JP2014216970A - 測距装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測距条件によってクロストーク光が変動しても、高精度な測距が可能な測距装置などを提供する。【解決手段】測距装置は、結像光学系１０１と、複数の画素を有する撮像素子１０２を有する。撮像素子の少なくとも一部の画素は、測距用画素１０３として、集光部材１１０と導波路１１１と複数の光電変換部１０４、１０５で構成される。集光部材は、入射光を導波路のコア１１２中の第１の領域１２２Ｌ、第２の領域１２２Ｒに集光する部材である。導波路は、第２及び第１の領域１２２Ｒ、１２２Ｌに集光された光それぞれを、導波路端部に設けた光電変換部１０４、１０５に導く。【選択図】図２

Description

本発明は、測距装置に関し、特にデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどに用いられる測距装置などに関するものである。

デジタルスチルカメラやビデオカメラにおいて、ＡＦ（自動焦点調整）用距離検出技術が知られている。このようなＡＦ用距離検出技術に関し、特許文献１では、撮像素子の一部の画素に測距機能を持たせ、位相差方式で検出するようにした測距装置が提案されている。この位相差方式は、結像光学系の瞳上の異なる領域を通過した光の像を比較し、ステレオ画像による三角測量を用いて距離を検出する方法である。これによると、従来のコントラスト方式とは異なり、距離を測定するためにレンズを動かす必要が無いため、高速・高精度なＡＦが可能となる。また、動画撮影時にリアルタイムＡＦが可能になる。

測距用画素の構成例として、上記特許文献１に記載されたような図１０に示す構成が知られている。測距用画素９００は、マイクロレンズ９０１と、導波路９０２（コア９０３とクラッド９０４を備える）と、基板９０９中に設けた光電変換部９０５、９０６を含む構成となっている。マイクロレンズ９０１は、光電変換部９０５、９０６の位置に焦点位置を有している。このような構成により、結像光学系９１０の瞳上の一部の瞳領域９１０Ｌを通過した光束９１１Ｌは光電変換部９０６に導かれて受光され、他の瞳領域９１０Ｒを通過した光束９１１Ｒは光電変換部９０５に導かれて受光される。このような測距用画素の、瞳上の一部の領域からの光束を受光する特性を瞳分割特性と呼ぶ。これらの光電変換部９０５、９０６で取得した信号と既知の瞳分割特性の情報を元に、測距対象物までの距離が検出される。

特開２００９−１５８８００号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の構成において、測距条件によって、測距精度が悪化するということがあり得る。図１０で、瞳領域９１０Ｌを通過し、マイクロレンズ９０１で集光される光束のうち、一部の光は導波路９０２の導波モード光に変換されず、クロストーク光９１２になり、近傍の測距用画素９００´に伝播することがある。このクロストーク光９１２は、近傍の測距用画素９００´の、特に近い方の光電変換部９０５´に多く到達する。光電変換部９０５´は、本来、瞳領域９１０Ｒからの光束９１１Ｒを取得するものであり、異なる瞳領域９１０Ｌからの光束９１１Ｌも取得することにより、瞳分割特性が変化する。他の光電変換部も同様に、所定の瞳領域とは異なる瞳領域からの光束を取得することがあり、瞳分割性能が変化することになる。ここにおいて、結像光学系の絞りや測距対象物が変わると、入射光の角度範囲や波長が変わり、クロストーク光が変化することがある。これにより、瞳分割特性が所定の特性から変動し、測距精度が悪化することが起こり得る。本発明は、こうした課題に鑑み、測距条件などによってクロストーク光が変動したとしても、高精度な測距が可能な測距装置等の提供を目的とする。

本発明の測距装置は、複数の画素を有する撮像素子と、測距対象物の像を前記撮像素子に結像する結像光学系と、を有する測距装置である。前記撮像素子の少なくとも一つの画素は、集光部材と、コア及びクラッドからなる導波路と、第１の光電変換部及び第２の光電変換部と、を含む測距用画素であり、前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部は、第１の方向に沿って順に配置される。そして、前記結像光学系の瞳の中心から前記第１の方向とは逆方向に偏心した領域を第１の瞳領域とし、前記第１の方向と同じ方向に偏心した領域を第２の瞳領域とし、さらに、前記導波路内に位置し、前記コアの中心軸に対して前記第１の方向とは逆方向に位置する領域を第１の領域とし、前記第１の方向と同じ方向に位置する領域を第２の領域としたとき、前記集光部材は、前記第１及び第２の瞳領域を通過した光束をそれぞれ前記第２及び第１の領域に集光させ、前記導波路は、前記第２及び第１の領域の光をそれぞれ前記第１及び第２の光電変換部に導く。

