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カテゴリー:日本 - 電気 ( 世界での技術分布を見る )

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技術 撮像素子および撮像装置

出願人 発明者
出願日 2008年11月27日 (5年11ヶ月経過) 出願番号 2008-302972
公開日 2010年6月10日 (4年4ヶ月経過) 公開番号 2010-129783
登録日 2011年11月11日 (2年11ヶ月経過) 登録番号 4858529
特許期限 2028年11月27日 (残14年0ヶ月) 状態 特許維持
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図面 (1)

以下の情報は公開日時点(2011年11月11日)のものです。

課題

瞳分割型位相差検出方式焦点検出機能備え撮像装置において、同一受光条件における撮像画素の適切な信号出力に対して、焦点検出画素の信号出力が飽和する確率を低減し、焦点検出を可能とする。

解決手段

焦点検出画素313、314において、マイクロレンズ10と光電変換部13、14との間に配置したNDフィルター(ニュートラルデンシティフィルター)34により、焦点検出画素313、314の信号出力が撮像画素の信号出力よりも小さくなるようにする。NDフィルター34は、可視光のほぼ全波長領域の光を透過する。これにより、焦点検出性能が向上する。

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背景

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光学系を通過する一対の光束が形成する一対の像に対応した一対の像信号生成する複数個焦点検出画素配列を、焦点検出画素と同じ画素サイズ撮像画素の配列に混在させた撮像手段を備え、撮像画素の出力により画像信号を生成するとともに、焦点検出画素が生成する前記一対の像信号のズレ量に基づいて、光学系の焦点調節状態検出する、いわゆる瞳分割型位相差検出方式焦点検出機能を備えた撮像装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。 特開平1−216306号公報

概要

瞳分割型位相差検出方式の焦点検出機能を備えた撮像装置において、同一受光条件における撮像画素の適切な信号出力に対して、焦点検出画素の信号出力が飽和する確率を低減し、焦点検出を可能とする。焦点検出画素313、314において、マイクロレンズ10と光電変換部13、14との間に配置したNDフィルター(ニュートラルデンシティフィルター)34により、焦点検出画素313、314の信号出力が撮像画素の信号出力よりも小さくなるようにする。NDフィルター34は、可視光のほぼ全波長領域の光を透過する。これにより、焦点検出性能が向上する。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項

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請求項1

第1マイクロレンズと、可視光の中の特定の波長領域の光を通す色フィルターと、前記第1マイクロレンズと前記色フィルターとを介した光を受光する第1光電変換手段と、前記第1光電変換手段で光電変換された電気信号増幅して出力する第1信号出力部とを有し、光学系が形成する光像に対応する出力信号生成する異なる分光感度特性を有する複数種類複数撮像画素と、第2マイクロレンズと、前記第2マイクロレンズを介した光を受光する第2光電変換手段と、前記第2光電変換手段で光電変換された電気信号を増幅して出力する第2信号出力部とを有し、前記光学系を通過する1対の光束が形成する1対の像に対応した1対の出力信号を生成する複数の焦点検出画素と、同一受光条件における前記焦点検出画素の信号レベルと前記撮像素子の信号レベルとについて、前記焦点検出画素の信号レベルが前記撮像画素の信号レベルよりも小さくなるように調整する調整手段とを備え、前記複数の撮像画素と前記複数の焦点検出画素とは2次元的に配置されていることを特徴とする撮像素子。

請求項2

請求項1に記載された撮像素子において、前記調整手段は、前記第2光電変換手段に入射する光量を減少させる減光手段であることを特徴とする撮像素子。

請求項3

請求項2に記載された撮像素子において、前記減光手段は、前記第2マイクロレンズと前記第2光電変換手段との間に配置された減光フィルタであり、前記減光フィルタは、可視光のほぼ全波長領域の光を透過することを特徴とする撮像素子。

請求項4

請求項2に記載された撮像素子において、前記減光手段は、前記第2マイクロレンズと前記第2光電変換手段との間に配置された遮光部材であり、前記遮光部材は、前記第2光電変換手段に入射する光束の一部を遮光することを特徴とする撮像素子。

請求項5

請求項2に記載された撮像素子において、前記減光手段は、前記焦点検出画素に設けられたビームスプリッターであり、前記ビームスプリッターは、前記第2光電変換手段に入射する光束の一部を前記第2光電変換手段以外に偏向することを特徴する撮像素子。

請求項6

請求項1に記載された撮像素子において、前記調整手段は、前記第2信号出力部の増幅度を前記第1信号出力部の増幅度よりも小さく定めることよって、前記同一の受光条件における前記焦点検出画素の信号レベルと前記撮像画素の信号レベルとを調整することを特徴する撮像素子。

請求項7

請求項1に記載された撮像素子において、前記調整手段は、前記第2光電変換手段の量子効率を前記第1光電変換手段の量子効率よりも小さく定めることよって、前記同一の受光条件における前記焦点検出画素の信号レベルと前記撮像画素の信号レベルとを調整することを特徴する撮像素子。

請求項8

請求項1に記載された撮像素子において、前記調整手段は、前記第2光電変換手段の電荷蓄積時間を前記第1光電変換手段の電荷蓄積時間よりも小さく定める電荷蓄積時間制御手段であることを特徴とする撮像素子。

請求項9

請求項1に記載された撮像素子において、前記調整手段は、前記同一の受光条件における前記焦点検出画素の信号レベルと前記撮像画素の信号レベルとについて、前記焦点検出画素の信号レベルが前記撮像画素の信号レベルの略75%以下になるように調整することを特徴とする撮像素子。

請求項10

請求項1に記載された撮像素子において、前記撮像画素と前記焦点検出画素とは正方格子状に配置されており、前記第1マイクロレンズの開口形状と前記第2マイクロレンズの開口形状とは同一であることを特徴とする撮像素子。

請求項11

請求項10に記載された撮像素子において、前記第1マイクロレンズおよび前記第2マイクロレンズの開口形状は矩形であることを特徴とする撮像素子。

請求項12

請求項1に記載された撮像素子において、前記複数種類の撮像画素は、赤画素緑画素、および青画素であり、ベイヤー配列されることを特徴とする撮像素子。

請求項13

請求項1〜12に記載された撮像素子と、前記撮像画素の信号出力に基づき、前記光像に関する画像データを生成する画像生成手段と、前記焦点検出画素の信号出力に基づき前記光学系の焦点調節状態検出する焦点検出手段とを備えることを特徴とする撮像装置

