(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮影レンズにより結像される被写体像を光電変換して画像生成用の信号を生成する複数の撮像用画素と、前記複数の撮像用画素の間に離散的に配置され、前記撮影レンズの異なる瞳領域を通過した複数の像を光電変換して位相差方式の焦点検出用の信号を生成する焦点検出用画素とを有する撮像素子であって、
前記撮像用画素は、光を電荷に変換する光電変換部と、該光電変換部に光を集光するレンズと、光軸方向において前記光電変換部と前記レンズの間に配置され前記光電変換部に光を導くための光導波路とを有し、
前記焦点検出用画素は、光を電荷に変換する光電変換部と、該光電変換部に光を集光するレンズと、光軸方向において前記光電変換部と前記レンズの間に配置され、光軸方向から見た場合に前記光電変換部の一部を遮光するための遮光層とを有し、
前記撮像用画素のレンズ及び前記焦点検出用画素のレンズは、ほぼ前記遮光層が配置されている高さの位置に焦点位置を有し、
前記遮光層は、前記光電変換部に最も近い配線層により形成され、
前記光導波路は、光軸方向において前記撮像用画素のレンズと前記遮光層の間に配置されずに前記遮光層と前記光電変換部との間に配置され、前記光導波路の幅は、前記遮光層の開口部の幅より大きく、前記光電変換部の幅以下であることを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
前記光導波路は、エアギャップから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記光導波路は、反射部材から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項４】
前記光導波路は、高屈折率材から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項５】
被写体像を結像する撮影レンズと、
請求項１乃至４の何れか１項に記載の撮像素子と、
を備えることを特徴とする撮像装置。
【請求項６】
撮影レンズにより結像される被写体像を光電変換して画像生成用の信号を生成する複数の撮像用画素と、前記複数の撮像用画素の間に離散的に配置され、前記撮影レンズの異なる瞳領域を通過した複数の像を光電変換して位相差方式の焦点検出用の信号を生成する焦点検出用画素とを有する撮像素子であって、
前記撮像用画素は、光を電荷に変換する光電変換部と、該光電変換部に光を集光するレンズと、光軸方向において前記光電変換部と前記レンズの間に配置され前記光電変換部に光を導くための光導波路とを有し、
前記焦点検出用画素は、光を電荷に変換する光電変換部と、該光電変換部に光を集光するレンズと、光軸方向において前記光電変換部と前記レンズの間に配置され、光軸方向から見た場合に前記光電変換部の一部を遮光するための遮光層とを有し、
前記撮像用画素のレンズ及び前記焦点検出用画素のレンズのパワーは、前記撮影レンズの瞳と前記遮光層が略共役になるように設定され、
前記遮光層は、前記光電変換部に最も近い配線層により形成され、
前記光導波路は、光軸方向において前記撮像用画素のレンズと前記遮光層の間に配置されずに前記遮光層と前記光電変換部との間に配置され、前記光導波路の幅は、前記遮光層の開口部の幅より大きく、前記光電変換部の幅以下であることを特徴とする撮像素子。
【請求項７】
前記光導波路は、エアギャップから構成されていることを特徴とする請求項６に記載の撮像素子。
【請求項８】
前記光導波路は、反射部材から構成されていることを特徴とする請求項６に記載の撮像素子。
【請求項９】
前記光導波路は、高屈折率材から構成されていることを特徴とする請求項６に記載の撮像素子。
【請求項１０】
被写体像を結像する撮影レンズと、
請求項６乃至９の何れか１項に記載の撮像素子と、
を備えることを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像を行うための撮像素子から得られる像信号に基づいて撮影レンズの焦点状態を検出する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
撮影レンズの焦点状態を検出する方式の一つとして、センサの各画素にオンチップレンズが形成された２次元のセンサを用いて瞳分割方式の焦点検出を行う装置が特許文献１に開示されている。特許文献１の装置では、センサを構成する各画素の光電変換部が複数に分割されており、分割された光電変換部がオンチップレンズを介して撮影レンズの瞳の異なる領域を通過した光を受光するように構成されている。
