JP2001124984A

JP2001124984A - 焦点検出装置と撮像装置

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Publication number: JP2001124984A
Application number: JP30681599A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Suda; 康夫須田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-10-28
Filing date: 1999-10-28
Publication date: 2001-05-11
Anticipated expiration: 2019-10-28
Also published as: US6933978B1; JP5002086B2

Abstract

(57)【要約】【課題】撮像素子への入射光量が、絞りの開口面積に
おおよそ比例するように構成し、しかも、大デフォーカ
スを検知することが可能な、撮像装置組込型の位相差検
出方式の焦点検出装置を提供することである。【解決手段】焦点検出装置において、結像レンズと、
該結像レンズの射出瞳の第一の領域からの光束の光電変
換出力と、第二の領域からの光束の光電変換出力とを得
る固体撮像素子と、前記撮影レンズに設けられ、前記第
一の領域に含まれる第三の領域と、前記第二の領域に含
まれる第四の領域について光を通過させ、該第三の領域
と該第四の領域以外を遮光する遮光手段と、前記固体撮
像素子の光電変換出力に基づいて前記結像レンズの結像
状態を検出する演算手段とを備えたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フィルムカメラ、
デジタルカラーカメラ等に用いられる焦点検出装置及び
その焦点検出装置を内蔵した撮像装置の改良に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】デジタルカラーカメラでは、レリーズボ
タンの押下に応動して、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどの
固体撮像素子に被写界像を所望の時間露光し、これより
得られた１つの画面の静止画像を表わす画像信号をデジ
タル信号に変換して、ＹＣ処理などの所定の画像信号処
理を施して、所定の形式の画像信号を得る。

【０００３】撮像された画像を表わすデジタルの画像信
号は、それぞれのフレームの画像毎に、半導体メモリに
記録される。記録された画像信号は、随時読み出されて
表示または印刷可能な信号に再生され、モニタなどに出
力されて表示される。

【０００４】撮像した画像信号をリアルタイムに画像表
示する場合には、半導体メモリに格納せずに表示するこ
とも可能であり、動画的に随時変化する画像を表示する
ことは可能であるが、静止画を表示しようとする場合に
は、ＶＲＡＭ等の半導体メモリに画像信号を一時的に格
納して、その半導体メモリの画像信号を読み出して、静
止画を表示し、液晶ディスプレイ等のモニタに表示す
る。従って、静止画を複数枚撮像して、後刻に再生・表
示したり、印刷プリントしようとする場合には、画像信
号をフラッシュメモリやＥＥＰＲＯＭ等の消去可能なプ
ログラムＲＯＭやメモリスティクやメモリカード等を備
えて、一時的に格納したＶＲＡＭの画像信号を半永久的
な半導体メモリやメモリテープ等に格納する構成として
いる。

【０００５】しかしながら、デジタルカラーカメラにお
いて、高画質の画像を取得する場合には、撮像時点での
もっと重要な要素が要求されている。すなわち、撮像時
点での焦点検出手段であり、被写体に焦点を合わせたレ
ンズの位置合わせである。

【０００６】従来より、デジタルカラーカメラには、コ
ントラスト検出方式の焦点検出装置が用いられている。
コントラスト検出方式とは、撮像光学系によって形成さ
れた物体像の先鋭度を、固体撮像素子の出力を所定の関
数で評価することによって求め、関数値が極値をとるよ
うに、撮像光学系の光軸上の位置を調節するものであ
る。評価関数としては、隣接する輝度信号の差の絶対値
を焦点検出領域内で加算するものや、隣接する輝度信号
の差の２乗を焦点検出領域内で加算するもの、あるいは
Ｒ，Ｇ，Ｂの各画像信号について隣接する信号の差を同
様に処理するもの等がある。

【０００７】一般に、このようなコントラスト検出方式
の焦点検出装置においては、撮像光学系の光軸上の位置
を僅かに移動させながら評価関数値を求めていくため、
評価関数処理時間が必要になり、合焦するまでの焦点調
節に時間がかかるという問題がある。

【０００８】また、ＵＳＰ４，４１０，８０４に開示さ
れているように、一対あるいは二対の受光部を、２次元
的に配列したマイクロレンズアレイ毎に設け、このマイ
クロレンズによって、受光部を撮像光学系の瞳に投影す
ることで、瞳を分割する、いわゆる位相差検出方式の焦
点検出装置を組み込んだ撮像装置もある。位相差検出方
式とは、撮像光学系の瞳の異なる部分を通過した２光束
を用いて、物体像をそれぞれ形成し、二つの物体像間の
位置的位相差を撮像素子の出力に基づいて検出し、これ
を撮像光学系のデフォーカス量に換算するものである。

【０００９】位相差検出方式の焦点検出装置では、デフ
ォーカス量を求めることができるので、コントラスト検
出方式に比して、合焦するまでの時間を大幅に短縮する
ことができるという利点がある。

【００１０】このＵＳＰ４，４１０，８０４に開示され
ている構造の固体撮像素子にあっては、撮像光学系の瞳
の一部分を通った光束で形成される一対あるいは二対の
画像を形成するために、マイクロレンズアレイを用いて
いる。各マイクロレンズのパワーは、撮像素子の各受光
部を撮像光学系２４の射出瞳に投影するように設定さ
れ、撮像素子の各受光部と射出瞳とは共役関係にある。

【００１１】このとき、受光部に入射する光量と撮像光
学系の絞りの開度との関係を線形にするためには、各受
光部の投影像が、撮像光学系の絞り開放時の射出瞳より
も大きくなるような投影倍率を選べばよい。こうすれ
ば、被写体輝度、撮像素子の感度が与えられたときに、
フィルムカメラと同様の手法で、絞り値とシャッター速
度を算出することができる。すなわち、入射光量が絞り
の開口面積に比例するようになり、ＡＰＥＸ方式（Addi
tive System of Photographic Exposure）の演算が成り
立つ。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところが、デフォーカ
スした状態では、分割された瞳の形状がボケ像に重畳す
るために、大デフォーカスを検知し難いという問題があ
る。

【００１３】また、この方式におけるデフォーカス量の
検出誤差を大きくする他の要因として、マイクロレンズ
の製造誤差が挙げられる。前述のように、マイクロレン
ズは受光部を撮像光学系の射出瞳に投影している。仮
に、この投影位置が画素でバラバラであると、デフォー
カス時の位相シフト量が画素毎に異なることになってし
まう。この影響はデフォーカス量が大きいほど深刻であ
る。しかしながら、マイクロレンズは非常に微細である
ために、実際にはある程度の製造ばらつきを許容せざる
を得ない。

【００１４】したがって、本発明に係る第１の目的は、
撮像素子への入射光量が、絞りの開口面積におおよそ比
例するように構成し、しかも、大デフォーカスを検知す
ることが可能な、撮像装置組込型の位相差検出方式の焦
点検出装置を提供することである。

【００１５】本発明に係る第２の目的は、光電変換素子
に設けるマイクロレンズの製造誤差をある程度許容する
ことが可能な、撮像装置の組込型の位相差検出方式の焦
点検出装置を提供することである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の焦点検出装置
は、結像レンズと、該結像レンズの射出瞳の第一の領域
からの光束の光電変換出力と、第二の領域からの光束の
光電変換出力とを得る固体撮像素子と、前記撮影レンズ
に設けられ、前記第一の領域に含まれる第三の領域と、
前記第二の領域に含まれる第四の領域について光を通過
させ、該第三の領域と該第四の領域以外を遮光する遮光
手段と、前記固体撮像素子の光電変換出力に基づいて前
記結像レンズの結像状態を検出する演算手段とを備えた
ことにより、撮像素子への入射光量が絞りの開口面積に
おおよそ比例するように成し、しかも、大デフォーカス
を検知することが可能な、撮像装置組込型の位相差検出
方式焦点検出装置を実現するものである。

【００１７】さらには、マイクロレンズの製造誤差をあ
る程度許容することが可能な、撮像装置組込型の位相差
検出方式の焦点検出装置を実現するものである。

【００１８】また、前記焦点検出装置において、前記結
像レンズは、正の第１群と、負の第２群と、正の第３群
と、負と正の接合レンズの第４群とからなり、前記遮光
手段は、前記第３群に含まれることを特徴とする。ま
た、前記遮光手段は、一ポジションで少なくとも１つの
開口と少なくとも２つの開口とを備え、前記複数の開口
を切り替えて遮光度合いを変化させることを特徴とす
る。また、前記遮光手段は複数枚の遮光板を設け、少な
くとも１枚は一つの開口部を有し、少なくとも一つは一
ポジションで２つの開口部を有することを特徴とする。

【００１９】また、本発明は、撮像装置において、結像
レンズと、該結像レンズの射出瞳の第一の領域からの光
束の光電変換出力と、第二の領域からの光束の光電変換
出力とを得る固体撮像素子と、前記結像レンズの間に設
けられ、前記第一の領域に含まれる第三の領域と、前記
第二の領域に含まれる第四の領域について光を通過さ
せ、該第三の領域と該第四の領域以外を遮光する遮光手
段と、前記固体撮像素子の光電変換出力に基づいて前記
結像レンズの結像状態を検出する演算手段と、前記結像
レンズの位置を変更可能なズーム機構とを備えたことを
特徴とする。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明による実施形態について、
図面を参照しつつ詳細に説明する。

【００２１】［第１の実施形態］まず、本発明の第１の
実施形態に用いる撮像光学系について説明する。

【００２２】図１は、本発明の撮像光学系の構成図であ
って、固体撮像素子を用いるデジタルカラーカメラのズ
ーム光学系である。同図の左手側が被写体の物体側、右
手が像面側となっている。同図において、撮像光学系２
４は、レンズ面ｒ１，ｒ２を有する負レンズ、レンズ面
ｒ３，ｒ４を有する正レンズ、レンズ面ｒ５，ｒ６を有
する正レンズからなる正の第１群（ｇｒｐ１）、つぎ
に、レンズ面ｒ７，ｒ８を有する負レンズ、レンズ面ｒ
９，ｒ１０，ｒ１１を有する負と正の接合レンズからな
る負の第２群（ｇｒｐ２）、絞りＳＴ、レンズ面ｒ１
２，ｒ１３を有する正レンズからなる正の第３群（ｇｒ
ｐ３）、レンズ面ｒ１４，ｒ１５，ｒ１６を有する負と
正の接合レンズからなる第４群（ｇｒｐ４）により構成
される。また、Ｆ１は赤外線（ＩＲ）カットフィルタ
ー、ＬＰＦは光学ローパスフィルター、１００は撮像素
子を２次元状に配置した撮像面を有する撮像装置、Ｌ１
は撮像光学系２４の光軸である。

