(57)【要約】【課題】従来の撮像素子よりも画素サイズを縮小する。【解決手段】撮像素子の複数の画素の各々は、光導波路と、光電変換部と、マイクロレンズと、光電変換部とマイクロレンズとの間の、マイクロレンズの光軸方向に沿って相異なる位置に配置された少なくとも３つの遮光層とを含み、少なくとも３つの遮光層の各々には、マイクロレンズからの透過光を制限して光電変換部に受光させる開口部が設けられ、少なくとも３つの遮光層のうち、光電変換部に最も近い遮光層およびマイクロレンズに最も近い遮光層以外の主遮光層は、瞳面と光学的に共役となる位置に配置され、瞳面の所定領域を通過する光束のうちの少なくとも一部の光が主遮光層の開口部に入射し、光導波路は、主遮光層から光電変換部までの間に設けられ、主遮光層の開口部に入射する少なくとも一部の光を光電変換部に導光する。【選択図】図４
2013157442.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素を備え、
前記複数の画素の各々は、
光導波路と、
前記光導波路により導光された光を信号電荷に変換して蓄積する光電変換部と、
入射する光束を集光して前記光電変換部に向けて透過光として出射するマイクロレンズと、
前記光電変換部と前記マイクロレンズとの間の、前記マイクロレンズの光軸方向に沿って相異なる位置に配置された少なくとも３つの遮光層とを含み、
前記少なくとも３つの遮光層の各々には、前記透過光を制限して前記光電変換部に受光させる開口部が設けられ、
前記少なくとも３つの遮光層のうち、前記光電変換部に最も近い遮光層および前記マイクロレンズに最も近い遮光層以外の主遮光層は、前記マイクロレンズから前記光軸方向に前記光電変換部とは反対側に所定距離離れた位置に設定された瞳面と光学的に共役となる位置に配置され、
前記瞳面の所定領域を通過する前記光束のうちの少なくとも一部の光が前記主遮光層の前記開口部に入射し、
前記光導波路は、前記主遮光層から前記光電変換部までの間に設けられ、前記主遮光層の前記開口部に入射する前記少なくとも一部の光を前記光電変換部に導光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、 
前記複数の画素は第１画素と第２画素とを含み、
前記瞳面における一対の領域を通過する一対の光束のうちの一方の光束の光束のうちの少なくとも一部が、前記第１画素の前記主遮光層の前記開口部に入射し、
前記一対の光束のうちの他方の光束のうちの少なくとも一部が、前記第２画素の前記主遮光層の前記開口部に入射することを特徴とする撮像素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の撮像素子において、
前記主遮光層よりも前記マイクロレンズ側に配置された遮光層は、前記少なくとも３つの遮光層を含む画素に隣接する画素のマイクロレンズから出射されて前記主遮光層の前記開口部に向かって進む光が、前記開口部に入射しないように、前記主遮光層の前記開口部に向かって進む光を遮光することを特徴とする撮像素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の撮像素子において、
前記主遮光層よりも前記光電変換部側に配置された遮光層は、前記主遮光層の開口部から、前記光電変換部が配置された面上の前記光電変換部以外の領域に向かって進む光が、前記領域に入射しないように、前記領域に向かって進む前記光を遮光することを特徴とする撮像素子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像素子において、
前記少なくとも３つの遮光層は、３つの金属配線層であり、
前記３つの金属配線層は、前記光電変換部に蓄積された前記信号電荷を制御することを特徴とする撮像素子。
【請求項６】
請求項５に記載の撮像素子において、
前記複数の画素の各々は、前記少なくとも３つの金属配線層と前記マイクロレンズとの間に配置される遮光専用の遮光層をさらに含むことを特徴とする撮像素子。
【請求項７】
請求項５に記載の撮像素子において、
前記複数の画素の各々は、前記少なくとも３つの金属配線層と前記マイクロレンズとの間に配置される金属配線層をさらに含むことを特徴とする撮像素子。
【請求項８】
光導波路と、
前記光導波路により導光された光を信号電荷に変換して蓄積する光電変換部と、
入射する光束を集光して前記光電変換部に向けて透過光として出射するマイクロレンズと、
前記光電変換部と前記マイクロレンズとの間の、前記マイクロレンズの光軸方向に沿って相異なる位置に配置された少なくとも３つの遮光層とを含み、
前記少なくとも３つの遮光層の各々には、前記透過光を制限して前記光電変換部に受光させる開口部が設けられ、
前記少なくとも３つの遮光層のうち、前記光電変換部に最も近い遮光層および前記マイクロレンズに最も近い遮光層以外の主遮光層は、前記マイクロレンズから前記マイクロレンズの焦点距離と略等しい距離に配置され、
前記透過光のうちの少なくとも一部の光が前記主遮光層の前記開口部に入射し、
前記光導波路は、前記主遮光層から前記光電変換部までの間に設けられ、前記主遮光層の前記開口部に入射する前記少なくとも一部の光を前記光電変換部に導光することを特徴とする撮像素子。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の撮像素子において、
前記光導波路の屈折率は、前記主遮光層から前記光電変換部までの間の前記光導波路以外の平坦化層の屈折率よりも高いことを特徴とする撮像素子。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の撮像素子と、
前記複数の画素が出力する複数の画素信号に基づき、光学系を透過して前記光導波路により導光された前記光により前記撮像素子上に像が形成される際の、前記光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出手段とを備えることを特徴とする焦点検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は瞳分割型位相差検出用の画素信号を生成する画素を有する撮像素子および該撮像素子を含む焦点検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロレンズとその背後に配置された光電変換部からなる焦点検出用画素を有する撮像素子が撮影レンズの予定焦点面上に配置され、光学系を通る一対の焦点検出光束が形成する一対の像に応じた一対の像信号を生成し、この一対の像信号間の像ズレ量（位相差）を検出することによって光学系の焦点調節状態を検出する、いわゆる瞳分割型位相差検出方式の焦点検出装置が知られている。 
【０００３】
この種の焦点検出装置の焦点検出画素においては、光学系を通る一対の焦点検出光束を選択的に光電変換部に導くために、マイクロレンズと光電変換部の間に、開口部を有する遮光層が配置される。その遮光層として、光電変換部に蓄積された信号電荷の蓄積や読出しを制御するための複数の金属配線層の中で最も光電変換部に近接した金属配線層が用いられる（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２１３２５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年撮像素子の高画素化に伴い画素サイズ縮小の要求が強くなっているが、画素サイズを縮小するためには、光電変換部の受光部の面積を小さくする必要があり、それに伴い上述した遮光層の開口部の面積も小さくする必要がある。
【０００６】
面積が小さな開口部にＦナンバーの小さな明るい光束を入射させるためには、マイクロレンズと、開口部を備えた遮光層との間の距離を縮小する必要がある。該距離を縮小しないと、光電変換部が、該光電変換部の直上のマイクロレンズではなく該マイクロレンズに隣接するマイクロレンズを透過した光束を受光する虞があるためである。
【０００７】
