JP6584383B2 - 撮像素子及び撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮像素子及び撮像装置に関するものである。

撮像装置で行われる焦点検出方法の１つに、撮像素子に形成された焦点検出画素により位相差方式の焦点検出を行う撮像面位相差方式がある。

特許文献１では、１つの画素に対して、１つのマイクロレンズと複数の光電変換部が形成されている２次元撮像素子を用いた撮像装置が開示されている。複数の光電変換部は、１つのマイクロレンズを介して撮影レンズの射出瞳の異なる領域を透過した光を受光するように構成され、瞳分割を行っている。こういった複数の光電変換部を有する画素（焦点検出画素）から出力されたそれぞれの焦点検出信号から相関量を算出し、算出した相関量から像ずれ量を求めることで、位相差方式の焦点検出を行うことができる。また、特許文献２では、複数の光電変換部からそれぞれ出力された焦点検出信号を画素毎に加算することにより撮像信号を生成することが開示されている。

また、特許文献３では、複数の撮像画素からなる２次元撮像素子に、部分的に対の焦点検出画素が配置された撮像装置が開示されている。対の焦点検出画素は、開口部を有する遮光層により、撮影レンズの射出瞳の異なる領域を受光するように構成され、瞳分割を行っている。２次元撮像素子の大部分に配置された撮像画素で撮像信号を取得し、一部に配置された焦点検出画素の焦点検出信号から相関量を算出し、算出した相関量から像ずれ量を求めて、位相差方式の焦点検出を行うことが開示されている。

撮像面位相差方式の焦点検出においては、撮像素子に形成された焦点検出画素によりデフォーカス方向とデフォーカス量を同時に検出することが可能であり、高速に焦点調節を行うことができる。

米国特許４４１０８０４号 特開２００１−０８３４０７号公報 特開２０００−１５６８２３号公報

しかしながら、撮像面位相差方式では、撮像素子の周辺像高への撮影レンズ（結像光学系）からの光の入射角の変動範囲が大きい場合に、センサー入射瞳と撮影レンズ射出瞳の瞳ずれが大きくなってしまい、基線長が確保されず、撮像面位相差方式の焦点検出性能が低下する場合があるという課題がある。

本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、撮像素子の周辺像高への結像光学系からの光の入射角の変動範囲が大きい場合に、幅広い条件で撮像面位相差方式による焦点検出を可能とすることを目的とする。

上記目的を達成するために、結像光学系と、前記結像光学系の異なる瞳部分領域を通過する光束をそれぞれ受光する複数の光電変換部が設けられた画素が複数配列された撮像素子とを備えた本発明の撮像装置は、前記結像光学系の少なくともズーム、フォーカス、絞りのいずれかによる射出瞳距離の変化に対して、最小射出瞳距離Ｌ_minと前記結像光学系の最大射出瞳距離Ｌ_max として、前記撮像素子の入射瞳距離Ｚ_sが、

を満たすことを特徴とする。

本発明によれば、撮像素子の周辺像高への結像光学系からの光の入射角の変動範囲が大きい場合に、幅広い条件で撮像面位相差方式による焦点検出を可能とすることができる。

本発明の実施の形態に係る撮像装置の概略構成図。 実施形態における画素配列の概略図。 実施形態における画素の概略平面図と概略断面図。 実施形態における画素構造と瞳分割の概略説明図。 実施形態における撮像素子と瞳分割の概略説明図。 実施形態における撮像素子の入射瞳と、結像光学系の射出瞳との間の瞳ずれの対応関係を示す概略説明図。 変形例における画素配列の概略図。 変形例における画素の概略平面図と概略断面図。 実施形態における画素内部の光強度分布例を示す図。 実施形態における瞳強度分布を例示する図。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態を詳細に説明する。

［全体構成］
図１は本発明の実施の形態における撮像素子を有する撮像装置であるカメラの概略構成を示したものである。図１において、第１レンズ群１０１は結像光学系の先端に配置され、光軸方向に進退可能に保持される。絞り兼用シャッタ１０２は、その開口径を調節することで撮影時の光量調節を行うほか、静止画撮影時には露光秒時調節用シャッタとしての機能も備える。第２レンズ群１０３は、絞り兼用シャッタ１０２と一体となって光軸方向に進退し、第１レンズ群１０１の進退動作との連動により、変倍作用（ズーム機能）を実現することができる。

