(57)【要約】【課題】焦点検出および画質向上を同時に実現可能な撮像素子を提供する。【解決手段】撮像素子は、１つのマイクロレンズを共有する第一の画素、第二の画素、および、第三の画素と、第一の画素と第二の画素との間に設けられた第一の境界部と、第一の画素と第三の画素との間に設けられた第二の境界部とを有し、第一の画素の電荷量が飽和した場合、第一の画素から第一の境界部を介して第二の画素へ移動する第一の電荷量は、第一の画素から第二の境界部を介して第三の画素へ移動する第二の電荷量よりも多い。【選択図】図１
2014107835.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つのマイクロレンズを共有する第一の画素、第二の画素、および、第三の画素と、
前記第一の画素と前記第二の画素との間に設けられた第一の境界部と、
前記第一の画素と前記第三の画素との間に設けられた第二の境界部と、を有し、
前記第一の画素の電荷量が飽和した場合、該第一の画素から前記第一の境界部を介して前記第二の画素へ移動する第一の電荷量は、該第一の画素から前記第二の境界部を介して前記第三の画素へ移動する第二の電荷量よりも多い、ことを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
前記第一の画素の電荷量が飽和した場合、
前記第一の境界部は、前記第一の画素から前記第二の画素への電荷移動を可能とするように構成され、
前記第二の境界部は、前記第一の画素から前記第三の画素への電荷移動を妨げるように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】
前記第一の境界部および前記第二の境界部はＰ型半導体で構成されており、
前記第一の境界部のＰ型不純物濃度は、前記第二の境界部のＰ型不純物濃度よりも低いことを特徴とする請求項１または２に記載の撮像素子。
【請求項４】
前記１つのマイクロレンズに隣接するマイクロレンズを共有する第四の画素、第五の画素、および、第六の画素と、
前記第四の画素と前記第五の画素との間に設けられた第三の境界部と、
前記第四の画素と前記第六の画素との間に設けられた第四の境界部と、を更に有し、
前記第四の画素の電荷量が飽和した場合、該第四の画素から前記第三の境界部を介して前記第五の画素へ移動する第三の電荷量は、該第四の画素から前記第四の境界部を介して前記第六の画素へ移動する第四の電荷量よりも多く、
前記第一の境界部と前記第三の境界部とは、互いに異なる方向に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項５】
前記第四の画素の電荷量が飽和した場合、
前記第三の境界部は、前記第四の画素から前記第五の画素への電荷移動を可能とするように構成され、
前記第四の境界部は、前記第四の画素から前記第六の画素への電荷移動を妨げるように構成されていることを特徴とする請求項４に記載の撮像素子。
【請求項６】
複数色のカラーフィルタと、
前記複数色のカラーフィルタのうち一色のカラーフィルタに対応する第一のマイクロレンズと、
前記一色のカラーフィルタに対応し、該一色のカラーフィルタに関して前記第一のマイクロレンズと隣接する第二のマイクロレンズと、を更に有し、
前記第一のマイクロレンズは、前記第一の画素、前記第二の画素、および、前記第三の画素に共有され、
前記第二のマイクロレンズは、前記第四の画素、前記第五の画素、および、前記第六の画素に共有されていることを特徴とする請求項４または５に記載の撮像素子。
【請求項７】
第一のマイクロレンズを共有する第一の画素および第二の画素と、
第二のマイクロレンズを共有する第三の画素および第四の画素と、
前記第一の画素と前記第二の画素との間に設けられた第一の境界部と、
前記第三の画素と前記第四の画素との間に設けられた第二の境界部と、を有し、
前記第一の画素および前記第三の画素の電荷量が飽和した場合、該第一の画素から前記第一の境界部を介して前記第二の画素へ移動する第一の電荷量は、該第三の画素から前記第二の境界部を介して前記第四の画素へ移動する第二の電荷量よりも多い、ことを特徴とする撮像素子。
【請求項８】
前記第一の画素および前記第三の画素の電荷量が飽和した場合、
前記第一の境界部は、前記第一の画素から前記第二の画素への電荷移動を可能とするように構成され、
前記第二の境界部は、前記第三の画素から前記第四の画素への電荷移動を妨げるように構成されていることを特徴とする請求項７に記載の撮像素子。
【請求項９】
前記第一のマイクロレンズと前記第二のマイクロレンズは、二次元状に交互に配列されていることを特徴とする請求項７または８に記載の撮像素子。
【請求項１０】
前記第一の境界部および前記第二の境界部はＰ型半導体で構成されており、
前記第一の境界部のＰ型不純物濃度は、前記第二の境界部のＰ型不純物濃度よりも低いことを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項１１】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像素子と、
前記撮像素子の複数の画素の少なくとも一部から得られた信号に基づいて相関演算を行う演算手段と、を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項１２】
請求項４乃至６のいずれか１項に記載の撮像素子と、
前記撮像素子の複数の画素の少なくとも一部から得られた信号に基づいて相関演算を行う演算手段と、を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項１３】
