(57)【要約】【課題】光電変換部の非受光領域部分に受光する迷光等のノイズ成分を排除し、精度の高い焦点検出信号を出力する撮像素子を提供する。【解決手段】撮像素子は、マイクロレンズと、マイクロレンズを透過した光束を受光して焦点検出信号を出力する光電変換部を有する複数の焦点検出画素を備え、光電変換部の受光面上でマイクロレンズを透過した光束を受光する受光領域を楕円形状とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロレンズと、前記マイクロレンズを透過したマイクロレンズ透過光束を受光して焦点検出信号を出力する光電変換部を有する複数の焦点検出画素を備え、
前記光電変換部の受光面上で前記マイクロレンズ透過光束を受光する受光領域が楕円形状であることを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
請求項１に記載の撮像素子において、
前記焦点検出画素は、前記マイクロレンズ及び前記光電変換部の間に配置された、楕円形上の開口を有する遮光部材をさらに有し、
前記遮光部材が前記マイクロレンズ透過光束の外縁部分を遮光することにより、前記受光領域が楕円形状であることを特徴とする撮像素子。
【請求項３】
請求項１に記載の撮像素子において、
前記受光面の形状が楕円形状であることを特徴とする撮像素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の撮像素子において、
前記複数の焦点検出画素は、配置される位置に応じて前記楕円形状が異なることを特徴とする撮像素子。
【請求項５】
請求項４に記載の撮像素子において、
前記複数の焦点検出画素は、前記マイクロレンズ透過光束を射出する撮影光学系の光軸からの距離に応じて、前記楕円形状が扁平になることを特徴とする撮像素子。
【請求項６】
請求項５に記載の撮像素子において、
前記楕円形状の長径と短径との比の値が２以上３以下であることを特徴とする撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
撮像素子の多数の撮像画素中に焦点検出画素を混在させて、撮像画素から撮像信号を得ると共に、焦点検出画素から焦点検出信号を得る撮像装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。その撮像装置の有する撮像素子に配置された焦点検出画素においては、フォトダイオードが、撮影レンズの射出瞳の領域からの光束を選択的に受光し、光電変換を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−３１２０７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、焦点検出画素位置が撮影レンズの光軸から離間するにつれて、すなわち、撮影光学系のＦ値に依存して、フォトダイオードの受光領域は、射出瞳の形状と共に楕円形に変形する。その場合、フォトダイオードの受光領域も楕円形となる一方、従来のフォトダイオードの受光部の形状は円形、半円形、または矩形等であるため、非受光領域部分には迷光等のノイズ成分を受光することから、精度の高い焦点検出信号を得るためには、焦点検出画素出力に対する補正量が大きくなるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に記載の発明による撮像素子は、マイクロレンズと、マイクロレンズを透過したマイクロレンズ透過光束を受光して焦点検出信号を出力する光電変換部を有する複数の焦点検出画素を備え、光電変換部の受光面上でマイクロレンズ透過光束を受光する受光領域が楕円形状であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、精度の高い焦点検出信号を出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】一実施の形態の撮像素子を搭載したレンズ交換式のデジタルスチルカメラの全体構成を示した断面図である。
【図２】本デジタルスチルカメラの撮影画面を模式的に示した正面図である。
【図３】撮像素子の一部を示した正面図である。
【図４】図３に示した焦点検出画素の焦点検出光学系の要部を示した断面図である。
