JP5504874B2 - 撮像素子および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は撮像素子と撮像装置に関する。

撮像用画素の二次元配列中の限られた一部の領域に焦点検出用画素列を配置した撮像素子と、その撮像素子を用いた撮像装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この種の撮像素子を用いた撮像装置では、焦点検出用画素位置の画像信号を、焦点検出用画素の周囲の撮像用画素から出力された画像信号に基づいて補間により求め、焦点検出用画素位置の画像信号の欠落をなくしている。

特開２００７−２７９３１２号公報

しかしながら、上述した従来の技術では、焦点検出用画素が撮像素子内の限られた一部の領域にしか配置されていないので、画面内の所望の（任意の）領域で位相差方式の焦点検出を行うことができなかった（画面内のどの場所でも位相差方式による焦点検出を行えるものではなかった）。
また、上述した従来の撮像素子では、焦点検出用画素列に高い空間周波数の被写体像が投影されると、上記補間処理における誤差に起因する画像の不連続性、すなわち画像ひずみが発生し、画質が劣化するという問題もある。これについては、撮影画面内の焦点検出位置（焦点検出領域）を最小にすれば画質の劣化が問題になる位置（領域）も少なくなるが、そうすると撮影画面内のさらに限られた位置（領域）でしか焦点検出を実現できなくなる。

請求項１に記載の発明は、撮影光学系により結像された像を撮像するための撮像用画素と、撮影光学系の焦点調節状態を検出するための焦点検出用画素とが平面上に千鳥状に配列され、かつ撮像用画素が配列された行と焦点検出用画素が配列された行とが交互に配列されるとともに、撮像用画素と前記焦点検出用画素とが互いに略半画素分ずれて配列された撮像素子であって、焦点検出用画素の配列は、撮影光学系の射出瞳上の一対の領域を通過した一対の光束による一対の像を受光する一対の焦点検出用画素を複数配列したものであり、一対の像の相対的なずれ量に基づいて撮影光学系の焦点調節状態を検出し、一対の焦点検出用画素は、撮像面の左右方向と上下方向とに配列されることを特徴とする。

本発明によれば、高画質の画像を得ながら撮影画面内の任意の位置での焦点検出を可能にすることができる。

一実施の形態の撮像装置の構成を示す図 一実施の形態の撮像素子の正面図 一実施の形態の撮像素子の画素配列を示す部分拡大図 撮像用画素の断面図 焦点検出用画素の断面図 撮像用画素の分光感度特性を示す図 焦点検出用画素の分光感度特性を示す図 一実施の形態の撮像素子による焦点検出方法を説明する図 変形例の撮像素子の画素配列を示す部分拡大図 一実施の形態の撮影動作を示すフローチャート 他の一実施の形態の撮像装置の構成を示す図 他の一実施の形態の撮像装置の動作を示すタイミングチャート 他の一実施の形態の撮像装置の構成を示す図 他の一実施の形態の撮像装置の動作を示すタイミングチャート

本発明の撮像素子および撮像装置をデ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、本発明はデジタルスチルカメラに限定されず、ビデオカメラや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。

図１は、一実施の形態の撮像素子を備えた撮像装置（デジタルスチルカメラ）の構成を示す。撮影光学系１は図示しないフォーカシングレンズ、ズーミングレンズ、絞り、撮影レンズの特性データなどのレンズ情報を記憶するレンズメモリなどを備え、被写体像を撮像素子２の撮像面に結像する。撮像素子２はＣＣＤイメージセンサーやＣＭＯＳイメージセンサーなどから構成され、撮影光学系１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とともに、撮影光学系１の焦点調節状態を示す焦点検出信号を出力する。

図２は撮像素子２を撮影光学系１側から見た正面図、図３は撮像素子２の撮像面における画素配列の部分拡大図である。撮像素子２の撮像面２ａは、撮影光学系１の撮影画面に対応する。撮像素子２の撮像面２ａには、撮像用画素２ｒ、２ｇ、２ｂと焦点検出用画素２s1、２s2とが平面上に千鳥状に配列される。図３において、２ｒは赤色Ｒの撮像用画素、２ｇは緑色Ｇの撮像用画素、２ｂは青色Ｂの撮像用画素である。また、２S1、２S2は一対の焦点検出用画素である。撮像用画素２ｒ、２ｇ、２ｂは、撮像面２ａ上における左右（水平）方向（撮像される被写界の水平方向）の“行”と、撮像面２ａ上における上下（垂直）方向（撮像される被写界の天地の方向）の“列”とに沿って配列される。同様に、焦点検出用画素２s1、２s2も撮像面２ａの“行”と“列”とに沿って配列される。撮像用画素２ｒ、２ｇ、２ｂの行と焦点検出用画素２s1、２s2の行は交互に配列され、また撮像用画素２ｒ、２ｇ、２ｂの列と焦点検出用画素２s1、２s2の列も交互に配列される。撮像素子２の撮像面２ａにおいて、赤色Ｒ、緑色Ｇおよび青色Ｂの撮像用画素２ｒ、２ｇ、２ｂは図３に示すようにベイヤー配列にしたがって配置され、一方、焦点検出用画素２s1と２s2は、それらが配列される行において交互に配置される。

