(57)【要約】【課題】特別な光学系を用いることなく、高速に焦点調整を行うことが可能な固体撮像素子及びこれを備えた撮影装置を提供することを目的とする。【解決手段】複数の撮影用光電変換素子５０ａを配列し、その間にＡＦ用光電変換素子５０ｂを配列する。この時、凹凸形状を形成し、凹部５１及び凸部５３にそれぞれＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２を配置する。そして、ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２の出力の差分に基づいてフォーカスレンズの移動方向を決定して、撮影用光電変換素子５０ａから得られるコントラスト値が最大となる位置にフォーカスレンズを移動する。【選択図】        図１
2004361611.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体を撮影するための複数の撮影用光電変換素子と、
前記撮影用光電変換素子が配列された面に設けられた凹部と、
前記撮影用光電変換素子が配列された面に設けられた凸部と、
前記凹部及び前記凸部に設けられた補助光電変換素子と、
を備えた固体撮像素子。
【請求項２】
前記補助光電変換素子以外の前記撮影用光電変換素子に色フィルタを設けることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
赤外線フィルタを設ける場合、前記補助光電変換素子以外の前記撮影用光電変換素子に設けることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記撮影用光電変換素子及び前記補助光電変換素子が配列される面を曲面形状とすることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の固体撮像素子と、
前記固体撮像素子に被写体像を結像する光学系と、
焦点調整するために前記光学系を移動する移動手段と、
前記凹部に設けられた前記補助光電変換素子の出力と、前記凸部に設けられた前記補助光電変換素子の出力との差に基づいて合焦方向を決定し、該決定の合焦方向に前記光学系を移動するように前記移動手段を制御する合焦方向制御手段と、
前記撮影用光電変換素子の出力におけるコントラスト値の最大値を合焦位置として、当該合焦位置に前記光学系を移動するように前記移動手段を制御する制御手段と、
を備えた撮影装置。
【請求項６】
前記固体撮像素子へ入射される光量を制御する光量制御手段と、前記光量制御手段による制御に応じて、前記合焦方向制御手段の制御の有無を切り換える切換手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の撮影装置。
【請求項７】
被写体の明るさを検出する検出手段と、前記検出手段によって検出された前記明るさに応じて、前記合焦方向制御手段の制御の有無を切り換える切換手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の撮影装置。
【請求項８】
前記凹部に設けられた前記補助光電変換素子と前記凸部に設けられた前記補助光電変換素子の感度比を予め記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶された前記感度比に基づいて、前記補助光電変換素子の出力値を補正する補正手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項５乃至請求項７の何れか１項に記載の撮影装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子及び撮影装置にかかり、特に、焦点調整を自動的に行うオートフォーカスカメラに適用可能な固体撮像素子及びこれを備えた撮影装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の撮影装置は、ＣＣＤ等の撮像素子を備えたデジタルカメラが数多く流通している。このようなデジタルカメラでは、撮影時には、ＣＣＤの受光面に被写体像が結像され、ＣＣＤの各受光素子で入射光量に応じた量の信号電荷に変換される。そして、ＣＣＤに蓄積された信号電荷を画素毎に読み取って画像データに変換し、この画像データをメモリーカードなどの記録媒体に記録している。
【０００３】
ところで、このようなデジタルカメラでは、銀塩カメラと同様に、被写体の焦点調整を自動的に行うオートフォーカス機能（以下、ＡＦという）を備えたものが従来より提案されている。ＡＦ機能は、ＣＣＤ等に被写体像を結像する焦点調整のためのフォーカスレンズを有しており、当該フォーカスレンズを移動することによって焦点調整が行われる。
【０００４】
デジタルカメラのＡＦ方式の多くは、撮像素子からの映像信号のコントラストが最大になる位置にフォーカスレンズを移動制御する所謂コントラストＡＦ方式が一般的である。
【０００５】
また、一眼レフカメラ等に用いられるＡＦ方式は、ＴＴＬ（Ｔｈｒｏｕｇｈ  Ｔｈｅ  Ｌｅｎｓ）位相差ＡＦと呼ばれる方式が用いられる。ＴＴＬ位相差ＡＦ方式は、光線を分割してその位相差から、デフォーカス量を算出して合焦位置を決定し、フォーカスレンズを移動制御する方式である。この方式では、デフォーカス量（フォーカスのずれ量）が分かることから、ずれ量を０にすることで高速に合焦させることができる。
【０００６】
また、その他のＡＦの方法としては、特許文献１に記載の技術のように、複数の撮像素子を用いて合焦させるものや、特許文献２に記載の技術のように、複数の撮像素子の一つを光軸に対して傾けて設ける方法などが提案されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−３５２３９３号公報（第１頁、第２図）
【特許文献２】
特開２００１−２８１５３４号公報（第１頁、第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般的なコントラストＡＦ方式では、コントラストが最大になるフォーカスレンズの位置を探すために、フォーカスレンズの移動範囲を全て移動させてコントラストを検出しなければならないので、合焦時間が長くなってしまう、という問題がある。
【０００９】
また、ＴＴＬ位相差ＡＦ方式では、被写体像を撮影用と合焦用に分割する必要があると共に、合焦用に分割された光の位相差を求めるために専用の光学系が必要となってしまう、という問題がある。
【００１０】
さらに、特許文献１や特許文献２に記載のＡＦ方法では、何れも複数の撮像素子が必要となってしまい、特許文献１に記載のＡＦ方法では、光を分割するプリズム等の光学系が必要となり、複雑な構成となってしまう、という問題がある。
【００１１】
