JP6288909B2

JP6288909B2 - 撮像素子及び撮像装置

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Description

本発明は、撮像素子及びそれを用いた撮像装置に関するものである。

撮影レンズの焦点状態を検出する方式の一つとして、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た瞳分割位相差方式（撮像面位相差方式）による焦点検出を行う撮像装置が提案されている。

特許文献１では、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。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。これらの分割された光電変換部で受光したそれぞれの信号から像ずれ量を求めて、焦点検出を行い、分割された光電変換部で受光した信号を足し合わせることで、撮像信号を取得する。また、焦点検出に限らず、各画素で左右に分割された光電変換部で受光した視差信号を、右眼用と左眼用に別々に表示することで、立体画像が可能となることが開示されている。

特許文献２では、複数の撮像用画素からなる２次元撮像素子に、部分的に１対の焦点検出用画素が配置され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、撮影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次元センサーの大部分に配置された撮像用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。

レンズ交換式カメラなどで、撮影レンズの射出瞳距離と撮像素子の入射瞳距離が異なる場合、撮像素子の像高が高くなると、撮影レンズの射出瞳と撮像素子の入射瞳との間で瞳ずれが生じる。また、量産ばらつきにより、マイクロレンズと分割された光電変換部や、マイクロレンズと開口部を有する遮光層との位置合わせがずれた場合も、撮影レンズの射出瞳と撮像素子の入射瞳との間で瞳ずれが生じる。撮像面位相差方式による焦点検出では、瞳ずれが生じるに伴い、瞳分割された各瞳部分領域の非対称性が大きくなり、焦点検出精度が低下してしまう。

特許文献３では、瞳ずれに対応するために、マイクロレンズと分割された光電変換部との位置合わせを、予め、複数の異なるずらし量でずらした焦点検出用画素を配置しておくことが開示されている。そして、撮影レンズと焦点検出を行う像高に応じて、瞳分割された各瞳部分領域の非対称性ができるだけ小さくなる焦点検出用画素を選択し、撮像面位相差方式による焦点検出を行う。

米国特許第４４１０８０４号明細書特開２０００−１５６８２３号公報特開２００９−１５１６４号公報

しかしながら、実際の撮像素子では、画素の大きさは有限であるため、分割された光電変換部や開口部を有する遮光層を、画素内部で予めずらしておくずらし量には上限がある。そのため、撮像素子の周辺像高での瞳ずれに対応できず、焦点検出精度が低下し、瞳分割位相差方式による焦点検出可能な像高範囲が限定されてしまうという課題がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、撮像面での瞳分割位相差方式による焦点検出において、焦点検出可能な像高範囲を拡大することである。

本発明に係わる撮像素子は、結像光学系の撮像瞳領域を通過する光束を受光する複数の撮像用画素と、前記撮像瞳領域より小さい第１瞳領域を通過する光束を受光する複数の第１焦点検出用画素と、前記撮像瞳領域より小さい第２瞳領域を通過する光束を受光する複数の第２焦点検出用画素と、を有し、前記第１及び第２焦点検出用画素は、それぞれ、マイクロレンズと、光電変換部と、前記光電変換部の一部を覆う遮光層とを含み、前記第１瞳領域の重心と前記第２瞳領域の重心が異なり、周辺像高において前記第１焦点検出用画素の中心に対する前記第１焦点検出用画素のマイクロレンズの偏心の方向、および前記第２焦点検出用画素の中心に対する前記第２焦点検出用画素のマイクロレンズの偏心の方向が、それぞれに隣接する撮像用画素における前記撮像用画素の中心に対する前記撮像用画素のマイクロレンズの偏心の方向と異なり、前記第１瞳領域の重心と前記第２瞳領域の重心の平均位置が前記撮像瞳領域の重心に対して偏心していることを特徴とする。
また、本発明に係わる撮像素子は、結像光学系の撮像瞳領域を通過する光束を受光する複数の撮像用画素と、前記撮像瞳領域より小さい第１瞳領域を通過する光束を受光する複数の第１焦点検出用画素と、前記撮像瞳領域より小さい第２瞳領域を通過する光束を受光する複数の第２焦点検出用画素と、を有し、前記第１焦点検出用画素は、該第１焦点検出用画素のマイクロレンズと該第１焦点検出用画素の光電変換部との間に、第１開口部を有する第１遮光層を備えるとともに、前記第２焦点検出用画素は、該第２焦点検出用画素のマイクロレンズと該第２焦点検出用画素の光電変換部との間に、第２開口部を有する第２遮光層を備え、周辺像高において前記第１及び第２焦点検出用画素それぞれの中心に対する前記第１及び第２焦点検出用画素のマイクロレンズの偏心の方向が、前記第１及び第２焦点検出用画素の中心に対する前記第１開口部の重心と前記第２開口部の重心の平均位置の偏心の方向と反対方向であることを特徴とする。

