JP6748529B2 - 撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は撮像素子及び撮像装置に関し、特に焦点検出機能を有する画素を含む撮像素子及び撮像装置に関する。

動画や静止画が記録可能な電子カメラにおいて、画像記録用の撮像素子を用いて位相差検出方式の焦点検出を実現する技術が提案されている。この撮像面位相差検出方式では、撮影光学系の射出瞳を通過した光束を一組の焦点検出用受光素子群で受光し、その受光量に応じて出力される１対２像の信号波形のずれ量、すなわち、光束の瞳分割方向に生ずる相対的位置ずれ量を検出する。そして、検出した相対的位置ずれ量から、撮影光学系の焦点ずれ量（デフォーカス量）を求める。この撮像面位相差検出方式による焦点検出の特性として、焦点検出用画素の配列や該画素の瞳分割特性形状に依存する特性があるため、焦点検出の特性を向上させるための画素内構造や配列に関する様々な技術が提案されている。

特許文献１には、光電変換部の分割位置が異なる複数の画素列を備え、マイクロレンズの偏心誤差や、交換レンズの種類や像高による瞳変化に応じて、最適な画素列を選択することで、画素出力のアンバランスを軽減させることが開示されている。

特開２００９−０１５１６４号公報

しかしながら、特許文献１のように光電変換部の分割位置が像高によって異なる構成を実現する場合、光電変換部から浮遊拡散領域へ電荷を転送する転送ゲート電極の材料の複素屈折率が周囲の材料と異なる。そのため、画素としての光学特性のアンバランスを新たに生み出してしまう。

ここで、転送ゲート電極に起因する画素の光学特性のアンバランスについて説明する。図５は、特許文献１に開示された、光電変換部の分割位置を異ならせた画素群を有する撮像素子の画素構造と、この画素構造が切り出す瞳面上の様子を説明するための模式図である。

図５（ａ）中には２行２列の画素配列が描かれており、１行目（画素群Ｉ）と２行目（画素群ＩＩ）とで分割中心位置が異なる構造をとることで、焦点検出信号の受光光量のアンバランスを軽減させている。図５に示した分割中心位置の異なる光電変換部４０１ａ，４０１ｂ，４０２ａ，４０２ｂのそれぞれに対応した転送ゲート電極４０３が、光電変換部４０１ａ，４０１ｂ，４０２ａ，４０２ｂに一部覆い被さる形で配設される。転送ゲート電極４０３は、隣接する浮遊拡散領域４０４との間で信号電荷のポテンシャルを制御する。

転送ゲート電極４０３は転送効率を考慮し、光電変換部４０１ａ，４０１ｂ，４０２ａ，４０２ｂの幅に合わせ設計される。転送ゲート電極４０３は周囲と複素屈折率が異なる部材であることから、光電変換部４０１ａ，４０１ｂ，４０２ａ，４０２ｂの光電変換領域の受光率を変化させることとなる。分割中心位置を異ならせた光電変換部４０１ａ，４０１ｂ，４０２ａ，４０２ｂの構成では、分割中心位置の異なる画素群Ｉと画素群ＩＩで、転送ゲート電極４０３が光学的に光電変換部４０１ａ，４０１ｂ，４０２ａ，４０２ｂを制限する領域が異なってしまう。

図５（ｂ）は画素群Ｉの画素が、また、図５（ｃ）は画素群ＩＩの画素が、マイクロレンズのシュリンク率によって設定される撮像素子の設定瞳距離Ｄｓ０上で光束を分離する様子を示した模式図である。領域４２０が、画素が受光する範囲を示している。また、領域４２１ａ，４２１ｂ，４２２ａ，４２２ｂはそれぞれ、光電変換部４０１ａ，４０１ｂ，４０２ａ，４０２ｂが受光する、分割した瞳領域の範囲を示している。撮像においては、この領域４２１ａと４２１ｂ、領域４２２ａと４２２ｂをそれぞれ合算した信号が撮像画像となる。領域４２３は、転送ゲート電極４０３による受光率変化の影響を受ける範囲を示している。図５（ｂ）及び（ｃ）に示す通り、画素毎に転送ゲート電極４０３により受光率が変化する領域が異なってしまう。このため、画素群Ｉと画素群ＩＩが受光する範囲の形状に差が生じ、撮像画像として好ましくない横縞が発生する要因となっていた。

