JP7071055B2 - 撮像素子および撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、撮像素子および撮像素子を備える撮像装置に関する。
近年、有機光電変換膜とシリコン光電変換部とを積層した構成の撮像素子を用いて、色再現性と高精細性を向上する試みが提案されている。この撮像素子においては、有機光電変換膜での吸収波長帯域以外の波長帯域の光、つまり補色となる帯域の光をシリコン光電変換部で吸収することが提案されている。
例えば、特許文献１では、市松状に配列されたシアンとイエローのカラーフィルターの下に、緑色の波長帯域が吸収帯域となる一様な有機光電変換膜、その下にシリコン光電変換部が形成された撮像素子が提案されている。この場合、シアンおよびイエローの各カラーフィルターを透過した光のうち緑色の波長帯域の光を有機光電変換膜で吸収して信号へ変換し、ここで吸収されなかった各青色と赤色の波長帯域の光をシリコン光電変換部で吸収して信号へ変換する。また、特許文献２では、カラーフィルターを有さない撮像素子が提案されており、上部に設けられた第一の光電変換部として緑色の波長帯域の光に対して吸収を示す有機光電変換膜、その下にシリコン基板上に形成された第２および第３の光電変換部が形成されている。有機光電変換膜を透過した青色と赤色の波長帯域の光は、第２の光電変換部に進入する。しかし、シリコン基板中での青色の波長帯域の光の吸収係数が赤色のそれよりも大きいことから、浅い領域では青色の波長帯域の光が吸収される。そして、深い領域ほど赤色の波長帯域の光が吸収されることになる。つまり、第２の光電変換部において青色の波長帯域の光が十分に吸収され、第３の光電変換部においては赤色の波長帯域の光の多くが吸収される。このように、第２および第３の光電変換部の位置と厚さを決定しておけば、３層に亘る光電変換部での信号を取得できることになる。
特開２００８－２５８４７４号公報 特許第４８１７５８４号公報
しかしながら、上述の特許文献に開示された従来技術では、積層された光電変換部において異なる色の波長帯域の光を吸収することになるため、同じ波長帯域の光の信号を同時に取得することができない。つまり、動画を撮像しながら同時に静止画を撮像するようなことができない。さらに、撮像の波長帯域に相当する光による撮像面位相差方式の高速な焦点検出を行うことができない。
そこで、本発明の目的は、可視光帯域の光に対する高精度かつ高速な焦点検出、および可視光帯域における二つの同時撮像を可能にした、撮像素子および撮像装置を提供することである。
上記目的を達成するために、本発明は、撮像面上に複数の撮像画素を備える撮像素子であって、前記複数の撮像画素は、外部からの光を画素内部に導くためのマイクロレンズと、所定の波長帯域の光を透過するカラーフィルターと、前記カラーフィルターを透過した光を光電変換するための第１の光電変換部と、前記第１の光電変換部の下方に所定の間隔を有して設けられた第２の光電変換部と、を有し、前記第１の光電変換部は前記複数の画素で共通した膜層を含み、前記第１の光電変換部には前記第１の光電変換部の一部の領域から第１の信号を取得するための第１の電極と、前記一部の領域とは異なる領域から第２の信号を取得する第２の電極が設けられ、前記第１の光電変換部の前記所定の波長帯域における光の透過率は、５０％よりも大きく、前記第１の光電変換部の前記膜層の厚みは前記複数の画素に亘って一様であり、前記第１の光電変換部において吸収される各色の光強度の比と前記第２の光電変換部において吸収される各色の光強度の比が同程度となるように前記カラーフィルターの厚さを色ごとに設定することを特徴とする。
本発明によれば、可視光帯域の光に対する高精度かつ高速な焦点検出をしながら、可視光帯域における二つの撮像を同時に可能にした、撮像素子および撮像装置を提供することができる。
本発明の撮像素子における基本撮像画素群およびその配列を表す模式図である。 本発明の撮像素子の実施形態にかかる撮像画素の内部構造を説明するための断面図である。 本発明の撮像素子をなす撮像画素中で、カラーフィルターを透過した光の第１の光電変換部へ入射する強度の波長依存性を表す模式図である。 本発明の撮像素子の実施形態にかかる撮像画素中の集光点を説明するための図である。 本発明の撮像素子の実施形態にかかる撮像画素における下部透明電極、または実施形態２にかかる撮像画素における上部透明電極の形状の例を表す図である。 本発明における撮像素子と瞳分割の概略説明図である。 本発明の一実施形態における像ずれ量とデフォーカス量の概略関係図である。 本発明の撮像素子の実施形態２にかかる撮像画素の内部構造を説明するための断面図である。 本発明の撮像装置の一実施形態を表すブロック図である。
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態を詳細に説明する。ただし、本形態において例示される構成要素の寸法、材質、形状、それらの相対配置などは、本発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更が可能であり、本発明がそれらの例示に限定されるものではない。
