JP5278165B2 - 焦点検出装置、撮像素子および電子カメラ - Google Patents

Description

本発明は、焦点検出装置、撮像素子および電子カメラに関し、特に、位相差検出方式の焦点検出系を撮像素子に組み込んだ構成の焦点制御技術に関する。

従来より、電子カメラ等の焦点検出技術として、コントラスト検出方式と、位相差検出方式とが知られている。コントラスト検出方式は、撮像素子から出力される画像信号を用いて、撮像光学系によって形成された物体像の先鋭度を所定の関数で評価して求め、関数値が極値をとるように撮像光学系の光軸上の位置を調節するものである。位相差検出方式は、撮像光学系の射出瞳の異なる部分を通過した２光束を用いて物体像をそれぞれ形成し、二つの物体像間の位置的位相差を検出し、これを撮像光学系のデフォーカス量に換算するものである。位相差検出方式ではデフォーカス量を求めることができるため、撮像光学系のレンズの光軸上の位置を僅かに移動させながら評価関数値を求めるコントラスト検出方式よりも、合焦までの時間を短縮することができる。

従来の位相差検出方式では、撮像光学系を通過した光束をコンデンサレンズで２つに分け、２つに分けた光束をセパレータレンズによって（撮像素子とは別の）検出素子上にそれぞれ再結像させていた。近年、そのような構成を省き、撮像素子自体に位相差検出方式の焦点検出系を組み込む技術が知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。

例えば、全画素の光電変換部（フォトダイオード）を２つに分け、それぞれが撮像光学系の射出瞳の異なる領域を透過した光束を受光する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。これにより、画素毎の２つの光電変換部からの電荷信号が、予め求められている合焦状態での電荷信号と対比され、位相差検出方式の焦点検出が行われる。

また、カラーフィルタを設けた画素において光電変換部を分割せずに撮像用とし、カラーフィルタを設けていない画素において光電変換部を２つに分割して焦点検出用とする技術が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。これにより、撮像用の画像信号の読み出しの際にはカラーフィルタを設けた画素からの電荷信号のみが用いられ、焦点検出の際にはカラーフィルタを設けていない画素からの電荷信号のみが用いられ、位相差検出方式の焦点検出が行われる。

特開２００１−８３４０７号公報（図１８） 特開２００３−２４４７１２号公報（図２）

上述の従来技術では、各画素内において２つの光電変換部を離して配置するため、双方の光電変換部の間の領域は受光部としては機能せず、単位画素の受光面積が低下する。このため、光電変換部の最大蓄積電荷数が減少し、ダイナミックレンジが低下する。一部の画素のみを焦点検出用としても、焦点検出用の画素の光電変換部近辺が構造的に最も複雑となるため、画素数増大のために画素の微細化を図る場合、焦点検出用の画素のサイズの限界が撮像素子全体での画素サイズの限界となってしまう。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、位相差検出方式の焦点検出系を撮像素子に組み込んだ構成において、単位画素の受光面積を低下させない技術を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その第１の側面は、撮像光学系からの光を受光して光電変換を行う光電変換部と、上記撮像光学系から上記光電変換部への光路間に配置されて互いに屈折率の異なる第１光学部材および第２光学部材とをそれぞれ備えるともに、上記光電変換部の受光量に応じた第１電荷信号をそれぞれ出力する複数の第１型画素と、上記光電変換部と、上記撮像光学系から上記光電変換部への光路間において上記第１型画素とは上記光電変換部との位置関係が異なるように配置された上記第１光学部材および上記第２光学部材とをそれぞれ備えるとともに、上記光電変換部の受光量に応じた第２電荷信号をそれぞれ出力する複数の第２型画素と、上記複数の第１および第２電荷信号に基づいて上記撮像光学系の結像状態を検出する結像状態検出部とを具備する焦点検出装置である。これにより、上記撮像光学系を透過した光のうち、上記第１電荷信号に寄与する成分と、上記第２電荷信号に寄与する成分とが異なるものになるという作用をもたらす。

また、この第１の側面において、上記複数の第１型画素および上記複数の第２型画素は、上記撮像光学系から上記光電変換部への光路間において上記撮像光学系からの入射光を上記光電変換部に集光させる集光部をさらに備え、上記第１光学部材および上記第２光学部材は、上記集光部と上記光電変換部との間に配置されるようにしてもよい。これにより、上記撮像光学系からの光を効率的に集光するという作用をもたらす。この場合において、さらに、上記第１光学部材および上記第２光学部材が、両者を合わせて上記光電変換部全体に対向するように、かつ、両者が上記光電変換部にそれぞれ対向する面が互いに異なるように、かつ、両者が上記撮像光学系の光軸方向において互いに重ならないように配置され、上記複数の第１型画素内の上記第１光学部材と上記第２光学部材との境界面の位置と、上記複数の第２型画素内の上記第１光学部材と上記第２光学部材との境界面の位置とが、上記光軸方向に上記光電変換部の中央を通る軸に対して反対側になるように上記第１光学部材および上記第２光学部材が配置されるようにしてもよい。これにより、上記第１型画素と上記第２型画素とで、上記撮像光学系の異なる領域からの光を選択的に集光するという作用をもたらす。

また、この第１の側面において、上記複数の第１型画素および上記複数の第２型画素は、上記撮像光学系から上記光電変換部への光路間において上記撮像光学系からの入射光を光電変換部に集光させる集光部をさらに備え、上記第１光学部材および上記第２光学部材は、上記撮像光学系と上記集光部との間に配置されるようにしてもよい。これにより、上記撮像光学系からの光を上記光電変換部まで効率的に集光するという作用をもたらす。

また、この第１の側面において、上記複数の第１型画素および上記複数の第２型画素は、上記撮像光学系から上記光電変換部への光路間において所定の波長域の光を選択的に透過させる光学フィルタをそれぞれ備えるようにしてもよい。これにより、上記複数の第１型画素および上記複数の第２型画素への入射光を、所定の波長域に制限させるという作用をもたらす。

また、この第１の側面において、上記複数の第１型画素の各々は、上記撮像光学系から上記光電変換部への光路間において、所定の波長域の光を選択的に透過させる第１光学フィルタ、または、上記第１光学フィルタとは異なる波長域の光を選択的に透過させる第２光学フィルタの何れか一方をさらに備え、上記複数の第２型画素の各々は、上記撮像光学系から上記光電変換部への光路間において、上記第１光学フィルタまたは上記第２光学フィルタの何れか一方をさらに備えるようにしてもよい。これにより、一部の上記第１型画素への入射光と、他の上記第１型画素へ入射光とで、その波長域が異なるものになるという作用をもたらす。また、一部の上記第２型画素への入射光と、他の上記第２型画素へ入射光とで、その波長域が異なるものになるという作用をもたらす。

また、この第１の側面において、上記複数の第１型画素の各々および上記複数の第２型画素の各々は、上記第１光学部材および上記第２光学部材と上記光電変換部との間の位置に、上記撮像光学系からの入射光を反射によって上記光電変換部に導く導波部材をさらに備えるようにしてもよい。これにより、上記第１光学部材または上記第２光学部材を透過して上記光電変換部に入射する光の光路が長くなるという作用をもたらす。

また、この第１の側面において、上記第１光学部材と上記第２光学部材の少なくとも一方は、単結晶シリコン、アモルファスシリコン、ポリシリコン、ゲルマニウム、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、シロキサン、タングステン、アルミニウム、銅の何れかの材料によって形成することができる。これにより、適切な製造工程を経ることで、第１光学部材または上記第２光学部材を単一材料で形成させるという作用をもたらす。

また、この第１の側面において、上記第１光学部材または上記第２光学部材の少なくとも一方は、上記撮像光学系側の表面において、内部よりも反射率の低い光学材料の膜が積層されたものであってもよい。これにより、上記撮像光学系からの光を上記光電変換部まで効率的に集光するという作用をもたらす。

また、本発明の第２の側面は、撮像光学系からの光を受光して光電変換を行う光電変換部と、上記撮像光学系からの入射光を上記光電変換部に集光させる集光部と、上記撮像光学系から上記光電変換部への光路間に形成された光学層とをそれぞれ備えるとともに、上記光電変換部の受光量に応じた第１電荷信号をそれぞれ出力する複数の第１型画素と、上記光電変換部と、上記集光部と、上記撮像光学系から上記光電変換部への光路間に形成された上記光学層とをそれぞれ備えるとともに、上記光電変換部の受光量に応じた第２電荷信号をそれぞれ出力する複数の第２型画素と、上記複数の第１および第２電荷信号に基づいて上記撮像光学系の結像状態を検出する結像状態検出部とを具備する焦点検出装置であって、上記複数の第１型画素の各々および上記複数の第２型画素の各々は、上記光学層とは屈折率の異なる光学部材をさらに備え、上記複数の第１型画素および上記複数の第２型画素における上記光学部材は、その外縁と、上記撮像光学系の光軸方向に上記光電変換部の中央を通る直線とが離れるように、かつ、上記光電変換部の一部のみに対向するように配置され、上記複数の第１型画素の上記光学部材における上記直線側の一端の位置と、上記複数の第２型画素の上記光学部材における上記直線側の一端の位置とが、上記直線に対して反対側になるように上記光学部材が配置される焦点検出装置である。これにより、上記第１型画素と上記第２型画素とで、上記撮像光学系の異なる領域からの光を選択的に集光するという作用をもたらす。

また、この第２の側面において、上記第１光学部材または上記第２光学部材の少なくとも一方は、上記撮像光学系側の表面において、内部よりも反射率の低い光学材料の膜が積層されたものであってもよい。これにより、上記撮像光学系からの光を上記光電変換部まで効率的に集光するという作用をもたらす。

また、本発明の第３の側面は、撮像光学系からの光を受光して光電変換を行う光電変換部と、屈折率の異なる複数の光学材料の膜を積層したものであって上記撮像光学系から上記光電変換部への光路間において上記光電変換部の一部のみに対向するように配置された光学部材とをそれぞれ備えるとともに、上記光電変換部の受光量に応じた第１電荷信号をそれぞれ出力する複数の第１型画素と、上記光電変換部と、上記撮像光学系から上記光電変換部への光路間において上記第１型画素とは上記光電変換部との位置関係が異なるように配置された上記光学部材とをそれぞれ備えるとともに、上記光電変換部の受光量に応じた第２電荷信号をそれぞれ出力する複数の第２型画素と、上記複数の第１および第２電荷信号に基づいて上記撮像光学系の結像状態を検出する結像状態検出部とを具備する焦点検出装置である。これにより、上記光学部材の大きさおよび配置を適切に選択すれば、上記撮像光学系を透過した光のうち、上記第１電荷信号に寄与する成分と、上記第２電荷信号に寄与する成分とが異なるものになるという作用をもたらす。

また、この第３の側面において、上記光学部材は、積層面の法線が上記撮像光学系の光軸方向に直交するように屈折率の異なる複数の光学材料の膜を交互に積層したものであってもよい。これにより、上記光学部材の積層面に対して斜めに入射する光は、透過後に位相差が生じるという作用をもたらす。

また、本発明の第４の側面は、撮像光学系からの光を受光して光電変換を行う光電変換部と、上記撮像光学系からの上記光電変換部への光路間に形成された光学層と、上記光学層内に配置されて上記光学層よりも屈折率が高い第１導波路と、上記光学層内において上記第１導波路に隣接して配置されて上記第１導波路よりも屈折率が高い第２導波路とをそれぞれ備えるとともに、上記光電変換部の受光量に応じた第１電荷信号をそれぞれ出力する複数の第１型画素と、上記光電変換部と、上記撮像光学系からの上記光電変換部への光路間に形成された上記光学層と、上記第１型画素とは上記光電変換部との位置関係が異なるように上記光学層内において互いに隣接して配置された上記第１導波路および上記第２導波路とをそれぞれ備えるとともに、上記光電変換部の受光量に応じた第２電荷信号をそれぞれ出力する複数の第２型画素と、上記複数の第１および第２電荷信号に基づいて上記撮像光学系の結像状態を検出する結像状態検出部とを具備する焦点検出装置である。これにより、上記撮像光学系を透過した光のうち、上記第１電荷信号に寄与する成分と、上記第２電荷信号に寄与する成分とが異なるものになるという作用をもたらす。

