(57)【要約】【課題】厚いマイクロレンズを用いることなく、瞳分割を精度良く行い、これにより焦点検出の精度を高める。【解決手段】  焦点検出用画素２１は、フォトダイオード５１と、その上にオンチップで形成された上側の９個のマイクロレンズ５２と、マイクロレンズ５２の焦点面に設けられた遮光金属層５３と、遮光金属層５３の開口５３ａを通過した光をフォトダイオード５１へ集光させ画素２１（Ｒ）に対して１対１に設けられた下側のマイクロレンズ５４と、を備える。遮光金属層５３は、基本的に焦点検出用画素２１の全体を覆うように配置され、マイクロレンズ５２に対して１対１に合計９個の半円の開口５３ａを有する。各開口５３ａは、対応するマイクロレンズ５２の光軸を中心とした円における＋Ｘ側の半円部分となっている。【選択図】図６
2007155930.tif 000002
【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、
画像信号を形成するための信号を出力する複数の撮像用画素と、前記光学系の射出瞳の中心から所定方向へ偏心した前記射出瞳の第１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１の焦点検出用画素と、前記光学系の射出瞳の中心から所定方向とは反対の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の焦点検出用画素と、を備え、
前記複数の第１の焦点検出用画素及び前記複数の第２の焦点検出用画素のうちの各１つの画素について、当該１つの画素の光電変換部上には複数のマイクロレンズが並置され、当該１つの画素の光電変換部と前記複数のマイクロレンズとの間における前記複数のマイクロレンズの略焦点面に、前記複数のマイクロレンズを通過した光束に関して実質的に前記射出瞳の前記第１の領域からの光束及び前記射出瞳の前記第２の領域からの光束のいずれか一方のみを通過させる遮光部が設けられたことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記遮光部は、前記複数のマイクロレンズの隙間を通過した光も遮光するように設けられたことを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記複数の第１の焦点検出用画素及び前記複数の第２の焦点検出用画素のうちの各１つの画素は、当該１つの画素の前記複数のマイクロレンズの略焦点面と当該１つの画素の光電変換部との間に、前記遮光部により遮光されなかった光を当該１つの画素の光電変換部へ集光させ当該１つの画素に対して１対１に設けられたマイクロレンズを有することを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記複数の撮像用画素の各１つの画素は、当該１つの画素の光電変換部上に当該１つの画素に対して１対１に設けられたマイクロレンズを有す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固体撮像素子。
【請求項５】
前記複数の撮像用画素の各１つの画素は、当該１つの画素の光電変換部上に配置された複数のマイクロレンズと、前記複数のマイクロレンズと当該１つの画素の光電変換部との間に当該１つの画素に対して１対１に設けられたマイクロレンズと、を有す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固体撮像素子。
【請求項６】
前記複数の撮像用画素にはカラーフィルタが形成され、前記複数の第１の焦点検出用画素及び前記複数の第２の焦点検出用画素にはカラーフィルタが形成されていないことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の固体撮像素子と、前記複数の第１の焦点検出用画素からの信号及び前記複数の第２の焦点検出用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を、備えたことを特徴とする撮像装置。
【請求項８】
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７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２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】
特許文献１に開示された固体撮像素子では、前述したように、遮光膜は、画素に対して１対１に設けられたマイクロレンズの略焦点面に配置されていた。これは、遮光膜をマイクロレンズの略焦点面に配置することによって、撮影レンズの射出瞳の一方側の領域からの光束のみを精度良く選択的に光電変換部に入射させて、前記射出瞳の他方側の領域からの光束を当該光電変換部に入射させないようにするためである。このようにいわば瞳分割を精度良く行うことで、焦点検出の精度を高めることができるのである。
【００１２】
しかし、一般的に、光入射側のマイクロレンズと光電変換部との間の距離はさほど長くすることはできないとともに、屈折率の高い材料でマイクロレンズを構成しようとしてもその屈折率には限界があるので、特許文献１に開示された固体撮像素子では、マイクロレンズと光電変換部との間に設けた遮光膜をマイクロレンズの略焦点面に配置するためには、マイクロレンズの焦点距離を短くする必要があり、そのためには、マイクロレンズの曲率を大きくするべくマイクロレンズの厚さを厚くせざるを得なかった。
【００１３】
また、特許文献２に開示された各固体撮像素子では、前述したように、光電変換部は、画素に対して１対１に設けられたマイクロレンズの略焦点面に配置されていた。これは、光電変換部をマイクロレンズの略焦点面に配置することによって、撮影レンズの射出瞳の一方側の領域からの光束のみを精度良く選択的に２分割光電変換部の一方部分に入射させて、前記射出瞳の他方側の領域からの光束を当該一方部分に入射させないようにするためである。このようにいわば瞳分割を精度良く行うことで、焦点検出の精度を高めることができるのである。
【００１４】
