JP2012175146A - 撮像素子、撮像装置、撮像素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】遮光マスクが設けられた透明板と撮像素子基板とを短時間に高い精度で位置合わせし得る撮像素子等を提供する。
【解決手段】複数の画素１４Ｐが２次元状に配列された撮像素子基板３Ｐと、撮像素子基板３Ｐに対して画素位置を合わせて貼設された透明板３７と、を備えた撮像素子３であって、透明板３７上に、第１の瞳領域の光を通過させるための第１の遮光マスク３８Ａと、第２の瞳領域の光を通過させるための第２の遮光マスク３８Ｂと、全遮光マスク３８Ｘと、を設け、第１の画素１４Ｐおよび第１の遮光マスク３８Ａの組が第１の焦点検出画素１３Ａを、第２の画素１４Ｐおよび第２の遮光マスク３８Ｂの組が第２の焦点検出画素１３Ｂを、第３の画素１４Ｐおよび全遮光マスク３８Ｘの組が位置情報画素１５を、それぞれ構成する。
【選択図】図６

Description

本発明は、焦点検出機能を備えた画素を有する撮像素子、該撮像素子を用いた撮像装置、および該撮像素子の製造方法に関する。

撮像装置において合焦位置からのずれ量を検出する技術として、位相差検出方式が知られている。この位相差検出方式は、結像光学系の射出瞳を通過した光束を２分割し、２分割した光束を焦点検出用センサにより受光して、その受光量に応じて出力される信号のずれ量、つまり分割された光束により結像される２つの像の相対的位置ずれ量（位相差）を検出することにより、結像光学系の焦点のずれ量を求めるものである。

このような位相差の検出を、結像光学系を通して撮像素子上に結像された像を利用して行うために、瞳分割を行う遮光部を設けた撮像素子と、この撮像素子を用いた位相差検出方法と、が提案されている。このような提案としては、例えば特開２００９−４４５３５号公報に記載された技術が挙げられ、該公報には、撮像素子を製造するための半導体製造プロセスにおいて、撮像素子を構成するフォトダイオードとカラーフィルタとの間に瞳分割用の遮光部を設けることが記載されている。

特開２００９−４４５３５号公報

しかし、上記公報に記載されたような構成の場合には、新規の専用撮像素子の開発が必要であるために開発コストが大幅に高くなるとともに、通常の撮像素子を製造するのとは異なる半導体製造プロセスが必要となるために、製造コストも高価となる。さらに、製造後においても、通常撮像素子と焦点検出機能付き撮像素子とを区別する必要があるために、管理コストが高くなる。

このような点に対応するための構成として、通常の半導体製造プロセスにより製造された撮像素子に対して、瞳分割用の遮光部である遮光マスクを設けた透明板（例えば、ガラス板など）を貼設することで、焦点検出機能付き撮像素子を製造することが考えられる。このような構成によれば、上述した点に対応し得るだけでなく、実績のある撮像素子を使用することができるために、安定した性能が得られる利点もある。

このような構成の撮像素子の画素値から位相差検出用の情報を正しく得るためには、位相差検出用として予め位置を定められた画素上に、遮光マスクが正しく配置される必要がある。従って、遮光マスクを設けた透明板を通常の撮像素子に対して正確に位置合わせしなければならない。しかも、生産性を考慮すると、なるべく短時間で位置合わせを行い得ることが望ましい。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、遮光マスクが設けられた透明板と、複数の画素が２次元状に配列された撮像素子基板とを、短時間に高い精度で位置合わせして貼設可能な構造を備えた撮像素子、該撮像素子を用いた撮像装置、および該撮像素子の製造方法を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の態様による撮像素子は、光学的な被写体像を光電変換するための画素が、複数、２次元状に配列されるように、半導体製造プロセスにより形成された撮像素子基板と、上記撮像素子基板に対して画素位置を合わせて貼設された透明板と、を具備した撮像素子であって、上記撮像素子基板に配列された複数の画素は、第１の所定位置にある第１の画素と、第２の所定位置にある第２の画素と、第３の所定位置にある第３の画素と、を含み、上記透明板上に、該透明板が上記撮像素子基板に画素位置を合わせて貼設された際に、上記第１の画素の中心から一方向へ偏心した部分を遮光するように設けられた第１の遮光マスクと、上記透明板上に、該透明板が上記撮像素子基板に画素位置を合わせて貼設された際に、上記第２の画素の中心から他方向へ偏心した部分を遮光するように設けられた第２の遮光マスクと、上記透明板上に、該透明板が上記撮像素子基板に画素位置を合わせて貼設された際に、上記第３の画素を全遮光するように設けられた全遮光マスクと、をさらに具備し、上記第１の画素および上記第１の遮光マスクの組が第１の焦点検出画素を、上記第２の画素および上記第２の遮光マスクの組が第２の焦点検出画素を、上記第３の画素および上記全遮光マスクの組が位置情報画素を、それぞれ構成することを特徴とする。

また、本発明の第２の態様による撮像装置は、上述した撮像素子と、上記撮像素子上に被写体像を形成する結像光学系と、上記第１の焦点検出画素からの出力により形成される第１の画像と、上記第２の焦点検出画素からの出力により形成される第２の画像と、の位相差を検出する位相差検出部と、を具備したものである。

さらに、本発明の第３の態様による撮像素子の製造方法は、上述した撮像素子であり、上記透明板上に上記全遮光マスクが複数設けられている撮像素子を製造するための方法であって、上記撮像素子基板に対して上記透明板を配置し、透明板が配置された撮像素子基板に平行光を照射して、該撮像素子基板により第１の撮像を行うステップと、上記第１の撮像により上記撮像素子基板から得られた画像信号に基づき、上記全遮光マスクの陰影が形成された全遮光マスク位置を、少なくとも２つ取得するステップと、取得された２つの全遮光マスク位置を結ぶ直線と、該２つの全遮光マスクが配置されるべき２つの上記第３の所定位置を結ぶ直線と、がなす傾き角を算出するステップと、上記傾き角を０にするように、上記撮像素子基板に対して上記透明板を回転するステップと、上記透明板の回転が終了した後の撮像素子基板に平行光を照射して、該撮像素子基板により第２の撮像を行うステップと、上記第２の撮像により上記撮像素子基板から得られた画像信号に基づき、少なくとも１つの上記全遮光マスクの陰影が形成された全遮光マスク位置を取得するステップと、上記取得された全遮光マスク位置と、該全遮光マスクが配置されるべき上記第３の所定位置と、の差分を算出するステップと、上記差分を相殺するように、上記撮像素子基板に対して上記透明板を平行移動するステップと、を含む方法である。