【００２３】また、図１中に矢印で示すように、ズーミ
ングによって焦点距離が、広角から望遠に向かうに従
い、負の第２群ｇｒｐ２が像面１００側へ、正の第４群
ｇｒｐ４が被写体の物体側へと相互に反対側に同時に動
く。

【００２４】撮像光学系２４は、図示しないレンズ駆動
機構を持ち、モーターとギア列を用いて、負の第２群ｇ
ｒｐ２を光軸方向に移動させて、物体像が撮像素子１０
０上でピントを結ぶように焦点調節する。

【００２５】図２は撮像装置１００の斜視図である。図
において、２０１は撮像光学系２４のうち、絞りＳＴよ
りも物体側にある第１群（ｇｒｐ１）と第２群（ｇｒｐ
２）とをまとめて示した前方レンズ群、２０２は撮像光
学系２４のうち、絞りＳＴよりも像面側にある第３群
（ｇｒｐ３）、第４群（ｇｒｐ４）、光学ローパスフィ
ルターＬＰＦをまとめて示した後方レンズ群であり、絞
りＳＴの開口を通過した光束によって撮像素子１００上
に物体像を形成する。絞りＳＴは軸Ｌ２を中心にして回
転し、不図示のモーターの駆動力によって、９０度毎に
位置する選択的に選択できる４つのポジションをとる。
また、絞りＳＴには２０４から２０８で示した５つの開
口が設けられ、開口２０４，２０５，２０６は撮像のた
めの開口、開口２０７と２０８は大デフォーカス検出用
開口である。

【００２６】次に、本発明に用いる撮像素子１００につ
いて説明する。

【００２７】撮像素子１００は、増幅型固体撮像装置の
１つであるＣＭＯＳプロセスコンパチブルの光電変換用
センサ（以降、ＣＭＯＳセンサと略す）である。このタ
イプのセンサはIEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVIC
E,VOL41,PP452~453,1994などの文献で発表されている。

【００２８】ＣＭＯＳセンサの特長の１つに、受光部の
ＭＯＳトランジスタと、垂直・水平走査回路やシェーデ
ィング補正回路、クランプ回路或いはＡ／Ｄ変換回路、
信号処理回路等の周辺回路のＭＯＳトランジスタを同一
工程で形成できるため、マスク枚数、プロセス工程がＣ
ＣＤと比較して大幅に削減できるということが挙げられ
る。

【００２９】この特長を生かし、本発明では１画素に２
つの光電変換部を構成し、従来各光電変換部毎に設けて
いたフローティングディフュージョン領域（以降、ＦＤ
領域）とソースフォロワアンプを、２つの光電変換部に
１個だけ形成し、２つの光電変換領域を転送用ＭＯＳト
ランジスタスイッチを介してそのＦＤ領域に接続してい
る。

【００３０】したがって、２つの光電変換部の電荷を同
時、または、別々にフローティングディフュージョン部
へ転送でき、ＦＤ領域に接続した転送ＭＯＳトランジス
タのタイミングだけで、２つの光電変換部の信号電荷の
加算、非加算を簡単に行うことができる。この構造を利
用して、撮像光学系の射出瞳全体からの光束による光電
変換出力を行う第１の出力モードと、撮像レンズの射出
瞳の一部からの光束による光電変換出力を行う第２の出
力モードとを切り替え可能としている。画素レベルで信
号の加算を行う第１の出力モードでは、信号を読み出し
た後で加算する方式に比べてノイズの少ない信号を得る
ことができる。

【００３１】図３は、撮像素子１００内のエリアセンサ
部の回路構成図である。同図は、２列×２行画素の２次
元エリアセンサを示したものであるが、実際は、図４に
示すように１９２０列×１０８０行等と画素数を多く
し、実用的な解像度を得る。なお、図４に示す６１から
６７は後述する焦点検出領域である。焦点検出領域を縦
型に配置して、被写体のヒトなどの縦長の物体内の輝度
分布を捉えやすくしている。

【００３２】図３において、１および５１はＭＯＳトラ
ンジスタゲートとゲート下の空乏層からなるフォトダイ
オード的な第１、第２光電変換部、２および５２は図上
キャパシタの記号を付したフォトゲート、３および５３
は第１、第２光電変換部１，５１の光電変換による電荷
を転送する転送スイッチＭＯＳトランジスタ、４はフロ
ーティングディフュージョン部ＦＤの電荷をリセットす
るリセット用ＭＯＳトランジスタ、５はフローティング
ディフュージョン部ＦＤの電荷をソースフォロワ型で電
圧変換して増幅するソースフォロワアンプＭＯＳトラン
ジスタ、６は水平走査部１６からのパルスφＳ０で画素
選択する垂直選択スイッチＭＯＳトランジスタ、７はソ
ースフォロワ型で増幅するソースフォロワアンプＭＯＳ
トランジスタ５の負荷となる負荷ＭＯＳトランジスタ、
８はフローティングディフュージョン部ＦＤの暗時電荷
を転送する暗出力転送ＭＯＳトランジスタ、９はフロー
ティングディフュージョン部ＦＤの撮像時の蓄積電荷を
明出力とする明出力転送ＭＯＳトランジスタ、１０は暗
出力転送ＭＯＳトランジスタ８のオンにより暗出力を蓄
積する暗出力蓄積容量Ｃ_TN、１１は明出力転送ＭＯＳト
ランジスタ９のオンにより暗出力を蓄積する明出力蓄積
容量Ｃ_TS、１２および５４は垂直走査部１５からの制御
パルスによってオン／オフする垂直転送ＭＯＳトランジ
スタ、１３および５５は垂直出力線をリセットする垂直
出力線リセットＭＯＳトランジスタ、１４は明出力と暗
出力との差を出力する差動出力アンプ、１５は垂直転送
ＭＯＳトランジスタ１２，５４を制御するパルスを出力
する垂直走査部、１６は第１、第２光電変換部１，５１
の電荷を読み出す転送パルス、リセットパルス、トリガ
パルス、選択パルスを出力する水平走査部である。

【００３３】図５に受光部（例えば、図３の３０−１
１）の断面図を示す。なお、受光部３０−２１、３０−
１２、３０−２２等も同一の構造である。

【００３４】図５において、１７はＰ型ウェル、１８，
５８はゲート酸化膜、１９，５９は一層目ポリＳｉ、２
０，５０は二層目ポリＳｉ、２１はｎ⁺フローティング
ディフュージョン領域である。また、図３と同一部分に
は同一番号を付している。例えば、第１、第２光電変換
部１，５１、フォトゲート２，５２、リセット用ＭＯＳ
トランジスタ４、ソースフォロワアンプＭＯＳトランジ
スタ５、垂直選択スイッチＭＯＳトランジスタ６、負荷
ＭＯＳトランジスタ７である。

【００３５】ＦＤ領域２１は転送ＭＯＳトランジスタ
３，５３を介して第１光電変換部１および第２光電変換
部５１と接続される。なお、図５では、第１光電変換部
１と第２光電変換部５１を離して描いたが、実際にはそ
の境界部は極めて小さく、実用上は第１光電変換部１と
第２光電変換部５１は接しているとみなして良い。以
降、隣接した第１光電変換部と第２光電変換部をひとま
とめにして受光部と呼ぶことにする。

【００３６】また、２２は特定の波長域の光を透過する
カラーフィルター、２３は撮像光学系２４からの光束を
効率的に第１、第２光電変換部に導くためのマイクロレ
ンズである。

【００３７】図６は画素とカラーフィルターの配置を示
す平面図である。ここでは４列×４行のみを抜き出して
示している。受光部とＭＯＳトランジスタを含む各画素
はほぼ正方形にレイアウトされ、格子状に隣接して配置
されている。図３を用いて、先に説明した受光部３０−
２１、３０−２２、３０−１１、３０−１２は画素７０
−１１、７０−２１、７０−１２、７０−２２内に位置
し、ここではエリアセンサ部７２−１１、７２−２１、
７２−１２、７２−２２として表している。また、各画
素７０は、受光部３０とリセットＭＯＳトランジスタ４
と、ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ５、垂直
選択スイッチＭＯＳトランジスタ６を含んでいる。

【００３８】また、このエリアセンサ部７２は、各画素
にＲ（赤色）Ｇ（緑色）Ｂ（青色）のカラーフィルター
２２を交互に配して、それぞれのカラーフィルター２２
上にマイクロレンズ２３を配置し、４画素が一組となる
所謂ベイヤー配列を形成している。ベイヤー配列では、
観察者が画像を見たときに強く感じやすいＧの画素をＲ
やＢの画素よりも多く配置する事で、視覚的に総合的な
像性能を上げている。一般に、この方式の撮像素子で
は、輝度信号は主にＧから生成し、色信号はＲ，Ｇ，Ｂ
から生成する。

【００３９】前述したように１画素はそれぞれ２つの光
電変換部を有している。図６に付した、Ｒ，Ｇ，Ｂは赤
色、緑色、青色のカラーフィルターを備えた光電変換部
であることを、ＲＧＢに続く１あるいは２は、第１光電
変換部か第２光電変換部かの区別を表している。例え
ば、Ｒ１は赤色カラーフィルターを備えた第１光電変換
部であり、Ｇ２は緑色カラーフィルターを備えた第２光
電変換部を意味する。

【００４０】さらに、各画素において受光部の占める割
合はおおよそ数１０％程度であって、いわゆる開口度も
数１０％程度となり、撮像光学系２４から射出した光束
を有効に利用するためには、各受光部毎に集光用レンズ
を設けて、受光部以外に到達しようとする光を受光部に
偏向ことが必要となる。

【００４１】図７はこのために撮像素子前面に設けたマ
イクロレンズと受光部との位置関係を示す平面図であ
る。マイクロレンズ７１−１１から７１−４４はそれぞ
れ受光部の中心と光軸とが、おおよそ一致した軸対称型
の球面レンズあるいは非球面レンズであって、各々矩形
の有効部を持ち、光入射側を凸形状として格子状に密に
並べられている。図８はこのマイクロレンズを斜めから
見た表面状態を表す図である。マイクロレンズは各第１
光電変換部と第２光電変換部とを一対として一つを形成
して、ＸＹマトリクス状に形成されて、被写体の画像を
集束して効率よく集光している。