また、この第４の側面において、上記複数の第１型画素および上記複数の第２型画素は、上記光路間において上記撮像光学系からの入射光を上記光電変換部に集光させる集光部を備え、上記複数の第１型画素内の上記第１導波路および上記第２導波路の位置関係と、上記複数の第２型画素内の上記第１導波路および上記第２導波路の位置関係とが、上記撮像光学系の光軸方向に上記光電変換部の中央を通る軸に対して対称になるように、上記第１光学部材および上記第２光学部材が配置されるようにしてもよい。これにより、上記第１型画素と上記第２型画素とで、上記撮像光学系の異なる領域からの光を選択的に集光するという作用をもたらす。

また、本発明の第５の側面は、撮像光学系からの光を受光して光電変換を行う光電変換部と、上記撮像光学系から上記光電変換部への光路間に配置されて互いに屈折率の異なる第１光学部材および第２光学部材とをそれぞれ備えるとともに、上記光電変換部の受光量に応じた第１電荷信号をそれぞれ出力する複数の第１型画素と、上記光電変換部と、上記撮像光学系から上記光電変換部への光路間において上記第１型画素とは上記光電変換部との位置関係が異なるように配置された上記第１光学部材および上記第２光学部材とをそれぞれ備えるとともに、上記光電変換部の受光量に応じた第２電荷信号をそれぞれ出力する複数の第２型画素と、上記光電変換部をそれぞれ備えるとともに、上記光電変換部の受光量に応じた第３電荷信号をそれぞれ出力する複数の撮像画素とを具備する撮像素子である。これにより、上記第１光学部材および上記第２光学部材の配置を適切に選択すれば、上記撮像光学系を透過した光のうち、上記第１電荷信号に寄与する成分と、上記第２電荷信号に寄与する成分とが異なるものとなるという作用をもたらす。

また、本発明の第６の側面は、撮像光学系からの光を受光して光電変換を行う光電変換部と、上記撮像光学系から上記光電変換部への光路間に配置されて互いに屈折率の異なる第１光学部材および第２光学部材とをそれぞれ備えるとともに、上記光電変換部の受光量に応じた第１電荷信号をそれぞれ出力する複数の第１型画素と、上記光電変換部と、上記撮像光学系から上記光電変換部への光路間において上記第１型画素とは上記光電変換部との位置関係が異なるように配置された上記第１光学部材および上記第２光学部材とをそれぞれ備えるとともに、上記光電変換部の受光量に応じた第２電荷信号をそれぞれ出力する複数の第２型画素と、上記光電変換部をそれぞれ備えるとともに、上記光電変換部の受光量に応じた第３電荷信号をそれぞれ出力する複数の撮像画素と、上記複数の第３電荷信号に基づいて画像データを生成する信号処理部と、上記複数の第１および第２電荷信号に基づいて上記撮像光学系の結像状態を検出する結像状態検出部と、結像状態検出部が求めた上記結像状態に基づいて合焦位置に近づくように上記撮像光学系のレンズ位置を調整する焦点制御部とを具備する電子カメラである。これにより、上記撮像光学系を透過した光のうち、上記第１電荷信号に寄与する成分と、上記第２電荷信号に寄与する成分とが異なるものになるという作用をもたらす。

本発明によれば、位相差検出方式の焦点検出系を撮像素子に組み込んだ構成において、焦点検出用の画素の光電変換部を分割する必要がないため、単位画素の受光面積を低下させずに済むという優れた効果を奏し得る。

本発明の第１の実施の形態におけるカメラシステムのブロック図である。 本発明の第１の実施の形態における撮像素子の画素配列を示す平面模式図である。 図２において、焦点検出画素が配置された中央の画素列近辺の拡大図である。 本発明の第１の実施の形態における撮像素子の撮像画素の説明図である。 本発明の第１の実施の形態の撮像素子における、撮像光学系の下側の領域からの光を集光する焦点検出画素の説明図である。 低屈折フィルタを透過後と、高屈折フィルタを透過後の透過光の位相の違いを示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態の撮像素子における、撮像光学系の上側の領域からの光を集光する焦点検出画素の説明図である。 前ピンの場合、合焦の場合、後ピンの場合における各焦点検出画素への入射光強度を示す説明図である。 本発明の第２の実施の形態のカメラシステムにおける撮像素子の焦点検出画素の断面模式図である。 本発明の第３の実施の形態のカメラシステムの撮像素子における、撮像光学系の上側の領域からの光を集光する焦点検出画素の断面模式図である。 本発明の第３の実施の形態のカメラシステムの撮像素子における、撮像光学系の下側の領域からの光を集光する焦点検出画素の断面模式図である。 本発明の第３の実施の形態の焦点検出画素において、高屈折フィルタの表面に反射防止膜を積層した構造を示す断面模式図である。 本発明の第１の実施の形態の変形例の焦点検出画素において、低屈折フィルタおよび高屈折フィルタの表面に反射防止膜を積層した構造を示す断面模式図である。 本発明の第４の実施の形態のカメラシステムにおける撮像素子の焦点検出画素の断面模式図である。 本発明の第５の実施の形態のカメラシステムにおける撮像素子の焦点検出画素の断面模式図である。 本発明の第６の実施の形態のカメラシステムにおける撮像素子の焦点検出画素の断面模式図である。 本発明の第７の実施の形態のカメラシステムにおける撮像素子の焦点検出画素の断面模式図である。 本発明の実施の形態において、撮像光学系の上側または下側の領域からの光を集光する４つの焦点検出画素の屈折フィルタの配置の第１の例を示す断面模式図である。 本発明の実施の形態において、撮像光学系の上側または下側の領域からの光を集光する４つの焦点検出画素の屈折フィルタの配置の第２の例を示す断面模式図である。 本発明の実施の形態において、撮像光学系の上側または下側の領域からの光を集光する４つの焦点検出画素の屈折フィルタの配置の第３の例を示す断面模式図である。 本発明の実施の形態において、撮像光学系の上側または下側の領域からの光を集光する４つの焦点検出画素の屈折フィルタの配置の第４の例を示す断面模式図である。 緑色光を選択的に透過させる画素および赤色光を選択的に透過させる画素の双方を焦点検出画素とした第１の実施の形態の変形例における、撮像光学系の上側または下側の領域からの光を集光する４画素の断面模式図である。 本発明の実施の形態の撮像素子全体における、焦点検出画素の配置の変形例を示す平面模式図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施の形態と称する）について説明する。説明は以下の順序により行う。
１．第１の実施の形態（本発明に係る屈折率の異なる２つのフィルタを設けた焦点検出装置を搭載したカメラシステムの例）
２．第２の実施の形態（カラーフィルタを省いた構成の例）
３．第３の実施の形態（低屈折フィルタを省いた構成の例）
４．第４の実施の形態（積層フィルタを設けた構成の例）
５．第５の実施の形態（フィルタをマイクロレンズよりも撮像光学系側に配置した構成の例）
６．第６の実施の形態（導波部材をさらに設けた構成の例）
７．第７の実施の形態（中屈折性導波路および高屈折性導波路を設けた構成の例）
８．本発明の実施の形態の焦点検出画素の屈折フィルタの配置に係る変形例
９．本発明の実施の形態のカラーフィルタの配置に係る変形例
１０．本発明の実施の形態の焦点検出画素の撮像素子内での配置に係る変形例

＜１．第１の実施の形態＞
［カメラシステムの全体の構成例］
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるカメラシステム１００のブロック図である。カメラシステム１００は、交換可能な撮像レンズユニット２００と記録媒体３００とを電子カメラ４００に装着または挿入することで構成されている。

撮像レンズユニット２００は、被写体からの光量を調節し、被写体の光像を電子カメラ４００内の撮像素子５００の画素配列面上に結像させるものである。この撮像レンズユニット２００は、撮像光学系２１０と、絞り駆動機構２２０と、レンズ駆動機構２３０と、レンズ制御部２４０とを備える。

撮像光学系２１０は、被写体の光像を結像させるものである。この撮像光学系２１０は、被写体からの光を集光する凸レンズ２１２と、透過光量を調整する絞り２１４と、凹レンズ２１６とを備える。なお、図では煩雑となるため２枚のレンズ（２１２、２１６）のみを示したが、実際には多数のレンズから構成されることが多い。

レンズ制御部２４０は、次の２つの機能を備えるものである。第１に、後述の撮像制御部４２２の指令に従って絞り駆動機構２２０を制御することで、適正な露出条件となるように絞り２１４を調節する機能である。第２に、後述の焦点制御部４１８の指令に従ってレンズ駆動機構２３０を制御することで、凸レンズ２１２および凹レンズ２１６の位置を撮像光学系２１０の光軸上において調節し、ピントを合わせる機能である。

電子カメラ４００は、被写体の光像を撮像レンズユニット２００により撮像素子５００の画素配列面上に結像させ、被写体画像の画像データを生成し、生成した画像データを記録媒体３００に記録するものである。この電子カメラ４００は、シャッタ４０６と、撮像素子５００と、Ａ／Ｄ変換部４１０と、アナログ信号処理部４１２と、タイミングジェネレータ４１４と、シャッタ駆動機構４１６と、焦点制御部４１８と、結像位置検出部４２０と、撮像制御部４２２とを備える。また、電子カメラ４００は、液晶表示素子４０２と、液晶表示素子駆動回路４０４と、操作部４２４と、システムバス４２６と、記録部４２８と、メモリ４３０と、画像処理部４３２とをさらに備える。

撮像制御部４２２は、システムバス４２６を介して電子カメラ４００のシステム制御を行うものである。

シャッタ４０６は、撮像素子５００の画素配列面の露光時間を制御するものであり、先幕および後幕を備える。

シャッタ駆動機構４１６は、撮像制御部４２２の指令に従ってシャッタ４０６の先幕および後幕の走行を制御するものである。

タイミングジェネレータ４１４は、撮像制御部４２２の指令に従って撮像素子５００を駆動するものである。

撮像素子５００は、撮像光学系２１０からの光を受けて光電変換を行うものである。この撮像素子５００は、位相差検出方式の焦点検出に用いられる電荷信号を出力する複数の焦点検出画素と、多数の撮像画素とを備える。なお、本明細書における「撮像画素」とは、いわゆる有効画素を指し、オプティカルブラックではなく、その電荷信号が撮像画像の画像データの生成に用いられる画素である。焦点検出画素および撮像画素はそれぞれ、受光量に応じた電荷を蓄積し、（アナログの）電荷信号を出力する。

アナログ信号処理部４１２は、撮像素子５００から出力される各画素の電荷信号にクランプ処理、感度補正処理等が施すものである。

Ａ／Ｄ変換部４１０は、アナログ信号処理部４１２によって所定の処理がされた各画素の（アナログの）電荷信号をデジタル信号に変換するものである。

画像処理部４３２は、Ａ／Ｄ変換部４１０から出力される全画素のデジタル信号から撮像画素のデジタル信号を抽出して色補間処理等を施し、画像データを生成するものである。

記録部４２８は、画像処理部４３２により生成された画像データを記録媒体３００に記録するものである。

液晶表示素子駆動回路４０４は、撮像制御部４２２の指令に従って、画像処理部４３２が生成した画像データを画像として液晶表示素子４０２に表示させるものである。

液晶表示素子４０２は、シャッタチャンスを伺っている間の被写体を動画像として表示し、また、撮像後には生成された静止画像を表示するものである。

システムバス４２６は、Ａ／Ｄ変換部４１０から出力されたデジタル信号および画像データの転送と、撮像制御部４２２による制御信号の伝達に用いられるものである。

結像位置検出部４２０は、焦点検出画素の電荷信号に対応するデジタル信号に基づいて、撮像光学系２１０の光軸上における焦点面の位置を検出するものである。

焦点制御部４１８は、結像位置検出部４２０が検出した焦点面の位置に基づいて、レンズ制御部２４０を介してレンズ駆動機構２３０を制御することで、焦点面を撮像素子５００の画素配列面上に合わせるものである。

