JPWO2009022458A1 - 撮像装置およびカメラ - Google Patents

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Abstract

撮像素子を露光しながら高速に焦点を検出することができる機能を有する撮像装置。撮像装置１は、撮像面に形成された光学像を、画像信号を形成するための電気信号に変換する第１光電変換素子（撮像素子１０）と、第１光電変換素子を透過した光を受光して、測距のための電気信号に変換する第２光電変換素子（位相差検出センサ２０）とを有する。

Description

本発明は、撮像素子を露光しながら高速に焦点を検出することができる機能を有する撮像装置およびカメラに関する。
近年、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal-oxide Semiconductor）センサなどの撮像素子を用いて、光学像を電気信号に変換し、この電気信号をデジタル化して記録するデジタルカメラが普及している。
デジタル一眼レフカメラは、位相差を検出する位相差検出ユニットを有し、これにより位相差検出方式のオートフォーカス機能（ＡＦ機能）を採用している。位相差検出方式のオートフォーカス機能によれば、デフォーカス方向およびデフォーカス量を検出できるため、フォーカスレンズの移動時間を削減でき、高速にフォーカスできるという利点を有する（例えば、特許文献１）。従来のデジタル一眼レフカメラでは、位相差検出ユニットに被写体の光学像を導くために、レンズ鏡筒から撮像素子への光路上に挿入／退避可能に可動ミラーが設けられている。
デジタルカメラの小型化を実現するために、いわゆるコンパクトデジタルカメラは、撮像素子を用いたビデオオートフォーカス方式（ビデオＡＦ方式）によるオートフォーカス機能を採用している（例えば、特許文献２）。コンパクトデジタルカメラでは、ミラーを無くすことにより小型化を実現している。また、コンパクトデジタルカメラでは、撮像素子を露光しながらオートフォーカス機能を行うことができ、カメラの背面に設けた表示部に撮像素子によって撮影された画像を表示しながらの撮影が可能である。このビデオＡＦ方式によるオートフォーカス機能は、一般的に、位相差検出方式のオートフォーカスに比して精度が高いという利点がある。
特開２００７−１６３５４５号公報 特開２００７−１３５１４０号公報
しかしながら、特許文献１に記載のデジタル一眼レフカメラにおいては、位相差検出ユニットに被写体の光学像を導くために、レンズ鏡筒から撮像素子への光路上に可動ミラーを挿入する。そのため、撮像素子を露光しながら位相差検出ユニットを使用することができない。
また、特許文献２に記載のデジタルカメラに用いられる上記ビデオＡＦ方式では、デフォーカス方向を検出することができない。例えば、コントラスト方式のオートフォーカス機能によれば、焦点を検出する際にコントラストピークを求めるが、フォーカスレンズを現在の位置から前後に移動させるなどしないと、コントラストピークの方向、つまりデフォーカス方向を検出することができない。したがって、焦点検出の高速化には一定の限定がある。
本発明の目的は、撮像素子を露光しながら高速に焦点を検出することができる機能を有する撮像装置およびカメラを提供することである。
上記目的は、以下の手段により達成することができる。
本発明の撮像装置は、撮像面に形成された光学像を、画像信号を形成するための電気信号に変換する第１光電変換素子と、前記第１光電変換素子を透過した光を受光して、測距のための電気信号に変換する第２光電変換素子と、を有する構成を採る。
また、本発明の撮像装置は、光電変換部を有する撮像素子と、位相差検出を行う位相差検出センサと、を有し、前記位相差検出センサは、前記撮像素子からの透過光を受光して位相差検出を行う、構成を採る。
本発明のカメラは、第１光電変換部および前記第１光電変換部よりも光透過率が高い第２光電変換部を有する光電変換部を有する撮像素子と、前記撮像素子からの透過光を受光して位相差検出を行う位相差検出センサとを有する撮像装置と、前記第２光電変換部からの出力に、前記第１光電変換部からの出力と異なる処理を行う信号処理部と、を有する構成を採る。
また、本発明のカメラは、増幅部が設けられた光電変換部を有する撮像素子と、位相差検出を行う位相差検出センサと、を有し、前記位相差検出センサは、前記撮像素子からの透過光を受光して位相差検出を行う、構成を採る。
本発明によれば、撮像素子を露光しながら高速に焦点を検出することができる機能を有する撮像装置およびカメラを提供することができる。
本発明の実施の形態１に係る撮像装置に含まれる撮像素子の断面を一部拡大した図 本発明の実施の形態１に係る撮像装置の断面を一部拡大した図 本発明の実施の形態２に係る撮像装置の断面を一部拡大した図 本発明の実施の形態３に係る撮像装置の斜視図 本発明の実施の形態４における、ＣＭＯＳアクティブピクセルセンサを用いた等価回路の一構成例を示す図 本発明の実施の形態４における、単位セルに対応する等価回路の一構成例を示す図 本発明の実施の形態４における、インターライン転送型ＣＣＤを用いた等価回路の一構成例を示す図 本発明の実施の形態５に係るカメラの本体の制御システムを示すブロック図 本発明の実施の形態１に係る撮像装置を搭載した交換レンズ式デジタルカメラの概略構成を示す図 従来の一眼レフカメラの概略構成を示す図
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）〔撮像装置の構造〕
図１は、本発明の実施の形態１に係る撮像装置に含まれる撮像素子の断面を一部拡大した図である。図２は、本発明の実施の形態１に係る撮像装置の断面を一部拡大した図である。図２に示す撮像装置１は、図１に示す撮像素子１０と、位相差検出方式の焦点検出機構を有する位相差検出センサ２０とを有する。
撮像素子１０は、半導体材料からなり、基板１１を含む光電変換部１２、垂直レジスタ１３、転送路１４、マスク１５、カラーフィルター１６、およびマイクロレンズ１７により構成される。光電変換部１２は、光を吸収して電荷を発生する。光電変換部１２は、光を受光する受光部（画素ともいう）が配列されて構成されている。カラーフィルター１６およびマイクロレンズ１７は、各画素に対応して配置されている。各受光部での電荷は、垂直レジスタ１３および転送路１４を介して電気信号として出力される。各受光部の位置情報とその電荷を撮像素子１０の撮像面全体から得ることにより、撮像素子１０は、撮像面に形成された光学像を、画像信号を形成するための電気信号に変換する。基板１１としては、Ｓｉ（シリコン）ベースが使用される。なお、撮像素子１０は、本発明の第１光電変換素子の一例である。
本実施の形態では、光電変換部１２は、その基板１１の一部に凹部を有する。基板１１の凹部の光軸方向の厚みは、他の部分よりも薄い。基板１１の凹部は、光を透過する。すなわち、基板１１の凹部は、光透過部１８を形成する。このように、撮像素子１０は、光を透過するように構成されている。そして、撮像装置１は、撮像素子１０の光透過部１８を透過した光が位相差検出センサ２０に到達するように構成されている。なお、上記の構成により、光電変換部１２は、光透過率が低い第１光電変換部１９と、光透過部１８に形成され第１光電変換部１９よりも光透過率が高い第２光電変換部２３とを有することになる。また、第１光電変換部１９と第２光電変換部２３との中間領域には第３光電変換部２４が位置している。第１光電変換部１９、第２光電変換部２３、および第３光電変換部２４については後述する。
ここで、基板１１の凹部は、Ｓｉベースの一部を切削、研磨、またはエッチングにより薄くして形成される。例えば、Ｓｉベースを２〜３μｍの厚さにして光透過部１８を形成すると、光電変換部１２は光を透過する。本実施の形態では、基板１１の凹部は、光軸方向の厚みが３μｍ程度であり、近赤外光を約５０％透過する。通常、Ｓｉベースは、光電変換部１２からの光が撮影者側に透過しにくい厚さで形成される。光が撮影者側に透過すると、光電変換部１２で発生する電荷の量が減少し、電気信号の出力が低下するからである。
図１に示す凹部の側面は、透過光が位相差検出センサ２０に反射しない角度で形成される。位相差検出センサ２０に凹部の側面から反射した光が入射すると、位相差検出センサ２０に実像でない像が形成されるため、位相差検出センサ２０が誤検出する可能性があるからである。
位相差検出センサ２０は、セパレータレンズ２１とラインセンサ２２とから構成される。位相差検出センサ２０は、光透過部１８に対応する位置に配置される。位相差検出センサ２０は、撮像素子１０からの透過光を受光して位相差検出を行う。そして、位相差検出センサ２０は、受光した透過光を測距のための電気信号に変換する。なお、位相差検出センサ２０は、本発明の第２光電変換素子の一例である。
本実施の形態では、撮像素子１０は、光透過部１８を複数有している。そして、各光透過部１８に対応する位置に、各光透過部１８からの透過光を受けるように、位相差検出センサ２０がそれぞれ設けられている。