【０００３】
また、特許文献２では、撮像素子の一部の受光素子（画素）において、オンチップマイクロレンズの光軸に対して受光部の感度重心を偏心させることで瞳分割機能を付与している。そしてこれらの画素を焦点検出用画素とし、撮像用画素群の間に所定の間隔で配置することで、位相差式焦点検出を行なう。また、焦点検出用画素が配置された箇所は撮像画素の欠損部に相当するため、周辺の撮像画素情報から補間して画像情報を創生している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５８−２４１０５号公報
【特許文献２】特開２０００−１５６８２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述した特許文献２には、受光部の感度重心を偏心させるためにオンチップマイクロレンズの光軸に対して開口を偏らせた開口部を有する遮光層を設けた構成が開示されている。遮光層を配線層と兼ねるようにすれば従来の製造プロセスからの変更がほとんどなく有望な構成と言える。
【０００６】
図１６は、遮光層を配線層と兼ねた撮像素子の構成を示す図である。図１６において、６０はシリコン基板、６１は受光領域、６９ａはオンチップレンズ、５１は遮光層を兼ねた配線層、６２は層間絶縁膜である。また右側が標準画素の構成を示し、左側が受光部の感度重心を偏心させた画素の構成を示している。また図１６は、オンチップレンズの焦点位置が受光領域６１の表面部にほぼ一致している。図１７は、オンチップレンズの高さを高くした撮像素子の構成を示す図である。このオンチップレンズ６９ｂの焦点位置は遮光層を兼ねた配線層５１の配置高さにほぼ一致しておりその他の構成は図１６と同一となっている。
【０００７】
以下に、オンチップレンズ高さの違いによる各画素の特性の違いについて説明する。図１８は標準画素の斜入射の様子を説明する図である。図１８（ａ）は図１６で示した光束が受光領域６１表面部にほぼ収束するオンチップレンズ６９ａの例であり、受光領域６１に全光束が照射されている様子がわかる。一方図１８（ｂ）は図１７で示した光束が配線層５１の配置高さにほぼ収束するオンチップレンズ６９ｂの例であり、光束の一部が受光領域６１からはみ出ている様子がわかる。図１９は感度重心を偏心させた画素の開口を透過する様子を説明する図である。図１９（ａ）は図１６で示した光束が受光領域６１表面部にほぼ収束するオンチップレンズ６９ａの例であり、光束の一部が遮光層を兼ねた配線層５１により遮られ全光束が受光領域６１に到達しない様子がわかる。一方図１９（ｂ）は図１７で示した光束が配線層５１の配置高さにほぼ収束するオンチップレンズ６９ｂの例であり、全光束は配線層５１の開口部を透過し、受光領域６１に到達する様子がわかる。
【０００８】
図２０は標準画素の入射角特性を示した図で、横軸は入射角度、縦軸は受光効率を示す。図２０（ａ）は図１６で示した光束が受光領域６１の表面部にほぼ収束するオンチップレンズ６９ａの場合に対応し、図２０（ｂ）は図１７で示した光束が配線層５１の配置高さにほぼ収束するオンチップレンズ６９ｂの場合に対応する。図２０から、標準画素においては光束が受光領域６１表面部にほぼ収束するオンチップレンズほど、明るい入射角が大きいレンズや像高の高い画素においても光取り込み効率を確保することができることがわかる。
【０００９】
図２１は感度重心を偏心させた画素の入射角特性を示した図で、横軸は入射角度、縦軸は受光効率を示す。図２１（ａ）は図１６で示した光束が受光領域６１表面部にほぼ収束するオンチップレンズ６９ａの場合に対応し、図２１（ｂ）は図１７で示した光束が配線層５１の配置高さにほぼ収束するオンチップレンズ６９ｂの場合に対応する。図２１から、感度重心を偏心させた画素においては光束が配線層５１の配置高さにほぼ収束するオンチップレンズほど偏心した瞳強度分布の特性が先鋭となる。つまりは位相差式焦点検出を行なう上で良好な画像信号が得られることがわかる。
【００１０】
すなわち、標準画素の最適なオンチップレンズ形状と感度重心を偏心させた画素での最適なオンチップレンズ形状とは一致せず、同一のオンチップレンズ製造プロセスではどちらかの画素に適したオンチップレンズ形状を選択する必要があった。
【００１１】