請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の撮像素子と、
前記撮像素子の複数の画素の少なくとも一部から得られた信号に基づいて相関演算を行う演算手段と、を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項１４】
前記演算手段は、前記第一の画素と前記第二の画素との加算電荷を用いて第一の方向における相関演算を行うことを特徴とする請求項１１または１２に記載の撮像装置。
【請求項１５】
前記演算手段は、前記第一の画素と前記第二の画素との加算電荷を用いて第一の方向における相関演算を行い、前記第四の画素と前記第五の画素との加算電荷を用いて前記第一の方向と異なる第二の方向における相関演算を行うことを特徴とする請求項１２に記載の撮像装置。
【請求項１６】
前記第一の画素および前記第二の画素の両方の電荷が飽和した場合、前記第四の画素と前記第五の画素との加算電荷を用いて第二の方向における相関演算を行うことを特徴とする請求項１２に記載の撮像装置。
【請求項１７】
前記１つのマイクロレンズを共有する複数の画素から前記相関演算に用いられる画素を選択する画素選択手段を更に有し、
前記演算手段は、前記画素選択手段により選択された前記画素から得られた前記信号に基づいて前記相関演算を行うことを特徴とする請求項１１または１２に記載の撮像装置。
【請求項１８】
前記第三の画素または前記第四の画素の電荷が飽和した場合、前記第一の画素と前記第二の画素との加算電荷を用いて該第三の画素または該第四の画素の電荷を推定する電荷推定手段を更に有することを特徴とする請求項１３に記載の撮像装置。
【請求項１９】
撮像光学系と、
請求項１１乃至１８のいずれか１項に記載の撮像装置と、を有することを特徴とする撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１つのマイクロレンズを共有する複数の画素を備えた撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、１つのマイクロレンズを共有する複数の画像を備えた撮像素子を用いて、その撮像素子から得られた２つの瞳分割画像の位相差に基づいて焦点検出を行う撮像装置が知られている。特許文献１には、１つのマイクロレンズを共有する複数の画像を備えた撮像素子を有する撮像装置が開示されている。特許文献１に開示された撮像装置は、撮像素子から得られた２つの瞳分割画像の位相差に基づいて焦点検出を行うとともに、１つのマイクロレンズを共有する複数の画素の加算信号（加算電荷）を用いて撮像信号を生成することで高品位な画像出力を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−８３４０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示された撮像装置において、各分割画素が飽和すると、焦点検出および画質向上を同時に実現することができない。
【０００５】
そこで本発明は、焦点検出および画質向上を同時に実現可能な撮像素子、撮像装置、および、撮像システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面としての撮像素子は、１つのマイクロレンズを共有する第一の画素、第二の画素、および、第三の画素と、前記第一の画素と前記第二の画素との間に設けられた第一の境界部と、前記第一の画素と前記第三の画素との間に設けられた第二の境界部とを有し、前記第一の画素の電荷量が飽和した場合、該第一の画素から前記第一の境界部を介して前記第二の画素へ移動する第一の電荷量は、該第一の画素から前記第二の境界部を介して前記第三の画素へ移動する第二の電荷量よりも多い。
【０００７】
本発明の他の側面としての撮像素子は、第一のマイクロレンズを共有する第一の画素および第二の画素と、第二のマイクロレンズを共有する第三の画素および第四の画素と、前記第一の画素と前記第二の画素との間に設けられた第一の境界部と、前記第三の画素と前記第四の画素との間に設けられた第二の境界部とを有し、前記第一の画素および前記第三の画素の電荷量が飽和した場合、該第一の画素から前記第一の境界部を介して前記第二の画素へ移動する第一の電荷量は、該第三の画素から前記第二の境界部を介して前記第四の画素へ移動する第二の電荷量よりも多い。
【０００８】
本発明の他の側面としての撮像装置は、前記撮像素子と、前記撮像素子の複数の画素の少なくとも一部から得られた信号に基づいて相関演算を行う演算手段とを有する。
【０００９】
本発明の他の側面としての撮像システムは、撮像光学系と、前記撮像装置とを有する。
【００１０】
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、焦点検出および画質向上を同時に実現可能な撮像素子、撮像装置、および、撮像システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態における撮像素子の構成図である。
【図２】実施例１における撮像素子の画素配列を示す図である。
【図３】本実施形態における撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図４】実施例１の撮像素子において、像高の高い位置の画素が光を受光する場合の説明図である。
【図５】実施例１の撮像素子において、１つのマイクロレンズに対応する１画素の電荷が飽和した場合の説明図である。
【図６】実施例１の撮像素子において、１つのマイクロレンズに対応する２画素の電荷が飽和した場合の説明図である。
【図７】実施例２における撮像素子の画素配列を示す図である。
