JP5595014B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮像素子の一部に焦点検出用画素を有する撮像装置の画素信号読み出し制御技術に関する。

現在、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサーといった固体撮像素子を有する撮像装置において、撮像素子から連続的に読み出された画像信号を、カメラの背面などに設置された表示装置に順次出力することによって被写体像の確認を行うことができる、いわゆるライブビュー機能を有する撮像装置がある。

また、撮像装置の自動焦点検出・調節方法で撮影レンズを通過した光束を用いる一般的な方式として、コントラスト検出方式（ぼけ方式と呼ばれる）と位相差検出方式（ずれ方式と呼ばれる）とがある。コントラスト検出方式は動画撮影用ビデオムービー機器（カムコーダー）や電子スチルカメラで多く用いられる方式で、撮像素子が焦点検出用センサーとして用いられるものである。撮像素子の出力信号、特に高周波成分の情報（コントラスト情報）に着目し、その評価値が最も大きくなる撮影レンズの位置を合焦位置とする方式である。しかし山登り方式とも言われるように、撮影レンズを微少量動かしながら評価値を求め、その評価値が結果的に最大であったとわかるまで動かすことが必要であるため、高速な焦点調節動作には不向きとされている。

一方の位相差検出方式は、銀塩フィルムによる一眼レフカメラに多く用いられ、自動焦点検出（Auto Focus：ＡＦ）一眼レフカメラの実用化に最も貢献した技術である。位相差検出方式では、撮影レンズの射出瞳を通過した光束を２分割し、２分割した光束を一対の焦点検出用センサーによりそれぞれ受光する。その受光量に応じて出力される信号のずれ量、すなわち、光束の分割方向の相対的位置ずれ量を検出することで撮影レンズのピント方向のずれ量を直接求めるものである。従って、焦点検出用センサーにより一度蓄積動作を行えばピントずれの量と方向が得られ、高速な焦点調節動作が可能となっている。但し、撮影レンズの射出瞳を通過した光束を２分割し、それぞれの光束に対応する信号を得るためには、撮像光路中にクイックリターンミラーやハーフミラー等の光路分割手段を設け、その先に焦点検出用光学系と焦点検出用センサーを設けるのが一般的である。そのため、装置が大型、かつ高価となる欠点がある。また、ライブビューを行う際は、クイックリターンミラーが光路中から退避しているため、ＡＦ動作を行うことができないといった欠点もあった。

上記の欠点を解消するために、撮像素子に位相差検出機能を付与し、専用のＡＦセンサを不要とし、かつ高速の位相差ＡＦを実現するための技術が提案されている。例えば、特開２０００−１５６８２３号公報（特許文献１）では、撮像素子の一部の受光素子（画素）において、オンチップマイクロレンズの光軸に対して受光部の感度領域を偏心させることで瞳分割機能を付与している。そしてこれらの画素を焦点検出用画素とし、撮像用画素群の間に所定の間隔で配置することで、位相差式焦点検出を行う。また、焦点検出用画素が配置された箇所は撮像用画素の欠損部に相当するため、周辺の撮像用画素情報から補間して画像情報を創生している。

また、特開２０００−２９２６８６号公報（特許文献２）では、撮像素子の一部の画素の受光部を２分割することで瞳分割機能を付与している。そしてこれらの画素を焦点検出用画素とし、撮像用画素群の間に所定の間隔で配置することで、位相差式焦点検出を行う。また、この技術においても焦点検出用画素が配置された箇所は撮像用画素が欠損しているため、周辺の撮像用画素情報から補間して画像情報を創生している。

特開２０００−１５６８２３号公報 特開２０００−２９２６８６号公報

しかしながら、上記の特許文献１、特許文献２において、撮像用画素の欠損部となる焦点検出用画素が配置された個所は、周辺の撮像用画素から補間して画像情報を創生しているため、被写体によっては正しく補間することができない場合がある。そのため、焦点検出用画素が通常の撮像用画素に対して、十分に少ない場合には画質の劣化が小さくて済むが、焦点検出用画素の割合が増大するにしたがって、画質の劣化が大きくなるという問題がある。

また、ライブビュー時に目的のフレームレートを実現するためには、撮像素子からの画素信号の読み出しを高速に行う必要があるため、撮像素子内の一部の画素を間引いて高速に読み出すことが知られている。その際、ライブビュー時にもＡＦを可能とするために、読み出した画素信号に焦点検出用画素が含まれるように画素配置を行うと、全画素読み出しの場合と比較して、撮像用画素に対する焦点検出用画素の割合が増大するため、画質への影響も大きくなってしまうという問題があった。

また、一般的にＣＭＯＳ型固体撮像素子は、複数回のマスクプロセスを経て製造される。そして、各マスクプロセス間で位置合わせを行いながら製造が行われるため、初期の工程で製造された部材と後の工程で製造された部材には位置ずれが生じてしまう。固体撮像素子の光電変換部は製造工程の初期工程で形成され、マイクロレンズは最終工程で形成されるため、光電変換部とマイクロレンズとの間には通常位置ずれが生じてしまう場合がある。そのため、撮像素子に配置されている焦点検出用の画素の位置によっては、ケラレが発生してしまい、精度の良い焦点検出ができない場合があった。

本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、撮像素子から一部の画素を間引いて読み出す場合に、画質の低下を抑制しつつ、精度の良い焦点検出を可能とすることである。

本発明に係わる撮像装置は、複数の画素が２次元状に配置された撮像素子であって、撮影レンズによって結像された被写体像を光電変換して撮像用の信号を出力する複数の撮像用画素と、該複数の撮像用画素の間に離散的に配置され、受光分布がそれぞれ異なる複数種類の焦点検出用画素ペアとを有する撮像素子と、前記撮像素子の前記複数の画素を間引いて読み出す場合に、前記複数の画素を間引く位相が異なる複数の間引き読み出しモードから１つの間引き読み出しモードを選択する選択手段とを備え、前記複数種類の焦点検出用画素ペアは、前記選択手段により選択されたそれぞれの間引き読み出しモードでは、前記複数種類の焦点検出用画素ペアのうちから最も良好な焦点検出画像が得られる１つの種類の焦点検出用画素ペアの信号のみが読み出され、他の種類の焦点検出用画素ペアの信号は読み出されないように配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、撮像素子から一部の画素を間引いて読み出す場合に、画質の低下を抑制しつつ、精度の良い焦点検出を行うことが可能となる。