しかし、焦点検出画素においては、マイクロレンズと遮光層との間にマイクロレンズの焦点距離以上の距離を確保する必要がある。撮像画素においても、上述した複数の金属配線層の厚さは電気抵抗が高くなってしまうためにむやみに薄くすることはできない。また金属配線層間の距離や金属配線層と光電変換部との間の距離も、容量結合効果により生じるノイズ誤動作を生じさせる可能性があるので、むやみに薄くすることができない。
【０００８】
すなわち従来の撮像素子では、画素サイズを縮小することができないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の撮像素子は、複数の画素を備え、複数の画素の各々は、光導波路と、光導波路により導光された光を信号電荷に変換して蓄積する光電変換部と、入射する光束を集光して光電変換部に向けて透過光として出射するマイクロレンズと、光電変換部とマイクロレンズとの間の、マイクロレンズの光軸方向に沿って相異なる位置に配置された少なくとも３つの遮光層とを含み、少なくとも３つの遮光層の各々には、透過光を制限して光電変換部に受光させる開口部が設けられ、少なくとも３つの遮光層のうち、光電変換部に最も近い遮光層およびマイクロレンズに最も近い遮光層以外の主遮光層は、マイクロレンズから光軸方向に光電変換部とは反対側に所定距離離れた位置に設定された瞳面と光学的に共役となる位置に配置され、瞳面の所定領域を通過する光束のうちの少なくとも一部の光が主遮光層の開口部に入射し、光導波路は、主遮光層から光電変換部までの間に設けられ、主遮光層の開口部に入射する少なくとも一部の光を光電変換部に導光することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の撮像素子によれば、従来の撮像素子よりも画素サイズを縮小することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施の形態のデジタルカメラの構成を示す横断面図である。
【図２】焦点検出位置を示す図である。
【図３】撮像素子の詳細な構成を示す図である。
【図４】撮像画素の断面図である。
【図５】撮像画素を正面から見た場合の開口部および光電変換部の形状を示した図である。
【図６】焦点検出画素の断面図である。
【図７】焦点検出画素を正面から見た場合の、開口部の形状と、光電変換部の形状とを示した図である。
【図８】撮像画素が受光する撮影光束の様子を説明するための図である。
【図９】焦点検出画素が受光する焦点検出光束の様子を説明するための図である。
【図１０】撮像素子の回路構成を示す概念図である。
【図１１】撮像画素の詳細回路図である。
【図１２】撮像画素の断面構造を簡略化して示す図である。
【図１３】撮像素子の動作タイミングチャートである。
【図１４】デジタルカメラの動作を示すフローチャートである。
【図１５】焦点検出画素の変形例を示す断面図である。
【図１６】撮像素子の部分拡大図である。
【図１７】焦点検出画素の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
−−−第１の実施の形態−−−
第１の実施の形態の撮像装置として、レンズ交換式のデジタルカメラを例に挙げて説明する。図１は、第１の実施の形態のデジタルカメラ２０１の構成を示す横断面図である。本実施の形態のデジタルカメラ２０１は、交換レンズ２０２とカメラボディ２０３とから構成され、交換レンズ２０２がマウント部２０４を介してカメラボディ２０３に装着される。カメラボディ２０３にはマウント部２０４を介して種々の撮影光学系を有する交換レンズ２０２が装着可能である。
【００１３】
交換レンズ２０２は、レンズ２０９、ズーミング用レンズ２０８、フォーカシング用レンズ２１０、絞り２１１、レンズ駆動制御装置２０６などを有する。レンズ駆動制御装置２０６は、不図示のマイクロコンピューター、メモリ、駆動制御回路などから構成される。レンズ駆動制御装置２０６は、フォーカシング用レンズ２１０の焦点調節および絞り２１１の開口径調節のための駆動制御、ならびにズーミング用レンズ２０８、フォーカシング用レンズ２１０および絞り２１１の状態検出などを行う。また、後述するボディ駆動制御装置２１４との通信によりレンズ情報の送信とカメラ情報（デフォーカス量や絞り値など）の受信とを行う。絞り２１１は、光量およびボケ量調整のために光軸中心に開口径が可変な開口を形成する。
【００１４】
カメラボディ２０３は、撮像素子２１２、ボディ駆動制御装置２１４、液晶表示素子駆動回路２１５、液晶表示素子２１６、接眼レンズ２１７、メモリカード２１９などを有している。撮像素子２１２には、撮像画素が行と列とで規定される二次元状配列にしたがって配置されるとともに、焦点検出位置に対応した部分に焦点検出用画素が配置されている。この撮像素子２１２については詳細を後述する。
【００１５】
ボディ駆動制御装置２１４は、マイクロコンピューター、メモリ、駆動制御回路などから構成される。ボディ駆動制御装置２１４は、撮像素子２１２の駆動制御と、撮像素子２１２からの画素信号の読み出しと、焦点検出画素の画素信号に基づく焦点検出演算および交換レンズ２０２の焦点調節とを繰り返し行うとともに、画像信号の処理および記録、カメラの動作制御などを行う。また、ボディ駆動制御装置２１４は電気接点２１３を介してレンズ駆動制御装置２０６との通信を行い、レンズ情報の受信およびカメラ情報の送信を行う。
【００１６】
液晶表示素子２１６は電気的なビューファインダー（ＥＶＦ：Electronic View Finder）として機能する。液晶表示素子駆動回路２１５は撮像素子２１２から読み出された画像信号に基づきスルー画像を液晶表示素子２１６に表示し、撮影者は接眼レンズ２１７を介してスルー画像を観察することができる。メモリカード２１９は、撮像素子２１２により撮像された画像信号に基づいて生成される画像データを記録する画像ストレージである。
【００１７】
交換レンズ２０２を通過した光束により、撮像素子２１２の受光面上に被写体像が形成される。この被写体像は撮像素子２１２により光電変換され、撮像画素および焦点検出画素の画素信号がボディ駆動制御装置２１４へ送られる。
【００１８】
ボディ駆動制御装置２１４は、撮像素子２１２の焦点検出画素からの画素信号に基づいてデフォーカス量を算出し、このデフォーカス量を、レンズ駆動制御装置２０６へ出力する。また、ボディ駆動制御装置２１４は、撮像素子２１２の撮像画素の画像信号を処理して画像データを生成し、メモリカード２１９に格納するとともに、撮像素子２１２から読み出されたスルー画像信号を液晶表示素子駆動回路２１５へ出力し、スルー画像を液晶表示素子２１６に表示させる。さらに、ボディ駆動制御装置２１４は、レンズ駆動制御装置２０６へ絞り制御情報を出力して、絞り２１１の開口制御を行う。
【００１９】
レンズ駆動制御装置２０６は、フォーカシング状態、ズーミング状態、絞り設定状態、絞り開放Ｆ値などに応じてレンズ情報を更新する。具体的には、レンズ駆動制御装置２０６は、ズーミング用レンズ２０８およびフォーカシング用レンズ２１０の位置と絞り２１１の絞り値とを検出し、これらのレンズ位置と絞り値とに応じてレンズ情報を演算したり、あるいは予め用意されたルックアップテーブルからレンズ位置と絞り値とに応じたレンズ情報を選択する。
【００２０】
レンズ駆動制御装置２０６は、受信したデフォーカス量に基づいてレンズ駆動量を算出し、レンズ駆動量に応じてフォーカシング用レンズ２１０を合焦位置へ駆動する。また、レンズ駆動制御装置２０６は受信した絞り値に応じて絞り２１１を駆動する。
【００２１】
図２は、交換レンズ２０２の予定結像面、すなわち撮像面に設定した撮影画面１００上における焦点検出位置（焦点検出エリア）１０１を示す図であり、後述する撮像素子２１２上の焦点検出画素列が焦点検出の際に撮影画面上で像をサンプリングする領域（焦点検出エリア、焦点検出位置）の一例を示す。この例では、矩形の撮影画面１００上の中央（光軸上）に配置された焦点検出エリア１０１に焦点検出画素が水平方向に配列される。
【００２２】