しかし、一般的に、光入射側のマイクロレンズと光電変換部との間の距離はさほど長くすることはできないとともに、屈折率の高い材料でマイクロレンズを構成しようとしてもその屈折率には限界があるので、特許文献２に開示された各固体撮像素子では、光電変換部をマイクロレンズの略焦点面に配置するためには、マイクロレンズの焦点距離を短くする必要があり、そのためには、マイクロレンズの曲率を大きくするべくマイクロレンズの厚さを厚くせざるを得なかった。
【００１５】
この点について、図１４及び図１５を参照して説明する。図１４は、特許文献２に開示された固体撮像素子に相当する従来の固体撮像素子の画素８０を示す概略断面図である。この画素８０は、２つの部分８１ａ，８１ｂに分割された光電変換部としてのフォトダイオード８１と、フォトダイオード８１上に当該画素８０に対して１対１に設けられたマイクロレンズ８２とを、備えている。この従来例では、マイクロレンズ８２を厚くすることで、マイクロレンズ８２の焦点面にフォトダイオード８１が配置されている。この例では、図示しない撮影レンズの射出瞳の一方側の領域からの光束は、図１４に示すように、マイクロレンズ８２の光軸から図中左側の角度範囲θ１内の角度で進行する各光線として、当該画素８２に入射する。２分割されたフォトダイオード８１はマイクロレンズ８２の焦点面に配置されているので、これらの光線は、フォトダイオード８１の一方部分８１ａのみに入射し、他方部分８１ｂには入射しない。図面には示していないが、撮影レンズの射出瞳の他方側の領域からの光束は、マイクロレンズ８２の光軸から図中右側の角度範囲−θ１内の角度で進行する各光線として当該画素８２に入射し、これらの光線は、フォトダイオード８１の他方部分８１ｂのみに入射し、一方部分８１ａには入射しない。したがって、瞳分割を精度良く行うことができる。
【００１６】
図１５に示す画素９０は図１４に示す画素８０を変形したものであり、画素９０が画素８０と異なる所は、マイクロレンズ８２が薄く構成され、マイクロレンズ８２の焦点面の手前に２分割フォトダイオード８１が位置している点のみである。その結果、図１５に示すように、マイクロレンズ８２の光軸から図中左側の角度範囲θ１内の角度で進行する各光線（撮影レンズの射出瞳の一方側の領域からの光束）の一部は、フォトダイオード８１の他方部分８１ｂにも入射してしまうとともに、光線９１，９２及びその間の光線（図示せず）に着目しても理解できるように、撮影レンズの射出瞳の他方側の領域からの光束の一部は、フォトダイオード８１の一方部分８１ａにも入射してしまう。したがって、瞳分割を精度良く行うことができない。
【００１７】
以上説明した図１４及び図１５からも、いわば瞳分割を精度良く行うことで、焦点検出の精度を高めるためには、画素に対して１対１に設けられたマイクロレンズ８２を厚くせざるを得ないことがわかる。
【００１８】
以上のように、特許文献１に開示された固体撮像素子においても、特許文献２に開示された各固体撮像素子においても、いわば瞳分割を精度良く行うことで、焦点検出の精度を高めるためには、画素に対して１対１に設けられたマイクロレンズを厚くせざるを得なかった。
【００１９】
ところが、一般的に、厚いマイクロレンズを精度良く製造することは非常に困難である。したがって、前述したいずれの従来の固体撮像素子においても、焦点検出の精度を高めるべくマイクロレンズを厚くすると、製造コストが増大するとともに、その製造誤差が大きくなってしまうことから、結局、その製造誤差に起因して瞳分割の精度が低下してしまい、焦点検出の精度を高めることは困難であった。
【００２０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、厚いマイクロレンズを用いずにすむにも拘わらず瞳分割を精度良く行うができ、これにより焦点検出の精度を高め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】
【００２１】
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、画像信号を形成するための信号を出力する複数の撮像用画素と、前記光学系の射出瞳の中心から所定方向へ偏心した前記射出瞳の第１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１の焦点検出用画素と、前記光学系の射出瞳の中心から所定方向とは反対の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の焦点検出用画素と、を備え、前記複数の第１の焦点検出用画素及び前記複数の第２の焦点検出用画素のうちの各１つの画素について、当該１つの画素の光電変換部上には複数のマイクロレンズが並置され、当該１つの画素の光電変換部と前記複数のマイクロレンズとの間における前記複数のマイクロレンズの略焦点面に、前記複数のマイクロレンズを通過した光束に関して実質的に前記射出瞳の前記第１の領域からの光束及び前記射出瞳の前記第２の領域からの光束のいずれか一方のみを通過させる遮光部が設けられたものである。
【００２２】
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、前記遮光部は、前記複数のマイクロレンズの隙間を通過した光も遮光するように設けられたものである。
【００２３】
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、前記複数の第１の焦点検出用画素及び前記複数の第２の焦点検出用画素のうちの各１つの画素は、当該１つの画素の前記複数のマイクロレンズの略焦点面と当該１つの画素の光電変換部との間に、前記遮光部により遮光されなかった光を当該１つの画素の光電変換部へ集光させ当該１つの画素に対して１対１に設けられたマイクロレンズを有するものである。
【００２４】
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、前記複数の撮像用画素の各１つの画素は、当該１つの画素の光電変換部上に当該１つの画素に対して１対１に設けられたマイクロレンズを有するものである。
【００２５】
