撮像素子及び撮像装置
【課題】 焦点検出用画素の配置領域を撮像領域の一部領域に限定した場合に、焦点検出用画素の配置領域と非配置領域の境界で、焦点検出用画素の周辺に配置された撮像用画素の出力信号のずれによる画質劣化をより目立たなくすること。
【解決手段】 撮像素子の撮像画面を構成する画素領域において、光学系の射出瞳の異なる領域を通った光束をそれぞれ独立に受光して得られた画像信号をそれぞれ出力することのできる複数の焦点検出用画素が、予め決められた第１の混入比率で混入された第１の領域と、前記焦点検出用画素が混入されていない第２の領域と、前記第１の領域と前記第２の領域との間の領域であって、前記第１の領域から前記第２の領域に向けて、前記第１の混入比率から段階的に混入比率が低下するように複数の前記焦点検出用画素が混入された第３の領域とを有する。
【解決手段】 撮像素子の撮像画面を構成する画素領域において、光学系の射出瞳の異なる領域を通った光束をそれぞれ独立に受光して得られた画像信号をそれぞれ出力することのできる複数の焦点検出用画素が、予め決められた第１の混入比率で混入された第１の領域と、前記焦点検出用画素が混入されていない第２の領域と、前記第１の領域と前記第２の領域との間の領域であって、前記第１の領域から前記第２の領域に向けて、前記第１の混入比率から段階的に混入比率が低下するように複数の前記焦点検出用画素が混入された第３の領域とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一部に焦点検出用画素を有する撮像素子及び該撮像素子を用いた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等の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順次記録することが可能な、いわゆる動画記録機能を有する撮像装置がある。
【０００３】
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（所謂「ぼけ方式」）と位相差検出方式（所謂「ずれ方式」）とがある。
【０００４】
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、その評価値が最大となる位置をスキャンする必要があるため、高速な焦点調節動作には不向きとされている。
【０００５】
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によりそれぞれ受光する。そして、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、焦点検出用センサにより一度蓄積動作を行えばピントずれ量と方向が得られ、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ＡＦセンサ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退避しているため、動作させることができないといった欠点もあった。
【０００６】
上記の欠点を克服するため、一部の受光素子（画素）に、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た、撮像素子がある。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、電子ビューファインダーの使用時や動画撮影時でも、高速な位相差方式によるＡＦを実現するための技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
一方、撮像画素の一部に焦点検出用画素を付与した際に生じる、撮像用画素へのクロストーク量の変化による画質劣化に関し、周辺に配置した焦点検出用画素の出力に基づき、撮像用画素の出力を補正する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−１５６８２３号公報
【特許文献２】特開２００９−１２４５７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献２においても、撮影条件（レンズの絞り、射出瞳距離）やセンサ上の像高位置、被写体依存等の問題により、正しい補正を行うことが困難であるという課題がある。特に、焦点検出用画素に備えるカラーフィルタを透明色等に変更した場合、被写体の色を推定する必要があり、さらに、補正が困難となるという問題があった。
【００１０】
また、焦点検出用画素の配置領域を、光学的に条件が良く、比較的高い焦点検出精度が得られる撮像領域の中央部付近などに限定し、均一面被写体を撮影した場合に、次のような課題があった。すなわち、焦点検出用画素の配置領域と非配置領域との境界で焦点検出用画素の周辺に配置された撮像用画素の補正誤差による画質劣化が認識しやすいという課題があった。
【００１１】
本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、焦点検出用画素の配置領域を撮像領域の一部領域に限定した場合に、焦点検出用画素の配置領域と非配置領域の境界で、焦点検出用画素の周辺に配置された撮像用画素の出力信号のずれによる画質劣化をより目立たなくすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、撮像素子の撮像画面を構成する画素領域は、光学系の異なる瞳領域を通った光束をそれぞれ独立に受光して得られた画像信号をそれぞれ出力することのできる複数の焦点検出用画素が、予め決められた第１の混入比率で混入された第１の領域と、前記焦点検出用画素が混入されていない第２の領域と、前記第１の領域と前記第２の領域との間の領域であって、前記第１の領域から前記第２の領域に向けて、前記第１の混入比率から段階的に混入比率が低下するように複数の前記焦点検出用画素が混入された第３の領域とを有する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、焦点検出用画素の配置領域を撮像領域の一部領域に限定した場合に、焦点検出用画素の配置領域と非配置領域の境界で、焦点検出用画素の周辺に配置された撮像用画素の出力信号のずれによる画質劣化をより目立たなくすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の好適な実施の形態に係る撮像装置の概略構成図。
【図２】実施の形態における撮像素子の構成例を示すブロック図。
【図３】実施の形態における全画素読み出しの説明図。
【図４】実施の形態における間引き読み出しの説明図。
【図５】実施の形態における撮像素子の撮像用画素の平面図と断面図。
【図６】実施の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。
【図７】実施の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。
【図８】実施の形態における焦点検出用画素を含むブロックの領域配置図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
【００１６】
図１は本発明の好適な実施の形態に係る撮像装置の構成図であり、撮像素子を有したカメラ本体と撮影光学系とが一体となった電子カメラを示している。図１において、第１レンズ群１０１は撮影光学系（結像光学系）の先端に配置され、光軸方向に進退可能に保持される。絞り兼用シャッタ１０２は、その開口径を調節することで撮影時の光量調節を行うほか、静止画撮影時には露光秒時を調節する機能も備える。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。
