特許 5958497 固体撮像装置および電子カメラ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5958497

(24)【登録日】2016年7月1日

(45)【発行日】2016年8月2日

(54)【発明の名称】固体撮像装置および電子カメラ

(51)【国際特許分類】

   H04N 9/07 20060101AFI20160719BHJP

   G02B 7/34 20060101ALI20160719BHJP

   G03B 13/36 20060101ALI20160719BHJP

   H04N 5/369 20110101ALI20160719BHJP

   H04N 5/225 20060101ALI20160719BHJP

【ＦＩ】

   H04N9/07 A

   G02B7/34

   G03B13/36

   H04N5/335 690

   H04N5/225 D

【請求項の数】10

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2014-117789(P2014-117789)

(22)【出願日】2014年6月6日

(62)【分割の表示】特願2012-5270(P2012-5270)の分割

【原出願日】2012年1月13日

(65)【公開番号】特開2014-222880(P2014-222880A)

(43)【公開日】2014年11月27日

【審査請求日】2014年6月6日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004112

【氏名又は名称】株式会社ニコン

(74)【代理人】

【識別番号】100072718

【弁理士】

【氏名又は名称】古谷 史旺

(74)【代理人】

【識別番号】100116001

【弁理士】

【氏名又は名称】森 俊秀

(72)【発明者】

【氏名】村田 寛信

【審査官】 鈴木 肇

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−２３７１３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２００９０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１０３３３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５３２８６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１３０２３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−０２１７９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２５８４７４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０４Ｎ ９／０４ − ９／１１

Ｈ０４Ｎ ５／２２２− ５／２５７

Ｈ０４Ｎ ５／３０ − ５／３７８

Ｈ０１Ｌ ２１／３３９

Ｈ０１Ｌ ２７／１４ −２７／１４８

Ｈ０１Ｌ ２９／７６２

Ｇ０２Ｂ ７／２８ − ７／４０

Ｇ０３Ｂ ３／００ − ３／１２

Ｇ０３Ｂ １３／３０ −１３／３６

Ｇ０３Ｂ ２１／５３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

入射光のうち、第１光成分を光電変換して残りの光成分を透過する第１光電変換部と、第２光成分を光電変換して残りの光成分を透過する第２光電変換部と、第３光成分を光電変換して残りの光成分を透過する第３光電変換部とを有する第１撮像素子と、
前記第１撮像素子を透過した光成分のうち、赤の光成分を光電変換する第４光電変換部と、緑の光成分を光電変換する第５光電変換部と、青の光成分を光電変換する第６光電変換部とを有する第２撮像素子と
を備え、
前記第１光電変換部が光電変換する光成分と前記第４光電変換部が光電変換する光成分、前記第２光電変換部が光電変換する光成分と前記第５光電変換部が光電変換する光成分、および、前記第３光電変換部が光電変換する光成分と前記第６光電変換部が光電変換する光成分は、それぞれ補色関係を有する固体撮像装置。

【請求項2】

入射光を光電変換する第１撮像素子と、
前記第１撮像素子を透過した光成分を光電変換する第２撮像素子と、
を備え、
前記第１撮像素子は、第１光成分を光電変換して残りの光成分を透過する第１光電変換部と、第２光成分を光電変換して残りの光成分を透過する第２光電変換部と、第３光成分を光電変換して残りの光成分を透過する第３光電変換部とを有し、
前記第２撮像素子は、前記第１光電変換部を透過した前記入射光のうち波長の長い第４光成分を光電変換する第４光電変換部と、前記第３光電変換部を透過した前記入射光のうち波長の短い第６光成分を光電変換する第６光電変換部と、前記第２光電変換部を透過した前記入射光のうち、前記第４光成分と前記第６光成分の間の波長の第５光成分を光電変換する第５光電変換部とを有し、
前記第１光電変換部が光電変換する光成分と前記第４光電変換部が光電変換する光成分、前記第２光電変換部が光電変換する光成分と前記第５光電変換部が光電変換する光成分、および、前記第３光電変換部が光電変換する光成分と前記第６光電変換部が光電変換する光成分は、それぞれ補色関係を有する固体撮像装置。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の固体撮像装置において、
前記第１撮像素子の前記第１光電変換部、前記第２光電変換部および前記第３光電変換部は、有機光電膜で形成される固体撮像装置。

【請求項4】

請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の固体撮像装置において、
前記第１撮像素子および前記第２撮像素子は、同一の半導体基板上に積層して配置される固体撮像装置。

【請求項5】

請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の固体撮像装置において、
前記第１光成分はシアン、前記第２光成分はマゼンタ、および、前記第３光成分はイエロー、である固体撮像装置。

【請求項6】

請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の固体撮像装置において、
前記第２撮像素子は、シリコン基板で形成される固体撮像装置。

【請求項7】

請求項６に記載の固体撮像装置において、
前記第１光電変換部、前記第２光電変換部および前記第３光電変換部から画像信号を読み出す第１駆動回路と、
前記第４光電変換部、前記第５光電変換部および前記第６光電変換部から画像信号を読み出す第２駆動回路と
をさらに有し、
前記第１駆動回路および前記第２駆動回路は、前記シリコン基板に配置され、それぞれ独立して駆動される固体撮像装置。