本発明によれば、上記の如き集光部材と導波路を備えるので、高精度な測距が可能な測距装置を実現することができる。

本発明の実施例１における測距装置の概略断面及び撮像素子を示す図。 実施例１における測距装置に含まれる測距用画素の概略断面図。 実施例１における測距用画素による検出光量の入射角度依存性を示す図。 実施例１における測距用画素の導波モードの電場分布を示す図。 実施例１の変形例における測距装置に含まれる測距用画素の概略断面図。 実施例１の変形例における測距装置に含まれる測距用画素の概略断面図。 実施例１の各種例における測距装置に含まれる測距用画素の上面図。 裏面照射型の測距用画素の概略断面図。 実施例１における撮像システムの概略断面図。 従来の測距用画素の構成を示す概略断面図。

本発明では、測距用画素の第１及び第２の光電変換部が第１の方向に沿って順に配置された構造において、次の如く構成される。集光部材は、第１の方向とは逆方向に偏心した瞳領域を通過した光束を、導波路のコアの中心軸に対して第１の方向と同じ方向に位置する領域に集光させ、導波路は、この領域の光を第１の光電変換部に導くようにする。他方、集光部材は、第１の方向に偏心した瞳領域を通過した光束を、導波路のコアの中心軸に対して第１の方向とは逆方向に位置する領域に集光させ、導波路は、この領域の光を第２の光電変換部に導くようにする。こうした構成により、クロストーク光に起因する高精度測距への悪影響を抑制できる。

以下、図を用いて、本発明の実施例における測距装置について説明する。測距装置の適用個所例としては、例えば、デジタルカメラやデジタルビデオカメラやライブビューカメラ等の撮像装置、デジタル距離計測器などがある。また以下、図を用いて説明するが、全ての図において原則として同一の機能を有するものは同一の符号を付け、その繰り返しの説明はなるべく省略する。
（実施例１）
実施例１として、本発明における測距装置の構成例について図１及び図２を用いて説明する。図１（ａ）において、本実施例における測距装置１００は、結像光学系１０１、撮像素子１０２で構成されている。結像光学系１０１は、測距対象物の像を撮像素子１０２に結像する。更に、測距装置１００は、図１（ｂ）で示す撮像素子１０２で取得した信号を処理するための信号処理部（図示しない）を備えている。

測距に必要な情報を取得するための画素を測距用画素と呼ぶ。撮像素子１０２は、複数の画素で構成され、少なくとも一部に測距用画素１０３が配置されている。撮像素子１０２は、複数個の測距用画素１０３がｘ方向に配置されている。図２において、測距用画素１０３は、光の入射側（＋ｚ側）に、入射光を集光する集光部材としてマイクロレンズ１１０が配置されている。ここでは、図１（ａ）に示すようにｚ方向は結像光学系１０１の光軸と平行であるが、必ずしも平行である必要は無い。更に、測距用画素１０３は、導波路１１１（コア１１２、クラッド１１３）、基板１１４中の一部の領域に設けた第１及び第２の光電変換部１０４、１０５を有している。マイクロレンズ１１０は、導波路１１１のコア１１２中に焦点位置を有している。導波路１１１のコア１１２及びクラッド１１３は、撮像する波長帯域で透明な材料で形成される。例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、有機材料などで形成される。コア１１２は、クラッド１１３より高い屈折率を有する材料で形成される。

基板１１４は、検出する波長帯域で吸収を有する材料、例えばＳｉであり、イオン打ち込みなどで、内部の少なくとも一部の領域に光電変換部１０４、１０５が形成される。光電変換部１０４、１０５は、第１の方向である＋ｘ方向（ｘ方向はｚ方向と直交）に沿って順に設けられている。測距用画素１０３は、結像光学系１０１の瞳１２０上の中心からｘ方向に関して互いに逆方向に偏心した瞳領域１２０Ｌ、１２０Ｒからの光束１２１Ｌ、１２１Ｒを異なる光電変換部１０４、１０５で取得するように構成されている。測距用画素１０３は、図示しない配線を備えている。

