CN101540848A - 摄像元件和摄像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开摄像元件和包括该摄像元件的摄像装置。该摄像元件包括输出用于相位差检测的测距信号的一组光电转换单元。每个光电转换单元包括光检测器和光瞳限制单元。光检测器生成测距信号。光瞳限制单元在拍摄光学***的出射光瞳中将到达光射出的光瞳区域的尺寸限制为预定尺寸，物体光从所述拍摄光学***的出射光瞳射出，所述到达光到达所述光检测器。所述预定尺寸小于所述出射光瞳的整个区域的尺寸的一半。

Description

摄像元件和摄像装置
技术领域
本发明涉及摄像元件及其相关技术。
背景技术
存在这样一种技术，其中用于在相位差检测方法中检测焦点的测距信号从装入摄像元件(固态摄像元件)的光电转换单元获得。
例如，在日本未审查专利申请2000-156823号公报所述的摄像元件中，设置了多个光电转换单元，其各自包括光检测器和设置在该光检测器的入射侧的微透镜。所述多个光电转换单元包括用于摄像的光电转换单元和用于相位差检测的光电转换单元，每种光电转换单元均设置在同一平面中。
存在两种类型的用于检测相位差的光电转换单元，即一对能够分割出射光瞳的光电转换单元。这两种类型的光电转换单元形成为使关于穿过不同光瞳区域的物体图像的像素输出分别从这两种类型的光电转换单元获得。
此外，测量距离时，相互比较分别从两种类型的光电转换单元获得的两个像素输出，以检测焦点。
然而，在日本未审查专利申请2000-156823号公报所述的技术中，当测量距离之际形成在摄像元件的摄像面中的图像显著模糊时，即当散焦量大时，用于相位差检测的各个光电转换单元的像素输出之间的差异变小。在这种情况下，由于图像输出(image output)的特征部分的数量降低，因此难以通过相互比较两个像素输出来检测焦点。
因此，希望提供一种技术，它能使用用于检测相位差且装入摄像元件的光电转换单元来增加检测的可行性。
发明内容
根据本发明的一实施方式，提供了一种摄像元件，该摄像元件包括输出用于相位差检测的测距信号的一组光电转换单元，其中每个光电转换单元包括光检测器和光瞳限制器件(means)，其中，所述光检测器生成所述测距信号，所述光瞳限制器件在拍摄光学***的出射光瞳中将到达光射出的光瞳区域的尺寸限制为预定尺寸，物体光从所述拍摄光学***的出射光瞳射出，所述到达光到达所述光检测器，并且所述预定尺寸小于所述出射光瞳的整个区域的尺寸的一半。
根据本发明的另一实施方式，提供了一种摄像装置，该摄像装置包括：一种摄像元件，该摄像元件包括输出用于相位差检测的测距信号的光电转换单元；和基于所述测距信号检测焦点的焦点检测器件；其中，所述光电转换单元包括光检测器和光瞳限制器件，所述光检测器生成所述测距信号，所述光瞳限制器件在拍摄光学***的出射光瞳中将到达光射出的光瞳区域的尺寸限制为预定尺寸，物体光从所述拍摄光学***的出射光瞳射出，所述到达光到达所述光检测器，并且所述预定尺寸小于所述出射光瞳的整个区域的尺寸的一半。
根据本发明的实施方式，在输出用于相位差检测的测距信号的每个光电转换单元中，供到达光检测器的到达光射出的光瞳区域的尺寸被限定为小于整个出射光瞳区域的尺寸的一半。因此，降低了形成在摄像元件上的物体图像的模糊度，使得使用用于相位差检测并装入摄像元件的每个光电转换单元来检测焦点的可行性能得以增加。
附图说明
图1示出本发明的一实施方式的摄像装置的外部结构；
图2示出本发明的该实施方式的摄像装置的外部结构；
图3是摄像装置的纵截面图；
图4是摄像装置的纵截面图；
图5是摄像装置的电气结构的框图；
图6示出摄像元件的结构；
图7示出摄像元件的结构；
图8是一对AF像素的纵截面图；
图9示出AF线的像素输出；
图10示出像素输出的偏移量和散焦量；
图11示出出射光瞳和到达摄像元件的物体光束之间的关系；
图12示出从出射光瞳的光瞳区域射出的物体光束；
图13示出光瞳区域和AF模块所获得的测距信号之间的关系；
图14示出由光检测器提供的物体光的最大受光范围；
图15示出设置了第一遮光板时由光检测器提供的物体光的受光范围；
图16示出由第一AF像素的光检测器提供的物体光的受光范围；
图17示出变型例的AF像素；
图18是变型例的一对AF像素的纵截面图。
具体实施方式
<实施方式>
<摄像元件1的外部结构>
图1和2各自示出本发明的一实施方式的摄像装置1的外部结构。其中，图1和2分别是前视图和后视图。
摄像装置1作为例如单镜头反射型数码相机而形成，并包括相机本体10以及作为拍摄透镜而可拆卸地设置在相机本体10的可换镜头(interchangeable lens)2。
更具体地说，如图1所示，相机本体10的前侧设置有安装部301、透镜更换按钮302、把持部303、模式设置盘305、控制值设置盘306和快门按钮(释放按钮)307。可换镜头2安装到安装部301的前表面的大致中部。透镜更换按钮302设置在安装部301的右侧。把持部303设置为用于允许把持。模式设置盘305设置在前侧的左上部。控制值设置盘306设置在前侧的右上部。快门按钮(释放按钮)307设置在把持部303的上表面。
可换镜头2用作从物体取入光(物体光)的透镜窗口，还用作将物体光引导至设置在相机本体10中的摄像元件101的拍摄光学***。
更具体地说，可换镜头2包括透镜组21，该透镜组21具有多个沿光轴LT并行设置的透镜(见图5)。透镜组21包括用于调节焦点的焦点透镜211(图5)以及用于改变倍率的变焦透镜212(图5)。通过沿光轴LT方向驱动这些透镜，来调节焦点或改变倍率。可换镜头2在其镜筒的外周的适当位置设置有操作环，以便可沿镜筒的外周面旋转。当变焦透镜212被手动或自动操作时，变焦透镜212根据操作环的旋转方向和旋转量沿光轴LT方向移动，以根据变焦透镜212将被移动到的位置来设置变焦倍率(拍摄倍率)。