【請求項8】

請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の固体撮像装置において、
前記第１撮像素子は、前記第１光電変換部、前記第２光電変換部および前記第３光電変換部のいずれかを有する複数の画素を有し、
前記第２撮像素子は、前記第４光電変換部、前記第５光電変換部および前記第６光電変換部のいずれかを有する複数の画素を有し、
前記第１撮像素子の画素の配置は、前記第２撮像素子の画素の配置に対応し、
前記第１撮像素子の少なくとも一部の画素、または、前記第２撮像素子の少なくとも一部の画素、に焦点検出用画素を設けた固体撮像装置。

【請求項9】

請求項８に記載の固体撮像装置において、
前記焦点検出用画素は、前記第１撮像素子または前記第２撮像素子の全画素に均等に配置される固体撮像装置。

【請求項10】

請求項８または９に記載の固体撮像装置を搭載する電子カメラにおいて、
入射する被写体光を同一光路上に配置された前記第１撮像素子および前記第２撮像素子に投影する光学系と、
前記第１撮像素子または前記第２撮像素子から出力される焦点検出信号により前記光学系の焦点制御を行い、前記第１撮像素子または前記第２撮像素子から出力される画像信号により被写体画像を取得する撮像部と、
前記被写体画像を記憶媒体に記録する記録部と
を有する電子カメラ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、固体撮像装置および電子カメラに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、電子カメラで高速ＡＦ（オートフォーカス）を実現する技術として位相差ＡＦ方式が知られている。位相差ＡＦ方式は専用の焦点検出用画素を必要とし、例えば１つの撮像素子の撮像用画素の一部に焦点検出用画素を配置する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、画像用撮像素子とは別に配置された専用の焦点検出用撮像素子を用いる技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。一方、２つの光電変換素子を積層配置する技術が知られている（例えば、特許文献３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００７−２８２１０９号公報

【特許文献2】特開２００７−０１１０７０号公報

【特許文献3】特開２００９−１３０２３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところが、撮像素子の画像用画素の一部に焦点検出用画素を配置する場合、縦スジや横スジの偽信号が発生しやすくなり、高度な画素補間処理が必要になるという問題があった。また、専用の焦点検出用撮像素子を用いる場合、入射光を画像用撮像素子と焦点検出用撮像素子とに分割するための複雑な光学系が必要になるという問題があった。さらに、積層配置する技術では画像撮影に特化したもので、焦点検出や効率的な色配列などについては考えられていなかった。

【0005】

本発明の目的は、高度な画素補間処理や複雑な光学系を用いることなく、焦点検出に適した固体撮像装置および電子カメラを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係る固体撮像装置の一例は、入射光のうち、第１光成分を光電変換して残りの光成分を透過する第１光電変換部と、第２光成分を光電変換して残りの光成分を透過する第２光電変換部と、第３光成分を光電変換して残りの光成分を透過する第３光電変換部とを有する第１撮像素子と、第１撮像素子を透過した光成分のうち、赤の光成分を光電変換する第４光電変換部と、緑の光成分を光電変換する第５光電変換部と、青の光成分を光電変換する第６光電変換部とを有する第２撮像素子とを備える。また、第１光電変換部が光電変換する光成分と第４光電変換部が光電変換する光成分、第２光電変換部が光電変換する光成分と第５光電変換部が光電変換する光成分、および、第３光電変換部が光電変換する光成分と第６光電変換部が光電変換する光成分は、それぞれ補色関係を有する。
本発明に係る固体撮像装置の他の例は、入射光を光電変換する第１撮像素子と、第１撮像素子を透過した光成分を光電変換する第２撮像素子と、を備え、第１撮像素子は、第１光成分を光電変換して残りの光成分を透過する第１光電変換部と、第２光成分を光電変換して残りの光成分を透過する第２光電変換部と、第３光成分を光電変換して残りの光成分を透過する第３光電変換部とを有し、第２撮像素子は、第１光電変換部を透過した入射光のうち波長の長い第４光成分を光電変換する第４光電変換部と、第３光電変換部を透過した入射光のうち波長の短い第６光成分を光電変換する第６光電変換部と、第２光電変換部を透過した入射光のうち、第４光成分と第６光成分の間の波長の第５光成分を光電変換する第５光電変換部とを有する。また、第１光電変換部が光電変換する光成分と第４光電変換部が光電変換する光成分、第２光電変換部が光電変換する光成分と第５光電変換部が光電変換する光成分、および、第３光電変換部が光電変換する光成分と第６光電変換部が光電変換する光成分は、それぞれ補色関係を有する。

【0007】

本発明に係る電子カメラは、上記の固体撮像装置を搭載する電子カメラにおいて、入射する被写体光を同一光路上に配置された複数の第１光電変換部および複数の第２光電変換部に投影する光学系と、複数の第１光電変換部または複数の第２光電変換部から出力される焦点検出信号により光学系の焦点制御を行い、複数の第１光電変換部または複数の第２光電変換部から出力される画像信号により被写体画像を取得する撮像部と、被写体画像を記憶媒体に記録する記録部とを有する。

