JP2009109965A - 固体撮像素子および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】瞳分割位相差方式による焦点検出の性能向上を図ることができる固体撮像素子の提供。
【解決手段】集光用の第１のマイクロレンズが各々設けられた複数の撮像用画素と、集光用の第２のマイクロレンズ４１が各々設けられて焦点検出に用いる複数の焦点検出用画素２０Ｂとを、２次元的に配置した固体撮像素子において、第２のマイクロレンズ４１による集光位置Ｐ２が第１のマイクロレンズによる集光位置よりもマイクロレンズ側となるように、第１および第２のマイクロレンズを形成する。
【選択図】図８

Description

本発明は、固定撮像素子、および、その固体撮像素子を備えた撮像装置に関する。

近年、ＡＦ（オートフォーカス）機能を有するビデオカメラや電子カメラが広く一般に普及している。これらのカメラには、ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型の固体撮像素子が使用されている。これらの固体撮像素子は、入射光の光量に応じて信号電荷を生成する光電変換部を有する画素が２次元的に複数配置されている。光電変換部の光入射側には、マイクロレンズがオンチップ形態で配置されている。マイクロレンズは、光電変換部以外の画素領域に入射する光を光電変換部に集光させ、光電変換部に入射する光量の増大を図るために設けられている。

一般的に、一眼レフ式の電子カメラでは、このような撮像用の固体撮像素子とは別に瞳分割位相差方式の焦点検出器を設けて、高速な焦点検出を行うようにしている。しかし、焦点検出時には撮像素子に被写体光が入射しないので、カメラ背面に設けられた小型モニターによるライブビュー画像を確認することができない。また、逆にライブビュー画像表示中は、瞳分割位相差方式の焦点検出器には被写体光が入射されない。したがって、焦点検出器による焦点検出が行えない。このような場合、固体撮像素子からの信号を用いてコントラスト方式（山登り方式）の焦点検出も提案されているが、これでは焦点検出が高速に行えない。そのようなことから、瞳分割位相差方式による焦点検出用の画素を組み込んだ固体撮像素子が提案されている（例えば、特許文献１および２参照）。

特開２００３−２４４７１２号公報 特開２００６−２６１９２９号公報

しかしながら、上述したように、撮像用の固体撮像素子に瞳分割位相差方式による焦点検出用の画素を組み込んだ場合、焦点検出性能が低下するという問題があった。

請求項１の発明は、集光用の第１のマイクロレンズが各々設けられた複数の撮像用画素と、集光用の第２のマイクロレンズが各々設けられて焦点検出に用いる複数の焦点検出用画素とを、２次元的に配置した固体撮像素子に適用され、第２のマイクロレンズによる集光位置が第１のマイクロレンズによる集光位置よりもマイクロレンズ側となるように、第１および第２のマイクロレンズを形成したことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の固体撮像素子において、第２のマイクロレンズのレンズ面の曲率を第１のマイクロレンズのレンズ面の曲率よりも大きく設定することで、第２のマイクロレンズによる集光位置が第１のマイクロレンズによる集光位置よりもマイクロレンズ側となるようにしたものである。
請求項３の発明は、請求項２に記載の固体撮像素子において、第２のマイクロレンズのレンズ厚さを第１のマイクロレンズのレンズ厚さよりも大きく設定することで、第２のマイクロレンズのレンズ面の曲率を第１のマイクロレンズのレンズ面の曲率よりも大きくしたものである。
請求項４の発明は、請求項３に記載の固体撮像素子において、レンズ口径を同一とした場合における第２のマイクロレンズのレンズ厚さと記第１のマイクロレンズのレンズ厚さとの比を、１．１以上１．４未満に設定したものである。
請求項５の発明は、請求項２に記載の固体撮像素子において、第２のマイクロレンズのレンズ口径を第１のマイクロレンズのレンズ口径よりも小さく設定することで、第２のマイクロレンズのレンズ面の曲率を第１のマイクロレンズのレンズ面の曲率よりも大きくしたものである。
請求項６の発明は、請求項５に記載の固体撮像素子において、レンズ厚さを同一とした場合における第２のマイクロレンズのレンズ口径と第１のマイクロレンズのレンズ口径との比を、０．９５以上１．０未満に設定したものである。
請求項７の発明は、請求項２に記載の固体撮像素子において、第２のマイクロレンズのレンズ平面形状を円形とするとともに、第１のマイクロレンズのレンズ平面形状を矩形とすることで、第２のマイクロレンズのレンズ面の曲率を第１のマイクロレンズのレンズ面の曲率よりも大きくしたものである。
請求項８の発明は、請求項２に記載の固体撮像素子において、第２のマイクロレンズのレンズ平面形状を角数が８以上の多角形とするとともに、第１のマイクロレンズのレンズ平面形状を角数が７以下の多角形とすることで、第２のマイクロレンズのレンズ面の曲率を第１のマイクロレンズのレンズ面の曲率よりも大きくしたものである。
請求項９の発明は、請求項１に記載の固体撮像素子において、第２のマイクロレンズのレンズ材の屈折率を第１のマイクロレンズのレンズ面のレンズ材の屈折率よりも大きく設定することで、第２のマイクロレンズによる集光位置が第１のマイクロレンズによる集光位置よりもマイクロレンズ側となるようにしたものである。
請求項１０の発明は、請求項１に記載の固体撮像素子において、マイクロレンズの厚さをＬ１、マイクロレンズと該マイクロレンズが設けられている画素の受光面との距離をＬ２としたとき、第２のマイクロレンズによる集光位置が第１のマイクロレンズによる集光位置よりもマイクロレンズ側となるように、比Ｌ２／Ｌ１を第１のマイクロレンズと第２のマイクロレンズとで異なる値に設定したことを特徴とする。
請求項１１の発明は、請求項１０に記載の固体撮像素子において、第２のマイクロレンズの比Ｌ２／Ｌ１を、３．７２以上３．９８以下に設定したものである。
請求項１２の発明による撮像装置は、請求項１〜１１のいずれか一つに記載の固体撮像素子と、複数の撮像用画素の出力に基づいて画像情報を形成する画像形成手段と、複数の焦点検出用画素の出力に基づいて瞳分割位相差方式の焦点検出を行う焦点検出手段とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、第２のマイクロレンズによる集光位置が第１のマイクロレンズによる集光位置よりもマイクロレンズ側となるようにしたので、瞳分割位相差方式による焦点検出の性能向上を図ることができる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明に係る撮像装置の一実施の形態を示す図であり、電子カメラ１の概略構成を示すブロック図である。電子カメラ１には被写体を結像する光学系としての撮影レンズ２が装着される。撮影レンズ２は、レンズ制御部２ａによりフォーカスや絞りが駆動される。撮影レンズ２の像空間には、撮影レンズ２により結像された被写体像を光電変換する固体撮像素子３の撮像面が配置される。