（測距原理）
図１（ａ）に示すように、結像光学系１０１は外界の像を撮像素子１０２上に結像する。画素の大きさに対して、結像光学系１０１と撮像素子１０２の間の距離が長いため、射出瞳１２０上の異なる領域を通過した光束は、異なる入射角の光束として撮像素子１０２上に入射する。図２で、測距用画素１０３に光束が入射すると、マイクロレンズ１１０により、光束の入射角度に応じて、導波路１１１のコア１１２の異なる領域に集光される。光束１２１Ｌは、コア１１２の中心軸１１５に対して＋ｘ方向に位置する領域１２２Ｒに集光され、光束１２１Ｒは、−ｘ方向に位置する領域１２２Ｌに集光される。集光された光は、導波路１１１の導波モード１２３、１２４に変換されて導波路１１１中を伝播する。導波モードとは、導波路の持つ複数の固有モードの和で表され、導波路中の伝播状態を示すものである。固有モードは、導波路のコア、クラッドの形状、屈折率によって一意に決まる。導波路１１１に入射した光束は、複数の固有モードと結合し、固有の導波モードで伝播する。

マイクロレンズ１１０により、導波路中の領域１２２Ｒ，１２２Ｌに光を集光することで、偏心した電場分布を有する導波モードに変換し、導波路を伝播させることができる。導波路１１１のｚ方向の長さ、各光電変換部の位置を適切に設けることにより、集光領域１２２Ｒ、１２２Ｌに集光させた光を、それぞれ集光領域１２２Ｒ，１２２Ｌとはｘ方向に関して逆側の位置にある光電変換部１０４、１０５に導くことができる。光電変換部１０４、１０５に到達した光束は、電子に変換され、図示しない信号処理部に出力される。複数の光電変換部１０４、１０５で、異なる瞳領域を通過した光像を検出し、公知の方法により、被写体測距用信号を出力し、被写体距離を検出することで、高精度な測距が可能となる。導波路内の導波モードが異なるという特性を用いることで、特に画素が小さい場合でも、異なる瞳領域を通過した光束を異なる光電変換部に導き、高精度な測距が可能となる。前記測距は、例えば、次の如く行われる。複数の測距用画素１０３の各光電変換部１０４、１０５で検出された信号からなる被写体像信号１と被写体像信号２の相対的な位置ズレ量は、像ズレ量となる。この像ズレ量は公知の手法により算出でき、公知の数式を介して像ズレ量をデフォーカス量に変換することができる。また、結像光学系１０１の焦点距離に基づき、撮像素子１０２と光学的に共役な関係にある物体側のピント位置を算出することができる。さらに、結像光学系１０１の倍率関係に基づき像側のデフォーカス量を物体側のデフォーカス量に変換することができる。結像光学系１０１から物体側のピント位置までの距離と、物体側のデフォーカス量の和を算出することで、被写体までの距離を算出することができる。このように、デフォーカス量を算出することで、被写体までの距離を算出することができる。

（瞳分割性能が向上する理由）
測距用画素１０３で、測距条件によってクロストーク光が変動しても、高精度な測距が可能となる理由を述べる。図２で、測距用画素１０３に入射した光は、マイクロレンズ１１０で導波路１１１中に集光され、一部の光は、導波モード１２３と結合せず、近傍の画素１０３´に伝播するクロストーク光１２５となる。クロストーク光１２５は、近傍画素の光電変換部に到達する。クロストーク光１２５の多くは、クロストーク光１２５が発生する測距用画素１０３に近い光電変換部１０４´に到達する。測距用画素１０３´は、瞳領域１２０Ｌからの光束を光電変換部１０４´に導くように構成されており、同じ瞳領域１２０Ｌからの光束であるクロストーク光１２５を光電変換部１０４´で受光しても、瞳分割特性の変動は小さくなる。他の光電変換部についても同様であり、クロストーク光が発生しても、その多くは、クロストーク光と同じ瞳領域からの光束を受光する光電変換部で受光されるため、瞳分割特性の変動は小さくなる。複数の光電変換部１０４、１０５で、異なる瞳領域を通過した光像を検出し、公知の方法により、被写体測距用信号を出力し、被写体距離を検出することで、高精度な測距が可能となる。

