(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一の半導体基板上の矩形領域を、該矩形領域の辺の一部と共通な直交する２辺を有する少なくとも第１及び第２の部分矩形領域に分割し、前記第１及び第２の部分矩形領域にそれぞれ二次元状に配置された、電荷蓄積型の光電変換部を有する焦点検出用画素と、
前記第１及び第２の部分矩形領域の各々に配置され、前記第１の部分矩形領域の焦点検出用画素の出力と前記第２の部分矩形領域の焦点検出用画素の出力とをそれぞれ読み出す第１及び第２の読み出し回路と、
前記第１の部分矩形領域の焦点検出用画素の電荷蓄積と前記第２の部分矩形領域の焦点検出用画素の電荷蓄積とを互いに独立に制御する制御回路と、を備え、
前記第１及び第２の部分矩形領域は、互いに間隔を空けて配置され、
前記第１の部分矩形領域の焦点検出用画素は、光学系の瞳の第１の一対の領域を通過した一対の光束を受光して一対の像信号を出力するように、１個のマイクロレンズと一対の第１光電変換部とを有すると共に、前記一対の第１光電変換部の並び方向に配列され、
前記第２の部分矩形領域の焦点検出用画素は、前記光学系の瞳の第２の一対の領域を通過した一対の光束を受光して一対の像信号を出力するように、１個のマイクロレンズと一対の第２光電変換部とを有すると共に、前記一対の第２光電変換部の並び方向に配列され、
前記第１の部分矩形領域の焦点検出用画素の前記一対の第１光電変換部の並び方向は、前記第２の部分矩形領域の焦点検出用画素の前記一対の第２光電変換部の並び方向と異なり、
前記第１の読み出し回路による前記第１の部分矩形領域の焦点検出用画素出力の読み出しは、前記一対の第１光電変換部の並び方向に配列された前記焦点検出用画素列毎に、前記一対の第１光電変換部の並び方向と垂直方向に走査されて行われ、
前記第２の読み出し回路による前記第２の部分矩形領域の焦点検出用画素出力の読み出しは、前記一対の第２光電変換部の並び方向に配列された前記焦点検出用画素列毎に、前記一対の第２光電変換部の並び方向と垂直方向に走査されて行われることを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
単一の半導体基板上の矩形領域を、該矩形領域の辺の一部と共通な直交する２辺を有する少なくとも第１及び第２の部分矩形領域に分割し、前記第１及び第２の部分矩形領域にそれぞれ二次元状に配置された、電荷蓄積型の光電変換部を有する焦点検出用画素と、
前記第１及び第２の部分矩形領域の各々に配置され、前記第１の部分矩形領域の焦点検出用画素の出力と前記第２の部分矩形領域の焦点検出用画素の出力とをそれぞれ読み出す第１及び第２の読み出し回路と、
前記第１の部分矩形領域の焦点検出用画素の電荷蓄積と前記第２の部分矩形領域の焦点検出用画素の電荷蓄積とを互いに独立に制御する制御回路と、を備え、
前記第１及び第２の部分矩形領域は、互いに間隔を空けて配置され、
前記第１の部分矩形領域の焦点検出用画素は、光学系の瞳の第１の一対の領域を通過した第１の一対の光束を受光して一対の像信号を出力するように、１個のマイクロレンズと前記第１の一対の光束の内の一方を受光する光電変換部とを備えた第１焦点検出画素と、１個のマイクロレンズと前記第１の一対の光束の内の他方を受光する光電変換部とを備えた第２焦点検出画素とが交互に配置され、
前記第２の部分矩形領域の焦点検出用画素は、前記光学系の瞳の第２の一対の領域を通過した第２の一対の光束を受光して一対の像信号を出力するように、１個のマイクロレンズと前記第２の一対の光束の内の一方を受光する光電変換部とを備えた第３焦点検出画素と、１個のマイクロレンズと前記第２の一対の光束の内の他方を受光する光電変換部とを備えた第４焦点検出画素とが交互に配置され、
前記第１の部分矩形領域の前記第１及び第２の焦点検出用画素の交互配列の方向は、前記第２の部分矩形領域の前記第３及び第４の焦点検出用画素の交互配列の方向と異なり、
前記第１の読み出し回路による前記第１の部分矩形領域の焦点検出用画素出力の読み出しは、前記交互配列方向に配列された前記第１及び第２の焦点検出用画素列毎に、前記交互配列方向と垂直方向に走査されて行われ、
前記第２の読み出し回路による前記第２の部分矩形領域の焦点検出用画素出力の読み出しは、前記交互配列方向に配列された前記第３及び第４の焦点検出用画素列毎に、当該交互配列方向と垂直方向に走査されて行われることを特徴とする撮像素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の撮像素子において、
前記単一の半導体基板上の前記第１及び第２の部分矩形領域の間の領域に、前記焦点検出画素からの前記一対の像信号を処理する処理回路が配置されることを特徴とする撮像素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の撮像素子において、
前記第1及び第２の部分矩形領域の前記焦点検出用画素の電荷蓄積を同時制御する第２の制御回路を備えることを特徴とする撮像素子。
【請求項５】
請求項１または請求項２に記載された撮像素子を前記光学系の１次像面に配置するとともに、前記撮像素子から出力される前記一対の像信号に基づいて前記光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出手段を備え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電荷蓄積型焦点検出画素を二次元状に配列した固体撮像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２００２−３１４０６２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、上述した従来の固体撮像装置では、二次元状に配列された焦点検出画素のすべてに対して一律に電荷蓄積時間を制御しているので、撮影画面内の明るい部分では焦点検出画素の出力が飽和し、逆に暗い部分では焦点検出画素の出力が不足することがあり、部分的に焦点検出不能になるという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１の発明による撮像素子は、単一の半導体基板上の矩形領域を、該矩形領域の辺の一部と共通な直交する２辺を有する少なくとも第１及び第２の部分矩形領域に分割し、前記第１及び第２の部分矩形領域にそれぞれ二次元状に配置された、電荷蓄積型の光電変換部を有する焦点検出用画素と、前記第１及び第２の部分矩形領域の各々に配置され、前記第１の部分矩形領域の焦点検出用画素の出力と前記第２の部分矩形領域の焦点検出用画素の出力とをそれぞれ読み出す第１及び第２の読み出し回路と、前記第１の部分矩形領域の焦点検出用画素の電荷蓄積と前記第２の部分矩形領域の焦点検出用画素の電荷蓄積とを互いに独立に制御する制御回路と、を備え、前記第１及び第２の部分矩形領域は、互いに間隔を空けて配置され、前記第１の部分矩形領域の焦点検出用画素は、光学系の瞳の第１の一対の領域を通過した一対の光束を受光して一対の像信号を出力するように、１個のマイクロレンズと一対の第１光電変換部とを有すると共に、前記一対の第１光電変換部の並び方向に配列され、前記第２の部分矩形領域の焦点検出用画素は、前記光学系の瞳の第２の一対の領域を通過した一対の光束を受光して一対の像信号を出力するように、１個のマイクロレンズと一対の第２光電変換部とを有すると共に、前記一対の第２光電変換部の並び方向に配列され、前記第１の部分矩形領域の焦点検出用画素の前記一対の第１光電変換部の並び方向は、前記第２の部分矩形領域の焦点検出用画素の前記一対の第２光電変換部の並び方向と異なり、前記第１の読み出し回路による前記第１の部分矩形領域の焦点検出用画素出力の読み出しは、前記一対の第１光電変換部の並び方向に配列された前記焦点検出用画素列毎に、前記一対の第１光電変換部の並び方向と垂直方向に走査されて行われ、前記第２の読み出し回路による前記第２の部分矩形領域の焦点検出用画素出力の読み出しは、前記一対の第２光電変換部の並び方向に配列された前記焦点検出用画素列毎に、前記一対の第２光電変換部の並び方向と垂直方向に走査されて行われることを特徴とする。
