、入射光の波長をλとして、概ね、以下の式（３）で求まる。

焦点位置でのマイクロレンズ光軸に垂直な断面での光強度分布を図８（ｂ）に示す。焦点位置（ｚ＝０）で、集光スポットの直径は回折限界Δとなり、最小となる。

マイクロレンズ光学系の後側焦点深度＋ｚ_Ｄと前側焦点深度−ｚ_Ｄは、回折限界Δを許容錯乱円として、以下の式（４）で求まる。焦点深度の範囲は、−ｚ_Ｄ＜ｚ＜＋ｚ_Ｄである。

集光スポットの強度分布がガウス分布に近いとすると、集光スポットの直径ｗは、座標ｚの関数として、概ね、以下の式（５）の関係が成り立つ。
ここで、ｚ_Ｒはレイリー長であり、係数α_Ｒ＝０．６１π≒１．９２として、ｚ_Ｒ＝α_Ｒｚ_Ｄで定義される。

図８に示す計算例では、波長λ＝５４０ｎｍ、画素周期２ａ＝４．３μｍ、マイクロレンズ光学系の焦点距離ｆ＝５．８μｍ、焦点位置での屈折率ｎ＝１．４６である。また、マイクロレンズ光学系の絞り値はＦ＝０．９２４、回折限界はΔ＝１．２２μｍ、焦点深度はｚ_Ｄ＝１．６５μｍである。

受光効率を良好にし、瞳強度分布の最大強度を大きくするためには、光電変換部の受光面や遮光層の開口部などに対し、集光スポットの直径ｗを小さく抑制する必要がある。

集光スポットの直径ｗは、ｚの増加に伴い、上述の式（５）に従って最小値の回折限界Δから大きくなる。特に、座標ｚの絶対値がレイリー長ｚ_Ｒに対し十分大きい（｜ｚ｜＞＞ｚ_Ｒ）場合、集光スポットの直径ｗは、ｚに比例して増大してしまう。

一方、焦点深度の範囲内（−ｚ_Ｄ＜ｚ＜＋ｚ_Ｄ）では、図８（ａ）の計算例に示すように、集光スポットの直径ｗ（図８（ａ）ではｗ＝Δ）は、ほとんど変化しない。上述の式（５）より、焦点位置ｚ＝０から焦点深度±ｚ_Ｄ（＝±ｎＦΔ）離れた位置での集光スポットの直径ｗ（±ｚ_Ｄ）は、約１．１３Δ程度である。

よって、第１の構成条件として、第１の実施形態では、受光効率を良好にし、瞳強度分布の最大強度を大きくするために、開口部を有する遮光層３１０ａ（３１０ｂ）を、マイクロレンズ光学系の焦点深度の範囲−ｚ_Ｄ＜ｚ＜+ｚ_Ｄに構成する。

撮像画素の瞳強度分布の最大強度を大きくするためには、回折限界Δが画素周期２ａよりも小さい（Δ＜２ａ）ことが望ましい。また、焦点検出用画素の瞳強度分布の最大強度を大きくするためには、回折限界Δが画素周期の半分ａよりも小さい（Δ＜ａ）ことが望ましい。

マイクロレンズ光学系への平行光の入射角をθ［ラジアン］とする。集光スポットの中心は、入射角θの変化に伴い光軸から偏心する。入射角θ、主点Ｈからの距離ｆ＋ｚでの集光スポットの光軸からの偏心量をｑ（θ、ｆ＋ｚ）とすると、近軸近似より、概ね、以下の式（６）の関係が成り立つ。
ここで、ｎ_０はマイクロレンズ光学系の入射側（光電変換部と反対側）の屈折率である。通常、空気でｎ_０＝１である。

