JP2008224801A - 焦点検出装置および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一対の像に対する相関演算において焦点検出可能になる確率を上げる。
【解決手段】射出瞳位置が異なる複数種類の結像光学系からの光束を受光し、結像光学系に対して焦点検出を行うために用いられる焦点検出素子２１２であって、光束を受光する受光面から所定距離の位置に設定した面において第１分布をなす第１光束を受光する第１受光部３１２と、該面において第２分布をなす第２光束を受光する第２受光部３１３とを備え、結像光学系の射出瞳面における当該結像光学系の開放Ｆ値に相当する領域内を第１光束と第２光束の少なくとも一部が通過するとともに、領域内における第１光束の分布の重心位置と第２光束の分布の重心位置とが異なるように、第１受光部３１２と第２受光部３１３の配置によって面上で第１分布と第２分布の一部を互いに重ね合わせる。
【選択図】図３

Description

本発明は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用画素を結像光学系の撮像面に配列し、結像光学系から到来する一対の光束により形成される一対の像の像ズレ量を焦点検出用画素の出力に基づいて算出し、結像光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この種の焦点検出装置では、焦点検出用画素が配列された面から結像光学系の射出瞳の方向に所定距離離れた面（測距瞳面）の一対の領域を通過する一対の光束が焦点検出用画素の配列面に形成する一対の像の像ズレ量を焦点検出用画素配列によって検出している。さらに、焦点検出用の一対の光束にアンバランスが発生した場合においても、焦点検出用画素の出力にフィルター処理を施して焦点検出精度の低下を防止している。

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２００４―１３８９６８号公報

しかしながら、上述した従来の瞳分割型位相差検出方式の焦点検出装置は種々の結像光学系と組み合わせて用いられるが、結像光学系の射出瞳距離が上述した測距瞳距離とかけ離れている場合には、結像光学系の撮影画面周辺において一対の光束のアンバランスの程度が大きくなり、一対の像のアンバランスも大きくなるので、焦点検出用画素の出力にフィルター処理を施して焦点検出精度の低下を防止するのには限度がある。さらに、焦点検出用の一対の光束のアンバランスの程度が大きくなると、結像光学系の射出瞳の中に一対の光束のうちの一方しか入らなくなってしまい、一対の像のうちの一方が消失して焦点検出が不能に陥る。

（１） 請求項１の発明は、射出瞳位置が異なる複数種類の結像光学系からの光束を受光し、結像光学系に対して焦点検出を行うために用いられる焦点検出素子であって、光束を受光する受光面から所定距離の位置に設定した面において第１分布をなす第１光束を受光する第１受光部と、該面において第２分布をなす第２光束を受光する第２受光部とを備え、結像光学系の射出瞳面における当該結像光学系の開放Ｆ値に相当する領域内を第１光束と第２光束の少なくとも一部が通過するとともに、領域内における第１光束の分布の重心位置と第２光束の分布の重心位置とが異なるように、第１受光部と第２受光部の配置によって面上で第１分布と第２分布の一部を互いに重ね合わせる。
（２） 請求項２の焦点検出素子の面は、複数の結像光学系の射出瞳の代表的な位置に一致するように定められる。
（３） 請求項３の焦点検出素子は、開放Ｆ値が所定値より小さい結像光学系に対して焦点検出を行う。
（４） 請求項４の焦点検出素子は、第１受光部および第２受光部が、複数の結像光学系の予定焦点面近傍の面に配置されたマイクロレンズと該マイクロレンズを介した光を受光する光電変換部とから構成され、第１受光部のマイクロレンズが、対応する光電変換部へ第１光束を導くとともに、第２受光部のマイクロレンズが、対応する光電変換部へ第２光束を導く。
（５） 請求項５の焦点検出素子は、第１分布が、第１受光部のマイクロレンズにより対応する光電変換部が面に投影されて形成され、第２分布が、第２受光部のマイクロレンズにより対応する光電変換部が面に投影されて形成される。
（６） 請求項６の焦点検出素子は、第１受光部および第２受光部を構成するマイクロレンズの光学特性、マイクロレンズと該マイクロレンズに対応する光電変換部との位置関係、および光電変換部の大きさと形状に基づいて、面における第１分布と第２分布の重ね合わせ量が設定される。
（７） 請求項７の焦点検出素子は、面における第１分布と第２分布の重ね合わせ量が、結像光学系の光軸に直交する面内における第１受光部と第２受光部の位置に応じて決定される。
（８） 請求項８の焦点検出素子は、第１受光部が、第１のマイクロレンズと該第１のマイクロレンズを介した光を受光する光電変換部からなる第１焦点検出用画素から構成されるとともに、第２受光部が、第１のマイクロレンズと異なる第２のマイクロレンズと該第２のマイクロレンズを介した光を受光する光電変換部からなる第２焦点検出用画素から構成され、第１光束と第２光束の並び方向に第１焦点検出用画素と第２焦点検出用画素が交互に配列される。
（９） 請求項９の焦点検出素子は、第１焦点検出用画素の光電変換部と第２焦点検出用画素の光電変換部の受光感度を有する領域を相対的に重畳させることによって、面において第１分布と第２分布の一部を互いに重ね合わせる。
（１０） 請求項１０の焦点検出素子は、第１受光部と第２受光部は共通のマイクロレンズと該マイクロレンズを介した光束を受光する一対の光電変換部からなる焦点検出用画素から構成され、第１光束と第２光束の並び方向に複数の焦点検出用画素が配列される。
（１１） 請求項１１の焦点検出素子は、一対の光電変換部の受光感度を有する領域を相対的に重畳させることによって、面において第１分布と第２分布の一部を互いに重ね合わせる。
（１２） 請求項１２の発明は、請求項８〜１１のいずれか１項に記載の焦点検出素子と、第１および第２の焦点検出用画素列または焦点検出用画素列から出力される一対の信号列に相関演算処理を施して結像光学系の焦点調節状態を演算する焦点検出演算手段とを備えた焦点検出装置である。
（１３） 請求項１３の発明は、請求項１２に記載の焦点検出装置と、焦点検出装置により検出された焦点調節状態に基づいて結像光学系の焦点調節を行う焦点調節手段と、結像光学系により形成される像を撮像する撮像素子とを備える撮像装置である。
（１４） 請求項１４の撮像装置は、結像光学系から到来する光束を焦点検出素子と撮像素子のいずれか一方へ選択的に導く光束切換手段を備える。
（１５） 請求項１５の撮像装置は、結像光学系から到来する光束を分割して焦点検出素子と撮像素子の両方へ導く。
（１６） 請求項１６の発明は、複数の撮像用画素の二次元状配列の一部に請求項７〜１０のいずれか１項に記載の焦点検出素子の焦点検出用画素列が組み込まれた撮像素子と、焦点検出用画素列から出力される一対の信号列に相関演算処理を施して結像光学系の焦点調節状態を演算する焦点検出演算手段と、焦点検出演算手段により演算された焦点調節状態に基づいて結像光学系の焦点調節を行う焦点調節手段とを備え、撮像素子により結像光学系により形成される像を撮像する。