本発明の一実施形態に係わるカメラの構成図。 本発明の一実施形態における固体撮像素子のブロック図。 本発明の一実施形態における全画素読み出しの説明図。 本発明の一実施形態における間引き読み出しの説明図。 本発明の一実施形態における撮像素子の撮像用画素の平面図と断面図。 本発明の一実施形態における撮像素子の焦点検出用画素の平面図と断面図。 本発明の一実施形態における撮像用画素及び焦点検出用画素の画素配置図。 本発明の一実施形態における設計上の受光分布の説明図。 本発明の一実施形態における受光分布の説明図。 本発明の一実施形態における焦点検出用画素の線形分布の説明図。 本発明の一実施形態における測距エリアの配置と間引き読み出し位相選択テーブルの説明図。 本発明の一実施形態における動作フローを示す図。 本発明の一実施形態におけるライブビュー時の撮像動作シーケンスを示すタイミングチャート。

以下、本発明の好適な一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施形態に係わるカメラ（撮像装置）の構成図で、撮像素子を有したカメラ本体と撮影レンズが一体となった電子カメラを示している。図１において、１０１は撮影光学系（結像光学系）の先端に配置された第１レンズ群で、光軸方向に進退可能に保持される。１０２は絞り兼用シャッタで、その開口径を調節することで撮影時の光量調節を行なうほか、静止画撮影時には露光秒時調節用シャッタとしても機能する。１０３は第２レンズ群である。そして絞り兼用シャッタ１０２及び第２レンズ群１０３は一体となって光軸方向に進退し、第１レンズ群１０１の進退動作との連動により、変倍作用（ズーム機能）をなす。

１０５は第３レンズ群で、光軸方向の進退により、焦点調節を行なう。１０６は光学的ローパスフィルタで、撮影画像の偽色やモアレを軽減するための光学素子である。１０７はＣＭＯＳセンサーとその周辺回路で構成された撮像素子である。撮像素子１０７には、横方向ｍ画素、縦方向ｎ画素の受光ピクセル上に、ベイヤー配列の原色カラーモザイクフィルタがオンチップで形成された２次元単板カラーセンサが用いられる。

１１１はズームアクチュエータで、不図示のカム筒を回動することで、第１レンズ群１０１ないし第２レンズ群１０３を光軸方向に進退駆動して変倍操作を行う。１１２は絞りシャッタアクチュエータで、絞り兼用シャッタ１０２の開口径を制御して撮影光量を調節すると共に、静止画撮影時の露光時間制御を行なう。１１４はフォーカスアクチュエータで、第３レンズ群１０５を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行なう。

１１５は撮影時の被写体照明用の電子フラッシュで、キセノン管を用いた閃光照明装置が好適であるが、連続発光するＬＥＤを備えた照明装置を用いても良い。１１６はＡＦ補助光装置で、所定の開口パターンを有したマスクの像を投光レンズを介して被写界に投影し、暗い被写体あるいは低コントラスト被写体に対する焦点検出能力を向上させる。

１２１はカメラ本体の種々の制御を司るカメラ内ＣＰＵであり、演算部、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、通信インターフェイス回路等を有している。ＲＯＭに記憶された所定のプログラムに基づいて、カメラが有する各種回路を駆動し、ＡＦ、撮影、画像処理、記録等の一連の動作を実行する。

１２２は電子フラッシュ制御回路で、撮影動作に同期して電子フラッシュ１１５を点灯制御する。１２３は補助光駆動回路で、焦点検出動作に同期してＡＦ補助光装置１１６を点灯制御する。１２４は撮像素子駆動回路で、撮像素子１０７の撮像動作を制御するとともに、取得した画像信号をＡ／Ｄ変換してＣＰＵ１２１に送信する。１２５は画像処理回路で、撮像素子１０７が取得した画像の補正処理、γ変換、カラー補間、ＪＰＥＧ圧縮等の処理を行う。

１２６はフォーカス駆動回路で、焦点検出結果に基づいてフォーカスアクチュエータ１１４を駆動制御し、第３レンズ群１０５を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行う。１２８は絞りシャッタ駆動回路で、絞りシャッタアクチュエータ１１２を駆動制御して絞り兼用シャッタ１０２の開口を制御する。１２９はズーム駆動回路で、撮影者のズーム操作に応じてズームアクチュエータ１１１を駆動する。

１３１はＬＣＤ等の表示器で、カメラの撮影モードに関する情報、撮影前のプレビュー画像、撮影後の確認用画像、焦点検出時の合焦状態表示画像等を表示する。１３２は操作スイッチ群で、電源スイッチ、レリーズ（撮影トリガ）スイッチ、ズーム操作スイッチ、撮影モード選択スイッチ等で構成される。１３３は着脱可能なフラッシュメモリで、撮影済み画像を記録する。

図２は、本実施形態における撮像素子のブロック図を示している。なお、図２のブロック図は、後述の読み出し動作が説明できる最低限の構成を示しており、画素リセット信号などが省略されている。図２において、２０１は、光電変換部（以下、ＰＤmnと略す。ｍはＸ方向アドレスであり、ｍ＝０，１，…，ｍ−１、ｎはＹ方向アドレスであり、ｎ＝０，１，…，ｎ−１である。）であり、フォトダイオード、画素アンプ、リセット用のスイッチなどで構成されている。また、本実施形態の撮像素子は、ｍ×ｎの光電変換部が２次元状に配置されている。符号は、煩雑になるので、左上の光電変換部ＰＤ00のみに付記した。

