(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロレンズと、該マイクロレンズを介して入射する光束を信号電荷に変換する光電変換部とを有する画素が複数配列された焦点検出装置であって、
前記複数の画素の前記光電変換部が変換した信号電荷を読み出すための電極群を有し、
前記複数の画素が、撮像画像を生成するための複数の撮像用画素と、位相差検出方式による焦点検出を行うための像信号を生成するための複数の焦点検出用画素とを含み、
前記マイクロレンズを介して前記焦点検出用画素の前記光電変換部に入射する光束を、予め定められた瞳分割方向である第１の方向について制限するよう配置される第１の電極によって形成される開口の幅が、前記撮像用画素において前記第１の方向における光束の入射範囲を規定する開口の幅よりも狭く、かつ、前記第１の電極と前記光電変換部との距離が、前記焦点検出用画素の前記第１の方向に直交する第２の方向の開口を形成する第２の電極と前記光電変換部の距離よりも短いことを特徴とする焦点検出装置。
【請求項２】
前記第１の電極が複数の電極から構成され、前記複数の電極の１つ以上が、前記焦点検出用画素の光電変換部の中心に向かって拡幅された形状を有することを特徴とする請求項１記載の焦点検出装置。
【請求項３】
前記電極群が多層構造を有するとともに、
前記第２の電極が、前記電極群のうち、前記マイクロレンズの焦点位置から最も遠い層以外の層の電極であることを特徴とする請求項１または２記載の焦点検出装置。
【請求項４】
前記光電変換部と前記マイクロレンズとの間に前記第１の電極があることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の焦点検出装置。
【請求項５】
前記撮像用画素の開口は、前記マイクロレンズを介して前記焦点検出用画素の前記光電変換部に入射する光束を遮らないように構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の焦点検出装置。
【請求項６】
前記複数の焦点検出用画素が分散配置されるとともに、第１の瞳分割方向を有する焦点検出用画素対と、当該第１の瞳分割方向と直交する第２の瞳分割方向を有する焦点検出用画素対とを含むことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の焦点検出装置。
【請求項７】
前記複数の焦点検出用画素から読み出された信号電荷に基づいて、前記瞳分割方向における位相差を検出するための１対の像信号を生成する生成手段と、
前記生成手段が生成した１対の像信号から、焦点ずれ量を算出する算出手段とをさらに有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の焦点検出装置。
【請求項８】
フォーカスレンズを有する撮影光学系と、
請求項７記載の焦点検出装置と、
前記算出手段が算出したフォーカスずれ量に応じて前記フォーカスレンズを駆動する駆動手段と、
前記焦点検出装置の前記撮像用画素から読み出した信号電荷に基づいて画像を生成する画像処理手段とを有す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】
本発明は焦点検出装置に関し、特には、撮像用画素と、位相差検出方式による焦点検出用の画素とを備える焦点検出装置に関する。
本発明はまた、このような焦点検出装置を有する撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、撮像素子に位相差検出機能を付与し、専用の自動焦点検出（ＡＦ）センサを用いずに、位相差検出方式のＡＦ（位相差ＡＦ）を実現する技術が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、撮像素子の一部の画素に瞳分割機能を付与して焦点検出用画素として構成している。瞳分割機能は、画素の受光部を２分割することにより付与され、２つの受光部の個々の出力を位相差検出用の信号として、加算出力を画素信号として用いる。
【０００４】
また、特許文献２あるいは特許文献３では、撮像素子の一部の画素に対し、マイクロレンズと光電変換部の間の遮光層に、マイクロレンズの光軸に対して中心が偏奇した矩形開口を設けることで瞳分割機能を付与している。そして、瞳分割機能を有するこれらの画素を焦点検出用画素として所定の間隔で配置して位相差検出方式ＡＦを行なう。また、焦点検出用画素が配置された箇所の画像信号は、周辺画素の画像信号から生成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−３０５４１５号公報
【特許文献２】特開２０００−１５６８２３号公報
【特許文献３】特開２００８−１３４３８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の技術では、瞳分割機能を付与する画素の受光部を２つの領域に分割するとともに、分割した各領域の光電変換信号を独立して読み出し可能なように撮像素子を構成する必要がある。そのため、撮像素子の構造が複雑になり、画素ピッチの狭小化において不利である。また、分割した領域の間は不感帯となるため、撮像素子の感度低下を招く恐れがある。
【０００７】
特許文献２及び特許文献３の技術では、瞳分割用の遮光層を設ける必要があるが、瞳分割専用の遮光層を設けると撮像素子の構造が複雑化する。さらに、特に近年は撮像素子としてＣＭＯＳイメージセンサ（相補性金属酸化膜半導体を用いた固体撮像素子）の普及が著しいが、ＣＭＯＳイメージセンサはマイクロレンズと光電変換部の間に３層程度の電極層（配線層）が必要である。従って、ＣＭＯＳイメージセンサに特許文献２もしくは３に開示された技術を適用しようとすると、配線層に加えて遮光層が加わるため、マイクロレンズと光電変換部の距離が増加し、受光効率が低下することが予期される。また、通常、マイクロレンズの焦点位置は光電変換部の表面近傍に設定されている。そのため、瞳分割用の遮光層をマイクロレンズの直下に配置すると、所望の瞳分割性能が得られず、焦点検出精度が低下することも考えられる。
【０００８】
本発明はこのような従来技術の課題に鑑みなされたものであり、撮像用画素と、位相差検出方式による焦点検出用の画素とを備える焦点検出装置において、高精度の焦点検出を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の目的は、マイクロレンズと、マイクロレンズを介して入射する光束を信号電荷に変換する光電変換部とを有する画素が複数配列された焦点検出装置であって、複数の画素の光電変換部が変換した信号電荷を読み出すための電極群を有し、複数の画素が、撮像画像を生成するための複数の撮像用画素と、位相差検出方式による焦点検出を行うための像信号を生成するための複数の焦点検出用画素とを含み、マイクロレンズを介して焦点検出用画素の光電変換部に入射する光束を、予め定められた瞳分割方向である第１の方向について制限するよう配置される第１の電極によって形成される開口の幅が、撮像用画素において第１の方向における光束の入射範囲を規定する開口の幅よりも狭く、かつ、第１の電極と光電変換部との距離が、焦点検出用画素の第１の方向に直交する第２の方向の開口を形成する第２の電極と光電変換部の距離よりも短いことを特徴とする焦点検出装置によって達成される。
