JP2009060597A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 設定された領域内に配置された一部の画素から信号電荷を読み出す場合に、効果的に焦点検出を行うこと。
【解決手段】 撮像装置は、瞳分割された一対の焦点検出画素群のほかに撮像用の画素をそれぞれ複数有する撮像素子と、前記撮像素子の画素の一部から信号電荷を読み出す間引き読み出しを行う際、信号電荷を読み出す前記画素の一部には少なくとも瞳分割された一対の前記焦点検出画素群を含むよう読み出す制御手段とを有する。
【選択図】 図７

Description

本発明は、２次元に構成された複数の光電変換素子で撮像可能な撮像装置に関する。

撮像装置の自動焦点検出・調節方法で撮影レンズを通過した光束を用いる一般的な方式として、コントラスト検出方式（ぼけ方式と呼ばれる）と位相差検出方式（ずれ方式と呼ばれる）とがある。

コントラスト検出方式は、動画撮影用のビデオカメラや電子スチルカメラで多く用いられる方式であり、撮像素子が焦点検出用センサーとして用いられる。この方式では、撮像素子の出力信号の内、特に、高周波成分の情報（コントラスト情報）に着目し、そのコントラスト情報の評価値が最も大きくなるフォーカスレンズの位置を合焦位置としている。しかしながら、山登り方式とも言われるように、フォーカスレンズを微少量動かしながら評価値を求め、その評価値が結果的に最大であったと分かるまで動かす事が必要であるため、高速な焦点調節動作には不向きとされている。

位相差検出方式は、銀塩フィルムによる一眼レフカメラに多く用いられ、自動焦点検出（AutoFocus：ＡＦ）一眼レフカメラの実用化に最も貢献した技術である。位相差検出方式では、撮影レンズの射出瞳を通過した光束を２分割し、２分割した光束を一組の焦点検出用センサーによりそれぞれ受光する。そして、その受光量に応じて出力される信号のずれ量、すなわち、光束の分割方向の相対的位置ずれ量を検出することで撮影レンズのピント方向のずれ量を直接求めている。従って、焦点検出用センサーにより一度蓄積動作を行えばピントずれの量と方向が得られ、高速な焦点調節動作が可能となっている。但し、撮影レンズの射出瞳を通過した光束を２分割し、それぞれの光束に対応する信号を得るためには、撮像光路中にクイックリターンミラーやハーフミラー等の光路分割手段を設け、その先に焦点検出用光学系とＡＦセンサを設けるのが一般的である。そのため、装置が大型、かつ高価となるという欠点がある。

一方、一眼レフカメラにおいても撮像媒体として、銀塩フィルムに代わって、ＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサといった撮像素子が用いられるのが一般的になった。これに伴い、クイックリターンミラーを撮像光路から退避させ、ボディに設けられた表示装置に表示して被写体の観察も可能な電子ビューファインダーモードや同時に動画も記録媒体に記録する動画記録モードを備える製品も登場してきた。

この場合、上記の位相差検出方式の焦点検出装置は、クイックリターンミラーが退避しているため、動作させることができないといった欠点もあった。

以上の欠点を解消するために、撮像素子に位相差検出機能を付与し、専用のＡＦセンサを不要とし、かつ高速の位相差ＡＦを実現するための技術も開示されている。

特許文献１は、撮像素子の一部の受光素子（画素）において、オンチップマイクロレンズの光軸に対して受光部の感度領域を偏心させることで瞳分割機能を付与している。そして、これらの画素を焦点検出用画素とし、撮像用画素群の間に所定の間隔で配置することで、位相差式焦点検出を行う。また、焦点検出用画素が配置された箇所は撮像画素の欠損部に相当するため、周辺の撮像画素情報から補間して画像情報を創生している。

特許文献２は、撮像素子の一部の画素の受光部を２分割することで瞳分割機能を付与している。そしてこれらの画素を焦点検出用画素とし、撮像用画素群の間に所定の間隔で配置することで、位相差式焦点検出を行う。また、当技術においても焦点検出用画素が配置された箇所は撮像画素が欠損しているため、周辺の撮像画素情報から補間して画像情報を創生している。

特許文献３は、撮像素子の一部の画素の受光部を２分割することで瞳分割機能を付与している。そして、２分割された受光部の出力を個別に処理することで位相差式焦点検出を行うと共に、２分割受光部の出力を合算することで撮像信号にも用いている。

特開２０００−１５６８２３号公報 特開２０００−２９２６８６号公報 特開２００１−３０５４１５号公報

上述の公知技術には、以下のような欠点があった。

特許文献１〜特許文献３において開示された技術では、焦点検出用画素は撮像専用画素に対して、受光部面積が小さい、あるいは受光領域の重心位置がオンチップマイクロレンズの光軸に対して偏倚している等の受光特性上の相違がある。そのために、焦点検出用画素が配置された場所では画像情報が欠損する、あるいは画像情報として利用する上で大きな誤差を有するため、その周辺部の撮像専用画素の情報から補間演算を行って、画像信号を創生する必要がある。

