(57)【要約】      （修正有）【課題】高画質の画像を得ながら撮影画面内の任意の位置での焦点検出を可能にする。【解決手段】撮影光学系１と、撮影光学系１を透過した光束を、所定の色成分の第１光束と所定の色成分以外の色成分の第２光束とに分割する光束分割手段２と、所定の色成分に感度を有し、第１光束を受光する第１撮像素子４と、所定の色成分以外の互いに異なる色成分にそれぞれ感度を有し、第２光束を受光する第２撮像素子５と、第１撮像素子４および第２撮像素子５から出力される信号から、画像信号と焦点検出信号とを分離する出力分離手段６と、画像信号に基づいて撮影光学系１により結像された被写体像の画像を生成する画像生成手段７と、焦点検出信号に基づいて撮影光学系１の焦点調節状態を検出する焦点検出手段１１とを備える。【選択図】図１
2010210903.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮影光学系と、
前記撮影光学系を透過した光束を、所定の色成分の第１光束と前記所定の色成分以外の色成分の第２光束とに分割する光束分割手段と、
前記所定の色成分に感度を有し、かつ、前記撮影光学系により結像される被写体像を撮像するための第１撮像用画素と、前記撮影光学系の焦点調節状態を検出するための第１および第２焦点検出用画素とが二次元状に正方配列された撮像素子であって、前記第１撮像用画素と前記第１焦点検出用画素とが交互に配列された行と、前記第１撮像用画素と前記第２焦点検出用画素とが交互に配列された行とが交互に配置されるとともに、隣り合う行に配置される前記第１撮像用画素どうしが１画素分ずれた位置関係となるように配置され、前記第１光束を受光する第１撮像素子と、
前記所定の色成分以外の互いに異なる色成分にそれぞれ感度を有し、かつ、前記撮影光学系により結像される被写体像を撮像するための第２および第３撮像用画素と、前記撮影光学系の焦点調節状態を検出するための前記第１および第２焦点検出用画素とが二次元状に正方配列された撮像素子であって、前記第２撮像用画素と前記第１焦点検出用画素とが交互に配列された行と、前記第３撮像用画素と前記第２焦点検出用画素とが交互に配列された行とが交互に配置されるとともに、隣り合う行に配置される前記第２撮像用画素と前記第３撮像用画素とが１画素分ずれた位置関係となるように配置され、前記第２光束を受光する第２撮像素子と、
前記第１撮像素子および前記第２撮像素子から出力される信号から、前記第１〜第３撮像用画素の画像信号と前記第１および第２焦点検出用画素の焦点検出信号とを分離する出力分離手段と、
前記画像信号に基づいて前記撮影光学系により結像された被写体像の画像を生成する画像生成手段と、
前記焦点検出信号に基づいて前記撮影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撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の撮像装置において、
前記第１〜第３撮像用画素は、緑色、赤色および青色の光に感度を有する３種類の画素であり、これらの画素は前記撮影光学系の分離した結像面上にそれぞれ配置された前記第１および第２撮像素子を仮想的に同一結像面上に重ねて配置した場合にベイヤー配列となるよう前記第１および第２撮像素子上に展開されており、
前記第１および第２焦点検出用画素は、前記撮影光学系の射出瞳上の一対の領域を通過した一対の光束による一対の像を受光することを特徴とする撮像装置。
【請求項３】
請求項２に記載の撮像装置において、
前記第１および第２焦点検出用画素は、前記撮影光学系の撮影画面の左右方向と上下方向とに配列されることを特徴とする撮像装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の撮像装置において、
前記光束分割手段は、前記撮影光学系を透過した光の内、緑色の光を透過して前記第１撮像素子へ導くとともに、緑色以外の色の光を反射して前記第２撮像素子へ導き、
前記第１撮像用画素は緑色の光に感度を有し、前記第２撮像用画素は赤色の光に感度を有し、前記第３撮像用画素は青色の光に感度を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項５】
請求項４に記載の撮像装置において、
前記焦点検出手段は、前記第１撮像素子上の前記第１焦点検出用画素の出力と、前記第２撮像素子上の前記第１焦点検出用画素の出力とを加算して第１出力を算出するとともに、前記第１撮像素子上の前記第２焦点検出用画素の出力と、前記第２撮像素子上の前記第２焦点検出用画素の出力とを加算して第２出力を算出し、前記第１出力と前記第２出力とに基づいて前記撮影光学系の焦点調節状態を検出することを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
