(57)【要約】【課題】機械式の絞り機構を省く。【解決手段】複数の画素から構成され、撮像システムの光学系により形成される像を撮像して撮像信号を出力する撮像素子において、画素に光電変換部と光学要素とを備えるとともに、光電変換部を同心円状の境界によって複数の領域に分割する。【選択図】図４
2007116437.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素から構成され、撮像システムの光学系により形成される像を撮像して画像信号を出力する撮像素子において、
前記画素は、光電変換部と光学要素とを備えるとともに、前記光電変換部を同心円状の境界によって複数の領域に分割することを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
請求項１に記載の撮像素子において、
前記光電変換部の受光面と前記光学系の絞り面とが共役関係になるように前記光学要素を配置するとともに、前記光電変換部の受光面における前記絞り面の中心に対応する点を中心とする同心円状の境界によって前記光電変換部を複数の領域に分割することを特徴とする撮像素子。
【請求項３】
請求項１に記載の撮像素子において、
前記同心円の中心が前記光学系の絞り面の中心に投影されるように前記光学要素を配置することを特徴とする撮像素子。
【請求項４】
請求項１に記載の撮像素子において、
前記光学要素の主点が前記同心円の中心と前記光学系の絞り面の中心とを結ぶ直線上に位置するように前記光学要素を配置することを特徴とする撮像素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の撮像素子において、
前記光電変換部の各分割領域で同時に撮像信号を生成することを特徴とする撮像素子。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の撮像素子において、
前記撮像システムの撮像状況に応じて、前記光電変換部の各分割領域の撮像信号を独立に、または加算して出力することを特徴とする撮像素子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかの１項に記載の撮像素子において、
前記光電変換部の受光面を、前記光学要素の焦点距離の位置に配置することを特徴とする撮像素子。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の撮像素子において、
前記光電変換部の受光面を、前記光学要素の焦点距離より前記光学要素側の位置に配置することを特徴とする撮像素子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の撮像素子において、
前記光電変換部の各分割領域の電荷蓄積時間を独立に制御可能とすることを特徴とする撮像素子。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の撮像素子と、
前記撮像素子を制御して撮像信号を読み出す制御手段とを備えることを特徴とする撮像システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の撮像システムにおいて、
撮像信号を記憶する記憶手段を備え、
前記制御手段は、前記光電変換部の各分割領域の撮像信号を独立に、または加算して前記記憶手段に記憶することを特徴とする撮像システム。
【請求項１２】
請求項１０に記載の撮像システムにおいて、
前記制御手段は、前記光電変換部の各分割領域の撮像信号を用いて前記光学系の撮影絞り径を設定して得られる画像に相当する画像信号を生成することを特徴とする撮像システム。
【請求項１３】
請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の撮像システムにおいて、
前記制御手段は、前記光電変換部の複数の分割領域で同時に撮像した撮像信号を用いて、前記光学系の異なる絞り径における画像に相当する複数の画像信号を生成することを特徴とする撮像システム。
【請求項１４】
請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の撮像システムにおいて、
前記光学系の異なる絞り径に相当する複数の撮像信号を合成し、ボケ状態を調整した画像信号を生成するボケコントロールモードを有し、
前記制御手段は、前記ボケコントロールモードの撮影時には、前記光電変換部の複数の分割領域で同時に撮像した撮像信号を用いて前記ボケ状態を調整した画像信号を生成することを特徴とする撮像システム。
【請求項１５】
請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の撮像システムにおいて、
前記制御手段は、前記光電変換部の複数の分割領域で同時に撮像した撮像信号を用いて、ダイナミックレンジを拡大した画像信号を生成することを特徴とする撮像システム。
【請求項１６】
請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の撮像システムにおいて、
前記光電変換部の複数の分割領域で同時に撮像した撮像信号を用いて、前記撮像素子周辺のシェーディング状態を検出するシェーディング検出手段を備えることを特徴とする撮像システム。
【請求項１７】
請求項１６に記載の撮像システムにおいて、
前記制御手段は、前記光電変換部の複数の分割領域の撮像信号の中から、検出結果のシェーディング状態に応じていずれかの撮像信号を選択することを特徴とする撮像システム。
【請求項１８】
請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の撮像システムにおいて、
前記光電変換部の複数の分割領域で同時に撮像した撮像信号を用いて前記光学系の球面収差状態を検出する球面収差検出手段を備えることを特徴とする撮像システム。
【請求項１９】
請求項１８に記載の撮像システムにおいて、
前記制御手段は、前記光電変換部の複数の分割領域の撮像信号の中から、前記球面収差検出手段により検出された球面収差状態に応じていずれかの撮像信号を選択することを特徴とする撮像システム。
【請求項２０】
請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の撮像システムにおいて、
輝度を検出する測光手段を備え、
前記制御手段は、前記輝度の検出結果に応じて前記光電変換部の複数の分割領域の撮像信号の中からいずれかを選択するか、または前記光電変換部の複数の分割領域の撮像信号を加算することによって画像信号を生成することを特徴とする撮像システム。
【請求項２１】
請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の撮像システムにおいて、
前記制御手段は、前記光学系の特性に応じて前記光電変換部の複数の分割領域の撮像信号の中からいずれかを選択するか、または前記光電変換部の複数の分割領域の撮像信号を加算することによって画像信号を生成することを特徴とする撮像システム。
【請求項２２】
請求項２１に記載の撮像システムにおいて、
前記制御手段は、前記光学系の絞り開放値に応じて前記光電変換部の複数の分割領域の撮像信号の中からいずれかを選択するか、または前記光電変換部の複数の分割領域の撮像信号を加算することによって画像信号を生成することを特徴とする撮像システム。
【請求項２３】
請求項２１に記載の撮像システムにおいて、
前記制御手段は、前記光学系の球面収差量に応じて前記光電変換部の複数の分割領域の撮像信号の中からいずれかを選択するか、または前記光電変換部の複数の分割領域の撮像信号を加算することによって画像信号を生成することを特徴とする撮像システム。
【請求項２４】
請求項２１に記載の撮像システムにおいて、
前記制御手段は、前記光学系の焦点距離に応じて前記光電変換部の複数の分割領域の撮像信号の中からいずれかを選択するか、または前記光電変換部の複数の分割領域の撮像信号を加算することによって画像信号を生成することを特徴とする撮像システム。
【請求項２５】
請求項２１に記載の撮像システムにおいて、
前記制御手段は、前記光学系の撮影倍率に応じて前記光電変換部の複数の分割領域の撮像信号の中からいずれかを選択するか、または前記光電変換部の複数の分割領域の撮像信号を加算することによって画像信号を生成することを特徴とする撮像システム。
【請求項２６】
請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の撮像システムにおいて、
画像信号を動画として記録する動画撮影モードと撮像信号を静止画として記録する静止画撮影モードとを有し、
前記制御手段は、前記動画撮影モード時には、前記光電変換部の複数の分割領域の内の中心部に近い分割領域の撮像信号を前記画像信号として用い、前記静止画撮影モード時には、前記光電変換部の複数の分割領域の内の中心部に近い分割領域の撮像信号と中心部から遠い分割領域の撮像信号とを加算して前記画像信号を生成することを特徴とする撮像システム。
【請求項２７】
請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の撮像システムにおいて、
１枚の画像を撮影する単写モードと複数枚の画像を連続撮影する連写モードとを有し、
前記制御手段は、前記単写モード時には、前記光電変換部の複数の分割領域の内の中心部に近い分割領域の撮像信号と中心部から遠い分割領域の撮像信号とを加算して画像信号を生成し、前記連写モード時には、前記光電変換部の複数の分割領域の内の中心部に近い分割領域の撮像信号を画像信号として用いることを特徴とする撮像システム。
【請求項２８】
請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の撮像システムにおいて、
静止している被写体を撮影するポートレート撮影モードと移動している被写体を撮影するスポーツ撮影モードとを有し、
