(57)【要約】【課題】焦点検出精度の維持と画像解像度の向上を実現する。【解決手段】入射光に応じて電荷を発生する電荷蓄積型の光電変換部６００、６２２、６２３と、該光電変換部の電荷蓄積制御および電荷の読み出し制御を行う第１回路部６０１、６１１とを有する画素が二次元状に配列された撮像素子であって、複数の画素の内の一群の画素の光電変換部６２２、６２３は、他の画素の光電変換部６００よりも小さく、他の画素の光電変換部６００と一群の画素の光電変換部６２２、６２３との大きさの違いにより生じた領域に一群の画素を制御するための第２回路部６１０、６２０を形成する。【選択図】図２１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光に応じて電荷を発生する電荷蓄積型の光電変換部と、該光電変換部の電荷蓄積制御および前記電荷の読み出し制御を行う第１回路部とを有する画素が二次元状に配列された撮像素子であって、
複数の前記画素の内の一群の画素の前記光電変換部は、他の画素の前記光電変換部よりも小さく、前記他の画素の光電変換部と前記一群の画素の光電変換部との大きさの違いにより生じた領域に前記一群の画素を制御するための第２回路部を形成することを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
請求項１に記載の撮像素子において、
前記他の画素の少なくとも一部は、前記第１光電変換部の電荷蓄積タイミングが異なり、前記一群の画素は、前記第２回路部によって前記第２光電変換部の電荷蓄積タイミングを同期させることを特徴とする撮像素子。
【請求項３】
請求項１に記載の撮像素子は、前記画素の配列方向に沿ったラインごとに異なる電荷蓄積タイミングで電荷蓄積が制御され、電荷蓄積終了後に各ラインごとに信号が読み出される撮像素子であって、
前記一群の画素は異なる前記ラインにまたがって配置されており、前記第２回路部は、前記一群の画素の電荷蓄積タイミングを同一に制御することを特徴とする撮像素子。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の撮像素子において、
前記一群の画素は焦点検出用画素であり、
結像光学系の射出瞳を通過した対の光束の内の一方の光束を受光する第１光電変換部を有する第１焦点検出用画素と、他方の光束を受光する第２光電変換部を有する第２焦点検出用画素とが交互に配列されることを特徴とする撮像素子。
【請求項５】
請求項２または請求項３に記載の撮像素子において、
前記第２回路部には、電荷を一時的に保持する電荷保持部が含まれることを特徴とする撮像素子。
【請求項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、
前記各画素はマイクロレンズを有することを特徴とする撮像素子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の撮像素子は、ＣＭＯＳイメージセンサーであることを特徴とする撮像素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の撮像素子と、
前記一群の画素から出力される信号に基づいて結像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。
【請求項９】
請求項８に記載の焦点検出装置と、
前記焦点検出手段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、
前記撮像素子により撮像した画像を記録する記録手段とを備え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】
本発明は撮像素子、焦点検出装置および撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
瞳分割型位相差検出方式の焦点検出用画素が画面中央に配置された撮像素子を用い、撮像機能と焦点検出機能とを一つの撮像素子で実現するようにした焦点検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
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。
【特許文献１】特開平０１−２１６３０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、例えばＣＭＯＳのように画素が配置される場所によって電荷蓄積タイミングが異なる撮像素子では、すべての焦点検出用画素の電荷蓄積タイミングが同一にならないことがあり、電荷蓄積期間中に移動する被写体に対しては、焦点検出用画素の出力信号により求めた焦点検出精度が低下してしまうという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）  請求項１の発明は、入射光に応じて電荷を発生する電荷蓄積型の光電変換部と、該光電変換部の電荷蓄積制御および電荷の読み出し制御を行う第１回路部とを有する画素が二次元状に配列された撮像素子であって、複数の画素の内の一群の画素の光電変換部は、他の画素の光電変換部よりも小さく、他の画素の光電変換部と一群の画素の光電変換部との大きさの違いにより生じた領域に一群の画素を制御するための第２回路部を形成する。
（２）  請求項２の撮像素子の他の画素の少なくとも一部は、第１光電変換部の電荷蓄積タイミングが異なり、一群の画素は、第２回路部によって第２光電変換部の電荷蓄積タイミングを同期させる。
（３）  請求項３の撮像素子は、画素の配列方向に沿ったラインごとに異なる電荷蓄積タイミングで電荷蓄積が制御され、電荷蓄積終了後に各ラインごとに信号が読み出される撮像素子であって、一群の画素は異なるラインにまたがって配置されており、第２回路部は、一群の画素の電荷蓄積タイミングを同一に制御する。
（４）  請求項４の撮像素子の一群の画素は焦点検出用画素であり、結像光学系の射出瞳を通過した対の光束の内の一方の光束を受光する第１光電変換部を有する第１焦点検出用画素と、他方の光束を受光する第２光電変換部を有する第２焦点検出用画素とが交互に配列される。
（５）  請求項５の撮像素子の第２回路部には、電荷を一時的に保持する電荷保持部が含まれる。
（６）  請求項６の撮像素子は、各画素がマイクロレンズを有する。
（７）  請求項７の撮像素子は、ＣＭＯＳイメージセンサーである。