図４は撮像用画素２ｒ、２ｇ、２ｂの水平方向（行方向）の断面図である。撮像用画素２ｒ、２ｇ、２ｂでは、撮像用の光電変換部２１の前面に遮光マスク２２の開口２３が配置され、さらにその前方にカラーフィルター２４とマイクロレンズ２５が配置される。そして、マイクロレンズ２５により開口２３の形状が前方に投影される。遮光マスク２２の開口２３は図３に示すように正方形である。カラーフィルター２４は、被写体光の内の赤色Ｒ、緑色Ｇおよび青色Ｂの成分の光をそれぞれ透過する。赤色Ｒ、緑色Ｇおよび青色Ｂの撮像用画素２ｒ、２ｇ、２ｂの分光特性を図６に示す。光電変換部２１は半導体回路基板２６上に形成され、その上に遮光マスク２２、カラーフィルター２４、マイクロレンズ２５など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。

図５は焦点検出用画素２s1の水平方向（行方向）の断面図である。なお、焦点検出用画素２s1と２s2は一対であり、焦点検出用画素２s2は、光電変換部２７と遮光マスク開口２８の位置および形状とが焦点検出用画素２s1と対象になるだけであるから図示と説明を省略する。焦点検出用画素２s1（２s2）では、焦点検出用の光電変換部２７の前面に遮光マスク２２の開口２８が配置され、さらにその前方にマイクロレンズ２９が配置される。そして、マイクロレンズ２９により開口２８の形状が前方に投影される。遮光マスク２２の開口２８は図３に示すように半円形である。焦点検出用画素２s1、２s2には、光量をかせぐためにカラー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に示す赤色Ｒ、緑色Ｇおよび青色Ｂの撮像用画素２ｒ、２ｇ、２ｂ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赤色Ｒ、緑色Ｇおよび青色Ｂの撮像用画素２ｒ、２ｇ、２ｂの感度の光波長領域を包括している。光電変換部２７は撮像用画素２ｒ、２ｇ、２ｂと共通の半導体回路基板２６上に形成され、その上に遮光マスク２２やマイクロレンズ２９など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、図５では光電変換部２７を、図４の光電変換部２１と略同じ大きさのものを用いている。しかしながら、図５で使用する光電変換部の大きさ（形状）としては、遮光マスク２２に形成された半円形の開口２８を通過する光をすべて受光できる程度の大きさ（形状）を持っていればよいので、例えば光電変換部２７のうち遮光マスク２２で遮光されている部分を削った（小さくした）ような形状の光電変換部を使用するようにしてもよい。

図８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、図８では焦点検出画素２s1、２s2が配列されている行の一部を拡大して示す。この図により、焦点検出用画素２s1、２s2による撮影光学系１の焦点検出方法を説明する。図において、５０は、撮影光学系１（図１参照）の予定結像面に配置されたマイクロレンズ２９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２９の曲率、屈折率、マイクロレンズ２９と光電変換部２７、３０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。５１は撮影光学系１の光軸、５２，５３は焦点検出用光束である。領域５４はマイクロレンズ２９により投影された光電変換部２７の領域であり、領域５５はマイクロレンズ２９により投影された光電変換部３０の領域である。この明細書ではこれらの領域５４，５５を測距瞳と呼ぶ。なお、図８では説明を解りやすくするために領域５４，５５を楕円形で示しているが、実際には光電変換部２７，３０の形状が拡大投影された形状になる。また、図８では焦点検出用画素２s1、２s2の一部を拡大して模式的に示しているが、他の焦点検出用画素２s1、２s2においても、光電変換部２７，３０はそれぞれ対応した測距瞳５４，５５から各マイクロレンズ２９に到来する光束を受光するように構成されている。なお、撮像素子２上における焦点検出用画素２s1、２s2の配列方向は、一対の測距瞳５４，５５の並び方向、すなわち一対の光電変換部２７，３０の並び方向と一致している。

マイクロレンズ２９は撮影光学系１（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２９によりその背後に配置された光電変換部２７，３０の形状がマイクロレンズ２９から測距瞳距離ｄだけ離間した射出瞳５０上に投影され、その投影形状は測距瞳５４，５５を形成する。すなわち、焦点検出用画素２s1、２s2においては、投影距離ｄにある射出瞳５０上で各焦点検出用画素２s1、２s2の光電変換部２７，３０の投影形状（測距瞳５４，５５）が一致するように、各焦点検出用画素２s1、２s2におけるマイクロレンズ２９と光電変換部２７，３０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２s1、２s2における光電変換部２７，３０の投影方向が決定されている。光電変換部２７は、測距瞳５４を通過して焦点検出用画素２s1のマイクロレンズ２９に向う光束５２によってマイクロレンズ２９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３０は、測距瞳５５を通過して焦点検出用画素２s2のマイクロレンズ２９に向う光束５３によってマイクロレンズ２９上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。

上述した一対の焦点検出用画素２s1、２s2を撮像素子２の撮像面２ａの各行に配列し、各焦点検出用画素２s1、２s2の光電変換部２７，３０の出力を測距瞳５４および測距瞳５５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５４と測距瞳５５をそれぞれ通過する焦点検出用光束５２，５３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。この情報に対して周知の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。