【００１７】
第３レンズ群１０５は、光軸方向の進退により、焦点調節を行う。光学的ローパスフィルタ１０６は、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。撮像素子１０７はＣＭＯＳイメージセンサとその周辺回路で構成されている。また、撮像素子１０７は、水平方向ｍ画素、垂直方向ｎ画素に配列された受光画素を複数有し、当該受光画素上に、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。
【００１８】
ズームアクチュエータ１１１は、不図示のカム筒を回動することで、第１レンズ群１０１〜第２レンズ群１０３を光軸方向に進退駆動し、変倍操作を行う。絞りシャッタアクチュエータ１１２は、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う。フォーカスアクチュエータ１１４は、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。
【００１９】
被写体照明用電子フラッシュ１１５は撮影時に用いられ、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。ＡＦ補助光発光部１１６は、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、暗い被写体や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。
【００２０】
ＣＰＵ１２１は、撮像装置内でカメラ本体の種々の制御を司る。ＣＰＵ１２１は、例えば、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する。そして、ＣＰＵ１２１は、ＲＯＭに記憶された所定のプログラムに基づいて、撮像装置が有する各種回路を駆動し、ＡＦ、撮影、画像処理及び記録等の一連の動作を実行する。
【００２１】
電子フラッシュ制御回路１２２は、撮影動作に同期して電子フラッシュ１１５を点灯制御する。補助光駆動回路１２３は、焦点検出動作に同期してＡＦ補助光発光部１１６を点灯制御する。撮像素子駆動回路１２４は、撮像素子１０７の撮像動作を制御すると共に、取得した画像信号をＡ／Ｄ変換してＣＰＵ１２１に送信する。画像処理回路１２５は、撮像素子１０７が取得した画像のγ変換、カラー補間、ＪＰＥＧ圧縮等の処理を行う。
【００２２】
フォーカス駆動回路１２６は、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。絞りシャッタ駆動回路１２８は、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。ズーム駆動回路１２９は、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。
【００２３】
ＬＣＤ等の表示器１３１は、撮像装置の撮影モードに関する情報、撮影前のプレビュー画像と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。操作スイッチ群１３２は、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。着脱可能なフラッシュメモリ１３３は、撮影済み画像を記録する。
【００２４】
図２は、本発明の実施の形態における撮像素子１０７の構成を示すブロック図である。なお、図２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、光電変換部２０１は、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おり、ｍ列×ｎ行の光電変換部が２次元上に配置されている。
【００２５】
スイッチ２０２は、光電変換部２０１の出力を選択するためのスイッチであり、後述の垂直走査回路２０８により、行単位で選択される。ラインメモリ２０３は、光電変換部２０１の出力を一時的に記憶するために設けられており、垂直走査回路２０８により選択された行の光電変換部２０１の出力を、信号ＭＥＭがＨレベルとなったときに、垂直出力線ＶＬを介して記憶する。ラインメモリ２０３としては、通常は、コンデンサが使用される。スイッチ２０４は、水平出力線ＨＬを所定の電位ＶＨＲＳＴにリセットするための水平出力線ＨＬに接続されたスイッチであり、信号ＨＲＳＴにより制御される。スイッチ２０５は、ラインメモリ２０３に記憶された光電変換部２０１の出力を水平出力線ＨＬに順次出力するためのスイッチである。
【００２６】
水平走査回路２０６は、信号Ｈ0からＨm-1を用いてスイッチ２０５を順次走査することにより、ラインメモリ２０３に記憶された光電変換部２０１の出力を順次、水平出力線ＨＬに出力させる。信号ＰＨＳＴは水平走査回路２０６のデータ入力、信号ＰＨ１、ＰＨ２はシフトクロック入力であり、ＰＨ１がＨレベルの時にデータがセットされ、ＰＨ２がＨレベルの時にデータがラッチされる構成となっている。信号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、信号Ｈ0からＨm-1を順次Ｈレベルにし、スイッチ２０５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わせる信号である。ＳＫＩＰ端子をＨレベルに設定することにより、水平走査回路２０６を所定間隔でスキップさせることが可能になる。なお、読み出し動作に関する詳細は後述する。
【００２７】
アンプ２０７は、ラインメモリ２０３から水平出力線ＨＬを介して出力された画素信号を所定の割合で増幅し、ＶＯＵＴとして出力する。
【００２８】
垂直走査回路２０８は、信号Ｖ0からＶn-1をＨレベルにすることにより、選択スイッチ２０２を行単位で選択することができる。垂直走査回路２０８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、間引き読み設定信号ＳＫＩＰにより制御される。動作に関しては、水平走査回路２０６と同様であるので詳細説明は省略する。
【００２９】
図３は、図２に示す構成を有する撮像素子１０７の全画素を読み出す場合の説明図である。図３（ａ）において、Ｒ、Ｇ、Ｂの記号は、各画素を覆うカラーフィルタの色を表している。本実施の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として説明する。また、図３（ａ）の画素配列の上および左側に付記された番号は、Ｘ及びＹ方向の番号である。また、斜線の引かれた画素が、読み出し対象である。ここでは、全画素読み出しなので、図３（ａ）のすべての画素に斜線が引かれている。なお、撮像素子１０７には、通常、黒レベルを検出するために遮光されたＯＢ（オプティカルブラック）画素なども配置され、ＯＢ画素からも読み出しを行うが、本実施の形態では、説明が煩雑になるため省略する。
【００３０】
図３（ｂ）は、撮像素子１０７の全画素を読み出す場合のタイミングチャートを示しており、ＣＰＵ１２１が撮像素子駆動回路１２４を制御して、撮像素子１０７にパルスを送ることにより、読み出しが行われる。ここで図３（ｂ）を参照して、全画素読み出し動作を説明する。
