(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学系により結像される被写体像を光電変換する固体撮像素子であって、前記光学系の射出瞳の中心から実質的に偏心していない前記射出瞳の第１の領域からの光束を受光して光電変換する複数の第１の画素と、実質的に前記第１の領域の一部をなす前記射出瞳の第２の領域であって前記射出瞳の中心から所定方向へ偏心した前記射出瞳の第２の領域からの光束を選択的に受光して光電変換する複数の第２の画素と、を備え、前記複数の第１の画素が、前記被写体像に応じた画像を示す電気信号を得るために用いられ、前記複数の第１の画素のうちの前記複数の第２の画素の近辺の第１の画素及び前記複数の第２の画素が、前記光学系の焦点調節状態を検出するための電気信号を得るために用いられる固体撮像素子と、
前記複数の第１の画素のうちの前記複数の第２の画素の近辺の第１の画素からの信号及び前記複数の第２の画素からの信号に基づいて、前記光学系の焦点調節状態を示す検出信号を出力する検出処理部と、
を備え、
前記検出処理部は、前記複数の第１の画素のうちの前記複数の第２の画素の近辺の第１の画素からの信号及び前記複数の第２の画素からの信号に基づいて、前記複数の第２の画素と対をなす仮想の複数の第３の画素であって、実質的に前記第１の領域の一部をなす前記射出瞳の第３の領域であって前記射出瞳の中心から前記所定方向とは反対の方向へ偏心した前記射出瞳の第３の領域からの光束を選択的に受光して光電変換する仮想の複数の第３の画素からの信号に対応する信号を得る対応信号取得部を、含み、
前記対応信号取得部は、前記各第２の画素からの信号と当該第２の画素の近辺の前記第１の画素からの信号との差分、又は、前記各第２の画素からの信号と当該第２の画素の近辺の前記第１の画素からの信号の平均との差分により、前記仮想の複数の第３の画素からの信号に対応する信号を取得し、
前記検出処理部は、前記複数の第２の画素からの信号と、前記対応信号取得部により得られた前記仮想の複数の第３の画素からの信号に対応する前記信号とに基づいて、前記複数の第２の画素のつながりにより出力される信号と前記仮想の複数の第３の画素のつながりにより出力される信号との位相差から、前記光学系の焦点調節状態を示す検出信号を得る手段を、備えた、
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
光学系により結像される被写体像を光電変換する固体撮像素子であって、前記光学系の射出瞳の中心から実質的に偏心していない前記射出瞳の第１の領域からの光束を受光して光電変換する複数の第１の画素と、実質的に前記第１の領域の一部をなす前記射出瞳の第２の領域であって前記射出瞳の中心から所定方向へ偏心した前記射出瞳の第２の領域からの光束を選択的に受光して光電変換する複数の第２の画素と、を備え、前記複数の第１の画素が、前記被写体像に応じた画像を示す電気信号を得るために用いられ、前記複数の第１の画素のうちの前記複数の第２の画素の近辺の第１の画素及び前記複数の第２の画素が、前記光学系の焦点調節状態を検出するための電気信号を得るために用いられる固体撮像素子と、
前記複数の第１の画素のうちの前記複数の第２の画素の近辺の第１の画素からの信号及び前記複数の第２の画素からの信号に基づいて、前記光学系の焦点調節状態を示す検出信号を出力する検出処理部と、
を備え、
前記複数の第１の画素にはカラーフィルタが形成され、前記複数の第２の画素にはカラーフィルタが形成されておらず、
前記検出処理部は、前記複数の第１の画素のうちの前記複数の第２の画素の近辺の第１の画素からの信号及び前記複数の第２の画素からの信号に基づいて、前記複数の第２の画素と対をなす仮想の複数の第３の画素であって、実質的に前記第１の領域の一部をなす前記射出瞳の第３の領域であって前記射出瞳の中心から前記所定方向とは反対の方向へ偏心した前記射出瞳の第３の領域からの光束を選択的に受光して光電変換する仮想の複数の第３の画素からの信号に対応する信号を得る対応信号取得部を、含み、
前記対応信号取得部は、前記カラーフィルタの透過率に応じて互いにレベル合わせした前記各第２の画素からの信号と当該第２の画素の近辺の前記第１の画素からの信号との差分、又は、前記カラーフィルタの透過率に応じて互いにレベル合わせした前記各第２の画素からの信号と当該第２の画素の近辺の前記第１の画素からの信号の平均との差分により、前記仮想の複数の第３の画素からの信号に対応する信号を取得し、
前記検出処理部は、前記複数の第２の画素からの信号と、前記対応信号取得部により得られた前記仮想の複数の第３の画素からの信号に対応する前記信号とに基づいて、前記複数の第２の画素のつながりにより出力される信号と前記仮想の複数の第３の画素のつながりにより出力される信号との位相差から、前記光学系の焦点調節状態を示す検出信号を得る手段を、備えた、
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項３】
前記複数の第１の画素のうちの前記複数の第２の画素の近辺の第１の画素及び前記複数の第２の画素を含む１つの焦点検出領域内には、実質的に前記第１の領域の一部をなす前記射出瞳の第３の領域であって前記射出瞳の中心から前記所定方向とは反対の方向へ偏心した前記射出瞳の第３の領域からの光束を選択的に受光して光電変換する画素を含まない、ことを特徴とする請求項１又は２記載の撮像装置。
【請求項４】
前記第２の領域は前記第１の領域のほぼ半分の領域であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項５】
前記第２の画素は前記第１の画素と同じ大きさの光電変換部を持ち、前記第２の画素の前記光電変換部が遮光部により部分的に遮光されることで、前記第２の画素が前記射出瞳の前記第２の領域からの光束を選択的に受光することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項６】
前記第２の画素は、前記第１の画素より小さい光電変換部を持つことで、前記射出瞳の前記第２の領域からの光束を選択的に受光することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項７】
光学系により結像される被写体像を光電変換する固体撮像素子であって、前記光学系の射出瞳の中心から実質的に偏心していない前記射出瞳の第１の領域からの光束を受光して光電変換する複数の第１の画素と、実質的に前記第１の領域の一部をなす前記射出瞳の第２の領域であって前記射出瞳の中心から所定方向へ偏心した前記射出瞳の第２の領域からの光束を選択的に受光して光電変換する１つ以上の第２の画素と、実質的に前記第１の領域の一部をなす前記射出瞳の第３の領域であって前記射出瞳の中心から前記所定方向とは反対の方向へ偏心した前記射出瞳の第３の領域からの光束を選択的に受光して光電変換する１つ以上の第３の画素と、を備え、前記複数の第１の画素が、前記被写体像に応じた画像を示す電気信号を得るために用いられ、前記複数の第１の画素のうちの前記１つ以上の第２の画素の近辺及び前記１つ以上の第３の画素の近辺の第１の画素、前記１つ以上の第２の画素、及び前記１つ以上の第３の画素が、前記光学系の焦点調節状態を検出するための電気信号を得るために用いられる固体撮像素子と、
前記複数の第１の画素のうちの前記１つ以上の第２の画素の近辺及び前記１つ以上の第３の画素の近辺の第１の画素からの信号、前記１つ以上の第２の画素からの信号、及び前記１つ以上の第３の画素からの信号に基づいて、前記光学系の焦点調節状態を示す検出信号を出力する検出処理部と、
を備え、
前記検出処理部は、前記複数の第１の画素のうちの前記１つ以上の第２の画素の近辺の第１の画素からの信号及び前記１つ以上の第２の画素からの信号に基づいて、前記１つ以上の第２の画素と対をなす仮想の１つ以上の第３の画素であって、前記射出瞳の前記第３の領域からの光束を選択的に受光して光電変換する仮想の１つ以上の第３の画素からの信号に対応する信号を得る第１の対応信号取得部と、前記複数の第１の画素のうちの前記１つ以上の第３の画素の近辺の第１の画素からの信号及び前記１つ以上の第３の画素からの信号に基づいて、前記１つ以上の第３の画素と対をなす仮想の１つ以上の第２の画素であって、前記射出瞳の前記第２の領域からの光束を選択的に受光して光電変換する仮想の１つ以上の第２の画素からの信号に対応する信号を得る第２の対応信号取得部と、を含み、
前記第１の対応信号取得部は、前記各第２の画素からの信号と当該第２の画素の近辺の前記第１の画素からの信号との差分、又は、前記各第２の画素からの信号と当該第２の画素の近辺の前記第１の画素からの信号の平均との差分により、前記１つ以上の第２の画素と対をなす前記仮想の１つ以上の第３の画素からの信号に対応する信号を取得し、