第３レンズ群１０５（フォーカスレンズ）は、光軸方向の進退により焦点調節を行う。光学的ローパスフィルタ１０６は、撮影画像の偽色やモアレを軽減するための光学素子である。撮像素子１０７は２次元ＣＭＯＳフォトセンサとその周辺回路からなり、結像光学系の結像面に配置される。

ズームアクチュエータ１１１は、不図示のカム筒を回動することで、第１レンズ群１０１ないし第２レンズ群１０３を光軸方向に進退駆動し、変倍操作を行う。絞りシャッタアクチュエータ１１２は、絞り兼用シャッタ１０２の開口径を制御して撮影光量を調節すると共に、静止画撮影時の露光時間制御を行う。フォーカスアクチュエータ１１４は、第３レンズ群１０５を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行う。

撮影時の被写体照明用電子フラッシュ１１５で、キセノン管を用いた閃光照明装置が好適だが、連続発光するＬＥＤを備えた照明装置を用いても良い。ＡＦ補助光発光部１１６は、所定の開口パターンを有したマスクの像を、投光レンズを介して被写界に投影し、暗い被写体あるいは低コントラスト被写体に対する焦点検出能力を向上させる。

カメラ内ＣＰＵ１２１は、カメラ本体の種々の制御を司り、演算部、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、通信インターフェイス回路等を有する。ＣＰＵ１２１は、ＲＯＭに記憶された所定のプログラムに基づいて、カメラが有する各種回路を駆動し、ＡＦ、撮影、画像処理と記録等の一連の動作を実行する。

電子フラッシュ制御回路１２２は、撮影動作に同期して電子フラッシュ１１５を点灯制御する。補助光駆動回路１２３は、焦点検出動作に同期してＡＦ補助光発光部１１６を点灯制御する。撮像素子駆動回路１２４は、撮像素子１０７の撮像動作を制御するとともに、取得した画像信号をＡ／Ｄ変換してＣＰＵ１２１に送信する。画像処理回路１２５は、撮像素子１０７が取得した画像のγ変換、カラー補間、ＪＰＥＧ圧縮等の処理を行う。

フォーカス駆動回路１２６は、焦点検出結果に基づいてフォーカスアクチュエータ１１４を駆動制御し、第３レンズ群１０５を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行う。絞りシャッタ駆動回路１２８は、絞りシャッタアクチュエータ１１２を駆動制御して絞り兼用シャッタ１０２の開口を制御する。ズーム駆動回路１２９は、撮影者のズーム操作に応じてズームアクチュエータ１１１を駆動する。

ＬＣＤ等の表示器１３１は、カメラの撮影モードに関する情報、撮影前のプレビュー画像と撮影後の確認用画像、焦点検出時の合焦状態表示画像等を表示する。操作スイッチ群１３２は、電源スイッチ、レリーズ（撮影トリガ）スイッチ、ズーム操作スイッチ、撮影モード選択スイッチ等で構成される。着脱可能なフラッシュメモリ１３３は、撮影済み画像を記録する。

［撮像素子］
次に、本実施形態における撮像素子１０７の撮像画素と焦点検出画素の配列の概略を図２に示す。図２は、本実施形態の２次元ＣＭＯＳセンサー（撮像素子）の画素（撮像画素）配列を４列×４行の範囲で、焦点検出画素配列を８列×４行の範囲で示したものである。

画素群２００は２行×２列の画素からなり、Ｒ（赤）の分光感度を有する画素２００Ｒが左上に、Ｇ（緑）の分光感度を有する画素２００Ｇが右上と左下に、Ｂ（青）の分光感度を有する画素２００Ｂが右下に配置されている。さらに、各画素は２列×１行に配列された第１焦点検出画素２０１と第２焦点検出画素２０２により構成されている。

