JP4961993B2 - 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。

瞳分割型位相差検出方式を用いた焦点検出用画素を撮像素子中央の水平方向に配置し、その周辺に撮像用画素を配置した撮像素子が知られている（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。
特開平０１−２１６３０６号公報

上述した従来の撮像素子では、焦点検出用画素を撮像素子中央の水平方向にのみ配列しているので、焦点検出対象の被写体を画面中央で捕捉しなければならず、焦点検出機能に制約がある。この問題を解決するために、焦点検出用画素を画面全域に展開すると、焦点検出用画素位置の画像出力を周囲の撮像用画素の出力に基づいて補間するときに画像品質が劣化する。したがって、撮像機能の観点からの要求と、焦点検出機能の観点からの要求との両立を図り、画像品質を維持しながら焦点検出性能を向上させる必要がある。

請求項１の発明による撮像素子は、撮像面に二次元状に配置され、光学系による像を受光する複数の撮像用画素と、前記複数の撮像用画素の一部を置換して配置され、前記光学系の瞳の第1の一対の領域を通過した一対の光束を受光し第1の方向に配列された複数の第1焦点検出用画素列を構成する複数の第1の焦点検出用画素と、前記複数の撮像用画素の一部を置換して配置され、前記光学系の瞳の第２の一対の領域を通過した一対の光束を受光し前記第１の方向に垂直な第２の方向に配列された複数の第２焦点検出用画素列を構成する複数の第２の焦点検出用画素と、を備え、前記光学系の光軸が前記撮像面に交わる交点を通り、前記第１及び第２の方向とは異なる方向に延びる複数の境界線によって前記撮像面を少なくとも第１、第２、第３及び第４の区域に分割した場合に、前記交点を挟んで前記第１の方向に延びる第１及び第２の区域には、前記第２の焦点検出用画素が前記第１の焦点検出用画素よりも多数存在し、前記交点を挟んで前記第２の方向に延びる第３及び第４の区域には、前記第１の焦点検出用画素が前記第２の焦点検出用画素よりも多数存在し、前記第１、第２、第３及び第４の区域の各々には、前記第１の焦点検出用画素と前記第２の焦点検出用画素とが存在することを特徴とする。
請求項１１の発明による撮像素子は、撮像面に二次元状に配置され、光学系による像を受光する複数の撮像用画素と、前記複数の撮像用画素の一部を置換して配置され、前記光学系の瞳の第1の一対の領域を通過した一対の光束を受光し第1の方向に配列された複数の第1焦点検出用画素列を構成する複数の第1の焦点検出用画素と、前記複数の撮像用画素の一部を置換して配置され、前記光学系の瞳の第２の一対の領域を通過した一対の光束を受光し前記第１の方向に対して＋６０°傾斜した第２の方向に配列された複数の第２焦点検出用画素列を構成する複数の第２の焦点検出用画素と、前記複数の撮像用画素の一部を置換して配置され、前記光学系の瞳の第３の一対の領域を通過した一対の光束を受光し前記第１の方向に対して−６０°傾斜した第３の方向に配列された複数の第３焦点検出用画素列を構成する複数の第３の焦点検出用画素と、を備え、前記光学系の光軸が前記撮像面に交わる交点を通り、前記第１、第２、及び第３の方向にそれぞれ延びる第１、第２、及び第３の境界線によって前記撮像面を、前記第１の境界線と前記第２の境界線とによって挟まれる第１及び第２の区域と、前記第２の境界線と前記第３の境界線とによって挟まれる第３及び第４の区域と、前記第３の境界線と前記第１の境界線とによって挟まれる第５及び第６の区域とに分割した場合に、前記第１及び第２の区域には、前記第３の焦点検出用画素が前記第１及び第２の焦点検出用画素よりも多数存在し、前記第３及び第４の区域には、前記第１の焦点検出用画素が前記第２及び第３の焦点検出用画素よりも多数存在し、前記第５及び第６の区域には、前記第２の焦点検出用画素が前記第１及び第３の焦点検出用画素よりも多数存在し、前記第１、第２、第３、第４、第５及び第6の区域の各々には、前記第１の焦点検出用画素と前記第２の焦点検出用画素と前記第３の焦点検出画素とが存在することを特徴とする。
請求項１６の発明による撮像装置は、第１方向及び前記第１の方向と垂直な第２方向に撮像用画素が二次元正方格子状に稠密に配列された撮像用画素配列中に第１焦点検出用画素と第２焦点検出用画素を配列し、光学系によって結像された像を電気信号に変換する撮像素子であって、前記第１焦点検出用画素は、前記光学系の射出瞳上の前記第１方向に並ぶ一対の領域を通過した光束を受光する光電変換部を有するとともに、複数の前記第１焦点検出用画素を前記第１方向に配列して第１の焦点検出領域を形成し、前記第２焦点検出用画素は、前記光学系の射出瞳上の前記第２方向に並ぶ一対の領域を通過した光束を受光する光電変換部を有するとともに、複数の前記第２焦点検出用画素を前記第２方向に配列して第２の焦点検出領域を形成した撮像素子と、前記第１焦点検出用画素と前記第２焦点検出用画素の出力に基づいて前記第１の焦点検出領域および前記第２の焦点検出領域前記光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出手段と、前記第１焦点検出用画素と前記第２焦点検出用画素の位置における画像出力を、周囲の前記撮像用画素の出力に基づいて補間する補間手段と、前記補間手段により補間された前記第１焦点検出用画素と前記第２焦点検出用画素の位置における画像出力と、前記撮像用画素の出力とに基づいて画像信号を生成する制御手段とを備えることを特徴とする撮像装置において、前記撮像素子を、前記光学系の光軸が通る位置を基準として前記第１および第２方向に対して４５度傾斜した方向に延びる境界線によって、前記第１方向に対応する方向に沿った第１区域と前記第２方向に対応する方向に沿った第２区域とに区分するとともに、前記撮像素子を、前記光学系の光軸が通る位置からの距離に応じて、前記光学系の光軸が通る位置を含む第３区域と、前記第３区域の周囲を取り囲む第４区域と、前記第４区域を取り囲む第５区域とに区分した場合に、前記第１区域には前記第２焦点検出用画素が前記第１焦点検出用画素よりも多数存在するように配置し、前記第２区域には前記第１焦点検出用画素が前記第２焦点検出用画素よりも多数存在するように配置し、前記第３区域においては前記第１焦点検出用画素および前記第２焦点検出用画素の配置密度を前記第４区域及び前記第５区域より高くし、前記第５区域と前記第１区域が重なった区域においては前記第２焦点検出用画素のみを配置し、前記第５区域と前記第２区域が重なった区域においては前記第１焦点検出用画素のみを配置することを特徴とする。

本発明によれば、撮像機能の観点からの要求と焦点検出機能の観点からの要求とを両立させ、画像品質を維持しながら焦点検出性能を向上させることができる。

本願発明の一実施の形態による撮像素子、焦点検出装置および撮像装置をデジタルスチルカメラに適用した例を説明する。図１は一実施の形態の構成を示す。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はマウント部２０４によりカメラボディ２０３に装着される。

交換レンズ２０２はレンズ駆動制御装置２０６、ズーミング用レンズ２０８、レンズ２０９、フォーカシング用レンズ２１０、絞り２１１などを備えている。レンズ駆動制御装置２０６は、マイクロコンピューターとメモリなどの周辺部品から成り、フォーカシング用レンズ２１０と絞り２１１の駆動制御、絞り２１１、ズーミング用レンズ２０８およびフォーカシング用レンズ２１０の状態検出、後述するボディ駆動制御装置２１４に対するレンズ情報の送信とカメラ情報の受信などを行う。

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には後述する画素が二次元状に配列されており、交換レンズ２０２の予定結像面に配置されて交換レンズ２０２により結像される被写体像を撮像する。なお、詳細を後述するが撮像素子２１２の所定の焦点検出位置には焦点検出用画素が配列される。

