JP7286452B2 - 撮像素子および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮像素子および撮像装置に関し、特に、複数の偏光情報を同時に取得する撮像素子およびこれを備える撮像装置に関する。

近年、複数の偏光情報を撮像素子から同時に取得する試みが提案されている。

例えば、特許文献１の撮像素子では、有機光電変換膜とシリコン光電変換部とを積層した構成を用いて、有機光電変換膜とシリコン光電変換部の間に偏光角度が０°、４５°、９０°、１３５°、の４種類のワイヤーグリッド型偏光子が配置される。これにより、撮像素子から、４種類の偏光画像と、通常画像（意図的に変更させていない画像）が同時に取得される。

特開２０１７－１７２００号公報

しかしながら、特許文献１の撮像素子から取得される偏光画像は同時に取得される通常画像に対して解像度が低いという課題がある。

そこで、本発明は、通常画像と複数の偏光画像を同時取得する際、複数の偏光画像を通常画像と同じ解像度で取得することができる撮像素子および撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る撮像素子は、複数の撮像画素が２次元状に配列される撮像素子であって、前記複数の撮像画素は夫々、マイクロレンズと、前記マイクロレンズを介して受光する光の一部を透過し、その他の一部を光電変換する第１の光電変換部と、前記第１の光電変換部を透過した光を光電変換する第２の光電変換部と、前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部の間に配置された偏光子と、を備え、前記第１の光電変換部からの電荷に基づき通常画像を生成する第１の生成手段と、前記第２の光電変換部からの電荷に基づき第１の偏光画像を生成する第２の生成手段と、前記通常画像と前記第１の偏光画像を用いて第２の偏光画像を生成する第３の生成手段とを有することを特徴とする。

本発明の請求項９に係る撮像装置は、前記撮像素子を有することを特徴とする。

本発明によれば、通常画像と複数の偏光画像を同時取得する際、複数の偏光画像を通常画像と同じ解像度で取得することができる。

本発明の実施形態に係る撮像素子における基本画素群およびその配列を表す模式図である。 撮像素子を撮像面上方から見た模式図である。 撮像素子における基本画素群の夫々に対する偏光子の配置を示す模式図である。 撮像素子における基本画素群の夫々に対する偏光子の配置の変形例を示す模式図である。 撮像素子を構成する撮像画素の内部構造を説明するための断面図である。 偏光子を透過する光と反射する光を表す模式図である。 撮像画素中の集光点を説明するための図である。 撮像画素における、２つの下部透明電極により瞳分割がされた第１の光電変換部の領域を示す図である。 撮像画素における、４つの下部透明電極により瞳分割がされた第１の光電変換部の領域の変形例を示す図である。 撮像画素における、４つの下部透明電極により瞳分割がされた第１の光電変換部の領域の変形例を示す図である。 撮像素子における撮像画素の位置と図５Ａに示すその瞳分割の対応関係を示した概略図である。 撮像素子により生成される視差画像間の像ずれ量とデフォーカス量の概略関係を示す図である。 複数の撮影レンズを交換可能なカメラ本体と撮影レンズとからなるカメラシステムの形態を持つ本発明の実施形態に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。

以下に、本発明の好ましい実施形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。

図８は、複数の撮影レンズを交換可能なカメラ本体と撮影レンズとからなるカメラシステムの形態を持つ本発明の実施形態に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。

本実施例のカメラシステム（撮像装置）はレンズ交換式一眼レフカメラであり、撮影レンズからなるレンズユニット８００Ｌとカメラ本体８００Ｍとを有する。レンズユニット８００Ｌは、図中央の点線で示されるマウントＭを介して、カメラ本体８００Ｍに装着される。

レンズユニット８００Ｌは、結像光学系（第１レンズ群８０１、絞り８０２、第２レンズ群８０３、第３レンズ群（フォーカスレンズ８０４））、および駆動／制御系を有する。第１レンズ群８０１は、レンズユニット８００Ｌの先端に配置され、光軸方向ＯＡに移動可能に保持される。絞り８０２は、撮影時の光量を調節する機能のほか、静止画撮影時には露出時間を制御するメカニカルシャッターとしての機能を有する。絞り８０２および第２レンズ群８０３は、一体で光軸方向ＯＡに移動可能であり、第１レンズ群８０１と連動して移動することによりズーム機能を実現する。フォーカスレンズ８０４も光軸方向ＯＡに移動可能であり、位置に応じてレンズユニット８００Ｌが合焦する被写体距離（合焦距離）が変化する。フォーカスレンズ８０４の光軸方向ＯＡにおける位置を制御することにより、レンズユニット８００Ｌの合焦距離を調節する焦点調節を行うことができる。