本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、撮像面位相差方式の焦点検出に対応した撮像素子において、転送ゲート電極による撮像画像への影響を低減しつつ、より広い結像光学系の瞳距離の範囲で、適切に焦点検出を行えるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の撮像素子は、複数の画素から成り、第１の画素群と第２の画素群とを含む画素部を有し、前記第１の画素群と前記第２の画素群に含まれる各画素が、複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部それぞれに対応し、各光電変換部における同じ一部の領域を覆う転送ゲート電極を有する複数の転送ゲートと、を含み、前記第１の画素群と前記第２の画素群は、像高に関わらず、互いに異なる所定の瞳距離における瞳領域を略均等に分割するよう、前記複数の光電変換部の分割境界が前記複数の光電変換部の分割方向の像高に応じて変化することを特徴とする。

本発明によれば、撮像面位相差方式の焦点検出に対応した撮像素子において、転送ゲート電極による撮像画像への影響を低減しつつ、より広い結像光学系の瞳距離の範囲で、適切に焦点検出を行うことができる。

本発明の第１の実施形態における撮像素子の画素構成及び結像光学系の瞳面上の様子を示した模式図。 第２実施形態における撮像素子の画素構成を示した模式図。 第２実施形態における撮像素子の転送ゲート電極位置の違いによる結像光学系の瞳面上の様子の違いを示した模式図。 第３の実施形態における撮像装置の構成を示した模式図。 従来の撮像素子の画素構成を説明する模式図。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための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の実施形態における撮像素子１の画素構成と、結像光学系の瞳面上の様子を示した模式図である。図１（ａ）は、撮像素子１を構成する複数の画素１０が配設される２次元平面（画素部）を、光の入射する側から観察した平面図である。図１（ａ）では、画素１０の２次元配列のうち、−Ｘ方向に像高の高い領域Ａに配設された２行２列の４画素と、撮像素子１の中央近傍の領域Ｂに配設された２行１列の２画素と、＋Ｘ方向に像高の高い領域Ｃに配設された２行２列の４画素のみを示している。

各画素１０はマイクロレンズ１００を１つ有しており、画素群Ｉでは、図１（ａ）のＺ方向下側に複数の光電変換部１０１ａ及び１０１ｂが、また画素群ＩＩでは、光電変換部１０２ａ及び１０２ｂが配設される。光電変換部１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂは、撮像面での位相差を利用した焦点検出のために、Ｘ方向に分割されている。撮像においては、複数の光電変換部１０１ａ及び１０１ｂ、１０２ａ及び１０２ｂをそれぞれ画素毎に合算した領域内の信号が用いられる。この合算した領域の重心位置は、画素群や像高によらず、略画素中心に位置する。

光電変換部１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂの−Ｙ方向に隣接した領域には、浮遊拡散領域１０４（保持部）が配設される。転送トランジスタのゲートである転送ゲート電極１０３は、光電変換部１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂで発生した電荷をそれぞれ接続された浮遊拡散領域１０４に転送する。浮遊拡散領域１０４はそれぞれ光電変換部１０１ａと１０１ｂ、１０２ａと１０２ｂにより共有される構成となっており、接続された転送ゲートを介して転送された電荷を保持する。転送ゲート電極１０３と、光電変換部１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂとは、Ｚ方向から見た場合に、一部 の領域が重複した重複部分Ｓを持つ形で構成されている。このとき、この重複部分Ｓは画素群のいずれかに関わらず、各画素の画素中心にあるξηζ座標系において形状及び位置が同一となるよう設計されている。これは、前述した画素群毎に、転送ゲート電極１０３により受光率変化が生じる領域が異なってしまうために発生する横縞を抑制するためである。

次に、第１の実施形態における撮像素子１の画素群に関して説明する。図１（ａ）に示すように、画素群Ｉの光電変換部１０１ａ、１０１ｂと、画素群ＩＩの光電変換部１０２ａ，１０２ｂとは、互いに異なった形状となっている。すなわち、領域Ａの左列において、画素群Ｉを構成する光電変換部１０１ａ，１０１ｂは、その分割境界が画素中心よりも−Ｘ側にＤｘ１だけオフセットしている。一方、画素群ＩＩを構成する光電変換部１０２ａは、その分割境界が画素中心よりも＋Ｘ側にＤｘ１だけオフセットしている。すなわち、光電変換部１０１ａと１０１ｂ、光電変換部１０２ａと１０２ｂを合算した受光面の重心位置Ｃｔは略画素中心で、各画素について同じである。これに対して、光電変換部１０１ａと１０１ｂそれぞれの受光面の重心位置の平均位置Ｃａと、光電変換部１０２ａと１０２ｂそれぞれの受光面の重心位置の平均位置Ｃｂは、Ｘ方向の画素中心軸を挟んで対称な互いに異なる位置となる。言い換えれば、画素群Ｉと画素群ＩＩにおいて、分割境界がオフセットされている方向は逆方向となる。なお、本実施形態においては、分割境界によってＸ方向に受光面を分割しており、このＸ方向が分割方向に相当する。

