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图像传感器和焦点检测装置
    技术领域 本发明涉及图像传感器和使用图像传感器的图像感测装置中的焦点状态的检测 方法， 所述图像传感器通过使用许多二维排列的光电转换元件能够至少感测静止图像或运 动图像。
     背景技术 在图像感测装置的自动焦点检测 / 调整中， 作为使用穿过成像光学系统的光束的 一般方法， 提出对比度检测方法 ( 称为模糊检测方法 ) 和相位差检测方法 ( 称为散焦检测 方法 )。
     在用于记录运动图像的动画摄影机 ( 便携式摄像机 ) 和电子静物照相机中常常使 用对比度检测方法。图像传感器被用作焦点检测传感器。该方法关注图像传感器的输出信 号， 特别是高频成分信息 ( 对比度信息 )， 并且， 评价值最大化的成像光学系统的位置被设 为对焦 (in-focus) 位置。但是， 由于评价值是在轻微移动成像光学系统时获得的并且需要 移动成像光学系统直到确定评价值最大， 因此该对比度检测方法 ( 也称为爬山检测方法 ) 不适于高速焦点调整操作。
     相位差检测方法在使用卤化银胶片的单镜头反射式照相机中被广泛采用， 并且是 对于 AF( 自动聚焦 ) 单镜头反射式照相机的实用化贡献最大的技术。根据相位差检测方 法， 穿过成像光学系统的出射光瞳的光束被分成两个， 并且， 这两个光束被一对焦点检测传 感器接收。通过检测根据受光量而输出的信号之差 ( 即， 在光束被分割的方向上的相对位 置误差量 )， 直接获得成像光学系统在聚焦方向上的散焦量。 一旦焦点检测传感器执行累积 (accumulation) 操作， 就可得到散焦量和方向以执行高速焦点调整操作。为了将穿过成像 光学系统的出射光瞳的光束分割成两个并获得与这两个光束对应的信号， 一般在图像感测 光路中插入诸如快速返回镜 (quick return mirror) 或半透半反镜之类的光路分割部件， 并且， 在光路分割部件的输出侧布置焦点检测光学系统和 AF 传感器。该结构使得设备庞大 且昂贵。
     为了解决该问题， 还公开了下述技术 ： 向图像传感器添加相位差检测功能， 以除去 专用 AF 传感器并实现高速相位差 AF。
     例如， 在日本专利公开 No.2000-156823 中， 通过使图像传感器的一些受光元件 ( 像素 ) 的受光部分的敏感区域从片上微透镜 (on-chip microlens) 的光轴偏心， 向这些受 光元件 ( 像素 ) 添加光瞳分割功能。这些像素被用作焦点检测像素， 并且以预定的间隔被 布置在图像感测像素之间以执行相位差焦点检测。 由于在布置焦点检测像素的部分处不存 在图像感测像素， 因此通过使用来自周边图像感测像素的信息的内插来生成图像信息。
     在日本专利公开 No.2000-292686 中， 通过将图像传感器的一些像素的受光部分 中的每一个分割成左右或上下两部分， 实现光瞳分割功能。 这些像素被用作焦点检测像素， 并且以预定的间隔被布置在图像感测像素之间以执行相位差焦点检测。 同样， 根据该技术， 在布置焦点检测像素的部分处不存在图像感测像素， 因此， 通过使用来自周边图像感测像
     素的信息的内插来生成图像信息。
     在日本专利公开 No.2001-305415 中， 通过将图像传感器的一些像素的受光部分 中的每一个分割成上下两部分， 提供光瞳分割功能。来自分割的两个受光部分的输出被单 独处理， 以针对在垂直方向上具有亮度分布的对象执行相位差焦点检测。来自分割的两个 受光部分的输出被添加并被用作图像感测信号。并且， 检测在水平方向上彼此相邻的像素 之间的对比度， 以针对在水平方向上具有亮度分布的对象执行对比度焦点检测。
     在日本专利公开 No.2003-153291 中， 每隔图像传感器的一行， 重复布置其受光部 分被分割成左右部分或上下部分的焦点检测元件。通过该布置， 针对在水平和垂直方向上 具有亮度分布的对象实现相位差焦点检测。
     下面将列出当使用图像传感器来执行相位差检测 AF 时应被考虑的条目。关于 AF 性能， 需要满足以下的条目。
     (a) 不管对象的亮度分布的方向如何， 都可检测焦点。 换句话说， 可以沿垂直线、 水 平线和斜线检测焦点。
     (b) 焦点检测图像采样误差非常小， 并且， 焦点检测精度与对象的空间频率和相位 无关。 (c) 可以在任意区域中检测焦点。
     (d) 即使对于明亮度低的对象， 焦点检测图像信号的 S/N 比也是高的， 并且， 焦点 检测精度不降低。
     (e) 焦点检测像素的布置坐标是规则的， 并且， 焦点检测像素信号处理和焦点检测 计算的算法是简单的。
     当生成输出图像时， 焦点检测像素用作异常 (singular) 像素或有缺陷的像素。为 了防止输出图像劣化， 需要满足以下的条目 ：
     (i) 焦点检测像素的数量与图像传感器的像素的总数量之比是小的。
     (ii) 焦点检测像素被均匀地分布。
     (iii) 焦点检测像素的布置坐标是规则的， 并且， 有缺陷像素内插算法是简单的。
     增加焦点检测精度和防止输出图像劣化一般具有折衷 (trade-off) 的关系。需要 先进的技术来满足列出的所有条目同时使它们平衡。但是， 上面提到的常规的技术存在以 下缺点。
     在日本专利公开 No.2000-156823 中公开的技术不能满足条目 (a)、 (c) 和 (ii)， 因为用于在一个方向上分割光瞳的焦点检测像素被局部地并且密集地布置。
     在日本专利公开 No.2000-292686 中公开的技术不能满足条目 (c) 和 (ii)， 因为用 于在水平或垂直方向上分割光瞳的焦点检测像素在特定的焦点检测区域中被密集地布置。
     在日本专利公开 No.2001-305415 中公开的技术不能满足条目 (i)， 因为相位差焦 点检测像素被密集地布置。另外， 该技术不充分满足条目 (a)， 因为在一个方向上的焦点检 测是对比度检测， 并且对于仅在该方向上具有亮度分布的对象来说， 焦点检测能力较差。
     在日本专利公开 No.2003-153291 中公开的技术不能满足条目 (i)， 因为每隔一行 地布置焦点检测像素并且布置密度很高。因此， 难以获得高质量的图像。
     发明内容 为了克服常规的缺陷， 提出本发明， 并且， 本发明的目的是， 使得能够在图像感测 单元的预定单位区域中的任意位置处检测两个方向的相位差， 并且甚至检测仅在一个方向 上具有对比度信息的对象的焦点。
     根据本发明的第一方面， 提供一种图像传感器， 该图像传感器包括 ： 第一焦点检测 像素， 所述第一焦点检测像素在第一方向上分割图像形成光学系统的出射光瞳， 并且接收 光束 ； 和第二焦点检测像素， 所述第二焦点检测像素在与第一方向不同的第二方向上分割 图像形成光学系统的出射光瞳， 并且接收光束， 其中， 第一焦点检测像素和第二焦点检测像 素与一个焦点检测区域对应地被布置， 并且， 第一焦点检测像素和第二焦点检测像素交替 地被布置。
     根据本发明的第二方面， 提供一种具有上面限定的图像传感器的焦点检测装置， 该装置包括焦点检测单元， 所述焦点检测单元合成来自多个焦点检测像素的信号以生成焦 点检测计算信号。
     通过参照附图阅读示例性实施例的以下说明， 本发明的其它特征将变得清晰。
     附图说明 图 1 是根据本发明优选实施例的照相机的布置的图 ；
     图 2 是根据本发明优选实施例的图像传感器的电路图 ；
     图 3 是根据本发明优选实施例的图像传感器的像素部分的断面图 ；
     图 4 是根据本发明优选实施例的图像传感器的驱动时序图 ；
     图 5A 和图 5B 分别是示出根据本发明第一优选实施例的图像传感器的图像感测像 素的平面图和断面图 ；
     图 6A 和图 6B 分别是示出根据本发明第一优选实施例的图像传感器的焦点检测像 素的平面图和断面图 ；
     图 7A 和图 7B 分别是示出根据本发明第一优选实施例的图像传感器的另一焦点检 测像素的平面图和断面图 ；
     图 8 是用于解释用作根据本发明第一优选实施例的图像传感器中的最小单位的 像素阵列的图 ；
     图 9 是用于解释用作根据本发明第一优选实施例的图像传感器中的高一级 (superordinate) 单位的像素阵列的图 ；
     图 10 是用于解释根据本发明第一优选实施例的图像传感器的整个区域中的像素 阵列的图 ；
     图 11 是用于解释根据本发明第一优选实施例的作为 2 维格子的焦点检测像素的 阵列的图 ；
     图 12 是用于解释根据本发明第一优选实施例的横向散焦检测中的像素分组方法 的图 ；
     图 13A ～ 13C 是用于解释根据本发明第一优选实施例的横向散焦检测中的图像采 样特性的图 ；
     图 14 是用于解释根据本发明第一优选实施例的纵向散焦检测中的像素分组方法
     的图 ； 图 15A ～ 15C 是用于解释根据本发明第一优选实施例的纵向散焦检测中的图像采 样特性的图 ；
     图 16 是用于解释根据本发明第一优选实施例的横向散焦检测中的焦点检测区域 设定方法的图 ；
     图 17 是用于解释根据本发明第一优选实施例的交叉式焦点检测中的焦点检测区 域设定方法的图 ；
     图 18 是用于解释根据本发明第一优选实施例的图像传感器的光瞳分割状态的概 念图 ；
     图 19 是用于解释根据本发明第一优选实施例的焦点检测区域的图 ；
     图 20 是根据本发明第一优选实施例的主控制过程的流程图 ；
     图 21 是根据本发明第一优选实施例的焦点检测子过程的流程图 ；
     图 22 是根据本发明第一优选实施例的拍摄子过程的流程图 ；
     图 23 是用于解释用作根据本发明第二优选实施例的图像传感器中的最小单位的 像素阵列的图 ；
     图 24 是用于解释用作根据本发明第二优选实施例的图像传感器中的高一级单位 的像素阵列的图 ；
     图 25 是用于解释根据本发明第二优选实施例的图像传感器的整个区域中的像素 阵列的图 ；
     图 26 是用于解释根据本发明第二优选实施例的作为 2 维格子的焦点检测像素的 阵列的图 ；
     图 27 是用于解释用作根据本发明第三优选实施例的图像传感器中的最小单位的 像素阵列的图 ；
     图 28 是用于解释用作根据本发明第三优选实施例的图像传感器中的高一级单位 的像素阵列的图 ；