（８）  請求項８の発明は、請求項１〜７のいずれか１項に記載の撮像素子と、一群の画素から出力される信号に基づいて結像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焦点検出装置である。
（９）  請求項８に記載の焦点検出装置と、焦点検出手段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、撮像素子により撮像した画像を記録する記録手段とを備える撮像装置である。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、画素を大きくすることなく、一群の画素において電荷蓄積タイミングの同時性を維持して焦点検出精度の低下を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
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。
【０００８】
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の焦点調節と絞り２１１の開口径調節のための駆動制御や、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。絞り２１１は、光量およびボケ量調整のために光軸中心に開口径が可変な開口を形成する。
【０００９】
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。
【００１０】
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と、焦点検出信号に基づく焦点検出演算と交換レンズ２０２の焦点調節を繰り返し行うとともに、画像信号の処理と記録、カメラの動作制御などを行う。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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
図２は一実施の形態の撮影画面上の焦点検出位置を示す図であり、焦点検出用画素列が焦点検出の際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の中央に焦点検出エリア１０１が垂直方向に配置された例を示す。長方形で示す焦点検出エリアの長手方向に、焦点検出用画素が直線的に配列される。ここで、図１に示す一実施の形態の撮像素子２１２はＣＭＯＳイメージセンサー（相補性金属酸化膜半導体イメージセンサー）であり、ローリングシャッタ方式により水平方向に配列した画素配列ラインごとに電荷蓄積制御を行うため、画面矢印方向に露光タイミング（電荷蓄積タイミング）がずれる。
【００１８】
図３は撮像素子２１２の詳細な構成を示す正面図であり、撮像素子２１２上の焦点検出エリア近傍を拡大して示す。撮像素子２１２の縦横（画素の行、列）は、図２に示す撮影画面の縦横と対応している。撮像素子２１２は撮像用画素３１０と焦点検出用画素３１２、３１３から構成され、図２に示す焦点検出エリア１０１には焦点検出用画素３１２と３１３が交互に垂直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ＲとＧが配置されるべき画素位置に直線的に配置されている
【００１９】
図４は撮像用画素３１０の正面図である。撮像用画素３１０は、マイクロレンズ１０、光電変換部１１および不図示の色フィルターから構成される。色フィルターは赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３種類からなり、それぞれの分光感度は図６に示すものとなっている。図３に示すように、Ｒ、Ｇ、Ｂフィルターを備えた撮像用画素３１０がベイヤー配列されている。
【００２０】
図５は焦点検出用画素３１２、３１３の正面図である。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はマイクロレンズ１０の水平２等分線に下辺を略接する長方形状である。一方、図５(ｂ)に示すように、焦点検出用画素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はマイクロレンズ１０の水平２等分線に上辺を略接する長方形状である。
【００２１】
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上下垂直方向に並んでおり、マイクロレンズ１０の水平２等分線に関して対称な形状をしている。撮像素子２１２には、焦点検出用画素３１２と焦点検出用画素３１３とが垂直方向（光電変換部１２と１３の並び方向）に交互に配置されている。
【００２２】
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図７に示すような分光特性となり、緑画素、赤画素および青画素の分光特性（図６参照）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、赤画素および青画素の感度の光波長領域を包括している。
【００２３】
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２０２（図１参照）の射出瞳（例えば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る。一方、焦点検出用画素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２０２の射出瞳の所定の領域（例えば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。
【００２４】
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、色フィルター（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。
【００２５】
図９(ａ)は焦点検出用画素３１２の断面図である。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が配置され、マイクロレンズ１０により光電変換部１２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。光電変換部１２はマイクロレンズ１０の光軸の片側に配置される。