本発明の撮像素子、該撮像素子を用いた撮像装置、および該撮像素子の製造方法によれば、遮光マスクが設けられた透明板と、複数の画素が２次元状に配列された撮像素子基板とを、短時間に高い精度で位置合わせして貼設可能となる。

本発明の実施形態１における撮像素子の構成を示す正面図。 上記実施形態１において、複数の画素が２次元状に配列された撮像素子基板の構成を示す正面図。 上記実施形態１における撮像素子基板上の画素の構造を示す図２のＡ−Ａ断面図。 上記実施形態１において、遮光マスクが形成された特定ライン部分の透明板の構成を示す要部正面図。 上記実施形態１において、遮光マスクが形成された特定ライン部分の透明板の構造を示す図４のＢ−Ｂ断面図。 上記実施形態１において、撮影画素、２種類の焦点検出画素、および位置情報画素の構成を示す断面図。 上記実施形態１において、位置情報画素と焦点検出画素との位置関係を示す図。 上記実施形態１における撮像素子の製造装置の構成を示すブロック図。 上記実施形態１において、撮像素子の製造装置により位置調整を行う前の、撮像素子基板と透明板との位置関係の例を示す図。 上記実施形態１において、初期状態の全遮光マスクと各画素との位置関係の例を示す図。 上記実施形態１において、傾き角θが補正された後の、透明板と撮像素子基板との位置関係の例を示す図。 上記実施形態１において、全遮光マスクの陰影が形成されている画素位置付近の画素の画素値の例を示す線図。 上記実施形態１において、撮像素子の製造装置による位置調整の処理を示すフローチャート。 上記実施形態１において、目標との差分計算の処理の詳細を示すフローチャート。 上記実施形態１における撮像装置の構成を示すブロック図。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
［実施形態１］

図１から図１５は本発明の実施形態１を示したものであり、図１は撮像素子３の構成を示す正面図である。

撮像素子３は、例えば周辺部を除く中央の矩形状部分に、後述する焦点検出画素が配置された領域である瞳分割用遮光マスク領域１３が設けられている。ここに、瞳分割用遮光マスク領域１３は、そのほとんどが、複数の撮影画素１４（図６等参照）が２次元状に配列された部分となっているが、この撮影画素１４の配列中の幾つかの箇所に焦点検出画素１３Ａ，１３Ｂ（図６等参照）が対をなして配置された構成となっている。

さらに、撮像素子３の例えば周辺部には、１つ以上、望ましくは複数の位置情報画素１５が設けられている。特にこの図１に示す例では、位置情報画素１５は、撮像素子３の４箇所の角部（四隅部）にそれぞれ１画素ずつ、合計４画素設けられている。

この撮像素子３は、図２および図３に示すような、半導体製造プロセスにより形成された撮像素子基板３Ｐ（この撮像素子基板３Ｐは、通常の撮像素子と同様の構成である）と、図４および図５に示すような、半導体製造プロセスによることなく形成された透明板３７とを、画素位置を合わせて貼設した構成（図６参照）となっている。

ここに、図２は複数の画素１４Ｐが２次元状に配列された撮像素子基板３Ｐの構成を示す正面図、図３は撮像素子基板３Ｐ上の画素１４Ｐの構造を示す図２のＡ−Ａ断面図、図４は遮光マスク３８Ａ，３８Ｂが形成された特定ライン部分の透明板３７の構成を示す要部正面図、図５は遮光マスク３８Ａ，３８Ｂが形成された特定ライン部分の透明板３７の構造を示す図４のＢ−Ｂ断面図、図６は撮影画素１４、２種類の焦点検出画素１３Ａ，１３Ｂ、および位置情報画素１５の構成を示す断面図である。

図２に示すように、撮像素子基板３Ｐは、光学的な被写体像を光電変換するための画素１４Ｐが、複数、２次元マトリックス状に配列されていて、この図２に示す例では、ライン方向（行方向、あるいは水平方向）およびこのライン方向に垂直な方向（列方向、あるいは垂直方向）に配列されている。

各画素１４Ｐは、図３に示すように、半導体基板３１内に不純物をドープして形成されたフォトダイオード３２と、半導体基板３１上に形成された配線パターン３３，３４と、マイクロレンズ３５と、を有しており、深部から表層へ向かって、光電変換部層ＰＤ、配線層ＷＬ、マイクロレンズ層ＭＬが形成された積層構造となっている。

配線パターン３３，３４は、遮光機能を有するとともにフォトダイオード３２に各対応する位置に開口が形成されていて、この図３に示す構成例では、配線パターン３４に設けられた開口（およびマイクロレンズ３５）がこの画素１４Ｐの開口率を規定している。

また、マイクロレンズ３５は、中心がフォトダイオード３２の中心の鉛直線（１点鎖線で示す線）上に位置するように構成されている。

図４および図５に示すように、透明板３７は、ガラス等の素材により形成された透明な平板に、２種類の遮光マスク３８Ａ，３８Ｂと、全遮光マスク３８Ｘ（図６等参照）と、を設けたものである。ここに図１に示したように、位置情報画素１５を撮像素子３の４箇所の角部（四隅部）にそれぞれ１つずつ設ける場合には、全遮光マスク３８Ｘも透明板３７上の４箇所の角部（四隅部）にそれぞれ１つずつ設けることになる。後で説明するように、全遮光マスク３８Ｘを複数設ける場合には、透明板３７上の周辺領域に、互いに離隔して設けることが望ましい。このような構成であるために、以下では、遮光マスク３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｘが設けられた透明板３７を、適宜、遮光マスクガラスなどとも述べる。これらの遮光マスク３８Ａ，３８Ｂおよび全遮光マスク３８Ｘは、例えば、黒色のクロム膜を、透明板３７の撮像素子基板３Ｐに対向する側の面に蒸着して構成したものとなっている。なお、図４および後述する図７においては、点線を用いて各画素の範囲を示しているが、この点線は説明のために記載しただけであり、実際の透明板３７上には存在していない。

