WO2010035616A1 - 撮像素子および撮像装置 - Google Patents

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WO2010035616A1
WO2010035616A1 PCT/JP2009/065327 JP2009065327W WO2010035616A1 WO 2010035616 A1 WO2010035616 A1 WO 2010035616A1 JP 2009065327 W JP2009065327 W JP 2009065327W WO 2010035616 A1 WO2010035616 A1 WO 2010035616A1
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WO
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pair
photoelectric conversion
pixel
light
microlens
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Application number
PCT/JP2009/065327
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English (en)
French (fr)
Inventor
藤井　真一
博貴 宇井
西村　豊
Original Assignee
ソニー株式会社
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Publication date
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Priority to BRPI0918032A priority patent/BRPI0918032A2/pt
Priority to US13/119,610 priority patent/US8582019B2/en
Priority to EP09816033.6A priority patent/EP2330449A4/en
Priority to CN200980142594.7A priority patent/CN102197328B/zh
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    • H04N23/672—Focus control based on electronic image sensor signals based on the phase difference signals
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    • G02B7/34—Systems for automatic generation of focusing signals using different areas in a pupil plane
    • G—PHYSICS
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    • H04N25/702—SSIS architectures characterised by non-identical, non-equidistant or non-planar pixel layout

Definitions

  • the present invention relates to a technology of an image sensor that can receive a subject light flux that has passed through an exit pupil of a photographing optical system.
  • each pixel receives light from the subject that has passed through a pair of partial areas (for example, the left and right pupils) of the exit pupil of the interchangeable lens (imaging optical system).
  • ⁇ image sensor with phase difference detection function '' an image sensor that has a plurality of pairs of photoelectric conversion units (photodiodes) that generate signals and can detect the focus of the phase difference detection method.
  • photoelectric conversion units photodiodes
  • a normal pixel (RGB pixels) for acquiring an image signal of a subject has a structure in which a photoelectric conversion unit is divided into two (hereinafter referred to as “half-size photoelectric conversion unit”), that is, 1
  • An imaging device with a phase difference detection function is disclosed in which a pair of half-size photoelectric conversion units are disposed below one microlens.
  • a pair of partial regions in the exit pupil is received by a pair of photoelectric conversion units by restricting a subject light beam with a small opening of a light shielding mask using a metal layer in a pair of adjacent pixels.
  • An image sensor with a phase difference detection function is disclosed.
  • the subject light flux is limited by a small opening of the light shielding mask for each pixel. Therefore, as the pixels of the image sensor increase in size and the like, the opening of the light shielding mask further increases. However, the formation of such an opening may be difficult in manufacturing.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and is a technology of an image sensor with a phase difference detection function that can accurately perform focus detection by a phase difference detection method and can be manufactured satisfactorily even if pixels are miniaturized.
  • the purpose is to provide.
  • One aspect of the present invention is an imaging device that receives a subject light beam that has passed through a pair of partial areas that are biased in opposite directions along a predetermined direction in an exit pupil of a photographing optical system, thereby obtaining a pupil division function.
  • a pair of first pixels to be realized and a second pixel group including second pixels not having the pupil division function, and the second pixel group is arranged at a predetermined pitch along the predetermined direction.
  • a plurality of photoelectric conversion units and microlenses provided above each of the plurality of photoelectric conversion units, and the pair of first pixels has a size equivalent to each of the plurality of photoelectric conversion units.
  • the imaging device receives a subject light beam that has passed through a pair of partial areas that are biased in opposite directions along a predetermined direction in the exit pupil of the photographing optical system, thereby realizing a pair of pupil division functions.
  • a pair of 1st pixel has a pair of photoelectric conversion parts which have the same size as the photoelectric conversion part of the 2nd pixel, and are adjacently arranged with a predetermined pitch along a predetermined direction.
  • a light-shielding unit having two light-shielding regions that shield the light beam that has passed through the exit pupil, and one microlens sandwiched between the two light-shielding regions are provided.
  • the image sensor image sensor with a phase difference detection function as described above can perform focus detection by the phase difference detection method with high accuracy and can be manufactured well even if the pixels are miniaturized.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an external configuration of an imaging apparatus 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an external configuration of the imaging apparatus 1.
  • FIG. 3 is a longitudinal sectional view of the imaging apparatus 1.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating an electrical configuration of the imaging apparatus 1.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the configuration of the image sensor 101.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the configuration of the image sensor 101.
  • FIG. 7 is a longitudinal sectional view for explaining the configuration of the normal pixel 110.
  • FIG. 8 is a longitudinal sectional view for explaining the configuration of the AF pixel pair 11f.
  • FIG. 9 is a plan view for explaining the configuration of the AF pixel pair 11f.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an external configuration of an imaging apparatus 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an external configuration of the imaging apparatus 1.
  • FIG. 3 is a longitudinal sectional view
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a simulation result when the focal plane is defocused closer to 200 ⁇ m from the imaging plane of the imaging element 101.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a simulation result when the focal plane is defocused closer to 100 ⁇ m from the imaging surface.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a simulation result in a focused state where the focal plane coincides with the imaging surface.
  • FIG. 13 is a diagram showing a simulation result when the focal plane is defocused 100 ⁇ m away from the imaging surface.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a simulation result when the focal plane is defocused to the side farther 200 ⁇ m from the imaging surface.
  • FIG. 15 is a diagram for explaining a graph Gc showing the relationship between the difference between the center of gravity positions and the defocus amount in a pair of image rows.
  • FIG. 16 is a diagram for explaining the configuration of the AF area Efr defined in the image sensor 101A according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a longitudinal sectional view for explaining the configuration of the AF pixel pair 11fr.
  • FIG. 18 is a diagram for explaining the relationship between the diameter / curvature of the microlens and pupil separation.
  • FIG. 19 is a view for explaining the configuration of the first metal 44a according to the modification of the present invention.
  • FIG. 20 is a diagram for explaining the configuration of the AF area Efa according to a modification of the present invention.
  • FIGS. 1 and 2 are diagrams showing an external configuration of the imaging apparatus 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIGS. 1 and 2 show a front view and a rear view, respectively.
  • the imaging apparatus 1 is configured as, for example, a single-lens reflex digital still camera, and includes a camera body 10 and an interchangeable lens 2 as a photographic lens that is detachable from the camera body 10.
  • a mount portion 301 to which the interchangeable lens 2 is mounted at the center of the front surface a lens exchange button 302 disposed on the right side of the mount portion 301, and a gripper.
  • an LCD Liquid Crystal Display
  • a setting button group 312 disposed on the left side of the LCD 311
  • a cross key 314 disposed on the right side of the LCD 311.
  • a push button 315 disposed in the center of the cross key 314.
  • an EVF Electronic View Finder
  • an exposure correction button 323 and an AE lock button 324 disposed on the right side of the EVF 316, and a flash unit 318 and a connection terminal unit 319 disposed above the EVF 316.
  • the mount part 301 is provided with a connector Ec (see FIG. 4) for electrical connection with the mounted interchangeable lens 2 and a coupler 75 (see FIG. 4) for mechanical connection.
  • the lens exchange button 302 is a button that is pressed when the interchangeable lens 2 mounted on the mount unit 301 is removed.
  • the grip part 303 is a part where the user grips the image pickup apparatus 1 at the time of photographing, and is provided with surface irregularities adapted to the finger shape in order to improve fitting properties.
  • a battery storage chamber and a card storage chamber are provided inside the grip portion 303.
  • a battery 69B (see FIG. 4) is housed in the battery compartment as a power source for the camera, and a memory card 67 (see FIG. 4) for recording image data of the photographed image is detachably housed in the card compartment. It has come to be.
  • the grip unit 303 may be provided with a grip sensor for detecting whether or not the user has gripped the grip unit 303.
  • the mode setting dial 305 and the control value setting dial 306 are made of a substantially disk-shaped member that can rotate in a plane substantially parallel to the upper surface of the camera body 10.
  • the mode setting dial 305 is used for various types of shooting such as an automatic exposure (AE) control mode, an autofocus (AF) control mode, a still image shooting mode for shooting a single still image, and a continuous shooting mode for continuous shooting.
  • This mode is used to selectively select a mode and a function installed in the imaging apparatus 1, such as a mode and a reproduction mode for reproducing a recorded image.
  • the control value setting dial 306 is for setting control values for various functions installed in the imaging apparatus 1.
  • the shutter button 307 is a push-down switch that can be operated in a “half-pressed state” that is pressed halfway and further operated in a “full-pressed state”.
  • a preparatory operation for setting an exposure control value, focus detection, etc.
  • a photographing operation (a series of operations for exposing the image sensor 101 (see FIG. 3), performing predetermined image processing on the image signal obtained by the exposure, and recording the image signal on a memory card or the like) is performed.
  • the LCD 311 includes a color liquid crystal panel capable of displaying an image.
  • the LCD 311 displays an image picked up by the image pickup device 101 (see FIG. 3), reproduces and displays a recorded image, and is mounted on the image pickup apparatus 1. Function and mode setting screen. Note that an organic EL or a plasma display device may be used instead of the LCD 311.
  • the setting button group 312 is a button for performing operations on various functions installed in the imaging apparatus 1.
  • the setting button group 312 includes, for example, a selection confirmation switch for confirming the content selected on the menu screen displayed on the LCD 311, a selection cancel switch, a menu display switch for switching the content of the menu screen, a display on / off switch, A display enlargement switch is included.
  • the cross key 314 has an annular member having a plurality of pressing portions (triangle marks in the figure) arranged at regular intervals in the circumferential direction, and is not shown and provided corresponding to each pressing portion.
  • the pressing operation of the pressing portion is detected by the contact (switch).
  • the push button 315 is arranged at the center of the cross key 314.
  • the cross key 314 and the push button 315 are used to change the shooting magnification (movement of the zoom lens 212 (see FIG. 4) in the wide direction or the tele direction), frame-by-frame feeding of a recorded image to be reproduced on the LCD 311 and the like, and shooting conditions (aperture value). , Shutter speed, presence / absence of flash emission, etc.) for inputting instructions.
  • the EVF 316 includes a liquid crystal panel 310 (see FIG. 3), and displays an image captured by the image sensor 101 (see FIG. 3), reproduces and displays a recorded image, and the like.
  • live view (preview) display that displays a subject in a moving image mode based on image signals sequentially generated by the image sensor 101 before actual shooting (shooting for image recording) is performed. The user can visually recognize a subject actually captured by the image sensor 101.
  • the main switch 317 is a two-contact slide switch that slides to the left and right. When the switch is set to the left, the power of the imaging device 1 is turned on, and when the switch is set to the right, the power is turned off.
  • the flash unit 318 is configured as a pop-up built-in flash. On the other hand, when attaching an external flash or the like to the camera body 10, the connection is made using the connection terminal portion 319.
  • the eye cup 321 is a “U” -shaped light shielding member that has light shielding properties and suppresses intrusion of external light into the EVF 316.
  • the exposure correction button 323 is a button for manually adjusting the exposure value (aperture value and shutter speed), and the AE lock button 324 is a button for fixing the exposure.
  • the interchangeable lens 2 functions as a lens window that captures light (light image) from a subject, and also functions as a photographing optical system that guides the subject light to the image sensor 101 disposed inside the camera body 10. It is.
  • the interchangeable lens 2 can be detached from the camera body 10 by depressing the lens interchange button 302 described above.
  • the interchangeable lens 2 includes a lens group 21 including a plurality of lenses arranged in series along the optical axis LT (see FIG. 4).
  • the lens group 21 includes a focus lens 211 (see FIG. 4) for adjusting the focal point and a zoom lens 212 (see FIG. 4) for zooming, and each includes an optical axis LT ( By driving in the direction (see FIG. 3), zooming and focus adjustment are performed.
  • the interchangeable lens 2 is provided with an operation ring that can rotate along the outer peripheral surface of the lens barrel at a suitable position on the outer periphery of the lens barrel.
  • the zoom lens 212 can be operated by manual operation or automatic operation. It moves in the optical axis direction according to the rotation direction and rotation amount of the operation ring, and is set to a zoom magnification (imaging magnification) according to the position of the movement destination.
  • FIG. 3 is a longitudinal sectional view of the imaging apparatus 1.