（第１の実施形態）
本発明の撮像素子の実施形態として、有効画素領域の水平方向サイズ２２．３２ミリメートル、垂直方向サイズ１４．８８ミリメートル、水平方向の有効画素数６０００、垂直方向の有効画素数４０００のものを挙げる。図１（ａ）は、撮像素子の撮像面上に配列された複数の撮像画素の一部として２行２列分の基本画素群１０１を表す模式図である。基本画素群１０１は、赤色相当の波長帯域に分光感度を有する画素（Ｒ画素）１０２、青色相当の波長帯域に分光感度を有する画素（Ｂ画素）１０３を備える。さらに、緑色相当の波長帯域に分光感度を有する二つの画素（Ｇ画素）１０４と１０５により構成されているものとする。
図１（ｂ）中の１０６は本発明の撮像素子を撮像面上方から見た模式図であり、基本画素群１０１が、撮像面上に２次元状に配列されている。説明のため、本明細書では複数の撮像画素が配列された撮像面をｘ－ｙ面に平行とし、これに垂直な方向をｚ方向とする。
ここで、基本画素群１０１をなす撮像画素１０２、１０３、１０４、１０５の基本的な構成はカラーフィルター２０６以外同一として、撮像画素の構成を説明するために撮像画素１０２に着目する。図１（ａ）中の撮像画素１０２について、ｚ－ｘ面における画素の断面を図２に示す。
ｎ型シリコン基板２０１には、その表面側にイオン注入により形成された第２の光電変換部２０２が設けられている。第２の光電変換部２０２の上方（ｚ方向）には、光導波路２０３を挟んで第１の光電変換部２０４が積層されている。第１の光電変換部２０４の上方にはカラーフィルター２０６、および撮像画素に入射される光を画素内部に集光しながら導くためのマイクロレンズ２０７が設けられている。
転送ゲート２１４は、第２の光電変換部２０２において光電変換された電荷をコンデンサー２１３へ転送するために設けられている。コンデンサー２１３に転送された電荷は電圧信号に変換される。本実施形態において第２の光電変換部２０２において取得される信号は撮像信号として画像生成処理に用いられる。
光導波路２０３は、ｘ－ｙ面内で光導波路２０３の外側の屈折率実部よりも内側の屈折率実部が大きくなるように構成されている。光導波路内部は可視光に対して透明であり、前述の屈折率実部の関係を満たすものであれば様々な高屈折材料で構成されてよい。例えば、光導波路外部をＳｉＯｘ、内部をＳｉＮｘで構成するなど挙げられるがこれに限るものではない。
第１の光電変換部２０４上部には周囲の画素上にまたがるように形成された上部透明電極２０５が形成されている。さらに、第１の光電変換部２０４下部には周囲の画素とは電気的に分離した下部透明電極２０８および２０９が形成されている。下部透明電極２０８と２０９の電極パターンは、入射光学系の瞳領域を分割およびパターン化することに相当している。そして、分割およびパターン化された異なる瞳領域を通過して入射される光束に属する光を光電変換して電荷を生成し、それぞれ対応する下部透明電極を通して前述の電荷を電気信号として出力することが可能である。これら異なる下部透明電極からの電気信号は光学的に瞳分割された光束に対応する信号である。本実施形態において、第１の光電変換部において取得される信号は瞳分割による位相差方式の焦点検出処理に用いられる。
なお、第１の光電変換部２０４は、可視光帯域において受光感度が確保される限り、有機光電変換膜や量子ドットフィルムなど様々なものが適応可能であり、特に可視光帯域において一定の受光感度となるものが望ましい。本実施形態では、第１の光電変換部２０４を有機光電変換膜で構成しており、上部透明電極との間に電子ブロック層、下部透明電極との間にホールブロック層など効率的に電荷を電極へ輸送するための層構造が形成されている。また、第１の光電変換部２０４は、複数の画素で共通した膜層となっている。
光導波路２０３の両側には電気配線部２１０と２１１が設けられている。電気配線部２１０及び２１１は、信号電荷の読み取りやスイッチングを行うための信号を各素子に伝送するために用いられる。また、電気配線部２１０と２１１は光導波路２０３の外側の低屈折材料で覆われて、絶縁されている。そして、コンデンサー２１３等のｎ型シリコン基板２０１に設けられた各素子を遮光する機能も有する。
本発明において、第１の光電変換部２０４の厚さを、第１の光電変換部２０４に入射する光（特に可視光）のうち５０％以下を吸収し（透過率が５０％よりも大きい）、それ以外を透過させるように設定する。本実施形態では、所定の割合がおよそ１０％となるように設定してあるものとする。しかし、この設定に限られるものではなく、第１の光電変換部２０４で吸収する光に対して透過する光の割合を所定の割合とすればよい。これは、第１の光電変換部２０４のから取得される信号から記録される画像生成し、その上方の第２の光電変換部２０２から取得される信号から焦点検出を行うためである。焦点検出には一時的に用いるにすぎないため、第１の光電変換部２０４における吸収率を５０％以下とした。したがって、第１の光電変換部２０４の光を吸収する割合はそれぞれの光電変換部から出力される信号の用途に基づいて決定されることが好ましい。