ボディ駆動制御装置２１４はマイクロコンピューターとメモリなどの周辺部品から構成され、撮像素子２１２からの画像信号の読み出し、画像信号の補正、交換レンズ２０２の焦点調節状態の検出、レンズ駆動制御装置２０６からのレンズ情報の受信とカメラ情報（デフォーカス量）の送信、ディジタルスチルカメラ全体の動作制御などを行う。ボディ駆動制御装置２１４とレンズ駆動制御装置２０６は、マウント部２０４の電気接点部２１３を介して通信を行い、各種情報の授受を行う。

液晶表示素子駆動回路２１５は、電子ビューファインダー（ＥＶＦ：電気的ビューファインダー）の液晶表示素子２１６を駆動する。撮影者は接眼レンズ２１７を介して液晶表示素子２１６に表示された像を観察することができる。メモリカード２１９はカメラボディ２０３に脱着可能であり、画像信号を格納記憶する可搬記憶媒体である。

交換レンズ２０２を通過して撮像素子２１２上に形成された被写体像は、撮像素子２１２により光電変換され、その出力は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上の焦点検出画素の出力データに基づいて所定の焦点検出位置における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の出力に基づいて生成した画像信号をメモリカード２１９に格納するとともに、画像信号を液晶表示素子駆動回路２１５へ送り、液晶表示素子２１６に画像を表示させる。

カメラボディ２０３には不図示の操作部材（シャッターボタン、焦点検出位置の設定部材など）が設けられており、これらの操作部材からの操作状態信号をボディ駆動制御装置２１４が検出し、検出結果に応じた動作（撮像動作、焦点検出位置の設定動作、画像処理動作）の制御を行う。

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、レンズ駆動制御装置２０６は、レンズ２０８、２１０の位置と絞り２１１の絞り位置をモニターし、モニター情報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モニター情報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、このレンズ駆動量に基づいてフォーカシングレンズ２１０を不図示のモーター等の駆動源により合焦点へと駆動する。

ここで、撮像素子に対する撮像機能の観点からの要求と焦点検出機能の観点からの要求について整理する。撮像機能の観点からの要求としては、まず、焦点検出画素位置の画像出力を周囲の撮像画素の画像出力に基づいて補間する必要があり、補間により画像品質が劣化するため、撮像素子全体の画素の総数に対する焦点検出画素の画素数の割合を可能な限り小さくする必要がある。次に、焦点検出画素が連続して長く配列されると、線像が重畳した場合に補間誤差が大きくなり、画像品質が劣化するため、焦点検出画素の配列長をできる限り短くする必要がある。つまり、これらは焦点検出画素数を制限する方向の要求である。

一方、焦点検出機能の観点からの要求としては、まず、焦点検出を行う対象の像が画面内のどの位置に存在している場合でも確実に像を捕捉するために、画面内にできる限り多くの焦点検出エリアを配置してカバーする必要がある。また、焦点検出を行う対象の像が特定の方向にしかコントラスト変化がない場合でも焦点検出可能とするために、できるだけ多くの方向において焦点検出を行うことが望ましく、複数の方向に焦点検出画素を配列する必要がある。ただし、撮像素子の画素は互いに直交する方向（行列方向）に２次元状に配列され、画素ピッチが最も短くなる画素配列は２つの直交する方向（行方向と列方向）となり、焦点検出精度が焦点検出画素の画素ピッチが短いほど高くなるので、少なくとも行方向の焦点検出画素配列と列方向の焦点検出画素配列を画面上に配置する必要がある。これらは、焦点検出画素数を増加する方向の要求である。

そこで、この一実施の形態では、撮像機能の観点からの要求と、焦点検出機能の観点からの要求とのバランスをとって折り合いを付け、制限された焦点検出画素数で焦点検出性能を効率的に発揮できる撮像素子を提案する。

図２は撮像素子２１２の平面図である。撮像素子２１２は、行方向とそれに直交する方向の列方向に二次元正方配列された撮像画素と焦点検出画素から構成される。すなわち、撮像画素は行方向と列方向に稠密に配列されており、画素の稠密配列方向は行方向と列方向になる。図２において、点１００は撮像素子２１２の撮影画面の中心、すなわち交換レンズ２０２の光軸と撮像素子２１２の撮影画面との交点であり、直線１０１は画面中心１００を通る行方向（水平方向）の直線であり、直線１０２は画面中心１００を通る列方向（垂直方向）の直線である。また、直線１０３は画面中心１００を中心に直線１０１を反時計方向に４５度回転した直線であり、直線１０４は画面中心１００を中心に直線１０１を反時計方向に４５度回転した直線である。

撮像素子２１２の撮影画面は、画面中心１００から放射方向に延びる直線１０３と直線１０４を境界線として４つの区域に分割され、区域１１０と区域１３０は点１００に対し行方向（図の左右方向）の右方向と左方向に広がる区域であり、区域１５０と区域１７０は画面中心１００に対し列方向（図の上下方向）の上方向と下方向に広がる区域である。また、図２に破線で示す楕円１０５、１０６は画面中心１００を中心とした楕円であり、画面中心１００を含む楕円１０５の内側が画面中心近傍の領域１０７であり、楕円１０５の外側でかつ楕円１０６の内側の領域は中間的な領域１０８であり、楕円１０６の外側の領域は画面周辺の領域１０９である。

図２において、小さな長方形で示す領域に焦点検出画素が配列されており、この領域が焦点検出領域（焦点検出エリア）となる。長方形の長手方向が焦点検出画素の配列方向を示しており、焦点検出画素が列方向に配列された領域を白抜きの長方形で示し、焦点検出画素が行方向に配列された領域を黒く塗りつぶした長方形で示す。長方形の長手方向の長さは焦点検出領域の長さ（焦点検出画素の配列画素数）を示しており、領域１２２、１４２、１６２、１８２は他の領域よりその長さが短く設定されている。焦点検出領域以外には撮像画素が配列されており、複数の焦点検出領域の間の領域は撮像画素のみの領域となっている。

画面中心１００に対して水平方向の右にある区域１１０内では、画面中心近傍領域１０７に、焦点検出画素が垂直方向に配列された焦点検出領域１１１、１１２、１１３と、焦点検出画素が水平方向に配列された焦点検出領域１２１とが配置される。また、中間領域１０８には、焦点検出画素が垂直方向に配列された焦点検出領域１１４、１１５、１１６と、焦点検出画素が水平方向に配列された焦点検出領域１２２とが配置される。さらに、周辺領域１０９には、焦点検出画素が垂直方向に配列された焦点検出領域１１７、１１８、１１９が配置され、焦点検出画素が水平方向に配列された焦点検出領域は配置されない。

画面中心１００に対して水平方向の左にある区域１３０内では、画面中心近傍領域１０７に、焦点検出画素が垂直方向に配列された焦点検出領域１３１、１３２、１３３と、焦点検出画素が水平方向に配列された焦点検出領域１４１とが配置される。また、中間領域１０８には、焦点検出画素が垂直方向に配列された焦点検出領域１３４、１３５、１３６と、焦点検出画素が水平方向に配列された焦点検出領域１４２ととが配置される。さらに、周辺領域１０９には、焦点検出画素が垂直方向に配列された焦点検出領域１３７、１３８、１３９が配置され、焦点検出画素が水平方向に配列された焦点検出領域は配置されない。

画面中心１００に対して垂直方向の上にある区域１５０内では、画面中心近傍領域１０７に、焦点検出画素が水平方向に配列された焦点検出領域１５１、１５２、１５３と、焦点検出画素が垂直方向に配列された焦点検出領域１６１とが配置される。また、中間領域１０８には、焦点検出画素が水平方向に配列された焦点検出領域１５４、１５５、１５６と、焦点検出画素が垂直方向に配列された焦点検出領域１６２とが配置される。さらに、周辺領域１０９には、焦点検出画素が水平方向に配列された焦点検出領域１５７、１５８、１５９が配置され、焦点検出画素が垂直方向に配列された焦点検出領域は配置されない。