【００４２】次に、このマイクロレンズの作用について
詳述する。

【００４３】図９はエリアセンサ部の断面図である。撮
像光学系２４は図の左側に位置し、撮像光学系２４を射
出した光束は、ＩＲカットフィルターＦ１、光学ローパ
スフィルターＬＰＦを通って、先ずマイクロレンズ７１
−１１、７１−２１、７１−３１、７１−４１に入射す
る。各マイクロレンズの後方にはカラーフィルター２２
Ｇ，Ｒ，Ｇ，Ｒが配置され、ここで所望の波長域のみが
選択されて、受光部７２−１１から７２−４１の各受光
部に到達する。カラーフィルター２２は図６を用いて説
明したようにベイヤー配列を構成しており、ＲＧＢの３
種がある。また、ベイヤー配列であることから、断面に
現れるのはこのうちの２種であって、２２Ｇが緑色透過
カラーフィルター、２２Ｒが赤色透過カラーフィルター
である。また、他の列方向又は行方向の断面には、２２
Ｇが緑色透過カラーフィルター、２２Ｂが青色透過カラ
ーフィルターが配置されている。

【００４４】各マイクロレンズの拡大率であるパワー
は、撮像素子の各受光部を撮像光学系２４の射出瞳に投
影するように設定されている。このとき、各受光部の投
影像が撮像光学系の絞り開放時の射出瞳よりも大きくな
るように投影倍率を設定し、受光部に入射する光量と撮
像光学系の絞りＳＴの開度との関係をおおよそ線形にす
る。こうすれば、被写体輝度、撮像素子の感度が与えら
れたときに、フィルムカメラと同様の手法で絞り値とシ
ャッター速度を算出することができる。つまり、入射光
量が絞りの開口面積に比例するようになり、ＡＰＥＸ方
式の演算が成り立つ。フィルムカメラと同じように一般
の露出計を用いて露光量を算出することができて、撮影
操作は極めて容易である。また、こうしてＡＰＥＸ方式
の演算も簡易となり、演算処理時間も少なくて済み、撮
像装置組込型の位相差検出方式による焦点検出装置とし
て次のことを含めて提供できる。

【００４５】また、焦点検出のための光束が絞りＳＴの
開度に応じて変化するために、撮像光束と焦点検出光束
は常に一致し、合焦検出結果は収差レベルで撮像光学系
の実際の最良解像位置によく合致すると言う利点があ
る。撮像光学系２４によって形成された物体像がマイク
ロレンズ上に位置するとき、撮像素子１００から得られ
る画像は最もシャープになる。

【００４６】なお、撮像光学系２４は主光線の撮像素子
への入射角が０度となるようにテレセントリック系とす
るのがマイクロレンズによる瞳投影精度の点で望ましい
が、小型化、ズーム比の高倍率化の要求から完全なテレ
セントリック系にならない場合もある。この際には、マ
イクロレンズと受光部とを僅かに偏心させ、偏心量を撮
像光学系の光軸から受光部までの距離の関数とすればよ
い。一般には、この偏心量を距離に応じて単調に増加さ
せれば、画面周辺の受光部も撮像光学系２４の射出瞳上
に正しく投影できるようになる。

【００４７】図１０（ａ），（ｂ）はマイクロレンズの
焦点検出機能としての役割の理解を容易にするために、
図９に示した受光部７２−１１について、第１光電変換
部に入射する光束と、第２光電変換部に入射する光束の
それぞれを分けて示した図である。図１０（ａ），
（ｂ）で、マイクロレンズ７１−１１とカラーフィルタ
ー２２Ｇとは同一で、第１光電変換部Ｇ１と第２光電変
換部Ｇ２とを示している。第１光電変換部に入射する光
束を示す図１０（ａ）では、図の下方からの光束が第１
光電変換部Ｇ１に入射し、第２光電変換部に入射する光
束を示す図１０（ｂ）では、図の上方からの光束が第２
光電変換部Ｇ２に入射していることが分かる。

【００４８】したがって、撮像素子全体では第２光電変
換部に入射する光束は図１１に示すようになる。エリア
センサ部１００のいずれの位置に入射する光束も、絞り
ＳＴの上半分を通過する光束である。一方、エリアセン
サ部１００の撮像素子全体の第１光電変換部に入射する
光束は撮像レンズの光軸Ｌ１を対称軸として上下を反転
したものとして考えればよい。すなわち、射出瞳の分割
の様子は、図１２のようになる。図において、２１０は
絞りＳＴが図２における開放状態２０４の時の撮像光学
系２４の射出瞳であって、絞りＳＴの開口２０４を後方
レンズ群２０２を通して見た虚像である。また、図上下
側の２１１は撮像素子１００の第１光電変換部に入射す
る光束が通過する射出瞳上の第一の領域、図上上側の２
１２は撮像素子１００の第２光電変換部に入射する光束
が通過する射出瞳上の第二の領域である。

【００４９】また、図１２の２１５，２１６は絞りＳＴ
を絞り込んだときの射出瞳であって、図２に示した絞り
ＳＴの開口２０５，２０６を後方レンズ群２０２を通し
て見た虚像である。絞りＳＴを絞り込んだときは、開口
２０７，２０８の場合に示すように、第一の領域２１１
と第二の領域２１２のそれぞれが絞り込みの状態に応じ
て小さくなるが、第１光電変換部から得られた画像信号
と第２光電変換部から得られた画像信号は、何れも撮像
光学系２４の射出瞳をほぼ２分割した半光束から形成さ
れる。

【００５０】以上のような光学系にあっては、例えば撮
像素子１００よりも手前に物体像が焦点を結ぶように形
成されているとき、射出瞳の上側を通る半光束は撮像素
子１００上で下側にシフトし、射出瞳の下側を通る半光
束は上側にシフトする。つまり、撮像光学系２４の瞳の
半分ずつを通った光束で形成される一対の画像信号は物
体像の結像状態に応じて図６，図７，図９の上下方向に
位相がシフトしたものとなる。

【００５１】撮像素子を用いて画像情報を取り込む場
合、その離散的な像のサンプリングに起因して、物体上
の空間的輝度分布の高周波成分に対して、その周波数と
は別の低周波の「折り返しノイズ」と呼ばれるノイズ画
像が発生する。これはデジタルカラーカメラでは、いわ
ゆる「色モワレ」となる。さらに、撮像素子の出力を用
いて位相差検出方式の焦点検出を行う際には、この「折
り返しノイズ」があると物体像の位相情報が画像出力に
正しく反映されないことから、デフォーカス量の検出精
度を劣化させる。

【００５２】ここで用いる撮像素子１００の画素のピッ
チをＰとすると、図１３に示すように、緑色透過カラー
フィルター（Ｇ）を備えた画素のピッチは上下左右方向
にそれぞれ２Ｐ、対角方向にルート２Ｐ、また、青色透
過カラーフィルター（Ｂ）を備えた画素のピッチと赤色
透過カラーフィルター（Ｒ）を備えた画素のピッチは上
下左右方向にそれぞれ２Ｐ、対角方向に２ルート２Ｐで
ある。さらに、焦点検出に用いる縦方向のＧ同士間、Ｂ
同士間、Ｒ同士間の画素ピッチはいずれも２Ｐである。

【００５３】仮にピッチＰ＝０．０１ｍｍと想定し、上
下左右方向に対して考えると、ナイキスト周波数νｎは
νｎ＝１／（２×２Ｐ）＝２５である。一方、撮像素子
１００のレスポンス特性は、Ｒ，Ｇ，Ｂ共に図１４に示
すようになる。同図において、横軸が空間周波数（本／
ｍｍ）、縦軸がレスポンスであり、レスポンスがナイキ
スと周波数を超えた高周波側の持ち上がりが「折り返し
ノイズ」である。

【００５４】こういった不具合を防ぐために、物体の高
周波成分が光学像レベルで撮像素子に至らないようにす
る必要がある。「折り返しノイズ」の発生を抑えるため
に、水晶より成る光学ローパスフィルターＬＰＦを撮像
光学系２４と撮像素子１００との間に配置し、ナイキス
ト周波数νｎで、結像レンズのＭＴＦ（Modulation Tra
nsfer Function，変調伝達関数）が０に近づくように、
光学ローパスフィルターＬＰＦの特性を設定すれば、ほ
ぼこの目的は達せられる。

【００５５】ただし、水晶の複屈折特性を利用した光学
ローパスフィルターＬＰＦでは、必ずしもナイキスト周
波数νｎでＭＴＦが０になるとは限らないので、焦点検
出のために有害な高い周波数成分を取り込むこともあ
る。しかしながら、ＲとＢの像のサンプリングは半ピッ
チシフトしていること、ＧについてはＲとＢの関係のよ
うに半ピッチシフトした系列があることから、Ｒ，Ｂ、
それにＧの２つの系列のそれぞれに焦点検出出力を求
め、これらを平均すれば、十分な焦点検出精度を得るこ
とが可能である。

【００５６】さらには、ピント（焦点）が合っていると
きには、一対の信号に均等に位相エラーが乗るため、こ
の現象が生じても焦点検出誤差にはならない。このこと
は、仮に一つの焦点検出出力しか得られず、平均するこ
とができなかった場合でも、最終的なピントだけは保証
できることを意味している。

【００５７】また、このような光学ローパスフィルター
の特性として、平行平板である光学ローパスフィルター
ＬＰＦに入射した一本の光線は、二本に分離した平行光
線として射出する。入射光と射出光が平行であれば、マ
イクロレンズによる各受光部の撮像光学系２４の射出瞳
への投影は２Ｐ程度のボケを生じるだけで、実際上問題
にならない。

【００５８】なお、光学ローパスフィルターに入射した
一本の光線が、拡散して射出するタイプの光学ローパス
フィルターも知られているが、このタイプでは入射光と
射出光が平行でないので、マイクロレンズによる各受光
部の撮像光学系２４の射出瞳への投影は大きく崩れてし
まい、焦点検出系は機能しない。