  • the camera body 10 includes an image sensor 101, an EVF 316, and the like.
  • the imaging element 101 is arranged in a direction perpendicular to the optical axis LT on the optical axis LT of the lens group included in the interchangeable lens 2 when the interchangeable lens 2 is attached to the camera body 10.
  • the image sensor 101 for example, a CMOS color area sensor (CMOS type image sensor) in which a plurality of pixels configured with photodiodes are two-dimensionally arranged in a matrix is used.
  • the imaging device 101 generates analog electrical signals (image signals) of R (red), G (green), and B (blue) color components related to the subject luminous flux received through the interchangeable lens 2, and R, G, Output as B color image signals.
  • the configuration of the image sensor 101 will be described in detail later.
  • a shutter unit 40 is disposed in front of the image sensor 101 in the optical axis direction.
  • the shutter unit 40 includes a curtain body that moves in the vertical direction, and a mechanical focal plane that performs an optical path opening operation and an optical path blocking operation of subject light guided to the image sensor 101 along the optical axis LT by the opening operation and the closing operation. It is configured as a shutter.
  • the shutter unit 40 can be omitted when the image sensor 101 is an image sensor capable of complete electronic shutter.
  • the EVF 316 includes a liquid crystal panel 310 and an eyepiece lens 106.
  • the liquid crystal panel 310 is configured as a color liquid crystal panel capable of displaying an image, for example, and can display an image captured by the image sensor 101.
  • the eyepiece 106 guides the subject image displayed on the liquid crystal panel 310 to the outside of the EVF 316. With such a configuration of the EVF 316, the user can visually recognize a subject photographed by the image sensor 101.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating an electrical configuration of the imaging apparatus 1.
  • the same members as those in FIGS. 1 to 3 are denoted by the same reference numerals.
  • the electrical configuration of the interchangeable lens 2 will be described first.
  • the interchangeable lens 2 includes a lens drive mechanism 24, a lens position detection unit 25, a lens control unit 26, and an aperture drive mechanism 27 in addition to the lens group 21 constituting the photographing optical system described above.
  • a focus lens 211 and a zoom lens 212, and a diaphragm 23 for adjusting the amount of light incident on the image sensor 101 provided in the camera body 10 are arranged in an optical axis LT (FIG. 3) in the lens barrel.
  • the optical image of the subject is captured and formed on the image sensor 101.
  • focus adjustment is performed by driving the focus lens 211 in the optical axis LT direction by the AF actuator 71M in the interchangeable lens 2.
  • the focus drive control unit 71A generates a drive control signal for the AF actuator 71M necessary for moving the focus lens 211 to the in-focus position based on the AF control signal given from the main control unit 62 via the lens control unit 26. Is to be generated.
  • the AF actuator 71M is composed of a stepping motor or the like, and applies a lens driving force to the lens driving mechanism 24.
  • the lens driving mechanism 24 includes, for example, a helicoid and a gear (not shown) that rotates the helicoid, and receives the driving force from the AF actuator 71M to drive the focus lens 211 and the like in a direction parallel to the optical axis LT. It is. Note that the movement direction and the movement amount of the focus lens 211 are in accordance with the rotation direction and the rotation speed of the AF actuator 71M, respectively.
  • the lens position detection unit 25 moves integrally with the lens while being in sliding contact with the encode plate in which a plurality of code patterns are formed at a predetermined pitch in the optical axis LT direction within the movement range of the lens group 21.
  • An encoder brush and detects the amount of movement of the lens group 21 during focus adjustment.
  • the lens position detected by the lens position detection unit 25 is output as the number of pulses, for example.
  • the lens control unit 26 is composed of a microcomputer having a built-in memory such as a ROM for storing a control program or the like and a flash memory for storing data relating to status information.
  • the lens control unit 26 has a communication function for performing communication with the main control unit 62 of the camera body 10 via the connector Ec.
  • the state information data such as the focal length, the exit pupil position, the aperture value, the focusing distance, and the peripheral light amount state of the lens group 21 and the position information of the focus lens 211 detected by the lens position detection unit 25 are main-controlled.
  • the driving amount data of the focus lens 211 can be received from the main control unit 62.
  • the aperture drive mechanism 27 receives the driving force from the aperture drive actuator 76M via the coupler 75 and changes the aperture diameter of the aperture 23.
  • the camera body 10 includes an AFE (analog front end) 5, an image processing unit 61, an image memory 614, a main control unit 62, a flash circuit 63, an operation unit, in addition to the imaging element 101 and the shutter unit 40 described above. 64, VRAM 65 (65a, 65b), card interface (I / F) 66, memory card 67, communication interface (I / F) 68, power supply circuit 69, battery 69B, shutter drive control unit 73A, and shutter drive actuator 73M
  • the aperture drive controller 76A and the aperture drive actuator 76M are provided.
  • the image sensor 101 is composed of a CMOS color area sensor as described above, and the timing control circuit 51 described below starts (and ends) the exposure operation of the image sensor 101 and selects the output of each pixel included in the image sensor 101.
  • the imaging operation such as readout of the pixel signal is controlled.
  • the AFE 5 gives a timing pulse for causing the image sensor 101 to perform a predetermined operation, and performs predetermined signal processing on an image signal (analog signal group received by each pixel of the CMOS area sensor) output from the image sensor 101. Is converted into a digital signal and output to the image processing unit 61.
  • the AFE 5 includes a timing control circuit 51, a signal processing unit 52, an A / D conversion unit 53, and the like.
  • the timing control circuit 51 generates a predetermined timing pulse (a pulse for generating a vertical scanning pulse ⁇ Vn, a horizontal scanning pulse ⁇ Vm, a reset signal ⁇ Vr, etc.) based on the reference clock output from the main control unit 62, and the imaging device 101. And the imaging operation of the image sensor 101 is controlled. In addition, the operation of the signal processing unit 52 and the A / D conversion unit 53 is controlled by outputting predetermined timing pulses to the signal processing unit 52 and the A / D conversion unit 53, respectively.
  • a predetermined timing pulse a pulse for generating a vertical scanning pulse ⁇ Vn, a horizontal scanning pulse ⁇ Vm, a reset signal ⁇ Vr, etc.
  • the signal processing unit 52 performs predetermined analog signal processing on the analog image signal output from the image sensor 101.
  • the signal processing unit 52 includes a CDS (correlated double sampling) circuit, an AGC (auto gain control) circuit, a clamp circuit, and the like.
  • the A / D conversion unit 53 converts the analog R, G, B image signals output from the signal processing unit 52 into a plurality of bits (for example, 12 bits) based on the timing pulse output from the timing control circuit 51. Is converted into a digital image signal.
  • the image processing unit 61 performs predetermined signal processing on the image data output from the AFE 5 to create an image file, and includes a black level correction circuit 611, a white balance control circuit 612, a gamma correction circuit 613, and the like. Has been.
  • the image data captured by the image processing unit 61 is temporarily written in the image memory 614 in synchronization with the reading of the image sensor 101. Thereafter, the image data written in the image memory 614 is accessed to access the image processing unit. Processing is performed in each of the 61 blocks.
  • the black level correction circuit 611 corrects the black level of each of the R, G, and B digital image signals A / D converted by the A / D converter 53 to a reference black level.
  • the white balance correction circuit 612 performs level conversion (white balance (WB) adjustment) of digital signals of each color component of R (red), G (green), and B (blue) based on a white reference corresponding to the light source. Is what you do. That is, the white balance control circuit 612 identifies a portion that is originally estimated to be white based on luminance, saturation data, and the like in the photographic subject based on the WB adjustment data provided from the main control unit 62, and R, G of that portion. , B, the average of the color components, the G / R ratio and the G / B ratio are obtained, and the levels are corrected as R and B correction gains.
  • WB white balance
  • the gamma correction circuit 613 corrects the gradation characteristics of the WB adjusted image data. Specifically, the gamma correction circuit 613 performs non-linear conversion and offset adjustment using a gamma correction table set in advance for each color component.
  • the image memory 614 temporarily stores the image data output from the image processing unit 61 in the shooting mode, and is used as a work area for performing predetermined processing on the image data by the main control unit 62. It is memory. In the playback mode, the image data read from the memory card 67 is temporarily stored.
  • the main control unit 62 is composed of a microcomputer having a built-in storage unit such as a ROM for storing a control program and a RAM for temporarily storing data, and controls the operation of each unit of the imaging apparatus 1.
  • the flash circuit 63 controls the light emission amount of the external flash connected to the flash unit 318 or the connection terminal unit 319 to the light emission amount set by the main control unit 62 in the flash photographing mode.
  • the operation unit 64 includes the mode setting dial 305, the control value setting dial 306, the shutter button 307, the setting button group 312, the cross key 314, the push button 315, the main switch 317, etc., and the operation information is sent to the main control unit 62. It is for input.
  • the VRAMs 65a and 65b have a storage capacity of image signals corresponding to the number of pixels of the LCD 311 and the EVF 316, and are buffer memories between the main control unit 62 and the LCD 311 and the EVF 316.
  • the card I / F 66 is an interface for enabling transmission / reception of signals between the memory card 67 and the main control unit 62.
  • the memory card 67 is a recording medium that stores image data generated by the main control unit 62.
  • the communication I / F 68 is an interface for enabling transmission of image data and the like to a personal computer and other external devices.
  • the power supply circuit 69 includes, for example, a constant voltage circuit, and generates a voltage for driving the entire imaging apparatus 1 such as a control unit such as the main control unit 62, the image sensor 101, and other various driving units. Note that energization control to the image sensor 101 is performed by a control signal supplied from the main control unit 62 to the power supply circuit 69.
  • the battery 69B includes a primary battery such as an alkaline battery or a secondary battery such as a nickel metal hydride battery, and is a power source that supplies power to the entire imaging apparatus 1.
  • the shutter drive control unit 73A generates a drive control signal for the shutter drive actuator 73M based on a control signal given from the main control unit 62.
  • the shutter drive actuator 73M is an actuator that performs opening / closing drive of the shutter unit 40.
  • the aperture drive control unit 76A generates a drive control signal for the aperture drive actuator 76M based on the control signal given from the main control unit 62.
  • the aperture driving actuator 76M applies a driving force to the aperture driving mechanism 27 via the coupler 75.
  • the camera body 10 is based on the black level corrected image data output from the black level correction circuit 611 and performs a phase difference AF calculation circuit 77 that performs a calculation necessary for autofocus (AF) control using the image sensor 101. It has.
  • phase difference AF operation of the imaging apparatus 1 using the phase difference AF calculation circuit 77 will be described.
  • the imaging apparatus 1 is configured to be able to perform focus detection (phase difference AF) using a phase difference detection method by receiving transmitted light that has been transmitted (passed) through different portions of the exit pupil in the image sensor 101.
  • focus detection phase difference AF
  • the configuration of the image sensor 101 and the principle of phase difference AF using the image sensor 101 will be described below.
  • FIG. 5 and 6 are diagrams for explaining the configuration of the image sensor 101.
  • FIG. 5 and 6 are diagrams for explaining the configuration of the image sensor 101.
  • the imaging device 101 has a configuration capable of detecting a focus of the phase difference detection method in each of a plurality of AF areas Ef defined in a matrix on the imaging surface 101f (FIG. 5).
  • each AF area Ef R (red), G (green) and B (blue) color filters are arranged between a microlens ML (illustrated by a wavy circle) functioning as a condensing lens and a photodiode.
  • a normal pixel (hereinafter, also referred to as “normal pixel”) 110 composed of the R pixel 111, the G pixel 112, and the B pixel 113 is provided.
  • each AF area Ef is provided with a pixel pair (hereinafter also referred to as an “AF pixel pair”) 11f that realizes a pupil division function in order to perform phase difference AF (FIG. 6).
  • the image information of the subject is acquired by the normal pixels 110 having a larger number of pixels than the pixels of the AF pixel pair 11f.
  • the G pixel 112 and the R pixel 111 are arranged in the horizontal direction as horizontal lines (hereinafter also referred to as “normal pixel lines”) of the normal pixels (second pixels) 110 that do not have the pupil division function.
  • Gr lines L1 that are alternately arranged, and Gb lines L2 in which B pixels 113 and G pixels 112 are alternately arranged in the horizontal direction are formed.
