(57)【要約】【課題】マイクロレンズを共有する複数の画素のいずれかが飽和した場合において高精度な焦点検出と高品位な画像出力を同時に行うことができない。【解決手段】結像光学系の４分割以上の瞳部分領域を受光するように構成された画素を複数個二次元的に配列した撮像素子であって、分割画素間において、閾値以下の信号電荷が隣接画素に漏れ出る事を抑制する電位障壁を備え、撮像素子上の画素のアドレスに応じて、電位障壁の閾値が異なる画素が配置されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
結像光学系の４分割以上の瞳部分領域を受光するように構成された画素を
複数個二次元的に配列した撮像素子であって、
分割画素間において、閾値以下の信号電荷が隣接画素に漏れ出る事を抑制する
電位障壁を備え、撮像素子上の画素のアドレスに応じて、
電位障壁の閾値が異なる画素が配置されていることを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
電位障壁の閾値分布は、異なる瞳部分領域間の視差を利用して結像光学系のデフォーカス量を検出する際の検出領域に関連づけて配置されることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の撮像素子を有し、焦点調節を行うことを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロレンズを共有する複数の受光部を有する撮像素子を利用して瞳分割像を取得することにより位相差方式の焦点検出を行う技術に関し、特に撮像素子の画素配列に関する。
【背景技術】
【０００２】
１つのマイクロレンズを共有する複数の受光部からなる画素を備えた撮像素子を用いて、前記複数の受光部のそれぞれ異なる射出瞳領域を通過した一対の光束（瞳分割像）を取得し、瞳分割像の位相差に基づいて位相差方式の焦点検出を行う技術が知られている。
【０００３】
特許文献１に開示された撮像装置は、撮像素子から得られた瞳分割像の位相差に基づいて焦点検出を行うとともに、１つのマイクロレンズを共有する複数の受光部の加算信号（加算電荷）を撮像信号として利用している。なお、特許文献１の技術を応用し、マイクロレンズ内の受光部を田の字型に４分割することで水平、垂直方向の位相差検出を可能とした撮像素子についても種々の提案がなされている。
【０００４】
位相差方式の焦点検出は一般的に異なる射出瞳領域を通過した一対の光束（瞳分割像）の位置ずれ量を検出することによって実現される。例えばＳＡＤ法（Ｓｕｍ  ｏｆ  Ａｂｓｏｌｕｔｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）やＳＳＤ法（Ｓｕｍ  ｏｆ  Ｓｑｕａｒｅｄ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）などの周知の演算手法を用いて所望の範囲の瞳分割像を、相対的に位置をずらしながら相関量を取得し、最も相関の高い位置を検出することで相対的な位置ずれ量を検出することが可能である。
【０００５】
一方、１つのマイクロレンズを共有する複数の受光部の加算信号（加算電荷）を撮像信号として利用する場合、マイクロレンズ内の受光部の感度や入射光量に差がある場合に適切な信号が得られない場合がある。例えば、マイクロレンズを共有する受光部のうち、いずれか一つの画素が飽和している場合に適切な信号が得られない場合がある。
【０００６】
特許文献２には、１つのマイクロレンズを共有する複数の受光部間の電位障壁の高さを変更し、電位障壁の高さに応じて決定される所定の閾値を超えた電荷が隣接する受光部に漏出するような画素構造にすることで加算信号（加算電荷）の劣化を低減する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−８３４０７号公報
【特許文献２】特許第５７４３８３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