ここに、第１の遮光マスク３８Ａは、透明板３７上に、該透明板３７が撮像素子基板３Ｐに画素位置を合わせて貼設された際に、撮像素子基板３Ｐ上の第１の所定位置にある第１の画素１４Ｐの中心から一方向へ偏心した部分を遮光する（図６も参照）ように設けられたものである。そして、第１の画素１４Ｐおよび第１の遮光マスク３８Ａの組が、図６に示す第１の焦点検出画素１３Ａを構成するようになっている。このような構成により、第１の焦点検出画素１３Ａは、後述する結像光学系１（図１５参照）の射出瞳を異なる２つの瞳領域に区分した（すなわち、瞳分割した）内の、第１の瞳領域（ここに、第１の瞳領域を瞳Ａということにする）を通過した光束を受光することになるために、以下では適宜、瞳Ａ焦点検出画素１３Ａなどと呼ぶことにする。

また、第２の遮光マスク３８Ｂは、透明板３７上に、該透明板３７が撮像素子基板３Ｐに画素位置を合わせて貼設された際に、撮像素子基板３Ｐ上の第２の所定位置にある第２の画素１４Ｐの中心から他方向へ偏心した部分を遮光する（図６も参照）ように設けられたものである。そして、第２の画素１４Ｐおよび第２の遮光マスク３８Ｂの組が、図６に示す第２の焦点検出画素１３Ｂを構成するようになっている。このような構成により、第２の焦点検出画素１３Ｂは、後述する結像光学系１（図１５参照）の射出瞳を異なる２つの瞳領域に区分した（すなわち、瞳分割した）内の、第２の瞳領域（ここに、第２の瞳領域を瞳Ｂということにする）を通過した光束を受光することになるために、以下では適宜、瞳Ｂ焦点検出画素１３Ｂなどと呼ぶことにする。

さらに、全遮光マスク３８Ｘは、透明板３７上に、該透明板３７が撮像素子基板３Ｐに画素位置を合わせて貼設された際に、撮像素子基板３Ｐ上の第３の所定位置にある第３の画素１４Ｐを全遮光する（図６も参照）ように設けられたものである。そして、第３の画素１４Ｐおよび全遮光マスク３８Ｘの組が、図６に示す位置情報画素１５を構成するようになっている。このような構成により、透明板３７が撮像素子基板３Ｐに対して画素位置を正しく合わせて貼設された場合には、位置情報画素１５の画素値がほぼゼロに近い値となる。

なお、撮影画素１４は、撮像素子基板３Ｐの画素１４Ｐ上に、透明板３７の透明部分のみが配置されることにより構成される。

そして、撮像素子基板３Ｐに透明板３７を貼設することにより、撮像素子３は、図６に示すように、遮光マスク透明板層ＭＧをさらに設けた積層構造となる。

図７は、位置情報画素１５と焦点検出画素１３Ａ，１３Ｂとの位置関係を示す図である。

位置情報画素１５は、焦点検出画素１３Ａ，１３Ｂに対して予め定められた位置関係を有するように配置されていて、この図７に示す例においては、瞳分割用遮光マスク領域１３内において該位置情報画素１５に最も近接している焦点検出画素（ここでは、瞳Ａ焦点検出画素１３Ａ）に対して、水平方向に距離Ｏｈ、垂直方向に距離Ｏｖを隔てるように配置されている。ここに、距離Ｏｈは水平方向の画素ピッチの整数倍、距離Ｏｖは垂直方向の画素ピッチの整数倍である。

次に、図８は、撮像素子の製造装置の構成を示すブロック図である。

この図８の構成によって行う撮像素子の製造工程は、半導体製造プロセスが終了した撮像素子基板３Ｐと、遮光マスク３８Ａ，３８Ｂおよび全遮光マスク３８Ｘが既に形成された透明板３７と、を位置合わせして貼設する工程であり、図８に示す撮像素子の製造装置は、貼り合わせ調整装置であるということもできる。

この撮像素子の製造装置は、コリメータ光源２１と、遮光マスクガラス移動装置２２と、撮像素子駆動部２３と、位置情報画素分離タイミングデコーダ２４と、位置情報画素ホールド回路２５と、最小値位置検出回路２６と、位置決制御部２７と、走査制御回路２８と、を含んで構成されていて、製造の対象となる透明板３７および撮像素子基板３Ｐが取り付けられるようになっている。

コリメータ光源２１は、平行光であるコリメータ光を、透明板３７を介して撮像素子基板３Ｐへ照射するものである。

遮光マスクガラス移動装置２２は、ピックアップ部により透明板３７を保持して、保持した状態の透明板３７を平行移動したり、回転移動したりする装置である。ここに、ピックアップ部は、例えば、真空ポンプによる吸引によって透明板３７を引き付け保持し、吸引を停止することによって透明板３７を開放するようになっている。

撮像素子駆動部２３は、通常の撮像素子として機能する撮像素子基板３Ｐへ水平同期信号ＨＤと垂直同期信号ＶＤとを出力して、撮像素子基板３Ｐ上に配列された複数の画素を所定の順序で駆動するようになっている。従って、画像信号は、読み出された画素順に、画素単位の画像信号（画素データ）として撮像素子基板３Ｐから出力されることになる。さらに、撮像素子駆動部２３は、撮像素子基板３Ｐへ出力している水平同期信号ＨＤおよび垂直同期信号ＶＤに基づいて、撮像素子基板３Ｐから読み出されている画素位置の情報である読出位置情報を位置情報画素分離タイミングデコーダ２４へ出力すると共に、相関タイミング信号を位置情報画素ホールド回路２５へ出力するようになっている。ここに、読出位置情報は、例えば、マトリックス配列された複数の画素の位置に対応した、所定のタイミングを有するパルス信号である。

