(57)【要約】【課題】１つの実施形態は、例えば、システムの小型化が容易であり且つ高速なＡＦ動作を実現できる固体撮像装置を提供することを目的とする。【解決手段】１つの実施形態によれば、画素配列を有する固体撮像装置が提供される。画素配列では、複数の画素が配列されている。複数の画素は、撮像用画素及び焦点検出用画素を含む。焦点検出用画素は、第１の光電変換部と、第１の回折格子と、第２の回折格子とを有する。第１の回折格子は、第１の光電変換部の上方に配されている。第２の回折格子は、第１の光電変換部と第１の回折格子との間に配されている。【選択図】図４
2015037102.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素が配列された画素配列を備え、
前記複数の画素は、撮像用画素及び焦点検出用画素を含み、
前記焦点検出用画素は、
第１の光電変換部と、
前記第１の光電変換部の上方に配された第１の回折格子と、
前記第１の光電変換部と前記第１の回折格子との間に配された第２の回折格子と、
を有する
ことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記撮像用画素は、
第２の光電変換部と、
前記第２の光電変換部の上方に配されたマイクロレンズと、
を有し、
前記焦点検出用画素は、マイクロレンズを有しない
ことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記第２の回折格子は、前記第１の回折格子に対応したパターンを有する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記光電変換部の受光面に垂直な方向から透視した場合、前記第２の回折格子は、前記焦点検出用画素で検出すべき光の入射角度に応じて前記第１の回折格子をシフトさせたパターンを有する
ことを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記第１の回折格子は、複数の第１のラインパターンを含み、
前記第２の回折格子は、前記複数の第１のラインパターンに対応した複数の第２のラインパターンを含む
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像装置を含むカメラシステムのＡＦ（Ａｕｔｏ  Ｆｏｃｕｓ）機能には、位相差検出方式とコントラスト検出方式との２種類がある。位相差検出方式は、ＡＦ機能の精度として、ピントのずれが高速に補正しやすいというメリットがあり、コントラスト検出方式は、画像のフォーカス精度が高いというメリットがある。ただ位相差検出方式は、別センサーが必要であり、小型化という点でデメリットがあり、コントラスト検出方式は撮影レンズの位置毎の画像を使ってピント位置を探すためにフォーカス補正するまでに時間がかかるというデメリットがある。そこで、カメラシステムでは、小型化が容易であり且つ高速なＡＦ動作を実現することが望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−２５６８１２号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｓｒｉｒａｍ  Ｓｉｖａｒａｍａｋｒｉｓｈｎａｎ，  Ａｌｂｅｒｔ  Ｗａｎｇ，  Ｐａｔｒｉｃｋ  Ｒ．  Ｇｉｌｌ  ａｎｄ  Ａｌｙｏｓｈａ  Ｍｏｌｎａｒ，  “Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ａｎｇｌｅ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｐｉｘｅｌｓ  ｆｏｒ  Ｌｉｇｈｔ  Ｆｉｅｌｄ  Ｉｍａｇｉｎｇ”  ＩＥＥＥ  ＩＥＤＭ  Ｔｅｃｈ．  Ｄｉｇ．，  ２０１１，  ｐｐ．  ８．６．１−８．６．４．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
１つの実施形態は、例えば、システムの小型化が容易であり且つ高速なＡＦ動作を実現できる固体撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
１つの実施形態によれば、画素配列を有する固体撮像装置が提供される。画素配列では、複数の画素が配列されている。複数の画素は、撮像用画素及び焦点検出用画素を含む。焦点検出用画素は、第１の光電変換部と、第１の回折格子と、第２の回折格子とを有する。第１の回折格子は、第１の光電変換部の上方に配されている。第２の回折格子は、第１の光電変換部と第１の回折格子との間に配されている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施形態にかかる固体撮像装置を適用したカメラシステムの構成を示す図。
【図２】実施形態にかかる固体撮像装置を適用したカメラシステムの構成を示す図。
【図３】実施形態にかかる固体撮像装置の回路構成を示す図。
【図４】実施形態にかかる固体撮像装置の断面構成を示す図。
【図５】実施形態にかかる固体撮像装置の断面構成を示す図。
【図６】実施形態における撮影レンズの焦点状態と固体撮像装置への光の入射角との関係を示す図。
【図７】実施形態における焦点検出用画素の動作を示す図。
【図８】実施形態における画素配列のレイアウト構成を示す図。
【図９】実施形態における焦点検出用画素群の構成を示す図。
【図１０】実施形態における画素配列の中心に関して互いに反対側に配された２つの焦点検出用画素の断面構成を示す図。
【図１１】実施形態の変形例における画素配列のレイアウト構成を示す図。
【図１２】実施形態の変形例における画素配列のレイアウト構成を示す図。
【図１３】実施形態の変形例における画素配列の中央領域及び周辺領域にそれぞれ配された２つの焦点検出用画素の断面構成を示す図。
【図１４】実施形態の変形例における画素配列のレイアウト構成を示す図。
【図１５】実施形態の変形例における画素配列のレイアウト構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる固体撮像装置を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。
【０００９】
（実施形態）
実施形態にかかる固体撮像装置について説明する。固体撮像装置は、例えば、図１及び図２に示す撮像システムに適用される。図１及び図２は、撮像システムの一例であるカメラシステム１の概略構成を示す図である。
【００１０】
カメラシステム１は、例えば、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラなどであってもよいし、カメラモジュールが電子機器に適用されたもの（例えばカメラ付き携帯端末等）でもよい。カメラシステム１は、図２に示すように、カメラモジュール２及び後段処理部３を備える。カメラモジュール２は、撮像光学系４及び固体撮像装置５を有する。後段処理部３は、ＩＳＰ（Ｉｍａｇｅ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）６、記憶部７、及び表示部８を有する。
【００１１】
撮像光学系４は、撮影レンズ４７、ハーフミラー４３、メカシャッタ４６、レンズ４４、プリズム４５、及びファインダー４８を有する。撮影レンズ４７は、撮影レンズ４７ａ，４７ｂ、絞り（図示せず）、及びレンズ駆動機構４７ｃを有する。絞りは、撮影レンズ４７ａと撮影レンズ４７ｂとの間に配され、撮影レンズ４７ｂへ導かれる光量を調節する。なお、図１では、撮影レンズ４７が２枚の撮影レンズ４７ａ，４７ｂを有する場合が例示的に示されているが、撮影レンズ４７は多数枚の撮影レンズを有していてもよい。
【００１２】
