JP2002165126A - 撮像装置及び撮像システム、並びに撮像方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 固体撮像素子による画像の撮像と位相差方式
焦点検出が可能な撮像装置において、高精度で迅速な位
相差方式焦点検出を実現するとともに、画像の撮像にお
いても良質な画像信号を得ることができる撮像装置を提
供する。 【解決手段】 撮像素子１００の画素部は、撮像光学系
の射出瞳上の異なる領域を通過した光束を光電変換する
第１及び第２の光電変換部１０１，１０２を備える。ま
た、光電変換部１０１，１０２は、焦点検出に用いられ
る撮像光学系のＦ数を基に所定の間隔を隔てて配置さ
れ、光電変換部１０１，１０２の間の領域において、第
１の光電変換部１０１による第１の感度分布と第２の光
電変換部１０２による第２の感度分布とが重複するよう
に構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、結像光学系からの
光束を撮像素子にて光電変換し、画像信号を生成する撮
像装置、この撮像装置を含むデジタルカメラ、ビデオカ
メラ、銀塩カメラなどの撮像システム、及び撮像方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】デジタルカメラでは、レリーズボタンの
押下に応答して、CCDやCMOSセンサなどの固体撮像素子
に被写体像を所望の時間露光し、これより得られた１つ
の画面の静止画像を表す画像信号をデジタル信号に変換
して、YC処理などの所定の処理を施して、所定の形式の
画像信号を得る。撮像された画像を表すデジタルの画像
信号は、それぞれの画像毎に、半導体メモリに記憶され
る。記憶された画像信号は、随時読み出されて表示また
は印刷可能な信号に再生され、モニタなどに出力されて
表示される。

【０００３】従来より、デジタルカメラにおける撮像光
学系の焦点検出では撮像装置を利用したコントラスト検
出方式の焦点検出が行われており、一般に、このような
コントラスト検出方式の焦点検出においては、撮像光学
系の光軸上位置を僅かに移動させながらコントラストの
極値を求めていくために、合焦するまでの焦点調節にか
なりの時間を要するという問題がある。

【０００４】そこで、銀塩フィルムを使用する一眼レフ
カメラのなどに用いられている位相差検出方式の焦点検
出をデジタルカメラの撮像素子を利用して行う焦点検出
方法が提案されている。位相差検出方式の焦点検出では
デフォーカス量を求めることができるので、コントラス
ト検出方式に比して合焦するまでの時間を大幅に短縮す
ることができるという利点がある。このような焦点検出
方法の一例として、１対の光電変換部を2次元的に配列
したマイクロレンズアレイ毎に設け、このマイクロレン
ズによって、１対の光電変換部よりなる画素部を撮像光
学系の瞳に投影することで瞳を分離し、位相差式の焦点
検出を行う方法が提案されている。更に、この受光手段
として、１つのマイクロレンズ内における１対の光電変
換部出力信号の加算、非加算を画素部単位で任意に行う
ことのできる特開平９−４６５９６号公報に記載の固体
撮像素子を用いた撮像装置が提案されている。

【０００５】図３９は、この撮像装置における画素部を
示す断面図である。同図において、１２４はＰ型ウェ
ル、１２５、１２６はゲート酸化膜、１２７、１２８は
ポリＳｉ、１２９、１３０は完全空乏化できる濃度のｎ
層、１３１はｎ⁺ フローティングディフュージョン領域
（ＦＤ領域）、１３２、１３３は表面Ｐ⁺層である。Ｆ
Ｄ領域１３１は転送ＭＯＳトランジスタの構成要素であ
るポリＳｉ１２７，１２８を介して第１及び第２の光電
変換部であるｎ層１２９、１３０と接続される。ｎ層１
２９及び１３０と表面Ｐ⁺層１３２及び１３３は埋め込
み型フォトダイオードとして光電変換部を形成し、この
構造により表面で発生する暗電流を抑制することができ
る。ＣＦは特定の波長域の光を透過するカラーフィルタ
ー、μＬは撮像光学系からの光束を効率的に第１及び第
２の光電変換部に導くためのマイクロレンズである。こ
のマイクロレンズμＬのパワーは、撮像光学系の射出瞳
と各画素部内の一対の光電変換部が結像するように設定
されており、従って、第１及び第２の光電変換部でそれ
ぞれ射出瞳上の異なる領域を通過した光束を光電変換す
るよう構成されている。

【０００６】このことから、第１及び第２の光電変換部
による撮像光学系の射出瞳分離の様子は図４０のように
なる。同図において、１は絞りＳＴが開放状態の場合
で、絞りＳＴの開口を後方レンズ群ｇｒｐ３、ｇｒｐ４
を通して見た虚像である。斜線部２は固体撮像素子１０
０の第１の光電変換部に入射する光束が通過する射出瞳
上の第１の領域、斜線部３は固体撮像素子１００の第２
の光電変換部に入射する光束が通過する射出瞳上の第２
の領域である。なお、第１の領域２と第２の領域２の間
にはわずかながら隙間４が存在するので、この領域を通
過した光束は第１及び第２の光電変換部の何れにも光電
変換されない。これは、図３８に示すように、ｎ層１２
９及び１３０とＰ⁺層１３２及び１３３からなる埋め込
み型フォトダイオードの間にｎ⁺ＦＤ領域を設けている
ためで、この部分においては光電変換が行われない。

【０００７】以上のような構成で、固体撮像素子は、第
1光電変換部と第2光電変換部で発生した電荷を別々にＦ
Ｄ領域１３３へ転送でき、このＦＤ領域１３３に接続し
た転送ＭＯＳトランジスタのタイミングだけで、２つの
光電変換部の信号電荷の加算、非加算を実現している。
従って、撮像時には第１及び第２の光電変換部の信号電
荷を加算して読み出すことにより、撮像光学系の射出瞳
全体の光束を光電変換する。

【０００８】一方、焦点検出時には、第１及び第２の光
電変換部の信号電荷を独立に読み出すことで、撮像光学
系の射出瞳上の異なる領域を通過した光束をそれぞれ光
電変換している。ここで、いま撮像光学系の射出瞳は図
４０に示すように第１の領域２と第２の領域３に分離さ
れているので、撮像光学系のデフォーカスにより物体像
の位相ずれが生じる方向は図中矢印Ａで示す方向であ
る。従って、焦点検出時には固体撮像素子上に矢印Ａで
示す方向を長手方向とする画素列を設定し、独立に読み
出した１対の信号電荷から１対の画像信号を生成するこ
とで、物体像の位相ずれを検出することができる。な
お、位相ずれの検出には公知の相関演算などを用いれば
よい。以上のような構成で、固体撮像素子１００による
撮像と位相差方式焦点検出の両立を実現している。

【０００９】位相差方式焦点検出において、小デフォー
カスから大デフォーカスに至るまで高精度に位相ずれを
検出するには、任意のデフォーカスにおいて位相ずれ方
向での１対の物体像が略相似形状であることが望まし
い。こうすることにより、公知の相関演算で算出される
１対の物体像の位相ずれ量と撮像光学系のデフォーカス
量の関係をほぼ線形にすることができ、位相ずれ量から
撮像光学系のデフォーカス量を容易に導き出すことがで
きる。

【００１０】いま被写体像の光量分布をｆ（ｘ，ｙ）、
物体像の光量分布をｇ（ｘ，ｙ）とするとき、

【００１１】

【数１】

【００１２】の関係（たたみこみ積分；convolution）
が成立する。ここでｈ（ｘ，ｙ）は被写体が画像形成シ
ステムにおいて劣化する状態を表す伝達関数で、点像分
布関数（point spread function）と呼ばれる。従っ
て、焦点検出に用いる１対の物体像の相似性を知るに
は、点像分布関数を知る必要がある。

【００１３】ここで、位相方式焦点検出においては、１
対の物体像の１次元方向に注目し、その位相ずれを検出
ため、点像分布関数の代わりに１次元の関数である線像
分布関数（line spread function）により、焦点検出に
関する画像システムを評価することができる。そこで、
被写体像の光量分布をｆ（ｘ）、物体像の光量分布をｇ
（ｘ）と置き換えると、上記式（１）は線像分布関数Ｌ
（ａ）を用いて以下のように書き換えられる。

【００１４】

【数２】

【００１５】従って、式（２）より任意のデフォーカス
時の位相ずれ方向における１対の線像分布関数を知るこ
とにより、１対の物体像の相似性を知ることができ、位
相差方式焦点検出の基本的なデフォーカス性能を知るこ
とができる。そして、式（２）より１対の線像分布関数
の相似性が高いほど、１対の物体像の相似性も高くなる
ことが分かる。

【００１６】ある点光源が光学系の射出瞳を通過し結像
面上に形成する点像の強度分布、いわゆる点像分布関数
は、射出瞳形状が結像面上に縮小投影されていると考え
られる。同様に、線像分布関数は１次元方向における射
出瞳形状、即ち、射出瞳形状を１次元方向に積分したも
のがマイクロレンズμＬにより結像面上に縮小したもの
と考えることができる。実際には光学系の収差や製造誤
差により、光線が射出瞳上のどこを通過したかで結像位
置や強度が異なり、線像分布関数の形状は多少変化する
が、ここでは、位相ずれ方向における１対の線像分布関
数相似性を知ることが目的であるので、撮像光学系、マ
イクロレンズμＬは収差のない理想レンズとして簡略化
する。また、上記従来例で説明した、撮像光学系の赤外
カットフィルターF１、ローパスフィルターＬＰＦ、カ
ラーフィルターＣＦ、光電変換部の感度分布、光電変換
部のＳ/Ｎなどについても省略する。

【００１７】いま、図４０における第１及び第２の光電
変換部に入射する光束が通過する第１及び第２の領域
２、３を位相ずれ方向、即ち矢印Ａ方向に積分してみ
る。図４１は、積分した結果を示すグラフで、原点を光
軸Ｌ１としている。図中横軸が位相ずれ方向、縦軸が強
度で、第１の瞳強度分布５が射出瞳上の第１の領域２、
第２の瞳強度分布６が射出瞳上の第２の領域３にそれぞ
れ対応している。実際には、第１及び第２の瞳強度分布
がマイクロレンズμＬにより結像面上に縮小されて線像
分布関数となるわけだが、１対の線像分布関数の相似性
を知るにはこのままで差し支えない。更に、ここでは撮
像光学系のデフォーカスを考慮していないが、小デフォ
ーカスの場合、第１及び第２の瞳強度分布５，６のそれ
ぞれを横軸方向に縮小、縦軸方向に拡大、大デフォーカ
スの場合横軸方向に拡大、縦軸方向に縮小と考えること
ができる。

【００１８】図４１中、第１及び第２の瞳強度分布５、
６は位相ずれ方向、即ち横軸方向に互いにミラー反転し
たような半円形状となり、相似性は低い。従って、撮像
光学系の射出瞳上で第1の領域２を通過する光束の任意
のデフォーカスにおける１対の線像分布関数も位相ずれ
方向において相似性が低いことが分かる。合焦近辺の線
像分布関数は５、６を極端に横軸方向に縮小、縦軸方向
に拡大したもの、即ちインパルス波形のような形状とな
るため、相似性は高くなるが、ある程度デフォーカスし
てくると互いにミラー反転した半円形状が顕著に現れ、
相似性は低下する。

【００１９】従って、撮像光学系がある程度デフォーカ
スして、図４１の第１及び第２の瞳強度分布５，６に示
すように、１対の線像分布関数の相似性が低い場合、結
像面上の１対の物体像は、その線像分布関数の影響を受
けて位相ずれ方向で不均一に変形し、相似性は低くな
る。一方、撮像光学系の焦点が合焦近辺にある場合、線
像分布関数はインパルス波形のような形状となるため、
結像面上における１対の物体像もほぼ相似形となる。い
ま、位相ずれ方向における物体像とは、前述した位相ず
れ方向を長手方向とした画素列による画像信号と等価で
あるので、撮像光学系がある程度デフォーカスしている
場合、第1及び第2の光電変換部で得られる１対の画像信
号の相似性は低く、互いに左右反転したような形状にな
る。