固体撮像素子３は撮像制御部４の指令によって駆動され、被写体像に応じた電気信号を出力する。固体撮像素子３からは、被写体像を示す画像信号を形成するための撮像用信号と、撮影レンズ２の焦点調節状態を検出するための焦点検出用信号とが出力される。なお、本発明とは関連がないため説明を省略するが、その他に露出制御用の信号が出力されることもある。

上述した撮像用電気信号および焦点検出用信号は信号処理部５およびＡ／Ｄ変換部６により処理され、メモリ７に一旦記憶される。メモリ７はバス８に接続されている。バス８には、レンズ制御部２ａ、撮像制御部４、マイクロプロセッサ９、焦点演算部１０、記録部１１、画像圧縮部１２および画像処理部１３なども接続されている。マイクロプロセッサ９には、レリーズ釦などの操作部９ａが接続されている。また、記録部１１には記録媒体１１ａが着脱自在に装着され、記録部１１により記録媒体１１ａへのデータの記録および記録媒体１１ａからのデータの再生が行われる。

メモリ７に一旦記憶された焦点検出用信号は、バス８を介して焦点演算部１０へと送られる。焦点演算部１０は焦点検出用信号に基づいて合焦状態を計算し、撮影レンズ２のずれ量を求めてその値をレンズ制御部２ａに送る。すなわち、焦点演算部１０は、焦点調節状態を示す検出信号をレンズ制御部２ａに出力する。レンズ制御部２ａは、焦点調節状態を示す検出信号に基づいて撮影レンズ２を所定位置に移動させて焦点調節を行う。

図２は、図１に示す固体撮像素子３の概略構成を示す回路図である。固体撮像素子３は、二次元状に配置された複数の画素２０と、画素２０から信号を出力するための周辺回路とを有している。図２では、画素２０が二次元状に配置されている有効画素領域（撮像領域）を符号３１で示している。画素２０は、縦方向（列方向）、横方向（行方向）のように直交する方向に二次元状に配置されるのが一般的である。図２では図示を簡単にするために、画素２０が横に４行、縦に４列並んだ画素数＝１６としているが、本実施の形態における固体撮像素子３の実際の画素数は、図２に示すよりもはるかに多数になっている。ただし、本発明では、画素数は特に限定されるものではない。

本実施の形態では、固体撮像素子３は、撮像信号を生成する撮像用画素２０Ａと、焦点検出用信号（以下、「ＡＦ信号」とも称する）を生成する焦点検出用画素（以下「ＡＦ用画素」とも称する）２０Ｂとを画素２０として有している。図２では、それらを区別することなく画素２０として示した。画素２０の具体的な回路構成や構造については後述する。これらの画素２０、周辺回路の駆動信号に従って撮像用信号または焦点検出用信号を出力する。

周辺回路は、垂直走査回路２１、水平走査回路２２、これらと接続されている駆動用配線２３，２４、画素２０からの電気信号を受け取る垂直出力線２５、垂直出力線２５と接続される定電流源２６および相関二重サンプリング回路（ＣＤＳ回路）２７、ＣＤＳ回路２７から出力される信号を受け取る水平出力線２８、出力アンプ２９等からなる。

垂直走査回路２１および水平走査回路２２は、電子カメラ１の撮像制御部４からの指令に基づいて駆動信号を駆動用配線２３，２４に出力する。各画素２０は、垂直走査回路２１から出力される駆動信号を所定の駆動用配線２３から受け取って駆動され、撮像用信号または焦点検出用信号を垂直出力線２５に出力する。垂直走査回路２１から出力される駆動信号は複数あり、それに伴い駆動用配線２３は複数ある。なお、垂直走査回路２１と接続される駆動用配線２３は、正確には画素に配置されるＭＯＳトランジスタのゲート電極と接続されている。画素２０から出力された信号は、ＣＤＳ回路２７にて所定のノイズ除去が施され、水平走査回路２２の駆動信号により水平出力線２８および出力アンプ２９を介して外部に出力される。