【００３１】
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ＶＬにそれぞれ出力される。この状態で、信号ＭＥＭをアクティブにして、各画素のデータをラインメモリ２０３にホールドする。次に、ＰＨＳＴをアクティブにして、ＰＨ１、ＰＨ２にシフトクロックを入力して、順次H0からＨm-1をアクティブにすることで、水平出力線ＨＬに画素出力を出力する。出力された画素出力は、アンプ２０７を介して、ＶＯＵＴとして出力され、不図示のＡ／Ｄ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。
【００３２】
次に、垂直走査回路２０８がV1をアクティブにすることで、１行目の画素出力が垂直出力線ＶＬに出力され、この状態で同様に信号ＭＥＭをアクティブにすることによりラインメモリ２０３に画素出力がホールドされる。次に、ＰＨＳＴをアクティブにして、ＰＨ１、ＰＨ２にシフトクロックを入力して、順次H0からＨm-1をアクティブにすることで、水平出力線ＨＬに画素出力を出力する動作は同じである。同様にして、Vn-1まで順にアクティブにしていくことで、n-1行目までの読み出しを順次行う。
【００３３】
図４は、図２に示す構成を有する撮像素子１０７の間引き読み出しの一例を説明する図である。図４（ａ）では、図３（ａ）と同様に、斜線の引かれた画素が、間引き読み出し時の読み出し対象画素である。ここでは、Ｘ、Ｙ方向ともに１／３の間引きの読み出しの場合を示している。
【００３４】
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参照して、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の制御端子であるＳＫＩＰ端子をアクティブにすることで行う。ＳＫＩＰ端子をアクティブにすることで、垂直走査回路２０８、水平走査回路２０６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。
【００３５】
間引き読み出し時は、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ＶＬにそれぞれ出力される。この状態で、信号ＭＥＭをアクティブにして、各画素のデータをラインメモリ２０３にホールドする。次に、ＰＨＳＴをアクティブして、ＰＨ１、ＰＨ２に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ＨＬに画素出力を出力する。出力された画素出力は、アンプ２０７を介してＶＯＵＴとして出力され、不図示のＡ／Ｄ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。
【００３６】
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行目の画素出力を垂直出力線ＶＬに出力する。その後、信号ＭＥＭによりラインメモリ２０３に画素出力がホールドされる。ＰＨＳＴをアクティブにして、ＰＨ１、ＰＨ２に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ＨＬに画素出力を出力する動作は０行目と同じである。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。
【００３７】
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。本実施の形態においては、上述した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。
【００３８】
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。周知のように、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２行×２列の構造が繰り返し配置される。
【００３９】
図５（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を図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（ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）は図２で説明した撮像素子１０７の光電変換部２０１を模式的に示したものである。ＣＬ（Ｃｏｎｔａｃｔ Ｌａｙｅｒ）は、ＣＭＯＳイメージセンサ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。
【００４０】
ここで、撮像用画素のオンチップマイクロレンズＭＬと光電変換素子ＰＤは、撮影光学系ＴＬ（Ｔａｋｉｎｇ Ｌｅｎｓ）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（ＥｘｉｔＰｕｐｉｌ）と光電変換素子ＰＤは、マイクロレンズＭＬにより共役関係にあり、かつ光電変換素子ＰＤ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（光量子）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。
【００４１】
図６は、撮影光学系の水平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。水平方向に瞳分割を行うことにより、水平方向に輝度分布を有した被写体、例えば縦線に対して焦点検出が可能になる。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。記録又は観賞のための画像信号を得る場合、Ｇ画素で輝度情報の主成分を取得する。これは、人間の画像認識特性は輝度情報に敏感であるためで、Ｇ画素が欠損すると画質劣化が認知されやすい。一方でＲ画素又はＢ画素は、色情報（色差情報）を取得する画素であるが、人間の視覚特性は、輝度情報と比較して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は認識され難い。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画素とＢ画素を焦点検出用画素に置き換える。この焦点検出用画素を、図６（ａ）においてＳＡ及びＳＢと示す。
【００４２】
図６（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を図６（ｂ）に示す。マイクロレンズＭＬと、光電変換素子ＰＤは図５（ｂ）に示した撮像用画素と同一構造である。本実施の形態においては、焦点検出用画素の信号は画像生成には用いないため、色分離用カラーフィルタの代わりに透明膜ＣＦＷ（白色）が配置される。また、光電変換部２０１単位で瞳分割を行うため、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の開口部ＯＰＨＡは水平方向（図６では、右側）に偏倚しているため、撮影光学系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、画素ＳＡとは逆方向の左側に偏倚し、撮影光学系ＴＬの右側の射出瞳ＥＰＨＢを通過した光束を受光する。上述した構成を有する画素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像とし、上述した構成を有する画素Ｂも同様に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。そして、得られたＡ像とＢ像の相対位置（位相差）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）を検出することができる。
