JP5067148B2 - 撮像素子、焦点検出装置および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は撮像素子、焦点検出装置および撮像装置に関する。

マイクロレンズとその背後に配置された一対の光電変換部からなる瞳分割型位相差検出方式の焦点検出画素を光学系の撮影画面の中央と周辺の位置に配列し、光学系から到来する一対の焦点検出用光束により形成される一対の像の像ズレ量を焦点検出画素の出力に基づいて算出し、撮影画面の各位置において光学系の焦点調節状態を検出する撮像素子および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２０００−２９２６８６号公報

しかしながら、上述した従来の装置では、マイクロレンズと光電変換部との相対的な位置関係が撮像素子の製造誤差によって設計値から変位すると、一対の光電変換部が受光する一対の焦点検出用光束の方向も正規の方向からずれてしまう。撮影画面の中央と周辺に配列された焦点検出画素が同一の構成である場合には、焦点検出画素が受光する一対の焦点検出用光束の光学系の絞りによる口径蝕（ケラレ）の程度は、中央に配列された焦点検出画素より周辺に配列された焦点検出画素の方がもともと大きいが、上記のように一対の焦点検出用光束の方向が誤差を持つ場合には、周辺に配列された焦点検出画素はその影響を強く受け、絞りの大きさや位置によっては周辺に配列された焦点検出画素による焦点検出の性能が極端に低下したり、焦点検出が不能になる場合がある。

請求項１の発明による撮像素子は、撮影光学系の光軸近傍の第１領域に配置され、マイクロレンズと光電変換部とを有し前記撮影光学系の瞳の異なる第１対の領域を通る第１対の光束を受光して前記第１対の光束による第１対の像のズレ量を検出する複数の第１焦点検出画素が、前記第１対の像のズレ方向に配列された第１焦点検出画素列と、前記撮影光学系の光軸から離間した第２領域に配置され、マイクロレンズと光電変換部とを有し前記撮影光学系の瞳の異なる第２対の領域を通る第２対の光束を受光して前記第２対の光束による第２対の像のズレ量を検出する複数の第２焦点検出画素が、前記第２対の像のズレ方向に配列された第２焦点検出画素列と、を備え、前記第２焦点検出画素列は、前記第１焦点検出画素列の配列方向の延長方向に配列されるとともに、前記第２対の光束の重心間隔が前記第１対の光束の重心間隔よりも狭いことを特徴とする。
請求項２の発明による撮像素子は、マイクロレンズと該マイクロレンズに対して設けられた光電変換部とを有し、撮影光学系の瞳を通過する光束を受光する複数の画素が二次元状に配置されるとともに、前記光電変換部によって受光した前記瞳上の異なる一対の領域を通る光束による受光信号を出力する撮像素子において、前記複数の画素の配列における前記撮影光学系の光軸近傍の第１領域に配置されるとともに、前記光学系の瞳の一対の領域を通過した第１対の光束を受光する第１焦点検出画素と、前記第１焦点検出画素が受光する前記第１対の光束の重心を結ぶ方向に前記撮影光学系の光軸から離間した第２領域に配置されるとともに、前記撮影光学系の瞳の一対の領域を通過した第２対の光束を受光する第２の焦点検出画素と、を備え、前記第２対の光束のそれぞれの重心を結ぶ方向は、前記第１対の光束のそれぞれの重心を結ぶ方向と同一であり、前記第２対の光束の重心間隔は、前記第１対の光束の重心間隔よりも狭く、前記第１の焦点検出画素および前記第２の焦点検出画素は、前記第１対の光束のそれぞれの重心を結ぶ方向にそれぞれ配列されたことを特徴とする。

本発明によれば、焦点検出画素の製造誤差によって生じる焦点検出用光束の方向ズレに起因する撮影画面周辺の焦点検出性能の低下を防ぐことができる。

一実施の形態の撮像素子および撮像装置として、レンズ交換式デジタルスチルカメラを例に上げて説明する。図１は一実施の形態のカメラの構成を示すカメラの横断面図である。一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などを備えている。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、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や、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他、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とカメラ情報の受信を行う。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、撮像画素が二次元状に配置されるとともに、焦点検出位置に対応した部分に焦点検出画素が組み込まれている。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、撮像素子２１２の駆動制御と画像信号および焦点検出信号の読み出しと、焦点検出信号に基づく焦点検出演算と交換レンズ２０２の焦点調節を繰り返し行うとともに、画像信号の処理と記録、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と通信を行い、レンズ情報の受信とカメラ情報（デフォーカス量や絞り値など）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による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の受光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、画像信号と焦点検出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、撮像素子２１２の焦点検出画素からの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からの画像信号を処理して画像を生成し、メモリカード２１９に格納するとともに、撮像素子２１２からのスルー画像信号を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の絞り値を検出し、これらのレンズ位置と絞り値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に応じたレンズ情報を選択する。

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。

図２は、交換レンズ２０２の撮影画面上における焦点検出位置を示す図であり、後述する撮像素子２１２上の焦点検出画素列が焦点検出の際に撮影画面上で像をサンプリングする領域、すなわち焦点検出エリア、焦点検出位置の一例を示す。この例では、矩形の撮影画面１００上の中央および上下の３箇所に焦点検出エリア１０１、１０２、１０３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。

図３は撮像素子２１２の詳細な構成を示す正面図であり、撮像素子２１２上の焦点検出エリア１０１（、１０２、１０３）の近傍を拡大して示す。撮像素子２１２には撮像画素３１０が二次元正方格子状に稠密に配列されるとともに、焦点検出エリア１０１に対応する位置には焦点検出用の焦点検出画素３１２、３１３が垂直方向の直線上に隣接して交互に配列される。一方、焦点検出エリア１０２、１０３に対応する位置には、焦点検出用の焦点検出画素３２２，３２３が垂直方向の直線上に隣接して交互に配列される。

撮像画素３１０は、図４に示すようにマイクロレンズ１０、光電変換部１１、および色フィルター（不図示）から構成される。色フィルターは赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３種類からなり、それぞれの分光感度は図６に示す特性になっている。撮像素子２１２には、各色フィルターを備えた撮像画素３１０がベイヤー配列されている。

図５(ａ)に示すように、焦点検出画素３１２はマイクロレンズ１０と光電変換部１２とから構成され、光電変換部１２の形状は矩形である。同様に、焦点検出画素３１３はマイクロレンズ１０と光電変換部１３とから構成され、光電変換部１３の形状は矩形である。図８(ａ)に示すように、焦点検出画素３１２と焦点検出画素３１３とをマイクロレンズ１０を重ね合わせて表示すると、光電変換部１２と１３が垂直方向に並んでおり、矩形の光電変換部１２の下辺と矩形の光電変換部１３の上辺が重なって光電変換部１２と１３が接している。焦点検出画素３１２と焦点検出画素３１３は、焦点検出エリア１０１において垂直方向（光電変換部１２と１３の並び方向）に交互に配置される。