     图 29 是用于解释用作根据本发明第四优选实施例的图像传感器中的高一级单位 的像素阵列的图 ；
     图 30 是用于解释根据本发明第四优选实施例的图像传感器的整个区域中的像素 阵列的图 ；
     图 31 是用于解释根据本发明第四优选实施例的作为 2 维格子的焦点检测像素的 阵列的图 ；
     图 32 是用于解释用作根据本发明第五优选实施例的图像传感器中的高一级单位 的像素阵列的图 ；
     图 33 是用于解释根据本发明第五优选实施例的图像传感器的整个区域中的像素 阵列的图 ；
     图 34 是用于解释根据本发明第五优选实施例的作为 2 维格子的焦点检测像素的 阵列的图 ；
     图 35 是用于解释用作根据本发明第六优选实施例的图像传感器中的最小单位的 像素阵列的图 ；
     图 36 是用于解释用作根据本发明第六优选实施例的图像传感器中的高一级单位 的像素阵列的图 ；
     图 37 是用于解释根据本发明第六优选实施例的图像传感器的整个区域中的像素 阵列的图 ；
     图 38 是用于解释根据本发明第六优选实施例的作为 2 维格子的焦点检测像素的 阵列的图 ；
     图 39 是用于解释用作根据本发明第七优选实施例的图像传感器中的最小单位的 像素阵列的图 ；
     图 40 是用于解释用作根据本发明第七优选实施例的图像传感器中的高一级单位 的像素阵列的图 ；
     图 41 是用于解释根据本发明第七优选实施例的图像传感器的整个区域中的像素 阵列的图 ；
     图 42 是用于解释根据本发明第七优选实施例的作为 2 维格子的焦点检测像素的 阵列的图 ；
     图 43 是用于解释根据本发明第七优选实施例的作为 2 维格子的焦点检测像素的 另一阵列的图。 具体实施方式
     以下将描述本发明的优选实施例。
     ( 第一实施例 )
     图 1 ～ 22 是根据本发明第一优选实施例的图。将参照这些图解释第一实施例。
     图 1 是根据本发明优选实施例的照相机的布置的图。图 1 示出通过集成照相机机 身和成像光学系统而被配置的电子照相机， 所述照相机机身具有用作图像感测单元的图像 传感器。在图 1 中， 第一透镜组 101 被布置在成像光学系统 ( 图像形成光学系统 ) 的第一 级 (stage) 上， 并且沿光轴可进退地被保持。光阑 / 快门 102 调整孔径直径， 以调整拍摄时 的光量。光阑 / 快门 102 还用作用于在感测静止图像时调整曝光时间的快门。光阑 / 快门 102 和第二透镜组 103 一起沿光轴进退， 以与第一透镜组 101 的进退操作同步地实现变焦操 作 ( 变焦功能 )。
     第三透镜组 105 沿光轴进退以调整焦点。光学低通滤波器 106 是用于减少感测图像 的伪色 (false color) 和波纹 (moire) 的光学元件。图像传感器 107 包括 C-MOS 传感器及其周 边电路。图像传感器是在芯片 ( 具有水平方向上的 m 个受光像素和垂直方向上的 n 个受光像 素 ) 上形成具有 Bayer 阵列的基色马赛克滤波器 (mosaic filter) 的二维 1CCD 颜色传感器。
     通过在枢轴上转动凸轮镜筒 (cam cylinder)( 未示出 )， 变焦致动器 111 驱动第一 透镜组 101 ～第三透镜组 105 以使其沿光轴进退并执行变焦操作。光阑 / 快门致动器 112 控制光阑 / 快门 102 的孔径直径以调整拍摄时的光量， 并且控制感测静止图像时的曝光时 间。焦点致动器 114 驱动第三透镜组 105 以使其沿光轴进退并调整焦点。
     电子闪光器 115 被用于在拍摄时对对象进行照明。电子闪光器 115 优选为使用氙 管的闪光照明装置， 但也可以是具有连续发光 LED 的照明装置。AF 辅助光单元 116 经由投 影透镜将预定孔径图案的掩蔽图像投影到场 (field) 上， 并且提高对于黑暗对象或低对比度对象的焦点检测能力。
     照相机中的 CPU 121 执行对于照相机机身的各种控制操作。CPU121 包括例如运 算单元、 ROM、 RAM、 A/D 转换器、 D/A 转换器和通信接口电路等。基于存储在 ROM 中的预定程 序， CPU 121 驱动照相机的各个电路以执行诸如 AF、 拍摄、 图像处理和记录之类的一系列操 作。
     电子闪光器控制电路 122 与拍摄操作同步地控制电子闪光器 115 的开启操作。辅 助光驱动电路 123 与焦点检测操作同步地控制 AF 辅助光单元 116 的开启操作， 所述焦点检 测操作检测图像形成光学系统的焦点状态。图像传感器驱动电路 124 控制图像传感器 107 的图像感测操作， 对获取的图像信号进行 A/D 转换， 并将数字数据传送到 CPU121。 图像处理 电路 125 对于通过图像传感器 107 获得的图像执行诸如 γ 转换、 颜色内插和 JPEG 压缩之 类的处理。
     焦点驱动电路 126 基于焦点检测结果进行控制以驱动焦点致动器 114， 并驱动第 三透镜组 105 以使其沿光轴进退， 由此调整焦点。光阑 / 快门驱动电路 128 进行控制以驱 动光阑 / 快门致动器 112， 由此控制光阑 / 快门 102 的孔径。变焦驱动电路 129 根据用户的 变焦操作驱动变焦致动器 111。 显示器 131 例如是 LCD， 并且显示关于照相机的拍摄模式、 拍摄之前的预览图像、 拍摄之后的确认图像、 以及焦点检测时的对焦显示图像等的信息。操作开关 132 包括电源 开关、 释放 ( 拍摄触发器 ) 开关、 变焦操作开关、 以及拍摄模式选择开关等。可拆卸的闪存 133 记录感测的图像。
     图 2 是根据本发明优选实施例的图像传感器的示意性电路图。根据在例如由本发 明的发明人提交的日本专利公开 No.09-046596 中公开的技术来制造图像传感器。 图 2 示出 二维 C-MOS 区域传感器中的 2 列 ×4 行的像素区域。当区域传感器被用作图像传感器时， 各自在图 2 中示出的许多像素被布置为能够获得高分辨率图像。实施例将描述下述数字静 止照相机图像传感器 ： 像素间距为 2μm， 具有关于 3,000 列 ×2,000 行＝ 6,000,000 个像 素的有效像素， 以及图像感测帧大小为宽 6mm× 长 4mm。
     在图 2 中， 由 MOS 晶体管栅极和栅极下面的耗尽层 (depletion layer) 形成光电 转换元件的光电转换部分 1。附图标记 2 表示光栅极 (photogate) ； 3 表示传送开关 MOS 晶 体管。附图标记 4 表示复位 MOS 晶体管 ； 5 表示源极跟随放大器 MOS 晶体管 ； 6 表示水平选 择开关 MOS 晶体管 ； 7 表示源极跟随负载 MOS 晶体管。附图标记 8 表示暗输出传送 MOS 晶 体管 ； 9 表示明输出传送 MOS 晶体管 ； 10 表示暗输出累积电容器 CTN ； 11 表示明输出累积电 容器 CTS ； 12 表示水平传送 MOS 晶体管。附图标记 13 表示水平输出线复位 MOS 晶体管 ； 14 表示差分输出放大器 ； 15 表示水平扫描电路 ； 16 表示垂直扫描电路。
     图 3 是像素部分的断面图。在图 3 中， 附图标记 17 表示 P 阱 ； 18 表示栅极氧化物 + 膜； 19 表示第一多晶硅层 ； 20 表示第二多晶硅层 ； 21 表示 n - 浮置扩散 (FD)。FD 21 经由 另一传送 MOS 晶体管与另一光电转换部分连接。在图 3 中， 两个传送 MOS 晶体管 3 的漏极 和 FD 21 被共享， 以通过微构图和 FD 21 的电容的降低来增加灵敏度。也可例如通过 Al 导 线连接 FD 21。
     将参照图 4 的时序图解释图像传感器的操作。该时序图示出信号从所有像素独立 地被输出的情况。
     响应于从垂直扫描电路 16 输出的定时， 控制脉冲 φL 变为高电平， 以使垂直输出 线复位。控制脉冲 φR0、 φPG00 和 φPGe0 变为高电平， 以导通复位 MOS 晶体管 4 并将光栅极 2 的第一多晶硅层 19 设为高电平。在时间 T0 中， 控制脉冲 φS0 变为高电平， 以导通选择开 关 MOS 晶体管 6 并选择第一和第二行上的像素。然后， 控制脉冲 φR0 变为低电平， 以停止 复位 FD 21 并将其设为浮置状态。电荷通过源极跟随放大器 MOS 晶体管 5 的栅极 - 源极路 径。在时间 T1 中， 控制脉冲 φTN 变为高电平， 以通过源极跟随操作将 FD 21 的暗电压输出 到累积电容器 CTN10。
     为了光电转换来自第一行上的像素的输出， 用于第一行的控制脉冲 φTX00 变为高 电平， 以导通传送开关 MOS 晶体管 3。在时间 T2 中， 控制脉冲 φPG00 变为低电平。作为优选 的电压关系， 在光栅极 2 下面展开的电势阱上升， 以完全将光致载流子传送到 FD 21。控制 脉冲 φTX 不需要是脉冲， 而是也可以是固定电势， 只要可以完全传送载流子即可。
     在时间 T2 中， 当从光电二极管的光电转换部分 1 向 FD 21 传送电荷时， FD 21 的 电势根据光而改变。由于源极跟随放大器 MOS 晶体管 5 浮置， 因此， 通过在时间 T3 中将控 制脉冲 φTs 变为高电平， 将 FD21 的电势输出到累积电容器 CTS 11。到此时为止， 来自第一 行上的像素的暗输出和明输出分别被累积于累积电容器 CTN 10 和 CTS 11 中。在时间 T4 中， 控制脉冲 φHC 暂时变为高电平， 以导通水平输出线复位 MOS 晶体管 13 并复位水平输出线。 在水平传送时段中， 响应于水平扫描电路 15 的扫描定时信号， 来自像素的暗输出和明输出 被输出到水平输出线。此时， 差分放大器 14 在累积电容器 CTN 10 和 CTS 11 之间输出差分输 出 VOUT， 从而获得没有像素的随机噪声和固定模式噪声的、 具有高的 S/N 比的信号。在与像 素 30-11 和 30-21 的光电荷相同的时间， 像素 30-12 和 30-22 中的光电荷分别在累积电容 器 CTN 10 和 CTS 11 中累积。但是， 在该读出中， 来自水平扫描电路 15 的定时脉冲延迟一个 像素， 然后， 光电荷被读出到水平输出线并从差分放大器 14 被输出。
     在实施例中， 在芯片内获得差分输出 VOUT。但是， 代替在芯片内获得差分输出 VOUT， 也可通过使用布置在芯片外部的常规的 CDS( 相关双采样 ) 电路来得到相同的效果。