位置情報画素分離タイミングデコーダ２４は、撮像素子駆動部２３からの読出位置情報に基づいて、その読出位置の画素が位置情報用の画素（全遮光マスク３８Ｘが位置するべき第３の所定位置にある第３の画素）であることを示す信号である位置情報画素指示信号を生成し、位置情報画素ホールド回路２５へ出力する回路である。すなわち、位置情報画素分離タイミングデコーダ２４は、例えば、読出位置情報のパルス信号をカウントするカウンタと、位置情報用の画素の位置に対応する値を保持する記憶部とを備え、カウント値が所定値（すなわち位置情報検出用の画素の位置に対応する値）になったときに、位置情報画素指示信号を出力するように構成されている。

位置情報画素ホールド回路２５は、位置情報画素分離タイミングデコーダ２４から位置情報画素指示信号が入力されると、撮像素子基板３Ｐから入力された画像信号が位置情報用の画素の信号であると識別する回路である。後述するように、透明板３７は、最初の段階で、撮像素子基板３Ｐに対して例えば数十ミクロンの精度で位置合わせをされている。従って、位置情報画素指示信号を受けた画素の近傍に、全遮光マスク３８Ｘの陰影が投影された画素が存在するであろうと推定することができる。そこで、位置情報画素ホールド回路２５は、撮像素子駆動部２３からの相関タイミング信号に基づいて、撮像素子基板３Ｐからの画像信号に含まれる位置情報用画素とその近傍の画素の画素データをホールドして、最小値位置検出回路２６へ出力する回路ともなっている。

最小値位置検出回路２６は、位置情報画素ホールド回路２５によりホールドされた画素データ中の、周辺の画素値よりも低い画素値を示す画素を検出して（図１２等も参照）、その画素位置を記憶する回路である。このとき、最小値位置検出回路２６は、画素値が最小値を示す画素については、その画素位置が最小値に対応する画素位置であることも記憶しておく。

位置決制御部２７は、最小値位置検出回路２６により検出された低い画素値を示す画素の画素位置と画素値とに基づいて、撮像素子基板３Ｐに対して透明板３７を移動するべき走査方向（平行移動方向、回転移動方向など）および走査量（平行移動量、回転移動量など）を決定するものである。

走査制御回路２８は、位置決制御部２７により決定された走査方向および走査量に基づいて、遮光マスクガラス移動装置２２を制御し、撮像素子基板３Ｐに対する透明板３７の２次元的な位置を変更する走査を行わせるものである。この走査制御回路２８は、現在の走査位置情報を最小値位置検出回路２６へ出力するようになっている。

次に、図９は、撮像素子の製造装置により位置調整を行う前の、撮像素子基板３Ｐと透明板３７との位置関係の例を示す図である。

撮像素子の製造装置により位置調整を行う前に、透明板３７は、観察カメラ等によって観察を行いながら、撮像素子基板３Ｐに対して例えば数十ミクロンの精度で位置合わせをされているものとする。従って、位置情報画素１５を撮像素子３の４箇所の角部（四隅部）に設ける場合には、この初期の位置合わせ誤差を考慮しても、全遮光マスク３８Ｘが撮像素子基板３Ｐ上の何れかの画素１４Ｐ上に配置されるような、角端よりもやや内側の位置であることが望ましい。こうして、コリメータ光によって形成される全遮光マスク３８Ｘの陰影は、全て撮像素子基板３Ｐ上に投影されて、該撮像素子基板３Ｐにより撮像可能であるものとする。

このような前提の下に、撮像素子の製造装置により位置調整を行う。ここに図１３は、撮像素子の製造装置による位置調整の処理を示すフローチャートである。

この処理を開始すると、透明板３７が配置された撮像素子基板３Ｐにコリメータ光源２１からコリメータ光を照射する。そして、撮像素子駆動部２３の制御により、撮像素子基板３Ｐに第１の撮像を行わせ、画像信号の読み出しを行う（ステップＳ１）。

こうして読み出された画像信号には、四隅部に配置された全遮光マスク３８Ｘの陰影が各形成された、４点の暗部画素（ピクセル）群が存在するはずである。

ここに、図１０は初期状態の全遮光マスク３８Ｘと各画素１４Ｐとの位置関係の例を示す図である。

全遮光マスク３８Ｘの陰影は、１つの画素１４Ｐ上に完全に一致するのでない限り、複数の画素上にまたがって位置しているはずである。そして、最も一般的には、全遮光マスク３８Ｘの陰影は、この図１０に示すように、４つの画素１４Ｐにまたがって存在しているはずである。このような理由から、ここでは暗部ピクセル「群」と記載している。

そして、最小値位置検出回路２６が、これらの４点の暗部ピクセル群の内の、少なくとも２点の暗部ピクセル群のピクセル位置を取得する（ステップＳ２）。ここで取得するのは、後述するステップＳ４において説明するように、撮像素子基板３Ｐに対する透明板３７の回転移動方向の位置ずれを検出するためのピクセル位置である。そして、対角方向の暗部ピクセル群同士の場合には計算がやや面倒になることから、４辺の内の何れかの辺に沿った暗部ピクセル群同士であることが望ましい。さらに、検出精度を高くするためには、暗部ピクセル群同士の位置間隔が長い方が望ましい。このような理由から、ここでは矩形をなす撮像素子基板３Ｐの長辺方向に配列された２点の暗部ピクセル群（つまり例えば、左上の暗部ピクセル群および右上の暗部ピクセル群（ただし、左下の暗部ピクセル群および右下の暗部ピクセル群でももちろん構わない））のピクセル位置を取得している。

