JP2004138968A - 焦点検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】撮影レンズの光軸から離れた位置で焦点検出を行なう場合でも、その検出精度の低下を防止することができるようにする。
【解決手段】撮影レンズの瞳の異なる領域を通過する２つの光束を受光し、２つの光束にそれぞれ対応する２つの光電変換信号を出力する光電変換素子列１０と、２つの光電変換信号のうちの一方の光電変換信号を選択する選択部２０と、この選択部により選択された一方の光電変換信号に基づいて、２つの光電変換信号のうちの少なくとも他方の光電変換信号にフィルタ処理を施すためのフィルタの特性を決定するフィルタ特性演算部２０と、このフィルタ特性演算部により特性が決定されたフィルタにより少なくとも一方がフィルタ処理された２つの光電変換信号に基づいて撮影レンズの焦点状態を算出する焦点状態演算部２０とを備える。
【選択図】 図１
【解決手段】撮影レンズの瞳の異なる領域を通過する２つの光束を受光し、２つの光束にそれぞれ対応する２つの光電変換信号を出力する光電変換素子列１０と、２つの光電変換信号のうちの一方の光電変換信号を選択する選択部２０と、この選択部により選択された一方の光電変換信号に基づいて、２つの光電変換信号のうちの少なくとも他方の光電変換信号にフィルタ処理を施すためのフィルタの特性を決定するフィルタ特性演算部２０と、このフィルタ特性演算部により特性が決定されたフィルタにより少なくとも一方がフィルタ処理された２つの光電変換信号に基づいて撮影レンズの焦点状態を算出する焦点状態演算部２０とを備える。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮影レンズの瞳の異なる位置を透過する光束を光電変換素子列で受光して、該光電変換素子列にて光電変換された信号に基づいて瞳分割方式の焦点検出を行う技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
撮影レンズの焦点状態を検出する方式の一つとして、センサの各画素にマイクロレンズが形成された２次元のセンサを用いて瞳分割方式の焦点検出を行う装置が特開昭５５−１１１９２８号公報（特許文献１）及び特開昭５８−２４１０５号公報（特許文献２）に開示されている。
【０００３】
また、本願出願人はデジタルスチルカメラに用いられるＣＭＯＳイメージセンサ（撮像装置）を用いて瞳分割方式の焦点検出を行う装置を特開２００１−１２４９８４号公報（特許文献３）に開示している。
【０００４】
図２１は同公報で提案しているイメージセンサを用いて瞳分割方式の焦点検出を行う方法の原理説明図、図２２はイメージセンサの１画素の断面図である。
【０００５】
イメージセンサ１０は撮影レンズ５（５ａ及び５ｂ）の予定結像面に配置されている。また、イメージセンサ１０の１画素は２つの光電変換部１０１α、１０１βとから構成されており、各光電変換部の撮影レンズ側に形成されたマイクロレンズ１３０によって光電変換部１０１α、１０１βは撮影レンズ５の絞り５３近傍の瞳と略結像関係になるように設定されている。
【０００６】
ここで、光電変換部１０１αは撮影レンズ５の瞳の図中上方を透過する光束Ｌαを受光し、光電変換部１０１βは撮影レンズ５の瞳の図中下方を透過する光束Ｌβを受光する。焦点検出時は、光電変換部１０１α及び光電変換部１０１βの光電荷を転送ゲート１２０α及び１２０βを介して異なるタイミングでフローティングディフュージョン部１２１に個別に出力し、イメージセンサ１０の外部に読み出す。さらに複数の画素の各光電変換部からの出力より撮影レンズの異なる瞳位置を透過した光束による像が生成される。
【０００７】
撮影レンズの異なる瞳位置を透過した光束より生成される像を用いて焦点検出を行う方法は特開平５−１２７０７４号公報（特許文献４）等により公知の技術である。
【０００８】
一方通常撮影時は、光電変換部１０１αと光電変換部１０１βの光電荷は転送ゲート１２０α及び１２０βを同時にＯＮすることにより、同じタイミングでフローティングディフュージョン部１２１へ出力をされ、画素内で加算して出力するように構成されている。
【０００９】
ところで、撮像装置を用いて瞳分割方式の焦点検出を行う場合、焦点検出位置が光軸から離れた位置では撮影レンズの射出窓によって焦点検出光束のけられが発生して、焦点検出を行う像に光量差が発生する場合がある。
【００１０】
図２３は、撮影レンズの光軸から離れた位置にある画素に入射する、撮影レンズの瞳の異なる位置を透過する光束Ｌα及びＬβの瞳形状を示した図である。
【００１１】
同図において焦点検出光束Ｌαの瞳上での面積は焦点検出光束Ｌβの瞳上での面積より小さいため、焦点検出光束Ｌαにて生成される焦点検出を行うための像αは焦点検出光束Ｌβにて生成される焦点検出を行うための像βより強度が小さくなる。
【００１２】
図２４（ａ）は、撮影レンズの瞳の異なる位置を透過する光束Ｌα及びＬβによって生成される焦点検出像α及びβを示したものである。焦点検出像α及びβには、撮影レンズの瞳上の光束面積比に応じた強度差が発生する。
【００１３】
瞳分割方式の焦点検出の場合、検出された２つの像の相関演算を行うことにより焦点検出を行うが、２つの像に光量差が生じていると焦点検出精度が低下してしまう。撮影レンズの射出窓によって撮影光束がけられた場合、そのけられ量を補正するシェーディング（ゲイン）補正方法が特開２０００−３２４５０５号公報（特許文献５）に開示されている。同公報のシェーディング補正方法を用いると、図２４（ａ）に示した焦点検出像α及びβは、図２４（ｂ）に示すような強度レベルがほぼ同一の焦点検出像α´及びβ´が得られる。
【００１４】
また特許第２７１５９５８号公報（特許文献６）の焦点検出装置には、２つの像に光量差が生じた場合は低い空間周波数成分を除去するフィルタ処理を行って焦点検出精度の低下を防止する技術が開示されている。
【００１５】
さらに、特開平２−１８０８号公報（特許文献７）に開示されている焦点検出装置には、本来の被写体像には含まれないナイキスト周波数以上の周波数成分や撮影状況により発生する低周波数成分を除去するためのフィルタ処理の技術が開示されている。同公報において、検出された２つの像信号をフィルタ処理する際、２つの像のコントラストを検出してその検出結果に基づいて複数のフィルタの中からフィルタ処理に用いるフィルタの選択を行っている。
【００１６】
【特許文献１】
特開昭５５−１１１９２８号公報
【特許文献２】
特開昭５８−２４１０５号公報
【特許文献３】
特開２００１−１２４９８４号公報
【特許文献４】
特開平５−１２７０７４号公報
【特許文献５】
特開２０００−３２４５０５号公報
【特許文献６】
特許第２７１５９５８号公報
【特許文献７】
特開平２−１８０８号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、撮影レンズの射出窓によって焦点検出光束のけられが発生して強度レベル差が生じた焦点検出像α及びβに対して、シェーディング（ゲイン）補正を行った焦点検出像α´及びβ´は２像の強度レベルは同一となるが、図２４（ｂ）から明らかなように像波形が異なったものが得られることがある。特に、高いゲイン補正が行われた焦点検出像α´は比較的高い空間周波数成分を含んだ像となっている。
【００１７】
この第１の理由は、図２３の焦点検出光束の瞳形状からわかるように、焦点検出像α´を生成する焦点検出光束Ｌαが焦点検出光束Ｌβに比べて狭い（絞られた）光束になっているためである。また第２の理由は、焦点検出像α´は高いゲイン補正が行われたためにノイズ成分も増幅されたためである。
【００１８】
そのため、特開２０００−３２４５０５号公報に開示の技術を用いてシェーディング補正を行った後の焦点検出像α´及びβ´を用いて相関演算を行っても、２像の一致度が小さいために焦点検出精度が低下してしまうという欠点があった。
【００１９】
また特許第２７１５９５８号公報並びに特開平２−１８０８号公報に開示された焦点検出装置のように、例えばバンドパス型の空間周波数特性を有するフィルタを用いて像信号のフィルタ処理を行っても、予め決められたフィルタの空間周波数特性によっては相対的に高い周波数成分を含んだ焦点検出像αの高い周波数成分を除去できない場合があり、一方の焦点検出像に高い空間周波数成分が残っていると、２像の一致度は低下して焦点検出精度が低下してしまうという欠点があった。
【００２０】
従って、本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、撮影レンズの光軸から離れた位置で焦点検出を行なう場合でも、その検出精度の低下を防止することができるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わる焦点検出装置は、撮影レンズの瞳の異なる領域を通過する２つの光束を受光し、前記２つの光束にそれぞれ対応する２つの光電変換信号を出力する光電変換素子列と、前記２つの光電変換信号のうちの一方の光電変換信号を選択する選択手段と、該選択手段により選択された前記一方の光電変換信号に基づいて、前記２つの光電変換信号のうちの少なくとも他方の光電変換信号にフィルタ処理を施すためのフィルタの特性を決定するフィルタ特性演算手段と、該フィルタ特性演算手段により特性が決定されたフィルタにより少なくとも一方がフィルタ処理された前記２つの光電変換信号に基づいて前記撮影レンズの焦点状態を算出する焦点状態演算手段と、を備えることを特徴としている。
【発明の実施の形態】
本発明は、撮影レンズの瞳の異なる領域を通過する２つの光束を受光し、この２つの光束にそれぞれ対応する２つの光電変換信号を出力する光電変換素子列と、２つの光電変換信号のうちの一方の光電変換信号を選択する選択部と、この選択部により選択された一方の光電変換信号に基づいて、２つの光電変換信号のうちの少なくとも他方の光電変換信号にフィルタ処理を施すためのフィルタの特性を決定するフィルタ特性演算部と、このフィルタ特性演算部により特性が決定されたフィルタにより少なくとも一方がフィルタ処理された２つの光電変換信号に基づいて撮影レンズの焦点状態を算出する焦点状態演算部とを備える焦点検出装置として実施可能である。
【００２１】
また、本発明は、撮影レンズの瞳の異なる領域を通過する２つの光束を受光し、２つの光束にそれぞれ対応する２つの光電変換信号を出力し、２つの光電変換信号のうちの一方の光電変換信号を選択し、この選択された一方の光電変換信号に基づいて、２つの光電変換信号のうちの少なくとも他方の光電変換信号にフィルタ処理を施すためのフィルタの特性を決定し、特性が決定されたフィルタにより少なくとも一方がフィルタ処理された２つの光電変換信号に基づいて撮影レンズの焦点状態を算出する焦点検出方法として実施可能である。
【００２２】
このような本発明は、具体的に図１乃至図２４に示す構成において、以下の第１乃至第３の実施形態と対応して実現できる。
【００２３】