ここで、焦点検出用画素の配置密度を疎とすれば、上記画素欠損による画質劣化を軽減できるが、一方で焦点検出用画像のサンプリング特性が悪化し、焦点検出性能は低下する。すなわち、当該技術分野においては、焦点検出性能の維持と画質劣化防止の両立を図るためには、焦点検出用画素の配置方法が重要である。しかしながら、特許文献１、特許文献２、特許文献３においては、焦点検出用画素が一部の領域に偏って配置されている。そのため、焦点検出領域が撮像領域の特定箇所に制限されるとともに、その領域においては撮像画素の分布密度が低いことによる画質劣化が目立ち易いという問題があった。

また、電子ビューファインダーや動画モードにおいては、滑らかな画面表示が重要である。そして、静止画よりも高い解像度が必要とされないこともあって、通常、撮像素子の出力を間引き読み出しして画像を生成し、フレームレートを向上させることが一般的である。

特許文献１に記載の焦点検出用素子の配置では、撮像素子を間引いて出力する場合、焦点検出素子が読み出されず、位相差方式による焦点検出を行うことができない。

特許文献２及び特許文献３に記載された発明においても、焦点検出用画素が、一部の領域に偏って配置されているため、間引き読み出しをした場合、焦点検出用画素が間引かれてしまう。その結果、サンプリング特性が悪化して、焦点検出性能が著しく悪化してしまうといった問題点がある。

本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、設定された領域内に配置された一部の画素から信号電荷を読み出す場合に、効果的に焦点検出を行うことを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の撮像装置は、瞳分割された一対の焦点検出画素群のほかに撮像用の画素をそれぞれ複数有する撮像素子と、前記撮像素子の画素の一部から信号電荷を読み出す間引き読み出しを行う際、信号電荷を読み出す前記画素の一部には少なくとも瞳分割された一対の前記焦点検出画素群を含むよう読み出す制御手段とを有する。

本発明によれば、設定された領域内に配置された一部の画素から信号電荷を読み出す場合に、効果的に焦点検出を行うことができる。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。

図１は本発明の好適な実施の形態に係る撮像装置の構成図であり、撮像素子を有したカメラ本体と撮影光学系とが一体となった電子カメラを示している。図１において、１０１は撮影光学系（結像光学系）の先端に配置された第１レンズ群であり、光軸方向に進退可能に保持される。１０２は絞り兼用シャッタであり、その開口径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を調節する機能も備える。１０３は第２レンズ群である。そして、絞り兼用シャッタ１０２及び第２レンズ群１０３は、一体となって光軸方向に進退し、第１レンズ群１０１の進退動作との連動により、変倍作用（ズーム機能）をなす。

１０５は第３レンズ群であり、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あり、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イメージセンサとその周辺回路で構成された撮像素子である。撮像素子１０７は、水平方向ｍ画素、垂直方向ｎ画素に配列された受光画素を複数有し、当該受光画素上に、ベイヤー配列の原色カラーモザイクフィルタがオンチップで形成された、２次元単板カラーセンサが用いられる。

１１１はズームアクチュエータであり、不図示のカム筒を回動することで、第１レンズ群１０１〜第２レンズ群１０３を光軸方向に進退駆動し、変倍操作を行う。１１２は絞りシャッタアクチュエータであり、絞り兼用シャッタ１０２の開口径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あり、第３レンズ群１０５を光軸方向に進退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あり、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補助光発光部であり、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、暗い被写体や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であり、撮像装置内でカメラ本体の種々の制御を司る。ＣＰＵ１２１は、例えば、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。そして、ＣＰＵ１２１は、ＲＯＭに記憶された所定のプログラムに基づいて、撮像装置が有する各種回路を駆動し、ＡＦ、撮影、画像処理及び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あり、撮影動作に同期して電子フラッシュ１１５を点灯制御する。１２３は補助光駆動回路であり、焦点検出動作に同期してＡＦ補助光発光部１１６を点灯制御する。１２４は撮像素子駆動回路であり、撮像素子１０７の撮像動作を制御すると共に、取得した画像信号をＡ／Ｄ変換してＣＰＵ１２１に送信する。１２５は画像処理回路であり、撮像素子１０７が取得した画像のγ変換、カラー補間、ＪＰＥＧ圧縮等の処理を行う。

１２６はフォーカス駆動回路であり、焦点検出結果に基づいてフォーカスアクチュエータ１１４を駆動制御し、第３レンズ群１０５を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行う。１２８は絞りシャッタ駆動回路であり、絞りシャッタアクチュエータ１１２を駆動制御して絞り兼用シャッタ１０２の開口を制御する。１２９はズーム駆動回路であり、撮影者の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等の表示器であり、撮像装置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あり、電源スイッチ、レリーズ（撮影トリガ）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。１３３は着脱可能なフラッシュメモリであり、撮影済み画像を記録する。

