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JP6222949B2 - 撮像素子および撮像装置 - Google Patents

撮像素子および撮像装置 Download PDF

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JP6222949B2
JP6222949B2 JP2013054139A JP2013054139A JP6222949B2 JP 6222949 B2 JP6222949 B2 JP 6222949B2 JP 2013054139 A JP2013054139 A JP 2013054139A JP 2013054139 A JP2013054139 A JP 2013054139A JP 6222949 B2 JP6222949 B2 JP 6222949B2
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Description

本発明は、撮像素子および撮像装置に関する。
撮影レンズの焦点状態を検出する方式の1つとして、2次元に配列された各画素にマイクロレンズが形成された撮像素子を用いた瞳分割位相差方式(撮像面位相差方式)がある。例えば、特許文献1には、撮像画素が2次元的に配列された撮像素子に、部分的に1対の焦点検出用画素を配置した構成が記載されている。1対の焦点検出用画素は、開口部を有する遮光層により、撮影レンズの射出瞳の異なる領域を受光するように構成され、瞳分割を行っている。焦点検出用画素の信号から像ずれ量を求めて焦点検出を行う。また、従来技術として、焦点検出用画素の瞳分割性能を良好にするため、焦点検出用画素のマクロレンズ曲率を、撮像画素のマイクロレンズ曲率と異ならせる構成がある。また、焦点検出用画素の受光感度を向上させるために、透過率が低下するカラーフィルタを配置しない構成がある。
特開2000−156823号公報
しかしながら、焦点検出用画素の構成が、撮像画素の構成と異なるために、斜め入射光による焦点検出用画素から隣接画素へのクロストーク光量と、撮像画素から隣接画素へのクロストーク光量とが異なる場合がある。この場合、撮影条件によっては焦点検出用画素周辺の撮像画素で光量の浮きや沈みが発生する。
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その目的は、斜め入射光による焦点検出用画素から隣接画素へのクロストーク光量と、撮像画素から隣接画素へのクロストーク光量の差異を低減する技術を実現することである。
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明の撮像素子は、結像光学系の瞳領域を通過する光束を受光する複数の撮像画素と、前記瞳領域の部分領域である瞳部分領域を通過する所定の波長成分を含む光束を受光する複数の焦点検出用画素と、を有し、前記瞳領域の重心と前記瞳部分領域の重心とが異なっている撮像素子であって、前記焦点検出用画素に前記所定の波長成分において異なる複数の分光透過率を有する前記光束が透過可能な透過部材を配置し、前記透過部材は、前記所定の波長成分において前記撮像画素に隣接する周辺部分の分光透過率が中央部分の分光透過率よりも小さくなるように構成される。
本発明によれば、斜め入射光による焦点検出用画素から隣接画素へのクロストーク光量と、撮影画素から隣接画素へのクロストーク光量の差異を低減することができる。
本発明に係る実施形態の撮像装置の構成を示す図。 本実施形態の画素配列を概略的に示す図。 本実施形態の第1焦点検出用画素の概略構成を示す平面図及び断面図。 本実施形態の第2焦点検出用画素の概略構成を示す平面図及び断面図。 本実施形態の撮像画素の概略構成を示す平面図及び断面図。 本実施形態の変形例の焦点検出用画素の概略構成を示す平面図及び断面図。 本実施形態の撮像画素と焦点検出用画素が隣接する撮像素子の断面図。 G撮像画素とR撮像画素が隣接する従来のCMOS撮像素子の平面図及び断面図。 撮像画素とW焦点検出用画素が隣接する従来のCMOS撮像素子の平面図及び断面図。 本実施形態の光軸に平行な入射光の光強度分布を例示する図。 本実施形態の透過部材の開口部の形状を例示する図。 本実施形態の瞳分割を説明する図。