撮像用画素の二次元配列中の一部に焦点検出用画素列を配置した２種類の撮像素子を用い、撮影光学系を透過した被写体からの光束を光分割プリズムにより上記２種類の撮像素子へそれぞれ導き、被写体像の撮像と撮影光学系の焦点検出を行う撮像装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この種の撮像装置では、焦点検出用画素位置の画像信号を、焦点検出用画素の周囲の撮像用画素から出力された画像信号に基づいて補間により求め、焦点検出用画素位置の画像信号の欠落をなくしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１７６１１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した従来の撮像装置では、焦点検出用画素列に高い空間周波数の被写体像が投影されると、上記補間処理における誤差に起因する画像の不連続性、すなわち画像ひずみが発生し、画質が劣化するという問題がある。撮影画面内の焦点検出位置を最小にすれば画質の劣化が問題になる位置も少なくなるが、そうすると撮影画面内の限られた位置でしか焦点検出できなくなるという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、撮影光学系と、撮影光学系を透過した光束を、所定の色成分の第１光束と所定の色成分以外の色成分の第２光束とに分割する光束分割手段と、所定の色成分に感度を有し、かつ、撮影光学系により結像される被写体像を撮像するための第１撮像用画素と、撮影光学系の焦点調節状態を検出するための第１および第２焦点検出用画素とが二次元状に正方配列された撮像素子であって、第１撮像用画素と第１焦点検出用画素とが交互に配列された行と、第１撮像用画素と第２焦点検出用画素とが交互に配列された行とが交互に配置されるとともに、隣り合う行に配置される第１撮像用画素どうしが１画素分ずれた位置関係となるように配置され、第１光束を受光する第１撮像素子と、所定の色成分以外の互いに異なる色成分にそれぞれ感度を有し、かつ、撮影光学系により結像される被写体像を撮像するための第２および第３撮像用画素と、撮影光学系の焦点調節状態を検出するための第１および第２焦点検出用画素とが二次元状に正方配列された撮像素子であって、第２撮像用画素と第１焦点検出用画素とが交互に配列された行と、第３撮像用画素と第２焦点検出用画素とが交互に配列された行とが交互に配置されるとともに、隣り合う行に配置される第２撮像用画素と第３撮像用画素とが１画素分ずれた位置関係となるように配置され、第２光束を受光する第２撮像素子と、第１撮像素子および第２撮像素子から出力される信号から、第１〜第３撮像用画素の画像信号と第１および第２焦点検出用画素の焦点検出信号とを分離する出力分離手段と、画像信号に基づいて撮影光学系により結像された被写体像の画像を生成する画像生成手段と、焦点検出信号に基づいて撮影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。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、高画質の画像を得ることができつつ、撮影画面内の任意の位置での焦点検出をも可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】一実施の形態の撮像装置の構成を示す図
【図２】第１および第２撮像素子の撮影光学系から見た正面図
【図３】第１撮像素子の撮像面中央領域の画素配置図
【図４】第２撮像素子の撮像面中央領域の画素配置図
【図５】第１撮像素子の撮像面と第２撮像素子の撮像面とを重ね合わせたときの、撮像面中央領域における撮像用画素のみを描いた図
【図６】第１撮像素子の撮像面と第２撮像素子の撮像面とを重ね合わせたときの、撮像面中央領域における焦点検出用画素のみを描いた図
【図７】第１撮像素子の緑色の撮像用画素および第２撮像素子の赤色と青色の撮像用画素の水平方向（行方向）の断面図
【図８】(ａ)は第１および第２撮像素子の第１焦点検出用画素の水平方向（行方向）の断面図、(ｂ)は第１および第２撮像素子の第２焦点検出用画素の水平方向（行方向）の断面図
【図９】撮像用画素の分光感度特性を示す図
【図１０】焦点検出用画素の分光感度特性を示す図
【図１１】焦点検出用画素による撮影光学系の焦点検出方法を説明するための図
【図１２】変形例の第１撮像素子の撮像面中央領域における画素配列を示す図
【図１３】変形例の第２撮像素子の撮像面中央領域における画素配列を示す図
【図１４】変形例の第１撮像素子の撮像面と変形例の第２撮像素子の撮像面とを重ね合わせたときの、撮像面中央領域における焦点検出用画素のみを描いた図
【図１５】一実施の形態の撮像装置の撮影動作を示すフローチャート
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の撮像素子および撮像装置をデジタルスチルカメラに適用した一実施の形態を説明する。なお、本発明はデジタルスチルカメラに限定されず、ビデオカメラなどにも適用することができる。
【０００９】
図１は一実施の形態の撮像装置（デジタルスチルカメラ）の構成を示す。撮影光学系１は図示しないフォーカシングレンズ、ズーミングレンズ、絞り、レンズメモリなどを備え、被写体像を２種類の撮像素子、すなわち第１撮像素子４と第２撮像素子５の各撮像面に結像する。波長選択性分割光学系２は、撮影光学系１から到来する光束の内、緑Ｇ成分の光を透過して第１撮像素子４へ導くとともに、緑以外の成分の光を反射して全反射ミラー３を介して第２撮像素子５へ導く。この波長選択性分割光学系２には、例えば波長選択性ミラー（ダイクロイックミラー）、波長選択性光分割プリズムなどを用いることができる。第１および第２撮像素子４，５はＣＣＤイメージセンサーやＣＭＯＳイメージセンサーなどから構成され、撮影光学系１によりそれぞれの撮像面に結像された被写体像を撮像して画像信号を出力するとともに、撮影光学系１の焦点調節状態を示す焦点検出信号を出力する。