以下、本発明の好適な実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２４】
（第１の実施形態）
図１乃至図１４は本発明の第１の実施形態を示す図で、図１は本実施形態の焦点検出装置を具備したカメラの構成図、図２はイメージセンサ（２次元の光電素子列）の概略平面図、図３は光電変換部の説明図、図４はイメージセンサの一部断面図、図５はイメージセンサの一部回路構成図、図６はタイミングチャート、図７はカメラ動作のフローチャート、図８は焦点検出のフローチャート、図９は注目像選択のフローチャート、図１０は焦点検出像の説明図、図１１は焦点検出像の極値説明図、図１２はフィルタ波形の説明図、図１３はフィルタの空間周波数特性の説明図、図１４は焦点検出像の説明図である。
【００２５】
図１において１０はイメージセンサ（２次元の光電素子列）で、デジタルスチルカメラ１の撮影レンズ５の予定結像面に配置されている。デジタルスチルカメラ１は、カメラ全体を制御するＣＰＵ２０、イメージセンサ１０を駆動制御する制御手段であるところのイメージセンサ制御回路２１、イメージセンサ１０にて撮像した画像信号を画像処理する画像処理回路２４、画像処理された画像を表示する表示手段であるところの液晶表示素子９とそれを駆動する液晶表示素子駆動回路２５、液晶表示素子９に表示された被写体像を観察するための接眼レンズ３、イメージセンサ１０にて撮像された画像を記録するメモリ回路２２、画像処理回路２４にて画像処理された画像をカメラ外部に出力するためのインターフェース回路２３とを備えて構成されている。メモリ回路２２には、撮影レンズの固有情報（開放Ｆ値、射出窓情報等）も記憶されている。
【００２６】
撮影レンズ５はカメラ本体１に対して着脱可能で、便宜上２枚のレンズ５ａ、５ｂで図示しているが、実際は多数枚のレンズで構成され、カメラ本体１のＣＰＵ２０から送られてくる焦点調節情報を電気接点２６を介してレンズＣＰＵ５０にて受信し、その焦点調節情報に基づいて撮影レンズ駆動機構５１によって合焦状態に調節される。また５３は絞り装置で、絞り駆動機構５２によって所定の絞り値に絞り込まれるようになっている。
【００２７】
またＣＰＵ２０は、撮影レンズの焦点状態を算出する演算手段と、２つの焦点検出像（光電変換信号）から１つの焦点検出像（光電変換信号）を選択する選択手段を兼ねている。
【００２８】
本実施形態の焦点検出装置は、光電変換素子列であるところのイメージセンサ１０、演算手段及び選択手段であるところのＣＰＵ２０から構成されている。
【００２９】
図２はイメージセンサの一部の概略平面図である。図中１マスが１画素を示しており、１マスの中に書かれた「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」の文字は各画素のカラーフィルタの色相を表している。Ｂａｙｅｒ配列の場合、１絵素は「Ｒ」「Ｂ」の画素と２つの「Ｇ」の画素から構成されるが、本実施形態の撮像装置は「Ｇ」であるべき画素の一つに無色透明の層「Ｗ」（「Ｗ」の文字は不図示）が形成され、更にこの１画素は２つの光電変換部に分割された構成になっている。この２つの光電変換部に分割された画素の各光電変換部から出力される光電変換信号に基づいて撮影レンズの焦点状態が検出される。
【００３０】
また、カラーフィルタの配列がＢａｙｅｒ配列と異なるため、通常画像の撮影時は「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」の画素出力で色差信号を生成し、「Ｗ」の画素出力で輝度信号を生成している。
【００３１】
さらに、同一の色相の画素は千鳥状に配列されており、撮影画像の解像感を向上させている。また２分割された光電変換部を有する画素は、図中（０，２）、（１，０）の配列に示されるように光電変換部の分割方向、２分割された光電変換部の幅及び２つの光電変換部の間隔が異なる２種類の画素が配列されている。
【００３２】
（０，２）の位置に配列された画素は図中垂直方向（Ｙ方向）に分割されており、焦点検出時は列方向に配列した同種の構造の画素出力に基づいて横線を含む被写体に対して良好に焦点検出が行えるようになっている。一方、（１，０）の位置に配列された画素は図中水平方向（Ｘ方向）に分割されており、焦点検出時は行方向に配列した同種の構造の画素出力に基づいて縦線を含む被写体に対して良好に焦点検出が行えるようになっている。
【００３３】
図３は図２中の（２，０）、（０，２）、（１，０）の位置に配列された画素の光電変換部の説明図である。
【００３４】
図３（ａ）は、図２中の（２，０）の位置に配列された青色のカラーフィルタが形成された画素を示しており、光電変換部の面積はＳＢの大きさである。他の緑色及び赤色のカラーフィルタが形成された画素の光電変換部の面積ＳＧ及びＳＲは青色のカラーフィルタが形成された画素の光電変換部の面積ＳＢと等しい大きさである。
【００３５】
また図３（ｂ）は、図２中の（０，２）の位置に配列されたカラーフィルタが形成されていない画素を示しており、垂直方向（Ｙ方向）に分割された光電変換部の幅が狭く、また２つの光電変換部の間隔が広く設定されている。１つの光電変換部の面積はＳＷｖの大きさである。
【００３６】
また図３（ｃ）は、図２中の（１，０）の位置に配列されたカラーフィルタが形成されていない画素を示しており、水平方向（Ｘ方向）に分割された光電変換部の幅が広く、また２つの光電変換部の間隔が狭く設定されている。１つの光電変換部の面積はＳＷｈの大きさである。
【００３７】
ここで、前記各画素の光電変換部の面積は
ＳＢ ＝ ＳＧ ＝ ＳＲ ＞ ２×ＳＷｈ ＞ ２×ＳＷｖ
の関係を満足するように構成されている。
【００３８】
撮影レンズの焦点状態の検出は、カラーフィルタが形成されていない画素の分割された面積の小さい光電変換部から出力される光電変換信号に基づいて行われるが、カラーフィルタが形成されていない画素の透過率は有色のカラーフィルタが形成された画素の透過率の約３倍であるため、焦点検出時もＳ／Ｎ比の高い焦点検出用画像を得られるようになっている。
【００３９】
図４はＣＭＯＳイメージセンサの一部断面図である。同図は、図２における（１，０）（２，０）の２画素の断面を示している。
【００４０】
図４において、１１７はＰ型ウェル、１１８はＭＯＳのゲート絶縁膜であるＳｉＯ２膜である。１２６は表面Ｐ＋層であり、ｎ層１２５と光電変換部１０１を構成している。１２０は光電変換部１０１に蓄積された光電荷を１２１のフローティングディフュージョン部（以下ＦＤ部と称す）へ転送するための転送ゲートである。１２９はカラーフィルタ層、１３０はマイクロレンズで、マイクロレンズ１３０は撮影レンズ５の瞳とイメージセンサ１０の光電変換部１０１とが略共役になるような形状及び位置に形成されている。
【００４１】
また（１，０）の画素において、光電変換部１０１はＦＤ部１２１α０を挟んで２つの領域、１０１α０領域と１０１β０領域とにそれぞれ分割されており、さらに各光電変換部で発生した光電荷をそれぞれＦＤ部１２１α０へ転送する転送ゲート１２０α０、１２０β０´が形成されている。
【００４２】
また（２，０）の画素において、 ＦＤ部１２１γ０は光電変換部１０１γ０と隣接する画素の光電変換部１０１β０との間に形成されており、さらに各光電変換部で発生した光電荷をそれぞれＦＤ部１２１γ０へ転送する転送ゲート１２０γ０、１２０β０が形成されている。
【００４３】
ここで、転送ゲート１２０γ０及び転送ゲート１２０β０´は同じ制御パルスΦＴＸγ０で制御されるように構成されている。そして、光電変換部１０１β０の光電荷は制御パルスΦＴＸβ０及びΦＴＸγ０のハイ／ロー状態で、ＦＤ部１２１α０及びＦＤ部１２１γ０に選択的に転送されることを特徴としている。
【００４４】
図５はイメージセンサ１０の概略的回路構成図である。同図は図２における（１，０）（２，０）（１，１）（２，１）の４画素を示したものであるが、実際は数百万画素の画素から構成されている。
【００４５】
同図において、１０１は光電変換部、１０３は転送スイッチＭＯＳトランジスタ、１０４はリセット用ＭＯＳトランジスタ、１０５はソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ、１０６は水平選択スイッチＭＯＳトランジスタ、１０７はソースフォロワの負荷ＭＯＳトランジスタ、１０８は暗出力転送ＭＯＳトランジスタ、１０９は明出力ＭＯＳトランジスタ、１１０は暗出力蓄積容量、１１１は明出力蓄積容量、１１２は水平転送ＭＯＳトランジスタ、１１３は水平出力線リセットＭＯＳトランジスタ、１１４は差動出力アンプである。１１５は水平走査回路、１１６は垂直走査回路で、制御手段であるところのイメージセンサ制御回路２１を構成している。
【００４６】
次に図６のタイミングチャートを用いてイメージセンサ１０の動作を説明する。
【００４７】
イメージセンサ１０で通常の撮像を行う際の第０行のタイミングチャートを示したのが図６（ａ）である。通常撮像時は、２つの光電変換部に分割された（１，０）画素の光電変換部１０１α０及び１０１β０にて発生した光電荷が同時にＦＤ部１２１α０に転送され加算されてイメージセンサ１０の外に出力されるように構成されている。このとき、同時に非分割画素（２，０）の光電変換部１０１γ０にて発生した光電荷もＦＤ部１２１γ０に転送されイメージセンサ１０の外に出力される。
【００４８】
図６（ａ）において、垂直走査回路１１６からのタイミング出力によって、制御パルスΦＳ０をハイとして水平選択スイッチＭＯＳトランジスタ１０６をオンさせ第０行の画素部を選択する。次に制御パルスΦＲ０をローとしＦＤ部１２１のリセットを止めＦＤ部１２１をフローティング状態とし、ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５のゲート・ソース間をスルーとしたのち、所定時間後制御パルスΦＴＮをハイとし、ＦＤ部１２１の暗電圧をソースフォロワ動作で蓄積容量１１０に出力させる。
【００４９】
次に、第０行の各画素の光電変換部１０１α０、１０１β０及び１０１γ０の出力を行うため、制御パルスΦＴＸα０及びΦＴＸγ０をハイとして転送スイッチＭＯＳトランジスタ１０３α０（転送ゲート１２０α０）、１０３β０´（転送ゲート１２０β０´）及び１０３γ０（転送ゲート１２０γ０）を導通する。この時光電変換部１０１α０及び１０１β０にて発生した光電荷はＦＤ部１２１α０に転送され、光電変換部１０１γ０にて発生した光電荷はＦＤ部１２１γ０に転送される。フォトダイオードの光電変換部１０１からの電荷がＦＤ部１２１に転送されることにより、ＦＤ部１２１の電位が光に応じて変化することになる。この時ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５がフローティング状態であるので、ＦＤ部１２１の電位を制御パルスΦＴＳをハイとして蓄積容量１１１に出力する。この時点で第０行の各画素の暗出力と光出力はそれぞれ蓄積容量１１０と１１１に蓄積されており、さらに制御パルスΦＨＣを一時ハイとして水平出力線リセットＭＯＳトランジスタ１１３を導通して水平出力線をリセットし、水平転送期間において水平走査回路１１５の水平転送ＭＯＳトランジスタ１１２への走査タイミング信号により水平出力線に画素の暗出力と光出力とが出力される。このとき、蓄積容量１１０と１１１を差動増幅器１１４によって差動出力Ｖｏｕｔをとるため、画素のランダムノイズ、固定パターンノイズを除去したＳ／Ｎの良い信号が得られる。