以下に、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、本発明を実現するための一例であり、本発明が適用される装置の構成や各種条件によって適宜修正又は変更されるべきものであり、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。また、後述する各実施形態の一部を適宜組み合わせて構成しても良い。
本発明の撮像素子及び撮像装置は、特にデジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラ(以下、カメラ)に有用なものであり、2次元に配列された各画素にマイクロレンズが形成された撮像素子を用いて瞳分割位相差方式で焦点検出を行う。
[装置構成]図1を参照して、本発明に係る実施形態のカメラの構成について説明する。本実施形態のカメラは、撮像素子を有したカメラ本体と結像光学系が一体となっており、動画及び静止画が記録可能である。
図1において、101は結像光学系の先端に配置された第1レンズ群で、光軸方向に進退可能に保持される。102は絞り兼シャッタ(以下、絞り)で、その開口面積を調節することで撮影時の光量調節を行うほか、静止画撮影時には露光秒時調節用シャッタとしての機能も備える。103は第2レンズ群である。そして絞り102及び第2レンズ群103は一体となって光軸方向に駆動され、第1レンズ群101との連動により変倍作用(ズーム機能)を実現する。
105は第3レンズ群で、光軸方向の進退により焦点調節を行う。106は光学的ローパスフィルタで、撮影画像の偽色やモアレを軽減するための光学素子である。107はCMOS撮像素子とその周辺回路で構成されたCMOSイメージセンサ(以下、撮像素子)である。
111はズームアクチュエータで、不図示のカム筒を手動もしくはアクチュエータで回動することにより、第1レンズ群101ないし第3レンズ群103を光軸方向に駆動し、ズーム機能を実現する。112は絞りアクチュエータで、絞り102の開口面積を制御して撮影光量を調節すると共に、静止画撮影時の露光時間制御を行う。114はフォーカスアクチュエータで、第3レンズ群105を光軸方向に駆動して焦点調節を行う。
115は撮影時の被写体照明用電子フラッシュで、キセノン管を用いた閃光照明装置が好適であるが、連続発光するLEDを備えた照明装置を用いても良い。116はAF(オートフォーカス)補助光源であり、所定の開口パターンを有したマスクの像を、投光レンズを介して被写界に投影し、暗い被写体あるいは低コントラスト被写体に対する焦点検出能力を向上させる。
121はCPUで、カメラ本体の種々の制御を司るために、演算部、ROM、RAM、A/Dコンバータ、D/Aコンバータ、通信インターフェイス回路等を有する。CPU121は、ROMに記憶された所定のプログラムに基づいて、カメラが有する各種回路を駆動し、AF、撮影、画像処理と記録等の一連の動作を実行する。
122は電子フラッシュ制御回路で、撮影動作に同期して照明装置115を点灯制御する。
123は補助光源駆動回路で、焦点検出動作に同期してAF補助光源116を点灯制御する。
124は撮像素子駆動回路で、撮像素子107の撮像動作を制御し、撮像素子107から取得したアナログ画像信号をデジタル信号に変換してCPU121に出力する。125は画像処理回路で、撮像素子107から取得した画像信号のγ変換、カラー補間、画像圧縮等の処理を行い、デジタル画像データを生成する。
126はフォーカス駆動回路で、後述する焦点検出結果に基づいてフォーカスアクチュエータ114を駆動し、第3レンズ群105を光軸方向に駆動して焦点調節を行う。
128は絞り駆動回路で、絞りアクチュエータ112を駆動して絞り102の開口面積を調節する。
129はズーム駆動回路で、撮影者による操作スイッチ132を介したズーム操作に応じてズームアクチュエータ111を駆動する。
131はLCD等の表示器で、カメラの撮影モードに関する情報、撮影前のプレビュー画像と撮影後の確認用画像、焦点検出時の合焦状態表示画像等を表示する。