２０２は、光電変換部ＰＤmnの出力を選択するスイッチであり、後述の垂直操作回路２０８により、一行ごとに選択される。２０３は、光電変換部ＰＤmn（２０１）の出力を一時的に記憶するためのラインメモリであり、垂直走査回路により選択された、一行分の光電変換部の出力を記憶するものである。通常は、コンデンサが使用される。２０４は、水平出力線に接続されて、水平出力線を所定の電位ＶＨＲＴにリセットするためのスイッチであり、信号ＨＲＴにより制御される。２０５は、前述のラインメモリ２０３に記憶された光電変換部ＰＤmnの出力を水平出力線に順次出力するためのスイッチである。Ｈ0からＨm-1のスイッチを後述の水平走査回路２０６により、順次走査することにより、一行分の光電変換部の出力が読み出される。

２０６は、水平走査回路であり、ラインメモリ２０３に記憶された光電変換部の出力を順次走査して、水平出力線に出力させる。信号ＰＨＳＴは、水平走査回路２０６のデータ入力、ＰＨ１、ＰＨ２は、シフトクロック入力であり、ＰＨ１＝Ｈでデータがセットされ、ＰＨ２でデータがラッチされる構成となっている。ＰＨ１、ＰＨ２にシフトクロックを入力することにより、ＰＨＳＴを順次シフトさせて、Ｈ0からＨm-1のスイッチを順次オンさせることができる。ＳＫＩＰは、後述の間引き読み出し時に設定を行なわせる制御端子入力である。ＳＫＩＰ端子をＨレベルに設定することにより、水平走査回路を所定間隔でスキップさせることが可能になる。読み出し動作に関する詳細は、後述する。

２０７は、垂直走査回路であり、順次走査して、Ｖ0からＶn-1を出力することにより、光電変換部ＰＤmnの選択スイッチ２０２を選択することができる。制御信号は、水平走査回路２０６と同様に、データ入力ＰＶＳＴ、シフトクロックＰＶ１、ＰＶ２、間引き読み設定ＳＫＩＰにより制御される。動作に関しては、水平走査回路と同様であるので詳細説明は省略する。また、図中では、上記の制御信号は、不図示とした。

図３は、図２の撮像素子の全画素を読み出す場合の説明図である。図３（ａ）は、ｍ×ｎの光電変換部の配置を示した部である。図３（ａ）に付記されたＲ，Ｇ，Ｂの記号は、光電変換部に塗布されたカラーフィルタを表わしている。本実施形態の説明においては、２行×２列の４画素のうち、対角２画素にＧ（緑色）の分光感度を有する画素を配置し、他の２画素にＲ（赤色）とＢ（青色）の分光感度を有する画素を各１個配置したベイヤー配列で説明する。図中の上側および左側に付記された番号は、Ｘ方向およびＹ方向のアドレス番号である。斜線の引かれた画素部が、読み出し対象である（全画素読み出しなのですべて斜線が書かれている）。また、撮像素子には、通常、黒レベルを検出する遮光されたＯＢ（オプティカルブラック）画素なども配置され、ＯＢ画素も読み出されるが、本実施形態では、説明を分かりやすくするために省略する。

図３（ｂ）は、撮像素子の全画素のデータを読み出す場合のタイミングチャートを示しており、ＣＰＵ１２１で、撮像素子駆動回路１２４を制御して、撮像素子にパルスを送ることにより制御される。図３（ｂ）を用いて、全画素読み出し動作について説明する。

まず、垂直走査回路を駆動して、Ｖ0をアクティブにする。このとき、０行目の画素の出力が、垂直出力線にそれぞれ出力される。この状態で、ＭＥＭ信号をアクティブにして、各画素のデータをラインメモリ２０３にサンプルホールドする。次に、ＰＨＳＴをアクティブして、ＰＨ１、ＰＨ２のシフトクロックを入力して、順次Ｈ0からＨm-1をアクティブにして、水平出力線に画素信号を出力する。出力された画素信号は、アンプ２０７を介して、ＶＯＵＴとして出力され、図示しないＡＤ変換器でデジタルデータに変換され、画像処理回路１２５で所定の画像処理が施される。次に、垂直走査回路は、Ｖ１がアクティブになり、１行目の画素信号が、垂直出力線に出力され、同様にＭＥＭ信号によりラインメモリ２０３に、画素信号が一旦メモリされる。ＰＨＳＴをアクティブにして、ＰＨ１、ＰＨ２のシフトクロックを入力して、順次Ｈ0からＨm-1をアクティブにして、水平出力線に画素信号を出力する動作は同じである。以上のように、ｎ−１行目までの読み出しを順次行う。

図４は、図２の撮像素子の間引き読み出しの一例を説明する図である。図４（ａ）は、ｍ×ｎの光電変換部の配置を示した部であり、図３（ａ）と同一撮像素子である。斜線の引かれた画素部が、間引き読み出し時の読み出し対象画素である。本実施形態では、Ｘ方向、Ｙ方向ともに１／３の間引きの読み出しとしている。

図４（ｂ）は、間引き読み出し時のタイミングチャートを示しており、図４（ｂ）のタイミングチャートを用いて、間引き読み出しの動作説明を行う。間引き読み出しの設定は、水平走査回路２０６及び垂直走査回路２０８の制御端子、ＳＫＩＰ端子を、アクティブにすることで行なう。ＳＫＩＰ端子をアクティブにすることで、水平、垂直走査回路は、１画素ごとの順次走査から３画素ごとの順次走査に動作が変更される。具体的方法に関しては、公知の技術なので詳細は省略する。