本発明は、上記問題を解決すべく成されたもので、特別な光学系を用いることなく、高速に焦点調整を行うことが可能な固体撮像素子及びこれを備えた撮影装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、被写体を撮影するための複数の撮影用光電変換素子と、前記撮影用光電変換素子が配列された面に設けられた凹部と、前記撮影用光電変換素子が配列された面に設けられた凸部と、前記凹部及び前記凸部に設けられた補助光電変換素子と、を備えることを特徴としている。
【００１３】
請求項１に記載の発明によれば、被写体を撮影するための複数の撮影用光電変換素子が配列された面に凹凸が設けられ、当該凹凸に補助光電変換素子が設けられている。
【００１４】
このような固体撮像素子に結像するレンズの焦点調整を行う場合、レンズまでの距離が凸部の補助光電変換素子、撮影用光電変換素子、凹部の補助光電変換素子の順で短くなる。そこで、凸部の補助光電変換素子と凹部の補助光電変換素子との差分を取ることで撮影用光電変換素子に対するレンズの合焦方向を検出することが可能となり、高速に焦点調整を行うことが可能となる。
【００１５】
例えば、撮影用の光電変換素子間に凹部及び凸部を形成して、当該凹凸部に補助光電変換素子を配列することができる。凹部と凸部は千鳥状に形成するようにしてもよいし、複数行毎に凹部と凸部が交互になるように形成してもよいし、隣接して斜め方向に凹部及び凸部がそれぞれ並ぶように形成してもよい。
【００１６】
なお、請求項２に記載の発明のように、補助光電変換素子以外の撮影用光電変換素子に色フィルタを設けることにより、補助光電変換素子は色による影響を受けにくくすることができ、被写体輝度コントラストを正確に得ることが可能となる。
【００１７】
また、請求項３に記載の発明のように、赤外線フィルタを設ける場合には、補助光電変換素子以外の撮影用光電変換素子に設けることにより、補助光電変換素子の感度低下を抑制することができ、合焦方向を確実に検出することが可能となる。
【００１８】
さらに、請求項４に記載の発明のように、撮影用光電変換素子及び補助光電変換素子が配列される面を曲面形状とするようにしてもよい。例えば、固体撮像素子に結像するレンズの曲率Ｒに応じた曲面形状にすることにより、固体撮像素子の外周付近に位置する凹部の補助光電変換素子へ光を確実に入射させることが可能となる。
【００１９】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の固体撮像素子と、前記固体撮像素子に被写体像を結像する光学系と、焦点調整するために前記光学系を移動する移動手段と、前記凹部に設けられた前記補助光電変換素子の出力と、前記凸部に設けられた前記補助光電変換素子の出力との差に基づいて合焦方向を決定し、該決定の合焦方向に前記光学系を移動するように前記移動手段を制御する合焦方向制御手段と、前記撮影用光電変換素子の出力におけるコントラスト値の最大値を合焦位置として、当該合焦位置に前記光学系を移動するように前記移動手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴としている。
【００２０】
請求項５に記載の発明によれば、光学系によって上述の固体撮像素子に被写体像が結像される。
【００２１】
光学系は移動手段によって移動され、これによって固体撮像素子の撮影用光電変換素子への焦点調整を行うことができる。
【００２２】
ここで、上述したように、光学系までの距離が凸部の補助光電変換素子、撮影用光電変換素子、凹部の補助光電変換素子の順で短くなるので、凸部の補助光電変換素子と凹部の補助光電変換素子との差分を取ることで撮影用光電変換素子に対するレンズの合焦方向を検出することが可能であることから、合焦方向制御手段によって、凹部に設けられた補助光電変換素子の出力と、凸部に設けられた補助光電変換素子の出力との差に基づいて合焦方向が決定され、該決定の合焦方向に光学系を移動するように移動手段が制御される。
【００２３】
そして、制御手段では、撮影用光電変換素子の出力におけるコントラスト値の最大値を合焦位置として、合焦位置に光学系を移動するように移動手段が制御される。
【００２４】
このように、焦点調整の制御を行うことにより、特殊な光学系を用いることなく、焦点調整を高速かつ正確に行うことができる。
【００２５】
なお、請求項６に記載の発明のように、光量制御手段と切換手段をさらに備えるようにしてもよい。例えば、撮影用光電変換素子よりも補助光電変換素子の方が小さい場合には、固体撮像素子に入射される光量が少なくなり、凹部と凸部の補助光電変換素子の出力差に信頼性がなくなる場合が考えられるので、光量制御手段の制御に応じて切換手段によって合焦方向制御手段による合焦方向決定の実施をするか否かを切り換えるようにしてもよい。合焦方向制御手段による合焦方向決定を行わない場合には、撮影用光電変換素子の出力におけるコントラスト値の最大値を検出することによって焦点調整を行うことができる。
【００２６】
また、請求項７に記載の発明のように、検出手段と切換手段をさらに備えるようにしてもよい。例えば、撮影用光電変換素子よりも補助光電変換素子の方が小さい時、被写体像が暗い場合には、上記と同様に、凹部と凸部の補助光電変換素子の出力差に信頼性がなくなる場合が考えられるので、検出手段によって検出された明るさに応じて切換手段によって合焦方向制御手段による合焦方向決定の実施をするか否かを切り換えるようにしてもよい。合焦方向制御手段による合焦方向決定を行わない場合には、撮影用光電変換素子の出力におけるコントラスト値の最大値を検出することによって焦点調整を行うことができる。
【００２７】
さらに、請求項８に記載の発明のように、記憶手段と補正手段をさらに備えるようにしてもよい。すなわち、凹部及び凸部にそれぞれ設けられた補助光電変換素子の感度比を予め記憶し、記憶した感度比に基づいて、補助光電変換素子の出力値を補正することにより、正確に焦点調整を行うことが可能となる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。
【００２９】
まず、図１を参照して本発明の実施の形態に係わる固体撮像素子５０について説明する。
【００３０】
図１（Ａ）に示すように、本発明の実施の形態に係わる固体撮像素子５０は、複数の撮影用光電変換素子５０ａが配列され、その間に本発明の補助光電変換素子としてのオートフォーカス（ＡＦ）用光電変換素子５０ｂが配列されている。ＡＦ用光電変換素子５０ｂは、撮影用光電変換素子５０ａよりも小さい光電変換素子が配置される。なお、図１では、本発明の実施の形態に係わる固体撮像素子５０は、所謂ハニカム構造として示すが、これに限るものではない。
【００３１】
また、本発明の固体撮像素子５０は、図１（Ｂ）に示すように、各光電変換素子５０ａ、５０ｂが配列された面に凹凸形状が形成されており、当該凹凸形状の凹部５１及び凸部５３のそれぞれにＡＦ用光電変換素子５０ｂが設けられている。以下では、凹部５１の光電変換素子５０ｂを後側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ２、凸部５３の光電変換素子５０ｂを前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１と称す。