【図５】図３の撮像画素の構成を示した断面図である。
【図６】図３の焦点検出画素の構成を示した断面図である。
【図７】焦点検出画素における遮光部材を有している光電変換部の正面図である。
【図８】焦点検出画素における遮光部材を有していない光電変換部の正面図である。
【図９】焦点検出画素列を形成する各焦点検出画素の光電変換部の形状の特徴を模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の一実施の形態の撮像素子を説明する。図１は、一実施の形態の撮像素子を搭載したレンズ交換式のデジタルスチルカメラの全体構成を示した断面図である。図１におい
て、デジタルスチルカメラ１００は、交換式の撮影レンズ１１０とカメラボディ１２０と
を有し、この交換レンズ１１０はマウント部１３０を介して、カメラボディ１２０に着脱可能に装着される。
【０００９】
交換レンズ１１０は、ズームレンズとして構成された撮影光学系１１１と、この撮影光学系１１１内に配置された絞り装置１１２と、レンズ駆動制御装置１１３等とを備える。撮影光学系１１１は、ズーミング用レンズ１１１ａとフォーカシング用レンズ１１１ｂとを有する。レンズ駆動制御装置１１３は、不図示のマイクロコンピューターやメモリや駆動制御回路などから構成され、フォーカシング用レンズ１１１ｂの焦点調節の為の駆動制御と絞り装置１１２の開口径調節の為の駆動制御とを行うと共に、ズーミング用レンズ１１１ａの位置検出とフォーカシング用レンズ１１１ｂの位置検出と絞り装置１１２の開口径の検出などを行う。
【００１０】
カメラボディ１２０は、本発明の一実施の形態の固体撮像素子１２１と、ボディ駆動制御装置１２２と、液晶表示素子駆動回路１２３と、駆動回路１２３によって駆動される液晶表示素子１２４と、この液晶表示素子１２４を観察する接眼レンズ１２５と、撮像素子１２１で撮像された画像データを記録するメモリカード１２６とを備える。
【００１１】
撮像素子１２１は、後に詳述するように、撮像信号、即ち画像信号を出力する複数の撮像画素と、焦点検出信号を出力する複数の焦点検出画素とを有する。複数の焦点検出画素と複数の焦点検出画素とは、複数の焦点検出画素が複数の焦点検出画素中に散在又は混在するように、２次元的に配置されている。なお、焦点検出画素は、後に詳述するように、瞳分割位相差式の焦点検出装置用の焦点検出画素である。
【００１２】
液晶表示素子１２４と接眼レンズ１２５とは、電子ビューファインダーを構成し、撮影者は、接眼レンズ１２５を介して液晶表示素子１２４に表示される被写体のスルー画像を観察することができる。
【００１３】
ボディ駆動制御装置１２２は、不図示のマイクロコンピューターやメモリや駆動制御回路などから構成され、撮像素子１２１の駆動制御と、撮像素子１２１の撮像信号や焦点検出信号の読み出しと、画像信号の画像処理及び記録と、焦点検出信号に基づく焦点検出演算と、露出制御などのカメラ全体の動作制御等とを行う。
【００１４】
ボディ駆動制御装置１２２とレンズ駆動制御装置１１３とは、マウント部１３０に設けられた電気接点１３１を介して、カメラボディ１２０と交換レンズ１１０との間でのレンズ情報信号とカメラ情報信号との授受を行う。
【００１５】
次に、このレンズ交換式デジタルスチルカメラの動作の概略を説明する。交換レンズ１１０の撮影光学系１１１は、被写体像を撮像素子１２１に形成し、撮像素子１２１は、撮像画素から撮像信号を出力すると共に焦点検出画素から焦点検出信号を出力して、これらの撮像信号と焦点検出信号とをボディ駆動制御装置１２２に送出する。ボディ駆動制御装置１２２は、焦点検出信号に基づきデフォーカス量を算出し、このデフォーカス量を、電気接点１３１を介してレンズ駆動制御装置１１３に送出する。レンズ駆動制御装置１１３は、このデフォーカス量に基づいてフォーカシング用レンズ１１１ｂのレンズ駆動量を算出して、このレンズ駆動量に応じてフォーカシング用レンズ１１１ｂを合焦位置に駆動する。
【００１６】
ボディ駆動制御装置１２２は、更に撮像信号に基づいてスルー画像を作成して液晶表示素子駆動回路１２３を介して液晶表示素子１２４に表示させると共に、シャッターレリーズ信号に応じて撮像信号に所定の画像処理を施して画像データを作成し、これをメモリカード１２６に記録する。
【００１７】