駆動／制御系は、ズームアクチュエータ８１１、絞りシャッタアクチュエータ８１２、フォーカスアクチュエータ８１３、ズーム駆動回路８１４、絞りシャッタ駆動回路８１５、フォーカス駆動回路８１６、レンズＭＰＵ８１７、レンズメモリ８１８を有する。

ズーム駆動回路８１４は、ズームアクチュエータ８１１を用いて第１レンズ群８０１および第２レンズ群８０３を光軸方向ＯＡに駆動し、レンズユニット８００Ｌの光学系の画角を制御する。絞りシャッタ駆動回路８１５は、絞りシャッタアクチュエータ８１２を用いて絞り８０２を駆動し、絞り８０２の開口径や開閉動作を制御する。フォーカス駆動回路８１６は、フォーカスアクチュエータ８１３を用いてフォーカスレンズ８０４を光軸方向ＯＡに駆動し、レンズユニット８００Ｌの光学系の合焦距離を制御する。また、フォーカス駆動回路８１６は、フォーカスアクチュエータ８１３を用いてフォーカスレンズ８０４の現在位置を検出する。

レンズＭＰＵ８１７は、レンズユニット８００Ｌに係る全体的な演算、制御を行うプロセッサであり、ズーム駆動回路８１４、絞りシャッタ駆動回路８１５、フォーカス駆動回路８１６を制御する。また、レンズＭＰＵ８１７は、マウントＭを通じてカメラＭＰＵ８２５と接続され、コマンドやデータを通信する。例えば、レンズＭＰＵ８１７は、フォーカスレンズ８０４の位置を検出し、カメラＭＰＵ８２５からの要求に対してレンズ位置情報を通知する。このレンズ位置情報は、フォーカスレンズ８０４の光軸方向ＯＡにおける位置、光学系が移動していない状態の射出瞳の光軸方向ＯＡにおける位置および直径、射出瞳の光束を制限するレンズ枠の光軸方向ＯＡにおける位置および直径などの情報を含む。また、レンズＭＰＵ８１７は、カメラＭＰＵ８２５からの要求に応じて、ズーム駆動回路８１４、絞りシャッタ駆動回路８１５、フォーカス駆動回路８１６を制御する。レンズメモリ８１８には、撮像面位相差ＡＦに必要な光学情報が予め記憶されている。レンズＭＰＵ８１７は、例えば内蔵する不揮発性メモリやレンズメモリ８１８に記憶されているプログラムを実行することで、レンズユニット８００Ｌの動作を制御する。

カメラ本体８００Ｍは、光学系（光学ローパスフィルタ８２１および撮像素子１０６）と、駆動／制御系とを有する。光学ローパスフィルタ８２１は、撮像画像の偽色やモアレを軽減する。

撮像素子１０６は、ＣＭＯＳイメージセンサと周辺回路で構成され、横方向ｍ画素、縦方向ｎ画素（ｎ，ｍは２以上の整数）が配置される。本発明の撮像素子１０６は、後述する通常画像及び偏光画像１を生成すると共に、通常画像及び偏光画像１を用いて偏光画像２を生成する。詳細については図１Ａ～７を用いて後述する。

駆動／制御系は、撮像素子駆動回路８２３、画像処理回路８２４、カメラＭＰＵ８２５（プロセッサ）、表示部８２６、操作スイッチ群８２７、メモリ８２８、撮像面位相差焦点検出部８２９を有する。画像処理回路８２４は、撮像素子１０６が出力する画像データから、焦点検出信号と、表示・記録用の画像データを生成する。

撮像素子駆動回路８２３は、撮像素子１０６の動作を制御すると共に、取得した画像データをＡ／Ｄ変換してカメラＭＰＵ８２５に送信する。

画像処理回路８２４は、撮像素子１０６が取得した画像データに対して、γ変換、ホワイトバランス調整処理、色補間処理、圧縮符号化処理など、デジタルカメラで行われる一般的な画像処理を行う。