【００５０】
さらに垂直走査回路１１６は同様に、次の行の出力を行うことにより、イメージセンサ１０の全画素を出力する。
【００５１】
読み出された画像出力は画像処理回路２４にて信号処理が行われ、液晶表示素子９に表示され、またメモリ回路２２に画像が記憶される。
【００５２】
撮影レンズ５の焦点状態の検出を行う場合、２つの光電変換部に分割された画素の光電変換部１０１α０及び光電変換部１０１β０のそれぞれの出力から得られる２つの画像の相関演算を行い、２つの画像の像ずれ量から撮影レンズ５の焦点状態を検出する。
【００５３】
本実施形態の撮像装置であるイメージセンサ１０は、撮影レンズ５の焦点状態を検出する際は、２つの光電変換部に分割された画素（１，０）に隣接する非分割画素（２，０）の光電変換部の出力は読み出さないように構成されている。そして、２つの光電変換部に分割された画素（１，０）の一方の光電変換部の出力は、隣接する非分割画素（２，０）の転送部から出力されるようになっており、焦点検出時の焦点検出用画像の読み出し時間を半減していることを特徴としている。
【００５４】
図６（ｂ）はイメージセンサ１０で焦点検出用画像を読み出す際の第０行のタイミングチャートを示している。
【００５５】
垂直走査回路１１６は、制御パルスΦＳ０をハイとして水平選択スイッチＭＯＳトランジスタ１０６をオンさせ第０行の画素部を選択する。次に制御パルスΦＲ０をローとしＦＤ部１２１のリセットを止めＦＤ部１２１をフローティング状態とし、ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５のゲート・ソース間をスルーとしたのち、所定時間後制御パルスΦＴＮをハイとし、ＦＤ部１２１の暗電圧をソースフォロワ動作で蓄積容量１１０に出力させる。
【００５６】
次に、制御パルスΦＴＸα０及びΦＴＸβ０をハイとして転送スイッチＭＯＳトランジスタ１０３α０（転送ゲート１２０α０）及び１０３β０（転送ゲート１２０β０）を導通し、２つの光電変換部に分割された画素（１，０）の２つの光電変換部にて発生した光発電荷をＦＤ部１２１α０及び１２１γ０に同時に転送する。このとき、制御パルスΦＴＸγ０はローであるため、非分割画素（２，０）の光電変換部１０１γ０の光電荷はＦＤ部１２１γ０には転送されない。
【００５７】
フォトダイオードの光電変換部１０１からの電荷がＦＤ部１２１に転送されることにより、ＦＤ部１２１の電位が光に応じて変化することになる。この時ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５がフローティング状態であるので、ＦＤ部１２１の電位を制御パルスΦＴＳをハイとして蓄積容量１１１に出力する。この時点で第０行の２つの光電変換部を有する各画素の暗出力と光出力はそれぞれ蓄積容量１１０と１１１に蓄積される。
【００５８】
イメージセンサ１０から外部への出力は、制御パルスΦＨＣを一時ハイとして水平出力線リセットＭＯＳトランジスタ１１３を導通して水平出力線をリセットし、水平転送期間において水平走査回路１１５の水平転送ＭＯＳトランジスタ１１２への走査タイミング信号により水平出力線に出力される。このとき、蓄積容量１１０と１１１を差動増幅器１１４によって差動出力Ｖｏｕｔをとるため、画素のランダムノイズ、固定パターンノイズを除去したＳ／Ｎの良い信号が得られる。
【００５９】
イメージセンサ１０からの出力は、演算手段を兼ねるＣＰＵ２０にて焦点検出用画像信号として整形され、相関演算処理を行った後に撮影レンズ５の焦点状態が算出されることとなる。
【００６０】
以上のような画像信号の読み出し動作を行うイメージセンサ（２次元の光電変換素子列）を有するカメラの動作を、図７のフローチャートを用いて説明する。撮影者が、図１には不図示のデジタルスチルカメラ１のメインスイッチをＯＮすると（ｓ１０１）、カメラ１は待機状態から復帰する。引き続き、撮影者が不図示の操作スイッチＳＷ１をＯＮすると（ｓ１０２）、カメラ１のＣＰＵ２０はイメージセンサ制御回路２１に焦点検出信号を送ってイメージセンサ１０にて焦点検出用の撮像を行わせる（ｓ１０３）。焦点検出用の画像を得るためにイメージセンサ制御回路２１よりイメージセンサ１０に出力される制御信号は、図６（ｂ）のタイミングチャートに示したとおりである。
【００６１】
カメラ１の接眼レンズ３を介して観察される電子ビューファインダ（ＥＶＦ）の画像は、本実施形態では焦点検出用の画像から生成されるようになっている。撮影レンズ５の瞳の異なる領域を透過した光束による焦点検出用の画像は画像処理回路２４にて加算処理が行われ、ＣＰＵ２０を介して液晶表示素子駆動回路２５に送られて液晶表示素子９に表示される（ｓ１０４）。
【００６２】
同時に、撮影レンズ５の瞳の異なる領域を透過した光束による焦点検出用の画像に基づいて演算手段を兼ねたＣＰＵ２０は撮影レンズ５の焦点検出を実行する（ｓ１０５）。焦点検出方法の詳細は後述する。
【００６３】
検出された撮影レンズ５の焦点状態が合焦状態でなければ（ｓ１０６）、ＣＰＵ２０は検出された撮影レンズ５のデフォーカス量をレンズＣＰＵ５０に送信し、レンズＣＰＵ５０にて撮影レンズの駆動量が算出される。さらに、レンズＣＰＵ５０は撮影レンズ駆動機構５１にレンズ駆動信号を送って、撮影レンズ５を算出されたデフォーカス量に対応した量だけ駆動して合焦状態に設定する（ｓ１１１）。
【００６４】
撮影レンズ５を所定位置まで駆動し焦点調節が終了すると（ｓ１１１）、カメラ１のＣＰＵ２０は再度メインスイッチ及び操作スイッチＳＷ１の確認を行う。メインスイッチがＯＮ状態で（ｓ１０１）操作スイッチＳＷ１もＯＮ状態であれば（ｓ１０２）、カメラ１のＣＰＵ２０はイメージセンサ制御回路２１に焦点検出信号を送ってイメージセンサ１０にて焦点検出用の撮像を行わせる（ｓ１０３）。
【００６５】
さらに、撮影レンズ５の瞳の異なる領域を透過した光束による焦点検出用の画像は画像処理回路２４にて加算処理が行われ、ＣＰＵ２０を介して液晶表示素子駆動回路２５に送られて液晶表示素子９に表示される（ｓ１０４）。このとき液晶表示素子９に表示される画像は、被写体にピントがあった画像となっている。
【００６６】
同時に、撮影レンズ５の瞳の異なる領域を透過した光束による焦点検出用の画像に基づいて演算手段を兼ねたＣＰＵ２０は撮影レンズ５の焦点検出を実行する（ｓ１０５）。
【００６７】
検出された撮影レンズ５の焦点状態が合焦状態で（ｓ１０６）、液晶表示素子９に表示されたピントのあった被写体画像を撮影者が視認して画像を記録するための操作スイッチＳＷ２をＯＮしたら（ｓ１０７）、カメラ１のＣＰＵ２０はイメージセンサ制御回路２１に撮像信号を送ってイメージセンサ１０にて通常の撮像を行わせる（ｓ１０８）。本画像を得るためにイメージセンサ制御回路２１よりイメージセンサ１０に出力される制御信号は、図６（ａ）のタイミングチャートに示したとおりである。
【００６８】
イメージセンサ１０にて撮像された画像信号は、イメージセンサ制御回路２１にてＡ／Ｄ変換された後に画像処理回路２４にて画像処理が行われる。このとき、イメージセンサ１０からの出力信号に基づいて色再現のために所定の画像処理が行われる。画像処理が行われた画像信号はＣＰＵ２０を介して液晶表示素子駆動回路２５に送られ液晶表示素子９に表示される（ｓ１０９）。撮影者は接眼レンズ３を通して液晶表示素子９に表示された被写体像を観察することが可能となる。
【００６９】
同時に、ＣＰＵ２０は撮像された画像信号をそのままカメラ１のメモリ回路２２に記憶する（ｓ１１０）。
【００７０】
撮影動作が終了し、撮影者がメインスイッチをＯＦＦすると（ｓ１０１）カメラの電源が落ちて待機状態となる（ｓ１１２）。
【００７１】
ところで本実施形態の焦点検出装置は、撮影レンズ５の光軸から離れた画面周辺部の被写体に対する焦点状態を検出する際に、撮影レンズ５の瞳の異なる領域を透過した光束による焦点検出用の１組の画像に含まれる空間周波数成分のうち異なる強度の空間周波数成分を除去するようなフィルタ処理を行って、１組の像の一致度を向上させて焦点検出精度を向上させていることを特徴とする。そのために、焦点検出用の１組の画像に含まれる空間周波数成分がほぼ同一になるようにフィルタの周波数特性を決定している。以下、図８及び図９のフローチャートを用いて本実施形態の焦点検出装置の焦点検出方法を説明する。
【００７２】
撮影レンズ５の焦点状態を検出する際（ｓ１０５）、まず選択手段であるＣＰＵ２０は、イメージセンサ１０より出力された焦点検出用の１組の画像からフィルタの周波数特性を決定するために用いる画像（注目像）を選択する（ｓ１２０）。選択手段であるＣＰＵ２０は、例えば図２４（ａ）に示した焦点検出用の画像のうち高い空間周波数成分が含まれていない画像を選択するために、焦点検出用の１組の画像α及びβの強度を比較する（ｓ１３０）。高い空間周波数成分が含まれていない画像は相対的に強度が高いため、相対的に強度が高い画像を注目像として選択する。図２４（ａ）に示したような画像の場合、ＣＰＵ２０は２つの画像の強度を比較してβ像の強度が大きいと判断すると（ｓ１３０）、注目像をβ像と選択する（ｓ１３２）。
【００７３】
フィルタの周波数特性を決定する注目像がβ像と選択されると（ｓ１２０）、ＣＰＵ２０は選択されたβ像に基づいて、フィルタ処理を施すことによって焦点検出用の１組の画像α及びβに含まれる空間周波数特性をほぼ同一とするようなフィルタの空間周波数特性を決定する（ｓ１２１）。
【００７４】
以下、図１０及び図１１を用いてフィルタの空間周波数特性を決定する方法を説明する。
【００７５】
本実施形態においては、焦点検出用の像に含まれる像の空間周波数成分を簡易的に見出すために、選択された焦点検出像β像の凹凸の間隔と大きさを求めている。そこで、ＣＰＵ２０は、選択されたβ像の凹凸の間隔と大きさを求めるためにβ像の極値を算出する。図１０は算出されたβ像の極値を示したもので、５つの極値の位置ｈと強度ｖが示してある。図１１は隣接する極値の間隔Δｈと強度差Δｖを示したものである。同図より、β像に含まれるおおよその空間周波数成分が簡易的に把握される。本実施形態においては、隣接する極値の強度差Δｖが最も大きくなるような極値の間隔Δｈｃを、β像に含まれる主要空間周波数成分と定めている。
【００７６】
図１２は本実施形態の焦点検出装置で用いるフィルタの波形を示したものである。同図に示したフィルタは図１３のフィルタの空間周波数特性説明図に示すように、低周波側と高周波側とを除去するようなバンドパス型の空間周波数特性を有していることを特徴としている。また、バンドパス型のフィルタの中心空間周波数ｆｃは、先に求められたβ像の極値の間隔Δｈｃより
