JP7561514B2 - 撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、撮像素子及び撮像装置に関するものである。
撮像装置で行われる焦点検出方法の１つに、撮像素子に形成された焦点検出画素により位相差方式の焦点検出を行う撮像面位相差方式がある。
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の光電変換部が形成された、複数の画素から成る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影レンズの射出瞳の異なる領域を透過した光を受光するように構成され、瞳分割を行っている。こういった複数の光電変換部を有する画素（焦点検出画素）から出力されたそれぞれの焦点検出信号から相関量を算出し、算出した相関量から像ずれ量を求めることで、位相差方式の焦点検出を行うことができる。また、特許文献２では、複数の光電変換部からそれぞれ出力された焦点検出信号を画素毎に加算することにより撮像信号を生成することが開示されている。
また、特許文献３では、複数の撮像画素からなる２次元撮像素子に、対の焦点検出画素が部分的に配置された撮像装置が開示されている。対の焦点検出画素は、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画素の焦点検出信号から相関量を算出し、算出した相関量から像ずれ量を求めて、位相差方式の焦点検出を行うことが開示されている。
撮像面位相差方式の焦点検出においては、撮像素子に形成された焦点検出画素によりデフォーカス方向とデフォーカス量を同時に検出することが可能であり、高速に焦点調節を行うことができる。
米国特許４４１０８０４号 特開２００１－０８３４０７号公報 特開２０００－１５６８２３号公報
しかしながら、瞳分割性能を上げて撮像面位相差方式による焦点検出性能を良くするためのマイクロレンズの曲率と、画素間クロストークを抑制して撮像性能を良くするためのマイクロレンズの曲率は、必ずしも一致しない。
本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、焦点検出性能を保持しつつ、画素間クロストークを抑制することを目的とする。
上記目的を達成するために、結像光学系の互いに異なる瞳領域を通過した光束に基づいて、視差を有する一対の焦点検出信号を取得可能に信号を出力する焦点検出画素を含む複数の画素を有する本発明の撮像素子において、各画素は、少なくとも１つの光電変換部と、前記光電変換部よりも光が入射する側に設けられたマイクロレンズ光学系と、を含み、前記マイクロレンズ光学系の主曲面の形状が、前記マイクロレンズ光学系の光軸からの第１の距離における前記マイクロレンズ光学系の第１の曲率が、前記第１の距離よりも前記マイクロレンズ光学系の光軸から遠い第２の距離における前記マイクロレンズ光学系の第２の曲率よりも大きく、さらに、前記マイクロレンズ光学系の光軸からの前記第１の距離における前記マイクロレンズ光学系の前記第１の曲率が、前記第１の距離よりも前記マイクロレンズ光学系の光軸から近い第３の距離における前記マイクロレンズ光学系の第３の曲率よりも大きいことを特徴とする。
本発明によれば、焦点検出性能を保持しつつ、画素間クロストークを抑制することができる。
本発明の実施形態に係る撮像装置の概略構成を示すブロック図。 第１の実施形態における画素配列の一例を示す概略図。 第１の実施形態における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画素構造と瞳分割の概略説明図。 第１の実施形態における撮像素子と瞳強度分布との対応を説明する概略図。 第１の実施形態における射出瞳の瞳分割を説明する概略図。 従来の画素における画素間クロストークを説明する図。 第１の実施形態における画素に設けられたマイクロレンズ光学系と集光状態との対応を説明するための図。 第１の実施形態における画素に設けられたマイクロレンズ光学系の主曲面と曲率半径との対応を説明するための図。 第１の実施形態における画素に設けられたマイクロレンズ光学系の受光面積の割合を説明するための図。 第２の実施形態における画素に設けられたマイクロレンズ光学系と集光状態との対応を説明するための図。 第３の実施形態における画素に設けられたマイクロレンズ光学系と集光状態との対応を説明するための図。 第４の実施形態における画素配列の一例を示す概略図。 第４の実施形態における画素の概略平面図と概略断面図。 第５の実施形態の画素に設けられたマイクロレンズ光学系と集光状態との対応を説明するための図。
以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。尚、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。
＜第１の実施形態＞
［全体構成］
図１は、本発明の実施形態における撮像素子を有する撮像装置であるカメラの概略構成を示したものである。図１において、第１レンズ群１０１は結像光学系の先端に配置され、光軸方向に進退可能に保持される。絞り兼用シャッタ（絞り）１０２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ほか、静止画撮影時には露光秒時調節用シャッタとしての機能も備える。第２レンズ群１０３は、絞り兼用シャッタ１０２と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）を実現することができる。
第３レンズ群１０５（フォーカスレンズ）は、光軸方向の進退により焦点調節を行う。光学的ローパスフィルタ１０６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１０７は２次元ＣＭＯＳフォトセンサとその周辺回路からなり、結像光学系の結像面に配置される。
ズームアクチュエータ１１１は、不図示のカム筒を回動することで、第１レンズ群１０１ないし第２レンズ群１０３を光軸方向に進退駆動し、変倍操作を行う。絞りシャッタアクチュエータ１１２は、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う。フォーカスアクチュエータ１１４は、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う。
撮影時の被写体照明用の電子フラッシュ１１５は、キセノン管を用いた閃光照明装置が好適だが、連続発光するＬＥＤを備えた照明装置を用いても良い。ＡＦ補助光発光部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、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。
カメラ内ＣＰＵ１２１は、カメラ本体の種々の制御を司り、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。
