(57)【要約】【課題】低輝度時及び高輝度時のいずれにおいても適切に焦点検出し、しかも、低輝度時と高輝度時とで実質的に同じ位置で焦点検出する。【解決手段】固体撮像素子４は、光学系により結像される被写体像を光電変換する。固体撮像素子４は、入射光を受光して光電変換する光電変換部４１を有する複数の撮像用画素２０Ａと、平面視において一方側の領域及び他方側の領域にそれぞれ存し互いに独立して信号が読み出されかつ互いに感度が異なる第１の光電変換部４５及び第２の光電変換部４６を有する複数の焦点検出用画素２０Ｌ，２０Ｒと、を備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学系により結像される被写体像を光電変換する固体撮像素子であって、
入射光を受光して光電変換する光電変換部を有する複数の撮像用画素と、
平面視において一方側の領域及び他方側の領域にそれぞれ存し互いに独立して信号が読み出されかつ互いに感度が異なる第１の光電変換部及び第２の光電変換部を有する複数の焦点検出用画素と、
を備えたことを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
前記第１の光電変換部の有効受光面積と前記第２の光電変換部の有効受光面積とが異なることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記第１の光電変換部の有効受光面積は、前記第１の光電変換部の外縁の少なくとも一部、及び／又は、前記第１の光電変換部の光入射側に配置された遮光部の開口の少なくとも一部によって、定まり、
前記第２の光電変換部の有効受光面積は、前記第２の光電変換部の外縁の少なくとも一部、及び／又は、前記第２の光電変換部の光入射側に配置された遮光部の開口の少なくとも一部によって、定まる、
ことを特徴とする請求項２記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部のうちの少なくとも一方の光電変換部の光入射側に、光減衰部が設けられたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記各焦点検出用画素の前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部は、前記光学系の射出瞳の中心から互いに反対の方向へそれぞれ偏心した前記射出瞳の領域からの光束をそれぞれ選択的に受光して光電変換する、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記各焦点検出用画素は、当該画素に対して１対１に設けられ当該画素の前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部に入射光を導くマイクロレンズを、有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の固体撮像素子。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の固体撮像素子と、前記焦点検出用画素からの信号に基づいて、前記光学系の焦点調節状態を示す検出信号を出力する検出処理部を、備えたことを特徴とする撮像装置。
【請求項８】
前記検出処理部は、被写体の輝度に関する測光情報に応じて、前記輝度が相対的に高い場合には前記第１及び第２の光電変換部のうちの感度の低い方の光電変換部からの信号に基づいて前記検出信号を出力するとともに、前記輝度が相対的に低い場合には前記第１及び第２の光電変換部のうちの感度の高い方の光電変換部からの信号に基づいて前記検出信号を出力することを特徴とする請求項７記載の撮像装置。
【請求項９】
前記検出処理部からの検出信号に基づいて前記光学系の焦点調節を行う調節部を備えたことを特徴とする請求項７又は８記載の撮像装置。
【請求項１０】
平面視において一方側の領域及び他方側の領域にそれぞれ存し互いに独立して信号が読み出されかつ互いに感度が異なる第１の光電変換部及び第２の光電変換部を有する複数の焦点検出用画素を、備え、
前記各焦点検出用画素の前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部は、焦点検出対象の光学系の射出瞳の中心から互いに反対の方向へそれぞれ偏心した前記射出瞳の領域からの光束をそれぞれ選択的に受光して光電変換する、
ことを特徴とする焦点検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子、撮像装置及び焦点検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、画素サイズの異なる２種類の焦点検出用画素を用いることで、低輝度時及び高輝度時のいずれにおいても適切に焦点検出を行うことができる固体撮像素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１０３５９０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、特許文献１の発明では、低輝度時と高輝度時とで焦点検出に用いる画素が異なるため、低輝度時と高輝度時とで同じ位置での焦点検出ができなかった。