【発明の効果】
【００１０】
このような構成により、本発明によれば、撮像用画素と、位相差検出方式による焦点検出用の画素とを備える焦点検出装置において、高精度の焦点検出を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る焦点検出装置を適用可能な撮像装置の一例としてのデジタルカメラの構成例を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係るデジタルカメラにおいて位相差検出方式の焦点検出を行なう際の瞳分割の概念を説明する図である。
【図３】本発明の実施形態に係る焦点検出装置を構成する撮像素子における焦点検出用画素の配置例を示す図である。
【図４】図３で説明したブロックの１つを撮影光学系から見た状態を拡大して示す平面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る撮像素子における撮像用画素の構造を説明するための図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る撮像素子の焦点検出用画素（水平方向位相差検出用）の構造を説明するための図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る撮像素子の焦点検出用画素（垂直方向位相差検出用）の構造を説明するための図である。
【図８】本発明の実施形態に係る撮像素子の撮像用画素の瞳投影を説明する図である。
【図９】本発明の実施形態に係る撮像素子の撮影光学系の水平方向（Ｘ方向）の位相差検出用画素（焦点検出用画素）の瞳投影を説明する図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る撮像素子の撮影光学系の垂直方向（Ｙ方向）の位相差検出用画素（焦点検出用画素）の瞳投影を説明する図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態に係る撮像素子の焦点検出用画素ＳHA、ＳHBと撮像用画素の瞳尖鋭度を説明する図である。
【図１２】本発明の第１の実施形態に係る撮像素子の焦点検出用画素ＳVC、ＳVDと撮像用画素の瞳尖鋭度を説明する図である。
【図１３】本発明の第１の実施形態に係るデジタルカメラにおいて、焦点検出時に取得した画像と焦点検出領域の例を模式的に説明する図である。
【図１４】本実施形態に係るデジタルカメラの全体的な動作を説明するためのフローチャートである。
【図１５】図１４のＳ１３１で行う焦点検出処理の詳細を説明するためのフローチャートである。
【図１６】図１４のＳ１６１で行う撮影処理の詳細を説明するためのフローチャートである。
【図１７】第２の実施形態に係る焦点検出装置を構成する撮像素子のうち、単位ブロックに含まれる８行８列の６４画素を撮影光学系から見た状態を拡大して示した平面図である。
【図１８】本発明の第２の実施形態に係る撮像素子の焦点検出用画素（水平方向位相差検出用）の構造を説明するための図である。
【図１９】本発明の第２の実施形態に係る撮像素子の焦点検出用画素（垂直方向位相差検出用）の構造を説明するための図である。
【図２０】本発明の第２の実施形態に係る撮像素子の焦点検出用画素ＳHA、ＳHBと撮像用画素の瞳尖鋭度を説明する図である。
【図２１】本発明の第２の実施形態に係る撮像素子の焦点検出用画素ＳVC、ＳVDと撮像用画素の瞳尖鋭度を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の例示的な実施形態について説明する。
〔第１の実施形態〕
図１は本発明の第１の実施形態に係る焦点検出装置を適用可能な撮像装置の一例としてのデジタルカメラの構成例を示す図である。
【００１３】
第１レンズ群１０１は撮影光学系（結像光学系）の先端に配置され、光軸方向に移動可能に保持される。シャッタ１０２は、静止画撮影時の露光時間を制御するためのシャッタとしてだけでなく、開口径を調節することで撮影時の光量調節を行なう絞りとしても機能する。シャッタ１０２の背面（撮像素子側）に配置された第２レンズ群１０３は、シャッタ１０２と一体となって光軸方向に移動可能であり、第１レンズ群１０１とともにズーム機能を実現する。
【００１４】
第３レンズ群１０５はフォーカスレンズであり、光軸方向に移動可能である。光学ローパスフィルタ１０６は、撮像素子１０７の前方に配置され、撮影画像に発生する偽色やモアレを軽減する。焦点検出装置を構成する撮像素子１０７はＣＭＯＳイメージセンサとその周辺回路で構成される。本実施形態において、撮像素子１０７は、横方向にｍ個、縦方向にｎ個の複数の受光素子が２次元的に配列され、その上に、ベイヤー配列の原色カラーモザイクフィルタがオンチップで形成された、２次元単板カラーイメージセンサである。カラーフィルタは受光素子に入射する透過光の波長を画素単位で制限する。
【００１５】
ズームアクチュエータ１１１は、ズーム駆動回路１２９の制御に従い、不図示のカム筒を回動して第１レンズ群１０１及び／又は第３レンズ群１０５を光軸方向に駆動する。シャッタアクチュエータ１１２は、シャッタ駆動回路１２８の制御に従い、所定の開口径で、かつ所定の開閉タイミングでシャッタ１０２を駆動する。
フォーカスアクチュエータ１１４は、フォーカス駆動回路１２６の制御に従い、第３レンズ群１０５を光軸方向に駆動する。
【００１６】
フラッシュ１１５は、好ましくはキセノン管を用いた閃光照明装置であるが、連続発光するＬＥＤを備えた照明装置であってもよい。ＡＦ補助光出力部１１６は、所定の開口パターンのマスク像を被写界に投影し、暗所での撮影時や低コントラストの被写体に対する焦点検出を支援する。
【００１７】
ＣＰＵ１２１は、デジタルカメラ全体の動作を制御し、図示しない演算部、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、通信インターフェイス回路等を有する。ＣＰＵ１２１は、ＲＯＭに記憶されたプログラムを実行して、各種回路を制御し、ＡＦ、ＡＥ、画像処理、記録等、デジタルカメラの機能を実現する。
【００１８】
フラッシュ制御回路１２２は、撮影動作時にてフラッシュ１１５を点灯制御する。補助光駆動制御回路１２３は、焦点検出動作時にＡＦ補助光出力部１１６を点灯制御する。撮像素子駆動回路１２４は、撮像素子１０７の動作を制御するとともに、撮像素子１０７から読み出した画像信号をＡ／Ｄ変換してＣＰＵ１２１に出力する。画像処理回路１２５は、画像信号に対してγ変換、色補間、ＪＰＥＧ符号化などの画像処理を適用する。
【００１９】
フォーカス駆動回路１２６は、焦点検出結果に基づいてフォーカスアクチュエータ１１４を駆動し、第３レンズ群１０５を光軸方向に移動させて焦点調節を行なう。シャッタ駆動回路１２８は、シャッタアクチュエータ１１２を駆動してシャッタ１０２の開口径及び開閉タイミングを制御する。ズーム駆動回路１２９は、例えば操作スイッチ群１３２に含まれるズーム操作スイッチの押下によって撮影者から入力される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。