【００１０】
図２は第１および第２撮像素子４，５を撮影光学系１側から見た正面図、図３は第１撮像素子４の撮像面４ａの中央領域４ｂにおける画素配列の部分拡大図、図４は第２撮像素子５の撮像面５ａの中央領域５ｂにおける画素配列の部分拡大図である。第１撮像素子４の撮像面４ａと第２撮像素子５の撮像面５ａは同一の大きさで、かつ第１撮像素子４と第２撮像素子５はともに撮像面４ａ、５ａに横Ｎ個、縦Ｍ個の画素（撮像用画素と焦点検出用画素）が千鳥状に稠密に正方配列されており、第１撮像素子４の撮像面４ａと第２撮像素子５の撮像面５ａが対応するのはもちろんのこと、第１撮像素子４と第２撮像素子５は画素どうしが完全に対応する位置関係となるように位置決めされて固定されている。したがって、図３に示す第１撮像素子４の中央領域４ｂは、図４に示す第２撮像素子５の中央領域５ｂに対応するとともに、同じ位置にある画素どうしが対応関係にある。例えば、図３の右上隅の画素４０１は図４の右上隅の画素５０１に対応し、図３の左下隅の画素４０２は図４の左下隅の画素５０２に対応する。なお、第１および第２撮像素子４，５の撮像面４ａ、５ａは撮影光学系１の撮影画面に対応する。
なお撮像素子４，５は、カラーフィルターに関する構成以外については両者が同じ構成の撮像素子を用いるようにしても構わない。この場合、位置決め固定時に１行シフトしてやれば欲しい対応関係が得られる。
【００１１】
図３において、第１撮像素子４には、撮影光学系１により結像された被写体像を撮像するための撮像用画素４ｇと、撮影光学系１の焦点調節状態を検出するための第１焦点検出用画素４s1および第２焦点検出用画素４s2とが稠密に正方配列されている。撮像用画素４ｇは、波長選択性分割光学系２を透過した緑Ｇ成分の被写体光を緑色のカラーフィルター(不図示)と遮光マスク開口３０を介して受光する。なお本構成においては、波長選択性分割光学系２によって緑Ｇ成分の光のみが選択（透過）されているので、必ずしも撮像用画素４ｇ上に緑色カラーフィルターを配置してなくても良い。
第１焦点検出用画素４s1は、撮影光学系１側から見て右側に半円形の遮光マスク開口３１を有し、詳細を後述するが撮影光学系１の射出瞳上の一対の領域を通過した一対の光束の内の一方の光束を開口３１を介して受光する。一方、第２焦点検出用画素４s2は、撮影光学系１側から見て左側に半円形の遮光マスク開口３２を有し、上記一対の光束の内の他方の光束を開口３２を介して受光する。第１焦点検出用画素４s1と第２焦点検出用画素４s2とによって、撮影光学系１の射出瞳上の一対の領域を通過した一対の光束を受光する。
【００１２】
第１撮像素子４の撮像面４ａには、図３に示すように、緑色のカラーフィルターにより緑Ｇ成分の光に感度を有する緑色Ｇの撮像用画素４ｇと、第１および第２焦点検出用画素４s1、４s2とが、撮像面４ａの左右方向（被写界の水平方向）と上下方向（被写界の垂直方向）において互いに隣接するように交互に配置される。さらに、撮像面４ａの左右方向において緑色Ｇの撮像用画素４ｇと第１焦点検出用画素４s1とが交互に配列された行と、緑色Ｇの撮像用画素４ｇと第２焦点検出用画素４s2とが交互に配列された行とが、撮像面４ａの上下方向に交互に配列される。
【００１３】
一方、図４において、第２撮像素子５には、撮影光学系１により結像された被写体像を撮像するための２種類の撮像用画素５ｒ、５ｂと、撮影光学系１の焦点調節状態を検出するための第１焦点検出用画素５s1および第２焦点検出用画素５s2とが稠密に正方配列されている。撮像用画素５ｒ、５ｂは、波長選択性分割光学系２を反射した緑Ｇ成分以外の被写体光を赤色Ｒと青色Ｂのカラーフィルターと遮光マスク開口３０を介して受光する。なお、第２撮像素子５の撮像用画素５ｒ、５ｂは、第１撮像素子４の撮像用画素４ｇとカラーフィルターの色以外は同じ寸法と構造を有している。
【００１４】
第１焦点検出用画素５s1は、撮影光学系１側から見て右側に半円形の遮光マスク開口３１を有し、詳細を後述するが撮影光学系１の射出瞳上の一対の領域を通過した一対の光束の内の一方の光束を開口３１を介して受光する。一方、第２焦点検出用画素５s2は、撮影光学系１側から見て左側に半円形の遮光マスク開口３２を有し、上記一対の光束の内の他方の光束を開口３２を介して受光する。第１焦点検出用画素５s1と第２焦点検出用画素５s2とによって、撮影光学系１の射出瞳上の一対の領域を通過した一対の光束を受光する。なお、第１撮像素子４の第１焦点検出用画素４s1と、第２撮像素子５の第１焦点検出用画素５s1とは同一の寸法と構造を有する画素であり、同様に、第１撮像素子４の第２焦点検出用画素４s2と、第２撮像素子５の第２焦点検出用画素５s2とは同一の寸法と構造を有する画素である。
【００１５】
第２撮像素子５の撮像面５ａには、図４に示すように、赤色又は青色のカラーフィルターにより、赤Ｒ成分の光又は青Ｂ成分の光にそれぞれ感度を有する赤色Ｒおよび青色Ｂの撮像用画素５ｒ、５ｂと、第１および第２焦点検出用画素５s1、５s2とが、撮像面５ａの左右方向（被写界の水平方向）と上下方向（被写界の垂直方向）において互いに隣接するように交互に配置される。さらに、撮像面５ａの左右方向において赤色Ｒの撮像用画素５ｒと第１焦点検出用画素５s1とが交互に配列された行と、青色Ｂの撮像用画素５ｂと第２焦点検出用画素５s2とが交互に配列された行とが、撮像面５ａの上下方向に交互に配列される。
