JP6034629B2

JP6034629B2 - 撮像素子及びそれを用いた撮像装置

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Publication number: JP6034629B2
Application number: JP2012200133A
Authority: JP
Inventors: 聖雄池本
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2012-09-12
Filing date: 2012-09-12
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2032-09-12
Also published as: US20140071319A1; JP2014056067A; US9369640B2

Description

本発明は、撮像素子に関し、特にデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどに用いられる撮像素子などに関するものである。

デジタルスチルカメラやビデオカメラにおいて、ＡＦ（自動焦点調節）用距離検出技術が知られている。このようなＡＦ用距離検出技術に関し、特許文献１では、撮像素子の一部の画素に測距機能を持たせ、位相差方式で被写体距離を検出するようにした測距装置が提案されている。この位相差方式とは、結像光学系の瞳上の異なる領域を通過した光の像を比較し、ステレオ画像による三角測量を用いて距離を検出する方法である。これによると、従来のコントラスト方式とは異なり、距離を測定するためにレンズを動かす必要が無いため、高速、高精度なＡＦが可能となる。また、動画撮影時にリアルタイムＡＦが可能になる。上記特許文献１では、測距用画素の構造として、マイクロレンズとその下に導波路と複数の光電変換部を設けた構成が開示されている。これにより、結像光学系の瞳上の異なる領域を通過した光を、対応する異なる光電変換部に導き、被写体距離を測定することができる。

特開２００９−１５８８００号公報

しかしながら、上記した特許文献１の構成において、撮像素子の周辺部や、非常に明るい結像光学系を用いた場合など、測距用画素に大きな角度で入射する光束が多くなると、測距精度が悪化するということがある。このような光束は、導波路の高次の固有モードと結合し易く、導波路内に電場分布が広がった導波モードで伝播し、画素内の複数の光電変換部に到達する。そのため、各瞳領域を通過した光を、それぞれ、異なる光電変換部に選択的に導くことが困難となり、瞳分割特性が劣化することになり易い。よって、三角測量における基線長が短くなり、測距精度が悪化することになり易い。

本発明は、上記課題に鑑み、測距用画素に大きな角度で入射する光束を多く含む測距条件においても、高精度な測距を可能とし、特に画素サイズの小さい場合においても、高精度な測距を可能とする撮像素子、及びそれを用いた測距装置等の提供を目的とする。

本発明の撮像素子は、被写体の像を結像する光学系の射出瞳からの光束を受光して光電変換する複数の画素を有する。前記複数の画素のうち少なくとも一部の画素は、射出瞳内の互いにずれた複数の瞳領域からの光束をそれぞれ受光して光電変換する複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部へと光束を導く、コアとクラッドを含む導波路と、を有する。前記少なくとも一部の画素は、減衰部材を含む第１の画素を含む。そして、前記減衰部材は、前記第１の画素の画素中心における前記撮像素子の法線に対して、前記瞳領域のずれの方向に対応する前記第１の画素上の瞳分割方向であってかつ前記複数の瞳領域のうち前記法線との角度が大きい光束を多く含む瞳領域に対応する光電変換部とは逆側のクラッドにのみ配置されている。

本発明の撮像素子を光学系に対して適切に位置決めするとき、大きな角度で入射する光束を多く含む測距条件でも、前記減衰部材の存在により、高精度な測距を行うことができ、特に画素サイズが小さい場合でも、高精度な測距が可能な測距装置等を実現できる。

本発明の撮像素子の実施例１を用いた測距装置の概略断面図。実施例１の撮像素子に含まれる測距用画素の概略断面図。実施例１における測距用画素１０４による検出光量の入射角度依存性を示す図。実施例１の撮像素子の構成例の概略平面図。実施例１の撮像素子の他の構成例と射出瞳内の複数の瞳領域の概略平面図。実施例１の測距装置に含まれる他の測距用画素の概略断面図。実施例１の測距装置に含まれる他の測距用画素の概略断面図。実施例１における撮像システムないし撮像装置の概略断面図。