請求項14

請求項13に記載の撮像装置において、前記画像生成手段は、前記焦点検出画素上に形成された前記光像に関する画素データを前記焦点検出画素のデータと前記焦点検出画素の周囲の前記撮像画素のデータとにより補間して生成する補間手段を有することを特徴とする撮像装置。

詳細

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技術分野

0001

本発明は、撮像素子および撮像装置に関する。


背景技術

0002

光学系を通過する一対の光束が形成する一対の像に対応した一対の像信号生成する複数個焦点検出画素配列を、焦点検出画素と同じ画素サイズ撮像画素の配列に混在させた撮像手段を備え、撮像画素の出力により画像信号を生成するとともに、焦点検出画素が生成する前記一対の像信号のズレ量に基づいて、光学系の焦点調節状態検出する、いわゆる瞳分割型位相差検出方式焦点検出機能を備えた撮像装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。 特開平1−216306号公報


発明が解決しようとする課題

0003

しかしながら上述した撮像装置においては、撮像画素と焦点検出画素の構成が異なるため、同一露光時間露光した場合に撮像画素の出力は飽和しなくても焦点検出画素の出力が飽和してしまい、焦点検出が不能になってしまう場合があった。例えば電子ビューファインダーに撮像画素の出力を表示しながら同時に焦点検出を行うような場合には、焦点検出画素の出力が飽和しないように露光時間を短くすると撮像画素の出力が不足して暗い画像になってしまうので、撮像画素の出力が適切になるように露光時間を制御するが、このような場合には焦点検出画素の出力が飽和してしまい焦点検出不能になることがあった。


課題を解決するための手段

0004

請求項1の発明による撮像素子は、第1マイクロレンズと、可視光の中の特定の波長領域の光を通す色フィルターと、第1マイクロレンズと色フィルターとを介した光を受光する第1光電変換手段と、第1光電変換手段で光電変換された電気信号増幅して出力する第1信号出力部とを有し、光学系が形成する光像に対応する出力信号を生成する異なる分光感度特性を有する複数種類複数の撮像画素と、第2マイクロレンズと、第2マイクロレンズを介した光を受光する第2光電変換手段と、第2光電変換手段で光電変換された電気信号を増幅して出力する第2信号出力部とを有し、光学系を通過する1対の光束が形成する1対の像に対応した1対の出力信号を生成する複数の焦点検出画素と、同一の受光条件における焦点検出画素の信号レベルと撮像素子の信号レベルとについて、焦点検出画素の信号レベルが撮像画素の信号レベルよりも小さくなるように調整する調整手段とを備え、複数の撮像画素と複数の焦点検出画素とは2次元的に配置されていることを特徴とする。 請求項13の発明による撮像装置は、請求項1等の発明による撮像素子と、撮像画素の信号出力に基づき、光像に関する画像データを生成する画像生成手段と、焦点検出画素の信号出力に基づき光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出手段とを備えることを特徴とする。


発明の効果

0005

本発明によれば、撮像画素の信号出力レベルより焦点検出画素の信号出力レベルを小さくできるので、焦点検出画素の出力が飽和して焦点検出が不能になる状況を減少させることができる。


発明を実施するための最良の形態

0006

本発明の一実施の形態の撮像素子および撮像装置を説明する。図1は一実施の形態の撮像素子を搭載したレンズ交換式デジタルスチルカメラの構成を示す横断面図である。一実施の形態のデジタルスチルカメラ201は交換レンズ202とカメラボディ203から構成され、種々の交換レンズ202がマウント部204を介してカメラボディ203に装着される。

0007

交換レンズ202はレンズ209、ズーミング用レンズ208、フォーカシング用レンズ210、絞り211、レンズ駆動制御装置206などを備えている。レンズ駆動制御装置206は不図示のマイクロコンピューターメモリ駆動制御回路などから構成され、フォーカシング用レンズ210の焦点調節と絞り211の開口径調節のための駆動制御や、ズーミング用レンズ208、フォーカシング用レンズ210および絞り211の状態検出などを行う他、後述するボディ駆動制御装置214との通信によりレンズ情報送信カメラ情報受信を行う。絞り211は、光量およびボケ量調整のために光軸中心に開口径が可変開口を形成する。

0008

カメラボディ203は撮像素子212、ボディ駆動制御装置214、液晶表示素子駆動回路215、液晶表示素子216、接眼レンズ217、メモリカード219などを備えている。撮像素子212には、撮像画素が二次元状に配置されるとともに、焦点検出位置に対応した部分に焦点検出画素が組み込まれている。この撮像素子212については詳細を後述する。

0009

ボディ駆動制御装置214はマイクロコンピューター、メモリ、駆動制御回路などから構成され、撮像素子212の駆動制御と画像信号および焦点検出信号読み出しと、焦点検出信号に基づく焦点検出演算と交換レンズ202の焦点調節を繰り返し行うとともに、画像信号の処理記録カメラ動作制御などを行う。また、ボディ駆動制御装置214は電気接点213を介してレンズ駆動制御装置206と通信を行い、レンズ情報の受信とカメラ情報(デフォーカス量や絞り値など)の送信を行う。

0010

液晶表示素子216は電気的ビューファインダーEVF:Electronic View Finder)として機能する。液晶表示素子駆動回路215は撮像素子212によるスルー画像を液晶表示素子216に表示し、撮影者は接眼レンズ217を介してスルー画像を観察することができる。メモリカード219は、撮像素子212により撮像された画像を記憶する画像ストレージである。

0011

交換レンズ202を通過した光束により、撮像素子212の受光面上に被写体像が形成される。この被写体像は撮像素子212により光電変換され、画像信号と焦点検出信号がボディ駆動制御装置214へ送られる。

0012

ボディ駆動制御装置214は、撮像素子212の焦点検出画素からの焦点検出信号に基づいてデフォーカス量を算出し、このデフォーカス量をレンズ駆動制御装置206へ送る。また、ボディ駆動制御装置214は、撮像素子212からの画像信号を処理して画像データを生成し、メモリカード219に格納するとともに、撮像素子212からのスルー画像信号を液晶表示素子駆動回路215へ送り、スルー画像を液晶表示素子216に表示させる。さらに、ボディ駆動制御装置214は、レンズ駆動制御装置206へ絞り制御情報を送って絞り211の開口制御を行う。

