JP6365568B2 - 撮像素子および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮像素子および撮像装置に関する。

光学系の射出瞳の一対の領域を通る光束を受光する焦点検出用の画素が撮像面の一部に配列された撮像素子を光学系の予定焦点面上に配置し、これにより一対の光束が形成する一対の像に応じた一対の像信号を焦点検出用の画素から出力し、この一対の像信号間の像ズレ量（空間的な位相差）を検出することによって光学系の焦点調節状態を検出する撮像装置が知られている。

さらに、異なる射出瞳距離に最適化した複数種類の焦点検出用の画素を有し、光学系の射出瞳距離に応じて１種類の焦点検出用の画素を選択し、該焦点検出用の画素の信号に基づき焦点検出を行う撮像装置が知られている（特許文献１参照）。

特許文献１に開示された従来技術においては、焦点検出用に光学系の射出瞳を通る一対の光束を受光するために一方の光束を受光する画素と他方の光束を受光する画素とからなる一対の焦点検出用の画素を用いている。該一対の焦点検出画素は同一の色フィルタを有している。撮像用には撮像用の画素を用いている。撮像用の画素は、所定の色配列に従って配列されたフィルタを有しており、射出瞳を通るすべての光束を受光する。

特開２００９−２０４９８７号公報

しかしながら上述の特許文献１に開示された従来技術においては、焦点検出用の画素と撮像用の画素とが受光する光束の大きさと色が互いに異なっている。したがって、画素異常のない画像を得るためには、焦点検出用の画素の位置における撮像用の信号を、該焦点検出用の画素の周囲の画素の信号を用いて補間（画素信号補間）して求める必要がある。しかし、周囲の画素の信号を用いることの弊害により、解像度が低下したり、偽色が発生したりして画像品質を維持することが困難であった。

特に特許文献１に開示されたように複数種類の焦点検出用の画素を有する撮像素子において、光学系の射出瞳距離に応じて１種類の焦点検出用の画素を選択する場合には、以下の問題があった。撮像素子上に複数種類の焦点検出用の画素を配置するため、１種類の焦点検出用の画素のみを配置する場合に比較して焦点検出用の画素数が増加する。それとともに、焦点検出用の画素の種類の選択に応じて、撮影画面上での焦点検出位置が大きく変化しないように、複数種類の焦点検出用の画素をきわめて近接して配置することが必要になる。しかし、このような構成においては上述した画素信号補間の誤差がさらに顕著に認知される。

本発明の第１の態様による撮像素子は、第１画素と第２画素とを有する撮像素子であって、前記第１画素は、第１方向において前記撮像素子の中心を通る線から所定距離に配置され、第１マイクロレンズと前記第１マイクロレンズを透過した光を光電変換する第１及び第２光電変換部と、前記第１マイクロレンズの光軸から前記第１方向において第１距離に設けられ、前記第１光電変換部と前記第２光電変換部とを分離する分離部とを有し、前記第２画素は、前記第１方向において前記撮像素子の中心を通る線から前記所定距離に配置され、第２マイクロレンズと前記第２マイクロレンズを透過した光を光電変換する第３及び第４光電変換部と、前記第２マイクロレンズの光軸から前記第１方向において前記第１距離と異なる第２距離に設けられ、前記第３光電変換部と前記第４光電変換部とを分離する分離部とを有する。
本発明の第２の態様による撮像素子は、第１マイクロレンズと前記第１マイクロレンズを透過した光を光電変換する第１及び第２光電変換部と、前記第１マイクロレンズの光軸から第１方向において第１距離に設けられ、前記第１光電変換部と前記第２光電変換部とを分離する分離部とを有し、前記第１方向において所定の像高位置に配置される第１画素と、第２マイクロレンズと前記第２マイクロレンズを透過した光を光電変換する第３及び第４光電変換部と、前記第２マイクロレンズの光軸から前記第１方向において前記第１距離と異なる第２距離に設けられ、前記第３光電変換部と前記第４光電変換部とを分離する分離部とを有し、前記第１方向において前記所定の像高位置に配置される第２画素と、を備える。
本発明の第３の態様による撮像装置は、第１または第２の態様による撮像素子と、光学系の瞳距離に基づいて、前記第１画素から出力される信号および前記第２画素から出力される信号の少なくとも一方を選択して前記光学系の焦点検出を行う検出部と、を備える。

本発明によれば、けられの影響を抑えた焦点検出が可能になるとともに、高品質な画像が得られる。

第１の実施の形態のデジタルスチルカメラの構成を示す横断面図である。 撮像素子の撮像面に規定される撮影画面の正面図である。 撮像素子の詳細な構成を示す正面図である。 画素の断面図である。 画素の断面図である。 一対の測距瞳から各焦点検出エリアに到来する一対の光束の関係を示す図である。 一対の測距瞳から各焦点検出エリアに到来する一対の光束の関係を示す図である。 各グループに属する画素が受光する光束とそれぞれの測距瞳距離との関係を示した図である。 撮像素子の回路構成概念図である。 各画素の詳細回路図である。 ＣＤＳ回路の各列毎の詳細回路構成を示す図である。 撮像素子の動作タイミングチャートである。 撮像素子の動作タイミングチャートである。 デジタルスチルカメラの撮像動作を示すフローチャートである。 射出瞳距離に応じて３つのグループに属する画素のうちどの画素が選択されるのかを説明するための図である。 撮像素子の撮像面に規定される撮影画面の正面図である。 撮像素子の詳細な構成を示す正面図である。 画素の一対の光電変換部に入射する光束の範囲を示した正面図である。 Ｆ値と補正係数との関係を示した図である。 画素の一対の光電変換部に入射する光束の範囲を示した正面図である。 Ｆ値と補正係数との関係を示した図である。

−−−第１の実施の形態−−−
第１の実施の形態の撮像装置として、レンズ交換式のデジタルスチルカメラを例に挙げて説明する。図１は第１の実施の形態のデジタルスチルカメラ２０１の構成を示す横断面図である。本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とから構成され、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などを有する。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る。レンズ駆動制御装置２０６は、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、ならびに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の状態検出などを行う。また、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およびカメラ情報（デフォーカス量や絞り値など）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、画素が二次元状に配置される。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る。ボディ駆動制御装置２１４は、撮像素子２１２の駆動制御と、画素信号の読み出しと、画素信号に基づく焦点検出演算および交換レンズ２０２の焦点調節とを繰り返し行うとともに、画素信号に基づく画像データに生成処理および記録、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との通信を行い、レンズ情報の受信およびカメラ情報の送信を行う。

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から読み出された画像データに基づき、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データ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、画素の出力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、図１４を用いて後述するように、撮像制御機能および焦点検出制御機能を有する。ボディ駆動制御装置２１４は、撮像素子２１２の画素の出力信号（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の画素の出力信号（撮像信号）を処理して画像データを生成し、メモリカード２１９に格納するとともに、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の絞り値とを検出し、これらのレンズ位置と絞り値と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とに応じたレンズ情報（Ｆ値、射出瞳距離情報など）を選択する。