図３は、図１に示す固体撮像素子３（特に、その有効画素領域３１）を模式的に示す平面図である。図３に示すように、本実施の形態の固体撮像素子３では、中央に配置された十字状をなす２つの焦点検出領域３２，３３と、左右に配置された２つの焦点検出領域３４，３５と、上下に配置された２つの焦点検出領域３６，３７とが、有効画素領域３１に設けられている。しかし、本発明はこれに限らない。焦点検出領域は、他のパターン状に配置されていても良いし、ＡＦ用画素が有効画素領域３１全体にわたって周期的に配置されていても良い。

なお、図３に示すように、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を定義する。また、Ｘ軸方向のうち、矢印の向きを＋Ｘ方向または＋Ｘ側、その反対の向きを−Ｘ方向または−Ｘ側と呼び、Ｙ軸方向についても同様とする。ＸＹ平面と平行な平面が固体撮像素子３の撮像面（受光面）と一致している。Ｘ軸方向の並びを行と呼び、Ｙ軸方向の並びを列と呼ぶことにする。なお、撮影レンズ２からの入射光は、図３の紙面手前側から奥側に入射する。これらの点は、後述する図についても同様である。

図４は、図３に示す焦点検出領域３２，３３の交差部付近を拡大して示す図であり、画素配置を模式的に示したものである。固体撮像素子３は、１種類の撮像用画素２０Ａと、右、左、上、下にそれぞれ入射光を受光する領域が規定されている４種類のＡＦ用画素２０Ｂとを有しているが、以下の説明では、特に断らない場合には、ＡＦ用画素の種類を区別しないで説明する。

各画素２０には、光電変換部４２と、光電変換部４２に入射光を導くマイクロレンズ４１とが配置されている。なお、ＡＦ用画素２０Ｂの光電変換部（図４には図示されていない）上には開口部４４を有する遮光膜４３が設けられており、この開口部４４の位置によって、光電変換部に入射光が導かれる領域が規定される。

図５は、固定撮像素子３に設けられた多数の画素２０の内の、２×２個の画素２０を示す回路図であり、焦点検出領域３３の一部を含む画素領域を示したものである。すなわち、図５は、２個のＡＦ用画素２０Ｂおよび２個の撮像用画素２０Ａについての回路図を示す。本実施の形態では、いずれの画素２０（撮像用画素２０ＡおよびＡＦ用画素２０Ｂ）も、同一の回路構成を有している。各画素２０は、入射光に応じた電荷を生成して蓄積する光電変換部（フォトダイオード）４２と、電荷を受け取る浮遊拡散部５２と、浮遊拡散部５２の電位に応じた信号を出力する画素アンプトランジスタ５３と、光電変換部４２から浮遊拡散部５２に電荷を転送する転送トランジスタ５１と、浮遊拡散部５２の電圧をリセットするリセットトランジスタ５５と、当該画素２０を選択する選択トランジスタ５４とを備えている。

このように、各画素２０には前記電荷に対応する電気信号を生成し出力するための複数のトランジスタが設けられている。この画素２０の回路構成は、ＣＭＯＳ固体撮像素子の単位画素の回路構成として一般的なものである。

本実施形態では、転送トランジスタ５１、画素アンプトランジスタ５３、リセットトランジスタ５５、選択トランジスタ５４は、いずれもＮＭＯＳトランジスタで構成されている。実際には、浮遊拡散部５２は、ｐ型シリコン基板に設けられたｎ型不純物半導体領域（以下、ＦＤと称する）、ＦＤと画素アンプトランジスタ５３のゲート電極とを電気的に接続する内部配線、および画素アンプトランジスタ５３のゲート電極からなる。

なお、図２及び図５において、各画素２０の転送トランジスタ５１のゲート電極は、画素行毎に共通に駆動用配線２３と接続され、垂直走査回路２１から駆動用配線２３を介して駆動信号φＴＸが供給される。各画素２０の選択トランジスタ５４のゲート電極は、画素行毎に共通に駆動用配線２３と接続され、垂直走査回路２１から駆動用配線２３を介して駆動信号φＳＥＬが供給される。各画素２０のリセットトランジスタ５５のゲート電極は、画素行毎に共通に駆動用配線２３と接続され、垂直走査回路２１から駆動用配線２３を介して駆動信号φＲＥＳが供給される。垂直走査回路２１と接続される駆動用配線２３は、行方向（Ｘ方向）にそれぞれが平行となるように設けられている。

図６は、固体撮像素子３の動作を説明するタイミングチャートである。ここでは、撮像用信号と焦点検出用信号とを、各行毎に出力する場合を示している。しかし、例えば、焦点検出領域のＡＦ用画素から選択的にＡＦ信号を出力させても良い。

図６のｔ１の時点に至る前において、駆動信号φＲＥＳはハイレベルとされ、リセットトランジスタ５５はオン状態とされている。これにより、浮遊拡散部５２は基準レベルにリセットされる。ｔ１の時点において、駆動信号φＲＥＳはローレベルとされる。これにより、リセットトランジスタ５５はオフ状態とされるが、浮遊拡散部５２のリセットレベルはオフ状態が維持される。また、ｔ１の時点において、選択行（図６では１行目）の駆動信号φＳＥＬはハイレベルとされ、選択トランジスタ５４はオン状態とされる。これにより、選択行の各画素は対応する垂直出力線２５と接続され、浮遊拡散部５２の基準レベルに応じたレベル（ダークレベル）が、画素アンプトランジスタ５３から垂直信号線２５を介してＣＤＳ回路２７に蓄積される。