図５(ｂ)に示すように、焦点検出画素３２２はマイクロレンズ１０と光電変換部２２とから構成され、光電変換部２２の形状は矩形である。同様に、焦点検出画素３２３はマイクロレンズ１０と光電変換部２３とから構成され、光電変換部２３の形状は矩形である。図８(ｂ)に示すように、焦点検出画素３２２と焦点検出画素３２３とをマイクロレンズ１０を重ね合わせて表示すると、光電変換部２２と２３は垂直方向に並んでおり、矩形の光電変換部２２の下辺は矩形の光電変換部２３の上辺より下方に来ており、光電変換部２２と２３は互いに重なり合って隣接している。焦点検出画素３２２と焦点検出画素３２３は、焦点検出エリア１０２，１０３において垂直方向（光電変換部２２と２３の並び方向）に交互に配置される。
つまり、焦点検出画素３２２の光電変換部２２と焦点検出画素３２３の光電変換部２３との間隔は、焦点検出画素３１２の光電変換部１２と焦点検出画素３１３の光電変換部１３との間隔より狭くなっている。

焦点検出画素３１２、３１３、３２２、３２３には光量をかせぐために色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に示す緑画素、赤画素および青画素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緑画素、赤画素および青画素の感度の光波長領域を包括している。

焦点検出用の焦点検出画素３１２、３１３、３２２、３２３は、撮像画素３１０のＢとＧが配置されるべき列に配置されている。焦点検出用の焦点検出画素３１２、３１３、３２２、３２３が、撮像画素３１０のＢとＧが配置されるべき列に配置されているのは、画素補間処理において補間誤差が生じた場合に、人間の視覚特性上、赤画素の補間誤差に比較して青画素の補間誤差が目立たないためである。

撮像画素３１０の光電変換部１１は、マイクロレンズ１０によって最も明るい交換レンズの射出瞳径（例えばＦ１．０）を通過する光束をすべて受光するような形状に設計される。また、焦点検出画素３１２、３１３の光電変換部１２、１３、および焦点検出画素３２２、３２３の光電変換部２２、２３は、マイクロレンズ１０によって交換レンズの射出瞳の所定の領域（例えばＦ２．８）を通過する光束をすべて受光するような形状に設計される。

図９は撮像画素３１０の断面図である。撮像画素３１０では撮像用の光電変換部１１の前方にマイクロレンズ１０が配置され、マイクロレンズ１０により光電変換部１１の形状が前方に投影される。光電変換部１１は半導体回路基板２９上に形成される。なお、不図示の色フィルターはマイクロレンズ１０と光電変換部１１の中間に配置される。

図１０(ａ)は焦点検出画素３１２の断面図である。画面中央の焦点検出エリア１０１に配置された焦点検出画素３１２において、光電変換部１２の前方にマイクロレンズ１０が配置され、マイクロレンズ１０により光電変換部１２の形状が前方に投影される。光電変換部１２は半導体回路基板２９上に形成されるとともに、その上にマイクロレンズ１０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１０(ｂ)は焦点検出画素３１３の断面図である。画面中央の焦点検出エリア１０１に配置された焦点検出画素３１３において、光電変換部１３の前方にマイクロレンズ１０が配置され、マイクロレンズ１０により光電変換部１３の形状が前方に投影される。光電変換部１３は半導体回路基板２９上に形成されるとともに、その上にマイクロレンズ１０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１１は、焦点検出画素３１２と３１３の断面を重ね合わせた図である。光電変換部１２と１３はマイクロレンズ１０の光軸３００に対して略対象位置に配置されるとともに、焦点検出画素３１２，３１３の断面図をマイクロレンズ１０の光軸３００を基準に重ね合わせると、光電変換部１２の下端と光電変換部１３の上端が接している。したがって、光電変換部１２を投影する光束１１２と光電変換部１３を投影する光束１１３は互いに接しており、一対の光束の全体としての投影方向３０１はおおよそマイクロレンズの光軸３００の方向と一致する。換言すれば、光電変換部１２は光束１１２を受光するとともに、光電変換部１３は光束１１３を受光する。

図１２(ａ)は、撮影画面周辺に配置された焦点検出画素３２２の断面図である。画面周辺の焦点検出エリア１０２に配置された焦点検出画素３２２において、光電変換部２２の前方にマイクロレンズ１０が配置され、マイクロレンズ１０により光電変換部２２の形状が前方に投影される。光電変換部２２は半導体回路基板２９上に形成されるとともに、その上にマイクロレンズ１０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１２(ｂ)は、撮影画面周辺に配置された焦点検出画素３２３の断面図である。画面周辺の焦点検出エリア１０２に配置された焦点検出画素３２３において、光電変換部２３の前方にマイクロレンズ１０が配置され、マイクロレンズ１０により光電変換部２３の形状が前方に投影される。光電変換部２３は半導体回路基板２９上に形成されるとともに、その上にマイクロレンズ１０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１３は、焦点検出画素３２２と３２３の断面を重ね合わせた図である。光電変換部２２と２３はマイクロレンズ１０の光軸３００に対して非対称位置（全体として上方向）に配置されるとともに、焦点検出画素３２２，３２３の断面図をマイクロレンズ１０の光軸３００を基準に重ね合わせると、光電変換部２２の下部と光電変換部２３の上部が重なり合っている。したがって、光電変換部２２を投影する光束１２２と光電変換部２３を投影する光束１２３は互いに一部が重なり合うとともに、一対の光束の全体としての投影方向３０２はおおよそマイクロレンズの光軸３００と異なる方向（図１３においては光軸３００より下方向）に向かっている。換言すれば、光電変換部２２は光束１２２を受光するとともに、光電変換部２３は光束１２３を受光することになる。

図１４は、撮影画面中央における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図である。９０は交換レンズの予定結像面に配置されたマイクロレンズの前方ｄの距離に設定された瞳面（以下では測距瞳面と呼ぶ）であり、距離ｄはマイクロレンズの曲率、屈折率、マイクロレンズと光電変換部の間の距離などに応じて決まる距離（以下では測距瞳距離と呼ぶ）である。９１は交換レンズの光軸、１０ａ〜１０ｄはマイクロレンズ、１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂは光電変換部、３１２ａ、３１２ｂ、３１３ａ、３１３ｂは焦点検出画素、７２、７３、８２、８３は焦点検出用光束である。９２はマイクロレンズ１０ａ１０ｃにより投影された光電変換部１２ａ、１２ｂの領域であり、以下では測距瞳と呼ぶ。９３はマイクロレンズ１０ｂ、１０ｄにより投影された光電変換部１３ａ、１３ｂの領域であり、以下では測距瞳と呼ぶ。

図１４においては、撮影光軸９１に隣接する４つの焦点検出画素（画素３１２ａ、３１３ａ、３１２ｂ、３１３ｂ）を模式的に例示しているが、焦点検出エリア１０１のその他の焦点検出画素においても、光電変換部はそれぞれ対応した測距瞳９２、９３から各マイクロレンズに到来する光束を受光する。焦点検出画素の配列方向は一対の測距瞳の並び方向すなわち一対の光電変換部の並び方向と一致している。