  • a Bayer array is formed by a group of normal pixels 110 (second pixel group).
  • an AF pixel pair 11f having one microlens ML having the same configuration (diameter and curvature) as that of the normal pixel 110 is repeatedly arranged along the horizontal direction.
  • a plurality of adjacent AF lines (array of first pixel pairs) Lf are periodically formed in the vertical direction.
  • the combination of two normal pixel lines adjacent to the upper and lower sides of the AF line Lf may be the same horizontal line (Gr lines L1 and Gb lines L2) or different horizontal lines (one is a Gr line).
  • L1 and the other may be Gb line L2).
  • FIG. 7 is a longitudinal sectional view for explaining the configuration of the normal pixel 110. Note that the arrangement of the normal pixels 110 shown in FIG. 7 is provided, for example, on the Gr line L1 (FIG. 6).
  • a microlens ML is provided above each of a plurality of photoelectric conversion units (photodiodes) PD arranged at a pitch ⁇ along the horizontal direction.
  • three metal layers specifically, a first metal 41, a second metal 42, and a third metal 43 are disposed in order from the top.
  • the second metal 42 and the third metal 43 are configured as wirings for passing electrical signals (in FIG. 7, the wirings are arranged along the vertical direction of the paper surface), and the first metal 41 is connected to the ground plane ( Ground plane).
  • a color filter FL is disposed on the first metal 41, and a microlens ML is disposed on the color filter FL.
  • the color filter FL for example, in the arrangement of the normal pixels 110 arranged on the Gr line L1, the green filter Fg and the red filter Fr are alternately arranged as shown in FIG.
  • the first metal 41 is shielded between the microlenses ML in order to prevent unnecessary light passing between the microlenses ML from being received by the photoelectric conversion unit PD. Yes.
  • the first metal 41 functions as a light shielding mask layer in which the opening OP is formed immediately below the microlens ML.
  • FIGS. 8 and 9 are a longitudinal sectional view and a plan view for explaining the configuration of the AF pixel pair 11f.
  • the array of AF pixel pairs 11f shown in FIGS. 8 and 9 is provided in the AF line Lf (FIG. 6).
  • the AF pixel pair 11f has an optical axis of the microlens ML for separating (pupil dividing) the light beam Ta from the left portion Qa of the exit pupil and the light beam Tb from the right portion Qb of the interchangeable lens 2. It is composed of a pair of pixels (a pair of first pixels) 11a and 11b in which a pair of photoelectric conversion parts PD are arranged across AX. Each of the pair of photoelectric conversion units PD has the same size as the photoelectric conversion unit PD (FIG. 7) of the normal pixel 110, and is arranged adjacent to each other at the same pitch ⁇ as the normal pixel 110 along the horizontal direction. Yes.
  • the photoelectric conversion unit PD of the pixel (hereinafter also referred to as “first AF pixel”) 11a and the pixel (hereinafter also referred to as “second AF pixel”). It is preferable to reduce the empty space existing between the photoelectric conversion unit PD of 11b. Therefore, in the imaging device 101 of the present embodiment having the photoelectric conversion unit PD that is long and narrow in the horizontal direction as shown in FIG. 9, the AF pixel pair 11 f is arranged along the longitudinal direction of the photoelectric conversion unit PD, that is, the horizontal direction. It is appropriate to arrange. For this reason, the AF line Lf of the present embodiment is formed by arranging two or more AF pixel pairs 11f along the horizontal direction.
  • the schematic arrangement of the AF pixel pair 11f is such that members arranged above the photoelectric conversion unit PD with respect to the arrangement of the normal pixels 110 shown in FIG. 7, that is, first to third metals, a color filter, and a micro filter.
  • the lens is shifted by a half pitch in the horizontal direction. That is, the arrangement relationship between the pair of photoelectric conversion units PD and the microlens ML in the AF pixel pair 11f is that a specific microlens ML corresponding to the microlens ML of the AF pixel pair 11f among the microlenses ML in the normal pixel line. This corresponds to an arrangement configuration in which each photoelectric conversion unit PD is shifted by a half (predetermined amount) of the pitch ⁇ in the horizontal direction.
  • the light shielding portion LS is provided between the specific microlenses ML adjacent to each other, thereby forming an array of AF pixel pairs 11f (AF line Lf).
  • AF line Lf AF pixel pairs 11f
  • the design and manufacture of the AF line Lf can be simplified and facilitated.
  • the configuration of the light shielding part LS provided between the adjacent micro lenses ML in the AF line Lf will be described in detail.
  • the arrangement interval of the light shielding portions LS provided between the adjacent microlenses ML in the AF line Lf is the normal pixel line.
  • the interval is equal to every other pixel.
  • a black color filter (black filter) Fb is formed thereon.
  • the black filter Fb is arranged on the first metal 44 in this way because the light incident from the interchangeable lens 2 is reflected when the upper surface of the first metal 44 is exposed to cause ghost / flare. This is because light is absorbed by the black filter Fb to suppress ghost and flare. Therefore, in each AF pixel pair 11f of the present embodiment, the light flux of the subject that has passed through the exit pupil, which is composed of the first metal 44 and the black filter Fb formed at the location OQ, is shielded above the pair of photoelectric conversion units PD.
  • a light shielding part LS in which two light shielding areas Ea and Eb are formed is arranged.
  • Each AF pixel pair 11f is provided with one microlens ML sandwiched between two light-shielding regions Ea and Eb extending from the upper ends of both ends of the pair of photoelectric conversion portions PD toward the center.
  • a transparent filter Ft is adopted as a color filter provided on the opening OP of the first metal 44.
  • the amount of light received by the AF pixel pair 11f can be increased to improve the sensitivity.
  • the second metal 45 and the third metal 46 are separated from the space immediately below the opening OP in order to ensure a large optical path immediately below the opening OP of the first metal 44.
  • the second metal 45 and the third metal 46 are arranged in the back by the space SP compared to the configuration of the normal pixel 110 shown in FIG. This is because if the second and third metals are present in the space SP and the actual exit pupil is larger than expected (by design), the luminous flux from the part other than that expected will be the second and third. This is to prevent the third metal from being reflected and adversely affecting pupil division.
  • pupil division in the exit pupil that is, the light beam Ta from the left portion Qa of the exit pupil passes through the microlens ML and the transparent color filter Ft, and the photoelectric conversion unit of the second AF pixel 11b.
  • the light beam Tb from the right portion Qb of the exit pupil is received by the photoelectric conversion unit PD of the first AF pixel 11a through the microlens ML and the filter Ft.
  • the luminous flux Ta of the subject that has passed through a pair of partial areas Qa and Qb (left side part and right side part) biased in the opposite directions along the horizontal direction in the exit pupil of the interchangeable lens 2 Tb is received.
  • the light reception data obtained in the first AF pixel 11a is referred to as “A series data”
  • the light reception data obtained in the second AF pixel 11b is referred to as “B series data”.
  • the principle of phase difference AF will be described with reference to FIGS. 10 to 14 showing A-series data and B-series data obtained from a group of AF pixel pairs 11f arranged at Lf (FIG. 6).
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a simulation result when the focal plane is defocused closer to the 200 ⁇ m side from the imaging surface 101f of the imaging element 101
  • FIG. 11 is a diagram illustrating the focal plane being closer to the 100 ⁇ m side from the imaging surface 101f. It is a figure which shows the simulation result in the case of being focused.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a simulation result in a focused state in which the focal plane coincides with the imaging surface 101f.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a simulation result when the focal plane is defocused 100 ⁇ m away from the imaging plane 101 f
  • FIG. 14 is a diagram illustrating the focal plane defocused 200 ⁇ m away from the imaging plane 101 f.
  • the horizontal axis indicates the difference (pixel pitch) of the centroid position of the B-sequence image sequence to the centroid position of the A-sequence image sequence, and the ordinate indicates the defocus amount ( ⁇ m).
  • the center-of-gravity position X g for each image column for example, be determined by the following calculation formula (1).
  • X 1 to X n represent pixel positions from the left end in the AF line Lf, for example, and Y 1 to Y n represent the first AF pixel 11a at the positions X 1 to X n , the first The output value from the 2AF pixel 11b is shown.
  • the relationship between the difference between the centroid positions in the pair of image rows and the defocus amount is a proportional relationship.
  • This relationship can be expressed by the following equation (2) when the defocus amount is DF ( ⁇ m) and the difference in the center of gravity is C ( ⁇ m).
  • the coefficient k in the above equation (2) represents a gradient Gk (shown by a broken line) related to the graph Gc in FIG. 15 and can be obtained in advance by a factory test or the like.
  • phase difference AF calculation circuit 77 obtains the difference (phase difference) between the gravity center positions of the A-sequence data and the B-sequence data obtained from the AF pixel pair 11f
  • the above equation (2) is used.
  • autofocus (AF) control for moving the focus lens 211 to the detected focal position becomes possible.
  • the relationship between the defocus amount and the drive amount of the focus lens 211 is uniquely determined from the design value of the interchangeable lens 2 attached to the camera body 10.
  • the imaging device (imaging device with phase difference detection function) 101 has a half pitch in the horizontal direction with respect to the arrangement of the normal pixels 110 shown in FIG. In other words, an AF line Lf having a light shielding portion LS (FIG. 8) every other pixel is provided.
  • the imaging device 101 can perform focus detection by the phase difference detection method with high accuracy and can be manufactured satisfactorily even if the pixels are miniaturized. Further, as compared with the type in which the subject light beam is limited by a small opening of the metal layer (light-shielding mask) as in the above-described image sensor with a phase difference detection function in Patent Document 2, the necessary light beam is cut.
  • An imaging apparatus 1A according to the second embodiment of the present invention has a configuration similar to that of the imaging apparatus 1 shown in FIGS. 1 to 4, but the configuration of the imaging element is different.
  • the configurations of the AF areas Efr (FIG. 5) defined in a matrix on the image pickup surface 101f are different.
  • the configuration of the AF area Efr will be described in detail below.
  • FIG. 16 is a diagram for explaining the configuration of the AF area Efr defined in the image sensor 101A.
  • a Gr line L1 and a Gb line L2 that are horizontal lines of the normal pixel 110 having the same configuration as that of the first embodiment are formed.
  • the AF pixel pair 11fr provided with the microlens MLr having such a configuration will be described below.
  • FIG. 17 corresponds to FIG. 8 and is a longitudinal sectional view for explaining the configuration of the AF pixel pair 11fr.
  • the AF pixel pair 11fr is composed of a pair of pixels 11c and 11d, and has the same configuration as the AF pixel pair 11f of the first embodiment, the photoelectric conversion unit PD, the second and third metals 45 and 46, and the transparent and black color. Filters Ft and Fb are provided.
  • the AF pixel pair 11fr has the large microlens MLr described above and a large opening OPr corresponding to the microlens MLr formed in the first metal 44r.
  • the opening OPr of the first metal 44r is slightly smaller than the transparent filter Ft, and is larger than the opening OP of the first embodiment shown in FIG.
  • an opening OPr of the first metal (light-shielding mask) 44r larger than the opening OP formed below each microlens ML provided on the normal pixel 110 is formed below each microlens MLr provided on the AF line Lfr. Has been.
  • micro lens MLr of the AF pixel pair 11fr not only simply increasing the diameter of the micro lens ML of the normal pixel 110 but also increasing the curvature (decreasing the curvature radius) to improve the accuracy of pupil separation. Is preferred. This will be described with reference to FIG.
  • FIG. 18 is a diagram for explaining the relationship between the diameter / curvature of the microlens and pupil separation.
  • FIG. 18A shows a pupil division state when the microlens ML of the normal pixel 110 is employed in the AF pixel pair 11f as in the first embodiment, for example.
  • the light beams Ta and Tb from the left and right side portions of the exit pupil are spread with widths W1a and W1b.
  • the diameter of the microlens is increased.
  • the light beams Ta and Tb from the left and right side portions of the exit pupil spread with larger widths W2a and W2b than in the case of FIG.
  • the microlens MLr (FIG. 18C) in which the curvature of the microlens ML provided in the normal pixel 110 is increased. )think of.