このオフセット関係が、領域Ａの右列においては、±Ｄｘ２（ただしＤｘ２＜Ｄｘ１）オフセットした関係になる。同様にして、撮像素子１の中央に近づくにつれて徐々にオフセット量が小さくなり、中央近傍領域Ｂにおいてはオフセットが無くなる。さらに、中央像高と線対称をなす形で、オフセットの関係が入れ替わり、領域Ｃの右列において、分割境界が画素中心よりも画素群Ｉでは＋Ｘ側にＤｘ１だけ、画素群ＩＩでは−Ｘ側にＤｘ１だけオフセットしている。すなわち、画素内における複数の光電変換部の重心位置の分割方向の平均位置が、像高の増大に応じて、画素群Ｉと画素群ＩＩとで、画素中心から互いに反対方向（逆方向）に離れて行くこととなる。この構成により、画素群毎に設定瞳距離が異なる撮像素子を実現可能である。なお、画素群毎の設定瞳距離の違いについては、図１（ｂ）、（ｃ）を用いて後述する。

なお、転送ゲート電極１０３近傍においては、重複部分Ｓの形状及び位置を一致させるために、分割境界を画素中心近傍としている。したがって、重複部分Ｓも考慮して各画素に含まれる複数の光電変換部を合算した場合に、その形状（射影）は画素群Ｉ及び画素群ＩＩにおいて同一となる。そのため、受光率変化が生じる領域が異なってしまうために発生する横縞を抑制することが可能となる。

図１（ｂ）及び（ｃ）は、第１の実施形態における撮像素子１の画素群Ｉ及び画素群ＩＩが瞳面上で光束を分離する様子を示した模式図である。図１（ｂ）及び（ｃ）は、画素群Ｉ及び画素群ＩＩの画素がそれぞれ領域Ａ、Ｂ、Ｃにおいて瞳面上で光束を分離する様子を示している。距離Ｄｓ０はマイクロレンズ１００が像高中心からシュリンク率をもって配置されることで設定される、撮像素子１の設定瞳距離（基準瞳距離）を示す。

前述したように、オフセット量を領域に応じて複数の光電変換部１０１ａと１０１ｂ、１０２ａと１０２ｂの分割方向であるＸ方向に関して変えることにより、領域Ａ、Ｂ、Ｃの画素へと入射する光束の主光線が、光軸と距離Ｄｓ１で交わる（図１（ｂ））。これはすなわち、画素群Ｉが、前述のシュリンク率によって決まる撮像素子１の設定瞳距離Ｄｓ０よりも短い、設定瞳距離Ｄｓ１を有するセンサであることと等価である。この場合、画素群Ｉの光電変換部１０１ａ，１０１ｂは、像高に関わらず、設定瞳距離Ｄｓ１にある瞳領域を、略均等に分割する。

他方、画素群ＩＩは、図１（ｃ）に示す通り、前述のシュリンク率によって決まる撮像素子１の設定瞳距離Ｄｓ０よりも長い、設定瞳距離Ｄｓ２を有したセンサであることと等価である。この場合、画素群ＩＩの光電変換部１０２ａ，１０２ｂは、像高に関わらず、設定瞳距離Ｄｓ２にある瞳領域を、略均等に分割する。

このように、画素群毎に異なった設定瞳距離を有した撮像素子において、取り付けられた結像光学系に適した画素群を選択することで、画面中心から±Ｘ方向に離れた高像高領域での焦点検出精度向上を実現することができる。

なお、本実施形態においては、光電変換部１０１ａと１０１ｂ、１０２ａと１０２ｂが、Ｘ方向に分割されているが、これには限定されず、Ｘ方向と直交するＹ方向に分割されている場合であっても、Ｙ方向の高像高領域で焦点検出精度を向上することができる。また、撮像素子１が２つの画素群Ｉと画素群ＩＩとを備えた場合について説明したが、設定瞳領域が異なる３つ以上の画素群を備える構成としてもよい。