本発明によれば、結像光学系から到来する一対の光束により形成される一対の像の像ズレ量を相関演算により求め、結像光学系の焦点検出を行う際に、結像光学系の撮影画面周辺において一対の光束のアンバランスの程度が大きくても、相関演算で焦点検出可能になる確率を上げることができる。

一実施の形態の焦点検出装置を備えた撮像装置として、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。

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および絞り２１１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。

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、撮像用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用画素が組み込まれている。

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、画像信号の処理と記録、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、カメラの動作制御を行う。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等）の送信を行う。

液晶表示素子２１６は液晶ビューファインダー（ＥＶＦ：電気的ビューファインダー）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の焦点検出用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、レンズ情報を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値などに応じて変更する。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を合焦点へ駆動する。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。

カメラボディ２０３にはマウント部２０４を介して種々の結像光学系を有する交換レンズ２０２が装着可能であり、カメラボディ２０３は撮像素子２１２に組み込まれた焦点検出用画素の出力に基づいて交換レンズ２０２の焦点調節状態を検出する。

図２は撮影画面上における焦点検出画素の配置を示す図であり、後述する焦点検出用画素列の出力に基づいて焦点検出を行うときに、撮影画面上で像をサンプリングする領域（焦点検出エリア、焦点検出位置）を示す。この一実施の形態では、撮影画面１００上の中央１０２を含み水平方向に焦点検出エリア１０１が配置された例を示す。長方形で示した焦点検出エリア１０１の長手方向に焦点検出用画素が直線的に配列される。焦点検出エリア１０１の端点１０３は画面中央１０２から水平方向に距離Ｓの位置にあり、この点まで焦点検出用画素が配列される。

図３は撮像素子２１２の詳細な構成を示す正面図であり、図２に示す撮像素子２１２上の焦点検出エリア１０１付近を拡大した図である。図３において、縦横（画素の行と列）は図２に示す撮影画面の縦横に対応している。撮像素子２１２は、緑画素、青画素および赤画素からなる撮像用画素３１０と焦点検出用画素３１２、３１３から構成され、焦点検出エリア１０１（図２参照）には焦点検出用画素３１２、３１３が交互に水平方向に配列されている。焦点検出用画素３１２，３１３は、撮像用画素３１０の緑画素と青画素が配置されるべき行に直線的に配置されている。

なお、この一実施の形態では、撮像用画素の二次元状配列内の一部に焦点検出用画素を配列した素子を例に上げて説明するので、この素子を便宜的に撮像素子と呼ぶが、この素子は焦点検出装置を構成する要素であるから“焦点検出素子”と呼ぶこともできる。

図４に示すように、撮像用画素３１０はマイクロレンズ１０、光電変換部１１、不図示の色フィルターから構成される。色フィルターには赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３種類があり、それぞれの分光感度は図６に示す特性になっている。各色フィルターを備えた撮像用画素がベイヤー配列されている。

図５(ａ)に示すように、焦点検出用画素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は長方形である。また、図５(ｂ)に示すように、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は長方形である。光電変換部１２と１３は、マイクロレンズ１０を重ね合わせて表示した場合に左右水平方向に並んでおり、光電変換部１２の左の一部と光電変換部１３の右の一部は互いに重なっている。撮像素子２１２上の焦点検出用画素列では、焦点検出用画素３１２と焦点検出用画素３１３が水平方向（光電変換部１２と１３の並び方向）に交互に配置されている。

焦点検出用画素３１２、３１３には光量をかせぐために色フィルターは配置されておらず、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特性と、赤外カットフィルター（不図示）の分光感度特性とを総合した分光感度特性（図７参照）となり、図６に示す緑画素、赤画素および青画素の分光感度特性を加算したような分光感度特性であり、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。

撮像用画素３１０の光電変換部１１は、マイクロレンズ１０により最も明るい交換レンズの射出瞳（たとえば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ている。焦点検出画素３１２、３１３の光電変換部１２、１３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（たとえば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ている。

図８は撮像用画素３１０の断面図である。撮像用画素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（８〜１２μｍ径程度）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、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９(ａ)は画面中央部に配置された焦点検出用画素３１２の断面図である。画面中央部に配置された焦点検出用画素３１２では、光電変換部１２の前方にマイクロレンズ１０（８〜１２μｍ径程度）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９(ｂ)は画面中央部に配置された焦点検出用画素３１３の断面図である。画面中央部に配置された焦点検出用画素３１３では、光電変換部１３の前方にマイクロレンズ１０（８〜１２μｍ径程度）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。

焦点検出用画素３１２の光電変換部１２と焦点検出用画素３１３の光電変換部１３は、マイクロレンズ１０の光軸３００に対して対称位置に配置されるとともに、焦点検出用画素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、１３の一部は重なりあっている。したがって、光電変換部１２を投影する光束３２２と光電変換部１３を投影する光束３２３は互いに一部重なり合うとともに、全体としてはマイクロレンズの光軸３００の方向に向かっている。換言すれば、光電変換部１２は光束３２２を受光するとともに、光電変換部１３は光束３２３を受光することになる。