ｆｃ＝１／（２×Δｈｃ）
を満足するようになっている。
【００７７】
フィルタの空間周波数特性が決定されると（ｓ１２１）、イメージセンサ１０にて検出された焦点検出用の画像α及びβのシェーディング補正（ゲイン補正）が実行される（ｓ１２２）。シェーディング補正（ゲイン補正）の方法については、特開２０００−３２４５０５号公報に開示されている。さらに、シェーディング補正後の１組の像α´及びβ´（例えば図２４（ｂ）に示した像）に、先に求めた空間周波数特性を有するフィルタを用いてフィルタ処理が行われる（ｓ１２３）。フィルタ処理後の１組の像α´´及びβ´´を示したのが図１４である。フィルタ処理によって像α´の高い周波数成分は除去され、１組の像α´´及びβ´´に含まれる空間周波数成分がほぼ同一となったため、像α´´及びβ´´の一致度が向上している。
【００７８】
引き続き演算手段を兼ねたＣＰＵ２０は、像α´´及びβ´´の相関演算を行って、２つの像の像ずれ量を算出する（ｓ１２４）。さらにＣＰＵ２０は、図２３に示した焦点検出光束の瞳形状から、２つの焦点検出光束Ｌα及びＬβの重心を求めて、その重心間隔から基線長を算出する（ｓ１２５）。
【００７９】
さらにＣＰＵ２０は、先に算出された焦点検出像の像ずれ量と算出された基線長から撮影レンズ５のデフォーカス量を算出する（ｓ１２６）。
【００８０】
（第２の実施形態）
図１５乃至図１９は本発明の第２の実施形態を示す図で、図１５は注目像選択のフローチャート、図１６は焦点検出位置説明図、図１７〜図１８は焦点検出光束説明図、図１９は瞳形状説明図である。本実施形態の焦点検出装置の構成及びカメラでの使用形態は第１の実施形態と同様であるため、それを説明する図面も第１の実施形態と同様である。
【００８１】
図１５乃至図１９の各図において、１０はイメージセンサ、５３は撮影レンズ５の絞り、５４は撮影レンズ５の前玉レンズ群のレンズ枠等により撮影光束を制限する前側射出窓、５５は撮影レンズ５の後玉レンズ群のレンズ枠等により撮影光束を制限する後側射出窓である。
【００８２】
以下、図１５のフローチャートを用いて、焦点検出用の１組の画像に含まれる空間周波数成分がほぼ同一になるようにフィルタの周波数特性を決定するために用いる像を選択する方法を説明する。
【００８３】
選択手段であるＣＰＵ２０は、イメージセンサ１０より出力された焦点検出用の１組の画像からフィルタの周波数特性を決定するために用いる画像（注目像）を選択するために（ｓ１２０）、焦点検出光束の瞳形状を算出する（ｓ１３４）。
【００８４】
例えば、図１６の焦点検出位置説明図に示すように、撮影レンズ５の光軸から離れた位置Ｐ（ｘｐ、０）の被写体に対して撮影レンズ５の焦点状態を検出する場合、図１７の焦点検出光束説明図に示すように撮影レンズ５の瞳（例えば５３の絞り面）の異なる位置を透過する焦点検出光束Ｌα（図４の光電変換部１０１α０にて受光する光束）とＬβ（図４の光電変換部１０１β０にて受光する光束）の光束径が異なる。これは、図中上方を透過する焦点検出光束Ｌαは撮影レンズ５の後側射出窓５５で最外光束が制限され、図中下方を透過する焦点検出光束Ｌβは撮影レンズ５の前側射出窓５４で最外光束が制限されるためである。
【００８５】
そこで、図１８の焦点検出光束説明図を用いて焦点検出光束の瞳面上での形状を求める方法を説明する。同図において、前側射出窓５４の光軸方向の位置をｚ１、前側射出窓５４の半径をｒ１、射出瞳５３の光軸方向の位置をｚｉ、射出瞳５３の半径をｒｉ、後側射出窓５５の光軸方向の位置をｚ２、後側射出窓５５の半径をｒ２、またイメージセンサ１０の光軸対応画素を座標原点とする。
【００８６】
図１８（ａ）は、前側射出窓５４を透過して焦点検出位置Ｐに入射する光束を示している。ここで、前側射出窓５４を射出瞳５３に投影したときの形状を示したものが図１９の破線で示した円５４′である。円５４′は、
（Ｘ−（ｚ１−ｚｉ）／ｚ１×ｘｐ）２＋Ｙ２＝（ｚｉ／ｚ１×ｒ１）２
を満足する。
【００８７】
一方、図１８（ｂ）は、後側射出窓５５を透過して焦点検出位置Ｐに入射する光束を示している。ここで、後側射出窓５５を射出瞳５３に投影したときの形状を示したものが図１９の点線で示した円５５′である。円５５′は、
（Ｘ−（ｚ２−ｚｉ）／ｚ２×ｘｐ）２＋Ｙ２＝（ｚｉ／ｚ２×ｒ２）２
を満足する。
【００８８】
ところでイメージセンサ１０に入射する光束は、前側射出窓５４を投影した円５４′と後側射出窓５５を投影した円５５′の重なる領域となる。図４のイメージセンサ説明図に示したように、焦点検出を行う画素は２つの光電変換部に分割されているため、各光電変換部に入射する光束は射出瞳５３面上でＹ軸を境に分割される。
【００８９】
そのため図１９において、射出瞳５３面上での焦点検出光束Ｌαの面積ＳαはＹ軸と円５５′の円弧に囲まれた領域となる。焦点検出光束Ｌαの面積Ｓαは、
と求められる。
【００９０】
同様に、射出瞳５３面上での焦点検出光束Ｌβの面積ＳβはＹ軸と円５４′及び円５５′の円弧に囲まれた領域となる。焦点検出光束Ｌβの面積Ｓβは
と求められる。ただし、
を満足する。
【００９１】
各射出窓による瞳形状に基づいて、瞳面上での焦点検出光束の面積Ｓα及びＳβが求まると（ｓ１３４）、選択手段であるＣＰＵ２０は２つの焦点検出光束の面積を比較する（ｓ１３５）。焦点検出光束Ｌαの瞳面上での面積Ｓαが焦点検出光束Ｌβの瞳面上での面積Ｓβより小さいならば（ｓ１３５）、焦点検出光束Ｌβによって生成されるβ像を注目像として選択する（ｓ１３７）。
【００９２】
フィルタの周波数特性を決定する注目像がβ像と選択されると（ｓ１２０）、ＣＰＵ２０は選択されたβ像の極値を算出してその極値の間隔から、フィルタの空間周波数特性を決定する。
【００９３】
フィルタの空間周波数特性が決定されると、１組の焦点検出像α像及びβ像に対して決定したフィルタに基づいてフィルタ処理を施して１組の像の一致度を向上させる。さらに、フィルタ処理後の１組の焦点検出像の相関演算を行って、精度の高い焦点検出が実行される。
【００９４】
（第３の実施形態）
図２０は本発明の第３の実施形態を示す図で、注目像選択のフローチャートである。本実施形態の焦点検出装置の構成及びカメラでの使用形態は第１の実施形態と同様であるため、それを説明する図面も第１の実施形態と同様である。
【００９５】
以下、図２０のフローチャートを用いて、焦点検出用の１組の画像に含まれる空間周波数成分がほぼ同一になるようにフィルタの周波数特性を決定するために用いる像を選択する方法を説明する。
【００９６】
選択手段であるＣＰＵ２０は、イメージセンサ１０より出力された焦点検出用の１組の画像からフィルタの周波数特性を決定するために用いる画像（注目像）を選択するために（ｓ１２０）、撮影レンズ５のレンズＣＰＵ５０と通信を行って、カメラ１に装着されている撮影レンズ５の種類を確認する（ｓ１４０）。カメラ１に装着されている撮影レンズ５の種類が確認されると、ＣＰＵ２０はメモリ回路２２に記憶された各種撮影レンズの射出窓情報から、カメラ１に装着されている撮影レンズ５の射出窓情報を読み出す。
【００９７】
さらに、ＣＰＵ２０は現在設定されている焦点検出座標を確認し（ｓ１４１）、焦点検出座標と射出窓情報から瞳面上での焦点検出光束の大小を算出し注目像を決定する（ｓ１４２）。焦点検出座標ｘｐと射出窓情報から注目像は以下のように選択される。
【００９８】
（ｘｐ＜０のとき）
ｚ２×（ｚ１−ｚｉ）＞ｚ１×（ｚ２−ｚｉ）ならばα像
ｚ２×（ｚ１−ｚｉ）＜ｚ１×（ｚ２−ｚｉ）ならばβ像
（ｘｐ＞０のとき）
ｚ２×（ｚ１−ｚｉ）＞ｚ１×（ｚ２−ｚｉ）ならばβ像
ｚ２×（ｚ１−ｚｉ）＜ｚ１×（ｚ２−ｚｉ）ならばα像
フィルタの周波数特性を決定する注目像がβ像と選択されると（ｓ１２０）、ＣＰＵ２０は選択されたβ像の極値を算出してその極値の間隔から、フィルタの空間周波数特性を決定する。
【００９９】
フィルタの空間周波数特性が決定されると、１組の焦点検出像α像及びβ像に対して決定したフィルタに基づいてフィルタ処理を施して１組の像の一致度を向上させる。さらに、フィルタ処理後の１組の焦点検出像の相関演算を行って、精度の高い焦点検出が実行される。
【０１００】
以上説明したように、上記の実施形態によれば、撮影レンズの瞳の異なる領域を透過する光束を受光する光電変換素子列と該光電変換素子列から出力される２つの光電変換信号にフィルタ処理を施した後に相関演算を行って前記撮影レンズの焦点状態を算出する演算手段とを具備した焦点検出装置において、前記２つの光電変換信号の内の１つの光電変換信号を選択する選択手段を有し、該選択手段は前記２つの光電変換信号の出力レベルから２つの光電変換信号の内相対的に高い空間周波数成分を含まない光電変換信号を選択し、前記演算手段は該選択された光電変換信号を信号処理して光電変換信号に含まれる主要空間周波数成分を検出してその信号処理結果に基づいて前記フィルタの空間周波数特性を決定することにより、フィルタ処理後の２つの光電変換信号の一致度を向上させて焦点検出精度を向上させることが可能となる。
【０１０１】
さらに、撮影レンズの瞳の異なる領域を透過する光束を受光する光電変換素子列と該光電変換素子列から出力される２つの光電変換信号にフィルタ処理を施した後に相関演算を行って前記撮影レンズの焦点状態を算出する演算手段とを具備した焦点検出装置において、前記２つの光電変換信号の内の１つの光電変換信号を選択する選択手段を有し、該選択手段は前記撮影レンズの射出窓情報及び焦点検出位置に基づいて２つの光電変換信号の内相対的に高い空間周波数成分を含まない光電変換信号を選択し、前記演算手段は該選択された光電変換信号を信号処理して光電変換信号に含まれる主要空間周波数成分を検出してその信号処理結果に基づいて前記フィルタの空間周波数特性を決定することにより、フィルタ処理後の２つの光電変換信号の一致度を向上させて焦点検出精度を向上させることが可能となる。
【０１０２】
【他の実施形態】
本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用しても良いし、また、単体の機器から成る装置に適用しても良いしＬＡＮなどのネットワークを介して処理が行われるシステムに適用しても良い。
【０１０３】