【００３２】
なお、撮影用光電変換素子５０ａと後側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ２との距離と、撮影用光電変換素子５０ａと前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１との距離は、略等距離とされている。
【００３３】
本実施の形態に係わる固体撮像素子５０では、後側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ２と、前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１は、図２（Ａ）に示すように、交互に配置された千鳥状となるように凹部５１及び凸部５３が形成されている。なお、図２では、前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１を黒丸、後側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ２を白丸で示す。
【００３４】
図３（Ａ）は、後側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ２と前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１のフォーカスレンズ位置に応じたＡＦ評価値を示す。また、図３（Ｂ）は、前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１と、後側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ２のＡＦ評価値の差を示すグラフである。
【００３５】
ＡＦ用の光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２から電荷を読み出した後に、デジタル信号処理を施し、前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１のコントラストと、後側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ２のコントラストを算出すると、フォーカスレンズの位置に応じて、図３（Ａ）に示すように、ＡＦ評価値が変化する。
【００３６】
それぞれのＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２のＡＦ評価値は、それぞれ凹凸の分だけフォーカスレンズとの距離が異なるので、図３（Ａ）に示すように、それぞれのＡＦ評価値のピーク値のフォーカスレンズの位置は異なる位置となり、撮影用光電変換素子５０ａの合焦点に対して一方が前方向に、他方が後方向にずれる。すなわち、ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、撮影用光電変換素子５０ａ、ＡＦ用光電変換素子５０ｂ２の順でフォーカスレンズとの距離が短くなっており、図３（Ｂ）に示すように、ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２の差分から撮影用光電変換素子５０ａの合焦点がどちらの方向にあるか判定することができる。従って、ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２のＡＦ評価値に基づいて合焦方向を判定することができる。このとき、前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１と後側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ２との差が大きい場合には、撮影用光電変換素子５０ａに対してそれぞれ略等距離に配置されているので、それぞれの差分が０となるところを合焦点とすることも可能である。
【００３７】
また、ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２は、色による影響を受けにくくするために、色フィルタの配置はしない、または白色のフィルタを配置することによって色フィルタの影響を受けることなく、コントラストを正確に得ることができる。
【００３８】
さらに、色フィルタと同様に、一般的に使用される赤外カット（ＩＲ）フィルタについても、蒸着で行う場合には、撮影用光電変換素子５０ａの部分のみに行い、ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２にはコートしないようにすることによって低輝度に対しても感度を向上することができる。
【００３９】
なお、後側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ２と前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１の配列は上記に限るものではない。例えば、図２（Ｂ）に示すように、２行毎に凹部５１のＡＦ用光電変換素子５０ｂ２と凸部５３のＡＦ用光電変換素子５０ｂ１を交互に配列するように凹凸形状を形成してもよい。この場合には、図２（Ｂ）の点線で示すように、ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２の電荷をジグザグ状に読み出すことにより、後側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ２と、前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１をそれぞれ個別に読み出すことができるので、凹部５１用の積算レジスタと凸部５３用の積算レジスタ等を設けて、それぞれのＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２から読み出すことによって得られるデータを単純に差分処理するだけで、水平だけでなく垂直に対してもコントラストのエッジ検出でき、ＡＦ性能を向上することができる。
【００４０】