図示しない撮影レンズから導かれる被写体像が撮像素子１０の光透過部１８を透過し位相差検出センサ２０のセパレータレンズ２１に入射すると、透過光がセパレータレンズ２１により瞳分割され、同一の被写体像がラインセンサ２２上の２つの部分にそれぞれ結像する。カメラのレンズの焦点距離が固定されたまま被写体距離が変化すると、ラインセンサ２２上の２つの被写体像の間隔が変化する。位相差検出センサ２０では、被写体に焦点が合っている場合、ラインセンサ２２上の予め定められた位置に被写体像が結像する。ここで、ラインセンサ２２上の予め定められた位置と異なる位置に被写体像が結像した場合、位相差検出センサ２０は、デフォーカス方向およびデフォーカス量を検知することが可能となる。
さらに、撮像装置１では、被写体像が光電変換部１２に入射した状態のままで、つまり、撮像素子１０を露光しながら、位相差検出センサ２０により位相差検出方式の焦点検出を行うことができる。また、これに付随して、（１）撮像素子１０からの画像信号を表示しながらの撮影や、（２）位相差検出方式の焦点検出とコントラスト方式の焦点検出の併用、が可能となる。
＜変形例＞
本実施の形態では、光電変換部１２の基板１１の一部を薄くすることにより、撮像素子１０が光を透過する例について説明したが、これに限られない。例えば、撮像素子に光を透過させる他の方法として、基板１１の全体を薄くして光を透過させるようにしてもよい。また、基板１１の一部に貫通孔を設けて光を透過させるようにしてもよい。
（実施の形態２）〔別の撮像装置の構造〕
図３は、本発明の実施の形態２に係る撮像装置の断面を一部拡大した図である。図３に示す撮像装置１ａは、図１および図２に示す実施の形態１に対応する撮像素子１０と位相差検出センサ２０の間にコンデンサーレンズ３０を配置した構成を有する。
図示しない撮影レンズから導かれる被写体像が光電変換部１２を透過しコンデンサーレンズ３０に入射することにより、広がりつつある被写体像をコンパクトにまとめることが可能となる。また、セパレータレンズ２１への入射角度を小さくすることができ、セパレータレンズ２１により収差（理想的な結像からのズレ）を押さえることができる。さらに、ラインセンサ２２上の被写体像間隔を小さくすることができるため、ラインセンサ２２の幅も小さくすることができる。
また、コンデンサーレンズ３０を入れることで、デフォーカス移動に対する、ラインセンサ２２上での瞳分割幅の移動が小さくなるため、様々な種類の交換レンズの至近距離から無限遠距離までが測定可能になる。
さらに、ラインセンサ２２の画素ピッチを小さくすることができず、測距精度が厳しい場合などには、コンデンサーレンズ３０の焦点距離が異なる遠距離用と近距離用の位相差検出センサを並列に設けることで、遠距離用と近距離用とを切り替え、必要な測距精度を確保することができる。言い換えれば、コンデンサーレンズ３０の焦点距離が異なる位相差検出センサを並列に設けることで、ラインセンサ２２の画素ピッチを大きくし、高感度化やコストダウンなどの効果も期待することができる。
また、図２に示すような、コンデンサーレンズ３０がない場合には、デフォーカス移動に対する、ラインセンサ２２上での瞳分割幅の移動が大きくなるため、合焦付近での超高精度な測距にも対応させることが可能となる。
（実施の形態３）〔撮像装置の応用例〕
図４は、本発明の実施の形態３に係る撮像装置の斜視図である。図４に示す撮像装置１ｂには、セパレータレンズ２１とラインセンサ２２とから構成される選択可能な複数個の位相差検出センサ２０が配置される。図４に示すように、本実施の形態では、９個の位相差検出センサ２０が、光透過部１８に対応して、それぞれ撮像面に配置されている。９個の位相差検出センサ２０は、撮像面に形成された光学像のそれぞれ異なる位置の像により位相差検出を行う。すなわち、撮像素子１０は、位相差検出センサ２０が配置された複数の測距ポイントを有している。各位相差検出センサ２０は、配置された位置に応じて、ラインセンサ２２上に結像されたそれぞれの被写体像の位置に応じて測距データを出力する。
この撮像装置１ｂをカメラに搭載した場合、撮影者は、撮影フレーム上の任意の測距ポイントを選択可能となる。また、カメラ側では、自動最適化アルゴリズムによって、最良の測距ポイントを選択し、選択された測距ポイントに対応する位相差検出センサ２０から出力された測距データに基づいて自動的にフォーカスレンズを駆動して合焦することも可能である。例えば、複数の測距データから、最もカメラに近接する測距データに対応する測距ポイントを選択するように自動最適化アルゴリズムを設定しておけば、中抜け写真などが発生する確率を減らすことが可能となる。
（実施の形態４）〔光透過部上の光電変換素子の出力補正〕
図１および図２に示すように、光電変換部１２は、光透過率が低い第１光電変換部１９と、光透過部１８に形成され第１光電変換部１９よりも光透過率が高い第２光電変換部２３とを有している。第２光電変換部２３では、被写体光の一部が透過することにより、相対的に第１光電変換部１９に比べて光電変換効率が小さくなってしまう。したがって、同じ光量を受光しても、蓄積電荷量は、第１光電変換部１９よりも第２光電変換部２３の方が少なくなってしまう。このため、撮像素子１０から出力された電気信号に従来の画像処理を行うだけでは、光透過部１８に対応する部分の画像が、第１光電変換部１９に対応する部分の画像と異なって撮影されてしまう可能性がある。例えば、光透過部１８に対応する部分の画像が、第１光電変換部１９に対応する部分の画像よりも暗く撮影されてしまう可能性がある。
さらに、第２光電変換部２３の出力の低下は、光の波長により異なる。これは、波長が大きいほど基板１１を透過する率が大きくなるためである。したがって、各画素に形成されたカラーフィルター１６に応じて、波長の影響により、透過する光量に差が生じることになる。そこで、以下に示す関係で色毎に補正量を異ならせることで、安定した画像出力を得ることが可能となる。ここで、色補正の方法としては、例えば、増幅などが用いられる。
第２光電変換部のＲ画素補正量−第１光電変換部のＲ画素補正量＝Ｒｋ
第２光電変換部のＧ画素補正量−第１光電変換部のＧ画素補正量＝Ｇｋ
第２光電変換部のＢ画素補正量−第１光電変換部のＢ画素補正量＝Ｂｋ
Ｒｋ＞Ｇｋ＞Ｂｋ上記関係は、第２光電変換部２３の赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）各画素での補正量と第１光電変換部１９のＲＧＢ各画素での補正量との差を示している。赤・緑・青の３色のうち長波長である赤が最も透過率が高いため、赤の画素での補正量の差が最も大きい。また、上記３色のうち短波長である青が最も透過率が低いため、青の画素での補正量の差が最も小さい。
光電変換部１２の各画素の出力の補正量は、光電変換部１２の種別が光透過部１８に対応する位置に配置された第２光電変換部２３であるか否か、および、各画素に対応する位置に配置されたカラーフィルター１６の色に基づいて決定される。また、第２光電変換部２３からの出力と第１光電変換部１９からの出力とにより表示される画像のホワイトバランスおよび／または輝度が等しくなるように、各補正量が決定される。
＜ＣＭＯＳセンサ＞
次に、図５および図６を参照して、ＣＭＯＳアクティブピクセルセンサ（以下単に「ＣＭＯＳセンサ」という）を撮像素子１０として使用する場合の出力補正について説明する。図５は、ＣＭＯＳセンサを用いた等価回路の一構成例を示す図である。図６は、単位セルに対応する等価回路の一構成例を示す図である。
図５に示すＣＭＯＳセンサ５０を図１に示す撮像素子１０として使用する場合には、ＣＭＯＳセンサ５０に光透過部１８が形成される。ＣＭＯＳセンサ５０では、図１に示す光透過部１８に対応する位置に配置された第２光電変換部２３の出力が、第２光電変換部２３よりも相対的に光透過率が低い第１光電変換部１９の出力に比して、より増幅されるように、各画素のアンプ（本発明の「増幅部」に相当）の増幅率（補正量）が設定される。これにより、第２光電変換部２３に対応する部分の画像が第１光電変換部１９に対応する部分の画像と異なって表現されてしまうことを改善することができる。
図５に示す単位セル５１は、図６に示すように、フォトダイオード５２、アンプ５３、フォトダイオード５２の電荷を蓄積するコンデンサ５４、コンデンサ５４の電荷を放出するためのリセットスイッチ５５、および単位セル５１からの出力を列信号線５６に出力するための選択スイッチ５８から構成される。アンプ５３は、電荷を電圧に変換して出力する。選択スイッチ５８は、行選択線５７に行選択信号を出力することで動作する。ＣＭＯＳセンサ５０では、単位セル５１毎にアンプ５３の増幅率を設定できるため、第２光電変換部２３の単位セル５１の出力が、第２光電変換部２３よりも相対的に光透過率が低い第１光電変換部１９の単位セル５１の出力に比して、より増幅されるように構成することができる。
このようなＣＭＯＳセンサ５０と、ＣＭＯＳセンサ５０の光透過部１８に対応する位置に設けられた位相差検出センサ２０とが、上記の撮像装置１、１ａ、１ｂを構成する。