請求項２の発明による撮像素子は、単一の半導体基板上の矩形領域を、該矩形領域の辺の一部と共通な直交する２辺を有する少なくとも第１及び第２の部分矩形領域に分割し、前記第１及び第２の部分矩形領域にそれぞれ二次元状に配置された、電荷蓄積型の光電変換部を有する焦点検出用画素と、前記第１及び第２の部分矩形領域の各々に配置され、前記第１の部分矩形領域の焦点検出用画素の出力と前記第２の部分矩形領域の焦点検出用画素の出力とをそれぞれ読み出す第１及び第２の読み出し回路と、前記第１の部分矩形領域の焦点検出用画素の電荷蓄積と前記第２の部分矩形領域の焦点検出用画素の電荷蓄積とを互いに独立に制御する制御回路と、を備え、前記第１及び第２の部分矩形領域は、互いに間隔を空けて配置され、前記第１の部分矩形領域の焦点検出用画素は、光学系の瞳の第１の一対の領域を通過した第１の一対の光束を受光して一対の像信号を出力するように、１個のマイクロレンズと前記第１の一対の光束の内の一方を受光する光電変換部とを備えた第１焦点検出画素と、１個のマイクロレンズと前記第１の一対の光束の内の他方を受光する光電変換部とを備えた第２焦点検出画素とが交互に配置され、前記第２の部分矩形領域の焦点検出用画素は、前記光学系の瞳の第２の一対の領域を通過した第２の一対の光束を受光して一対の像信号を出力するように、１個のマイクロレンズと前記第２の一対の光束の内の一方を受光する光電変換部とを備えた第３焦点検出画素と、１個のマイクロレンズと前記第２の一対の光束の内の他方を受光する光電変換部とを備えた第４焦点検出画素とが交互に配置され、前記第１の部分矩形領域の前記第１及び第２の焦点検出用画素の交互配列の方向は、前記第２の部分矩形領域の前記第３及び第４の焦点検出用画素の交互配列の方向と異なり、前記第１の読み出し回路による前記第１の部分矩形領域の焦点検出用画素出力の読み出しは、前記交互配列方向に配列された前記第１及び第２の焦点検出用画素列毎に、前記交互配列方向と垂直方向に走査されて行われ、前記第２の読み出し回路による前記第２の部分矩形領域の焦点検出用画素出力の読み出しは、前記交互配列方向に配列された前記第３及び第４の焦点検出用画素列毎に、当該交互配列方向と垂直方向に走査されて行われることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、輝度差がある撮影画面内の位置にかかわらず、焦点検出画素の出力を焦点検出に適したレベルにすることができ、確実に焦点検出を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は一実施の形態のデジタルスチルカメラの構成を示す。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とから構成され、マウント部２０４により結合される。
【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。絞り２１１は、光量およびボケ量調整のために光軸中心の開口径が可変な開口を形成する。レンズ駆動制御装置２０６は、フォーカシング用レンズ２１０の駆動制御、絞り２１１の開口径調整のための駆動制御、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、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などを行う。
【０００９】
カメラボディ２０３は、光分岐プリズム２２０、撮像用の撮像素子２１２、焦点検出用の撮像素子２１８、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。光分岐プリズム２２０は、半透過面（ハーフミラー）２２１により交換レンズ２０２から到来する光束を分割する。
【００１０】
撮像素子２１２は光分岐プリズム２２０の透過側における交換レンズ２０２の予定結像面に配置され、撮像用として用いられる。一方、撮像素子２１８は、光分岐プリズム２２０の反射側における交換レンズ２０２の予定結像面に配置され、焦点検出用として用いられる。メモリカード２１９は、撮像用撮像素子２１２で撮像された被写体像を格納記憶するための画像ストレージである。
【００１１】
ボディ駆動制御装置２１４は、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、撮像素子２１２、２１８の駆動制御、レンズ駆動制御装置２０６との通信（レンズ情報の受信／カメラ情報（デフォーカス量）の送信）、画像処理、交換レンズ２０２の焦点検出と焦点調節、デジタルスチルカメラ全体のシーケンス制御などを行う。ボディ駆動制御装置２１４とレンズ駆動制御装置２０６は、マウント部２０４に設けられた電気接点部２１３を介して各種情報（レンズ情報、フォーカシングレンズ駆動のためのデフォーカス量等）の授受を行う。
【００１２】
液晶表示素子駆動回路２１５は、ボディ駆動制御装置２１４にしたがって液晶表示素子２１６を駆動し、液晶表示素子２１６に被写体像や撮影に関する情報を表示する。撮影者は、液晶表示素子２１６に表示された被写体像や撮影情報を接眼レンズ２１７を介して視認する。つまり、液晶表示素子駆動回路２１５と液晶表示素子２１６は、液晶ビューファインダー（電子ビューファインダーＥＶＦ）として機能する。
【００１３】
撮像用の撮像素子２１２には撮像画素が２次元状に配置され、焦点検出用の撮像素子２１８には焦点検出画素が２次元状に配置されている。交換レンズ２０２を透過して撮像素子２１２上に形成された被写体像は、撮像素子２１２により光電変換されてその出力がボディ駆動制御装置２１４へ送られる。一方、交換レンズ２０２を透過して撮像素子２１８上に形成された被写体像は、撮像素子２１８により光電変換されてその出力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、焦点検出画素の出力に基づいて交換レンズ２０２の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、撮像画素の出力に基づいて生成した画像信号をメモリカード２１９に格納するとともに、画像信号を液晶表示素子駆動回路２１５へ送って液晶表示素子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開口の大きさを制御させる。
【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、レンズ駆動制御装置２０６は、レンズ２０８、２１０の位置と絞り２１１の絞り位置をモニターし、これらのモニター情報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モニター情報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、ボディ駆動制御装置２１４から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、レンズ駆動量に基づいてフォーカシングレンズ２１０を不図示のモーター等の駆動源により合焦点へと駆動する。また、レンズ駆動制御装置２０６は、ボディ駆動制御装置２１４から受信した絞り制御情報に基づいて絞り２１１を不図示のモーター等の駆動源により駆動する。
【００１７】