     在明输出被输出到累积电容器 CTS 11 之后， 控制脉冲 φR0 变为高电平， 以导通复 位 MOS 晶体管 4 并将 FD 21 复位为电源 VDD。在来自第一行的水平传送结束之后， 从第二行 读出光电荷。在从第二行的读出中， 类似地驱动控制脉冲 φTXe0 和 φPGe0， 并且供给高电平 控制脉冲 φTN 和 φTS， 以在累积电容器 CTN 10 和 CTS 11 中累积光电荷， 并且输出暗输出和 明输出。通过该驱动， 可以独立地从第一和第二行读出光电荷。然后， 垂直扫描电路被驱动 以从第 (2n+1) 和第 (2n+2) 行 (n ＝ 1、 2、 ...) 读出光电荷， 由此独立地从所有的像素输出 光电荷。更具体而言， 对于 n ＝ 1， 控制脉冲 φS1 变为高电平， 然后， φR1 变为低电平。控制 脉冲 φTN 和 φTX01 变为高电平， 控制脉冲 φPG01 变为低电平， 控制脉冲 φTs 变为高电平， 并 且控制脉冲 φHC 暂时变为高电平， 由此从像素 30-31 和 30-32 读出像素信号。随后， 以上 述的方式施加控制脉冲 φTXe1 和 φPGe1， 从而从像素 30-41 和 30-42 读出像素信号。
     图 5A、 图 5B、 图 6A、 图 6B、 图 7A 和图 7B 是用于解释图像感测像素的结构和用作焦 点检测单元的焦点检测像素的结构的图。 第一实施例采用 Bayer 阵列， 在该阵列中， 在 2×2 ＝ 4 个像素之中对角地布置两个具有 G( 绿色 ) 光谱灵敏度的像素， 并且， 布置分别具有 R( 红色 ) 或 B( 蓝色 ) 光谱灵敏度的像素作为剩余的两个像素。根据预定的规则， 在 Bayer 阵列的像素之间分布和布置具有后面要描述的结构的焦点检测像素。图 5A 和图 5B 示出图像感测像素的布置和结构。图 5A 是 2×2 图像感测像素的平 面图。众所周知， 在 Bayer 阵列中， 对角地布置 G 像素， 并且， 布置 R 像素和 B 像素作为剩余 的两个像素。该 2×2 结构被重复地布置。
     图 5B 是沿图 5A 中的线 A-A 所取的断面图。附图标记 ML 表示布置在各像素前面 的片上微透镜 ； CFR 表示 R( 红色 ) 滤色器 ； CFG 表示 G( 绿色 ) 滤色器。附图标记 PD( 光电 二极管 ) 表示图 3 所示的 C-MOS 传感器的示意性光电转换部分。附图标记 CL( 接触层 ) 表 示用于形成用于在 C-MOS 传感器内传送各种信号的信号线的互连层。附图标记 TL( 拍摄透 镜 ) 表示示意性成像光学系统。
     图像感测像素的片上微透镜 ML 和光电转换部分 PD 被配置为尽可能有效地捕获通 过成像光学系统 TL 的光束。换句话说， 成像光学系统 TL 的出射光瞳 EP( 出射光瞳 ) 和光 电转换部分 PD 经由微透镜 ML 相互共轭， 并且， 光电转换部分的有效区域被设计为大的。图 5B 示出进入 R 像素的光束， 但是， G 像素和 B( 蓝色 ) 像素也具有相同的结构。与 R、 G和B 图像感测像素中的每一个对应的出射光瞳 EP 具有大的直径， 并且， 来自对象的光束 ( 光量 子 ) 可被有效地捕获， 以增加图像信号的 S/N 比。
     图 6A 和图 6B 示出用于在成像光学系统的水平方向 ( 横向 ) 上分割光瞳的焦点检 测像素 ( 第一焦点检测像素 ) 的布置和结构。水平方向或横向被定义为沿与光轴垂直的直 线的方向， 并且， 其在用户握持照相机使得成像光学系统的光轴变得与水平方向平行时水 平地延伸。图 6A 是包含焦点检测像素的 2×2 像素的平面图。当获得用于记录或查看的图 像信号时， 通过 G 像素获得亮度信息的主要成分。人的图像识别特征对于亮度信息是敏感 的。因此， 如果忽略 G 像素， 那么图像质量的劣化易于被察觉。使用 R 像素或 B 像素来获取 颜色信息 ( 颜色差异信息 )。人的视觉特征对于颜色信息不敏感。因此， 即使稍微忽略用 于获取颜色信息的像素， 也几乎不会意识到图像质量的劣化。由此， 在实施例中， 2×2 像素 中的 G 像素被留作图像感测像素， 并且， R 像素和 B 像素被焦点检测像素替代。在图 6A 中， SHA 和 SHB 代表焦点检测像素。
     图 6B 是沿图 6A 中的线 A-A 所取的断面图。微透镜 ML 和光电转换部分 PD 具有与 图 5B 所示的图像感测像素的微透镜和光电转换部分相同的结构。在实施例中， 不使用来自 焦点检测像素的信号生成图像， 因此， 布置透明膜 CFW( 白色 ) 来代替用于颜色分离的滤色 器。为了通过图像传感器分割光瞳， 互连层 CL 的孔径在一个方向上偏离微透镜 ML 的中心 线。更具体而言， 像素 SHA 的孔径 OPHA 偏向右方并且接收穿过成像光学系统 TL 的左出射光 瞳 EPHA 的光束。类似地， 像素 SHB 的孔径 OPHB 偏向左方并且接收穿过成像光学系统 TL 的右 出射光瞳 EPHB 的光束。像素 SHA 在水平方向上规则地排列， 并且， 通过这些像素获得的对象 图像被定义为图像 A。 像素 SHB 也在水平方向上规则地排列， 并且， 通过这些像素获得的对象 图像被定义为图像 B。通过检测图像 A 和图像 B 的相对位置， 可以检测对象图像的散焦量。
     像素 SHA 和 SHB 可检测例如在拍摄帧的横向上具有亮度分布的垂直线的对象的焦 点， 但不能检测在纵向上具有亮度分布的水平线的焦点。 为了进一步检测水平线的焦点， 实 施例采用用于进一步在成像光学系统的垂直方向 ( 纵向 ) 上分割光瞳的像素。
     图 7A 和图 7B 示出用于在成像光学系统的垂直方向 ( 换句话说， 上下方向或纵向 ) 上分割光瞳的焦点检测像素 ( 第二焦点检测像素 ) 的布置和结构。垂直方向、 上下方向或 纵向被定义为沿与光轴垂直的直线的方向， 并且， 该方向在用户握持照相机使得成像光学系统的光轴变得与水平方向平行时垂直地延伸。图 7A 是包含焦点检测像素的 2×2 像素的 平面图。与图 6A 类似， G 像素被留作图像感测像素， 并且， R 像素和 B 像素被焦点检测像素 替代。在图 7A 中， SVC 和 SVD 代表焦点检测像素。
     图 7B 是沿图 7A 中的线 A-A 所取的断面图。除了图 6B 中的像素具有用于在横向 上分割光瞳的结构而图 7B 中的像素具有用于在纵向上分割光瞳的结构以外， 图 7B 中的像 素具有与图 6B 中的像素相同的结构。更具体而言， 像素 SVC 的孔径 OPVC 偏向下方并且接收 穿过成像光学系统 TL 的上出射光瞳 EPVC 的光束。类似地， 像素 SVD 的孔径 OPVD 偏向上方并 且接收穿过成像光学系统 TL 的下出射光瞳 EPVD 的光束。像素 SVC 在垂直方向上规则地排 列， 并且， 通过这些像素获得的对象图像被定义为图像 C。像素 SVD 也在垂直方向上规则地 排列， 并且， 通过这些像素获得的对象图像被定义为图像 D。通过检测图像 C 和图像 D 的相 对位置， 可以检测在垂直方向上具有亮度分布的对象图像的散焦量。
     图 8 ～ 10 是用于解释图 5A、 图 5B、 图 6A、 图 6B、 图 7A 和图 7B 所示的图像感测像 素和焦点检测像素的布置规则的图。
     图 8 是用于解释在图像感测像素之间离散地布置焦点检测像素时最小单位的布 置规则的图。在图 8 中， 10 行 ×10 列＝ 100 个像素被定义为一个块。在左上块 BLK(1， 1) 中， 左下方的 R、 B 像素被用于在水平方向上分割光瞳的一对焦点检测像素 SHA 和 SHA 替代。 在块 BLK(1， 1) 右侧的块 BLK(1， 2) 中， 左下方的 R、 B 像素类似地被用于在垂直方 向上分割光瞳的一对焦点检测像素 SVC 和 SVD 替代。第一个块 BLK(1， 1) 下面的块 BLK(2， 1) 具有与块 BLK(1， 2) 相同的像素阵列。块 BLK(2， 1) 右侧的块 BLK(2， 2) 具有与第一个块 BLK(1， 1) 相同的像素阵列。
     当该布置规则被推广时， 当 i+j 为偶数时， 在块 BLK(i， j) 中布置用于水平光瞳 分割的焦点检测像素， 并且， 当 i+j 为奇数时， 在其中布置用于垂直光瞳分割的焦点检测像 素。图 8 中的 2×2 ＝ 4 个块 ( 即， 20 行 ×20 列＝ 400 个像素 ) 的区域被定义为作为块的 高一级单位的阵列单元的群集 (cluster)。
     可通过以上述的方式交替地布置用于水平光瞳分割的焦点检测像素和用于垂直 光瞳分割的焦点检测像素， 使得两个方向上的相位差检测特性彼此相同。
     图 9 是用于解释用作单位的群集的布置规则的图。在图 9 中， 具有 20 行 ×20 列 ＝ 400 个像素的左上群集被定义为 CST(u， w) ＝ CST(1， 1)。在群集 CST(1， 1) 中， 各块左下 方的 R、 B 像素被焦点检测像素 SHA 和 SHA 或 SVC 和 SVD 替代。
     在群集 CST(1， 1) 右侧的群集 CST(1， 2) 中， 各块中的焦点检测像素被布置在相对 于群集 CST(1， 1) 中的相应焦点检测像素向上偏移 2 个像素的位置处。在第一群集 CTS(1， 1) 下面的群集 CST(2， 1) 中， 各块中的焦点检测像素被布置在相对于群集 CST(1， 1) 中的相 应焦点检测像素向右偏移 2 个像素的位置处。重复应用该规则以获得图 9 所示的布置。
     该布置规则被一般性地表达如下。焦点检测像素的坐标由在图 6A 或图 7A 所示的 包含 G 像素的一组四个像素中的左上像素的坐标定义。 各块左上角的坐标被定义为 (1， 1)， 并且， 坐标沿向下的方向和向右的方向增加。
     当应用这些定义时， 群集 CST(u， w) 的各块中的焦点检测像素对的水平坐标是 2×u-1， 并且垂直坐标是 11-2×w。图 9 中的 5×5 ＝ 25 个群集 ( 即， 100 行 ×200 列＝ 10,000 个像素 ) 的区域被定义为场， 所述场是比群集高一级的阵列单元。
     图 10 是用于解释用作单位的场的布置规则的图。在图 10 中， 100 行 ×100 列＝ 10,000 个像素的左上场被定义为 FLD(q， r) ＝ FLD(1， 1)。在实施例中， 所有的场 FLD(q， r) 具有与第一个场 FLD(1， 1) 相同的阵列。当在水平方向和垂直方向上排列 30×20 个场 FLD(1， 1) 时， 600 个场形成 3,000 列 ×2,000 行＝ 6,000,000 个像素的图像感测区域。焦 点检测像素可均匀分布于整个图像感测区域中。