図１０(ａ)は焦点検出エリア端部に配置された焦点検出用画素３１２の断面図である。図２に示すように、焦点検出エリア１０１の画面中央から距離Ｓの端点１０３に配置された焦点検出用画素３１２において、光電変換部１２の前方にマイクロレンズ１０（８〜１２μｍ径程度）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)は焦点検出エリア端部に配置された焦点検出用画素３１３の断面図である。図２に示すように、焦点検出エリア１０１の画面中央から距離Ｓの端点１０３に配置された焦点検出用画素３１３において、光電変換部１３の前方にマイクロレンズ１０（８〜１２μｍ径程度）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。

焦点検出用画素３１２の光電変換部１２と焦点検出用画素３１３の光電変換部１３は、マイクロレンズ１０の光軸３００に対して非対称位置に配置されるとともに、焦点検出用画素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、１３の一部は重なりあっている。したがって、光電変換部１２を投影する光束３３２と光電変換部１３を投影する光束３３３は互いに一部重なり合うとともに、全体としてはマイクロレンズの光軸３００と異なる方向（図１０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１２は光束３３２を受光するとともに、光電変換部１３は光束３３３を受光することになる。

図１１は、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。図において、９０は、交換レンズ２０２（図１参照）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であり、この明細書では“測距瞳面”という。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との間の距離などに応じて決まる距離であり、この明細書では“測距瞳距離”という。９１は交換レンズ２０２の光軸、１０ａ〜１０ｄは画面中央近傍に配置されたマイクロレンズ、１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂはマイクロレンズ１０ａ〜１０ｄの光電変換部、３１２ａ、３１２ｂ、３１３ａ、３１３ｂは焦点検出用画素、７２，７３、８２，８３は焦点検出用の光束である。

また、９２はマイクロレンズ１０ａ、１０ｃにより測距瞳面９０に投影された光電変換部１２ａ、１２ｂの領域であり、この明細書では“測距瞳”という。９３はマイクロレンズ１０ｂ、１０ｄにより測距瞳面９０に投影された光電変換部１３ａ、１３ｂの領域、すなわち測距瞳である。なお、図１１ではわかりやすくするために測距瞳を楕円形の領域で示すが、実際は光電変換部の形状が拡大投影された形状となる。測距瞳９２と９３は光軸９１近傍で重畳している。

図１１では、画面中央近傍において隣接する４個の焦点検出用画素３１２ａ、３１２ｂ、３１３ａ、３１３ｂを模式的に例示しているが、その他の焦点検出用画素においても、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。このため、画面中央から離れた位置にある焦点検出用画素では、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なり、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。ここで、焦点検出用画素の配列方向は、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させる。

マイクロレンズ１０ａ〜１０ｄは、交換レンズ２０２（図１参照）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、１２ｂ、１３ａ、１３ｂの形状がマイクロレンズ１０ａ〜１０ｄから測距瞳距離ｄだけ離間した射出瞳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にある射出瞳９０上で各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を通過しマイクロレンズ１０ａに向う光束７２を受光し、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。また、光電変換部１２ｂは、測距瞳９２を通過しマイクロレンズ１０ｃに向う光束８２を受光し、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。同様に、光電変換部１３ａは、測距瞳９３を通過しマイクロレンズ１０ｂに向う光束７３を受光し、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。また、光電変換部１３ｂは、測距瞳９２を通過しマイクロレンズ１０ｄに向う光束８３を受光し、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種類の焦点検出用画素を直線状に多数配置し、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により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１２は、瞳分割型位相差検出方式におけるデフォーカスと像ずれとの関係を説明するための図である。図１２(ａ)において、像を形成する光束は、測距瞳９２を通過する光束７２と測距瞳９３を通過する光束７３とに分割される。このような構成により、例えば光軸９１上にあり図１２の紙面に垂直な方向の線パターン（黒地に白線）を結像光学系により結像させた場合、合焦面Ｐ０において測距瞳９２を通過する光束７２と測距瞳９３を通過する光束７３が、図１２(ｃ)に示すように光軸９１上の同じ位置に高コントラストな線像パターンを形成する。

一方、合焦面Ｐ０より前方の面Ｐ１では、測距瞳９２を通過する光束７２と測距瞳９３を通過する光束７３は、図１２(ｂ)に示すように異なる位置にぼけた線像パターンを形成する。また、合焦面Ｐ０より後方の面Ｐ２では、測距瞳９２を通過する光束７２と測距瞳９３を通過する光束７３は、図１２(ｄ)に示すように図１２(ｂ)とは反対方向の異なる位置にぼけた線像パターンを形成する。したがって、測距瞳９２を通過する光束７２と測距瞳９３を通過する光束７３とにより形成される２つの像を分離して検出し、２つの像の相対的な位置関係（像ズレ量）を算出することによって、２つの像を検出した面における光学系の焦点調節状態（デフォーカス量）を検出することができる。

図１３は撮像用画素と測距瞳面の関係を説明するための図である。なお、図１１に示す要素と同様な要素に対しては同一の符号を付して説明を省略する。図１３において、７０は図１に示す交換レンズ２０２の光軸９１上に配置されるマイクロレンズであり、７１はマイクロレンズ７０により構成される撮像用画素、８１は撮像用光束、９４はマイクロレンズ７０により投影された光電変換部７１の領域である。なお、図１３では光軸９１上にある撮像用画素（マイクロレンズ７０と光電変換部７１からなる）を模式的に例示しているが、その他の撮像用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は結像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を通過しマイクロレンズ７０に向う光束８１を受光し、光束８１によりマイクロレンズ７０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。上述したような撮像用画素を２次元状に多数配置により、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１４は測距瞳面における投影関係を示す正面図である。焦点検出用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に投影した測距瞳９２，９３は、撮像用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、互いの一部分が重畳した領域９５を有する。

