JP5274299B2

JP5274299B2 - 撮像装置

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Publication number: JP5274299B2
Application number: JP2009038487A
Authority: JP
Inventors: 明彦長野
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2008-03-11
Filing date: 2009-02-20
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2029-02-20
Also published as: JP2009244854A

Description

本発明は、撮影レンズの瞳の異なる位置を透過する光束を撮像素子の各画素で受光して、各画素で光電変換された信号に基づいて瞳分割方式の焦点検出を行う演算手段を具備したデジタルスチルカメラ等の撮像装置に関するものである。

撮影レンズの焦点状態を検出する方式の一つとして、センサの各画素にマイクロレンズが形成された２次元のセンサを用いて瞳分割方式の焦点検出を行う装置が特許文献１に開示されている。特許文献１の装置では、センサを構成する各画素の光電変換部が複数に分割され、分割された光電変換部がマイクロレンズを介して撮影レンズの瞳の異なる領域を受光するように構成されている。

また特許文献２では、マイクロレンズと光電変換部との相対位置を偏位させた画素を２次元的に配置した、イメージセンサを兼ねた撮像装置が開示されている。特許文献２の撮像装置では、撮影レンズの焦点状態を検出する場合には、マイクロレンズと光電変換部との相対偏位方向が異なる画素列で生成された像に基づいて撮影レンズの焦点状態を検出している。一方、通常の画像を撮像するときは、マイクロレンズと光電変換部との相対偏位方向が異なる画素を加算することにより、画像を生成している。

また、本出願人は、デジタルスチルカメラに用いられるイメージセンサ（撮像素子）を用いて瞳分割方式の焦点検出を行う撮像装置を特許文献３に開示している。

図１１は、特許文献３に開示された撮像装置の平面図である。図中Ｇは、緑色のカラーフィルタが組み込まれた画素、Ｒは赤色のカラーフィルタが組み込まれた画素、Ｂは青色のカラーフィルタが組み込まれた画素をそれぞれ示す。これらの画素は、いわゆるベイヤー配列で２次元配列されている。

また、図中Ｓ１、Ｓ２は焦点検出を行うための画素であり、ベイヤー配列のＧ画素に対応する位置に配設されている。画素Ｓ１及びＳ２は、マイクロレンズと光電変換部との間に遮光層を有し、画素Ｓ１と画素Ｓ２とでは遮光層の開口部の位置が異なっている。その結果、画素Ｓ１と画素Ｓ２とは、撮影レンズの異なる瞳領域を通過する光束を受光するため、画素Ｓ１の画素列で生成された像と画素Ｓ２の画素列で生成された像とに基づいて相関演算を行う。これにより撮影レンズの焦点状態が検出される。なお、撮影レンズの異なる瞳領域を通過した光束により生成された像に基づいて撮影レンズの焦点状態を検出する方法は、公知の技術である。

また、通常の画像を撮像する場合は、焦点検出を行うための画素Ｓ１、Ｓ２を欠陥画素とみなして、画素Ｓ１、Ｓ２の周辺に位置する画素から補間処理を行って画像を生成している。

特開昭５８−２４１０５号公報（第２頁、図１）特許第２９５９１４２号公報（第２頁、図２）特許第３５９２１４７号公報（第７頁、図２）

しかしながら、特許文献２の撮像装置においては、通常の画像の撮影では、撮影レンズの異なる瞳領域を通過した光束を受光する画素を加算することにより画像を生成しているため、解像度の高い画像を得ることができないという欠点があった。

また、特許文献３の撮像装置では、通常の画像の撮影では、焦点検出を行う画素の画像信号を焦点検出を行う画素の周辺に位置する画素から補間処理を行って生成しているため、画質が劣化するいう欠点があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、撮像素子の像信号に基づいて撮影レンズの焦点状態を検出することを可能にするとともに、通常の画像の撮影する際も、画質の劣化の度合いを小さくすることを目的とする。