     图 11 是用于基于在图像感测区域中的单位区域中定义的 2 维格子来解释 2×2 ＝ 4 个场中的焦点检测像素的布置的图。在图 11 中， 符号○代表布置第一焦点检测像素组的 点， 所述第一焦点检测像素组用于在横向 ( 左右方向或水平方向 ) 上分割成像光学系统的 出射光瞳。第一焦点检测像素组是图 6A 中的成对的两个像素 SHA 和 SHB， 并且， 这两个像素 的重心在图 11 中的○处。符号●代表布置第二焦点检测像素组的点， 所述第二焦点检测像 素组用于在纵向 ( 上下方向或垂直方向 ) 上分割光瞳。类似地， 符号●与图 7A 中的两个像 素 SVC 和 SVD 的重心对应。
     LTH1 ～ LTH10 形成格子线的第一格子线组， 所述格子线分别通过在横向上链接○ 而形成。第一格子线组延伸的方向 ( 第一方向 ) 从水平线逆时针倾斜 θLH。该角度将被称 为水平偏角 (argument)， 并且， 符号在逆时针方向上为正。 根据参照图 9 描述的布置规则来 生成水平偏角， 并且， tanθLH ＝ 0.1， 即， θLH ＝ +5.7°。 希望水平偏角的绝对值尽可能小。其原因在于， 由用于水平地分割光瞳的像素获 取的一对图像的相对位置在水平方向上与成像光学系统的散焦量成比例地偏移， 并且， 也 优选地沿图像的相对偏移方向布置用于对图像采样的像素。但是， 如果焦点检测像素被布 置为水平地形成第一格子线组， 那么不能获得实施例特有的效果 ( 将参照图 12 和随后的图 解释该效果 )。出于这种原因， 应用 +5.7°的倾角。如果参照图 9 描述的布置规则发生改 变， 该倾角也发生改变， 但是， 希望该倾角小于等于实施例中的角度的 2 倍， 即小于等于约 ±12°。
     格子间距 PLH 为 10( 个像素 )， 所述格子间距 PLH 是第一格子线组的相邻格子线之 间的布置间隔。随着格子间距减小， 焦点检测图像的采样密度增加以减小采样误差， 但是， 输出图像中被忽略像素的数量增加。由此， 应考虑图像感测系统中的图像质量和焦点检测 能力之间的平衡来确定格子间距的最佳值。本申请人作出的研究揭示， 格子间距优选地选 自 4 ～ 20 个像素的范围。
     LTV1 ～ LTV10 形成格子线的第二格子线组， 所述格子线分别通过在垂直方向 ( 第 二方向 ) 上链接●而形成。第二格子线组延伸的方向也从垂直线倾斜。该倾角将被称为垂 直偏角， 并且， 符号在逆时针方向上为正。 垂直偏角为 tanθLV ＝ 0.1， 即， θLV ＝ +5.7°。 出 于与第一格子线组相同的原因， 也希望该倾角尽可能小。 即， 由用于垂直地分割光瞳的像素 获取的一对图像的相对位置在垂直方向上与成像光学系统的散焦量成比例地偏移， 并且， 还优选地沿图像的偏移方向布置用于对图像采样的像素。 也希望第二格子线组的垂直偏角 小于等于实施例中的角度的 2 倍， 即小于等于约 ±12°。作为第二格子线组的相邻格子线 之间的布置间隔的格子间距 PLV 也为 10( 个像素 )， 并且， 设置规则与第一格子线组的相同。
     如上所述， 第一格子线组由在几乎与第一光瞳分割方向一致的方向上延伸的平行 线 ( 直线 ) 形成， 并且以预定的间距均等地被布置。 第二格子线组由在几乎与第二光瞳分割 方向一致的方向上延伸的平行线形成， 并且以预定的间距均等地被布置。两个格子线组相
     互垂直地 ( 以 90°角 ) 相交， 从而形成 2 维格子。在交点 ( 格子点 ) 附近周期性地布置焦 点检测像素。这样， 散焦状态中的焦点检测图像的移动方向和焦点检测像素的阵列方向基 本上相互一致。即使焦点检测像素的布置密度减小， 也可维持大大散焦状态中的焦点检测 能力。由于在本发明的大多数实施例中两个焦点检测像素是成对的并且替代 R 和 B 像素， 并且不可能总是将像素严格地布置在一个格子点处， 因此在格子点 “附近” 布置焦点检测像 素。即使像素布置位置稍微偏离严格的格子点， 也能够维持本发明的效果。本申请人作出 的研究揭示， 像素组从格子点的偏移优选地小于等于格子间距的 0.25， 或者小于等于图像 感测像素间距的 4 倍或更小。第一格子线组和第二格子线组相互垂直地 ( 以 90°角 ) 相 交。但是， 本发明还包括相交的角度与直角 (90° ) 稍微不同的情况， 只要能够获得本发明 的效果即可。
     将参照图 12 ～ 15A、 图 15B 和图 15C 解释焦点检测中的像素分组方法和信号相加 方法。图 12 是用于解释检测通过成像光学系统形成的对象图像的横向散焦时的像素分组 方法的图。在横向散焦检测中， 通过使用参照图 6A 和图 6B 描述的用于在横向 ( 左右方向 或水平方向 ) 上分割成像光学系统的出射光瞳的焦点检测像素来执行相位差焦点检测。
     图 12 所示的像素阵列与图 9 所示的像素阵列相同。在焦点检测中， 横向的 1 个 块 × 纵向的 10 个块＝ 10 个块形成一个组， 该组被定义为区段 (section)。在实施例中， 在 横向上对准的 30 个区段形成一个焦点检测区域。即， 100 行 ×300 列＝ 30,000 个像素的区 域用作一个焦点检测区域。一个焦点检测区域被定义为 AF 区域。一个区段包含与横向的 一个分割光瞳对应的五个像素 SHA 和与另一分割光瞳对应的五个像素 SHB。在实施例中， 来 自五个像素 SHA 的输出被相加， 以获得用于计算相位差的一个图像信号 ( 称为图像 A) 的一 个 AF 像素。类似地， 来自五个像素 SHB 的输出被相加， 以获得用于计算相位差的另一图像信 号 ( 称为图像 B) 的一个 AF 像素。
     图 13A ～ 13C 是用于解释一个区段的对象图像捕获能力的图。图 13A 示出从图 12 切出的最左边区段 SCTh(1)。在图 13A 的底部示出的水平线 PRJh 是在焦点检测像素 SHA 和 SHB 的光瞳分割方向上延伸的第一投影线。在图 13A 的右侧示出的垂直线 PRJv 是在与光瞳 分割方向垂直的方向上延伸的第二投影线。 来自一个区段中的所有像素 SHA 的信号被相加， 并且， 来自所有像素 SHB 的信号也被相加。当一个区段被视为一个 AF 像素， 并且包含于一个 AF 像素中的受光部分被投影到光瞳分割方向上的投影线 PRJh 上时， 像素 SHA 和 SHB 密集地 交替对准。使 P1 为沿光瞳分割方向上的投影线 PRJh 的像素 SHA 的阵列间距， 那么 P1 ＝ PHh ＝ 2( 个像素 )。当间距由空间频率 F1 表示时， F1 ＝ 0.5( 个像素 / 像素 )。类似地， 沿投 影线 PRJh 的像素 SHB 的阵列间距为 P1 ＝ 2( 个像素 )， 并且， 空间频率 F1 ＝ 0.5( 个像素 / 像素 )。
     当包含于一个 AF 像素中的受光部分被投影到在与光瞳分割方向垂直的方向上的 投影线 PRJv 上时， 像素 SHA 和 SHB 稀疏地对准。使 P2 为沿投影线 PRJv 的像素 SHA 的阵列间 距， 那么 P2 ＝ PHv ＝ 20( 个像素 )。当间距由空间频率 F2 表示时， F2 ＝ 0.05( 个像素 / 像 素 )。类似地， 沿投影线 PRJv 的像素 SHB 的阵列间距为 P2 ＝ 20( 个像素 )， 并且， 空间频率 F2 ＝ 0.05( 个像素 / 像素 )。
     即， 对于分组之前的分布特性， 根据实施例的 AF 像素在光瞳分割方向和与其垂直 的方向上具有相同的布置间距。 但是， 分组时的组形状被设计为矩形， 以减少光瞳分割方向的采样误差。更具体而言， 在光瞳分割方向上的一个区段的最大尺寸 L1 为 10 个像素， 并 且， 在与光瞳分割方向垂直的方向上的最大尺寸 L2 为 100 个像素。 通过将区段尺寸设为 L1 ＜ L2， 在光瞳分割方向上的采样频率 F1 被设为高 ( 密集 )， 并且， 在与其垂直的方向上的采 样频率 F2 被设为低 ( 稀疏 )。
     将参照图 13B 解释当将细线的对象图像投影到图 13A 所示的 AF 像素 ( 一个区段 ) 上时的图像捕获能力。在图 13B 中， LINEv 代表投影到图像传感器 107 上的细垂直线， 并且， 该细垂直线 LINEv 在像素转换中具有四个像素的宽度， 并且， 图像的实际尺寸为 8μm。 此时， 区段 SCTh(1) 的块 BLK(3， 1) 和 BLK(5， 1) 中的焦点检测像素捕获对象图像。对象图像的最 小尺寸由成像光学系统的像差和布置于图像传感器前面的光学 LPF 的特性确定。一般地， 即使非常细的线也具有两个或更多个像素的宽度。在根据实施例的一个区段中， 至少一个 像素 SHA 和一个像素 SHB 捕获图像， 从而防止捕获失败。在图 13B 中， 能够检测到在区段中存 在细线 LINEv。但是， 不能检测到区段中的光瞳分割方向上的细线的重心位置。
     图 13B 中的 LINEh 代表投影到图像传感器 107 上的细水平线， 并且， 与细垂直线 LINEv 类似， 该细水平线 LINEh 在像素转换中具有四个像素的宽度， 并且， 图像的实际尺寸为 8μm。此时， 水平线 LINEh 被投影到块 BLK(5， 1) 上， 但是没有被焦点检测像素 SHA 和 SHB 捕 获。但是， 区段 SCTh(1) 被用于检测像垂直线那样的在横向上具有亮度分布的对象的焦点。 因此， 即使没有焦点检测像素捕获到像水平线那样的在纵向上具有亮度分布的对象的图像 也没关系。
     图 13C 示出在多个区段上形成比图 13B 所示的细线 LINEv 宽的粗线 BANDv 的情况。 此时， 左区段 SCTh(1) 中的四对焦点检测像素捕获粗线 BANDv。 中心区段 SCTh(2) 中的五对焦 点检测像素捕获粗线 BANDv， 并且， 右区段 SCTh(3) 中的一对焦点检测像素捕获粗线 BANDv。 通过处理由三个区段检测的信号的大小， 可以以比光瞳分割方向上的各区段的尺寸 L1 大 的分辨率检测粗线 BANDv 的重心位置。
     图 14 是用于解释当检测通过成像光学系统形成的对象图像的纵向散焦时的像素 分组方法的图。在纵向散焦检测中， 通过使用参照图 7A 和图 7B 描述的、 用于在纵向 ( 上下 方向或垂直方向 ) 上分割成像光学系统的出射光瞳的焦点检测像素来执行相位差焦点检 测。图 14 中的布置与通过将图 12 所示的布置旋转 90°而获得的布置对应。
