JP4867566B2

JP4867566B2 - 撮像素子、焦点検出装置および撮像装置

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Publication number: JP4867566B2
Application number: JP2006283600A
Authority: JP
Inventors: 洋介日下
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2006-10-18
Filing date: 2006-10-18
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2026-10-18
Also published as: JP2008103885A

Description

本発明は、撮像素子、焦点検出装置および撮像装置に関する。

撮像素子の一部の領域にマイクロレンズとその背後に配置された一対の光電変換部とからなる焦点検出用画素を配列し、この撮像素子を光学系の予定焦点面に配置して瞳分割位相差検出方式で光学系の焦点調節状態を検出するようにした焦点検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この出願の発明に関連する先行技術文献としては次のものがある。
特開平０１−２１６３０６号公報

上述した従来の焦点検出装置では、撮像素子の各画素から出力の読み出しを行う場合に、焦点検出用画素には２つの光電変換部が存在するため、通常の読出しシーケンスでは２つの光電変換部の信号を独立に読み出すことができないという問題がある。

請求項１の発明は、撮像光学系を通過した被写体光束を受光する撮像素子であって、二次元状に配置された複数の撮像画素と、前記複数の撮像画素の間に所定の配列方向に互いに交互に隣接配置され、同一の分光感度を有する複数の第１及び第２の焦点検出画素と、を備え、前記撮像画素は、マイクロレンズと、前記マイクロレンズを介して前記被写体光束を受光する一つの光電変換部と、前記光電変換部からの撮像信号を出力する出力部とを有し、前記第１の焦点検出画素の各々は、前記被写体光束を、前記撮像光学系の瞳の第１及び第２の瞳領域をそれぞれ通過する一対の光束に瞳分割するマイクロレンズと、前記第１の瞳領域を通過した光束を受光する第１の光電変換部と、前記第２の瞳領域を通過した光束を受光する第２の光電変換部と、出力部とを有し、前記第２の焦点検出画素の各々は、前記被写体光束を、前記撮像光学系の前記第１及び第２の瞳領域をそれぞれ通過する一対の光束に瞳分割するマイクロレンズと、前記第１の瞳領域を通過した光束を受光する第１の光電変換部と、前記第２の瞳領域を通過した光束を受光する第２の光電変換部と、出力部とを有し、互いに隣接する前記第１及び第２の焦点検出画素は、それぞれの前記第１及び第２の光電変換部が前記所定の配列方向に並置され、かつ、前記第１の焦点検出画素の出力部が、前記第１の焦点検出画素の第１の光電変換部の出力信号と前記第２の焦点検出画素の第１の光電変換部の出力信号との加算出力を出力すると共に、前記第２の焦点検出画素の出力部が、前記第１の焦点検出画素の第２の光電変換部の出力信号と前記第２の焦点検出画素の第２の光電変換部の出力信号との加算出力を出力することを特徴とする。
請求項２の発明は、撮像光学系を通過した被写体光束を受光する撮像素子であって、二次元状に配置された複数の撮像画素と、前記複数の撮像画素の間に所定の配列方向に互いに交互に隣接配列され、同一の分光感度を有する複数の第１及び第２の焦点検出画素と、を備え、前記撮像画素は、一つの光電変換部と、前記光電変換部からの撮像信号を出力する出力部とを有し、前記第１及び第２の焦点検出画素の各々は、第１及び第２の光電変換部と、出力部とを有し、互いに隣接した第１及び第２の焦点検出画素は、それぞれの前記第１及び第２の光電変換部が前記所定の配列方向に並置され、かつ、前記第１の焦点検出画素の前記出力部が前記第１の焦点検出画素の第１の光電変換部の出力信号と前記第２の焦点検出画素の第１の光電変換部の出力信号との加算出力を出力すると共に、前記第２の焦点検出画素の出力部が、前記第１の焦点検出画素の第２の光電変換部の出力信号と前記第２の焦点検出画素の第２の光電変換部の出力信号との加算出力を出力し、前記第１及び第２の焦点検出画素には、前記所定の配列方向に垂直な方向に、前記撮像画素が隣接配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、撮像素子上の焦点検出用画素から画素単位で出力信号を読み出すことができ、画像信号の読み出し回路が複雑になるのを避けることができる。

本願発明の一実施の形態による撮像装置をデジタルスチルカメラに適用した例を説明する。図１は一実施の形態の構成を示す。一実施の形態のデジタルスチルカメラ２０１は交換レンズ２０２とカメラボディ２０３から構成され、交換レンズ２０２はマウント部２０４によりカメラボディ２０３に装着される。

交換レンズ２０２はレンズ駆動制御装置２０６、ズーミング用レンズ２０８、レンズ２０９、フォーカシング用レンズ２１０、絞り２１１などを備えている。レンズ駆動制御装置２０６は、マイクロコンピューターとメモリなどの周辺部品から成り、フォーカシング用レンズ２１０と絞り２１１の駆動制御、絞り２１１、ズーミング用レンズ２０８およびフォーカシング用レンズ２１０の状態検出、後述するボディ駆動制御装置２１４に対するレンズ情報の送信とカメラ情報の受信などを行う。

カメラボディ２０３は撮像素子２１２、ボディ駆動制御装置２１４、液晶表示素子駆動回路２１５、液晶表示素子２１６、接眼レンズ２１７、メモリカード２１９などを備えている。撮像素子２１２には後述する画素が二次元状に配列されており、交換レンズ２０２の予定結像面に配置されて交換レンズ２０２により結像される被写体像を撮像する。なお、詳細を後述するが撮像素子２１２の所定の焦点検出位置には焦点検出用画素が配列される。