メモリ４３０は、所定のフォーマットへのデータ変換や加工が行われる前の画像データ等を一時的に記憶するものである。

操作部４２４は、ユーザからの操作入力を受け付けるものであり、露出条件の設定釦、レリーズ釦等（図示せず）を備える。

本実施の形態の主な特徴は、位相差検出方式の焦点検出系を組み込んだ撮像素子５００の焦点検出画素の構造にあり、その他の構成は従来のカメラシステムと同様であるため説明を省略する。

なお、結像位置検出部４２０は、特許請求の範囲に記載の結像状態検出部の一例である。また、撮像素子５００、アナログ信号処理部４１２、Ａ／Ｄ変換部４１０および結像位置検出部４２０は、特許請求の範囲に記載の焦点検出装置の一例である。また、アナログ信号処理部４１２、Ａ／Ｄ変換部４１０および画像処理部４３２は、特許請求の範囲に記載の信号処理部の一例である。

［撮像素子の画素配列］
図２は、撮像素子５００の画素配列を示す平面模式図である。図の左上にＲ、Ｇ、Ｂで示すように、撮像素子５００は、焦点検出画素を除き、赤（：Ｒｅｄ）、緑（：Ｇｒｅｅｎ）、青（：Ｂｌｕｅ）の３原色に対応する画素をベイヤー正方配列としたものである。すなわち、図において斜線のパターンで示した画素が青色光を選択的に受光する画素である。また、細かい点による灰色のパターンで示した画素が赤色光を選択的に受光する画素である。また、何もパターンを施していない画素が緑色光を選択的に受光する画素である。

図の中央の画素列において「上」、「下」と記載した画素および中央の画素行において「左」、「右」と記載した画素は、焦点検出画素である。「上」は撮像光学系２１０の上側の領域を透過した光を選択的に集光する画素である。同様に、「下」は撮像光学系２１０の下側、「左」は撮像光学系２１０の左側、「右」は撮像光学系２１０の右側の各領域を透過した光を選択的に集光する画素である。なお、図では煩雑となるため２９行×４５列の画素数で示したが、実際には例えば約１０００万個の画素が配列される。

図３は、図２において、焦点検出画素が配置された中央の画素列と、その左側２列の画素列の拡大図である。図３は、撮像光学系２１０の上側の領域からの光を集光する５個の焦点検出画素について、後述の説明に用いるため、上領域検出画素５０１、５０２、５０３、５０４、５０５の符号を付したものである。同様に、撮像光学系２１０の下側の領域からの光を集光する５個の焦点検出画素について、下領域検出画素５０６、５０７、５０８、５０９、５１０の符号を付したものである。

［撮像素子の撮像画素の構造］
図４は、緑色成分に対応する撮像画素の説明図であり、（ａ）はその断面模式図であり、（ｂ）はそのフォトダイオード５２８の領域毎の入射光強度を示す。図４（ａ）に示すように、撮像画素は、マイクロレンズ５２２と、カラーフィルタ５２４と、素子間分離領域５２６と、フォトダイオード５２８と、シリコン酸化膜５３０とをシリコン基板（図示せず）上に形成した構造である。

マイクロレンズ５２２は、撮像光学系２１０からの光をフォトダイオード５２８上に集光させるものである。

カラーフィルタ５２４は、緑色光を選択的に透過させるものである。

素子間分離領域５２６は、フォトダイオード５２８を他の領域から電気的に分離するものである。

シリコン酸化膜５３０は、マイクロレンズ５２２およびカラーフィルタ５２４を透過した光をフォトダイオード５２８まで透過させるものである。また、シリコン酸化膜５３０は、フォトダイオード５２８と、カラーフィルタ５２４との間の領域全体であり、画素間で繋がっている。素子間分離領域５２６は、例えばＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）や、ＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）等によって形成される。

図４（ａ）におけるフォトダイオード５２８は、図２の画素配列の列方向（いわゆる垂直方向）において下側のＡ領域５２８ａ、真ん中のＢ領域５２８ｂ、上側のＣ領域５２８ｃの３つに均等に分けている。これは、入射光強度の説明上分けたものであり、実際にはそのように分かれておらず、一体形成されている（後述の図５、図７、図９乃至図２０についても同様）。図中の丸で囲った「−」の印は、信号電荷の自由電子を示すが、フォトダイオード５２８およびその周辺領域のＮ型、Ｐ型の導電型を反対にし、正孔を信号電荷としてもよい。

図４（ａ）における破線は、撮像光学系２１０の上側の領域を透過してマイクロレンズ５２２に入射する光Ｌα（以下、適宜光Ｌαと略記する）の光路を示す。また、一点鎖線は、撮像光学系２１０の下側の領域を透過してマイクロレンズ５２２に入射する光Ｌβ（以下、適宜光Ｌβと略記する）の光路を示す。また、実線の矢印は、マイクロレンズ５２２の光軸に平行に入射する光の光路を示す。以上の表記は他の図においても同様である。なお、マイクロレンズ５２２の光軸方向は、撮像光学系２１０の光軸方向に一致する。

撮像光学系２１０を透過してきた光は、各画素に配置されたマイクロレンズ５２２により屈折され、カラーフィルタ５２４を透過して、緑色光近辺の波長域に制限される。そして、カラーフィルタ５２４を透過した光は、シリコン酸化膜５３０を透過して、光電変換を行うフォトダイオード５２８に入射する。

このとき、撮像光学系２１０の上側の領域からの光Ｌαは、マイクロレンズ５２２によりフォトダイオード５２８の下側のＡ領域５２８ａに集光される。また、撮像光学系２１０の下側の領域からの光Ｌβは、マイクロレンズ５２２によりフォトダイオード５２８の上側のＣ領域５２８ｃに集光される。また、マイクロレンズ５２２の光軸に平行に入射する光は、Ｂ領域５２８ｂに集光される。したがって、図４（ｂ）に示すように、撮像画素では、フォトダイオード５２８の各領域に入射光の強度は、ほぼ均一になる。

なお、光Ｌα、光Ｌβ、マイクロレンズ５２２の光軸に平行に入射する光の３方向からの入射光は、その位相が完全に揃っているとは限らない。しかし、ある一方向から発せられて撮像光学系２１０を透過する光であって、マイクロレンズ５２２の口径である例えば数μｍの小さいエリアに入射する光であれば、光の位相はほぼ揃っていると考えられる。したがって、ある一方向から発せられてマイクロレンズ５２２を透過する光は、フォトダイオード５２８に入射するまでの光路において、干渉により弱められることは殆どない。

[撮像素子の焦点検出画素の構造]
図５は、撮像光学系２１０の下側の領域を透過した光Ｌβを集光する焦点検出画素の説明図であり、（ａ）はその断面模式図であり、（ｂ）はフォトダイオード５２８の領域毎の入射光強度を示す。

撮像画素と、焦点検出画素との相違点は、以下の点である。すなわち、焦点検出画素のシリコン酸化膜５３０中には、本実施の形態の特徴である低屈折フィルタ５５０および高屈折フィルタ５６０が、両方でフォトダイオード５２８全体に対向する位置および形状で配置されている。なお、本明細書での「対向する」とは、互いに離れているが、マイクロレンズ５２２の光軸方向（各画素が形成されている不図示のシリコン基板の厚さ方向であって、撮像光学系２１０の光軸方向でもある）に見て、重なることを意味する。また、マイクロレンズ５２２は、その光軸がフォトダイオード５２８の中心（Ｂ領域５２８ｂの中心）を通るように配置される。

なお、フォトダイオード５２８は、特許請求の範囲に記載の光電変換部の一例である。また、低屈折フィルタ５５０および高屈折フィルタ５６０のうち、一方が特許請求の範囲に記載の第１光学部材の一例であり、他方が特許請求の範囲に記載の第２光学部材の一例である。また、マイクロレンズ５２２は、特許請求の範囲に記載の集光部の一例である。また、カラーフィルタ５２４は、特許請求の範囲に記載の光学フィルタの一例である。また、マイクロレンズ５２２の光軸は、特許請求の範囲に記載の「光軸方向に前記光電変換部の中央を通る軸」の一例である。

低屈折フィルタ５５０および高屈折フィルタ５６０は、その厚さが等しく、その厚さ方向がマイクロレンズ５２２の光軸方向に一致するように配置されている。図５（ａ）に示す焦点検出画素では、低屈折フィルタ５５０の方が、高屈折フィルタ５６０よりもフォトダイオード５２８との対向面積が大きい。

具体的には、低屈折フィルタ５５０と高屈折フィルタ５６０との境界面は、以下の条件を満たす位置に配置される。すなわち、光Ｌβの全てが高屈折フィルタ５６０を透過せずに低屈折フィルタ５５０を透過し、かつ、光Ｌαが低屈折フィルタ５５０と高屈折フィルタ５６０の両方を透過するという条件である。したがって、低屈折フィルタ５５０と高屈折フィルタ５６０との境界面は、マイクロレンズ５２２の光軸よりも下側（フォトダイオード５２８のＡ領域５２８ａ側）に位置する。なお、低屈折フィルタ５５０および高屈折フィルタ５６０に用いる光学材料については後述する。

図６は、低屈折フィルタ５５０を透過後または高屈折フィルタ５６０を透過後の透過光の位相の違いを示す説明図である。なお、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す３つの光の進行波は、図の左側の一点鎖線の枠内を比較すれば分かるように、もとは位相が揃っている。図６（ｂ）は、比較として、同じ媒体中を光が進行した場合を示す。

図６（ａ）に示すように、ある媒体中から、相対的に屈折率の低い媒体（低屈折フィルタ５５０が対応）中に光が進行していく場合、屈折率の低い媒体中では、光の波長が相対的に長くなる。一方、図６（ｃ）に示すように、ある媒体中から、相対的に屈折率の高い媒体（高屈折フィルタ５６０が対応）中に光が進行していく場合、屈折率の高い媒体中では、光の波長が相対的に短くなる。

この性質を利用して、本実施の形態では、低屈折フィルタ５５０の屈折率をｎ１、高屈折フィルタ５６０の屈折率をｎ２、両者の厚さをｄ（ナノメートル）、光の波長λ（ナノメートル）とした場合に、次式を満たすように屈折率ｎ１、ｎ２、厚さｄを選択している。
（ｎ２−ｎ１）×ｄ＝λ÷２・・・（１）

これにより、マイクロレンズ５２２を透過した光が同じ位相で低屈折フィルタ５５０、高屈折フィルタ５６０にそれぞれ入射した場合、透過光の位相は、図６の右側の破線の枠内における（ａ）と（ｃ）の進行波のように、互いに１８０°ずれる。波長と振幅が同じであって、位相が１８０°ずれた光同士が干渉した場合、光の強度はゼロとなる。

上述の原理に基づき、図５について再度説明する。撮像光学系２１０の上側の領域からの光Ｌαは、図では２本の破線のみを示したが、実際にはこの２本の破線に挟まれた内側の光が集光する。光Ｌαは、約半分が低屈折フィルタ５５０を透過し、残りが高屈折フィルタ５６０を透過するため、双方の透過光の位相が１８０°ずれる。このため、光Ｌαは、フォトダイオード５２８のＡ領域５２８ａに入射する時点では、干渉により光強度は弱くなる。

光Ｌαのうち、低屈折フィルタ５５０を透過する光と、高屈折フィルタ５６０を透過する光の割合が同じであれば、原理的にはフォトダイオード５２８のＡ領域５２８ａへの入射光強度はゼロとなる。しかし、図５（ａ）に示す焦点検出画素の場合、低屈折フィルタ５５０と高屈折フィルタ５６０との境界面は、光Ｌαの半分より多くが高屈折フィルタ５６０を透過する位置にあるため、Ａ領域５２８ａへの入射光強度はゼロにはならない。

撮像光学系２１０の下側の領域からの光Ｌβは、マイクロレンズ５２２により屈折して、高屈折フィルタ５６０を透過せずに低屈折フィルタ５５０のみを透過するため、位相の異なる光同士の干渉は生じない。このため、フォトダイオード５２８のＣ領域５２８ｃへの入射光強度は、弱められない。したがって、図５（ａ）の焦点検出画素では、撮像光学系２１０の上側の領域からの光Ｌαは殆ど集光されずに、撮像光学系２１０の下側の領域からの光Ｌβが選択的に集光され、フォトダイオード５２８の各領域への入射光強度は図５（ｂ）に示すようになる。