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、前記複数の撮像用画素の各１つの画素は、当該１つの画素の光電変換部上に配置された複数のマイクロレンズと、前記複数のマイクロレンズと当該１つの画素の光電変換部との間に当該１つの画素に対して１対１に設けられたマイクロレンズと、を有するものである。
【００２６】
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、前記複数の撮像用画素にはカラーフィルタが形成され、前記複数の第１の焦点検出用画素及び前記複数の第２の焦点検出用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。
【００２７】
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の焦点検出用画素からの信号及び前記複数の第２の焦点検出用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を、備えたものである。
【００２８】
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】
【００２９】
厚いマイクロレンズを用いずにすむにも拘わらず瞳分割を精度良く行うができ、これにより焦点検出の精度を高め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】
【００３０】
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。
【００３１】
図１は、本発明の一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。
【００３２】
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。
【００３３】
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１２を参照して説明する。
【００３４】
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。
【００３５】
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、撮像用画素２０は空欄とし、焦点検出用画素２１には符号「Ｒ」を付し、焦点検出用画素２２には符号「Ｌ」を付し、焦点検出用画素２３には符号「Ｕ」を付し、焦点検出用画素２４には符号「Ｄ」を付している。
【００３６】
本実施の形態では、図３に示すように、焦点検出領域１２は、第７行において１画素置きに配置された焦点検出用画素２１（Ｒ）と、第８行において１画素置きに配置された焦点検出用画素２２（Ｌ）と、第７行における画素２１（Ｒ）間及び第８行における画素２２（Ｌ）間に配置された撮像用画素２０とから構成されている。焦点検出領域１２において、画素２１（Ｒ），２２（Ｌ）は全体としてジグザグ状をなしている。また、焦点検出領域１３は、第７列において１画素置き（ただし、焦点検出領域１２との交差部を除く）に配置された焦点検出用画素２３（Ｕ）と、第８列において１画素置き（ただし、焦点検出領域１２との交差部を除く）に配置された焦点検出用画素２４（Ｄ）と、第７列における画素２３（Ｕ）間及び第８列における画素２４（Ｄ）間に配置された撮像用画素２０とから構成されている。焦点検出領域１３において、画素２３（Ｕ），２４（Ｄ）は全体としてジグザグ状をなしている。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列において画素２０，２３，２４で構成されている。焦点検出領域１６，１７は、焦点検出領域１２と同様に、２行において画素２０，２１，２２で構成されている。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。
【００３７】
図４は、図３中の行番号が７，８でかつ列番号が１，２の４個の画素（２個の画素２０と１個の画素２１（Ｒ）と１個の画素２２（Ｌ））の概略拡大図である。図４では、各画素の上側のマイクロレンズ５２、並びに、遮光金属層５３及びその開口５３ａ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。
【００３８】
焦点検出用画素２１（Ｒ）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５１と、フォトダイオード５１上にオンチップで形成されて並置された上側の９個のマイクロレンズ５２と、マイクロレンズ５２の焦点面に設けられた遮光部としての遮光金属層５３と、遮光金属層５３の開口５３ａを通過した光をフォトダイオード５１へ集光させ画素２１（Ｒ）に対して１対１に設けられた下側のマイクロレンズ５４と、を備えている。なお、前記遮光部は、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。
【００３９】
遮光金属層５３は、９個のマイクロレンズ５２を通過した光束に関して、実質的に、撮像レンズ１の射出瞳の中心から−Ｘ方向へ偏心した前記射出瞳の領域からの光束のみを通過させるように、設けられている。本発明では、遮光金属層５３はマイクロレンズ５２間の隙間を通過した光を必ずしも遮光する必要はないが、本実施の形態では、遮光金属層５３は、マイクロレンズ５２間の隙間を通過した光も遮光するように設けられている。
【００４０】
具体的には、本実施の形態では、遮光金属層５３は、図４及び図５に示すように、基本的に焦点検出用画素２１（Ｒ）の全体を覆うように配置され、マイクロレンズ５２に対して１対１に合計９個の半円の開口５３ａを有している。各開口５３ａは、対応するマイクロレンズ５２の光軸を中心とした円（その径は必ずしもマイクロレンズ５２の径と同一である必要はないが、本実施の形態ではほぼ同一となっている。）における＋Ｘ側の半円部分となっている。なお、遮光金属層５３でマイクロレンズ５２間の隙間を通過した光を遮光しない場合は、遮光金属層５３を、各マイクロレンズ５２の光軸を中心とした前記円における−Ｘ側の半円部分にのみ形成してもよい。もっとも、本実施の形態のように、遮光金属層５３でマイクロレンズ５２間の隙間を通過した光も遮光することが好ましい。
