WO2010122702A1 - 固体撮像装置及び電子カメラ - Google Patents

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Abstract

　カメラの機構部を増やすことなく、かつ、消費電力を増すことなく、精度の高いフォーカス制御を行う。　入射光を電気信号に変換する複数の光電変換部（１０、３０）が２次元状に配列された固体撮像装置（１００）であって、複数の光電変換部（１０、３０）と、複数の光電変換部（１０）のそれぞれを覆うように光電変換部（１０）毎に配置された複数のマイクロレンズ（２０）と、複数の光電変換部（３０）を覆うように配置されたマイクロレンズ(４０）と、複数の光電変換部（３０）のうち少なくとも２つの光電変換部（３０）は、マイクロレンズ（４０）の光軸を中心として互いに異なる方向に偏った位置に位置する。

Description

固体撮像装置及び電子カメラ
　本発明は、固体撮像装置及び電子カメラに関し、特に、ＡＦ機能を有する固体撮像装置及び電子カメラに関するものである。
　近年、コンピュータで画像を扱う用途が飛躍的に増大している。ここにおいて、コンピュータに画像を取り込むためのデジタルカメラの製品化が活発になっている。このようなデジタルカメラの発展動向として、静止画像を扱うデジタルスチルカメラは、多画素化への方向性をより鮮明にしている。
　例えば、通常、動画像用（ビデオムービー）カメラの撮像素子の画素数が２５万から４０万画素であるのに対し、８０万画素（ＸＧＡクラス：ｅＸｔｅｎｄｅｄ　Ｇｒａｐｈｉｃ　Ａｒｒａｙ）の撮像素子を搭載するカメラが普及している。さらに最近では、１００万画素から１５０万画素程度のものが多く世に出されている。さらに、交換レンズタイプの高級機では、２００万画素、４００万画素、６００万画素といった高画素撮像素子を用いたカメラも製品化されるに至っている。
　カメラのＡＦ（Ａｕｔｏ　Ｆｏｃｕｓ）機能などのカメラ撮影系の制御は、ビデオムービーカメラでは、ビデオレートで連続的に出力される撮像素子の出力信号を用いて行っている。このため、ＡＦ機能では、ＴＶ－ＡＦ（山登り方式、コントラスト方式）を用いている。
　一方で、デジタルスチルカメラでは、画素数、カメラの動作方法により様々な方法が用いられる。一般にビデオムービーカメラで用いる２５万画素から４０万画素クラスのデジタルスチルカメラの多くは、カメラに搭載されるカラー液晶表示器（最近は２インチ程度のＴＦＴ（Ｔｈｉｎ　Ｆｉｌｍ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）液晶が多く用いられている）にセンサからの繰返し読み出し信号（画像）を表示する（以下、ファインダーモード、あるいは電子ビューファインダーモード（ＥＶＦモード：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｖｉｅｗ　Ｆｉｎｄｅｒ））。これらは、基本的にビデオムービーカメラと動作が同じであり、このために、ビデオムービーカメラと同様な方式が用いられることが多い。
　しかしながら、８０万画素クラス以上の撮像素子を有するデジタルスチルカメラ（以下、高画素デジタルスチルカメラ）においては、ファインダーモード時の撮像素子の動作は、ファインダーレートを早くする（ビデオレートに近づける）ために、液晶表示器に表示するために必要な信号ライン、あるいは画素以外はなるべく間引かれるような駆動方法が用いられる。
　また、１００万画素を越えるような本格的なデジタルスチルカメラでは、銀塩カメラ同様に静止画像を即座に撮影するニーズが強いことから、レリーズスイッチを押してから撮影までの時間が短いことが要求される。
　このような理由で、高画素デジタルスチルカメラでは様々なＡＦ方式が用いられる。例えば、高画素デジタルスチルカメラは、撮像素子とは別にＡＦのためのセンサを有し、銀塩カメラで用いられるような位相差方式、コントラスト方式、距離計方式、アクティブ方式等のＡＦ方式を用いる。
　しかしながら、撮像素子以外にＡＦのためのセンサを有する場合、そのセンサに像を結ぶためのレンズ系、また、それぞれのＡＦ方式を実現するための機構が必要となる。例えば、アクティブ方式では、赤外光の発生部と、投影のためのレンズと、受光センサと、受光レンズと、赤外投光の移動機構とが必要である。また、位相差方式では、測距センサへの結像レンズと、位相差を設けるためのメガネレンズとなどが必要である。このため、カメラの大きさを大きくすることとなり、当然コスト高となる。
　また、撮像素子への光学系とＡＦセンサへの光学系との経路の差、また、それぞれの光学系を構成するモールド部材等の製造誤差、温度による膨張などの要因による誤差など、撮像素子そのものを使うＡＦに比べて誤差要因が増えることとなる。このような誤差成分は、交換レンズ式のデジタルスチルカメラではレンズ固定のデジタルスチルカメラよりも大きくなる。
　このために、撮像素子の出力そのものを使うＡＦ方式が模索されることとなる。このうち、山登り方式は合焦までの時間が長くなる欠点がある。このために、特許文献１で示される方式では、撮像素子へ結像するためのレンズ系に、光軸に対して対称の位置に瞳位置を移動させる機構を設けることで、それぞれの瞳を通って結ばれた像の位相差からデフォーカス量を求めて、レンズのフォーカスを合わせる方式が提案されている。
　この方法によって、早い速度で精度の高いＡＦが実現されている。なぜなら、ＡＦのためには、撮像素子中の特定の数ラインが読み出され、その他は高速にクリアされるので、信号読み出しに時間はかからないためである。
　また、別の方式として、特許文献２に示される方式では、固体撮像素子の受光画素上に設けられた遮光膜により、各受光画素の光軸を、撮影光軸に対して対称の瞳位置を有するように構成する。これにより、撮影光学系に設けるべき瞳位置を移動する機構が不要となり、カメラの小型化が図られるよう提案されている。