画面中心１００に対して垂直方向の下にある区域１７０内では、画面中心近傍領域１０７に、焦点検出画素が水平方向に配列された焦点検出領域１７１、１７２、１７３と、焦点検出画素が垂直方向に配列された焦点検出領域１８１とが配置される。また、中間領域１０８には、焦点検出画素が水平方向に配列された焦点検出領域１７４、１７５、１７６と、焦点検出画素が垂直方向に配列された焦点検出領域１８２が配置される。さらに、周辺領域１０９には、焦点検出画素が水平方向に配列された焦点検出領域１７７、１７８、１７９が配置され、焦点検出画素が垂直方向に配列された焦点検出領域は配置されない。

図３は撮像素子２１２の撮像画素配列の拡大図である。なお、図３では撮像画素のみの領域を拡大して示す。撮像画素は緑画素３１０、赤画素３１１、青画素３１２の３種類の画素からなり、これらの画素がベイヤー配列で２次元配列されている。図６に示すように撮像画素（緑画素３１０、赤画素３１１、青画素３１２）は、マイクロレンズ１０、光電変換部１１、不図示の色フィルタから構成される。色フィルタは赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３種類からなり、それぞれの分光感度は図９に示す特性になっている。

図４と図５は撮像素子２１２の焦点検出画素配列の拡大図である。なお、図４は、図２において焦点検出画素が行方向に配列された領域（黒く塗りつぶした長方形で示す領域）を拡大して示す。図４において、焦点検出画素３２０は行方向に連続的に配列され、焦点検出領域を形成する。焦点検出画素３２０の配列の周囲は撮像画素により取り囲まれている。また、図５は、図２において焦点検出画素が列方向に配列された領域（白抜きの長方形で示す領域）を拡大して示す。図５において、焦点検出画素３３０は列方向に連続的に配列され、焦点検出領域を形成する。焦点検出画素３３０の配列の周囲は撮像画素により取り囲まれている。

図７に示すように焦点検出画素３２０、３３０は、マイクロレンズ１０、一対の光電変換部１２，１３から構成される。焦点検出画素３３０は、焦点検出画素３２０を９０度回転した構成となっている。なお、図８に示すように、面積の小さな一対の光電変換部１４，１５を用いて焦点検出画素を構成することもでき、この種の焦点検出画素３４０，３５０については後述する。焦点検出画素３２０、３３０には光量をかせぐために色フィルタ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、赤外カットフィルタ（不図示）の分光特性を総合した図１０に示す分光特性となる。この焦点検出画素３２０，３３０の分光特性は、図９に示す緑画素、赤画素、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、青画素の感度の光波長領域を包括している。

図６に示す撮像画素の光電変換部１１は、マイクロレンズ１０により所定の絞り開口径（例えばＦ１．０）の光束をすべて受光するような形状に設計される。一方、図７に示す焦点検出画素の一対の光電変換部１２、１３は、マイクロレンズ１０により所定の絞り開口径（例えばＦ２．８）の光束をすべて受光するような形状に設計される。撮像により画像データを得る場合には、撮像画素の画像データをそのまま使用する。焦点検出画素位置における画像データは、焦点検出画素の近傍周囲にある撮像画素の画像データにより補間される。

例えば、図４と図５において、撮像画素の青画素があるべき位置に配置された焦点検出画素の位置の画像データは、この焦点検出画素の右隣（上隣）の緑画素を挟んで一つ右隣（上隣）の青画素の画像データと、この焦点検出画素の左隣（下隣）の緑画素を挟んで一つ左隣（下隣）の青画素の画像データとの平均として補間される。また、撮像画素の緑画素があるべき位置に配置された焦点検出画素の位置の画像データは、この焦点検出画素の斜め右上、右下、左上、左下４５度方向の隣にある４つの緑画素の画像データの平均として補間される。

図１１は撮像画素の断面図である。撮像画素において、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、色フィルタ（不図示）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１２は焦点検出画素の断面図である。焦点検出画素において、焦点検出用の光電変換部１２、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１２、１３が前方に投影される。光電変換部１２、１３は半導体回路基板２９上に形成される。

図１３はマイクロレンズを用いた瞳分割方式による焦点検出の説明図である。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ｄ０の距離に設定される射出瞳である。距離ｄ０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“測距瞳距離”である。５０、６０はマイクロレンズ、（５２，５３）、（６２，６３）は焦点検出画素の一対の光電変換部、（７２，７３）、（８２，８３）は焦点検出用光束である。また、９２はマイクロレンズ５０、６０により投影された光電変換部５２、６２の領域（以下では測距瞳と呼ぶ）、９３はマイクロレンズ５０、６０により投影された光電変換部５３、６３の領域（測距瞳）である。

図１３では、便宜的に光軸上にある焦点検出画素（マイクロレンズ５０と一対の光電変換部５２、５３からなる）と、隣接する焦点検出画素（マイクロレンズ６０と一対の光電変換部６２、６３からなる）とを模式的に例示しているが、焦点検出画素が画面周辺の光軸から離れた位置にあった場合においても、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５０、６０は光学系の予定結像面近傍に配置されており、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５２、５３の形状がマイクロレンズ５０、６０から投影距離ｄ０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。また、マイクロレンズ６０によりその背後に配置された一対の光電変換部６２、６３の形状が投影距離ｄ０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ｄ０にある射出瞳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、各画素の投影方向が決定されている。換言すれば、一対の測距瞳９２，９３と一対の光電変換部（５２，５３）はマイクロレンズ５０を介して、一対の測距瞳９２，９３と一対の光電変換部（６２，６３）はマイクロレンズ６０を介して、それぞれ共役な関係になっている。

光電変換部５２は測距瞳９２を通過し、マイクロレンズ５０に向う焦点検出用光束７２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。光電変換部５３は測距瞳９３を通過し、マイクロレンズ５０に向う焦点検出用光束７３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。光電変換部６２は測距瞳９２を通過し、マイクロレンズ６０に向う焦点検出用光束８２によりマイクロレンズ６０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６３は測距瞳９３を通過し、マイクロレンズ６０に向う焦点検出用光束８３によりマイクロレンズ６０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。

上記のような焦点検出画素を直線状に複数個配置し、各画素の一対の光電変換部の出力を測距瞳９２および測距瞳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。これら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。つまり、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。

なお、上記説明では、測距瞳が交換レンズの開口制限要素（絞り開口、レンズ外形、フードなど）によって制限されていない（けられていない）状態として説明を行ったが、交換レンズの開口制限要素によって測距瞳が制限される場合には、焦点検出画素の光電変換部は制限を受けた測距瞳を通過する光束を焦点検出用光束として受光することになる。

図１４は、画面中心から離れた焦点検出領域における測距瞳のケラレの説明図である。図１４に示すように、焦点検出領域の位置が予定焦点面Ｐ０に設定された画面周辺のＳにある場合に、射出瞳９０にある絞り開口９７によって測距瞳９２，９３にケラレは生じていないが、射出瞳面９０より遠方にある面９９に存在する開口制限要素９８（開口絞り、レンズ端など）によって測距瞳９２にケラレが生じる。測距瞳９２、９３に対して、開口制限要素９８の開口が、画面中心と焦点検出位置Ｓとを結ぶ方向に、画面中心と焦点検出位置Ｓとの間の距離に応じた量だけずれる。

図１５は撮像画素と射出瞳の関係を説明する図である。なお、図１３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する。７０はマイクロレンズ、７１は撮像画素の光電変換部、８１は撮像用光束である。また、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。図１５では、光軸上にある撮像画素（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、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ｄ０だけ離間した射出瞳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に向う撮像用光束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。上記のような撮像画素を２次元状に多数配置することにより、各画素の光電変換部に基づいて画像情報が得られる。