【００１６】
図５は、第１撮像素子４の撮像面４ａと第２撮像素子５の撮像面５ａとを重ね合わせたときの、撮像面４ａ、５ａの中央領域４ｂ、５ｂ（図２参照）における撮像用画素４ｇ、５ｒ、５ｂのみを描いた図である。上述したように、第１撮像素子４と第２撮像素子５は、画素どうしが完全に対応する位置関係にあるので、第１および第２撮像素子４、５を重ね合わせると、中央領域４ｂ、５ｂにおける撮像用画素４ｇ、５ｒ、５ｂの配置は、ちょうど図３に示す撮像用画素４ｇの配列と、図４に示す撮像用画素５ｒ、５ｂの配列とを重ね合わせた図５に示す配置になる。図５から明らかなように、第１撮像素子４の緑色Ｇの撮像用画素４ｇ、第２撮像素子５の赤色Ｒの撮像用画素５ｒおよび第２撮像素子５の青色Ｂの撮像用画素５ｂは、ベイヤー配列にしたがった配置になっている。
【００１７】
図６は、第１撮像素子４の撮像面４ａと第２撮像素子５の撮像面５ａとを重ね合わせたときの、撮像面４ａ、５ａの中央領域４ｂ、５ｂ（図２参照）における焦点検出用画素４s1、４s2、５s1、５s2のみを描いた図である。上述したように、第１撮像素子４と第２撮像素子５は、画素どうしが完全に対応する位置関係にあるので、第１および第２撮像素子４、５を重ね合わせると、中央領域４ｂ、５ｂにおける焦点検出用画素４s1、４s2、５s1、５s2の配置は、ちょうど図３に示す焦点検出用画素４s1、４s2の配列と、図４に示す焦点検出用画素５s1、５s2の配列とを重ね合わせた配置となる。
【００１８】
図６において、第１撮像素子４の第１および第２焦点検出用画素４s1、４s2は、波長選択性分割光学系２を透過した緑Ｇ成分の被写体光を受光する。一方、第２撮像素子５の第１および第２焦点検出用画素５s1、５s2は、波長選択性分割光学系２を反射した緑以外の被写体光、すなわち略マゼンダＭ成分の被写体光を受光する。
【００１９】
図６に示す焦点検出用画素配列の第１行目において、第１撮像素子４の第１焦点検出用画素４s1と第２撮像素子５の第２焦点検出用画素５s2は、撮影光学系１の射出瞳の異なる一対の領域を通過した一対の光束を受光するから、この一対の焦点検出用画素４s1、５s2の出力に基づいて撮影光学系１の焦点調節状態を検出できる。しかしながら、第１撮像素子４の第１焦点検出用画素４s1は波長選択性分割光学系２を透過した緑Ｇ成分の光を受光するのに対し、第２撮像素子５の第２焦点検出用画素５s2は波長選択性分割光学系２を反射した緑Ｇ成分以外の光、すなわちマゼンダＭ成分の光を受光する。このため、この一対の焦点検出用画素４s1、５s2の出力に基づいて焦点検出演算を行うと、誤差が生じる。このことは、図６に示す焦点検出用画素配列の第２行目の、第２撮像素子５の第１焦点検出用画素５s1と第１撮像素子４の第２焦点検出用画素４s2の対においても同様であり、第２撮像素子５の第１焦点検出用画素５s1はマゼンダＭ成分の光を受光し、第１撮像素子４の第２焦点検出用画素４s2は緑Ｇ成分の光を受光するため、これらの対の焦点検出用画素５s1、４s2の出力に基づいて焦点検出演算を行うと誤差を生じる。
【００２０】
そこで、この一実施の形態では、図６に示す焦点検出用画素配列において、第１行目の第１撮像素子４の第１焦点検出用画素４s1の緑Ｇ成分光による出力と、第２行目の第２撮像素子５の第１焦点検出用画素５s1のマゼンダＭ成分光による出力とを加算した第１出力を得るとともに、第１行目の第２撮像素子５の第２焦点検出用画素５s2のマゼンダＭ成分光による出力と、第２行目の第１撮像素子４の第２焦点検出用画素４s2の緑Ｇ成分光による出力とを加算して第２出力を得る。これらの第１出力と第２出力は、ともに緑Ｇ成分の光とマゼンダＭ成分の光とを受光した場合の出力となり、自然光を受光した出力と等価になるから、これらの第１出力と第２出力とを一対の焦点検出用画素の出力として焦点検出演算を行うことによって、光成分に起因した焦点検出誤差のない撮影光学系１の焦点調節状態を検出することができる。すなわち、図６において点線で区切られた領域６０１が１つの焦点検出（ＡＦ）エリアとなる。なお、図６に示す撮像面４ａ、５ａの中央領域４ｂ、５ｂ以外の領域における焦点検出用画素配列においても、同様な処理を施す。すなわち各領域６０２〜６０４もそれぞれＡＦエリアとなる。
【００２１】
図７は、第１撮像素子４の撮像用画素４ｇおよび第２撮像素子５の撮像用画素５ｒ、５ｂの水平方向（行方向）の断面図である。撮像用画素４ｇ、５ｒ、５ｂでは、撮像用の光電変換部３３の前面に遮光マスク３４の開口３０が配置され、さらにその前方にカラーフィルター３５とマイクロレンズ３６が配置される。そして、マイクロレンズ３６により遮光マスク開口３０の形状が前方に投影される。遮光マスク開口３０は図３に示すように正方形である。カラーフィルター３５は、被写体光から赤色Ｒ、緑色Ｇおよび青色Ｂの成分の光をそれぞれ透過する。緑色Ｇ、赤色Ｒおよび青色Ｂの撮像用画素４ｇ、５ｒ、５ｂの分光特性を図９に示す。光電変換部３３は半導体回路基板３７上に形成され、その上に遮光マスク３４、カラーフィルター３５、マイクロレンズ３６など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。