0013

レンズ駆動制御装置206は、フォーカシング状態、ズーミング状態、絞り設定状態、絞り開放F値などに応じてレンズ情報を更新する。具体的には、ズーミング用レンズ208とフォーカシング用レンズ210の位置と絞り211の絞り値を検出し、これらのレンズ位置と絞り値に応じてレンズ情報を演算したり、あるいは予め用意されたルックアップテーブルからレンズ位置と絞り値に応じたレンズ情報を選択する。

0014

レンズ駆動制御装置206は、受信したデフォーカス量に基づいてレンズ駆動量を算出し、レンズ駆動量に応じてフォーカシング用レンズ210を合焦位置へ駆動する。また、レンズ駆動制御装置206は受信した絞り値に応じて絞り211を駆動する。

0015

図2は、交換レンズ202の撮影画面上における焦点検出位置を示す図であり、後述する撮像素子212上の焦点検出画素列が焦点検出の際に撮影画面上で像をサンプリングする領域焦点検出エリア、焦点検出位置)の一例を示す。この例では、矩形の撮影画面100上の中央および左右の3箇所に焦点検出エリア101〜103が配置される。長方形で示す焦点検出エリア101〜103は、撮影画面100において垂直方向に延在し、各焦点検出エリア長手方向に焦点検出画素が直線的に配列される。

0016

撮像素子212の詳細な構成について説明する前に、特許文献1に開示されている瞳分割型位相差検出方式の原理について、図3を用いて説明する。

0017

撮像面110上に焦点検出画素111が複数配列される。焦点検出画素111はマイクロレンズ112と一対の光電変換部113,114から構成される。一対の光電変換部113,114はマイクロレンズ112により撮像面110から前方距離dにある測距瞳面120に投影され、一対の測距瞳123,124が形成される。逆に言うと、撮像面110から前方の距離dにある測距瞳面120上を通過する光束のうち測距瞳123の光束が、焦点検出画素111の光電変換部113により受光され、測距瞳面120上を通過する光束のうち測距瞳124の光束が、焦点検出画素111の光電変換部114により受光される。焦点検出画素111の配列の光電変換部113の系列の像信号と、光電変換部114の系列の像信号との相対的なズレ量(位相差像ズレ量)は、撮像面上に像を形成する光学系の焦点調節状態に応じて変化するので、このズレ量を焦点検出画素が生成する一対の像信号を演算処理することによって求めれば、光学系の焦点調節状態を検出することができる。

0018

ところで上記一対の測距瞳123,124は一対の光電変換部113,114を単純に投影した分布とはならず、マイクロレンズ111の開口径(画素サイズと略一致)に応じた光の回折効果により、ボケを生じて裾野を引いた分布となる。図3において一対の測距瞳123,124の並び方向垂直な方向のスリットを用いて一対の測距瞳123,124を並び方向に走査すると、一対の測距瞳分布133,134が得られる。上記回折効果により一対の測距瞳分布133,134は隣接した部分で互いに重畳部135を有する。測距瞳分布133あるいは134の全体に対して、重畳部135の割合が増えるほど、一対の測距瞳123,124の分離不完全となり、焦点検出性能は低下する。特に光学系の絞り値F値が大きく、絞り開口径が小さくなってきた場合には、光学系を透過した一対の光束は、一対の測距瞳123,124内の光軸近傍の領域を通過して焦点検出画素111に入射する。このため、焦点検出に用いる一対の光束の分離が不完全になるので、焦点検出性能が低下したり、焦点検出が不能になってしまう。

0019

表1は光学系の絞りF値と回折による点像分布広がり直径との関係を示したものであって、エアリーディスクの式(点像の直径=1.22×2×波長×F値とし、波長=500nmとした場合)より求めたものである。明るい光学系(絞りF値が小さい)に対しては点像の直径がμmオーダーとなるために、撮像画素の画素サイズは点像の直径以下にすることにより、解像度の向上が期待できる。

0020

一方前述したように、画素サイズが小さくなると回折の影響が増大して測距瞳の分離が不完全になるために、焦点検出性能は低下する。

0021

表2は画素サイズ(円形マイクロレンズの開口径D)と図3の距離dを一対の測距瞳分布の重畳部135の寸法xで除して求めた重畳部135に対応するF値との関係を示したものであって、エアリーディスクの式(F=D/(1.22×2×波長)とし、波長=500nmとした場合)より求めたものである。画素サイズ7μm以下においては重畳部135のF値が5.7以下となる。

0022

多くのカメラ用交換レンズの開放F値がF5.6と設定されているので、これらの交換レンズを使用した場合には、焦点検出画素の画素サイズを7μm以下とすると、F5.6の開口を通る一対の焦点検出光束が全体に亘って重畳するため、焦点検出性能の低下が顕在化してくる。さらに焦点検出画素の画素サイズを4μm以下とすると、略F2.8の開口を通る一対の焦点検出光束が全体に亘って重畳するため、焦点検出性能の低下が顕著になる。

0023

図4は撮像素子212の詳細な構成を示す正面図であり、撮像素子212上の焦点検出エリア101の近傍を拡大して示す。撮像素子212には撮像画素310が二次元正方格子状に稠密に配列される。撮像画素310は赤画素(R)、緑画素(G)、青画素(B)からなり、ベイヤー配列配置規則によって配置されている。焦点検出エリア101に対応する位置には撮像画素と同一の画素サイズを有する焦点検出用の焦点検出画素313と314が交互に、本来緑画素と青画素が連続的に配置されるべき垂直方向の直線上連続して配列される。

0024

図5は撮像画素と焦点検出画素のマイクロレンズの形状を示す図であって、マイクロレンズ10は、画素サイズより大きな円形のマイクロレンズ9から画素サイズに対応した正方形の形状で切り出した形状をしており、マイクロレンズ10の光軸を通る対角線の方向の断面10Aとマイクロレンズ10の光軸を通る水平線の方向の断面10Bとはそれぞれ図5に示す形状になっている。

0025

このようにマイクロレンズの形状を矩形(正方形)にすることにより、上述の回折効果による測距瞳の広がりを減少させ、焦点検出性能を向上させることができるが、同じ画素サイズの円形レンズの場合よりも開口面積が増大するので焦点検出画素の出力は矩形マイクロレンズの場合のほうが増大してしまう。