【００２０】
表示器１３１はＬＣＤ等であり、デジタル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の情報等を表示する。操作スイッチ群１３２は、電源スイッチ、レリーズ（撮影トリガ）スイッチ、ズーム操作スイッチ、撮影モード選択スイッチ等を含む。記録媒体１３３は例えば着脱可能な半導体メモリカードであり、撮影画像を記録する。
【００２１】
図２は、本実施形態のデジタルカメラにおいて位相差検出方式の焦点検出を行なう際の瞳分割の概念を説明する図である。以下、第１の瞳分割方向として水平方向、第１の瞳分割方向に直交する第２の瞳分割方向として垂直方向に瞳分割を行うものとして説明する。
撮像素子１０７の一部の画素には位相差検出のための瞳分割機能が付与されている。ＥＰHA、ＥＰHBは水平方向（Ｘ方向）の位相差検出を行なうための瞳領域、ＥＰVC、ＥＰVDは垂直方向（Ｙ方向）の位相差検出を行なうための瞳領域である。これら４個の瞳領域は、後述するように、焦点検出用画素の瞳分割用開口部がオンチップマイクロレンズで撮影光学系の射出瞳ＴＬに投影されたものである。
【００２２】
図３は、本実施形態の焦点検出装置を構成する撮像素子１０７における焦点検出用画素の配置例を示す図である。
上述の通り、本実施形態の撮像素子１０７は、画素が２次元的に複数配列されてなる。そして、２行×２列の４画素のうち、対角２画素にＧ（緑色）の分光感度を有する画素を配置し、他の２画素にＲ（赤色）とＢ（青色）の分光感度を有する画素を各１個配置した、ベイヤー配列を採用している。
【００２３】
さらに、８行×８列＝６４画素をブロックとし、水平方向に瞳分割を行なう１組の焦点検出用画素ＳHA及びＳHBと、垂直方向に瞳分割を行なう１組の焦点検出用画素ＳVC及びＳVDを各ブロックに配置している。また、本実施形態において、各ブロックにおける焦点検出用画素の配置は共通であり、撮像素子１０７の画素領域にはブロックが繰り返し規則的に配置されている。
【００２４】
次に、焦点検出用画素群の出力信号の利用方法について説明する。図３において、ＡＦＬＮH1〜ＡＦＬＮH3は、水平方向の位相差を検出する焦点検出ラインである。そして各ラインに含まれる複数の焦点検出用画素ＳHAの出力信号からなる第１の像信号と、同じく複数の焦点検出用画素ＳHBの出力信号からなる第２の像信号との位相差を演算することで、画像の焦点ずれ量（デフォーカス量）を算出する。
【００２５】
同様に、ＡＦＬＮV1ないしＡＦＬＮV3は、垂直方向の位相差を検出する焦点検出ラインである。そして各ラインに含まれる複数の焦点検出用画素ＳVCの出力信号からなる第３の像信号と、同じく複数の焦点検出用画素ＳVBの出力信号からなる第４の像信号との位相差を演算することで、画像の焦点ずれ量（デフォーカス量）を算出する。
【００２６】
図４〜図７は撮像素子１０７における、撮像用画素と焦点検出用画素の構造例を説明するための図である。
図４は、図３で説明したブロックの１つを撮影光学系から見た状態を拡大して示す平面図である。
図４において、黒の矩形で示される光電変換部１５２は、各画素の最下層に設けられており、すべての画素でほぼ正方形状を有する。なお、後述するように、光電変換部１５２の全体が見えている画素１５０が撮像用画素、一部のみが見えている画素ＳHA、ＳHB、ＳVC及びＳVDが焦点検出用画素である。光電変換部１５２の出力は、第１の電極群１５４及び第２の電極群１５５によって読み出される。第１の電極群１５４及び第２の電極群１５５とは、平面図において互いが重なった部分の所定箇所に形成されたスルーホール（図示せず）によって電気的に接続される。なお、図４には示していないが、実際には、第２の電極群１５５の上には、下から順に第３の電極群、カラーフィルタ、マイクロレンズ等の構造体が設けられる。
【００２７】
光電変換部１５２より上層（光の入射側）に配置された第１の電極群１５４は、Ｙ方向（図中上方向）に延伸し、Ｘ方向（図中右方向）に規則的に複数配置された線状の電極１５４ａと、各画素内に配置された島状の電極１５４ｂとから構成される。なお、島状の電極１５４ｂは、その下層（光電変換部１５２と同一面内）にある電荷蓄積部やスイッチング素子及び、上層の第２の電極群１５５と図示しないスルーホールで導通し、上層及び下層の間で信号の中継を行う中継電極として機能する。従って、以下、第１の電極群のうち、１５４ａを信号伝達用主電極群、１５４ｂは中継用電極群と称する。また、第１の電極群１５４より上層に配置された第２の電極群１５５は、Ｘ方向に延伸し、Ｙ方向に規則的に複数配置された線状の電極１５５ａで構成される。光電変換部１５２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の電極群１５４、及び第２の電極群１５５を介して後段の回路部に出力される。
【００２８】
本実施形態において、第１及び第２の電極群１５４及び１５５は、撮像用画素については、光電変換部１５２に入射する光束を遮らないように必要最小限の幅で形成される。一方、焦点検出用画素ＳHA、ＳHB、ＳVC及びＳVDについては、電極の線幅を部分的に拡張し、瞳分割機能を付与するためのスリット開口を形成する。第１及び第２の電極群１５４及び１５５によって、スリット開口を形成する構成については図６以降を参照して後で詳細に説明する。
【００２９】
図５は本実施形態の撮像素子１０７における撮像用画素の構造を説明するための図である。図５（ａ）は、図４における焦点検出用画素ＳHA、ＳHBと２つの撮像用画素１５０を含む４画素の平面図である。また図５（ｂ）は、図５（ａ）における撮像用画素１５０の１つのＡ−Ａ断面図である。
【００３０】
まず、図５（ｂ）を用いて、撮像用画素１５０の構造について説明する。
光電変換部１５２は、シリコン基板１５１に埋め込まれる形で形成されている。透明ポリシリコン電極１５３が、光電変換部１５２とシリコン基板１５１の上面に設けられる。多層構造を有する第１の電極群１５４、第２の電極群１５５及び第３の電極群１５６は、透明ポリシリコン電極１５３の上方に設けられている。第３の電極群１５６は各画素の境界部に配置され、図５（ａ）では省略されているが、井桁形状をなしている。これら３層の電極群１５４〜１５６はアルミニウムもしくは銅の金属膜をエッチングして形成される。また、第１〜第３の電極群１５４〜１５６は、二酸化珪素ＳｉＯ2等からなる透明な層間絶縁膜１５７によって絶縁されている。１５８は第３の電極群１５６の上部を覆うパッシベーション膜、１５９は第１の平坦化層である。１６０はカラーフィルタで、当図の場合は緑（Ｇ）フィルタである。１６１は第２の平坦化層、１６２はオンチップマイクロレンズ（単にマイクロレンズともいう）である。
【００３１】