ボディ駆動制御装置２１４はマイクロコンピューターとメモリなどの周辺部品から構成され、撮像素子２１２からの画像信号の読み出し、画像信号の補正、交換レンズ２０２の焦点調節状態の検出、レンズ駆動制御装置２０６からのレンズ情報の受信とカメラ情報（デフォーカス量）の送信、ディジタルスチルカメラ全体の動作制御などを行う。ボディ駆動制御装置２１４とレンズ駆動制御装置２０６は、マウント部２０４の電気接点部２１３を介して通信を行い、各種情報の授受を行う。

液晶表示素子駆動回路２１５は、電子ビューファインダー（ＥＶＦ：電気的ビューファインダー）の液晶表示素子２１６を駆動する。撮影者は接眼レンズ２１７を介して液晶表示素子２１６に表示された像を観察することができる。メモリカード２１９はカメラボディ２０３に脱着可能であり、画像信号を格納記憶する可搬記憶媒体である。

交換レンズ２０２を通過して撮像素子２１２上に形成された被写体像は、撮像素子２１２により光電変換され、その出力はボディ駆動制御装置２１４へ送られる。ボディ駆動制御装置２１４は、撮像素子２１２上の焦点検出画素の出力データに基づいて所定の焦点検出位置におけるデフォーカス量を算出し、このデフォーカス量をレンズ駆動制御装置２０６へ送る。また、ボディ駆動制御装置２１４は、撮像素子２１２の出力に基づいて生成した画像信号をメモリカード２１９に格納するとともに、画像信号を液晶表示素子駆動回路２１５へ送り、液晶表示素子２１６に画像を表示させる。

カメラボディ２０３には不図示の操作部材（シャッターボタン、焦点検出位置の設定部材など）が設けられており、これらの操作部材からの操作状態信号をボディ駆動制御装置２１４が検出し、検出結果に応じた動作（撮像動作、焦点検出位置の設定動作、画像処理動作）の制御を行う。

レンズ駆動制御装置２０６はレンズ情報をフォーカシング状態、ズーミング状態、絞り設定状態、絞り開放Ｆ値などに応じて変更する。具体的には、レンズ駆動制御装置２０６は、レンズ２０８、２１０の位置と絞り２１１の絞り位置をモニターし、モニター情報に応じてレンズ情報を演算したり、あるいは予め用意されたルックアップテーブルからモニター情報に応じたレンズ情報を選択する。レンズ駆動制御装置２０６は、受信したデフォーカス量に基づいてレンズ駆動量を算出し、このレンズ駆動量に基づいてフォーカシングレンズ２１０を不図示のモーター等の駆動源により合焦点へと駆動する。

図２は、後述する焦点検出画素列が焦点検出を行う際に画面上で像をサンプリングする領域（焦点検出エリア、焦点検出位置）を示す。画面１００の中央に焦点検出エリア１０１が配置される。長方形で示す焦点検出エリアの長手方向に焦点検出画素が直線的に配列される。

図３は撮像素子２１２の詳細な構成を示す正面図であり、撮像素子２１２上の焦点検出エリア近傍を拡大して示す。図において、縦横は図２の画面１００の縦横に対応している。撮像素子２１２は、撮像用の撮像画素３１０と、焦点検出用の焦点検出画素３１１とから構成される。

撮像画素３１０は、図４に示すようにマイクロレンズ１０、光電変換部１１、不図示の色フィルタから構成される。色フィルタは赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３種類からなり、それぞれの分光感度は図６に示す特性を有している。各色フィルタを備えた撮像画素３１０がベイヤー配列されている。

一方、焦点検出画素３１１は、図５に示すようにマイクロレンズ１０、一対の光電変換部１２，１３から構成される。焦点検出画素３１１には光量をかせぐために色フィルタは配置されておらず、その分光特性は図７に示すように光電変換を行うフォトダイオードの分光感度と、赤外カットフィルタ（不図示）の分光特性とを総合した分光特性になる。この分光特性は、図６に示す緑画素、赤画素および青画素の分光特性を加算したような分光特性であり、その感度の光波長領域は緑画素、赤画素および青画素の感度の光波長領域を包括している。

撮像画素３１０の光電変換部１１は、マイクロレンズ１０により最も明るい交換レンズの射出瞳（例えばＦ１．０）を通過する光束をすべて受光するような形状に設計される。また、焦点検出画素３１１の一対の光電変換部１２、１３は、マイクロレンズ１０により所定の絞り開口径（例えばＦ２．８）の光束を受光するような形状に設計される。

図３に示すように、２次元平面上に配置された撮像画素３１０にはＲＧＢのベイヤー配列の色フィルタが備えられる。焦点検出画素３１１は、図２に示す焦点検出エリア１０１に対応する領域の、撮像画素３１０のＢとＧが配置されるべき行に直線的に配置される。

図８は撮像画素３１０の断面を示す。撮像画素３１０において、撮像用の光電変換部１１の前方にマイクロレンズ１０が配置され、マイクロレンズ１０により光電変換部１１の像が前方に投影される。光電変換部１１は半導体回路基板２９上に形成される。また、不図示の色フィルタはマイクロレンズ１０と光電変換部１１の中間に配置される。