     图 14 所示的像素阵列还与图 9 所示的像素阵列相同。在焦点检测中， 横向的 10 个块 × 纵向的 1 个块＝ 10 个块形成一个组， 该组被定义为区段。在实施例中， 在纵向上对 准的 30 个区段形成一个焦点检测区域。即， 300 行 ×100 列＝ 30,000 个像素的区域用作 一个焦点检测区域。与图 12 类似， 一个焦点检测区域也被定义为 AF 区域。一个区段包含 与纵向上的一个分割光瞳对应的五个像素 SVC 和与另一分割光瞳对应的五个像素 SVD。在实 施例中， 来自五个像素 SVC 的输出被相加， 以获得用于计算相位差的一个图像信号 ( 称为图 像 C) 的一个 AF 像素。类似地， 来自五个像素 SVD 的输出被相加， 以获得用于计算相位差的 另一图像信号 ( 称为图像 D) 的一个 AF 像素。
     图 15A ～ 15C 是用于解释一个区段的对象图像捕获能力的图。图 15A ～ 15C 中的 方法与通过将图 13A ～ 13C 中的方法旋转 90°获得的方法等同。图 15A 示出从图 14 切出 的顶部区段。图 15A 的右侧所示的垂直线 PRJv 是在焦点检测像素 SVC 和 SVD 的光瞳分割方 向上延伸的第三投影线。图 15A 的底部所示的水平线 PRJh 是在与光瞳分割方向垂直的方向上延伸的第四投影线。同样， 在图 15A 中， 来自一个区段中的所有像素 SVC 的信号被相加， 并且， 来自所有像素 SVD 的信号也被相加。当一个区段被视为一个 AF 像素， 并且包含于一个 AF 像素中的受光部分在光瞳分割方向上被投影到投影线 PRJv 上时， 像素 SVC 和 SVD 密集地 交替对准。使 P1 为沿光瞳分割方向上的投影线 PRJv 的像素 SVC 的阵列间距， 那么 P1 ＝ PVv ＝ 2( 个像素 )。当间距由空间频率 F1 表示时， F1 ＝ 0.5( 个像素 / 像素 )。类似地， 沿投 影线 PRJv 的像素 SVD 的阵列间距为 P1 ＝ 2( 个像素 )， 并且， 空间频率 F1 ＝ 0.5( 个像素 / 像素 )。
     当包含于一个 AF 像素中的受光部分被投影到在与光瞳分割方向垂直的方向上的 投影线 PRJh 上时， 像素 SVC 和 SVD 稀疏地对准。使 P2 为沿投影线 PRJh 的像素 SVC 的阵列间 距， 那么 P2 ＝ PVh ＝ 20( 个像素 )。当间距由空间频率 F2 表示时， F2 ＝ 0.05( 个像素 / 像 素 )。类似地， 沿投影线 PRJv 的像素 SVD 的阵列间距为 P2 ＝ 20( 个像素 )， 并且， 空间频率 F2 ＝ 0.05( 个像素 / 像素 )。
     在光瞳分割方向上， 与图 13A ～ 13C 所示的特性类似， 图 15A ～ 15C 中的 AF 像素 的采样特性为 F1 ＞ F2。其原因在于， 在图 15A ～ 15C 中的区段中， 在光瞳分割方向上的区 段尺寸 L1 和在与其垂直的方向上的尺寸 L2 也被设计为满足 L1 ＜ L2。 将参照图 15B 解释当将细线的对象图像投影到图 15A 所示的 AF 像素 ( ＝一个区 段 ) 上时的图像捕获能力。在图 15B 中， LINEh 代表投影到图像传感器 107 上的细水平线， 并且， 该细水平线 LINEh 在像素转换中具有四个像素的宽度， 并且， 图像的实际尺寸为 8μm。 此时， 区段 SCTv(1) 的块 BLK(1， 4) 和 BLK(1， 6) 中的焦点检测像素捕获对象图像。
     图 15B 中的 LINEv 代表投影到图像传感器 107 上的细垂直线， 并且， 与细水平线 LINEh 类似， 该细垂直线 LINEv 在像素转换中具有四个像素的宽度， 并且， 图像的实际尺寸为 8μm。此时， 垂直线 LINEv 被投影到块 BLK(1， 6) 上， 但是没有被焦点检测像素 SVC 和 SVD 捕 获。但是， 区段 SCTv(1) 被用于检测像水平线那样的在纵向上具有亮度分布的对象的焦点。 因此， 即使没有焦点检测像素捕获到像垂直线那样的在横向上具有亮度分布的对象的图像 也没关系。
     图 15C 示出在多个区段上形成比图 15B 所示的细线 LINEh 宽的粗线 BANDh 的情况。 此时， 可根据与参照图 13C 描述的原理相同的原理， 以比光瞳分割方向上的各区段的尺寸 L1 高的分辨率检测粗线 BANDh 的重心位置。
     图 16 是用于解释当检测通过成像光学系统形成的对象图像的横向散焦时焦点检 测区域的设定形式的图。图 16 示出 4×3 ＝ 12 个场的范围， 并且， 设定三类焦点检测区域。 第一焦点检测区域 AFARh1 是最基本的焦点检测区域， 在该区域中， 三个场中包含的全部 30 个区段形成为一个组。相反， 在第二焦点检测区域 AFARh2 中， 在两个相邻的场上设定形成 第二焦点检测区域 AFARh2 的各区段。区段的数量为 15， 该值不是一个场中包含的 10 个区 段的整数倍。但是， 即使在第二焦点检测区域 AFARh2 中， 各区段的焦点检测图像采样特性 也与参照图 13A ～ 13C 描述的相同。
     在第三焦点检测区域 AFARh3 中， 两个区段被耦联成一个新的区段。作为结果， 投 影到图 13A ～ 13C 所示的第二投影线 PRJv 上的焦点检测像素的平均阵列间距减半， 但是焦 点检测能力得到保持。
     即， 也可在两个相邻的场上布置形成焦点检测区域的区段。区段的尺寸和区段数
     量也可被设为希望的值。
     图 17 是用于解释当同时检测通过成像光学系统形成的对象图像的横向散焦和纵 向散焦时焦点检测区域的设定形式的图。 与图 16 类似， 图 17 示出 4×3 ＝ 12 个场的范围， 并 且， 设定第一焦点检测区域 AFARh1 和第三焦点检测区域 AFARv1。第一焦点检测区域 AFARh1 与图 16 所示的一样， 并被用于检测对象的横向散焦。相反， 第三焦点检测区域 AFARv1 被用 于检测对象的纵向散焦。第三焦点检测区域 AFARv1 的特性相当于通过将图 16 所示的第二 焦点检测区域 AFARh2 旋转 90°获得的特性。即， 可以同时检测横向散焦和纵向散焦两者， 并且， 两个焦点检测区域可相互重叠。
     如参照图 16 和图 17 描述的那样， 第一实施例中的焦点检测像素的布置和像素的 分组使得能够以非常高的设定焦点检测区域的自由度对各种对象进行精确的焦点检测。
     图 18 是用于在概念上解释第一实施例中的成像光学系统和图像传感器的光瞳分 割状态的透视图。 附图标记 TL 表示成像光学系统 ； 107 表示图像传感器 ； OBJ 表示对象 ； IMG 表示对象图像。
     如参照图 5A 和图 5B 描述的那样， 图像感测像素接收穿过成像光学系统的整个出 射光瞳 EP 的光束。相反， 如参照图 6A、 图 6B、 图 7A 和图 7B 描述的那样， 焦点检测像素具有 光瞳分割功能。更具体而言， 图 6A 和图 6B 中的像素 SHA 接收当从图像感测表面观察透镜的 后表面时穿过左光瞳的光束 ( 即， 穿过图 18 中的光瞳 EPHA 的光束 )。类似地， 像素 SHB、 SVC 和 SVD 接收穿过光瞳 EPHB、 EPVC 和 EPVD 的光束。如参照图 10 描述的那样， 焦点检测像素分布 于图像传感器 107 的整个区域中， 并且可在整个图像感测区域中检测焦点。
     在实施例中， 焦点检测像素的光瞳形状是矩形， 在光瞳分割方向上具有短边， 并 且， 在与光瞳分割方向垂直的方向上具有长边。 但是， 光瞳形状也可以是正方形、 多边形、 半 圆形或椭圆形等。分割的光瞳也可以从成像光学系统的出射光瞳 EP 突出。当改变焦点检 测像素的光瞳形状时， 图 6A、 图 6B、 图 7A 和图 7B 中微透镜 ML 的光焦度和在互连层 CL 中形 成的孔径的形状被适当地设定就足够了。
     图 19 是用于解释在焦点检测中获取的输出图像和焦点检测区域的图。在图 19 中， 在图像感测表面上形成的对象图像包含处在中央的人、 左侧前景 (foreground) 中的树 和右侧背景 (background) 中的山。在实施例中， 如图 10 所示， 在整个图像感测区域中， 以 均等的密度布置用于横向散焦检测的多对像素 SHA 和 SHB 以及用于纵向散焦检测的多对像素 SVC 和 SVD 作为焦点检测像素。在横向散焦检测中， 如图 12 所示， 对于各组处理用于计算相 位差的 AF 像素信号。 在纵向散焦检测中， 如图 14 所示， 对于各组处理用于计算相位差的 AF 像素信号。 用于横向散焦检测和纵向散焦检测的焦点检测区域可被设于图像感测区域中的 任意位置处。
     在图 19 中， 人脸存在于帧中心处。当通过已知的脸部识别技术检测到脸部的存在 时， 以脸部区域为中心， 设定用于横向散焦检测的焦点检测区域 AFARh(x1， y1) 和用于纵向 散焦检测的焦点检测区域 AFARv(x3， y3)。下标 “h” 代表水平方向， (x1， y1) 和 (x3， y3) 表示 焦点检测区域左上角的坐标。 来自包含于焦点检测区域 AFARh(x1， y1) 的各区段中的五个焦 点检测像素 SHA 的信号被相加。通过耦合 30 个区段的相加信号而获得的相位差检测图像 A 信号被定义为在图 19 的下侧的图中示出的 AFSIGh(A1)。类似地， 来自包含于各区段中的五 个焦点检测像素 SHB 的信号被相加， 并且， 通过耦合 30 个区段的相加信号而获得的相位差检测图像 B 信号被定义为 AFSIGh(B1)。通过已知的相关性计算来算出图像 A 信号 AFSIGh(A1) 和图像 B 信号 AFSIGh(B1) 的相对横向散焦量， 从而获得对象的散焦量。
     还以相同的方式获得焦点检测区域 AFARv(x3， y3) 的散焦量。比较在用于横向散 焦和纵向散焦的焦点检测区域中检测的两个散焦量， 并且采用可靠性高的值。
     帧的左侧的树的树干主要具有垂直线成分， 即， 在横向上的亮度分布， 因此， 确定 树干是适于横向散焦检测的对象。设定用于横向散焦检测的焦点检测区域 AFARh(x2， y2)。 帧的右侧的山的山脊线主要具有水平线成分， 即， 在纵向上的亮度分布， 因此， 确定山脊线 是适于纵向散焦检测的对象。设定用于纵向散焦检测的焦点检测区域 AFARv(x4， y4)。
     如上所述， 根据实施例， 可以在帧中的任意位置处设定用于横向散焦检测和纵向 散焦检测的焦点检测区域。即使对象的投影位置和亮度分布的方向改变， 也总是能够准确 地检测焦点。
     图 20 ～ 22 是用于解释根据本发明第一优选实施例的照相机的焦点调整和拍摄过 程的流程图。将参照上述的图 1 ～ 19 解释图 20 和随后的图中的控制过程。