【００２２】
図８(ａ)は第１および第２撮像素子４，５の第１焦点検出用画素４s1、５s1の水平方向（行方向）の断面図、図８(ｂ)は、第１および第２撮像素子４，５の第２焦点検出用画素４s2、５s2の水平方向（行方向）の断面図である。なお、第１焦点検出用画素４s1、５s1と第２焦点検出用画素４s2、５s2とは一対であり、遮光マスク３４の開口３１と開口３２がそれぞれ対象の位置に配置されているだけである。
なお図８では光電変換部３８，３９を、図７の光電変換部３３と略同じ大きさのものを用いている。しかしながら図８で使用する光電変換部の大きさ（形状）としては、遮光マスク３４にそれぞれ形成された半円形の開口３１，３２を通過する光を全て受光できる程度の大きさ（形状）を持っていれば良いので、例えば光電変換部３８，３９のうち遮光マスク３４で遮光されている部分を削ったような（光電変換部３３を半分に小さくしたような）形状の光電変換部を使用するようにしても良い。 
【００２３】
図８(ａ)において、第１焦点検出用画素４s1、５s1では、焦点検出用の光電変換部３８の前面に遮光マスク３４の開口３１が配置され、さらにその前方にマイクロレンズ４０が配置される。そして、マイクロレンズ４０により遮光マスク開口３１の形状が前方に投影される。遮光マスク開口３１は図３、図４に示すように半円形である。第１焦点検出用画素４s1、５s1には、光量をかせぐためにカラー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１０参照）となる。つまり、図９に示す赤色Ｒ、緑色Ｇおよび青色Ｂの撮像用画素４ｇ、５ｒ、５ｂ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色Ｇ、赤色Ｒおよび青色Ｂの撮像用画素４ｇ、５ｒ、５ｂの感度の光波長領域を包括している。光電変換部３８は撮像用画素４ｇ、５ｒ、５ｂと共通の半導体回路基板３７上に形成され、その上に遮光マスク３４やマイクロレンズ４０など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。
【００２４】
図８(ｂ)において、第２焦点検出用画素４s2、５s2では、焦点検出用の光電変換部３９の前面に遮光マスク３４の開口３２が配置され、さらにその前方にマイクロレンズ４０が配置される。そして、マイクロレンズ４０により遮光マスク開口３２の形状が前方に投影される。遮光マスク開口３２は図３、図４に示すように半円形である。第２焦点検出用画素４s2、５s2には、光量をかせぐためにカラー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１０参照）となる。つまり、図９に示す赤色Ｒ、緑色Ｇおよび青色Ｂの撮像用画素４ｇ、５ｒ、５ｂ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色Ｇ、赤色Ｒおよび青色Ｂの撮像用画素４ｇ、５ｒ、５ｂの感度の光波長領域を包括している。光電変換部３９は撮像用画素４ｇ、５ｒ、５ｂと共通の半導体回路基板３７上に形成され、その上に遮光マスク３４やマイクロレンズ４０など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。
【００２５】
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１１では、図６に示す第１撮像素子４の第１焦点検出用画素４s1と、第２撮像素子５の第２焦点検出用画素５s2が交互に配列されている部分を例に挙げて、焦点検出用画素４s1、４s2、５s1、５s2による撮影光学系１の焦点検出方法を説明する。図において、５０は、撮影光学系１（図１参照）の予定結像面に配置されたマイクロレンズ４０から前方ｄの距離に設定された射出瞳である。この距離ｄは、マイクロレンズ４０の曲率、屈折率、マイクロレンズ４０と光電変換部３８、３９との間の距離などに応じて決まる距離であって、この明細書では測距瞳距離と呼ぶ。５１は撮影光学系１の光軸、５２，５３は焦点検出用光束である。領域５４はマイクロレンズ４０により投影された光電変換部３８の領域であり、領域５５はマイクロレンズ４０により投影された光電変換部３９の領域である。この明細書ではこれらの領域５４，５５を測距瞳と呼ぶ。なお、図１１では説明を解りやすくするために領域５４，５５を楕円形で示しているが、実際には光電変換部３８，３９の形状が拡大投影された形状になる。また、図１１では焦点検出用画素４s1、５s2の一部を拡大して模式的に示しているが、他の焦点検出用画素においても、光電変換部３８，３９はそれぞれ対応した測距瞳５４，５５から各マイクロレンズ４０に到来する光束を受光するように構成されている。
【００２６】
