JP2008015353A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 撮像面上の少ない焦点検出用画素であっても、焦点検出動作を可能にする。
【解決手段】 本発明の撮像装置は、次の構成を備える。撮像用画素の群は、撮影レンズを透過した受光光束から画像信号を生成する。焦点検出用画素は、撮像用画素の群の中に設けられて瞳形成マイクロレンズおよび光電変換域を備える。瞳形成マイクロレンズは、撮影レンズの射出瞳の実像を画素単位に形成する。光電変換域は、実像を瞳分割して一組の瞳分割信号を光電変換する。焦点演算部は、一組の瞳分割信号から信号差分を求め、この信号差分から撮影レンズの焦点調節状態を求める。
【選択図】 図６

Description

本発明は、撮像装置に関する。

従来、焦点検出技術の１つとして瞳分割位相差方式が知られている。この瞳分割位相差方式の原理を適用した固体撮像装置として、特許文献１が知られている。この特許文献１では、撮像面上に焦点検出用画素が配列される。これら焦点検出用画素のそれぞれには、２つずつの光電変換域が設けられる。これら焦点検出用画素の配列パターンに従って、瞳分割像の明暗パターンを検出する。この明暗パターンを瞳分割方向にずらしながら差分が最小となるパターンズレ量（位相差）を検出する。このパターンズレ量に対応して、撮影レンズのデフォーカス量を求めることができる。
特開２００３−２４４７１２号公報（図２など）

上述した特許文献１の従来技術では、分割像の明暗パターンを良好に検出するため、撮像面に焦点検出用画素を多数配置しなければならない。
これら多数の焦点検出用画素は、通常の撮像用画素とは異なるため、撮像用画素と同等の画像信号を得ることが難しい。そのため、多数の焦点検出用画素を撮像面に配置することによって、撮像される画像信号の品質を落としてしまう。
そこで、本発明では、撮像面上の少ない焦点検出用画素であっても、焦点検出を実施可能にすることを目的とする。

《１》 本発明の撮像装置は、撮像用画素の群、焦点検出用画素、焦点演算部を備える。
撮像用画素の群は、撮像面に複数設けられ、撮影レンズを透過した受光光束を画素単位に光電変換して、画像信号を生成する。
焦点検出用画素は、撮像用画素の群の中に設けられ、瞳形成マイクロレンズ、および光電変換域を備える。この瞳形成マイクロレンズは、画素単位の受光光束から撮影レンズの射出瞳の実像を形成する。一方、光電変換域は、射出瞳の実像を瞳分割してそれぞれ光電変換し、一組の瞳分割信号を生成する。
焦点演算部は、焦点検出用画素から一組の瞳分割信号を取得して信号差分を検出し、信号差分に応じて撮影レンズの焦点調節状態を推定する。
《２》 なお好ましくは、撮影レンズと撮像面との光学的距離を変動させる変動部を備える。焦点演算部は、光学的距離の変動に伴う信号差分の変化に基づいて、撮影レンズのデフォーカス（焦点ズレ）量または合焦位置を推定する。
《３》 また好ましくは、焦点演算部は、光学的距離の変動に伴って信号差分の標本値を複数求める。焦点演算部は、これら複数の信号差分の標本値を外延近似または補間近似して、信号差分がゼロとなる合焦位置を推定する。
《４》 なお好ましくは、焦点演算部は、光学的距離の変動に伴う信号差分の増減方向に基づいて、撮影レンズが後ピン状態か前ピン状態かを判定する。
《５》 また好ましくは、焦点検出用画素の光電変換域は、射出瞳の実像を同心状に瞳分割する。光電変換域は、実像の中央領域の光電変換信号と、実像の周辺領域の光電変換信号を生成して、一組の瞳分割信号とする。
《６》 なお好ましくは、焦点検出用画素は複数設けられる。焦点演算部は、複数の焦点検出用画素から求めた個々の信号差分から絶対値和を算出して、信号差分とする。
《７》 また好ましくは、焦点演算部が検出する信号差分を小さくする方向に、撮影レンズを焦点制御することにより、撮影レンズを合焦させる焦点制御部を備える。