特開平９－４３５０７号公報 特許第３５９２１４７号公報
　しかしながら、上記従来の高画素デジタルスチルカメラにおいては、以下の問題がある。
　特許文献１に記載の方式では、デジタルスチルカメラに、瞳移動のための機構が必要となる。このために、デジタルスチルカメラの体積が大きくなり、多くのコストも必要となる。
　また、特許文献２に記載の方式では、受光画素に設けられた遮光膜により、ＡＦ用受光画素に入る光の量が著しく制限されることになる。このため、暗所でのＡＦ性能の劣化を招きやすいという欠点がある。
　そこで、本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、カメラの機構部を増やすことなく、かつ、消費電力を増すことなく、精度の高いＡＦができる固体撮像装置及び電子カメラを提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明の固体撮像装置は、入射光を電気信号に変換する複数の光電変換部が２次元状に配列された固体撮像装置であって、前記複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部のうち複数の第１光電変換部のそれぞれを覆うように、前記第１光電変換部毎に配置された複数の第１マイクロレンズと、前記複数の光電変換部のうち複数の第２光電変換部を覆うように配置された第２マイクロレンズとを備え、前記複数の第２光電変換部のうち少なくとも２つの第２光電変換部は、前記第２マイクロレンズの光軸を中心として互いに異なる方向に偏った位置に位置する。
　これにより、２次元状に配列された複数の光電変換部のうち一部の光電変換部をフォーカス制御用の光電変換部として用いることで、精度の高いＡＦ機能を実現することができる。また、従来の撮像素子とは別にセンサを備える場合に比べて、カメラの機構部を増すことはなく、消費電力を増すこともなく、コストを低減することもできる。
　また、前記第１マイクロレンズと前記第２マイクロレンズとでは、屈折率、焦点距離及び形状の少なくとも１つが互いに異なっていてもよい。
　これにより、フォーカス制御用と通常の画像信号用とでそれぞれの目的に合わせてマイクロレンズを形成することができる。
　また、前記複数の光電変換部は、カラーフィルタを有し、前記少なくとも２つの第２光電変換部は、同色のカラーフィルタを有してもよい。
　これにより、同色のカラーフィルタを有する複数の光電変換部からの信号を利用するので、信号の比較を容易に行うことができ、より高い精度でＡＦ機能を実現することができる。
　また、前記固体撮像装置は、前記複数の第２光電変換部上に、２以上の所定数の前記第２光電変換部を覆うように、前記所定数の第２光電変換部毎に配置された前記所定数の第２マイクロレンズを備え、前記所定数の第２マイクロレンズは、前記同色のカラーフィルタを有する第２光電変換部が並ぶ方向に沿って、配列されていてもよい。
　これにより、複数の光電変換部の並ぶ方向と、複数のマイクロレンズの並ぶ方向とを一致させているので、より精度の高いＡＦ機能を実現することができる。
　また、本発明の電子カメラは、上述の固体撮像装置を備える電子カメラである。
　また、前記電子カメラは、さらに、被写体までの距離に従ってフォーカス制御を行う制御部を備え、前記制御部は、前記複数の第２光電変換部のそれぞれによって変換された電気信号の位相差を用いて前記フォーカス制御を行ってもよい。
　これにより、２つの信号の位相差のずれからカメラレンズの焦点のずれ量を算出することができるので、焦点のずれ量に基づいてピントを撮像素子上に合わせるなどのフォーカス制御を行うことができる。
　本発明によれば、カメラの機構部を増やすことなく、かつ、消費電力を増すことなく、精度の高いＡＦが実現できる。
図１Ａは、通常用画素グループの光電変換部とマイクロレンズとの配置の一例を示す図である。 図１Ｂは、ＡＦ用画素グループの光電変換部とマイクロレンズとの配置の一例を示す図である。 図２は、実施の形態１の固体撮像装置におけるフルフレーム型ＣＣＤエリアセンサの構造図である。 図３Ａは、実施の形態１の固体撮像装置におけるイメージエリアを上方からみた構造図である。 図３Ｂは、イメージエリアの断面構造とポテンシャルプロフィールとを示す図である。 図４Ａは、実施の形態１における通常画素用の光電変換部の平面図である。 図４Ｂは、実施の形態１における通常画素用の光電変換部の構造断面図である。 図５Ａは、実施の形態１におけるＡＦ画素用の光電変換部の平面図である。 図５Ｂは、実施の形態１におけるＡＦ画素用の光電変換部の構造断面図である。 図６は、実施の形態１の固体撮像装置における光電変換部とマイクロレンズとの配置の一例を示す図である。 図７は、従来の固体撮像装置における光電変換部とマイクロレンズとの配置を示す図である。 図８Ａは、カメラレンズの焦点が撮像領域表面上に合っている場合の例を示す図である。 図８Ｂは、カメラレンズの焦点が撮像領域表面で合っていない場合の例を示す図である。 図９は、実施の形態１におけるイメージエリア内の測距領域の配置の一例を示す図である。 図１０は、実施の形態１の固体撮像装置における画素の読み出し動作を示すタイミングチャートである。 図１１は、実施の形態１の固体撮像装置における測距領域の画素の読み出し動作を示すタイミングチャートである。 図１２は、カメラレンズの焦点が撮像領域表面上に合っている場合の例を示す図である。 図１３は、カメラレンズの焦点が撮像領域表面で合っていない場合の例を示す図である。 図１４は、ＡＦ用画素グループの第１行から読み出した映像信号と第２行から読み出した映像信号とを示す図である。 図１５は、実施の形態１の固体撮像装置における光電変換部とマイクロレンズとの配置の異なる一例を示す図である。 図１６は、実施の形態１の固体撮像装置における光電変換部とマイクロレンズとの配置の異なる一例を示す図である。 図１７は、ＡＦ用画素グループにおける光電変換部とマイクロレンズとの配置の異なる一例を示す図である。 図１８は、実施の形態１の固体撮像装置における光電変換部とマイクロレンズとの配置の異なる一例を示す図である。 図１９Ａは、通常画素用の光電変換部とＡＦ画素用の光電変換部との異なる一例を示す平面図である。 図１９Ｂは、通常画素用の光電変換部とＡＦ画素用の光電変換部との異なる一例を示す構造断面図である。 図２０は、実施の形態２の電子カメラの構造を示す模式図である。