安装部301包括连接器Ec(见图5)和耦合器75(图5)，它们分别用于与安装的可换镜头2电连接和机械连接。
透镜更换按钮302是移除安装到安装部301的可换镜头2时按压的按钮。
把持部303是摄像装置1在拍照时供拍摄者(用户)把持的部分。把持部303的表面根据手指的形状设置有凹部和凸部，以增强适配性。把持部303中设置有电池室和卡室(未示出)。电池室容纳用作摄像装置1的电源的电池69B(见图5)，而卡室可拆卸地容纳用于记录所摄图像的图像数据的存储卡67(图5)。把持部303可设置用于检测用户是否把持了把持部303的把持传感器。
模式设置盘305和控制值设置盘306是可在大致平行于相机本体10的上表面的平面中旋转的大致为盘形的构件。模式设置盘305设置为用于选择设置在摄像装置1的各种模式，例如各种拍摄模式(人物拍摄模式、风景拍摄模式、全自动拍摄模式)、再现所摄图像的再现模式以及用于与外部装置交换数据的通信模式。控制值设置盘306设置为用于为摄像装置1的各种功能设置控制值。
快门按钮307是能检测它是处于“部分按压状态”还是处于进一步按压快门按钮307而得到的“完全按压状态”的按压开关。在拍摄模式中，当快门按钮307被部分按压(S1)时，执行拍摄物体静态图像的预备操作(例如设置曝光控制值以及检测焦点)；而当快门按钮307被完全按压(S2)时，执行拍摄操作(使摄像元件101(见图4)曝光、对曝光所获得的图像信号进行预定的图像处理操作并将所得图像信号记录到例如存储卡67上等一系列操作)。
如图2所示，相机本体10的背面侧设置有LCD(液晶显示器)311、取景器窗口316、眼罩321、主开关317、曝光校正按钮323、AE锁定按钮324、闪光灯部318和连接终端部319。LCD 311用作显示部分。取景器窗口316设置在LCD 311上方。眼罩321围绕取景器窗口316。主开关317设置在取景器窗口316的左侧。曝光校正按钮323和AE锁定按钮324设置在取景器窗口316的右侧。闪光灯部318和连接终端部319设置在取景器窗口316上方。相机本体10的背面侧还设置有设置按钮组312、方向选择键314、按钮315和显示切换开关85。设置按钮组312设置在LCD 311的左侧。方向选择键314设置在LCD 311的右侧。按钮315设置在方向选择键314的中部。显示切换开关85设置在方向选择键314的右下侧。
LCD 311包括能显示图像的彩色液晶板。LCD 311显示由摄像元件101(见图3)所拍摄的图像、再现并显示记录的图像等等。此外，LCD 311提供摄像装置1的模式或功能的设置屏幕。可使用有机EL显示装置或等离子显示装置来代替LCD 311。
取景器窗口(目镜窗口)316由光学取景器(OVF)形成，透过可换镜头2并形成物体图像的光(物体光)被引导至取景器窗口316。当用户经由取景器窗口316观察时，能看见实际上被摄像元件101所拍摄的物体图像。
主开关317是具有两个触点并朝左右滑动的滑动开关。当设定到左侧时，摄像装置1的电源被接通，而当设定到右侧时，电源被断开。
闪光灯部318形成为弹出式内置闪光灯。当例如外部闪光灯部安装到相机本体10时，使用连接终端部319来连接。
眼罩321用作限制外部光进入取景器窗口316的遮光构件。
曝光校正按钮323是用于手动调节曝光值(光圈值和快门速度)的按钮，而AE锁定按钮324是用于固定曝光的按钮。
设置按钮组312包括用于控制摄像装置1的各种功能的按钮。设置按钮组312包括例如使菜单屏幕提供在LCD 311上的菜单按钮以及切换菜单屏幕的内容的菜单切换按钮。
方向选择键314是包括沿周向方向以一定间隔设置的多个按压部(图中的三角形部)的环形构件，并形成为通过根据按压部而设置的触点(开关)(未示出)来检测按压部的按压操作。按钮315设置在方向选择键314的中部。方向选择键314和按钮315设置为用于输入例如以下指令：改变拍摄倍率(朝广角方向或摄远端方向移动变焦透镜212(见图5))；逐帧播放再现在例如LCD 311上的记录图像；和设置拍摄条件(例如光圈值、快门速度、是否需要闪光灯闪光等)。
显示切换开关85是具有两个触点的滑动开关。当触点设定到上侧的“光学”位置时，则选择光学取景器模式(也称作“OVF模式”)，以显示光学取景器视野内的物体图像。这使得用户能经由取景器窗口316观察在光学取景器视野内显示的物体图像，以执行画面确定操作(取景)。
相比之下，当显示切换开关85的触点设定到下侧的“监视器”位置时，则选择电子取景模式(也称作“EVF模式”或“动态画面模式”)，使得物体图像的动态画面图像以动画模式显示在LCD 311上。这使用户能观察显示在LCD 311上的动态画面图像，以执行取景。
这样，通过操作显示切换开关85，用户能切换取景器模式。在摄像装置1中，能使用光学取景器或用于执行动态画面显示的电子取景器来对物体进行取景。
<摄像装置1的内部结构>
下面，将描述摄像装置1的内部结构。图3和4是摄像装置1的纵截面图。如图3所示，相机本体10中设置有摄像元件101、取景器部102(取景器光学***)、镜子103、相位差AF模块107(还可简称为“AF模块”)等。
当可换镜头2安装到相机本体10时，在可换镜头2的光轴LT上，摄像元件101设置成垂直于光轴LT。作为摄像元件101，使用了CMOS色彩区域(color area)传感器(CMOS摄像元件)，其中例如由光电二极管形成的多个像素以矩阵方式二维地布置。摄像元件101生成透过可换镜头2聚焦而成的物体图像的各个色彩分量R(红)、G(绿)和B(蓝)的模拟电信号(图像信号)，并将它们作为各个色彩R、G和B的图像信号而输出。
摄像元件101具有用于检测摄像面101f中的相位差的像素。细节将在后面描述。
镜子103设置在上述光轴LT上使物体光朝取景器部102反射的位置。穿过可换镜头2的物体光被镜子103(后述的主镜1031)向上反射，并且物体光的的一部分穿过镜子103。
