JP2010039106A - 撮像素子、焦点検出装置および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像領域の長辺方向周辺における焦点検出性能の低下を防止する。
【解決手段】長方形の撮像領域１００内に複数の画素が配列され、撮像領域１００の短辺方向１１１に沿って配列された複数の画素に対しては同時に電荷蓄積制御がなされるとともに、撮像領域１００の長辺方向１１０に沿って配列された複数の画素に対しては順次に電荷蓄積制御がなされる撮像素子であって、撮像領域１００の長辺方向１１０の周辺部には、撮像領域１００に像を結像する光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出用の複数の画素が、撮像領域１００の短辺方向１１１に沿って配列される。
【選択図】図２

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。

マイクロレンズと光電変換素子からなる画素が二次元状に配列されたＣＭＯＳ型の撮像素子であって、撮影光学系により結像された被写体像を撮像するための撮像用画素の二次元配列中に、撮影光学系の焦点調節状態を検出するための瞳分割方式の焦点検出用画素配列を設けた撮像素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−３０５０１０号公報

ところで、ＣＭＯＳ型の撮像素子では、デバイスの構造上、撮像面に配置された画素配列が走査されて信号が読み出される、いわゆるライン露光が行われるため、走査線ごとに電荷蓄積タイミングがずれるという現象がある。このため、焦点検出用画素配列からの出力信号を用いて焦点検出を行うと、焦点検出用画素の電荷蓄積タイミングの同時性がないため、移動物体に対して焦点検出誤差を生ずるという問題がある。
また、瞳分割方式の焦点検出用画素を備えた撮像素子では、撮像領域の周辺領域、特に、長方形の撮像領域の長辺方向の周辺（撮像領域の中心から最も離れた周辺領域）で焦点検出を行う場合には、焦点検出用光束のケラレが発生して焦点検出性能が低下するという問題がある。

(１) 請求項１の発明は、長方形の撮像領域内に複数の画素が配列され、撮像領域の短辺方向に沿って配列された複数の画素に対しては同時に電荷蓄積制御がなされるとともに、撮像領域の長辺方向に沿って配列された複数の前記画素に対しては順次に電荷蓄積制御がなされる撮像素子であって、撮像領域の長辺方向の周辺部には、撮像領域に像を結像する光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出用の複数の画素が、撮像領域の短辺方向に沿って配列される。
(２) 請求項２の発明は、請求項１に記載の撮像素子において、焦点検出用画素は、撮像領域の長辺方向周辺部と長辺方向中央部に配列されて光学系の瞳領域を通過した焦点検出用光束を受光し、撮像領域の長辺方向周辺部の焦点検出用画素で受光する焦点検出用光束が通過する瞳領域の大きさと、撮像領域の長辺方向中央部の焦点検出用画素で受光する焦点検出用光束が通過する瞳領域の大きさとを異ならせる。
(３) 請求項３の発明は、請求項２に記載の撮像素子において、撮像領域の長辺方向中央部に配置される焦点検出用画素の出力信号と、撮像領域の長辺方向周辺部に配置される焦点検出用画素の出力信号とが同じレベルになるように、撮像領域の長辺方向中央部の焦点検出用画素で受光する焦点検出用光束が通過する瞳領域の大きさを、撮像領域の長辺方向周辺部の焦点検出用画素で受光する焦点検出用光束が通過する瞳領域の大きさより小さくする。
(４) 請求項４の発明は、請求項２に記載の撮像素子において、撮像領域の長辺方向周辺部に配置される複数の焦点検出用画素の光電変換部へ入射する光束の光学系の開口によるケラレが均等になるように、撮像領域の長辺方向周辺部の焦点検出用画素で受光する焦点検出用光束が通過する瞳領域の大きさを、撮像領域の長辺方向中央部の焦点検出用画素で受光する焦点検出用光束が通過する瞳領域の大きさよりも小さくする。
(５) 請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の撮像素子において、焦点検出用画素の配列は、光学系による像を撮像する撮像用の前記画素の二次元配列中に設けられる。
(６) 請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の撮像素子において、焦点検出用画素の配列は、マイクロレンズと該マイクロレンズの中心から一方の側に偏心して設けられる光電変換部とからなる第１焦点検出用画素と、マイクロレンズと該マイクロレンズの中心から他方の側に偏心して設けられる光電変換部とからなる第２焦点検出用画素とが交互に配置されたものである。
(７) 請求項７の発明は、請求項６に記載の撮像素子において、撮像領域の長辺方向周辺部に配置される焦点検出用画素の光電変換部の面積を、第１焦点検出用画素と第２焦点検出用画素とを重ねたときに、第１焦点検出用画素の光電変換部と、第２焦点検出用画素の光電変換部とが互いにオーバーラップするように、撮像領域の長辺方向中央部に配置される焦点検出用画素の光電変換部の面積よりも大きくする。
(８) 請求項８の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の撮像素子において、焦点検出用画素の配列は、マイクロレンズと、マイクロレンズの中心から一方の側に偏心して設けられる第１光電変換部と、マイクロレンズの中心から他方の側に偏心して設けられる第２光電変換部とからなる焦点検出用画素が複数個並べられたものである。
(９) 請求項９の発明は、請求項１〜８のいずれか一項に記載の撮像素子と、焦点検出用画素の配列から出力される信号に基づいて光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出手段とを備える焦点検出装置である。
(１０) 請求項１０の発明は、請求項１〜８のいずれか一項に記載の撮像素子と、複数の画素から出力される信号に基づいて光学系により結像された像を生成する像生成手段とを備える撮像装置である。

本発明によれば、瞳分割方式の焦点検出用画素を備えた撮像素子をＣＭＯＳ型デバイスで構成した場合でも、撮像領域の長辺方向周辺における焦点検出性能の低下を防止することができる。

一実施の形態の撮像素子、焦点検出装置および撮像装置として、レンズ交換式デジタルスチルカメラを例に上げて説明する。図１は一実施の形態のカメラの構成を示すカメラの横断面図である。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がマウント部２０４を介してカメラボディ２０３に装着される。カメラボディ２０３には、マウント部２０４を介して種々の撮影光学系を有する交換レンズ２０２が装着可能である。

交換レンズ２０２はレンズ２０９、ズーミング用レンズ２０８、フォーカシング用レンズ２１０、絞り２１１、レンズ駆動制御装置２０６などを備えている。レンズ駆動制御装置２０６は不図示のマイクロコンピューター、メモリ、駆動制御回路などから構成され、フォーカシング用レンズ２１０の焦点調節と絞り２１１の開口径調節のための駆動制御や、ズーミング用レンズ２０８、フォーカシング用レンズ２１０および絞り２１１の位置および開口径検出などを行う他、後述するボディ駆動制御装置２１４との通信によりレンズ情報の送信とカメラ情報の受信を行う。絞り２１１は、光量およびボケ量調整のために光軸中心に開口径が可変な開口を形成する。

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、撮像用画素が二次元状に配列されるとともに、焦点検出位置に対応した部分に焦点検出用画素配列が組み込まれている。この撮像素子２１２については詳細を後述する。

ボディ駆動制御装置２１４はマイクロコンピューター、メモリ、駆動制御回路などから構成され、撮像素子２１２の駆動制御と画像信号および焦点検出信号の読み出しと、焦点検出信号に基づく焦点検出演算と交換レンズ２０２の焦点調節を繰り返し行うとともに、画像信号の処理と記録、カメラの動作制御などを行う。また、ボディ駆動制御装置２１４は電気接点２１３を介してレンズ駆動制御装置２０６と通信を行い、レンズ情報の受信とカメラ情報（デフォーカス量や絞り値など）の送信を行う。

液晶表示素子２１６は電気的なビューファインダー（ＥＶＦ：Electronic View Finder）として機能する。液晶表示素子駆動回路２１５は撮像素子２１２によるスルー画像を液晶表示素子２１６に表示し、撮影者は接眼レンズ２１７を介してスルー画像を観察することができる。メモリカード２１９は、撮像素子２１２により撮像された画像を記憶する画像ストレージである。

