CN102105830A - 焦点检测设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种焦点检测设备，包括：图像传感器，用于对被摄体图像进行转换，所述图像传感器具有用于接收已经通过如下部分区域的光束的焦点检测像素：该部分区域是用于形成被摄体图像的光学系统的出射光瞳的一部分；相加部件，用于将所述图像传感器的预定区域中包括的多个焦点检测像素的输出乘以与各焦点检测像素的位置相对应的加权系数，并且进行相加；以及散焦量计算部件，用于根据基于所述相加部件的输出所生成的一对相位差检测信号，计算散焦量。

Description

焦点检测设备
技术领域
本发明涉及一种数字静止照相机、摄像机等中包含的焦点检测设备。
背景技术
传统上，对于照相机的自动焦点检测设备，按以下方式操作的自动调焦设备是众所周知的。引入已经通过拍摄镜头的不同的出射光瞳区域的来自被摄体的光束，以在一对线传感器上形成图像，并且获取从这些线传感器获得的一对图像信号的相对位置偏移量，由此检测被摄体的散焦量并根据该散焦量驱动调焦透镜(例如，参考日本特开2000-292686号公报)。
此外，已经提出了用于通过对图像传感器提供相位差检测功能、并且不需要专用AF传感器来实现相位差焦点检测的技术。
例如，根据日本特开2000-156823号公报，通过使光接收区域的感光区相对于片上微型透镜的光轴偏心，来对图像传感器的一部分光接收元件(像素)提供光瞳分割功能。通过将用作为焦点检测像素的这些像素按预定间隔配置在摄像像素之间，实现了相位差焦点检测。
同时，在电荷存储型传感器中，在低亮度被摄体的情况下电荷存储量本身减少。因此，传感器输出的S/N比下降，从而导致焦点检测精度劣化的问题。
通常，日本特开2000-156823号公报所公开的焦点检测像素的开口部比专用AF传感器像素的开口部小。因此，低亮度被摄体的S/N比下降。这是由于以下原因。由于配置有焦点检测像素的位置是摄像像素的缺陷部，因此焦点检测像素的大小与摄像像素的大小相同或比摄像像素的大小小是有必要的。因此，不能如专用AF传感器像素一样自由设计焦点检测像素的大小。
考虑到以上情况，日本特开平10-319311公开了包括可以组合或分离相邻的光电转换像素阵列的像素间距切换部件的焦点检测设备。该焦点检测设备在感测低亮度被摄体时，使用像素间距切换部件来组合相邻的光电转换像素阵列，由此增加电荷存储量并提高S/N比。
同时，在相位差焦点检测时，被摄体的高频成分对检测精度产生消极影响，这是已知的。
考虑到以上情况，日本特开平6-308379号公报公开了用于通过使线传感器像素相对于拍摄画面的水平方向和垂直方向略微倾斜来以光学方式截除高频成分的结构。
然而，根据日本特开平10-319311号公报所公开的焦点检测设备，如果为了提高S/N比，通过将相邻像素信号相加来形成图像信号，则像素间距变粗，并且能够检测到的空间频率的分辨能力将下降。由于该原因，从被摄体的高频成分获得的焦点检测结果的误差将变大。
此外，日本特开平6-308379号公报所公开的焦点检测设备存在以下问题：如果被摄体与倾斜像素平行并且具有高频，则不能以光学方式截除高频成分。
发明内容
考虑到上述问题而提出本发明。本发明用于即使组合相邻像素或将相邻像素相加导致像素间距变粗，也能够减小由被摄体的高频成分所产生的焦点检测误差。
根据本发明，提供一种焦点检测设备，包括：图像传感器，用于对被摄体图像进行转换，所述图像传感器具有用于接收已经通过如下部分区域的光束的焦点检测像素：该部分区域是用于形成被摄体图像的光学系统的出射光瞳的一部分；相加部件，用于将所述图像传感器的预定区域中包括的多个焦点检测像素的输出乘以与各焦点检测像素的位置相对应的加权系数，并且进行相加；以及散焦量计算部件，用于根据基于所述相加部件的输出所生成的一对相位差检测信号，计算散焦量。
通过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1是示出根据本发明的实施例的数字照相机的结构的图；
图2是图像传感器的电路图；
图3是图像传感器的像素部的截面图；
图4是用于驱动图像传感器的时序图；
图5A是示出图像传感器的摄像像素的平面图；
图5B是示出图像传感器的摄像像素的截面图；
图6A是示出图像传感器的AF像素的平面图；