間引き時の動作は、まず、垂直走査回路２０８を駆動して、Ｖ0をアクティブにする。このとき、０行目の画素の出力が、垂直出力線にそれぞれ出力される。この状態で、ＭＥＭ信号をアクティブにして、各画素のデータをラインメモリ２０３にサンプルホールドする。次に、ＰＨＳＴをアクティブにして、ＰＨ１、ＰＨ２のシフトクロックを入力する。このとき、ＳＫＩＰ端子をアクティブ設定にすることにより、シフトレジスタの経路が変更され、順次Ｈ0、Ｈ3、Ｈ6、…、Ｈm-3のように、３画素ごとに水平出力線に画素信号が出力される。出力された画素信号は、アンプ２０７を介して、ＶＯＵＴとして出力され、図示しないＡＤ変換器でデジタルデータに変換され、画像処理回路１２５で所定の画像処理が施される。次に、垂直走査回路２０８は、水平走査回路２０６と同様に、Ｖ1、Ｖ2、をスキップさせて、Ｖ3をアクティブにして、３行目の画素信号を、垂直出力線に出力する。その後、ＭＥＭ信号によりラインメモリ２０３に、画素信号が一旦メモリされる。ＰＨＳＴをアクティブにして、ＰＨ１、ＰＨ２のシフトクロックを入力して、順次Ｈ0、Ｈ3、Ｈ6、…、Ｈm-3をアクティブにして、水平出力線に画素信号を出力する動作は同じである。以上のように、ｎ−３行目までの読み出しを順次行なう。以上のように、水平、垂直ともに１／３の間引き読み出しが行われる。

図５、図６は、撮像用画素と焦点検出用画素の構造を説明する図である。本実施形態においては、２行×２列の４画素のうち、対角２画素にＧ（緑色）の分光感度を有する画素を配置し、他の２画素にＲ（赤色）とＢ（青色）の分光感度を有する画素を各１個配置したベイヤー配列が採用されている。そして、このベイヤー配列の間に、後述する構造の焦点検出用画素が所定の規則にて分散配置される。

図５に撮像用画素の配置と構造を示す。図５（ａ）は２行×２列の撮像用画素の平面図である。周知のごとく、ベイヤー配列では対角方向にＧ画素が、他の２画素にＲとＢの画素が配置される。そしてこの２行×２列の構造が繰り返し配置される。図５（ａ）の断面Ａ−Ａを図５（ｂ）に示す。ＭＬは各画素の最前面に配置されたオンチップマイクロレンズ、ＣＦＲはＲ（赤色）のカラーフィルタ、ＣＦＧはＧ（緑色）のカラーフィルタである。ＰＤは図３で説明したＣＭＯＳセンサーの光電変換部を模式的に示したもの、ＣＬはＣＭＯＳセンサー内の各種信号を伝達する信号線を形成するための配線層である。ＴＬは撮影光学系を模式的に示したものである。

ここで、撮像用画素のオンチップマイクロレンズＭＬと光電変換部ＰＤは、撮影光学系ＴＬを通過した光束を可能な限り有効に取り込むように構成されている。換言すると、撮影光学系ＴＬの射出瞳ＥＰと光電変換部ＰＤは、マイクロレンズＭＬにより共役関係にあり、かつ光電変換部の有効面積は大面積に設計される。また、図５（ｂ）ではＲ画素の入射光束について説明したが、Ｇ画素及びＢ（青色）画素も同一の構造となっている。従って、撮像用のＲＧＢ各画素に対応した射出瞳ＥＰは大径となり、被写体からの光束を効率よく取り込んで画像信号のＳ／Ｎを向上させている。

図６に撮影レンズの水平方向（横方向）に瞳分割を行うための焦点検出用画素の配置と構造を示す。図６（ａ）は、焦点検出用画素を含む２行×２列の画素の平面図である。撮像信号を得る場合、Ｇ画素は輝度情報の主成分をなす。そして人間の画像認識特性は輝度情報に敏感であるため、Ｇ画素が欠損すると画質劣化が認められやすい。一方でＲもしくはＢ画素は、色情報を取得する画素であるが、人間は色情報には鈍感であるため、色情報を取得する画素は多少の欠損が生じても画質劣化に気づきにくい。そこで本実施形態においては、２行×２列の画素のうち、Ｇ画素は撮像用画素として残し、ＲとＢの画素の一部を焦点検出用画素としている。これを図６（ａ）においてＳＡ及びＳＢで示す。

図６（ａ）の断面Ａ−Ａを図６（ｂ）に示す。マイクロレンズＭＬと、光電変換部ＰＤは図５（ｂ）に示した撮像用画素と同一構造である。本実施形態においては、焦点検出用画素の信号は画像創生には用いないため、色分離用カラーフィルタの代わりに透明膜ＣＦＷ（Ｗｈｉｔｅ）が配置される。また、撮像素子で瞳分割を行なうため、配線層ＣＬの開口部はマイクロレンズＭＬの中心線に対して一方向に偏倚している。具体的には、画素ＳＡおよび、その開口部ＯＰＨＡは右側に偏倚しているため、撮影レンズＴＬの左側の射出瞳ＥＰＨＡを通過した光束を受光する。同様に、画素ＳＢの開口部ＯＰＨＢは左側に偏倚しているため、撮影レンズＴＬの右側の射出瞳ＥＰＨＢを通過した光束を受光する。よって、画素ＳＡを水平方向に規則的に配列し、これらの画素群で取得した被写体像をＡ像とする。また、画素ＳＢも水平方向に規則的に配列し、これらの画素群で取得した被写体像をＢ像とすると、Ａ像とＢ像の相対位置を検出することで、被写体像のピントずれ量（デフォーカス量）が検出できる。また、垂直方向（縦方向）のピントずれ量を検出したい場合には、ＳＡおよび、その開口部ＯＰＨＡを上側に、ＳＢおよび、その開口部ＯＰＨＢを下側に偏倚させて構成すればよい。