図１６および図１７は射出瞳面における測距瞳の正面図であり、焦点検出領域の位置Ｓが図２に示す画面中心に対して水平方向に分離した領域１１０および領域１３０の中にある場合の、測距瞳のケラレの様子を示す。図１６において、焦点検出画素３２０から一対の光電変換部をマイクロレンズにより射出瞳面９０に投影した測距瞳９２２，９３３の外接円は、結像面から見た場合に所定の開口Ｆ値（以下では測距瞳Ｆ値と呼ぶ。ここではＦ２．８）となる。破線で示す領域９０１は、絞り値Ｆ２．８よりも大きな絞り値（例えばＦ２）に対応した領域を示し、測距瞳９２２，９３３を内部に含んでいる。測距瞳９２２，９３３の並び方向（図では左右方向)における測距瞳９２２、９３３を通過する光束(焦点検出用光束)の重心９５２，９５３の間隔は、Ｇ１となる。

図１４に示すような焦点検出用光束のケラレが発生した場合には、開口制限による開口が測距瞳に対して水平方向にずれて重ね合わされる（領域９０３は開口制限の一部を示している）。このような状態では測距瞳９２２が領域９０３によりけられており、領域９０３によって制限された測距瞳９２２を通過する光束(焦点検出用光束)の重心９７２は、けられていない場合の重心９５２より中心に偏っている。一方、測距瞳９３３は領域９０３によりけられず、測距瞳９２２を通過する光束(焦点検出用光束)の重心９５３の位置は変化しない。したがって、測距瞳重心９７２と９５３の間隔は、ケラレが生じていない場合の重心間隔Ｇ１より狭い重心間隔Ｇ１’となる。

また、ケラレにより測距瞳の面積の比がアンバランスになり、結果的に一対の測距瞳によって形成される一対の像の強度比がアンバランスになり、一致性（同一性）が崩れるために焦点検出精度が低下し、ケラレの程度が大きい場合には焦点検出不能になってしまう。一般的に、ケラレの程度は画面中心から焦点検出領域までの距離に比例して大きくなる。

図１７において、焦点検出画素３３０から一対の光電変換部をマイクロレンズにより射出瞳面９０に投影した測距瞳８２２，８３３の外接円は、結像面から見た場合に所定の開口Ｆ値（測距瞳Ｆ値、ここではＦ２．８）となる。破線で示す領域９０１は、絞り値Ｆ２．８よりも大きな絞り値（例えばＦ２）に対応した領域を示し、測距瞳８２２，８３３を内部に含んでいる。測距瞳８２２，８２３の並び方向（図では上下方向)における測距瞳８２２、８３３を通過する光束(焦点検出用光束)の重心８５２，８５３の間隔は、Ｇ２（＝Ｇ１）となる。図１４に示すような焦点検出用光束のケラレが発生した場合には、開口制限による開口が測距瞳に対して水平方向にずれて重ね合わされる（領域９０３は開口制限の一部を示している）。

このような状態では、測距瞳８２２と測距瞳８２３の右端部分が領域９０３によりけられているが、そのケラレが測距瞳８２２，８２３に対称的に発生しているので領域９０３によって測距瞳８２２，８２３の重心位置８５２，８５３はほとんど変化せず、したがって、測距瞳８２２，８２３を通過する光束(焦点検出用光束)の重心８５２、８５３の間隔Ｇ２は変化しない。また、ケラレた場合でも一対の測距瞳の面積は等しいので、一対の測距瞳によって形成される一対の像の一致性（同一性）も維持され、焦点検出精度が低下することはない。

以上説明したように、図２において、画面中心１００に対して水平方向に分離した区域１１０と区域１３０では、焦点検出画素３３０を垂直方向に配列した焦点検出領域の方が焦点検出画素３２０を水平方向に配列した焦点検出領域に比較して焦点検出性能を維持し易い。逆に、図２において、画面中心１００に対して垂直方向に分離した区域１５０と区域１７０では、焦点検出画素３２０を水平方向に配列した焦点検出領域の方が焦点検出画素３３０を垂直方向に配列した焦点検出領域に比較して焦点検出性能を維持し易い。

次に、図２に示す撮像素子２１２の構成、特に焦点検出領域の配置についての特徴を説明する。まず、区域１１０、１３０、１５０，１７０の各区域に、焦点検出画素３２０を水平方向に配列した焦点検出領域と、焦点検出画素３３０を垂直方向に配列した焦点検出領域とをそれぞれ複数配置することによって、焦点検出対象を画面上において可能な限り多くの位置で捕捉できるとともに、像コントラストの方向による焦点検出性能の低下を防止できる。

また、焦点検出対象が存在する可能性の高い画面中心領域１０７では、焦点検出画素３２０と焦点検出画素３３０、あるいは焦点検出画素３２０を水平方向に配列した焦点検出領域と、焦点検出画素３３０を垂直方向に配列した焦点検出領域とを、中間領域１０８および周辺領域１０９に比べ単位面積あたりの密度を高くして配置することによって、焦点検出画素数を制限しながら焦点検出性能を効率的に達成できるように焦点検出画素３２０と焦点検出画素３３０を配分することができる。

さらに、画面中心に対して水平方向に分離した区域１１０と区域１３０では、焦点検出画素３３０の数を焦点検出画素３２０の数より多くするとともに、画面中心に対して垂直方向に分離した区域１５０と区域１７０では、焦点検出画素３２０の数を焦点検出画素３３０の数より多くすることによって、ケラレに対する焦点検出性能維持を図り、焦点検出画素数を制限しながら焦点検出性能を効率的に達成できるように焦点検出画素３２０と焦点検出画素３３０を配分することができる。

画面中心に対して水平方向に分離した区域１１０と区域１３０では、焦点検出画素３３０を垂直方向に配列した焦点検出領域の数が、焦点検出画素３２０を水平方向に配列した焦点検出領域の数より多くなるようにするともに、画面中心に対して垂直方向に分離した区域１５０と区域１７０では、焦点検出画素３２０を水平方向に配列した焦点検出領域の数が、焦点検出画素３３０を垂直方向に配列した焦点検出領域の数より多くなるようにすることによって、ケラレに対する焦点検出性能維持を図り、焦点検出画素数を制限しながら焦点検出性能を効率的に達成できるように焦点検出画素３２０と焦点検出画素３３０を配分することができる。

一方、画面中心近傍においては焦点検出性能に与えるケラレの影響は少なく、画面中心から離れるにつれてその影響が増大するので、画面中心に対して水平方向の左右にある区域１１０、１３０内においては、画面中心からの距離が大きくなるにつれて、焦点検出画素３２０および焦点検出画素３２０を水平方向に配列した焦点検出領域の数を少なくするとともに、単位面積当たりの密度を低くしている。また、焦点検出画素３３０および焦点検出画素３３０を垂直方向に配列した焦点検出領域の数および密度との相対比も画面中心から離れるにつれて小さくなるようにしている。

画面中心に対して垂直方向の上下にある区域１５０、１７０内においては、画面中心からの距離が大きくなるにつれて、焦点検出画素３３０および焦点検出画素３３０を垂直方向に配列した焦点検出領域の数を少なくするとともに、単位面積当たりの密度を低くしている。また、焦点検出画素３２０および焦点検出画素３２０を水平方向に配列した焦点検出領域の数および密度との相対比も画面中心から離れるにつれて小さくなるようにしている。これにより、ケラレに対する焦点検出性能維持を図り、焦点検出画素数を制限しながら焦点検出性能を効率的に達成できるように焦点検出画素３２０と焦点検出画素３３０を配分することができる。