0026

撮像画素と焦点検出画素の画素サイズは3μである。なお、図示を省略するが、焦点検出エリア102、103の近傍の構成も図4に示す構成と同様である。

0027

撮像画素310は、図6(a)に示すように矩形のマイクロレンズ10、後述の遮光マスク受光領域制限された光電変換部11、および色フィルター(不図示)を有している。色フィルターは赤(R)、緑(G)、青(B)の3種類からなり、それぞれの分光感度は図7に示す特性になっている。撮像素子212には、各色フィルターを備えた撮像画素310がベイヤー配列されている。

0028

焦点検出画素313は、図6(b)に示すように矩形のマイクロレンズ10と後述の遮光マスクで受光領域を制限された光電変換部13、およびNDフィルター(不図示)とから構成され、遮光マスクで受光領域を制限された光電変換部13の形状は矩形である。また、焦点検出画素314は、図6(c)に示すように矩形のマイクロレンズ10と後述の遮光マスクで受光領域を制限された光電変換部14、および後述するNDフィルター(不図示)とから構成され、撮像画素310の遮光マスクよりも開口部の小さな遮光マスクで受光領域を制限された光電変換部14の形状は矩形である。焦点検出画素313と焦点検出画素314とをマイクロレンズ10を重ね合わせて表示すると、遮光マスクで受光領域を制限された光電変換部13と14が垂直方向に並んでいる。

0029

図9は撮像画素310の断面図である。撮像画素310では撮像用の光電変換部11の上に近接して遮光マスク30が形成され、光電変換部11は、遮光マスク30の開口部30aを通過した光を受光する。遮光マスク30の上には平坦化層31が形成され、その上に色フィルター38が形成される。色フィルター38の上には平坦化層32が形成され、その上にマイクロレンズ10が形成される。マイクロレンズ10により開口部30aの形状が前方に投影される。光電変換部11は半導体回路基板29上に形成される。

0030

図10は焦点検出画素313、314の断面図である。焦点検出画素313、314では焦点検出用の光電変換部13,14の上に近接して遮光マスク30が形成され、光電変換部13,14は、遮光マスク30の開口部30b、30cを通過した光を受光する。遮光マスク30の上には平坦化層31が形成され、その上にNDフィルター(ニュートラルデンシティフィルター)34が形成される。NDフィルター34の上には平坦化層32が形成され、その上にマイクロレンズ10が形成される。マイクロレンズ10により開口部30b、30cの形状が前方に投影される。光電変換部13,14は半導体回路基板29上に形成される。

0031

上述のように、焦点検出画素313、314には全ての色に対して焦点検出を行うために色フィルターが設けられておらずその代わりに入射光量を減ずるNDフィルター34が設けられており、その分光特性は図8に示す特性となる。つまり、図7に示す緑画素、赤画素および青画素の分光特性を加算したような分光特性となり、その感度光波長領域は緑画素、赤画素および青画素の感度の光波長領域を包括している。NDフィルター34の濃度は、白色光で撮像素子212を照射した場合に、例えば焦点検出画素313,314の出力レベルが撮像画素310のうちの緑画素の出力レベルに対し3/4(75%)以下となるように定められる。これは、以下に説明するNDフィルター34の働きによるものである。

0032

NDフィルター34の第1の働きは次の通りである。上述したように、撮像画素310には図7に示す分光感度を有する色フィルター38が存在する。したがって、この色フィルター38によって光電変換部11への入射光量が低減される。他方、焦点検出画素313,314には色フィルターが存在せず上述のような入射光量の低減が生じないため、焦点検出画素313,314の出力レベルが撮像画素310の出力レベルを上回るおそれがある。これを防止する為に焦点検出画素のNDフィルター34は、光電変換部13,14への入射光量を低減する。

0033

NDフィルター34の第2の働きは次の通りである。画面上像高が高い領域(焦点検出エリア102,103)において焦点検出光束のケラレが発生し、一対の焦点検出画素313,314の出力バランス崩れ、一方の焦点検出画素の出力レベルが上昇した場合においても撮像画素310のうちの緑画素の出力レベルを上回らないようにする。

0034

焦点検出画素313、314は、ベイヤー配列の配置規則によれば撮像画素310のBとGが配置されるべき列に配置されている。これは、焦点検出画素313,314の位置における画像信号を求めるための補間処理において補間誤差が生じた場合に、人間視覚特性上、赤画素の補間誤差に比較して青画素の補間誤差の方が目立たないためである。

0035

撮像画素310は、マイクロレンズ10によって最も明るい交換レンズの射出瞳径(例えばF1.0)を通過する光束を、光電変換部11がすべて受光するような形状に設計される。また、焦点検出画素313、314は、マイクロレンズ10によって交換レンズの射出瞳の一対の所定の領域を通過する一対の焦点検出光束を、光電変換部13,14がそれぞれ受光するような形状に設計される。

0036

図11は、マイクロレンズを用いた瞳分割型位相差検出方式の焦点検出光学系の構成を示す。なお、焦点検出画素の部分は拡大して示す。図11において、射出瞳90は、交換レンズ202(図1参照)の予定結像面に配置されたマイクロレンズから前方に距離dの位置に設定されている。この距離dは、マイクロレンズの曲率屈折率、マイクロレンズと光電変換部との間の距離などに応じて決まる距離であって、この明細書では測距瞳距離と呼ぶ。図11には他に、交換レンズの光軸91、マイクロレンズ10、光電変換部13、14、焦点検出画素313、314、撮影光束71、焦点検出光束73、74が示されている。

0037

測距瞳93は、開口部30bの領域がマイクロレンズ10により投影されたものである。同様に、測距瞳94は、開口部30cの領域がマイクロレンズ10により投影されたものである。図11では、説明を解りやすくするために測距瞳93,94を明瞭な領域で示しているが、実際には開口部30b、30cの形状が拡大投影されるとともに回折によりぼやけた形状になる。

0038

図11では、撮影光軸に隣接する5つの焦点検出画素を模式的例示しているが、焦点検出エリア101のその他の焦点検出画素および撮像画素においても、また画面周辺部の焦点検出エリア102、103の焦点検出画素においても、各光電変換部はそれぞれ対応した測距瞳93、94から各マイクロレンズ到来する光束を受光するように構成されている。焦点検出画素の配列方向は一対の測距瞳の並び方向、すなわち一対の光電変換部の並び方向と一致させる。