ふたたび図１に戻って一実施の形態の撮像装置の構成を説明する。信号分離回路３は撮像素子２の撮像用画素２ｒ、２ｇ、２ｂから出力される画像信号と、焦点検出用画素２s1、２s2から出力される焦点検出信号とを分離する。画像信号処理回路４は、撮像用画素２ｒ、２ｇ、２ｂから得られた画像信号を輝度信号（Ｙ信号）および色差信号（Ｃr、Ｃb信号）に変換すると共に、ガンマ補正などの各種処理を施し、表示装置５と記録回路６へ送る。表示装置５は撮像画像を表示するとともに撮影に関する各種情報を表示し、記録回路６はメモリカード７へ画像を記録する。焦点検出回路８は、焦点検出用画素２s1、２s2から得られた焦点検出信号に基づいて、上述したように撮影光学系１の焦点調節状態すなわちデフォーカス量を検出する。レンズ駆動回路９は、撮影光学系１のデフォーカス量にしたがってフォーカシングレンズを駆動し、合焦させる。操作部材１０はシャッターレリーズスイッチ、方向キースイッチ、コマンドダイヤルスイッチなど、カメラを操作するためのスイッチである。コントローラー１１は図示しないマイクロコンピューターとメモリやＡ／Ｄコンバーターなどの周辺部品から構成され、信号分離回路３、画像信号処理回路４、記録回路６、焦点検出回路８を制御してカメラのシーケンス制御や各種演算と制御を行う。

《撮像素子の変形例》
図９は、変形例の撮像素子２Ａの撮像面における画素配列の部分拡大図である。この撮像素子２Ａは、一対の焦点検出用画素２s1、２s2の内の一方の焦点検出画素２s1の光電変換素子２７および遮光マスク２２の開口２８を９０度時計方向に回転して焦点検出用画素２s3とするとともに、隣接する一対の焦点検出用画素２s1、２s2の内の他方の焦点検出用画素２s2の光電変換素子２７および遮光マスク２２の開口２８を９０度時計方向に回転して焦点検出用画素２s4とし、図９に示すように焦点検出用画素２s1、２s2、２s3、２s4を配置したものである。それ以外の画素配置は図３に示す一実施の形態の撮像素子２と同様である。

上述した一実施の形態の撮像素子２では、一対の焦点検出用画素２s1、２s2が撮像面２ａの左右方向すなわち被写界の水平方向に配置されているので、被写界の水平方向における撮影光学系１の焦点調節状態しか検出できない。これに対し図９に示す変形例の撮像素子２Ａでは、被写界の水平方向の一対の焦点検出用画素２s1、２s2により水平方向における撮影光学系１の焦点調節状態を検出するとともに、被写界の垂直方向の一対の焦点検出用画素２s3、２s4により垂直方向における撮影光学系１の焦点調節状態を検出することができる。この変形例の撮像素子２Ａでは、一対の焦点検出用画素２s1、２s2が行方向にジグザグに配列され、また一対の焦点検出用画素２s3、２s4が列方向にジグザグに配列されるので、厳密には被写界の水平方向および垂直方向の焦点検出における検出誤差が存在するが、その検出誤差は十分に小さく、その代わりに被写界の水平方向と垂直方向において同時に焦点検出が可能になる。つまり、被写界の水平方向にコントラストのエッジがある被写体（例えば縦縞模様の被写体）に対しては水平方向の一対の焦点検出用画素２s1、２s2により焦点検出が可能になり、被写界の垂直方向にコントラストのエッジがある被写体（例えば横縞模様の被写体）に対しては垂直方向の一対の焦点検出用画素２s3、２s4により焦点検出が可能になる。

図１０は、一実施の形態の撮像装置（デジタルスチルカメラ）の撮影動作を示すフローチャートである。このフローチャートにより、一実施の形態の撮影動作を説明する。カメラの電源が投入されると、コントローラー１１は図１０に示す撮影動作を開始する。ステップ１において撮像素子２により撮像を行い、続くステップ２で撮像素子２の画素出力から撮像用画素２ｒ、２ｇ、２ｂの画像信号を抽出して各種処理を施し、スルー画像を生成して表示装置５に表示する。

ステップ３で、シャッターボタンが半押しされたか否かを判別し、シャッターボタンの半押しがなされたらステップ４へ進み、撮像素子２により撮像を行う。ステップ５では撮像素子２の画素出力から画像信号と焦点検出信号とを分離し、画像信号に基づいて測光演算を行うとともに、焦点検出信号に基づいて撮影画面上の予め設定された複数の焦点検出エリアにおいて焦点検出演算を行う。続くステップ６において、測光演算結果に基づいて露出制御を行うとともに、焦点検出演算結果に基づいて撮影光学系１のフォーカシングレンズ(不図示)を駆動し、焦点調節を行う。焦点調節に際しては、撮影画面上の複数の焦点検出エリアの中で最至近のデフォーカス量を示すエリアを検索し、そのエリアのデフォーカス量に基づいて撮影光学系１の焦点調節を行ってもよいし、撮影者が予め設定した焦点検出エリアのデフォーカス量に基づいて焦点調節を行ってもよい。あるいは、撮像素子２の画像信号に基づいて顔認識処理を行い、人物の顔が検出された焦点検出エリアのデフォーカス量に基づいて焦点調節を行ってもよい。

ステップ７において、シャッターボタンが全押しされたか否かを判別し、シャッターボタンが全押しされるとステップ８へ進み、全押しされていなければステップ３へ戻る。シャッターボタンが全押しされたときは、ステップ８で撮像素子２により撮像を行い、画像信号を抽出する。そして、ステップ９で表示装置５に撮像画像を表示するとともに、メモリカード７に記録する。