また、主点Ｈからの距離ｆ＋ｚでの集光スポットの偏心変化率（集光スポット偏心量の入射角に対する変化率）をｃ（ｆ＋ｚ）とすると、以下の式（７）の関係が成り立つ。

座標ｚの位置に開口部を有する遮光層３１０ａ（３１０ｂ）を形成して、結像光学系の射出瞳を分割する場合、瞳強度分布の片側半値幅Γは、式（５）と式（７）から、概ね以下の式（８）で見積もることができる。瞳強度分布の片側半値幅Γは、瞳強度分布の強度が最大値の半分になる入射角変化量である。

また、瞳強度分布の片側半値幅Γの座標ｚに対する変化率は、以下の式（９）で表される。
ここで、ｚ_ｍｉｎ＝ｚ_Ｒ ^２／ｆ＞０である。片側半値幅Γの変化率は、ｚ＝ｚ_ｍｉｎで０となり、ｚ＝ｚ_ｍｉｎの前後で負から正へ符号が反転する。図８の計算例では、ｚ_ｍｉｎ＝１．７２μｍである。

瞳強度分布の片側半値幅Γは、マイクロレンズ光学系の焦点位置ｚ＝０よりも光電変換部側（マイクロレンズの反対側）に離れた位置ｚ＝ｚ_ｍｉｎ＞０で最小となり、以下の式（１０）で表される。
ｚ＝ｚ_ｍｉｎ＞０は停留点でもあり、焦点位置から光電変換部側のｚ_ｍｉｎ周辺において、片側半値幅Γの座標ｚに対する変化は抑制される。

よって、第２の構成条件として、第１の実施形態では、画素の膜厚ばらつきに対して瞳強度分布の片側半値幅Γの変化を抑制するために、開口部を有する遮光層を、マイクロレンズ光学系の焦点位置よりも光電変換部側の位置（ｚ＞０）に構成する。

したがって、第１の構成条件と第２の構成条件から、第１の実施形態では、開口部を有する遮光層３１０ａ（３１０ｂ）を、マイクロレンズ光学系の後側（光電変換部側）の焦点深度の範囲である０＜ｚ＜ｚ_Ｄに構成する。より具体的には、マイクロレンズ光学系の焦点位置が、開口を有する遮光層よりもマイクロレンズ側に位置し、かつマイクロレンズの焦点位置から開口を有する遮光層までの距離が、０より大きくｎＦΔより小さくなるように画素を構成する。

このような本実施形態に係る構成の効果について、図８（ａ）と同様の垂直断面図である図９を用いて説明する。図９では遮光層の開口部の光軸からの偏心は省略している。
マイクロレンズ光学系の焦点位置と、開口部を有する遮光層の位置関係が設計値通りに構成された場合の光強度分布の計算例を図９（ａ）に示す。設計値では、マイクロレンズ光学系の焦点位置を、開口部を有する遮光層よりマイクロレンズ側にΔｚ（０＜Δｚ＜ｚ_Ｄ）離れた位置（基準位置）に設定する。図９（ａ）の例は、Δｚ＝０．５ｎＦΔの場合である。この時、瞳強度分布の片側半値幅Γは、概ね、以下の式（８ａ）で求められる。
式（８ａ）の分母は集光スポットの偏心変化率に比例し、分子は集光スポットの直径に比例する。

実際の撮像素子では、製造精度のばらつきのため、マイクロレンズ光学系の主点Ｈから開口部を有する遮光層までの膜厚が設計値から変動してしまう。
例えば、設計値よりも膜厚がδｚ_１（０＜δｚ_１＜Δｚ）小さくなった場合の光強度分布の計算例を、図９（ｂ）に示す。この時、瞳強度分布の片側半値幅Γを表す式は、式（８ａ）から以下の式（８ｂ）へと変化する。
主点Ｈから開口部を有する遮光層までの距離が短くなるのに伴い、式（８ｂ）において、式（８ａ）よりも分母はやや減少する。同時に、焦点位置に近づくことに伴い、分子もやや減少する。分子と分母で変化を打ち消し合い、瞳強度分布の片側半値幅Γの変化を抑制することができる。