図２は撮像用の撮像素子２１２の詳細な構成を示す正面図であり、撮像素子２１２の一部分を拡大して示す。撮像用の撮像素子２１２は撮像画素３１０から構成されている。撮像画素３１０は、図４に示すように、マイクロレンズ１０、光電変換部１１、不図示の色フィルターから構成されている。なお、色フィルターは赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）の３種類からなり、それぞれの分光感度は図６に示す特性を有している。撮像用の撮像素子２１２は、これらの色フィルターを備えた撮像画素がベイヤー配列されている。撮像画素３１０の光電変換部１１は、マイクロレンズ１０によって明るい交換レンズの射出瞳（たとえば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ている。
【００１８】
図３は焦点検出用の撮像素子２１８の詳細な構成を示す正面図であり、撮像素子２１８の一部分を拡大して示す。撮像素子２１８は焦点検出用の焦点検出画素３１１から構成されている。焦点検出画素３１１は、図５に示すように、マイクロレンズ１０および一対の光電変換部１２，１３から構成されている。一対の光電変換部１２，１３の並び方向は水平方向であり、このような焦点検出画素の配列では焦点検出のための像ズレ検出が水平方向に行われる。図３に示す焦点検出画素３１１の配列では、行単位で像ズレ検出が行われる。
【００１９】
焦点検出画素３１１には光量をかせぐために色フィルターが設定されておらず、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、赤外カットフィルター（不図示）の分光特性を総合した分光特性（図７参照）、すなわち、図６に示す緑画素、赤画素および青画素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、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。焦点検出画素３１１の一対の光電変換部１２、１３は、マイクロレンズ１０によって交換レンズの特定の射出瞳（たとえば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ている。
【００２０】
図８は撮像画素３１０の断面図である。撮像画素３１０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２８上に形成される。なお、不図示の色フィルターがマイクロレンズ１０と光電変換部１１の中間の位置に配置されている。
【００２１】
図９は焦点検出画素３１１の断面図である。焦点検出画素３１１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上に形成されている。
【００２２】
図１０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について説明する。９０は、交換レンズ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。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距離であって、以下では測距瞳距離と呼ぶ。９１は交換レンズの光軸、５０，６０はマイクロレンズ、（５２、５３）（６２、６３）は焦点検出画素の一対の光電変換部、７２，７３、８２，８３は焦点検出光束である。
【００２３】
また、９２は、マイクロレンズ５０、６０により投影された光電変換部５２，６２の領域で、以下では測距瞳と呼ぶ。９３は、マイクロレンズ５０、６０により投影された光電変換部５３，６３の領域であり、以下では測距瞳と呼ぶ。図１０においては、光軸９１上にある焦点検出画素（マイクロレンズ５０と一対の光電変換部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と一対の光電変換部６２、６３からなる）と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一対の光電変換部はそれぞれ一対の測距瞳９２、９３から各マイクロレンズに到来する光束を受光する。焦点検出画素の配列方向は一対の測距瞳の並び方向と一致させる。
【００２４】
マイクロレンズ５０、６０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５０によりその背後に配置された一対の光電変換部５２、５３の形状がマイクロレンズ５０、６０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。
【００２５】
マイクロレンズ５０に隣接して配置されたマイクロレンズ６０によりその背後に配置された一対の光電変換部６２、６３の形状が測距瞳距離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、測距瞳距離ｄにある射出瞳９０上で各焦点検出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、各画素のマイクロレンズと光電変換部の位置関係が決定されている。
【００２６】
光電変換部５２は測距瞳９２を通過し、マイクロレンズ５０に向う焦点検出光束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。光電変換部５３は測距瞳９３を通過し、マイクロレンズ５０に向う焦点検出光束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。
【００２７】
また、光電変換部６２は測距瞳９２を通過し、マイクロレンズ６０に向う焦点検出光束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。光電変換部６３は測距瞳９３を通過し、マイクロレンズ６０に向う焦点検出光束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。
【００２８】
このような焦点検出画素を直線状に多数配置し、各画素の一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を各々通過する焦点検出光束が焦点検出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、いわゆる瞳分割方式で一対の像の像ズレ量が検出される。
【００２９】
さらに、像ズレ量に所定の変換処理を施すことによって、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。
【００３０】
図１１は、一実施の形態のデジタルスチルカメラ（撮像装置）の動作を示すフローチャートである。ステップ１００において電源がＯＮされると、ボディ駆動制御装置２１４はステップ１１０から動作を開始する。ステップ１１０で撮像用の撮像素子（撮像センサー）２１２から撮像画素のデータを間引き読み出しし、電子ビューファインダーに表示させる。
【００３１】
ステップ１２０では、焦点検出用の撮像素子（ＡＦセンサー）２１８から焦点検出画素のデータを読み出す。このデータは一対の像に対応した一対の像データとなっている。続くステップ１３０で、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、像ズレ量を演算してデフォーカス量に変換する。デフォーカス量の算出は後述するように画面内の複数の領域で行われ、算出された複数のデフォーカス量に基づいて最終的なデフォーカス量が決定される。例えば、複数のデフォーカス量の平均を最終的なデフォーカス量としたり、複数のデフォーカス量の中で最至近を示すデフォーカス量を最終的なデフォーカス量とするなどの方法がある。