撮像用画素１５０に求められる第１の機能は、撮影光学系を通過して入射した光束を効率よく光電変換部１５２に導くことである。撮像用画素１５０に求められる第２の機能は、撮影光学系が交換されたり、ズーム操作や焦点調節動作で光学特性が変化しても、光束の伝達効率を低下させないことである。これらの機能を達成するため、通常は、マイクロレンズ１６２の焦点位置が光電変換部１５２の上面近傍になるよう、マイクロレンズ１６２の形状が設定される。また、マイクロレンズ１６２に入射した光束が第１及び第２の電極群１５４及び１５５によって遮蔽されないよう、第１及び第２の電極群１５４及び１５５の幅は最小限に形成される。
【００３２】
図６は、本実施形態の撮像素子１０７における焦点検出用画素（水平方向位相差検出用）の構造を説明するための図である。
図６（ａ）は、図５（ａ）と同じ４画素の平面図である。また図６（ｂ）は、図６（ａ）における焦点検出用画素ＳHA、ＳHBのＡ−Ａ断面図である。
図５に示した撮像用画素１５０の構造と、焦点検出用画素ＳHA、ＳHBとが異なるのは、画素内における第１及び第２の電極群１５４及び１５５の形状である。具体的には、焦点検出用画素ＳHA、ＳHBでは、スリット開口を形成するように第１及び第２の電極群１５４及び１５５の幅が制御されている。このように、本実施形態では、第１及び第２の電極群１５４及び１５５を遮光膜として用いて画素に瞳分割機能を付与し、焦点検出用画素を形成している。
【００３３】
撮影光学系の射出瞳面上での瞳分割を、撮像画素内のマイクロレンズと、遮光部材で形成された開口とによって実現する場合、各部材の寸法が微小なことで生じる光の回折や、マイクロレンズの球面収差のため、瞳結像の尖鋭度（瞳分割特性）が損なわれ易い。そして、一対の瞳領域が重なったり、撮影光学系によるケラレが生ずると、位相差検出方式の焦点検出精度は低下する。従って、特に瞳分割方向においては、一対の瞳が明瞭に分割され、かつ、撮影光学系によるケラレを最小限にすることが望ましい。
【００３４】
図５（ｂ）を参照して説明したように、マイクロレンズ１６２は、その焦点位置が光電変換部１５２の最上面近傍になるように設定される。従って、良好な瞳分割特性を得るためには、瞳分割方向の光束を規制するための遮光部材を、マイクロレンズ１６２の焦点位置に近く配置することが必要である。しかしながら、上述の通り、ＣＭＯＳイメージセンサにおいては、マイクロレンズと光電変換部との間に複数の電極層が必要である。そのため、さらに専用の遮光層を設けると撮像素子の構造が複雑化する上、マイクロレンズと光電変換部の距離が増加して撮像用画素の受光効率が低下する。
【００３５】
そこで、本実施形態においては、もともとＣＭＯＳイメージセンサが有している電極群を遮光膜として利用することにより、撮像素子の構造が複雑化すること及びマイクロレンズと光電変換部１５２との距離の増加を抑制しながら、良好な瞳分割特性を実現する。なお、図６（ａ）においても、図５（ａ）と同様、第３の電極群１５６及びその上層の構造は図示していない。
【００３６】
図６（ａ）において、第１及び第２の電極群１５４及び１５５の線幅は、撮像用画素１５０においては必要最小限の幅で形成されている。一方、焦点検出用画素ＳHA、ＳHBにおいては、まず第１の電極群１５４の線幅を、光電変換部１５２の中心に向けて部分的に拡張している。また、第２の電極群１５５の線幅も同様に光電変換部１５２の中心に向けて拡張し、これら２層の電極群により、１対のスリット開口ＯＰHA、ＯＰHBを形成する。
【００３７】
ここで、各々のスリット開口を形成する４辺のうち、瞳分割方向に平行な水平方向（Ｘ方向）の光束を規制する２辺（長辺）はマイクロレンズ１６２の焦点位置に近い第１の電極群１５４により形成する。また、瞳分割方向と直交する方向（Ｙ方向）の光束を規制する２辺（短辺）は第１の電極群１５４よりもマイクロレンズ１６２の焦点位置から遠い第２の電極群１５５で形成する。このように、瞳分割方向の光束は多層構造を有する電極群のうち、マイクロレンズ１６２の焦点位置に近くに配置された部材で規制することで、位相差検出方向の瞳尖鋭度が高くなるようにしている。また、一対のスリット開口中心を、各々のマイクロレンズの光軸に対して互いに反対方向に所定量偏倚させることで、撮影光学系に投影される一対の瞳が所定の間隔を有することとなり、画素に位相差検出のための瞳分割機能が付与される。
【００３８】
なお、多層構造を有する電極群のうち、異なる層の電極群を用いて開口を形成する場合、瞳分割方向に平行な方向の光束を規制する辺を形成する電極群は、多層構造を有する電極群のうち、マイクロレンズ１６２の焦点位置から最も遠い層以外の電極群であればよい。また、瞳分割方向に直交する方向の光束を規制する辺を形成する電極群は、多層構造を有する電極群のうち、瞳分割方向に平行な方向の光束を規制する辺を形成する電極群よりもマイクロレンズ１６２の焦点位置から遠い層の電極群であればよい。
【００３９】
また、本実施形態において、３層の電極群１５４〜１５６のうち、第１の電極群１５４はマイクロレンズ１６２から最も遠い位置にある。そのため、良好な瞳尖鋭度が得られるだけでなく、マイクロレンズ１６２の光軸と電極パターンのアライメント誤差に起因する瞳中心軸の角度ずれも軽微で済む、という効果も有する。
【００４０】
図７は、本実施形態の撮像素子１０７における焦点検出用画素（垂直方向位相差検出用）の構造を説明するための図である。
図７（ａ）は、図４における焦点検出用画素ＳVC、ＳVDと２つの撮像用画素１５０を含む４画素を拡大した平面図である。また、図７（ｂ）は、図７（ａ）における焦点検出用画素ＳVC、ＳVDのＡ−Ａ断面図である。図７（ｂ）に示す断面構成は、図５（ｂ）及び図６（ｂ）で示した構成と実質上同一のため、説明は省略する。
【００４１】
図７（ａ）を用いて、垂直方向位相差検出用の焦点検出用画素の瞳分割用スリット開口の構成を説明する。
垂直方向位相差検出用の焦点検出用画素ＳVC、ＳVDは、図６に示した水平方向位相差検出用の焦点検出用画素ＳHA、ＳHBと、第１及び第２の電極群１５４及び１５５の走向方向は同一だが、瞳分割方向は９０度異なる。そのため、瞳分割用のスリット開口を形成するための電極の形状が以下の通り異なる。
【００４２】
まず、瞳分割方向、すなわちＹ方向の光束を規制する部材は、第１の電極群１５４のうち、Ｙ方向に走向する信号伝達用主電極群１５４ａ（図４参照）ではなく、各画素の境界部に設けられた島状の中継用電極群１５４ｂを用いている。図７（ａ）の平面図に示すように、中継用電極群１５４ｂの幅を光電変換部１５２の中心に向かって拡張し、光電変換部１５２上部を覆う。また、瞳分割方向と直交する方向、すなわちＸ方向の光束を規制する部材は、Ｙ方向に走向する第２の電極群１５５の一部の幅を拡張させることによって形成する。ただし、水平方向位相差検出用の焦点検出用画素におけるＹ方向の光束を規制するための部材を形成する際とは形状が異なる。また、図７に示すように、スリット開口のＹ方向の２辺を１つの電極から延びる１対の拡張部１５５ｃで形成しており、光電変換部１５２を挟んで対向する電極１５５ｄの形状は変更されていない。なお、１対の拡張部１５５ｃを光電変換部１５２を挟んで対向する１対の電極で１つずつ形成してもよい。
【００４３】