【００２０】位相差方式の焦点検出においては、公知の
相関演算によって算出される位相ずれ量と撮像光学系の
デフォーカス量の関係を、実用的なデフォーカス範囲に
おいておおよそ線形にし、検出される位相ずれ量から予
想されるデフォーカス量を算出して、撮像光学系を合焦
させる。上記従来例における位相ずれ量とデフォーカス
量の関係は、１対の画像信号の相似性が高い小デフォー
カスの範囲ではほぼ線形となるが、デフォーカス量が増
大するにつれて１対の画像信号の相似性は低下し、線形
とならない。従って、撮像光学系がある程度以上デフォ
ーカスしている場合、１回の焦点検出では合焦に至るこ
とはできない。しかしながら、小デフォーカスの範囲で
はほぼ線形となるので、複数回焦点検出を行うことで、
小デフォーカスを経て合焦に至ることが可能となる。

【００２１】そこで、焦点検出時には撮像光学系の絞り
ＳＴを１対の開口部を有する２孔絞りとし、撮像時は退
避する構成とすると、焦点検出時における１対の線像分
布関数の特性を改善することができるため、大デフォー
カスでも複数回の焦点検出を必要としない焦点検出を実
現できる。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例においては、特に撮像光学系がある程度デフォーカ
スしている場合、複数回の焦点検出が必要となり、位相
差方式焦点検出の長所である迅速な焦点調節が行えなく
なる。

【００２３】また、先ほど説明したような１対の開口部
を有する２孔絞りを用いた場合、撮像光学系がある程度
デフォーカスしていても複数回の焦点検出は必要ない
が、撮像光学系に絞りの駆動メカなどを設け退避可能に
する必要があるため撮像装置の小型化、コストを妨げ
る。

【００２４】更に、１対の光電変換部に入射する光量と
撮像光学系の絞りＳＴの開度との関係をおおよそ線形に
することで、被写体輝度、撮像素子の感度が与えられた
ときに、フィルムカメラと同様の手法で絞り値とシャッ
ター速度を算出する、いわゆるＡＰＥＸ方式の演算が成
り立つ。こうすることで、フィルムカメラと同じように
一般の露出計を用いて露光量を算出することができ、撮
影操作は極めて容易である。しかしながら、従来例にお
いては、図３９に示すようにｐｎフォトダイオード１２
９、１３０の間にｎ⁺ＦＤ領域１３１を設けたために、
図４０の隙間４で示す第１及び第２の光電変換部の何れ
にも光電変換されない領域が存在し、撮像光学系の絞り
ＳＴを絞り込んでいくと、射出瞳の開口領域に対する隙
間４の領域の割合は増大していくため、１対の光電変換
部に入射する光量と撮像光学系の絞りＳＴの開度との関
係は線形にならずに、絞り込んでいくほど誤差は増大す
る。従って、ＡＰＥＸ方式の露出演算にも誤差が生じ、
また一般の露出計を用いることもできなくなる。

【００２５】撮像の観点からみても、第１及び第２の光
電変換部間の光電変換されない領域が存在すると、撮影
した画像に不自然なボケ（２線ボケ）が生じやすくな
る。

【００２６】そこで本発明の目的は、上記のような問題
に鑑みてなされたものであり、固体撮像素子による撮像
と位相差方式焦点検出を両立するとともに、カメラの小
型化、コストを妨げずに小デフォーカスから大デフォー
カスに至るまで高精度で迅速な焦点検出が可能で、撮像
時には、元々撮像光学系の射出瞳の全光束を使った画像
を得るように設計された通常の固体撮像素子で得られる
画像と同レベルのＳ/Ｎ的に優れた画像を得ることがで
きる撮像装置を提供することである。

【００２７】

【課題を解決するための手段】本発明の撮像装置は、結
像光学系と、前記結像光学系の射出瞳を複数に分離した
光束のうち第１の光束を光電変換する第１の光電変換部
と、前記第１の光束とは異なる第２の光束を光電変換す
る第２の光電変換部とを有する画素部が２次元領域に複
数配置されてなる撮像素子とを備え、前記撮像素子は、
前記画素部に、前記第１の光電変換部による第１の感度
分布と前記第２の光電変換部による第２の感度分布が重
複する感度領域を有する。

【００２８】この構成により、位相差方式焦点検出の位
相ずれ方向における１対の線像分布関数を小デフォーカ
スから大デフォーカスに至るまで相似形とすることがで
きるため、高精度で迅速な焦点検出を実現できる。ま
た、第１の光電変換と第２の光電変換部の間に入射する
光束も光電変換することができるのでＡＰＥＸ方式の露
出演算もほぼ成立し、元々撮像光学系の射出瞳の全光束
を使った画像を得るように設計された通常の固体撮像素
子で得られる画像と同レベルのＳ/Ｎ的に優れた画像を
得ることができる。

【００２９】本発明の撮像装置の一態様では、前記撮像
素子は、前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換
部による分割方向が異なる少なくとも２種類以上の前記
画素部を備える。この構成により、更に高品位な画像を
得ることができると共に、焦点検出性能を向上させるこ
とができる。

【００３０】本発明の撮像装置の一態様では、前記撮像
素子は、前記感度領域が異なる少なくとも２種類以上の
前記画素部を備える。この構成により、複数のＦ数おい
て高精度で迅速な焦点検出が実現できる。

【００３１】本発明の撮像装置の一態様では、前記感度
領域は、焦点検出時における前記結像光学系のＦ数に基
づいて最適化されている。この構成により、撮像及び焦
点検出の両方で良質な画像信号を得ることができる。

【００３２】本発明の撮像システムは、結像光学系と、
前記結像光学系の射出瞳を複数に分離した光束のうち第
１の光束を光電変換する第１の光電変換部と、前記第１
の光束とは異なる第２の光束を光電変換する第２の光電
変換部とを有する画素部が２次元領域に複数配置されて
なる撮像素子と、前記撮像素子からの信号に所定の処理
を加える信号処理手段と、外部装置との間で信号授受を
行うインターフェース手段と、当該システム全体の動作
を制御する制御手段とを備え、前記撮像素子は、前記画
素部に、前記第１の光電変換部による第１の感度分布と
前記第２の光電変換部による第２の感度分布が重複する
感度領域を有する。

【００３３】この構成により、位相差方式焦点検出の位
相ずれ方向における１対の線像分布関数を小デフォーカ
スから大デフォーカスに至るまで相似形とすることがで
きるため、高精度で迅速な焦点検出を実現できる。ま
た、第１の光電変換と第２の光電変換部の間に入射する
光束も光電変換することができるのでＡＰＥＸ方式の露
出演算もほぼ成立し、元々撮像光学系の射出瞳の全光束
を使った画像を得るように設計された通常の固体撮像素
子で得られる画像と同レベルのＳ/Ｎ的に優れた画像を
実現する撮像システムを得ることができる。

【００３４】本発明の撮像方法は、結像光学系からの光
束を撮像素子にて光電変換し、画像信号を生成する方法
であって、前記結像光学系の射出瞳を複数に分離するこ
とにより、光束を第１の光束及び第２の光束に分離し、
前記撮像素子を構成する複数の画素部における第１の光
電変換部で前記第１の光束を、第２の光電変換部で前記
第２の光束をそれぞれ光電変換するに際して、前記画素
部において、前記第１の光電変換部による第１の感度分
布と前記第２の光電変換部による第２の感度分布を重複
させる感度領域を形成する。

【００３５】この手法により、位相差方式焦点検出の位
相ずれ方向における１対の線像分布関数を小デフォーカ
スから大デフォーカスに至るまで相似形とすることがで
きるため、高精度で迅速な焦点検出を実現できる。ま
た、第１の光電変換と第２の光電変換部の間に入射する
光束も光電変換することができるのでＡＰＥＸ方式の露
出演算もほぼ成立し、元々撮像光学系の射出瞳の全光束
を使った画像を得るように設計された通常の固体撮像素
子で得られる画像と同レベルのＳ/Ｎ的に優れた画像を
実現することができる。

【００３６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を適用した具体的な
諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明す
る。

【００３７】（第１の実施形態）まず、第１の実施形態
について述べる。なお、従来例で図示した構成部材等に
対応するものについては、同符号を用いることとする。

【００３８】初めに、本発明に用いる撮像光学系につい
て説明する。本実施形態の撮像光学系の構成を図３６に
示す。この撮像光学系は、固体撮像素子１００を用いる
デジタルカラーカメラのズーム光学系であり、撮像光学
系とカメラ本体が一体的に設けられている。同図の左手
が物体側、右手が像面側となっている。同図において、
撮像光学系は、負レンズ，正レンズ，正レンズからなる
正の第１群（ｇｒｐ１）、負レンズ，負と正の接合レン
ズからなる負の第２群（ｇｒｐ２）、絞りＳＴ、正レン
ズからなる正の第３群（ｇｒｐ３）、負と正の接合レン
ズからなる第４群（ｇｒｐ４）により構成される。ま
た、Ｆ１は赤外線（ＩＲ）カットフィルター、ＬＰＦは
光学ローパスフィルター、 Ｌ１は撮像光学系の光軸で
ある。

【００３９】図中に矢印で示すように、ズーミングによ
って焦点距離が広角から望遠に向かうに従い、負の第２
群ｇｒｐ２が像面側へ、正の第４群ｇｒｐ４が物体側へ
と同時に動く。撮像光学系は、図示しないレンズ駆動機
構を持ち、モーターとギア列を用いて負の第２群ｇｒｐ
２を光軸方向に移動させて、物体像が撮像素子１００上
でピントを結ぶように焦点調節する。

【００４０】固体撮像素子１００は、増幅型固体撮像装
置の１つであるＣＭＯＳプロセスコンパチブルのセンサ
（以降、ＣＭＯＳセンサと略す）である。このタイプの
センサはＩＥＥＥＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ Ｅ
ＬＥＣＴＲＯＮ ＤＥＶＩＣＥ，ＶＯＬ４１，ＰＰ４５
２〜４５３，１９９４などの文献で発表されている。Ｃ
ＭＯＳセンサの特長の１つに、光電変換部のＭＯＳトラ
ンジスタと周辺回路のＭＯＳトランジスタを同一工程で
形成できるため、マスク枚数、プロセス工程がＣＣＤと
比較して大幅に削減できるということが挙げられる。

【００４１】この特長を生かして、１つの画素部に２つ
の光電変換部を構成し、光電変換部毎に設けていたフロ
ーティングディフュージョン領域（以降、ＦＤ領域）と
ソースフォロワアンプを２つの光電変換部に１個だけ形
成し、２つの光電変換領域をＭＯＳトランジスタスイッ
チを介してそのＦＤ領域に接続する。従って、２つの光
電変換部の電荷を同時、または、別々にフローティング
ディフュージョン部へ転送でき、ＦＤ領域に接続した転
送ＭＯＳトランジスタのタイミングだけで、２つの光電
変換部の信号電荷加算、非加算を簡単に行うことができ
る。この構造を利用して、撮像光学系の射出瞳全体から
の光束による光電変換出力を行う第１の出力モードと、
撮像レンズの射出瞳の一部からの光束による光電変換出
力を行う第２の出力モードとを切り替え可能としてい
る。画素部レベルで信号の加算を行う第１の出力モード
では、信号を読み出した後で加算する方式に比べてノイ
ズの少ない信号を得ることができる。

