(57)【要約】【課題】画面上の複数の方向で精度の高い焦点検出を実現する。【解決手段】結像光学系からの光を受光する複数の焦点検出用画素３２０、３３０が２次元状に稠密に配列された焦点検出素子であって、複数の焦点検出用画素３２０、３３０は、稠密な配列の方向とは異なる第１方向に沿って配列された焦点検出用画素３２０からなる第１焦点検出用画素配列と、稠密な配列の方向および第１方向のいずれとも異なる第２方向に沿って配列された焦点検出用画素３３０からなる第２焦点検出用画素配列とを構成するとともに、第１焦点検出用画素配列および第２焦点検出用画素配列のそれぞれに対応する焦点検出用画素３２０、３３０を、稠密な配列の方向に不連続に配置したものである。【選択図】図４
2008211631.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結像光学系からの光を受光する複数の焦点検出用画素が２次元状に稠密に配列された焦点検出素子であって、
前記複数の焦点検出用画素は、前記稠密な配列の方向とは異なる第１方向に沿って配列された前記焦点検出用画素からなる第１焦点検出用画素配列と、前記稠密な配列の方向および前記第１方向のいずれとも異なる第２方向に沿って配列された前記焦点検出用画素からなる第２焦点検出用画素配列とを構成するとともに、前記第１焦点検出用画素配列および前記第２焦点検出用画素配列のそれぞれに対応する前記焦点検出用画素を、前記稠密な配列の方向に不連続に配置したことを特徴とする焦点検出素子。
【請求項２】
請求項１に記載の焦点検出素子において、
前記第１方向および前記第２方向は、前記第１焦点検出用画素配列および前記第２焦点検出用画素配列における前記焦点検出用画素の間隔が、稠密に配列された前記複数の焦点検出用画素の間隔のうち２番目に短い間隔となる方向であることを特徴とする焦点検出素子。
【請求項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、
前記焦点検出用画素は、前記結像光学系の射出瞳上の異なる領域を通る光束を受光する１対の光電変換部を有し、
前記第１焦点検出用画素配列および前記第２焦点検出用画素配列のそれぞれに属する前記焦点検出用画素の前記１対の光電変換部は、前記第１方向または前記第２方向に沿って並んでいることを特徴とする焦点検出素子。
【請求項４】
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、
前記第１焦点検出用画素配列および前記第２焦点検出用画素配列のそれぞれは、前記結像光学系の射出瞳上の異なる領域の一方を通る光束を受光する光電変換部を有する第１焦点検出用画素と、前記異なる領域の他方を通る光束を受光する光電変換部を有する第２焦点検出用画素とが、前記第１方向または前記第２方向に沿って交互に配列されることを特徴とする焦点検出素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の焦点検出素子において、
前記焦点検出用画素は正方格子状に稠密に配列されていることを特徴とする焦点検出素子。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の焦点検出素子において、
前記焦点検出用画素は六方格子状に稠密に配列されていることを特徴とする焦点検出素子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の焦点検出素子と、
前記第１焦点検出用画素配列および前記第２焦点検出用画素配列に属する前記焦点検出用画素の前記光電変換部から出力される信号に基づいて、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ることを特徴とする焦点検出装置。
【請求項８】
請求項７に記載の焦点検出装置と、
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、
前記結像光学系からの光を受光する複数の撮像用画素が２次元状に稠密に配列された撮像素子とを備えることを特徴とする撮像装置。
【請求項９】
請求項８に記載の撮像装置において、
前記結像光学系からの光を前記焦点検出素子と前記撮像素子の少なくとも一方へ導く光路選択手段を備えることを特徴とする撮像装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の撮像装置において、
前記光路選択手段は、前記結像光学系からの光を前記焦点検出素子と前記撮像素子の両方へ導く光束分割手段であることを特徴とする撮像装置。
【請求項１１】
請求項８に記載の撮像装置において、
前記焦点検出用画素は前記撮像用画素よりも大きくした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】
本発明は焦点検出素子、焦点検出装置および撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
結像光学系からの光を受光する複数の焦点検出用画素が２次元状に稠密正方格子状に配列された焦点検出素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。この焦点検出素子では、一つの焦点検出用画素に２対の光電変換部を配置し、結像光学系による画面上の２方向において同一の検出ピッチによる焦点検出を可能にしている。
【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】特開昭５８−０２４１０５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、上述した従来の焦点検出素子では、一つの焦点検出用画素の中に２対の光電変換部を配置しているので、焦点検出精度を上げるために焦点検出用画素を縮小して焦点検出ピッチを小さくするには限界がある。
仮に、二次元状に配列された焦点検出用画素のそれぞれが一対の光電変換部を有するものとして画面上の縦横２方向の焦点検出をそれぞれ異なる焦点検出用画素を用いて行うようにすると、検出ピッチが極力小さくなるように焦点検出用画素の配列方向に沿った連続する画素を焦点検出用画素とし、縦方向と横方向の焦点検出用画素配列が交差するように設定した場合に、配列の交点に位置する画素はいずれかの方向の画素となるため、焦点検出用画素の配列方向によって検出ピッチを同じにすることはできない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）  請求項１の発明は、結像光学系からの光を受光する複数の焦点検出用画素が２次元状に稠密に配列された焦点検出素子であって、複数の焦点検出用画素は、稠密な配列の方向とは異なる第１方向に沿って配列された焦点検出用画素からなる第１焦点検出用画素配列と、稠密な配列の方向および第１方向のいずれとも異なる第２方向に沿って配列された焦点検出用画素からなる第２焦点検出用画素配列とを構成するとともに、第１焦点検出用画素配列および第２焦点検出用画素配列のそれぞれに対応する焦点検出用画素を、稠密な配列の方向に不連続に配置したものである。
（２）  請求項２の焦点検出素子は、第１方向および第２方向を、第１焦点検出用画素配列および第２焦点検出用画素配列における焦点検出用画素の間隔が、稠密に配列された複数の焦点検出用画素の間隔のうち２番目に短い間隔となる方向としたものである。