【発明の効果】

【0008】

本発明は、高度な画素補間処理や複雑な光学系を用いることなく、焦点検出に適した固体撮像装置および電子カメラを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】固体撮像素子１０１の概要を示す図である。

【図2】画素配置の一例を示す図である。

【図3】第一撮像素子１０２の回路例を示す図である。

【図4】第二撮像素子１０３の回路例を示す図である。

【図5】画素の回路例を示す図である。

【図6】タイミングチャートの一例を示す図である。

【図7】レイアウト構成および断面の関係を示す図である。

【図8】断面Ａ−Ｂを示す図である。

【図9】断面Ｃ−Ｄを示す図である。

【図10】レイアウト構成を示す図である。

【図11】第二撮像素子１０３の受光部の配置例を示す図である。

【図12】画素配置の変形例１を示す図である。

【図13】画素配置の変形例２を示す図である。

【図14】電子カメラ２０１の構成例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明に係る固体撮像装置および電子カメラの実施形態について図面を用いて詳しく説明する。

【0011】

図１は、本実施形態に係る固体撮像素子１０１の概要を示す図である。図１において、固体撮像素子１０１は、通常の固体撮像素子と同様にフォトダイオードにより光電変換を行う第一撮像素子１０２と、第一撮像素子１０２の入射光側の同一光路上に配置された第二撮像素子１０３とを有する。第二撮像素子１０３は、特定光を透過し、非透過光を光電変換する有機光電膜により構成され、第二撮像素子１０３を透過した特定光は第一撮像素子１０２で受光される。ここで、第一撮像素子１０２と第二撮像素子１０３は同一の半導体基板上に形成され、各画素位置は一対一に対応する。例えば第一撮像素子１０２の１行１列目の画素は、第二撮像素子１０３の１行１列目の画素に対応する。

【0012】

図２（ａ）は、第二撮像素子１０３の画素配列の一例を示す図である。図２（ａ）において、水平方向をｘ軸、垂直方向をｙ軸とし、画素Ｐの座標をＰ（ｘ，ｙ）と表記する。図２（ａ）の第二撮像素子１０３の例では、奇数行の各画素にＭｇ（マジェンタ）とＹｅ（イエロー）の光を光電変換する有機光電膜を交互に配置し、偶数行の各画素にＣｙ（シアン）とＭｇ（マジェンタ）の光を光電変換する有機光電膜を交互に配置している。そして、各画素で受光されない光は透過される。例えば画素Ｐ（１，１）はＭｇの光を光電変換してＭｇの補色（Ｇ：グリーン）の光を透過する。同様に、画素Ｐ（２，１）はＹｅの光を光電変換してＹｅの補色（Ｂ：ブルー）の光を透過し、画素Ｐ（１，２）はＣｙの光を光電変換してＣｙの補色（Ｒ：レッド）の光を透過する。尚、後で詳しく説明するが、第二撮像素子１０３の各画素は、位相差ＡＦ方式に対応するペアとなる焦点検出用画素で構成される。

【0013】

図２（ｂ）は、第一撮像素子１０２の画素配列の一例を示す図である。尚、図２（ｂ）の各画素位置は、図２（ａ）と同じである。例えば第二撮像素子１０３の画素（１，１）は、第一撮像素子１０２の画素（１，１）に対応する。図２（ｂ）おいて、第一撮像素子１０２には、カラーフィルターなどは設けられておらず、第二撮像素子１０３を透過する特定光（有機光電膜で吸収されて光電変換される光の補色）を光電変換する。従って、図２（ｃ）に示すように、第一撮像素子１０２により、奇数行の各画素にＧ（グリーン）とＢ（ブルー）の色成分、偶数行の各画素にＲ（レッド）とＧ（グリーン）の色成分の画像が得られる。例えば画素Ｐ（１，１）では第二撮像素子１０３のＭｇの補色のＧ成分の画像が得られる。同様に、画素Ｐ（２，１）ではＹｅの補色のＢ成分の画像、画素Ｐ（１，２）ではＣｙの補色のＲ成分の画像がそれぞれ得られる。

【0014】

このように、本実施形態に係る固体撮像素子１０１は、有機光電膜で構成される第二撮像素子１０３が従来のカラーフィルタの役割を果たし、第一撮像素子１０２により第二撮像素子１０３の補色画像を得ることができる。図２の例では、第一撮像素子１０２からベイヤー配列の画像が得られる。尚、図２ではベイヤー配列の例を示したが、他の配列であっても第一撮像素子１０２と第二撮像素子１０３の各画素が補色関係になるように配置することにより、同様に実現できる。

【0015】

特に、本実施形態に係る固体撮像素子１０１では、従来の単板式の撮像素子で必要であったカラーフィルタの代わりに有機光電膜を用いるため、カラーフィルタで吸収されてしまっていた入射光を第二撮像素子１０３により有効に利用することができる。