固体撮像装置５は、撮影レンズ４７の予定結像面に配置されている。例えば、撮影レンズ４７は、入射した光を屈折させて、ハーフミラー４３及びメカシャッタ４６経由で固体撮像装置５の撮像面へ導き、固体撮像装置５の撮像面（画素配列１２）に被写体の像を形成する。固体撮像装置５は、被写体像に応じた画像信号を生成する。
【００１３】
固体撮像装置５は、図３に示すように、イメージセンサ１０、及び信号処理回路１１を有する。図３は、固体撮像装置の回路構成を示す図である。イメージセンサ１０は、例えば、ＣＭＯＳイメージセンサであってもよいし、ＣＣＤイメージセンサであっても良い。イメージセンサ１０は、画素配列１２、垂直シフトレジスタ１３、タイミング制御部１５、相関二重サンプリング部（ＣＤＳ）１６、アナログデジタル変換部（ＡＤＣ）１７及びラインメモリ１８を有する。
【００１４】
画素配列１２では、複数の画素が２次元的に配列されている。各画素は、光電変換部（例えば、フォトダイオード）を有する。画素配列１２は、各画素への入射光量に応じた画像信号を生成する。生成された画像信号は、タイミング制御部１５及び垂直シフトレジスタ１３によりＣＤＳ１６側へ読み出され、ＣＤＳ１６／ＡＤＣ１７を経て画像データへ変換され、ラインメモリ１８経由で信号処理回路１１に出力される。信号処理回路１１では、信号処理が行われる。これらの信号処理された画像データは、ＩＳＰ６に出力される。
【００１５】
図１に示すレンズ駆動機構４７ｃは、ＩＳＰ６（図２参照）による制御のもと、撮影レンズ４７ｂを光軸ＯＰに沿って駆動する。例えば、ＩＳＰ６は、ＡＦ（Ａｕｔｏ  Ｆｏｃｕｓ）機能に従って、焦点調節情報を求め、焦点調節情報に基づいて、レンズ駆動機構４７ｃを制御して、撮影レンズ４７ａ，４７ｂを合焦状態（ジャストフォーカス）に調節する。
【００１６】
仮に、カメラシステム１におけるＡＦ機能として、位相差検出方式を採用した場合を考える。位相差検出方式では、撮影レンズにおける異なる瞳領域を通った１対の画像信号の位相差を検出し、その位相差に基づいてピント外れの方向及び量（デフォーカス量）を求め、デフォーカス量をキャンセルするように撮影レンズを駆動させる。そのため、位相差検出方式では、ピントのずれを高速に補正しやすいというメリットがある。
【００１７】
しかし、位相差検出方式では、撮影レンズにおける異なる瞳領域を通った１対の画像信号を受光する。このため、１対のラインセンサーをカメラシステム１内に追加して設ける必要があり、１対のラインセンサーに光を導くためのハーフミラーやその光を被写体像として１対のラインセンサー上に再結像させる１対のセパレータレンズも追加する必要がある。このため、カメラシステム１が大型化する可能性がある。
【００１８】
あるいは、仮に、カメラシステム１におけるＡＦ機能として、コントラスト検出方式を採用した場合を考える。コントラスト検出方式では、撮影レンズを駆動させながら固体撮像装置５で被写体を撮像し、撮像された画像のコントラストが最も高くなる位置を撮影レンズの合焦位置とする。そのため、コントラスト検出方式では、画像のフォーカス精度が高いというメリットがある。
【００１９】
しかし、コントラスト検出方式では、撮影レンズの位置毎に被写体の画像を取得し、取得された画像のコントラストを計算して、過去に計算された画像のコントラストと比較する処理を逐次行う必要がある。さらに、コントラストが最も高くなる位置の前後付近で撮影レンズを往復駆動させる必要がある。このため、撮影レンズを合焦位置に駆動させるフォーカス補正を行うまでに時間がかかるというデメリットがある。
【００２０】
そこで、本実施形態では、ＡＦ機能を実現するための新規な方式として、タルボ効果を用いて光の入射角度を検出し、検出された光の入射角度に基づいてデフォーカス量を求めてフォーカス補正を行う方式を提供する。本実施形態では、この方式をタルボ方式と呼ぶことにする。すなわち、固体撮像装置５は、タルボ方式に適した構成（すなわち、焦点検出用画素）を有しており、ＩＳＰ６は、タルボ方式に従ったＡＦ動作を行う。これにより、カメラシステム１の小型化及び高速なＡＦ動作の両立を目指す。
【００２１】
具体的には、固体撮像装置５の画素配列１２が、図４や図５に示すように、複数の撮像用画素ＩＰｒ，ＩＰｇ，ＩＰｂ及び複数の焦点検出用画素ＦＰｒ，ＦＰｇ，ＦＰｂを含む。図４及び図５は、複数の撮像用画素ＩＰｒ，ＩＰｇ，ＩＰｂ及び複数の焦点検出用画素ＦＰｒ，ＦＰｇ，ＦＰｂのそれぞれ３画素分について、固体撮像装置５の断面構成を例示的に示す図である。
【００２２】
各撮像用画素ＩＰｒ，ＩＰｇ，ＩＰｂは、被写体像を撮像するための画素である。各撮像用画素ＩＰｒ，ＩＰｇ，ＩＰｂは、光電変換部２０ｒ，２０ｇ，２０ｂ、多層配線構造３０ｒ，３０ｇ，３０ｂ、平坦化層４０ｒ，４０ｇ，４０ｂ、カラーフィルター７０ｒ，７０ｇ，７０ｂ、及びマイクロレンズ５０ｒ，５０ｇ，５０ｂを有する。
【００２３】
光電変換部２０ｒ，２０ｇ，２０ｂは、半導体基板ＳＢにおけるウエル領域ＷＲ内に配されている。光電変換部２０ｒ，２０ｇ，２０ｂは、それぞれ、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の波長領域の光を受光する。光電変換部２０ｒ，２０ｇ，２０ｂは、それぞれ、受けた光に応じた電荷を発生させて蓄積する。光電変換部２０ｒ，２０ｇ，２０ｂは、例えば、フォトダイオードであり、電荷蓄積領域を含む。
【００２４】
ウエル領域ＷＲは、第１導電型（例えば、Ｐ型）の不純物を低い濃度で含む半導体（例えば、シリコン）で形成されている。Ｐ型の不純物は、例えば、ボロンである。光電変換部２０ｒ，２０ｇ，２０ｂにおける電荷蓄積領域は、それぞれ、第１導電型と反対導電型である第２導電型（例えば、Ｎ型）の不純物を、ウエル領域ＷＲにおける第１導電型の不純物の濃度よりも高い濃度で含む半導体（例えば、シリコン）で形成されている。Ｎ型の不純物は、例えば、リン又は砒素である。
【００２５】
多層配線構造３０ｒ，３０ｇ，３０ｂは、半導体基板ＳＢの上に配されている。多層配線構造３０ｒ，３０ｇ，３０ｂは、層間絶縁膜中を複数層の配線パターンが延びている。これにより、多層配線構造３０ｒ，３０ｇ，３０ｂは、それぞれ、光電変換部２０ｒ，２０ｇ，２０ｂに対応した開口領域ＯＲｒ，ＯＲｇ，ＯＲｂを規定する。層間絶縁膜は、例えば、酸化シリコンで形成されている。配線パターンは、例えば金属で形成されている。
【００２６】
平坦化層４０ｒ，４０ｇ，４０ｂは、それぞれ、多層配線構造３０ｒ，３０ｇ，３０ｂを覆っている。これにより、平坦化層４０ｒ，４０ｇ，４０ｂは、多層配線構造３０ｒ，３０ｇ，３０ｂ間の段差を緩和し平坦な表面を提供する。平坦化層４０ｒ，４０ｇ，４０ｂは、例えば所定の樹脂又は酸化膜（例えば、ＳｉＯ２）で形成されている。
【００２７】
カラーフィルター７０ｒ，７０ｇ，７０ｂは、光電変換部２０ｒ，２０ｇ，２０ｂの上方において平坦化層４０ｒ，４０ｇ，４０ｂの上に配されている。これにより、カラーフィルター７０ｒ，７０ｇ，７０ｂは、それぞれ、入射した光のうち赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の波長領域の光を選択的に光電変換部２０ｒ，２０ｇ，２０ｂに導く。
【００２８】
マイクロレンズ５０ｒ，５０ｇ，５０ｂは、それぞれ、カラーフィルター７０ｒ，７０ｇ，７０ｂの上に配されている。これにより、マイクロレンズ５０ｒ，５０ｇ，５０ｂは、それぞれ、入射した光をカラーフィルター７０ｒ，７０ｇ，７０ｂ経由で光電変換部２０ｒ，２０ｇ，２０ｂに集める。マイクロレンズ５０ｒ，５０ｇ，５０ｂは、例えば、所定の樹脂で形成されている。
【００２９】