なお、上述した一実施の形態の撮像素子２と変形例の撮像素子２Ａでは、撮影光学系１側から見た撮像用画素２ｒ、２ｇ、２ｂおよび焦点検出用画素２s1、２s2、２s3、２s4の外縁を正方形とした例を示したが、正方形に限定されず、例えば円形あるいは六角形としてもよい。

また、上述した一実施の形態の撮像素子２と変形例の撮像素子２Ａでは、赤色、緑色および青色に感度を有する撮像用画素２ｒ、２ｇ、２ｂをベイヤー配列にしたがって配置した例を示したが、補色配列にしたがって配置してもよい。

さらに、上述した一実施の形態の撮像素子２と変形例の撮像素子２Ａでは、焦点検出用画素２s1、２s2、２s3、２s4の遮光マスク開口２８を半円形とした例を示したが、遮光マスク開口２８の形状は半円形に限定されず、例えば長方形や台形としてもよい。

さらにまた、上述した一実施の形態の撮像素子２と変形例の撮像素子２Ａでは、焦点検出用画素２s1、２s2、２s3、２s4に光電変換素子２７と遮光マスク開口２８とをそれぞれ１個ずつ設けた例を示したが、焦点検出用画素２s1、２s2、２s3、２s4ごとに、撮影光学系１の射出瞳５０上の一対の領域５４，５５を通過する一対の焦点検出用光束５２，５３を受光するための一対の光電変換素子と一対の遮光マスク開口とを設けるようにしてもよい。

上述した一実施の形態の撮像素子２と変形例の撮像素子２Ａでは、撮像用画素２ｒ、２ｇ、２ｂと焦点検出用画素２s1、２s2、２s3、２s4のそれぞれにマイクロレンズ２５、２９を設けた例を示したが、撮像用画素２ｒ、２ｇ、２ｂには必ずしもマイクロレンズ２５を設ける必要はない。また、撮像用画素２ｒ、２ｇ、２ｂと焦点検出用画素２s1、２s2、２s3、２s4のマイクロレンズ２５と２８の仕様および特性は同一のものとしてもよいし、それぞれ最適な仕様および特性のものにしてもよい。

上述した一実施の形態の撮像素子２と変形例の撮像素子２Ａにおいて、隣接画素からの迷光を防止するための遮光マスクを画素どうしの境界に設置するのが望ましい。

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。

上述した実施の形態とその変形例によれば、以下のような作用効果を奏することができる。まず、撮影光学系１により結像された像を撮像するための撮像用画素２ｒ、２ｇ、２ｂと、撮影光学系１の焦点調節状態を検出するための焦点検出用画素２s1、２s2、２s3、２s4とが平面上に千鳥状に配列された撮像素子２、２Ａであって、撮像用画素２ｒ、２ｇ、２ｂが配列された行と焦点検出用画素２s1、２s2、２s3、２s4が配列された行とが交互に配列されるとともに、撮像用画素２ｒ、２ｇ、２ｂと焦点検出用画素２s1、２s2、２s3、２s4とが互いに略半画素分ずれて配列されるようにしたので、撮像用画素２ｒ、２ｇ、２ｂが最小間隔で配列され、焦点検出用画素位置の画像信号を複雑な補間処理により求めなくても、画像ムラや画像歪みの生じない高い画質の画像を得ることができる。それに加えて上述した実施の形態によれば、撮影画面内のほぼすべての位置（領域）に万遍なく焦点検出領域を配置しているので、撮影画面内の任意の位置（領域）で焦点検出を行うことができる。

次に、一実施の形態とその変形例によれば、撮像用画素２ｒ、２ｇ、２ｂおよび焦点検出用画素２s1、２s2、２s3、２s4は、撮像面における形状が正方形であり、この正方形の対角線が撮像面２ａの左右方向と上下方向に向けて配置されるようにしたので、撮像用画素２ｒ、２ｇ、２ｂを最小間隔で稠密に配置することができ、高い画質の画像を生成することができる上に、一対の焦点検出用画素（２s1、２s2）、（２s3、２s4）を最小間隔で稠密に配置することができ、焦点検出における分解能を向上させることができる。

一実施の形態とその変形例によれば、焦点検出用画素２s1、２s2、２s3、２s4が撮像面２ａの全域に配列されるので、撮影画面内のどの位置でも焦点検出を行うことができる。

一実施の形態とその変形例によれば、焦点検出用画素２s1、２s2、２s3、２s4の配列は、撮影光学系１の射出瞳５０上の一対の領域５４，５５を通過した一対の光束５２，５３による一対の像を受光する一対の焦点検出用画素（２s1、２s2）、（２s3、２s4）を複数配列したものであり、一対の像の相対的なずれ量に基づいて撮影光学系１の焦点調節状態を検出するようにしたので、瞳分割位相差検出方式により撮影光学系１の焦点調節状態を正確に検出することができる。

一実施の形態とその変形例によれば、一対の焦点検出用画素（２s1、２s2）、（２s3、２s4）を、撮像面２ａの左右方向と上下方向とに配列するようにしたので、被写界の水平方向と垂直方向の両方で焦点検出が可能になる。