【００４２】図３７は、前述したような２つの光電変換
部の信号電荷加算、非加算を簡単に行うことができる撮
像素子１００内のエリアセンサ部の回路構成図である。
同図は、２列×２行の画素部による２次元エリアセンサ
を示したものであるが、実際は、１９２０列×１０８０
行等と画素数を多くし、実用的な解像度を得る。図３７
において、１０１及び１０２はｐｎフォトダイオードを
用いた第１及び第２の光電変換部、１０３及び１０４は
転送スイッチＭＯＳトランジスタ、１０５はリセット用
ＭＯＳトランジスタ、１０６はソースフォロワアンプＭ
ＯＳトランジスタ、１０７は垂直選択スイッチＭＯＳト
ランジスタ、１０８はソースフォロワの負荷ＭＯＳトラ
ンジスタ、１０９は暗出力転送ＭＯＳトランジスタ、１
１０は明出力転送ＭＯＳトランジスタ、１１１は暗出力
蓄積容量ＣＴＮ、１１２は明出力蓄積容量ＣＴＳ、１１
３および１１４は垂直転送ＭＯＳトランジスタ、１１５
および１１６は垂直出力線リセットＭＯＳトランジス
タ、１１7は差動出力アンプ、１１８は垂直走査部、１
１９は水平走査部で、画素部１２０を構成している。こ
こで、隣接した第１の光電変換部１０１と第２の光電変
換部１０２をひとまとめにしたものが画素部１２０で、
その他の画素部１２１〜１２３についても同様の構成で
ある。

【００４３】図１は、図３６に示す撮像光学系を含む撮
像装置の斜視図である。同図において、７は図３６に示
す撮像光学系のうち、絞りＳＴよりも物体側にある第１
群（ｇｒｐ１）と第２群（ｇｒｐ２）とをまとめて示し
た前方レンズ群、８は絞りＳＴよりも像面側にある第３
群（ｇｒｐ３）、第４群（ｇｒｐ４）、をまとめて示し
た後方レンズ群であり、絞りＳＴの開口を通過した光束
によって撮像素子１００上に物体像を形成する。なお、
図の煩雑さを無くすため赤外線カットフィルターＦ１、
光学ローパスフィルターＬＰＦは省略している。絞りＳ
Ｔは軸Ｌ２を中心にして回転し、不図示のモーターの駆
動力によって選択的に４つのポジションをとり、開口９
〜１２を切り替え可能である。

【００４４】固体撮像素子１００は、増幅型固体撮像装
置の１つであるＣＭＯＳプロセスコンパチブルのセンサ
（以降、ＣＭＯＳセンサと略す）である。本実施形態で
は、従来例と同様に１つの画素部に２つの光電変換部を
構成し、通常光電変換部毎に設けていたフローティング
ディフュージョン領域（以降、ＦＤ領域と略す）とソー
スフォロワアンプを２つの光電変換部に１個だけ形成
し、２つの光電変換領域をＭＯＳトランジスタスイッチ
を介してそのＦＤ領域に接続する構成とした。従って、
２つの光電変換部の電荷を同時、又は別々にＦＤ領域へ
転送でき、ＦＤ領域に接続した転送ＭＯＳトランジスタ
のタイミングだけで、２つの光電変換部の信号電荷加
算、非加算を簡単に行うことができる。

【００４５】この構造を利用して、撮像光学系の射出瞳
全体からの光束による光電変換出力を行う第１の出力モ
ードと、撮像レンズの射出瞳の一部からの光束による光
電変換出力を行う第２の出力モードとを切り替え可能と
している。画素部レベルで信号の加算を行う第１の出力
モードでは、信号を読み出した後で加算する方式に比べ
てノイズの少ない信号を得ることができる。

【００４６】前述したような２つの光電変換部の信号電
荷加算、非加算を簡単に行うことができる固体撮像素子
１００内のエリアセンサ部の回路構成図は図３７と同様
である。同図は、２列×２行の画素部による２次元エリ
アセンサを示したものであるが、実際は従来同様に１９
２０列×１０８０行等と画素数を多くし、実用的な解像
度を得る。

【００４７】次に、図２及び図３を用いて本実施形態の
画素部構成について説明する。図２は図３７の画素部１
２０を拡大して示す画素部上面図、図３は図２の画素部
を断面Ａ−Ａで切断した画素部断面図である。これらの
図において、１２４はＰ型ウェル、１２５はゲート酸化
膜、１２７、１２８はポリＳｉ、１２９、１３０は完全
空乏化できる濃度のｎ層、１３１はｎ ⁺ フローティング
ディフュージョン領域（ＦＤ領域）、１３２は表面Ｐ⁺
層である。ＦＤ領域１３１は転送ＭＯＳトランジスタ１
０３、１０４（図中ポリＳｉ１２７、１２８）を介して
第１及び第２の光電変換部１０１、１０２（図中ｎ層１
２９、１３０）と接続される。ｎ層１２９及び１３０と
表面Ｐ⁺層１３２は埋め込み型フォトダイオードとして
光電変換部を形成し、この構造により表面で発生する暗
電流を抑制することができる。

【００４８】ＣＦは特定の波長域の光を透過するカラー
フィルター、μＬは図３８に示す撮像光学系からの光束
を効率的に第１及び第２の光電変換部１０１、１０２に
導くためのマイクロレンズである。図２の画素部上面図
においては、１２４〜１３２の画素部上面にゲート酸化
膜１２５、カラーフィルターＣＦ、マイクロレンズμＬ
が配置されるわけだが、図の煩雑さをなくすためゲート
酸化膜１２５は省略し、カラーフィルターＣＦ、マイク
ロレンズμＬは図中点線で示している。また、二点鎖線
は第1及び第2の光電変換部より構成される略正方形の画
素部を理解しやすくするために図示したものであり、こ
の１つの画素部が2次元領域に格子状に配列され、固体
撮像素子１００のエリアセンサ部を形成している。

【００４９】なお、マイクロレンズμＬのパワーは、図
３６の撮像光学系の射出瞳と１対の光電変換部１２０が
結像するように設定されており、従って、第１及び第２
の光電変換部１０１、１０２でそれぞれ射出瞳上の異な
る領域を通過した光束を光電変換するように構成されて
いる。

【００５０】図４は、図１に示される、１９２０列×１
０８０行の画素部を有する固体撮像素子１００うち４列
×４行のみを抜き出した拡大平面図である。光電変換部
とＭＯＳトランジスタを含む各画素部はほぼ正方形にレ
イアウトされ、格子状に隣接して配置されている。図３
７を用いて先に説明した画素部１２０〜１２３は、図中
それぞれ画素部１1〜１4内に位置し、従って、１つの画
素部がそれぞれ近接した２つの光電変換部を有する構成
となっている。

【００５１】また、このエリアセンサ部は、各画素部に
Ｒ（赤色）Ｇ（緑色）Ｂ（青色）のカラーフィルターを
交互に配して、４つの画素部が一組となる所謂ベイヤー
配列を形成している。ベイヤー配列では、観察者が画像
を見たときに強く感じやすいＧの画素部をＲやＢの画素
部よりも多く配置する事で、総合的な像性能を上げてい
る。

【００５２】一般に、この方式の撮像素子では、輝度信
号は主にＧから生成し、色信号はＲ，Ｇ，Ｂから生成す
る。前述したように画素部はそれぞれ１対の光電変換部
を有している。図に付した、Ｒ、Ｇ、Ｂは赤色，緑色，
青色のカラーフィルターを備えた画素部であることを、
ＲＧＢに続く１あるいは２は、第１光電変換部か第２光
電変換部かの区別を表している。例えば、Ｒ１は赤色カ
ラーフィルターを備えた第１光電変換部であり、Ｇ２は
緑色カラーフィルターを備えた第２光電変換部を意味す
る。

【００５３】更に、各画素部において光電変換部の占め
る割合は少なく、撮像光学系から射出した光束を有効に
利用するためには、画素部毎に集光用レンズを設けて、
１対の光電変換部以外に到達しようとする光を光電変換
部上に偏向することが必要で、それが図３に示されるマ
イクロレンズμＬである。

【００５４】図５はこのために撮像素子前面に設けたマ
イクロレンズと１対の光電変換部との光学的位置関係を
示す断面図で、撮影光学系L１付近の一部分を拡大した
ものである。マイクロレンズμＬ−１〜μＬ−４は画素
部の中心と光軸とがおおよそ一致した軸対称型の球面レ
ンズあるいは非球面レンズであって、各々矩形の有効部
を持ち、光入射側を凸形状として格子状に密に並べられ
ている。図1に示す撮像光学系は図の左側に位置し、撮
像光学系を射出した光束は、ＩＲカットフィルターＦ
１、光学ローパスフィルターＬＰＦを通って、先ずマイ
クロレンズμL−１〜μL−４に入射する。各マイクロレ
ンズの後方にはカラーフィルターＣＦ−１〜ＣＦ−４が
配置され、ここで所望の波長域のみが選択されて各光電
変換部に到達する。

【００５５】カラーフィルターは図４を用いて説明した
ようにベイヤー配列を構成しており、ＲＧＢの３種があ
る。また、ベイヤー配列であることから、断面に現れる
のはこのうちの２種であって、ＣＦ−１、ＣＦ−３が緑
色透過カラーフィルター、ＣＦ−２、ＣＦ−４が赤色透
過カラーフィルターである。

【００５６】ここで、各マイクロレンズのパワーは撮像
素子における各画素部内の１対の光電変換部を撮像光学
系の射出瞳に投影するように設定されている。このと
き、１対の光電変換部の投影像が撮像光学系の絞り開放
時の射出瞳よりも大きくなるように投影倍率を設定し、
１対の光電変換部に入射する光量と撮像光学系の絞りＳ
Ｔの開度との関係をおおよそ線形にする。こうすれば、
被写体輝度、撮像素子の感度が与えられたときに、フィ
ルムカメラと同様の手法で絞り値とシャッター速度を算
出することができる。つまり、入射光量が絞りの開口面
積に比例するようになり、ＡＰＥＸ方式の演算が成り立
つ。フィルムカメラと同じように一般の露出計を用いて
露光量を算出することができて、撮影操作は極めて容易
である。

【００５７】なお、撮像光学系は主光線の固体撮像素子
１００への入射角が、固体撮像素子１００上のすべての
マイクロレンズにおいて０度となるようにテレセントリ
ック系とするのがマイクロレンズによる瞳投影精度の点
で望ましいが、小型化、ズーム比の高倍率化の要求から
完全なテレセントリック系にするのは困難である。この
際には、マイクロレンズと画素部とを僅かに偏心させ、
偏心量を撮像光学系の光軸から画素部までの距離の関数
とすればよい。一般には、この偏心量を距離に応じて単
調に増加させれば、画面周辺の画素部においても撮像光
学系の射出瞳上に正しく投影できるようになる。しかし
ながら、本実施形態では、１０列×１０行のブロック毎
にマイクロレンズを一律に偏心させる構成としている。
こうすることで、マイクロレンズの製造工程を簡略化で
き、コストダウンの効果がある。

【００５８】図６（ａ），（ｂ）は理解を容易にするた
めに、図６に示した１つの画素部について、第１の光電
変換部に入射する光束と、第２の光電変換部に入射する
光束のそれぞれを分けて示した図である。第１の光電変
換部に入射する光束を示す図６（ａ）では、図の下方か
らの光束が第１の光電変換部に入射し、第２の光電変換
部に入射する光束を示す図６（ｂ）では、図の上方から
の光束が第２の光電変換部に入射していることが分か
る。

【００５９】従って、撮像素子全体では第２の光電変換
部に入射する光束は図７に示すようになり、エリアセン
サ部のいずれの位置に入射する光束も、絞りＳＴの上半
分を通過する光束である。一方、撮像素子全体の第１光
電変換部に入射する光束は撮像レンズの光軸Ｌ１を対称
軸として上下を反転したものとして考えればよい。以上
のような構成で、撮像素子１００の第１及び第２光電変
換部における出力信号を独立に読み出すことで、撮影光
学系の異なる射出瞳を通過した光束を光電変換すること
を可能としている。一方、撮像時には第１及び第２の光
電変換部における出力信号を加算することで撮像光学系
の射出瞳全体の光束を光電変換することを可能とし、固
体撮像素子１００による撮像と位相差方式焦点検出の両
立を実現している。