図２は、本デジタルスチルカメラ１００の撮影画面を示したものである。図２において、撮影画面２００には全面に渡り複数の焦点検出エリアが形成されている。この例では１７個の焦点検出エリアが形成され、具体的には、焦点検出エリア２０１、２０１ａ、２０１ｂ、２０２、２０２ａ、２０２ｂ、２０６、２０６ａ、２０６ｂ、２０７、２０７ａ、２０７ｂが図２において横方向に延在し、焦点検出エリア２０３、２０３ａ、２０３ｂ、２０４、２０４ａ、２０４ｂ、２０５、２０５ａ、２０５ｂ、２０８、２０８ａ、２０８ｂ、２０９、２０９ａ、２０９ｂが縦方向に延在している。この撮影画面２００は撮像素子１２１の撮像面に対応しており、焦点検出エリア２０１〜２０７ｂの各々に対応する撮像素子１２１の領域には、複数の焦点検出画素が配列されている。
【００１８】
図３は、撮像素子１２１の一部を示した正面図である。図３において、撮像素子１２１の一部１２１ａには、多数の撮像画素２１０が２次元状に配置されている。撮像画素２１０は、赤（Ｒ）画素と緑（Ｇ）画素と青（Ｂ）画素とを含み、これらの赤画素と緑画素と青画素とはベイヤー配列に従い規則的に配列されている。各撮像画素２１０は光電変換部２１０ａを有する。複数の焦点検出画素２２０は縦方向に配列され、焦点検出画素列２１５でを形成する。撮像素子１２１における焦点検出画素列２１５は、例えば図２に示した撮影画面２００の縦方向の焦点検出エリア２０５に対応する。この場合、焦点検出画素列２１５は、撮影レンズの光軸から離間した位置に配置されていることとなる。なお、複数の焦点検出画素２２０は、ベイヤー配列された撮像画素２１０の一部を焦点検出画素２２０によって置き換えたように、配置されている。
【００１９】
複数の焦点検出画素２２０は、複数の焦点検出画素２２０Ａと複数の焦点検出画素２２０Ｂとから構成され、これらの焦点検出画素２２０Ａ、２２０Ｂは互いに、縦方向に交互に配置されている。焦点検出画素２２０Ａは、画素の上方位置に位置する小型の光電変換部２２０ａを有し、焦点検出画素２２０Ｂは画素の下方位置に位置する小型の光電変換部２２０ｂを有する。このように、焦点検出画素２２０Ａの光電変換部２２０ａ及び焦点検出画素２２０Ｂの光電変換部２２０ｂの大きさは、それぞれ撮像画素２１０の光電変換部２１０ａの大きさのほぼ半分程度に定められている。
【００２０】
なお、焦点検出画素列２１５が撮影レンズの光軸から離間しているため、光電変換部２２０ａの形状は楕円形となり、撮影レンズの光軸からの距離に依存した形状、すなわち、撮影光学系のＦ値に応じた形状となる。その楕円形の短径の延伸方向は、焦点検出画素列２１５の延伸方向、すなわち焦点検出画素列２１５を形成する焦点検出画素２２０の並び方向と一致する。また、撮像素子１２１は有限領域であるから、楕円の長径と短径との比の値は所定の範囲内の値であり、具体的には凡そ１〜４である。従来の光電変換部の形状は、円形、半円形、または矩形等であったが、非受光領域部分には迷光等のノイズ成分を受光することから、光電変換部２２０ａの形状を、後述する射出瞳の第１の部分または第２の部分の形状に合わせて楕円形とし、焦点検出画素出力の補正量を従来よりも低減している。
【００２１】
図９は、撮像素子１２１における焦点検出画素列を形成する各焦点検出画素の光電変換部の形状の特徴を模式的に示した図である。説明の便宜上、図９は、各焦点検出画素列には４個ずつの焦点検出画素が配置される図とした。上述したように、焦点検出画素列が撮影レンズの光軸から離間するにつれて、光電変換部の受光領域は、射出瞳の形状と共に楕円形に変形する。そこで、図９に示すように、焦点検出画素の光電変換部の楕円形状を、焦点検出画素列が撮影レンズの光軸から離間するにつれて、受光領域に合わせて扁平率が高くなるように構成する。たとえば、撮影レンズの光軸付近の焦点検出画素列２１４においては、焦点検出画素の光電変換部の形状は略円形であるが、撮影レンズの光軸からやや離間した焦点検出画素列２１５においては、焦点検出画素２２０Ａ、２２０Ｂの光電変換部２２０ａ、２２０ｂの形状は扁平な楕円形である。
【００２２】
このように、同一の撮像素子における焦点検出画素の光電変換部の形状は、その焦点検出画素が配置される焦点検出画素列に応じて異なる。焦点検出画素列が撮影レンズの光軸から離間するにつれて扁平率が高くなる焦点検出画素の光電変換部の楕円形状の長径と短径の比の値は、通常のデジタルスチルカメラの撮像素子では凡そ２〜３であることが好ましい。