前記制御手段は、前記ポートレート撮影モード時には、前記光電変換部の複数の分割領域の内の中心部から近い分割領域の撮像信号と中心部から遠い分割領域の撮像信号とを加算して画像信号を生成し、前記スポーツ撮影モード時には、前記光電変換部の複数の分割領域の内の中心部に近い分割領域の撮像信号を画像信号として用いることを特徴とする撮像システム。
【請求項２９】
請求項１０に記載の撮像システムにおいて、
前記光電変換部の複数の分割領域で同時に撮像した撮像信号を用いて画像のコントラスト評価値を検出し、前記コントラスト評価値に応じて前記光学系の自動焦点調節を行う焦点調節手段を備えることを特徴とする撮像システム。
【請求項３０】
請求項２９に記載の撮像システムにおいて、
前記焦点調節手段は、前記光学系が合焦点から大きくデフォーカスした状態では、前記光電変換部の複数の分割領域の内の中心部に近い分割領域の撮像信号を用いて画像のコントラスト評価値を検出することを特徴とする撮像システム。
【請求項３１】
請求項２９に記載の撮像システムにおいて、
前記光学系がいったん合焦した後は前記光学系の焦点調節動作を禁止するワンショット自動焦点調節モードと、前記光学系がいったん合焦した後も焦点調節動作を継続するコンティニュアス自動焦点調節モードとを有し、
前記焦点調節手段は、前記ワンショット自動焦点調節モード時には、前記光電変換部の複数の分割領域の内の中心部から遠い分割領域の撮像信号を用いてコントラスト評価値を検出するとともに、前記コンティニュアス自動焦点調節モードには、前記光電変換部の複数の分割領域の内の中心部に近い分割領域の撮像信号を用いてコントラスト評価値を検出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、撮像素子と撮像素子を備えた撮像システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
撮影光学系により結像される画像全体の光量を調節するために、機械的な絞り機構を備えた撮像システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この出願の発明に関連する先行技術文献としては次のものがある。
【特許文献１】特開平０６−００６６６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した従来の撮像システムでは、機械的な絞り機構により開口径を調節して絞り量を設定しているので、絞り機構を設置するためのスペースを確保しなければならず、コストがかかる上に、作動速度が遅いという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
複数の画素から構成され、撮像システムの光学系により形成される像を撮像して撮像信号を出力する撮像素子において、画素ごとに光電変換部と光学要素とを設けるとともに、光電変換部を同心円状の境界によって複数の領域に分割する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、従来の機械式の絞り機構に比較して高速、高精度、省スペース、省エネルギー、高耐久性の絞りの調節が可能になる。また、本願発明の撮像素子を用いた撮像システムにおいては、従来の機械式の絞り機構を採用した場合と比較して、より高品質な画像を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は撮像素子の中央近傍の画素の断面図であり、図２は撮像素子の画素を構成する光電変換部の正面図である。図２において、撮像素子の画素を構成する光電変換部４は、細いリング状の分離帯３を隔てて内側の第１光電変換部１と外側周囲の第２光電変換部２に分割される。第１光電変換部１は外形が円形で、第２光電変換部２に周囲を囲まれている。
【０００８】
図１において、光電変換部４の上には配線層１０、平坦化膜９、オンチップカラーフィルター８、無反射膜７およびマイクロレンズ６が積層される。なお、上述した各画素ごとの光学要素には少なくともマイクロレンズ６が含まれる。マイクロレンズ６により不図示の撮影光学系の絞り面の中心と光電変換部４の中心５、すなわち円形の第１光電変換部１の中心（受光面の中心）５が対応付けられる。すなわち、光電変換部４の中心５とマイクロレンズ６の主点を結ぶ方向１１に撮影光学系の絞り面の中心が位置する。さらに換言すれば、マイクロレンズ６によって、円形の第１光電変換部１の中心５が撮影光学系の絞り面の中心に投影される。撮像素子の中央近傍の画素においては、マイクロレンズ６の光軸と方向１１とが略一致する。
【０００９】
図３は撮像素子の周辺画素の断面図である。なお、図１に示す要素と同様な要素に対しては同一の符号を付して相違点を中心に説明する。撮像素子周辺部の画素、すなわち撮像素子上の、撮像光学系の光軸から離れた位置に配置される画素の構造は、図１に示す撮像素子中央近傍の画素と同様である。撮像素子周辺部の画素においても、図１に示す撮像素子中央近傍の画素と同様に、マイクロレンズ６により不図示の撮影光学系の絞り面の中心と光電変換部４の中心５、すなわち円形の第１光電変換部１の中心（受光面の中心）５が対応付けられる。すなわち、光電変換部４の中心５とマイクロレンズ６の主点を結ぶ方向１１に撮影光学系の絞り面の中心が位置するように、さらに換言すれば、マイクロレンズ６によって、円形の第１光電へ株１の中心５が撮影光学系の絞り面の中心に投影される。その結果、撮像素子周辺部の画素では、図３に示すように、光電変換部４の中心５がマイクロレンズ６の光軸１２との交点からずれ、マイクロレンズ６の光軸１２と方向１１の角度は、撮像素子上における撮影光学系の光軸との位置関係に応じた角度になる。
【００１０】
図４は撮像素子の画素１３と撮影光学系の絞り面１５との関係を示す。光電変換部４の中心５とマイクロレンズ６の主点を結んだ方向１１と、撮影光学系の絞り面１５との交点は、絞り面１５の中心１４、すなわち絞り面１５と撮影光学系の光軸との交点と一致する。分割された光電変換部のうち、中心５を含む内側の第１光電変換部１には、絞り面１５の中心１４を中心とした円形領域１６を通る光束がマイクロレンズ６により集光される。また、第１光電変換部１を取り囲む第２光電変換部２には、絞り面１５において円形領域１６の周囲の領域１７を通る光束がマイクロレンズ６により集光される。なお、１８は撮影光学系の仮想的な絞り開口であり、これについては後述する。
【００１１】
図５は撮影光学系の絞り面を光軸方向から見た図である。撮影光学系の絞り面１５に絞り開口１８、つまり図示するように領域１６より大きな円形開口１８が配置された仮定すると、第２光電変換部２は領域１７のうちの絞り開口１８の内側の部分を通過する光束を受光する。一方、絞り開口１８の円形形状が領域１６より小さい場合には領域１７を通る光束は遮断され、第２光電変換部２は光束を受光しない上に、第１光電変換部１は領域１６のうちの絞り開口１８の内側の部分を通過する光束を受光する。第１光電変換部１の出力は、仮想的な絞り開口１８の大きさが領域１６の大きさと一致した場合の出力であり、光電変換部４を分割せずに、撮影光学系の絞り面１５に実際に絞り開口１８を設け、その絞り開口１８を領域１６の大きさに調節した場合の出力と等しくなる。このようにすれば絞り開口１８を実際に設けずとも、分割された第１光電変換部１の出力により、絞り開口１８を領域１６と同じ大きさに制御した場合の光電変換出力を得ることができる。
【００１２】
図６は光電変換部４とマイクロレンズ６の光軸方向の位置関係を説明するための図であり、図７は絞り面１５上の点像の広がりを示す図である。また、図８は絞り面１５上の領域１６の広がりを示す図である。光電変換部４の受光面１９をマイクロレンズ６の焦点距離の位置２０に対してどのような位置に置くかによって、絞り面１５上での光束の分離の様子が異なる。光電変換部４の受光面１９をマイクロレンズ６の焦点距離の位置２０の後ろ側（マイクロレンズ６から離間する方向）に置き、絞り面１５上に受光面１９を投影した関係にした場合には、受光面１９の中心５は絞り面１５の中心１４に点２１（図７（Ａ））として投影される。この場合、第１光電変換部１が受光するのは、絞り面１５上においてマイクロレンズ６により第１光電変換部１の形状が投影された領域１６（図８（Ａ））を通る光束となる。したがって、分割された第１光電変換部１の出力により、絞り開口１８を領域１６と同じ大きさに制御した場合の光電変換出力を得ることができる。このように、光電変換部４の受光面１９をマイクロレンズ６の焦点距離の位置２０の後側に置き、光電変換部４の受光面１９を絞り面に投影させるように構成すると、正確に機械的な絞り開口を再現した場合の出力を得ることができる。
【００１３】
光電変換部４の受光面１９をマイクロレンズ６の焦点距離の位置２０の前側（マイクロレンズ６から近接する方向）に置いた場合には、マイクロレンズ６は平行光束より広がった光束を受光面１９の中心５に集光することになる。その結果、受光面１９の中心５は、絞り面１５の中心１４にマイクロレンズ６の直径より広がった点像２２（図７（Ｃ））として投影される。この場合、第１光電変換部１が受光するのは、絞り面１５上において領域１６および領域１６の外側に点像２３の分だけ滲み出した領域２５（図８（Ｃ））を通る光束となる。したがって、分割された第１光電変換部１の出力により、絞り開口１８を（領域１６＋領域２５）と同じ大きさに制御した場合の光電変換出力と同等な出力を得ることができる。このように、光電変換部４の受光面１９をマイクロレンズ６の焦点距離の位置２０の前側（マイクロレンズ６から近接する方向）に置くように構成すると、マイクロレンズ６と光電変換部４との間の距離を縮めることになり、隣接画素からの迷光を防止することができる
【００１４】