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、低輝度時及び高輝度時のいずれにおいても適切に焦点検出を行うことができ、しかも低輝度時と高輝度時とで実質的に同じ位置で焦点検出することができる固体撮像素子及び焦点検出装置、並びに、前記固体撮像素子を用いた撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するための手段として、以下の各態様を提示する。第１の態様による固体撮像素子は、光学系により結像される被写体像を光電変換する固体撮像素子であって、入射光を受光して光電変換する光電変換部を有する複数の撮像用画素と、平面視において一方側の領域及び他方側の領域にそれぞれ存し互いに独立して信号が読み出されかつ互いに感度が異なる第１の光電変換部及び第２の光電変換部を有する複数の焦点検出用画素と、を備えたものである。
【０００７】
第２の態様による固体撮像素子は、前記第１の態様において、前記第１の光電変換部の有効受光面積と前記第２の光電変換部の有効受光面積とが異なるものである。
【０００８】
第３の態様による固体撮像素子は、前記第２の態様において、前記第１の光電変換部の有効受光面積は、前記第１の光電変換部の外縁の少なくとも一部、及び／又は、前記第１の光電変換部の光入射側に配置された遮光部の開口の少なくとも一部によって、定まり、前記第２の光電変換部の有効受光面積は、前記第２の光電変換部の外縁の少なくとも一部、及び／又は、前記第２の光電変換部の光入射側に配置された遮光部の開口の少なくとも一部によって、定まるものである。
【０００９】
なお、本願明細書において、「及び／又は」は、両方又はいずれか一方の意味である。
【００１０】
第４の態様による固体撮像素子は、前記第１乃至第３のいずれかの態様において、前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部のうちの少なくとも一方の光電変換部の光入射側に、光減衰部が設けられたものである。
【００１１】
第５の態様による固体撮像素子は、前記第１乃至第４のいずれかの態様において、前記各焦点検出用画素の前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部は、前記光学系の射出瞳の中心から互いに反対の方向へそれぞれ偏心した前記射出瞳の領域からの光束をそれぞれ選択的に受光して光電変換するものである。
【００１２】
第６の態様による固体撮像素子は、前記第１乃至第５のいずれかの態様において、前記各焦点検出用画素は、当該画素に対して１対１に設けられ当該画素の前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部に入射光を導くマイクロレンズを、有するものである。
【００１３】
第７の態様による撮像装置は、前記第１乃至第６のいずれかの態様による固体撮像素子と、前記焦点検出用画素からの信号に基づいて、前記光学系の焦点調節状態を示す検出信号を出力する検出処理部を、備えたものである。
【００１４】
第８の態様による撮像装置は、前記第７の態様において、前記検出処理部は、被写体の輝度に関する測光情報に応じて、前記輝度が相対的に高い場合には前記第１及び第２の光電変換部のうちの感度の低い方の光電変換部からの信号に基づいて前記検出信号を出力するとともに、前記輝度が相対的に低い場合には前記第１及び第２の光電変換部のうちの感度の高い方の光電変換部からの信号に基づいて前記検出信号を出力するものである。
【００１５】
第９の態様による撮像装置は、前記第７又は第８の態様において、前記検出処理部からの検出信号に基づいて前記光学系の焦点調節を行う調節部を備えたものである。
【００１６】
第１０の態様による焦点検出装置は、平面視において一方側の領域及び他方側の領域にそれぞれ存し互いに独立して信号が読み出されかつ互いに感度が異なる第１の光電変換部及び第２の光電変換部を有する複数の焦点検出用画素を、備え、前記各焦点検出用画素の前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部は、焦点検出対象の光学系の射出瞳の中心から互いに反対の方向へそれぞれ偏心した前記射出瞳の領域からの光束をそれぞれ選択的に受光して光電変換するものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、低輝度時及び高輝度時のいずれにおいても適切に焦点検出を行うことができ、しかも低輝度時と高輝度時とで実質的に同じ位置で焦点検出することができる固体撮像素子及び焦点検出装置、並びに、前記固体撮像素子を用いた撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施の形態による撮像装置としての電子カメラを示す概略ブロック図である。
【図２】図１中の固体撮像素子の概略構成を示す回路図である。
【図３】図１中の固体撮像素子を模式的に示す概略平面図である。
【図４】図３中の一部を拡大した概略拡大図である。
【図５】図４中の撮像用画素の主要部を模式的に示す図である。
【図６】図４中の所定のＡＦ用画素の主要部を模式的に示す図である。
【図７】図４中の他の所定のＡＦ用画素の主要部を模式的に示す図である。
【図８】図１中の固体撮像素子の撮像用画素を示す回路図である。
【図９】図１中の固体撮像素子のＡＦ用画素を示す回路図である。