なお、光Ｌαの干渉はシリコン酸化膜５３０内で生じるが、光はフォトダイオード５２８の構成物質であるシリコン中も透過するため、フォトダイオード５２８中でも干渉が生じる。赤色光は、光の半分が吸収されるためには、シリコン酸化膜５３０とフォトダイオード５２８との界面から深さ３μｍの位置まで達する必要がある。したがって、赤色光については、フォトダイオード５２８内においても、位相差が１８０°ずれた光Ｌαの干渉が十分に生じる。一方、赤色光よりも波長が短い青色光は、シリコン酸化膜５３０とフォトダイオード５２８との界面から深さ０.３μｍの位置において光の半分が吸収されるため、フォトダイオード５２８内における光の干渉は、赤色光ほどは生じない。

図７は、撮像光学系２１０の上側の領域からの光Ｌαを集光する焦点検出画素の説明図であり、（ａ）はその断面模式図であり、（ｂ）はフォトダイオード５２８の領域毎の入射光強度を示す。図５（ａ）に示した撮像光学系２１０の下側の領域からの光Ｌβを集光する焦点検出画素との相違点は、低屈折フィルタ５５０および高屈折フィルタ５６０の大きさおよび配置のみである。低屈折フィルタ５５０および高屈折フィルタ５６０が両者を合わせてフォトダイオード５２８全体に対向するように配置される点と、両者の厚さ方向がマイクロレンズ５２２の光軸方向に一致するように配置される点は、同じである。

図７（ａ）に示す焦点検出画素では、高屈折フィルタ５６０の方が、低屈折フィルタ５５０よりもフォトダイオード５２８との対向面積が大きい。具体的には、低屈折フィルタ５５０と高屈折フィルタ５６０との境界面は、次の条件を満たす位置にある。

すなわち、光Ｌαの全てが低屈折フィルタ５５０を透過せずに高屈折フィルタ５６０を透過し、かつ、光Ｌβが低屈折フィルタ５５０および高屈折フィルタ５６０の両方を透過するという条件である。このため、低屈折フィルタ５５０と高屈折フィルタ５６０との境界面は、図５（ａ）に示した焦点検出画素とは対称的に、マイクロレンズ５２２の光軸よりも図の上側に位置する。

したがって、撮像光学系２１０の上側の領域からの光Ｌαは、高屈折フィルタ５６０のみを透過するため、位相の異なる光同士の干渉は生じない。このため、フォトダイオード５２８のＡ領域５２８ａへの入射光強度は、弱められない。一方、撮像光学系２１０の下側の領域からの光Ｌβは、約半分が低屈折フィルタ５５０を透過し、残りが高屈折フィルタ５６０を透過するため、双方の透過光の位相が１８０°ずれる。このため、光Ｌβは、フォトダイオード５２８のＣ領域５２８ｃに入射する時点では干渉により光強度は弱くなる。この結果、図７（ａ）の焦点検出画素では、撮像光学系２１０の上側の領域からの光Ｌαが選択的に集光され、フォトダイオード５２８の各領域への入射光強度は図７（ｂ）に示すようになる。

なお、図７（ａ）に示した光Ｌαを集光する焦点検出画素および図５（ａ）に示した光Ｌβを集光する焦点検出画素のうち、一方が特許請求の範囲に記載の第１型画素の一例であり、他方が特許請求の範囲に記載の第２型画素の一例である。

［焦点検出の原理］
図８は、焦点検出画素への入射光強度を示す説明図である。図８（ａ）は、焦点面が撮像素子５００の画素配列面よりも撮像光学系２１０側に位置する場合（前ピンの場合）を示す。図８（ｂ）は合焦の場合を示し、図８（ｃ）は、焦点面が撮像素子５００の内部側に位置する場合（後ピンの場合）を示す。なお、説明の簡単化のため、図では撮像光学系２１０は一枚のレンズとして表記している。

図３で符号を示したように、図８における上領域検出画素５０１乃至５０５は、図７（ａ）に示した撮像光学系２１０の上側の領域からの光Ｌαを集光する焦点検出画素である。また、図８における下領域検出画素５０６乃至５１０は、図５（ａ）に示した撮像光学系２１０の下側の領域からの光Ｌβを集光する焦点検出画素である。図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）では、下領域検出画素５０６乃至５１０の入射光強度を左側に示し、その右側に、上領域検出画素５０１乃至５０５の入射光強度を示した。

以下の説明では、撮像光学系２１０の光軸上の一直線の輝点（図示せず）から放射された光が撮像光学系２１０に入射するものとする。図８では説明の簡単化のため、撮像光学系２１０の上側の領域からの光に相当するＬα、撮像光学系２１０の下側の領域からの光に相当するＬβ、撮像光学系２１０の光軸方向の光Ｌγの３方向からの放射光のみを示した。これら３方向の光Ｌα、Ｌβ、Ｌγは、撮像光学系２１０により屈折し、撮像素子５００に入射する。

撮像光学系２１０内の凸レンズ２１２、凹レンズ２１６の位置を調整し、撮像素子５００の画素配列面上に焦点を合わせた場合、上領域検出画素５０１乃至５０５と、下領域検出画素５０６乃至５１０への入射光強度は、図８（ｂ）に示すようになる。

より詳細には、上領域検出画素５０３と下領域検出画素５０８の間の画素が、撮像素子５００の画素配列において中心に位置する画素、すなわち、撮像光学系２１０の光軸上の画素である。したがって、光Ｌα、Ｌβ、Ｌγは、撮像光学系２１０により屈折し、この光軸上の画素を中心に集光する。このため、上領域検出画素５０３と下領域検出画素５０８において入射光強度は高くなり、光軸上の画素から離れるほど入射光強度は小さくなる。これは、光Ｌα、Ｌβ、Ｌγは、理想的には光軸上に集光するはずだが、実際には撮像光学系２１０の収差等により若干の広がりを持つからである。

光軸方向の光Ｌγは、前ピン、後ピンに拘らず、光軸上の画素を中心に集光する。

前ピンの場合、撮像光学系２１０の上側の領域からの光Ｌαは、光軸上の画素よりも下の上領域検出画素５０４を中心に集光する。このため、上領域検出画素５０４において入射光強度は大きくなる。一方、撮像光学系２１０の下側の領域からの光Ｌβは、光軸上の画素よりも上の下領域検出画素５０７を中心に集光する。このため、下領域検出画素５０７において入射光強度は大きくなる。したがって、前ピンの場合、上領域検出画素５０１乃至５０５と、下領域検出画素５０６乃至５１０への入射光強度は、図８（ａ）に示すようになる。

後ピンの場合、撮像光学系２１０の上側の領域からの光Ｌαは、下領域検出画素５０７を中心に集光するが、下領域検出画素５０７は光Ｌαを集光しない。このため、下領域検出画素５０７に近い上領域検出画素５０２、５０３において入射光強度は大きくなる。一方、撮像光学系２１０の下側の領域からの光Ｌβは、上領域検出画素５０４を中心に集光するが、上領域検出画素５０４は光Ｌβを集光しない。このため、上領域検出画素５０４に近い下領域検出画素５０８、５０９において入射光強度は大きくなる。したがって、上領域検出画素５０１乃至５０５と、下領域検出画素５０６乃至５１０への入射光強度は、図８（ｃ）に示すようになる。よって、上領域検出画素５０１乃至５０５と、下領域検出画素５０６乃至５１０とで、入射光強度が最大の画素の位置をそれぞれ検出すれば、どの程度、前ピンまたは後ピンであるかを判定することができる。

［焦点検出の動作例］
図１に示した本実施の形態のカメラシステム１００のブロック図を参照しながら、焦点検出の動作を説明する。撮像前において、撮像制御部４２２および焦点制御部４１８は、不図示の電気接点部を介してレンズ制御部２４０と交信し、撮像レンズユニット２００の固有の情報や、現在のレンズ位置および絞り位置の情報を取得する。

液晶表示素子４０２に動画が表示されている間（例えばユーザがシャッタチャンスを伺っている間）において、撮像素子５００は露光されており、以下の処理が行われている。

撮像制御部４２２は、タイミングジェネレータ４１４を制御して、電子シャッタ動作により所定の時間間隔で撮像素子５００の各画素（焦点検出画素および撮像画素）のフォトダイオード５２８に蓄積された電荷を電荷信号として出力させる。読み出された各画素の電荷信号は、アナログ信号処理部４１２によってクランプ処理、感度補正処理等が施された後、Ａ／Ｄ変換部４１０によりデジタル信号に変換され、システムバス４２６に出力される。

結像位置検出部４２０は、各画素に対応するデジタル信号から、焦点検出画素のデジタル信号を抽出する。

次に結像位置検出部４２０は、光Ｌαを集光する焦点検出画素群（図２において「上」とした画素）と、光Ｌβを集光する焦点検出画素群（図２において「下」とした画素）とで、信号値が最も大きい画素の位置をそれぞれ検出する。信号値が最も大きい画素の位置の差に基づいて、結像位置検出部４２０は、撮像光学系２１０の光軸上における焦点面の位置を検出する。

なお、撮像光学系２１０の右側の領域からの光を集光する焦点検出画素群と、撮像光学系２１０の左側の領域からの光を集光する焦点検出画素群とで、信号値が最も大きい画素の位置をそれぞれ検出し、焦点面の位置を検出してもよい。ここで、撮像光学系２１０の右側の領域からの光を集光する焦点検出画素群は、図２において「右」とした画素であり、撮像光学系２１０の左側の領域からの光を集光する焦点検出画素群は、図２において「左」とした画素である。

焦点制御部４１８は、結像位置検出部４２０が求めた焦点面の位置に基づいて、レンズ制御部２４０を介してレンズ駆動機構２３０を制御して凸レンズ２１２や凹レンズ２１６のレンズ位置を調整し、合焦位置に合わせる。

一方、画像処理部４３２は、各画素のデジタル信号から、撮像画素のデジタル信号を抽出して、色補間処理等を施し、画像データを生成する。撮像制御部４２２は、液晶表示素子駆動回路４０４を制御することにより、この画像データを画像として液晶表示素子４０２に表示させる。

なお、光Ｌαを集光する焦点検出画素から出力される電荷信号および光Ｌβを集光する焦点検出画素から出力される電荷信号のうち、一方が特許請求の範囲に記載の第１電荷信号の一例であり、他方が特許請求の範囲に記載の第２電荷信号の一例である。また、撮像素子５００の撮像画素から出力される電荷信号は、特許請求の範囲に記載の第３電荷信号の一例である。

［本実施の形態の効果］
このように、本発明の第１の実施の形態によれば、１つの焦点検出画素におけるフォトダイオード５２８全体に対向する位置に、低屈折フィルタ５５０と高屈折フィルタ５６０とを互いに隣接して配置する。これにより、撮像光学系２１０の上側または下側の領域からの光が透過した後に、低屈折フィルタ５５０を透過した光と、高屈折フィルタ５６０を透過した光との位相が１８０°ずれるため、両者が干渉により打ち消しあう。

したがって、低屈折フィルタ５５０と高屈折フィルタ５６０との境界面の位置を変更するだけで、光Ｌαを検出する焦点検出画素と、光Ｌβを検出する焦点検出画素とを容易に作り分けることができる。

このため、１つの焦点検出画素内において、２つのフォトダイオードを設ける必要がないことから、フォトダイオード間の分離領域を形成する必要はない。したがって、画素面積を有効に利用できるため、従来技術よりも焦点検出画素のフォトダイオードの開口面積を大きくすることができる。この結果、焦点検出画素のフォトダイオード５２８の最大蓄積電荷量を多くできるため、焦点検出画素の光に対する感度を高くすることができる。よって、焦点検出の精度を向上させることができる。

さらに、各焦点検出画素には、撮像光学系２１０の上側、下側、左側、右側の何れかの領域からの光のみを検出させ、撮像光学系２１０の各領域に対応する４種類の焦点検出画素を別々に設ける。このため、従来技術のように１つの焦点検出画素内の２つのフォトダイオードの電荷信号を時間差で別々に読み出す必要がない。したがって、焦点検出の速度を向上させることができる。