本発明によれば、撮像面での瞳分割位相差方式による焦点検出において、焦点検出可能な像高範囲を拡大することが可能となる。

本発明の実施形態における撮像装置の概略構成図。本発明の実施形態における画素配列の概略図。第１の実施形態における構成１の第１焦点検出用画素の概略平面図と概略断面図。第１の実施形態における構成１の第２焦点検出用画素の概略平面図と概略断面図。第１の実施形態における撮像用画素の概略平面図と概略断面図。第１の実施形態における構成１の瞳分割の概略説明図。第１の実施形態における構成２の第１焦点検出用画素の概略平面図と概略断面図。第１の実施形態における構成２の第２焦点検出用画素の概略平面図と概略断面図。第１の実施形態における構成２の瞳分割の概略説明図。第１の実施形態における構成３の第１焦点検出用画素の概略平面図と概略断面図。第１の実施形態における構成３の第２焦点検出用画素の概略平面図と概略断面図。第１の実施形態における構成３の瞳分割の概略説明図。瞳ずれの概略説明図。瞳ずれの概略説明図。第２の実施形態における構成１の第１焦点検出用画素の概略平面図と概略断面図。第２の実施形態における構成１の第２焦点検出用画素の概略平面図と概略断面図。第２の実施形態における撮像用画素の概略平面図と概略断面図。第２の実施形態における構成２の第１焦点検出用画素の概略平面図と概略断面図。第２の実施形態における構成２の第２焦点検出用画素の概略平面図と概略断面図。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態）
[全体構成]
図１は本発明の第１の実施形態に係わる撮像素子を有する撮像装置であるカメラの構成図を示している。図１において、１０１は結像光学系の先端に配置された第１レンズ群で、光軸方向に進退可能に保持される。１０２は絞り兼用シャッタで、その開口径を調節することで撮影時の光量調節を行なうほか、静止画撮影時には露光秒時調節用シャッタとしても機能する。１０３は第２レンズ群である。そして絞り兼用シャッタ１０２及び第２レンズ群１０３は一体となって光軸方向に進退し、第１レンズ群１０１の進退動作との連動により、変倍作用（ズーム機能）をなす。

１０５は第３レンズ群で、光軸方向の進退により、焦点調節を行なう。１０６は光学的ローパスフィルタで、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２次元ＣＭＯＳフォトセンサーと周辺回路からなる撮像素子である。

１１１はズームアクチュエータで、不図示のカム筒を回動することで、第１レンズ群１１１ないし第３レンズ群１０５を光軸方向に進退駆動し、変倍操作を行なう。１１２は絞りシャッタアクチュエータで、絞り兼用シャッタ１０２の開口径を制御して撮影光量を調節すると共に、静止画撮影時の露光時間制御を行なう。１１４はフォーカスアクチュエータで、第３レンズ群１０５を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行なう。

１１５は撮影時の被写体照明用電子フラッシュで、キセノン管を用いた閃光照明装置が好適であるが、連続発光するＬＥＤを備えた照明装置を用いても良い。１１６はＡＦ補助光装置で、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界に投影し、暗い被写体あるいは低コントラスト被写体に対する焦点検出能力を向上させる。

１２１は、カメラ本体の種々の制御を司るカメラ内ＣＰＵで、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。そして、ＲＯＭに記憶された所定のプログラムに基づいて、カメラが有する各種回路を駆動し、ＡＦ、撮影、画像処理と記録等の一連の動作を実行する。

１２２は電子フラッシュ制御回路で、撮影動作に同期して電子フラッシュ１１５を点灯制御する。１２３は補助光駆動回路で、焦点検出動作に同期してＡＦ補助光装置１１６を点灯制御する。１２４は撮像素子駆動回路で、撮像素子１０７の撮像動作を制御するとともに、取得した画像信号をＡ／Ｄ変換してＣＰＵ１２１に送信する。１２５は画像処理回路で、撮像素子１０７が取得した画像のγ変換、カラー補間、ＪＰＥＧ圧縮等の処理を行なう。

１２６はフォーカス駆動回路で、焦点検出結果に基づいてフォーカスアクチュエータ１１４を駆動制御し、第３レンズ群１０５を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行なう。１２８は絞りシャッタ駆動回路で、絞りシャッタアクチュエータ１１２を駆動制御して絞り兼用シャッタ１０２の開口を制御する。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、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と撮影後の確認用画像、焦点検出時の合焦状態表示画像等を表示する。１３２は操作スイッチ群で、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、撮影済み画像を記録する。

[撮像素子]
第１の実施形態における撮像素子の画素配列の概略図を図２に示す。図２は、第１の実施形態の２次元ＣＭＯＳセンサー（撮像素子）の画素配列を、２０列×２０行画素の範囲で示したものである。図２に示した２０列×２０行画素を面上に多数配置し、高解像度画像の取得を可能としている。本実施形態においては、画素ピッチが４μm、有効画素数が横５５７５列×縦３７２５行＝約２０００万画素、撮像画面サイズが横２２．３ｍｍ×縦１４．９ｍｍの撮像素子として説明を行なう。