図２は、本発明の好適な実施の形態に係る撮像素子１０７のブロック図である。なお、図２のブロック図は、後述の読み出し動作が説明できる最低限の構成を示しており、画素リセット信号などが省略されている。図２において、２０１は、光電変換部であり、フォトダイオード、画素アンプ、リセット用のスイッチなどで構成されている。以下、光電変換部をＰＤij（iは、水平方向のアドレスであり、１以上の整数で表される。jは、垂直方向のアドレスであり、１以上の整数で表される）と表す。また、本発明の好適な実施の形態に係る撮像素子には、ｍ×ｎの光電変換部が２次元に配置されている。なお、光電変換部内の各部の符号は、図示を簡単にするため、左上の光電変換部ＰＤ₀₀のみに付した。

２０２は、光電変換部ＰＤ_ijの出力を選択するスイッチであり、後述の２０７の垂直走査回路により、一行ごとに選択される。

２０３は、光電変換部２０１のＰＤ_ijの出力を一時的に記憶するためのラインメモリであり、垂直走査回路２０７により選択された、一行分の光電変換部の出力を記憶する。ラインメモリ２０３としては、コンデンサが使用される。

２０４は、水平出力線に接続されて、水平出力線を所定の電位ＶＨＲＳＴにリセットするためのスイッチであり、信号ＨＲＳＴにより制御される。

２０５は、ラインメモリ２０３に記憶された光電変換部ＰＤ_mnの出力を水平出力線に順次出力するためのスイッチであり、Ｈ₀〜Ｈ_m-1のスイッチを後述の水平走査回路２０６により、順次走査することにより、一行分の光電変換の出力が読み出される。

２０６は、水平走査回路であり、ラインメモリ２０３に記憶された光電変換部の出力を順次走査して、水平出力線に出力させる。信号ＰＨＳＴは、水平走査回路２０６のデータ入力、ＰＨ１及びＰＨ２は、シフトクロック入力である。水平走査回路２０６は、ＰＨ１がＨレベルのときにデータがセットされ、ＰＨ２でデータがラッチされるように構成されている。ＰＨ１及びＰＨ２にシフトクロックを入力することにより、ＰＨＳＴを順次シフトさせて、Ｈ₀からＨ_m-1のスイッチを順次オンさせることができる。ＳＫＩＰは、後述の間引き読み出し時に設定を行わせる制御端子入力である。ＳＫＩＰ端子をＨレベルに設定することにより、水平走査回路２０６を所定間隔でスキップさせることが可能になる。読み出し動作に関する詳細は、後述する。

２０７は、垂直走査回路であり、順次走査して、Ｖ₀からＶ_n-1を出力することにより、光電変換部ＰＤ_ijの選択スイッチ２０２を選択することができる。垂直走査回路２０７は、水平走査回路２０６と同様に、データ入力ＰＶＳＴ、シフトクロックＰＶ１、ＰＶ２及び間引き読み設定ＳＫＩＰ等の制御信号により制御される。垂直走査回路２０７の動作は、水平走査回路２０６と同様であるので、詳細説明を省略する。

図３は、図２の撮像素子１０７の全画素を読み出す場合の説明図である。図３（ａ）は、ｍ×ｎの光電変換部２０１の配置を示した図である。図３（ａ）に記されたＲ、Ｇ、Ｂの記号は、光電変換部２０１のＰＤ_ijに塗布された、赤、緑、青のカラーフィルタをそれぞれ表している。図４〜図１０についても同様である。本実施形態では、２行×２列の４画素のうち、対角に配置された２画素にＧ（緑）の分光感度を有する画素を配置し、他の２画素にＲ（赤）とＢ（青）の分光感度を有する画素を各１個配置したベイヤー配列を一例として説明する。図３（ａ）の上側及び左側に記された番号は、水平方向及び垂直方向の番号である。斜線の引かれた画素は、読み出し対象の画素である。図３（ａ）は全画素読み出しの場合を示しているので、全ての画素に斜線が引かれている。また、撮像素子１０７には、通常、黒レベルを検出する遮光されたＯＢ（オプティカルブラック）画素などが配置され、ＯＢ画素も読み出される。しかしながら、本実施形態では、説明が煩雑になるため、図示を省略している。

図３（ｂ）は、撮像素子１０７の全画素の信号電荷（データ）を読み出す場合のタイミングチャートを示す図である。ＣＰＵ１２１は、撮像素子駆動回路１２４を制御して、撮像素子１０７にパルスを送るように制御する。図３（ｂ）を参照して、全画素読み出し動作を説明する。