本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、オンチップレンズ形状をほぼ同じにしても、標準画素と感度重心を偏心させた画素の双方で必要な受光特性を満足できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わる撮像素子は、撮影レンズにより結像される被写体像を光電変換して画像生成用の信号を生成する複数の撮像用画素と、前記複数の撮像用画素の間に離散的に配置され、前記撮影レンズの異なる瞳領域を通過した複数の像を光電変換して位相差方式の焦点検出用の信号を生成する焦点検出用画素とを有する撮像素子であって、前記撮像用画素は、光を電荷に変換する光電変換部と、該光電変換部に光を集光するレンズと、光軸方向において前記光電変換部と前記レンズの間に配置され前記光電変換部に光を導くための光導波路とを有し、前記焦点検出用画素は、光を電荷に変換する光電変換部と、該光電変換部に光を集光するレンズと、光軸方向において前記光電変換部と前記レンズの間に配置され、光軸方向から見た場合に前記光電変換部の一部を遮光するための遮光層とを有し、前記撮像用画素のレンズ及び前記焦点検出用画素のレンズは、ほぼ前記遮光層が配置されている高さの位置に焦点位置を有し、前記遮光層は、前記光電変換部に最も近い配線層により形成され、前記光導波路は、光軸方向において前記撮像用画素のレンズと前記遮光層の間に配置されずに前記遮光層と前記光電変換部との間に配置され、前記光導波路の幅は、前記遮光層の開口部の幅より大きく、前記光電変換部の幅以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、オンチップレンズ形状をほぼ同じにしても、標準画素と感度重心を偏心させた画素の双方で必要な受光特性を満足することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わる撮像装置であるカメラの構成図である。
【図２】撮像素子の概略的回路構成を示した図である。
【図３】撮像素子の画素配線部の断面図である。
【図４】撮像素子の動作を示すタイミングチャートである。
【図５】撮像素子の一部平面図である。
【図６】焦点検出用画素α、βとその隣接画素の水平断面図である。
【図７】標準画素の斜入射の様子を説明する図である。
【図８】焦点検出用画素の開口を光が透過する様子を説明する図である。
【図９】標準画素の受光分布の説明図である。
【図１０】焦点検出用画素の受光分布の説明図である。
【図１１】デフォーカス検出の動作を示すフローチャートである。
【図１２】第２の実施形態における焦点検出用画素α、βとその隣接画素の水平断面図である。
【図１３】第２の実施形態における画素の受光分布の説明図である。
【図１４】第３の実施形態における焦点検出用画素α、βとその隣接画素の水平断面図である。
【図１５】第３の実施形態における画素の受光分布の説明図である。
【図１６】従来の撮像素子の画素の詳細構造説明図である。
【図１７】従来の撮像素子の画素の詳細構造説明図である。
【図１８】標準画素の斜入射の様子を説明する図である。
【図１９】感度重心を偏心させた画素の開口を光が透過する様子を説明する図である。
【図２０】オンチップレンズの高さの違いによる標準画素の受光分布説明図である。
【図２１】オンチップレンズの高さの違いによる焦点検出用画素の受光分布説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係わる撮像装置であるカメラ２００の構成図で、撮像素子を有したカメラ本体と、被写体像を結像させるための撮影レンズ１００が一体となった電子カメラを示している。図１において、１０１は撮影レンズ１００の先端に配置された第１レンズ群で、光軸方向に進退可能に保持される。１０２は絞り兼用シャッタで、その開口径を調節することで撮影時の光量調節を行なうほか、静止画撮影時には露光秒時調節用シャッタとして機能する。１０３は第２レンズ群である。そして、絞り兼用シャッタ１０２及び第２レンズ群１０３は一体となって光軸方向に進退し、第１レンズ群１０１の進退動作との連動により、変倍作用（ズーム機能）をなす。１０５は第３レンズ群で、光軸方向の進退により、焦点調節を行なう。１０６は光学的ローパスフィルタで、撮影画像の偽色やモアレを軽減するための光学素子である。１０７はＣ−ＭＯＳセンサとその周辺回路で構成された撮像素子である。撮像素子は、横方向ｍ画素、縦方向ｎ画素の複数の各受光ピクセル上に、それぞれ１つの光電変換素子が配置されている。
【００１６】