図３は、撮像素子２１２の詳細な構成を示す図であり、図３は図２における焦点検出エリア１０１の近傍を拡大した画素配列の詳細を示す。撮像素子２１２には撮像画素３１０が二次元正方格子状に稠密に配列される。撮像画素３１０は赤画素（Ｒ）、緑画素（Ｇ）、青画素（Ｂ）からなり、ベイヤー配列の配置規則によって配置されている。図３においては、水平方向の焦点検出用に撮像画素３１０と同一の画素サイズを有する水平方向焦点検出用の焦点検出画素３１３および３１４が交互に、本来緑画素と青画素とが連続的に配置されるべき水平方向の直線上に連続して配列される。
【００２３】
マイクロレンズ１０の形状は、元々画素サイズより大きな円形のマイクロレンズから画素サイズに対応した正方形の形状で切り出した形状をしている。撮像画素３１０は、矩形のマイクロレンズ１０、遮光マスクで受光領域を正方形に制限された光電変換部１１および色フィルタ（不図示）から構成される。色フィルタは赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３種類からなる。撮像素子２１には、各色フィルタを備えた撮像画素３１０がベイヤー配列されている。
【００２４】
焦点検出画素３１３および３１４には、全ての色に対して焦点検出を行うためにすべての可視光を透過する白色フィルタが設けられている。従って、焦点検出画素３１３および３１４は、緑画素、赤画素および青画素の分光感度特性を加算したような分光感度特性を有し、高い感度を示す光波長領域は、緑画素、赤画素および青画素の各々において各色フィルタが高い感度を示す光波長領域を包括する。
【００２５】
焦点検出画素３１３は、矩形のマイクロレンズ１０と、後述の遮光機能を有する金属配線層で受光領域を撮像画素３１０の受光領域の左半分に制限された光電変換部１３と、色フィルタ（不図示）とを含んで構成される。また、焦点検出画素３１４は、矩形のマイクロレンズ１０と、後述の遮光機能を有する金属配線層で受光領域を撮像画素３１０の受光領域の右半分に制限された光電変換部１４と、色フィルタ（不図示）とを含んで構成される。焦点検出画素３１３と焦点検出画素３１４とをマイクロレンズ１０を重ね合わせて表すと、遮光機能を有する金属配線層で受光領域を制限された光電変換部１３および１４が水平方向に並んでいる。なお図３において撮像画素３１０を構成するマイクロレンズ１０および光電変換部１１と、焦点検出画素３１３および３１４を構成するマイクロレンズ１０ならびに光電変換部１３および１４とは簡略に描かれており、詳細の構成については後述する。
【００２６】
図４は撮像画素３１０の断面図である。撮像画素３１０において、マイクロレンズ１０と光電変換部１１との間に色フィルタ３８及び遮光機能を有する３層の金属配線層４０、４１および４２が配置される。光電変換部１１は半導体回路基板２９上（マイクロレンズ１０側の面）に形成される。光電変換部１１の上（マイクロレンズ１０側）に平坦化層３０が形成され、その上（マイクロレンズ１０側）に開口部４０ａを有する金属配線層４０が形成される。金属配線層４０の上（マイクロレンズ１０側）に平坦化層３１が形成され、その上（マイクロレンズ１０側）に開口部４１ａを有する金属配線層４１が形成される。金属配線層４１の上（マイクロレンズ１０側）に平坦化層３２が形成され、その上（マイクロレンズ１０側）に開口部４２ａを有する金属配線層４２が形成される。金属配線層４２の上（マイクロレンズ１０側）には平坦化層３３が形成され、その上（マイクロレンズ１０側）に色フィルタ３８が形成される。色フィルタ３８の上（マイクロレンズ１０側）には平坦化層３４が形成され、その上にマイクロレンズ１０が形成される。
【００２７】
平坦化層３０〜３４は同一の材料で構成され、金属配線層４０〜４２相互間、ならびに金属配線層４０と半導体基板２９および光電変換部１１との間の電気的な絶縁機能も有している。金属配線層４１の開口部４１ａから光電変換部１１までの間には平坦化層３０および３１よりも高い屈折率を有する材料で構成された光導波路５０が形成される。光導波路５０の光入射部（図４において光導波路５０の上端）の寸法は開口部４１ａの寸法より大きくなっており、これにより開口部４１ａに入射した光が平坦化層３１に直接抜けてしまうことを防止している。光導波路５０の光出射部（図４において光導波路５０の下端）の寸法は光電変換部１１の寸法より小さくなっており、光導波路５０の光出射部を出射した光がその光電変換部１１以外の半導体回路基板２９表面上の領域に直接入射してしまうことを防止している。
【００２８】
光導波路５０と平坦化層３０および３１との境界には境界面５１が形成される。光導波路５０を通り境界面５１に入射する光線５５は、その入射角（境界面５１の法線と光線５５との間の角度）が光導波路５０と平坦化層３０および３１との屈折率差により決まる臨界角より大きい場合には、境界面５１で全反射して光電変換部１１に向かう。したがって、境界面５１が存在しない場合には光電変換部１１に入射しない光も効率的に光電変換部１１で受光することができる。また光導波路５０を通り境界面５１に入射する光線５５の入射角が前述の臨界角より小さい場合には、光線５５の一部の光線５６が境界面５１を透過するが、金属配線層４０がこの光線５６を遮光する。したがって、半導体基板２９や隣接する撮像画素３１０の光電変換部１１に光線５６が直接入射してノイズとなる電荷が発生することを防止できる。金属配線層４０の開口部４０ａの大きさは、光導波路５０に入り込まない範囲でなるべく小さく設定する。
【００２９】
２層目の金属配線層４１が配置された面４１ｂと、マイクロレンズ１０の前方（図４では上方）、すなわち光学系側に設定された射出瞳面とは、マイクロレンズ１０により互いに光学的に共役な関係となっている。これにより開口部４１ａの形状がマイクロレンズ１０により射出瞳面に投影された領域を通過する光が開口部４１ａに入射することになる。なお、カメラボディ２０３に取り付け可能な様々な交換レンズ群の平均的な射出瞳位置の面が、上述した射出瞳面として設定される。またマイクロレンズ１０により開口部４１ａの形状が射出瞳面に投影された領域は、交換レンズ群の中の最も明るい開放Ｆ値の光束が該射出瞳面を通過する領域を含むように構成されている。上述した共役な関係を実現するためには、マイクロレンズ１０と金属配線層４１（主遮光層）との間にマイクロレンズ１０の焦点距離と略等しい距離を確保する必要がある。しかしながらマイクロレンズ１０と金属配線層４１との間隔が空いていると、隣接画素のマイクロレンズ１０から出射されて金属配線層４１の開口部４１ａに向かって進む光線５７がクロストーク光として入射する虞がある。金属配線層４２は、このような隣接画素間のクロストーク光の発生を防止するために光線５７を遮光している。金属配線層４２の開口部４２ａの大きさは、マイクロレンズ１０から開口部４１ａに入射する最も外側を通る正規光５８を遮光しない範囲でなるべく小さく設定する。
【００３０】
なお、図４は、撮影画面１００上の中心近傍に対応する撮像素子２１２上の位置、すなわち撮像素子２１２と交換レンズ２０２の光軸との交点近傍に配置された撮像画素３１０の断面を示しており、マイクロレンズ１０の光軸１９と各金属配線層４０〜４２の開口部４０ａ〜４２ａの中心および光電変換部１１の中心とが一致している。撮影画面１００の周辺に配置された撮像画素３１０においては、いわゆる撮影光束のシェーディングを防止するために、撮像画素３１０と撮影画面１００上の中心に対応する撮像素子２１２上の位置との距離に応じて、マイクロレンズ１０の光軸１９に対して各金属配線層４０〜４２の開口部４０ａ〜４２ａの中心および光電変換部１１の中心を、撮影画面１００上の中心に対応する撮像素子２１２上の位置から撮像画素３１０に向かう方向へ偏心させる。
【００３１】
また図４は撮像画素３１０の基本構造を示した図であって、必要に応じて他の構成要素、例えば層内レンズやパッシベーション層などを追加することができる。例えば、半導体基板２９はシリコン（Si）、平坦化層３０〜３４は酸化シリコン（SiO2、屈折率1.46）、光導波路は窒化シリコン（SiN、屈折率2.02）または酸化チタン（TiO2、屈折率2.35）、金属配線層はアルミニウム（Al）または銅（Cu）により構成される。上記構造は、例えばフォトリソグラフィーやエッチングなどの半導体製造技術を用いて製造されることが可能である。