まず、垂直走査回路２０７を駆動して、Ｖ₀をアクティブにする。このとき、第０行目の画素の出力が、垂直出力線にそれぞれ出力される。この状態で、ＭＥＭ信号をアクティブにして、各画素のデータをラインメモリ２０３にサンプルホールドする。次に、ＰＨＳＴをアクティブにして、ＰＨ１及びＰＨ２のシフトクロックを入力して、順次Ｈ₀からＨ_m-1をアクティブにして、水平出力線に画素出力を出力する。出力された画素出力は、アンプ２０８を介して、ＶＯＵＴとして出力され、図示しないＡＤ変換器でデジタルデータに変換され、画像処理回路１２５で所定の画像処理が施される。次に、垂直走査回路２０７は、Ｖ_１がアクティブになり、第１行目の画素出力が、垂直出力線に出力され、同様にＭＥＭ信号によりラインメモリ２０３に、画素出力が一旦記憶される。次いで、同様に、ＰＨＳＴをアクティブにして、ＰＨ１及びＰＨ２のシフトクロックを入力して、順次Ｈ₀からＨ_m-1をアクティブにして、水平出力線に画素出力を出力する。以上のように、第n-1行目までの読み出しを順次行う。

図４は、図２の撮像素子１０７の間引き読み出しの一例を説明する図である。図４（ａ）は、光電変換部２０１がｍ×ｎ並んだ様子を示した図であり、図３（ａ）と同一の撮像素子である。斜線の引かれた画素部が、間引き読み出し時の読み出し対象画素である。本実施形態では、水平方向及び垂直方向ともに１／３の間引きの読み出しとしている。

図４（ｂ）は、間引き読み出し時のタイミングチャートを示しており、図３（ｂ）のタイミングチャートを使って、間引き読み出しの動作説明を行う。間引き読み出しの設定は、水平走査回路２０６の制御端子、ＳＫＩＰ端子を、アクティブにすることで行う。ＳＫＩＰ端子をアクティブにすることで、水平走査回路２０６及び垂直走査回路２０７は、１画素ごとの順次走査から３画素ごとの順次走査に動作が変更される。具体的方法に関しては、公知の技術なので詳細は、省略する。

間引き時の動作は、まず、垂直走査回路２０７を駆動して、Ｖ₀をアクティブにする。このとき、第０行目の画素の出力が、垂直出力線にそれぞれ出力される。この状態で、ＭＥＭ信号をアクティブにして、各画素のデータをラインメモリ２０３にサンプルホールドする。次に、ＰＨＳＴをアクティブにして、ＰＨ１及びＰＨ２のシフトクロックを入力する。このとき、ＳＫＩＰ端子をアクティブ設定にすることにより、シフトレジスタの経路が変更され、順次Ｈ₀、Ｈ₃、Ｈ₆・・・Ｈ_m-3のように、３画素ごとに水平出力線に画素出力を出力する。出力された画素出力は、アンプ２０８を介して、ＶＯＵＴとして出力され、図示しないＡＤ変換器でデジタルデータに変換され、画像処理回路１２５で所定の画像処理が施される。次に、垂直走査回路２０７は、水平走査回路２０６と同様に、Ｖ_１、Ｖ₂、をスキップさせて、Ｖ₃をアクティブにして、第３行目の画素出力を、垂直出力線に出力する。その後、ＭＥＭ信号によりラインメモリ２０３に、画素出力が一旦記憶される。次に、ＰＨＳＴをアクティブにして、ＰＨ１及びＰＨ２のシフトクロックを入力して、順次Ｈ₀、Ｈ₃、Ｈ₆・・・Ｈ_m-3をアクティブにして、水平出力線に画素出力を出力する動作は、同じである。以上のように、第n-３行目までの読み出しを順次行う。以上のように、水平、垂直ともに１／３の間引き読み出しが行われる。

図５及び図６は、撮像用画素と焦点検出用画素の構造を説明する図である。本実施形態では、上述したベイヤー配列の間に、後述する構造の焦点検出用画素が所定の規則にて分散配置される。

図５に撮像用画素の配置と構造を示す。図５（ａ）は２行×２列の撮像用画素の平面図である。周知のように、ベイヤー配列では対角方向にＧ画素が、他の２画素にＲとＢの画素が配置される。そして２行×２列の構造が繰り返し配置される。

図５（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を図５（ｂ）に示す。ＭＬは各画素の最前面に配置されたオンチップマイクロレンズ、ＣＦＲはＲ（赤色）のカラーフィルタ、ＣＦＧはＧ（緑色）のカラーフィルタである。ＰＤ（ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）は図２で説明したＣＭＯＳイメージセンサの光電変換部２０１を模式的に示したものである。ＣＬ（Ｃｏｎｔａｃｔ Ｌａｙｅｒ）は、ＣＭＯＳイメージセンサ内の各種信号を伝達する信号線を形成するための配線層である。ＴＬは撮影光学系を模式的に示したものである。