前記第２の対応信号取得部は、前記各第３の画素からの信号と当該第３の画素の近辺の前記第１の画素からの信号との差分、又は、前記各第３の画素からの信号と当該第３の画素の近辺の前記第１の画素からの信号の平均との差分により、前記１つ以上の第３の画素と対をなす前記仮想の１つ以上の第３の画素からの信号に対応する信号を取得し、
前記検出処理部は、前記１つ以上の第２の画素からの信号と、前記１つ以上の第３の画素からの信号と、前記第１の対応信号取得部により得られた前記仮想の１つ以上の第３の画素からの信号に対応する前記信号と、前記第２の対応信号取得部により得られた前記仮想の１つ以上の第２の画素からの信号に対応する前記信号とに基づいて、前記１つ以上の第２の画素及び前記仮想の１つ以上の第２の画素のつながりにより出力される信号と前記１つ以上の第３の画素及び前記仮想の１つ以上の第３の画素のつながりにより出力される信号との位相差から、前記光学系の焦点調節状態を示す検出信号を得る手段を、備えた、
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項８】
光学系により結像される被写体像を光電変換する固体撮像素子であって、前記光学系の射出瞳の中心から実質的に偏心していない前記射出瞳の第１の領域からの光束を受光して光電変換する複数の第１の画素と、実質的に前記第１の領域の一部をなす前記射出瞳の第２の領域であって前記射出瞳の中心から所定方向へ偏心した前記射出瞳の第２の領域からの光束を選択的に受光して光電変換する１つ以上の第２の画素と、実質的に前記第１の領域の一部をなす前記射出瞳の第３の領域であって前記射出瞳の中心から前記所定方向とは反対の方向へ偏心した前記射出瞳の第３の領域からの光束を選択的に受光して光電変換する１つ以上の第３の画素と、を備え、前記複数の第１の画素が、前記被写体像に応じた画像を示す電気信号を得るために用いられ、前記複数の第１の画素のうちの前記１つ以上の第２の画素の近辺及び前記１つ以上の第３の画素の近辺の第１の画素、前記１つ以上の第２の画素、及び前記１つ以上の第３の画素が、前記光学系の焦点調節状態を検出するための電気信号を得るために用いられる固体撮像素子と、
前記複数の第１の画素のうちの前記１つ以上の第２の画素の近辺及び前記１つ以上の第３の画素の近辺の第１の画素からの信号、前記１つ以上の第２の画素からの信号、及び前記１つ以上の第３の画素からの信号に基づいて、前記光学系の焦点調節状態を示す検出信号を出力する検出処理部と、
を備え、
前記複数の第１の画素にはカラーフィルタが形成され、前記１つ以上の第２の画素及び前記１つ以上の第３の画素にはカラーフィルタが形成されておらず、
前記検出処理部は、前記複数の第１の画素のうちの前記１つ以上の第２の画素の近辺の第１の画素からの信号及び前記１つ以上の第２の画素からの信号に基づいて、前記１つ以上の第２の画素と対をなす仮想の１つ以上の第３の画素であって、前記射出瞳の前記第３の領域からの光束を選択的に受光して光電変換する仮想の１つ以上の第３の画素からの信号に対応する信号を得る第１の対応信号取得部と、前記複数の第１の画素のうちの前記１つ以上の第３の画素の近辺の第１の画素からの信号及び前記１つ以上の第３の画素からの信号に基づいて、前記１つ以上の第３の画素と対をなす仮想の１つ以上の第２の画素であって、前記射出瞳の前記第２の領域からの光束を選択的に受光して光電変換する仮想の１つ以上の第２の画素からの信号に対応する信号を得る第２の対応信号取得部と、を含み、
前記第１の対応信号取得部は、前記カラーフィルタの透過率に応じて互いにレベル合わせした前記各第２の画素からの信号と当該第２の画素の近辺の前記第１の画素からの信号との差分、又は、前記カラーフィルタの透過率に応じて互いにレベル合わせした前記各第２の画素からの信号と当該第２の画素の近辺の前記第１の画素からの信号の平均との差分により、前記１つ以上の第２の画素と対をなす前記仮想の１つ以上の第３の画素からの信号に対応する信号を取得し、
前記第２の対応信号取得部は、前記カラーフィルタの透過率に応じて互いにレベル合わせした前記各第３の画素からの信号と当該第３の画素の近辺の前記第１の画素からの信号との差分、又は、前記カラーフィルタの透過率に応じて互いにレベル合わせした前記各第３の画素からの信号と当該第３の画素の近辺の前記第１の画素からの信号の平均との差分により、前記１つ以上の第３の画素と対をなす前記仮想の１つ以上の第３の画素からの信号に対応する信号を取得し、
前記検出処理部は、前記１つ以上の第２の画素からの信号と、前記１つ以上の第３の画素からの信号と、前記第１の対応信号取得部により得られた前記仮想の１つ以上の第３の画素からの信号に対応する前記信号と、前記第２の対応信号取得部により得られた前記仮想の１つ以上の第２の画素からの信号に対応する前記信号とに基づいて、前記１つ以上の第２の画素及び前記仮想の１つ以上の第２の画素のつながりにより出力される信号と前記１つ以上の第３の画素及び前記仮想の１つ以上の第３の画素のつながりにより出力される信号との位相差から、前記光学系の焦点調節状態を示す検出信号を得る手段を、備えた、
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項９】
前記第２の領域は前記第１の領域のほぼ半分の領域であることを特徴とする請求項７又は８記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記第３の領域は前記第１の領域のほぼ半分の領域であることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記第２の画素は前記第１の画素と同じ大きさの光電変換部を持ち、前記第２の画素の前記光電変換部が遮光部により部分的に遮光されることで、前記第２の画素が前記射出瞳の前記第２の領域からの光束を選択的に受光することを特徴とする請求項７乃至１０のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項１２】
前記第３の画素は前記第１の画素と同じ大きさの光電変換部を持ち、前記第３の画素の前記光電変換部が遮光部により部分的に遮光されることで、前記第３の画素が前記射出瞳の前記第３の領域からの光束を選択的に受光することを特徴とする請求項７乃至１１のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項１３】
前記第２の画素は、前記第１の画素より小さい光電変換部を持つことで、前記射出瞳の前記第２の領域からの光束を選択的に受光することを特徴とする請求項７乃至１０のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項１４】
前記第３の画素は、前記第１の画素より小さい光電変換部を持つことで、前記射出瞳の前記第３の領域からの光束を選択的に受光することを特徴とする請求項７乃至１０及び１３のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項１５】
前記検出処理部からの検出信号に基づいて前記光学系の焦点調節を行う調節部を備えたことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子及びこれを用いた撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ等の撮像装置が広く一般に普及している。これらのカメラには、ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型などの固体撮像素子が使用されている。これらの固体撮像素子は、入射光の光量に応じて信号電荷を生成する光電変換部を有する画素がマトリクス状に複数配置されている。
【０００３】
光電変換部の光が入射する側には、マイクロレンズがオンチップで配置される。光電変換部以外の画素部に入射する光は、画像信号に寄与せず無駄になる。マイクロレンズは、このように無駄となっていた光を光電変換部に集光させ、光の利用効率を高めて光量を増大させるために配置される。また、カラー画像を得るためには、カラーフィルタが光電変換部の上に配置される。カラーフィルタの組み合わせとしては、Ｒ、Ｇ、Ｂを用いる系や、補色系が用いられる。また、カラーフィルタの配置としては、ベイヤー配列やストライプ配列などが周知である。
【０００４】
ところで、カメラなどの撮像装置では、自動焦点調節を実現するため、撮影レンズの焦点調節状態を検出する必要がある。従来は、固体撮像素子とは別個に焦点検出素子が設けられていた。しかし、その場合には、焦点検出素子やこれに光を導く焦点検出用光学系の分だけ、コストが増大したり装置が大型となったりする。
【０００５】
そこで、近年、焦点検出方式としていわゆる瞳分割位相差方式（瞳分割方式又は位相差方式などと呼ばれる場合もある。）を採用しつつ、焦点検出素子としても用いることができるように構成した固体撮像素子が提案されている（例えば、下記特許文献１，２）。
