JP4807131B2 - 撮像素子および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、同一基板上に撮像用画素と瞳分割方式の焦点検出用画素とを複数配列した撮像素子、イメージセンサー（光電変換素子）およびそれらを備えた撮像装置に関する。

同一基板上に撮像用画素と瞳分割方式の焦点検出用画素とを混在させて配置した撮像素子を備え、撮像素子上に形成される像を撮像するとともに、この像の焦点調節状態を検出するようにした撮像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。
特開平成０１−２１６３０６号公報

しかしながら、上述した従来の撮像装置では、瞳分割方式で検出した一対の像の像ズレ量に基づいて焦点調節状態を検出しているので、次のような問題がある。
像の合焦位置近傍の焦点調節状態を高精度に検出するためには、焦点検出用画素を密に配置して像の検出ピッチを短く（細かく）する必要がある。一方、像が合焦位置から大きくデフォーカスした場合（以下、大デフォーカスと呼ぶ）にも、一対の像に生じる大きな像ズレ量を検出可能にするため、焦点検出用画素を像ズレ量分の余裕を見て長く配列しておく必要がある。すなわち、高精度な焦点検出と大デフォーカス量検出とを両立させるためには、焦点検出用画素を隙間なく、かつ長く配列しておく必要がある。
ところが、撮像素子としての高品位な画像信号を得るためには、焦点検出用画素の位置の画素信号を周囲の撮像用画素の信号に基づいて補間する必要があり、上述したように焦点検出用画素を隙間なくかつ長く配列しておくと、周囲の撮像用画素の信号に基づいて焦点検出用画素の位置の画素信号を補間（補正）しても、補間誤差が目立つ確率が増加してしまうという問題がある。

請求項１の発明による撮像素子は、二次元状に配置され、光学系による被写体像を撮像して画像信号を出力する複数の撮像画素と、前記光学系の射出瞳内の第1の一対の瞳領域をそれぞれ通過した一対の光束を受光するように、前記複数の撮像画素の間に所定方向に第１の画素ピッチで配列された複数の第１の焦点検出画素から構成される第1の焦点検出画素列と、前記光学系の射出瞳内の第２の一対の瞳領域をそれぞれ通過した一対の光束を受光するように前記複数の撮像画素の間に前記第1の画素ピッチよりも大きい第２の画素ピッチで所定の方向に配列された複数の第２の焦点検出画素から構成される第２の焦点検出画素列と、を備え、前記第1の一対の瞳領域の重心の間隔が前記第２の一対の瞳領域の重心の間隔よりも大きいことを特徴とする。
請求項１１の発明による撮像装置は、二次元状に配置され、光学系による被写体像を撮像して画像信号を出力する複数の撮像画素と、前記光学系の射出瞳内の一対の領域をそれぞれ通過した一対の光束を受光するように、前記複数の撮像画素の間に所定方向に第１の画素ピッチで配列された複数の第一焦点検出画素から構成される第一焦点検出画素列と、前記光学系の射出瞳内の一対の領域をそれぞれ通過した一対の光束を受光するように前記複数の撮像画素の間に前記第1の画素ピッチよりも大きい第２の画素ピッチで前記所定方向と同一方向に配列された複数の第二焦点検出画素から構成される第二焦点検出画素列と、を有する撮像素子と、前記第一焦点検出画素列の出力に基づき、撮像画面内の所定の焦点検出領域における前記光学系の焦点調節状態を検出する第一焦点検出手段と、前記第二焦点検出画素列の出力に基づき、前記所定の焦点検出領域における前記光学系の焦点調節状態を検出する第二焦点検出手段と、前記第一焦点検出手段の焦点検出出力及び前記第二焦点検出手段の焦点検出出力に基づき焦点調節を行う焦点調節手段と、前記第一焦点検出手段が前記光学系の焦点調節状態の検出に成功したか否かを判定する第一判定手段と、前記第二焦点検出手段が前記光学系の焦点調節状態の検出に成功したか否かを判定する第二判定手段と、を備え、前記第二焦点画素列の長さは、前記第一焦点画素列の長さよりも長く、前記第一焦点検出画素列と前記第二焦点検出画素列とは、共に前記所定の焦点検出領域における前記光学系の焦点調節状態を検出するように、互いに近接して配置され、前記第一判定手段によって前記第一焦点検出手段が前記光学系の焦点調節状態の検出に成功したと判定された場合に、前記焦点調節手段は、前記第一焦点検出手段の焦点検出出力に基づき焦点調節を行い、前記判定手段によって前記第一焦点検出手段が前記光学系の焦点調節状態の検出に成功しないと判定された場合であって、前記第二判定手段によって前記第二焦点検出手段が前記光学系の焦点調節状態の検出に成功したと判定された場合には、前記焦点調節手段は、前記第二焦点検出手段の焦点検出出力に基づき焦点調節を行うことを特徴とする。

本発明によれば、高い撮像画像の品質を維持しながら高精度の焦点検出と大デフォーカス量検出とを同時に実現することができる。

本願発明をディジタルスチルカメラに適用した一実施の形態を説明する。なお、本願発明はディジタルスチルカメラに限定されず、コンパクトディジタルカメラ、ビデオカメラ、携帯電話機に内蔵される小型カメラモジュールなどにも適用することができる。また、本願発明はカメラボディに交換レンズを装着するカメラに限定されず、レンズ一体型のカメラにも適用することができる。

図１は一実施の形態のディジタルスチルカメラの構成を示す図である。一実施の形態のディ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とから構成され、交換レンズ２０２はカメラボディ２０３のマウント部２０４に装着される。

交換レンズ２０２はレンズ２０５〜２０７、絞り２０８、レンズ駆動制御装置２０９などを備えている。なお、レンズ２０６はズーミング用、レンズ２０７はフォーカシング用である。レンズ駆動制御装置２０９はＣＰＵとその周辺部品を備え、フォーカシング用レンズ２０７と絞り２０８の駆動制御、ズーミング用レンズ２０６、フォーカシング用レンズ２０７および絞り２０８の位置検出、カメラボディ２０３の制御装置との通信によるレンズ情報の送信とカメラ情報の受信などを行う。

一方、カメラボディ２０３は撮像素子２１１、カメラ駆動制御装置２１２、メモリカード２１３、ＬＣＤドライバー２１４、ＬＣＤ２１５、接眼レンズ２１６などを備えている。撮像素子２１１は交換レンズ２０２の予定結像面（予定焦点面）に配置され、交換レンズ２０２により結像された被写体像を撮像して画像信号を出力する。撮像素子２１１には撮像用画素（以下、単に撮像画素という）が二次元状に配置されており、その内の焦点検出位置に対応した部分には撮像画素に代えて焦点検出用画素（以下、単に焦点検出画素という）列が組み込まれている。なお、撮像素子２１１にはＣＣＤイメージセンサーやＣＭＯＳイメージセンサーなどを用いることができる。

カメラ駆動制御装置２１２はＣＰＵとその周辺部品を備え、撮像素子２１１の駆動制御、撮像画像の処理、交換レンズ２０２の焦点検出および焦点調節、絞り２０８の制御、ＬＣＤ２１５の表示制御、レンズ駆動制御装置２０９との通信、カメラ全体のシーケンス制御などを行う。なお、カメラ駆動制御装置２１２は、マウント部２０４に設けられた電気接点２１７を介してレンズ駆動制御装置２０９と通信を行う。