本発明では、一組の瞳分割信号の信号差分（レベル差）に基づいて、焦点調節状態を推定する。この場合、少なくとも１つの焦点検出用画素が撮像面にあれば、焦点調節状態の推定が可能になる。したがって、位相差検出のための焦点検出用画素を多数配列する従来例に比べて、撮像面に配置する焦点検出用画素の数を適宜に減らすことが可能になる。その結果、撮像画像の画質を高めることが可能になる。

《第１実施形態》
［電子カメラの構成説明］
図１は、本実施形態の電子カメラ１０を示すブロック図である。
図１において、電子カメラ１０には、撮影レンズ１２が装着される。この撮影レンズ１２は、焦点制御部１２ａによって焦点調節位置が駆動される。この撮影レンズ１２の像空間には、固体撮像装置１１の撮像面が配置される。この撮像面は、ピエゾ素子などの変動部１１ａによって光軸方向に微少変位される。
撮像制御部１４は、固体撮像装置１１を制御して画像信号を読み出す。この画像信号は、信号処理部１５、およびＡ／Ｄ変換部１６を介して処理された後、メモリ１７に一時蓄積される。
このメモリ１７は、バス１８に接続される。このバス１８には、変動部１１ａ、焦点制御部１２ａ、撮像制御部１４、マイクロプロセッサ１９、焦点演算部２０、記録部２２、画像圧縮部２４および画像処理部２５なども接続される。なお、焦点演算部２０については、マイクロプロセッサ１９を用いてソフトウェア的に実現してもよい。
上記のマイクロプロセッサ１９には、レリーズ釦などの操作部１９ａが接続される。また、上記の記録部２２には、記録媒体２２ａが着脱自在に装着される。

［画素レイアウトの説明］
図２は、固体撮像装置１１の画素レイアウトを示す図である。
固体撮像装置１１の撮像面には、撮像用画素３１の群が配置される。個々の撮像用画素３１には、画素単位に受光光束を光電変換する光電変換域３２が設けられる。この光電変換域３２の上層には、平坦化層を介して、受光光束を光電変換域３２に集光するマイクロレンズ３３が設けられる。撮像用画素３１の群は、撮影レンズ１２を介して撮像面に投影される被写体像を画素単位に光電変換することによって、画像信号を生成する。
撮像面には、複数の焦点検出エリアＺが配置される。この焦点検出エリアＺには、撮像用画素３１の群の間を縫うように、焦点検出用画素３７が市松パターンに配置される。
この焦点検出用画素３７には、瞳形成マイクロレンズ３６が形成される。この瞳形成マイクロレンズ３６は、画素単位の受光光束を集光して撮影レンズ１２の射出瞳の実像を形成する。
焦点検出用画素３７内には、この射出瞳の実像を同心状に瞳分割するために、２つの光電変換域３４ａ，３４ｂが配置される。この光電変換域３４ａは、実像の周辺領域の光電変換信号を生成する。一方、光電変換域３４ｂは、実像の中央領域の光電変換信号を生成する。

［回路説明］
図３は、固体撮像装置１１の等価回路を示す図である。
固体撮像装置１１は、垂直転送回路３、水平転送回路４、相関二重サンプリング回路５、撮像用画素３１の群、および焦点検出用画素３７の群から概略構成される。
まず、撮像用画素３１の回路構成について説明する。撮像用画素３１には、フローティングデフージョンＦＤが設けられる。このフローティングデフージョンＦＤには、リセットトランジスタＱＲを介して、電源ラインＶＤＤに接続される。また、このフローティングデフージョンＦＤと光電変換域３２との間には、転送トランジスタＱＴが配置される。この転送トランジスタＱＴのゲートには、垂直転送回路３から制御信号φＴＧａが供給される。

このフローティングデフージョンＦＤの電圧は、増幅素子ＱＡのゲートに印加される。増幅素子ＱＡのソースは、行選択トランジスタＱＳをオン制御することにより、垂直読み出し線２に接続される。この行選択トランジスタＱＳを介して、増幅素子ＱＡのソースに電流源Ｉｓが接続されることにより、増幅素子ＱＡはソースホロワ回路を構成する。その結果、フローティングデフージョンＦＤの電圧に対応したソースホロワ電圧が、垂直読み出し線２に出力される。