各焦点検出用画素ＦＰｒ，ＦＰｇ，ＦＰｂは、撮影レンズ４７ａ，４７ｂ（図１参照）の合焦状態を検出するための画素であり、撮影レンズ４７ａ，４７ｂの合焦状態を検出するための信号を出力する。各焦点検出用画素ＦＰｒ，ＦＰｇ，ＦＰｂは、光電変換部２１ｒ，２１ｇ，２１ｂ、多層配線構造３１ｒ，３１ｇ，３１ｂ、平坦化層４１ｒ，４１ｇ，４１ｂ、及びカラーフィルター７１ｒ，７１ｇ，７１ｂを有する。各焦点検出用画素ＦＰｒ，ＦＰｇ，ＦＰｂは、基本的な構成が各撮像用画素ＩＰｒ，ＩＰｇ，ＩＰｂと同様であるが、次の点で各撮像用画素ＩＰｒ，ＩＰｇ，ＩＰｂと異なる。
【００３０】
多層配線構造３１ｒ，３１ｇ，３１ｂは、角度検出構造６０ｒ，６０ｇ，６０ｂを有する。角度検出構造６０ｒ，６０ｇ，６０ｂは、タルボ効果を用いて、焦点検出用画素ＦＰｒ，ＦＰｇ，ＦＰｂに入射する光の入射角度を検出する。タルボ効果は、光の回折現象の１つであり、光の入射時に回折格子と同様のパターンがある深さの単位で周期的に再現される現象（自己結像効果）のことをいう。回折格子のピッチをｄ、光の波長をλとすると、タルボ距離ＺＴは、次の数式１で表される。
ＺＴ＝２ｄ２／λ・・・数式１
【００３１】
タルボ効果によれば、タルボ距離の半分ＺＴ／２を基準として、ＺＴ／２の偶数倍の位置に回折格子の自己像が現れ、ＺＴ／２の奇数倍の位置に自己像に対して半周期ずれた自己像が現れる。光の入射角度を検出するためには、どちらの自己像も利用できるが、本実施形態では、ＺＴ／２の奇数倍の位置に現れる自己像を利用して光の入射角度を検出する場合について例示的に説明する。
【００３２】
具体的には、角度検出構造６０ｒは、第１の回折格子６１ｒ−１〜６１ｒ−５及び第２の回折格子６２ｒ−１〜６２ｒ−５を有する。
【００３３】
第１の回折格子６１ｒ−１〜６１ｒ−５は、光電変換部２１ｒの上方に配されている。第１の回折格子６１ｒ−１〜６１ｒ−５は、光電変換部２１ｒとカラーフィルター７１ｒとの間に配され、少なくとも１次元的に周期的に配列されている。例えば、第１の回折格子６１ｒ−１〜６１ｒ−５は、複数のラインパターンを有し、複数のラインパターンが１次元的に周期的に配列されている（図９参照）。複数のラインパターンは、例えば、短手方向にピッチｄｒで周期的に配列されている。
【００３４】
多層配線構造３１ｒにおける最上の層間絶縁膜（例えば、シリコン酸化膜）３２の上面に、第１の回折格子６１ｒ−１〜６１ｒ−５に対応した複数の溝を形成し、その複数の溝に保護膜（例えば、シリコン窒化膜）３３を埋め込むことで、位相格子型の第１の回折格子６１ｒ−１〜６１ｒ−５を形成することができる。なお、第１の回折格子６１ｒ−１〜６１ｒ−５は、図５に示すように、多層配線構造３１ｒにおける最上の配線層を（例えば、複数のラインパターンに）パターニングすることで振幅格子型の回折格子として形成してもよい。
【００３５】
第２の回折格子６２ｒ−１〜６２ｒ−５は、光電変換部２１ｒと第１の回折格子６１ｒ−１〜６１ｒ−５との間に配されている。第２の回折格子６２ｒ−１〜６２ｒ−５は、第１の回折格子６１ｒ−１〜６１ｒ−５に対応したパターンを有する。例えば、第２の回折格子６２ｒ−１〜６２ｒ−５は、複数のラインパターンを有し、複数のラインパターンが１次元的に周期的に配列されている（図９参照）。複数のラインパターンは、例えば、短手方向にピッチｄｒで周期的に配列されている。
【００３６】
光電変換部２１ｒの受光面ＬＲＳに垂直な方向から透視した場合、第２の回折格子６２ｒ−１〜６２ｒ−５は、第１の回折格子６１ｒ−１〜６１ｒ−５をシフトさせたパターンを有する。このシフト量及びシフトの向きは、焦点検出用画素ＦＰｒで検出すべき光の入射角度に応じて予め決められたものである。
【００３７】
第２の回折格子６２ｒ−１〜６２ｒ−５は、多層配線構造３１ｒにおける２層目の配線層を（例えば、複数のラインパターンに）パターニングすることで振幅格子型の回折格子として形成することができる。なお、図示しないが、多層配線構造３１ｒにおける２層目の層間絶縁膜３５の上面に、第２の回折格子６２ｒ−１〜６２ｒ−５に対応した複数の溝を形成し、その複数の溝に３層目の層間絶縁膜３６を埋め込むことで、位相格子型の第２の回折格子６２ｒ−１〜６２ｒ−５を形成してもよい。
【００３８】
カラーフィルター７１ｒの分光透過率のピーク波長（すなわち、赤色（Ｒ）のピーク波長）をλｒとすると、光電変換部２１ｒの受光面ＬＲＳに垂直な方向における第１の回折格子６１ｒ−１〜６１ｒ−５と第２の回折格子６２ｒ−１〜６２ｒ−５との間の距離Ｚｒは、次の数式２で表される。
Ｚｒ＝（ｄｒ）２／（λｒ）・・・数式２
【００３９】
この距離Ｚｒは、赤色（Ｒ）の波長領域の光に対するタルボ距離の半分ＺＴ／２に相当するものである。これにより、第１の回折格子６１ｒ−１〜６１ｒ−５は、第２の回折格子６２ｒ−１〜６２ｒ−５の近傍に自己像を形成する。このため、角度検出構造６０ｒは、検出すべき光の入射角度近傍の入射角度で光が入射した場合に、第２の回折格子６２ｒ−１〜６２ｒ−５を通過する光量が極大値を示す（図７参照）。これにより、角度検出構造６０ｒは、光の入射角度を検出することができる。
【００４０】
角度検出構造６０ｇは、第１の回折格子６１ｇ−１〜６１ｇ−５及び第２の回折格子６２ｇ−１〜６２ｇ−５を有する。
【００４１】
第１の回折格子６１ｇ−１〜６１ｇ−５は、光電変換部２１ｇの上方に配されている。第１の回折格子６１ｇ−１〜６１ｇ−５は、光電変換部２１ｇとカラーフィルター７１ｇとの間に配され、少なくとも１次元的に周期的に配列されている。例えば、第１の回折格子６１ｇ−１〜６１ｇ−５は、複数のラインパターンを有し、複数のラインパターンが１次元的に周期的に配列されている（図９参照）。複数のラインパターンは、例えば、短手方向にピッチｄｇで周期的に配列されている。
【００４２】
多層配線構造３１ｇにおける最上の層間絶縁膜３２の上面に、第１の回折格子６１ｇ−１〜６１ｇ−５に対応した複数の溝を形成し、その複数の溝に保護膜３３を埋め込むことで、位相格子型の第１の回折格子６１ｇ−１〜６１ｇ−５を形成することができる。なお、第１の回折格子６１ｇ−１〜６１ｇ−５は、図５に示すように、多層配線構造３１ｇにおける最上の配線層を（例えば、複数のラインパターンに）パターニングすることで振幅格子型の回折格子として形成してもよい。
【００４３】
第２の回折格子６２ｇ−１〜６２ｇ−５は、光電変換部２１ｇと第１の回折格子６１ｇ−１〜６１ｇ−５との間に配されている。第２の回折格子６２ｇ−１〜６２ｇ−５は、第１の回折格子６１ｇ−１〜６１ｇ−５に対応したパターンを有する。例えば、第２の回折格子６２ｇ−１〜６２ｇ−５は、複数のラインパターンを有し、複数のラインパターンが１次元的に周期的に配列されている（図９参照）。複数のラインパターンは、例えば、短手方向にピッチｄｇで周期的に配列されている。
【００４４】
光電変換部２１ｇの受光面ＬＲＳに垂直な方向から透視した場合、第２の回折格子６２ｇ−１〜６２ｇ−５は、第１の回折格子６１ｇ−１〜６１ｇ−５をシフトさせたパターンを有する。このシフト量及びシフトの向きは、焦点検出用画素ＦＰｇで検出すべき光の入射角度に応じて予め決められたものである。
【００４５】
第２の回折格子６２ｇ−１〜６２ｇ−５は、多層配線構造３１ｇにおける２層目の配線層を（例えば、複数のラインパターンに）パターニングすることで振幅格子型の回折格子として形成することができる。なお、図示しないが、多層配線構造３１ｇにおける２層目の層間絶縁膜３５の上面に、第２の回折格子６２ｇ−１〜６２ｇ−５に対応した複数の溝を形成し、その複数の溝に３層目の層間絶縁膜３６を埋め込むことで、位相格子型の第２の回折格子６２ｇ−１〜６２ｇ−５を形成してもよい。
【００４６】
カラーフィルター７１ｇの分光透過率のピーク波長（すなわち、緑色（Ｇ）のピーク波長）をλｇとすると、光電変換部２１ｇの受光面ＬＲＳに垂直な方向における第１の回折格子６１ｇ−１〜６１ｇ−５と第２の回折格子６２ｇ−１〜６２ｇ−５との間の距離Ｚｇは、次の数式３で表される。
Ｚｇ＝（ｄｇ）２／（λｇ）・・・数式３
【００４７】