本発明の撮像素子は、測距用画素の導波路に入射する光束の入射角に応じて、導波路内の光伝播状態（導波モード）が異なるという特性を考慮して構成されたものである。具体的には、画素内に導波路と複数の光電変換部を配置し、導波路の構造を適切に形成する。更に、導波路のクラッドに減衰部材を配置し、測距用画素に大きな角度で入射し導波路内を伝播する光の一部を減衰させる構成とする。これにより、測距用画素に大きな角度で入射する光束を多く含む測距条件においても、結像光学系の射出瞳の互いに異なる領域を通過した光束を、対応する異なる光電変換部に選択的かつ効率的に導き、検出することができる。そして、結像光学系と撮像素子を組み合わせることで、高精度な距離測定が可能な測距装置を実現するものである。結像光学系の光軸が撮像素子の中央部を通る典型的な例で言えば、本発明の撮像素子は、複数の画素を有し、このうちの少なくとも一部の画素は、コアとクラッドからなる導波路と複数の光電変換部と減衰部材とで構成される測距用画素である。そして、減衰部材は、クラッドに配置され、結像光学系の射出瞳内の互いにずれた複数の瞳領域のずれの方向に対応する測距用画素上の瞳分割方向かつ撮像素子の中央側に配置されている。結像光学系の光軸が撮像素子の中央部を通らない場合を含んで、より一般的に言えば、本発明の撮像素子は、被写体の像を結像する光学系に対して当該撮像素子が位置決めされるときに光学系の射出瞳からの光束を受光して光電変換する複数の画素を有する。少なくとも一部の画素は、前記複数の瞳領域からの光束をそれぞれ受光して光電変換するための複数の光電変換部と、光電変換部へと光束を導くコアとクラッドからなる導波路と、で構成された測距用画素である。測距用画素の少なくとも一部の画素は、更に減衰部材を含む。そして、減衰部材は、該減衰部材を含む測距用画素の画素中心における当該撮像素子の法線に対して、前記測距用画素上の瞳分割方向であってかつ前記複数の瞳領域のうち該法線との角度が大きい光束を多く含む瞳領域に対応する光電変換部とは逆側のクラッドに配置されている。

こうした撮像素子を測距装置に備えれば、前記測距用画素の出力信号を用いて被写体の距離情報を取得して、高精度な測距をすることができる。また、こうした測距装置をデジタルカメラなどの撮像装置に備えれば、高画質の被写体画像を得ることができる。

以下、図を用いて、本発明の撮像素子を用いた測距装置ないし撮像装置の実施の形態について説明する。その際、全ての図において同一の機能を有するものは同一の数字を付け、その繰り返しの説明は省略する。
（実施例１）
実施例１として、本発明の撮像素子を備える測距装置１００の構成例について図１及び図２を用いて説明する。図１において、本実施例における測距装置１００は、結像光学系１０１、撮像素子１０２で構成されている。結像光学系１０１は、像側に非テレセントリックな光学系となっている。

測距に必要な情報を取得するための画素を測距用画素と呼ぶ。撮像素子１０２は、複数の画素で構成され、撮像素子１０２の中央部（結像光学系１０１の光軸の通る領域）に測距用画素１０３、撮像素子上の瞳分割方向における周辺部に測距用画素１０４及び１０５が配置されている。図２において、測距用画素１０３、１０４、１０５は、光の入射側（＋ｚ側）より、導波路１０６（コア１０７、クラッド１０８）、基板１０９を有している。基板１０９の一部の領域には、光電変換部１１０、１１１が形成されている。基板１０９は、検出する光の波長帯域で吸収を有する材料、例えばＳｉであり、イオン打ち込みなどで、内部の少なくとも一部の領域に光電変換部１１０、１１１が形成される。光電変換部１１０、１１１の中間の位置を画素中心と呼ぶ。導波路１０６のコア１０７及びクラッド１０８は、撮像する波長帯域で透明な材料で形成される。例えば、ＳｉＯ₂、ＳｉＮ、有機材料などで形成される。コア１０７は、クラッド１０８より高い屈折率を有する材料で形成される。