次に、焦点検出用画素３７の構成上の特徴について説明する。焦点検出用画素３７には、撮像用画素３１の光電変換域３２に代えて、同心状に区分された光電変換域３４ａ，３４ｂが設けられる。
光電変換域３４ａは、転送トランジスタＱＴａを介して、フローティングデフージョンＦＤに接続される。この転送トランジスタＱＴａのゲートには、垂直転送回路３から制御信号φＴＧａが供給される。

もう一方の光電変換域３４ｂは、転送トランジスタＱＴｂを介して、フローティングデフージョンＦＤに接続される。この転送トランジスタＱＴｂのゲートには、垂直転送回路３から制御信号φＴＧｂが供給される。
なお、光電変換域３４ｂは、ドーナツ状の光電変換域３４ａに周囲を囲まれる。そのため、光電変換域３４ｂと、上述した周辺回路（転送トランジスタＱＴｂなど）との接続が困難となる。このような場合は、光電変換域３４ａをＣ字状に形成し、その間隙を通して光電変換域３４ｂと周辺回路との接続を行ってもよい。

［焦点検出用画素３７の光学作用］
図４は、焦点検出用画素３７の光学作用を説明する図である。
焦点検出用画素３７内には、一組の光電変換域３４ａ，３４ｂが同心状に配置される。この光電変換域３４ａには、図４に示すように、撮影レンズ１２の射出瞳の周辺を通過した光束が入射する。一方、光電変換域３４ｂには、図４に示すように、撮影レンズ１２の射出瞳の中央を通過した光束が入射する。一組の光電変換域３４ａ，３４ｂは、それぞれの受光光束を光電変換して、一組の瞳分割信号Ｓａ，Ｓｂを生成する。

図５は、一組の光電変換域３４ａ，３４ｂに入射する受光光束の様子を示す図である。
図５［Ａ］に示す合焦状態では、一組の光電変換域３４ａ，３４ｂに入射する受光光束は、合焦被写体の同一箇所から出た光束となる。したがって、一組の瞳分割信号Ｓａ，Ｓｂは、光電変換域３４ａ，３４ｂの受光効率を利得補正すれば、同一の信号レベルとなる。すなわち、光電変換域３４ａ，３４ｂの受光効率の補正係数をα，βとすると、
合焦状態の信号差分Ｄ＝｜αＳａ−βＳｂ｜＝０
となる。

一方、図５［Ｂ］に示す前ピン状態では、一組の光電変換域３４ａ，３４ｂに入射する受光光束は、被写体の手前で交差する。そのため、一組の光電変換域３４ａ，３４ｂには、図５［Ｂ］に示すように、被写体側の同心状の異なる領域から出た光束がそれぞれ入射する。適当な輝度パターンを有する被写体であれば、異なる領域から出射されるこれら光束の光強度は異なる。そのため、一組の瞳分割信号Ｓａ，Ｓｂは、異なる信号レベルとなる。すなわち、
前ピン状態の信号差分Ｄ＝｜αＳａ−βＳｂ｜＞０
となる。

また、図５［Ｃ］に示す後ピン状態では、一組の光電変換域３４ａ，３４ｂに入射する受光光束は、被写体の後方で仮想的に交差する。そのため、一組の光電変換域３４ａ，３４ｂには、図５［Ｃ］に示すように、被写体側の同心状の異なる領域から出た光束がそれぞれ入射する。適当な輝度パターンを有する被写体であれば、異なる領域から出射されるこれら光束の光強度は異なる。そのため、一組の瞳分割信号Ｓａ，Ｓｂは、異なる信号レベルとなる。すなわち、
後ピン状態の信号差分Ｄ＝｜αＳａ−βＳｂ｜＞０
となる。
このような焦点検出用画素３７の光学作用を利用して、撮影レンズ１２の焦点調節状態を推定することが可能になる。