     图 20 示出根据第一实施例的照相机的主过程。当用户接通照相机的电源开关时， 在步骤 S103 中， CPU 121 检查照相机中的致动器和图像传感器的操作， 初始化存储器内容 和执行程序， 并且执行拍摄准备操作。在步骤 S105 中， CPU 121 开始图像传感器的图像感 测操作以输出像素数低的运动图像用于预览。在步骤 S107 中， CPU 121 在附接于照相机后 表面的显示器 131 上显示读出的运动图像。用户直观地检查预览的图像并确定拍摄构图。
     在步骤 S109 中， CPU 121 确定在预览的运动图像中是否存在脸部。如果 CPU 121 确定在拍摄区域中存在脸部， 那么处理从步骤 S111 转移到步骤 S113， 以将脸部 AF 模式设为 焦点调整模式。在脸部 AF 模式中， 照相机聚焦于拍摄区域中的脸部上。
     如果拍摄区域中不存在脸部， 那么处理从步骤 S111 转移到步骤 S115， 以将多点 AF 模式设为焦点调整模式。 在多点 AF 模式中， 拍摄区域被分割成 3×5 ＝ 15， 在相应的分割的 区域中进行焦点检测， 从焦点检测结果和对象的亮度信息类推主对象， 并且使照相机聚焦 于主对象的区域上。
     在步骤 S113 或步骤 S115 中确定 AF 模式之后， CPU 121 在步骤 S117 中确定焦点 检测区域。在步骤 S121 中， CPU 121 确定用户是否已接通拍摄准备开关。如果用户还没有 接通拍摄准备开关， 那么处理返回步骤 S105， 以重复执行从图像传感器的驱动到步骤 S117 中的焦点检测区域的确定的处理。
     如果 CPU 121 在步骤 S121 中确定用户已接通拍摄准备开关， 那么处理转移到步骤 S131， 以执行焦点检测子过程。
     图 21 是焦点检测子过程的流程图。当处理从主过程中的步骤 S121 跳到子过程中 的步骤 S131 时， CPU 121 在步骤 S132 中读出来自包含于焦点检测区域中的图像感测像素 和焦点检测像素的信号， 所述焦点检测区域是在主过程的步骤 S117 中确定的。 在步骤 S133 中， CPU 121 从读出的图像感测像素的信息识别焦点检测区域中的对象对比度的方向依赖 性。 在步骤 S134 中， CPU 121 根据在步骤 S133 中识别的对象对比度信息来选择适于焦点检 测的图像散焦检测方向。 更具体而言， 当对象图像的对比度仅在水平方向上存在时， 通过仅 使用横向散焦检测像素来完成焦点检测。类似地， 当对象图像的对比度仅在垂直方向上存 在时， 通过仅使用纵向散焦检测像素来完成焦点检测。当对比度在水平方向和垂直方向上都存在时， 通过既使用横向散焦检测像素又使用纵向散焦检测像素来完成交叉 (cross) 焦 点检测。
     在步骤 S141 中， CPU 121 在步骤 S134 中选择的焦点检测区域中， 基于图 12 或图 14 所示的区段结构而将来自各区段中的焦点检测像素的信号相加， 从而获得 AF 像素信号。 在步骤 S142 中， 在步骤 S141 中获得的 AF 像素信号经受阴影 (shading) 校正 ( 帧外围的光 减少的校正 ) 和由渐晕 (vignetting) 导致的两个图像的畸变的校正等， 由此获得用于相 关性计算的两个图像信号。作为结果， 生成诸如图 19 所示的 AFSIGh(A1) 和 AFSIGh(B1) 或 AFSIGv(C3) 和 AFSIGv(D3) 之类的一对信号。
     在步骤 S143 中， CPU 121 计算所获得的两个图像之间的相关性， 从而算出两个图 像之间的相对位置误差量。在步骤 S144 中， CPU 121 确定计算的相关性的可靠性。可靠性 指的是两个图像之间的一致性， 并且， 当两个图像之间的一致性高时， 焦点检测结果的可靠 性一般是高的。 当选择多个焦点检测区域时， 优先使用具有高可靠性的信息。 即使当选择交 叉焦点检测来检测两个方向上的图像偏移时， 也评价沿各方向上的相关性的可靠性， 并且， 如果可靠性低于阈值， 那么检测结果不被采用。
     在步骤 S145 中， CPU 121 由具有高可靠性的检测结果计算散焦量。在步骤 S146 中， 处理返回图 20 的主过程中的步骤 S131。
     在图 20 的步骤 S151 中， CPU 121 确定在图 21 的步骤 S143 中计算的散焦量是否 小于等于容限 (allowance)。如果散焦量超过容限， 那么 CPU 121 确定图像是失焦 (out of focus) 的， 在步骤 S153 中驱动聚焦透镜， 然后重复执行步骤 S131 ～ S151。如果 CPU 121 在步骤 S151 中确定图像是对焦的 (in focus)， 那么 CPU 121 在步骤 S155 中呈现对焦显示， 并且转移到步骤 S157。
     在步骤 S157 中， CPU 121 确定用户是否已接通拍摄开始开关。如果用户还没有接 通拍摄开始开关， 那么 CPU 121 在步骤 S157 中保持拍摄待机状态。如果 CPU 121 在步骤 S157 中确定用户已接通拍摄开始开关， 那么处理转移到步骤 S161， 以执行拍摄子过程。
     图 22 是拍摄子过程的流程图。 当用户操作拍摄开始开关时， 在步骤 S161 之后， CPU 121 在步骤 S163 中驱动光量调整光阑， 从而控制用于限定曝光时间的机械快门的孔径。在 步骤 S165 中， CPU 121 读出通过使用大量的像素来感测静止图像的图像， 即， 读出来自所有 像素的信号。在步骤 S167 中， CPU 121 在读出的图像信号中内插省略的像素。即， 来自焦 点检测像素的输出不包含用于图像感测的 RGB 颜色信息， 并且， 当获得图像时焦点检测像 素作为有缺陷的像素出现。 由此， 使用来自外围图像感测像素的信息， 通过内插来生成图像 信号。
     CPU 121 在步骤 S169 中对于图像执行诸如 γ 校正和边缘强调的图像处理， 并且在 步骤 S171 中将感测的图像记录在闪存 133 中。在步骤 S173 中， CPU 121 在显示器 131 上 显示感测的图像。在步骤 S175 中， 处理返回图 20 的主过程。
     在返回图 20 的主过程之后， CPU 121 在步骤 S181 中结束一系列的拍摄操作。
     上述的第一实施例具有以下效果。
     (1-1) 在 2 维格子的格子点附近以几乎相等的间隔和相等的密度布置横向散焦检 测像素和纵向散焦检测像素。 该布置使得对于在横向上具有亮度分布的对象和在纵向上具 有亮度分布的对象都能够实现精确的焦点检测。(1-2) 由于焦点检测像素的布置密度较低， 因此， 可以防止输出图像的劣化， 从而 获得高质量的图像。
     (1-3) 由于焦点检测像素被规则地排列， 因此， 焦点检测计算和输出图像生成计算 中的各种算术式和算术计数运算变得简单。
     (1-4) 单位区域被分成多个单独的区域， 并且， 各单独区域中的多个像素信号被合 成以生成焦点检测计算信号。可减少计算像素的数量， 以在不损害焦点检测能力的情况下 缩短焦点检测计算所花费的时间。
     (1-5) 在图像感测单元的图像感测区域中布置多个单位区域。这可简化像素阵列 规则， 并且还可简化焦点检测计算和输出图像生成计算的算法。
     ( 第二实施例 )
     在第一实施例中， 成对的横向散焦检测像素或成对的纵向散焦检测像素被分配到 彼此对角地相邻的 R 和 B 像素的位置。在第二实施例中， 焦点检测像素被分配到单个颜色 的像素的位置， 即， 仅被分配到 R 或 B 像素的位置。将参照图 23 ～ 26 解释第二实施例的布 置。
     图 23 是示出根据第二实施例的焦点检测像素阵列的图， 并且与第一实施例中的 图 8 对应。 在图 8 所示的第一实施例中， 焦点检测像素 SHA、 SHB、 SVC 和 SVD 被分配到具有 Bayer 阵列的图像感测像素之中的彼此对角地相邻的 R 和 B 像素的位置。在图 23 所示的第二实 施例中， 焦点检测像素仅被分配到 Bayer 阵列中的 B 像素。 更具体而言， 在左上块 BLK(1， 1) 和右下块 BLK(2， 2) 中的每一个中， 在底部的行的左边附近的两个 B 像素被用于在水平方向 上分割光瞳的一对焦点检测像素 SHA 和 SHB 代替。
     在剩余的块 BLK(1， 2) 和 BLK(2， 1) 中的每一个中， 从左边起第二列上底部附近的 两个 B 像素被用于在垂直方向上分割光瞳的一对焦点检测像素 SVC 和 SVD 替代。
     当该布置规则被推广时， 与第一实施例类似， 当 i+j 为偶数时， 在块 BLK(i， j) 中布 置用于水平光瞳分割的焦点检测像素， 并且， 当 i+j 为奇数时， 在其中布置用于垂直光瞳分 割的焦点检测像素。2×2 ＝ 4 个块即 20 行 ×20 列＝ 400 个像素的区域被定义为群集。
     图 24 是用于解释用作单位的群集的布置规则的图， 并且与第一实施例中的图 9 对 应。在图 24 中， 具有 20 行 ×20 列＝ 400 个像素的左上群集被定义为 CST(u， w) ＝ CST(1， 1)。在群集 CST(1， 1) 中， 各块左下角附近的 B 像素被焦点检测像素 SHA 和 SHA 或 SVC 和 SVD 替 代。
     在群集 CST(1， 1) 右侧的群集 CST(1， 2) 中， 各块中的焦点检测像素被布置在相对 于群集 CST(1， 1) 中的相应焦点检测像素向上偏移 2 个像素的位置处。在第一群集 CST(1， 1) 下面的群集 CST(2， 1) 中， 各块中的焦点检测像素被布置在相对于群集 CST(1， 1) 中的相 应焦点检测像素向右偏移 2 个像素的位置处。重复应用该规则以获得图 24 所示的布置。 图 24 所示的范围用作比群集高一级的场。注意， 在图 9 所示的第一实施例中， 一个场包含 5×5 ＝ 25 个群集， 但是， 在第二实施例中包含 4×4 ＝ 16 个群集。其原因在于， 如果一个场 在第二实施例的像素阵列中由水平方向上的五个群集构成， 那么第五群集中的焦点检测像 素进入相邻的块。
     图 25 是用于解释用作单位的场的布置规则的图， 并且与第一实施例中的图 10 对 应。在图 25 中， 80 行 ×80 列＝ 6， 400 个像素的左上场被定义为 FLD(q， r) ＝ FLD(1， 1)。同样， 在第二实施例中， 所有的场 FLD(q， r) 具有与第一场 FLD(1， 1) 相同的阵列。当在水 平方向和垂直方向上排列 37×25 个场 FLD(1， 1) 时， 925 个场形成 3,000 列 ×2,000 行＝ 6,000,000 个像素的图像感测区域。 右端的 40 列的不完整区域不能形成一个场， 并且， 不在 该区域中布置焦点检测像素。但是， 焦点检测像素可几乎均匀地分布于整个图像感测区域 中。