図２に示した４列×４行の画素（８列×４行の焦点検出画素）を面上に多数配置し、撮像画像（焦点検出信号）の取得を可能としている。本実施形態では、撮像素子の水平サイズＨが３６ｍｍ、垂直サイズＶが２４ｍｍ、画素の周期Ｐが４．８μｍ、画素数Ｎが水平７５００列×垂直５０００行＝３７５０万画素、焦点検出画素の列方向周期ＰＡＦが２．４μｍ、焦点検出画素数ＮＡＦが水平１５０００列×垂直５０００行＝７５００万画素の撮像素子として説明を行う。

図２に示した撮像素子１０７の１つの画素２００Ｇを、撮像素子１０７の受光面側（＋ｚ側）から見た平面図を図３（ａ）に示し、図３（ａ）のａ−ａ断面を−ｙ側から見た断面図を図３（ｂ）に示す。図３に示すように、本実施形態の画素２００Ｇでは、各画素の受光側に入射光を集光するためのマイクロレンズ３０５が形成され、ｘ方向にＮＨ分割（２分割）、ｙ方向にＮＶ分割（１分割）された光電変換部３０１と光電変換部３０２が形成される。光電変換部３０１及び３０２が、それぞれ、第１焦点検出画素２０１と第２焦点検出画素２０２に対応する。

光電変換部３０１及び３０２は、ｐ型層とｎ型層の間にイントリンシック層を挟んだｐｉｎ構造フォトダイオードとしても良いし、必要に応じて、イントリンシック層を省略し、ｐｎ接合フォトダイオードとしても良い。

各画素には、マイクロレンズ３０５と、光電変換部３０１及び３０２との間に、カラーフィルタ３０６が形成される。また、必要に応じて、各焦点検出画素毎にカラーフィルタの分光透過率を変えても良いし、カラーフィルタを省略しても良い。

図３に示した画素２００Ｇに入射した光は、マイクロレンズ３０５により集光され、カラーフィルタ３０６で分光されたのち、光電変換部３０１及び３０２で受光される。光電変換部３０１及び３０２では、受光量に応じて電子とホールが対生成し、空乏層で分離された後、負電荷の電子はｎ型層（不図示）に蓄積され、一方、ホールは定電圧源（不図示）に接続されたｐ型層を通じて撮像素子１０７の外部へ排出される。光電変換部３０１及び３０２のｎ型層（不図示）に蓄積された電子は、転送ゲートを介して、静電容量部（ＦＤ）に転送され、電圧信号に変換されて出力される。なお、マイクロレンズ３０５の焦点位置はマイクロレンズの形状（曲率等）、材質（屈折率等）、対応する光電変換部との位置関係等によって変化する。これらのパラメータを設定することによってマイクロレンズ３０５の焦点位置を設定することが可能となる。

なお、図２に示す画素２００Ｒ，２００Ｂも、画素２００Ｇと同様の構成を有し、画素２００Ｇと同様にして、カラーフィルタ３０６により各色に分光された光に応じた電圧信号を出力する。

図３に示した本実施の形態の画素構造と瞳分割との対応関係を図４を参照して説明する。図４は、図３（ａ）に示した本実施形態の画素構造のａ−ａ断面を＋ｙ側から見た断面図と結像光学系の射出瞳面をに示す図である。なお、図４では、射出瞳面の座標軸と対応を取るために、断面図のｘ軸とｙ軸を図３に対して反転させている。

第１焦点検出画素２０１の第１瞳部分領域５０１は、重心が−ｘ方向に偏心している光電変換部３０１の受光面と、マイクロレンズ３０５によって概ね共役関係になっており、第１焦点検出画素２０１で受光可能な瞳領域を表している。第１焦点検出画素２０１の第１瞳部分領域５０１は、瞳面上で＋Ｘ側に重心が偏心している。

また、第２焦点検出画素２０２の第２瞳部分領域５０２は、重心が＋ｘ方向に偏心している光電変換部３０２の受光面と、マイクロレンズ３０５によって概ね共役関係になっており、第２焦点検出画素２０２で受光可能な瞳領域を表している。第２焦点検出画素２０２の第２瞳部分領域５０２は、瞳面上で−Ｘ側に重心が偏心している。