図１５および図１６は、測距瞳の重畳の効果と適切な重畳量を説明するための図である。図において、面ＰＦは撮像素子が配置される結像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は結像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は結像光学系の光軸であり、位置ＡＣは予定焦点面ＰＦと光軸９１とが交わる点、すなわち画面中心である。また、位置ＡＥは予定焦点面ＰＦ上で画面中心ＡＣから距離Ｓだけ離れた位置であって、焦点検出用画素が配置される端の位置である（図２参照）。線７０、７２は、結像光学系の開放Ｆ値を示す境界線、すなわち画面中央から開放Ｆ値を見込む線である。

図１５(ａ)は測距瞳を重畳させていない場合の図であって、画面中央の位置ＡＣに配置された焦点検出用画素が受光する一対の光束が測距瞳面ＰＡに形成する一対の分布、すなわち測距瞳１５０，１６０と、画面中央から離れた位置ＡＥに配置された焦点検出用画素が受光する一対の光束が測距瞳面ＰＡに形成する一対の分布、すなわち測距瞳１５０，１６０とは図１５(ｂ)に示すように一致しており、一対の測距瞳１５０と１６０に重なる部分はない。

画面中央の位置ＡＣにおいて、測距瞳１５０を通る光束を受光する焦点検出用画素は、図１５(ａ)において外側を線５２、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ＡＣにおいて測距瞳１６０を通る光束を受光する焦点検出用画素は、図１５(ａ)において外側を線５０、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。一方、画面中央から距離Ｓだけ離れた位置ＡＥにおいて測距瞳１５０を通る光束を受光する焦点検出用画素は、図１５(ａ)において外側を線６２、内側を線９０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１６０を通る光束を受光する焦点検出用画素は、図１５(ａ)において外側を線６０、内側を線９０で示した範囲内の光束を受光することになる。

結像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１５(ｂ)に示すように、測距瞳面ＰＡにおける一対の測距瞳１５０，１６０の内の結像光学系の開放Ｆ値を示す円１７０の内部を通過する光束が、位置ＡＣから位置ＡＥまで配列された焦点検出用画素で受光されることになり、光量が等しい一対の光束により強度レベルが揃った一対の像が形成されるので、焦点検出用画素の出力に基づいて一対の像の像ズレ量を高精度に検出することができる。

結像光学系の射出瞳距離ｆが測距瞳距離ｄと異なる場合（図１５(ａ)ではｄ＞ｆ）には、画面中央の位置ＡＣにおいて測距瞳１５０、１６０を通る光束を受光する焦点検出用画素は、図１５(ｃ)に示すように、一対の測距瞳１５０，１６０を通過する光束が射出瞳面ＰＬにおいて形成する分布１５１、１６１を通過する光束の内の、射出瞳面ＰＬにおいて結像光学系の開放Ｆ値を示す円１７１の内部を通過する光束を受光することになる。この結果、画面中央の位置ＡＣでは光量の等しい一対の光束により強度レベルが揃った一対の像が形成され、焦点検出用画素の出力に基づいて一対の像の像ズレ量を高精度に検出することができる。

しかしながら、焦点検出エリア端の位置ＡＥにおいて測距瞳１５０、１６０を通る光束を受光する焦点検出用画素は、図１５(ｄ)に示すように、一対の測距瞳１５０，１６０を通過する光束が射出瞳面ＰＬにおいて形成する分布１５２、１６２を通過する光束の内の、射出瞳面ＰＬにおいて結像光学系の開放Ｆ値を示す円１７１の内部を通過する光束を受光することになる。この場合には、図１５(ｄ)から明らかなように分布１５２と円１７１の共通領域が消失してしまうので、焦点検出エリア端の位置ＡＥにおいては、像ズレ量を検出するための一対の像が形成されず、焦点検出不能になってしまう。また、位置ＡＣから位置ＡＥの間では一対の像が形成されるが、位置ＡＥに近い部分では形成される一対の像の光量バランスが大幅に崩れているので像ズレ量の検出精度が低下する。

次に、図１６(ａ)は測距瞳を重畳させた場合の図であって、画面中央の位置ＡＣに配置された焦点検出用画素が受光する一対の光束が測距瞳面ＰＡに形成する一対の分布、すなわち測距瞳２５０，２６０と、画面中央から距離Ｓだけ離れた位置ＡＥに配置された焦点検出用画素が受光する一対の光束が測距瞳面ＰＡに形成する一対の分布、すなわち測距瞳２５０，２６０とは図１６(ｂ)に示すように一致しており、一対の測距瞳２５０と２６０に重なり部分（図中のハッチング部分）２４０を有する。

画面中央の位置ＡＣにおいて、測距瞳２５０を通る光束を受光する焦点検出用画素は、図１６(ａ)において外側を線５２、内側を線５３で示した範囲内の光束を受光することになる。また、位置ＡＣにおいて測距瞳２６０を通る光束を受光する焦点検出用画素は、図１６(ａ)において外側を線５０、内側を線５１で示した範囲内の光束を受光することになる。一方、画面中央から距離Ｓだけ離れた位置ＡＥにおいて、測距瞳２５０を通る光束を受光する焦点検出用画素は、図１６(ａ)において外側を線６２、内側を線６３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２６０を通る光束を受光する焦点検出用画素は、図１６(ａ)において外側を線６０、内側を線６１で示した範囲内の光束を受光することになる。

結像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１６(ｂ)に示すように測距瞳面ＰＡにおける一対の測距瞳２５０，２６０を通過する光束の内の結像光学系の開放Ｆ値を示す円１７０の内部を通過する光束が、位置ＡＣから位置ＡＥまで配列された焦点検出用画素に受光されることになり、光量が等しい一対の光束により強度レベルが揃った一対の像が形成されるので、焦点検出用画素の出力に基づいて一対の像の像ズレ量を高精度に検出することができる。