【００２３】
図４は、図３に示した焦点検出画素２２０の焦点検出光学系の要部を示した断面図である。図４において、焦点検出画素２２０ａの光電変換部２２０ａは、撮影光学系の射出瞳２４０の第１の部分２４０ａを透過した光束２４１をマイクロレンズアレイ２５０を介して受光し、焦点検出画素２２０ｂの光電変換部２２０ｂは、射出瞳２４０の第２の部分２４０ｂを透過した光束２４２をマイクロレンズアレイ２５０を介して受光する。こうして、複数の焦点検出画素２２０ａの光電変換部２２０ａの焦点検出信号列と複数の焦点検出画素２２０ｂの光電変換部２２０ｂの焦点検出信号列との位相差を測定することによって、デフォーカス量を算出することができる。
【００２４】
次に、本発明に係る撮像素子の実施の形態を図５〜図７を用いて説明する。図５は図３の撮像画素の構成を示した断面図である。撮像画素２１０は、光電変換部２１０ａと遮光マスク２６１と平坦化層２６２と色フィルター２６３と平坦化層２６４とマイクロレンズ２６５とを有する。
【００２５】
この構成を詳述すると、半導体基板２６０には光電変換部２１０ａが形成され、この光電変換部２１０ａの直ぐ上には遮光マスク２６１が設けられている。この遮光マスク２６１は光電変換部２１０ａの外周囲を遮光して、光電変換部２１０ａの受光領域を規定する。こうして、遮光マスク２６１の開口部２６１ａは、光電変換部２１０ａの受光領域を規定するので、図３の撮像画素２１０の光電変換部２１０ａの大きさに相当している。遮光マスク２６１の上には平坦化層２６２が積層され、この平坦化層２６２の上には色フィルター２６３が形成されている。これらの色フィルター２６３は図３に示した赤（Ｒ）画素２１０、緑（Ｇ）画素２１０、青（Ｂ）画素２１０に応じた分光特性を有する。色フィルター２６３の上には平坦化層２６４が積層され、この平坦化層２６４の上には図４に示したマイクロレンズアレイ２５０の各マイクロレンズ２６５が配置されている。
【００２６】
色フィルター２６３は、高屈折の無機材料と低屈折の無機材料とを多層積層したフォトニック結晶色フィルターである。高屈折の無機材料としてはＴｉＯ２が使用され、低屈折無機材料としてはＳｉＯ２が使用される。このフォトニック結晶色フィルターにあっては、多層構造の高屈折材料ＴｉＯ２と低屈折材料ＳｉＯ２とのそれぞれの膜厚を調整することによって、赤、緑及び青の分光特性を持った色フィクターを作成することができる。なお、高屈折の無機材料及び低屈折無機材料は、それぞれ、ＴｉＯ２及びＳｉＯ２が限るものではなく、その他の無機材料を使用することもできる。例えば、ＴｉＯ２の代わりにＳｉＮを使用することもできる。
【００２７】
図６は図３の焦点検出画素の構成を示した断面図である。焦点検出画素２２０ａ、２２０ｂは、光電変換部２２０ａ、２２０ｂと遮光マスク２６１と平坦化層２６２と減光フィルター２６６と平坦化層２６４とマイクロレンズ２６５とを有する。
【００２８】
この構成を詳述すると、半導体基板２６０には焦点検出画素２２０ａの光電変換部２２０ａと焦点検出画素２２０ｂの光電変換部２２０ｂがそれぞれ形成され、これらの光電変換部２２０ａ、２２０ｂの直ぐ上には遮光マスク２６１が設けられている。この遮光マスク２６１は光電変換部２２０ａのほぼ半分と光電変換部２２０ｂのほぼ半分とを遮光して、光電変換部２２０ａ、２２０ｂの受光領域を規定する。こうして、遮光マスク２６１の開口部２６１ａは、光電変換部２２０ａ、２２０ｂの受光領域を規定するので、図３の焦点検出画素２２０ａ、２２０ｂの光電変換部２２０ａ、２２０ｂの大きさに相当している。
【００２９】
遮光マスク２６１の上には平坦化層２６２が積層され、この平坦化層２６２の上には減光フィルター２６６が形成されている。この減光フィルター２６６は、撮像画素２１０の色フィルター２６３と同一の層に形成されている、即ち、色フィルター２６３の高さと同一の高さ位置に形成されている。この減光フィルター２６６もフォトニック結晶フィルターであり、色フィルター２６３と同一の無機材料の多層構造体である。即ち、減光フィルター２６６は高屈折の無機材料ＴｉＯ２と低屈折の無機材料ＳｉＯ２との多層積層体である。減光フィルター２６６は、可視光域の全体を透過する分光特性を有する、即ち、赤画素の色フィルターの分光特性と緑画素の色フィルターの分光特性と青画素の色フィルターの分光特性とを加算したような分光特性を有する。