また、図２（Ｃ）に示すように、斜め方向に凹部５１のＡＦ用光電変換素子５０ｂ１及び凸部５３のＡＦ用光電変換素子５０ｂ２がそれぞれ並ぶように配列するように凹凸形状を形成してもよい。通常コントラストＡＦ方式では、固体撮像素子の一部を検出エリアとしてその中のコントラスト成分を積算してＡＦ評価値求めるが、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）では、コントラストのエッジが水平及び垂直方向の場合には、エッジ検出する際の前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１と後側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ２の数が異なる可能性があるため、後側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ２によるコントラストと前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１によるコントラストが異なってしまうことが多い。そこで、図２（Ｃ）のようにＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２を配列することによって、水平及び垂直方向のエッジ検出を確実に行うことができる。
【００４１】
また、後側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ２と、前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１との出力差（ＡＦ評価値の差）を予めメモリ等に記憶するようにしてもよい。このように、ＡＦ評価値の差を予め記憶しておくことによって、コントラストを算出する際に、ＡＦ評価値の差を補正して、合焦位置の精度を上げることが可能となる。
【００４２】
続いて、上述の固体撮像素子５０を適用した本発明の実施の形態に係わるデジタルカメラについて説明する。
【００４３】
図４（Ａ）に示すように、上述の固体撮像素子５０が適用されたデジタルカメラ１０の上面には、露光に際して被写体が適正な露光光量が得られない低照度の場合に、本体内部よりポップアップして発光されるストロボ１８が設けられ、正面には、撮影される被写体像と略同等の像を示す光が入射するファインダ窓１６と、被写体像を結像させるための光学ユニット１４と、が設けられている。また、デジタルカメラ１０の側面には、撮影によって得られた画像データをデジタルデータとして記憶する可搬型の記録メディア３０（図５参照）を装填可能なスロット２４と、デジタルカメラ１０の撮影によって得られる画像データを外部の機器へ送信するためのＵＳＢ端子４２やその他の端子４４が設けられている。また、交流電源から電源を得るためのＡＣアダプタを接続するためのＡＣアダプタ接続口２８が設けられており、交流電源をデジタルカメラ１０へ供給可能なように構成されている。
【００４４】
なお、光学ユニット１４は、所謂沈胴式の光学レンズであり、撮影時以外は、当該デジタルカメラ１０の本体の筐体１２内に沈胴されており、撮影時には、光軸方向に伸縮可能な鏡筒１５が伸張されて、図４（Ａ）に示すように筐体１２の外部に現れるようになっている。また、光学ユニット１４は、鏡筒１５内に、撮影レンズ３６と、本発明の光学系としてのフォーカスレンズ４０と、絞り機構３８とを含んでいる（図５参照）。撮影レンズ３６は、１枚又は複数枚のレンズで構成される。
【００４５】
一方、デジタルカメラ１０の背面には、図４（Ｂ）に示すように、撮影によって得られた被写体像、各種メニュー、パラメータ筒を表示する表示装置（ＬＣＤ）２６と、ファインダ窓１６から入射した光が図示しない光学部材を介して案内され、撮影する被写体像の構図を決定する際に撮影者によって覗かれるファインダー接眼部１６ａと、撮影倍率をアップ又はダウンしたり、表示装置２６に表示させるメニュー画面から所望のメニュー項目又はパラメータを選択する際筒に撮影者によって操作される８方向キー３４と、が設けられている。また、表示装置２６の近傍には、デジタルカメラ１０の各部への電源電力の供給／供給停止の切り換えを行う電源スイッチ２０が設けられている。
【００４６】
さらに、デジタルカメラ１０の上面には、撮影記録の指示入力のために撮影者によって押圧操作されるシャッタスイッチ（所謂レリーズスイッチ）２２と、撮影モードや編集モード筒の各種モードを選択する際に撮影者によって回転操作されるモードダイヤル１７と、が設けられている。
【００４７】
次に、図５を参照して、本発明の実施の形態に係わるデジタルカメラ１０の電気系の構成を説明する。
【００４８】
図５に示すように、デジタルカメラ１０は、光学ユニット１４の光軸後方に上述の固体撮像素子５０が配置され、固体撮像素子５０から読み出された被写体像を表す出力信号に含まれるノイズ成分を除去する相関二重サンプリング（ＣＤＳ：Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｓａｍｐｌｉｎｇ）処理を行うＣＤＳ回路５２と、ＣＤＳ回路５２により処理されたアナログ信号をデジタル信号に変換するデジタル／アナログ変換器（以下、Ａ／Ｄ変換器という）５４と、固体撮像素子５０を駆動するためのタイミング信号を生成するタイミングジェネレータ（ＴＧ）５６と、光学ユニット１４に含まれる撮影レンズ３６を移動（鏡筒の伸縮）させるためのズームモータ、フォーカスレンズ４０を移動させるためのＡＦモータ、及び絞り機構３８を駆動するためのアイリスモータ等の各モータを駆動するためのモータドライバ５８と、デジタルカメラ１０の全体的な動作を司る主制御部６０と、を備えている。なお、モータドライバ５８は本発明の移動手段に相当する。
【００４９】
また、主制御部６０は、Ａ／Ｄ変換器５４によるデジタル変換後の信号を固体撮像素子５０による撮影結果（被写体像）を表す画像データとして入力するための画像入力制御部６２と、入力された画像データに対して所定のデジタル信号処理を行う画像信号処理回路６４と、表示装置２６に表示する画像データを格納するためのＶＲＡＭ６６と、ＶＲＡＭ６６に格納された画像データに基づく画像を表示するように表示装置２６の表示を制御するための表示制御部６８と、画像データを圧縮・伸張する圧縮伸張回路７０と、スロット２４に装填された記録メディア３０に対して各種情報を読み書きするメディア制御部７２と、固体撮像素子５０による撮影結果に基づいて最適な露出及びホワイトバランスを検出するＡＥ（Ａｕｔｏ  Ｅｘｐｏｓｕｒｅ）・ＡＷＢ（Ａｕｔｏ  Ｗｈｉｔｅ  Ｂａｌａｎｃｅ）検出回路７６と、フォーカスレンズ４０を移動して焦点調整するためのＡＦ検出回路７４と、ワークメモリとして用いられるＳＤＲＡＭ（Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ  Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）７８と、各種プログラムやパラメータ等の情報が予め記憶されたＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  Ｅｌａｓａｂｌｅ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）８０と、ＥＥＰＲＯＭ８０から適宜情報を読み出して上記各部を制御するＣＰＵ８２と、がバス８４により相互に接続されている。  また、ＣＰＵ８２は、ＴＧ５６、モータドライバ５８とに接続されている。
