CN101630110A - 相位差检测装置、摄像设备和相位差检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种相位差检测装置、摄像设备和相位差检测方法。计算图像A和图像B之间的比作为从一对光学图像获得的图像A和B的比较结果。然后，计算方差，以评价针对各个像素所获得的比的统计波动。在图像A和图像B之间的相位偏移时，针对各个相位差评价由于方差引起的波动。基于该波动的评价结果进行相位差检测。

Description

相位差检测装置、摄像设备和相位差检测方法

技术领域

本发明涉及在照相机或摄像机等的摄像设备上可采用的相位差检测装置、包括该相位差检测装置的摄像设备、相位差检测方法以及包含用于使计算机执行该相位差检测方法的计算机程序代码的计算机可读记录介质。

背景技术

在传统的摄像设备中，在自动调焦(AF)操作时检测摄像镜头的焦点状态。例如，已知用于根据相对位置关系依赖于摄像镜头的焦点状态而变化的一对图像信号之间的相位差来检测该摄像镜头的焦点状态的焦点检测方法。在日本特开昭62-39722中公开了一种用于基于从一对图像信号获得的预先定义的信息量(下文中称为“相关量”)来检测该对图像信号之间的相位差的方法。生成示出这两个图像信号的相位相关性的两个输出信号。在日本特开昭62-39722中，设置一对辐射能检测器，以从正观看的场景接收以图像信号的形式的能量。这样的检测器中的第一个生成第一输出信号图案，而这样的检测器中的第二个生成第二输出信号图案。这两个图案在期望的焦点位置处一致，但是依赖于焦点状况沿第一方向或相反方向相对移动。将其中一个或两个图案在预定位置处的斜度与来自检测器的输出的值的差相乘，以生成进行相加的值。进行相加的值的符号表示摄像镜头应当沿其移动以使图案在期望的焦点位置处一致的方向。将第一结果信号和第二结果信号的和定义为相关量。基于该相关量检测该对图像信号之间的相位差。另外，在日本特开昭63-264715中公开了一种用于根据由通过摄像镜头的不同的光瞳区域透射来的光束所产生的一对图像信号之间的相位差来检测该摄像镜头的焦点状态的TTL(通过镜头)相位差焦点检测装置。在日本特开昭63-264715中，将一对图像信号之间的相位差的绝对值和定义为相关量。基于该相关量检测该对图像信号之间的相位差。此外，在日本特开2004-12601中公开了外部测量型相位差焦点检测方法。

然而，在传统的相位差检测方法中存在以下问题。在远离摄像镜头的光轴的中心的位置处，由于摄像镜头的渐晕(vignetting)因而出现了来自一对图像信号的光强度的不均匀降低，从而导致这两个图像信号之间的增益差。尝试检测具有增益差的两个图像信号之间的相位差可能不仅导致由于二者之间的差的一致度引起的检测难度，而且导致依赖于图像信号的图案的检测误差。图35A是示出当存在增益差时两个图像信号的波形的图。y轴是相对于x轴的像素位置的像素输出(与随后将要说明的图13A、14A和15A中一样)。像素输出是由波形图表示的来自图像传感器的输出。图35A示出拍摄具有左半部分是黑色、右半部分是白色并且在黑色和白色之间的边界处从黑色逐渐变为白色的渐变图案的被摄体的情况。图35A还示出两个图像信号之间不存在相位差的状态。假定当获得了如图35A所示的两个图像信号时，通过在日本特开昭62-39722和日本特开昭63-264715中公开的相关量来进行相位差检测。在这种情况下，不能够将这两个图像信号之间已出现了的增益差与这两个图像信号之间的相位差区分开。结果，相位差检测误判断为这两个图像信号在横向偏移位置处一致。

图35B是示出在存在增益差时当传统的相位差检测方法误判断为两个图像信号一致时这两个图像信号的波形的图。在现有技术中，图35B中由阴影表示的区域与相关量相对应，从而在如图35B所示的使阴影区域最小化的状态下判断为这两个图像信号一致。因此，当使用传统的相关量进行相位差检测时，由于图35B所示的电平差的影响，相位差检测误判断为两个图像信号在横向偏移位置处一致。结果，出现了两个图像信号的相位差检测结果的偏差将出现的问题。例如，还考虑了用于通过确定光强度的不均匀降低量来校正增益差的方法。然而，存在由于摄像镜头的制造误差引起的渐晕偏差、由于摄像镜头在变焦/调焦驱动期间的运动引起的渐晕偏差和由于形成一对光学图像的透镜系统的制造变动引起的开口率偏差等。因此，在增益校正时由这些各种因素引起的误差仍然残余，这可能导致如图35A所示的增益差。当这种校正仍存在时，还出现了两个图像信号的相位差检测结果的偏差将出现的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种相位差检测装置。

在本发明的第一方面，一种相位差检测装置，包括：光电转换单元，在所述光电转换单元中布置有用于对接收到的光进行光电转换的多个像素，所述光电转换单元用于对通过镜头接收到的至少一对光学图像进行光电转换，以生成第一图像信号和第二图像信号；以及相位差检测单元，其包括：用于从所述光电转换单元中的至少两个像素位置中的各个像素位置获得所述第一图像信号和所述第二图像信号的单元，比较单元，用于针对各个像素位置将所述第一图像信号与所述第二图像信号进行比较，波动计算单元，用于计算所述第一图像信号和所述第二图像信号的波动，用于将所计算出的波动在像素位置的范围内进行比较以获得结果第一图像信号和结果第二图像信号的单元，以及相位差计算单元，用于计算所述结果第一图像信号和所述结果第二图像信号之间的相位差，以使得能够基于所计算出的波动确定所述镜头的焦点状态。

在本发明的第二方面，一种摄像设备，包括：镜头；如上所述的相位差检测装置；摄像光学系统，用于基于所述相位差检测装置的相位差检测结果，进行所述镜头的焦点调整操作；以及图像传感器，用于基于所述摄像光学系统的操作，生成被摄体图像。

在本发明的第三方面，一种用于相位差检测装置的相位差检测方法，所述相位差检测装置包括布置有用于对接收到的光进行光电转换的多个像素的光电转换单元，所述相位差检测方法包括：从至少两个像素位置中的各个像素位置获得第一图像信号和第二图像信号；针对各个像素位置将所述第一图像信号与所述第二图像信号进行比较；计算所述第一图像信号和所述第二图像信号的波动；将所计算出的波动在像素位置的范围内进行比较，以获得结果第一图像信号和结果第二图像信号；以及计算所述结果第一图像信号和所述结果第二图像信号之间的相位差，以使得能够基于所计算出的波动确定镜头的焦点状态。

期望提供即使对于具有增益差的一对图像信号也不易产生相位差检测误差的相位差检测装置。

根据以下参考附图对典型实施例的说明，本发明的其它特征将变得明显。

附图说明

图1A是示出使用了本发明的相位差检测装置的第一实施例的照相机的结构的图。

图1B是示出与图1A的相位差检测电路相关联的提取部的框图。

图2是根据本发明的图像传感器的示意电路图。

图3是像素(光电转换部1)的横截面图。

图4是图像传感器的工作时序图。

图5A和5B示出摄像像素的布置和构造。

图6A和6B示出用于沿摄像光学系统的水平方向(横向)执行光瞳分割的焦点检测像素的布置和构造。

图7A和7B示出用于沿摄像光学系统的垂直方向执行光瞳分割的焦点检测像素的布置和构造。

图8是用于解释第一实施例中的图像传感器的光瞳分割功能的概念的图。

图9是用于解释基于焦点检测获得的图像以及焦点检测区域的图。

图10是从由-X、+Y和-Z这3个轴围绕的象限看到的图像传感器和摄像光学系统的区域的立体图。

图11是示出图像传感器相对于出射窗和光瞳(pupil)的关系的图。

图12A是示出图像A和图像B之间的增益差根据图像高度而如何变化的示例的图。

图12B是示出图像A和图像B之间的增益差根据图像高度而如何变化的另一示例的图。

图12C是示出图像A和图像B之间的增益差根据图像高度而如何变化的又一示例的图。

图13A是示出在如图12A所示出现了增益差的像素S_HA和像素S_HB上通过从具有上述图案的被摄体接收光所获得的图像A和B的图。

图13B是示出在如图13A所示的图像A和B之间的相对位置关系每次偏移1位时所计算出的在日本特开昭62-39722中公开的相关量的结果的图。

图13C是示出在偏移了-3位之后的图像A和B的图。

图14A是示出在如图12A所示出现了增益差的像素S_HA和像素S_HB上通过从具有上述图案的被摄体接收光所获得的图像A和B的图。

图14B是示出在如图14A所示的图像A和B之间的相对位置关系每次偏移1位时所计算出的在日本特开昭63-264715中公开的相关量的结果的图。

图14C是示出在偏移了-3位之后的图像A和B的图。

图15A是示出在如图12A所示出现了增益差的像素S_HA和像素S_HB上通过从具有从黑色(左侧)逐渐变为白色(右侧)的渐变图案的被摄体接收光所获得的图像A和B的图。

图15B是标绘了A(i+PD)/B(i)的图。

图16A是示出在如图12A所示出现了增益差的像素S_HA和像素S_HB上通过从具有上述图案的被摄体接收光所获得的图像A和B的图。

图16B是示出在如图16A所示的图像A和B之间的相对位置关系每次偏移1位时公式(7)中所示的校正量的计算结果的图。

图17A是示出在如图12B所示出现了增益差的像素S_HA和像素S_HB上通过从具有上述图案的被摄体接收光所获得的图像A和B的图。

图17B是示出在如图17A所示的图像A和B之间的相对位置关系每次偏移1位时公式(7)中所示的校正量的计算结果的图。

图18A是示出在如图12B所示出现了增益差的像素S_HA和像素S_HB上通过从具有上述图案的被摄体接收光所获得的图像A和B的图。

图18B是示出在如图18A所示的图像A和B之间的相对位置关系每次偏移1位时公式(7)中所示的校正量的计算结果的图。

图19是示出当已获得了如图18B所示的方差分布时用于确定到小数位以下的使方差最小化的偏移量的方法的图。

图20A是示出通过将图像A偏移由在公式(7)中定义的相关量所检测到的相位差PD使图像A和B之间的相位一致的状态的图。

图20B是根据A(i+PD)/B(i)来标绘各个像素的AB光能比RATE的图。

图20C是示出在基于近似公式f(i)的再遮光(re-shading)校正之后的图像A和B的图。

图21是根据本发明第一实施例的照相机的主流程的流程图。

图22是焦点检测子例程的流程图。

图23是相关计算子例程的流程图。

图24是再遮光校正子例程的流程图。

图25是可靠性判断子例程的流程图。

图26是拍摄子例程的流程图。

图27是第二实施例的照相机的侧向横截面图。

图28是展开了第二实施例的焦点检测装置220的各个部件的展开立体图。

图29是从再成像透镜214提取出的光出射面侧的中央部分的放大图。

图30是焦点检测传感器217中的芯片的光出射面侧的中央部分的放大图。

图31是示出配置有第二实施例的相位差检测方法的照相机的结构的图。

图32是本发明第二实施例的照相机的主要流程图。

图33是焦点检测子例程(图32中的步骤S600)的流程图。

图34是示出第三实施例的照相机的结构的图。

图35A是示出当存在增益差时两个图像信号的波形的图。

图35B是示出当存在增益差时在传统的相位差检测误判断为两个图像信号一致时这两个图像信号的波形的图。

具体实施方式

在下文，现在将参考附图来说明用于执行本发明的最佳模式。如以下所述，包括图1的各附图是示意图，并且在大小和形状这两者上突出了各部分以易于理解。在以下说明中，示出了可适当修改的具体数值、形状和操作。此外，除非另外指出，在以下说明中使用的术语“上下”(或纵向)、“左右”(或横向)和“前后”指照相机的位置是正位置时的情况。“上下”指从照相机的正位置的上下。“左右”指从照相机的正位置的左右，假定“右”表示由保持照相机的用户或拍摄者从该照相机的背面观看的该照相机的右手侧。对于“前后”，被摄体侧指“前”侧。“正位置”指用户或拍摄者在正常状态下保持照相机的位置，即，用户或拍摄者在摄像光学系统的光轴是水平的并且拍摄帧的长度方向也是沿水平方向的状态下保持照相机的位置。

第一实施例

图1A是配置有本发明实施例的相位差检测装置的第一实施例的照相机的结构的图。第一实施例的照相机是用作将具有图像传感器的照相机主体与摄像光学系统TL一体化的摄像设备的数字照相机。第一实施例的照相机包括第一透镜组101、光圈/快门102、第二透镜组103、第三透镜组105、低通滤波器106和图像传感器107。另外，第一实施例的照相机包括变焦致动器111、光圈/快门致动器112、调焦致动器114、电子闪光灯115、AF辅助光单元116、CPU 121和电子闪光灯控制电路122。第一实施例的照相机还包括辅助光驱动电路123、图像传感器驱动电路124、图像处理电路125、调焦驱动电路126、变焦驱动电路129、显示器131、操作开关组132和可移除闪速存储器133。

第一透镜组101是布置在摄像光学系统(成像光学系统)的末端(被摄体侧)处的透镜组，并且以沿光轴方向可伸缩的方式保持第一透镜组101。光圈/快门102调整开口直径以在拍摄时调整光量。光圈/快门102还用作用于在拍摄静止图像时调整曝光时间的快门。第二透镜组103是与第一透镜组101和光圈/快门102相比布置在离图像传感器107较近处的透镜组。光圈/快门102和第二透镜组103一起沿光轴方向进退，以同步于第一透镜组101的往返移动操作实现变焦操作(变焦功能)。第三透镜组105是与第二透镜组103相比布置在离图像传感器107较近处的透镜组。第三透镜组105用作用于通过沿光轴方向进退进行调焦的调焦透镜组。