ここで、撮像用画素のオンチップマイクロレンズＭＬと光電変換素子ＰＤは、撮影光学系ＴＬ（Ｔａｋｉｎｇ Ｌｅｎｓ）を通過した光束を可能な限り有効に取り込むように構成されている。換言すると、撮影光学系ＴＬの射出瞳ＥＰ（ＥｘｉｔＰｕｐｉｌ）と光電変換素子ＰＤは、マイクロレンズＭＬにより共役関係にあり、かつ光電変換素子ＰＤの有効面積は大面積に設計される。また、図５（ｂ）ではＲ画素の入射光束について説明したが、Ｇ画素及びＢ（青色）画素も同一の構造となっている。従って、撮像用のＲＧＢ各画素に対応した射出瞳ＥＰは大径となり、被写体からの光束（光量子）を効率よく取り込んで画像信号のＳ／Ｎを向上させている。

図６は、撮影光学系の水平方向（第１の方向）瞳分割を行うための焦点検出用画素の配置と構造を示す。水平方向に瞳分割を行うことにより、水平方向に輝度分布を有した被写体、例えば縦線に対して焦点検出が可能になる。図６（ａ）は、焦点検出用画素を含む２行×２列の画素の平面図である。記録又は観賞のための画像信号を得る場合、Ｇ画素で輝度情報の主成分を取得する。これは、人間の画像認識特性は輝度情報に敏感であるためで、Ｇ画素が欠損すると画質劣化が認知されやすい。一方でＲ画素又はＢ画素は、色情報（色差情報）を取得する画素であるが、人間の視覚特性は色情報には鈍感であるため、色情報を取得する画素は多少の欠損が生じても画質劣化は認識され難い。そこで、本実施形態においては、２行×２列の画素のうち、Ｇ画素は撮像用画素として残し、Ｒ画素とＢ画素を焦点検出用画素に置き換える。この焦点検出用画素で構成される第１の焦点検出画素群を図６（ａ）においてＳ_ＨＡ及びＳ_ＨＢと示す。

図６（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を図６（ｂ）に示す。マイクロレンズＭＬと、光電変換素子ＰＤは図５（ｂ）に示した撮像用画素と同一構造である。本実施形態においては、焦点検出用画素の信号は画像生成には用いないため、色分離用カラーフィルタの代わりに透明膜ＣＦ_Ｗ（白色）が配置される。また、光電変換部２０１単位で瞳分割を行うため、配線層ＣＬの開口部はマイクロレンズＭＬの中心線に対して一方向に偏倚している。具体的には、画素Ｓ_ＨＡの開口部ＯＰ_ＨＡは水平方向（図６では、右側）に偏倚しているため、撮影光学系ＴＬの左側の射出瞳ＥＰ_ＨＡを通過した光束を受光する。画素Ｓ_ＨＡのような開口部ＯＰ_ＨＡを有する画素群は、後述の画素Ｓ_ＨＢの画素群との（水平方向の像ずれの意味がよくわからない）像ずれ量を検出するための基準画素群である。同様に、画素Ｓ_ＨＢの開口部ＯＰ_ＨＢは、画素Ｓ_ＨＡとは逆方向の左側に偏倚し、撮影光学系ＴＬの右側の射出瞳ＥＰ_ＨＢを通過した光束を受光する。画素Ｓ_ＨＢのような開口部ＯＰ_ＨＢを有する画素群は、画素Ｓ_ＨＡの画素群との像ずれ量を検出するための参照画素群である。よって、画素Ｓ_ＨＡを方向において等間隔となるように規則的に配列し、これらの画素群で取得した被写体像をＡ像とする。また、画素Ｓ_ＨＢも水平方向において等間隔となるように規則的に配列し、これらの画素群で取得した被写体像をＢ像とすると、Ａ像とＢ像の相対位置を検出することで、被写体像のピントずれ量（デフォーカス量）が検出できる。

すなわち、Ａ像だけでもピントずれ量（デフォーカス量）は検出できないし、Ｂ像だけでもピントずれ量（デフォーカス量）は検出できない。Ａ像とＢ像の相対位置を検出することがピントずれ量（デフォーカス量）の算出には必要だからである。

また、開口部ＯＰ_ＨＡ、開口部ＯＰ_ＨBの偏倚方向は、図６とは反対に、後述する図７のように、開口部ＯＰ_ＨＡを左側に、開口部ＯＰ_ＨBを右側に偏倚させても同様にピントずれ量の検出は、可能である。
また、垂直方向（第２の方向）に輝度分布を有する被写体、例えば横線のピントずれ量を検出したい場合には、後述するように画素Ｓ_ＨＡの開口部ＯＰ_ＨＡを下側に、画素Ｓ_ＨＢの開口ＯＰ_ＨＢを上側に偏倚させるように９０度回転させて構成すればよい。あるいは、開口部ＯＰ_ＨＡを上側に、画素Ｓ_ＨＢの開口ＯＰ_ＨＢを下側に偏倚させるように構成してもよい。

図７は、撮像用画素及び焦点検出用画素の配置を示した図である。図７（ａ）は、間引きされた後の画素配置を表しており、水平方向に１／３、垂直方向に１／３の画素数となるよう間引きされている。図７（ａ）において、Ｇ、Ｒ、Ｂは、間引き読み出し時に読み出される画素である。また、図７（ａ）中の記号が書かれていない白抜きの画素は、間引き読み出し時に読み出されない画素を表している。