一方、設計値よりも膜厚がδｚ_２（０＜δｚ_２＜ｚ_Ｄ−Δｚ）大きくなった場合の光強度分布の計算例を、図９（ｃ）に示す。この時、瞳強度分布の片側半値幅Γは、式（８ａ）から以下の式（８ｃ）へと変化する。
主点Ｈから開口部を有する遮光層までの距離が長くなるのに伴い、式（８ｃ）において、式（８ａ）よりも分母はやや増加する。同時に、焦点位置から遠ざかることに伴い、分子もやや増加する。分子と分母で変化を打ち消し合い、瞳強度分布の片側半値幅Γの変化を抑制することができる。

本発明の効果を、具体例を挙げて説明する。マイクロレンズ光学系の焦点深度はｚ_Ｄ＝１．６５μｍである。また、設計値として、マイクロレンズ光学系の焦点位置が、開口部を有する遮光層よりマイクロレンズ側にΔｚ＝０．２ｚ_Ｄ＝０．３５μｍ離れた位置とした。
図１０に、膜厚が設計値より０．３９μｍ大きい場合の瞳強度分布を実線で、膜厚が設計値より０．３５μｍ小さい場合の瞳強度分布を破線で示す。このように、瞳強度分布がいずれの場合もほぼ同じであることがわかる。このように、０．７４μｍの範囲の膜厚変化に対し、瞳強度分布の変化が抑制できていることがわかる。

以上説明したように、本実施形態によれば、マイクロレンズ光学系の焦点位置が、開口を有する遮光層よりもマイクロレンズ側に位置し、かつマイクロレンズの焦点位置から開口を有する遮光層までの距離が、０より大きくｎＦΔより小さくなるように構成する。このような構成とすることにより、遮光層の厚みのばらつきによる焦点検出用画素の瞳強度分布の変化を抑制することが可能となる。

（第２の実施形態）
図１１は、本発明の第２の実施形態に係る撮像素子の画素配列を、４行×４列の範囲で示した図である。
本実施形態においても、第１の実施形態と同様、２行×２列の画素群２３０は、対角２画素にＧの分光感度を有する画素２３０Ｇが、他の２画素にＲの分光感度を有する画素２３０ＲとＢの分光感度を有する画素２３０Ｂが配置されている。本実施形態では、各画素２３０Ｒ、２３０Ｇ、２３０Ｂがそれぞれ、瞳分割用の４つの副画素（画素２３０Ｒであれば副画素２３０Ｒ₁〜２３０Ｒ₄）から構成されていることを特徴とする。本実施形態では、焦点検出用画素と撮像画素とに構成上の明確な区別はなく、全ての画素が焦点検出用画素としても撮像画素としても機能する。

図１１に示した撮像素子の１つの画素（ここでは画素２３０Ｇとする）を、撮像素子の受光面側（＋ｚ側）から見た平面図を図１２（ａ）に、図１２（ａ）のｃ−ｃ断面を−ｙ側から見た断面図を図１２（ｂ）に示す。

図１２に示すように、本実施形態の画素２３０Ｇは、ｐ型層３００に包含されるように４つのｎ型層３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ、３０１ｄが形成され、各々が光電変換部（副画素）２３０Ｇ₁〜２３０Ｇ₄を構成している。４つの副画素２３０Ｇ₁〜２３０Ｇ₄は、画素２３０Ｇの中心に対してそれぞれ（−ｘ、−ｙ）、（＋ｘ、−ｙ）、（＋ｘ、＋ｙ）、（−ｘ、＋ｙ）方向に偏心した位置に存在している。より詳しくは、４つの副画素２３０Ｇ₁〜２３０Ｇ₄の個々の受光面の重心が、４つの副画素の受光面を合成した１つの受光面の重心と異なるように偏心されて構成されている。４つの偏心した副画素の受光面は、マイクロレンズ光学系を介して、結像光学系の射出瞳面に投影され、これにより、射出瞳が４つの瞳領域に分割される。第１の実施形態では、開口部を有する遮光層により射出瞳を分割したが、第２の実施形態では、遮光層を用いず、各画素に複数の光電変換部（副画素）を設けることで、各光電変換部が異なる瞳領域を受光するようにして射出瞳を分割している。本実施形態の撮像素子は、他の点では第１の実施形態と同様の構成を有する。