【００３２】
図５は図４で示した撮像画素３１０を正面から見た場合の開口部４０ａ〜４２ａおよび光電変換部１１の形状を示した図である。正方形の光電変換部１１の上に正八角形の開口部４０ａがあり、その上に開口部４０ａより小さな正八角形の開口部４１ａがあり、その上に開口部４１ａより大きな正八角形の開口部４２ａがある。なお、図４に示した光導波路５０の光入射部の正面視形状（不図示）は、開口部４１ａを一回り大きくした形状である。
【００３３】
光電変換部１１の形状は正方形に限定されたものではなく、例えば正八角形や円であっても構わない。開口部４０ａ〜４２ａの形状は正八角形に限定されたものではなく、例えば正方形や円であっても構わない。開口部４０ａ〜４２ａの形状は、開口面積を最も大きくすることが可能な円形が好ましいが、製造容易性の観点に基づき、ここでは一例として正八角形としている。またカメラボディ２０３に交換レンズ２０２を装着した際には、交換レンズ２０２の絞り開口により制限された光束が開口部４１ａより小さな範囲に入射するので、開口部４１ａの形状は完全な正八角形でなくてもよく、配線の都合により一部欠けたり歪んだりした形状であってもよい。また開口部４０ａ、４２ａの形状は遮光の目的を満たす上では完全な正八角形でなくてもよく、配線の都合により一部欠けたり歪んだりした形状であってもよい。
【００３４】
図６は焦点検出画素３１３および３１４の断面図であり、図４に示した撮像画素と同じ構成要件については同じ符号を付し、説明を一部省略する。焦点検出画素３１３および３１４の構成において撮像画素３１０の構成と異なる点は、少なくとも、金属配線層４０〜４２に設けられる開口部の形状、フィルタの分光特性、および光導波路の構成である。
【００３５】
焦点検出画素３１３および３１４において、マイクロレンズ１０と光電変換部１３および１４との間に白色フィルタ３９及び遮光機能を有する３層の金属配線層４０、４１および４２が配置される。光電変換部１３および１４は半導体回路基板２９上（マイクロレンズ１０側の面）に形成される。
【００３６】
焦点検出画素３１３において、光電変換部１３の上（マイクロレンズ１０側）に平坦化層３０、３１および３２を挟み、開口部４０ｃを有する金属配線層４０、開口部４１ｃを有する金属配線層４１、および開口部４２ｃを有する金属配線層４２が形成される。金属配線層４２の上（マイクロレンズ１０側）には平坦化層３３が形成され、その上（マイクロレンズ１０側）に白色フィルタ３９が形成される。白色フィルタ３９の上（マイクロレンズ１０側）には平坦化層３４が形成され、その上にマイクロレンズ１０が形成される。
【００３７】
金属配線層４１に設けられた開口部４１ｃは、図４の開口部４１ａに比較すると、マイクロレンズ１０の光軸１９から右半分が略遮光されている。
【００３８】
金属配線層４１の開口部４１ｃから光電変換部１３までの間には平坦化層３０および３１よりも高い屈折率を有する材料で構成された光導波路５０ｃが形成される。光導波路５０ｃの光入射部の寸法は開口部４１ｃの寸法より大きくなっており、これにより開口部４１ｃに入射した光が平坦化層３１に直接抜けてしまうことを防止している。光導波路５０ｃの光出射部の寸法は光電変換部１３の寸法より小さくなっており、光導波路５０ｃの光出射部を出射した光がその光電変換部１３以外の半導体回路基板２９表面上の領域に直接入射してしまうことを防止している。
【００３９】
光導波路５０ｃと平坦化層３０および３１との境界には境界面５１ｃが形成される。光導波路５０ｃを通り境界面５１ｃに入射する光線５５ｃは、その入射角が臨界角より大きい場合には、境界面５１ｃで全反射して光電変換部１３に向かう。したがって、境界面５１ｃが存在しない場合には光電変換部１３に入射しない光も効率的に光電変換部１３で受光することができる。また光導波路５０ｃを通り境界面５１ｃに入射する光線５５ｃの入射角が臨界角より小さい場合には、光線５５ｃの一部の光線５６ｃが境界面５１ｃを透過するが、金属配線層４０がこの光線５６ｃを遮光する。したがって、半導体基板２９や隣接する焦点検出画素３１４の光電変換部１４に光線５６ｃが直接入射してノイズとなる電荷が発生することを防止できる。金属配線層４０の開口部４０ｃの大きさは、光導波路５０ｃに入り込まない範囲でなるべく小さく設定する。
【００４０】
２層目の金属配線層４１（主遮光層）が配置された面４１ｂと、マイクロレンズ１０の前方（図６では上方）、すなわち光学系側に設定された射出瞳面とは、マイクロレンズ１０により互いに光学的に共役な関係となっている。なお、カメラボディ２０３に取り付け可能な様々な交換レンズ群の平均的な射出瞳位置の面が、上述した射出瞳面として設定される。
【００４１】
焦点検出画素３１４においては、図６に示すように、上述した焦点検出画素３１３の構成をマイクロレンズ１０の光軸１９を対称軸として左右反転した構成となっている。すなわち光電変換部１４の上（マイクロレンズ１０側）に平坦化層３０、３１および３２を挟み、開口部４０ｄを有する金属配線層４０、開口部４１ｄを有する金属配線層４１、および開口部４２ｄを有する金属配線層４２が形成される。金属配線層４１の開口部４１ｄから光電変換部１４までの間には平坦化層３０および３１よりも高い屈折率を有する材料で構成された光導波路５０ｄが形成される。
【００４２】
前述した通り、２層目の金属配線層４１（主遮光層）が配置された面４１ｂと、マイクロレンズ１０の前方（図６では上方）、すなわち光学系側に設定された射出瞳面とは、マイクロレンズ１０により光学的に互いに共役な関係となっている。
【００４３】
金属配線層４２は、マイクロレンズ１０と金属配線層４１との間を通る焦点検出画素間のクロストーク光となりうる光線５７ｃを遮光している。例えば隣接する焦点検出画素３１３のマイクロレンズ１０から焦点検出画素３１４の金属配線層４１の開口部４１ｄに向かう光線５７ｃは、金属配線層４２により遮光される。金属配線層４２の開口部４２ｄの大きさは、マイクロレンズ１０から開口部４１ｄに入射する最も外側を通る正規光５８ｄを遮光しない範囲でなるべく小さく設定する。
【００４４】
なお、図６は、撮影画面１００上の中心近傍に対応する撮像素子２１２上の位置、すなわち撮像素子２１２と交換レンズ２０２の光軸との交点近傍に配置された焦点検出画素３１３および３１４の断面を示しており、マイクロレンズ１０の光軸１９と、各金属配線層４０〜４２の開口部４０ｃ〜４２ｃおよび４０ｄ〜４２ｄの中心と、光電変換部１３および１４の中心とが一致している。撮影画面１００の周辺に配置された焦点検出画素３１３および３１４においては、焦点検出画素３１３および３１４と撮影画面１００上の中心に対応する撮像素子２１２上の位置との距離に応じて、マイクロレンズ１０の光軸１９に対して各金属配線層４０〜４２の開口部４０ｃ〜４２ｃおよび４０ｄ〜４２ｄの中心ならびに光電変換部１３および１４の中心を、撮影画面１００上の中心に対応する撮像素子２１２上の位置から焦点検出画素３１３および３１４に向かう方向へ偏心させる。
【００４５】
図７は、図６で示した焦点検出画素３１３および３１４を正面から見た場合の、開口部４０ｃ〜４２ｃおよび４０ｄ〜４２ｄの形状と、光電変換部１３および１４の形状とを示した図である。
【００４６】
正方形の光電変換部１３および１４は撮像画素３１０の光電変換部１１と同一の形状である。開口部４１ｃおよび４１ｄは、撮像画素３１０の開口部４１ａの正八角形の形状を、マイクロレンズ１０の光軸１９を通り光電変換部１３および１４の並び方向と直交する直線で左右対称に分割した場合の左半分および右半分の形状を有している。開口部４１ｃおよび４１ｄの直線部４３ｃおよび４３ｄは上述の直線に沿って形成される。開口部４２ｃおよび４２ｄの形状は、開口部４１ｃおよび４１ｄの形状を一回り大きくした形状となっており、撮像画素３１０の開口部４２ａの正八角形の形状を、光電変換部１３および１４の並び方向と直交する直線で分割した場合の形状に対応している。
【００４７】
開口部４０ｃおよび４０ｄの形状は、開口部４１ｃおよび４１ｄの形状を一回り大きくした形状となっており、撮像画素３１０の開口部４０ａの正八角形の形状を、光電変換部１３および１４の並び方向と直交する直線で分割した場合の形状に対応している。