電子フラッシュ制御回路１２２は、撮影動作に同期して電子フラッシュ１１５を点灯制御する。補助光駆動回路１２３は、焦点検出動作に同期してＡＦ補助光発光部１１６を点灯制御する。撮像素子駆動回路１２４は、撮像素子１０７の撮像動作を制御するとともに、撮像素子１０７から読み出した信号をＡ／Ｄ変換してＣＰＵ１２１に送信する。画像処理回路１２５は、撮像素子１０７から読み出した信号に基づいて得られる画像信号のγ変換、カラー補間、ＪＰＥＧ圧縮等の処理を行う。
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う。絞りシャッタ駆動回路１２８は、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。ズーム駆動回路１２９は、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。
ＬＣＤ等の表示器１３１は、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。操作スイッチ群１３２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、撮影モード選択スイッチ等で構成される。着脱可能なフラッシュメモリ１３３は、得られた画像を記録する。
［撮像素子］
次に、第１の実施形態における撮像素子１０７の撮像画素と焦点検出画素の配列の概略を図２に示す。図２は、第１の実施形態の撮像素子１０７としての裏面照射型の２次元ＣＭＯＳセンサー（撮像素子）の画素（撮像画素）配列を、４列×４行の範囲で、焦点検出画素配列を８列×４行の範囲で示したものである。
画素群２００は２行×２列の画素からなり、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。さらに、各画素は２列×１行に配列された第１焦点検出画素２０１と第２焦点検出画素２０２により構成されている。
図２に示した４列×４行の画素（８列×４行の焦点検出画素）を面上に多数配置し、撮像画像（焦点検出信号）の取得を可能としている。
図２に示した撮像素子１０７の１つの画素２００Ｇを、撮像素子１０７の受光面側（＋ｚ側）から見た平面図を図３の３Ａに示し、３Ａのａ－ａ断面を－ｙ側から見た断面図を図３の３Ｂに示す。図３に示すように、本実施形態の画素２００Ｇでは、各画素の受光側に入射光を集光するためのマイクロレンズ３０５及び層内レンズ３０７が形成され、ｘ方向にＮＨ分割（２分割）、ｙ方向にＮＶ分割（１分割）された光電変換部３０１と光電変換部３０２が形成される。光電変換部３０１，３０２が、それぞれ、第１焦点検出画素２０１と第２焦点検出画素２０２に対応する。
光電変換部３０１，３０２は、それぞれ、ｐ型層とｎ型層から成るｐｎ接合のフォトダイオードとして構成される。必要に応じて、ｐ型層とｎ型層との間にイントリンシック層を挟んだｐｉｎ構造のフォトダイオードとして構成しても良い。
画素２００Ｇには、マイクロレンズ３０５と、層内レンズ３０７との間に、カラーフィルタ３０６が設けられている。必要に応じて、画素ごと、または光電変換部ごとにカラーフィルタ３０６の分光透過率を変えることができる。また、カラーフィルタを省略してもよい。
本実施形態の画素２００Ｇでは、マイクロレンズ３０５、層内レンズ３０７、カラーフィルタ３０６、平坦化層、封止層、絶縁層等で構成されるマイクロレンズ光学系が、受光側に形成されている。また、本実施形態では、光電変換部３０１，３０２に対して、マイクロレンズ３０５及び層内レンズ３０７とは反対側、すなわち光の入射側とは反対側に、配線層３０９が形成されている。
図３に示す画素２００Ｇに入射した光は、マイクロレンズ３０５により集光され、カラーフィルタ３０６で分光されたのち、更に層内レンズ３０７により集光されて、光電変換部３０１，３０２で受光される。光電変換部３０１，３０２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（不図示）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型層を通じて撮像素子１０７の外部へ排出される。光電変換部３０１，３０２のｎ型層（不図示）に蓄積された電子は、転送ゲートを介して、静電容量部（ＦＤ）に転送され、電圧信号に変換されて出力される。
なお、図２に示す画素２００Ｒ，２００Ｂも、画素２００Ｇと同様の構成を有し、画素２００Ｇと同様にして、カラーフィルタ３０６により各色に分光された光に応じた電圧信号を出力する。
このような構成を有する各画素では、光電変換部３０１，３０２からの信号を加算した信号（Ａ＋Ｂ信号）を撮像信号、個々の光電変換部３０１，３０２からそれぞれ読み出した２つの信号（Ａ信号、Ｂ信号）を焦点検出信号対として用いる。なお、撮像信号と焦点検出信号とをそれぞれ読み出してもよいが、処理負荷を考慮して、次のようにしてもよい。即ち、撮像信号（Ａ＋Ｂ信号）と、光電変換部３０１，３０２のいずれか一方の焦点検出信号（例えばＡ信号）とを読み出し、差分を取ることで、視差を有するもう一方の焦点検出信号（例えばＢ信号）を取得する。
そして、複数の画素から出力された複数のＡ信号と複数のＢ信号をそれぞれ集めることで、撮像面位相差検出方式によるＡＦに用いられる一対の像信号を得る。そして、該一対の像信号の相対位置をずらしながら重ね合わせ、各ずらし位置において、例えば、波形の差異部分の面積量（相関量）を求める相関演算を行う。この相関量がもっとも小さくなるずらし位置、即ち、最も相関が取れているずれ量である位相差（像ずれ量）を求め、さらに算出した像ずれ量から撮影光学系のデフォーカス量及びデフォーカス方向を算出する。
なお、上述した例では、瞳領域が水平方向に２つに瞳分割されている例を示しているが、必要に応じて、垂直方向に瞳分割を行っても良い。
また、上述した例では第１焦点検出画素と第２焦点検出画素から構成された撮像画素が複数配列されているが、本発明はこれに限られるものではない。必要に応じて、撮像画素と、第１焦点検出画素、第２焦点検出画素を個別の画素構成とし、撮像画素配列の一部に、第１焦点検出画素と第２焦点検出画素を部分的に配置する構成としても良い。
なお、撮像素子１０７の構成は、上述した構成に限られるものでは無く、撮影光学系の互いに異なる瞳領域を通過した被写体光に基づいて、視差を有する焦点検出信号対を取得可能に信号を出力する焦点検出画素を含む構成であれば良い。
［瞳分割］
続いて、図４から図６を参照して、本実施形態の撮像素子１０７の瞳分割機能について説明する。なお、画素２００Ｒ，２００Ｇ，２００Ｂは同様の構成を有するため、以下、代表的に画素２００Ｇを用いて説明する。
図４は、図３の３Ａに示す撮像素子１０７に配列された画素２００Ｇのａ－ａ断面を＋ｙ側から見た断面図、及び、撮像素子１０７の撮像面６００からｚ軸方向（光軸の方向）に距離Ｚだけ離れた位置の瞳面を示している。なお、図４では、瞳面の座標軸と対応を取るために、断面図のｘ軸とｙ軸を図３に対して反転させている。撮像素子１０７の撮像面６００は、結像光学系の結像面に配置される。