  • this microlens MLr since the curvature is larger than that of the microlens ML, the light beams Ta and Tb from the left and right portions of the exit pupil on the light receiving surface of the photoelectric conversion unit PD are smaller than in the case of FIG.
  • the widths W3a and W3b are expanded. As a result, for example, as shown in FIG.
  • the light beam Ta from the left part of the exit pupil is received only by the right photoelectric conversion unit PD, and the light beam Tb from the right part of the exit pupil is received by the left photoelectric conversion unit. Since the light can be received only by the PD, the accuracy of the phase difference AF can be improved by the favorable pupil division.
  • the imaging apparatus 1A including the imaging device 101A with a phase difference detection function having the above-described configuration, the same effects as those of the first embodiment are achieved. Further, in the image sensor 101A, since the diameter of the micro lens MLr and the opening OPr of the first metal 44r in the AF pixel pair 11fr are larger than the opening OP of each micro lens ML and the first metal 41 provided in the normal pixel 110, the AF pixel. The sensitivity of each pixel in the pair 11f can be improved.
  • ⁇ Modification> For the image sensor in the first embodiment, it is not essential to use the first metal 44 in which the portion OQ immediately below the black filter Fb is closed as shown in FIG. 8, and the black filter is used as shown in FIG. You may make it employ
  • the opening OP can be provided in the first metal at the same pitch as the arrangement of the normal pixels 110 in the AF line Lf.
  • the design of the first metal can be diverted. Note that it is possible to employ the first metal 44a in which the opening OP is formed immediately below the black filter Fb as shown in FIG. 19 even in the imaging device of the second embodiment.
  • the black filter Fb may be omitted in the configuration shown in FIG. 8 or FIG.
  • the first metal is exposed and there is a concern about ghosts and flares.
  • the upper surface of the first metal is colored black or formed of a black conductive material. It is possible to suppress the conductive layer by adopting it as the first metal.
  • the image sensor in the first embodiment it is not essential to adopt the AF area Ef having the AF line Lf composed of only the AF pixel pair 11f as shown in FIG. 6, as shown in FIG.
  • An AF area Efa having an AF line Lfa in which the normal pixel 110 is interposed between the AF pixel pair 11fa may be employed.
  • the image information of the subject missing in the AF pixel pair 11f can be complemented using the image information of the normal pixel 110 inserted in the AF line Lfa, so that the image quality can be improved.
  • the normal pixel 110 can be inserted between the AF pixel pair 11fa in the AF line Lfa as shown in FIG. 20 with the image sensor of the second embodiment.
  • the AF line in each of the above embodiments it is not essential to shift a member (microlens or color filter) above the photoelectric conversion unit PD by a half pitch with respect to the horizontal line of the normal pixel 110.
  • the photoelectric conversion unit PD The photoelectric conversion unit PD may be shifted by a half pitch with respect to the horizontal line of the normal pixel 110 while the upper member is left as it is.
  • the effect of each embodiment mentioned above is show
  • the image sensor 101 including the AF line Lf in a single-lens reflex digital camera, but it may be provided in a compact digital camera.
  • a transparent color filter on the opening OP of the first metal 44, and green color with excellent visibility characteristics from the viewpoint of focusing on focusing accuracy.
  • These color filters may be provided, or red or blue color filters may be provided.
  • a micro lens may be installed on the black filter Fb. If the microlenses are installed in this way, the microlenses can be arranged at the same pitch as the arrangement of the normal pixels 110, and the arrangement design of the microlenses in the normal pixels 110 can be diverted.
  • a half-pitch shift (50% pitch) suitable for improving the output balance from each pixel of the AF pixel pair 11f.
  • a pitch deviation of about 40% may be generated.
  • an output imbalance occurs between the first AF pixel and the second AF pixel.
  • the pixel output having the smaller light reception amount is received by each pixel. It is possible to perform a treatment for improving the unbalance by multiplying the gain ⁇ based on the area ratio of each partial region of the exit pupil.
  • Half of the predetermined pitch in the present invention includes a 50% pitch with respect to the predetermined pitch, as well as a range of (50 ⁇ ⁇ )% in which a variation ⁇ such as a manufacturing error is added to the 50%. It also includes the inner pitch.

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Abstract

　位相差検出方式の焦点検出を精度良く行えるとともに、画素の微細化が進んでも良好な製造が可能な位相差検出機能付き撮像素子の技術を提供する。撮像装置に設けられる撮像素子は、射出瞳における一対の部分領域Ｑａ、Ｑｂを通過した被写体光束を受光することにより瞳分割機能を実現するＡＦ画素対１１ｆと、瞳分割機能を持たない通常画素とを備えている。ＡＦ画素対１１ｆは、通常画素の光電変換部と同等のサイズを有し、水平方向に沿って隣接して配置された一対の光電変換部ＰＤを備えている。そして、一対の光電変換部ＰＤの上方には、射出瞳を通過した光束を遮光する２つの遮光領域Ｅａ、Ｅｂを有した遮光部ＬＳと、これら２つの遮光領域Ｅａ、Ｅｂに挟まれた１つのマイクロレンズＭＬが設けられている。これにより、位相差検出方式の焦点検出を精度良く行え、画素の微細化が進んでも良好な製造が可能な撮像素子を実現できる。

Description

撮像素子および撮像装置
　本発明は、撮影光学系の射出瞳を通った被写体光束を受光可能な撮像素子の技術に関する。
　レンズ交換式の一眼レフデジタルカメラなどの撮像装置においては、交換レンズ（撮影光学系）の射出瞳における一対の部分領域(例えば左側・右側の瞳部分)を通過した被写体光束を受光して各画素信号を生成する一対の光電変換部(フォトダイオード)を複数備えて位相差検出方式の焦点検出が可能な撮像素子(以下では「位相差検出機能付き撮像素子」ともいう)の利用が提案されている。この撮像素子については、次のようなものが知られている。