【００４８】
また図６に示した光導波路５０ｃおよび５０ｄの光入射部の正面視形状（不図示）は、開口部４１ｃおよび４１ｄを一回り大きくした形状である。
【００４９】
光電変換部１３および１４の形状は光電変換部１１の形状と同じく正方形に限定されたものではなく、例えば正八角形や円であっても構わない。開口部４０ｃ、４２ｃ、４０ｄおよび４２ｄの形状は図７に示す形状に限定されたものではなく、例えば配線の都合により一部欠けたり歪んだりした形状であってもよい。
【００５０】
開口部４１ｃおよび４１ｄの形状は正八角形を２等分割した形状でなくてもよく、配線の都合により一部欠けたり歪んだりした形状であってもよい。ただし焦点検出画素の瞳分割性能を維持するため、直線部４３ｃおよび４３ｄの部分には欠けや歪みが生じないようにすることが好ましい。
【００５１】
以上、焦点検出画素３１３および３１４の構成について説明したが、それらの構成は撮像画素３１０の構成と同様であるので、撮像画素３１０ならびに焦点検出画素３１３および３１４を略同じ工程で製造することができる。
【００５２】
従来の焦点検出画素の構成においては、光電変換部に最も近接した金属配線層４０が配置された面とマイクロレンズの前方に設定された射出瞳面とがマイクロレンズにより光学的に共役な関係となっていた。そのため、画素サイズを縮小した場合に、マイクロレンズと光電変換部との間に従来と同じ構成の平坦化層と金属配線層とを配置することができなかった。しかしながら図６に示した焦点検出画素３１３および３１４の構成においては、２層目の金属配線層４１（主遮光層）が配置された面４１ｂとマイクロレンズ１０の前方に設定された射出瞳面とがマイクロレンズ１０により光学的に共役な関係となっている。金属配線層４１の開口部４１ｃおよび４１ｄに入射した光を、光導波路５０ｃおよび５０ｄがそれぞれ光電変換部１３および１４に導光している。そのため画素サイズを縮小した場合でも、マイクロレンズ１０と光電変換部１３および１４との間に従来と同じ構成の平坦化層と金属配線層とを配置するだけの距離を維持することができるとともに、金属配線層４１の開口部４１ｃおよび４１ｄに入射した光を効率的に光電変換部１３および１４に集光することができる。
【００５３】
さらに図６に示した焦点検出画素３１３および３１４の構成においては、マイクロレンズ１０と金属配線層４１の開口部４１ｃおよび４１ｄとの間に金属配線層４２を配置するとともに、金属配線層４１の開口部４１ｃおよび４１ｄと光電変換部１３および１４との間に金属配線層４０を配置している。そのため焦点検出画素間のクロストーク光や、撮像画素から焦点検出画素へのクロストーク光を金属配線層４２により効率的に防止できるとともに、光導波路５０ｃおよび５０ｄを透過する迷光も金属配線層４０により効率的に遮光することができる。
【００５４】
また図６に示した焦点検出画素３１３および３１４の構成においては、２層目の金属配線層４１が配置された面４１ｂと光電変換部１３および１４との間に光導波路５０ｃおよび５０ｄを配置して、光導波路５０ｃおよび５０ｄが開口部４１ｃおよび４１ｄへ入射する光を光電変換部１３および１４に導光している。そのため、光導波路５０ｃおよび５０ｄの高さ（マイクロレンズ１０の光軸１９方向の寸法）を最小限に抑えることができ、光導波路５０ｃから境界面５１ｃを通り平坦化層３０または３１に抜ける光を最小限に低減することができる。
【００５５】
図８は、撮像画素３１０が受光する撮影光束の様子を説明するための図であって、撮像画素配列の構成を簡略化した撮像素子２１２の断面を示す。撮像素子２１２上に配列された全ての撮像画素３１０の光電変換部１１は、光電変換部１１に近接して配置された金属配線層４１の開口部４１ａ（不図示）を通過した光束を受光する。開口部４１ａの形状は、各撮像画素３１０のマイクロレンズ１０によって、マイクロレンズ１０から光学系側に測距瞳距離ｄだけ離間した位置に規定される射出瞳９０上の、全撮像画素３１０に共通な領域９５に投影される。なお、上述したように、開口部４１ａの形状は正八角形またはその他の形状であるため、領域９５はその開口部４１ａの形状に相似した形状であるが、図８においては、簡略化のため正方形として示している。
【００５６】
従って、各撮像画素３１０の光電変換部１１は、領域９５と各撮像画素３１０のマイクロレンズ１０とを通過する光束７１を受光する。そして、各撮像素子３１０の光電変換部１１は、領域９５を通過して各撮像画素３１０のマイクロレンズ１０へ向かう光束７１によって各マイクロレンズ１０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。
【００５７】
図９は、焦点検出画素３１３および３１４が受光する焦点検出光束の様子を図４と比較して説明するための図であって、焦点検出画素配列の構成を簡略化した撮像素子２１２の断面を示す。撮像素子２１２上に配列された全ての焦点検出画素３１３および３１４の光電変換部１３および１４は、光電変換部１３および１４に近接して配置された金属配線層４１の開口部４１ｃおよび４１ｄ（不図示）を通過した光束を受光する。開口部４１ｃの形状は、各焦点検出画素３１３のマイクロレンズ１０によって、マイクロレンズ１０から光学系側に測距瞳距離ｄだけ離間した位置に規定される射出瞳９０上の、全ての焦点検出画素３１３に共通した領域９３に投影される。同じく開口部４１ｄの形状は、各焦点検出画素３１４のマイクロレンズ１０によって、マイクロレンズ１０から光学系側に測距瞳距離ｄだけ離間した位置に規定される射出瞳９０上の、全ての焦点検出画素３１４に共通した領域９４に投影される。なお、上述したように、開口部４１ｃおよび４１ｄの形状は正八角形またはその他の形状であるため、領域９３および９４はその開口部４１ｃおよび４１ｄの形状に相似した形状であるが、図９においては、簡略化のため長方形として示している。一対の領域９３および９４を測距瞳と呼ぶ。
【００５８】
従って、各焦点検出画素３１３の光電変換部１３は、測距瞳９３と各焦点検出画素３１３のマイクロレンズ１０とを通過する光束７３を受光する。そして、各焦点検出画素３１３の光電変換部１３は、測距瞳９３を通過して各焦点検出画素３１３のマイクロレンズ１０へ向かう光束７３によってマイクロレンズ１０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。また、各焦点検出画素３１４の光電変換部１４は、測距瞳９４と各焦点検出画素３１４のマイクロレンズ１０とを通過する光束７４を受光する。そして、各焦点検出画素３１４の光電変換部１４は、測距瞳９４を通過して各焦点検出画素３１４のマイクロレンズ１０へ向かう光束７４によってマイクロレンズ１０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。
【００５９】
一対の焦点検出画素３１３および３１４が受光する光束７３および７４が通過する射出瞳９０上の測距瞳９３および９４を統合した領域は、撮像画素３１０が受光する光束７１が通過する射出瞳９０上の領域９５と略一致する。すなわち、射出瞳９０上において、光束７３および７４は光束７１に対して相補的な関係になっている。
【００６０】
上述した一対の焦点検出画素３１３および３１４を交互にかつ直線状に多数配置し、各焦点検出画素の光電変換部の出力を測距瞳９３および９４に対応した一対の出力グループにまとめることによって、測距瞳９３および９４のそれぞれを通過する一対の光束が焦点検出画素配列上に形成する一対の像の強度分布に関する情報が得られる。この情報に対して、たとえば特開２００７−３３３７２０号公報や特開２０１０−１３９６２４号公報に開示されている像ズレ検出演算処理（相関演算処理、位相差検出処理）を施すことによって、いわゆる瞳分割型位相差検出方式による一対の像の像ズレ量が検出される。さらに、像ズレ量に対して一対の測距瞳の重心間隔と測距瞳距離の比例関係に応じた変換演算を行うことによって、焦点検出位置における予定結像面と結像面との偏差（デフォーカス量）が算出される。