本実施形態において、図２に示した２行×２列の画素群２００では、Ｒ（赤）の分光感度を有する画素２００Ｒが左上に、Ｇ（緑）の分光感度を有する画素２００Ｇが右上と左下に、Ｂ（青）の分光感度を有する画素２００Ｂが右下に配置されている。また、図２に示した２行×２列の焦点検出用画素群２１０（２２０、２３０、２４０、２５０）では、右上と左下の２画素にＧの分光感度を有する撮像用画素２１０Ｇ（２２０Ｇ、２３０Ｇ、２４０Ｇ、２５０Ｇ）を配置されている。また、左上にＷ（白）の分光感度を有する第１焦点検出用画素２１０ＳＡ（２２０ＳＡ、２３０ＳＡ、２４０ＳＡ、２５０ＳＡ）が、右下にＷの分光感度を有する第２焦点検出用画素２１０ＳＢ（２２０ＳＢ、２３０ＳＢ、２４０ＳＢ、２５０ＳＢ）が配置されている。

［構成１］
構成１の焦点検出用画素群２３０について、以下に説明する。図２に示した撮像素子の１つの第１焦点検出用画素２３０ＳＡを、撮像素子の受光面側（＋ｚ側）から見た平面図を図３（ａ）に示し、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、図２に示した撮像素子の１つの第２焦点検出用画素２３０ＳＢを、撮像素子の受光面側（＋ｚ側）から見た平面図を図４（ａ）に示し、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。また、図２に示した撮像素子の１つの撮像用画素２３０Ｇ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。

図３、図４および図５に示すように、本実施形態の第１焦点検出用画素２３０ＳＡ、第２焦点検出用画素２３０ＳＢおよび撮像用画素２３０Ｇでは、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。光電変換部ＰＤの領域は、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に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を合わせた領域と重なる。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が形成される。

図３に示した第１焦点検出用画素２３０ＳＡでは、マイクロレンズ３０５と光電変換部ＰＤとの間に、第１開口部を有する第１遮光層３３０ａが形成され、光電変換部の受光面の重心に対し、第１開口部の重心が−ｘ方向に偏心して構成される。

一方、図４に示した第２焦点検出用画素２３０ＳＢでは、マイクロレンズ３０５と光電変換部ＰＤとの間に、第２開口部を有する第２遮光層３３０ｂが形成され、光電変換部の受光面の重心に対し、第２開口部の重心が＋ｘ方向に偏心して構成される。

構成１では、第１遮光層３３０ａの第１開口部の重心と第２遮光層３３０ｂの第２開口部の重心が異なる。また、第１遮光層３３０ａの第１開口部の重心と第２遮光層３３０ｂの第２開口部の重心との平均位置を、光電変換部の受光面の重心と概ね一致させる。

本実施形態では、撮像素子を駆動するための配線層を利用して第１開口部を有する第１遮光層と第２開口部を有する第２遮光層が形成される。つまり、配線層と遮光層が兼ねられている。

本実施形態では、第１焦点検出用画素は、第１焦点検出用画素のマイクロレンズと第１焦点検出用画素の光電変換部との間に、第１開口部を有する第１遮光層を備えている。また、第２焦点検出用画素は、第２焦点検出用画素のマイクロレンズと第２焦点検出用画素の光電変換部との間に、第２開口部を有する第２遮光層を備えている。

図３（図４）に示した第１焦点検出用画素２３０ＳＡ（第２焦点検出用画素２３０ＳＢ）に入射した光は、マイクロレンズ３０５により集光される。そして、集光された光の一部が、第１遮光層３３０ａ（第２遮光層３３０ｂ）の第１開口部（第２開口部）を通過し、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、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。

焦点検出用画素に対し、図５に示した撮像用画素２３０Ｇでは、配線層３３０ｃは画素周辺部のみに形成され、画素中央部に遮光層は形成されない。また、マイクロレンズ３０５と光電変換部ＰＤとの間に、Ｇ（緑）のカラーフィルター（不図示）が形成される。

構成１での画素に形成される遮光層の開口部と瞳分割との対応関係を表す概略説明図を図６に示す。図３（ａ）に示した第１焦点検出用画素２３０ＳＡのａ−ａ断面を＋ｙ側から見た断面図と結像光学系の射出瞳面を図６（ａ）に示す。また、図４（ａ）に示した第２焦点検出用画素２３０ＳＢのｂ−ｂ断面を＋ｙ側から見た断面図と結像光学系の射出瞳面を図６（ｂ）に示す。また、図５（ａ）に示した撮像用画素２３０Ｇのｃ−ｃ断面を＋ｙ側から見た断面図と結像光学系の射出瞳面を図６（ｃ）に示す。図６では、射出瞳面の座標軸と対応を取るため、断面図のｘ軸とｙ軸を図３、図４、図５に対して反転させている。