結像光学系の射出瞳距離ｆが測距瞳距離ｄと異なる場合（図１６(ａ)ではｄ＞ｆ）には、画面中央の位置ＡＣにおいて測距瞳１５０、１６０を通る光束を受光する焦点検出用画素は、図１６(ｃ)に示すように、一対の測距瞳２５０，２６０を通過する光束が射出瞳面ＰＬにおいて形成する分布２５１、２６１を通過する光束の内の、射出瞳面ＰＬにおいて結像光学系の開放Ｆ値を示す円１７１の内部を通過する光束を受光することになり、画面中央の位置ＡＣにおいては光量が等しい一対の光束により強度レベルが揃った一対の像が形成されるので、焦点検出用画素の出力に基づいて一対の像の像ズレ量を高精度に検出することができる。

焦点検出エリア端の位置ＡＥにおいて測距瞳２５０、２６０を通る光束を受光する焦点検出用画素は、図１６(ｄ)に示すように、一対の測距瞳２５０，２６０を通過する光束が射出瞳面ＰＬにおいて形成する分布２５２、２６２を通過する光束の内の、射出瞳面ＰＬにおいて結像光学系の開放Ｆ値を示す円１７１の内部を通過する光束を受光することになる。この場合には、図１６(ｄ)から明らかなように分布２５２は光軸９１側に拡大しているので、円１７１との共通領域を確保でき、焦点検出エリア端の位置ＡＥにおいても、光量バランスが大幅に崩れていない一対の像が形成され、焦点検出精度を維持した焦点検出ができる。同様に、位置ＡＣから位置ＡＥまで配列された焦点検出用画素においても焦点検出精度を維持した焦点検出ができる。測距瞳を重ね合わせることにより、画面中央から離れた位置ＡＥにおける一対の像の光量バランス（光量比）を、１：４以上望ましくは１：２以上になるように改善することが望ましい。

図１６では射出瞳距離ｆが測距瞳距離ｄより短い結像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より長い結像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、画面周辺における焦点検出精度を確保することができる。このように、測距瞳（測距瞳面における一対の光束の光量分布）を一部重ね合わせることによって、種々の射出瞳と開放Ｆ値を有する結像光学系に対して画面周辺においても焦点検出が可能になる。

なお、測距瞳の重ね合わせの量は以下のように制限される。射出瞳面ＰＬにおける結像光学系の開放Ｆ値を示す円の内部に測距瞳の重なり部分だけが入るようになると、一対の光束の重心が一致してしまうため、一対の光束により形成される一対の像の像ズレが生じなくなり、焦点検出が不能になってしまう。これを防止するために、開放Ｆ値の内部に一対の測距瞳の重なり部分以外の測距瞳部分が入るように測距瞳の重なり量を制限し、開放Ｆ値を示す円の内部において一対の測距瞳を通過する一対の光束の光量分布の重心位置が異なるようにする。

例えば図１６(ｂ)では、重なり部分２４０の幅を円１７０の直径より短くすることによって、円１７０と測距瞳２５０の共通部分の重心位置２５３と、円１７０と測距瞳２６０の共通部分の重心位置２６３とが測距瞳面ＰＡ上で距離Ｇ１だけ離間する。また、図１６(ｃ)では、重なり部分２４１の幅が円１７１の直径より短くなり、円１７１と光量分布２５１の共通部分の重心位置２５４と、円１７１と光量分布２６１の共通部分の重心位置２６４とが射出瞳面ＰＬ上で距離Ｇ２だけ離間している。さらに、図１６(ｄ)では、円１７１と光量分布２５２の共通部分の重心位置２５５と、円１７１と光量分布２６２の共通部分の重心位置２６４とが射出瞳面ＰＬ上で距離Ｇ３だけ離間している。

一般的には、最も開口径の小さな開放Ｆ値を仮定し、測距瞳面ＰＡにおけるこの開放Ｆ値の円内に入る一対の測距瞳の光量分布の重心位置の差（図１６(ｂ)のＧ１に相当）で測距瞳距離ｄを除した値（＝測距Ｆ値）が、所定の焦点検出精度を維持するのに必要なＦ値より小さくなるように設定する。測距Ｆ値は検出された像ズレ量を結像光学系のデフォーカス量に変換する変換係数であって、この値が大きいと焦点検出精度（＝算出されるデフォーカス量の精度）が低下する。

例えば規格として焦点検出システムに適用可能な交換レンズの開放Ｆ値をＦ５．６以上の明るい結像光学系を有する交換レンズとした場合、開放Ｆ値５．６における測距Ｆ値がＦ２０以上になるように測距瞳の重なり量、すなわち重心位置の差を規定することができる。

また、測距瞳面ＰＡの測距瞳距離ｄは、焦点検出システムに適用可能な複数種類の交換レンズが内蔵する結像光学系の射出瞳の位置の平均的な位置に合致するように設定することによって、上述した開放Ｆ値に起因する制約を緩和することができ、より広範囲に射出瞳距離が散逸している交換レンズ群や、より開放Ｆ値が暗いレンズ群に本発明による焦点検出システムを適用することを可能にするとともに、画面上での焦点検出可能領域をより周辺まで拡大することが可能になる。

ここで、測距瞳の重ね合わせ量の一例を説明する。測距瞳距離ｄを１００ｍｍ、一対の光束の光量分布を一様分布、開放絞りの開口形状を正方形（円形にすると重心位置の演算が煩雑になるため、ここでは正方形とする）、測距瞳面上に換算した開放絞りの開口幅（正方形の一辺の長さ）を１８ｍｍ（Ｆ５．６相当）とすると、一対の光束の重心位置の差を５ｍｍ（Ｆ２０相当）とするためには、測距瞳上において一対の光束の光量分布を８ｍｍ重ね合わせればよい。焦点検出用画素を構成するマイクロレンズの投影倍率（光電変換部を測距瞳面に投影する倍率）を１００００倍とすれば、光電変換部における重ね合わせ量は０．８ミクロンになる。

図１７は、図１に示すデジタルスチルカメラ（撮像装置）の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でカメラの電源スイッチ（不図示）がオンされるとこの動作を開始する。ステップ１１０において、撮像素子２１２の出力信号レベルに基づいて被写体輝度を検出し、被写体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の撮像用画素と焦点検出用画素のデータを読み出す。また、ステップ１３０では撮像用画素のデータを電子ビューファインダーに表示させる。