マイクロレンズ４０は撮影光学系１（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４０によりその背後に配置された光電変換部３８，３９の形状がマイクロレンズ４０から測距瞳距離ｄだけ離間した射出瞳５０上に投影され、その投影形状は測距瞳５４，５５を形成する。すなわち、焦点検出用画素４s1、５s2においては、投影距離ｄにある射出瞳５０上で各焦点検出用画素４s1、５s2の光電変換部３８，３９の投影形状（測距瞳５４，５５）が一致するように、各焦点検出用画素４s1、５s2におけるマイクロレンズ４０と光電変換部３８，３９の相対的位置関係が定められ、それにより各焦点検出用画素４s1、５s2における光電変換部３８，３９の投影方向が決定されている。光電変換部３８は、測距瞳５４を通過して焦点検出用画素４s1のマイクロレンズ４０に向う光束５２によってマイクロレンズ４０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３９は、測距瞳５５を通過して焦点検出用画素５s2のマイクロレンズ４０に向う光束５３によってマイクロレンズ４０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。
【００２７】
上述した一対の焦点検出用画素(４s1，５s1)、(４s2，５s2)を撮像素子４，５の撮像面４ａ、５ａの各行に配列し、焦点検出用画素(４s1，５s1)、(４s2，５s2)の光電変換部３８，３９の出力を測距瞳５４および測距瞳５５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５４と測距瞳５５をそれぞれ通過する焦点検出用光束５２，５３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。この情報に対して周知の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。さらに、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。
【００２８】
ふたたび図１に戻って一実施の形態の撮像装置の構成を説明する。信号分離合成回路６は、第１および第２撮像素子４，５の撮像用画素４ｇ、５ｒ、５ｂから出力される画像信号と、第１および第２撮像素子４，５の焦点検出用画素４s1、４s2、５s1、５s2から出力される焦点検出信号とを分離する。また、上述したように、第１撮像素子４の第１焦点検出用画素４s1の出力と第２撮像素子５の第１焦点検出用画素５s1とを加算して第１出力を算出するとともに、第２撮像素子５の第２焦点検出用画素５s2の出力と第１撮像素子４の第２焦点検出用画素４s2とを加算して第２出力を算出し、一対の焦点検出信号を合成する。
【００２９】
画像信号処理回路７は、第１および第２撮像素子４，５の撮像用画素４ｇ、５ｒ、５ｂから得られた画像信号を輝度信号（Ｙ信号）および色差信号（Ｃr、Ｃb信号）に変換するとともに、ガンマ補正などの各種画像処理を施し、表示装置８と記録回路９へ送る。表示装置８は撮像画像を表示するとともに撮影に関する各種情報を表示し、記録回路９はメモリカード１０へ画像を記録する。
【００３０】
焦点検出回路１１は、第１撮像素子４の第１焦点検出用画素４s1の出力と第２撮像素子５の第１焦点検出用画素５s1とを加算した第１出力と、第２撮像素子５の第２焦点検出用画素５s2の出力と第１撮像素子４の第２焦点検出用画素４s2とを加算した第２出力とに基づいて、上述したように撮影光学系１の焦点調節状態すなわちデフォーカス量を検出する。レンズ駆動回路１２は、撮影光学系１のデフォーカス量にしたがってフォーカシングレンズを駆動し、合焦させる。操作部材１３はシャッターレリーズスイッチ、方向キースイッチ、コマンドダイヤルスイッチなど、カメラを操作するためのスイッチである。コントローラー１４は図示しないマイクロコンピューターとメモリやＡ／Ｄコンバーターなどの周辺部品から構成され、信号分離合成回路６、画像信号処理回路７、記録回路８、焦点検出回路１１を制御してカメラのシーケンス制御や各種演算と制御を行う。
【００３１】
《撮像素子の変形例》
図１２、図１３は変形例の第１および第２撮像素子４Ａ、５Ａの撮像面における画素配列の部分拡大図であり、図１２は変形例の第１撮像素子４Ａの撮像面４ａの中央領域４ｂにおける画素配列を示し、図１３は変形例の第２撮像素子５Ａの撮像面５ａの中央領域５ｂにおける画素配列を示す。なお、図３、図４に示す第１および第２撮像素子４，５と相違する点についてのみ説明する。
【００３２】
変形例の第１撮像素子４Ａでは、図３に示す第１焦点検出用画素４s1と撮像用画素４ｇの配列行において、第１焦点検出用画素４s1の遮光マスク開口３１を９０度反時計方向へ回転させた遮光マスク開口４１を有する第３焦点検出用画素４s3を、第１焦点検出用画素４s1と交互に配置するとともに、図３に示す第２焦点検出用画素４s2と撮像用画素４ｇの配列行において、第２焦点検出用画素４s2の遮光マスク開口３２を９０度反時計方向へ回転させた遮光マスク開口４２を有する第４焦点検出用画素４s4を、第２焦点検出用画素４s2と交互に配置する。なお、第３および第４焦点検出用画素４s3、４s4は、第１および第２焦点検出用画素４s1、４s2と遮光マスク開口と光電変換素子の位置以外は同じである。
【００３３】
また、変形例の第２撮像素子５Ａでは、図４に示す第２焦点検出用画素５s2と撮像用画素５ｂの配列行において、第２焦点検出用画素５s2の遮光マスク開口３２を９０度時計方向へ回転させた遮光マスク開口４１を有する第３焦点検出用画素５s3を、第２焦点検出用画素５s2と交互に配置するとともに、図４に示す第１焦点検出用画素５s1と撮像用画素５ｒの配列行において、第１焦点検出用画素５s1の遮光マスク開口３１を９０度時計方向へ回転させた遮光マスク開口４２を有する第４焦点検出用画素５s4を、第１焦点検出用画素５s1と交互に配置する。なお、第３および第４焦点検出用画素５s3、５s4は、第１および第２焦点検出用画素５s1、５s2と遮光マスク開口と光電変換素子の位置以外は同じである。