この距離Ｚｇは、緑色（Ｇ）の波長領域の光に対するタルボ距離の半分ＺＴ／２に相当するものである。これにより、第１の回折格子６１ｇ−１〜６１ｇ−５は、第２の回折格子６２ｇ−１〜６２ｇ−５の近傍に自己像を形成する。このため、角度検出構造６０ｇは、検出すべき光の入射角度近傍の入射角度で光が入射した場合に、第２の回折格子６２ｇ−１〜６２ｇ−５を通過する光量が極大値を示す（図７参照）。これにより、角度検出構造６０ｇは、光の入射角度を検出することができる。
【００４８】
角度検出構造６０ｂは、第１の回折格子６１ｂ−１〜６１ｂ−５及び第２の回折格子６２ｂ−１〜６２ｂ−５を有する。
【００４９】
第１の回折格子６１ｂ−１〜６１ｂ−５は、光電変換部２１ｂの上方に配されている。第１の回折格子６１ｂ−１〜６１ｂ−５は、光電変換部２１ｂとカラーフィルター７１ｂとの間に配され、少なくとも１次元的に周期的に配列されている。例えば、第１の回折格子６１ｂ−１〜６１ｂ−５は、複数のラインパターンを有し、複数のラインパターンが１次元的に周期的に配列されている（図９参照）。複数のラインパターンは、例えば、短手方向にピッチｄｂで周期的に配列されている。
【００５０】
例えば、多層配線構造３１ｂにおける最上の層間絶縁膜３２の上面に、第１の回折格子６１ｂ−１〜６１ｂ−５に対応した複数の溝を形成し、その複数の溝に保護膜３３を埋め込むことで、位相格子型の第１の回折格子６１ｂ−１〜６１ｂ−５を形成することができる。なお、第１の回折格子６１ｂ−１〜６１ｂ−５は、図５に示すように、多層配線構造３１ｂにおける最上の配線層を（例えば、複数のラインパターンに）パターニングすることで振幅格子型の回折格子として形成してもよい。
【００５１】
第２の回折格子６２ｂ−１〜６２ｂ−５は、光電変換部２１ｂと第１の回折格子６１ｂ−１〜６１ｂ−５との間に配されている。第２の回折格子６２ｂ−１〜６２ｂ−５は、第１の回折格子６１ｂ−１〜６１ｂ−５に対応したパターンを有する。例えば、第２の回折格子６２ｂ−１〜６２ｂ−５は、複数のラインパターンを有し、複数のラインパターンが１次元的に周期的に配列されている（図９参照）。複数のラインパターンは、例えば、短手方向にピッチｄｂで周期的に配列されている。
【００５２】
光電変換部２１ｂの受光面ＬＲＳに垂直な方向から透視した場合、第２の回折格子６２ｂ−１〜６２ｂ−５は、第１の回折格子６１ｂ−１〜６１ｂ−５をシフトさせたパターンを有する。このシフト量及びシフトの向きは、焦点検出用画素ＦＰｂで検出すべき光の入射角度に応じて予め決められたものである。
【００５３】
第２の回折格子６２ｂ−１〜６２ｂ−５は、多層配線構造３１ｂにおける最下の配線層を（例えば、複数のラインパターンに）パターニングすることで振幅格子型の回折格子として形成することができる。なお、図示しないが、多層配線構造３１ｂにおける最下の層間絶縁膜３４の上面に、第２の回折格子６２ｂ−１〜６２ｂ−５に対応した複数の溝を形成し、その複数の溝に２層目の層間絶縁膜３５を埋め込むことで、位相格子型の第２の回折格子６２ｂ−１〜６２ｂ−５を形成してもよい。
【００５４】
カラーフィルター７１ｂの分光透過率のピーク波長（すなわち、青色（Ｂ）のピーク波長）をλｂとすると、光電変換部２１ｂの受光面ＬＲＳに垂直な方向における第１の回折格子６１ｂ−１〜６１ｂ−５と第２の回折格子６２ｂ−１〜６２ｂ−５との間の距離Ｚｂは、次の数式４で表される。
Ｚｂ＝（ｄｂ）２／（λｂ）・・・数式４
【００５５】
この距離Ｚｂは、青色（Ｂ）の波長領域の光に対するタルボ距離の半分ＺＴ／２に相当するものである。これにより、第１の回折格子６１ｂ−１〜６１ｂ−５は、第２の回折格子６２ｂ−１〜６２ｂ−５の近傍に自己像を形成する。このため、角度検出構造６０ｂは、検出すべき光の入射角度近傍の入射角度で光が入射した場合に、第２の回折格子６２ｂ−１〜６２ｂ−５を通過する光量が極大値を示す（図７参照）。これにより、角度検出構造６０ｂは、光の入射角度を検出することができる。
【００５６】
受光すべき光の波長帯域が互いに異なる焦点検出用画素ＦＰｒ，ＦＰｇ，ＦＰｂを比較した場合、赤色（Ｒ）のピーク波長λｒが緑色（Ｇ）のピーク波長λｇより長いことに応じて、赤色（Ｒ）用の第１の回折格子６１ｒ−１〜６１ｒ−５の配列ピッチｄｒを緑色（Ｇ）用の第１の回折格子６１ｇ−１〜６１ｇ−５の配列ピッチｄｇより大きくする。これにより、数式２及び数式３を満たしながら、図４に示すような、Ｚｒ≒Ｚｇの構成を実現できる。青色（Ｂ）のピーク波長λｂは、緑色（Ｇ）のピーク波長λｇより短いことに応じて、青色（Ｂ）用の第１の回折格子６１ｂ−１〜６１ｂ−５の配列ピッチｄｂと緑色（Ｇ）用の第１の回折格子６１ｇ−１〜６１ｇ−５の配列ピッチｄｇとを調節する。これにより、図４に示すような、Ｚｂ＞Ｚｇの構成を実現できる。
【００５７】
なお、焦点検出用画素ＦＰｒ，ＦＰｇ，ＦＰｂでは、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）用のタルボ距離が確保されていれば、他の形態であってもよい。例えば、焦点検出用画素ＦＰｒ，ＦＰｇ，ＦＰｂでは、格子の配列ピッチを調整することで赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）用のタルボ距離がＺｒ≒Ｚｇ≒Ｚｂとなっていてもよい。あるいは、例えば、焦点検出用画素ＦＰｒ，ＦＰｇ，ＦＰｂでは、格子の配列ピッチを均等にしながら赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）用のタルボ距離がＺｒ＜Ｚｇ＜Ｚｂとなっていてもよい。
【００５８】
また、焦点検出用画素ＦＰｒ，ＦＰｇ，ＦＰｂの光電変換部２１ｒ，２１ｇ，２１ｂは、次の点で、撮像用画素ＩＰｒ，ＩＰｇ，ＩＰｂの光電変換部２０ｒ，２０ｇ，２０ｂと異なる。光電変換部２１ｒ，２１ｇ，２１ｂの受光面ＬＲＳに沿った方向において、光電変換部２１ｒ，２１ｇ，２１ｂの幅Ｗ２１ｒ，Ｗ２１ｇ，Ｗ２１ｂは、光電変換部２０ｒ，２０ｇ，２０ｂの幅Ｗ２０ｒ，Ｗ２０ｇ，Ｗ２０ｂより広い。これにより、角度検出構造６０ｒ，６０ｇ，６０ｂにおける第１の回折格子６１ｂ−１〜６１ｂ−５の数及び第２の回折格子６２ｂ−１〜６２ｂ−５の数を、それぞれ、光の入射角度の検出精度を確保するために必要な数（例えば、４個）以上に容易に確保することができる。
【００５９】
また、焦点検出用画素ＦＰｒ，ＦＰｇ，ＦＰｂは、撮像用画素ＩＰｒ，ＩＰｇ，ＩＰｂのようなマイクロレンズ５０ｒ，５０ｇ，５０ｂを有しない。これにより、焦点検出用画素ＦＰｒ，ＦＰｇ，ＦＰｂへの光の入射角度と角度検出構造６０ｒ，６０ｇ，６０ｂへの光の入射角度とを容易に均等にすることができ、角度検出構造６０ｒ，６０ｇ，６０ｂによる光の入射角度の検出精度を容易に確保できる。
【００６０】
次に、タルボ方式に従ったＡＦ動作について図２を用いて説明する。
【００６１】
カメラシステム１の後段処理部３において、記憶部７は、対応情報７ａを記憶している。対応情報７ａは、画素配列１２内の位置と光の入射角度とデフォーカス量とが画素配列１２内の複数の位置について対応付けられた情報である。対応情報７ａは、例えば、画素配列１２内の位置と光の入射角度とデフォーカス量とが画素配列１２内の複数の位置について対応付けられたテーブルであってもよい。あるいは、対応情報７ａは、画素配列１２内の位置と光の入射角度とが画素配列１２内の複数の位置について対応付けられたテーブルと、画素配列１２内の位置及び光の入射角度からデフォーカス量が求められる関数とを含むものであってもよい。また、ＩＳＰ６は、検出部６ａ及び調節部６ｂを有する。
【００６２】