本発明は、撮像装置に係り、撮影レンズの全瞳領域を受光する第１の画素と、前記撮影レンズの一部の瞳領域を受光する第２の画素と、で構成された撮像素子と、前記第２の画素から得られる信号を用いずに前記第１の画素から得られる第１の像と、前記第２の画素から得られる第２の像と、に基づいて前記撮影レンズの焦点状態を検出する焦点検出部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、撮像素子の像信号に基づいて撮影レンズの焦点状態を検出することを可能にするとともに、通常の画像の撮影する際も、画質の劣化の度合いを小さくすることが可能となる。

本発明の好適な実施の形態に係る撮像装置であるカメラの構成図である。本発明の好適な実施の形態に係るイメージセンサの一部平面図である。本発明の好適な実施の形態に係るイメージセンサの一部平面図である。本発明の好適な実施の形態に係るイメージセンサの一部断面図である。本発明の好適な実施の形態に係るイメージセンサの分光感度特性図である。本発明の好適な実施の形態に係るイメージセンサで生成される撮影レンズの線像分布図である。本発明の好適な実施の形態に係るイメージセンサの平面図である。本発明の好適な実施の形態に係るイメージセンサの一部平面図である。本発明の好適な実施の形態に係るイメージセンサの一部平面図である。本発明の好適な実施の形態に係るイメージセンサの一部断面図である。従来のイメージセンサの一部平面図である。

（第１の実施形態）
図２は撮像素子であるイメージセンサの一部平面図、図４はイメージセンサの一部断面図、図３はイメージセンサの一部平面図、図５はイメージセンサの分光感度特性、図６は線像分布、図７はイメージセンサの平面図、図８はイメージセンサの一部平面図である。

図１は、本発明の好適な実施の形態に係る撮像装置であるデジタルスチルカメラの構成図である。１０はイメージセンサ（撮像素子）であり、デジタルスチルカメラ１の撮影レンズ５の予定結像面に配置されている。デジタルスチルカメラ１は、デジタルスチルカメラ１の全体を制御するＣＰＵ２０、イメージセンサ１０を駆動制御する制御手段であるイメージセンサ制御回路２１を備える。デジタルスチルカメラ１はまた、イメージセンサ１０で撮像した画像信号を画像処理する画像処理手段２４、画像処理手段２４で画像処理された画像を表示する表示手段である液晶表示素子９とそれを駆動する液晶表示素子駆動回路２５を備える。デジタルスチルカメラ１はまた、液晶表示素子９に表示された被写体像を観察するための接眼レンズ３、イメージセンサ１０で撮像された画像を記録するメモリ回路２２を備える。デジタルスチルカメラ１はまた、画像処理手段２４で画像処理された画像をデジタルスチルカメラ１の外部に出力するためのインターフェース回路２３を備える。

撮影レンズ５は、デジタルスチルカメラ１に対して着脱可能であり、便宜上２枚のレンズ５ａ、５ｂで図示しているが、実際には多数枚のレンズで構成されている。撮影レンズ５は、デジタルスチルカメラ１のＣＰＵ２０から送られてくる焦点調節情報を電気接点２６を介してレンズＣＰＵ５０で受信し、その焦点調節情報に基づいて撮影レンズ駆動機構５１によって合焦状態に調節される。また、５３は撮影レンズ５の瞳近傍に配設された絞り装置であり、絞り駆動機構５２によって所定の絞り値に絞り込まれるように構成されている。また、ＣＰＵ２０は、撮影レンズ５の焦点状態を算出する演算手段を兼ねている。

図２は、イメージセンサ１０の一部平面図である。図中１マスが１画素を示している。１マスの中に書かれた「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」の文字は、各画素のカラーフィルタの色相を表している。「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」の文字が書かれた各画素は、撮影レンズ５の全瞳領域を受光するように構成されている。ここで、緑色のカラーフィルタが組み込まれた「Ｇ」で表される画素の一部は、焦点検出を行うための第１の画素として使用される。