【００３４】
図１４は、変形例の第１撮像素子４Ａの撮像面４ａと変形例の第２撮像素子５Ａの撮像面５ａとを重ね合わせたときの、撮像面４ａ、５ａの中央領域４ｂ、５ｂ（図２参照）における焦点検出用画素４s1、４s2、４s3、４s4、５s1、５s2、５s3、５s4のみを描いた図である。上述したように、第１撮像素子４Ａと第２撮像素子５Ａは、画素どうしが完全に対応する位置関係にあるので、第１および第２撮像素子４Ａ、５Ａを重ね合わせると、中央領域４ｂ、５ｂにおける焦点検出用画素４s1、４s2、４s3、４s4、５s1、５s2、５s3、５s4の配置は、ちょうど図１２に示す焦点検出用画素４s1、４s2、４s3、４s4の配列と、図１３に示す焦点検出用画素５s1、５s2、５s3、５s4の配列とを重ね合わせた配置となる。
【００３５】
上述した一実施の形態の第１および第２撮像素子４，５では、一対の焦点検出用画素(４s1、５s1)、(４s2、５s2）が撮像面４ａ、５ａの左右方向すなわち被写界の水平方向に配置されているので、被写界の水平方向における撮影光学系１の焦点調節状態しか検出できない。これに対し図１２、図１３に示す変形例の第１および第２撮像素子４Ａ、５Ａでは、被写界の水平方向の一対の焦点検出用画素(４s1、５s1)、(４s2、５s2)により水平方向における撮影光学系１の焦点調節状態を検出するとともに、第１撮像素子４Ａの第３焦点検出用画素４s3の出力と第２撮像素子５Ａの第３焦点検出用画素５s3の出力とを加算した第３出力と、第１撮像素子４Ａの第４焦点検出用画素４s4の出力と第２撮像素子５Ａの第４焦点検出用画素５s4の出力とを加算した第４出力とに基づいて、撮像面４ａ、５ａの上下方向、すなわち被写界の垂直方向における撮像光学系１の焦点調節状態を検出することができる。すなわち図１４に点線で示した領域７０１，７０２がそれぞれ水平方向のＡＦエリアであり、領域７０３，７０４がそれぞれ垂直方向のＡＦエリアである。この変形例の第１および第２撮像素子４Ａ、５Ａによれば、被写界の水平方向と垂直方向において同時に焦点検出が可能になり、被写界の垂直方向にコントラストのエッジがある被写体に対しては垂直方向の一対の焦点検出用画素(４s3，５s3)、(４s4，５s4)により焦点検出を行い、被写界の水平方向にコントラストのエッジがある被写体に対しては水平方向の一対の焦点検出用画素(４s1，５s1)、(４s2，５s2)により焦点検出が可能になる。
【００３６】
図１５は、一実施の形態の撮像装置（デジタルスチルカメラ）の撮影動作を示すフローチャートである。このフローチャートにより、一実施の形態の撮影動作を説明する。カメラの電源が投入されると、コントローラー１４は図１５に示す撮影動作を開始する。ステップ１において第１および第２撮像素子４，５により撮像を行い、続くステップ２で第１および第２撮像素子４，５の画素出力から撮像用画素４ｇ、５ｒ、５ｂの画像信号を抽出して各種処理を施し、スルー画像を生成して表示装置８に表示する。
【００３７】
ステップ３で、シャッターボタンが半押しされたか否かを判別し、シャッターボタンの半押しがなされたらステップ４へ進み、第１および第２撮像素子４，５により撮像を行う。ステップ５では第１および第２撮像素子４，５の画素出力から画像信号と焦点検出信号とを分離し、画像信号に基づいて測光演算を行うとともに、焦点検出信号に基づいて撮影画面上の予め設定された複数の焦点検出エリアにおいて焦点検出演算を行う。続くステップ６において、測光演算結果に基づいて露出制御を行うとともに、焦点検出演算結果に基づいて撮影光学系１のフォーカシングレンズ(不図示)を駆動し、焦点調節を行う。焦点調節に際しては、撮影画面上の複数の焦点検出エリアの中で最至近のデフォーカス量を示すエリアを検索し、そのエリアのデフォーカス量に基づいて撮影光学系１の焦点調節を行ってもよいし、撮影者が予め設定した焦点検出エリアのデフォーカス量に基づいて焦点調節を行ってもよい。あるいは、第１および第２撮像素子４，５の画像信号に基づいて顔認識処理を行い、人物の顔が検出された焦点検出エリアのデフォーカス量に基づいて焦点調節を行ってもよい。
【００３８】
ステップ７において、シャッターボタンが全押しされたか否かを判別し、シャッターボタンが全押しされるとステップ８へ進み、全押しされていなければステップ３へ戻る。シャッターボタンが全押しされたときは、ステップ８で第１および第２撮像素子４，５により撮像を行い、画像信号を抽出する。そして、ステップ９で表示装置８に撮像画像を表示するとともに、メモリカード１０に記録する。
【００３９】
なお、上述した一実施の形態の撮像素子４，５と変形例の撮像素子４Ａ、５Ａでは、撮影光学系１側から見た撮像用画素４ｇ、５ｒ、５ｂおよび焦点検出用画素４s1〜４s4、５s1〜５s4の外縁を円形とした例を示したが、円形に限定されず、例えば正方形としてもよい。
【００４０】