また、瞳領域５００は、光電変換部３０１及び３０２（第１焦点検出画素２０１と第２焦点検出画素２０２）を全て合わせた際の画素２００Ｇ全体で受光可能な瞳領域である。４００は、絞り兼用シャッタ１０２の開口を表している。

図５は、本実施の形態の撮像素子と瞳分割との対応関係を示した概略図である。撮像素子の入射瞳距離Ｚ_sにおいて、撮像素子１０７の面上の各位置に配置された各画素の第１焦点検出画素２０１の受光領域に対応する第１瞳部分領域５０１が、概ね、一致するように構成されている。同様に、第２焦点検出画素２０２の受光領域に対応する第２瞳部分領域５０２が、概ね、一致するように構成されている。つまり、撮像素子の入射瞳距離Ｚ_sにおいて、撮像素子１０７の各画素の第１瞳部分領域５０１と第２焦点検出画素５０２との瞳分割位置が、概ね、一致するように構成されている。以下、第１瞳部分領域５０１及び第２瞳部分領域５０２を、「センサー入射瞳」と呼ぶ。第１瞳部分領域５０１と第２瞳部分領域５０２の結像光学系の異なる瞳部分領域を通過した一対の光束は、撮像素子１０７の各画素にそれぞれ異なる角度で入射し、２×１分割された第１焦点検出画素２０１と第２焦点検出画素２０２で受光される。

図９に、各画素に形成されたマイクロレンズに光が入射した場合の光強度分布を例示する。図９（ａ）はマイクロレンズの光軸に平行な断面での光強度分布を示す。図９（ｂ）はマイクロレンズの焦点位置において、マイクロレンズの光軸に垂直な断面での光強度分布を示す。入射光は、マイクロレンズにより、焦点位置に集光される。しかし、光の波動性による回折の影響のため、集光スポットの直径は回折限界Δより小さくすることはできず、有限の大きさとなる。光電変換部の受光面サイズは約１〜２μｍ程度であり、これに対してマイクロレンズの集光スポットが約１μｍ程度である。そのため、光電変換部の受光面とマイクロレンズを介して共役の関係にある、図４の第１瞳部分領域５０１と第２瞳部分領域５０２は、回折ボケのため、明瞭に瞳分割されず、光の入射角に依存した受光率分布（瞳強度分布）となる。

図１０に、光の入射角に依存した受光率分布（瞳強度分布）例を示す。横軸は（瞳座標に換算できる）光の入射角度θを表し、縦軸は受光率を表す。図１０に破線で示すグラフ線ＰＩ１（θ）は、図４の第１瞳部分領域５０１のＸ軸に沿った瞳強度分布を表し、鎖線で示すグラフ線ＰＩ２（θ）は、第２瞳部分領域５０２のＸ軸に沿った瞳強度分布を表す。また、図１０に実線で示すグラフ線ＰＩ（θ）＝ＰＩ１（θ）＋ＰＩ２（θ）は、図４の第１瞳部分領域５０１と第２瞳部分領域５０２を合わせた瞳領域５００のＸ軸に沿った瞳強度分布を表す。図示のように、緩やかに瞳分割されることがわかる。

本実施形態は、瞳領域が水平方向に２つに瞳分割されている例である。必要に応じて、垂直方向に瞳分割を行っても良い。

なお、上述した例では第１焦点検出画素と第２焦点検出画素から構成された撮像画素が複数配列されているが、本発明はこれに限られるものではない。必要に応じて、撮像画素と、第１焦点検出画素、第２焦点検出画素を個別の画素構成とし、撮像画素配列の一部に、第１焦点検出画素と第２焦点検出画素を部分的に配置する構成としても良い。

本実施形態では、撮像素子１０７の各画素の第１焦点検出画素２０１の受光信号を集めて第１焦点検出信号を生成し、各画素の第２焦点検出画素２０２の受光信号を集めて第２焦点検出信号を生成して焦点検出を行う。また、撮像素子の各画素毎に、第１焦点検出画素２０１と第２焦点検出画素２０２の信号を加算することで、有効画素数Ｎの解像度の撮像信号（撮像画像）を生成する。