カメラＭＰＵ８２５は、カメラ本体８００Ｍに係る全体的な演算、制御を行い、撮像素子駆動回路８２３、画像処理回路８２４、表示部８２６、操作スイッチ群８２７、メモリ８２８、撮像面位相差焦点検出部８２９を制御する。カメラＭＰＵ８２５は、マウントＭを介してレンズＭＰＵ８１７と接続され、レンズＭＰＵ８１７とコマンドやデータを通信する。カメラＭＰＵ８２５は、レンズＭＰＵ８１７に対し、レンズ位置の取得要求や、所定の駆動量での絞り、フォーカスレンズ、ズーム駆動要求や、レンズユニット８００Ｌに固有の光学情報の取得要求などを発行する。カメラＭＰＵ８２５には、カメラ本体８００Ｍの動作を制御するプログラムを格納したＲＯＭ８２５ａ、変数を記憶するＲＡＭ８２５ｂ、諸パラメータを記憶するＥＥＰＲＯＭ８２５ｃが内蔵されている。

表示部８２６は、ＬＣＤなどから構成され、カメラ本体８００Ｍの撮影モードに関する情報、撮影前のプレビュー画像および撮影後の確認用画像、焦点検出時の合焦状態画像などを表示する。操作スイッチ群８２７は、電源スイッチ、レリーズ（撮像トリガ）スイッチ、ズーム操作スイッチ、撮影モード選択スイッチ等で構成される。メモリ８２８は、着脱可能なフラッシュメモリで、撮影済み画像を記録する。

撮像面位相差焦点検出部８２９は、画像処理回路８２４により得られる撮像面位相差ＡＦ信号に基づき、撮像面位相差ＡＦによる焦点検出処理を行う。具体的には、画像処理回路８２４が撮像面位相差ＡＦ信号として撮影光学系の一対の瞳領域を通過する光束で形成される一対の像データを生成し、撮像面位相差焦点検出部８２９がこの一対の像データのずれ量に基づいて焦点ずれ量（デフォーカス量）を検出する。このように、本実施例の撮像面位相差焦点検出部８２９は、専用のＡＦセンサを用いず、撮像素子１０６の出力に基づく撮像面位相差ＡＦを行う。

次に本発明の実施形態に係る撮像素子１０６について説明する。

図１Ｂに示すように、撮像素子１０６は、その有効画素領域は水平方向サイズ２２．３２ミリメートル、垂直方向サイズ１４．８８ミリメートルである。また、その有効画素数は、水平方向に６０００画素、垂直方向に４０００画素である。

図１Ａは、撮像素子１０６の撮像面上に配列された複数の撮像画素の一部として２行２列の基本画素群１０１を表す模式図である。

基本画素群１０１は、赤色相当の波長帯域に分光感度を有する撮像画素１０２、青色相当の波長帯域に分光感度を有する撮像画素１０３、および緑色相当の波長帯域に分光感度を有する二つの撮像画素１０４，１０５により構成される。

以下、撮像素子１０６の撮像面をｘ－ｙ面、これに垂直な方向をｚ方向として説明する。

すなわち、図１Ｂは、撮像素子１０６を撮像面上方から見た模式図であり、基本画素群１０１が、撮像面上に２次元状に配列されている状態を示している。

ここで、基本画素群１０１をなす撮像画素１０２～１０５の基本的な構成は後述のカラーフィルタ２０６の有する分光特性以外は同一である。よって、以下の説明においては撮像素子１０６の構成を説明するために撮像画素１０２に着目する。図１Ａ中の撮像画素１０２について、ｚｘ面に平行な点線ＡＢ断面を図２に示す。

図２に示すように、撮像画素１０２は、下から第２の光電変換部２０２、偏光子１０７、第１の光電変換部２０４、カラーフィルタ２０６、及びマイクロレンズ２０７を備える。尚、本実施例では撮像画素１０２はカラーフィルタ２０６を有するが、白黒画像を撮像素子１０６から出力する場合、カラーフィルタ２０６は不要である。

第２の光電変換部２０２は、ｎ型シリコン基板表面側にイオン注入により形成される。

マイクロレンズ２０７は、撮像画素１０２に入射される光を撮像画素１０２の内部に集光しながら導く。

第２の光電変換部２０２において光電変換された電荷は転送ゲート２１４を介してコンデンサー２１３へ転送され、撮像信号として用いられる。すなわち、撮像素子１０６は、この撮像信号を用いて後述する偏光画像１を生成する。第２の光電変換部２０２は第１の光電変換部２０４と同様、後述する有機光電変換膜であっても良い。すなわち、第２の光電変換部２０２は光を受光して光電変換できれば何を用いても良い。

（偏光子）
図１Ｃは、撮像素子１０６における基本画素群１０１の夫々に対する偏光子１０７の配置を示す模式図である。

図１Ｃに示すように、撮像素子１０６の各撮像画素１０２の偏光子１０７の偏光方向は全てｙ方向と平行な１方向（以下、この偏光方向を示す角度である偏光角度を０°と定義する）のみが配置される。尚、本実施形態では、撮像素子１０６の各撮像画素１０２は偏光角度が０°の偏光子１０７を有するが、その偏光角度は任意の角度で良く、本発明は偏光角度に本質的には依存しない。