取景器部102包括五棱镜105、目镜106和取景器窗口316。五棱镜105是截面为五边形的棱镜，并用于通过从其下表面入射到五棱镜105上的物体图像的内部反射，使光图像的上下左右侧翻转而形成直立图像。目镜106将由五棱镜105形成为直立图像的物体图像引导至取景器窗口316的外侧。通过这种结构，取景器部102用作在实际拍照前的拍摄待机状态期间确定景深(depth of field)的光学取景器。
镜子103包括主镜1031和副镜1032。在主镜1031的背面侧，副镜1032可旋转地设置成朝主镜1031的背面倾斜。穿过主镜1031的物体光的一部分被副镜1032反射，并且反射的物体光入射到AF模块107上。
镜子103形成为所谓的快速返回镜(quick return mirror)。例如，在曝光(实际拍摄操作)期间(参考图4)，镜子103以旋转轴1033为支轴被导引并向上翻转，以将镜子103设置为从物体光的光路避开的状态(镜子向上状态)。此时，当镜子103停止在五棱镜105下方时，副镜1032折叠成大致平行于主镜1031。因此，来自可换镜头2的物体光在未被镜子103截断的情况下到达摄像元件101，并用于使摄像元件101曝光。当在摄像元件101的摄像操作完成时，镜子103恢复到原始位置(图3所示的位置)，并处于镜子向下状态。
当镜子103在实际拍摄操作(用于记录图像的拍摄操作)前处于镜子向上状态时，摄像装置1能实现基于由摄像元件101依次生成的图像信号以动画状态在LCD 311上显示物体的动态画面(预览)显示。
AF模块107形成为所谓的AF传感器，例如检测物体的焦点信息的线传感器(line sensor)。AF模块107设置在镜子103的底部，并具有根据物体图像的聚焦程度而生成相位差检测信号的相位差检测功能。也就是说，当在拍摄待机状态期间用户经由取景器窗口316确认物体时，如图3所示，物体光在主镜1031和副镜1032向下设置的同时被引导至AF模块107，并从AF模块107输出相位差检测信号。
快门单元40设置在摄像元件101的摄像面侧。快门单元40包括垂直移动的帘体(curtain member)，并形成为将沿光轴LT引导至摄像元件101的物体光的光路打开或关闭的机械焦面快门。当摄像元件101是能用作完全电子快门(complete electronic shutter)的摄像元件时，可省略快门单元40。
<摄像元件1的电气结构>
图5是摄像装置1的电气结构的框图。这里，给予与图1-4中类似的构件等相同的引用标号。为便于说明，将首先描述可换镜头2的电气结构。
除上述拍摄光学***的透镜组21外，可换镜头2包括透镜驱动机构24、透镜位置检测单元25、透镜控制单元26和光圈驱动机构27。
在透镜组21中，焦点透镜211、变焦透镜212以及用于调节入射到摄像元件101上的光量的光圈23被保持在镜筒中光轴LT的方向上。由透镜组21取入的物体光聚焦在摄像元件101上。在自动聚焦(AF)控制中，焦点透镜211被可换镜头2中的致动器71M沿光轴LT方向驱动，以执行聚焦操作。
基于经由透镜控制单元26从整体控制单元62施加的AF控制信号，焦点驱动控制单元71A生成用于将焦点透镜211移动到对焦位置(in-focusposition)的驱动控制信号，以使用该驱动控制信号控制AF致动器71M。AF致动器71M包括例如步进马达，并施加透镜驱动力到透镜驱动机构24。
透镜驱动机构24由例如螺旋体(helicoid)以及使该螺旋体旋转的齿轮(未示出)等形成。透镜驱动机构24从AF致动器71M接收驱动力，以沿平行于光轴LT的方向驱动例如焦点透镜211。焦点透镜211的移动方向和移动量分别对应于AF致动器71M的旋转方向和旋转次数。
透镜位置检测单元25包括编码板和编码器刷，其中所述编码板由在透镜组21的移动范围内沿光轴LT方向以预定节距形成的多个代码图形成，而所述编码器刷在可滑动地接触所述编码板的同时与透镜一起移动。当使透镜组21聚焦时，透镜位置检测单元25检测移动量。由透镜位置检测单元25检测到的透镜位置例如作为多个脉冲而输出。
透镜控制单元26包括装有诸如ROM或快闪式存储器(flash memory)等存储器的微型计算机，其中ROM存储控制程序，而快闪式存储器存储状态数据。
透镜控制单元26具有经由连接器Ec在它与相机本体10的整体控制单元62之间进行通信的通信功能。因此，例如，诸如透镜组21的周缘光量、对焦距离、光圈值或焦距等状态信息数据以及由透镜位置检测单元25检测到的焦点透镜211的位置信息被传送到整体控制单元62，以便例如能从整体控制单元62接收关于焦点透镜211的驱动量的数据。
光圈驱动机构27经由耦合器75从光圈驱动致动器76M接收驱动力，以改变光圈23的光圈直径。
下面，将描述相机本体10的电气结构。除摄像元件101、快门单元40等外，相机本体10包括AFE(模拟前端)5、图像处理单元61、图像存储器614、整体控制单元62、闪光灯电路63、操作单元64、VRAM 65、卡I/F66、存储卡67、通信I/F 68、电源电路69、电池69B、镜子驱动控制单元72A、快门驱动控制单元73A以及光圈驱动控制单元76A。
如上所述，摄像元件101包括CMOS色彩区域传感器。通过后述的定时(timing)控制电路51来控制诸如摄像元件101曝光操作的开始(结束)、摄像元件101的各个像素的输出选择以及像素信号的读取等摄像操作。
AFE 5施加使摄像元件101执行预定操作的定时脉冲，对从摄像元件101输出的图像信号进行预定信号操作，将处理的图象信号转换成数字信号，并将该数字信号输出到图像处理单元61。AFE 5包括例如定时控制电路51、信号处理单元52和A/D转换单元53。