［瞳ずれ］
図６は、本実施形態の撮像素子１０７の入射瞳（以下、「センサー入射瞳」と呼ぶ。）と、結像光学系の射出瞳（以下、「撮影レンズ射出瞳」と呼ぶ。）との間の瞳ずれの対応関係の概略説明図である。図６において、撮像素子１０７の入射瞳距離（以下、「センサー入射瞳距離」と呼ぶ。）をＺ_s、撮像素子１０７の最大像高をＲとし、結像光学系の最小射出瞳距離をＬ_min、結像光学系の最大射出瞳距離をＬ_maxとする。撮像素子の最大像高Ｒは、撮像素子の水平サイズＨ、垂直サイズＶとして、Ｒ²＝（０．５×Ｈ）²＋（０．５×Ｖ）²である。結像光学系の射出瞳距離は、レンズ交換式カメラでの撮影レンズの交換や、撮影レンズのズーム、フォーカス、絞り値の変更により、最小射出瞳距離Ｌ_minから最大射出瞳距離Ｌ_maxの間で変化する。また、本実施形態において像高は、撮像レンズの像高とは独立して決定される量であり、撮像素子上の中心からの位置または、撮影画像上の中心からの位置として用いられる。したがって、最大像高Ｒの算出として水平サイズＨと垂直サイズＶを用いて説明したが、必ずしも撮像素子のサイズと一致していなくてもよい。例えば、表示器１３１に表示される画像の最大像高であってもよく、この場合は撮像素子のサイズに対して画像処理や画像防振用のマージン分内側を最大像高Ｒとしてもよい。また、画像データとして記憶する画像範囲の最大像高を最大像高Ｒとしてもよい。この場合には画像範囲と焦点検出を行う演算を行う範囲が略一致することとなる。

センサー入射瞳距離Ｚ_sにおいて、撮像素子１０７の各画素の第１焦点検出画素２０１の受光領域（入射瞳）である第１瞳部分領域５０１と、第２焦点検出画素２０２の受光領域である第２瞳部分領域５０２が、概ね、光軸で交わる。センサー入射瞳距離Ｚ_sで、センサー入射瞳である第１瞳部分領域５０１及び第２瞳部分領域５０２と、撮影レンズ射出瞳の重なりを考えると、センサー入射瞳と、最小射出瞳距離Ｌ_minの場合の撮影レンズ射出瞳との瞳ずれ量はＰ１となる。同様に、センサー入射瞳と、最大射出瞳距離Ｌ_maxの場合の撮影レンズ射出瞳との瞳ずれ量はＰ２となる。センサー入射瞳と撮影レンズ射出瞳の瞳ずれ量Ｐ１もしくは瞳ずれ量Ｐ２のいずれかが大きくなってしまうと、基線長が確保されず、位相差ＡＦの焦点検出性能が低下する場合がある。

したがって、本実施形態では、瞳ずれ量Ｐ１および瞳ずれ量Ｐ２が抑制されるように、センサー入射瞳距離Ｚ_sが以下で説明する条件となるように構成する。

まず、撮像素子１０７の最大像高Ｒに位置する画素に、光軸上のセンサー入射瞳距離Ｚ_sから入射する角度をθ_s、光軸上の最小射出瞳距離Ｌ_minから入射する角度をθ_max、光軸上の最大射出瞳距離Ｌ_maxから入射する角度をθ_minとする。瞳ずれ量Ｐ１および瞳ずれ量Ｐ２を抑制し、基線長を確保するため、本実施形態では、平均入射角度の近傍範囲である式（１）を満たす範囲で角度θ_sを構成する。

また、θ_s、θ_max、θ_minは、式（２）により近似することができる。

式（２）の関係式を、式（１）に代入することで、センサー入射瞳距離Ｚ_sが満たす条件を示す式（３）が得られる。

したがって、本実施形態では、瞳ずれ量Ｐ１および瞳ずれ量Ｐ２を抑制し、基線長を確保するために、結像光学系の最小射出瞳距離をＬ_min、最大射出瞳距離をＬ_maxとして、撮像素子１０７の入射瞳距離Ｚ_sが、条件式（３）を満たすように構成する。