低通滤波器106是包括用于减轻拍摄到的图像的伪色(falsecolor)或波纹的光学元件的光学低通滤波器。图像传感器107是由CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器及其外围电路构成的光电转换单元。图像传感器107是二维单片彩色传感器，在该二维单片彩色传感器中，在片上集成了按沿横向的行中具有m个像素并且沿纵向的列中具有n个像素的矩阵布置的多个像素(光接收像素)，并且在该多个像素上形成了拜尔模式原色马赛克滤波器(Bayer-pattern primary color mosaic filter)。本实施例的图像传感器包括：摄像像素，用于生成在基于被摄体图像生成摄像图像数据时使用的摄像图像信号；和相位差检测像素，其以规则间隔分布在这些摄像像素之间。后面将说明以上的详情。变焦致动器111是例如步进马达。变焦致动器111产生用于使凸轮筒(未示出)旋转的驱动力，并驱动第一透镜组101至第三透镜组105沿光轴方向进退并进行变焦操作。光圈/快门致动器112是例如利用电磁线圈和磁体的电磁从动致动器。光圈/快门致动器112控制光圈/快门102的开口直径以在拍摄时调整光量，并在拍摄静止图像时控制曝光时间。调焦致动器114是例如步进马达。调焦制动器114通过使第三透镜组105沿光轴方向伸缩来调整焦点。

电子闪光灯115是用于在拍摄时照亮被摄体的光源。电子闪光灯115优选是使用氙管的闪光灯照明装置，但还可以是具有连续发射LED(发光二极管)的照明装置。AF辅助光单元116经由投射透镜向视野投射具有预定开口图案的掩模的图像，并提高暗被摄体或低对比度被摄体的焦点检测性能。CPU 121是对照相机主体的各种操作执行全面控制的照相机内CPU。CPU 121包括运算单元(未示出)、ROM、RAM、A/D转换器、D/A转换器和通信接口单元等。CPU 121基于ROM中所存储的预定程序驱动该照相机中所包含的各种电路，以执行包括焦点检测、AF操作、拍摄、图像处理和记录的一系列操作。CPU 121还包括相位差检测电路150。相位差检测电路150进行(后面将说明的)相位差检测，以实现用于由调焦驱动电路126要进行的焦点调整操作(AF操作)的焦点检测。在实施例中，作为CPU 121的功能而实现的相位差检测电路150包括于CPU 121内，然而，相位差检测电路150还可被配置为与CPU 121分离开的电路。

图1B是示出与相位差检测电路150相关联的提取部的框图。相位差检测电路150包括比较单元151、波动计算单元或分析单元152、相位差计算单元153和校正单元154。如上所述，图像传感器包括像素矩阵。作为光信号(即，光)击中这些像素的结果，这些像素利用它们的光电二极管生成图像信号。一些像素(摄像可以不使用的像素)可以分配用于焦点检测。如下所述对由所分配的这些焦点检测像素生成的图像信号进行处理。可以成对分配焦点检测像素，每一对中的第一像素和第二像素分别生成第一图像信号和第二图像信号。如以下参考图6A和6B所述，比较单元151顺次测量由分配用于焦点检测的像素对生成的图像信号。比较单元将第一图像信号与第二图像信号进行比较，并且判断图像信号的波动。将所有像素对的波动结果相互比较，从而确定具有最小波动的像素对。然后，计算该对图像信号的相位差，并将该相位差用作用于镜头焦点的计算的相位差。更具体地，比较单元151在“移位后的各相对移位位置”处将与各像素相对应的像素部分处形成一对图像信号的(第一和第二)图像信号中的各个图像信号进行比较。这意味着一对像素具有它们的彼此相对移位的用于接收光的开口。该不同的相对移位(随后将要说明)使每对像素中的两个像素产生不同的结果图像信号，因为依赖于它们的“各相对移位位置”，来自通过透镜105接收到的光的不同部分的不同强度将击中这些像素。比较单元151输出比较结果。在本实施例中，比较单元151输出第一图像信号和第二图像信号之间的比作为比较结果，但是还可以输出第一图像信号和第二图像信号之间的差。波动计算单元152对图像信号的比较进行统计分析。例如，该分析可以具体为如下波动计算：在各相对移位位置处计算由比较单元151输出的所有焦点检测像素的比较结果的统计波动，以进行量化。在本实施例中，将如下所述的方差确定为统计波动。相位差计算单元153基于方差，例如基于响应于不同像素对的输出由波动计算单元152量化得到的统计波动，计算一对图像信号的相位差。将由相位差计算单元153计算出的相位差发送至CPU 121，以用于由调焦驱动电路126进行的AF操作。校正单元154基于方差，即响应于不同像素对的潜在不同输出由波动计算单元152量化得到的统计波动，来对一对图像信号的信号电平进行校正。在本实施例中，校正单元154基于方差最小的相对像素位置，对一对图像信号的信号电平进行校正。

返回参考图1A，电子闪光灯控制电路122同步于拍摄操作控制照明单元115的ON(接通)操作。辅助光电路123同步于焦点检测操作控制AF辅助光单元116的ON操作。图像传感器驱动电路124控制图像传感器107的摄像操作，对所获取的图像信号进行A/D转换，并将数字数据发送至CPU 121。图像处理电路125对由图像传感器107所获得的图像进行γ转换、颜色插值和JPEG压缩等的处理。调焦驱动电路126执行控制，以基于焦点检测结果驱动调焦致动器114，并驱动第三透镜组105沿光轴方向进退，从而调整焦点。快门驱动电路28执行控制以驱动光圈/快门致动器112，由此控制光圈/快门102的开口。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是例如LCD(液晶显示器)，并且显示与照相机的拍摄模式有关的信息、拍摄前的预览图像、拍摄后的确认图像和在焦点检测时的聚焦显示图像等。操作开关组132包括电源开关、释放(拍摄触发)开关、变焦操作开关和拍摄模式选择开关等。闪速存储器133是记录拍摄到的图像的可移除存储介质。

图2是根据本发明的图像传感器的示意电路图。本实施例的图像传感器107的基本结构与在日本特开平09-046596中公开的技术的基本结构类似。图2示出二维图像传感器107(CMO S图像传感器)中的2列×4行的像素区域。在实际的图像传感器107中，布置了多个图2所示的像素区域，使得能够获得高分辨率图像。实施例将例示像素间距为2μm、有效像素为3,000列×2,000行＝6,000,000像素并且摄像帧大小为宽度6mm×长度4mm的图像传感器。图像传感器107包括由MOS晶体管门和该门下的耗尽层构成的光电转换部(PD：光电二极管)1、光电门2、传送开关MOS晶体管3和复位MOS晶体管4。图像传感器107还包括源极跟随器放大器MOS晶体管5、水平选择开关MOS晶体管6、源极跟随器负荷MOS晶体管7、暗输出传送MOS晶体管8和亮输出传送MOS晶体管9。图像传感器107还包括暗输出累积电容器C_TN10、亮输出累积电容器C_TS 11、水平传送MOS晶体管12、水平输出线复位MOS晶体管13、差分输出放大器14、水平扫描电路15和垂直扫描电路16。

图3是像素部(光电转换部1)的横截面图。图像传感器107还包括P型阱17、栅极氧化膜18、第一多Si(硅)层19、第二多Si层20和n⁺浮动扩散(FD)部21。FD部21经由其它的传送开关MOS晶体管连接至其它的光电转换部。在图3中，两个传送开关MOS晶体管3的漏极和FD部21共通，以通过微图案化和减小FD部21的容量来提高灵敏度。还可以通过例如A1线连接FD部21。

图4是图像传感器的工作时序图。图4中的该时序图示出从全部的像素独立地输出信号的情况。将参考图4中的时序图来说明实施例的图像传感器的操作。首先，响应于从垂直扫描电路16输出的定时，控制脉冲φL变为高电平以复位垂直输出线。控制脉冲φR₀、φPG₀₀和φPG_e0变为高电平，以接通复位MOS晶体管4，并将光电门2的第一多Si层19设置为高电平。在时间段T₀，控制脉冲φS₀变为高电平，以接通选择开关MOS晶体管6并选择第1行和第2行上的像素。然后，控制脉冲φR₀变为低电平以结束FD部21的复位，将FD部21设置为浮动状态，并且信号通过源极跟随器放大器MOS晶体管5的栅极和源极之间。在时间段T₁，控制脉冲φT_N变为高电平，以通过源极跟随器操作将暗电压从FD部21输出至累积电容器C_TN 10。为了对来自第1行上的像素的输出进行光电转换，第1行的控制脉冲φTX₀₀变为高电平以接通传送开关MOS晶体管3。在时间段T₂，控制脉冲φPG₀₀变为低电平。电压关系优选提高了在光电门2下方扩散的电位阱，以将光诱导的载流子完全传送至FD部21。因此，代替脉冲，控制脉冲φTX还可以是固定电位，只要可以完全传送载流子即可。在时间段T₂，当将电荷从光电二极管的光电转换部1传送至FD部21时，FD部21的电位根据光而变化。由于源极跟随器放大器MOS晶体管5处于浮动状态，因此通过在时间段T₃将控制脉冲φT_S变为高电平，将FD部21的电位输出至累积电容器C_TS 11。到此时为止，已将来自第1行上的像素的暗输出和亮输出分别累积在累积电容器C_TN 10和C_TS 11中。在时间段T₄，控制信号φHC暂时变为高电平，以接通水平输出线复位MOS晶体管13并复位水平输出线。在水平传送期间，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亮输出被输出到水平输出线。此时，差分输出放大器14输出累积电容器C_TN 10和C_TS 11之间的差分输出V_OUT，从而获得了免除了像素的随机噪音和固定模式噪音并具有高的S/N比(信噪比)的信号。在与像素30-11和30-21中的光电荷相同的时间，将像素30-12和30-22中的光电荷分别累积在累积电容器C_TN 10和C_TS 11中。然而，在该读出时，来自水平扫描电路15的定时脉冲被延迟了1个像素，然后光电荷被读出到水平输出线并从差分输出放大器14输出。

在实施例中，在片内获得了差分输出V_OUT。然而，代替在片内获得差分输出V_OUT，还可以使用布置在该片外部的传统的CDS(Correlated Double Sampling，相关双采样)电路来实现相同的效果。在将亮输出输出到累积电容器C_TS 11之后，控制脉冲φR₀变为高电平，以接通复位晶体管4并将FD部21复位至电源V_DD。在从第1行的水平传送结束之后，从第2行读出光电荷。在从第2行读出时，类似地驱动控制脉冲φTX_e0和φPG_e0，并且供给高电平控制脉冲φT_N和φT_S以将光电荷累积在累积电容器C_TN10和C_TS 11中，并输出暗输出和亮输出。通过该驱动，可以从第1行和第2行独立地读出光电荷。然后，驱动垂直扫描电路以从第(2n+1)和(2n+2)行(n＝1、2等)读出光电荷，从而从全部的像素独立地输出光电荷。例如，对于n＝1，控制脉冲φS₁变为高电平，然后将φR₁变为低电平。控制脉冲φT_N和φT_X01变为高电平，控制脉冲φPG₀₁变为低电平，控制脉冲φT_S变为高电平，并且控制脉冲φHC暂时变为高电平，从而从像素30-31和30-32读出像素信号。随后，以上述方式应用控制脉冲φTX_e1和φPG_e1，从而从像素30-41和30-42读出像素信号。

图5A～7B是用于解释摄像像素和焦点检测像素的构造的图。本发明的优选实施例采用拜尔排列，在该拜尔排列中，在2×2＝4个像素中，对角布置了具有G(绿色)光谱灵敏度的两个像素，并且布置了各自具有R(红色)和B(蓝色)光谱灵敏度的像素作为其余两个像素。根据预定规则在拜尔排列的像素之间分散布置了具有以下所述的结构的焦点检测像素。图5A和5B示出摄像像素的布置和构造。图5A是2×2个摄像像素的平面图。如众所周知的，在拜尔排列中，对角布置了G像素，并且布置了R和B像素作为其余两个像素。重复地布置该2×2构造。图5B是沿图5A中的线A-A取得的横截面图。图像传感器107还包括布置在各个像素前方的片上微型透镜ML，CF_R、即R(红色)彩色滤波器和CF_G、即G(绿色)彩色滤波器。在图5B中，附图标记PD(Photodiode，光电二极管)表示图3所示的图像传感器107的示意光电转换部。此外，在图5B中，附图标记CL(Contact Layer，接触层)表示形成用于传输图像传感器107内的各种信号的信号线的互连层。附图标记TL表示示意摄像光学系统。该摄像像素的片上微型透镜ML和光电转换部PD被配置为尽可能有效地捕获已通过了摄像光学系统TL的光束。换言之，摄像光学系统TL的出射光瞳EP(Exit Pupil)和光电转换部PD经由微型透镜ML彼此共轭，并且将光电转换部的有效面积设计为大。图5B示出R像素的入射光束，而G像素和B(蓝色)像素也具有相同的构造。与R、G和B摄像像素各自相对应的出射光瞳EP具有大的直径，并且可以高效地捕获到来自被摄体的光束(光量)，以提高图像信号的S/N比。

图6A和6B示出用于沿摄像光学系统的水平方向(横向)执行光瞳分割的焦点检测像素的布置和构造。图6A是包括焦点检测像素的2×2个像素的平面图。当获得图像信号时，由G像素来实现亮度信息的主要分量。人的图像识别特征对亮度信息敏感。因而，如果G像素丢失，则容易感知到图像质量劣化。R或B像素用于获取颜色信息，并且人的视觉特征对颜色信息不敏感。因此，如果仅少许用于获取颜色信息的像素丢失，则几乎不会识别出图像质量劣化。因而，在实施例中，在2×2个像素中，保留G像素作为摄像像素，并且利用焦点检测像素替换R和B像素。在图6A中，S_HA和S_HB表示焦点检测像素。将用作焦点检测像素的像素的数量依赖于不用作摄像像素也不会使图像出现可见的质量下降的像素的数量。选择使得能够有效地进行焦点检测并且同时使图像不出现质量下降(或者出现最小的质量下降)以使用户不可见的最佳数量的像素。