【００２６】
図９(ｂ)は焦点検出用画素３１３の断面図である。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が配置され、マイクロレンズ１０により光電変換部１３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の製造工程により一体的かつ固定的に形成される。光電変換部１３は、マイクロレンズ１０の光軸の片側でかつ光電変換部１２の反対側に配置される。
【００２７】
図１０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である。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射出瞳である。なお、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の間の距離などに応じて決まる値であって、この明細書では測距瞳距離と呼ぶ。
【００２８】
９１は交換レンズ２０２の光軸、１０ａ〜１０ｃはマイクロレンズ、１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂは光電変換部、３１２ａ、３１２ｂ、３１３ａ、３１３ｂは焦点検出用画素、７２，７３、８２，８３は焦点検出用光束である。９２は、マイクロレンズ１０ａ、１０ｃにより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呼ぶ。また、９３は、マイクロレンズ１０ｂ、１０ｄにより投影された光電変換部１３ａ、１３ｂの領域であり、この明細書では測距瞳と呼ぶ。なお、図１０ではわかりやすくするために領域９２、９３を楕円形で示しているが、実際は光電変換部の形状が拡大投影された形状になる。
【００２９】
図１０では、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から各マイクロレンズに到来する焦点検出用光束を受光する。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。
【００３０】
マイクロレンズ１０ａ〜１０ｃ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〜１０ｃ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〜１０ｃ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。
【００３１】
光電変換部１２ａは、測距瞳９２を通過してマイクロレンズ１０ａに向う光束７２によってマイクロレンズ１０ａ上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。光電変換部１２ｂは、測距瞳９２を通過してマイクロレンズ１０ｃに向う光束８２によってマイクロレンズ１０ｃ上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。光電変換部１３ａは、測距瞳９３を通過してマイクロレンズ１０ｂに向う光束７３によってマイクロレンズ１０ｂ上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。光電変換部１３ｂは、測距瞳９２を通過してマイクロレンズ１０ｄに向う光束８３によってマイクロレンズ１０ｄ上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。
【００３２】
上記のような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。
【００３３】
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。なお、上述した説明では測距瞳が絞り開口によって制限されていない状態としたが、実際には測距瞳は絞り開口によって制限された形状と大きさになる。
【００３４】
図１１は、瞳分割型位相差検出方式におけるデフォーカス量と像ずれ量の関係を説明するための図である。図１１(ａ)において、光学系の射出瞳面９０で測距瞳９２、９３に分割され、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上にあって図１１の紙面に垂直な方向の線パターン（黒地に白線）を光学系により結像させた場合に、合焦面Ｐ０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１１(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。
【００３５】
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１１(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１１(ｄ)に示すように図１１(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）を検出できる。
【００３６】
図１２は撮像用画素と射出瞳との関係を説明するための図である。なお、図１０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。７０はマイクロレンズ、７１は撮像用画素の光電変換部、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。図１２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。
【００３７】
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、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を通過してマイクロレンズ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。このように、撮像用画素を２次元状に多数配置することによって、各画素の光電変換部に基づいて画像情報が得られる。なお、上述した説明では領域９４は絞り開口によって制限されていない状態としたが、実際には領域９４は絞り開口によって制限された形状と大きさになる。