また、ベイヤー配列の場合、１画素は「Ｒ」「Ｂ」の画素と２つの「Ｇ」の画素で構成されるが、本発明の好適な実施の形態に係る撮像素子は、「Ｒ」又は「Ｂ」であるべき画素の一部に、撮影レンズ５の一部の瞳領域を受光する第２の画素が形成されている。第２の画素は、図中１マスの半分を縦縞又は横縞で図示されている。縞の部分が各画素の遮光領域を示しており、縦縞がある画素は図中水平方向（ｘ軸方向）に受光強度分布の偏りを持っており、縦線を含む被写体に対する焦点検出の際に使用される。一方、横縞がある画素は図中垂直方向（ｙ軸方向）に受光強度分布の偏りを持っており、横線を含む被写体に対する焦点検出の際に使用される。

例えば、縦線を含む被写体に対する焦点状態を検出する場合について説明する。この場合、図中太い実線で囲まれた複数の画素に含まれる画素のうち、
・図中水平方向（ｘ軸方向）に受光強度分布の偏りを持つ第２の画素から得られる像信号（第２の像）と、
・第２の画素に隣接する、「Ｇ」で図示された第１の画素から得られる像信号（第１の像）とに基づいて、焦点状態が検出される。

一方、通常の画像の撮像時は、受光強度分布の偏りを持つ第２の画素は欠陥画素として取り扱われ、第２の画素ではその周辺に位置する画素の補間処理を行って画像信号が生成される。ここで、通常の撮像に使用される「Ｇ」で図示された画素からの出力を利用して焦点状態を検出しており、受光強度分布の偏った第２の画素の数が半減しているため、通常の画像の撮像時の画質の劣化を低減している。

以下、本発明の好適な実施の形態に係るイメージセンサ１０の構成を図３〜図５を用いて説明する。

図３は、撮像素子であるイメージセンサ１０の一部平面図であり、図２のイメージセンサの一部平面の図中で点線で囲った領域の拡大図である。図中、３１１〜３１４は第１の電極、３２１〜３２４は第２の電極をそれぞれ示している。本実施形態では、第１の電極の一部で光電変換領域を覆うことによって、撮影レンズ５の瞳の受光領域を制限するように構成している。

図４は、イメージセンサ１０の一部断面図であり、図３のイメージセンサの一部平面図の中に示した点線矢印部の断面図である。図中右側の画素は、撮影レンズ５の全瞳領域を受光可能な第１の画素を示し、図中左側の画素は、撮影レンズ５の一部の瞳領域からの光束を受光可能な第２の画素を示している。

イメージセンサ１０は、シリコン基板１１０の内部に光電変換部１１１が形成されている。光電変換部１１１で発生した信号電荷は、不図示のフローティングディフュージョン部、第１の電極１３１及び第２の電極１３２を介して外部に出力される。光電変換部１１１と電極１３１との間には層間絶縁膜１２１が形成され、電極１３１と電極１３２との間には層間絶縁膜１２２が形成されている。また、電極１３２の光入射側には層間絶縁膜１２３が形成され、さらにパッシべーション膜１４０、平坦化層１５０が形成されている。平坦化層１５０の光入射側には、カラーフィルタ層１５１、平坦化層１５２及びマイクロレンズ１５３が形成されている。ここで、マイクロレンズ１５３のパワーは、撮影レンズ５の瞳と光電変換部１１１とが略共役になるように設定されている。

撮影レンズ５を透過した被写体光は、イメージセンサ１０近傍に集光する。イメージセンサ１０に到達した光は、マイクロレンズ１５３で屈折され、光電変換部１１１に集光する。通常の撮像にも使用される図中右側の第１の画素では、入射する光を効率的に受光可能なように第１の電極１３１及び第２の電極１３２が配設されている。

一方、通常の撮像時には、欠陥画素として取り扱われる図中左側の第２の画素では、第１の電極１３１（図３のイメージセンサ平面図では３１１及び３１２）の一部が光電変換部１１１を覆うように構成されている。その結果、図中左側の第２の画素では、撮影レンズ５の瞳の一部を透過する光束が受光可能となっている。また、第１の電極１３１が入射光束の一部を遮光しているため、光電変換部１１１の出力が小さくなることを防ぐために、第２の画素のカラーフィルタ層１５４が光を吸収しない樹脂で形成されている。