メモリカード２１３は撮像画像を記憶する画像ストレージである。ＬＣＤ２１５は液晶ビューファインダー（ＥＶＦ：電子ビューファインダー）の表示器として用いられ、撮影者は接眼レンズ２１６を介してＬＣＤ２１５に表示された撮像画像を視認することができる。

交換レンズ２０２を通過して撮像素子２１１上に結像された被写体像は撮像素子２１１により光電変換され、画像出力がカメラ駆動制御装置２１２へ送られる。カメラ駆動制御装置２１２は、焦点検出画素の出力に基づいて焦点検出位置におけるデフォーカス量を演算し、このデフォーカス量をレンズ駆動制御装置２０９へ送る。また、カメラ駆動制御装置２１２は、撮像画素の出力に基づいて生成した画像信号をＬＣＤドライバー２１４へ送ってＬＣＤ２１５に表示するとともに、メモリカード２１３に記憶する。

レンズ駆動制御装置２０９は、ズーミングレンズ２０６、フォーカシングレンズ２０７および絞り２０８の位置を検出し、検出位置に基づいてレンズ情報を演算するか、あるいは予め用意されたルックアップテーブルから検出位置に応じたレンズ情報を選択し、カメラ駆動制御装置２１２へ送る。また、レンズ駆動制御装置２０９は、カメラ駆動制御装置２１２から受信したデフォーカス量に基づいてレンズ駆動量を演算し、レンズ駆動量に基づいてフォーカシング用レンズ２０７を駆動制御する。

図２は、交換レンズ２０２の予定結像面に設定した撮像画面Ｇ上の焦点検出領域を示す。撮像画面Ｇ上にＧ１〜Ｇ５の焦点検出領域を設定し、撮像素子２１１の焦点検出画素を撮像画面Ｇ上の焦点検出領域Ｇ１〜Ｇ５に対応して配列する。つまり、撮像素子２１１上の焦点検出画素列は、撮影画面Ｇ上に結像された被写体像の内の焦点検出領域Ｇ１〜Ｇ５の像をサンプリングする。なお、一つの焦点検出領域内に高精度焦点検出用の第一焦点検出画素列と大デフォーカス検出用の第二焦点検出画素列とを配置する。

図３は撮像素子２１１に設置する色フィルターの配列を示す。撮像素子２１１の基板上に二次元状に配列する撮像画素には、図３に示すベイヤー配列の色フィルタを設置する。なお、図３には４画素分の撮像画素に対する色フィルターの配列を示すが、この４画素分の色フィルター配列を有する撮像画素ユニットを二次元状に展開する。Ｇ（緑）、Ｂ（青）、Ｒ（赤）の３つの原色フィルターを設置した撮像画素はそれぞれ、図４に示すような感度特性を有する。このベイヤー配列では、図５に示す比視感度のピークに近い感度を有するＧフィルタが２画素分、対角位置に配置され、ＢフィルタとＲフィルタが１画素分ずつ対角位置に配置される。

なお、色フィルターの配列は図３に示すベイヤー配列に限定されず、例えば図６に示す補色フィルターＧ（緑）、黄（Ｙｅ）、マゼンダ（Ｍｇ）、シアン（Ｃｙ）を配列した撮像画素ユニットを二次元状に展開してもよい。

図７は撮像素子２１１の詳細な構成を示す正面図である。なお、図７では撮像素子２１１上のひとつの焦点検出領域近傍を拡大して示す。撮像素子２１１は、図３に示すＧ、Ｂ、Ｒの色フィルターを備えた撮像画素３１０をベイヤー配列となるように二次元状に配列し、その内の図２に示す焦点検出領域Ｇ１〜Ｇ５に対応する位置には撮像画素３１０に代えて高精度焦点検出用の第一焦点検出画素３１１と、大デフォーカス検出用の第二焦点検出画素３１２とを配置する。

図８は撮像画素３１０の拡大図であり、撮像画素３１０はマイクロレンズ１０、光電変換部１１および色フィルター（不図示）を備えている。また、図９は第一焦点検出画素３１１の拡大図であり、第一焦点検出画素３１１はマイクロレンズ１０、一対の光電変換部１２，１３およびフィルター（不図示）を備えている。さらに、図１０は第二焦点検出画素３１２の拡大図であり、第二焦点検出画素３１２はマイクロレンズ１０、一対の光電変換部１４，１５およびフィルター（不図示）を備えている。

図１１は、第一焦点検出画素３１１と第二焦点検出画素３１２に設けられるフィルターの特性を示す。このフィルターは可視光領域に感度を持ち、紫外領域と赤外領域には感度を持たない。これにより、低輝度でも光量をかせぐことができる。また、第一焦点検出画素３１１と第二焦点検出画素３１２は、第一焦点検出画素３１１と第二焦点検出画素３１２以外の撮像用画素３１０より広い波長感度を有する画素となり、焦点検出領域の被写体像の色に応じて焦点検出性能が変動するようなことがない。

撮像画素３１０の光電変換部１１は、図８に示すように、マイクロレンズ１０を介して明るい交換レンズ２０２の射出瞳、例えばＦ１．０相当の射出瞳を通過する光束をすべて受光するような形状に設計する。また、第一焦点検出画素３１１の一対の光電変換部１２、１３は、図９に示すように、マイクロレンズ１０を介して交換レンズ２０２の特定の射出瞳、例えばＦ２．８相当の射出瞳を通過する光束をすべて受光するような形状に設計する。

一方、第二焦点検出画素３１２の一対の光電変換部１４、１５は、図１０に示すように、マイクロレンズ１０を介して第一焦点検出画素３１１の一対の光電変換部１２、１３より光電変換部の並び方向で暗いＦ値に相当する射出瞳、例えばＦ５．６相当の射出瞳を通過する光束を受光するような形状に設計する。

図７において、撮像素子２１１にはＧ、Ｂ、Ｒの色フィルターを備えた撮像画素３１０を図３に示すベイヤー配列に展開し、さらに、図２に示す焦点検出領域Ｇ１〜Ｇ５に対応する位置には高精度焦点検出用第一焦点検出画素３１１と大デフォーカス検出用の第二焦点検出画素３１２を配列する。高精度焦点検出用の第一焦点検出画素３１１は、撮像画素３１０のＢフィルターとＧフィルターが配置されるべき行（焦点検出領域Ｇ４とＧ５では列）に直線的にギャップなしで密に配置する。

一方、大デフォーカス検出用の第二焦点検出画素３１２は、撮像画素３１０のＢフィルターとＧフィルターが配置されるべき行（焦点検出領域Ｇ４とＧ５では列）に直線的に２画素分のギャップを持って、高精度焦点検出用の第一焦点検出画素３１１に近接して配列する。

なお、焦点検出精度を改善するためには、大デフォーカス検出用第二焦点検出画素３１２の画素列と、高精度焦点検出用第一焦点検出画素３１１の画素列とが撮像画面Ｇの同じ位置の像をサンプリングすることが望ましい。そのため、焦点検出精度を向上させるためには二つの画素列を隣接して配置することが望ましい。しかし、焦点検出画素の周囲の撮像画素の出力に基づいて焦点検出画素の出力を補間する場合に、両画素列を隣接して配置すると補間誤差が大きくなる。そのため、撮像画像の画質を向上させるためには二つの画素列を少なくとも３画素以上離して配置することが望ましい。図７に示す例では、二つの画素列を３画素離して配置しているが、画素自体が極めて小さいので、３画素離したとしても撮像画面Ｇ内の同じ位置を見ているとみなすことができる。