《発明のその他の実施の形態》
上述した一実施の形態の図２、図３および図９に示す撮像素子２、２Ａでは、撮像用画素と焦点検出用画素とが平面上に千鳥状に、かつ撮像用画素の行と焦点検出用画素の行とが交互に配列されているので、撮像用画素と焦点検出用画素の画素数はほぼ同数になる。したがって、１０００万画素の撮像用画素により撮像を行う撮像素子には、１０００万個の撮像用画素の他にほぼ同数の約１０００万個の焦点検出用画素があり、合計２０００万個の画素が配列されることになる。この撮像素子から例えば６０フレーム／秒のフレームレートで画素出力を読み出すとすると、伝送レートが１２００メガ画素／秒に増大し、後段の画像信号処理回路までの画素出力の伝送が困難になる。

そこで、この他の一実施の形態では、高画質の画像を得ながら撮影画面内の任意の位置での焦点検出を可能にした図２、図３および図９に示す一実施の形態の撮像素子２、２Ａから、低い伝送レートで画素出力を読み出すようにした他の一実施の形態の撮像装置を説明する。

図１１は他の一実施の形態の撮像装置の構成を示す図である。なお、図１に示す機器と同様な機器に対しては同一の符号を付して相違点を中心に説明する。この一実施の形態では、上述した撮像素子２、２Ａの代わりに撮像素子４０を用いる。撮像素子４０は、撮像部４１、バッファメモリ４２、メモリ駆動回路４３、信号選択回路４４を備え、それらが同一基板上に形成されている。撮像部４１は、図２および図３に示す撮像素子２、または図９に示す撮像素子２Ａと同様な固体撮像素子であり、撮像用画素と焦点検出用画素とが平面上に千鳥状に配列され、かつ、撮像用画素が配列された行と焦点検出用画素が配列された行とが交互に配列されるとともに、撮像用画素と焦点検出用画素とが互いに略半画素分ずれるように配列されている。この撮像部４１により、高画質な画像を得ながら撮像画面内の任意の位置で焦点検出を可能にする。

バッファメモリ４２は、撮像部４１から出力される撮像用画素信号と焦点検出用画素信号を入力し、記憶する。なお、撮像用画素信号と焦点検出用画素信号とは１行ごとに交互に出力される。メモリ駆動回路４３は、コントローラー１１からのメモリ制御信号４７にしたがって撮像部４１からバッファメモリ４２への画素信号の入力と、バッファメモリ４２から信号選択回路４４への画素信号の出力を制御する。信号選択回路４４は、バッファメモリ４２から読み出された撮像用画素信号４５と焦点検出用画素信号４６を選択して出力する。

図１２により、メモリ駆動回路４３と信号選択回路４４による撮像素子４０からの撮像用画素信号と焦点検出用画素信号の読み出しについて説明する。撮像部４１には撮像用画素の行と焦点検出用画素の行とが交互に配列されているが、通常、同時に焦点検出が必要な領域は撮影画面の中の部分的な領域であり、例えば予め撮影画面内に設定されたいくつかの焦点検出領域に対応する領域である。このことは、撮像部４１に配列されているすべての焦点検出用画素から信号を読み出す必要はなく、焦点検出領域に対応する焦点検出用画素からのみ、画素出力を読み出せばよいことになる。

図１２(ａ)は撮像部４１からバッファメモリ４２へ出力される信号を示すタイミングチャートであり、図１２(ｂ)は信号選択回路４４から出力される信号を示すタイミングチャートである。図１２(ａ)において、Ｔは撮像部４１の１行分の画素信号読み出し期間を示す。また、Ｔ１は撮像用画素１行分の画素信号読み出し期間を、Ｔ３は焦点検出用画素１行分の画素信号読み出し期間をそれぞれ示す。Ｔ２およびＴ４は、それぞれ撮像用画素１行分と焦点検出用画素１行分の画素出力読み出し後のブランキング期間を示す。さらに、Ｔ５は、焦点検出用画素１行分の内の焦点検出領域に対応した焦点検出用画素のみの画素出力読み出し期間を示す。なお、期間Ｔ、Ｔ１〜Ｔ５は撮像素子４０から画素出力を読み出す際のフレームレートに応じて決められる。

この一実施の形態の撮像装置では、撮像用画素については１行分のすべての画素出力(Ｔ１期間の画素出力)を読み出し、バッファメモリ４２に記憶する。しかし、焦点検出用画素については１行分のすべての画素出力(Ｔ３期間の画素出力)を読み出さず、焦点検出用画素１行分の内の焦点検出領域に対応した焦点検出用画素のみの画素出力(Ｔ５期間の画素出力)を読み出し、バッファメモリ４２に記憶する。

メモリ駆動回路４３および信号選択回路４４は、上述した読み出し方法にしたがって撮像部４１から読み出されバッファメモリ４２に記憶されている撮像用画素出力と焦点検出用画素出力を、図１２(ｂ)に示すように出力する。すなわち、撮像用画素１行分の読み出し期間Ｔ１を２倍に延長した期間Ｔ１’の間に、バッファメモリ４２に記憶されている撮像用画素１行分の画素出力を信号分離回路３へ出力し、その後、焦点検出領域に対応した焦点検出用画素のみの読み出し期間Ｔ５を２倍に延長した期間Ｔ５’の間に、バッファメモリ４２に記憶されている焦点検出領域に対応した焦点検出用画素のみの画素出力を信号分離回路３へ出力する。このような信号読み出し手順を撮像部４１上に交互に配列される撮像用画素行と焦点検出用画素行とに適用し、撮像部４１の全域の撮像用画素と焦点検出領域に対応する焦点検出用画素のすべての出力を撮像素子４０の後段に配設される信号分離回路３へ出力する。