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。

焦点検出エリア選択用の操作部材２２０は、撮影画面上で焦点検出を行う位置をユーザーが指定するために用いられる。

図２は、撮像素子２１２の撮像面に規定される撮影画面１００の正面図であり、矩形領域の撮影画面１００に後述する画素が２次元的に配置されている。矩形の撮影画面１００上の中央は交換レンズ２０２の光軸上に位置し、その位置を中心とする水平方向をＸ方向、垂直方向をＹ方向とする。撮影画面１００の中心１９１は、撮影光学系の光軸と一致している。

図３は、撮影画面１００上での撮像素子２１２の詳細な構成を示す正面図であり、図２の一部の領域１８０を拡大した場合の画素配列の詳細を示す。図３に示すように撮像素子２１２には３種類の画素３１１ａ、画素３１１ｂ、画素３１１ｃが二次元正方格子状（行列状）に稠密に配列される。矩形で示す各画素は、矩形のマイクロレンズ１０と、受光領域が左右水平方向に分離された一対の光電変換部１５および１６とを含む。すなわち、一対の光電変換部の並び方向は水平方向（行方向）である。Ａグループに属する画素３１１ａは水平方向の行に配列され、その行の位置は３の倍数、すなわち３ｎ（ｎは整数）である。Ｂグループに属する画素３１１ｂは水平方向の行に配列され、その行の位置は３の倍数に１を加えた値、すなわち３ｎ＋１である。Ｃグループに属する画素３１１ｃは水平方向の行に配列され、その行の位置は３の倍数に２を加えた値、すなわち３ｎ＋２である。

図３には、各画素に設けられる色フィルタの配置が示されている。その色フィルタには赤フィルタ（Ｒ）、緑フィルタ（Ｇ）、青フィルタ（Ｂ）の相異なる分光感度特性を有する３種類の色フィルタが含まれ、これら３種類の色フィルタを有する３種類の画素がベイヤー配列の配置規則によって配置されている。

画素３１１ａに入射した光束は、マイクロレンズ１０により一対の光電変換部１５，１６上に集光される。

ここで画素３１１ａの詳細構造を、図８を用いて説明する。

図４は、図２に示す撮影画面１００の中心１９１近傍において水平方向（Ｘ方向）の直線で画素配列の断面をとった場合の画素３１１ａの断面図である。画素３１１ａでは光電変換部１５，１６の上に近接した面４１に遮光マスク３０が形成される。光電変換部１５，１６は、遮光マスク３０の開口部３０ｄで制限された光を受光する。一対の光電変換部１５，１６は素子分離領域１７を境界領域として半導体回路基板２９上に形成される。画面１００の水平方向（図４における横方向）において素子分離領域１７の中心を通る軸４３の位置とマイクロレンズ１０の光軸４２の位置とは一致している。

開口部３０ｄは略正方形であり、その中心は軸４３と一致している。遮光マスク３０の上には平坦化層３１が形成され、その上に色フィルタ３４が形成される。色フィルタ３４の上には平坦化層３２が形成され、その上にマイクロレンズ１０がオンチップレンズとして形成される。マイクロレンズ１０により、一対の光電変換部１５，１６が配置された面４０は撮像面から所定距離離れた瞳面（以下測距瞳面Ａと称する）と共役な関係になっている。

半導体回路基板２９上に形成された光電変換部１５，１６は、半導体基板表面４０への入射光を受講し、光電変換により受光量に応じた量の電荷を発生する。この電荷は電気信号として撮像素子２１２の外部に読み出される。一対の光電変換素子１５および１６の並び方向は水平方向であり、後述する測距瞳面において一対の光束が通過する領域の並び方向と等しい。光電変換素子１５はその一対の光束の一方を受光し、光電変換素子１６はその一対の光束の他方を受光する。半導体基板表面４０と遮光マスク３０との間には平坦化層３１と同じ材質が充填される。

図５は、図２の撮影画面１００の中心１９１から水平方向に距離Ｘａだけ離れた位置１９２の近傍において水平方向（Ｘ方向）の直線で画素配列の断面をとった場合の画素３１１ａの断面図であり、図４と同じ符号で示す構成と同一の構成については図４と同じ符号で示すこととし、説明を省略する。図５において図４と異なる点は、画面１００の水平方向（図４における横方向）において素子分離領域１７の中心位置を通る軸４３の位置がマイクロレンズ１０の光軸４２の位置より画面１００の中心１９１から離れる方向（図５においては右方向）にΔＰａだけ偏位している点である。図４と同様に、マイクロレンズ１０により、一対の光電変換部１５，１６が配置された面４０は測距瞳面Ａと共役な関係になっている。図４と比較して、図５においては、光電変換部１５，１６が受光する光束はマイクロレンズ１０の光軸４２に対して画面１００の中心１９１の方向に傾いた光束となっている。

図４の構成において光電変換部１５，１６が受光する光束が測距瞳面Ａにおいて通る一対の領域と、図５の構成において光電変換部１５，１６が受光する光束が測距瞳面Ａにおいて通る一対の領域とが一致する。

図４、図５は特定の位置に配置された画素３１１ａについての説明である。一般的に画素３１１ａは、撮影画面中心からその画素位置までの水平方向（測距瞳面Ａにおいて一対の光電変換部１５，１６が受光する一対の光束が通過する領域の並び方向）の距離に応じて、図５におけるマイクロレンズ１０の光軸４２に対する素子分離領域１７の中心位置を通る軸４３の偏位量ΔＰａが定められる。例えば図２において撮影画面１００の中心１９１から水平方向に距離Ｘｂだけ離れた位置１９３の近傍に配置された画素３１１ａにおける偏位量ΔＰａは、位置１９３よりも中心１９１に近い位置１９２の近傍に配置された画素３１１ａにおける偏位量ΔＰａよりも大きな量となる。また図２において撮影画面１００のＹ軸より左側に配置された画素３１１ａにおいては、偏位量ΔＰａの方向、すなわち光軸４２に対する軸４３の偏位方向は、図５とは逆に左方向になる。撮影画面１００から測距瞳面Ａまでの距離ｄａ、マイクロレンズ１０の主点から一対の光電変換部が配置された面４０までの距離ｄｓ、撮影画面中心から画素位置までの水平方向の距離Ｄにより、偏位量ΔＰａは概略的にｄｓ×Ｄ／ｄａで表される。

以上のような構成により、グループＡに属するすべての画素３１１ａにおいて光電変換部１５，１６が受光する一対の光束は測距瞳面Ａにおいて同一の一対の領域を通過することになる。

図６，図７は、図４，５に示す構造の画素３１１ａの光電変換部１５，１６が受光する光束の様子を説明するための模式図であって、図２における水平方向（一対の光電変換部１５および１６の並び方向）の直線で光学系および画素配列の断面をとって示している。なお図においては画素の構造を簡略化して示している。

図６，図７において撮像素子上２１２に配列された画素３１１ａの光電変換部１５，１６は、それらに近接して配置された遮光マスク開口３０ｄの半分ずつの領域を通過した光束をそれぞれ受光する。遮光マスク開口３０ｄにおいて光電変換部１６が受光する光束が通る領域の形状は、マイクロレンズ１０によりマイクロレンズ１０から測距瞳距離ｄａだけ離間した測距瞳面９０（測距瞳面Ａ）上のすべての画素３１１ａの光電変換部１６に共通した領域９６に投影される。同じく遮光マスク開口３０ｄにおいて光電変換部１５が受光する光束が通る領域の形状は、マイクロレンズ１０によりマイクロレンズ１０から測距瞳距離ｄａだけ離間した測距瞳面９０上のすべての光電変換部１５に共通した領域９５に投影される。一対の領域９５，９６を測距瞳と呼び、これがいわゆる瞳分割方式の焦点検出における分割瞳に相当する。