【００４３】
なお、垂直方向に輝度分布を有する被写体、例えば横線のピントずれ量を検出したい場合には、画素ＳＡの開口部ＯＰＨＡを下側に、画素ＳＢの開口ＯＰＨＢを上側に偏倚させるように９０度回転させて構成すればよい。あるいは、開口部ＯＰＨＡを上側に、画素ＳＢの開口ＯＰＨＢを下側に偏倚させるように構成してもよい。
【００４４】
図７は、図５及び図６を参照して説明した撮像用画素及び焦点検出用画素ＳＡ、ＳＢの配置の一例を示す画素配置図である。なお、本実施の形態では、撮像素子１０７の全画素の内、上述したように、水平方向に１／３、垂直方向に１／３の画素数となるように間引き読み出しすることが可能であるものとする。図７の（ａ）、（ｂ）において、斜線の引かれた画素が読み出される画素であり、焦点検出用画素は、間引き読み出し時に読み出される行及び列に配置する。
【００４５】
また、焦点検出用の画素が撮像用に使用できないことを考慮して、本実施の形態では、焦点検出用画素が、水平方向及び垂直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ている。また、画像の劣化が目立ちにくくなるように、上述したようにＧ画素部分には焦点検出用の画素を配置しないことが好ましい。本実施の形態では、図７（ａ）に示すように、１２×２４画素のブロック内に、４組の画素ＳＡ及び画素ＳＢが配置されている高密度のブロックを第１の配置とする。更に、図７（ｂ）に示すように、１２×２４画素のブロック内に、２組の画素ＳＡ及び画素ＳＢが配置されている、第１の配置よりも低密度のブロックを第２の配置とする。第１の配置及び第２の配置は、それぞれ１ブロックで画素配置パターンが完結するように構成されている。
【００４６】
図７（ａ）は、撮像用画素群に対して、図７（ｂ）よりも高密度に焦点検出用画素が配置されているため、焦点検出能力は高いが、撮像画素が少ないため画質劣化への影響は大きい。画質劣化への影響として、先行技術文献として挙げた特許文献２の課題がある。特許文献２によると、通常の撮像画素群の内、一部の画素を機能画素とすることにより、焦点検出用画素の周辺に配置された通常の撮像画素の出力が変化するという課題である。
【００４７】
図８は、本実施の形態における、全撮像画面に対する焦点検出用画素を含むブロックの配置を示す領域配置図である。図８において、撮像素子１０７における有効画素領域８０１は、記録される画像を生成するための画像信号を得る撮像用画素が配置されている領域を示している。図８の中央部に示した領域８０２は、焦点検出領域（第１の領域）を示しており、図７（ａ）に示した焦点検出用画素が高密度（第１の混入比率）に含まれる第１の配置の画素ブロックが、水平及び垂直方向に連続的に配置されている。また、領域８０２の周辺の領域８０３（第３の領域）には、図７（ｂ）に示した焦点検出用画素が低密度（第２の混入比率）に含まれる第２の配置の画素ブロックが、水平及び垂直方向に連続的に配置されている。
【００４８】
図８に示すように、通常の撮像用画素に対する焦点検出用画素の配置密度を段階的に低下させることで、焦点検出用画素の配置領域と非配置領域（第２の領域）の境界において画質劣化をより目立たなくすることが可能になる。また、焦点検出用画素の配置領域を円形状に配置し、光軸中心と合わせることで、レンズの光学的な収差が合わさるため、撮影画像上での画質劣化をさらに目立たなくすることが可能になる。
【００４９】
なお、本実施の形態では、焦点検出用画素を含む領域を画面中央部に配置しているが、これは、光学条件が良く、比較的高い焦点検出精度が得られる領域に限定しているためである。
【００５０】
また、本実施の形態では、焦点検出用画素を含む領域を撮像画面の中央部の円形状の領域に配置したが、本発明はこの配置に限定されるものではない。例えば、焦点検出用画素を含む領域を複数の領域に離散的に配置した場合や、矩形、十字等の形で焦点検出領域を構成してもよい。このように構成した場合も、焦点検出用画素の混入比率を段階的に変えることで焦点検出用画素の配置領域と非配置領域の境界における画質劣化がより目立たなくすることが可能である。
【００５１】
また、本実施の形態では、焦点検出用画素のブロック配置パターンを２種類で説明したが、複数種類のブロック配置パターンで構成した場合も適用可能である。また、静止画用の全画素読み出し時に焦点検出用画素の混入比率を段階的に変えることでも同様の効果が得られることは明らかなため、本発明の適用範囲は間引き読み出しに限定されない。
【００５２】
更に、本実施の形態では、焦点検出用画素ＳＡ及びＳＢを１組として、位相差を求めるための画像信号を取得する場合について説明したが、焦点検出用画素の構成は、これに限るものではない。例えば、１つの焦点検出用画素が複数の光電変換領域を有し、それぞれの光電変換領域から独立に読み出しできるように構成することにより、撮影光学系の異なる瞳領域を通過した被写体光に基づく、位相差を有する複数の画像を取得することができる。
【００５３】
上記の通り、本実施の形態によれば、通常の撮像画素に対する焦点検出用画素の混入比率が段階的に低下するように、異なる混入比率の焦点検出用画素を含む領域を配置する。これにより、焦点検出用画素の配置領域と非配置領域の境界における画質劣化をより目立たないようにすることができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一部に焦点検出用画素を有する撮像素子及び該撮像素子を用いた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等の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順次記録することが可能な、いわゆる動画記録機能を有する撮像装置がある。
【０００３】
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（所謂「ぼけ方式」）と位相差検出方式（所謂「ずれ方式」）とがある。
【０００４】
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、その評価値が最大となる位置をスキャンする必要があるため、高速な焦点調節動作には不向きとされている。
【０００５】
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によりそれぞれ受光する。そして、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、焦点検出用センサにより一度蓄積動作を行えばピントずれ量と方向が得られ、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ＡＦセンサ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退避しているため、動作させることができないといった欠点もあった。
【０００６】