また、各実施形態の目的は、前述した実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記憶媒体（または記録媒体）を、システムあるいは装置に供給し、そのシステムあるいは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ）が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出し実行することによっても、達成されることは言うまでもない。この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が前述した実施形態の機能を実現することになり、そのプログラムコードを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。また、コンピュータが読み出したプログラムコードを実行することにより、前述した実施形態の機能が実現されるだけでなく、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼働しているオペレーティングシステム（ＯＳ）などが実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって前述した実施形態の機能が実現される場合も含まれることは言うまでもない。
【０１０４】
さらに、記憶媒体から読み出されたプログラムコードが、コンピュータに挿入された機能拡張カードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書込まれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張カードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵなどが実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって前述した実施形態の機能が実現される場合も含まれることは言うまでもない。
【０１０５】
本発明を上記記憶媒体に適用する場合、その記憶媒体には、先に説明した手順に対応するプログラムコードが格納されることになる。
【０１０６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、撮影レンズの光軸から離れた位置で焦点検出を行なう場合でも、その検出精度の低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係わるデジタルカメラの構成図である。
【図２】イメージセンサの概略平面図である。
【図３】光電変換部の説明図である。
【図４】イメージセンサの断面図である。
【図５】イメージセンサの回路構成図である。
【図６】各制御信号のタイミングチャートである。
【図７】カメラ動作を説明するフローチャートである。
【図８】焦点検出動作を説明するフローチャートである。
【図９】注目像選択動作を説明するフローチャートである。
【図１０】焦点検出像の説明図である。
【図１１】焦点検出像の極値の説明図である。
【図１２】フィルタ波形の説明図である。
【図１３】フィルタの空間周波数特性の説明図である。
【図１４】焦点検出像の説明図である。
【図１５】注目像選択動作を説明するフローチャートである。
【図１６】焦点検出位置の説明図である。
【図１７】焦点検出光束の説明図である。
【図１８】焦点検出光束の説明図である。
【図１９】瞳形状の説明図である。
【図２０】注目像選択動作を説明するフローチャートである。
【図２１】焦点検出原理の説明図である。
【図２２】イメージセンサの断面図である。
【図２３】瞳形状の説明図である。
【図２４】焦点検出像の説明図である。
【符号の説明】
１ カメラ本体
３ 接眼レンズ
５ 撮影レンズ
９ 液晶表示素子
１０ イメージセンサ
２０、５０ ＣＰＵ
２１ イメージセンサ制御回路
２２ メモリー回路
２３ インターフェイス回路
２４ 画像処理回路
２５ 液晶表示素子駆動回路
２６ 電気接点
５１ レンズ駆動機構
５２ 絞り駆動機構
５３ 絞り装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮影レンズの瞳の異なる位置を透過する光束を光電変換素子列で受光して、該光電変換素子列にて光電変換された信号に基づいて瞳分割方式の焦点検出を行う技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
撮影レンズの焦点状態を検出する方式の一つとして、センサの各画素にマイクロレンズが形成された２次元のセンサを用いて瞳分割方式の焦点検出を行う装置が特開昭５５−１１１９２８号公報（特許文献１）及び特開昭５８−２４１０５号公報（特許文献２）に開示されている。
【０００３】
また、本願出願人はデジタルスチルカメラに用いられるＣＭＯＳイメージセンサ（撮像装置）を用いて瞳分割方式の焦点検出を行う装置を特開２００１−１２４９８４号公報（特許文献３）に開示している。
【０００４】
図２１は同公報で提案しているイメージセンサを用いて瞳分割方式の焦点検出を行う方法の原理説明図、図２２はイメージセンサの１画素の断面図である。
【０００５】
イメージセンサ１０は撮影レンズ５（５ａ及び５ｂ）の予定結像面に配置されている。また、イメージセンサ１０の１画素は２つの光電変換部１０１α、１０１βとから構成されており、各光電変換部の撮影レンズ側に形成されたマイクロレンズ１３０によって光電変換部１０１α、１０１βは撮影レンズ５の絞り５３近傍の瞳と略結像関係になるように設定されている。
【０００６】
ここで、光電変換部１０１αは撮影レンズ５の瞳の図中上方を透過する光束Ｌαを受光し、光電変換部１０１βは撮影レンズ５の瞳の図中下方を透過する光束Ｌβを受光する。焦点検出時は、光電変換部１０１α及び光電変換部１０１βの光電荷を転送ゲート１２０α及び１２０βを介して異なるタイミングでフローティングディフュージョン部１２１に個別に出力し、イメージセンサ１０の外部に読み出す。さらに複数の画素の各光電変換部からの出力より撮影レンズの異なる瞳位置を透過した光束による像が生成される。
【０００７】
撮影レンズの異なる瞳位置を透過した光束より生成される像を用いて焦点検出を行う方法は特開平５−１２７０７４号公報（特許文献４）等により公知の技術である。
【０００８】
一方通常撮影時は、光電変換部１０１αと光電変換部１０１βの光電荷は転送ゲート１２０α及び１２０βを同時にＯＮすることにより、同じタイミングでフローティングディフュージョン部１２１へ出力をされ、画素内で加算して出力するように構成されている。
【０００９】
ところで、撮像装置を用いて瞳分割方式の焦点検出を行う場合、焦点検出位置が光軸から離れた位置では撮影レンズの射出窓によって焦点検出光束のけられが発生して、焦点検出を行う像に光量差が発生する場合がある。
【００１０】
図２３は、撮影レンズの光軸から離れた位置にある画素に入射する、撮影レンズの瞳の異なる位置を透過する光束Ｌα及びＬβの瞳形状を示した図である。
【００１１】
同図において焦点検出光束Ｌαの瞳上での面積は焦点検出光束Ｌβの瞳上での面積より小さいため、焦点検出光束Ｌαにて生成される焦点検出を行うための像αは焦点検出光束Ｌβにて生成される焦点検出を行うための像βより強度が小さくなる。
【００１２】
図２４（ａ）は、撮影レンズの瞳の異なる位置を透過する光束Ｌα及びＬβによって生成される焦点検出像α及びβを示したものである。焦点検出像α及びβには、撮影レンズの瞳上の光束面積比に応じた強度差が発生する。
【００１３】
瞳分割方式の焦点検出の場合、検出された２つの像の相関演算を行うことにより焦点検出を行うが、２つの像に光量差が生じていると焦点検出精度が低下してしまう。撮影レンズの射出窓によって撮影光束がけられた場合、そのけられ量を補正するシェーディング（ゲイン）補正方法が特開２０００−３２４５０５号公報（特許文献５）に開示されている。同公報のシェーディング補正方法を用いると、図２４（ａ）に示した焦点検出像α及びβは、図２４（ｂ）に示すような強度レベルがほぼ同一の焦点検出像α´及びβ´が得られる。
【００１４】
また特許第２７１５９５８号公報（特許文献６）の焦点検出装置には、２つの像に光量差が生じた場合は低い空間周波数成分を除去するフィルタ処理を行って焦点検出精度の低下を防止する技術が開示されている。
【００１５】
さらに、特開平２−１８０８号公報（特許文献７）に開示されている焦点検出装置には、本来の被写体像には含まれないナイキスト周波数以上の周波数成分や撮影状況により発生する低周波数成分を除去するためのフィルタ処理の技術が開示されている。同公報において、検出された２つの像信号をフィルタ処理する際、２つの像のコントラストを検出してその検出結果に基づいて複数のフィルタの中からフィルタ処理に用いるフィルタの選択を行っている。
【００１６】
【特許文献１】
特開昭５５−１１１９２８号公報
【特許文献２】
特開昭５８−２４１０５号公報
【特許文献３】
特開２００１−１２４９８４号公報
【特許文献４】
特開平５−１２７０７４号公報
【特許文献５】
特開２０００−３２４５０５号公報
【特許文献６】
特許第２７１５９５８号公報
【特許文献７】
特開平２−１８０８号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、撮影レンズの射出窓によって焦点検出光束のけられが発生して強度レベル差が生じた焦点検出像α及びβに対して、シェーディング（ゲイン）補正を行った焦点検出像α´及びβ´は２像の強度レベルは同一となるが、図２４（ｂ）から明らかなように像波形が異なったものが得られることがある。特に、高いゲイン補正が行われた焦点検出像α´は比較的高い空間周波数成分を含んだ像となっている。
【００１７】
この第１の理由は、図２３の焦点検出光束の瞳形状からわかるように、焦点検出像α´を生成する焦点検出光束Ｌαが焦点検出光束Ｌβに比べて狭い（絞られた）光束になっているためである。また第２の理由は、焦点検出像α´は高いゲイン補正が行われたためにノイズ成分も増幅されたためである。
【００１８】
そのため、特開２０００−３２４５０５号公報に開示の技術を用いてシェーディング補正を行った後の焦点検出像α´及びβ´を用いて相関演算を行っても、２像の一致度が小さいために焦点検出精度が低下してしまうという欠点があった。
【００１９】
また特許第２７１５９５８号公報並びに特開平２−１８０８号公報に開示された焦点検出装置のように、例えばバンドパス型の空間周波数特性を有するフィルタを用いて像信号のフィルタ処理を行っても、予め決められたフィルタの空間周波数特性によっては相対的に高い周波数成分を含んだ焦点検出像αの高い周波数成分を除去できない場合があり、一方の焦点検出像に高い空間周波数成分が残っていると、２像の一致度は低下して焦点検出精度が低下してしまうという欠点があった。
【００２０】
従って、本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、撮影レンズの光軸から離れた位置で焦点検出を行なう場合でも、その検出精度の低下を防止することができるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わる焦点検出装置は、撮影レンズの瞳の異なる領域を通過する２つの光束を受光し、前記２つの光束にそれぞれ対応する２つの光電変換信号を出力する光電変換素子列と、前記２つの光電変換信号のうちの一方の光電変換信号を選択する選択手段と、該選択手段により選択された前記一方の光電変換信号に基づいて、前記２つの光電変換信号のうちの少なくとも他方の光電変換信号にフィルタ処理を施すためのフィルタの特性を決定するフィルタ特性演算手段と、該フィルタ特性演算手段により特性が決定されたフィルタにより少なくとも一方がフィルタ処理された前記２つの光電変換信号に基づいて前記撮影レンズの焦点状態を算出する焦点状態演算手段と、を備えることを特徴としている。