图6B是沿图6A中的线B-B取得的横截面图。微型透镜ML和光电转换部PD具有与图5B所示的摄像像素的构造相同的构造。在实施例中，来自焦点检测像素的信号不用于生成图像，因此代替用于分离颜色的彩色滤波器，布置了透明膜CF_W(白色)。为了在图像传感器107处执行光瞳分割，互连层CL的开口沿一个方向从微型透镜ML的中心线偏移(或移位)。可选地，互连层CL的开口可以缩小至较小的开口，以限制透射至光电二极管的光量。如图6A和6B所示，限制后的光量可能对于不同像素具有不同位置，开口的位置表示出射光瞳中光从其进入的位置。具体地，像素S_HA的开口OPHA向右偏移，并接收已通过了摄像光学系统TL的出射光瞳EPHA的左侧的光束。类似地，像素S_HB的开口OPHB向左偏移，并接收已通过了摄像光学系统TL的出射光瞳EPHA的右侧的光束。像素S_HA沿水平方向规则排列，并将通过这些像素所获得的被摄体图像定义为图像A。像素S_HB也沿水平方向规则排列，并将通过这些像素所获得的被摄体图像定义为图像B。通过检测图像A和B的相对位置，可以检测到被摄体图像的散焦量。这里，微型透镜ML用作生成包括图像A和图像B的一对光学图像的透镜，其中图像A包括已通过了摄像光学系统TL的出射光瞳EPHA的左侧的光束，图像B包括已通过了摄像光学系统TL的出射光瞳EPHB的右侧的光束。像素S_HA和S_HB能够检测具有沿摄像帧的横向的亮度分布的被摄体、例如纵线的焦点，但不能够检测具有沿纵向的亮度分布的横线的焦点。因而，在实施例中，还提供了沿摄像光学系统TL的垂直方向(纵向)执行光瞳分割以检测甚至横线的焦点的像素。

图7A和7B示出用于沿摄像光学系统的垂直方向执行光瞳分割的焦点检测像素的布置和构造。图7是包括焦点检测像素的2×2个像素的平面图。与图6A类似，保留G像素作为摄像像素，并且利用焦点检测像素替换R和B像素。在图7A中，S_VC和S_VD表示焦点检测像素。图7B是沿7A中的线C-C取得的横截面图。除图6B中的像素具有用于沿横向执行光瞳分割的构造而图7B中的像素具有用于沿纵向执行光瞳分割的构造以外，图7B中的像素具有与图6B中的像素的构造相同的构造。像素S_VC的开口OPVC向下偏移，并接收已通过了摄像光学系统TL的出射光瞳EPVC的上侧的光束。类似地，像素S_VD的开口OPVD向上偏移，并接收已通过了摄像光学系统TL的出射光瞳EPVD的下侧的光束。像素S_VC沿垂直方向规则排列，并将通过这些像素所获得的被摄体图像定义为图像C。像素S_VD也沿垂直方向规则排列，并将通过这些像素所获得的被摄体图像定义为图像D。通过检测图像C和D的相对位置，可以检测到具有沿垂直方向的亮度分布的被摄体图像的散焦量。

图8是用于解释第一实施例中的图像传感器的光瞳分割功能的概念的图。在图8中，附图标记TL表示摄像光学系统；附图标记107表示图像传感器；附图标记OBJ表示被摄体；并且附图标记IMG表示被摄体图像。如参考图5A和5B所述，摄像像素接收已通过了摄像光学系统TL的整个出射光瞳EP的光束。如参考图6A～7B所述，焦点检测像素具有光瞳分割功能。更具体地，图6A中的像素S_HA接收已通过了(在从摄像面观看透镜的背面时)光瞳的左侧的光束LHA，即图8中已通过了光瞳EPHA的光束。类似地，像素S_HB、S_VC和S_VD接收已通过了光瞳EPHB、EPVC和EPVD的光束LHB、LVC和LVD。焦点检测像素分布在图像传感器107的全部区域上，并且可以在全体摄像区域上检测焦点。

图9是用于解释在焦点检测时获得的图像和焦点检测区域的图。在图9中，摄像面上所形成的被摄体图像包括中央处的人物、左侧前景中的树和右侧背景中的山。在实施例中，横向散焦检测用的像素对S_HA和S_HB以及纵向散焦检测用的像素对S_VC和S_VD作为焦点检测像素等密度地布置在全体摄像区域中。后面将说明用于布置横向散焦检测用的像素对S_HA和S_HB以及纵向散焦检测用的像素对S_VC和S_VD的方法。在横向散焦检测时，采用从横向散焦检测用的像素对S_HA和S_HB所获得的一对图像信号作为用于计算相位差的AF像素信号。在纵向散焦检测时，采用从纵向散焦检测用的像素对S_VC和S_VD所获得的一对图像信号作为用于计算相位差的AF像素信号。可以在摄像区域中的任意位置处设置用于横向散焦检测和纵向散焦检测的距离测量区域。在图9中，人物的面部位于该帧的中央或其附近。当通过已知的面部识别技术检测到存在面部时，使用该面部区域作为中心，设置用于横向(或水平)散焦检测的焦点检测区域AFAR_h(x1，y1)和用于纵向(或垂直)散焦检测的焦点检测区域AFAR_V(x3，y3)。这里，下标“h”表示水平方向，并且(x1，y1)和(x3，y3)表示焦点检测区域的左上角的坐标(即，由x和y方向上的像素表示的位置)。将来自焦点检测区域AFAR_h(x1，y1)的各部分中所包括的横向散焦检测用的焦点检测像素S_HA的信号相加，并将通过将30个部分的信号连接一起所获得的相位差检测图像A信号定义为AFSIG_h(A1)。类似地，将来自各个部分中所包括的纵向散焦检测用的焦点检测像素S_HB的信号相加，并将通过连接进行相加的30个部分的信号所获得的相位差检测图像B信号定义为AFSIG_h(B1)。通过以下说明的本发明的相关计算来计算图像A信号AFSIG_h(A1)和图像B信号AFSIG_h(B1)的相对横向散焦量，从而获得被摄体的散焦量。还以相同的方式获得焦点检测区域AFAR_V(x3，y3)的散焦量。将在用于横向散焦和纵向散焦的焦点检测区域中检测到的两个散焦量进行比较，并采用具有高可靠性的值。该帧左侧的树的树干主要具有纵线分量，即沿横向的亮度分布，因此判断为该树干是适合于横向散焦检测的被摄体。设置用于横向散焦检测的焦点检测区域AFAR_h(x2，y2)。该帧右侧的山的山脊线具有横线分量，即沿纵向的亮度分布，因此判断为该山脊线是适合于纵向散焦检测的被摄体。设置用于纵向散焦检测的焦点检测区域AFAR_V(x4，y4)。如上所述，根据本实施例，可以在帧中的任意位置设置用于横向散焦检测和纵向散焦检测的焦点检测区域。即使被摄体的投影位置和亮度分布的方向变化，也可以精确地检测到焦点。

参考图10和图11，将解释在摄像光学系统中通过渐晕来限制出射光瞳。图10是从由-X、+Y和-Z这3个轴围绕的象限观看到的图像传感器和摄像光学系统的区域的立体图。图10示出图像传感器107、摄像光学系统TL的出射窗141和142以及将出射窗141和142投影在摄像光学系统TL的出射光瞳上所经由的出射窗141C和142C。此外，在图像传感器107的光接收面上沿+X方向示出了图像高度X₁₄₀的点140。由于到达图像传感器107的光接收面的光轴的光未被摄像光学系统TL的出射窗晕映，因此该光已通过了图8所示的出射光瞳EP的全体区域。另一方面，当从点140观看到摄像光学系统TL时，出射窗141看起来貌似在出射光瞳上存在沿-X方向偏移了的出射窗141C，并且出射窗142看起来貌似在出射光瞳上存在沿+X方向偏移了的出射窗142C。因此，到达点140的光已通过了由出射窗141C和出射窗142C对图8所示的出射光瞳EP的全体区域进行了切出的区域(图10中的阴影部分)。

接着，参考图11，解释了投影在出射光瞳上的出射窗141C和142C根据图像高度X₁₄₀如何变化。图11是示出图像传感器相对于出射窗和光瞳的关系。图11在附图的右手部分示出沿+Y方向的图，并在附图的左手部分示出沿-Z方向的图。附图的左手部分示出光学系统在出射窗142C处的截面图。Z₁₄₁表示从图像传感器107至出射窗141的距离；Z₁₄₂表示从图像传感器107至出射窗142的距离；并且Z₁₄₃表示从图像传感器107至出射光瞳的距离。此外，D₁₄₁表示出射窗141的开口直径；D₁₄₂表示出射窗142的开口直径；EPHA是像素S_HA的光瞳；EPHB是像素S_HB的光瞳；并且EPHB2是在摄像光学系统TL中由渐晕所限定的光瞳EPHB的结果而形成的光瞳。根据图11的附图，可以由以下的公式(1)～(4)分别表示根据投影在出射光瞳上的出射窗141C的光轴的偏移量Shift_141C和开口直径D_141C，以及根据投影在出射光瞳上的出射窗142C的光轴的Shift_142C和开口直径D_142C。

${\mathrm{Shift}}_{141C}=X_{140}\·\frac{Z_{143}-Z_{141}}{Z_{141}}$ 公式(1)

$D_{141C}=D_{141}\·\frac{Z_{143}}{Z_{141}}$ 公式(2)

${\mathrm{Shift}}_{142C}=X_{140}\·\frac{Z_{142}-Z_{143}}{Z_{142}}$ 公式(3)

$D_{142C}=D_{142}\·\frac{Z_{143}}{Z_{142}}$ 公式(4)

如公式(1)～(4)所示，投影到出射光瞳上的出射窗141C和142C根据图像高度X₁₄₀而变化。通过从光轴偏移了Shift_141C的直径D_141C的开口以及从光轴偏移了Shift_142C的直径D_142C的开口，限制了像素S_HA的出射光瞳EPHA和像素S_HB的出射光瞳EPHB。结果，仅在出射光瞳EPHB出现渐晕，由此仅已通过了光瞳EPHB2的光束到达点140的像素S_HB。这导致像素S_HA和像素S_HB之间的光强度差，从而引起在从像素S_HA群所获得的图像A和从像素S_HB群所获得的图像B之间出现增益差。

图12A～12C各自是示出图像A和图像B之间的增益差根据图像高度如何变化的示例的图。图12A～12C中的横轴表示沿X方向的图像高度，并且纵轴表示各个图像中的图像A像素输出相对于图像B像素输出的比。更具体地，图12A～12C中的横轴表示在沿X方向的图像高度X1和图像高度X2之间图像A相对于B的比如何变化。如公式(1)和(3)所示，由于在分别表示投影在出射光瞳上的出射窗141C的偏移量Shift_141C和出射窗142C的偏移量Shift_142C的公式中存在点140的图像高度X₁₄₀，因此图像A和B之间的增益差根据该图像高度而变化。在出射窗140和出射窗142存在于摄像光学系统TL的出射光瞳附近的情况下，Z₁₄₁、Z₁₄₂和Z₁₄₃近似相等，并且公式(1)和(3)中的分子变为0，使得即使图像高度X₁₄₀改变，图像A和B之间的增益差也基本恒定。因此，如图12A所示，图像A相对于图像B的比是预定值RATE1。因为假定由于制造误差出射窗141或142的中心从光轴移位，从而引起出射光瞳EPHA和出射光瞳EPHB的不等同渐晕，因此图像A相对于图像B的比不等于1。在出射窗141和出射窗142存在于摄像光学光学系统TL的出射窗的远侧位置处时，使用公式(1)和(3)，图像A和B之间的增益差根据图像高度X₁₄₀而变化。根据摄像光学系统TL的光学特性，如图12B所示，一些增益差从RATE1到RATE2线性变化，并且如图12C所示，另一些增益差从RATE1到RATE2二次变化。如上所述，参考图10～12C，由于摄像光学系统TL中的渐晕等的影响，在图像A和图像B之间出现根据图像高度而变化的增益差。

图13A～14C将用于解释当基于传统定义的相关量对如图12A所示出现了增益差的图像A和B执行相位差检测时出现了相位差检测的偏离。首先，参考图13A～13C，将给出对以下情况的说明：基于在日本特开昭62-39722中公开的相关量，对于如图12A所示出现了增益差的图像A和B进行相位差检测。这里，被摄体图案是左半部分是黑色、右半部分是白色并且在边界处从黑色逐渐变为白色的渐变图案。假定在聚焦后的图像A和B之间不存在相位差的状态。

图13A是示出在如12A所示出现了增益差的像素S_HA和像素S_HB上通过从具有预定图案的被摄体接收光所获得的图像A和B的图。图13A示出聚焦一致的图像A和B的波形，其中与图像B的增益相比较，图像A的增益提高了RATE1。图13B是示出在如图13A所示的图像A和B之间的相对位置关系每次偏移1位时所计算出的在日本特开昭62-39722中公开的相关量的结果的图。圆点表示相关量相对各偏移量的标绘。三角点表示相关量相对使相关量最小化的偏移量的标绘。通过以下公式(5)来定义这里所使用的相关量。

$\mathrm{\Σ}\frac{|A\left(i\right)-B\left(i\right)|+|A(i+1)-B(i+1)|}{|A\left(i\right)-A(i+1)|+|B\left(i\right)-B(i+1)|}$ 公式(5)

在该公式中，A(i)表示第i个像素S_HA的信号，并且B(i)表示第i个像素S_HB的信号。尽管当偏移量为0时相关量应当最小，然而如图13B所示，当偏移量为-3时相关量最小。即，相位差检测存在-3位的误差。图13C是示出在偏移了-3位之后的图像A和B的图。在日本特开昭62-39722中公开的由公式(5)所定义的校正量判断为图像A和B之间的一致度在偏移了-3位的位置处变为最高。结果，相位差检测结果偏移了-3位。