132は操作スイッチ群で、電源スイッチ、シャッタースイッチ、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。
133はカメラ本体に対して着脱可能なフラッシュメモリで、撮影済み画像データを記録する。
[撮像素子の構成]次に、図2を参照して、本実施形態の撮像素子の画素配列について概説する。
図2は、本実施形態の撮像素子の画素配列を、20列×20行の範囲で示している。図2に示すように、本実施形態の撮像素子は、水平方向にM画素、垂直方向にN画素がそれぞれ2次元に配列された矩形の画素群からなり、高解像度の画像データが取得可能となっている。
図2に示す2行×2列の画素群200は、R(赤)の分光透過率を有するカラーフィルタが配置された画素200Rが左上に、G(緑)の分光透過率を有するカラーフィルタ(後述する透過部材)が配置された画素200Gが右上と左下に、B(青)の分光透過率を有するカラーフィルタが配置された画素200Bが右下にそれぞれ配置されている。また、図2に示す2行×2列の焦点検出用画素群210(220、230、240、250)は、右上と左下の2画素にGの分光透過率を有するカラーフィルタが配置された撮像画素210G(220G、230G、240G、250G)と、左上に白色(W)の分光透過率を有する透過部材が配置された第1焦点検出用画素210SA(220SA、230SA、240SA、250SA)と、右下に白色(W)の分光透過率を有する透過部材が配置された第2焦点検出用画素210SB(220SB、230SB、240SB、250SB)が配置されている。なお、本実施形態では、カラーフィルタは透過部材に含まれる。焦点検出用画素は、後述するように、遮光層で部分領域である瞳部分領域を通過する光束を受光するように設計されるので、受光感度を保つために分光透過率の大きい透過部材が配置されることが一般的である。
[画素構成]次に、図3乃至図5を参照して、焦点検出用画素群230の構成について説明する。
図3(a)は図2に示す撮像素子の1つの第1焦点検出用画素230SAを、撮像素子の受光面側(+z側)から見た平面図であり、図3(b)は図3(a)のa−a断面図である。また、図4(a)は図2に示す撮像素子の1つの第2焦点検出用画素230SBを、撮像素子の受光面側(+z側)から見た平面図であり、図4(b)は図4(a)のb−b断面図である。また、図5(a)は図2に示す撮像素子の1つの撮像画素230Gを、撮像素子の受光面側(+z側)から見た平面図であり、図5(b)は図5(a)のc−c断面図である。
図示のように、第1焦点検出用画素230SA、第2焦点検出用画素230SBおよび撮像画素230Gは、p型層300とn型層301の間にn−イントリンシック層302を挟んだpin構造の光電変換部(以下、フォトダイオード(PD))が形成される。PDの領域は、n−イントリンシック層302に形成される空乏層とその周辺に少数キャリアの拡散距離だけ拡がった領域であり、概ね、n−イントリンシック層302とn型層301を合わせた領域と重なる。必要に応じて、n−イントリンシック層302を省略し、pn接合PDとしても良い。
各画素の受光側には、入射光を集光するためのマイクロレンズ305が形成される。
図3に示す第1焦点検出用画素230SAでは、マイクロレンズ305とPDとの間に、第1開口部331aを有する第1遮光層330aが形成され、PDの受光面の重心に対し、第1開口部331aの重心が−x方向に偏心して構成される。
一方、図4に示す第2焦点検出用画素230SBでは、マイクロレンズ305とPDとの間に、第2開口部331bを有する第2遮光層330bが形成され、PDの受光面の重心に対し、第2開口部331bの重心が+x方向に偏心して構成される。このように、第1遮光層330aの第1開口部331aの重心と第2遮光層330bの第2開口部331bの重心が異なるように構成している。また、第1遮光層330aの第1開口部331aの重心と第2遮光330bの第2開口部331bの重心の平均値がPDの受光面の重心と概ね一致するように構成される。
図5に示す撮像画素230Gでは、マイクロレンズ305とPDとの間に、開口部331cを有する遮光層330cが形成され、PDの受光面の重心と開口部331cの重心が一致するように構成される。