【図１０】図１に示す電子カメラの動作の一例を示す概略フローチャートである。
【図１１】本発明の第２の実施の形態による固体撮像素子の一部拡大概略平面図である。
【図１２】図１１中の所定のＡＦ用画素の主要部を模式的に示す図である。
【図１３】図１１中の他の所定のＡＦ用画素の主要部を模式的に示す図である。
【図１４】本発明の第３の実施の形態による焦点検出装置の一部拡大概略平面図である。
【図１５】図１４に示す焦点検出装置を搭載した撮像装置としての電子カメラを模式的に示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明による固体撮像素子、撮像装置及び焦点検出装置について、図面を参照して説明する。
【００２０】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態による撮像装置としての電子カメラ１を示す概略ブロック図である。
【００２１】
本実施の形態による電子カメラ１は、例えば一眼レフのデジタルカメラとして構成されるが、本発明による撮像装置は、これに限らず、コンパクトカメラなどの他の電子カメラや、携帯電話に搭載された電子カメラや、動画を撮像するビデオカメラ等の電子カメラなどの種々の撮像装置に適用することができる。
【００２２】
電子カメラ１には、被写体像を結像する光学系としての撮影レンズ２が装着される。この撮影レンズ２は、レンズ制御部３によってフォーカスや絞りが駆動される。この撮影レンズ２の像空間には、固体撮像素子４の撮像面が配置される。
【００２３】
固体撮像素子４は、撮像制御部５の指令によって駆動され、デジタル信号を出力する。固体撮像素子４から出力されるデジタル信号は、被写体像を示す画像信号を形成するための撮像用信号、及び、撮影レンズ２の焦点調節状態を検出するための焦点検出用信号のいずれかである。本実施の形態では、いずれの信号も、デジタル信号処理部６によってデジタル増幅やその他の処理がされた後、メモリ７に一旦蓄積される。メモリ７は、バス８に接続されている。バス８には、レンズ制御部３、撮像制御部５、ＣＰＵ９、焦点演算部（検出処理部）１０、記録部１１、画像圧縮部１２及び画像処理部１３なども接続される。ＣＰＵ９には、レリーズ釦などの操作部１４が接続される。また、記録部１１には記録媒体１１ａが着脱自在に装着される。
【００２４】
図２は、図１中の固体撮像素子４の概略構成を示す回路図である。固体撮像素子４は、２次元マトリクス状に配置された複数の画素２０と、画素２０から信号を出力するための周辺回路とを有している。画素２０がｎ行ｍ列にマトリクス状に配置されている有効画素領域（撮像領域）を符号２１で示している。画素数は特に限定されるものではない。
【００２５】
本実施の形態では、固体撮像素子４は、画素として後述する３種類の画素２０Ａ，２０Ｌ，２０Ｒを有しているが、図２ではそれらのいずれであるかを区別することなく、符号２０で示している。これらの画素２０は、周辺回路の駆動信号に従って撮像用信号及び焦点検出用信号のいずれかを出力する。また、すべての画素２０は、同時に光電変換部がリセットされて露光の時間とタイミングが同一にされることも、１行ずつ読み出す所謂ローリングシャッタも可能となっている。
【００２６】
周辺回路は、垂直走査回路２２と、画素２０の行毎に設けられた制御線２３と、画素２０の列毎に設けられ対応する列の画素２０からの信号を受け取る複数の（ｍ本の）垂直信号線２７と、各垂直信号線２７に設けられた定電流源２８と、各垂直信号線２７に対応して設けられたＣＤＳ回路（相関２重サンプリング回路）２９及びＡ／Ｄ変換器３０と、水平読み出し回路３１とを有している。
【００２７】
垂直走査回路２２及び水平読み出し回路３１は、電子カメラ１の撮像制御部５からの指令に基づいて駆動信号を出力する。各画素２０は、垂直走査回路２２から出力される駆動信号を所定の制御線２３から受け取って駆動され、撮像用信号又は焦点検出用信号を垂直信号線２７に出力する。垂直走査回路２２から出力される駆動信号は複数あり、それに伴い制御線２３も複数ある。これらについては後述する。
【００２８】
画素２０から垂直信号線２７に読み出された信号は、各列毎に、ＣＤＳ回路２９にて所定のノイズ除去処理が施された後に、Ａ／Ｄ変換器３０にてデジタル信号に変換され、そのデジタル信号はＡ／Ｄ変換器３０に保持される。各Ａ／Ｄ変換器３０に保持されたデジタルの画像信号は、水平読み出し回路３１によって水平走査され、必要に応じて所定の信号形式に変換されて、外部（図１中のデジタル信号処理部６）へ出力される。なお、固体撮像素子４は必ずしもＡ／Ｄ変換器３０を含む必要はなく、水平読み出し回路３１からアナログ画像信号が出力されるように構成してもよい。
【００２９】
図３は、図１中の固体撮像素子４（特にその有効画素領域２１）を模式的に示す概略平面図である。本実施の形態では、図３に示すように、固体撮像素子４の有効画素領域２１には、Ｘ軸方向に直線状に延びた３つの焦点検出領域３２〜３５が上下に並列するように設けられている。
【００３０】
なお、図３に示すように、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を定義する。また、Ｘ軸方向のうち矢印の向きを＋Ｘ方向又は＋Ｘ側、その反対の向きを−Ｘ方向又は−Ｘ側と呼び、Ｙ軸方向についても同様とする。ＸＹ平面と平行な平面が固体撮像素子４の撮像面（受光面）と一致している。Ｘ軸方向の並びを行、Ｙ軸方向の並びを列とする。なお、入射光は図３の紙面手前側から奥側に入射する。これらの点は、後述する図についても同様である。