　以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
　（実施の形態１）
　本実施の形態の固体撮像装置は、入射光を電気信号に変換する２次元状に配列された複数の光電変換部を備え、複数の光電変換部は、１対１に対応させて配置されたマイクロレンズを有する通常用画素グループと、多対１に対応させて配置されたマイクロレンズを有するＡＦ用画素グループとに分けられる。つまり、ＡＦ用画素グループに含まれる複数の光電変換部のうち、２以上の所定数の光電変換部毎に１つのマイクロレンズが配置されている。
　まず、本実施の形態の固体撮像装置において基本となる画素配列に関して、図１Ａ及び図１Ｂを用いて説明する。図１Ａは、通常用画素グループの光電変換部１０とマイクロレンズ２０との配置の一例を示す図である。図１Ｂは、ＡＦ用画素グループの光電変換部３０とマイクロレンズ４０との配置の一例を示す図である。各光電変換部１０及び３０は、それぞれ原色系のカラーフィルタを備える。
　図１Ａには、２画素×２画素を基本単位とするエリアセンサの基本単位部の色配列が示されている。同図に示すように、各光電変換部１０には、それぞれマイクロレンズ２０が１対１に対応するように配置されている。つまり、複数のマイクロレンズ２０は、複数の光電変換部１０のそれぞれを覆うように、光電変換部１０毎に配置されている。
　ここで、図１Ａは、原色ベイヤ配列を示しており、Ｒ、Ｇ、Ｂ、Ｇの４色のカラーフィルタを有する光電変換部１０が市松状に配置されている。このほかにも、ムービーカメラ用センサとして一般的な、純色ベイヤ配列や補色ベイヤ配列がある。ここでは、原色ベイヤ配列について述べるが、その他の方式のおいても全く同様に適応できる方式である。また、特殊な形式として、Ｒ、Ｇ、Ｂ、あるいは、そのうちの２色がストライプ状に配置されている光電変換部においても、同様である。
　図１Ｂには、一例として、１つのＡＦ用画素グループが４つの光電変換部３０を含むように構成されている。各光電変換部３０は、原色ベイヤ配置されたカラーフィルタをそれぞれ有しているが、マイクロレンズ４０は互いに共有するように配置されている。つまり、１つのマイクロレンズ４０が、４つの光電変換部３０を覆うように配置されている。このとき、１つのマイクロレンズ４０の下にある光電変換部３０のうち、少なくとも２つは、同色のカラーフィルタを有している（図１Ｂの例では、Ｇ）。
　なお、通常用画素グループのマイクロレンズ２０とＡＦ用画素グループのマイクロレンズ４０とでは、図１Ａ及び図１Ｂに示すように形状（ここでは、大きさ）が異なっている。また、マイクロレンズ２０とマイクロレンズ４０とでは、屈折率が異なっていてもよい。
　続いて、図１Ａ及び図１Ｂに示した通常用画素グループとＡＦ用画素グループとを備える本実施の形態の固体撮像装置１００の構成について説明する。
　図２は、本実施の形態の固体撮像装置１００におけるフルフレーム型ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅｄ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ）エリアセンサの構造図である。同図に示すように、固体撮像装置１００は、イメージエリア１０１と、ストレージエリア１０２と、水平ＣＣＤ１０３と、出力アンプ１０４と、水平ドレイン１０５とを備える。
　イメージエリア１０１は、ｍ行×ｎ列（以下、縦の並びを列、横の並びを行と記載する）画素のイメージエリアであり、感光するｎ本の垂直ＣＣＤ（以下、Ｖ－ＣＣＤ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ－ＣＣＤとも記載する）により構成される。イメージエリア１０１には、図１Ａ及び図１Ｂで示した光電変換部１０（通常用画素グループ）と光電変換部３０（ＡＦ用画素グループ）とが２次元状に配列されている。
　ここで、Ｖ－ＣＣＤは、通常、２～４相駆動、あるいはバーチャルフェーズのような擬似１相駆動ＣＣＤから構成される。イメージエリア１０１を構成するＣＣＤの転送のためのパルスは、ΦＶＩである。なお、当然のことながら、擬似１相駆動ＣＣＤでは１種類のパルスのみ、２相であれば２相の電極に与える２種類のパルスというようにＶ－ＣＣＤの構成により加えられるパルスの種類は異なる。以下、ストレージエリア１０２も水平ＣＣＤ１０３も同様であるが、説明を簡易ならしめるために、パルス記号は１つだけを記載する。
　ストレージエリア１０２は、イメージエリア１０１のｍ行中の任意のｏ行を蓄積するメモリ領域である。例えば、ｏは、ｍの数パーセント程度である。したがって、このストレージエリア１０２による撮像素子のチップ面積の増加分は極めて微量である。ストレージエリア１０２を構成するＣＣＤの転送のためのパルスは、ΦＶＳである。また、ストレージエリア１０２は、上部に遮光のためのアルミ層が形成される。
　水平ＣＣＤ１０３は、イメージエリア１０１で光電変換された信号電荷を１行ずつ受け取り、出力アンプ１０４に出力する水平ＣＣＤ（以下、Ｈ－ＣＣＤ：Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ－ＣＣＤとも記載する）である。水平ＣＣＤ１０３の転送のためのパルスは、ΦＳである。