レンズ交換式カメラの場合、広角レンズから望遠レンズまで多様な光学条件のレンズが装着される。この際、結像光学系の最大射出瞳距離Ｌ_maxの条件としては、テレセントリック光学系レンズに対応可能とするため、Ｌ_max＝∞とすることが望ましい。また、結像光学系の最小射出瞳距離Ｌ_minの条件としては、中央像高に対するコサイン４乗則による周辺光量の低下を１／２（半減）以下に抑えることが望ましい。よって、撮像素子１０７の最大像高Ｒに位置する画素へ、光軸上の最小射出瞳距離Ｌ_minから入射する最大の入射角θ_maxが、ＣＯＳ^４（θ_max）＝１／２の条件から、θ_max＝３２．８°＝０．５７２［ｒａｄ］とすることが望ましい。したがって、式（２）から、撮像素子１０７の最大像高をＲとして、最小射出瞳距離Ｌ_min＝Ｒ／０．５７２とすることが望ましい。

式（３）に、Ｌ_min＝Ｒ／０．５７２、Ｌ_max＝∞を代入することにより、センサー入射瞳距離Ｚ_sの条件式（４）が得られる。本実施形態では、撮像素子の水平サイズＨが３６ｍｍ、垂直サイズＶが２４ｍｍ、最大像高Ｒ＝２１．６３ｍｍであるため、センサー入射瞳距離Ｚsの条件式（４）は、５０．４ｍｍ＜Ｚs＜１５１．２ｍｍとなる。
2.33Ｒ ＜ Ｚ_s ＜ 6.99Ｒ …（４）

また、結像光学系の最小射出瞳距離Ｌ_minの条件を、撮像素子１０７の第１瞳部分領域５０１と第２瞳部分領域５０２を合わせた瞳領域５００の瞳強度分布に基づき決定しても良い。中央像高での瞳領域５００の瞳強度分布をＰＩ０（θ）、最大像高Ｒでの瞳強度分布をＰＩＲ（θ）とする。結像光学系の最小射出瞳距離Ｌ_minの条件として、中央像高の入射角０［ｒａｄ］での瞳強度分布ＰＩ０（θ＝０）に対して、最大像高Ｒの入射角θ_{max_PIR}［ｒａｄ］での瞳強度分布ＰＩＲ（θ＝θ_{max_PIR}）の低下を１／２（半減）以下に抑えることが望ましい。よって、ＰＩＲ（θ＝θmax_PIR）＝０．５×ＰＩ０（θ＝０）の条件から、光軸上の最小射出瞳距離Ｌ_minから入射する角度θ_{max_PIR}を決定し、式（２）から、最小射出瞳距離Ｌ_min＝Ｒ／θ_{max_PIR}とすることが望ましい。

式（３）に、Ｌ_min＝Ｒ／θ_{max_PIR}、Ｌ_max＝∞を代入することにより、センサー入射瞳距離Ｚsの条件式（５）が得られる。

以上のように本実施形態の撮像素子は、結像光学系の異なる瞳部分領域を通過する光束を受光する複数の光電変換部が設けられた画素が複数配列された構造を有する。そして、結像光学系の最小射出瞳距離Ｌ_minと結像光学系の最大射出瞳距離Ｌ_maxに対して、撮像素子の入射瞳距離Ｚ_sが、式（３）を満たすように構成されている。

また、本実施形態の撮像素子は、結像光学系の異なる瞳部分領域を通過する光束を受光する複数の光電変換部が設けられた画素が複数配列された構造を有し、撮像素子の最大像高Ｒに対して、撮像素子の入射瞳距離Ｚ_sが、式（４）を満たすように構成されている。

以上の構成により、撮像素子の周辺像高への結像光学系からの光の入射角の変動範囲が大きい場合に、幅広い条件で撮像面位相差方式による焦点検出が可能となる。

＜変形例＞
上述した第１の実施形態では、撮像素子１０７の各画素がｘ方向に２分割、ｙ方向に１分割（つまり、分割されていない）場合について説明した。しかしながら、本発明はこれに限るものではなく、図２に示すものとは分割数や分割方法が異なる画素から構成された撮像素子１０７を用いても良い。