0039

マイクロレンズ10は交換レンズ202(図1参照)の予定結像面近傍に配置されており、マイクロレンズ10により光電変換部13、14に近接して配置された開口部30b、30cの形状がマイクロレンズ10から測距瞳距離dだけ離間した射出瞳90上に投影され、その投影形状は測距瞳93,94を形成する。

0040

光電変換部13は測距瞳93を通過し、焦点検出画素313のマイクロレンズ10に向かう光束73によりマイクロレンズ10上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。また、光電変換部14は測距瞳94を通過し、焦点検出画素314のマイクロレンズ10に向う光束74によりマイクロレンズ10上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。

0041

上述した2種類の焦点検出画素を直線状に多数配置し、各画素の光電変換部の出力を測距瞳93および測距瞳94に対応した出力グループにまとめることによって、測距瞳93と測距瞳94をそれぞれ通過する焦点検出用光束画素列上に形成する一対の像の強度分布に関する情報が得られる。この情報に対して後述する像ズレ検出演算処理(相関演算処理位相差検出処理)を施すことによって、いわゆる瞳分割型位相差検出方式で一対の像の像ズレ量が検出される。さらに、像ズレ量に一対の測距瞳の重心間隔と測距瞳距離比例関係に応じた変換演算を行うことによって、予定結像面に対する現在の結像面(予定結像面上マイクロレンズアレイの位置に対応した焦点検出位置における結像面)の偏差(デフォーカス量)が算出される。

0042

図12は、図4に示す撮像素子212の撮像画素310が受光する撮影光束の様子を図11と比較して説明するための図であって、図11と重複する部分の説明は省略する。

0043

撮像画素310はマイクロレンズ10とその背後に配置された光電変換部11等から構成され、光電変換部11に近接して配置された開口部30a(図9参照)の形状がマイクロレンズ10から測距瞳距離dだけ離間した射出瞳90上に投影され、その投影形状は測距瞳93、94に略外接する領域95を形成する。

0044

光電変換部11は、領域95を通過してマイクロレンズ10へ向かう撮影光束71によってマイクロレンズ11上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。

0045

撮像素子212をCMOSイメージセンサーとして構成した場合の回路構成について述べる。図13は、撮像素子212の回路構成概念図である。

0046

CMOSイメージセンサーにおいては周知のように同一走査ライン画素間電荷蓄積タイミングは同一であるが、異なる走査ラインの画素間の電荷蓄積タイミングは異なる。前述した焦点検出画素配列においては電荷蓄積タイミングが異なると、移動する被写体に対して焦点検出を行った場合、焦点検出画素配列が生成する一対の像の同時性同一性)が崩れることにより、後述する像ズレ検出の際に検出誤差を生じてしまうので、焦点検出画素配列の電荷蓄積タイミングを揃えるために、本実施の形態においては、CMOSイメージセンサーである撮像素子212の走査ラインの方向は図2の焦点検出領域101〜103と同じ方向(矩形画面の短辺方向)に揃えて設定される。ただし、それに限られるものではない。

0047

図13では、撮像素子212の回路構成を、水平方向画素×垂直方向4画素のレイアウトに簡略化している。垂直方向において6列目の2画素目と3画素目に焦点検出画素313、314(○:円で示す2画素)が配列され、撮像画素310(□:正方形で示す画素)がそれ以外の位置に配列される。以下図13の回路の詳細な動作について説明する。

0048

図13においてラインメモリ320は1列分の画素の画素信号サンプルホールドして一時的に保持するバッファであり、信号線Voutに出力されている同一列の画素信号を水平走査回路522が発する制御信号ΦSに基づいて同時にサンプルホールドする。なおラインメモリ320に保持される画素信号は制御信号ΦH1〜ΦH8の立ち上がりに同期してリセットされる。

0049

撮像画素310および焦点検出画素313,314からの画素信号の出力は水平走査回路が発する制御信号(ΦH1〜ΦH8)により列ごと独立に制御される。制御信号(ΦH1〜ΦH8)により選択された列の画素の画素信号は信号線501に出力される。ラインメモリ320に保持された画素信号は垂直走査回路502が発する制御信号(ΦV1〜ΦV4)により、順次出力回路330に転送され、出力回路330で設定された増幅度で増幅されて外部に出力される。撮像画素310は、画素信号がサンプルホールドされた後、リセット回路504が発する制御信号(ΦR1〜ΦR8)によりリセットされ、次回の画素信号のための電荷蓄積を開始する。

0050

図14は撮像画素310および焦点検出画素313,314における1つの光電変換部に対する基本回路構成を示す図である。光電変換部はフォトダイオード(PD)で構成される。PDで蓄積された電荷浮遊拡散層フローティングディフュージョンFD)に蓄積される。FDは増幅MOSトランジスタAMP)のゲートに接続されており、AMPはFDに蓄積された電荷の量に応じた信号を発生する。

0051

FD部はリセットMOSトランジスタSW1を介し、電源電圧Vddに接続されており、制御信号ΦRnによりリセットMOSトランジスタSW1がONすることにより、FDおよびPDに溜まった電荷がクリアされリセット状態となる。AMPの出力は行選択MOSトランジスタSW2を介して垂直出力線Voutに接続されており、制御信号ΦSnにより行選択MOSトランジスタSW2がONすることにより、AMPの出力が垂直出力線Voutに出力される。

0052

図15は、図13に示す撮像素子212の動作タイミングチャートである。1列目の撮像画素310は水平走査回路522が発する制御信号ΦH1により選択され、選択された撮像画素310の画素信号は信号線501に出力される。制御信号ΦH1と同期して発せられる制御信号ΦSにより信号線501に出力された1列目の画素信号はラインメモリ320に一時的に保持される。ラインメモリ320に保持された1列目の撮像画素310の画素信号は垂直走査回路502から順次発せられる制御信号ΦV1〜ΦV4にしたがって出力回路330に転送され、出力回路330で設定された増幅度で増幅されて外部に出力される。