图6B是示出图像传感器的AF像素的截面图；
图7A是示出图像传感器的其它AF像素的平面图；
图7B是示出图像传感器的其它AF像素的截面图；
图8是图像传感器的最小单位的像素阵列的解释图；
图9是图像传感器的上位单位的像素阵列的解释图；
图10是图像传感器的整个区域的像素阵列的解释图；
图11是横向偏差焦点检测时的像素分组方法的解释图；
图12是横向偏差焦点检测时的像素信号加权系数的解释图；
图13是纵向偏差焦点检测时的像素分组方法的解释图；
图14是纵向偏差焦点检测时的像素信号加权系数的解释图；
图15是解释图像传感器的光瞳分割状态的示意图；
图16是焦点检测区域的解释图；
图17是根据本发明的实施例的数字照相机的主控制流程图；
图18是焦点检测子例程的流程图；以及
图19是拍摄子例程的流程图。
具体实施方式
现在将参考附图来详细说明本发明的实施例。
图1是示出根据本发明的实施例的照相机的结构的图。图1示出拍摄光学系统与具有图像传感器的照相机主体一体化的数字照相机。
在图1中，附图标记101表示配置在拍摄光学系统(拍摄镜头)的前端处的第一透镜，第一透镜101可以在光轴方向上前后移动。附图标记102表示还用作为光圈的快门，快门102用于通过调节开口来调节拍摄时的光量，并且还用于对静止图像拍摄时的曝光时间进行调节。附图标记103表示第二透镜。快门102和第二透镜103在光轴方向上一体化地前后移动，并且与第一透镜101的前后动作连动地改变倍率(变焦)。
附图标记105表示通过光轴方向上的前后动作来进行调焦的第三透镜。附图标记106表示用于减少拍摄图像的伪色或波纹的光学低通滤波器。附图标记107表示配置有CMOS传感器及其外围电路的图像传感器。图像传感器107是二维单面板彩色传感器，在该二维单面板彩色传感器中，在水平方向上为m个像素并且垂直方向上为n个像素的光接收像素上，以片上方式形成拜尔阵列的原色马赛克滤波器。
附图标记111表示变焦致动器，变焦致动器111通过镜筒凸轮的转动使第一透镜101和第二透镜103在光轴方向上前后移动，以改变倍率。附图标记112表示快门致动器，快门致动器112通过控制快门102的开口调节拍摄光量，并且控制静止图像拍摄时的曝光时间。附图标记114表示调焦致动器，调焦致动器114通过使第三透镜105在光轴方向上前后移动来进行调焦。
附图标记115表示用于在拍摄时照亮被摄体的电子闪光灯。通常采用使用疝气管的闪光灯照明设备，但还可以采用使用连续发光LED的照明设备。附图标记116表示AF辅助光投射器，AF辅助光投射器116通过投射透镜将具有预定开口图案的掩模图像投影到拍摄区域上，从而提高暗的被摄体或对比度低的被摄体的焦点检测能力。
附图标记121表示用于管理照相机主体的各种控制的CPU。CPU 121包括计算器、ROM、RAM、A/D转换器、D/A转换器和通信接口电路等，并且CPU 121基于ROM中存储的预定程序来驱动照相机中包括的各种电路。此外，CPU执行诸如自动调焦(AF)、自动曝光(AE)、拍摄、图像处理和记录等的一系列的操作。
附图标记122表示与拍摄操作同步地控制电子闪光灯115的闪光的闪光灯控制器。附图标记123表示与焦点检测操作同步地控制AF辅助光投射器116的发光的辅助光驱动器。附图标记124表示图像传感器驱动器，图像传感器驱动器124驱动图像传感器107，并且在进行A/D转换之后将所获取的图像信号发送至CPU121。附图标记125表示对图像传感器107所获取的图像信号进行γ转换、颜色插值和JPEG压缩等的图像处理器。
附图标记126表示调焦驱动器，调焦驱动器126基于焦点检测结果驱动调焦致动器114，从而使第三透镜105在光轴方向上前后移动以进行调焦。附图标记128表示快门驱动器，快门驱动器128驱动快门致动器112以控制快门102的开口。附图标记129表示变焦驱动器，变焦驱动器129根据拍摄者的变焦操作驱动变焦致动器111。
附图标记131表示配置有LCD等的显示器，显示器131用于显示与照相机的拍摄模式有关的信息、拍摄照片前的预览图像、拍摄照片后的确认图像、和焦点检测时的聚焦状态显示图像等。附图标记132表示包括电源开关、快门释放(拍摄触发)按钮、变焦操作开关和拍摄模式选择开关等的操作开关。附图标记133表示用于记录所拍摄图像的例如闪速存储器等的可移除存储器。