従って各画素３１１ａの光電変換部１５は、測距瞳９５と各画素のマイクロレンズ１０とを通過する光束８５を受光し、該光束８５によって各マイクロレンズ１０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。また各画素３１１ａの光電変換部１６は、測距瞳９６と各画素のマイクロレンズ１０とを通過する光束８６を受光し、該光束８６によって各マイクロレンズ１０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。

実際は、測距瞳面９０において、光束は交換レンズの絞り開口により制限されており、最も明るい絞り開口径の場合においても、その開口径は測距瞳９５、９６を足し合わせた領域よりも小さくなるように設定される。また図６、図７において、軸９１は撮影画面１００の中心を通る撮像画面に対する法線であって、撮影光学系の光軸に一致している。測距瞳９５，９６の形状は測距瞳面９０において光軸９１を通る直線９２を対称軸とした対称形となっている。

画素３１１ｂ、画素３１１ｃの構造も基本的に図３から図５に示した画素３１１ａと同じであるが、次の点が異なる。撮影画面中心から各画素位置までの水平方向（一対の光電変換部が受光する一対の光束が通過する領域の並び方向と平行な方向）の距離に応じて定められる偏位量（マイクロレンズ１０の光軸４２に対する素子分離領域１７の中心位置を通る軸４３の偏位量）が、画素３１１ａの偏位量ΔＰａとは異なる。すなわち、画素３１１ｂの場合の偏位量ΔＰｂ、画素３１１ｃの場合の偏位量ΔＰｃを、画素３１１ａの偏位量ΔＰａと異ならせる。

例えば撮影画面中心から各画素位置（画素３１１ａ、画素３１１ｂ、画素３１１ｃ）までの水平方向の距離が同一の場合、画素３１１ｂの偏位量ΔＰｂは画素３１１ａ偏位量ΔＰａより大きくし、画素３１１ｃの偏位量ΔＰｃは画素３１１ａ偏位量ΔＰａより小さくする。

このように画素３１１ｂ、画素３１１ｃの偏位量を設定することにより、すべての画素３１１ｂに共通する測距瞳面Ｂまでの距離ｄｂは上述した距離ｄａよりも小さくなるとともに、すべての画素３１１ｃに共通する測距瞳面Ｃまでの距離ｄｃは上述した距離ｄａよりも大きくなる。

撮影画面１００から測距瞳面Ｂ、測距瞳面Ｃまでの距離ｄｂ、ｄｃ、マイクロレンズ１０の主点から一対の光電変換部が配置された面４０までの距離ｄｓ、撮影画面中心から画素位置までの水平方向の距離Ｄにより、概略的に、偏位量ΔＰｂはｄｓ×Ｄ／ｄｂ、偏位量ΔＰｃはｄｓ×Ｄ／ｄｂで表される。

図８はＡグループに属する画素３１１a、Ｂグループに属する画素３１１ｂ、Ｃグループに属する画素３１１ｃが受光する光束とそれぞれの測距瞳距離ｄａ，ｄｂ，ｄｃとの関係を示した図であり、図２における水平方向の直線で光学系および撮像素子の断面をとって示した図である。図８では、撮像素子上において各画素は同一の像高（像高位置は任意）に配置されているとして示されている。

画素３１１ａの一対の光電変換部は、撮像素子２１２の撮像面から光軸９１の方向に測距瞳距離ｄａだけ離れた瞳面において光軸対称な一対の領域９５，９６を通過する一対の光束（実線）を受光する。

画素３１１ｂの一対の光電変換部は、撮像素子２１２の撮像面から光軸９１の方向に測距瞳距離ｄｂだけ離れた瞳面において光軸対称な一対の領域１９５，１９６を通過する一対の光束（実線）を受光する。

画素３１１ｃの一対の光電変換部は、撮像素子２１２の撮像面から光軸９１の方向に測距瞳距離ｄｃだけ離れた瞳面において光軸対称な一対の領域２９５，２９６を通過する一対の光束（実線）を受光する。

特開２００９−２８２０１８号公報に開示されているように、測距瞳面と交換レンズの絞り開口（射出瞳面）とが一致していない場合、一対の焦点検出光束のケラレのアンバランスが生じる。本実施の形態においては、焦点検出を行う場合、上記３つの測距瞳距離の中から交換レンズの射出瞳の撮像面１００からの距離に最も近い測距瞳距離を選択する。これにより交換レンズの射出瞳による一対の焦点検出光束のケラレのアンバランスが小さくなり、高精度な焦点検出が可能になる。

選択された測距瞳距離を有するグループに属する画素の一対の光電変換部の出力を一対の測距瞳に対応した一対の出力データにまとめることによって、一対の測距瞳のそれぞれを通過する一対の焦点検出光束が画素配列上（水平方向）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による一対の像の像ズレ量が検出される。さらに、像ズレ量に対して一対の測距瞳の重心間隔と測距瞳距離との比例関係に応じた変換演算を行うことによって、焦点検出位置（垂直方向）における予定結像面と現在の結像面との偏差（デフォーカス量）が算出される。

また３つのグループに属する各画素の一対の光電変換部の出力を加算することにより、一対の光電変換部の代わりに１つの光電変換部を有する通常の撮像画素と同様に、撮影光束全体を受光した場合と同等な出力が得られ、これにより劣化の少ない高品質な画像情報を得ることができる。

図９は撮像素子２１２の回路構成概念図であって、撮像素子はＣＭＯＳイメージセンサーとして構成される。撮像素子２１２の回路構成を、水平方向４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。

図９において、１行目と４行目に破線１１０、１１３で囲んだ画素３１１ａが配列され、２行目には破線１１１で囲んだ画素３１１ｂが配列され、３行目には破線１１２で囲んだ画素３１１ｃが配列される。

同一行、例えば第ｎ行の画素には、垂直走査回路５０３から各画素の動作を制御するために、共通の制御信号φＳｎ、φＲｎ、φＰｎ、φＱｎが供給される。各列の画素の出力は、列毎に共通な垂直信号線５０１に接続されている。各垂直信号線５０１は相関二重サンプリング回路（ＣＤＳ回路）５０２に入力され、各列毎にサンプルホールドと差分処理とが行われる。ＣＤＳ回路５０２の動作は垂直走査回路５０３から出力される制御信号φＣ１、φＣ２により制御される。

ＣＤＳ回路５０２の各列毎の出力信号は、水平走査回路５０４から出力される制御信号φＨ１〜φＨ４により、順次出力回路３３０に転送され、出力回路３３０で設定された増幅度で増幅されて撮像素子２１２の外部に出力される。