更に、導波路１０６のコア１０７の光出射端１１５側には、散乱部１１２が形成されている。散乱部１１２は、コア１０７よりも低い屈折率を有する媒質で形成され、例えば、クラッド１０８と同じ媒質で形成されている。散乱部１１２は、導波路１０６を伝播する光の一部を乱す部材である。散乱部１１２を設けることで、光電変換部１１０及び１１１の間の領域に入射する光を低減することができ、光電変換部１１０及び１１１がある領域に射出される光を増加することができる。

測距用画素１０３、１０４、１０５は、光学系の射出瞳のｘ方向に異なる瞳領域からの光束を、対応する異なる光電変換部１１０、１１１で取得するように構成されている。このような機能を瞳分割機能と呼び、瞳を分割する方向を瞳分割方向と呼ぶ。更に、中央部に配置された測距用画素１０３は、減衰部材を有していないが、周辺部の測距用画素１０４及び１０５は、減衰部材１１３を有している。減衰部材１１３は、瞳分割方向（図中のｘ方向）かつ撮像素子１０２の中央側のクラッド１０８中に配置されている。減衰部材１１３は、検出する波長帯域の光に対して、少なくとも一部の光を反射する反射媒質或いは吸収する吸収媒質で構成され、例えば、Ａｌ、Ｗ、ｐ−Ｓｉなどで構成されている。各画素には、図示しない配線部（光電変換部と電気的に繋がっている）を備えている。

（測距原理）
図１（ａ）に示すように、結像光学系１０１は外界の像を撮像素子１０２上に結像する。画素の大きさに対して、結像光学系１０１と撮像素子１０２の間の距離が長い。このため、射出瞳１２０上の異なる領域１２０Ｒａ、１２０Ｌａを通過した光束１２０Ｒｂ、１２０Ｌｂは、異なる入射角の光束として撮像素子１０２上に入射する。撮像素子１０２の測距用画素１０３、１０４、１０５に含まれる導波路１０６に光束が入射すると、光束の入射角度に応じた導波モードに変換されて導波路中を伝播する。導波モードとは、導波路の持つ複数の固有モードの和で表され、導波路中の伝播状態を示すものである。固有モードは、導波路のコア、クラッドの形状、屈折率によって一意に決まる。導波路に入射した光束は、複数の固有モードと結合し、固有の導波モードで伝播する。入射角によって、導波モードを構成する固有モードの割合は異なり、それによって、導波モードの電場分布も異なる分布となる。

各測距用画素において、導波路１０６の形状、媒質を適切に選択し、各光電変換部を適切な位置に配置する。これにより、各入射角に応じて変換される導波モードを制御し、光束の入射角に応じて、異なる光電変換部に選択的に光束を導くことができる。測距用画素１０４及び１０５の構成では、ｘ方向に瞳分割機能を有し、射出瞳１２０の右側領域１２０Ｒａからの光束は光電変換部１１０に導かれ、左側領域１２０Ｌａからの光束は光電変換部１１１に導かれる。更に、測距用画素１０４及び１０５において、減衰部材１１３の形状・媒質を適切に選択し、適切な位置に配置することで、特に大きな角度で測距用画素に入射し、導波路内を伝播する光の一部を減衰させることができる。そして、特定の光電変換部に、より選択的に光束を導くことができる。各光電変換部１１０及び１１１に到達した光束は、電子に変換され、図示しない信号処理回路に出力される。複数の光電変換部１１０及び１１１で、異なる瞳領域を通過した光束による光像を検出し、公知の方法により、被写体測距用信号を出力し、被写体距離を検出することで、高精度な測距が可能となる。

（瞳分割性能が向上する理由）
本実施例を含む本発明の測距用画素１０４及び１０５において、撮像素子１０２の中央側のクラッド１０８に減衰部材１１３を配置することで、測距精度が向上する理由を述べる。図１（ａ）のように、撮像素子１０２の周辺部では、主光線１２１が光軸（ｚ軸）の方向（撮像素子の法線の方向でもある）に対して傾く。図２（ｂ）において、右側領域１２０Ｒａからの光束１２０Ｒｂは、光軸に対して大きな角度で測距用画素１０４に入射する。周辺に配置された測距用画素ほど、角度は大きくなる。左側領域１２０Ｌａからの光束１２０Ｌｂは、光軸方向（ｚ方向）付近の浅い角度で入射する。光束１２０Ｒｂは、導波路１０６の導波モード１３０に変換され、光束１２０Ｌｂは、導波モード１３１に変換されて導波路中を伝播する。