【００４１】
マイクロレンズ５４に入射するのは、遮光金属層５３の開口５３ａを通過して、既に、撮像レンズ１の射出瞳の中心から−Ｘ方向へ偏心した前記射出瞳の領域からの光束のみであるので、前述した図１４に示すマイクロレンズ８２のようないわば瞳分割機能は必要ない。マイクロレンズ５４は、単に、遮光金属層５３の開口５３ａを通過した光をフォトダイオード５１へ集光すればよい。したがって、マイクロレンズ５４の焦点面がフォトダイオード５１と一致している必要はなく、本実施の形態では、マイクロレンズ５２の焦点面はフォトダイオード５１の後方（図５中の下方）となっており、マイクロレンズ５４の厚さは薄くなっている。
【００４２】
マイクロレンズ５４は、遮光金属層５３の開口５３ａを通過した光を効率良くフォトダイオード５１に受光させ、焦点検出のための信号を増大させてＳＮ比を高めることになる。よって、本実施の形態のようにマイクロレンズ５４を設けることが好ましいが、マイクロレンズ５４は、前述したように瞳分割機能を持たないため、必ずしも設ける必要はない。
【００４３】
上側のマイクロレンズ５２は、遮光金属層５３と共に、前述した図１４に示すマイクロレンズ８２と同様の光分割機能を担う。しかしながら、図１４に示すマイクロレンズ８２が画素に対して１対１に設けられているのに対し、マイクロレンズ５２は９個設けられている。よって、マイクロレンズ５２の径はマイクロレンズ８２の径より小さくなるため、マイクロレンズ５２の曲率を大きくしてもマイクロレンズ５２を薄くなっている。なお、本発明では、マイクロレンズ５２の数は、１画素に対して１個より多ければよい。
【００４４】
なお、マイクロレンズ５２と遮光金属層５３との間や、遮光金属層５３とマイクロレンズ５４との間や、マイクロレンズ５４と基板５０との間には、層間絶縁膜等が形成されている。
【００４５】
本実施の形態では、撮像用画素２０は、図４及び図５に示すように、遮光金属層５３が形成されていない点を除いて、焦点検出用画素２１（Ｒ）と同一に構成されている。もっとも、本発明では、撮像用画素２０には、マイクロレンズ５２を必ずしも設ける必要はない。そもそもマイクロレンズ５２は瞳分割機能を担うものであるため、撮像用画素２０にとっては不要であるとともに、マイクロレンズ５４によって光がフォトダイオード５１に集光されるので、光の利用効率もさほど損なわれないためである。なお、撮像用画素２０における光の利用効率を高めて画像信号のＳＮ比を高めるためには、撮像用画素２０にマイクロレンズ５４を設けておくことが好ましいが、瞳分割を精度良く行うという観点からは、撮像用画素２０にマイクロレンズ５４を必ずしも設ける必要はない。
【００４６】
図６は、撮像用画素２０及び焦点検出用画素２１（Ｒ）に入射する光の様子を示す光線図であり、図５に対応している。図６からも理解できるように、焦点検出用画素２１（Ｒ）においては、マイクロレンズ５２及び遮光金属層５３によって、撮影レンズ１の射出瞳の−Ｘ側の領域からの光束のみが精度良く選択的にフォトダイオード５１に入射し、前記射出瞳の＋Ｘ側の領域からの光束はフォトダイオード５１に入射せず、したがって瞳分割の精度が良く、しかも、マイクロレンズ５４によって、遮光金属層５３の開口５３ａを通過した光が集光されて効率良くフォトダイオード５１により受光される。また、撮像用画素２０においては、撮影レンズ１の射出瞳の両側の領域からの光が集光されて効率良くフォトダイオード５１により受光されることがわかる。
【００４７】
なお、マイクロレンズ５２，５４は、例えば、従来のメルトベーク方式のマイクロレンズであってもよく、またエッチバック式のマイクロレンズであってもよい。
【００４８】
また、下側のマイクロレンズ５４は、光が当該マイクロレンズ５４に空中からではなく酸化膜等から入射するので、所望の集光効果を得るためには、屈折率が比較的高い材料で構成することが好ましい。具体的には、マイクロレンズ５４の材料として、マイクロレンズで通常用いられる有機物より屈折率の高い材料、例えばシリコンナイトライド等を用いることが好ましい。
【００４９】
図７（ａ）は焦点検出用画素２２（Ｌ）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。図７（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。
【００５０】
焦点検出用画素２２（Ｌ）が焦点検出用画素２１（Ｒ）と異なる所は、画素２２（Ｌ）において、遮光金属層５３には、半円の開口５３ａの代わりに半円の開口５３ｂが、マイクロレンズ５２に対して１対１に設けられている点のみである。各開口５３ｂは、対応するマイクロレンズ５２の光軸を中心とした前記円における−Ｘ側の半円部分となっている。これによって、画素２２（Ｌ）のフォトダイオード５１は、実質的に撮像レンズ１の射出瞳の中心から＋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。
【００５１】
図８（ａ）は焦点検出用画素２３（Ｕ）の概略平面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）中のＹ１−Ｙ２線に沿った概略断面図である。図８（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。
【００５２】
焦点検出用画素２３（Ｕ）が焦点検出用画素２１（Ｒ）と異なる所は、画素２３（Ｕ）において、遮光金属層５３には、半円の開口５３ａの代わりに半円の開口５３ｃが、マイクロレンズ５２に対して１対１に設けられている点のみである。各開口５３ｃは、対応するマイクロレンズ５２の光軸を中心とした前記円における＋Ｙ側の半円部分となっている。これによって、画素２３（Ｕ）のフォトダイオード５１は、実質的に撮像レンズ１の射出瞳の中心から−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（ａ）は焦点検出用画素２４（Ｄ）の概略平面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）中のＹ３−Ｙ４線に沿った概略断面図である。図９（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。