［焦点検出動作の説明］
図６は、電子カメラ１０の動作を説明する流れ図である。以下、図６に示すステップ番号の順に沿って、この動作を説明する。

ステップＳ１： まず、電子カメラ１０側の公知の機能（手動選択，自動選択など）によって、焦点検出エリアＺの選択が行われる。

ステップＳ２： マイクロプロセッサ１９は、レリーズ釦の半押し操作に同期して、撮像制御部１４を介して固体撮像装置１１に、選択エリアからの瞳分割信号の読み出し動作を指示する。
この指示に従って、固体撮像装置１１内の垂直転送回路３は、選択エリアの焦点検出用画素３７の存在するｎ行目の制御信号φＲＳ（ｎ）と制御信号φＴＧａ（ｎ）と制御信号φＴＧｂ（ｎ）とを立ち上げる。これにより、一組の光電変換域３４ａ，３４ｂは、転送トランジスタＱＴａ、フローティングデフージョンＦＤ、およびリセットトランジスタＱＲを介してリセットされる。

その後、垂直転送回路３は、ｎ行目の制御信号φＴＧａ（ｎ）および制御信号φＴＧｂ（ｎ）を立ち下げて、転送トランジスタＱＴａ，ＱＴｂを非導通に変化させる。この時点から、一組の光電変換域３４ａ，３４ｂは信号電荷の蓄積を開始する。
なお、ｎ行目のリセットトランジスタＱＲの導通状態を継続することにより、ｎ行目のフローティングデフージョンＦＤの電位をリセットする。このリセットの後、垂直転送回路３は、リセットトランジスタＱＲを非導通に変化させる。その結果、フローティングデフージョンＦＤは、フローティング状態に戻り、その瞬間の電圧（リセット電圧）を保持する。
この状態で、垂直転送回路３は、制御信号φＬ（ｎ）をハイレベルに設定し、ｎ行目の行選択トランジスタＱＳを導通させる。その結果、ｎ行目のリセット電圧は、増幅素子ＱＡを介して垂直読み出し線２にソースホロワ出力される。
垂直読み出し線２に出力されたリセット電圧は、制御信号φＳＨの立ち下げによって相関二重サンプリング回路５（回路内のコンデンサ群）に保持される。

次に、垂直転送回路３は、制御信号φＴＧａ（ｎ）を用いて、ｎ行目の転送トランジスタＱＴａを導通させる。この導通によって、転送トランジスタＱＴａに接続された光電変換域３４ａに蓄積された信号電荷は、フローティングデフージョンＦＤに転送される。この転送動作に伴って、フローティングデフージョンＦＤの電圧はリセット電圧から信号電荷の転送分だけ相対変化する。このｎ行目の信号電圧は、増幅素子ＱＡを介して垂直読み出し線２にソースホロワ出力される。
このように垂直読み出し線２を介して読み出された光電変換域３４ａの信号電圧は、相関二重サンプリング回路５に印加される。相関二重サンプリング回路５からは、この信号電圧とリセット電圧の差に相当する瞳分割信号Ｓａが出力される。
この状態で、水平転送回路４は、焦点検出用画素３７が存在する列の制御信号φＨ１などを用いて、転送トランジスタＱＴａに接続された光電変換域３４ａの瞳分割信号ＳａをＶｏｕｔから順次に読み出す。
続いて、上述した読み出し動作を、制御信号φＴＧａ（ｎ）を制御信号φＴＧｂ（ｎ）に代えて、繰り返すことにより、光電変換域３４ｂの瞳分割信号ＳｂもＶｏｕｔから順次に読み出す。

以上の動作を、選択エリア内の焦点検出用画素３７に限定して繰り返すことにより、全画素を読み出すことなく、瞳分割信号Ｓａ、Ｓｂを短時間に読み出すことが可能になる。
このように読み出された瞳分割信号Ｓａ、Ｓｂは、信号処理部１５およびＡ／Ｄ変換部１６を介してデジタル化された後、メモリ１７に一時記憶される。

ステップＳ３： 焦点演算部２０は、メモリ１７内から一組の瞳分割信号Ｓａ，Ｓｂを読み出し、焦点検出用画素３７ごとに下記の信号差分Ｄを求める。
信号差分Ｄ＝｜αＳａ−βＳｂ｜
なお、補正係数α，βは、光電変換域３４ａ，３４ｂの受光効率の比に応じた係数であり、合焦状態において信号差分Ｄがゼロとなる係数値に予め設定される。