次いで、ｔ２の時点において駆動信号φＴＸはハイレベルとされ、ｔ３の時点において駆動信号φＴＸは再びローレベルとされる。これにより、光電変換部４２に蓄積されていた電荷が浮遊拡散部５２に転送され、当該信号および基準レベルの重畳された信号が、画素アンプトランジスタ５３から垂直出力線２５を介してＣＤＳ回路２７に蓄積される。そして、ＣＤＳ回路２７によって、この信号と先のダークレベルとの差分を取ることで得られる画像信号および焦点検出用信号が出力される。

ｔ４の時点において、駆動信号φＳＥＬはローレベルとされ、選択トランジスタ５４はオフ状態とされる。これにより、選択行の各画素２０と対応する垂直出力線２５との接続が遮断される。その後、次の行（２行目）が選択されて、同様に信号が出力される。読み出された画像信号またはＡＦ信号は、所定の処理が行われた後に一旦メモリ７に記憶される。そして、焦点検出処理を行う場合には、メモリ７からＡＦ信号を取り出して所定の処理が行われる。一方、画像化する場合には、メモリ７から画像信号を取り出して所定の処理が行われる。

図７は撮像用画素２０Ａの主要部を模式的に示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ１−Ｘ１断面図、（ｃ）は（ａ）のＸ２−Ｘ２断面図である。撮像用画素２０Ａは光電変換部４２と、光電変換部４２上にオンチップで形成されたマイクロレンズ４１とを備えている。実際には、マイクロレンズ４１と光電変換部４２との間にはカラーフィルタを含む種々の層が形成されているが図７では図示を省略した。

図７に示すように、マイクロレンズ４１の平面形状は矩形状となっており、Ｘ２−Ｘ２断面におけるレンズ曲面Ｓ２の曲率は、対角方向の断面であるＸ１−Ｘ１断面におけるレンズ曲面Ｓ１の曲率よりも小さくなっている。そして、撮像用画素２０Ａの場合には、マイクロレンズ４１による集光位置Ｐ１は受光面上または受光面より基板４５側の近傍とされる。光電変換部４２の中心とマイクロレンズ４１の中心とは一致しており、撮像用画素２０Ａの光電変換部４２は、撮影レンズ２の射出瞳の中心から実質的に偏心していない射出瞳領域からの光束を受光して光電変換することになる。

図８はＡＦ用画素２０Ｂの主要部を模式的に示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ３−Ｘ３断面図である。図８は、図４の焦点検出領域３２に配置されたＡＦ用画素２０Ｂの内、光軸の左側で入射光を受光する画素に関して示したものであり、図７に示す要素と同一または対応する要素は同一の符号を付し、ここでは異なる要素を中心に説明する。

ＡＦ用画素２０Ｂでは、マイクロレンズ４１と光電変換部４２との間に遮光膜４３が配置され、この遮光膜４３により瞳分割された光が光電変換部４２に入射する。また、マイクロレンズ４１の平面形状は図８（ａ）に示すように円形を成し、レンズ口径は、図７に示した平面形状が矩形のマイクロレンズ４１に比べて小さく設定されている。そのため、マイクロレンズ４１の高さ（厚さ）を図７に示した撮像用画素２０Ａのマイクロレンズ４１と同一に設定した場合、レンズ曲面Ｓ３の曲率は図７に示した曲面Ｓ１，Ｓ２の各曲率よりも大きくなる。その結果、ＡＦ用画素２０Ｂのマイクロレンズ４１の集光位置Ｐ２は、撮像用画素２０Ａのマイクロレンズ４１の集光位置Ｐ１よりもマイクロレンズ側に近い位置となる。本実施の形態では、集光位置Ｐ２は、遮光膜４３の位置とほぼ同一となるように設定されている。

遮光膜４３は、ＡＦ用画素２０Ｂの光が入射する側に配置され、入射光が光電変換部４２に入射される領域を規定している。具体的には、遮光膜４３には開口部４４が形成されており、この開口部４４によって入射光が光電変換部４２に入射される領域を規定している。開口部４４は、マイクロレンズ４１の光軸Ｏに対して−Ｘ側に設けられている。そのため、光電変換部４２は、撮影レンズ２の射出瞳の中心から＋Ｘ側に実質的に偏心した射出瞳領域からの光束を選択的に受光して光電変換することになる。

なお、従来技術においては、ＡＦ用画素２０Ｂに設けられるマイクロレンズと撮像用画素２０Ａに設けられるマイクロレンズは同一形状であったため、ＡＦ用画素２０Ｂの集光位置Ｐ２と撮像用画素２０Ａの集光位置Ｐ１とは同じ位置であった。よって、従来技術においては、逆方向に偏心した光もＡＦ用画素２０Ｂに入射されていた。しかしながら、本実施の形態の固体撮像素子３では、この逆方向の成分が低減される（詳細は後述する）。