マイクロレンズ１０ａ〜１０ｄは交換レンズの予定結像面近傍に配置されており、マイクロレンズ１０ａ〜１０ｄによりその背後に配置された光電変換部１２ａ、１３ａ、１２ｂ、１３ｂの形状がマイクロレンズ１０ａ〜１０ｄから測距瞳距離ｄだけ離間した測距瞳面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ｄにある測距瞳面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、各焦点検出画素におけるマイクロレンズと光電変換部の相対的位置関係が定められ、それにより各焦点検出画素における光電変換部の投影方向が決定されている。

光電変換部１２ａは、測距瞳９２を通過してマイクロレンズ１０ａに向かう光束７２によりマイクロレンズ１０ａ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１２ｂは、測距瞳９２を通過してマイクロレンズ１０ｃに向かう光束８２によりマイクロレンズ１０ｃ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１３ａは、測距瞳９３を通過してマイクロレンズ１０ｂに向かう光束７３によりマイクロレンズ１０ｂ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１３ｂは、測距瞳９３を通過してマイクロレンズ１０ｄに向かう光束８３によりマイクロレンズ１０ｄ上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。

上述したような２種類の焦点検出画素を直線上に多数配置し、各画素の光電変換部の出力を測距瞳９２と測距瞳９３に対応した出力グループにまとめることによって、測距瞳９２と測距瞳９３をそれぞれ通過する焦点検出用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が得られる。この情報に対して後述する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。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。

図１５は、撮影画面周辺（焦点検出エリア１０２）における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図である。９０は、交換レンズの予定結像面に配置されたマイクロレンズの前方ｄの距離に設定された瞳面（以下では測距瞳面と呼ぶ）であり、距離ｄはマイクロレンズの曲率、屈折率、マイクロレンズと光電変換部の間の距離などに応じて決まる距離（以下では測距瞳距離と呼ぶ）である。

また、９１は交換レンズの光軸、１０ｅ〜１０ｈは隣接して配置されたマイクロレンズ、２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂは光電変換部、３２２ａ、３２２ｂ、３２３ａ、３２３ｂは焦点検出画素、１７２、１７３、１８２、１８３は焦点検出用光束、１９２はマイクロレンズ１０ｅ、１０ｇにより測距瞳面９０に投影された光電変換部２２ａ、２２ｂの領域であり、以下では測距瞳と呼ぶ。１９３はマイクロレンズ１０ｆ、１０ｈにより測距瞳面９０に投影された光電変換部２３ａ、２３ｂの領域であり、以下では測距瞳と呼ぶ。測距瞳１９２と１９３は光軸９１近傍で重畳している。

図１５においては、焦点検出エリア１０２内の隣接する４焦点検出画素（焦点検出画素３２２ａ、３２２ｂ、３２３ａ、３２３ｂ）を模式的に例示しているが、焦点検出エリア１０２内のその他の焦点検出画素においても、光電変換部はそれぞれ対応した測距瞳１９２、１９３から各マイクロレンズに到来する光束を受光する。このために画面周辺にある焦点検出画素においては、マイクロレンズの光軸に対し、光電変換部の位置が非対称に配置されることによって、マイクロレンズの光軸より交換レンズの光軸９１側に寄った光束を受光している。焦点検出画素の配列方向は一対の測距瞳の並び方向すなわち一対の光電変換部の並び方向と一致している。

マイクロレンズ１０ｅ〜１０ｈは交換レンズの予定結像面近傍に配置されており、マイクロレンズ１０ｅ〜１０ｈによりその背後に配置された光電変換部２２ａ、２３ａ、２２ｂ、２３ｂの形状がマイクロレンズ１０ｅ〜１０ｈから測距瞳距離ｄだけ離間した測距瞳面９０上に投影され、その投影形状は測距瞳１９２、１９３を形成する。すなわち、投影距離ｄにある測距瞳面９０上で焦点検出画素の光電変換部の投影形状（測距瞳１９２、１９３）が一致するように、各焦点検出画素におけるマイクロレンズと光電変換部の相対的位置関係が定められ、それにより各焦点検出画素における光電変換部の投影方向が決定されている。

光電変換部２２ａは、測距瞳１９２を通過してマイクロレンズ１０ｅに向かう光束１７２を受光し、光束１７２によりマイクロレンズ１０ｅ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２２ｂは、測距瞳１９２を通過してマイクロレンズ１０ｇに向かう光束１８２を受光し、光束１８２によりマイクロレンズ１０ｇ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２３ａは、測距瞳１９３を通過してマイクロレンズ１０ｆに向かう光束１７３を受光し、光束１７３によりマイクロレンズ１０ｆ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２３ｂは、測距瞳１９３を通過してマイクロレンズ１０ｈに向かう光束１８３を受光し、光束１８３によりマイクロレンズ１０ｈ上に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２種類の焦点検出画素を直線上に多数配置し、各画素の光電変換部の出力を測距瞳１９２および測距瞳１９３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１９２と測距瞳１９３をそれぞれ通過する焦点検出用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が得られる。この情報に対して後述する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。この像ズレ量に一対の測距瞳の重心間隔の開き角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。

なお、焦点検出エリア１０３の焦点検出画素の配列は、撮影画面中心を通る水平軸を対称軸として焦点検出エリア１０２の焦点検出画素の配列を対象に配置したものとなっており、焦点検出エリア１０３の焦点検出画素も測距瞳１９２、１９３を通る光束を受光する。

図１６は撮像画素と測距瞳面との関係を示す図である。図において、７０はマイクロレンズ、７１は撮像画素の光電変換部、８１は撮像光束、９４はマイクロレンズ１０により投影された光電変換部１１の領域である。なお、便宜的に光軸９１上にある撮像画素、すなわちマイクロレンズ７０と光電変換部７１からなる撮像画素を模式的に例示しているが、その他の撮像画素においても光電変換部はそれぞれ領域９４から各マイクロレンズに到来する光束を受光する。

マイクロレンズ７０は光学系の予定結像面近傍に配置されており、光軸９１上に配置されたマイクロレンズ７０によりその背後に配置された光電変換部７１の形状がマイクロレンズ７０から投影距離ｄだけ離間した測距瞳面９０上に投影され、その投影形状は領域９４を形成する。光電変換部７１は、領域９４を通過してマイクロレンズ７０に向かう光束８１を受光し、光束８１によりマイクロレンズ１０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。上記のような撮像画素を二次元状に多数配置することにより、各画素の光電変換部の出力に基づいて画像情報が得られる。

図１７は測距瞳面における投影関係を示す正面図である。画面中央の焦点検出エリア１０１に配置された焦点検出画素において、光電変換部をマイクロレンズにより測距瞳面９０に投影した測距瞳９２、９３は、撮像画素から光電変換部をマイクロレンズにより測距瞳面９０に投影した領域９４の内部に包含される。測距瞳９２、９３は、互いに光軸に直交する水平線を境界にして接している。

図１８は測距瞳面における投影関係を示す正面図である。撮影画面周辺の焦点検出エリア１０２、１０３に配置された焦点検出画素において、光電変換部をマイクロレンズにより測距瞳面９０に投影した測距瞳１９２、１９３は、撮像画素から光電変換部をマイクロレンズにより測距瞳面９０に投影した領域９４の内部に包含される。測距瞳１９２，１９３は、光軸に直交する水平線を中心とした重複部（重なり部）１９５を有する。