また、焦点検出用の画素が撮像用に使用できないことを考慮して、本実施形態では、焦点検出用の画素が、水平方向及び垂直方向にある程度の間隔をおいて、離散的に配置されるように構成されている。また、画像の劣化が目立たないように、Ｇ画素部分には、焦点検出用の画素を配置しないことが好ましい。本実施形態では、図７（ａ）中の太い黒枠で示された、４×４画素（間引き前の画素配置では、１２×１２画素）のブロック内に、一組の画素Ｓ_ＨＡ及び画素Ｓ_ＨＢが配置されている。図７（ｂ）中に記されたＢＬＯＣＫ＿Ｈ（ｉ、ｊ）は、ブロック名を表している。また、４×４ブロックで配列規則が、完結するように構成されている。

焦点検出用の画素の配置規則は、図７（ａ）より明らかなように、水平方向が同一番号であり、垂直方向が異なる番号のＢＬＯＣＫ＿Ｈでは、Ｓ_ＨＡ及びＳ_ＨＢの画素配置を１画素（間引き前の画素では、３画素）ごとに水平方向にシフトさせている。すなわち、ＢＬＯＣＫ＿Ｈ（０，０）、ＢＬＯＣＫ＿Ｈ（０，１）、ＢＬＯＣＫ＿Ｈ（０，２）、ＢＬＯＣＫ＿Ｈ（０，３）では、Ｓ_ＨＡ、Ｓ_ＨＢの配置がそれぞれ１画素（間引き前の画素では、３画素）ごと水平方向にずれて配置されている。これは、離散的に配置された焦点検出用の画素群のサンプリング特性を改善させるためである。即ち、画素Ｓ_ＨＡ及び画素Ｓ_ＨＢは、水平方向に瞳分割された画素群であるため、水平方向のサンプリングが密になるようにシフト量を１画素単位としている。

図７（ｂ）は、ＢＬＯＣＫ＿Ｈ（ｉ、ｊ）のブロック間の配置規則を示した図である。図７（ｂ）中の太い黒枠で示された部分が、ＢＬＯＣＫ＿Ｈ（ｉ、ｊ）の各ブロックを示している。図７（ｂ）の矢印で示されるように、ＢＬＯＣＫ＿Ｈ（０、０）とブロック内の配置が同一になるブロックは、ＢＬＯＣＫ＿Ｈ（１、１）、ＢＬＯＣＫ＿Ｈ（２、２）、ＢＬＯＣＫ＿Ｈ（３、３）であることを模式的にしめしている。同様に、ＢＬＯＣＫ＿Ｈ（０、１）と同一の配置になるブロックは、矢印を順番にたどった、ＢＬＯＣＫ＿Ｈ（１、２）、ＢＬＯＣＫ＿Ｈ（２、３）、ＢＬＯＣＫ＿Ｈ（３、０）であることをしめしている。ＢＬＯＣＫ＿Ｈ（０、２）、ＢＬＯＣＫ＿Ｈ（０、３）に関しても、同様であり、説明を省略する。ブロック単位で位相をずらせて配置することで、垂直方向のサンプリング特性を改善している。

図８（ａ）は、図７（ａ）と同様に、撮像用画素及び焦点検出用画素の配置を示した図である。図８（ａ）は、図７（ａ）と同様に、間引きされた後の画素配置を表しており、水平方向に１／３、垂直方向に１／３の画素数となるよう間引きされている。図８（ａ）中のＧ、Ｒ、Ｂは、間引き読み出し時に読み出される画素である。また、図８（ａ）中の記号が書かれていない白抜きの画素は、間引き読み出し時に読み出されない画素を表している。また、図８（ａ）の画素Ｓ_ＶＣの画素群は、画素部の開口ＯＰ_ＶＣを垂直方向（図８（ａ）では上側）に偏倚させて、形成された焦点検出用の画素であり、後述の画素Ｓ_ＶＤの画素群との垂直方向の像ずれ量を検出するための基準画素群である。また、画素Ｓ_ＶＤは、画素の開口部ＯＰ_ＶＤを画素Ｓ_ＶＣとは、逆方向の下側に偏倚させて、形成された画素であり、画素Ｓ_ＶＣの画素群との垂直方向の像ずれ量を検出するための参照画素群である。画素Ｓ_ＶＣと画素Ｓ_ＶＤとで第２の焦点検出画素群が構成されている。