図７は、本変形例で用いられる撮像素子１０７の撮像画素と焦点検出画素の配列の概略を示す図である。図７は、２次元ＣＭＯＳセンサー（撮像素子）の画素（撮像画素）配列を４列×４行の範囲で、焦点検出画素配列を８列×８行の範囲で示したものである。

本変形例において、図７に示した画素群７００は２行×２列の画素からなり、Ｒ（赤）の分光感度を有する画素７００Ｒが左上に、Ｇ（緑）の分光感度を有する画素７００Ｇが右上と左下に、Ｂ（青）の分光感度を有する画素７００Ｂが右下に配置されている。さらに、各画素は２列×２行に配列された第１焦点検出画素７０１から第４焦点検出画素７０４により構成されている。

図７に示した４列×４行の画素（８列×８行の焦点検出画素）を面上に多数配置し、撮像画像（焦点検出信号）の取得を可能としている。本変形例では、撮像素子の水平サイズＨが３６ｍｍ、垂直サイズＶが２４ｍｍ、画素の周期Ｐが４．８μｍ、画素数Ｎが水平７５００列×垂直５０００行＝３７５０万画素、焦点検出画素の周期ＰＳＵＢが２．４μｍ、焦点検出画素数ＮＳＵＢが水平１５０００列×垂直１００００行＝１５０００万画素の撮像素子として説明を行う。

図７に示した撮像素子１０７の１つの画素７００Ｇを、撮像素子１０７の受光面側（＋ｚ側）から見た平面図を図８（ａ）に示し、図８（ａ）のａ−ａ断面を−ｙ側から見た断面図を図８（ｂ）に示す。図８に示すように、本変形例の画素７００Ｇでは、各画素の受光側に入射光を集光するためのマイクロレンズ３０５が形成され、ｘ方向にＮＨ分割（２分割）、ｙ方向にＮＶ分割（２分割）された第１光電変換部８０１から第４光電変換部８０４が形成される。第１光電変換部８０１から第４光電変換部８０４が、それぞれ、第１焦点検出画素７０１から第４焦点検出画素７０４に対応する。

本変形例では、撮像素子１０７の各画素毎に、第１焦点検出画素７０１から第４焦点検出画素７０４の信号を加算することで、有効画素数Ｎの解像度の撮像信号（撮像画像）を生成する。上記以外は、上述した実施形態と同様である。

以上の構成により、撮像素子の周辺像高への結像光学系からの光の入射角の変動範囲が大きい場合に、幅広い条件で撮像面位相差方式による焦点検出が可能となる。

１０１：第１レンズ群、１０２：絞り兼用シャッタ、１０３：第２レンズ群、１０５：第３レンズ群、１０７：撮像素子、２００Ｒ，２００Ｇ，２００Ｂ：画素、２０１：第１焦点検出画素、２０２：第２焦点検出画素、３０１，３０２：光電変換部、Ｚ_s：センサー入射瞳距離、Ｌ_min：最小射出瞳距離、Ｌ_max：最大射出瞳距離、Ｐ１，Ｐ２：瞳ずれ量、Ｒ：最大像高

Claims (21)