【０００６】
特許文献１に開示された固体撮像素子は、複数の撮像用画素の他に、複数の第１の焦点検出用画素（特許文献１において符号「Ｓ１」が付された画素）と、複数の第２の焦点検出用画素（特許文献１において符号「Ｓ２」が付された画素）とを備えている。特許文献１の図３及び図４に示されているように、いずれの画素も、光電変換部上に画素に対して１対１に設けられたマイクロレンズを備えている。そして、マイクロレンズと光電変換部との間には、マイクロレンズの焦点面付近に遮光膜が設けられ、この遮光膜には、第１及び第２の焦点検出用画素ごとに開口が設けられている。したがって、撮影レンズの射出瞳とマイクロレンズとの間の距離はマイクロレンズの大きさに対して十分に長いことから、遮光膜は、マイクロレンズによって撮影レンズの射出瞳と略結像関係（すなわち、略共役）となる位置に配置されていることになる。なお、撮像用画素では、このような遮光膜は設けられないか、あるいは、マイクロレンズの光学中心に対して偏りを持たない開口が遮光膜に設けられる。これによって、撮像用画素は、撮影レンズの射出瞳の中心から偏心していない前記射出瞳の領域からの光束を受光して光電変換することになる。第１の焦点検出用画素では、遮光膜の開口がマイクロレンズの光学中心に対して偏りを持つように配置され、第２の焦点検出用画素では、遮光膜の開口がマイクロレンズの光学中心に対して第１の焦点検出用画素とは逆方向に偏りを持つように配置されている。これによって、第１の焦点検出用画素は、撮影レンズの射出瞳の一部の領域であって前記射出瞳の中心から所定方向へ偏心した領域からの光束を選択的に受光して光電変換することになる。また、第１の焦点検出用画素は、撮影レンズの射出瞳の一部の領域であって前記射出瞳の中心から反対方向へ偏心した領域からの光束を選択的に受光して光電変換することになる。なお、特許文献１に開示された固体撮像素子では、撮像用画素にはカラーフィルタが設けられているが、特許文献１の図３及び図４に示されているように、第１及び第２の焦点検出用画素には、カラーフィルタが設けられていない。
【０００７】
そして、特許文献１には、瞳分割位相差方式の原理に従って、前記複数の第１の焦点検出用画素のつながりにより出力される信号と前記複数の第２の焦点検出用画素のつながりにより出力される信号との位相差から、前記光学系の焦点調節状態を検出することができる旨が、記載されている。このとき、焦点調節状態の検出には、前記撮像用画素の信号は全く用いられていない。なお、第１及び第２の焦点検出用画素は焦点検出のためにのみ用いられ、撮影レンズの合焦後等において画像を撮像する場合は、画像信号における第１及び第２の焦点検出用画素の位置の画素信号として、例えば、それらの周囲の撮像画素の信号から補間処理して得た信号が用いられる。
【０００８】
また、特許文献２の図１２に開示された固体撮像素子では、全ての画素の各１つの画素は、２分割された光電変換部と、この２分割された光電変換部上に画素に対して１対１に設けられたマイクロレンズを備えている。２分割された光電変換部は、マイクロレンズによって撮影レンズの射出瞳と略結像関係（すなわち、略共役）となる位置に配置されている。したがって、撮影レンズの射出瞳とマイクロレンズとの間の距離はマイクロレンズの大きさに対して十分に長いことから、２分割された光電変換部は、マイクロレンズの略焦点面に配置されていることになる。以上述べた関係から、各画素において、２分割された光電変換部の一方部分は、撮影レンズの射出瞳の一部の領域であって前記射出瞳の中心から所定方向へ偏心した領域からの光束を選択的に受光して光電変換することになる。また、各画素において、２分割された光電変換部の他方部分は、撮影レンズの射出瞳の一部の領域であって前記射出瞳の中心から反対方向へ偏心した領域からの光束を選択的に受光して光電変換することになる。なお、特許文献２の図１２に開示された固体撮像素子では、全ての画素には、カラーフィルタが設けられている。
【０００９】
そして、特許文献２の図１２に開示された固体撮像素子では、焦点検出時には、各画素の２分割光電変換部の一方部分の信号及び他方部分の信号が、異なるタイミングでフローティングディフュージョンに転送されて、それぞれ個別に読み出される。そして、瞳分割位相差方式の原理に従って、それらの信号に基づいて、撮影レンズの焦点調節状態が検出される。一方、撮影レンズの合焦後等において画像を撮像する場合は、各画素の２分割光電変換部の両部分からの信号が同じタイミングで同じフローティングディフュージョンに転送されて、両信号が画素内で加算されて読み出される。
【００１０】
また、特許文献２の図１乃至図１０には、特許文献２の図１２に開示された固体撮像素子を次のように変形した固体撮像素子が開示されている。すなわち、特許文献２の図１乃至図１０に開示された固体撮像素子では、一部の画素のみを光電変換部が２分割されたものとする一方、残りの画素を光電変換部が分割されていないものとし、光電変換部が２分割された画素にはカラーフィルタを形成する一方、光電変換部が２分割されていない画素にはカラーフィルタを形成していない。この固体撮像素子では、焦点検出時には、２分割光電変換部を有する各画素の２分割光電変換部の一方部分の信号及び他方部分の信号が、それぞれ個別に読み出される。そして、瞳分割位相差方式の原理に従って、それらの信号に基づいて、撮影レンズの焦点調節状態が検出される。
【特許文献１】特許第３５９２１４７号公報
【特許文献２】特開２００３−２４４７１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１に開示された前記固体撮像素子では、第１及び第２の焦点検出用画素は、焦点検出のためにのみ用いられて、画像撮像時には用いることができないため、第１及び第２の焦点検出用画素の分だけ画素欠陥と同様の状態を招くことになり、いくら補間処理を行うとはいえ、撮像した画像の画質は劣化せざるを得ない。
【００１２】
これに対し、特許文献２の図１２に開示された前記固体撮像素子や特許文献２の図１乃至図１０に開示された前記固体撮像素子では、画像撮像時には、２分割光電変換部を有する画素については、２分割光電変換部の両部分からの信号が画素内で加算されて読み出されるため、画素欠陥と同様の状態による画質の劣化は回避することができる。しかし、これらの固体撮像素子では、２分割光電変換部を有する画素における２分割光電変換部の両部分からの信号をそれぞれ独立して読み出せるようにするべく、１画素内に複数の転送部を設けなければならないので、光電変換部の開口率が低下してしまい、ひいては感度が低下してしまう。
【００１３】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、焦点検出素子としての機能を併せ持つことを前提とした上で、１つの画素内に複数の光電変換部を設けないことで開口率低下やこれに伴う感度低下を回避しつつ、撮像した画像の画質の劣化を低減することができる固体撮像素子、及び、これを用いた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】
【００１４】
前記課題を解決するため、本発明の第１の態様による固体撮像素子は、光学系により結像される被写体像を光電変換する固体撮像素子であって、前記光学系の射出瞳の中心から実質的に偏心していない前記射出瞳の第１の領域からの光束を受光して光電変換する複数の第１の画素と、実質的に前記第１の領域の一部をなす前記射出瞳の第２の領域であって前記射出瞳の中心から所定方向へ偏心した前記射出瞳の第２の領域からの光束を選択的に受光して光電変換する複数の第２の画素と、を備え、前記複数の第１の画素が、前記被写体像に応じた画像を示す電気信号を得るために用いられ、前記複数の第１の画素のうちの前記複数の第２の画素の近辺の第１の画素及び前記複数の第２の画素が、前記光学系の焦点調節状態を検出するための電気信号を得るために用いられるものである。
【００１５】
本発明の第２の態様による固体撮像素子は、前記第１の態様において、前記複数の第１の画素のうちの前記複数の第２の画素の近辺の第１の画素及び前記複数の第２の画素を含む１つの焦点検出領域内には、実質的に前記第１の領域の一部をなす前記射出瞳の第３の領域であって前記射出瞳の中心から前記所定方向とは反対の方向へ偏心した前記射出瞳の第３の領域からの光束を選択的に受光して光電変換する画素を含まないものである。
【００１６】
本発明の第３の態様による固体撮像素子は、前記第１又は第２の態様において、前記第２の領域は前記第１の領域のほぼ半分の領域であるものである。
【００１７】
本発明の第４の態様による固体撮像素子は、前記第１乃至第３のいずれかの態様において、前記第２の画素は前記第１の画素と同じ大きさの光電変換部を持ち、前記第２の画素の前記光電変換部が遮光部により部分的に遮光されることで、前記第２の画素が前記射出瞳の前記第２の領域からの光束を選択的に受光するものである。