【００３１】
図４は、図３における焦点検出領域３２の付近を拡大した概略拡大図である。前述したように、固体撮像素子４は、画素２０として、３種類の画素２０Ａ，２０Ｌ，２０Ｒを有している。
【００３２】
画素２０Ａは、撮影レンズ２によって結像される被写体像を示す画像信号を形成するための撮像用信号を出力する撮像用画素である。図５（ａ）は撮像用画素２０Ａの主要部を模式的に示す概略平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）中のＸ１−Ｘ２線に沿った概略断面図である。
【００３３】
撮像用画素２０Ａは、光電変換部としてのフォトダイオード４１と、フォトダイオード４１上にオンチップで形成されたマイクロレンズ４２と、フォトダイオード４１の光入射側に設けられたＲ（赤色），Ｇ（緑色），Ｂ（青色）のいずれかのカラーフィルタ６０とを備えている。図面には示していないが、カラーフィルタ６０の色は、ベイヤー配列等に従って設定されている。図５に示すように、マイクロレンズ４２の略焦点面には、遮光部としての金属層等の遮光層４３が形成されている。遮光層４３は、必要に応じて配線層を兼ねる。遮光層４３には、撮像用画素２０Ａにおいて、当該撮像用画素２０Ａのマイクロレンズ４２の光軸Ｏに対して同心の正方形の開口４３ａが形成されている。画素２０Ａのフォトダイオード４１は、開口４３ａを通過した光を全て有効に受光し得る大きさを有している。なお、遮光層４３とマイクロレンズ４２との間や、基板４４と遮光層４３との間には、層間絶縁膜等が形成されている。
【００３４】
本実施の形態では、撮像用画素２０Ａにおいて、マイクロレンズ４２の略焦点面に配置された遮光層４３に前記開口４３ａが形成されていることによって、画素２０Ａのフォトダイオード４１は、撮影レンズ２の射出瞳の中心から実質的に偏心していない前記射出瞳の領域（開口４３ａのマイクロレンズ４２による投影像に相当）からの光束を受光して光電変換することになる。
【００３５】
画素２０Ｌ，２０Ｒは、撮影レンズ２の焦点調節状態を検出するための焦点検出用信号を出力する焦点検出用画素（以下、「ＡＦ用画素」という。）である。図６（ａ）はＡＦ用画素２０Ｌの主要部を模式的に示す概略平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）中のＸ３−Ｘ４線に沿った概略断面図である。図７（ａ）はＡＦ用画素２０Ｒの主要部を模式的に示す概略平面図、図７（ｂ）は図７（ａ）中のＸ５−Ｘ６線に沿った概略断面図である。図６及び図７において、図５中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
【００３６】
ＡＦ用画素２０Ｌは、１つの光電変換部としての１つのフォトダイオード４１に代えて、それを２つに分割しかつ一方のみ（フォトダイオード４５のみ）の面積を小さくしたような２つの光電変換部としての２つのフォトダイオード４５，４６を有している。２つのフォトダイオード４５，４６は、基板４４の法線方向（Ｚ軸方向）から見た平面視においてＹ軸方向の分割線Ｙ３−Ｙ４により分割される−Ｘ側の領域及び＋Ｘ側の領域に、それぞれ配置されている。マイクロレンズ４２は、その光軸Ｏが分割線Ｙ３−Ｙ４とフォトダイオード４５，４６のＹ軸方向の中心線との交点を通るように、配置されている。そして、ＡＦ用画素２０Ｌにおいて、遮光層４３には、当該ＡＦ用画素２０Ｌのマイクロレンズ４２の光軸Ｏに対して同心の正方形の開口４３ａ（撮像用画素２０Ａの開口４３ａと同じ大きさの正方形の開口４３ａ）が形成されている。このため、マイクロレンズ４２から導かれる入射光は瞳分割され、その一方の光束は相対的に面積の小さいフォトダイオード４５に選択的に入射され、他方の光束は相対的に面積の大きいフォトダイオード４６に選択的に入射される。すなわち、画素２０Ｌでは、相対的に面積の小さい（本実施の形態では、相対的に感度の低い）フォトダイオード４５は、撮影レンズ２の射出瞳の中心から＋Ｘ側へ偏心した前記射出瞳の領域からの光束を選択的に有効に受光し、相対的に面積の大きい（本実施の形態では、相対的に感度の高い）フォトダイオード４６は、撮影レンズ２の射出瞳の中心から−Ｘ側へ偏心した前記射出瞳の領域からの光束を選択的に有効に受光する。なお、例えば、有効画素領域の中心部の画素では、マイクロレンズ４２をその光軸Ｏが前記交点を通るように配置する一方、有効画素領域の周辺部の画素では、マイクロレンズ４２をその光軸Ｏが前記交点からずれた位置を通るように配置してもよい。
【００３７】
本実施の形態では、フォトダイオード４５の面積全体がフォトダイオード４５の有効受光面積となり、フォトダイオード４５の有効受光面積は、フォトダイオード４５の外縁の全体によって定められている。また、フォトダイオード４６の面積全体がフォトダイオード４６の有効受光面積となり、フォトダイオード４６の有効受光面積は、フォトダイオード４６の外縁の全体によって定められている。そして、本実施の形態では、フォトダイオード４５の面積がフォトダイオード４６の面積よりも小さくされることによって、フォトダイオード４５の有効受光面積がフォトダイオード４６の面積よりも小さくされ、これにより、フォトダイオード４５の感度がフォトダイオード４６の感度よりも低くされている。ここで、フォトダイオードの感度は、被写体の輝度（本実施の形態では、当該画素のマイクロレンズ４２への入射光量）に対する当該フォトダイオードの出力（電荷量）の割合である。