1. 結像光学系と、
   前記結像光学系の異なる瞳部分領域を通過する光束をそれぞれ受光する複数の光電変換部が設けられた画素が複数配列された撮像素子とを備えた撮像装置であって、
   前記結像光学系の少なくともズーム、フォーカス、絞りのいずれかによる射出瞳距離の変化に対して、最小射出瞳距離Ｌ_minと前記結像光学系の最大射出瞳距離Ｌ_max として、前記撮像素子の入射瞳距離Ｚ_sが、
   を満たすことを特徴とする撮像装置。
2. 前記最大射出瞳距離Ｌ _max と前記撮像素子の最大像高Ｒが、
   Ｌ _min ＝Ｒ／０．５７２
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記画素には水平方向に複数の光電変換部が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
4. 前記画素ごとに前記結像光学系の異なる瞳部分領域を通過する光束を受光するマイクロレンズが設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか1項に記載の撮像装置。
5. 前記光電変換部の受光面積は２μｍより小さいこと特徴とする請求項１乃至４のいずれか1項に記載の撮像装置。
6. 前記最大射出瞳距離Ｌ _max が無限大であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか1項に記載の撮像装置。
7. 結像光学系の異なる瞳部分領域を通過する光束をそれぞれ受光する複数の光電変換部が設けられた画素が複数配列された撮像素子であって、
   前記撮像素子の最大像高Ｒに対して、前記撮像素子の入射瞳距離Ｚ_sが、
   2.33Ｒ ＜ Ｚ_s ＜ 6.99Ｒ
   を満たすことを特徴とする撮像素子。
8. 前記最大像高Ｒは少なくとも前記撮像素子のサイズ、表示部に表示する画像の最大像高、画像データとして記憶する画像範囲の最大像高、および焦点検出演算を行う範囲のいずれかと一致することを特徴とする請求項７に記載の撮像素子。
9. 前記最大像高Ｒは前記撮像素子のサイズに対して、画像処理または防振処理のためのマージン分内側であることを特徴とする請求項７に記載の撮像素子。
10. 前記撮像素子の入射瞳距離Ｚ _s において、各画素に設けられた第１の光電変換部の受光領域に対応する第１の瞳部分領域が略一致し、各画素に設けられた第１の光電変換部と異なる第２の光電変換部の受光領域に対応する第２の瞳部分領域が略一致するように構成されていることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の撮像素子。
11. 前記最大像高Ｒにおける前記光束の入射角度をθ _{max_PIR} として、前記撮像素子の入射瞳距離Ｚ _s が、
    を満たすことを特徴とする請求項７に記載の撮像素子。
12. 前記最大像高Ｒにおける前記光束の入射角度は３２．８°よりも小さいことを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか１項に記載の撮像素子。
13. 前記最大像高Ｒに位置する画素において、光軸上の入射瞳距離Ｚ _s から入射する前記光束の入射角度は８．２°より大きく２４．６°より小さい請求項７乃至１２のいずれか１項に記載の撮像素子。
14. 結像光学系の異なる瞳部分領域を通過する光束をそれぞれ受光する複数の光電変換部が設けられた画素が複数配列された撮像素子であって、
    前記複数の光電変換部のそれぞれに対する前記撮像素子の入射瞳と前記結像光学系の射出瞳とのずれ量が、瞳強度分布の低下が中心像高に対して半分以上の範囲に収まるように、前記撮像素子の最大像高と前記撮像素子の入射瞳距離とが決められていることを特徴とする撮像素子。
15. 前記画素には水平方向に複数の光電変換部が設けられていることを特徴とする請求項７乃至１４のいずれか１項に記載の撮像素子。
16. 前記画素ごとに前記結像光学系の異なる瞳部分領域を通過する光束を受光するマイクロレンズが設けられていることを特徴とする請求項７乃至１５のいずれか１項に記載の撮像素子。
17. 前記光電変換部の受光面積は２μｍより小さいこと特徴とする請求項７乃至１６のいずれか１項に記載の撮像素子。
18. 結像光学系を着脱可能な撮像装置であって、
    請求項７乃至１７のいずれか１項に記載の撮像素子を備えたことを特徴とする撮像装置。
19. 前記結像光学系と、
    請求項７乃至１７のいずれか１項に記載の撮像素子と
    を備えたことを特徴とする撮像装置。
20. 連続発光可能なＬＥＤ照明と、
    プロセッサによって制御される通信インターフェース回路と
    を更に備えることを特徴とする請求項１８または１９に記載の撮像装置。
21. 撮影前のプレビュー画像および撮影後の確認用画像を表示するための表示ディスプレイと、
    少なくとも撮影トリガ用のスイッチを含む操作スイッチと、
    を更に備えることを特徴とする請求項１８乃至２０のいずれか１項に記載の撮像装置。