位相差方式の焦点検出においては水平方向に演算を行う場合には撮像素子の左右端部に、垂直方向に演算を行う場合には撮像素子の上下端部にそれぞれ演算用の余分画素領域が必要となる。従って、水平方向の演算では左右余分画素領域の、垂直方向の演算では上下余分画素領域において焦点検出できない領域が存在している。この課題を解決するために、例えば水平方向の余分画素領域においては垂直方向の相関演算を行うようにすれば焦点検出範囲の拡大を図ることが可能となる。
【０００９】
また、特許文献２に記載の技術は加算信号の劣化を低減できる反面、瞳分割像は電荷の移動によって本来の像形状が崩れるため焦点検出精度が劣化する場合がある。従って、瞳分割像の形状の劣化を低減するために焦点検出の演算方向に応じて適切に電位障壁を設定する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明に係る撮像素子は、
結像光学系の４分割以上の瞳部分領域を受光するように構成された画素を複数個二次元的に配列した撮像素子であって、分割画素間において、閾値以下の信号電荷が隣接画素に漏れ出る事を抑制する電位障壁を備え、撮像素子上の画素のアドレスに応じて、電位障壁の閾値が異なる画素が配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る撮像素子によれば、撮像素子の外縁に近い周囲領域を含めて飽和による焦点検出精度の低下を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】撮像装置１００の構成を示すブロック図
【図２】相関演算の有効領域を示す図
【図３】撮像素子１０２に構成される単位画素の構成図
【図４】撮像装置１００の焦点検出領域を示す図
【図５】焦点検出領域と単位画素配列の関係を示す図
【図６】変形例１の撮像装置１００の焦点検出領域を示す図
【図７】変形例１の焦点検出領域と単位画素配列の関係を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１４】
まず、図１を参照して、本実施形態における撮像装置１００の構成について説明する。
【００１５】
以降説明を簡便にするために、マイクロレンズとマイクロレンズ下に構成される複数の受光部のまとまりを単位画素、マイクロレンズ下に構成される複数の受光部のそれぞれを分割画素と呼称することとする。
【００１６】
図１は撮像装置１００の構成を示すブロック図である。
【００１７】
１０１は撮像光学系である。撮像光学系１０１は被写体からの光を受け、不図示の複数のレンズ群および絞りを介して撮像素子１０２に光束を導く。
【００１８】
撮像光学系１０１には不図示のフォーカシングレンズが構成されており、フォーカシングレンズは不図示の制御用マイコンからの駆動制御命令、または撮像光学系に構成される不図示のフォーカスリングを手動で調節することによって光軸方向に駆動する。
【００１９】
１０２は撮像素子である。撮像素子１０２は、第一の単位画素および第二の単位画素を含んで構成される。撮像素子１０２の詳細については後述するものとするが、第一の単位画素と第二の単位画素はそれぞれ分割画素間の電位障壁の設定が異なるものとなっている。
【００２０】
１０３はＡ／Ｄ変換部である。Ａ／Ｄ変換部１０３は撮像素子１０２から出力されるアナログ信号をデジタル信号へと変換する。
【００２１】
１０４は加算信号生成部である。加算信号生成部１０４は各分割画素から得られる信号が入力され、各分割画素の信号を加算し、単位画素毎の加算信号を生成する。
【００２２】
１０５は信号処理部である。信号処理部１０５は加算信号生成部１０４から出力された加算信号に対して各種の信号処理を行い、信号処理によって得られた画像データを撮影画像として出力する。
【００２３】
１０６は、瞳分割像生成部である。瞳分割像生成部１０６は、各分割画素から得られるデータに基づき水平、または垂直方向の一対の瞳分割像を生成する。
【００２４】
１０７は相関演算部である。相関演算部１０７は瞳分割像生成部１０６から出力される瞳分割像に基づいて相関演算を行い、評価値を算出する。