【００６０】次に、本実施形態の撮像装置における焦点
検出の特性及び撮像の特性について述べる。位相差方式
焦点検出において、小デフォーカスから大デフォーカス
に至るまで高精度に位相ずれを検出するには、実用的な
デフォーカス範囲において位相ずれ方向での１対の物体
像が略相似形状であることが望ましく、こうすることに
より、公知の相関演算で算出される１対の物体像の位相
ずれ量と撮像光学系のデフォーカス量の関係をほぼ線形
にすることができるため、位相ずれ量から撮像光学系の
デフォーカス量を容易に導き出すことができ、高精度で
迅速に焦点検出を実現できる。そこで本実施形態におい
ても、１対の物体像の相似性を知るために位相ずれ方向
における１対の線像分布関数を調べてみる。

【００６１】１対の線像分布関数を導くためのパラメー
タとしては、撮像光学系の収差、赤外カットフィルター
Ｆ１、ローパスフィルターＬＰＦ、マイクロレンズμＬ
の収差、カラーフィルターＣＦ、光電変換部の感度分
布、光電変換部のＳ/Ｎ、射出瞳分離の様子などが必要
になる。ここでは、撮像光学系、マイクロレンズμＬは
収差のない理想レンズとし、赤外カットフィルターF
１、ローパスフィルターＬＰＦ、カラーフィルターＣ
Ｆ、光電変換部のＳ/Ｎは省略し、計算を簡略化する。
従って、本実施形態では、光電変換部の感度分布、射出
瞳分離の様子から線像分布関数を求める。

【００６２】はじめに、光電変換部の感度分布について
考えてみる。図８，９は光電変換部の感度分布を説明す
るための画素部を示す図で、図８は図２の画素部上面
図、図９は図３の画素断面図と同様である。これらの図
に示されるように、１対の光電変換部、即ち図中右上が
り斜線部で示すｎ層１２９、１３０は微小な間隔ΔＬを
隔てて配置され、ｎ層１２９、１３０の間、即ち図中左
上がり斜線部で示す領域BはＰ型ウェルで構成されてい
る。また、図９において点線で示される１３３はｎ層１
２９、１３０の下の空乏層である。

【００６３】いま、マイクロレンズμＬにより集光され
た光が光子ｈνとしてシリコン中に入るとキャリアが発
生し、キャリアの１つである電子について考えると、ま
ずｎ層で発生した電子はｎ層中に蓄えられる。またＰ型
ウェル中で発生した電子については、その電子が拡散に
よって空乏層の端に運動してきた場合、空乏層のポテン
シャル勾配によってｎ層へ運動し、ｎ層中に蓄えられ
る。このような法則により、例えばｎ層１２９側に近い
位置のＰ型ウェル中で発生した電子はｎ層１２９へと蓄
積され、また逆も真である。そして、ポテンシャル勾配
に捕らえられなかった電子は、有効な電荷とならず消滅
する。

【００６４】ここで、領域Ｂについて電荷が発生した場
合を考えてみると、拡散によってある地点へ電荷がやっ
てくる可能性は距離に依存し、従って、ｎ層１２９そば
の中性領域（空乏層ができていない半導体内の領域）に
おいて発生した電子はよりｎ層１２９に捕らえられやす
く、ｎ層１３０近傍で発生した電子はｎ層１３０に捕ら
えられやすく、中間点で発生した場合は半々の確率でど
ちらかに捕獲される。

【００６５】この確率は、距離との関係においてこの距
離が電子の拡散長に対して十分短い場合ほぼ線形とな
る。拡散長のオーダーは数ミリにもおよび、一方距離、
即ちΔＬは高々数ミクロンゆえ、十分短いと考えてよい
ので、本実施形態においては、この領域Ｂにおいて発生
した電子のうち、ｎ層１２９が捕獲する確率はｎ層１２
９からの距離との関係においてほぼ線形となり、ｎ層１
３０においても同様である。

【００６６】また、領域Ｂにおいては、ｎ層１２９、１
３０に移動する電子のほか、Ｐ型ウェル中へ移動してい
き、有効な光電荷とならないキャリアがほんのわずかで
あるが存在する。なお、ｎ層１２９、１３０の下方の空
乏層１３３が領域Ｂ付近において一部つながることがあ
るが、その場合も同様の現象がみられる。つながった部
分においてはドリフト（空乏層によって設けられるポテ
ンシャル勾配による電子の運動）により割合が規定され
るが、繋がっていない位置においては、上記と同様に電
子の捕獲される割合が決まる。

【００６７】以上のことから、図９に示す画素部断面図
における１対の光電変換部の感度分布は図１０のように
なる。図１０において、縦軸は感度、横軸は断面方向、
即ち図９の紙面左右方向、原点は１対の光電変換部の中
心と一致している。１７はｎ層１２９による第１の光電
変換部１０１に対応した感度分布、１８はｎ層１３０に
よる第２の光電変換部１０２に対応した感度分布で、図
８の領域Ｂに対応した部分、即ち図の縦軸付近で１対の
感度分布１７、１８が重複する、即ち位相ずれ方向にお
ける１対の感度分布にクロストークが発生している。こ
の感度分布１７、１８が重複するクロストーク部分は、
図８、９のｎ層１２９、１３０間の間隔ΔＬにほぼ一致
している。

【００６８】図１０の感度分布は図８の断面Ａ−Ａにお
ける１次元方向の感度分布であるが、断面Ａ−Ａに平行
な１次元方向の感度分布は１対の光電変換部どこでも同
様であるので、図１０の領域Ｂに入射する光束も第１若
しくは第２の光電変換部１０１、１０２のどちらかに光
電変換されることが分かる。

【００６９】図１１は、図１０の感度分布１７、１８を
加算した感度分布１９を示し、従って、この感度分布１
９が第１及び第２の光電変換部１０１、１０２の光電変
換出力を加算する撮像時の光電変換部感度分布に相当す
る。感度分布１９は円で囲んだ部分Ｃにおいて感度の低
下がみられるが、これは、図８の領域Ｂに対応した部分
で前述したような理由により生じているが、その低下の
度合いはごくわずかであるため画像信号への影響は極め
て少ない。

【００７０】従来では、この部分の感度は０であったの
で、それに比べると飛躍的な向上と言える。従って、本
実施形態において、撮像時には撮像光学系の射出瞳全体
の光束を光電変換することが可能で、前述したＡＰＥＸ
式の露出演算もほぼ成立し、不自然なボケのない良質な
画像信号を得ることが可能となる。

【００７１】次に、撮像光学系の射出瞳分離の様子を説
明する。図１２は本実施形態における第１及び第２の光
電変換部による撮像光学系の射出瞳分離の様子を示す図
である。同図において、２０は絞りＳＴが開放状態の場
合で、絞りＳＴの開口９を後方レンズ群ｇｒｐ３、ｇｒ
ｐ４を通して見た虚像である。右上がり斜線部２１は固
体撮像素子１００の第１の光電変換部に入射する光束が
通過する射出瞳上の第一の領域、左上がり斜線部２２は
固体撮像素子１００の第２の光電変換部に入射する光束
が通過する射出瞳上の第二の領域である。点線で示す２
３、２４、２５は絞りＳＴの開口１０、１１、１２にそ
れぞれ対応しており、同様に後方レンズ群ｇｒｐ３、ｇ
ｒｐ４を通して見た虚像である。

【００７２】また、矢印Ｄは射出瞳分離の方向、即ちデ
フォーカスにより１対の物体像に位相ずれが生じる方向
を示している。第一の領域２０と第２の領域２１は中央
部領域２６付近で交錯しており、これが図１０の感度分
布１７、１８が重複しているクロストーク部分、図８で
言うと領域Ｂに相当している。即ち、中部領域２６を通
過した光束も、マイクロレンズμＬにより図８の領域Ｂ
上に導かれる。従って、例えば、第１の領域２１に関す
る１次元方向の瞳強度分布を算出するには、図１２の右
上がり斜線部を位相ずれ方向に積分した結果をＳ
（Ｘ）、図１０の位相ずれ方向における第１の光電変換
部の感度分布をＰ（Ｙ）とすると、積分結果Ｓ（Ｘ）の
Ｘに対応した感度分布Ｐ（Ｙ）をＳ（Ｘ）に乗じる必要
があり、最終的に以下の式（３）により位相ずれ方向に
おける瞳強度分布が算出される。

【００７３】

【数３】

【００７４】ここで、Ｙは図１０の感度分布の横軸で、
射出瞳上の位相ずれ方向の座標Ｘに対応して１つのＹが
定まる。

【００７５】図１３は、式（３）を用いて算出した本実
施形態の瞳強度分布を表すグラフである。原点は光軸Ｌ
１と一致しており、横軸が位相ずれ方向、縦軸が強度、
２７が射出瞳上の第1の領域２１に対応した第1の瞳強度
分布、２８が射出瞳上の第２の領域２２に対応した第2
の瞳強度分布を示している。実際には、第１及び第２の
瞳強度分布がマイクロレンズμＬにより結像面上に縮小
されて線像分布関数となるわけだが、ここでは１対の線
像分布関数の相似性を知ることが目的であるのでこのま
まで差し支えない。更に、撮像光学系のデフォーカスも
考慮していないが、小デフォーカスの場合、第１及び第
２の瞳強度分布２７、２８を横軸方向に縮小、縦軸方向
に拡大、大デフォーカスの場合横軸方向に拡大、縦軸方
向に縮小と考えることができる。

【００７６】図１３中、第１及び第２の瞳強度分布２
７、２８は、図１０に示す感度分布１７、１８のクロス
トークの影響を受け、中央付近の角部２９、３０を境に
重複している。しかしながら、それぞれの強度分布は左
右に裾を広げた形状となり、従来例の第１及び第２の瞳
強度分布５、６に比べて相似性が向上している。実際の
線像分布関数は、光学系の収差やローパスフィルターＬ
ＰＦの効果で、第１及び第２の瞳強度分布２７、２８の
角部２９、３０が丸みを帯び、全体的に裾もなだらかに
なることが予想されるので１対の線像分布関数の相似性
は更に向上していると推定される。

【００７７】なお、ここまではマイクロレンズμＬの光
軸と画素部の中心が偏心していない光軸Ｌ１付近の画素
部について述べたが、固体撮像素子１００上の周辺部に
おいても同様である。

【００７８】従って、本実施形態においては、小デフォ
ーカスから大デフォーカスにいたるまで、相似性の高い
線像分布関数を得ることができる。また、位相ずれ検出
に用いる１対の物体像は、式（２）より、図１３の線像
分布関数と被写像の位相ずれ方向の光量分布とのたたみ
こみ積分で与えられるので、相似性の高い良質な焦点検
出用画像信号を得ることが可能となる。

【００７９】以上のことから、相似性の高い１対の物体
像を得るためには、１対の線像分布関数の相似性が重要
となり、本実施形態では１対の光電変換部の構成を工夫
し、位相ずれ方向における感度分布にクロストークを設
けることで、１対の線像分布関数の相似性を向上させ
た。位相ずれ方向における感度分布のクロストーク量
は、図８〜１０を用いて説明したように、ｎ層１２９、
１３０間の距離ΔＬによって決定され、このΔＬの量に
より１対の線像分布関数の相似性は変化すると言える。
従って、このΔＬを位相ずれ方向におけるｎ層１２９、
１３０の幅と焦点検出時の撮像光学系のＦ数（Ｆナンバ
ー）を基に最適化する必要がある。