本実施の形態におけるＣＭＯＳセンサ５０を使用した撮像装置１、１ａ、１ｂをカメラに搭載することにより、被写体像が光電変換部１２（フォトダイオード５２に相当）に入射した状態のままで、つまり、撮像素子１０（ＣＭＯＳセンサ５０に相当）を露光しながら、位相差検出センサ２０により位相差検出方式の焦点検出を行うことができる。また、これに付随して、（１）撮像素子１０からの画像信号を表示しながらの撮影や、（２）位相差検出方式の焦点検出とコントラスト方式の焦点検出の併用、が可能となる。なお、ＣＭＯＳセンサは、大量生産が可能なため、高電圧アナログ回路を有するＣＣＤセンサと比較して安価であり、また、素子が小さいため、消費電力も少ないというメリットもある。
＜ＣＣＤセンサ＞
次に、図７を参照して、インターライン転送型ＣＣＤ（以下単に「ＣＣＤセンサ」という）を撮像素子１０として使用する場合の出力補正について説明する。図７は、インターライン転送型ＣＣＤを用いた等価回路の一構成例を示す図である。
図７に示すＣＣＤセンサ６０を図１に示す撮像素子１０として使用する場合には、ＣＣＤセンサ６０に光透過部１８が形成される。上記のように、光透過部１８の第２光電変換部２３からの出力と、第２光電変換部２３よりも光透過率が低い第１光電変換部１９からの出力とに対しては、異なる処理が行われることが好ましい。
一方、ＣＣＤセンサ６０は、複数の単位セル６１を２次元的に配列した構成である。単位セル６１は、フォトダイオード６２から構成される。単位セル６１から出力された電荷は、垂直ＣＣＤ６３を介して水平ＣＣＤ６４に転送される。アンプ６５は、水平ＣＣＤ６３から出力された電荷を電圧に変換して出力する。このように、ＣＣＤセンサ６０を使用した場合は、すべての単位セル６１を同一のアンプ６５によって増幅するため、このままでは単位セル６１毎にアンプ６５の増幅率を設定することができない。したがって、単位セル６１毎にアンプ６５の増幅率を変更しようとすると、回路構成が複雑になる。
そこで、ＣＣＤセンサ６０を図１に示す撮像素子１０として使用する場合には、図１において、第２光電変換部２３の出力に、第２光電変換部２３よりも相対的に光透過率が低い第１光電変換部１９の出力と異なる処理を、デジタルカメラ本体の信号処理部で行うのが好ましい。ここで、異なる処理とは、光透過部１８に対応する位置に配置された第２光電変換部２３の出力を、第１光電変換部１９の出力に比して、より増幅する処理である。また、異なる処理とは、光透過部１８に対応する位置に配置された第２光電変換部２３の出力と第１光電変換部１９の出力とにより表示される画像のホワイトバランスおよび／または輝度が等しくなるようにする処理である。これにより、第２光電変換部２３に対応する部分の画像が第１光電変換部１９に対応する部分の画像と異なって表現されてしまうことを改善することができる。なお、デジタルカメラ本体の信号処理部については後述する。
（実施の形態５）〔本発明を用いたカメラの概要〕
図８は、本発明の実施の形態５に係るカメラの本体（デジタルカメラ本体）の制御システムを示すブロック図である。ここでは、図８を参照して、例えば、図１および図２に示す実施の形態１に対応する撮像装置１を有するデジタルカメラ本体（以下単に「カメラ本体」という）７０について説明する。撮像装置１は、例えば、撮像素子１０に相当するＣＣＤセンサ６０（図７参照）および位相差検出センサ２０を有する。また、カメラ本体７０で撮像素子１０の出力に対して行う処理についても説明する。なお、以下に説明する処理は、撮像素子１０としてＣＭＯＳセンサ５０（図５および図６参照）を使用した場合でも適用可能である。
ボディーマイコン７１は、カメラ本体７０のレリーズボタン（シャッターボタン）７２から信号を受信可能である。電源ボタン７３は、ボディーマイコン７１およびカメラ本体７０に電力を供給するためのボタンである。また、ボディーマイコン７１は、シャッター制御部７４へ信号を送信可能である。さらに、ボディーマイコン７１は、ボディーマイコン７１と画像記録制御部７５との間の双方向通信、ボディーマイコン７１と画像表示制御部７６との間の双方向通信、およびボディーマイコン７１とデジタル信号処理部７７との間の双方向通信を行うことができる。また、ボディーマイコン７１は、信号を格納するメモリ６８を有する。
シャッター制御部７４は、ボディーマイコン７１からの制御信号に基づいてシャッターユニット７８を制御するために、シャッター駆動モータ７８ａを駆動する。
レリーズボタン７２は、ボディーマイコン７１へシャッタータイミングを示す情報を送信する。
撮像装置１は、上記のように、ＣＣＤセンサ６０（図７参照）および位相差検出センサ２０により構成される。ＣＣＤセンサ６０は、交換レンズユニット１００（後述の図９参照）の撮像光学系により形成される光学的な像を電気的な画像信号に変換する。ＣＣＤセンサ６０は、撮像センサ制御部７９により駆動制御される。ＣＣＤセンサ６０から出力される画像信号は、アナログ信号処理部８０、Ａ／Ｄ変換部８１、デジタル信号処理部７７、バッファメモリ８２、および画像圧縮部８３により、順に処理される。
位相差検出センサ２０は、ＣＣＤセンサ６０を透過した光を受光し、測距のための電気信号に変換して出力する。具体的には、ラインセンサ２２から電気信号（画像信号）が出力される。ラインセンサ２２から出力される画像信号は、アナログ信号処理部８０、Ａ／Ｄ変換部８１、およびデジタル信号処理部７７により、順に処理される。そして、ボディーマイコン７１に処理後の当該信号が送られ、ボディーマイコン７１は、デフォーカス方向とデフォーカス量を算出する。ボディーマイコン７１は、算出したデフォーカス方向とデフォーカス量を交換レンズユニット１００のレンズマイコン（図示せず）に送信する。この結果、レンズマイコンからの指令により交換レンズユニット１００のフォーカスレンズが駆動され、オートフォーカスが行われる。
画像信号は、ＣＣＤセンサ６０からアナログ信号処理部８０へ送信される。アナログ信号処理部８０は、撮像装置１が出力する画像信号に、ガンマ処理などのアナログ信号処理を行う。アナログ信号処理部８０から出力された画像信号は、Ａ／Ｄ変換部８１へ送信される。Ａ／Ｄ変換部８１は、アナログ信号処理部７７から出力されたアナログ画像信号をデジタル信号に変換する。Ａ／Ｄ変換部８１から出力された画像信号は、デジタル信号処理部７７へ送信される。
デジタル信号処理部７７は、Ａ／Ｄ変換部８１によりデジタル信号に変換された画像信号に対して、ノイズ除去や輪郭強調などのデジタル信号処理を行うとともに、光透過部１８上の第２光電変換部２３から出力された電気信号に相当する画像信号に、第１光電変換部１９から出力された電気信号に相当する画像信号と異なる処理を行う。例えば、異なる処理として、第２光電変換部２３から出力された電気信号に相当する画像信号のレベルを増幅する。光透過部１８に相当する画素と、その画素に対応する画像信号とは特定可能である。そのため、透過した光量を補うための補正係数（補正量）を予め用意しておき、画像信号の値に補正係数を乗ずることにより、画像信号のレベルを増幅する。
また、光透過部１８に対応する位置に配置された第２光電変換部２３と、相対的に光透過率が低い第１光電変換部１９との中間領域に位置する第３光電変換部２４の出力については、段階的に増幅する。第３光電変換部２４は、図１に示す凹部の側面に位置する。凹部の側面は、透過率が段階的または連続的に異なる。したがって、凹部の側面に位置する第３光電変換部２４の出力については、透過率に応じて増幅率を変えるようにしている。この場合にも、補正係数を予め用意しておき、画像信号の値に補正係数を乗ずることにより、画像信号のレベルを増幅する。撮像素子１０全体を透過率が高い光電変換部で構成した場合には、１つの補正係数を予め用意しておき、すべての画像信号の値に補正係数を乗ずることにより、画像信号のレベルを増幅するようにしてもよい。なお、デジタル信号処理部７７は、本発明の信号処理部の一例である。
さらに、デジタル信号処理部７７は、補正された画像信号からコントラスト値を求め、ボディーマイコン７１に通知する。もちろん位相差検出センサ２０を用いた位相差検出方式だけで合焦してもよいが、この位相差検出方式に加えて、フォーカスレンズの駆動に伴い、コントラスト値を求め、コントラストピークを求めてフォーカスレンズを制御する、いわゆるコントラスト方式のビデオＡＦ方式を併用してもよい。したがって、撮像装置１を搭載することにより、撮像装置１によりコントラスト検出を行う高精度なビデオＡＦを機能させると同時に、デフォーカス検出により高速合焦できる位相差ＡＦを機能させることができるカメラを提供することが可能になる。
デジタル信号処理部７７から出力された画像信号は、バッファメモリ８２へ送信される。バッファメモリ８２は、デジタル信号処理部７７により処理された画像信号を一旦記憶する。バッファメモリ８２は、ＲＡＭ（Random Access Memory）などにより構成される。
バッファメモリ８２から出力された画像信号は、画像記録制御部７５からの命令に従って、画像圧縮部８３に送信される。画像圧縮部８３は、画像記録制御部７５の命令に従って画像信号に圧縮処理を行う。画像信号は、この圧縮処理により、元のデータよりも小さなデータサイズになる。例えば、この圧縮方式として、ＪＰＥＧ（Joint Photographic Experts Group）方式などが用いられる。