（数値例）
図３に、導波路中の導波モードを示す。図３（ａ）は角度＋θ（第１の方向）からの光束１２１Ｌの、測距用画素中の電場強度分布を示し、図３（ｂ）は角度−θ（第２の方向）からの光束１２１Ｒの、測距用画素中の電場強度分布を示す。図中で黒く示した部分ほど、電場強度が強い領域であることを示している。このように、瞳領域１２０Ｌ、１２０Ｒから入射した光束は、マイクロレンズ１１０により、導波路の所定の方向に位置する領域に集光される。集光された光は、導波路の導波モード光と結合し、それぞれの集光領域とは第１の方向において逆側に位置する領域に導波路内を伝播し、光電変換部１０４あるいは１０５に到達する。図３（ｃ）に測距用画素に入射し、光電変換部１０４、１０５に射出される光の入射角度依存性を示す。横軸は入射光の入射角度、縦軸は光量を示している。実線１３０は光電変換部１０４に射出される光の光量を示し、破線１３１は光電変換部１０５に射出される光の光量を示している。図３（ｃ）に示すように入射角度によって、光が異なる光電変換部に射出されることが分かる。本発明の構成により、異なる瞳領域（異なる方向）から入射した光束を異なる光電変換部に、より選択的に導けることが分かる。

図４に、瞳領域１２０Ｌから測距用画素１０３に入射した光束１２１Ｌのうち、クロストーク光として測距用画素１０３´に伝播し、光電変換部１０５´で取得される光量を示す。横軸は入射光の入射角度、縦軸は光電変換部に射出される光量を示している。実線１３２は、本発明の構成の例を示している。破線１３３は従来の図１０で示す構成で、光電変換部９０５´に射出される光量を示している。図４のように、本発明の構成により、近傍画素において、入射光とは異なる瞳領域からの光束を取得するための光電変換部に到達するクロストーク光が減少し、クロストーク光の影響が小さくなることが分かる。

以上の如く、本発明の測距装置では、撮像素子の少なくとも一部の画素が、集光部材１１０と導波路１１１と複数の光電変換部１０４、１０５を備えた測距用画素１０３である。第１の光電変換部１０４及び第２の光電変換部１０５は、第１の方向（＋ｘ方向）に向かって順に配置される。ここで、瞳上の中心から第１の方向とは逆方向に偏心した瞳領域を第１の瞳領域１２０Ｌ、第１の方向と同じ方向に偏心した領域を第２の瞳領域１２０Ｒとする。また、導波路コア１１２中の中心軸１１５に対して第１の方向とは逆方向に位置する領域を第１の領域１２２Ｌ、第１の方向と同じ方向に位置する領域を第２の領域１２２Ｒとする。集光部材１１０は、第１の瞳領域１２０Ｌからの光束を第２の領域１２２Ｒに、第２の瞳領域１２０Ｒからの光束を第１の領域１２２Ｌに集光するように構成される。導波路１１１は、第２の領域１２２Ｒの光を第１の光電変換部１０４に、第１の領域１２２Ｒの光を第２の光電変換部１０５に導くように構成される。このような構成により、測距条件が変わり、クロストーク光が変動しても、瞳分割性能に与える影響を小さくすることができ、高精度な測距が可能となる。

（集光部材の集光位置）
本発明の測距用画素で、集光部材（マイクロレンズ１１０など）は、集光位置が導波路の光射出端１２７から出来るだけ光入射端１２６の側に離れた位置になるように構成する方がよい。望ましくは、集光部材の集光位置が、導波路１１１の長さの半分よりも入射端１２６側に、より望ましくは、導波路の入射端１２６の位置になるように構成することが望ましい。集光位置を射出端１２７から出来るだけ離れた位置に設けることで、導波路１１１の伝播方向（ｚ方向）における長さを短くすることができ、撮像素子を作製し易くなる。