　例えば特許文献１では、被写体の画像信号を取得する通常画素(ＲＧＢの各画素)において光電変換部を２分割したような構造のもの(以下では「ハーフサイズの光電変換部」という)、つまり１つのマイクロレンズの下方に一対のハーフサイズの光電変換部が配置された位相差検出機能付き撮像素子が開示されている。
　また、例えば特許文献２では、隣接する一対の画素において、メタル層を利用した遮光マスクの小さな開口で被写体光束を制限することにより上記射出瞳における一対の部分領域を一対の光電変換部で受光する位相差検出機能付き撮像素子が開示されている。
特開２００１－２５０９３１号公報 特開２００５－３０３４０９号公報
　しかしながら、上記特許文献１の撮像素子では、ハーフサイズの光電変換部それぞれの出力を電気信号に変換するためのトランジスタを各光電変換部の近傍に設置する必要があるため、その設置スペースの分、光電変換部を小さくしなければならず、光電変換部での受光量(感度)が低下する。これでは、位相差検出方式の焦点検出を精度良く行うのは困難である。
　一方、上記特許文献２の撮像素子では、画素毎に遮光マスクの小さな開口で被写体光束を制限するため、撮像素子の高画素化等に伴い各画素の微細化が進むと遮光マスクの開口も一層の小型化が要請されることとなるが、そのような開口の形成は製造上困難となる恐れがある。
　本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、位相差検出方式の焦点検出を精度良く行えるとともに、画素の微細化が進んでも良好な製造が可能な位相差検出機能付き撮像素子の技術を提供することを目的とする。
　本発明の１つの側面は、撮像素子であって、撮影光学系の射出瞳において所定方向に沿って互いに逆向きに偏った一対の部分領域を通過した被写体光束を受光することにより瞳分割機能を実現する一対の第１画素と、前記瞳分割機能を持たない第２画素からなる第２画素群とを備えており、前記第２画素群は、前記所定方向に沿って所定のピッチで配置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の上方に設けられた各マイクロレンズとを有するとともに、前記一対の第１画素は、前記複数の光電変換部それぞれと同等のサイズを有し、前記所定方向に沿って前記所定のピッチで隣接して配置された一対の光電変換部を有し、前記一対の光電変換部の上方には、前記射出瞳を通過した光束を遮光する２の遮光領域を有した遮光部と、前記２の遮光領域に挟まれた１のマイクロレンズとが設けられている。
　本発明によれば、撮像素子は、撮影光学系の射出瞳において所定方向に沿って互いに逆向きに偏った一対の部分領域を通過した被写体光束を受光することにより瞳分割機能を実現する一対の第１画素と、前記瞳分割機能を持たない第２画素からなって所定のピッチで所定方向に沿って配置された複数の光電変換部を有する第２画素群とを備えている。そして、一対の第１画素は、第２画素の光電変換部と同等のサイズを有し所定方向に沿って所定のピッチで隣接して配置された一対の光電変換部を有しており、この一対の光電変換部の上方には、射出瞳を通過した光束を遮光する２の遮光領域を有した遮光部と、これら２の遮光領域に挟まれた１のマイクロレンズとが設けられている。以上のような撮像素子（位相差検出機能付き撮像素子）では、位相差検出方式の焦点検出を精度良く行えるとともに、画素の微細化が進んでも良好な製造が可能となる。
図１は、本発明の第１実施形態に係る撮像装置１の外観構成を示す図である。 図２は、撮像装置１の外観構成を示す図である。 図３は、撮像装置１の縦断面図である。 図４は、撮像装置１の電気的な構成を示すブロック図である。 図５は、撮像素子１０１の構成を説明するための図である。 図６は、撮像素子１０１の構成を説明するための図である。 図７は、通常画素１１０の構成を説明するための縦断面図である。 図８は、ＡＦ画素対１１ｆの構成を説明するための縦断面図である。 図９は、ＡＦ画素対１１ｆの構成を説明するための平面図である。 図１０は、焦点面が撮像素子１０１の撮像面から２００μｍ近側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図である。 図１１は、焦点面が撮像面から１００μｍ近側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図である。 図１２は、焦点面が撮像面に一致している合焦状態のシミュレーション結果を示す図である。 図１３は、焦点面が撮像面から１００μｍ遠側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図である。 図１４は、焦点面が撮像面から２００μｍ遠側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図である。 図１５は、一対の像列における重心位置の差とデフォーカス量との関係を示すグラフＧｃを説明するための図である。 図１６は、本発明の第２実施形態に係る撮像素子１０１Ａに規定されるＡＦエリアＥｆｒの構成を説明するための図である。 図１７は、ＡＦ画素対１１ｆｒの構成を説明するための縦断面図である。 図１８は、マイクロレンズの径・曲率と瞳分離との関係を説明するための図である。 図１９は、本発明の変形例に係る第１メタル４４ａの構成を説明するための図である。 図２０は、本発明の変形例に係るＡＦエリアＥｆａの構成を説明するための図である。
　＜第１実施形態＞
　［撮像装置の要部構成］
　図１および図２は、本発明の第１実施形態に係る撮像装置１の外観構成を示す図である。ここで、図１および図２は、それぞれ正面図および背面図を示している。
　撮像装置１は、例えば一眼レフレックスタイプのデジタルスチルカメラとして構成されており、カメラボディ１０と、カメラボディ１０に着脱自在な撮影レンズとしての交換レンズ２とを備えている。
　図１において、カメラボディ１０の正面側には、正面略中央に交換レンズ２が装着されるマウント部３０１と、マウント部３０１の右横に配置されたレンズ交換ボタン３０２と、把持可能とするためのグリップ部３０３と、正面左上部に配置されたモード設定ダイアル３０５と、正面右上部に配置された制御値設定ダイアル３０６と、グリップ部３０３の上面に配置されたシャッターボタン３０７とが設けられている。
　また、図２において、カメラボディ１０の背面側には、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）３１１と、ＬＣＤ３１１の左方に配置された設定ボタン群３１２と、ＬＣＤ３１１の右方に配置された十字キー３１４と、十字キー３１４の中央に配置されたプッシュボタン３１５とが備えられている。また、カメラボディ１０の背面側には、ＬＣＤ３１１の上方に配設されたＥＶＦ(Electronic View Finder)３１６と、ＥＶＦ３１６の周囲を囲むアイカップ３２１と、ＥＶＦ３１６の左方に配設されたメインスイッチ３１７と、ＥＶＦ３１６の右方に配設された露出補正ボタン３２３およびＡＥロックボタン３２４と、ＥＶＦ３１６の上方に配設されたフラッシュ部３１８および接続端子部３１９とが備えられている。
　マウント部３０１には、装着された交換レンズ２との電気的接続を行うためコネクタＥｃ(図４参照)や、機械的接続を行うためのカプラ７５(図４参照)が設けられている。
　レンズ交換ボタン３０２は、マウント部３０１に装着された交換レンズ２を取り外す際に押下されるボタンである。
　グリップ部３０３は、ユーザが撮影時に撮像装置１を把持する部分であり、フィッティング性を高めるために指形状に合わせた表面凹凸が設けられている。なお、グリップ部３０３の内部には電池収納室およびカード収納室(不図示)が設けられている。電池収納室にはカメラの電源として電池６９Ｂ(図４参照)が収納されており、カード収納室には撮影画像の画像データを記録するためのメモリカード６７(図４参照)が着脱可能に収納されるようになっている。なお、グリップ部３０３には、当該グリップ部３０３をユーザが把持したか否かを検出するためのグリップセンサを設けるようにしても良い。
　モード設定ダイアル３０５及び制御値設定ダイアル３０６は、カメラボディ１０の上面と略平行な面内で回転可能な略円盤状の部材からなる。モード設定ダイアル３０５は、自動露出（ＡＥ）制御モードや自動焦点（ＡＦ；オートフォーカス）制御モード、或いは１枚の静止画を撮影する静止画撮影モードや連続撮影を行う連続撮影モード等の各種撮影モード、記録済みの画像を再生する再生モード等、撮像装置１に搭載されたモードや機能を択一的に選択するためのものである。一方、制御値設定ダイアル３０６は、撮像装置１に搭載された各種の機能に対する制御値を設定するためのものである。
　シャッターボタン３０７は、途中まで押し込んだ「半押し状態」の操作と、さらに押し込んだ「全押し状態」の操作とが可能とされた押下スイッチである。静止画撮影モードにおいてシャッターボタン３０７が半押しされると、被写体の静止画を撮影するための準備動作（露出制御値の設定や焦点検出等の準備動作）が実行され、シャッターボタン３０７が全押しされると、撮影動作（撮像素子１０１(図３参照)を露光し、その露光によって得られた画像信号に所定の画像処理を施してメモリカード等に記録する一連の動作）が実行される。
　ＬＣＤ３１１は、画像表示が可能なカラー液晶パネルを備えており、撮像素子１０１(図３参照)により撮像された画像の表示や記録済みの画像の再生表示等を行うとともに、撮像装置１に搭載される機能やモードの設定画面を表示するものである。なお、ＬＣＤ３１１に代えて、有機ＥＬやプラズマ表示装置を用いるようにしても良い。
　設定ボタン群３１２は、撮像装置１に搭載された各種の機能に対する操作を行うボタンである。この設定ボタン群３１２には、例えばＬＣＤ３１１に表示されるメニュー画面で選択された内容を確定するための選択確定スイッチ、選択取り消しスイッチ、メニュー画面の内容を切り替えるメニュー表示スイッチ、表示オン／オフスイッチ、表示拡大スイッチなどが含まれる。
　十字キー３１４は、円周方向に一定間隔で配置された複数の押圧部（図中の三角印の部分）を備える環状の部材を有し、各押圧部に対応して備えられた図示省略の接点（スイッチ）により押圧部の押圧操作が検出されるように構成されている。また、プッシュボタン３１５は、十字キー３１４の中央に配置されている。十字キー３１４及びプッシュボタン３１５は、撮影倍率の変更（ズームレンズ２１２(図４参照)のワイド方向やテレ方向への移動）、ＬＣＤ３１１等に再生する記録画像のコマ送り、及び撮影条件（絞り値、シャッタスピード、フラッシュ発光の有無等）の設定等の指示を入力するためのものである。
　ＥＶＦ３１６は、液晶パネル３１０(図３参照)を備えており、撮像素子１０１(図３参照)によって撮像された画像の表示や記録済みの画像の再生表示等を行う。このＥＶＦ３１６やＬＣＤ３１１において、本撮影(画像記録用の撮影)前に撮像素子１０１で順次に生成される画像信号に基づき動画的態様で被写体を表示するライブビュー(プレビュー)表示が行われることにより、ユーザは、実際に撮像素子１０１にて撮影される被写体を視認することが可能となる。
　メインスイッチ３１７は、左右にスライドする２接点のスライドスイッチからなり、左にセットすると撮像装置１の電源がオンされ、右にセットすると電源がオフされる。
　フラッシュ部３１８は、ポップアップ式の内蔵フラッシュとして構成されている。一方、外部フラッシュ等をカメラボディ１０に取り付ける場合には、接続端子部３１９を使用して接続する。
　アイカップ３２１は、遮光性を有してＥＶＦ３１６への外光の侵入を抑制する「コ」字状の遮光部材である。
　露出補正ボタン３２３は、露出値（絞り値やシャッタースピード）を手動で調整するためのボタンであり、ＡＥロックボタン３２４は、露出を固定するためのボタンである。
　交換レンズ２は、被写体からの光（光像）を取り込むレンズ窓として機能するとともに、当該被写体光をカメラボディ１０の内部に配置されている撮像素子１０１に導くための撮影光学系として機能するものである。この交換レンズ２は、上述のレンズ交換ボタン３０２を押下操作することで、カメラボディ１０から取り外すことが可能となっている。
　交換レンズ２は、光軸ＬＴに沿って直列的に配置された複数のレンズからなるレンズ群２１を備えている(図４参照)。このレンズ群２１には、焦点の調節を行うためのフォーカスレンズ２１１(図４参照)と、変倍を行うためのズームレンズ２１２(図４参照)とが含まれており、それぞれ光軸ＬＴ(図３参照)方向に駆動されることで、変倍や焦点調節が行われる。また、交換レンズ２には、その鏡胴の外周適所に該鏡胴の外周面に沿って回転可能な操作環が備えられており、上記のズームレンズ２１２は、マニュアル操作或いはオート操作により、上記操作環の回転方向及び回転量に応じて光軸方向に移動し、その移動先の位置に応じたズーム倍率(撮影倍率)に設定されるようになっている。
　［撮像装置１の内部構成］
　次に、撮像装置１の内部構成について説明する。図３は、撮像装置１の縦断面図である。図３に示すように、カメラボディ１０の内部には、撮像素子１０１、ＥＶＦ３１６などが備えられている。