（３）  請求項３の焦点検出素子は、焦点検出用画素が、結像光学系の射出瞳上の異なる領域を通る光束を受光する１対の光電変換部を有し、第１焦点検出用画素配列および第２焦点検出用画素配列のそれぞれに属する焦点検出用画素の１対の光電変換部は、第１方向または第２方向に沿って並ぶようにしたものである。
（４）  請求項４の焦点検出素子は、第１焦点検出用画素配列および第２焦点検出用画素配列のそれぞれは、結像光学系の射出瞳上の異なる領域の一方を通る光束を受光する光電変換部を有する第１焦点検出用画素と、異なる領域の他方を通る光束を受光する光電変換部を有する第２焦点検出用画素とが、第１方向または第２方向に沿って交互に配列されるようにしたものである。
（５）  請求項５の焦点検出素子は、焦点検出用画素を正方格子状に稠密に配列したものである。
（６）  請求項６の焦点検出素子は、焦点検出用画素を六方格子状に稠密に配列したものである。
（７）  請求項７の焦点検出装置は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の焦点検出素子と、第１焦点検出用画素配列および第２焦点検出用画素配列に属する焦点検出用画素の光電変換部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演算する焦点検出演算手段とを備える。
（８）  請求項８の撮像装置は、請求項７に記載の焦点検出装置と、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、結像光学系からの光を受光する複数の撮像用画素が２次元状に稠密に配列された撮像素子とを備える。
（９）  請求項９の撮像装置は、結像光学系からの光を焦点検出素子と撮像素子の少なくとも一方へ導く光路選択手段を備える。
（１０）  請求項１０の撮像装置の光路選択手段は、結像光学系からの光を焦点検出素子と撮像素子の両方へ導く光束分割手段である。
（１１）  請求項１１の撮像装置は、焦点検出用画素を撮像用画素よりも大きくしたものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、画面上の複数の方向で精度の高い焦点検出を実現することができる。
【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素子および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。なお、本願発明はレンズ交換式カメラに限定されず、レンズ固定式カメラにも適用することができる。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。
【０００９】
カメラボディ２０３は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、撮像素子２２０、焦点検出素子２２１、光分割プリズム２２３などを備えている。
【００１０】
光分割プリズム２２３は、交換レンズ２０２から到来する光束を反射光束と透過光束に１：１の比で分割するハーフミラー面２２２を備えている。撮像素子（固体撮像素子）２２０は撮像用画素が２次元状に配列されており（詳細後述）、光分割プリズム２２３を透過した光束の予定結像面（撮像面）に配置されている。一方、焦点検出素子２２３は焦点検出用画素が２次元状に配列されており（詳細後述）、光分割プリズム２２３により反射された光束の予定結像面に配置されている。
【００１１】
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２２０および焦点検出素子２２１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。
【００１２】
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２２０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２２０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。
【００１３】
交換レンズ２０２を通過し光分割プリズム２２３により分割された光束によって、撮像素子２２０と焦点検出素子２２１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２２０と焦点検出素子２２１によりそれぞれ光電変換され、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。
【００１４】
ボディ駆動制御装置２１４は、焦点検出素子２２０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２２０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２２０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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
図２は、交換レンズ２０１の撮影画面における撮像用画素と焦点検出用画素の配列範囲を示す。交換レンズ２０１の撮影画面において、撮像素子２２０の撮像用画素は範囲２２０ａの中に配列され、焦点検出素子２２１の焦点検出用画素は範囲２２１ａの中に配列される。焦点検出用画素の配列範囲２２１ａは、撮像用画素の配列範囲２２０ａより狭くなっている。撮影画面端部で焦点検出を行うことはほとんどないため、焦点検出用画素の配列範囲２２１ａを狭くして焦点検出素子２２１を小型化する。
【００１８】
図２において、点１００は撮影画面の中心、すなわち交換レンズ２０２の光軸と撮像素子２２０の交点であり、直線１０１は点１００を通る水平方向（行方向）の直線であり、直線１０２は点１００を通る垂直方向（列方向）の直線である。直線１０２の上方向が図１に示す“Ａ”の方向であり、下方向が図１に示す“Ｂ”の方向である。
【００１９】
図３は撮像素子２２０の部分拡大図である。撮像素子２２０は、行方向とそれに直交する方向の列方向の２次元状に、稠密正方格子状に配列された撮像用画素から構成される。図３において、撮像用画素は行方向と列方向に稠密に配列されており、撮像用画素の稠密配列方向は行方向と列方向になる。
【００２０】
図８は撮像素子２２０の撮像用画素配列の内の単位配列部を拡大した図である。撮像素子２２０は、図８に示すように緑画素３１０、３１３、赤画素３１１、青画素３１２の３種類４個の撮像用画素を単位配列とするベイヤー配列で構成されている。各撮像用画素はマイクロレンズ１０、光電変換部１１および色フィルター（不図示）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１０に示す特性となっている。
【００２１】
図４は、焦点検出素子２２１の一部の領域（図２に示す領域Ｃ）を拡大した図である。焦点検出素子２２１は、２種類の焦点検出用画素３２０と３３０が行方向とそれに直交する方向の列方向の２次元状に稠密正方格子状に配列されている。焦点検出素子２２１の焦点検出用画素の配列は、図５に示す焦点検出用画素３２０からなる部分配列２２１ａと、図６に示す焦点検出画素３３０からなる部分配列２２１ｂとから構成されている。