【００６１】
次に、本実施の形態におけるデジタルカメラ２０１が有する撮像素子２１２の詳細について説明する。図１０は、撮像素子２１２の回路構成を示す概念図である。撮像素子２１２は、ＣＭＯＳイメージセンサとして構成されている。説明の都合上、図１０では、撮像素子２１２の回路構成を、水平方向８画素×垂直方向４画素のレイアウトに簡略化して示す。また、図１０は、図２の水平方向の焦点検出エリア１０１に対応して描かれており、水平方向に焦点検出画素３１３および３１４が同一の行に配置されている様子を示す。
【００６２】
図１０では、垂直方向において２行目は焦点検出画素３１３および３１４が配置された行であり、中央の４つの焦点検出画素３１３および３１４が複数の焦点検出画素を代表して示し、左右の２つずつの撮像画素３１０が焦点検出画素３１３および３１４の左右に配置された複数の画素を代表して示す。また、図１０では、垂直方向において１行目、３行目、および４行目は撮像画素３１０のみが配置された行であり、焦点検出画素３１３および３１４が配置された行の上下の複数の撮像画素のみからなる行を代表して示す。
【００６３】
撮像画素３１０ならびに焦点検出画素３１３および３１４は、受光した光量に応じた電荷を発生する光電変換部（フォトダイオード：ＰＤ）と、光電変換部で生成された電荷を蓄積するフローティングディフュージョン部（ＦＤ）と、ＦＤに蓄積された電荷量に応じた画素信号を出力するアンプ（ＡＭＰ）とを基本構成として含む。図１０において、ラインメモリ３２０は１行分の画素の画素信号をサンプルホールドして一時的に保持するバッファであり、垂直信号線５０１に出力されている同一行の画素信号を垂直走査回路が発する制御信号φＨ１に基づいてサンプルホールドする。なお、ラインメモリ３２０に保持される画素信号は制御信号φＳ１〜φＳ４の立ち上がりに同期してリセットされる。
【００６４】
撮像画素３１０および焦点検出画素３１３、３１４からの画素信号の出力は垂直走査回路が発生する制御信号（φＳ１〜φＳ４）により行ごとに独立して制御される。制御信号（φＳ１〜φＳ４）により選択された行の画素の画素信号は垂直信号線５０１に出力される。ラインメモリ３２０に保持された画素信号は水平走査回路が発生する制御信号（φＶ１〜φＶ８）により、順次出力回路３３０に転送され、出力回路３３０で設定された増幅度で増幅されて外部に出力される。
【００６５】
撮像画素３１０および焦点検出画素３１３、３１４は、画素信号がサンプルホールドされた後、垂直走査回路が発生する制御信号（φＲ１〜φＲ４）によりリセットされ、制御信号φＲ１〜φＲ４の立ち下りで次回の画素信号のための電荷蓄積を開始する。垂直走査回路が発生する制御信号φＴ１〜φＴ４は撮像画素３１０および焦点検出画素３１３、３１４のフォトダイオードとフローティングディフュージョン部との間のゲートを制御するための信号である。この制御信号φＲ１〜φＲ４によりフォトダイオードで生成された電荷がフローティングディフュージョン部に転送されるか否かが行毎に制御される。
【００６６】
制御信号φＳｙｎｃは垂直同期信号であって、フレーム毎に外部（ボディ駆動制御装置２１４）に出力される。
【００６７】
図１１は、図１０に示す撮像素子２１２の撮像画素３１０の詳細回路図である。図１１に示すように、光電変換部１１はフォトダイオード（ＰＤ）で構成される。ＰＤと浮遊拡散層（フローティングディフュージョン：ＦＤ）とは制御信号φＴｎ（φＴ１〜φＴ４）により制御されるＭＯＳトランジスタ５１１を介して連結される。そして、ＰＤで生成された電荷は制御信号φＴｎ（φＴ１〜φＴ４）によりＭＯＳトランジスタ５１１がＯＮとされた期間にＦＤに転送される。ＦＤは増幅ＭＯＳトランジスタ（ＡＭＰ）のゲートに接続されており、ＡＭＰはＦＤに蓄積された電荷の量に応じた信号を発生する。
【００６８】
ＦＤはリセットＭＯＳトランジスタ５１０を介し電源電圧Ｖｄｄに接続されている。ＦＤは制御信号φＲｎ（φＲ１〜φＲ４）によってリセットＭＯＳトランジスタ５１０がＯＮになることにより、ＦＤに溜まった電荷がクリアされてリセット状態となる。ＡＭＰの出力は行選択ＭＯＳトランジスタ５１２を介して垂直出力線５０１に接続されている。制御信号φＳｎ（φＳ１〜φＳ４）によって行選択ＭＯＳトランジスタ５１２がＯＮになることにより、ＡＭＰの出力が垂直出力線５０１に出力される。ＰＤはＭＯＳトランジスタ５１３を介して電源電圧Ｖｄｄに接続されている。制御信号φＵによりＭＯＳトランジスタ５１３がＯＮになることにより、ＰＤで生成した電荷がクリアされる。
【００６９】
図１２は、撮像素子２１２の撮像画素３１０の断面構造を簡略化して示す図である。図１２は、図１１に示す撮像画素３１０の詳細回路図に対応した図である。図１２に示すように、撮像画素３１０には、Ｐ型半導体基板上にＰ層、Ｎ＋層からなる埋め込みフォトダイオード（ＰＤ）が形成され、その隣にＮ＋層からなるフローティングディフュージョン（ＦＤ）が形成される。ＰＤとＦＤとに隣接してさらにＮ＋層が形成され、電源電圧Ｖｄｄに接続される。ＦＤはＡＭＰのゲートに接続される。ＦＤとＰＤとの間にＭＯＳトランジスタ５１１のゲート５２１が配置され、制御信号φＴｎが接続される。ＦＤとＦＤに隣接するＮ＋層との間にＭＯＳトランジスタ５１０のゲート５２０が配置され、制御信号φＲｎが接続される。
【００７０】
図１３は図１０に示す撮像素子２１２の動作タイミングチャートである。撮像素子２１２がＣＭＯＳイメージセンサである場合、行ごとに光電変換素子の電荷蓄積の期間を所定期間ずつ重複させる、いわゆるローリングシャッタ動作（ライン露光）により画素のリセット、露光、信号の読み出しが以下のように各行毎に順次行われる。
【００７１】
撮像素子２１２から全画素の信号出力（１フレーム分の画像信号の出力）の開始に同期して時刻ｔ０に垂直同期信号φＳｙｎｃ（ＯＮ）が発せられる。垂直同期信号φＳｙｎｃに同期して時刻ｔ０に垂直走査回路は制御信号φＳ１（ＯＮ）、制御信号φＴ１（ＯＦＦ）を発する。１行目の撮像画素３１０は制御信号φＳ１（ＯＮ）により選択され、選択された１行目の撮像画素３１０の画素信号は垂直信号線５０１に出力される。また、制御信号φＴ１（ＯＦＦ）により、画素信号出力時にはＦＤはＰＤから切り離される。このとき、撮像画素３１０のＦＤ部に蓄積された電荷に対応した画素信号が垂直信号線５０１に出力される。
【００７２】
垂直走査回路から時刻ｔ１に発生される制御信号φＨ１により垂直信号線５０１に出力された１行目の画素信号はラインメモリ３２０に一時的に保持される。ラインメモリ３２０に保持された１行目の撮像画素３１０の画素信号は水平走査回路から順次発せられる制御信号φＶ１〜φＶ８にしたがって出力回路に転送され、出力回路３３０で設定された増幅度で増幅されて外部に出力される。
【００７３】
１行目の撮像画素３１０の画素信号のラインメモリ３２０への転送が終了した時点（時刻ｔ２）で、リセット回路は制御信号φＲ１（ＯＮ）、垂直走査回路は制御信号φＳ１（ＯＮ）、制御信号φＴ１（ＯＮ）を発する。制御信号φＲ１（ＯＮ）により１行目の撮像画素３１０がリセットされる。このとき、撮像画素３１０のＰＤおよびＦＤに蓄積された電荷が電源電圧Ｖｄｄに吸い込まれ、ＦＤは電源電圧にリセットされる。
【００７４】
時刻ｔ３にリセット回路は制御信号φＲ１（ＯＦＦ）を発し、制御信号φＲ１の立ち下がりで１行目の撮像画素の次の電荷蓄積が開始され、時刻ｔ３以降にＰＤで生成された電荷がＦＤに蓄積されていく。１行目の撮像画素３１０の画素信号の出力回路３３０からの出力が終了した時点で２行目の撮像画素３１０および焦点検出画素３１３、３１４は垂直走査回路が発する制御信号φＳ２、φＴ２により選択され、選択された撮像画素３１０および焦点検出画素３１３、３１４の画素信号は垂直信号線５０１に出力される。
【００７５】
以下、同様にして２行目の撮像画素３１０および焦点検出画素３１３、３１４の画素信号の保持および撮像画素３１０および焦点検出画素３１３、３１４のリセット、画素信号の出力および次の電荷蓄積の開始が行われる。続いて、３行目、４行目の撮像画素３１０の画素信号の保持および撮像画素３１０のリセット、撮像画素３１０の画素信号の出力および次の電荷蓄積の開始が行われる。全ての画素の画素信号の出力が終了すると、再び１行目に戻って上記動作が周期的に繰り返される（フレーム２）。