検出部６ａは、固体撮像装置５における複数の焦点検出用画素の出力を受ける。検出部６ａは、複数の焦点検出用画素の出力に応じて、画素配列１２内の複数の位置に対する光の入射角度を求めて、撮影レンズ４７の焦点状態を検出する。例えば、検出部６ａは、複数の焦点検出用画素の出力のうち閾値以上の光量を受光した焦点検出用画素を特定し、対応情報７ａを参照して、特定された焦点検出用画素で検出された光の入射角度を求める。すなわち、検出部６ａは、画素配列内の複数の位置に対する光の入射角度を求める。検出部６ａは、求められた光の入射角度について、記憶部７の対応情報７ａを参照して、デフォーカス量を撮影レンズ４７の焦点状態として求める。すなわち、検出部６ａは、撮影レンズ４７の焦点状態を検出する。検出部６ａは、検出された撮影レンズ４７の焦点状態を調節部６ｂへ供給する。
【００６３】
調節部６ｂは、撮影レンズ４７の焦点状態に応じて、撮影レンズを合焦状態（ジャストフォーカス）に調節するための焦点調節情報を求める。調節部６ｂは、その焦点調節情報として、例えば、撮影レンズ４７ｂの駆動量を求める。調節部６ｂは、求められた焦点調節情報に基づいて、レンズ駆動機構４７ｃを制御して、撮影レンズ４７ａ，４７ｂを合焦状態（ジャストフォーカス）に調節する。
【００６４】
次に、撮影レンズ４７の焦点状態と固体撮像装置５への光の入射角との関係について図６を用いて説明する。図６は、撮影レンズ４７の焦点状態と固体撮像装置５への光の入射角との関係を示す図である。
【００６５】
図６の６Ａは、撮影レンズ４７の焦点状態が合焦状態（ジャストフォーカス）である場合を示す。すなわち、撮影レンズ４７から被写体ＯＢまでの距離Ｄ１が撮影レンズ４７の現在の焦点状態に対して予定された被写体距離に略一致しているので、撮影レンズ４７による被写体像の再結像面ＯＰ１が固体撮像装置５の撮像面（画素配列１２）ＩＭＰに略一致している。撮影レンズ４７の焦点位置ＦＣ１は、撮影レンズ４７と固体撮像装置５の撮像面との間における撮像面ＩＭＰ付近の位置である。
【００６６】
このとき、撮像面ＩＭＰに対する画素配列１２への光の入射角度は、画素配列１２の中心１２ｃ（図８参照）近傍で略０°（すなわち、撮像面ＩＭＰに略垂直な入射角度）である。撮像面ＩＭＰに対する画素配列１２への光の入射角度は、画素配列１２の中心１２ｃより図６の左側の焦点検出用画素ＦＰ１において略０°から若干右側に傾いた角度θ１である。撮像面ＩＭＰに対する画素配列１２への光の入射角度は、画素配列１２の中心１２ｃより図６の右側の焦点検出用画素ＦＰ２において略０°から若干左側に傾いた角度θ２である。
【００６７】
例えば、検出部６ａは、複数の焦点検出用画素の出力のうち閾値以上の光量を受光した焦点検出用画素ＦＰ１，ＦＰ２を特定する。すなわち、検出部６ａは、画素配列１２内の複数の位置に対する光の入射角度θ１，θ２を求める。検出部６ａは、求められた光の入射角度θ１，θ２について、記憶部７の対応情報７ａを参照して、デフォーカス量（≒０）を撮影レンズ４７の焦点状態として求める。すなわち、検出部６ａは、撮影レンズ４７の焦点状態が合焦状態（ジャストフォーカス）であることを検出する。検出部６ａは、検出された撮影レンズ４７の焦点状態を調節部６ｂへ供給する。
【００６８】
調節部６ｂは、撮影レンズ４７の焦点状態が合焦状態（ジャストフォーカス）であることに応じて、撮影レンズを合焦状態（ジャストフォーカス）に調節するための焦点調節情報を求める。調節部６ｂは、その焦点調節情報として、例えば、撮影レンズ４７ｂの駆動量（≒０）を求める。調節部６ｂは、求められた焦点調節情報に基づいて、レンズ駆動機構４７ｃを動作させず、撮影レンズ４７ａ，４７ｂを合焦状態（ジャストフォーカス）に維持する。
【００６９】
図６の６Ｂは、撮影レンズ４７の焦点状態が後ピン状態である場合を示す。すなわち、撮影レンズ４７から被写体ＯＢまでの距離Ｄ２が撮影レンズ４７の現在の焦点状態に対して予定された被写体距離より近いので、撮影レンズ４７による被写体像の再結像面ＯＰ２が固体撮像装置５の撮像面（画素配列１２）ＩＭＰより遠くに位置している。撮影レンズ４７の焦点位置ＦＣ２は、固体撮像装置５の撮像面より遠い位置であることが多い。
【００７０】
このとき、撮像面ＩＭＰに対する画素配列１２への光の入射角度は、画素配列１２の中心１２ｃ近傍で略０°である。撮像面ＩＭＰに対する画素配列１２への光の入射角度は、画素配列１２の中心１２ｃより図６の左側の焦点検出用画素ＦＰ３において略０°から若干左側に傾いた角度θ３である。撮像面ＩＭＰに対する画素配列１２への光の入射角度は、画素配列１２の中心１２ｃより図６の右側の焦点検出用画素ＦＰ４において略０°から若干右側に傾いた角度θ４である。
【００７１】
例えば、検出部６ａは、複数の焦点検出用画素の出力のうち閾値以上の光量を受光した焦点検出用画素ＦＰ３，ＦＰ４を特定する。すなわち、検出部６ａは、画素配列１２内の複数の位置に対する光の入射角度θ３，θ４を求める。検出部６ａは、求められた光の入射角度θ３，θ４について、記憶部７の対応情報７ａを参照して、デフォーカス量（＝ｋ（Ｄ２−Ｄ１）、ｋは比例定数）を撮影レンズ４７の焦点状態として求める。すなわち、検出部６ａは、撮影レンズ４７の焦点状態がデフォーカス量ｋ（Ｄ２−Ｄ１）の後ピン状態であることを検出する。検出部６ａは、検出された撮影レンズ４７の焦点状態を調節部６ｂへ供給する。
【００７２】
調節部６ｂは、撮影レンズ４７の焦点状態に応じて、撮影レンズを合焦状態（ジャストフォーカス）に調節するための焦点調節情報を求める。調節部６ｂは、その焦点調節情報として、例えば、撮影レンズ４７の焦点状態に対して予定された被写体距離が距離Ｄ２である焦点状態になるように、撮影レンズ４７ｂの駆動量を求める。調節部６ｂは、求められた焦点調節情報に基づいて、レンズ駆動機構４７ｃを制御して、撮影レンズ４７ａ，４７ｂを合焦状態（ジャストフォーカス）に調節する。
【００７３】
図６の６Ｃは、撮影レンズ４７の焦点状態が前ピン状態である場合を示す。すなわち、撮影レンズ４７から被写体ＯＢまでの距離Ｄ３が撮影レンズ４７の現在の焦点状態に対して予定された被写体距離より遠いので、撮影レンズ４７による被写体像の再結像面ＯＰ３が固体撮像装置５の撮像面（画素配列１２）ＩＭＰより近くに位置している。撮影レンズ４７の焦点位置ＦＣ３は、固体撮像装置５の撮像面より近い位置である。
【００７４】
このとき、撮像面ＩＭＰに対する画素配列１２への光の入射角度は、画素配列１２の中心１２ｃ近傍で略０°である。撮像面ＩＭＰに対する画素配列１２への光の入射角度は、画素配列１２の中心１２ｃより図６の左側の焦点検出用画素ＦＰ５において略０°から大幅に右側に傾いた角度θ５である。撮像面ＩＭＰに対する画素配列１２への光の入射角度は、画素配列１２の中心１２ｃより図６の右側の焦点検出用画素ＦＰ６において略０°から大幅に左側に傾いた角度θ６である。
【００７５】
例えば、検出部６ａは、複数の焦点検出用画素の出力のうち閾値以上の光量を受光した焦点検出用画素ＦＰ５，ＦＰ６を特定する。すなわち、検出部６ａは、画素配列１２内の複数の位置に対する光の入射角度θ５，θ６を求める。検出部６ａは、求められた光の入射角度θ５，θ６について、記憶部７の対応情報７ａを参照して、デフォーカス量（＝ｋ（Ｄ３−Ｄ１））を撮影レンズ４７の焦点状態として求める。すなわち、検出部６ａは、撮影レンズ４７の焦点状態がデフォーカス量ｋ（Ｄ３−Ｄ１）の前ピン状態であることを検出する。検出部６ａは、検出された撮影レンズ４７の焦点状態を調節部６ｂへ供給する。
【００７６】
調節部６ｂは、撮影レンズ４７の焦点状態に応じて、撮影レンズを合焦状態（ジャストフォーカス）に調節するための焦点調節情報を求める。調節部６ｂは、その焦点調節情報として、例えば、撮影レンズ４７の焦点状態に対して予定された被写体距離が距離Ｄ３である焦点状態になるように、撮影レンズ４７ｂの駆動量を求める。調節部６ｂは、求められた焦点調節情報に基づいて、レンズ駆動機構４７ｃを制御して、撮影レンズ４７ａ，４７ｂを合焦状態（ジャストフォーカス）に調節する。