本実施形態では、第１の光電変換部２０４から出力される信号を例えば周辺の同色撮像画素の９画素で加算して用いる。そのため、第１の光電変換部２０４において光を約１０％しか吸収しない場合であって、加算する十分な信号強度を確保することができる。これに対して第２の光電変換部２０２へは、散乱や細かな吸収を無視して考えると、カラーフィルター２０６からの光のうちおよそ９０％を受光することができる。そのため、周辺同色画素間での信号加算を行わず、高解像度の画像を第２の光電変換部２０２を用いて取得することができる。ここで、第１の光電変換部２０４から出力される信号は加算するために、第２の光電変換部２０２より取得する画像よりも低解像度となる。つまり、第１の光電変換部２０４の１画素にあたる面積が、第２の光電変換部２０２の１画素の面積よりも広くなる。
なお、本実施形態においては加算数（加算単位）を９画素としたが、２以上の画素を加算すれば同様の効果を得ることが可能である。ここで、第１の光電変換部２０４における透過率の逆数と加算数の逆数を略同一とすることで、第１の光電変換部２０４から得られる信号と第２の光電変換部２０２から得られる信号との出力レベルをそろえることが可能となる。
また、本実施形態では、第１の光電変換部２０４と第２の光電変換部２０２から信号を取得する周期であるフレームレートが異なる。具体的には第１の光電変換部２０４から信号を取得する周期は第２の光電変換部２０２から信号を取得する周期よりも早く設定される。これによって、低解像度であるが高フレームレートでの焦点調節と撮像（動画撮やライブビュー（ＬＶ）撮像）を行うと同時に、その最中の任意のタイミングで相対的に高解像度であるがやや低フレームレートでの撮像（静止画撮像）を実現することができる。言い換えれば、第１の光電変換部２０４の信号をＬＶ撮像や動画撮像に用いることで常時高速な焦点調節を実現し、第２の光電変換部２０２の信号を用いた静止画撮像を行うことが可能となる。
図３は、カラーフィルター２０６を透過した後の光強度の波長依存性つまりカラーフィルター２０６の透過スペクトルの模式的グラフである。例えば、このスペクトルのピーク波長λ０における第１の光電変換部２０４（有機光電変換膜）の吸収係数をα（λ０）［／ｎｍ］とした場合、厚さｔ［ｎｍ］の光電変換膜を透過した後の波長λ０の光強度はｅｘｐ（－α（λ０）・ｔ）となる。そのため、このような式を用いて光電変換膜の厚さを決定することが可能である。ただし、ピーク波長に注目する方法ではなく、波長全体にわたって光強度を積分した場合の透過割合で決める方法など、ここに記載の方法に限るものではないし、複数の方法を組み合わせてもよい。
前述のように、光電変換膜の吸収係数αは、波長λに依存するため、Ｒ、Ｇ、Ｂのカラーフィルター２０６を透過した後の光に対する吸収係数もそれぞれ異なる。これに対して、配置される光電変換膜の厚さは基本的に撮像素子全体に亘って一様であるため、Ｒ、Ｇ，Ｂの画素において光電変換膜に入射する光の強度が一定だとしても、光電変換膜を透過する光の強度はＲ、Ｇ、Ｂの画素間で異なってしまう。つまり、光電変換膜で得られる光強度のＲＧＢ比と第２の光電変換部２０２で得られる光強度のＲＧＢ比が異なってしまう。
このような場合、例えばカラーフィルター２０６の厚さを調整する方法により第１の光電変換部２０４と第２の光電変換部２０２において吸収される光強度のＲＧＢ比を同程度または近い値にすることが可能である。ただし、すべての波長帯域（ＲＧＢ）のカラーフィルター２０６の厚さでのＲＧＢ比の設定が難しい場合もある。この場合は、着目する２つの波長帯域（たとえば、ＧとＲなど）のＲＧＢが光電変換部での吸収と透過光強度で合うように、２つのカラーフィルター２０６の厚さの関係を設定することも可能である。
さらに他の方法としては、光電変換膜における焦点検出に重要な緑色の波長帯域に着目して、この波長帯域の光の光電変換膜での吸収と透過の比を光電変換膜の厚さで設定するなどの方法が有効である。
他にも、光電変換膜の吸収スペクトルにおいて吸収の小さい波長帯域に相当する色の画素において光電変換膜での吸収と透過の比が所定の値（本実施形態では１：９）となるように、第１の光電変換部２０４の膜の厚さを設定するなどの方法も有効である。逆に吸収の大きい波長帯域に着目することで、吸収の小さい波長帯域の光は十分に透過させることができる。
さらに、各Ｒ、Ｇ、Ｂ画素においてカラーフィルター２０６を透過した光のうち最も強度の高い波長帯域の光に着目して、光電変換膜での吸収と透過の比を光電変換膜の厚さで設定することも可能である。
いくつかの方法により、光電変換膜での吸収光と透過光の強度のＲＧＢ比を調整したとしても、吸収と透過ではＲＧＢ比がずれる場合がある。このような場合には、あらかじめずれ量を検知しておき、光電変換膜からの出力信号と、第２の光電変換部２０２からの出力信号の間で、撮像後に補正量として与えることで、二つの画像を補正することが可能である。