１１１はズームアクチュエータで、不図示のカム筒を回動することで、第１レンズ群１１１乃至第３レンズ群１０３を光軸方向に進退駆動し、変倍操作を行なう。１１２は絞りシャッタアクチュエータで、絞り兼用シャッタ１０２の開口径を制御して撮影光量を調節すると共に、静止画撮影時の露光時間制御を行なう。１１４はフォーカスアクチュエータで、第３レンズ群１０５を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行なう。１１５は撮影時の被写体照明用の電子フラッシュで、キセノン管を用いた閃光照明装置が好適であるが、連続発光するＬＥＤを備えた照明装置を用いても良い。
【００１７】
１２１は、カメラ本体の種々の制御を司るカメラ内ＣＰＵで、演算部、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、通信インターフェイス回路等を有し、ＲＯＭに記憶された所定のプログラムに基づいて、カメラが有する各種回路を駆動する。そして、ＡＦ、撮影、画像処理、記録等の一連の動作を実行する。またＣＰＵ１２１は、撮影レンズ１００の焦点状態を検出する焦点検出手段及び、焦点ずれ量演算手段としての機能も有する。
【００１８】
１２２は電子フラッシュ制御回路で、撮影動作に同期して電子フラッシュ１１５を点灯制御する。１２４は撮像素子駆動回路で、撮像素子１０７の撮像動作を制御するとともに、取得した画像信号をＡ／Ｄ変換してＣＰＵ１２１に送信する。１２５は画像処理回路で、撮像素子１０７が取得した画像のγ変換、カラー補間、ＪＰＥＧ圧縮等の処理を行なう。１２６はフォーカス駆動回路で、焦点検出結果に基づいてフォーカスアクチュエータ１１４を駆動制御し、第３レンズ群１０５を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行なう。１２８は絞りシャッタ駆動回路で、絞りシャッタアクチュエータ１１２を駆動制御して絞り兼用シャッタ１０２の開口を制御する。１２９はズーム駆動回路で、撮影者のズーム操作に応じてズームアクチュエータ１１１を駆動する。
【００１９】
１３１はＬＣＤ等の表示器で、カメラの撮影モードに関する情報、撮影前のプレビュー画像と撮影後の確認用画像、焦点検出時の合焦状態表示画像等を表示する。１３２は操作スイッチ群で、電源スイッチ、レリーズ（撮影トリガ）スイッチ、ズーム操作スイッチ、撮影モード選択スイッチ等で構成される。１３３は着脱可能なフラッシュメモリで、撮影済み画像を記録する。
【００２０】
図２は、本発明の第１の実施形態における撮像素子の概略的回路構成を示した図で、本願出願人による特開平０９−０４６５９６号公報等に開示された技術が好適である。図２は２次元Ｃ−ＭＯＳエリアセンサの２列×４行の光電変換部の範囲を示したものであり、８画素分の回路構成となる。
【００２１】
図２において、１はＭＯＳトランジスタゲートとゲート下の空乏層からなる光電変換部、２はフォトゲート、３は転送スイッチＭＯＳトランジスタ、４はリセット用ＭＯＳトランジスタ、５はソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタである。６は水平選択スイッチＭＯＳトランジスタ、７はソースフォロワの負荷ＭＯＳトランジスタ、８は暗出力転送ＭＯＳトランジスタ、９は明出力転送ＭＯＳトランジスタ、１０は暗出力蓄積容量ＣＴＮ、１１は明出力蓄積容量ＣＴＳである。１２は水平転送ＭＯＳトランジスタ、１３は水平出力線リセットＭＯＳトランジスタ、１４は差動出力アンプ、１５は水平走査回路、１６は垂直走査回路である。
【００２２】
図３に画素配線部の断面図を示す。図３において、１７はＰ型ウェル、１８はゲート酸化膜、１９は一層目ポリＳｉ、２０は二層目ポリＳｉ、２１はｎ＋フローティングディフュージョン部（ＦＤ部）である。ＦＤ部２１は別の転送ＭＯＳトランジスタを介して別の光電変換部と接続される。図３において、２つの転送ＭＯＳトランジスタ３のドレインとＦＤ部２１を共通化して微細化とＦＤ部２１の容量低減による感度向上を図っているが、Ａｌ配線でＦＤ部２１を接続しても良い。
【００２３】
次に、図４のタイミングチャートを用いて撮像素子の動作について説明する。このタイミングチャートは全画素独立出力の場合である。まず垂直走査回路１６からのタイミング出力によって、制御パルスφＬをハイとして垂直出力線をリセットする。また制御パルスφＲ０，φＰＧ００，φＰＧｅ０をハイとし、リセット用ＭＯＳトランジスタ４をオンとし、フォトゲート２の一層目ポリＳｉ１９をハイとしておく。時刻Ｔ０において、制御パルスφＳ０をハイとし、選択スイッチＭＯＳトランジスタ６をオンさせ、第１、第２ラインの画素部を選択する。次に制御パルスφＲ０をローとし、ＦＤ部２１のリセットを止め、ＦＤ部２１をフローティング状態とし、ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ５のゲート・ソース間をスルーとした後、時刻Ｔ１において制御パルスφＴＮをハイとする。そして、ＦＤ部２１の暗電圧をソースフォロワ動作で蓄積容量ＣＴＮ１０に出力させる。