このように、本実施形態では、光電変換部の受光面が第１の実施形態における遮光層と同様に機能する。そのため、光電変換部（副画素）の受光面を第１の実施形態における遮光層と同様の配置とすることで、受光面の位置のばらつきによる焦点検出用画素の瞳強度分布の変化を抑制することが可能となる。

すなわち、本実施形態では、光電変換部の受光面を、マイクロレンズ光学系の後側焦点深度の範囲０＜ｚ＜ｚ_Ｄに構成する。より具体的には、マイクロレンズ光学系の焦点位置が、光電変換部の受光面よりもマイクロレンズ側に位置し、かつマイクロレンズの焦点位置から光電変換部の受光面までの距離が、０より大きくｎＦΔより小さくなるように画素を構成する。
以上の構成により、受光面の位置の製造上のばらつきによる焦点検出用画素の瞳強度分布の変化を抑制することが可能となる。

（第３の実施形態）
図１３は、本発明の第３の実施形態に係る撮像素子の１つの画素の、図１２（ｂ）と同様の断面図である。本実施形態においても、第２の実施形態と同様、各画素が複数の副画素に分割されている。ここでは、図１２（ａ）に示したように４つの副画素が設けられているものとする。図１３に示すように、本実施形態では、光電変換部の受光効率を向上するために、各光電変換部の受光面のマイクロレンズ側に光導波路３０７を形成している。光導波路３０７は副画素単位で分割されている。

４つの光導波路３０７は、対応する光電変換部と同様、受光面の中心が、画素の中心に対してそれぞれ、（−ｘ、−ｙ）、（＋ｘ、−ｙ）、（＋ｘ、＋ｙ）、（−ｘ、＋ｙ）方向に偏心している。より具体的には、４つの光導波路３０７の個々の受光面の重心が、４つの光導波路の受光面を合成した１つの受光面の重心と異なるように偏心されて構成されている。４つの偏心した光導波路３０７の受光面は、マイクロレンズ光学系を介して、結像光学系の射出瞳面に投影され、これにより、射出瞳が４つの瞳領域に分割される。第３の実施形態に係る撮像素子は、光導波路の受光面を偏心することで射出瞳を分割する点以外は第２の実施形態と同様の構成を有する。

このように、本実施形態では、光導波路３０７の受光面が第１の実施形態における遮光層や第２の実施形態における光電変換部の受光面と同様に機能する。そのため、光導波路の受光面を第１の実施形態における遮光層や第２の実施形態における光電変換部の受光面と同様の配置とすることで、光導波路の受光面の位置のばらつきによる焦点検出用画素の瞳強度分布の変化を抑制することが可能となる。

すなわち、本実施形態では、光導波路の受光面を、マイクロレンズ光学系の後側焦点深度の範囲０＜ｚ＜ｚ_Ｄに構成する。より具体的には、マイクロレンズ光学系の焦点位置が、光導波路の受光面よりもマイクロレンズ側に位置し、かつマイクロレンズの焦点位置から光導波路の受光面までの距離が、０より大きくｎＦΔより小さくなるように画素を構成する。
以上の構成により、光導波路の受光面の位置の製造上のばらつきによる焦点検出用画素の瞳強度分布の変化を抑制することが可能となる。また、光導波路を設けることで、光電変換部の受光効率を向上させることができる。

１００…カメラ、１０７…撮像素子、３０５…マイクロレンズ、３０７…光導波路、３１０ａ…遮光層、３１０ｂ…遮光層

Claims (23)