【００２５】
１０８はデフォーカス量算出部である。デフォーカス量算出部は相関演算部１０７により算出された評価値に基づいてデフォーカス量を算出する。
【００２６】
不図示の制御用マイコンは算出されたデフォーカス量に基づいて撮像光学系１０１に構成されるフォーカシングレンズの駆動命令を発行し、自動焦点調節機能（オートフォーカス）を実現する。
【００２７】
なお、本実施形態の撮像装置１００は、撮像光学系１０１が一体となった構成になっているが、これに限定されるものではない。本実施形態は、撮像光学系（レンズ装置）が着脱可能な撮像装置本体と、撮像装置本体に取り付けられた撮像光学系とを有する撮像システムにも適用可能である。
【００２８】
次に、本発明の実施形態における相関演算部１０７の動作について説明する。
【００２９】
相関演算部１０７には瞳分割像生成部１０６で生成される一対の瞳分割像が入力される。相関演算部１０７では入力された一対の瞳分割像を重ね合わせ、各画素位置における差の絶対値の和を相関評価値として算出する。このような相関演算の手法はＳＡＤ法（Ｓｕｍ  ｏｆ  Ａｂｓｏｌｕｔｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）と呼ばれ周知の技術となっている。
【００３０】
前述の相関演算を瞳分割方向に所定の探索範囲分だけ画素の相対位置をずらしながら繰り返し実行することで、瞳分割像の各相対位置における相関評価値を算出することができる。ＳＡＤ法においては各相対位置の中で最も相関評価値が低くなる位置が最も相関の高い位置であると判定することができ、これにより瞳分割像の像ずれ量を算出することが可能である。最も相関の高い位置までの像ずれ量は、後段のデフォーカス量算出部１０８によって所定の変換式を用いてレンズ駆動量に変換され、制御用マイコン１０９を介して自動焦点検出機能のフォーカシングレンズ駆動制御に用いられる。
【００３１】
次に相関演算処理における演算の有効領域について説明する。
【００３２】
相関演算処理においては撮像素子１０２の端部領域では相関演算で正しい相関像を得ることができないという課題がある。即ち、基準となる瞳分割像に対して参照する瞳分割像の相対位置を±方向にシフトする場合においてシフト後の瞳分割像の参照範囲が撮像素子１０２上のアドレス外の位置を参照する場合である。この課題を解決するために、相関演算に用いる瞳分割像の開始位置及び終了位置にシフト量に応じた余分画素をあらかじめ持たせて設定する方法が考えられる。
【００３３】
図２（ａ）は水平方向に瞳分割を行った一対の瞳分割像に対して水平方向に相関演算処理を行う場合の撮像素子１０２上の領域について説明する図である。
【００３４】
ここでは例として±Ｍ画素分の探索範囲で相関演算処理を行うものすると、全ての各相対位置において有効な信号を読み出すためには撮像素子１０２の左端および右端にそれぞれＭカラム分のシフト用領域２０１を設ける必要がある。この場合、有効な演算領域は図中の横線塗部２０２となる。
【００３５】
また、図２（ｂ）は垂直方向に瞳分割を行った一対の瞳分割像に対して垂直方向に相関演算処理を行う場合の撮像素子１０２上の領域について説明する図である。
【００３６】
ここでは例として±Ｍ画素分の探索範囲で相関演算処理を行うものすると、全ての各相対位置において有効な信号を読み出すためには撮像素子１０２の上端および下端にそれぞれＭライン分のシフト用領域２０３を設ける必要がある。この場合、有効な演算領域は図中の縦線塗部２０４となる。
【００３７】
本実施形態においては後述する撮像素子１０２により、各単位画素のそれぞれから水平方向および垂直方向の瞳分割像を得ることが可能な構成となっている。この場合、演算の有効領域およびシフト用領域は図２（ｃ）に示すように水平方向で定義した演算領域と垂直方向で定義した演算領域を重畳した領域となる。したがって、
領域２０５は水平、垂直ともに演算が有効である領域、
領域２０６は水平方向にのみ演算が有効である領域、
領域２０７は垂直方向にのみ演算が有効である領域、
領域２０８は水平、垂直ともに演算のできない領域となっている。