【0016】

また、本実施形態に係る固体撮像素子１０１では、第一撮像素子１０２に画像用画素を配置し、第二撮像素子１０３に焦点検出用画素を全面に均等に配置しているので、画像用画素の一部に焦点検出用画素を配置する従来技術のように複雑な画素補間処理を行う必要がなく、第二撮像素子１０３からは焦点検出用信号、第一撮像素子１０２からはカラー画像信号をそれぞれ独立して得ることができる。

【0017】

図３は、第一撮像素子１０２の回路例を示す図である。図３において、第一撮像素子１０２は、二次元状に配置された画素Ｐ（ｘ，ｙ）と、垂直走査回路１５１と、水平出力回路１５２と、電流源ＰＷとを有する。尚、図３の例では、わかり易いように、２行２列の４画素の構成を示したが、実際には１０００万画素程度の画素が二次元状に配置されている。

【0018】

図３において、垂直走査回路１５１は、各画素から信号を読み出すためのタイミング信号（φＴｘ（ｙ）、φＲ（ｙ）、φＳＥＬ（ｙ））を出力する。例えば１行目の画素Ｐ（１，１）、Ｐ（２，１）にタイミング信号φＴｘ（１）、φＲ（１）、φＳＥＬ（１）が与えられる。そして、各列に配置された電流源ＰＷ（１）およびＰＷ（２）にそれぞれ接続される垂直信号線ＶＬＩＮＥ（１）、ＶＬＩＮＥ（２）各画素から信号が読み出され、水平出力回路１５２に一時的保持される。そして、水平出力回路１５２に行毎に一時的保持された各画素の信号は、順番に外部に出力される（出力信号Ｖｏｕｔ）。尚、図３では描いていないが、各画素から垂直信号線ＶＬＩＮＥ（ｘ）を介して水平出力回路１５２に読み出すときに、画素間の信号のバラつきを除去するための相関二重サンプリング回路（ＣＤＳ回路）を配置してもよい。

【0019】

図４は、第二撮像素子１０３の回路例を示す図である。図４において、第二撮像素子１０３は、二次元状に配置された画素Ｐ（ｘ，ｙ）と、垂直走査回路１６１と、水平出力回路１６２と、水平出力回路１６３と、電流源ＰＷ＿Ａと、電流源ＰＷ＿Ｂとを有する。尚、図４の例では、図３と同様に、２行２列の４画素で構成されるが、実際には１０００万画素程度の画素が二次元状に配置されている。また、図４の各画素Ｐ（ｘ，ｙ）は、図３の各画素Ｐ（ｘ，ｙ）に対応する。特に、第二撮像素子１０３は、１つの画素位置に受光部ＰＣ＿Ａ（ｘ，ｙ）と受光部ＰＣ＿Ｂ（ｘ，ｙ）の２つの有機光電膜による光電変換部を有し、位相差ＡＦ方式のペアとなる一対の画素を構成する。

【0020】

図４において、垂直走査回路１６１は、各画素から信号を読み出すためのタイミング信号（φＲ＿Ａ（ｙ）、φＲ＿Ｂ（ｙ）、φＳＥＬ＿Ａ（ｙ）、φＳＥＬ＿Ｂ（ｙ））が出力される。例えば１行目の受光部ＰＣ＿Ａ（１，１）とＰ＿Ａ（２，１）にタイミング信号φＲ＿Ａ（１）、φＳＥＬ＿Ａ（１）が与えられ、受光部ＰＣ＿Ｂ（１，１）とＰ＿Ｂ（２，１）にタイミング信号φＲ＿Ｂ（１）、φＳＥＬ＿Ｂ（１）が与えられる。そして、受光部ＰＣ＿Ａ（１，１）およびＰ＿Ａ（２，１）の信号は、各列に配置された電流源ＰＷ＿Ａ（１）およびＰＷ＿Ａ（２）にそれぞれ接続される垂直信号線ＶＬＩＮＥ＿Ａ（１）およびＶＬＩＮＥ＿Ａ（２）に読み出され、水平出力回路＿Ａ１６２に一時的保持される。水平出力回路＿Ａ１６２に行毎に一時的保持された各画素の信号は、順番に外部に出力される（出力信号Ｖｏｕｔ＿Ａ）。同様に、受光部ＰＣ＿Ｂ（１，１）およびＰ＿Ｂ（２，１）の信号は、各列に配置された電流源ＰＷ＿Ｂ（１）およびＰＷ＿Ｂ（２）にそれぞれ接続される垂直信号線ＶＬＩＮＥ＿Ｂ（１）およびＶＬＩＮＥ＿Ｂ（２）に読み出され、水平出力回路＿Ｂ１６２に一時的保持される。水平出力回路＿Ｂ１６２に行毎に一時的保持された各画素の信号は、順番に外部に出力される（出力信号Ｖｏｕｔ＿Ｂ）。