同様に、図４に示したＡＦ用画素２０Ｂのうち、開口部４４が光軸の右側（＋Ｘ側）に設けられているものは、射出瞳中心から−Ｘ側に偏心した射出瞳領域からの光束を選択的に受光し、開口部４４が光軸の上側（＋Ｙ側）に設けられているものは、射出瞳中心から−Ｙ側に偏心した射出瞳領域からの光束を選択的に受光し、開口部４４が光軸の下側（−Ｙ側）に設けられているものは、射出瞳中心から＋Ｙ側に偏心した射出瞳領域からの光束を選択的に受光する。

瞳分割位相差方式の焦点検出を行う焦点演算部１０では、＋Ｘ側に偏心した射出瞳領域からの光束を受光する複数のＡＦ用画素２０ＢのＡＦ信号と、−Ｘ側に偏心した射出瞳領域からの光束を受光する複数のＡＦ用画素２０ＢのＡＦ信号とに基づいて相関演算を行い、デフォーカス量を算出する。また、＋Ｙ側に偏心した射出瞳領域からの光束を受光する複数のＡＦ用画素２０ＢのＡＦ信号と、−Ｙ側に偏心した射出瞳領域からの光束を受光する複数のＡＦ用画素２０ＢのＡＦ信号とに基づく焦点演算も、同様に行われる。

このような瞳分割位相差方式の焦点検出において高精度な焦点検出を行うためには、光軸に関して対称な位置の射出瞳領域からの光束を明確に分離して検出することが重要である。一方、撮像用画素２０Ａによる撮像性能を向上させるためには、マイクロレンズ４１の集光位置を受光面またはその基板側近傍に設定することが求められる。しかしながら、従来の固体撮像素子ではこのようなことが考慮されず、撮像用画素２０ＡもＡＦ用画素２０Ｂも撮像に適した同一形状のマイクロレンズ４１が設けられていたため、焦点検出精度に問題があった。

一方、本実施の形態の固体撮像素子３では、上記２つの条件を満足させるために、撮像用画素２０ＡとＡＦ用撮像素子２０Ｂとでマイクロレンズ４１の集光位置を異ならせた。すなわち、撮像用画素２０Ｂの場合には、集光位置Ｐ１を撮像に適した受光面近傍（具体的には、基板側の近傍）に設定し、ＡＦ用画素２０Ｂの場合には、瞳分割を正確に行えるように、集光位置Ｐ２を受光面よりもマイクロレンズ側である遮光膜４３の位置に設定した。

図９は、ＡＦ用画素２０Ｂにおける受光光束を説明する図である。図９において、ハッチングを施した光束は受光面に入射する光束を示し、ハッチングが施されていない光束は受光面に達しない光束を示す。また、一点鎖線より右側の光束は射出瞳中心から右側（＋Ｘ側）に偏心した射出瞳領域からの光束を示し、一点鎖線より左側の光束は射出瞳中心から左側（−Ｘ側）に偏心した射出瞳領域からの光束を示している。左側の射出瞳領域からの光束は遮蔽膜４３によって遮蔽され、光電変換部４２には右側の射出瞳領域からの光束のみが入射している。そのため、瞳分割位相差方式の焦点検出を精度良く行うことができる。

図１０は、従来のＡＦ用画素２０Ｂを示す図である。従来は、上述した撮像用画素２０Ａと同様の構成の画素に遮光膜４３を設けることでＡＦ用画素としている。撮像用画素２０Ａの場合、集光位置Ｐ１が受光面の基板側近傍となっているため撮像特性に優れている。しかしながら、図１０のように遮蔽膜４３を設けてＡＦ用として用いる場合、集光位置Ｐ１が受光面近傍にあるため、左側の射出瞳領域からの光束も開口部４４を通過して光電変換部４２に入射してしまっている。また、右側の射出瞳領域からの光束でありながら、遮蔽膜４３によって遮蔽されている光束もある。そのため、従来の場合には、位相差ＡＦの性能低下を招いてしまうという問題があった。

しかし、本実施の形態の固体撮像素子３では、撮像用画素２０ＡおよびＡＦ用撮像素子２０Ｂのそれぞれにおいて最適となるようにマイクロレンズ４１の集光位置を異ならせたので、撮像特性およびＡＦ特性の両立を図ることができる。

なお、上述した実施の形態では、撮像用画素２０Ａのマイクロレンズ４１の平面形状を画素形状と同じ矩形とし、ＡＦ用画素２０Ｂのマイクロレンズ形状を丸形としたがこれらの形状に限定されない。すなわち、レンズ厚さが同一である場合には、レンズ平面形状の面積を大きくすることで、ＡＦ用画素２０Ｂの場合の集光位置Ｐ２を撮像用画素２０Ａの場合の集光位置Ｐ１よりもマイクロレンズ側に設定することができる。例えば、ＡＦ用画素２０Ｂのマクロレンズ４１の平面形状を８角形以上に設定してほぼ円形に近い形状となるようにし、撮像用画素２０Ａのマクロレンズ４１の平面形状を８角形よりも画数の少ない多角形に設定するようにしても良い。

オンチップのマイクロレンズ４１を形成する一般的な方法としては、リフロー法（例えば、特許第２６０４８９０号公報を参照）やエッチバック法（例えば、特許第２７７６８１０号公報を参照）などが知られている。例えば、リフロー法の場合、矩形状にパターニングされたマイクロレンズ材（熱変形性樹脂）を加熱して熱変形させることで、図７に示すような凸状の曲率を有するマイクロレンズ４１を形成することができる。また、パターニング形状を矩形の代わりに正６角形とすれば、平面形状が正６角形のマイクロレンズ４１が得られることになる。