　出力アンプ１０４は、水平ＣＣＤ１０３から転送されてくる各画素の信号電荷を電圧信号に変換する出力アンプである。通常、出力アンプ１０４は、フローティングディフュージョンアンプで構成される。
　水平ドレイン１０５は、水平ＣＣＤ１０３と不図示のチャネルストップ（ドレインバリア）をはさんで形成され、不要電荷を掃き捨てる水平ドレインである。部分読み出し時における不要領域画素の信号電荷は、水平ＣＣＤ１０３からチャネルストップを超えて水平ドレイン１０５に排出される。なお、水平ＣＣＤ１０３と水平ドレイン１０５との間のドレインバリア上に電極を設け、当該電極に与える電圧を変えることで不要電荷の掃き捨てを効率的に行ってもよい。
　基本的に、以上に示す構成は、通常のフルフレームＣＣＤ（イメージエリア１０１）にわずかのストレージ領域（ストレージエリア１０２）を設けたものであり、これにより任意の場所の部分読み出しを可能とする。
　続いて、イメージエリア１０１を構成する各画素、すなわち、光電変換部１０及び３０の構造を説明する。ここでは、便宜上、バーチャルフェーズの場合で説明する。
　図３Ａ及び図３Ｂは、本実施の形態の固体撮像装置１００におけるイメージエリア１０１の画素構造を示す図である。図３Ａは、イメージエリア１０１を上方から見た構造図であり、図３Ｂは、Ａ－Ａ断面の構造と、ポテンシャルプロフィールとを示す図である。
　図３Ａ及び図３Ｂにおいて、クロックゲート電極２０１は、光透過性のあるポリシリコンで形成され、クロックゲート電極２０１下の半導体表面がクロックフェーズ領域である。クロックフェーズ領域は、イオンの打ち込みにより２領域に分けられ、その一方が、クロックバリア領域２０２であり、もう一方が、クロックバリア領域２０２よりもポテンシャルが高くなるようにイオンを打ち込むことで形成されるクロックウェル領域２０３である。
　バーチャルゲート２０４は、チャネルポテンシャルを固定するために、半導体表面にＰ＋層が形成された領域であり、この領域が、バーチャルフェーズ領域である。この領域もまた、Ｐ＋層より深い層にＮ型イオンを打ち込むことで２領域に分けられ、その一方がバーチャルバリア領域２０５、もう一方がバーチャルウェル領域２０６である。
　絶縁層２０７は、クロックゲート電極２０１と半導体との間に設けられる酸化膜などの絶縁層である。また、チャネルストップ２０８は、各Ｖ－ＣＣＤのチャネルを分離するための分離領域である。
　Ｖ－ＣＣＤの転送は、クロックゲート電極２０１に任意のパルスを加えることでクロックフェーズ領域（クロックバリア領域２０２及びクロックウェル領域２０３）のポテンシャルを、バーチャルフェーズ領域（バーチャルバリア領域２０５及びバーチャルウェル領域２０６）のポテンシャルに対して、上下に動かすことで電荷を水平ＣＣＤの方向へ転送する（図３Ｂには、白丸で電荷の移動の概念を示している）。
　以上は、イメージエリア１０１の画素構造であるが、ストレージエリア１０２の画素構造もこれに準ずる。ただし、ストレージエリア１０２は、画素上部がアルミ遮光されているため、ブルーミングを防御する必要がないのでオーバーフロードレインは省かれる。また、水平ＣＣＤ１０３も同様に、バーチャルフェーズ構造とされるが、Ｖ－ＣＣＤからの電荷を受け取り、かつ、それを水平に転送することができるようにクロックフェーズ領域とバーチャルフェーズ領域とのレイアウトで構成される。
　以上のようにして、本実施の形態の固体撮像装置１００では、イメージエリア１０１に蓄積された電荷を出力アンプ１０４から読み出すことができる。
　続いて、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ及び図５Ｂを用いて、通常用画素とＡＦ用画素との画素構成を説明する。
　図４Ａは、上方から見た通常用画素の平面図であり、図４Ｂは、通常用画素のＢ－Ｂ断面図である。図４Ｂに示すように、最上部にマイクロレンズ２０が形成される。
　通常用画素は、図３Ａ及び図３Ｂに示した絶縁層２０７の上に、平坦化膜２１１を備え、さらに、平坦化膜２１１の上に、光電変換部１０以外の領域に入射する入射光を遮る遮光膜２１２を備える。さらに、遮光膜２１２の上部には、カラーフィルタ２１３を備え、カラーフィルタ２１３上に平坦化膜２１４を備える。平坦化膜２１４は、マイクロレンズ２０を形成するための平面を構成するための平滑層である。
　図５Ａは、上方から見たＡＦ用画素の平面図であり、図５Ｂは、ＡＦ用画素のＣ－Ｃ断面図である。図５Ａ及び図５Ｂに示すように、通常用画素と異なる点は、１つのマイクロレンズ４０の下に、複数の光電変換部３０が配置される点である。すなわち、１つのマイクロレンズ４０の下に複数の開口部を有した遮光膜２１２を配置し、それぞれの下に、光電変換部３０が配置されている。つまり、複数の光電変換部３０が１つのマイクロレンズ４０を共有している。
　続いて、本実施の形態の固体撮像装置１００におけるイメージエリア１０１を構成する画素（すなわち、光電変換部）について、詳細に説明する。具体的には、本実施の形態の固体撮像装置１００では、図１Ａに示したようなマイクロレンズ２０が１対１に対応させて配置される光電変換部１０（通常用画素）と、図１Ｂに示したような１つのマイクロレンズ４０に含まれる光電変換部３０（ＡＦ用画素）とがイメージエリア１０１に形成されている。
　図６は、本実施の形態の固体撮像装置１００におけるイメージエリア１０１の画素配列を示す図である。また、比較のため、図７には、従来の固体撮像装置におけるイメージエリアの画素配列を示す。
　図７に示すように、従来は、全ての画素（光電変換部）に１対１に対応させてマイクロレンズを配置していた。これに対して、本実施の形態では、図６に示すように、画素がベイヤ配列されたイメージエリア１０１に、ＡＦ用画素グループが横一列に形成されている。