【００８０】図１４は、撮像光学系のＦナンバーを変換
させた場合の１対の線像分布関数を示す図であり、３
１，３３，３５は図１２の第１の領域２１に、３２，３
４，３６は第２の領域２２に対応しており、３１，３２
が図１２における２３（図１における開口１０）に、３
３，３４が図１２における２４（図１における開口１
１）に、３５，３６が図１２における２５（図１におけ
る開口１２）にそれぞれ対応している。

【００８１】この図１４から分かるように、撮像光学系
のＦナンバーを変化させることによって、１対の線像分
布関数の相似性が変化している様子が見られ、絞りＳＴ
の開口１０若しくは開口１１に対応した線像分布関数３
１，３２若しくは３３，３４の相似性が高いことが分か
る。位相差方式の焦点検出においては、撮像光学系のＦ
ナンバーが明るいほど、基線長が長くなり高精細なデフ
ォーカス検出が可能となり、低輝度時の限界性能も向上
するので、本実施形態では、絞りＳＴの開口１０で焦点
検出を行うこととする。

【００８２】なお、より明るい開口９を用いて焦点検出
を行いたい場合は、図９に示すｎ層１２９，１３０間の
間隔ΔＬを広げて、１対の線像分布２７，２８の相似性
を向上させればよい。ただし、この場合は図１１の円Ｃ
で示すように、撮像時の光電変換部感度分布の落ち込み
部分の領域が拡大するので、ＡＰＥＸ式の露出演算に誤
差が生じやすくなる。また、撮像時の画像信号にも不自
然なボケが発生しやすくもなる。本実施形態では、この
ようなことも考慮して、ｎ層１２９，１３０間の間隔Δ
Ｌと焦点検出時のＦナンバーを決定している。

【００８３】それでは、本実施形態における１対の物体
像を算出してみる。そのために、まず被写体像を定義す
る。図１６は被写体像の位相ずれ方向における光量分布
を示し、４４は２つの矩形波よりなる１次元方向の被写
体像光量分布である。これは、黒地に白地の２本線のチ
ャートによる光量分布である。従って、立ち上がり、立
ち下りの極端な矩形波となっている。

【００８４】図１７（ａ）〜（ｃ）は図１６の被写体像
と図１４の瞳強度分布３１，３２をデフォーカス時の線
像分布関数に変換したものから前記式（２）のたたみこ
み積分で得られる１対の物体像を表している。図１７
（ａ）は撮像光学系が後ピン方向に１ｍｍデフォーカス
して場合で、物体像４５が射出瞳上の第１の領域２１
に、物体像４６が第２の領域２２にそれぞれ対応してい
る。

【００８５】また、図１７（ｂ），（ｃ）は、撮像光学
系が後ピン方向に３ｍｍ、５ｍｍデフォーカスした場合
の物体像を示し、物体像４７，４９が射出瞳上の第１の
領域２１に、物体像４８，５０が第２の領域２２にそれ
ぞれ対応している。これらの図から明らかのように、デ
フォーカスが１ｍｍ、３ｍｍでの１対の物体像の相似性
は高く、公知の相関演算などにより高精度に位相ずれを
算出することができる。

【００８６】デフォーカスが５ｍｍの場合は、多少相似
性が低下するが、デフォーカスが大きくなるに従って、
１対の物体像のボケ具合は増大していくので、十分に相
関演算を用いて位相ずれを検出することができる。

【００８７】図１８は図１７（ａ）〜（ｃ）の物体像の
デフォーカス量とそのとき公知の相関演算で検出される
位相ずれ量の関係を表すグラフである。図中黒丸のプロ
ット５１、５２、５３が図１７（ａ），（ｂ），（ｃ）
にそれぞれ対応している。この図からも明らかなよう
に、実用的なデフォーカス範囲において、デフォーカス
量と位相ずれ量の関係はほぼ線形となるので、検出され
る位相ずれ量を基に容易に撮像光学系のデフォーカス量
を算出することができる。

【００８８】以上の結果から、本実施形態では、実用的
なデフォーカス範囲において相似性の高い１対の物体像
で焦点検出を行うことができ、結果として高精度で迅速
な焦点検出を実現できる。また撮像時は、射出瞳の全光
束を光電変換するように設計された通常の固体撮像素子
と同様の良質な画像信号を得ることができる。

【００８９】それでは、実際の焦点検出方法について説
明する。撮影光学系がデフォーカスした場合、物体像は
瞳の分離方向に位相がシフトしたものとなるので、焦点
検出領域を撮像光学系の瞳の分離方向を長手方向とした
長方形として設定しておく。

【００９０】図１５は固体撮像素子１００のエリアセン
サ部に設定された焦点検出領域を説明するための図で、
図中太線枠で囲まれた３７〜４３が焦点検出領域として
あらかじめ設定されている。図中焦点検出領域３７付近
のみ格子状に並べられた画素部を表示しているが、その
他の領域については省略している。

【００９１】以上のような構成で、第１光電変換部と第
２光電変換部における出力信号を独立に読み出した画像
信号を用いて、位相シフト量検出手段である周知の相関
演算などにより位相シフト量を検出する。そして、その
位相シフト量をデフォーカス量に換算して撮像光学系の
焦点調節を行う。なお、焦点検出時の撮像光学系のＦナ
ンバーは、前述したように絞りＳＴの開口１０を用いる
こととする。また、焦点検出領域２１は２組の画素列で
構成されているが、これは、図４で説明したベイヤー配
列で構成される撮像素子１００から各色（緑、赤、青）
の画像信号を取り出すためで、詳細は後述する。

【００９２】次に、撮像時においては、絞りＳＴの開口
９〜１２を用い、第１光電変換部と第２光電変換部にお
ける出力信号を画素部レベルで加算することで、不自然
な像のボケが生じることはなく、元々撮像光学系の瞳の
全光束を使った画像を得るように設計された固体撮像素
子で得られる画像と同レベルのＳ／Ｎ的に優れた高品位
画像を得ることができる。

【００９３】次に、本実施形態における電気系の回路構
成について説明する。図１９は、撮像素子１００の周辺
回路を含む内部構成を示したブロック図である。撮像素
子１００内には、タイミング発生部１３４、エリアセン
サ部１３５、画素の出力を選択する垂直走査部１３６お
よび水平走査部１３７、アナログ信号処理部１３８、ア
ナログ／デジタル変換を行うＡ／Ｄ変換部１３９、デジ
タル化された信号を出力信号に変換するデジタル信号処
理部１４０、デジタル画像信号を外部に出力し、また外
部からのコマンドデータを受け取るインターフェイス部
１４１が設けられている。また、エリアセンサ部１３５
は上述したＣＭＯＳセンサである。

【００９４】タイミング発生部１３４は、外部からの基
準周波数であるマスタークロックを元に、各光電変換部
で光電変換された画像信号を読み出すためのタイミング
信号を発生し、垂直および水平走査部１３６、１３７
が、このタイミング信号に従って所要の走査制御を行っ
て、電荷を読み出す。

【００９５】なお、タイミング発生部１３４から垂直同
期信号と水平同期信号を外部に出力し、撮像素子外でタ
イミング信号が必要なシステム用に、同期信号を供給す
る。

【００９６】アナログ信号処理部１３８はエリアセンサ
部１３５から読み出された画像信号をノイズ低減処理、
増幅処理、ガンマ処理、クランプ処理してＡ／Ｄ変換部
１３９に出力するためのものである。Ａ／Ｄ変換部１３
９はこの画像信号をデジタル信号に変換して出力し、デ
ジタル信号処理部１４０は、Ａ／Ｄ変換部１３９にてデ
ジタル変換された画像信号をインターフェイス部１４１
に出力する。インターフェイス部１４１はデジタル信号
処理部１３９から出力されるデジタル画像信号を撮像素
子１００の外部に出力する。

【００９７】また、撮像素子１００は、外部からコマン
ド対応で撮像素子１００のモードや出力信号形態、信号
出力タイミングなどをコントロールでき、外部からイン
ターフェイス部１４１に撮像画像や焦点検出用画像を得
るための所要のコマンドを与えると、インターフェイス
部１４１が受けたコマンド対応の制御を行うように各構
成要素を制御する。

【００９８】図２０は、デジタル信号処理部１４０の内
部の構成を示すブロック図で、焦点検出用画像を簡単に
得るため、信号処理１（１４０−１）、・・・、信号処
理ｎ（１４０−n）として出力位置指定コマンドが用意
されており、エリアセンサ部１３８の撮像領域のうち、
図１５に示した焦点検出領域３７〜４３が何れかに対応
しており、任意の焦点検出領域を指定することにより、
第１光電変換部と第２光電変換部における１対の焦点検
出用画像信号が得られるような構成となっている。

【００９９】一方、撮像の場合も同様に、デジタル信号
処理部１４０に特定の撮像用のコマンドを指定すること
により、エリアセンサ部１３８の撮像領域における第１
光電変換部及び第２光電変換部での画像信号を画素部レ
ベルで加算した撮像用画像信号を得ることができる。

【０１００】なお、これらの焦点検出領域を含むライン
については、焦点検出用として電荷蓄積レベルが最適化
された画像を出力するように構成されており、焦点検出
領域内で適切な信号レベルを得るため、焦点検出領域別
にも電子シャッタ設定を行うことができる。

【０１０１】一般的に、ＣＣＤ型の撮像素子は全ての画
素の電荷蓄積時間が同じであるが、本実施形態における
撮像素子１００はＣＭＯＳセンサの特長を生かして、画
素単位、あるいはライン単位、あるいはブロック単位で
の読み出しを行う構造をとることが容易にでき、更に、
蓄積時間の始まりと終りを単位毎に異ならせることが可
能である。ここでは、垂直ライン単位に電荷蓄積時間を
変えるものとし、焦点検出領域内の画像がＡ/Ｄ変換レ
ンジを有効に使えるようになっている。

【０１０２】なお、本実施形態において、焦点検出領域
は７つのみが設定されているが、あらかじめ定められた
領域から選択するのではなく、トラックボールなどのポ
インティングデバイスを用意し、数１００程度の焦点検
出領域から幾つかを任意に指定するようにしてもよい。
こうすることで、撮像領域における広い領域での焦点検
出を行うこともできる。

【０１０３】図２１は、本実施形態における撮像装置の
電気回路を示すブロック図である。図２１において、図
１９に示される撮像素子１００にはＩＦ部１４１を介し
てマイクロコンピュータ１４２が接続されマイクロコン
ピュータ１４２により所要のコマンドをＩＦ部１４１に
与えることにより撮像素子１００の制御を行う。マイク
ロコンピュータ１４０はＣＰＵ（中央演算処理部）１４
３、ＲＯＭ１４４、ＲＡＭ１４５、ＥＥＰＲＯＭ１４６
を有し、ＲＯＭ１４４に格納されているプログラムに従
って各種動作が実行される。またＥＥＰＲＯＭ１４６に
は画像信号補正処理情報などの情報があらかじめ格納さ
れている。

【０１０４】最後に、１対の画像信号による焦点検出の
ための信号処理について説明する。まず、撮像光学系の
Ｆナンバーは前述したように図１の開口１０を用いて焦
点検出を行う。図２２は焦点検出領域３７の拡大図であ
る。図に示すように、焦点検出領域３７は１２個の画素
部で構成された画素列５１，５２を２組備えているが、
実際の焦点検出領域３７は、例えば３００行×２列の多
数の画素より構成されており、ここでは図の煩雑さをな
くすため１２行×２列のみを用いて説明する。

【０１０５】エリアセンサ部１３５のカラーフィルター
はベイヤー配列をなしているので、各画素列には２種類
のカラーフィルターが交互に配列されることになる。そ
こで、焦点検出のために、各画素列をカラーフィルター
の種類で分類し、更に、それぞれから、第１光電変換部
からの信号と第２光電変換部からの信号とからなる１対
の画像信号を生成する。従って、焦点検出領域３７から
は全部で４対の画像信号ができる。