【００２４】
次に、第１ラインの画素の光電変換出力を行うため、第１ラインの制御パルスφＴＸ００をハイとして転送スイッチＭＯＳトランジスタ３を導通した後、時刻Ｔ２において制御パルスφＰＧ００をローとして下げる。この時フォトゲート２の下に拡がっていたポテンシャル井戸を上げて、光発生キャリアをＦＤ部２１に完全転送させるような電圧関係が好ましい。従って完全転送が可能であれば制御パルスφＴＸはパルスではなくある固定電位でもかまわない。時刻Ｔ２でフォトダイオードの光電変換部１からの電荷がＦＤ部２１に転送されることにより、ＦＤ部２１の電位が光に応じて変化することになる。この時ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ５がフローティング状態であるので、ＦＤ部２１の電位を時刻Ｔ３において制御パルスφＴｓをハイとして蓄積容量ＣＴＳ１１に出力する。この時点で第１ラインの画素の暗出力と光出力はそれぞれ蓄積容量ＣＴＮ１０とＣＴＳ１１に蓄積されおり、時刻Ｔ４の制御パルスφＨＣを一時ハイとして水平出力線リセットＭＯＳトランジスタ１３を導通して水平出力線をリセットする。そして、水平転送期間において水平走査回路１５の走査タイミング信号により水平出力線に画素の暗出力と光出力を出力させる。この時、蓄積容量ＣＴＮ１０とＣＴＳ１１に対して、差動増幅器１４によって、差動出力ＶＯＵＴを取れば、画素のランダムノイズ、固定パターンノイズを除去したＳ／Ｎの良い信号が得られる。また画素３０−１２、３０−２２の光電荷は画素３０−１１、３０−２１と同時に夫々の蓄積容量ＣＴＮ１０とＣＴＳ１１に蓄積されるが、その読み出しは水平走査回路１５からのタイミングパルスを１画素分遅らして水平出力線に読み出して差動増幅器１４から出力される。本実施形態では、差動出力ＶＯＵＴをチップ内で行う構成を示しているが、チップ内に含めず、外部で従来のＣＤＳ（Correlated Double Sampling：相関二重サンプリング）回路を用いても同様の効果が得られる。
【００２５】
蓄積容量ＣＴＳ１１に明出力を出力した後、制御パルスφＲ０をハイとしてリセット用ＭＯＳトランジスタ４を導通しＦＤ部２１を電源ＶＤＤにリセットする。第１ラインの水平転送が終了した後、第２ラインの読み出しを行う。第２ラインの読み出しは、制御パルスφＴＸｅ０、制御パルスφＰＧｅ０を同様に駆動させ、制御パルスφＴＮ、φＴＳに夫々ハイパルスを供給して、蓄積容量ＣＴＮ１０とＣＴＳ１１に夫々光電荷を蓄積し、暗出力及び明出力を取り出す。以上の駆動により、第１、第２ラインの読み出しが夫々独立に行える。この後、垂直走査回路を走査させ、同様に第２ｎ＋１ライン、第２ｎ＋２ライン（ｎ＝１，２，…）の読み出しを行えば全画素独立出力が行える。即ち、ｎ＝１の場合は、まず制御パルスφＳ1をハイとし、次にφＲ1をローとし、続いて制御パルスφＴＮ、φＴＸ０１をハイとし、制御パルスφＰＧ０１をロー、制御パルスφＴＳをハイ、制御パルスφＨＣを一時ハイとして画素３０−３１，３０−３２の画素信号を読み出す。続いて、制御パルスφＴＸｅ１，φＰＧｅ１及び上記と同様に制御パルスを印加して、画素３０−４１，３０−４２の画素信号を読み出す。
【００２６】
図５は、撮像素子であるＣ−ＭＯＳセンサの一部平面図である。図５において、５１，５２は電極である。電極（配線層）５１及び５２で区切られた領域が１画素を示しており、１画素中に書かれた「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」の文字は各画素のカラーフィルタの色相を表している。「Ｒ」の文字の書かれた画素は赤の成分の光を透過し、「Ｇ」の文字の書かれた画素は緑の成分の光を透過し、「Ｂ」の文字の書かれた画素は青の成分の光を透過する。また、「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」の文字が書かれた各画素は、撮影レンズ１００の全瞳領域を通過した光を受光するように構成された画像生成用の画素である。
【００２７】