さらに、このときに取得する位置は、画素単位の位置ではなく、図１０に示すような４つの画素１４Ｐにまたがって存在していると考えられる全遮光マスク３８Ｘの中心位置であることが望ましい。この中心位置は、４つの画素１４Ｐの出力値が、全遮光マスク３８Ｘの陰影によって最大値から低くなっている値に基づいて求めることが可能である（平行が成立した後の計算例を後述するので、それを参照）。従って、このステップＳ２においては、さらに位置決制御部２７が、暗部ピクセル群の中心位置を算出する処理を行う。

次に、位置決制御部２７が、２点の暗部ピクセル群のピクセル位置の、図９に示すようなＸ方向（水平方向）の差分Ｘａ、およびＹ方向（垂直方向）の差分Ｙａを算出する（ステップＳ３）。

そして、位置決制御部２７が、撮像素子基板３Ｐに対する透明板３７の回転方向の傾き角θを、次の数式１
［数１］
θ＝ａｒｃｔａｎ（Ｙａ／Ｘａ）
により算出する（ステップＳ４）。ここで算出された傾き角θは、取得された２つの全遮光マスク３８Ｘの位置を結ぶ直線と、これら２つの全遮光マスク３８Ｘが配置されるべき２つの第３の所定位置を結ぶ直線と、がなす角である。このように、４辺の何れかに沿った暗部ピクセル群同士の組み合わせを選択すれば、計算が簡単になる利点がある。

なお、ここでは４点の暗部ピクセル群の内の２点の暗部ピクセル群のみを用いているが、精度を高めたりあるいは計算結果を検証したりするために、他の組み合わせの暗部ピクセル群をさらに用いるようにしても構わない。

続いて、走査制御回路２８が、遮光マスクガラス移動装置２２を制御して、算出された傾き角θを０にするように（つまり、傾き角θを相殺する分だけ）、撮像素子基板３Ｐに対して透明板３７を回転する（ステップＳ５）。

さらに、透明板３７の回転が終了した後の撮像素子基板３Ｐにコリメータ光源２１からコリメータ光を照射して、撮像素子駆動部２３の制御により、撮像素子基板３Ｐに第２の撮像を行わせ、画像信号を読み出しを行う（ステップＳ６）。

こうして読み出された画像信号にも、四隅部に配置された全遮光マスク３８Ｘの陰影が各形成された、４点の暗部画素（ピクセル）群が存在するはずである。しかし、次に行うのは、後述するステップＳ８において説明するように、撮像素子基板３Ｐに対する透明板３７の平行移動方向の位置ずれの検出であり、このためには少なくとも１点の暗部画素（ピクセル）群のピクセル位置を取得すれば良い。

そこで、４点の暗部画素（ピクセル）群の内の、例えば左上角部に位置する１点の暗部画素（ピクセル）群のピクセル位置を取得する（ステップＳ７）。

この１点の暗部画素（ピクセル）群は、例えば図１１に示すようになっていると考えられる。ここに図１１は、傾き角θが補正された後の、透明板３７と撮像素子基板３Ｐとの位置関係の例を示す図である。

図１１に示すように、全遮光マスク３８Ｘの陰影は、最も一般的には、４つの画素１４Ｐにまたがって存在していると考えられる。そこで、この図１１においては、全遮光マスク３８Ｘの陰影が投影された４つの画素１４Ｐの内の、左上の画素をＰ１、右上の画素をＰ２、左下の画素をＰ３、右下の画素をＰ４と記載している。また、図１１に示したＴＰは、全遮光マスク３８Ｘが全遮光すべき画素（第３の所定位置にある第３の画素であり、ターゲットピクセル）１４Ｐを示している。

そして、面輝度が均一なコリメータ光が照射された場合には、遮光マスク３８Ａ，３８Ｂおよび全遮光マスク３８Ｘの何れの陰影も形成されていない画素１４Ｐは、図１２に示すように、全て同一の画素値（以下では「最大画素値」と呼ぶことにするが、ダイナミックレンジの最大値を意味するのではなく、陰影が生じた場合の画素値と比べた場合に最大値になるという意味である）ｍａｘを出力するはずである。一方、全遮光マスク３８Ｘの陰影が形成された画素１４Ｐの画素値は、最大画素値ｍａｘよりも小さくなる。そして、このような画素値を示す画素１４Ｐが、ターゲットピクセルＴＰの近傍領域に存在するはずである。

ここに、図１２は、全遮光マスク３８Ｘの陰影が形成されている画素位置付近の画素１４Ｐの画素値の例を示す線図である。

そこで、ステップＳ７における暗部画素（ピクセル）群のピクセル位置としては、ターゲットピクセルＴＰの近傍領域において、図１１に示すような、画素値が最大画素値ｍａｘよりも最初に小さくなった画素Ｐ１の画素位置（Ａｐｘ，Ａｐｙ）を取得するものとする。特に、上述したように撮像素子基板３Ｐの左上角部に位置する１点の暗部画素（ピクセル）群における画素Ｐ１の画素位置を取得する際には、撮像素子基板３Ｐ上に形成されている全画素中で、画素値が最大画素値ｍａｘよりも最初に小さくなった画素の位置を検出すれば良いために、検出が容易であるとともに、撮像素子基板３Ｐから画素単位で出力される画像信号を読み出し始めた最も早い時点で画素位置を取得することができる利点がある。

ここで取得される画素位置はピクセル単位の画素位置であるが、図１１に示すように、実際の平行移動方向のずれはピクセル単位よりも小さい単位で生じる。

そこで次に、目標との差分計算の処理を行うことにより、より小さい単位（サブピクセル単位）で平行移動方向のずれを算出する（ステップＳ８）。

ここで図１４は、目標との差分計算の処理の詳細を示すフローチャートである。

この処理を開始すると、暗部ピクセルＰ１と、この暗部ピクセルＰ１の右隣、下隣、右下隣に位置するピクセルＰ２〜Ｐ４と、の画素値を画像信号からそれぞれ抽出する（ステップＳ１１）。こうして抽出された各ピクセルＰ１〜Ｐ４の画素値の、最大画素値ｍａｘからの画素値低下量ＤP1〜ＤP4が、全遮光マスク３８Ｘの陰影に起因して生じたものである。