図１０は各画素（図９の破線１１０、１１１，１１２，１１３の部分）の詳細回路図である。各画素が有する一対の光電変換部は一対のフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２で構成される。一対のフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２は、それぞれ転送ＭＯＳトランジスタ５１３，５１４を介して浮遊拡散層（フローティングディフュージョン）ＦＤに接続されている。転送ＭＯＳトランジスタ５１３，５１４をそれぞれ制御信号φＰｎ、φＱｎによってＯＮすることにより、一対のフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２で生成され、蓄積された電荷が浮遊拡散層ＦＤに転送される。浮遊拡散層ＦＤは増幅ＭＯＳトランジスタＡＭＰのゲートに接続されており、増幅ＭＯＳトランジスタＡＭＰは浮遊拡散層ＦＤに蓄積された電荷の量に応じた信号を発生する。

浮遊拡散層ＦＤは、リセットＭＯＳトランジスタ５１０を介し、電源電圧Ｖｄｄに接続されている。制御信号φＲｎによりリセットＭＯＳトランジスタ５１０がＯＮすることにより、浮遊拡散層ＦＤに溜まった電荷がクリアされリセット状態となる。

増幅ＭＯＳトランジスタＡＭＰの出力は、行選択ＭＯＳトランジスタ５１２を介して垂直出力線５０１に接続されている。制御信号φＳｎにより行選択ＭＯＳトランジスタ５１２がＯＮすることにより、増幅ＭＯＳトランジスタＡＭＰの出力が垂直出力線５０１に出力される。

図１０において、制御信号φＰｎにより転送ＭＯＳトランジスタ５１３をＯＮすることにより、フォトダイオードＰＤ１に蓄積された電荷量に対応した信号が増幅ＭＯＳトランジスタＡＭＰから出力される。そのままの状態で次に制御信号φＱｎにより転送ＭＯＳトランジスタ５１４をＯＮすることにより、浮遊拡散層ＦＤにおいてフォトダイオードＰＤ１およびＰＤ２に蓄積された電荷量が加算され、加算された電荷量に対応し信号が増幅ＭＯＳトランジスタＡＭＰから出力される。

図１１は、図９のＣＤＳ回路５０２の各列毎の詳細回路構成を示す。垂直出力線５０１はサンプル＆ホールド回路５２１（画素のリセットレベル保持用）、サンプル＆ホールド回路５２２（画素の信号レベル保持用）に入力される。垂直出力線５０１上の信号は制御信号φＣ１、φＣ２がＯＮすることにより、サンプル＆ホールド回路５２１、サンプル＆ホールド回路５２２にサンプルホールドされる。差分回路５２３は、サンプル＆ホールド回路５２２にサンプルホールドされた信号から、サンプル＆ホールド回路５２１にサンプルホールドされた信号を差し引いて出力する。

撮像素子２１２の動作には２つの動作モード、すなわち第１読み出しモードと第２読み出しモードとがある。第１読み出しモードにおいては、撮像によって生成された画像を記録するための通常の画素信号出力動作、すなわち全画素からフォトダイオードＰＤ１およびＰＤ２の加算出力信号を読み出す動作を行う。第２読み出しモードにおいては、液晶表示素子２１６に画像を表示するために全画素からフォトダイオードＰＤ１およびＰＤ２の加算出力信号を読み出すとともに、焦点検出を行うためにフォトダイオードＰＤ１の単独出力信号を読み出す動作を行う。撮像素子は、ボディ駆動制御装置２１４からの制御信号に応じて第１読み出しモードと第２読み出しモードとを切り替えるとともに、垂直走査回路５０３、水平走査回路５０４は読み出しモードに応じて上述した各種制御信号のタイミングを変更する。

図１２は第１読み出しモードにおける図９に示す撮像素子の動作タイミングチャートである。時刻ｔ０において、１行目の画素は垂直走査回路５０３が発する制御信号φＳ１により選択される。制御信号φＲ１は時刻ｔ０にＯＮとなり、１行目の画素の浮遊拡散層ＦＤはリセットレベルにリセットされる。時刻ｔ１に制御信号φＲ１がＯＦＦするとともに、制御信号φＣ１がＯＮし、各列の画素のリセットレベルが各列毎にＣＤＳ回路５０２によりサンプルホールドされる。制御信号φＣ１がＯＦＦした後、時刻ｔ２に制御信号φＰ１、φＱ１が同時にＯＮとなり、浮遊拡散層ＦＤにてフォトダイオードＰＤ１、ＰＤ２に蓄積された電荷が加算され、加算された電荷量に応じた電気信号が垂直信号線５０１に出力される。時刻ｔ３に制御信号φＰ１、φＱ１が同時にＯＦＦとなるとともに、制御信号φＣ２がＯＮし、各列の画素の加算信号レベルが各列毎にＣＤＳ回路５０２によりサンプルホールドされる。ＣＤＳ回路５０２はこの時点において、加算信号レベルからリセットレベルを差し引いた信号を出力する。制御信号φＣ２がＯＦＦした後、時刻ｔ４に制御信号φＳ１がＯＦＦするとともに、ＣＤＳ回路５０２の各列毎の加算信号が水平走査回路５０４から順次発せられる走査信号φＨ１〜φＨ４にしたがって出力回路３３０に転送され、出力回路３３０で設定された増幅度で増幅されて撮像素子２１２の外部に出力される。

１行目の画素の加算信号の出力回路３３０からの出力が終了した時刻ｔ５の時点で、２行目の画素は垂直走査回路５０３が発する制御信号φＳ２により選択され、上述の動作と同様にして２行目の画素の加算信号の出力回路３３０からの出力が行われる。続いて３行目、４行目の加算信号の出力回路３３０からの出力が行われる。全ての画素の加算信号の出力が終了すると、再び１行目に戻って上記動作が周期的に繰り返される。

図１３は、第２読み出しモードにおける図９に示す撮像素子の動作タイミングチャートである。３行目の画素（グループＣに属する画素３１１ｃ）のみ加算信号出力に加えて、焦点検出用にフォトダイオードＰＤ１の単独信号を出力する場合について説明する。

１行目、２行目の画素の加算信号の出力は図１２のタイミングチャートと同様な動作で行われる。２行目の画素の加算信号の出力回路３３０からの出力が終了した時刻ｔ１０の時点で、３行目の画素は垂直走査回路５０３が発する制御信号φＳ３により選択される。制御信号φＲ３は時刻ｔ１０にＯＮとなり、３行目の画素の浮遊拡散層ＦＤはリセットレベルにリセットされる。時刻ｔ１１に制御信号φＲ３がＯＦＦするとともに、制御信号φＣ１がＯＮし、各列の画素のリセットレベルが各列毎にＣＤＳ回路５０２によりサンプルホールドされる。制御信号φＣ１がＯＦＦした後、時刻ｔ１２に制御信号φＰ３がＯＮとなり、浮遊拡散層ＦＤにてフォトダイオードＰＤ１に蓄積された電荷が転送され、転送された電荷量に応じた電気信号が垂直信号線５０１に出力される。時刻ｔ１３に制御信号φＰ３がＯＦＦとなるとともに、制御信号φＣ２がＯＮし、各列の画素のフォトダイオードＰＤ１に蓄積された電荷量に応じた信号レベルが各列毎にＣＤＳ回路５０２によりサンプルホールドされる。ＣＤＳ回路５０２はこの時点において、フォトダイオードＰＤ１に蓄積された電荷量に応じた信号レベルからリセットレベルを差し引いた信号を出力する。制御信号φＣ２がＯＦＦした後、時刻ｔ１４以降ＣＤＳ回路５０２の各列毎の出力が、水平走査回路５０４から順次発せられる走査信号φＨ１〜φＨ４にしたがって出力回路３３０に転送され、出力回路３３０で設定された増幅度で増幅されて撮像素子２１２の外部に出力される。