即ち、撮像素子１０２の外縁周辺領域においては各方向の相関演算のシフト数に応じて決定される、水平、または垂直方向の演算しか実行できない領域２０６および領域２０７が存在する。
【００３８】
次に、図３を参照して、本実施形態における撮像素子１０２に構成される単位画素の詳細について説明する。
【００３９】
図３は撮像素子１０２に構成される第一および第二の単位画素の構造を説明するための図である。図３（ａ）は第一の単位画素３００の断面図である。図３（ｂ）は第一の単位画素３００の受光部の平面図である。
【００４０】
図３（ａ）において、マイクロレンズ３０１は、入射光を分割画素３０４〜３０７に集光する。カラーフィルタ３０２は、入射光のうち所望の波長域の光のみを選択的に通過させる。３０３は、半導体（撮像素子１０２）の配線層である。カラーフィルタ３０２を通過した光は、分割画素３０４〜３０７で受光され、光電変換が行われる。図３（ｂ）に示されるように、第一の単位画素は１つのマイクロレンズに対して分割画素３０４〜３０７を有する。
【００４１】
分割画素３０４〜３０７には、それぞれの画素の電荷量が飽和した場合、電荷を隣接する分割画素に積極的に漏出させる構造を有する電位障壁の低い境界部３０８と、電荷を積極的に漏出させない構造を有する電位障壁の高い境界部３０９が形成されている。
【００４２】
境界部３０８は、分割画素３０４と分割画素３０５との間（および、分割画素３０６と分割画素３０７との間）に設けられている。また、境界部３０９は、分割画素３０４と分割画素３０６との間（および、分割画素３０５と分割画素３０７との間）に設けられている。
【００４３】
分割画素３０４の電荷量が飽和した場合、境界部３０８は、分割画素３０４の飽和電荷を分割画素３０５へと移動しやすいように構成される。
【００４４】
一方、境界部３０９は、分割画素３０４の飽和電荷を分割画素３０６へと移動しにくいように構成される。したがって第一の単位画素は水平方向の隣接分割画素に飽和電荷を移動しやすい構造であるといえる。
【００４５】
次に第二の単位画素について説明する。
【００４６】
図３（ｃ）は第二の単位画素の受光部平面図である。
【００４７】
図３（ｃ）に示されるように、第二の単位画素は１つのマイクロレンズに対して分割画素３１４〜３１７を有する。
【００４８】
分割画素３１４〜３１７には、それぞれの画素の電荷量が飽和した場合、電荷を隣接する分割画素に積極的に漏出させる構造を有する電位障壁の低い境界部３１９と、電荷を積極的に漏出させない構造を有する電位障壁の高い境界部３１８が形成されている。
【００４９】
境界部３１９は、分割画素３１４と分割画素３１６との間（および、分割画素３１５と分割画素３１７との間）に設けられている。また、境界部３１８は、分割画素３１４と分割画素３１５との間（および、分割画素３１６と分割画素３１７との間）に設けられている。
【００５０】
分割画素３１４の電荷量が飽和した場合、境界部３１９は、分割画素３１４の飽和電荷を分割画素３１６へと移動しやすいように構成される。
【００５１】
一方、境界部３１８は、分割画素３１４の飽和電荷を分割画素３１５へと移動しにくいように構成される。したがって第二の単位画素は垂直方向の隣接分割画素に飽和電荷を移動しやすい構造であるといえる。
【００５２】
それぞれの単位画素に構成される分割画素から得られる信号に基づいて瞳分割像生成部１０６により以下のような加算処理を行うことにより所定の特性を有する瞳分割像を得ることができる。
【００５３】
上側の２つの分割画素信号を加算し、かつ、下側の２つの分割画素を加算すれば、垂直方向に２分割して得られる瞳分割画像と同等の画像を得ることができる。
【００５４】
一方、左側の２つの分割画素を加算し、かつ、右側の２つの分割画素を加算すれば、水平方向に２分割して得られる瞳分割画像と同等の画像を得ることができる。
【００５５】
したがって、単位画素毎の垂直方向および水平方向の瞳分割画像を同時に得ることが可能である。
【００５６】