第一焦点検出画素３１１、第二焦点検出画素３１２を撮像画素３１０のＢフィルターとＧフィルターが配置されるべき行（または列）に配置することによって、後述する画素補間により第一焦点検出画素３１１、第二焦点検出画素３１２の位置の画素信号を生成する場合に多少誤差が生じても人間の眼には目立たなくすることができる。これは、人間の眼には青より赤のほうが敏感であることと、緑画素の密度が青画素および赤画素より高いので、緑画素の１画素の欠陥に対する寄与が小さいためである。

第一焦点検出画素３１１は焦点検出領域（Ｇ１〜Ｇ５）の中央に密集して配列し、第二焦点検出画素３１２は第一焦点検出画素３１１より広い範囲にまばらに配列する。図１２(ａ)、(ｂ)は、撮像素子２１１上に結像した像３１３が第一焦点検出画素３１１と第二焦点検出画素３１２によりサンプリングされる様子を示した図であり、縦軸は像の強度を示し、横軸は像の分布を示す。第一焦点検出画素３１１の配列によれば、(ａ)に示すように像３１３を細かな像検出ピッチｄ１で検出することができる。これに対し第二焦点検出画素３１２の配列では、(ｂ)に示すように像３１３を第一焦点検出画素３１１の配列より粗い像検出ピッチｄ２で広範囲に渡って検出することができる。

第二焦点検出画素３１２の配列の像検出ピッチｄ２を、第一焦点検出画素３１１の配列の像検出ピッチｄ１より粗くする理由は次の点にある。第１に、大デフォーカス時には像の細かな構造はボケているので、細かな像検出ピッチで検出するのは無駄である。第２に、 第二焦点検出画素３１２の１つの画素の周囲が撮像画素に囲まれているので、画像信号の補間精度が向上し、画像信号の品質が向上する。第３に、ギャップなしで配置した場合に比較して画素数が減るので、後述する焦点検出の演算規模が縮小して焦点検出のレスポンスが向上するとともに、大きな像ズレ量に対応した広い範囲に画素を配置することができる。

図１３は撮像画素３１０の断面図である。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を配置し、マイクロレンズ１０により光電変換部１１の像を前方に投影する。また、光電変換部１１を半導体回路基板２９上に形成し、不図示の色フィルターをマイクロレンズ１０と光電変換部１１の中間に配置する。

図１４は第一焦点検出画素３１１および第二焦点検出画素３１２の断面図である。図１４および以下の説明において、カッコ内の符号は第二焦点検出画素３１２の構成要素に対する符号である。第一焦点検出用画素３１１（第二焦点検出画素３１２）において、焦点検出用の光電変換部１２，１３（１４，１５）の前方にマイクロレンズ１０を配置し、マイクロレンズ１０により光電変換部１２，１３（１４，１５）の像を前方に投影する。また、光電変換部１２，１３（１４，１５）を半導体回路基板２９上に形成し、不図示の色フィルターをマイクロレンズ１０と光電変換部１２，１３（１４，１５）の中間に配置する。

次に、図１５により瞳分割方式による焦点検出方法を説明する。図１５において、交換レンズ２０２の光軸９１上に配置される第一焦点検出画素３１１のマイクロレンズ５０と、そのマイクロレンズ５０の後方に配置される一対の光電変換部５２、５３、および交換レンズ２０２の光軸９１外に配置される第一焦点検出画素３１１のマイクロレンズ６０と、そのマイクロレンズ６０の後方に配置される一対の光電変換部６２、６３を例にあげて説明する。交換レンズ２０２の予定結像面に配置したマイクロレンズ５０、６０の前方の距離ｄ４の位置に、交換レンズ２０２の射出瞳９０を設定する。ここで、距離ｄ４は、マイクロレンズ５０、６０の曲率、屈折率、マイクロレンズ５０、６０と光電変換部５２、５３、６２、６３との間の距離などに応じて決まる値であって、この明細書では測距瞳距離と呼ぶ。

マイクロレンズ５０、６０は交換レンズ２０２の予定結像面に配置されており、光軸９１上のマイクロレンズ５０によって一対の光電変換部５２、５３の形状がマイクロレンズ５０から投影距離ｄ４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。一方、光軸９１外のマイクロレンズ６０によって一対の光電変換部６２、６３の形状が投影距離ｄ４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ｄ４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る。

光電変換部５２は、測距瞳９２を通過しマイクロレンズ５０へ向う焦点検出光束７２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。光電変換部５３は、測距瞳９３を通過しマイクロレンズ５０へ向う焦点検出光束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。光電変換部６２は、測距瞳９２を通過しマイクロレンズ６０へ向う焦点検出光束８２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。光電変換部６３は、測距瞳９３を通過しマイクロレンズ６０へ向う焦点検出光束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。

このような焦点検出用画素を直線状に多数配列し、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、一対の測距瞳９２と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を得ることができる。さらに、この情報に対して後述する像ズレ検出演算処理（相関処理、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を検出することができる。そして、この像ズレ量に所定の変換係数を乗ずることによって、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）を算出することができる。なお、デフォーカス量（像ズレ量）の検出精度は、像ズレ量検出における像検出ピッチと測距瞳重心の開き角により決まる。

なお、図１５では、光軸９１上にある第一焦点検出画素（マイクロレンズ５０と一対の光電変換部５２，５３）と隣接する第一焦点検出画素（マイクロレンズ６０と一対の光電変換部６２，６３）を模式的に例示したが、その他の焦点検出用画素においても同様に、一対の光電変換部が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。

図１６は、交換レンズ２０２の射出瞳９０面における第一焦点検出画素３１１の一対の光電変換部１２，１３の投影領域（測距瞳）の関係を示す正面図である。第一焦点検出用画素３１１から一対の光電変換部１２，１３（図９参照）をマイクロレンズ１０により射出瞳面９０に投影した測距瞳９２，９３（実線）の外接円は、結像面から見た場合に所定の開口Ｆ値（測距瞳Ｆ値）となる。

図１６において、破線で示す円９４は交換レンズ２０２の射出瞳９０の外形を表す。また、点９５，９６は測距瞳９２，９３の瞳並び方向の重心位置であり、焦点検出位置からこの重心位置９５，９６間の距離ｗ３を睨む開き角の大きさに応じて、像ズレ量をデフォーカス量に変換するために用いられる変換係数の値を決定する。開き角が大きいほど焦点検出精度が上がり、開き角が小さいほどデフォーカス量の検出範囲が広がる（同じデフォーカス量に対する像ズレ量が小さくなる）。

図１６に示す例では、一対の測距瞳９２，９３がほぼ半円を左右対称に並べた形状をしており、一対の測距瞳９２，９３の並び方向の幅ｗ１と、一対の測距瞳９２，９３の瞳並び方向に垂直な方向の高さｈ１とはほぼ等しい。また、片方の測距瞳９２または９３の、測距瞳９２と９３の瞳並び方向の幅はｗ２である。この幅ｗ２が大きいとデフォーカスした時の像ボケ量が大きくなる。