【００７７】
このように、画素配列１２内の複数の位置に対する光の入射角度を求めることで、撮影レンズ４７の焦点状態を検出して合焦状態になるように調節することができる。
【００７８】
次に、焦点検出用画素の動作について図７を用いて説明する。図７は、焦点検出用画素の動作を示す図である。
【００７９】
図７では、例えば、焦点検出用画素ＦＰｇの角度検出構造６０ｇにおいて、第１の回折格子６１ｇ−１〜６１ｇ−５に対する第２の回折格子６２ｇ−１〜６２ｇ−５のシフト量をゼロとした場合の特性を例示的に示している。この場合、図７では、焦点検出用画素ＦＰｇへの光の入射角度として、略０°（すなわち、撮像面に略垂直な入射角度）から図６の右側に１０°傾いた角度を＋１０°として示し、略０°から図６の左側に１０°傾いた角度を−１０°として示している。
【００８０】
焦点検出用画素ＦＰｇの角度検出構造６０ｇは、図７に示されるように、光の入射角度が＋１０°近傍及び−１０°近傍のときに、光の透過特性のピークを示している。すなわち、焦点検出用画素ＦＰｇの角度検出構造６０ｇは、光の入射角度として＋１０°近傍及び−１０°近傍の２値を検出することができる。これにより、焦点検出用画素ＦＰｇの角度検出構造６０ｇは、合焦状態（ジャストフォーカス）からの光の入射角度のずれを精度よく検出できる。
【００８１】
また、角度検出構造６０ｇが２値の角度を検出できるので、焦点検出用画素ＦＰｇとして、合焦状態（ジャストフォーカス）検出用のものと、後ピン状態検出用のものと、前ピン状態検出用のものとを用意する際に、用意すべき個数を検出すべき角度の候補数に対して（例えば、半分に）低減できる。
【００８２】
次に、画素配列１２のレイアウト構成について図８及び図９を用いて説明する。図８は、画素配列１２のレイアウト構成を示す図である。また、図９は、特に焦点検出用画素群の構成を示す図である。
【００８３】
固体撮像装置５は、カメラの撮影レンズ４７により、画素配列１２上に被写体の画像が形成される。このとき、被写体の画像をカラーで撮像するためには、入射した光のうち例えば３原色（赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ））の波長領域の光を選択的に光電変換する必要がある。そこで、各撮像用画素には、例えばベイヤー配列に従ってカラーフィルターが設けられている。図８では、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）に対応した撮像用画素ＩＰｒ，ＩＰｇ，ＩＰｂが、それぞれ、Ｒ画素、Ｇ画素、Ｂ画素として示されている。
【００８４】
画素配列１２内を画素配列１２の中心１２ｃ付近の領域とその周辺の領域とに分ける。例えば、画素配列１２内を、図８に破線の内側の領域として示される、画素配列１２の中心１２ｃを含む中央領域ＣＡと、図８に破線の外側の領域として示される、周辺領域ＰＡとに分ける。
【００８５】
画素配列１２では、中央領域ＣＡ及び周辺領域ＰＡのそれぞれにおいて、ベイヤー配列に従って撮像用画素ＩＰｒ，ＩＰｇ，ＩＰｂが繰り返し配列されたレイアウト構成を基本とし、例えば、周辺領域ＰＡにおける撮像用画素ＩＰｒ，ＩＰｇ，ＩＰｂの一部が焦点検出用画素群ＦＰＧ１〜ＦＰＧ４で置き換えられる。
【００８６】
焦点検出用画素群ＦＰＧ１〜ＦＰＧ４は、例えば、周辺領域ＰＡにおける端部近傍（例えば、角部近傍）に配されている。これにより、撮像用画素ＩＰｒ，ＩＰｇ，ＩＰｂの画質にほとんど影響させずに、焦点検出用画素によるＡＦ機能の実現が可能である。
【００８７】
各焦点検出用画素群ＦＰＧ１〜ＦＰＧ４は、検出すべき角度の候補数に対応した数の焦点検出用画素ＦＰｒ，ＦＰｇ，ＦＰｂを含んでいる。検出すべき角度の候補数は、所望の最大対応角度、角度刻みに応じて決める。
【００８８】
例えば、焦点検出用画素群ＦＰＧ１は、図９に示すように、異なる複数の角度を検出するための複数のサブ画素群ＳＦＰＧ（１，１）〜ＳＦＰＧ（ｊ，ｋ）を含んでいる。各サブ画素群ＳＦＰＧ（１，１）〜ＳＦＰＧ（ｊ，ｋ）は、ベイヤー配列における配列単位に対応しているカラーフィルタが設けられた４つの焦点検出用画素を含んでいる。各サブ画素群ＳＦＰＧ（１，１）〜ＳＦＰＧ（ｊ，ｋ）内では、例えば、４つの焦点検出用画素の角度検出構造が、略均等な入射角度を検出する。すなわち、サブ画素群ごとに、焦点検出用画素において、光電変換部の受光面に垂直な方向から透視した場合における第２の回折格子の第１の回折格子に対するシフト量を変える。
【００８９】
例えば、図９に示すように、各焦点検出用画素において、第１の回折格子は、それぞれＹ方向に延びた複数の第１のラインパターンＬＰ１１〜ＬＰ１４を含み、第２の回折格子は、複数の第２のラインパターンＬＰ２１〜ＬＰ２４を含む。複数の第２のラインパターンＬＰ２１〜ＬＰ２４は、複数の第１のラインパターンＬＰ１１〜ＬＰ１４に対応したものであり、複数の第１のラインパターンＬＰ１１〜ＬＰ１４を例えば角度φＸに対応したシフト量でシフトさせたパターンである。
【００９０】
例えば、複数のサブ画素群ＳＦＰＧ（１，１）〜ＳＦＰＧ（ｊ，ｋ）は、列ごとに、検出すべき入射角度のＸ方向の成分を変える。サブ画素群の列ごとに、焦点検出用画素において、複数の第１のラインパターンＬＰ１１〜ＬＰ１４に対する複数の第２のラインパターンＬＰ２１〜ＬＰ２４のＸ方向のシフト量を、角度φＸ１〜φＸｋに対応したシフト量の間で変える。角度φＸ（φＸ１〜φＸｋ）は、光電変換部の受光面の法線に対して、ラインパターンＬＰ１３及びラインパターンＬＰ２３の対応する部分（例えば、右側のエッジ部分）を結んだ線分がなす角度である。すなわち、複数の第１のラインパターンＬＰ１１〜ＬＰ１４を短手方向（Ｘ方向）にシフトさせて複数の第２のラインパターンＬＰ２１〜ＬＰ２４を形成する際におけるＸ方向のシフト量をサブ画素群の列ごとに変える。
【００９１】
例えば、複数のサブ画素群ＳＦＰＧ（１，１）〜ＳＦＰＧ（ｊ，ｋ）は、行ごとに、検出すべき入射角度のＹ方向の成分を変える。すなわち、サブ画素群の行ごとに、焦点検出用画素において、複数の第１のラインパターンＬＰ１１〜ＬＰ１４及び複数の第２のラインパターンＬＰ２１〜ＬＰ２４のＹ方向のシフト量を、角度φＹ１〜φＹｊに対応したシフト量の間で変える。角度φＹ（φＹ１〜φＹｊ）は、光電変換部の受光面に垂直な方向から透視した場合において、Ｙ方向に延びた位置を基準として、ラインパターンＬＰ１３及びラインパターンＬＰ２３を右回りに回転させる回転角度である。すなわち、複数の第１のラインパターンＬＰ１１〜ＬＰ１４及び複数の第２のラインパターンＬＰ２１〜ＬＰ２４の長手方向を、サブ画素群の行ごとに、それぞれ角度φＹ（φＹ１〜φＹｊ）に対応したシフト量で互いに回転方向にシフトさせる。
【００９２】
例えば、複数のサブ画素群ＳＦＰＧ（１，１）〜ＳＦＰＧ（ｊ，ｋ）のうち、中央のサブ画素群ＳＦＰＧ（ｊ／２，ｋ／２）において、その画素位置における合焦状態（ジャストフォーカス）に対応した入射角度を検出するように構成されていてもよい。このとき、サブ画素群ＳＦＰＧ（ｊ／２，ｋ／２）より画素中心１２ｃ（図８参照）に近い側のサブ画素群（例えば、サブ画素群ＳＦＰＧ（１，ｋ））において、前ピン状態又は後ピン状態に対応した入射角度を検出でき、サブ画素群ＳＦＰＧ（ｊ／２，ｋ／２）より画素中心１２ｃ（図８参照）から遠い側のサブ画素群（例えば、サブ画素群ＳＦＰＧ（ｊ，１））において、後ピン状態又は前ピン状態に対応した入射角度を検出できる。
【００９３】
なお、複数の第１及び第２のラインパターンをそれぞれＸ方向に延びたものとするととともに、複数の第１及び第２のラインパターンをＸ方向に延びた位置を基準として回転方向にシフトさせることで、Ｙ方向の成分をサブ画素群の列ごとに変えてもよい。
【００９４】
