JP5232118B2 - 撮像デバイスおよび電子カメラ - Google Patents

Description

本発明は、撮影画像データの生成に用いる撮像素子群および位相差検出に用いる撮像素子群を有する撮像デバイス、および、その撮像デバイスを備えた電子カメラに関する。

撮影画像データの生成に用いる複数の撮像素子（撮影用素子）および位相差検出に用いる複数の撮像素子（位相差検出用素子）を有する撮像デバイスが知られている。この撮像デバイスにて、各撮像素子は、光電変換素子（画素）を含んで構成されている。また、位相差検出用素子群は、撮影レンズの射出瞳のうち一方の部分領域を通過した被写体光を光電変換する第１の素子群と、撮影レンズの射出瞳のうち他方の部分領域を通過した被写体光を光電変換する第２の素子群とによって構成されている。第１の素子群で得られた画素情報と第２の撮像素子群で得られた画素情報との位相差を検出することで、撮影レンズのデフォーカス量を検出することができる。

特許文献１〜３には、マイクロレンズと光電変換素子とをずらして配置した構造が開示されている。

特許文献４には、複数の光電変換素子に対して、ひとつのマイクロレンズを設けた構造が開示されている。

特開２００５−３０３４０９号公報 特許第２９５９１４２号公報 特開昭５９−１５２０８号公報 特開２００８−７１９２０号公報

複数の撮影用素子と複数の位相差検出用素子とを受光面にアレイ状に配置することで、光路分割機構や測距センサを省略して低コスト且つ省スペースにしつつ、高速で焦点検出することが可能である。しかし、微細化を進めると、光電変換素子への入射光量が小さくなる。特に、位相差検出用素子群は、撮影レンズの射出瞳の部分領域を通る被写体光を光電変換するので、入射光量低下に因る焦点検出精度低下が著しい。

なお、特許文献４に記載のように、位相差検出のため複数の光電変換素子に対してひとつのマイクロレンズを設けると、そのマイクロレンズの焦点距離が長くなるので、位相差検出用の光電変換素子と撮影用の光電変換素子とを同一平面上に配置することが難しい。また、位相差検出のためひとつのマイクロレンズに対して光電変換素子を２分割して設ける場合には、微細化が進むと、位相差検出用の光電変換素子に光を導入するための開口部を撮影用のものよりも小さく形成することが困難になる。また、光電変換素子への入射光量低下がより顕著になる。

さらには、撮影用素子と位相差検出用素子とで内部構造を異ならせると、内部構造体を通常の撮像デバイスに転用することが難しくなり、事業全体で製造コストが増大するという別の課題もある。また、位相差検出用の光電変換素子（画素）は、受光方向の制限を受けており、その画素情報を高画質の撮影画像データの生成には使用することが困難である。また、低輝度における焦点検出精度確保のため位相差検出用素子を高密度に配置すると、撮影画像の画質が劣化してしまう。よって、撮影画像データの画質向上と焦点検出精度向上とを両立させることが求められている。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、低コスト且つ省スペース且つ高速で焦点検出できるとともに、微細化しても正確に焦点検出することを可能にする撮像デバイスおよび電子カメラを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は、撮影レンズを通過した光を受光するアレイ状の撮像素子群を備えた撮像デバイスであって、前記撮像素子群は、撮影画像データの生成に用いる複数の撮影用素子、及び、前記撮影レンズの焦点検出のための位相差検出に用いる複数の位相差検出用素子を含んで構成され、前記各撮影用素子及び前記各位相差検出用素子は、前記撮影レンズを通過した光を集光するオンチップマイクロレンズと、前記オンチップマイクロレンズを通過した光を受光する光電変換素子と、前記オンチップマイクロレンズと前記光電変換素子との間に配置された内部マイクロレンズと、を有し、前記撮影用素子では、前記オンチップマイクロレンズの光軸と前記内部マイクロレンズの光軸とが一致しており、前記位相差検出用素子では、前記オンチップマイクロレンズの光軸を前記内部マイクロレンズの光軸に対してずらして配置したことを特徴とする撮像デバイスを提供する。

即ち、オンチップマイクロレンズ、内部マイクロレンズおよび光電変換素子を含んで撮像素子を構成するとともに、位相差検出用素子では、オンチップマイクロレンズの光軸を内部マイクロレンズの光軸に対してずらしたことにより、内部マイクロレンズを設けないでオンチップマイクロレンズを光電変換素子に対してずらしただけの場合と比較して、撮影レンズの射出瞳の部分領域を通る光を効率良く光電変換素子に導入することができる。よって、低コスト且つ省スペース且つ高速で焦点検出できるとともに、微細化しても正確に焦点検出することが可能になる。

本発明の一態様では、前記撮影用素子及び前記位相差検出用素子の両方で、前記内部マイクロレンズの光軸と前記光電変換素子の光軸とが一致していることを特徴とする。

即ち、撮影用素子および位相差検出用素子の両方で、内部マイクロレンズの光軸と光電変換素子の光軸とが一致しているので、内部マイクロレンズおよび光電変換素子を含む下地側の積層構造体（チップ）を、通常の撮像デバイスと共通化することができる。

また、本発明は、撮影レンズを通過した光を受光するアレイ状の撮像素子群を備えた撮像デバイスであって、前記撮像素子群は、撮影画像データの生成に用いる複数の撮影用素子、及び、前記撮影レンズの焦点検出のための位相差検出に用いる複数の位相差検出用素子を含んで構成され、前記各撮影用素子及び前記各位相差検出用素子は、前記撮影レンズを通過した光を集光するオンチップマイクロレンズと、前記オンチップマイクロレンズを通過した光を受光する光電変換素子と、前記オンチップマイクロレンズと前記光電変換素子との間に配置され、光路上流側の入射レンズ及び光路下流側の出射レンズを有する内部マイクロレンズと、を有し、前記撮影用素子では、前記内部マイクロレンズの前記入射レンズの光軸と前記出射レンズの光軸とが一致しており、前記位相差検出用素子では、前記内部マイクロレンズの前記入射レンズの光軸を前記出射レンズの光軸に対してずらしたことを特徴とする撮像デバイスを提供する。

