JP2007281296A - 固体撮像装置、および電子カメラ - Google Patents

Abstract

【課題】 瞳分割方式の電気信号の生成機能を有する固体撮像装置において、良質な瞳分割方式の電気信号を生成する。
【解決手段】 本発明の固体撮像装置は、瞳分割方式の電気信号を生成する焦点検出用画素の群を撮像面に備える。この焦点検出用画素は、上層マイクロレンズ、下層マイクロレンズ、光電変換域を備える。まず、上層マイクロレンズは、画素単位の受光光束を集光する。下層マイクロレンズは、この上層マイクロレンズの下層に形成され、上層マイクロレンズの集光パワーを補って撮影レンズの射出瞳の実像を画素単位に形成する。光電変換域は、射出瞳の実像に対し所定の瞳分割方向に偏って配置されることにより、瞳分割方式の電気信号を生成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、固体撮像装置、および電子カメラに関する。

従来、焦点検出技術の１つとして瞳分割位相差方式が知られている。この方式は、撮影レンズの通過光束を瞳分割して一対の分割像を形成する。この一対の分割像のパターンズレを検出することで、撮影レンズのデフォーカス量を検出するものである。
このような瞳分割位相差方式の原理を適用した固体撮像装置として、特許文献１，２が知られている。特許文献１，２には、単層マイクロレンズの下方に、光電変換域を２つずつ並べることで瞳分割を行い、瞳分割方式の電気信号を生成する構成が開示されている。
なお、撮像用画素のマイクロレンズを多層形成した固体撮像装置については、特許文献３に開示されている。
特開２００２−３１４０６２号公報 特開２００３−２４４７１２号公報 特開平６−１６３８６６号公報

通常の固体撮像装置には、画素単位の受光効率を向上させるため、マイクロレンズが撮像面に設けられる。このマイクロレンズは、受光光束を光電変換域の範囲に集光すればよく、要求される集光パワーは比較的小さい。そのため、マイクロレンズの焦点距離を無理に短焦点化する必要はなく、それに伴ってレンズ曲率も小さい。

一方、上述した特許文献１，２のマイクロレンズは、撮影レンズの射出瞳の実像を、光電変換域までの短い距離で結像する必要がある。そのため、このマイクロレンズに要求される集光パワーは大きく、それに伴ってレンズ曲率が大きくなる。

このような理由から、特許文献１，２のマイクロレンズは、製造が非常に困難になる。さらに、マイクロレンズのレンズ曲率を大きくすることによって球面収差等の悪影響を受けやすくなる。この球面収差などによってマイクロレンズ透過後の光束が乱れるため、射出瞳の光束を明確に分割できなくなり、焦点検出精度が低下するという問題が生じる。
そこで、本発明では、固体撮像装置において、良質な瞳分割方式の電気信号を生成する技術を提供することを目的とする。

《１》 本発明の固体撮像装置は、撮影レンズのデフォーカス量によって位相差が変化する瞳分割方式の電気信号を生成する焦点検出用画素の群を撮像面に備える。
この焦点検出用画素は、下記の上層マイクロレンズ、下層マイクロレンズ、光電変換域を備える。
上層マイクロレンズは、焦点検出用画素の受光光束を集光する。
下層マイクロレンズは、上層マイクロレンズの下層に形成され、上層マイクロレンズの集光パワーを補って撮影レンズの射出瞳の実像を焦点検出用画素の単位に形成する。
光電変換域は、射出瞳の実像に対し所定の瞳分割方向に偏って配置され、瞳分割方式の電気信号を生成する。
《２》 なお好ましくは、画素単位に光電変換して画像信号を生成する撮像用画素の群を撮像面に備える。この撮像用画素は、上層マイクロレンズおよび下層マイクロレンズのいずれか一方と同一層に形成されたマイクロレンズを備える。
《３》 また好ましくは、画素単位に光電変換して画像信号を生成する撮像用画素の群を撮像面に備える。この焦点検出用画素は、撮像用画素の複数個に相当する区画を占有する。
《４》 なお好ましくは、焦点検出用画素は、射出瞳の実像を瞳分割方向に対称区分した位置ごとに光電変換域を備える。
《５》 また好ましくは、下層マイクロレンズは、上層マイクロレンズ／光電変換域の間の層内に形成されるインナーレンズである。
《６》 本発明の電子カメラは、上記《１》ないし《５》のいずれか１項に記載の固体撮像装置、焦点演算部、および撮像制御部を備える。
この内、焦点演算部は、固体撮像装置から瞳分割方式の電気信号を読み出し、電気信号から得られる瞳分割像のパターンズレを検出して、焦点検出を行う。
一方、撮像制御部は、固体撮像装置から光電変換出力を読み出して画像信号を得る。