基于从整体控制单元62输出的基准钟(reference clock)，定时控制电路51生成预定的定时脉冲(垂直扫描脉冲φVn、水平扫描脉冲φVm、复位信号φVr等)，并将它们输出到摄像元件101，以控制摄像元件101的摄像操作。通过将预定的定时脉冲输出到信号处理单元52和A/D转换单元53来控制信号处理单元52和A/D转换单元53的操作。
信号处理单元52对从摄像元件101输出的模拟图像信号进行预定的模拟信号处理操作。信号处理单元52设置有例如CDS(Correlated DoubleSampling，相关复式抽样)电路、AGC(Automatic Gain Control，自动增益控制)电路以及箝位电路(clamp circuit)。基于从定时控制电路51输出的定时脉冲，A/D转换单元53将从信号处理单元52输出的模拟R、G和B图像信号转换成由多个比特(例如12比特)形成的数字图象信号。
图像处理单元61通过对从AFE 5输出的图像数据进行预定的信号操作而形成图像文件，并包括例如黑色电平(black level)校正电路611、白平衡(white balance)控制电路612和伽玛校正电路(gamma correcting circuit)613。由图像处理单元61取入的图像数据与摄像元件101的读取同步地一次写入图像存储器614。然后，访问写入图像存储器614的图像数据，以在图像处理单元61的每个块中进行处理操作。
黑色电平校正电路611校正受到A/D转换单元53的A/D转换操作的R、G和B数字图象信号各自的黑色电平。
基于取决于光源的基准白(white reference)，白平衡控制电路612对R(红)、G(绿)和B(蓝)色彩分量的数字信号进行电平转换(白平衡(WB)调节)。更具体地说，基于从整体控制单元62提供的WB调节数据，白平衡控制电路612指定从例如亮度或色度数据在所摄物体中假定为实际白色的部分。确定该部分的R、G和B色彩分量的平均值以及G/R比和G/B比，以作为R和B的校正增益对该部分进行电平校正。
伽玛校正电路613校正受到WB调节的图像数据的等级特征。更具体地说，使用提前设置的伽玛校正表，伽玛校正电路613根据色彩分量对图像数据的电平进行非线性变换以及偏移调节。
在拍摄模式中，图像存储器614是一种存储器，它作为工作区域而用于暂时存储从图像处理单元61输出的图像数据，还用于通过整体控制单元62对图像数据进行预定的处理操作。在再现模式中，图像存储器614暂时存储从存储卡67读取的图像数据。
整体控制单元62形成为微型计算机，并主要包括例如CPU、RAM 621和ROM 622等。整体控制单元62读取存储在ROM 622中的程序，而该程序被CPU执行以实现摄像装置1的各种功能。
整体控制单元62通过执行该程序而功能地实现显示控制单元62A、相位差AF控制单元62B和对比度(contrast)AF控制单元62C。
显示控制单元62A控制LCD 311的显示内容。例如，显示控制单元62A将摄像元件101连续获得的多个图像作为动态画面图像而依次显示。
显示控制单元62A将通过AF操作获得焦点信息的区域Ef(也称作“AF区域”、“测距区域”或“焦点区域”)(见图6)组合成动态画面图像，以使它们彼此重叠而用于显示。
相位差AF控制单元62B执行由相位差检测方法来检测对焦位置的自动聚焦(automatic focusing)操作。更具体地说，基于由AF模块107所获得的相位差检测信号或来自相位差AF计算电路77(后述)的输出信号，相位差AF控制单元62B进行指定对焦状态期间拍摄透镜(更具体地说，焦点透镜)的位置(更具体地说，聚焦透镜位置)的聚焦透镜位置指定操作。
对比度AF控制单元62C执行通过对比度检测方法来检测对焦位置的自动聚焦操作(也称作“对比度AF操作”)。更具体地说，对比度AF控制单元62C执行评价值计算操作和聚焦透镜位置指定操作。在评价值计算操作中，获得取决于物体图像的对比度的评价值，分别用于在不同透镜位置获得的多个所摄图像。在聚焦透镜位置指定操作中，将使评价值最佳化(例如最小化)的透镜位置指定为聚焦透镜位置。
在闪光灯拍摄模式中，闪光灯电路63将连接到闪光灯部318或连接终端部319的外部闪光灯的发光量控制为由整体控制单元62设置的发光量。
操作单元64包括上述的模式设置盘305、控制值设置盘306、快门按钮307、设置按钮组312、方向选择键314、按钮315、主开关317等。操作单元64用于将操作信息输入到整体控制单元62。
VRAM 65是一种缓冲存储器，具有对应于LCD 311的像素数量的图像信号存储容量，并设置在整体控制单元62和LCD 311之间。卡I/F 66是允许存储卡67和整体控制单元62之间交换信号的界面。存储卡67是存储由整体控制单元62生成的图像数据的记录介质。通信I/F 68是允许将例如图像数据传输到个人计算机或其它外部装置的界面。
电源电路69是例如恒定电压电路，并生成用于驱动诸如整体控制单元62等控制部、摄像元件101以及各种其它驱动部等全体摄像装置1的电压。基于从整体控制单元62施加到电源电路69的控制信号，来实施对摄像元件101的通电控制。电池69B是一种电源，其包括例如碱性电池等一次电池或例如镍金属氢化物电池等二次电池，并为全体摄像装置1供给电能。
镜子驱动控制单元72A是根据取景器模式切换或拍摄操作时机来生成驱动镜子驱动致动器72M的驱动信号的控制单元。镜子驱动致动器72M是使镜子103(快速返回镜)旋转成水平姿势或倾斜姿势的致动器。
基于从整体控制单元62施加的控制信号，快门驱动控制单元73A对快门驱动致动器73M生成驱动控制信号。快门驱动致动器73M执行快门单元40的打开/闭合驱动操作。
基于从整体控制单元62施加的控制信号，光圈驱动控制单元76A对所述光圈驱动致动器76M生成驱动控制信号。光圈驱动致动器76M经由耦合器75对光圈驱动机构27施加驱动力。
相机本体10包括在进行自动聚焦(AF)控制时基于受到黑色电平校正并从黑色电平校正电路611输出的图像数据而进行必要的计算的相位差AF计算电路77。