【００２２】
図５において、一方の部分配列２２１ａを構成する焦点検出用画素３２０は、図９に示すマイクロレンズ１０と１対の光電変換部１２，１３からなる焦点検出用画素を時計回り方向に４５度回転させたものである。また、図６において、他方の部分配列２２１ｂを構成する焦点検出用画素３３０は、図９に示すマイクロレンズ１０と１対の光電変換部１２，１３からなる焦点検出用画素を反時計回り方向に４５度回転させたものである。
【００２３】
焦点検出用画素３２０、３３０には光量をかせぐために色フィルターが設置されておらず、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（不図示）の分光特性とを総合した図１１に示す分光特性となる。この焦点検出用画素３２０，３３０の分光特性は、図１０に示す緑画素Ｇ、赤画素Ｒおよび青画素Ｂ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Ｇ、赤画素Ｒおよび青画素Ｂの感度の光波長領域を包括している。
【００２４】
図５に示す部分配列２２１ａにおいて、図７に示すように焦点検出用画素３２０どうしの画素間距離はＳ２である。図７において、稠密正方格子状の配列における最短の画素間距離をＳ１とすると、画素間距離Ｓ２は画素間距離Ｓ１の次に短い画素間距離である。稠密正方格子状配列においては、例えば最短の画素間距離Ｓ１をＰとした場合、２番目に短い画素間距離Ｓ２は√(２)・Ｐである。部分配列２２１ａにおいて、方向Ｄ１（垂直方向から反時計周りに４５度回転した方向）の直線上に配列された焦点検出用画素３２０の列が１つの焦点検出用画素列を構成し、後述する瞳分割方式により撮影画面上の１対の像の方向Ｄ１の像ズレ量が検出される。
【００２５】
図６に示す部分配列２２１ｂにおいて、図７に示すように焦点検出用画素３３０どうしの画素間距離はＳ２である。画素間距離Ｓ２は、上述したように稠密正方格子状の配列における最短の画素間距離をＳ１としたときに、画素間距離Ｓ１の次に短い画素間距離である。部分配列２２１ｂにおいて、方向Ｄ２（垂直方向から時計周りに４５度回転した方向、方向Ｄ１とは直交する方向）の直線上に配列された焦点検出用画素３３０の列が１つの焦点検出用画素列を構成し、後述する瞳分割方式により撮影画面上の１対の像の方向Ｄ２の像ズレ量が検出される。
【００２６】
図５に示す部分配列２２１ａと図６に示す部分配列２２１ｂとを組み合わせると、図４に示す焦点検出用画素３２０，３３０が稠密正方格子状に配列された焦点検出素子２２１が形成される。図４に示す画素配列の焦点検出素子２２１では、撮影画面上の任意の位置でＤ１方向とＤ２方向において像ズレ検出が可能になる。
【００２７】
図８に示す撮像用画素３１０、３１１、３１２、３１３と図９に示す焦点検出用画素３２０、３３０は同じ縮尺で図示されており、焦点検出用画素３２０，３３０の受光面の面積は、撮像用画素３１０、３１１、３１２、３１３の受光面の面積よりも広くなっている。例えば、撮像用画素３１０、３１１、３１２、３１３の受光面の直径を３ミクロンとした場合には、焦点検出用画素３２０，３３０の受光面の直径を６ミクロンとする。
【００２８】
撮像用画素３１０、３１１、３１２、３１３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、焦点検出用画素３２０，３３０の１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。焦点検出用画素３２０，３３０のサイズが小さくなると（例えば数ミクロン以下になると）、回折の影響により後述する瞳分割機能の低下が発生して焦点検出精度が悪化するとともに、焦点検出用画素３２０，３３０の出力レベルが低下して低輝度時の焦点検出能力が悪化するため、解像性能の向上のために縮小化された撮像用画素３１０、３１１、３１２、３１３の受光面サイズよりも焦点検出画素の受光面サイズを大きくし、画像性能と焦点検出性能の両立を図る。
【００２９】
図１２は撮像用画素３１０、３１１、３１２、３１３の断面図である。撮像用画素３１０、３１１、３１２、３１３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上に形成される。不図示の色フィルタはマイクロレンズ１０と光電変換部１１の中間位置に配置される。
【００３０】
図１３は焦点検出用画素３２０，３３０の断面図である。焦点検出用画素３２０，３３０では、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。
【００３１】
次に、図１４を参照して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、図１４では交換レンズ２０２（図１参照）の光軸状のマイクロレンズ５０とそれに隣接するマイクロレンズ６０、およびそれらに対応する対の光電変換部(５２,５３)、(６２,６３)を代表して説明する。射出瞳９０は、図１に示す交換レンズ２０２の予定結像面に配置されたマイクロレンズ５０、６０の前方ｄ０の距離に設定される。この距離ｄ０は、マイクロレンズ５０、６０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距離であり、この明細書では測距瞳距離と呼ぶ。
【００３２】
マイクロレンズ５０、６０は、図１に示す交換レンズ２０２（結像光学系）の予定結像面近傍に配置されている。マイクロレンズ５０の背後に配置された１対の光電変換部５２、５３の形状は、マイクロレンズ５０によりマイクロレンズ５０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１対の領域（この明細書では測距瞳という）９２，９３を形成する。同様に、マイクロレンズ６０の背後に配置された１対の光電変換部６２、６３の形状は、マイクロレンズ６０によりマイクロレンズ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。
【００３３】
図１４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１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１対の光電変換部６２、６３からなる）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、１対の光電変換部はそれぞれ１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。
【００３４】
ここで、焦点検出用画素の配列方向は、１対の測距瞳の並び方向すなわち１対の光電変換部の並び方向と一致させる。
【００３５】
投影距離ｄ０にある射出瞳９０上で各焦点検出用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。すなわち、１対の測距瞳９２，９３と、１対の光電変換部（５２、５３）および１対の光電変換部（６２、６３）はマイクロレンズ５０，６０を介して共役な関係になっている。
【００３６】