図９は焦点検出画素３１１の断面を示す。焦点検出用画素３１１において、焦点検出用の光電変換部１２、１３の前方にマイクロレンズ１０が配置され、マイクロレンズ１０により光電変換部１２、１３の像が前方に投影される。光電変換部１２、１３は半導体回路基板２９上に形成される。

図１０はマイクロレンズを用いた瞳分割方式による焦点検出の説明図である。９０は交換レンズの予定結像面に配置されたマイクロレンズの前方ｄ０の距離に設定された射出瞳であり、距離ｄ０はマイクロレンズの曲率、屈折率、マイクロレンズと光電変換部の間の距離などに応じて決まる距離であって、以下では測距瞳距離と呼ぶ。９１は交換レンズ２０２の光軸、５０，６０はマイクロレンズ、５２，５３、６２，６３は焦点検出画素の一対の光電変換部、７２，７３、８２，８３は焦点検出光束である。また、９２はマイクロレンズ５０、６０により投影された光電変換部５２，６２の領域（以下では測距瞳と呼ぶ）、９３はマイクロレンズ５０、６０により投影された光電変換部５３，６３の領域（以下では測距瞳と呼ぶ）。

図１０では、便宜的に光軸上にある焦点検出画素（マイクロレンズ５０と一対の光電変換部５２、５３からなる）と、隣接する焦点検出画素（マイクロレンズ６０と一対の光電変換部６２、６３からなる）とを模式的に例示しているが、焦点検出画素が画面周辺の光軸から離れた位置にあった場合でも、一対の光電変換部はそれぞれ一対の測距瞳から各マイクロレンズに到来する光束を受光する。焦点検出画素の配列方向は、一対の測距瞳の並び方向すなわち一対の光電変換部の並び方向と一致させる。

マイクロレンズ５０、６０は光学系の予定結像面近傍に配置されており、マイクロレンズ５０によりその背後に配置された一対の光電変換部５２、５３の形状がマイクロレンズ５０、６０から投影距離ｄ０だけ離間した射出瞳９０上に投影され、その投影形状は測距瞳９２，９３を形成する。マイクロレンズ６０によりその背後に配置された一対の光電変換部６２、６３の形状が投影距離ｄ０だけ離間した射出瞳９０上に投影され、その投影形状は測距瞳９２，９３を形成する。すなわち、投影距離ｄ０にある射出瞳９０上で各焦点検出画素の光電変換部の投影形状（測距瞳９２，９３）が一致するように各画素の投影方向が決定されている。一対の測距瞳９２，９３と一対の光電変換部（５２、５３）および一対の光電変換部（６２、６３）は、マイクロレンズ５０，６０を介して共役な関係となっている。

光電変換部５２は測距瞳９２を通過し、マイクロレンズ５０に向う焦点検出光束７２によりマイクロレンズ５０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。光電変換部５３は測距瞳９３を通過し、マイクロレンズ５０に向う焦点検出光束７３によりマイクロレンズ５０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。光電変換部６２は測距瞳９２を通過し、マイクロレンズ６０に向う焦点検出光束８２によりマイクロレンズ６０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。光電変換部６３は測距瞳９３を通過し、マイクロレンズ６０に向う焦点検出光束８３によりマイクロレンズ６０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。

上述した焦点検出画素を直線状に多数配置し、各画素の一対の光電変換部の出力を測距瞳９２および測距瞳９３に対応した出力グループにまとめることによって、測距瞳９２と測距瞳９３を各々通過する焦点検出光束が焦点検出画素列上に形成する一対の像の強度分布に関する情報が得られる。この情報に対して後述する像ズレ検出演算処理（相関演算処理、位相差検出処理）を施すことにより、いわゆる瞳分割位相差検出方式で一対の像の像ズレ量が検出される。さらに、像ズレ量に一対の測距瞳の重心間隔に応じた変換演算を行うことにより、予定結像面に対する現在の結像面（予定結像面上のマイクロレンズアレイの位置に対応した焦点検出位置における結像面）の偏差（デフォーカス量）が算出される。

なお、上記説明では測距瞳は絞り開口によって制限されていない状態として説明を行ったが、実際には測距瞳は絞り開口によって制限された形状、大きさになる。

図１１は撮像画素と射出瞳の関係を説明する図である。なお、図１０に示す同様な要素に対しては説明を省略する。７０はマイクロレンズ、７１は撮像画素の光電変換部、８１は撮像光束、９４はマイクロレンズ７０により投影された光電変換部７１の領域である。図１１では、光軸９１上にある撮像画素（マイクロレンズ７０と光電変換部７１からなる）を模式的に例示したが、その他の撮像画素においても光電変換部はそれぞれ領域９４から各マイクロレンズに到来する光束を受光する。

マイクロレンズ７０は光学系の予定結像面近傍に配置されており、光軸９１上に配置されたマイクロレンズ７０によりその背後に配置された光電変換部７１の形状がマイクロレンズ７０から投影距離ｄ０だけ離間した射出瞳９０上に投影され、その投影形状は領域９４を形成する。光電変換部７１は領域９４を通過し、マイクロレンズ７０に向う焦点検出光束８１によりマイクロレンズ７０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。このような撮像画素を二次元状に多数配置することによって、各画素の光電変換部に基づいて画像情報が得られる。なお、上記説明では領域９４は絞り開口によって制限されていない状態として説明を行ったが、実際には領域９４は絞り開口によって制限された形状、大きさになる。