第１焦点検出画素２０１に対応する第１瞳部分領域５０１は、重心が－ｘ方向に偏心している光電変換部３０１の受光面と、上述した、マイクロレンズ３０５や層内レンズ３０７等で構成されるマイクロレンズ光学系を介して概ね共役関係になっている。このため、第１瞳部分領域５０１は、第１焦点検出画素２０１で受光可能な瞳領域を表している。第１瞳部分領域５０１の重心は、瞳面上で＋ｘｐ側に偏心している。
同様に、第２焦点検出画素２０２に対応する第２瞳部分領域５０２は、重心が＋ｘ方向に偏心している光電変換部３０２の受光面と、マイクロレンズ３０５や層内レンズ３０７等で構成されるマイクロレンズ光学系を介して概ね共役関係になっている。このため、第２瞳部分領域５０２は、第２焦点検出画素２０２で受光可能な瞳領域を表している。第２瞳部分領域５０２の重心は、瞳面上で－ｘｐ側に偏心している。
また、瞳領域５００は、光電変換部３０１，３０２（第１焦点検出画素２０１と第２焦点検出画素２０２）を全て合わせた際の画素２００Ｇ全体で受光可能な瞳領域である。４００は、絞り兼用シャッタ１０２の開口を表している。
次に、図５を参照して、撮像素子１０７のセンサー入射瞳について説明する。本実施形態の撮像素子１０７では、面上の各像高座標に位置する画素毎に、マイクロレンズ３０５及び層内レンズ３０７（不図示）が、像高座標に応じて、光電変換部３０１，３０２に対して撮像素子の中心方向へ連続的にシフトされて配置されている。これにより、撮像素子１０７の撮像面６００から距離Ｚだけ離れた位置の瞳面において、撮像素子１０７の各像高座標に配置された各画素の第１焦点検出画素２０１の受光領域に対応する第１瞳部分領域５０１が、概ね、一致するように構成されている。同様に、第２焦点検出画素２０２の受光領域に対応する第２瞳部分領域５０２が、概ね、一致するように構成されている。つまり、撮像素子１０７の撮像面６００から距離Ｚだけ離れた位置の瞳面において、撮像素子１０７の全ての画素の第１瞳部分領域５０１と第２瞳部分領域５０２が、概ね、一致するように構成されている。以下、第１瞳部分領域５０１及び第２瞳部分領域５０２を、撮像素子１０７の「センサー入射瞳」と呼び、距離Ｚを、撮像素子１０７の「入射瞳距離」と呼ぶ。
図６は、本実施形態の撮像素子１０７のセンサー入射瞳による結像光学系の射出瞳４００の光学的な分割（瞳分割）を説明する概略図である。被写体からの光束のうち、結像光学系の射出瞳４００と第１瞳部分領域５０１との重なり領域である第１射出瞳領域６０１を通過した光束は、第１焦点検出画素２０１（光電変換部３０１）で受光される。同様に、被写体からの光束のうち、結像光学系の射出瞳４００と第２瞳部分領域５０２との重なり領域である第２射出瞳領域６０２を通過した光束は、第２焦点検出画素２０２（光電変換部３０２）で受光される。
図４では、撮像素子１０７の入射瞳距離Ｚだけ離れた位置の瞳面における第１射出瞳領域６０１と第２射出瞳領域６０２を示している。つまり、結像光学系の射出瞳４００が、撮像素子１０７のセンサー入射瞳により、第１射出瞳領域６０１と第２射出瞳領域６０２とに分割されることを示している。
［画素間クロストーク］
画素２００Ｇへの入射光は、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、光の波動性による回折の影響のため、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ず、有限の大きさとなる。光電変換部の受光面サイズは約１～２μｍ程度であり、これに対してマイクロレンズの集光スポットは約１μｍ程度である。そのため、光電変換部の受光面とマイクロレンズを介して共役の関係にある、図４の第１瞳部分領域５０１と第２瞳部分領域５０２は、回折ボケのため、明瞭に瞳分割されず、光の入射角に依存した受光率分布（瞳強度分布）となる。
ここで図７を参照して、裏面照射型の撮像素子において発生する画素間クロストークについて説明する。図７は、従来の撮像素子の画素を示す図であり、マイクロレンズ３０５Ｂが、その光軸からの距離に依存せずに曲率が一定である。また、層内レンズは形成されない。なお、図７に示す撮像素子において、図３に示す本実施形態の画素と同様の構成には同じ参照番号を付して説明を省略する。
図７の７Ａは、光軸に平行な角度で入射した光が、曲率一定の球形マイクロレンズ３０５Ｂにより集光される状態を示している。また、図７の７Ｂは、光軸に対して２５°の角度で入射した光が、曲率一定の球形マイクロレンズ３０５Ｂにより集光される状態を示している。
７Ａにおいて、球形マイクロレンズ３０５Ｂの光軸からの第１の距離をｒ１ｐ、球形マイクロレンズ３０５Ｂの光軸から第２の距離をｒ２ｐとする。第１の距離ｒ１ｐは、第２の距離ｒ２ｐより小さく、球形マイクロレンズ３０５Ｂの光軸に垂直な動径座標上で、第１の距離ｒ１ｐが内側、第２の距離ｒ２ｐが外側である。第１の距離ｒ１ｐでの球形マイクロレンズ３０５Ｂ上の点を第１の主点ｈ１ｐ、焦点距離を第１の焦点距離ｆ１ｐ、焦点位置を第１の焦点位置ｚ１ｐとする。また、第２の距離ｒ２ｐでの球形マイクロレンズ３０５Ｂ上の点を第２の主点ｈ２ｐ、焦点距離を第２の焦点距離ｆ２ｐ、焦点位置を第２の焦点位置ｚ２ｐとする。
７Ａにおいて、球形マイクロレンズ３０５Ｂは曲率一定であるため、第２の距離ｒ２ｐでの第２の焦点距離ｆ２ｐが、第１の距離ｒ１ｐでの第１の焦点距離ｆ１ｐより短い。また、第２の距離ｒ２ｐでの第２の焦点位置ｚ２ｐが、第１の距離ｒ１ｐでの第１の焦点位置ｚ１ｐよりも、相対的に受光側に位置している。
そのため、７Ｂに示す様に光軸に対して２５°の角度で光が入射した場合、第２の距離ｒ２ｐからの光線ｌ２ｐの光電変換部の受光面への入射位置ｐ２ｐが、第１の距離ｒ１ｐからの光線ｌ１ｐの光電変換部の受光面への入射位置ｐ１ｐよりも、隣接画素に近くなる。これに加えて、第２の距離ｒ２ｐからの光線ｌ２ｐの光電変換部の受光面への入射角度が、第１の距離ｒ１ｐからの光線ｌ１ｐの光電変換部の受光面への入射角度よりも、受光面に対して浅く小さい角度（受光面の垂直軸に対して大きい角度）となる。
したがって、各画素の球形マイクロレンズ３０５Ｂは、斜入射光に対して、隣接画素へのクロストークを生じやすい形状となっており、撮像性能が低下する場合がある。そのため、従来の撮像素子では、焦点検出性能を向上するために、マイクロレンズの曲率を小さく、焦点距離を長くし、焦点検出画素の瞳強度分布の入射角変化を大きくした際に、撮像画素の画素間クロストークが生じて、撮像性能が低下する場合がある。
上記現象を鑑みて、本実施形態では、撮像画素の画素間クロストークが抑制されるように、各画素に設けられるマイクロレンズ光学系が、以下で説明する条件となるように構成する。
［マイクロレンズ光学系］
図８から図１０を参照して、本第１の実施形態における撮像素子１０７の各画素に設けられたマイクロレンズ光学系について説明する。なお、本実施形態の画素のマイクロレンズ光学系は、上述した様に、マイクロレンズ３０５、平坦化層、カラーフィルタ３０６、層内レンズ３０７、封止層、絶縁層等で構成されている。また、図８に示す画素構造は、図３に示す画素構造に対応している。