本発明は、上層マイクロレンズの集光パワーを、下層マイクロレンズで補う。そのため、マイクロレンズの一つ一つについて無理な短焦点化が不要になり、良質な瞳分割方式の電気信号を生成することが可能になる。

《第１実施形態》
［電子カメラの構成説明］
図１は、本実施形態の電子カメラ１０を示すブロック図である。
図１において、電子カメラ１０には、撮影レンズ１２が装着される。この撮影レンズ１２は、レンズ制御部１２ａによってフォーカスや絞りが駆動される。この撮影レンズ１２の像空間には、固体撮像装置１１の撮像面が配置される。この固体撮像装置１１は、撮像制御部１４によって駆動される。固体撮像装置１１から出力される画像データは、信号処理部１５、およびＡ／Ｄ変換部１６を介して処理された後、メモリ１７に一時蓄積される。
このメモリ１７は、バス１８に接続される。このバス１８には、レンズ制御部１２ａ、撮像制御部１４、マイクロプロセッサ１９、焦点演算部２０、記録部２２、画像圧縮部２４および画像処理部２５なども接続される。
上記のマイクロプロセッサ１９には、レリーズ釦などの操作部１９ａが接続される。また、上記の記録部２２には、記録媒体２２ａが着脱自在に装着される。

［画素レイアウトの説明］
図２は、固体撮像装置１１の焦点検出エリア（焦点検出用画素３７の配置エリア）を示す図である。このような焦点検出エリアは、撮像面の複数箇所に設けられる。
図３は、固体撮像装置１１の撮像面の断面を示す図である。
以下、図２および図３を参照しながら、固体撮像装置１１の画素構成を説明する。まず、固体撮像装置１１の撮像面には、撮像用画素３１の群が配置される。個々の撮像用画素３１には、画素単位に受光光束を光電変換する光電変換域３２が設けられる。この光電変換域３２の上層には、平坦化層３８を介して、受光光束を光電変換域３２に集光するマイクロレンズ３３が設けられる。撮像用画素３１の群は、撮影レンズ１２を介して撮像面に投影される被写体像を画素単位に光電変換することによって、画像信号を生成する。
一方、焦点検出エリアには、撮像用画素３１の群の間を縫うように、焦点検出用画素３７が配置される。この焦点検出用画素３７は、マイクロレンズ３３と同一層に形成された、上層マイクロレンズ３６を有する。この上層マイクロレンズ３６は、マイクロレンズ３３と同様に、撮影レンズ１２からの受光光束を集光する。
この上層マイクロレンズ３６の下層の平坦化層３８内には、下層マイクロレンズ３５が形成される。この下層マイクロレンズ３５は、上層マイクロレンズ３６の集光パワーを補い、撮影レンズ１２の射出瞳の実像を画素単位に形成する。
さらに、焦点検出用画素３７は、光電変換域３２と同一層に形成された、一組の光電変換域３４を備える。この一組の光電変換域３４は、射出瞳の実像を瞳分割方向（縦，横，斜めなど）に対称区分するように配置される。
この一組の光電変換域３４は、射出瞳の実像の一部（図２に示す瞳分割光束Ａ，Ｂ）をそれぞれ光電変換することにより、瞳分割方式の電気信号を生成する。
図２に示すように、撮像面上では、これらの焦点検出用画素３７が、その瞳分割の方向に並ぶように、所定のピッチごとに配置される。なお、焦点検出用画素３７の群については、単純に一直線に並ばないよう、その並び方を千鳥格子状にずらすことが好ましい。