　１００万画素を越えるエリアセンサにとっては、図６の配列で、Ｓ１の行とＳ２の行とは、ほとんど同一ラインとして近似の像がマイクロレンズ４０上に結像される。撮像素子（イメージエリア）に像を結ぶカメラレンズが撮像素子上でピントが合っているのであれば、Ｓ１行の画素群からの像信号と、Ｓ２行の画素群からの像信号は一致する。逆に、ピントを結ぶ点（結像点）が撮像素子のイメージエリアよりも前方か後方にあるならば、Ｓ１行の画素群からの像信号と、Ｓ２行の画素群からの像信号との間に位相差が生じる。なお、結像点が前の場合と後の場合とでは位相のずれ方向が逆になるのである。
　これは、原理的には、先に上げた特許文献１の瞳分割位相差を利用したＡＦと同じである。Ｓ１行の光電変換部からカメラレンズを見た場合と、Ｓ２行の光電変換部からカメラレンズを見た場合とでは、あたかも光学中心に対して瞳が左右に分割したように見える。
　図８Ａ及び図８Ｂは、ピントずれによる像ずれの概念図である。ここでは、Ｓ１行とＳ２行とを合一させＡ、Ｂの点で示した。また、分かりやすくするために各機能画素の間の色画素も省いて、あたかも機能画素が並んでいるように示している。
　被写体の特定点からの光は、Ａ点にとっての瞳を通って該当のＡ点に入る光線束（ΦＬａ）と、Ｂ点にとっての瞳を通って該当のＢ点に入る光線束（ΦＬｂ）とに分けられる。この２つの光束は、もともと１点より発したものであるから、もしカメラレンズ５０のピントが撮像素子面上に合っていれば、図８Ａに示すように、同一マイクロレンズ４０で括られる１点に到達することとなる。
　しかし、例えば、カメラレンズ５０のピントが撮像素子面よりｘ手前で合った場合、図８Ｂに示すように、光の到達点は、２θｘに相当する距離だけ互いにずれるのである。仮に、－ｘであれば、到達点は逆方向にずれる。
　この原理に基づき、Ａ点の並びでできる像（光の強弱による信号線）とＢ点の並びによりできる像とは、カメラレンズ５０のフォーカスが合っていれば一致し、そうでなければずれることとなる。
　本実施の形態の撮像素子は、この原理に基づき、１つのマイクロレンズ４０に複数の画素が含まれるように複数のマイクロレンズを配置する（図１Ｂ及び図６参照）。こうすることで、例えば、図６のＳ１行に位置する画素とＳ２行に位置する画素とは、マイクロレンズ４０の光軸を中心として、互いに反対方向にずれている。このため、図８Ａ及び図８Ｂを用いて説明したように、この領域のＳ１行からの行像信号とＳ２行からの行像信号とのずれ分を演算することでカメラレンズ５０のフォーカスのずれ分を算出し、算出したフォーカスのずれ分だけカメラレンズ５０のフォーカスを動かしてやればオートフォーカスが可能になる。
　なお、このようなＳ１行、Ｓ２行よりなるＡＦ用画素（測距画素ともいう）を有する領域は、イメージエリア１０１の全てにある必要はない。また、イメージエリア１０１の１行全てに行き渡る必要はない。例えば、図９に示されるように、イメージエリア１０１の数ポイントに複数のＡＦ用画素を測距領域６０として埋め込めばよい。
　そして、測距（すなわち、カメラレンズ５０のピント合わせ）のための信号を撮像素子（イメージエリア１０１）から読み出す場合は、測距のための信号が含まれるラインだけを読み出し、他の不要な電荷は高速にクリアすればよい。
　以下では、具体的にイメージエリア１０１に蓄積された電荷を読み出す動作について、タイミングチャートに沿って説明する。
　図１０は、本実施の形態の固体撮像装置１００における画素の読み出し動作を示すタイミングチャートである。図１１は、本実施の形態の固体撮像装置１００における測距領域６０の画素の読み出し動作を示すタイミングチャートである。
　通常の撮影では、最初、撮像素子の前面に設けられるメカニカルシャッタは閉じられている。まず、ΦＶＩ、ΦＶＳ、ΦＳに高速なパルスを加えることで、イメージエリア１０１、ストレージエリア１０２の電荷を水平ドレイン１０５に掃き捨てるクリア動作が行われる（Ｔｃｌｅａｒ）。
　このときのΦＶＩ、ΦＶＳ、ΦＳのパルス数はＶ－ＣＣＤの転送段数ｍ＋ｏ以上のパルスが加えられ、イメージエリア１０１、ストレージエリア１０２内の電荷を、水平ＣＣＤ１０３を通して、水平ドレイン１０５及びフローティングディフュージョンアンプの先のクリアドレインに排出する。水平ＣＣＤ１０３と水平ドレイン１０５との間にゲートがある撮像素子であれば、このクリア期間中のみゲートを開けるようにしておけば、より効率的な不要電荷の排出を行うことができる。
　クリア動作が終了すると、直ちに、メカニカルシャッタは開かれ、適正露光量を得るための時間に達するとメカニカルシャッタは閉じられる。この期間を露光時間（又は、蓄積時間ともいう）とする（Ｔｓｔｏｒａｇｅ）。蓄積時間中Ｖ－ＣＣＤ（イメージエリア１０１及びストレージエリア１０２）は停止される（ΦＶＩ、ΦＶＳはＬｏｗレベル）。
　メカニカルシャッタが閉じられると、まず、ｏライン分の垂直転送がなされる（Ｔｃｍ）。この動作によりイメージエリア１０１の最初のライン（ストレージエリア１０２と隣接するライン）は、ストレージエリア１０２の頭（水平ＣＣＤ１０３に隣接するライン）に転送される。この最初のｏライン転送は、連続的になされる。
　次に、イメージエリア１０１の最初のラインを水平ＣＣＤ１０３に転送する前に、水平ＣＣＤ１０３を電荷クリアのために、一度、水平ＣＣＤ１０３の全段数分の転送をしておくこととなる（Ｔｃｈ）。これにより、先のイメージエリア１０１、ストレージエリア１０２のクリア時（Ｔｓｔｏｒａｇｅ）に水平ＣＣＤ１０３に残った不要電荷分の電荷と、ストレージエリア１０２のクリア（Ｔｃｍ）により水平ＣＣＤ１０３に集められたストレージエリア１０２の暗電流分の電荷とが排出される。