この画素出力の読み出し方法によれば、撮像部４１からの画素出力の読み出し期間を２倍に延長して撮像素子４０から画素信号を出力しているので、撮像素子４０から出力される信号の伝送レートは１／２になる。例えば、撮像部４１に１０００万画素の撮像用画素とほぼ同数の焦点検出用画素とが配列された撮像素子４０から、例えば６０フレーム／秒のフレームレートで画素信号を出力する場合には、伝送レートは６００メガ画素／秒にまで低減でき、後段の信号分離回路３までの画素出力の伝送が容易になる。このとき、撮像部４１からバッファメモリ４２までの間は、１２００メガ画素／秒の高い伝送レートで画素出力の読み出しが行われるが、撮像部４１、バッファメモリ４２および信号選択回路４４は同一基板上に形成されており、互いに極近傍に配置されるので、高い伝送レートで画素出力の転送が行われても問題は発生しない。

なお、撮像素子４０から読み出された撮像用画素信号と焦点検出用画素信号は信号分離回路３により分離され、撮像用画素信号は画像信号処理回路４へ、また焦点検出用画素信号は焦点検出回路８へそれぞれ送られる。これらの動作については上述した一実施の形態の撮像装置と同様であり、説明を省略する。

《発明のその他の一実施の形態》
図１１に示す一実施の形態の撮像装置では、撮像素子４０から１つの信号系統を介して撮像用画素信号と焦点検出用画素信号とを外部へ出力する例を示したが、撮像用画素信号と焦点検出用画素信号とをそれぞれ別個の信号系統を介して外部へ出力するようにした他の一実施の形態の撮像装置を説明する。

図１３は他の一実施の形態の撮像装置の構成を示す図である。なお、図１および図１１に示す機器と同様な機器に対しては同一の符号を付して相違点を中心に説明する。この一実施の形態では、上述した撮像素子２、２Ａ、４０の代わりに撮像素子６０を用いる。撮像素子６０は、撮像部６１、バッファメモリ６２、メモリ駆動回路６３を備え、それらが同一基板上に形成されている。撮像部６１は、図２および図３に示す撮像素子２、または図９に示す撮像素子２Ａと同様な固体撮像素子であり、撮像用画素と焦点検出用画素とが平面上に千鳥状に配列され、かつ、撮像用画素が配列された行と焦点検出用画素が配列された行とが交互に配列されるとともに、撮像用画素と焦点検出用画素とが互いに略半画素分ずれるように配列されている。この撮像部６１により、高画質な画像を得ながら撮像画面内の任意の位置で焦点検出を可能にする。

バッファメモリ６２は、撮像部６１から出力される撮像用画素信号と焦点検出用画素信号を入力し、記憶する。なお、撮像用画素信号と焦点検出用画素信号とは１行ごとに交互に出力される。メモリ駆動回路６３は、コントローラー１１からのメモリ制御信号６６にしたがって撮像部６１からバッファメモリ６２への画素信号の入力と、バッファメモリ６２から外部への画素信号の出力を制御する。

図１４により、メモリ駆動回路６３による撮像素子６０からの撮像用画素信号と焦点検出用画素信号の読み出しについて説明する。撮像部６１には撮像用画素行と焦点検出用画素行とが交互に配列されているが、上述したように通常、同時に焦点検出が必要な領域は撮影画面の中の部分的な領域であり、例えば予め撮影画面内に設定されたいくつかの焦点検出領域に対応する領域である。このことは、撮像部６１に配列されているすべての焦点検出用画素から信号を読み出す必要はなく、焦点検出領域に対応する焦点検出用画素からのみ、画素出力を読み出せばよいことになる。

図１４(ａ)は撮像部６１からバッファメモリ６２へ出力される信号を示すタイミングチャートであり、図１４(ｂ)はバッファメモリ６２から出力される撮像用画素の出力信号を示すタイミングチャート、図１４(ｃ)はバッファメモリ６２から出力される焦点検出用画素の出力信号を示すタイミングチャートである。図１４(ａ)において、Ｔは撮像部６１の１行分の画素信号読み出し期間を示す。また、Ｔ１は撮像用画素１行分の画素信号読み出し期間を、Ｔ３は焦点検出用画素１行分の画素信号読み出し期間をそれぞれ示す。Ｔ２およびＴ４は、それぞれ撮像用画素１行分と焦点検出用画素１行分の画素出力読み出し後のブランキング期間を示す。さらに、Ｔ５は、焦点検出用画素１行分の内の焦点検出領域に対応した焦点検出用画素の画素出力読み出し期間を示す。なお、期間Ｔ、Ｔ１〜Ｔ５は撮像素子６０から画素出力を読み出す際のフレームレートに応じて決められる。

この一実施の形態の撮像装置では、撮像用画素については１行分のすべての画素出力(Ｔ１期間の画素出力)を読み出し、バッファメモリ６２に記憶する。しかし、焦点検出用画素については１行分のすべての画素出力(Ｔ３期間の画素出力)を読み出さず、焦点検出用画素１行分の内の焦点検出領域に対応した焦点検出用画素のみの画素出力(Ｔ５期間の画素出力)を読み出し、バッファメモリ６２に記憶する。