【００５０】
さらに、ＣＰＵ８２は、ユーザにより操作する操作手段としてデジタルカメラ１０に設けられている８方向キー３４、電源スイッチ２０、シャッタスイッチ２２、及びモードダイヤル１７とが接続されており、撮影者によるこれら操作手段の操作情報を常時把握できる。
【００５１】
詳しくは、モードダイヤル１７により静止画又は動画撮影モードが選択されている場合、ＣＰＵ８２は、ＴＧ５６を駆動させ、所定のタイミングで固体撮像素子５０に被写体像を撮影させる。
【００５２】
なお、一般に、固体撮像素子５０には、シャッタゲートを介してシャッタドレインが設けられており、シャッタゲートをシャッタゲートパルスによって駆動することにより、固体撮像素子５０に蓄積した信号電荷をシャッタドレインに掃き出すことができる。すなわち、固体撮像素子５０は、シャッタゲートパルスによって各センサに蓄積された電荷の蓄積時間（シャッタスピード）を制御する、所謂電子シャッタ機構を有しているが、電子シャッタの代わりにメカニカルシャッタを設けるようにしてもよい。
【００５３】
固体撮像素子５０から出力された被写体像を表すアナログ信号は、ＣＤＳ回路５２による処理が施され、Ａ／Ｄ変換器５４によりデジタル画像信号に変換された後、画像データとして、画像入力制御部６２から主制御部６０内に入力される。この入力された画像データは、バス８４を介してＳＤＲＡＭ７８に一旦蓄積される。
【００５４】
主制御部６０では、入力された画像データに基づいて、ＡＦ検出回路７４において焦点評価演算、ＡＥ・ＡＷＢ検出回路７６において、ＡＥ演算・ＡＷＢ演算が行われ、ＣＰＵ８２は、これらの演算に基づいて、モータドライバ５８及び固体撮像素子５０を制御して、フォーカスレンズ４０や絞り機構３８の駆動手段（例えば、ＡＦモータやアイリスモータ等）及び固体撮像素子５０の電子シャッタ機能を駆動し、フォーカスレンズ４０を合焦位置に移動させると共に、絞り機構３８及び電子シャッタ機能を適正な露光制御値（絞り値やシャッタスピード）に設定し、ＡＷＢ調整値を設定する。なお、本実施の形態のＡＥ・ＡＷＢ検出回路７６におけるＡＥ演算・ＡＷＢ演算は、画像データに基づいて被写体の明るさ（Ｅｖ値）や絞り値（ＦＮｏ．）等を算出するが、これに限るものではなく、例えば、周辺光量を検出する光センサ等を設け、当該光センサ出力に基づいて算出するようにしてもよい。
【００５５】
ところで、本実施の形態に係わるデジタルカメラ１０では、上述の固体撮像素子５０を適用してるので、ＡＦ用光電変換素子５０ｂと撮影用光電変換素子５０ａを備えており、前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１と、後側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ２とでコントラストの検出値が異なる可能性がある。すなわち、フォーカスレンズ４０からの距離が前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１と後側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ２とで異なるので、前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１と後側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ２のコントラストの検出値が同じになった地点を合焦位置とすると真の合焦位置とは異なることになる。
【００５６】
そこで、ＡＦ検出回路７４は、前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１から得られる画像データと、後側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ２から得られる画像データとの差分に基づいて、フォーカスレンズ４０の移動方向（合焦方向）を決定し、決定した合焦方向にフォーカスレンズ４０を移動するようにモータドライバ５８を制御する。
【００５７】
そして、ＡＦ検出回路７４は、撮影用光電変換素子５０ａから得られる画像データに基づいて、コントラストが最大となる位置を合焦位置として、フォーカスレンズ４０を駆動制御するようになっている。
【００５８】
また、ＡＥ・ＡＷＢ検出回路７６によって検出された絞りが小さい場合（ＦＮｏ．が大きい場合）には、焦点深度が広いため、前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１と、後側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ２の出力差が０になるフォーカスレンズ４０位置を合焦位置としても問題がない。従って、ＡＦ検出回路７４は、絞りが所定の範囲の時に、ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２の出力のみに基づいて合焦位置を制御するようになっている。
【００５９】
また、ＡＥ・ＡＷＢ検出回路７６によって検出された絞りがさらに小さい場合には、焦点深度が非常に広くなり、図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１と、後側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ２との出力が重なり、出力差に信頼性がなくなる可能性がある。そこで、ＡＦ検出回路７４は、ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２による出力を使用せずに、撮影用光電変換素子５０ａのコントラストを用いて焦点調整するように制御する。
【００６０】
さらに、ＡＥ・ＡＷＢ検出回路７６によって被写体の明るさ（Ｅｖ値）を検出し、被写体が暗い場合には、ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２は、撮影用光電変換素子５０ａに比べてサイズが小さいため出力が小さく、正確なコントラストを取得できない可能性がある。そこで、ＡＦ検出回路７４は、撮影用光電変換素子５０ａからのコントラストを使用して焦点調整するように制御する。なお、ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２にＩＲフィルタを設けない場合には、低輝度における感度は撮影用光電変換素子５０ａよりも高い場合があるので、この場合はＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２からのコントラストを用いるようにしてもよい。なお、ＡＥ・ＡＷＢ検出回路７６は本発明の光量制御手段及び検出手段に相当する。
【００６１】