【図８】実施例２における撮像素子の同色画素の配列を示す図である。
【図９】実施例３の撮像素子において、像高の高い位置の画素が光を受光する場合の説明図である。
【図１０】実施例３における撮像素子の画素配列を示す図である。
【図１１】実施例４における撮像素子の画素配列を示す図である。
【図１２】実施例４における撮像素子の画素配列を示す図である。
【図１３】本実施形態の撮像素子の要部断面およびポテンシャルの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１４】
まず、図３を参照して、本実施形態における撮像装置３００の構成について説明する。図３は、撮像装置３００の構成を示すブロック図である。３０１はレンズユニット（撮像光学系）、３０２は撮像素子、３０３はＡ／Ｄ変換部、および、３０４は飽和検出部である。３０５は、１つのマイクロレンズを共有する複数の画素から得られる信号を加算するＡＢ像加算部である。３０６は、ＡＢ像加算部３０５から出力された加算信号に対して各種の信号処理を行う信号処理部である。信号処理部３０６は、各種の信号処理を行って得られた画像データを撮影画像として出力する。
【００１５】
３０７は、ＡＦ制御を行うため、飽和していない画素を選択する使用画素選択部（非飽和画素選択部）である。３０８は、Ａ像とＢ像とを分離するＡＢ像分離部である。ＡＢ像分離部３０８は、２つの異なる像信号を取得する。３０９は相関演算部（演算手段）である。相関演算部３０９は、撮像素子３０２の複数の画素の少なくとも一部から得られた信号（像信号）に基づいて相関演算を行う。３１０はデフォーカス量算出部である。３１１は撮像装置３００のシステム全体を制御する制御用マイコン、３１２は飽和レベルの個体差を記憶するＲＯＭ（記憶手段）である。
【００１６】
なお、本実施形態の撮像装置３００は、レンズユニット３０１（撮像光学系）を一体的を備えた構成されているが、これに限定されるものではない。本実施形態は、撮像光学系（レンズ装置）が着脱可能な撮像装置本体と、撮像装置本体に取り付けられた撮像光学系とを有する撮像システムにも適用可能である。
【００１７】
次に、図１を参照して、本実施形態における撮像素子の構成について説明する。図１は、本実施形態における撮像素子３０２の構成図であり、図１（ａ）は撮像素子３０２の要部断面図、図１（ｂ）は受光部１０４の平面図である。
【００１８】
図１（ａ）において、マイクロレンズ１０１は、光（入射光）を効率的に受光部１０４（光電変換部）に集光する。カラーフィルタ１０２は、入射光のうち所望の波長域の光のみを選択的に通過させる。１０３は、半導体（撮像素子３０２）の配線層である。カラーフィルタ１０２を通過した光は、受光部１０４（フォトダイオード）で受光され、光電変換が行われる。
【００１９】
撮像素子３０２は、通常、１つのマイクロレンズ１０１に対して１つの受光部１０４（フォトダイオード）を有するが、本実施形態では、１つのマイクロレンズ１０１に対する受光部１０４を２つに分割することにより、瞳分割像を取得する。多分割受光部として、例えば水平方向に２分割および垂直方向に２分割の合計４分割の受光部（４分割画素）を設けた場合、上側の２画素を加算し、かつ、下側の２画素を加算すれば、垂直方向に２分割して得られる瞳分割画像と同等の画像を得ることができる。一方、４分割画素のうち左側の２画素を加算し、かつ、右側２画素を加算すれば、垂直方向に２分割して得られる瞳分割画像と同等の画像を得ることができる。したがって、水平方向または垂直方向の２分割画素と比較して、１つのマイクロレンズ１０１の単位で垂直方向および水平方向の両方の瞳分割画像を同時に得ることが可能である。
【００２０】
図１（ｂ）に示されるように、撮像素子３０２は、１つのマイクロレンズ１０１に対して４分割された受光部１０４（画素１０５〜１０８）を有する。本実施形態において、画素１０５〜１０８は、１つのマイクロレンズ１０１を共有する第一の画素、第二の画素、および、第三の画素を含む。以下、説明の便宜上、画素１０６、１０５、１０８をそれぞれ第一の画素、第二の画素、および、第三の画素とするが、これに限定されるものではない。
【００２１】
４分割された受光部１０４（画素）には、それぞれの画素の電荷量が飽和した場合、電荷を隣接画素に積極的に漏出させる構造を有する境界部１１０と、電荷を積極的に漏出させない構造を有する境界部１２０が形成されている。境界部１１０（第一の境界部）は、画素１０６（第一の画素）と画素１０５（第二の画素）との間（および、画素１０７と画素１０８との間）に設けられている。また、境界部１２０（第二の境界部）は、画素１０６（第一の画素）と画素１０８（第三の画素）との間（および、画素１０５と画素１０７との間）に設けられている。
【００２２】
第一の画素（例えば画素１０６）の電荷量が飽和した場合、境界部１１０は、第一の画素から第二の画素（例えば画素１０５）への電荷移動を可能とするように構成される。一方、第一の画素（例えば画素１０６）の電荷量が飽和した場合、境界部１２０は、第一の画素から第三の画素（例えば画素１０８）への電荷移動を妨げるように構成されている。すなわち画素１０６の電荷量が飽和した場合、画素１０６から境界部１１０を介して画素１０５へ移動する電荷量（第一の電荷量）は、画素１０６から境界部１２０を介して画素１０８へ移動する電荷量（第二の電荷量）よりも多い。
【００２３】
図１（ｂ）に示される構成において、図３の相関演算部３０９は、画素１０６（第一の画素）と画素１０５（第二の画素）との加算電荷、および、画素１０７、１０８の加算電荷を用いて垂直方向（第一の方向）における相関演算を行う。
【００２４】