即ち、オンチップマイクロレンズ、内部マイクロレンズおよび光電変換素子を含んで撮像素子を構成するとともに、位相差検出用素子では、内部マイクロレンズの入射レンズの光軸を出射レンズの光軸に対してずらしたことにより、内部マイクロレンズを設けないでオンチップマイクロレンズを光電変換素子に対してずらしただけの場合と比較して、撮影レンズの射出瞳の部分領域を通る光を効率良く光電変換素子に導入することができる。よって、低コスト且つ省スペース且つ高速で焦点検出できるとともに、微細化しても正確に焦点検出することが可能になる。

本発明の一態様では、前記撮影用素子及び前記位相差検出用素子の両方で、前記内部マイクロレンズの前記出射レンズの光軸と前記光電変換素子の光軸とが一致していることを特徴とする。

即ち、撮影用素子および位相差検出用素子の両方で、内部マイクロレンズの出射レンズの光軸と光電変換素子の光軸とが一致しているので、撮影用素子と位相差検出用素子とで画素情報読出しのための電極配置を共通化することができる。よって、更なる微細化が可能となる。

本発明の一態様では、前記位相差検出用素子の前記光電変換素子と前記撮影用素子の前記光電変換素子とが同一形状であることを特徴とする。

本発明の一態様では、前記位相差検出用素子の前記オンチップマイクロレンズは、前記撮影用素子の前記オンチップマイクロレンズよりも直径が小さいことを特徴とする。

即ち、位相差検出用素子のオンチップマイクロレンズが撮影用素子のオンチップマイクロレンズと干渉しないようにすることができる。

本発明の一態様では、前記位相差検出用素子の前記オンチップマイクロレンズの周辺に遮光部を設けたことを特徴とする。

即ち、不要な光が光電変換素子に入らないようにすることができる。

本発明の一態様では、前記撮影レンズの射出瞳のうち互いに異なる部分領域を通過する光に対応した画素情報を生成する第１および第２の前記位相差検出用素子を備え、互いに隣接した前記第１および第２の位相差検出用素子からなる素子対がアレイ状に配置されていることを特徴とする。また、本発明の一態様では、同一色のカラーフィルタを有する三つ以上の前記撮影用素子が、前記各位相差検出用素子に隣接して配置されていることを特徴とする。また、本発明の一態様では、前記撮影用素子から読み出された画素情報に基づいて撮影画像データを生成する画像データ生成手段であって、前記各位相差検出用素子に隣接して配置されている同一色のカラーフィルタを有する前記撮影用素子から読み出された画素情報に基づいて補間して前記撮影画像データを生成する画像データ生成手段を備える。

即ち、第１および第２の位相差検出用素子が隣接していることで、位相差検出用画素情報の相関度が高くなり、焦点検出精度が向上する。また、各位相差検出用画素位置における撮影画像データ生成用の画素情報を、その各位相差検出用素子に隣接する三つ以上の撮影用素子の撮影用画素情報に基づいて補間することで、高画質の撮影画像データが生成されることになる。

本発明の一態様では、前記撮影レンズの射出瞳のうち互いに異なる部分領域を通過する光に対応した画素情報を生成する第１および第２の前記位相差検出用素子を備え、互いに隣接した前記第１及び第２の位相差検出用素子からなる素子対が、千鳥状に配列されていることを特徴とする。

即ち、第１および第２の位相差検出用素子が隣接しているとともに、千鳥状に配列されていることで、焦点検出精度が向上する。

本発明の一態様では、前記撮影レンズの射出瞳のうち互いに異なる部分領域を通過する光に対応した画素情報を生成する第１および第２の前記位相差検出用素子を備え、互いに隣接した一対の前記第１の位相差検出用素子からなる第１の素子対、および、互いに隣接した一対の前記第２の位相差検出用素子からなる第２の素子対が、アレイ状に配置されていることを特徴とする。

即ち、互いに隣接した一対の第１の位相差検出用素子の画素情報を合成（画素混合）するとともに、互いに隣接した一対の第２の位相差検出用素子の画素情報を合成（画素混合）することで、低輝度における焦点検出精度を確保できる。

本発明の一態様では、前記撮影レンズの射出瞳のうち互いに異なる部分領域を通過する光に対応した画素情報を生成する第１および第２の前記位相差検出用素子を備え、互いに隣接した前記第１及び第２の位相差検出用素子からなる素子対が、位相差を検出するための第１の方向および前記画素情報を合成するための第２の方向に沿ってアレイ状に配置され、前記第１の方向における前記素子対の配置ピッチが前記第２の方向における前記素子対の配置ピッチ以下であることを特徴とする。また、本発明の一態様では、前記第２の方向に沿って配列された複数の前記第１の位相差検出用素子間で前記光電変換素子の画素情報を合成するとともに、前記第２の方向に沿って配列された複数の前記第２の位相差検出用素子間で前記光電変換素子の画素情報を合成し、合成した画素情報に基づいて前記撮影レンズの焦点検出を行う焦点検出手段を備える。

即ち、位相差を検出するための第１の方向は位相差検出用素子の密度を大きくして焦点検出精度確保することができるともに、第２の方向は位相差検出用素子の密度を小さくしても画素情報合成（画素混合）により焦点検出精度確保することができる。

本発明によれば、低コスト且つ省スペース且つ高速で焦点検出できるとともに、微細化しても正確に焦点検出することが可能となる。

本発明を適用したデジタルカメラの一例の概略構成を示すブロック図 ベイヤ配列の撮像部の一例を示す平面図 図２の３−３線に沿った断面の一部を示す断面図である。 ハニカム配列の撮像部の一例を示す平面図 第１実施形態における位相差検出用素子を示す断面図 第２実施形態における撮像部の一例を示す平面図 第３実施形態における位相差検出用素子を示す断面図 第４実施形態における位相差検出用素子を示す断面図 第５実施形態における位相差検出用素子を示す断面図 第６実施形態における撮像部の素子配列を示す平面図 第７実施形態における撮像部の素子配列を示す平面図 第８実施形態における撮像部の素子配列を示す平面図 第９実施形態における撮像部の素子配列を示す平面図 二面構造のハニカム配列の一例を示す平面図 図１４の素子配列のＡ面における画素情報補間の説明に用いる平面図 図１４の素子配列のＢ面における画素情報補間の説明に用いる平面図 二面構造のベイヤ配列の一例を示す平面図 図１７の素子配列のＡ面における画素情報補間の説明に用いる平面図 図１７の素子配列のＢ面における画素情報補間の説明に用いる平面図 撮影処理の一例の流れを示す概略フローチャート