図８の８Ａから８Ｃは、本実施形態の画素に、光軸に平行な角度で入射した光が、光電変換部３０１，３０２の受光側に設けられたマイクロレンズ光学系により集光される状態を示している。また、図８の８Ｄから８Ｆは、本実施形態の画素に、光軸に対して２５°の角度で入射した光が、光電変換部３０１，３０２の受光側に設けられたマイクロレンズ光学系により集光される状態を示している。
図８の８Ａ及び８Ｄにおいて、太線で示す曲線Ｈは、本実施形態の画素に設けられたマイクロレンズ光学系の主曲面Ｈ（の断面）を示しており、マイクロレンズ光学系は、主曲面Ｈの形状をした単一マイクロレンズと、光学的に略等価の関係にある。したがって、本実施形態の画素は、光電変換部３０１，３０２の受光側に、主曲面Ｈの形状をした単一マイクロレンズが設けられた画素構造と、概ね、光学構造的に等価である。
８Ａにおいて、マイクロレンズ光学系の光軸からの第１の距離をｒ１、マイクロレンズ光学系の光軸から第２の距離をｒ２とする。第１の距離ｒ１は、第２の距離ｒ２より小さく、マイクロレンズ光学系の光軸に垂直な動径座標上で、第１の距離ｒ１が内側、第２の距離ｒ２が外側である。第１の距離ｒ１でのマイクロレンズ光学系の主曲面Ｈ上の点を第１の主点ｈ１、焦点距離を第１の焦点距離ｆ１、焦点位置を第１の焦点位置ｚ１とする。また、第２の距離ｒ２でのマイクロレンズ光学系の主曲面上の点を第２の主点ｈ２、焦点距離を第２の焦点距離ｆ２、焦点位置を第２の焦点位置ｚ２とする。
図９は、図８の８Ａ及び８Ｄの本実施形態の画素に設けられたマイクロレンズ光学系の主曲面Ｈ（の断面）に接する円を示している。第１の距離ｒ１での主曲面Ｈに接する円の半径を第１の曲率半径ａ１とし、第２の距離ｒ２での主曲面Ｈに接する円の半径を第２の曲率半径ａ２とする。本実施形態では、第１の距離ｒ１での主曲面の第１の曲率半径ａ１が、第２の距離ｒ２での主曲面の第２の曲率半径ａ２より小さく構成する。
曲率半径の逆数が曲率であることから、本実施形態では、第１の距離ｒ１におけるマイクロレンズ光学系の第１の曲率（１／ａ１）が、第２の距離ｒ２におけるマイクロレンズ光学系の第２の曲率（１／ａ２）より大きいように構成する。
また、８Ａに示す様に、マイクロレンズ光学系が上記条件で構成されているため、第２の距離ｒ２での第２の焦点位置ｚ２が、第１の距離ｒ１での第１の焦点位置ｚ１よりも、相対的に光電変換部３０１，３０２側に位置するように構成される。
８Ｂは、８Ａのマイクロレンズ光学系が設けられた本実施形態の画素に、光軸に平行な角度で円偏光の平面波（波長λ＝５４０ｎｍ）が入射した場合の画素内部での光強度分布の例を示している。また、８Ｃは、受光面での集光スポットの例を示している。
８Ｅは、８Ｄのマイクロレンズ光学系が設けられた本実施形態の画素に、光軸に対して２５°の角度で円偏光の平面波（波長λ＝５４０ｎｍ）が入射した場合の画素内部での光強度分布の例を示している。また、８Ｆは、受光面での集光スポットの例を示している。
このように、８Ｄで、光軸に対して２５°の角度で光が入射した場合、第１の距離ｒ１からの光線ｌ１は、光電変換部の受光面への入射位置ｐ１が、相対的に、第２の距離ｒ２からの光線ｌ２の入射位置ｐ２に対して、画素の内側から離れる。しかしながら、光線ｌ１の光電変換部の受光面への入射角度が深い角度であるため、隣接画素へのクロストークが抑制される。同時に、第２の距離ｒ２からの光線ｌ２は、光電変換部の受光面への入射角度が、相対的に、第１の距離ｒ１からの光線ｌ１の入射角度に対して、浅い角度になる。しかしながら、光線ｌ２の入射位置ｐ２が、光線ｌ１の入射位置ｐ１より、隣接画素から離れて画素の内側に留まるため、隣接画素へのクロストークが抑制される。
このように、本実施形態の撮像素子の画素は、光電変換部に対して受光側に設けられたマイクロレンズ光学系を有し、マイクロレンズ光学系の光軸からの第１の距離ｒ１と、第１の距離ｒ１より長い第２の距離ｒ２において、次の２つの関係を有する。
まず、第１の距離ｒ１におけるマイクロレンズ光学系の第１の曲率が、第２の距離ｒ２におけるマイクロレンズ光学系の第２の曲率より大きい。また、第１の距離ｒ１におけるマイクロレンズ光学系の第１の焦点位置ｚ１が、第２の距離ｒ２におけるマイクロレンズ光学系の第２の焦点位置ｚ２よりも、受光側に位置する。
なお、光電変換部３０１，３０２は、屈折率が大きいシリコンＳｉなどで形成され、光電変換部３０１，３０２の上部層は、屈折率が小さい酸化シリコンＳｉＯｘなどで形成される。そのため、屈折率が大きい光電変換部３０１，３０２に入射する前に、屈折率が小さい光電変換部３０１，３０２の上部層で、隣接画素間方向への広がりを抑えることで、隣接画素へのクロストークを効果的に抑制することができる。
図１０は、本実施形態の画素に設けられたマイクロレンズ光学系の受光面積の割合を示す図である。
隣接画素へのクロストークをより効果的に抑制するには、第１の距離ｒ１からの光線ｌ１の光強度と、第２の距離ｒ２からの光線ｌ２の光強度が、概ね等しいことが望ましい。画素サイズＰに内接する半径０．５Ｐの円の面積を２等分する半径Ｒｃは、Ｒｃ＝０．５Ｐ／√２≒０．３５Ｐである。したがって、画素の画素サイズＰに対して、第１の距離ｒ１は、半径Ｒｃの内側の領域（０＜ｒ１＜０．３５Ｐ）にあり、第２の距離ｒ２は、半径Ｒｃの外側の領域（０．３５Ｐ＜ｒ２＜０．７１Ｐ）にあることが望ましい。また、マイクロレンズ光学系の４隅の対角コーナー近傍は、隣接画素へのクロストークを抑制するために、遮光層により遮光される場合がある。そのため、画素サイズＰに対して、第２の距離ｒ２が、０．３５Ｐ＜ｒ２≦０．５Ｐの領域にあることが望ましい。
また、マイクロレンズ光学系の光軸近傍は、頂点（極値）形状のため、製造プロセス等により、頂点が平坦化して曲率が変化したり、頂点位置がばらついたりすることがある。この影響を抑制するため、第１の距離ｒ１が、光軸から半径０．５Ｒｃの円の領域（半径Ｒｃの円の面積の１／４の領域）を除いた０．５Ｒｃ＝０．１７５Ｐ＜ｒ１＜０．３５Ｐの領域にあることが望ましい。さらに、マイクロレンズ光学系の画素周辺近傍は、隣接画素のマイクロレンズ光学系と接するため、製造プロセス等により、曲率が制約を受ける場合がある。この影響を抑制するため、第２の距離ｒ２が、０．３５Ｐ＜ｒ２≦０．５Ｐの領域から、半径０．４７Ｐから半径０．５Ｐのリング領域（半径Ｒｃの円の面積の１／４の領域）を除いた０．３５Ｐ＜ｒ２＜０．４７Ｐの領域にあることが望ましい。
また、図８の８Ａに示す様に、第１の距離ｒ１におけるマイクロレンズ光学系の第１の主点ｈ１と第１の焦点位置ｚ１を結ぶ線分ｈ１ｚ１と光軸とが成す角をφ1とし、第１の距離ｒ１におけるマイクロレンズ光学系の見込み角を２φ1とする。また、第１の焦点位置ｚ１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、第１の焦点位置ｚ１を原点（ｚ＝０）として、マイクロレンズ側を正符号、光電変換部側を負符号とする。
第１の距離ｒ１におけるマイクロレンズ光学系の第１の開口数ＮＡ1を、以下の式（１）で定義する。
ＮＡ1＝n・sinφ1 …（１）
また、第１の距離ｒ１におけるマイクロレンズ光学系の第１の絞り値Ｆ1を、以下の式（２）で定義する。
Ｆ1＝１／（２ｎ・sinφ1） …（２）