また、他の焦点検出用画素群ＦＰＧ２〜ＦＰＧ４内の構成は、基本的に、焦点検出用画素群ＦＰＧ１と同様であるが、画素配列の中心に関して互いに反対側に配されている場合、図１０に示すように、シフトの向きが異なることがある。図１０は、画素配列の中心に関して互いに反対側に配された２つの焦点検出用画素の断面構成を示す図である。
【００９５】
焦点検出用画素群ＦＰＧ１と焦点検出用画素群ＦＰＧ２とは、Ｘ方向で見た場合に、画素配列１２の中心１２ｃに関して互いに反対側に配されている（図８参照）。これに応じて、Ｘ方向で見た場合に、焦点検出用画素群ＦＰＧ１の各焦点検出用画素に対応する第２の回折格子の第１の回折格子に対するシフトの向きは、焦点検出用画素群ＦＰＧ２の各焦点検出用画素に対応する第２の回折格子の第１の回折格子に対するシフトの向きと異なる。
【００９６】
例えば、図１０の１０Ａに示すように、焦点検出用画素群ＦＰＧ１の焦点検出用画素ＦＰｇでは、複数の第１のラインパターンＬＰ１１〜ＬＰ１４に対する複数の第２のラインパターンＬＰ２１〜ＬＰ２４のシフト量が、略０°に対して図１０の右方向に傾いた角度φＸＲに対応したものとなっている。例えば、図１０の１０Ｂに示すように、焦点検出用画素群ＦＰＧ２の焦点検出用画素ＦＰｇでは、複数の第１のラインパターンＬＰ１１〜ＬＰ１４に対する複数の第２のラインパターンＬＰ２１〜ＬＰ２４のシフト量が、略０°に対して図１０の左方向に傾いた角度φＸＬに対応したものとなっている。
【００９７】
あるいは、焦点検出用画素群ＦＰＧ１と焦点検出用画素群ＦＰＧ４とは、Ｙ方向で見た場合に、画素配列１２の中心１２ｃに関して互いに反対側に配されている（図８参照）。これに応じて、Ｙ方向で見た場合に、焦点検出用画素群ＦＰＧ１の各焦点検出用画素に対応する第２の回折格子の第１の回折格子に対するシフトの向きは、焦点検出用画素群ＦＰＧ４の各焦点検出用画素に対応する第２の回折格子の第１の回折格子に対するシフトの向きと異なる。
【００９８】
以上のように、実施形態では、固体撮像装置５において、焦点検出用画素ＦＰｒ，ＦＰｇ，ＦＰｂが第１の回折格子及び第２の回折格子を有する。第１の回折格子は、光電変換部の上方に配されている。第２の回折格子は、光電変換部と第１の回折格子との間に配されている。光電変換部の受光面に垂直な方向における第１の回折格子と第２の回折格子との間の距離は、例えば、タルボ距離の半分の整数倍（偶数倍、又は奇数倍）とすることができる。これにより、第１の回折格子は、第２の回折格子の近傍に自己像に応じた像を形成するので、各焦点検出用画素ＦＰｒ，ＦＰｇ，ＦＰｂの角度検出構造６０ｒ，６０ｇ，６０ｂでは、検出すべき光の入射角度近傍の入射角度で光が入射した場合に、第２の回折格子を通過する光量が極大値を示す。これにより、角度検出構造６０ｒ，６０ｇ，６０ｂは、光の入射角度を検出することができる。
【００９９】
したがって、各焦点検出用画素ＦＰｒ，ＦＰｇ，ＦＰｂの角度検出構造６０ｒ，６０ｇ，６０ｂにより、焦点検出用画素ＦＰｒ，ＦＰｇ，ＦＰｂへの光の入射角度を介して、撮影レンズ４７のデフォーカス量を精度よく検出することができる。すなわち、ＡＦ動作専用のラインセンサーを用いることなく、ＡＦ動作のための信号を固体撮像装置５で得ることができ、１チップでイメージングとＡＦ機能とを実現できるので、固体撮像装置５が適用されるカメラシステム１を容易に小型化できる。
【０１００】
また、光の入射角度からその対応するデフォーカス量を求めて、ジャストフォーカスの位置に撮影レンズ４７を駆動させることでフォーカス補正することができる。これにより、簡易な処理でフォーカス補正を行うことができ、撮影レンズの往復駆動を抑制しながら撮影レンズ４７を駆動させることができるので、高速なＡＦ動作を実現できる。
【０１０１】
すなわち、実施形態によれば、カメラシステム１の小型化が容易であり且つ高速なＡＦ動作を実現できる固体撮像装置５を提供できる。
【０１０２】
また、実施形態では、固体撮像装置５において、焦点検出用画素ＦＰｒ，ＦＰｇ，ＦＰｂがマイクロレンズを有しない。これにより、焦点検出用画素ＦＰｒ，ＦＰｇ，ＦＰｂへの光の入射角度と角度検出構造６０ｒ，６０ｇ，６０ｂへの光の入射角度とを容易に均等にすることができ、角度検出構造６０ｒ，６０ｇ，６０ｂによる光の入射角度の検出精度を容易に確保できる。
【０１０３】
また、実施形態では、固体撮像装置５において、焦点検出用画素ＦＰｒ，ＦＰｇ，ＦＰｂの光電変換部２１ｒ，２１ｇ，２１ｂの幅が、撮像用画素ＩＰｒ，ＩＰｇ，ＩＰｂの光電変換部２０ｒ，２０ｇ，２０ｂの幅より広い。例えば、光電変換部２１ｒ，２１ｇ，２１ｂの受光面ＬＲＳに沿った方向において、光電変換部２１ｒ，２１ｇ，２１ｂの幅Ｗ２１ｒ，Ｗ２１ｇ，Ｗ２１ｂは、光電変換部２０ｒ，２０ｇ，２０ｂの幅Ｗ２０ｒ，Ｗ２０ｇ，Ｗ２０ｂより広い。これにより、角度検出構造６０ｒ，６０ｇ，６０ｂにおける第１の回折格子６１ｂ−１〜６１ｂ−５の数及び第２の回折格子６２ｂ−１〜６２ｂ−５の数を、それぞれ、光の入射角度の検出精度を確保するために必要な格子数（例えば、４個）以上に容易に確保することができる。
【０１０４】
また、実施形態では、固体撮像装置５の各焦点検出用画素ＦＰｒ，ＦＰｇ，ＦＰｂにおいて、第２の回折格子は、第１の回折格子に対応したパターンを有する。例えば、光電変換部の受光面に垂直な方向から透視した場合、第２の回折格子は、焦点検出用画素ＦＰｒ，ＦＰｇ，ＦＰｂで検出すべき光の入射角度に応じて第１の回折格子をシフトさせたパターンを有する。これにより、焦点検出用画素ＦＰｒ，ＦＰｇ，ＦＰｂで検出すべき光の入射角度として、ジャストフォーカスに対応した角度及びその前後の角度を容易に用意することができ、撮影レンズ４７の合焦状態を検出するために必要な信号を固体撮像装置５から出力させることができる。
【０１０５】
また、実施形態では、固体撮像装置５の画素配列１２において、複数の焦点検出用画素のうちの１つの焦点検出用画素に対応する第２の回折格子の第１の回折格子に対するシフトの向きは、画素配列１２の中心１２ｃに関して１つの焦点検出用画素の反対側に配された焦点検出用画素に対応する第２の回折格子の第１の回折格子に対するシフトの向きと異なる。これにより、画素配列１２における複数の焦点検出用画素のそれぞれをその配置位置に応じて適した入射角度を検出するように構成できる。
【０１０６】
また、実施形態では、固体撮像装置５の各焦点検出用画素ＦＰｒ，ＦＰｇ，ＦＰｂにおいて、第１の回折格子は、複数の第１のラインパターンを含み、第２の回折格子は、その複数の第１のラインパターンに対応した複数の第２のラインパターンを含む。例えば、光電変換部の受光面に垂直な方向から透視した場合、複数の第２のラインパターンは、焦点検出用画素で検出すべき光の入射角度に応じて複数の第１のラインパターンをシフトさせたパターンを有する。複数の第１のラインパターンは、複数の第２のラインパターンの近傍に自己像を形成する。これにより、光の入射角度を検出するための構造を簡易な構成で実現できる。
【０１０７】
また、実施形態では、固体撮像装置５の各焦点検出用画素ＦＰｒ，ＦＰｇ，ＦＰｂにおいて、光電変換部の受光面に垂直な方向から透視した場合、複数の第２のラインパターンは、複数の第１のラインパターンを短手方向にシフトさせたパターンを有する。これにより、検出すべき角度の候補となる互いに異なる複数の入射角度を検出するための構造を簡易な構成で実現できる。
【０１０８】
また、実施形態では、複数の焦点検出用画素が、光電変換部の受光面に垂直な方向から透視した場合、互いに回転方向にシフトされた複数の第１のラインパターン及び複数の第２のラインパターンを有する。これにより、検出すべき角度の候補となる互いに異なる複数の入射角度を検出するための構造を簡易な構成で実現できる。
【０１０９】
また、実施形態では、固体撮像装置５の画素配列１２において、各焦点検出用画素ＦＰｒ，ＦＰｇ，ＦＰｂが周辺領域ＰＡに配されている。これにより、撮像用画素ＩＰｒ，ＩＰｇ，ＩＰｂの画質にほとんど影響させずに、焦点検出用画素ＦＰｒ，ＦＰｇ，ＦＰｂによるＡＦ機能の実現が可能である。