光電変換部４の受光面１９をマイクロレンズ６の焦点距離の位置２０に置いた場合は、マイクロレンズ６は平行光束を受光面１９の中心５に集光することになる。この結果、受光面１９の中心５が絞り面１５の中心１４にマイクロレンズ６の直径と一致する直径の点像２２（図７（Ｂ））として投影される。この場合、第１光電変換部１が受光するのは、絞り面１５上において領域１６および領域１６の外側に点像２２の分だけ滲み出した領域２４（図８（Ｂ））を通る光束となる。したがって、分割された第１光電変換部１の出力により、絞り開口１８を（領域１６＋領域２４）と同じ大きさに制御した場合の光電変換出力と同等な出力を得ることができる。このように、光電変換部４の受光面１９をマイクロレンズ６の焦点距離の位置２０に置くように構成すると、マイクロレンズ６と光電変換部４との間の距離を縮めることになり、隣接画素からの迷光防止効果と、絞り開口に対する出力精度維持効果をバランスよく実現することができる。
【００１５】
なお、以上の説明において光電変換部４の中心５とマイクロレンズ６の主点を結んだ方向１１と、撮影光学系の絞り面１５との交点と、絞り面１５の中心１４と一致させるとして説明したが、複数種類の撮影光学系に対して同じ撮像素子を適応させる場合には、絞り面位置が一致しないため、統計的な平均位置を絞り面位置と仮定し、この仮定した絞り面位置に対応して撮像素子の画素のマイクロレンズおよび光電変換部を設計する。
【００１６】
図９は撮像素子の正面図である。なお、図２は撮像素子の一部を示すが、他の部分も同様である。撮像素子基板３０上に図１に示す光電変換部４を２次元状に配列し、各光電変換部４の周囲の縦横に配線回路３１を配置する。なお、配線回路３１は制御用および出力用として機能する。また、各光電変換部４の上には、図１０に示すベイヤー配列のオンチップカラーフィルター（Ｒ；赤、Ｇ；緑、Ｂ；青）を配置する。
【００１７】
図１１は画素の詳細な断面図である。図において、４７はＰ型ウェル、４８はＭＯＳのゲート絶縁膜であるＳｉＯ２膜である。５３および５４は表面Ｐ＋層であり、ｎ層５５、５６とともに第1光電変換部１および第２光電変換部２を形成する。５７はｎ＋層からなるフローティングディフュージョン部（以下、ＦＤ部という）である。５１および５２は第１光電変換部１および第２光電変換部２に蓄積された光電荷をＦＤ部５７へ転送するための転送スイッチＭＯＳトランジスタである。また、８は光学フィルタである。マイクロレンズ６は撮影光学系の絞り面と撮像素子の第１光電変換部１および第２光電変換部２とが共役になるような形状及び位置に形成される。６４はＦＤ部５７を所定電位にリセットするためのリセット用ＭＯＳトランジスタ、６５は転送スイッチＭＯＳトランジスタ５１、５２によって転送された電荷に基づく増幅信号を得るためのソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ、６６はソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ６５で得られる増幅信号の読出対象の画素を選択する水平選択スイッチＭＯＳトランジスタである。ＦＤ部５７を挟んで、第１光電変換部１と第２光電変換部２が形成されており、第１光電変換部１および第２光電変換部２で発生した電荷は、それぞれ転送スイッチＭＯＳトランジスタ５１、５２、ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ６５、水平選択スイッチＭＯＳトランジスタ６６を介して転送される。
【００１８】
図１２は、第１光電変換部１、第２光電変換部２、転送スイッチＭＯＳトランジスタ５１，５２、およびＦＤ部５７のレイアウトをマイクロレンズ側から見た図である。この一実施の形態では、転送スイッチＭＯＳトランジスタ５１，５２とＦＤ部５７を、第２光電変換部２の一部を切り欠いた領域に図のように配置する。転送スイッチＭＯＳトランジスタ５１をオンすると、第１光電変換部１で蓄積した電荷をＦＤ部５７に転送することができる。また、転送スイッチＭＯＳトランジスタ５２をオンすると、第２光電変換部２で蓄積した電荷をＦＤ部５７に転送することができる。
【００１９】
図１３は撮像素子の回路構成図を示す。なお、図１３では水平２画素の部分のみを抜き出して示すが、他の画素も同様である。１，２は第１光電変換部、第２光電変換部（フォトダイオード）、５１、５２は転送スイッチＭＯＳトランジスタ、６４はＦＤ部５７を所定電位にリセットするリセット用ＭＯＳトランジスタである。また、６５は転送スイッチＭＯＳトランジスタ５１、５２によってＦＤ部５７に転送された電荷に基づく増幅信号を得るためのソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ、６６はソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ６５で得られる増幅信号の読出対象の画素を選択する水平選択スイッチＭＯＳトランジスタである。７０はソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ６５とともにソースフォロワを構成する負荷ＭＯＳトランジスタ、７２は画素の出力を転送する出力転送ＭＯＳトランジスタ、７４は出力転送ＭＯＳトランジスタ７２によって転送された出力を蓄積する出力蓄積容量である。さらに、７６は出力蓄積容量７４に蓄積されている各出力を水平出力線へ転送する水平転送ＭＯＳトランジスタ、７８は信号を増幅して出力する差動出力アンプ、８０は水平転送ＭＯＳトランジスタ７６のオン／オフを制御する水平走査回路、７９は転送スイッチＭＯＳトランジスタ５１、５２等のオン／オフを制御する垂直走査回路である。
【００２０】
図１４は撮像素子の回路動作を示すタイミングチャートである。まず、制御パルスＰＸ０をハイレベルに切り換えて転送スイッチＭＯＳトランジスタ５１をオンにする。このとき、制御パルスＰＲはハイレベルとなっているので、ＦＤ部５７に残った電荷とともにフォトダイオード１に残った電荷がリセットされる。次に、制御パルスＰＸ０をローレベルにしてフォトダイオード１で電荷蓄積を開始するとともに、制御パルスＰＲをローレベルにしてＦＤ部５７をフローティング状態とする。所定の電荷蓄積時間後、再び制御パルスＰＸ０をハイレベルに切り換え、転送スイッチＭＯＳトランジスタ５１を導通し、フォトダイオード１で蓄積された電荷をＦＤ部５７に転送する。
【００２１】
このとき、制御パルスＰＸ１はローレベルであるから、フォトダイオード２で光電変換された電荷はＦＤ部５７には転送されない。フォトダイオード１で変換された電荷がＦＤ部５７に転送されることによって、ＦＤ部５７の電位が光に応じて変化することになる。このとき、ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ６５がフローティング状態であるから、制御パルスＰＳｎ、ＰＴを一時的にハイレベルに切り換えることによって、ＦＤ部５７の電荷を出力蓄積容量７４へ出力する。出力蓄積容量７４に蓄積された電荷は、水平走査回路８０からの水平転送ＭＯＳトランジスタ７６への走査タイミング信号によって、水平転送期間に差動出力アンプ７８から出力される。以上の動作を垂直方向に順次行うことにより全フォトダイオード１の撮像信号が得られる。
【００２２】
次に、制御パルスＰＸ０と制御パルスＰＸ１を同時に制御しながら上記動作と同じ動作を繰り返す。このようにすると、フォトダイオード１とフォトダイオード２のリセット、電荷蓄積およびＦＤ部５７への転送を同時に行うことができる。したがって、ＦＤ部５７ではフォトダイオード１で蓄積した電荷とフォトダイオード２で蓄積した電荷を加算することになる。最終的に差動出力アンプ７８からは加算した電荷量に応じた画素信号が出力される。
【００２３】
図１５は上述の撮像素子を用いた撮像システムのブロック図である。図において、１０１は被写体の光学像を撮像素子１０３に結像させるレンズ（撮影光学系）、１０３はレンズ１０１で結像された被写体を撮像信号として取り込むための上記構成を有する撮像素子、１０４は撮像素子１０３からの出力信号を増幅するゲイン可変アンプ部およびゲイン値を補正するためのゲイン補正回路部等を含む撮像信号処理回路、１０５は撮像素子１０３より出力される出力信号のアナログ-ディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器である。
【００２４】
また、１０６はＡ／Ｄ変換器１０５より出力されたデータに各種の補正を行なう信号処理部、１０９は撮像素子１０３と撮像信号処理回路１０４とＡ／Ｄ変換器１０５と信号処理部１０６に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、１１０は各種演算と撮像システム全体を制御する全体制御・演算部、１０７は画像データを一時的に記憶するためのメモリ部、１１１は記録媒体に記録または読み出しを行うためのインターフェース部、１１２は画像データの記録または読み出しを行うための半導体メモリなどの着脱可能な記録媒体、１０８は外部コンピュータ等と通信するためのインターフェース部、１１３は外部から操作されるレリーズボタンやカメラの撮影モードを設定するための操作部である。
【００２５】
上記構成を有する撮像システムの撮影動作の概略について説明する。メイン電源がオンされ、次に、コントロール系の電源がオンし、さらにＡ／Ｄ変換器１０５などの撮像系回路の電源がオンされる。それから撮像素子１０３から出力された信号はＡ／Ｄ変換器１０５で変換された後、信号処理部１０６に入力される。信号処理部１０６で処理されたデータはメモリ部１０７に格納される。そのデータを基に、コントラスト検出方式で焦点調節状態を検出し、検出結果に基づきレンズを駆動し、合焦か否かを判断し、合焦していないと判断した時は、ふたたびレンズを駆動し焦点検出を行う。そして、合焦が確認された後にレリーズボタンなどの操作部１１３の操作が検出されると、全体制御・演算部１１０は撮像素子１０３から出力されるデータを選択、合成（第１光電変換部１の画素信号および第１光電変換部１と第２光電変換部２の合成撮像信号）して、メモリ部１０７に書き込む。その後、メモリ部１０７に蓄積されたデータは、全体制御・演算部１１０の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部１１１を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体１１２に記録される。また、外部Ｉ／Ｆ部１０８を通り直接外部コンピュータ等に入力する。