また、屈折率の異なる低屈折フィルタ５５０および高屈折フィルタ５６０を配置するだけの単純な構造であるため、画素サイズの微細化に際して、大きな制約とはならない。

[低屈折フィルタおよび高屈折フィルタに用いる光学材料]
表１は、低屈折フィルタ５５０および高屈折フィルタ５６０の作製に用いることができる光学材料について、緑色光に対する屈折率が高い順に数例を挙げたものである。参考として、シリコン酸化膜５３０を形成する二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）の屈折率も、最下行に示した。

表１には挙げていないが、低屈折フィルタ５５０および高屈折フィルタ５６０の作製に用いることができる光学材料として、シロキサンも挙げられる。表１に挙げたシリコンとしては、単結晶シリコン、アモルファスシリコン、ポリシリコンのいずれを用いてもよい。したがって、低屈折フィルタ５５０および高屈折フィルタ５６０を作成する光学材料としては、例えば、表１に示す屈折率の異なる２つの光学材料から、前述の（１）式を満たす膜厚ｄが適正範囲となるものを選択すればよい。

ここでの「適正範囲」とは、撮像素子５００の製造工程において十分に製造可能な薄さであって、焦点検出画素の光に対する感度を十分高く維持できる程度に、低屈折フィルタ５５０および高屈折フィルタ５６０の光に対する透過率を高くできる範囲である。光学材料によっては、膜厚が厚くなるほど光に対する透過率が下がるからである。各波長の光に対する透過率は、表１の消衰係数ｋにより求めることができるが、これについては後述の第３の実施の形態で説明する。

なお、表１に挙げたプラズマ窒化シリコン（Ｐ−ＳｉＮ）は、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の一例にすぎない。低屈折フィルタ５５０および高屈折フィルタ５６０の素材に利用できる窒化ケイ素は、これに限定されるものではない。

［本実施の形態の補足事項］
なお、第１の実施の形態では、三原色のベイヤー正方配列の撮像素子５００の画素の一部を焦点検出画素とする例を述べた。本発明は、かかる実施の形態に限定されるものではない。三原色をいわゆるハニカム配列とした場合や、補色系の配列の場合にも、本発明は適用可能である。

ベイヤー正方配列では、緑色成分に対応する画素が４画素に２つの割合で存在するため、これら２つの一方のカラーフィルタを赤色光または青色光を選択的に透過させるカラーフィルタに変更して、焦点検出画素を構成してもよい。このようにすれば、被写体から緑色光が発せられない場合においても、焦点検出の精度を高くすることができる。

図５（ａ）に示す撮像光学系２１０の上側の領域からの光Ｌαを集光する焦点検出画素を例に、低屈折フィルタ５５０と高屈折フィルタ５６０との面積比について補足する。この場合、マイクロレンズ５２２の光軸方向に見て、低屈折フィルタ５５０がフォトダイオード５２８に対向する面積と、高屈折フィルタ５６０がフォトダイオード５２８に対向する面積との面積比を、例えば３：１にしてもよい。

このようにすれば、フォトダイオード５２８の下半分の領域（図５（ａ）におけるＢ領域５２８ｂの下半分と、Ａ領域５２８ａ全体）では、低屈折フィルタ５５０に対向する面積と、高屈折フィルタ５６０に対向する面積との比が１：１になる。そうすると、撮像光学系２１０の上側の領域を透過して、この焦点検出画素に入射する光は、半分が低屈折フィルタ５５０を透過し、残り半分が高屈折フィルタ５６０を透過するため、両者が相殺し、撮像光学系２１０の下側からの光のみを集光することができる。このように、低屈折フィルタ５５０と高屈折フィルタ５６０との境界面の位置または面積比率を変えるだけで、焦点検出画素への入射光強度を容易に調整することができる。

＜２．第２の実施の形態＞
以下の第２の実施の形態乃至第７の実施の形態に係るカメラシステムは、第１の実施の形態とは撮像素子の焦点検出画素の構造のみが異なるため、相違点のみを説明する。

図９は、第２の実施の形態のカメラシステムにおける撮像素子の焦点検出画素の断面模式図であり、撮像光学系２１０の下側の領域からの光Ｌβを集光するものを示した。撮像光学系２１０の上側の領域からの光Ｌαを集光する焦点検出画素については、低屈折フィルタ５５０および高屈折フィルタ５６０の配置を、マイクロレンズ５２２の光軸に対して対称位置となるようにすればよい（図示せず）。

図９と図５（ａ）とを対比すれば分かるように、第１の実施の形態との相違点は、カラーフィルタ５２４を除去した点である。この場合、様々な波長の光が焦点検出画素に入射するが、低屈折フィルタ５５０および高屈折フィルタ５６０を構成する２種類の光学材料は、波長によって屈折率が変化する。すなわち、入射光の波長域が広いほど、低屈折フィルタ５５０を透過する光と、高屈折フィルタ５６０を透過する光との位相差をちょうど１８０°にすることが難しくなる。したがって、好ましくは第１の実施の形態のようにカラーフィルタを挿入した方がよいが、本実施の形態の構成においても、第１の実施の形態で述べた効果と同様の効果を得ることができる。

＜３．第３の実施の形態＞
［焦点検出画素の構造］
第１および第２の実施の形態では低屈折フィルタ５５０および高屈折フィルタ５６０の両方を用いたが、必ずしもその必要はない。高屈折フィルタ５６０と、その周囲のシリコン酸化膜５３０との屈折率の差により、高屈折フィルタ５６０を透過する光と透過しない光との間で１８０°の位相差を生じさせることができれば、低屈折フィルタ５５０を省いてもよい。同様の原理で、高屈折フィルタ５６０を省き、低屈折フィルタ５５０により１８０°の位相差を生じさせる構造にしてもよい。

ただし、表１に示したように、一般に半導体に使用されている光学材料であって屈折率が低いものは、層間絶縁膜を形成する二酸化ケイ素と対比して、屈折率の差があまりない。二酸化ケイ素との屈折率の差が大きい光学材料は、消衰係数が高いものが多く、当該光学材料に入射した光が十分にフォトダイオード５２８まで達しない。したがって、焦点検出画素の光に対する感度を高くするためには、消衰係数の低い光学材料を選択することが望ましい。

図１０は、第３の実施の形態のカメラシステムの撮像素子における、撮像光学系２１０の上側の領域からの光Ｌαを集光する焦点検出画素の断面模式図であり、図１０（ａ）、図１０（ｂ）のどちらの構造にしてもよい。

高屈折フィルタ５６０とフォトダイオード５２８との対向面積をフォトダイオード５２８の開口面積の半分より大きくし、撮像光学系２１０の上側の領域からの光Ｌαの全てが高屈折フィルタ５６０を透過する構造が図１０（ａ）である。反対に、高屈折フィルタ５６０とフォトダイオード５２８との対向面積をフォトダイオード５２８の開口面積の半分未満とし、撮像光学系２１０の上側の領域からの光Ｌαが高屈折フィルタ５６０を全く透過しない構造が図１０（ｂ）である。

どちらの構造においても、撮像光学系２１０の下側の領域からの光Ｌβの一部のみが、高屈折フィルタ５６０を透過する。また、どちらの構造においても、高屈折フィルタ５６０におけるフォトダイオード５２８のＢ領域５２８ｂ側の一端は、マイクロレンズ５２２の光軸よりも図中上側に位置する。

なお、本実施の形態におけるマイクロレンズ５２２の光軸は、特許請求の範囲に記載の「撮像光学系の光軸方向に前記光電変換部の中央を通る直線」の一例である。

図１１は、第３の実施の形態のカメラシステムの撮像素子における、撮像光学系２１０の下側の領域からの光Ｌβを集光する焦点検出画素の断面模式図であり、図１１（ａ）、図１１（ｂ）のどちらの構造にしてもよい。

高屈折フィルタ５６０とフォトダイオード５２８との対向面積をフォトダイオード５２８の開口面積の半分未満とし、撮像光学系２１０の下側の領域からの光Ｌβが高屈折フィルタ５６０を全く透過しない構造が図１１（ａ）である。反対に、高屈折フィルタ５６０とフォトダイオード５２８との対向面積をフォトダイオード５２８の開口面積の半分より大きくし、撮像光学系２１０の下側の領域からの光Ｌβの全てが高屈折フィルタ５６０を透過する構造が図１１（ｂ）である。

どちらの構造においても、撮像光学系２１０の上側の領域からの光Ｌαの一部のみが、高屈折フィルタ５６０を透過する。また、どちらの構造においても、高屈折フィルタ５６０におけるフォトダイオード５２８のＢ領域５２８ｂ側の一端は、マイクロレンズ５２２の光軸よりも図中、下側に位置する。

［高屈折フィルタに用いる光学材料と透過率］
図１０および図１１に示した焦点検出画素の高屈折フィルタ５６０を例えばプラズマ窒化シリコンで形成した場合、高屈折フィルタ５６０を透過する光と、透過しない光との位相を１８０°ずらす膜厚ｄは、以下のようにして求めることができる。すなわち、表１に示したプラズマ窒化シリコンの屈折率と、高屈折フィルタ５６０の周囲のシリコン酸化膜を形成する二酸化ケイ素の屈折率と、緑色光の波長５５０ｎｍとを（１）式に代入すればよい。
ｄ＝λ／｛（ｎ２−ｎ１）×２｝
＝５５０／｛（２．０４−１．４５）×２｝＝４６６ｎｍ

表１に示すように、プラズマ窒化シリコンの緑色光に対する消衰係数ｋはほぼゼロであるため、高屈折フィルタ５６０への入射光のほぼ全てが透過してフォトダイオード５２８に入射する。したがって、高屈折フィルタ５６０の介在によって焦点検出画素の光に対する感度を下げることはなく、実用上は問題ない。

別の例として、高屈折フィルタ５６０をシリコンで形成した場合の透過率について説明する。この場合、緑色光の位相を１８０°ずらすために必要な膜厚ｄは、上記同様に以下のようにして算出される。
ｄ＝λ／｛（ｎ２−ｎ１）×２｝
＝５５０／｛（４．０８−１．４５）×２｝＝１０４．５ｎｍ

ここで、緑色光に対するシリコンの消衰係数ｋは表１に示したように０．０３である。したがって、高屈折フィルタ５６０の膜厚ｄを上記の１０４．５ｎｍにした場合、その緑色光に対する透過率（反射成分を考慮しない）は、Ｉｏを入射光強度、Ｉを透過光強度とすれば、次式で与えられる。
Ｉ／Ｉｏ＝ｅｘｐ｛−４×π×ｋ×（ｄ／λ）｝
＝ｅｘｐ｛−４×π×０．０３×（１０４．５／５５０）｝＝０．９３

同様に、青色光（波長４５０ｎｍ、以下、波長は省略）の位相を１８０°ずらすために必要な膜厚ｄと、その膜厚ｄにした場合の青色光に対する透過率（反射成分を考慮しない）は、以下の値になる。
ｄ＝４５０／｛（４．６９−１．４５）×２｝＝６９．４ｎｍ
Ｉ／Ｉｏ＝ｅｘｐ｛−４×π×０．１５１×（６９．４／４５０）｝＝０．７４６

同様に、赤色光（波長６５０ｎｍ、以下、波長は省略）の位相を１８０°ずらすために必要な膜厚ｄと、その膜厚ｄにした場合の赤色光に対する透過率（反射成分を考慮しない）は、以下の値になる。
ｄ＝６５０／｛（３．８５−１．４５）×２｝＝１３５．４ｎｍ
Ｉ／Ｉｏ＝ｅｘｐ｛−４×π×０．０１７×（１３５．４／６５０）｝＝０．９５６

したがって、上記の各膜厚ｄであれば、高屈折フィルタ５６０への入射光のうち、緑色光は９３％、青色光は７４．６％、赤色光は９５．６％が透過してフォトダイオード５２８に入射する。透過率がこれらの値であれば、高屈折フィルタ５６０の介在によって焦点検出画素の光に対する感度を大きく下げることはなく、実用上は問題ないと言える。