以上の構成により、瞳分割用のスリット開口ＯＰVC、ＯＰVDを形成するが、これら一対の開口形状は、図６（ａ）に示したスリット開口ＯＰHA、ＯＰHBをＺ軸まわりに９０度回転した形状と実質的に同一になる。
【００４４】
次に、図８ないし図１０を用いて、撮影光学系と各画素の瞳投影関係について説明する。
図８は撮像用画素の瞳投影を説明する図で、図５と同じ撮影用画素の平面図（図８（ａ））及び断面図（図８（ｂ））を示しているが、断面図における画素内構造は要部のみを簡略化して示している。
【００４５】
図８（ｂ）に示すように、光電変換部１５２の上面はマイクロレンズ１６２を介して撮影光学系の瞳面に投影される。前述の通り、撮像用画素は撮影光学系の射出瞳ＴＬ全域を通過した光束を高効率に取り込むように構成されている。よって、光電変換部１５２が投影された瞳ＥＰNRMは、撮影光学系の射出瞳ＴＬをほぼカバーする形状を有する。
【００４６】
図９は、撮影光学系の水平方向（Ｘ方向）の位相差検出用画素（焦点検出用画素）の瞳投影を説明する図であり、図６に対応する。
図９（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である図９（ｂ）に示すように、画素ＳHAのスリット開口ＯＰHAは、マイクロレンズ１６２を介して、撮影光学系の射出瞳ＴＬに瞳ＥＰHAとして投影される。同様に、画素ＳHBのスリット開口ＯＰHBは瞳ＥＰHBとして投影される。すなわち、撮影光学系の射出瞳ＴＬは焦点検出用の一対の瞳ＥＰHA及びＥＰHBに分割され、分割された瞳ＥＰHAを通過した光束を画素ＳHAで、瞳ＯＰHBを通過した光束を画素ＳHBで受光する。
【００４７】
そして、画素ＳHA及び画素ＳHBは図３に示すように水平方向に規則的に配列されている。そこで、複数の画素ＳHAの出力を連ねて生成した第１の像信号と、複数の画素ＳHBの出力を連ねて生成した第２の像信号との像ずれ量、すなわち位相差を検出することで、被写体像のピントずれ量（デフォーカス量）が検出できる。
【００４８】
図１０は、撮影光学系の垂直方向（Ｙ方向）の位相差検出用画素の瞳投影を説明する図であり、図７に対応する。
図９（ｂ）と同様、図１０（ｂ）においても、画素ＳVCのスリット開口ＯＰVCは、マイクロレンズ１６２を介して、撮影光学系の射出瞳ＴＬ上に瞳ＥＰVCとして投影される。同様に、画素ＳVDのスリット開口ＯＰVDは瞳ＥＰVDとして投影される。すなわち、撮影光学系の射出瞳ＴＬは焦点検出用の一対の瞳ＥＰVC及びＥＰVDに分割され、分割された瞳ＥＰVCを通過した光束を画素ＳVCで、ＥＰVDを通過した光束を画素ＳVDで受光する。
【００４９】
そして画素ＳVC及び画素ＳVDは図３に示すように垂直方向に規則的に配列されている。そこで、複数の画素ＳVCの出力を連ねて生成した第３の像信号と、複数の画素ＳVDの出力を連ねて生成した第４の像信号との像ずれ量、すなわち位相差を検出することで、被写体像のピントずれ量（デフォーカス量）が検出できる。
【００５０】
図１１及び図１２は、射出瞳ＴＬに投影された画素の瞳の尖鋭度を説明する図で、図１１は焦点検出用画素ＳHA、ＳHBと撮像用画素の瞳尖鋭度を説明する図である。図１１（ａ）は撮影光学系の射出瞳面を撮像素子側から見た平面図で、上述の通り、ＴＬは撮影光学系の射出瞳である。また、ＥＰNRMは撮像用画素に対応した瞳形状、ＥＰHA及びＥＰHBは焦点検出用画素ＳHA及び画素ＳHBに対応した瞳形状である。
画素内での光の回折やマイクロレンズの収差のため、投影された瞳の尖鋭度は低下している。すなわち図１１（ａ）に示した瞳の像は理想的な尖鋭像ではなく、所定のボケを有している。
【００５１】
図１１（ｂ）は図１１（ａ）に示した平面図において、光軸を通る水平方向（ｘ軸方向）の断面における、各瞳の尖鋭度を説明する図で、横軸は撮影光学系の瞳面における水平座標、縦軸は各瞳における光束の透過率である。ここで、図１１（ｂ）は各画素における光の受光効率の角度依存性を表わすため、便宜上「瞳強度分布」と称する。図１１（ｂ）において、ＩＮＴNRM-H、ＩＮＴHA-H、ＩＮＴHB-Hはそれぞれ撮像用画素、焦点検出用画素ＳHA、及びＳHBの、水平方向断面における瞳強度分布である。また、各瞳強度分布において、最大値の１／２の強度における幅を瞳強度分布の幅Ｗ、同じく１／２の強度における傾き角θを瞳強度分布の尖鋭度と定義し、図１１（ｂ）のごとく添え字にて区別する。
【００５２】
図１１（ｃ）は、図１１（ｂ）と同様、図１１（ａ）に示した平面図において、光軸を通る垂直方向（ｙ軸方向）の断面における、各瞳の尖鋭度を説明する図である。そして、ＩＮＴNRM-V、ＩＮＴHA-V、ＩＮＴHB-Vはそれぞれ撮像用画素、焦点検出用画素ＳHA、及びＳHBの、垂直方向断面における瞳強度分布である。また、各画素における瞳強度分布の幅Ｗと尖鋭度θは図示のごとく添え字にて区別する。
【００５３】
次に図１１における各瞳強度分布の特徴について説明する。まず、撮像用画素においては図５（ａ）に示したように、光電変換部１５２は第１及び第２の電極群１５４及び１５５によって覆われることなく、光電変換領１５２の全体が露出している。そこでその瞳強度分布は幅が広く、かつ水平方向の幅ＷNRM-H及び垂直方向の幅ＷNRM-Vはほぼ同一である。また、光電変換部１５２はその外縁部において光電変換効率が漸減するため、瞳強度分布の尖鋭度θNRM-H及びθNRM-Vは低く、裾はなだらかである。
【００５４】
一方、焦点検出用画素においては、図１１（ｂ）に示すように、水平方向における瞳強度分布の幅ＷHA-H及び幅ＷHB-Hは狭く、また尖鋭度θHA-H及びθHB-Hは高い。これに対し、図１１（ｃ）に示すように、垂直方向における瞳強度分布の幅ＷHA-V及び幅ＷHB-Vは広く、また尖鋭度θHA-V及びθHB-Vは低い。
【００５５】
すなわち、焦点検出用画素においては、瞳分割方向の各瞳の瞳強度分布は先鋭度が高く、一対の瞳は明瞭に分離されている。一方で、瞳分割と直交する方向には広範囲の光束を取り込むことで、焦点検出画素の受光量低下を軽減している。
【００５６】
図１２は焦点検出用画素ＳVC、ＳVDと撮像用画素の瞳尖鋭度を説明する図である。図１１に対して図１２は瞳分割方向が９０度異なっているため、図１２（ｂ）と図１２（ｃ）の特性が反転しているが、瞳分割方向の特性同士を比較すると、両者は実質上同一の特性である。また、瞳分割方向と直交する方向の特性も両者は実質上同一となっている。
【００５７】
図１３は、本実施形態のデジタルカメラにおいて、焦点検出時に取得した画像と焦点検出領域の例を模式的に説明する図である。
図１３において、撮像素子１０７の撮像面に形成された被写体像には、中央に人物、左側に近景の樹木、右側に遠景の山並みが写っている。
【００５８】
本実施形態の撮像素子１０７は、水平方向の位相差を検出するための第１の焦点検出用画素対ＳHA及びＳHBと、垂直方向の位相差を検出するための第２の焦点検出用画素対ＳVC及びＳVDを有する。そして、第１の焦点検出用画素対及び第２の焦点検出用画素対は、図３に示したように、均等な密度で撮像素子１０７の全体に分散して配置されている。