【００２６】
図１６は、一実施の形態の撮像素子と撮像システムを備えたデジタルスチルカメラの構成を示す。デジタルスチルカメラ２０１はカメラボディ２０３と交換レンズ２０２から構成され、マウント部２０４により両者が連結される。交換レンズ２０２は、被写体像を形成するためのレンズ２０９，フォーカシング用レンズ２１０、フォーカシング用レンズ２１０を動かす撮影レンズ駆動装置２０７、および撮影レンズ駆動装置２０７の動作を制御するレンズＣＰＵ２０６を備える。また、カメラボディ２０３は、交換レンズ２０２の予定結像面に配置される撮像素子２１２、撮像素子２１２の出力に基づいて交換レンズ２０２の焦点調節状態を検出する焦点検出部２１３、デジタルスチルカメラ全体の動作制御を行うボディＣＰＵ２１４、液晶ビューファインダー（ＥＶＦ：電気式ビューファインダー）の液晶表示素子２１６、液晶表示素子２１６を観察するための接眼レンズ２１７、およびボディＣＰＵ２１４の制御によって液晶ビューファインダーの液晶表示素子２１６を駆動する液晶表示素子駆動回路２１５を備えている。ボディＣＰＵ２１４とレンズＣＰＵ２０６はマウント部２０４に設けられた電気接点部２１８により各種情報（球面収差などのレンズ特性情報、レンズ駆動のための焦点調節情報）を伝達する。
【００２７】
交換レンズ２０２を通過して撮像素子２１２上に形成された被写体像は、第１光電変換部１と第２光電変換部２とにより光電変換され、その出力は焦点検出部２１３およびボディＣＰＵ２１４へ送られる。焦点検出部２１３は、撮像素子２１２からの出力に基づき焦点検出演算を行い、交換レンズ２０２の焦点調節状態を検出し、その検出結果に基づいてフォーカシングレンズ２１０を合焦点に移動させるための焦点調節情報をボディＣＰＵ２１４へ送る。ボディＣＰＵ２１４は、焦点調節情報に基づき非合焦と判定した場合はレンズＣＰＵ２０６へ焦点調節情報に応じたレンズ駆動情報を送る。レンズＣＰＵ２０６は、受信したレンズ駆動情報に基づいて撮影レンズ駆動手段２０７を制御し、フォーカシングレンズ２１０を合焦点へと駆動する。ボディＣＰＵ２１４は、撮像素子２１２からの出力信号に基づいて表示用の撮像信号を生成し、この合成撮像信号を液晶表示素子駆動回路２１５を介して液晶表示素子２１６に表示させる。
【００２８】
図１７は、図１５および図１６に示す撮像システムの動作を示すフローチャートである。ステップＳ１００にて電源がＯＮされると、まずステップＳ１１０にて撮影光学系の設定絞り値（手動または自動にて設定）がＦ５．６以上（Ｆ５．６より暗い）か否かを確認する。ここで、この一実施の形態では機械的な絞り機構を設けないので、設定絞り値に応じて機械的な絞り機構が動作することはない。Ｆ５．６以上の場合（暗い場合）はステップＳ１２０へ進み、暗い絞りに対応する第１光電変換部１の出力に基づいて焦点検出演算（コントラスト検出のオートフォーカス：ＡＦ）を行って焦点調節情報を生成するとともに、第１光電変換部１の出力に基づいて液晶ビューファインダーに画像を表示する。一方、ステップＳ１１０でＦ５．６以下の場合（明るい場合）はステップＳ１３０へ進み、明るい絞りに対応している第１光電変換部１と第２光電変換部２の加算出力に基づいて焦点検出演算を行って焦点調節情報を生成するとともに、第１光電変換部１と第２光電変換部２の加算出力に基づいて液晶ビューファインダーに画像を表示する。
【００２９】
ステップＳ１４０で算出結果の焦点調節情報に基づいて撮影光学系が合焦状態か否かを判定し、合焦状態でないと判定した場合はステップＳ１５０へ進み、焦点調節情報に基づいて撮影光学系を合焦位置に駆動した後、ステップＳ１１０へ戻って焦点検出および液晶ビューファインダー表示を繰り返す。一方、ステップＳ１４０で合焦状態であると判定した場合はステップＳ１６０へ進み、シャッターレリーズがなされたか否かを判定し、なされていないと判定された場合はステップＳ１１０へ戻り、焦点検出および液晶ビューファインダー表示を繰り返す。また、ステップＳ１６０でシャッターレリーズがなされたと判定された場合はステップ１７０へ進み、設定絞り値（手動または自動にて設定）がＦ５．６以上（Ｆ５．６より暗い）か否かを確認し、Ｆ５．６以上の場合（暗い場合）はステップＳ１８０へ進み、暗い絞りに対応する第１光電変換部１の出力を画像情報として記憶媒体に書込む。また、第１光電変換部１の出力に基づいて焦点検出演算を行って焦点調節情報を生成し、この情報に基づいて非合焦の場合は撮影光学系を合焦位置に駆動するとともに、第１光電変換部１の出力に基づいて液晶ビューファインダーに画像を表示してステップＳ１９１に進む。
【００３０】
一方、ステップＳ１７０でＦ５．６以下の場合（明るい場合）はステップＳ１９０へ進み、明るい絞りに対応している第１光電変換部１と第２光電変換部２の加算出力を画像情報として記憶媒体に書込む。さらに、第１光電変換部１と第２光電変換部２の加算出力に基づいて焦点検出演算を行って焦点調節情報を生成し、該情報に基づいて非合焦の場合は撮影光学系を合焦位置に駆動するとともに、第１光電変換部１と第２光電変換部２の加算出力に基づいて液晶ビューファインダーに画像を表示し、ステップＳ１９１へ進む。ステップＳ１９１ではレリーズモードが連写モード（シャッターレリーズが操作されている間中、連続的に撮影を継続するモード）に設定されており、かつ、シャッターレリーズが操作されているか否かを確認し、この条件が肯定された場合は連続撮影動作を行うためにステップＳ１７０へ戻り、撮影動作／焦点検出動作／ＥＶＦ表示動作を継続する。一方、上記条件が否定された場合はステップＳ１１０へ戻り、焦点検出および液晶ビューファインダー表示を繰り返す。
【００３１】
図１８は撮像素子中央近傍の画素の変形例を示す断面図であり、図１９は図１８に示す撮像素子の画素を構成する光電変換部の正面図である。なお、図１８、図１９において図１、図２に示す構成要素と同様な構成要素に対しては同一の符号を付して説明する。この変形例では、図１および図２に示す画素構成に比較して光電変換部の分割数を増やすことによって、絞り調節機能をさらに向上させる。図１９において、光電変換部９４は細いリング状の分離帯９３および分離帯９６を隔てて、内側の第１光電変換部９１と、中間の第２光電変換部９２と、外側の第２光電変換部９５とに分割される。第１光電変換部９１は外形が円形で第２光電変換部９２に周囲を囲まれ、また第２光電変換部９２は外形が円形で第３光電変換部９５に周囲を囲まれ、さらに第３光電変換部９５の外形が円形である。
【００３２】
第１光電変換部９１の出力が第１の絞り値に対応した出力となり、第１光電変換部９１と第２光電変換部９２の加算出力が第２の絞り値（第１の絞り値より明るい）に対応した出力となり、第１光電変換部９１と第２光電変換部９２と第３光電変換部９５の加算出力が第３の絞り値（第２の絞り値より明るい）に対応した出力となる。第１光電変換部９１と第２光電変換部９２と第３光電変換部９５の面積を略同一にする。これにより、同一の電荷蓄積時間で略同一レベルの出力が得られるので、後処理に都合がよい。
【００３３】
図１８において、光電変換部４の上には配線層１０、平坦化膜９、オンチップカラーフィルタ８、無反射膜７およびマイクロレンズ６（光学要素）が積層される。そして、図１および図２に示す画素と同様に、マイクロレンズ６により不図示の撮影光学系の絞り面の中心と光電変換部９４の中心５（すなわち円形の第１光電変換部９１の中心５）が対応付けられる。すなわち、光電変換部９４の中心５とマイクロレンズ６の主点を結ぶ方向１１に撮影光学系の絞り面の中心が位置する。
【００３４】
図２０は他の変形例の撮像素子の光電変換部の構成を示す。図２に示す光電変換部の第１光電変換部１と第２光電変換部２に対応する光電変換部３１０と光電変換部３２０のそれぞれを、図示するように３つの領域（３１１，３１２，３１３および３２１、３２２，３２３）に分割し、分割した３つの領域にそれぞれ異なるカラーフィルターを配置する。すなわち、緑フィルタを３１１と３２１の領域に、赤フィルタを３１２と３２２の領域に、青フィルタを３１３と３２３の領域にそれぞれ配置する。これにより、１つの画素でＲＧＢの３色が検出できるので、周囲の画素出力から色情報の補間を行う必要がない。暗い絞りで取り込んだ画素出力レベルが低く、色相情報が不足する場合には、色相情報のみ明るい絞りに対応する光電変換部３２１、３２２，３２３の出力も用いて算出することにより、画像の暗い部分の色を正確に表現することができる。
【００３５】
図２１および図２２は変形例の撮像素子の構成を示す。この変形例では、光電変換部と回路部を積層構造にすることによって光電変換部の開口効率を向上させる。図２１は光電変換部のある分割領域の回路構成を示す。光電変換部４００はアノード側を接続したダイオード４０１と４０２から成り、一方のダイオード４０１のカソードをグランドに接地し、他方のダイオード４０２のカソードをリセット端子ＲＳＴに接続する。リセット端子ＲＳＴからのリセットパルス入力によってダイオード４０１と４０２を直接リセットすることができる。また、光電変換部４００の各ダイオード４０１と４０２のアノード接続点をコンデンサＣ１とＣ２を介してＭＯＳトランジスタ４０３のソースに接続する。したがって、トランジスタ４０３がオンすると、光電変換部４００の電位がトランジスタ４０３のドレインに接続されている不図示のトランジスタ４０４のゲートに印加され、トランジスタ４０４により増幅された出力が垂直信号線に伝えられる。
【００３６】