　撮像素子１０１は、カメラボディ１０に交換レンズ２が装着された場合の当該交換レンズ２が備えているレンズ群の光軸ＬＴ上において、光軸ＬＴに対して垂直となる方向に配置されている。撮像素子１０１としては、例えばフォトダイオードを有して構成される複数の画素がマトリクス状に２次元配置されたＣＭＯＳカラーエリアセンサ（ＣＭＯＳ型の撮像素子）が用いられる。撮像素子１０１は、交換レンズ２を通って受光された被写体光束に関するＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）各色成分のアナログの電気信号（画像信号）を生成し、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色の画像信号として出力する。この撮像素子１０１の構成については、後で詳述する。
　撮像素子１０１の光軸方向前方には、シャッタユニット４０が配置されている。このシャッタユニット４０は、上下方向に移動する幕体を備え、その開動作および閉動作により光軸ＬＴに沿って撮像素子１０１に導かれる被写体光の光路開口動作および光路遮断動作を行うメカニカルフォーカルプレーンシャッタとして構成されている。なお、シャッタユニット４０は、撮像素子１０１が完全電子シャッター可能な撮像素子である場合には省略可能である。
　ＥＶＦ３１６は、液晶パネル３１０と、接眼レンズ１０６とを備えている。液晶パネル３１０は、例えば画像表示が可能なカラー液晶パネルとして構成されており、撮像素子１０１により撮像された画像の表示が可能である。接眼レンズ１０６は、液晶パネル３１０に表示された被写体像をＥＶＦ３１６の外側に導く。このようなＥＶＦ３１６の構成により、ユーザは、撮像素子１０１で撮影される被写体を視認できることとなる。
　［撮像装置１の電気的構成］
　図４は、撮像装置１の電気的な構成を示すブロック図である。ここで、図１～図３と同一の部材等については、同一の符号を付している。なお、説明の便宜上、交換レンズ２の電気的構成について先ず説明する。
　交換レンズ２は、上述した撮影光学系を構成するレンズ群２１に加え、レンズ駆動機構２４と、レンズ位置検出部２５と、レンズ制御部２６と、絞り駆動機構２７とを備えている。
　レンズ群２１では、フォーカスレンズ２１１及びズームレンズ２１２と、カメラボディ１０に備えられた撮像素子１０１へ入射される光量を調節するための絞り２３とが、鏡胴内において光軸ＬＴ(図３)方向に保持されており、被写体の光像を取り込んで撮像素子１０１に結像させる。ＡＦ制御では、フォーカスレンズ２１１が交換レンズ２内のＡＦアクチュエータ７１Ｍにより光軸ＬＴ方向に駆動されることで焦点調節が行われる。
　フォーカス駆動制御部７１Ａは、レンズ制御部２６を介してメイン制御部６２から与えられるＡＦ制御信号に基づき、フォーカスレンズ２１１を合焦位置に移動させるために必要な、ＡＦアクチュエータ７１Ｍに対する駆動制御信号を生成するものである。ＡＦアクチュエータ７１Ｍは、ステッピングモータ等からなり、レンズ駆動機構２４にレンズ駆動力を与える。
　レンズ駆動機構２４は、例えばヘリコイド及び該ヘリコイドを回転させる図示省略のギア等で構成され、ＡＦアクチュエータ７１Ｍからの駆動力を受けて、フォーカスレンズ２１１等を光軸ＬＴと平行な方向に駆動させるものである。なお、フォーカスレンズ２１１の移動方向及び移動量は、それぞれＡＦアクチュエータ７１Ｍの回転方向及び回転数に従う。
　レンズ位置検出部２５は、レンズ群２１の移動範囲内において光軸ＬＴ方向に複数個のコードパターンが所定ピッチで形成されたエンコード板と、このエンコード板に摺接しながらレンズと一体的に移動するエンコーダブラシとを備えており、レンズ群２１の焦点調節時の移動量を検出する。なお、レンズ位置検出部２５で検出されたレンズ位置は、例えばパルス数として出力される。
　レンズ制御部２６は、例えば制御プログラム等を記憶するＲＯＭや状態情報に関するデータを記憶するフラッシュメモリ等のメモリが内蔵されたマイクロコンピュータからなっている。
　また、レンズ制御部２６は、コネクタＥｃを介してカメラボディ１０のメイン制御部６２との間で通信を行う通信機能を有している。これにより、例えばレンズ群２１の焦点距離、射出瞳位置、絞り値、合焦距離及び周辺光量状態等の状態情報データや、レンズ位置検出部２５で検出されるフォーカスレンズ２１１の位置情報をメイン制御部６２に送信できるとともに、メイン制御部６２から例えばフォーカスレンズ２１１の駆動量のデータを受信できる。
　絞り駆動機構２７は、カプラ７５を介して絞り駆動アクチュエータ７６Ｍからの駆動力を受けて、絞り２３の絞り径を変更するものである。
　続いて、カメラボディ１０の電気的構成について説明する。カメラボディ１０には、先に説明した撮像素子１０１、シャッタユニット４０等の他に、ＡＦＥ（アナログフロントエンド）５、画像処理部６１、画像メモリ６１４、メイン制御部６２、フラッシュ回路６３、操作部６４、ＶＲＡＭ６５(６５ａ、６５ｂ)、カード・インターフェース（Ｉ／Ｆ）６６、メモリカード６７、通信用インターフェース（Ｉ／Ｆ）６８、電源回路６９、電池６９Ｂ、シャッタ駆動制御部７３Ａ及びシャッタ駆動アクチュエータ７３Ｍ、絞り駆動制御部７６Ａ及び絞り駆動アクチュエータ７６Ｍを備えて構成されている。
　撮像素子１０１は、先に説明した通りＣＭＯＳカラーエリアセンサからなり、後述のタイミング制御回路５１により、当該撮像素子１０１の露光動作の開始（及び終了）や、撮像素子１０１が備える各画素の出力選択、画素信号の読出し等の撮像動作が制御される。
　ＡＦＥ５は、撮像素子１０１に対して所定の動作を行わせるタイミングパルスを与えると共に、撮像素子１０１から出力される画像信号（ＣＭＯＳエリアセンサの各画素で受光されたアナログ信号群）に所定の信号処理を施し、デジタル信号に変換して画像処理部６１に出力するものである。このＡＦＥ５は、タイミング制御回路５１、信号処理部５２及びＡ／Ｄ変換部５３などを備えて構成されている。
　タイミング制御回路５１は、メイン制御部６２から出力される基準クロックに基づいて所定のタイミングパルス（垂直走査パルスφＶｎ、水平走査パルスφＶｍ、リセット信号φＶｒ等を発生させるパルス）を生成して撮像素子１０１に出力し、撮像素子１０１の撮像動作を制御する。また、所定のタイミングパルスを信号処理部５２やＡ／Ｄ変換部５３にそれぞれ出力することにより、信号処理部５２及びＡ／Ｄ変換部５３の動作を制御する。
　信号処理部５２は、撮像素子１０１から出力されるアナログの画像信号に所定のアナログ信号処理を施すものである。この信号処理部５２には、ＣＤＳ（相関二重サンプリング）回路、ＡＧＣ（オートゲインコントロール）回路及びクランプ回路等が備えられている。Ａ／Ｄ変換部５３は、信号処理部５２から出力されたアナログのＲ、Ｇ、Ｂの画像信号を、タイミング制御回路５１から出力されるタイミングパルスに基づいて、複数のビット（例えば１２ビット）からなるデジタルの画像信号に変換するものである。
　画像処理部６１は、ＡＦＥ５から出力される画像データに所定の信号処理を行って画像ファイルを作成するもので、黒レベル補正回路６１１、ホワイトバランス制御回路６１２及びガンマ補正回路６１３等を備えて構成されている。なお、画像処理部６１へ取り込まれた画像データは、撮像素子１０１の読み出しに同期して画像メモリ６１４に一旦書き込まれ、以後この画像メモリ６１４に書き込まれた画像データにアクセスして、画像処理部６１の各ブロックにおいて処理が行われる。
　黒レベル補正回路６１１は、Ａ／Ｄ変換部５３によりＡ／Ｄ変換されたＲ、Ｇ、Ｂの各デジタル画像信号の黒レベルを、基準の黒レベルに補正するものである。
　ホワイトバランス補正回路６１２は、光源に応じた白の基準に基づいて、Ｒ(赤)、Ｇ(緑)、Ｂ(青)の各色成分のデジタル信号のレベル変換（ホワイトバランス(ＷＢ)調整）を行うものである。すなわちホワイトバランス制御回路６１２は、メイン制御部６２から与えられるＷＢ調整データに基づき、撮影被写体において輝度や彩度データ等から本来白色であると推定される部分を特定し、その部分のＲ、Ｇ、Ｂそれぞれを色成分の平均と、Ｇ／Ｒ比及びＧ／Ｂ比とを求め、これをＲ、Ｂの補正ゲインとしてレベル補正する。
　ガンマ補正回路６１３は、ＷＢ調整された画像データの階調特性を補正するものである。具体的にはガンマ補正回路６１３は、画像データのレベルを色成分毎に予め設定されたガンマ補正用テーブルを用いて非線形変換するとともにオフセット調整を行う。
　画像メモリ６１４は、撮影モード時において、画像処理部６１から出力される画像データを一時的に記憶するとともに、この画像データに対しメイン制御部６２により所定の処理を行うための作業領域として用いられるメモリである。また、再生モード時には、メモリカード６７から読み出した画像データを一時的に記憶する。
　メイン制御部６２は、例えば制御プログラムを記憶するＲＯＭや一時的にデータを記憶するＲＡＭ等の記憶部が内蔵されたマイクロコンピュータからなり、撮像装置１各部の動作を制御するものである。
　フラッシュ回路６３は、フラッシュ撮影モードにおいて、フラッシュ部３１８または接続端子部３１９に接続される外部フラッシュの発光量を、メイン制御部６２により設定された発光量に制御するものである。
　操作部６４は、上述のモード設定ダイアル３０５、制御値設定ダイアル３０６、シャッターボタン３０７、設定ボタン群３１２、十字キー３１４、プッシュボタン３１５、メインスイッチ３１７等を含み、操作情報をメイン制御部６２に入力するためのものである。
　ＶＲＡＭ６５ａ、６５ｂは、ＬＣＤ３１１およびＥＶＦ３１６の画素数に対応した画像信号の記憶容量を有し、メイン制御部６２とＬＣＤ３１１およびＥＶＦ３１６との間のバッファメモリである。カードＩ／Ｆ６６は、メモリカード６７とメイン制御部６２との間で信号の送受信を可能とするためのインターフェースである。メモリカード６７は、メイン制御部６２で生成された画像データを保存する記録媒体である。通信用Ｉ／Ｆ６８は、パーソナルコンピュータやその他の外部機器に対する画像データ等の伝送を可能とするためのインターフェースである。
　電源回路６９は、例えば定電圧回路等からなり、メイン制御部６２等の制御部、撮像素子１０１、その他の各種駆動部等、撮像装置１全体を駆動させるための電圧を生成する。なお、撮像素子１０１への通電制御は、メイン制御部６２から電源回路６９に与えられる制御信号により行われる。電池６９Ｂは、アルカリ乾電池等の一次電池や、ニッケル水素充電池等の二次電池からなり、撮像装置１全体に電力を供給する電源である。
　シャッタ駆動制御部７３Ａは、メイン制御部６２から与えられる制御信号に基づき、シャッタ駆動アクチュエータ７３Ｍに対する駆動制御信号を生成するものである。シャッタ駆動アクチュエータ７３Ｍは、シャッタユニット４０の開閉駆動を行うアクチュエータである。
　絞り駆動制御部７６Ａは、メイン制御部６２から与えられる制御信号に基づき、絞り駆動アクチュエータ７６Ｍに対する駆動制御信号を生成するものである。絞り駆動アクチュエータ７６Ｍは、カプラ７５を介して絞り駆動機構２７に駆動力を与える。
　また、カメラボディ１０は、黒レベル補正回路６１１から出力される黒レベル補正済みの画像データに基づき、撮像素子１０１を用いたオートフォーカス(ＡＦ)制御時に必要な演算を行う位相差ＡＦ演算回路７７を備えている。
　次に、この位相差ＡＦ演算回路７７を利用した撮像装置１の位相差ＡＦ動作について説明する。
　［撮像装置１の位相差ＡＦ動作について］
　撮像装置１では、撮像素子１０１において射出瞳の異なった部分を透過(通過)した透過光を受光することにより位相差検出方式の焦点検出(位相差ＡＦ)が可能な構成となっている。この撮像素子１０１の構成と、撮像素子１０１を利用した位相差ＡＦの原理とを、以下で説明する。
　図５および図６は、撮像素子１０１の構成を説明するための図である。
　撮像素子１０１では、その撮像面１０１ｆにおいてマトリックス状に規定された複数のＡＦエリアＥｆそれぞれで位相差検出方式の焦点検出が可能な構成となっている(図５)。
　各ＡＦエリアＥｆには、集光レンズとして機能するマイクロレンズＭＬ(波線円で図示)とフォトダイオードとの間にＲ(赤)、Ｇ(緑)およびＢ(青)の各カラーフィルタが配設されたＲ画素１１１、Ｇ画素１１２およびＢ画素１１３からなる通常の画素(以下では「通常画素」ともいう)１１０が設けられている。一方、各ＡＦエリアＥｆには、位相差ＡＦを行うために瞳分割機能を実現する画素のペア(以下では「ＡＦ画素対」ともいう)１１ｆが設けられている(図６)。このようなＡＦエリアＥｆでは、ＡＦ画素対１１ｆの画素より画素数が多い通常画素１１０によって、原則的には被写体の画像情報が取得されることとなる。
　そして、ＡＦエリアＥｆには、上記の瞳分割機能を持たない通常画素(第２画素)１１０の水平ライン（以下では「通常画素ライン」ともいう)としてＧ画素１１２とＲ画素１１１とが水平方向に交互に配置されたＧｒラインＬ１と、Ｂ画素１１３とＧ画素１１２とが水平方向に交互に配置されたＧｂラインＬ２とが形成されている。このＧｒラインＬ１とＧｂラインＬ２とが垂直方向に交互に配置されることで通常画素１１０の群(第２画素群)によるベイヤー配列が構成される。