図６の４００は結像光学系の射出瞳、５００は撮像用画素２３０Ｇの瞳強度分布（撮像瞳領域）、５３０ａは第１焦点検出用画素２３０ＳＡの瞳強度分布（第１瞳領域）、５３０ｂは第２焦点検出用画素２３０ＳＢの瞳強度分布（第２瞳領域）である。なお、ＰＤは光電変換部である。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、撮像用画素の撮像瞳領域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、撮像用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、明瞭な領域とならずに、受光率分布となる。

撮像用画素の撮像瞳領域５００は、結像光学系の射出瞳４００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、撮像瞳領域５００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。

図６（ａ）で、第１焦点検出用画素２３０ＳＡの第１瞳領域５３０ａは、第１遮光層３３０ａの重心が−ｘ方向に偏心している第１開口部と、マイクロレンズによって、概ね、共役関係になっている。そして、第１焦点検出用画素２３０ＳＡで受光可能な瞳領域を表している。第１焦点検出用画素２３０ＳＡの第１瞳領域５３０ａは、撮像用画素の撮像瞳領域５００より小さく、瞳面上で＋Ｘ側に重心が偏心している。

図６（ｂ）で、第２焦点検出用画素２３０ＳＢの第２瞳領域５３０ｂは、第２遮光層３３０ｂの重心が＋ｘ方向に偏心している第２開口部と、マイクロレンズによって、概ね、共役関係になっている。そして、第２焦点検出用画素２３０ＳＢで受光可能な瞳領域を表している。第２焦点検出用画素２３０ＳＢの第２瞳領域５３０ｂは、撮像用画素の撮像瞳領域５００より小さく、瞳面上で−Ｘ側に重心が偏心している。

第１焦点検出用画素２３０ＳＡの第１瞳領域５３０ａの重心と第２焦点検出用画素２３０ＳＢの第２瞳領域５３０ｂの重心が異なり、反対方向に偏心している。これにより、結像光学系の射出瞳４００をＸ方向に瞳分割することができる。同様にして、第１遮光層の第１開口部の重心を−ｙ方向に偏心させ、第２遮光層の第２開口部の重心を＋ｙ方向に偏心させると、結像光学系の射出瞳４００をＹ方向に瞳分割することができる。

構成１では、第１瞳領域５３０ａの重心と第２瞳領域５３０ｂの重心が異なる。また、第１瞳領域５３０ａの重心と第２瞳領域５３０ｂの重心との平均を、所定の瞳距離で、撮像瞳領域５００の重心と概ね一致させる。

本実施形態の撮像素子は、結像光学系の撮像瞳領域を通過する光束を受光する複数の撮像用画素と、撮像瞳領域より小さい第１瞳領域を通過する光束を受光する複数の第１焦点検出用画素と、撮像瞳領域より小さい第２瞳領域を通過する光束を受光する複数の第２焦点検出用画素を備え、第１瞳領域の重心と前記第２瞳領域の重心が異なるように構成される。

［構成２］
構成２の焦点検出用画素群２２０について、以下に説明する。図２に示した撮像素子の１つの第１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７（ａ）に示し、図７（ａ）のａ−ａ断面を−ｙ側から見た断面図を図７（ｂ）に示す。また、図２に示した撮像素子の１つの第２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８（ａ）に示し、図８（ａ）のｂ−ｂ断面を−ｙ側から見た断面図を図８（ｂ）に示す。撮像用画素２２０Ｇは、構成１の撮像用画素２３０Ｇと同様である。

構成２の第１焦点検出用画素２２０ＳＡと第２焦点検出用画素２２０ＳＢでは、第１遮光層３２０ａの第１開口部の重心と第２遮光層３２０ｂの第２開口部の重心が異なる。また、第１遮光層３２０ａの第１開口部の重心と第２遮光層３２０ｂの第２開口部の重心との平均位置を、光電変換部の受光面の重心に対して−ｘ方向に偏心させる。

これとは反対に、図２に示した焦点検出用画素群２４０の第１焦点検出用画素２４０ＳＡと第２焦点検出用画素２４０ＳＢは、第１遮光層の第１開口部の重心と第２遮光層の第２開口部の重心との平均位置を、光電変換部の受光面の重心に対して、＋ｘ方向に偏心させる。

構成２での画素に形成される遮光層の開口部と瞳分割との対応関係を表す概略説明図を図９に示す。図７（ａ）に示した第１焦点検出用画素２２０ＳＡのａ−ａ断面を＋ｙ側から見た断面図と結像光学系の射出瞳面を図９（ａ）に示す。また、図８（ａ）に示した第２焦点検出用画素２２０ＳＢのｂ−ｂ断面を＋ｙ側から見た断面図と結像光学系の射出瞳面を図９（ｂ）に示す。図９では、射出瞳面の座標軸と対応を取るため、断面図のｘ軸とｙ軸を図７、図８に対して反転させている。