【００３８】
もっとも、フォトダイオード４５の有効受光面積は、フォトダイオード４５の形状・大きさと開口４３ａの形状・大きさとを適宜組み合わせることで、フォトダイオード４５の外縁の少なくとも一部、及び／又は、フォトダイオード４５の光入射側に配置された遮光部４３の開口４３ａの少なくとも一部によって、定まるようにしてもよい。また、フォトダイオード４６の有効受光面積は、フォトダイオード４６の形状・大きさと開口４３ａの形状・大きさとを適宜組み合わせることで、フォトダイオード４５の外縁の少なくとも一部、及び／又は、フォトダイオード４５の光入射側に配置された遮光部４３の開口４３ａの少なくとも一部によって、定まるようにしてもよい。
【００３９】
なお、フォトダイオード４５の感度をフォトダイオード４６の感度よりも低くするためには、必ずしもフォトダイオード４５の有効受光面積をフォトダイオード４６の有効受光面積よりも小さくする必要はない。
【００４０】
また、ＡＦ用画素２０Ｌには、カラーフィルタ６０は設けられていない。ＡＦ用画素２０Ｌのフォトダイオード４５，４６に対する入射光量を増大させ焦点検出精度を高めるためには、画素２０Ｌにはカラーフィルタ６０を設けないことが好ましいが、本発明では必ずしもこれに限定されるものではない。
【００４１】
ＡＦ用画素２０ＲがＡＦ用画素２０Ｌと異なる所は、ＡＦ用画素２０Ｒでは、
フォトダイオード４５，４６が図６及び図７中の左右反対に配置されている点のみである。したがって、ＡＦ用画素２０Ｒでは、相対的に面積の小さい（本実施の形態では、相対的に感度の低い）フォトダイオード４５は、撮影レンズ２の射出瞳の中心から−Ｘ側へ偏心した前記射出瞳の領域からの光束を選択的に有効に受光し、相対的に面積の大きい（本実施の形態では、相対的に感度の高い）フォトダイオード４６は、撮影レンズ２の射出瞳の中心から＋Ｘ側へ偏心した前記射出瞳の領域からの光束を選択的に有効に受光する。
【００４２】
本実施の形態では、図４に示すように、焦点検出領域３２において、ＡＦ用画素２０Ｌ，２０ＲがＸ軸方向に交互に配置されている。焦点検出領域３３，３４についても、焦点検出領域３２と同様である。有効画素領域２１における焦点検出領域３２〜３４以外の領域には、撮像用画素２０Ａが配置されている。なお、焦点検出領域３２〜３４の本数や配置は、前述した例に限定されるものではないし、ＡＦ用画素２０Ｌ，２０Ｒの配置も、必ずしも一直線状の交互配置に限定されるものではない。
【００４３】
図８は、図１中の固体撮像素子４の撮像用画素２０Ａを示す回路図である。各撮像用画素２０Ａは、入射光に応じた電荷を生成し蓄積する光電変換部としてのフォトダイオード４１と、前記電荷を受け取って前記電荷を電圧に変換する電荷電圧変換部としてのフローティング容量部４７と、フォトダイオード４１からフローティング容量部４７へ電荷を転送する転送トランジスタ４８と、フローティング容量部４７の電圧に応じた信号を出力する増幅部としての増幅トランジスタ４９と、フローティング容量部４７の電圧をリセットするリセット部としてのリセットトランジスタ５０と、当該画素２０Ａを選択するための選択部としての選択トランジスタ５１とを有している。なお、図８において、ＶＤＤは電源であり、２３５は電源ＶＤＤに接続するための電源配線である。
【００４４】
図９は、図１中の固体撮像素子４のＡＦ用画素２０Ｌ，２０Ｒを示す回路図である。これらの画素２０Ｌ，２０Ｒは同一の回路構成を有している。図９において、図８中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。ＡＦ用画素２０Ｌ，２０Ｒが撮像用画素２０Ａと回路構成上異なる所は、１つの光電変換部としての１つのフォトダイオード４１に代えて、それを２つに分割し一方のみ（フォトダイオード４５のみ）の面積を小さくしたような２つの光電変換部としての２つのフォトダイオード４５，４６を有する点と、これに伴い、１つの転送トランジスタ４８に代えて、互いに独立して作動し得る２つの転送トランジスタ５２，５３を有する点のみである。転送トランジスタ５２はフォトダイオード４５からフローティング容量部４７へ電荷を転送し、転送トランジスタ５３はフォトダイオード４６からフローティング容量部４７へ電荷を転送する。これにより、フォトダイオード４５，４６の信号は、互いに独立して読み出される。
【００４５】
撮像用画素２０Ａの転送トランジスタ４８及びＡＦ用画素２０Ｌ，２０Ｒの一方の転送トランジスタ５２のゲート電極は、画素行ごとに共通に接続されて、垂直走査回路２２から制御線２３のうちの配線２３１を介して駆動信号φＴＧＡが供給される。ＡＦ用画素２０Ｌ，２０Ｒの他方の転送トランジスタ５３のゲート電極は、画素行毎に共通に接続されて、垂直走査回路２２から制御線２３のうちの配線２３２を介して駆動信号φＴＧＢが供給される。
【００４６】
画素２０Ａ，２０Ｌ，２０Ｒの選択トランジスタ５１のゲート電極は、画素行毎に共通に接続されて、垂直走査回路２２から制御線２３のうちの配線２３３を介して駆動信号φＳが供給される。画素２０Ａ，２０Ｌ，２０Ｒのリセットトランジスタ５０のゲート電極は、画素行毎に共通に接続されて、垂直走査回路２２から制御線２３のうちの配線２３４を介して駆動信号φＲが供給される。