図１９は光学系の射出瞳と測距瞳との関係を示す図である。図(ａ)において、面ＰＦは撮像素子（焦点検出素子）が配置される光学系の予定焦点面である。また、面ＰＡは測距瞳面であり、予定焦点面ＰＦから距離ｄだけ離れている。さらに、面ＰＬはある交換レンズの光学系の射出瞳面であり、予定焦点面ＰＦから距離ｆだけ離れている。９１は光学系の光軸であり、位置ＡＣは予定焦点面ＰＦと光学系の光軸９１とが交わる点（画面中心）、また位置ＡＥは予定焦点面ＰＦ上で画面中心ＡＣから距離Ｓだけ離れた画面周辺の位置である。

線４０２、４０３は、光学系の開放Ｆ値（交換レンズ全体の平均的な開放Ｆ値より暗い）を示す境界線（画面中央から開放Ｆ値を見込む線）であり、測距瞳距離ｄと光学系の射出瞳距離ｆとが一致する場合には、測距瞳面ＰＡにおける領域１７０を通る光束が開放Ｆ値の絞りを通過する光束となる。

図１９(ａ)は、画面中央の焦点検出エリア１０１の焦点検出画素が受光する一対の焦点検出用光束と、画面周辺の焦点検出エリア１０２の焦点検出画素が受光する一対の焦点検出用光束と、光学系の射出瞳との関係を示す図である。画面中央の位置ＡＣに配置された焦点検出画素が受光する一対の焦点検出用光束（光軸９１と境界線４１２の間の光束および光軸９１と境界線４１３の間の光束）が射出瞳面ＰＡにおいて通過する領域＝測距瞳９２、９３は、図１９(ｂ)に示すように光軸９１を通る水平線で領域１７０を２等分しており、一対の測距瞳９２、９３は重なる部分はない。

画面周辺の位置ＡＥに配置された焦点検出画素が受光する一対の焦点検出用光束（境界線４２２、４３２の間の光束および境界線４２３、４３３の間の光束）が測距瞳面ＰＡにおいて通過する領域＝測距瞳１９２、１９３は、図１９(ｃ)に示すように領域１７０上で対照的な領域となっており、光軸９１を通る水平線を中心とした重複部（重なり部）１９５を有する。

位置ＡＣにおいて測距瞳９２を通る光束を受光する焦点検出画素は、図１９(ａ)において外側を線４１２、内側を光軸９１で示した範囲内の光束を受光することになる。位置ＡＣにおいて測距瞳９３を通る光束を受光する焦点検出画素は、図１９(ａ)において外側を線４１３、内側を光軸９１で示した範囲内の光束を受光することになる。また、位置ＡＥにおいて測距瞳１９２を通る光束を受光する焦点検出画素は、図１９(ａ)において外側を線４２２、内側を線４３２で示した範囲内の光束を受光することになる。位置ＡＥにおいて測距瞳１９３を通る光束を受光する焦点検出画素は、図１９(ａ)において外側を線４２３、内側を線４３３で示した範囲内の光束を受光することになる。

位置ＡＣの焦点検出画素は光軸９１を中心とした焦点検出用光束を受光し、位置ＡＥの焦点検出画素は測距瞳面ＰＡにおいて光軸９１と交差する軸１９１を中心とした焦点検出用光束を受光する。

光学系の射出瞳距離ｆが測距瞳距離ｄと一致する場合には、図１９(ｂ)に示すように測距瞳面ＰＡにおける光学系の開放Ｆ値を示す円１７０の内部かつ一対の測距瞳９２、９３を通過する光束が、位置ＡＣに配列された焦点検出画素に受光されることになり、光学系の開放Ｆ値を示す円１７０の内部かつ一対の測距瞳１９２、１９３を通過する光束が、位置ＡＥに配列された焦点検出画素に受光されることになる。

領域１７０の内部における一対の測距瞳９２、９３の重心間の距離Ｇ１を位置ＡＣから臨む角度は、領域１７０の内部における一対の測距瞳１９２、１９３の重心間の距離Ｇ２を位置ＡＣから臨む角度より大きくなる。このことは後述する像ズレ検出演算処理により求められた像ズレ量をデフォーカス量に変換する際の変換係数が、画面周辺より画面中央の方が小さくなり、したがって画面周辺より画面中央において焦点検出精度が高いことを意味している。

光学系の射出瞳距離ｆが測距瞳距離ｄと異なる場合（図１９(ａ)においてはｄ＞ｆ）には、射出瞳距離ｆと測距瞳距離ｄとの相違が大きくなるにつれ軸１９１が次第に光軸９１から離れていくので、画面周辺の焦点検出画素が受光する焦点検出用光束は、光学系の射出瞳による口径蝕（ケラレ）を受けやすくなる。

さらに、焦点検出画素を構成するマイクロレンズと光電変換部との相対的な位置の製造誤差に起因する光電変換部の投影方向の角度誤差、すなわち画面中央においては光軸９１の方向の角度誤差、画面周辺においては軸１９１の方向の角度誤差が加わった場合には、画面中央の焦点検出画素が受光する一対の焦点検出用光束の口径蝕によるバランスの崩れは少ないが、画面周辺の焦点検出画素が受光する一対の焦点検出用光束の口径蝕によるバランス崩れは大きくなる。

このような光学系の射出瞳距離ｆが測距瞳距離ｄと異なる場合において、光電変換部の投影方向の角度誤差による一対の焦点検出用光束の口径蝕によるバランス崩れを軽減するために、画面周辺の焦点検出画素においてはその一対の測距瞳を一部重複させているのである。

図２０を用いて一対の焦点検出用光束を重複させることの効果について説明する。図２０は、光学系の射出瞳距離ｆが測距瞳距離ｄと異なる場合であって、図１９(ａ)に示す射出瞳面ＰＬにおいて線４０２、４０３の間にある開放Ｆ値内の領域１８０と測距瞳９２、９３および測距瞳１９２、１９３を通り画面中央の位置ＡＣおよび画面周辺の位置ＡＥに向かう一対の焦点検出用光束の関係を示す図である。このような状態では測距瞳９２、９３および測距瞳１９２，１９３を通り画面中央および画面周辺に向かう焦点検出用光束のうち領域１８０を通過した光束だけが、焦点検出画素に受光されることになる。

図２０(ａ)に示すように、光電変換部の投影方向の角度誤差がない場合には、射出瞳９２、９３を通り画面中央の焦点検出画素に向かう一対の焦点検出用光束の射出瞳面ＰＬにおける断面領域は領域５９２、５９３となり、光軸９１を通る水平線で領域１８０を２等分しており、一対の測距瞳９２、９３は重なる部分はない。また、図２０(ｃ)に示すように、測距瞳１９２、１９３を通り画面周辺の焦点検出画素へ向かう一対の焦点検出用光束の射出瞳面ＰＬにおける断面領域は領域７９２、７９３となり、領域１８０に対し非対照的な領域となっており、その重複部分７９５の中に領域１８０が含まれるので、一対の焦点検出用光束はバランスは崩れているが焦点検出可能なレベルである。