図２２は、図２１に示す回路の撮像素子構造の断面図である。この撮像素子は貼り合わせ型のＳＯＩ基板を用いたものであり、ＳＯＩ絶縁層４１０の上面側（上層Ｓｉ基板４１１）に光電変換部４００を形成し、下面側に読み出し回路および駆動回路を構成する各種トランジスタ４０３，４０４などの素子を形成したものである。各フォトダイオード４０１，４０２は、ＳＯＩ絶縁層４１０の上部に、下層から順番にＮ＋領域４０５、Ｐ領域４０６、表面Ｎ＋領域４０７の各不純物層を設けたものである。また、各フォトダイオード４０１，４０２の境界領域にはＮ型の不純物層４０８が設けられ、隣接する素子と電気的に分離されている。Ｎ＋領域４０５はグランドに接地されている。また、各フォトダイオード４０１，４０２の表面は表面Ｎ＋領域４０７を介して一層の透明電極４０９に接続されている。さらに、一対のフォトダイオード４０１，４０２の境界部には絶縁膜４１２を介して多結晶シリコン縦配線（ポリシリコンプラグ）４１３が配置されている。この多結晶シリコン縦配線４１３は、キャパシタ（コンデンサＣ１）を構成するものであり、ＳＯＩ絶縁層４１０を上下に貫通する状態で形成され、ＳＯＩ絶縁層４１０の下面側に配置された底部で下層多結晶シリコン電極４１４に接続されている。この下層多結晶シリコン電極４１４は、下層Ｓｉ基板４１５に設けられたＮ＋層４１６と絶縁膜４１７を介して配置されており、この下層多結晶シリコン電極４１４とＮ＋層４１６とでキャパシタ（コンデンサＣ２）が構成されている。なお、多結晶シリコン縦配線４１３の上端と透明電極４０９との間は絶縁膜４１８によって分離されている。
【００３７】
また、下層Ｓｉ基板４１５には、絶縁膜４１７の下側に各トランジスタ４０３、４０４のソースおよびドレインを構成するＮ＋層４１６，４１９が形成されており、そのうちトランジスタ４０３のソースとして働くＮ＋層４１６が上述した下層多結晶シリコン電極４１４に対応して配置されたものである。また、絶縁膜４１７の上面には、上述した下層多結晶シリコン電極４１４以外にも、各トランジスタ４０３、４０４のゲートに対応して下層多結晶シリコンゲート電極４２０が設けられており、また、各トランジスタ４０３、４０４等の配線は、一層のポリシリコン配線４２１で構成され、図２１に示した回路構成を実現している。また、絶縁膜４１７の一部は下層に延在され、素子分離領域４２２を構成している。さらに、絶縁膜４１７の上層は、ＣＶＤ等による酸化膜４２３が積層され、下層多結晶シリコン電極４１４、４２０やポリシリコン配線４２１等を絶縁状態で包囲している。さらにまた、不図示の垂直走査制御回路／配線などの出力回路もＳＯＩ絶縁層４１０の下部に形成している。
【００３８】
このように、光電変換部と電荷読み出し部（出力回路）を光入射方向に対して積層した構造とすることによって、電荷読み出しのための構造や配線が撮像素子表面から素子内部に埋め込まれるので、光電変換部の形状や配置の自由度が増すとともに開口率の向上が図られる。
【００３９】
上記構成の撮像素子の動作について説明する。フォトダイオード４０１、４０２に入射した光により、各フォトダイオード４０１、４０２に電荷が発生し、Ｐ領域４０６に蓄積される。このとき、フォトダイオード４０１、４０２の表面に接続された透明電極４０９の電位を適宜変化させることによって、最大蓄積量が決定されるとともに、Ｓｉ表面のＮ＋層４０７と透明電極４０９の界面で発生した界面順位に起因するノイズ成分は透明電極４０９側へ排出される。また、この透明電極４０９にＰ領域４０６よりも低い電位を与えることによって、フォトダイオード４０１，４０２の光電変換領域に蓄積された電荷は全て透明電極４０９側へ排出され、フォトダイオード４０１、４０２のリセットが行なえる。このとき、全フォトダイオードに対し一斉に電圧を加えると、電子シャッタ動作が行なえる。
【００４０】
また、透明電極４０９の電位を保ちつつ一定期間の光を当てると、光電変換により発生した電荷によってフォトダイオード４０１、４０２の電位、すなわちポリシリコンプラグ４１３の電位を変動させ、この電位が読み出しトランジスタ４０３のソース部分（Ｎ＋層４１６）の電位を変化させ、さらにこの変化した電位をトランジスタ４０４のゲートに伝えてソースフォロワ回路を介して出力させる。さらに、この構造はフォトダイオード４０１、４０２と電位伝達の配線（ポリシリコンプラグ４１３）とが良質の絶縁膜（熱酸化膜）を介して絶縁されているため、界面準位などに代表されるノイズ発生源が少なく、信号電荷に対するノイズ量の小さな構造になっている。
【００４１】
なお、光電変換部の構造は図２１および図２２に示す構造に限定されるものではない。光電変換部を撮像素子表面に設け、出力回路を光電変換部の下部に設けるような三次元回路構成であれば他の構造でも構わない。また、電荷の出力形式については１１に示したＭＯＳ型の撮像素子に限定されない。電荷転送型（ＣＣＤ型）の撮像素子でもよい。
【００４２】
図２３は撮像素子回路の変形例を示す。図１３に示した撮像素子回路では、第１光電変換部１と第２光電変換部２の電荷蓄積時間を独立に制御できないのに対し、図２３の撮像素子回路では、第１光電変換部１と第２光電変換部２に対しそれぞれ別個の読み出し回路を設けることによって、第１光電変換部１と第２光電変換部２の電荷蓄積時間を独立に制御できる。
【００４３】
図２３には説明のために水平２画素分の回路を示す。１，２は第１光電変換部、第２光電変換部（フォトダイオード）、５１、５２は転送スイッチＭＯＳトランジスタ、６４０、６４１はＦＤ部５７０、５７１を所定電位にリセットするリセット用ＭＯＳトランジスタ、６５０、６５１は転送スイッチＭＯＳトランジスタ５１、５２によってＦＤ部５７０、５７１に転送された電荷に基づく増幅信号を得るためのソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ、６６０、６６１はソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ６５０，６５１で得られる増幅信号の読出対象の画素を選択する水平選択スイッチＭＯＳトランジスタ、７０はソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ６５０、６５１とともにソースフォロワを構成する負荷ＭＯＳトランジスタ、７２は画素の出力を転送する出力転送ＭＯＳトランジスタ、７４は出力転送ＭＯＳトランジスタ７２によって転送された出力を蓄積する出力蓄積容量、７６は出力蓄積容量７４に蓄積されている各出力を水平出力線へ転送する水平転送ＭＯＳトランジスタ、７８は信号を増幅して出力する差動出力アンプで、８０は水平転送ＭＯＳトランジスタ７６のオン／オフを制御する水平走査回路、７９は転送スイッチＭＯＳトランジスタ５１、５２等のオン／オフを制御する垂直走査回路である。
【００４４】
図２４は、図２３に示す撮像素子回路の動作を示すタイミングチャートである。まず、制御パルスＰＸ０、ＰＸ１をハイレベルに切り換えて転送スイッチＭＯＳトランジスタ５１、５２を同時にオンにする。このとき制御パルスＰＲはハイレベルとなっているので、ＦＤ部５７０、５７１に残った電荷とともにフォトダイオード１、２に残った電荷がリセットされる。次に、制御パルスＰＸ０、ＰＸ１をローレベルにしてフォトダイオード１、２で電荷蓄積を同時に開始するとともに、制御パルスＰＲをローレベルにしてＦＤ部５７０，５７１をフローティング状態とする。第１の電荷蓄積時間後、制御パルスＰＸ０をハイレベルに切り換え、転送スイッチＭＯＳトランジスタ５１を導通し、フォトダイオード１で蓄積された電荷をＦＤ部５７０に転送する。また第２の電荷蓄積時間後、制御パルスＰＸ１をハイレベルに切り換え、転送スイッチＭＯＳトランジスタ５２を導通し、フォトダイオード２で蓄積された電荷をＦＤ部５７１に転送する。
【００４５】
フォトダイオード１で変換された電荷がＦＤ部５７０に転送されることによって、ＦＤ部５７０の電位が光に応じて変化することになる。このときソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ６５０がフローティング状態であるので、ＦＤ部５７０の電位を、制御パルスＰＳｎ０、ＰＴを一時的にハイレベルに切り換えることによって出力蓄積容量７４に出力する。出力蓄積容量７４に蓄積された電荷は、水平走査回路８０からの水平転送ＭＯＳトランジスタ７６への走査タイミング信号によって水平転送期間に差動出力アンプ７８から出力される。以上の動作を垂直方向に順番に行うことによってすべてのフォトダイオード１の撮像信号が得られる。
【００４６】
一方、フォトダイオード２で変換された電荷がＦＤ部５７１に転送されることにより、ＦＤ部５７１の電位が光に応じて変化することになる。このときソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ６５１がフローティング状態であるので、全フォトダイオード１の撮像信号の転送が終了した後に、ＦＤ部５７１の電位を、制御パルスＰＳｎ１、ＰＴを一時的にハイレベルに切り換えることによって出力蓄積容量７４に出力する。出力蓄積容量７４に蓄積された電荷は、水平走査回路８０からの水平転送ＭＯＳトランジスタ７６への走査タイミング信号によって水平転送期間に差動出力アンプ７８から出力される。以上の動作を垂直方向に順番に行うことによって、すべてのフォトダイオード２の撮像信号が得られる。
【００４７】
以上のように電荷蓄積時間を独立制御したフォトダイオード１，２の撮像信号を独立に得ることができる。フォトダイオード１，２の撮像信号を加算する場合は、フォトダイオード１，２の撮像信号を独立に読み出した後に後処理で加算するか、フォトダイオード１，２の撮像信号を出力蓄積容量７４にて加算する。フォトダイオード１，２の電荷蓄積時間を独立に制御することができるので、光電変換部の受光面積が異なっていても、明るさに応じた適切な電荷蓄積時間を設定することで、どちらのフォトダイオードからも後処理に適した適切な出力レベルの撮像信号を得ることができる。
【００４８】
図２５〜図３６は、図１５および図１６に示した撮像システムの動作の変形例を示すフローチャートである。
【００４９】