     图 26 是用于基于在图像感测区域中定义的 2 维格子来解释 2×2 ＝ 4 个场中的焦 点检测像素的布置的图， 并且与第一实施例中的图 11 对应。在图 26 中， ○和●的定义与图 11 中的相同。更具体而言， ○代表其中布置了用于在横向 ( 左右方向或水平方向 ) 上分割 成像光学系统的出射光瞳的第一焦点检测像素组的点。●代表其中布置了用于在纵向 ( 上 下方向或垂直方向 ) 上分割光瞳的第二焦点检测像素组的点。
     LTH1 ～ LTH8 形成格子线的第一格子线组， 所述格子线分别通过在横向上链接○ 而形成。第一格子线组延伸的方向从水平线逆时针倾斜 θLH。根据参照图 21 描述的布置 规则来生成该倾角， 并且， 与第一实施例类似， tanθLH ＝ 0.1， 即， θLH ＝ 5.7°。
     与第一实施例类似， 作为第一格子线组的相邻格子线之间的布置间隔的格子间距 PLH 为 10( 个像素 )。
     LTV1 ～ LTV8 形成分别通过在垂直方向上链接●而形成的格子线的第二格子线 组。第二格子线组延伸的方向也从垂直线倾斜 tanθLV ＝ 0.1， 即， θLV ＝ 5.7°。作为第二 格子线组的相邻格子线之间的布置间隔的格子间距 PLV 也为 10( 个像素 )。
     如上所述， 同样， 在第二实施例中， 与第一实施例类似， 第一格子线组由在几乎与 第一光瞳分割方向一致的方向上延伸并且以预定的间距均等地被布置的平行线形成。 第二 格子线组由在几乎与第二光瞳分割方向一致的方向上延伸并且以预定的间距均等地被布 置的平行线形成。两个格子线组相互垂直地相交， 从而形成 2 维格子。在格子点附近周期 性地布置焦点检测像素。 在第一和第二格子线组中的至少一个中的彼此相邻地平行布置的 两个任意的格子线上， 在一个格子线上布置第一焦点检测像素， 并且， 在另一格子线上布置 第二焦点检测像素。 这可以在保持两个方向上的光瞳分割方向功能的同时降低焦点检测像 素的布置密度。
     在图 26 中， 在场之间的边界处， 各格子线被断开， 即， 相互稍有偏移。但是， 焦点检 测图像采样特性与第一实施例中参照图 12 ～ 15A、 图 15B 和图 15C 描述的相同， 并且， 将不 重复对于其的详细描述。作为焦点检测区域设定方法， 可以采用与第一实施例中的图 16 和 图 17 中的方法相同的方法。 作为焦点检测过程， 可以使用图 18 ～ 22 中的那些。 作为结果， 可以获得与第一实施例几乎相同的焦点检测特性。
     第二实施例可类似地获得第一实施例中的效果 (1-1) ～ (1-4)， 并且， 还得到例如 以下的效果。
     (2-1) 焦点检测像素被分配到单个颜色的像素， 从而简化了在生成输出图像时的 有缺陷的像素内插算法。可以减少特定颜色的图像的劣化和伪色。
     ( 第三实施例 )
     在第一和第二实施例中， 两个焦点检测像素是成对的， 一个像素接收穿过两个分 割光瞳区域的一个光瞳的光束， 并且， 另一像素接收穿过另一光瞳的光束。相反， 第三实施 例将描述其中一个像素接收来自两个分割光瞳区域的光束以输出信号的图像传感器。将参照图 27 和图 28 描述第三实施例。
     图 27 是示出根据第三实施例的焦点检测像素阵列的图， 并且与第一实施例中的 图 8 对应。 在图 8 所示的第一实施例中， 焦点检测像素 SHA、 SHB、 SVC 和 SVD 被分配到具有 Bayer 阵列的图像感测像素之中彼此对角地相邻的 R 和 B 像素的位置。 在图 27 所示的第三实施例 中， 焦点检测像素仅被分配到 10×10 ＝ 100 个像素的各块中的一个 R 像素。更具体而言， 在左上块 BLK(1， 1) 和右下块 BLK(2， 2) 中的每一个中， 最左边的列上底部附近的一个 R 像 素被用于在水平方向上分割光瞳的一个焦点检测像素 SHAB 替代。可通过在由本申请人提交 的日本专利公开 No.2003-156677 中公开的技术来形成焦点检测像素 SHAB。更具体而言， 像 在日本专利公开 No.2003-156677 中公开的图像传感器那样， 在片上微透镜后面的光电转 换部分被分割以分割成像光学系统的光瞳。穿过每个分割光瞳区域的光束被独立地接收， 并且作为图像信号被输出。由此， 一个像素可输出用于相位差检测的一对信号。
     在剩余的块 BLK(1， 2) 和 BLK(2， 1) 中的每一个中， 最左边的列上底部附近的一个 R 像素被用于在垂直方向上分割光瞳的一个焦点检测像素 SVCD 替代。
     当该布置规则被推广时， 与第一实施例类似， 当 i+j 为偶数时， 在块 BLK(i， j) 中布 置用于水平光瞳分割的焦点检测像素， 并且， 当 i+j 为奇数时， 在其中布置用于垂直光瞳分 割的焦点检测像素。2×2 ＝ 4 个块 ( 即 20 行 ×20 列＝ 400 个像素 ) 的区域被定义为群 集。
     图 28 是用于解释布置一组分别用作单位的群集的规则的图， 并且与第一实施例 中的图 9 对应。图 28 所示的整个区域代表比群集高一级的一个场。场的布置规则与第一 实施例中的相同。代表焦点检测像素的布置的格子与第一实施例中图 11 所示的 2 维格子 一样。
     整个图像感测区域中的场布置、 焦点检测特性和焦点检测过程与第一实施例中图 10 ～ 22 所示的相同， 由此将不重复对于它们的描述。
     第三实施例可类似地获得第一实施例中的效果 (1-1) ～ (1-4)， 并且还得到例如 以下的效果。
     (3-1) 可以减少被作为焦点检测像素而分配的像素的数量， 从而进一步减少输出 图像的劣化和伪色。另外， 甚至可简化生成输出图像时的有缺陷的像素内插算法。
     ( 第四实施例 )
     在第一到第三实施例中， 代表焦点检测像素的阵列的 2 维格子是正交格子。各格 子线从用作图像感测像素阵列线的水平或垂直线在一个方向上仅旋转预定的角度。 在第四 实施例中， 2 维格子的至少一部分是非正交格子， 并且格子线旋转方向是关于水平线或垂直 线的两个方向 ( 正方向和负方向 )。将参照图 29 ～ 31 解释第四实施例的布置。
     图 29 是示出根据第四实施例的焦点检测像素阵列的图， 并且与第一实施例中的 图 9 对应。在第四实施例中， 用作像素阵列的最小单位的块和比块高一级的群集通过与第 一实施例中的图 8 中的规则相同的规则来确定。对于比群集高一级的场， 在第一实施例中 在整个图像感测区域中布置均由 100×100 ＝ 10,000 个像素形成的一类场。在第四实施例 中， 场尺寸与第一实施例中相同， 但是， 布置符合不同布置规则的四类场。
     图 29 示出第四实施例中的四类场中的两类场。 在图 29 中， 左侧的 5×5 ＝ 25 个群 集形成具有与第一实施例中相同的像素阵列的第一场。更具体而言， 在场中的群集 CST(u，w) 中， 随着 u 增加， 焦点检测像素向右偏移， 并且随着 w 增加， 焦点检测像素向上偏移。 该规 则被应用于群集 CST(1， 1) ～ CST(5， 5)。
     在第一场的右侧布置第二场。在由群集 CST(1， 6) ～ CST(5， 10) 形成的第二场中， 与上述的规则类似， 随着 u 增加， 焦点检测像素向右偏移， 但是， 随着 w 增加， 焦点检测像素 向下偏移。
     在第一场下面布置第三场 ( 未示出 )。在由群集 CST(6， 1) ～ CST(10， 6) 形成的 第三场中， 随着 u 增加， 焦点检测像素向左偏移， 并且， 随着 w 增加， 焦点检测像素向上偏移。 在第三场的右侧布置第四场。在由群集 CST(6， 6) ～ CST(10， 10) 形成的第四场中， 随着 u 增加， 焦点检测像素向左偏移， 并且随着 w 增加， 焦点检测像素向下偏移。
     图 30 示出根据上述规则形成的一组场。 在第四实施例中， 2×2 ＝ 4 个场用作像素 布置规则中的级别最高的单位， 并且图 30 示出四个级别最高的单位。
     图 31 示出 2×2 ＝ 4 个场的格子。在第一左上场 FLD(q， r) 中， 在横向上延伸的格 子线的水平偏角为 +5.7°， 并且在纵向上延伸的格子线的垂直偏角也为 +5.7°。两格子线 的夹角为直角， 从而， 这样的格子线形成正交格子。
     在第二右上场 FLD(q， r+1) 中， 在横向上延伸的格子线的水平偏角为 -5.7°， 并 且， 在纵向上延伸的格子线的垂直偏角为 +5.7°。当表现为锐角时， 两格子线的夹角约为 80°， 从而， 这样的格子线形成非正交格子。 在第三左下场 FLD(q+1， r) 中， 在横向上延伸的格子线的水平偏角为 +5.7°， 并 且， 在纵向上延伸的格子线的垂直偏角为 -5.7°。当表现为锐角时， 两格子线的夹角为约 80°， 从而， 这样的格子线形成非正交格子。
     在第四右下场 FLD(q+1， r+1) 中， 在横向上延伸的格子线的水平偏角为 -5.7°， 并 且， 在纵向上延伸的格子线的垂直偏角也为 -5.7°。两格子线的夹角为直角， 从而， 这样的 格子线形成正交格子。
     如上所述， 根据第四实施例， 格子线的水平偏角和垂直偏角取正符号和负符号， 并 且， 在整个图像感测区域中， 格子线的偏角被平均化为基本上为 0。 在第一到第三实施例中， 在从水平线倾斜 +δ(δ ≈约为 5°的小角度 ) 的横向线和倾斜 -δ 的横向线之间， 焦点检 测像素的采样特性和生成输出图像时的有缺陷的像素分布是不同的。在第四实施例中， 一 个场中的特性与第一到第三实施例中的相同。 但是， 正、 负偏角在几个场的宽范围中相互抵 消， 从而减少差异的影响。
     焦点检测中的区段布置、 焦点检测区域设定方法、 焦点检测特性和焦点检测过程 与第一实施例中图 12 ～ 22 所示的相同， 从而， 将不重复对于它们的描述。
     第四实施例可类似地获得第一实施例中的效果 (1-1) ～ (1-4)， 并且还得到例如 以下的效果。
     (4-1) 耦合焦点检测像素的格子线的正负、 水平和垂直偏角共存， 从而减少焦点检 测中的对象照明分布的角度依赖性。可对于各种对象执行高精度焦点检测。
     (4-2) 焦点检测像素在输出图像中作为有缺陷的像素出现。 但是， 耦合有缺陷像素 的格子线的正负、 水平和垂直偏角共存， 因此， 即使对于包含许多直线的几何图案来说， 也 可减少图像质量的劣化和不自然图像的生成。