図４は、本実施形態の撮像素子を構成する像高中央付近の撮像画素において光の集光の様子を表す模式図である。撮像画素１０２外部からマイクロレンズに向かって矢印群４０１で示すように平行光が入射する場合を示している。この入射光４０１は画素内部で集光点４０２を形成し、この集光点４０２がｚ方向において第１の光電変換部２０４の中央付近、かつｘ方向において下部透明電極２０８と２０９の間に位置するように設定されている。ここで集光点とは、光束断面を円形と仮定した場合にその径が最も小さくなる領域を含む微小領域を称し、例えばガウシアンビームにおけるビームウェスト領域に相当する。したがって、マイクロレンズ２０７の焦点位置は第１の光電変換部２０４のｚ方向の位置と略一致すると言える。
なお、本実施形態では、ｘ方向に分割された下部透明電極２０８と２０９の間に集光点が位置するよう設定されているが、下部透明電極の分割方向はｘ方向に限るものではない。例えば、着目する瞳分割方向において位相差検出に携わる下部透明電極対の間に位置するようｘ－ｙ面内で集光点を設定することが好ましい。
本実施形態では、図５（ａ）に示すように、ｘ－ｙ面内において画素領域５０１の中でｘ方向に分割された二つの下部透明電極５０２及び５０３により瞳分割を行っている。ただし本発明では、図５（ｂ）における下部透明電極５０４、５０５、５０６および５０７、図５（ｃ）における下部透明電極５０８、５０９、５１０および５１１のようにｘおよびｙ方向の量方向に瞳分割を行うことも可能である。つまり、瞳分割の方向や分割数および下部透明電極の形状は限定されるものではない。上部および下部透明電極の材料としては、例えばフッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）やスズドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）などが挙げられるがこれらに限るものではない。
また、本発明の撮像素子における第２の光電変換部２０２における露光時間を制御するため、撮像素子には電子シャッター機構が組み込まれている。なお、本実施形態では、撮像素子をなす撮像画素の第２の光電変換部２０２には露光時間制御のためのグローバルシャッター機構が組み込まれているものとする。具体的には、第２の光電変換部２０２で発生した電荷を、転送ゲート２１４をコンデンサー２１３に転送する。この転送タイミングを撮像素子内の複数の画素において同一タイミングとすることで、グローバルシャッターを用いて撮像を実現することが可能となる。このように、第２の光電変換部２０２の信号を用いる静止画撮像にかかる露光をグローバルシャッター機構を用いて行うことにより、第１の光電変換部２０４の信号を用いた動画撮像中であっても、ローリングシャッター歪の少ない静止画撮像を行うことが出来る。
本実施形態の撮像素子と瞳分割との対応関係を示した概略図を図６に示す。線６０４は、像を取得する被写体の位置（面）を示し、位置６０５にある撮像光学系を通して被写体像を撮像素子表面位置６０６に形成する。また６０９は撮像素子をなす撮像画素の第１の光電変換部２０４のｚ方向における中央付近を表す。撮像素子の画素毎に、ｘ方向に２分割された下部透明電極６０１に対応する光電変換部と下部透明電極６０２に相当する光電変換部は、それぞれ、瞳部分領域６０７と瞳部分領域６０８の異なる瞳部分領域を通過する光束を受光する。
画素毎に下部透明電極６０１に対応する光電変換部と下部透明電極６０２に相当する光電変換部の中から特定の光電変換部の信号を選び出す。そして、結像光学系の瞳部分領域６０７と瞳部分領域６０８の中の特定の瞳部分領域に対応した視差画像を得ることができる。例えば、画素毎に、下部透明電極６０２に対応する光電変換部の信号を選び出すことで、結像光学系の瞳部分領域６０７に対応した有効画素数の解像度の視差画像を得ることができる。下部透明電極６０３に相当する光電変換部でも同様である。
また、画素毎に下部透明電極６０２に対応する光電変換部と下部透明電極６０３に相当する光電変換部の信号を加算することで、有効画素数の解像度の撮像画像を生成することができる。
なお本実施形態では、図６のように撮像素子の中央から遠い撮像画素ほどそのマイクロレンズの位置が撮像画素の中央側へ偏芯している。これは、撮像素子の中央から遠い部分では結像光学系からの主光線の方向がより傾くため、この傾きに対応するためである。
続いて、本発明における視差画像の像ずれ量とデフォーカス量の関係について説明する。
図７に、視差画像間の像ずれ量とデフォーカス量の概略関係図を示す。撮像面６０６に本実施形態の撮像素子（不図示）が配置され、図６と同様に、結像光学系の射出瞳が、瞳部分領域６０７と瞳部分領域６０８に２分割される場合を想定する。
デフォーカス量ｄは、被写体の結像位置から撮像面までの距離を大きさ｜ｄ｜、被写体の結像位置が撮像面より被写体側にある前ピン状態を負符号（ｄ＜０）、被写体の結像位置が撮像面より被写体の反対側にある後ピン状態を正符号（ｄ＞０）として定義する。被写体の結像位置が撮像面にある合焦状態はｄ＝０である。図７で、被写体７０１は合焦状態（ｄ＝０）の例を示しており、被写体７０２は前ピン状態（ｄ＜０）の例を示している。前ピン状態（ｄ＜０）と後ピン状態（ｄ＞０）を合わせて、デフォーカス状態（｜ｄ｜＞０）とする。