以下、添付図面に従って、本発明の実施形態について、詳細に説明する。

図１は、本発明を適用したデジタルカメラの一例の概略構成を示すブロック図である。

図１において、本例のデジタルカメラ１００は、撮影レンズ４０、レンズ駆動部４１、撮像部４２、撮像制御部４３、アナログ信号処理部４４、画像入力コントローラ４５、メモリ４６、ＣＰＵ５０、デジタル信号処理部６１、圧縮伸張処理部６２、記録媒体制御部６３、記録媒体６４、表示制御部６５、表示部６６、及び、操作部６７を含んで構成されている。

撮影レンズ４０は、ズームレンズ及びフォーカスレンズを含んで構成されている。レンズ駆動部４１は、撮影レンズ４０を構成するレンズを、光軸０方向にて移動させる。

撮像部４２は、撮影レンズ４０を通過した被写体光を受光して撮像を行う。撮像部４２は、本例ではＣＣＤ（Charge Coupled Device）撮像デバイスによって構成されており、撮影画像データの生成に用いる撮像素子（以下「撮影用素子」ともいう）、および、撮影レンズ４０の焦点検出のための位相差検出に用いる撮像素子（以下「位相差検出用素子」ともいう）を有する。撮影用素子及び位相差検出用素子の具体例については、後に詳説する。

撮像制御部４３は、撮影用素子及び位相差検出用素子の電荷蓄積と、撮影用素子及び位相差検出用素子からの画素情報の読出しを制御する。

アナログ信号処理部４４は、撮像部４２から出力された画素信号（画素情報）に対し、各種のアナログ信号処理（ノイズ除去、増幅など）を施す。また、アナログ信号処理部４４は、Ａ／Ｄ変換器を有し、画素信号をアナログからデジタルに変換する。

画像入力コントローラ４５は、アナログ信号処理部４４から出力されたデジタルの画素信号を、メモリ４６に格納する。

ＣＰＵ（Central Processing Unit）５０は、所定のプログラムを実行することにより、デジタルカメラ１００の各部を制御する。

デジタル信号処理部６１は、ＣＰＵ５０の指示に従い、メモリ４６に格納されている画素情報に対し、各種のデジタル信号処理（例えば、階調特性処理、シャープネス処理、ホワイトバランス調整、ＹＣ信号生成など）を施す。

圧縮伸張処理部６２は、ＣＰＵ５０の指示に従い、各種データの圧縮処理、及び、各種データの伸張処理を行う。

記録媒体制御部６３は、ＣＰＵ５０の指示に従い、記録媒体６４への各種データの記録、及び、記録媒体６４からの各種データの取得を制御する。記録媒体６４は、特に限定されないが、例えばデジタルカメラ１００の本体に着脱自在なメモリカードを用いる。

表示制御部６５は、ＣＰＵ５０の指示に従い、表示部６６への表示を制御する。表示部６６は、画像を表示可能なデバイスであり、例えば液晶ディスプレイからなる。

操作部６７は、ユーザがデジタルカメラ１００に対し各種の指示を入力するための指示入力デバイスである。例えば、シャッターボタン、モード切換スイッチを含んで構成される。

本例のＣＰＵ５０は、焦点検出部５１、合焦制御部５２、及び、画像データ生成部５３を含んで構成されている。

焦点検出部５１は、撮像部４２の位相差検出用素子から読み出された画素情報に基づいて、位相差検出方式の焦点検出を行う。焦点検出は、例えば、特許第４００７７１６号公報、特開昭５９−１５２０８号公報に記載の方式と同様でもよい。

合焦制御部５２は、焦点検出部５１の焦点検出結果に基づいて合焦を行う。即ち、合焦制御部５２は、レンズ駆動部４１により、必要に応じて、撮影レンズ４０を構成しているフォーカスレンズを、被写体に合焦する合焦レンズ位置に移動させる。

画像データ生成部５３は、撮像部４２の撮影用素子から読み出された画素情報に基づいて、撮影画像データを生成する。生成された撮影画像データは、圧縮伸張処理部６２により圧縮処理が施された後、記録媒体制御部６３により記録媒体６４に記録される。また、撮影画像データを表示制御部６５により撮影画像として表示部６６に表示することも可能である。

図２は、ベイヤ（Bayer）配列の撮像部（図１の４２）の一例の一部を示す平面図である。図３は、図２の３−３線に沿った断面の一部を示す断面図である。

図２に示すように、撮影レンズ（図１の４０）を通過した被写体光を受光する受光面（図２では紙面）に、撮影画像データの生成に用いる第１の撮像素子１１（撮影用素子）と、位相差検出に用いる第２の撮像素子１２ａ（第１の位相差検出用素子）及び第３の撮像素子１２ｂ（第２の位相差検出用素子）が、アレイ状に配置されている。なお、実際には、受光面に各撮像素子１１、１２ａ、１２ｂがそれぞれ多数配置されている。

各撮像素子１１、１２ａ、１２ｂは、それぞれ、積層構造体１１０（チップ）の最上面に形成されたトップマイクロレンズ１３、１４ａ、１４ｂ（「オンチップマイクロレンズ」ともいう）と、積層構造体１１０の内部に形成されたインナーマイクロレンズ１５、１６ａ、１６ｂ（「内部マイクロレンズ」ともいう）と、光電変換を行うフォトダイオード１７、１８ａ、１８ｂ（「光電変換素子」ともいう）を含んで、構成されている。

トップマイクロレンズ１３、１４ａ、１４ｂは、それぞれ撮影レンズ４０を通過した光を集光する。インナーマイクロレンズ１５、１６ａ、１６ｂは、それぞれトップマイクロレンズ１３、１４ａ、１４ｂを通過した光を集光する。フォトダイオード１７、１８ａ、１８ｂは、それぞれインナーマイクロレンズ１５、１６ａ、１６ｂを通過した光を受光し、受光量に対応する信号電荷を蓄積する。蓄積された信号電荷は、撮像制御部（図１の４３）の制御により、各撮像素子１１、１２ａ、１２ｂごとに、画素情報として読み出される。