構成２の第１焦点検出用画素２２０ＳＡと第２焦点検出用画素２２０ＳＢでは、第１瞳領域５２０ａの重心と第２瞳領域５２０ｂの重心が異なる。また、第１瞳領域５２０ａの重心と第２瞳領域５２０ｂの重心との平均を、所定の瞳距離で、撮像瞳領域５００の重心に対して、＋Ｘ側に偏心させる。

これとは反対に、図２に示した焦点検出用画素群２４０の第１焦点検出用画素２４０ＳＡと第２焦点検出用画素２４０ＳＢは、第１瞳領域の重心と第２瞳領域の重心との平均が、所定の瞳距離で、撮像瞳領域５００の重心に対して、−Ｘ側に偏心するように構成される。

［構成３］
構成３の焦点検出用画素群２１０について、以下に説明する。図２に示した撮像素子の１つの第１焦点検出用画素２１０ＳＡを、撮像素子の受光面側（＋ｚ側）から見た平面図を図１０（ａ）に示し、図１０（ａ）のａ−ａ断面を−ｙ側から見た断面図を図１０（ｂ）に示す。また、図２に示した撮像素子の１つの第２焦点検出用画素２１０ＳＢを、撮像素子の受光面側（＋ｚ側）から見た平面図を図１１（ａ）に示し、図１１（ａ）のｂ−ｂ断面を−ｙ側から見た断面図を図１１（ｂ）に示す。撮像用画素２１０Ｇは、構成１の撮像用画素２３０Ｇと同様である。

構成３の第１焦点検出用画素２１０ＳＡと第２焦点検出用画素２１０ＳＢでは、第１遮光層３１０ａの第１開口部の重心と第２遮光層３１０ｂの第２開口部の重心が異なる。また、第１遮光層３１０ａの第１開口部の重心と第２遮光層３１０ｂの第２開口部の重心との平均位置を、光電変換部の受光面の重心に対して−ｘ方向に偏心させる。さらに、第１焦点検出用画素２１０ＳＡと第２焦点検出用画素２１０ＳＢのマイクロレンズを、光電変換部の受光面の重心に対して＋ｘ方向に偏心させる。

これとは反対に、図２に示した焦点検出用画素群２５０の第１焦点検出用画素２５０ＳＡと第２焦点検出用画素２５０ＳＢは、第１遮光層の第１開口部の重心と第２遮光層の第２開口部の重心との平均位置を、光電変換部の受光面の重心に対して、＋ｘ方向に偏心させる。さらに、第１焦点検出用画素２５０ＳＡと第２焦点検出用画素２５０ＳＢのマイクロレンズを、光電変換部の受光面の重心に対して−ｘ方向に偏心させる。

本実施形態では、第１焦点検出用画素および第２焦点検出用画素の各マイクロレンズの偏心が、第１開口部の重心と第２開口部の重心との平均位置の偏心と反対方向に偏心されている。

本実施形態の第１焦点検出用画素２１０ＳＡの第１遮光層３１０ａは、撮像素子を駆動するための配線層で形成されているため、第１遮光層３１０ａの第１開口部は、これ以上−ｘ方向に偏心させることができない。その代わり、第１焦点検出用画素２１０ＳＡのマイクロレンズを反対方向の＋ｘ方向に偏心させる。これにより、第１焦点検出用画素２１０ＳＡのマイクロレンズに対する第１遮光層３１０ａの第１開口部の偏心量を、構成２よりもさらに大きくすることができる。撮像用画素２１０Ｇのマイクロレンズは、構成１と同様である。

図２に示したように画素群２１０を構成する第１焦点検出用画素２１０ＳＡと撮像用画素２１０Ｇは隣接しており、図１０に示した第１焦点検出用画素２１０ＳＡのマイクロレンズの偏心と、図５に示した撮像用画素２１０Ｇのマイクロレンズの偏心が異なる。同様に、図２に示したように画素群２１０を構成する第２焦点検出用画素２１０ＳＢと撮像用画素２１０Ｇは隣接しており、図１１に示した第２焦点検出用画素２１０ＳＢのマイクロレンズの偏心と、図５に示した撮像用画素２１０Ｇのマイクロレンズの偏心が異なる。

したがって、本実施形態では、第１焦点検出用画素２１０ＳＡのマイクロレンズの偏心と隣接する撮像用画素２１０Ｇのマイクロレンズの偏心が異なる。また、第２焦点検出用画素２１０ＳＢのマイクロレンズの偏心と隣接する撮像用画素２１０Ｇのマイクロレンズの偏心が異なる。