前ピン状態（ｄ＜０）では、被写体７０２からの光束のうち、瞳部分領域６０７（６０８）を通過した光束は、一度、集光した後、光束の重心位置Ｇ１（Ｇ２）を中心として幅Ｐ１（Ｐ２）に広がり、撮像面６０６でボケた像となる。ボケた像は、下部透明電極６０１に対応する光電変換部と下部透明電極６０２に相当する光電変換部により受光され、視差画像が生成される。よって、下部透明電極６０１に対応する光電変換部と下部透明電極６０２に相当する光電変換部の信号から生成される視差画像には、重心位置Ｇ１（Ｇ２）に、被写体７０２が幅Ｐ１（Ｐ２）にボケた被写体像として記録される。被写体像のボケ幅Ｐ１（Ｐ２）は、デフォーカス量ｄの大きさ｜ｄ｜が増加するのに伴い、概ね、比例して増加していく。同様に、視差画像間の被写体像の像ずれ量ｐ（＝Ｇ１－Ｇ２）の大きさ｜ｐ｜も、デフォーカス量ｄの大きさ｜ｄ｜が増加するのに伴い、概ね、比例して増加していく。後ピン状態（ｄ＞０）でも、視差画像間の被写体像の像ずれ方向が前ピン状態と反対となるが、同様である。合焦状態（ｄ＝０）では、視差画像間の被写体像の重心位置が一致（ｐ＝０）し、像ずれは生じない。
したがって、下部透明電極６０１に対応する光電変換部と下部透明電極６０２に相当する光電変換部の信号を用いる。これにより得られる二つ（複数）の視差画像において、視差画像のデフォーカス量の大きさが増加するのに伴い、複数の視差画像間の像ずれ量の大きさが増加する。本実施形態の撮像素子の第１の光電変換部からの信号を用いて視差画像間の像ずれ量を相関演算により算出することで、瞳分割による位相差検出方式の焦点検出信号を用いた焦点検出を行うことができる。
（第２の実施形態）
本発明の撮像素子の第２の実施形態として、第１の実施形態と同様の有効画素数及び画素配列を有する。撮像素子の撮像面上の基本画素群１０１の並びも実施形態と同等とし、基本画素群１０１が、撮像面上に２次元状に配列されている。ただし、基本画素群１０１をなす各撮像画素の内部構造の詳細は実施形態と異なるため、以下詳細に説明する。
本実施形態において、基本画素群１０１をなす各撮像画素の基本的な構成はカラーフィルター２０６以外同一である。本実施形態に係る画素における断面図について図８に示す。第１の実施形態における第２の光電変換部２０２に相当する光電変換部として、本実施形態においては第２の光電変換膜９０２が設けられている。そして、第１の光電変換部９０４および第２の光電変換膜９０２の間には、共通した電極である共通電極９０５が配置されている。そして、第１の光電変換部９０４の上面には、第１の実施形態における下部透明電極２０８および２０９に相当する、瞳分割による位相差検出方式の焦点検出に携わる分割された上部透明電極９０８および９０９が配置されている。なお、図８の断面においては、第１の光電変換部９０４と第２の光電変換部９０２は画素毎に区切られているが、製造する上では、夫々画素毎に共通の膜層とすることが好ましい。
上部透明電極９０８及び９０９は、それぞれ個別にコンデンサー９１４および９１２に接続されて読出し回路へ接続されている。第２の光電変換部９０２の下面には、下部透明電極９０３が配置されている。下部透明電極９０３はＴｉ／Ｃｕ等の一様電極が形成され、第２の光電変換部９０２で発生した電荷をコンデンサー９１３に送るよう設定されている。下部透明電極９０３は、その下へ光を透過させる必要がないため必ずしも透明電極でなくてよく、シリコン基板９０１上に設けられた各素子への入射光の影響を低減するための遮光部としての役割も有する。本実施形態では、第１の光電変換部９０４において入射光が透過する所定の割合がおよそ９０％となるように膜厚等を設定してあるものとする。本実施形態では、第１の光電変換部９０４からの信号を周辺の同色撮像画素の９画素で加算して用いるため、第１の光電変換部９０４において光を１０％しか吸収しないとしても、加算するために十分な信号強度を確保することができる。一方で、これに対して第２の光電変換部９０２へは、散乱や細かな吸収を無視して考えると、カラーフィルター２０６からの光のうちおよそ９０％を受光することができる。そのため、周辺同色画素間での信号加算を行わず、高解像度の撮像を第２の光電変換部９０２を用いて行うことができる。このように所定の割合を設定することで、第１の光電変換部９０４を用いて相対的にやや低解像度であるが高フレームレートでの焦点調節と撮像（動画撮像やライブビュー（ＬＶ）撮像）を実現できる。さらに、上記動作中の任意のタイミングで相対的に高解像度であるがやや低フレームレートでの撮像（静止画撮像）も実現することができる。
本実施形態における画素内部における光の集光点は、ｚ方向において第１の光電変換部９０４の中央付近、かつｘ方向において上部透明電極９０８、９０９の間に位置するように設定されている。本実施形態では、ｘ方向に分割された下部透明電極９０８、９０９の間に集光点が位置するよう設定されている。しかし、上部透明電極の分割方向はｘ方向に限るものではく、着目する瞳分割方向において位相差検出に携わる上部透明電極対の間に位置するようｘ－ｙ面内で集光点を設定することが好ましい。
（第３の実施形態）