0053

1列目の撮像画素310の画素信号のラインメモリ320への転送が終了した時点で、リセット回路504より発せられる制御信号ΦR1により1列目の撮像画素310がリセットされ、制御信号ΦR1の立ち下がりで1列目の撮像画素の次の電荷蓄積が開始される。1列目の撮像画素310の画素信号の出力回路330からの出力が終了した時点で2列目の撮像画素310は水平走査回路522が発する制御信号ΦH2により選択され、選択された撮像画素310の画素信号は信号線501に出力される。以下同様にして2列目の撮像画素310の画素信号の保持および焦点検出画素313,314のリセット、画素信号の出力および次の電荷蓄積の開始が行われる。

0054

続いて3列目〜8列目の撮像画素310および焦点検出画素313,314の画素信号の保持および撮像画素310および焦点検出画素313,314のリセット、撮像画素310および焦点検出画素313,314の画素信号の出力および次の電荷蓄積の開始が行われる。全ての画素の画素信号の出力が終了すると、再び1列目に戻って上記動作が周期的に繰り返される。また制御信号ΦR1〜ΦR8のパルス幅を変更することにより、撮像画素310および焦点検出画素313,314の電荷蓄積時間(露光時間)を調整することが可能である。

0055

以上のような動作により、撮像素子310の矩形の撮像領域100において画面の下から上に画素が走査され、走査された画素の信号が順次外部に出力されるとともに、走査線が画面左から右に順次移動して全画面の画素の信号を外部に出力する。走査線の方向は矩形画面の短辺方向に一致し、焦点検出画素313,314の配列方向とも一致しているために、同一列に配列した焦点検出画素313,314において電荷蓄積タイミングの同一性を維持することができる。

0056

図16は、一実施の形態のデジタルスチルカメラ(撮像装置)201の撮像動作を示すフローチャートである。ボディ駆動制御装置214は、ステップS100でデジタルスチルカメラ201の電源オンされると、ステップS110以降の撮像動作を開始する。ステップS110において撮像画素のデータ間引き読み出しし、電子ビューファインダーに表示させる。続くステップS120では焦点検出画素列から一対の像に対応した一対の像データ読み出す。なお、焦点検出エリアは、撮影者が焦点検出エリア選択部材(不図示)を用いて焦点検出エリア101〜103の内のいずれかを予め選択しているものとする。

0057

ステップS130では読み出された一対の像データに基づいて後述する像ズレ検出演算処理(相関演算処理、位相差検出処理)を行い、像ズレ量を演算してデフォーカス量に変換する。ステップS140で合焦近傍か否か、すなわち算出されたデフォーカス量の絶対値が所定値以内であるか否かを調べる。合焦近傍でないと判定された場合はステップS150へ進み、デフォーカス量をレンズ駆動制御装置206へ送信し、交換レンズ202のフォーカシングレンズ210を合焦位置に駆動させる。その後、ステップS110へ戻って上述した動作を繰り返す。

0058

なお、焦点検出不能な場合もこのステップに分岐し、レンズ駆動制御装置206へスキャン駆動命令を送信し、交換レンズ202のフォーカシングレンズ210を無限から至近までの間でスキャン駆動させる。その後、ステップS110へ戻って上述した動作を繰り返す。

0059

ステップS140で合焦近傍であると判定された場合はステップS160へ進み、シャッターボタン(不図示)の操作によりシャッターレリーズがなされたか否かを判別する。シャッターレリーズがなされていないと判定された場合はステップS110へ戻り、上述した動作を繰り返す。一方、シャッターレリーズがなされたと判定された場合はステップS170へ進み、レンズ駆動制御装置206へ絞り調整命令を送信し、交換レンズ202の絞り値を制御F値(撮影者または自動により設定されたF値)にする。絞り制御が終了した時点で、撮像素子212に撮像動作を行わせ、撮像素子212の撮像画素310および全ての焦点検出画素313,314から画像データを読み出す。

0060

ステップS180において、焦点検出画素列の各画素位置画素データを焦点検出画素313,314の周囲の撮像画素310のデータと焦点検出画素313,314のデータに基づいて画素補間する。続くステップS190では、撮像画素310のデータおよび補間されたデータからなる画像データをメモリカード219に記憶し、ステップS110へ戻って上述した動作を繰り返す。

0061

図16のステップS130における像ズレ検出演算処理(相関演算処理、位相差検出処理)の詳細について以下説明する。

0062

焦点検出画素313,314が検出する一対の像は、測距瞳93,94がレンズの絞り開口によりけられて光量バランスが崩れている可能性があるので、光量バランスに対して像ズレ検出精度を維持できるタイプ相関演算を施す。焦点検出画素列から読み出された一対のデータ列(A11,・・・,A1M、A21,・・・,A2M:Mはデータ数)に対し本出願人出願に基づく特開2007−333720号公報に開示された相関演算式(1)を行い、相関量C(k)を演算する。

0063

式(1)において、Σ演算はnについて累積される。nのとる範囲は、像シフト量kに応じてA1n、A1n+1、A2n+k、A2n+1+kのデータが存在する範囲に限定される。像シフト量kは整数であり、データ列のデータ間隔単位とした相対的シフト量である。

0064

式(1)の演算結果は、図17(a)に示すように、一対のデータの相関が高いシフト量(図17(a)ではk=kj=2)において相関量C(k)が極小(小さいほど相関度が高い)になる。式(2)〜(5)による3点内挿の手法を用いて相関量を連続的とみなした場合の極小値C(x)を与えるシフト量xを求める。

0065

式(2)で算出されたシフト量xの信頼性があるかどうかは、以下のようにして判定される。図17(b)に示すように、一対のデータの相関度が低い場合は、内挿された相関量の極小値C(x)の値が大きくなる。したがって、C(x)が所定の閾値以上の場合は算出されたシフト量xの信頼性が低いと判定し、算出されたシフト量xをキャンセルする。あるいは、C(x)をデータのコントラスト規格化するために、コントラストに比例した値となるSLOPでC(x)を除した値が所定値以上の場合は、算出されたシフト量xの信頼性が低いと判定し、算出されたシフト量xをキャンセルする。

0066

あるいはまた、コントラストに比例した値となるSLOPが所定値以下の場合は、被写体が低コントラストであり、算出されたシフト量xの信頼性が低いと判定し、算出されたシフト量xをキャンセルする。図17(c)に示すように、一対のデータの相関度が低く、シフト範囲kminからkmaxの間で相関量C(k)の落ち込みがない場合は、極小値C(x)を求めることができず、このような場合は焦点検出不能と判定する。算出されたシフト量xの信頼性があると判定された場合は、式(6)により像ズレ量shftに換算される。