３行目の画素のフォトダイオードＰＤ１に蓄積された電荷量に応じた単独信号の出力回路３３０からの出力が終了した時点（時刻ｔ１５）に制御信号φＱ３がＯＮとなり、浮遊拡散層ＦＤにてフォトダイオードＰＤ１に蓄積された電荷とフォトダイオードＰＤ２に蓄積された電荷とが加算され、加算された電荷量に応じた電気信号が垂直信号線５０１に出力される。時刻ｔ１６に制御信号φＱ３がＯＦＦとなるとともに、制御信号φＣ２がＯＮし、各列の画素の加算信号レベルが各列毎にＣＤＳ回路５０２によりサンプルホールドされる。ＣＤＳ回路５０２はこの時点において、加算信号レベルからリセットレベルを差し引いた信号を出力する。制御信号φＣ２がＯＦＦした後、時刻ｔ１７以降ＣＤＳ回路５０２の各列毎の出力が、水平走査回路５０４から順次発せられる走査信号φＨ１〜φＨ４にしたがって出力回路３３０に転送され、出力回路３３０で設定された増幅度で増幅されて撮像素子２１２の外部に出力される。

３行目の画素の加算信号の出力が終了すると、４行目の画素の加算信号の出力が図１２のタイミングチャートと同様な動作で行われる。全ての画素の加算出力信号と３行目の単独信号の出力とが終了すると、再び１行目に戻って上記動作が周期的に繰り返される。

図１３のタイミングチャートでは、３行目の画素（グループＣに属する画素３１１ｃ）のみ、加算信号出力に加えて、焦点検出用にフォトダイオードＰＤ１の単独信号を出力するとして説明した。しかし、単独信号を出力する画素行はボディ駆動制御装置２１４からの選択信号に応じて変更可能であり、他の単独信号を出力する画素行に対応するグループＡまたはＢが、ボディ駆動制御装置２１４からの選択信号に応じて選択され得る。グループＡが選択されるとグループＡに属する画素３１１ａのフォトダイオードＰＤ１の単独信号が出力される。グループＢが選択されるとグループＢに属する画素３１１ｂのフォトダイオードＰＤ１の単独信号が出力される。垂直走査回路５０３、水平走査回路５０４は選択された画素行に応じて上述した各種制御信号のタイミングを変更することができる。

図１４は、本実施の形態のデジタルスチルカメラ２０１の撮像動作を示すフローチャートである。図１４に示す各処理ステップは、ボディ駆動制御装置２１４によって実行される。ボディ駆動制御装置２１４により、ステップＳ１００でデジタルスチルカメラ２０１の電源がオンされると、撮像素子２１２は一定周期で撮像動作を繰り返す（例えば１秒間に６０フレームを出力する）動作を開始する。ステップＳ１１０において、操作部材２２０の操作により選択された撮影画面上における焦点検出位置の垂直方向の位置に応じて、連続した３行にわたる一組の画素群（画素３１１ａ、画素３１１ｂ、画素３１１ｃ）が選択される。さらに交換レンズとの通信によって得られる交換レンズの射出瞳距離に応じて、連続した３行にわたる一組の画素群（画素３１１ａ、画素３１１ｂ、画素３１１ｃ）のうちの１行が選択される。

図１５は、射出瞳距離に応じて３つのグループに属する画素（画素３１１ａ、画素３１１ｂ、画素３１１ｃ）のうちどの画素が選択されるのかを説明するための図である。ボディ駆動制御装置２１４には、後述する距離ｄ１（ｄａ＞ｄ１≧ｄｂ）、距離ｄ２（ｄｃ＞ｄ２≧ｄａ）と、測距瞳距離ｄａ、ｄｂおよびｄｃとグループＡ、ＢおよびＣとの対応関係ならびにグループＡ、ＢおよびＣとそれぞれのグループに属する画素３１１ａ、３１１ｂおよび３１１ｃとの対応関係に関する属性情報が予め記憶されている。ボディ駆動制御装置２１４は、上述した予め記憶している情報に基づいて、交換レンズの射出瞳距離が距離ｄ１より小さい場合にはグループＢに属する画素３１１ｂの行を選択し、交換レンズの射出瞳距離が距離ｄ１より大きく距離ｄ２より小さい場合にはグループＡに属する画素３１１ａの行を選択し、交換レンズの射出瞳距離が距離ｄ２より大きい場合にはグループＣに属する画素３１１ｃの行を選択する。

距離ｄ１は、撮影画面中心から画素までの水平方向の距離が同一とした場合、グループＡに属する画素３１１ａの受光する一対の焦点検出光束において射出瞳によって生じるアンバランス量と、グループＢに属する画素３１１ｂの受光する一対の焦点検出光束において射出瞳によって生じるアンバランス量とが等しくなる距離として定められる。具体的には図１５において、撮影画面中心から画素３１１ａまでの水平方向（一対の光電変換部が受光する一対の光束が通過する領域の並び方向）の距離をＤ、撮影画面中心から画素３１１ｂまでの水平方向（一対の光電変換部が受光する一対の光束が通過する領域の並び方向）の距離を（−Ｄ）とし、各画素から測距瞳面Ａ、測距瞳面Ｂの中心に向かう線が交わる距離をｄ１とすることにより、上記条件が満足される。距離ｄ１は測距瞳面Ａと測距瞳面Ｂとをｄａ：ｄｂに内分する距離となり、ｄ１＝２×ｄａ×ｄｂ／（ｄａ＋ｄｂ）となる。

同様にして距離ｄ２は測距瞳面Ａと測距瞳面Ｃとをｄａ：ｄｃに内分する距離となり、ｄ２＝２×ｄａ×ｄｃ／（ｄａ＋ｄｃ）となる。

ステップＳ１１５において、第２読み出しモードで１フレーム分のデータを読み出す。なお第２読み出しモードにおける単独信号の読み出し行は、ステップＳ１１０で選択された行である。選択された焦点検出エリアに対応する行に配置された画素から単独信号が読み出されるとともに、全画素から加算信号が読み出される。読み出された単独信号および加算信号は、ボディ駆動制御装置２１４の内部に記憶される。

続くステップＳ１２０では第２読み出しモードで読み出した加算信号を表示データとして表示画像を生成し、液晶表示素子２１６にライブビュー表示出力させる。ステップＳ１３０では、第２読み出しモードで読み出して記憶された加算信号（フォトダイオードＰＤ１の信号＋フォトダイオードＰＤ２の信号）から、第２読み出しモードで読み出した単独信号（フォトダイオードＰＤ１の信号）を差し引いて、フォトダイオードＰＤ２に蓄積された電荷量に対応する単独信号（フォトダイオードＰＤ２の信号）を生成する。