图2是使用日本特开平09-046596号公报中公开的技术所制造的图像传感器107的示意电路图。
图2示出二维CMOS区域传感器的具有2列×4行的像素的区域。在使用该区域作为图像传感器的情况下，配置图2所示的大量像素，从而使得能够进行高分辨率图像获取。在本实施例中，假定像素间距为2μm、有效像素数为3000(水平)×2000(垂直)＝600万个像素、并且摄像画面大小为6mm(水平)×4mm(垂直)，提供了图像传感器的说明。
参考图2，附图标记1表示包括MOS晶体管栅极和该栅极下方的耗尽层的光电转换器；附图标记2表示光门；附图标记3表示传送开关MOS晶体管；附图标记4表示复位MOS晶体管；附图标记5表示源极跟随器放大器MOS晶体管；附图标记6表示水平选择开关MOS晶体管；附图标记7表示源极跟随器的负载MOS晶体管；附图标记8表示暗输出传送MOS晶体管；附图标记9表示明输出传送MOS晶体管；附图标记10表示暗输出存储电容Ctn；附图标记11表示明输出存储电容Cts；附图标记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；附图标记14表示差动输出放大器；附图标记15表示水平扫描电路；并且附图标记16表示垂直扫描电路。
图3是各像素部的截面图。
在图3中，附图标记17表示P型阱；附图标记18表示栅极氧化膜；附图标记19表示第一层多硅(poly-Si)；附图标记20表示第二层多硅；并且附图标记21表示n+浮动扩散(FD)单元。FD单元21通过另一传送MOS晶体管连接至另一光电转换器。在图3中，与FD单元21共通地设置两个传送MOS晶体管3的漏极，从而实现微型化以及由FD单元21的电容减小所产生的感光度提高。然而，可以利用Al布线连接FD单元21。
接着，使用图4中的时序图来说明图像传感器的操作。该时序图示出用于独立输出所有的像素的定时。
当垂直扫描电路16输出定时信号时，将控制脉冲φL设置为高，并且复位垂直输出线。此外，将控制脉冲φR0、φPG00、φPGe0设置为高，接通复位MOS晶体管4，并且将光门2的第一层多硅19设置为高。在时间T0时，将控制脉冲φS0设置为高，接通选择开关MOS晶体管6，并且选择第一线的像素部和第二线的像素部。接着，将控制脉冲φR0设置为低，以停止复位FD单元21，并且使FD单元21处于浮动状态。然后，在通过源极跟随器放大器MOS晶体管5的栅极和源极之后，在时间T1时将控制脉冲φTn设置为高，并且通过源极跟随器操作将FD单元21的暗电压输出至存储电容Ctn10。
接着，为了进行第一线的像素的光电转换输出，将第一线的控制脉冲φTX00设置为高，以接通传送开关MOS晶体管3，然后在时间T2时，将控制脉冲φPG00设置为低。此时，优选地，在光门2下方延伸的电位阱上升，以实现将光生成载流子完全传送至FD单元21的电压关系。因此，只要可以实现完全传送，脉冲φTX就可以具有固定电位而不是脉冲。
当在时间T2时、将来自光电二极管的光电转换器1的电荷传送至FD单元21时，FD单元21的电位根据光而变化。在该阶段，由于源极跟随器放大器MOS晶体管5处于浮动状态，因此在时间T3时将控制脉冲φTs设置为高，以将FD单元21的电位输出至存储电容Cts11。此时，将第一线的像素的暗输出和光输出分别存储在存储电容Ctn10和Cts11中。在时间T4时，将控制脉冲φHC暂时设置为高，以接通水平输出线复位MOS晶体管13，从而复位水平输出线，并且在水平传送时间段期间，利用水平扫描电路15的扫描定时信号将像素的暗输出和光输出输出至水平输出线。通过使用存储电容Ctn10和Cts11的差动放大器14获取差动输出VOUT，可以获得像素的随机噪声和固定模式噪声被去除了的具有良好的S/N比的信号。与像素30-11和30-21同时将像素30-12和30-22的光电荷分别存储在存储电容Ctn10和Cts11中。为了读取这些光电荷，将来自水平扫描电路15的定时脉冲延迟了一个像素，以使得将这些光电荷读出至水平输出线，并且从差动放大器114输出这些光电荷。
尽管本实施例提供了在片内生成差动输出VOUT的结构，但即使在片外部使用传统的相关双采样(CDS)电路，也可以获得相同的效果。