［回路説明］
図４は、固体撮像装置１１の等価回路を示す図である。
固体撮像装置１１は、垂直転送回路３、水平転送回路４、相関二重サンプリング回路５、撮像用画素３１の群、および焦点検出用画素３７の群から概略構成される。
まず、撮像用画素３１の回路構成について説明する。撮像用画素３１には、フローティングデフージョンＦＤが設けられる。このフローティングデフージョンＦＤには、リセットトランジスタＱＲを介して、低インピーダンスの電源ラインＶＤＤに接続される。また、このフローティングデフージョンＦＤと光電変換域３２との間には、転送トランジスタＱＴが配置される。この転送トランジスタＱＴのゲートには、垂直転送回路３から制御信号φＴＧａが供給される。
このフローティングデフージョンＦＤの電圧は、増幅素子ＱＡのゲートに印加される。増幅素子ＱＡのソースは、行選択トランジスタＱＳをオン制御することにより、垂直読み出し線２に接続される。この行選択トランジスタＱＳを介して、増幅素子ＱＡのソースに電流源Ｉｓが接続されることにより、増幅素子ＱＡはソースホロワ回路を構成する。その結果、フローティングデフージョンＦＤの電圧に対応したソースホロワ電圧が、垂直読み出し線２に出力される。
次に、焦点検出用画素３７の構成上の特徴について説明する。焦点検出用画素３７には、撮像用画素３１の光電変換域３２に代えて、瞳分割方向に区分された一組の光電変換域３４が設けられる。
光電変換域３４の一方は、転送トランジスタＱＴａを介して、フローティングデフージョンＦＤに接続される。この転送トランジスタＱＴａのゲートには、垂直転送回路３から制御信号φＴＧａが供給される。
光電変換域３４のもう一方は、転送トランジスタＱＴｂを介して、フローティングデフージョンＦＤに接続される。この転送トランジスタＱＴｂのゲートには、垂直転送回路３から制御信号φＴＧｂが供給される。
なお、焦点検出用画素３７のその他の回路構成は、撮像用画素３１と同じため、ここでの説明を省略する。

［瞳分割方式の電気信号の読み出し動作］
続いて、電子カメラ１０による瞳分割方式の電気信号の読み出し動作について説明する。
電子カメラ１０内のマイクロプロセッサ１９は、レリーズ釦の半押し操作に同期して撮像制御部１４を駆動し、瞳分割方式の電気信号の読み出し動作を開始する。
図５は、この瞳分割方式の電気信号の読み出し動作を説明するタイミングチャートである。
まず、垂直転送回路３は、焦点検出用画素３７の存在するｎ行目の制御信号φＲＳ（ｎ）と制御信号φＴＧａ（ｎ）を立ち上げる。これにより、転送トランジスタＱＴａに接続された光電変換域３４は、転送トランジスタＱＴａ、フローティングデフージョンＦＤ、およびリセットトランジスタＱＲを介してリセットされる。
その後、垂直転送回路３は、ｎ行目の制御信号φＴＧａ（ｎ）を立ち下げて、転送トランジスタＱＴａを非導通に変化させる。この時点から、転送トランジスタＱＴａに接続された光電変換域３４は信号電荷の蓄積を開始する。

この状態で、垂直転送回路３は、期間Ｔ１の間、制御信号φＬ（ｎ）をハイレベルに設定し、ｎ行目の行選択トランジスタＱＳを導通させる。これに同期して、垂直転送回路３は、ｎ行目のリセットトランジスタＱＲの導通状態を期間Ｔ２だけ維持する。この導通状態の維持によって、ｎ行目のフローティングデフージョンＦＤの電位はリセットされる。
期間Ｔ２の後、リセットトランジスタＱＲが非導通に変化すると、フローティングデフージョンＦＤは、フローティング状態に戻る。このスイッチングの瞬間の電圧（リセット電圧）がフローティングデフージョンＦＤに保持される。このｎ行目のリセット電圧は、増幅素子ＱＡを介して垂直読み出し線２にソースホロワ出力される。