【００５９】図１５は、撮像素子１００の周辺回路を含
む内部構成を示したブロック図である。撮像素子１００
内には、タイミング発生部１０１、エリアセンサ部１０
２、画素の出力を選択する垂直走査部１０３および水平
走査部１０４、アナログ信号処理部１０５、アナログ／
デジタル変換を行うＡ／Ｄ変換部１０６、デジタル化さ
れた信号を出力信号に変換するデジタル信号処理部１０
７、デジタル画像信号を外部に出力し、また外部からの
コマンドデータを受け取るインターフェイス（ＩＦ）部
１０８が設けられている。

【００６０】図１５において、エリアセンサ部１０２は
上述したＣＭＯＳセンサである。図３に示す第１，第２
光電変換部を有して１つのソースフォロワ型のソースフ
ォロワアンプＭＯＳトランジスタ５を備えている。

【００６１】また、タイミング発生部１０１は、外部か
らの基準周波数であるマスタークロックを元に、各画素
で光電変換された画像信号を読み出すためのタイミング
信号を発生し、垂直および水平走査部１０３，１０４
が、このタイミング信号に従って所要の走査制御を行っ
て、各画素内で光電変換された電荷を読み出す。なお、
タイミング発生部１０１から垂直同期信号と水平同期信
号を外部に出力し、撮像素子外でタイミング信号が必要
なシステム用に、同期信号を供給する。

【００６２】また、アナログ信号処理部１０５はエリア
センサ部１０２から読み出された画像信号をノイズ低減
処理、増幅処理、ガンマ処理、クランプ処理してＡ／Ｄ
変換部１０６に出力するためのものである。Ａ／Ｄ変換
部１０６はこの画像信号をデジタル信号に変換して出力
し、デジタル信号処理部１０７は、Ａ／Ｄ変換部１０６
にてデジタル変換された画像信号を画像ＲＡＭメモリ等
を用いて表示可能な画像信号に処理して、インターフェ
イス部１０８に出力する。

【００６３】また、インターフェイス部１０８はデジタ
ル信号処理部１０７から出力されるデジタル画像信号を
撮像素子１００の外部に出力する。

【００６４】また、撮像素子１００は、外部からコマン
ド対応で撮像素子１００のモードや出力信号形態、信号
出力タイミングなどをコントロールでき、外部からイン
ターフェイス部１０８に所要のコマンドを与えると、イ
ンターフェイス部１０８が受けたコマンド対応の制御を
行うように、例えば焦点検出のためにエリアセンサ部１
０２への読み出しタイミングの制御のため垂直および水
平走査部１０３，１０４を制御等の各構成要素を制御す
る。

【００６５】撮像素子１００は撮像レンズの射出瞳全体
からの光束による光電変換出力を行う第１の出力モード
と、撮像レンズの射出瞳の一部からの光束による光電変
換出力を行う第２の出力モードとを切り替え可能であ
る。

【００６６】次に、焦点検出用の画像出力について説明
する。図９，図１０，図１１を用いて説明したように、
焦点検出用画像は第２の出力モードによって形成された
一対の物体像を実質的に同一タイミングで光電変換し、
第１の光電変換部からの画像信号と第２光電変換部から
の画像信号とに分けて独立に出力したものである。

【００６７】焦点検出領域に投影されている物体像がデ
フォーカスしていると、これらの画像信号は瞳の分割方
向に位相がシフトしたものとなる。したがって、焦点検
出領域を撮像光学系の瞳の分割方向を長手方向とした長
方形にすれば、長く連続した画像信号を用いて位相シフ
ト量を検出することとなって、よりシフト量検出の正確
さを増すことができる。

【００６８】焦点検出用画像を簡単に得るため、先に説
明したデジタル信号処理部１０７のコマンドの一つとし
て出力位置指定コマンドを用意する。図１６に信号処理
１０７ｅ，…，ｎとして示したのが出力位置指定コマン
ドであって、エリアセンサ部１０２の撮像領域のうち、
図４に示した垂直方向に長方計の焦点検出領域６１から
６７の何れか、あるいは、これらの組み合わせを指定す
る。また、あらかじめ定められた焦点検出領域から選択
するのではなく、トラックボールなどのポインティング
デバイスを用意することにより、操作制御部に備えたＣ
ＰＵに指示を出すことにより、ＣＰＵの制御機能によ
り、数１００程度の焦点検出領域から幾つかを任意に指
定するようにしてもよい。

【００６９】その指定された特定領域を含むラインにつ
いては、焦点検出用として電荷蓄積レベルが最適化され
た画像を出力するように構成する。焦点検出領域内で適
切な信号レベルを得るため、焦点検出領域別に、図２に
示した絞りと共に、電子シャッタ設定を行う。ＣＣＤ型
の撮像素子は全ての画素の電荷蓄積時間が同じである
が、撮像素子１００はＣＭＯＳセンサの特長を生かし
て、画素単位、あるいはライン単位、あるいはブロック
単位での読み出しを行う構造をとることが容易にでき、
さらに、蓄積時間の始まりと終りを単位毎に異ならせる
ことができる。ここでは垂直ライン単位に電荷蓄積時間
を変えるものとし、焦点検出領域内の画像がＡ／Ｄ変換
レンジを有効に使えるようにする。

【００７０】図１７を用いて電子シャッタ機能を説明す
る。画面を図１７（ａ）のように垂直ライン順次で画素
を読み出す場合は、図１７（ｂ）に示すように、まず最
初の１列に各画素に蓄積されている無効電荷を、上向き
矢印で示す画素リセット時にリセットし、有効蓄積動作
を開始する。斜線で示す時の一定時間経過の後に下向き
矢印で示す画素読み出し時に画素を読み出して、次段の
信号処理部に画像信号を与える。次に２列、３列．．と
同様に走査される。有効蓄積動作は、垂直ライン毎にタ
イミングが異なるが、蓄積時間は実質的に同一である。

【００７１】画面全体について、電荷蓄積時間を短くす
る場合は、図１７（ｃ）に示すように無効電荷をリセッ
トする画素リセットのタイミングを、時間的に後ろにず
らすことで、有効蓄積動作時間を短縮でき、電子シャッ
タ動作がなされる。この動作は、インターフェイス部１
０８が受けた電子シャッタコマンドで、タイミング発生
部１０１のモードを切り替えればよい。

【００７２】また、垂直ライン単位で有効蓄積動作時間
を設定する場合は、図１７（ｄ）のようになる。図１７
（ｄ）は、仮に焦点検出領域が２列目にあるとして、２
列目の信号レベルを適切にすべく有効蓄積時間を他のラ
インとは異ならせた例である。

【００７３】なお、このようにして得られた焦点検出用
画像は、前述のように第２の出力モードによる半光束ず
つの一対の画像であって、しかも、他のラインとは蓄積
時間が異なるものとなるが、信号処理上これらを加算し
て、さらに蓄積時間の差を打ち消すようなゲインを掛け
れば、他のラインと同一条件の情報を信号処理上で簡易
的に作成することができる。したがって、撮像した画像
をモニターに表示する場合には、このような処理を加え
ることによって、焦点検出を行いつつ、画面全体の情報
を得ることが可能である。

【００７４】では次に、図５，図３に戻って、撮像素子
の電荷蓄積動作の詳細を述べる。

【００７５】先ず、フォトゲート２，５２の下に空乏層
を拡げるため制御パルスφＰＧ₀₀（奇数行），φＰＧｅ
₀（偶数行）に正の電圧を印加する。ＦＤ部２１は蓄積
中、ブルーミング防止のため制御パルスφＲ₀をハイに
して電圧Ｖ_DDに固定しておく。光子ｈνが照射されフォ
トゲート２，５２の下でキャリアが発生すると、フォト
ゲート２，５２の下の空乏層中に電子が蓄積されてい
き、正孔はＰ型ウェル１７を通して排出される。

【００７６】光電変換部１とＦＤ部２１の間には転送Ｍ
ＯＳトランジスタ３によるエネルギー障壁が、光電変換
部５１とＦＤ部２１の間には転送ＭＯＳトランジスタ５
３によるエネルギー障壁がそれぞれ形成されている。こ
のため、光電荷蓄積中は電子はフォトゲート２，５２の
下に存在する。この後、水平走査部１６を走査させ、同
様に他行の光電変換部１、光電変換部５１に電荷蓄積動
作を行えば、全光電変換部について電荷の蓄積が成され
る。

【００７７】読み出し状態になると転送ＭＯＳトランジ
スタ３あるいは５３下の障壁をなくし、フォトゲート２
や５２の下の電子をＦＤ部２１へ完全に転送させる様に
制御パルスφＰＧ₀₀，φＰＧｅ₀、制御パルスφＴ
Ｘ₀₀，φＴＸｅ₀を設定する。

【００７８】（第２の出力モード動作）図１８のタイミ
ングチャートを用いて撮像素子の読み出し動作を説明す
る。このタイミングチャートは、２つの光電変換部を独
立に出力する第２の出力モードの場合であって、焦点検
出用画像の読み出しに用いる。

【００７９】先ず、水平走査部１６からのタイミング出
力によって、制御パルスφＬをハイとして水平出力線を
基準電位点Ｖssに落としてリセットする。また、制御パ
ルスφＲ₀，φＰＧ₀₀，φＰＧｅ₀をハイとし、リセッ
ト用ＭＯＳトランジスタ４をオンとし、フォトゲート２
の一層目ポリＳｉ１９をハイとしておく。

【００８０】時刻Ｔ₀において、制御パルスφＳ₀をハ
イとし、選択スイッチＭＯＳトランジスタ６をオンさ
せ、受光部３０−１１を選択する。次に制御パルスφＲ
₀をローとし、ＦＤ領域２１のリセットを止め、ＦＤ領
域２１をフローティング状態とし、ソースフォロワアン
プＭＯＳトランジスタ５のゲート・ソース間をスルーと
した後、時刻Ｔ₁において制御パルスφＴ_Nをハイと
し、ＦＤ領域２１の暗電圧をソースフォロワ動作で蓄積
容量Ｃ_TN１０に出力させる。

【００８１】次に、第１光電変換部の光電変換出力を行
うため、第１光電変換部の制御パルスφＴＸ₀₀をハイと
して転送スイッチＭＯＳトランジスタ３を導通した後、
時刻Ｔ₂において制御パルスφＰＧ₀₀をローとして下げ
る。この時フォトゲート２の下に拡がっていたポテンシ
ャル井戸を上げて、光発生キャリアをＦＤ領域２１に完
全転送させるような電圧関係が好ましい。