図１２は焦点検出画素の出力関係を説明するための図である。隣接する焦点検出画素３２１、３３１を例にとって、一対の光電変換部の出力関係について説明する。図１０に示す測距瞳９２を通過する光束を受光する焦点検出画素３２１の光電変換部３２２と、焦点検出画素３３１の光電変換部３３２の出力は合成加算され、焦点検出画素３３１の位置の画素信号として出力される。一方、図１０に示す測距瞳９３を通過する光束を受光する焦点検出画素３２１の光電変換部３２３と、焦点検出画素３３１の光電変換部３３３の出力は合成加算され、焦点検出画素３２１の位置の画素信号として出力される。

図１３は撮像画素の詳細な回路図、図１４は撮像画素の素子構造を示す平面図である。撮像画素３１０の光電変換部はフォトダイオード（ＰＤ）で構成される。フォトダイオードＰＤで蓄積された電荷は、浮遊拡散層（フローティングディフュージョン：ＦＤ）に蓄積される。フォトダイオードＦＤは増幅ＭＯＳトランジスタ（ＡＭＰ）のゲートに接続されており、ＡＭＰはＦＤに蓄積された電荷の量に応じた信号を発生する。ＦＤ部はリセットＭＯＳトランジスタ５１０を介して電源電圧Ｖｄｄに接続されており、制御信号ΦＲｎによりリセットＭＯＳトランジスタ５１０がオンし、ＦＤおよびＰＤに溜まった電荷がクリアされリセット状態となる。ＡＭＰの出力は行選択ＭＯＳトランジスタ５１２を介して垂直出力線５０１に接続されており、制御信号ΦＳｎにより行選択ＭＯＳトランジスタ５１２がオンし、ＡＭＰの出力が垂直出力線５０１に出力される。

図１５は焦点検出画素の詳細な回路図、図１６は焦点検出画素の素子構造を示す平面図である。ここでは、隣接する焦点検出画素３２１，３３１を例にとって説明する。焦点検出画素３２１の一対の光電変換部は、フォトダイオードＰＤ１ａとＰＤ２ａで構成される。また、焦点検出画素３３１の一対の光電変換部は、フォトダイオードＰＤ１ｂとＰＤ２ｂで構成される。ＰＤ１ａおよびＰＤ１ｂで蓄積された電荷は、浮遊拡散層（フローティングディフュージョン）ＦＤａに蓄積される。また、ＰＤ２ａおよびＰＤ２ｂで蓄積された電荷は、浮遊拡散層（フローティングディフュージョン）ＦＤｂに蓄積される。

ＦＤａおよびＦＤｂは増幅ＭＯＳトランジスタＡＭＰａおよびＡＭＰｂのゲートに接続されており、ＡＭＰａおよびＡＭＰｂはＦＤａおよびＦＤｂに蓄積された電荷の量に応じた信号を発生する。ＦＤａおよびＦＤｂはリセットＭＯＳトランジスタ５１０を介して電源電圧Ｖｄｄに接続されており、制御信号ΦＲ３によりリセットＭＯＳトランジスタ５１０がオンし、ＦＤａ、ＦＤｂおよびＰＤａ、ＰＤｂに溜まった電荷がクリアされリセット状態となる。ＡＭＰａおよびＡＭＰｂの出力は行選択ＭＯＳトランジスタ５１２を介して垂直出力線５０１に接続されており、制御信号ΦＳ３により行選択ＭＯＳトランジスタ５１２がオンし、ＡＭＰａおよびＡＭＰｂの出力が垂直出力線５０１に出力される。

図１７は撮像素子の回路構成を示す概念図である。ここでは、撮像素子全体の回路構成を、模式的に画素数が４画素×４画素であるとして説明する。画素の配置は４画素×４画素のレイアウトになっており、焦点検出画素３１１は２画素が３行目の２列目と３列目に配置され、その他は撮像画素３１０である。信号保持部５０２は１行分の画素の画像信号を一時的保持するバッファであり、垂直信号線５０１に出力されている画像信号を垂直走査回路５０３が発する制御信号ΦＨに基づいてラッチする。

撮像画素３１０の電荷蓄積は、蓄積制御回路５０４が発する制御信号（ΦＲ１〜ΦＲ４）により行ごとに制御される。撮像画素３１０および焦点検出画素３１１からの画像信号の出力は、垂直走査回路５０３が発する制御信号（ΦＳ１〜ΦＳ４）により行ごとに独立に制御される。制御信号により選択された画素の画像信号は、垂直信号線５０１に出力される。信号保持部５０２に保持された画像信号は水平転送回路５０５が発する制御信号（ΦＶ１〜ΦＶ４）により、順次出力回路５０５へ転送され、出力回路５０６で設定された増幅度で増幅されて外部に出力される。

図１８は、図１７に示す撮像素子の動作タイミングチャートである。１行目の撮像画素３１０は垂直走査回路５０３が発する制御信号ΦＳ１により選択され、選択された撮像画素３１０の画像信号は垂直信号線５０１に出力される。制御信号ΦＳ１と同期して発せられる制御信号ΦＨにより、垂直信号線５０１に出力された１行目の画像信号は信号保持部５０２に一時的に保持される。信号保持部５０２に保持された１行目の撮像画素の画像信号は、水平走査回路５０５から順次発せられる制御信号ΦＶ１〜ΦＶ４にしたがって出力回路５０６に転送され、出力回路５０６で設定された増幅度で増幅された外部に出力される。