交換レンズ２０２を通過した光束により、撮像素子２１２の撮像面上に被写体像が形成される。この被写体像は撮像素子２１２により光電変換され、画像信号と焦点検出信号が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の焦点検出用画素からの焦点検出信号に基づいて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からの画像信号を処理して画像を生成し、メモリカード２１９に格納するとともに、撮像素子２１２からのスルー画像信号を液晶表示素子駆動回路２１５へ送り、スルー画像を液晶表示素子２１６に表示させる。さらに、ボディ駆動制御装置２１４は、レンズ駆動制御装置２０６へ絞り制御情報を送って絞り２１１の開口制御を行う。

レンズ駆動制御装置２０６は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値などに応じてレンズ情報を更新する。具体的には、ズーミング用レンズ２０８とフォーカシング用レンズ２１０の位置と絞り２１１の絞り値を検出し、これらのレンズ位置と絞り値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レンズ位置と絞り値に応じたレンズ情報を選択する。また、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、レンズ駆動量に応じてフォーカシング用レンズ２１０を合焦位置へ駆動する。また、レンズ駆動制御装置２０６は受信した絞り値に応じて絞り２１１を駆動する。

撮像素子２１２はＣＭＯＳイメージセンサである。図２は、交換レンズ２０２の撮影画面上（撮像素子２１２の撮像領域）における焦点検出位置を示す図であり、撮像素子２１２上の焦点検出用画素列が焦点検出の際に撮影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）の一例を示す。この例では、長方形の撮影画面（撮像領域）１００は、水平方向の長辺１１０の長さが垂直方向の短辺１１１の長さより長くなっており、撮影画面（撮像領域）１００において短辺が向かう方向（本図では縦方向。以下、短辺方向という）に沿った７つの焦点検出エリア１０１〜１０７が長辺が向かう方向（本図では横方向。以下、長辺方向という）に並んで配置される。細長い焦点検出エリアの長手方向に、焦点検出用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、図２に示す撮像素子２１２上の焦点検出エリア１０１の近傍を拡大して示す。撮像素子２１２には撮像用画素３１０が二次元正方格子状に稠密に配列されるとともに、焦点検出エリア１０１に対応する位置には焦点検出用画素３１３、３１４が垂直方向の直線上に隣接して交互に配列される。なお、図示を省略するが、図２に示す焦点検出エリア１０２〜１０７の近傍の構成も図３に示す構成と同様である。

撮像用画素３１０は、図４に示すようにマイクロレンズ１０、光電変換部１１、および色フィルター（不図示）から構成される。色フィルターは赤（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に示す特性になっている。撮像素子２１２には、各色フィルターを備えた撮像用画素３１０がベイヤー配列されている。

焦点検出用画素３１３は、図５(ａ)に示すようにマイクロレンズ１０と光電変換部１３とから構成され、光電変換部１３の形状は半円形である。また、焦点検出用画素３１４は、図５(ｂ)に示すようにマイクロレンズ１０と光電変換部１４とから構成され、光電変換部１４の形状は半円形である。焦点検出用画素３１３と焦点検出用画素３１４は、垂直方向の焦点検出に用いるものであり、光電変換部１３と１４が垂直方向、つまり画素の上下方向に並んでいる。焦点検出用画素３１３と焦点検出用画素３１４は、焦点検出エリア１０１〜１０７において垂直方向（光電変換部１３と１４の並び方向）に交互に配置される。

焦点検出用画素３１３、３１４には光量を増大させるために色フィルターが設けられておらず、その分光特性は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ー（不図示）の分光特性とを総合した分光特性（図７参照）となる。つまり、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となり、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。

焦点検出用画素３１３、３１４は、撮像用画素３１０のＢとＧが配置されるべき列に配置されている。焦点検出用の焦点検出用画素３１３、３１４が、撮像用画素３１０のＢとＧが配置されるべき列に配置されているのは、画素補間処理において補間誤差が生じた場合に、人間の視覚特性上、赤画素の補間誤差に比較して青画素の補間誤差が目立たないためである。

撮像用画素３１０の光電変換部１１は、マイクロレンズ１０によって最も明るい交換レンズの射出瞳径（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、焦点検出用画素３１３、３１４の光電変換部１３、１４は、マイクロレンズ１０によって交換レンズの射出瞳の所定の領域（例えばＦ２．８）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。

図８は撮像用画素３１０の断面図である。撮像用画素３１０では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の形状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。なお、不図示の色フィルターはマイクロレンズ１０と光電変換部１１の中間に配置される。

図９(ａ)は焦点検出用画素３１３の断面図である。画面中央の焦点検出エリア１０１に配置された焦点検出用画素３１３において、光電変換部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１３の形状が前方に投影される。光電変換部１３は半導体回路基板２９上に形成されるとともに、その上にマイクロレンズ１０が半導体イメージセンサーの製造工程により一体的かつ固定的に形成される。なお、画面上下の焦点検出エリア１０２〜１０７に配置された焦点検出用画素３１３の断面構造についても、図９(ａ)に示す断面構造と同様である。

図９(ｂ)は焦点検出用画素３１４の断面図である。画面中央の焦点検出エリア１０１に配置された焦点検出用画素３１４において、光電変換部１４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１４の形状が前方に投影される。光電変換部１４は半導体回路基板２９上に形成されるとともに、その上にマイクロレンズ１０が半導体イメージセンサーの製造工程により一体的かつ固定的に形成される。なお、画面上下の焦点検出エリア１０２〜１０７に配置された焦点検出用画素３１４の断面構造についても、図９(ｂ)に示す断面構造と同様である。

図１０は、マイクロレンズを用いた瞳分割型位相差検出方式の焦点検出光学系の構成を示す。なお、焦点検出用画素の部分は拡大して示す。図において、９０は、交換レンズ２０２（図１参照）の予定結像面に配置されたマイクロレンズから前方ｄの距離に設定された射出瞳である。この距離ｄ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との間の距離などに応じて決まる距離であって、この明細書では測距瞳距離と呼ぶ。９１は交換レンズの光軸、１０ａ〜１０ｄはマイクロレンズ、１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂは光電変換部、３１３ａ、３１３ｂ、３１４ａ、３１４ｂは焦点検出用画素、７３，７４、８３，８４は焦点検出用光束である。

また、９３は、マイクロレンズ１０ａ、１０ｃにより投影された光電変換部１３ａ、１３ｂの領域であり、この明細書では測距瞳と呼ぶ。図１０では、説明を解りやすくするために楕円形の領域で示しているが、実際には光電変換部の形状が拡大投影された形状になる。同様に、９４は、マイクロレンズ１０ｂ、１０ｄにより投影された光電変換部１４ａ、１４ｂの領域であり、この明細書では測距瞳と呼ぶ。図１０では、説明を解りやすくするために楕円形の領域で示しているが、実際には光電変換部の形状が拡大投影された形状になる。

図１０では、撮影光軸に隣接する４つの焦点検出用画素３１３ａ、３１３ｂ、３１４ａ、３１４ｂを模式的に例示しているが、焦点検出エリア１０１のその他の焦点検出用画素においても、また画面周辺部の焦点検出エリア１０２〜１０７の焦点検出用画素においても、光電変換部はそれぞれ対応した測距瞳９３、９４から各マイクロレンズに到来する光束を受光するように構成されている。焦点検出用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１０ａ〜１０ｄは交換レンズ２０２（図１参照）の予定結像面近傍に配置されており、マイクロレンズ１０ａ〜１０ｄによりその背後に配置された光電変換部１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂの形状がマイクロレンズ１０ａ〜１０ｃから測距瞳距離ｄ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９３，９４を形成する。すなわち、投影距離ｄにある射出瞳９０上で各焦点検出用画素の光電変換部の投影形状（測距瞳９３，９４）が一致するように、各焦点検出用画素におけるマイクロレンズと光電変換部の相対的位置関係が定められ、それにより各焦点検出用画素における光電変換部の投影方向が決定されている。