在将明输出输出至存储电容Cts11之后，将控制脉冲φR0设置为高，以接通复位MOS晶体管4，由此将FD单元21复位至电源电压VDD。在第一线的水平传送完成之后，进行第二线的读取。在第二线读取时，以相同方式驱动控制脉冲φTXe0和φPGe0，将高脉冲分别供给至控制脉冲φTn和φTs，将光电荷分别存储在存储电容Ctn10和Cts11中，并且提取暗输出和明输出。通过上述驱动操作，可以独立进行第一线读取和第二线读取。之后，驱动垂直扫描电路以读取第2n+1、2n+2(n＝1、2、...)线。结果，可以独立输出所有的像素。更具体地，当n＝1时，首先，将控制脉冲φS1设置为高。接着，将控制脉冲φR1设置为低。然后，将控制脉冲φTn和φTX01设置为高。将控制脉冲φPG01设置为低。将控制脉冲φTs设置为高。将控制脉冲φHC暂时设置为高，并且读取像素30-31和30-32的信号。接着，驱动控制脉冲φTXe1和φPGe1，并且与前述方式相同地供给这些控制脉冲，由此读取像素30-41和30-42的信号。
图5A～7B是示出摄像像素和焦点检测像素的结构的解释图。本实施例采用以下的拜尔阵列：在该拜尔阵列中，在对角的两个像素中配置具有绿色(G)光谱灵敏度的像素，并且在其它的两个像素中配置具有红色(R)光谱灵敏度的像素和具有蓝色(B)光谱灵敏度的像素。在这些拜尔阵列之间，根据预定规则分布有具有后面将说明的结构的焦点检测像素。
图5A和5B示出摄像像素的配置和结构。
图5A是示出具有2行×2列的摄像像素的平面图。在拜尔阵列中，如众所周知的，在对角上配置G像素，并且在其它两个像素中分别配置R像素和B像素。重复配置2行×2列的模式。
图5B示出沿着图5A中的线A-A所切割的截面图。ML表示配置在各像素前面的片上微型透镜；CFR表示红色(R)滤色器；并且CFG表示绿色(G)滤色器。PD(Photodiode，光电二极管)示意性示出图3所述的CMOS传感器的光电转换器。CL(ContactLayer，接触层)表示用于形成传输CMOS传感器的各种信号的信号线的布线层。
摄像像素的片上微型透镜ML和光电转换器PD被配置成，尽可能有效地获取已经通过拍摄光学系统TL(Taking Lens，拍摄镜头)的光束。换言之，拍摄光学系统TL的出射光瞳EP和光电转换器PD相对于微型透镜ML呈共轭关系，并且光电转换器的有效面积被设计成大面积。尽管图5B说明了R像素的入射光束，但G像素和B(蓝色)像素也可以具有相同的结构。由于与R、G和B摄像像素各自相对应的出射光瞳EP的直径大，因此有效地获取来自被摄体的光束(光子)，并且图像信号的S/N比提高。
图6A和6B是示出用于在拍摄光学系统的水平方向(横向方向)上进行光瞳分割的焦点检测像素的配置和结构的图。这里，水平方向或横向方向表示当按拍摄光学系统的光轴呈水平的方式设置照相机时与垂直于拍摄光学系统的光轴并且水平延伸的直线平行的方向。图6A是示出包括焦点检测像素的2行×2列的像素的平面图。为了获取记录或观看用的图像信号，利用G像素获取亮度信息的主要成分。由于人类的图像识别特性对亮度信息敏感，因此如果G像素存在缺陷，则可以容易地感知图像质量劣化。另一方面，R像素或B像素获取颜色信息(色差信息)。由于人类的视觉特性对颜色信息不敏感，因此即使获取颜色信息的像素在某种程度上存在缺陷，也不容易感知到图像质量劣化。考虑到该情况，根据本实施例，在2行×2列的像素中，保持G像素用作摄像像素，而利用焦点检测像素替换R像素和B像素。在图6A中，利用SHA和SHB表示焦点检测像素。
图6B示出沿着图6A中的线A-A所切割的截面图。微型透镜ML和光电转换器PD具有与图5B所示的摄像像素的结构相同的结构。在本实施例中，由于不使用焦点检测像素的信号进行图像创建，因此，配置透明膜CFW(白色)，而不配置针对颜色分离所设置的滤色器。为了在图像传感器中进行光瞳分割，使布线层CL的开口部相对于微型透镜ML的中心线偏向一个方向。更具体地，像素SHA的开口部OPHA偏向右侧，从而接收已经通过拍摄光学系统TL的左侧的出射光瞳EPHA(出射光瞳的部分区域)的光束。同样，像素SHB的开口部OPHB偏向左侧，从而接收已经通过拍摄光学系统TL的右侧的出射光瞳EPHB的光束。像素SHA在水平方向上规则排列，并且将通过这些像素所获取的被摄体图像定义为图像A(相位差检测信号)。像素SHB也在水平方向上规则排列，并且将通过这些像素所获取的被摄体图像定义为图像B。对图像A和B之间的相对位置的检测可以检测被摄体图像的失焦量(散焦量)。