図１７は、交換レンズ２０２の射出瞳９０面における第二焦点検出画素３１２の一対の光電変換部１４，１５の投影領域（測距瞳）の関係を示す正面図である。第二焦点検出用画素３１２から一対の光電変換部１４，１５（図１０参照）をマイクロレンズ１０により射出瞳面９０に投影すると、第二焦点検出画素３１２の測距瞳９７，９８（実線）となる。

図１７において、破線で示す円９４は交換レンズ２０２の射出瞳９０の外形を表す。また、点９９，１００は測距瞳９７，９８の瞳並び方向の重心位置であり、焦点検出位置からこの重心位置９９，１００間の距離ｗ６を睨む開き角の大きさは第一焦点検出画素３１１の開き角より小さく、これに対応する像ズレ量をデフォーカス量に変換するための変換係数も小さく、大デフォーカス検出に最適化している。

例えば図１８に示すように、撮像素子面を１０１、結像面を１０２とし、撮像素子面１０１のデフォーカス量をｄ５とした場合に、第一焦点検出画素３１１の画素列で焦点検出を行うと、射出瞳９０上の重心位置９５，９６を睨む角度で撮像素子面１０１の像ズレＳ１が決まる。また、第二焦点検出画素３１２の画素列で焦点検出を行うと、射出瞳９０上の重心位置９９，１００を睨む角度で撮像素子面１０１の像ズレＳ２（＜Ｓ１）が決まる。像ズレ量が小さければ、焦点検出画素列の長さを短くすることができる。

また、図１７において、一対の測距瞳９７，９８は長方形を線対称に並べた形状をしており、測距瞳９７，９８の瞳並び方向の幅ｗ４は、第一焦点検出画素３１１の測距瞳９２，９３の瞳並び方向の幅ｗ１（図１６参照）より小さく、測距瞳９７，９８の瞳並び方向と垂直な方向の高さｈ２は、第一焦点検出画素３１１の測距瞳９２，９３の瞳並び方向と垂直な方向の高さｈ１（図１６参照）以上になっている。さらに、測距瞳９７と９８の並び方向における片方の測距瞳（ここでは９７）の幅ｗ５は、第一焦点検出画素３１１の測距瞳９２と９３の並び方向における片方の測距瞳（ここでは９２）の幅ｗ２（図１６参照）より小さく設定されており、大デフォーカス時の像ボケ量が少なくなり、コントラストの高い像を用いて高精度な像ズレ検出が可能になる。

図１９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、同一の大きなデフォーカス量（同一の像ズレ量）に対し、片方の測距瞳の瞳並び方向（図１６に示す測距瞳９２と９３の瞳並び方向、図１７に示す測距瞳９７と９８の瞳並び方向）の幅（図１６に示すＷ２、図１７に示すＷ５）を小、中、大と変えた場合の検出される像の強度分布を示した図である。片方の測距瞳の瞳並び方向の幅が大きいと、像の微細な構造がぼけて低周波成分のみとなっていまい、正確な像ズレ検出が困難になったり、像ズレ検出が不能になってしまう。逆に、片方の測距瞳の瞳並び方向の幅が小さいと、デフォーカスしても像の微細な構造が保存されるので、正確な像ズレ検出が可能になる。

図１７において、測距瞳９７，９８の並びと垂直な方向の高さｈ２を測距瞳９７，９８の並び方向の幅ｗ４より大きくすることによって、大デフォーカス検出時にも十分な光量を確保し、低輝度時の焦点検出性能を維持することができる。

図２０は、図１に示すディ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。カメラ駆動制御装置２１２は、ステップ１００でカメラボディ２０３に電源が投入されるとこの動作を繰り返し実行する。ステップ１１０において、第一焦点検出画素３１１の画素列と第二焦点検出画素３１２の画素列からそれぞれデータを読み出す。なお、焦点検出領域を選択するための操作部材を操作して撮影者が焦点検出領域を選択しているものとする。ステップ１２０で第一焦点検出画素３１１の画素列と第二焦点検出画素３１２の画素列に対応した一対の像データに基づいて像ズレ検出演算処理を行い、像ズレ量を演算する。

ここで、図２２により像ズレ検出演算処理（相関アルゴリズム）について説明する。今、焦点検出画素列に対応する一対のデータをそれぞれｅｉ，ｆｉ（ただしｉ＝１〜ｍ）とすると、まず（１）式に示す差分型相関アルゴリズムによって相関量Ｃ（Ｌ）を求める。
Ｃ(Ｌ)＝Σ｜ｅ(ｉ＋Ｌ）−ｆｉ｜ ・・・（１）
（１）式において、Ｌは整数であり、一対のデータの検出ピッチを単位とした相対的シフト量である。また、Ｌのとる範囲はＬmin〜Ｌmax（図では−５〜＋５）である。さらに、Σはｉ＝ｐ〜ｑの範囲の総和演算を表し、ｐ、ｑは１≦ｐ＜ｑ≦ｍの条件を満足するように定める。さらにまた、ｐとｑの値によって焦点検出領域の大きさを設定する。

（１）式の演算結果は、図２２(ａ)に示すように、一対のデータの相関が高いシフト量Ｌ＝ｋj（図２２(ａ)ではｋj＝２）において相関量Ｃ（Ｌ）が最小になる。次に、（２）式〜（５）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（Ｌ）min＝Ｃ（ｘ）を与えるシフト量ｘを求める。
ｘ＝ｋj＋Ｄ／ＳＬＯＰ ・・・（２），
Ｃ（ｘ）＝ Ｃ（ｋj）-｜Ｄ｜ ・・・（３），
Ｄ＝｛Ｃ（ｋj-１）-Ｃ（ｋ j＋１）｝／２ ・・・（４），
ＳＬＯＰ＝ＭＡＸ｛Ｃ（ｋj＋１）-Ｃ（ｋ j），Ｃ（ｋj-１）-Ｃ（ｋ j）｝ ・・・（５）

また、（２）式で求めたシフト量ｘより、被写体像面の予定結像面に対するデフォーカス量ＤＥＦを（６）式で求めることができる。
ＤＥＦ＝ＫＸ・ＰＹ・ｘ ・・・（６）
（６）式において、ＰＹは検出ピッチであり、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。

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、次のようにして判定する。図２２(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）を徐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２２(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Ｌｍｉｎ〜Ｌｍａｘの間で相関量Ｃ（Ｌ）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。

図２１は、図２０のステップ１２０における像ズレ量検出の動作を示すフローチャートである。ステップ３００で像ズレ量検出の動作を開始し、ステップ３１０で定められたシフト範囲で一対のデータに相関シフト演算を施す。ステップ３２０では３点内挿演算が適応できる極小点があるかを調べ、極小点がない場合はステップ３６０へ進んで像ズレ検出不能（焦点検出不能）と判定し、ステップ３７０からリターンする。

一方、ステップ３２０で極小点があった場合はステップ３３０へ進み、一番相関が高い相関量の近傍で最大相関量を内挿する。続くステップ３４０で最大相関量の信頼性を判定し、信頼性がない場合はステップ３６０へ進んで像ズレ検出不能（焦点検出不能）と判定し、ステップ３７０からリターンする。一方、信頼性ありと判定された場合はステップ３５０へ進み、最大相関量を与えるシフト量を像ズレ量としてステップ３７０からリターンする。

リターン後の図２０のステップ１３０において、第一焦点検出画素列データを用いた像ズレ検出演算が成功したか、つまり第一焦点検出画素列データを用いた焦点検出が可能か否かを判定する。焦点検出可能であればステップ１４０へ進み、第一焦点検出画素列データによる演算結果の像ズレ量をデフォーカス量へ変換してステップ１８０へ進む。