ステップＳ４： 焦点演算部２０は、選択エリア内に複数の焦点検出用画素３７が存在する場合は、ステップＳ３で求めた信号差分の絶対値和を求めて、信号差分Ｄとする。なお、和を取る代わりに、平均値や中間値や最大値などを求めて信号差分Ｄとしてもよい。

ステップＳ５： 焦点演算部２０は、信号差分Ｄが合焦許容値Ｄｔｈ以下に収まるか否かを判定する。この合焦許容値Ｄｔｈは、実質的に合焦状態と見なせる信号差分Ｄの上限値を定めるものであり、実測結果などから予め決定される値である。
ここで、信号差分Ｄが合焦許容値Ｄｔｈ以下に収まる場合、焦点演算部２０は、撮影レンズ１２が合焦状態にあると判断し、ステップＳ６に動作を移行する。
一方、信号差分Ｄが合焦許容値Ｄｔｈを超えている場合、焦点演算部２０は、撮影レンズ１２が非合焦状態にあると判断し、ステップＳ７に動作を移行する。

ステップＳ６： 電子カメラ１０内のマイクロプロセッサ１９は、レリーズ釦の全押し操作に同期して、撮像制御部１４を介して固体撮像装置１１に、画像信号の読み出し動作を指示する。読み出された画像信号は、信号処理部１５およびＡ／Ｄ変換部１６を介して、メモリ１７に一時記憶される。
なお、焦点検出用画素３７の配置箇所においては、画像信号が欠落する。この欠落部分の画像信号については、周辺の画像信号を用いて補間することが可能である。また、焦点検出用画素３７の光電変換域３４ａ，３４ｂの信号を用いて、欠落部分の画像信号を生成してもよい。
メモリ１７に記憶された画像信号は、画像処理部２５および画像圧縮部２４を介して処理が施される。処理後の画像信号は、記録部２２を介して記録媒体２２ａに記録保存される。以上の動作によって、電子カメラ１０の撮像動作が終了する。

ステップＳ７： マイクロプロセッサ１９は、変動部１１ａを駆動して、固体撮像装置１１の撮像面を光軸方向に変位させる。電子カメラ１０は、この変位した状態で、ステップＳ２〜Ｓ４と同様の処理を実行し、信号差分Ｄの変化を求める。

ステップＳ８： 焦点演算部２０は、撮像面の変位に伴う信号差分Ｄの増減方向に基づいて、撮影レンズ１２が後ピン／前ピンのいずれの状態かを判定する。
図７は、この信号差分Ｄの変化と、撮影レンズ１２の焦点調節状態との関係を示す説明図である。
撮影レンズ１２と撮像面との光学的距離の増加に伴って信号差分Ｄが減少した場合、光学的距離を増加させる方向に合焦位置が存在することになる。すなわち、撮影レンズ１２は後ピン状態にあると判断できる。
逆に、撮影レンズ１２と撮像面との光学的距離の増加に伴って信号差分Ｄが増加した場合、光学的距離を減少させる方向に合焦位置が存在することになる。すなわち、撮影レンズ１２は前ピン状態にあると判断できる。

ステップＳ９： 焦点演算部２０は、撮像面の変位に伴う信号差分Ｄの変化に基づいて、撮影レンズ１２のデフォーカス量または合焦位置を推定する。
例えば、図７に示すような関係では、信号差分Ｄの変化が大きいほど、合焦位置から遠く、デフォーカス量を大きい値と推定できる。逆に、信号差分Ｄの変化が小さいほど、合焦位置に近く、デフォーカス量が小さい値と推定できる。信号差分Ｄの変化量とデフォーカス量（または合焦位置）との対応関係を実測実験により予め設定しておくことにより、信号差分Ｄからデフォーカス量を推定することが可能になる。
また例えば、焦点演算部２０は、撮像面の変位に伴って信号差分Ｄの標本値を複数求める。焦点演算部２０は、これら複数の信号差分Ｄの標本値を外延近似または補間近似することにより、図７に示すような近似関数を求める。この場合の近似関数は、直線関数または曲線関数のどちらも使用可能である。焦点演算部２０は、この近似関数に基づいて、信号差分Ｄがゼロとなる合焦位置を推定する。焦点演算部２０は、この合焦位置の推定結果に基づいて、撮影レンズ１２のデフォーカス量を求める。