１行目の撮像画素３１０の画像信号の信号保持部への転送が終了した時点で、蓄積制御回路５０４より発せられる制御信号ΦＲ１により１行目の撮像画素がリセットされ、１行目の撮像画素３１０の次の電荷蓄積が開始される。１行目の撮像画素３１０の画像信号の出力回路からの出力が終了した時点で、２行目の撮像画素３１０は垂直走査回路５０３が発する制御信号ΦＳ２により選択され、選択された撮像画素３１０の画像信号は垂直信号線５０１に出力される。

以下同様にして２行目の撮像画素３１０の画像信号の保持および撮像画素のリセット、画像信号の出力が行われる。続いて３行目の撮像画素３１０と焦点検出画素３１１の画像信号の保持および撮像画素のリセット、撮像画素３１０と焦点検出画素３１１の画像信号の出力が行われる。続いて４行目の撮像画素３１０の画像信号の保持および撮像画素３１０のリセット、撮像画素３１０の画像信号の出力が行われる。続いてぶたたび１行目に戻って上記動作が繰り返される。１行目の撮像画素３１０の画像信号の電荷保持タイミングから次回の１行目の撮像画素３１０の画像信号の電荷保持タイミングまでの周期Ｔｓは、一定に制御される。

撮像画素３１０および焦点検出画素３１１の電荷蓄積時間Ｔｉ（露光時間）は、画素のリセットタイミングから画像信号の保持タイミングまでの時間となる。また、制御信号ΦＲ１〜ΦＲ４のパルス幅を変更することによって、撮像画素３１０および焦点検出画素３１１の電荷蓄積時間Ｔｉ（露光時間）を調整することができる。

このように、３行目が選択された場合には、３行目の２列目に配置された焦点検出画素３１１からは、その画素の一対の光電変換部のうち片方の光電変換部に蓄積された信号と、隣接する焦点検出画素（３列目）の一対の光電変換部のうちの片方の光電変換部に蓄積された信号とが合成加算されて垂直信号線５０１に出力される。一方、３行目の３列目に配置された焦点検出画素からは、その画素の一対の光電変換部の内のもう一方の光電変換部に蓄積された信号と、隣接する焦点検出画素（３列目）の一対の光電変換部の内のもう一方の光電変換部に蓄積された信号とが合成加算されて垂直信号線５０１に出力される。

これにより、撮像素子全体としては、焦点検出画素３１１が配置されているにも関わらず、あたかもすべてが撮像画素３１０で構成されている撮像素子と同じ画像信号の読み出しシーケンスで焦点検出画素３１１からの画像信号を読み出すことが可能になり、撮像素子の動作制御の複雑化を防止することができる。

図１９は、図１に示すデジタルスチルカメラ（撮像装置）の動作を示すフローチャートである。ボディ駆動制御装置２１４は、ステップ１００でカメラの電源が投入されるとステップ１１０へ進み、撮像動作を開始する。ステップ１１０で、図１には不図示の測光装置によって測光した被写界輝度に応じて自動的に決定された撮影絞り値、あるいは図１には不図示の操作部材によってユーザーが手動で設定した撮影絞り値に応じた絞り制御情報をレンズ駆動制御装置２０６へ送り、絞り開口径を撮影絞り値に設定し、この絞り開口径にて撮像画素のデータを間引き読み出しし、電子ビューファインダーに表示させる。

ステップ１２０において、絞り開口径が撮影絞り値に設定された状態で焦点検出画素列からデータを読み出す。ステップ１３０では、焦点検出画素列に対応した一対の像データに基づいて、後述する像ズレ検出演算処理（相関演算処理）を行って像ズレ量を演算し、さらにデフォーカス量を算出する。ステップ１４０において合焦近傍か否か、すなわち算出されたデフォーカス量の絶対値が所定値以内であるか否かを判別する。合焦近傍でないと判別されるとステップ１５０へ進み、デフォーカス量をレンズ駆動制御装置２０６へ送信し、交換レンズ２０２のフォーカシングレンズ２１０を合焦位置まで駆動させ、その後ステップ１１０へ戻って上記動作を繰り返す。

なお、焦点検出不能な場合もこのステップ１５０へ分岐し、レンズ駆動制御装置２０６へスキャン駆動命令を送信し、交換レンズ２０２のフォーカシングレンズ２１０を無限から至近までの間でスキャン駆動させ、その後ステップ１１０へ戻って上記動作を繰り返す。

一方、合焦近傍であると判別された場合はステップ１６０へ進み、不図示のレリーズ手段の操作によりシャッターレリーズがなされたか否かを判定し、なされていないと判定された場合はステップ１１０へ戻って上記動作を繰り返す。シャッターレリーズがなされたと判定された場合は、レンズ駆動制御装置２０６へ絞り制御情報を送信し、交換レンズ２０２の絞り値を撮影絞り値にする。絞り制御が終了した時点で、撮像素子２１２に撮像動作を行わせ、撮像素子２１２の撮像画素および全ての焦点検出画素から画像データを読み出す。

ステップ１８０では、焦点検出画素列の各画素位置の画素データを周囲の撮像画素のデータに基づいて補間する。続くステップ１９０において、撮像画素のデータおよび補間されたデータからなる画像データをメモリーカード２１９に保存し、ステップ１１０へ戻って上記動作を繰り返す。