注意，在上述的像素SHA和SHB中，可以对具有拍摄画面的水平方向上的亮度分布、例如纵向线的被摄体进行焦点检测；然而，不能对具有垂直方向上的亮度分布的横向线进行焦点检测。考虑到该情况，为了能够对具有垂直方向上的亮度分布的横向线进行焦点检测，本实施例包括用于在拍摄光学系统的垂直方向(纵向方向)上进行光瞳分割的像素。
图7A和7B示出用于在拍摄光学系统的垂直方向(换言之，上下方向或纵向方向)上进行光瞳分割的焦点检测像素的配置和结构。这里，垂直方向、上下方向或纵向方向表示当按拍摄光学系统的光轴呈水平的方式设置照相机时与垂直于拍摄光学系统的光轴并且垂直延伸的直线平行的方向。图7A是示出包括焦点检测像素的2行×2列的像素的平面图。与图6A相同，保持G像素用作摄像像素，而将R像素和B像素用于焦点检测像素。在图7A中，利用SVC和SVD表示焦点检测像素。
图7B示出沿着图7A中的线A-A所切割的截面图。图6B中的像素具有在水平方向上分割光瞳的结构，而图7B中的像素具有在垂直方向上分割光瞳的结构。这些像素的其它结构相同。更具体地，像素SVC的开口部OPVC偏向下侧，从而接收已经通过拍摄光学系统TL的上侧的出射光瞳EPVC的光束。同样，像素SVD的开口部OPVD偏向上侧，从而接收已经通过拍摄光学系统TL的下侧的出射光瞳EPVD的光束。像素SVC在垂直方向上规则排列，并且将通过这些像素所获取的被摄体图像定义为图像C。像素SVD也在垂直方向上规则排列，并且将通过这些像素所获取的被摄体图像定义为图像D。对图像C和D之间的相对位置的检测可以检测具有垂直方向上的亮度分布的被摄体图像的失焦量(散焦量)。
图8～10是上述的图5A～7B所述的摄像像素和焦点检测像素的像素配置规则的解释图。
图8是用于将焦点检测像素离散配置在摄像像素之间的最小单位的配置规则的解释图。
在图8中，将10行×10列＝100个像素定义为一个块。在左上角的块BLK(1，1)中，利用在水平方向上进行光瞳分割的一对焦点检测像素SHA和SHB替换左下角的像素R和B。
在右侧的相邻块BLK(1，2)中，同样，利用在垂直方向上进行光瞳分割的一对焦点检测像素SVC和SVD替换左下角的像素R和B。开头的块BLK(1，1)下方的相邻块BLK(2，1)具有与块BLK(1，2)的像素阵列相同的像素阵列。右侧上的相邻块BLK(2，2)具有与开头的块BLK(1，1)的像素阵列相同的像素阵列。
配置规则普遍表现为如下。在块BLK(i，j)中，如果i+j是偶数，则配置水平光瞳分割用的焦点检测像素，而如果i+j是奇数，则配置垂直光瞳分割用的焦点检测像素。将图8中的4个块(2×2＝4)、即400个像素(20行×20列＝400)的区域定义为群，作为块的上位阵列单位。
图9是使用上述的群作为单位的配置规则的解释图。
在图9中，将具有400个像素(20行×20列＝400)的左上角的群定义为CST(u，w)＝CST(1，1)。在群CST(1，1)中，利用焦点检测像素SHA和SHB或者SVC和SVD替换各块的左下角的像素R和B。
在右侧的相邻群CST(1，2)中，将块中的焦点检测像素配置应用于相对于群CST(1，1)朝向上方向偏移了两个像素的位置。在开头的群CST(1，1)下方的相邻群CST(2，1)中，将块中的焦点检测像素配置应用于相对于群CST(1，1)朝向右方向偏移了两个像素的位置。通过重复上述规则，获得图9所示的配置。
普遍按以下方式表现配置规则。假定图6A和6B或者图7A和7B所示的包括G像素的4个像素是一个单位(对)，则利用该单位的左上角的像素的坐标来定义焦点检测像素的坐标。对于各块的坐标，将左上角的坐标定义为(1，1)，并且右方向和下方向是正方向。
现在应用上述定义。在群CST(u，w)中，各块中的一对焦点检测像素的水平坐标值是2×u-1，并且垂直坐标值是11-2×w。将图9中的25个群(5×5＝25)、即10,000个像素(100行×100列＝10,000)的区域定义为场，作为群的上位阵列单位。
图10是使用上述的场作为单位的配置规则的解释图。在图10中，将由10,000个像素(100行×100列＝10,000个像素)构成的左上角的场定义为FLD(q，r)＝FLD(1，1)。在本实施例中，所有的场FLD(q，r)具有与第一个场FLD(1，1)的阵列相同的阵列。如果在水平方向上排列30个场FLD(1，1)并且在垂直方向上排列20个场FLD(1，1)，则由600个场构成600万个像素(3000行×2000列＝600万个像素)的摄像区域。以这种方式，可以使焦点检测像素均匀分布在摄像区域的整个表面上。