次に、暗部ピクセルＰ１からの全遮光マスク３８Ｘの陰影のＸ方向のずれ量Ａｘｓｕｂを、次の数式２
［数２］
Ａｘｓｕｂ＝ＤP2／（ＤP1＋ＤP2）
により算出する（ステップＳ１２）。

ただし、図１１を見れば分かるように、暗部ピクセルＰ１に生じた陰影の大きさに対するピクセルＰ２に生じた陰影の大きさの比は、暗部ピクセルＰ３に生じた陰影の大きさに対するピクセルＰ４に生じた陰影の大きさの比と同一である。従って、上述した数式２に代えて、次の数式３
［数３］
Ａｘｓｕｂ＝ＤP4／（ＤP3＋ＤP4）
を用いて算出しても構わないし、両方の数式２，３により計算してその結果を重み付け加算平均する等により、精度を高めるようにしても構わない。

あるいはさらに、図１１を見れば分かるように、暗部ピクセルＰ１に生じた陰影の大きさに対するピクセルＰ２に生じた陰影の大きさの比は、暗部ピクセルＰ１およびＰ３に生じた陰影の大きさに対するピクセルＰ２およびＰ４に生じた陰影の大きさの比とも同一である。従って、上述した数式２，３に代えて、次の数式４
［数４］
Ａｘｓｕｂ＝（ＤP2＋ＤP4）／（ＤP1＋ＤP2＋ＤP3＋ＤP4）
を用いて算出しても良い。

続いて、暗部ピクセルＰ１からの全遮光マスク３８Ｘの陰影のＹ方向のずれ量Ａｙｓｕｂを、次の数式５
［数５］
Ａｙｓｕｂ＝ＤP3／（ＤP1＋ＤP3）
により算出する（ステップＳ１３）。

ただし、ここでも同様に、上述した数式５に代えて、次の数式６
［数６］
Ａｙｓｕｂ＝ＤP4／（ＤP2＋ＤP4）
を用いて算出しても構わないし、両方の数式５，６により計算してその結果を重み付け加算平均する等により、精度を高めるようにしても構わない。

さらに、上述した数式５，６に代えて、次の数式７
［数７］
Ａｙｓｕｂ＝（ＤP3＋ＤP4）／（ＤP1＋ＤP2＋ＤP3＋ＤP4）
を用いて算出しても良い。

その後、ピクセル単位よりも小さい単位のＸ方向およびＹ方向のずれ量、すなわち、取得された全遮光マスク３８Ｘの位置と、全遮光マスク３８Ｘが配置されるべき第３の所定位置（ターゲットピクセルＴＰの位置）と、の差分（ΔＸ，ΔＹ）を、次の数式８
［数８］
ΔＸ＝Ａｐｘ＋Ａｘｓｕｂ
ΔＹ＝Ａｐｙ＋Ａｙｓｕｂ
により算出して（ステップＳ１４）、図１３に示した処理にリターンする。

図１３の処理に戻ると、算出された差分（ΔＸ，ΔＹ）を相殺する分だけ、撮像素子基板３Ｐに対して透明板３７を平行移動する（ステップＳ９）。

これにより、撮像素子基板３Ｐと透明板３７との位置合わせは完了したはずである。ただし、位置合わせが完了したことを検証するために、コリメータ光を照射して撮像を行い、その結果得られた画像信号中の、幾つかの、あるいは全ての、位置情報画素１５の画素値が、設定通りにほぼ０の値になっているかどうかを検査しても良い。このときに設定通りの値が得られていれば位置合わせは完了し、設定通りの値が得られていない場合には、設定通りの値が得られていない位置情報画素１５に特に着目して、上述したような処理を繰り返して行うことになる。あるいは、上述した処理を繰り返して行うのに代えて、コリメータ光を照射しつつ全遮光マスク３８Ｘが位置するべき第３の画素１４Ｐの出力値を継続的にモニタしながら、走査制御回路２８からの現在の走査位置情報に基づき、ピックアップ部による２次元的な走査を画素よりも小さい単位で行って、ほぼ０の画素値が得られる位置へ合わせるようにしても構わない。設定通りの値が得られていない場合でも、画素単位での位置合わせはほぼ完了しているはずであるから、このような処理を行っても比較的短時間で位置合わせを行うことが可能である。

こうして位置合わせが完了したら、その後は、撮像素子基板３Ｐと透明板３７とを例えば接着剤を用いて固定し、ピックアップ部の真空ポンプによる吸引を停止して、遮光マスクガラス移動装置２２から透明板３７を取り外す。

これにより焦点検出画素が所定の画素位置において正しく機能する撮像素子３が製造されたことになる。

続いて、図１５は撮像装置の構成を示すブロック図である。

上述したように製造された撮像素子３が適用される本実施形態の撮像装置は、例えばＡＦ機能を有するデジタルカメラ等として構成されたものであり、図１５に示すように、結像光学系１と、撮像部２と、位相差検出部６と、フォーカス制御部７と、画像処理部１０と、補間部１１と、を備えている。

結像光学系１は、光学的な被写体像を撮像部２内の撮像素子３上に結像するための対物光学系であり、図示しない光学絞りや、焦点位置を調節するためのフォーカスレンズを含んで構成されている。

撮像部２は、上述した撮像素子３と、撮像素子駆動部４と、画素種別信号出力部５と、を備えている。

撮像素子駆動部４は、撮像素子３を駆動制御するものである。すなわち、撮像素子駆動部４は、水平同期信号ＨＤと垂直同期信号ＶＤとを撮像素子３へ出力して、該撮像素子３上に上述したように配列された複数の画素を所定の順序で駆動するようになっている。従って、画像信号は、読み出された画素順に、画素単位の画像信号（画素データ）として撮像素子３から出力されることになる。さらに、撮像素子駆動部４は、撮像素子３へ出力している水平同期信号ＨＤおよび垂直同期信号ＶＤに基づいて、撮像素子３から読み出されている画素位置の情報である読出位置情報を画素種別信号出力部５へ出力すると共に、相関演算を行うタイミングを示す相関タイミング信号を位相差検出部６へ出力するようになっている。