大きな角度で入射する光束１２０Ｒｂは、同位相面が傾き、入射端面１１４において、位相が不揃いの状態で入射する。入射した光束は、導波路１０６の高次の固有モードと結合し易く、導波モード１３０は高次の固有モードを多く含むモードとなる。一般的に、高次の固有モードの電場は、導波路内に広がり、低次の固有モードと比べて、コア１０７に含まれる電場の割合が少なく、クラッド１０８に漏れる割合が大きい。そのため、クラッド１０８に配置された減衰部材１１３の影響を受けやすく、導波モード１３０の一部の光（例を点線で示す）は減衰される。減衰部材１１３を、撮像素子１０２の中央側に配置すると、中央側に配置された光電変換部１１１に入射する光が減衰する。これにより、減衰部材１１３を設けない場合と比べて、光束１２０Ｒｂを、より選択的に光電変換部１１０に導くことができる。

一方、光束１２０Ｌｂは、入射角度が浅く、入射端面１１４において、ほぼ位相が揃った状態で入射する。入射した光束は、導波路１０６の位相が揃った低次の固有モードと結合し易く、導波モードは低次の固有モードを多く含むモードとなる。一般的に、低次の固有モードの電場は、高次の固有モードと比べて、コア１０７に含まれる割合が多く、クラッド１０８に漏れる割合は小さい。そのため、クラッド１０８に配置された減衰部材１１３の影響を受けにくい。光束１２０Ｌｂは、遮光部材１１３が無い場合と同程度の割合で光電変換部１１０及び１１１に導かれる。

これらの効果により、減衰部材１１３を設けない場合と比べて、射出瞳上の異なる領域を通過した光束１２０Ｒｂ、１２０Ｌｂを、光電変換部１１０及び１１１に、より選択的に導くことができる。こうして、複数の光電変換部１１０及び１１１で、異なる瞳領域を通過した光像を検出し、公知の方法により、被写体測距用信号を出力し、被写体距離を検出することで、高精度な測距が可能となる。測距用画素１０５についても同様の原理で、高精度な測距が可能となる。また、導波路内の導波モードが異なるという特性を用いることで、特に画素が小さい場合でも、異なる瞳領域を通過した光束を、対応する異なる光電変換部に導き、高精度な測距が可能となる。

（他の利点：結像光学系がズーム光学系の場合）
本発明の構成で、結像光学系１０１が、例えば、ズーム光学系のように、ズーム状態に応じて射出瞳位置が変動する光学系であっても、光学系の状態によらず、高精度な測距を行うことができる。射出瞳が遠くなると、各測距用画素に入射する光束の角度は浅くなる。上述のように、このような光束は、低次の固有モードを多く含む導波モードに変換されて、導波路を伝播するため、減衰部材１１３の影響を受けにくい。そのため、減衰部材１１３を設けない時と同程度の精度で、異なる瞳領域を通過した光束を、対応する異なる光電変換部に導くことができ、測距することができる。射出瞳の位置が近い場合は、主光線が傾き、各画素に大きい角度で入射する光束が増加する。しかし、こうした場合でも、前述の理由で、高精度な測距を行うことができる。

（効果）
図３に測距用画素１０４の導波路１０６を伝播し、各光電変換部がある領域に射出される光の入射角度依存性を示す。横軸は入射光の入射角度、縦軸は光電変換部１１０及び１１１がある領域に射出される光量を示している。実線１１０ａ、１１１ａは減衰部材１１３がある場合、破線１１０ｂ、１１１ｂは減衰部材１１３が無い場合を示している。図示のように、減衰部材１１３を設けることで、大きな角度（例えば＋２０度付近）で入射した光束に対して、光電変換部１１０がある領域に選択的に射出される光量が増加することが分かる。