メモリ駆動回路６３は、上述した読み出し方法にしたがって撮像部６１から読み出されバッファメモリ６２に記憶されている撮像用画素出力と焦点検出用画素出力を、図１４(ｂ)および図１４(ｃ)に示すように読み出す。すなわち、撮像用画素１行分の読み出し期間Ｔ１を２倍に延長した期間Ｔ１’の間に、バッファメモリ６２に記憶されている撮像用画素１行分の画素出力を第１信号系統６４を介して画像信号処理回路４へ出力するとともに、焦点検出領域に対応した焦点検出用画素のみの読み出し期間Ｔ５を２倍に延長した期間Ｔ５’の間に、バッファメモリ６２に記憶されている焦点検出領域に対応した焦点検出用画素のみの画素出力を、第２の信号系統６５を介して焦点検出回路８へ出力する。このような信号読み出し手順を撮像部６１上に交互に配列される撮像用画素行と焦点検出用画素行とに適用し、撮像部６１の全域の撮像用画素と焦点検出領域に対応する焦点検出用画素のすべての出力を画像信号処理回路４および焦点検出回路８へ出力する。

この画素出力の読み出し方法によれば、撮像部６１からの画素出力の読み出し期間を２倍に延長して撮像素子６０から画素信号を出力しているので、撮像素子６０から出力される信号の伝送レートは１／２になる。例えば、撮像部６１に１０００万画素の撮像用画素とほぼ同数の焦点検出用画素とが配列された撮像素子６０から、例えば６０フレーム／秒のフレームレートで画素信号を出力する場合には、伝送レートは６００メガ画素／秒にまで低減でき、後段の画像信号処理回路４までの画素出力の伝送が容易になる。このとき、撮像部６１からバッファメモリ６２までの間は、１２００メガ画素／秒の高い伝送レートで画素出力の読み出しが行われるが、撮像部６１とバッファメモリ６２は同一基板上に形成されており、互いに極近傍に配置されるので、高い伝送レートで画素出力の転送が行われても問題は発生しない。

なお、撮像素子６０から読み出された撮像用画素信号は画像信号処理回路４へ、また焦点検出用画素信号は焦点検出回路８へそれぞれ送られる。これらの動作については上述した一実施の形態の撮像装置と同様であり、説明を省略する。

図１３に示す他の実施の形態の撮像装置において、第２信号系統６５を介して外部へ出力される焦点検出用信号をパラレル／シリアル変換回路(不図示)を介して例えば１ビットの信号に変換して出力してもよい。

また、図１１および図１３に示す他の実施の形態の撮像装置では、撮像部４１，６１とバッファメモリ４２，６２を同一の基板上に形成するとして説明したが、それらは極近傍に配置されるのであれば必ずしも同一基板上に形成される必要はない。

さらに、図１１および図１３に示す他の実施の形態の撮像装置では、撮像部４１，６１から撮像用画素のすべての画素出力と焦点検出用画素の内の焦点検出領域に対応した焦点検出用画素のみの画素出力を読み出し、バッファメモリ４２，６２に記憶する例を示したが、撮像部４１，６１からバッファメモリ４２，６２へはすべての撮像用画素の画素信号とすべての焦点検出用画素の画素信号を読み出して記憶し、撮像素子４０，６０から外部へそれらを出力する際に、すべての撮像用画素の画素信号に加え、焦点検出用画素の内の焦点検出領域に対応する焦点検出用画素のみの画素信号を選択して出力するようにしてもよい。

このように上述した他の一実施の形態の撮像装置によれば、撮像部４１，６１の近傍に配置され、撮像部４１，６１から所定の信号伝送レートで出力される撮像用画素の画像信号と焦点検出用画素の焦点検出信号とを入力して一時記憶するバッファメモリ４２，６２と、画像信号と焦点検出信号のバッファメモリ４２，６１から後段の信号処理回路（画像信号処理回路４と焦点検出回路８）への出力を制御するメモリ駆動回路４３，６３とを備え、このメモリ駆動回路４３，６３によって、撮像用画素の画像信号と焦点検出用画素の焦点検出信号とを１行ごとに交互に出力させるとともに、焦点検出用画素の配列行において、撮影光学系１の撮影画面内に予め設定された焦点検出領域に対応する焦点検出用画素の焦点検出信号のみを出力し、焦点検出領域に非対応の焦点検出用画素の信号伝送時間を、撮像用画素と焦点検出領域に対応する焦点検出用画素の信号伝送時間に割り当て、所定の信号伝送レートを低減するようにしたので、撮像部から後段の信号処理回路までの信号伝送レートを低減することができ、伝送品質を向上させることができる上に、装置構成上の自由度を確保することができる。特に、近年におけるフレームレートの高速化や多画素化に対応した撮像装置に有効である。

また、上述した多の一実施の形態の撮像装置によれば、バッファメモリ４２の近傍に配置され、バッファメモリ４２から撮像用画素の１行分の画像信号を読み出して出力した後に、バッファメモリ４２から焦点検出用画素の１行分の内の焦点検出領域に対応する焦点検出用画素のみの焦点検出信号を出力する信号選択回路４４を備え、画像信号と焦点検出信号とを同一の信号系統を介して後段の信号処理回路へ出力するようにしたので、撮像部から後段の信号処理回路までの信号系統を簡素化でき、高い伝送品質を維持しながら装置構成上の自由度を確保することができる。