【００４７】
垂直走査回路２２が、図１中の撮像制御部５からの制御信号を受けて、一般的なＣＭＯＳ型固体撮像素子の動作に準じて、画素２０の行毎に、制御信号φＳ，φＲ，φＴＧＡ，φＴＧＢをそれぞれ出力し、画素部２１の画素２０を制御することによって、撮像用画素２０Ａから撮像用信号が読み出され、ＡＦ用画素２０Ｌ，２０Ｒの低感度のフォトダイオード４５から高輝度用の焦点検出用信号が読み出され、ＡＦ用画素２０Ｌ，２０Ｒの高感度のフォトダイオード４６から低輝度用の焦点検出用信号が読み出される。いずれの動作モードにおいても、撮像用信号、高輝度用の焦点検出用信号及び低輝度用の焦点検出用信号のすべてを読み出しても良い。しかし、被写体が高輝度時の焦点検出モード時には高輝度用の焦点検出用信号のみが読み出せれば良く、被写体が低輝度時の焦点検出モード時には低輝度用の焦点検出用信号のみが読み出せれば良く、撮像モード時には撮像用信号のみが読み出せれば良い。したがって、それぞれモードにおいて、無用な信号読み出しを極力避けて高速化を図ってもよい。
【００４８】
図１０は、図１に示す電子カメラ１の動作の一例を示す概略フローチャートである。
【００４９】
まず、メイン電源がオンされた後、各部の電源がオンされる（ステップＳ１）。その後、ＣＰＵ９は、露光量を制御するために、レンズ制御部３を介して撮影レンズ２の絞りが開放にする。固体撮像素子４からの出力は、デジタル信号処理部を経た後、メモリ７に格納される。
【００５０】
そして、焦点調節（ステップＳ２〜Ｓ６）が開始されると、まず、ＣＰＵ９は、電子カメラ１に設けられた測光センサ（図示せず）の出力（被写体の輝度に関する測光情報）に基づいて、被写体の輝度が所定値より小さいか否かを判定する（ステップＳ２）。被写体の輝度に関する測光情報として、前記測光センサの出力に代えて、メモリ７に格納されたデータのうち、撮像用画素２０Ａの出力に相当するデータを用いてもよい。
【００５１】
ステップＳ２で輝度が所定値より小さいと判定されると、ＣＰＵ９は、焦点演算部１０は、ＡＦ用画素２０Ｌ，２０Ｒの高感度のフォトダイオード４６からの焦点検出用信号を用いて瞳分割位相差検出方式に従った演算（焦点調節状態の検出処理）を焦点演算部１０に行わせることで、焦点演算部１０に撮影レンズ２のデフォーカス量を算出させ（ステップＳ３）、ステップＳ５へ移行する。
【００５２】
一方、ステップＳ２で輝度が所定値以上であると判定されると、ＣＰＵ９は、焦点演算部１０は、ＡＦ用画素２０Ｌ，２０Ｒの低感度のフォトダイオード４５からの焦点検出用信号を用いて瞳分割位相差検出方式に従った演算（焦点調節状態の検出処理）を焦点演算部１０に行わせることで、焦点演算部１０に撮影レンズ２のデフォーカス量を算出させ（ステップＳ４）、ステップＳ５へ移行する。
【００５３】
ステップＳ５において、ＣＰＵ９は、ステップＳ３又はＳ４で算出されたデフォーカス量に基づいて撮影レンズ２が合焦状態か否かを判定する。ステップＳ５で合焦状態であると判定されると、ステップＳ７へ移行する。
【００５４】
一方、ステップＳ５で合焦状態でないと判定されると、ＣＰＵ９は、ステップＳ３又はＳ４で算出されたデフォーカス量に基づいて撮影レンズ２のうちのフォーカシング用のレンズをレンズ制御部３を介して駆動し、合焦位置に向けて移動させる（ステップＳ６）。その後、ＣＰＵ９は、前記測光センサ（図示せず）の出力（被写体の輝度に関する測光情報）を取り込むとともに、撮像制御部５を介した固体撮像素子４の制御によってＡＦ用画素２０Ｌ，２０Ｒからの焦点検出用信号をメモリ７内に格納した後に、ステップＳ２へ戻り、デフォーカス量がゼロとなるまで焦点調整（ステップＳ２〜Ｓ５）の動作を繰り返す。
【００５５】
そして、ステップＳ５で合焦状態であると判定された場合は、ＣＰＵ９は、ステップＳ７の処理に進み、操作部１４のレリーズボタンが押されたことを検知すると、撮像制御部５を介して撮影動作を実行させる（ステップＳ８）。すなわち、固体撮像素子４からの出力をデジタル信号処理部６を介してメモリ７に格納する。なお、ステップＳ７へ移行した後に所定時間待ってもレリーズボタンが押されたことが検知されない場合は、ＣＰＵ９は、前記測光センサ（図示せず）の出力（被写体の輝度に関する測光情報）を取り込むとともに、撮像制御部５を介した固体撮像素子４の制御によってＡＦ用画素２０Ｌ，２０Ｒからの焦点検出用信号をメモリ７内に格納した後に、ステップＳ２へ戻る。
【００５６】
ステップＳ８の後に、ＣＰＵ９は、ステップＳ８の撮影動作によってメモリ７に格納されたデータのうち、撮影画像用の画素２０Ａの出力に相当するデータを用いて、画像信号を生成する（ステップＳ９）。固体撮像素子４の撮像用画素２０Ａの位置での画像信号は、その撮像用画素２０Ａのデータに基づいて生成される。また、ＡＦ用画素２０Ｌ，２０Ｒの位置での画像信号は、その画素２０Ｌ，２０Ｒの周囲の撮像用画素２０Ａのデータに基づいて公知の補間処理によって生成される。その後、ＣＰＵ９は、前記測光センサ（図示せず）の出力（被写体の輝度に関する測光情報）を取り込むとともに、撮像制御部５を介した固体撮像素子４の制御によってＡＦ用画素２０Ｌ，２０Ｒからの焦点検出用信号をメモリ７内に格納した後に、ステップＳ２へ戻る。
【００５７】