【００３２】
ステップ１４０において、合焦近傍かいなか、すなわち算出された最終的な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。合焦していないと判定された場合はステップ１５０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１１０へ戻って上述した処理を繰り返す。
【００３３】
なお、焦点検出不能な場合もこのステップ１５０へ分岐し、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−至近間でスキャン駆動させ、ステップ１１０へ戻って上述した動作を繰り返す。
【００３４】
一方、合焦近傍であると判定された場合はステップ１６０へ進み、不図示のレリーズ手段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し、なされていないと判定された場合は、ステップ１１０へ戻って上述した処理を繰り返す。
【００３５】
シャッターレリーズがなされたと判定された場合はステップ１７０へ進み、レンズ駆動制御装置２０６へ絞り調整命令を送信し、交換レンズ２０２の絞り値を制御Ｆ値（撮影者または自動で設定されたＦ値）にする。絞り制御が終了した時点で、撮像用の撮像素子２１２に撮像動作を行わせ、撮像素子２１２の撮像画素から画像データを読み出す。ステップ１８０において、撮像画素のデータを画像データとしてメモリーカード２１９に保存し、ステップ１１０へ戻って上述した処理を繰り返す。
【００３６】
次に、図１１のステップ１３０における像ズレ検出演算処理（相関演算処理）の詳細について説明する。焦点検出画素が検出する一対の像は、測距瞳がレンズの絞り開口によりけられて光量バランスが崩れている可能性があるので、光量バランスに対して像ズレ検出精度を維持できるタイプの相関演算を施す。
【００３７】
焦点検出画素列から読み出された一対のデータ列（Ａ１１〜Ａ１Ｍ、Ａ２１〜Ａ２Ｍ：Ｍはデータ数）に対し、次式により相関演算式を行って相関量Ｃ(ｋ)を演算する。
Ｃ(ｋ)＝Σ｜Ａ１n・Ａ２n+1+k−Ａ２n+k・Ａ１n+1｜  ・・・（１）
（１）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、像ずらし量ｋに応じてＡ１n、Ａ１n+1、Ａ２n+k、Ａ２n+1+kのデータが存在する範囲に限定される。また、像ずらし量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。
【００３８】
（１）式の演算結果は、図１２(ａ)に示すように、一対のデータの相関が高いシフト量（図１２(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。（２）式〜（５）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  ・・・（２），
Ｃ(ｘ)＝ Ｃ(ｋj)-｜Ｄ｜ ・・・（３），
Ｄ＝｛Ｃ(ｋj-1)-Ｃ(ｋj+1)｝／２  ・・・（４），
ＳＬＯＰ＝ＭＡＸ｛Ｃ(ｋj+1)−Ｃ(ｋj)，Ｃ(ｋj-1)−Ｃ(ｋj)｝  ・・・（５）
【００３９】
（１）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される。図１２(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。
【００４０】
図１２(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ｋnin〜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。
【００４１】
なお、相関演算式としては上記（１）式に限定されず、光量バランスに対して像ズレ検出精度を維持できるタイプの相関演算式であればよい。
【００４２】
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、次式により像ズレ量ｓｈｆｔに換算される。
ｓｈｆｔ＝ＰＹ・ｘ  ・・・（６）
（６）式において、ＰＹは検出ピッチ（焦点検出画素のピッチ）である。（６）式で算出された像ズレ量に所定の変換係数ｋを乗じてデフォーカス量ｄｅｆへ変換する。
ｄｅｆ＝ｋ・ｓｈｆｔ  ・・・（７）
【００４３】
図１３は焦点検出用の撮像素子２１８の詳細な構成を示す。焦点検出用の撮像素子２１８の半導体基板面２３０には、図３に示すように焦点検出画素３１１が隙間なく２次元状に配列されている。撮像画面に対応する半導体基板面２３０は、面中心を通る水平線および垂直線により４つの部分領域３１１、３２１，３３１，３４１に分割される。各領域ごとに第１走査回路３１２、３２２，３３２，３４２と第２走査回路３１３、３２３，３３３，３４３が独立に備えられている。
【００４４】
部分領域３１１に属する焦点検出画素の信号は、第１走査回路３１２により垂直方向に１行ずつ矢印３１４の方向に走査され、走査された１行分の信号は第２走査回路３１３により矢印３１５の方向に１画素ずつ出力される。また、部分領域３２１に属する焦点検出画素の信号は、第１走査回路３２２により垂直方向に１行ずつ矢印３２４の方向に走査され、走査された１行分の信号は第２走査回路３２３により矢印３２５の方向に１画素ずつ出力される。
【００４５】
部分領域３３１に属する焦点検出画素の信号は、第１走査回路３３２により垂直方向に１行ずつ矢印３３４の方向に走査され、走査された１行分の信号は第２走査回路３３３により矢印３３５の方向に１画素ずつ出力される。また、部分領域３４１に属する焦点検出画素の信号は、第１走査回路３４２により垂直方向に１行ずつ矢印３４４の方向に走査され、走査された１行分の信号は第２走査回路３４３により矢印３４５の方向に１画素ずつ出力される。
【００４６】
各領域ごとに走査回路が独立しており、走査回路の動作（走査時間）を異ならせることによって、焦点検出画素の電荷蓄積時間を焦点検出画素が属する領域ごとに独立に制御することができる。
【００４７】
図１４は焦点検出用の撮像素子２１８の回路構成を示す概念図である。なお、ここでは図１３に示す焦点検出用の撮像素子２１８の１領域の構成をＣＭＯＳ回路で構成した例を示し、説明を解りやすくするために４光電変換部×４光電変換部のレイアウトとして示す。
【００４８】
信号保持部５０２は、１行分の焦点検出画素の光電変換部５０３からの出力信号を一時的保持するバッファであり、出力線５０１に出力されている画像信号を第１走査回路５０４が発する制御信号ΦＨに基づいてラッチする。光電変換部５０３の電荷蓄積動作は、第１走査回路５０４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。したがって、同一行に属する光電変換部間の同時性が確保される。
【００４９】
焦点検出画素の光電変換部５０３の信号出力は、第１走査回路５０４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光電変換部５０３の信号は出力線５０１に出力される。信号保持部５０２に保持された画像信号は、第２走査回路５０５が発する制御信号（ΦＶ１〜ΦＶ４）によって順次出力回路５０６へ転送され、出力回路５０６で設定された増幅度で増幅されて外部に出力される。
【００５０】
図１５は、図１４に示す光電変換部５０３の詳細な回路図である。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）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）となる。