次に、図１３を参照して、境界部１１０、１２０の構造の一例について説明する。図１３（ａ）は本実施形態の撮像素子３０２の要部の断面構造を示し、図１３（ｂ）は図１３（ａ）の半導体領域の信号電荷に対するポテンシャルを模式的に示す図である。なお、図１３（ｂ）では、隣接する２つのマイクロレンズ２１２ａ、２１２ｂに対応する４つの画素（光電変換素子）を示しているが、４つの画素が１つのマイクロレンズを共有する構成でも、境界部１１０、１２０に関する説明は適用可能である。
【００２５】
図１３（ａ）において、３２１ａ、３２１ｂはカラーフィルタである。３２２は配線層である。ここでは異なる高さに配された３つの配線層を図示している。Ｐ型半導体領域３２４と複数のＮ型半導体領域２１３、２１４とがＰＮ接合を構成する。Ｐ型半導体領域３２４は、半導体領域３２３上に配置されている。半導体領域３２３は、例えばＰ型半導体基板またはＮ型半導体基板を用いて構成される。
【００２６】
画素（光電変換素子）はＮ型半導体領域２１３、２１４及びＰ型半導体領域３２４を含んで構成される。具体的には、Ｐ型半導体領域３２４とＮ型半導体領域２１３ａ、２１３ｂとで二つの画素（光電変換素子ＰＤ１、ＰＤ２）が構成される。また、Ｐ型半導体領域３２４とＮ型半導体領域２１４ａ、２１４ｂとで二つの画素（光電変換素子ＰＤ３、ＰＤ４）が構成される。Ｎ型半導体領域２１３ａ、２１３ｂ、２１４ａ、２１４ｂは、電子に対してポテンシャルが低くなっており、信号電荷を収集する領域である。更にＮ型半導体領域２１３ａ、２１３ｂ、２１４ａ、２１４ｂの入射面側にＰ型半導体領域を配していわゆる埋め込み型のフォトダイオードとしてもよい。光電変換素子ＰＤ１、ＰＤ２には、１つのマイクロレンズ２１２ａにより集光された光が入射する。また光電変換素子ＰＤ３、ＰＤ４には、１つのマイクロレンズ２１２ｂにより集光された光が入射する。
【００２７】
光電変換素子ＰＤ１、ＰＤ２にそれぞれ含まれるＮ型半導体領域２１３ａ、２１３ｂの間には、Ｐ型半導体領域３２６が形成されている。Ｐ型半導体領域３２６は、Ｎ型半導体領域２１３ａ、２１３ｂの間における電子に対するポテンシャル障壁として機能する。Ｐ型半導体領域３２６は、図１（ｂ）の境界部１１０に相当する。
【００２８】
光電変換素子ＰＤ２、ＰＤ３は互いに隣接して配置されているが、光電変換素子ＰＤ２、ＰＤ３には互いに異なるマイクロレンズ２１２ａ、２１２ｂにより集光された光がそれぞれ入射する。光電変換素子ＰＤ２、ＰＤ３にそれぞれ含まれるＮ型半導体領域２１３ｂ、２１４ａの間には、Ｐ型半導体領域３２５が形成されている。Ｐ型半導体領域３２５は、Ｎ型半導体領域２１３ｂとＮ型半導体領域２１４ａとの間における電子に対するポテンシャル障壁として機能する。Ｐ型半導体領域３２５は、図１（ｂ）の境界部１２０に相当する。
【００２９】
本実施形態では、Ｐ型半導体領域３２５とＰ型半導体領域３２６の不純物濃度とを異ならせる。具体的には、Ｐ型半導体領域３２６のＰ型不純物濃度が、Ｐ型半導体領域３２５のＰ型不純物濃度よりも低い。このような濃度関係とすることにより、光電変換素子ＰＤ１、ＰＤ２間のポテンシャル障壁の高さを、光電変換素子ＰＤ２、ＰＤ３間のポテンシャル障壁の高さより低くすることが可能となる。
【００３０】
図１３（ｂ）に示されるように、光電変換素子ＰＤ１、ＰＤ２間のポテンシャル障壁３２７の高さはｈ１である。また、光電変換素子ＰＤ２、ＰＤ３間のポテンシャル障壁３２８の高さはｈ２である。光電変換素子ＰＤ１、ＰＤ２間のポテンシャル障壁の高さｈ１は、光電変換素子ＰＤ２、ＰＤ３間のポテンシャル障壁の高さｈ２よりも低い。
【００３１】
本実施形態において、ポテンシャル障壁３２７を構成するＰ型半導体領域３２５のＰ型の不純物濃度を、ポテンシャル障壁３２８を構成するＰ型半導体領域３２６のＰ型の不純物濃度の３倍以上に設定するのが好ましい。このような構成によれば、電荷の持つポテンシャル（室温２７℃で約２６ｍＶ）と同程度のポテンシャル障壁の差を形成することができる。さらに好ましくは、撮像装置（撮像素子３０２）の動作温度範囲を考慮して、不純物濃度を１０倍以上に設定する。
【００３２】
なお本実施形態では、境界部１１０の不純物濃度を境界部１２０の不純物濃度よりも低くしているが、これに限定されるものではなく、例えば、境界部１１０の幅を境界部１２０の幅よりも狭くすることにより、同様の効果を達成することができる。
【実施例１】
【００３３】
次に、本発明の実施例１における撮像素子について説明する。図２は、モノクロセンサとして本実施例の撮像素子を構成した場合における画素配列を示す図である。本実施例において、１つのマイクロレンズに対応する境界部１１０ａ、１２０ａは、隣接するマイクロレンズに対応する境界部１１０ｂ、１２０ｂに対して、水平方向と垂直方向とが互いに交互になるように配列されている。すなわち、本実施例の撮像素子は、画素の電荷が飽和した場合に電荷を漏出させる方向が水平方向と垂直方向とで交互になるように構成されている。
【００３４】
本実施例において、１つのマイクロレンズを共有する第一の画素（画素２０１）、第二の画素（画素２０２）、および、第三の画素（画素２０３）が設けられている。また、１つのマイクロレンズに隣接するマイクロレンズを共有する第四の画素（画素２０４）、第五の画素（画素２０５）、および、第六の画素（画素２０６）が設けられている。第四の画素（画素２０４）と第五の画素（画素２０５）との間には、第三の境界部（境界部１１０ｂ）が形成されている。また、第四の画素（画素２０４）と第六の画素（画素２０６）との間には、第四の境界部（境界部１２０ｂ）が形成されている。
【００３５】