カラーフィルタの配列がベイヤ配列の場合、１絵素は「Ｒ」、「Ｂ」の画素と２つの「Ｇ」の画素から構成される。これに対し、本実施形態の撮像素子は「Ｒ」あるいは「Ｂ」であるべき画素の一部に、撮影レンズ１００の一部の瞳領域を通過した光を受光する焦点検出用画素が割り当てられている。図中、α、βは撮影レンズ１００の焦点状態を検出するための焦点検出用画素で、電極５１で水平方向の開口が制限されている。焦点検出用画素は、複数の撮像用画素の間に離散的に配置され、撮影レンズ１００の瞳領域を分割して、分割された瞳領域からの被写体像を光電変換して位相差検出用の信号を生成する。
【００２８】
本実施形態の撮像素子１０７の一部に配設される焦点検出用の画素は、電極５１にて制限される開口の水平方向の開口中心位置が画素中心に対して異なる２種類が設定されている。例えば、電極５１−１αと電極５１−２αとで決まる開口が画素中心に対して水平左方向に偏位した焦点検出用画素αに対して、水平方向及び垂直方向に４画素隣接した位置に同様の電極開口を有する焦点検出用画素が配設されている。また、焦点検出用画素αに対して斜めに隣接する位置に、電極５１−３βと電極５１−４βとで決まる開口が水平右方向に偏位した焦点検出用画素βが配設されている。さらに、焦点検出用画素βに対して、水平方向及び垂直方向に４画素隣接した位置に同様の電極開口を有する焦点検出用画素が配設されている。
【００２９】
図６は、図５の撮像素子１０７の焦点検出用画素α、βとその隣接画素の水平断面図を示し、図６（ａ）は図５のＣ―Ｃ矢視断面図で、図６（ｂ）は図５のＤ―Ｄ矢視断面図である。
【００３０】
図６（ａ）の左側の画素は、焦点検出用画素αを示し、右側の画素は撮影レンズ１００の全瞳領域を受光可能な画素（撮像用画素）を示している。撮像素子１０７は、シリコン基板６０の内部に光電変換部６１が形成されている。光電変換部６１で発生した信号電荷は、不図示のフローティングディフュージョン部、第１の電極５１及び不図示の第２の電極５２を介して外部に出力される。光電変換部６１と電極５１との間には層間絶縁膜６２が形成され、電極５１と電極５２との間には層間絶縁膜６３が形成されている。層間絶縁膜６３の光入射側には、カラーフィルタ層６７、平坦化層６４、オンチップレンズ６９が形成されている。ここで、オンチップレンズ６９のパワーは、撮影レンズ１００の瞳と電極５１が略共役になるように設定されている。言い換えれば、オンチップレンズ６９は、オンチップレンズ６９に入射した光束を電極５１の配置高さにほぼ収束させるように、ほぼ電極５１の配置高さに焦点位置を有している。また、撮像素子１０７の中央に位置する画素ではオンチップレンズ６９は画素の中心に配設され、周辺に位置する画素では、撮影レンズ１００の光軸側に偏位して配設される。７０は、電極５１より下に形成されたエアギャップ層であり、エアギャップ層７０に照射された光束を全反射条件を満たす角度において反射する導波路の機能を有する。
【００３１】
撮影レンズ１００を透過した被写体光は撮像素子１０７近傍に集光される。さらに撮像素子１０７の各画素に到達した光は、オンチップレンズ６９で屈折され電極５１の位置に集光される。通常の撮像に使う図中右側の画素では、入射する光を遮光しないように第１の電極５１及び第２の電極５２が配設されている。
【００３２】
一方、図中左側の撮影レンズ１００の焦点検出を行う画素では、電極５１の一部が光電変換部６１を覆うように構成されている。その結果図中左側の焦点検出用画素は、撮影レンズ１００の瞳の一部を透過する光束を受光可能となっている。また、電極５１が入射光束の一部を遮光していることにより光電変換部６１の出力が小さくなることを防ぐため、焦点検出用の画素のカラーフィルタ層６７Ｗは光を吸収しない透過率の高い樹脂で形成されている。
【００３３】
同様に、図６（ｂ）の右側の画素は、焦点検出用画素βを示し、左側の画素は撮影レンズ１００の全瞳領域を受光可能な画素（撮像用画素）を示している。図６からわかるように、焦点検出用画素αとβとはほとんど左右対称形状となっており、オンチップレンズ６９の位置と電極５１の開口中心の相対位置を異ならせることによって、撮影レンズ１００の受光分布を異ならせるように構成している。
【００３４】
図７は標準画素の斜入射の様子を説明する図である。図７に示すようにオンチップレンズ６９により光束が遮光層を兼ねた配線層（電極）５１の配置高さにほぼ収束しているが、エアギャップ層７０による全反射構成になっているために全光束が受光領域６１に照射される様子がわかる。
【００３５】
図８は感度重心を偏心させた画素（焦点検出用画素）の開口を透過する様子を説明する図である。図８に示すようにオンチップレンズ６９により光束が電極５１の配置高さにほぼ収束しており、全光束は電極５１の開口部を透過し、受光領域６１に到達する様子がわかる。この際、エアギャップ層７０は導波路としてはあまり機能しないため、エアギャップ層７０は無くてもよい。ここでは標準画素と同一工程で作製可能とするために、また特に弊害はないため、エアギャップ層７０を設けた例を示している。