このように垂直読み出し線２からは、ｎ行目のリセット電圧が列単位に出力される。これらのリセット電圧は、制御信号φＳＨの立ち下げタイミング（期間Ｔ３の終了時点）に同期して、相関二重サンプリング回路５（回路内のコンデンサ群）に保持される。
次に、垂直転送回路３は、制御信号φＴＧａ（ｎ）を用いて、ｎ行目の転送トランジスタＱＴａを期間Ｔ４だけ導通させる。この導通によって、転送トランジスタＱＴａに接続された光電変換域３４に蓄積された信号電荷が、フローティングデフージョンＦＤに転送される。この転送動作に伴って、フローティングデフージョンＦＤの電圧はリセット電圧から信号電荷の転送分だけ相対変化する。このｎ行目の信号電圧は、増幅素子ＱＡを介して垂直読み出し線２にソースホロワ出力される。

このように垂直読み出し線２を介して列単位に出力されるｎ行目の信号電圧は、相関二重サンプリング回路５に印加される。相関二重サンプリング回路５からは、この信号電圧とリセット電圧の差に相当する真の信号電圧が出力される。
この状態で、水平転送回路４は、焦点検出用画素３７が存在する列の制御信号φＨ３，φＨ４などを用いて、転送トランジスタＱＴａに接続された光電変換域３４の真の信号電圧をＶｏｕｔから順次に読み出す。

続いて、上述した読み出し動作を、制御信号φＴＧａ（ｎ）を制御信号φＴＧｂ（ｎ）に代えて、繰り返すことにより、転送トランジスタＱＴｂに接続された光電変換域３４の真の信号電圧もＶｏｕｔから順次に読み出す。
以上の動作を焦点検出用画素３７に限定して繰り返すことにより、全画素を読み出すことなく、瞳分割方式の電気信号を短時間に読み出すことが可能になる。
このように読み出された瞳分割方式の電気信号は、信号処理部１５およびＡ／Ｄ変換部１６を介してデジタル化された後、メモリ１７に一時蓄積される。

［焦点演算部２０の動作について］
電子カメラ１０内の焦点演算部２０は、メモリ１７内に蓄積された瞳分割方式の電気信号を用いて、焦点検出演算を実施する。以下、図３を参照しながら、この焦点検出の光学的な原理とその演算処理について説明する。
まず、上層マイクロレンズ３６は、撮影レンズ１２の射出瞳を通過した光束を集光する。下層マイクロレンズ３５は、この上層マイクロレンズ３６の集光パワーを補い、射出瞳の実像を、一組の光電変換域３４の上に形成する。

その結果、一組の光電変換域３４は、撮影レンズ１２の射出瞳を部分的に通過した光束（図３中に示す瞳分割光束Ａ，Ｂ）を個別に光電変換する。
ところで、合焦被写体の一点（近接点も含む）から出た光束は、撮影レンズ１２の射出瞳のそれぞれ違う位置を通過した後、撮像面に点像を結ぶために再び集束する。そのため、合焦状態にある場合、一組の光電変換域３４は、被写体の同じ一点から出た瞳分割光束を受光する。したがって、光電変換によって得られる一組の瞳分割像は、その像パターンが略一致してほぼ位相差ゼロを示す。

一方、前ピン状態の被写体から出た光束は、撮影レンズ１２の射出瞳の異なる箇所をそれぞれ通過した後、撮像面の手前で交差してずれた画素位置に到達する。この場合、一組の瞳分割像は、瞳分割方向にずれた位相差を示す。
逆に、後ピン状態の被写体から出た光束は、撮影レンズ１２の射出瞳の異なる箇所をそれぞれ通過した後、集束不足のまま撮像面のずれた画素位置に到達する。この場合、一組の瞳分割像は、前ピン状態と逆方向にずれた位相差を示す。