圧縮された画像信号は、画像圧縮部８３から画像読み出し／記録部８４および液晶モニタ８５へ送信される。本実施の形態では、位相差検出センサ２０を動作させながら液晶モニタ８５で画像を表示可能であるため、位相差検出とライブビューを同時に行うことが可能となる。一方、ボディーマイコン７１は、画像記録制御部７５および画像表示制御部７６へ制御信号を送信する。画像記録制御部７５は、ボディーマイコン７１からの制御信号に基づいて画像読み出し／記録部８４を制御する。画像表示制御部７６は、ボディーマイコン７１からの制御信号に基づいて液晶モニタ８５を制御する。
画像読み出し／記録部８４は、画像記録制御部７５の命令に基づいて、画像信号を内部メモリおよび／またはリムーバブルメモリに記録する。画像信号と共に記憶すべき情報は、画像を撮影した際の日時、焦点距離情報、シャッタースピード情報、絞り値情報、および撮影モード情報を含む。
液晶モニタ８５は、画像表示制御部７６の命令に基づいて、画像信号を可視画像として表示する。液晶モニタ８５は、画像表示制御部７６の命令に基づいて、画像信号と共に表示すべき情報を、表示する。画像信号と共に表示すべき情報は、焦点距離情報、シャッタースピード情報、絞り値情報、撮影モード情報、および合焦状態情報を含む。液晶モニタ８５は、表示部の一例である。
また、液晶モニタ８５は、画像表示制御部７５の命令に基づいて、所定の撮影／再生モードにおいて、撮影者などにより設定されるべき設定画面を表示する。
撮影者などが撮影する場合には、電源ボタン７３をＯＮにし、撮影モードにすると、カメラ本体の電源が入り、液晶モニタ８５には、撮像装置１により電気的な画像信号に変換された被写体の光学像が可視画像として、画像表示制御部７６の命令に基づいて表示される。
ボディーマイコン７１は、フォーカスレンズを駆動するための信号をレンズマイコンに出力する。
ここで、図９を用いて、本発明を適用したカメラの概略について説明する。図９は、本発明の実施の形態１に係る撮像装置を搭載した交換レンズ式デジタルカメラの概略構成を示す図である。図９において、図８で説明した構成要素については、同じ符号を付す。
カメラ本体７０は、交換レンズユニット１００を着脱することが可能である。カメラ本体７０においては、従来のカメラのように交換レンズユニット１００から撮像装置１（撮像素子１０）への光路上にミラーを挿入する必要がない。また、フレーミングを行うためのファインダー機能は、ライブビューを用いることができる。すなわち、撮像装置１で受光した被写体像をボディー背面に設けられた液晶モニタ８５に表示することで、被写体像を観察することができる。シャッターユニット７８は、カメラ本体７０のレリーズボタン７２がＯＮされると開き、撮像装置１に被写体像を導く。
ボディーマウント９０には、交換レンズユニット１００と電気的な交信や電力の供給が可能な電気接点９０ａが設けられている。さらに、ボディーマウント９０には、焦点調整駆動アクチュエーターとしてボディーからのフィードバック制御が必要なアクチュエーターを使用できるように、また、動画撮影などで絞り（アイリス）駆動をボディー側から制御できるように交信が可能なリアルタイム交信端子９０ｂが設けられている。
続いて実際の撮影動作を説明する。電源ボタン７３をＯＮにすると、アイリス１０１およびシャッターユニット７８が開放され、また、撮像装置１に電力が供給される。その後、液晶モニタ８５は、撮像装置１から出力される画像信号をライブビュー画像として表示する。レリーズボタン７２を半分押下するいわゆる半押しが行われると、不図示のＳ１スイッチがＯＮとなり、ボディーマイコン７１は、撮像装置１に内蔵された位相差検出センサ２０を用いてデフォーカス方向とデフォーカス量を算出し、算出したデータをリアルタイム交信端子９０ｂを介して交換レンズユニット１００内のレンズマイコンに送信する。この結果、レンズマイコンの指令によりフォーカスレンズ１０２が駆動され、位相差検出方式のフォーカスレンズ１０２の合焦動作が完了する。
コントラスト方式のオートフォーカス機能を併用する場合には、位相差検出方式によってフォーカスレンズ１０２がレンズマイコンからの指令による目的位置に到達する所定距離手前から、画像信号に基づくコントラスト値の算出を所定間隔で行い、目標位置付近でフォーカスレンズ１０２を駆動させコントラスト値がピークとなる位置でフォーカスレンズ１０２を止めることで、合焦動作が完了する。
位相差検出方式の合焦動作中も、液晶モニタ８５は、撮像装置１から出力される画像信号を表示する。
さらに、レリーズボタン７２を全部押下するいわゆる全押しが行われると、不図示のＳ２スイッチがＯＮとなり、シャッターユニット７８を閉鎖し、アイリス１０１を撮像装置１にて測光した結果から導き出された絞り値まで絞り込み、撮影動作を開始する。
本実施の形態のカメラによれば、被写体像が光電変換部１２に入射した状態のままで、つまり、撮像素子１０を露光しながら、位相差検出センサ２０により位相差検出方式の焦点検出を行うことができる。また、これに付随して、（１）撮像素子１０からの画像信号を表示しながらの位相差検出方式の高速なオートフォーカス機能の利用が可能となり、また、（２）位相差検出方式の焦点検出とコントラスト方式の焦点検出の併用により、高速かつ高精度のオートフォーカス機能の実現が可能となる。また、ミラーを無くすことにより、ミラーの駆動時間を排除することができ、レリーズタイムラグの短縮を図ることができる。また、ミラーを無くすことにより、小型化が可能となる。
さらに、位相差検出センサ２０が撮像装置１内に組み込まれているため、撮像素子１０の像面と位相差検出センサ２０との相対位置を高精度に調整することが可能となり、非常に高精度なデフォーカス検出能力を持たせることが可能となる。
〔従来の一眼レフシステムの概要〕
ここで、図１０を用いて、従来の一眼レフカメラ駆動システムの概略について説明する。図１０は、従来の一眼レフカメラの概略構成を示す図である。図１０において、図９と同じ構成要素については、同じ符号を付す。
図１０に示す従来の一眼レフカメラ本体１１０は、電源をＯＮにすると、主ミラー１１１ａおよびサブミラー１１１ｂが図１０に示す状態で待機し、また、シャッターユニット７８が閉じ、撮像素子１１２の電荷排出を可能とする。撮影者がファインダー接眼１１３を覗き込み、構図を決定し、図示しないレリーズボタンを半押しすると、一眼レフカメラ本体１１０の各電気回路および交換レンズユニット１００の各電気回路に電力がそれぞれ供給される。そして、位相差検出ユニット１１４の測光素子による測光データから露出を算出し、撮影モードに応じてシャッターユニット７８の制御シャッタースピードと交換レンズユニット１００のアイリス１０１の絞り値を決定する。同時に、位相差検出ユニット１１４の出力に応じて焦点状態を検出することで、交換レンズユニット１００のフォーカスレンズ１０２の駆動量を算出し、焦点調整駆動系の駆動を開始する。
さらに、レリーズボタンが全押しされると、図１０に示す矢印方向に主ミラー１１１ａおよびサブミラー１１１ｂがミラーアップし、同時に交換レンズユニット１００のアイリス１０１が絞り駆動系の駆動により所定の絞り値にセットされる。撮影準備が完了すると、撮像素子１１２の電荷を開放し、シャッターユニット７８が所定の露光を開始する。露光が終了すると、主ミラー１１１ａおよびサブミラー１１１ｂを図１０に示す状態に戻し、すべての機能をリセットして一連の撮影動作を終了する。
２００７年８月１３日出願の特願２００７−２１１１６３の日本出願に含まれる明細書、図面及び要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。
本発明に係る撮像装置は、撮像素子を露光しながら高速な焦点検出機能を提供することできる。このため、本発明に係る焦点検出機能を有する撮像装置は、いわゆるコンパクトデジタルカメラや交換レンズ式デジタルカメラなど、あらゆるカメラに利用可能である。また、ビデオＡＦの併用やミラーの排除を併せて行うことにより、高速かつ高精度なオートフォーカス機能を有する非常に小型な新しいジャンルのデジタルカメラの創出も可能となる。
本発明は、撮像素子を露光しながら高速に焦点を検出することができる機能を有する撮像装置およびカメラに関する。
近年、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal-oxide Semiconductor）センサなどの撮像素子を用いて、光学像を電気信号に変換し、この電気信号をデジタル化して記録するデジタルカメラが普及している。
デジタル一眼レフカメラは、位相差を検出する位相差検出ユニットを有し、これにより位相差検出方式のオートフォーカス機能（ＡＦ機能）を採用している。位相差検出方式のオートフォーカス機能によれば、デフォーカス方向およびデフォーカス量を検出できるため、フォーカスレンズの移動時間を削減でき、高速にフォーカスできるという利点を有する（例えば、特許文献１）。従来のデジタル一眼レフカメラでは、位相差検出ユニットに被写体の光学像を導くために、レンズ鏡筒から撮像素子への光路上に挿入／退避可能に可動ミラーが設けられている。