ここで、図１９のステップ１３０で実行される像ズレ量検出とデフォーカス量算出の詳細を説明する。焦点検出画素列から出力される一対のデータ列（α１〜αＭ、β１〜βＭ：Ｍはデータ数）に対し、（１）式に示すような高周波カットフィルタ処理を施し、第１データ列、第２データ列（Ａ１〜ＡＮ、Ｂ１〜ＢＮ）を生成することによって、データ列から相関処理に悪影響を及ぼすノイズ成分や高周波成分を除去する。
Ａｎ＝αn＋２×αn+1＋αn+2，
Ｂｎ＝βn＋２×βn+1＋βn+2 ・・・（１）
（１）式において、ｎ＝１〜Ｎである。なお、演算時間の短縮を図る場合や、すでに大きくデフォーカスしていて高周波成分が少ないことがわかっている場合などには、この処理を省略することもできる。

ここで、データ列α１〜αＭは、一対の測距瞳の片方（測距瞳９２）を通過する光束により形成された像を、焦点検出画素の一対の光電変換部の内の一方（光電変換部１２）で受光して得られた信号と、隣接する焦点検出画素の一対の光電変換部の内の一方（光電変換部１２）で受光して得られた信号とを加算した信号に対応する。また、データ列β１〜βＭは、一対の測距瞳の片方（測距瞳９３）を通過する光束により形成された像を、焦点検出画素の一対の光電変換部の内の一方（光電変換部１３）で受光して得られた信号と、隣接する焦点検出画素の一対の光電変換部の内の一方（光電変換部１３）で受光して得られた信号とを加算した信号に対応する。

次に、データ列Ａｎ、Ｂｎに対し（２）式に示す相関演算を行い、相関量Ｃ(ｋ)を演算する。
Ｃ(ｋ)＝Σ｜Ａn×Ｂn+1+k−Ｂn+k×Ａn+1｜・・・（２）
（２）式において、Σ演算はｎについて累積され、ｎのとる範囲はずらし量ｋに応じてＡn、Ａn+1、Ｂn+k、Ｂn+1+kのデータが存在する範囲に限定される。ずらし量ｋは整数であり、データ列のデータ間隔を単位とした相対的シフト量である。

（２）式の演算結果は、図２０(ａ)に示すように、一対のデータの相関が高いシフト量（図２０(ａ)ではｋ＝ｋj＝２）において相関量Ｃ(ｋ)が極小（小さいほど相関度が高い）になる。次に、（３）式〜（６）式による３点内挿の手法を用いて、連続的な相関量に対する極小値Ｃ(ｘ)を与えるシフト量ｘを求める。
ｘ＝ｋj＋Ｄ／ＳＬＯＰ・・・（３），
Ｃ(ｘ)＝Ｃ(ｋj)−｜Ｄ｜・・・（４），
Ｄ＝｛Ｃ(ｋj-1)−Ｃ(ｋj+1)｝／２・・・（５），
ＳＬＯＰ＝ＭＡＸ｛Ｃ(ｋj+1)−Ｃ(ｋj)，Ｃ(ｋj-1)−Ｃ(ｋj)｝・・・（６）

（３）式で算出されたずらし量ｘの信頼性があるかどうかは、次のようにして判定する。図２０(ｂ)に示すように、一対のデータの相関度が低い場合は、内挿された相関量の極小値Ｃ(ｘ)の値が大きくなる。したがって、Ｃ(ｘ)が所定の閾値以上の場合は算出されたずらし量の信頼性が低いと判定し、算出されたずらし量ｘをキャンセルする。あるいは、Ｃ(ｘ)をデータのコントラストで規格化するために、コントラストに比例した値となるＳＬＯＰでＣ(ｘ)を除した値が所定値以上の場合は、算出されたずらし量の信頼性が低いと判定し、算出されたずらし量ｘをキャンセルする。あるいはまた、コントラストに比例した値となるＳＬＯＰが所定値以下の場合は、被写体が低コントラストであり、算出されたずらし量の信頼性が低いと判定し、算出されたずらし量ｘをキャンセルする。図２０(ｃ)に示すように、一対のデータの相関度が低く、シフト範囲ｋmin〜ｋmaxの間で相関量Ｃ(ｋ)の落ち込みがない場合は、極小値Ｃ(ｘ)を求めることができず、このような場合は焦点検出不能と判定する。

なお、（２）式に示す相関演算の代わりに次式に示す相関演算を行い、相関量Ｃ(ｋ)を演算してもよい。
Ｃ(ｋ)＝Σ｜Ａn／Ａn+1−Ｂn+k／Ｂn+1+k｜・・・（７）
(７)式において、Σ演算はｎについて累積され、ｎのとる範囲はずらし量ｋに応じてＡn、Ａn+1、Ｂn+k、Ｂn+1+kのデータが存在する範囲に限定される。

算出されたずらし量ｘの信頼性があると判定された場合は、被写体像面の予定結像面に対するデフォーカス量ＤＥＦを（８）式で求めることができる。
ＤＥＦ＝ＫＸ・ＰＹ・ｘ・・・（８）
（８）式において、ＰＹは検出ピッチ（焦点検出画素の配列ピッチの２倍）であり、ＫＸは一対の測距瞳を通過する光束の重心の開き角の大きさによって決まる変換係数である。一対の測距瞳を通過する光束の重心の開き角の大きさは、交換レンズの絞り開口の大きさ（絞り値）に応じて変化するので、レンズ情報に応じて決定される。

＜その他の実施例＞
図２１は変形例の撮像素子２１２Ａの構成を示す。図３に示す撮像素子２１２では、図１２に示すように、焦点検出画素の並び方向に隣接する焦点検出画素の一対の光電変換部の信号を合成加算しているが、図２１に示すように焦点検出画素列を垂直方向に２行平行に配置し、垂直方向に隣接する焦点検出画素の間で光電変換部の信号を合成加算する。