また、焦点検出用の画素が撮像用に使用できないことを考慮して、本実施形態では、焦点検出用の画素が、水平方向及び垂直方向にある程度の間隔をおいて、離散的に配置されるように構成されている。また、画像の劣化が、目立たないように、Ｇ画素部分には、焦点検出用の画素を配置しないことが好ましい。本実施形態では、図８（ａ）中の太い黒枠で示された、４×４画素（間引き前の画素配置では、１２×１２画素）のブロック内に、一組の画素Ｓ_ＶＣ及び画素Ｓ_ＶＤが配置されている。図８（ｂ）中に記されたＢＬＯＣＫ＿Ｖ（ｉ、ｊ）は、ブロック名を表している。また、４×４ブロックで配置規則が完結するように構成されている。配置の規則は、図７の配置規則と同様であり、瞳分割の方向に合わせて、９０度回転させたような配置になっている。

図９は、図７及び図８の縦線検出および横線検出が、同一の測距視野内で可能となるように構成されたものである。図９では、ＢＬＯＣＫ＿Ｈ（ｉ、ｊ）（縦線検出用）及びＢＬＯＣＫ＿Ｖ（ｉ、ｊ）（横線検出用）が市松状に入れ子となるように配置されている。

図９（ａ）に画素部分も記載された詳細配置を示した。水平、垂直検出の各４×４ブロックを使って、入れ子配置を構成すると、８×８ブロックで１パターンは完結するが、図面が煩雑になるので、４×４ブロックのみ記載している。また、入れ子配置時のブロック名を、ＢＬＯＣＫ＿Ｃ（ｉ、ｊ）としている。

図９（ｂ）は、入れ子配置の対応関係がわかるように、図９（ａ）に記載されたＢＬＯＣＫ＿Ｃ（ｉ、ｊ）に対応する、ＢＬＯＣＫ＿Ｈ（ｉ、ｊ）及びＢＬＯＣＫ＿Ｖ（ｉ、ｊ）を示した図である。図９（ｂ）を参照すれば、入れ子配置の規則性は、明らかである。

図１０（ａ）は、更に電子ビューファインダーの拡大モード及び動画時にデジタルズームが指定されたときのように、撮影画面の一部の領域を切り出して読み出す場合に対応した、縦線検出用の焦点検出用画素の配置を示す図である。図１０（ａ）では、図７の配置が基本となっている。

拡大及びデジタルズームは、撮影領域の一部の領域を部分的に読み出すモードであるが、読み込まれる領域内（所定領域内）の全画素は、間引きなしで読み出される。従って、このような場合には、間引き読み出しモード時に読み出される第１の焦点検出画素群以外にも補完的に、第３の焦点検出画素群として画素Ｓ_ＨＡ及び画素Ｓ_ＨＢが配置されている方が、焦点検出精度を更に向上させることができる。

図１０（ａ）は、図７（ａ）と同様に、撮像用画素及び焦点検出用画素の配置を示した図である。図１０（ａ）は、図７（ａ）と同様に、間引きされた後の画素配置を表しており、水平方向に１／３、垂直方向に１／３になるよう間引きされている。図１０（ａ）中のＧ、Ｒ、Ｂは、間引き読み出し時に読み出される画素である。また、図１０（ａ）中の記号が書かれていない白抜きの画素は、間引き読み出し時に読み出されない画素を表している。拡大及びデジタルズーム時は、図１０（ａ）中の白抜き部分の画素も読み込まれ、拡大表示される。

焦点検出用の画素の配置規則に関しては、図７と同一の考え方に基づいているので詳細説明を省略する。図１０（ａ）中の白抜きの矢印で示されたＳＡ画素が、全画素読み出し時のサンプリングが改善されるように、補完的に配置される画素である。黒い矢印で示された、間引き読み出し時に読み出されるＳＡ画素と補完し合って、サンプリングピッチが最小になるように構成されている。

垂直方向のサンプリングは、図７（ａ）及び図８（ａ）の配置と同様に、水平方向に比べて、より離散的になるように配置されて、画像の劣化を防止している。

図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のブロックごとの配置規則を示しており、図７（ｂ）と同一規則である。

また、横線検出用の焦点検出の場合であるが、図８の横線検出の画素配置も図１０と同様に全画素読み出し時に間引き時に読み出される第２の焦点検出画素群以外にも補完的に第３の焦点検出画素群として画素Ｓ_ＶＣ及び画素Ｓ_ＶＤが配置されることが好ましい。配置規則に関しては、図７（ａ）及び図１０（ａ）の関係より明らかであるため、詳細な説明を省略する。

縦線及び横線の同一視野内での検出に関しても、図９（ｂ）と同様に構成可能であるので、説明を省略する。

以上、説明したように、間引き読み出し時に読み出される画素群に、離散的に焦点検出用画素群を配置する。特に、瞳分割に係る一対のＡ像用の画素Ｓ_ＨＡとＢ像用の画素Ｓ_ＨＢのいずれもが、間引き読み出しされた場合においても読み出された信号に存在するように配置する。Ａ像とＢ像の相対位置を検出することがピントずれ量（デフォーカス量）の算出には必要だからである。これは、垂直方向に瞳分割する場合においても同様である。Ａ像とＢ像を構成する一対の画素Ｓ_ＶＣと画素Ｓ_ＶＤとが間引き読み出しされた場合においても読み出された信号に存在するように配置する。