デジタルカメラの小型化を実現するために、いわゆるコンパクトデジタルカメラは、撮像素子を用いたビデオオートフォーカス方式（ビデオＡＦ方式）によるオートフォーカス機能を採用している（例えば、特許文献２）。コンパクトデジタルカメラでは、ミラーを無くすことにより小型化を実現している。また、コンパクトデジタルカメラでは、撮像素子を露光しながらオートフォーカス機能を行うことができ、カメラの背面に設けた表示部に撮像素子によって撮影された画像を表示しながらの撮影が可能である。このビデオＡＦ方式によるオートフォーカス機能は、一般的に、位相差検出方式のオートフォーカスに比して精度が高いという利点がある。
特開２００７−１６３５４５号公報 特開２００７−１３５１４０号公報
しかしながら、特許文献１に記載のデジタル一眼レフカメラにおいては、位相差検出ユニットに被写体の光学像を導くために、レンズ鏡筒から撮像素子への光路上に可動ミラーを挿入する。そのため、撮像素子を露光しながら位相差検出ユニットを使用することができない。
また、特許文献２に記載のデジタルカメラに用いられる上記ビデオＡＦ方式では、デフォーカス方向を検出することができない。例えば、コントラスト方式のオートフォーカス機能によれば、焦点を検出する際にコントラストピークを求めるが、フォーカスレンズを現在の位置から前後に移動させるなどしないと、コントラストピークの方向、つまりデフォーカス方向を検出することができない。したがって、焦点検出の高速化には一定の限定がある。
本発明の目的は、撮像素子を露光しながら高速に焦点を検出することができる機能を有する撮像装置およびカメラを提供することである。
上記目的は、以下の手段により達成することができる。
本発明の撮像装置は、撮像面に形成された光学像を、画像信号を形成するための電気信号に変換する第１光電変換素子と、前記第１光電変換素子を透過した光を受光して、測距のための電気信号に変換する第２光電変換素子と、を有する構成を採る。
また、本発明の撮像装置は、光電変換部を有する撮像素子と、位相差検出を行う位相差検出センサと、を有し、前記位相差検出センサは、前記撮像素子からの透過光を受光して位相差検出を行う、構成を採る。
本発明のカメラは、第１光電変換部および前記第１光電変換部よりも光透過率が高い第２光電変換部を有する光電変換部を有する撮像素子と、前記撮像素子からの透過光を受光して位相差検出を行う位相差検出センサとを有する撮像装置と、前記第２光電変換部からの出力に、前記第１光電変換部からの出力と異なる処理を行う信号処理部と、を有する構成を採る。
また、本発明のカメラは、増幅部が設けられた光電変換部を有する撮像素子と、位相差検出を行う位相差検出センサと、を有し、前記位相差検出センサは、前記撮像素子からの透過光を受光して位相差検出を行う、構成を採る。
本発明によれば、撮像素子を露光しながら高速に焦点を検出することができる機能を有する撮像装置およびカメラを提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
〔撮像装置の構造〕
図１は、本発明の実施の形態１に係る撮像装置に含まれる撮像素子の断面を一部拡大した図である。図２は、本発明の実施の形態１に係る撮像装置の断面を一部拡大した図である。図２に示す撮像装置１は、図１に示す撮像素子１０と、位相差検出方式の焦点検出機構を有する位相差検出センサ２０とを有する。
撮像素子１０は、半導体材料からなり、基板１１を含む光電変換部１２、垂直レジスタ１３、転送路１４、マスク１５、カラーフィルター１６、およびマイクロレンズ１７により構成される。光電変換部１２は、光を吸収して電荷を発生する。光電変換部１２は、光を受光する受光部（画素ともいう）が配列されて構成されている。カラーフィルター１６およびマイクロレンズ１７は、各画素に対応して配置されている。各受光部での電荷は、垂直レジスタ１３および転送路１４を介して電気信号として出力される。各受光部の位置情報とその電荷を撮像素子１０の撮像面全体から得ることにより、撮像素子１０は、撮像面に形成された光学像を、画像信号を形成するための電気信号に変換する。基板１１としては、Ｓｉ（シリコン）ベースが使用される。なお、撮像素子１０は、本発明の第１光電変換素子の一例である。
本実施の形態では、光電変換部１２は、その基板１１の一部に凹部を有する。基板１１の凹部の光軸方向の厚みは、他の部分よりも薄い。基板１１の凹部は、光を透過する。すなわち、基板１１の凹部は、光透過部１８を形成する。このように、撮像素子１０は、光を透過するように構成されている。そして、撮像装置１は、撮像素子１０の光透過部１８を透過した光が位相差検出センサ２０に到達するように構成されている。なお、上記の構成により、光電変換部１２は、光透過率が低い第１光電変換部１９と、光透過部１８に形成され第１光電変換部１９よりも光透過率が高い第２光電変換部２３とを有することになる。また、第１光電変換部１９と第２光電変換部２３との中間領域には第３光電変換部２４が位置している。第１光電変換部１９、第２光電変換部２３、および第３光電変換部２４については後述する。
ここで、基板１１の凹部は、Ｓｉベースの一部を切削、研磨、またはエッチングにより薄くして形成される。例えば、Ｓｉベースを２〜３μｍの厚さにして光透過部１８を形成すると、光電変換部１２は光を透過する。本実施の形態では、基板１１の凹部は、光軸方向の厚みが３μｍ程度であり、近赤外光を約５０％透過する。通常、Ｓｉベースは、光電変換部１２からの光が撮影者側に透過しにくい厚さで形成される。光が撮影者側に透過すると、光電変換部１２で発生する電荷の量が減少し、電気信号の出力が低下するからである。
図１に示す凹部の側面は、透過光が位相差検出センサ２０に反射しない角度で形成される。位相差検出センサ２０に凹部の側面から反射した光が入射すると、位相差検出センサ２０に実像でない像が形成されるため、位相差検出センサ２０が誤検出する可能性があるからである。
位相差検出センサ２０は、セパレータレンズ２１とラインセンサ２２とから構成される。位相差検出センサ２０は、光透過部１８に対応する位置に配置される。位相差検出センサ２０は、撮像素子１０からの透過光を受光して位相差検出を行う。そして、位相差検出センサ２０は、受光した透過光を測距のための電気信号に変換する。なお、位相差検出センサ２０は、本発明の第２光電変換素子の一例である。
本実施の形態では、撮像素子１０は、光透過部１８を複数有している。そして、各光透過部１８に対応する位置に、各光透過部１８からの透過光を受けるように、位相差検出センサ２０がそれぞれ設けられている。
図示しない撮影レンズから導かれる被写体像が撮像素子１０の光透過部１８を透過し位相差検出センサ２０のセパレータレンズ２１に入射すると、透過光がセパレータレンズ２１により瞳分割され、同一の被写体像がラインセンサ２２上の２つの部分にそれぞれ結像する。カメラのレンズの焦点距離が固定されたまま被写体距離が変化すると、ラインセンサ２２上の２つの被写体像の間隔が変化する。位相差検出センサ２０では、被写体に焦点
が合っている場合、ラインセンサ２２上の予め定められた位置に被写体像が結像する。ここで、ラインセンサ２２上の予め定められた位置と異なる位置に被写体像が結像した場合、位相差検出センサ２０は、デフォーカス方向およびデフォーカス量を検知することが可能となる。
さらに、撮像装置１では、被写体像が光電変換部１２に入射した状態のままで、つまり、撮像素子１０を露光しながら、位相差検出センサ２０により位相差検出方式の焦点検出を行うことができる。また、これに付随して、（１）撮像素子１０からの画像信号を表示しながらの撮影や、（２）位相差検出方式の焦点検出とコントラスト方式の焦点検出の併用、が可能となる。
＜変形例＞
本実施の形態では、光電変換部１２の基板１１の一部を薄くすることにより、撮像素子１０が光を透過する例について説明したが、これに限られない。例えば、撮像素子に光を透過させる他の方法として、基板１１の全体を薄くして光を透過させるようにしてもよい。また、基板１１の一部に貫通孔を設けて光を透過させるようにしてもよい。
（実施の形態２）
〔別の撮像装置の構造〕
図３は、本発明の実施の形態２に係る撮像装置の断面を一部拡大した図である。図３に示す撮像装置１ａは、図１および図２に示す実施の形態１に対応する撮像素子１０と位相差検出センサ２０の間にコンデンサーレンズ３０を配置した構成を有する。
図示しない撮影レンズから導かれる被写体像が光電変換部１２を透過しコンデンサーレンズ３０に入射することにより、広がりつつある被写体像をコンパクトにまとめることが可能となる。また、セパレータレンズ２１への入射角度を小さくすることができ、セパレータレンズ２１により収差（理想的な結像からのズレ）を押さえることができる。さらに、ラインセンサ２２上の被写体像間隔を小さくすることができるため、ラインセンサ２２の幅も小さくすることができる。
また、コンデンサーレンズ３０を入れることで、デフォーカス移動に対する、ラインセンサ２２上での瞳分割幅の移動が小さくなるため、様々な種類の交換レンズの至近距離から無限遠距離までが測定可能になる。
さらに、ラインセンサ２２の画素ピッチを小さくすることができず、測距精度が厳しい場合などには、コンデンサーレンズ３０の焦点距離が異なる遠距離用と近距離用の位相差検出センサを並列に設けることで、遠距離用と近距離用とを切り替え、必要な測距精度を確保することができる。言い換えれば、コンデンサーレンズ３０の焦点距離が異なる位相差検出センサを並列に設けることで、ラインセンサ２２の画素ピッチを大きくし、高感度化やコストダウンなどの効果も期待することができる。