図２０(ｂ)に示すように、仮に重複部分を持たない一対の測距瞳９２，９３を通る一対の焦点検出用光束を画面周辺の焦点検出画素で受光するとした場合には、測距瞳９２、９３を通り画面周辺の焦点検出画素に向かう一対の焦点検出用光束の射出瞳面ＰＬにおける断面領域は領域６９２、６９３となり、領域１８０に対し非対照的な領域となっており、領域１８０内において一対の測距瞳９２、９３は重なる部分はなく、一対の焦点検出用光束のバランス崩れは非常に大きなものとなる。

次に、図２０(ｄ)に示すように、光電変換部の投影方向の角度誤差がある場合（図１９(ａ)において一対の焦点検出用光束の中心軸９１、１９１が上方向に振れた場合）には、画面中央の焦点検出画素に向かう一対の焦点検出用光束の射出瞳面ＰＬにおける断面領域は領域５９２’、５９３’となり、領域１８０に対し非対象的な領域となるが、一対の焦点検出用光束のバランス崩れは少なく焦点検出可能である。また、図２０(ｆ)に示すように、画面周辺の焦点検出画素に向かう一対の焦点検出用光束の射出瞳面ＰＬにおける断面領域は領域７９２’、７９３’となり、領域１８０に対し非対称的な領域となっており、その重複部分７９５’の中に依然として領域１８０が含まれるので、一対の焦点検出用光束のバランス崩れはあるが焦点検出可能なレベルである。

図２０(ｅ)に示すように、仮に重複部分を持たない一対の測距瞳を通る一対の焦点検出用光束を画面周辺の焦点検出画素で受光するとした場合には、画面周辺の焦点検出画素に向かう一対の焦点検出用光束の射出瞳面ＰＬにおける断面領域は領域６９２’、６９３’となり、一方の領域６９２’には領域１８０が含まれず、一対の焦点検出用光束のバランスは完全に崩れてしまい、焦点検出が不能になってしまう。

図２０においては射出瞳距離ｆが測距瞳距離ｄより短い光学系の場合について説明したが、射出瞳距離ｆが測距瞳距離ｄより長い光学系の場合についても測距瞳を一部重ね合わせることによって、一対の焦点検出用光束を重複させて画面周辺での光電変換部の投影方向の角度誤差の影響を軽減することができる。

図２１は、一実施の形態のデジタルスチルカメラ（撮像装置）の撮像動作を示すフローチャートである。ボディ駆動制御装置２１４は、ステップ１００でカメラの電源がオンされると、ステップ１１０以降の撮像動作を開始する。ステップ１１０において被写界輝度に応じて撮像素子２１２の露光時間を制御する。続くステップ１２０で撮像素子２１２から撮像画素と焦点検出画素のデータを読み出す。なお、焦点検出エリアは、撮影者が焦点検出エリア選択部材（不図示）を用いて焦点検出エリア１０１〜１０３の内のいずれかを予め選択しているものとする。

ステップ１３０で撮像画素のデータを電子ビューファインダーに表示させる。次に、ステップ１４０で、選択された焦点検出エリアの焦点検出画素の一対の像データに基づいて後述する像ズレ検出演算処理（相関演算処理）を行い、デフォーカス量を算出する。ステップ１５０で合焦近傍か否か、つまりデフォーカス量の絶対値が合焦判定しきい値以内にあるか否かを調べる。合焦近傍でないと判定した場合はステップ１６０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のフォーカシングレンズ２１０を合焦位置へ駆動させ、ステップ１１０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１６０へ分岐し、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のフォーカシングレンズ２１０を無限から至近までの間でスキャン駆動させ、ステップ１１０へ戻って上述した動作を繰り返す。

一方、合焦近傍であると判定した場合はステップ１７０へ進み、シャッターボタン（不図示）が操作されてシャッターレリーズがなされたか否かを確認し、シャッターレリーズがなされていないときはステップ１１０へ戻って上述した動作を繰り返す。シャッターレリーズがなされたときはステップ１８０へ進み、被写体輝度に応じて撮影パラメーターを決定し、レンズ駆動制御装置２０６へ絞り制御情報を送信し、交換レンズ２０２の絞り値を撮影絞り値に設定させる。絞り制御が終了した時点で、決定された電荷蓄積時間に応じて撮像素子２１２の露光を行う。

ステップ１９０において、撮像素子２１２から撮像画素のデータを読み出す。続くステップ２００では、焦点検出画素の周囲にある撮像画素のデータに基づいて焦点検出画素位置の画像データを補間して求め、画面全体の画像データを生成する。ステップ２１０で、画像データをメモリカード２１９に保存し、ステップ１１０へ戻って上述した動作を繰り返す。

ここで、図２１のステップ１３０における像ズレ検出演算処理（相関演算処理）の詳細を説明する。焦点検出画素が検出する一対の像は光量バランスが崩れている可能性があるので、光量バランス崩れに対して像ズレ検出精度を維持できるタイプの相関演算を施す。焦点検出画素列から読み出された一対のデータ列（α1〜αM、β1〜βM：Ｍはデータ数）に対し、下記（１）式に示す高周波カットフィルター処理を行い、第１データ列Ａ1〜ＡNと第２データ列Ｂ1〜ＢNを生成することによって、データ列から相関処理に悪影響を及ぼすノイズ成分や高周波成分を除去する。なお、演算時間の短縮を図る場合や、すでに大きくデフォーカスしていて高周波成分が少ないことが解っている場合などには、この高周波除去のためのフィルター処理を省略することもできる。
Ａn＝αn＋２・αn+1＋αn+2，
Ｂn＝βn＋２・βn+1＋βn+2 ・・・（１）
（１）式において、ｎ＝１〜Ｎである。

データ列Ａn、Ｂnに対し（２）式に示す相関演算を行って相関量Ｃ(k)を演算する。
Ｃ(k)＝Σ｜Ａn・Ｂn+1+k−Ｂn+k・Ａn+1｜ ・・・（２）
（２）式において、Σ演算はｎについて累積され、ｎのとる範囲は像ずらし量ｋに応じてＡn、Ａn+1、Ｂn+k、Ｂn+1+kのデータが存在する範囲に限定される。像ずらし量ｋは整数であり、データ列のデータ間隔を単位とした相対的シフト量である。

（２）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（図２２(ａ)ではｋ＝ｋj＝２）において相関量Ｃ(k)が極小（小さいほど相関度が高い）になる。次に、下記（３）式〜（６）式に示す３点内挿の手法を用い、連続的な相関量に対する極小値Ｃ(ｘ)を与えるシフト量ｘを求める。
ｘ＝ｋj＋Ｄ／ＳＬＯＰ ・・・（３），
Ｃ(ｘ)＝ Ｃ(ｋj)-｜Ｄ｜ ・・・（４），
Ｄ＝｛Ｃ(ｋj-１)−Ｃ(ｋ j＋１)｝／２ ・・・（５），
ＳＬＯＰ＝ＭＡＸ｛Ｃ(ｋj＋１)−Ｃ(ｋj)，Ｃ(ｋj−１)−Ｃ(ｋj)｝ ・・・（６）