例えば第四の画素の電荷量が飽和した場合、第四の画素から第三の境界部を介して第五の画素へ移動する電荷量（第三の電荷量）は、第四の画素から第四の境界部を介して第六の画素へ移動する電荷量（第四の電荷量）よりも多い。すなわち、第四の画素の電荷量が飽和した場合、第三の境界部は、第四の画素から第五の画素への電荷移動を可能とするように構成されている。また、第四の画素の電荷量が飽和した場合、第四の境界部は、第四の画素から第六の画素への電荷移動を妨げるように構成されている。そして、第一の境界部（境界部１１０ａ）と第三の境界部（境界部１１０ｂ）は、互いに異なる方向（垂直方向または水平方向）に設けられている。同様に、第二の境界部（境界部１２０ａ）と第四の境界部（境界部１２０ｂ）とは、互いに異なる方向に設けられている。
【００３６】
続いて図４を参照して、画素の電荷量の飽和について説明する。図４は、像高の高い位置において、マイクロレンズ１０１を通して画素４０１、４０２（受光部）に光が照射している様子を示している。図４において、光軸の中心は画素４０１、４０２の右側遠方に位置している。光は、通常、画像の周辺部ほど斜めから入射するため、画素４０１はより多くの光を受光するが、画素４０２はほとんど光を受光しない。このため、画素４０１（画素４０１の電荷量）は、画素４０２（画素４０２の電荷量）よりも先に飽和状態に到達してしまう。
＜飽和画素が１画素の場合＞
次に、図５を参照して、図２に示される画素配列を有する撮像素子において、１つのマイクロレンズに対応する１画素が飽和画素である場合（右上画素が飽和する場合）について説明する。図５は、１つのマイクロレンズに対応する１画素の電荷が飽和した場合の説明図である。
【００３７】
図５において、画素５０１、５０５、５０９、５１３はそれぞれ飽和している。飽和した画素５０１に蓄積される電荷は、境界部１１０ａを介して、網線で示される画素５０２へ漏れる。一方、画素５０１の電荷は、境界部１２０ａが形成されているため、斜線で示される画素５０３（および画素５０４）へは漏れない。
【００３８】
このとき、飽和した画素５０１から漏れた電荷は画素５０２へ漏れるが、画素５０１と画素５０２の合計の電荷（電荷量）は失われずに維持される（以下、「非破壊」という）。また、画素５０３と画素５０４の電荷は飽和しておらず、かつ、他の画素から画素５０３、５０４への漏れ電荷の影響はない。このため、画素５０３と画素５０４の電荷を加算した加算電荷も同様に非破壊である。したがって、上側の２画素同士および下側の２画素同士の電荷量をそれぞれ加算し、垂直方向に瞳分割画像を得て焦点検出を行うことができる。ただし、水平方向に電荷漏れする構造を有するため、画素５０１および画素５０３の加算電荷と、画素５０２および画素５０４の加算電荷はいずれも破壊されており、これらの画素から水平方向の正しい瞳分割画像を得ることはできない。
【００３９】
一方、画素５０５の電荷は、網線で示される画素５０７へ漏れるが、斜線で示される画素５０６、５０８へは漏れない。飽和した画素５０５から漏れた電荷は画素５０７へ漏れるが、画素５０５、５０７の合計の電荷（電荷量）は失われておらず維持されている。このため、これら２つの画素の加算電荷量は非破壊である。また、画素５０６、５０８の電荷は飽和しておらず、かつ、他の画素からの漏れ電荷の影響もない。このため、画素５０６、５０８の加算電荷量も同様に非破壊である。したがって、右側の２画素同士および左側の２画素同士をそれぞれ加算し、水平方向に瞳分割画像を得て焦点検出を行うことができる。また、垂直方向に電荷漏れする構造を有するため、画素５０５、５０７の加算電荷量と画素５０６、５０８の加算電荷量は破壊されており、これらの画素から垂直方向の正しい瞳分割画像を得ることはできない。
【００４０】
同様に、画素５０９、５１１の加算電荷量、および、画素５１０、５１２の加算電荷量は非破壊である。したがって、マイクロレンズ単位で１つおきに水平方向と垂直方向の瞳分割画像を取得することができ、上述のようにして得られた瞳分割画像から相関演算を行い、デフォーカス量を算出する。すなわち、画素５０１〜５０４および画素５１３〜５１６から垂直方向の瞳分割画像を取得し、画素５０５〜５０８および画素５０９〜５１２から水平方向の瞳分割画像を取得し、それぞれ相関演算を行ってデフォーカス量を算出する。
【００４１】
上記のように電荷が漏れる方向を交互に設定することで、１つのマイクロレンズに対して１つの分割画素が飽和した場合でも、隣接するマイクロレンズにおいては、隣接画素と加算したときに非破壊になる方向がある。このため、水平方向または垂直方向の瞳分割画像を１マイクロレンズおきに得ることができ、焦点検出を行うことが可能である。このように、相関演算部３０９は、第一の画素（例えば画素５０１）と第二の画素（例えば画素５０２）との加算電荷を用いて第一の方向（垂直方向）における相関演算を行う。また相関演算部３０９は、第四の画素（例えば画素５０５）と第五の画素（例えば画素５０７）との加算電荷を用いて第一の方向と異なる第二の方向（水平方向）における相関演算を行う。
【００４２】
また、情報量は半分になるものの、図５の斜線部分の漏れ電荷の影響を受けていない画素のみを用いて、垂直方向または水平方向の瞳分割画像を取得して焦点検出を行うことができる。また、電荷が漏れる構造を有するため、分割画素全体の電荷量は失われることはない。このため、分割画素の電荷を加算すればリニアリティが保たれた画素として使用可能であり、高品位な画質を維持することができる。
＜飽和画素が２画素の場合＞
次に、図６を参照して、図２に示される画素配列を有する撮像素子において、１つのマイクロレンズに対応する２画素が飽和画素である場合（上側の２画素が飽和する場合）について説明する。図６は、１つのマイクロレンズに対応する２画素の電荷が飽和した場合の説明図である。
【００４３】