　また、ＡＦエリアＥｆには、通常画素１１０と同じ構成(径および曲率)のマイクロレンズＭＬを１つ備えたＡＦ画素対１１ｆが水平方向に沿って繰り返し配列されることにより、ＡＦ画素対１１ｆが複数隣接して配置されたＡＦライン(第１画素対の配列)Ｌｆが垂直方向に周期的に形成されている。なお、垂直方向に隣り合う各ＡＦラインＬｆの間には、ＡＦラインＬｆで欠落する被写体の画像情報を補完するのに必要な本数（例えば４本以上）の通常画素ラインを設けるのが好ましい。ここで、ＡＦラインＬｆの上下に隣接する２つの通常画素ラインの組合せとしては、同系統の水平ライン（ＧｒラインＬ１同士やＧｂラインＬ２同士）でも良く、異系統の水平ライン（一方がＧｒラインＬ１で他方がＧｂラインＬ２）でも良い。
　次に、通常画素１１０とＡＦ画素対１１ｆとの構成の違いを説明するが、まず通常画素１１０の構成について説明する。
　図７は、通常画素１１０の構成を説明するための縦断面図である。なお、図７に示す通常画素１１０の配列は、例えばＧｒラインＬ１(図６)に設けられているものである。
　通常画素１１０の配列では、水平方向に沿ってピッチαで配置された複数の光電変換部(フォトダイオード)ＰＤそれぞれの上方に、マイクロレンズＭＬが設けられている。そして、マイクロレンズＭＬと光電変換部ＰＤとの間に、３層のメタル層、具体的には上から順に第１メタル４１、第２メタル４２および第３メタル４３が配設されている。ここで、第２メタル４２および第３メタル４３は、電気信号を通す配線（図７では配線が紙面の垂直方向に沿って配置）として構成されており、第１メタル４１は、その接地面(グランド面)として構成されている。この第１メタル４１上には、カラーフィルタＦＬが配設されるとともに、カラーフィルタＦＬ上にはマイクロレンズＭＬが設けられている。カラーフィルタＦＬに関しては、例えばＧｒラインＬ１に配置された通常画素１１０の配列においては図７のように緑色のフィルタＦｇと赤色のフィルタＦｒとが交互に配置されることとなる。
　また、通常画素１１０の配列では、各マイクロレンズＭＬの間を通った不要な光が光電変換部ＰＤで受光されるのを防ぐため、各マイクロレンズＭＬの間は第１メタル４１で遮光されている。換言すれば、第１メタル４１は、マイクロレンズＭＬの直下に開口ＯＰが形成された遮光マスクの層として機能している。
　次に、ＡＦ画素対１１ｆの構成について説明する。
　図８および図９は、ＡＦ画素対１１ｆの構成を説明するための縦断面図および平面図である。なお、図８および図９に示すＡＦ画素対１１ｆの配列は、ＡＦラインＬｆ(図６)に設けられているものである。
　ＡＦ画素対１１ｆは、図８に示すように交換レンズ２に関する射出瞳の左側部分Ｑａからの光束Ｔａと右側部分Ｑｂからの光束Ｔｂとを分離(瞳分割)させるためにマイクロレンズＭＬの光軸ＡＸを跨いで一対の光電変換部ＰＤが配置された一対の画素（一対の第１画素）１１ａ、１１ｂで構成されている。一対の光電変換部ＰＤは、それぞれ通常画素１１０の光電変換部ＰＤ(図７)と同等のサイズを有しており、水平方向に沿って通常画素１１０と等しいピッチαで隣接して配置されている。
　このようなＡＦ画素対１１ｆにおいて、瞳分割を精度良く行うためには、画素（以下では「第１ＡＦ画素」ともいう）１１ａの光電変換部ＰＤと、画素（以下では「第２ＡＦ画素」ともいう）１１ｂの光電変換部ＰＤとの間に存在する空スペースを小さくするのが好ましい。よって、図９のように水平方向に長細い形状となる光電変換部ＰＤを有した本実施形態の撮像素子１０１では、光電変換部ＰＤの長手方向、つまり水平方向に沿ってＡＦ画素対１１ｆを配置するのが適切となる。このため、ＡＦ画素対１１ｆが水平方向に沿って２以上配列されることで本実施形態のＡＦラインＬｆが形成されている。
　そして、ＡＦ画素対１１ｆの配列の概略構成は、図７に示す通常画素１１０の配列に対して、光電変換部ＰＤから上方に配置される部材、つまり第１～第３メタル、カラーフィルタおよびマイクロレンズを水平方向に半ピッチずらせた構成となっている。すなわち、ＡＦ画素対１１ｆにおける一対の光電変換部ＰＤとマイクロレンズＭＬとの配置関係は、通常画素ラインで各マイクロレンズＭＬのうちＡＦ画素対１１ｆのマイクロレンズＭＬに対応した特定のマイクロレンズＭＬを各光電変換部ＰＤに対して水平方向に、ピッチαの半分(所定量)だけ相対的にずらした場合の配置構成に相当している。そして、この配置構成において隣り合う上記特定のマイクロレンズＭＬの間に遮光部ＬＳが設けられることでＡＦ画素対１１ｆの配列(ＡＦラインＬｆ)が形成されることとなる。このようにＡＦラインＬｆは通常画素ラインに対する多少の設計変更で生成できるため、ＡＦラインＬｆの設計や製造を簡素化・容易化できる。以下では、ＡＦラインＬｆにおいて隣り合うマイクロレンズＭＬの間に設けられる遮光部ＬＳの構成について詳しく説明する。
　ＡＦラインＬｆにおいては、通常画素１１０の配列に形成された第１メタル４１の開口ＯＰ(図７)に対して図８や図９に示すように１つおきに第１メタル４４による遮光が行われている。換言すれば、隣り合うＡＦ画素対１１ｆを最も近づけて位相差ＡＦの精度向上を図るため、ＡＦラインＬｆにおいて隣り合う各マイクロレンズＭＬの間に設けられる遮光部ＬＳの配置間隔は、通常画素ラインで水平方向に配置された通常画素１１０の配列における１画素おきの間隔に等しくなっている。具体的には、図７に示す通常画素１１０の配列において開口ＯＰが形成されていた箇所ＯＱ(図８)が第１メタル４４で塞がれ、その上に黒色のカラーフィルタ(ブラックフィルタ)Ｆｂが１画素おきに載置されている。このようにブラックフィルタＦｂを第１メタル４４上に配置するのは、第１メタル４４の上面が剥き出しとなれば交換レンズ２から入射した光が反射してゴースト・フレアを生じさせるので、この反射光をブラックフィルタＦｂで吸収させてゴースト・フレアを抑制するためである。よって、本実施形態の各ＡＦ画素対１１ｆでは、一対の光電変換部ＰＤの上方に、箇所ＯＱに形成された第１メタル４４とブラックフィルタＦｂとからなり射出瞳を通過した被写体の光束を遮光する２つの遮光領域Ｅａ、Ｅｂが形成された遮光部ＬＳが配置されている。このように遮光部ＬＳにおいてブラックフィルタＦｂや第１メタル(メタル層)４４によって遮光することにより、適切な遮光を簡易に行えることとなる。そして、各ＡＦ画素対１１ｆでは、一対の光電変換部ＰＤの両端上方それぞれから中央に向かって拡がる２つの遮光領域Ｅａ、Ｅｂに挟まれた１つのマイクロレンズＭＬが設けられている。
　また、ＡＦラインＬｆにおいては、第１メタル４４の開口ＯＰ上に設けられるカラーフィルタとして透明なフィルタＦｔが採用されている。これにより、ＡＦ画素対１１ｆで受光する光量を増加させて、感度の向上が図れる。
　さらに、ＡＦラインＬｆでは、第１メタル４４の開口ＯＰ直下の光路を大きく確保するため、第２メタル４５よび第３メタル４６を開口ＯＰ直下の空間から離すようにしている。すなわち、図７に示す通常画素１１０の構成に比べて第２メタル４５および第３メタル４６が、スペースＳＰの分、奥の方に配置されている。これは、スペースＳＰ内に第２・第３メタルが存在すれば実際の射出瞳が(設計上)想定したものより大きくなっている場合などに、その想定外の部分からの光束が第２・第３メタルに当たって反射し瞳分割に悪影響を及ぼす可能性があるので、これを防止するためである。
　以上のような構成のＡＦ画素対１１ｆにより、射出瞳における瞳分割、つまり射出瞳の左側部分Ｑａからの光束ＴａがマイクロレンズＭＬおよび透明なカラーフィルタＦｔを通って第２ＡＦ画素１１ｂの光電変換部ＰＤで受光されるとともに、射出瞳の右側部分Ｑｂからの光束ＴｂがマイクロレンズＭＬおよびフィルタＦｔを通って第１ＡＦ画素１１ａの光電変換部ＰＤで受光されることとなる。換言すれば、ＡＦ画素対１１ｆでは、交換レンズ２の射出瞳において水平方向に沿って互いに逆向きに偏った一対(左側部分および右側部分)の部分領域Ｑａ、Ｑｂを通過した被写体の光束Ｔａ、Ｔｂが受光される。
　以下では、第１ＡＦ画素１１ａにおいて得られる受光データを「Ａ系列のデータ」と呼び、第２ＡＦ画素１１ｂにおいて得られる受光データを「Ｂ系列のデータ」と呼ぶこととし、例えば、ある１つのＡＦラインＬｆ(図６)に配置されたＡＦ画素対１１ｆの群から得られるＡ系列のデータとＢ系列のデータとを表した図１０～図１４を参照して位相差ＡＦの原理を説明する。
　図１０は、焦点面が撮像素子１０１の撮像面１０１ｆから２００μｍ近側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図であり、図１１は、焦点面が撮像面１０１ｆから１００μｍ近側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図である。また、図１２は、焦点面が撮像面１０１ｆに一致している合焦状態のシミュレーション結果を示す図である。さらに、図１３は、焦点面が撮像面１０１ｆから１００μｍ遠側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図であり、図１４は、焦点面が撮像面１０１ｆから２００μｍ遠側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図である。ここで、図１０～図１４においては、横軸がＡＦラインＬｆ方向に関する第１ＡＦ画素１１ａ、第２ＡＦ画素１１ｂの画素位置を示し、縦軸が第１ＡＦ画素１１ａおよび第２ＡＦ画素１１ｂそれぞれの光電変換部ＰＤからの出力を示している。また、図１０～図１４では、グラフＧａ１～Ｇａ５(実線で図示)がＡ系列のデータを表し、グラフＧｂ１～Ｇｂ５(破線で図示)がＢ系列のデータを表している。
　図１０～図１４においてＡ系列のグラフＧａ１～Ｇａ５で示される各Ａ系列の像列とＢ系列のグラフＧｂ１～Ｇｂ５で示される各Ｂ系列の像列とを比較すると、デフォーカス量が大きいほど、Ａ系列の像列とＢ系列の像列との間に生じるＡＦラインＬｆ(水平方向)方向のシフト量(ずれ量)が増大していることが分かる。
　このような一対の像列(Ａ系列およびＢ系列の像列)におけるシフト量と、デフォーカス量との関係をグラフ化すると、図１５に示すグラフＧｃのように表される。この図１５においては、横軸がＡ系列の像列の重心位置に対するＢ系列の像列の重心位置の差(画素ピッチ)を示し、縦軸がデフォーカス量(μｍ)を示している。なお、各像列の重心位置Ｘgは、例えば次のような演算式(１)により求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ただし、上式(１)において、Ｘ1～Ｘnは、例えばＡＦラインＬｆにおける左端からの画素位置を表し、Ｙ1～Ｙnは、各位置Ｘ1～Ｘnの第１ＡＦ画素１１ａ、第２ＡＦ画素１１ｂからの出力値を表している。
　図１５に示すグラフＧｃのように一対の像列における重心位置の差とデフォーカス量との関係は、比例関係となっている。この関係について、デフォーカス量をＤＦ(μｍ)とし重心位置の差をＣ(μｍ)として数式で表現すると、次の式(２)のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで、上式(２)の係数ｋは、図１５のグラフＧｃに関する傾きＧｋ(破線で図示)を表しており、工場試験等によって事前に取得できるものである。
　以上より、ＡＦ画素対１１ｆから得られるＡ系列のデータとＢ系列のデータとに関する重心位置の差(位相差)を位相差ＡＦ演算回路７７で求めた後に、上式(２)を利用してデフォーカス量を算出し、算出されたデフォーカス量に相当する駆動量をフォーカスレンズ２１１に与えることで、検出された焦点位置にフォーカスレンズ２１１を移動させるオートフォーカス(ＡＦ)制御が可能となる。なお、上記のデフォーカス量とフォーカスレンズ２１１の駆動量との関係は、カメラボディ１０に装着されている交換レンズ２の設計値より一意に定まるものである。
　以上のような撮像装置１においては、撮像素子(位相差検出機能付き撮像素子)１０１が、図７に示す通常画素１１０の配列に対して光電変換部ＰＤより上方の部材を水平方向に半ピッチずらせて、１画素おきに遮光部ＬＳ(図８)を設けたＡＦラインＬｆの構成を備えている。その結果、撮像素子１０１では、位相差検出方式の焦点検出を精度良く行えるとともに、画素の微細化が進んでも良好な製造が可能となる。また、上述した特許文献２の位相差検出機能付き撮像素子のようにメタル層(遮光マスク)の小さな開口で被写体光束を制限して瞳分割を行うタイプに比べて、必要な光束がカットされるのを抑制できるため、光電変換部での感度低下を抑えることができる。さらに、特許文献２の位相差検出機能付き撮像素子では、小さな開口を形成するメタル層が光電変換部上に張り出して剥き出しとなるためゴースト・フレアの原因となる可能性があるが、本実施形態の撮像素子１０１では、第１メタル(メタル層)４４上にブラックフィルタＦｂを配置しているため、ゴースト・フレアを防止できる。
　＜第２実施形態＞