画面中心に対して水平方向の左右にある区域１１０、１３０内においては、周辺領域に焦点検出性能がケラレの影響を受けにくい焦点検出画素３３０を垂直方向に配列した焦点検出領域のみを配置している。一方、画面中心に対して垂直方向の上下にある区域１５０、１７０内においては、周辺領域に焦点検出性能がケラレの影響を受けにくい焦点検出画素３２０を水平方向に配列した焦点検出領域のみを配置している。結果的に、複数の焦点検出領域を包括する範囲の水平方向の外周領域においては、焦点検出画素３３０を垂直方向に配列した焦点検出領域のみが配置され、一方、垂直方向の外周領域においては、焦点検出画素３２０を水平方向に配列した焦点検出領域のみが配置される。これにより、ケラレに対する焦点検出性能維持を図り、焦点検出画素数を制限しながら焦点検出性能を効率的に達成できるように焦点検出画素３２０と焦点検出画素３３０を配分することができる。

図１８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を示す。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撮像動作を開始する。ステップ１１０で、測光装置（不図示）により測光した被写界輝度に応じて自動的に決定された撮影絞り値、あるいは操作部材（不図示）によって撮影者が手動で設定した撮影絞り値に応じた絞り制御情報をレンズ駆動制御装置２０６へ送り、絞り開口径を撮影絞り値に設定し、この絞り開口径にて撮像画素のデータを間引き読み出しし、電子ビューファインダーに表示させる。

ステップ１２０において、絞り開口径が撮影絞り値に設定された状態で焦点検出画素列からデータを読み出す。続くステップ１３０では、焦点検出画素列に対応した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、像ズレ量を演算し、さらにデフォーカス量を算出する。なお、焦点検出に用いる焦点検出領域は撮影者により選択される。ステップ１４０で合焦近傍か否か、つまり算出されたデフォーカス量の絶対値が所定値以内であるか否かを判別する。合焦近傍でないと判別された場合はステップ１５０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、交換レンズのフォーカシングレンズを合焦位置に駆動させ、ステップ１１０へ戻って上記動作を繰り返す。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、交換レンズのフォーカシングレンズを無限から至近間でスキャン駆動させ、ステップ１１０へ戻って上記動作を繰り返す。

一方、ステップ１４０で合焦近傍であると判別された場合はステップ１６０へ進み、レリーズボタン（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別し、なされていない場合はステップ１１０へ戻って上記動作を繰り返す。シャッターレリーズがなされた場合はステップ１７０へ進み、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、撮像素子に撮像動作を行わせ、撮像素子の撮像画素および全ての焦点検出画素から画像データを読み出す。ステップ１８０で、焦点検出画素列の各画素位置の画素データを周囲の撮像画素のデータに基づいて補間し、続くステップ１９０で、撮像画素のデータおよび補間されたデータからなる画像データをメモリーカードに保存し、ステップ１１０へ戻って上記動作を繰り返す。

ここで、図１８のステップ１３０の像ズレ検出演算処理（相関演算処理）について説明する。焦点検出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、下記（１）式に示すような高周波カットフィルタ処理を施し、第１データ列、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。α１〜αＭは、図１３において、測距瞳９２を通る焦点検出光束により形成される像の画像データに相当し、β１〜βＭは、測距瞳９３を通る焦点検出光束により形成される像の画像データに相当する。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には、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 ただし、ｎ＝１〜Ｎ ・・・（１）

（１）式により求められたデータ列Ａｎ、Ｂｎに対し、（２）式に示す相関演算を行い、相関量Ｃ(ｋ)を演算する
Ｃ(ｋ)＝Σ｜Ａn−Ｂn+k｜ ・・・（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、Ｂn+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（画素ピッチ）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１９(ａ)に示すように、一対のデータの相関が高いシフト量（図１９(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）式〜（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１９(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１９(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(ｘ)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）式で求めることができる。
ＤＥＦ＝ＫＸ・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、ＫＸは一対の測距瞳を通過する光束の重心の開き角の大きさ（測距瞳重心間隔と測距瞳距離によって決まる）によって決まる変換係数である。

なお、以上の説明では複数の焦点検出領域の中から所定の焦点検出領域が予め選択されているとしたが、複数の焦点検出領域で同時に焦点検出を行い、算出された複数の焦点検出結果に基づき、所定のアルゴリズム（例えば平均処理）により最終的な焦点検出結果を求めるようにしてもよい。

《発明の一実施の形態の変形例》
図２０および図２１は、変形例の撮像素子２１２Ａにおける焦点検出画素配列の拡大図である。上述した図４、図５に示す一実施の形態の撮像素子２１２では、１つの焦点検出画素が一対の測距瞳に対応する一対の光電変換部を備えている例を示したが、この変形例の撮像素子２１２Ａでは、１つの焦点検出画素が一対の測距瞳の片方に対応する一つの光電変換部を備えるとともに、隣接する焦点検出画素が一対の測距瞳のもう一方に対応する一つの光電変換部を備え、対となった焦点検出画素を配列することによって焦点検出領域を形成する。図２０および図２１は、このようにして形成された焦点検出画素が配列された領域を拡大した図である。

図２０は、図２において焦点検出画素が行方向に配列された領域（黒く塗りつぶした長方形で示す領域）に対応しており、図２１は図２において焦点検出画素が列方向に配列された領域（白抜きの長方形で示す領域）に対応している。図２０において、焦点検出画素３２１、３２２のペアは行方向に連続的に配列され、焦点検出領域を形成する。焦点検出画素３２１、３２２の配列の周囲は撮像画素により取り囲まれている。一方、図２１において、焦点検出画素３３１、３３２のペアは列方向に連続的に配列され、焦点検出領域を形成する。焦点検出画素３３１、３３２の配列の周囲は撮像画素により取り囲まれている。以上のように焦点検出画素が１つの光電変換部を備えるように構成することによって、単位画素の回路構成が撮像画素の回路構成と同一にできるので、撮像素子全体の回路をシンプルに構成することができる。

次に、図２に示す撮像素子において、焦点検出画素３２０、３３０の一部を図８に示す焦点検出画素３４０、３５０に置換することができる。図８に示す焦点検出画素３４０、３５０の構成は図７に示す焦点検出画素の構成と同様であり、一対の光電変換部１４、１５のサイズが光電変換部１２、１３よりも小さくなっているだけである。焦点検出画素３５０は焦点検出画素３４０を９０度回転した構成となっている。

図２２は、図８に示す焦点検出画素の射出瞳面における測距瞳の正面図であり、焦点検出画素３４０が図２の画面中心に対して水平方向に離間した位置にある場合の測距瞳のケラレの様子を示す。図において、焦点検出画素３４０から一対の光電変換部をマイクロレンズにより射出瞳面９０に投影した測距瞳７２２，７３３の外接円は、結像面から見た場合に所定の開口Ｆ値（測距瞳Ｆ値、ここではＦ５．６）となる。破線で示す領域９０１は、絞り値Ｆ２．８よりも大きな絞り値（例えばＦ２）に対応した領域を示し、測距瞳７２２，７３３を内部に含んでいる。測距瞳７２２，７３３の並び方向（図では左右方向)における測距瞳７２２、７３３を通過する光束(焦点検出光束)の重心７５２，７５３の間隔は、Ｇ３となる。

図１４に示すような焦点検出光束のケラレが発生した場合には、開口制限による開口が測距瞳に対して水平方向にずれて重ね合わされる（領域９０３は開口制限の一部を示している）。このような状態においても測距瞳７２２、７３３のサイズが小さいので、領域９０３によりけられにくくなり、図２に示す中間領域１０８においても焦点検出性能を維持することが容易になる。したがって、図２において、焦点検出領域１２２、１４２を焦点検出画素３４０の配列により構成し、焦点検出領域１６２、１８２を焦点検出画素３５０の配列により構成することによって、中間領域においても焦点検出性能を維持することが可能になる。

図２３は変形例の撮像素子２１２Ｂの平面図である。図２に示す撮像素子２１２では、焦点検出画素が水平方向に配列された焦点検出領域と、焦点検出画素が垂直方向に配列された焦点検出領域とは位置的に分離して配置されていた。図２３に示す変形例の撮像素子２１２Ｂでは、焦点検出画素が水平方向に配列された焦点検出領域と、焦点検出画素が垂直方向に配列された焦点検出領域とを同一位置に交差させて配置している。ここでは、図２に示す構成と同様な構成についての説明を省略し、相違点のみを説明する。