図６において、画素６０１、６０２は飽和している。しかし、画素６０１、６０２と画素６０３、６０４との間には境界部１２０ａが形成されているため、上下方向（垂直方向）には電荷が漏れない。このため、画素６０１、６０２の加算電荷は破壊されており、垂直方向の瞳分割画像を得ることはできない。また、画素６０１、６０３の加算電荷および画素６０２、６０４の加算電荷も破壊されており、水平方向の瞳分割画像を得ることはできない。
【００４４】
また、画素６０５、６０６も飽和している。しかし、画素６０５、６０６と画素６０７、６０８との間には境界部１１０ｂが形成されているため、上下方向（垂直方向）に電荷が漏れる。このため、画素６０５、６０７の加算電荷と画素６０６、６０８の加算電荷はいずれも非破壊であり、水平方向の瞳分割画像を得ることができる。一方、画素６０５、６０６の加算画素と画素６０７、６０８の加算画素の電荷は破壊されているため、垂直方向の瞳分割画像を得ることはできない。同様に、斜線で示される画素６１５、６１６は非破壊である。この場合、１マイクロレンズおきに横方向（水平方向）の瞳分割画像を取得し、相関演算を行ってデフォーカス量を算出することができる。
【００４５】
本実施例の撮像素子では、電荷が漏れる方向が交互になるように境界部１１０ａ、１１０ｂ、１２０ａ、１２０ｂが配置される。そして、第一の画素（例えば画素６０１）および第二の画素（例えば画素６０２）の両方の電荷が飽和した場合、第四の画素（例えば画素６０５）と第五の画素（例えば画素６０７）との加算電荷を用いて第二の方向（例えば垂直方向）における相関演算を行う。このため、１つのマイクロレンズを共有する２画素が飽和画素である場合でも、１方向（水平方向）の焦点検出で利用可能な画素が１マイクロレンズおきに存在する。このため、１方向のみについてであるが、焦点検出が可能である。また、情報量は半分になるものの、図６の斜線部分の漏れ電荷の影響を受けていない画素のみを用いて、垂直方向または水平方向の瞳分割画像を取得して焦点検出を行うことができる。
【００４６】
続いて、撮像素子の複数の画素から得られた像信号を画像データとして用いる方法について説明する。画素６０１、６０２が飽和している場合、画素６０１、６０２の電荷を漏出させるための他の画素が周辺に存在しない。このため、画素６０１〜６０４の加算電荷についてはリニアリティが保たれない。一方、画素６０５、６０６（の電荷）が飽和してあふれた電荷は、画素６０５、６０６に隣接する下側の画素６０７、６０８に電荷が移動する。このため、画素６０５〜６０８の加算電荷についてはリニアリティが保たれている。
【００４７】
このように、本実施例の撮像素子によれば、リニアリティが保たれている画素が隣接するマイクロレンズに対応する画素に必ず存在する。このため、周囲の非破壊画素の値を用いて本来の画素値を推定して補正することができる。例えば、飽和している画素６０５、６０６の電荷の少なくとも一部は、画素６０７、６０８へ漏れるが、分割された複数の画素６０５〜６０８全体としての電荷は失われていない。このため、画素６０５〜６０８の加算電荷を画像データとして用いることができる。
【００４８】
したがって、画素６０１〜６０４の加算電荷（加算画素値）としては、例えば隣接する上下左右のマイクロレンズに対応する画素の加算画素値の平均値を求めることにより補正することができるため、画質劣化を防ぐことが可能である。なお本実施例において、上下左右のマイクロレンズに対応する使用可能な加算画素値の平均値を用いているが、補正方法はこれに限定されるものではなく、他の補正方法を用いてもよい。また本実施例において、複数の画素は２次元方向（垂直方向および水平方向）に繰り返される所定の周期で配置されているが、これに限定されるものではなく、例えば複数の画素を１次元方向に繰り返される所定の周期で配置してもよい。
【実施例２】
【００４９】
次に、図７および図８を参照して、本発明の実施例２における撮像素子について説明する。図７は、本実施例における撮像素子の画素配列（ベイヤー配列）を示す図である。図８は、撮像素子の同色画素の配列を示す図であり、図８（ａ）はＲ画素（赤色の画素）、図８（ｂ）はＧ画素（緑色の画素）についてそれぞれ示している。
【００５０】
図７に示される撮像素子は、１つのマイクロレンズに対して４分割された画素を有し、また複数色（ＲＧＢ）のカラーフィルタを有する。カラーフィルタは、マイクロレンズ単位で単板ベイヤー配列になっている。受光部（画素）で受ける光量は、カラーフィルタごとに異なる。このため、電荷が漏れる方向は、同色の最近隣画素間で垂直方向おおび水平方向に交互になるように配置される。すなわち、赤色の画素（Ｒ画素７０１Ｒ、７０２Ｒ）および青色の画素（Ｂ画素７０１Ｂ、７０２Ｂ）は、図７に示されるように水平方向および垂直方向に１画素おきに存在する。
【００５１】
同色画素の再近隣画素について考えると、電荷が漏れる方向（境界部１１０ａ、１１０ｂ）は、図８（ａ）に示されるように交互に異なるように配置されている。また、緑色の画素（Ｇ画素７０１Ｇ、７０２Ｇ）は、２×２の４画素の中に２画素が斜めに位置するように配置されている。また図８（ｂ）に示されるように、最近隣画素間で電荷が漏れる方向（境界部１１０ａ、１１０ｂ）が交互に異なるように配置されている。すなわち、本実施例の撮像素子は、複数色のカラーフィルタのうち一色のカラーフィルタに対応する第一のマイクロレンズ、および、一色のカラーフィルタに対応し、一色のカラーフィルタに関して第一のマイクロレンズと隣接する第二のマイクロレンズを有する。例えば、図８（ａ）、（ｂ）において、第一のマイクロレンズはＲ画素８０１、Ｇ画素８０６に対応するマイクロレンズに相当する。また、第二のマイクロレンズはＲ画素８０２〜８０５、Ｇ画素８０７〜８１０に対応するマイクロレンズに相当する。このとき、第一のマイクロレンズは、第一の画素、第二の画素、および、第三の画素に共有され、第二のマイクロレンズは、第四の画素、第五の画素、および、第六の画素に共有されている。