【００３６】
図９は第１の実施形態の標準画素の入射角特性を示した図で、横軸は入射角度、縦軸は受光効率を示す。図９より、図２０で示した光束が受光領域６１の表面部にほぼ収束するオンチップレンズでの特性とほぼ同等の特性となることがわかる。
【００３７】
図１０は感度重心を偏心させた画素（焦点検出用画素）の入射角特性を示した図で、横軸は入射角度、縦軸は受光効率を示す。図１０（ａ）は開口が右側に偏心した画素の入射角特性、図１０（ｂ）は開口が左側に偏心した画素の入射角特性となる。
【００３８】
図９、図１０からわかるように、本実施形態により、同一のオンチップレンズ高さにおいても、標準画素（撮像用画素）と感度重心を偏心させた画素（焦点検出用画素）に対して、最適となる構成を実現することができる。
【００３９】
撮影レンズ１００の焦点状態を検出する焦点検出手段としての機能を有するＣＰＵ１２１は、焦点検出用画素αと同じ電極開口を有する焦点検出用画素群から第１の焦点検出用画像を生成する。同様に、焦点検出用画素βと同じ電極開口を有する焦点検出用画素群から第２の焦点検出用画像を生成する。さらに焦点ずれ量演算手段としての機能を有するＣＰＵ１２１は、第１の焦点検出用画像と第２の焦点検出用画像に基づいて相関演算を行うことにより、焦点検出用画素αとβが位置する領域での撮影レンズ１００の焦点状態を検出する。通常の画像の撮像時は、画素の電極開口が制限されている焦点検出用画素は欠陥画素として取り扱われ、焦点検出用画素の周辺に位置する画素から補間処理を行って画像信号が生成される。
【００４０】
図１１は、オートフォーカスの一部である本実施形態の焦点ずれ量（デフォーカス量）検出に関わるフローチャートを示す図である。メインフローは、一般的なカメラのフローと同一なので省略する。
【００４１】
オートフォーカス機能が選択された場合は、焦点検出を行うためにまずステップＳ１の撮像用画素と焦点検出用画素の読み出しが行われる。ステップＳ２では２種類の焦点検出用画素群より、位相差方向に形成される２種類のパターン像を創生する。図１１は、２本の巾の異なるバーチャートでのパターン像の例になる。次に、ステップＳ３においては、対の焦点検出画素群α、βの像について相関演算する。
【００４２】
次にステップＳ４で、ステップＳ３の相関演算結果の信頼性を判定する。ここで信頼性とは、対の像の一致度や像のコントラストなどを評価しており、対の像の一致度が良い場合は一般的に焦点検出結果の信頼性が高く、またコントラストが高い場合は測距対象として得意なものと判断できる。ここで信頼性が低いと判断された場合は、焦点検出信号自身の信頼性が低いと判断され、ステップＳ１に戻って画像の読み出しからやり直す。ステップＳ４で、信頼性ＯＫと判断された場合は、最終的にステップＳ５で像の相関値をデフォーカス量に換算して、デフォーカス量を算出する。
【００４３】
ステップＳ６では、ステップＳ５で計算した焦点ずれ量が許容値以下か否かを判断する。そして焦点ずれ量が許容値より大きい場合は、非合焦と判断し、ステップＳ７で、ステップＳ５で算出したデフォーカス量を補正するようにフォーカスレンズを駆動し、その後ステップＳ１乃至ステップＳ７を繰り返し実行する。そしてステップＳ６にて合焦状態に達したと判定されると、ステップＳ８にて合焦表示を行ない、オートフォーカスサブルーチンから抜ける。
【００４４】
以上のように第１の実施形態では、各画素にエアギャップ層を形成して導波路機能を持たせることにより、同一のオンチップレンズ高さにおいても、撮像用画素と焦点検出用画素で受光光量が低下することを防止できる。
【００４５】
（第２の実施形態）
この第２の実施形態では、撮像装置の構成は図１〜図５で示した第１の実施形態と同じであり、撮像素子の内部構造が異なっている。図１２は、図５の撮像素子１０７の焦点検出用画素α、βとその隣接画素の水平断面図を示し、図１２（ａ）は図５のＣ―Ｃ矢視断面図で、図１２（ｂ）は図５のＤ―Ｄ矢視断面図である。
【００４６】
図１２（ａ）の左側の画素は、焦点検出用画素αを示し、右側の画素は撮影レンズ１００の全瞳領域を受光可能な画素（撮像用画素）を示している。図１２において、図６と同一の構成のものは同一符号を付している。
【００４７】