接着，参考图14A～14C，将给出对以下情况的说明：基于在日本特开昭63-264715中公开的校正量，对于如图12A所示出现了增益差的图像A和B检测相位差。与在图13A～13C的情况相同，被摄体图案是左半部分是黑色、右半部分是白色并且在边界处从黑色逐渐变为白色的渐变图案，并且假定在聚焦后的图像A和B之间不存在相位差的状态。图14A是示出在如图12A所示出现了增益差的像素S_HA和像素S_HB上通过从具有上述图案的被摄体接收光所获得的图像A和B的图。与图13A相同，图14A示出聚焦一致的图像A和B的波形，其中与图像B的增益相比较，图像A的增益提高了RATE1。图14B是示出当将如图14A所示的图像A和B之间的相对位置关系每次偏移1位时所计算出的在日本特开昭63-264715中公开的相关量的结果的图。圆点表示相关量相对各个偏移量的标绘。三角点表示相关量相对使相关量最小化的偏移量的标绘。通过以下公式(6)来定义这里所使用的相关量。

∑|A(i)-B(i)|                    公式(6)

在该公式中，A(i)表示第i个像素S_HA的信号，并且B(i)表示第i个像素S_HB的信号。当偏移量是0时相关量应当最小，然而如图14B所示，当偏移量为-3时相关量最小。即，相位差检测存在-3位的误差。图14C是示出在偏移了-3位之后的图像A和B的图。在日本特开昭63-264715中公开的由公式(6)所定义的相关量判断为图像A和B之间的一致度在偏移了-3位的位置处变为最高。结果，相位差检测结果偏移了-3位。因而，本发明提出了对于如图13A和14A所示出现了增益差的图像A和B在相位差检测结果中不太可能出现误差的相关量。

参考图15A和15B，将说明在本发明中提出的相关量的定义。图15A是示出在如图12A所示已出现了增益差的像素S_HA和像素S_HB处通过从具有从黑色(左侧)逐渐变为白色(右侧)的渐变图案的被摄体接收光所获得的图像A和B的图。在相位差检测计算时，在图像A和B之间的相位差每次偏移1位时计算相关量。因此，图15A示出图像A向左偏移了PD位(即，数量与相位差PD相等的位)的状态。焦点检测区域包括I个像素，其中第i个像素S_HB的信号是B(i)，并且在图像A向左偏移了PD位的情况下与B(i)成一直线的第(i+PD)个像素S_HA的信号是A(i+PD)。在图像A向左偏移了PD位的情况下，对于图像A和B，由比较单元151(参见图1B)来计算在各个像素位置处将像素S_HA的信号和像素S_HB的信号进行比较的结果。这里使用的比较结果指像素S_HA的信号和像素S_HB的信号之间的输出比A(i+PD)/B(i)。图15B是标绘了A(i+PD)/B(i)的图。在图15B中，在横轴上标绘了像素编号，并且在纵轴上标绘了输出比A(i+PD)/B(i)。根据该输出比A(i+PD)/B(i)的分布计算波动大小。这里，使用方差作为表示波动大小的指标。在该特定实施例中，在图像A向左偏移了PD位的情况下，在各个像素位置处图像A和B之间的输出比的方差VAR(PD)是由以下公式(7)所表示的无偏方差(unbiasedvariance)。

$\mathrm{VAR}\left(\mathrm{PD}\right)=\frac{N\·\mathrm{\Σ}{\left(\frac{A(i+\mathrm{PD})}{B\left(i\right)}\right)}^2-{\left(\mathrm{\Σ}\frac{A(i+\mathrm{PD})}{B\left(i\right)}\right)}^2}{N\·(N-1)}$ 公式(7)

N＝I-2·PD                        公式(8)

在该公式中，N表示在图像A向左偏移了相位差PD位之后图像A和B中的相对像素的数量。当图像A向左偏移了相位差PD位时，在图像A的最左端的PD位和图像B的最右端的PD位处不存在相对像素，由此相对像素的数量N是像素I减去2×PD位的总数。该N是用于计算比较结果的像素的数量。在本发明的相位差检测方法中，将方差VAR(PD)看作各个偏移量的相关量。将方差达到极值的偏移量看作为图像A和B之间的相位一致的状态，由此检测到相位差。如这里使用的，“方差达到极值”表示达到最小值。通过采用各个像素位置处输出比的方差作为相关量，即使在像素S_HA和像素S_HB之间存在增益差的情况下，也可以正确地表示图像A和B之间的相关性而不受该增益差影响。结果，可以减小由增益差引起的相位差检测误差。尽管在本发明中使用方差作为表示输出比A(i+PD)/B(i)的波动的指标，但还可以使用通过求取方差的平方根所获得的标准偏差。无需说明，利用方差或标准偏差的预定倍数可以获得类似的效果。此外，还可以使用通过以下公式所表示的、通过将相对平均值的偏差的平方和除以数据的数量所得到的方差(样本方差)。

$\mathrm{VAR}\left(\mathrm{PD}\right)=\frac{\mathrm{\Σ}{(\frac{A(i+\mathrm{PD})}{B\left(i\right)}-\frac{1}{N}\·\mathrm{\Σ}\frac{A(i+\mathrm{PD})}{B\left(i\right)})}^2}{N}$ 公式(9)

可以利用由公式(9)所表示的值的预定倍数来获得相同的效果。然而，在检测窄的视野和宽的视野之间的相位差的示例情况下，与使用公式(7)相比，使用公式(9)可以更有优势。在该特定实施例中，使用像素S_HA的信号和像素S_HB的信号之间的输出比A(i+PD)/B(i)作为相位一致的图像A和B的各个像素的比较结果。还可以使用输出差的绝对值|A(i+PD)-B(i)|。当图像的任一个中包含杂光分量时，优选使用输出差的绝对值作为各个像素的比较结果。还可以计算从输出比和输出差的绝对值两者获得的相位差检测结果，从而通过判断检测结果、一致度或图像的对比度来选择可靠的检测结果。参考图15A和15B所述的一系列相位差检测计算是在CPU 121中进行的处理。更具体地，作为CPU 121的功能，实现用于计算各个像素的比较结果的比较单元151、用于计算输出比的波动的波动计算单元152和用于计算波动是极值的相位差的相位差计算单元153。焦点检测装置包括：CPU 121，用于进行一系列相位差检测计算；图像传感器107，用于获取一对光瞳分割的图像信号；以及图像传感器驱动电路124，用于驱动图像传感器107。

参考图16A和16B，将给出以下情况的具体例子：如果相关量是如公式(7)所示的方差VAR(PD)，则对于如图12A所示出现了增益差的图像A和B，不存在相位差检测误差。被摄体图案是左半部分是黑色、右半部分是白色并且在边界处从黑色逐渐变为白色的渐变图案，并且假定聚焦后的图像A和B之间不存在相位差的状态。图16A是示出在如图12A所示出现了增益差的像素S_HA和像素S_HB上通过从具有上述图案的被摄体接收光所获得的图像A和B的图。图16A示出聚焦一致的图像A和B的波形，其中与图像B的增益相比较，图像A的增益提高了RATE1。图16B是示出当如图16A所示的图像A和B之间的相对位置关系每次偏移1位时如公式(7)所示计算出的相关量的结果的图。圆点表示相关量相对各个偏移量的标绘。三角点表示相关量相对使相关量最小化的偏移量的标绘。如从图16B可以看出，当偏移量是0时相关量最小。即，当偏移量是0时，判断为图像A和B之间的相关性为最高，由此可以看出已正确地检测到了相位差。

接着，参考图17A和17B，将给出对以下情况的解释：如果相关量是如公式(7)所示的方差VAR(PD)，则对于如图12B所示出现了增益差分布的图像A和B，不存在相位差检测误差。与图16A的情况相同，被摄体图案是左半部分是黑色、右半部分是白色并且在边界处从黑色逐渐变为白色的渐变图案，并且假定聚焦后的图像A和B之间不存在相位差的状态。图17A是示出在如图12B所示出现了增益差的像素S_HA和像素S_HB上通过从具有上述图案的被摄体接收光所获得的图像A和B的图。图17A示出聚焦一致的图像A和B的波形，使得与图像B的增益相比较，图像A的增益在左端提高了RATE1，在右端提高了RATE2，并且在二者之间线性变化。图17B是示出当如图17A所示的图像A和B之间的相对位置关系每次偏移1位时如公式(7)所示计算出的相关量的结果的图。圆点表示相关量相对各个偏移量的标绘。三角点表示相关量相对使相关量最小化的偏移量的标绘。如从图17B可以看出，当偏移量为0时相关量最小。即，当偏移量是0时，判断为图像A和B之间的相关性为最高，由此可以看出对于增益差线性变化的图像A和B，已正确地检测到了相位差。参考图18A和18B，将给出对以下情况的解释：如果相关量是如公式(7)所示的方差VAR(PD)，则对于如图12C所示已出现了增益差分布的图像A和B，不存在相位差检测误差。与图16A和17A的情况相同，被摄体图案是左半部分是黑色、右半部分是白色并且在边界处从黑色逐渐变为白色的渐变图案，并且假定聚焦后的图像A和B之间不存在相位差的状态。

图18A是示出在如图12B所示出现了增益差的像素S_HA和像素S_HB上通过从具有上述图案的被摄体接收光所获得的图像A和B的图。图18A示出聚焦一致的图像A和B的波形，使得与图像B的增益相比较，图像A的增益在左端提高了RATE1，在右端提高了RATE2，并且在二者之间曲线变化。图18B是示出当如图18A所示的图像A和B之间的相对位置关系每次偏移1位时如公式(7)所示计算出的相关量的结果的图。圆点表示相关量相对各个偏移量的标绘。三角点表示相关量相对使相关量最小化的偏移量的标绘。如从图18B可以看出，当偏移量为0时相关量最小。即，当偏移量为0时，判断为图像A和B之间的相关性为最高，由此可以看出对于增益差曲线变化的图像A和B，已正确地检测到了相位差。可以将使各个像素位置处AB输出比的方差最小化的偏移量计算到小数位以下。

图19是示出用于当已获得了如图18B所示的方差分布时确定到小数位以下的使方差最小化的偏移量的方法的图。在图19中，在横轴上标绘了偏移量，并且在纵轴上标绘了通过公式(7)计算出的方差的变化量(下文中称为“方差变化量”)。假定在PD位偏移期间的方差变化量是ΔVAR(PD)，则可以通过以下公式(10)来计算该ΔVAR(PD)。

ΔVAR(PD)＝VAR(PD+1)-VAR(PD-1)        公式(10)

假定ZeroCross是当如公式(10)所示的方差变化量ΔVAR(PD)变为0时的偏移量，则从图19可以看出，ZeroCross在PD＝-1和PD＝0之间。因而，可以利用以下公式通过根据前后偏移量ΔVAR(-1)和ΔVAR(0)进行线性插值来计算ZeroCross的值。

$\mathrm{ZeroCross}=-1+\frac{-\mathrm{\ΔVAR}(-1)}{\mathrm{\ΔVAR}(-1)+\mathrm{\ΔVAR}\left(0\right)}$ 公式(11)

通过如公式(11)所示计算当方差变化量为0时的偏移量，可以将具有最小方差的偏移量计算到小数位以下，由此可以以高精确度检测相位差。

接着，参考图20A～20C，以下将解释用于基于相位一致的图像A和B之间的输出比分布对图像A和图像B之间的增益差进行校正(下文中称为“再遮光校正”)的方法。图20A是示出通过将图像A偏移由在公式(7)中定义的相关量所检测到的相位差PD而使图像A和B之间的相位一致的状态的图。使用如图20A所示的相位一致的图像A和B来计算各个像素的AB光能比。图20B是根据A(i+PD)/B(i)来标绘各个像素的AB光能比RATE的图。在图20B中，在横轴上标绘了像素位置(即，像素编号)，并且在纵轴上标绘了AB光能比。根据AB光能比的分布计算出近似公式f(i)。假定f(i)是基于最小二乘法要计算的一次直线，则通过以下公式(12)～(14)来表示近似公式f(i)。

f(i)＝m·i+b                    公式(12)

$m=\frac{N\·\left(\mathrm{\Σi}\right)\·\left(\mathrm{\Σ}\frac{A(i+\mathrm{PD})}{B\left(i\right)}\right)}{N\·\left({\mathrm{\Σi}}^2\right)-{\left(\mathrm{\Σi}\right)}^2}$ 公式(13)

$b=\frac{\left(\mathrm{\Σ}\frac{A(i+\mathrm{PD})}{B\left(i\right)}\right)\·\left({\mathrm{\Σi}}^2\right)-\left(\mathrm{\Σi}\right)\·(\mathrm{\Σi}\·\frac{A(i+\mathrm{PD})}{B\left(i\right)})}{N\·\left({\mathrm{\Σi}}^2\right)-{\left(\mathrm{\Σ}i\right)}^2}$ 公式(14)

可以由公式(12)～(14)所示的近似公式f(i)来表示第(i+PD)个像素S_HA和第i个像素S_HB之间的增益差。通过将第i个像素S_HB的信号乘以f(i)来校正像素S_HA和像素S_HB之间的增益差。图20C是示出在基于近似公式f(i)的再遮光校正之后的图像A和B的图。如上所述，通过根据相位一致的图像A和B的各个像素的AB输出比的分布确定近似公式f(i)并基于近似公式f(i)进行再遮光校正，可以避免图像A和B之间的增益差，从而可以提高图像A和B之间的一致度。尽管在公式(12)～(14)中已经说明了一次直线的近似，但还可以使用最小二乘法以相同的方式计算包括二次或更高次的近似公式。此外，为了减少计算量，还可以根据AB输出比的右半部分的平均值和AB输出比的左半部分的平均值来定义近似直线。尽管在图20C中已经说明了将像素S_HB的信号乘以f(i)的方法，但还可以将像素S_HA的信号除以f(i)。如上所述，通过基于相位一致的图像A和B之间的输出比的分布在图像A和B之间进行再遮光校正，可以在无需在均匀光下使用照相机(即，拍摄)的情况下进行再遮光校正。因此，可以提高图像A和B之间的一致度，由此可以正确地评估以下要说明的相位差检测结果的可靠性。使用参数、即图像A和B之间的一致度作为表示相位差检测结果的可靠性的指标。经常使用以下公式(15)作为表示一致度的公式。