ステップＳ１４０では、ステップＳ１１０で読み出されて記憶された単独信号（フォトダイオードＰＤ１の信号）とステップＳ１３０で生成された単独信号（フォトダイオードＰＤ２の信号）とから形成される一対の画素信号のうち、選択された焦点検出エリアの画面中の水平方向の範囲に対応した列に配置された画素の一対の画素信号（フォトダイオードＰＤ１の信号およびフォトダイオードＰＤ２の信号）の位相差を算出することにより、撮影光学系の焦点調節状態を検出する。すなわち、焦点検出を行い、デフォーカス量を算出する。デフォーカス量の信頼性が低い場合またはデフォーカス量の算出が不能であった場合は焦点検出不能となる。

ステップＳ１５０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Ｓ１６０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のフォーカシング用レンズ２１０を合焦位置に駆動させる。その後、ステップＳ１１０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のフォーカシング用レンズ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Ｓ１１０へ戻って上述した動作を繰り返す。

ステップＳ１５０で合焦近傍であると判定された場合はステップＳ１７０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Ｓ１１０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Ｓ１８０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（撮影者により設定されたＦ値または自動設定されたＦ値）にする。絞り制御が終了した時点で、撮像素子２１２に被写体輝度に応じた露光時間による撮像動作を行わせ、撮像素子２１２の全画素から第１読み出しモードにて加算信号を読み出し、該加算信号に所定の画像処理を施して画像データを生成する。

続くステップＳ１９０では、生成された画像データをメモリカード２１９に出力して記憶させ、ステップＳ１１０へ戻って上述した動作を繰り返す。さらにステップＳ１９０では、生成された画像データを液晶表示素子２１６にライブビュー表示出力させてもよい。

次に図１４のステップＳ１４０におけるデフォーカス量の算出、およびその算出に用いられる一般的な像ズレ検出演算処理（相関演算処理）の詳細は、特開２０１０−１２９７８３号公報に開示されており、その像ズレ量に変換係数を乗じてデフォーカス量が算出される。第２読み出しモードにて読み出された行には例えば緑画素と赤画素とが配置されていたとすると、緑画素のデータおよび赤画素のデータからそれぞれデフォーカス量が算出される。なお上記変換係数は、測距瞳の重心間隔が絞り開口径に応じて変化するために、絞り開口径（Ｆ値）に応じて変化する。

緑画素の出力信号に基づきデフォーカス量が算出され、同様にして赤画素の出力信号に基づきデフォーカス量が算出されるので、両者を平均して、選択された焦点検出エリアの最終的なデフォーカス量とする。

本実施の形態においては、交換レンズの射出瞳距離に応じて焦点検出に最適な画素、すなわち射出瞳により生じる一対の焦点検出光束のアンバランスが最小となる画素が選択される。したがって、焦点検出精度が向上するとともに、画素位置の画像データが該画素位置に配置された画素の一対の光電変換部の信号を加算するだけで簡易かつ高精度に得られるので、従来技術に比較して画像の品質も向上する。

第２読み出しモードでは、１フレームの画素信号読み出し動作で、全画素の一対の光電変換部からの信号を加算して信号を読み出すとともに、焦点検出に用いる行に配置された画素のみ一対の光電変換部の一方の信号を独立に読み出すことができる。したがって、従来技術に比較して、各画素が一対の光電変換部を有することによる読み出し信号数の増加は最小限ですみ、かつ１フレームの読み出しで焦点検出と画像表示・記録とを行うので、焦点検出や画像表示・記録のレスポンスも低下しない。

また、撮像素子内部で一対の光電変換部の信号を加算しているので、撮像素子の外部で一対の光電変換部からの信号を加算するための構成や負荷が不要であり、簡易な構成で遅れのない迅速な表示や記録が可能になる。

また、画素の一対の光電変換部の信号だけを用い、該画素位置での画像データを高精度に求めることができる。すなわち、隣接する画素の信号による補間処理が必要無いので、焦点検出に用いる信号を生成する画素をきわめて近接または隣接して配置することができる。したがって、グループ選択に応じて異なる画素を焦点検出に用いる際に生じる垂直方向の焦点検出位置の移動を最小にすることができる。

−−−変形例−−−
（１） 上述した実施の形態では、交換レンズの射出瞳距離に応じて１つのグループが選択されるとともに、選択された焦点検出エリアの位置に応じて該グループに属する１つの行が選択され、第２読み出しモードにより、その行において単独信号の読み出しが付加的に行われている。しかし、もちろん選択されたグループに属する近接した複数の行を選択するとともに、該複数の行において単独信号の読み出しを行うようにしてもよい。

例えば焦点検出エリアの範囲が垂直方向に比較的広い場合には、焦点検出エリアの撮影画面中の垂直方向の範囲における同一グループの複数の行を選択して、該複数の行において単独信号の読み出しを行う。

（２） 上述した実施の形態では、第２読み出しモードにおいて、選択された行に属するすべての画素において単独信号の読み出しが行われている。しかし、水平走査回路からの制御信号を制限することにより、その行に属する一部の画素のみにおいて単独信号の読み出しを行うようにしても良い。

例えば、単独信号を読み出す際に、選択された焦点検出エリアの画面中の水平方向の範囲に対応した画素列を構成する画素にのみ水平走査回路から制御信号を加えることにより、一部の画素のみにおいて単独信号の読み出しを行うことができ、全体としての読み出し時間をさらに短縮することができる。

（３） 上述した実施の形態では、第２読み出しモードにおいて、水平方向に並んだ一対の光電変換部を含む画素が水平方向に配置された行から単独信号の読み出しが行われている。しかし、垂直方向に並んだ一対の光電変換部を含む画素が垂直方向に配置された列から単独信号の読み出しを行っても良い。

例えばすべての行において、特定の列の画素のみ単独信号の読み出しが行われるように、垂直走査回路および水平走査回路から出される制御信号のタイミングを変更することができる。このようにすれば画像のコントラストが垂直方向のみに変化している場合においても焦点検出が可能となる。

（４） 上述した実施の形態においては、撮像素子のすべての画素が一対の光電変換部を有するとして説明を行ったが、本発明はそれに限定されることなく、撮像素子の一部の画素が一対の光電変換部を有する構成にも適用可能である。

図１６は、本変形例における撮像素子２１２の撮像面に規定される撮影画面１００（交換レンズ２０２の撮影画面）上における焦点検出エリアの配置を示す正面図である。図１６は、撮像素子２１２上における一対の光電変換部を含む焦点検出画素の配列を用いた焦点検出において、撮影画面上で像がサンプリングされる領域（焦点検出エリア、焦点検出位置）を示した一例である。この例では、矩形の撮影画面１００上の中央（光軸上）および上下左右の５箇所に焦点検出エリア１０１〜１０５が配置される。長方形で示す焦点検出エリアの長手方向に、焦点検出画素が直線的に配列される。焦点検出エリア１０１、１０２、１０３、１０４、１０５においては焦点検出画素が水平方向に配列される。