図２５は、絞りブラケット撮影モード（１回の撮影動作で絞り開口径が異なる複数の画像を所得する撮影モード）の動作フローチャートである。絞り値に対応して独立に得られる複数の撮像信号を所定の割合で加算（混合）することによって、画像のボケを所望の量に制御する。図２５において、ステップＳ１６０までの動作は図１７に示すステップＳ１００〜Ｓ１５０の動作と同様であり、図示と説明を省略する。ステップＳ１６０でシャッターレリーズがなされていると判定された場合はステップＳ２００へ進み、絞りプラケット撮影モードに設定されているか否かを確認する。絞りブラケット撮影モードが設定されていない場合はステップＳ１７５へ進み、図１７に示すステップＳ１７０以降の通常撮影動作を行う。一方、絞りブラケット撮影モードが設定されている場合はステップＳ２１０に進む。ステップＳ２１０では暗い絞りに対応する第１光電変換部出力を画像情報として記憶媒体に書込み、この画像情報を液晶ビューファインダーに表示する。続くステップ２２０では明るい絞りに対応する第２光電変換部出力と第１光電変換部出力を加算した出力を画像情報として記憶媒体に書込み、この画像情報を液晶ビューファインダーに表示してステップＳ１１０へ戻る。以上の動作により、絞りブラケット撮影モードにおいては異なる絞り値による画像情報を高速に取り込むことができる。
【００５０】
図２６は、ボケコントロール撮影モード（１回の撮影動作で絞り開口径が異なる複数の画像情報を所得し、これらの複数の画像情報を合成することにより画像の一部分のボケ量を制御する撮影モード。例えば前景や背景の物体のボケ量を制御する。）の動作フローチャートである。なお、ステップＳ１６０までの動作は図１７に示すステップＳ１００〜ステップ１５０の動作と同じであり、図示と説明を省略する。ステップＳ１６０でシャッターレリーズがなされていると判定された場合はステップ３００へ進み、絞りボケコントロール撮影モードに設定されているか否かを確認する。絞りボケコントロール撮影モードが設定されていない場合はステップＳ１７５へ進み、図１７のステップＳ１７０以降に示す通常撮影動作を実行する。一方、絞りボケコントロール撮影モードが設定されている場合はステップＳ３１０へ進み、暗い絞りに対応する第１光電変換部出力を画像情報として記憶媒体に書込む。続くステップ３２０で明るい絞りに対応する第２光電変換部出力を画像情報として記憶媒体に書込む。次に、ステップ３３０で第１光電変換部出力と第２光電変換部出力を画像処理して画像の所望部分のボケ量をコントロールした画像情報を生成し、この画像情報を記憶媒体に書込むとともに、液晶ビューファインダーに表示してステップＳ１１０へ戻る。
【００５１】
画像処理の例：周知の被写体判別手法（距離／色／空間周波数成分などの情報から画像を主要被写体／背景など複数の領域に分割する）を用い、主要被写体に対しては第１光電変換部出力の撮像信号を用い、背景部分に対しては第１光電変換部出力と第２光電変換部出力を加算した撮像信号を用いて画像を合成する。これにより、主要被写体についてはボケの少ない鮮明な撮像信号が得られるとともに、背景部分についてはボケの大きな遠近感のある撮像信号が得られる。以上の動作によりボケコントロール撮影モードにおいては、異なる絞り値による画像情報を高速に取り込むことができ、被写体の動きの影響を軽減した高品質な合成画像を得ることができる。
【００５２】
図２７は、ダイナミックレンジ拡大撮影モード（１回の撮影動作でダイナミックレンジの異なる複数の画像情報を所得し、該複数の画像情報を合成することによりダイナミックレンジを拡大した画像を撮像する撮影モード）の動作フローチャートである。なお、図２７においてステップＳ１６０までの動作は図１７に示すステップＳ１００〜ステップ１５０の動作と同一であり、図示と説明を省略する。図２８はダイナミックレンジ拡大撮影の説明図である。
【００５３】
ステップＳ１６０にてシャッターレリーズがなされていると判定された場合はステップＳ４００へ進み、ダイナミックレンジ拡大撮影モードに設定されているか否かを確認する。ダイナミックレンジ拡大撮影モードが設定されていない場合はステップＳ１７５へ進み、図１７のステップＳ１７０以降に示す通常撮影動作を実行する。ここで、第１光電変換部（暗い絞りに対応した光電変換部）の面積を第２光電変換部（第１光電変換部の周囲を囲む光電変換部）の面積より小さくしておくことによって、両者に同一の電荷蓄積時間を設定した場合には第１光電変換部の感度を第２光電変換部の感度より相対的に小さくすることができる。
【００５４】
図２８（Ａ）はある明るさにおける第１光電変換部と第２光電変換部の出力特性を示したもので、縦軸が光電変換部の出力、横軸が電荷蓄積時間を示す。第２光電変換部の出力７０２は電荷蓄積時間Ｔｓ後に所定レベルＳＨに達して飽和するのに対し、相対的に感度が低い第１光電変換部の出力７０１は電荷蓄積時間Ｔｓが経過して飽和しない。ステップＳ４１０において高輝度領域をダイナミックレンジに収めるために低感度の第１光電変換部出力を画像情報として記憶媒体に書込む。続くステップＳ４２０では低輝度領域をダイナミックレンジに収めるために高感度の第２光電変換部出力を画像情報として記憶媒体に書込む。そして、ステップ４３０で第１光電変換部出力と第２光電変換部出力を画像処理し、ダイナミックレンジを拡大した画像情報を生成して記憶媒体に書込むとともに、液晶ビューファインダーに表示してステップＳ１１０へ戻る。
【００５５】
ダイナミックレンジ拡大合成の具体例；図２８（Ｂ）に示すように、所定蓄積時間Ｔｓで撮影した第２光電変換部出力のうち、出力が飽和レベルＳｈに達した画素については、この画素の第１光電変換部出力に所定係数を乗じた出力に置換して画素信号とする。所定係数は第２８図（Ｂ）に示すように第２光電変換部出力が飽和に達する点で第１光電変換出力に所定係数を乗じた出力が段差なく繋がるように定める。
【００５６】
以上の動作によりダイナミックレンジ拡大撮影モードにおいては、絞り値を異ならせることにより感度を変えた画像情報を高速に取り込むことができ、被写体の動きの影響を軽減した高品質なダイナミックレンジ拡大画像を得ることができる。
【００５７】
感度を異ならせた複数の画像を高速に取り込む他の手法；図２３に示した第１光電変換部と第２光電変換部の電荷蓄積時間を独立に制御できる撮像素子を用い、一方の光電変換部の電荷蓄積時間を他方の光電変換部の電荷蓄積時間より相対的に短くして低感度化する。電荷蓄積時間の比を変更することにより、ダイナミックレンジの拡大範囲を調整できる。
【００５８】
図２９はシェーディング検出動作を示すフローチャート、図３０はシェーディング検出動作の説明図である。図１７に示すフローチャートのステップＳ１１０とステップＳ１７０において、設定絞り値は手動または輝度などに応じて自動的に設定されているが、これを第１光電変換部出力および第２光電変換部出力に基づいてシェーディング検出を行い、検出結果に応じて自動的に絞り値を設定する。もちろん、この一実施の形態では従来のような機械的な絞り機構を設けないので、設定絞り値に応じて機械的な絞り機構が作動するわけではない。
【００５９】
図３０（Ａ），（Ｂ）において、領域７１１は撮像光学系の絞り面を第１光電変換部へ向かう光束が通過する領域であり、領域７１２は撮像光学系の絞り面を第２光電変換部へ向かう光束が通過する領域である。図３０（Ａ）は画面中央（撮像素子中央）の画素の光電変換部を示す。絞りが画素の正面にあるため、絞り面における開口７１０が円形となり、この内部を通過する光束を光電変換部が受光する。一方、図３０（Ｂ）は画面周辺（撮像素子周辺）の画素の光電変換部を示す。絞り面が画素に対して斜め方向にあるため、絞り開口以外のレンズ端などにより撮影光束が規制され、変形した開口７１３の内部を通る光束を光電変換部が受光することになる。
【００６０】
開口７１３の面積は開口７１０より小さくなるため、画面周辺（撮像素子周辺）の画素が受光する光量は少なくなり、これがシェーディングとなる。このとき、暗い絞りに対応した第１光電変換部の受光光束が通過する領域７１１は、シェーディングが生じても開口７１０と開口７１３によりケラレないので、シェーディングが生じた場合には第１光電変換部の出力を撮像信号として用いることによって、周辺光量低下のない（シェーディングのない）撮像信号を得ることができる。また、シェーディングが発生しているか否かは、画面中央（撮像素子中央）の画素の第１光電変換部出力と第２光電変換部出力の比の値が画面周辺（撮像素子周辺）の画素の第１光電変換部出力と第２光電変換部出力の比と異なることによって検出することができる。
【００６１】
図２９に示すサブルーチンは電源ＯＮ時および所定時間周期で呼び出されて実行され、結果に基づいて絞り値が自動設定される。ステップＳ５００においてシェーディング検出サブルーチンが呼び出され、処理を開始する。ステップＳ５１０で撮像素子の中央部にある一つの画素の第１光電変部出力と第２光電変換部出力の比を求める。続くステップＳ５２０で撮像素子の周辺部にある一つの画素の第１光電変部出力と第２光電変換部出力の比を求める。そして、ステップＳ５３０で周辺部の比と中央部の比の値を比較し、ほぼ等しい場合にはシェーディングは発生していないと判断し、ステップ５５０で設定絞り値をＦ４に設定し、ステップＳ５６０からリターンする。一方、ステップＳ５３０で周辺部の比と中央部の比の値に大きな差がある場合にはシェーディングが発生していると判断し、ステップ５４０で設定絞り値をＦ８に設定してステップＳ５６０からリターンする。
【００６２】
以上の動作により、周辺光量低下が発生しているか否かを自動的に瞬時に検出できるので、絞り開口径を手動で切り替えてファインダーで観察して判定する必要はなくなる。
【００６３】
図３１は球面収差検出処理を示すフローチャート、図３２は球面収差検出動作の説明図である。図１７に示すフローチャートのステップＳ１１０、ステップＳ１７０では、設定絞り値が手動または輝度などに応じて自動的に設定されているが、ここでは第１光電変換部出力および第２光電変換部出力に基づいて球面収差検出を行い、検出結果に応じて自動的に絞り値を設定する。まず、図３２において、球面収差の大きな撮影光学系では、絞り面７２０上の光軸近傍を通る光束７２１の合焦位置７２３（第１光電変換部が受光する光束の合焦位置）と、絞り面７２０上の光軸から離れた領域を通る光束７２２の合焦位置７２４（第２光電変換部が受光する光束の合焦位置）とが異なる。合焦状態において第１光電変換部の出力の合焦度（コントラスト評価値）と第２光電変換部の出力の合焦度（コントラスト評価値）とを比較することによって、コントラスト評価値がほぼ一致した場合は球面収差が発生しておらず、一致しない場合は球面収差が発生していると判断することができる。
【００６４】