ここに、撮像素子駆動部４から画素種別信号出力部５へ出力される読出位置情報は、例えば、マトリクス状に配列された複数の画素の位置に対応した、所定のタイミングを有するパルス信号である。

また、撮像素子駆動部４は、上述したような制御信号（垂直同期信号、水平同期信号、読出位置情報、相関タイミング信号）のそれぞれを、図示しないレリーズボタンの操作に同期して出力するようになっている。

画素種別信号出力部５は、撮像素子駆動部４からの読出位置情報に基づいて、撮像素子３から画素単位で順次出力される画像信号の種類を示す画素種別信号を生成し、位相差検出部６へ出力する回路である。

ここに、画素種別信号は、焦点検出画素信号（位置情報画素信号も含む）と瞳種別信号とを含んでいる。前者の焦点検出画素信号は、撮像素子３から出力されている画素データが、位置情報画素１５または焦点検出画素１３Ａ，１３Ｂの信号であることを示す信号である。また、後者の瞳種別信号は、撮像素子３から出力されている画素データが、焦点検出画素の内の瞳Ａ焦点検出画素１３Ａと瞳Ｂ焦点検出画素１３Ｂとの何れの画素からのものであるかを示す信号である。

この画素種別信号出力部５は、例えば、読出位置情報のパルス信号をカウントするカウンタと、位置情報画素１５および焦点検出画素１３Ａ，１３Ｂの位置に対応する値を保持する記憶部と、を備えて構成されている。そして、画素種別信号出力部５は、カウント値が、位置情報画素１５または焦点検出画素１３Ａ，１３Ｂの位置に対応する所定値になったときに、焦点検出画素信号（位置情報画素信号も含む）を出力する。さらに、画素種別信号出力部５は、カウント値が、焦点検出画素１３Ａ，１３Ｂの位置に対応する所定値であるときには、さらに瞳種別信号を出力する。

従って、撮像素子３から出力されている画像信号が、撮影画素１４の信号である場合には焦点検出画素信号および瞳種別信号の何れも出力されず、位置情報画素１５の信号である場合には焦点検出画素信号は出力されるが瞳種別信号は出力されず、焦点検出画素１３Ａ，１３Ｂの信号である場合には焦点検出画素信号および瞳種別信号の両方が出力されることになる。

さらに、画素種別信号出力部５は、焦点検出画素信号を、補間部１１へも出力するようになっている。

位相差検出部６は、撮像素子３からの画像信号と、画素種別信号出力部５からの画素種別信号と、撮像素子駆動部４からの相関タイミング信号とに基づいて、瞳Ａ焦点検出画素１３Ａに結像されている被写体像（第１の画素群からの出力により形成される第１の画像）と、瞳Ｂ焦点検出画素１３Ｂからの画像信号に結像されている被写体像（第２の画素群からの出力により形成される第２の画像）と、の位相差を検出し、検出結果を位相差信号としてフォーカス制御部７へ出力するものである。

フォーカス制御部７は、デフォーカス量算出部８とフォーカスレンズ駆動部９とを備えており、位相差検出部６により検出される位相差を０に近付けるように結像光学系１を駆動するものである。

すなわち、デフォーカス量算出部８は、位相差検出部６からの位相差信号に基づきデフォーカス量を算出して、フォーカスレンズ駆動部９へ出力する。

フォーカスレンズ駆動部９は、デフォーカス量算出部８により算出されたデフォーカス量に応じて、撮像素子３に結像される被写体像が合焦状態となるように、結像光学系１内のフォーカスレンズを駆動する。これにより、撮像装置のＡＦ機能が実現される。撮像装置には図示しない操作部（例えば、デジタルカメラのレリーズボタン）が設けられており、この操作部からの操作信号により撮影処理の実行が指示されると、その実行時に焦点検出が行われてＡＦ機能が実行される。

補間部１１は、撮影処理の実行により得られた撮像素子３からの撮像信号に対して、画素種別信号出力部５からの焦点検出画素信号（位置情報画素信号も含む）に基づき、位置情報画素１５および焦点検出画素１３Ａ，１３Ｂの補間処理を行うものである。すなわち、位置情報画素１５および焦点検出画素１３Ａ，１３Ｂは、撮影用の画素として使用することができないために、この補間部１１が、位置情報画素１５および焦点検出画素１３Ａ，１３Ｂの位置の画素データを、周囲の撮影画素１４の画素データを用いて補間して生成する処理を行う。

画像処理部１０は、補間部１１により補間された画像信号に対して画像処理を行うものである。この画像処理部１０により生成された画像データは、図示しない記録媒体等に記録されたり、図示しない表示装置に表示されたりするようになっている。

なお、位置合わせを短時間で行うためには、全遮光マスク３８Ｘが複数設けられていることが望ましいが、全遮光マスク３８Ｘが１つであっても位置合わせは可能である。このときには、遮光マスク３８Ａ，３８Ｂを補助的に用いれば良い。すなわち、全遮光マスク３８Ｘが位置するべき第３の画素１４Ｐの出力画素値が０となり、全ての遮光マスク３８Ａ，３８Ｂが位置するべき全ての第１，第２の画素１４Ｐの出力画素値が１／２となるように位置合わせすれば良い。

また、上述では全遮光マスク３８Ｘを透明板３７の撮像素子基板３Ｐに対向する側の面に設けているが、これに代えて、全遮光マスク３８Ｘを透明板３７の撮像素子基板３Ｐに対向する側の面とは反対側の面に設けるとともに、さらに位置決めして取り付けた後に消去可能となるように形成すれば、位置情報画素１５は再び撮影画素１４として使用可能となり、補間部１１による位置情報画素１５の補間も不要となる利点がある。