［第３の実施の形態の変形例］
高屈折フィルタ５６０の材料としてシリコンを用いる場合、シリコン表面での反射率が高くなり、フォトダイオード５２８に到達する光量が減ることが考えられる。その場合、シリコン表面に反射防止膜を成膜するなどの手法により、複数の光学材料の膜を積層して高屈折フィルタ５６１を作成し、反射率を抑えてもよい。かかる手法による本実施の形態の変形例について、図１２を参照しながら説明する。

図１２（ａ）は、上記の反射防止膜５６３の層を積層した構造の高屈折フィルタ５６１を備える焦点検出画素の断面模式図であり、撮像光学系２１０の上側の領域からの光Ｌαを集光するものである。この焦点検出画素は、高屈折フィルタ５６１の表面に反射防止膜５６３が形成されていることを除き、図１０（ａ）と同様の構造である。

図１２（ａ）において、高屈折フィルタ５６１は、高屈折性フィルタ層５６２におけるマイクロレンズ５２２側の表面に反射防止膜５６３を積層したものである。高屈折性フィルタ層５６２は右上がりの斜線で示した部分であり、反射防止膜５６３は細かい点により灰色のパターンとした部分である。

高屈折性フィルタ層５６２は、それを透過する光の位相と、それを透過せずに周囲のシリコン酸化膜５３０を透過する光の位相とを１８０°ずらすものである。すなわち、高屈折性フィルタ層５６２を形成する光学材料の屈折率と、高屈折性フィルタ層５６２の膜厚ｄは、（１）式を満たす。反射防止膜５６３は、例えば窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）で形成すればよい。窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）の膜は、その厚さと、入射光の波長とによって反射率が異なるため、入射光の波長に応じて、反射率が低くなる膜厚ｄにすることが望ましい。なお、反射防止膜５６３は、特許請求の範囲に記載の光学材料の膜の一例である。また、シリコン酸化膜５３０は、特許請求の範囲に記載の光学層の一例である。

図１２（ｂ）は、上記の反射防止膜５６３を用いた構成において、撮像光学系２１０の下側の領域からの光Ｌβを集光する焦点検出画素の断面模式図である。図１２（ａ）の焦点検出画素との相違点は、高屈折フィルタ５６１とフォトダイオード５２８との対向面積をフォトダイオード５２８の開口面積の半分より小さくした点である。すなわち、図１２（ｂ）の焦点検出画素では、撮像光学系２１０の下側の領域からの光Ｌβが高屈折フィルタ５６１を全く透過せず、撮像光学系２１０の上側の領域からの光Ｌαの一部のみが高屈折フィルタ５６１を透過する。

以上、第３の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。本実施の形態ではカラーフィルタを設けなかったが、第１の実施の形態のようにカラーフィルタを設けて入射光の波長域を制限してもよい。

なお、上記反射防止膜５６３は、第１の実施の形態のように低屈折フィルタ５５０と高屈折フィルタ５６０の両方を用いる場合においても適用可能であり、その適用例を図１３に示す。図１３（ａ）は、撮像光学系２１０の上側の領域からの光Ｌαを集光する焦点検出画素の断面模式図であり、図１３（ｂ）は撮像光学系２１０の下側の領域からの光Ｌβを集光する焦点検出画素の断面模式図である。図５（ａ）および図７（ａ）に示した第１の実施の形態との違いは、低屈折フィルタ５５１と高屈折フィルタ５６４の構造のみである。

図１３（ａ）において、低屈折フィルタ５５１は、低屈折性フィルタ層５５２におけるマイクロレンズ５２２側の表面に反射防止膜５５３を積層したものである。図中、低屈折性フィルタ層５５２は右下がりの斜線で示した部分であり、反射防止膜５５３は何もパターンを施していない部分である。また、高屈折フィルタ５６４は、高屈折性フィルタ層５６５におけるマイクロレンズ５２２側の表面に反射防止膜５６７を積層したものである。図中、高屈折性フィルタ層５６５は右上がりの斜線で示した部分であり、反射防止膜５６７は細かい点により灰色のパターンとした部分である。

低屈折フィルタ５５１および高屈折フィルタ５６４は、反射防止膜５５３、５６６におけるマイクロレンズ５２２側の面で段差が生じないように、隣接して配置される。ここで、低屈折性フィルタ層５５２の厚さと高屈折性フィルタ層５６５の厚さは等しく、反射防止膜５５３の厚さと反射防止膜５６７の厚さも等しい。したがって、低屈折性フィルタ層５５２および高屈折性フィルタ層５６５におけるフォトダイオード５２８側の面においても段差が生じない配置としている。これは、段差があると、段差の部分で光路が変わり、撮像光学系２１０の上側の領域からの光Ｌαのみを集光する作用が低下するおそれがあるからである。

低屈折性フィルタ層５５２を透過する光の位相と、高屈折性フィルタ層５６５を透過する位相とが（１）式に基づいて１８０°ずれるように、両者の光学材料および厚さを選択している。反射防止膜５５３、５６７は、前記同様に例えば窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）で形成すればよい。図１３（ａ）の焦点検出画素のカラーフィルタ５２４は緑色光を選択的に透過させるものであるから、反射防止膜５５３、５６７の膜厚は、緑色光近辺の波長域に対して反射率が低くなる値にすることが望ましい。

マイクロレンズ５２２の光軸およびフォトダイオード５２８に対する、低屈折フィルタ５５１および高屈折フィルタ５６４の位置関係は、第１の実施の形態で述べたものと同様である。すなわち、低屈折フィルタ５５１および高屈折フィルタ５６４の境界面をマイクロレンズ５２２の光軸よりも図中の上側にする必要がある。

反対に、低屈折フィルタ５５１および高屈折フィルタ５６４の境界面をマイクロレンズ５２２の光軸よりも図中の下側にすれば、図１３（ｂ）に示すように、撮像光学系２１０の下側の領域からの光Ｌβを集光する焦点検出画素が構成される。

＜４．第４の実施の形態＞
図１４は、第４の実施の形態のカメラシステムにおける、撮像素子の焦点検出画素の断面模式図である。図１４は、撮像光学系２１０の上側からの光Ｌαを集光する焦点検出画素であり、第３の実施の形態との相違点は、高屈折フィルタ５６０の代わりに積層フィルタ５７０を配置した点のみである。

積層フィルタ５７０は、各層の境界面がマイクロレンズ５２２の光軸に平行になるように、すなわち、積層面の法線がマイクロレンズ５２２の光軸方向に直交するように、屈折率の異なる２種類の光学材料の膜を交互に積層したものである。

積層フィルタ５７０は、マイクロレンズ５２２の光軸方向に見た場合、撮像光学系２１０の下側からの光Ｌβを全て透過させる位置において、フォトダイオード５２８のＢ領域５２８ｂに対向する面積が最小となるように配置されている。撮像光学系２１０の下側からの光Ｌβは、その殆どがマイクロレンズ５２２の光軸に対して斜めに積層フィルタ５７０に入射するが、この入射光は、積層フィルタ５７０を形成する光学材料の膜のうち、屈折率の高い方および低い方の両方を透過する。

すなわち、撮像光学系２１０の下側からの光Ｌβは、積層フィルタ５７０における屈折率の異なる膜を透過することで位相差が生じ、フォトダイオード５２８に達するまでに干渉により弱められる。したがって、積層フィルタ５７０全体の厚さ（マイクロレンズ５２２の光軸方向の厚さ）をｄとした場合に、（１）式を満たすように２種類の光学材料を選択することが望ましい。本実施の形態ではそのように構成されているため、透過光の位相差が１８０°に近くなり、撮像光学系２１０の下側からの光Ｌβを弱める作用が強くなる。

一方、撮像光学系２１０の上側からの光Ｌαは、マイクロレンズ５２２の光軸近辺を除いて積層フィルタ５７０を透過しないため、フォトダイオード５２８のＣ領域５２８ｃを中心に集光される。したがって、図１４に示す焦点検出画素は、撮像光学系２１０の上側からの光Ｌαを集光するものとなる。

撮像光学系２１０の下側からの光Ｌβを集光する焦点検出画素は、図１４に示した画素構造において、積層フィルタ５７０の配置をマイクロレンズ５２２の光軸に対して対称にしたものとなる（図示せず）。すなわち、積層フィルタ５７０がフォトダイオードのＢ領域５２８ｂの下半分およびＡ領域５２８ａに対向するように配置すればよい。以上、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

なお、本実施の形態ではカラーフィルタを設けなかったが、第１の実施の形態のようにカラーフィルタを設けて入射光の波長域を制限してもよい。

また、屈折率の異なる２種類の光学材料の膜により積層フィルタ５７０を構成する例を述べたが、望ましくは１８０°程度の位相差を透過光に生じさせるものであれば、屈折率の異なる３種類以上の光学材料の膜により積層フィルタ５７０を構成してもよい。

また、積層フィルタ５７０は、特許請求の範囲に記載の光学部材の一例である。

＜５．第５の実施の形態＞
図１５は、第５の実施の形態のカメラシステムにおける、撮像素子の焦点検出画素の断面模式図である。第２の実施の形態との相違点は、低屈折フィルタ５５６および高屈折フィルタ５６６をマイクロレンズ５２２から見てシリコン酸化膜５３０とは反対側に配置した点である。集光作用のあるマイクロレンズ５２２よりも撮像光学系２１０側に低屈折フィルタ５５６および高屈折フィルタ５６６を配置するため、両者のサイズは、本実施の形態のように、第２の実施の形態よりも大きくすることが望ましい。

図１５に示した焦点検出画素は、撮像光学系２１０の下側の領域を透過した光Ｌβを集光するものである。低屈折フィルタ５５６と高屈折フィルタ５６６との境界面は、マイクロレンズ５２２の光軸よりも図の上側に位置する。撮像光学系２１０の上側からの光Ｌαを集光する焦点検出画素は、図１５に示した画素構造において、低屈折フィルタ５５６および高屈折フィルタ５６６の配置をマイクロレンズ５２２の光軸に対して対称にしたものとなる（図示せず）。

以上、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。なお、本実施の形態ではカラーフィルタを設けなかったが、第１の実施の形態のようにカラーフィルタを設けて入射光の波長域を制限してもよい。

＜６．第６の実施の形態＞
図１６は、第６の実施の形態のカメラシステムにおける、撮像素子の焦点検出画素の断面模式図である。図７（ａ）に示した第１の実施の形態との相違点は、カラーフィルタ５２４を除いた点と、導波部材５８０を設けた点である。

導波部材５８０は、低屈折フィルタ５５０および高屈折フィルタ５６０と、フォトダイオード５２８との間に配置される。導波部材５８０は、図では断面のみを示したが、マイクロレンズ５２２側において開口径が大きく、フォトダイオード５２８側において開口径が小さい中空の形状である。導波部材５８０における、マイクロレンズ５２２側の開口面積は、本実施の形態のように、マイクロレンズ５２２からの透過光が全て入射する程度であることが望ましい。その方が、焦点検出画素の光に対する感度が高くなるからである。導波部材５８０は、その内面が反射率の高い光学材料で形成されており、低屈折フィルタ５５０および高屈折フィルタ５６０を透過した光を反射によってフォトダイオード５２８の主にＢ領域５２８ｂに導くものである。

ここで、光Ｌαの全てが低屈折フィルタ５５０を透過せずに高屈折フィルタ５６０を透過するように、かつ、光Ｌβが低屈折フィルタ５５０および高屈折フィルタ５６０を透過するように、低屈折フィルタ５５０と高屈折フィルタ５６０との境界面は位置している。

したがって、撮像光学系２１０の上側の領域からの光Ｌαは、高屈折フィルタ５６０のみを透過するため透過光に位相差は生じず、導波部材５８０の表面で反射してフォトダイオード５２８のＢ領域５２８ｂに達する際に、干渉により弱め合うことはあまりない。

一方、光Ｌβは、低屈折フィルタ５５０および高屈折フィルタ５６０を透過することで１８０°の位相差が生じる。この光Ｌβは、導波部材５８０の内面で何回か反射してフォトダイオード５２８に達するため、フォトダイオード５２８に達するまでの光路は、第１の実施の形態よりも長くなる。光路が長い分、干渉による弱め合いの程度は、第１の実施の形態よりも大きくなる。したがって、撮像光学系２１０の下側の領域を透過した光Ｌβは、ほとんどフォトダイオード５２８には達しない。この結果、図１６に示す焦点検出画素は、撮像光学系２１０の上側の領域からの光Ｌαを集光する。