第１の距離ｒ１への入射光は、第１の距離ｒ１におけるマイクロレンズ光学系により、第１の焦点位置ｚ１に集光される。しかし、光の波動性により、第１の集光スポットの直径は第１の回折限界Δ1より小さくすることはできない。第１の集光スポットの強度分布をエアリーパターン(Airy pattern)で近似すると、回折限界Δ1は、入射光の波長をλ（可視光域の波長λ＝３８０ｎｍ～７８０ｎｍ）として、概ね、以下の式（３）で求まる
Δ1＝１．２２λ／n・sinφ1＝２．４４λＦ1 …（３）
第１の距離ｒ１におけるマイクロレンズ光学系の第１の焦点深度±ｚD1は、回折限界Δ1を許容錯乱円として、以下の式（４）で求まる。
±ｚD1＝±ｎＦ1Δ1 …（４）
なお、第１の焦点深度の範囲は、ｚ軸方向（光軸方向）の座標ｚに対して、ｚ－ｚD1＜ｚ＜ｚ＋ｚD1として表すことができる。
第１の集光スポットの強度分布がガウス分布に近いとすると、第１の集光スポットの直径ｗ1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。
ｗ1（ｚ）＝Δ1√｛１＋（ｚ／ｚR1）2｝ …（５）
ここで、ｚR1は、第１の距離ｒ１における第１のレイリー長であり、係数αR＝０．６１π≒１．９２として、ｚR1＝αRｚD1で定義される。第１のレイリー長の範囲ｚ－ｚR1＜ｚ＜ｚ＋ｚR1では、第１の集光スポットの直径ｗ1は、第１の回折限界Δ1以上、第１の回折限界Δ1の√２倍以下（Δ1≦ｗ1≦√２Δ1≒１．４Δ1）である。
また、第２の距離ｒ２におけるマイクロレンズ光学系の第２のレイリー長ｚR2、及び、第２のレイリー長の範囲ｚ－ｚR2＜ｚ＜ｚ＋ｚR2も同様である。
本実施形態では、第１の距離ｒ１におけるマイクロレンズ光学系の第１の焦点位置ｚ１は、光電変換部３０１，３０２の受光面から前ピン側に構成される。本実施形態では、さらに、第１の距離ｒ１におけるマイクロレンズ光学系の第１の焦点位置ｚ１と光電変換部３０１，３０２の受光面までの距離が、第１のレイリー長ｚR1≒１．９２ｚD1以下となる範囲で、光電変換部３０１，３０２の受光面から前ピン側に構成される。これにより、第１の距離ｒ１からの光束により形成される集光スポットの光電変換部３０１，３０２の受光面での第１の集光スポット直径ｗ1を、第１の回折限界Δ1の１．４倍以下（ｗ1≦１．４Δ1）に抑制することができる。
本実施形態では、光電変換部３０１，３０２の受光面が、第１の焦点位置ｚ１から第１のレイリー長の範囲にあり、第２の焦点位置ｚ２から第２のレイリー長の範囲にあるようにマイクロレンズ光学系の主曲面を構成することで、クロストークをより効率的に抑制することができる。
上記の通り本第１の実施形態によれば、隣接画素へのクロストークを効果的に抑制することができ、これにより、撮像面位相差方式による焦点検出性能と撮像性能を両立させることが可能となる。
また、斜入射光による隣接画素へのクロストークは、光電変換部に対して受光側に配線層がある表面照射型の撮像素子より、光電変換部に対して受光側と反対側に配線層がある裏面照射型の撮像素子で生じやすい。そのため、本実施形態によれば、裏面照射型の撮像素子で、隣接画素へのクロストークをより効果的に抑制することができる。
＜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。上述した第１の実施形態では、画素に設けられるマイクロレンズ光学系が、１つのマイクロレンズと１つの層内レンズから構成される場合について説明した。しかしながら、本発明はこれに限るものではなく、図８に示すものとは、異なる個数の層内レンズから構成されたマイクロレンズ光学系を用いても良い。
図１１の１１Ａから１１Ｆは、本発明の画素に設けられたマイクロレンズ光学系が、１つのマイクロレンズ３０５と、２つの層内レンズ３０７，３０８とを含んで構成されている。上記以外は、上述した第１の実施形態と同様であり、当該構成を有するマイクロレンズ光学系の主曲面Ｈは、主曲面Ｈの形状をした単一マイクロレンズと、光学的に略等価の関係を有する。
したがって、第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、第２の実施形態では、画素に設けられるマイクロレンズ光学系が、１つのマイクロレンズと２つの層内レンズを含む例により説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、マイクロレンズ光学系を、１つのマイクロレンズで構成しても良いし、１つのマイクロレンズと３つ以上の層内レンズを含んで構成しても良い。
＜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。上述した第１の実施形態では、裏面照射型の撮像素子で構成される場合について説明した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、表面照射型の撮像素子であっても良い。
図１２の１２Ａ及び１２Ｂでは、表面照射型の撮像素子の画素に、図８に示す主曲面Ｈを有するマイクロレンズ光学系が構成されている。光電変換部３０１，３０２に対して、受光側に、配線層３１０が設けられている。上記以外は、上述した第１の実施形態と同様である。
したがって、第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
＜第４の実施形態＞
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。上述した第１の実施形態では、撮像素子１０７の各画素がｘ方向に２分割、ｙ方向に１分割（つまり、分割されていない）場合について説明した。しかしながら、本発明はこれに限るものではなく、図２に示すものとは分割数や分割方法が異なる画素から構成された撮像素子１０７を用いても良い。
図１３は、本実施形態で用いられる撮像素子１０７の撮像画素と焦点検出画素の配列の概略を示す図である。図１３は、２次元ＣＭＯＳセンサー（撮像素子）の画素（撮像画素）配列を４列×４行の範囲で、焦点検出画素配列を８列×８行の範囲で示したものである。
本実施形態において、図１３に示した画素群７００は２行×２列の画素からなり、Ｒ（赤）の分光感度を有する画素７００Ｒが左上に、Ｇ（緑）の分光感度を有する画素７００Ｇが右上と左下に、Ｂ（青）の分光感度を有する画素７００Ｂが右下に配置されている。さらに、各画素は２列×２行に配列された第１焦点検出画素７０１から第４焦点検出画素７０４により構成されている。
図１３に示した４列×４行の画素（８列×８行の焦点検出画素）を面上に多数配置し、撮像画像（焦点検出信号）の取得を可能としている。
図１３に示した撮像素子１０７の１つの画素７００Ｇを、撮像素子１０７の受光面側（＋ｚ側）から見た平面図を図１４の１４Ａに示し、１４Ａのａ－ａ断面を－ｙ側から見た断面図を１４Ｂに示す。図１４に示すように、本実施形態の画素７００Ｇでは、各画素の受光側に入射光を集光するためのマイクロレンズ３０５及び層内レンズ３０７が形成され、ｘ方向にＮＨ分割（２分割）、ｙ方向にＮＶ分割（２分割）された第１光電変換部８０１から第４光電変換部８０４が形成される。第１光電変換部８０１から第４光電変換部８０４が、それぞれ、第１焦点検出画素７０１から第４焦点検出画素７０４に対応する。