画面中心１００に対して水平方向の右にある区域１１０内において、画面中心近傍領域１０７には、焦点検出画素が垂直方向に配列された焦点検出領域１２５と、焦点検出画素が水平方向に配列された焦点検出領域１２３とが交差されて配置される。また、中間領域１０８には、焦点検出画素が垂直方向に配列された焦点検出領域１２６と、焦点検出画素が水平方向に配列された焦点検出領域１２４が交差されて配置される。一方、画面中心１００に対して水平方向の左にある区域１３０内において、画面中心近傍領域１０７には、焦点検出画素が垂直方向に配列された焦点検出領域１４５と、焦点検出画素が水平方向に配列された焦点検出領域１４３とが交差されて配置され、中間領域１０８には、焦点検出画素が垂直方向に配列された焦点検出領域１４６と、焦点検出画素が水平方向に配列された焦点検出領域１４４とが交差されて配置される。

画面中心１００に対して垂直方向の上にある区域１５０内において、画面中心近傍領域１０７には、焦点検出画素が垂直方向に配列された焦点検出領域１６３と、焦点検出画素が水平方向に配列された焦点検出領域１６５とが交差されて配置され、中間領域１０８には、焦点検出画素が垂直方向に配列された焦点検出領域１６４と、焦点検出画素が水平方向に配列された焦点検出領域１６６とが交差されて配置される。画面中心１００に対して垂直方向の下にある区域１７０内において、画面中心近傍領域１０７には、焦点検出画素が垂直方向に配列された焦点検出領域１８３と、焦点検出画素が水平方向に配列された焦点検出領域１８５とが交差されて配置され、中間領域１０８には、焦点検出画素が垂直方向に配列された焦点検出領域１８４と、焦点検出画素が水平方向に配列された焦点検出領域１８６とが交差されて配置される。

図２４は、図２３に示す焦点検出領域１２３と焦点検出領域１２５とが交差した領域を拡大した図である。焦点検出領域１２３は焦点検出画素３４０の配列により形成され、焦点検出領域１２５は焦点検出画素３３０の配列により形成される。なお、交差位置には焦点検出画素３３０が配置される。焦点検出画素３２０の配列および焦点検出画素３３０の配列の周囲は、撮像画素により取り囲まれている。なお、焦点検出領域１２４と焦点検出領域１２６とが交差した領域、焦点検出領域１４３と焦点検出領域１４５とが交差した領域、焦点検出領域１４４と焦点検出領域１４６とが交差した領域も、同様な構成となる。

また、焦点検出領域１６３と焦点検出領域１６５とが交差した領域、焦点検出領域１６４と焦点検出領域１６６とが交差した領域、焦点検出領域１８３と焦点検出領域１８５とが交差した領域、焦点検出領域１８４と焦点検出領域１８６とが交差した領域も、同様な構成となるが、交差位置には焦点検出画素３２０が配置される。

以上のような構成により、画面上の同一位置で水平方向および垂直方向で焦点検出が可能になるので、焦点検出画素数を制限しながら焦点検出性能を効率的に達成できるように焦点検出画素３２０と焦点検出画素３３０を配分することができる。

次に、図２３に示す撮像素子２１２Ｂの構成、特に焦点検出領域の配置の特徴について説明する。区域１１０、１３０の各区域には、焦点検出画素３２０を水平方向に配列した焦点検出領域と、焦点検出画素３３０を垂直方向に配列した焦点検出領域とを交差させた焦点検出領域、および焦点検出画素３３０を垂直方向に配列した単独の焦点検出領域をそれぞれ複数配置する。また、区域１５０、１７０の各区域には、焦点検出画素３２０を水平方向に配列した焦点検出領域と、焦点検出画素３３０を垂直方向に配列した焦点検出領域とを交差させた焦点検出領域、および焦点検出画素３２０を水平方向に配列した単独の焦点検出領域をそれぞれ複数配置する。これにより、焦点検出対象を画面上において可能な限り多くの位置で捕捉できるようにするとともに、交差する焦点検出領域の存在により画面上の同一の位置において水平方向と垂直方向の像コントラストが同時に検出可能になり、焦点検出性能が向上する。

また、焦点検出対象が存在する可能性の高い画面中心領域１０７においては、焦点検出画素３２０を水平方向に配列した焦点検出領域と、焦点検出画素３３０を垂直方向に配列した焦点検出領域とを交差させた焦点検出領域のみを配置することによって、焦点検出性能の向上を図っている。

さらに、ケラレの影響が出てくる中間領域１０８においては、焦点検出画素３２０を水平方向に配列した焦点検出領域と、焦点検出画素３３０を垂直方向に配列した焦点検出領域とを交差させた焦点検出領域、およびケラレの影響を受けにくい単独の焦点検出領域（区域１１０、１３０では焦点検出画素３３０を垂直方向に配列した焦点検出領域、区域１５０、１７０では焦点検出画素３２０を水平方向に配列した焦点検出領域）を配置することによって、焦点検出性能の維持を図っている。

ケラレの影響が大きくなる周辺領域１０９においては、ケラレの影響を受けにくい単独の焦点検出領域（区域１１０、１３０では焦点検出画素３３０を垂直方向に配列した焦点検出領域、区域１５０、１７０では焦点検出画素３２０を水平方向に配列した焦点検出領域）のみを配置することによって、焦点検出性能の維持を図っている。

画面中心に対して水平方向に分離した区域１１０と１３０においては、焦点検出画素３３０の数を焦点検出画素３２０の数より多くするとともに、画面中心に対して垂直方向に分離した区域１５０と１７０においては、焦点検出画素３２０の数を焦点検出画素３３０の数より多くすることによって、ケラレに対する焦点検出性能維持を図り、焦点検出画素数を制限しながら焦点検出性能を効率的に達成できるように焦点検出画素３２０と焦点検出画素３３０を配分している。

画面中心に対して水平方向に分離した区域１１０と１３０においては、焦点検出画素３３０を垂直方向に配列した焦点検出領域の数を、焦点検出画素３２０を水平方向に配列した焦点検出領域の数より多くするともに、画面中心に対して垂直方向に分離した区域１５０と１７０においては、焦点検出画素３２０を水平方向に配列した焦点検出領域の数を、焦点検出画素３３０を垂直方向に配列した焦点検出領域の数より多くすることによって、ケラレに対する焦点検出性能維持を図り、焦点検出画素数を制限しながら焦点検出性能を効率的に達成できるように焦点検出画素３２０と焦点検出画素３３０を配分している。

画面中心近傍においては焦点検出性能に与えるケラレの影響が少なく、画面中心から離れるにつれてその影響が増大するので、画面中心に対して水平方向の左右にある区域１１０と１３０の範囲内においては、ケラレの影響を受けやすい焦点検出画素３２０を水平方向に配列した焦点検出領域を、ケラレの影響を受けにくい焦点検出画素３３０を垂直方向に配列した焦点検出領域とペア（交差して）で使用するとともに、画面中心に対して垂直方向の上下にある区域１５０と１７０の範囲内においては、ケラレの影響を受けやすい焦点検出画素３３０を垂直方向に配列した焦点検出領域を、ケラレの影響を受けにくい焦点検出画素３３０を水平方向に配列した焦点検出領域とペア（交差して）で使用することによって、焦点検出画素数を制限しながら焦点検出性能の維持を図っている。

図２５は、図２４に示す焦点検出画素３２０の配列を、ケラレの影響を受けにくい図８に示す焦点検出画素３４０の配列に置換した例を示す。また、図２６は、図２４に示す焦点検出画素３２０の配列および焦点検出画素３３０の配列を、１画素あたりの光電変換部の数が１つの焦点検出画素３２１と３２２のペアの配列および焦点検出画素３３１と３３２のペアの配列に置換した例を示す。