図２（ｂ）において、導波モード１３０で伝播する光の一部は、散乱部１１２の隣の−ｘ側の領域を伝播し、光電変換部１１０がある領域に射出される。一方、散乱部１１２の隣の＋ｘ側の領域を伝播する光は、一部の光がクラッド１０８部に染み出し、減衰部材１１３によって反射され、減衰する。これにより、光電変換部１１１がある領域に射出される光が減少することを表している。また、左側領域（０度付近）からの光束は、減衰部材の影響が小さく、同程度の割合で各光電変換部に射出されることが分かる。これは、図２（ｂ）において、導波モード１３１で伝播する光は、減衰部材１１３の影響が小さく、ほぼ同程度の光が光電変換部１１０及び１１１がある領域に射出されることを表している。図２（ｃ）に示す測距用画素１０５についても、左右が逆転するのみで同様の原理である。以上、本発明の構成により、入射角が大きい光束を多く含む測距条件において、異なる瞳領域から入射した光束を、対応する異なる光電変換部に、より選択的に導けることが分かる。

（減衰部材：コアに接する位置に配置）
本実施例を含む本発明において、減衰部材１１３は、クラッド１０８内のコア１０７に近い位置に配置することが望ましい。高次の固有モードの電場は、クラッド１０８内において、コア１０７とクラッド１０８の境界から離れるにつれて、急激に減衰する。減衰部材１１３を、高次の固有モードの電場が掛る位置に配置することで、より効果的に前述した効果を得ることができる。従って、減衰部材１１３を、コア１０７とクラッド１０８の境界に出来るだけ近い位置に配置することが望ましく、コア１０７とクラッド１０８の境界から検出する光の波長以内の位置に設けることが望ましい。より望ましくは、コア１０７とクラッド１０８の境界に接するクラッド中の位置（即ち、コアに接する位置）に減衰部材１１３を配置することが望ましい。これにより、前述した減衰部材１１３の効果を、より効果的に得ることができる。

（減衰部材：導波路下端に配置）
導波路１０６を伝播し、基板１０９内に射出される光の電場分布は、導波路１０６の光出射端１１５における電場分布に応じて決定される。光出射端１１５の光電変換部１１１に近い位置の電場が小さいほど、光電変換部１１１がある領域に射出される光は小さくなる。光出射端１１５近傍の光電変換部１１１に近いクラッド中の領域に減衰部材１１３を配置し、この領域の電場を減衰させることで、光電変換部１１１に入射する高次の固有モードの光を効果的に減衰させることができる。より望ましくは、導波路１０６の光出射端１１５のレベルのクラッド中に減衰部材１１３を配置することが望ましい。光出射端１１５のレベルに設けることで、光電変換部の適切な位置に入射する光を多くすることができる。減衰部材は、光電変換部の上のクラッドの一部に設けてもよい。

（減衰部材：媒質）
本実施例を含む本発明において、減衰部材１１３を構成する媒質は、本実施例で例示したものに限定されるものではなく、前述した媒質とは異なる、他の金属媒質や半導体や絶縁体を用いてもよい。或いは、検出する波長帯域の光の少なくとも一部を散乱させ、反射或いは吸収させる散乱媒質を用いてもよい。減衰部材として、例えばＡｌ、Ｗを用いることができる。これらの媒質を用いて、導波路１０６を伝播する光の一部を反射或いは吸収し、減衰させることで、前述の減衰部材１１３の効果を、より効果的に得ることができる。

（減衰部材：配線と異なる材料）
本実施例を含む本発明において、減衰部材１１３は、光電変換部で取得した信号を伝達する配線とは異なる材料（入射した光に対する光減衰の度合いが異なるもの。好適には、配線より減衰の度合いが大きいもの）の部材であることが望ましい。配線に光が入射すると、一部の光は電荷に変換され、配線を伝達する。この電荷は、配線を伝達する信号に対してノイズとなり、信号の品質を低下させる。よって、減衰部材１１３は、配線とは異なる材料の部材として配置することが望ましく、これにより、信号品質の低下を防ぐことができる。