ステップＳ１０： 焦点演算部２０は、ステップＳ５，Ｓ８，Ｓ９で求めた撮影レンズ１２の焦点調節状態をマイクロプロセッサ１９に出力する。
マイクロプロセッサ１９は、この焦点調節状態に応じて、焦点制御部１２ａを介して、撮影レンズ１２の焦点制御を実施する。

例えば、焦点制御部１２ａは、撮影レンズ１２の焦点調節位置を至近側と無限側との間で走査しながら、焦点演算部２０で逐次検出される信号差分Ｄがゼロ付近に整定するように焦点制御を実施してもよい。

また例えば、焦点制御部１２ａは、ステップＳ８で判定された前ピン／後ピンの判定結果に従って、撮影レンズ１２の焦点調節位置の駆動方向を決定してもよい。この動作により、焦点制御の動作を高速化することができる。

また例えば、焦点制御部１２ａは、ステップＳ９で求めたデフォーカス量または合焦位置に従って、撮影レンズ１２の焦点調節の目標位置を決定してもよい。この動作により、焦点制御の動作を更に高速化することができる。
このような焦点制御動作の後、改めて合焦判定を行う必要があれば、マイクロプロセッサ１９は、ステップＳ２に動作を移行する。
なお、ステップＳ１０の焦点制御の過程で合焦判定が既になされている場合、ステップＳ６の撮像動作に直に動作を移行してもよい。

［第１実施形態の効果など］
以上説明したように、第１実施形態では、一組の瞳分割信号の信号差分（レベル差）に基づいて、焦点調節状態を判断する。この焦点検出は、従来の瞳分割位相差方式とは異なる。ここでは、違いを明確に表現するため、本発明方式を瞳分割レベル差方式と称する。この瞳分割レベル差方式では、最低１つの焦点検出用画素３７を撮像面に配置することで、焦点調節状態の検出が可能になる。したがって、瞳分割像の明暗パターンを得るため焦点検出用画素を多数配列する従来例とは異なり、撮像面上の焦点検出用画素の数を格段に減らすことができる。したがって、撮像画像の品質低下を低く抑えることが可能になる。

さらに、第１実施形態では、変動部１１ａを用いて撮影レンズ１２と撮像面との光学的距離を変動させる。焦点演算部２０は、この距離変動に伴う信号差分Ｄの変化に基づいて、撮影レンズ１２のデフォーカス（焦点ズレ）量や合焦位置を推定する。

特に、第１実施形態では、焦点演算部２０が、光学的距離の変動に伴って信号差分Ｄの標本値を複数求める。焦点演算部２０は、この信号差分Ｄの標本値を外延近似または補間近似する。この近似演算によって、信号差分Ｄがゼロ付近となる合焦位置を正確に推定することが可能になる。

また、第１実施形態では、光学的距離の変動に伴う信号差分Ｄの増減方向に基づいて、撮影レンズ１２の後ピン／前ピンを的確に判定することができる。

ところで、第１実施形態では、焦点検出用画素３７内に同心状の光電変換域３４ａ，３４ｂを設ける。この同心状の瞳分割では、瞳分割方向に方向依存性がないという特徴を有する。そのため、縦エッジや横エッジといった特定のエッジ方向に限定されずに、あらゆる方位の被写体エッジについて焦点検出が可能になる。

さらに、この同心状の瞳分割は、周期被写体による焦点の誤検出が殆ど起こらないという優れた特徴を有する。例えば、図５に示す縦ストライプの周期被写体において、信号差分Ｄがほぼゼロとなるのは、図５［Ａ］の合焦状態のケースだけである。図５［Ｂ］［Ｃ］の非合焦状態において、信号差分Ｄがゼロとなる特異点は存在しない。

また、第１実施形態では、１つの焦点検出エリア内に複数の焦点検出用画素３７を配置する。これら焦点検出用画素３７ごとに求めた信号差分の絶対値和を算出して、信号差分Ｄとする。この場合、選択エリア内のいずれか１つの焦点検出用画素３７に、被写体の明暗変化（エッジなど）が投影されていれば焦点検出が可能となる。そのため、焦点検出の確実性を一段と高めることができる。