以上説明したように、撮影レンズ１２の合焦状況に応じて、瞳分割像の位相差が変化する。そこで、焦点演算部２０は、メモリ１７内の瞳分割方式の電気信号を分配して、一組の瞳分割像の像パターンを求める。焦点演算部２０は、これらの像パターンについてパターンマッチング処理を実施して、位相差（像ズレ）を検出する。焦点演算部２０は、この位相差に基づいて、撮影レンズ１２の合焦状況やデフォーカス量を検出する。

［撮影動作の説明］
焦点演算部２０によって検出されたデフォーカス量は、レンズ制御部１２ａに伝達される。レンズ制御部１２ａは、伝達されるデフォーカス量に基づいて撮影レンズ１２の焦点駆動を行い、撮影レンズ１２を被写体に合焦させる。
その後、電子カメラ１０内のマイクロプロセッサ１９は、レリーズ釦の全押し操作に同期して撮像制御部１４を用いて、画像信号の読み出し動作を開始する。
この画像信号の読み出し動作は、上述した制御信号φＴＧａを用いた信号読み出し手順を、撮像用画素３１ごとに繰り返すことによって実施される。
なお、焦点検出用画素３７の配置箇所については、画像信号が欠落する。この欠落部分の画像信号については、周辺の画像信号を用いて補間することが可能である。また、焦点検出用画素３７の光電変換域３４の信号に基づいて、欠落部分の画像信号を生成してもよい。

［第１実施形態の効果など］
一般に、焦点検出用画素３７のマイクロレンズは、撮影レンズ１２の射出瞳を光電変換域３４までの短い距離で結像しなければならない。
この課題に対し、図６［Ａ］に示すように、マイクロレンズ３３，３３ａに段差Ｓを設け、焦点検出用画素の結像距離を補う方策が考えられる。しかし、この方策では、図６［Ｂ］に示すように、撮像面の段差Ｓによって斜入射光にケラレが発生するといった別の問題が生じてしまう。

第１実施形態は、上述した結像距離の問題を、焦点検出用画素３７のマイクロレンズ３５，３６を多層化して短焦点化することにより解決する。この場合、上層マイクロレンズ３６の集光パワーを下層マイクロレンズ３５で無理なく補うことができる。そのため、個々のマイクロレンズ３５，３６については、集光パワーを適度に小さくし、レンズ曲率を小さくすることが可能になる。

その結果、第１実施形態では、レンズ曲率による球面収差等の悪影響が小さく、瞳分割光束Ａ，Ｂ（図３参照）の光束乱れが小さくなる。その結果、良質な瞳分割方式の電気信号を生成することが可能になり、焦点検出の精度を高めることが可能になる。

さらに、第１実施形態では、焦点検出用画素の結像距離を短縮することにより、射出瞳の実像の像倍率が小さくなる。そのため、大口径の撮影レンズ１２の大きな射出瞳も焦点検出用画素の区画内になるべく結像させることが容易になる。その結果、大口径レンズの焦点検出性能を向上させることが可能になる。

また、第１実施形態では、焦点検出用画素３７の上層マイクロレンズ３６を、撮像用画素３１のマイクロレンズ３３と同一層に形成する。そのため、上層マイクロレンズ３６およびマイクロレンズ３３を一緒に製造することが可能になり、固体撮像装置１１の製造工程を簡略化することが可能になる。

さらに、第１実施形態では、下層マイクロレンズ３５を、平坦化層３８内のインナーレンズとして形成する。そのため、マイクロレンズ３５，３６の多層化にも係わらず、撮像面には余計な段差が生じず、段差による斜入射光のケラレを防ぐことができる。

また、複数の焦点検出用画素３７は、瞳分割方向に沿って撮像面に千鳥配置される。この千鳥配置では、個々の焦点検出用画素３７に隣接して撮像用画素３１が必ず存在する。そのため、焦点検出用画素３７によって欠落する画像信号を、隣接する撮像用画素３１を用いて高品質に補間することが可能になる。