　以上のようにして、ストレージエリア１０２のクリア（これは、イメージエリア１０１の最初のラインの信号が水平ＣＣＤ１０３に接するＶ－ＣＣＤの最終段まで進められる読み出しセット動作でもある）、及び、水平ＣＣＤ１０３のクリアが終了するとすぐに、イメージエリア１０１の信号電荷は１ライン目から、順次水平ＣＣＤ１０３に転送され、逐次ライン毎の信号が出力アンプ１０４から読み出される（Ｔｒｅａｄ）。このようにして読み出された信号電荷は、ＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ　Ｄｏｕｂｌｅ　Ｓａｍｐｌｉｎｇ）回路、アンプ回路及びＡ／Ｄ変換回路を含む前段処理回路により、デジタル信号に変換され、画像信号処理される。
　通常、フルフレーム型センサは、転送時にメカニカルシャッタを閉じておかなければならないことから、ＡＦセンサ、及びＡＥセンサを別に設ける。これに対し、本センサでは、メカニカルシャッタを開放したままでイメージエリア１０１の一部分を単発に、あるいは繰り返し読み出すことができる。
　続いて、測距領域６０に蓄積された電荷を読み出す部分読み出し方法について、図１１を用いて説明する。
　まず、イメージエリア１０１内の任意の場所のｏライン（以下、ｎｏラインと記載する）の信号電荷をストレージエリア１０２に蓄積し、かつ、蓄積する任意のｎｏラインの前段のイメージ領域（ｎｆライン）の信号電荷を排出するためのｏ＋ｎｆライン分の電荷掃き捨てのための前段クリア転送が行われる（Ｔｃｆ）。
　これにより、前段クリア転送の期間Ｔｃｆの前の蓄積期間（Ｔｓ）において、ｎｏラインに蓄積された信号電荷は、ストレージエリア１０２に蓄積される。その直後、水平ＣＣＤ１０３内に残る前段クリアの残り電荷分を掃き捨てる水平ＣＣＤ１０３のクリアを行う（Ｔｃｈ）。
　この後、ストレージエリア１０２のｎｏラインの信号電荷は、１ライン毎に水平ＣＣＤ１０３に移され、逐次、出力アンプ１０４から読み出される（Ｔｒ）。そして、ｎｏラインの信号の読み出しが終了すると撮像素子の全段のクリア動作が行われる（Ｔｃｒ）。これにより、高速の部分読み出しが終了する。そして、これを同様に繰り返せば部分読み出しの連続駆動もできる。
　結像の位相差を測定することでＡＦを行う方法では、ＡＦのための読み出しのためには、イメージエリア１０１内の数ヶ所に蓄積された信号電荷を読み出す場合がある。例えば、測距領域が、イメージエリア１０１内において、水平ＣＣＤ１０３側と、中間位置と、水平ＣＣＤ１０３の逆側との３ヶ所に位置するとする。このとき、第１回の１シーケンス（Ｔｃｒ－Ｔｓ－Ｔｃｆ－Ｔｒ）で水平ＣＣＤ１０３側に位置する測距領域から、第２回目の１シーケンスで中間位置に位置する測距領域から、第３回目の１シーケンスで水平ＣＣＤ１０３の逆側に位置する測距領域からの信号を読み出す。このように、場所を変えた読み出しを繰り返すことで、数ヶ所のピント位置の差を測定し、重み付けをすることも行われる。
　なお、上記で、部分読み出しの１サイクルの動作と読み出し場所とを変える方法を説明したが、１サイクルで複数箇所の信号を読み出す（ストレージエリア１０２に蓄積）ことも可能である。例えば、ストレージエリア１０２にｏ／２ラインを入れた直後、ストレージエリア１０２の電極の電圧をＨｉｇｈとしておき（すなわち、イメージエリア１０１からの信号電荷の転送を止める壁をつくる）、次に必要なｏラインまでの電荷をイメージエリア１０１のＶ－ＣＣＤの最終段のバーチャルウェルに転送するべく、次に必要な信号までの段数分のパルスをイメージエリア１０１の電極に加える。
　これにより、次に必要な信号までの間の電荷は、最終段のバーチャルウェルに転送され、オーバーフロードレインバリアを越える電荷分はオーバーフロードレインに排除される。次に、イメージエリア１０１の電極とストレージエリア１０２の電極とに転送パルスをｏ／２パルス加えると、ストレージエリア１０２には最初のｏ／２ラインの次に、中間部のクリア残りの無効ライン後に第２の領域の（ｏ／２）－１ライン分の信号ラインの信号が蓄積されることとなる。
　さらに、３領域の信号をストレージエリア１０２に取り込むのであれば、第２の信号取り込み後に第２の中間クリアを行って、第３の領域の信号を取り込めばよい。言うまでもないが、取り込み領域が増えれば、各箇所の取り込みライン数は減ることとなる。このように１サイクルで複数箇所のデータが読み出されば、先の１サイクル毎に別の箇所を読み出すよりも早い速度でのＡＦが可能となる。
　以下では、本実施の形態の固体撮像装置１００におけるＡＦ機能を達成するための、デフォーカス量を算出する方法、すなわち、焦点検出方法について、図１２～図１４を用いて説明する。ここでは、説明のためＳ１及びＳ２を同一の平面上に表す。なお、デフォーカス量とは、ピントのずれ量を示し、撮像素子表面から入射光が集光する点までの距離で示される。
　被写体の特定点からの光はＳ１にとっての瞳を通ってＳ１に入射する光束（Ｌ１）と、Ｓ２にとっての瞳を通ってＳ２に入射する光束（Ｌ２）に分けられる。この２つの光束は、カメラのピントが合っているときには、図１２に示すようにマイクロレンズ４０表面上の一点に集光する。そして、Ｓ１及びＳ２には同一の像が露光される。これにより、Ｓ１行から読み出した映像信号と、Ｓ２行から読み出した映像信号とは同一のものとなる。
　一方、カメラのピントが合っていないときには、図１３に示すように、Ｌ１とＬ２とはマイクロレンズ４０表面とは異なる位置で交差する。ここで、マイクロレンズ４０表面と２つの光束の交点との距離、すなわち、デフォーカス量がｘであったとする。また、この時に発生したＳ１の像とＳ２の像とのずれ量がｐ画素分であり、センサピッチ（隣接する光電変換部間の距離）がｄ、２つの瞳の重心間の距離がＤａｆ、カメラレンズ５０の主点から焦点までの距離がｕであったとする。このとき、デフォーカス量ｘは、式（１）で表される。
　ｘ＝ｐ×ｄ×ｕ／Ｄａｆ…（１）
　さらに、ｕは、カメラレンズ５０の焦点距離ｆにほぼ等しいと考えられるので、デフォーカス量ｘは、式（２）で表される。
　ｘ＝ｐ×ｄ×ｆ／Ｄａｆ…（２）