【００７６】
ｎ行目の撮像画素３１０および焦点検出用画素３１３、３１４のリセット動作は制御信号φＲｎの立ち上がりから立ち下がりまでの時間に行われる。ｎ行目の撮像画素３１０および焦点検出画素３１３、３１４の露光動作は、制御信号φＲｎの立ち下がりから、制御信号φＳｎの立ち上がりまでの時間（露光時間、電荷化蓄積期間）に行われる。そして、ｎ行目の撮像画素３１０および焦点検出画素３１３、３１４の画素信号の読み出し動作は、制御信号φＳｎの立ち上がりから制御信号φＳｎ＋１の立ち上がりまでの時間に行われる。
【００７７】
以上撮像素子２１２の回路構成および動作について述べたが、上記回路構成中の各種制御信号線、出力線等が図４、図６で説明した金属配線層４０、４１、４２として実装される。
【００７８】
図１４は、図１に示すデジタルカメラ２０１の動作を示すフローチャートである。図１４に示す各処理ステップは、ボディ駆動制御装置２１４によって実行される。ボディ駆動制御装置２１４は、ステップＳ１００でデジタルカメラ２０１の電源がオンされると、ステップＳ１１０以降の動作を開始する。ステップＳ１１０で撮像画素のデータを間引き読み出しし、液晶表示素子２１６に表示する。続くステップＳ１２０では焦点検出画素列から一対の像に対応した一対の像データを読み出す。
【００７９】
ステップＳ１３０において、読み出された一対の像データに対して像ズレ検出演算処理（差分型相関演算処理）を行い、像ズレ量を算出する。
【００８０】
ステップＳ１３５で、像ズレ量に変換係数を乗じてデフォーカス量に変換する。ステップＳ１４０で、合焦近傍か否か、つまり算出されたデフォーカス量の絶対値が所定値以内であるか否かを調べる。合焦近傍でないと判定された場合は、ステップＳ１５０へ進み、デフォーカス量をレンズ駆動制御装置２０６へ送信し、交換レンズ２０２のフォーカシング用レンズ２１０を合焦位置に駆動させ、ステップＳ１１０へ戻って上述した動作を繰り返す。焦点検出不能な場合もこのステップに分岐し、レンズ駆動制御装置２０６へスキャン駆動命令を送信し、交換レンズ２０２のフォーカシング用レンズ２１０を無限から至近までの間でスキャン駆動させる。その後、ステップＳ１１０へ戻って上述した動作を繰り返す。 
【００８１】
一方、ステップＳ１４０で合焦近傍であると判定された場合はステップＳ１６０へ進み、シャッターボタン（不図示）の操作によりシャッターレリーズがなされたか否かを判定する。シャッターレリーズがなされていないと判定された場合はステップＳ１１０へ戻り、上述した動作を繰り返す。シャッターレリーズがなされた場合はステップＳ１７０へ進み、レンズ駆動制御装置２０６へ絞り調整命令を送信し、交換レンズ２０２の絞り値を制御Ｆ値（撮影者により設定されたＦ値または自動設定されたＦ値）に設定する。 
【００８２】
絞り制御が終了した時点で、撮像素子２１２に撮像動作を行わせ、撮像素子２１２の撮像画素およびすべての焦点検出画素から画像データを読み出す。ステップＳ１８０では、焦点検出画素列の各画素位置の画素データを、焦点検出画素の周囲の撮像画素の画素データに基づく画素補間により生成する。続くステップＳ１９０で、撮像画素の画素データおよび画素補間により生成された画素データからなる画像データを、メモリカード２１９に保存し、ステップＳ１１０へ戻って上述した動作を繰り返す。 
【００８３】
図１４のステップＳ１３０におけるデフォーカス量の算出、およびその算出に用いられる一般的な像ズレ検出演算処理（差分型相関演算処理）の詳細は、特開２０１０−１３９６２４号公報や特開２００７−３３３７２０号公報に開示されており、その像ズレ量に変換係数を乗じてデフォーカス量が算出される。なお、その変換係数は、測距瞳の重心間隔が絞り開口径に応じて変化するために、絞り開口径（Ｆ値）に応じて変化する。
【００８４】
−−−変形例−−−
上述した第１の実施の形態において、撮像素子２１２はＣＭＯＳイメージセンサとして構成される。ＣＭＯＳイメージセンサにおいては金属配線層の層数は３層が一般的であり、図４、図６で示した撮像画素の構造においても金属配線層が３層であるとして説明を行ったが、金属配線層の数は３層に限定されることはなく４層以上であっても構わないし、２層であっても構わない。
【００８５】
４層以上の金属配線層を用いた場合には、光電変換部に最も近い金属配線層とマイクロレンズに最も近い金属配線層とを除く金属配線層のうちの１つの金属配線層が、図４、図６に示す金属配線層４１（主遮光層）として用いられ、マイクロレンズの焦点の位置近傍に配置される。これにより該金属配線層がマイクロレンズにより射出瞳面と光学的に共役関係となり、該金属配線層に設けられた開口部により焦点検出光束が規定される。該開口部から光電変換部までの間に光導波路を設け、該開口部に入射した光線が効率的に光電変換部で受光されるようにする。また該金属配線層以外の金属配線層は焦点検出画素間のクロストーク光や迷光を防止する遮光層として機能させる。
【００８６】
２層の金属配線層を用いた場合には、マイクロレンズに近接した金属配線層が、図４、図６に示す金属配線層４１（主遮光層）として用いられ、マイクロレンズの焦点の位置近傍に配置される。これにより該金属配線層がマイクロレンズにより射出瞳面と光学的に共役関係となり、該金属配線層に設けられた開口部により焦点検出光束が規定される。該開口部から光電変換部までの間に光導波路を設け、該開口部に入射した光線が効率的に光電変換部で受光されるようにする。また図４、図６に示す金属配線層４２の代わりに隣接画素間のクロストーク光を防止するための専用の遮光層を設けるとともに、該遮光層を２層の金属配線層とマイクロレンズとの間に配置することで、全部で３層の遮光層を設ける。
【００８７】
上述した第１の実施の形態においては、金属配線層を遮光層として兼用することにより、画素サイズが縮小された場合においても少ない構成要件でクロストークを防止できる瞳分割型位相差検出方式の焦点検出画素を構成することが可能となる。金属配線層のみでの遮光では不十分な場合には、必要に応じて遮光専用の遮光層（黒フィルタなど）による遮光を追加してもよい。例えば図６において金属配線層４２からマイクロレンズ１０までの間に専用の遮光層を設けることが可能である。また金属配線層に開口部を形成できず遮光層として利用できない場合には、上述した実施の形態で説明した一部あるいは全部を専用の遮光層に置換するようにしてもよい。
【００８８】
例えば３層の金属配線層を有するＣＭＯＳイメージセンサ構造においてマイクロレンズに最も近い金属配線層を図４、図６に示す金属配線層４１として用いる場合、該金属配線層がマイクロレンズにより射出瞳面と光学的に共役関係となり、該金属配線層に設けられた開口部により焦点検出光束が規定される。該開口部から光電変換部までの間に光導波路を設け、該開口部に入射した光線が効率的に光電変換部で受光されるようにする。また図４、図６に示す金属配線層４２の代わりに隣接画素間のクロストーク光を防止するための専用の遮光層を設けるとともに、該遮光層を金属配線層とマイクロレンズとの間に配置することとしてもよい。
【００８９】
図６で示した焦点検出画素３１３、３１４の構成においては、金属配線層４１から光電変換部１３，１４までに配置される光導波路５１ｃ、５１ｄの形状および金属配線層４０の開口部４０ｃ、４０ｄの形状を、撮像画素３１０の光導波路５１ａの形状および金属配線層４０の開口部４０ａの形状と異ならせていたが、撮像画素３１０の光導波路５１ａの形状および金属配線層４０の開口部４０ａの形状と略同一にすることもできる。
【００９０】
図１５は、図６で示した焦点検出画素３１３、３１４の変形例を示す断面図であり、図６と同じ構成要素については同じ符号を付し、それらについての説明を一部省略する。
【００９１】