このような構成では、第１焦点検出画素７０１と第３焦点検出画素７０３、第２焦点検出画素７０２と第４焦点検出画素７０４の信号をそれぞれ画素内で加算して読み出すことで、図２の第１焦点検出画素２０１及び第２焦点検出画素２０２と同様の信号を得ることができる。また、第１焦点検出画素７０１と第２焦点検出画素７０２、第３焦点検出画素７０３と第４焦点検出画素７０４の受光信号をそれぞれ画素内で加算して読み出すことで、垂直方向に分割した焦点検出信号を得ることができる。なお、画像信号として用いる際には、第１～第４焦点検出画素７０１～７０４の信号を加算すれば良い。なお、第１～第４焦点検出画素７０１～７０４の一部の信号と、第１～第４焦点検出画素７０１～７０４を加算した信号を読み出し、差分することで、一対の焦点検出信号と画像信号を得るようにしても良い。上記以外は、上述した実施形態と同様である。
以上の構成により、第４の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
＜第５の実施形態＞
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。上述した第１～４の実施形態では、図８に示すマイクロレンズ光学系の主曲面Ｈの形状を有する構成例を用いて説明した。しかしながら、本発明はこれに限るものではなく、第１の実施形態とは異なるマイクロレンズ光学系の主曲面形状を有していても良い。第５の実施形態では、画素間クロストークを抑制すると同時に、位相差焦点検出信号を確保するため、画素内の光電変換部３０１と光電変換部３０２間の画素内クロストークを一定量、好適に生じさせる場合の構成例について説明する。
図１５の１５Ａから１５Ｆは、本発明の画素に設けられたマイクロレンズ光学系が、第１の実施形態とは異なる形状の１つのマイクロレンズ１５０５と、１つの層内レンズ１５０７とから構成されている。なお、図１５に示す撮像素子において、図３に示す画素と同様の構成には同じ参照番号を付して説明を省略する。
図１５の１５Ａから１５Ｃは、本実施形態の画素に、光軸に平行な角度で入射した光が、光電変換部３０１，３０２の受光側に設けられたマイクロレンズ光学系により集光される状態を示している。また、図１５の１５Ｄから１５Ｆは、本実施形態の画素に、光軸に対して２５°の角度で入射した光が、光電変換部３０１，３０２の受光側に設けられたマイクロレンズ光学系により集光される状態を示している。
なお、本実施形態におけるマイクロレンズ光学系は、マイクロレンズ１５０５、平坦化層、カラーフィルタ、層内レンズ１５０７、封止層、絶縁層等で構成されている。
図１５の１５Ａ及び１５Ｄにおいて、太線で示す曲線Ｈ’は、本実施形態の画素に設けられたマイクロレンズ光学系の主曲面Ｈ’（の断面）を示しており、マイクロレンズ光学系は、主曲面Ｈ’の形状をした単一マイクロレンズと、光学的に略等価の関係にある。したがって、本実施形態の画素は、光電変換部３０１，３０２の受光側に、主曲面Ｈ’の形状をした単一マイクロレンズが設けられた画素構造と、概ね、光学構造的に等価である。
１５Ａにおいて、マイクロレンズ光学系の光軸から第０の距離をｒ５０、マイクロレンズ光学系の光軸からの第１の距離をｒ５１、マイクロレンズ光学系の光軸から第２の距離をｒ５２とする。第０の距離ｒ５０から第２の距離ｒ５２は、マイクロレンズ光学系の光軸に垂直な動径座標上で、第０の距離ｒ５０＜第１の距離ｒ５１＜第２の距離ｒ５２の大小関係にあり、第０の距離ｒ５０が中央寄り、第１の距離ｒ５１が中間、第２の距離ｒ５２が周辺である。
第０の距離ｒ５０でのマイクロレンズ光学系の主曲面Ｈ’上の点を第０の主点ｈ５０、焦点距離を第０の焦点距離ｆ５０、焦点位置を第０の焦点位置ｚ５０とする。また、第１の距離ｒ５１でのマイクロレンズ光学系の主曲面上の点を第１の主点ｈ５１、焦点距離を第１の焦点距離ｆ５１、焦点位置を第１の焦点位置ｚ５１とする。さらに、第２の距離ｒ５２でのマイクロレンズ光学系の主曲面上の点を第２の主点ｈ５２、焦点距離を第２の焦点距離ｆ５２、焦点位置を第２の焦点位置ｚ５２とする。
本実施形態では、第１の距離ｒ５１におけるマイクロレンズ光学系の第１の曲率を、第２の距離ｒ５２におけるマイクロレンズ光学系の第２の曲率より大きく構成する。
１５Ａに示す様に、マイクロレンズ光学系が上記条件で構成されているため、第２の距離ｒ５２での第２の焦点位置ｚ５２が、第１の距離ｒ５１での第１の焦点位置ｚ５１よりも、相対的に光電変換部３０１，３０２側に位置するように構成される。
１５Ｂは、１５Ａのマイクロレンズ光学系が設けられた本実施形態の画素に、光軸に平行な角度で円偏光の平面波（波長λ＝５４０ｎｍ）が入射した場合の画素内部での光強度分布の例を示している。また、１５Ｃは、受光面での集光スポットの例を示している。
上記構成において、１５Ｄに示す様に、光軸に対して２５°の角度で光が入射した場合、第１の距離ｒ５１からの光線ｌ５１は、光電変換部の受光面への入射位置ｐ５１が、相対的に、第２の距離ｒ５２からの光線ｌ５２の入射位置ｐ５２に対して、画素の内側から離れる。しかしながら、光線ｌ５１の光電変換部の受光面への入射角度が深い角度であるため、隣接画素へのクロストークが抑制される。同時に、第２の距離ｒ５２からの光線ｌ５２は、光電変換部の受光面への入射角度が、相対的に、第１の距離ｒ５１からの光線ｌ５１の入射角度に対して、浅い角度になる。しかしながら、光線ｌ５２の入射位置ｐ５２が、光線ｌ５１の入射位置ｐ５１より、隣接画素から離れて画素の内側に留まるため、隣接画素へのクロストークが抑制される。
画素サイズＰに内接する半径０．５Ｐの円の面積を３等分する第１の半径Ｒｃ１＝０．５Ｐ／√３≒０．２９Ｐ、第２の半径Ｒｃ２＝０．５Ｐ／√３×√２≒０．４１Ｐとする。隣接画素へのクロストークをより効果的に抑制するために、第０の距離ｒ５０からの光強度と、第１の距離ｒ５１からの光強度と、第２の距離ｒ５２からの光強度が、概ね、等しいことが望ましい。したがって、本実施形態では、第０の距離ｒ５０は、半径Ｒｃ１の内側の領域（０＜第０の距離ｒ５０＜０．２９Ｐ）にあり、第１の距離ｒ５１は、半径Ｒｃ１から半径Ｒｃ２の領域（０．２９Ｐ＜第１の距離ｒ５１＜０．４１Ｐ）にあり、第２の距離ｒ５２は、半径Ｒｃ２の外側の領域（０．４１Ｐ＜第２の距離ｒ５２＜０．７１Ｐ）にあるように構成される。また、マイクロレンズ光学系の４隅の対角コーナー近傍は、隣接画素へのクロストークを抑制するために、遮光層により遮光される場合がある。そのため、画素サイズＰに対して、第２の距離ｒ５２が、０．４１Ｐ＜第２の距離ｒ５２≦０．５Ｐの領域にあることが望ましい。また、マイクロレンズ光学系の光軸近傍は、頂点（極値）形状のため、製造プロセス等により、頂点が平坦化して曲率が変化したり、頂点位置がばらついたりすることがある。この影響を抑制するため、第０の距離ｒ５０が、光軸から半径０．５Ｒｃ１の円の領域（半径Ｒｃ１の円の面積の１／４の領域）を除いた０．５Ｒｃ１＝０．１４５Ｐ＜第０の距離ｒ５０＜０．２９Ｐの領域にあることが望ましい。さらに、マイクロレンズ光学系の画素周辺近傍は、隣接画素のマイクロレンズ光学系と接するため、製造プロセス等により、曲率が制約を受ける場合がある。この影響を抑制するため、第２の距離ｒ５２が、０．４１Ｐ＜第２の距離ｒ５２≦０．５Ｐの領域から、半径０．４８Ｐから半径０．５Ｐのリング領域（半径Ｒｃ１の円の面積の１／４の領域）を除いた０．４１Ｐ＜第２の距離ｒ５２＜０．４８Ｐの領域にあることが望ましい。