偏光子１０７は、ワイヤーグリッド型偏光子層、すなわち反射抑制型偏光子を、入射光の波長より小さい間隔でストライプ状に配列させた構成を有する。撮像画素１０２への入射光はまず、第１の光電変換部２０４においてその一部が吸収され光電変換されるとともにその他の一部が透過する。図３に示すように、透過した光が偏光子１０７に入射すると、偏光子１０７の各ラインと垂直な偏光成分３０１は透過し、偏光子１０７の各ラインと平行な偏光成分３０２は反射する。このように偏光子１０７を透過した偏光成分３０１は、第２の光電変換部２０２で吸収され光電変換される。この際、偏光子１０７で反射した偏光成分３０２が再び第１の光電変換部２０４に入射すると、後述する第１の光電変換部２０４からの出力信号から第２の光電変換部２０２からの出力信号を減算して、偏光成分３０２の信号を生成する際の精度低下につながる。そのため、本実施形態では偏光子１０７には反射光吸収型が用いられる。

（光電変換膜）
第１の光電変換部２０４の上部には周囲の画素上にも連続にまたがるように形成された上部透明電極２０５、第１の光電変換部２０４の下部には周囲の画素とは電気的に分離した下部透明電極２０８，２０９が形成されている。下部透明電極２０８，２０９の電極パターンにより、入射光学系の瞳領域が分割およびパターン化される。すなわち、分割およびパターン化された異なる瞳領域を通過して入射される光束に属する光を第１の光電変換部２０４で光電変換して電荷を生成し、それぞれ対応する下部透明電極を通して前述の電荷を電気信号として出力する。下部透明電極２０８，２０９の夫々から出力される電気信号は光学的に瞳分割された光束に対応する信号であるため、この信号に基づき、後述する通常画像が生成されるだけでなく、瞳分割位相差方式の焦点検出処理が実行される。

第１の光電変換部２０４は、可視光帯域において受光感度が確保される限り、有機光電変換膜や量子ドットフィルムなど様々なものが適応可能であり、特に可視光帯域において一定の受光感度となるものが望ましい。本実施形態では、第１の光電変換部２０４を有機光電変換膜で構成しており、上部電極との間に電子ブロック層、下部電極との間にホールブロック層など効率的に電荷を電極へ輸送するための層構造が形成されている。

電気配線部２１０，２１１は、信号電荷の読み取りやスイッチングを行うための電気配線部であり、下部透明電極２０８，２０９は電気配線部２１０，２１１を介してＳｉ基板上の信号読み取り部２１２，２１５へと接続されている。

本実施形態では、第１の光電変換部２０４の厚さを、第１の光電変換部２０４に入射する光のうち５０％以下を吸収し、それ以外の光を透過させるように設定する。以下、第１の光電変換部２０４が入射光を吸収する割合を所定の割合と表現する。

また、本実施形態では第１の光電変換部２０４は有機光電変換膜であるが、第１の光電変換部２０４は一部光を透過し、それ以外の光を吸収（光電変換）する光電変換手段であれば、有機光電変換膜に限定されない。

（通常画像と偏光画像１から偏光画像２の生成）
光は、互いに直交するインコヒーレントな関係の２方向の偏光成分の光に分解できることが知られている。そのため、偏光がない光（無偏光）を直線偏光子に向けて照射した場合、直線偏光子を透過した光と透過しなかった光は概ね等価となる。

一方撮像素子１０６では、第１の光電変換部２０４の光電変換で偏光子１０７を透過する前の意図的に偏光させていない光の画像（通常画像）を取得できる。また、第２の光電変換部２０２の光電変換で直線偏光子である偏光子１０７を透過した後の光の画像（偏光画像１）が取得できる。よってかかる偏光の性質を利用し、撮像素子１０６は、通常画像から偏光画像１を減算して、偏光子１０７を透過した後の光と直交する成分の光の画像（偏光画像２）を生成する。尚、本実施例では、撮像素子１０６が、通常画像、偏光画像１、及び偏光画像２を全て生成する構成としたが、これに限定されない。例えば、撮像素子１０６で生成された通常画像及び偏光画像１を画像処理回路８２４に出力し、画像処理回路８２４において偏光画像２を生成するようにしてもよい。この場合、以下後述するような通常画像と偏光画像１の感度分配の適正を撮像素子１０６において行わなくてもよい。