《第２実施形態》
図７は、固体撮像装置１１ａの焦点検出エリア（焦点検出用画素３７ａの配置エリア）を示す図である。図８は、この固体撮像装置１１ａの撮像面の断面を示す図である。なお、電子カメラの構成については、第１実施形態（図１）と同じため、ここでの説明を省略する。
この第２実施形態の特徴は、焦点検出用画素３７ａの１個分を、撮像用画素３１の複数個（ここでは２個）に相当する区画にした点である。
この構成によって、下層マイクロレンズ３５ａおよび上層マイクロレンズ３６ａは、図７に示すように、サイズ拡大される。また、光電変換域３４ａの１つ分は、図７に示すように、撮像用画素３１の１区画分に相当する。

［第２実施形態の効果など］
上述した第２実施形態では、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

さらに、第２実施形態では、２画素分の撮像用画素３１から画素出力を読み出すのと同様の手順で、焦点検出用画素３７ａから瞳分割方式の電気信号を読み出すことができる。

さらに、第２実施形態では、下層マイクロレンズ３５ａおよび上層マイクロレンズ３６ａがサイズ拡大した分だけ、受光効率が高くなる。そのため、瞳分割方式の電気信号の信号レベルは高くなり、低照度の環境下においても正確な焦点検出が可能になる。

また、第２実施形態では、焦点検出用画素３７ａのサイズを、撮像用画素３１の複数個分のサイズに一致させている。そのため、撮像用画素３１の群の間に焦点検出用画素３７ａを配置しても、無駄な隙間が生じず、受光量の損失は少ない。

《第３実施形態》
図９は、焦点検出用画素３７ｂのインナーレンズ構造を具体的に説明する図である。
なお、その他の構成は、第１実施形態や第２実施形態と同一であるため、ここでの説明は省略する。
図９に示すように、下層マイクロレンズ３５ｂは、上層マイクロレンズ３６ｂの下層に曲面状の窪み（または山）を形成したレンズ形成層３８ｂと、その上に形成する平坦化層３９ｂとの屈折率を異ならせて形成される。なお、中間層を３層構成とすることによって、図９下段に示すように、下層マイクロレンズ３５ｂをダブルインナーレンズ化することも可能である。また、このようなインナーレンズを、回折格子レンズの形態で実現することも可能である。

《第４実施形態》
図１０は、固体撮像装置１１ｃを示す図である。なお、電子カメラの構成については、第１実施形態（図１）と同じため、ここでの説明を省略する。
第４実施形態の特徴は、１つの焦点検出用画素３７ｃを、放射状（ここでは縦２画素×横２画素）に配置された複数の撮像用画素３１ｃから構成した点である。下層マイクロレンズ３５ｃおよび上層マイクロレンズ３６ｃは、これら放射配置された撮像用画素３１ｃを覆うように形成される。なお、この放射配置の中心は、上層マイクロレンズ３６ｃのレンズ中心、または射出瞳の実像の像中心に位置させることが好ましい。
このような放射配置により、個々の光電変換域３４ｃは、放射状に瞳分割された瞳分割光束を個別に光電変換するようになる。なお、図１０に示すように、この配置中心に対して個々の光電変換域３４ｃを近づけて配置することにより、瞳分割光束の受光効率を高めることが好ましい。
さらに、固体撮像装置１１ｃの撮像面には、ベイヤ配列の色フィルタ４０ｃが、光電変換域３４ｃごとに設けられる。このベイヤ配列の最小色配列（Ｒ，Ｇｒ，Ｇｂ，Ｂ）ごとに、１つの焦点検出用画素３７ｃが設けられる。
なお、下層マイクロレンズ３５ｃについては、上層マイクロレンズ３６ｃと光電変換域３４ｃの層内に形成するインナーレンズとすることが好ましい。

［第４実施形態の焦点検出］
電子カメラ１０は、予め範囲設定された焦点検出エリアに限定して、光電変換域３４ｃの光電変換出力を読み出し、瞳分割方式の電気信号を得る。
焦点演算部２０は、この瞳分割方式の電気信号から、Ｇｒ位置の光電変換出力とＧｂ位置の光電変換出力を分離抽出することにより、斜め方向に瞳分割されたＧ色の分割像パターンを得ることができる。
焦点演算部２０は、このＧ色の分割像パターンを斜め方向にずらして位相差を検出することによって焦点検出が可能になる。