【発明の実施の形態】
本発明は、撮影レンズの瞳の異なる領域を通過する２つの光束を受光し、この２つの光束にそれぞれ対応する２つの光電変換信号を出力する光電変換素子列と、２つの光電変換信号のうちの一方の光電変換信号を選択する選択部と、この選択部により選択された一方の光電変換信号に基づいて、２つの光電変換信号のうちの少なくとも他方の光電変換信号にフィルタ処理を施すためのフィルタの特性を決定するフィルタ特性演算部と、このフィルタ特性演算部により特性が決定されたフィルタにより少なくとも一方がフィルタ処理された２つの光電変換信号に基づいて撮影レンズの焦点状態を算出する焦点状態演算部とを備える焦点検出装置として実施可能である。
【００２１】
また、本発明は、撮影レンズの瞳の異なる領域を通過する２つの光束を受光し、２つの光束にそれぞれ対応する２つの光電変換信号を出力し、２つの光電変換信号のうちの一方の光電変換信号を選択し、この選択された一方の光電変換信号に基づいて、２つの光電変換信号のうちの少なくとも他方の光電変換信号にフィルタ処理を施すためのフィルタの特性を決定し、特性が決定されたフィルタにより少なくとも一方がフィルタ処理された２つの光電変換信号に基づいて撮影レンズの焦点状態を算出する焦点検出方法として実施可能である。
【００２２】
このような本発明は、具体的に図１乃至図２４に示す構成において、以下の第１乃至第３の実施形態と対応して実現できる。
【００２３】
以下、本発明の好適な実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２４】
（第１の実施形態）
図１乃至図１４は本発明の第１の実施形態を示す図で、図１は本実施形態の焦点検出装置を具備したカメラの構成図、図２はイメージセンサ（２次元の光電素子列）の概略平面図、図３は光電変換部の説明図、図４はイメージセンサの一部断面図、図５はイメージセンサの一部回路構成図、図６はタイミングチャート、図７はカメラ動作のフローチャート、図８は焦点検出のフローチャート、図９は注目像選択のフローチャート、図１０は焦点検出像の説明図、図１１は焦点検出像の極値説明図、図１２はフィルタ波形の説明図、図１３はフィルタの空間周波数特性の説明図、図１４は焦点検出像の説明図である。
【００２５】
図１において１０はイメージセンサ（２次元の光電素子列）で、デジタルスチルカメラ１の撮影レンズ５の予定結像面に配置されている。デジタルスチルカメラ１は、カメラ全体を制御するＣＰＵ２０、イメージセンサ１０を駆動制御する制御手段であるところのイメージセンサ制御回路２１、イメージセンサ１０にて撮像した画像信号を画像処理する画像処理回路２４、画像処理された画像を表示する表示手段であるところの液晶表示素子９とそれを駆動する液晶表示素子駆動回路２５、液晶表示素子９に表示された被写体像を観察するための接眼レンズ３、イメージセンサ１０にて撮像された画像を記録するメモリ回路２２、画像処理回路２４にて画像処理された画像をカメラ外部に出力するためのインターフェース回路２３とを備えて構成されている。メモリ回路２２には、撮影レンズの固有情報（開放Ｆ値、射出窓情報等）も記憶されている。
【００２６】
撮影レンズ５はカメラ本体１に対して着脱可能で、便宜上２枚のレンズ５ａ、５ｂで図示しているが、実際は多数枚のレンズで構成され、カメラ本体１のＣＰＵ２０から送られてくる焦点調節情報を電気接点２６を介してレンズＣＰＵ５０にて受信し、その焦点調節情報に基づいて撮影レンズ駆動機構５１によって合焦状態に調節される。また５３は絞り装置で、絞り駆動機構５２によって所定の絞り値に絞り込まれるようになっている。
【００２７】
またＣＰＵ２０は、撮影レンズの焦点状態を算出する演算手段と、２つの焦点検出像（光電変換信号）から１つの焦点検出像（光電変換信号）を選択する選択手段を兼ねている。
【００２８】
本実施形態の焦点検出装置は、光電変換素子列であるところのイメージセンサ１０、演算手段及び選択手段であるところのＣＰＵ２０から構成されている。
【００２９】
図２はイメージセンサの一部の概略平面図である。図中１マスが１画素を示しており、１マスの中に書かれた「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」の文字は各画素のカラーフィルタの色相を表している。Ｂａｙｅｒ配列の場合、１絵素は「Ｒ」「Ｂ」の画素と２つの「Ｇ」の画素から構成されるが、本実施形態の撮像装置は「Ｇ」であるべき画素の一つに無色透明の層「Ｗ」（「Ｗ」の文字は不図示）が形成され、更にこの１画素は２つの光電変換部に分割された構成になっている。この２つの光電変換部に分割された画素の各光電変換部から出力される光電変換信号に基づいて撮影レンズの焦点状態が検出される。
【００３０】
また、カラーフィルタの配列がＢａｙｅｒ配列と異なるため、通常画像の撮影時は「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」の画素出力で色差信号を生成し、「Ｗ」の画素出力で輝度信号を生成している。
【００３１】
さらに、同一の色相の画素は千鳥状に配列されており、撮影画像の解像感を向上させている。また２分割された光電変換部を有する画素は、図中（０，２）、（１，０）の配列に示されるように光電変換部の分割方向、２分割された光電変換部の幅及び２つの光電変換部の間隔が異なる２種類の画素が配列されている。
【００３２】
（０，２）の位置に配列された画素は図中垂直方向（Ｙ方向）に分割されており、焦点検出時は列方向に配列した同種の構造の画素出力に基づいて横線を含む被写体に対して良好に焦点検出が行えるようになっている。一方、（１，０）の位置に配列された画素は図中水平方向（Ｘ方向）に分割されており、焦点検出時は行方向に配列した同種の構造の画素出力に基づいて縦線を含む被写体に対して良好に焦点検出が行えるようになっている。
【００３３】
図３は図２中の（２，０）、（０，２）、（１，０）の位置に配列された画素の光電変換部の説明図である。
【００３４】
図３（ａ）は、図２中の（２，０）の位置に配列された青色のカラーフィルタが形成された画素を示しており、光電変換部の面積はＳＢの大きさである。他の緑色及び赤色のカラーフィルタが形成された画素の光電変換部の面積ＳＧ及びＳＲは青色のカラーフィルタが形成された画素の光電変換部の面積ＳＢと等しい大きさである。
【００３５】
また図３（ｂ）は、図２中の（０，２）の位置に配列されたカラーフィルタが形成されていない画素を示しており、垂直方向（Ｙ方向）に分割された光電変換部の幅が狭く、また２つの光電変換部の間隔が広く設定されている。１つの光電変換部の面積はＳＷｖの大きさである。
【００３６】
また図３（ｃ）は、図２中の（１，０）の位置に配列されたカラーフィルタが形成されていない画素を示しており、水平方向（Ｘ方向）に分割された光電変換部の幅が広く、また２つの光電変換部の間隔が狭く設定されている。１つの光電変換部の面積はＳＷｈの大きさである。
【００３７】
ここで、前記各画素の光電変換部の面積は
ＳＢ ＝ ＳＧ ＝ ＳＲ ＞ ２×ＳＷｈ ＞ ２×ＳＷｖ
の関係を満足するように構成されている。
【００３８】
撮影レンズの焦点状態の検出は、カラーフィルタが形成されていない画素の分割された面積の小さい光電変換部から出力される光電変換信号に基づいて行われるが、カラーフィルタが形成されていない画素の透過率は有色のカラーフィルタが形成された画素の透過率の約３倍であるため、焦点検出時もＳ／Ｎ比の高い焦点検出用画像を得られるようになっている。
【００３９】
図４はＣＭＯＳイメージセンサの一部断面図である。同図は、図２における（１，０）（２，０）の２画素の断面を示している。
【００４０】
図４において、１１７はＰ型ウェル、１１８はＭＯＳのゲート絶縁膜であるＳｉＯ２膜である。１２６は表面Ｐ＋層であり、ｎ層１２５と光電変換部１０１を構成している。１２０は光電変換部１０１に蓄積された光電荷を１２１のフローティングディフュージョン部（以下ＦＤ部と称す）へ転送するための転送ゲートである。１２９はカラーフィルタ層、１３０はマイクロレンズで、マイクロレンズ１３０は撮影レンズ５の瞳とイメージセンサ１０の光電変換部１０１とが略共役になるような形状及び位置に形成されている。
【００４１】
また（１，０）の画素において、光電変換部１０１はＦＤ部１２１α０を挟んで２つの領域、１０１α０領域と１０１β０領域とにそれぞれ分割されており、さらに各光電変換部で発生した光電荷をそれぞれＦＤ部１２１α０へ転送する転送ゲート１２０α０、１２０β０´が形成されている。
【００４２】
また（２，０）の画素において、 ＦＤ部１２１γ０は光電変換部１０１γ０と隣接する画素の光電変換部１０１β０との間に形成されており、さらに各光電変換部で発生した光電荷をそれぞれＦＤ部１２１γ０へ転送する転送ゲート１２０γ０、１２０β０が形成されている。
【００４３】
ここで、転送ゲート１２０γ０及び転送ゲート１２０β０´は同じ制御パルスΦＴＸγ０で制御されるように構成されている。そして、光電変換部１０１β０の光電荷は制御パルスΦＴＸβ０及びΦＴＸγ０のハイ／ロー状態で、ＦＤ部１２１α０及びＦＤ部１２１γ０に選択的に転送されることを特徴としている。
【００４４】
図５はイメージセンサ１０の概略的回路構成図である。同図は図２における（１，０）（２，０）（１，１）（２，１）の４画素を示したものであるが、実際は数百万画素の画素から構成されている。
【００４５】
同図において、１０１は光電変換部、１０３は転送スイッチＭＯＳトランジスタ、１０４はリセット用ＭＯＳトランジスタ、１０５はソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ、１０６は水平選択スイッチＭＯＳトランジスタ、１０７はソースフォロワの負荷ＭＯＳトランジスタ、１０８は暗出力転送ＭＯＳトランジスタ、１０９は明出力ＭＯＳトランジスタ、１１０は暗出力蓄積容量、１１１は明出力蓄積容量、１１２は水平転送ＭＯＳトランジスタ、１１３は水平出力線リセットＭＯＳトランジスタ、１１４は差動出力アンプである。１１５は水平走査回路、１１６は垂直走査回路で、制御手段であるところのイメージセンサ制御回路２１を構成している。
【００４６】
次に図６のタイミングチャートを用いてイメージセンサ１０の動作を説明する。
【００４７】
イメージセンサ１０で通常の撮像を行う際の第０行のタイミングチャートを示したのが図６（ａ）である。通常撮像時は、２つの光電変換部に分割された（１，０）画素の光電変換部１０１α０及び１０１β０にて発生した光電荷が同時にＦＤ部１２１α０に転送され加算されてイメージセンサ１０の外に出力されるように構成されている。このとき、同時に非分割画素（２，０）の光電変換部１０１γ０にて発生した光電荷もＦＤ部１２１γ０に転送されイメージセンサ１０の外に出力される。