上記の欠点を克服するため、一部の受光素子（画素）に、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た、撮像素子がある。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、電子ビューファインダーの使用時や動画撮影時でも、高速な位相差方式によるＡＦを実現するための技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
一方、撮像画素の一部に焦点検出用画素を付与した際に生じる、撮像用画素へのクロストーク量の変化による画質劣化に関し、周辺に配置した焦点検出用画素の出力に基づき、撮像用画素の出力を補正する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−１５６８２３号公報
【特許文献２】特開２００９−１２４５７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献２においても、撮影条件（レンズの絞り、射出瞳距離）やセンサ上の像高位置、被写体依存等の問題により、正しい補正を行うことが困難であるという課題がある。特に、焦点検出用画素に備えるカラーフィルタを透明色等に変更した場合、被写体の色を推定する必要があり、さらに、補正が困難となるという問題があった。
【００１０】
また、焦点検出用画素の配置領域を、光学的に条件が良く、比較的高い焦点検出精度が得られる撮像領域の中央部付近などに限定し、均一面被写体を撮影した場合に、次のような課題があった。すなわち、焦点検出用画素の配置領域と非配置領域との境界で焦点検出用画素の周辺に配置された撮像用画素の補正誤差による画質劣化が認識しやすいという課題があった。
【００１１】
本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、焦点検出用画素の配置領域を撮像領域の一部領域に限定した場合に、焦点検出用画素の配置領域と非配置領域の境界で、焦点検出用画素の周辺に配置された撮像用画素の出力信号のずれによる画質劣化をより目立たなくすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、撮像素子の撮像画面を構成する画素領域は、光学系の異なる瞳領域を通った光束をそれぞれ独立に受光して得られた画像信号をそれぞれ出力することのできる複数の焦点検出用画素が、予め決められた第１の混入比率で混入された第１の領域と、前記焦点検出用画素が混入されていない第２の領域と、前記第１の領域と前記第２の領域との間の領域であって、前記第１の領域から前記第２の領域に向けて、前記第１の混入比率から段階的に混入比率が低下するように複数の前記焦点検出用画素が混入された第３の領域とを有する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、焦点検出用画素の配置領域を撮像領域の一部領域に限定した場合に、焦点検出用画素の配置領域と非配置領域の境界で、焦点検出用画素の周辺に配置された撮像用画素の出力信号のずれによる画質劣化をより目立たなくすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の好適な実施の形態に係る撮像装置の概略構成図。
【図２】実施の形態における撮像素子の構成例を示すブロック図。
【図３】実施の形態における全画素読み出しの説明図。
【図４】実施の形態における間引き読み出しの説明図。
【図５】実施の形態における撮像素子の撮像用画素の平面図と断面図。
【図６】実施の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。
【図７】実施の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。
【図８】実施の形態における焦点検出用画素を含むブロックの領域配置図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
【００１６】
図１は本発明の好適な実施の形態に係る撮像装置の構成図であり、撮像素子を有したカメラ本体と撮影光学系とが一体となった電子カメラを示している。図１において、第１レンズ群１０１は撮影光学系（結像光学系）の先端に配置され、光軸方向に進退可能に保持される。絞り兼用シャッタ１０２は、その開口径を調節することで撮影時の光量調節を行うほか、静止画撮影時には露光秒時を調節する機能も備える。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。
【００１７】
第３レンズ群１０５は、光軸方向の進退により、焦点調節を行う。光学的ローパスフィルタ１０６は、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。撮像素子１０７はＣＭＯＳイメージセンサとその周辺回路で構成されている。また、撮像素子１０７は、水平方向ｍ画素、垂直方向ｎ画素に配列された受光画素を複数有し、当該受光画素上に、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。
【００１８】
ズームアクチュエータ１１１は、不図示のカム筒を回動することで、第１レンズ群１０１〜第２レンズ群１０３を光軸方向に進退駆動し、変倍操作を行う。絞りシャッタアクチュエータ１１２は、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う。フォーカスアクチュエータ１１４は、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。
【００１９】
被写体照明用電子フラッシュ１１５は撮影時に用いられ、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。ＡＦ補助光発光部１１６は、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、暗い被写体や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。
【００２０】
ＣＰＵ１２１は、撮像装置内でカメラ本体の種々の制御を司る。ＣＰＵ１２１は、例えば、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する。そして、ＣＰＵ１２１は、ＲＯＭに記憶された所定のプログラムに基づいて、撮像装置が有する各種回路を駆動し、ＡＦ、撮影、画像処理及び記録等の一連の動作を実行する。
【００２１】
電子フラッシュ制御回路１２２は、撮影動作に同期して電子フラッシュ１１５を点灯制御する。補助光駆動回路１２３は、焦点検出動作に同期してＡＦ補助光発光部１１６を点灯制御する。撮像素子駆動回路１２４は、撮像素子１０７の撮像動作を制御すると共に、取得した画像信号をＡ／Ｄ変換してＣＰＵ１２１に送信する。画像処理回路１２５は、撮像素子１０７が取得した画像のγ変換、カラー補間、ＪＰＥＧ圧縮等の処理を行う。
【００２２】
フォーカス駆動回路１２６は、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。絞りシャッタ駆動回路１２８は、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。ズーム駆動回路１２９は、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。
【００２３】