なお、ここでは４分割の分割画素を用いて各方向の瞳分割画素を生成する例を説明したが、４分割以上の分割画素を用いる場合においても同様の瞳領域を通過した分割画素群を加算することにより同様の特性の瞳分割像を生成可能である。
【００５７】
次に、図４を参照し、撮像装置１００の焦点検出領域について説明する。
【００５８】
図４は撮像素子１０２上の焦点検出における相関演算方向を示す図である。
【００５９】
先に図２を参照して説明したように、本発明の第一の実施形態における撮像素子１０２には相関演算を行う方向が一意に決定される領域２０６および２０７が存在する。即ち、領域２０６では水平方向の演算のみ、領域２０７では垂直方向の演算のみが有効であることから領域２０６、および領域２０７ではそれぞれ演算可能な方向の瞳分割像が飽和による影響を受けにくい構成となっていることが好ましい。
【００６０】
図４の領域４０１は水平方向の瞳分割像を生成し、水平方向に相関演算を行う領域である。領域４０１は図２（ｃ）の領域２０５および領域２０６を合わせた領域である。
【００６１】
図４の領域４０２は垂直方向の瞳分割像を生成し、垂直方向に相関演算を行う領域である。領域４０２は図２（ｃ）の領域２０７と同等の領域である。
【００６２】
図４の領域４０３は焦点検出不可能な領域である。領域４０３は図２（ｃ）の領域２０８と同等の領域である。
【００６３】
撮像装置１００では不図示の制御用マイコンにより、焦点検出モード、あるいは撮影者が不図示の操作部を介して設定した撮像素子上の焦点検出対象のアドレスが図４中のどの領域に属するのかを判定する。また、不図示の制御用マイコンは、判定結果に基づいて相関演算の探索方向を決定するとともに、瞳分割像１０６に決定した相関演算方向と同じ方向に瞳分割された像を生成するように命令を発行する。
【００６４】
次に、図５を参照し、撮像素子１０２上の単位画素の配列について説明する。
【００６５】
図５は撮像素子１０２上の単位画素の配置の関係を示す図である。
【００６６】
なお、図中の領域および単位画素は図３および図４と関連しているため、同様の要素について同一の番号を付けている。
【００６７】
本発明の第一の実施形態における撮像素子１０２は水平方向に焦点検出を行う領域４０１には垂直方向に飽和電荷が漏出しやすい構造となっている第一の単位画素群を構成し、垂直方向に焦点検出を行う領域４０２には水平方向に飽和電荷が漏出しやすい構造となっている第二の単位画素群を構成している。また、焦点検出不可能な領域４０３については、領域４０１と同様に垂直方向に飽和電荷が漏出しやすい第一の単位画素群を構成している。
【００６８】
このような配列にすることで、水平方向に相関演算を行う領域４０１では、いずれかの分割画素に飽和が発生していた場合、垂直方向に優先的に飽和電荷が漏出する。そのため、瞳分割像生成部１０６により垂直方向に分割画素を加算する工程において、加算後の瞳分割像のリニアリティは保たれやすくなっており、相関演算の精度劣化が発生しにくい。
【００６９】
垂直方向に相関演算を行う領域４０２では、いずれかの分割画素に飽和が発生していた場合、水平方向に優先的に飽和電荷が漏出する。そのため、瞳分割像生成部１０６により水平方向に分割画素を加算する工程において、加算後の瞳分割像のリニアリティは保たれやすくなっており、相関演算の精度劣化が発生しにくい。
【００７０】
領域４０３は、領域４０１と同様に垂直方向に優先的に飽和電荷が漏出する。瞳分割像生成部１０６により垂直方向に分割画素を加算する工程において、加算後の瞳分割像のリニアリティは保たれやすくなっており、相関演算の精度劣化が発生しにくい。
【００７１】
上記説明したとおり、相関演算の探索範囲（シフト量）に基づいて決定される撮像素子の周囲領域に飽和特性の異なる第一の単位画素と第二の単位画素をそれぞれ配置することによって、飽和の影響を受けにくい焦点検出処理を実現することが可能となる。
【００７２】
なお、第一の実施形態では撮像装置１００というシステムの一部として本発明を適用する例を説明したが、本発明はこれに限らず、撮像素子単体としても適用可能である。
【００７３】
実施例１：変形例
図６および図７を参照し、撮像素子１０２上の領域および単位画素の配列の変形例について説明する。