構成３での画素に形成される遮光層の開口部と瞳分割との対応関係を表す概略説明図を図１２に示す。図１０（ａ）に示した第１焦点検出用画素２１０ＳＡのａ−ａ断面を＋ｙ側から見た断面図と結像光学系の射出瞳面を図１２（ａ）に示す。また、図１１（ａ）に示した第２焦点検出用画素２１０ＳＢのｂ−ｂ断面を＋ｙ側から見た断面図と結像光学系の射出瞳面を図１２（ｂ）に示す。図１２では、射出瞳面の座標軸と対応を取るため、断面図のｘ軸とｙ軸を図１０、図１１に対して反転させている。

構成３の第１焦点検出用画素２１０ＳＡと第２焦点検出用画素２１０ＳＢでは、第１瞳領域５１０ａの重心と第２瞳領域５１０ｂの重心が異なる。また、第１瞳領域５１０ａの重心と第２瞳領域５１０ｂの重心との平均を、所定の瞳距離で、撮像瞳領域５００の重心に対して、＋Ｘ側に偏心させる。

これとは反対に、図２に示した焦点検出用画素群２５０の第１焦点検出用画素２５０ＳＡと第２焦点検出用画素２５０ＳＢは、第１瞳領域の重心と第２瞳領域の重心との平均が、所定の瞳距離で、撮像瞳領域５００の重心に対して、−Ｘ側に偏心するように構成される。

［焦点検出］
図２に示した第１焦点検出用画素２１０ＳＡ（２２０ＳＡ、２３０ＳＡ、２４０ＳＡ、２５０ＳＡ）をｘ方向に規則的に配列し、これら複数の第１焦点検出用画素から取得した被写体像をＡ像とする。同様に、図２に示した第２焦点検出用画素２１０ＳＢ（２２０ＳＢ、２３０ＳＢ、２４０ＳＢ、２５０ＳＢ）をｘ方向に規則的に配列し、これら複数の第２焦点検出用画素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）からデフォーカス量（合焦ずれ量）を算出し、焦点検出を行うことができる。

［瞳ずれへの対応］
以下、本実施形態における撮像素子の周辺像高での瞳ずれへの対応について説明する。図１３および図１４に、撮像素子の周辺像高における第１焦点検出用画素の第１瞳領域、第２焦点検出用画素の第２瞳領域、および結像光学系の射出瞳の関係を示す。

図１３（ａ）は、結像光学系の射出瞳距離Ｄｌと撮像素子の設定瞳距離Ｄｓが、概ね、一致する場合である。この場合は、第１焦点検出用画素２３０ＳＡの第１瞳領域５３０ａと第２焦点検出用画素２３０ＳＢの第２瞳領域５３０ｂにより、結像光学系の射出瞳４００が、概ね、均等に瞳分割される。

これに対して、図１３（ｂ）に示した結像光学系の射出瞳距離Ｄｌが撮像素子の設定瞳距離Ｄｓより短い場合や、図１３（ｃ）に示した結像光学系の射出瞳距離Ｄｌが撮像素子の設定瞳距離Ｄｓより長い場合には、撮像素子の周辺像高では、結像光学系の射出瞳４００が、不均一に瞳分割されてしまう。

瞳分割が不均一になるのに伴い、Ａ像とＢ像の強度も不均一になり、Ａ像とＢ像のいずれか一方の強度が大きくなり、他方の強度が小さくなる。そのため、周辺像高などで、このＡ像とＢ像の強度の不均一が激しくなると、Ａ像とＢ像の一方の信号が十分な強度で得られなくなり、焦点検出性能が低下してしまう。

本実施形態では、第１瞳領域５１０ａの重心と第２瞳領域５１０ｂの重心との平均を、所定の瞳距離で、撮像瞳領域５００の重心に対して、＋Ｘ側に大きく偏心させた構成３の第１焦点検出用画素２１０ＳＡと第２焦点検出用画素２１０ＳＢを、予め、配置しておく。

図１４に、結像光学系の射出瞳距離Ｄｌと撮像素子の設定瞳距離Ｄｓが異なり、周辺像高において、撮像素子の設定瞳距離Ｄｓの位置の瞳面上で、結像光学系の射出瞳４００が＋Ｘ側に大きく偏心した場合を示す。図１４（ａ）は、＋Ｘ側に大きく偏心した結像光学系の射出瞳４００を、構成１の第１焦点検出用画素２３０ＳＡの第１瞳領域５３０ａと第２焦点検出用画素２３０ＳＢの第２瞳領域５３０ｂで瞳分割する場合である。瞳ずれが大きく、不均一な瞳分割となってしまう。一方、図１４（ｂ）は、＋Ｘ側に大きく偏心した結像光学系の射出瞳４００を、構成３の第１焦点検出用画素２１０ＳＡの第１瞳領域５１０ａと第２焦点検出用画素２１０ＳＢの第２瞳領域５１０ｂで瞳分割する場合である。周辺像高でも、瞳ずれを小さくでき、均一な瞳分割を行うことができ、焦点検出性能を向上することができる。