∑|A(i+PD)-B(i)|                        公式(15)

图像A和B越一致，由公式(15)表示的一致度变得越小。当图像A和B完全一致时，一致度变为0。可以通过检查一致度是否超过阈值来判断相位差检测结果的可靠性。如果通过各个像素的输出比的方差来检测图像A和B之间的相位差，则可以在无需校正像素S_HA和像素S_HB之间的光强度差的情况下正确地检测到相位差。然而，在本发明中，为了判断相位差检测结果的可靠性，基于相位一致的图像A和B之间的输出比的分布进行图像A和B之间的再遮光校正。如果使用图像A和B之间的输出比存在的值通过公式(15)来计算一致度，则尽管正确检测到了相位差，但极有可能计算出一致度，使得该一致度被判断为低。然而，通过在图像A和B之间进行再遮光校正，使图像A和B之间的波形一致，由此可以正确地判断出相位差检测结果的可靠性。在每次检测到相位差时进行再遮光校正。通过如此，可以在每次检测到相位差时正确地评价此时相位差的检测结果是否精确。如上在图20A～20C所述，基于相位一致的图像A和B之间的输出比的分布进行再遮光校正，从而使各个像素的AB输出比的方差最小。通过如此，可以在无需在均匀光下使用照相机的情况下提高图像A和B之间的一致度，由此可以正确地评价相位差检测结果的可靠性。

接着，参考图21～26，以下解释了根据本发明第一实施例的照相机的焦点调整和拍摄的步骤。图21是根据本发明第一实施例的照相机的主流程的流程图。在步骤(在下文缩写为“S”)101中，用户接通照相机的电源开关。然后，在S103中，CPU121检查照相机中的致动器和图像传感器的操作。CPU 121使存储器内容和要执行的程序的状态初始化，并执行拍摄准备操作。在S105中，CPU 121开始图像传感器107的摄像操作，以输出用于预览的低分辨率运动图像。在S107中，CPU 121将读出的运动图像显示在安装于照相机的背面上的显示器131上。用户从视觉上检查预览图像并确定拍摄时的拍摄构图。在S109中，CPU121在预览运动图像中识别面部(可能是面部的物体)。在S111中，CPU 121判断在预览运动图像中是否已检测到面部。如果CPU 121判断为在拍摄区域中存在面部，则处理从S111切换至S113以将焦点调整模式(即，自动调焦模式，AF模式)设置为面部AF模式。该面部AF模式是照相机聚焦于拍摄区域中的面部的AF模式。如果CPU 121判断为在拍摄区域中不存在面部，则处理从S111切换至S115以将焦点调整模式设置为多点AF模式。该多点AF模式是以下模式：将拍摄区域分割成3×5(即，15)个区域，在分割后的区域中进行焦点检测，从焦点检测结果和被摄体的亮度信息类推出主被摄体，并且照相机聚焦于该主被摄体的区域。在S113或S115中确定了AF模式之后，在S117中CPU 121确定焦点检测区域。在S121中，CPU 121判断用户是否已接通拍摄准备开关。如果用户未接通拍摄准备开关，则CPU 121返回S105以重复执行从驱动图像传感器到S117中确定焦点检测区域的处理。如果在S121中用户已接通了拍摄准备开关，则CPU121切换至S131以执行焦点检测子例程(图22)。

图22是焦点检测子例程的流程图。当处理从图21所示的主流程中的S131进入焦点检测子例程中的S131时，在S133中，CPU 121从在主例程的S117中确定的焦点检测区域中所包括的焦点检测像素读出信号。在S135中，CPU 121从各个块中的焦点检测像素读出信号以获得AF像素信号。在S137中，CPU 121布置从像素S_HA获得的信号以生成图像A信号，并且布置从像素S_HB获得的信号以生成图像B信号。这些信号是用于相关计算的图像A和B的信号。更具体地，生成了如图9所示的AFSIG_h(A1)和AFSIG_h(B1)或者AFSIG_V(C3)和AFSIG_V(D3)等的一对信号。在S200中，CPU 121基于所获得的图像A和B进行相关计算，以计算图像A和B之间的相位差。将S200中的相关计算作为以下图23中的子例程进行解释。在S300中，将图像A和B之间的相对位置关系偏移通过S200中的相关计算所获得的相位差，以基于相位一致的图像A和B的各个像素的AB输出比来校正该AB输出比(再遮光校正)。将S300中的再遮光校正作为以下图24中的子例程进行解释。在S350中，CPU 121对于再遮光校正后的光能比已被校正了的图像A和B再次进行相关计算，以计算图像A和B之间的相位差。在S400中，CPU 121判断相关计算结果的可靠性。术语“可靠性”指图像A和B之间的一致度。当图像A和B之间的一致度良好时，焦点检测结果的可靠性通常高。基于一致度是否超过阈值来判断相位差检测结果的可靠性。当选择了多个焦点检测区域时，优选使用具有高可靠性的信息。将S400中的可靠性判断作为以下图25中的子例程进行解释。在S450中，CPU 121根据具有高可靠性的检测结果计算散焦量。处理返回图21所示的主流程中的S151。返回参考图21，在S151中，CPU121判断图像A和B是否聚焦。更具体地，聚焦判断是判断在图22所示的S450中计算出的散焦量是否等于或小于容许值。如果散焦量在容许值以上，则CPU 121判断为图像A和B未聚焦，在S153中驱动调焦透镜，然后重复执行从S131～S151的处理。如果在S151中CPU 121判断为图像A和B聚焦，则在S155中进行聚焦显示，并且处理从S155切换至S157。在S157中，CPU 121判断拍摄开始开关是否已接通。如果未接通该开关，则在S157中CPU 121维持拍摄待机状态。如果在S157中接通了拍摄开始开关，则处理从S157切换至S161以执行拍摄子例程(图26)，然后在步骤S181中结束该处理。

图23是相关计算子例程的流程图。在S201中，将图像A和B之间的相位差PD设置为-N位。在S202中，基于在S201中设置的相位差PD而偏移图像A和B之间的相对位置关系。例如，当将相位差PD设置为-N位时，将图像A相对于图像B向左偏移N位。在S203中，计算在S202中相对位置关系已偏移的图像A和B的各个像素的AB输出比。例如，当图像A和B的像素数量是I个并且所设置的相位差PD是-N位时，获得了(I-|2×N|)个AB输出比。在S204中，计算在S203中获得的多个AB输出比的波动。要计算的波动是如公式(7)所示的方差。在S205中，CPU 121判断所设置的相位差PD是否小于N位。如果相位差PD小于N位，则在S207中使相位差PD增加+1，处理返回S202，并且将图像A和B之间的相对位置偏移所设置的相位差PD。另一方面，如果相位差PD等于或大于N位，则处理进入S206。在S206中，在根据各个相位差PD在S204中计算出的波动中，选择最小值，并且计算出该相位差PD，作为波动最小相位差PD0。处理返回图22中的S200并且从S200切换至S300。

图24是再遮光校正子例程的流程图。在S301中，将图像A和B之间的相对位置关系偏移通过在图22所示的S200中的相关计算所计算出的波动最小相位差PD0。当最小相位差PD0为负时，图像A向左偏移。当PD0为正时，图像B向左偏移。通过偏移图像A和B而使得各个像素的AB输出比最小化，可以使图像A和B之间的相位位置关系一致。在S302中，进行低通滤波处理。该低通滤波处理指将邻近像素之间的信号8次通过对信号进行平均以提供单个信号的邻近平均滤波器的处理。通过对邻近像素信号求取平均并去除高频分量以仅剩余低频分量，可以降低噪音的影响。如图12A～12C所示，在图像A和B之间出现的光能比的分布具有极低的频率分量。这是因为，如公式(1)～(4)所示，投影到出射光瞳上的出射窗141C和142C是根据图像高度X₁₄₀逐渐变化的值。因而，不能够包括高频分量。因此，通过在S302中进行低通滤波处理，保留包括低频分量的光能比的分布，同时去除包括高频分量的噪音。在S303中，对于在S302中经过了低通滤波处理的图像A和B，计算各个像素的AB输出比。例如，在图像A和B的像素数量是I个并且所设置的相位差PD是-N位时，获得了(I-|2×N|)个AB输出比。在S304中，基于在S303中获得的多个AB输出比来计算近似公式。这里要计算的近似公式指如公式(11)～(13)所示的通过最小二乘法所获得的线性近似直线。在S305中，通过基于在S304中计算出的近似公式调整图像A和B的增益，校正在图像A和B之间出现的光能比。通过在S305中校正图像A和B之间的光能比，提高了图像A和B之间的一致度，由此可以正确地计算出相位差检测结果的可靠性。当S305结束时，处理返回图22中的S300，并从S300切换至S350。

图25是可靠性判断子例程S400的流程图。在以下所述的可靠性判断子例程中，使用两个值，具体地，用于相位差检测的被摄体图像的对比度值和图像的一致度来判断可靠性。在S401中，通过将图像A和B之间的相对位置偏移通过图22所示的S200中的相关计算所计算出的波动最小相位差PD0，使图像A和B之间的相位一致。在S402中，使用在图22所示的S300中已校正了光能比并在S401中已使相位一致的图像A和B来计算对比度值。该对比度值指所计算出的邻近像素输出差的绝对值和以及平方和的值。在意图降低噪音的影响的情况下，还可以针对经过了低通滤波处理的波形计算邻近像素输出差的绝对值和以及平方和。将对于图像A和B各自获得的绝对值和以及平方和的平均值设置为图像A和B的对比度值。在S403中，使用在S300中已校正了光能比并在S401中已使相位一致的图像A和B来计算图像的一致度。这里，要通过如公式(15)所示的各个像素的AB输出之间的差的绝对值和来计算一致度。在S404中，CPU 121判断该对比度是否可靠。更具体地，CPU 121判断在S402中计算出的对比度值是否超过阈值。如果该对比度值超过阈值，则CPU 121判断为对比度的可靠性处于充分可靠的水平，并且处理从S404进入S405。另一方面，如果该对比度值未超过阈值，则CPU 121判断为对比度的可靠性不是处于可靠的水平，并且处理从S404进入S407。在S405中，CPU 121判断图像的一致度是否可靠。更具体地，CPU 121判断在S403中计算出的一致度是否小于阈值。如果该一致度小于阈值，则CPU 121判断为图像的一致度处于可靠的水平，并且处理从S405进入S406。另一方面，如果该一致度不小于阈值，则CPU 121判断为图像的一致度不是处于可靠的水平，并且处理从S405进入S407。在S406中，CPU 121判断为可靠性是令人满意的(OK)。处理返回图22所示的S400，并从S400切换至S450。当在S404中CPU 121判断为对比度不是处于充分的水平时或者当在S405中CPU 121判断为图像的一致度不是处于充分的水平时，CPU 121执行S407。因此，在S407中，CPU 121判断为可靠性不充分(NG)。处理返回图22所示的S400，并从S400切换至S450。

图26是拍摄子例程S161的流程图。当用户操作拍摄开始开关时，在S163中，CPU 121驱动光圈/快门102，从而控制光圈/快门102的开口以限定曝光时间。在S165中，CPU 121使用大量像素读出用于拍摄静止图像的图像，即从全部的像素读出信号。在步骤S167中，CPU 121对所读出的图像信号的丢失像素进行插值。即，来自S_HA和S_HB等的焦点检测像素的输出不包含摄像用的RGB颜色信息，并且当获得图像时这些焦点检测像素是丢失像素。因此，通过使用邻近摄像像素的信息进行插值，生成图像信号。在S169中，CPU 121对图像进行γ校正和边缘增强等的图像处理。在S171中，CPU 121将拍摄到的图像记录在闪速存储器133中。在S173中，CPU 121将拍摄到的图像显示在显示器131上。在S175中，CPU 121返回到图21的主例程。在返回到图21的主例程之后，在S181中CPU 121结束一系列的拍摄操作。尽管通过将摄像光学系统TL与摄像设备一体化以形成所谓的镜头一体型照相机的情况已经说明了第一实施例的摄像设备，但本发明还可适用于具有可互换型摄像光学系统TL的这种类型的照相机。例如，对于单镜头反光数字照相机，本发明可应用于以下情况：在图像传感器中设置焦点检测像素，并且通过镜锁定(mirror lockup)在摄像面上进行相位差检测。如上所述，根据第一实施例的相位差计算方法，由于计算了一对图像信号的各个像素的像素输出比，然后利用该像素输出比的分布的波动作为相关量来计算相位差，因此即使对于具有增益差的一对图像信号，也可以减小相位差检测误差。通过使用应用于基于一对图像信号之间的相位差检测摄像光学系统TL的焦点状态的焦点检测装置的上述相位差检测方法，即使对于具有增益差的一对图像信号，焦点检测误差也不太可能出现。此外，基于利用输出比的分布波动作为评价量已使相位一致的一对图像信号的各个像素的像素输出比的分布，对一对图像信号之间的增益差进行校正。因此，即使在非均匀光下拍摄时也可以提高一对图像信号之间的一致度，从而可以正确地判断出相位差检测的可靠性。

第二实施例

参考图27～33，将说明本发明的第二实施例。在第一实施例中，图像传感器包括摄像像素和焦点检测像素，并且通过将焦点检测像素中相对微型透镜ML的中心偏离的开口投影到摄像光学系统201的出射光瞳上，对光瞳进行分割。然后，通过计算从具有沿相反方向偏离的开口的一对焦点检测像素所获得的一对图像信号之间的相位差，检测摄像光学系统201的焦点状态。换言之，第一实施例是TTL(通过透镜)一次成像型的相位差焦点检测方法。在第二实施例中，由包括一对透镜元件的二次成像光学系统对由在摄像光学系统201和图像传感器之间分割的光路所引导的光束进行再次成像，以基于所获得的一对图像信号之间的相位差来检测摄像光学系统201的焦点状态。换言之，TTL二次成像型的相位差焦点检测方法是第二实施例的特征。