【００３８】
図１３は射出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射出瞳面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射出瞳面９０に投影した領域９４の内部に包含される。実際に、撮像用画素と焦点検出用画素の光電変換部が受光する光束は、領域９４と測距瞳９２，９３を交換レンズ２０２（図１参照）の絞り開口で絞り込んだ領域を通過する光束となる。
【００３９】
図１４は、図１に示したデジタルスチルカメラ（撮像装置）の撮像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２０１の電源が投入されるとこの撮像動作を開始する。ステップ１１０で撮像素子駆動制御回路（不図示、ボディ駆動制御粗２１４に内蔵）に対し指令を出し、撮像素子２１２に周期動作を開始させる。ステップ１２０では測光センサー（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、操作部材（不図示）により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するとともに、画像データが適切なレベルのデータとなるように撮像素子２１２の露光時間制御を行う。
【００４０】
ステップ１３０において撮像素子２１２から画素データを読み出し、続くステップ１４０で撮像用画素データを電子ビューファインダーに表示する。ステップ１５０では焦点検出用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、像ズレ量を求めてデフォーカス量を算出する。ステップ１６０においてデフォーカス量の絶対値が所定値以内であるか、すなわち合焦か否か判別する。合焦していないと判別した場合はステップ１７０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のフォーカシングレンズ２１０を合焦位置に駆動させ、ステップ１２０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のフォーカシングレンズ２１０を無限から至近の間でスキャン駆動させ、ステップ１２０へ戻って上述した動作を繰り返す。
【００４１】
一方、合焦していると判別された場合はステップ１８０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、なされていないと判別された場合はステップ１２０へ戻って上述した動作を繰り返す。シャッターレリーズがなされたと判別された場合はステップ１９０へ進み、焦点検出用画素列の各画素位置の画素データを、焦点検出用画素のデータと周囲の撮像用画素のデータとに基づいて補間する。続くステップ２００で撮像用画素のデータと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。
【００４２】
図１５は、図１４のステップ１５０で実行される像ズレ検出演算処理（相関演算処理）の詳細を説明するための図である。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処理を施して第１データ列Ａ１〜ＡＮと第２データ列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  ・・・（１）
（１）式において、ｎ＝１〜Ｎである。
【００４３】
データ列Ａｎ、Ｂｎに対し（２）式に示す相関演算式を用いて相関量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１５(ａ)に示すように、一対のデータの相関が高いシフト量（図１５(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。
【００４４】
次に、（３）〜（６）式による３点内挿の手法を用い、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）
【００４５】
（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１５(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)が所定のしきい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１５(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。
【００４６】
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（焦点検出用画素のピッチ）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によって決まる変換係数である。一対の測距瞳を通過する光束の重心の開き角の大きさは、交換レンズ２０２（図１参照）の絞り２１１の開口の大きさ（絞り値）に応じて変化するので、レンズ情報に応じて決定される。
【００４７】
次に、撮像素子２１２の構成と動作について詳細に説明する。図１６は撮像素子２１２の周期動作を示すタイミングチャートであり、図１７は撮像素子２１２の回路構成を示す図である。なお、これらの図では説明を分かりやすくするために、撮像素子２１２は４画素×４画素（４行４列）とし、焦点検出用画素は各行の２列目に配置するとして説明する。一実施の形態の撮像素子２１２はＣＭＯＳイメージセンサーであり、撮像用画素からの画像信号の読出しはローリングシャッター方式で行われる。
【００４８】
各行において撮像用画素の光電変換部の電荷蓄積（露光）とそれに続く読出しがシーケンシャルに交互に行われる。撮像用画素の画像信号の読出しは１行目、２行目、３行目、４行目の順で行われ、この読出し動作が所定の周期で繰り返し行われる。各行の焦点検出用画素の光電変換部の電荷蓄積（露光）は同時に行われ、電荷蓄積終了から各行の読出しが行われるまでの間は各焦点検出用画素で蓄積された電荷は各焦点検出用画素の内部で保持（メモリ）される。
【００４９】