0067

式(6)において、PYは焦点検出画素313、314の画素ピッチの2倍(検出ピッチ)である。式(6)で算出された像ズレ量に所定の変換係数Kdを乗じてデフォーカス量defへ変換する。

0068

上記実施形態においては、焦点検出画素313、314のマイクロレンズの形状を矩形にすることにより回折による焦点検出性能劣化を防止している。焦点検出画素313、314に調整手段としてNDフィルターを配置することにより、マイクロレンズの開口面積増加等により焦点検出画素313、314の出力が増大して撮像画素310の出力を超えることを防止し、同一露光時間において焦点検出画素313、314の出力が撮像画素310の出力の3/4以下になることを保証している。これにより、画面範囲周辺部分に対応する領域において一対の焦点検出光束が不均一にケラレて、一対の焦点検出画素313、314の一方に入射する光束の量が増大するような場合であっても、焦点検出画素313、314の出力が飽和する確率を減少させることができる。

0069

ダイナミックレンジの広い画像においては画面上の一部分に対応する領域において撮像画素310の出力が飽和する場合が発生するが、撮像画素310の出力が飽和レベルを若干超えたような領域においても焦点検出画素313、314の出力はまだ飽和していないので、この領域においても焦点検出が可能になる。

0070

また、焦点検出画素313、314の出力は画素補間処理にも利用されるが、焦点検出光束のケラレにより焦点検出画素313、314の出力が飽和する確率が減少するので、画素補間性能が向上し画像品質が向上する。 《発明の他の実施の形態》

0071

上述した本発明の一実施の形態においては、焦点検出画素313、314にNDフィルターを設けることにより、同一の露光条件において焦点検出画素313、314の信号出力レベルが撮像画素310の信号出力レベルを上回らないように調整しているが、これ以外の手段によって調整するようにしても構わない。

0072

図18は図6(b)に対応する焦点検出画素313の構成を示す図であって、NDフィルターの代わりに光量調整用遮光部材39が追加されている。不図示の焦点検出画素314も同様に構成される。図19は図18に示す焦点検出画素313、314の断面図である。焦点検出用の光電変換部13,14の上に近接して遮光マスク30が形成され、遮光マスク30の開口部30b、30cを通過した光を光線変換部13,14は受光する。遮光マスク30の上には平坦化層31が形成され、その上に遮光部材39が形成される。遮光部材39の上には平坦化層32が形成され、その上にマイクロレンズ10が形成される。マイクロレンズ10により開口部30b、30cの形状が前方に投影される。光電変換部13,14は半導体回路基板29上に形成される。

0073

遮光部材39はマイクロレンズ10に近接して配置され、マイクロレンズ10の光軸近傍を通る光束を遮光する。これにより光量調整が可能になるとともに、アポダイゼーションの効果により開口部30b、30cの投影像の回折にボケを低減することができ、瞳分割性能が向上する。

0074

また焦点検出画素313、314の構成において、マイクロレンズ10から光電変換部13,14に至る光路中ハーフミラービームスプリッター)部材を配置して焦点検出画素313、314に入射する光束の一部を焦点検出画素313、314の外部へ反射することにより、同一の露光条件において焦点検出画素313、314の信号出力レベルが撮像画素310の信号出力レベルを上回らないように調整してもよい。具体的には焦点検出画素313、314のマイクロレンズ10の表面や光電変換部13,14の表面に多層膜等によりハーフミラー機能を備えた薄膜を形成することが可能である。

0075

上述した本発明の各実施の形態においては、光学的な手段を用いて、同一の露光条件において焦点検出画素313、314の信号出力レベルが撮像画素310の信号出力レベルを上回らないように調整しているが、これ以外の手段によって調整するようにしても構わない。

0076

例えば図14に示す画素の回路構成において、焦点検出画素313、314の増幅MOSトランジスタ(AMP)の増幅度を撮像画素310の増幅MOSトランジスタ(AMP)の増幅度より低くすることによって、同一の露光条件において焦点検出画素313、314の信号出力レベルが撮像画素310の信号出力レベルを上回らないように調整することが可能である。

0077

また焦点検出画素313、314の光電変換部13,14の量子効率を撮像画素310の光電変換部11の量子効率より低く設定することにより、同一の露光条件において焦点検出画素313、314の信号出力レベルが撮像画素310の信号出力レベルを上回らないように調整することが可能である。具体的には光電変換部となるフォトダイオード(PN接合)を半導体基板上に形成する際に、その深さをコントロールすることで量子効率をコントロールすることが可能である。

0078

また焦点検出画素313、314の電荷蓄積時間を撮像画素310の電荷蓄積時間より短く設定することにより、同一の露光条件において焦点検出画素313、314の信号出力レベルが撮像画素310の信号出力レベルを上回らないように調整することが可能である。

0079

図20、図21は図13、図15に対応する撮像素子310の回路構成および動作タイミングチャートであり、重複部分の説明は省略する。図20と図13の相違点は、6列目の撮像画素310と焦点検出画素313、314とが、リセット回路504が発する異なる制御信号ΦR6、ΦR6aによりリセットされ、次回の画素信号のための電荷蓄積を開始する点である。

0080

このような構成により、図21に示すように6列目の焦点検出画素313、314のリセットは制御信号ΦR6と同時に立ち上がり、制御信号ΦR6より後に立ち下がる制御信号ΦR6aに制御される。これにより撮像画素310の電荷蓄積時間は制御信号ΦR1〜ΦR8の立下りから立上がりまでの時間T1になるが、焦点検出画素313、314の電荷蓄積時間は制御信号ΦR6aの立下りから立上がりまでの時間T2(時間T1より短い)となり、同一の露光条件において焦点検出画素313、314の信号出力レベルは撮像画素310の信号出力レベルより小さくなる。時間T2は時間T1の3/4以下となるようにリセット回路522にて設定される。