ステップ１４０において焦点検出用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。続くステップ１５０で合焦近傍か否か、つまりデフォーカス量の絶対値が所定値以内であるかを判定する。合焦でないと判定された場合はステップ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のフォーカシング用レンズ２１０を合焦位置に駆動させ、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、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された場合はステップ１７０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定し、なされていない場合はステップ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操作がなされた場合はステップ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する。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で撮像素子２１２から撮像用画素のデータを読み出し、続くステップ２００で焦点検出用画素の周囲のある撮像用画素のデータに基づいて焦点検出用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ーカード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。

図１８を参照して、図１７のステップ１４０で実行される像ずれ検出演算処理（相関演算処理、位相差検出処理）の詳細を説明する。焦点検出用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、後述するような光量バランスに対して像ズレ検出精度を維持できる型式の相関演算処理を施す。焦点検出用画素列から出力される一対のデータ列（α１〜αＭ、β１〜βＭ：Ｍはデータ数）に対し、（１）式に示すような高周波カットフィルター処理を施し、第１データ列と第２データ列（Ａ１〜ＡＮ、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わかっている場合などは、この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）式に示す相関演算処理を施し、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。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１８(ａ)に示すように、一対のデータの相関が高いシフト量（図１８(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、（３）〜（６）式による３点内挿の手法を用いて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(ｋj-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１８(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)が所定の閾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１８(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。

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、被写体像面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（焦点検出用画素のピッチ）であり、ＦＡは測距Ｆ値（変換係数）である。

《発明の一実施の形態の変形例》
図１９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、焦点検出エリア近傍を拡大して示す。図において、撮像素子２１２Ａの縦横は図２に示す画面の縦横に対応している。図３に示す撮像素子２１２は、図５(ａ)および(ｂ)に示す一対の焦点検出用画素３１２、３１３によって構成されていた。これに対し図１９に示す変形例の撮像素子２１２Ａでは、焦点検出用画素が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、撮像用画素３１０と焦点検出用画素３１１から構成される。図２０に示すように、焦点検出用画素３１１は、マイクロレンズ１０と一対の光電変換部２２，２３からなる。光電変換部２２、２３は、マイクロレンズ１０により交換レンズ２０２の射出瞳の所定の領域（たとえば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２２と２３は左右水平方向に並んでおり、光電変換部２２の左の一部と光電変換部２３の右の一部は感度分布が重なった領域２４を有する。焦点検出用画素３１１が水平方向（光電変換部２２と２３の並び方向）に配置される。

図２１は焦点検出用画素３１１の断面を示す。図２１(ａ)は、図２に示す位置ＡＣ近傍に配置された焦点検出用画素３１１の断面図であり、焦点検出用の光電変換部２２、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２２、２３が前方に投影される。光電変換部２２、２３は半導体回路基板２９上に形成される。感度重畳部分２４はマイクロレンズ１０の光軸上にあり、光電変換部２２，２３はマイクロレンズ１０の光軸を中心とした方向から到来する焦点検出用光束を全体として受光する。

また、図２１(ｂ)は、図２に示す位置ＡＥ近傍に配置された焦点検出用画素３１１の断面図であり、焦点検出用の光電変換部２２、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２２、２３が前方に投影される。光電変換部２２、２３は半導体回路基板２９上に形成される。感度重畳部分２４はマイクロレンズ１０の光軸上になく、光電変換部２２，２３はマイクロレンズ１０の光軸より光学系の光軸に寄った方向から到来する焦点検出光束を全体として受光する。

図２２により、マイクロレンズを用いた瞳分割方式による焦点検出方法を説明する。なお、基本原理は図１１で説明した焦点検出方法と同じである。図では光軸９１上にある焦点検出用画素（マイクロレンズ５０と一対の光電変換部５２、５３からなる）と、隣接する焦点検出用画素を模式的に例示しているが、その他の焦点検出用画素においても、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。焦点検出用画素の配列方向は、一対の測距瞳９２，９３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。測距瞳９２と９３は一部重なりあっている。

マイクロレンズ５０は結像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５０によりその背後に配置された一対の光電変換部２２、２３の形状がマイクロレンズ５０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９２，９３を形成する。光電変換部２２は、測距瞳９２を通過してマイクロレンズ５０に向う焦点検出用光束４２によりマイクロレンズ５０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２３は、測距瞳９３を通過てしマイクロレンズ５０に向う焦点検出光束４３によりマイクロレンズ５０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用画素を直線状に多数配置し、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焦点検出用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２３は焦点検出用画素の詳細な構造を示す断面図である。図２３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用画素の詳細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上には開口部を有する酸化膜が形成され、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。一対のｎ型領域３２、３３の間の領域３４には分離領域を設けずにそのままｐ型領域となっている。

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３４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３４で重なり合うようになる。

図２４は変形例の撮像装置２０１Ａの構成を示す図である。図１に示す撮像装置２０１では撮像素子２１１を焦点検出用と撮像用に兼用する例を示したが、この変形例の撮像装置２０１Ａでは図２４に示すように撮像専用の撮像素子２１２Ｂと焦点検出専用の焦点検出素子２１１とを設ける。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、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焦点検出素子２１１が配置される。

撮影前は焦点検出素子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２１２Ｂの出力に応じた画像データが生成される。なお、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退避するようにしてもよい。焦点検出素子２１１と撮像素子２１２Ｂの配置を逆にして、反射側に撮像専用の撮像素子２１２Ｂ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。

上述した一実施の形態では、マイクロレンズにより光電変換部の形状を測距瞳面上に投影した領域を測距瞳としており、図１４に示すように測距瞳９２，９３は明確な周囲を有する形状で示しているが、実際にはマイクロレンズの収差や回折の影響により測距瞳の周囲形状は多少ぼけており、測距瞳は測距瞳上を通過する光束の割合を示す分布から規定される。