このような動作シーケンスを実行することによって、撮像用画素の画像信号をローリングシャッター方式により所定周期で読み出しながらも、すべての焦点検出用画素の電荷蓄積タイミングを同一にするとともに、撮像用画素の電荷蓄積タイミングとは独立にすることができる。これにより、ＥＶＦ(電気的ビューファインダー）のリフレッシュ周期を一定に保ち、かつ焦点検出用画素の電荷蓄積タイミングの同時性を維持しながら、独立に焦点検出動作を実行することが可能になる。なお、低輝度時に焦点検出用画素の電荷蓄積時間を撮像用画素の周期より長く設定したい場合には、焦点検出用画素の信号読出しを撮像用画素の周期の整数倍にすることにより対応することができる。
【００５０】
図１７において、上述したように撮像素子２１２は４画素×４画素のレイアウトになっており、焦点検出用画素は各行の２列目に配置され、その他は撮像用画素である。信号保持部７０１は１行分の画素の画像信号を一時的保持するバッファであり、垂直信号線５０１に出力されている画像信号を垂直走査回路７０２が発する制御信号ΦＨに基づいてラッチする。撮像用画素の電荷蓄積は、蓄積制御回路７０３が発する制御信号（ΦＲ１〜ΦＲ４）により行ごとに独立に制御される。一方、焦点検出用画素の電荷蓄積は、焦点検出画素制御回路７０４が発する制御信号ΦＴａ、ΦＴｂにより制御される。
【００５１】
撮像用画素および焦点検出用画素からの画像信号の出力は、垂直走査回路７０２が発する制御信号（ΦＳ１〜ΦＳ４）により行ごとに独立に制御される。制御信号により選択された行の画素の画像信号は垂直信号線５０１に出力される。信号保持部７０１に保持された画像信号は水平走査回路７０５が発する制御信号（ΦＶ１〜ΦＶ４）により、順次出力回路７０６に転送され、設定された増幅度で増幅されて撮像素子２１２の外部へ出力される。
【００５２】
図１８は、図１７に示す撮像用画素の詳細な回路を示す図である。光電変換部はフォトダイオード（ＰＤ）で構成される。ＰＤで蓄積された電荷は浮遊拡散層（フローティングディフュージョン：ＦＤ）に蓄積される。ＦＤは増幅ＭＯＳトランジスタ（ＡＭＰ）のゲートに接続されており、ＡＭＰはＦＤに蓄積された電荷の量に応じた信号を発生する。ＦＤ部はリセットＭＯＳトランジスタ５１０を介して電源電圧Ｖｄｄに接続されており、制御信号ΦＲｎ（ΦＲ１〜ΦＲ４、ΦＲａ）によりリセットＭＯＳトランジスタ５１０がＯＮすると、ＦＤおよびＰＤに溜まった電荷がクリアされリセット状態（電荷蓄積開始スタンバイ状態）になる。ＡＭＰの出力は行選択ＭＯＳトランジスタ５１２を介して垂直出力線５０１に接続されており、制御信号ΦＳｎ（ΦＳ１〜ΦＳ４）により行選択ＭＯＳトランジスタ５１２がＯＮすると、ＡＭＰの出力が垂直出力線５０１に出力される。
【００５３】
図１９は、図１７に示す焦点検出用画素の詳細な回路を示す図である。光電変換部はフォトダイオード（ＰＤ）で構成される。ＰＤで蓄積された電荷は、転送制御信号ΦＴｂにより制御される転送ＭＯＳトランジスタ５２１を介して浮遊拡散層（フローティングディフュージョン：ＦＤ）に転送される。ＦＤは増幅ＭＯＳトランジスタ（ＡＭＰ）のゲートに接続されており、ＡＭＰはＦＤに蓄積された電荷の量に応じた信号を発生する。ＦＤ部はリセットＭＯＳトランジスタ５１０を介して電源電圧Ｖｄｄに接続されており、制御信号ΦＲｎ（ΦＲ１〜ΦＲ４、ΦＲａ）によりリセットＭＯＳトランジスタ５１０がＯＮすると、ＦＤに溜まった電荷がクリアされる。
【００５４】
ＰＤ部は転送ＭＯＳトランジスタ５２０を介して電源電圧Ｖｄｄに接続されており、転送制御信号ΦＴａにより転送ＭＯＳトランジスタ５２０がＯＮすると、ＰＤに溜まった電荷がクリアされリセット状態（電荷蓄積開始スタンバイ状態）になる。ＡＭＰの出力は行選択ＭＯＳトランジスタ５１２を介して垂直出力線５０１に接続されており、制御信号ΦＳｎ（ΦＳ１〜ΦＳ４）により行選択ＭＯＳトランジスタ５１２がＯＮすると、ＡＭＰの出力が垂直出力線５０１に出力される。
【００５５】
図２０は、図１７に示す撮像素子２１２の動作タイミングチャートである。１行目の撮像用画素は垂直走査回路７０２が発する制御信号ΦＳ１により選択され、選択された撮像用画素の画像信号は垂直信号線５０１に出力される。制御信号ΦＳ１と同期して発せられる制御信号ΦＨにより垂直信号線５０１に出力された１行目の画像信号は、信号保持部７０１に一時的に保持される。信号保持部７０１に保持された１行目の撮像用画素の画像信号は、水平走査回路７０５から順次発せられる制御信号ΦＶ１〜ΦＶ４にしたがって出力回路７０６へ転送され、設定された増幅度で増幅されて外部へ出力される。
【００５６】
１行目の撮像用画素の画像信号の信号保持部７０１への転送が終了した時点で、蓄積制御回路７０３より発せられる制御信号ΦＲ１により１行目の撮像用画素がリセットされ、１行目の撮像用画素の次の電荷蓄積が開始される。１行目の撮像用画素の画像信号の出力回路からの出力が終了した時点で、２行目の撮像用画素が垂直走査回路７０２が発する制御信号ΦＳ２により選択され、選択された撮像用画素の画像信号は垂直信号線５０１に出力される。以下同様にして２行目の撮像用画素のリセットおよび電荷蓄積が行われる。続いて３行目、４行目と撮像用画素の出力、リセットおよび電荷蓄積が行われる。そして再び１行目に戻って上述した動作が繰り返される。
【００５７】
１行目の撮像用画素の画像信号は、制御信号ΦＲ１の立下りから制御信号ΦＳ１の立ち上がりまでの時間Ｔ１（電荷蓄積時間）にＰＤで電荷蓄積された電荷量に対応している。２行目の撮像用画素の画像信号は、制御信号ΦＲ２の立下りから制御信号ΦＳ２の立ち上がりまでの時間Ｔ２（電荷蓄積時間）にＰＤで電荷蓄積された電荷量に対応している。また、３行目の撮像用画素の画像信号は、制御信号ΦＲ３の立下りから制御信号ΦＳ３の立ち上がりまでの時間Ｔ３（電荷蓄積時間）にＰＤで電荷蓄積された電荷量に対応している。さらに、４行目の撮像用画素の画像信号は、制御信号ΦＲ４の立下りから制御信号ΦＳ４の立ち上がりまでの時間Ｔ４（電荷蓄積時間）にＰＤで電荷蓄積された電荷量に対応している。
【００５８】
各行の焦点検出用画素においては、転送制御信号ΦＴａの立下りから転送制御信号ΦＴｂの立ち上がりまでの時間Ｔｘ（電荷蓄積時間）にＰＤで電荷蓄積された電荷量が、転送制御信号ΦＴｂの立ち上がりにより各焦点検出用画素の内部メモリに転送され保持されるとともに、内部メモリへの電荷転送終了後の転送制御信号ΦＴａの立上がりによりＰＤはリセット状態となる。各行の焦点検出用画素の内部メモリに保持された画像信号は、各行を選択する制御信号ΦＳｎの立ち上がりに応じて行ごとに垂直出力線に出力される。