一方、ステップ１３０で焦点検出不能と判断された場合はステップ１５０へ進み、第二焦点検出画素列データを用いた像ズレ検出演算が成功したか、つまり第二焦点検出画素列データを用いた焦点検出が可能か否かを判定する。焦点検出可能と判断された場合はステップ１６０へ進み、第二焦点検出画素列データによる演算結果の像ズレ量をデフォーカス量へ変換してステップ１８０へ進む。

ステップ１５０で焦点検出不能と判断された場合はステップ１７０へ進み、レンズ駆動制御装置２０９のＣＰＵ（不図示）に対し、所定量だけフォーカシングレンズを無限または至近方向に駆動する命令（スキャン駆動命令）を送信し、ステップ１１０へ戻る。レンズ駆動制御装置２０９はスキャン駆動命令を受信してフォーカシング用レンズ２０７を無限または至近方向に所定量駆動する。

ステップ１８０において、算出されたデフォーカス量の絶対値が所定値以内か、つまり合焦近傍にあるか否かを調べる。合焦近傍にない場合はステップ１９０へ進み、デフォーカス量をレンズ駆動制御装置２０９のＣＰＵへ送信して交換レンズ２０２のフォーカシング用レンズ２０７を合焦位置に駆動させ、ステップ１１０へ戻って上記動作を繰り返す。

ステップ１８０で合焦近傍にあると判定された場合はステップ２００へ進み、不図示のレリーズボタン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する。シャッターレリーズがなされていない場合はステップ１１０へ戻り、上記動作を繰り返す。シャッターレリーズがなされた場合はステップ２１０へ進み、撮像素子２１１の撮像画素から画像信号を読み出す。続くステップ２２０で第一焦点検出画素列、第二焦点検出画素列の各画素位置の画素信号を周囲の撮像画素信号に基づいて補間する。さらに、ステップ２３０では画像信号をメモリーカード２１３へ保存し、その後ステップ１１０へ戻って上記動作を繰り返す。

第一焦点検出画素列の各画素位置の画素信号は、周囲の撮像画素信号に基づいて次のように補間される。図２３は、第一焦点検出画素列（ＡＦ１〜ＡＦ５）およびその周囲の撮像画素（青画素Ｂ１〜Ｂ６、赤画素Ｒ１〜Ｒ４、緑画素Ｇ１〜Ｇ１０）の配置を示す。緑画素が配置されるべき位置に配置した焦点検出画素ＡＦ２の出力をＪ(ＡＦ２)、周囲の緑画素出力をＩ(Ｇ３)、Ｉ(Ｇ４)、Ｉ(Ｇ６)、Ｉ(Ｇ７)とすると、この位置の画素出力Ｉ(ＡＦ２)は次式のようになる。
Ｉ(ＡＦ２)＝（Ｉ(Ｇ３)＋Ｉ(Ｇ４)＋Ｉ(Ｇ６)＋Ｉ(Ｇ７)）／４ ・・・（７）
あるいは、焦点検出画素ＡＦ２の出力Ｊ(ＡＦ２)を加味して次式のようにしてもよい。
Ｉ(ＡＦ２)＝（Ｉ(Ｇ３)＋Ｉ(Ｇ４)＋Ｉ(Ｇ６)＋Ｉ(Ｇ７)＋ｋ１＊Ｊ(ＡＦ２)）／５ ・・・（８）
（８）式において、ｋ１は感度調整のための係数である。

また、青画素が配置されるべき位置に配置した焦点検出画素ＡＦ３の出力をＪ(ＡＦ３)、周囲の青画素出力をＩ(Ｂ２)、Ｉ(Ｂ５)とすると、この位置の画素出力Ｉ(ＡＦ３)は次式のようになる。
Ｉ(ＡＦ３)＝（Ｉ(Ｂ２)＋Ｉ(Ｂ５)）／２ ・・・（９）
あるいは、焦点検出画素ＡＦ３の出力Ｊ(ＡＦ３)を加味して次式のようにしてもよい。
Ｉ(ＡＦ３)＝（Ｉ(Ｂ２)＋Ｉ(Ｂ５)＋ｋ２＊Ｊ(ＡＦ３)）／３ ・・・（１０）
（１０）式において、ｋ２は感度調整のための係数である。

第二焦点検出画素列の各画素位置の画素信号も同様にして周囲の撮像画素信号に基づいて補間されるが、青画素が配置されるべき位置の画素出力を補間する場合には、焦点検出画素が配列されている方向の周囲に配置された青画素出力も利用できるので、保管された画素信号の品質が（９）式または（１０）式よりも向上する。

《撮像素子の変形例》
図７に示す撮像素子２１１では、高精度焦点検出用の第一焦点検出画素３１１を隙間なく配列し、大デフォーカス検出用の第二焦点検出画素３１２を２画素おきに配列した例を示したが、図２４に示す撮像素子２１１Ａでは、高精度焦点検出用の第一焦点検出画素３１１を１画素おきに配列し、大デフォーカス検出用の第二焦点検出画素３１２を３画素おきに配列している。

図２４に示す変形例の撮像素子２１１Ａでは、高精度焦点検出用の第一焦点検出画素３１１を１画素おきに配置したので、図７に示す撮像素子２１１に比べ補間誤差が目立たず画像品質が向上する。なお、図２４に示す撮像素子２１１Ａでは、高精度焦点検出用の第一焦点検出画素３１１を本来撮像画素としてＢフィルターの画素が配置される位置に配置しているが、Ｇフィルターの画素位置に配置するようにしても同様な効果が得られる。

また、図９および図１０に示す焦点検出画素３１１，３１２は１画素に一対の光電変換部(１２，１３)、(１４，１５)を備えているが、１画素に一対の光電変換部の内の一方のみを備えるようにしても焦点検出を行うことができる。例えば図９に示す高精度焦点検出用の第一焦点検出画素３１１の代わりに、図２５(ａ)、(ｂ)に示す高精度焦点検出用の第一焦点検出画素３１３，３１４を交互に配列することによって焦点検出が可能となる。図２５(ａ)に示す焦点検出画素３１３は、図９に示す光電変換部１３に対応するひとつの光電変換部１６を備え、図２５(ｂ)に示す焦点検出画素３１４は図９に示す光電変換部１２に対応するひとつの光電変換部１７を備える。

図２５(ａ)、(ｂ)に示す光電変換部１６，１７をマイクロレンズ１０により投影した一対の測距瞳は、図１６に示すように互いに重なることはないが、光電変換部を図２６(ａ)、(ｂ)に示すような形状にすることによって、射出瞳面上で見た場合にマイクロレンズ１０により投影した一対の測距瞳の一部分が互いに重なるようにし、光量をかせいで低輝度性能を向上させることもできる。図２６(ａ)に示す焦点検出画素３１７は画素の中心線２２よりはみ出したひとつ光電変換部２０を備え、図２６(ｂ)に示す焦点検出画素３１８は画素の中心線２３よりはみ出したひとつ光電変換部２１を備える。

また、図１０に示す大デフォーカス検出用の第二焦点検出画素３１２の代わりに、図２７(ａ)、(ｂ)に示す大デフォーカス量検出用の第二焦点検出画素３１５，３１６を交互に配列することによって、焦点検出が可能となる。図２７(ａ)に示す焦点検出画素３１５は図１０に示す光電変換部１５に対応したひとつの光電変換部１８を備え、図２７(ｂ)に示す焦点検出画素３１６は図１０に示す光電変換部１４に対応したひとつの光電変換部１９を備える。