本発明の撮像装置の具体的な構成例を第２の実施形態として以下に図を用いて説明する。図９は、本実施形態にかかる撮像装置の機能構成例を示すブロック図であり、実施形態で説明した撮像素子１０６を有するものである。一例としてはデジタルカメラであるが、撮像素子を有し撮像する機能を有する、携帯電話、監視カメラ、移動体カメラ等であってもよい。本実施形態の撮像装置では、撮像素子１０６の第１の光電変換部９０４からの二つの視差画像を瞳分割による位相差検出方式の焦点調節に用いると同時に、動画撮像、ＬＶ撮像に用いる。この際、同色周辺の９画素における分割された下部透明電極のうち同一配置のものから得られる信号を加算する。第１の光電変換部９０４の信号を用いた画像は、９画素を１画素に加算処理していることから解像度は低下するが、高速な焦点調節が可能である。第１の光電変換部９０４を透過し下方の第２の光電変換部９０２にて受光された光に基づく信号は、静止画撮像に用いられる。カラーフィルター２０６の透過後の約９０％光が、所定の間隔離間した第２の光電変換部９０２に光導波路を介して到達する。そのため、第２の光電変換部９０２からは第１の光電変換部９０４で得られる信号の約９倍という大きな信号が得られ、静止画撮像では画素間の信号加算を行わず、高解像度の画像を得ることが可能である。静止画撮像では、撮像素子駆動回路８２３を通してグローバルシャッター撮像が行われ、ローリングシャッターなどに起因する画像歪を極力抑制することが可能である。
本実施形態のデジタルカメラは、例えばレンズ交換式一眼レフカメラであり、レンズユニット８００とカメラ本体８２０とを有する。レンズユニット８００は図中央の点線で示されるマウントＭを介して、カメラ本体８２０に装着される。
レンズユニット８００は、光学系（第１レンズ群８０１、絞り８０２、第２レンズ群８０３、フォーカスレンズ群（以下、単に「フォーカスレンズ」という）８０４）及び、駆動／制御系を有する。このようにレンズユニット８００は、フォーカスレンズ８０４を含み、被写体の光学像を形成する撮像レンズである。尚、レンズユニット８００は本実施形態中では、制御手段を構成する。
第１レンズ群８０１はレンズユニット８００の先端に配置され、光軸方向ＯＡに移動可能に保持される。絞り８０２は、撮像時の光量を調節する機能のほか、静止画撮像においては露出時間を制御するメカニカルシャッタとしても機能する。ただし、本発明の撮像素子は、第２の光電変換部９０２の信号を用いた静止画撮像のためにグローバルシャッター機構が設けられているため、必ずしも絞りを用いたメカニカルシャッタを静止画撮像に使用する必要はない。例えば、第１の光電変換部９０４の信号を用いて動画撮像を行っている最中に、静止画撮像をメカニカルシャッタを用いて行うと、静止画の露光時間に動画撮像が途切れてしまう。このような場合を回避するため、撮像素子側に設けられたグローバルシャッター機構により静止画撮像を行うことで、動画像に影響を与えずに同時に静止画も撮像することが可能である。絞り８０２及び第２レンズ群８０３は一体で光軸方向ＯＡに移動可能であり、第１レンズ群８０１と連動して移動することによりズーム機能を実現する。フォーカスレンズ８０４も光軸方向ＯＡに移動可能であり、位置に応じてレンズユニット８００が合焦する被写体距離（合焦距離）が変化する。フォーカスレンズ８０４の光軸方向ＯＡにおける位置を制御することにより、レンズユニット８００の合焦距離を調節する焦点調節を行う。
駆動／制御系は、ズームアクチュエータ８１１、絞りアクチュエータ８１２、フォーカスアクチュエータ８１３を有する。さらに、ズーム駆動回路８１４、絞り絞り駆動回路８１５、フォーカス駆動回路８１６、レンズＭＰＵ（ＭＰＵ：マイクロプロセッサ）８１７、レンズメモリ８１８を有する。
ズーム駆動回路８１４は、ズームアクチュエータ８１１を用いて第１レンズ群１０１や第３レンズ群８０３を光軸方向ＯＡに駆動し、レンズユニット８００の光学系の画角を制御する。絞り駆動回路８１５は、絞りアクチュエータ８１２を用いて絞り８０２を駆動し、絞り８０２の開口径や開閉動作を制御する。フォーカス駆動回路８１６はフォーカスアクチュエータ８１３を用いてフォーカスレンズ８０４を光軸方向ＯＡに駆動し、レンズユニット８００の光学系の合焦距離を変化させる。また、フォーカス駆動回路８１６は、フォーカスアクチュエータ８１３を用いてフォーカスレンズ８０４の現在位置を検出する。
レンズＭＰＵ（プロセッサ）８１７は、レンズユニット８００に係る全ての演算、制御を行い、ズーム駆動回路８１４、絞り駆動回路８１５、フォーカス駆動回路８１６を制御する。また、レンズＭＰＵ８１７は、マウントＭを通じてカメラＭＰＵ８２５と接続され、コマンドやデータを通信する。例えばレンズＭＰＵ８１７はフォーカスレンズ８０４の位置を検出し、カメラＭＰＵ８２５からの要求に対してレンズ位置情報を通知する。このレンズ位置情報は、フォーカスレンズ８０４の光軸方向ＯＡにおける位置、光学系が移動していない状態の射出瞳の光軸方向ＯＡにおける位置および直径、射出瞳の光束を制限するレンズ枠の光軸方向ＯＡにおける位置および直径などの情報を含む。またレンズＭＰＵ８１７は、カメラＭＰＵ８２５からの要求に応じて、ズーム駆動回路８１４、絞り駆動回路８１５、フォーカス駆動回路８１６を制御する。レンズメモリ８１８は自動焦点検出に必要な光学情報が予め記憶されている。カメラＭＰＵ８２５は例えば内蔵する不揮発性メモリやレンズメモリ８１８に記憶されているプログラムを実行することで、レンズユニット８００の動作を制御する。