図12(a)、(b)の400は結像光学系の射出瞳、500は撮像画素230Gの瞳強度分布(瞳領域)、530aは第1焦点検出用画素230SAの瞳強度分布(第1瞳部分領域)、530bは第2焦点検出用画素230SBの瞳強度分布(第2瞳部分領域)である。被写体からの光束は、結像光学系の射出瞳400を通過してそれぞれの画素に入射する。
図12(c)の撮像画素230Gの瞳領域500は、PDの受光面と、マイクロレンズ305によって、概ね、共役関係になっており、撮像画素230Gで受光可能な瞳領域となっている。この場合、瞳距離が数10mmであるのに対し、マイクロレンズ305の直径は数μmであるため、マイクロレンズ305の絞り値が数万となり、数10mmレベルの回折ボケが生じる。よって、PDの受光面の像は、明瞭な領域とならずに、受光率分布となる。
撮像画素230Gの瞳領域500は、結像光学系の射出瞳400を通過した光束をより多く受光できるように可能な限り大きく、また、瞳領域500の重心が、所定の瞳距離で結像光学系の光軸と概ね一致するように構成されている。
図12(a)の第1焦点検出用画素230SAの第1瞳部分領域530aは、第1遮光層330aの重心が−x方向に偏心している第1開口部331aと、マイクロレンズ305によって、概ね、共役関係になっている。これにより、第1瞳部分領域530aは、第1焦点検出用画素230SAで受光可能な瞳部分領域となっている。第1焦点検出用画素230SAの第1瞳部分領域530aは、撮像画素230Gの瞳領域500より小さく、瞳面上で+X側に重心が偏心している。
図12(b)の第2焦点検出用画素230SBの第2瞳部分領域530bは、第2遮光層330bの重心が+x方向に偏心している第2開口部331bと、マイクロレンズ305によって、概ね、共役関係になっている。これにより、第2瞳部分領域530bは、第2焦点検出用画素230SBで受光可能な瞳領域となっている。第2焦点検出用画素230SBの第2瞳部分領域530bは、撮像画素の瞳領域500より小さく、瞳面上で−X側に重心が偏心している。
第1焦点検出用画素230SAの第1瞳部分領域530aの重心と第2焦点検出用画素230SBの第2瞳部分領域530bの重心は異なっているため、反対方向に偏心している。これにより、結像光学系の射出瞳400をX方向に瞳分割することができる。同様にして、第1遮光層330aの第1開口部331aの重心を−y方向に偏心させ、第2遮光層330bの第2開口部331bの重心を+y方向に偏心させると、結像光学系の射出瞳400をY方向に瞳分割することができる。
本実施形態では、第1瞳部分領域530aの重心と第2瞳領域530bの重心が異ならせ、第1瞳部分領域530aの重心と第2瞳領域530bの重心との平均を、所定の瞳距離で、瞳領域500の重心と概ね一致させている。
上述した本実施形態の撮像素子は、結像光学系の瞳領域を通過する光束を受光する複数の撮像画素と、瞳領域の部分領域である瞳部分領域を通過する光束を受光する複数の焦点検出用画素とを有し、瞳領域の重心と瞳部分領域の重心とが異なるように構成される。そして、遮光層により部分領域のみを通過した光束がPDに受光され、PDでの受光光量が低下するので、焦点検出用画素の透過部材には分光透過率の大きい透過部材、または吸光のない素材で構成されることが望ましい。
本実施形態では、図3及び図4に示す焦点検出用画素230SA、230SBには、異なる分光透過率を有する2つの透過部材340a、340bが配置される。つまり、本実施形態では、焦点検出用画素に異なる複数の分光透過率を有する透過部材が配置される。透過部材340bは、分光透過率の大きい透過部材とすることで受光率が低下しないようにすることが望ましい。さらに、本実施形態では、カラーフィルタを形成するためのフォトリソプロセス数を増加させず、製造プロセスを簡略化するために、透過部材340bは、透過部材340bの上下の部材と同じ部材が充填されて構成される。
反対に、透過部材340aは斜め入射光による隣接画素へのクロストーク光量を抑制するために、透過部材340bよりも分光透過率を小さくするか、隣接画素と同じ分光透過率とするか、2つ隣の画素(第2隣接画素)と同じ分光透過率とする。
図3(a)及び図4(a)では透過部材340aにおける透過部材340bが充填される開口部は、図11(a)に示すような四角形状であるが、図11(b)に示すような円形状でも良い。