図２８は、第二焦点検出画素として図２７(ａ)、(ｂ)に示す焦点検出画素３１５，３１６を採用して配置した撮像素子２１１Ｂである。図２９は、第一焦点検出画素として図２５(ａ)、(ｂ)に示す焦点検出画素３１３，３１４を採用し、第二焦点検出画素として図２７(ａ)、(ｂ)に示す焦点検出画素３１５，３１６を採用して配置した撮像素子２１１Ｃである。なお、図２９では、焦点検出画素３１３，３１４による像の検出ピッチが１画素おきとなり、焦点検出画素３１５，３１６による像の検出ピッチが５画素おきとなる。

図２９に示す撮像素子２１１Ｃは、図７に示す撮像素子２１１のように１画素に一対の光電変換部を詰め込む場合に比べ、撮像素子の構成がシンプルになって製造が容易になり、コストを低減することができる。

図７に示す撮像素子２１１では、１つの焦点検出領域に像検出ピッチの細かい第一焦点検出画素列と像検出ピッチの粗い第二焦点検出画素列とを並行に２列を備えているが、第一焦点検出画素列の端部に像検出ピッチの粗い画素列を付加することもできる。図３０は、焦点検出領域の中央に第一焦点検出画素３１１を密に隙間なく配列するとともに、焦点検出領域の周辺部には第一焦点検出画素３１１を１画素おきに配列した撮像素子２１１Ｄを示す。高精度な焦点検出を行う場合には中央の第一焦点検出画素３１１が密に配列された画素列の出力を用いるとともに、大デフォーカス検出時には、中央の第一焦点検出画素３１１の出力を１画素おきに間引いた出力と、周辺部の第一焦点検出画素３１１の出力とを用いる。

図３０に示す撮像素子２１１Ｄは、図７に示す撮像素子２１１のようにひとつの焦点検出領域に焦点検出画素列を２列備える場合に比べ、焦点検出画素の総数を低減できるので画像品質を向上させることができる。

図７に示す撮像素子２１１では、撮像画素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い。図３１は、色フィルターとして補色フィルター（緑Ｇ、イエローＹｅ、マゼンタＭｇ，シアンＣｙ）を採用し、図６に示すフィルター配列を２次元状に配列した撮像素子２１１Ｅを示す。ここでは、第一焦点検出画素３１１と第二焦点検出画素３１２をシアンＣｙとマゼンタＭｇ（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する。

図７に示す撮像素子２１１では、高精度検出用の第一焦点検出画素の測距瞳の大きさと大デフォーカス検出用の第二焦点検出画素の測距瞳の大きさを変えていたが、同一にしてもよい。

上述した一実施の形態とその変形例ではマイクロレンズを用いた瞳分割方式について説明したが、瞳分割方式はマイクロレンズによる方式に限定されない。偏光フィルターを用いた瞳分割方式に対しても本願発明を適用することができ、以下にその例を示す。

図３２は偏光フィルターを用いた瞳分割方式を説明するための図である。図３２では隣接する４画素を模式的に例示している。図において、６９０は偏光フィルターの保持枠であり、偏光フィルター以外の部分は遮光されている。６９２は偏光フィルターであり、フィルターの位置および形状により測距瞳を構成する。６９３は偏光フィルターであり、フィルターの位置および形状により測距瞳を構成し、偏光フィルター６９２と偏光方向が直交する。９１は交換レンズの光軸である。６２１は偏光フィルターであり、偏光方向が偏光フィルター６９２と一致する。また、６２２は偏光フィルターであり、偏光方向が偏光フィルター６９３と一致する。６１１，６１２は光電変換部であり、６３１は第一の種類の画素、６３２は第二の種類の画素である。なお、６７２、６７３、６８２，６８３は光束である。

画素６３１において光電変換部６１１は偏光フィルター６２１の作用により、偏光フィルター６９２によって形成された測距瞳を通過する光束を受光し、光束６７２または６８２により形成される像の強度に対応した信号を出力する。画素６３２において光電変換部６１２は偏光フィルター６２２の作用により、偏光フィルター６９３によって形成された測距瞳を通過する光束を受光し、光束６７３または６８３により形成される像の強度に対応した信号を出力する。

上記のような偏光フィルターを用いた第一の種類の画素と第二の種類の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に対応した出力グループにまとめることによって、各測距瞳をそれぞれ通過する焦点検出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を得ることができる。この情報に対して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。

以上説明したように、一実施の形態によれば、交換レンズ２０２により結像される像を画像信号に変換する撮像用画素３１０と、交換レンズ２０２による像光束を受光し、瞳分割方式により交換レンズ２０２の焦点調節状態を検出する第一焦点検出画素３１１，３１３，３１４，３１７，３１８と第二焦点検出画素３１２，３１５，３１６をそれぞれ複数個配列した第一焦点検出画素群と第二焦点検出画素群とを備えた撮像素子において、第一焦点検出画素群による像の検出ピッチと第二焦点検出画素群による像の検出ピッチとを異ならせるようにしたので、高い撮像画像の品質を維持しながら高精度の焦点検出と大デフォーカス量検出とを同時に実現することができる。

一実施の形態によれば、第一焦点検出画素群における第一焦点検出画素３１１，３１３，３１４，３１７，３１８の配列ピッチと、第二焦点検出画素群における第二焦点検出画素３１２，３１５，３１６の配列ピッチとを異ならせるようにしたので（図７、図２４、図２８、図２９、図３０、図３１参照）、画素配列ピッチの大きい（粗い）画素配列で大デフォーカス量検出を可能にすると同時に、画素配列ピッチの小さい（細かい）画素配列で高精度の焦点検出を可能にすることができる。

一実施の形態によれば、第一焦点検出画素群の長さより第二焦点検出画素群の長さを長くしたので（図７、図２４参照）、長い第二焦点検出画素群で大デフォーカス量検出を可能にすると同時に、短い第一焦点検出画素群で高精度の焦点検出を可能にすることができる。

一実施の形態によれば、第一焦点検出画素群の配列方向と第二焦点検出画素群の配列方向とを同一にしたので（図７、図２４、図２８、図２９、図３０、図３１参照）、被写体像の同一方向に対して、一方の画素配列で大デフォーカス量検出を可能にすると同時に、他方の画素配列で高精度の焦点検出を可能にすることができる。

一実施の形態によれば、第一焦点検出画素群と第二焦点検出画素群とを近接して配置するようにしたので（図７、図２４、図２８、図２９、図３０、図３１参照）、撮像画面内のほぼ同一位置において、一方の画素群で大デフォーカス量検出を可能にすると同時に、他方の画素群で高精度の焦点検出を可能にすることができる。

一実施の形態によれば、第一焦点検出画素群の端部に、第一焦点検出画素群の像検出ピッチよりも粗い像検出ピッチで第一焦点検出画素を複数個配列し、二つの配列を同一の直線上に配置したので、撮像画面内のほぼ同一位置において、被写体像の同一方向に対して、両方の画素群で大デフォーカス量検出を可能にすると同時に、中央の第一焦点検出画素群で高精度の焦点検出を可能にすることができる。