【００１８】
本発明の第５の態様による固体撮像素子は、前記第１乃至第３のいずれかの態様において、前記第２の画素は、前記第１の画素より小さい光電変換部を持つことで、前記射出瞳の前記第２の領域からの光束を選択的に受光するものである。
【００１９】
本発明の第６の態様による固体撮像素子は、前記第１乃至第５のいずれかの態様において、前記複数の第１の画素にはカラーフィルタが形成され、前記複数の第２の画素にはカラーフィルタが形成されていないものである。
【００２０】
本発明の第７の態様による撮像装置は、前記第１乃至第６のいずれかの態様による固体撮像素子と、前記複数の第１の画素のうちの前記複数の第２の画素の近辺の第１の画素からの信号及び前記複数の第２の画素からの信号に基づいて、前記光学系の焦点調節状態を示す検出信号を出力する検出処理部と、備えたものである。
【００２１】
本発明の第８の態様による撮像装置は、前記第７の態様において、前記検出処理部は、前記複数の第１の画素のうちの前記複数の第２の画素の近辺の第１の画素からの信号及び前記複数の第２の画素からの信号に基づいて、前記複数の第２の画素と対をなす仮想の複数の第３の画素であって、実質的に前記第１の領域の一部をなす前記射出瞳の第３の領域であって前記射出瞳の中心から前記所定方向とは反対の方向へ偏心した前記射出瞳の第３の領域からの光束を選択的に受光して光電変換する仮想の複数の第３の画素からの信号に対応する信号を得る対応信号取得部を、含むものである。
【００２２】
本発明の第９の態様による撮像装置は、前記第８の態様において、前記検出処理部は、前記複数の第２の画素からの信号と、前記対応信号取得部により得られた前記仮想の複数の第３の画素からの信号に対応する前記信号とに基づいて、前記複数の第２の画素のつながりにより出力される信号と前記仮想の複数の第３の画素のつながりにより出力される信号との位相差から、前記光学系の焦点調節状態を示す検出信号を得る手段を、備えたものである。
【００２３】
本発明の第１０の態様による固体撮像素子は、光学系により結像される被写体像を光電変換する固体撮像素子であって、前記光学系の射出瞳の中心から実質的に偏心していない前記射出瞳の第１の領域からの光束を受光して光電変換する複数の第１の画素と、実質的に前記第１の領域の一部をなす前記射出瞳の第２の領域であって前記射出瞳の中心から所定方向へ偏心した前記射出瞳の第２の領域からの光束を選択的に受光して光電変換する１つ以上の第２の画素と、実質的に前記第１の領域の一部をなす前記射出瞳の第３の領域であって前記射出瞳の中心から前記所定方向とは反対の方向へ偏心した前記射出瞳の第３の領域からの光束を選択的に受光して光電変換する１つ以上の第３の画素と、を備え、前記複数の第１の画素が、前記被写体像に応じた画像を示す電気信号を得るために用いられ、前記複数の第１の画素のうちの前記１つ以上の第２の画素の近辺及び前記１つ以上の第３の画素の近辺の第１の画素、前記１つ以上の第２の画素、及び前記１つ以上の第３の画素が、前記光学系の焦点調節状態を検出するための電気信号を得るために用いられるものである。
【００２４】
本発明の第１１の態様による固体撮像素子は、前記第１０の態様において、前記第２の領域は前記第１の領域のほぼ半分の領域であるものである。
【００２５】
本発明の第１２の態様による固体撮像素子は、前記第１０又は第１１の態様において、前記第３の領域は前記第１の領域のほぼ半分の領域であるものである。
【００２６】
本発明の第１３の態様による固体撮像素子は、前記第１０乃至第１２のいずれかの態様において、前記第２の画素は前記第１の画素と同じ大きさの光電変換部を持ち、前記第２の画素の前記光電変換部が遮光部により部分的に遮光されることで、前記第２の画素が前記射出瞳の前記第２の領域からの光束を選択的に受光するものである。
【００２７】
本発明の第１４の態様による固体撮像素子は、前記第１０乃至第１３のいずれかの態様において、前記第３の画素は前記第１の画素と同じ大きさの光電変換部を持ち、前記第３の画素の前記光電変換部が遮光部により部分的に遮光されることで、前記第３の画素が前記射出瞳の前記第３の領域からの光束を選択的に受光するものである。
【００２８】
本発明の第１５の態様による固体撮像素子は、前記第１０乃至第１２のいずれかの態様において、前記第２の画素は、前記第１の画素より小さい光電変換部を持つことで、前記射出瞳の前記第２の領域からの光束を選択的に受光するものである。
【００２９】
本発明の第１６の態様による固体撮像素子は、前記第１０乃至第１２及び第１５のいずれかの態様において、前記第３の画素は、前記第１の画素より小さい光電変換部を持つことで、前記射出瞳の前記第３の領域からの光束を選択的に受光するものである。
【００３０】
本発明の第１７の態様による固体撮像素子は、前記第１０乃至第１６のいずれかの態様において、前記複数の第１の画素にはカラーフィルタが形成され、前記１つ以上の第２の画素及び前記１つ以上の第３の画素にはカラーフィルタが形成されていないものである。
【００３１】
本発明の第１８の態様による撮像装置は、前記第１０乃至第１７のいずれかの態様による固体撮像素子と、前記複数の第１の画素のうちの前記１つ以上の第２の画素の近辺及び前記１つ以上の第３の画素の近辺の第１の画素からの信号、前記１つ以上の第２の画素からの信号、及び前記１つ以上の第３の画素からの信号に基づいて、前記光学系の焦点調節状態を示す検出信号を出力する検出処理部と、備えたものである。
【００３２】
本発明の第１９の態様による撮像装置は、前記第１８の態様において、前記検出処理部は、前記複数の第１の画素のうちの前記１つ以上の第２の画素の近辺の第１の画素からの信号及び前記１つ以上の第２の画素からの信号に基づいて、前記１つ以上の第２の画素と対をなす仮想の１つ以上の第３の画素であって、前記射出瞳の前記第３の領域からの光束を選択的に受光して光電変換する仮想の１つ以上の第３の画素からの信号に対応する信号を得る第１の対応信号取得部と、前記複数の第１の画素のうちの前記１つ以上の第３の画素の近辺の第１の画素からの信号及び前記１つ以上の第３の画素からの信号に基づいて、前記１つ以上の第３の画素と対をなす仮想の１つ以上の第２の画素であって、前記射出瞳の前記第２の領域からの光束を選択的に受光して光電変換する仮想の１つ以上の第２の画素からの信号に対応する信号を得る第２の対応信号取得部と、を含むものである。
【００３３】
本発明の第２０の態様による撮像装置は、前記第１９の態様において、前記検出処理部は、前記１つ以上の第２の画素からの信号と、前記１つ以上の第３の画素からの信号と、前記第１の対応信号取得部により得られた前記仮想の１つ以上の第３の画素からの信号に対応する前記信号と、前記第２の対応信号取得部により得られた前記仮想の１つ以上の第２の画素からの信号に対応する前記信号とに基づいて、前記１つ以上の第２の画素及び前記仮想の１つ以上の第２の画素のつながりにより出力される信号と前記１つ以上の第３の画素及び前記仮想の１つ以上の第３の画素のつながりにより出力される信号との位相差から、前記光学系の焦点調節状態を示す検出信号を得る手段を、備えたものである。
【００３４】
本発明の第２１の態様による撮像装置は、前記第７乃至第９並びに第１８乃至第２０のいずれかの態様において、前記検出処理部からの検出信号に基づいて前記光学系の焦点調節を行う調節部を備えたものである。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、焦点検出素子としての機能を併せ持つことを前提とした上で、１つの画素内に複数の光電変換部を設けないことで開口率低下やこれに伴う感度低下を回避しつつ、撮像した画像の画質の劣化を低減することができる固体撮像素子、及び、これを用いた撮像装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明による固体撮像素子及びこれを用いた撮像装置について、図面を参照して説明する。
【００３７】
［第１の実施の形態］
【００３８】
図１は、本発明の第１の実施の形態による撮像装置としてのデジタルスチルカメラの要部を模式的に示す概略構成図である。
【００３９】
本実施の形態によるカメラは、白黒のカメラとして構成され、被写体像を結像させる光学系としての撮像レンズ１と、撮像レンズ１の予定結像面に配置された白黒のＣＭＯＳ型の固体撮像素子２と、固体撮像素子２からの信号を信号処理（増幅やＡ／Ｄ変換等）する信号処理部３と、モニタ画像等を表示する液晶表示部４と、撮像した画像をメモリカード等の記録媒体に記録する記録部５と、撮像レンズ１を構成する一部のレンズを駆動して撮像レンズ１の焦点を調節する調節部としてのレンズ駆動部６と、撮像レンズ１を構成する絞りを指令された絞り値にする絞り駆動部７と、シャッターボタン等の操作部８と、制御部９とを備えている。図示していないが、撮像レンズ１は、複数枚のレンズ及び絞りを含んでいる。