　図１４は、撮像素子上のＳ１行から読み出した映像信号とＳ２行から読み出した映像信号とを示す図である。Ｓ１の行から読み出した映像信号とＳ２の行から読み出した映像信号とには像のずれｐ×ｄが発生する。この２つの映像信号のずれ量を求め、これよりデフォーカス量ｘを求め、さらに、カメラレンズ５０を距離ｘだけ移動すればオートフォーカスを達成することが可能となる。
　ところで、上記のような像のずれを発生させるためには、カメラレンズ５０に入射する光のうち２つの異なる瞳を通った光束Ｌ１及びＬ２を分離する必要がある。本方法は撮像素子上に瞳分離の機能を持つフォーカス検出用セルを生成することにより、瞳分離を行う。
　以上のように、本実施の形態の固体撮像装置１００は、イメージエリア１０１に２次元状に配置された光電変換部１０及び３０を、通常用画素グループとＡＦ用画素グループとに分け、ＡＦ用画素グループに属する所定数の光電変換部３０毎に１つのマイクロレンズ４０を配置する。このとき、所定数の光電変換部３０のうち少なくとも２つの光電変換部３０は、マイクロレンズ４０の光軸を中心として互いに異なる方向に偏った位置に位置している。
　これにより、図１２～図１４を用いて説明したように、２つの映像信号のずれ量からカメラレンズ５０のデフォーカス量ｘを算出することができ、算出したデフォーカス量ｘに基づいてカメラレンズ５０のフォーカスを制御することができる。ゆえに、より高い精度でＡＦ機能を実現することができる。
　なお、測距画素とマイクロレンズとの配置は、図６に示すような水平方向に並べた配置には限られない。図１５に示すように、マイクロレンズを垂直方向に並べてもよい。さらには、以下のように測距画素とマイクロレンズとを配置してもよい。
　図１６～図１８は、イメージエリア１０１内における測距画素の配置の異なる一例を示す図である。これまで述べてきた実施の形態では第１の位相検知行（Ｓ１）と第２の位相検知行（Ｓ２）とが、僅かではあるがずれている。具体的には、図６に示すように、１つのマイクロレンズに含まれる測距画素（Ｇのカラーフィルタを備える光電変換部）の並ぶ方向と、測距用のマイクロレンズの配置される方向とが一致していない。これは、１００万画素を越える撮像素子では、実用上問題となることはないが、より好ましくは、測距画素の並ぶ方向と、測距用のマイクロレンズの並ぶ方向とが一致している方が好ましい。
　図１５に示す例では、測距画素の並ぶ方向と、測距用のマイクロレンズの並ぶ方向とが、右下斜め方向で一致している。
　また、図１７に示す例では、上方から見たときのマイクロレンズの形状が楕円になるように、マイクロレンズの形状を変更している。楕円のマイクロレンズ７０を図１８に示すように配置することで、マイクロレンズ７０の並ぶ方向と、測距画素（Ｇのカラーフィルタを備える光電変換部３０）の並ぶ方向とを一致させている。
　これにより、より高いＡＦ精度が得られるとともに、ＡＦ用画素グループに属する光電変換部を最小限に抑える、つまり、通常画素が最大限に得られるという特徴を有している。
　また、マイクロレンズの先端から光電変換部の先端までの距離（すなわち、焦点距離）が、通常画素用とＡＦ画素用とで異なっていてもよい。具体的な構成を図１９Ａ及び図１９Ｂに示す。
　図１９Ａは、通常画素用の光電変換部１０とＡＦ画素用の光電変換部３０との異なる一例を示す平面図である。図１９Ｂは、通常画素用の光電変換部１０とＡＦ画素用の光電変換部３０との異なる一例を示す構造断面図である。
　図１９Ｂに示すように、通常画素用のマイクロレンズ２０とＡＦ画素用のマイクロレンズ８０とは、平坦化膜２１４上に形成されている。また、マイクロレンズ２０とマイクロレンズ８０とは、それぞれ厚さが異なっている。つまり、マイクロレンズ２０の先端から光電変換部１０の表面までの距離と、マイクロレンズ８０の先端から光電変換部３０の表面までの距離とが異なっている。すなわち、通常画素用のマイクロレンズ２０の焦点距離と、ＡＦ画素用のマイクロレンズ８０の焦点距離とが異なっている。
　以上のように、通常画素用とＡＦ画素用とでマイクロレンズの形状を異ならせることで、ＡＦ画素用の光電変換部３０により適切に被写体像を形成することができる。
　なお、図１９Ｂには、マイクロレンズ８０がマイクロレンズ２０より厚い例を示しているが、逆にマイクロレンズ２０がマイクロレンズ８０より厚くてもよい。
　（実施の形態２）
　本実施の形態の電子カメラは、ＡＦ機能を有する電子カメラであって、実施の形態１で説明した固体撮像装置を備える。
　なお、本実施の形態の電子カメラは、動画撮影機能を有するムービーカメラであってもよく、静止画撮影機能を有する電子スチルカメラであってもよく、また、その他のカメラ、例えば、内視鏡や監視カメラであってもよく、これらは、本質的に同一である。
　図２０は、本実施の形態の電子カメラ３００の構成を示す模式図である。同図に示す電子カメラ３００は、撮影レンズ３０１と、固体撮像素子３０２と、画像処理回路３０３と、焦点検出回路３０４と、フォーカス制御回路３０５と、フォーカス制御モータ３０６とを備える。
　撮影レンズ３０１（フォーカスレンズ）を通して入った入射光は、固体撮像素子３０２上に結像される。固体撮像素子３０２は、実施の形態１の固体撮像装置１００に相当し、通常用画素グループとＡＦ用画素グループとに分けられた複数の光電変換部が２次元状に配列されている。
　固体撮像素子３０２から出力された電気信号は、画像処理回路３０３（画像処理プロセッサ）により、画像処理され被写体像が生成される。このとき、ＡＦ用画素グループに属する電気信号は、焦点検出回路３０４に入力され、距離データ（デフォーカス量ｘ）へ変換される。
　フォーカス制御回路３０５は、距離データをもとに、フォーカス制御モータ３０６を制御するためのフォーカス制御信号を生成することで、フォーカス制御モータ３０６を制御する。フォーカス制御モータ３０６は、撮影レンズ３０１（フォーカスレンズ）を駆動し、撮影レンズ３０１の焦点を固体撮像素子３０２上に合わせる。