また、図２に示すような、コンデンサーレンズ３０がない場合には、デフォーカス移動に対する、ラインセンサ２２上での瞳分割幅の移動が大きくなるため、合焦付近での超高精度な測距にも対応させることが可能となる。
（実施の形態３）
〔撮像装置の応用例〕
図４は、本発明の実施の形態３に係る撮像装置の斜視図である。図４に示す撮像装置１ｂには、セパレータレンズ２１とラインセンサ２２とから構成される選択可能な複数個の位相差検出センサ２０が配置される。図４に示すように、本実施の形態では、９個の位相
差検出センサ２０が、光透過部１８に対応して、それぞれ撮像面に配置されている。９個の位相差検出センサ２０は、撮像面に形成された光学像のそれぞれ異なる位置の像により位相差検出を行う。すなわち、撮像素子１０は、位相差検出センサ２０が配置された複数の測距ポイントを有している。各位相差検出センサ２０は、配置された位置に応じて、ラインセンサ２２上に結像されたそれぞれの被写体像の位置に応じて測距データを出力する。
この撮像装置１ｂをカメラに搭載した場合、撮影者は、撮影フレーム上の任意の測距ポイントを選択可能となる。また、カメラ側では、自動最適化アルゴリズムによって、最良の測距ポイントを選択し、選択された測距ポイントに対応する位相差検出センサ２０から出力された測距データに基づいて自動的にフォーカスレンズを駆動して合焦することも可能である。例えば、複数の測距データから、最もカメラに近接する測距データに対応する測距ポイントを選択するように自動最適化アルゴリズムを設定しておけば、中抜け写真などが発生する確率を減らすことが可能となる。
（実施の形態４）
〔光透過部上の光電変換素子の出力補正〕
図１および図２に示すように、光電変換部１２は、光透過率が低い第１光電変換部１９と、光透過部１８に形成され第１光電変換部１９よりも光透過率が高い第２光電変換部２３とを有している。第２光電変換部２３では、被写体光の一部が透過することにより、相対的に第１光電変換部１９に比べて光電変換効率が小さくなってしまう。したがって、同じ光量を受光しても、蓄積電荷量は、第１光電変換部１９よりも第２光電変換部２３の方が少なくなってしまう。このため、撮像素子１０から出力された電気信号に従来の画像処理を行うだけでは、光透過部１８に対応する部分の画像が、第１光電変換部１９に対応する部分の画像と異なって撮影されてしまう可能性がある。例えば、光透過部１８に対応する部分の画像が、第１光電変換部１９に対応する部分の画像よりも暗く撮影されてしまう可能性がある。
さらに、第２光電変換部２３の出力の低下は、光の波長により異なる。これは、波長が大きいほど基板１１を透過する率が大きくなるためである。したがって、各画素に形成されたカラーフィルター１６に応じて、波長の影響により、透過する光量に差が生じることになる。そこで、以下に示す関係で色毎に補正量を異ならせることで、安定した画像出力を得ることが可能となる。ここで、色補正の方法としては、例えば、増幅などが用いられる。
第２光電変換部のＲ画素補正量−第１光電変換部のＲ画素補正量＝Ｒｋ
第２光電変換部のＧ画素補正量−第１光電変換部のＧ画素補正量＝Ｇｋ
第２光電変換部のＢ画素補正量−第１光電変換部のＢ画素補正量＝Ｂｋ
Ｒｋ＞Ｇｋ＞Ｂｋ
上記関係は、第２光電変換部２３の赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）各画素での補正量と第１光電変換部１９のＲＧＢ各画素での補正量との差を示している。赤・緑・青の３色のうち長波長である赤が最も透過率が高いため、赤の画素での補正量の差が最も大きい。また、上記３色のうち短波長である青が最も透過率が低いため、青の画素での補正量の差が最も小さい。
光電変換部１２の各画素の出力の補正量は、光電変換部１２の種別が光透過部１８に対応する位置に配置された第２光電変換部２３であるか否か、および、各画素に対応する位置に配置されたカラーフィルター１６の色に基づいて決定される。また、第２光電変換部２３からの出力と第１光電変換部１９からの出力とにより表示される画像のホワイトバランスおよび／または輝度が等しくなるように、各補正量が決定される。
＜ＣＭＯＳセンサ＞
次に、図５および図６を参照して、ＣＭＯＳアクティブピクセルセンサ（以下単に「ＣＭＯＳセンサ」という）を撮像素子１０として使用する場合の出力補正について説明する。図５は、ＣＭＯＳセンサを用いた等価回路の一構成例を示す図である。図６は、単位セルに対応する等価回路の一構成例を示す図である。
図５に示すＣＭＯＳセンサ５０を図１に示す撮像素子１０として使用する場合には、ＣＭＯＳセンサ５０に光透過部１８が形成される。ＣＭＯＳセンサ５０では、図１に示す光透過部１８に対応する位置に配置された第２光電変換部２３の出力が、第２光電変換部２３よりも相対的に光透過率が低い第１光電変換部１９の出力に比して、より増幅されるように、各画素のアンプ（本発明の「増幅部」に相当）の増幅率（補正量）が設定される。これにより、第２光電変換部２３に対応する部分の画像が第１光電変換部１９に対応する部分の画像と異なって表現されてしまうことを改善することができる。
図５に示す単位セル５１は、図６に示すように、フォトダイオード５２、アンプ５３、フォトダイオード５２の電荷を蓄積するコンデンサ５４、コンデンサ５４の電荷を放出するためのリセットスイッチ５５、および単位セル５１からの出力を列信号線５６に出力するための選択スイッチ５８から構成される。アンプ５３は、電荷を電圧に変換して出力する。選択スイッチ５８は、行選択線５７に行選択信号を出力することで動作する。ＣＭＯＳセンサ５０では、単位セル５１毎にアンプ５３の増幅率を設定できるため、第２光電変換部２３の単位セル５１の出力が、第２光電変換部２３よりも相対的に光透過率が低い第１光電変換部１９の単位セル５１の出力に比して、より増幅されるように構成することができる。
このようなＣＭＯＳセンサ５０と、ＣＭＯＳセンサ５０の光透過部１８に対応する位置に設けられた位相差検出センサ２０とが、上記の撮像装置１、１ａ、１ｂを構成する。
本実施の形態におけるＣＭＯＳセンサ５０を使用した撮像装置１、１ａ、１ｂをカメラに搭載することにより、被写体像が光電変換部１２（フォトダイオード５２に相当）に入射した状態のままで、つまり、撮像素子１０（ＣＭＯＳセンサ５０に相当）を露光しながら、位相差検出センサ２０により位相差検出方式の焦点検出を行うことができる。また、これに付随して、（１）撮像素子１０からの画像信号を表示しながらの撮影や、（２）位相差検出方式の焦点検出とコントラスト方式の焦点検出の併用、が可能となる。なお、ＣＭＯＳセンサは、大量生産が可能なため、高電圧アナログ回路を有するＣＣＤセンサと比較して安価であり、また、素子が小さいため、消費電力も少ないというメリットもある。
＜ＣＣＤセンサ＞
次に、図７を参照して、インターライン転送型ＣＣＤ（以下単に「ＣＣＤセンサ」という）を撮像素子１０として使用する場合の出力補正について説明する。図７は、インターライン転送型ＣＣＤを用いた等価回路の一構成例を示す図である。
図７に示すＣＣＤセンサ６０を図１に示す撮像素子１０として使用する場合には、ＣＣＤセンサ６０に光透過部１８が形成される。上記のように、光透過部１８の第２光電変換部２３からの出力と、第２光電変換部２３よりも光透過率が低い第１光電変換部１９からの出力とに対しては、異なる処理が行われることが好ましい。
一方、ＣＣＤセンサ６０は、複数の単位セル６１を２次元的に配列した構成である。単位セル６１は、フォトダイオード６２から構成される。単位セル６１から出力された電荷は、垂直ＣＣＤ６３を介して水平ＣＣＤ６４に転送される。アンプ６５は、水平ＣＣＤ６３から出力された電荷を電圧に変換して出力する。このように、ＣＣＤセンサ６０を使用
した場合は、すべての単位セル６１を同一のアンプ６５によって増幅するため、このままでは単位セル６１毎にアンプ６５の増幅率を設定することができない。したがって、単位セル６１毎にアンプ６５の増幅率を変更しようとすると、回路構成が複雑になる。
そこで、ＣＣＤセンサ６０を図１に示す撮像素子１０として使用する場合には、図１において、第２光電変換部２３の出力に、第２光電変換部２３よりも相対的に光透過率が低い第１光電変換部１９の出力と異なる処理を、デジタルカメラ本体の信号処理部で行うのが好ましい。ここで、異なる処理とは、光透過部１８に対応する位置に配置された第２光電変換部２３の出力を、第１光電変換部１９の出力に比して、より増幅する処理である。また、異なる処理とは、光透過部１８に対応する位置に配置された第２光電変換部２３の出力と第１光電変換部１９の出力とにより表示される画像のホワイトバランスおよび／または輝度が等しくなるようにする処理である。これにより、第２光電変換部２３に対応する部分の画像が第１光電変換部１９に対応する部分の画像と異なって表現されてしまうことを改善することができる。なお、デジタルカメラ本体の信号処理部については後述する。
（実施の形態５）
〔本発明を用いたカメラの概要〕