図７は、本実施形態における撮像用画素および焦点検出用画素の配置を示した画素配置図である。図７において、Ｇは、緑フィルターを塗布された画素、Ｒは、赤フィルターを塗布された画素、Ｂは、青フィルターを塗布された画素である。また、図中のＳＡは、画素部の開口を水平方向に偏倚させて形成された焦点検出用の画素であり、後述のＳＢ画素群との水平方向の像ずれ量を検出するための基準画素群である。また、ＳＢは、画素の開口部をＳＡ画素とは、逆方向に偏倚させて形成された画素であり、ＳＡ画素群との水平方向の像ずれ量を検出するための参照画素群である。ＳＡ、ＳＢ画素の斜線部が、偏倚した画素の開口部を示している。ここで、基準画素ＳＡ１に対応する参照画素をＳＢ１とし、同様にＳＡ２とＳＢ２、ＳＡ３とＳＢ３がそれぞれ像ずれ量を検出するための画素ペアである。

また、焦点検出用画素の画素配置であるが、本実施形態では垂直１／３間引きに対応した画素配置の例を示しており、像ずれ量を検出するための画素ペアは、同じ間引き位相になるように配置されている。より詳しく説明すると、図７のＶＭｋ（ｋは間引き位相番号で１以上間引き周期以下の整数とする）は、ある位相で垂直１／３間引きで読み出しを行った際に読み出される行の組み合わせを示す間引き位相周期を示している。間引き位相周期ＶＭ１を読み出した場合、ＳＡ１とＳＢ１の画素ペアが読み出され、同様に、間引き位相周期ＶＭ２を読み出した場合は、ＳＡ２とＳＢ２の画素ペア、間引き位相周期ＶＭ３を読み出した場合は、ＳＡ３とＳＢ３の画素ペアが読み出されるように画素配置されている。

また、焦点検出用画素群が、撮像用に使用できないことを考慮して、本実施形態では、Ｘ、Ｙ方向にある程度の間隔をおいて、離散的に配置されるように構成される。また、画像の劣化が、目立ちにくいように、Ｇ画素部分には、配置しないことが望ましい。本実施形態では、図７で示した１２行×１２列の画素のブロック内に、ＳＡ画素、ＳＢ画素の３ペアを配置するようにしており、１ブロックで画素配置パターンが完結するように構成している。また、全撮像画面への拡張は、ブロック単位で、撮像素子の任意の位置に適宜配置すればよい。

図８は、本実施形態の撮像素子１０７の一部に配設された焦点検出用画素の撮影レンズの瞳上での設計上の受光分布説明図である。図８（ａ）は、図７の画素配置図に示した焦点検出用画素ＳＡ１の、撮影レンズの瞳上での設計上の受光分布を示している。焦点検出用画素ＳＡ１の電極１３１_１と電極１３１_２とで決まる開口の中心は画素の中心に対して＋ｘ方向に大きく偏位している。そのため、焦点検出用画素ＳＡ１の光電変換部の受光可能な領域ＰＡ１の中心は、撮影レンズの射出瞳上の図中ｘ軸上で光軸（図中ｘ軸とｙ軸の交点）に対して距離−ＸＡ１偏位している。

図８（ｂ）は、図７の画素配置図に示した焦点検出用画素ＳＢ１の、撮影レンズの瞳上での設計上の受光分布を示している。焦点検出用画素ＳＢ１の電極１３１_３と電極１３１_４とで決まる開口の中心は画素の中心と略一致している。そのため、焦点検出用画素ＳＢ１の光電変換部の受光可能な領域ＰＢ１の中心は、撮影レンズの射出瞳上の図中ｘ軸上で光軸（図中ｘ軸とｙ軸の交点）と略一致している。

図８（ｃ）は、図７の画素配置図に示した焦点検出用画素ＳＡ２の、撮影レンズの瞳上での設計上の受光分布を示している。焦点検出用画素ＳＡ２の電極１３１_９と電極１３１_１０とで決まる開口の中心は画素の中心に対して＋ｘ方向に所定量偏位している。そのため、焦点検出用画素ＳＡ２の光電変換部の受光可能な領域ＰＡ２の中心は、撮影レンズの射出瞳上の図中ｘ軸上で光軸（図中ｘ軸とｙ軸の交点）に対して距離−ＸＡ２偏位している。

図８（ｄ）は、図７の画素配置図に示した焦点検出用画素ＳＢ２の、撮影レンズの瞳上での設計上の受光分布を示している。焦点検出用画素ＳＢ２の電極１３１_１１と電極１３１_１２とで決まる開口の中心は画素の中心に対して−ｘ方向に所定量偏位している。そのため、焦点検出用画素ＳＢ２の光電変換部の受光可能な領域ＰＢ２の中心は、撮影レンズの射出瞳上の図中ｘ軸上で光軸（図中ｘ軸とｙ軸の交点）に対して距離ＸＢ２偏位している。

図８（ｅ）は、図７の画素配置図に示した焦点検出用画素ＳＡ３の、撮影レンズの瞳上での設計上の受光分布を示している。焦点検出用画素ＳＡ３の電極１３１_１７と電極１３１_１８とで決まる開口の中心は画素の中心と略一致している。そのため、焦点検出用画素ＳＡ３の光電変換部の受光可能な領域ＰＡ３の中心は、撮影レンズの射出瞳上の図中ｘ軸上で光軸（図中ｘ軸とｙ軸の交点）と略一致している。ここで、焦点検出用画素ＳＡ３の撮影レンズの瞳上での設計上の受光分布は、焦点検出用画素ＳＢ１の撮影レンズの瞳上での設計上の受光分布と略一致している。

図８（ｆ）は、図７の画素配置図に示した焦点検出用画素ＳＢ３の、撮影レンズの瞳上での設計上の受光分布を示している。焦点検出用画素ＳＢ３の電極１３１_１９と電極１３１_２０とで決まる開口の中心は画素の中心に対して−ｘ方向に大きく偏位している。そのため、焦点検出用画素ＳＢ３の光電変換部の受光可能な領域ＰＢ３の中心は、撮影レンズの射出瞳上の図中ｘ軸上で光軸（図中ｘ軸とｙ軸の交点）に対して距離ＸＢ３偏位している。