図２２は、図２１に示す焦点検出画素の出力関係の説明するための図である。垂直方向に隣接する焦点検出画素３２１、３４１を例に挙げて、一対の光電変換部の出力関係について説明する。図１０に示す測距瞳９２を通過する光束を受光する焦点検出画素３２１の光電変換部３２２と、焦点検出画素３４１の光電変換部３４２の出力は合成加算され、焦点検出画素３４１の位置の画素信号として出力される。一方、図１０に示す測距瞳９３を通過する光束を受光する焦点検出画素３２１の光電変換部３２３と、焦点検出画素３４１の光電変換部３４３の出力は合成加算され、焦点検出画素３２１の位置の画素信号として出力される。

このような構成にすると、焦点検出画素列から出力される一対のデータ列のデータピッチが画素ピッチと同じになり、図３に示す撮像素子２１２の構成に比較して小さくなるので、焦点検出精度が向上する。

図２３は変形例の撮像素子の回路構成を示す図である。図１７に示す撮像素子の回路構成では、撮像画素３１０および焦点検出画素３１１からの画像信号の出力は、垂直走査回路５０３が発する制御信号（ΦＳ１〜ΦＳ４）により行単位に同時出力されて信号保持部５０２に保持され、その後、水平転送回路５０５が発する制御信号（ΦＶ１〜ΦＶ４）により、順次外部に出力されるが、図２３に示す回路構成では、画素単位で画素が選択され、選択された画素が画素信号を出力する。

図２３において、Ｙアドレス回路５１０は制御信号（ΦＹ１〜ΦＹ４）により行を選択する。また、Ｘアドレス回路５１１は制御信号（ΦＸ１〜ΦＸ４）により列を選択する。行と列を同時に選択された画素の画像信号は、垂直信号線５１２に出力される。垂直信号線５１２に接続された出力回路５１３で設定された増幅度で増幅されて外部に出力される。このような回路構成では、画素の位置を指定して画素単位で画素を選択できるので、必要な時に必要な画素の画素信号のみを読み出すことができ、画素信号の読み出しの高速化を図ることができる。例えば焦点検出のみを行う場合には、焦点検出画素の画素信号のみを読み出すようにすればよい。

図３に示す撮像素子では、撮像画素がベイヤー配列の色フィルタを備えた例を示したが、色フィルタの構成や配列はこれに限定されず、補色フィルタ（緑：Ｇ、イエロー：Ｙｅ、マゼンタ：Ｍｇ，シアン：Ｃｙ）を採用してもよい。この場合、焦点検出画素はシアンとマゼンタ（出力誤差が比較的目立たない青成分を含む）が配置されるべき画素位置に配置される。

図３に示す撮像素子では、焦点検出画素に色フィルタを設けない例を示したが、撮像画素と同色の色フィルタの内、ひとつのフィルタ（たとえば緑フィルタ）を備えるようにした場合でも、本発明を適用することができる。

本発明はマイクロレンズを用いた瞳分割型位相差検出方式の撮像素子に限定されず、１画素に一対の光電変換部を備えた画素を有する撮像素子にも適用することができる。例えば、偏光を利用した瞳分割型の撮像素子にも適用可能である。

また、撮像装置は、カメラボディに交換レンズが装着されるデジタルスチルカメラやフィルムスチルカメラに限定されず、レンズ一体型のデジタルスチルカメラやフィルムスチルカメラやビデオカメラにも適用できる。あるいは、携帯電話などに内蔵される小型カメラモジュールや監視カメラなどにも適用できる。さらには、カメラ以外の焦点検出装置や測距装置やステレオ測距装置にも適用できる。

以上説明したように、一実施の形態とその変形例によれば、撮像素子の一部の領域に一対の光電変換部を有する焦点検出用画素を配列した撮像素子に対し、アドレス回路による画素出力の読み出しを行う場合でも、通常の読み出しシーケンスにより画素単位に信号を読み出すことができ、画像信号の読み出し回路が複雑になるのを避けることができる。

一実施の形態の構成を示す図画面内の焦点検出エリアを示す図撮像素子の詳細な構成を示す図撮像画素の構成を示す図焦点検出画素の構成を示す図色フィルターの分光感度特性を示す図焦点検出画素の分光感度特性を示す図撮像画素の断面図焦点検出画素の断面図マイクロレンズを用いた瞳分割方式による焦点検出の説明図撮像画素と射出瞳の関係を説明する図焦点検出画素の出力関係を示す図撮像画素の詳細な回路図撮像画素の素子構造を示す平面図焦点検出画素の詳細な回路図焦点検出画素の素子構造を示す平面図撮像素子の回路構成を示す概念図図１７に示す撮像素子の動作タイミングチャート一実施の形態のデジタルスチルカメラの動作を示すフローチャート焦点検出演算の説明図変形例の撮像素子の構成を示す図図２１に示す焦点検出画素の出力関係を示す図図２１に示す撮像素子の回路構成を示す図