光電変換部５２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。同様に、光電変換部５３は、測距瞳９３を通過してマイクロレンズ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。また、光電変換部６２は、測距瞳９２を通過してマイクロレンズ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。同様に、光電変換部６３は、測距瞳９３を通過してマイクロレンズ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。
【００３７】
このような焦点検出用画素を直線状に複数個配置し、各画素の１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用画素列上に形成する１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で１対の像の像ズレ量が検出される。
【００３８】
さらに、像ズレ量に１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。
【００３９】
なお、上述した説明では測距瞳は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、焦点検出用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。
【００４０】
焦点検出用画素のサイズを小さくしていくと（数ミクロン以下）、マイクロレンズの開口径も比例して小さくなり、１対の光電変換部をマイクロレンズで射出瞳に投影した場合に、測距瞳９２，９３の形状が回折の影響で大きくぼけてしまうため、測距瞳９２，９３の分離が次第に困難となり、結果的に焦点検出精度が低下してしまう。
【００４１】
次に、図１５を参照して撮像用画素と射出瞳の関係を説明する。なお、図１５において、図１４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相違点を中心に説明する。また、図１５では、図１に示す交換レンズ２０２の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。
【００４２】
マイクロレンズ７０は、図１に示す交換レンズ２０２（結像光学系）の予定結像面近傍に配置されている。マイクロレンズ７０の背後に配置された光電変換部７１の形状は、マイクロレンズ７０によりマイクロレンズ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、射出瞳９０の領域９４を通過してマイクロレンズ７０に向う焦点検出用光束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。このような撮像用画素を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。
【００４３】
図１６は射出瞳面における測距瞳の正面図である。図１６において、焦点検出用画素から１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（この明細書では測距瞳Ｆ値という。ここではＦ２．８）となる。図中に破線で示す領域９０１は、絞り値Ｆ２．８よりも大きな開口径の絞り値（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（図では水平方向)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、Ｇとなる。
【００４４】
図１７は、図１に示すカメラ（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２２０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２２０を制御して画像データを読み出す。続くステップ１２０で撮像素子２２０の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。また、ステップ１３０では被写体輝度に応じて焦点検出素子２２１を制御し、焦点検出用画像データを読み出す。
【００４５】
ステップ１４０において、撮影画面上の任意に指定された位置（手動または自動で決定される）の近傍領域における方向Ｄ１の焦点検出用画素３２０の配列に対応した１対の像データと、方向Ｄ２の焦点検出用画素３３０の配列に対応した１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、指定された位置における方向Ｄ１のデフォーカス量と方向Ｄ２のデフォーカス量を算出する。さらに、２つのデフォーカス量に基づいて最終的にひとつのデフォーカス量を求める。例えば、２つのデフォーカス量の平均値、またはより近距離の被写体を示すデフォーカス量、あるいはより信頼性の高いデフォーカス量などを最終的なデフォーカス量とする。
【００４６】
ステップ１５０で合焦近傍か否か、すなわち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定する。合焦近傍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（図１参照）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る。その後、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を無限から至近の間でスキャン駆動させる。その後、ステップ１１０へ戻り、上述した動作を繰り返す。
【００４７】
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する。レリーズ操作がなされていないと判定された場合はステップ１１０へ戻り、上述した動作を繰り返す。レリーズ操作がなされたと判定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の露光を行う。ステップ１９０で撮像素子２２０から撮像画素のデータを読み出し、続くステップ２００で画像データをメモリーカード２１９に保存する。その後、ステップ１１０へ戻って上述した動作を繰り返す。
【００４８】
図１８により、図１７のステップ１４０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。焦点検出用画素列から出力される１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、第１データ列Ａ１〜ＡＮと第２データ列Ｂ１〜ＢＮを生成する。
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。これにより、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ことができる。
【００４９】
ここで、α１〜αＭは、図１４に示す測距瞳９２を通る焦点検出用光束により形成された像の画像データに相当し、β１〜βＭは、測距瞳９３を通る焦点検出用光束により形成された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には、この処理を省略することもできる。
【００５０】