図10に、マイクロレンズの光軸に平行に光が入射した場合の焦点検出用画素内の光強度分布の例を示す。ここで、Pは画素周期、fはマイクロレンズの焦点距離、dは透過部材の開口部の開口径、hは透過部材とマイクロレンズ焦点位置との距離、Hはマイクロレンズの主点である。図3及び図4の透過部材340aの開口部340bの開口径dは、マイクロレンズの光軸に平行に光が入射した場合の焦点検出用画素の受光感度が低下しないように、概ね、式(1)の条件を満たすように構成することが望ましい。画素周期Pが4.3μm、マイクロレンズの焦点距離fが6.5μm、透過部材とマイクロレンズ焦点位置との距離hが3.9μmの例では、透過部材の開口部の開口径dは2.73μmである。
d=h/√{(f/p)2−1/4}・・・(1)
図3及び図4の透過部材340aの開口部340bは、図3の遮光層330a(図4の遮光層330b)の開口部331a、331bの光軸からの偏心量などに合わせて、光軸から偏心させて構成しても良い。
比較のために、図8及び図9を用いて従来の構成について説明する。
図8(a)はG撮像画素とR撮像画素が隣接する従来のCMOS撮像素子の平面図、図8(b)は図8(a)のd−d断面であって、R撮像画素に入射光が斜めに入射した場合の画素内部での光強度分布の一例を示している。一方、図9(a)は撮像画素と白色(W)焦点検出用画素が隣接する従来のCMOS撮像素子の平面図、図9(b)は図9(a)のe−e断面であって、W焦点検出用画素に入射光が斜めに入射した場合の画素内部での光線(図中の矢印)の光路の一例を示している。図8及び図9の340G、340W、340Rは透過部材であり、一般的にはベイヤー配列の規則に即したカラーフィルタが配置される。図8(b)と図9(b)を比較すると、斜め入射光による隣接画素へのクロストーク光量が、図9(b)の方が多くなる。このように、焦点検出用画素の構成が、撮影画素の構成と異なることにより、斜め入射光による焦点検出用画素から隣接画素へのクロストーク光量と、撮影画素から隣接画素へのクロストーク光量が異なってしまう。
[効果の説明]次に、図7を参照して、本実施形態の効果について説明する。
図7は本実施形態の撮像画素と焦点検出用画素が隣接する撮像素子の断面図であって、入射光が斜めに入射した場合の画素内部での光強度分布の一例を示している。
図7に示すように、焦点検出用画素の透過部材340aの分光透過率は、、第2隣接画素(2つ隣のR撮像画素)のRカラーフィルタの分光透過率と同じであり、透過部材340bの分光透過率は白色(W)の分光透過率となっている。本実施形態の焦点検出用画素では、周辺部分の透過部材340aは可視域の分光透過率が小さく、中央部分の透過部材340bは可視域の分光透過率が大きくなるように構成される。また、焦点検出用画素の透過部材の一部(開口部)は、焦点検出用画素の受光感度を保つために、可視域の分光透過率が撮像画素よりも大きい。
本実施形態の構成により、図9(b)の従来例で生じていた斜め入射光による隣接画素へのクロストーク光が、可視域の分光透過率が小さい透過部材340aにより吸収され、減少する。図7の構成と図9(b)の従来例とを比較すると、図7の構成によって焦点検出用画素から隣接画素へのクロストーク光量が低減されるので、図8(b)の撮影画素から隣接画素へのクロストーク光量による差異が低減される。
このように、本実施形態によれば、斜め入射光による焦点検出用画素から隣接画素へのクロストーク光量と、撮影画素から隣接画素へのクロストーク光量の差異を低減することができる。
焦点検出用画素から隣接画素へのクロストーク光量と、撮影画素から隣接画素へのクロストーク光量の差異をより低減するために、焦点検出用画素の透過部材340aの分光透過率は、撮像素子全体の透過部材の配列(例えば、ベイヤー配列)に即して設定され、第2隣接画素(2つ隣の画素)の透過部材の分光透過率と同等であることが望ましい。
また、図6に示すように、隣接撮像画素の透過部材340に対して、焦点検出用画素の透過部材340aの一部が重なり合った構成となっても良い。
また、製造プロセスを簡略化するために、焦点検出用画素に隣接する撮像画素の透過部材340の分光透過率と焦点検出用画素の透過部材340bの分光透過率とを同等としても良い。