図８は、本発明の実施の形態５に係るカメラの本体（デジタルカメラ本体）の制御システムを示すブロック図である。ここでは、図８を参照して、例えば、図１および図２に示す実施の形態１に対応する撮像装置１を有するデジタルカメラ本体（以下単に「カメラ本体」という）７０について説明する。撮像装置１は、例えば、撮像素子１０に相当するＣＣＤセンサ６０（図７参照）および位相差検出センサ２０を有する。また、カメラ本体７０で撮像素子１０の出力に対して行う処理についても説明する。なお、以下に説明する処理は、撮像素子１０としてＣＭＯＳセンサ５０（図５および図６参照）を使用した場合でも適用可能である。
ボディーマイコン７１は、カメラ本体７０のレリーズボタン（シャッターボタン）７２から信号を受信可能である。電源ボタン７３は、ボディーマイコン７１およびカメラ本体７０に電力を供給するためのボタンである。また、ボディーマイコン７１は、シャッター制御部７４へ信号を送信可能である。さらに、ボディーマイコン７１は、ボディーマイコン７１と画像記録制御部７５との間の双方向通信、ボディーマイコン７１と画像表示制御部７６との間の双方向通信、およびボディーマイコン７１とデジタル信号処理部７７との間の双方向通信を行うことができる。また、ボディーマイコン７１は、信号を格納するメモリ６８を有する。
シャッター制御部７４は、ボディーマイコン７１からの制御信号に基づいてシャッターユニット７８を制御するために、シャッター駆動モータ７８ａを駆動する。
レリーズボタン７２は、ボディーマイコン７１へシャッタータイミングを示す情報を送信する。
撮像装置１は、上記のように、ＣＣＤセンサ６０（図７参照）および位相差検出センサ２０により構成される。ＣＣＤセンサ６０は、交換レンズユニット１００（後述の図９参照）の撮像光学系により形成される光学的な像を電気的な画像信号に変換する。ＣＣＤセンサ６０は、撮像センサ制御部７９により駆動制御される。ＣＣＤセンサ６０から出力される画像信号は、アナログ信号処理部８０、Ａ／Ｄ変換部８１、デジタル信号処理部７７、バッファメモリ８２、および画像圧縮部８３により、順に処理される。
位相差検出センサ２０は、ＣＣＤセンサ６０を透過した光を受光し、測距のための電気
信号に変換して出力する。具体的には、ラインセンサ２２から電気信号（画像信号）が出力される。ラインセンサ２２から出力される画像信号は、アナログ信号処理部８０、Ａ／Ｄ変換部８１、およびデジタル信号処理部７７により、順に処理される。そして、ボディーマイコン７１に処理後の当該信号が送られ、ボディーマイコン７１は、デフォーカス方向とデフォーカス量を算出する。ボディーマイコン７１は、算出したデフォーカス方向とデフォーカス量を交換レンズユニット１００のレンズマイコン（図示せず）に送信する。この結果、レンズマイコンからの指令により交換レンズユニット１００のフォーカスレンズが駆動され、オートフォーカスが行われる。
画像信号は、ＣＣＤセンサ６０からアナログ信号処理部８０へ送信される。アナログ信号処理部８０は、撮像装置１が出力する画像信号に、ガンマ処理などのアナログ信号処理を行う。アナログ信号処理部８０から出力された画像信号は、Ａ／Ｄ変換部８１へ送信される。Ａ／Ｄ変換部８１は、アナログ信号処理部７７から出力されたアナログ画像信号をデジタル信号に変換する。Ａ／Ｄ変換部８１から出力された画像信号は、デジタル信号処理部７７へ送信される。
デジタル信号処理部７７は、Ａ／Ｄ変換部８１によりデジタル信号に変換された画像信号に対して、ノイズ除去や輪郭強調などのデジタル信号処理を行うとともに、光透過部１８上の第２光電変換部２３から出力された電気信号に相当する画像信号に、第１光電変換部１９から出力された電気信号に相当する画像信号と異なる処理を行う。例えば、異なる処理として、第２光電変換部２３から出力された電気信号に相当する画像信号のレベルを増幅する。光透過部１８に相当する画素と、その画素に対応する画像信号とは特定可能である。そのため、透過した光量を補うための補正係数（補正量）を予め用意しておき、画像信号の値に補正係数を乗ずることにより、画像信号のレベルを増幅する。
また、光透過部１８に対応する位置に配置された第２光電変換部２３と、相対的に光透過率が低い第１光電変換部１９との中間領域に位置する第３光電変換部２４の出力については、段階的に増幅する。第３光電変換部２４は、図１に示す凹部の側面に位置する。凹部の側面は、透過率が段階的または連続的に異なる。したがって、凹部の側面に位置する第３光電変換部２４の出力については、透過率に応じて増幅率を変えるようにしている。この場合にも、補正係数を予め用意しておき、画像信号の値に補正係数を乗ずることにより、画像信号のレベルを増幅する。撮像素子１０全体を透過率が高い光電変換部で構成した場合には、１つの補正係数を予め用意しておき、すべての画像信号の値に補正係数を乗ずることにより、画像信号のレベルを増幅するようにしてもよい。なお、デジタル信号処理部７７は、本発明の信号処理部の一例である。
さらに、デジタル信号処理部７７は、補正された画像信号からコントラスト値を求め、ボディーマイコン７１に通知する。もちろん位相差検出センサ２０を用いた位相差検出方式だけで合焦してもよいが、この位相差検出方式に加えて、フォーカスレンズの駆動に伴い、コントラスト値を求め、コントラストピークを求めてフォーカスレンズを制御する、いわゆるコントラスト方式のビデオＡＦ方式を併用してもよい。したがって、撮像装置１を搭載することにより、撮像装置１によりコントラスト検出を行う高精度なビデオＡＦを機能させると同時に、デフォーカス検出により高速合焦できる位相差ＡＦを機能させることができるカメラを提供することが可能になる。
デジタル信号処理部７７から出力された画像信号は、バッファメモリ８２へ送信される。バッファメモリ８２は、デジタル信号処理部７７により処理された画像信号を一旦記憶する。バッファメモリ８２は、ＲＡＭ（Random Access Memory）などにより構成される。
バッファメモリ８２から出力された画像信号は、画像記録制御部７５からの命令に従っ
て、画像圧縮部８３に送信される。画像圧縮部８３は、画像記録制御部７５の命令に従って画像信号に圧縮処理を行う。画像信号は、この圧縮処理により、元のデータよりも小さなデータサイズになる。例えば、この圧縮方式として、ＪＰＥＧ（Joint Photographic Experts Group）方式などが用いられる。
圧縮された画像信号は、画像圧縮部８３から画像読み出し／記録部８４および液晶モニタ８５へ送信される。本実施の形態では、位相差検出センサ２０を動作させながら液晶モニタ８５で画像を表示可能であるため、位相差検出とライブビューを同時に行うことが可能となる。一方、ボディーマイコン７１は、画像記録制御部７５および画像表示制御部７６へ制御信号を送信する。画像記録制御部７５は、ボディーマイコン７１からの制御信号に基づいて画像読み出し／記録部８４を制御する。画像表示制御部７６は、ボディーマイコン７１からの制御信号に基づいて液晶モニタ８５を制御する。
画像読み出し／記録部８４は、画像記録制御部７５の命令に基づいて、画像信号を内部メモリおよび／またはリムーバブルメモリに記録する。画像信号と共に記憶すべき情報は、画像を撮影した際の日時、焦点距離情報、シャッタースピード情報、絞り値情報、および撮影モード情報を含む。
液晶モニタ８５は、画像表示制御部７６の命令に基づいて、画像信号を可視画像として表示する。液晶モニタ８５は、画像表示制御部７６の命令に基づいて、画像信号と共に表示すべき情報を、表示する。画像信号と共に表示すべき情報は、焦点距離情報、シャッタースピード情報、絞り値情報、撮影モード情報、および合焦状態情報を含む。液晶モニタ８５は、表示部の一例である。
また、液晶モニタ８５は、画像表示制御部７５の命令に基づいて、所定の撮影／再生モードにおいて、撮影者などにより設定されるべき設定画面を表示する。
撮影者などが撮影する場合には、電源ボタン７３をＯＮにし、撮影モードにすると、カメラ本体の電源が入り、液晶モニタ８５には、撮像装置１により電気的な画像信号に変換された被写体の光学像が可視画像として、画像表示制御部７６の命令に基づいて表示される。
ボディーマイコン７１は、フォーカスレンズを駆動するための信号をレンズマイコンに出力する。
ここで、図９を用いて、本発明を適用したカメラの概略について説明する。図９は、本発明の実施の形態１に係る撮像装置を搭載した交換レンズ式デジタルカメラの概略構成を示す図である。図９において、図８で説明した構成要素については、同じ符号を付す。
カメラ本体７０は、交換レンズユニット１００を着脱することが可能である。カメラ本体７０においては、従来のカメラのように交換レンズユニット１００から撮像装置１（撮像素子１０）への光路上にミラーを挿入する必要がない。また、フレーミングを行うためのファインダー機能は、ライブビューを用いることができる。すなわち、撮像装置１で受光した被写体像をボディー背面に設けられた液晶モニタ８５に表示することで、被写体像を観察することができる。シャッターユニット７８は、カメラ本体７０のレリーズボタン７２がＯＮされると開き、撮像装置１に被写体像を導く。
ボディーマウント９０には、交換レンズユニット１００と電気的な交信や電力の供給が可能な電気接点９０ａが設けられている。さらに、ボディーマウント９０には、焦点調整駆動アクチュエーターとしてボディーからのフィードバック制御が必要なアクチュエータ