符号の説明

２１２、２１２Ａ撮像素子
２１４ボディ駆動制御装置
３１０撮像画素
３１１焦点検出画素
１１、１２、１３光電変換部
ＡＭＰａ、ＡＭＰｂアンプ

Claims

撮像光学系を通過した被写体光束を受光する撮像素子であって、
二次元状に配置された複数の撮像画素と、
前記複数の撮像画素の間に所定の配列方向に互いに交互に隣接配置され、同一の分光感度を有する複数の第１及び第２の焦点検出画素と、を備え、
前記撮像画素は、マイクロレンズと、前記マイクロレンズを介して前記被写体光束を受光する一つの光電変換部と、前記光電変換部からの撮像信号を出力する出力部とを有し、
前記第１の焦点検出画素の各々は、前記被写体光束を、前記撮像光学系の瞳の第１及び第２の瞳領域をそれぞれ通過する一対の光束に瞳分割するマイクロレンズと、前記第１の瞳領域を通過した光束を受光する第１の光電変換部と、前記第２の瞳領域を通過した光束を受光する第２の光電変換部と、出力部とを有し、
前記第２の焦点検出画素の各々は、前記被写体光束を、前記撮像光学系の前記第１及び第２の瞳領域をそれぞれ通過する一対の光束に瞳分割するマイクロレンズと、前記第１の瞳領域を通過した光束を受光する第１の光電変換部と、前記第２の瞳領域を通過した光束を受光する第２の光電変換部と、出力部とを有し、
互いに隣接する前記第１及び第２の焦点検出画素は、それぞれの前記第１及び第２の光電変換部が前記所定の配列方向に並置され、かつ、前記第１の焦点検出画素の出力部が、前記第１の焦点検出画素の第１の光電変換部の出力信号と前記第２の焦点検出画素の第１の光電変換部の出力信号との加算出力を出力すると共に、前記第２の焦点検出画素の出力部が、前記第１の焦点検出画素の第２の光電変換部の出力信号と前記第２の焦点検出画素の第２の光電変換部の出力信号との加算出力を出力することを特徴とする撮像素子。
撮像光学系を通過した被写体光束を受光する撮像素子であって、
二次元状に配置された複数の撮像画素と、
前記複数の撮像画素の間に所定の配列方向に互いに交互に隣接配列され、同一の分光感度を有する複数の第１及び第２の焦点検出画素と、を備え、
前記撮像画素は、一つの光電変換部と、前記光電変換部からの撮像信号を出力する出力部とを有し、
前記第１及び第２の焦点検出画素の各々は、第１及び第２の光電変換部と、出力部とを有し、
互いに隣接した第１及び第２の焦点検出画素は、それぞれの前記第１及び第２の光電変換部が前記所定の配列方向に並置され、かつ、前記第１の焦点検出画素の前記出力部が前記第１の焦点検出画素の第１の光電変換部の出力信号と前記第２の焦点検出画素の第１の光電変換部の出力信号との加算出力を出力すると共に、前記第２の焦点検出画素の出力部が、前記第１の焦点検出画素の第２の光電変換部の出力信号と前記第２の焦点検出画素の第２の光電変換部の出力信号との加算出力を出力し、
前記第１及び第２の焦点検出画素には、前記所定の配列方向に垂直な方向に、前記撮像画素が隣接配置されていることを特徴とする撮像素子。
請求項１または２に記載の撮像素子において、
前記撮像用画素と前記第１及び第２の焦点検出用画素とのそれぞれの位置を指定するアドレス回路を備え、
前記撮像用画素の前記出力部と前記第１及び第２の焦点検出用画素の前記出力部は、前記アドレス回路によって指定された位置に対応する前記撮像用画素と前記第１及び第２の焦点検出用画素とから出力信号をそれぞれ出力することを特徴とする撮像素子。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記撮像画素は、互いに異なった第１、第２及び第３の分光感度を有する３種の撮像画素から構成され、
前記第１及び第２の焦点検出画素の分光感度は、前記第１、第２及び第３の分光感度の全てを包含する分光感度であることを特徴とする撮像素子。
請求項２〜４のいずれか１項に記載の撮像素子と、
前記第１及び第２焦点検出用画素の出力信号に基づいて、前記撮像光学系によって前記撮像素子上に形成された像の焦点調節状態を検出する焦点検出手段を更に備え、
前記第１及び第２の焦点検出画素の各々は、前記被写体光束を、前記撮像光学系の瞳の第１及び第２の瞳領域をそれぞれ通過する一対の光束に瞳分割するマイクロレンズを有し、
前記第１及び第２の焦点検出画素の各々の前記第１の光電変換部は、前記第１の瞳領域を通過した光束を受光し、
前記第１及び第２の焦点検出画素の各々の前記第２の光電変換部は、前記第２の瞳領域を通過した光束を受光し、
前記第１及び第２の焦点検出画素の前記マイクロレンズは、当該マイクロレンズに関して前記第１の光電変換部と前記第１の瞳領域とが共役になると共に前記第２の光電変換部と前記第２の瞳領域とが共役になるように、定められ、
前記焦点検出手段は、前記第１の瞳領域を通過した光束による像と前記第２の瞳領域を通過した光束による像との相対的なズレ量を次式の相関量Ｃ（ｋ）に基づき、
Ｃ（ｋ）＝Σ｜Ａｎ×Ｂｎ＋１＋ｋ―Ｂｎ＋ｋ×Ａｎ＋１｜
（ここで、Ａｎは、前記第１の光電変換部の加算出力、Ｂｎは、前記第２の光電変換部の加算出力、ｎは整数、ｋはずらし量）
算出することを特徴とする焦点検出装置。
請求項５に記載の焦点検出装置と、
前記第１及び第２の焦点検出用画素の位置における撮像信号を前記第１及び第２の焦点検出画素の周囲に位置する撮像画素の撮像信号に基づき補間する補間手段と、を備えることを特徴とする撮像装置。