【００５１】
ＡＭＰの出力は、行選択ＭＯＳトランジスタ５１２を介して出力線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の出力が出力線５０１に出力される。
【００５２】
図１６は、図１４に示す焦点検出用撮像素子の動作を示すタイミングチャートである。焦点検出用撮像素子２１８の電荷蓄積時間制御、電荷蓄積タイミング制御、信号読出し制御は、いわゆるＣＭＯＳ撮像素子の制御と同様にローリングシャッター方式で行われる。１行目の焦点検出画素の光電変換部５０３は第１走査回路５０４が発する制御信号ΦＳ１により選択され、選択された焦点検出画素の光電変換部５０３の画像信号が出力線５０１に出力される。
【００５３】
制御信号ΦＳ１と同期して発せられる制御信号ΦＨにより出力線５０１に出力された１行目の画像信号は、信号保持部５０２に一時的に保持される。信号保持部５０２に保持された１行目の焦点検出画素の光電変換部５０３の画像信号は、第２走査回路５０５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５０６に転送され、出力回路５０６で設定された増幅度で増幅された外部に出力される。
【００５４】
１行目の撮像画素の画像信号の信号保持部５０２への転送が終了した時点で、第１走査回路５０４から発せられる制御信号ΦＲ１によって１行目の焦点検出画素の光電変換部５０３がリセットされ、１行目の焦点検出画素の光電変換部５０３の次の電荷蓄積が開始される。１行目の焦点検出画素の光電変換部５０３の画像信号の出力回路からの出力が終了した時点で、２行目の焦点検出画素の光電変換部５０３は第１走査回路５０４が発する制御信号ΦＳ２により選択され、選択された焦点検出画素の光電変換部５０３の画像信号が出力線５０１に出力される。
【００５５】
以下同様にして２行目の焦点検出画素の光電変換部５０３の画像信号の保持および焦点検出画素の光電変換部５０３のリセット、画像信号の出力が行われる。続いて３行目の焦点検出画素の光電変換部５０３の画像信号の保持および焦点検出画素の光電変換部５０３のリセット、焦点検出画素の光電変換部５０３の画像信号の出力が行われる。さらに続いて４行目の焦点検出画素の光電変換部５０３の画像信号の保持および焦点検出画素の光電変換部５０３のリセット、焦点検出画素の光電変換部５０３の画像信号の出力が行われる。
【００５６】
続いて再び１行目に戻って上記動作が繰り返される。焦点検出画素の光電変換部５０３の画像信号の電荷保持タイミングから、次回の光電変換部の画像信号の電荷保持タイミングまでの周期Ｔｓ、および光電変換部の電荷蓄積時間Ｔｉｎ（露光時間：画素のリセットタイミングから画像信号の保持タイミングまでの時間）は、画像信号のレベルが焦点検出演算に適したレベルとなるように各領域の明るさに応じて制御される。
【００５７】
各領域の明るさ（輝度）は、図１に不図示の分割測光センサーにより検出することができる。各領域の画像信号の平均値の値に基づいて、電荷蓄積時間をフィードバック制御するようにしてもよい。制御信号ΦＲｎのＯＮ期間Ｔｎを変更することによって、電荷蓄積時間Ｔｉｎを変更することができる。制御信号ΦＳｎの立ち上がりタイミングの間隔Ｔｘを変更することによって、電荷蓄積周期Ｔｓを変更することができる。
【００５８】
以上のように２次元配列された焦点検出画素を複数の領域に分割してそれぞれの領域において独立した制御回路を設けて電荷蓄積動作を制御しているので、画面内で輝度差がある場合においても、各領域で同時に電荷蓄積動作を行うことができ、焦点検出動作のレスポンス低下を防止できるとともに、各領域の焦点検出画素の出力レベルを焦点検出に適したレベルにすることが可能になり、各領域で確実なデフォーカス量の検出が可能になる。
【００５９】
なお、複数の領域に対して独立に設けられた制御回路を統一的に同時制御することによって、複数の領域を単一の領域として電荷蓄積動作を制御することができる。このようにすれば複数の領域の境界を含む部分で焦点検出を行うことができる。
【００６０】
《発明の他の実施の形態》
図１７は焦点検出用撮像素子の変形例の詳細な構成を示す正面図である。図３に示す焦点検出用撮像素子２１８では、焦点検出画素３１１がひとつの画素内に一対の光電変換部を備えた例を示したが、図１７に示す変形例の焦点検出用撮像素子２１８Ａの焦点検出画素３１３，３１４では、ひとつの画素内にひとつの光電変換部を備える。この変形例では、焦点検出画素３１３と焦点検出画素３１４が一対となっており、図３に示す焦点検出用撮像素子２１８の焦点検出画素３１１に相当する。
【００６１】
図１８(ａ)は焦点検出画素３１３の構成を示す。焦点検出画素３１３はマイクロレンズ１０と光電変換部１６から構成されている。また、図１８(ｂ)は焦点検出画素３１４の構成を示す。焦点検出用画素３１４はマイクロレンズ１０と光電変換部１７から構成されている。光電変換部１６，１７はマイクロレンズ１０により交換レンズ２０２の射出瞳に投影され、図１０に示す測距瞳９２，９３を形成する。したがって、焦点検出画素３１３，３１４の配列により焦点検出に用いる一対の像の出力を得ることができる。焦点検出画素内にひとつの光電変換部を備えることによって、撮像素子２１８Ａの読み出し回路構成が複雑になるのを避けることができる。
【００６２】
図１９は焦点検出用撮像素子の画素配列の変形例を示す図である。図１３に示す焦点検出用撮像素子２１８の構成においては、画面に対応する半導体基板面の４つの部分領域３１１、３２１，３３１，３４１に水平方向に並んだ一対の光電変換部を備えた焦点検出画素３１１を２次元状に配列した例を示したが、図１９に示す焦点検出用撮像素子２１８Ｂの画素配列では、２つの部分領域３２１，３４１に水平方向に並んだ一対の光電変換部を備えた焦点検出画素３１１を２次元状に配列し、２つの部分領域３１１，３３１には図２０に示すように垂直方向に並んだ一対の光電変換部を備えた焦点検出画素３１５（焦点検出画素３１１を９０度回転した構造を持つ）を２次元状に配列している。
【００６３】
図２１は、図１９の画素配列を備えた焦点検出用撮像素子２１８Ｂの構成図であり、４つの部分領域３１１、３２１，３３１，３４１ごとに第１走査回路３１２、３２２，３３２，３４２と第２走査回路３１３、３２３，３３３，３４３が独立に備えられるが、図１３に示す撮像素子２１８と比較して第１走査回路３１２、３３２と第２走査回路３１３、３３３の配置が逆になっている。
【００６４】
部分領域３１１に属する焦点検出画素の信号は、第１走査回路３１２により垂直方向に１行ずつ矢印３１６の方向（水平方向）に走査され、走査された１行分の信号は第２走査回路３１３により矢印３１７の方向（垂直方向）に１画素ずつ出力される。また、部分領域３２１に属する焦点検出画素の信号は、第１走査回路３２２により垂直方向に１行ずつ矢印３２４の方向（垂直方向）に走査され、走査された１行分の信号は第２走査回路３２３により矢印３２５の方向（水平方向）に１画素ずつ出力される。
【００６５】
部分領域３３１に属する焦点検出画素の信号は、第１走査回路３３２により垂直方向に１行ずつ矢印３３６の方向（水平方向）に走査され、走査された１行分の信号は第２走査回路３３３により矢印３３７の方向（垂直方向）に１画素ずつ出力される。また、部分領域３４１に属する焦点検出画素の信号は、第１走査回路３４２により垂直方向に１行ずつ矢印３４４の方向（垂直方向）に走査され、走査された１行分の信号は第２走査回路３４３により矢印３４５の方向（水平方向）に１画素ずつ出力される。
【００６６】
各領域ごとに走査回路が独立しており、走査回路の動作（走査時間）を異ならせることによって、焦点検出画素の電荷蓄積時間を焦点検出画素が属する領域ごとに独立に制御することができる。
【００６７】