次に、撮像素子１と組み合わせられる結像光学系の射出瞳距離の最小値Ｄｌ１、最大値Ｄｌ２と、設定瞳距離との望ましい関係について説明する。２つの画素群の最小瞳距離Ｄｓ１と最大瞳距離Ｄｓ２は、取り付けられる結像光学系の射出瞳距離がＤｌ１からＤｌ２まで変動することに対応できるよう、まず以下の条件（１）を満足している。
Ｄｓ２ ＞ Ｄｓ０ ＞ Ｄｓ１ …（１）

さらに、撮像素子１の設定瞳距離Ｄｓ０の決定方法について説明する。図１（ｂ）の領域１１０は、設定瞳距離Ｄｓ１が焦点検出に対応可能な結像光学系の射出瞳距離の範囲を示し、図１（ｃ）の領域１２０は、設定瞳距離Ｄｓ２が焦点検出に対応可能な結像光学系の射出瞳距離の範囲を示す。なお、対応可能な結像光学系の射出瞳距離の範囲とは、光電変換部１０１ａと１０１ｂ、及び１０２ａと１０２ｂにそれぞれ対応する瞳領域の大きさの比が予め決められた範囲内にあって、十分な精度をもって焦点検出を行うことが可能な範囲のことを指す。画素群毎の設定瞳距離を違えたことで、撮像素子１が広い射出瞳距離範囲をカバー可能となっていることが分かる。この対応可能な射出瞳距離範囲に、取り付けられる結像光学系の射出瞳距離の変動範囲（Ｄｌ１からＤｌ２）が略収まるよう設定することが望ましい。具体的には、以下の条件（２）によって設定瞳距離Ｄｓ０を決定する。

（１／Ｄｓ１＋１／Ｄｓ２）／２ ＝ １／Ｄｓ０ …（２）
すなわち、マイクロレンズ１００のシュリンク率によって設定される設定瞳距離Ｄｓ０の逆数１／Ｄｓ０が、結像光学系の瞳距離の最小値、最大値（Ｄｓ１、Ｄｓ２）の逆数平均と略一致するようなＤｓ０に設定する。また、領域１３０は、従来の画素中央で光電変換部が分割された画素によって焦点検出に対応可能な結像光学系の射出瞳距離の範囲を示している。これを画素群ＩＩＩ（不図示）として、従来の画素中央で光電変換部が分割された画素を配置することで、この領域も焦点検出可能な領域としてカバーされる。これによって、設定瞳距離Ｄｓ０を挟んで変化する結像光学系の射出瞳距離範囲Ｄｌ１〜Ｄｌ２を広くバランスよくカバーする撮像素子が実現可能となる。

上記の通り第１の実施形態によれば、撮像素子１において、焦点検出に適した複数の光電変換部分割パターンによる複数の設定瞳距離を有しながら、撮像画像に与える影響を軽減することが可能となる。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図２は、本発明の第２の実施形態である撮像素子２の画素構成を示した模式図であり、２行ずつ画素の転送ゲート電極２０３が互いに向き合う例を示した平面図である。図２では、２次元配列された画素のうち、−Ｘ方向に像高の高い領域Ａの４行２列の８画素（４画素対）と、撮像素子２の中央近傍領域Ｂの４行１列の４画素（２画素対）と、＋Ｘ方向に像高の高い領域Ｃの４行２列の８画素（４画素対）のみを示している。

各画素２０はマイクロレンズ１００を１つ有しており、画素群Ｉでは、図５のＺ方向下側に複数の光電変換部２０１ａ及び２０１ｂが、画素群ＩＩでは、光電変換部２０２ａ及び２０２ｂが配設される。光電変換部２０１ａ，２０１ｂ，２０２ａ，２０２ｂの−Ｙ方向に隣接した領域には、浮遊拡散領域２０４（保持部）が配設される。転送トランジスタのゲートである転送ゲート電極２０３は、各々光電変換部２０１ａ，２０１ｂ，２０２ａ，２０２ｂで発生した電荷を浮遊拡散領域２０４に転送する。撮像素子２では、同一の画素群を構成する２行の転送ゲート電極２０３同士が対向するように配置されており、浮遊拡散領域２０４はこの転送ゲート電極２０３同士が対向する位置で２行にまたがって共有されている。すなわち、浮遊拡散領域２０４はそれぞれ一対の画素の４つの光電変換部２０１ａと２０１ｂ、２０２ａと２０２ｂで共有される構成となっている。なお、第２の実施形態では、４画素間で浮遊拡散領域２０４が共有される構成としているが、これに限定されない。