【０１０６】なお、１つの焦点検出領域については実質
的に一律の蓄積時間とする。図２３〜２６はこの４対の
画像信号を示しており、図２３は画素列５１のうち緑色
カラーフィルターを備えた１画素おきの１対の画像信号
で、白丸のプロットで示す５３はＧ１で示した第１の光
電変換部の信号、黒丸のプロット５４はＧ２で示した第
２の光電変換部の信号である。同様に、図２４は画素列
５２のうち緑色カラーフィルターを備えた１画素おきの
１対の画像信号、図２５は画素列５１のうち赤色カラー
フィルターを備えた１画素おきの１対の画像信号、図２
６は画素列５２のうち青色カラーフィルターを備えた１
画素おきの１対の画像信号をそれぞれ示しており、白丸
のプロットで示す５５、５７、５９は第１の光電変換部
による画像信号、黒丸のプロットで示す５６、５８、６
０は第２の光電変換部による画像信号である。

【０１０７】これらは、撮像光学系によって焦点検出領
域３７上に成された物体像が、オレンジ色と黄色の濃淡
である場合の例であり、図２３と図２４に示した緑色の
コントラストが高く、図２５に示した赤色は低コントラ
ストであるものの強度は強く、更に、図２６に示した青
色はコントラストも強度も低くなっている。図は物体像
がデフォーカスした状態を示し、第１光電変換部の画像
信号と第２光電変換部の画像信号とは位相がシフトして
いることが分かる。また、焦点検出時のＦナンバーに合
わせて図８、９に示す１対の光電変換部間の間隔ΔＬを
最適化し、１対の線像分布の相似性を向上させているの
で、図２３〜図２６における１対の画像信号の相似性は
損なわれていない。

【０１０８】物体にピントがあった状態では、第１の光
電変換部の画像信号と第の２光電変換部の画像信号とは
位相が一致するため、１対の信号の同一性を判定するこ
とで合焦検知を行うことができる。つまり、相関演算を
用いた公知の手法を用いて位相ずれ量を検出することに
より、デフォーカス量を求めることができる。得られた
デフォーカス量を撮像光学系の第２群ｇｒｐ２を駆動す
べき量に換算すれば、自動焦点調節が可能である。レン
ズの駆動量をあらかじめ知ることができるので、通常、
合焦位置までのレンズ駆動はほぼ一回で済み、極めて高
速な焦点調節が実現できる。

【０１０９】また、ここでは色分解した信号を用いた
が、色分解しない場合はこれらを足しあわせた信号を得
ることに相当するために低コントラストになりやすく、
この結果、検出不能状態に陥りやすい。これに対して、
色分解した信号を用いれば、ここに示したようにＲＧＢ
すべての信号に高いコントラストが現れるとは限らない
が、逆にＲＧＢの何れかには高コントラストな信号が得
られ、ほとんどの場合焦点検出が可能となる。

【０１１０】また、画像信号５３，５４から検出された
位相ずれ量、画像信号５５，５６から検出された位相ず
れ量、信号５７，５８から検出された位相ずれ量、信号
５９，６０から検出された位相ずれ量のうち、信頼性が
高いものだけを選択して平均すれば、より高い焦点検出
精度を得ることが可能である。例えば、図２５や図２６
の場合のように低コントラストな信号では、その焦点検
出結果を焦点調節に用いないようにすればよい。

【０１１１】以上のような構成により、本発明の撮像装
置は、固体撮像素子１００による位相差方式焦点検出と
撮像を両立するとともに、焦点検出時には小デフォーカ
スから大デフォーカスに至るまで相似性の高い１対の画
像信号を得ることができ、高精度で迅速な焦点検出を実
現できる。また、撮像時には不自然なボケのない撮像光
学系の射出瞳全体の光束による高品位画像信号を得るこ
とができる。

【０１１２】なお、本実施形態では、画素部を上下方向
に分離した１対の光電変換部を有する固体撮像素子１０
０を用いて説明したが、画素部を左右方向に分離した場
合あっても、位相ずれ方向に光電変換部感度分布のクロ
ストークが発生するようにすれば、上記のような効果は
得られる。

【０１１３】（第２の実施形態）第２の実施形態は、第
1実施形態の固体撮像素子１００を改良したものであ
り、上下方向に分離された1対の光電変換部よりなる画
素部と左右方向に分離された画素部を混在させた例であ
る。そうすることにより、撮影された画像のボケ具合を
より向上させ、より高品位な画像を得ることができる。

【０１１４】また一般的に、位相差方式焦点検出におい
ては、位相ずれ方向にコントラストのある被写体の焦点
検出は得意とするが、位相ずれ方向に平行な方向にコン
トラストのある被写体については焦点検出不能となるこ
とが多い。

【０１１５】第１の実施形態のように、固体撮像素子１
００の画素部を上下方向にのみ分離した構成では、上下
方向にコントラストのある被写体、いわゆる横線検出は
得意とするが、縦線検出は行えない。ところが、第２の
実施形態は、異なる方向に分離された光電変換部よりな
る画素を混在させているので、縦線検出、横線検出の両
方をも実現している。なお、基本的な光学構成、マイク
ロレンズによる瞳結像、画素部内の構成、回路構成など
第１の実施形態と同様部分についての説明は省略する。

【０１１６】図２７は、図１に示される、１９２０列×
１０８０行の画素部を有する固体撮像素子１００うち４
列×４行のみを抜き出した拡大平面図であり、第1の実
施形態の図４に対応する。１対の光電変換部とＭＯＳト
ランジスタを含む各画素はほぼ正方形にレイアウトさ
れ、格子状に隣接して配置されている。画素６１〜６４
は１つの画素がそれぞれ近接した１対の光電変換部を有
する構成となっている。また、このエリアセンサ部は、
各画素にＲ（赤色）Ｇ（緑色）Ｂ（青色）のカラーフィ
ルターを交互に配して、４画素が一組となる所謂ベイヤ
ー配列を形成し、図２７に付した、Ｒ、Ｇ、Ｂは赤色，
緑色，青色のカラーフィルターを備えた画素部であるこ
とを、ＲＧＢに続く１あるいは２は、第１光電変換部か
第２光電変換部かの区別を表している。

【０１１７】更に、各画素において１対の光電変換部の
占める割合は少ないためマイクロレンズμＬによって画
素部全体の光束を集光して１対の光電変換部に導く構成
としている。図２７において、一組のベイヤー配列画素
６１〜６４は、緑色カラーフィルターの画素６４はのみ
が左右方向に分離された光電変換部よりなり、その他の
画素６１〜６３は上下方向に分離された光電変換部より
構成されている。従って、４画素一組のベイヤー配列に
おいて緑色カラーフィルターの１画素のみが異なる方向
に分離されている構成となっており、この画素による１
対の画像信号で縦線検出を行うことができる。以上のよ
うな２列×２行の画素配列構成を固体撮像素子１００の
１９２０列×１０８０行の2次元領域に繰り返し配置
し、エリアセンサ部を形成している。

【０１１８】マイクロレンズμLにより撮像光学系の射
出瞳上に投影された１対の光電変換部が射出瞳を分離し
ている様子は、上下方向に画素部が分離されている画
素、例えば、図２７の画素６１〜６３については、図１
２と同様になる。従って、上下方向に分離された画素部
の位相ずれ方向における感度分布は、図１０に示すよう
な１対の光電変換部間でクロスしている。一方、左右方
向に画素部が分離された画素、例えば、図２７の画素６
４は、第一の実施形態の図８に表す画素部上面図を９０
度回転させたものと考えることができるので、位相ずれ
方向における感度分布は図１０と同様となり、射出瞳分
離の様子は図１２を９０度回転させた図２８のようにな
る。

【０１１９】図２８において、図１２と同様の記号を付
している部分は第１の実施形態と同様の部分であり、絞
りＳＴの開口９を後方レンズ群ｇｒｐ３、ｇｒｐ４を通
して見た虚像である。右上がり斜線部６５は固体撮像素
子１００の左右方向に分離された画素部における第１の
光電変換部に入射する光束が通過する射出瞳上の第一の
領域、左上がり斜線部６６は固体撮像素子１００の左右
方向に分離された画素部における第２の光電変換部に入
射する光束が通過する射出瞳上の第二の領域である。ま
た、矢印Ｅは射出瞳分離の方向、即ちデフォーカスによ
り１対の物体像に位相ずれが生じる方向で、図１２の位
相ずれが生じる方向である矢印Ｄと直交している。更
に、第一の領域６５と第２の領域６６は中央部領域６７
で交錯しており、これが図１０の感度分布１７、１８が
重複しているクロストーク部分、図８で言うと領域Ｂに
相当している。

【０１２０】以上のことから、画素６１〜６３のように
上下方向に分離された画素部、若しくは、画素６４のよ
うに左右方向に分離された画素部の何れであっても、位
相ずれ方向は互いに直交するが、位相ずれ方向における
１対の線像分布関数は図１３（図１４）のようになり、
小デフォーカスから大デフォーカスに至るまで相似性の
高い１対の焦点検出用画像信号を得ることができる。

【０１２１】また、１対の光電変換部の出力信号を加算
する撮像時においては、ベイヤー配列において視感度の
高い緑色カラーフィルターの画素部分離方向を互いに直
交するように構成しているので、図１１の円Ｃで示す感
度落ち込みも互いに直交する関係にあるわけで、撮影画
像におけるわずかに不自然なボケ具合も目立たなくする
ことができ、より高品位な画像信号を得ることができ
る。

【０１２２】最後に、第２の実施形態の焦点検出につい
て説明する。図２９は固体撮像素子１００上にあらかじ
め設定された焦点検出領域７２〜７８を表す図であり、
添え字ａが上下方向に分離した画素部による横線検出を
目的とした焦点検出領域、添え字ｂが左右方向に分離し
た画素部による縦線検出を目的とした焦点検出領域であ
る。図中焦点検出領域７４ａ、７４ｂ付近のみ格子状に
並べられた画素を表示しているが、その他の領域につい
ては省略している。それぞれの焦点検出領域は、射出瞳
分離による位相ずれが生じる方向を長手方向とし、位相
ずれの変換を効率よく検出できるように構成されてい
る。

【０１２３】それでは、まず横線検出を行う添え字ａの
焦点検出領域における焦点検出方法について説明する。
図３０は、焦点検出領域７４ａの拡大図である。図３０
に示すように、焦点検出領域７４ａは１２個の画素部で
構成された画素列７５、７６を２組備えているが、実際
の焦点検出領域７４ａは、例えば３００行×２列の多数
の画素より構成されており、ここでは図の煩雑さをなく
すため１２行×２列のみを用いて説明する。焦点検出領
域７４ａは上下方向に位相ずれする１対の物体像を検出
するように構成されているので、上下方向に分離された
画素部による画像信号で焦点検出を行うこととなる。従
って、第１の実施形態の場合と同様にカラーフィルター
の色で分解した画像信号を生成すると、緑色、青色、赤
色の各色１組ずつ計３組の画像信号を得ることができ
る。

【０１２４】次に、縦線検出を行う添え字ｂの焦点検出
領域における焦点検出方法について説明する。図３１
は、焦点検出領域７５ｂの拡大図である。焦点検出領域
７５ｂも同様に、実際は２行×３００列の多数の画素よ
り構成される。焦点検出領域７５ｂは、左右方向に位相
ずれする１対の物体像を検出するように構成されている
ので、左右方向に分離された画素部による画像信号で焦
点検出を行う。

【０１２５】従って、焦点検出領域７５ｂからは画素列
７８の緑色カラーフィルターによる１対の画像信号のみ
が得られる。なお、４画素一組のベイヤー配列画素にお
いて、緑色カラーフィルターの１画素のみを左右方向に
分離したのは、多くの被写体像はＲＧＢに色分解した場
合、緑色成分を含むことが多く、実用的な被写体像にお
いては、緑色成分だけでも十分に焦点検出を行う上でほ
とんど弊害がないからである。