図８（ｇ）は、図７の画素配置図に示した通常撮像用画素の、撮影レンズの瞳上での設計上の受光分布を示している。通常撮像用画素の電極１３１は光電変換部を遮光しないように構成されているため、通常撮像用画素の光電変換部は、撮影レンズの全瞳領域Ｐｒを受光可能である。このとき通常撮像用画素の受光可能な領域Ｐｒの中心は、撮影レンズの射出瞳上の光軸（図中ｘ軸とｙ軸の交点）と略一致している。

以上のように、本実施形態の撮像素子１０７は、受光分布の中心がｘ軸上の異なる位置に存在する６種類の焦点検出用画素群を備えて構成されている。

図９は、各画素の最前面に配置されたオンチップマイクロレンズと電極１３１との相対位置関係が設計値に対して−ｘ方向に位置ずれした撮像素子１０７における受光分布を表している。図９は撮影画面の中心に対して−ｘ方向に位置する焦点検出用画素の撮影レンズの瞳上での受光分布説明図である。図１０は、焦点検出用画素群で生成される線像分布図である。

電極１３１に対してマイクロレンズが設計値よりも−ｘ方向に位置ずれした場合、撮像素子１０７の焦点検出用画素の受光分布は、撮影レンズの瞳上で一律−ｘ方向に偏位する。また、撮像素子１０７の中心に対して−ｘ方向に位置する焦点検出用画素群では、撮影レンズのレンズ枠により図中−ｘ方向側から光束がけられてしまう。

図９（ａ）は、図７の画素配置図に示した焦点検出用画素ＳＡ１の、撮影レンズの瞳上での受光分布を示している。電極１３１_１と電極１３１_２とで決まる開口の中心が画素の中心に対して＋ｘ方向に大きく偏位している。そのため、焦点検出用画素ＳＡ１の光電変換部の受光可能な領域ＰＡ１’の中心は、撮影レンズの射出瞳上で光軸（図中ｘ軸とｙ軸の交点）に対してさらに−ｘ方向に偏位した距離−ＸＡ１’となる。さらに、撮影レンズのレンズ枠により図中−ｘ方向側から光束がけられてしまうため、焦点検出用画素ＰＡ１’の受光可能な領域は狭くなる。

図９（ｂ）は、図７の画素配置図に示した焦点検出用画素ＰＢ１の、撮影レンズの瞳上での受光分布を示している。電極１３１_３と電極１３１_４とで決まる開口の中心が画素の中心と略一致している焦点検出用画素ＳＢ１の光電変換部の受光可能な領域ＰＢ１’の中心は、撮影レンズの射出瞳上で光軸（図中ｘ軸とｙ軸の交点）に対してさらに−ｘ方向に偏位した距離−ＸＢ１’となる。

図１０（ａ）は、焦点検出用画素ＳＡ１で代表される焦点検出用画素群にて生成される線像分布Ｉα１及び焦点検出用画素ＳＢ１で代表される焦点検出用画素群にて生成される線像分布Ｉβ１を示している。焦点検出用画素ＳＡ１の撮影レンズの瞳上の受光領域ＰＡ１’の面積と焦点検出用画素ＳＢ１の撮影レンズの瞳上の受光領域ＰＢ１’の面積は大きく異なるため、線像分布Ｉα１と線像分布Ｉβ１の出力差が大きくなる。その結果、焦点検出用画素ＳＡ１で代表される焦点検出用画素群にて生成される焦点検出像と焦点検出用画素ＳＢ１で代表される焦点検出用画素群で生成される焦点検出像を用いて撮影レンズの焦点状態の検出を行っても、精度の高い焦点検出はできない。

図９（ｃ）は、図７の画素配置図に示した焦点検出用画素ＳＡ２の、撮影レンズの瞳上での受光分布を示している。電極１３１_９と電極１３１_１０とで決まる開口の中心が画素の中心に対して＋ｘ方向に所定量偏位している。そのため、焦点検出用画素ＳＡ２の光電変換部の受光可能な領域ＰＡ２’の中心は、撮影レンズの射出瞳上で光軸（図中ｘ軸とｙ軸の交点）に対してさらに−ｘ方向に偏位した距離−ＸＡ２’となる。さらに、撮影レンズのレンズ枠により図中−ｘ方向側から光束がけられてしまうため、焦点検出用画素ＳＡ２の受光可能な領域は狭くなる。

図９（ｄ）は、図７の画素配置図に示した焦点検出用画素ＳＢ２の、撮影レンズの瞳上での受光分布を示している。電極１３１_１１と電極１３１_１２とで決まる開口の中心が画素の中心に対して−ｘ方向に所定量偏位している。そのため、焦点検出用画素ＳＢ２の光電変換部の受光可能な領域ＰＢ’の中心は、撮影レンズの射出瞳上で光軸（図中ｘ軸とｙ軸の交点）に対してさらに−ｘ方向に偏位した距離ＸＢ２’となる。

図１０（ｂ）は、焦点検出用画素ＳＡ２で代表される焦点検出用画素群にて生成される線像分布Ｉα２及び焦点検出用画素ＳＢ２で代表される焦点検出用画素群にて生成される線像分布Ｉβ２を示している。焦点検出用画素ＳＡ２の撮影レンズの瞳上の受光領域ＰＡ２’の面積と焦点検出用画素ＳＢ２の撮影レンズの瞳上の受光領域ＰＢ２’の面積は若干異なるため、線像分布Ｉα２と線像分布Ｉβ２に若干の出力差が生じる。その結果、焦点検出用画素ＳＡ２で代表される焦点検出用画素群にて生成される焦点検出像と焦点検出用画素ＳＢ２で代表される焦点検出用画素群で生成される焦点検出像を用いて撮影レンズの焦点状態の検出を行うと焦点検出結果に若干誤差が発生することになる。