図２と図２３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を備えた例を示したが、色フィルタ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（緑：Ｇ、イエロー：Ｙｅ、マゼンタ：Ｍｇ，シアン：Ｃｙ）を採用してもよい。

図２と図２３に示す撮像素子では、焦点検出画素に色フィルタを設けない例を示したが、撮像画素と同色の色フィルタの内のひとつのフィルタ（例えば緑フィルタ）を備えるようにした場合でも、本発明を適用することができる。このようにすれば、画像データの補間において焦点検出画素の画像データも利用することができるので、画像品質が向上する。

図２と図２３に示す撮像素子では、焦点検出画素を連続して配列した例を示したが、画像品質の劣化を防止するために、焦点検出画素の間に撮像画素を挟んで配列するようにしてもよい。なお、撮像素子における焦点検出画素の配列は図２および図２３に示す配列に限定されず、本発明の意図を反映した形でこれ以外の配列にも応用することができる。

図２と図２３に示す撮像素子において、水平線１０１と垂直線１０２に対して４５度傾斜した画面中心を通る直線１０２と直線１０３によって画面を上下左右の４つの領域に区分し、それぞれの領域において画像品質と焦点検出性能のバランスがとれるように焦点検出画素を配列した例を示したが、これは撮像画素および焦点検出画素を正方配列としたためである。撮像画素および焦点検出画素を正方配列以外の配列とすることもできる。

撮像画素および焦点検出画素を正方配列以外の例えば六方稠密配列（ハニカム配列）とした場合にも、本発明を適用することができる。図２７は撮像画素と焦点検出画素を平面上に六方稠密配列した撮像素子４００の平面図、図２８は撮像素子４００の撮像画素３１０〜３１２（図６参照）の配列部分の拡大図、図２９は撮像素子４００の焦点検出画素３２０（図７参照）の配列部分の拡大図、図３０は撮像素子４００の焦点検出画素４１０（図７参照）の配列部分の拡大図、図３１は撮像素子４００の焦点検出画素４２０（図７参照）の配列部分の拡大図である。

この撮像素子４００では、図２８に示すように撮像画素３１０〜３１２を六方稠密配列（ハニカム配列）し、その配列中の一部の撮像画素３１０〜３１２の代わりに焦点検出画素３２０、４１０、４２０を配列したものである。図２９では、複数の焦点検出画素３２０を水平方向（図の左右方向）に配列し、水平方向の焦点検出領域を形成する。図３０では、複数の焦点検出画素４１０を右上がり斜め方向に配列し、右上がり斜め方向の焦点検出領域を形成する。なお、焦点検出画素４１０は、焦点検出画素３２０を反時計方向に６０度回転したものである。図３１では、複数の焦点検出画素４２０を左上がり斜め方向に配列し、左上がり斜め方向の焦点検出領域を形成する。なお、焦点検出画素４２０は、焦点検出画素３２０を時計方向に６０度回転したものである。

画素を六方稠密配列とした場合には、図２７に示すように、画素が稠密に配列される方向が３方向（相対角度が６０度）となるので、３方向を挟んで画面中心を通る３つの直線（相対的な角度が６０度）４３１、４３２、４３３により画面を６つの領域４４１〜４４６に区分でき、それぞれの領域において焦点検出性能の維持と画像品質のバランスをとって３つの方向に対して焦点検出画素３２０、４１０、４２０を配列することが可能である。

なお、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画素を有する撮像素子に限定されず、他の方式の瞳分割型位相差検出方式の焦点検出画素を有する撮像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にも適用可能である。

また、撮像装置は交換レンズとカメラボディから構成される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。レンズ一体型のデジタルスチルカメラやフィルムスチルカメラやビデオカメラにも適用できる。さらに、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等にも適用できる。あるいは、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。

一実施の形態の構成を示す図 撮像素子の平面図 図２に示す撮像素子の撮像画素配列の拡大図 図２に示す撮像素子の焦点検出画素が行方向に配列された領域の拡大図 図２に示す撮像素子の焦点検出画素が列方向に配列された領域の拡大図 撮像画素の構成を示す図 焦点検出画素の構成を示す図 変形例の焦点検出画素の構成を示す図 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 撮像画素の横断面図 焦点検出画素の横断面図 マイクロレンズを用いた瞳分割方式による焦点検出の説明図 画面中心から離れた焦点検出領域における測距瞳のケラレの説明図 撮像画素と射出瞳の関係を説明する図 射出瞳面における測距瞳の正面図 射出瞳面における測距瞳の正面図 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 相関演算の説明図 変形例の撮像素子における焦点検出画素配列の拡大図 変形例の撮像素子における焦点検出画素配列の拡大図 焦点検出画素の射出瞳面における測距瞳の正面図 変形例の撮像素子の平面図 図２３に示す焦点検出領域１２３と焦点検出領域１２５とが交差した領域を拡大した図 図２４に示す焦点検出画素の配列をケラレの影響を受けにくい焦点検出画素の配列に置換した例を示す図 図２４に示す焦点検出画素３２０の配列および焦点検出画素３３０の配列を、１画素あたりの光電変換部の数が１つの焦点検出画素３２１と３２２のペアの配列および焦点検出画素３３１と３３２のペアの配列に置換した例を示す図 撮像画素および焦点検出画素を六方稠密配列にした撮像素子の平面図 図２７に示す撮像素子の撮像画素配列部分の拡大図 図２７に示す撮像素子の焦点検出画素配列部分の拡大図 図２７に示す撮像素子の他の焦点検出画素配列部分の拡大図 図２７に示す撮像素子の他の焦点検出画素配列部分の拡大図

符号の説明

１０ マイクロレンズ
１１、１２、１３、１４、１５ 光電変換部
２０１ 交換レンズ
２１４ ボディ駆動制御装置
３１０ 撮像画素
３２０、３３０、３４０、３５０、４１０、４２０ 焦点検出画素

Claims (16)