【０１２６】以上のような構成により、位相ずれ方向が
上下方向である３対の画像信号と位相ずれ方向が左右方
向である１対の画像信号が得られる。一般的に被写体像
は上下若しくは左右どちらかの方向にコントラストを有
する場合が多いので、前記３対の画像信号のコントラス
トが低くても、多くの場合前記１対の画像信号にはコン
トラスト成分が含まれていることから、この画像信号を
用いることで、位相ずれを検出することができる。従っ
て、本実施形態では、第１の実施形態と比較してほとん
どの被写体の焦点検出を行うことが可能となる。

【０１２７】また、上下方向に分離した画素部と左右方
向に分離した画素部の両方とも、１対の光電変換部間の
感度分布にクロストークを設けたので、撮像若しくは焦
点検出という目的に最適な画像信号を得ることができ
る。

【０１２８】なお、本実施形態では、緑色カラーフィル
ターの画素のみを異なる方向に分離したが、緑色、青
色、赤色のすべてが上下若しくは左右方向に分離される
ような画素部配列としてもよい。

【０１２９】（第３の実施形態）第３の実施形態は、第
１の実施形態を改良した例で、図８における１対の光電
変換部間の間隔ΔＬを異ならせた複数の種類の画素部を
混在させた固体撮像素子１００を備えた撮像装置であ
る。

【０１３０】従って、複数のＦナンバーでの焦点検出を
可能とし、特に交換レンズシステムにおいて、明るいＦ
ナンバーを備えた撮影レンズが装着された場合、通常焦
点検出を行うＦナンバーより明るいＦナンバーで焦点検
出を行うことで、焦点検出の基線長をより長くすること
ができ、より高精度な焦点検出を実現できると共に、低
輝度限界の性能も向上させることができる。

【０１３１】なお、基本的な光学構成、マイクロレンズ
による瞳結像、画素部内の構成、回路構成など第１の実
施形態と同様部分についての説明は省略する。また、こ
れから説明する図中、第１の実施形態と同様の符号を付
した部材は、第１の実施形態と同様であるので説明は省
略する。

【０１３２】図３２は、第３の実施形態における電気系
のブロック図で、交換レンズシステムにおける撮影レン
ズ７９と撮像装置８０が図示されている。撮影レンズ７
９はＥＥＰＲＯＭ１４７とレンズＩＦ部１４８を有して
いる。一方、撮像装置８０は、撮像装置ＩＦ部１４９と
レンズ装着検知手段１５０を有している。以上のような
構成で、撮影レンズ７９を図の矢印Ｆ方向に移動させ、
不図示の着脱自在なレンズ装着メカ機構により撮像装置
８０に対して撮影レンズ７９が固定される。そうする
と、レンズ装着検知手段１５０により撮影レンズ７９の
装着が検出され、レンズＩＦ部１４８、撮像装置ＩＦ部
を介して、撮影レンズ７９のＥＥＰＲＯＭ１４７にあら
かじめ記憶された、撮影レンズに関する情報や光学補正
値などを撮像装置８０が読み込む。

【０１３３】図３３（ａ）、（ｂ）は本実施形態の固体
撮像素子１００に配置される画素部を拡大した上面図
で、異なる２種類の構成の画素部が混在する。これらの
図において、1対の光電変換部を構成するｎ層１２９、
１３０の間の間隔ΔＬ1、ΔＬ２は異なっており、以下
の式（４）のような関係がある。 ΔＬ１＜ΔＬ２ （４）

【０１３４】ここで、図３３（ａ）におけるｎ層１２
９、１３０とその間の領域Ｇを加えた部分と、図３３
（ｂ）におけるｎ層１２９、１３０とその間の領域Ｈを
加えた部分は、互いに同形状、同面積としている。そし
て、ｎ層１２９、１３０の間の領域Ｇ、Ｈにおいても第
１の実施形態と同様に光電変換は行われ、従って、一対
の光電変換部における画素部分離方向の感度分布は図３
４にようになる。

【０１３５】図３４において、実線で示す１対の感度分
布８１ａ、８１ｂが図３３（ａ）に、点線で示す1対の
感度分布８２ａ、８２ｂが図３３（ｂ）にそれぞれ対応
しており、１対の感度分布にクロストークが生じる中央
部以外は互いに重なって表示されている。これらの図か
らも明らかなように、ｎ層１２９、１３０の間の間隔が
大きい感度分布８２ａ、８２ｂの方が１対の感度分布８
２ａ、８２ｂが重複するクロストーク部分が大きくなっ
ている。

【０１３６】第1の実施形態において、図１４を用いて
説明したように、撮像光学系の１つのＦナンバーに対し
て１対の線像分布関数の相似性が最も高くなるようなｎ
層１２９、１３０の間の間隔ΔＬは限られてくる。い
ま、本実施形態では、ｎ層１２９、１３０間の間隔ΔＬ
１、ΔＬ２が互いに異なっており、２種類の間隔ΔＬ
１、ΔＬ２を有する画素部が混在している。従って、２
種類の画素部における１対の線像分布関数の相似性が高
くなるＦナンバーも２種類存在することとなり、式
（４）の関係からΔＬ２の画素部の方がより明るいＦナ
ンバーで１対の線像分布関数の相似性が最も高くなるよ
うになる。

【０１３７】本実施形態においては、図３３（ａ）に示
す画素部は、交換レンズシステムにおけるすべての撮影
レンズが満たすＦナンバー、例えばＦ５．６付近におい
て、１対の線像分布関数の相似性が最も高くなるようΔ
Ｌ１が設定され、図３３（ｂ）に示す画素部は、交換レ
ンズシステムにおける一部の撮影レンズが備える明るい
Ｆナンバー、例えばＦ２．８付近において、１対の線像
分布関数の相似性が最も高くなるように設定されてい
る。

【０１３８】なお、本実施形態では、１対の光電変換部
に入射する光量と撮影レンズのＦナンバーがほぼ線形と
なる範囲における最も明るいＦナンバーは、Ｆ２．０付
近に設定されており、上記２つの焦点検出時のＦナンバ
ーより明るいＦナンバーとなっている。従って、焦点検
出時には、撮影レンズの射出瞳全体の光束を光電変換す
ることが可能になる。

【０１３９】以上のことから、Ｆ２．８より暗いＦナン
バーを有する通常の撮影レンズが装着されている場合
は、撮影レンズの絞りをＦ５．６にした上で、図３３
（ａ）に示す画素部による画像信号で焦点検出を行い、
Ｆ２．８以下のＦナンバーを有する一部の撮影レンズが
装着されている場合は、図３３（ｂ）に示す画素部によ
る画像信号で焦点検出を行う。そうすることで、小デフ
ォーカスから大デフォーカスに至るまで高精度で確実な
焦点検出を行えると共に、Ｆ２．８以上の明るいＦナン
バーの撮影レンズが装着された際には、Ｆ２．８の光束
を用いて焦点検出を行うことができるので、より敏感度
の高い焦点検出を行うことができる。また、焦点検出の
低輝度限界も向上させることができる。

【０１４０】なお、撮影レンズの開放Ｆナンバーに関す
る情報は、図３２の撮影レンズ７９のＥＥＰＲＯＭ１４
７にあらかじめ記憶し、撮影レンズが装着された際にそ
の情報を撮像装置側がＩＦ部を介して読み込めばよい。
また、撮像時の感度分布は、図３４の１対の感度分布を
加算したものとなる。

【０１４１】第１の実施形態で説明したように、分離方
向における撮像時の感度分布は、１対の光電変換部間で
わずかながら他の部分に比べて感度が落ちる。従って、
図３３（ｂ）の画素部の方が１対の光電変換部間の間隔
ΔＬ２を大きくしているため、図３３（ａ）の画素部よ
り感度が落ちる部分が大きくなる。従って、撮像時の画
像信号にもわずかではあるが感度むらが生じる。このよ
うな場合には、図１９の固体撮像素子１００のアナログ
信号処理部１３８における増幅率を図３３（ａ）、
（ｂ）の画素部同士を互いに異ならせておけば、ＩＦ部
１４１を介して感度むらのないより良質な画像信号を得
ることも可能である。

【０１４２】最後に、本実施形態における位相方式焦点
検出方法について説明する。図３５は固体撮像素子１０
０上に設けた焦点検出領域を示す図である。８３〜８９
は焦点検出領域を示し、添え字ａが図３３（ａ）の画素
部により構成される焦点検出領域、添え字ｂが図３３
（ｂ）の画素部により構成される焦点検出領域である。
図中焦点検出領域８５ａ、８５ｂ付近のみ格子状に並べ
られた画素を表示しているが、その他の領域については
省略している。それぞれの焦点検出領域は、射出瞳分離
による位相ずれが生じる方向、即ち画素部における１対
の光電変換部分離方向を長手方向とし、位相ずれの変換
を効率よく検出できるように構成されている。

【０１４３】いま、添え字ａの焦点検出領域８３ａ〜８
９ａと添え字ｂの焦点検出領域８３ｂ〜８９ｂはそれぞ
れ隣接して配置されている。そして、Ｆ２．８より暗い
Ｆナンバーを開放Ｆナンバーとする撮影レンズが装着さ
れた場合の焦点検出では、まず撮影レンズのＦナンバー
をＦ５．６にセットし、焦点検出領域８３ａ〜８９ａを
用いて焦点検出用の画像信号を形成する。一方、Ｆ２．
８以下のＦナンバーを開放Ｆナンバーとする明るい撮影
レンズが装着された場合の焦点検出では、撮影レンズの
ＦナンバーをＦ２．８にセットし、焦点検出領域８３ｂ
〜８９ｂを用いて焦点検出用画像信号を形成する。焦点
検出領域８３ａ〜８９ｂは、いずれも第１の実施形態の
図２２と同様の構成で２組の画素列より形成されるの
で、色分解した焦点検出用画像信号としては、図２３〜
２６に示すように１つの焦点検出領域あたり４対得られ
ることとなる。そして、公知の相関演算により前記画像
信号から位相ずれ量を算出し、この位相ずれ量を撮影レ
ンズのデフォーカス量に換算することで、位相差方式焦
点検出を実現している。

【０１４４】以上のような構成により、本実施形態では
撮影レンズが備える開放Ｆナンバーに応じて、２種類の
焦点検出領域を選択することができ、より明るいＦナン
バーにおいても焦点検出が行えるようにしているので、
明るいＦナンバーが持つ高敏感、低輝度限界向上といっ
た利点を生かした焦点検出を行うこともできる。なお、
本実施形態では、基本となる焦点検出時のＦナンバーと
それより明るいＦナンバーに対応する構成としたが、基
本となる焦点検出時のＦナンバーより暗いＦナンバーに
対応するようにしてもよい。

【０１４５】特に、２次結像光学系による位相差方式焦
点検出においては、一般的に撮影レンズのＦナンバーが
暗い場合に撮像面上において焦点検出可能な領域は撮影
レンズの光軸付近に限られることが多いので、基本の焦
点検出Ｆナンバーより暗いＦナンバーに対応した画素部
を設けると、撮影レンズの開放Ｆナンバーが比較的暗い
高倍率ズームレンズを装着した際にも、撮像面上の広い
領域で焦点検出を行うことが可能となり、有効である。