なお、光電変換部３０１，３０２は、屈折率が大きいシリコンＳｉなどで形成され、光電変換部３０１，３０２の上部層は、屈折率が小さい酸化シリコンＳｉＯｘなどで形成される。そのため、屈折率が大きい光電変換部３０１，３０２に入射する前に、屈折率が小さい光電変換部３０１，３０２の上部層で、隣接画素間方向への広がりを抑えることで、隣接画素へのクロストークを効果的に抑制することができる。
このように、第５の実施形態の撮像素子の画素は、光電変換部に対して受光側に設けられたマイクロレンズ光学系を有し、マイクロレンズ光学系の光軸からの第１の距離ｒ５１と、第１の距離より長い第２の距離ｒ５２において、次の２つの関係を有する。
まず、第１の距離ｒ５１におけるマイクロレンズ光学系の第１の曲率が、第２の距離ｒ５２におけるマイクロレンズ光学系の第２の曲率より大きい。また、第１の距離ｒ５１におけるマイクロレンズ光学系の第１の焦点位置ｚ５１が、第２の距離ｒ５２におけるマイクロレンズ光学系の第２の焦点位置ｚ５２より、受光側に位置する。
さらに、本実施形態では、上述した画素間クロストークを抑制する構成に加えて、画素内の光電変換部３０１と光電変換部３０２間の画素内クロストークを一定量、好適に生じさせ、位相差焦点検出信号を確保するため、以下の条件を満たすように構成される。
１５Ａに示す様に、本実施形態では、第０の距離ｒ５０におけるマイクロレンズ光学系の第０の曲率を、第１の距離ｒ５１におけるマイクロレンズ光学系の第１の曲率より小さく構成する。
また、１５Ａに示す様に、本実施形態では、第０の距離ｒ５０におけるマイクロレンズ光学系の第０の焦点距離ｆ５０を、第１の距離ｒ５１におけるマイクロレンズ光学系の第１の焦点距離ｆ５１より長く構成する。
さらに、１５Ａに示す様に、本実施形態では、第０の距離ｒ５０におけるマイクロレンズ光学系の第０の焦点位置ｚ５０を、第１の距離ｒ５１におけるマイクロレンズ光学系の第１の焦点位置ｚ５１よりも、相対的に光電変換部３０１，３０２側に位置するように構成する。また、光電変換部３０１，３０２の受光面から第１の焦点位置ｚ５１までの距離が、光電変換部３０１，３０２の受光面から第０の焦点位置ｚ５０までの距離、及び、光電変換部３０１，３０２の受光面から第２の焦点位置ｚ５２までの距離よりも長くなるように構成する。
また、１５Ａに示す様に、第１の距離ｒ５１におけるマイクロレンズ光学系の第１の主点ｈ５１と第１の焦点位置ｚ５１を結ぶ線分ｈ５１ｚ５１と光軸とが成す角をφ1とし、第１の距離ｒ５１におけるマイクロレンズ光学系の見込み角を２φ1とする。また、第１の焦点位置ｚ５１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、第１の焦点位置ｚ５１を原点（ｚ＝０）として、マイクロレンズ側を正符号、光電変換部側を負符号とする。
第１の距離ｒ５１におけるマイクロレンズ光学系の第１の開口数ＮＡ1を、以下の式（１）で定義する。
ＮＡ1＝n・sinφ1 …（１）
また、第１の距離ｒ５１におけるマイクロレンズ光学系の第１の絞り値Ｆ1を、以下の式（２）で定義する。
Ｆ1＝１／（２ｎ・sinφ1） …（２）
第１の距離ｒ５１への入射光は、第１の距離ｒ５１におけるマイクロレンズ光学系により、第１の焦点位置ｚ５１に集光される。しかし、光の波動性により、第１の集光スポットの直径は第１の回折限界Δ1より小さくすることはできない。第１の集光スポットの強度分布をエアリーパターン(Airy pattern)で近似すると、回折限界Δ1は、入射光の波長をλ（可視光域の波長λ＝３８０ｎｍ～７８０ｎｍ）として、概ね、以下の式（３）で求まる。
Δ1＝１．２２λ／n・sinφ1＝２．４４λＦ1 …（３）
第１の距離ｒ５１におけるマイクロレンズ光学系の第１の焦点深度±ｚD1は、回折限界Δ1を許容錯乱円として、以下の式（４）で求まる。
±ｚD1＝±ｎＦ1Δ1 …（４）
なお、第１の焦点深度の範囲は、ｚ軸方向（光軸方向）の座標ｚに対して、ｚ－ｚD1＜ｚ＜ｚ＋ｚD1として表すことができる。
第１の集光スポットの強度分布がガウス分布に近いとすると、第１の集光スポットの直径ｗ1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。
ｗ1（ｚ）＝Δ1√｛１＋（ｚ／ｚR1）2｝ …（５）
ここで、ｚR1は、第１の距離ｒ５１における第１のレイリー長であり、係数αR＝０．６１π≒１．９２として、ｚR1＝αRｚD1で定義される。第１のレイリー長の範囲ｚ－ｚR1＜ｚ＜ｚ＋ｚR1では、第１の集光スポットの直径ｗ1は、第１の回折限界Δ1以上、第１の回折限界Δ1の√２倍以下（Δ1≦ｗ1≦√２Δ1≒１．４Δ1）である。
また、第２の距離ｒ５２におけるマイクロレンズ光学系の第２のレイリー長ｚR2、及び、第２のレイリー長の範囲ｚ－ｚR2＜ｚ＜ｚ＋ｚR2も同様である。
さらに、第０の距離ｒ５０におけるマイクロレンズ光学系の第０のレイリー長ｚR0、及び、第０のレイリー長の範囲ｚ－ｚR0＜ｚ＜ｚ＋ｚR0も同様である。
本実施形態では、第１の距離ｒ５１におけるマイクロレンズ光学系の第１の焦点位置ｚ５１は、光電変換部３０１，３０２の受光面から前ピン側に構成される。本実施形態では、さらに、第１の距離ｒ５１におけるマイクロレンズ光学系の第１の焦点位置ｚ５１と光電変換部３０１，３０２の受光面までの距離が、第１のレイリー長ｚR1≒１．９２ｚD1以下となる範囲で、光電変換部３０１，３０２の受光面から前ピン側に構成される。これにより、第１の距離ｒ５１からの光束により形成される集光スポットの光電変換部３０１，３０２の受光面での第１の集光スポット直径ｗ1を、第１の回折限界Δ1の１．４倍以下（ｗ1≦１．４Δ1）に抑制することができる。
本実施形態では、光電変換部３０１，３０２の受光面が、第１の焦点位置ｚ５１から第１のレイリー長の範囲にあり、第２の焦点位置ｚ５２から第２のレイリー長の範囲にあるようにマイクロレンズ光学系の主曲面を構成することで、クロストークをより効率的に抑制することができる。さらに、光電変換部３０１，３０２の受光面が、第０の焦点位置ｚ５０から第０のレイリー長の範囲にあるようにマイクロレンズ光学系の主曲面を構成することで、クロストークをより効率的に抑制することができる。
上記構成により、１５Ｄに示す様に、光軸に対して２５°の角度で光が入射した場合、第１の距離ｒ５１からの光束は、光電変換部の受光面において、第１の回折限界Δ1から１．４Δ1程度に入射位置ｐ５１から入射位置ｐ５１’まで拡がる。これに対して、第０の距離ｒ５０からの光束が集光して入射する第０の入射位置ｐ５０と、第２の距離ｒ５２からの光束の拡がりである第２の入射位置ｐ５２から第２の入射位置ｐ５２’は、いずれも、第１の距離ｒ５１からの光束の拡がりである入射位置ｐ５１から入射位置ｐ５１’の略範囲内に含まれる。したがって、マイクロレンズ光学系に入射する全光束から形成される集光スポットの光電変換部３０１，３０２の受光面での集光スポット直径を、第１の回折限界Δ1の１．４倍以下（ｗ1≦１．４Δ1）に抑制することができ、瞳分離性能を良好に保つことができる。