【００５９】
図２１は、撮像素子２１２の一部（撮像用画素の２画素と焦点検出用画素の２画素）の拡大レイアウトを示した平面図であって、破線はマイクロレンズを示している。４つの画素はそれぞれ各種制御信号線、電源線を通すための水平方向配線領域６３０、および垂直方向配線領域６４０により周囲を囲まれている。撮像用画素は、マイクロレンズ６０２の直下にあるＰＤを配置する領域６００と、ＰＤを制御するための回路（増幅ＭＯＳトランジスタ、行選択ＭＯＳトランジスタ、リセットＭＯＳトランジスタおよび配線）を配置する領域６０１からなる。撮像用画素のサイズをできる限り小さくするために、水平方向配線領域６３０および垂直方向配線領域６４０により周囲を囲まれ範囲に領域６００と領域６０１が隙間なくレイアウトされている。
【００６０】
焦点検出用画素は、マイクロレンズ６１２の直下にあるＰＤを配置する領域６２２、６２３と、ＰＤの電荷蓄積制御を行うための制御回路（転送ＭＯＳトランジスタおよび配線）を配置する領域６１０、６２０と、画像出力を読み出すための回路（撮像用画素の回路と同一の構成であって、増幅ＭＯＳトランジスタ、行選択ＭＯＳトランジスタ、リセットＭＯＳトランジスタおよび配線）を配置する領域６１１からなる。焦点検出用画素内の領域６１１のサイズおよび画素内でのレイアウトは、撮像用画素内の領域６０１と同一である。焦点検出用画素内の領域６２２、６２３のサイズは、撮像用画素内の領域６００より縮小されている。これは図１３に示したように焦点検出用画素が受光する光束の領域（測距瞳９２，９３のサイズ）が、撮像用画素が受光する光束の領域９４より小さいことに対応している。領域６２２、６２３のサイズを領域６００より縮小したことにより生ずる領域に、領域６１０，６２０がレイアウトされる。
【００６１】
このように、画素配列ラインごとに異なる電荷蓄積タイミングで電荷蓄積が制御され、電荷蓄積終了後に各画素配列ラインごとに画像信号が読み出される撮像素子でも、異なる画素配列ラインにまたがって配列される一群の焦点検出用画素において、光電変換部（図２１のＰＤを配置する領域６２２、６２３）のサイズを縮小するとともに、これにより生じた領域６１０、６２０に一群の焦点検出用画素の電荷蓄積タイミングを同一にするための回路部を形成するようにしたので、一群の焦点検出用画素において電荷蓄積タイミングの同時性を維持することができ、焦点検出精度の低下を防止することができる上に、画素サイズを縮小して画像の解像度を向上させることができる。つまり、ＣＭＯＳイメージセンサーのように、画素ごとに電荷蓄積タイミングを任意に制御できない撮像素子でも、焦点検出精度の維持と画像解像度の向上を同時に実現できる。
【００６２】
図２２は撮像用画素の回路レイアウト図である。領域６００にはＰＤが配置され、領域６０１には増幅ＭＯＳトランジスタ５１１、行選択ＭＯＳトランジスタ５１２、リセットＭＯＳトランジスタ５１０および配線が配置される。
【００６３】
図２３および図２４は焦点検出用画素の回路レイアウト図である。領域６２２、６２３にはＰＤが配置される。また、領域６１１には増幅ＭＯＳトランジスタ５１１、行選択ＭＯＳトランジスタ５１２、リセットＭＯＳトランジスタ５１０および配線が配置される。さらに、領域６１０、６２０には転送ＭＯＳトランジスタ５２０，５２１が配置される。
【００６４】
図２５は、図２３および図２４に示す焦点検出用画素の構造断面図である。焦点検出用画素は、光の入射方向からマイクロレンズ、アルミ遮光膜４１０、配線と電極類、電気的絶縁層４１１（酸化シリコン膜）、シリコン半導体基板（Ｐ型シリコン）から構成される。マイクロレンズで集光された光線は、遮光膜４１０、絶縁層４１１に形成された開口部を通過して半導体基板に入射する。光線が入射する半導体部分の表面にはｎ＋領域が形成されており、フォトダイオードＰＤを構成している。
【００６５】
ＰＤに隣接してｎ−領域が形成されており、絶縁層４１１を挟んで配置される制御信号ΦＴａが印加される電極、制御信号ΦＴｂが印加される電極とともに、転送ＭＯＳトランジスタ５２０、転送ＭＯＳトランジスタ５２１を構成する。転送ＭＯＳトランジスタ５２１を構成するｎ−領域に隣接してフローティングディフュージョンを構成するｎ＋領域が形成される。ＦＤはＡＭＰのゲートに接続される。ＦＤに隣接してｎ−領域が形成されており、絶縁層４１１を挟んで配置される制御信号ΦＲｎが印加される電極とともに、リセットＭＯＳトランジスタ５１０を構成する。リセットＭＯＳトランジスタ５１０および転送ＭＯＳトランジスタ５２０を構成するｎ−領域に隣接してｎ＋＋領域が形成されており、この領域に電源電圧Ｖｄｄが接続される。
【００６６】
図２６は、１行目の焦点検出用画素の電荷蓄積と信号出力動作サイクルを示すポテンシャル図である（図２０、図２５参照）。図２６(ａ)は、時刻ｔ０（図２０参照）におけるＰＤとＦＤのリセット(待機状態＝非電荷蓄積）状態を示す。この状態では、制御信号ΦＴａがハイ状態（Ｈ、ＯＮ）、制御信号ΦＴｂ、ΦＲ１がロー状態（Ｌ、ＯＦＦ）となっており、ＰＤに発生した電荷は電源電圧Ｖｄｄに排出される。次に、図２６(ｂ)は、時刻ｔ１におけるＰＤの電荷蓄積状態である。この状態では、制御信号ΦＴａ、ΦＴｂ、ΦＲ１がロー状態（Ｌ、ＯＦＦ）となっており、ＰＤに発生した電荷はＰＤに蓄積される。
【００６７】
図２６(ｃ)は、時刻ｔ５におけるＰＤで蓄積された電荷のＦＤへの転送状態を示す。制御信号ΦＴｂはハイ状態（Ｈ、ＯＮ）、制御信号ΦＴａ、ΦＲ１はロー状態（Ｌ、ＯＦＦ）となっており、ＰＤに蓄積された電荷はＦＤに転送される。その後、不図示の行選択信号ΦＳ１がハイ状態（Ｈ、ＯＮ）となり、ＦＤに転送された電荷量に応じた画素信号が垂直出力線に出力される。図２６(ｄ)は、時刻ｔ６におけるＰＤのリセット(待機状態＝非電荷蓄積）状態を示す。制御信号ΦＴａはハイ状態（Ｈ、ＯＮ）、制御信号ΦＴｂ、ΦＲ１はロー状態（Ｌ、ＯＦＦ）となっており、ＰＤに発生した電荷は電源電圧Ｖｄｄに排出される。図２６(ｅ)は、時刻ｔ７におけるＰＤのリセット(待機状態＝非電荷蓄積）状態を示す。制御信号ΦＲ１はハイ状態（Ｈ、ＯＮ）、制御信号ΦＴａ、ΦＴｂはロー状態（Ｌ、ＯＦＦ）となっており、ＦＤに転送された電荷は電源電圧Ｖｄｄに排出される。
【００６８】