以下，将更详细地描述使用来自相位差AF计算电路77的输出信号的相位差检测方法中的焦点检测操作。
<摄像元件101的相位差AF>
在摄像装置1中，通过摄像元件101接收从可换镜头2中的具有出射光瞳EY(拍摄光学***的出射光瞳EY)的不同部分的区域(以下还可称为“部分光瞳区域”)射出(穿过)的光(物体光)，来实现通过相位差检测方法检测焦点。以下，将首先描述摄像元件101的结构以及使用摄像元件101检测焦点的原理。图6和7各自示出摄像元件101的结构。图8是用于进行相位差AF的像素(以下还可称为“AF像素”或“光电转换单元”)11f的纵截面图。
如图6所示，摄像元件101在摄像面101f中具有规定(prescribed)为设置成矩阵的AF区域Ef。
如图7所示，每个AF区域Ef设置有普通像素(以下还可称为“正常像素”或“摄像像素”)110和用于进行相位差AF的像素(AF像素)11f。普通像素110包括R像素111、G像素112和B像素113，其中用于R(红)、G(绿)和B(蓝)的滤色器设置在光电二极管上。
在AF区域Ef，形成Gr线L1和Gb线L2。在用作普通像素水平线的每条Gr线L1中，G像素112和R像素111水平交替地设置。在用作普通像素水平线的每条Gb线L2中，B像素113和G像素112水平交替地设置。通过垂直交替地设置Gr线L1和Gb线L2而形成拜耳排列(Bayerarrangement)。
每个AF区域Ef设置有例如AF线Lf，其中每隔6条上述普通像素的水平线而水平设置AF像素11f。每个AF区域Ef可设置有例如大约20条AF线Lf。
每条AF线Lf具有分割拍摄光学***的出射光瞳EY并接收物体光的多对AF像素11a和11b。更具体地说，如图8所示，在每条AF线Lf中，AF像素对11a和11b水平设置。每对AF像素11a和11b从拍摄光学***的出射光瞳EY的右部(还可称作“右部分光瞳区域”或仅仅称作“右光瞳区域”)Qa接收光束Ta，并从其左部(还可称作“左部分光瞳区域”或仅仅称作“左光瞳区域”)Qb接收光束Tb。这里，在图中，+X方向侧指右侧，而-X方向侧指左侧。
在AF像素对11a和11b中，AF像素11a(以下还可称为“第一AF像素”)包括微透镜ML、第一遮光板(还可称作“第一遮光膜”)AS1、第二遮光板(还可称作“第二遮光膜”)AS2和光电转换部(还可称作“光检测器”或“光电二极管”)PD。微透镜ML会聚入射到第一AF像素11a上的光。第一遮光板AS1具有缝形(矩形)第一开口OP1。第二遮光板AS2设置在第一遮光板AS1下方，并具有缝形(矩形)第二开口OP2。
第一AF像素11a的第一开口OP1设置在从平行于光轴LT且穿过光检测器PD的中部的作为基准(原点)的中心线CL偏向特定方向(这里向右(+X方向))的位置。第一AF像素11a的第二开口OP2设置在以中心轴CL作为基准而偏向与上述特定方向相反的方向(还可称为“相反方向”)的位置。
在AF像素对11a和11b中，另一AF像素11b(以下还可称作“第二AF像素”)包括第一遮光板AS1和第二遮光板AS2。第一遮光板AS1具有缝形第一开口OP1。第二遮光板AS2设置在第一遮光板AS1下方，并具有缝形第二开口OP2。
第二AF像素11b的第一开口OP1设置在以中心轴CL作为基准而偏向与上述特定方向相反的方向(还可称为“相反方向”)的位置。第二AF像素11b的第二开口OP2设置在以中心轴CL作为基准而偏向上述特定方向的位置。
也就是说，在AF像素对11a和11b中，第一开口OP1设置成偏向相反方向。第二开口OP2设置成相对于AF像素11a和11b中它们的相应第一开口OP1朝不同方向偏移。
在具有上述结构的AF像素对11a和11b中，获得透过出射光瞳EY的不同区域(部分)的物体光的测距信号。更具体地说，透过出射光瞳EY的右光瞳区域Qa的光束Ta穿过微透镜ML和第一遮光板AS1的第一开口OP1，并被第二遮光板AS2限制(限定)，然后光束Ta被第一AF像素11a的光检测器PD接收。然后，从第一AF像素11a获得关于右光瞳区域Qa的光束Ta的测距信号。透过出射光瞳EY的左光瞳区域Qb的光束Tb穿过微透镜ML和第二遮光板AS2的第一开口OP1，并被第二遮光板AS2限制，然后光束Tb被第二AF像素11b的光检测器PD接收。然后，从第二AF像素11b获得关于左光瞳区域Qb的光束Tb的测距信号。
在一对相应的AF像素11a和11b的光检测器PD中接收透过拍摄光学***的出射光瞳EY的右部Qa和左部Qb(一对部分光瞳区域)的物体光的光束Ta和Tb，以根据被相应的光检测器PD接收到的光束Ta和Tb生成测距信号。
在AF像素对11a和11b的每一个中，使用两个遮光板AS1和AS2来调节被相应光检测器PD接收的物体光(还可称作“接收光”)，以使接收光穿过的光瞳区域的尺寸(范围)得以调节。细节将在下面描述。由于接收光能表示为到达光检测器PD的物体光，它还称作“到达光”。
这里，虽然遮光板AS1和AS2被描述为分别包括开口OP1和OP2，但是遮光板AS1和AS2可具有由具有透光性的材料形成的透光区域，而不是开口OP1和OP2。开口OP1、OP2以及透光区域均使光通过，因此它们还可称作通光区域。
在以下描述中，第一AF像素11a的像素输出被称作“A系列像素输出”，而第二AF像素11b的像素输出被称作“B系列像素输出”。例如，将描述从设置在图7的一条AF线Lf1中的AF像素11f的像素排列所获得的A系列像素输出AX与B系列像素输出BX之间的关系。图9示出AF线Lf1的像素输出。图10示出像素输出的偏移量(shift amount)Sf以及距焦点的位移量(displacement amount)(散焦量)Df。