よって、本実施形態では、図２に示すように第１の光電変換部２０４を挟むように上部透明電極２０５及び下部透明電極２０８，２０９を配置する。また、下部透明電極２０８，２０９の下に直線偏光子である偏光子１０７を配置し、さらにその下にシリコン型の第２の光電変換部２０２を配置する。すなわち、かかる構成とすることで同じ光から同時に通常画像と偏光画像１の取得が可能となる。

尚、高精度な偏光画像２を取得するためには、撮像素子１０６で取得される通常画像と偏光画像１の感度分配を適正にする必要がある。具体的には、第１の光電変換部２０４が光を透過する割合を、偏光子１０７が半分の光しか透過させない点等を考慮しつつ、通常画像と偏光画像１の感度が等価となるように調整する必要がある。これにより、通常画像から偏光画像１を単に減算するだけで偏光画像２を取得することができる。尚、本実施例では、撮像素子１０６において偏光画像２が取得されるが、本発明はこれに限定されない。例えば、撮像素子１０６が通常画像と偏光画像１を画像処理回路８２４に送信し、画像処理回路８２４において偏光画像２が生成されるようにしてもよい。

具体的な通常画像と偏光画像１の感度調整の方法を、まずは理想モデル（光損失が無いモデル）を用いて説明する。

理想モデルの場合、第１の光電変換部２０４の受光効率（所定の割合）は５０％とすれば良い。第１の光電変換部２０４の受光効率を５０％とするように膜厚を設定すると、偏光子１０７には５０％の光が到達する。偏光子１０７を透過する光は偏光子１０７に到達した光の半分であり、残りの光は偏光子１０７に吸収されるため、偏光子１０７を透過する光が２５％、偏光子１０７を透過しない光が２５％となる。理想モデルの場合、第２の光電変換部２０２では偏光子１０７を透過した光はすべて受光されるため、第１の光電変換部２０４で取得された通常画像から第２の光電変換部２０２で取得された偏光画像１を減算すると、偏光画像２を取得することが可能となる。

尚、実際は理想モデルより低い受光効率となるよう第１の光電変換部２０４を設計する必要がある。実際には偏光子１０７を光が透過する時や、第２の光電変換部２０２が光を受光する時に光損失が発生するためである。すなわち、第１の光電変換部２０４にかける印加電圧による第１の光電変換部２０４の透過率の制御及びその膜厚の設定の少なくとも一方を行うことで、第１の光電変換部２０４の受光効率が５０［％］以下となるように行う。これにより高精度に通常画像から偏光画像１を減算して偏光画像２を生成することが可能となる。

更に、カラーフィルタ２０６の波長帯域に応じて第１の光電変換部２０４の受光効率が変動する場合は、カラーフィルタ２０６の波長帯域に応じて、さらに第１の光電変換部２０４にかける印加電圧の制御を変更する。この際、第１の光電変換部２０４の膜厚の設定の変更も併せて行ってもよい。これにより、撮像素子１０６の異なる分光感度を有する撮像画素間で、感度が異なる偏光画像２が生成されるのを防ぐことができる。

また、高精度に通常画像から偏光画像１を減算することで偏光画像２を生成するためには、偏光子１０７に到達した光の一部が反射する点に対しても処置を行う必要がある。偏光子１０７として反射抑制型の偏光子を使用した場合においても、光が偏光子１０７を到達した際に、一部の光が反射光として第１の光電変換部２０４に入光してしまうためである。かかる偏光子１０７で生じる反射光を抑制するためには図２に示すように、反射抑制膜２１６を偏光子１０７のマイクロレンズ２０７に隣接する面に配置するのが好ましい。

以上説明したように撮像画素１０２を構成することで等価の感度の通常画像及び偏光画像１を取得すると共に、撮像素子１０６において取得した通常画像から偏光画像１を減算して偏光画像２を取得する画像処理を行う。これにより、撮像素子１０６より、通常画像及びこれと同一の解像度を有する２種類の偏光画像を取得することが可能となる。

本実施形態では、取得する偏光画像の解像度を優先するため、２種類の偏光画像のみを取得する構成とした。しかしながら、かかる構成では位相ずれを検出することが出来ない。偏光の位相情報を取得するためには、０°、４５°、９０°、１３５°の計４つの偏光角度の偏光画像が必要となるが、本実施形態の構成では０°と９０°の２つの偏光角度の偏光画像しか取得できないためである。