また、焦点演算部２０は、放射状に４分割された光電変換出力を、縦２画素および横２画素にそれぞれ加算してもよい。この処理により、縦方向に瞳分割された分割像パターンと、横方向に瞳分割された分割像パターンとを同時に得ることができる。

焦点演算部２０は、縦方向に瞳分割された分割像パターンを縦方向にずらしながら輝度分布の位相差を検出することにより、横エッジを主たる絵柄とする被写体について正確な焦点検出が可能になる。一方、横方向に瞳分割された分割像パターンを横方向にずらしながら輝度分布の位相差を検出することにより、縦エッジを主たる絵柄とする被写体について正確な焦点検出が可能になる。

なお、縦横の位相差検出誤差（画像マッチングの誤差）を比較することにより、２つの焦点検出結果から信頼度の高い方を選択することも可能である。

［第４実施形態の画像信号読み出し］
電子カメラ１０は、求めた焦点検出結果に基づいてピントの自動調整を実施する。
その後、電子カメラ１０内のマイクロプロセッサ１９は、レリーズ釦の全押し操作に同期して、画像信号の読み出し動作を開始する。
この画像信号の読み出し動作は、有効画素領域の全域について、光電変換域３４ｃの光電変換出力を順次読み出すことによって実施される。

［第４実施形態の効果など］
上述した第４実施形態では、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

さらに、第４実施形態では、最小色配列ごとに、焦点検出用画素３７ｃを１つずつ配置する。この構成により、下層マイクロレンズ３５ｃおよび上層マイクロレンズ３６ｃは、モアレ防止用の光学ローパスフィルターと同様の機能を果たす可能になる。そのため、固体撮像装置１１ｃから光学ローパスフィルターを省くことが可能になる。また、マイクロレンズ３５ｃ，３６ｃの光学作用分だけ、光学ローパスフィルターのぼかし量を低減して光学ローパスフィルターを薄型化することも可能になる。

また、第４実施形態では、放射状に４つ配置された光電変換域３４ｃを縦横にそれぞれ加算することで、瞳分割方向を臨機に変更することが可能になる。

《実施形態の補足事項》
なお、上述した実施形態では、上層マイクロレンズの入射側を凸形状に形成する。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、上層マイクロレンズの出射側を凸形状として入射側を平坦化または平坦に近づけてもよい。この形状であれば隣接する画素への斜め入射光が上層マイクロレンズによって遮られることが少なくなり、固体撮像装置の受光効率を高めることができる。

なお、上述した第１〜第３実施形態では、撮像用画素に色フィルタを配置してもよい。この場合、焦点検出用画素については、色フィルタを省略することで、焦点検出用画素の受光効率を高めることが好ましい。

また、上述した第１〜第３実施形態では、予め定められた焦点検出エリアに限って、焦点検出用画素を配置する。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、撮像面の全域にわたって所定ピッチで焦点検出用画素を配置してもよい。この構成によって、所望の領域を柔軟に選択して、その領域から瞳分割方式の電気信号を読み出すことが可能になる。

なお、上述した第１〜第３実施形態では、焦点検出用画素の区画内に、２個の光電変換域を設けている。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。焦点検出用画素の区画内に、複数個（３個以上）の光電変換域を配置してもよい。これら光電変換域を適当な傾きの中心線で線対称に分離してそれぞれ合成することで、焦点検出用画素の瞳分割方向を多様に変化させることが可能になる。また逆に、焦点検出用画素の区画内に、１つの光電変換域を設けてもよい。この場合、近接する焦点検出用画素を組にして瞳分割を行うことで瞳分割方式の電気信号を生成することが可能になる。

また、上述した第４実施形態では、撮像面の全域にわたって焦点検出用画素を配置する。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。複数のＮ画素おきに焦点検出用画素を配置し、その他の画素位置に撮像専用の画素を配置してもよい。また、市松状に焦点検出用画素を配置し、その他の画素位置に撮像専用の画素を配置してもよい。