以上のような構成により、画面内の複数の領域ごとに独立して電荷蓄積動作を行った後に、水平方向と垂直方向の２つの方向で像ズレ検出を行うことができ、１つの方向しか像ズレ検出できない場合と比較して、多様な被写体に対する焦点検出能力が向上する。
【００６８】
図２２は焦点検出用撮像素子の画素配列の他の変形例を示す図である。図１９に示す焦点検出用撮像素子２１８Ｂの画素配列においては、撮像画面に対応する半導体基板面を４つの部分領域３１１、３２１，３３１，３４１に分割し、それぞれの領域に像ズレ検出方向が水平方向な焦点検出画素と像ズレ検出方向が垂直方向な焦点検出画素を配列した例を示したが、図２２に示す撮像素子２１８Ｃでは、撮像画面に対応する半導体基板面において互いに離間する複数の矩形ブロック領域４０１〜４０９を形成するとともに、図１９に示す２つの方向で焦点検出が可能な焦点検出画素配列の画素数を減じた縮小版の焦点検出画素配列を各矩形ブロック領域に配置する。
【００６９】
すなわち、各矩形ブロック領域はそれぞれ４つの部分矩形領域に分割され、各部分矩形領域において異なる方向で像ズレ検出が可能になる。撮像画面の対角方向に位置する矩形ブロック領域４０３、４０５、４０７、４０９においては、画面中心からその矩形ブロック領域の中心に向かう放射線方向に矩形ブロック領域の一辺が平行となるように縮小版の焦点検出画素配列を回転して配置している。
【００７０】
図２３は、図２２に示す画素配列を備えた焦点検出用撮像素子２１８Ｃの構成図であり、各矩形ブロック領域４０１〜４０９には図２１と同じ回路構成４１１〜４１９がそれぞれ配置されており、各矩形ブロック領域間で独立に電荷蓄積動作が行われるとともに、ひとつの矩形ブロック領域内の４つの部分矩形領域においても独立に電荷蓄積動作が行われる。各矩形ブロック領域間が離間していることによって、各矩形ブロック領域を制御する回路構成を各矩形ブロック領域の周囲に配置することが可能になる。
【００７１】
以上のような構成により、画面内の複数の矩形ブロック領域の部分矩形領域ごとに独立して電荷蓄積動作を行った上で、各矩形ブロック領域において２つの方向で像ズレ検出を行うことができ、多様な被写体に対する焦点検出能力が向上する。
【００７２】
また、矩形ブロック領域において縮小版の焦点検出画素配列を自由な方向に回転して配置できるので、矩形ブロック領域の画面上の位置に応じて光学系の絞りによる焦点検出光束のケラレの影響を軽減する方向に回転方向を調整することができるとともに、ひとつの画面内において水平方向、垂直方向に加えて斜め方向にも像ずれ検出を行うことができる。
【００７３】
図２４は焦点検出用撮像素子の回路構成の変形例を示す図である。図２３に示す焦点検出用撮像素子２１８Ｃの構成においては、撮像画面に対応する半導体基板面において互いに離間する複数の矩形ブロック領域に図２１に示す縮小版の回路構成をそれぞれ配置し、各矩形ブロック領域を４つの部分矩形領域に分割して２方向で像ズレ検出を行っているが、図２４に示す焦点検出用撮像素子２１８Ｄおいては、各矩形ブロック領域に対応する領域に直交する２直線上に配列した焦点検出画素配列ユニット４２１〜４２９を配置し、各直線上に配列した焦点検出画素の電荷蓄積動作を独立に制御する。
【００７４】
撮像画面の対角方向に配置された焦点検出画素配列ユニット４２３、４２５、４２７、４２９においては、画面中心からそのユニット中心に向かう放射線方向に一方の焦点検出画素配列が沿うようにユニットを回転して配置している。
【００７５】
図２５は焦点検出画素配列ユニットの詳細な構成を示す図であり、図１８に示す焦点検出画素３１３，３１４が直線３２０上に配列され、焦点検出画素３１３，３１４を９０度回転した構成の焦点検出画素３１６，３１７が直線３２０と直交する直線３２１上に配列されている。焦点検出画素３１３と３１４との画素間隔および焦点検出画素３１６と３１７との画素間隔は画素サイズの√２倍となっており、画素配列の交差点での焦点検出画素３１３（３１４）と焦点検出画素３１６（３１７）との画素間隔は画素サイズと等しくなっている。このように画素間隔を設定することによって、最小の画素間隔で画素配列の交差が可能になる。
【００７６】
焦点検出画素３１３、３１４からなる配列の内、画素交差位置より右側の配列に対して、その下側に走査回路３５３が配置される。走査回路３５３により該配列に対し電荷蓄積制御され画素信号は矢印３５６の方向に出力される。また、焦点検出画素３１３、３１４からなる配列の内、画素交差位置より左側の配列に対して、その上側に走査回路３６３が配置される。走査回路３６３により該配列に対し電荷蓄積制御され画素信号は矢印３６６の方向に出力される。
【００７７】
焦点検出画素３１６、３１７からなる配列の内、画素交差位置より上側の配列に対して、その右側に走査回路３７３が配置される。走査回路３７３により該配列に対し電荷蓄積制御され画素信号は矢印３７６の方向に出力される。また、焦点検出画素３１６、３１７からなる配列の内、画素交差位置より下側の配列に対して、その左側に走査回路３８３が配置される。走査回路３８３により該配列に対し電荷蓄積制御され画素信号は矢印３８６の方向に出力される。
【００７８】
走査回路３５３と走査回路３６３は同じタイミングで電荷蓄積動作および信号読出しを行うように同期しており、走査回路３７３と走査回路３８３は同じタイミングで電荷蓄積動作および信号読出しを行うように同期している。
【００７９】
以上のように十字型に配置された焦点検出画素配列ユニットは、図２３に示す矩形の２次元焦点検出画素配列ユニットに比較して、同一点（画素交差位置）を挟んだ２方向の領域において像ズレ検出が可能になり、２方向で焦点検出を行う際の被写体の同一性が向上する。
【００８０】
また、画素交差位置を境にした４つの焦点検出画素配列に対し、画素交差位置を中心点として点対称な位置に各焦点検出画素配列の走査回路を設けることによって、画素交差位置に最も近い焦点検出画素の走査回路の信号読み出し部の回路配線が容易になる。
【００８１】
さらに、画素交差位置に最も近い焦点検出画素の光電変換部の位置が画素交差位置より遠くなるように、焦点検出画素３１３，３１４および焦点検出画素３１６，３１７を配置しているので、画素交差位置に最も近い焦点検出画素の走査回路の信号読み出し部の回路配線が容易になる。
【００８２】
さらにまた、図２３に示す２次元焦点検出画素配列ユニットに比較して、焦点検出画素数を減少させることができるので、高速な信号読出しが可能であるとともに、焦点検出演算時間も短縮されるので、焦点検出動作のレスポンスが向上する。
【００８３】
図２６は撮像装置の変形例の構成を示す図である。図１に示す撮像装置においては、焦点検出用撮像素子２１８を光分岐プリズム２２０の反射側における交換レンズ２０２の予定結像面に配置した例を示したが、図２６に示す撮像装置２０１Ａにおいては、光分岐プリズム２２０の反射側の出射面に視野レンズ６０１を設け、さらに反射光路中に絞り開口６０３を備えた絞りマスク６０２と再結像レンズ６０４を備え、予定結像面（１次像面）に形成された被写体像を再結像レンズ６０４の再結像面（２次像面）に配置された焦点検出用の撮像素子２１８上に再結像している。その他の構成については図１に示す撮像装置２０１と同様である。
【００８４】
図２７は、視野レンズ６０１、マスク６０２、再結像レンズ６０４、焦点検出用の撮像素子２１８からなる再結像光学系の斜視図である。絞り開口６０３は光軸９１を中心とした円形開口である。絞り開口６０３は視野レンズ６０１により交換レンズの射出瞳の方向に投影される。再結像レンズ６０４は１次像を縮小して２次像として形成する。撮像素子２１８としては前述した撮像素子のいずれかが適用できる。撮像素子２１８の焦点検出画素の光電変換部はマイクロレンズによって、絞りマスク６０２の射出瞳位置（再結像レンズ６０４によって形成される絞りマスク６０２の虚像の位置）に投影される。