【００５４】
焦点検出用画素２４（Ｄ）が焦点検出用画素２１（Ｒ）と異なる所は、画素２４（Ｄ）において、遮光金属層５３には、半円の開口５３ａの代わりに半円の開口５３ｄが、マイクロレンズ５２に対して１対１に設けられている点のみである。各開口５３ｄは、対応するマイクロレンズ５２の光軸を中心とした前記円における−Ｙ側の半円部分となっている。これによって、画素２４（Ｄ）のフォトダイオード５１は、実質的に撮像レンズ１の射出瞳の中心から＋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。
【００５５】
図１０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１０では、画素２０，２１（Ｒ），２２（Ｌ），２３（Ｕ），２４（Ｄ）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１０に示すように、フォトダイオード５１の他に、フォトダイオード５１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５１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。
【００５６】
なお、図１０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。
【００５７】
固体撮像素子２は、図１０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。
【００５８】
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。
【００５９】
次に、固体撮像素子２の動作について、図１１を参照して説明する。図１１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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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（Ｒ），２２（Ｌ），２３（Ｕ），２４（Ｄ）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。
【００６６】
次に、制御部９が実行する自動焦点調節処理について、図１２を参照して説明する。
【００６７】
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１１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（Ｒ），２２（Ｌ），２３（Ｕ），２４（Ｄ）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）。
【００６８】
次に、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、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（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（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、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２２（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２２（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。
【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、制御部９は、ステップＳ２において、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。
【００７０】
以上説明したステップＳ２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。
【００７１】
ステップＳ２の後、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検出モードが焦点検出領域１２モードの場合は、ステップＳ２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。
【００７２】
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において、制御部９は、ステップＳ２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。
【００７３】
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１１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（Ｒ），２２（Ｌ），２３（Ｕ），２４（Ｄ）の画素信号が得られ、更に、信号制御部３において、画素２１（Ｒ），２２（Ｌ），２３（Ｕ），２４（Ｄ）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（Ｒ），２２（Ｌ），２３（Ｕ），２４（Ｄ）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。
【００７４】