【００８２】時刻Ｔ₂でフォトダイオードの光電変換部
１からの電荷がＦＤ領域２１に転送されることにより、
ＦＤ領域２１の電位が光に応じて変化することになる。
この時ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ５がフ
ローティング状態であるので、ＦＤ領域２１の電位を時
刻Ｔ₃において制御パルスφＴ_Sをハイとして蓄積容量
Ｃ_TS１１に出力する。この時点で第１光電変換部の暗出
力と光出力はそれぞれ蓄積容量Ｃ_TN１０とＣ_TS１１に蓄
積されており、時刻Ｔ₄の制御パルスφＨＣを一時ハイ
として垂直出力線リセットＭＯＳトランジスタ１３と５
５を導通して垂直出力線をリセットし、垂直転送期間に
おいて垂直走査部１５の走査タイミング信号により垂直
信号線にＭＯＳスイッチ１２，５４をオンして、画素の
暗出力と光明出力を出力させる。蓄積容量Ｃ_TN１０とＣ
_TS１１の出力は、差動増幅器１４によって、差動出力Ｖ
_OUTを取れば、画素のランダムノイズ、固定パターンノ
イズを除去したＳ／Ｎの良い画像信号が得られる。

【００８３】なお、受光部３０−１２の光電荷は、受光
部３０−１１と同時に夫々の蓄積容量Ｃ_TNとＣ_TSに蓄積
されるが、その読み出しは垂直走査部１５からのタイミ
ングパルスを１受光部分遅らせて、垂直出力線に読み出
して差動増幅器１４から出力される。この走査を繰り返
して、時系列に異なる時間にそれぞれの光電変換部に応
じた画像信号を得ることができる。１受光部分のタイミ
ングパルスの差であるので、両者の蓄積時間は実質的に
同一とみなせる。

【００８４】次に、蓄積容量Ｃ_TS１１に明出力を出力し
た後、制御パルスφＲ₀をハイとして、リセット用ＭＯ
Ｓトランジスタ４を導通しＦＤ領域２１を電源Ｖ_DDにリ
セットする。

【００８５】第１光電変換部の垂直転送が終了した後、
第２光電変換部の読み出しを行う。第２光電変換部の読
み出しは、制御パルスφＲ₀をローとし、ＦＤ領域２１
のリセットを止め、ＦＤ領域２１をフローティング状態
とし、ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ５のゲ
ート・ソース間をスルーとした後、時刻Ｔ₅において制
御パルスφＴ_Nをハイとし、ＦＤ領域２１の暗電圧をソ
ースフォロワ動作で蓄積容量Ｃ_TN１０に出力させる。

【００８６】第２光電変換部の光電変換出力を行うた
め、第２光電変換部の制御パルスφＴＸｅ₀をハイとし
て転送スイッチＭＯＳトランジスタ５３を導通した後、
時刻Ｔ ₆において制御パルスφＰＧｅ₀をローとして下
げる。

【００８７】時刻Ｔ₆でフォトダイオードの光電変換部
２からの電荷がＦＤ領域２１に転送されることにより、
ＦＤ領域２１の電位が光に応じて変化することになる。
この時ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ５がフ
ローティング状態であるので、ＦＤ領域２１の電位を時
刻Ｔ₇において制御パルスφＴ_Sをハイとして蓄積容量
Ｃ_TS１１に出力する。この時点で第２光電変換部の暗出
力と光出力はそれぞれ蓄積容量Ｃ_TN１０とＣ_TS１１に蓄
積されており、時刻Ｔ₈の制御パルスφＨＣを一時ハイ
として垂直出力線リセットＭＯＳトランジスタ１３と５
５を導通して垂直出力線をリセットし、垂直転送期間に
おいて垂直走査部１５の走査タイミング信号により垂直
出力線に画素の暗出力と光出力を出力させる。この時、
蓄積容量Ｃ_TN１０とＣ_TS１１の差動増幅器１４によっ
て、差動出力Ｖ_OUTを得る。

【００８８】以上の駆動により、第１、第２光電変換部
の読み出しが夫々独立に行える。

【００８９】この後、水平走査部１６を走査させ、同様
に読み出し動作を行えば、１フレーム分の全光電変換部
の独立出力が得られる。即ち、次の列の場合は、まず制
御パルスφＳ₁をハイとし、次にφＲ₁をローとし、続
いて制御パルスφＴ_N，φＴＸ₀₁をハイとし、制御パル
スφＰＧ₀₁をロー、制御パルスφＴ_Sをハイ、制御パル
スφＨＣを一時ハイとして受光部３０−２１，３０−２
２の第１光電変換部の信号を読み出す。続いて、制御パ
ルスφＴＸｅ₁，φＰＧｅ₁および上記と同様に制御パ
ルスを印加して、受光部３０−２１，３０−２２の第２
光電変換部の信号を読み出す。

【００９０】１画素の２つの光電変換部にそれぞれソー
スフォロワを設けず、２つの光電変換部に１つのソース
フォロワを設けたことにより、ソースフォロワアンプＭ
ＯＳトランジスタ５、選択スイッチＭＯＳトランジスタ
６、リセットＭＯＳトランジスタ４を従来の半分にすこ
とができる。これにより、画素の光電変換部の開口率が
向上し、画素の集積化による微細化が実現できて、焦点
検出のために利用することが極めて容易となる。また、
ＦＤ領域２１を２つの光電変換部で共有化させることに
より、ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ５のゲ
ート部分の容量を増やさず済むため、感度の低下を防ぐ
ことができる。

【００９１】（第１の出力モード動作）次に、第１およ
び第２の光電変換部の信号をＦＤ領域２１において加算
することにより、対物レンズの全瞳からの光束に基づく
信号を出力する第１の出力モードについて説明する。こ
の動作モードは通常の撮像素子での画像出力に相当す
る。

【００９２】第１および第２の光電変換部の信号を加算
する場合のタイミングチャートを図１７に示す。非加算
モードの図１８では制御パルスφＴＸ₀₀と制御パルスφ
ＴＸｅ₀、制御パルスφＰＧ₀₀と制御パルスφＰＧｅ₀
のタイミングをずらしていたが、この第１の出力モード
による加算の場合は同じタイミングとする。即ち、受光
部３０−１１の第１光電変換部と第２光電変換部とから
同時に読み出すために、まず制御パルスφＴ_Nをハイと
して水平出力線からノイズ成分を読み出し、制御パルス
φＴＸ₀₀と制御パルスφＴＸｅ₀を、および制御パルス
φＰＧ₀₀と制御パルスφＰＧｅ₀を、夫々同時にハイ、
ローとして、ＦＤ領域２１に転送する。これにより、同
時刻に上下２つの光電変換部の信号をＦＤ領域２１で加
算することが可能となる。画素レベルでの信号の加算で
あるため、アンプノイズの影響を受けず、信号読み出し
後の加算では得られない高Ｓ／Ｎの画像となる。

【００９３】以上のように、図１８のタイミングによる
読み出しによれば撮影レンズの焦点検出を行うための焦
点検出用画像を、図１９のタイミングによれば全光束を
用いた通常の画像を出力することができる。すなわち、
撮像レンズの射出瞳全体からの光束による光電変換出力
を行う第１の出力モードと、撮像レンズの射出瞳の一部
からの光束による光電変換出力を行う第２の出力モード
とを切り替え可能である。

【００９４】第１の出力モードによれば、不自然な像の
ボケが生じることはなく、元々撮像光学系の瞳の全光束
を使った画像を得るように設計された撮像素子で得られ
る画像と同レベルのＳ／Ｎ的に優れた高品位画像を得る
ことができる。

【００９５】（焦点検出信号処理）さて、焦点検出のた
めの信号処理について説明する。図２０は図４に示した
焦点検出領域６１の拡大図である。他の焦点検出領域６
２，６３，６４，６５，６６，６７も同様の構造であ
る。図２１から図２８は図１５によって説明したインタ
ーフェイス部１０８から出力された画像のデジタル信号
を表す検出特性グラフ図である。

【００９６】図２０に示すように、焦点検出領域６１は
１２個の受光部で構成された画素列を２組備えている。
画素列８２は受光部８０−１，８０−２，…，８０−１
２で構成され、画素列８３は受光部８１−１，８１−
２，…，８１−１２で構成されている。エリアセンサ部
１０２のカラーフィルターはベイヤー配列をなしている
ので、各画素列には２種類のカラーフィルターが交互に
配列されることになる。そこで、焦点検出のために、各
画素列をカラーフィルターの種類で分類し、さらに、そ
れぞれから、第１光電変換部からの信号と第２光電変換
部からの信号とからなる１対の画像信号を生成する。し
たがって、焦点検出領域６１からは画素列８２のＧ１，
Ｇ２，Ｒ１，Ｒ２、画素列８３のＧ１，Ｇ２，Ｂ１，Ｂ
２というそれぞれ全部で４対の画像信号ができる。な
お、前述のように一つの焦点検出領域については実質的
に一律の蓄積時間とする。

【００９７】図２１から図２４はこの４対の画像信号を
示している。

【００９８】図２１は画素列８２のうち緑色カラーフィ
ルターを備えた受光部８０−１，８０−３，…，８０−
１１からの画像信号で、８４はＧ１で示した第１光電変
換部の信号、８５はＧ２で示した第２光電変換部の信号
である。

【００９９】図２２は画素列８３のうち緑色カラーフィ
ルターを備えた受光部８１−２，８１−４，…，８１−
１２からの画像信号で、８６はＧ１で示した第１光電変
換部の信号、８７はＧ２で示した第２光電変換部の信号
である。

【０１００】図２３は画素列８２のうち赤色カラーフィ
ルターを備えた受光部８０−２，８０−４，…，８０−
１２からの画像信号で、８８はＲ１で示した第１光電変
換部の信号、８９はＲ２で示した第２光電変換部の信号
である。

【０１０１】図２４は画素列８３のうち青色カラーフィ
ルターを備えた受光部８１−１，８１−３，…，８１−
１１からの画像信号で、９０はＢ１で示した第１光電変
換部の信号、９１はＢ２で示した第２光電変換部の信号
である。