【００８５】
上記のような構成により、交換レンズを通る一対の光束は交換レンズの絞り開口、絞りマスク開口６０３により制限された後、焦点検出画素の一対の光電変換部で受光される。
【００８６】
このような構成によれば、１次像面に撮像素子２１８を配置する場合に比較して、撮像素子のサイズを小さくすることができるからコスト上有利であるとともに、１次像面に撮像素子２１８を配置した場合における撮像素子２１８の表面反射による撮像用の撮像素子２１２への悪影響(ゴースト、迷光)を除去することができる。
【００８７】
また、１次像面に撮像素子２１８を配置する場合は、測距瞳の周辺部分は焦点検出画素のマイクロレンズの回折の影響でぼやけてしまい、交換レンズの射出瞳により一対の焦点検出光束がケラレ易くなるとともに、交換レンズの種類に応じて射出瞳の位置が異なるので画面周辺において一対の焦点検出光束のケラレ方が不均一になってしまい、このことが像ズレ検出の精度を悪化させている。
【００８８】
これに対し再結像光学系を採用した場合には、焦点検出画素が受光する一対の焦点検出光束は位置が固定された絞りマスク６０２の射出瞳によりケラレることになるので、絞りマスク開口６０３が視野レンズ６０１により交換レンズ側に投影された時の投影された開口の大きさのＦ値を交換レンズの射出瞳のＦ値より大きくしておけば、画面周辺において一対の焦点検出光束のケラレ方を均一にすることができ、像ズレ検出の精度悪化を防止することができる。
【００８９】
図２８は撮像装置の他の変形例の構成を示す図である。図１に示す撮像装置においては、撮像用撮像素子２１２を光分岐プリズム２２０の透過側における交換レンズ２０２の予定結像面に配置し、焦点検出用の撮像素子２１８を光分岐プリズム２２０の反射側における交換レンズ２０２の予定結像面に配置した例を示したが、図２８に示す撮像装置２０１Ｂにおいては、光分岐プリズム２２０をなくし、焦点検出用焦点検出画素を撮像素子２１２の一部の撮像画素に置き換えて配置した撮像装置の構成を示している。その他の構成については図１に示す撮像装置２０１と同様である。
【００９０】
図２９は画面上における焦点検出位置を示す図であり、撮像用撮像素子２１２Ａに埋め込まれた焦点検出画素配列が焦点検出の際、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）の例を示す。画面１００上において画面中心を通る水平線および垂直線で４分割された領域において、各領域の中央の４箇所に焦点検出エリア１０１〜１０４が配置される。長方形で示した焦点検出エリアの長手方向に焦点検出画素が直線的に配列される。
【００９１】
図３０は変形例の撮像素子２１２Ａの詳細な構成を示す正面図であり、撮像素子２１２Ａ上のひとつの焦点検出エリア近傍を拡大して示す。撮像素子２１２Ａは、図４および図５に示す撮像画素３１０と焦点検出画素３１１から構成される。焦点検出画素３１１は、撮像画素３１１のＢとＧが配置されるべき行に直線的に連続に配置されている。撮像素子２１２Ａの回路構成は、図２９の画面上の４つの領域に対応する半導体基板面の４つの部分領域においては、図１９に示すものと同様な回路構成となっており、各部分領域ごとに独立に電荷蓄積動作および画像信号の読み出しが可能な構成となっている。
【００９２】
図３１は、図２８に示す変形例のデジタルスチルカメラ（撮像装置）２０１Ｂ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２００で電源がＯＮされるとステップ２１０以後の処理を開始する。ステップ２１０では、４つの部分領域に対し電荷蓄積時間、電荷蓄積タイミングを同期させて撮像動作を行い、撮像画素のデータを間引き読み出しして電子ビューファインダーに表示させる。
【００９３】
ステップ２２０で、各部分領域において焦点検出画素の信号レベルが焦点検出に適したレベルとなるように、４つの部分領域に対し電荷蓄積時間、電荷蓄積タイミングを独立して撮像動作を行い、４つの焦点検出エリアに対応した焦点検出画素列から一対の像に対応した一対の像データを読み出す。続くステップ２３０では、読み出された一対の像データに基づいて、４つの焦点検出エリアに対して像ズレ量を演算してデフォーカス量に変換する。さらに、得られた４つのデフォーカス量に基づいて最終的なデフォーカス量を算出する。
【００９４】
ステップ２４０において合焦近傍か否かを、すなわち最終的な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した場合はステップ２５０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２１０へ戻って上述した処理を繰り返す。
【００９５】
なお、焦点検出不能な場合もこのステップ２５０へ分岐し、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を無限から至近間でスキャン駆動させ、ステップ２１０へ戻って上述した処理を繰り返す。
【００９６】
一方、合焦近傍であると判定した場合はステップ２６０へ進み、不図示のレリーズ手段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し、なされていないと判定された場合はステップ２１０へ戻って上述した処理を繰り返す。
【００９７】
シャッターレリーズがなされたと判定された場合はステップ２７０へ進み、レンズ駆動制御装置２０６へ絞り調整命令を送信し、交換レンズ２０２の絞り値を制御Ｆ値（撮影者または自動により設定されたＦ値）にする。絞り制御が終了した時点で、４つの部分領域に対し電荷蓄積時間、電荷蓄積タイミングを同期させて撮像動作を行い、撮像素子２１２Ａの撮像画素およびすべての焦点検出画素から画像データを読み出す。
【００９８】
ステップ２８０では、焦点検出画素列の各画素位置の画素データを焦点検出画素の周囲の撮像画素のデータに基づいて画素補間する。続くステップ２９０では、撮像画素のデータおよび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２１０へ戻って上述した処理を繰り返す。
【００９９】
以上のような構成によれば、画面上の４つの焦点検出エリアにおいて輝度差によらずに確実な焦点検出ができるとともに、撮像用の撮像素子と焦点検出用の撮像素子を独立して設ける必要がないのでコスト的、スペース的に有利であり、撮像素子どうしの相対的な配置誤差に起因する焦点検出誤差も排除することができる。
【０１００】
図３２は他の変形例の撮像素子２１２Ｂの詳細な構成を示す正面図である。図３０に示す撮像素子２１２Ａにおいては、一対の光電変換部を備えた焦点検出画素３１１の配列を撮像画素の２次元配列中の一部に水平方向に配列した例を示したが、図３２に示すように、焦点検出画素３１１を９０度回転した焦点検出画素３１５の配列を撮像画素の２次元配列中の一部に垂直方向に配列してもよい。また、４つの領域において一部を図３０に示すような構成と、一部を図３２に示すような構成とすれば、一つの画面において２つの方向で像ズレ検出が可能になる。
【０１０１】
図３３は他の変形例の撮像素子２１２Ｃの詳細な構成を示す正面図である。図３０に示す撮像素子２１２Ａにおいては、一対の光電変換部を備えた焦点検出画素３１１の配列を撮像画素の２次元配列中の一部に水平方向に配列した例を示したが、図３３に示すように、焦点検出画素３１１のかわりに図１８に示す焦点検出画素３１３、３１４を水平方向に配列してもよい。
【０１０２】