0081

図4に示す撮像素子212では、各画素に1つの光電変換部を有する一対の焦点検出画素313,314を備える例を示したが、ひとつの焦点検出画素内に一対の光電変換部を備えるようにしてもよい。図22は、このような撮像素子212の部分拡大図であり、焦点検出画素311には一対の光電変換部を備える。図23に示す焦点検出画素311は、図6(b)および図6(c)に示す焦点検出画素313と焦点検出画素314のペア相当した機能を果たす。焦点検出画素311は、図23に示すようにマイクロレンズ10と一対の光電変換部13,14から構成される。焦点検出画素311には光量をかせぐために色フィルターは配置されておらず、その分光特性は光電変換を行うフォトダイオードの分光感度と、赤外カットフィルター(不図示)の分光特性とを総合した分光特性(図7参照)となる。つまり、図8に示す緑画素、赤画素および青画素の分光特性を加算したような分光特性となり、その感度の光波長領域は緑画素、赤画素および青画素の感度の光波長領域を包括している。

0082

図24は図23に示した焦点検出画素311の断面図であって、光電変換部13,14の上に近接して遮光マスク30が形成され、遮光マスク30の開口部30dを通過した光を光電変換部13,14は受光する。遮光マスク30の上には平坦化層31が形成され、その上にNDフィルター34が形成される。NDフィルター34の上には平坦化層32が形成され、その上にマイクロレンズ10が形成される。マイクロレンズ10により開口部30dに制限された光電変換部13,14の形状が前方に投影されて、一対の測距瞳を形成する。光電変換部13,14は半導体回路基板29上に形成される。

0083

上述した実施形態においては撮像素子212と光学系の間に光学要素を何も配置していないが、適宜必要な光学要素を挿入することが可能である。例えば赤外カットフィルタ光学的ローパスフィルタやハーフミラーなどを設置してもよい。図4のような撮像素子の構成の場合には光学的ローパスフィルタの高周波カット効果が焦点検出画素の並び方向と垂直な方向より焦点検出画素の並び方向に強く効くように光学的ローパスフィルタの特性を設定することによって、高周波成分を持った像が焦点検出画素の間に入った場合の焦点検出精度に対する悪影響を緩和することができる。

0084

上述した実施形態においては、図9に示す撮像画素310の断面図と、図10および図24に示す焦点検出画素313、314、311の断面図とに示された構成は類似しており、色フィルター38とNDフィルター34との厚さを略等しくすることにより、光電変換部13,14,11とマイクロレンズ10との各距離を等しくすることができる。また、焦点検出画素313、314、311は、撮像画素310における色フィルター38の代わりにNDフィルター34が設けられていることから、撮像画素310および焦点検出画素313、314、311の作製プロセスを略共通化することが可能である。したがって、焦点検出画素313、314、311と撮像画素310とで一体のマイクロレンズアレイを容易に製造し得る。一方、上述したように、焦点検出画素313、314、311にNDフィルター34以外の手段を設けることにより、同一の露光条件において焦点検出画素313、314、311の信号出力レベルが撮像画素310の信号出力レベルを上回らないように調整することが可能である。その場合、焦点検出画素313、314、311に、NDフィルター34の代わりに無色フィルター等を設けることにより、光電変換部13,14,11とマイクロレンズ10との各距離を等しいものとし、撮像画素310および焦点検出画素313、314、311の作製プロセスを略共通化することが可能であることが好ましい。

0085

上述した実施形態における撮像素子212では撮像画素がベイヤー配列の色フィルターを備えた例を示したが、色フィルターの構成や配列はこれに限定されることはなく、補色フィルター(緑:G、イエロー:Ye、マゼンタ:Mg,シアン:Cy)の配列やベイヤー配列以外の配列にも本発明を適用することができる。

0086

また、上述した実施形態における焦点検出画素では、遮光マスクの開口形状を矩形にした例を示したが、遮光マスクの開口形状はこれらに限定されず、他の形状であってもよく、例えば半円形楕円多角形にすることも可能である。

0087

なお、撮像装置としては、上述したようなカメラボディに交換レンズが装着される構成のデジタルスチルカメラやフィルムスチルカメラに限定されない。例えばレンズ一体型のデジタルスチルカメラ、フィルムスチルカメラ、あるいはビデオカメラにも本発明を適用することができる。さらには、携帯電話などに内蔵される小型カメラモジュール監視カメラロボット用視覚認識装置車載カメラなどにも適用できる。


図面の簡単な説明

0088

一実施の形態の撮像素子を搭載したレンズ交換式デジタルスチルカメラの構成を示す横断面図。 交換レンズの撮影画面上における焦点検出位置を示す図。 瞳分割型位相差検出方式の原理について説明する図。 撮像素子の詳細な構成を示す部分拡大正面図。 撮像画素と焦点検出画素のマイクロレンズの形状を示す図。 撮像画素と焦点検出画素の正面図。 緑画素、赤画素および青画素の分光特性を示す図。 焦点検出画素の分光特性を示す図。 撮像画素の断面図。 焦点検出画素の断面図。 マイクロレンズを用いた瞳分割型位相差検出方式の焦点検出光学系の構成を示す図。 撮像画素が受光する撮影光束の様子を示す図。 撮像素子の回路構成を簡略化して示す図。 撮像画素および焦点検出画素における1つの光電変換部に対する基本回路構成を示す図。 撮像素子の動作タイミングチャート。 デジタルスチルカメラの撮像動作を示すフローチャート。 一対のデータのシフト量kに対する相関量C(k)の関係を示す図。 他の実施の形態の撮像素子における焦点検出画素の構成を示す図。 焦点検出画素の断面図。 撮像素子の回路構成を簡略化して示す図。 撮像素子の動作タイミングチャート。 撮像素子の詳細な構成を示す部分拡大正面図。 焦点検出画素の正面図。 焦点検出画素の断面図。


--

0089

100 撮影画面、101〜103、焦点検出エリア、110 撮像面、111 焦点検出画素、112 マイクロレンズ、113、114 光電変換部、120 測距瞳面、123、124 測距瞳、133、134 測距瞳分布、135 重畳部、201 デジタルスチルカメラ、202 交換レンズ、203 カメラボディ、204 マウント部、206 レンズ駆動制御装置、208 ズーミング用レンズ、209 レンズ、210 フォーカシング用レンズ、211 絞り、212 撮像素子、213 電気接点、214 ボディ駆動制御装置、215 液晶表示素子駆動回路、216 液晶表示素子、217 接眼レンズ、219 メモリカード、310 撮像画素、311、313、314 焦点検出画素、320 ラインメモリ、330 出力回路、501 信号線、502 垂直走査回路、504 リセット回路、522 水平走査回路


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