図５は、イメージセンサの分光感度特性図であり、図中実線は緑色のカラーフィルタ層１５１が形成された第１の画素の分光感度特性を示し、図中点線は無色の樹脂層で構成されたカラーフィルタ層１５４が形成された第２の画素の分光感度特性を示している。撮像装置を構成する撮像素子の第１の画素の分光感度特性と第２の画素の分光感度特性が異なるように構成されている。これにより、撮影レンズの一部の瞳領域を受光する第２の画素の受光効率を向上させ、焦点検出能力を高めることが可能となる。

第２の画素では、広い波長範囲の光を受光可能なように構成されることにより、電極１３１での遮光による光量低下の影響を補うようにされている。

図６は、本発明の好適な実施の形態に係るイメージセンサ１０で生成される撮影レンズ５の線像分布図である。図中実線は撮影レンズ５の全瞳領域を受光可能な第１の画素で生成される線像を示し、図中点線は撮影レンズ５の一部の瞳領域を受光可能な第２の画素で生成される線像を示している。

第１の画素で生成される線像は略対称であるが、第２の画素で生成される線像は非対称となる。そのため、第１の画素で生成される線像の重心と、第２の画素で生成される線像の重心とがずれており、その重心のずれ量は撮影レンズ５のデフォーカス量に略比例する。その結果、第１の画素から得られる被写体像の重心と第２の画素から得られる被写体像の重心との差を演算手段であるＣＰＵ２０で求めることにより、撮影レンズ５の焦点状態が検出される。

図７は、本発明の好適な実施の形態に係るイメージセンサの概略平面図である。図中点線はイメージセンサ１０の象限の区切りを示し、点線の交点は撮影レンズ５の光軸と略一致している。

イメージセンサ１０の周辺領域では、撮影レンズ５のレンズ枠による光束のけられ（いわゆるビネッティング）が発生する。そこで、本発明の好適な実施の形態に係るイメージセンサ１０では、焦点検出の際に使用する第２の画素が各象限毎に撮影レンズ５の受光可能な瞳領域が異なるように構成されている。その結果、撮影レンズ５のレンズ枠による光束のけられを防止し、良好な焦点検出を行うことができる。

本実施形態では、撮影レンズ５の全瞳領域を受光する第１の画素を緑色のカラーフィルタ層１５１が形成された画素とした。しかしながら、例えば、紅葉のような被写体では、赤色のカラーフィルタが形成された画素、海や空を含んだ被写体では青色のカラーフィルタが形成された画素を選択することにより、被写体の色に依存することなく良好な焦点検出が可能となる。このように、撮像装置を構成する撮像素子の第１の画素は、被写体の色に応じて分光感度特性が異なる画素が選択されるように構成されうる。これにより、被写体の色による焦点検出能力の低下を防止することが可能となる。

また、本実施形態では、第１の電極の一部で光電変換領域を覆うことによって撮影レンズ５の瞳の受光領域を制限するように構成した。しかしながら、図８のイメージセンサ１０の一部平面図に示すように、第２の電極３２１及び３２２で光電変換領域を覆うように構成しても構わない。

また、本実施形態では、図中ｘ軸方向に受光分布が異なる第２の画素に基づいて焦点検出方法の説明を行ったが、図中ｙ軸方向に受光分布が異なる第２の画素においても同様である。このように、撮像装置を構成する撮像素子の第２の画素は、撮像素子における位置によって、撮影レンズの瞳の受光領域が異なるように構成されうる。これにより、撮影レンズのレンズ枠によるけられの影響を小さくして、焦点検出能力を向上させることが可能となる。

（第２の実施形態）
図９〜図１０は本発明の好適な第２の実施形態に係るイメージセンサの構成図である。

図９は、撮像素子であるイメージセンサ１０の一部平面図であり、図２のイメージセンサの一部平面図中に点線で囲った領域の拡大図である。図中３１１〜３１４は第１の電極、３２１〜３２４は第２の電極を示している。本実施形態では、タングステン等の遮光部材で構成された遮光層１１３で光電変換領域を覆うことによって、撮影レンズ５の瞳の受光領域を制限するように構成されている。