光電変換部１３ａは測距瞳９３を通過し、マイクロレンズ１０ａに向う光束７３によりマイクロレンズ１０ａ上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。同様に、光電変換部１３ｂは測距瞳９３を通過し、マイクロレンズ１０ｃに向う光束８３によりマイクロレンズ１０ｃ上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。また、光電変換部１４ａは測距瞳９４を通過し、マイクロレンズ１０ｂに向う光束７４によりマイクロレンズ１０ｂ上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。同様に、光電変換部１４ｂは測距瞳９４を通過し、マイクロレンズ１０ｄに向う光束８４によりマイクロレンズ１０ｄ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２種類の焦点検出用画素を直線状に多数配置し、各画素の光電変換部の出力を測距瞳９３および測距瞳９４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９３と測距瞳９４をそれぞれ通過する焦点検出用光束が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）を施すことによって、いわゆる瞳分割型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って、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。

図１１は、焦点検出用光束のケラレ（口径蝕）を説明するための図である。図において、位置ｘ０（像高０＝撮影画面中心）と位置ｘ１（像高ｈ＝撮影画面周辺）にある一対の焦点検出用画素は、それぞれ予定焦点面９２の前方ｄにある測距瞳面９０において測距瞳領域９３、９４を通過する一対の焦点検出用光束５３，５４および６３、６４を受光するように構成されている。予定焦点面９２の前方ｄ１（＜ｄ）の面９５に光学系の絞り開口９６がある場合には、位置ｘ０（像高０）にある一対の焦点検出用画素が受光する一対の焦点検出用光束５３，５４は、絞り開口９６により光軸９１に対して対称に口径蝕が発生するため、一対の焦点検出用画素が受光する光量のバランスは崩れない。

これに対し位置ｘ１（像高ｈ）にある一対の焦点検出用画素が受光する一対の焦点検出用光束６３，６４は、絞り開口９６によって光軸９１に対して非対称に口径蝕が発生するため、焦点検出用画素の配列方向によっては一対の焦点検出用画素が受光する光量のバランスが崩れる恐れがある。

図１２(ａ)、(ｂ)は、図２において画面周辺の位置１０８に焦点検出用画素が配置された場合の、一対の焦点検出用光束６３、６４と光学系の絞り開口９６の関係を面９５上で示した図である。図１２(ａ)は、図２において焦点検出用画素が位置１０８の近傍で撮影画面中心からの放射方向と直交する方向（撮影画面の短辺方向）に配列された場合の図であって、一対の焦点検出用光束６３、６４は光学系の絞り開口９６によって均等にけられている。

一方、図１２(ｂ)は、焦点検出用画素が位置１０８の近傍で撮影画面中心からの放射方向（撮影画面の長辺方向）に配列された場合の図であって、一対の焦点検出用光束６３、６４は光学系の絞り開口９６によって不均等にけられている。測距瞳の不均等なケラレは焦点検出用光束の不均等なケラレとなり、結果的に像信号レベルのアンバランスに繋がる。一対の像信号のレベルが大きく崩れた場合には像ズレの検出精度が低下したり、像ズレ検出が不能となってしまう。

図１３(ａ)、(ｂ)は、図１２(ａ)、(ｂ)の状態において位置１０８（像高ｈ）の近傍の焦点検出用画素配列が受光する一対の像の強度分布（縦軸は光量、横軸は撮影画面上の位置）の例を示したものである。図１２(ａ)に示すように焦点検出用光束の口径蝕のバランスがとれている場合には、図１３(ａ)に示すように、一対の像信号４００，４０１は同一の像信号関数が単純に横方向にシフトしたものとなっている。これに対し、図１２(ｂ)に示すように焦点検出用光束の口径蝕のバランスが崩れている場合には、図１３(ｂ)に示すように、一対の像信号４０２，４０３は同一の信号を相対的に横方向にシフトしたものにはならない。

以上説明したように、長方形の撮像領域を持つ撮像素子において、長辺方向の周辺領域においても焦点検出精度を維持するためには、該領域に撮影画面中心からの放射方向と直交する方向（撮影画面の短辺方向）に焦点検出用画素を配列するほうが有利である。したがって、長方形画面の周辺においても焦点検出精度を維持するために、図２に示すように焦点検出領域１０１〜１０７を長方形画面の短辺方向に沿って設定しているのである。

図１４は撮像素子２１２の回路構成の概念を示す図である。撮像素子２１２は上述したようにＣＭＯＳイメージセンサーとして構成される。ＣＭＯＳイメージセンサーでは、周知のように同一走査ラインの画素間の電荷蓄積タイミングは同一であるが、異なる走査ラインの画素間の電荷蓄積タイミングは異なってくる。上述した焦点検出用画素配列において電荷蓄積タイミングが異なると、移動する被写体に対して焦点検出を行った場合に、焦点検出用画素配列が生成する一対の像の同時性（同一性）が崩れ、後述する像ズレ検出の際に検出誤差を生じてしまう。焦点検出用画素配列の電荷蓄積タイミングを揃えるため、ＣＭＯＳイメージセンサーの走査ラインの方向は図２に示す焦点検出領域１０１〜１０７と同じ方向（長方形画面の短辺方向）に揃えて設定される。

この一実施の形態では、説明を解りやすくするために、撮像素子２１２の回路構成を水平方向８画素×垂直方向４画素のレイアウトに簡略化して説明する。垂直方向において２列目と６列目に焦点検出用画素（図中に○印で示す）が配列され、撮像用画素（図中に□印で示す）がそれ以外の列に配列される。

次に、図１４に示す回路の詳細な動作を説明する。ラインメモリ３２０は、１列分の画素の画素信号をサンプルホールドして一時的に保持するバッファーであり、信号線５０１に出力されている同一列の画素信号を水平走査回路３０１が発する制御信号ΦＳに基づいて同時にサンプルホールドする。なお、ラインメモリ３２０に保持される画素信号は、制御信号ΦＨ１〜ΦＨ８の立ち上がりに同期してリセットされる。

撮像用画素および焦点検出用画素からの画素信号の出力は、水平走査回路３０１が発する制御信号（ΦＨ１〜ΦＨ８）により列ごとに独立に制御される。制御信号（ΦＨ１〜ΦＨ８）により選択された列の画素の画素信号は、信号線５０１へ出力される。ラインメモリ３２０に保持された画素信号は、垂直走査回路３０２が発する制御信号（ΦＶ１〜ΦＶ４）により順次出力回路３３０へ転送され、出力回路３３０において予め設定された増幅度で増幅されて外部へ出力される。撮像用画素および焦点検出用画素は、画素信号がサンプルホールドされた後、リセット回路３０３が発する制御信号（ΦＲ１〜ΦＲ８）によりリセットされ、次回の画素信号のための電荷蓄積を開始する。

図１５は、図１４に示す撮像素子２１２の撮像用画素および焦点検出用画素の詳細回路図である。光電変換部はフォトダイオード（以下、ＰＤと呼ぶ）で構成され、このＰＤに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（以下、ＦＤと呼ぶ）に蓄積される。ＦＤは増幅ＭＯＳトランジスタ（以下、ＡＭＰと呼ぶ）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（ΦＲ１〜ΦＲ８）によりリセットＭＯＳトランジスタ５１０がオンすると、ＦＤおよびＰＤに溜まった電荷がクリアされリセット状態になる。ＡＭＰの出力は列選択ＭＯＳトランジスタ５１２を介して出力線５０１に接続されており、制御信号ΦＨｎ（ΦＨ１〜ΦＨ８）により列選択ＭＯＳトランジスタ５１２がオンすると、ＡＭＰの出力が出力線５０１に出力される。

図１６は、図１４に示す撮像素子２１２の動作を示すタイミングチャートである。１列目の撮像用画素は水平走査回路３０１が発する制御信号ΦＨ１により選択され、選択された撮像用画素の画素信号は信号線５０１へ出力される。制御信号ΦＨ１と同期して発せられる制御信号ΦＳにより信号線５０１に出力された１列目の画素信号は、ラインメモリ３２０に一時的に保持される。ラインメモリ３２０に保持された１列目の撮像用画素の画素信号は、垂直走査回路３０２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３３０へ転送され、出力回路３３０において予め設定された増幅度で増幅されて外部へ出力される。