撮影用素子１１のフォトダイオード１７群は、撮影レンズ４０の射出瞳の全体領域を通過した光を受光する。第１の位相差検出用素子１２ａのフォトダイオード１８ａ群は、撮影レンズ４０の射出瞳のうち一方の部分領域を通過した被写体光を受光する。第２の位相差検出用素子１２ｂのフォトダイオード１８ｂ群は、撮影レンズ４０の射出瞳のうち他方の部分領域を通過した被写体光を受光する。

本例の撮像部４２は、半導体基板１０１上に、遮光膜１０２、絶縁膜１０３、レンズ層１０４、平坦層１０５、および、カラーフィルタ層１０６が積層されて、構成されている。半導体基板１０１には、フォトダイオード１７、１８ａ、１８ｂ、および、ＶＣＣＤ１９（垂直転送路）が形成されている。遮光膜１０２は、半導体基板１０１の上面のうちフォトダイオード１７、１８ａ、１８ｂ間の分離領域上に形成されている。絶縁膜１０３は、透光性を有する絶縁材料によって形成されている。レンズ層１０４には、内部マイクロレンズ１７、１８ａ、１８ｂが形成されている。平坦層１０５は、透光性材料によって形成されている。カラーフィルタ層１０６には、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラーフィルタが形成されている。

撮影用素子１１では、トップマイクロレンズ１３の光軸、インナーマイクロレンズ１５の光軸、および、フォトダイオード１７の光軸が一致している。位相差検出用素子１２（１２ａ、１２ｂ）におけるトップマイクロレンズ１４（１４ａ、１４ｂ）の光軸、インナーマイクロレンズ１５（１５ａ、１５ｂ）の光軸、および、フォトダイオード１７（１７ａ、１７ｂ）の光軸の関係は、後に各種の実施形態に分けて詳細に説明する。

本例の位相差検出用素子１２ａ、１２ｂのトップマイクロレンズ１４ａ、１４ｂは、撮影用素子１１のトップマイクロレンズ１３よりも、直径が小さい。また、本例の位相差検出用素子１２ａ、１２ｂのフォトダイオード１８ａ、１８ｂは、撮影用素子１１のフォトダイオード１７と形状が同一である。

図４は、ハニカム配列の撮像部（図１の４２）の一例の一部を示す平面図である。なお、図４にて、図２に示したベイヤ配列における要素と同じ要素には同じ符号を付してある。

ハニカム配列では、奇数行のフォトダイオードに対して偶数行のフォトダイオードが１／２ピッチずらして配置されている。

以下では、本発明に係る各種の撮像部４２（撮像装置）について、各実施形態ごとに説明する。

まず、第１実施形態の撮像部４２について説明する。なお、図２〜４を用いて既に説明した事項は、ここでは説明を省略する。

図５は、第１実施形態における位相差検出用素子１２の断面図である。図５に示すように、本実施形態の位相差検出用素子１２では、トップマイクロレンズ１４の光軸（中心軸）と、インナーマイクロレンズ１６の光軸（中心軸）とを、ずらして配置してある。また、インナーマイクロレンズ１６の光軸と、フォトダイオード１８の光軸とを、ずらして配置してある。また、トップマイクロレンズ１４の光軸と、フォトダイオード１８の光軸とを、ずらして配置してある。

本実施形態では、トップマイクロレンズ１４の光軸に対して、インナーマイクロレンズ１６の光軸をシフトして配置したことにより、撮影レンズ４０の射出瞳のうち部分領域を通る被写体光、即ち受光方向を制限した光を、フォトダイオード１８が効率的に受光することができる。

次に、第２実施形態の撮像部４２について説明する。なお、第１実施形態にて既に説明した事項は、ここでは説明を省略する。

図６は、本実施形態における撮像部４２の一例の一部を示す平面図である。本例は、ハニカム配列である。図６に示すように、本実施形態では、位相差検出用素子１２（１２ａ、１２ｂ）のトップマイクロレンズ１４（１４ａ、１４ｂ）の周囲に、光を遮蔽する遮光部を設けた。なお、ハニカム配列を例に説明したが、ベイヤ配列でもよい。

次に、第３実施形態の撮像部４２について説明する。なお、第１および第２実施形態にて既に説明した事項は、ここでは説明を省略する。

図７は、本実施形態における位相差検出用素子１２を示す断面図である。図７に示すように、本実施形態の位相差検出用素子１２では、インナーマイクロレンズ１６の光軸（中心軸）とフォトダイオード１８の光軸（中心軸）とが、一致している。

本実施形態における位相差検出用素子１２は、撮影用素子１１と比較して、積層構造体（図３の１１０）の上面のトップマイクロレンズ１４のみシフトさせて形成できる。よって、トップマイクロレンズ１４を形成する前の積層構造体を、位相差検出用素子１２を設けない仕様の他の撮像デバイスと容易に共通化することができる。

次に、第４実施形態の撮像部４２について説明する。なお、図２〜４を用いて既に説明した事項は、ここでは説明を省略する。

図８は、本実施形態における位相差検出用素子１２を示す断面図である。図８に示すように、本実施形態の位相差検出用素子１２では、インナーマイクロレンズ１６の入射レンズ１６１の光軸（中心軸）と出射レンズ１６２の光軸（中心軸）とを、ずらして配置してある。入射レンズ１６１は、光路上流側の凸レンズ（上凸レンズ）であり、出射レンズは、光路下流側の凸レンズ（下凸レンズ）である。

なお、本例では、更に、トップマイクロレンズ１４の光軸とインナーマイクロレンズ１６の入射レンズ１６１の光軸とをずらして配置してある。また、インナーマイクロレンズ１６の入射レンズ１６１の光軸とフォトダイオード１８の光軸とをずらして配置してある。

本実施形態では、インナーマイクロレンズ１６の入射レンズ１６１の光軸に対して出射レンズ１６２の光軸をシフトして配置したことにより、撮影レンズ４０の射出瞳のうち制限された部分領域を通る光を、位相差検出用のフォトダイオード１８が効率良く受光することができる。