【０１４６】また、３種類以上の複数のＦナンバーに対
応した画素部を設けるようにして、明るいＦナンバーか
ら暗いＦナンバーまで焦点検出を行えるようにしてもよ
い。

【０１４７】（第４の実施形態）第４の実施形態では、
第１〜第３の実施形態で示した撮像装置をスチルカメラ
に適用してなる撮像システムについて例示する。

【０１４８】図３８は、本実施形態のスチルカメラの主
要構成を示すブロック図である。同図において、１はレ
ンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、２
は被写体の光学像を固体撮像素子４に結像させるレン
ズ、３はレンズ２を通った光量を可変するための絞り、
４はレンズ２で結像された被写体を画像信号として取り
込むための固体撮像素子であり、これが第１〜第３の実
施形態の撮像素子１００に対応する。５は固体撮像素子
４から出力される画像信号のアナログ−ディジタル変換
を行うＡ／Ｄ変換器、６はＡ／Ｄ変換器５から出力され
た画像データに各種の補正やデータ圧縮処理を施す信号
処理部、７は固体撮像素子４，Ａ／Ｄ変換器５，信号処
理部６に各種のタイミング信号を出力するタイミング発
生部、８は各種の演算と当該スチルカメラ全体の動作を
統括制御する全体制御・演算部、９は画像データを一時
的に記憶するためのメモリ部、１０は記憶媒体に記憶又
は読み出しを行うための記憶媒体制御インターフェース
（Ｉ／Ｆ）部、１１は記憶媒体に記憶又は読み出しを行
うための半導体メモリ等の着脱可能な記憶媒体、１２は
外部コンピュータ等と通信するための外部Ｉ／Ｆ部であ
る。

【０１４９】次に、上述の構成におけるスチルカメラの
動作について説明する。

【０１５０】バリア１が開くとメイン電源がオンされ、
続いてコントロール系の電源がオンされ、更にＡ／Ｄ変
換器５等の撮像系回路の電源がオンされる。

【０１５１】続いて、露光量を制御するために、全体制
御・演算部８は絞り３を開放とし、固体撮像素子４から
出力された信号がＡ／Ｄ変換器５で変換された後、信号
処理部６に入力する。そのデータを基に露出の演算を全
体制御・演算部８にて行う。全体制御・演算部８はこの
測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応
じて絞り３を制御する。

【０１５２】続いて、固体撮像素子４から出力された画
像信号を基に、被写体までの距離の演算を全体制御・演
算部８にて行う。その後、レンズ２を駆動して合焦した
か否かを判断し、合焦していないと判断したときには、
再びレンズ２を駆動して測距を行う。

【０１５３】そして、合焦が確認された後に本露光が開
始される。露光が終了すると、固体撮像素子４から出力
された画像信号はＡ／Ｄ変換器５で変換され、信号処理
部６を通り全体制御・演算部８の制御によりメモリ部９
に書き込まれる。

【０１５４】その後、メモリ部９に蓄積されたデータは
全体制御・演算部８の制御により記憶媒体制御Ｉ／Ｆ部
１０を通り記憶媒体１１に記憶される。また、外部Ｉ／
Ｆ部１３を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加
工を行ってもよい。

【０１５５】本実施形態では、前記実施形態の撮像装置
による位相差方式焦点検出を行っているので、結果とし
て高精度で迅速な焦点検出を実現できる。また撮像時
は、射出瞳の全光束を光電変換するように設計された通
常の固体撮像素子と同様の良質な画像信号を得ることが
できる。本実施形態のスチルカメラは、上述の効果を奏
する撮像装置を備えているため、優れた画像表示を実現
した信頼性の高いものである。

【０１５６】

【発明の効果】本発明によれば、以下に示す顕著な効果
が得られた。 （１）焦点検出時のＦナンバーを基に、小デフォーカス
から大デフォーカスに至るまで１対の画像信号の相似性
が高くなるよう画素部を構成したので、高精度で迅速な
焦点調節を実現できた。 （２）同時に、元々撮像光学系の瞳の全光束を使った画
像を得るように設計された撮像素子で得られる画像と同
等のＳ/Ｎ的に優れた高品位画像を得ることができ、画
像の不自然なボケをほぼ無くすことができた。 （３）複数のＦ数で小デフォーカスから大デフォーカス
に至るまで、高精度で迅速な焦点調節を実現できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態における撮像光学系の
斜視図である。

【図２】本発明の第１の実施形態における固体撮像素子
のエリアセンサ部の画素部における上面図である。

【図３】エリアセンサ部の画素部における断面図であ
る。

【図４】カラーフィルターの配列を部分的に拡大して示
す模式図である。

【図５】マイクロレンズと受光部の投影関係を示す構成
図である。

【図６】第１の光電変換部に入射する光束と、第２の光
電変換部に入射する光束を各々示した模式図である。

【図７】撮影光学系射出瞳の上側半分を通過する光束を
示した撮影光学系の構成図である。

【図８】エリアセンサ部の画素部における光電変換の様
子を説明するための平面図である。

【図９】エリアセンサ部の画素部における光電変換の様
子を説明するための断面図である。

【図１０】焦点検出における１対の光電変換部の感度分
布を表す特性図である。

【図１１】撮像における１対の光電変換部の感度分布を
表す模式図である。

【図１２】射出瞳分離の様子を示す模式図である。

【図１３】１対の瞳強度分布を示す模式図である。

【図１４】複数の絞りＳＴの開口における１対の瞳強度
分布を示す模式図である。

【図１５】撮像素子上の焦点検出領域を示す模式図であ
る。

【図１６】１次元方向の被写体像綱領分布を示す特性図
である。

【図１７】デフォーカスによる１対の画像信号を示す特
性図である。

【図１８】デフォーカスと位相ずれの関係を表す特性図
である。

【図１９】撮像素子の周辺回路を含む内部構成を示した
ブロック図である。

【図２０】出力位置指定コマンドを説明するためのブロ
ック図である。

【図２１】撮像装置の電気系のブロック図である。

【図２２】焦点検出領域を部分的に拡大して示す模式図
である。

【図２３】画素列のうち緑色カラーフィルターを備えた
受光部における１対の画像信号を示す特性図である。

【図２４】画素列のうち緑色カラーフィルターを備えた
受光部における１対の画像信号を示す特性図である。

【図２５】画素列のうち赤色カラーフィルターを備えた
受光部における１対の画像信号を示す特性図である。

【図２６】画素列のうち青色カラーフィルターを備えた
受光部における１対の画像信号を示す特性図である。

【図２７】本発明の第２の実施形態における画素分離の
配列を部分的に拡大して示す模式図である。

【図２８】第２の実施形態における射出瞳分離の様子を
示す模式図である。

【図２９】第２の実施形態における撮像素子上の焦点検
出領域を示す模式図である。

【図３０】焦点検出領域を部分的に拡大して示す模式図
である。

【図３１】焦点検出領域を部分的に拡大して示す模式図
である。

【図３２】第３の実施形態の交換レンズシステムにおけ
る電気系のブロック図である。

【図３３】第３の実施形態におけるエリアセンサ部の画
素部の上面図である。

【図３４】図３３の画素部における１対の光電変換部の
感度分布を表す模式図である。

【図３５】第３の実施形態における撮像素子上の焦点検
出領域を示す模式図である。

【図３６】本発明の第１の実施形態における撮像光学系
の構成図である。

【図３７】本発明の第１の実施形態における固体撮像素
子のエリアセンサ部の回路図である。

【図３８】本発明の第４の実施形態におけるスチルカメ
ラの主要構成を示すブロック図である。

【図３９】従来例における画素部の断面図である。

【図４０】従来例における射出瞳分離の様子を示す模式
図である。

【図４１】従来における１対の瞳強度分布を表す模式図
である。

【符号の説明】

Ｌ１ 撮像光学系の光軸 ＳＴ 絞り μＬ マイクロレンズ １００ 撮像素子 １０１，１０２ ＭＯＳトランジスタゲートとゲート下
の空乏層からなる第１，第２光電変換部 １０３，１０４ フォトゲート １０５，１０６ 転送スイッチＭＯＳトランジスタ １７，１８ １対の光電変換部の感度分布 ２１，２２ 分離された射出瞳上の領域 ２７，２８ １対の瞳強度分布 ３７〜４３ 焦点検出領域 ５３〜６０ 焦点検出用画像信号

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０４Ｎ 9/04 Ｇ０３Ｂ 3/00 Ａ Ｆターム(参考） 2H011 AA03 BA23 BA24 BB01 BB02 BB04 2H051 AA00 BA02 CB13 CB22 CE16 EB20 GB12 5C022 AA00 AA13 AB26 AC42 5C024 AX01 CY17 EX13 GX03 GY31 5C065 AA01 AA03 BB11 DD15 EE10

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 結像光学系と、 前記結像光学系の射出瞳を複数に分離した光束のうち第
   １の光束を光電変換する第１の光電変換部と、前記第１
   の光束とは異なる第２の光束を光電変換する第２の光電
   変換部とを有する画素部が２次元領域に複数配置されて
   なる撮像素子とを備え、 前記撮像素子は、前記画素部に、前記第１の光電変換部
   による第１の感度分布と前記第２の光電変換部による第
   ２の感度分布が重複する感度領域を有することを特徴と
   する撮像装置。
2. 【請求項２】 前記撮像素子は、前記第１の光電変換部
   及び前記第２の光電変換部による分割方向が異なる少な
   くとも２種類以上の前記画素部を備えることを特徴とす
   る請求項１に記載の撮像装置。
3. 【請求項３】 前記撮像素子は、前記感度領域が異なる
   少なくとも２種類以上の前記画素部を備えることを特徴
   とする請求項１に記載の撮像装置。
4. 【請求項４】 前記感度領域は、焦点検出時における前
   記結像光学系のＦ数に基づいて最適化されていることを
   特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の撮像装
   置。
5. 【請求項５】 結像光学系と、 前記結像光学系の射出瞳を複数に分離した光束のうち第
   １の光束を光電変換する第１の光電変換部と、前記第１
   の光束とは異なる第２の光束を光電変換する第２の光電
   変換部とを有する画素部が２次元領域に複数配置されて
   なる撮像素子と、 前記撮像素子からの信号に所定の処理を加える信号処理
   手段と、 外部装置との間で信号授受を行うインターフェース手段
   と、 当該システム全体の動作を制御する制御手段とを備え、 前記撮像素子は、前記画素部に、前記第１の光電変換部
   による第１の感度分布と前記第２の光電変換部による第
   ２の感度分布が重複する感度領域を有することを特徴と
   する撮像システム。
6. 【請求項６】 前記インターフェース手段からの出力信
   号を一時的に記憶する記憶手段を備えることを特徴とす
   る請求項５に記載の撮像システム。
7. 【請求項７】 前記撮像素子は、前記第１の光電変換部
   及び前記第２の光電変換部による分割方向が異なる少な
   くとも２種類以上の前記画素部を備えることを特徴とす
   る請求項５又は６に記載の撮像システム。
8. 【請求項８】 前記撮像素子は、前記感度領域が異なる
   少なくとも２種類以上の前記画素部を備えることを特徴
   とする請求項５又は６に記載の撮像システム。
9. 【請求項９】 前記感度領域は、焦点検出時における前
   記結像光学系のＦ数に基づいて最適化されていることを
   特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載の撮像シ
   ステム。
10. 【請求項１０】 結像光学系からの光束を撮像素子にて
    光電変換し、画像信号を生成する撮像方法であって、 前記結像光学系の射出瞳を複数に分離することにより、
    光束を第１の光束及び第２の光束に分離し、前記撮像素
    子を構成する複数の画素部における第１の光電変換部で
    前記第１の光束を、第２の光電変換部で前記第２の光束
    をそれぞれ光電変換するに際して、 前記画素部において、前記第１の光電変換部による第１
    の感度分布と前記第２の光電変換部による第２の感度分
    布を重複させる感度領域を形成することを特徴とする撮
    像方法。
11. 【請求項１１】 前記撮像素子は、前記第１の光電変換
    部及び前記第２の光電変換部による分割方向が異なる少
    なくとも２種類以上の前記画素部を備えることを特徴と
    する請求項１０に記載の撮像方法。
12. 【請求項１２】 前記撮像素子は、前記感度領域が異な
    る少なくとも２種類以上の前記画素部を備えることを特
    徴とする請求項１０に記載の撮像方法。
13. 【請求項１３】 前記感度領域は、焦点検出時における
    前記結像光学系のＦ数に基づいて最適化されていること
    を特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の
    撮像方法。