１列目の撮像用画素の画素信号のラインメモリ３２０への転送が終了した時点で、リセット回路３０３より発せられる制御信号ΦＲ１により１列目の撮像用画素がリセットされ、制御信号ΦＲ１の立ち下がりで１列目の撮像用画素の次の電荷蓄積が開始される。１列目の撮像用画素の画素信号の出力回路３３０からの出力が終了した時点で、２列目の焦点検出用画素は水平走査回路３０１が発する制御信号ΦＨ２により選択され、選択された焦点検出用画素の画素信号が信号線５０１に出力される。以下、同様にして２列目の焦点検出用画素の画素信号の保持および焦点検出用画素のリセット、画素信号の出力および次の電荷蓄積の開始が行われる。

続いて３列目〜８列目の撮像用画素および焦点検出用画素の画素信号の保持および撮像用画素および焦点検出用画素のリセット、撮像用画素および焦点検出用画素の画素信号の出力および次の電荷蓄積の開始が行われる。すべての画素の画素信号の出力が終了すると、再び１列目に戻って上記動作が周期的に繰り返される。制御信号ΦＲ１〜ΦＲ８のパルス幅を変更することによって、撮像用画素および焦点検出用画素の電荷蓄積時間（露光時間）を調整することが可能である。

以上の動作によって、図１７に示すように、撮像素子２１２の長方形の撮像領域（撮影画面）１００において矢印で示す走査線にしたがって画面１００の下から上へ向かって画素が走査され、走査された画素の信号が順次外部へ出力されるとともに、走査線が画面１００の左から右へ順次移動して全画面１００の画素の信号を外部へ出力する。走査線の方向は長方形の画面１００の短辺方向と一致しており、焦点検出用画素の配列方向とも一致しているため、同一列に配列された焦点検出用画素においては電荷蓄積タイミングの同一性を維持することができる。なお、上記の説明では理解を容易にするために相関二重サンプリングの動作は省略されている。しかし、各画素からリセット時の信号も出力させて、周知の相関二重サンプリングを行ってもよい。この場合、各画素には、光電変換部とＦＤの間に転送トランジスターを配置させるのが好ましい。

図１８は、一実施の形態のデジタルスチルカメラ（撮像装置）の撮像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でカメラの電源がオンされると、ステップ１１０以降の撮像動作を開始する。ステップ１１０において撮像用画素から画像信号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。続くステップ１２０では焦点検出用画素配列から一対の像に対応した一対の焦点検出信号を読み出す。なお、焦点検出エリアは、撮影者が焦点検出エリア選択部材（不図示）を用いて焦点検出エリア１０１〜１０７の内のいずれかを予め選択しているものとする。

ステップ１３０では読み出された一対の焦点検出信号に基づいて後述する像ズレ検出演算処理（相関演算処理）を行い、像ズレ量を演算してデフォーカス量に変換する。ステップ１４０で合焦近傍か否か、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調べる。合焦近傍でないと判定された場合はステップ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を合焦位置に駆動させる。その後、ステップ１１０へ戻って上述した動作を繰り返す。

なお、焦点検出不能な場合もこのステップに分岐し、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る。その後、ステップ１１０へ戻って上述した動作を繰り返す。

ステップ１４０で合焦近傍であると判定された場合はステップ１６０へ進み、シャッターボタン（不図示）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別する。シャッターレリーズがなされていないと判定された場合はステップ１１０へ戻り、上述した動作を繰り返す。一方、シャッターレリーズがなされたと判定された場合はステップ１７０へ進み、レンズ駆動制御装置２０６へ絞り調整命令を送信し、交換レンズ２０２の絞り値を制御Ｆ値（撮影者または自動により設定されたＦ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の撮像用画素３１０および全ての焦点検出用画素３１３，３１４から画像データを読み出す。

ステップ１８０において、焦点検出用画素配列の各画素位置の画素データを焦点検出用画素の周囲の撮像用画素の画像信号に基づいて画素補間する。続くステップ１９０では、撮像用画素の画像信号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に記憶し、ステップ１１０へ戻って上述した動作を繰り返す。

図１９は、図１８のステップ１３０における焦点検出演算処理の詳細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２００からこの焦点検出演算処理（相関演算処理）を開始する。

ステップ２１０において、 焦点検出用画素列から出力される焦点検出信号の一対のデータ列（α1〜αM、β1〜βM：Ｍはデータ数）に対して（１）式に示すような高周波カットフィルター処理を施し、第１データ列（Ａ1〜ＡN）と第２データ列（Ｂ1〜ＢN）を生成する。これにより、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ことができる。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、ステップ２１０の処理を省略することもできる。
Ａn＝αn＋２・αn+1＋αn+2，
Ｂn＝βn＋２・βn+1＋βn+2 ・・・（１）
（１）式において、ｎ＝１〜Ｎ−２である。

データ列Ａn、Ｂnは、理想的には同一データ列を相対的にシフトしたものとなるはずであるが、上述した瞳分割方式の焦点検出用画素配列で得られる一対のデータ列では、焦点検出用光束のケラレ（口径蝕）により、同一性が崩れる可能性がある。

このようなケラレが発生した状態においても正確な像ズレ量を算出するために、ステップ２２０において第１データ列（Ａ1〜Ａｎ）と第２データ列（Ｂ1〜Ｂｎ）を相対的にずらす（シフト量ｋ）とともに、（２）式によりケラレに対して略不変な量Ｅ(k)を定め、（３）式により量Ｅ(k)の絶対値をデータの所定区間に亘って積算して相関量Ｃ(k)を求める。
Ｅ(k)＝Ａi・Ｂi+spn+k−Ｂi+k・Ａi+spn ・・・（２），
Ｃ(k)＝Σ｜Ｅ(k)｜ ・・・（３）

ステップ２３０において、（３）式による相関演算アルゴリズムで求めた相関量Ｃ(k)のグラフは、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)が最小（小さいほど相関度が高い）になる。（４）式〜（７）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最小値Ｃ(ｘ)を与えるシフト量ｘを求める。
ｘ＝ｋj＋Ｄ／ＳＬＯＰ ・・・（４），
Ｃ(ｘ)＝ Ｃ（ｋj）−｜Ｄ｜ ・・・（５），
Ｄ＝｛Ｃ(ｋj-1)−Ｃ(ｋj+1)｝／２ ・・・（６），
ＳＬＯＰ＝ＭＡＸ｛Ｃ(ｋj+1)−Ｃ(ｋj)，Ｃ(ｋj-1)−Ｃ(ｋj)｝ ・・・（７）

ステップ２４０では、（４）式で求めたシフト量ｘを用いて被写体像面の予定結像面に対するデフォーカス量ＤＥＦを次式により求めることができる。
ＤＥＦ＝ＫＸ・ＰＹ・（ｘ＋０．５） ・・・（８）
（８）式において、ＰＹは検出ピッチ（焦点検出用画素３１３どうしの間隔）であり、ＫＸは一対の測距瞳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。（８）式において画素単位のシフト量ｘに０．５を加えているのは、焦点検出用画素３１３と３１４が互いに焦点検出用画素３１３どうしの画素間隔の半分だけずれて配置されているからである。

算出されたデフォーカス量ＤＥＦの信頼性があるかどうかは、以下のようにして判定される。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最小値Ｃ(ｘ)の値が大きくなる。したがって、Ｃ(ｘ)が所定値以上の場合は信頼性が低いと判定する。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信頼性が低いと判定する。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、算出されたデフォーカス量ＤＥＦの信頼性が低いと判定する。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、最小値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。焦点検出が可能であった場合には算出された像ズレ量に所定の変換係数を乗じてデフォーカス量を算出する。