なお、焦点検出エリアの数とそれらの位置については、図２に示す配置に限定されない。画面内の複数の任意の位置に焦点検出用画素を水平または垂直方向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。

図３および図１９に示す撮像素子では、焦点検出エリアに焦点検出用画素を隙間なく配列した例を示したが、数画素おきに焦点検出用画素を配置してもよい。焦点検出用画素のピッチが大きくなることにより、焦点検出精度は多少低下するが、焦点検出用画素の密度が低くなるので、画像補間後の画像品質が向上する

図３および図１９に示す撮像素子では、撮像用画素および焦点検出用画素が稠密正方格子配列に配置した例を示したが、稠密六方格子配列に配置してもよい。

図３および図１９に示す撮像素子では、撮像用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列はこれに限定されることはなく、補色フィルター（緑：Ｇ、イエロー：Ｙｅ、マゼンタ：Ｍｇ，シアン：Ｃｙ）を採用してもよい。焦点検出用画素はシアンとマゼンタ（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、焦点検出用画素のデータは画像データとしては用いられていないが、輝度信号として撮像素子の画像データと合成することにより、ダイナミックレンジを拡大するようにしてもよい。

上述した一実施の形態では、焦点検出用画素のデータは焦点検出に用いられているが、撮像素子の露光制御のための測光用データとして用いることもできる。このようにすれば測光センサーを省略することができる。

上述した一実施の形態では、焦点検出用画素のデータは焦点検出に用いられているが、撮像素子の画像ブレ検出のためのブレ検出用データとして用いることもできる。このようにすれば画像ブレ検出専用の画像センサーを省略することができる。

上述した一実施の形態では、焦点検出用画素のデータは像ズレ焦点検出に用いられているが、コントラスト検出用データとして用いることもできる。

上述した一実施の形態では、焦点検出用画素の分光感度は図７に示すように白色に近い特性となっているが、焦点検出用画素の感度を図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用画素を１つの焦点検出素子の中に共存させるようにしてもよい。

上述した一実施の形態では、焦点検出用画素によって設定される測距瞳面は単一であるが、異なる測距瞳距離を有する複数の測距瞳面に対応して複数種類の焦点検出画素を設けるようにしてもよい。

上述した一実施の形態では、撮像用画素の画像データは焦点検出には用いられていないが、コントラスト検出方式の焦点検出データとして用いるとともに、焦点検出用画素による瞳分割方式の焦点検出結果とコントラスト方式による焦点検出結果を併用するようにしてもよい。

図２４に示す変形例の撮像装置２０１Ａでは、ハーフミラー２２１により波長依存がないように光束を分割しているが、分光ミラーにより光束を分割することもできる。例えば赤外光成分と可視光成分に分光するミラーとし、可視光成分を撮像素子で受光し、赤外光成分を焦点検出素子で受光するとともに、焦点検出素子による焦点検出結果を赤外光の収差量に応じて補正することによって、可視光の焦点検出結果に修正して用いることができる。このようにすれば撮像素子が受光する可視光の光量がハーフミラーによって減少することを防止できる。

図２４に示す変形例の撮像装置２０１Ａでは、ハーフミラー２２１は多層膜によって形成してもいいし、偏光ミラー（例えば図１の紙面に平行な偏光成分を反射し、紙面に垂直な偏光成分を透過する）として形成してもよい。

上述した一実施の形態では、焦点調節のために交換レンズ側に内蔵されたレンズを光軸方向に移動しているが、カメラボディ内の撮像素子を光軸方向に移動してもよいし、レンズの光軸方向の移動により焦点の粗調整を行い、撮像素子の移動により焦点の微調整を行うようにしてもよい。

本発明は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用画素を有する撮像素子および焦点検出素子に限定されず、他の方式の瞳分割型位相差検出方式の焦点検出用画素を有する撮像素子および焦点検出素子に適用が可能である。例えば、偏光を利用した瞳分割型位相差検出方式の焦点検出画素を備えた撮像素子および焦点検出素子や、再結像レンズを用いた瞳分割型位相差検出方式に適用することが可能である。

上述した一実施の形態において、撮像素子および焦点検出素子は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。

撮像装置は、着脱可能な交換レンズを備えたカメラボディから構成されるデジタルスチルカメラに限定されない。レンズ一体型のデジタルスチルカメラやビデオカメラにも適用できる。あるいは、携帯電話などに内蔵される小型カメラモジュールや監視カメラ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や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横断面図 撮影画面上における焦点検出画素の配置を示す図 撮像素子の詳細な構成を示す正面図 撮像用画素の構成を示す図 焦点検出用画素の構成を示す図 撮像用緑画素、赤画素および青画素の分光感度特性を示す図 焦点検出用画素の分光感度特性を示す図 撮像用画素の断面図 焦点検出用画素の断面図 焦点検出用画素の断面図 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 瞳分割型位相差検出方式におけるデフォーカスと像ずれとの関係を説明するための図 撮像用画素と測距瞳面の関係を説明するための図 測距瞳面における投影関係を示す正面図 測距瞳の重畳の効果と適切な重畳量を説明するための図 測距瞳の重畳の効果と適切な重畳量を説明するための図 デジタルスチルカメラ（撮像装置）の動作を示すフローチャート 像ずれ検出演算処理（相関演算処理、位相差検出処理）の詳細を説明する図 変形例の撮像素子の詳細な構成を示す正面図 変形例の撮像素子の詳細な構成を示す正面図 焦点検出用画素の断面を示す図 マイクロレンズを用いた瞳分割方式による焦点検出方法を説明する図 焦点検出用画素の詳細な構造を示す断面図 変形例の撮像装置の構成を示す図

符号の説明

１０ マイクロレンズ
１１、１２、１３、２２、２３ 光電変換部
２４ 重なった領域
２０１、２０１Ａ デジタルスチルカメラ
２０２ 交換レンズ
２０６ レンズ駆動制御装置
２１２、２１２Ａ、２１２Ｂ 撮像素子
３１０ 撮像用画素
３１１、３１２、３１３ 焦点検出用画素
２１４ ボディ駆動制御装置