　本発明の第２実施形態に係る撮像装置１Ａは、図１～４に示す撮像装置１と類似の構成を有しているが、撮像素子の構成が異なっている。
　すなわち、撮像装置１Ａに設けられる撮像素子１０１Ａにおいては、撮像面１０１ｆにマトリックス状に規定された各ＡＦエリアＥｆｒ(図５)の構成が異なっている。このＡＦエリアＥｆｒの構成を、以下で詳しく説明する。
　図１６は、撮像素子１０１Ａに規定されるＡＦエリアＥｆｒの構成を説明するための図である。
　本実施形態のＡＦエリアＥｆｒには、第１実施形態と同様の構成を有した通常画素１１０の水平ラインであるＧｒラインＬ１およびＧｂラインＬ２が形成されている。一方、ＡＦエリアＥｆｒに形成されるＡＦラインＬｆｒには、第１実施形態のＡＦラインＬｆに設置されたマイクロレンズＭＬや上記の通常画素１１０に設置されたマイクロレンズＭＬより直径が大きいマイクロレンズＭＬｒが設けられている。このような構成のマイクロレンズＭＬｒを備えたＡＦ画素対１１ｆｒについて以下で説明する。
　図１７は、図８に対応しており、ＡＦ画素対１１ｆｒの構成を説明するための縦断面図である。
　ＡＦ画素対１１ｆｒは、一対の画素１１ｃ、１１ｄからなり、第１実施形態のＡＦ画素対１１ｆと同様の構成を有する光電変換部ＰＤ、第２・第３メタル４５、４６および透明・黒色のカラーフィルタＦｔ、Ｆｂを備えている。一方、ＡＦ画素対１１ｆｒは、第１実施形態と異なり、上述した大型のマイクロレンズＭＬｒと、このマイクロレンズＭＬｒに対応した大型の開口ＯＰｒが第１メタル４４ｒに形成されている。この第１メタル４４ｒの開口ＯＰｒは、透明なフィルタＦｔより若干小さいサイズとなっており、図８に示す第１実施形態の開口ＯＰや通常画素１１０の開口ＯＰに対して大型化している。すなわち、ＡＦラインＬｆｒに設けられる各マイクロレンズＭＬｒの下方には、通常画素１１０に設けられる各マイクロレンズＭＬの下方に形成された開口ＯＰより大きい第１メタル(遮光マスク)４４ｒの開口ＯＰｒが形成されている。
　ここで、ＡＦ画素対１１ｆｒのマイクロレンズＭＬｒについては、単に通常画素１１０のマイクロレンズＭＬの径を単に大きくするだけでなく、曲率を大きく（曲率半径を小さく）して瞳分離の精度を向上するのが好ましい。これに関し、図１８を参照して説明する。
　図１８は、マイクロレンズの径・曲率と瞳分離との関係を説明するための図である。
　図１８の(ａ)は、例えば第１実施形態のように通常画素１１０のマイクロレンズＭＬをＡＦ画素対１１ｆで採用する場合における瞳分割の状態を表している。ここで、光電変換部ＰＤの上面(受光面)では、例えば射出瞳の左側・右側部分からの光束Ｔａ、Ｔｂが幅Ｗ１ａ、Ｗ１ｂで拡がっている。
　ここで、集光効率を向上させるために図１８の(ａ)に示すマイクロレンズＭＬを単に大型化させたマイクロレンズＭＬｓ(図１８の(ｂ))では、マイクロレンズの径が大きくなった分、光電変換部ＰＤの受光面において射出瞳の左側・右側部分からの光束Ｔａ、Ｔｂが、図１８の(ａ)の場合より大きい幅Ｗ２ａ、Ｗ２ｂで拡がることとなる。
　そこで、図１８の(ｂ)に示すような受光面での光束Ｔａ、Ｔｂの拡がりを抑えるため、通常画素１１０に設けられるマイクロレンズＭＬの曲率を大きくしたマイクロレンズＭＬｒ(図１８の(ｃ))を考える。このマイクロレンズＭＬｒでは、マイクロレンズＭＬより曲率が大きくなった分、光電変換部ＰＤの受光面において射出瞳の左側・右側部分からの光束Ｔａ、Ｔｂが、図１８の(ｂ)の場合より小さい幅Ｗ３ａ、Ｗ３ｂだけ拡がることとなる。その結果、例えば図１８の(ｃ)に示すように射出瞳の左側部分からの光束Ｔａを右側の光電変換部ＰＤだけで受光し、射出瞳の右側部分からの光束Ｔｂを左側の光電変換部ＰＤだけで受光することが可能となるため、良好な瞳分割による位相差ＡＦの精度向上が図れる。
　以上のような構成を有する位相差検出機能付き撮像素子１０１Ａを備えた撮像装置１Ａでは、第１実施形態と同様の効果を奏する。さらに、撮像素子１０１Ａでは、ＡＦ画素対１１ｆｒにおけるマイクロレンズＭＬｒの径および第１メタル４４ｒの開口ＯＰｒが通常画素１１０に設けられる各マイクロレンズＭＬおよび第１メタル４１の開口ＯＰより大きいため、ＡＦ画素対１１ｆにおける各画素の感度向上が図れる。
　＜変形例＞
　・上記の第１実施形態における撮像素子については、図８のようにブラックフィルタＦｂ直下の箇所ＯＱが塞がれた第１メタル４４を採用するのは必須でなく、図１９のようにブラックフィルタＦｂ直下に開口ＯＰが形成された第１メタル４４ａを採用するようにしても良い。この場合には、ブラックフィルタＦｂを透過する光が、その直下の光電変換部ＰＤで受光されるのを抑制するため、ブラックフィルタＦｂは透過率が低いもの(例えば３％以下)を使用するのが好ましい。このようにブラックフィルタＦｂ直下に開口ＯＰを形成することとすれば、ＡＦラインＬｆにおいても、通常画素１１０の配列と同様のピッチで第１メタルに開口ＯＰを設けることができ、通常画素１１０における第１メタルの設計を流用できる。なお、図１９のようにブラックフィルタＦｂ直下に開口ＯＰが形成された第１メタル４４ａを採用することは、第２実施形態の撮像素子でも可能である。
　一方、上記の各実施形態では、図８や図１７のような構成においてブラックフィルタＦｂを省略するようにしても良い。この場合には、上述したように第１メタルが剥き出しとなってゴースト・フレアが懸念されるが、これは例えば第１メタルの上面を黒色に着色したり、黒色の導電性材料で形成された導電層を第１メタルとして採用するなどして抑制することが可能である。
　・上記の第１実施形態における撮像素子については、図６のようにＡＦ画素対１１ｆのみで構成されるＡＦラインＬｆを有したＡＦエリアＥｆを採用するのは必須でなく、図２０のようにＡＦ画素対１１ｆａの間に通常画素１１０が介挿されたＡＦラインＬｆａを有したＡＦエリアＥｆａを採用しても良い。この場合には、ＡＦ画素対１１ｆで欠落する被写体の画像情報を、ＡＦラインＬｆａに介挿された通常画素１１０の画像情報を利用して補完できるため、画像品質の向上が図れる。なお、図２０のようにＡＦラインＬｆａにおいてＡＦ画素対１１ｆａの間に通常画素１１０を介挿することは、第２実施形態の撮像素子でも可能である。
　・上記の各実施形態においては、通常画素１１０の水平ラインに形成される第１メタル４１の各開口ＯＰに対して１つおきに開口ＯＰを設けたＡＦラインを採用するのは必須でなく、２つおきや、３つおき以上に開口ＯＰを設けたＡＦラインを採用しても良い。
　・上記の各実施形態におけるＡＦラインについては、光電変換部ＰＤより上方の部材（マイクロレンズやカラーフィルタ）を通常画素１１０の水平ラインに対して半ピッチずらすのは必須でなく、光電変換部ＰＤより上方の部材はそのままにして光電変換部ＰＤの方を通常画素１１０の水平ラインに対して半ピッチずらすようにしても良い。このように光電変換部ＰＤより上方の部材を光電変換部ＰＤに対して相対的に半ピッチずらすことにより、上述した各実施形態の効果が奏される。
　・上記の各実施形態においては、ＡＦラインＬｆを備えた撮像素子１０１を、一眼レフレックスタイプのデジタルカメラに設けるのは必須でなく、コンパクトタイプのデジタルカメラに設けるようにしても良い。
　・上記の各実施形態におけるＡＦ画素対については、第１メタル４４の開口ＯＰ上に透明なカラーフィルタを設けるのは必須でなく、ピント合わせの精度を重視する観点から視感度特性に優れた緑色のカラーフィルタを設けても良く、また赤色や青色のカラーフィルタを設けても良い。
　・上記の各実施形態においては、ブラックフィルタＦｂ上にマイクロレンズを設置するようにしても良い。このようにマイクロレンズを設置することとすれば、通常画素１１０の配列と同様のピッチでマイクロレンズを配置することができ、通常画素１１０におけるマイクロレンズの配置設計を流用できる。
　・上記の各実施形態においては、ＡＦ画素対１１ｆの各画素からの出力バランスを良好にするのに適した半ピッチ(５割のピッチ)のズレを生じさせるのは必須でなく、例えば任意(例えば４割程度)のピッチのズレを生じさせても良い。この場合には、射出瞳が２等分されなくなるため第１ＡＦ画素と第２ＡＦ画素との間で出力のアンバランスが生じるが、例えば受光量が小さい方の画素出力に、それぞれの画素で受光される射出瞳の各部分領域に関する面積比などに基づくゲインβを乗算してアンバランスを改善する処置を施すことが可能である。
　・本発明における「所定のピッチの半分」とは、所定のピッチに対する５０％のピッチを含むのは勿論、この５０％に製造誤差等の変動分γを加味した(５０±γ)％の範囲内のピッチをも含むものである。
１、１Ａ　撮像装置
２　交換レンズ
１０　カメラボディ
１１ａ、１１ｃ　第１ＡＦ画素
１１ｂ、１１ｄ　第２ＡＦ画素
１１ｆ、１１ｆｒ　ＡＦ画素対
４１、４４、４４ａ、４４ｒ　第１メタル
４２、４５　第２メタル
４３、４６　第３メタル
６２　メイン制御部
７７　位相差ＡＦ演算回路
１０１、１０１Ａ　撮像素子
１０１ｆ　撮像面
１１０　通常画素
Ｅｆ、Ｅｆａ、Ｅｆｒ　ＡＦエリア
Ｆｂ　黒色のカラーフィルタ(ブラックフィルタ)
Ｌｆ、Ｌｆａ、Ｌｆｒ　ＡＦライン
ＭＬ、ＭＬｒ　マイクロレンズ
Ｑａ　射出瞳の左側部分
Ｑｂ　射出瞳の左側部分
ＰＤ　光電変換部

Claims (10)

  1. 　撮影光学系の射出瞳において所定方向に沿って互いに逆向きに偏った一対の部分領域を通過した被写体光束を受光することにより瞳分割機能を実現する一対の第１画素と、
    　前記瞳分割機能を持たない第２画素からなる第２画素群と、を備えており、
    　前記第２画素群は、
    　前記所定方向に沿って所定のピッチで配置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の上方に設けられた各マイクロレンズと、を有するとともに、
    　前記一対の第１画素は、
    　前記複数の光電変換部それぞれと同等のサイズを有し、前記所定方向に沿って前記所定のピッチで隣接して配置された一対の光電変換部、を有し、
    　前記一対の光電変換部の上方には、前記射出瞳を通過した光束を遮光する２の遮光領域を有した遮光部と、前記２の遮光領域に挟まれた１のマイクロレンズとが設けられている撮像素子。
  2. 　前記所定方向に沿って前記一対の第１画素が複数隣接して配置された第１画素対の配列を備えており、
    　前記第１画素対の配列における前記一対の光電変換部と前記１のマイクロレンズとの配置関係は、前記第２画素群で前記複数の光電変換部に対して前記各マイクロレンズのうちの所定のマイクロレンズを前記所定方向に所定量だけ相対的にずらした場合の配置構成に相当し、
    　前記第１画素対の配列は、前記配置構成において隣り合う前記所定のマイクロレンズの間に前記遮光部が設けられることで形成される請求項１記載の撮像素子。
  3. 　前記所定量は、前記所定のピッチの半分である請求項２記載の撮像素子。
  4. 　前記第１画素対の配列において隣り合う前記１のマイクロレンズの間に設けられる前記遮光部の配置間隔は、前記第２画素群で前記所定方向に配置された前記第２画素の配列における１画素おきの間隔に等しい請求項２記載の撮像素子。
  5. 　前記遮光部では、黒色のカラーフィルタにより遮光する請求項１記載の撮像素子。
  6. 　前記遮光部では、所定のメタル層により遮光する請求項１記載の撮像素子。
  7. 　前記１のマイクロレンズの径は、前記各マイクロレンズの径より大きい請求項１記載の撮像素子。
  8. 　前記各マイクロレンズの下方には、遮光マスクの第１開口が形成されるとともに、
    　前記１のマイクロレンズの下方には、前記第１開口より大きい遮光マスクの第２開口が形成される請求項７記載の撮像素子。
  9. 　前記１のマイクロレンズの曲率は、前記各マイクロレンズの曲率より大きい請求項１記載の撮像素子。
  10. 　撮影光学系と、
    　前記撮影光学系の射出瞳を通った被写体光束を受光する撮像素子と、を備えており、
    　前記撮像素子は、
    　前記射出瞳において所定方向に沿って互いに逆向きに偏った一対の部分領域を通過した被写体光束を受光することにより瞳分割機能を実現する一対の第１画素と、
    　前記瞳分割機能を持たない第２画素からなる第２画素群と、を有し、
    　前記第２画素群は、
    　前記所定方向に沿って所定のピッチで配置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の上方に設けられた各マイクロレンズと、を有するとともに、
    　前記一対の第１画素は、
    　前記複数の光電変換部それぞれと同等のサイズを有し、前記所定方向に沿って前記所定のピッチで隣接して配置された一対の光電変換部、を有し、
    　前記一対の光電変換部の上方には、前記射出瞳を通過した光束を遮光する２の遮光領域を有した遮光部と、前記２の遮光領域に挟まれた１のマイクロレンズとが設けられている撮像装置。
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