（散乱部の効果）
本実施例を含む本発明の測距用画素１０４及び１０５において、散乱部１１２を設け、散乱部１１２を設けたコア１０７に隣接するクラッド１０８の部分に減衰部材１１３を配置することで、前述の減衰部材１１３の効果を更に効果的に得ることができる。散乱部１１２を設けると、導波路のコア１０７の領域が狭くなる。導波路を伝播する光が、狭い領域に閉じ込められて伝播するため、コア１０７内の最大の電場強度が強くなり、クラッド１０８に漏れる電場も強くなる。そのため、コア１０７近傍のクラッド１０８に配置された減衰部材１１３により、導波モードを強く減衰させることができ、前述の減衰部材１１３の効果を、より効果的に得ることができる。

散乱部１１２の幅は、検出する光の波長に対して狭すぎると、導波モードに影響を及ぼすことができず、広すぎると、一部の光を反射或いは散乱し、損失光を発生させてしまう。望ましくは、検出する光の波長に対して、０．１倍から２倍程度が望ましい。散乱部１１２の脇のコア１０７領域の幅は、光電変換部で検出する光に対して複数の固有モードが存在するマルチモード導波路の幅であることが望ましい。この領域を、高次の固有モードを多く含み、クラッド１０８に電場が広がり易い導波モードで伝播させることにより、減衰部材１１３で光を強く減衰させることができる。このことから、散乱部１１２の脇のコア１０７の部分の幅は、検出する光の波長の０．１倍から２倍程度が望ましい。より好ましくは０．５倍から１．５倍程度が望ましい。

散乱部１１２の高さは、検出する光の波長の十分の一以上の長さを有していることが望ましい。このような高さにすることで、上述した導波モードで、散乱部１１２の横の領域を伝播させることができ、減衰部材１１３の効果を得ることができる。

（測距用画素の配置）
本実施例を含む本発明の構成において、測距用画素を撮像素子１０２の全画素に配置すると、撮像素子１０２の任意の領域或いは全領域において測距が可能となる。また、各画素に含まれる光電変換部１１０及び１１１で取得した信号を積算し、結像光学系で結像された被写体の撮像画像の画像信号として利用することもできる。

本実施例を含む本発明において、撮像素子１０２上における測距用画素１０４及び１０５の配置は、本実施例に限定されるものではない。例えば、撮像素子１０２の全画素に測距用画素１０４及び１０５を配置してもよい。中央付近では、射出瞳１２０からの光束は、浅い角度で測距用画素１０４及び１０５に入射する。上述と同様の理由で、このような光束は、低次の固有モードを多く含む導波モードに変換されて、導波路１０６を伝播するため、減衰部材１１３の影響を受けにくい。そのため、減衰部材１１３を設けない時と同程度の精度で測距することができる。ただし、非常に明るい結像光学系を用いた場合、射出瞳の周辺部を通過する光束は、測距用画素に対して大きな角度で入射するため、撮像素子の中央部においても、測距用画素に大きな角度で入射する光束が増加することになる。このような測距条件においても、中央付近の画素に配置した測距用画素１０４及び１０５によって、異なる瞳領域からの光束を、対応する異なる光電変換部で効果的に取得することができ、高精度な測距が可能となる。

或いは、図４に示すように、測距用画素１０３及び１０４を離散的に配置し、その間に撮像用画素１５０を配置してもよい。撮像用画素１５０は、画素内に一つの光電変換部１５１を有する画素である。こうした場合、各測距用画素で取得した信号を用いて測距を行い、撮影用画素１５０で取得した信号を用いて画像を生成してもよい。また撮像用画素で取得した信号を用いて、近接する測距用画素の画像用信号を生成してもよい。このような構成とすることで、撮像素子１０２に占める測距用画素の割合を減らすことができ、測距と同時に、高画質な画像を撮像することができる。