図１０はイメージセンサ１０の一部断面図であり、図９のイメージセンサの一部平面図の中に示した点線矢印部の断面図である。図中右側の画素は、撮影レンズ５の全瞳領域を受光可能な第１の画素を示し、図中左側の画素は、撮影レンズ５の一部の瞳領域からの光束を受光可能な第２の画素を示している。

イメージセンサ１０は、シリコン基板１１０の内部に光電変換部１１１が形成されている。光電変換部１１１で発生した信号電荷は、不図示のフローティングディフュージョン部、第２の電極１３２を介して外部に出力される。光電変換部１１１と第２の電極１３２との間には層間絶縁膜１２１が形成され、層間絶縁膜１２１と第２の電極１３２との間には層間絶縁膜１２２が形成されている。また、第２の電極１３２の光入射側には層間絶縁膜１２３が形成され、さらにパッシべーション膜１４０、平坦化層１５０が形成されている。平坦化層１５０の光入射側には、カラーフィルタ層１５１、平坦化層１５２及びマイクロレンズ１５３が形成されている。ここで、マイクロレンズ１５３のパワーは、撮影レンズ５の瞳と光電変換部１１１とが略共役になるように設定されている。

撮影レンズ５を透過した被写体光は、イメージセンサ１０近傍に集光する。イメージセンサ１０に到達した光は、マイクロレンズ１５３で屈折されて、光電変換部１１１に集光する。このとき、第２の電極１３２は入射する光を効率的に受光可能なように配設されている。

通常の撮像時には欠陥画素として取り扱われる図中左側の第２の画素では、光電変換を行わない領域に酸化膜層１１２が形成されている。さらに、酸化膜層１１２の光入射側には、タングステンによる遮光層１１３が形成されている。その結果、図中左側の第２の画素では、撮影レンズ５の瞳の一部を透過する光束が受光可能となっている。また、遮光層１１３が入射光束の一部を遮光している。そのため、光電変換部１１１の出力が小さくなることを防ぐために、第２の画素のカラーフィルタ層１５４が光を吸収しない樹脂で形成されている。

第１の実施形態と同様に、第１の画素から得られる被写体像の重心と第２の画素から得られる被写体像の重心との差を演算手段であるＣＰＵ２０で求めることにより、撮影レンズ５の焦点状態が検出される。

１カメラ
１０撮像素子
Ｓ１、Ｓ２焦点検出部

Claims

撮影レンズの全瞳領域を受光する第１の画素と、前記撮影レンズの一部の瞳領域を受光する第２の画素と、で構成された撮像素子と、
前記第２の画素から得られる信号を用いずに前記第１の画素から得られる第１の像と、前記第２の画素から得られる第２の像と、に基づいて前記撮影レンズの焦点状態を算出する演算手段と、
を備えることを特徴とする撮像装置。
前記演算手段は、前記第１の像の重心と、前記第２の像の重心との差を求めることにより、前記撮影レンズの焦点状態を算出することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
前記第１の画素の分光感度特性と、前記第２の画素の分光感度特性と、が異なることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の撮像装置。
前記撮像素子の第１の画素は、分光感度特性が異なる画素を有し、被写体の色に応じて、前記焦点状態の算出に用いる前記第１の画素の分光感度特性が選択されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記撮像素子の第２の画素の受光強度分布は、垂直または水平方向で偏りを持っており、前記撮像素子における位置に応じて前記第２の画素が受光可能な前記撮影レンズの瞳領域を異なるように、前記第２の画素が、前記受光強度分布の前記水平方向における偏りが、前記撮像素子と光軸との交点を通る垂直軸を挟んで対称となるように、かつ前記受光強度分布の前記垂直方向における偏りが、撮像素子と光軸との交点を通る水平軸を挟んで対称となるように前記撮像素子に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の撮像装置。