ステップ２５０で、焦点検出演算処理（相関演算処理）を終了して図１８のステップ１４０へリターンする。

《発明の他の実施の形態》
図３に示す撮像素子２１２では、焦点検出用画素３１３、３１４がひとつの画素内にひとつの光電変換部を備えた例を示したが、撮像素子における瞳分割型の焦点検出用画素の構成はこれに限定されることはなく、ひとつの画素内に一対の光電変換部を備えるようにしてもよい。図２１は変形例の撮像素子２１２Ａの部分拡大図であり、図３の撮像素子２１２に対応するものである。この変形例の撮像素子２１２では、焦点検出用画素３１１がひとつの画素内に一対の光電変換部を備えている。図に示す焦点検出用画素３１１は、図３に示す焦点検出用画素３１３と焦点検出用画素３１４のペアに相当した機能を果たす。

焦点検出用画素３１１は、図２２に示すようにマイクロレンズ１０と一対の光電変換部１３，１４から構成される。焦点検出用画素３１１には光量をかせぐために色フィルターは配置されておらず、その分光特性は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ー（不図示）の分光特性とを総合した分光特性（図７参照）となる。つまり、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となり、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。

図２３は、図２１に示す撮像素子２１２Ａの焦点検出用画素による瞳分割方式の焦点検出動作を説明するための図である。図において、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ｄの距離に設定された射出瞳である。ここで、距離ｄ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は交換レンズの光軸、５０，６０はマイクロレンズ、(５３，５４)、(６３，６４)は焦点検出用画素の対の光電変換部、(７３，７４)、(８３，８４)は焦点検出用光束である。

さらに、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の領域であり、以下では測距瞳と呼ぶ。同様に、９４はマイクロレンズ５０、６０により投影された光電変換部５４，６４の領域であり、以下では測距瞳と呼ぶ。図２３では、光軸９１上にある焦点検出用画素（マイクロレンズ５０と一対の光電変換部５３、５４からなる）と、隣接する焦点検出用画素（マイクロレンズ６０と一対の光電変換部６３、６４からなる）を模式的に例示しているが、撮像面上のその他の位置に配置された焦点検出用画素においても、一対の光電変換部はそれぞれ一対の測距瞳９３、９４から各マイクロレンズに到来する光束を受光する。焦点検出用画素の配列方向は一対の測距瞳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、光軸９１上に配置されたマイクロレンズ５０によって、その背後に配置された一対の光電変換部５３、５４の形状がマイクロレンズ５０、６０から測距瞳距離ｄ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９３，９４を形成する。また、マイクロレンズ５０に隣接して配置されたマイクロレンズ６０によって、その背後に配置された一対の光電変換部６３、６４の形状が測距瞳距離ｄ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９３，９４を形成する。すなわち、測距瞳距離ｄにある射出瞳９０上で各焦点検出用画素の光電変換部の投影形状（測距瞳９３，９４）が一致するように、各画素のマイクロレンズと光電変換部の位置関係が決定されている。

光電変換部５３は、測距瞳９３を通過してマイクロレンズ５０へ向う焦点検出用光束７３によってマイクロレンズ５０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。また、光電変換部５４は、測距瞳９４を通過してマイクロレンズ５０へ向う焦点検出用光束７４によってマイクロレンズ５０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。同様に、光電変換部６３は、測距瞳９３を通過してマイクロレンズ６０へ向う焦点検出用光束８３によってマイクロレンズ６０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。また、光電変換部６４は、測距瞳９４を通過してマイクロレンズ６０へ向う焦点検出用光束８４によってマイクロレンズ６０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。

このような焦点検出用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９３および測距瞳９４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９３と測距瞳９４を各々通過する焦点検出用光束が焦点検出用画素配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）を施すことによって、いわゆる瞳分割方式で一対の像の像ズレ量が検出される。さらに、像ズレ量に所定の変換処理を施すことによって、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。

図２４は、図２１に示す撮像素子２１２Ａの回路構成を示す概念図である。説明を解りやすくするために、こここでは水平方向６画素×垂直方向４画素のレイアウトに簡略化して説明する。なお、図１４に示す回路と同様な回路に対しては同一の符号を付して説明する。垂直方向において２列目と６列目に焦点検出用画素が配列され、撮像用画素（図中に□印で示す）が１、４、５、８列目に配列される。３列目、７列目には撮像用画素は配置されず、焦点検出用画素の信号出力回路のみが配置される。

以下、図２４に示す撮像素子２１２Ａの詳細な回路動作について説明する。ラインメモリ３２０は１列分の画素の画素信号をサンプルホールドして一時的に保持するバッファであり、信号線５０１に出力されている同一列の画素信号を水平走査回路３０１が発する制御信号ΦＳに基づいてサンプルホールドする。なお、ラインメモリ３２０に保持される画素信号は、制御信号ΦＨ１〜ΦＨ８の立ち上がりに同期してリセットされる。撮像用画素からの画素信号の出力は、水平走査回路３０１が発する制御信号（ΦＨ１、ΦＨ４、ΦＨ５、ΦＨ８）により列ごとに独立に制御される。

２列目、６列目の焦点検出用画素の一方の光電変換部１３からの画素信号の出力は、水平走査回路３０１が発する制御信号（ΦＨ２、ΦＨ６）により列ごとに独立に制御されるとともに、２列目、６列目の焦点検出用画素の他方の光電変換部１４からの画素信号の出力は、水平走査回路３０１が発する制御信号（ΦＨ３、ΦＨ７）により列ごとに独立に制御される。制御信号（ΦＨ１〜ΦＨ８）により選択された列の画素の画素信号は、信号線５０１へ出力される。

なお、２列目、６列目の焦点検出用画素の一対の光電変換部１３、１４の画素信号は、制御信号ΦＨ２、ΦＨ６に先立って水平走査回路３０１から発せられる制御信号ΦＬ２３、ΦＬ６７により同時に固定され、光電変換部１３の画素信号は制御信号ΦＨ２によりすぐに信号線５０１へ出力され、光電変換部１４の画素信号は一時的に信号保持部３３０に保持された後、制御信号ΦＨ３により信号線５０１へ出力される。

ラインメモリ３２０に保持された画素信号は、垂直走査回路３０２が発する制御信号（ΦＶ１〜ΦＶ４）により順次出力回路３３０へ転送され、出力回路３３０において予め設定された増幅度で増幅されて外部へ出力される。

撮像用画素は、画素信号がサンプルホールドされた後、リセット回路３０３が発する制御信号（ΦＲ１、ΦＲ４、ΦＲ５、ΦＲ８）によりリセットされ、次回の画素信号のための電荷蓄積を開始する。２列目、６列目の焦点検出用画素は、リセット回路３０３が発する制御信号（ΦＲ２３、ΦＲ６７）により一対の光電変換部１３、１４が同時にリセットされ、次回の画素信号のための電荷蓄積を開始する。

以上のような構成により、同一列の焦点検出用画素ではすべての光電変換部の電荷蓄積タイミングが同一となる。

図２５は、図２４に示す撮像素子２１２Ａの２列目の焦点検出用画素の詳細な回路図である。一対の光電変換部は一対のフォトダイオード（ＰＤ）１３、１４により構成される。制御信号ΦＬ２３にしたがってスイッチングＭＯＳトランジスタ５２３、５２４がオン、オフすると、一対のＰＤ１３、１４で蓄積された電荷が浮遊拡散層（フローティングディフュージョン：ＦＤ）２３、２４へ移送され蓄積される。ＦＤ２３、２４は増幅ＭＯＳトランジスタ（ＡＭＰ）３３、３４のゲートに接続されており、ＡＭＰ３３、３４はＦＤ２３、２４に蓄積された電荷の量に応じた信号を発生する。

ＦＤ２３、２４はリセットＭＯＳトランジスタ５０３、５０４を介して電源電圧Ｖｄｄに接続されており、制御信号ΦＲ２３によりリセットＭＯＳトランジスタ５０３、５０４がオンすると、ＦＤ２３、２４に溜まった電荷がクリアされリセット状態となる。リセットＭＯＳトランジスタ５０３、５０４がオンするタイミングに同期して、制御信号ΦＬ２３がスイッチングＭＯＳトランジスタ５２３、５２４をオンすると、ＰＤ１３、１４に溜まった電荷もクリアされリセット状態となる。