（３）式で算出されたずらし量ｘの信頼性があるかどうかは、以下のようにして判定される。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極小値Ｃ(ｘ)の値が大きくなる。したがって、Ｃ(ｘ)が所定のしきい値以上の場合は算出されたずらし量の信頼性が低いと判定し、算出されたずらし量ｘをキャンセルする。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)を除した値が所定値以上の場合は、算出されたずらし量の信頼性が低いと判定し、算出されたずらし量ｘをキャンセルする。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、算出されたずらし量の信頼性が低いと判定し、算出されたずらし量ｘをキャンセルする。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ｋmin〜ｋmaxの間で相関量Ｃ(k)の落ち込みがない場合は、極小値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。

なお、相関演算式としては上記（２）式に限定されず、測距瞳がレンズの絞り開口によりけられて光量バランスが崩れていても像ズレ検出精度を維持できるタイプの相関演算式ならばどのような式でもよい。

算出されたずらし量ｘの信頼性があると判定された場合は、被写体像の予定結像面に対するデフォーカス量ＤＥＦを（７）式により求めることができる。
ＤＥＦ＝ＦＡ・ＰＹ・ｘ ・・・（７）
（７）式において、ＰＹは検出ピッチ（焦点検出画素のピッチ）であり、ＦＡは変換係数である。

なお、（７）式における変換係数ＦＡは図１９(ａ)、(ｂ)に示す重心間隔Ｇ１、Ｇ２を焦点検出画素から見込んだ開き角度に対応した係数であり、焦点検出エリア１０１の変換係数と焦点検出エリア１０２、１０３の変換係数は異なっている。

以上説明したように、一実施の形態では、光電変換部の投影方向の角度誤差の影響が少ない画面中央に配置される焦点検出画素に対しては、測距瞳を重畳させずに重心間隔を広くしているので、焦点検出精度を高くできるとともに、光電変換部の投影方向の角度誤差の影響を受けやすい画面周辺に配置される焦点検出画素に対しては測距瞳を重畳させることにより、光電変換部の投影方向の角度誤差が生じた場合においても焦点検出を可能にしている。

なお、以上の説明では画面中央に配置される焦点検出画素に対しては測距瞳を重畳させず、画面周辺に配置される焦点検出画素に対しては測距瞳を重畳させるとして説明したが、画面中央および画面周辺に配置される焦点検出画素に対して両方とも測距瞳を重畳させるとともに、画面周辺に配置される焦点検出画素の測距瞳の重畳量を画面中央に配置される焦点検出画素の測距瞳の重畳量より大きくするようにしてもよい。

《その他の実施の形態》
上述した一実施の形態では、焦点検出画素が受光する一対の焦点検出用光束の光学的特性として一対の焦点検出用光束の重畳量を、画面中央と画面周辺とで異ならせることによって、焦点検出精度と角度誤差に起因する口径蝕の影響の軽減効果のバランスをとる例を示したが、画面中央と画面周辺とで異ならせる一対の焦点検出用光束の光学的特性としては、一対の焦点検出用光束の重畳量に限定されず、その他の光学的特性であってもよい。

例えば図２３に示すように、画面中央と画面周辺とで測距瞳距離を異ならせるようにしてもよい。図２３において、この焦点検出画素で検出可能な最も暗い交換レンズの開放Ｆ値をＦ５．６としている。交換レンズシステムにおいて、各交換レンズの射出瞳の距離は最短ｄminから最長ｄmaxの間に略一様に分布している。

予定焦点面ＰＦにおいて画面中央近傍の位置ＡＢでは、測距瞳距離ｄ＝（ｄmin＋ｄmax）／２において焦点検出用光束の中心軸３９１と光軸９１とが交差するように焦点検出画素のマイクロレンズと光電変換部の相対的な位置を設定している。また、画面周辺の位置ＡＣにおいては、測距瞳距離ｄより短い測距瞳距離ｄｐにおいて焦点検出用光束の中心軸２９１と光軸９１とが交差するように焦点検出画素のマイクロレンズと光電変換部の相対的な位置を設定している。

図２３において、測距瞳距離ｄｐは、Ｆ５．６の開口光束の上側の境界線４３２が最短射出瞳距離ｄminの射出瞳面と交わる点と、Ｆ５．６の開口光束の下側の境界線４３３が最長射出瞳距離ｄmaxの射出瞳面と交わる点とを結んだ線が光軸９１と交わる位置の距離である。画面周辺の焦点検出画素においてはこの点に向かって投影軸２９１が設定される。投影軸に上方向の角度誤差が加わった場合の投影軸をそれぞれ２９１’、３９１’で示す。

このように、画面周辺においては測距瞳距離をｄｐとすれば、最短射出瞳距離の光学系および最長射出瞳距離の光学系に対し、最短射出瞳面および最長射出瞳面における角度誤差の影響によるマージン（投影軸２９１から境界線４３２、４３３までの距離と光軸９１から境界線４３２、４３３までの距離の割合）が一致するので、測距瞳距離をｄとした場合には焦点検出用光束の口径蝕のために焦点検出が厳しくなるような開放Ｆ値５．６で射出瞳距離が短い交換レンズに対しても焦点検出を可能にすることができる。

例えば画面周辺において測距瞳距離をｄとした場合には、図２３において最短射出瞳面において一方の焦点検出用光束が完全に口径蝕により遮られてしまう。一方、画面中央近傍においては、各交換レンズの射出瞳距離の平均値ｄに測距瞳距離を設定したので、焦点検出用光束のバランスを平均的に最も良好にすることができる。すなわち、複数の交換レンズに対して平均的に最も焦点検出精度を高くすることができる。

焦点検出用光束の重畳量や焦点検出用光束の中心軸などの光学特性は、マイクロレンズの光学特性（焦点距離、屈折率、曲率）や光電変換部の特性（サイズ）や、マイクロレンズと光電変換部の相対的位置関係（マイクロレンズの光軸と垂直な面内での光電変換部の位置、マイクロレンズと光電変換部の間の距離）を変更することにより変えることができる。

図２４は変形例の撮像素子２１２Ａの詳細な構成を示す正面図であり、撮像素子２１２Ａ上の焦点検出エリア１０１、１０２、１０３の近傍を拡大して示す。図３に示す撮像素子２１２では、焦点検出画素は図５(ａ)、(ｂ)に示す一対の焦点検出画素によって構成されていた。これに対し図２４に示す撮像素子２１２Ａでは、焦点検出画素は１つのマイクロレンズのもとに一対の光電変換部を備えた画素構造を有する。

撮像素子２１２Ａは、撮像用の撮像画素３１０と焦点検出用の焦点検出画素３１１から構成される。図２５に示すように、焦点検出画素３１１は、マイクロレンズ１０と一対の光電変換部３２、３３から構成される。光電変換部３２，３３は、マイクロレンズ１０により交換レンズの射出瞳の所定の領域（例えばＦ２．８）を通過する光束をすべて受光するような形状に設計される。光電変換部３２と３３は、上下垂直方向に並んでおり、焦点検出エリア１０１に配置された焦点検出画素においては、光電変換部３２と光電変換部３３の感度分布は分離しており、焦点検出エリア１０２、１０３に配置された焦点検出画素においては、光電変換部３２の下側の一部と光電変換部３３の上側の一部は感度分布が重なった領域を有する。焦点検出画素３１１は垂直方向（光電変換部３２と３３の並び方向）に配置される。