接着，将参考图11～14来说明焦点检测时的像素分组和信号相加方法。
图11是由拍摄光学系统形成的被摄体图像的横向偏差焦点检测(散焦量计算)时的像素分组方法的解释图。
横向偏差焦点检测表示使用图6A和6B所述的、为了在横向方向(左右方向或水平方向)上分割拍摄光学系统的出射光瞳所设置的焦点检测像素来进行相位差焦点检测。
图11所示的像素阵列是图9所述的像素阵列。当进行焦点检测时，使用虚线所围绕的区域作为组，其中，该组被定义为区。相邻的区彼此部分重叠。在本实施例中，水平排列的30个区构成一个焦点检测区域。将该一个焦点检测区域定义为AF区域。(该区域中的)一个区包括针对水平方向上的一方光瞳分割所设置的9个像素SHA、和针对另一方光瞳分割所设置的9个像素SHB。在本实施例中，对这9个像素SHA的各输出进行加权，并且获得各输出作为相位差计算用的(被称为图像A的)一个图像信号的1AF像素。同样，对这9个像素SHB的各输出进行加权，并且获得各输出作为相位差计算用的(被称为图像B的)另一图像信号的1AF像素。
图12是区中的加权相加方法的解释图。
图12示出从图11中的区的左端切出的两个区。下端所示的水平线PRJh表示与所投影的图像信号和在焦点检测像素SHA和SHB的光瞳分割方向上延伸的第一投影线相对应的加权系数。
这里，与区中各焦点检测像素相对应的加权系数在该区的中心附近较大，而在周边处较小。将来自焦点检测像素的信号乘以加权系数，并且对该区中的相乘结果进行累加。获得一个区的计算结果作为1AF像素信号。对于除了区SCTh(1)和SCTh(2)以外的其它区，设置相同的加权系数，并且进行相同的计算。
这里，由于相邻的区具有部分重叠的焦点检测像素，因此可以实现与以光学方式截除被摄体的高频成分的情况相同的效果。图13是由拍摄光学系统形成的被摄体图像的纵向偏差焦点检测时的像素分组方法的解释图。纵向偏差焦点检测表示使用图7A和7B所述的、为了在纵向方向(上下方向或垂直方向)上分割拍摄光学系统的出射光瞳所设置的焦点检测像素来进行相位差焦点检测。换言之，纵向偏差焦点检测与图11所述的横向偏差焦点检测的90度旋转后的技术相对应。
图13所示的像素阵列是图9所述的像素阵列。当进行焦点检测时，使用虚线所围绕的区域作为组，其中，该组被定义为区。相邻的区彼此部分重叠。换言之，第n(n是整数)个区和第(n+1)个区彼此部分重叠。在本实施例中，垂直排列的30个区构成一个焦点检测区域。与图11相同，将该一个焦点检测区域定义为AF区域。一个区包括针对垂直方向上的一方光瞳分割所设置的9个像素SVC、和针对另一方光瞳分割所设置的9个像素SVD。在本实施例中，对这9个像素SVC的各输出进行加权，并且获得各输出作为相位差计算用的(被称为图像C的)另一图像信号的1AF像素。同样，对这9个像素SVD的各输出进行加权，并且获得各输出作为相位差计算用的(被称为图像D的)一个图像信号的1AF像素。
图14是区中的加权相加方法的解释图。图14等同于图12所述的加权相加方法的90度旋转后的技术。
图14示出从图13中的区的上端切出的两个区。右端所示的垂直线PRJv表示与所投影的图像信号和在焦点检测像素SVC和SVD的光瞳分割方向上延伸的第二投影线相对应的加权系数。
此外，在图14中，与区中各焦点检测像素相对应的加权系数在该区的中心附近较大，而在周边处较小。将来自焦点检测像素的信号乘以加权系数，并且对该区中的相乘结果进行累加。获得一个区的计算结果作为1AF像素信号。对于除了区SCTv(1)和SCTv(2)以外的其它区，设置相同的加权系数，并且进行相同的计算。
此外，在图14中，由于相邻的区具有部分重叠的焦点检测像素，因此可以实现与以光学方式截除被摄体的高频成分的情况相同的效果。
图15是解释根据本实施例的图像传感器的光瞳分割状态的示意图。附图标记TL表示拍摄光学系统；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，摄像像素接收已经通过拍摄光学系统的整个出射光瞳区域EP的光束。同时，焦点检测像素具有如参考图6A、6B、7A和7B所述的光瞳分割功能。更具体地，当从摄像面向透镜后端观看时，图6A和6B中的像素SHA接收已经通过左侧的光瞳的光束，换言之，接收已经通过图15中的光瞳EPHA的光束。同样，像素SHB、SVC和SVD分别接收已经通过光瞳EPHB、EPVC和EPVD的光束。由于如图10所述、焦点检测像素分布在图像传感器107的整个区域上，因此可以在整个摄像区域中进行焦点检测。