そして、位相差検出の際には、焦点検出用画素の信号を、図３で示したようにグループ化処理する。これにより、撮像領域の任意位置において、水平方向及び垂直方向の位相差検出のための焦点検出領域を設定可能である。
【００５９】
図１３においては、画面中央に人物の顔が存在している。例えば画像処理回路１２５において撮像画像に対して公知の顔認識技術を適用し、顔の存在が検出された場合には、顔領域を中心に焦点検出領域を設定することができる。
【００６０】
具体的には、図１３に示すように、顔領域を中心として、水平方向の位相差検出のための焦点検出領域ＡＦＡＲh(x1, y1)と、垂直方向の位相差検出のための焦点検出領域ＡＦＡＲv(x3, y3)を設定することができる。なお、添え字のｈは水平方向を表わし、(x1, y1)及び(x3, y3)はそれぞれ、焦点検出領域の左上隅の画素座標値を表わす。そして、焦点検出領域ＡＦＡＲh(x1, y1)に含まれる焦点検出用画素ＳHAで得られた画像信号を水平方向に連結した位相差検出用のＡ像信号をＡＦＳＩＧh(A1)とする。また、同様に、焦点検出領域ＡＦＡＲh(x1, y1)に含まれる焦点検出用画素ＳHBで得られた画像信号を水平方向に連結した位相差検出用のＢ像信号をＡＦＳＩＧh(B1)とする。
そして、Ａ像信号ＡＦＳＩＧh(A1)とＢ像信号ＡＦＳＩＧh(B1)の位相差を公知の相関演算によって計算することで、水平方向における焦点ずれ量（デフォーカス量）を求めることができる。
【００６１】
焦点検出領域ＡＦＡＲv(x3, y3)についても同様にして、焦点検出用画素ＳVCとＳVDから得たＣ像信号ＡＦＳＩＧv(C3)とＤ像信号ＡＦＳＩＧv(D3)を求め、さらに垂直方向における焦点ずれ量を求める。
そして、２つの焦点検出領域ＡＦＡＲh(x1, y1)及びＡＦＡＲv(x3, y3)で検出した２つの焦点ずれ量を比較し、信頼性の高い値を採用すればよい。
【００６２】
一方、画面左側の樹木の幹部は、縦線成分が主体、すなわち水平方向に輝度分布を有しているため、水平方向の位相差検出に適した被写体と判断し、水平方向の位相差検出のための焦点検出領域ＡＦＡＲh(x2, y2)を設定する。また、画面右側の山並みの稜線部は、横線成分が主体、すなわち縦方向の輝度分布が主体であるため、垂直方向の位相差検出のための焦点検出領域ＡＦＡＲv(x4, y4)を設定する。
【００６３】
このように、本実施形態においては、水平方向及び垂直方向の位相差検出のための焦点検出領域を画面（撮像素子）の任意領域に設定可能なため、被写体の画面内位置や輝度分布の方向性が様々であっても、適切な焦点検出を行うことができる。
【００６４】
図１４〜図１６は、本実施形態におけるデジタルカメラの焦点調節及び撮影動作を説明するためのフローチャートである。
図１４は、本実施形態に係るデジタルカメラの全体的な動作を説明するためのフローチャートである。
【００６５】
撮影者が操作スイッチ１３２の電源スイッチをオン操作すると、Ｓ１０３においてＣＰＵ１２１はカメラ内の各アクチュエータや撮像素子の動作確認を行ない、メモリ内容や実行プログラムの初期化を行なうと共に、撮影準備動作を実行する。
【００６６】
Ｓ１０５でＣＰＵ１２１は撮像素子駆動回路１２４を通じて撮像素子１０７の撮像動作を開始する。また、画像処理回路１２５によって撮像画像を処理し、表示用（記録用よりも低解像度）の画像を生成する。画像処理回路１２５はさらに、表示用画像から人物の顔を検出する。
【００６７】
Ｓ１０７でＣＰＵ１２１は、画像処理回路１２５が生成する表示用の画像を表示器１３１に逐次出力して、表示器１３１をＥＶＦとして機能させる。撮影者は表示器１３１に表示される画像を見ながら、撮影時の構図決定を行なう。
【００６８】
Ｓ１０９で、ＣＰＵ１２１は、画像処理回路１２５から、顔検出結果と、顔が検出されていれば顔領域に関する情報を取得する。そして、顔が検出されている場合には、Ｓ１１１からＳ１１３に移行し、ＣＰＵ１２１は焦点調節モードを顔ＡＦモードに設定する。ここで顔ＡＦモードとは、顔領域に焦点検出領域を設定するＡＦモードを指す。
【００６９】
一方、表示用画像から顔が検出されなかった場合、Ｓ１１１からＳ１１５に移行し、ＣＰＵ１２１は焦点調節モードを多点ＡＦモードに設定する。ここで多点ＡＦモードとは、撮影領域を複数の領域（例えば縦３、横５の１５領域）に分割し、各分割領域で焦点検出を行ない、焦点検出結果と被写体の輝度情報から推定される主被写体の存在する分割領域を最終的な焦点検出領域とするモードを指す。
【００７０】
Ｓ１１３あるいはＳ１１５でＡＦモードを決定したら、ＣＰＵ１２１は、Ｓ１１７で焦点検出領域を決定する。Ｓ１２１では、撮影準備スイッチがオン操作されたか否かを判別し、オン操作されていなければＳ１０５に戻り、撮像素子駆動からＳ１１７の焦点検出領域の決定を繰り返し実行する。
【００７１】
Ｓ１２１でＣＰＵ１２１は操作スイッチ１３２の撮影準備スイッチの状態を検出し、オンであればＳ１３１へ、オンでなければＳ１０５へ処理を移す。撮影準備スイッチは、例えばレリーズボタンが半押しされるとオンするスイッチであって良い。
【００７２】
図１５は、Ｓ１３１で行う焦点検出処理の詳細を説明するためのフローチャートである。
Ｓ１３２において、ＣＰＵ１２１は、Ｓ１１７で決定した焦点検出領域に含まれる撮像用画素と焦点検出用画素を読み出す。Ｓ１３３において、ＣＰＵ１２１は、読み出した撮像用画素の情報から、焦点検出領域における被写体輝度変化の方向依存性（被写体パターン）を認識する。Ｓ１３４でＣＰＵ１２１は、Ｓ１３３で認識した被写体パターンから、焦点検出に適した位相差検出方向を選択する。具体的には、被写体像の輝度変化が水平方向のみに存在する場合は、水平方向の位相差を検出する焦点検出用画素のみを用いた焦点検出を行なう。同様に、被写体像の輝度変化が垂直方向のみに存在する場合は、垂直方向の位相差を検出する焦点検出用画素のみを用いた焦点検出を行なう。また、被写体像の輝度変化が水平及び垂直の両方向に存在する場合は、水平方向の位相差を検出する焦点検出用画素と垂直方向の位相差を検出する焦点検出用画素の両方を用いた焦点検出（クロス測距）を行なう。
【００７３】
Ｓ１４１でＣＰＵ１２１は、焦点検出領域内の焦点検出画素の出力を画素位置に応じて連結し、ＡＦ画素信号を得る。Ｓ１４２でＣＰＵ１２１は、Ｓ１４１で得たＡＦ画素信号に、シェーディング補正（周辺画面の光量落ち補正）や、ビネッティングによる２像の歪みの復元補正等を施し、相関演算用の１対の像信号を生成する。具体的には、図１３に示したＡ像信号ＡＦＳＩＧh(A1)とＢ像信号ＡＦＳＩＧh(B1)、あるいはＣ像信号ＡＦＳＩＧv(C3)とＤ像信号ＡＦＳＩＧv(D3)などの１対の像信号を生成する。
【００７４】
Ｓ１４３でＣＰＵ１２１は位相差検出用の像信号対の相関演算を行ない、像信号の位相差を計算する。
Ｓ１４４でＣＰＵ１２１は、相関演算結果の信頼性を判定する。ここで信頼性とは、像信号対の一致度（波形の類似度）を指し、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い。そこで、複数の焦点検出領域が選択されている場合は、信頼性の高い像信号対に基づく位相差を優先的に使用する。