なお、上述した第４実施形態では、原色ベイヤ配列のケースについて説明した。しかしながら、第４実施形態はこれに限定されるものではない。任意の色配列に応じて最小色配列を決定し、最小色配列の区域ごとに上層マイクロレンズを配置すればよい。

また、上述した実施形態では、ＸＹアドレス方式（ＣＭＯＳ型など）の固体撮像装置のケースについて説明した。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。ＣＣＤ型固体撮像装置などに本発明を適用してもよい。

なお、上述した実施形態では、撮像用画素のマイクロレンズと、焦点検出用画素の上層マイクロレンズとを同一層に形成している。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、撮像用画素のマイクロレンズと、焦点検出用画素の下層マイクロレンズとを同一層に形成してもよい。

また、上述した実施形態では、上層マイクロレンズと下層マイクロレンズの２層構成にしている。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、中層マイクロレンズを１つまたは複数追加することにより、３層以上のレンズ構成にしてもよい。

以上説明したように、本発明は、瞳分割方式の電気信号の生成機能を有する固体撮像装置に利用可能な技術である。

電子カメラ１０を示すブロック図である。 固体撮像装置１１の焦点検出エリアを示す図である。 固体撮像装置１１の撮像面の断面を示す図である。 固体撮像装置１１の等価回路を示す図である。 瞳分割方式の電気信号の読み出し動作を説明するタイミングチャートである。 撮像面に段差Ｓを設ける方策の不具合を説明する図である。 固体撮像装置１１ａの焦点検出エリアを示す図である。 固体撮像装置１１ａの撮像面の断面を示す図である。 インナーレンズ構造を説明する図である。 固体撮像装置１１ｃを示す図である。

符号の説明

１０…電子カメラ，１１…固体撮像装置，１２…撮影レンズ，１２ａ…レンズ制御部，１４…撮像制御部，１５…信号処理部，１６…Ａ／Ｄ変換部，２０…焦点演算部，３１…撮像用画素，３２…光電変換域，３３…マイクロレンズ，３４…光電変換域，３５…下層マイクロレンズ，３６…上層マイクロレンズ，３７…焦点検出用画素，３８…平坦化層

Claims (6)

1. 撮影レンズのデフォーカス量によって位相差が変化する瞳分割方式の電気信号を生成する焦点検出用画素の群を撮像面に備えた固体撮像装置であって、
   前記焦点検出用画素は、
   焦点検出用画素の受光光束を集光する上層マイクロレンズと、
   前記上層マイクロレンズの下層に形成され、前記上層マイクロレンズの集光パワーを補って前記撮影レンズの射出瞳の実像を前記焦点検出用画素の単位に形成する下層マイクロレンズと、
   前記射出瞳の実像に対し所定の瞳分割方向に偏って配置され、前記瞳分割方式の電気信号を生成する光電変換域とを備えた
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   画素単位に光電変換して画像信号を生成する撮像用画素の群を前記撮像面に備え、
   前記撮像用画素は、
   前記上層マイクロレンズおよび前記下層マイクロレンズのいずれか一方と同一層に形成されたマイクロレンズを備える
   ことを特徴とする固体撮像装置。
3. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   画素単位に光電変換して画像信号を生成する撮像用画素の群を前記撮像面に備え、
   前記焦点検出用画素は、前記撮像用画素の複数個に相当する区画を占有する
   ことを特徴とする固体撮像装置。
4. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   前記焦点検出用画素は、
   前記射出瞳の実像を前記瞳分割方向に対称区分した位置ごとに前記光電変換域を備える
   ことを特徴とする固体撮像装置。
5. 請求項１に記載の固体撮像装置において、
   前記下層マイクロレンズは、前記上層マイクロレンズ／前記光電変換域の間の層内に形成されるインナーレンズである
   ことを特徴とする固体撮像装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
   前記固体撮像装置から前記瞳分割方式の電気信号を読み出し、前記電気信号から得られる瞳分割像のパターンズレを検出して、焦点検出を行う焦点演算部と、
   前記固体撮像装置から光電変換出力を読み出して画像信号を得る撮像制御部と
   を備えたことを特徴とする電子カメラ。
   

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