転送ゲート電極２０３と、光電変換部２０１ａ，２０１ｂ，２０２ａ，２０２ｂとは、Ｚ方向から見た場合に、画素配列平面に関して重複部分Ｓを持つ形で構成されている。このとき、この重複部分Ｓは画素群のいずれかに関わらず、画素群内の画素対における形状及び位置が同一となるよう設計されている。第１の実施形態における撮像素子１と異なり、単位画素内での重複部分Ｓの形状及び位置は、互いに転送ゲート電極２０３が向き合う２行の間で同一とはならない。これにより、複数の光電変換部で合算した、所謂撮像画像において、縞が発生する要因となりえる。しかし、画素群と、Ｒ、Ｇｒ、Ｇｂ、Ｂのカラーフィルタで構成されるベイヤ配列の周期が同一になるよう構成することで、撮像画像の現像時のデモザイキング処理により、画素群内の重複部分Ｓの形状及び位置の不一致を解消可能である。

なお、第２の実施形態における撮像素子２の光電変換部の分割方法については、第１の実施形態における撮像素子１と同様であるため、説明を省略する。

次に、同一の画素群を構成する２行の転送ゲート電極２０３同士が対向するように配置されていることにより、得られるメリットについて図３を用いて説明する。図３（ａ）及び（ｂ）は、図２の画素群Ｉの１行目及び画素群Ｉの２行目で、像高−Ｘの領域における瞳分離の様子を模式的に示したものである。画素群Ｉは設定瞳距離がＤｓ１となるような画素群である。１行目（図３（ａ））は転送ゲート電極２０３の影響を受ける領域Ｒ（以下、「影響領域」と呼ぶ。）が瞳領域の＋Ｙ側に存在する。一方で２行目（図３（ｂ））は同様の影響領域Ｒが瞳領域の−Ｙ側に存在する。この影響領域Ｒ近傍においては、複数の受光部の合算形状が同一行内で同一となるように光電変換部が図の左右方向に関して等分割されている。このため、瞳領域の影響領域Ｒ近傍を通過して結像する被写体に関しては、瞳距離Ｄｓ１で略等分割とはならないために、焦点検出性能が劣ってしまう。言いかえれば、この影響領域Ｒ近傍は所望の設定瞳距離Ｄｓ１になっていない。そこで、転送ゲート電極１０３が同一画素群を構成する２行で対向するよう配置し、２行の信号を加算して焦点検出することによって、この影響領域Ｒ近傍での焦点検出性能の劣化を低減することが可能となる。すなわち、影響領域Ｒが焦点検出に及ぼす影響を軽減することが可能となる。

第２の実施形態において、撮像素子２の複数の画素群は、２つの瞳距離Ｄｓ１及びＤｓ２に対応するよう設定されているが、これに限定されず、より多くの瞳距離に対応するさらに別の画素群を有するものであってもよい。これには、設定瞳距離Ｄｓ０と同一の瞳距離のもの、すなわち、複数の光電変換部を等分割したものが含まれていてもよい。

上記の通り第２の実施形態によれば、撮像素子２において、焦点検出に適した光電変換部分割パターンを複数有しながら、撮像画像に与える影響を軽減することが可能となる。また、転送ゲート電極を画素群内で互いに向き合うよう配設することにより、影響領域が焦点検出に及ぼす影響を低減することが可能となる。

なお、上述した第１及び第２の実施形態においては、境界はすべて直線で表現されているが、これには限定されず、曲線を含んでいてもよい。また、瞳分離がＸ方向に２分割されているが、これには限定されず、たとえば４分割などの場合であっても、転送ゲート電極と光電変換部の重複部分Ｓがすべての画素群の画素内で形状及び位置を同一にすることで同様の効果を得ることができる。

なお、第１の実施形態において、画素群Ｉと画素群ＩＩの配置として図１で示した配置以外の配置であってもよい。例えば、複数行にわたって画素群Ｉを配置した後に、画素群ＩＩも同様に複数行配置するパターンを繰り返してもよい。また、連続して複数行に配置された画素群Ｉの一部を画素群ＩＩに置き換える配置としてもよいし、その逆であってもよい。また、画素群ＩＩＩとして図１（ａ）の領域Ｂに示した均等に分割した画素のみからなる行を設けて、画素群Ｉと画素群ＩＩと合わせて配置するようにしてもよい。

＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図４は本発明の第１及び第２の実施形態における撮像素子１または２を有する撮像装置３００であるカメラの概略構成を示したものである。図４において、撮像装置３００は、カメラ本体とカメラ本体に着脱可能な交換レンズ（結像光学系または撮影光学系）とを備えたデジタルカメラシステムである。ただし本実施形態は、これに限定されるものではなく、カメラ本体と被写体からの光を集光するレンズとが一体的に構成された撮像装置にも適用可能である。

第１レンズ群３０１は、撮影レンズ（結像光学系）を構成する複数のレンズ群のうち最も前方（被写体側）に配置されており、光軸ＯＡの方向（光軸方向）に進退可能な状態でレンズ鏡筒に保持される。絞り兼用シャッタ３０２（絞り）は、その開口径を調節することで撮影時の光量調節を行うとともに、静止画撮影時には露光時間調節用シャッタとして機能する。第２レンズ群３０３は、絞り兼用シャッタ３０２と一体的に光軸方向に進退し、第１レンズ群３０１の進退動作と連動して変倍動作を行うズーム機能を有する。第３レンズ群３０５は、光軸方向に進退することにより焦点調節（フォーカス動作）を行うフォーカスレンズ群である。光学的ローパスフィルタ３０６は、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。

撮像素子１（または２）は、結像光学系を介して被写体像（光学像）の光電変換を行い、例えばＣＭＯＳセンサまたはＣＣＤセンサ、及び、その周辺回路により構成される。

ズームアクチュエータ３１１は、不図示のカム筒を回動（駆動）することで第１レンズ群３０１及び第２レンズ群３０３を光軸方向に沿って移動させることにより、変倍動作を行う。絞りシャッタアクチュエータ３１２は、絞り兼用シャッタ３０２の開口径を制御して光量（撮影光量）を調節するとともに、静止画撮影時の露光時間を制御する。フォーカスアクチュエータ３１４は、第３レンズ群３０５を光軸方向に移動させて焦点調節を行う。

電子フラッシュ３１５は、被写体を照明するために用いられる照明装置である。電子フラッシュ３１５としては、キセノン管を備えた閃光照明装置または連続発光するＬＥＤ（発光ダイオード）を備えた照明装置が用いられる。ＡＦ補助光手段３１６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、被写体に投影する。これにより、暗い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ことができる。

ＣＰＵ３２１は、撮像装置３００の種々の制御を司る制御装置（制御手段）である。ＣＰＵ３２１は、演算部、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、及び、通信インターフェイス回路などを有する。ＣＰＵ３２１は、ＲＯＭに記憶された所定のプログラムを読み出して実行することにより、撮像装置３００の各種回路を駆動し、焦点検出（ＡＦ）、撮影、画像処理、または、記録などの一連の動作を制御する。

電子フラッシュ制御回路３２２は、撮影動作に同期して電子フラッシュ３１５の点灯制御を行う。補助光駆動回路３２３は、焦点検出動作に同期してＡＦ補助光手段３１６の点灯制御を行う。撮像素子駆動回路３２４は、撮像素子１（または２）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ＣＰＵ３２１に送信する。

画像処理回路３２５（画像処理装置）は、撮像素子１（または２）から出力された画像データのγ（ガンマ）変換、カラー補間、または、ＪＰＥＧ（Ｊｏｉｎｔ Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｉｃ Ｅｘｐｅｒｔｓ Ｇｒｏｕｐ）圧縮などの処理を行う。第３の実施形態において、画像処理回路３２５は、取得部３２５ａ及び画像処理部３２５ｂ（補正手段）を有する。取得部３２５ａは、撮像素子１（または２）から、撮像画素及び少なくとも一つの視差画像を取得する。撮像画素は、結像光学系の互いに異なる瞳部分領域を通過する光束を受光する複数の光電変換部１０１ａ及び１０１ｂ、１０２ａ及び１０２ｂ、２０１ａ及び２０１ｂ、または、２０２ａ及び２０２ｂの複数の信号を合成して生成される画像である。以下、光電変換部１０１ａ、１０２ａ、２０１ａ及び２０２ａを光電変換部Ａと呼び、光電変換部１０１ｂ、１０２ｂ、２０１ｂ及び２０２ｂを光電変換部Ｂと呼ぶ。視差画像は、複数の光電変換部１０１ａ及び１０１ｂ、１０２ａ及び１０２ｂ、２０１ａ及び２０１ｂ、または、２０２ａ及び２０２ｂのそれぞれの光電変換部の信号から生成される画像である。