次に、第５実施形態の撮像部４２について説明する。なお、第４実施形態にて既に説明した事項は、ここでは説明を省略する。

図９は、本実施形態における位相差検出用素子１２を示す断面図である。図９に示すように、本実施形態の位相差検出用素子１２では、撮影用素子（図３の１１）と同様、インナーマイクロレンズ１６の光軸（中心軸）とフォトダイオード１８の光軸（中心軸）とが、一致している。

よって、撮影用素子１１と位相差検出用素子１２とで、フォトダイオード１８の蓄積電荷を垂直転送路に読み出すための電極の配置を共通化できる。即ち、位相差検出用素子１２用の電極をシフトして配置する必要がないので、撮像素子の高密度配置が可能になる。

次に、第６実施形態の撮像部４２について説明する。本実施形態は、第１〜第５実施形態のいずれかにおける位相差検出用素子１２の配置を限定したものであり、第１〜第５実施形態にて既に説明した事項は、ここでは説明を省略する。

図１０は、第６実施形態における撮像部４２の素子配列を示す平面図である。図１０に示すように、本実施形態では、第１の位相差検出用素子１２ａおよび第２の位相差検出用素子１２ｂを互いに隣接させた位相差検出用素子対３１が、位相差検出方向である水平方向Ｈに沿って、アレイ状に配置されている。

図１０にて、Ｒ、Ｇ、Ｂはカラーフィルタの色を示している。撮影用素子１１はＲ（赤）、Ｇ（緑）またはＢ（青）のカラーフィルタを有し、位相差検出用素子１２（１２ａ、１２ｂ）はＧカラーフィルタを有する。また、各位相差検出用素子１２に隣接して、同一色（本例ではＧ）のカラーフィルタを有する三つの撮影用素子１１が配置されている。このうち一つの撮影用素子１１（例えば１１ａ）は、位相差検出用素子対３１間に配置されている。例えば、符号１１ａ、１１ｂ、１１ｃの撮影用素子のうち符号１１ａの撮影用素子は、第１の位相差検出用素子１２ａ間に配置され、符号１１ｄ、１１ｅ、１１ｆの撮影用素子のうち符号１１ｄの撮影用素子は、第２の位相差検出用素子１２ｂ間に配置されている。

本実施形態では、画像データ生成部（図１の５３）によって各位相差検出用素子１２の画素位置における撮影画像データ生成のための画素情報を補間する際、位相差検出用素子対３１間の一つの撮影用素子１１を含む、同一色（例えばＧ）のカラーフィルタを有する三つの撮影用素子１１の画素情報を用いる。例えば、図１０にて、符号１１ａ，１１ｂ，１１ｃの三つの撮影用素子から読み出された画素情報に基づいて第１の位相差検出用素子１２ａの位置における画素情報を補間するとともに、符号１１ｄ，１１ｅ，１１ｆの三つの撮影用素子から読み出された画素情報に基づいて第２の位相差検出用素子１２ｂの位置における画素情報を補間することで、高解像度の撮影画像データを生成する。

なお、本例では同一種類の位相差検出用素子間（１２ａ−１２ａ間、１２ｂ−１２ｂ間）に撮影用素子１１をひとつずつ配置した場合を例に説明したが、このような場合に本発明は限定されない。位相差検出用素子対３１間に、特定色のカラーフィルタを有する一つ以上の撮影用素子１１を配置した各種の配列態様を含む。また、本例では位相差検出方向が水平方向Ｈであるが、位相差検出方向が垂直方向Ｖである場合でも本発明を適用できる。また、本例では素子配列がベイヤ配列であるが、ハニカム配列の場合でも本発明を適用できる。

次に、第７実施形態の撮像部４２について説明する。本実施形態は、第６実施形態における位相差検出用素子１２対の配置を更に限定したものであり、第１〜第６実施形態にて既に説明した事項は、ここでは説明を省略する。

図１１は、本実施形態における撮像部４２の素子配列を示す平面図である。図１１に示すように、本実施形態では、位相差検出用素子対３１が、千鳥状に配列されている。即ち、複数の位相差検出用素子対３１が水平方向Ｈに配列された第１の画素対列３１１と、複数の位相差検出用素子対３１が水平方向Ｈに配列された第２の画素対列３１２とで、位相差検出用素子対３１が互い違いに配置されている。

次に、第８実施形態の撮像部４２について説明する。本実施形態は、第１〜第５実施形態のいずれかにおける位相差検出用素子１２の配置を限定したものであり、第１〜第５実施形態にて既に説明した事項は、ここでは説明を省略する。

図１２は、本実施形態における撮像部４２の素子配列を示す平面図である。図１２に示すように、本実施形態では、１対の第１の位相差検出用素子１２ａを互いに隣接させた位相差検出用素子対３３ａ、および、１対の第２の位相差検出用素子１２ｂを互いに隣接させた位相差検出用素子対３３ｂが、位相差検出方向である水平方向Ｈに沿って、アレイ状に配置されている。

本実施形態では、焦点検出部（図１の５１）によって焦点検出を行う際、各位相差検出用素子対３３ａ，３３ｂごとに、一対のフォトダイオード１８から読み出された画素情報を合成し、合成した画素情報に基づいてデフォーカス量を算出する。つまり、位相差検出用素子対ごとに、２つの位相差検出用素子１２ａ、１２ｂの画素情報合成（画素混合）を行う。

次に、第９実施形態の撮像部４２について説明する。本実施形態は、第７実施形態における位相差検出用素子１２対の配置を更に限定したものであり、第１〜第７実施形態にて既に説明した事項は、ここでは説明を省略する。

図１３は、本実施形態における撮像部４２の素子配列を示す平面図である。図１３に示すように、本実施形態では、第１の位相差検出用素子１２ａ及び第２の位相差検出用素子１２ｂを互いに隣接させた位相差検出用素子対３１が、互いに直交する第１の方向（本例では水平方向Ｈ）および第２の方向（本例では垂直方向Ｖ）に沿って配置され、位相差検出のための第１の方向Ｈにおける位相差検出用素子対３１間の配置ピッチは、画素混合のための第２の方向Ｖにおける位相差検出用素子対３１間の配置ピッチ以下である。