すなわち、位相ずれを検出可能とする場合、取得される偏光画像の解像度の低下も抑制する処置を合わせて行う必要がある。例えば、撮像素子１０６に配置する偏光子１０７を、図１Ｄのように偏光角度０°に配置された偏光子１０７ａと偏光角度４５°に配置された偏光子１０７ｂとが撮像素子１０６において市松状に交互に配置されるように構成される。この場合、アップサンプリング（補間演算）して偏光画像１の解像度を維持するようにしてもよい。尚、偏光子１０７ａ，１０７ｂの偏光角度は相対的に４５°異なっていればよく、例えば、偏光子１０７ｂの偏光角度１３５°としてもよい。尚、偏光子１０７ａ，１０７ｂを市松状に配置する理由は、行列方向共に０°の偏光子と４５°の偏光子が入れ子に配置されるため、色毎のレイヤーで分割した偏光画像１に対する補間演算時の復元効果が高くなるからである。本実施形態では、以下のように２次元近似で補間してアップサンプリングする。まず、偏光子１０７ｂを備える撮像画素において偏光角度０°の画素値を取得する。この際、同じ波長帯域のカラーフィルタ２０６を有し、かつ距離が最も近い偏光子１０７ａを備える他の撮像画素からもその画素値を取得する。その後、取得した２つの画素値を用いて２次元線形近似を行う。また、上記偏光子１０７ｂを備える撮像画素の周辺にあるより広い領域の偏光子１０７ａを備える撮像画素の画素値を用いてバイキュービック法等により２次元曲線近似を行うという方法であってもよい。

（集光位置と瞳分割構造の関係）
図４は、図２の撮像画素１０２の上部における光の集光の様子を表す模式図である。

撮像画素１０２の外部からマイクロレンズ２０７に向かって複数の平行な光束４０１が入射する場合、この入射された光束４０１は撮像画素１０２の内部で集光点４０２を形成する。本実施形態の撮像画素１０２は、集光点４０２がｚ方向において第１の光電変換部２０４の中央付近に位置し、かつｘ方向において下部透明電極２０８，２０９の間に位置するように設定されている。尚、集光点４０２とは、光束４０１の断面を円形と仮定した場合にその径が最も小さくなる領域を含む微小領域を称し、例えばガウシアンビームにおけるビームウェスト領域に相当する。本実施形態では、ｘ方向に分割された下部透明電極２０８，２０９の間に集光点が位置するよう設定されているが、下部透明電極２０８，２０９の分割方向はｘ方向に限るものでない。すなわち、下部透明電極２０８，２０９の分割方向において下部透明電極２０８，２０９の間に位置するようｘｙ面内で集光点４０２を設定することが好ましい。

また、図４に示すように、本実施形態では、瞳分割構造を有する受光部として、偏光子１０７より上側にある第１の光電変換部２０４が用いられる。この理由は、第１の光電変換部２０４の光電変換により取得される通常画像で焦点調節をした方が第２の光電変換部２０２の光電変換により取得される偏光画像１で焦点調節するより精度が高くなるためである。また、瞳分割構造を有する受光部を偏光子１０７の下側にある第２の光電変換部２０２とすると、焦点調節に必要な信号を撮像素子１０６から取得できない場合があるためである。例えば、偏光子１０７の偏光方向と同じ直線偏光が撮像素子１０６に入射し、入射した光が偏光子１０７を透過できない場合がこれに該当する。このような理由より、撮像素子１０６を積層構造とし、通常画像と偏光画像１を同時に取得する場合、焦点調節を行うための瞳分割構造を有する受光部は偏光子１０７の上側に配置されることが好ましい。

さらに、本実施形態では、図５Ａに示すように、ｘｙ面内において、撮像素子１０６が取得する通常画像の画素領域５０１はｘ方向に分割された二つの下部透明電極２０８，２０９により瞳分割がされている。ただし、本発明における瞳分割の方法は本実施形態の方法に限定されない。例えば、図５Ｂに示すように、画素領域５０１は下部透明電極５０２～５０４によりｙ方向にも瞳分割がされてもよい。また、図５Ｃに示すように、画素領域５０１は図５Ｂの場合とは分割方向が４５度ずれている下部透明電極５０６～５０８により瞳分割を行ってもよい。このように瞳分割に用いられる下部透明電極の分割方向、分割数、および形状は限定されるものではない。また、第１の光電変換部２０４の上部透明電極２０５および下部透明電極２０８，２０９の材料も特に限定されない。具体的には、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）やスズドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）などがその材料として挙げられるがこれらに限るものではない。

撮像素子１０６における撮像画素１０２の位置と図５Ａに示すその瞳分割の対応関係を示した概略図を図６に示す。以下、撮像画素１０２が、撮像素子１０６において、図６向かって左側に位置する場合を撮像画素１０２ａと呼び、図６向かって右側に位置する場合を撮像画素１０２ｂと呼ぶ。