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について累積される。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１８(ａ)に示すように、１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。
【００５１】
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）
【００５２】
（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、次のようにして判定する。図１８(ｂ)に示すように、１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１８(ｃ)に示すように、１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。
【００５３】
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＝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１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。
【００５４】
《焦点検出素子の変形例》
図１９は、変形例の焦点検出素子２２１Ａの一部の領域（図２に示す領域Ｃ）を拡大した図である。図４に示す焦点検出素子２２１の焦点検出用画素配列では、撮影画面の方向Ｄ１と方向Ｄ２（画面垂直方向に対して±４５度傾いた方向）の像ズレを検出する例を示した。この変形例の焦点検出素子２２１Ａでは、撮影画面の垂直方向（方向Ｄ３）と水平方向（方向Ｄ４）において像ずれを検出する。一般に、撮影対象となる人工物や自然物は地平面に対して垂直方向と水平方向の構造を持つものが多く、像ズレ検出方向を画面垂直方向と水平方向とすることによって焦点検出性能を向上させることができる。
【００５５】
図１９において、焦点検出用画素３４０、３５０からなる全体の画素配列は、撮像用画素と同様に稠密正方格子配列となっている。全体の画素配列は、さらに図２０に示す焦点検出用画素３４０からなる部分配列と、図２１に示す焦点検出用画素３５０からなる部分配列とから構成されている。図２０に示す部分配列を構成する焦点検出用画素３４０は、図９に示すマイクロレンズ１０と１対の光電変換部１２，１３からなる焦点検出用画素を時計回り方向に９０度回転させたものである。一方、図２１に示す部分配列を構成する焦点検出用画素３５０は、図９に示すマイクロレンズ１０と１対の光電変換部１２，１３からなる焦点検出用画素と同じものである。
【００５６】
図２０に示す部分配列は、図７に示す焦点検出用画素どうしの画素間距離がＳ２である焦点検出用画素３４０から構成される。上述したように、画素間距離Ｓ２は、図７に示すように稠密正方格子配列における最短の画素間距離をＳ１としたときに、その次に短い画素間距離である。この部分配列において、方向Ｄ３（垂直方向）の直線上に配列された焦点検出用画素３４０の列が１つの焦点検出用画素列を構成し、瞳分割方式により１対の像の方向Ｄ３の像ズレ量が検出される。
【００５７】
図２１に示す部分配列は、画素間距離がＳ２である焦点検出画素３５０から構成される。上述したように、画素間距離Ｓ２は、稠密正方格子配列における最短の画素間距離をＳ１としたときに、その次に短い画素間距離である。この部分配列において、方向Ｄ４（水平方向）の直線上に配列された焦点検出用画素３５０の列が１つの焦点検出用画素列を構成し、瞳分割方式により１対の像の方向Ｄ４の像ズレ量が検出される。
【００５８】
図２０に示す部分配列と図２１に示す部分配列とを組み合わせて配列することにより、図１９に示す焦点検出用画素が稠密正方格子配列された画素配列が形成される。図１９に示す画素配列を備えた焦点検出素子２２１Ａによれば、撮影画面上の任意の位置においてＤ３方向（垂直方向）とＤ４方向（水平方向）で像ズレ検出が可能になる。
【００５９】
《焦点検出素子の他の変形例》
図２２は、他の変形例の焦点検出素子２２１Ｂの一部の領域（図２に示す領域Ｃ）を拡大した図である。図４に示す焦点検出素子２２１の焦点検出用画素配列では、撮影画面の方向Ｄ１と方向Ｄ２（画面垂直方向に対して±４５度傾いた方向）の像ズレを検出するために、１つの焦点検出用画素の中に１対の光電変換部を備えた例を示した。この変形例の焦点検出素子２２１Ｂでは、１つの焦点検出用画素の中に１対の光電変換部の内の一方を設け、もう１つの焦点検出用画素の中に他方の光電変換部を設け、２つの焦点検出用画素を像ズレ検出方向に隣接させるとともに、このような焦点検出用画素ペアを像ズレ検出方向に配列することによって像ズレ検出を行う。このような構成にすることによって、画素構造を単純にして焦点検出素子の回路構成の複雑化を防止することができる。
【００６０】
図２２において、焦点検出用画素３６０ａ、３６０ｂおよび焦点検出用画素３７０ａ、３７０ｂからなる全体の画素配列は、撮像用画素と同様に稠密正方格子配列となっている。全体の画素配列は、さらに図２３に示す焦点検出用画素３６０ａ、３６０ｂからなる部分配列と、図２４に示す焦点検出用画素３７０ａ、３７０ｂからなる部分配列とから構成されている。
【００６１】
図２３に示す部分配列を構成する焦点検出用画素３６０ａ、３６０ｂは、図９に示すマイクロレンズ１０と１対の光電変換部１２，１３からなる焦点検出用画素を時計回り方向に４５度回転させたものである。そして、焦点検出用画素３６０ａには一方の光電変換部１３のみが配置され、焦点検出用画素３６０ｂには他方の光電変換部１２のみが配置される。
【００６２】
図２４に示す部分配列を構成する焦点検出用画素３７０ａ、３７０ｂは、図９に示すマイクロレンズ１０と１対の光電変換部１２，１３からなる焦点検出画素を反時計回り方向に４５度回転させたものである。そして、焦点検出用画素３７０ａには一方の光電変換部１３のみが配置され、焦点検出用画素３７０ｂには他方の光電変換部１２のみが配置される。
【００６３】
図２３に示す部分配列は、図７に示す焦点検出用画素どうしの画素間距離がＳ２である焦点検出用画素３６０ａ、３６０ｂから構成される。上述したように、画素間距離Ｓ２は、図７に示すように稠密正方格子配列における最短の画素間距離をＳ１としたときに、その次に短い画素間の距離である。この部分配列において、方向Ｄ１（垂直方向から反時計周りに４５度回転した方向）の直線上に配列された焦点検出用画素３６０ａ、３６０ｂの列が１つの焦点検出用画素列を構成し、瞳分割方式により１対の像の方向Ｄ１の像ズレ量が検出される。
【００６４】
図２４に示す部分配列は、画素間距離がＳ２である焦点検出用画素３７０ａ、３７０ｂから構成される。上述したように、画素間距離Ｓ２は、稠密正方格子配列における最短の画素間距離をＳ１としたときに、その次に短い画素間の距離である。この部分配列において、方向Ｄ２（垂直方向から時計周りに４５度回転した方向、方向Ｄ１とは直交する方向）の直線上に配列された焦点検出用画素３７０ａ、３７０ｂの列が１つの焦点検出用画素列を構成し、瞳分割方式により１対の像の方向Ｄ２の像ズレ量が検出される。
【００６５】
図２３に示す部分配列と図２４に示す部分配列とを組み合わせて配列することによって、図２２に示す焦点検出用画素が稠密正方格子配列された画素配列が形成される。図２２に示す画素配列を備えた焦点検出素子２２１Ｂによれば、撮影画面上の任意の位置においてＤ１方向およびＤ２方向で像ズレ検出が可能になる。