【０１０２】これらは、撮像光学系２４によって焦点検
出領域６１上に成された物体像が、オレンジ色と黄色の
濃淡である場合の例で、図２１と図２２に示した緑色の
コントラストが高く、図２３に示した赤色は低コントラ
ストであるものの強度は強く、さらに、図２４に示した
青色はコントラストも強度も低くなっている。図は物体
像がデフォーカスした状態を示し、矢印Ａ，Ｂで示すよ
うに第１光電変換部の信号と第２の光電変換部の信号と
は位相がシフトしていることが分かる。

【０１０３】また、図２５から図２８は物体像にピント
があった状態での信号であり、図２１から図２４に示し
た撮像光学系２４の第２群ｇｒｐ２の移動によって、そ
れぞれ変化する様子を表している。

【０１０４】図２５は画素列８２のうち緑色カラーフィ
ルターを備えた受光部８０−１，８０−３，…，８０−
１１からの画像信号で、１８４はＧ１で示した第１光電
変換部の信号、１８５はＧ２で示した第２光電変換部の
信号である。

【０１０５】図２６は画素列８３のうち緑色カラーフィ
ルターを備えた受光部８１−２，８１−４，…，８１−
１２からの画像信号で、１８６はＧ１で示した第１光電
変換部の信号、１８７はＧ２で示した第２光電変換部の
信号である。

【０１０６】図２７は画素列８２のうち赤色カラーフィ
ルターを備えた受光部８０−２，８０−４，…，８０−
１２からの画像信号で、１８８はＲ１で示した第１光電
変換部の信号、１８９はＲ２で示した第２光電変換部の
信号である。

【０１０７】図２８は画素列８３のうち青色カラーフィ
ルターを備えた受光部８１−１，８１−３，…，８１−
１１からの画像信号で、１９０はＢ１で示した第１光電
変換部の信号、１９１はＢ２で示した第２光電変換部の
信号である。

【０１０８】物体にピントがあった状態では、第１光電
変換部の信号と第２光電変換部の信号とは位相が一致す
る。したがって、一対の信号の同一性を判定することで
合焦検知を行うことができる。さらには、相関演算を用
いた公知の手法（例えば、特公平５−８８４４５号公
報）を用いて、位相シフト量を検出することにより、デ
フォーカス量を求めることができる。

【０１０９】ここで、光電変換された２像の信号処理方
法について説明する。上記相関演算は、例えば、第１，
第２光電変換部の光電変換素子数をそれぞれＮとし、光
電変換素子の出力をそれぞれａ（ｉ），ｂ（ｉ）（ｉ＝
１〜Ｎ）としたとき、相互の相関量Ｖ（ｍ）は、Ｖ（ｍ）＝Σ（｜ａ(i)−ｂ(i+1-m)｜−｜（ａ(i+1)−ｂ(i-m)｜ …(1) となり、２像のずれ量が最も小さいとき、即ち一致した
とき最小値をとる。また、相関量Ｖ（ｍ）としては、Ｖ（ｍ）＝Σ（｜ａ(i)−ｂ(i+1-m)｜^P−｜（ａ(i+1)−ｂ(i-m)｜^P …(２) として求めてもよい。ただし、Ｐは正数とする定数であ
る。また、相関量Ｖ（ｍ）は、min(x,y)，max(x,y)を２
実数ｘ，ｙのうちの小なるもの、もしくは大なるものと
すれば、Ｖ（ｍ）＝Σ［min｛（ａ(i)，ｂ(i+1-m)｝−min｛ａ(i+1)，ｂ(i-m)｝］…(３) Ｖ（ｍ）＝Σ［max｛（ａ(i)，ｂ(i+1-m)｝−max｛ａ(i+1)，ｂ(i-m)｝］…(４) を用いてもよい。この演算によって、位相シフト量を検
出し、結像レンズの結像状態を検出することが可能とな
る。

【０１１０】続いて、デフォーカス量を求め、得られた
デフォーカス量を結像光学系２４の第２群ｇｒｐ２を駆
動すべき量に換算すれば、自動焦点調節が可能である。
レンズの駆動量をあらかじめ知ることができるので、通
常、合焦位置までのレンズ駆動はほぼ一回のみで済み、
極めて高速な焦点調節が実現できる。

【０１１１】また、ここでは色分解した信号を用いた
が、色分解しない場合はこれらを足しあわせた信号を得
ることに相当するために、低コントラストになりやす
く、この結果、検出不能状態に陥りやすい。これに対し
て、色分解した信号を用いれば、ここに示したようにＲ
ＧＢすべての信号に高いコントラストが現れるとは限ら
ないが、逆にＲＧＢの何れかには高コントラストな信号
が得られ、ほとんどの場合焦点検出が可能となる。

【０１１２】なお、撮像素子１００には光学ローパスフ
ィルターＬＰＦを通過した物体像が入射しているもの
の、光学系の特性上、焦点検出系のナイキスト周波数ν
ｎ＝１／（２×２Ｐ）を上回る高周波成分を全く取り込
まないわけではない。したがって、物体のパターンによ
っては物体像の位相が信号の位相に反映されず、焦点検
出結果には若干の誤差が含まれることがある。

【０１１３】像の位相差がない場合には、一対の信号に
均等に位相エラーが乗るため、この現象が生じても焦点
検出誤差にはならない。すなわち、図２５、図２６にあ
るような信号では、合焦判定に誤差は生じないが、図２
１、図２２にあるような信号では、デフォーカス量検出
に誤差が生じるということになる。

【０１１４】しかし、このデフォーカス量検出の誤差
は、図２０乃至図２２より分かるように、信号８４，８
５に対して信号８６，８７は物体像のサンプリング位置
が半ピッチずれているため、信号８４，８５から算出さ
れた焦点検出結果と、信号８６，８７から算出された焦
点検出結果を平均して最終的な焦点検出結果を得ること
で、焦点検出誤差を低減することができ、上記の不具合
を解決することができる。

【０１１５】同様に、信号８８，８９に対して信号９
０，９１は物体像のサンプリング位置が半ピッチずれて
いるため、信号８８，８９から算出された焦点検出結果
と、信号９０，９１から算出された焦点検出結果を平均
して最終的な焦点検出結果を得ることで、焦点検出誤差
を低減することができる。この場合には赤色と青色に注
目した焦点検出結果を平均することになり、結果的に撮
像光学系２４の色収差をも平均することになって好まし
い。

【０１１６】また、信号８４，８５から算出された焦点
検出結果、信号８６，８７から算出された焦点検出結
果、信号８８，８９から算出された焦点検出結果、信号
９０，９１から算出された焦点検出結果のうち、信頼性
が高いものだけを選択して平均すれば、より高い焦点検
出精度を得ることが可能である。例えば、図２３や図２
４の場合のように低コントラストな信号では、その焦点
検出結果を焦点調節に用いないようにすればよい。

【０１１７】（デフォーカスの対応処理）以上は、第１
光電変換部の信号と第２光電変換部の信号とは位相のみ
がシフトした関係にあることを前提に説明してきた。こ
の前提が成り立つのは、比較的デフォーカス量が小さい
場合である。次に、大デフォーカスへの対応について説
明する。

【０１１８】図２に示した撮像装置において、絞りＳＴ
には２０４から２０８で示した５つの開口が設けられ、
開口２０４，２０５，２０６は撮像のための開口、開口
２０７と２０８は大デフォーカス検出用開口である。撮
像時は、撮影する物体の輝度に応じて自動的に開口２０
４，２０５，２０６のうちの一つが選択される。あるい
は、使用者が任意に開口２０４，２０５，２０６のうち
の一つを選択するようにしても良い。開口の大きさを小
さくするにしたがって、すなわち、開口２０４よりも開
口２０５を、開口２０５よりも開口２０６を選択する
と、被写界側でピントが合う範囲が深くなるとともに、
電子シャッタによる電荷蓄積時間は長くなる。

【０１１９】撮像素子１００上に設けられたマイクロレ
ンズは、撮像素子１００の各受光部を撮像光学系２４の
射出瞳に投影するが、撮像素子１００の各受光部に入射
する光量と絞りＳＴの開度との関係を線形にするため
に、そのパワーは各受光部の投影像が、撮像光学系の絞
り開放時の射出瞳よりも大きくなるように設定してあ
る。すなわち、絞りＳＴ上で受光部の投影像と開口とを
比較すると、受光部の投影像は、最も大きい開口２０４
よりもさらに大きい。こうすれば、撮像素子１００への
入射光量が絞りの開口面積におおよそ比例し、被写体輝
度、撮像素子１００の感度が与えられたときに、フィル
ムカメラと同様の手法で、絞り値とシャッター速度を算
出することができる。つまり、入射光量が絞りの開口面
積に比例するようになり、ＡＰＥＸ方式の演算が成り立
つ。

【０１２０】先に図１２を用いて説明したように、開口
２０４，２０５，２０６の何れを用いて撮像した場合で
も、形成された画像は、円を２分割した半光束によるも
のとなる。一般に、物体像は点像と物体の輝度パターン
のコンボルーションで与えられるが、物体像のデフォー
カス量が大きくなると、点像には射出瞳の形が現れてく
る。この結果、画像には円を２分割した形のボケが重畳
することになる。

【０１２１】一対の焦点検出用画像の形成が、平行移動
で重なる形状の一対の射出瞳を介して成されていれば、
個々の瞳形状がどういうものであっても、第１光電変換
部の信号と第２光電変換部の信号の関係は位相のみがシ
フトしたものになる。ところが、図１２に示したよう
に、この撮像装置の場合、射出瞳上の第一の領域２１１
と第二の領域２１２の形状は互いに裏返しの関係であっ
て、平行移動で重なるわけではない。したがって、画像
に重畳するボケ形状も同様に裏返しの関係になり、第１
光電変換部の信号と、第２光電変換部の信号は、形状を
異ならせながら位相がシフトしたものになってしまう。
大デフォーカス時には画像の位相差検出がうまく行か
ず、デフォーカス量検出誤差は大きい。

【０１２２】また、大デフォーカス時にデフォーカス量
検出誤差を大きくする他の要因として、マイクロレンズ
の製造誤差が挙げられる。前述のように、マイクロレン
ズは受光部を撮像光学系の射出瞳に投影している。仮
に、この投影位置が画素でバラバラであると、デフォー
カス時の位相シフト量が画素毎に異なることになってし
まう。この影響はデフォーカス量が大きいほど深刻であ
る。しかしながら、マイクロレンズは非常に微細である
ため、実際にはある程度の製造ばらつきを許容せざるを
得ない。