このような実施形態１によれば、遮光マスク３８Ａ，３８Ｂに対して所定の位置関係にある全遮光マスク３８Ｘを設け、この全遮光マスク３８Ｘが位置するべき第３の画素１４Ｐ上に、全遮光マスク３８Ｘが移動されるように位置合わせを行うことにより、遮光マスク３８Ａ，３８Ｂが位置するべき第１，第２の画素１４Ｐ上に該遮光マスク３８Ａ，３８Ｂを、短時間で高精度に位置合わせすることが可能となる。

そして、全遮光マスク３８Ｘを透明板３７上に複数設けることにより、位置合わせに要する時間をより短縮することが可能となる。

さらに、全遮光マスク３８Ｘを、透明板３７上の周辺領域に設けることにより、画像の中央部に位置することが多い主要被写体の画質低下を防止することができる。加えて、複数の全遮光マスク３８Ｘを、透明板３７上に互いに離隔して設けることにより、位置合わせの精度を向上することができる。

また、全遮光マスク３８Ｘを、透明板３７の、撮像素子基板３Ｐと貼設される面とは反対側の面に設けて、位置合わせ後に消去する場合には、全遮光マスク３８Ｘによる画質の低下が全く生じることのない利点がある。

なお、本発明は上述した実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成することができる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良い。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。このように、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々の変形や応用が可能であることは勿論である。

１…結像光学系
２…撮像部
３…撮像素子
３Ｐ…撮像素子基板
４…撮像素子駆動部
５…画素種別信号出力部
６…位相差検出部
７…フォーカス制御部
８…デフォーカス量算出部
９…フォーカスレンズ駆動部
１０…画像処理部
１１…補間部
１３…瞳分割用遮光マスク領域
１３Ａ…瞳Ａ焦点検出画素（第１の焦点検出画素）
１３Ｂ…瞳Ｂ焦点検出画素（第２の焦点検出画素）
１４…撮影画素
１４Ｐ…画素
１５…位置情報画素
２１…コリメータ光源
２２…遮光マスクガラス移動装置
２３…撮像素子駆動部
２４…位置情報画素分離タイミングデコーダ
２５…位置情報画素ホールド回路
２６…最小値位置検出回路
２７…位置決制御部
２８…走査制御回路
３１…半導体基板
３２…フォトダイオード
３３，３４…配線パターン
３５…マイクロレンズ
３７…透明板
３８Ａ…第１の遮光マスク
３８Ｂ…第２の遮光マスク
３８Ｘ…全遮光マスク

Claims (7)

1. 光学的な被写体像を光電変換するための画素が、複数、２次元状に配列されるように、半導体製造プロセスにより形成された撮像素子基板と、
   上記撮像素子基板に対して画素位置を合わせて貼設された透明板と、
   を具備した撮像素子であって、
   上記撮像素子基板に配列された複数の画素は、第１の所定位置にある第１の画素と、第２の所定位置にある第２の画素と、第３の所定位置にある第３の画素と、を含み、
   上記透明板上に、該透明板が上記撮像素子基板に画素位置を合わせて貼設された際に、上記第１の画素の中心から一方向へ偏心した部分を遮光するように設けられた第１の遮光マスクと、
   上記透明板上に、該透明板が上記撮像素子基板に画素位置を合わせて貼設された際に、上記第２の画素の中心から他方向へ偏心した部分を遮光するように設けられた第２の遮光マスクと、
   上記透明板上に、該透明板が上記撮像素子基板に画素位置を合わせて貼設された際に、上記第３の画素を全遮光するように設けられた全遮光マスクと、
   をさらに具備し、
   上記第１の画素および上記第１の遮光マスクの組が第１の焦点検出画素を、上記第２の画素および上記第２の遮光マスクの組が第２の焦点検出画素を、上記第３の画素および上記全遮光マスクの組が位置情報画素を、それぞれ構成することを特徴とする撮像素子。
2. 上記全遮光マスクは、上記透明板上に複数設けられていることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
3. 複数の上記全遮光マスクは、上記透明板上の周辺領域に、互いに離隔して設けられていることを特徴とする請求項２に記載の撮像素子。
4. 上記全遮光マスクは、上記透明板の、上記撮像素子基板と貼設される面とは反対側の面に、消去可能に設けられたものであることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の撮像素子。
5. 請求項１に記載の撮像素子と、
   上記撮像素子上に被写体像を形成する結像光学系と、
   上記第１の焦点検出画素からの出力により形成される第１の画像と、上記第２の焦点検出画素からの出力により形成される第２の画像と、の位相差を検出する位相差検出部と、
   を具備したことを特徴とする撮像装置。
6. 上記結像光学系は、焦点位置を調節可能であり、
   上記位相差検出部により検出される位相差を０に近付けるように上記結像光学系を駆動するフォーカス制御部をさらに具備したことを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
7. 請求項２に記載の撮像素子を製造するための方法であって、
   上記撮像素子基板に対して上記透明板を配置し、透明板が配置された撮像素子基板に平行光を照射して、該撮像素子基板により第１の撮像を行うステップと、
   上記第１の撮像により上記撮像素子基板から得られた画像信号に基づき、上記全遮光マスクの陰影が形成された全遮光マスク位置を、少なくとも２つ取得するステップと、
   取得された２つの全遮光マスク位置を結ぶ直線と、該２つの全遮光マスクが配置されるべき２つの上記第３の所定位置を結ぶ直線と、がなす傾き角を算出するステップと、
   上記傾き角を０にするように、上記撮像素子基板に対して上記透明板を回転するステップと、
   上記透明板の回転が終了した後の撮像素子基板に平行光を照射して、該撮像素子基板により第２の撮像を行うステップと、
   上記第２の撮像により上記撮像素子基板から得られた画像信号に基づき、少なくとも１つの上記全遮光マスクの陰影が形成された全遮光マスク位置を取得するステップと、
   上記取得された全遮光マスク位置と、該全遮光マスクが配置されるべき上記第３の所定位置と、の差分を算出するステップと、
   上記差分を相殺するように、上記撮像素子基板に対して上記透明板を平行移動するステップと、
   を含むことを特徴とする撮像素子の製造方法。

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