【００４０】
制御部９は、ＣＰＵやメモリ等を用いて構成されており、操作部８からの操作信号に応答して、固体撮像素子２の駆動を制御したり、記録部５の記録を制御したり、図示しない測光部からの信号に基づいて絞り駆動部７を制御して自動露光を実現したりする。また、制御部９は、固体撮像素子２から信号処理部３を経て得られた信号に基づいて、撮像レンズ１の焦点調節状態を検出する処理（焦点検出処理部１０としての機能（焦点検出処理））を行い、その検出結果に応じてレンズ駆動部６を制御して、自動焦点調節を実現する。この自動焦点調節については、後に、図１１を参照して詳述する。
【００４１】
図２は、図１中の固体撮像素子２を示す概略平面図である。本実施の形態では、図２に示すように、固体撮像素子２の撮像領域１１には、中央に配置された十字状をなす２つの焦点検出領域１２，１３と、両側に配置された２つの焦点検出領域１４，１５と、上下に配置された２つの焦点検出領域１６，１７とが、設けられている。なお、図２に示すように、互いに直交するＸ軸及びＹ軸を定義する。また、Ｘ軸方向のうち矢印の向きを＋Ｘ方向又は＋Ｘ側、その反対の向きを−Ｘ方向又は−Ｘ側と呼び、Ｙ軸方向についても同様とする。ＸＹ平面と平行な平面が固体撮像素子２の撮像面（受光面）と一致している。Ｘ軸方向の並びを行、Ｙ軸方向の並びを列とする。これらの点は、後述する図についても同様である。
【００４２】
図３は、図２における焦点検出領域１２，１３の交差部付近を拡大した概略拡大図であり、画素配置を模式的に示している。説明の便宜上、図３に示すように、列番号及び行番号を付している。図３において、画素２０は空欄とし、画素２１には符号「Ｌ」を付し、画素２２には符号「Ｕ」を付している。
【００４３】
本実施の形態では、図３に示すように、焦点検出領域１２は、行番号７，８の２行においてジグザグ状に配置された画素２１と、これらの２行において画素２１間に配置された画素２０とから構成されている。また、焦点検出領域１３は、列番号７，８の２列においてジグザグ状に配置された画素２２と、これらの２列において画素２２間に配置された画素２０とから構成されている。図面には示していないが、焦点検出領域１４，１５は、焦点検出領域１３と同様に、２列において複数の画素２２と複数の画素２０とから構成されている。焦点検出領域１６，１７は、焦点検出領域１２と同様に、２行において複数の画素２１と複数の画素２０とから構成されている。そして、固体撮像素子２の撮像領域１１における焦点検出領域１２〜１７以外の領域の全ての画素は、画素２０である。
【００４４】
図４は、図３中の行番号が６〜９でかつ列番号が１，２の８個の画素（６個の画素２０と２個の画素２１（Ｌ））の概略拡大図である。図４では、各画素のマイクロレンズ３２、及び、各画素における遮光金属層３３の開口部３３ａ，３３ｂも模式的に示している。図５は、図４中のＸ１−Ｘ２線に沿った概略断面図である。
【００４５】
各画素２０，２１（Ｌ）は、図４及び図５に示すように、光電変換部としてのフォトダイオード３１と、フォトダイオード３１上にオンチップで形成されたマイクロレンズ３２とを備えている。また、マイクロレンズ３２の略焦点面には、遮光部としての遮光金属層３３が形成されている。遮光部は、金属層に限定されるものではなく、他の材料の膜で構成してもよい。遮光金属層３３には、画素２０において、当該画素２０のマイクロレンズ３２の光軸Ｏに対して同心の正方形の開口３３ａが形成されている。また、遮光金属層３３には、画素２１（Ｌ）において、当該画素２１（Ｌ）のマイクロレンズ３２の光軸Ｏに対して同心の正方形（開口３３ａと同じ大きさの正方形）のちょうど左側（−Ｘ側）半分の大きさの長方形の開口３３ｂが形成されている。画素２０のフォトダイオード３１は、開口３３ａを通過した光を全て有効に受光し得る大きさを有している。画素２１（Ｌ）のフォトダイオード３１は、画素２０のフォトダイオード３１と同じ大きさを有している。画素２０と画素２１（Ｌ）とが異なる所は、前述したように、開口３３ａと開口３３ｂの対応するマイクロレンズ３２に対する位置と大きさのみである。なお、本実施の形態のように開口３３ｂは開口３３ａの半分であることが好ましいが、本発明では必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、開口３３ｂは、当該画素２１（Ｌ）のマイクロレンズ３２の光軸Ｏに対して同心の正方形（開口３３ａと同じ大きさの正方形）の左側（−Ｘ側）４０％程度又は６０％程度の大きさの長方形の開口としてもよい。
【００４６】
本実施の形態では、画素２０において、マイクロレンズ３２の略焦点面に配置された遮光金属層３３に前記開口３３ａが形成されていることによって、画素２０のフォトダイオード３１は、撮像レンズ１の射出瞳の中心から実質的に偏心していない前記射出瞳の第１の領域（開口３３ａのマイクロレンズ３２による投影像に相当）からの光束を受光して光電変換することになる。また、画素２１において、遮光金属層３３に前記開口３３ｂが形成されていることによって、画素２１（Ｌ）のフォトダイオード３１は、実質的に撮像レンズ１の射出瞳の前記第１の領域の一部（本実施の形態では半分）をなす前記射出瞳の領域であって前記射出瞳の中心から＋Ｘ方向へ偏心した前記射出瞳の領域からの光束を選択的に受光して光電変換することになる。
【００４７】
なお、遮光金属層３３とマイクロレンズ３２との間や、基板３４と遮光金属層３３との間には、層間絶縁膜等が形成されている。
【００４８】
図６（ａ）は画素２２（Ｕ）の概略平面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）中のＹ１−Ｙ２線に沿った概略断面図である。図６（ａ）（ｂ）において、図４及び図５中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
【００４９】
画素２２（Ｕ）が画素２０，２１（Ｌ）と異なる所は、画素２２（Ｕ）において、遮光金属層３３には、当該画素２２（Ｕ）のマイクロレンズ３２の光軸Ｏに対して同心の正方形（開口３３ａと同じ大きさの正方形）のちょうど上側（＋Ｙ側）半分の大きさの長方形の開口３３ｃが形成されている点のみである。これによって、画素２２（Ｕ）のフォトダイオード３１は、実質的に撮像レンズ１の射出瞳の前記第１の領域の一部（本実施の形態では半分）をなす前記射出瞳の領域であって前記射出瞳の中心から−Ｙ方向へ偏心した前記射出瞳の領域からの光束を選択的に受光して光電変換することになる。
【００５０】
ここで、本実施の形態による撮像装置の固体撮像素子２では実際には用いられていないが仮想される画素２３（Ｒ）、２４（Ｄ）を、図７及び図８にそれぞれ示す。図７及び図８において、図４及び図５中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
【００５１】
図７（ａ）は画素２３（Ｒ）の概略平面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）中のＸ３−Ｘ４線に沿った概略断面図である。画素２３（Ｒ）が画素２０，２１（Ｌ）と異なる所は、画素２３（Ｒ）において、遮光金属層３３には、当該画素２３（Ｒ）のマイクロレンズ３２の光軸Ｏに対して同心の正方形（開口３３ａと同じ大きさの正方形）のちょうど右側（＋Ｘ側）半分の大きさの長方形の開口３３ｄが形成されている点のみである。これによって、画素２３（Ｒ）のフォトダイオード３１は、実質的に撮像レンズ１の射出瞳の前記第１の領域の一部（本実施の形態では半分）をなす前記射出瞳の領域であって前記射出瞳の中心から−Ｘ方向へ偏心した前記射出瞳の領域からの光束を選択的に受光して光電変換することになる。
【００５２】
図８（ａ）は画素２４（Ｄ）の概略平面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）中のＹ３−Ｙ４線に沿った概略断面図である。画素２４（Ｄ）が画素２０，２２（Ｕ）と異なる所は、画素２４（Ｄ）において、遮光金属層３３には、当該画素２４（Ｄ）のマイクロレンズ３２の光軸Ｏに対して同心の正方形（開口３３ａと同じ大きさの正方形）のちょうど下側（−Ｙ側）半分の大きさの長方形の開口３３ｅが形成されている点のみである。これによって、画素２４（Ｄ）のフォトダイオード３１は、実質的に撮像レンズ１の射出瞳の前記第１の領域の一部（本実施の形態では半分）をなす前記射出瞳の領域であって前記射出瞳の中心から＋Ｙ方向へ偏心した前記射出瞳の領域からの光束を選択的に受光して光電変換することになる。
【００５３】