図１５において図６と異なる点は、平坦化層３２ａ、３３ａ、３４ａの材質が光導波路５０ｃ、５０ｄの材質と同じという点である。図６で示した焦点検出画素３１３、３１４の構成においては、光導波路５０ｃ、５０ｄの材質と平坦化層３２、３３、３４の材質とが異なっており、その屈折率差により光導波路５０ｃ、５０ｄと平坦化層３２との界面において、開口部４１ｃ、４１ｄに入射する光線の一部が反射されるため、光量損失が発生する。一方図１５で示した焦点検出画素３１３、３１４の構成においては、光導波路５０ｃ、５０ｄの材質と平坦化層３２の材質とが同一で屈折率差がないため、光導波路５０ｃ、５０ｄと平坦化層３２との界面において開口部４１ｃに入射する光線の反射が発生せず、光量損失もない。撮像画素３１０おいても、撮像画素３１０の構造を図１５と同様な構造にすることにより、光導波路の入射部における界面反射による光量損失を防止することができる。
【００９２】
図３に示す撮像素子２１２の部分拡大図では、各画素に１つの光電変換部を有する一対の焦点検出画素３１３、３１４を有する例を示したが、１つの焦点検出画素内に一対の光電変換部を有するようにしてもよい。図１６は、図３に対応した撮像素子２１２の部分拡大図であり、焦点検出画素３１１は一対の光電変換部２３および２４を有する。
【００９３】
焦点検出画素３１１は、焦点検出画素３１３および３１４のペアに相当する機能を果たす。焦点検出画素３１１は、マイクロレンズ１０と一対の光電変換部２３および２４とから構成される。一対の光電変換部２３および２４は図９の射出瞳９０上の測距瞳９３および９４を通過する一対の光束を受光する。
【００９４】
焦点検出画素３１１には白色フィルタが配置されており、その分光感度特性は光電変換を行うフォトダイオードの分光感度特性と、赤外カットフィルタ（不図示）の分光感度特性とを総合した分光感度特性となる。つまり、焦点検出画素３１１は緑画素、赤画素および青画素の分光感度特性を加算したような分光感度特性を有し、高い感度を示す光波長領域は緑画素、赤画素および青画素の各々において各色フィルタが高い感度を示す光波長領域を包括する。
【００９５】
図１７は、図１６で示した焦点検出画素３１１の断面図であり、図６と同じ構成要素については同じ符号を付し、それらについての説明を一部省略する。
【００９６】
図１５において図６と異なる点は、１つの焦点検出画素３１１が一対の光電変換部２３および２４を有し、それぞれの光電変換部２３および２４に対応して別個の光導波路５０ｅおよび５０ｆが設けられている点である。一対の光電変換部２３および２４は、マイクロレンズ１０の光軸１９を境界にして、互いに素子分離領域１７を隔てて配置されている。
【００９７】
光導波路５０ｅ、５０ｆの光入射部（開口部４１ｃで制限された平坦化層３２と光導波路５０ｅ、５０ｆとの界面）は、マイクロレンズ１０の光軸１９を境界にして、それぞれに分割されている。また光導波路５０ｅ、５０ｆを隔てるように隔壁３５が設けられている。隔壁３５の材質の屈折率は光導波路５０ｅ、５０ｆの屈折率より小さく設定されており、光導波路５０ｅ、５０ｆの一方から他方に抜けようとする光線のほとんどは、光導波路５０ｅ、５０ｆと隔壁３５との界面で全反射される。したがって、光導波路５０ｅに入射して光電変換部２４で受光されるようなクロストーク光を防止することができる。隔壁３５の材質を平坦化層３０および３１と同一にすることにより、製造工程を簡略化することができる。隔壁３５の材質に黒色の顔料を含ませ、光導波路５０ｅおよび５０ｆの一方から他方に抜けようとする光線を吸収させることによりクロストーク光の防止効率を向上させることができる。
【００９８】
図４、６，１５の説明においては、金属配線層４１から光電変換部１１，１３，１４の間に配置される平坦化層３０および３１は光学的に透明であるという前提で説明を行ったが、本発明のように金属配線層４１から光電変換部１１，１３，１４までの間に光導波路５０、５０ｃ、５０ｄがそれぞれ配置される場合には、平坦化層３０および３１は必ずしも透明である必要はない。例えば平坦化層３０および３１の材質が黒の顔料を含むことによって、平坦化層３０および３１を黒色化することにより、光導波路５０、５０ｃ、５０ｄの漏れ光による隣接画素間のクロストークを、より効果的に防止することができる。
【００９９】
また図１５、図１７は表面照射型の焦点検出画素の構成を示しており、金属配線層はマイクロレンズと光電変換部との間に配置されているが、本発明はこれに限定されることなく裏面照射型の画素構成にも適用することができり。その場合には、遮光層として専用の遮光層（金属層や黒フィルタなど）を用いることができる。また金属配線層を流用する必要がなくなるので、図５、図７に示した開口部の形状を正確に（高精度に）実現することができ、クロストーク光や迷光を確実に防止することができる。特に図１７の表面照射型の焦点検出画素の構成を裏面照射型の画素構成に適用した場合には、開口部４１ｃから光電変換部１３，１４までの間に、光導波路５０ｅ、５０ｆを形成するのに必要な距離を確保することができる。そのため、開口部４１ｃで分割された一対の光束を、一対の光導波路５０ｅ、５０ｆにより、素子分離領域を隔てた一対の光電変換部１３，１４に確実に導光できるという利点がある。
【０１００】
図２において焦点検出画素列は画面の中央に配置されているが、これに限定されることなく画面の周辺に焦点検出画素列が配置されるようにしてもよい。
【０１０１】
図１０ではＣＭＯＳタイプの撮像素子の回路構成を示したが、撮像素子はこれに限定されることなく、例えばＣＣＤタイプの撮像素子の回路構成においても本発明を適用することが可能である。
【０１０２】
図３に示す撮像素子２１２において、撮像画素３１０はベイヤー配列の色フィルタを有する例を示したが、色フィルタの構成や配列はこれに限定されることはない。たとえば、補色フィルタ（緑：Ｇ、イエロー：Ｙｅ、マゼンタ：Ｍｇ，シアン：Ｃｙ）の配列を採用してもよい。 
【０１０３】
図３に示す撮像素子２１２において、焦点検出画素３１２および３１３には色フィルタを設けない例を示したが、撮像画素３１０が有する色フィルタのうちのひとつのフィルタ（たとえば緑フィルタ）を有するようにした場合でも、本発明を適用することができる。
【０１０４】
図３に示す撮像素子２１２では、撮像画素３１０、焦点検出画素３１２および３１３を稠密正方格子配列にしたがって配置した例を示したが、稠密正方格子配列を４５度傾けたいわゆるハニカム配列や稠密六方格子配列にしたがって配置してもよい。
【０１０５】
撮像装置としては、上述したような、カメラボディに交換レンズが装着される構成のデジタルカメラに限定されない。例えば、レンズ一体型のデジタルカメラあるいはデジタルビデオカメラにも本発明を適用することができる。さらには、携帯電話などに内蔵される小型カメラモジュール、車載カメラや監視カメラやロボット用の視覚認識装置などにも適用できる。カメラ以外の焦点検出装置や測距装置、さらにはステレオ測距装置にも適用できる。
【符号の説明】
【０１０６】
１０  マイクロレンズ、１１、１３、１４  光電変換部、
２９  半導体回路基板、７１、７３、７４  光束、
１００  撮影画面、１０１  焦点検出エリア、
２０１  デジタルカメラ、２０２  交換レンズ、２０３  カメラボディ、
２０４  マウント部、２０６  レンズ駆動制御装置、
２０８  ズーミング用レンズ、２０９  レンズ、２１０  フォーカシング用レンズ、
２１１  絞り、２１２  撮像素子、２１３  電気接点、
２１４  ボディ駆動制御装置、２１５  液晶表示素子駆動回路、２１６  液晶表示素子、
２１７  接眼レンズ、２１９  メモリカード、
３１０  撮像画素、３１１、３１３、３１４  焦点検出画素
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【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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【図１６】
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【図１７】
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