【0021】

以上、第一撮像素子１０２および第二撮像素子１０３の回路例を図３および図４でそれぞれ別々に説明したが、実際には同一の半導体基板上に形成され、１つの固体撮像素子１０１を構成する。
［固体撮像素子１０１の画素の回路例］
次に、固体撮像素子１０１の画素の回路例について説明する。図５は、二次元状に配置された１つの画素Ｐ（ｘ，ｙ）の回路例を示す図である。図５において、画素Ｐ（ｘ，ｙ）は、第一撮像素子１０２を構成するための回路として、フォトダイオードＰＤと、転送トランジスタＴｘと、リセットトランジスタＲと、出力トランジスタＳＦと、選択トランジスタＳＥＬとを有する。フォトダイオードＰＤは、入射光の光量に応じた電荷を蓄積し、転送トランジスタＴｘは、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷を出力トランジスタＳＦ側の浮遊拡散領域（ＦＤ部）に転送する。出力トランジスタＳＦは選択トランジスタＳＥＬを介して電流源ＰＷとソースホロワを構成し、ＦＤ部に蓄積された電荷に応じた電気信号を出力信号ＯＵＴとして垂直信号線ＶＬＩＮＥに出力する。尚、リセットトランジスタＲは、ＦＤ部の電荷を電源電圧Ｖｃｃにリセットする。

【0022】

また、第二撮像素子１０３を構成するための回路として、有機光電膜による受光部ＰＣと、リセットトランジスタＲ＿Ａ，Ｒ＿Ｂと、出力トランジスタＳＦ＿Ａ，ＳＦ＿Ｂと、選択トランジスタＳＥＬ＿Ａ，ＳＥＬ＿Ｂとを有する。有機光電膜による受光部ＰＣは、図２（ａ）で説明したように、非透過光の光量に応じた電気信号に変換し、選択トランジスタＳＥＬ＿Ａ，ＳＥＬ＿Ｂを介して電流源ＰＷ＿ＡおよびＰＷ＿Ｂとそれぞれソースホロワを構成する出力トランジスタＳＦ＿Ａ，ＳＦ＿Ｂを介して出力信号ＯＵＴ＿Ａ，ＯＵＴ＿Ｂとして垂直信号線ＶＬＩＮＥ＿Ａ，ＶＬＩＮＥ＿Ｂにそれぞれ出力する。尚、リセットトランジスタＲ＿Ａ，Ｒ＿Ｂは、受光部ＰＣの出力信号をリファレンス電圧Ｖｒｅｆにリセットする。また、有機光電膜の動作用として高電圧Ｖｐｃが与えられている。ここで、各トランジスタはＭＯＳ＿ＦＥＴで構成される。

【0023】

ここで、図５の回路の動作について、図６のタイミングチャートを用いて説明する。図６は、図５のタイミング信号の一例を示した図である。図６（ａ）は、第一撮像素子１０２の動作タイミングを示す図で、先ずタイミングＴ１で選択信号φＳＥＬが”Ｈｉｇｈ”になり、選択トランジスタＳＥＬがオンする。次にタイミングＴ２でリセット信号φＲが”Ｈｉｇｈ”になり、ＦＤ部で電源電圧Ｖｃｃにリセットされ、出力信号ＯＵＴもリセットレベルになる。そして、リセット信号φＲが”Ｌｏｗ”になった後、タイミングＴ３で転送信号φＴｘが”Ｈｉｇｈ”になり、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷がＦＤ部に転送され、出力信号ＯＵＴが電荷量に応じて変化し始め、安定する。そして、転送信号φＴｘが”Ｌｏｗ”になり、画素から垂直信号線ＶＬＩＮＥに読み出される出力信号ＯＵＴの信号レベルが確定する。そして、垂直信号線ＶＬＩＮＥに読み出された各画素の出力信号ＯＵＴは、水平出力回路＿１５２に行毎に一時的に保持された後、出力信号Ｖｏｕｔとして固体撮像素子１０１から出力される。このようにして、第一撮像素子１０２の各画素から信号が読み出される。

【0024】

図６（ｂ）は、第二撮像素子１０３の動作タイミングを示す図で、先ずタイミングＴ１１で選択信号φＳＥＬ＿Ａ（またはφＳＥＬ＿Ｂ）が”Ｈｉｇｈ”になり、選択トランジスタＳＥＬ＿Ａ（またはＳＥＬ＿Ｂ）がオンする。次にタイミングＴ１２でリセット信号φＲ＿Ａ（またはφＲ＿Ｂ）が”Ｈｉｇｈ”になり、出力信号ＯＵＴ＿Ａ（またはφＯＵＴ＿Ｂ）もリセットレベルになる。そして、タイミングＴ１３でリセット信号φＲ＿Ａ（またはφＲ＿Ｂ）が”Ｌｏｗ”になった直後から有機光電膜による受光部ＰＣの電荷蓄積が開始され、電荷量に応じて出力信号ＯＵＴ＿Ａ（または出力信号ＯＵＴ＿Ｂ）が変化する。そして、水平出力回路＿Ａ１６２（または水平出力回路＿Ｂ１６３）に行毎に一時的に保持された後、出力信号Ｖｏｕｔ＿Ａ（または出力信号Ｖｏｕｔ＿Ｂ）として固体撮像素子１０１から出力される。このようにして、第二撮像素子１０３の各画素から信号が読み出される。