　なお、画像処理回路３０３は、画像データ、距離データ、焦点検出データのうち少なくとも１つを出力可能な構成となっており、電子カメラ３００によっては、これらを出力及び記録することが可能となるよう構成されている。
　以上のように、本実施の形態の電子カメラ３００は、固体撮像素子３０２を構成する複数の画素のうちに、本来の画像情報を取り込むための画素（通常用画素）以外の、測距及び測光等のための僅かな機能画素（ＡＦ用画素）を設けることで、本来の撮像面において、撮像素子そのもので、ＡＦのための距離情報などが得られるようになる。
　これにより、これまで、撮像素子とは別にセンサを有していた電子カメラに対し、はるかに小型で、低価格なカメラを提供することが可能となる。また、ＡＦのための動作時間も短くて済み、撮影者のシャッターチャンスを拡大することができる。
　また、極めて高い精度のＡＦが可能となるので、撮影の失敗などで必要な画像を失うことも大幅に少なくできる。また、動画やビューファインダー時に読み出される画素には測距用の画素が含まれず、なおかつ、動画の生成に必要十分な画素数を読み出すことが可能な撮像素子を実現することができる。
　また、本発明の固体撮像装置は、測距用画素の部分の補間を行う必要が生じず、かつ、予め画素数が動画の生成に必要な量に間引かれているため、動画の生成処理を高速に行うことが可能である。これにより、コマ数の多い高画質のビューファインダーや動画ファイルの撮影や、高速な測光動作が可能であり、かつ、低コストで優れた撮像装置が実現される。また、撮像装置上で動作する処理が簡略化されるため、装置の消費電力が低減される。
　以上、本発明の固体撮像装置及び電子カメラについて、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を当該実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
　例えば、各光電変換部に対してカラーフィルタは、ベイヤ配列（市松模様）で配列されるとしたが、ストライプ状に構成されてもよい。いずれの場合であっても、位相差を算出する２つの光電変換部に配置されるカラーフィルタは、同色である。
　また、実施の形態では、光電変換部は、少なくともその一部がＡＦ用画素グループに含まれ、ＡＦ用画素グループは、イメージエリア１０１の縦、横、及び斜めのいずれかの方向に対して直線状に配列されている。このとき、ＡＦ用画素グループ同士は隣接する必要はなく、ＡＦ用画素グループと通常画素グループとが特定の周期で配置されていてもよい（図１８参照）。
　また、イメージエリア１０１は、フルフレーム型ＣＣＤで構成されているとしたが、インターライン型ＣＣＤ、又はフレームトランスファ型ＣＣＤで構成されていてもよい。
　本発明の固体撮像装置は、高い精度でＡＦ機能を実現することができるという効果を奏し、デジタルスチルカメラ及びデジタルムービーカメラなどに利用することができる。
１０、３０　光電変換部
２０、４０、７０、８０　マイクロレンズ
５０　カメラレンズ
６０　測距領域
１００　固体撮像装置
１０１　イメージエリア
１０２　ストレージエリア
１０３　水平ＣＣＤ
１０４　出力アンプ
１０５　水平ドレイン
２０１　クロックゲート電極
２０２　クロックバリア領域
２０３　クロックウェル領域
２０４　バーチャルゲート
２０５　バーチャルバリア領域
２０６　バーチャルウェル領域
２０７　絶縁層
２０８　チャネルストップ
２１１、２１４　平坦化膜
２１２　遮光膜
２１３　カラーフィルタ
３００　電子カメラ
３０１　撮影レンズ
３０２　固体撮像素子
３０３　画像処理回路
３０４　焦点検出回路
３０５　フォーカス制御回路
３０６　フォーカス制御モータ
 

Claims (6)

  1. 　入射光を電気信号に変換する複数の光電変換部が２次元状に配列された固体撮像装置であって、
    　前記複数の光電変換部と、
    　前記複数の光電変換部のうち複数の第１光電変換部のそれぞれを覆うように、前記第１光電変換部毎に配置された複数の第１マイクロレンズと、
    　前記複数の光電変換部のうち複数の第２光電変換部を覆うように配置された第２マイクロレンズとを備え、
    　前記複数の第２光電変換部のうち少なくとも２つの第２光電変換部は、前記第２マイクロレンズの光軸を中心として互いに異なる方向に偏った位置に位置する
    　固体撮像装置。
  2. 　前記第１マイクロレンズと前記第２マイクロレンズとでは、屈折率、焦点距離及び形状の少なくとも１つが互いに異なっている
    　請求項１記載の固体撮像装置。
  3. 　前記複数の光電変換部は、カラーフィルタを有し、
    　前記少なくとも２つの第２光電変換部は、同色のカラーフィルタを有する
    　請求項１記載の固体撮像装置。
  4. 　前記固体撮像装置は、
    　前記複数の第２光電変換部上に、２以上の所定数の前記第２光電変換部を覆うように、前記所定数の第２光電変換部毎に配置された前記所定数の第２マイクロレンズを備え、
    　前記所定数の第２マイクロレンズは、前記同色のカラーフィルタを有する第２光電変換部が並ぶ方向に沿って、配列されている
    　請求項３記載の固体撮像装置。
  5. 　請求項１記載の固体撮像装置を備える電子カメラ。
  6. 　前記電子カメラは、さらに、
    　被写体までの距離に従ってフォーカス制御を行う制御部を備え、
    　前記制御部は、前記複数の第２光電変換部のそれぞれによって変換された電気信号の位相差を用いて前記フォーカス制御を行う
    　請求項５記載の電子カメラ。
     
     
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