本例では、第２の方向Ｖに沿って第１の位相差検出用素子１２ａの列３４ａおよび第２の位相差検出用素子１２ｂの列３４ｂからなる列対３５を設け、この列対３５を第１の方向Ｈに複数並べている。

本実施形態では、焦点検出部（図１の５１）によって焦点検出を行う際、第２の方向に沿って配列された複数の第１の位相差検出用素子１２ａ間で画素情報を合成するとともに、第２の方向に沿って配列された複数の第２の位相差検出用素子１２ｂ間で画素情報を合成し、合成した画素情報に基づいてデフォーカス量を算出する。つまり、第１の位相差検出用素子１２ａの列３４ａごと、第２の位相差検出用素子１２ｂの列３４ｂごとに、画素情報合成を行う。

なお、本発明は図１０〜図１３を用いて説明した撮像部には特に限定されない。本発明は、互いに独立に撮像制御可能なＡ面およびＢ面からなる２面構成の撮像部にも適用できる。このような２面構成では、互いに独立に電荷蓄積制御および読出し制御が可能である。即ち、Ａ面とＢ面とで異なる露光時間で露光してＡ面の撮影用画素情報とＢ面の撮影用画素情報とを合成することで高ダイナミックレンジの撮像画像を取得して記録する高ダイナミックレンジ撮影と、Ａ面とＢ面とで同一の露光時間で露光してＡ面およびＢ面の撮影用画素情報からなる高解像度の撮像画像を取得して記録する高解像度撮影とを、容易に切り換えることができる。

図１４は、２面構成のハニカム配列の一例を示す平面図である。以下では、図１０〜図１３に示した撮像部４２と異なる事項を説明する。

図１４にて、大文字のＲ，Ｇ，ＢはＡ面の撮影用素子（図２の１１）、小文字のｒ、ｇ、ｂはＢ面の撮影用素子（図２の１１）、Ｐ_ＡはＡ面の位相差検出用素子（図２の１２ａまたは１２ｂ）、Ｐ_ＢはＢ面の位相差検出用素子（図２の１２ａまたは１２ｂ）を、それぞれ示す。また、Ｒ、ｒは赤のカラーフィルター付き、Ｇ，ｇは緑のカラーフィルター付き、Ｂ，ｂは青のカラーフィルター付きであることを、それぞれ示す。尚、本例の位相差検出用素子Ｐ_Ａ、Ｐ_Ｂは緑のカラーフィルター付きである。

本例では、Ａ面の画素Ｒ、Ｇ、Ｂ、Ｐ_Ａ群が正方格子状に配列され、Ｂ面の画素ｒ、ｇ、ｂ、Ｐ_Ｂ群が正方格子状に配列されるとともにＡ面の画素群の格子間位置に配置されて、全体としてハニカム配列を構成している。ハニカム配列は、偶数行と奇数行とを互いに１／２画素（素子）ピッチずらして配置した配列である。

このような撮像部にて、位相差検出用素子Ｐ_Ａ，Ｐ_Ｂの対が水平方向および垂直方向に沿ってアレイ状に配置されている。

図１５はＡ面の位相差検出用素子Ｐ_Ａの位置における撮影用画素情報の補間を示し、図１６はＢ面の位相差検出用素子Ｐ_Ｂの位置における撮影用画素情報の補間を示す。図１５に示すように、Ａ面の撮像素子のみを注目した場合、各位相差検出用素子Ｐ_Ａに隣接して同一の色（本例ではＧ）のカラーフィルタを有する四つの撮影用素子が配置されている。画像データ生成部（図１の５３）は、各位相差検出用素子Ｐ_Ａの画素位置における撮影用画素情報を補間する際、Ａ面上で各位相差検出用素子Ｐ_Ａに隣接する撮影用素子であって同一色のカラーフィルタを有する四つの撮影用素子の画素情報を用いる。図１６に示すように、Ｂ面でも、各位相差検出用素子Ｐ_Ｂに隣接して同一の色（本例ではＧ）のカラーフィルタを有する四つの撮影用素子が配置されており、Ａ面と同様に、各位相差検出用素子Ｐ_Ｂの画素位置における撮影用画素情報を補間する。

図１７は、２面構成のベイヤ配列の一例を示す平面図である。図１７に示す素子配列は、図１４に示した素子配列と比較して、ハニカム配列をベイヤ配列にした点で相違するが、位相差検出素子Ｐ_Ａ，Ｐ_Ｂの対が水平方向および垂直方向に沿ってアレイ状に配置されている点は同じである。図１８はＡ面の位相差検出用素子Ｐ_Ａの位置における撮影用画素情報の補間を示し、図１９はＢ面の位相差検出用素子Ｐ_Ｂの位置における撮影用画素情報の補間を示す。図１８及び図１９に示すように、各面Ａ、Ｂにて、各位相差検出用素子Ｐ_Ａ，Ｐ_Ｂに隣接して同一の色（本例ではＧ）のカラーフィルタを有する四つの撮影用素子が配置されている。画像データ生成部（図１の５３）は、各位相差検出用素子Ｐ_Ａ，Ｐ_Ｂの画素位置における撮影用画素情報を補間する際、各位相差検出用素子Ｐ_Ａ，Ｐ_Ｂに隣接する撮影用素子であって同一色のカラーフィルタを有する四つの撮影用素子の画素情報を用いる。

なお、図１４および図１７に示した２面構成の素子配列は一例であり、図１１を用いて説明したように、位相差検出用素子対を千鳥状に配置した素子配列でもよい。また、図１２を用いて説明したように、互いに隣接した一対の第１の位相差検出用素子（図２の１２ａ）からなる第１の位相差検出用素子対、および、互いに隣接した一対の第２の位相差検出用素子（図２の１２ｂ）からなる第２の位相差検出用素子対が、アレイ状に配置されている素子配列でもよい。また、図１３を用いて説明したように、位相差検出のための水平方向における位相差検出用素子対の配置ピッチが、画素混合のための垂直方向における位相差検出用素子対の配置ピッチ以下である素子配列としてもよい。

次に、撮像部４２の製造方法について、図３を用いて簡単に説明する。

まず、半導体基板１０１を用意し、半導体基板１０１にフォトダイオード１７、１８ａ、１８ｂ、垂直転送路１９等を形成する。ここで、フォトダイオード１７、１８ａ、１８ｂは、撮影用と位相差検出用とで同一の形状及び大きさで形成すればよい。