続いて、上述のように構成されたデジタルカメラ１０における焦点調整制御（以下、ＡＦ制御という）について図７のフローチャートを参照して説明する。
【００６２】
まず、ステップ１００では、ＡＥ・ＡＷＢ検出回路７６によって絞り値及びＥｖ値が算出される。なお、絞り値及びＥｖ値の算出は、ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２から得られる画像データを用いるようにしてもよいし、撮影用光電変換素子５０ａから得られる画像データを用いるようにしてもよい。
【００６３】
続いて、ステップ１０２では、ＡＥ・ＡＷＢ検出回路７６によって算出された被写体明るさが５Ｅｖより大きいか否かＣＰＵ８２によって判定され、判定が否定された場合、すなわち、被写体が暗い場合には、ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２は、撮影用光電変換素子５０ａに比べてサイズが小さいため出力が小さく、正確なコントラストを取得できない可能性があるので、ステップ１０４へ移行して、通常ＡＦ処理が行われる。通常ＡＦ処理は、撮影用光電変換素子５０ａから得られるコントラスト値が最大となるように、フォーカスレンズ４０を移動して合焦位置を検出することによって合焦制御が行われる。
【００６４】
また、ステップ１０２の判定が肯定された場合には、ステップ１０６へ移行して、ＡＥ・ＡＷＢ検出回路７６によって算出された絞り値がＦ１１以上か否か判定される。該判定が肯定された場合、すなわち、ＡＥ・ＡＷＢ検出回路７６によって検出された絞り値が極めて小さい場合には、焦点深度が非常に広くなり、ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２の出力差に信頼性がなくなる可能性があるので、ステップ１０４へ移行して、上述の通常ＡＦ処理が行われる。
【００６５】
ステップ１０６の判定が否定された場合には、ステップ１０８へ移行して、ＡＥ・ＡＷＢ検出回路７６によって算出された絞り値がＦ５．６以上か否か判定され、該判定が肯定された場合には、ステップ１１０へ移行して後述するサーチＡの処理が行われ、否定された場合には、ステップ１１２へ移行して後述するサーチＢの処理が行われる。
【００６６】
すなわち、ステップ１１０のサーチＡでは、ＡＥ・ＡＷＢ検出回路７６によって検出された絞りが小さい場合（ＦＮｏ．が大きい場合）には、焦点深度が広いため、前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１と、後側ＡＦ用の光電変換素子５０ｂ２の出力差が０になるフォーカスレンズ４０位置を合焦位置としても問題がないので、ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２のみを用いて合焦制御を行い、ステップ１１２のサーチＢでは、ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２を用いて合焦方向を決定して、最終的に撮影用光電変換素子５０ａを用いて合焦位置を決定する。このように、合焦方向をＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２を用いて行うことにより、撮影用光電変換素子５０ａで合焦位置を検出する時間を短縮することができ、高速にＡＦ処理を行うことができる。
【００６７】
なお、ステップ１０２、１０６、１０８は本発明の切換手段に相当し、ステップ１０４は本発明の制御手段に相当する。
【００６８】
続いて、上述のサーチＡについて図８のフローチャートを参照して詳細に説明する。
【００６９】
サーチＡでは、まず、ステップ２００において、前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１と後側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ２の差分がゼロ以上か否か判定される。すなわち、図３（Ｂ）に示すように、ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２の出力差から合焦方向を判断することができる。
【００７０】
ステップ２００の判定が肯定された場合、すなわち、前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１の出力の方が大きい場合には、ステップ２０２へ移行して、フォーカスレンズ４０の位置が合焦点に対してＮＥＡＲ方向にあるので、ＣＰＵ８２は、合焦方向をＦＡＲ方向に移動するようにモータドライバ５８を制御してフォーカスレンズ４０を移動する。
【００７１】
また、ステップ２００の判定が否定された場合、すなわち、前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１の出力の方が小さい場合には、ステップ２０４へ移行して、フォーカスレンズ４０の位置が合焦点に対してＦＡＲ方向にあるので、ＣＰＵ８２は、合焦方向をＮＥＡＲ方向に移動するようにモータドライバ５８を制御してフォーカスレンズ４０を移動する。なお、ステップ２００〜２０４は、本発明の合焦方向制御手段に相当する。
【００７２】
続いて、ステップ２０６では、ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２の差分の絶対値が所定値Ｋよりも小さいか否か判定され、該判定が否定された場合には、ステップ２００へ戻って、ステップ２０６の判定が肯定されるまで、上述の処理が繰り返され、ステップ２０６の判定が肯定されたところでステップ２０８へ移行する。
【００７３】
ステップ２０８では、前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１のコントラスト値が所定値Ｌより大きいか否か判定され、該判定が否定された場合には、上述のステップ２００に戻って、ステップ２０８の判定が肯定されるまで上述の処理が繰り返され、判定が肯定されたところで一連のＡＦ制御が終了する。すなわち、ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２の差分が０付近になる場合が合焦点を含め３点存在するので、合焦点付近であることを確認するために当該判定を行い、所定値Ｌは、前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１の出力において合焦点付近ではある程度のコントラスト値を有するので、これに基づいて所定値Ｌを予め定める。なお、ステップ２０８の判定は前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１の出力ではなく、後側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ２の出力を用いるようにしてもよい。
【００７４】