或いは、図５に示すように、ｘ方向及びｙ方向にそれぞれ瞳分割機能を有する複数の測距用画素を撮像素子２００に配置してもよい。図５（ａ）のように、測距用画素１０３、１０４、１０５はｘ方向にずれて光電変換部が配置され、測距用画素２０１、２０２、２０３はｙ方向にずれて光電変換部が配置され、それぞれｘ方向及びｙ方向に画素列が配置される。測距用画素１０４、１０５は、撮像素子のｘ方向の周辺画素として配置され、測距用画素２０２、２０３は、ｙ方向の周辺画素として配置されている。

図２及び図６のように、各測距用画素は、導波路等で構成される。図５（ｂ）、図６に示すように、測距用画素２０１、２０２、２０３は射出瞳１２０のｙ方向にずれた領域１２０Ｕａ及び１２０Ｄａからの光束１２０Ｕｂ、１２０Ｄｂを取得する。図５（ｂ）、図２に示すように、測距用画素１０３、１０４、１０５は、射出瞳１２０のｘ方向にずれた領域１２０Ｒａ及び１２０Ｌａからの光束１２０Ｒｂ、１２０Ｌｂを取得する。このような構成とすると、測距用画素１０３、１０４、１０５でｘ方向にコントラストの変化がある被写体の測距が、測距用画素２０１、２０２、２０３でｙ方向にコントラストの変化がある被写体の測距が可能となる。

測距用画素１０４及び１０５は、瞳分割方向であるｘ方向かつ撮像素子１０２の中央側に減衰部材１１３が配置され、測距用画素２０２及び２０３は、瞳分割方向であるｙ方向かつ撮像素子１０２の中央側に減衰部材１１３が配置されている。このような構成によって、ｘ方向或いはｙ方向から大きな角度で入射する光束を多く含む条件においても、前述した減衰部材１１３の効果によって、異なる瞳領域からの光束を、対応する異なる光電変換部に選択的に導くことができる。そして、ｘ方向及び／またはｙ方向にコントラストの変化がある被写体を高精度に測距することができる。

各測距用画素に含まれる光電変換部及び散乱部の個数及び配置は、本実施例に限定されるものではない。例えば、光電変換部を縦に２個、横に２個（合計４個）配置してよい。更には、コアを縦方向及び横方向に分離する十字形の如き散乱部を設けてもよい。このような構成にすることで、縦方向及び横方向から入射した光を分離することができる。各光電変換部で取得した信号を用いて、縦方向及び横方向にコントラストの変化を有する被写体の測距を行うことができる。或いは、画素内に、３個以上の光電変換部を横或いは縦に並べて配置し、各光電変換部を分離する散乱部を設けてもよい。射出瞳をより詳細に分割することができ、各光電変換部で取得した信号を用いて、更に高精度な測距を行うことができる。

（テーパ形状のコア、ＭＬ、ＣＦの設置）
本実施例を含む本発明において、導波路のコア１０７は、入射端に向かって径が広がるテーパ形状を有していることが望ましい。コア１０７をテーパ形状にすると、画素の入射端全面に入射した光束を、導波路のコア１０７に効果的に導くことができ、基板１０９に射出される光を増加することができる。テーパ形状にすることで、図２や図６には示してないが、画素間のクラッド１０８に、電気信号を抽出するための配線を設ける空間を確保することができる。また、光が伝播する領域を画素の特定領域に限定し、隣接する画素に光が漏れて生じるクロストークを軽減することができる。

或いは、図７（ａ）、（ｂ）のように、導波路１０６の上にマイクロレンズ１６１を配置してもよい。マイクロレンズ１６１を設けることにより、測距用画素の主にコア１０７に光を入射させることができ、更に、入射する光束の角度範囲を狭くすることができる。これにより、光電変換部に導かれる光束の光量を増大させることができる。また、各画素にカラーフィルタを設けてもよい。導波路に入射する光の波長帯域を限定することができ、入射した光を所望の導波モードで伝播させ易くなり、異なる瞳領域からの光を、対応する異なる光電変換部に、より選択的に導くことができる。図７（ｂ）に示すように、マイクロレンズ１６１と導波路１０６との間に透明部を設けることもできる。ここでは、マイクロレンズ１６１による集光点が導波路１０６の入射端上に来るように構成されている。