（導波路の長さ）
図２に示すように、測距用画素１０３に入射した光束１２１Ｒ、１２１Ｌは、主に導波路１１１の固有モードである０次、１次、２次のモードの光と結合し、これらの干渉波である導波モード１２３、１２４として伝播する。入射光は、主に０次モード光と２次モード光と結合し、更にｘ方向に非対称な１次モード光が干渉することで、導波路１１１の集光した領域に強い電場を有する導波モード１２３、１２４が形成される。このとき、集光領域に強く集中する電場のｚ方向の周期Ｐは、０次モード光と２次モード光の干渉波の約半分の周期となり、次の（式１）で表される。Ｐ０及びＰ２は、０次モード光と２次モード光の周期である。
Ｐ＝Ｐ_０Ｐ_２／（Ｐ_０−Ｐ_２） （式１）

各モード光の周期Ｐｍは、導波路１１１を構成する媒質の屈折率や形状、導波させる光の波長より、導波路解析における一般的な特性方程式を用いて算出することができる。本発明の測距用画素において、集光部材（マイクロレンズ１１０など）は、集光位置が導波路１１１の入射端１２６の位置となるように構成し、導波路１１１の伝播方向（ｚ方向）における長さＬを、次の（式２）の範囲にすることが望ましい。Ｌは、導波路の複数の画素が配列する方向に垂直な方向の長さでもある。
Ｐ_０Ｐ_２／（Ｐ_０−Ｐ_２）≦Ｌ≦２Ｐ_０Ｐ_２／（Ｐ_０−Ｐ_２） （式２）

この理由を説明する。集光部材で集光された光は、入射端１２６において集光した領域に電場が強く集中する導波モード光に変換される。この導波モード光は、伝播するにつれて、上記（式１）で示す周期で、電場が強く集中する集光領域が変化する。導波路１１１の長さＬを上記（式２）で示す範囲にすると、入射端１２６で集光領域に集中した電場が、導波路下端１２７において、集光領域とは第１の方向とは逆側に位置する領域に導波路内で伝播され、その下の光電変換部１０４あるいは１０５がある領域に光を導くことができる。このような構成にすることにより、異なる瞳領域（異なる方向）から入射した光束を異なる光電変換部に選択的に導くことができる。

導波路１１１を平面導波路と近似した場合、下記の（式３）の特性方程式を解くことにより各モードの規格化実効屈折率ｂｍを求め、下記の（式４）より、周期Ｐｍを算出することができる。ただし、λは入射光（検出光）の波長、Ｗはコア１１２のｘ方向の幅、ｎ０及びｎ１はそれぞれコア１１２及びクラッド１１３の屈折率、ｍはモードの次数を表わしている。

検出光が可視波長帯域で、画素が配列する面内における導波路コア１１２の幅Ｗ及び屈折率ｎ０で規定される構成により０次から２次の導波モードが比較的支配的になる条件では、次の様にすると良い。すなわち、導波路１１１の伝播方向（ｚ方向）の長さＬは、（式２）から（式４）より、次の（式５）の範囲にすることが望ましい。このような範囲とすることで、可視の波長帯域において、異なる瞳領域（異なる方向）から入射した光束を異なる光電変換部に選択的に導くことができる。

例えば、検出光の波長を５５０ｎｍ、導波路１１１のコア１１２及びクラッド１１３を構成する媒質の屈折率が１．８、１．５、コア１１２の幅が８００ｎｍの場合、０次及び１次モードの周期は、それぞれ３０９ｎｍ、３４３ｎｍとなる。導波路１１１の長さＬを、（式５）に従って、３．９μｍから５．３μｍの範囲にすると、異なる瞳領域（異なる方向）から入射した光束を異なる光電変換部に選択的に導くことができる。

（散乱部）
本発明の測距装置において、図５に示すように、測距用画素１０３の導波路１１１の射出端１２７に、更に散乱部１４０を形成してもよい。散乱部１４０は、コア１１２よりも低い屈折率を有する媒質で形成され、例えば、クラッド１１３と同じ媒質で形成される。散乱部１４０は、導波路１１１を伝播する光の一部を乱す部材である。散乱部１４０を設けることで、光電変換部１０４と光電変換部１０５の間の領域に入射する光を低減でき、光電変換部１０４、１０５がある領域に射出される光を増加することができる。また、散乱部１４０を設けると、測距用画素１０３から、近傍画素１０３´の他の瞳領域からの光束を受光する光電変換部１０５´に向かって伝播するクロストーク光１５１を散乱させ、もう一方の光電変換部１０４´により多く導くことができる。よって、前述のクロストーク光の影響を更に低減することができる。