一方、図８に示すＡＦ用画素２０Ａの場合には、マイクロレンズ材を円形状にパターニングしてリフローすることで、円形状のマイクロレンズ４１が得られる。なお、マイクロレンズ材を熱変形させてマイクロレンズ４１を形成しているので、矩形状のマイクロレンズ４１であっても厳密には矩形とならず、角部分が丸みを帯びた形状となる。すなわち、マイクロレンズ４１の平面形状が矩形状であると称する場合、このような丸みを帯びたものや、角部を面取りしたものも矩形状に含むものとする。その他の多角形の場合も同様である。

上述した実施の形態では、レンズ平面形状を変えることで異なる集光位置Ｐ１，Ｐ２としたが、集光位置を異ならせる方法としてはこのような形態に限らない。例えば、レンズ平面形状を同一形状および同一大きさとし、レンズ厚さを変えることで集光位置を変える。また、レンズ平面形状およびレンズ厚さは同一形状（例えば、円形）であるが、その口径を変えることで集光位置を変える。レンズ形状を変える代わりに、屈折率の異なるマイクロレンズ材を用いることで集光位置を変えるようにしても良い。さらに、屈折率の異なるマイクロレンズ材としては、ナフトキノンジアジドを感光基とするフェノール系のポジ型レジスト（リフロー法の場合）、酸化シリコンや窒化シリコン（エッチバック法の場合）などが上げられる。

図１１は、上述した集光位置を異ならせる方法を一覧にして示したものである。レンズ平面形状が同一である場合、レンズ厚さをより大きくすることでＡＦ用画素２０Ｂの集光位置Ｐ２を、マイクロレンズ側に移動させることができる。レンズ厚さが一定の場合にはレンズ口径をより小さくすることで、また、レンズ材の屈折率変える場合には屈折率をより大きくすることで、それぞれＡＦ用画素２０Ｂの集光位置Ｐをマイクロレンズ側に移動させることができる。

遮光膜４３の開口部４４によって瞳分割を行っているが、この場合の望ましい集光位置は上述したように遮光膜４３の位置Ｐ２である。そして、集光位置が位置Ｐ２からずれるに従って、光電変換部４２から出力される信号は位相差ＡＦ信号としての性能が低下する。図１２は、３種類のマイクロレンズ（ＭＬ）４１に関して、位相差ＡＦ信号としての性能（ここでは、位相差ＡＦ信号有効係数と呼ぶ）の光学シミュレーション結果を示したものである。マイクロレンズ４１の形状は全て円形（図１２では丸形と記載）とした。

位相差ＡＦ信号有効係数とは、例えば、図９に示した射出瞳中心から右側（＋Ｘ側）に偏心した射出瞳領域からの光束のみを、図９に示すように開口部４４が光軸の左側にずれていて右側光束を検出するＡＦ用画素２０Ｂと、開口部４４が光軸の右側にずれていて左側光束を検出するＡＦ用画素２０Ｂ（図４参照）とにそれぞれ入射させ、それらの検出信号の強度比を求めることにより得られる量である。すなわち、位相差ＡＦ信号有効係数は、（右側光束検出用画素２０Ｂの出力）／（左側光束検出用画素２０Ｂの出力）に比例する量である。この位相差ＡＦ信号有効係数が大きいほど、位相差ＡＦの性能が向上する。

（右側光束検出用画素２０Ｂの出力）／（左側光束検出用画素２０Ｂの出力）の値を、集光位置が図１０に示すように撮像用画素２０Ａと同じ場合について考える。前述したように、ハッチングを施した光束は受光面に達しており、ハッチングが施されていない光束は、遮蔽膜４３により遮蔽されて受光面に入射しない。この場合、右側光束検出用画素２０Ｂに対し、検出すべき右側光束の一部が遮蔽膜４３により遮蔽されてしまうため、位相差ＡＦ信号有効係数の分子の部分が小さくなり、位相差ＡＦ信号有効係数を小さくするように作用する。また、図１０からも分かるように、本来入射すべきでない反対側の瞳領域からの光束（左側光束）が入射している。このことは、上述した左側光束検出用画素２０Ｂに、右側光束が入射することを意味している。よって、位相差ＡＦ信号有効係数の分母が大きくなり、この場合も位相差ＡＦ信号有効係数を小さくするように作用する。その結果、集光位置が図１０に示すように撮像用画素２０Ａと同じ場合には、位相差ＡＦ信号有効係数が小さくなる。

図１２に示す光学シミュレーション結果では、図１０に示す撮像に好適なマイクロレンズ（ＭＬ）構造では、位相差ＡＦ信号有効係数は４．３と小さい。一方、レンズ厚さを変えずにマイクロレンズ４１の開口直径を１０％削減すると、レンズ面の曲率が大きくなって集光位置が図１０のＰ１からマイクロレンズ側に移動し、位相差ＡＦ信号有効係数は１０．９と改善される。また、マイクロレンズの開口直径を変えずにレンズ厚さ（図１２では高さと記載）を１０％増加させると、位相差ＡＦ信号有効係数は９．７となり、この場合も、図１０に示す構造と比べて位相差ＡＦの性能が向上している。