撮像光学系２１０の下側からの光Ｌβを集光する焦点検出画素は、図１６に示した画素構造において、低屈折フィルタ５５０および高屈折フィルタ５６０の配置をマイクロレンズ５２２の光軸に対して対称にしたものとなる（図示せず）。

以上、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

なお、本実施の形態ではカラーフィルタを設けなかったが、第１の実施の形態のようにカラーフィルタを設けて入射光の波長域を制限してもよい。

また、位相差のある光の干渉を大きく生じさせるために、マイクロレンズ５２２を透過した光の光路を導波部材５８０の内面での反射によって長くすることが本実施の形態の技術思想である。したがって、導波部材５８０は、マイクロレンズ５２２側において開口径が大きく、フォトダイオード５２８側において開口径が小さいことが望ましい。そのため、マイクロレンズ５２２を透過した光は、フォトダイオード５２８の一部の領域に集光させることになるが、集光させる領域は、本実施の形態ようにＢ領域５２８ｂに限定されるものではなく、Ａ領域５２８ａやＣ領域５２８ｃであってもよい。

＜７．第７の実施の形態＞
図１７は、第７の実施の形態のカメラシステムにおける、撮像素子の焦点検出画素の断面模式図である。第１の実施の形態との相違点は、低屈折フィルタ５５０および高屈折フィルタ５６０の代わりに中屈折性導波路５９０および高屈折性導波路５９２を設け、カラーフィルタ５２４を除去した点である。

中屈折性導波路５９０および高屈折性導波路５９２は、その横断面が台形となる略同一の形状であって互いに密着して配置されており、両者の境界面はマイクロレンズ５２２の光軸上に位置する。中屈折性導波路５９０とフォトダイオード５２８との間にはシリコン酸化膜５３０が介在するが、高屈折性導波路５９２とフォトダイオード５２８との間にはシリコン酸化膜５３０が介在しない。

中屈折性導波路５９０および高屈折性導波路５９２は、マイクロレンズ５２２側において横断面が大きく、フォトダイオード５２８側において横断面が小さい。両者のマイクロレンズ５２２側の横断面は、本実施の形態のように、マイクロレンズ５２２からの透過光の全てが、中屈折性導波路５９０または高屈折性導波路５９２に入射する程度に大きいことが望ましい。その方が、焦点検出画素の光に対する感度が高くなるからである。

高屈折性導波路５９２は、撮像光学系２１０の上側からの光Ｌαを内部での反射によってフォトダイオード５２８の主にＢ領域５２８ｂに導くものである。より詳細には、一般に、屈折率の低い媒体から屈折率の高い媒体へ向かって進行する光は、両者の境界面で反射する割合よりも、屈折率の高い媒体中へ入射する割合の方が大きい。反対に、屈折率の高い媒体から低い媒体へ向かって進行する光は、屈折率の低い媒体中へ入射する割合よりも、両者の境界面で反射する割合の方が大きい。そこで本実施の形態では、フォトダイオード５２８を形成するシリコン、高屈折性導波路５９２、中屈折性導波路５９０、シリコン酸化膜５３０の順に屈折率を大きくしている。

このため、図１７において撮像光学系２１０の上側からの光Ｌαは、シリコン酸化膜５３０から高屈折性導波路５９２に入射後、フォトダイオード５２８に達するまでは、殆どが高屈折性導波路５９２の外部に漏れない。

高屈折性導波路５９２の方がシリコン酸化膜５３０乃至中屈折性導波路５９０よりも屈折率が高いため、光Ｌαは、高屈折性導波路５９２と、シリコン酸化膜５３０または中屈折性導波路５９０との境界面で反射を繰り返すからである。

一方、撮像光学系２１０の下側からの光Ｌβは、屈折率が相対的に低いシリコン酸化膜５３０から中屈折性導波路５９０に入射後、シリコン酸化膜５３０と中屈折性導波路５９０との境界面で反射し、高屈折性導波路５９２に入射する。そして、シリコン酸化膜５３０から高屈折性導波路５９２に直接入射する光Ｌαと、シリコン酸化膜５３０から中屈折性導波路５９０を経由して高屈折性導波路５９２に入射する光Ｌβとは、位相差の違いにより、干渉して弱め合う。

ここで第１に、撮像光学系２１０の下側からの光Ｌβの一部は、シリコン酸化膜５３０から中屈折性導波路５９０に入射後、高屈折性導波路５９２との境界面において反射し、高屈折性導波路５９２には入射しない。第２に、シリコン酸化膜５３０から中屈折性導波路５９０を経由して高屈折性導波路５９２に入射する光Ｌβは、シリコン酸化膜５３０から高屈折性導波路５９２に直接入射する光Ｌαの方よりも、光路が長くなる分、光強度も弱まる。

以上の２点を考慮すると、シリコン酸化膜５３０から高屈折性導波路５９２に直接入射する光Ｌαの方が、中屈折性導波路５９０を経由して高屈折性導波路５９２に入射する光Ｌβよりも、光量が多く、強度も強い。そのため、光Ｌβは干渉により弱まってフォトダイオード５２８には達せず、光Ｌαのみがフォトダイオード５２８に達する。この結果、図１７に示す焦点検出画素は、撮像光学系２１０の上側からの光Ｌαを選択的に集光するものとなる。

撮像光学系２１０の下側からの光Ｌβを集光する焦点検出画素は、図１７に示した画素構造において、中屈折性導波路５９０および高屈折性導波路５９２の配置をマイクロレンズ５２２の光軸に対して対称にしたものとなる（図示せず）。

以上、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

なお、中屈折性導波路５９０は、特許請求の範囲に記載の第１導波路の一例である。また、高屈折性導波路５９２は、特許請求の範囲に記載の第２導波路の一例である。また、シリコン酸化膜５３０は、特許請求の範囲に記載の光学層の一例である。

中屈折性導波路５９０および高屈折性導波路５９２の光学材料は、例えば、表１において屈折率がシリコンと二酸化ケイ素の間である２種類のものを選択すればよい。

本実施の形態では、高屈折性導波路５９２とフォトダイオード５２８とを密着させる例を述べたが、本発明は、かかる実施の形態に限定されるものではない。シリコン酸化膜５３０は、高屈折性導波路５９２からフォトダイオード５２８への光の透過率の低下が実用上問題とならない程度の厚さであれば、高屈折性導波路とフォトダイオード５２８との間に介在させてもよい。

また、本実施の形態ではカラーフィルタを設けなかったが、第１の実施の形態のようにカラーフィルタを設けて入射光の波長域を制限してもよい。

＜８．本発明の実施の形態の焦点検出画素の屈折フィルタの配置に係る変形例＞
図１８乃至図２１は、本発明の実施の形態において、撮像光学系２１０の上側または下側の領域からの光を集光する４つの焦点検出画素の低屈折フィルタ５５０および高屈折フィルタ５６０の配置の４つの例を示す断面模式図である。図１８乃至図２１のそれぞれにおいて、図中の上から１番目、３番目の画素は撮像光学系２１０の上側からの光Ｌαを集光する焦点検出画素である。また、図中の上から２番目、４番目の画素は撮像光学系２１０の下側からの光Ｌβを集光する焦点検出画素である。

本発明の実施の形態において、撮像光学系２１０の上側からの光Ｌαを集光する焦点検出画素の構造としては、２つ挙げられる。光軸の下側を高屈折フィルタ５６０とした場合（図１８、図１９が対応）と、光軸の下側を低屈折フィルタ５５０とした場合（図２０、図２１が対応）の２つである。これは、低屈折フィルタ５５０と高屈折フィルタ５６０との境界面をマイクロレンズ５２２の光軸よりも上側にすればよいからである。

同様に、撮像光学系２１０の下側からの光Ｌβを集光する焦点検出画素の構造も２つ挙げられる。光軸の上側を低屈折フィルタ５５０とした場合（図１８、図２０が対応）と、光軸の上側を高屈折フィルタ５６０とした場合（図１９、図２１が対応）の２つである。これは、低屈折フィルタ５５０と高屈折フィルタ５６０との境界面をマイクロレンズ５２２の光軸よりも下側にすればよいからである。

そうすると、撮像光学系２１０の上側からの光Ｌαを集光する焦点検出画素と、撮像光学系２１０の下側からの光Ｌβを集光する焦点検出画素との組み合わせは、２×２で４通りとなる。図１８乃至図２１は、それら４通りの配置を示したものである。

低屈折フィルタ５５０および高屈折フィルタ５６０の配置は、消衰係数などの光学特性を考慮して決めることが望ましい。具体的には、焦点検出画素の光に対する感度を高めるため、低屈折フィルタ５５０および高屈折フィルタ５６０のうち、消衰係数が低い光学材料で形成されている方を、フォトダイオード５２８との対向面積が大きい方とする構成が好ましい。

さらに、複数の焦点検出画素の間で、光に対する感度が変わらないことが望ましい。そのためには、撮像光学系２１０の上側および下側からの光を集光する全ての焦点検出画素の間で、フォトダイオード５２８との対向面積が大きい方を低屈折フィルタ５５０または高屈折フィルタ５６０の何れかに統一することが好ましい。その点では、図１８の配置よりも、図１９の配置のように、フォトダイオード５２８との対向面積が大きい方を高屈折フィルタ５６０で統一すること方が望ましい。同様に、図２１の配置よりも、図２０の配置のように、フォトダイオード５２８との対向面積が大きい方を低屈折フィルタ５５０で統一すること方が望ましい。

＜９．本発明の実施の形態のカラーフィルタの配置に係る変形例＞
図２２は、撮像光学系２１０の上側または下側の領域からの光を集光する４画素の断面模式図であり、本発明の実施の形態の変形例である。図中のカラーフィルタ５２５は、赤色光を選択的に透過させるものである。この変形例は、緑色光を選択的に透過させる画素と、赤色光を選択的に透過させる画素とを焦点検出画素としたものである。図中の上から１番目、２番目の画素は、撮像光学系２１０の上側からの光Ｌαを集光する焦点検出画素であり、図中の上から３番目、４番目の画素は、撮像光学系２１０の下側からの光Ｌβを集光する焦点検出画素である。

ここで、受光する波長域が異なる焦点検出画素同士で電荷信号を比較しても、焦点面の位置を正確に検出できない。このため、カラーフィルタ（５２４または５２５）が同じ画素同士で、撮像光学系２１０の上側および下側の光を集光する焦点検出画素からの電荷信号をそれぞれ読み出し、第１の実施の形態で述べたように焦点面の位置を検出する。したがって、図２２では、図中の上から１番目、３番目の緑色光を選択的に受光する焦点検出画素から電荷信号を読み出して、焦点面の位置を検出すればよい。あるいは、図中上から２番目、４番目の赤色光を選択的に受光する焦点検出画素から電荷信号を読み出して、焦点面の位置を検出してもよい。

焦点検出およびピント調整の動作が行われている間、撮像素子５００は露光されており、液晶表示素子４０２に表示させる画像の画像データが生成されている。したがって、この画像データから被写体の色の分布範囲を検出し、緑色成分の方が強ければ緑色光を選択的に受光する焦点検出画素を用いて焦点検出を行い、赤色成分が強ければ赤色光を選択的に受光する焦点検出画素を用いて焦点検出を行うこととしてもよい。このようにすれば、被写体の色の分布範囲に拘らずに、正確に焦点検出を行うことができる。

なお、カラーフィルタ５２４、５２５のうち、一方が特許請求の範囲に記載の第１光学フィルタの一例であり、他方が特許請求の範囲に記載の第２光学フィルタの一例である。

また、図２２では、緑色光および赤色光を選択的に受光する画素を焦点検出画素とする例を述べたが、緑色光および青色光を選択的に透過させる画素を焦点検出画素とし、上記のように被写体の色の分布範囲に応じて焦点検出を行ってもよい。あるいは、赤、緑、青の３つの色成分に対応する画素について、焦点検出画素を配置し、上述と同様にしてもよい。