【００４８】
図６（ａ）において、垂直走査回路１１６からのタイミング出力によって、制御パルスΦＳ０をハイとして水平選択スイッチＭＯＳトランジスタ１０６をオンさせ第０行の画素部を選択する。次に制御パルスΦＲ０をローとしＦＤ部１２１のリセットを止めＦＤ部１２１をフローティング状態とし、ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５のゲート・ソース間をスルーとしたのち、所定時間後制御パルスΦＴＮをハイとし、ＦＤ部１２１の暗電圧をソースフォロワ動作で蓄積容量１１０に出力させる。
【００４９】
次に、第０行の各画素の光電変換部１０１α０、１０１β０及び１０１γ０の出力を行うため、制御パルスΦＴＸα０及びΦＴＸγ０をハイとして転送スイッチＭＯＳトランジスタ１０３α０（転送ゲート１２０α０）、１０３β０´（転送ゲート１２０β０´）及び１０３γ０（転送ゲート１２０γ０）を導通する。この時光電変換部１０１α０及び１０１β０にて発生した光電荷はＦＤ部１２１α０に転送され、光電変換部１０１γ０にて発生した光電荷はＦＤ部１２１γ０に転送される。フォトダイオードの光電変換部１０１からの電荷がＦＤ部１２１に転送されることにより、ＦＤ部１２１の電位が光に応じて変化することになる。この時ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５がフローティング状態であるので、ＦＤ部１２１の電位を制御パルスΦＴＳをハイとして蓄積容量１１１に出力する。この時点で第０行の各画素の暗出力と光出力はそれぞれ蓄積容量１１０と１１１に蓄積されており、さらに制御パルスΦＨＣを一時ハイとして水平出力線リセットＭＯＳトランジスタ１１３を導通して水平出力線をリセットし、水平転送期間において水平走査回路１１５の水平転送ＭＯＳトランジスタ１１２への走査タイミング信号により水平出力線に画素の暗出力と光出力とが出力される。このとき、蓄積容量１１０と１１１を差動増幅器１１４によって差動出力Ｖｏｕｔをとるため、画素のランダムノイズ、固定パターンノイズを除去したＳ／Ｎの良い信号が得られる。
【００５０】
さらに垂直走査回路１１６は同様に、次の行の出力を行うことにより、イメージセンサ１０の全画素を出力する。
【００５１】
読み出された画像出力は画像処理回路２４にて信号処理が行われ、液晶表示素子９に表示され、またメモリ回路２２に画像が記憶される。
【００５２】
撮影レンズ５の焦点状態の検出を行う場合、２つの光電変換部に分割された画素の光電変換部１０１α０及び光電変換部１０１β０のそれぞれの出力から得られる２つの画像の相関演算を行い、２つの画像の像ずれ量から撮影レンズ５の焦点状態を検出する。
【００５３】
本実施形態の撮像装置であるイメージセンサ１０は、撮影レンズ５の焦点状態を検出する際は、２つの光電変換部に分割された画素（１，０）に隣接する非分割画素（２，０）の光電変換部の出力は読み出さないように構成されている。そして、２つの光電変換部に分割された画素（１，０）の一方の光電変換部の出力は、隣接する非分割画素（２，０）の転送部から出力されるようになっており、焦点検出時の焦点検出用画像の読み出し時間を半減していることを特徴としている。
【００５４】
図６（ｂ）はイメージセンサ１０で焦点検出用画像を読み出す際の第０行のタイミングチャートを示している。
【００５５】
垂直走査回路１１６は、制御パルスΦＳ０をハイとして水平選択スイッチＭＯＳトランジスタ１０６をオンさせ第０行の画素部を選択する。次に制御パルスΦＲ０をローとしＦＤ部１２１のリセットを止めＦＤ部１２１をフローティング状態とし、ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５のゲート・ソース間をスルーとしたのち、所定時間後制御パルスΦＴＮをハイとし、ＦＤ部１２１の暗電圧をソースフォロワ動作で蓄積容量１１０に出力させる。
【００５６】
次に、制御パルスΦＴＸα０及びΦＴＸβ０をハイとして転送スイッチＭＯＳトランジスタ１０３α０（転送ゲート１２０α０）及び１０３β０（転送ゲート１２０β０）を導通し、２つの光電変換部に分割された画素（１，０）の２つの光電変換部にて発生した光発電荷をＦＤ部１２１α０及び１２１γ０に同時に転送する。このとき、制御パルスΦＴＸγ０はローであるため、非分割画素（２，０）の光電変換部１０１γ０の光電荷はＦＤ部１２１γ０には転送されない。
【００５７】
フォトダイオードの光電変換部１０１からの電荷がＦＤ部１２１に転送されることにより、ＦＤ部１２１の電位が光に応じて変化することになる。この時ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５がフローティング状態であるので、ＦＤ部１２１の電位を制御パルスΦＴＳをハイとして蓄積容量１１１に出力する。この時点で第０行の２つの光電変換部を有する各画素の暗出力と光出力はそれぞれ蓄積容量１１０と１１１に蓄積される。
【００５８】
イメージセンサ１０から外部への出力は、制御パルスΦＨＣを一時ハイとして水平出力線リセットＭＯＳトランジスタ１１３を導通して水平出力線をリセットし、水平転送期間において水平走査回路１１５の水平転送ＭＯＳトランジスタ１１２への走査タイミング信号により水平出力線に出力される。このとき、蓄積容量１１０と１１１を差動増幅器１１４によって差動出力Ｖｏｕｔをとるため、画素のランダムノイズ、固定パターンノイズを除去したＳ／Ｎの良い信号が得られる。
【００５９】
イメージセンサ１０からの出力は、演算手段を兼ねるＣＰＵ２０にて焦点検出用画像信号として整形され、相関演算処理を行った後に撮影レンズ５の焦点状態が算出されることとなる。
【００６０】
以上のような画像信号の読み出し動作を行うイメージセンサ（２次元の光電変換素子列）を有するカメラの動作を、図７のフローチャートを用いて説明する。撮影者が、図１には不図示のデジタルスチルカメラ１のメインスイッチをＯＮすると（ｓ１０１）、カメラ１は待機状態から復帰する。引き続き、撮影者が不図示の操作スイッチＳＷ１をＯＮすると（ｓ１０２）、カメラ１のＣＰＵ２０はイメージセンサ制御回路２１に焦点検出信号を送ってイメージセンサ１０にて焦点検出用の撮像を行わせる（ｓ１０３）。焦点検出用の画像を得るためにイメージセンサ制御回路２１よりイメージセンサ１０に出力される制御信号は、図６（ｂ）のタイミングチャートに示したとおりである。
【００６１】
カメラ１の接眼レンズ３を介して観察される電子ビューファインダ（ＥＶＦ）の画像は、本実施形態では焦点検出用の画像から生成されるようになっている。撮影レンズ５の瞳の異なる領域を透過した光束による焦点検出用の画像は画像処理回路２４にて加算処理が行われ、ＣＰＵ２０を介して液晶表示素子駆動回路２５に送られて液晶表示素子９に表示される（ｓ１０４）。
【００６２】
同時に、撮影レンズ５の瞳の異なる領域を透過した光束による焦点検出用の画像に基づいて演算手段を兼ねたＣＰＵ２０は撮影レンズ５の焦点検出を実行する（ｓ１０５）。焦点検出方法の詳細は後述する。
【００６３】
検出された撮影レンズ５の焦点状態が合焦状態でなければ（ｓ１０６）、ＣＰＵ２０は検出された撮影レンズ５のデフォーカス量をレンズＣＰＵ５０に送信し、レンズＣＰＵ５０にて撮影レンズの駆動量が算出される。さらに、レンズＣＰＵ５０は撮影レンズ駆動機構５１にレンズ駆動信号を送って、撮影レンズ５を算出されたデフォーカス量に対応した量だけ駆動して合焦状態に設定する（ｓ１１１）。
【００６４】
撮影レンズ５を所定位置まで駆動し焦点調節が終了すると（ｓ１１１）、カメラ１のＣＰＵ２０は再度メインスイッチ及び操作スイッチＳＷ１の確認を行う。メインスイッチがＯＮ状態で（ｓ１０１）操作スイッチＳＷ１もＯＮ状態であれば（ｓ１０２）、カメラ１のＣＰＵ２０はイメージセンサ制御回路２１に焦点検出信号を送ってイメージセンサ１０にて焦点検出用の撮像を行わせる（ｓ１０３）。
【００６５】
さらに、撮影レンズ５の瞳の異なる領域を透過した光束による焦点検出用の画像は画像処理回路２４にて加算処理が行われ、ＣＰＵ２０を介して液晶表示素子駆動回路２５に送られて液晶表示素子９に表示される（ｓ１０４）。このとき液晶表示素子９に表示される画像は、被写体にピントがあった画像となっている。
【００６６】
同時に、撮影レンズ５の瞳の異なる領域を透過した光束による焦点検出用の画像に基づいて演算手段を兼ねたＣＰＵ２０は撮影レンズ５の焦点検出を実行する（ｓ１０５）。
【００６７】
検出された撮影レンズ５の焦点状態が合焦状態で（ｓ１０６）、液晶表示素子９に表示されたピントのあった被写体画像を撮影者が視認して画像を記録するための操作スイッチＳＷ２をＯＮしたら（ｓ１０７）、カメラ１のＣＰＵ２０はイメージセンサ制御回路２１に撮像信号を送ってイメージセンサ１０にて通常の撮像を行わせる（ｓ１０８）。本画像を得るためにイメージセンサ制御回路２１よりイメージセンサ１０に出力される制御信号は、図６（ａ）のタイミングチャートに示したとおりである。
【００６８】
イメージセンサ１０にて撮像された画像信号は、イメージセンサ制御回路２１にてＡ／Ｄ変換された後に画像処理回路２４にて画像処理が行われる。このとき、イメージセンサ１０からの出力信号に基づいて色再現のために所定の画像処理が行われる。画像処理が行われた画像信号はＣＰＵ２０を介して液晶表示素子駆動回路２５に送られ液晶表示素子９に表示される（ｓ１０９）。撮影者は接眼レンズ３を通して液晶表示素子９に表示された被写体像を観察することが可能となる。
【００６９】
同時に、ＣＰＵ２０は撮像された画像信号をそのままカメラ１のメモリ回路２２に記憶する（ｓ１１０）。
【００７０】
撮影動作が終了し、撮影者がメインスイッチをＯＦＦすると（ｓ１０１）カメラの電源が落ちて待機状態となる（ｓ１１２）。
【００７１】
ところで本実施形態の焦点検出装置は、撮影レンズ５の光軸から離れた画面周辺部の被写体に対する焦点状態を検出する際に、撮影レンズ５の瞳の異なる領域を透過した光束による焦点検出用の１組の画像に含まれる空間周波数成分のうち異なる強度の空間周波数成分を除去するようなフィルタ処理を行って、１組の像の一致度を向上させて焦点検出精度を向上させていることを特徴とする。そのために、焦点検出用の１組の画像に含まれる空間周波数成分がほぼ同一になるようにフィルタの周波数特性を決定している。以下、図８及び図９のフローチャートを用いて本実施形態の焦点検出装置の焦点検出方法を説明する。
【００７２】