图27是第二实施例的照相机的侧向横截面图。第二实施例的照相机包括摄像光学系统201、主镜202、辅助镜203、图像传感器204、焦点检测装置220、快门单元221和光学低通滤波器222。第二实施例的照相机中的摄像光学系统201与照相机主体一体化。然而，还可以提供具有通过互换可移除替换透镜的可互换式摄像光学系统的照相机系统。主镜202对从摄像光学系统入射的来自被摄体的光束进行分割。主镜202的一部分是半透半反镜，该半透半反镜透射来自被摄体的光束的一部分并将其余的来自被摄体的光束向上反射。主镜202通过轴部202a可旋转地并且作为枢纽地支撑到照相机主体。辅助镜203将来自被摄体的已通过了主镜202的光束反射到布置在光轴下方的焦点检测装置220。辅助镜203也通过轴部203a可旋转地并且作为枢纽地支撑到主镜202的保持构件，并且相对于主镜202可旋转。因而，主镜202绕轴部202a旋转，并且辅助镜203绕轴部203a旋转。利用该布置，可以获得两种状态，即镜下降状态和镜上升状态。这里，镜下降状态指主镜202相对于摄像光学系统的光轴倾斜45度并且辅助镜203向下倾斜约45度以反射来自被摄体的光的状态。此外，镜上升状态指主镜202和辅助镜203向上折叠以从来自被摄体的光束完全退避的状态。在镜下降状态下，从摄像光学系统201的来自被摄体的光束被分割成指向上方取景器光学系统(未示出)的光束和指向下方焦点检测装置220的光束。

另一方面，在镜上升状态下，将从摄像光学系统201入射的来自被摄体的全部光束引导至图像传感器204。图像传感器204是从由摄像光学系统成像的被摄体接收光束以将该光束转换成图像信号的光电转换元件。本实施例的图像传感器204是封装CMOS图像传感器。焦点检测装置220布置在辅助镜203下方，并且利用从辅助镜203反射来的来自被摄体的光束检测摄像光学系统201的焦点状态。焦点检测装置220采用相位差检测方法进行焦点检测操作。根据由通过摄像光学系统201中一对不同的光瞳区域透射来的光束所形成的两个被摄体图像之间的相对位置关系，焦点检测装置220检测摄像光学系统201的焦点状态。用于根据从摄像光学系统中的一对不同的光瞳区域所获得的两个被摄体图像之间的相对位置关系来检测该摄像光学系统的焦点状态的技术是如在日本特开昭52-138924中公开的已知技术。快门单元221布置在以下要说明的光学低通滤波器222的光入射侧，并且以秒为单位限制入射在图像传感器204上的来自被摄体的光束的曝光时间。快门单元221包括多个前帘幕221a和后帘幕221b。这些帘幕沿图像传感器的横向方向移动，并且通过前帘幕221a和后帘幕221b之间的移动间隔以秒为单位控制快门时间。光学低通滤波器222布置在从摄像光学系统201延伸到图像传感器204的光路中，并且限制摄像光学系统201的截止频率，使得不将比图像传感器204所必需的空间频率分量高的物体图像的空间频率分量传输至图像传感器204。在光学低通滤波器222中还形成了红外线截止滤波器。

图28是更详细地示出第二实施例的焦点检测装置220的各个部件的展开立体图。焦点检测装置220包括盖205、遮光薄片206、场透镜207、保持构件208、板209、偏心凸轮210、IR-CUT滤波器211、折叠镜212、光圈213和再成像透镜214。焦点检测装置220还包括抵接构件215、传感器保持件216、焦点检测传感器217以及分离器218和219。盖205是限制从辅助镜203反射来的来自被摄体的光束的遮光构件。盖205具有仅通过来自被摄体的焦点检测所需要的光束的开口。该开口布置在摄像光学系统201的大致成像面附近，将所需要的来自被摄体的光束引导至焦点检测光学系统，并且阻挡来自被摄体的不必要的光束。盖205具有设置在两个位置处的孔部205a。保持构件208的突起208e安装至孔部205a中，由此将盖205固定到保持构件208。由于盖205的上表面暴露了照相机主体的内壁，因此在盖205的上表面上设置遮光线，使得反射光不到达图像传感器204。遮光薄片206布置在盖205和场透镜207之间，并进一步限制通过盖205的开口的光束。场透镜207将光圈213投影到摄像光学系统的光瞳上。

保持构件208保持焦点检测装置220的各个部件。更具体地，保持构件208保持上述的盖205、遮光薄片206、场透镜207、偏心凸轮210、IR-CUT滤波器211、折叠镜212和光圈213。保持构件208还保持再成像透镜214、抵接构件215、传感器保持件216、焦点检测传感器217以及分离器218和219。保持构件208的轴部208a与偏心凸轮210接合，并且相对于保持构件208可旋转。保持构件208经由板209安装于照相机主体上。利用该布置，当照相机主体和保持构件208之间的线性膨胀系数不同时，板209吸收二者之间的变形，由此避免了保持构件208的扭曲。板209是将保持构件208安装于照相机主体上的构件。在板209中形成了各自在图像传感器204的横向方向上具有抵接部的U形承载部209a和209b。确定承载部209a和209b的大小以分别接合轴部208a和在图28中不可见的相应轴部。因而，在轴部208a及其相对端分别与承载部209a和209b接合的情况下，唯一确定了照相机相对于保持构件208的板209的纵向方向的位置。由于承载部209a的U形孔长于承载部209b的U形孔，因此当使保持构件208相对于板209进入设计值的位置时，轴部208a和承载部209a在图像传感器204的横向方向上未抵接。然而，与208a相对的轴部抵接承载部209b。即，与208a相对的轴部和承载部209b分别在照相机的纵向方向和图像传感器204的横向方向上抵接，从而唯一地定位这两者，由此轴部208a和承载部209a仅可以沿图像传感器204的横向方向移动。偏心凸轮210是要与保持构件208的轴部208a配合并且由其保持的偏心凸轮。偏心凸轮210的外周抵接板209，以确定轴部208a相对于板209的高度位置。利用该布置，如前所述，通过偏心凸轮210的旋转角度唯一地确定了沿图像传感器204的横向方向可移动的轴部208a的位置。前述结构使得保持构件208能够绕轴部208a及其相对端相对于板209旋转。另外，通过偏心凸轮210的旋转改变轴部208a的高度位置，这使得旋转运动能够以摄像光学系统201的光轴为中心。

如前所述，本实施例的焦点检测装置220的倾斜是双向可调整的。该双向倾斜调整调整焦点检测光学系统的光轴和摄像光学系统的光轴之间的偏差，这称为“光瞳调整”。在光瞳调整完成之后，瞬时粘合或焊接剂流入抵接面以固定保持构件208、板209和偏心凸轮210。利用表面上涂覆有反射红外成分光的多层沉积膜的玻璃来形成IR-CUT滤波器211，从而反射该红外成分光。焦点检测传感器217还对波长比可见光的波长长的光敏感。另一方面，由于配置有红外线截止滤波器的光学低通滤波器222布置在图像传感器204的光入射侧，因此波长比可见光的波长长的光被截除，并因而未到达图像传感器204。当由焦点检测传感器217和图像传感器204要接收的光的光谱特性不同时，焦点位置可能改变。因此，当摄像光学系统201根据由焦点检测装置220获得的焦点位置而移动时，图像传感器204上的散焦现象可能出现。IR-CUT滤波器211使到达图像传感器204和焦点检测传感器217的光的光谱特性一致，从而用于防止如上所述的散焦。

利用表面上涂覆有铝沉积膜、并且以大致相同的反射率反射波长为400～800nm之间的光的玻璃来形成折叠镜212。为了将焦点检测装置220容纳在照相机下部中的有限空间中，折叠镜212折射来自被摄体的光束，结果是可以使焦点检测装置220更加紧凑。光圈213是再成像光学系统的光圈。在光圈213中形成了一对开口，该一对开口限制了入射在再成像透镜214的一对透镜上的光束。利用场透镜207将光圈213投影到摄像光学系统201的光瞳上。投影后的光圈213的一对开口透射从摄像光学系统201的光瞳中的一对不同的光瞳区域入射来的光束。再成像透镜214包括与光圈213的一对开口相对应的一对透镜，该一对透镜将从摄像光学系统201的不同的光瞳区域入射来的光束的图像分别形成在图像传感器217上。抵接构件215是置于传感器保持件216和保持构件218之间以实现焦点检测传感器217的倾斜调整机构的抵接构件。抵接构件215配置有：用于透射来自被摄体的光束的开口215a；以及用于抵接保持构件208的一对球面部215b。球面部215b设置在抵接构件215的两端处，并且各自具有部分切除的球面形状。球设置在抵接构件215的两端处，并且抵接保持构件208，从而可以进行再成像透镜214和焦点检测传感器217之间的倾斜调整。传感器保持件216是保持焦点检测传感器217的构件，并且通过瞬时粘合或焊接剂将其固定到焦点检测传感器217和传感器保持件216。传感器保持件216设置有用于透射来自被摄体的光束的开口216a。焦点检测传感器217是保持在传感器保持件216中的光电转换单元。后面将说明焦点检测传感器217。分离器218和219各自是防止来自中央视野中的被摄体的光束与来自周边视野中的被摄体的光束混合的分离器。当通过场透镜207的透镜的中央部分透射来的光束通过光圈213的周边视野的开口并到达焦点检测传感器217时，该光束变为重影光，从而导致检测误差。因而，在场透镜20和IR-CUT滤波器211之间的光路中，分离器218和219置于中央视野光束和周边视野光束之间的空间中，从而防止光束混合。

图29是从再成像透镜214提取出的光出射面侧的中央部分的放大图。用于对一对被摄体图像进行再成像的多对透镜设置在再成像透镜214的光出射面侧。各透镜是球面透镜，并且在光出射面侧具有凸面形状。透镜214-1A和214-1B用于对画面中央处的距离测量视野中沿垂直方向的焦点检测光束进行再成像。在透镜214-1A和214-1B处，对画面中央的视野中沿垂直方向的光束进行再成像，由此在焦点检测传感器217的焦点检测像素行上形成沿纵向方向对齐的一对被摄体图像。注意，依赖于图像传感器的像素矩阵中的像素的布局，垂直方向和水平方向可以是相互不同的其它方向，而并非必需是正交的。透镜214-2A和214-2B用于对画面中央处的视野中沿水平方向的焦点检测光束进行再成像。在透镜214-2A和214-2B处，对画面中央处的视野中沿水平方向的光束进行再成像，由此在焦点检测传感器217的焦点检测像素行上形成沿水平方向对齐的一对被摄体图像。

图30是焦点检测传感器217中的片的光出射面侧的中央部分的放大图。与如图29所述在再成像透镜214处再成像的一对被摄体图像的成像位置相对应地将焦点检测像素行布置到焦点检测传感器217。利用图29的透镜214-1A将画面中央处的视野中沿垂直方向的光束成像在图30的焦点检测像素行L1A和L2A上，并且还利用图29的透镜214-1B将其成像在图30的焦点检测像素行L1B和L2B上。焦点检测像素行L1A和L2A各自是沿纵向方向布置了多个像素的行传感器。焦点检测像素行L1A和L2A按相位偏移了半个间距的交错图案布置，从而得到提高了的分辨率。同样，焦点检测像素行L1B和L2B包括多个像素，并且按交错图案布置。同样，利用图29的透镜214-2A将画面中央处的视野中沿垂直方向的光束成像在图30的焦点检测像素行L3A和L4A上，并且还利用图29的透镜214-2B将其成像在图30的焦点检测像素行L3B和L4B上。焦点检测像素行L3A和L4A各自是沿纵向方向布置了多个像素的行传感器。焦点检测像素行L3A和L4A按相位偏移了半个间距的交错图案布置，从而得到提高了的分辨率。同样，焦点检测像素行L3B和L4B包括多个像素，并且按交错图案布置。焦点检测传感器217中的一对焦点检测像素行各自包括按行布置的多个像素，并且在一对像素阵列的输出信号波形之间，根据焦点检测区域中由摄像光学系统201形成的被摄体图像的图像形成状态，观察到相对的横向偏移。前焦点和后焦点中的输出信号波形相对于彼此水平偏移。焦点检测的原理是使用相关计算等的技术来包含偏移方向地检测相位差。

图31是示出配置有第二实施例的相位差检测方法的照相机的结构的图。第二实施例的照相机是使具有图像传感器的照相机主体与摄像光学系统201一体化的数字照相机。第二实施例与第一实施例的不同之处在于，前者还包括焦点检测装置220和用于驱动焦点检测装置220的AF传感器驱动电路134。由于除上述几点以外第二实施例的结构与第一实施例的结构相同，因此这里将不给出进一步的说明。

在图31中，用于检测摄像光学系统201的焦点状态的焦点检测装置220布置在辅助镜203下方，并且从辅助镜203反射来的光被引导至焦点检测装置220。如图28所述，焦点检测装置220配置有焦点检测传感器217，焦点检测传感器217对已由再成像透镜214对从辅助镜反射来的光进行了再成像的光学图像进行光电转换，以生成一对图像信号。AF传感器驱动电路134驱动焦点检测传感器217。CPU 121经由AF传感器驱动电路134从焦点检测装置220获取一对图像信号，并基于以下要说明的相位差计算方法计算相位差。接着，给出解释以说明与图8所示的第一实施例一样，也对第二实施例的焦点检测像素的光瞳分割状态进行光瞳分割。光圈213用作将图像信号聚焦在焦点检测像素上的再成像透镜214的出射光瞳。通过场透镜207将光圈213投影到摄像光学系统201的出射光瞳上。即，光圈213和摄像光学系统201之间的出射光瞳具有光学共轭关系。利用该布置，通过场透镜207投影再成像透镜214中的透镜214-1A、214-1B、214-2A和214-2B的出射光瞳，以产生光瞳EPHA、EPHB、EPHC和EPHD，从而导致光瞳分割。根据与在第一实施例的图10和11中所述的原理相同的原理，在摄像光学系统201中通过渐晕来限制第二实施例的焦点检测像素的出射光瞳。因此，如第一实施例的图12A～12C所示，图像A和B之间的增益差根据图像高度而变化。结果，从焦点检测装置220获得的一对图像信号变为增益差根据图像高度而变化的图像A和B。当基于根据传统定义的相关量对具有变化增益差的这种图像A和B进行相位差检测时，如图13A～14C所述在相位差检测结果中出现误差。因而，在第二实施例的相位差检测方法中，与在第一实施例中相同，也将各个像素位置的图像信号A和B之间的输出比的波动定义为相关量，以由此计算相位差。当焦点检测像素的数量是I个，第i个像素S_HA的信号是A(i)，并且第i个像素S_HB的信号是B(i)时，与在第一实施例中相同，在图像A向左偏移了PD位的情况下的相关量是由以下公式(7)所表示的无偏方差。