【0025】

図７（ａ）は、固体撮像素子１０１の半導体レイアウトの一例である。尚、図７（ａ）は、先に説明した図２および図４の各画素Ｐ（１，１）から画素Ｐ（２，２）に対応する。

【0026】

図７（ｂ）は、図７（ａ）の画素Ｐ（１，１）および画素（２，１）を水平方向に切断線Ａ−Ｂで切断したときの断面図である。また、図８（ｂ）は、切断線Ａ−Ｂの画素位置がわかり易いように描いた図で、図４の受光部ＰＣ＿Ａ（１，１）および受光部Ｐ＿Ａ（２，１）の部分を切断する。図８（ａ）は、図７（ｂ）を拡大した図で、第一撮像素子１０２および第二撮像素子１０３の同じ位置の画素Ｐ（１，１）は、同一のマイクロレンズＭＬ（１，１）から入射する被写体光を受光する。ここで、図８（ａ）において、配線層３０１は３層構造になっているが２層構造であってもよい。そして、第二撮像素子１０３の出力信号は、配線層３０１を介して信号出力端３０２から取り出される。尚、信号出力端３０２の両側は分離層３０３，３０４が配置されている。また、分離層３０３，３０４を隔ててフォトダイオードＰＤ（１，１）およびＰＤ（２，１）が配置されている。

【0027】

図７（ｃ）は、図７（ａ）の画素Ｐ（２，１）および画素（２，２）を垂直方向に切断線Ｃ−Ｄで切断したときの断面図である。また、図９（ｂ）は、切断線Ｃ−Ｄの画素位置がわかり易いように描いた図で、図４の受光部ＰＣ＿Ａ（２，１），ＰＣ＿Ｂ（２，１），ＰＣ＿Ａ（２，２）およびＰＣ＿Ｂ（２，２）の部分を切断する。図９（ａ）は、図７（ｃ）を拡大した図で、第一撮像素子１０２および第二撮像素子１０３の同じ位置の画素Ｐ（２，１）および画素Ｐ（２，２）は、同一のマイクロレンズＭＬ（２，１）およびＭＬ（２，２）から入射する被写体光をそれぞれ受光する。ここで、図８（ｂ）と異なる部分は、第二撮像素子１０３の画素Ｐ（２，１）は、受光部ＰＣ＿Ａ（２，１）と受光部ＰＣ＿Ｂ（２，１）とに分割され、画素Ｐ（２，２）は、受光部ＰＣ＿Ａ（２，２）と受光部ＰＣ＿Ｂ（２，２）とに分割されていることである。そして、受光部ＰＣ＿Ａ（２，１）と受光部ＰＣ＿Ｂ（２，１）はペアとなる光学系の瞳位置の像をそれぞれ受光し、位相差ＡＦ方式による焦点検出を行うことができる。同様に、受光部ＰＣ＿Ａ（２，２）と受光部ＰＣ＿Ｂ（２，２）はペアとなる光学系の瞳位置の像をそれぞれ受光する。尚、位相差ＡＦ方式については周知の技術なので詳細な説明は省略する。

【0028】

ここで、図９（ｂ）において、図８（ｂ）の配線層３０１は、配線層３０１Ａと配線層３０１Ｂとを有し、配線層３０１Ａは有機光電膜の受光部ＰＣ＿Ａ（２，１）の信号を信号出力端３０５Ａに出力し、配線層３０１Ｂは有機光電膜の受光部ＰＣ＿Ｂ（２，１）の信号を信号出力端３０５Ｂに出力する。図８（ｂ）の配線層３０１では、配線層３０１Ａと配線層３０１Ｂとが重なっているため１つしか見えていない。同様に、画素Ｐ（２，２）の有機光電膜の受光部ＰＣ＿Ａ（２，２）の信号は信号出力端３０６Ａに出力され、受光部ＰＣ＿Ｂ（２，２）の信号は信号出力端３０６Ｂに出力される。そして、読み出し回路３０７には、出力トランジスタ、選択トランジスタ、リセットトランジスタなどの読み出し回路が配置され、固体撮像素子１０１から外部に各画素の信号が出力される。

【0029】

図１０は、図７（ａ）の画素Ｐ（１，１）のレイアウト図を拡大した図である。図１０において、フォトダイオードＰＤの周辺に配置される回路は、斜線で示した部分がゲート電極、ゲート電極の両側の白い部分がｎ領域で構成されるＮＭＯＳ型のトランジスタを示している。図１０において、第一撮像素子１０２のフォトダイオードＰＤに蓄積された電荷は、転送信号φＴｘが転送トランジスタのゲート電極に与えられると、ＦＤ部に転送される。ＦＤ部は出力トランジスタＳＦのゲート電極に接続されて電気信号に変換され、選択信号φＳＥＬが選択トランジスタＳＥＬのゲート電極に与えられると、垂直信号線ＶＬＩＮＥに読み出される。尚、リセット信号φＲがリセットトランジスタＲのゲート電極に与えられると、ＦＤ部の電荷を電源電圧Ｖｃｃにリセットする。