図１７は撮像素子２１２の詳細な構成を示す正面図であり、図１６における焦点検出エリア１０１、１０２、１０３、１０４、１０５のうちの任意の焦点検出エリアの近傍を拡大した画素配列の詳細を示す。撮像素子２１２には周知の撮像画素３１０が二次元正方格子状に稠密に配列される。各撮像画素３１０は、１つの光電変換部１１を有している。光電変換部１１が受光する光束が通る領域の形状は、図６および図７に示す一対の領域９５および９６の両方を合わせた領域の形状、すなわち交換レンズ２０２の射出瞳の形状に相当する。撮像画素３１０は赤画素（Ｒ）、緑画素（Ｇ）、青画素（Ｂ）からなり、ベイヤー配列の配置規則によって配置されている。焦点検出用に、撮像画素と同一の画素サイズを有するＡグループに属する焦点検出画素３１１ａが、本来緑画素と赤画素とが連続的に配置されるべき水平行に直線状に連続して水平方向に配列され、Ｂグループに属する焦点検出画素３１１ｂが、焦点検出画素３１１ａの配列した行に隣接して上記本来緑画素と青画素とが連続的に配置されるべき水平行に直線状に連続して水平方向に配列され、Ｃグループに属する焦点検出画素３１１ｃが、焦点検出画素３１１ｂの配列した行に隣接して上記本来緑画素と赤画素とが連続的に配置されるべき水平行に直線状に連続して水平方向に配列される。焦点検出画素３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃには本来その位置に配置されるべき撮像画素と同じ色配列による色フィルタが設けられている。

上記のような構成の撮像素子において、射出瞳距離に応じて１つのグループが選択され、その選択されたグループに従って、ユーザーにより選択された焦点検出エリアの位置に対応した位置に配置された３行（焦点検出画素３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃ）の中の１行が選択される。第２読み出しモードにおいて、選択された行に配置された焦点検出画素から単独信号の読み出しと加算信号の読み出しとが行われ、選択されなかった行の焦点検出画素から加算信号の読み出しのみが行われる。また撮像画素が配置された行からは通常の信号の読み出しが行われる。このような構成においては、焦点検出エリアに対応する画素以外は通常の撮像画素を用いることが出来るので、撮像素子の構造を簡素化できる。

（５） 上述した実施の形態においては、画素の一対の光電変換部の信号を加算した信号により画像信号を生成しているので、従来技術よりも画像信号の品質が向上している。図４、図５に例示したように一対の光電変換部の間に光感度がない素子分離領域があるため、交換レンズの絞り開口Ｆ値が大きくなると、加算信号と、素子分離領域の無い１つの光電変換部を有する本来の撮像画素の信号（実撮像出力）との差が大きくなる。これを考慮して加算信号を補正することにより、より高精度な画像信号を得ることができる。

図１８は、図２における撮影画面１００の中心１９１近傍に配置された画素３１１ａを例にとり、一対の光電変換部１５，１６に入射する光束の範囲を示した正面図である。画素の一対の光電変換部１５，１６上にはマイクロレンズ１０により、交換レンズ２０２である光学系の射出瞳の像が円形で形成される。円形の射出瞳の像の中心位置Ｃは、光電変換素子１５、１６の重心位置に相当する素子分離領域１７の中央位置Ｇと一致している。

撮影光学系のＦ値が小さい場合、射出瞳の像は円５１で表される。円５１の内部に光束が入射し、そのうち素子分離領域１７に入射する光束の量は全体の光束の量に比較して小さいので、一対の光電変換部１５、１６の出力を加算した加算信号出力と実撮像出力との偏差は小さい。

撮影光学系のＦ値が中程度の場合、射出瞳の像は円５２で表される。円５２の内部に光束が入射し、そのうち素子分離領域１７に入射する光束の量は全体の光束の量に比較して大きくなるので、一対の光電変換部１５、１６の出力を加算した加算信号出力と実撮像出力との偏差は大きくなる。

撮影光学系のＦ値がさらに大きくなった場合、射出瞳の像は円５３で表される。円５３の内部に光束が入射し、そのうち素子分離領域１７に入射する光束の量は全体の光束の量に比較してさらに大きくなるので、一対の光電変換部１５、１６の出力を加算した加算信号出力と実撮像出力との偏差はさらに大きくなる。

上記のような素子分離領域の存在によって発生する偏差を補正するために、一対の光電変換部の出力を加算して得られる加算信号に対し、撮影光学系のＦ値に対応した補正係数を乗ずることにより加算信号を補正して撮像出力に換算する算出を行う。こうすることにより、撮像出力と実撮像出力との偏差が生じないようにする。

図１９は図１８に説明した撮影絞りのＦ値と補正係数との関係を示した図である。実線６１で表されるように、補正係数の値はＦ値が小さい場合はほぼ１であるが、Ｆ値が大きくなるにつれて１より大きな値に変化していく。補正係数の値は、実撮像出力と加算信号との比を測定することによって得られる実測値でもよいし、実撮像出力と加算信号との比を設計データに基づき計算で求めることによって得られる設計値であってもよい。実撮像出力と加算信号との比は、例えば図１８に示した射出瞳の像を表す円５１、５２または５３の面積値と、その面積値からその円と素子分離領域１７との重なり部分の面積値を差し引いた値との比である。

図１９に示すＦ値と補正係数との関係に基づくルックアップテーブルを、例えばボディ駆動制御装置２１４が有するメモリに記憶させる。撮像時のＦ値情報を交換レンズとの通信により取得し、該Ｆ値に応じた補正係数を図１９に示すＦ値と補正係数との関係に基づくルックアップテーブルを参照して選択し、該補正係数を一対の光電変換部の出力を加算して得られる加算信号に乗ずる補正により、実撮像出力との偏差が少ない高品質な撮像出力を得ることができる。

図２０は、図２における撮影画面１００の中心１９１から水平右方向に離れた位置に配置された画素３１１ａを例にとり、一対の光電変換部１５，１６に入射する光束の範囲を示した正面図である。交換レンズ２０２の射出瞳距離ｄｎ１が測距瞳距離ｄａより短い場合を示している。画素の一対の光電変換部１５，１６上には、マイクロレンズ１０により交換レンズ２０２である光学系の射出瞳の像が円形で概略形成されることになる。一対の光束が非対称に制限されるので、射出瞳の円形の像の中心位置Ｃが光電変換部１５，１６の重心位置に相当するである素子分離領域１７の中央位置Ｇからずれる。

このズレ量は、撮影画面１００の中心１９１から画素までの水平方向の距離（像高）、測距瞳距離と射出瞳距離との関係によって変化する。図２０において、撮影光学系のＦ値が小さい場合、射出瞳の像は円５１で表される。円５１の内部に光束が入射し、そのうち素子分離領域１７に入射する光束の量は全体の光束の量に比較して小さいので、一対の光電変換部１５、１６の出力を加算した加算信号と実撮像出力との偏差は小さい。

撮影光学系のＦ値が中程度の場合、射出瞳の像は円５２で表される。円５２の内部に光束が入射し、そのうち素子分離領域１７に入射する光束の量は全体の光束の量に比較して大きくなるので、一対の光電変換部１５、１６の出力を加算した加算信号と実撮像出力との偏差は大きくなる。

撮影光学系のＦ値がさらに大きくなった場合、射出瞳の像は円５３で表される。円５３の内部に光束が入射し、そのうち素子分離領域１７に入射する光束の量は全体の光束の量に比較してさらに大きくなるので、一対の光電変換部１５、１６の出力を加算した加算信号と実撮像出力との偏差はさらに大きくなる。

図１８と図２０とを比較すると、図２０においては、素子分離領域１７の中央位置Ｇと射出瞳の円形の像の中心位置Ｃとがずれるので、素子分離領域１７上に入射する光束の量は図２０のほうが少なくなる。