カメラ本体８２０は、光学系（光学ローパスフィルタ８２１および撮像素子１０６）と、駆動／制御系とを有する。レンズユニット８００の第１レンズ群８０１、絞り８０２、第２レンズ群８０３、フォーカスレンズ８０４と、カメラ本体８２０の光学ローパスフィルタ８２１は撮像光学系を構成する。
光学ローパスフィルタ８２１は、撮像画像の偽色やモアレを軽減する。撮像素子１０６は、前述の実施形態で説明した撮像素子であり、光電変換部が積層された構造を備えている。特に、本実施形態の撮像素子１０６は、第１の光電変換部９０４において瞳分割機能を有し、第１の光電変換部９０４からの信号に基づく画像データを用いた位相差検出による位相差ＡＦ（オートフォーカス）が可能である。画像処理回路８２４は、撮像素子１０６の第１の光電変換部９０４から得られる画像データから位相差ＡＦ用のデータおよび動画像を生成する。さらに、第２の光電変換部９０２から得られる画像データから静止画像、さらに両光電変換部から得られる画像データから表示、記録画像データを生成する。
駆動／制御系は、撮像素子駆動回路８２３、画像処理回路８２４、カメラＭＰＵ８２５、表示器８２６、操作スイッチ群８２７、メモリ８２８、撮像面位相差検出部８２９を有する。
撮像素子駆動回路８２３は、撮像素子１０６の動作を制御するとともに、取得した動画像および静止画像信号をＡ／Ｄ変換してカメラＭＰＵ８２５に送信する。画像処理回路８２４は、撮像素子１０６が取得した各画像データに対し、例えばγ変換、ホワイトバランス調整処理、色補間処理、圧縮符号化処理など、デジタルカメラで行われる一般的な画像処理を行う。また、画像処理回路８２４は位相差ＡＦ用の信号も生成する。
カメラＭＰＵ（マイクロプロセッサ）８２５は、カメラ本体８２０に係る全ての演算、制御を行い、撮像素子駆動回路８２３、画像処理回路８２４、表示器８２６、操作スイッチ群８２７、メモリ８２８、撮像面位相差検出部８２９を制御する。カメラＭＰＵ８２５はマウントＭの信号線を介してレンズＭＰＵ８１７と接続され、レンズＭＰＵ８１７とコマンドやデータを通信する。カメラＭＰＵ８２５はレンズＭＰＵ８１７に対し、レンズ位置の取得要求や、所定の駆動量での絞り、フォーカスレンズ、ズーム駆動要求や、レンズユニット８００に固有の光学情報の取得要求などを要求する。カメラＭＰＵ８２５には、カメラ動作を制御するプログラムを格納したＲＯＭ（ＲＯＭ：Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）８２５ａ、変数を記憶するＲＡＭ（ＲＡＭ：Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）８２５ｂが内蔵される。さらに、諸パラメータを記憶するＥＥＰＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ－Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）８２５ｃが内蔵されている。なお、本実施形態の撮像装置においてはカメラＭＰＵ８２５に接続する不図示の通信部を備えるようにしてもよい。通信部はＵＳＢやＬＡＮ等々の有線通信に限られるものではなく、無線ＬＡＮ等の無線通信も含む。本実施形態の撮像装置は当該通信部経由で外部の外部装置から制御信号を取得可能であり、取得した制御信号に基づいて画像データ等を配信することも可能である。
表示器８２６はＬＣＤ（ＬＣＤ： ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｉｓｐｌａｙ）などから構成され、カメラの撮像モードに関する情報、撮像前のプレビュー画像と撮像後の確認用画像、焦点検出時の合焦状態表示画像などを表示する。操作スイッチ群８２７は、電源スイッチ、レリーズ（撮像トリガ）スイッチ、ズーム操作スイッチ、撮像モード選択スイッチ等で構成される。本実施形態の記録手段としてのメモリ８２８は、着脱可能なフラッシュメモリで、撮像済み画像を記録する。本実施形態のように、二つの異なる光電変換部からの画像を動画像と静止画像として取得する場合、メモリ８２８を動画像用と静止画像用とに分けて用意してもよい。
撮像面位相差検出部８２９は、画像処理回路８２４により得られる第１の光電変換部からの焦点検出用データを用いて位相差検出方式で焦点検出処理を行う。より具体的には、画像処理回路８２４が、撮像光学系の一対の瞳領域を通過する光束で形成される第１の光電変換部からの一対の像データを焦点検出用データとして生成する。そして、撮像面位相差検出部８２９はこの一対の像データのずれ量に基づいて焦点ずれ量を検出する。このように、本実施形態の撮像面位相差検出部８２９は、専用のＡＦセンサを用いず、撮像素子１０６の出力に基づく位相差ＡＦ（撮像面位相差ＡＦ）を行う。
このように、本実施形態のデジタルカメラは撮像素子の第１の光電変換部から得られる信号に基づいて位相差ＡＦを実行可能である。さらに、第１の光電変換部から得られる信号を動画撮像やＬＶ撮像に用いながら、第２の光電変換部から得られる信号を静止画撮像に用いることが可能である。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