Ｓ１４５でＣＰＵ１２１は、信頼性の高い像信号対から求められた位相差に基づいて最終的な焦点ずれ量を演算し、焦点検出処理を終了する。
【００７５】
図１４に戻り、Ｓ１５１でＣＰＵ１２１は、焦点検出処理で計算した焦点ずれ量が許容値以下か（合焦と判定可能か）否かを判断する。焦点ずれ量が許容値より大きい場合、ＣＰＵ１２１は非合焦と判断し、Ｓ１５３でフォーカス駆動回路１２６を通じてフォーカスレンズ（第３レンズ群）１０５を所定方向に所定量駆動する。そして、Ｓ１５１で合焦と判定されるまでＳ１３１〜Ｓ１５３の処理を繰り返し実行する。
そしてＳ１５１にて合焦状態に達したと判定されると、ＣＰＵ１２１はＳ１５５にて表示器１３１に合焦表示を行ない、Ｓ１５７に移行する。
【００７６】
Ｓ１５７でＣＰＵ１２１は、撮影開始スイッチがオン操作されたか否かを判別し、オン操作されていなければＳ１５７にて撮影待機状態を維持する。Ｓ１５７で撮影開始スイッチがオン操作されるとＳ１６１に移行し、撮影処理を実行する。撮影開始スイッチは、例えばレリーズボタンが全押しされるとオンするスイッチであって良い。
【００７７】
図１６はＳ１６１で行う撮影処理の詳細を説明するためのフローチャートである。
Ｓ１６３でＣＰＵ１２１はシャッタ駆動回路１２８を通じてシャッタ１０２の開口量と開閉タイミングを制御し、露光処理を行う。なお、特に説明しなかったが、一般的に行われているように、焦点検出処理と並行して自動露出制御処理も行われ、絞り値及びシャッタースピードが決定されているものとする。
【００７８】
Ｓ１６５でＣＰＵ１２１は、撮像素子駆動回路１２４を介して記録用画像生成のための画像読み出し、すなわち全画素の読み出しを行なう。
【００７９】
Ｓ１６７でＣＰＵ１２１は、画像処理回路１２５を用い、読み出した画像信号の欠損画素補間を行なう。ここで、欠損画素には、撮像素子１０７の製造時に生じた欠陥画素と、焦点検出用画素が含まれる。上述の通り、焦点検出用画素にはＲＧＢのカラーフィルタが設けられておらず、また射出瞳の一部からしか受光しないので、通常の欠陥画素と同様、周囲の撮像用画素の情報から補間により画像信号を生成する。
【００８０】
Ｓ１６９でＣＰＵ１２１は、画像処理回路１２５により、色補間、画像のγ補正、エッジ強調等の所謂現像処理と、設定に応じて符号化等の画像処理を行う。
Ｓ１７１において、ＣＰＵ１２１は、記録媒体１３３に撮影画像を記録する。
Ｓ１７３でＣＰＵ１２１は、表示器１３１に撮影済み画像を表示し、撮影処理を終了する。
【００８１】
以上説明したように、本実施形態によれば、もともと撮像素子が備えている電極群を瞳分割方向の光束を制限する部材（遮光膜）として利用するため、専用の遮光膜を設ける必要が無く、撮像素子の構造が複雑化する程度を抑制することができる。
【００８２】
また、電極群はマイクロレンズの焦点近傍に位置しているため、瞳分割方向の瞳強度分布が尖鋭になる。その結果、瞳分離性能が良好になって位相差検出用の像信号の劣化が抑制され、良好な焦点検出精度が得られる。
【００８３】
電極群がマイクロレンズの焦点近傍に位置していることは、瞳分割方向の光束を制限する部材とマイクロレンズ間の距離が大きいことに等しい。そのため、光束を制限する部材とマイクロレンズのアライメント誤差に起因する瞳強度分布の位置ずれ誤差を低くすることができる。その結果、焦点検出用瞳が撮影レンズにケラレる場合であっても、一対の瞳におけるケラレ量がほぼ同一となり、光量アンバランスが生じにくいため、焦点検出精度の低下を抑制できる。
【００８４】
〔第２の実施形態〕
第１の実施形態では、マイクロレンズ１６２の焦点位置との距離が異なる第１及び第２の電極群１５４及び１５５のうち、焦点検出用画素で瞳分割方向の光束を規制する部材はマイクロレンズ１６２の焦点位置により近い第１の電極群１５４を用いて形成した。そして、焦点検出用画素で瞳分割方向と直交する方向の光束を規制する部材はマイクロレンズ１６２の焦点位置に対して第１の電極群１５４よりも遠い第２の電極群１５５を用いて形成した。
これに対し、第２の実施形態では、第２の電極群１５５を用いずに、第１の電極群１５４で瞳分割方向とこれに直交する方向の光束を規制する部材を形成する。
【００８５】
図１７は第２の実施形態に係る焦点検出装置を構成する撮像素子のうち、単位ブロックに含まれる８行８列の６４画素を撮影光学系から見た状態を拡大して示した平面図である。
黒の矩形で示される光電変換部１５２は、各画素の最下層に設けられており、すべての画素でほぼ正方形状を有する。なお、後述するように、光電変換部１５２の全体が見えている画素１５０が撮像用画素、一部のみが見えている画素ＳHA、ＳHB、ＳVC及びＳVDが焦点検出用画素である。光電変換部１５２の出力は、第１の電極群２５４及び第２の電極群２５５によって読み出される。なお、第１の実施形態に係る撮像素子と第２の実施形態に係る撮像素子は、第１及び第２の電極群の形状のみが異なり、他の部材の形状は同一なため、異なる点のみ説明する。
【００８６】
光電変換部１５２より上層（光の入射側）に配置された第１の電極群２５４は、Ｙ方向（図中上方向）に延伸し、Ｘ方向（図中右方向）に規則的に複数配置された線状の信号伝達用主電極群２５４ａと、各画素内に配置された島状の中継用電極群２５４ｂとから構成される。また、第１の電極群２５４より上層に配置された第２の電極群２５５は、Ｘ方向に延伸し、Ｙ方向に規則的に複数配置された線状の電極２５５ａで構成される。光電変換部１５２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の電極群２５４、及び第２の電極群２５５を介して後段の回路部に出力される。
【００８７】
ここで、第１及び第２の電極群２５４及び２５５の形状は、撮像用画素の周囲に対応する箇所においては第１の実施形態の第１及び第２の電極群１５４及び１５５と同一形状である。しかし、焦点検出用画素ＳHA、ＳHB、ＳVC及びＳVDの周囲に位置する箇所の形状は、以下に説明するように第１の実施形態と異なっている。
【００８８】
図１８は本実施形態の撮像素子１０７における焦点検出用画素（水平方向位相差検出用）の構造を説明するための図であり、第１の実施形態の図６に対応する。図１８（ａ）は、図１７における焦点検出用画素ＳHA、ＳHBと２つの撮像用画素１５０を含む４画素を拡大した平面図である。また図１８（ｂ）は、図１８（ａ）における焦点検出用画素ＳHA、ＳHBのＡ−Ａ断面図である。
【００８９】
第２の実施形態においても、焦点検出用画素ＳHA及びＳHBは瞳分割用のスリット開口ＯＰHA及びＯＰHBを備えるが、それぞれの開口を形成するすべての辺は、第１の電極群２５４で形成されている。一方で、第１の電極群２５４はＹ方向に走向するが、焦点検出用画素の光電変換部１５２のうち、第１の電極群２５４で遮光されていない領域（無電極部）が存在する。光電変換部１５２の近傍に存在する無電極部を透過した光束が回折によって光電変換部１５２に到達すると、焦点検出用画素の瞳強度分布に有害な二次ピークが発生してしまう。そこで第２の実施形態においては、第２の電極群２５５の一部の幅を無電極部の遮光するように拡張した突出部２５５H及び２５５Sを設け、無電極部から光電変換部への光束の入射を抑制する。この構成により、焦点検出用画素にスリット開口以外から入射する不要光を効果的に減少させることができる。