ただし、色補間処理を考慮して色再現性の低下を防ぐ点を最も重視すれば、ベイヤー正方配列では、第１の実施の形態のように他の色と比べて画素数が２倍である緑色に対応する画素のみを焦点検出画素とすることが好ましい。

＜１０．本発明の実施の形態の焦点検出画素の配置に係る変形例＞
図２３は、撮像素子全体における、焦点検出画素の配置の変形例を示す平面模式図である。第１の実施の形態で述べた図２では、青色成分に対応する画素を挟んで焦点検出画素を連続的に配置した。これは、焦点検出画素の配置の一例にすぎない。図２３に示すように、撮像光学系２１０の上側または下側からの光を集光する１対の焦点検出画素の間隔および撮像光学系２１０の右側または左側からの光を集光する焦点検出画素の間隔を大きくしてもよい。

ここで、動画表示を行いながら焦点検出の動作を行う場合、全画素の電荷信号から、焦点検出画素に対応する電荷信号を抽出する。したがって、この抽出処理の容易さを考慮すれば、撮像光学系２１０の上側または下側からの光を集光する焦点検出画素は、画素の列方向（いわゆる垂直方向）に一直線上に並べて配置する方が望ましい。同様に、撮像光学系２１０の右側または左側からの光を集光する焦点検出画素は、画素の行方向（いわゆる水平方向）に並べて配置することが望ましい。

焦点検出画素の配置としては、図２３および図２のように、撮像光学系２１０の像空間の中央の被写体にピントを合わせやすいように、中央の画素列および中央の画素行に十字状に配置させる方法が挙げられる。ただし、これはあくまで一例であり、焦点検出画素は、中央の画素列および中央の画像行以外に配置してもよく、撮像光学系２１０の光軸上の画素の近辺に多く配置してもよい。撮像光学系２１０の像空間の所望の位置の被写体にピントを合わせられるよう、撮像素子５００の複数の領域に焦点検出画素の画素列または画素行を配置し、その中から選択した画素列乃至画素行を用いて焦点検出を行ってもよい。

また、ベイヤー正方配列における緑色成分に対応する画素の位置ではなく、赤色成分または青色成分に対応する画素の位置に焦点検出画素を配置してもよい。焦点検出画素の配置は、隣接した複数の画素でも、一定間隔の位置関係にある互いに離れた複数の画素でもよく、あるいは千鳥状の位置関係にある画素としてもよい。すなわち、焦点検出画素の配置は、焦点検出精度や撮像素子の撮像性能を勘案して決めればよい。

なお、本発明の実施の形態は本発明を具現化するための一例を示したものであり、本発明の実施の形態において明示したように、本発明の実施の形態における事項と、特許請求の範囲における発明特定事項とはそれぞれ対応関係を有する。同様に、特許請求の範囲における発明特定事項と、これと同一名称を付した本発明の実施の形態における事項とはそれぞれ対応関係を有する。ただし、本発明は実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において実施の形態に種々の変形を施すことにより具現化することができる。

１００ カメラシステム
２００ 撮像レンズユニット
２１２ 凸レンズ
２１６ 凹レンズ
２３０ レンズ駆動機構
２４０ レンズ制御部
３００ 記録媒体
４００ 電子カメラ
４１０ Ａ／Ｄ変換部
４１２ アナログ信号処理部
４１４ タイミングジェネレータ
４１８ 焦点制御部
４２０ 結像位置検出部
４２２ 撮像制御部
４３２ 画像処理部
５００ 撮像素子
５２２ マイクロレンズ
５２４、５２５ カラーフィルタ
５２８ フォトダイオード
５３０ シリコン酸化膜
５５０、５５１、５５６ 低屈折フィルタ
５６０、５６１、５６４、５６６ 高屈折フィルタ
５５３、５６３、５６７ 反射防止膜
５７０ 積層フィルタ
５８０ 導波部材
５９０ 中屈折性導波路
５９２ 高屈折性導波路

Claims (14)

1. 撮像光学系からの光を受光して光電変換を行う光電変換部と、前記撮像光学系から前記光電変換部への光路間に配置されて互いに屈折率の異なる第１光学部材および第２光学部材とをそれぞれ備えるともに、前記光電変換部の受光量に応じた第１電荷信号をそれぞれ出力する複数の第１型画素と、
   前記光電変換部と、前記撮像光学系から前記光電変換部への光路間において前記第１型画素とは前記光電変換部との位置関係が異なるように配置された前記第１光学部材および前記第２光学部材とをそれぞれ備えるとともに、前記光電変換部の受光量に応じた第２電荷信号をそれぞれ出力する複数の第２型画素と、
   前記複数の第１および第２電荷信号に基づいて前記撮像光学系の結像状態を検出する結像状態検出部と
   を具備し、
   前記第１光学部材と前記第２光学部材との境界面が前記光電変換部の中央を通る軸から離れた位置に配置され、
   前記複数の第１型画素内の前記第１光学部材および前記第２光学部材の境界面の位置と前記複数の第２型画素内の前記第１光学部材および前記第２光学部材の境界面の位置とが前記光電変換部の中央を通る軸に対して反対側に配置された焦点検出装置。
2. 前記複数の第１型画素および前記複数の第２型画素は、前記撮像光学系から前記光電変換部への光路間において前記撮像光学系からの入射光を前記光電変換部に集光させる集光部をさらに備え、
   前記第１光学部材および前記第２光学部材は、前記集光部と前記光電変換部との間に配置される
   請求項１記載の焦点検出装置。
3. 前記第１光学部材および前記第２光学部材は、両者を合わせて前記光電変換部全体に対向するように、かつ、両者が前記光電変換部にそれぞれ対向する面が互いに異なるように、かつ、両者が前記撮像光学系の光軸方向において互いに重ならないように配置される
   請求項２記載の焦点検出装置。
4. 前記複数の第１型画素および前記複数の第２型画素は、前記撮像光学系から前記光電変換部への光路間において前記撮像光学系からの入射光を光電変換部に集光させる集光部をさらに備え、
   前記第１光学部材および前記第２光学部材は、前記撮像光学系と前記集光部との間に配置される
   請求項１記載の焦点検出装置。
5. 前記複数の第１型画素および前記複数の第２型画素は、前記撮像光学系から前記光電変換部への光路間において所定の波長域の光を選択的に透過させる光学フィルタをそれぞれ備える
   請求項１に記載の焦点検出装置。
6. 前記複数の第１型画素の各々は、前記撮像光学系から前記光電変換部への光路間において、所定の波長域の光を選択的に透過させる第１光学フィルタ、または、前記第１光学フィルタとは異なる波長域の光を選択的に透過させる第２光学フィルタの何れか一方をさらに備え、
   前記複数の第２型画素の各々は、前記撮像光学系から前記光電変換部への光路間において、前記第１光学フィルタまたは前記第２光学フィルタの何れか一方をさらに備える
   請求項１記載の焦点検出装置。
7. 前記複数の第１型画素の各々および前記複数の第２型画素の各々は、前記第１光学部材および前記第２光学部材と前記光電変換部との間の位置に、前記撮像光学系からの入射光を反射によって前記光電変換部に導く導波部材をさらに備える
   請求項１記載の焦点検出装置。
8. 前記第１光学部材と前記第２光学部材の少なくとも一方は、単結晶シリコン、アモルファスシリコン、ポリシリコン、ゲルマニウム、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、シロキサン、タングステン、アルミニウム、銅の何れかの材料によって形成される
   請求項１記載の焦点検出装置。
9. 前記第１光学部材または前記第２光学部材の少なくとも一方は、前記撮像光学系側の表面において、内部よりも反射率の低い光学材料の膜が積層されたものである
   請求項１記載の焦点検出装置。
10. 撮像光学系からの光を受光して光電変換を行う光電変換部と、前記撮像光学系からの入射光を前記光電変換部に集光させる集光部と、前記撮像光学系から前記光電変換部への光路間に形成された光学層とをそれぞれ備えるとともに、前記光電変換部の受光量に応じた第１電荷信号をそれぞれ出力する複数の第１型画素と、
    前記光電変換部と、前記集光部と、前記撮像光学系から前記光電変換部への光路間に形成された前記光学層とをそれぞれ備えるとともに、前記光電変換部の受光量に応じた第２電荷信号をそれぞれ出力する複数の第２型画素と、
    前記複数の第１および第２電荷信号に基づいて前記撮像光学系の結像状態を検出する結像状態検出部と
    を具備する焦点検出装置であって、
    前記複数の第１型画素の各々および前記複数の第２型画素の各々は、前記光学層とは屈折率の異なる光学部材をさらに備え、
    前記複数の第１型画素および前記複数の第２型画素における前記光学部材は、その外縁と、前記撮像光学系の光軸方向に前記光電変換部の中央を通る直線とが離れるように、かつ、前記光電変換部の一部のみに対向するように配置され、
    前記複数の第１型画素の前記光学部材における前記直線側の一端の位置と、前記複数の第２型画素の前記光学部材における前記直線側の一端の位置とが、前記直線に対して反対側になるように前記光学部材が配置される
    焦点検出装置。
11. 前記光学部材は、前記撮像光学系側の表面において、内部よりも反射率の低い光学材料の膜が積層されたものである
    請求項１０記載の焦点検出装置。
12. 前記光学部材は、積層面の法線が前記撮像光学系の光軸方向に直交するように屈折率の異なる複数の光学材料の膜を交互に積層したものである
    請求項１０記載の焦点検出装置。
13. 撮像光学系からの光を受光して光電変換を行う光電変換部と、前記撮像光学系から前記光電変換部への光路間に配置されて互いに屈折率の異なる第１光学部材および第２光学部材とをそれぞれ備えるとともに、前記光電変換部の受光量に応じた第１電荷信号をそれぞれ出力する複数の第１型画素と、
    前記光電変換部と、前記撮像光学系から前記光電変換部への光路間において前記第１型画素とは前記光電変換部との位置関係が異なるように配置された前記第１光学部材および前記第２光学部材とをそれぞれ備えるとともに、前記光電変換部の受光量に応じた第２電荷信号をそれぞれ出力する複数の第２型画素と、
    前記光電変換部をそれぞれ備えるとともに、前記光電変換部の受光量に応じた第３電荷信号をそれぞれ出力する複数の撮像画素と
    を具備し、
    前記第１光学部材と前記第２光学部材との境界面が前記光電変換部の中央を通る軸から離れた位置に配置され、
    前記複数の第１型画素内の前記第１光学部材および前記第２光学部材の境界面の位置と前記複数の第２型画素内の前記第１光学部材および前記第２光学部材の境界面の位置とが前記光電変換部の中央を通る軸に対して反対側に配置された撮像素子。
14. 撮像光学系からの光を受光して光電変換を行う光電変換部と、前記撮像光学系から前記光電変換部への光路間に配置されて互いに屈折率の異なる第１光学部材および第２光学部材とをそれぞれ備えるとともに、前記光電変換部の受光量に応じた第１電荷信号をそれぞれ出力する複数の第１型画素と、
    前記光電変換部と、前記撮像光学系から前記光電変換部への光路間において前記第１型画素とは前記光電変換部との位置関係が異なるように配置された前記第１光学部材および前記第２光学部材とをそれぞれ備えるとともに、前記光電変換部の受光量に応じた第２電荷信号をそれぞれ出力する複数の第２型画素と、
    前記光電変換部をそれぞれ備えるとともに、前記光電変換部の受光量に応じた第３電荷信号をそれぞれ出力する複数の撮像画素と、
    前記複数の第３電荷信号に基づいて画像データを生成する信号処理部と、
    前記複数の第１および第２電荷信号に基づいて前記撮像光学系の結像状態を検出する結像状態検出部と、
    結像状態検出部が求めた前記結像状態に基づいて合焦位置に近づくように前記撮像光学系のレンズ位置を調整する焦点制御部と
    を具備し、
    前記第１光学部材と前記第２光学部材との境界面が前記光電変換部の中央を通る軸から離れた位置に配置され、
    前記複数の第１型画素内の前記第１光学部材および前記第２光学部材の境界面の位置と前記複数の第２型画素内の前記第１光学部材および前記第２光学部材の境界面の位置とが前記光電変換部の中央を通る軸に対して反対側に配置された電子カメラ。

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