     ( 第五实施例 )
     在第一到第四实施例中， 块中焦点检测像素的位置在群集之间依次偏移。 但是， 第 五实施例不采用该偏移规则， 并且， 在完全正方形的格子中排列焦点检测像素。将参照图 32 ～ 34 解释第五实施例的布置。
     图 32 是示出根据第五实施例的焦点检测像素阵列的图， 并且与第一实施例中的 图 9 对应。在第五实施例中， 用作像素阵列的最小单位的块由与第一实施例中的图 8 中相 同的规则来确定。 在第一到第四实施例中， 在比群集高一级的像素阵列中， 焦点检测像素的 位置在群集之间依次偏移。 相反， 在第五实施例中， 所有的群集具有相同的焦点检测像素阵 列。更具体而言， 20×20 ＝ 400 个像素形成一个群集， 并且， 图 32 所示的所有 5×5 ＝ 25 个 群集采用相同的像素阵列。
     图 33 示出整个图像感测区域中的像素阵列。在图 33 中， 为了便于描述， 100×100 ＝ 10,000 个像素的区域被定义为场。但是， 场尺寸是任意的。
     图 34 示出 2×2 ＝ 4 个场的格子。在图 34 中， 在横向上延伸的格子线的水平偏角 为 0°， 并且在纵向上延伸的格子线的垂直偏角也为 0°。两格子线的夹角为直角， 从而， 这 样的格子线形成正交格子。
     在水平或垂直方向上延伸的细线的焦点检测能力不与第一到第四实施例中的相 同。如参照第一实施例中的图 13 ～ 15 描述的那样， 通过在群集之间偏移焦点检测像素来 提高焦点检测图像在光瞳分割方向上的采样特性。 但是， 在第五实施例中， 焦点检测像素不 在群集之间偏移， 并且， 在水平或垂直方向上延伸的细线图像的捕获特性稍微减小。但是， 可通过减小图像感测像素之间的间距并增加图像传感器的像素数量来补偿该缺点。
     焦点检测中的区段布置、 焦点检测区域设定方法和焦点检测过程与第一实施例中 图 16 ～ 22 所示的相同， 从而， 将不重复对它们的描述。
     第五实施例可类似地获得第一实施例中的效果 (1-1) ～ (1-2)， 并且还得到例如 以下的效果。
     (5-1) 由于焦点检测像素布置规则大大地被简化， 因此， 焦点检测计算和输出图像 生成计算中的各种算式和算术计数运算进一步被简化。
     ( 第六实施例 )
     在第一到第五实施例中， 以均等的密度布置横向散焦检测像素和纵向散焦检测像 素。在第六实施例中， 以不同的密度布置横向散焦检测像素和纵向散焦检测像素。将参照 图 35 ～ 38 解释第六实施例的布置。
     图 35 是示出根据第六实施例的焦点检测像素阵列的图， 并且， 与第一实施例中的 图 8 对应。在图 8 所示的第一实施例中， 在左上块 BLK(1， 1) 和右下块 BLK(2， 2) 中布置用 于在水平方向上分割光瞳的焦点检测像素 SHA 和 SHB。在剩余的块 BLK(1， 2) 和块 BLK(2， 1) 中布置用于在垂直方向上分割光瞳的焦点检测像素 SVC 和 SVD。相反， 在图 35 中， 在三个块 BLK(1， 1)、 BLK(2， 1) 和 BLK(2， 2) 中布置用于在水平方向上分割光瞳的焦点检测像素 SHA 和 SHB。在剩余的一个块 BLK(1， 2) 中布置用于在垂直方向上分割光瞳的焦点检测像素 SVC 和 SVD。在第六实施例中， 在由 2×2 ＝ 4 个块形成的一个群集中， 横向散焦检测像素和纵向散 焦检测像素的布置比不是 1 ∶ 1， 而是 3 ∶ 1。
     图 36 是用于解释使用群集作为单位的布置规则的图， 并且与第一实施例中的图 9 对应。 根据第六实施例的群集中的像素的布置规则与第一实施例中的不同， 但是， 比群集高一级的单位的布置规则与第一实施例中的相同。由此， 图 36 中的场的布置规则与第一实施 例中的图 9 中的相同。
     图 37 是用于解释使用场作为单位的布置规则的图， 并且， 与第一实施例中的图 10 对应。 第六实施例中的场的布置规则与第一实施例相同， 因此， 图 37 中的布置与图 10 相同。
     图 38 示出 2×2 ＝ 4 个场的格子， 并且与第一实施例中的图 11 对应。在第六实施 例中， 用于横向散焦检测的格子点○的数量与用于纵向散焦检测的格子点●的数量之比为 3 ∶ 1。与第一实施例类似， 在横向上延伸的格子线的水平偏角和在纵向上延伸的格子线的 垂直偏角均为 +5.7°。两格子线的夹角是直角， 从而， 这样的格子线形成正交格子。
     如上所述， 根据第六实施例， 2 维格子的形状与第一实施例中的相同， 但是， 布置在 格子点处的焦点检测像素的布置次序和布置比是不同的。作为结果， 在水平方向上具有亮 度分布的对象的焦点检测能力提高， 并且， 在垂直方向上具有亮度分布的对象的焦点检测 能力降低。 出于这种原因， 第六实施例适于要被感测的对象的亮度分布是各向异性的情况， 例如， 适于检查主要具有水平线的印刷布线板的检查照相机。 但是， 第六实施例的应用不限 于此。
     焦点检测中的区段布置、 焦点检测区域设定方法和焦点检测过程与第一实施例中 图 16 ～ 22 所示的相同， 由此， 将不重复对它们的描述。
     第六实施例可类似地获得第一实施例中的效果 (1-1) ～ (1-4)， 并且还得到例如 以下的效果。
     (6-1) 可使焦点检测能力具有各向异性。当要被感测的对象的亮度分布是各向异 性的时， 可以进一步提高焦点检测精度。
     ( 第七实施例 )
     在第一到第六实施例中， 横向散焦检测像素或纵向散焦检测像素总是被布置在单 元块中。在第七实施例中， 布置焦点检测像素的块和不布置焦点检测像素的块共存。将参 照图 39 ～ 42 解释第七实施例的布置。
     图 39 是示出根据第七实施例的焦点检测像素阵列的图， 并且， 与第一实施例中的 图 8 对应。在图 8 所示的第一实施例中， 在左上块 BLK(1， 1) 和右下块 BLK(2， 2) 中布置用 于在水平方向上分割光瞳的焦点检测像素 SHA 和 SHB。在剩余的块 BLK(1， 2) 和块 BLK(2， 1) 中布置用于在垂直方向上分割光瞳的焦点检测像素 SVC 和 SVD。相反， 在图 39 中， 在左上块 BLK(1， 1) 中布置用于在水平方向上分割光瞳的焦点检测像素 SHA 和 SHB。在右下块 BLK(2， 2) 中布置用于在垂直方向上分割光瞳的焦点检测像素 SVC 和 SVD。在剩余的两个块 BLK(1， 2) 和 BLK(2， 1) 中不布置焦点检测像素。在第七实施例中， 在由 2×2 ＝ 4 个块形成的一个 群集中， 布置横向散焦检测像素的块、 布置纵向散焦检测像素的块以及不布置焦点检测像 素的块的比值为 1 ∶ 1 ∶ 2。
     图 40 是用于解释使用群集作为单位的布置规则的图， 并且与第一实施例中的图 9 对应。 根据第七实施例的群集中的像素的布置规则与第一实施例不同， 但是， 比群集高一级 的单位的布置规则与第一实施例相同。由此， 图 40 中的场的布置规则与第一实施例中的图 9 相同。
     图 41 是用于解释使用场作为单位的布置规则的图， 并且， 与第一实施例中的图 10 对应。同样， 在第七实施例中， 100×100 ＝ 10,000 个像素形成一个场， 并且， 在垂直方向和水平方向上重复布置这样的场， 从而形成图像感测区域。
     图 42 示出 2×2 ＝ 4 个场的格子， 并且与第一实施例中的图 11 对应。在第七实施 例中， 在 2 维格子的各单个格子线的格子点处布置○和●。更具体而言， 在一个场中， 在2 维格子中穿过用于横向散焦检测的格子点○的格子线上仅布置○， 而不布置●。 类似地， 在 2 维格子中穿过用于纵向散焦检测的格子点●的格子线上仅布置●， 而不布置○。
     与第一实施例类似， 在横向上延伸的格子线的水平偏角和在纵向上延伸的格子线 的垂直偏角均为 +5.7°。两格子线的夹角是直角， 由此， 这样的格子线形成正交格子。
     在图 42 所示的第七实施例中， 各格子线在场之间的边界处是不连续的。更具体而 言， 当一个场中的○的格子线延伸到相邻的场时， 它与●的格子线连接。类似地， 当●的格 子线延伸到相邻的场时， 它与○的格子线连接。图 43 示出解决这种不连续性的变型。在图 43 的变型中， 四个场在格子线的间距和偏角方面是相等的， 但是， 在○和●的布置规则方面 不同。 更具体而言， 横向散焦检测像素和纵向散焦检测像素的布置规则在四个场之间改变。 四个场被定义为一个新的单位， 以形成图像感测区域， 由此解决场之间的不连续性。
     第七实施例中的 2 维格子的形状与第一实施例中的相同， 但是， 布置在格子点处 的焦点检测像素的布置密度减半。出于这种原因， 用作用于焦点检测计算的单位区域的一 个区段的尺寸优选地既在横向上又在纵向上被设为第一实施例中的图 12 所示的区段尺寸 的两倍。更具体而言， 用于合成横向散焦检测像素的信号的区域被设为 200 行 ×20 列＝ 4,000 个像素。 焦点检测中的区段布置、 焦点检测区域设定方法和焦点检测过程与第一实施 例中的图 16 ～ 22 所示的相同， 由此， 将不重复对于它们的描述。
     第七实施例可类似地获得第一实施例中的效果 (1-1) ～ (1-4)， 并且还得到例如 以下的效果。
     (7-1) 可以降低焦点检测像素的布置密度。 即使在具有许多像素的图像传感器中， 也可防止焦点检测计算的负担过大和聚焦时间变长。
     第一到第七实施例例示了数字静止照相机。但是， 基于本发明的技术的焦点检测 装置不仅适用于数字静止照相机， 而且适用于记录运动图像的便携式摄像机 ( 视频摄影 机 )、 各种检查照相机、 监视照相机、 内窥镜照相机和机器人照相机等。
     在用于各实施例的图像传感器中， 在 2 维表面上以正方形布置各自具有 1 ∶ 1 的 纵横比的正方形像素。但是， 本发明也适用于不具有正方形布置而是例如蜂窝布置的图像 传感器。并且， 图像传感器的滤色器不限于 RGB 滤色器。
     虽然已参照示例性实施例说明了本发明， 但应理解， 本发明不限于公开的示例性 实施例。 所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有这样的变型以及等同的结构 和功能。
     本申请要求在 2008 年 3 月 11 日提交的日本专利申请 No.2008-061844 的权益， 在 此引入其全部内容作为参考。