$\mathrm{VAR}\left(\mathrm{PD}\right)=\frac{N\·\mathrm{\Σ}{\left(\frac{A(i+\mathrm{PD})}{B\left(i\right)}\right)}^2-{\left(\mathrm{\Σ}\frac{A(i+\mathrm{PD})}{B\left(i\right)}\right)}^2}{N\·(N-1)}$ 公式(7)

N＝I-2·PD                    公式(8)

此外，在第二实施例的相位差检测方法中，将方差VAR(PD)看作为各个偏移量的相关量。将方差达到极值的偏移量看作为图像A和B之间的相位一致的状态，由此检测相位差。如这里所使用的，“方差达到极值”表示达到最小值。通过采用各个像素位置处的输出比的方差作为相关量，即使在像素S_HA和像素S_HB之间存在增益差时，也可以在不受该增益差影响的情况下正确地表示图像A和B之间的相关性。结果，可以减少由增益差引起的相位差检测误差。尽管在本发明中使用方差作为表示输出比A(i+PD)/B(i)的波动的指标，但还可以使用标准偏差。无需说明，利用方差或标准偏差的预定倍数实现了类似的效果。此外，与在第一实施例中相同，还可以使用通过以下公式(9)表示的通过将相对平均值的偏差的平方和除以数据的数量所得到的方差(样本方差)。

$\mathrm{VAR}\left(\mathrm{PD}\right)=\frac{\mathrm{\Σ}{(\frac{A(i+\mathrm{PD})}{B\left(i\right)}-\frac{1}{N}\·\mathrm{\Σ}\frac{A(i+\mathrm{PD})}{B\left(i\right)})}^2}{N}$ 公式(9)

可以利用由公式(9)表示的值的预定倍数来获得相同的效果。在本特定实施例中，使用像素S_HA的信号和像素S_HB的信号之间的输出比A(i+PD)/B(i)作为相位一致的图像A和B的各个像素的比较结果，然而，还可使用输出差的绝对值|A(i+PD)-B(i)|。当图像的任一个中包含杂光分量时，优选使用输出差的绝对值作为各个像素的比较结果。还可以计算从输出比和输出差的绝对值两者所获得的相位差检测结果，并通过判断该检测结果、一致度或图像的对比度来选择可靠的检测结果。在第二实施例中，与在第一实施例中相同，进行参考第一实施例的图15A和15B所述的一系列相位差检测计算。该一系列的相位差检测计算是在CPU 121中进行的处理。更具体地，作为CPU 121的功能，实现：用于计算各个像素的比较结果的比较单元151；用于计算输出比的波动的波动计算单元152；以及用于计算波动达到极值的相位差的相位差计算单元153。由于当如公式(7)所示的方差VAR(PD)是相关量时的效果与在第一实施例的图16A～18B中所述的效果相同，因此这里不给出进一步的说明。与在第一实施例中相同，还可以将使各个像素位置处AB输出比的方差最小化的偏移量计算到小数位以下。用于确定到小数位以下的偏移量的方法与参考第一实施例的图19所述的方法相同。在第二实施例中，如参考在第一实施例中的图20A～20C所述，基于相位一致的图像A和B之间的输出比的分布进行再遮光校正。假定通过偏移由如公式(7)所定义的相关量检测到的相位差PD已相位一致了的图像A和B之间的光能比的分布的近似公式是f(i)，则与在第一实施例中相同，通过以下的公式来表示该f(i)。

f(i)＝m·i+b                公式(12)

$m=\frac{N\·\left(\mathrm{\Σi}\right)\·\left(\mathrm{\Σ}\frac{A(i+\mathrm{PD})}{B\left(i\right)}\right)}{N\·\left({\mathrm{\Σi}}^2\right)-{\left(\mathrm{\Σi}\right)}^2}$ 公式(13)

$b=\frac{\left(\mathrm{\Σ}\frac{A(i+\mathrm{PD})}{B\left(i\right)}\right)\·\left({\mathrm{\Σi}}^2\right)-\left(\mathrm{\Σi}\right)\·(\mathrm{\Σi}\·\frac{A(i+\mathrm{PD})}{B\left(i\right)})}{N\·\left({\mathrm{\Σi}}^2\right)-{\left(\mathrm{\Σ}i\right)}^2}$ 公式(14)

通过使第i个像素S_HB的信号乘以f(i)来校正像素S_HA和像素S_HB之间的增益差。如图20C所示，经过了再遮光校正的图像A和B能够克服增益差，从而可以提高图像A和B之间的一致度。尽管在公式(12)～(14)中已经说明了一次直线的近似，但还可以使用最小二乘法以相同的方式计算包括二次或更高次的近似公式。此外，为了减少计算量，还可以根据AB输出比的右半部分的平均值和AB输出比的左半部分的平均值来定义近似直线。尽管已经说明了将像素S_HB的信号乘以f(i)的方法，但还可以将像素S_HA的信号除以f(i)。如果通过各个像素的输出比的方差检测图像A和B之间的相位差，则可以在无需校正图像A和B之间的光强度差的情况下，正确地检测该相位差。然而，在本发明中，为了判断相位差检测结果的可靠性，基于相位一致的图像A和B之间的输出比分布来进行图像A和B之间的再遮光校正。通过如此，使图像A和B之间的波形一致，由此可以正确地判断出相位差检测结果的可靠性。在每次检测到相位差时进行再遮光校正。通过如此，可以在每次检测到相位差时正确地评价此时相位差的检测结果是否精确。如以上在图20A～20C中所述，基于相位一致的图像A和B之间的输出比的分布进行再遮光校正，从而使各个像素的AB输出比的方差最小化。通过如此，可以在无需在均匀光下拍摄的情况下提高了图像A和B之间的一致度，由此可以正确地评价相位差检测结果的可靠性。

接着，将参考图32和33来说明根据第二实施例的照相机的焦点调整和拍摄的步骤。图32是根据本发明第二实施例的照相机的主流程图。在S501中，用户接通照相机的电源开关。然后，在S502中，CPU 121检查照相机中的致动器和图像传感器的操作。CPU 121检测存储器内容和要执行的程序的初始化状态，并执行拍摄准备操作。在S503中，CPU 121基于由安装于操作开关132上的焦点检测区域指定单元所指定的位置确定焦点检测区域。在S504中，CPU 121判断用户是否已接通拍摄准备开关。如果用户未接通拍摄准备开关，则CPU 121返回S503以确定由焦点检测区域指定单元所指定的焦点检测区域。如果在S504中用户已接通了拍摄准备开关，则CPU 121切换至S600以执行焦点检测子例程。

图33是焦点检测子例程(图32中的S600)的流程图。当处理从主流程中的S600进入焦点检测子例程中的S600时，在S601中，CPU 121读出在主例程的S503中确定的焦点检测区域中所包括的焦点检测像素。在S602中，CPU 121布置从像素S_HA获得的信号以生成图像A信号，并布置从像素S_HB获得的信号以生成图像B信号。这些信号是用于相关计算的图像A和B的信号。更具体地，生成了如图9所示的AFSIG_h(A1)和AFSIG_h(B1)或者AFSIG_V(C3)和AFSIG_V(D3)等的一对信号。在S200中，CPU 121基于所获得的图像A和B进行相关计算以计算图像A和B之间的相位差。S200中的相关计算进行如在第一实施例中所述的图23所示的操作。在S300中，将图像A和B之间的相对位置关系偏移通过步骤S200中的相关计算所获得的相位差，以基于相位一致的图像A和B的各个像素的AB输出比对该AB输出比进行校正(再遮光校正)。S300中的再遮光校正进行如在第一实施例中所述的图24所示的操作。在S603中，CPU 121对再遮光校正后的光能比已被校正了的图像A和B再次进行相关计算，以计算图像A和B之间的相位差。在S400中，CPU 121判断相关计算结果的可靠性。术语“可靠性”指图像A和B之间的一致度。当图像A和B之间的一致度良好时，焦点检测结果的可靠性通常高。基于一致度是否超过阈值来判断相位差检测结果的可靠性。当选择了多个焦点检测区域时，优选使用具有高可靠性的信息。S400中的可靠性判断进行如在第一实施例中所述的图25所示的操作。在S604中，CPU 121根据具有高可靠性的检测结果计算散焦量。处理返回图32所示的主流程中的S600。返回参考图32，在S505中，CPU 121判断在S604中计算出的散焦量是否等于或小于容许值，即图像A和B是否聚焦。如果散焦量大于容许值，则CPU 121判断为图像A和B未聚焦，在S509中驱动调焦透镜，然后重复执行从S600～S505的处理。如果在S505中CPU 121判断为图像A和B聚焦，则在S506中进行聚焦显示，并且处理从S506切换至S507。在S507中，CPU 121判断拍摄开始开关是否已接通。如果该开关未接通，则在S507中CPU 121维持拍摄待机状态。如果在S507中接通了拍摄开始开关，则处理从S507切换至S161以执行拍摄子例程。S161中的拍摄子例程进行如在第一实施例中所述的图26所示的操作。在从S161中的拍摄子例程返回到图32的主例程之后，在S508中CPU结束一系列的拍摄操作。

如上所述，根据第二实施例，由于计算出一对图像信号的各个像素的像素输出比，然后计算出使用输出比的分布的波动作为相关量的相位差，因此即使对于具有增益差的一对图像信号也可减少相位差检测误差。通过使用应用于基于一对图像信号之间的相位差来检测摄像光学系统201的焦点状态的焦点检测装置的本实施例的相位差检测方法，即使对于具有增益差的一对图像信号，焦点检测误差也不易出现。此外，基于利用输出比的分布的波动作为评价量已使相位一致了的一对图像信号的各个像素的像素输出比的分布，对一对图像信号之间的增益差进行校正。因此，即使在非均匀光下拍摄时，也可以提高一对图像信号之间的一致度，由此可以正确地判断相位差检测的可靠性。

第三实施例

在第二实施例中，由包括一对透镜元件的二次成像光学系统(再成像透镜214)对由在摄像光学系统201和图像传感器204之间分割的光路所引导的光束进行再成像。然后，说明了基于所获得的一对图像信号之间的相位差的摄像光学系统201的焦点状态。换言之，第二实施例是TTL二次成像型相位差焦点检测方法。在第三实施例中，除摄像光学系统以外，存在单独设置的焦点检测光学系统，由此利用三角测量原理进行焦点检测。换言之，外部测量型相位差焦点检测方法是第三实施例的特征。

图34是示出第三实施例的照相机的结构的图。第三实施例的照相机是将具有图像传感器107的照相机主体与摄像光学系统(101、103、105)一体化的数字照相机。第三实施例与第二实施例的不同之处在于，前者不包括用于分割光路的光学系统(辅助镜203)，并且焦点检测装置320与摄像光学系统分离地设置在照相机主体上。由于除上述几点以外第三实施例的结构与第二实施例的结构相同，因此这里将不给出进一步的说明。安装于第三实施例的照相机上的焦点检测装置320包括摄像镜头314、光圈313和焦点检测传感器317。摄像镜头314具有一对透镜，并且在焦点检测传感器317的光接收部面上形成一对被摄体光学图像。光圈313具有与摄像镜头314的透镜相对应的开口，并且限制入射在摄像镜头314的透镜上的光束。利用该布置，光圈313用作摄像镜头314的出射光瞳。在焦点检测传感器317处设置有与摄像镜头314的透镜相对应的光接收部，其中光接收部包括多个焦点检测像素。焦点检测传感器317是对由摄像镜头314拍摄到的一对被摄图光学图像进行光电转换的光电转换单元。焦点检测传感器317布置从多个像素获得的信号以生成一对图像信号。AF传感器驱动电路134驱动焦点检测传感器317。CPU 121经由AF传感器驱动电路134从焦点检测装置320获取一对图像信号，并基于以下要说明的相位差计算方法计算相位差。外部测量型相位差焦点检测方法是在日本特开2004-12601中公开的已知技术。因此，将省略对基于三角测量原理的距离测量原理的解释。

接着，解释在第三实施例的照相机中也可能出现一对图像信号之间的增益差。如图34所述，光圈313具有与对与摄像镜头314的透镜相对应的一对开口。当该对开口的表面面积由于制造误差变为不同的大小时，入射在摄像镜头314的一对透镜上的光量改变。这可能引起所得到的一对图像信号之间的增益差，从而进一步引起在从焦点检测装置320所获得的一对图像信号之间出现如第一实施例的图12A所示的增益差。当基于根据传统定义的相关量对具有增益差的该对图像信号进行相位差检测时，如图13A～14C所述，在相位差检测结果中出现误差。一般地，外部测量型焦点检测装置通常非常紧凑，因此光圈313中的一对开口也非常小。结果，即使以高的精确度调整了开口的尺寸，剩余尺寸误差对开口面积的影响也很大，并且由此不能够避免开口面积的不一致。因此，由上述制造误差引起的一对图像信号之间的增益差是不可避免的问题。当基于根据传统定义的相关量对具有变化增益差的一对图像信号进行相位差检测时，如图13A～14C所述在相位差检测结果中出现误差。因此，与在第一实施例中相同，在第三实施例的相位差检测方法中，也将各像素位置的图像信号A和B之间的输出比的波动定义为相关量，并计算相位差。当焦点检测像素的数量是I个，第i个像素S_HA的信号是A(i)，并且第i个像素S_HB的信号是B(i)时，与在第一实施例中相同，在图像A向左偏移了PD位的情况下的相关量是通过以下公式(7)所表示的无偏方差。