ＬＣＤ等の表示器１３１は、撮像装置の撮影モードに関する情報、撮影前のプレビュー画像と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。操作スイッチ群１３２は、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。着脱可能なフラッシュメモリ１３３は、撮影済み画像を記録する。
【００２４】
図２は、本発明の実施の形態における撮像素子１０７の構成を示すブロック図である。なお、図２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、光電変換部２０１は、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おり、ｍ列×ｎ行の光電変換部が２次元上に配置されている。
【００２５】
スイッチ２０２は、光電変換部２０１の出力を選択するためのスイッチであり、後述の垂直走査回路２０８により、行単位で選択される。ラインメモリ２０３は、光電変換部２０１の出力を一時的に記憶するために設けられており、垂直走査回路２０８により選択された行の光電変換部２０１の出力を、信号ＭＥＭがＨレベルとなったときに、垂直出力線ＶＬを介して記憶する。ラインメモリ２０３としては、通常は、コンデンサが使用される。スイッチ２０４は、水平出力線ＨＬを所定の電位ＶＨＲＳＴにリセットするための水平出力線ＨＬに接続されたスイッチであり、信号ＨＲＳＴにより制御される。スイッチ２０５は、ラインメモリ２０３に記憶された光電変換部２０１の出力を水平出力線ＨＬに順次出力するためのスイッチである。
【００２６】
水平走査回路２０６は、信号Ｈ0からＨm-1を用いてスイッチ２０５を順次走査することにより、ラインメモリ２０３に記憶された光電変換部２０１の出力を順次、水平出力線ＨＬに出力させる。信号ＰＨＳＴは水平走査回路２０６のデータ入力、信号ＰＨ１、ＰＨ２はシフトクロック入力であり、ＰＨ１がＨレベルの時にデータがセットされ、ＰＨ２がＨレベルの時にデータがラッチされる構成となっている。信号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、信号Ｈ0からＨm-1を順次Ｈレベルにし、スイッチ２０５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わせる信号である。ＳＫＩＰ端子をＨレベルに設定することにより、水平走査回路２０６を所定間隔でスキップさせることが可能になる。なお、読み出し動作に関する詳細は後述する。
【００２７】
アンプ２０７は、ラインメモリ２０３から水平出力線ＨＬを介して出力された画素信号を所定の割合で増幅し、ＶＯＵＴとして出力する。
【００２８】
垂直走査回路２０８は、信号Ｖ0からＶn-1をＨレベルにすることにより、選択スイッチ２０２を行単位で選択することができる。垂直走査回路２０８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、間引き読み設定信号ＳＫＩＰにより制御される。動作に関しては、水平走査回路２０６と同様であるので詳細説明は省略する。
【００２９】
図３は、図２に示す構成を有する撮像素子１０７の全画素を読み出す場合の説明図である。図３（ａ）において、Ｒ、Ｇ、Ｂの記号は、各画素を覆うカラーフィルタの色を表している。本実施の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として説明する。また、図３（ａ）の画素配列の上および左側に付記された番号は、Ｘ及びＹ方向の番号である。また、斜線の引かれた画素が、読み出し対象である。ここでは、全画素読み出しなので、図３（ａ）のすべての画素に斜線が引かれている。なお、撮像素子１０７には、通常、黒レベルを検出するために遮光されたＯＢ（オプティカルブラック）画素なども配置され、ＯＢ画素からも読み出しを行うが、本実施の形態では、説明が煩雑になるため省略する。
【００３０】
図３（ｂ）は、撮像素子１０７の全画素を読み出す場合のタイミングチャートを示しており、ＣＰＵ１２１が撮像素子駆動回路１２４を制御して、撮像素子１０７にパルスを送ることにより、読み出しが行われる。ここで図３（ｂ）を参照して、全画素読み出し動作を説明する。
【００３１】
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ＶＬにそれぞれ出力される。この状態で、信号ＭＥＭをアクティブにして、各画素のデータをラインメモリ２０３にホールドする。次に、ＰＨＳＴをアクティブにして、ＰＨ１、ＰＨ２にシフトクロックを入力して、順次H0からＨm-1をアクティブにすることで、水平出力線ＨＬに画素出力を出力する。出力された画素出力は、アンプ２０７を介して、ＶＯＵＴとして出力され、不図示のＡ／Ｄ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。
【００３２】
次に、垂直走査回路２０８がV1をアクティブにすることで、１行目の画素出力が垂直出力線ＶＬに出力され、この状態で同様に信号ＭＥＭをアクティブにすることによりラインメモリ２０３に画素出力がホールドされる。次に、ＰＨＳＴをアクティブにして、ＰＨ１、ＰＨ２にシフトクロックを入力して、順次H0からＨm-1をアクティブにすることで、水平出力線ＨＬに画素出力を出力する動作は同じである。同様にして、Vn-1まで順にアクティブにしていくことで、n-1行目までの読み出しを順次行う。
【００３３】
図４は、図２に示す構成を有する撮像素子１０７の間引き読み出しの一例を説明する図である。図４（ａ）では、図３（ａ）と同様に、斜線の引かれた画素が、間引き読み出し時の読み出し対象画素である。ここでは、Ｘ、Ｙ方向ともに１／３の間引きの読み出しの場合を示している。
【００３４】
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参照して、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の制御端子であるＳＫＩＰ端子をアクティブにすることで行う。ＳＫＩＰ端子をアクティブにすることで、垂直走査回路２０８、水平走査回路２０６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。
【００３５】
間引き読み出し時は、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ＶＬにそれぞれ出力される。この状態で、信号ＭＥＭをアクティブにして、各画素のデータをラインメモリ２０３にホールドする。次に、ＰＨＳＴをアクティブして、ＰＨ１、ＰＨ２に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ＨＬに画素出力を出力する。出力された画素出力は、アンプ２０７を介してＶＯＵＴとして出力され、不図示のＡ／Ｄ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。
【００３６】
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行目の画素出力を垂直出力線ＶＬに出力する。その後、信号ＭＥＭによりラインメモリ２０３に画素出力がホールドされる。ＰＨＳＴをアクティブにして、ＰＨ１、ＰＨ２に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ＨＬに画素出力を出力する動作は０行目と同じである。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。