在AF线Lf1，透过出射光瞳EY的右光瞳区域Qa的光束Ta被第一AF像素11a接收，而透过出射光瞳EY的左光瞳区域Qb的光束Tb被第二AF像素11b接收。在该情况下，位于包括A系列像素a1-a3的AF线Lf1的A系列像素输出AX通过例如图9中的曲线GA(实线所示)来表示。位于包括B系列像素b1-b3的AF线Lf1的B系列像素输出BX通过例如图9中的曲线GB(虚线所示)来表示。
当相互比较图9所示的曲线GA和GB时，可以看出A系列像素输出AX和B系列像素输出BX是这样的，即通过位移量(偏移量)Sf的相位差沿AF线Lf1方向(即AF像素11f交替排列的方向)发生。
上述偏移量Sf与距摄像元件101中的摄像面101f的聚焦平面的位移量(散焦量)Df之间关系由图10所示的线性函数曲线示出。曲线GC的倾斜度通过例如在工厂进行的测试提前获得，以在出货时提前将它存储在整体控制单元62的ROM 622中。
在相位差AF计算电路77，基于摄像元件101的AF线Lf的输出，算出偏移量Sf，以使用偏移量Sf和图10所示的曲线GC来获得散焦量Df。然后，将相应于算出的散焦量Df的驱动量经由例如整体控制单元62和透镜控制单元26提供给焦点透镜211，以进行将散焦透镜211移动到对焦位置的相位差AF。
因此，在摄像装置1中，能执行使用从装设在摄像元件的受光面中的AF像素11f输出的像素的相位差检测方法的焦点检测操作。
<光瞳区域的调节>
下面，将详细论述在本实施方式中进行的光瞳区域的调节。
如上所述，在每个AF像素11f中，使用两个遮光板AS1和AS2来调节被光检测器PD接收的物体光(还可称作“接收光”)，以调节接收光透过的光瞳区域的尺寸(范围)。更具体地说，在每个AF像素11f中，部分接收光被两个遮光板AS1和AS2遮蔽(截断)，以将接收光透过的光瞳区域的尺寸限定为小型。当以这种方法将光瞳区域的尺寸变小时，即使散焦量Df大，也能使用AF像素11f的像素输出来检测焦点。
参考图11和12描述其更多细节。图11示出出射光瞳EY和到达摄像元件的物体光束之间的关系。图12示出从出射光瞳EY的光瞳区域射出的物体光。图13示出光瞳区域与AF模块107所获得的测距信号之间的关系。在图11中，为便于与出射光瞳EY做比较，将出射光瞳EY的部分区域(部分区域EP)表示为具有圆形形状。
在图11中，从景深中光轴LT上的一点LP发射并入射到拍摄光学***上的光，从出射光瞳EY射出，并聚焦在焦平面FP中。于是，在图11中，在焦平面FP附近形成具有一定尺寸的模糊圆形图像。该圆(也称作“错乱圆”)越大，图像变得越模糊。图11中的摄像面101f包括A系列AF像素22A和B系列AF像素22B。当从摄像面101f朝出射光瞳EY观察时，AF像素22A能接收透过右光瞳区域Qa的光束。当从摄像面101f朝出射光瞳EY观察时，AF像素22B能接收透过左光瞳区域Qb的光束。设置在摄像面101f中的A系列AF像素22A和B系列AF像素22B不能够调节接收光束所透过的光瞳区域的尺寸。
如上所述，在使用装入摄像元件101的AF像素来检测焦点中，A系列像素输出AX和B系列像素输出BX被相互比较，来计算像素输出的偏移量Sf，以便获得散焦量Df。然而，当摄像面(像面)101f中的图像的模糊(模糊度)变大时，变得难以通过相互比较像素输出来计算偏移量Sf。
例如，将能获得能够用作测距信号的像素输出的图像模糊范围称作测距焦点深度SD，而在发生在焦平面FP附近的测距焦点深度SD中的最大许容模糊MB是由图11所示的实线双箭头MY表示的量。在该情况下，关于透过出射光瞳EY的整个区域的光束的测距焦点深度SD对应于由虚线双箭头SY1所示的范围。在图11中，由于摄像面101f存在于测距焦点深度SD外侧(即不包括在测距焦点深度SD中)，模糊度大于最大许容模糊MB的模糊图像(还可称作“高模糊图像”或“非许容模糊图像”)形成在摄像面101f中。
这时，存在于摄像面101f中的AF像素22A和22B使基于高模糊图像的测距信号得以生成。
更具体地说，从第一AF像素22A获得关于透过右光瞳区域Qa的光束的A系列像素输出AX1(见图11)。由于A系列像素输出AX1是基于高模糊图像的输出，第一AF像素22A的像素输出之间的差异变小，使得A系列像素输出AX1变得相对均匀。
相似地，从第二AF像素22B获得关于透过左光瞳区域Qb的光束的B系列像素输出BX1(见图11)。由于B系列像素输出BX1是基于高模糊图像的输出，第二AF像素22B的像素输出之间的差异变小，使得B系列像素输出BX1变得相对均匀。
这样，当形成在摄像面101f中的图像的模糊度变大时，相应AF像素22A和22B的像素输出AX1和BX1的对比度变小。当模糊度超过最大许容模糊MB时，变得难以指定对应于A系列像素输出AX1和B系列像素输出BX1的像素输出，从而无法实现计算偏移量Sf。
这里，例如，假定的是，光瞳区域的尺寸小于出射光瞳的整个区域的尺寸，并且透过出射光瞳EY的部分区域EP的光束到达摄像面101f。在该情况下，关于透过部分区域EP的光束的测距焦点深度SD落在点划线双箭头SY2(图11)所示的范围中，并且深于(大于)关于透过出射光瞳EY的整个区域的光束的测距焦点深度SD。
因此，与光圈变小(光圈值增加)时焦点深度增加的原理类似，当到达摄像面101f的到达光透过的光瞳区域的尺寸降低时，测距焦点深度SD增加。
在图11中，由于摄像面101f存在于由点划线双箭头SY2所示的测距焦点深度SD中，模糊度小于最大许容模糊MB的模糊图像(还可称作“许容模糊图像”)形成在摄像面101f中。
这时，存在于摄像面101f中的AF像素22A和22B使基于许容模糊图像的测距信号得以生成。
更具体地说，从第一AF像素22A获得关于透过右光瞳区域Qa的光束(由斜线阴影所示的光束)的A系列像素输出AX2(见图11)。由于A系列像素输出AX2是基于许容模糊图像的输出，第一AF像素22A的像素输出之间的差异变小。