【0030】

一方、図１０において、有機光電膜の受光部ＰＣ＿Ａ（１，１）の透明電極から出力される電気信号は、出力トランジスタＳＦ＿Ａのゲート電極に接続され、選択信号φＳＥＬ＿Ａが選択トランジスタＳＥＬ＿Ａのゲート電極に与えられると、垂直信号線ＶＬＩＮＥ＿Ａに読み出される。同様に、受光部ＰＣ＿Ｂ（１，１）の透明電極から出力される電気信号は、出力トランジスタＳＦ＿Ｂのゲート電極に接続され、選択信号φＳＥＬ＿Ｂが選択トランジスタＳＥＬ＿Ｂのゲート電極に与えられると、垂直信号線ＶＬＩＮＥ＿Ｂに読み出される。尚、リセット信号φＲ＿Ａ（またはφＲ＿Ｂ）がリセットトランジスタＲ＿Ａ（またはＲ＿Ｂ）のゲート電極に与えられると、受光部ＰＣ＿Ａ（１，１）（またはＰＣ＿Ｂ（１，１））の信号電圧をリファレンス電圧Ｖｒｅｆにリセットする。尚、有機光電膜は、対向する透明電極から入射光量に応じた電気信号を取り出すための高電圧Ｖｐｃが入射光側の透明電極に与えられる。

【0031】

以上説明したように、本実施形態に係る固体撮像素子１０１は、従来のフォトダイオードによる光電変換を行う第一撮像素子１０２と、有機光電膜による光電変換を行う第二撮像素子１０３とを有し、第一撮像素子１０２から画像用信号を取得し、第二撮像素子１０３から位相差ＡＦ方式に対応する焦点検出用信号を取得することができる。

【0032】

これにより、固体撮像素子１０１は、従来のように画像用画素の一部に焦点検出用画素を配置する必要がなく、縦スジや横スジの偽信号による画質の劣化や高度な画素補間処理が不要になる。また、画像用の第一撮像素子１０２と焦点検出用の第二撮像素子１０３とを同じマイクロレンズの入射光を用いるように積層して配置するので、従来のように入射光を画像用撮像素子と焦点検出用撮像素子とに分割するための複雑な光学系が不要になる。特に、本実施形態に係る固体撮像素子１０１は、第一撮像素子１０２と第二撮像素子１０３の２つの撮像素子を用いながら、プリズムやミラーなどの光学装置を必要としないため、カメラを構成する場合の光学系の配置や設計が容易である。また、プリズムやミラー等を用いる２板式撮像装置では、２枚の撮像素子までの光路長の調整などが必須であったが、本実施形態に係る固体撮像素子１０１では光路が１つであるため、調整が不要である。

【0033】

さらに、第二撮像素子１０３と第一撮像素子１０２とは互いに補色関係にある色成分を検出し、第二撮像素子１０３の有機光電膜を第一撮像素子１０２のカラーフィルタとして兼用することができ、入射光を無駄にすることなく効率良く活用することができる。

【0034】

このように、本実施形態に係る固体撮像素子１０１は、高度な画素補間処理や複雑な光学系を用いることなく、高速動作が可能な位相差ＡＦ方式を実現できる。

【0035】

尚、上記の例では、図１１（ａ）に示すように、位相差ＡＦ方式に対応するペアとなる受光部ＰＣ＿Ａ（ｘ，ｙ）およびＰＣ＿Ｂ（ｘ，ｙ）を第二撮像素子１０３の各画素Ｐ（ｘ，ｙ）に配置するようにしたが、別の方法として図１１（ｂ）に示すように、受光部ＰＣ＿Ａ（ｘ，ｙ）または受光部ＰＣ＿Ｂ（ｘ，ｙ）を片側だけを１つの画素Ｐ（ｘ，ｙ）に配置するようにしてもよい。或いは、図１１（ｃ）に示すように、瞳分割方向が縦方向、横方向、斜め方向など様々な方向の焦点検出用画素が混在するようにしてもよい。いずれの場合であっても、本実施形態に係る固体撮像素子１０１は、画像用信号を第一撮像素子１０２で撮像し、焦点検出用信号を第二撮像素子１０３で取得するので、撮影画像の画質に影響することなく、撮影画面内のどの位置でも高速な位相差ＡＦによるフォーカス検出を行うことができる。

【0036】

ここで、第二撮像素子１０３は、図２で説明したように、Ｍｇ，ＹｅおよびＣｙの三色に対応する画素が混在しているので、異なる色成分の画素から得られる焦点検出用信号が異なる場合が考えられる。そこで、焦点検出を行う際に、同じ色成分の画素から得られる焦点検出用信号を利用して位相差ＡＦ方式によるフォーカス検出を行うようにしてもよい。例えば図２（ａ）の場合は、画素数の多いＭｇの画素（奇数行の場合は奇数列の画素、偶数行の場合は偶数列の画素）から得られる焦点検出用信号だけを利用する。或いは、Ｍｇ，ＹｅおよびＣｙの三色に対応する画素間の誤差を予め測定しておき、位相差ＡＦ処理を行うときに誤差補正を行うようにしてもよい。