【００３７】
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。本実施の形態においては、上述した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。
【００３８】
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。周知のように、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２行×２列の構造が繰り返し配置される。
【００３９】
図５（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を図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（ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）は図２で説明した撮像素子１０７の光電変換部２０１を模式的に示したものである。ＣＬ（Ｃｏｎｔａｃｔ Ｌａｙｅｒ）は、ＣＭＯＳイメージセンサ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。
【００４０】
ここで、撮像用画素のオンチップマイクロレンズＭＬと光電変換素子ＰＤは、撮影光学系ＴＬ（Ｔａｋｉｎｇ Ｌｅｎｓ）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（ＥｘｉｔＰｕｐｉｌ）と光電変換素子ＰＤは、マイクロレンズＭＬにより共役関係にあり、かつ光電変換素子ＰＤ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（光量子）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。
【００４１】
図６は、撮影光学系の水平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。水平方向に瞳分割を行うことにより、水平方向に輝度分布を有した被写体、例えば縦線に対して焦点検出が可能になる。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。記録又は観賞のための画像信号を得る場合、Ｇ画素で輝度情報の主成分を取得する。これは、人間の画像認識特性は輝度情報に敏感であるためで、Ｇ画素が欠損すると画質劣化が認知されやすい。一方でＲ画素又はＢ画素は、色情報（色差情報）を取得する画素であるが、人間の視覚特性は、輝度情報と比較して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は認識され難い。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画素とＢ画素を焦点検出用画素に置き換える。この焦点検出用画素を、図６（ａ）においてＳＡ及びＳＢと示す。
【００４２】
図６（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を図６（ｂ）に示す。マイクロレンズＭＬと、光電変換素子ＰＤは図５（ｂ）に示した撮像用画素と同一構造である。本実施の形態においては、焦点検出用画素の信号は画像生成には用いないため、色分離用カラーフィルタの代わりに透明膜ＣＦＷ（白色）が配置される。また、光電変換部２０１単位で瞳分割を行うため、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の開口部ＯＰＨＡは水平方向（図６では、右側）に偏倚しているため、撮影光学系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、画素ＳＡとは逆方向の左側に偏倚し、撮影光学系ＴＬの右側の射出瞳ＥＰＨＢを通過した光束を受光する。上述した構成を有する画素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像とし、上述した構成を有する画素Ｂも同様に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。そして、得られたＡ像とＢ像の相対位置（位相差）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）を検出することができる。
【００４３】
なお、垂直方向に輝度分布を有する被写体、例えば横線のピントずれ量を検出したい場合には、画素ＳＡの開口部ＯＰＨＡを下側に、画素ＳＢの開口ＯＰＨＢを上側に偏倚させるように９０度回転させて構成すればよい。あるいは、開口部ＯＰＨＡを上側に、画素ＳＢの開口ＯＰＨＢを下側に偏倚させるように構成してもよい。
【００４４】
図７は、図５及び図６を参照して説明した撮像用画素及び焦点検出用画素ＳＡ、ＳＢの配置の一例を示す画素配置図である。なお、本実施の形態では、撮像素子１０７の全画素の内、上述したように、水平方向に１／３、垂直方向に１／３の画素数となるように間引き読み出しすることが可能であるものとする。図７の（ａ）、（ｂ）において、斜線の引かれた画素が読み出される画素であり、焦点検出用画素は、間引き読み出し時に読み出される行及び列に配置する。
【００４５】
また、焦点検出用の画素が撮像用に使用できないことを考慮して、本実施の形態では、焦点検出用画素が、水平方向及び垂直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ている。また、画像の劣化が目立ちにくくなるように、上述したようにＧ画素部分には焦点検出用の画素を配置しないことが好ましい。本実施の形態では、図７（ａ）に示すように、１２×２４画素のブロック内に、４組の画素ＳＡ及び画素ＳＢが配置されている高密度のブロックを第１の配置とする。更に、図７（ｂ）に示すように、１２×２４画素のブロック内に、２組の画素ＳＡ及び画素ＳＢが配置されている、第１の配置よりも低密度のブロックを第２の配置とする。第１の配置及び第２の配置は、それぞれ１ブロックで画素配置パターンが完結するように構成されている。
【００４６】
図７（ａ）は、撮像用画素群に対して、図７（ｂ）よりも高密度に焦点検出用画素が配置されているため、焦点検出能力は高いが、撮像画素が少ないため画質劣化への影響は大きい。画質劣化への影響として、先行技術文献として挙げた特許文献２の課題がある。特許文献２によると、通常の撮像画素群の内、一部の画素を機能画素とすることにより、焦点検出用画素の周辺に配置された通常の撮像画素の出力が変化するという課題である。
【００４７】
図８は、本実施の形態における、全撮像画面に対する焦点検出用画素を含むブロックの配置を示す領域配置図である。図８において、撮像素子１０７における有効画素領域８０１は、記録される画像を生成するための画像信号を得る撮像用画素が配置されている領域を示している。図８の中央部に示した領域８０２は、焦点検出領域（第１の領域）を示しており、図７（ａ）に示した焦点検出用画素が高密度（第１の混入比率）に含まれる第１の配置の画素ブロックが、水平及び垂直方向に連続的に配置されている。また、領域８０２の周辺の領域８０３（第３の領域）には、図７（ｂ）に示した焦点検出用画素が低密度（第２の混入比率）に含まれる第２の配置の画素ブロックが、水平及び垂直方向に連続的に配置されている。