【００６６】
《焦点検出素子の他の変形例》
図２５は、他の変形例の焦点検出素子２２１Ｃの一部の領域（図２に示す領域Ｃ）を拡大した図である。図１９に示す焦点検出素子２２１Ａの焦点検出用画素配列では、方向Ｄ３（垂直方向）と方向Ｄ４（水平方向）の像ズレを検出するために、１つの焦点検出用画素の中に１対の光電変換部を備えた例を示した。この変形例の焦点検出素子２２１Ｃでは、１つの焦点検出用画素の中に１対の光電変換部のうちの一方を設け、もう１つの焦点検出用画素の中に他方の光電変換部を設け、２つの焦点検出用画素を像ズレ検出方向に隣接させるとともに、このような焦点検出用画素ペアを像ズレ検出方向に配列することによって像ズレ検出を行う。このような構成にすることにより、画素構造を単純にして焦点検出素子の回路構成の複雑化を防止することができる。
【００６７】
図２５において、焦点検出用画素３８０ａ、３８０ｂと焦点検出用画素３９０ａ、３９０ｂからなる全体の画素配列は、撮像用画素と同様に稠密正方格子配列となっている。全体の画素配列は、さらに図２６に示す焦点検出用画素３８０ａ、３８０ｂからなる部分配列と、図２７に示す焦点検出用画素３９０ａ、３９０ｂからなる部分配列とから構成されている。
【００６８】
図２６に示す部分配列を構成する焦点検出用画素３８０ａ、３８０ｂは、図９に示すマイクロレンズ１０と１対の光電変換部１２，１３からなる焦点検出用画素を時計回り方向に９０度回転させたものであるが、焦点検出用画素３８０ａには一方の光電変換部１３のみが配置され、焦点検出用画素３８０ｂには他方の光電変換部１２のみが配置される。
【００６９】
図２７に示す部分配列を構成する焦点検出用画素３９０ａ、３９０ｂは、図９に示すマイクロレンズ１０と１対の光電変換部１２，１３からなる焦点検出用画素と同じものであるが、焦点検出用画素３９０ａには一方の光電変換部１３のみが配置され、焦点検出用画素３９０ｂには他方の光電変換部１２のみが配置される。
【００７０】
図２６に示す部分配列は、図７に示す焦点検出用画素どうしの画素間距離がＳ２である焦点検出用画素３８０ａ、３８０ｂから構成される。上述したように、画素間距離Ｓ２は、図７に示すように稠密正方格子配列における最短の画素間距離をＳ１としたときに、その次に短い画素間距離である。この部分配列において、方向Ｄ３（垂直方向）の直線上に配列された焦点検出用画素３８０ａ、３８０ｂの列が１つの焦点検出用画素列を構成し、瞳分割方式により１対の像の方向Ｄ３の像ズレ量が検出される。
【００７１】
図２７に示す部分配列は、画素間距離がＳ２である焦点検出用画素３９０ａ、３９０ｂから構成される。上述したように、画素間距離Ｓ２は、稠密正方格子配列における最短の画素間距離をＳ１としたときに、その次に短い画素間距離である。この部分配列において、方向Ｄ４（水平方向）の直線上に配列された焦点検出用画素３９０ａ、３９０ｂの列が１つの焦点検出用画素列を構成し、瞳分割方式により１対の像の方向Ｄ４の像ズレ量が検出される。
【００７２】
図２６に示す部分配列と図２７に示す部分配列とを組み合わせて配列することによって、図２５に示す焦点検出画素が稠密正方格子配列された画素配列が形成される。図２５に示す画素配列を備えた焦点検出素子２２１Ｃによれば、撮影画面上の任意の位置においてＤ３方向（垂直方向）とＤ４方向（水平方向）で像ズレ検出が可能になる。
【００７３】
《焦点検出素子の他の変形例》
図２８は、変形例の焦点検出素子２２１Ｄの一部の領域（図２に示す領域Ｃ）を拡大した図である。図４に示す焦点検出素子２２１の焦点検出用画素配列では、焦点検出用画素が稠密正方格子配列に配列された例を示したが、これ以外の稠密配列として例えば稠密六方格子配列とすることができる。このような構成とすることよって、像ズレ検出方向を増加させることができ、焦点検出性能を向上させることができる。
【００７４】
焦点検出用画素４１０、４２０、４３０からなる全体の画素配列は、稠密六方格子配列となっている。全体の画素配列は、さらに図２９に示す焦点検出用画素４１０からなる部分配列と、図３０に示す焦点検出用画素４２０からなる部分配列と、図３１に示す焦点検出用画素４３０からなる部分配列とから構成されている。
【００７５】
図２９に示す部分配列を構成する焦点検出用画素４１０は、図９に示すマイクロレンズ１０と１対の光電変換部１２，１３からなる焦点検出用画素と同じである。また、図３０に示す部分配列を構成する焦点検出用画素４２０は、図９に示すマイクロレンズ１０と１対の光電変換部１２，１３からなる焦点検出用画素を時計回り方向に６０度回転させたものである。さらに、図３１に示す部分配列を構成する焦点検出用画素４３０は、図９に示すマイクロレンズ１０と１対の光電変換部１２，１３からなる焦点検出用画素を反時計回り方向に６０度回転させたものである。
【００７６】
図２９に示す部分配列において、図３２に示すように焦点検出用画素どうしの画素間距離がＳ４である焦点検出用画素４１０から構成される。図３２において、画素間距離Ｓ４は、稠密六方格子配列における最短の画素間距離をＳ３としたときに、画素間距離Ｓ３の次に短い画素間距離である。稠密六方格子状配列においては、例えば最短の画素間距離Ｓ３をＰとした場合、２番目に短い画素間距離Ｓ４は{√(３)／２}・Ｐである。この部分配列において、方向Ｄ４（水平方向）の直線上に配列された焦点検出用画素４１０の列が１つの焦点検出用画素列を構成し、瞳分割方式により１対の像の方向Ｄ４の像ズレ量が検出される。
【００７７】
図３０に示す部分配列は、図３２に示すように焦点検出用画素どうしの画素間距離がＳ４である焦点検出用画素４２０から構成される。上述したように、画素間距離Ｓ４は、稠密六方格子配列における最短の画素間距離をＳ３としたときに、画素間距離Ｓ３の次に短い画素間距離である。この部分配列において、方向Ｄ５（垂直方向から反時計周りに３０度回転した方向）の直線上に配列された焦点検出用画素４２０の列が１つの焦点検出用画素列を構成し、瞳分割方式により１対の像の方向Ｄ５の像ズレ量が検出される。
【００７８】
図３１に示す部分配列は、図３２に示すように焦点検出用画素どうしの画素間距離がＳ４である焦点検出用画素４３０から構成される。画素間距離Ｓ４は、稠密六方格子配列における最短の画素間距離をＳ３としたときに、画素間距離Ｓ３の次に短い画素間距離である。この部分配列において、方向Ｄ６（垂直方向から時計周りに３０度回転した方向）の直線上に配列された焦点検出用画素４３０の列が１つの焦点検出用画素列を構成し、瞳分割方式により１対の像の方向Ｄ６の像ズレ量が検出される。
【００７９】
図２９に示す部分配列、図３０に示す部分配列および図３１に示す部分配列を組み合わせて配列することにより、図２８に示す焦点検出用画素が稠密六方格子配列された画素配列が形成される。図２８に示す画素配列を備えた焦点検出素子２２１Ｄによれば、撮影画面上の任意の位置においてＤ４方向、Ｄ５方向およびＤ６方向で像ズレ検出が可能になる。
【００８０】
《焦点検出素子の他の変形例》