線６０４は、被写体６００ａ，６００ｂの位置を示す。

線６０５は、レンズユニット８００Ｌの結像光学系の位置を示す。

撮像面６０６は、レンズユニット８００Ｌの結像光学系を通して、被写体６００ａの被写体像が撮像画素１０２ｂに形成される位置であって、且つ、被写体６００ｂの被写体像が撮像画素１０２ａに形成される位置である。

線６０９は、撮像画素１０２ａ，１０２ｂの第１の光電変換部２０４のｚ方向における中央の位置を示す。

撮像画素１０２ａ，１０２ｂは、ｘ方向に２分割された下部透明電極２０８，２０９の夫々に対応する第１の光電変換部２０４の領域において、レンズユニット８００Ｌの結像光学系の異なる瞳部分領域６０７，６０８を通過する光束を受光する。

撮像画素１０２ａ，１０２ｂ毎に、第１の光電変換部２０４の下部透明電極２０８に対応する部分及び下部透明電極２０９に対応する部分の夫々における特定の部分からの信号を選び出す。これにより、瞳部分領域６０７，６０８の中の特定の瞳部分領域に対応した１対の画像からなる視差画像を得ることができる。例えば、撮像画素１０２ａ，１０２ｂ毎に、第１の光電変換部２０４の下部透明電極２０８に対応する部分の信号を選び出すことで、結像光学系の瞳部分領域６０７に対応した有効画素数の解像度の視差画像を得ることができる。第１の光電変換部２０４の下部透明電極２０９に対応する部分の信号についても同様である。尚、図５Ｂのように４つの下部透明電極５０２～５０５が存在している場合、視差画像は４つの異なる瞳部分領域に対応した画像により構成される。

また、撮像画素１０２ａ，１０２ｂ毎に、第１の光電変換部２０４の下部透明電極２０８に対応する部分と下部透明電極２０９に対応する部分の信号を全て加算することで、有効画素数の解像度の撮像画像を生成することができる。

なお本実施形態では、図６に示すように、撮像素子１０６の中央から離れた位置にある撮像画素１０２ｂは、撮像素子１０６の中央に位置する撮像画素１０２ｂと比べてそのマイクロレンズ２０７の位置が撮像素子１０６の中央側へ偏芯している。これは、撮像素子１０６の中央から遠い部分では結像光学系からの主光線の方向がより傾くため、この傾きに対応するためである。

（像ずれ量とデフォーカス量の関係）
以下、本実施形態に係る視差画像の像ずれ量とデフォーカス量の関係について説明する。

図７は、撮像素子により生成される視差画像間の像ずれ量とデフォーカス量の概略関係を示す図である。

撮像面６０６には図６の撮像画素１０２ａ（図７において不図示）が配置され、図６と同様に、結像光学系の射出瞳が、瞳部分領域６０７，６０８に２分割される。

デフォーカス量ｄは、被写体の結像位置から撮像面６０６までの距離である。デフォーカス量ｄは、被写体の結像位置が撮像面６０６より被写体側にある前ピン状態においては負の値となり（ｄ＜０）、被写体の結像位置が撮像面６０６より被写体の反対側にある後ピン状態においては正の値（ｄ＞０）となる。また、被写体の結像位置が撮像面６０６にある合焦状態ではｄ＝０となる。図７で、線６０４に位置する被写体７０１の結像位置は撮像面６０６にある、すなわち合焦状態（ｄ＝０）の例を示し、線７００に位置する被写体７０２の結像位置は前ピン状態にある、すなわち（ｄ＜０）の例を示す。以下、前ピン状態（ｄ＜０）と後ピン状態（ｄ＞０）はいずれも、デフォーカス状態（｜ｄ｜＞０）として表記する。