（撮像システム）
図８のように、測距装置１００と、測距装置１００を制御するＣＰＵ１７１、撮像素子１０２で取得した信号の読み出し、処理、記録のための、配線１７２、信号処理基板１７３、記録装置１７４を設けることで、撮像システム１７０を構成することができる。このような構成により、測距と同時に、結像光学系１０１により結像された被写体像を撮像素子１０２により取得することができる。

以上で示したように、画素内に導波路と複数の光電変換部を設け、各導波路の形状や媒質や配置などを適切に設定することで、入射角に応じて光を効果的に分離することができる。更に、瞳分割方向かつ撮像素子の中央側（より一般的には、前述した様に、大きな角度で測距画素に入射した光束を受光するための光電変換部とは逆側）のクラッドに減衰部材を配置することで、特に、大きな角度で画素に入射する光を、より選択的に光電変換部に導くことができる。そして、高精度な距離測定が行える測距装置等が実現できる。

上述した本発明による撮像素子は、測距装置をはじめとして、測距装置を必要とするデジタルカメラなどの撮像装置に用いることができる。その際、撮像素子は、その構成に応じて、被写体の像を結像する光学系に対して適宜位置決めすればよい。

１００・・カメラ（撮像装置）、１０１・・撮影レンズ（光学系）、１０２・・撮像素子、１０３、１０４、１０５・・測距用画素、１２０・・射出瞳、１２０Ｒａ、１２０Ｌａ・・互いにずれた複数の瞳領域

Claims

被写体の像を結像する光学系の射出瞳からの光束を受光して光電変換する複数の画素を有する撮像素子であって、
前記複数の画素のうち少なくとも一部の画素は、前記射出瞳内の互いにずれた複数の瞳領域からの光束をそれぞれ受光して光電変換する複数の光電変換部と、前記複数の光電変換部へと前記光束を導く、コアとクラッドを含む導波路と、を有し、
前記少なくとも一部の画素は、減衰部材を含む第１の画素を含み、
前記減衰部材は、前記第１の画素の画素中心における前記撮像素子の法線に対して、前記瞳領域のずれの方向に対応する前記第１の画素上の瞳分割方向であってかつ前記複数の瞳領域のうち前記法線との角度が大きい光束を多く含む瞳領域に対応する光電変換部とは逆側のクラッドにのみ配置されていることを特徴とする撮像素子。
前記コアの光射出側に散乱部が設けられ、前記減衰部材は、前記コアの前記散乱部が設けられた領域に隣接する前記クラッド内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
前記減衰部材は、前記コアと接し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。
前記減衰部材は、前記導波路の光射出側の下端に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の撮像素子。
前記減衰部材は、検出する波長帯域の光の少なくとも一部に対して反射させる媒質であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の撮像素子。
前記減衰部材は、検出する波長帯域の光の少なくとも一部に対して吸収する媒質であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の撮像素子。
前記減衰部材は、検出する波長帯域の光の少なくとも一部に対して散乱させる媒質であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の撮像素子。
前記光電変換部と電気的に繋がった配線を有し、前記減衰部材は、前記配線とは、光減衰の度合いが異なる材料の部材であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の撮像素子。
前記第１の画素は、前記瞳領域のずれの方向に対応する前記撮像素子上の瞳分割方向における周辺部に配置されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の撮像素子。
前記少なくとも一部の画素は、第２の画素を含み、
前記第２の画素は、前記撮像素子の中央部に配置され、前記減衰部材を含まないことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の撮像素子。
前記減衰部材と前記クラッドとは、異なる材料で形成されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の撮像素子。
前記導波路の光射出側の下端からの前記散乱部の高さが、検出する光の波長の十分の一以上であることを特徴とする請求項２に記載の撮像素子。
請求項１から１２のいずれか１項に記載の撮像素子と、
被写体の像を前記撮像素子上に結像する光学系と、
を有することを特徴とする撮像装置。