図３３は、変形例の焦点検出素子２２１Ｅの一部の領域（図２に示す領域Ｃ）を拡大した図である。図２８に示す焦点検出素子２２１Ｄの焦点検出用画素配列では、方向Ｄ４、方向Ｄ５および方向Ｄ６の像ズレを検出するために、１つの焦点検出用画素の中に１対の光電変換部を備えた例を示した。この変形例の焦点検出素子２２１Ｅでは、１つの焦点検出用画素の中に１対の光電変換部のうちの一方を設け、もう１つの焦点検出用画素の中に他方の光電変換部を設け、２つの焦点検出用画素を像ズレ検出方向に隣接させるとともに、このような焦点検出用画素ペアを像ズレ検出方向に配列することにより像ズレ検出を行う。このような構成にすることにより、画素構造を単純にして焦点検出素子の回路構成の複雑化を防止することができる。
【００８１】
図３３において、焦点検出用画素４４０ａ、４４０ｂ、４５０ａ、４５０ｂ、４６０ａ、４６０ｂからなる全体の画素配列は、稠密六方格子配列となっている。全体の画素配列は、さらに図３４に示す焦点検出用画素４４０ａ、４４０ｂからなる部分配列、図３５に示す焦点検出用画素４５０ａ、４５０ｂからなる部分配列、および図３６に示す焦点検出用画素４６０ａ、４６０ｂからなる部分配列から構成されている。
【００８２】
図３４に示す部分配列を構成する焦点検出用画素４４０ａ、４４０ｂは、図９に示すマイクロレンズ１０と１対の光電変換部１２，１３からなる焦点検出用画素と同じであるが、焦点検出用画素４４０ａには一方の光電変換部１３のみが配置され、焦点検出用画素４４０ｂには他方の光電変換部１２のみが配置される。
【００８３】
図３５に示す部分配列を構成する焦点検出用画素４５０ａ、４５０ｂは、図９に示すマイクロレンズ１０と１対の光電変換部１２，１３からなる焦点検出画素を時計回り方向に６０度回転させたものであるが、焦点検出用画素４５０ａには一方の光電変換部１３のみが配置され、焦点検出用画素４５０ｂには他方の光電変換部１２のみが配置される。
【００８４】
図３６に示す部分配列を構成する焦点検出用画素４６０ａ、４６０ｂは、図９に示すマイクロレンズ１０と１対の光電変換部１２，１３からなる焦点検出用画素を反時計回り方向に６０度回転させたものであるが、焦点検出用画素４６０ａには一方の光電変換部１３のみが配置され、焦点検出用画素４６０ｂには他方の光電変換部１２のみが配置される。
【００８５】
図３４に示す部分配列は、図３２に示す焦点検出用画素どうしの画素間距離がＳ４である焦点検出用画素４４０ａ、４４０ｂから構成される。画素間距離Ｓ４は、図３２で示すように稠密六方格子配列における最短の画素間距離をＳ３としたときに、その次に短い画素間距離である。この部分配列において、方向Ｄ４（水平方向）の直線上に配列された焦点検出用画素４４０ａ、４４０ｂの列が１つの焦点検出用画素列を構成し、瞳分割方式により１対の像の方向Ｄ４の像ズレ量が検出される。
【００８６】
図３５に示す部分配列は、図３２に示す焦点検出用画素どうしの画素間距離がＳ４である焦点検出用画素４５０ａ、４５０ｂから構成される。上述したように、画素間距離Ｓ４は、稠密六方格子配列における最短の画素間距離をＳ３としたときに、その次に短い画素間距離である。この部分配列において、方向Ｄ５（垂直方向から反時計周りに３０度回転した方向）の直線上に配列された焦点検出用画素４５０ａ、４５０ｂの列が１つの焦点検出用画素列を構成し、瞳分割方式により１対の像の方向Ｄ５の像ズレ量が検出される。
【００８７】
図３６に示す部分配列は、図３２に示す焦点検出用画素どうしの画素間距離がＳ４である焦点検出用画素４６０ａ、４６０ｂから構成される。上述したように、画素間距離Ｓ４は、稠密六方格子配列における最短の画素間距離をＳ３としたときに、その次に短い画素間距離である。この部分配列において、方向Ｄ６（垂直方向から時計周りに３０度回転した方向）の直線上に配列された焦点検出用画素４６０ａ、４６０ｂの列が１つの焦点検出用画素列を構成し、瞳分割方式により１対の像の方向Ｄ６の像ズレ量が検出される。
【００８８】
図３４に示す部分配列、図３５に示す部分配列および図３６に示す部分配列を組み合わせて配列することによって、図３３に示す焦点検出用画素が稠密六方格子配列された画素配列が形成される。図３３に示す画素配列を備えた焦点検出素子２２１Ｅによれば、撮影画面上の任意の位置においてＤ４方向およびＤ５方向およびＤ６方向で像ズレ検出が可能になる。
【００８９】
以上説明したように、一実施の形態では、交換レンズ２０２から到来する光束により形成される光学像を電気信号に変換する光電変換部１２、１３を有する焦点検出用画素３２０、３３０、・・・が２次元状に稠密に配列された焦点検出素子において、焦点検出用画素３２０、３３０、・・・の配列は複数の部分配列から構成され、各部分配列に属する焦点検出用画素の最短の隣接画素間距離は、稠密な焦点検出用画素の配列における最短の隣接画素間距離の次に短い画素間距離となっており、同一の部分配列に属する焦点検出用画素は、交換レンズ２０２の射出瞳において部分配列における焦点検出用画素の並び方向のうちの一つの方向に並んだ１対の領域を通る光束を受光する光電変換部１２、１３を有し、異なる部分配列間では、焦点検出用画素３２０、３３０、・・・の光電変換部１２、１３が受光する光束が通る交換レンズ２０２の射出瞳の１対の領域の並び方向が異なるように構成した。これにより、交換レンズ２０２の撮影画面上の任意の位置において、同等の性能で複数の方向における精度の高い焦点検出を実現することができる。
【００９０】
《その他の変形例》
上述した一実施の形態では、各部分配列における焦点検出用画素の間隔（画素間距離）が、稠密に配列された複数の焦点検出用画素の間隔の内の２番目に短い間隔となる方向に沿って、複数の焦点検出用画素を配列する例を示したが、３番目あるいは４番目に短い間隔となる方向に沿って焦点検出用画素を配列してもよい。
【００９１】
上述した一実施の形態では、焦点検出素子の焦点検出用画素の配列面が撮影画面より小さな領域をカバーする例を示したが、撮影画面と焦点検出用画素の配列面の大小関係はこれに限定されるものではなく、適宜状況に応じて両者を等しくしたり、撮影画面より焦点検出用画素の配列面を大きくしてもよい。
【００９２】
上述した一実施の形態では、焦点検出用画素の受光面サイズを撮像用画素の受光面サイズより大きくした例を示したが、焦点検出用画素の受光面サイズと撮像用画素の受光面サイズの大小関係はこれに限定されるものではなく、適宜状況に応じて両者を等しくしたり、焦点検出用画素の受光面サイズを撮像用画素の受光面サイズより小さくしてもよい。
【００９３】
上述した一実施の形態では、ハーフミラーを用いて撮影光路を２分割するとともに、透過光路に撮像素子を配置し、反射光路に焦点検出素子を配置した例を示したが、焦点検出素子と撮像素子の配置を反対にしてもよい。
【００９４】
上述した一実施の形態では、固定のハーフミラーを用いて撮影光路を２分割するとともに、分割された各光路に撮像素子と焦点検出素子を配置し、焦点検出動作と撮像動作を同時に行うことができる構成としたが、クイックリターンミラーを光路中に出し入れすることによって光路を切り換え、切り換えられた各光路に撮像素子と焦点検出素子を配置し、焦点検出動作と撮像動作を時分割で行うように構成してもよい。
【００９５】
上述した一実施の形態では、焦点検出素子のデータは画像データとして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って、ダイナミックレンジを拡大するようにしてもよい。
【００９６】
上述した一実施の形態では、焦点検出素子のデータは焦点検出のみ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。これにより測光センサーを省略することができる。
【００９７】