ＡＭＰ３３、３４の出力は選択ＭＯＳトランジスタ５１３、５１４を介して出力線５０１に接続されており、制御信号ΦＨ２、ΦＨ３により列選択ＭＯＳトランジスタ５１３、５１４がオンすると、ＡＭＰ３３、３４の出力が出力線５０１へ出力される。

図２６は、図２４に示す撮像素子２１２Ａの動作を示すタイミングチャートである。１列目の撮像用画素は水平走査回路３０１が発する制御信号ΦＨ１により選択され、選択された撮像用画素の画素信号は信号線５０１へ出力される。制御信号ΦＨ１と同期して発せられる制御信号ΦＳにより信号線５０１へ出力された１列目の画素信号は、ラインメモリ３２０に一時的に保持される。ラインメモリ３２０に保持された１列目の撮像用画素の画素信号は、垂直走査回路３０２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３３０へ転送され、出力回路３３０において予め設定された増幅度で増幅されて外部へ出力される。

１列目の撮像用画素の画素信号のラインメモリ３２０への転送が終了した時点で、リセット回路３０３より発せられる制御信号ΦＲ１により１列目の撮像用画素がリセットされ、制御信号ΦＲ１の立ち下がりで１列目の撮像用画素の次の電荷蓄積が開始される。

１列目の撮像用画素の画素信号の出力回路３３０からの出力が終了した時点で、水平走査回路３０１から発せられる制御信号ΦＬ２３により２列目の焦点検出用画素の一対の光電変換部の画素信号がＦＤ部に固定保持され、水平走査回路３０１が引き続いて発する制御信号ΦＨ２により一方の光電変換部が選択され、選択された光電変換部の画素信号が信号線５０１へ出力される。

制御信号ΦＨ２と同期して発せられる制御信号ΦＳにより信号線５０１に出力された一方の光電変換部の画素信号は、ラインメモリ３２０に一時的に保持される。ラインメモリ３２０に保持された２列目の焦点検出用画素の一方の光電変換部の画素信号は、垂直走査回路３０２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３３０へ転送され、出力回路３３０で設定された増幅度で増幅されて外部へ出力される。

次に２列目の焦点検出用画素の一方の光電変換部の画素信号の出力回路３３０からの出力が終了した時点で、水平走査回路３０１から発せられる制御信号ΦＨ３により他方の光電変換部が選択され、ＦＤ部に一時的に保持されていた他方の光電変換部の画素信号が信号線５０１へ出力される。制御信号ΦＨ３と同期して発せられる制御信号ΦＳにより、信号線５０１に出力された他方の光電変換部の画素信号がラインメモリ３２０に一時的に保持される。

ラインメモリ３２０に保持された２列目の焦点検出用画素の他方の光電変換部の画素信号は、垂直走査回路３０２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３３０へ転送され、出力回路３３０において予め設定された増幅度で増幅されて外部へ出力される。

２列目の焦点検出用画素の画素信号のラインメモリ３２０への転送が終了した時点で、リセット回路３０３より発せられる制御信号ΦＲ２３と、それと同期して水平走査回路３０１から発せられる制御信号ΦＬ２３により、２列目の焦点検出用画素の一対の光電変換部とＦＤ部がリセットされ、制御信号ΦＲ２３の立ち下がりで２列目の焦点検出用画素の一対の光電変換部の次の電荷蓄積が開始される。

以下同様にして３列目以降の撮像用画素と焦点検出用画素の画素信号の保持および焦点検出用画素のリセット、画素信号の出力および次の電荷蓄積の開始が行われる。すべての画素の画素信号の出力が終了すると、ふたたび１列目に戻って上記動作が周期的に繰り返される。制御信号ΦＲ１〜ΦＲ８のパルス幅を変更することによって、撮像用画素および焦点検出用画素の電荷蓄積時間（露光時間）を調整することが可能である。

以上の動作によって、図１７に示すように、撮像素子２１２Ａの長方形の撮像領域（撮影画面）１００において矢印で示す走査線にしたがって画面１００の下から上へ向かって画素が走査され、走査された画素の信号が順次外部へ出力されるとともに、走査線が画面１００の左から右へ順次移動して全画面１００の画素の信号を外部へ出力する。走査線の方向は長方形の画面１００の短辺方向と一致しており、焦点検出用画素の配列方向とも一致しているため、同一列に配列された焦点検出用画素においては電荷蓄積タイミングの同一性を維持することができる。

図２４に示す回路構成例では３列目、７列目には撮像用画素を配置せず、焦点検出用画素の光電変換部の出力回路のみを配置しているが、焦点検出用画素の光電変換部の出力回路をコンパクトに配置できる場合には、３列目、７列目に撮像用画素を配置するようにしてもよい。

このように、一実施の形態によれば、長方形の撮像領域内に複数の画素が配列され、撮像領域の短辺方向に沿って配列された複数の画素に対しては同時に電荷蓄積制御がなされるとともに、撮像領域の長辺方向に沿って配列された複数の画素に対しては順次に電荷蓄積制御がなされる撮像素子であって、撮像領域の長辺方向の周辺部には、撮像領域に像を結像する光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出用の複数の画素が、撮像領域の短辺方向に沿って配列されるようにしたので、瞳分割方式の焦点検出用画素を備えた撮像素子をＣＭＯＳ型デバイスで構成しても、撮像領域の長辺方向周辺部における焦点検出性能の低下を防止することができる。

以上の説明では、図２に示すような撮像領域に配置された複数の焦点検出用画素配列１０１〜１０７において、すべての焦点検出用画素は同一の構造で同様な焦点検出用光束を受光するとしたが、撮像領域の中心と撮像領域の周辺では図１１でも説明したように焦点検出用光束のケラレ状態が異なるので、撮像領域の周辺においても撮像領域の中心と同様な焦点検出性能を確保するためには、後述するように焦点検出用画素の構造や受光する焦点検出用光束の状況を撮像領域の位置（図２において撮像領域の中心１１９から各配列１０１〜１０７までの長辺方向の距離）に応じて適切に変更することが望ましい。

《焦点検出用画素構造の変形例》
撮像領域の周辺では焦点検出用光束のケラレが発生するため、同一の電荷蓄積時間で撮像素子から焦点検出用画素配列の出力信号を読み出すと、撮像領域の中心近傍の焦点検出用画素配列の画素信号レベルより撮像領域の周辺の焦点検出用画素配列の画素信号レベルが低下し、撮像領域周辺の焦点検出性能が悪化する。

このような不具合を防止するために、撮像領域の中心近傍の焦点検出用画素配列に属する焦点検出用画素の光電変換部の面積を、撮像領域の周辺の焦点検出用画素配列に属する焦点検出用画素の光電変換部の面積より小さくする。これにより、撮像領域の中心近傍の焦点検出用画素配列の画素信号レベルと、撮像領域の周辺の焦点検出用画素配列の画素信号レベルとを揃えることができる。

図２７は、図２において撮像領域の中心に配置された焦点検出用画素配列１０４に属する変形例の焦点検出用画素の構成を示す。焦点検出用画素３１３は、図２７(ａ)に示すようにマイクロレンズ１０と光電変換部１５とから構成され、光電変換部１５の形状は半円形であり、図５(ａ)に示す光電変換部１３を縮小した形状になっている。また、焦点検出用画素３１４は、図２５(ｂ)に示すようにマイクロレンズ１０と光電変換部１６とから構成され、光電変換部１６の形状は半円形であり、図５(ｂ)に示す光電変換部１４を縮小した形状になっている。その他の構成は図５に示す焦点検出用画素の構成と同じである。なお、撮像領域の周辺に配置された焦点検出用画素配列１０１に属する焦点検出用画素の構成は図５と同じである。

図２８(ａ)は、図２において撮像領域の周辺に配置された焦点検出用画素配列１０１の位置１０８にある焦点検出用画素が受光する一対の焦点検出用光束６３、６４と、光学系の絞り開口９６との関係を図１２と同様に面９５上で示した図である。図２８(ｂ)は、図２において撮像領域の中央に配置された焦点検出用画素配列１０４の位置１１９にある焦点検出用画素が受光する一対の焦点検出用光束６５、６６と、光学系の絞り開口９６との関係を示した図である。