【００５２】
本実施例において、像高の高い領域で分割画素ごとに受ける光量に偏りが生じて一部の分割画素が飽和した場合、同色画素ごとに実施例１と同様の方法で焦点検出を可能にするとともに画質の維持を図ることができる。例えば一つのマイクロレンズを共有する４画素のうち右上の画素が飽和している場合、Ｒ画素８０１（赤色の画素）の電荷は水平方向に漏れるが、同色の最近隣画素（Ｒ画素８０２〜８０５）の電荷は垂直方向に漏れる。このとき、Ｒ画素だけに着目すれば実施例１と同様の方法を用いることができ、Ｒ画素８０１に関しては、水平方向に隣接する２画素の加算電荷の破壊は生じない。このため、この２画素を用いて焦点検出を行い、垂直方向のデフォーカス量を算出することができる。また、Ｒ画素８０１の再近隣画素（Ｒ画素８０２〜８０５）は、垂直方向に隣接する２画素の電荷を加算する場合に非破壊画素となり、これらの２画素を用いて水平方向のデフォーカス量を算出することができる。同様に、緑色の画素に関しても、Ｇ画素８０６は水平方向に隣接する２画素の電荷を加算する場合に非破壊画素となる。また、Ｇ画素８０６の再近隣画素（Ｇ画素８０７〜８１０）は垂直方向に隣接する２画素の電荷を加算する場合に非破壊画素になる。これらの画素から垂直方向または水平方向の瞳分割画像を取得し、デフォーカス量を算出することができる。
【００５３】
このように、図７に示されるように、垂直方向および水平方向の４×４を単位とした繰り返しの画素配置にすることで、像高の高い領域で分割画素が飽和した場合でもＡＦ精度を維持することができる。また、１つのマイクロレンズを共有する４画素の電荷を加算した加算電荷についてはリニアリティが保たれているため、高品位な画質を維持することが可能である。なお、飽和画素が２画素の場合でも、上述のように同色の色ごとに考えれば実施例１と同様である。
【実施例３】
【００５４】
次に、図９および図１０を参照して、本発明の実施例３における撮像素子について説明する。前述のように、像高の高い位置では斜めから光が入射するため、例えば１つのマイクロレンズを共有する複数の画素数を増やし（４分割以上の構成にして）、光が良好に当たっている画素を選択的に用いて焦点検出を行うこともできる。
【００５５】
図９は、本実施例の撮像素子において、像高の高い位置の画素が光を受光する場合の説明図である。光が像高の高い位置で斜めに入射した場合、光の大部分を受光する画素９０２、９０３を選択することにより、光の当たり方に偏りが少ない状態の画素を用いることができる。図９に示される例は、光軸中心に対して左側の像高の高い位置の模式図である。ただし、光軸中心に対して右側に位置している場合、画素９０１、９０２が選択的に用いられる。また、光軸中心付近は分割画素に均等に光が当たっているため、画素９０１、９０３が選択的に用いられる。なお、光軸中心付近の場合、焦点検出に用いられる画素が離れているため、基線長が長く焦点検出精度が向上する。一方、画像データ（撮像信号）を取得する場合、リニアリティを保つために１つのマイクロレンズを共有する全画素の電荷を加算して画像データとして用いる。
【００５６】
図１０は、本実施例における撮像素子の画素配列を示す図である。図１０に示されるように、本実施例の撮像素子は、１つのマイクロレンズに対して水平方向および垂直方向に３分割ずつの計９分割した画素を有する。そして、電荷漏れが起きる方向（境界部１１０ａ、１１０ｂ）が周期的に異なる方向（垂直方向および水平方向）になるように配置されている。
【００５７】
光軸中心に対して左上かつ像高の高い位置にある画素は、９分割された画素のうち左上に当たる光の量が多くなるため、電荷の飽和が起こりやすい。９分割された画素のうち左上の画素１００１（の電荷）が飽和した場合、画素１００１の電荷は、隣接する画素１００２へ境界部１１０ｂを介して漏れるが、他の隣接した画素へは境界部１２０ｂの存在により漏れない。また、画素１００３（の電荷）が飽和した場合、画素１００３の電荷は、境界部１１０ａを介して画素１００４へ漏れるが、他の隣接した画素へは境界部１２０ａの存在により漏れない。
【００５８】
一方、９分割された画素のうち右側および下側の画素に当たる光量はわずかな量である。したがって、良好に光が当たっている左上の４画素を用いて焦点検出を行えばよい。このとき、４画素だけに注目すれば実施例１と同様の方法で焦点検出を行うことができる。すなわち、破壊されている画素の近隣の画素は必ず非破壊の画素が存在しているため、実施例１と同様の方法を適用可能である。また、右側および下側の画素に当たっている光量は少ないが、これらの画素を用いない場合には画像としてのリニアリティが保たれなくなる。このため、９画素の全画素の加算電荷が画像データ（撮像信号）として用いられる。
【００５９】
このように本実施例では、使用画素選択部３０７（画素選択手段）は、１つのマイクロレンズを共有する複数の画素から相関演算に用いられる画素を選択する。そして相関演算部３０９（演算手段）は、使用画素選択部３０７により選択された画素から得られた信号に基づいて相関演算を行う。
【００６０】
なお、１つのマイクロレンズを共有する複数の画素のうち２画素以上の画素が飽和した場合についても、実施例１と同様の方法が適用可能である。すなわち、破壊が起こっていない画素からの信号を用いて焦点検出を行い、画像データ（撮像信号）として用いられるべき画素の電荷が飽和してリニアリティが保たれていない場合、近隣の画素から補完する。
【００６１】