図２６は、図２５に示す焦点検出画素の瞳分割方式による焦点検出を説明するための図である。基本的な焦点検出原理は図１４で説明した原理と同じであり、相違点を中心に説明する。ここでは、焦点検出エリア１０１の焦点検出画素について説明するが、他の焦点検出エリア１０２，１０３の焦点検出画素についても同様である。また、光軸９１上にある焦点検出画素（マイクロレンズ１０と一対の光電変換部３２、３３からなる）と隣接する焦点検出画素を模式的に例示しているが、その他の焦点検出画素においても一対の光電変換部は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。

焦点検出画素の配列方向は一対の測距瞳８９２、８９３の並び方向、すなわち一対の光電変換部の並び方向と一致させる。マイクロレンズ１０は光学系の予定結像面近傍に配置されており、光軸９１上に配置されたマイクロレンズ１０によりその背後に配置された一対の光電変換部３２，３３の形状がマイクロレンズ１０から投影距離ｄだけ離間した射出瞳面９０上に投影され、その投影形状は測距瞳８９２、８９３を形成する。光電変換部３２は、測距瞳８９２を通過してマイクロレンズ１０に向かう焦点検出用光束４２によりマイクロレンズ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、光電変換部３３は、測距瞳８９３を通過してマイクロレンズ１０に向かう焦点検出用光束４３によりマイクロレンズ１０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。

このような焦点検出画素を直線上に多数配置し、各画素の一対の光電変換部の出力を測距瞳８９２と測距瞳８９３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８９２と測距瞳８９３をそれぞれ通過する焦点検出用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が得られる。

図２７は、焦点検出画素の詳細構造を示す断面と感度分布を示す図である。図２７(ａ)は、１つのマイクロレンズの背後に一対の光電変換部を有する焦点検出画素の詳細な構造を示す断面図である。マイクロレンズ１０により焦点検出用光束は半導体基板２９上に集光される。半導体基板２９上に開口部を有する酸化膜３０が形成され、受光領域以外を遮光している。半導体基板２９はｐ型半導体となっており、受光領域には一対のｎ型領域３２、３３が形成されている。焦点検出エリア１０１の焦点検出画素においては一対のｎ型領域３２、３３の間の領域３６には分離領域（遮光膜など）を設け、焦点検出エリア１０２、１０３の焦点検出画素においては一対のｎ型領域３２、３３の間の領域３６には分離領域を設けずにそのままｐ型領域になっている。

このような構造においてｎ型領域３２、３３とｐ型基板によりＰＮ接合が形成され、一対の光電変換部（フォトダイオード）を構成している。領域３６がｐ型領域の場合は、この領域に入射する光束によって発生する電荷は拡散によってｎ型領域３２またはｎ型領域３３に流入する。その結果、ｎ型領域３２およびｎ型領域３３の光感度分布３４、３５は領域３６で重なり合うようにする。

図２７(ｂ)は焦点検出エリア１０２、１０３の焦点検出画素の一対のｎ型領域３２、３３の感度分布３４、３５を示しており、領域３６において感度分布が重畳している。一方、領域３６に分離領域が形成されている場合には、この領域に入射する光束よって電荷が発生せず、その結果ｎ型領域３２およびｎ型領域３３の光感度分布３４、３５は領域３６で重なり合わない。

図２７(ｃ)は焦点検出エリア１０１の焦点検出画素の一対のｎ型領域３２、３３３の感度分布３４、３５を示しており、領域３６において感度分布が重畳していない。

上述したように、一対の光電変換部の感度を一部重なり合わせることによって、画面周辺に配置された焦点検出画素において受光する一対の焦点検出用光束の一部を重畳することができる。

図２８は撮像装置の構成の他の一例を示す。なお、図１に示す撮像装置２０１と同様な機器に対しては同一の符号を付して説明する。図１に示す撮像装置２０１では、撮像素子２１２を焦点検出用と撮像用に兼用する例を示したが、図２８に示す変形例の撮像装置２０１Ａでは、撮像素子２１２を撮像専用とし、本発明に係わる焦点検出専用の撮像素子２１１を別個に設けている。撮像素子２１１には焦点検出画素が二次元的に配置されている。図２８において、カメラボディ２０３には撮影光束を分離するハーフミラー２２１が配置されており、透過側に撮像専用の撮像素子２１２が配置され、反射側に焦点検出専用の撮像素子２１１が配置される。

撮影前は焦点検出用撮像素子２１１の出力に応じて焦点検出が行われる。レリーズ時は撮像専用の撮像素子２１２の出力に応じた画像データが生成される。ハーフミラー２２１を全反射ミラーとし、撮影時は撮影光路から待避するようにしてもよい。焦点検出専用の撮像素子２１１と撮像専用の撮像素子２１２の配置を逆にし、反射側に撮像専用の撮像素子２１２を配置し、透過側に焦点検出兼電子ビューファインダー表示用の撮像素子２１１を配置してもよい。

上述した撮像装置２０１Ａにおいても、焦点検出用撮像素子２１１の画面中央に配置された焦点検出画素と画面周辺に配置された焦点検出画素の構成を異ならせることによって、画面中央に配置された焦点検出画素が受光する一対の焦点検出用光束の光学特性が高精度な焦点検出に適するようにし、画面周辺に配置された焦点検出画素が受光する一対の焦点検出用光束の光学特性が焦点検出画素の製造誤差および口径蝕に対して有利に働くようにすることができる。

なお、焦点検出エリアの数、位置については図２に示す数と配置に限定されない。撮影画面内の複数の任意の位置に焦点検出画素を水平または垂直に配列することによって、複数の焦点検出エリアを配置することができる。

また、図３および図２４に示す撮像素子では、焦点検出エリアに焦点検出画素を隙間なく配置した例を示したが、数画素おきに焦点検出画素を配置してもよい。焦点検出画素のピッチを大きくすることによって焦点検出精度が多少低下するが、焦点検出画素の密度が低くなるので画像データ補間後の画像品質が向上する。

さらに、図３および図２４に示す撮像素子では、撮像画素および焦点検出画素が稠密正方格子配列に配置された例を示したが、稠密六方格子配列に配置してもよい。

図３および図２４に示す撮像素子では、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置は上述した一実施の形態の超せと配列に限定されず、補色フィルター（緑：Ｇ、イエロー：Ｙｅ、マゼンタ：Ｍｇ，シアン：Ｃｙ）の配列を採用してもよい。焦点検出画素はシアンとマゼンダ（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される。

上述した一実施の形態では、焦点検出画素の分光感度を図７に示すような白色に近いものとした例を示したが、焦点検出画素の感度を図６に示す分光感度の中の１つとしてもよい。また、異なる分光感度を有する焦点検出画素を１つの撮像素子の中に共存させるようにしてもよい。