【００４８】
図８に示すように、通常の撮像用画素に対する焦点検出用画素の配置密度を段階的に低下させることで、焦点検出用画素の配置領域と非配置領域（第２の領域）の境界において画質劣化をより目立たなくすることが可能になる。また、焦点検出用画素の配置領域を円形状に配置し、光軸中心と合わせることで、レンズの光学的な収差が合わさるため、撮影画像上での画質劣化をさらに目立たなくすることが可能になる。
【００４９】
なお、本実施の形態では、焦点検出用画素を含む領域を画面中央部に配置しているが、これは、光学条件が良く、比較的高い焦点検出精度が得られる領域に限定しているためである。
【００５０】
また、本実施の形態では、焦点検出用画素を含む領域を撮像画面の中央部の円形状の領域に配置したが、本発明はこの配置に限定されるものではない。例えば、焦点検出用画素を含む領域を複数の領域に離散的に配置した場合や、矩形、十字等の形で焦点検出領域を構成してもよい。このように構成した場合も、焦点検出用画素の混入比率を段階的に変えることで焦点検出用画素の配置領域と非配置領域の境界における画質劣化がより目立たなくすることが可能である。
【００５１】
また、本実施の形態では、焦点検出用画素のブロック配置パターンを２種類で説明したが、複数種類のブロック配置パターンで構成した場合も適用可能である。また、静止画用の全画素読み出し時に焦点検出用画素の混入比率を段階的に変えることでも同様の効果が得られることは明らかなため、本発明の適用範囲は間引き読み出しに限定されない。
【００５２】
更に、本実施の形態では、焦点検出用画素ＳＡ及びＳＢを１組として、位相差を求めるための画像信号を取得する場合について説明したが、焦点検出用画素の構成は、これに限るものではない。例えば、１つの焦点検出用画素が複数の光電変換領域を有し、それぞれの光電変換領域から独立に読み出しできるように構成することにより、撮影光学系の異なる瞳領域を通過した被写体光に基づく、位相差を有する複数の画像を取得することができる。
【００５３】
上記の通り、本実施の形態によれば、通常の撮像画素に対する焦点検出用画素の混入比率が段階的に低下するように、異なる混入比率の焦点検出用画素を含む領域を配置する。これにより、焦点検出用画素の配置領域と非配置領域の境界における画質劣化をより目立たないようにすることができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像素子の撮像画面を構成する画素領域において、
光学系の異なる瞳領域を通った光束をそれぞれ独立に受光して得られた画像信号をそれぞれ出力することのできる複数の焦点検出用画素が、予め決められた第１の混入比率で混入された第１の領域と、
前記焦点検出用画素が混入されていない第２の領域と、
前記第１の領域と前記第２の領域との間の領域であって、前記第１の領域から前記第２の領域に向けて、前記第１の混入比率から段階的に混入比率が低下するように複数の前記焦点検出用画素が混入された第３の領域と
を有することを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
前記第３の領域では、前記第１の混入比率よりも低い第２の混入比率で、複数の前記焦点検出用画素が混入されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記第１の領域及び第２の領域が、前記撮像素子の撮像画面の中央部に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像素子。
【請求項４】
前記撮像素子は、間引き読み出しが可能であって、前記焦点検出用画素は、間引き読み出し時に読み出される画素の位置に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項５】
前記撮像素子の各画素はカラーフィルタにより覆われており、前記焦点検出用画素は、前記カラーフィルタの配列により色情報を取得するための画素と置き換えられて配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項６】
光学系と、
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像素子と、
前記撮像素子の焦点検出用画素から得られた、前記異なる瞳領域を通った光束それぞれに対応する画像信号の位相差に基づいて、デフォーカス量を検出する焦点検出手段と、
前記焦点検出手段により得られた前記デフォーカス量に基づいて、前記光学系を制御することにより、焦点を調節する制御手段と
を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項１】
撮像素子の撮像画面を構成する画素領域において、
光学系の異なる瞳領域を通った光束をそれぞれ独立に受光して得られた画像信号をそれぞれ出力することのできる複数の焦点検出用画素が、予め決められた第１の混入比率で混入された第１の領域と、
前記焦点検出用画素が混入されていない第２の領域と、
前記第１の領域と前記第２の領域との間の領域であって、前記第１の領域から前記第２の領域に向けて、前記第１の混入比率から段階的に混入比率が低下するように複数の前記焦点検出用画素が混入された第３の領域と
を有することを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
前記第３の領域では、前記第１の混入比率よりも低い第２の混入比率で、複数の前記焦点検出用画素が混入されていることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記第１の領域及び第２の領域が、前記撮像素子の撮像画面の中央部に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像素子。
【請求項４】
前記撮像素子は、間引き読み出しが可能であって、前記焦点検出用画素は、間引き読み出し時に読み出される画素の位置に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項５】
前記撮像素子の各画素はカラーフィルタにより覆われており、前記焦点検出用画素は、前記カラーフィルタの配列により色情報を取得するための画素と置き換えられて配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像素子。
【請求項６】
光学系と、
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像素子と、
前記撮像素子の焦点検出用画素から得られた、前記異なる瞳領域を通った光束それぞれに対応する画像信号の位相差に基づいて、デフォーカス量を検出する焦点検出手段と、
前記焦点検出手段により得られた前記デフォーカス量に基づいて、前記光学系を制御することにより、焦点を調節する制御手段と
を有することを特徴とする撮像装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−７６９５０（Ｐ２０１３−７６９５０Ａ）
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１８３２２（Ｐ２０１１−２１８３２２）
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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