図１３、図２１に示す撮像素子の回路構成においては、４つの矩形領域において、４つの矩形領域の電荷蓄積動作を制御するための信号線（図１４に示すφＳｎ、φＲｎ、出力線５０１）を他の領域にはみ出すことなく配線できるので、半導体製造上有利であるとともに、配線間のクロストークを防止することができる。図１４に示すように、信号線は直交する２方向に渡って格子状に配線されるので、矩形状の画面に対して４つの矩形領域は直交する２辺が画面の２辺の一部と共通になっている。
【０１０３】
焦点検出画素として図１８に示す焦点検出画素３１３、３１４を採用した場合には、図５に示すように焦点検出画素３１１に比較して光電変換部１つ分のスペースが空くので、他の領域の電荷蓄積時間を制御するための信号線をその空いたスペースを用いて配線することも可能になる。このような場合には、分割される領域の数、形状、配置は限定されることはなくなる。例えば図１３に示す回路構成において、撮像画面に対応する半導体基板面２３０は面中心を通る水平線および垂直線により４つの部分領域３１１、３２１，３３１，３４１に分割されているが、面中心に４辺を部分領域３１１、３２１，３３１，３４１に接した５番目の部分領域を設定することが可能になる。
【０１０４】
図２３，図２４に示すような回路構成の場合には、半導体基板上に空きスペースができるので、この部分に焦点検出画素から出力される信号を処理する回路を配置することもできる。例えば、各焦点検出ブロック毎に各焦点検出ブロックから出力されるアナログ信号をデジタルデータに変換するためのＡＤ変換回路を配置したり、ＡＤ変換回路で変換されたデジタルデータを記憶しておくためのメモリ回路を配置したり、デジタルデータに変換された焦点検出画素の信号を用いて（１）式に示すような相関演算を行う演算回路を配置したりすることができる。
【０１０５】
図１に示す撮像装置２０１においては、光束を２分割し、一方の光束に対し撮像用の撮像素子で画像データを取得し、もう一方の光束に対し焦点検出用の撮像素子で焦点検出を行っているが、画像データの品質が問われない場合には焦点検出用の撮像素子の焦点検出画素出力を直接画像データとして用いることもできる。例えば、一対の光電変換部の出力を加算することにより白黒画像データを得ることができる。このような場合には、図１において、撮像装置は光分岐手段を必要とせず、撮像用の撮像素子２１２の位置に焦点検出用の撮像素子２１８を配置すればよい。
【０１０６】
図２、図３０、図３２、図３３に示す撮像素子において、撮像画素は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ることはなく、補色フィルター（緑：Ｇ、イエロー：Ｙｅ、マゼンタ：Ｍｇ，シアン：Ｃｙ）の配列を採用してもよい。
【０１０７】
図５、図１８に示す撮像素子において、焦点検出画素には色フィルターを備えない例を示したが、撮像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。
【０１０８】
図５、図１８において、焦点検出画素の光電変換部の形状を円形、半円形で示しているが、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、焦点検出画素の光電変換部の形状を楕円や矩形や多角形にすることも可能である。
【０１０９】
図２、図３、図３０の撮像素子においては、撮像画素、焦点検出画素は稠密正方格子配列に配置されているが、稠密六方格子配列に配置してもよい。
【０１１０】
以上において、撮像素子の構成をＣＭＯＳ撮像素子として説明してきたが、ＣＣＤ撮像素子として構成することも可能である。例えば図１４に示すＣＭＯＳ回路構成をＣＣＤ回路構成に変更する場合は、インターラインＣＣＤの構成を利用して垂直方向に配列された光電変換部に対し出力線５０１の代わりに垂直転送ＣＣＤを配置し、第２走査回路の代わりに水平転送ＣＣＤを配置し、各転送ＣＣＤの駆動クロック線および各光電変換部から垂直転送ＣＣＤへの電荷転送を制御するための制御線を配線すればよい。
【０１１１】
ＣＭＯＳ撮像素子の場合はローリングシャッターにより電荷蓄積タイミングが制御されるため、同一領域内においても画素位置に応じて電荷蓄積タイミングにズレを生ずるが、ＣＣＤ撮像素子の場合はグローバルシャッターにより電荷蓄積が全画素一律に制御されるため、同一領域内において電荷蓄積タイミングを揃えることが可能になる。
【０１１２】
以上のように、本発明はＣＣＤ撮像素子、ＣＭＯＳ撮像素子のどちらに対しても適用することができる。
【０１１３】
撮像装置は、交換レンズとカメラボディから構成されるデジタルスチルカメラやフィルム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フィルムスチルカメラやビデオカメラにも適用できる。あるいは、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やロボット用の視覚認識装置などにも適用できる。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できる。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】一実施の形態のデジタルスチルカメラの構成を示す図
【図２】撮像用の撮像素子の詳細な構成を示す正面図
【図３】焦点検出用の撮像素子の詳細な構成を示す正面図
【図４】撮像画素の構成を示す図
【図５】焦点検出画素の構成を示す図
【図６】撮像用緑画素、赤画素、青画素の分光特性を示す図
【図７】焦点検出画素の分光特性を示す図
【図８】撮像画素の構造を示す断面図
【図９】焦点検出画素の構造を示す断面図
【図１０】マイクロレンズを用いた瞳分割方式による焦点検出を説明するための図
【図１１】一実施の形態のデジタルスチルカメラ（撮像装置）の動作を示すフローチャート
【図１２】焦点検出結果の信頼性の判定方法を説明するための図
【図１３】焦点検出用の撮像素子の詳細な構成を示す正面図
【図１４】焦点検出用の撮像素子の回路構成を示す概念図
【図１５】図１４に示す光電変換部の詳細な回路図
【図１６】図１４に示す焦点検出用撮像素子の動作を示すタイミングチャート
【図１７】焦点検出用撮像素子の変形例の詳細な構成を示す正面図
【図１８】焦点検出画素の構成を示す正面図
【図１９】焦点検出用撮像素子の画素配列の変形例を示す図
【図２０】焦点検出用撮像素子の画素配列の変形例を示す図
【図２１】図１９に示す画素配列を備えた焦点検出用撮像素子の構成図
【図２２】焦点検出用撮像素子の画素配列の他の変形例を示す図
【図２３】図２２に示す画素配列を備えた焦点検出用撮像素子の構成図
【図２４】焦点検出用撮像素子の回路構成の変形例を示す図
【図２５】焦点検出画素配列ユニットの詳細な構成を示す図
【図２６】撮像装置の変形例の構成を示す図
【図２７】焦点検出用の再結像光学系の斜視図
【図２８】撮像装置の他の変形例の構成を示す図
【図２９】画面上における焦点検出位置を示す図
【図３０】変形例の撮像素子の詳細な構成を示す正面図
【図３１】図２８に示す変形例のデジタルスチルカメラ（撮像装置）の動作を示すフローチャート
【図３２】他の変形例の撮像素子の詳細な構成を示す正面図
【図３３】他の変形例の撮像素子の詳細な構成を示す正面図
【符号の説明】
【０１１５】
２０１、２０１Ａ、２０１Ｂ；撮像装置、２０２；交換レンズ、２１４；ボディ駆動制御装置、２１８、２１８Ａ、２１８Ｂ、２１８Ｃ、２１８Ｄ；焦点検出用撮像素子、２ｌ２、２１２Ａ、２１２Ｂ、２１２Ｃ；撮像用撮像素子、３１１；焦点検出画素、５０２；信号保持部、５０３；光電変換部、５０４；第１走査回路、５０５；第２走査回路、５０６；出力回路
【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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