散乱部１４０の幅は、検出する光の波長に対して狭すぎると、導波モードに影響を及ぼすことができず、広すぎると一部の光を反射あるいは散乱し、損失光を発生させてしまう。望ましくは、検出する光の波長に対して、０．１倍から２倍程度が望ましい。散乱部１４０の脇のコア１１２領域の幅は、光電変換部で検出する光に対して複数の固有モードが存在するマルチモード導波路を構成する大きさであることが望ましい。この領域を高次の固有モードを多く含む構成とすれば、導波モードが伝播しやすくなり、効率良く光を導くことができる。

（集光部材：テーパー形状導波路）
本発明の測距装置における測距用画素で、集光部材はマイクロレンズ以外の部材であってもよい。図６（ａ）に示すように、集光部材は、導波路で構成され、結像光学系１０１側から導波路１１１側に向かってコア１５１の開口径が小さくなるテーパー形状を有する導波路１５０であってもよい。テーパー導波路１５０は、コア１５１及びクラッド１５２からなり、例えば、導波路１１１のコア１１２及びクラッド１１３を構成する媒質と同じ媒質を用いることで構成される。テーパー導波路１５０のコア１５１の光入射側の幅は画素サイズと同じ大きさを有し、射出側は、導波路１１１のコア１１２と同じ大きさを有している。このようなテーパー導波路１５０に入射した光は、テーパー導波路１５０の導波モードと結合し、射出端から射出される。テーパー導波路１５０の形状を適切に構成することで、画素全面に入射した光を、テーパー導波路１５０の射出端の集光領域に集光することができる。また、光が伝播する領域を画素の特定領域に限定し、隣接する画素に光が漏れて生じるクロストークを軽減することができる。あるいは、図６（ｂ）のように、集光部材として、マイクロレンズ１１０とテーパー導波路１５０の両方を設けてもよい。マイクロレンズ１１０の形状、媒質、テーパー導波路１５０の形状、媒質を適切な構成にすることで、入射光をより効率良く導波路１１１に集光することができ、前記効果を得ることができる。更に、前述の散乱部１４０を設けてもよい。このような構成でも、前記と同様の効果を得ることができる。

（カラーフィルタ）
各画素にカラーフィルタを設けてもよい。例えば、図２の構成において、マイクロレンズ１１０と導波路１１１の間の領域にカラーフィルタを設けることができる。これにより、導波路に入射する光の波長帯域を限定することができ、入射した光を所望の導波モードで伝播させやすくなり、異なる瞳領域からの光を、異なる光電変換部に、より選択的に導くことができる。あるいは、図６（ａ）の構成で、テーパー導波路１５０の上部にカラーフィルタを設けてもよい。あるいは、図６（ａ）、（ｂ）の構成で、テーパー導波路１５０のコア１５１を吸収性媒質で形成し、カラーフィルタの機能と集光部材の機能の両方を得てもよい。これにより、前記と同様の効果を得ることができる。

（測距用画素の配置）
本実施例の構成において、図７（ａ）のように、測距用画素１０３を撮像素子１０２の全画素に配置すると、撮像素子１０２の任意の領域あるいは全領域の測距が可能となる。また、各画素に含まれる光電変換部１０４と光電変換部１０５で取得した信号を積算し、撮像画像の画像信号として利用することができる。

あるいは、図７（ｂ）のように、測距用画素１０３を離散的に配置し、その間に撮像用画素１６０を配置してもよい。撮像用画素１６０は、画素内に一つの光電変換部１６１を有する画素である。測距用画素同士を離して配置することにより、クロストークの影響を低減することができ、前述と同様に、高精度な測距が可能となる。ただし、測距用画素同士を離し過ぎると、取得した測距像の解像度が劣化し、測距精度が低下する。測距用画素は互いに３画素以内の画素を隔てて配置することが望ましい。図７（ｂ）の例では、測距用画素１０３が、ｘ方向に３つの撮像用画素１６０を挟んで配置されている。撮像用画素１６０で取得した信号を用いて画像を生成することができる。撮像用画素１６０で取得した信号を用いて、近接する測距用画素の画像用信号を生成してもよい。このような構成とすることで、撮像素子１０２に占める測距用画素の割合を減らすことができ、測距と同時に、高画質な画像を撮像することができる。