図９は、図１中の固体撮像素子２の概略構成を示す電気回路図である。図９では、画素２０，２１（Ｌ），２２（Ｕ）を、それらのいずれであるかを区別することなく、符号１００で示している。それらのいずれの画素も回路構成は同一である。すなわち、画素１００は、図９に示すように、フォトダイオード３１の他に、フォトダイオード３１で発生した信号に基づく増幅信号を生成する増幅用ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor）３５と、増幅用ＭＯＳＦＥＴ３５の入力を所定電圧にリセットするリセットスイッチ３６と、増幅用ＭＯＳＦＥＴ３５のソース電極と垂直出力線３８との間の導通を制御する選択スイッチ３９と、フォトダイオード３１と増幅用ＭＯＳＦＥＴ３５のゲート電極との間の導通を制御する転送スイッチ４０とを備えている。この画素１００の回路構成は、ＣＭＯＳ固体撮像素子の単位画素の回路構成として一般的なものである。
【００５４】
なお、図９では、２行×２列の画素のみを代表して示しているが、固体撮像素子２の画素数は、特に限定されるものではない。実際には、例えば、各行や各列には、数十から数千の画素が配置され、画素数を多くして解像を高める。
【００５５】
固体撮像素子２は、図９に示すように、画素１００の他に、各画素１００の増幅用ＭＯＳＦＥＴ３５、転送スイッチ４０、リセットスイッチ３６のオン／オフを制御する垂直走査回路４１と、各画素１００からの信号を読み出すための定電流源４２と、各画素１００から読み出された信号を伝送する垂直出力線３８と、各画素１００から読み出された信号を蓄積する信号蓄積部４３と、信号蓄積部４３に蓄積された信号の読み出しを制御する水平走査回路４４と、各画素１００の暗信号（ノイズ信号）を信号蓄積部１１へ蓄積させるための転送ゲート４４ａと、明信号（ノイズ信号が重畳された光応答信号）を信号蓄積部１１へ蓄積させるための転送ゲート４４ｂと、を備えている。
【００５６】
リセットスイッチ３６，選択スイッチ３９及び転送スイッチ４０の各ゲート電極には、図１中の制御部９の制御下で垂直走査回路４１から、制御信号φＲＥＳ（ｎ）、φＳＥＬ（ｎ）、φＴＸ（ｎ）が印加される。ここで、ｎは任意の行を示す正の整数である。また、信号蓄積部４３には、図１中の制御部９の制御下で水平走査回路４２から、制御信号φＨ（ｍ）が印加される。ここで、ｍは任意の列を示す正の整数である。なお、信号蓄積部４３は、制御信号φＨ（ｍ）によって、水平走査期間において、各列の明信号及び暗信号を列毎にシリアルに順次出力するが、暗信号と明信号はパラレルに出力するようになっている。転送ゲート４４ａ，４４ｂのゲート電極には、図１中の制御部９から、それぞれ制御信号φＴＳ，φＴＮが印加される。
【００５７】
次に、固体撮像素子２の動作について、図１０を参照して説明する。図１０は、固体撮像素子２の動作を示すタイミングチャートである。
【００５８】
垂直走査回路４１によってある行（以下第ｎ行であるとする）が選択されたとき、まずリセット信号φＲＥＳ（ｎ）がローとなり、リセットスイッチ３６がオフする。
【００５９】
次に、選択信号φＳＥＬ（ｎ）がハイとなり、選択スイッチ３９がオンとなることで、増幅用ＭＯＳＦＥＴ３５のソースが垂直出力線３８と導通し、選択された画素１００と定電流源４２によって、ソースフォロワ回路が形成される。
【００６０】
続いて、φＴＮがハイとなり、転送ゲート４４ｂを介して画素１００のリセット状態に対応する暗信号（ノイズ信号）が信号蓄積部４３に読み出される。この後、転送パルスφＴＸ（ｎ）によって転送スイッチ４０が一定期間オンとなり、光電変換素子１で発生した光信号が増幅ＭＯＳＦＥＴ２のゲートに転送される。
【００６１】
引き続き、φＴＳがハイとなり、転送ゲート４４ａを介して光信号に対応した明信号が信号蓄積部４３に読み出される。
【００６２】
その後、この第ｎ行についての水平走査期間とされる。この水平走査期間では、水平走査回路４４から制御信号φＨ（ｍ）を信号蓄積部４３に与えることで、信号蓄積部４３は、各列の明信号及び暗信号を列毎にシリアルに順次出力する。図１中の信号処理回路３は、これらの信号を増幅し、更に各画素からの信号毎に明信号から暗信号を差し引いたものを画素信号とし、この画素信号をＡ／Ｄ変換する。このように、相関のある明信号と暗信号との差分を実行することにより、ノイズの少ない良好な光応答出力が得られる。
【００６３】
以上の動作を、全ての行について順次行うことで、固体撮像素子２の全画素１００の画素信号（すなわち、全ての画素２０，２１（Ｌ），２２（Ｕ）の画素信号）が、デジタル信号として信号処理部３から得られる。
【００６４】
次に、制御部９が実行する自動焦点調節処理について、図１１を参照して説明する。
【００６５】
制御部９は、例えば操作部８のシャッターボタンが半押しされると自動焦点調節処理を開始し、まず、固体撮像素子２に制御信号を送って図１０を参照して説明した動作を固体撮像素子２に行わせ、信号処理部３から全ての画素２０，２１（Ｌ），２２（Ｕ）の画素信号を得て、これらを、制御部９が有するメモリ（図示せず）内に取り込む（ステップＳ１）。
【００６６】
次に、制御部９は、現在設定されている焦点調節モードが、例えば図２及び図３に示す焦点検出領域１２のみに基づいて焦点調節を行うモード（以下、「焦点検出領域１２モード」という。）である場合は、ステップＳ２において、ステップＳ１で取り込んだ画素信号のうち、焦点検出領域１２内の各画素２１（Ｌ）の信号とその近辺の画素２０の信号とに基づいて、画素２１（Ｌ）と対をなす仮想の図７に示す画素２３（Ｒ）からの信号に対応する信号を算出する。
【００６７】
具体的には、例えば、図３中の第８行第１列（行番号が８でかつ列番号１）の画素２０の画素信号（画素値）から第７行第１列の画素２１（Ｌ）の画素信号を差し引いたもの、あるいは、第８行第１列の画素２０の画素信号と第６行第１列の画素２０の画素信号との平均から第７行第１列の画素２１（Ｌ）の画素信号を差し引いたものを、第７行第１列の画素２１（Ｌ）の画素信号に対応する画素信号として取得する。また、第７行第２列の画素２０の画素信号から第８行第２列の画素２１（Ｌ）の画素信号を差し引いたもの、あるいは、第７行第２列の画素２０の画素信号と第９行第２列の画素２０の画素信号との平均から第８行第２列の画素２１（Ｌ）の画素信号を差し引いたものを、第８行第２列の画素２１（Ｌ）の画素信号に対応する画素信号として取得する。同様にして、焦点検出領域１２内の他の各画素２１（Ｌ）の画素信号に対応する信号を取得する。
【００６８】
これらは、撮像レンズ１の射出瞳の中心から実質的に偏心していない第１の領域からの光量（画素２０の画素信号に相当）から、前記第１の領域の半分の領域からの光量（画素２１（Ｌ）の画素信号に相当）を差し引けば、前記第１の領域の反対側の半分の領域からの光量（実際には画素により検出していない光量であって、仮想の画素２３（Ｒ）の画素信号に相当）が分かるという、本発明者により得られた新たな知見に基づくものである。
【００６９】
また、現在設定されている焦点調節モードが、例えば図２及び図３に示す全ての焦点検出領域１２〜１７に基づいて焦点調節を行うモード（以下、「全焦点検出領域モード」という。）である場合は、ステップＳ２において、焦点検出領域１２について前述したように焦点検出領域１２内の各画素２１（Ｌ）の画素信号に対応する信号を取得する他、各焦点検出領域１３〜１７についても、同様に、当該焦点検出領域１２の各画素２２（Ｌ）又は各画素２２（Ｕ）の画素信号に対応する信号を取得する。
【００７０】
例えば、焦点検出領域１３については、ステップＳ１で取り込んだ画素信号のうち、焦点検出領域１３内の各画素２２（Ｕ）の信号とその近辺の画素２０の信号とに基づいて、画素２２（Ｕ）と対をなす仮想の図８に示す画素２４（Ｄ）からの信号に対応する信号を算出する。具体的には、例えば、図３中の第１行第８列の画素２０の画素信号から第１行第７列の画素２２（Ｕ）の画素信号を差し引いたもの、あるいは、第１行第６列の画素２０の画素信号と第１行第８列の画素２０の画素信号との平均から第１行第７列の画素２２（Ｕ）の画素信号を差し引いたものを、第１行第７列の画素２２（Ｕ）の画素信号に対応する画素信号として取得する。また、第２行第７列の画素２０の画素信号から第２行第８列の画素２２（Ｕ）の画素信号を差し引いたもの、あるいは、第２行第７列の画素２０の画素信号と第２行第９列の画素２０の画素信号との平均から第２行第８列の画素２２（Ｕ）の画素信号を差し引いたものを、第２行第８列の画素２２（Ｕ）の画素信号に対応する画素信号として取得する。同様にして、焦点検出領域１３内の他の各画素２１（Ｌ）の画素信号に対応する信号を取得する。
【００７１】