図２８(ａ)において開口９６を通過する焦点検出用光束６３，６４の量は、図２８(ｂ)において開口９６を通過する焦点検出用光束６５，６６の量と略等しくなるので、同一の電荷蓄積時間で撮像素子から焦点検出用画素の出力信号を読み出した場合でも、撮像領域の中心近傍の焦点検出用画素配列の画素信号レベルと、撮像領域の周辺の焦点検出用画素配列の画素信号レベルとが揃い、撮像領域の周辺においても撮像領域の中心と同様な焦点検出性能を確保することができる。

なお、撮像領域の長辺方向中央部の焦点検出用画素で受光する焦点検出用光束が通過する瞳領域の大きさを、撮像領域の長辺方向周辺部の焦点検出用画素で受光する焦点検出用光束が通過する瞳領域の大きさより小さくしてもよい。これにより、撮像領域の中心近傍の焦点検出用画素配列の画素信号レベルと、撮像領域の周辺の焦点検出用画素配列の画素信号レベルとを揃えることができる。

《焦点検出用画素構造の他の変形例》
図２に示す撮像領域の周辺に配置された焦点検出用画素配列１０１において、撮像領域の中心１１９から長辺方向へ離れた位置１０８にある焦点検出用画素では、一対の焦点検出用光束が均等にけられるが、位置１０８から短辺方向に離れた位置１０９の焦点検出用画素では、図３０に示すように一対の焦点検出用光束６３，６４が不均等にケラレるために、焦点検出性能の維持が困難になる。

このような不具合を防止するために、撮像領域の周辺の焦点検出用画素配列に属する焦点検出用画素の光電変換部の面積を、撮像領域の中央近傍の焦点検出用画素配列に属する焦点検出用画素の光電変換部の面積より小さくする。これにより、撮像領域の中心１１９より長辺方向に離れた位置からさらに短辺方向に離れた位置においても、一対の焦点検出用光束のケラレの不均等性を緩和することができ、焦点検出性能を確保することができる。なお、撮像領域の中央近傍に配置された焦点検出用画素配列１０４に属する焦点検出用画素の構成は、図５に示す構成と同じである。また、撮像領域の周辺に配置された焦点検出用画素配列１０１に属する焦点検出用画素の構成は、図２５に示す構成と同じである。

図２９(ａ)は、図２において撮像領域の周辺に配置された焦点検出用画素配列１０１の位置１０９にある焦点検出用画素が受光する一対の焦点検出用光束６５、６６と、光学系の絞り開口９６との関係を図１２と同様に面９５上で示した図である。また、図２９(ｂ)は、図２において撮像領域の中央に配置された焦点検出用画素配列１０４の位置１１９にある焦点検出用画素が受光する一対の焦点検出用光束６３、６４と、光学系の絞り開口９６との関係を示した図である。

図２９(ａ)において開口９６を通過する焦点検出用光束６５の量と焦点検出用光束６６の量との不均一性は、図３０において開口９６を通過する焦点検出用光束６３の量と焦点検出用光束６４の量との不均一性より改善されており、撮像領域の周辺においても撮像領域の中心と同様な焦点検出性能を確保することができる。一方、図２９(ｂ)において開口９６を通過する焦点検出用光束６３，６４にはケラレが発生していない。撮像領域の中央に配置された焦点検出用画素配列１０４に属する位置１１９の焦点検出用画素が受光する一対の焦点検出用光束６３、６４は、一対の焦点検出用光束６５、６６のように縮小されていないため、低輝度の状況においても焦点検出用画素の受光量が確保され、低輝度での焦点検出性能を確保することができる。

なお、撮像領域の長辺方向中央部の焦点検出用画素で受光する焦点検出用光束が通過する瞳領域の大きさを、撮像領域の長辺方向周辺部の焦点検出用画素で受光する焦点検出用光束が通過する瞳領域の大きさより小さくしてもよい。これにより、撮像領域の長辺方向中央部に配置される焦点検出用画素の出力信号と、撮像領域の長辺方向周辺部に配置される焦点検出用画素の出力信号とが同じレベルになる。

《焦点検出用画素構造の他の変形例》
上述した変形例では、撮像領域の周辺の焦点検出用画素配列に属する焦点検出用画素の光電変換部の面積を、撮像領域の中央近傍の焦点検出用画素配列に属する焦点検出用画素の光電変換部の面積より小さくすることによって、撮像領域の中心１１９から長辺方向に離れた位置からさらに短辺方向に離れた位置においても、一対の焦点検出用光束のケラレの不均等性を緩和しているが、このようにした場合には低輝度において撮像領域の周辺の焦点検出用画素の受光量が確保されず、低輝度での焦点検出性能が低下するおそれがある。

このような不具合を防止するために、撮像領域の周辺の焦点検出用画素配列に属する焦点検出用画素の光電変換部の面積を大きくし、一対の焦点検出用画素を重ねたときに、一対の焦点検出用光束が互いにオーバーラップされるように、各光電変換部は配置される。これにより、撮像領域の中心１１９より長辺方向に離れた位置からさらに短辺方向に離れた位置においても、一対の焦点検出用光束のケラレの不均等性を緩和してケラレによる焦点検出性能の低下を防止するとともに、低輝度における焦点検出性能を確保することができる。なお、撮像領域の中央に配置された焦点検出用画素配列１０１に属する焦点検出用画素の構成は、図５に示す構成と同じである。

図３１は、図２において撮像領域の周辺に配置された焦点検出用画素配列１０１に属する焦点検出用画素の構成を示す。焦点検出用画素３１３は、図３１(ａ)に示すようにマイクロレンズ１０と光電変換部１７とから構成され、光電変換部１７の形状は、図５(ａ)に示す光電変換部１３の半円形の形状の元になる円形の一部（半円より小さな部分）を切り取ったような形状である。また、焦点検出用画素３１４は、図３１(ｂ)に示すようにマイクロレンズ１０と光電変換部１８とから構成され、光電変換部１８の形状は、図５(ｂ)に示す光電変換部１４の半円形の形状の元になる円形の一部（半円より小さな部分）を切り取ったような形状である。

図３２は、図２において撮像領域の周辺に配置された焦点検出用配列１０１に属する位置１０９の焦点検出用画素が受光する一対の焦点検出用光束６７、６８と、光学系の絞り開口９６との関係を図１２と同様に面９５上で示した図である。図３２において開口９６を通過する焦点検出用光束６７の量と焦点検出用光束６８の量との不均一性は、焦点検出用光束６７と焦点検出用光束６８とのオーバーラップ量が大きくなるため、図３０において開口９６を通過する焦点検出用光束６３の量と焦点検出用光束６４の量との不均一性より改善されており、撮像領域の周辺においても撮像領域の中心と同様な焦点検出性能を確保することができる。

また、一対の焦点検出用光束６７、６８は、ケラレが生じた場合でももともとの光束の大きさが大きいため、低輝度の状況においても焦点検出用画素の受光量が確保され、低輝度での焦点検出性能を確保することができる。

《一実施の形態の他の変形例》
図３に示す撮像素子２１２では、撮像用画素３１０がベイヤー配列の色フィルターを備えた例を示したが、色フィルターの構成や配列はこれに限定されることはなく、補色フィルター（緑：Ｇ、イエロー：Ｙｅ、マゼンタ：Ｍｇ，シアン：Ｃｙ）の配列を採用してもよい。また、図３に示す撮像素子２１２では焦点検出用画素３１３、３１４に色フィルターを設けない例を示したが、撮像用画素３１０と同色の色フィルターの内のひとつのフィルター（例えば緑フィルター）を設けるようにした場合でも、本発明を適用することができる。

また、上述した一実施の形態の図５および図２２に示す焦点検出用画素３１１、３１３、３１４では、光電変換部の形状を半円形や矩形にした例を示したが、焦点検出用画素の光電変換部の形状はこれらに限定されず、他の形状であってもよい。例えば焦点検出用画素の光電変換部の形状を楕円や多角形にすることも可能である。