一実施の形態によれば、色感度が異なる画素を一定の法則で二次元状に配列し、第一焦点検出画素群と第二焦点検出画素群を、画素の二次元状配列の中の視感度が低い色感度の画素を含む領域に形成するようにした。人間の眼が敏感に反応しない視感度が低い色感度の画素を含む領域に焦点検出画素群を形成することによって、焦点検出画素の出力を補間により求めた場合の誤差を人間の眼には目立たなくすることができる。

一実施の形態によれば、撮像素子を、赤色、緑色および青色に感度を有する複数の撮像画素をベイヤー配列にして構成し、第一焦点検出画素群と第二焦点検出画素群を、撮像用画素の二次元状配列の中の青色と緑色に感度を有する画素の行または列に形成するようにした。人間の眼には青より赤のほうが敏感であることと、緑画素の密度が青画素および赤画素より高いので、緑画素の１画素の欠陥に対する寄与が小さいことから、画素補間により第一焦点検出画素および第二焦点検出画素の位置の画像信号を生成する場合に多少誤差が生じても人間の眼には目立たなくすることができる。

一実施の形態によれば、第一焦点検出画素と第二焦点検出画素を、第一焦点検出画素と第二焦点検出画素以外の撮像画素より広い波長感度を有する画素としたので、低輝度でも光量をかせぐことができ、焦点検出領域の被写体像の色に応じて焦点検出性能が変動するようなことがない。

一実施の形態によれば、第一焦点検出画素と第二焦点検出画素がそれぞれ、交換レンズ２０２の射出瞳の一対の領域を通過する一対の光束によって形成される一対の像を検出するように構成したので、瞳分割方式による正確な焦点検出を行うことができる。

一実施の形態によれば、交換レンズ２０２の射出瞳の一対の領域を通過する一対の光束によって形成される一対の像を、複数の第一焦点検出画素３１３，３１４により検出する（図２５、図２９参照）。また、交換レンズ２０２の射出瞳の一対の領域を通過する一対の光束によって形成される一対の像を、複数の第二焦点検出画素３１５，３１６により検出する（図２７、図２８、図２９参照）。交換レンズ２０２の射出瞳の一対の領域を通過する一対の光束によって形成される一対の像を、単一の焦点検出画素で受光する場合には、焦点検出画素ごとに少なくとも一対の光電変換部を設ける必要があるが、複数の焦点検出画素で受光する場合には、焦点検出画素ごとに少なくとも１個の光電変換部を設ければよい。したがって、１画素に一対の光電変換部を詰め込む場合に比べ撮像素子の構成がシンプルになって製造が容易になり、コストを低減することができる。

一実施の形態によれば、交換レンズ２０２の射出瞳の一対の領域の一部が互いに重なるように光電変換部を形成するようにしたので（図２６参照）、焦点検出画素の光電変換部で受光する光量が多くなり、低輝度時における焦点検出性能を向上させることができる。

一実施の形態によれば、第一焦点検出画素と第二焦点検出画素に対応する交換レンズ２０２の射出瞳の一対の領域の重心間隔を異ならせるようにした。焦点検出画素に対応する交換レンズ２０２の射出瞳の一対の領域の重心間隔が大きいほど焦点検出精度が上がり、重心間隔が小さいほどデフォーカス量の検出範囲が広がる。したがって、例えば、重心間隔が小さい方の焦点検出画素群を用いて大デフォーカス量に対する焦点検出を行った後に、交換レンズ２０２が合焦近傍に達したら重心間隔が大きい方の焦点検出画素群を用いて正確な焦点検出を行うなど、二種類の焦点検出画素群を状況に応じて合理的に使い分けることができ、高い撮像画像の品質を維持しながら高精度の焦点検出と大デフォーカス量検出とを同時に実現することができる。

一実施の形態によれば、第一焦点検出画素に対応する交換レンズ２０２の射出瞳の一対の領域の重心間隔より、第二焦点検出画素に対応する交換レンズ２０２の射出瞳の一対の領域の重心間隔を短くするとともに、第一焦点検出画素群による像の検出ピッチより第二焦点検出画素群による像の検出ピッチを長くするようにしたので、第一焦点検出画素群を用いて高精度な焦点検出を可能にするとともに、第二焦点検出画素群を用いて大デフォーカス量の焦点検出を可能にし、第二焦点検出画素群を用いて大デフォーカス量に対する焦点検出を行った後に、交換レンズ２０２が合焦近傍に達したら第一焦点検出画素群を用いて正確な焦点検出を行うことができる。したがって、二種類の焦点検出画素群を状況に応じて合理的に使い分けることができ、高い撮像画像の品質を維持しながら高精度の焦点検出と大デフォーカス量検出とを同時に実現することができる。

一実施の形態によれば、第一焦点検出画素に対応する交換レズ２０２の射出瞳の一対の領域における瞳並び方向の領域幅より、第二焦点検出画素に対応する交換レンズ２０２の射出瞳の一対の領域における瞳並び方向の領域幅を短くするようにした。測距瞳の瞳並び方向の領域幅が長いと、被写体像の微細な構造がぼけて低周波成分のみとなってしまい、正確な像ズレ検出が困難になったり、像ズレ検出が不能になってしまう。逆に、測距瞳の瞳並び方向の領域幅が短いと、デフォーカスしても像の微細な構造が保存されるので、正確な像ズレ検出が可能になる（図１６参照）。第二焦点検出画素群を用いて大デフォーカス量の焦点検出を行う場合に、被写体像のボケ量が少なくなり、コントラストの高い像を用いて高精度な像ズレ検出が可能になる。

一実施の形態のディジタルスチルカメラの構成を示す図 交換レンズの予定結像面に設定した撮像画面上の焦点検出領域を示す図 撮像素子に設置する色フィルターの配列を示す図 ３原色Ｇ、Ｂ、Ｒフィルターを設置した撮像画素の感度特性を示す図 Ｇフィルター画素の比視感度を示す図 補色フィルター配列を示す図 撮像素子の詳細な構成を示す正面図 撮像画素の拡大図 第一焦点検出画素の拡大図 第二焦点検出画素の拡大図 第一焦点検出画素と第二焦点検出画素に設けられるフィルターの特性を示す図 撮像素子上に結像した像が第一焦点検出画素と第二焦点検出画素によりサンプリングされる様子を示した図 撮像画素の断面図 第一焦点検出画素および第二焦点検出画素の断面図 瞳分割方式による焦点検出方法を説明する図 交換レンズの射出瞳面における第一焦点検出画素の一対の光電変換部の投影領域（測距瞳）の関係を示す正面図 交換レンズの射出瞳面における第二焦点検出画素の一対の光電変換部の投影領域（測距瞳）の関係を示す正面図 デフォーカス量、撮像素子面における像ズレ量および射出瞳上の測距瞳の重心位置の関係を説明する図 同一の大きなデフォーカス量（同一の像ズレ量）に対し、片方の測距瞳の瞳並び方向の幅を小、中、大と変えた場合の検出される像の強度分布を示した図 図１に示すディ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 像ズレ検出演算処理（相関アルゴリズム）を示すフローチャート 像ズレ検出演算処理（相関アルゴリズム）を説明する図 第一焦点検出画素列（ＡＦ１〜ＡＦ５）およびその周囲の撮像画素（青画素Ｂ１〜Ｂ６、赤画素Ｒ１〜Ｒ４、緑画素Ｇ１〜Ｇ１０）の配置を示す図 変形例の撮像素子を示す図 変形例の第一焦点検出画素を示す図 他の変形例の第一焦点検出画素を示す図 変形例の第二焦点検出画素を示す図 他の変形例の撮像素子を示す図 他の変形例の撮像素子を示す図 他の変形例の撮像素子を示す図 他の変形例の撮像素子を示す図 偏光フィルターを用いた瞳分割方式を示す図