次に、ステップＳ３において、制御部９は、現在設定されている焦点調節モードが焦点検出領域１２モードの場合は、ステップＳ１で取り込んだ画素信号のうちの焦点検出領域１２内の全ての画素２１（Ｌ）のつながりにより出力される信号（すなわち、焦点検出領域１２内の全ての画素２１（Ｌ）の画素信号を列順に並べたときにそれらが全体としてなす信号）と、仮想の図７に示す画素２３（Ｒ）のつながりにより出力される信号（すなわち、焦点検出領域１２内の全ての画素２１（Ｌ）に対応してステップＳ２で得た信号を列順に並べたときにそれらが全体としてなす信号）との位相差を演算することで、焦点検出領域１２におけるデフォーカス量を、撮像レンズ１の焦点調節状態を示す検出信号として演算する。その演算手法自体は、瞳分割位相差方式で知られている演算手法を用いればよい。
【００７２】
現在設定されている焦点調節モードが全焦点検出領域モードの場合は、制御部９は、前述したように焦点検出領域１２に関してデフォーカス量を演算する他、各焦点検出領域１３〜１７についても、同様に、当該焦点検出領域に関してデフォーカス量を演算する。
【００７３】
以上説明したステップＳ２，Ｓ３が、制御部９における焦点検出処理部１０としての機能に相当している。
【００７４】
ステップＳ３の後、ステップＳ４において、制御部９は、現在設定されている焦点検出モードが焦点検出領域１２モードの場合は、ステップＳ３で求めた焦点検出領域１２に関するデフォーカス量に基づいてそのデフォーカス量がゼロになるように、レンズ駆動部６に焦点調節指令信号を出力する。その結果、レンズ駆動部６が撮像レンズ１の焦点状態を調節して、焦点検出領域１２において合焦する。
【００７５】
現在設定されている焦点検出モードが全焦点検出領域モードの場合は、ステップＳ３で求めた各焦点検出領域のデフォーカス量に基づいて決定した調節後の焦点調節状態となるように、レンズ駆動部６に焦点調節指令信号を出力する。その結果、レンズ駆動部６が撮像レンズ１の焦点状態を調節して、前記決定した焦点調節状態となる。
【００７６】
そして、シャッターボタンを全押しすると、制御部９による制御下で、図１０を参照して説明した動作を固体撮像素子２に行わせ、信号処理部３から全ての画素２０，２１（Ｌ），２２（Ｕ）の画素信号が得られ、更に、信号制御部３において、画素２１（Ｌ），２２（Ｕ）の位置に関する補間処理が行われ、画素２０の画素信号と、画素２１（Ｌ），２２（Ｕ）の位置の補間処理により得た画素信号とからなる画像（撮像画像）が、記録部５によって記録媒体に書き込まれる。
【００７７】
前述した特許文献１に開示された固体撮像素子は、複数の撮像用画素の他に、複数の第１の焦点検出用画素（特許文献１において符号「Ｓ１」が付された画素）と、複数の第２の焦点検出用画素（特許文献１において符号「Ｓ２」が付された画素）とを備え、焦点検出には、第１及び第２の焦点検出用画素のみが用いられ、複数の撮像用画素は用いられない。この従来技術に準じて、本実施の形態による固体撮像素子２を変形すると、図１２に示す比較例による固体撮像素子となる。
【００７８】
図１２は、本実施の形態による固体撮像素子２と比較される比較例による固体撮像素子を示す一部拡大平面図であり、図３に対応している。図１２において、図３乃至図８中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
【００７９】
図１２を図３と比較すればわかるように、図１２では、図３において画素２０が配置されていた複数の箇所に、画素２０に代えて、図７に示す画素２３（Ｒ）及び図８に示す画素２４（Ｄ）が現実に配置されている。すなわち、図１２では、画素２３（Ｒ）が現実に行番号９，１０の２行においてジグザグ状に配置され、画素２４（Ｄ）が現実に列番号９，１０の２列においてジグザグ状に配置されている。
【００８０】
図１２に示す固体撮像素子を用いる場合、図１１中のステップＳ２は行われず、ステップＳ３において、例えば現在設定されている焦点検出モードが焦点検出領域１２モードの場合は、制御部９は、ステップＳ１で取り込んだ画素信号のうちの焦点検出領域１２内の全ての画素２１（Ｌ）のつながりにより出力される信号（すなわち、焦点検出領域１２内の全ての画素２１（Ｌ）の画素信号を列順に並べたときにそれらが全体としてなす信号）と、ステップＳ１で取り込んだ画素信号のうちの焦点検出領域１２内の全ての画素２３（Ｒ）のつながりにより出力される信号（すなわち、焦点検出領域１２内の全ての画素２３（Ｒ）の画素信号を列順に並べたときにそれらが全体としてなす信号）との位相差を演算することで、焦点検出領域１２におけるデフォーカス量を、撮像レンズ１の焦点調節状態を示す検出信号として演算する。
【００８１】
図１２に示す比較例による固体撮像素子では、焦点検出のためにのみに用いられて画像撮像時には用いることができない画素２１（Ｌ）、２２（Ｕ），２３（Ｒ），２４（Ｄ）の数が多いので、撮像した画像の画質の劣化は大きい。
【００８２】
これに対し、本実施の形態では、図３に示すように、焦点検出のためにのみに用いられて画像撮像時には用いることができない画素２１（Ｌ）、２２（Ｕ）の数は、図１２の場合の半分ですむため、撮像した画像の画質の劣化を大幅に低減することができる。
【００８３】
また、本実施の形態では、画素に対して１対１にフォトダイオード３１が設けられており、１画素当たりに複数のフォトダイオードを設けるものではないため、１画素内に複数の転送部を設ける必要がない。よって、本実施の形態によれば、前記特許文献２に開示された固体撮像素子の場合と異なり、開口率低下やこれに伴う感度低下を回避することができる。
【００８４】
さらに、本実施の形態では、焦点検出領域１２，１６，１７は、撮像レンズ１の射出瞳を左右に分割し得るような画素２０，２１（Ｌ）で構成されている。したがって、焦点検出領域１２，１６，１７を用いることで、例えば、縦縞模様の像を撮像するときに焦点検出しやすくなる。また、焦点検出領域１３〜１５は、撮像レンズ１の射出瞳を上下に分割し得るような画素２０，２２（Ｕ）で構成されている。したがって、焦点検出領域１３〜１５を用いることで、例えば、横縞模様の像を撮像するときに焦点検出しやすくなる。
【００８５】
さらにまた、本実施の形態では、画素２１（Ｌ），２２（Ｕ）がジグザグ状に配置されている。したがって、画素２１（Ｌ），２２（Ｕ）を直線状に配置する場合に比べて、撮像画質への影響がより少なくなり、好ましい。もっとも、本発明では、このような配置に限定されるものではなく、画素２１（Ｌ），２２（Ｕ）を例えば直線状に配置してもよい。
【００８６】
［第２の実施の形態］
【００８７】
図１３は、本発明の第２の実施の形態による撮像装置としてのデジタルスチルカメラで用いられている固体撮像素子を示す一部拡大平面図であり、図３に対応している。図１３において、図３乃至図７中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
【００８８】
本実施の形態によるカメラが前記第１の実施の形態によるカメラと異なる所は、固体撮像素子の構成と、これに伴う図１１中のステップＳ２，Ｓ３の処理内容のみである。
【００８９】
図１３に示す固体撮像素子が前記第１の実施の形態で用いられている図３等に示す固体撮像素子２と異なる所は、図１３に示す固体撮像素子では、図３における焦点検出領域１２内の第８行の列の各画素２１（Ｌ）が、図７に示す画素２３（Ｒ）で置き換えられている点のみである。
【００９０】
本実施の形態では、図１１中のステップＳ２において、制御部９は、現在設定されている焦点調節モードが焦点検出領域１２モードの場合は、ステップＳ１で取り込んだ画素信号のうち、焦点検出領域１２内の各画素２１（Ｌ）の信号とその近辺の画素２０の信号とに基づいて、画素２１（Ｌ）と対をなす仮想の図７に示す画素２３（Ｒ）からの信号に対応する信号を算出する。また、制御部９は、ステップＳ１で取り込んだ画素信号のうち、焦点検出領域１２内の各画素２３（Ｒ）の信号とその近辺の画素２０の信号とに基づいて、画素２３（Ｒ）と対をなす仮想の図３及び図４に示すような画素２１（Ｌ）からの信号に対応する信号を算出する。
【００９１】
具体的には、例えば、図３中の第８行第１列（行番号が８でかつ列番号１）の画素２０の画素信号（画素値）から第７行第１列の画素２１（Ｌ）の画素信号を差し引いたもの、あるいは、第８行第１列の画素２０の画素信号と第６行第１列の画素２０の画素信号との平均から第７行第１列の画素２１（Ｌ）の画素信号を差し引いたものを、第７行第１列の画素２１（Ｌ）の画素信号に対応する画素信号として取得する。同様にして、焦点検出領域１２内の他の各画素２１（Ｌ）の画素信号に対応する信号を取得する。また、例えば、第７行第２列の画素２０の画素信号から第８行第２列の画素２３（Ｒ）の画素信号を差し引いたもの、あるいは、第７行第２列の画素２０の画素信号と第９行第２列の画素２０の画素信号との平均から第８行第２列の画素２３（Ｒ）の画素信号を差し引いたものを、第８行第２列の画素２３（Ｒ）の画素信号に対応する画素信号として取得する。同様にして、焦点検出領域１２内の他の各画素２３（Ｒ）の画素信号に対応する信号を取得する。
【００９２】