図３１に示すサブルーチンは電源ＯＮ時および所定時間周期で呼び出されて実行され、結果に基づいて絞り値が自動設定される。ステップＳ６００において球面収差検出サブルーチンが呼び出され、処理が開始される。ステップＳ６１０で現在合焦状態であるか否かを判定し、合焦していない場合はステップＳ６７０でリターンする。なお、自動焦点調節は第１光電変換部出力のコントラスト値で行われるものとする。ステップＳ６１０で合焦していると判定された場合はステップＳ６２０へ進み、第１光電変部出力のコントラスト値（隣接画素出力の差の絶対値の和など）を求める。ステップＳ６２０で第２光電変部出力のコントラスト値を求め、続くステップＳ６３０で第１光電変部出力のコントラスト値と第２光電変部出力のコントラスト値の比が所定範囲以内（例えば１±α、α＜１）であるか確認する。所定範囲以内である場合には球面収差は小さいと判定し、設定絞り値をＦ４に設定してステップＳ６７０からリターンする。一方、ステップＳ６３０でコントラスト値の比が所定範囲外と判定された場合には、球面収差が発生していると判断して設定絞り値をＦ８に設定し、ステップＳ６７０からリターンする。
【００６５】
以上の動作により、球面収差が大きいか否かを自動的に瞬時に検出できるので、絞り開口径を手動で切り替えてファインダで観察して判定する必要はなくなる。
【００６６】
図３３はコントラスト検出方式ＡＦの動作を示すフローチャート、図３４はその動作の説明図である。まず、図３２において、縦軸はコントラスト評価値を、横軸はフォーカシングレンズ位置を示す。第１光電変換部は絞り面上の光軸近傍の光束を用いているので、第１光電変換部出力のコントラスト曲線７３１は、フォーカシングレンズが合焦位置から大きくデフォーカスした位置でもある程度のコントラストレベルを有し、合焦方向の判定ができる。しかし、合焦点近傍ではピークが広いため、高精度な合焦点検出ができない。一方、第２光電変換部は絞り面上の光軸からはなれた周辺の光束を用いているので、第２光電変換部出力のコントラスト曲線７３２は、フォーカシングレンズが合焦位置から大きくデフォーカスするとコントラストレベルがほとんど０となり、合焦方向の判定ができない。しかし、合焦点近傍ではピークが狭いため、高精度な合焦点検出ができる。
【００６７】
図３３は、図１７に示すステップＳ１１０〜ステップＳ１３０の動作の変形例を示すフローチャートである。ステップＳ１００にて電源がＯＮされると、まずステップＳ７１０で第２光電変換部出力のコントラスト値が所定値以上あるか否かを確認し、所定値以上ない場合（デフォーカスが大きい）はステップＳ７３０へ進む。ステップＳ７３０で近軸光束に対応する第１光電変換部の出力に基づいて焦点検出演算（コントラスト検出のオートフォーカス：ＡＦ）を行って焦点調節情報を生成するとともに、第１光電変換部の出力に基づいて液晶ビューファインダーに画像を表示する。一方、ステップＳ７１０で第２光電変換部出力のコントラスト値が所定値以上あると判定された場合（合焦点近傍）はステップＳ７３０へ進み、絞り周辺光束に対応している第２光電変換部出力に基づいて焦点検出演算を行って焦点調節情報を生成するとともに、第２光電変換部２出力に基づいて液晶ビューファインダーに画像を表示する。
【００６８】
表１は光電変換部の出力を撮像信号として採用する際の光電変換部の選択条件を示す。
【表１】
2007116437.tif 000003
【００６９】
輝度が大きい場合（明るい場合）は、暗い絞りに対応する第１光電変換部の出力を撮像用の撮像信号として採用し、光量を低減してシャッター速度が高速になり過ぎないようにする。一方、輝度が小さい場合（暗い場合）は、明るい絞りに対応する第１光電変換部出力と第２光電変換部出力を加算したものを撮像用の撮像信号として採用し、光量を確保してシャッター速度が低速になり過ぎないようにする。
【００７０】
レンズ開放Ｆ値が大きい場合（暗い場合）は、暗い絞りに対応する第１光電変換部の出力を撮像用の撮像信号として採用し、撮影光束にケラレが発生しないようにする。一方、レンズ開放Ｆ値が小さい場合（明るい場合）は、明るい絞りに対応する第１光電変換部出力と第２光電変換部出力を加算したものを撮像用の撮像信号として採用することによって、撮影光量を十分に確保し、シャッター速度が低速になり過ぎないようにする。
【００７１】
レンズ球面収差が大きい場合は、暗い絞りに対応する第１光電変換部の出力を撮像用の撮像信号として採用し、球面収差の影響を低減する。一方、レンズ球面収差が小さい場合（明るい場合）は、明るい絞りに対応する第１光電変換部出力と第２光電変換部出力を加算したものを撮像用の撮像信号として採用することによって、撮影光量を十分に確保し、シャッター速度が低速になり過ぎないようにする。
【００７２】
レンズ焦点距離が短い場合は、暗い絞りに対応する第１光電変換部の出力を撮像用の撮像信号として採用し、風景写真などで近距離から遠距離までピントがあった画像を得るようにする。一方、レンズ焦点距離が長い場合は、明るい絞りに対応する第１光電変換部出力と第２光電変換部出力を加算したものを撮像用の撮像信号として採用することによって、ボケを生かした画像を得るようにする。
【００７３】
レンズ撮影倍率が大きい場合（接写の場合）は、暗い絞りに対応する第１光電変換部の出力を撮像用の撮像信号として採用し、焦点深度を深くする。一方、レンズ撮影倍率が小さい場合（通常撮影の場合）は、明るい絞りに対応する第１光電変換部出力と第２光電変換部出力を加算したものを撮像用の撮像信号として採用することによって、撮影光量を十分に確保し、シャッター速度が低速になり過ぎないようにする。
【００７４】
撮影システムの撮影形態が動画を撮影するモードの場合は、暗い絞りに対応する第１光電変換部の出力を撮像用の撮像信号として採用し、近距離から遠距離までピントがあった画像を得るようにする。一方、撮影形態が静止画を撮影するモードの場合は、明るい絞りに対応する第１光電変換部出力と第２光電変換部出力を加算したものを撮像用の撮像信号として採用することによって、ボケを生かした画像を得るようにする。
【００７５】
撮影システムのレリーズモードが連続撮影を行うモードの場合は、暗い絞りに対応する第１光電変換部の出力を撮像用の撮像信号として採用し、近距離から遠距離までピントがあった画像を得るようにする。一方、レリーズモードが１枚だけ画像を撮影する単写モードの場合は、明るい絞りに対応する第１光電変換部出力と第２光電変換部出力を加算したものを撮像用の撮像信号として採用することによって、ボケを生かした画像を得るようにする。
【００７６】
撮影システムの撮影モードがスポーツ撮影のように移動する被写体を撮影するのに適したモードの場合（シャッター速度／ストロボ／フォーカスモードなどのカメラの動作モードが移動被写体撮影に適するように自動的に設定されるモード）は、暗い絞りに対応する第１光電変換部の出力を撮像用の撮像信号として採用し、近距離から遠距離までピントがあった画像を得るようにする。一方、撮影モードがポートレート撮影のように静止している被写体を撮影するのに適したモードの場合（シャッター速度／ストロボ／フォーカスモードなどのカメラの動作モードが静止被写体撮影に適するように自動的に設定されるモード）は、明るい絞りに対応する第１光電変換部出力と第２光電変換部出力を加算したものを撮像用の撮像信号として採用することによって、ボケを生かした画像を得るようにする。
【００７７】
撮影システムの撮影モードが接写撮影のように高倍率撮影するのに適したモードの場合（シャッター速度／ストロボ／フォーカスモードなどのカメラの動作モードが高倍率撮影に適するように自動的に背ってされるモード）は、暗い絞りに対応する第１光電変換部の出力を撮像用の撮像信号として採用し、焦点深度を深くして近距離から遠距離までピントがあった画像を得るようにする。一方、撮影モードが風景撮影のように低倍率撮影するのに適したモードの場合（シャッター速度／ストロボ／フォーカスモードなどのカメラの動作モードが低倍率撮影に適するように自動的に設定されるモード）は、明るい絞りに対応する第１光電変換部出力と第２光電変換部出力を加算したものを撮像用の撮像信号として採用することによって、ボケを生かした画像を得るようにする。
【００７８】
表２は光電変換部の出力をコントラスト検出に用いるときの光電変換部の選択条件を示す。
【表２】
2007116437.tif 000004
【００７９】
撮影システムの自動焦点調節モード（フォーカスモード）が移動する被写体に対して適するコンティニュアスＡＦモード（一旦合焦した後も被写体の移動に追随して自動焦点動作を継続する自動焦点調節モード）の場合は、暗い絞りに対応する第１光電変換部の出力を焦点検出用の撮像信号として採用し、大きくデフォーカスした際にもコントラスト検出が可能になるようにする。一方、フォーカスモードが静止している被写体に対して適するワンショットＡＦモード（一旦合焦した後は自動焦点調節動作を禁止して合焦状態をロック自動焦点調節モード）の場合は、明るい絞りに対応する第２光電変換部出力を焦点検出用の撮像信号として採用することにより、合焦点を高精度に検出するようにする。
【００８０】
輝度が大きい場合（明るい場合）は、暗い絞りに対応する第１光電変換部の出力を焦点検出用の撮像信号として採用し、大きくデフォーカスした際にもコントラスト検出が可能になるようにする。一方、輝度が小さい場合（暗い場合）は、明るい絞りに対応する第２光電変換部出力を焦点検出用の撮像信号として採用し、合焦点を高精度に検出するようにする。
【００８１】
レンズ開放Ｆ値が大きい場合（暗い場合）は、暗い絞りに対応する第１光電変換部の出力を焦点検出用の撮像信号として採用し、大きくデフォーカスした際にもコントラスト検出が可能になるようにする。一方、レンズ開放Ｆ値が小さい場合（明るい場合）は、明るい絞りに対応する第２光電変換部出力を焦点検出用の撮像信号として採用することによって、合焦点を高精度に検出するようにする。
【００８２】
レンズ球面収差が大きい場合は、暗い絞りに対応する第１光電変換部の出力を焦点検出用の撮像信号として採用し、近軸の光線の合焦位置を検出するようにする。一方、レンズ球面収差が小さい場合（明るい場合）は、明るい絞りに対応する第２光電変換部出力を焦点検出用の撮像信号として採用することによって、合焦点を高精度に検出するようにする。