あるいは、図７（ｃ）に示すように、ｘ方向及びｙ方向にそれぞれ瞳分割機能を有する測距用画素１０３、１６２を配置してもよい。測距用画素１０３はｘ方向、測距用画素１６２はｙ方向に光電変換部１０４、１０５、１６３、１６４が配置され、それぞれｘ方向及びｙ方向に画素列が配置される。測距用画素１０３は射出瞳１２０のｘ方向に異なる瞳領域、測距用画素１６２はｙ方向に異なる瞳領域からの光束を取得する。このような構成とすると、測距用画素１０３でｘ方向、測距用画素１６２でｙ方向に、コントラストの変化がある被写体の測距が可能となる。あるいは、図７（ｄ）に示すように、測距用画素１６５に４つの光電変換部１６６、１６７、１６８、１６９を配置してもよい。瞳上のｘ方向及びｙ方向に異なる瞳領域からの光束が各光電変換部で取得される。ｘ方向については、光電変換部１６６、１６７で取得した信号と光電変換部１６８、１６９で取得した信号とを用い、ｙ方向については、光電変換部１６６、１６８で取得した信号と光電変換部１６７、１６９で取得した信号とを用いて、測距することができる。

（裏面照射型）
各画素の導波路のクラッド部に、光電変換部で取得した電気信号を転送するための配線部を設けてもよい。導波路のクラッドに伝播するクロストーク光の一部を遮光する効果があり、クロストーク光の影響を低減することができる。あるいは、図８に示すように、基板１１４の裏面側（−ｚ側）に集光部材１１０を設け、基板１１４中に導波路１１１を形成した裏面照射型の構成にしてもよい。このような構成にすると、基板の裏側から入射した光（＋ｚ方向に伝播する光）が検出される。配線等は基板１１４の表側に配置することができ、入射光の伝播が、配線等によって妨げられるのを回避することができる。また、配線等による空間的制約が軽減され、導波路１１１の形状をより自由に構成することができ、入射光を光電変換部に効率良く導くことができる。

（撮像システム）
図９の様に、測距装置１００と、測距装置１００を制御するＣＰＵ１７１、撮像素子１０２で取得した信号の読み出し、処理、記録の為の配線１７２、信号処理基板１７３、記録装置１７４を設けることで、撮像システムないし撮像装置１７０を構成できる。このような構成により、測距と同時に、結像光学系１０１により結像された被写体像を撮像素子１０２により取得することができる。

ここで、このデジタルカメラなどの撮像装置１７０の動作例について説明する。ただし、以下は、あくまで一例である。撮像装置１７０のメイン電源が入り、シャッターボタン（不図示）が所謂半押しされた後の動作フローで説明する。まず、結像光学系１０１の情報（焦点距離、絞り値など）を読み出し、記録装置１７４に保存する。次に、焦点調節を行う。すなわち、撮像素子１０２から出力される被写体像信号に基づき、測距手順を用いてデフォーカス量を算出する。そして、算出したデフォーカス量に基づき、結像光学系１０１が合焦状態かどうか判別する。合焦していない場合は、デフォーカス量に基づき結像光学系１０１を合焦位置へ駆動したのち、はじめのステップへ戻る。合焦していると判定された場合は、シャッターボタンの操作によりシャッターがレリーズ（所謂全押し）されたか否かの判定を行う。レリーズされていないと判定された場合は、はじめのステップへ戻り、上述の処理を繰り返す。シャッターがレリーズされたと判定された場合には、撮像素子１０２から被写体像信号を読み出し、記録装置１７４に保存する。保存された被写体像信号に現像処理を施すことで、観賞用画像を生成することができる。また、保存された被写体像信号に、測距手順を適用することで、観賞用画像と対応した被写体距離画像（被写体距離分布）を生成することができる。

以上で示したように、画素内に集光部材と導波路と複数の光電変換部を設け、集光部材及び導波路の形状や媒質や配置を適切に設定することで、入射角に応じた光を分離することができる。測距条件によって、クロストーク光が変動しても、高精度な測距信号を取得することができ、高精度な距離測定が行える測距装置が実現できる。