７１は、電極５１より下に形成した金属反射部材（例えばアルミ材）である。ここではまずエアギャップ層を形成し、そのあと金属反射部材を埋め込むことにより、図６で示したエアギャップ層７０と同一の形状の反射膜を構成している。またシリコン層６０や配線層５２との間に不図示のストッパ膜を構成したり、３次元的にオーバーラップしない配置工夫を行うことによって電気的に接続しないようにしている。金属反射部材７１に照射された光束は金属反射を起こし導波路の機能を果たす。
【００４８】
同様に、図１２（ｂ）の右側の画素は、焦点検出用画素βを示し、左側の画素は撮影レンズ１００の全瞳領域を受光可能な画素（撮像用画素）を示している。図１２からわかるように、焦点検出用画素αとβとはほとんど左右対称形状となっており、オンチップレンズ６９の位置と電極５１の開口中心の相対位置を異ならせることによって、撮影レンズ１００の受光分布を異ならせるように構成している。
【００４９】
図１３は第２の実施形態の入射角特性を示した図で、横軸は入射角度、縦軸は受光効率を示す。図１３（ａ）は標準画素の入射角特性、図１３（ｂ）は開口が右側に偏心した画素の入射角特性、図１３（ｃ）は開口が左側に偏心した画素の入射角特性となる。図１３からわかるように、本実施形態により、同一のオンチップレンズ高さにおいても、標準画素と感度重心を偏心させた画素に対して、最適となる構成を実現することができる。
【００５０】
以上のように第２の実施形態では、各画素のエアギャップ層に反射部材を埋め込むことにより導波路機能を持たせ、同一のオンチップレンズ高さにおいても、撮像用画素と焦点検出用画素で受光光量が低下することを防止している。
【００５１】
（第３の実施形態）
この第３の実施形態では、撮像装置の構成は図１〜図５で示した第１の実施形態と同じであり、撮像素子の内部構造が異なっている。図１４は、図５の撮像素子１０７の焦点検出用画素α、βとその隣接画素の水平断面図を示し、図１４（ａ）は図５のＣ―Ｃ矢視断面図で、図１４（ｂ）は図５のＤ―Ｄ矢視断面図である。
【００５２】
図１４（ａ）の左側の画素は、焦点検出用画素αを示し、右側の画素は撮影レンズ１００の全瞳領域を受光可能な画素（撮像用画素）を示している。図１４において、図６と同一の構成のものは同一符号を付している。
【００５３】
７２は、電極５１より下に形成した高屈折率材例えばＳｉＮにより構成されている導波路である。ここではまず高屈折率材埋め込み部をフォトリソ工程を用いて、プラズマエッチングを行い、高屈折率材埋め込み層を形成する。そのあと高密度プラズマＣＶＤにより、ＨＤＰ−ＳｉＮ（高密度プラズマＳｉＮ）を埋め込む。以上により、図１４に示す導波路形状の高屈折率材７２を形成する。ＳｉＮは屈折率が２程度と絶縁部材ＳｉＯの屈折率１．４３に対して大きいため、高屈折率材７２側面ではある角度以上で全反射条件を満たし、導波路の機能を果たす。
【００５４】
同様に、図１４（ｂ）の右側の画素は、焦点検出用画素βを示し、左側の画素は撮影レンズ１００の全瞳領域を受光可能な画素（撮像用画素）を示している。図１４からわかるように、焦点検出用画素αとβとはほとんど左右対称形状となっており、オンチップレンズ６９の位置と電極５１の開口中心の相対位置を異ならせることによって、撮影レンズ１００の受光分布を異ならせるように構成している。
【００５５】
図１５は本実施形態の入射角特性を示した図で、横軸は入射角度、縦軸は受光効率を示す。図１５（ａ）は標準画素の入射角特性、図１５（ｂ）は開口が右側に偏心した画素の入射角特性、図１５（ｃ）は開口が左側に偏心した画素の入射角特性となる。図１５からわかるように、本実施形態により、同一のオンチップレンズ高さにおいても、標準画素と感度重心を偏心させた画素に対して、最適となる構成を実現することができる。
【００５６】
以上のように第３の実施形態では、高屈折率材７２を配線層５１下に配置することにより導波路機能を持たせ、同一のオンチップレンズ高さにおいても、撮像用画素と焦点検出用画素で受光光量が低下することを防止している。
【００５７】
以上の第１乃至第３の実施形態では、光遮光部材を兼ねた電極（配線層）について説明したが、光遮光部材としては電極だけでなく、カラーフィルタ部に光を吸収する遮光フィルタを配置してもよい。また以上の実施形態では、光導波路を光遮光部材と同一の積層位置と光電変換部との間に配置する構成について説明したが、光導波路を光遮光部材よりオンチップレンズ方向に伸ばした構成をとってもよい。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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