符号の説明

１０ マイクロレンズ
１１〜２１ 光電変換部
２０１ ディジタルスチルカメラ
２０２ 交換レンズ
２１１，２１１Ａ，２１１Ｂ，２１１Ｃ，２１１Ｄ，２１１Ｅ 撮像素子
２１２ カメラ駆動制御装置
３１０ 撮像画素
３１１，３１３，３１４，３１７，３１８ 第一焦点検出画素
３１２，３１５，３１６ 第二焦点検出画素

Claims (14)

1. 二次元状に配置され、光学系による被写体像を撮像して画像信号を出力する複数の撮像画素と、
   前記光学系の射出瞳内の第1の一対の瞳領域をそれぞれ通過した一対の光束を受光するように、前記複数の撮像画素の間に所定方向に第１の画素ピッチで配列された複数の第１の焦点検出画素から構成される第1の焦点検出画素列と、
   前記光学系の射出瞳内の第２の一対の瞳領域をそれぞれ通過した一対の光束を受光するように前記複数の撮像画素の間に前記第1の画素ピッチよりも大きい第２の画素ピッチで所定の方向に配列された複数の第２の焦点検出画素から構成される第２の焦点検出画素列と、を備え、
   前記第1の一対の瞳領域の重心の間隔が前記第２の一対の瞳領域の重心の間隔よりも大きい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、
   前記撮像画素は、マイクロレンズと光電変換部とから構成され、
   前記第1及び第２の焦点検出画素の各々は、マイクロレンズと光電変換部とから構成されることを特徴とする撮像素子。
3. 請求項１または２に記載の撮像素子において、
   前記第1の焦点検出画素列の複数の第1の焦点検出画素は、互いに隣接する第1の焦点検出画素の間に前記撮像画素が介在しないように配置され、
   前記第２の焦点検出画素列の複数の第２の焦点検出画素は、互いに隣接する第２の焦点検出画素の間に前記撮像画素が介在するように配置されることを特徴とする撮像素子。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の撮像素子において、
   前記第１の焦点検出画素列の長さより前記第２の焦点検出画素列の長さを長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、
   前記第１の焦点検出画素と前記第２の焦点検出画素を、視感度が低い色感度の画素で構成することを特徴とする撮像素子。
6. 請求項５に記載の撮像素子において、
   前記複数の撮像画素は、赤色、緑色および青色に感度を有する複数の撮像用画素をベイヤー配列にしたものであり、
   前記第１の焦点検出画素と前記第２の焦点検出画素は、前記撮像用画素の二次元状配列の中の青色と緑色に感度を有する撮像画素を置換して配置され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、
   前記第１の焦点検出画素と前記第２の焦点検出画素は、前記赤色、緑色及び青色の全ての波長感度を有することを特徴とする撮像素子。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の撮像素子において、
   前記第１の焦点検出画素に対応する前記光学系の射出瞳の一対の瞳領域における瞳並び方向の領域幅より、前記第２の焦点検出画素に対応する前記光学系の射出瞳の一対の瞳領域における瞳並び方向の領域幅を短くすることを特徴とする撮像素子。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の撮像素子と、
   前記第１の焦点検出画素列の出力及び前記第２の焦点検出画素列の出力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、
   前記第１の焦点検出画素と前記第２の焦点検出画素の周囲の撮像画素の出力に基づいて、前記第１の焦点検出画素及び前記第２の焦点検出画素の位置に対応する画素出力をそれぞれ生成する画素出力生成手段と、を備えることを特徴とする撮像装置。
10. 請求項９に記載の撮像装置において、
    前記焦点検出手段は、前記焦点調節状態に応じて前記第１の焦点検出画素列の出力と前記第２の焦点検出画素列の出力のいずれか一方の出力を選択することを特徴とする撮像装置。
11. 二次元状に配置され、光学系による被写体像を撮像して画像信号を出力する複数の撮像画素と、前記光学系の射出瞳内の一対の領域をそれぞれ通過した一対の光束を受光するように、前記複数の撮像画素の間に所定方向に第１の画素ピッチで配列された複数の第一焦点検出画素から構成される第一焦点検出画素列と、前記光学系の射出瞳内の一対の領域をそれぞれ通過した一対の光束を受光するように前記複数の撮像画素の間に前記第1の画素ピッチよりも大きい第２の画素ピッチで前記所定方向と同一方向に配列された複数の第二焦点検出画素から構成される第二焦点検出画素列と、を有する撮像素子と、
    前記第一焦点検出画素列の出力に基づき、撮像画面内の所定の焦点検出領域における前記光学系の焦点調節状態を検出する第一焦点検出手段と、
    前記第二焦点検出画素列の出力に基づき、前記所定の焦点検出領域における前記光学系の焦点調節状態を検出する第二焦点検出手段と、
    前記第一焦点検出手段の焦点検出出力及び前記第二焦点検出手段の焦点検出出力に基づき焦点調節を行う焦点調節手段と、
    前記第一焦点検出手段が前記光学系の焦点調節状態の検出に成功したか否かを判定する第一判定手段と、
    前記第二焦点検出手段が前記光学系の焦点調節状態の検出に成功したか否かを判定する第二判定手段と、を備え、
    前記第二焦点画素列の長さは、前記第一焦点画素列の長さよりも長く、
    前記第一焦点検出画素列と前記第二焦点検出画素列とは、共に前記所定の焦点検出領域における前記光学系の焦点調節状態を検出するように、互いに近接して配置され、
    前記第一判定手段によって前記第一焦点検出手段が前記光学系の焦点調節状態の検出に成功したと判定された場合に、前記焦点調節手段は、前記第一焦点検出手段の焦点検出出力に基づき焦点調節を行い、
    前記判定手段によって前記第一焦点検出手段が前記光学系の焦点調節状態の検出に成功しないと判定された場合であって、前記第二判定手段によって前記第二焦点検出手段が前記光学系の焦点調節状態の検出に成功したと判定された場合には、前記焦点調節手段は、前記第二焦点検出手段の焦点検出出力に基づき焦点調節を行うことを特徴とする撮像装置。
12. 請求項１１に記載の撮像装置において、
    前記第一焦点検出画素列と前記第二焦点検出画素列とは、互いに並行になるように配置されていることを特徴とする撮像装置。
13. 請求項１１に記載の撮像装置において、
    前記第一焦点検出画素列と前記第二焦点検出画素列とは、前記第二焦点検出画素列の一部が前記第一焦点検出画素列に重なるように、同一直線上に配置されることを特徴とする撮像装置。
14. 請求項１３に記載の撮像装置において、
    前記第二焦点検出画素列の両端部近傍にそれぞれ位置する複数の第二焦点検出画素は、前記第一焦点検出画素列の両端からそれぞれ外方に延在するように、前記第２の画素ピッチで配列され、
    前記第二焦点検出画素列の残部の複数の第二焦点検出画素は、前記第２の画素ピッチで配置された前記第一焦点検出画素列内の第一焦点検出画素であることを特徴とする撮像装置。

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