また、上記構成により、第１の距離ｒ５１からの光束の一部が、光電変換部の受光面において、画素中心方向に、入射位置ｐ５１’まで拡がるため、画素内の光電変換部３０１と光電変換部３０２間の画素内クロストークが一定量生じる。第１の焦点位置ｚ５１の光電変換部３０１，３０２の受光面からの前ピン量を調整することで、画素内クロストーク量を、好適に調整することが可能である。したがって、本実施形態では、画素間クロストークを抑制すると同時に、瞳分離性能を良好に保持して、画素内の光電変換部３０１と光電変換部３０２間の画素内クロストークを一定量、好適に生じさせることができる。そのため、結像光学系の条件によって、光電変換部３０１と光電変換部３０２のどちらか一方に受光量が偏った場合でも、位相差焦点検出信号として必要最低限の受光量を確保することができる。
１５Ｅは、１５Ｄのマイクロレンズ光学系が設けられた本実施形態の画素に、光軸に対して２５°の角度で円偏光の平面波（波長λ＝５４０ｎｍ）が入射した場合の画素内部での光強度分布の例を示している。また、１５Ｆは、受光面での集光スポットの例を示している。
上記の通り本第５の実施形態によれば、隣接画素へのクロストークを効果的に抑制することができると共に、位相差焦点検出信号として必要最低限の受光量を確保することができる。これにより、撮像面位相差方式による焦点検出性能と撮像性能を両立させることが可能となる。
本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために、以下の請求項を添付する。

Claims (12)

  1. 結像光学系の互いに異なる瞳領域を通過した光束に基づいて、視差を有する一対の焦点検出信号を取得可能に信号を出力する焦点検出画素を含む複数の画素を有する撮像素子であって、各画素は、
    少なくとも１つの光電変換部と、
    前記光電変換部よりも光が入射する側に設けられたマイクロレンズ光学系と、を含み、
    前記マイクロレンズ光学系の主曲面の形状が、前記マイクロレンズ光学系の光軸からの第１の距離における前記マイクロレンズ光学系の第１の曲率が、前記第１の距離よりも前記マイクロレンズ光学系の光軸から遠い第２の距離における前記マイクロレンズ光学系の第２の曲率よりも大きく、さらに、前記マイクロレンズ光学系の光軸からの前記第１の距離における前記マイクロレンズ光学系の前記第１の曲率が、前記第１の距離よりも前記マイクロレンズ光学系の光軸から近い第３の距離における前記マイクロレンズ光学系の第３の曲率よりも大きいことを特徴とする撮像素子。
  2. 結像光学系の互いに異なる瞳領域を通過した光束に基づいて、視差を有する一対の焦点検出信号を取得可能に信号を出力する焦点検出画素を含む複数の画素を有する撮像素子であって、各画素は、
    少なくとも１つの光電変換部と、
    前記光電変換部よりも光が入射する側に設けられたマイクロレンズ光学系と、を含み、
    前記マイクロレンズ光学系の主曲面の形状が、前記マイクロレンズ光学系の光軸からの第１の距離における前記マイクロレンズ光学系の第１の焦点位置が、前記第１の距離よりも前記マイクロレンズ光学系の光軸から遠い第２の距離における前記マイクロレンズ光学系の第２の焦点位置よりも、光が入射する側にあり、さらに、前記マイクロレンズ光学系の光軸からの前記第１の距離における前記マイクロレンズ光学系の第１の焦点位置が、前記第１の距離よりも前記マイクロレンズ光学系の光軸から近い第３の距離における前記マイクロレンズ光学系の第３の焦点位置よりも、光が入射する側にあることを特徴とする撮像素子。
  3. 結像光学系の互いに異なる瞳領域を通過した光束に基づいて、視差を有する一対の焦点検出信号を取得可能に信号を出力する焦点検出画素を含む複数の画素を有する撮像素子であって、各画素は、
    少なくとも１つの光電変換部と、
    前記光電変換部よりも光が入射する側に設けられたマイクロレンズ光学系と、を含み、
    前記マイクロレンズ光学系の主曲面の形状が、前記マイクロレンズ光学系の光軸からの第１の距離における前記マイクロレンズ光学系の第１の曲率が、前記第１の距離よりも前記マイクロレンズ光学系の光軸から遠い第２の距離における前記マイクロレンズ光学系の第２の曲率よりも大きく、
    前記画素の画素サイズをＰ、前記第１の距離をｒ１、前記第２の距離をｒ２とした場合に、
    ｒ１＜０．３５Ｐ＜ｒ２
    を満たすことを特徴とする撮像素子。
  4. 前記画素の画素サイズをＰ、前記第２の距離をｒ２とした場合に、
    ｒ２≦Ｐ
    を満たすことを特徴とする請求項３に記載の撮像素子。
  5. 前記画素の画素サイズをＰ、前記第１の距離をｒ１、前記第２の距離をｒ２、前記第３の距離をｒ０とした場合に、
    ０≦ｒ０＜０．２９Ｐ≦ｒ１＜０．４１Ｐ＜ｒ２≦０．５Ｐ
    を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の撮像素子。
  6. 前記マイクロレンズ光学系の光軸からの複数の距離からの光束により形成される集光スポット径は、前記マイクロレンズ光学系の複数の距離における焦点深度内にそれぞれ含まれることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像素子。
  7. 前記マイクロレンズ光学系が、１つのマイクロレンズを含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の撮像素子。
  8. 前記マイクロレンズ光学系が、１つのマイクロレンズと、１つ以上の層内レンズを含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の撮像素子。
  9. 前記各画素は、前記光電変換部に対して、光が入射する側と反対側に設けられた配線層をさらに有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. 前記各画素は、前記光電変換部に対して、光が入射する側に設けられた配線層をさらに有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。
  11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の撮像素子と、
    前記結像光学系と、
    前記撮像素子から出力された信号を処理する処理手段と
    を有することを特徴とする撮像装置。
  12. 結像光学系を着脱可能な撮像装置であって、
    請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像素子と、
    前記撮像素子から出力された信号を処理する処理手段と
    を有することを特徴とする撮像装置。
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