図９（ｅ）は、図７の画素配置図に示した焦点検出用画素ＳＡ３の、撮影レンズの瞳上での受光分布を示している。電極１３１_１７と電極１３１_１８とで決まる開口の中心が画素の中心と略一致している焦点検出用画素ＳＡ３の光電変換部の受光可能な領域ＰＡ３ＰＡ３’の中心は、撮影レンズの射出瞳上で光軸（図中ｘ軸とｙ軸の交点）に対してさらに−ｘ方向に偏位した距離−ＸＡ３’となる。さらに、撮影レンズのレンズ枠により図中−ｘ方向側から光束がけられてしまうため、焦点検出用画素ＳＡ３の受光可能な領域は狭くなる。ここで、焦点検出用画素ＳＡ３の撮影レンズの瞳上での受光分布は、焦点検出用画素ＳＢ１の撮影レンズの瞳上での受光分布と略一致している。

図９（ｆ）は、図７の画素配置図に示した焦点検出用画素ＳＢ３の、撮影レンズの瞳上での受光分布を示している。電極１３１_１９と電極１３１_２０とで決まる開口の中心が画素の中心に対して−ｘ方向に大きく偏位している。そのため、焦点検出用画素ＳＢ３の光電変換部の受光可能な領域ＰＢ３’の中心は、撮影レンズの射出瞳上で光軸（図中ｘ軸とｙ軸の交点）に対してさらに−ｘ方向に偏位した距離ＸＢ３’となる。

図１０(ｃ)は、焦点検出用画素ＳＡ３で代表される焦点検出用画素群にて生成される線像分布Ｉα３及び焦点検出用画素ＳＢ３で代表される焦点検出用画素群にて生成される線像分布Ｉβ３を示している。焦点検出用画素ＳＡ３の撮影レンズの瞳上の受光領域ＰＡ３’の面積と焦点検出用画素ＳＢ３の撮影レンズの瞳上の受光領域ＰＢ３’の面積は略同一のため、線像分布Ｉα３と線像分布Ｉβ３の出力は略同じになる。その結果、焦点検出用画素ＳＡ３で代表される焦点検出用画素群にて生成される焦点検出像と焦点検出用画素ＳＢ３で代表される焦点検出用画素群で生成される焦点検出像を用いて撮影レンズの焦点状態の検出を行うことで精度の高い焦点検出が可能になる。

図９（ｇ）は、図７の画素配置図に示した通常撮像用画素の、撮影レンズの瞳上での受光分布を示している。通常撮像用画素の電極１３１は光電変換部を遮光しないように構成されているため、通常撮像用画素の光電変換部は、撮影レンズの全瞳領域Ｐｒ’を受光可能である。但し、撮影レンズのレンズ枠により図中−ｘ方向側から光束がけられてしまうため、受光可能な領域は狭くなる。

図１１は、本実施形態における測距領域の配置図、及び、測距領域と間引き読み出し位相の選択テーブルである。

図１１（ａ）に示すように、撮像素子１０７の中央領域及び左右領域に測距エリアが設けられている。それぞれの領域には、図７の画素配置図に示した１２×１２画素で構成される基本ブロックが水平及び垂直方向に適宜配置され、像ずれ量を検出するための信号を焦点検出用画素群により得ることができる。

図１１（ｂ）は、各測距エリアにおいて選択する間引き読み出し位相の対応を示す選択テーブルである。上記の選択テーブルは、複数種類の受光分布を有する焦点検出用画素群が配置されている間引き位相のうち、最も良好な焦点検出用の像信号が得られる画素ペアが配置された間引き位相が対応付けられている。最も良好な像を判断する方法としては、例えば、各画素ペアから得られる像信号の出力差が最も小さいものを選択すればよい。また、上記選択テーブルは、本実施例の撮像装置のＣＰＵ１２１のＲＡＭに記憶され、適宜読み出される。

以上のように構成されたシステムにおいて、本実施形態の撮像装置の動作を図１２、図１３を用いて説明する。

図１２のステップＳ１０１で、カメラの電源が投入されるとＣＰＵ１２１にプログラムがロードされ、カメラ動作に必要な初期化処理、及び、各制御パラメータの初期化が行われ、ステップＳ１０２に移行する。また、この初期化処理により、測距エリアは中央領域の測距エリア２が設定される。

ステップＳ１０２では、後述するライブビュー動作時の間引き読み出し処理を行う際の間引き読み出し位相が選択される。間引き読み出し位相は、前述したＣＰＵ１２１のＲＡＭに記憶されている間引き位相選択テーブルを参照することにより、対応する間引き位相が設定される。本実施形態では、ステップＳ１０１の初期化処理により測距エリア２が設定されているため、間引き読み出し位相は、良好な焦点検出象が得られる焦点検出用画素ＳＡ３、ＳＢ３が配置されているラインが読み出される間引き読み出し位相ＶＭ３が選択される。逆に言えば、焦点検出用画素ＳＡ１、ＳＢ１、ＳＡ２、ＳＢ２が配置されたラインは読み出されないため、不要な焦点検出用画素を読み出すことによる画質の劣化が抑制される。

ステップＳ１０３では、撮像素子から連続的に信号を読み出し逐次表示や記録を行う、いわゆるライブビュー動作が開始される。ここで、ライブビュー動作、及び、動画記録の画像信号の読み出し制御について説明する。

図１３は、本実施形態のライブビュー時の撮像動作シーケンスの概要を説明するタイミングチャートである。図１３に示すように、撮像素子１０７は、露光動作が行われた後、撮像素子１０７内の各画素の蓄積電荷が画像信号として読み出される。この読み出し動作は、制御パルス垂直同期信号ＶＤ、および不図示の水平同期信号ＨＤに同期して行われる。ＶＤ信号は、撮像の１フレームをあらわす信号であり、本実施形態では、たとえば１／３０秒ごとにＣＰＵ１２１からのコマンドを受けて、撮像素子駆動回路１２４より、撮像素子１０７へ送られる。また、制御パルスＨＤは、撮像素子１０７の水平同期信号であり、１フレームの期間に水平ラインのライン数に応じたパルス数が所定間隔で送出され、水平ラインの制御を行う。また、水平パルスＨＤに同期して、設定された蓄積時間となるように水平ライン毎に画素リセットが行われる（図中に点線で示す）。