1. 焦点検出用画素と、撮像画素とを含む複数の画素が２次元配列された撮像素子であって、
   前記複数の画素の各々の受光側に設けられたマイクロレンズと、
   前記複数の画素の各々に設けられ、前記マイクロレンズが集光した光を受光する光電変換部と、
   前記焦点検出用画素の前記マイクロレンズと前記光電変換部との間に設けられた遮光層であって、該焦点検出用画素の前記光電変換部の受光面の重心に対して偏心した重心を有する開口を有する遮光層とを有し、
   前記マイクロレンズの焦点位置が、該マイクロレンズが設けられている画素の分光感度に応じて制限された波長領域に対応した焦点位置であり、
   前記マイクロレンズの焦点位置が、前記遮光層を基準にして所定距離だけ前記マイクロレンズ側に設定され、
   前記マイクロレンズの焦点位置での屈折率をｎ、前記マイクロレンズの絞り値をＦ、前記波長領域における波長をλ、前記マイクロレンズの回折限界Δを
   Δ＝２．４４λＦ
   としたとき、前記所定距離が、前記波長領域において０より大きくｎＦΔより小さいことを特徴とする撮像素子。
2. 前記焦点検出用画素に設けられた前記マイクロレンズの焦点位置が、５４０ｎｍを基準とする波長領域に対応した焦点位置であることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
3. 前記撮像画素に設けられた前記マイクロレンズの焦点位置が、赤、緑、青のいずれかの分光感度に応じた波長領域に対応した焦点位置であることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
4. 前記焦点検出用画素は被写体像を結像するための撮像レンズにおける射出瞳を分割した一部の領域からの光束を受光することを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
5. 前記複数の画素は水平方向及び垂直方向に２次元配列され、
   前記射出瞳の分割方向は前記水平方向または前記垂直方向であることを特徴とする請求項４に記載の撮像素子。
6. 前記複数の画素は所定の周期で配列され、
   前記焦点検出用画素は前記複数の画素内に前記所定の周期よりも長い周期で周期的に配置されることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
7. 前記複数の画素は所定の周期で配列され、
   前記マイクロレンズの回折限界Δは前記波長領域において前記所定の周期よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
8. 前記所定距離が０．２ｎＦΔ以上であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の撮像素子。
9. 請求項１から請求項８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。
10. 複数の画素が２次元配列された撮像素子であって、
    前記複数の画素の各々の受光側に設けられたマイクロレンズと、
    前記複数の画素の各々に設けられ、画素の分光感度に応じた波長領域の光を受光する複数の光電変換部とを有し、
    前記マイクロレンズの焦点位置は、前記複数の光電変換部の受光面よりも前記マイクロレンズ側に所定量のオフセットを持って位置し、
    前記オフセットは、前記波長領域における波長に対応する回折限界を許容錯乱円とした場合の前記マイクロレンズの焦点深度より小さい量であることを特徴とする撮像素子。
11. 複数の画素が２次元配列された撮像素子であって、
    前記複数の画素の各々の受光側に設けられたマイクロレンズと、
    前記複数の画素の各々に設けられ、前記マイクロレンズが集光した光を受光する複数の光電変換部とを有し、
    前記マイクロレンズの後側焦点深度は、前記マイクロレンズが設けられている画素の分光感度に応じて制限された波長領域に対応した前記マイクロレンズの焦点位置から、前記マイクロレンズの前記波長領域に対応した回折限界を許容錯乱円とする前記マイクロレンズ側とは反対方向への焦点深度までの範囲であり、
    前記複数の光電変換部の受光面が、前記マイクロレンズの後側焦点深度に位置することを特徴とする撮像素子。
12. 前記マイクロレンズの焦点深度は、前記波長領域における波長に対応する回折限界をΔ、前記マイクロレンズの焦点位置での屈折率をｎ、前記マイクロレンズの絞り値をＦとして、ｎＦΔで決定されることを特徴とする請求項１０または１１に記載の撮像素子。