図１３は、マイクロレンズ４１の直径比と位相差ＡＦ信号有効係数比との関係を示したものである。比の値は、撮像用画素の場合と比較したときの値である。ＭＬ直径比が０．９５以上１．０未満では、位相差ＡＦ信号有効係数比は１．０よりも大きくなり、ＡＦ性能が従来よりも改善される。また、図１４は、マイクロレンズ４１のレンズ厚さの比と位相差ＡＦ信号有効係数比との関係を示したものである。ＭＬ厚比を１．１０以上１．４０未満に設定した場合、位相差ＡＦ信号有効係数比は２以上となり、図１３のマイクロレンズ４１の直径を変える場合に比べてＡＦ性能の改善がより大きく図れ、ＡＦ用画素２０Ｂのマイクロレンズ４１に適している。

なお、マイクロレンズ４１の口径またはレンズ厚さを変えるだけでなく、ＡＦ用画素２０Ｂのマイクロレンズ４１に屈折率のより大きなレンズ材を用いることで、集光位置の移動をより効果的に行わせることができる。さらに、これらを組み合わせても良いことはいうまでもない

上述した実施の形態では、マイクロレンズ４１の口径、レンズ厚さ、屈折率を変えることで、ＡＦ用画素２０Ｂの集光位置をマイクロレンズ側に移動させるようにした。しかし、このようにマイクロレンズ４１の形状や材質を変えなくても、図９に示すマイクロレンズ４１の下端と光電変換部４２の受光面との距離Ｌ２を変えることでも、集光位置を移動させることができる。上述したように、集光位置はレンズ厚さＬ１により変わるので、種々の値のＬ２／Ｌ１に対して、ＡＦ用画素２０Ｂに適したマイクロレンズ４１を与えるＬ２／Ｌ１を期待することができる。

図１６は、位相差ＡＦ信号有効係数比のＬ２／Ｌ１依存性についてのシミュレーション結果を示したものである。なお、図１６における位相差ＡＦ信号有効係数比は、適正なオートフォーカス性能が得られるマイクロレンズ４１の位相差ＡＦ信号有効係数、例えば、図１４において位相差ＡＦ信号有効係数比＝２を与えるマイクロレンズ４１の位相差ＡＦ信号有効係数を基準として算出したものである。また、シミュレーションは、撮像用画素２０Ａに用いられているものと同形状のレンズ（円形のレンズ）について行った。

図１６に示す計算結果では、Ｌ２／Ｌ１が３．７２以上で３．９８以下である場合に位相差ＡＦ信号有効係数比が１以上となり、適正なオートフォーカス性能が得られる。すなわち、マイクロレンズ４１の形状を撮像用画素２０Ａのマイクロレンズと同様とした場合、Ｌ２／Ｌ１が３．７２以上で３．９８以下となるように設定すれば良い。図１６は、所定レンズ形状のマイクロレンズに関してのシミュレーション結果であるが、他のレンズ形状であっても同様のＬ２／Ｌ１依存性を有し、ほぼ同様の位相差ＡＦ信号有効係数比が得られる。なお、ＡＦ感度を高めるためには、マイクロレンズ４１の径は大きい方が好ましく、画素サイズ近傍まで大きくしたものを配置するのが良い。

以上説明したように、本実施の形態では、撮像用画素２０Ａに関しては、従来と同様にマイクロレンズ４１の集光位置Ｐ１を受光面近傍に設定し、ＡＦ用画素２０Ｂに関しては、マイクロレンズ４１の平面形状やレンズ厚などを変えることで集光位置Ｐ２をよりマイクロレンズ側に設定するようにした。その結果、ＡＦ性能の向上を図ることができ、撮像性能とＡＦ性能との両立を図ることができる。

なお、上述した実施の形態では、図４に示すように、開口部４４が左側の画素２０Ｂと、それと対となる開口部４４が右側に設けられた画素２０ＢとをＸ方向の交互に配置した固体撮像素子３を例に説明した。しかし、本発明は、このような構成に限らず、図１５に示すように、同一画素２０Ｂに瞳領域の異なる一対の開口部４４Ａ，４４Ｂを設けた構成でも同様に適用することができる。また、本発明は、電子カメラに限らずビデオカメラなどの撮像装置、すなわち、像ズレを検出して焦点検出を行う撮像装置に適用することができる。なお、以上の説明はあくまでも一例であり本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

本発明に係る撮像装置の一実施の形態を示す図であり、電子カメラ１の概略構成を示すブロック図である。 固体撮像素子３の概略構成を示す回路図である。 固体撮像素子３を模式的に示す平面図である。 焦点検出領域３２，３３の交差部付近を拡大して示す図であり、画素配置を模式的に示したものである。 固定撮像素子３に設けられた多数の画素２０の内の、２×２個の画素２０を示す回路図である。 固体撮像素子３の動作を説明するタイミングチャートである。 撮像用画素２０Ａの主要部を模式的に示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＸ１−Ｘ１断面図、（ｃ）はＸ２−Ｘ２断面図である。 ＡＦ用画素２０Ｂの主要部を模式的に示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＸ３−Ｘ３断面図である。 ＡＦ用画素２０Ｂにおける受光光束を説明する図である。 従来構成のＡＦ用画素２０Ｂの場合における受光光束を示す図である。 集光位置を異ならせる各種方法を一覧にして示した図である。 ３種類のマイクロレンズ（ＭＬ）４１に関する位相差ＡＦ信号有効係数の、光学シミュレーション結果を示す図である。 マイクロレンズ４１の直径比と位相差ＡＦ信号有効係数比との関係を示す図である。 マイクロレンズ４１のレンズ厚さの比と位相差ＡＦ信号有効係数比との関係を示す図である。 同一画素２０Ｂに瞳領域の異なる一対の開口部４４Ａ，４４Ｂを設けた場合の、固体撮像素子３の一部を示す平面図である。 位相差ＡＦ信号有効係数比のＬ２／Ｌ１依存性を示す図である。