図２７は、３行目の焦点検出用画素の電荷蓄積と信号出力動作サイクルを示すポテンシャル図（図２０、図２５参照）である。図２７(ａ)は、時刻ｔ０におけるＰＤのリセット(待機状態＝非電荷蓄積）状態を示す。制御信号ΦＴａはハイ状態（Ｈ、ＯＮ）、制御信号ΦＴｂ、ΦＲ３はロー状態（Ｌ、ＯＦＦ）となっており、ＰＤに発生した電荷は電源電圧Ｖｄｄに排出される。図２７(ｂ)は、時刻ｔ２におけるＰＤの電荷蓄積状態を示す。制御信号ΦＴａ、ΦＴｂ、ΦＲ３はロー状態（Ｌ、ＯＦＦ）となっており、ＰＤに発生した電荷はＰＤに蓄積される。この間に行選択信号ΦＳ３がハイ状態（Ｈ、ＯＮ）となり、ＦＤに転送されていた電荷量に応じた画素信号が垂直信号線に出力される。
【００６９】
図２７(ｃ)は、時刻ｔ３におけるＦＤのリセット、ＰＤの電荷蓄積状態を示す。制御信号ΦＲ３はハイ状態（Ｈ、ＯＮ）、制御信号ΦＴａ、ΦＴｂはロー状態（Ｌ、ＯＦＦ）となっており、ＦＤに転送されていた電荷は電源電圧Ｖｄｄに排出される。図２７(ｄ)は、時刻ｔ４におけるＰＤの電荷蓄積状態を示す。制御信号ΦＴａ、ΦＴｂ、ΦＲ１はロー状態（Ｌ、ＯＦＦ）となっており、ＰＤに発生した電荷はＰＤに蓄積される。図２７(ｅ)は、時刻ｔ５におけるＰＤで蓄積された電荷のＦＤへの転送状態を示す。制御信号ΦＴｂはハイ状態（Ｈ、ＯＮ）、制御信号ΦＴａ、ΦＲ１はロー状態（Ｌ、ＯＦＦ）となっており、ＰＤに蓄積された電荷はＦＤに転送される。
【００７０】
図２６および図２７に示したように、各行の焦点検出用画素の電荷蓄積タイミングは、制御信号ΦＴａ、ΦＴｂにより同一タイミングで制御されるが、垂直出力線への画素信号の読出しは行選択信号ΦＳｎにより異なるタイミングで行われる。
【００７１】
《発明の実施の形態の変形例》
図２８および図２９は撮像用画素および焦点検出用画素の詳細な回路図である。撮像用画素および焦点検出用画素の回路構成は、図１８および図１９に示した回路構成に限定されず、例えば図２８および図２９に示すような回路構成としてもよい。図１８および図１９に示す回路構成では、ＡＭＰの出力が行選択ＭＯＳトランジスタ５１２を介して垂直出力線５０１に接続されており、制御信号ΦＳｎ（ΦＳ１〜ΦＳ４）により行選択ＭＯＳトランジスタ５１２がＯＮすると、ＡＭＰの出力が垂直出力線５０１に出力される構成になっている。これに対し図２８および図２９に示す変形例の回路構成では、ＰＤとＦＤの間に行選択ＭＯＳトランジスタ５１２を配置するとともに、ＡＭＰの出力は直接垂直出力線５０１に接続されており、制御信号ΦＳｎ（ΦＳ１〜ΦＳ４）により行選択ＭＯＳトランジスタ５１２がＯＮするとＰＤで蓄積された電荷がＦＤに転送され、これに応じてＡＭＰの出力が垂直出力線５０１に出力される構成になっている。
【００７２】
図３０は、図２８および図２９の回路構成を持つ図１７に示す撮像素子の動作タイミングチャートである。１行目の撮像用画素は、垂直走査回路７０２が発する制御信号ΦＳ１立ち上がりにより選択され、選択された撮像用画素の画像信号が垂直信号線５０１に出力される。制御信号ΦＳ１の立ち上がりと同期して発せられる制御信号ΦＨによって、垂直信号線５０１に出力された１行目の画像信号は信号保持部７０１に一時的に保持される。
信号保持部７０１に保持された１行目の撮像用画素の画像信号は、水平走査回路７０５から順次発せられる制御信号ΦＶ１〜ΦＶ４にしたがって出力回路７０６へ転送され、出力回路７０６で設定された増幅度で増幅されて外部へ出力される。
【００７３】
１行目の撮像用画素の画像信号の信号保持部７０１への転送が終了した時点で、蓄積制御回路７０３より発せられる制御信号ΦＲ１の立ち上がりにより１行目の撮像用画素のＰＤとＦＤがリセットされ、その後、制御信号ΦＳ１の立ち下がりによりＰＤでの電荷蓄積が開始される。１行目の撮像用画素の画像信号の出力回路７０６からの出力が終了した時点で、２行目の撮像用画素は垂直走査回路７０２が発する制御信号ΦＳ２の立ち上がりにより選択され、選択された撮像用画素の画像信号は垂直信号線５０１へ出力される。以下、同様にして２行目の撮像用画素のリセットと電荷蓄積が行われる。続いて３行目、４行目の撮像予画素の出力、リセットおよび電荷蓄積が行われる。そして再び１行目に戻って上述した動作が繰り返される。
【００７４】
１行目の撮像用画素の画像信号は、制御信号ΦＳ１の立下りから制御信号ΦＳ１の立ち上がりまでの時間Ｔ１（電荷蓄積時間）にＰＤで電荷蓄積された電荷量に対応している。２行目の撮像用画素の画像信号は、制御信号ΦＳ２の立下りから制御信号ΦＳ２の立ち上がりまでの時間Ｔ２（電荷蓄積時間）にＰＤで電荷蓄積された電荷量に対応している。３行目の撮像用画素の画像信号は、制御信号ΦＳ３の立下りから制御信号ΦＳ３の立ち上がりまでの時間Ｔ３（電荷蓄積時間）にＰＤで電荷蓄積された電荷量に対応している。４行目の撮像用画素の画像信号は、制御信号ΦＳ４の立下りから制御信号ΦＳ４の立ち上がりまでの時間Ｔ４（電荷蓄積時間）にＰＤで電荷蓄積された電荷量に対応している。
【００７５】
各行の焦点検出用画素においては、転送制御信号ΦＴａの立下りから転送制御信号ΦＴｂの立ち上がりまでの時間Ｔｘ（電荷蓄積時間）にＰＤで電荷蓄積された電荷量が、転送制御信号ΦＴｂの立ち上がりにより各焦点検出用画素の内部メモリに転送され保持されるとともに、内部メモリへの電荷転送終了後の転送制御信号ΦＴａの立上がりによりＰＤはリセット状態となる。各行の焦点検出用画素の内部メモリに保持された画像信号は、各行を選択する制御信号ΦＳｎの立ち上がりに応じて行ごとに垂直出力線に出力される。
【００７６】
図３１は焦点検出用画素の詳細な回路図である。焦点検出用画素において、ＰＤのサイズ縮小によって余裕が出た領域に配置する回路は、ＰＤの電荷蓄積時間制御回路に限定されず、その他の機能の回路構成であってもよい。例えば、図３１に示すように、２つの焦点検出用画素の画素信号の加算回路を配置してもよい。
【００７７】
図３１において、隣接する行の焦点検出用画素の画素信号を加算するための回路（転送ＭＯＳトランジスタ５１３および配線）を領域６１０および領域６２０に配置している。焦点検出用画素の回路構成は図２９に示す回路構成と同じである。転送ＭＯＳトランジスタ５１３は、ｎ行目の焦点検出用画素のＰＤとｎ＋１行目の焦点検出用画素のＰＤの間に直接接続されている。このような回路構成において、ｎ行目の焦点検出用画素の画素出力が行選択信号ΦＳｎにより選択されるタイミングに同期して制御信号ΦＴｃにより転送ＭＯＳトランジスタをＯＮすると、ｎ行目の焦点検出用画素のＰＤに蓄積された電荷とｎ＋１行目の焦点検出用画素のＰＤに蓄積された電荷が、ｎ行目の焦点検出用画素のＦＤに加算されて転送され、加算された電荷に応じた加算画素出力が垂直出力線より出力される。加算した画素信号は画像データの補間処理などに使用される。このように、撮像素子レベルで焦点検出用画素の画素信号を加算することによって、後処理で加算するよりＳＮの良いデータを得ることができる。