上述した一実施の形態では、マイクロレンズを用いた瞳分割方式による焦点検出動作を説明したが、本発明はこのような方式の焦点検出に限定されず、特開２００８−１５１５７に開示された偏光素子による瞳分割型位相差検出方式の焦点検出装置にも適用可能である。

上述した一実施の形態では、撮像用画素の二次元配列中に焦点検出用画素配列を配置した撮像素子を例に挙げて説明したが、撮影画面内の焦点検出位置に対応して焦点検出用画素配列のみを設けた焦点検出専用の撮像素子に対しても本願発明を適用することができる。この場合、例えば、撮影光学系からの光束をハーフミラーやビームスプリッターなどで分割し、一方の光束を焦点検出専用の撮像素子で受光し、他方の光束を撮像専用の撮像素子で受光する構成とする。

なお、撮像装置としては、上述したようなカメラボディに交換レンズが装着される構成の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ない。例えばレンズ一体型のデジタルスチルカメラ、フィルムスチルカメラ、あるいはビデオカメラにも本発明を適用することができる。さらには、携帯電話などに内蔵される小型カメラモジュール、監視カメラやロボット用の視覚認識装置、車載カメラなどにも適用できる。

また、本発明は、カメラ以外の焦点検出装置や測距装置、さらにはステレオ測距装置にも適用できる。

なお、上述した実施の形態とそれらの変形例において、実施の形態と変形例とのあらゆる組み合わせが可能である。

一実施の形態のカメラの構成を示すカメラの横断面図 交換レンズの撮影画面上（撮像素子の撮像領域）における焦点検出位置を示す図 撮像素子の詳細な構成を示す正面図 撮像用画素の正面図 焦点検出用画素の正面図 撮像用画素の分光感度特性を示す図 赤外カットフィルターの分光感度特性を示す図 撮像用画素の断面図 焦点検出用画素の断面図 マイクロレンズを用いた瞳分割型位相差検出方式の焦点検出光学系の構成を示す図 焦点検出用光束のケラレ（口径蝕）を説明するための図 図２において画面周辺の位置に焦点検出用画素が配置された場合の、一対の焦点検出用光束と光学系の絞り開口の関係を面上で示した図 図１２の状態において像高ｈの近傍の焦点検出用画素配列が受光する一対の像の強度分布（縦軸は光量、横軸は撮影画面上の位置）の例を示した図 撮像素子の回路構成の概念を示す図 図１４に示す撮像素子の撮像用画素および焦点検出用画素の詳細回路図 図１４に示す撮像素子の動作を示すタイミングチャート 一実施の形態の撮像素子における走査方法を説明する図 一実施の形態のデジタルスチルカメラ（撮像装置）の撮像動作を示すフローチャート 焦点検出演算処理の詳細を示すフローチャート 焦点検出演算結果の信頼性の評価方法を説明するための図 変形例の撮像素子の部分拡大図 図２１に示す撮像素子で用いられる焦点検出用画素の正面図 図２１に示す撮像素子の焦点検出用画素による瞳分割方式の焦点検出動作を説明するための図 図２１に示す撮像素子の回路構成を示す概念図 図２４に示す撮像素子の２列目の焦点検出用画素の詳細な回路図 図２４に示す撮像素子の動作を示すタイミングチャート 変形例の焦点検出用画素の正面図 変形例の焦点検出用画素が受光する一対の焦点検出用光束と光学系の絞り開口との関係を示す図 他の変形例の焦点検出用画素が受光する一対の焦点検出用光束と光学系の絞り開口との関係を示す図 撮像領域周辺部に配置された焦点検出用画素へ入射する焦点検出用光束のケラレの状態を説明する図 他の変形例の焦点検出用画素の正面図 他の変形例の焦点検出用画素が受光する一対の焦点検出用光束と光学系の絞り開口との関係を示す図

符号の説明

１０；マイクロレンズ、１１，１３，１４，１５，１６，１７，１８；光電変換部、２０２；交換レンズ、２１２，２１２Ａ；撮像素子、２１４；ボディ駆動制御装置、３１０，３１１；撮像用画素、３１３，３１４；焦点検出用画素

Claims (10)

1. 長方形の撮像領域内に複数の画素が配列され、前記撮像領域の短辺方向に沿って配列された複数の前記画素に対しては同時に電荷蓄積制御がなされるとともに、前記撮像領域の長辺方向に沿って配列された複数の前記画素に対しては順次に電荷蓄積制御がなされる撮像素子であって、
   前記撮像領域の長辺方向の周辺部には、前記撮像領域に像を結像する光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出用の複数の前記画素が、前記撮像領域の短辺方向に沿って配列されることを特徴とする撮像素子。
2. 請求項１に記載の撮像素子において、
   前記焦点検出用画素は、前記撮像領域の長辺方向周辺部と長辺方向中央部に配列されて前記光学系の瞳領域を通過した焦点検出用光束を受光し、
   前記撮像領域の長辺方向周辺部の前記焦点検出用画素で受光する焦点検出用光束が通過する瞳領域の大きさと、前記撮像領域の長辺方向中央部の前記焦点検出用画素で受光する焦点検出用光束が通過する瞳領域の大きさとを異ならせることを特徴とする撮像素子。
3. 請求項２に記載の撮像素子において、
   前記撮像領域の長辺方向中央部に配置される前記焦点検出用画素の出力信号と、前記撮像領域の長辺方向周辺部に配置される前記焦点検出用画素の出力信号とが同じレベルになるように、前記撮像領域の長辺方向中央部の前記焦点検出用画素で受光する焦点検出用光束が通過する瞳領域の大きさを、前記撮像領域の長辺方向周辺部の前記焦点検出用画素で受光する焦点検出用光束が通過する瞳領域の大きさより小さくすることを特徴とする撮像素子。
4. 請求項２に記載の撮像素子において、
   前記撮像領域の長辺方向周辺部に配置される複数の前記焦点検出用画素の光電変換部へ入射する光束の前記光学系の開口によるケラレが均等になるように、前記撮像領域の長辺方向周辺部の前記焦点検出用画素で受光する焦点検出用光束が通過する瞳領域の大きさを、前記撮像領域の長辺方向中央部の前記焦点検出用画素で受光する焦点検出用光束が通過する瞳領域の大きさよりも小さくすることを特徴とする撮像素子。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の撮像素子において、
   前記焦点検出用画素の配列は、前記光学系による像を撮像する撮像用の前記画素の二次元配列中に設けられることを特徴とする撮像素子。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の撮像素子において、
   前記焦点検出用画素の配列は、マイクロレンズと該マイクロレンズの中心から一方の側に偏心して設けられる光電変換部とからなる第１焦点検出用画素と、マイクロレンズと該マイクロレンズの中心から他方の側に偏心して設けられる光電変換部とからなる第２焦点検出用画素とが交互に配置されたものであることを特徴とする撮像素子。
7. 請求項６に記載の撮像素子において、
   前記撮像領域の長辺方向周辺部に配置される前記焦点検出用画素の光電変換部の面積を、前記第１焦点検出用画素と前記第２焦点検出用画素とを重ねたときに、前記第１焦点検出用画素の光電変換部と、前記第２焦点検出用画素の光電変換部とが互いにオーバーラップするように、前記撮像領域の長辺方向中央部に配置される前記焦点検出用画素の光電変換部の面積よりも大きくすることを特徴とする撮像素子。
8. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の撮像素子において、
   前記焦点検出用画素の配列は、マイクロレンズと、前記マイクロレンズの中心から一方の側に偏心して設けられる第１光電変換部と、前記マイクロレンズの中心から他方の側に偏心して設けられる第２光電変換部とからなる焦点検出用画素が複数個並べられたものであることを特徴とする撮像素子。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の撮像素子と、
   前記焦点検出用画素の配列から出力される信号に基づいて前記光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出手段とを備えることを特徴とする焦点検出装置。
10. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の撮像素子と、
    複数の前記画素から出力される信号に基づいて前記光学系により結像された像を生成する像生成手段とを備えることを特徴とする撮像装置。

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