フォーカス駆動回路３２６は、焦点検出結果に基づいてフォーカスアクチュエータ３１４を駆動し、第３レンズ群３０５を光軸方向に沿って移動させることにより、焦点調節を行う。絞りシャッタ駆動回路３２８は、絞りシャッタアクチュエータ３１２を駆動して、絞り兼用シャッタ３０２の開口径を制御する。ズーム駆動回路３２９は、撮影者のズーム操作に応じて、ズームアクチュエータ３１１を駆動する。

表示器３３１は、例えばＬＣＤ（液晶表示装置）を備えて構成される。表示器３３１は、撮像装置３００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、または、焦点検出時の合焦状態の表示画像などを表示する。操作部３３２（操作スイッチ群）は、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、及び、撮影モード選択スイッチなどを備えて構成される。レリーズスイッチは、半押し状態（ＳＷ１がＯＮの状態）、及び、全押し状態（ＳＷ２がＯＮの状態）の２段階のスイッチを有する。記録媒体３３３は、例えば撮像装置３００に着脱可能なフラッシュメモリであり、撮影画像（画像データ）を記録する。

次に、第３の実施形態の撮像装置３００における焦点検出動作に関して説明する。上述したように、撮像素子１（または２）の画素群は複数の光電変換部（光電変換部Ａ、光電変換部Ｂ）を備えている。そのために、互いに異なる瞳領域からの一対の光束によってそれぞれの受光面に視差を有する一対の被写体像を得ることができる。一対の被写体像は夫々画像データ１及び画像データ２に相当する。また、画像データ１及び画像データ２が有する視差は、撮影レンズの焦点位置等によって変化する。具体的には、合焦している場合に視差はなくなり、合焦状態からのずれ量に応じて視差は増加する。つまり、ピント状態によって視差量は異なる。このことにより、各画像データ間に生じる視差量を用いることによって、適切なピント位置を求めたり、画像データ内の被写体までの距離を求めたりすることが可能となる。

視差量を求める方法として、以下の式(１)を用いる方法に関して例示する。

ただし、Ａx、Ｂxは画像データにおいて指定した行の複数の光電変換部それぞれの出力信号値である。ｓはシフト量であり、ｑ、ｐは所定の列番号である。つまり、光電変換部Ａの信号と行方向にｓ画素分だけ光電変換部Ｂの信号値をシフトさせたものとの差分をとることで、相関値Ｃを求めることができる。そして、所定の範囲でシフト量ｓを変化させて相関値Ｃを求め、極小となるシフト量ｓが視差量に相当する。そして、極小となるシフト量ｓに対して所定の係数を乗算することによって、フォーカス位置を算出可能である。このフォーカス位置に基づいてフォーカス駆動回路３２６を制御することで、被写体に対して焦点調節を行うことが可能となる。

なお、第３の実施形態においては、光電変換部Ｂの信号をシフトさせたが、光電変換部Ａの信号をシフトしてもよい。また、式（１）以外の式を用いて、視差量を算出するようにしてもよい。

このように、視差を有する光電変換部Ａ及びＢの信号から生成した画像データ１及び画像データ２を用いることで、画面内の任意の場所の被写体までの距離を求めることができる。また、画像データ１及び画像データ２を加算することで、画像データ３を得ることができる。つまり、画像データ３は画像データ１及び画像データ２の合成画像に相当する。言い換えれば、本発明に係る撮像素子１（または２）は、焦点検出動作に用いる画像データと被写体像の撮像に用いる画像データの両方を取得することが可能である。また、実施形態としてそれぞれ取得した画像データ１と画像データ２を合成して画像データ３を得たが、これに限られるものではない。例えば、画像データ１と画像データ３を撮像素子１（または２）から取得し、画像データ２を画像データ３から画像データ１を減算することによって得るようにしてもよい。また、第３の実施形態においては受光面を２分割する例を示したが、受光面を３分割以上に分割してもよい。なお、画像データ３を作成するために画像データ１及び画像データ２の合成する場合に、所定の重みづけを行ってもよいし、いずれか一方の画像を加工した後に加算してもよい。

＜他の実施形態＞
なお、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用しても、一つの機器からなる装置に適用してもよい。

１，２：撮像素子、１０，２０：画素、１００：マイクロレンズ、１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂ，２０１ａ，２０１ｂ，２０２ａ，２０２ｂ：光電変換部、１０３，２０３：転送ゲート電極、１０４，２０４：浮遊拡散領域、３００：撮像装置、３０１：第１レンズ群、３０２：絞り兼用シャッタ、３０３：第２レンズ群、３０５：第３レンズ群