さらに、複数の信号差分の絶対値和をとることで、個々の瞳分割信号Ｓａ，Ｓｂのノイズの影響を軽減できる。その結果、暗い撮影環境のようにノイズが増加する状況下にあっても、正確な焦点検出が可能になる。

《第２実施形態》
図８［Ａ］［Ｂ］は、焦点検出用画素の光電変換域の配置例を示す図である。なお、その他の構成については、第１実施形態と同様のため、ここでの重複説明を省略する。
図８［Ａ］では、焦点検出用画素５７に、一組の光電変換域５４ａ，５４ｂを備える。この一組の光電変換域５４ａ，５４ｂは、射出瞳の実像を瞳分割方向（縦，横，斜めなど）に対称区分するように配置される。なお、１つの焦点検出エリア内には、瞳分割方向の異なる焦点検出用画素５７が複数設けられる。この構成により、多様な方向の被写体エッジについて焦点検出が可能になる。

一方、図８［Ｂ］は、焦点検出用画素７７に、ドーナツを２分した形状の光電変換域７４ａ，７４ｂを備える。この一組の光電変換域７４ａ，７４ｂは、射出瞳の実像を瞳分割方向（縦，横，斜めなど）に対称区分するように配置される。なお、１つの焦点検出エリア内には、瞳分割方向の異なる焦点検出用画素７７が複数設けられる。この構成により、多様な方向の被写体エッジに対して焦点検出が可能になる。

《実施形態の補足事項》
なお、上述した実施形態では、焦点検出用画素を撮像面に粗に配置できることの効果を説明している。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。必要であれば、従来と同様に、焦点検出用画素を撮像面に密に配置してもかまわない。

また、上述した実施形態では、焦点検出エリア内に焦点検出画素を市松配列するケースについて説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ベイヤ配列などのカラー撮像素子では、画像信号から同一色成分が集中的に欠落しないよう、焦点検出用画素を適宜に分散させて配置することが好ましい。

なお、上述した実施形態では、信号差分Ｄが偶数次の収束曲線（図７参照）となるケースについて説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図９に示すように、信号差分Ｄが、奇数次の収束曲線を示す場合にも、後ピン／前ピンの判定や、デフォーカス量の概略的な推定が可能になる。また、奇数次の関数を用いて、信号差分Ｄの標本値を近似することにより、合焦位置（デフォーカス量）や合焦位置の推定を行うことも可能になる。

また、上述した実施形態では、撮像用画素と焦点検出用画素とを同一サイズとしている。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、１つの焦点検出用画素を、撮像用画素の複数個分の画素サイズにしてもよい。この場合、焦点検出用画素の受光効率を高めて、焦点検出精度を向上させることができる。また、１つの焦点検出用画素を、撮像用画素の配置の隙間に収まるようにサイズ縮小してもよい。

なお、上述した実施形態では、ＸＹアドレス方式（ＣＭＯＳ型など）の固体撮像装置のケースについて説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。ＣＣＤ型固体撮像装置などに本発明を適用してもよい。

さらに、上述した実施形態では、固体撮像装置１１と焦点演算部２０とを別体に設けている。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、焦点演算部２０を固体撮像装置１１の内蔵回路としてもよい。この場合、焦点演算部２０を、差分回路や絶対値回路などのアナログ回路として構成することができる。また、焦点演算部２０をデジタル回路として構成してもよい。

なお、上述した実施形態では、変動部により撮像面を光軸方向に変位させることで、撮影レンズと撮像面との光学的距離を変動させている。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、撮像レンズの焦点調節位置を駆動することにより、撮影レンズと撮像面との光学的距離を変動させてもよい。また例えば、撮影レンズと撮像面との光路上に屈折率の異なる光学部材を挿抜することによって、撮影レンズと撮像面との光学的距離を変動させてもよい。

また、上述した実施形態では、瞳形成マイクロレンズ３６を単層のレンズで構成している。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。瞳形成マイクロレンズ３６を複数層のレンズから構成してもよい。この場合、瞳形成マイクロレンズ３６による射出瞳の実像の結像性能を高めることが可能になり、焦点検出精度を一段と高めることができる。