Claims (16)

1. 射出瞳位置が異なる複数種類の結像光学系からの光束を受光し、前記結像光学系に対して焦点検出を行うために用いられる焦点検出素子であって、
   前記光束を受光する受光面から所定距離の位置に設定した面において第１分布をなす第１光束を受光する第１受光部と、前記面において第２分布をなす第２光束を受光する第２受光部とを備え、
   前記結像光学系の射出瞳面における当該結像光学系の開放Ｆ値に相当する領域内を前記第１光束と前記第２光束の少なくとも一部が通過するとともに、前記領域内における前記第１光束の分布の重心位置と前記第２光束の分布の重心位置とが異なるように、前記第１受光部と前記第２受光部の配置によって前記面上で前記第１分布と前記第２分布の一部を互いに重ね合わせることを特徴とする焦点検出素子。
2. 請求項１に記載の焦点検出素子において、
   前記面は、前記複数の結像光学系の射出瞳の代表的な位置に一致するように定められることを特徴とする焦点検出素子。
3. 請求項１または請求項２に記載の焦点検出素子において、
   開放Ｆ値が所定値より小さい前記結像光学系に対して焦点検出を行うことを特徴とする焦点検出素子。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の焦点検出素子において、
   前記第１受光部および前記第２受光部は、前記複数の結像光学系の予定焦点面近傍の面に配置されたマイクロレンズと該マイクロレンズを介した光を受光する光電変換部とから構成され、
   前記第１受光部の前記マイクロレンズは、対応する前記光電変換部へ前記第１光束を導くとともに、前記第２受光部の前記マイクロレンズは、対応する前記光電変換部へ前記第２光束を導くことを特徴とする焦点検出素子。
5. 請求項４に記載の焦点検出素子において、
   前記第１分布は、前記第１受光部の前記マイクロレンズにより対応する前記光電変換部が前記面に投影されて形成され、前記第２分布は、前記第２受光部の前記マイクロレンズにより対応する前記光電変換部が前記面に投影されて形成されることを特徴とする焦点検出素子。
6. 請求項５に記載の焦点検出素子において、
   前記第１受光部および前記第２受光部を構成する前記マイクロレンズの光学特性、前記マイクロレンズと該マイクロレンズに対応する前記光電変換部との位置関係、および前記光電変換部の大きさと形状に基づいて、前記面における前記第１分布と前記第２分布の重ね合わせ量が設定されることを特徴とする焦点検出素子。
7. 請求項５に記載の焦点検出素子において、
   前記面における前記第１分布と前記第２分布の重ね合わせ量は、前記結像光学系の光軸に直交する面内における前記第１受光部と前記第２受光部の位置に応じて決定されることを特徴とする焦点検出素子。
8. 請求項４〜７のいずれか１項に記載の焦点検出素子において、
   前記第１受光部は、第１のマイクロレンズと該第１のマイクロレンズを介した光を受光する光電変換部からなる第１焦点検出用画素から構成されるとともに、前記第２受光部は、前記第１のマイクロレンズと異なる第２のマイクロレンズと該第２のマイクロレンズを介した光を受光する光電変換部からなる第２焦点検出用画素から構成され、
   前記第１光束と前記第２光束の並び方向に前記第１焦点検出用画素と前記第２焦点検出用画素が交互に配列されることを特徴とする焦点検出素子。
9. 請求項８に記載の焦点検出素子において、
   前記第１焦点検出用画素の前記光電変換部と前記第２焦点検出用画素の前記光電変換部の受光感度を有する領域を相対的に重畳させることによって、前記面において前記第１分布と前記第２分布の一部を互いに重ね合わせることを特徴とする焦点検出素子。
10. 請求項４〜７のいずれか１項に記載の焦点検出素子において、
    前記第１受光部と前記第２受光部は共通のマイクロレンズと該マイクロレンズを介した光束を受光する一対の光電変換部からなる焦点検出用画素から構成され、
    前記第１光束と前記第２光束の並び方向に複数の前記焦点検出用画素が配列されることを特徴とする焦点検出素子。
11. 請求項１０に記載の焦点検出素子において、
    前記一対の光電変換部の受光感度を有する領域を相対的に重畳させることによって、前記面において前記第１分布と前記第２分布の一部を互いに重ね合わせることを特徴とする焦点検出素子。
12. 請求項８〜１１のいずれか１項に記載の焦点検出素子と、
    前記第１および第２の焦点検出用画素列または前記焦点検出用画素列から出力される一対の信号列に相関演算処理を施して前記結像光学系の焦点調節状態を演算する焦点検出演算手段とを備えたことを特徴とする焦点検出装置。
13. 請求項１２に記載の焦点検出装置と、
    前記焦点検出装置により検出された焦点調節状態に基づいて前記結像光学系の焦点調節を行う焦点調節手段と、
    前記結像光学系により形成される像を撮像する撮像素子とを備えることを特徴とする撮像装置。
14. 請求項１３に記載の撮像装置において、
    前記結像光学系から到来する光束を前記焦点検出素子と前記撮像素子のいずれか一方へ選択的に導く光束切換手段を備えることを特徴とする撮像装置。
15. 請求項１３に記載の撮像装置において、
    前記結像光学系から到来する光束を分割して前記焦点検出素子と前記撮像素子の両方へ導くことを特徴とする撮像装置。
16. 複数の撮像用画素の二次元状配列の一部に請求項７〜１０のいずれか１項に記載の焦点検出素子の前記焦点検出用画素列が組み込まれた撮像素子と、
    前記焦点検出用画素列から出力される一対の信号列に相関演算処理を施して前記結像光学系の焦点調節状態を演算する焦点検出演算手段と、
    前記焦点検出演算手段により演算された焦点調節状態に基づいて前記結像光学系の焦点調節を行う焦点調節手段とを備え、
    前記撮像素子により前記結像光学系により形成される像を撮像することを特徴とする撮像装置。

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