$\mathrm{VAR}\left(\mathrm{PD}\right)=\frac{N\·\mathrm{\Σ}{\left(\frac{A(i+\mathrm{PD})}{B\left(i\right)}\right)}^2-{\left(\mathrm{\Σ}\frac{A(i+\mathrm{PD})}{B\left(i\right)}\right)}^2}{N\·(N-1)}$ 公式(7)

N＝I-2·PD                        公式(8)

在第三实施例的相位差检测方法中，也将方差VAR(PD)看作为各个偏移量的相关量。将方差达到极值的偏移量看作为图像A和B之间的相位一致的状态，由此检测到相位差。如这里所使用的，“方差达到极值”表示达到最小值。通过采用各个像素位置处的输出比的方差作为相关量，即使在图像A和B之间存在增益差时，也可以在不受该增益差影响的情况下正确地表示图像A和B之间的相关性。结果，可以减小由增益差引起的相位差检测误差。尽管在本发明中使用方差作为表示输出比A(i+PD)/B(i)的波动的指标，但还可以使用标准偏差。无需说明，利用方差或标准偏差的预定倍数可以获得类似的效果。此外，与在第一实施例中相同，还可以使用由以下公式(9)所表示的通过将相对平均值的偏差的平方和除以数据的数量所得到的方差(样本方差)来进行波动计算。

$\mathrm{VAR}\left(\mathrm{PD}\right)=\frac{\mathrm{\Σ}{(\frac{A(i+\mathrm{PD})}{B\left(i\right)}-\frac{1}{N}\·\mathrm{\Σ}\frac{A(i+\mathrm{PD})}{B\left(i\right)})}^2}{N}$ 公式(9)

可以利用由公式(9)所表示的值的预定倍数来获得相同效果。在该特定实施例中，使用像素S_HA的信号和像素S_HB的信号之间的输出比A(i+PD)/B(i)作为相位一致的图像A和B的各个像素的比较结果，然而，还可以使用输出差的绝对值|A(i+PD)-B(i)|。当图像的任一个中包含了杂光分量时，优选使用输出差的绝对值作为各个像素的比较结果。还可以计算从输出比和输出差的绝对值两者所获得的相位差检测结果，并通过判断该检测结果、一致度或图像的对比度来选择可靠的检测结果。在第三实施例中，与在第一实施例中相同，进行参考第一实施例的图15A和15B所述的一系列相位差检测计算。该一系列的相位差检测计算是在CPU 121中进行的处理。更具体地，作为CPU 121的功能，实现：用于计算各个像素的比较结果的比较单元151；用于计算输出比的波动的波动计算单元152；和用于计算波动是极值的相位差的相位差计算单元153。由于当如公式(7)所示的方差VAR(PD)是相关量时的效果与在第一实施例的图16A～18B中所述的效果相同，因此这里将不给出进一步的说明。与在第一实施例中相同，可以将使在各个像素位置处AB输出比的方差最小化的偏移量计算到小数位以下。用于确定到小数位以下的偏移量的方法与参考第一实施例的图19所述的方法相同。在第三实施例中，如参考第一实施例的图20A～20C所述，基于相位一致的图像A和B之间的输出比的分布进行再遮光校正。假定通过偏移由如公式(7)定义的相关量所检测到的相位差PD已相位一致了的图像A和B之间的光能比的分布的近似公式是f(i)，则与第一实施例中相同，通过以下公式来表示f(i)。

f(i)＝m·i+b                            公式(12)

$m=\frac{N\·\left(\mathrm{\Σi}\right)\·\left(\mathrm{\Σ}\frac{A(i+\mathrm{PD})}{B\left(i\right)}\right)}{N\·\left({\mathrm{\Σi}}^2\right)-{\left(\mathrm{\Σi}\right)}^2}$ 公式(13)

$b=\frac{\left(\mathrm{\Σ}\frac{A(i+\mathrm{PD})}{B\left(i\right)}\right)\·\left({\mathrm{\Σi}}^2\right)-\left(\mathrm{\Σi}\right)\·(\mathrm{\Σi}\·\frac{A(i+\mathrm{PD})}{B\left(i\right)})}{N\·\left({\mathrm{\Σi}}^2\right)-{\left(\mathrm{\Σ}i\right)}^2}$ 公式(14)

通过将第i个像素S_HB的信号乘以f(i)来校正S_HA和S_HB之间的增益差。如图20C所示，经过了再遮光校正的图像A和B能够克服增益差，由此可以提高图像A和B之间的一致度。尽管在公式(12)～(14)中已经说明了一次直线的近似，但还可以使用最小二乘法以相同的方式来计算包括二次或更高次的近似公式。此外，为了减少计算量，还可以根据AB输出比的右半部分的平均值和AB输出比的左半部分的平均值来定义近似直线。尽管已经说明了将像素S_HB的信号乘以f(i)的方法，但还可以将像素S_HA的信号除以f(i)。如果利用各个像素的输出比的方差检测图像A和B之间的相位差，则可以在无需校正图像A和B之间的光强度差的情况下正确地检测到相位差。然而，在本发明中，为了判断相位差检测结果的可靠性，可以基于相位一致的图像A和B之间的输出比的分布来进行图像A和B之间的再遮光校正。通过如此，使图像A和B之间的波形一致，由此可以正确地判断出相位差检测结果的可靠性。在每次检测到相位差时进行再遮光校正。通过如此，可以在每次检测到相位差时正确地评价此时相位差的检测结果是否精确。如以上在图20A～20C中所述，基于相位一致的图像A和B之间的输出比的分布进行再遮光校正，从而使各个像素的AB输出比的方差最小化。通过如此，即使在非均匀光下拍摄时，也可以提高图像A和B之间的一致度，由此可以正确地评价相位差检测结果的可靠性。由于以与在第二实施例中的方式相同的方式执行第三实施例的照相机的焦点调整和拍摄的步骤，因此这里将不给出进一步的说明。

已经说明了第三实施例作为所谓的被动型，在该被动型中，接收来自被摄体的光以获取一对图像信号从而计算相位差。然而，本发明可应用于所谓的主动型，在该主动型中，将红外光投射至被摄体，并且接收从被摄体反射来的光以获取一对图像信号从而计算相位差。在被动型或主动型中，由于类似的机构，一对图像信号之间的增益差将出现。因此，通过应用本发明的相位差计算方法，可以减小由增益差所引起的相位差检测误差。

如上所述，根据第三实施例，由于计算一对图像信号的各个像素的像素输出比，然后计算使用该输出比的分布的波动作为相关量的相位差，因此即使对于具有增益差的一对图像信号，也可减小相位差检测误差。通过使用应用于基于一对图像信号之间的相位差来检测摄像光学系统的焦点状态的焦点检测装置的上述相位差检测方法，即使对于具有增益差的一对图像信号，焦点检测误差也不易出现。此外，基于利用输出比的分布的波动作为评价量已使相位一致了的一对图像信号的各个像素的像素输出比的分布，对该对图像信号之间的增益差进行校正。因此，即使在非均匀光下拍摄时，也可以提高一对图像信号之间的一致度，由此可以正确地判断相位差检测的可靠性。

变形例

要理解，本发明不限于上述优选实施例。在不背离本发明的精神和范围的情况下，在本发明中可以进行各种变化和变形。

(1)尽管针对使用数字照相机作为摄像设备的例子在各前述实施例中已经进行了说明，但本发明不限于此。例如，本发明可适用于主要用于运动图像拍摄的摄像机。

(2)在各个前述实施例中，针对对于再遮光校正后的光能比已被校正了的图像A和B再次进行相关运算、然后计算图像A和B之间的相位差的例子，已经进行了说明。然而，本发明不限于此。例如，本发明可适用于在无需进行再相关运算的情况下通过根据在再遮光校正之前要进行的相关运算的结果计算图像A和B之间的相位差来执行焦点调整。

(3)在各个前述实施例中，针对通过由公式(7)表示的无偏方差或由公式(9)表示的样本方差来评价图像A和B的比较结果的统计波动的例子，已经进行了说明。然而，表示图像A和B的比较结果的统计波动的无偏方差和样本方差不限于这些公式，并且还可以采用以下所示的公式。

无偏方差：

公式(B)

标准偏差：

公式(C)

此外，除方差和标准偏差以外，还可以使用表示范围、四分位范围、平均差和平均偏差等的其它统计波动(方差)的值来评价图像A和B的比较结果的统计波动。

(4)尽管针对将本发明应用于作为摄像设备的照相机的例子在各个前述实施例中已经进行了说明，但本发明不限于此。例如，本发明的装置可以采用能够指示计算机执行本发明的相位差检测方法的计算机程序的形式。通过如此，可以通过所谓的用于对控制摄像设备的程序进行升级的固件升级将该计算机程序应用于摄像设备，由此可以以高精确度进行现有摄像设备的相位差检测。

虽然这里没有给出进一步的说明，但是可以以适当的组合使用第一至第三实施例及其变形例。本发明不限于前述实施例。

尽管已经参考典型实施例说明了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的典型实施例。所附权利要求书的范围符合最宽的解释，以包含所有这类修改以及等同结构和功能。

本申请要求2008年7月17日提交的日本专利申请2008-186401的优先权，在此通过引用包含其全部内容。

Claims (13)

1.一种相位差检测装置，包括：

光电转换单元，在所述光电转换单元中布置有用于对接收到的光进行光电转换的多个像素，所述光电转换单元用于对通过镜头接收到的至少一对光学图像进行光电转换，以生成第一图像信号和第二图像信号；以及

相位差检测单元，其包括：

用于从所述光电转换单元中的至少两个像素位置中的各个像素位置获得所述第一图像信号和所述第二图像信号的单元，

比较单元，用于针对各个像素位置将所述第一图像信号与所述第二图像信号进行比较，

波动计算单元，用于计算所述第一图像信号和所述第二图像信号的波动，

用于将所计算出的波动在像素位置的范围内进行比较以获得结果第一图像信号和结果第二图像信号的单元，以及

相位差计算单元，用于计算所述结果第一图像信号和所述结果第二图像信号之间的相位差，以使得能够基于所计算出的波动确定所述镜头的焦点状态。

2.根据权利要求1所述的相位差检测装置，其特征在于，所述结果第一图像信号和所述结果第二图像信号是由所述波动计算单元计算出的波动最小的信号。

3.根据权利要求1或2所述的相位差检测装置，其特征在于，所述比较单元用于输出各所述第一图像信号和各所述第二图像信号之间的比和差至少之一。

4.根据权利要求1或2所述的相位差检测装置，其特征在于，由所述波动计算单元计算出的波动包括方差、标准偏差、所述方差的预定倍数和所述标准偏差的预定倍数至少之一。

5.根据权利要求1或2所述的相位差检测装置，其特征在于，所述波动计算单元用于计算所述第一图像信号和所述第二图像信号至少之一的强度在像素位置的范围内的波动。

6.根据权利要求1或2所述的相位差检测装置，其特征在于，当N表示针对各所述第一图像信号和各所述第二图像信号由所述比较单元输出的各个像素的比较结果的数量，X表示针对各所述第一图像信号和各所述第二图像信号由所述比较单元输出的各个像素的比较结果各自的值，并且X_ave表示X的平均值时，由所述波动计算单元计算出的波动是由以下公式所表示的值或该值的预定倍数：

$\frac{\mathrm{\Σ}{(X-X_{\mathrm{ave}})}^2}{N}.$

7.根据权利要求1或2所述的相位差检测装置，其特征在于，当N表示针对各所述第一图像信号和各所述第二图像信号由所述比较单元输出的各个像素的比较结果的数量，并且X表示针对各所述第一图像信号和各所述第二图像信号由所述比较单元输出的各个像素的比较结果各自的值时，由所述波动计算单元计算出的波动是由以下公式所表示的值或该值的预定倍数：

$\frac{\mathrm{N\Σ}{X}^2-{\left(\mathrm{\ΣX}\right)}^2}{N(N-1)}.$

8.根据权利要求1或2所述的相位差检测装置，其特征在于，所述相位差计算单元用于计算各所述第一图像信号或各所述第二图像信号之间的变化是极值的情况下的各所述第一图像信号和各所述第二图像信号之间的相位差。

9.根据权利要求1或2所述的相位差检测装置，其特征在于，所述相位差计算单元用于基于表示各所述第一图像信号或各所述第二图像信号之间的统计变化最小的波动计算结果，计算各所述第一图像信号和各所述第二图像信号之间的相位差。

10.根据权利要求1或2所述的相位差检测装置，其特征在于，所述相位差计算单元用于基于所述波动计算单元发现统计变化的改变量是0，计算各所述第一图像信号和各所述第二图像信号之间的相位差。

11.根据权利要求1或2所述的相位差检测装置，其特征在于，

所述光电转换单元包括：相位差检测像素，用于生成在相位差检测时使用的所述第一图像信号和所述第二图像信号；以及摄像像素，用于生成在生成用于对被摄体进行摄像的图像数据时使用的摄像信号，其中，来自所述被摄体的光进入所述镜头，以及

所述相位差检测像素分散布置在所述摄像像素之间。

12.一种摄像设备，包括：

镜头；

根据权利要求1或2所述的相位差检测装置；

摄像光学系统，用于基于所述相位差检测装置的相位差检测结果，进行所述镜头的焦点调整操作；以及

图像传感器，用于基于所述摄像光学系统的操作，生成被摄体图像。

13.一种用于相位差检测装置的相位差检测方法，所述相位差检测装置包括布置有用于对接收到的光进行光电转换的多个像素的光电转换单元，所述相位差检测方法包括：

从至少两个像素位置中的各个像素位置获得第一图像信号和第二图像信号；

针对各个像素位置将所述第一图像信号与所述第二图像信号进行比较；

计算所述第一图像信号和所述第二图像信号的波动；

将所计算出的波动在像素位置的范围内进行比较，以获得结果第一图像信号和结果第二图像信号；以及

计算所述结果第一图像信号和所述结果第二图像信号之间的相位差，以使得能够基于所计算出的波动确定镜头的焦点状态。

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