本発明のデジタルカメラなどへの適用を考えると、本発明は、被写体像を撮像する撮像部とは別に測距を専用で行う測距装置（一眼レフカメラ等で用いられる）と捉えるとともに、撮像部を用いて測距をも行う所謂撮像面測距に好適な装置と捉えることもできる。前述したように、本発明により検出される距離を用いて、撮像装置にて得られる画像と対応する距離分布（距離マップ）を生成することができる。また、画像内の被写体のボケ量はデフォーカス量に依存するので、得られた画像に対して距離分布に基づく処理を行うことで、任意のボケ付加処理、撮影後のリフォーカス処理（任意の位置にピントを合わせる処理）等の画像処理などを適切に行うことができる。

１７０・・撮像装置、１０１・・結像光学系、１０２・・撮像素子、１０３・・測距用画素、１０４・・第１の光電変換部、１０５・・第２の光電変換部、１１０・・集光部材、１１１・・導波路、１１２・・コア、１１３・・クラッド、１２０・・瞳、１２０Ｌ・・第１の瞳領域、１２０Ｒ・・第２の瞳領域、１２２Ｌ・・第１の領域、１２２Ｒ・・第２の領域、１２７・・導波路の光射出端、１２６・・導波路の光入射端側

Claims (9)

1. 複数の画素を有する撮像素子と、測距対象物の像を前記撮像素子に結像する結像光学系と、を有する測距装置であって、
   前記撮像素子の少なくとも一つの画素は、集光部材と、コア及びクラッドからなる導波路と、第１の光電変換部及び第２の光電変換部と、を含む測距用画素であり、
   前記第１の光電変換部及び前記第２の光電変換部は、第１の方向に沿って順に配置され、
   前記結像光学系の瞳の中心から前記第１の方向とは逆方向に偏心した領域を第１の瞳領域とし、前記第１の方向と同じ方向に偏心した領域を第２の瞳領域とし、さらに、前記導波路内に位置し、前記コアの中心軸に対して前記第１の方向とは逆方向に位置する領域を第１の領域とし、前記第１の方向と同じ方向に位置する領域を第２の領域としたとき、
   前記集光部材は、前記第１及び第２の瞳領域を通過した光束をそれぞれ前記第２及び第１の領域に集光させ、
   前記導波路は、前記第２及び第１の領域に集光した光をそれぞれ前記第１及び第２の光電変換部に導く、
   ことを特徴とする測距装置。
2. 前記集光部材は、レンズを有することを特徴とする請求項１に記載の測距装置。
3. 前記集光部材は、前記結像光学系の側から前記導波路の側に向かって開口径が小さくなるテーパー形状のテーパー導波路を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の測距装置。
4. 前記第１及び第２の領域は、前記導波路の前記複数の画素が配列する方向に垂直な方向の長さの半分よりも入射端側にあることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の測距装置。
5. 前記導波路の前記複数の画素が配列する方向に垂直な方向の長さＬは、
   Ｐ_０Ｐ_２／（Ｐ_０−Ｐ_２）≦Ｌ≦２Ｐ_０Ｐ_２／（Ｐ_０−Ｐ_２）
   の範囲を有することを特徴とする請求項４に記載の測距装置。ただし、Ｐ０及びＰ２は、それぞれ、前記光電変換部で検出する光の波長に対する前記導波路の０次モード及び２次モードの周期である。
6. 前記導波路の前記複数の画素が配列する方向に垂直な方向の長さＬは、次の（式５）
   の範囲を有することを特徴とする請求項５に記載の測距装置。ただし、λは、前記光電変換部で検出する光の波長、Ｗは、画素が配列する面内における前記コアの幅、ｎ０は、前記コアの屈折率とする。
7. 前記導波路の射出端側に散乱部を備えていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の測距装置。
8. 前記撮像素子は、複数の測距画素を有し、
   前記複数の測距用画素は、互いに３画素以内の画素を挟んで配置されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の測距装置。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の測距装置を有する撮像装置であって、
   前記結像光学系で結像される被写体像を前記撮像素子により取得することを特徴とする撮像装置。