【０１２３】そこで、大デフォーカス検出時には、大デ
フォーカス検出用である絞りＳＴの開口２０７と２０８
を用いる。この場合、射出瞳の分割の様子は図２９のよ
うになる。図２９において、２１３，２１４は絞り開口
２０７，２０８を後方レンズ群２０２を通して見た虚像
であって、開口２０７と２０８によって形成された射出
瞳上の第三の領域と第四の領域である。

【０１２４】第三の領域２１３は第一の領域２１１に含
まれ、第四の領域２１４は第二の領域２１２に含まれ、
したがって、開口２０７と２０８が射出瞳の形状を決め
ることになる。第１光電変換部へは開口２０７を通過し
た光束が入射し、第２光電変換部へは、開口２０８を通
過した光束が入射する。

【０１２５】第一の領域２１１と第二の領域２１２はマ
イクロレンズによる瞳投影精度の影響を受けるが、第三
の領域２１３と第四の領域２１４はマイクロレンズによ
る瞳投影精度の影響を受けない。したがって、マイクロ
レンズの製造誤差があって、画素毎に第一の領域２１１
と第二の領域２１２の位置が揺らいでいたとしても、開
口２０７と２０８を使えば、揺らぎがなく、確定した第
三の領域２１３と第四の領域２１４を得ることができ
る。

【０１２６】ここで、開口２０７と２０８を例えば楕円
や円とすれば、平行移動で重なる同一の形状であるため
に、第１光電変換部の信号と第２光電変換部の信号の関
係は完全に位相のみがシフトしたものとなる。しかも、
マイクロレンズの製造誤差の影響を受けない。したがっ
て、大デフォーカスであっても、デフォーカス量の検出
誤差を極めて小さく抑えることが可能である。また、開
口２０７と２０８の重心の入射高さを、開放絞り径の
０．７倍程度に選べば、一般的な球面収差特性を有する
撮像光学系について、最良解像までのデフォーカス量を
収差レベルで正確に検出することができる。

【０１２７】なお、撮像光学系２４の第２群ｇｒｐ２と
第４群ｇｒｐ４が光軸方向に動いて、ズーム動作が行わ
れると、一般には開放Ｆナンバーが変化するが、開放絞
りに対する開口２０７と２０８の重心位置の関係は、一
定の比率を維持するので、開口２０７と２０８の重心の
入射高さは、ズーム位置に関わらず常に開放絞り径の
０．７倍程度になって都合がよい。

【０１２８】被写体の物体にピントがあっている可能性
が低い初回の焦点調節動作時には、先ず開口２０７と２
０８を使用して、仮に大デフォーカスであっても、これ
に対応できる焦点調節と物体観察用のモニター表示を行
い、これに続く２回目以降の焦点調節動作では開口２０
４，２０５，２０６の何れかを用いて残る焦点調節とモ
ニター表示を行うとともに、続く撮像に備えるように撮
像装置のシーケンスを構成すると良い。

【０１２９】この撮像装置では、撮像光学系のデフォー
カス量を検出するための専用の焦点検出装置を必要とし
ないので、光路分割のためのミラーやプリズムが要らな
い。したがって、撮像系を小型化することができる。

【０１３０】［第２の実施形態］図３０は本発明による
第２の実施形態の撮像装置を示す図である。図におい
て、ＳＴ１は第１絞り、ＳＴ２は第１絞りＳＴ１と同軸
に回転する第２絞りである。第１絞りＳＴ１は、第１実
施形態として図２８に示した絞りＳＴから大デフォーカ
ス検出用開口２０７，２０８を除いたものである。第１
絞りＳＴ１と第２絞りＳＴ２は隣接して配置されてい
る。第１絞りＳＴ１と第２絞りＳＴ２は不図示のモータ
ーの駆動力によって、選択的にそれぞれ３つおよび４つ
のポジションをとる。

【０１３１】図３０において、２０１は撮像光学系２４
のうち、絞りＳＴ１，２よりも物体側にある第１群（ｇ
ｒｐ１）と第２群（ｇｒｐ２）とをまとめて示した前方
レンズ群、２０２は撮像光学系２４のうち、絞りＳＴ
１，２よりも像面側にある第３群（ｇｒｐ３）、第４群
（ｇｒｐ４）、光学ローパスフィルターＬＰＦをまとめ
て示した後方レンズ群である。絞りＳＴ１，ＳＴ２の開
口を通過した光束によって撮像素子１００上に物体像を
形成する。絞りＳＴ１，ＳＴ２は軸Ｌ２を中心にして個
別に回転し、不図示のモーターの駆動力によって、所定
角度毎に位置する選択的に選択できる３つ及び４つのポ
ジションをとる。

【０１３２】第２絞りＳＴ２には、２２０から２２７で
示した７つの開口が設けられ、開口２２７は撮像のため
の開口、開口２２０と２２１、２２２と２２３、２２４
と２２５は対として、大デフォーカス検出用開口であ
る。開口２２７は第１絞りＳＴ１で光束を制限するとき
に用い、撮像時は、第２絞りの開口２２７が設定される
と同時に、撮影する物体の輝度に応じて第１絞りの開口
のうちの一つが自動的に選択される。あるいは、使用者
が一つを任意に選択するようにしても良い。

【０１３３】撮像素子１００上に設けられたマイクロレ
ンズは撮像素子の各受光部を撮像光学系２４の射出瞳に
投影するが、撮像素子１００の各受光部に入射する光量
と第１絞りＳＴ１の開度との関係を線形にするために、
そのパワーは各受光部の投影像が撮像光学系の絞り開放
時の射出瞳よりも大きくなるように設定してある。すな
わち、絞りＳＴ上で受光部の投影像と開口とを比較する
と、受光部の投影像は最も大きい第１絞りの開口よりも
さらに大きい。こうすれば、撮像素子への入射光量が絞
りの開口面積におおよそ比例し、被写体輝度、撮像素子
の感度が与えられたときに、フィルムカメラと同様の手
法で絞り値とシャッター速度を算出することができる。
つまり、入射光量が絞りの開口面積に比例するようにな
り、ＡＰＥＸ方式の演算が成り立つ。

【０１３４】大デフォーカスを検出する時には、第２絞
りＳＴ２の開口２２０と２２１、２２２と２２３、２２
４と２２５の何れかの組と、第２絞りＳＴ２の開口で光
束が決まることを保証するために第１絞りＳＴ１の最大
の開口を用いる。

【０１３５】開口２２０と２２１を用いた場合、射出瞳
の分割の様子は第１実施形態と同様に図３０のようにな
る。先にも説明したように、図において、２１３，２１
４は絞り開口２０７，２０８に代えて第２絞りの開口２
２０と２２１を後方レンズ群２０２を通して見た虚像で
あって、開口２２０と２２１によって形成された射出瞳
上の第三の領域と第四の領域である。

【０１３６】第三の領域２１３は第一の領域２２０に含
まれ、第四の領域２１４は第二の領域２２１に含まれ、
したがって、開口２２０と２２１が射出瞳の形状を決め
ることになる。第１光電変換部へは開口２２０を通過し
た光束が入射し、第２光電変換部へは開口２２１を通過
した光束が入射する。

【０１３７】第一の領域２２０と第二の領域２２１はマ
イクロレンズによる瞳投影精度の影響を受けるが、第三
の領域２１３と第四の領域２１４はマイクロレンズによ
る瞳投影精度の影響を受けない。したがって、マイクロ
レンズの製造誤差があって画素毎に第一の領域２２０と
第二の領域２２１の位置が揺らいでいたとしても、開口
２２０と２２１を使えば、確定した第三の領域２１３と
第四の領域２１４を得ることができる。

【０１３８】ここで開口２２０と２２１の形状を、例え
ば楕円や円とすれば、平行移動で重なる同一の形状であ
るために、第１光電変換部の信号と第２光電変換部の信
号の関係は完全に位相のみがシフトしたものとなる。し
かも、マイクロレンズの製造誤差の影響を受けない。し
たがって、大デフォーカスであってもデフォーカス量の
検出誤差を極めて小さく抑えることが可能である。

【０１３９】以上のように、開口２２０と２２１を用い
ることで、大デフォーカスの検出が可能となった。とこ
ろで、一般に、撮影レンズの最短撮影距離Ｄ［ｍ］は、
撮影画角θ［°］の関数として、式（１）のようにする
と実用上便利である。

【０１４０】Ｄ＝０．２／ｔａｎ（θ／２） ……（１）このように最短撮影距離を規定した場合、最短撮影距離
に撮影レンズの繰り出しを設定して、無限遠にある物体
を捉えたときのデフォーカス量はおおよそ撮影レンズの
焦点距離の２乗に比例する。したがって、撮影レンズの
焦点距離が非常に長い超望遠レンズを用いたときや、ズ
ームの望遠側を選んだときには、極めて大きなデフォー
カスが生じることがあり、第１光電変換部の信号と第２
光電変換部の信号の位相のシフトが大きすぎて、信号の
共通範囲が無くなってしまうこともあり得る。このよう
な場合には、当然、位相差の検出はできない。

【０１４１】図３１はこのような事態に対応すべく、単
位デフォーカスで生じる位相シフト量を小さくする方向
に機能する開口２２２，２２３を使用した場合の射出瞳
の分割の様子である。図３１において、２３０は第１絞
りＳＴ１が開放状態の時の射出瞳、２３１は撮像素子１
００の第１光電変換部に入射する光束が通過する射出瞳
上の第一の領域、２３２は撮像素子１００の第２光電変
換部に入射する光束が通過する射出瞳上の第二の領域で
ある。２３３，２３４は絞り開口２２２，２２３を後方
レンズ群２０２を通して見た虚像であって、開口２２２
と２２３によって形成された射出瞳上の第三の領域と第
四の領域である。

【０１４２】第三の領域２３３は第一の領域２３１に含
まれ、第四の領域２３４は第二の領域２３２に含まれ
る。したがって、開口２２２と２２３が射出瞳の形状を
決めることになる。第１光電変換部へは開口２２２を通
過した光束が入射し、第２光電変換部へは開口２２３を
通過した光束が入射する。