相似地，从第二AF像素22B获得关于透过左光瞳区域Qb的光束(由使用垂直线的阴影所示的光束)的B系列像素输出BX2。由于B系列像素输出BX2也是基于许容模糊图像的输出，第二AF像素22A的像素输出之间的差异变小。
因此，当形成在摄像面101f中的图像的模糊度变小(降低)时，相应AF像素22A和22B的像素输出AX2和BX2的对比度变大。当模糊度小于最大许容模糊MB时，则能通过相互比较A系列像素输出AX2和B系列像素输出BX2来计算像素输出的偏移量Sf。
在本实施方式的摄像装置1中，如图12所示，光瞳区域的尺寸小，从小光瞳区域(还可称作“受限光瞳区域”)DE1和DE2射出的物体光被摄像面101f中的AF像素11f的光检测器PD接收。因此，由于测距焦点深度SD变大，当形成在摄像元件101的摄像面中的图像显著模糊时，也就是说，即使当散焦量Df大时，也能使用装入摄像元件101的AF像素11f来有效地检测焦点，使得使用AF像素11f来检测焦点的可行性能够得以增加。
如图13所示，在AF模块107中，相互比较来自一对线传感器LN1和LN2的输出UT1和UT2，以生成相位差检测信号。被引导至线传感器LN1和LN2的物体光在AF模块107中的专用光学***SK处被限制。更具体地说，AF模块107包括专用光学***SK，该专用光学***SK包括多个透镜LZ1-LZ3以及遮光屏MK。来自出射光瞳EY的光束在专用光学***SK中被限制，并被引导至线传感器LN1和LN2。因此，在线传感器LN1和LN2，从小光瞳区域射出的物体光束被接收。即使散焦量Df相对较大，也能生成相位差检测信号。
装入摄像元件101的AF像素并未设置限制光瞳区域的专用光学***SK。因此，如下所述，在AF像素11f，是通过与AF模块107所用的方法不同的方法，来限制供到达AF像素11f的光检测器PD的到达光射出的光瞳区域的尺寸。
<调节光瞳区域的方法>
下面，将描述本实施方式中调节光瞳区域的方法。图14示出由光检测器PD提供的物体光的最大受光范围GRm。图15示出设置了第一遮光板AS1时由光检测器PD提供的物体光的受光范围GR。图16示出由第一AF像素11a的光检测器PD提供的受光范围GR。
这里，为简单化，将基于AF像素11f的纵截面中的二维位置关系来描述该方法，而且不考虑光在微透镜ML的折射。
在本实施方式的摄像装置1中，在AF像素11f中使用两个遮光板AS1和AS2，来截断入射到AF像素11f上的部分物体光，以将光瞳区域的尺寸限制为小型尺寸。也就是说，在本实施方式中，两个遮光板AS1和AS2用作光瞳区域限制单元，其限制到达光检测器的到达光射出的光瞳区域的尺寸。这里，光瞳区域限制单元将光瞳区域的尺寸限制为小于出射光瞳的整个区域的尺寸的一半。
以下，将详细描述将光瞳区域的尺寸限制为小型尺寸的两个遮光板AS1和AS2的排列位置。
首先，如图14所示，当不设置遮光板AS1和AS2时，由光检测器PD提供的物体光的受光范围GR变成最大，并变成由双箭头HYm所示的范围(以下将把最大受光范围GR称为“最大受光范围GRm”)。更具体地说，最大受光范围GRm是由直线FK1(还可称作“第一规定线”)和直线FK2(还可称作“第二规定线”)限定出的范围。直线FK1经过微透镜ML的右边RE以及光电二极管PD的左端LH。直线FK2经过微透镜ML的左边LE以及光电二极管PD的右端RH。
这里，为降低最大受光范围GRm，在AF像素11f(这里，第一AF像素11a)，在位于直线(还可称作“第一基准直线”)BL1上侧(+Z方向侧)的上部区域UR设置第一遮光板AS1。直线BL1经过规定最大受光范围GRm的两条规定线FK1和FK2的交点CR1，并平行于光检测器PD的受光面。
更具体地说，如图15所示，在上部区域UR具有偏向特定方向(+X方向)的第一开口OP1的第一遮光板AS1。这降低最大受光范围GRm，以使它变成图15中的双箭头HY1所示的范围。更具体地说，第一遮光板AS1的右侧遮光部(右遮光部)RS1使第一规定线FK1改变，使得对应于出射光瞳EY中最大受光范围GRm的光瞳区域EY(也称作“对应光瞳区域”)的右部区域缩小(被限制为小区域)。第一遮光板AS1的左侧(-X方向侧)遮光部(左遮光部)LS1使第二规定线FK2改变，使得该出射光瞳中的对应光瞳区域的左部区域缩小。
下面，在位于第二基准直线BL2下侧(-Z方向侧)的下部区域DR设置第二遮光板AS2。直线BL2经过规定被第一遮光板AS1限制的受光范围GR的两条规定线FK1和FK2的交点CR2，并平行于光检测器PD的受光面。
更具体地说，如图16所示，在下部区域DR设置具有偏向相反方向(-X方向)的第二开口OP2的第二遮光板AS2。这进一步降低被第一遮光板AS1限制的受光范围GR，以使它变成图16中的双箭头HY2所示的范围。更加具体说，第二遮光板AS2的右遮光部RS2使第二规定线FK2改变，使得对于受光范围GR的对应光瞳区域的左侧区域缩小。第二遮光板AS2的左遮光部LS2使第一规定线FK1改变，使得对应光瞳区域的右侧区域缩小。
因此，在AF像素11f，两个遮光板AS1和AS2改变规定线FK1和FK2，以将受光范围GR限制为小范围。在以上描述中，虽然是将第一AF像素11a作为示例而描述了调节像素区域的方法，但是即使在第二AF像素11b，两个遮光板AS1和AS2引起规定线FK1和FK2改变，以将受光范围GR降低为小范围。
第一规定线FK1被第一遮光板AS1的右遮光部RS1以及第二遮光板AS2的左遮光部LS2改变。因此，可理解的是，为限制被AF像素11f的光检测器PD接收物体光的部分光瞳区域的右侧区域，而将第一遮光板AS1的右遮光部RS1朝-X方向移动，或者将第二遮光板AS2的左遮光部LS2朝+X方向移动。
相似地，第二规定线FK2被第一遮光板AS1的左遮光部LS1以及第二遮光板AS2的右遮光部RS2改变。因此，可理解的是，为限制部分光瞳区域的左侧区域，而将第一遮光板AS1的左遮光部LS1朝+X方向移动，或者将第二遮光板AS2的右遮光部RS2朝-X方向移动。