以上説明したように、本実施形態によれば、斜め入射光による焦点検出用画素から隣接画素へのクロストーク光量と、撮影画素から隣接画素へのクロストーク光量の差異を低減することができる。

Claims (12)

  1. 結像光学系の瞳領域を通過する光束を受光する複数の撮像画素と、
    前記瞳領域の部分領域である瞳部分領域を通過する所定の波長成分を含む光束を受光する複数の焦点検出用画素と、を有し、
    前記瞳領域の重心と前記瞳部分領域の重心とが異なっている撮像素子であって、
    前記焦点検出用画素に前記所定の波長成分において異なる複数の分光透過率を有する前記光束が透過可能な透過部材を配置し、
    前記透過部材は、前記所定の波長成分において前記撮像画素に隣接する周辺部分の分光透過率が中央部分の分光透過率よりも小さくなるように構成されることを特徴とする撮像素子。
  2. 前記中央部分の分光透過率を有する透過部材は、当該透過部材の上下の部材と同じ部材で構成されることを特徴とする請求項1に記載の撮像素子。
  3. 前記中央部分の分光透過率は、白色の分光透過率であることを特徴とする請求項1に記載の撮像素子。
  4. 前記周辺部分の分光透過率は、前記焦点検出用画素と隣接する撮像画素の透過部材と同じ分光透過率を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の撮像素子。
  5. 前記焦点検出用画素の透過部材は、前記焦点検出用画素と隣接する撮像画素の透過部材に対して一部が重なり合っていることを特徴とする請求項4に記載の撮像素子。
  6. 前記周辺部分の分光透過率は、撮像素子全体の透過部材の配列に即して設定され、2つ隣の第2隣接画素の透過部材と同じ分光透過率を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の撮像素子。
  7. 前記焦点検出用画素は、第1焦点検出用画素と第2焦点検出用画素を含み、
    前記第1焦点検出用画素の第1瞳部分領域の重心と、前記第2焦点検出用画素の第2瞳部分領域の重心とを光軸に対して互いに反対方向に偏心させ、
    前記第1瞳部分領域の重心と、前記第2瞳部分領域の重心とを所定の瞳距離で平均することで、前記瞳領域の重心と一致させていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の撮像素子。
  8. 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の撮像素子と、
    前記焦点検出用画素からの信号を用いて焦点検出を行う焦点検出手段と、
    前記焦点検出手段による検出結果に応じて合焦状態になるように前記結像光学系を制御する制御手段と、を有することを特徴とする撮像装置。
  9. 前記焦点検出手段は、前記焦点検出用画素を用いて瞳分割位相差方式の焦点検出を行うことを特徴とする請求項8に記載の撮像装置。
  10. 結像光学系の瞳領域を通過する光束を受光する複数の撮像画素と、前記撮像画素の近傍の焦点検出用画素と、を有する撮像素子であって、
    前記撮像画素に所定の波長成分における分光透過率を有するカラーフィルタを配置し、
    前記焦点検出用画素に前記所定の波長成分における前記カラーフィルタと異なる分光透過率を有する第1の透過部材と、前記第1の透過部材の周辺部分であって前記焦点検出用画素の近傍の撮像画素のカラーフィルタの分光透過率と略一致する第2の透過部材とを配置することを特徴とする撮像素子。
  11. 前記焦点検出用画素の近傍の撮像画素は前記焦点検出用画素に隣接することを特徴とする請求項10に記載の撮像素子。
  12. 前記焦点検出用画素の近傍の撮像画素は前記焦点検出用画素の2つ隣に位置することを特徴とする請求項10に記載の撮像素子。
JP2013054139A 2013-03-15 2013-03-15 撮像素子および撮像装置 Expired - Fee Related JP6222949B2 (ja)

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