符号の説明

１：電子カメラ、２：撮影レンズ、３：固体撮像装置、１０：焦点演算部、１３：画像処理部、２０：画素、２０Ａ：撮像用画素、２０Ｂ：ＡＦ用画素、３２〜３７：焦点検出領域、４１：マイクロレンズ、４２：光電変換部、４３：遮光膜、４４，４４Ａ，４４Ｂ：開口部、４５：基板、Ｐ１，Ｐ２：集光位置、Ｓ１〜Ｓ３：レンズ曲面、

Claims (12)

1. 集光用の第１のマイクロレンズが各々設けられた複数の撮像用画素と、集光用の第２のマイクロレンズが各々設けられて焦点検出に用いる複数の焦点検出用画素とを、２次元的に配置した固体撮像素子において、
   前記第２のマイクロレンズによる集光位置が前記第１のマイクロレンズによる集光位置よりもマイクロレンズ側となるように、前記第１および第２のマイクロレンズを形成したことを特徴とする固体撮像素子。
2. 請求項１に記載の固体撮像素子において、
   前記第２のマイクロレンズのレンズ面の曲率を前記第１のマイクロレンズのレンズ面の曲率よりも大きく設定することで、前記第２のマイクロレンズによる集光位置が前記第１のマイクロレンズによる集光位置よりもマイクロレンズ側となるようにしたことを特徴とする固体撮像素子。
3. 請求項２に記載の固体撮像素子において、
   前記第２のマイクロレンズのレンズ厚さを前記第１のマイクロレンズのレンズ厚さよりも大きく設定することで、前記第２のマイクロレンズのレンズ面の曲率を前記第１のマイクロレンズのレンズ面の曲率よりも大きくしたことを特徴とする固体撮像素子。
4. 請求項３に記載の固体撮像素子において、
   レンズ口径を同一とした場合における前記第２のマイクロレンズのレンズ厚さと前記第１のマイクロレンズのレンズ厚さとの比を、１．１以上１．４未満に設定したことを特徴とする固体撮像素子。
5. 請求項２に記載の固体撮像素子において、
   前記第２のマイクロレンズのレンズ口径を前記第１のマイクロレンズのレンズ口径よりも小さく設定することで、前記第２のマイクロレンズのレンズ面の曲率を前記第１のマイクロレンズのレンズ面の曲率よりも大きくしたことを特徴とする固体撮像素子。
6. 請求項５に記載の固体撮像素子において、
   レンズ厚さを同一とした場合における前記第２のマイクロレンズのレンズ口径と前記第１のマイクロレンズのレンズ口径との比を、０．９５以上１．０未満に設定したことを特徴とする固体撮像素子。
7. 請求項２に記載の固体撮像素子において、
   前記第２のマイクロレンズのレンズ平面形状を円形とするとともに、前記第１のマイクロレンズのレンズ平面形状を矩形とすることで、前記第２のマイクロレンズのレンズ面の曲率を前記第１のマイクロレンズのレンズ面の曲率よりも大きくしたことを特徴とする固体撮像素子。
8. 請求項２に記載の固体撮像素子において、
   前記第２のマイクロレンズのレンズ平面形状を角数が８以上の多角形とするとともに、前記第１のマイクロレンズのレンズ平面形状を角数が７以下の多角形とすることで、前記第２のマイクロレンズのレンズ面の曲率を前記第１のマイクロレンズのレンズ面の曲率よりも大きくしたことを特徴とする固体撮像素子。
9. 請求項１に記載の固体撮像素子において、
   前記第２のマイクロレンズのレンズ材の屈折率を前記第１のマイクロレンズのレンズ面のレンズ材の屈折率よりも大きく設定することで、前記第２のマイクロレンズによる集光位置が前記第１のマイクロレンズによる集光位置よりもマイクロレンズ側となるようにしたことを特徴とする固体撮像素子。
10. 請求項１に記載の固体撮像素子において、
    前記マイクロレンズの厚さをＬ１、前記マイクロレンズと該マイクロレンズが設けられている画素の受光面との距離をＬ２としたとき、
    前記第２のマイクロレンズによる集光位置が前記第１のマイクロレンズによる集光位置よりもマイクロレンズ側となるように、比Ｌ２／Ｌ１を前記第１のマイクロレンズと前記第２のマイクロレンズとで異なる値に設定したことを特徴とする固体撮像素子。
11. 請求項１０に記載の固体撮像素子において、
    前記第２のマイクロレンズの比Ｌ２／Ｌ１を、３．７２以上３．９８以下に設定したことを特徴とする固体撮像素子。
12. 請求項１〜１１のいずれか一つに記載の固体撮像素子と、
    前記複数の撮像用画素の出力に基づいて画像情報を形成する画像形成手段と、
    前記複数の焦点検出用画素の出力に基づいて瞳分割位相差方式の焦点検出を行う焦点検出手段とを備えたことを特徴とする撮像装置。

Images