【0037】

また、第二撮像素子１０３の出力信号を焦点検出用だけでなく、ホワイトバランス制御に利用するようにしてもよい。

【0038】

（変形例１）
図１２は、図２で説明した画素の色配列の変形例１を示す図である。図２の例では、第二撮像素子１０３の有機光電膜をＭｇ，ＹｅおよびＣｙの三色に対応するようにし、第一撮像素子１０２でＲ，ＧおよびＢの三色の画像信号を検出できるようにしたが、図１２に示すように、第二撮像素子１０３の有機光電膜をＲ，ＧおよびＢの三色に対応するようにし、第一撮像素子１０２でＭｇ，ＹｅおよびＣｙの三色の画像信号を検出できるようにしてもよい。尚、この場合でも、第一撮像素子１０２と第二撮像素子１０３が光電変換する色成分は互いに補色関係になっている。

【0039】

（変形例２）
図１３は、図２で説明した画素の色配列の変形例２を示す図である。図２の例では、第二撮像素子１０３の各画素に位相差ＡＦ方式に対応するペアとなる受光部を配置したが、図１３の変形例では、第二撮像素子１０３の画素の一部に位相差ＡＦ方式に対応するペアとなる受光部を配置している。これにより、固体撮像素子１０１の回路規模を小さくすることができる。

【0040】

（電子カメラの例）
次に、固体撮像素子１０１を搭載する電子カメラ２０１の一例を図１４に示す。図１４において、電子カメラ１０１は、光学系２０２と、固体撮像素子１０１と、画像バッファ２０３と、画像処理部２０４と、制御部２０５と、表示部２０６と、メモリ２０７と、操作部２０８と、メモリカードＩＦ２０９とで構成される。

【0041】

光学系２０２は、固体撮像素子１０１に被写体像を結像する。固体撮像素子１０１は、先に説明したように、第一撮像素子１０２と第二撮像素子１０３とを有し、第一撮像素子１０２で撮影される画像用信号は、画像バッファ２０３に取り込まれ、第二撮像素子１０３で取得される焦点検出用信号は、制御部２０５に入力される。制御部２０５は、操作部２０８によるユーザの操作に応じて電子カメラ２０１全体の制御を行う。例えば操作部２０８のレリーズボタンが半押しされると、制御部２０５は、第二撮像素子１０３から取得した焦点検出信号により位相差ＡＦ方式によるフォーカス検出を行って光学系２０２のフォーカス位置を制御する。そして、ユーザが操作部２０８のレリーズボタンを全押しすると、制御部２０５は、フォーカス制御後に第一撮像素子１０２により撮影され画像を画像バッファ２０３に取り込む。さらに、画像バッファ２０３に取り込まれた画像は、画像処理部２０４によりホワイトバランス処理、色補間処理、輪郭強調処理、ガンマ補正処理などが施され、表示部２０６に表示されたり、メモリカードＩＦ２０９を介してメモリカード２０９ａに保存される。

【0042】

このように、本実施形態に係る固体撮像素子１０１を電子カメラ２０１に搭載することにより、画像処理部２０４で高度な画素補間処理を行ったり、光学系２０２を入射光を分割するような複雑な構成にする必要がなく、高速動作が可能な位相差ＡＦ方式を実現できる。

【0043】

尚、本発明に係る固体撮像装置について、各実施形態で例を挙げて説明してきたが、その精神またはその主要な特徴から逸脱することなく他の多様な形で実施することができる。そのため、上述した実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明は、特許請求の範囲によって示されるものであって、本発明は明細書本文にはなんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内である。

【符号の説明】

【0044】

１０１・・・固体撮像素子；１０２・・・第一撮像素子；１０３・・・第二撮像素子；１５１，１６１・・・垂直走査回路；１５２・・・水平出力回路；１６２・・・水平出力回路＿Ａ；１６３・・・水平出力回路＿Ｂ；２０１・・・電子カメラ；２０２・・・光学系；２０３・・・画像バッファ；２０４・・・画像処理部；２０５・・・制御部；２０６・・・表示部；２０７・・・メモリ；２０８・・・操作部；２０９・・・メモリカードＩＦ；２０９ａ・・・メモリカード；Ｐ・・・画素；ＰＣ＿Ａ，ＰＣ＿Ｂ・・・受光部；ＰＤ・・・フォトダイオード；ＰＷ，ＰＷ＿Ａ，ＰＷ＿Ｂ・・・電流源；ＳＥＬ，ＳＥＬ＿Ａ，ＳＥＬ＿Ｂ・・・選択トランジスタ；ＳＦ，ＳＦ＿Ａ，ＳＦ＿Ｂ・・・出力トランジスタ；Ｒ，Ｒ＿Ａ，Ｒ＿Ｂ・・・リセットトランジスタ；Ｔｘ・・・転送トランジスタ；φＳＥＬ，φＳＥＬ＿Ａ，φＳＥＬ＿Ｂ・・・選択信号；φＲ，φＲ＿Ａ，φＲ＿Ｂ・・・リセット信号；φＴｘ・・・転送信号；ＭＬ・・・マイクロレンズ；ＶＬＩＮＥ・・・垂直信号線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】