以上の構成により、撮像素子の周辺像高での瞳ずれに対応し、瞳分割位相差方式による焦点検出可能な像高範囲を拡大することが可能となる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について、以下に説明する。

［構成１］
構成１の焦点検出用画素群２３０について、以下に説明する。図２に示した撮像素子の１つの第１焦点検出用画素２３０ＳＡを、撮像素子の受光面側（＋ｚ側）から見た平面図を図１５（ａ）に示し、図１５（ａ）のａ−ａ断面を−ｙ側から見た断面図を図１５（ｂ）に示す。また、図２に示した撮像素子の１つの第２焦点検出用画素２３０ＳＢを、撮像素子の受光面側（＋ｚ側）から見た平面図を図１６（ａ）に示し、図１６（ａ）のｂ−ｂ断面を−ｙ側から見た断面図を図１６（ｂ）に示す。また、図２に示した撮像素子の１つの撮像用画素２３０Ｇを、撮像素子の受光面側（＋ｚ側）から見た平面図を図１７（ａ）に示し、図１７（ａ）のｃ−ｃ断面を-ｙ側から見た断面図を図１７（ｂ）に示す。

図１５（ｂ）に示すように、第１焦点検出用画素２３０ＳＡでは、マイクロレンズ３０５と第１開口部を有する第１遮光層３３０ａとの間に、層内レンズ３０６が構成される。また、図１６（ｂ）に示すように、第２焦点検出用画素２３０ＳＢでは、マイクロレンズ３０５と第２開口部を有する第２遮光層３３０ｂとの間に、層内レンズ３０６が構成される。また、図１７（ｂ）に示すように、撮像用画素２３０Ｇでは、層内レンズ３０６は構成されない。その他は、第１の実施形態の構成１と同様である。

［構成２］
構成２の焦点検出用画素群２２０の第１焦点検出用画素２２０ＳＡと第２焦点検出用画素２２０ＳＢで、構成１と同様に、層内レンズ３０６が構成される。焦点検出用画素群２４０の第１焦点検出用画素２４０ＳＡと第２焦点検出用画素２４０ＳＢも同様である。その他は、第１の実施形態の構成２と同様である。

［構成３］
構成３の焦点検出用画素群２１０について、以下に説明する。図２に示した撮像素子の１つの第１焦点検出用画素２１０ＳＡを、撮像素子の受光面側（＋ｚ側）から見た平面図を図１８（ａ）に示し、図１８（ａ）のａ−ａ断面を−ｙ側から見た断面図を図１８（ｂ）に示す。また、図２に示した撮像素子の１つの第２焦点検出用画素２１０ＳＢを、撮像素子の受光面側（＋ｚ側）から見た平面図を図１９（ａ）に示し、図１９（ａ）のｂ−ｂ断面を−ｙ側から見た断面図を図１９（ｂ）に示す。

図１８（ｂ）に示すように、第１焦点検出用画素２１０ＳＡでは、マイクロレンズ３０５と第１開口部を有する第１遮光層３１０ａとの間に、層内レンズ３０６が＋ｘ方向に偏心させて構成される。マイクロレンズと層内レンズから構成される合成マイクロレンズが、＋ｘ方向に偏心させて構成される。同様に、第２焦点検出用画素２１０ＳＢでは、マイクロレンズ３０５と第２開口部を有する第２遮光層３１０ｂとの間に、層内レンズ３０６が＋ｘ方向に偏心させて構成される。マイクロレンズと層内レンズから構成される合成マイクロレンズが、＋ｘ方向に偏心させて構成される。その他は、第１の実施形態の構成３と同様である。

構成３の第１焦点検出用画素２１０ＳＡと第２焦点検出用画素２１０ＳＢでは、第１遮光層３１０ａの第１開口部の重心と第２遮光層３１０ｂの第２開口部の重心が異なる。また、第１遮光層３１０ａの第１開口部の重心と第２遮光層３１０ｂの第２開口部の重心との平均位置を、光電変換部の受光面の重心に対して−ｘ方向に偏心させる。さらに、第１焦点検出用画素２１０ＳＡと第２焦点検出用画素２１０ＳＢの合成マイクロレンズを、光電変換部の受光面の重心に対して＋ｘ方向に偏心させる。

これとは反対に、図２に示した焦点検出用画素群２５０の第１焦点検出用画素２５０ＳＡと第２焦点検出用画素２５０ＳＢは、第１遮光層の第１開口部の重心と第２遮光層の第２開口部の重心との平均位置を、光電変換部の受光面の重心に対して、＋ｘ方向に偏心させる。さらに、第１焦点検出用画素２５０ＳＡと第２焦点検出用画素２５０ＳＢの合成マイクロレンズを、光電変換部の受光面の重心に対して−ｘ方向に偏心させる。