【００７８】
加算回路以外に、差分および絶対値化回路を領域６１０および領域６２０に配置してもよい。差分および絶対値化回路の出力は簡易的な合焦検出（合焦した時には隣接する画素の出力が略等しくなるので、差分絶対値化出力の和が所定値以下となったことを検知して合焦判定を行う）を行うことができる。
【００７９】
その他、焦点検出用画素の画素信号を増幅する増幅回路などを領域６１０および領域６２０に配置してもよい。
【００８０】
図４および図５では、撮像用画素、焦点検出用画素の光電変換部の形状を矩形で示したが、光電変換部の形状はこれに限定されず、他の形状であってもよい。例えば、撮像用画素の形状を円や多角形にしたり、焦点検出用画素の形状を半円や楕円や多角形にすることも可能である。
【００８１】
図３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って、焦点検出精度が多少低下するが、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。
【００８２】
図３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ず、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。
【００８３】
図３に示す撮像素子では、焦点検出用画素が色フィルターを備えない例を示したが、撮像用画素と同色の色フィルターの内、ひとつのフィルター（たとえば緑フィルター）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。
【００８４】
図３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された例を示したが、稠密六方格子配列に配置してもよい。
【００８５】
上述した一実施の形態では、撮像素子上の撮像用画素および焦点検出用画素のそれぞれがマイクロレンズを有するマイクロレンズ型瞳分割位相差検出方式の焦点検出装置を例に上げて説明したが、撮影光学系の射出瞳を通過する被写体からの光を、重心と偏光特性が異なる対の光束に分割する瞳分割偏光部材と、対の光束のそれぞれを選択的に受光する画素が二次元状に配置された撮像素子とを備えた偏光型瞳分割位相差検出方式の焦点検出装置に対しても本願発明を適用することができる。
【００８６】
図１４に示す撮像動作のフローチャートでは、補正した画像データをメモリーカードに保存しているが、補正した画像データを電子ビューファインダーやボディの背面に設けられた不図示の背面モニター画面に表示するようにしてもよい。
【００８７】
本発明に係わる撮像装置は、交換レンズがカメラボディに着脱可能に装着されるデジタルスチルカメラやフィルム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カメラ、あるいはビデオカメラにも適用することができる。また、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することができる。カメラ以外の焦点検出装置、測距装置、ステレオ測距装置にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】図１は一実施の形態のカメラの構成を示す横断面図
【図２】一実施の形態の撮影画面上の焦点検出位置を示す図
【図３】撮像素子の詳細な構成を示す正面図
【図４】撮像用画素の正面図
【図５】焦点検出用画素の正面図
【図６】撮像用画素の分光感度特性を示す図
【図７】焦点検出用画素の分光感度特性を示す図
【図８】撮像用画素の断面図
【図９】焦点検出用画素の断面図
【図１０】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
【図１１】瞳分割型位相差検出方式におけるデフォーカス量と像ずれ量の関係を説明するための図
【図１２】撮像用画素と射出瞳との関係を説明するための図
【図１３】射出瞳面における投影関係を示す正面図
【図１４】図１に示したデジタルスチルカメラ（撮像装置）の撮像動作を示すフローチャート
【図１５】図１４のステップ１５０で実行される像ズレ検出演算処理（相関演算処理）の詳細を説明するための図
【図１６】撮像素子の周期動作を示すタイミングチャート
【図１７】撮像素子の回路構成を示す図
【図１８】図１７に示す撮像用画素の詳細な回路を示す図
【図１９】図１７に示す焦点検出用画素の詳細な回路を示す図
【図２０】図１７に示す撮像素子の動作タイミングチャート
【図２１】撮像素子の一部（撮像用画素の２画素と焦点検出用画素の２画素）の拡大レイアウトを示した平面図
【図２２】撮像用画素の回路レイアウト図
【図２３】焦点検出用画素の回路レイアウト図
【図２４】焦点検出用画素の回路レイアウト図
【図２５】図２３および図２４に示す焦点検出用画素の構造断面図
【図２６】１行目の焦点検出用画素の電荷蓄積と信号出力動作サイクルを示すポテンシャル図
【図２７】３行目の焦点検出用画素の電荷蓄積と信号出力動作サイクルを示すポテンシャル図
【図２８】撮像用画素の詳細な回路図
【図２９】焦点検出用画素の詳細な回路図
【図３０】図２８および図２９の回路構成を持つ図１７に示す撮像素子の動作タイミングチャート
【図３１】焦点検出用画素の詳細な回路図
【符号の説明】
【００８９】
１０  マイクロレンズ
１１、１２、１３  光電変換部
２０１  デジタルスチルカメラ
２０２  交換レンズ
２０６  レンズ駆動制御部
２１４  ボディ駆動制御部
２１２  撮像素子
２１９  メモリカード
３１０  撮像用画素
３１２、３１３  焦点検出用画素
６１０、６２０  領域（電荷蓄積タイミングを同一にするための回路部を形成する領域）
ＦＤ  浮遊拡散層（フローティングディフュージョン）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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