上記のような現象によって生じる一対の光電変換部の加算信号と実撮像出力との偏差を補正する。一対の光電変換部１５、１６の出力を加算して得られた加算信号に対し、撮影光学系のＦ値、射出瞳距離および画素の像高に対応した補正係数を乗じて補正することにより、撮像出力に換算する算出を行う。こうすることにより、撮像出力と実撮像出力との偏差が生じないようにする。

図２１は、上述したように撮影絞りのＦ値と射出瞳距離と画素の像高とに応じて一対の光電変換部の加算信号と実撮像出力との間に生じる誤差を補正するための補正係数とＦ値との関係を示した図である。補正係数の値は、Ｆ値が小さい場合はほぼ１であるが、Ｆ値が大きくなるにつれて１より大きな値に変化していく。実線６１は、射出瞳距離が測距瞳距離と等しい場合のＦ値と補正係数との関係を表し、図１９の補正係数を表す実線６１と同一となる。

破線６２は、所定の像高Ｉ１における射出瞳距離が測距瞳距離と異なる場合のＦ値と補正係数との関係を表し、補正係数はＦ値が大きくなるにつれて実線６１より小さな値となる。点線６３は、所定の像高Ｉ１よりも大きな所定の像高Ｉ２における、破線６２と同じ射出瞳距離の場合のＦ値と補正係数との関係であって、Ｆ値が大きくなるにつれて破線６２より小さな値となる。

図２１においては代表的な射出瞳距離における３種類の像高に対する補正係数しか示されていないが、任意の射出瞳距離および像高に応じて補正係数を定めることができる。従って、撮像時のＦ値と射出瞳距離と像高とに応じた補正係数を選択し、該補正係数を一対の光電変換部１５、１６の出力を加算して得られた加算信号に乗ずることにより算出される撮像出力と実撮像出力との偏差が少ない高品質な撮像出力を得ることができる。

（６） 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、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。

１０ マイクロレンズ、１１、１５、１６ 光電変換部、１７ 素子分離領域、
２９ 半導体回路基板、３０ 遮光マスク、３１、３２ 平坦化層、
３４ 色フィルタ、４０ 半導体基板表面、４１ 面、４２ 光軸、４３ 軸、
５１、５２、５３ 円、６１ 実線、６２ 破線、６３ 点線、
８５、８６ 光束、９０ 測距瞳面、９１ 軸（光軸）、９２ 直線、
９５、９６、１９５、１９６、２９５、２９６ 領域（測距瞳）、
１００ 撮影画面、１０１〜１０５ 焦点検出エリア、
１１０、１１１、１１２、１１３ 破線、
１８０ 領域、１９１ 中心、１９２、１９３ 位置、
２０１ デジタルスチルカメラ、２０２ 交換レンズ、２０３ カメラボディ、
２０４ マウント部、２０６ レンズ駆動制御装置、
２０８ ズーミング用レンズ、２０９ レンズ、２１０ フォーカシング用レンズ、
２１１ 絞り、２１２ 撮像素子、２１３ 電気接点、
２１４ ボディ駆動制御装置、２１５ 液晶表示素子駆動回路、２１６ 液晶表示素子、
２１７ 接眼レンズ、２１９ メモリカード、２２０ 操作部材、
３１０ 撮像画素、３１１ 焦点検出画素、３３０ 出力回路、
５０１ 垂直信号線、５０２ ＣＤＳ回路、
５０３ 垂直走査回路、５０４ 水平走査回路、
５１０ リセットＭＯＳトランジスタ、５１２ 行選択ＭＯＳトランジスタ、
５１３、５１４ 転送ＭＯＳトランジスタ、
５２１、 ５２２ サンプル＆ホールド回路、５２３ 差分回路

Claims (9)

1. 第１画素と第２画素とを有する撮像素子であって、
   前記第１画素は、第１方向において前記撮像素子の中心を通る線から所定距離に配置され、第１マイクロレンズと前記第１マイクロレンズを透過した光を光電変換する第１及び第２光電変換部と、前記第１マイクロレンズの光軸から前記第１方向において第１距離に設けられ、前記第１光電変換部と前記第２光電変換部とを分離する分離部とを有し、
   前記第２画素は、前記第１方向において前記撮像素子の中心を通る線から前記所定距離に配置され、第２マイクロレンズと前記第２マイクロレンズを透過した光を光電変換する第３及び第４光電変換部と、前記第２マイクロレンズの光軸から前記第１方向において前記第１距離と異なる第２距離に設けられ、前記第３光電変換部と前記第４光電変換部とを分離する分離部とを有する撮像素子。
2. 請求項１に記載の撮像素子において、
   前記撮像素子は、複数の前記第１画素と、複数の前記第２画素とを有し、
   複数の前記第１画素は、前記撮像素子の中心を通る線からの距離によって前記第１距離がそれぞれ異なり、
   複数の前記第２画素は、前記撮像素子の中心を通る線からの距離によって前記第２距離がそれぞれ異なる撮像素子。
3. 第１マイクロレンズと前記第１マイクロレンズを透過した光を光電変換する第１及び第２光電変換部と、前記第１マイクロレンズの光軸から第１方向において第１距離に設けられ、前記第１光電変換部と前記第２光電変換部とを分離する分離部とを有し、前記第１方向において所定の像高位置に配置される第１画素と、
   第２マイクロレンズと前記第２マイクロレンズを透過した光を光電変換する第３及び第４光電変換部と、前記第２マイクロレンズの光軸から前記第１方向において前記第１距離と異なる第２距離に設けられ、前記第３光電変換部と前記第４光電変換部とを分離する分離部とを有し、前記第１方向において前記所定の像高位置に配置される第２画素と、を備える撮像素子。
4. 請求項３に記載の撮像素子において、
   前記撮像素子は、複数の前記第１画素と、複数の前記第２画素とを有し、
   複数の前記第１画素は、像高位置によって前記第１距離がそれぞれ異なり、
   複数の前記第２画素は、像高位置によって前記第２距離がそれぞれ異なる撮像素子。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の撮像素子において、
   前記第１画素と前記第２画素とは前記第１方向と交差する第２方向に配置される撮像素子。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の撮像素子と、
   光学系の瞳距離に基づいて、前記第１画素から出力される信号および前記第２画素から出力される信号の少なくとも一方を選択して前記光学系の焦点検出を行う検出部と、を備える撮像装置。
7. 請求項６に記載の撮像装置において、
   前記光学系を有する交換レンズから前記光学系に関する情報を受信する受信部を備え、
   前記検出部は、前記受信部で受信した情報に基づいて、前記第１画素から出力される信号および前記第２画素から出力される信号の少なくとも一方を選択して前記光学系の焦点検出を行う撮像装置。
8. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の撮像素子と、
   光学系の瞳距離に基づいて、前記第１画素および前記第２画素の少なくとも一方を選択して、選択された前記第１画素および前記第２画素の少なくとも一方から出力される信号に基づいて前記光学系の焦点検出を行う検出部と、を備える撮像装置。
9. 請求項８に記載の撮像装置において、
   前記光学系を有する交換レンズから前記光学系に関する情報を受信する受信部を備え、
   前記検出部は、前記受信部で受信した情報に基づいて、前記第１画素および前記第２画素の少なくとも一方を選択して、前記光学系の焦点検出を行う撮像装置。

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