本実施形態では、第１焦点検出用画素および第２焦点検出用画素の各合成マイクロレンズの偏心が、第１開口部の重心と第２開口部の重心との平均位置の偏心と反対方向に偏心されている。また、第１焦点検出用画素および第２焦点検出用画素の各合成マイクロレンズが、複数のマイクロレンズから構成されている。

上記以外は、第１の実施形態と同様である。以上の構成により、撮像素子の周辺像高での瞳ずれに対応し、瞳分割位相差方式による焦点検出可能な像高範囲を拡大することが可能となる。

Claims

結像光学系の撮像瞳領域を通過する光束を受光する複数の撮像用画素と、
前記撮像瞳領域より小さい第１瞳領域を通過する光束を受光する複数の第１焦点検出用画素と、前記撮像瞳領域より小さい第２瞳領域を通過する光束を受光する複数の第２焦点検出用画素と、を有し、
前記第１及び第２焦点検出用画素は、それぞれ、マイクロレンズと、光電変換部と、前記光電変換部の一部を覆う遮光層とを含み、
前記第１瞳領域の重心と前記第２瞳領域の重心が異なり、
周辺像高において前記第１焦点検出用画素の中心に対する前記第１焦点検出用画素のマイクロレンズの偏心の方向、および前記第２焦点検出用画素の中心に対する前記第２焦点検出用画素のマイクロレンズの偏心の方向が、それぞれに隣接する撮像用画素における前記撮像用画素の中心に対する前記撮像用画素のマイクロレンズの偏心の方向と異なり、前記第１瞳領域の重心と前記第２瞳領域の重心の平均位置が前記撮像瞳領域の重心に対して偏心していることを特徴とする撮像素子。
前記第１及び第２焦点検出用画素は、それぞれ該第１及び第２焦点検出用画素のマイクロレンズと該第１及び第２焦点検出用画素の光電変換部との間に、開口部を有する遮光層を備え、
前記第１及び第２焦点検出用画素の中心に対する前記第１及び第２焦点検出用画素の各マイクロレンズの偏心の方向が、前記第１及び第２焦点検出用画素の中心に対する前記開口部の重心の偏心の方向と反対方向であることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
前記第１及び第２焦点検出用画素の各マイクロレンズが、複数のマイクロレンズから構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像素子。
結像光学系の撮像瞳領域を通過する光束を受光する複数の撮像用画素と、
前記撮像瞳領域より小さい第１瞳領域を通過する光束を受光する複数の第１焦点検出用画素と、前記撮像瞳領域より小さい第２瞳領域を通過する光束を受光する複数の第２焦点検出用画素と、を有し、
前記第１焦点検出用画素は、該第１焦点検出用画素のマイクロレンズと該第１焦点検出用画素の光電変換部との間に、第１開口部を有する第１遮光層を備えるとともに、前記第２焦点検出用画素は、該第２焦点検出用画素のマイクロレンズと該第２焦点検出用画素の光電変換部との間に、第２開口部を有する第２遮光層を備え、
周辺像高において前記第１及び第２焦点検出用画素それぞれの中心に対する前記第１及び第２焦点検出用画素のマイクロレンズの偏心の方向が、前記第１及び第２焦点検出用画素の中心に対する前記第１開口部の重心と前記第２開口部の重心の平均位置の偏心の方向と反対方向であることを特徴とする撮像素子。
前記第１及び第２焦点検出用画素のマイクロレンズの偏心の方向は前記結像光学系の光軸に近づく方向であり、前記第１開口部の重心と前記第２開口部の重心の平均位置の偏心の方向は前記結像光学系の光軸から遠ざかる方向であることと特徴とする請求項４に記載の撮像素子。
前記撮像用画素は赤緑青のいずれかの分光感度を備え、前記第１及び第２焦点検出用画素は白の分光感度を備えることを特徴とする請求項４または５に記載の撮像素子。
前記撮像用画素と、前記第１及び第２焦点検出用画素は行列形状に配置され、
前記第１及び第２焦点検出用画素のマイクロレンズの偏心の方向は行方向であることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の撮像素子。
前記結像光学系の射出瞳のずれに対して前記第１及び第２焦点検出用画素のマイクロレンズの偏心の方向は前記マイクロレンズに対する第１及び第２開口部の偏心量を大きくする方向であることを特徴とする請求項４乃至７のいずれか１項に記載の撮像素子。
前記第１及び第２焦点検出用画素それぞれにおける前記マイクロレンズに対する前記第１及び第２開口部の偏心量に対して、より少ない偏心量を有する第３焦点検出用画素を更に備えることを特徴とする請求項４乃至８の何れか１項に記載の撮像素子。
前記第１及び第２焦点検出用画素それぞれの中心は対応する光電変換部の受光面の重心であることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の撮像素子。
請求項１乃至１０の何れか１項に記載の撮像素子を有することを特徴とする撮像装置。