このように、サーチＡでは、ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２のみを用いて合焦方向を決定すると共に、合焦位置を検出することができるので、高速にＡＦ処理を行うことができる。
【００７５】
次に、上述のサーチＢについて図９のフローチャートを参照して詳細に説明する。
【００７６】
サーチＢでは、まず、サーチＡと同様に、ステップ３００において、前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１と後側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ２の差分がゼロ以上か否か判定される。すなわち、図３（Ｂ）に示すように、ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２の出力差から合焦方向を判断することができる。
【００７７】
ステップ３００の判定が肯定された場合、すなわち、前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１の出力の方が大きい場合には、ステップ３０２へ移行して、フォーカスレンズ４０の位置が合焦点に対してＮＥＡＲ方向にあるので、ＣＰＵ８２は、合焦方向をＦＡＲ方向に移動するようにモータドライバ５８を制御してフォーカスレンズ４０を移動する。
【００７８】
また、ステップ３００の判定が否定された場合、すなわち、前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１の出力の方が小さい場合には、ステップ３０４へ移行して、フォーカスレンズ４０の位置が合焦点に対してＦＡＲ方向にあるので、ＣＰＵ８２は、合焦方向をＮＥＡＲ方向に移動するようにモータドライバ５８を制御してフォーカスレンズ４０を移動する。なお、ステップ３００〜３０４は、本発明の合焦方向制御手段に相当する。
【００７９】
続いて、ステップ３０６では、ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２の差分の絶対値が所定値Ｋよりも小さいか否か判定され、該判定が否定された場合には、ステップ３００へ戻って、ステップ３０６の判定が肯定されるまで、上述の処理が繰り返され、ステップ３０６の判定が肯定されたところでステップ３０８へ移行する。
【００８０】
ステップ３０８では、前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１のコントラストの絶対値が所定値Ｌより大きいか否か判定され、該判定が肯定されるまで上述の処理が繰り返され、判定が肯定されたところでステップ３１０へ移行する。すなわち、ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２の差分が０付近になる場合が合焦点を含めて３点存在するので、合焦点付近であることを確認するために当該判定を行い、所定値Ｌは、前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１の出力において合焦点付近ではある程度のコントラスト値を有するので、これに基づいて所定値Ｌを予め定める。なお、ステップ３０８の判定は、前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１の出力ではなく、後側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ２の出力を用いるようにしてもよい。
【００８１】
ステップ３１０では、上述の通常ＡＦ処理が行われる。すなわち、撮影用光電変換素子５０ａから得られるコントラスト値が最大となるように、フォーカスレンズ４０が移動され、これによってフォーカスレンズ４０の焦点調整が行われ、一連のＡＦ処理を終了する。
【００８２】
このように、サーチＢでは、ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２を用いて合焦方向を決定して、撮影用光電変換素子５０ａを用いて正確な合焦位置を決定するので、合焦位置を検出する時間を短縮することができ、高速にＡＦ処理を行うことができる。
【００８３】
すなわち、本実施の形態では、ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２のコントラスト値の差分からフォーカスレンズ４０の移動方向を決定し、撮影用光電変換素子５０ａのコントラスト値が最大となるようにフォーカスレンズ４０を移動することにより、特別な光学系を用いることなく、容易に焦点調整を行うことができる。このとき、フォーカスレンズ４０の移動方向をＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２のコントラスト値の差分だけで決定することができるので、高速にＡＦ処理を行うことが可能となる。
【００８４】
さらには、被写体の明るさや絞りに応じて合焦点のサーチ方法を切り換えることによって、確実かつ高速にＡＦ処理を行うことができる。
【００８５】
なお、サーチＡは、前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１及び後側ＡＦ光電変換素子５０ｂ２の感度比をＥＥＰＲＲＯＭ８０やＳＤＲＡＭ７８等の記憶手段としてのメモリに予め記憶しておき、図１０のフローチャートに示すようにしてもよい。図１０では、図８と同一処理について同一符号を付して示す。
【００８６】
すなわち、ステップ１９６では、予め記憶された感度比が読み出され、ステップ１９８へ移行して、感度比に応じて前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１及び後側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ２のコントラスト値が補正される。当該ステップ１９６、１９８は本発明の補正手段に相当する。
【００８７】
そして、ステップ２００では、前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１と後側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ２の差分がゼロ以上か否か判定される。すなわち、図３（Ｂ）に示すように、ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２の出力差から合焦方向を判断することができる。
【００８８】
ステップ２００の判定が肯定された場合、すなわち、前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１の出力の方が大きい場合には、ステップ２０２へ移行して、フォーカスレンズ４０の位置が合焦点に対してＮＥＡＲ方向にあるので、ＣＰＵ８２は、合焦方向をＦＡＲ方向に移動するようにモータドライバ５８を制御してフォーカスレンズ４０を移動する。