【０１１０】
また、実施形態では、カメラシステム１において、固体撮像装置５の複数の焦点検出用画素ＦＰｒ，ＦＰｇ，ＦＰｂが、撮影レンズ４７の合焦状態を検出するための信号を出力する。検出部６ａが、複数の焦点検出用画素ＦＰｒ，ＦＰｇ，ＦＰｂの出力に応じて、画素配列１２内の複数の位置に対する光の入射角度を求めて、撮影レンズ４７の焦点状態を検出する。調節部６ｂが、撮影レンズ４７の焦点状態に応じて、撮影レンズ４７を合焦状態（ジャストフォーカス）になるように調節する。これにより、簡易な処理でフォーカス補正を行うことができ、撮影レンズ４７の往復駆動を抑制しながら撮影レンズ４７を駆動させることができるので、高速なＡＦ動作を実現できる。
【０１１１】
なお、実施形態では、固体撮像装置５が可視光で３色（ＲＧＢ）の波長を受光する場合について例示的に説明しているが、固体撮像装置５は、可視光だけでなく赤外や紫外などの領域の波長を受光するものであってもよい。例えば、焦点検出用画素において、第１の回折格子と第２の回折格子との距離を赤外光の中心波長に対するタルボ距離としてもよい。この場合、カメラシステム１を監視カメラに用いた場合に、暗闇でも精度のよいＡＦ動作を実現できる。
【０１１２】
あるいは、固体撮像装置５は、用途に応じて単色用に用いられるものであってもよく、単色用の角度検出構造を形成してもよい。例えば、焦点検出用画素において、カラーフィルタを省略するとともに、第１の回折格子と第２の回折格子との距離を白色光の中心波長に対するタルボ距離としてもよい。あるいは、例えば、図４に示す赤用、緑用、青用の焦点検出用画素ＦＰｒ，ＦＰｇ，ＦＰｂのいずれかの角度検出構造を単色用の角度検出構造として用いてもよい。
【０１１３】
あるいは、固体撮像装置５の画素配列１２において、各焦点検出用画素が周辺領域ＰＡに代えて中央領域ＣＡに配されていてもよい。図１１は、変形例における画素配列１２のレイアウト構成を示す図である。例えば、図１１に示すように、画素配列１２では、中央領域ＣＡ及び周辺領域ＰＡのそれぞれにおいて、ベイヤー配列に従って撮像用画素ＩＰｒ，ＩＰｇ，ＩＰｂが繰り返し配列されたレイアウト構成を基本とし、例えば、中央領域ＣＡにおける撮像用画素ＩＰｒ，ＩＰｇ，ＩＰｂの一部が焦点検出用画素群ＦＰＧ１１〜ＦＰＧ１４で置き換えられる。焦点検出用画素群ＦＰＧ１１〜ＦＰＧ１４は、例えば、画素配列１２の中心１２ｃを囲むように配されている。これにより、撮像用画素ＩＰｒ，ＩＰｇ，ＩＰｂの画質にほとんど影響させずに、焦点検出用画素によるＡＦ機能の実現が可能である。
【０１１４】
あるいは、固体撮像装置５の画素配列１２において、各焦点検出用画素が周辺領域ＰＡに加えて中央領域ＣＡに配されていてもよい。図１２は、他の変形例における画素配列１２のレイアウト構成を示す図である。例えば、図１２に示すように、画素配列１２では、中央領域ＣＡ及び周辺領域ＰＡのそれぞれにおいて、ベイヤー配列に従って撮像用画素ＩＰｒ，ＩＰｇ，ＩＰｂが繰り返し配列されたレイアウト構成を基本とし、例えば、中央領域ＣＡ及び周辺領域ＰＡのそれぞれにおける撮像用画素ＩＰｒ，ＩＰｇ，ＩＰｂの一部が焦点検出用画素群ＦＰＧ１〜ＦＰＧ４，ＦＰＧ１１〜ＦＰＧ１４で置き換えられる。焦点検出用画素群ＦＰＧ１〜ＦＰＧ４は、例えば、周辺領域ＰＡにおける端部近傍（例えば、角部近傍）に配されている。焦点検出用画素群ＦＰＧ１１〜ＦＰＧ１４は、例えば、画素配列１２の中心１２ｃを囲むように配されている。これにより、複数の焦点検出用画素による角度検出の精度を画素配列１２の全体として向上できる。
【０１１５】
このとき、周辺領域ＰＡに配された焦点検出用画素群ＦＰＧ１〜ＦＰＧ４内の構成は、基本的に、中央領域ＣＡに配された焦点検出用画素群ＦＰＧ１１〜ＦＰＧ１４内の構成と同様であるが、シフト量が互いに異なることがある。図１３は、画素配列の中央領域及び周辺領域にそれぞれ配された２つの焦点検出用画素の断面構成を示す図である。
【０１１６】
焦点検出用画素群ＦＰＧ１と焦点検出用画素群ＦＰＧ１１とは、それぞれ、中央領域ＣＡ及び周辺領域ＰＡに配されているので、検出すべき光の入射角度が互いに異なる（図６参照）。これに応じて、Ｘ方向で見た場合に、焦点検出用画素群ＦＰＧ１の焦点検出用画素に対応する第２の回折格子の第１の回折格子に対するシフトの量は、焦点検出用画素群ＦＰＧ１１の焦点検出用画素に対応する第２の回折格子の第１の回折格子に対するシフト量と異なる。
【０１１７】
例えば、図１３の１３Ａに示すように、焦点検出用画素群ＦＰＧ１の焦点検出用画素ＦＰｇでは、複数の第１のラインパターンＬＰ１１〜ＬＰ１４に対する複数の第２のラインパターンＬＰ２１〜ＬＰ２４のシフト量が、略０°に対して図１３の右方向に傾いた角度φＸＲ１に対応したものとなっている。例えば、図１３の１３Ｂに示すように、焦点検出用画素群ＦＰＧ１１の焦点検出用画素ＦＰｇでは、複数の第１のラインパターンＬＰ１１〜ＬＰ１４に対する複数の第２のラインパターンＬＰ２１〜ＬＰ２４のシフト量が、略０°に対して図１３の右方向に傾いた角度φＸＲ１１（＜φＸＲ１）に対応したものとなっている。
【０１１８】
あるいは、実施形態では、各焦点検出用画素群ＦＰＧ１〜ＦＰＧ４における複数の焦点検出用画素が集合的に配置される場合について例示的に示しているが、各焦点検出用画素群ＦＰＧ１〜ＦＰＧ４における複数の焦点検出用画素は、互いに間隔をあけて周期的又は非周期的に配列されていてもよい。図１４及び図１５は、さらに他の変形例における画素配列１２のレイアウト構成を示す図である。
【０１１９】
例えば、図１４に示すように、ベイヤー配列の配列単位に対応したサブ画素群ＳＦＰＧの単位で、互いに間隔をあけて配列されていてもよい。すなわち、集合的に配置する焦点検出用画素の個数を例えば４つにすることで、撮像用画素ＩＰｒ，ＩＰｇ，ＩＰｂの画質への影響を抑制しながら、画素配列１２における配置箇所の個数を容易に増加できる。これにより、撮像用画素ＩＰｒ，ＩＰｇ，ＩＰｂによる撮像画像の画質を向上できるとともに、焦点検出用画素による角度検出の精度を向上できる。
【０１２０】
あるいは、例えば、図１５に示すように、１つの焦点検出用画素ＦＰの単位で、互いに間隔をあけて配列されていてもよい。すなわち、集合的に配置する焦点検出用画素の個数を例えば１つにすることで、撮像用画素ＩＰｒ，ＩＰｇ，ＩＰｂの画質への影響をさらに抑制しながら、画素配列１２における配置箇所の個数を容易に増加できる。これにより、撮像用画素ＩＰｒ，ＩＰｇ，ＩＰｂによる撮像画像の画質をさらに向上できるとともに、焦点検出用画素による角度検出の精度を向上できる。
【０１２１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１２２】
１  カメラシステム、５  固体撮像装置。
【図１】
2015037102.tif 000003
【図２】
2015037102.tif 000004
【図３】
2015037102.tif 000005
【図４】
2015037102.tif 000006
【図５】
2015037102.tif 000007
【図６】
2015037102.tif 000008
【図８】
2015037102.tif 000009
【図９】
2015037102.tif 000010
【図１０】
2015037102.tif 000011
【図１１】
2015037102.tif 000012
【図１２】
2015037102.tif 000013
【図１３】
2015037102.tif 000014
【図１４】
2015037102.tif 000015
【図１５】
2015037102.tif 000016
【図７】
2015037102.tif 000017