図３および図２４では、焦点検出画素の光電変換部の形状を矩形にした例を示したが、光電変換部の形状は矩形に限定されず、他の形状としてもよい。例えば楕円形や半円形、あるいは多角形にしてもよい。

撮像素子はＣＣＤイメージセンサーであってもよいし、ＣＭＯＳイメージセンサーであってもよい。

なお、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やフィルム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、フィルムスチルカメラ、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などにも適用できる。カメラ以外の焦点検出装置や測距装置、さらにはステレオ測距装置にも適用できる。

一実施の形態のカメラの構成を示すカメラの横断面図 交換レンズの撮影画面上における焦点検出位置を示す図 撮像素子の詳細な構成を示す正面図 撮像画素の構成を示す正面図 焦点検出画素の構成を示す正面図 撮像画素の分光特性を示す図 焦点検出画素の分光特性を示す図 一対の焦点検出画素をマイクロレンズを重ね合わせて表示した図 撮像画素の断面図 焦点検出画素の断面図 一対の焦点検出画素の断面を重ね合わせた図 撮影画面周辺に配置された焦点検出画素の断面図 一対の焦点検出画素の断面を重ね合わせた図 撮影画面中央における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図 撮影画面周辺における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図 撮像画素と測距瞳面との関係を示す図 測距瞳面における投影関係を示す正面図 測距瞳面における投影関係を示す正面図 光学系の射出瞳と測距瞳との関係を示す図 一対の焦点検出用光束を重複させることの効果について説明するための図 一実施の形態のデジタルスチルカメラ（撮像装置）の撮像動作を示すフローチャート 焦点検出結果の信頼性を説明するための図 画面中央と画面周辺とで測距瞳距離を異ならせるようにした場合の光学特性を説明するための図 撮像素子の変形例を示す図 図２４に示す撮像素子で用いる焦点検出画素の正面図 図２５に示す焦点検出画素の瞳分割方式による焦点検出を説明するための図 焦点検出画素の詳細構造を示す断面と感度分布を示す図 撮像装置の構成の他の一例を示す図

符号の説明

１０；マイクロレンズ、１１，１２，１３，２２，２３，３２，３３；光電変換部、２０１、２０１Ａ；撮像装置、２０２；交換レンズ、２１２，２１２Ａ；撮像素子、２１４；ボディ駆動制御装置、３１０；撮像画素、３１１，３１２，３１３，３２２，３２３；焦点検出画素

Claims (11)

1. 撮影光学系の光軸近傍の第１領域に配置され、マイクロレンズと光電変換部とを有し前記撮影光学系の瞳の異なる第１対の領域を通る第１対の光束を受光して前記第１対の光束による第１対の像のズレ量を検出する複数の第１焦点検出画素が、前記第１対の像のズレ方向に配列された第１焦点検出画素列と、
   前記撮影光学系の光軸から離間した第２領域に配置され、マイクロレンズと光電変換部とを有し前記撮影光学系の瞳の異なる第２対の領域を通る第２対の光束を受光して前記第２対の光束による第２対の像のズレ量を検出する複数の第２焦点検出画素が、前記第２対の像のズレ方向に配列された第２焦点検出画素列と、を備え、
   前記第２焦点検出画素列は、前記第１焦点検出画素列の配列方向の延長方向に配列されるとともに、前記第２対の光束の重心間隔が前記第１対の光束の重心間隔よりも狭いことを特徴とする撮像素子。
2. マイクロレンズと該マイクロレンズに対して設けられた光電変換部とを有し、撮影光学系の瞳を通過する光束を受光する複数の画素が二次元状に配置されるとともに、前記光電変換部によって受光した前記瞳上の異なる一対の領域を通る光束による受光信号を出力する撮像素子において、
   前記複数の画素の配列における前記撮影光学系の光軸近傍の第１領域に配置されるとともに、前記光学系の瞳の一対の領域を通過した第１対の光束を受光する第１焦点検出画素と、
   前記第１焦点検出画素が受光する前記第１対の光束の重心を結ぶ方向に前記撮影光学系の光軸から離間した第２領域に配置されるとともに、前記撮影光学系の瞳の一対の領域を通過した第２対の光束を受光する第２の焦点検出画素と、を備え、
   前記第２対の光束のそれぞれの重心を結ぶ方向は、前記第１対の光束のそれぞれの重心を結ぶ方向と同一であり、
   前記第２対の光束の重心間隔は、前記第１対の光束の重心間隔よりも狭く、
   前記第１の焦点検出画素および前記第２の焦点検出画素は、前記第１対の光束のそれぞれの重心を結ぶ方向にそれぞれ配列された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焦点検出画素は、前記第１対の光束の一方を受光する第１光電変換部を有する第１画素と、前記第１対の光束の他方を受光する第２光電変換部を有する第２画素とを有し、
   前記第２焦点検出画素は、前記第２対の光束の一方を受光する第１光電変換部を有する第１画素と、前記第２対の光束の他方を受光する第２光電変換部を有する第２画素とを有
   することを特徴とする撮像素子。
4. 請求項３に記載の撮像素子において、
   前記第２焦点検出画素は、前記第１画素が受光する光束と前記第２画素が受光する光束とが部分的に重なるように前記第１および第２光電変換部を配置してい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２焦点検出画素が受光する前記第２対の光束の中心軸が前記撮影光学系の光軸と交わる点と前記撮像素子との距離は、前記第１焦点検出画素が受光する前記第１対の光束の中心軸が前記撮影光学系の光軸と交わる点と前記撮像素子との距離よりも短いことを特徴とする撮像素子。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の撮像素子において、
   前記第１焦点検出画素と前記第２焦点検出画素は、前記マイクロレンズの光学特性と前記光電変換部の受光特性の少なくとも一方が互いに異なることを特徴とする撮像素子。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の撮像素子において、
   前記第１焦点検出画素と前記第２焦点検出画素は、前記マイクロレンズと前記光電変換部との相対的位置関係が互いに異なることを特徴とする撮像素子。
8. 請求項２〜７のいずれか一項に記載の撮像素子において、
   前記複数の画素は、前記光電変換部の出力に基づいて画像信号を出力する撮像画素であり、
   前記第１焦点検出画素と前記第２焦点検出画素は、前記撮像画素の配列中に複数個配列されていることを特徴とする撮像素子。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の撮像素子と、
   前記第１焦点検出画素と前記第２焦点検出画素の少なくとも一方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を備えることを特徴とする焦点検出装置。
10. 請求項９に記載の焦点検出装置を備えることを特徴とする撮像装置。
11. 請求項１または２に記載の撮像素子において、
    前記第１焦点検出画素は、前記光電変換部として、前記第１対の光束の一方を受光する第１の光電変換部と前記第１対の光束の他方を受光する第２の光電変換部とを有し、
    前記第２焦点検出画素は、前記光電変換部として、前記第２対の光束の一方を受光する第１の光電変換部と前記第２対の光束の他方を受光する第２の光電変換部とを有し、
    前記第２焦点検出画素の前記第１及び第２の光電変換部の間隔が前記第１焦点検出画素の前記第１及び第２の光電変換部の間隔よりも狭いことを特徴とする撮像素子。
    

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