１０６ 撮像素子
２０２ 第２の光電変換部
２０４ 第１の光電変換部
２０５ 上部透明電極
２０８ 下部透明電極
２０９ 下部透明電極

Claims (12)

  1. 撮像面上に複数の撮像画素を備える撮像素子であって、
    前記複数の撮像画素は、
    外部からの光を画素内部に導くためのマイクロレンズと、所定の波長帯域の光を透過するカラーフィルターと、前記カラーフィルターを透過した光を光電変換するための第１の光電変換部と、前記第１の光電変換部の下方に所定の間隔を有して設けられた第２の光電変換部と、
    を有し、
    前記第１の光電変換部は前記複数の画素で共通した膜層を含み、
    前記第１の光電変換部には前記第１の光電変換部の一部の領域から第１の信号を取得するための第１の電極と、前記一部の領域とは異なる領域から第２の信号を取得する第２の電極が設けられ、
    前記第１の光電変換部の前記所定の波長帯域における光の透過率は、５０％よりも大きく、前記第１の光電変換部の前記膜層の厚みは前記複数の画素に亘って一様であり、前記第１の光電変換部において吸収される各色の光強度の比と前記第２の光電変換部において吸収される各色の光強度の比が同程度となるように前記カラーフィルターの厚さを色ごとに設定することを特徴とする撮像素子。
  2. 前記マイクロレンズの焦点の位置は前記第１の光電変換部の位置と略一致し、
    前記第１の信号と前記第２の信号とは、前記第１の電極と前記第２の電極の配置に基づく視差を有することを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
  3. 前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部の間には、高屈折材料からなる光導波路を有し、
    前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部とは前記光導波路を介して前記所定の間隔を有して設けられている
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の撮像素子。
  4. 前記第１の光電変換部は前記複数の画素で共通した第１の膜層を含み、
    前記第２の光電変換部は前記複数の画素で共通した第２の膜層を含み、
    前記第１の膜層と前記第２の膜層とは前記複数の画素で共通電極を備え、
    前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部とは前記共通電極を介して前記所定の間隔を有して設けられている
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の撮像素子。
  5. 前記所定の波長帯域は可視光の波長帯域であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像素子。
  6. 異なる２以上の撮像画素の前記第１の光電変換部から読み出される前記第１の信号及び前記第２の信号を加算する加算手段を更に備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像素子。
  7. 前記加算手段は前記第１の信号及び前記第２の信号を加算する加算単位ごとに設けられていることを特徴とする請求項６に記載の撮像素子。
  8. 前記第１の光電変換部の前記所定の波長帯域における光の透過率の逆数と前記加算手段によって加算される前記第１の信号及び前記第２の信号の加算数は略同一であることを特徴とする請求項６又は７に記載の撮像素子。
  9. 前記第１の光電変換部において吸収される各色の光強度の比と前記第２の光電変換部において吸収される各色の光強度の比のずれに基づいて前記第１及び第２の光電変換部から出力される信号を補正する補正値を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の撮像素子。
  10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の撮像素子を有し、前記第１の信号及び前記第２の信号に基づいて位相差方式の焦点検出を行う焦点検出手段を備えることを特徴とする撮像装置。
  11. 前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部から信号を読み出す読み出し周期を制御するための制御手段を更に備え、
    前記制御手段は前記第１の光電変換部からの信号を読み出す周期を前記第２の光電変換部から信号を読み出す周期よりも短く制御することを特徴とする請求項１０に記載の撮像装置。
  12. 外部装置より制御信号を通信により取得可能な通信手段を更に備えることを特徴とする請求項１０または１１に記載の撮像装置。
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