ＶＤ、ＨＤ信号により、蓄積読み出しが実行されると、ＶＤ信号が、送出され、次フレームの蓄積動作が開始される。また、読み出された画像信号は、画像処理回路１２５へ転送され、欠陥画素補正などを行い、画像処理が実行され、カメラの背面などに設置された表示器１３１へ送られる。以上のライブビュー動作は、公知の技術であるので、これ以上の説明は省略する。また、動画記録に関しては、同様にして読み出した信号を画像処理した後、ＣＰＵ１２１のＲＡＭへ送られ逐次記録される。

また、本実施形態の撮像素子１０７には、撮像用画素のほかに一部の画素群に瞳分割機能を付与して、いわゆる位相差式ＡＦが可能なように構成されている。この焦点検出用画素も欠陥画素とみなして、欠陥補正を行い、画像処理され、表示回路に転送される。

また、通常ライブビューを行う場合、目的のフレームレートを実現するために、撮像素子から信号を間引いて高速に読み出す必要がある。詳しくは既に説明しているためここでは省略するが、ステップＳ１０２で選択された間引き読み出し位相となるラインがシフトレジスタによって選択され読み出される。一方、他の間引き読み出し位相に配置された焦点検出用画素は読み出されないため、得られる画像信号に含まれず画質劣化を抑制することが可能である。

ステップＳ１０４では、操作スイッチ群１３２により測距エリアの変更があるか否かの判定を行う。測距エリアが変更された場合はステップＳ１０５に移行し、変更がない場合はステップＳ１０６に移行する。ステップＳ１０５では、ステップＳ１０２同様、間引き読み出し位相選択テーブルを参照して対応する間引き読み出し位相が設定されライブビュー時に読み出しされるラインが選択される。

ステップＳ１０６では、ライブビュー時の間引き読み出しによって得られる画像データ内に含まれる焦点検出用画素のデータをピックアップして、撮影レンズの焦点状態を検出するための像信号が抽出される。なお、ここで抽出される像信号は、撮像素子１０７に配置されている複数種類の受光分布の焦点検出用画素のうち、焦点検出を行う上で最も良好な像信号となっているため、高い焦点検出精度を得ることが可能である。

ステップＳ１０７では、ステップＳ１０６で読み出された像信号が画像処理回路１２５内の不図示の位相差検出ブロックへ転送され、この回路ブロックで、瞳分割されたＳＡ画素群、およびＳＢ画素群の相関演算を行い、位相差ＡＦ評価値を算出する。ステップＳ１０８では、操作スイッチ群１３２によりＡＦ動作が指示されたか否かの判定を行う。ＡＦ駆動が指示された場合は、ステップＳ１０９へ移行し、ＡＦ駆動の指示がない場合はステップＳ１１２に移行する。

ステップＳ１０９では、ステップＳ１０７で算出した位相差ＡＦ評価値に基づき合焦状態であるか否かの判定が行われ、合焦状態と判定された場合は、ステップＳ１１０に移行して、表示器１３１に合焦状態を示す表示が行われる。また、合焦状態と判定されない場合は、ＣＰＵ１２１は、フォーカス駆動回路１２６を制御して、フォーカスアクチュエータ１１４を動作させて、撮影レンズの焦点調節を行う。

ステップＳ１１２では、操作スイッチ群１３２により静止画の撮影動作が指示されたか否かの判定が行われ、静止画撮影が指示された場合は、ステップＳ１１３に移行し静止画撮影が行われて不図示の記録媒体に画像が記録される。静止画撮影後は、再びライブビュー動作に戻りステップＳ１１４へ移行する。

ステップＳ１１４では、操作スイッチ群１３２によりライブビュー動作の終了が指示されたか否かの判定を行い、指示された場合は、カメラの終了処理を行った後パワーオフされる。一方、終了の指示がない場合はステップＳ１０４に戻りライブビュー動作が継続される。

以上述べた通り、固体撮像素子の製造工程において光電変換部とマイクロレンズの位置ずれによって発生する設計上の受光分布との誤差を有する場合においても、異なる受光分布の焦点検出用画素からなる焦点検出用画素群を配置し、複数種類の画素ペアのうちから最も良好な焦点検出画像が得られる画素ペアを選択して読み出すことで、良好な焦点検出用の像信号を得ることが可能となる。

すなわち、上記複数種類の画素ペアを異なる間引き読み出し位相に配置し、最も良好な像信号が得られる焦点検出用画素が読み出される間引き位相を選択することで、画像信号に含まれる焦点検出用画素信号の割合を下げて画質劣化を抑制することが可能となる。

Claims (2)

1. 複数の画素が２次元状に配置された撮像素子であって、撮影レンズによって結像された被写体像を光電変換して撮像用の信号を出力する複数の撮像用画素と、該複数の撮像用画素の間に離散的に配置され、受光分布がそれぞれ異なる複数種類の焦点検出用画素ペアとを有する撮像素子と、
   前記撮像素子の前記複数の画素を間引いて読み出す場合に、前記複数の画素を間引く位相が異なる複数の間引き読み出しモードから１つの間引き読み出しモードを選択する選択手段とを備え、
   前記複数種類の焦点検出用画素ペアは、前記選択手段により選択されたそれぞれの間引き読み出しモードでは、前記複数種類の焦点検出用画素ペアのうちから最も良好な焦点検出画像が得られる１つの種類の焦点検出用画素ペアの信号のみが読み出され、他の種類の焦点検出用画素ペアの信号は読み出されないように配置されていることを特徴とする撮像装置。
2. 前記選択手段により選択された間引き読み出しモードにおいて読み出される焦点検出用画素の信号を用いて位相差式の焦点検出を行う焦点検出手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。

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