【００８９】
また、ステップ２００の判定が否定された場合、すなわち、前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１の出力の方が小さい場合には、ステップ３０４へ移行して、フォーカスレンズ４０の位置が合焦点に対してＦＡＲ方向にあるので、ＣＰＵ８２は、合焦方向をＮＥＡＲ方向に移動するようにモータドライバ５８を制御してフォーカスレンズ４０を移動する。
【００９０】
続いて、ステップ２０６では、ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２の差分の絶対値が所定値Ｋよりも小さいか否か判定され、該判定が否定された場合には、ステップ２００へ戻って、ステップ２０６の判定が肯定されるまで、上述の処理が繰り返され、ステップ２０６の判定が肯定されたところでステップ２０８へ移行する。
【００９１】
ステップ２０８では、前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１のコントラスト値が所定値Ｌより大きいか否か判定され、該判定が否定された場合には、上述のステップ１９６に戻って、ステップ２０８の判定が肯定されるまで上述の処理が繰り返され、判定が肯定されたところで一連のＡＦ制御が終了する。すなわち、ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２の差分が０付近になる場合が合焦点を含め３点存在するので、合焦点付近であることを確認するために当該判定を行い、所定値Ｌは、前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１の出力において合焦点付近ではある程度のコントラスト値を有するので、これに基づいて所定値Ｌを予め定める。なお、ステップ２０８の判定は前側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１の出力ではなく、後側ＡＦ用光電変換素子５０ｂ２の出力を用いるようにしてもよい。
【００９２】
このように、ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２の感度比を予め記憶しておき、それぞれのコントラスト値を感度比に応じて補正することによって、ＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２のコントラスト値の差分により確実に合焦点を検出することができ、合焦精度を向上することができる。
【００９３】
この場合には、合焦精度を向上することができるので、サーチＡだけでなく、サーチＢについても図１０のフローチャートの処理を行うこともでき、サーチＡ及びサーチＢをこのように処理することによってＡＦ用光電変換素子５０ｂ１、５０ｂ２だけで焦点調整することが可能となる。
【００９４】
ところで、本実施の形態に係わる固体撮像素子５０の中央部の凹部５１では、図１１（Ａ）に示すように、フォーカスレンズ４０等を含む各種レンズを介して光が入射されるが、固体撮像素子５０の外側付近では、光の入射角によっては、図１１（Ｂ）に示すように、凹部５１に光が入射しないことが考えられる。そこで、図１１（Ｃ）に示すように、固体撮像素子５０を、レンズの曲率等に応じた曲率Ｒを持たせた形状とするようにしてもよい。これによって、固体撮像素子５０の外側付近の凹部５１に光を確実に入射させることが可能となる。
【００９５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、複数の撮影用光電変換素子が配列された面に凹凸部を設けて、凹部及び凸部のそれぞれに補助光電変換素子を設けることにより、補助光電変換素子の出力差に基づいて固体撮像素子に結像する光学系の合焦方向を決定することが可能となるので、特別な光学系を用いることなく、高速に焦点調整を行うことができる、という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）本発明の実施の形態に係わる固体撮像素子を示す正面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ断面を示す断面図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の実施の形態に係わる固体撮像素子における凸部と凹部のＡＦ用光電変換素子の配列の一例を示す図である。
【図３】（Ａ）は撮影用光電変換素子及びＡＦ用光電変換素子のフォーカスレンズ位置に応じたＡＦ評価値を示し、（Ｂ）は前側ＡＦ用光電変化素子と後側ＡＦ光電変換素子の出力差を示すグラフである。
【図４】（Ａ）は本発明の実施の形態に係わるデジタルカメラの正面を示す斜視図であり、（Ｂ）は背面を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態に係わるデジタルカメラの電気系の構成を示すブロック図である。
【図６】（Ａ）は前側ＡＦ用光電変換素子と後側ＡＦ用光電変換素子の出力が重なり、出力差に信頼性がない場合のグラフであり、（Ｂ）はそのときの出力差を示すグラフである。
【図７】本発明の実施の形態に係わるデジタルカメラにおけるＡＦ処理の一例を示すフローチャートである。
【図８】サーチＡのサブルーチンを示すフローチャートである。
【図９】サーチＢのサブルーチンを示すフローチャートである。
【図１０】サーチＡの変形例を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の固体撮像素子の変形例を示す図である。
【符号の説明】
１０    デジタルカメラ
３８    絞り機構
４０    フォーカスレンズ
５０    固体撮像素子
５０ａ    撮影用光電変換素子
５０ｂ    ＡＦ用光電変換素子
５０ｂ１    前側ＡＦ用光電変換素子
５０ｂ２    後側ＡＦ用光電変換素子
５８    モータドライバ
６０    主制御部
７４    ＡＦ検出回路
７６    ＡＥ・ＡＷＢ検出回路
７８    ＳＤＲＡＭ
８０    ＥＥＰＲＯＭ
８２    ＣＰＵ
【図１】
2004361611.tif 000003
【図２】
2004361611.tif 000004
【図３】
2004361611.tif 000005
【図４】
2004361611.tif 000006
【図５】
2004361611.tif 000007
【図６】
2004361611.tif 000008
【図７】
2004361611.tif 000009
【図８】
2004361611.tif 000010
【図９】
2004361611.tif 000011
【図１０】
2004361611.tif 000012
【図１１】
2004361611.tif 000013