13. 前記マイクロレンズの焦点位置が、５４０ｎｍを基準とする波長領域に対応した焦点位置であることを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の撮像素子。
14. 前記マイクロレンズの焦点位置が、赤、緑、青のいずれかの分光感度に応じた波長領域に対応した焦点位置であることを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の撮像素子。
15. 前記複数の光電変換部は被写体像を結像するための撮像レンズにおける射出瞳を分割した一部の領域からの光束を受光することを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれか１項に記載の撮像素子。
16. 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受光側に設けられたマイクロレンズと、
    前記複数の画素の各々に設けられ、前記マイクロレンズが集光した光を受光する複数の光電変換部と、
    前記マイクロレンズと前記複数の光電変換部との間に設けられた所定の膜厚を有する膜とを有し、
    前記マイクロレンズの焦点位置が、前記マイクロレンズが設けられている画素の分光感度に応じて制限された波長領域に対応した焦点位置であり、
    前記マイクロレンズの焦点位置は、前記膜内に設定され、
    前記マイクロレンズの焦点位置での屈折率をｎ、前記マイクロレンズの絞り値をＦ、前記波長領域における波長をλ、前記マイクロレンズの回折限界Δを
    Δ＝２．４４λＦ
    としたとき、前記マイクロレンズの焦点位置から前記複数の光電変換部の受光面までの距離が、前記波長領域において０より大きくｎＦΔより小さいことを特徴とする撮像素子。
17. 前記マイクロレンズによる前記受光面における集光スポットの直径が１．１３Δより小さい位置に前記マイクロレンズの焦点位置を設定したことを特徴とする請求項１６に記載の撮像素子。
18. ２次元配列された複数の画素を有する撮像素子の製造方法であって、
    前記複数の画素の各々について、１つ以上の光電変換部を形成するステップと、
    前記複数の画素に各々について、前記光電変換部の受光側にマイクロレンズを積層するステップとを含み、
    前記マイクロレンズは、前記光電変換部の受光面よりも前記マイクロレンズ側にオフセットした焦点位置を有するように形成され、
    前記オフセットは、前記マイクロレンズが形成される画素の分光感度に応じた波長領域における波長に対応する回折限界を許容錯乱円とした場合の、前記マイクロレンズの焦点深度より小さい量であることを特徴とする撮像素子の製造方法。
19. 前記マイクロレンズの焦点深度は、前記波長領域における波長に対応する回折限界をΔ、前記マイクロレンズの焦点位置での屈折率をｎ、前記マイクロレンズの絞り値をＦとして、ｎＦΔで決定されることを特徴とする請求項１８に記載の撮像素子の製造方法。
20. 前記マイクロレンズの焦点位置が、５４０ｎｍを基準とする波長領域に対応した焦点位置であることを特徴とする請求項１８または１９に記載の撮像素子の製造方法。
21. 前記マイクロレンズの焦点位置が、赤、緑、青のいずれかの分光感度に応じた波長領域に対応した焦点位置であることを特徴とする請求項１８または１９に記載の撮像素子の製造方法。
22. 複数の画素が２次元配列された撮像素子であって、
    前記複数の画素の各々の受光側に設けられたマイクロレンズと、
    前記複数の画素の各々に設けられ、画素の分光感度に応じた波長領域の光を受光する光電変換部と前記波長領域の光を遮光する遮光層を有し、
    前記マイクロレンズの焦点位置は、前記遮光層よりも前記マイクロレンズ側にオフセットした位置であり、
    前記オフセットは、前記波長領域における波長λによって決定される回折限界Δを許容錯乱円とした場合の前記マイクロレンズの焦点深度より小さい量であることを特徴とする撮像素子。
23. 複数の画素が２次元配列された撮像素子であって、
    前記複数の画素の各々の受光側に設けられたマイクロレンズと、
    前記複数の画素の各々に設けられ、画素の分光感度に応じた波長領域の光を受光する複数の光電変換部と、
    前記マイクロレンズと前記複数の光電変換部の間に設けられた複数の導波路とを有し、
    前記マイクロレンズの焦点位置は、前記複数の導波路の受光面よりも前記マイクロレンズ側にオフセットした位置であり、
    前記オフセットは、前記波長領域における波長λによって決定される回折限界Δを許容錯乱円とした場合の前記マイクロレンズの焦点深度より小さい量であることを特徴とする撮像素子。