また、本実施例は単色センサ（撮像素子）について説明している。ただし本実施例はこれに限定されるものではなく、例えばベイヤー配列の３色のカラーフィルタを備えた撮像素子にも適用可能である。この場合、同色の近接画素ごとに電荷が漏れる方向を変え、これを周期的に配置することで本実施例の方法を適用することができる。また本実施例では、１つのマイクロレンズを共有する９分割の画素について説明しているが、これに限定されるものではなく、任意の数の分割画素に適用可能である。
【実施例４】
【００６２】
次に、図１１および図１２を参照して、本発明の実施例４における撮像素子について説明する。図１１は、本実施例における撮像素子の画素配列を示す図であり、１つのマイクロレンズを共有する２つの画素が水平方向に２分割された構成を示している。
【００６３】
図１１（ａ）は、第一のマイクロレンズを共有する第一の画素（画素１１０１）および第二の画素（画素１１０２）の構成を示している。また、第一の画素と第二の画素との間には、境界部１１０（第一の境界部）が設けられている。境界部１１０は、図１３に示されるように、２つの画素間の電荷が互いに漏れる構造を有する。図１１（ｂ）は、第二のマイクロレンズを共有する第三の画素（画素１１０３）および第四の画素（画素１１０４）の構成を示している。また、第三の画素と第四の画素との間には、境界部１２０（第二の境界部）が設けられている。境界部１２０は、図１３に示されるように、２つの画素間の電荷が互いに漏れない（漏れにくい）構造を有する。
【００６４】
このように、第一の画素（例えば画素１１０１）の電荷量が飽和した場合、境界部１１０は、第一の画素から第二の画素への電荷移動を可能とするように構成されている。一方、第三の画素（例えば画素１１０３）の電荷量が飽和した場合、境界部１２０は、第三の画素から第四の画素への電荷移動を妨げるように構成されている。すなわち、第一の画素および第三の画素の電荷量が飽和した場合、第一の画素から第一の境界部を介して第二の画素へ移動する第一の電荷量は、第三の画素から第二の境界部を介して第四の画素へ移動する第二の電荷量よりも多い。
【００６５】
図１２は、図１１（ａ）、（ｂ）に示される２種類の画素（第一のマクロレンズと第二のマイクロレンズ）を二次元状（垂直方向および水平方向）に交互に配列した構成を示している。前述のとおり、像高の高い領域において分割画素ごとに受ける光量に偏りが生じて一方の分割画素が飽和する。例えば２分割画素のうち右側の画素１２０１が飽和している場合、画素１２０１の電荷は左側の画素１２０２に漏れない。このため、画素１２０１、１２０２の加算電荷についてはリニアリティが保たれない。一方、画素１２０３は左側の画素１２０４に電荷が漏れるため、画素１２０３、１２０４の加算電荷は失われていないため、リニアリティが保たれている。本実施例において、画素１２０１、１２０２の加算電荷は破壊されているが、周囲のリニアリティが保たれている画素（例えば画素１２０３、１２０３）を用いることにより、画質の劣化を低減させることが可能となる。
【００６６】
また、画素１２０２は非破壊の画素であるから、周囲の画素から推定した画素１２０１、１２０２の加算電荷（推定電荷量）から画素１２０２の電荷量を減算することにより、本来の画素１２０１の電荷を求めることができる。このとき、飽和検出部３０４またはＡＢ像分離部３０８（電荷推定手段）は、対象画素の電荷を推定する。例えば第三の画素（例えば画素１２０２）または第四の画素（例えば画素１２０１）の電荷が飽和した場合、第一の画素（例えば画素１２０４）と第二の画素（例えば画素１２０３）との加算電荷を用いて第三の画素または第四の画素の電荷を推定する。
【００６７】
このように本実施例では、電荷が漏れないようにするための境界部１２０を介して分割された画素（画素１２０１、１２０２）が周期的に存在する。このため、これらの画素（画素１２０１、１２０２）を用いてＡＦ制御を行うことが可能である。したがって、互いに異なる境界部（境界部１１０、１２０）を有する複数の画素を繰り返して周期的に配列することにより、分割画素の一方が飽和した場合でもＡＦ制御および画質劣化の防止を両立させることができる。
【００６８】
上記各実施例によれば、１つのマイクロレンズを共有する複数の画素のうち一部の画素が飽和した場合でも、複数の画素のうち使用可能な画素を用いて焦点検出を行うことができる。このため、焦点検出および画質向上を同時に実現可能な撮像素子、撮像装置、および、撮像システムを提供することができる。
【００６９】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００７０】
１０１  マイクロレンズ
１０５、１０６、１０７、１０８  画素
１１０、１２０  境界部
３０２  撮像素子
【図１】
2014107835.tif 000003
【図２】
2014107835.tif 000004
【図３】
2014107835.tif 000005
【図４】
2014107835.tif 000006
【図５】
2014107835.tif 000007
【図６】
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【図７】
2014107835.tif 000009
【図８】
2014107835.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2014107835.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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