本実施の形態では、図１１中のステップＳ３において、制御部９は、現在設定されている焦点調節モードが焦点検出領域１２モードの場合は、ステップＳ１で取り込んだ画像信号のうちの焦点検出領域１２内の全ての画素２１（Ｌ）及び仮想の図４及び図５に示すような画素２１（Ｌ）のつながりにより出力される信号（すなわち、焦点検出領域１２内の全ての画素２１（Ｌ）の画素信号とステップＳ２で画素２３（Ｒ）に対応して得た信号を列順に並べたときに、それらが全体としてなす信号）と、ステップＳ１で取り込んだ画像信号のうちの焦点検出領域１２内の全ての画素２３（Ｒ）及び仮想の図７に示すような画素２３（Ｒ）のつながりにより出力される信号（すなわち、焦点検出領域１２内の全ての画素２３（Ｒ）の画素信号とステップＳ２で画素２１（Ｌ）に対応して得た信号を列順に並べたときに、それらが全体としてなす信号）との位相差を演算することで、焦点検出領域１２におけるデフォーカス量を、撮像レンズ１の焦点調節状態を示す検出信号として演算する。その演算手法自体は、瞳分割位相差方式で知られている演算手法を用いればよい。
【００９３】
本実施の形態によれば、前述した図１２に示す比較例と同様に焦点検出領域１２内に画素２１（Ｌ），２３（Ｒ）が配置されているものの、焦点検出に画素２１（Ｌ），２３（Ｒ）の近辺の画素２０も用いることで、焦点検出のためにのみに用いられて画像撮像時には用いることができない画素２１（Ｌ），２３（Ｒ）、２２（Ｕ）の数は、前記第１の実施の形態の場合と同じく、図１２の場合の半分ですむため、撮像した画像の画質の劣化を大幅に低減することができる。
【００９４】
このように、本実施の形態によっても、前記第１の実施の形態と同様の利点が得られる。
【００９５】
なお、本発明では、本実施の形態と同様に、図３における焦点検出領域１２内の任意の数の任意の箇所の画素２１（Ｌ）を、図７に示す画素２３（Ｒ）で置き換えてもよい。例えば、図３における焦点検出領域１２内の第７行第３列の画素２１（Ｌ）のみを、図７に示す画素２３（Ｒ）で置き換えてもよい。
【００９６】
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
【００９７】
例えば、前記各実施の形態では、前述したように、焦点検出のみに用いる画素のフォトダイオード３１は撮像用に用いる画素２０のフォトダイオードと同じ大きさにし、遮光金属層３３による遮光によって焦点検出のみに用いる画素のフォトダイオード３１の受光する撮影レンズ１の射出瞳の領域を半分にしている。しかしながら、このような遮光によらずに、焦点検出のみに用いる画素のフォトダイオード３１の大きさを半分にしてもよい。
【００９８】
この例を図１４に示す。図１４は、前記第１及び第２の実施の形態の変形例を示すもので、画素２０，２１（Ｌ）を示す概略断面図であり、図５に対応している。図４において、図５中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。図１４では、図５で設けられていた遮光金属層３３が除去され、画素２１（Ｌ）のフォトダイオード３１の大きさが画素２０のフォトダイオード３１の大きさが半分とされている。この場合、マイクロレンズ３２の焦点面にフォトダイオード３１が位置するように設定することが、好ましい。なお、図１４に示すように画素２１（Ｌ）のフォトダイオード３１の大きさを半分にする場合であっても、必要に応じて、不要な光を遮光するべく適宜遮光膜を形成してもよい。
【００９９】
また、前記各実施の形態においては、固体撮像素子としてＣＭＯＳ型の固体撮像素子が用いられていたが、ＣＣＤ型やその他の撮像素子を用いてもよい。
【０１００】
さらに、前記各実施の形態においては、焦点検出に際して、図１１中のステップＳ１において固体撮像素子から全画素の信号を出力しているが、画素２１（Ｌ），２２（Ｕ），２３（Ｒ）及びその周辺の画素２０のみを出力させることにより、高速化を図ってもよい。
【０１０１】
さらにまた、前記各実施の形態においては、撮像レンズ１の射出瞳を左右や上下に分割したが、遮光部の開口形状を変更し、斜めなど、どの方向に分割してもよく、撮像素子上に違う方向に分割された画素群があってもよい。
【０１０２】
また、前記各実施の形態では、白黒の固体撮像素子が用いられていたが、本発明はカラーの固体撮像素子にも適用することができる。その例を図１５に示す。
【０１０３】
図１５は、前記第１の実施の形態の白黒の固体撮像素子２をカラーの固体撮像素子に変形した例を示している。この固体撮像素子では、画素２１（Ｌ），２２（Ｕ）にはカラーフィルタが形成されていない一方、画素２０には、Ｒ，Ｇ，Ｂのいずれかのカラーフィルタ５０が形成されている。
【０１０４】
なお、カラーの固体撮像素子の場合の各色の画素２０と画素２１（Ｌ）等の配置の具体例としては、例えば焦点検出領域を焦点検出領域１２の１つのみとする場合、例えば、特許文献１の図２、図６、図７、図８にそれぞれ開示されている配置パターンにおいて、Ｒ，Ｇ，Ｂの画素をそれぞれＲ，Ｇ，Ｂの画素２０とし、Ｓ１画素を画素２１（Ｌ）とし、Ｓ２画素をＧの画素２０とすればよい。もっとも、本発明ではこのような配置に限定されるものでないことは、言うまでもない。
【０１０５】
このように、他の画素２１（Ｌ）等にカラーフィルタを配置しないと、その画素からの信号強度がカラーフィルタの分だけ低下しないので、その画素信号のＳＮ比が低下しないことから、ひいては、焦点検出の精度が高まるため、好ましい。
【０１０６】
ただし、画素２０のみにカラーフィルタ５０を形成し、他の画素２１（Ｌ）等にカラーフィルタを配置しない場合は、図１１中ののステップＳ２において、カラーフィルタ５０の透過率を考慮して、両者のレベル合わせを行う。すなわち、図１１中のステップＳ２の説明において用いられている画素２０の画素信号は、当該画素２０のカラーフィルタの透過率で除算することでレベル合わせした信号に置き換えて用いる。
【０１０７】
さらに、前記各実施の形態では、焦点検出領域の数及び位置は、図２に示す通りのものであったが、特に限定されるものではなく、例えば焦点検出領域は１つでもよい。
【０１０８】
さらにまた、前記各実施の形態は、本発明をデジタルスチルカメラに適用した例であったが、本発明は、ビデオカメラ等の他の撮像装置にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるデジタルスチルカメラの要部を模式的に示す概略構成図である。
【図２】図１中の固体撮像素子を示す概略平面図である。
【図３】図２における中央の２つの焦点検出領域の交差部付近を拡大した概略拡大図である。
【図４】図３中の一部の画素の概略拡大図である。
【図５】図４中のＸ１−Ｘ２線に沿った概略断面図である。
【図６】図３中の所定の画素を示す図である。
【図７】図３中の他の所定の画素を示す図である。
【図８】図３中の更に他の所定の画素を示す図である。
【図９】図１中の固体撮像素子の概略構成を示す電気回路図である。
【図１０】図１中の固体撮像素子の動作を示すタイミングチャートである。
【図１１】図１中の制御部が実行する自動焦点調節処理を示す概略フローチャートである。
【図１２】比較例による固体撮像素子を示す一部拡大平面図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態によるデジタルスチルカメラで用いられている固体撮像素子を示す一部拡大平面図である。
【図１４】前記第１及び第２の実施の形態の変形例における所定の画素を示す概略断面図である。
【図１５】本発明の第１の実施の形態の変形例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１  撮影レンズ
２  固体撮像素子
１０  焦点検出処理部
１１〜１７  焦点検出領域
２０，２１，２２，２３，２４  画素
３１  フォトダイオード
３２  マイクロレンズ
３３  遮光金属層
３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅ  開口
【図１】
0004797606.tif 000002
【図２】
0004797606.tif 000003
【図３】
0004797606.tif 000004
【図４】
0004797606.tif 000005
【図５】
0004797606.tif 000006
【図６】
0004797606.tif 000007
【図７】
0004797606.tif 000008
【図８】
0004797606.tif 000009
【図９】
0004797606.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
0004797606.tif 000013
【図１３】
0004797606.tif 000014
【図１４】
0004797606.tif 000015
【図１５】
0004797606.tif 000016