なお、上述した第１実施形態では、光電変換域３４ａ，３４ｂの外形を円状に形成している。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。光電変換域３４ａ，３４ｂは同心状であればよく、その外形には限定されてない。例えば、光電変換域３４ｂを矩形とし、光学変換域３４ａを口の字状やコの字状に形成してもよい。

以上説明したように、本発明は、焦点検出機能を有する撮像装置に利用可能な技術である。

電子カメラ１０を示すブロック図である。 固体撮像装置１１の画素レイアウトを示す図である。 固体撮像装置１１の等価回路を示す図である。 焦点検出用画素３７の光学作用を説明する図である。 一組の光電変換域３４ａ，３４ｂに入射する受光光束の様子を示す図である。 電子カメラ１０の動作を説明する流れ図である。 信号差分Ｄの変化と、撮影レンズ１２の焦点調節状態との関係を示す説明図である。 焦点検出用画素の光電変換域の配置例を示す図である。 信号差分Ｄの変化と、撮影レンズ１２の焦点調節状態との関係を示す説明図である。

符号の説明

１０…電子カメラ，１１…固体撮像装置，１１ａ…変動部，１２…撮影レンズ，１２ａ…焦点制御部，１７…メモリ，１９…マイクロプロセッサ，２０…焦点演算部，３１…撮像用画素，３２…光電変換域，３３…マイクロレンズ，３４ａ…光電変換域，３４ｂ…光電変換域，３６…瞳形成マイクロレンズ，３７…焦点検出用画素，５７…焦点検出用画素，７７…焦点検出用画素

Claims (7)

1. 撮像面に複数設けられ、撮影レンズを透過した受光光束を画素単位に光電変換して、画像信号を生成する撮像用画素の群と、
   前記撮像用画素の群の中に設けられ、画素単位の受光光束から前記撮影レンズの射出瞳の実像を形成する瞳形成マイクロレンズと、前記射出瞳の実像を瞳分割してそれぞれ光電変換し、一組の瞳分割信号を生成する光電変換域とを備えた焦点検出用画素と、
   前記焦点検出用画素から一組の前記瞳分割信号を取得して信号差分を検出し、前記信号差分に応じて前記撮影レンズの焦点調節状態を推定する焦点演算部と
   を備えたことを特徴とする撮像装置。
2. 請求項１に記載の撮像装置において、
   前記撮影レンズと前記撮像面との光学的距離を変動させる変動部を備え、
   前記焦点演算部は、前記光学的距離の変動に伴う前記信号差分の変化に基づいて、前記撮影レンズのデフォーカス（焦点ズレ）量または合焦位置を推定する
   ことを特徴とする撮像装置。
3. 請求項３に記載の撮像装置において、
   前記焦点演算部は、前記光学的距離の変動に伴って信号差分の標本値を複数求め、前記複数の信号差分の標本値を外延近似または補間近似して前記信号差分がゼロとなる合焦位置を推定する
   ことを特徴とする撮像装置。
4. 請求項２または請求項３に記載の撮像装置において、
   前記焦点演算部は、前記光学的距離の変動に伴う前記信号差分の増減方向に基づいて、前記撮影レンズが後ピン状態か前ピン状態かを判定する
   ことを特徴とする撮像装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の撮像装置において、
   前記焦点検出用画素の前記光電変換域は、
   前記射出瞳の実像を同心状に瞳分割し、前記実像の中央領域の光電変換信号と、前記実像の周辺領域の光電変換信号を生成し、一組の瞳分割信号とする
   ことを特徴とする撮像装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の撮像装置において、
   前記焦点検出用画素は複数設けられ、
   前記焦点演算部は、前記複数の焦点検出用画素から求めた個々の信号差分から絶対値和を算出して前記信号差分とする
   ことを特徴とする撮像装置。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の撮像装置において、
   前記焦点演算部が検出する前記信号差分を小さくする方向に、前記撮影レンズを焦点制御することにより、前記撮影レンズを合焦させる焦点制御部を備えた
   ことを特徴とする撮像装置。
   

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