本実施の形態によれば、前述したように、焦点検出用画素について、１画素に対して複数設けられたマイクロレンズ５２と、遮光金属層５３との組み合わせを採用することで、マイクロレンズ５２，５４を薄くすることができて厚いマイクロレンズを用いずにすむにも拘わらず瞳分割を精度良く行うことができる。そして、マイクロレンズ５２，５４を薄くすることができて厚いマイクロレンズを用いずにすむので、マイクロレンズ５２，５４（特に、マイクロレンズ５２）を精度良く容易に製造することができ、製造誤差に起因する瞳分割の精度の低下を防止することができる。したがって、本実施の形態によれば、前述した従来技術に比べて焦点検出の精度を高めることができる。
【００７５】
また、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２１（Ｒ），２２（Ｌ）を含んでいる。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２３（Ｕ），２４（Ｄ）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。
【００７６】
さらにまた、本実施の形態では、画素２１（Ｒ），２２（Ｌ）が全体としてジグザグ状に配置されている。したがって、画素２１（Ｒ），２２（Ｌ）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（Ｒ），２２（Ｌ）を例えば直線状に配置してもよい。これらの点は、画素２３（Ｕ），２４（Ｄ）についても同様である。
【００７７】
以上、本発明の一実施の形態について説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。
【００７８】
例えば、前記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。
【００７９】
さらに、前記実施の形態においては、焦点検出に際して、図１２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（Ｒ），２２（Ｌ），２３（Ｕ），２４（Ｄ）（必要に応じて、その付近の撮像用画素２０も含む。）のみを出力させることにより、高速化を図ってもよい。
【００８０】
さらにまた、前記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。
【００８１】
また、前記実施の形態では、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１３に示す。
【００８２】
図１３は、前記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、焦点検出用画素２１（Ｒ），２２（Ｌ），２３（Ｕ），２４（Ｄ）にはカラーフィルタが形成されていない一方、撮像用画素２０には、Ｒ，Ｇ，Ｂのいずれかのカラーフィルタ６０が形成されている。なお、カラーフィルタ６０は、図１３に示すようにマイクロレンズ５２のすぐ下に配置してもよいし、例えば、マイクロレンズ５４と基板５０との間に配置してもよい。
【００８３】
なお、カラーの固体撮像素子の場合の各色の画素２０と焦点検出用画素２１（Ｒ）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画素を焦点検出用画素２１（Ｒ）とし、Ｓ２画素を焦点検出用画素２２（Ｌ）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。
【００８４】
このように、焦点検出用画素２１（Ｒ）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。
【００８５】
さらに、前記実施の形態では、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。
【００８６】
さらにまた、前記実施の形態は、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】
【００８７】
【図１】本発明の一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５に示す画素に入射する光の様子を示す光線図である。
【図７】図３中の所定の画素を示す図である。
【図８】図３中の他の所定の画素を示す図である。
【図９】図３中の更に他の所定の画素を示す図である。
【図１０】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１１】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１２】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１３】本発明の前記実施の形態の変形例を示す概略断面図である。
【図１４】従来の固体撮像素子の画素を示す概略断面図である。
【図１５】図１４に示す画素を変形したものを示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００８８】
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
５１  フォトダイオード
５２，５４  マイクロレンズ
５３  遮光金属層
５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｄ，５３ｅ  開口
【図１】
2007155930.tif 000003
【図２】
2007155930.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2007155930.tif 000007
【図６】
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【図７】
2007155930.tif 000009
【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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