１；撮影光学系、２、２Ａ、４０、６０；撮像素子、２ａ；撮像面、２ｒ、２ｇ、２ｂ；撮像用画素、２s1、２s2、２s3、２s4；焦点検出用画素、３；信号分離回路、４；画像信号処理回路、８；焦点検出回路、９；レンズ駆動回路、４１、６１；撮像部、４２、６２；バッファメモリ、４３、６３；メモリ駆動回路、４４；信号選択回路

Claims (11)

1. 撮影光学系により結像された像を撮像するための撮像用画素と、前記撮影光学系の焦点調節状態を検出するための焦点検出用画素とが平面上に千鳥状に配列され、かつ前記撮像用画素が配列された行と前記焦点検出用画素が配列された行とが交互に配列されるとともに、前記撮像用画素と前記焦点検出用画素とが互いに略半画素分ずれて配列された撮像素子であって、
   前記焦点検出用画素の配列は、前記撮影光学系の射出瞳上の一対の領域を通過した一対の光束による一対の像を受光する一対の焦点検出用画素を複数配列したものであり、前記一対の像の相対的なずれ量に基づいて前記撮影光学系の焦点調節状態を検出し、
   前記一対の焦点検出用画素は、撮像面の左右方向と上下方向とに配列されることを特徴とする撮像素子。
2. 撮影光学系により結像された像を撮像するための撮像用画素と、前記撮影光学系の焦点調節状態を検出するための焦点検出用画素とが平面上に千鳥状に配列され、かつ前記撮像用画素が配列された行と前記焦点検出用画素が配列された行とが交互に配列されるとともに、前記撮像用画素と前記焦点検出用画素とが互いに略半画素分ずれて配列された撮像素子であって、
   前記撮像用画素は、赤色、緑色および青色に感度を有する画素がベイヤー配列されたものであることを特徴とする撮像素子。
3. 請求項１または請求項２に記載の撮像素子において、
   前記撮像用画素および前記焦点検出用画素は、撮像面における形状が正方形であり、前記正方形の対角線が前記撮像面の左右方向と上下方向に向けて配置されることを特徴とする撮像素子。
4. 請求項１〜３のいずれかの項に記載の撮像素子において、
   前記焦点検出用画素が撮像面の全域に配列されることを特徴とする撮像素子。
5. 請求項２〜４のいずれかの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、前記撮影光学系の射出瞳上の一対の領域を通過した一対の光束による一対の像を受光する一対の焦点検出用画素を複数配列したものであり、前記一対の像の相対的なずれ量に基づいて前記撮影光学系の焦点調節状態を検出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、
   前記一対の焦点検出用画素は、撮像面の左右方向と上下方向とに配列されることを特徴とする撮像素子。
7. 請求項１、３〜５のいずれか一項に記載の撮像素子において、
   前記撮像用画素は、赤色、緑色および青色に感度を有する画素がベイヤー配列されたものであ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と、
   前記撮像素子の撮像面に被写体像を結像する撮影光学系と、
   前記撮像素子の前記撮像用画素から出力される画像信号に基づいて画像を生成する画像生成手段と、
   前記撮像素子の前記焦点検出用画素から出力される焦点検出信号に基づいて前記撮影光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出手段と、
   前記焦点検出手段による検出結果に基づいて前記撮影光学系の焦点調節を行う焦点調節手段とを備えることを特徴とする撮像装置。
9. 請求項８に記載の撮像装置において、
   前記撮像素子の近傍に配置され、前記撮像素子から所定の信号伝送レートで出力される前記撮像用画素の画像信号と前記焦点検出用画素の焦点検出信号とを入力して一時記憶する記憶手段と、
   前記画像信号と前記焦点検出信号の前記記憶手段から前記画像生成手段と前記焦点検出手段への出力を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記撮像用画素の画像信号と前記焦点検出用画素の焦点検出信号とを１行ごとに交互に出力するとともに、前記焦点検出用画素の配列行において、前記撮影光学系により結像された画面上において予め指定された焦点検出領域に対応する前記焦点検出用画素の焦点検出信号のみを出力し、前記焦点検出領域に非対応の前記焦点検出用画素の焦点検出信号の出力に要すべきであった信号伝送時間を、前記撮像用画素と前記焦点検出領域に対応する前記焦点検出用画素の信号伝送時間に割り当て、前記所定の信号伝送レートを低減す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、
    前記記憶手段の近傍に配置され、前記記憶手段から前記撮像用画素の１行分の前記画像信号を読み出して出力した後に、前記記憶手段から前記焦点検出用画素の１行分の内の前記焦点検出領域に対応する前記焦点検出用画素のみの前記焦点検出信号を出力する信号選択手段を備え、
    前記画像信号と前記焦点検出信号とを、同一の信号伝送系統を介して前記画像生成手段と前記焦点検出手段へそれぞれ出力することを特徴とする撮像装置。
11. 請求項９に記載の撮像装置において、
    前記記憶手段から、第１の信号伝送系統を介して、前記画像生成手段へ前記画像信号を出力するとともに、
    前記記憶手段から、前記第１の信号伝送系統とは異なる第２の信号伝送系統を介して、前記焦点検出手段へ前記焦点検出信号を出力することを特徴とする撮像装置。
    

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