【００３０】
この減光フィルター２６６の働きは、次の通りである。即ち、撮像画素２１０は色フィルター２６３が存在するので、撮像画素２１０の光電変換部２１０ａへの入射光量がこの色フィルター２６３によって低減される。他方、焦点検出画素２２０ａ、２２０ｂには色フィルターが存在しない為に、焦点検出画素２２０ａ、２２０ｂの出力信号レベルが撮像画素２１０の出力信号レベルを上回り、撮像画素２１０に先立って飽和する虞がある。このような焦点検出画素２２０ａ、２２０ｂの出力信号レベルの飽和を防止する為に、減光フィルター２６６は、焦点検出画素２２０ａ、２２０ｂの光電変換部２２０ａ、２２０ｂへの入射光量が撮像画素２１０の光電変換部２１０ａへの入射光量以下になるように、光電変換部２２０ａ、２２０ｂへの入射光量を低減する。
【００３１】
なお、撮像画素２１０と焦点検出画素２２０ａ、２２０ｂの製造は、以下の通りである。先ず、半導体基板２６０に光電変換部２１０ａ、２２０ａ、２２０ｂが同時に形成される。その後に遮光マスク２６１が形成され、更に平坦化層２６２が積層される。その後に、Ｒ、Ｇ、Ｂの色フィルター２６３が順次、高屈折無機材料と低屈折無機材料との積層によって作成される。その後に、減光フィルター２６６が色フィルター２６３と同一の無機材料の積層によって作成される。勿論、先に減光フィルター２６６を作成した後に、色フィルター２６３を作成することもできる。その後に、平坦化層２６４とマイクロレンズ２６５が作成される。このように、色フィルター２６３と減光フィルター２６６とを同一の無機材料で作成することができるので、撮像素子１２１の製造工程が単純化される。
【００３２】
図７に示したように、焦点検出画素２２０Ａ、２２０Ｂの遮光マスク２６１は、射出瞳２４０の第１の部分２４０ａまたは第２の部分２４０ｂの形状に合わせた楕円形の開口２６１ａを有し、マイクロレンズ２６５を透過した光束２８４の外縁部を遮光している。したがって、光電変換部は、開口２６１ａからの入射光を受光すると、受光領域の形状が射出瞳２４０の第１の部分２４０ａまたは第２の部分２４０ｂの形状に合わせて楕円形となる。これにより、迷光を受光して焦点検出信号にノイズが重畳されることを防止する効果を奏する。
【００３３】
なお、焦点検出画素２２０Ａ、２２０Ｂの光電変換部２２０ａ、２２０ｂは、入射光を受光するに際して、受光領域の形状が射出瞳２４０の第１の部分２４０ａまたは第２の部分２４０ｂの形状に合わせて楕円形となれば良いので、図８（ａ）および（ｂ）に示したように、遮光マスク２６１を用いずに、光電変換部２２０ａ、２２０ｂの形状自体を楕円形としても良い。また、焦点検出画素２２０Ａについては、図８（ａ）に示した態様で構成する代わりに、図８（ｃ）に示したように、遮光マスク２６１によって下半分を被覆した態様で構成し、被覆されていない光電変換部２２０ａの形状自体を楕円形としても良い。同様に、焦点検出画素２２０Ｂについても、遮光マスク２６１によって上半分を被覆した態様で構成し、被覆されていない光電変換部２２０ｂの形状自体を楕円形としても良い。
【００３４】
上述した実施の形態によると、焦点検出画素２２０Ａ、２２０Ｂの光電変換部２２０ａ、２２０ｂにおける受光領域の形状を射出瞳の第１の部分２４０ａ、第２の部分２４０ｂの形状に合わせたことにより、迷光等のノイズ成分を受光する非受光領域を排除したので、撮像素子１２１は精度の高い焦点検出信号を出力することができるという作用効果が得られる。
【００３５】
なお、上述した実施の形態においては、遮光マスクによって被覆された光電変換部の受光領域の形状、または被覆されていない光電変換部の形状自体を、円形を含む楕円形としたが、正多角形を含む多角形のような近似した形状としても良い。
【符号の説明】
【００３６】
１２１  撮像素子、２１０  撮像画素、２１０ａ  光電変換部、２１４、２１５  焦点検出画素列、２２０  焦点検出画素、２２０ａ、２２０ｂ  光電変換部、２６０  半導体基板、２６１  遮光マスク、２６１ａ  開口、２６３  色フィルター、２６５  マイクロレンズ、２６６  減光フィルター
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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