【００８３】
レンズ焦点距離が長い場合には暗い絞りに対応する第１光電変換部の出力を焦点検出用の撮像信号として採用し、大きくデフォーカスした際にもコントラスト検出が可能になるようにする。一方、レンズ焦点距離が長い場合は、明るい絞りに対応する第２光電変換部出力を焦点検出用の撮像信号として採用することによって、合焦点を高精度に検出するようにする。
【００８４】
レンズ撮影倍率が大きい場合（接写の場合）は、暗い絞りに対応する第１光電変換部の出力を焦点検出用の撮像信号として採用し、大きくデフォーカスした際にもコントラスト検出が可能になるようにする。一方、レンズ撮影倍率が小さい場合（通常撮影の場合）には明るい絞りに対応する第２光電変換部出力を焦点検出用の撮像信号として採用することにより、合焦点を高精度に検出するようにする。
【００８５】
撮影システムの撮影形態が動画を撮影するモードの場合は、暗い絞りに対応する第１光電変換部の出力を焦点検出用の撮像信号として採用し、大きくデフォーカスした際にもコントラスト検出が可能になるようにする。一方、撮影形態が静止画を撮影するモードの場合は、明るい絞りに対応する第２光電変換部出力を焦点検出用の撮像信号として採用することによって、合焦点を高精度に検出するようにする。
【００８６】
撮影システムのレリーズモードが連続撮影を行うモードの場合は、暗い絞りに対応する第１光電変換部の出力を焦点検出用の撮像信号として採用し、大きくデフォーカスした際にもコントラスト検出が可能になるようにする。一方、レリーズモードが１枚だけ画像を撮影する単写モードの場合は、明るい絞りに対応する第２光電変換部出力を焦点検出用の撮像信号として採用することによって、合焦点を高精度に検出するようにする。
【００８７】
撮影システムの撮影モードがスポーツ撮影のように移動する被写体を撮影するのに適したモードの場合は、暗い絞りに対応する第１光電変換部の出力を焦点検出用の撮像信号として採用し、大きくデフォーカスした際にもコントラスト検出が可能になるようにする。一方、撮影モードがポートレート撮影のように静止している被写体を撮影するのに適したモードの場合は、明るい絞りに対応する第２光電変換部出力を焦点検出用の撮像信号として採用することによって、合焦点を高精度に検出するようにする。
【００８８】
撮影システムの撮影モードが接写撮影のように高倍率撮影するのに適したモードの場合は、暗い絞りに対応する第１光電変換部の出力を焦点検出用の撮像信号として採用し、大きくデフォーカスした際にもコントラスト検出が可能になるようにする。一方、撮影モードが風景撮影のように低倍率撮影するのに適したモードの場合は、明るい絞りに対応する第２光電変換部出力を焦点検出用の撮像信号として採用することによって、合焦点を高精度に検出するようにする。
【００８９】
＜撮像システム＞
この一実施の形態では、撮像システムをデジタルスチルカメラに適用した例を示したが、本願発明の撮像システムはデジタルスチルカメラに限定されるものではない。また、本願発明の撮像システムは携帯電話などに内蔵される小型カメラモジュールにも適用できる。小型カメラモジュールを小型機器に組み込む場合には、スペースに制約があるため、従来は機械式の絞りを組み込むことが困難であったが、本発明による絞り機能を備えた撮像素子を用いればスペースの増加なしに絞り機能を追加することが可能になる。
【００９０】
＜光電変換部の分割形状＞
図１および図１８に示す光電変換部では、分割された光電変換部の形状が円形になっているが、略円形であれば絞り機能を達成できる。例えば円形と中心が同一の多角形（自然なボケ形状を得るために５角形以上が望ましい）であってもよい。
【００９１】
＜光学要素＞
以上の説明では屈折型のマイクロレンズを光学要素であると説明したが、分布屈折率型レンズや反射型ミラーレンズなどの他の光学要素を採用してもよい。
【００９２】
以上説明したように、一実施の形態によれば、複数の画素から構成され、撮像システムの光学系により形成される像を撮像して撮像信号を出力する撮像素子において、画素に光電変換部と光学要素とを備えるとともに、光電変換部を同心円状の境界によって複数の領域に分割するようにしたので、次のような効果が得られる。従来の機械式の絞り機構を設置するものに比べ、応答性が高く、タイムラグがなく、高速連写も可能になる。また、省エネルギーかつ無音で、耐久性があり、故障がない。さらに、所望の絞り開口を高精度に実現でき、自然なボケ形状が得られるとともに、光量／収差の制御誤差がなくなる。さらにまた、省スペースで小型の撮像システムを低コストで構築できる。また、絞り開口径を変えた複数の画像信号を同時に取得でき、撮影動作を高速化できる上に、絞り開口径を変えた複数の画像信号の時間的な同時性を維持でき、高品質な合成画像が得られる。機械的な絞り機構の作動を制御する制御部が不要となるため、撮像システムをシンプルにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】撮像素子の中央近傍の画素の断面図である。
【図２】撮像素子の画素を構成する光電変換部の正面図である。
【図３】撮像素子の周辺画素の断面図である。
【図４】撮像素子の画素と撮影光学系の絞り面との関係を示す図である。
【図５】撮影光学系の絞り面を光軸方向から見た図である。
【図６】光電変換部とマイクロレンズの光軸方向の位置関係を説明するための図である。
【図７】絞り面上の点像の広がりを示す図である。
【図８】絞り面上の領域の広がりを示す図である。
【図９】撮像素子の正面図である。
【図１０】ベイヤー配列のオンチップカラーフィルターを示す図である。
【図１１】画素の詳細な断面図である。
【図１２】第１光電変換部、第２光電変換部、転送スイッチＭＯＳトランジスターおよびＦＤ部のレイアウトをマイクロレンズ側から見た図である。
【図１３】撮像素子の回路構成を示す図である。
【図１４】撮像素子の回路動作を示すタイミングチャートである。
【図１５】一実施の形態の撮像素子を用いた撮像システムのブロック図である。
【図１６】一実施の形態の撮像素子と撮像システムを備えたデジタルスチルカメラの構成を示す図である。
【図１７】図１５および図１６に示す撮像システムの動作を示すフローチャートである。
【図１８】撮像素子中央近傍の画素の変形例を示す断面図である。
【図１９】図１８に示す撮像素子の画素を構成する光電変換部の正面図である。
【図２０】他の変形例の撮像素子の光電変換部の構成を示す図である。
【図２１】変形例の撮像素子の構成を示す図である。
【図２２】図２１に示す撮像素子構造を示す断面図である。
【図２３】撮像素子回路の変形例を示す図である。
【図２４】図２３に示す撮像素子回路の動作を示すタイミングチャートである。
【図２５】絞りブラケット撮影モードの動作フローチャートである。
【図２６】ボケコントロール撮影モードの動作フローチャートである。
【図２７】ダイナミックレンズ拡大撮影モードの動作フローチャートである。
【図２８】第１光電変換部と第２光電変換部の出力特性を示す図である。
【図２９】シェーディング検出動作を示すフローチャートである。
【図３０】シェーディング検出動作の説明図である。
【図３１】球面収差検出処理を示すフローチャートである。
【図３２】球面収差検出動作を説明図である。
【図３３】コントラスト検出方式ＡＦの動作を示すフローチャートである。
【図３４】コントラスト検出方式ＡＦの動作説明図である。
【符号の説明】
【００９４】
１、９１、３１０  第１光電変換部
２、９２、３２０  第２光電変換部
３  分離帯
４  光電変換部
５  中心
６  マイクロレンズ
１１  方向
１２  光軸
１３  画素
１４  絞り面の中心
１５  絞り面
１６  円形領域
１７  周囲の領域
１８  絞り開口
１９  受光面
２０  焦点距離の位置
３０  撮像素子基板
３１  配線回路
９５  第３光電変換部
【図１】
2007116437.tif 000005
【図２】
2007116437.tif 000006
【図３】
2007116437.tif 000007
【図４】
2007116437.tif 000008
【図５】
2007116437.tif 000009
【図６】
2007116437.tif 000010
【図７】
2007116437.tif 000011
【図８】
2007116437.tif 000012
【図９】
2007116437.tif 000013
【図１０】
2007116437.tif 000014
【図１１】
2007116437.tif 000015
【図１２】
2007116437.tif 000016
【図１３】
2007116437.tif 000017
【図１４】
2007116437.tif 000018
【図１５】
2007116437.tif 000019
【図１６】
2007116437.tif 000020
【図１７】
2007116437.tif 000021
【図１８】
2007116437.tif 000022
【図１９】
2007116437.tif 000023
【図２０】
2007116437.tif 000024
【図２１】
2007116437.tif 000025
【図２２】
2007116437.tif 000026
【図２３】
2007116437.tif 000027
【図２４】
2007116437.tif 000028
【図２５】
2007116437.tif 000029
【図２６】
2007116437.tif 000030
【図２７】
2007116437.tif 000031
【図２８】
2007116437.tif 000032
【図２９】
2007116437.tif 000033
【図３０】
2007116437.tif 000034
【図３１】
2007116437.tif 000035
【図３２】
2007116437.tif 000036
【図３３】
2007116437.tif 000037
【図３４】
2007116437.tif 000038