なお、ステップＳ７でＹＥＳと判定される前においてメモリ７に格納された撮像用画素２０Ａの出力に相当するデータによって画像信号を生成し、この画像信号を液晶ビューファインダ等の液晶表示素子（図示せず）に画像表示させてもよい。このとき、前述と同様の補間処理などを行い、焦点検出用画素２０Ｌ，２０Ｒの位置での画像信号を生成して表示させることが好ましい。
【００５８】
なお、ＣＰＵ９は、操作部１４の指令に基づき、ステップＳ９で生成された画像信号に対して、必要に応じて画像処理部１３や画像圧縮部１２にて所望の処理を行い、記録部１１に処理後の信号を出力させ記録媒体１１ａに記録する。
【００５９】
本実施の形態によれば、焦点検出用画素２０Ｌ，２０Ｒが低感度のフォトダイオード４５と高感度のフォトダイオード４６の両方を有しているので、被写体の輝度が低くても高感度のフォトダイオード４６から、ノイズ等に埋もれてしまうことなく焦点検出用信号を適切に得ることができるとともに、被写体の輝度が高くても低感度のフォトダイオード４５から、飽和してしまうことなく焦点検出用信号を適切に得ることができる。このように、本実施の形態によれば、被写体の輝度の変化が大きくても、焦点検出信号を得るダイナミックレンジが広くなるので、低輝度時及び高輝度時のいずれにおいても適切に焦点検出を行うことができる。
【００６０】
そして、本実施の形態では、低感度のフォトダイオード４５と高感度のフォトダイオード４６が両方とも同じ焦点検出用画素に設けられているので、低輝度時と高輝度時とで実質的に同じ位置で焦点検出することができる。
【００６１】
［第２の実施の形態］
図１１は、本発明の第２の実施の形態による固体撮像素子７４の一部拡大概略平面図であり、図４に対応している。図１２（ａ）はＡＦ用画素２０Ｌの主要部を模式的に示す概略平面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）中のＸ７−Ｘ８線に沿った概略断面図であり、それぞれ図６（ａ）及び図６（ｂ）に対応している。図１３（ａ）はＡＦ用画素２０Ｒの主要部を模式的に示す概略平面図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）中のＸ９−Ｘ１０線に沿った概略断面図であり、それぞれ図７（ａ）及び図７（ｂ）に対応している。図１１乃至図１３において、図４、図６及び図７中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
【００６２】
なお、図１２（ａ）及び図１３（ａ）において、フォトダイオード４５に図１２（ｂ）及び図１３（ｂ）中の光減衰部６１と同じハッチングを付すことで、フォトダイオード４５の光入射側に光減衰部６１が設けられていることを示している。
【００６３】
本実施の形態による固体撮像素子７４が前記第１の実施の形態における固体撮像素子４と異なる所は、ＡＦ用画素２０Ｌ，２０Ｒの低感度のフォトダイオード４５に関する構成のみである。本実施の形態による固体撮像素子７４は、前記第１の実施の形態において、固体撮像素子４に代えて用いることができる。
【００６４】
前記固体撮像素子４の低感度のフォトダイオード４５は、高感度のフォトダイオード４６よりも面積が小さくされて有効受光面積が小さくされることによって、フォトダイオード４６よりも感度が低くなっている。これに対し、本実施の形態の固体撮像素子７４の低感度のフォトダイオード４５は、高感度のフォトダイオード４６と面積が同じにされて有効受光面積が同じにされているものの、低感度のフォトダイオード４５の光入射側に光減衰部６１が配置される一方で、高感度のフォトダイオード４６の光入射側には光減衰部６１が配置されないことによって、高感度のフォトダイオード４６よりも感度が低くなっている。
【００６５】
本実施の形態では、光減衰部６１の高さ位置は撮像用画素２０Ａのカラーフィルタ６０と高さ位置と同じになっている。また、光減衰部６１の材料としては、例えば、撮像素子の分光特性に合わせて赤、青、緑の染料を合わせて作られるグレーフィルタや、カラーフィルタ６０を挙げることができる。もっとも、光減衰部６１の高さ位置や材料は特に限定されるものではない。
【００６６】
本実施の形態によっても、前記第１の実施の形態と同様の利点が得られる。
【００６７】
なお、フォトダイオード４５，４６の光入射側にそれぞれ異なる光減衰率を持つ２種類の光減衰部を配置することによって、フォトダイオード４５，４６の感度を異ならせてもよい。また、フォトダイオード４５，４６の有効受光面積を異ならせた上で、フォトダイオード４５，４６のいずれか一方又は両方の光入射側に光減衰部を配置し、それらのトータルとしてフォトダイオード４５，４６の感度を異ならせてもよい。
【００６８】
［第３の実施の形態］
図１４は、本発明の第３の実施の形態による焦点検出装置１０４の一部拡大概略平面図であり、図４に対応している。図１４において、図４中の要素と同一又は対応する要素には同一符号を付し、その重複する説明は省略する。
【００６９】
本実施の形態による焦点検出装置１０４は、前記第１の実施の形態における固体撮像素子４において、撮像用画素２０ＡをＡＦ用画素２０Ｌ，２０Ｒに置き換えたものである。すなわち、本実施の形態による焦点検出装置１０４では、いずれの領域において、ＡＦ用画素２０Ｌ，２０ＲがＸ軸方向に交互に配置されている。もっとも、所望の焦点検出に必要な領域にのみＡＦ用画素２０Ｌ，２０Ｒを形成し、他の領域には、画素２０Ｌ，２０Ｒ，２０Ａを形成しなくてもよい。なお、本発明による焦点検出装置は、例えば、前記第２の実施の形態による固体撮像素子７４において、撮像用画素２０ＡをＡＦ用画素２０Ｌ，２０Ｒに置き換えたものでもよい。