前ピン状態（ｄ＜０）では、被写体７０２からの光束のうち、瞳部分領域６０７（６０８）を通過した光束は、一度、集光した後、光束の重心位置Ｇ１（Ｇ２）を中心としてボケ幅Γ１（Γ２）に広がり、撮像面６０６で形成される被写体像はボケた像となる。ボケた像は、第１の光電変換部２０４の下部透明電極２０８，２０９の夫々に対応する領域で受光され、視差画像が生成される。すなわち生成された視差画像として、重心位置Ｇ１を中心としてボケ幅Γ１に広がるボケた被写体像の画像及び重心位置Ｇ２を中心としてボケ幅Γ２に広がるボケた被写体像の画像からなる１対の画像が記録される。被写体像のボケ幅Γ１（Γ２）は、デフォーカス状態がひどくなる、すなわち｜ｄ｜の値が増加するのに伴い、概ね、比例して増加していく。同様に、視差画像を構成する１対の画像間の被写体像の像ずれ量ｐ（＝Ｇ１－Ｇ２）の絶対値（｜ｐ｜）も、デフォーカス状態がひどくなる、すなわち｜ｄ｜の値が増加するのに伴い、概ね、比例して増加していく。尚、後ピン状態（ｄ＞０）においても、被写体像のボケ幅Γ１（Γ２）と｜ｄ｜の関係、および｜ｐ｜と｜ｄ｜の関係は同様である。合焦状態（ｄ＝０）では、視差画像を構成する１対の画像の夫々における被写体像の重心位置が一致する、すなわち像ずれ量ｐの値はゼロとなる。

従って、第１の光電変換部２０４の下部透明電極２０８,２０９の夫々に対応する部分の信号から生成される１対の画像からなる視差画像は、そのデフォーカス量ｄの絶対値（｜ｄ｜）の増加に伴い、その像ずれ量ｐの絶対値（｜ｐ｜）も比例して増加する。

このように本実施形態では、撮像素子１０６の第１の光電変換部２０４からの信号を用いて視差画像を構成する１対の画像間の像ずれ量ｐを相関演算により算出することで、撮像面位相差検出方式の焦点検出信号を用いた焦点検出を行うことができる。

以上、説明したように、通常画像から偏光画像１を減算することで偏光画像２を生成することで、通常画像と複数の偏光画像を同じ解像度で出力可能とした、撮像素子１０６およびカメラシステム（撮像装置）を提供することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で本件の実施例中にも示した種々の変形及び変更が可能である。

１０２～１０５ 撮像画素
１０６ 撮像素子
２０２ 第２の光電変換部
２０４ 第１の光電変換部
２０５ 上部透明電極
２０６ カラーフィルタ
２０７ マイクロレンズ
２０８，２０９ 下部透明電極
２１３ コンデンサー
２１６ 反射抑制膜

Claims (9)

1. 複数の撮像画素が２次元状に配列される撮像素子であって、
   前記複数の撮像画素は夫々、
   マイクロレンズと、
   前記マイクロレンズを介して受光する光の一部を透過し、その他の一部を光電変換する第１の光電変換部と、
   前記第１の光電変換部を透過した光を光電変換する第２の光電変換部と、
   前記第１の光電変換部と前記第２の光電変換部の間に配置された偏光子と、
   を備え、
   前記第１の光電変換部からの電荷に基づき通常画像を生成する第１の生成手段と、
   前記第２の光電変換部からの電荷に基づき第１の偏光画像を生成する第２の生成手段と、
   前記通常画像と前記第１の偏光画像を用いて第２の偏光画像を生成する第３の生成手段とを有することを特徴とする撮像素子。
2. 前記偏光子の前記マイクロレンズに隣接する面には反射抑制膜を配置することを特徴とする請求項１記載の撮像素子。
3. 前記偏光子は反射抑制型偏光子であることを特徴とする請求項１又は２記載の撮像素子。
4. 前記第３の生成手段は前記通常画像から前記第１の偏光画像の減算を含む演算をして前記第２の偏光画像を生成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の撮像素子。
5. 前記第１の光電変換部は電気的に複数に分割されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像素子。
6. 前記第１の光電変換部は有機光電変換膜で構成されており、その上部及び下部に透明電極が配置され、前記第１の光電変換部にかける印加電圧及びその膜厚の設定の一方により前記第１の光電変換部の透過率を制御する制御手段を更に備えることを特徴とする請求項５記載の撮像素子。
7. 前記マイクロレンズと前記有機光電変換膜の間にカラーフィルタをさらに有し、
   前記制御手段による前記第１の光電変換部の透過率の制御は、前記カラーフィルタを透過する波長帯域に応じて行われることを特徴とする請求項６記載の撮像素子。
8. 前記偏光子は、前記撮像素子において市松状に交互に配置される、偏光方向が相対的に４５°異なる２種類の偏光子により構成され、
   前記第２の生成手段は、前記撮像素子における前記撮像画素からその画素値を取得する際、同じ波長帯域の前記カラーフィルタを有し、且つその周辺にある他の撮像画素が出力した画素値を用いて補間演算して前記第１の偏光画像を生成することを特徴とする請求項７記載の撮像素子。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の撮像素子を有することを特徴とする撮像装置。

Images