图16是焦点检测时获取的图像和焦点检测区域的解释图。
在图16中，摄像面上形成的被摄体图像包括位于中央的人物、位于左侧的近景树木和位于右侧的远景山。对于本实施例中的焦点检测像素，如图10所示，横向偏差检测用的像素对SHA和SHB以及纵向偏差检测用的像素对SVC和SVD按均匀密度配置在整个摄像区域上。在横向偏差检测时，如图11和12所示对相位差计算用的AF像素信号进行分组。在纵向偏差检测时，如图13和14所示对相位差计算用的AF像素信号进行分组。因此，可以在摄像区域的任意位置处设置横向偏差检测和纵向偏差检测用的焦点检测区域。
在图16中，画面的中央处存在人物的面部。当通过众所周知的面部识别技术识别出存在面部时，在作为中心的面部区域中设置横向偏差检测用的焦点检测区域AFARh(x1，y1)和纵向偏差检测用的焦点检测区域AFARv(x3，y3)。这里，后缀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。对焦点检测区域AFARh(x1，y1)的各区中包括的9个焦点检测像素SHA进行加权，并且连接30个加权后的像素以获得相位差检测用的A图像信号AFSIGh(A1)。同样，对各区中包括的9个焦点检测像素SHB进行加权，并且连接30个加权后的像素以获得相位差检测用的B图像信号AFSIGh(B1)。通过众所周知的相关计算来计算A图像信号AFSIGh(A1)和B图像信号AFSIGh(B1)之间的相对横向偏差量，由此获得被摄体的焦点偏差量(散焦量)。
对于焦点检测区域AFARv(x3，y3)，同样获得散焦量。比较在横向偏差用的焦点检测区域和纵向偏差用的焦点检测区域中已经检测到的两个散焦量，并且可以采用可靠性较高的值。
同时，位于画面左侧的树干主要具有垂直线成分，换言之，主要具有水平方向上的亮度分布。由于该原因，判断为该被摄体适合于横向偏差检测。因此，设置横向偏差检测用的焦点检测区域AFARh(x2，y2)。位于画面右侧的山岭主要具有水平线成分，换言之，主要具有垂直方向上的亮度分布。由于该原因，判断为该被摄体适合于纵向偏差检测。因此，设置纵向偏差检测用的焦点检测区域AFARv(x4，y4)。
如以上已经说明的，根据本实施例，由于可以在画面的任意位置处设置横向偏差检测和纵向偏差用的焦点检测区域，因此即使被摄体的投影位置或亮度分布的方向性变化，也可以始终实现精确的焦点检测。
图17～19是用于说明根据本实施例的照相机调焦和拍摄步骤的流程图。参考上述的图1～16中的图来说明图17～19中的控制流程。
图17是根据本实施例的照相机的主流程。
当拍摄者接通照相机的电源开关时，在步骤S101中，CPU121进行照相机的各致动器和图像传感器的操作确认，进行存储器内容和执行程序的初始化，并且进行拍摄准备操作。在步骤S102中，图像传感器的摄像操作开始，并且输出低分辨率运动图像以供预览。在步骤S103中，在照相机的背面上设置的显示器131上显示所读取的运动图像。拍摄者查看该预览图像，并且确定拍摄照片用的构图。
在步骤S104中，识别预览用运动图像中是否存在面部。当识别出拍摄区域中存在面部时，控制从步骤S105进入S106，在S106中，将调焦模式设置为面部自动调焦(AF)模式。这里，面部AF模式表示用于聚焦于拍摄区域中的面部的AF模式。
同时，如果拍摄区域中不存在面部，则控制从步骤S105进入S107，在S107中，将调焦模式设置为多点AF模式。该多点AF模式是以下模式：将拍摄区域分割成例如3×5＝15个区域以在各个分割区域中进行焦点检测，基于焦点检测结果和被摄体的亮度信息来类推主被摄体，并且聚焦于该主被摄体区域。
在步骤S106或S107中确定AF模式之后，在步骤S108中确定焦点检测区域。在步骤S109中，判断是否进行了拍摄准备开关接通操作。如果没有进行接通操作，则控制返回，以重复从步骤S102中的图像传感器驱动到步骤S108中的焦点区域确定的控制。