さらに、上述した一実施の形態の撮像素子４，５と変形例の撮像素子４Ａ、５Ａでは、焦点検出用画素４s1〜４s4、５s1〜５s4の遮光マスク開口３１，３２，４１，４２を半円形とした例を示したが、遮光マスク開口３１，３２，４１，４２の形状は半円形に限定されず、例えば長方形や台形としてもよい。
【００４１】
さらにまた、上述した一実施の形態の撮像素子４，５と変形例の撮像素子４Ａ、５Ａでは、焦点検出用画素４s1〜４s4、５s1〜５s4に光電変換素子３８，３９と遮光マスク開口３１，３２，４１，４２とをそれぞれ１個ずつ設けた例を示したが、焦点検出用画素４s1〜４s4、５s1〜５s4ごとに、撮影光学系１の射出瞳５０上の一対の領域５４，５５を通過する一対の焦点検出用光束５２，５３を受光するための一対の光電変換素子と一対の遮光マスク開口とを設けるようにしてもよい。
【００４２】
上述した一実施の形態の撮像素子４，５と変形例の撮像素子４Ａ、５Ａでは、撮像用画素４ｇ、５ｒ、５ｂと焦点検出用画素４s1〜４s4、５s1〜５s4のそれぞれにマイクロレンズ３６，４０を設けた例を示したが、撮像用画素４ｇ、５ｒ、５ｂには必ずしもマイクロレンズ３６を設ける必要はない。また、撮像用画素４ｇ、５ｒ、５ｂと焦点検出用画素４s1〜４s4、５s1〜５s4のマイクロレンズ３６と４０の仕様および特性は同一のものとしてもよいし、それぞれ最適な仕様および特性のものにしてもよい。
【００４３】
上述した一実施の形態の撮像素子４，５と変形例の撮像素子４Ａ、５Ａにおいて、隣接画素からの迷光を防止するための遮光マスクを画素どうしの境界に設置するのが望ましい。
【００４４】
なお、上述した実施の形態とそれらの変形例において、実施の形態と変形例とのあらゆる組み合わせが可能である。
【００４５】
上述した実施の形態とその変形例によれば以下のような作用効果を奏することができる。まず、撮影光学系１を透過した光束を緑色成分の光束と緑色成分以外の色成分の光束とに分割し、撮像用画素４ｇと焦点検出用画素４s1、４s2とが図示の如く二次元状に正方配列された第１撮像素子４で緑色成分の光束を受光するするとともに、撮像用画素５ｒ、５ｂと焦点検出用画素５s1、５s2とが図示の如く二次元状に正方配列された第２撮像素子５により緑色成分以外の成分の光束を受光し、第１撮像素子４および第２撮像素子５から出力される信号から撮像用画素４ｇ、５ｒ、５ｂの画像信号と焦点検出用画素４s1、４s2、５s1、５s2の焦点検出信号とを分離し、画像信号に基づいて撮影光学系１により結像された被写体像の画像を生成するとともに、焦点検出信号に基づいて撮影光学系１の焦点調節状態を検出するようにしたので、高画質の画像を得ながら撮影画面内の任意の位置での焦点検出を可能にすることができる。
【００４６】
また、一実施の形態とその変形例によれば、撮像用画素４ｇ、５ｒ、５ｂを赤色、緑色および青色の光に感度を有する３種類の画素とし、これらの画素が撮影光学系１の撮影画面上においてベイヤー配列となるように第１および第２撮像素子４，５上に展開するとともに、焦点検出用画素４s1、４s2、５s1、５s2により、撮影光学系１の射出瞳５０上の一対の領域５４，５５を通過した一対の光束５２，５３による一対の像を受光するようにしたので、高画質な画像と、瞳分割位相差検出方式による正確な焦点検出結果を得ることができる。
【００４７】
さらに、一実施の形態とその変形例によれば、図１４に示すように、焦点検出用画素４s1〜４s4、５s1〜５s4は、撮影光学系１の撮影画面の左右方向と上下方向とに配列するようにしたので、被写界の水平方向と垂直方向において同時に焦点検出を行うことができる。
【００４８】
一実施の形態とその変形例によれば、図６および図１４に示すように、第１撮像素子４上の焦点検出用画素４s1（４s3）の出力と、第２撮像素子５上の焦点検出用画素５s1（５s3）の出力とを加算して第１出力を算出するとともに、第１撮像素子４上の焦点検出用画素４s2（４s4）の出力と、第２撮像素子５上の焦点検出用画素５s2（５s4）の出力とを加算して第２出力を算出し、第１出力と第２出力とに基づいて撮影光学系１の焦点調節状態を検出するようにしたので、被写界からの自然光による焦点検出結果を得ることができる。
【符号の説明】
【００４９】
１；撮影光学系、２；波長選択性分割光学系、４；第１撮像素子、４ａ；撮像面、４ｇ；撮像用画素、４s1〜４s4；焦点検出用画素、５；第２撮像素子、５ａ；撮像面、５ｒ、５ｂ；撮像用画素、５s1〜５s4；焦点検出用画素、６；信号分離合成回路、７；画像信号処理回路、１１；焦点検出回路
【図１】
2010210903.tif 000003
【図２】
2010210903.tif 000004
【図３】
2010210903.tif 000005
【図４】
2010210903.tif 000006
【図５】
2010210903.tif 000007
【図６】
2010210903.tif 000008
【図７】
2010210903.tif 000009
【図８】
2010210903.tif 000010
【図９】
2010210903.tif 000011
【図１０】
2010210903.tif 000012
【図１１】
2010210903.tif 000013
【図１２】
2010210903.tif 000014
【図１３】
2010210903.tif 000015
【図１４】
2010210903.tif 000016
【図１５】
2010210903.tif 000017