ーを使用できるように、また、動画撮影などで絞り（アイリス）駆動をボディー側から制御できるように交信が可能なリアルタイム交信端子９０ｂが設けられている。
続いて実際の撮影動作を説明する。電源ボタン７３をＯＮにすると、アイリス１０１およびシャッターユニット７８が開放され、また、撮像装置１に電力が供給される。その後、液晶モニタ８５は、撮像装置１から出力される画像信号をライブビュー画像として表示する。レリーズボタン７２を半分押下するいわゆる半押しが行われると、不図示のＳ１スイッチがＯＮとなり、ボディーマイコン７１は、撮像装置１に内蔵された位相差検出センサ２０を用いてデフォーカス方向とデフォーカス量を算出し、算出したデータをリアルタイム交信端子９０ｂを介して交換レンズユニット１００内のレンズマイコンに送信する。この結果、レンズマイコンの指令によりフォーカスレンズ１０２が駆動され、位相差検出方式のフォーカスレンズ１０２の合焦動作が完了する。
コントラスト方式のオートフォーカス機能を併用する場合には、位相差検出方式によってフォーカスレンズ１０２がレンズマイコンからの指令による目的位置に到達する所定距離手前から、画像信号に基づくコントラスト値の算出を所定間隔で行い、目標位置付近でフォーカスレンズ１０２を駆動させコントラスト値がピークとなる位置でフォーカスレンズ１０２を止めることで、合焦動作が完了する。
位相差検出方式の合焦動作中も、液晶モニタ８５は、撮像装置１から出力される画像信号を表示する。
さらに、レリーズボタン７２を全部押下するいわゆる全押しが行われると、不図示のＳ２スイッチがＯＮとなり、シャッターユニット７８を閉鎖し、アイリス１０１を撮像装置１にて測光した結果から導き出された絞り値まで絞り込み、撮影動作を開始する。
本実施の形態のカメラによれば、被写体像が光電変換部１２に入射した状態のままで、つまり、撮像素子１０を露光しながら、位相差検出センサ２０により位相差検出方式の焦点検出を行うことができる。また、これに付随して、（１）撮像素子１０からの画像信号を表示しながらの位相差検出方式の高速なオートフォーカス機能の利用が可能となり、また、（２）位相差検出方式の焦点検出とコントラスト方式の焦点検出の併用により、高速かつ高精度のオートフォーカス機能の実現が可能となる。また、ミラーを無くすことにより、ミラーの駆動時間を排除することができ、レリーズタイムラグの短縮を図ることができる。また、ミラーを無くすことにより、小型化が可能となる。
さらに、位相差検出センサ２０が撮像装置１内に組み込まれているため、撮像素子１０の像面と位相差検出センサ２０との相対位置を高精度に調整することが可能となり、非常に高精度なデフォーカス検出能力を持たせることが可能となる。
〔従来の一眼レフシステムの概要〕
ここで、図１０を用いて、従来の一眼レフカメラ駆動システムの概略について説明する。図１０は、従来の一眼レフカメラの概略構成を示す図である。図１０において、図９と同じ構成要素については、同じ符号を付す。
図１０に示す従来の一眼レフカメラ本体１１０は、電源をＯＮにすると、主ミラー１１１ａおよびサブミラー１１１ｂが図１０に示す状態で待機し、また、シャッターユニット７８が閉じ、撮像素子１１２の電荷排出を可能とする。撮影者がファインダー接眼１１３を覗き込み、構図を決定し、図示しないレリーズボタンを半押しすると、一眼レフカメラ本体１１０の各電気回路および交換レンズユニット１００の各電気回路に電力がそれぞれ供給される。そして、位相差検出ユニット１１４の測光素子による測光データから露出を
算出し、撮影モードに応じてシャッターユニット７８の制御シャッタースピードと交換レンズユニット１００のアイリス１０１の絞り値を決定する。同時に、位相差検出ユニット１１４の出力に応じて焦点状態を検出することで、交換レンズユニット１００のフォーカスレンズ１０２の駆動量を算出し、焦点調整駆動系の駆動を開始する。
さらに、レリーズボタンが全押しされると、図１０に示す矢印方向に主ミラー１１１ａおよびサブミラー１１１ｂがミラーアップし、同時に交換レンズユニット１００のアイリス１０１が絞り駆動系の駆動により所定の絞り値にセットされる。撮影準備が完了すると、撮像素子１１２の電荷を開放し、シャッターユニット７８が所定の露光を開始する。露光が終了すると、主ミラー１１１ａおよびサブミラー１１１ｂを図１０に示す状態に戻し、すべての機能をリセットして一連の撮影動作を終了する。
２００７年８月１３日出願の特願２００７−２１１１６３の日本出願に含まれる明細書、図面及び要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。
本発明に係る撮像装置は、撮像素子を露光しながら高速な焦点検出機能を提供することできる。このため、本発明に係る焦点検出機能を有する撮像装置は、いわゆるコンパクトデジタルカメラや交換レンズ式デジタルカメラなど、あらゆるカメラに利用可能である。また、ビデオＡＦの併用やミラーの排除を併せて行うことにより、高速かつ高精度なオートフォーカス機能を有する非常に小型な新しいジャンルのデジタルカメラの創出も可能となる。
本発明の実施の形態１に係る撮像装置に含まれる撮像素子の断面を一部拡大した図 本発明の実施の形態１に係る撮像装置の断面を一部拡大した図 本発明の実施の形態２に係る撮像装置の断面を一部拡大した図 本発明の実施の形態３に係る撮像装置の斜視図 本発明の実施の形態４における、ＣＭＯＳアクティブピクセルセンサを用いた等価回路の一構成例を示す図 本発明の実施の形態４における、単位セルに対応する等価回路の一構成例を示す図 本発明の実施の形態４における、インターライン転送型ＣＣＤを用いた等価回路の一構成例を示す図 本発明の実施の形態５に係るカメラの本体の制御システムを示すブロック図 本発明の実施の形態１に係る撮像装置を搭載した交換レンズ式デジタルカメラの概略構成を示す図 従来の一眼レフカメラの概略構成を示す図

Claims (15)

  1. 撮像面に形成された光学像を、画像信号を形成するための電気信号に変換する第１光電変換素子と、
    前記第１光電変換素子を透過した光を受光して、測距のための電気信号に変換する第２光電変換素子と、
    を有する撮像装置。
  2. 光電変換部を有する撮像素子と、
    位相差検出を行う位相差検出センサと、を有し、
    前記位相差検出センサは、前記撮像素子からの透過光を受光して位相差検出を行う、
    撮像装置。
  3. 前記撮像素子は、少なくとも一部に光透過部を形成し、
    前記位相差検出センサは、前記光透過部に対応する位置に配置される、
    請求項２記載の撮像装置。
  4. 前記光電変換部は、少なくとも一部の厚みが光を透過する厚みである基板を有する、
    請求項３記載の撮像装置。
  5. 前記光電変換部は、基板を有し、
    前記光透過部は、前記基板に形成された凹部である、
    請求項３記載の撮像装置。
  6. 前記凹部は、前記基板を切削、研磨、またはエッチングすることにより形成される、
    請求項４記載の撮像装置。
  7. 前記凹部の側面は、透過光を前記位相差検出センサに反射させない角度で形成されている、
    請求項４記載の撮像装置。
  8. 前記位相差検出センサを複数有する、
    請求項３記載の撮像装置。
  9. 前記光電変換部は、第１光電変換部と、前記光透過部に形成され前記第１光電変換部よりも光透過率が高い第２光電変換部とを有し、
    前記第２光電変換部からの出力は、前記第１光電変換部からの出力に比して、より増幅される、
    請求項３記載の撮像装置。
  10. 前記光電変換部は、前記第１光電変換部と前記第２光電変換部との中間領域に位置する第３光電変換部を有し、
    前記第３光電変換部からの出力は、段階的に増幅される、
    請求項９記載の撮像装置。
  11. 第１光電変換部および前記第１光電変換部よりも光透過率が高い第２光電変換部を有する光電変換部を有する撮像素子と、前記撮像素子からの透過光を受光して位相差検出を行う位相差検出センサとを有する撮像装置と、
    前記第２光電変換部からの出力に、前記第１光電変換部からの出力と異なる処理を行う信号処理部と、
    を有するカメラ。
  12. 前記信号処理部は、前記第２光電変換部からの出力を、前記第１光電変換部からの出力に比して、より増幅する、
    請求項１１記載のカメラ。
  13. 前記信号処理部は、前記第２光電変換部と前記第１光電変換部との中間領域に位置する光電変換部からの出力を、段階的に増幅する、
    請求項１１記載のカメラ。
  14. 前記信号処理部は、前記第２光電変換部からの出力と前記第１光電変換部からの出力とにより表示される画像のホワイトバランスおよび／または輝度を等しくする処理を行う、
    請求項１１記載のカメラ。
  15. 増幅部が設けられた光電変換部を有する撮像素子と、
    位相差検出を行う位相差検出センサと、を有し、
    前記位相差検出センサは、前記撮像素子からの透過光を受光して位相差検出を行う、
    カメラ。
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