因此，当使用两个遮光板AS1和AS2来限制入射到AF像素11f上的物体光时，使到达光检测器PD的光射出的部分光瞳区域被限制为小区域，使得测距焦点深度SD能变深。当由于测距焦点深度SD的增加而使形成在摄像元件101的摄像面101f中的图像的模糊相当大时，也就是说，即使散焦量Df变大，也能使用装入摄像元件101的AF像素11f来有效地进行焦点检测。散焦量Df增加的情况包括焦点透镜211在检测焦点前从对焦位置偏移极大的情况。例如，当安装具有小f数(例如1.4)的明亮的可换镜头2时，测距焦点深度SD变小，从而增加检测焦点前散焦量Df变大的可能性。
在公用AF线Lf的每个AF像素11a、11b，两个遮光板AS1和AS2的排列位置被调节，并设置成获得关于经过公用光瞳区域的光束的像素输出。例如，在图12中，公用AF线Lf的第一AF像素11a设置成接收透过受限光瞳区域DE1的物体光，而公用AF线Lf的第二AF像素11b设置成接收透过受限光瞳区域DE2的物体光。
<变型例>
虽然以上论述了本发明的实施方式，但是本发明并不局限于上述内容。
例如，虽然在每个实施方式中，是使用两个遮光板AS1和AS2来限制部分光瞳区域的尺寸，但本发明并不局限于此，还能使用一个遮光板AS3来限制部分光瞳区域的尺寸。图17示出变型例的AF像素11c。
更具体地说，如图17所示，能将具有开口OP3的遮光板AS3设置在光电二极管PD的受光面的近前，并限制由光检测器PD提供的物体光的受光范围GR。
当使用一个遮光板AS3来限制光瞳时，遮光板AS3的开口OP3设置成相对较窄。当开口OP3设置得过窄时，由于衍射，物体光无法到达光检测器PD。因此，如上述实施方式所述，比起使用一个遮光板AS3，通过组合多个遮光板AS1来调节光瞳区域变得更加容易。
虽然，在上述实施方式中，遮光板AS1和AS2是镜面对称地设置在每对AF像素11a和11b中(见图8)，但是本发明并不局限于此。图18是变型例的一对AF像素的纵截面图。
更具体地说，如图18所示，如果使光接收在AF像素对11a和11b中的光瞳区域Qa1和Qb1的尺寸设置为彼此相等，则不必将遮光板AS1和AS2镜面对称地设置在这对像素中。
本领域的技术人员应该了解，在权利要求或其等同方案的范围内，可以根据设计要求以及其它因素做出多种修改、组合、子组合和变更。
本发明包含2008年2月12日在日本专利局提交的日本专利申请JP2008-030398所涉及的主题，其全部内容通过引用并入本文。

Claims (8)

1.一种摄像元件，包括输出用于相位差检测的测距信号的一组光电转换单元，其中：
每个所述光电转换单元包括光检测器和光瞳限制器件，
所述光检测器生成所述测距信号，
所述光瞳限制器件在拍摄光学***的出射光瞳中将到达光射出的光瞳区域的尺寸限制为预定尺寸，物体光从所述拍摄光学***的出射光瞳射出，所述到达光到达所述光检测器，并且
所述预定尺寸小于所述出射光瞳的整个区域的尺寸的一半。
2.如权利要求1所述的摄像元件，其中：
所述光瞳限制器件包括设置在所述光检测器上方的第一遮光层，并且
所述第一遮光层截断来自所述出射光瞳的物体光的一部分，以限制所述光瞳区域的尺寸。
3.如权利要求2所述的摄像元件，其中：
所述光瞳限制器件还包括设置在所述光检测器和所述第一遮光层之间的第二遮光层，并且
所述第二遮光层与所述第一遮光层协作，并截断所述物体光的一部分，以限制所述光瞳区域的尺寸。
4.如权利要求3所述的摄像元件，其中：
所述第一遮光层具有供所述物体光的一部分穿过的第一穿透区域，
所述第二遮光层具有供所述物体光的一部分穿过的第二穿透区域，并且
所述第一穿透区域和所述第二穿透区域设置成相对彼此偏移。
5.如权利要求4所述的摄像元件，其中：
所述光电转换单元组包括多对光电转换单元，每对光电转换单元沿彼此相反的第一方向和第二方向分割所述出射光瞳，并且
所述每对光电转换单元包括第一光电转换单元和第二光电转换单元，
其中，在所述第一光电转换单元中，所述第一穿透区域在所述第一遮光层中朝所述第一方向设置，而所述第二穿透区域在所述第二遮光层中朝所述第二方向设置，并且
在所述第二光电转换单元中，所述第一穿透区域在所述第一遮光层中朝所述第二方向设置，而所述第二穿透区域在所述第二遮光层中朝所述第一方向设置。
6.一种摄像装置，包括：
摄像元件，该摄像元件包括输出用于相位差检测的测距信号的光电转换单元；和
基于所述测距信号检测焦点的焦点检测器件；
其中：所述光电转换单元包括光检测器和光瞳限制器件，
所述光检测器生成所述测距信号，
所述光瞳限制器件在拍摄光学***的出射光瞳中将到达光射出的光瞳区域的尺寸限制为预定尺寸，物体光从所述拍摄光学***的出射光瞳射出，所述到达光到达所述光检测器，并且
所述预定尺寸小于所述出射光瞳的整个区域的尺寸的一半。
7.一种摄像元件，包括输出用于相位差检测的测距信号的一组光电转换单元，其中：
每个所述光电转换单元包括光检测器和光瞳限制单元，
所述光检测器生成所述测距信号，
所述光瞳限制单元在拍摄光学***的出射光瞳中将到达光射出的光瞳区域的尺寸限制为预定尺寸，物体光从所述拍摄光学***的出射光瞳射出，所述到达光到达所述光检测器，并且
所述预定尺寸小于所述出射光瞳的整个区域的尺寸的一半。
8.一种摄像装置，包括：
摄像元件，该摄像元件包括输出用于相位差检测的测距信号的光电转换单元；和
基于所述测距信号检测焦点的焦点检测单元；
其中：所述光电转换单元包括光检测器和光瞳限制单元，
所述光检测器生成所述测距信号，
所述光瞳限制单元在拍摄光学***的出射光瞳中将到达光射出的光瞳区域的尺寸限制为预定尺寸，物体光从所述拍摄光学***的出射光瞳射出，所述到达光到达所述光检测器，并且
所述预定尺寸小于所述出射光瞳的整个区域的尺寸的一半。
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