【０１４３】開口２２０と２２１を用いたときに比べ
て、射出瞳上の第三の領域と第四の領域が狭いために、
単位デフォーカスで生じる位相シフト量を小さくするこ
とができる。さらに、開口２２４と２２５を用いれば、
一層、単位デフォーカスで生じる位相シフト量を小さく
することが可能である。

【０１４４】図３２は開口２２４，２２５を使用した場
合の射出瞳の分割の様子である。図３２において、２３
５，２３６は図３０に示す絞り開口２２４，２２５を後
方レンズ群２０２を通して見た虚像であって、開口２２
４と２２５によって形成された射出瞳上の第三の領域と
第四の領域である。

【０１４５】第三の領域２３５は第一の領域２３１に含
まれ、第四の領域２３６は第二の領域２３２に含まれ
る。したがって、開口２２２と２２３が射出瞳の形状を
決めることになる。第１光電変換部へは開口２２４を通
過した光束が入射し、第２光電変換部へは開口２２５を
通過した光束が入射する。

【０１４６】超望遠レンズを用いたときや、ズームの望
遠側を選んだときには、焦点検出等の制御回路は、物体
にピントがあっている可能性が極めて低い初回の焦点調
節動作時に、先ず開口２２４と２２５を使用して、仮に
極めて大きいデフォーカスであっても、これに対応でき
る焦点調節と物体観察用のモニター表示を行い、これに
続く２回目の焦点調節動作では開口２２２，２２３、さ
らに、３回目の焦点調節動作では開口２２０，２２１と
いった具合に使用する開口を順次切り換える。

【０１４７】小デフォーカス量であることが明らかにな
ったところで、制御回路は、第２絞りの開口２２７を設
定すると同時に、撮影する物体の輝度に応じて第１絞り
の開口のうちの一つを選んで、残る焦点調節とモニター
表示を行い、続く撮像に備えるといったように撮像装置
のシーケンスを構成すると良い。

【０１４８】

【発明の効果】以上説明したように、結像レンズと、該
結像レンズの射出瞳の第一の領域からの光束の光電変換
出力と、第二の領域からの光束の光電変換出力とを得る
固体撮像素子と、前記撮影レンズに設けられ、前記第一
の領域に含まれる第三の領域と、前記第二の領域に含ま
れる第四の領域について光を通過させ、該第三の領域と
該第四の領域以外を遮光する遮光手段と、前記固体撮像
素子の光電変換出力に基づいて前記結像レンズの結像状
態を検出する演算手段とを備えたことにより、次の効果
が得られた。

【０１４９】（１）撮像素子への入射光量が絞りの開口
面積におおよそ比例するように成した上で、大デフォー
カスを検知することが可能な、撮像装置組込型の位相差
検出方式焦点検出装置を提供することができた。

【０１５０】（２）マイクロレンズの製作誤差をある程
度許容しつつ、大デフォーカスを検知することが可能に
なった。

【０１５１】（３）光路分割のためのミラーやプリズム
が要らないため、撮像系を小型化することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による撮像光学系の構成図である。

【図２】本発明による撮像装置の斜視図である。

【図３】本発明に用いる撮像素子１００内のエリアセン
サ部の回路構成図である。

【図４】本発明に用いる撮像領域と焦点検出領域の説明
図である。

【図５】本発明に用いる受光部の断面図である。

【図６】本発明による画素とカラーフィルターの配置を
示す平面図である。

【図７】本発明によるマイクロレンズと受光部との位置
関係を示す平面図である。

【図８】本発明によるマイクロレンズを斜めから見た表
面状態を表す図である。

【図９】本発明によるエリアセンサ部の断面図である。

【図１０】（ａ），（ｂ）は、第１光電変換部に入射す
る光束と、第２光電変換部に入射する光束を各々示した
図である。

【図１１】本発明による第２光電変換部に入射する光束
を表す図である。

【図１２】本発明による射出瞳の分割の様子を表す説明
図である。

【図１３】本発明による画素のピッチを説明するための
図である。

【図１４】本発明による撮像素子１００のレスポンス特
性を表す図である。

【図１５】本発明による撮像素子１００の周辺回路を含
む内部構成を示したブロック図である。

【図１６】本発明による出力位置指定コマンドを説明す
るための図である。

【図１７】（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は電子シャ
ッタ機能を説明する図で、（ａ）は垂直ライン順次で画
素を読み出す場合の説明図、（ｂ）は蓄積時間を実質的
に同一とする場合のタイミングチャート、（ｃ）は画面
全体について電荷蓄積時間を短くする場合のタイミング
チャート、（ｄ）は２列目の信号レベルを他のラインと
は異ならせた場合のタイミングチャートである。

【図１８】本発明による第１および第２の光電変換部の
信号を独立に読み出す場合のタイミングチャートであ
る。

【図１９】本発明による第１および第２の光電変換部の
信号を加算する場合のタイミングチャートである。

【図２０】本発明による焦点検出領域６１の拡大図であ
る。

【図２１】本発明による画素列８２のうち緑色カラーフ
ィルターを備えた受光部８０−１，８０−３，…，８０
−１１からの画像信号である。

【図２２】本発明による画素列８３のうち緑色カラーフ
ィルターを備えた受光部８１−２，８１−４，…，８１
−１２からの画像信号である。

【図２３】本発明による画素列８２のうち赤色カラーフ
ィルターを備えた受光部８０−２，８０−４，…，８０
−１２からの画像信号である。

【図２４】本発明による画素列８３のうち青色カラーフ
ィルターを備えた受光部８１−１，８１−３，…，８１
−１１からの画像信号である。

【図２５】本発明による画素列８２のうち緑色カラーフ
ィルターを備えた受光部８０−１，８０−３，…，８０
−１１からの画像信号である。

【図２６】本発明による画素列８３のうち緑色カラーフ
ィルターを備えた受光部８１−２，８１−４，…，８１
−１２からの画像信号である。

【図２７】本発明による画素列８２のうち赤色カラーフ
ィルターを備えた受光部８０−２，８０−４，…，８０
−１２からの画像信号である。

【図２８】本発明による画素列８３のうち青色カラーフ
ィルターを備えた受光部８１−１，８１−３，…，８１
−１１からの画像信号である。

【図２９】本発明による大デフォーカス検出時の射出瞳
の分割の様子を表す説明図である。

【図３０】本発明による実施形態２の撮像装置の斜視図
である。

【図３１】本発明による大デフォーカス検出時の射出瞳
の分割の様子を表す説明図である。

【図３２】本発明による大デフォーカス検出時の射出瞳
の分割の様子を表す説明図である。

【符号の説明】

２４撮像光学系ＳＴ絞り２０７，２０８大デフォーカス検出用開口１００撮像素子２３マイクロレンズ１，５１ＭＯＳトランジスタゲートとゲート下の空乏
層からなる第１、第２光電変換部２，５２フォトゲート３，５３転送スイッチＭＯＳトランジスタ２１０，２１５，２１６射出瞳２１１，２１２射出瞳上の第一の領域と第二の領域２１３，２１４射出瞳上の第三の領域と第四の領域

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】結像レンズと、該結像レンズの射出瞳の
第一の領域からの光束の光電変換出力と、前記結像レン
ズの射出瞳の第二の領域からの光束の光電変換出力とを
得る固体撮像素子と、前記結像レンズの光路中に設けら
れる前記第一の領域に含まれる第三の領域と、前記結像
レンズの光路中に設けられる前記第二の領域に含まれる
第四の領域について光を通過させ、該第三の領域と該第
四の領域以外を遮光する遮光手段と、前記固体撮像素子
の光電変換出力に基づいて前記結像レンズの結像状態を
検出する演算手段とを備えたことを特徴とする焦点検出
装置。
【請求項２】前記結像レンズは、正の第１群と、負の
第２群と、正の第３群と、負と正の接合レンズの第４群
とからなり、前記遮光手段は、前記第３群に含まれるこ
とを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
【請求項３】前記遮光手段は、一ポジションで少なく
とも１つの開口と少なくとも２つの開口とを備え、前記
複数の開口を切り替えて遮光度合いを変化させることを
特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
【請求項４】前記遮光手段は複数枚の遮光板を設け、
少なくとも１枚は一つの開口部を有し、少なくとも一つ
は一ポジションで２つの開口部を有することを特徴とす
る請求項１に記載の焦点検出装置。
【請求項５】前記固体撮像素子は、少なくとも２つの
光電変換部と、前記光電変換部の電荷を転送する転送ス
イッチと、前記２つの光電変換部の電荷を加算或いは個
別に転送するフローティングディフュージョン部と、該
フローティングディフュージョン部の電荷を電流変換・
増幅して出力線に出力するアンプとを備えたことを特徴
とする請求項１に記載の焦点検出装置。
【請求項６】前記固体撮像素子は、２つの光電変換部
とそれぞれ転送スイッチを介して前記２つの光電変換部
の光電荷を読み出すアンプとを備え、前記遮光手段の前
記第三の領域と前記第四の領域を通過した光束をそれぞ
れ前記光電変換部で読み出すことを特徴とする請求項１
に記載の焦点検出装置。
【請求項７】固体撮像素子は、マトリクス状に複数個
配置され、マトリクス状の前記固体撮像素子の各画素に
は少なくとも２つの光電変換部を備え且つ各画素毎にマ
イクロレンズを備えていることを特徴とする請求項１に
記載の焦点検出装置。
【請求項８】結像レンズと、該結像レンズの射出瞳の
第一の領域からの光束の光電変換出力と、第二の領域か
らの光束の光電変換出力とを得る固体撮像素子と、前記
結像レンズの光路中に設けられ、前記第一の領域に含ま
れる第三の領域と、前記第二の領域に含まれる第四の領
域について光を通過させ、該第三の領域と該第四の領域
以外を遮光する遮光手段と、前記固体撮像素子の光電変
換出力に基づいて前記結像レンズの結像状態を検出する
演算手段と、前記複数群の結像レンズの位置を変更可能
なズーム機構とを備えたことを特徴とする撮像装置。
【請求項９】前記遮光手段は、一ポジションで少なく
とも１つの開口と少なくとも２つの開口とを備え、前記
複数の開口を切り替えて遮光度合いを変化させ、前記固
体撮像素子は、マトリクス状に複数個配置され、マトリ
クス状の前記固体撮像素子の各画素には少なくとも２つ
の光電変換部を備え且つ各画素毎にマイクロレンズを備
えていることを特徴とする請求項８に記載の撮像装置。