【００７０】
図１５は、図１４に示す焦点検出装置１０４を搭載した撮像装置としての電子カメラ１１１を模式的に示す概略構成図である。この電子カメラ１１１は、一眼レフの電子カメラとして構成されているが、焦点検出装置１０４は、デジタル一眼レフカメラに限らず、例えば、一眼レフ以外の電子カメラや、ビデオカメラなどにおいても用いることができる。
【００７１】
この電子カメラ１１１では、カメラボディ１１２の前方には焦点検出対象となる光学系としての撮影レンズ１１３が装着される。この撮影レンズ１１３の光軸上には、メインミラー１１４及びサブミラー１１５が順に配置されている。メインミラー１１４の反射方向に沿ってマット面１１６およびペンタプリズム１１７が配置されている。ペンタプリズム１１７の後面側には、接眼レンズ１１８及びＡＥ用検出部としての測光部１１９が配置されている。サブミラー１１５の反射方向には、焦点検出装置１０４を固体撮像素子１１０と光学的に対応する位置に配置するための光学系１０５、及び、ＡＦ用センサチップとして焦点検出装置１０４が、順次配置されている。カメラボディ１１２内の後部側には、ミラー１１４，１１５が退避された時に撮影レンズ１１３により結像される被写体像を撮像する固体撮像素子１１０が配置されている。この固体撮像素子１１０としては、例えば、一般的なＣＭＯＳ型やＣＣＤ型などの固体撮像素子を用いることができる。
【００７２】
カメラボディ１１２に設けられた操作部（図示せず）、測光部１１９および焦点検出装置１０４は、カメラボディ１１２内に配置されたＣＰＵ１１３に接続されている。なお、前記第１の実施の形態において、固体撮像素子４に対して撮像制御部５、デジタル信号処理部６、メモリ７及び焦点演算部１０が設けられているのと同様の要素が、焦点検出装置１０４に対しても同様に設けられるが、図１５では、それらの図示は省略している。また、ＣＰＵ１１３には、撮影レンズ１１３を前後に繰り出すモータ１２０が接続されている。
【００７３】
このカメラ１１１では、焦点検出装置１０４からの焦点検出用信号に基づいてＡＦ動作を実現することができる。
【００７４】
そして、本実施の形態による焦点検出装置１０４では、前記第１の実施の形態における固体撮像素子４と同様に、被写体の輝度の変化が大きくても、焦点検出信号の得るダイナミックレンジが広くなるので、低輝度時及び高輝度時のいずれにおいても適切に焦点検出を行うことができる。また、本実施の形態による焦点検出装置１０４では、前記第１の実施の形態における固体撮像素子４と同様に、低感度のフォトダイオード４５と高感度のフォトダイオード４６が両方とも同じ焦点検出用画素に設けられているので、低輝度時と高輝度時とで実質的に同じ位置で焦点検出することができる。
【００７５】
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
【００７６】
例えば、画素２０の構成は、前述した図８や図９に示す構成に限らない。例えば、列方向に隣り合う複数の画素２０毎に、当該複数の画素２０が１組のフローティング容量部４７、増幅トランジスタ４９、リセットトランジスタ５０及び選択トランジスタ５１を共有してもよい。
【００７７】
また、例えば、前記各実施の形態において、有効画素領域２１内において、Ｘ軸方向に延びた焦点検出領域の他に、Ｙ軸方向に延びた焦点検出領域を追加してもよいし、Ｘ軸方向に延びた焦点検出領域を設けずに、Ｙ軸方向に延びた焦点検出領域を設けてもよい。これらの場合には、例えば、Ｙ軸方向に延びた焦点検出領域において、ＡＦ用画素２０ＬをＺ軸回りに９０゜右回転させたＡＦ用画素と、ＡＦ用画素２０ＲをＺ軸回りに９０゜右回転させたＡＦ用画素とを、Ｙ軸方向に交互に配置すればよい。
【００７８】
また、本発明では、白黒用として構成してもよく、その場合には撮像用画素２０Ａにカラーフィルタを設けなくてよい。また、カラー用として構成する場合であっても、前述したようなベイヤー配列に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００７９】
１  電子カメラ
４，７４  固体撮像素子
２０Ａ  撮像用画素
２０Ｌ，２０Ｒ  ＡＦ用画素
フォトダイオード  ４１，４５，４６
１０４  焦点検出装置
【図１】
2014165778.tif 000003
【図２】
2014165778.tif 000004
【図３】
2014165778.tif 000005
【図４】
2014165778.tif 000006
【図５】
2014165778.tif 000007
【図６】
2014165778.tif 000008
【図７】
2014165778.tif 000009
【図８】
2014165778.tif 000010
【図９】
2014165778.tif 000011
【図１０】
2014165778.tif 000012
【図１１】
2014165778.tif 000013
【図１２】
2014165778.tif 000014
【図１３】
2014165778.tif 000015
【図１４】
2014165778.tif 000016
【図１５】
2014165778.tif 000017