次に、半導体基板１０１上に、遮光膜１０２を形成する。ここで、フォトダイオード１７、１８ａ、１８ｂ間の分離領域に遮光膜１０２を形成し、フォトダイオード１７、１８ａ、１８ｂの上に開口部を形成する。

次に、半導体基板１０１および遮光膜１０２上に、絶縁膜１０３、レンズ層１０４および平坦層１０５を形成する。レンズ層１０４は、パターニングにより形成することができる。なお、図３では、インナーマイクロレンズ１５、１６ａ、１６ｂとして、光路上流側に凸形状の入射レンズおよび光路下流側に凸形状の出射レンズの両方を形成した場合を示したが、入射レンズのみ形成してもよい。

次に、平坦層１０５の上にカラーフィルタ層１０６を形成する。なお、図１０〜図１３では位相差検出用素子１２ａ、１２ｂのカラーフィルタとしてＧ（緑）カラーフィルタを形成した場合を例に示したが、ほかの色のカラーフィルタを形成してもよい。また、位相差検出用素子１２ａ、１２ｂでは、カラーフィルタとせず透明としてもよい。

以上のようにしてトップマイクロレンズ１３、１４ａ、１４ｂを除く積層構造体１１０が構成される。

次に、積層構造体１１０の最上面（本例ではカラーフィルタ層１０６）の上に、パターンニングにより、トップマイクロレンズ１３、１４ａ、１４ｂを形成する。ここで、前述の第３実施形態では、パターンニング時にフォトマスクを切り替えることにより、位相差検出用のトップマイクロレンズ１４ａ、１４ｂを形成するか、撮影用のトップマイクロレンズ１３のみ形成するかを切り替え可能である。

図２０は、図１のデジタルカメラ１００における撮影処理の一例の流れを示す概略フローチャートである。この処理は、図１のＣＰＵ５０により、プログラムに従って実行される。

まず、ステップＳ１にて、位相差検出方式の焦点検出を行う。即ち、撮像制御部４３の制御により撮像部４２を用いて撮像を行って、焦点検出部５１により、複数の第１の位相差検出用素子１２ａのフォトダイオード１８ａから読み出された画素情報と、複数の第２の位相差検出用素子１２ｂのフォトダイオード１８ｂから読み出された画素情報との位相差を検出することで、デフォーカス量を検出する。

なお、位相差検出用素子１２ａ、１２ｂの配置ピッチを大きくした場合には、低輝度性能確保のため、本ステップにて画素混合を行うことが、好ましい。例えば、図１２に示した第８実施形態の撮像部４２の場合、第１の位相差検出用素子対３３ａにて画素混合を行うとともに、第２の位相差検出用素子対３３ｂにて画素混合を行う。例えば、図１３に示した第９実施形態の撮像部４２の場合、第１の位相差検出用素子１２ａの列３４ａにて画素混合を行うとともに、第２の位相差検出用素子１２ｂの列３４ｂにて画素混合を行う。画素混合では、同一種類の複数の位相差検出用素子１２から読み出された画素情報を合成する。このような画素混合によれば、位相差検出用素子１２の密度を粗く配置しても焦点検出精度の低下を抑えることができる。

次に、ステップＳ２にて、焦点検出結果に基づいて合焦を行う。即ち、合焦制御部５２により、必要に応じて、レンズ駆動部４１を用いてデフォーカス量に対応する移動量だけフォーカスレンズを移動させる。言い換えると、デフォーカス量が０（ゼロ）となるように、フォーカスレンズを合焦レンズ位置に移動させる。

次に、ステップＳ３にて、撮影画像データを取得する。即ち、撮像制御部４３の制御により撮像部４２を用いて撮像を行って、画像データ生成部５５により、複数の撮影用素子１１のフォトダイオード１７から読み出された画素情報に基づいて、撮影画像データを生成する。

本ステップにて、撮影画像データの画質向上のため、画素情報の補間を行うことが、好ましい。例えば、図１０に示した第６実施形態の撮像部４２の場合、各位相差検出用素子１２ａ、１２ｂごとに、隣接する撮影用素子１１ａ〜１１ｆの画素情報に基づいて、各位相差検出用素子１２ａ、１２ｂの位置における撮影画像データ生成用の画素情報を補間することで、高品質の撮影画像データを生成する。

そして、ステップＳ４にて、撮影画像データを記録する。即ち、記録媒体制御部６３により、撮影画像データを記録媒体６４に記録する。

なお、撮像部４２は、ＣＣＤ撮像デバイスに特に限定されず、ＣＭＯＳ撮像デバイスでもよい。

本発明は、本明細書において説明した例や図面に図示された例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の設計変更や改良を行ってよいのはもちろんである。

１１…第１の撮像素子（撮影用素子）、１２ａ…第２の撮像素子（第１の位相差検出用素子）、１２ｂ…第３の撮像素子（第２の位相差検出用素子）、１３、１４ａ、１４ｂ…トップマイクロレンズ（オンチップマイクロレンズ）、１５、１６ａ、１６ｂ…インナーマイクロレンズ（内部マイクロレンズ）、１７、１８ａ、１８ｂ…フォトダイオード（光電変換素子）、３１、３３ａ、３３ｂ…位相差検出用素子対、４０…撮影レンズ、４１…レンズ駆動部、４２…撮像部（撮像デバイス）、４３…撮像制御部、５０…ＣＰＵ、５１…焦点検出部、５２…合焦制御部、５３…画像データ生成部、６７…操作部、１０１…半導体基板、１０４…レンズ層、１０６…カラーフィルタ層

Claims (15)