Claims (12)

1. 複数の画素から成り、第１の画素群と第２の画素群とを含む画素部を有し、
   前記第１の画素群と前記第２の画素群に含まれる各画素が、
   複数の光電変換部と、
   前記複数の光電変換部それぞれに対応し、各光電変換部における同じ一部の領域を覆う転送ゲート電極を有する複数の転送ゲートと、を含み、
   前記第１の画素群と前記第２の画素群は、像高に関わらず、互いに異なる所定の瞳距離における瞳領域を略均等に分割するよう、前記複数の光電変換部の分割境界が前記複数の光電変換部の分割方向の像高に応じて変化することを特徴とする撮像素子。
2. 複数の画素から成り、第１の画素群と第２の画素群とを含む画素部を有し、
   前記第１の画素群と前記第２の画素群に含まれる各画素が、
   複数の光電変換部と、
   前記複数の光電変換部それぞれに対応し、各光電変換部における同じ大きさの一部の領域を覆う転送ゲート電極を有する複数の転送ゲートと、を含み、
   前記画素部は、前記転送ゲートを介して前記光電変換部から転送された電荷を保持する複数の保持部を有し、
   前記複数の保持部それぞれは、前記転送ゲートを挟んで対向する複数の画素の光電変換部から転送された電荷を保持し、
   前記第１の画素群と前記第２の画素群は、像高に関わらず、互いに異なる所定の瞳距離における瞳領域を略均等に分割するよう、前記複数の光電変換部の分割境界が前記複数の光電変換部の分割方向の像高に応じて変化することを特徴とする撮像素子。
3. 前記対向する１対の転送ゲートを介して、各画素からそれぞれ１つの光電変換部の電荷を前記保持部に転送して加算することを特徴とする請求項２に記載の撮像素子。
4. 前記画素部は、前記複数の画素にそれぞれ配設された複数のマイクロレンズを更に含み、
   前記複数のマイクロレンズは、前記画素部の像高中心から予め決められたシュリンク率をもって配置され、
   前記複数の光電変換部の分割境界が各画素の中心を通る画素において、前記複数の光電変換部の分割方向の像高に関わらず瞳領域を略均等に分割する瞳距離を基準瞳距離とした場合に、前記第１の画素群と前記第２の画素群の瞳距離は、前記基準瞳距離と異なることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像素子。
5. 前記第１の画素群の瞳距離は、前記基準瞳距離よりも短く、前記第２の画素群の瞳距離は、前記基準瞳距離よりも長いことを特徴とする請求項４に記載の撮像素子。
6. 前記第１の画素群の前記分割境界と、前記第２の画素群の前記分割境界は、各像高において、各画素の中心から互いに反対方向にオフセットしていることを特徴とする請求項５に記載の撮像素子。
7. 前記基準瞳距離をＤｓ０、前記第１の画素群の瞳距離をＤｓ１、前記第２の画素群の瞳距離をＤｓ２とした場合に、
   （１／Ｄｓ１＋１／Ｄｓ２）／２ ＝ １／Ｄｓ０
   を満たす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。
8. 前記第１の画素群及び前記第２の画素群における前記複数の光電変換部の分割境界は、前記画素部における像高が高くなるにつれて、各画素の中心から離れていくことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の撮像素子。
9. 前記画素部の中央像高において、前記第１の画素群における前記複数の光電変換部の分割境界と、前記第２の画素群における前記複数の光電変換部の分割境界は一致することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の撮像素子。
10. 複数の画素から成り、第１の画素群と第２の画素群とを含む画素部を有し、
    前記第１の画素群と前記第２の画素群に含まれる各画素が、
    受光面が所定の分割境界によって所定の分割方向に分割された複数の光電変換部と、
    前記複数の光電変換部それぞれに対応し、各光電変換部における同じ一部の領域を覆う転送ゲート電極を有する複数の転送ゲートと、を含み、
    前記第１の画素群と前記第２の画素群に含まれる分割境界は、前記受光面において前記分割方向に対して像高に応じて逆方向に変化することを特徴とする撮像素子。
11. 前記分割方向と直交する方向に隣接する前記第１の画素群と前記第２の画素群に含まれる転送ゲートのそれぞれは、電荷を保持するための同一の保持部に接続されることを特徴とする請求項１０に記載の撮像素子。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の撮像素子と、
    前記撮像素子に被写体からの光を集光するためのレンズと
    を備えることを特徴とする撮像装置。

Images