【００７４】
図６は撮像素子１０２上の焦点検出における相関演算方向の別の例を示す図である。
【００７５】
図６の領域６０１は垂直方向の瞳分割像を生成し、垂直方向に相関演算を行う領域である。領域６０１は図２（ｃ）の領域２０５および領域２０７を合わせた領域である。
【００７６】
図６の領域６０２は垂直方向の瞳分割像を生成し、垂直方向に相関演算を行う領域である。領域６０２は図２（ｃ）の領域２０６と同等の領域である。
【００７７】
図６の領域６０３は焦点検出不可能な領域である。領域６０３は図２（ｃ）の領域２０８と同等の領域である。
【００７８】
撮像装置１００では不図示の制御用マイコンにより、焦点検出モード、あるいは撮影者が不図示の操作部を介して設定した撮像素子上の焦点検出対象のアドレスが図６中のどの領域に属するのかを判定する。また、不図示の制御用マイコンは、判定結果に基づいて相関演算の探索方向を決定するとともに、瞳分割像１０６に決定した相関演算方向と同じ方向に瞳分割された像を生成するように命令を発行する。
【００７９】
次に、図７を参照し、撮像素子１０２上の単位画素の配列について説明する。
【００８０】
図７は撮像素子１０２上の単位画素の配置の関係を示す図である。
【００８１】
なお、図中の領域および単位画素は図３および図６と関連しているため、同様の要素について同一の番号を付けている。
【００８２】
本発明の第一の実施形態における撮像素子１０２は垂直方向に焦点検出を行う領域６０１には水平方向に飽和電荷が漏出しやすい構造となっている第二の単位画素群を構成し、水平方向に焦点検出を行う領域６０２には垂直方向に飽和電荷が漏出しやすい構造となっている第一の単位画素群を構成している。また、焦点検出不可能な領域６０３については、領域６０１と同様に垂直方向に飽和電荷が漏出しやすい第二の単位画素群を構成している。
【００８３】
このような配列にすることで、垂直方向に相関演算を行う領域６０１では、いずれかの分割画素に飽和が発生していた場合、水平方向に優先的に飽和電荷が漏出する。そのため、瞳分割像生成部１０６により水平方向に分割画素を加算する工程において、加算後の瞳分割像のリニアリティは保たれやすくなっており、相関演算の精度劣化が発生しにくい。
【００８４】
水平方向に相関演算を行う領域６０２では、いずれかの分割画素に飽和が発生していた場合、垂直方向に優先的に飽和電荷が漏出する。そのため、瞳分割像生成部１０６により垂直方向に分割画素を加算する工程において、加算後の瞳分割像のリニアリティは保たれやすくなっており、相関演算の精度劣化が発生しにくい。
【００８５】
領域６０３は、領域６０１と同様に水平方向に優先的に飽和電荷が漏出する。瞳分割像生成部１０６により水平方向に分割画素を加算する工程において、加算後の瞳分割像のリニアリティは保たれやすくなっており、相関演算の精度劣化が発生しにくい。
【００８６】
上記説明したとおり、相関演算の探索範囲（シフト量）に基づいて決定される撮像素子の周囲領域に飽和特性の異なる第一の単位画素と第二の単位画素をそれぞれ配置することによって、飽和の影響を受けにくい焦点検出処理を実現することが可能となる。
【符号の説明】
【００８７】
１００  撮像装置、１０１  撮像光学系、１０２  撮像素子、１０３  Ａ／Ｄ変換部、
１０４  加算信号生成部、１０５  信号処理部、１０６  瞳分割像生成部、
１０７  相関演算部、１０８  デフォーカス量算出部
【図１】
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【図２】
2017126680.tif 000004
【図３】
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【図４】
2017126680.tif 000006
【図５】
2017126680.tif 000007
【図６】
2017126680.tif 000008
【図７】
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