これにより、間引き読み出しモードでの画質劣化を抑えながら、全画素で撮影される静止画撮影にも充分対応可能な焦点検出精度を確保することが可能になる。
これにより、間引き読み出しされる電子ビューファインダーモード、動画モードからの静止画撮影が、全画素読みだしして再度、焦点検出することなく実行可能になる。

また、電子ビューファインダーの拡大モードや動画のデジタルズームのように撮像素子の一部の領域が、間引きなく読み出される場合には、間引き読み出し時に、読み出されない画素部分に補間的に焦点検出用画素を配置する。これによって、更に焦点検出精度を向上させることが可能になる。

なお、上記図７（ａ）、図８（ａ）、図９（ａ）、図１０（ａ）で説明したＡ像用の画素Ｓ_ＨＡ、Ｂ像用の画素Ｓ_ＨＢ、あるいは画素Ｓ_ＶＣと画素Ｓ_ＶＤは、その一対においても水平方向に、あるいは垂直方向にずれて配置されている。この点、デフォーカス量の際にずれて配置されていることを考慮して演算すれば足りる。一方で、このようにずらすことによって、輝度信号を抽出するＧフィルタを減らさないことができる。

（変形例）
また、焦点検出用の画素配置は、配置の一例を示したに過ぎない。従って、本発明の範囲を逸脱しない限り、多様な配置が可能であり、それらの配置も本発明に含まれる。撮像素子の間引き読み出しの割合についても、１／３に限られず、適宜変更が可能であり、これらの割合も本発明に含まれる。

また、本発明の好適な実施形態で用いた焦点検出用画素は、２個で１組となり、２分割された瞳領域について、一方の画素が一方の瞳を通過する光束を受光し、他方の画素がもう一方の瞳を通過する光束を受光していた。これに対し、特開２００３−１５６６７７号公報の図２に開示された撮像素子のように、オンチップマイクロレンズ後方の光電変換部を多分割することで撮影レンズの瞳分割を行ってもよい。この場合、分割された各瞳領域からの光束を独立して取得し、その信号を出力する構造の撮像素子を用いる。

また、本技術の焦点検出装置は電子スチルカメラだけでなく、動画撮影を行うカムコーダー（ムービーカメラ）、各種検査カメラ、監視カメラ、内視鏡カメラ、ロボット用カメラ等に応用しても良い。

本発明の好適な実施の形態に係る撮像装置の構成図である。 本発明の好適な実施の形態に係る撮像素子のブロック図である。 本発明の好適な実施の形態に係る全画素読み出しの説明図。 本発明の好適な実施の形態に係る間引き読み出しの説明図。 本発明の好適な実施の形態に係る撮像素子の撮像用画素の平面図と断面図である。 本発明の好適な実施の形態に係る撮像素子の焦点検出用画素の平面図と断面図である。 本発明の好適な実施の形態に係る焦点検出用画素の縦線検出用の配置である。 本発明の好適な実施の形態に係る焦点検出用画素の横線検出用の配置である。 本発明の好適な実施の形態に係る焦点検出用画素の縦線・横線検出用の配置である。 本発明の好適な実施の形態に係る焦点検出用画素の縦線検出用の配置である。

符号の説明

Ｓ_ＨＡ、Ｓ_ＨＢ、Ｓ_ＶＣ、Ｓ_ＶＤ 焦点検出画素群
１０７ 撮像素子
１２１ ＣＰＵ
１２４ 撮像素子駆動回路

Claims (4)

1. 瞳分割された一対の焦点検出画素群のほかに撮像用の画素をそれぞれ複数有する撮像素子と、
   前記撮像素子の画素の一部から信号電荷を読み出す間引き読み出しを行う際、信号電荷を読み出す前記画素の一部には少なくとも瞳分割された一対の前記焦点検出画素群を含むよう読み出す制御手段と
   を有することを特徴とする撮像装置。
2. 前記撮像素子は、第１の方向に瞳分割された一対の焦点検出画素群の他に当該第１の方向と垂直な第２の方向に瞳分割された一対の焦点検出画素群とを有し、
   前記制御手段は、前記間引き読み出しモードにおいて、少なくとも前記第１の方向に瞳分割された一対の前記焦点検出画素群と前記第２の方向に瞳分割された一対の前記焦点検出画素群から信号電荷を読み出すように制御すること特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記撮像素子は、前記焦点検出画素群以外に焦点検出画素群を更に有し、
   前記制御手段は、デジタルズームが指定されたときに、拡大される領域である前記撮像素子の所定領域内に配置された全画素から信号電荷を読み出し、前記所定領域内に配置された前記焦点検出画素に加え、前記焦点検出画素群以外の焦点検出画素群から信号電荷を読み出すように制御すること特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
4. 前記制御手段は、読み出された瞳分割された一対の前記焦点検出画素群からの信号に基づいて、デフォーカス量を算出することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。

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