上述した一実施の形態では、焦点検出素子のデータは焦点検出のみ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。これにより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。
【００９８】
上述した一実施の形態では、焦点検出素子のデータは像ズレ検出に用いられているが、コントラスト検出に用いることもできる。
【００９９】
上述した一実施の形態では、焦点検出素子の焦点検出用画素の分光感度は図１１に示すように白色に近いものとしたが、焦点検出用画素の感度を図１０に示す分光感度の内の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。
【０１００】
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（図１４に示す距離ｄ０）の距離は単一である例を示したが、異なる測距瞳距離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てもよい。
【０１０１】
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として用いるとともに、焦点検出素子による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。
【０１０２】
上述した一実施の形態では、ハーフミラー２２２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り、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。
【０１０３】
上述した一実施の形態では光分割プリズム２２３により光束を分割しているが、薄板ガラスを用いたハーフミラーやペリクルハーフミラーを用いることもできる。
【０１０４】
上述した一実施の形態において、ハーフミラー２２２は多層膜によって形成してもよいし、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。
【０１０５】
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、カメラボディ内の光分割プリズム２２３と焦点検出素子と撮像素子をユニット化し、このユニット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、ユニットの移動により焦点の微調整を行うようにしてもよい。
【０１０６】
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焦点検出素子にも適用することができる。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用画素を備えた焦点検出素子にも適用可能である。
【０１０７】
上述した一実施の形態における焦点検出素子は、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。
【０１０８】
本発明に係わる撮像装置は、カメラボディに交換レンズが装着されたデジタルスチルカメラに限定されず、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することができる。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にも適用することができる。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することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】一実施の形態の撮像装置（カメラ）の構成を示す横断面図
【図２】交換レンズの撮影画面における撮像用画素と焦点検出用画素の配列範囲を示す図
【図３】撮像素子の部分拡大図
【図４】焦点検出素子の一部の領域（図２に示す領域Ｃ）を拡大した図
【図５】図４に示す焦点検出素子を構成する焦点検出用画素の一方の部分配列を示す図
【図６】図４に示す焦点検出素子を構成する焦点検出用画素の他方の部分配列を示す図
【図７】稠密正方格子状に配列における画素間距離を示す図
【図８】撮像素子の撮像用画素配列の内の単位配列部を拡大した図
【図９】焦点検出用画素の拡大図
【図１０】撮像用画素の分光特性を示す図
【図１１】焦点検出用画素の分光特性を示す図
【図１２】撮像用画素の横断面図
【図１３】焦点検出用画素の横断面図
【図１４】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
【図１５】撮像素子の撮像用画素と射出瞳の関係を説明する図
【図１６】射出瞳面における測距瞳の正面図
【図１７】図１に示すカメラ（撮像装置）の動作を示すフローチャート
【図１８】像ズレ検出演算処理（相関演算処理）の詳細を説明する図
【図１９】変形例の焦点検出素子の一部の領域を拡大した図
【図２０】図１９に示す焦点検出素子の焦点検出用画素の部分配列を示す図
【図２１】図１９に示す焦点検出素子の焦点検出用画素の他の部分配列を示す図
【図２２】他の変形例の焦点検出素子の一部の領域を拡大した図
【図２３】図２２に示す焦点検出素子の焦点検出用画素の部分配列を示す図
【図２４】図２２に示す焦点検出素子の焦点検出用画素の他の部分配列を示す図
【図２５】他の変形例の焦点検出素子の一部の領域を拡大した図
【図２６】図２５に示す焦点検出素子の焦点検出用画素の部分配列を示す図
【図２７】図２５に示す焦点検出素子の焦点検出用画素の他の部分配列を示す図
【図２８】他の変形例の焦点検出素子の一部の領域を拡大した図
【図２９】図２８に示す焦点検出素子の焦点検出用画素の部分配列を示す図
【図３０】図２８に示す焦点検出素子の焦点検出用画素の他の部分配列を示す図
【図３１】図２８に示す焦点検出素子の焦点検出用画素の他の部分配列を示す図
【図３２】稠密六方格子状に配列における画素間距離を示す図
【図３３】他の変形例の焦点検出素子の一部の領域を拡大した図
【図３４】図３３に示す焦点検出素子の焦点検出用画素の部分配列を示す図
【図３５】図３３に示す焦点検出素子の焦点検出用画素の他の部分配列を示す図
【図３６】図３３に示す焦点検出素子の焦点検出用画素の他の部分配列を示す図
【符号の説明】
【０１１０】
１２、１３  光電変換部
２０２  交換レンズ
２０３  カメラボディ
２０６  レンズ駆動制御回路
２１４  ボディ駆動制御回路
２２０  撮像素子
２２１、２２１Ａ〜２２１Ｅ  焦点検出素子
２２３  光分割プリズム
３２０、３３０、３４０、３５０、３６０ａ、２６０ｂ、２７０ａ、２７０ｂ、３８０ａ、３８０ｂ、４１０、４２０、４３０、４４０ａ、４４０ｂ、４５０ａ、４５０ｂ、４６０ａ、４６０ｂ  焦点検出用画素
【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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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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