1. 撮像面に二次元状に配置され、光学系による像を受光する複数の撮像用画素と、
   前記複数の撮像用画素の一部を置換して配置され、前記光学系の瞳の第1の一対の領域を通過した一対の光束を受光し第1の方向に配列された複数の第1焦点検出用画素列を構成する複数の第1の焦点検出用画素と、
   前記複数の撮像用画素の一部を置換して配置され、前記光学系の瞳の第２の一対の領域を通過した一対の光束を受光し前記第１の方向に垂直な第２の方向に配列された複数の第２焦点検出用画素列を構成する複数の第２の焦点検出用画素と、を備え、
   前記光学系の光軸が前記撮像面に交わる交点を通り、前記第１及び第２の方向とは異なる方向に延びる複数の境界線によって前記撮像面を少なくとも第１、第２、第３及び第４の区域に分割した場合に、前記交点を挟んで前記第１の方向に延びる第１及び第２の区域には、前記第２の焦点検出用画素が前記第１の焦点検出用画素よりも多数存在し、前記交点を挟んで前記第２の方向に延びる第３及び第４の区域には、前記第１の焦点検出用画素が前記第２の焦点検出用画素よりも多数存在し、
   前記第１、第２、第３及び第４の区域の各々には、前記第１の焦点検出用画素と前記第２の焦点検出用画素とが存在することを特徴とする撮像素子。
2. 請求項１に記載の撮像素子において、
   前記第１及び第２の区域には、前記第２焦点検出用画素列の数が前記第１焦点検出用画素列の数よりも多く、前記第３及び第４の区域には、前記第１焦点検出用画素列の数が前記第２焦点検出用画素列の数よりも多い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、
   前記境界線は２本であり、
   前記２本の境界線は、それぞれ前記第１および第２方向に対して４５度傾斜していることを特徴とする撮像素子。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の撮像素子において、
   前記第１及び第２の区域では、前記第２焦点検出用画素の数に対する前記第１焦点検出用画素の数の割合を前記交点から離れるにしたがって小さくするとともに、前記第３及び４の区域では、前記第１焦点検出用画素の数に対する前記第２焦点検出用画素の数の割合を前記交点から離れるにしたがって小さくすることを特徴とする撮像素子。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の撮像素子において、
   前記第１乃至第４の区域において、前記交点の近傍領域では、前記第１焦点検出用画素列と前記第２焦点検出用画素列とが交差していることを特徴とする撮像素子。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の撮像素子において、
   前記第１及び第２の区域は、前記交点から最も離れた領域には前記第２焦点検出用画素列のみが配置されるとともに、前記第３及び第４の区域は、前記交点から最も離れた領域には前記第１焦点検出用画素列のみが配置されることを特徴とする撮像素子。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の撮像素子において、
   前記第１方向と前記第２方向は、前記撮像用画素が稠密となる方向であることを特徴とする撮像素子。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の撮像素子と、
   前記第１及び第２の区域に配置された前記第１の焦点検出画素の光電変換部の大きさは、前記第１及び第２の区域に配置された前記第２の焦点検出画素の光電変換部の大きさよりも小さいことを特徴とする撮像素子。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の撮像素子と、
   前記第１の焦点検出用画素と前記第２の焦点検出用画素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１〜８のいずれか１項に記載の撮像素子と、
    前記第１の焦点検出用画素と前記第２の焦点検出用画素の位置における画像出力を、周囲の前記撮像用画素の出力に基づいて補間する補間手段と、
    前記補間手段により補間された前記第１の焦点検出用画素と前記第２の焦点検出用画素の位置における画像出力と、前記撮像用画素の出力とに基づいて画像信号を生成する制御手段とを備えることを特徴とする撮像装置。
11. 撮像面に二次元状に配置され、光学系による像を受光する複数の撮像用画素と、
    前記複数の撮像用画素の一部を置換して配置され、前記光学系の瞳の第1の一対の領域を通過した一対の光束を受光し第1の方向に配列された複数の第1焦点検出用画素列を構成する複数の第1の焦点検出用画素と、
    前記複数の撮像用画素の一部を置換して配置され、前記光学系の瞳の第２の一対の領域を通過した一対の光束を受光し前記第１の方向に対して＋６０°傾斜した第２の方向に配列された複数の第２焦点検出用画素列を構成する複数の第２の焦点検出用画素と、
    前記複数の撮像用画素の一部を置換して配置され、前記光学系の瞳の第３の一対の領域を通過した一対の光束を受光し前記第１の方向に対して−６０°傾斜した第３の方向に配列された複数の第３焦点検出用画素列を構成する複数の第３の焦点検出用画素と、を備え、
    前記光学系の光軸が前記撮像面に交わる交点を通り、前記第１、第２、及び第３の方向にそれぞれ延びる第１、第２、及び第３の境界線によって前記撮像面を、前記第１の境界線と前記第２の境界線とによって挟まれる第１及び第２の区域と、前記第２の境界線と前記第３の境界線とによって挟まれる第３及び第４の区域と、前記第３の境界線と前記第１の境界線とによって挟まれる第５及び第６の区域とに分割した場合に、前記第１及び第２の区域には、前記第３の焦点検出用画素が前記第１及び第２の焦点検出用画素よりも多数存在し、前記第３及び第４の区域には、前記第１の焦点検出用画素が前記第２及び第３の焦点検出用画素よりも多数存在し、前記第５及び第６の区域には、前記第２の焦点検出用画素が前記第１及び第３の焦点検出用画素よりも多数存在し、
    前記第１、第２、第３、第４、第５及び第6の区域の各々には、前記第１の焦点検出用画素と前記第２の焦点検出用画素と前記第３の焦点検出画素とが存在することを特徴とする撮像素子。
12. 請求項１１に記載の撮像素子において、
    前記第１及び第２の区域には、前記第３焦点検出用画素列の数が前記第１及び第２焦点検出用画素列の数よりも多く、前記第３及び第４の区域には、前記第１焦点検出用画素列の数が前記第２及び第３焦点検出用画素列の数よりも多く、前記第５及び第６の区域には、前記第２焦点検出用画素列の数が前記第１及び第３焦点検出用画素列の数よりも多いことを特徴とする撮像素子。
13. 請求項１１または１２に記載の撮像素子において、
    前記第１及び第２の区域では、前記第１及び第２の焦点検出用画素の数に対する前記第３の焦点検出用画素の数の割合を前記交点から離れるにしたがって大きく、前記第３及び第４の区域では、前記第２及び第３の焦点検出用画素の数に対する前記第１焦点検出用画素の数の割合を前記交点から離れるにしたがって大きく、前記第５及び第６の区域では、前記第１及び第３の焦点検出用画素の数に対する前記第２焦点検出用画素の数の割合を前記交点から離れるにしたがって大きくすることを特徴とする撮像素子。
14. 請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の撮像素子において、
    前記第１及び第２の区域は、前記交点から最も離れた領域には前記第３焦点検出用画素列のみが配置され、前記第３及び第４の区域は、前記交点から最も離れた領域には前記第１焦点検出用画素列のみが配置され、前記第５及び第６の区域は、前記交点から最も離れた領域には前記第２焦点検出用画素列のみが配置されることを特徴とする撮像素子。
15. 請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の撮像素子において、
    前記第１、第２及び第３の方向は、それぞれ前記撮像用画素が稠密となる方向であることを特徴とする撮像素子。
16. 第１方向及び前記第１の方向と垂直な第２方向に撮像用画素が二次元正方格子状に稠密に配列された撮像用画素配列中に第１焦点検出用画素と第２焦点検出用画素を配列し、光学系によって結像された像を電気信号に変換する撮像素子であって、
    前記第１焦点検出用画素は、前記光学系の射出瞳上の前記第１方向に並ぶ一対の領域を通過した光束を受光する光電変換部を有するとともに、複数の前記第１焦点検出用画素を前記第１方向に配列して第１の焦点検出領域を形成し、
    前記第２焦点検出用画素は、前記光学系の射出瞳上の前記第２方向に並ぶ一対の領域を通過した光束を受光する光電変換部を有するとともに、複数の前記第２焦点検出用画素を前記第２方向に配列して第２の焦点検出領域を形成した撮像素子と、
    前記第１焦点検出用画素と前記第２焦点検出用画素の出力に基づいて前記第１の焦点検出領域および前記第２の焦点検出領域前記光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出手段と、
    前記第１焦点検出用画素と前記第２焦点検出用画素の位置における画像出力を、周囲の前記撮像用画素の出力に基づいて補間する補間手段と、
    前記補間手段により補間された前記第１焦点検出用画素と前記第２焦点検出用画素の位置における画像出力と、前記撮像用画素の出力とに基づいて画像信号を生成する制御手段とを備えることを特徴とする撮像装置において、
    前記撮像素子を、前記光学系の光軸が通る位置を基準として前記第１および第２方向に対して４５度傾斜した方向に延びる境界線によって、前記第１方向に対応する方向に沿った第１区域と前記第２方向に対応する方向に沿った第２区域とに区分するとともに、前記撮像素子を、前記光学系の光軸が通る位置からの距離に応じて、前記光学系の光軸が通る位置を含む第３区域と、前記第３区域の周囲を取り囲む第４区域と、前記第４区域を取り囲む第５区域とに区分した場合に、前記第１区域には前記第２焦点検出用画素が前記第１焦点検出用画素よりも多数存在するように配置し、前記第２区域には前記第１焦点検出用画素が前記第２焦点検出用画素よりも多数存在するように配置し、前記第３区域においては前記第１焦点検出用画素および前記第２焦点検出用画素の配置密度を前記第４区域及び前記第５区域より高くし、前記第５区域と前記第１区域が重なった区域においては前記第２焦点検出用画素のみを配置し、前記第５区域と前記第２区域が重なった区域においては前記第１焦点検出用画素のみを配置することを特徴とする撮像装置。
    

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