【００９０】
このように、第２の実施形態においては、撮像素子が備える電極群のうち、マイクロレンズの焦点位置の近くに設けられている第１の電極群のみを用いて焦点検出用画素用のスリット開口を形成する。さらに、焦点検出用画素の光電変換部の、第１の電極群で遮光されていない領域を第１の電極群よりもマイクロレンズの焦点位置から遠くに配置された第２の電極群を用いて遮光し、焦点検出用画素の光電変換部にスリット開口以外から入射する光束を制限する。
【００９１】
図１９は、本実施形態の撮像素子１０７における焦点検出用画素（垂直方向位相差検出用）の構造を説明するための図であり、第１の実施形態の図７に対応する。図１９（ａ）は、図１７における焦点検出用画素ＳVC、ＳVDと２つの撮像用画素１５０を含む４画素を拡大した平面図である。また、図１９（ｂ）は、図１９（ａ）における焦点検出用画素ＳVC、ＳVDのＡ−Ａ断面図である。図１９（ａ）を用いて、垂直方向位相差検出用の焦点検出用画素における瞳分割用スリット開口の構成を説明する。
【００９２】
垂直方向位相差検出用の焦点検出用画素ＳVC、ＳVDは、図１８に示した水平方向位相差検出用の焦点検出用画素ＳHA、ＳHBと、第１及び第２の電極群２５４及び２５５の走向方向は同一だが、瞳分割方向は９０度異なる。そのため、瞳分割用のスリット開口を形成するための電極の形状が以下の通り異なる。
【００９３】
まず、図１８に示した水平方向位相差検出用の焦点検出用画素においては、第１の電極群２５４のうち、Ｙ方向に走向する線状の信号伝達用主電極２５４ａの幅を光電変換部１５２を覆うように拡張し、その拡張部にスリット開口を設けていた。これに対し、垂直方向位相差検出用の焦点検出用画素においては、図１９（ａ）に示すように、第１の電極群２５４のうち、島状の中継用電極群２５４ｂをＹ方向に拡張した拡張部によって光電変換部１５２を覆い、拡張部にスリット開口ＯＰVD又はＯＰVCを設ける。また、第１の電極群２５４のうち、Ｙ方向に走向する信号伝達用主電極群２５４ａと島状の中継用電極群２５４ｂの間に存在する無電極部を遮蔽するよう、第２の電極群２５５の突出部２５５V及び２５５Sを設け、光束が入射可能な無電極部を減少させている。これにより、瞳分割にとって有害な不要光が無電極部を通じて光電変換部１５２に到達することを効果的に抑制している。
【００９４】
図２０及び図２１は、第２の実施形態における各画素の瞳の尖鋭度を説明する図で、第１の実施形態の図１１及び図１２に対応する。図２０は、図１８に示した焦点検出用画素ＳHA、ＳHBと撮像用画素の瞳尖鋭度を説明する図である。
【００９５】
第２の実施形態の焦点検出用画素では、瞳分割方向とこれに直交する方向の光束を規制するスリット状開口を、共に第１の電極群で形成する。つまり、スリット開口が、マイクロレンズ１６２の焦点位置からの距離が等しい電極で形成される。そのため、図２０（ｂ）における水平方向の断面での瞳強度分布の尖鋭度θHA-H及びθHB-Hと、図２０（ｃ）における垂直方向の断面での瞳強度分布の尖鋭度θHA-V及びθHB-Vは同一となる。一方、瞳強度分布の幅Ｗは、第１の実施形態と同様、瞳分割方向である水平方向で狭く（図２０（ｂ））、垂直方向で広い（図２０（ｃ））。そのため、本実施形態においても、瞳分離の明瞭性と、受光量低下の軽減の両立が実現されている。
【００９６】
また、図２０（ｂ）において破線で示した瞳強度分布ＩＮＴHA-X及びＩＮＴHB-Xは、図１８（ａ）における第２の電極群２５５の突出部２５５H及び２５５Sが無いと仮定した場合の、無電極部を通じて光電変換部１５２に到達した洩れ光による二次ピークである。このような洩れ光による二次ピークがあると、Ｆナンバの小さい、すなわち明るい撮影光学系を用いた際の瞳分割性能が悪化する。その結果、位相差検出用の一対の像信号の位相差とピントずれ量の相関が不規則になり、正確な焦点検出が困難となる。これに対して第２の実施形態では、図１８（ａ）に示したように、第２の電極群２５５に、突出部２５５H及び２５５Sを設けて不要光を遮断しているため、洩れ光による二次ピークＩＮＴHA-X及びＩＮＴHB-Xの発生を抑制でき、瞳分割特性の悪化を軽減できる。
【００９７】
図２１は焦点検出用画素ＳVC、ＳVDと撮像用画素の瞳尖鋭度を説明する図である。図２０に対して図２１は瞳分割方向が９０度異なっているため、図２１（ｂ）及び図２１（ｃ）の特性が図２０（ｂ）及び図２０（ｃ）と反転しているが、瞳分割方向の特性同士を比較すると、両者は実質上同一の特性である。また、瞳分割方向と直交する方向の特性も両者は実質上同一である。
【００９８】
なお、第２の実施形態における焦点検出領域の選択や、位相差検出用画像は図１３に示したものと同一である。また、焦点検出や撮像に係る動作は第１の実施形態において図１４ないし図１６を参照して説明したとおりであるため、説明は省略する。
【００９９】
以上説明したように、本実施形態によれば、第１の実施形態の効果に加え、マイクロレンズの焦点位置の近くに設けられる電極群によって瞳分割用の開口部を形成するため、瞳分割方向とこれに直交する方向の瞳強度分布が尖鋭になる。
【０１００】
さらに、瞳分割用の開口部を形成する電極群とは異なる電極群により、無電極部から入射して光電変換部に到達する光を遮断することで、瞳分離特性を一層向上させることができる。その結果、位相差検出用の像信号の劣化が抑制され、焦点検出精度を向上させることができる。
【０１０１】
また、瞳分割方向の光束を制限する開口部を形成する全ての部材とマイクロレンズ間の距離が大きいので、光束を制限する部材とマイクロレンズのアライメント誤差に起因する瞳強度分布の位置ずれ誤差を一層低くすることができる。その結果、焦点検出用瞳が撮影レンズにケラレる場合であっても、一対の瞳におけるケラレ量がほぼ同一となり、光量アンバランスが生じにくいため、焦点検出精度の低下を一層抑制できる。
【０１０２】
なお、上述の実施形態では、本発明に係る焦点検出装置をデジタルスチルカメラに適用した場合を説明した。しかし、ＣＭＯＳイメージセンサを代表とする、光電変換部とマイクロレンズとの間に光遮蔽が可能な物質による層が形成される撮像素子に対して本発明は広く利用可能である。従って、そのような撮像素子を利用可能な任意の装置に対して本発明を適用可能である。具体的には、動画撮影を行なうカムコーダ（ムービーカメラ）、各種検査カメラ、監視カメラ、内視鏡カメラ、ロボット用カメラ等、デジタルカメラの機能を有する任意の装置に適用可能である。
【０１０３】
なお、上述の実施形態において、焦点検出用画素を有する撮像素子以外の構成は本発明に必須でない。焦点検出用画素の出力から位相差検出用の１対の像信号を生成する構成や、位相差検出用の１対の像信号からフォーカスのずれ量を求める構成は公知の任意の構成を利用することができる。
【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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