当在步骤S109中进行了拍摄准备开关接通操作时，在步骤S110中，执行焦点检测子例程。
图18是焦点检测子例程的流程图。
当控制从主流程的步骤S109进入子例程的步骤S110时，在步骤S131中，读取在主例程的步骤S108中已经确定的焦点检测区域中包括的焦点检测像素。
在步骤S132中，使用图12或图14所述的方法对来自焦点检测区域的各区中包括的焦点检测像素的信号进行加权，由此获得AF像素信号。
在步骤S133中，基于步骤S132中的计算结果获得相关计算用的两个图像的信号。更具体地，创建例如图16所示的AFSIGh(A1)和AFSIGh(B1)、或者AFSIGv(C3)和AFSIGv(D3)的信号对。
在步骤S134中进行所获得的两个图像的相关计算，以计算这两个图像的相对位置偏差量。在步骤S135中，判断相关计算结果的可靠性。这里，可靠性表示两个图像的一致度。当两个图像的一致度高时，通常焦点检测结果的可靠性高。当选择多个焦点检测区域时，优选使用可靠性高的信息。
在步骤S136中，基于上述的可靠性高的检测结果来计算散焦量，并且控制返回至图17的主流程中的步骤S111。
在图17中的步骤S111中，判断在图18的步骤S136中计算出的散焦量是否等于或高于容许值。如果该散焦量等于或高于容许值，则判断为被摄体散焦。在步骤S112中，驱动调焦透镜，之后重复执行步骤S110～S112。当在步骤S111中判断为实现了聚焦状态时，在步骤S113中显示聚焦状态，并且控制进入步骤S114。
在步骤S114中，判断是否进行了拍摄开始开关接通操作。如果没有进行开关接通操作，则在步骤S114中维持拍摄待机状态。当在步骤S114中进行了开关接通操作时，控制进入步骤S115以执行拍摄子例程。
图19是拍摄子例程的流程图。
当操作了拍摄开始开关时，控制进入步骤S115。在步骤S161中，驱动光量调节光圈以进行用于规定曝光时间的机械快门的开口控制。在步骤S162中，进行高分辨率静止图像拍摄用的图像读取，换言之，进行所有像素的读取。在步骤S163中，进行所读取的图像信号的缺陷像素插值。更具体地，由于焦点检测像素的输出不具有R、G和B颜色信息，因此将该输出看作为图像获取时的缺陷像素。由于该原因，通过基于周边的摄像像素的信息进行插值来创建图像信号。
在步骤S164中，进行诸如γ校正、边缘强调等的图像处理。在步骤S165中，将拍摄图像记录在存储器133中。在步骤S166中，在显示器131上显示所拍摄图像，并且控制返回至图17中的主流程。
当控制返回至图17中的主流程时，该系列的拍摄操作结束。
如以上已经说明的，根据本实施例，可以实现以下效果。
如在步骤S132中所述，对焦点区域的各区中包括的焦点检测像素进行加权以获得AF像素。此外，在相邻的区中，按区中包括的焦点检测像素的一部分彼此重叠的方式设置加权系数。由于该原因，利用计算出的AF像素信号所形成的被摄体图像信号具有高频成分被以光学方式截除的效果。因此，可以减少因被摄体的高频成分所引起的焦点检测结果中的误差。
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25日提交的日本专利申请2008-192685的优先权，在此通过引用包含其全部内容。

Claims (3)

1.一种焦点检测设备，包括：
图像传感器，用于对被摄体图像进行转换，所述图像传感器具有用于接收已经通过如下部分区域的光束的焦点检测像素：该部分区域是用于形成被摄体图像的光学系统的出射光瞳的一部分；
相加部件，用于将所述图像传感器的预定区域中包括的多个焦点检测像素的输出乘以与各焦点检测像素的位置相对应的加权系数，并且进行相加；以及
散焦量计算部件，用于根据基于所述相加部件的输出所生成的一对相位差检测信号，计算散焦量。
2.根据权利要求1所述的焦点检测设备，其特征在于，所述相加部件进行与如下加权系数的相乘，并且进行相加，其中，所述加权系数是按所述相位差检测信号的第n个信号、相邻的第(n-1)个信号和第(n+1)个信号彼此重叠的方式而预先设置的，其中，n是正整数。
3.根据权利要求1或2所述的焦点检测设备，其特征在于，所述图像传感器包括用于生成要记录或要显示的图像的摄像像素、以及按预定间隔离散配置在所述摄像像素之间的所述焦点检测像素。
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