1. 撮影レンズを通過した光を受光するアレイ状の撮像素子群を備えた撮像デバイスであって、
   前記撮像素子群は、撮影画像データの生成に用いる複数の撮影用素子、及び、前記撮影レンズの焦点検出のための位相差検出に用いる複数の位相差検出用素子を含んで構成され、
   前記各撮影用素子及び前記各位相差検出用素子は、前記撮影レンズを通過した光を集光するオンチップマイクロレンズと、前記オンチップマイクロレンズを通過した光を受光する光電変換素子と、前記オンチップマイクロレンズと前記光電変換素子との間に配置され、光路上流側の入射レンズ及び光路下流側の出射レンズを有する内部マイクロレンズと、を有し、
   前記撮影用素子では、前記内部マイクロレンズの前記入射レンズの光軸と前記出射レンズの光軸とが一致しており、
   前記位相差検出用素子では、前記内部マイクロレンズの前記入射レンズの光軸を前記出射レンズの光軸に対してずらしたことを特徴とする撮像デバイス。
2. 前記撮影用素子及び前記位相差検出用素子の両方で、前記内部マイクロレンズの前記出射レンズの光軸と前記光電変換素子の光軸とが一致していることを特徴とする請求項１に記載の撮像デバイス。
3. 前記位相差検出用素子の前記光電変換素子と前記撮影用素子の前記光電変換素子とが同一形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像デバイス。
4. 前記位相差検出用素子の前記オンチップマイクロレンズは、前記撮影用素子の前記オンチップマイクロレンズよりも直径が小さいことを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１項に記載の撮像デバイス。
5. 前記位相差検出用素子の前記オンチップマイクロレンズの周辺に遮光部を設けたことを特徴とする請求項４に記載の撮像デバイス。
6. 前記撮影レンズの射出瞳のうち互いに異なる部分領域を通過する光に対応した画素情報を生成する第１および第２の前記位相差検出用素子を備え、
   互いに隣接した前記第１および第２の位相差検出用素子からなる素子対がアレイ状に配置されていることを特徴とする請求項１ないし５のうちいずれか１項に記載の撮像デバイス。
7. 同一色のカラーフィルタを有する三つ以上の前記撮影用素子が、前記各位相差検出用素子に隣接して配置されていることを特徴とする請求項６に記載の撮像デバイス。
8. 前記撮影レンズの射出瞳のうち互いに異なる部分領域を通過する光に対応した画素情報を生成する第１および第２の前記位相差検出用素子を備え、
   互いに隣接した前記第１及び第２の位相差検出用素子からなる素子対が、千鳥状に配列されていることを特徴とする請求項１ないし５のうちいずれか１項に記載の撮像デバイス。
9. 前記撮影レンズの射出瞳のうち互いに異なる部分領域を通過する光に対応した画素情報を生成する第１および第２の前記位相差検出用素子を備え、
   互いに隣接した一対の前記第１の位相差検出用素子からなる第１の素子対、および、互いに隣接した一対の前記第２の位相差検出用素子からなる第２の素子対が、アレイ状に配置されていることを特徴とする請求項１ないし５のうちいずれか１項に記載の撮像デバイス。
10. 前記撮影レンズの射出瞳のうち互いに異なる部分領域を通過する光に対応した画素情報を生成する第１および第２の前記位相差検出用素子を備え、
    互いに隣接した前記第１及び第２の位相差検出用素子からなる素子対が、位相差を検出するための第１の方向および前記画素情報を合成するための第２の方向に沿ってアレイ状に配置され、
    前記第１の方向における前記素子対の配置ピッチが前記第２の方向における前記素子対の配置ピッチ以下であることを特徴とする請求項１ないし５のうちいずれか１項に記載の撮像デバイス。
11. 請求項１ないし５のうちいずれか１項に記載の撮像デバイスと、
    前記位相差検出用素子から読み出された画素情報に基づいて、前記撮影レンズの焦点検出を行う焦点検出手段と、
    前記焦点検出手段の焦点検出結果に基づいて前記撮影レンズの焦点合わせを行う合焦制御手段と、
    前記撮影用素子から読み出された画素情報に基づいて撮影画像データを生成する画像データ生成手段と、
    を備えたことを特徴とする電子カメラ。
12. 請求項７に記載の撮像デバイスと、
    前記位相差検出用素子から読み出された画素情報に基づいて、前記撮影レンズの焦点検出を行う焦点検出手段と、
    前記焦点検出手段の焦点検出結果に基づいて、前記撮影レンズの焦点合わせを行う合焦制御手段と、
    前記撮影用素子から読み出された画素情報に基づいて撮影画像データを生成する画像データ生成手段であって、前記各位相差検出用素子の位置の撮影用画素情報を、前記各位相差検出用素子に隣接して配置されている同一色の前記カラーフィルタを有する前記撮影用素子から読み出された画素情報に基づいて補間して前記撮影画像データを生成する画像データ生成手段と、
    を備えたことを特徴とする電子カメラ。
13. 請求項８に記載の撮像デバイスと、
    前記前記第１及び第２の位相差検出用素子からなる前記素子対から読み出された画素情報に基づいて、前記撮影レンズの焦点検出を行う焦点検出手段と、
    前記焦点検出手段の焦点検出結果に基づいて前記撮影レンズの焦点合わせを行う合焦制御手段と、
    前記撮影用素子から読み出された画素情報に基づいて撮影画像データを生成する画像データ生成手段と、
    を備えたことを特徴とする電子カメラ。
14. 請求項９に記載の撮像デバイスと、
    前記各素子対ごとに、一対の前記光電変換素子から読み出された画素情報を合成し、合成した画素情報に基づいて前記撮影レンズの焦点検出を行う焦点検出手段と、
    前記焦点検出手段の焦点検出結果に基づいて、前記撮影レンズの焦点合わせを行う合焦制御手段と、
    前記撮影用素子から読み出された画素情報に基づいて、撮影画像データを生成する画像データ生成手段と、
    を備えたことを特徴とする電子カメラ。
15. 請求項１０に記載の撮像デバイスと、
    前記第２の方向に沿って配列された複数の前記第１の位相差検出用素子間で前記光電変換素子の画素情報を合成するとともに、前記第２の方向に沿って配列された複数の前記第２の位相差検出用素子間で前記光電変換素子の画素情報を合成し、合成した画素情報に基づいて前記撮影レンズの焦点検出を行う焦点検出手段と、
    前記焦点検出手段の焦点検出結果に基づいて、前記撮影レンズの焦点合わせを行う合焦制御手段と、
    前記撮影用素子から読み出された画素情報に基づいて、撮影画像データを生成する画像データ生成手段と、
    を備えたことを特徴とする電子カメラ。

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