撮影レンズ５の焦点状態を検出する際（ｓ１０５）、まず選択手段であるＣＰＵ２０は、イメージセンサ１０より出力された焦点検出用の１組の画像からフィルタの周波数特性を決定するために用いる画像（注目像）を選択する（ｓ１２０）。選択手段であるＣＰＵ２０は、例えば図２４（ａ）に示した焦点検出用の画像のうち高い空間周波数成分が含まれていない画像を選択するために、焦点検出用の１組の画像α及びβの強度を比較する（ｓ１３０）。高い空間周波数成分が含まれていない画像は相対的に強度が高いため、相対的に強度が高い画像を注目像として選択する。図２４（ａ）に示したような画像の場合、ＣＰＵ２０は２つの画像の強度を比較してβ像の強度が大きいと判断すると（ｓ１３０）、注目像をβ像と選択する（ｓ１３２）。
【００７３】
フィルタの周波数特性を決定する注目像がβ像と選択されると（ｓ１２０）、ＣＰＵ２０は選択されたβ像に基づいて、フィルタ処理を施すことによって焦点検出用の１組の画像α及びβに含まれる空間周波数特性をほぼ同一とするようなフィルタの空間周波数特性を決定する（ｓ１２１）。
【００７４】
以下、図１０及び図１１を用いてフィルタの空間周波数特性を決定する方法を説明する。
【００７５】
本実施形態においては、焦点検出用の像に含まれる像の空間周波数成分を簡易的に見出すために、選択された焦点検出像β像の凹凸の間隔と大きさを求めている。そこで、ＣＰＵ２０は、選択されたβ像の凹凸の間隔と大きさを求めるためにβ像の極値を算出する。図１０は算出されたβ像の極値を示したもので、５つの極値の位置ｈと強度ｖが示してある。図１１は隣接する極値の間隔Δｈと強度差Δｖを示したものである。同図より、β像に含まれるおおよその空間周波数成分が簡易的に把握される。本実施形態においては、隣接する極値の強度差Δｖが最も大きくなるような極値の間隔Δｈｃを、β像に含まれる主要空間周波数成分と定めている。
【００７６】
図１２は本実施形態の焦点検出装置で用いるフィルタの波形を示したものである。同図に示したフィルタは図１３のフィルタの空間周波数特性説明図に示すように、低周波側と高周波側とを除去するようなバンドパス型の空間周波数特性を有していることを特徴としている。また、バンドパス型のフィルタの中心空間周波数ｆｃは、先に求められたβ像の極値の間隔Δｈｃより
ｆｃ＝１／（２×Δｈｃ）
を満足するようになっている。
【００７７】
フィルタの空間周波数特性が決定されると（ｓ１２１）、イメージセンサ１０にて検出された焦点検出用の画像α及びβのシェーディング補正（ゲイン補正）が実行される（ｓ１２２）。シェーディング補正（ゲイン補正）の方法については、特開２０００−３２４５０５号公報に開示されている。さらに、シェーディング補正後の１組の像α´及びβ´（例えば図２４（ｂ）に示した像）に、先に求めた空間周波数特性を有するフィルタを用いてフィルタ処理が行われる（ｓ１２３）。フィルタ処理後の１組の像α´´及びβ´´を示したのが図１４である。フィルタ処理によって像α´の高い周波数成分は除去され、１組の像α´´及びβ´´に含まれる空間周波数成分がほぼ同一となったため、像α´´及びβ´´の一致度が向上している。
【００７８】
引き続き演算手段を兼ねたＣＰＵ２０は、像α´´及びβ´´の相関演算を行って、２つの像の像ずれ量を算出する（ｓ１２４）。さらにＣＰＵ２０は、図２３に示した焦点検出光束の瞳形状から、２つの焦点検出光束Ｌα及びＬβの重心を求めて、その重心間隔から基線長を算出する（ｓ１２５）。
【００７９】
さらにＣＰＵ２０は、先に算出された焦点検出像の像ずれ量と算出された基線長から撮影レンズ５のデフォーカス量を算出する（ｓ１２６）。
【００８０】
（第２の実施形態）
図１５乃至図１９は本発明の第２の実施形態を示す図で、図１５は注目像選択のフローチャート、図１６は焦点検出位置説明図、図１７〜図１８は焦点検出光束説明図、図１９は瞳形状説明図である。本実施形態の焦点検出装置の構成及びカメラでの使用形態は第１の実施形態と同様であるため、それを説明する図面も第１の実施形態と同様である。
【００８１】
図１５乃至図１９の各図において、１０はイメージセンサ、５３は撮影レンズ５の絞り、５４は撮影レンズ５の前玉レンズ群のレンズ枠等により撮影光束を制限する前側射出窓、５５は撮影レンズ５の後玉レンズ群のレンズ枠等により撮影光束を制限する後側射出窓である。
【００８２】
以下、図１５のフローチャートを用いて、焦点検出用の１組の画像に含まれる空間周波数成分がほぼ同一になるようにフィルタの周波数特性を決定するために用いる像を選択する方法を説明する。
【００８３】
選択手段であるＣＰＵ２０は、イメージセンサ１０より出力された焦点検出用の１組の画像からフィルタの周波数特性を決定するために用いる画像（注目像）を選択するために（ｓ１２０）、焦点検出光束の瞳形状を算出する（ｓ１３４）。
【００８４】
例えば、図１６の焦点検出位置説明図に示すように、撮影レンズ５の光軸から離れた位置Ｐ（ｘｐ、０）の被写体に対して撮影レンズ５の焦点状態を検出する場合、図１７の焦点検出光束説明図に示すように撮影レンズ５の瞳（例えば５３の絞り面）の異なる位置を透過する焦点検出光束Ｌα（図４の光電変換部１０１α０にて受光する光束）とＬβ（図４の光電変換部１０１β０にて受光する光束）の光束径が異なる。これは、図中上方を透過する焦点検出光束Ｌαは撮影レンズ５の後側射出窓５５で最外光束が制限され、図中下方を透過する焦点検出光束Ｌβは撮影レンズ５の前側射出窓５４で最外光束が制限されるためである。
【００８５】
そこで、図１８の焦点検出光束説明図を用いて焦点検出光束の瞳面上での形状を求める方法を説明する。同図において、前側射出窓５４の光軸方向の位置をｚ１、前側射出窓５４の半径をｒ１、射出瞳５３の光軸方向の位置をｚｉ、射出瞳５３の半径をｒｉ、後側射出窓５５の光軸方向の位置をｚ２、後側射出窓５５の半径をｒ２、またイメージセンサ１０の光軸対応画素を座標原点とする。
【００８６】
図１８（ａ）は、前側射出窓５４を透過して焦点検出位置Ｐに入射する光束を示している。ここで、前側射出窓５４を射出瞳５３に投影したときの形状を示したものが図１９の破線で示した円５４′である。円５４′は、
（Ｘ−（ｚ１−ｚｉ）／ｚ１×ｘｐ）２＋Ｙ２＝（ｚｉ／ｚ１×ｒ１）２
を満足する。
【００８７】
一方、図１８（ｂ）は、後側射出窓５５を透過して焦点検出位置Ｐに入射する光束を示している。ここで、後側射出窓５５を射出瞳５３に投影したときの形状を示したものが図１９の点線で示した円５５′である。円５５′は、
（Ｘ−（ｚ２−ｚｉ）／ｚ２×ｘｐ）２＋Ｙ２＝（ｚｉ／ｚ２×ｒ２）２
を満足する。
【００８８】
ところでイメージセンサ１０に入射する光束は、前側射出窓５４を投影した円５４′と後側射出窓５５を投影した円５５′の重なる領域となる。図４のイメージセンサ説明図に示したように、焦点検出を行う画素は２つの光電変換部に分割されているため、各光電変換部に入射する光束は射出瞳５３面上でＹ軸を境に分割される。
【００８９】
そのため図１９において、射出瞳５３面上での焦点検出光束Ｌαの面積ＳαはＹ軸と円５５′の円弧に囲まれた領域となる。焦点検出光束Ｌαの面積Ｓαは、
【００９０】
同様に、射出瞳５３面上での焦点検出光束Ｌβの面積ＳβはＹ軸と円５４′及び円５５′の円弧に囲まれた領域となる。焦点検出光束Ｌβの面積Ｓβは
【００９１】
各射出窓による瞳形状に基づいて、瞳面上での焦点検出光束の面積Ｓα及びＳβが求まると（ｓ１３４）、選択手段であるＣＰＵ２０は２つの焦点検出光束の面積を比較する（ｓ１３５）。焦点検出光束Ｌαの瞳面上での面積Ｓαが焦点検出光束Ｌβの瞳面上での面積Ｓβより小さいならば（ｓ１３５）、焦点検出光束Ｌβによって生成されるβ像を注目像として選択する（ｓ１３７）。
【００９２】
フィルタの周波数特性を決定する注目像がβ像と選択されると（ｓ１２０）、ＣＰＵ２０は選択されたβ像の極値を算出してその極値の間隔から、フィルタの空間周波数特性を決定する。
【００９３】
フィルタの空間周波数特性が決定されると、１組の焦点検出像α像及びβ像に対して決定したフィルタに基づいてフィルタ処理を施して１組の像の一致度を向上させる。さらに、フィルタ処理後の１組の焦点検出像の相関演算を行って、精度の高い焦点検出が実行される。
【００９４】
（第３の実施形態）
図２０は本発明の第３の実施形態を示す図で、注目像選択のフローチャートである。本実施形態の焦点検出装置の構成及びカメラでの使用形態は第１の実施形態と同様であるため、それを説明する図面も第１の実施形態と同様である。
【００９５】
以下、図２０のフローチャートを用いて、焦点検出用の１組の画像に含まれる空間周波数成分がほぼ同一になるようにフィルタの周波数特性を決定するために用いる像を選択する方法を説明する。
【００９６】
選択手段であるＣＰＵ２０は、イメージセンサ１０より出力された焦点検出用の１組の画像からフィルタの周波数特性を決定するために用いる画像（注目像）を選択するために（ｓ１２０）、撮影レンズ５のレンズＣＰＵ５０と通信を行って、カメラ１に装着されている撮影レンズ５の種類を確認する（ｓ１４０）。カメラ１に装着されている撮影レンズ５の種類が確認されると、ＣＰＵ２０はメモリ回路２２に記憶された各種撮影レンズの射出窓情報から、カメラ１に装着されている撮影レンズ５の射出窓情報を読み出す。
【００９７】
さらに、ＣＰＵ２０は現在設定されている焦点検出座標を確認し（ｓ１４１）、焦点検出座標と射出窓情報から瞳面上での焦点検出光束の大小を算出し注目像を決定する（ｓ１４２）。焦点検出座標ｘｐと射出窓情報から注目像は以下のように選択される。
【００９８】
（ｘｐ＜０のとき）
ｚ２×（ｚ１−ｚｉ）＞ｚ１×（ｚ２−ｚｉ）ならばα像
ｚ２×（ｚ１−ｚｉ）＜ｚ１×（ｚ２−ｚｉ）ならばβ像
（ｘｐ＞０のとき）
ｚ２×（ｚ１−ｚｉ）＞ｚ１×（ｚ２−ｚｉ）ならばβ像
ｚ２×（ｚ１−ｚｉ）＜ｚ１×（ｚ２−ｚｉ）ならばα像
フィルタの周波数特性を決定する注目像がβ像と選択されると（ｓ１２０）、ＣＰＵ２０は選択されたβ像の極値を算出してその極値の間隔から、フィルタの空間周波数特性を決定する。
【００９９】
フィルタの空間周波数特性が決定されると、１組の焦点検出像α像及びβ像に対して決定したフィルタに基づいてフィルタ処理を施して１組の像の一致度を向上させる。さらに、フィルタ処理後の１組の焦点検出像の相関演算を行って、精度の高い焦点検出が実行される。
【０１００】
以上説明したように、上記の実施形態によれば、撮影レンズの瞳の異なる領域を透過する光束を受光する光電変換素子列と該光電変換素子列から出力される２つの光電変換信号にフィルタ処理を施した後に相関演算を行って前記撮影レンズの焦点状態を算出する演算手段とを具備した焦点検出装置において、前記２つの光電変換信号の内の１つの光電変換信号を選択する選択手段を有し、該選択手段は前記２つの光電変換信号の出力レベルから２つの光電変換信号の内相対的に高い空間周波数成分を含まない光電変換信号を選択し、前記演算手段は該選択された光電変換信号を信号処理して光電変換信号に含まれる主要空間周波数成分を検出してその信号処理結果に基づいて前記フィルタの空間周波数特性を決定することにより、フィルタ処理後の２つの光電変換信号の一致度を向上させて焦点検出精度を向上させることが可能となる。
【０１０１】
さらに、撮影レンズの瞳の異なる領域を透過する光束を受光する光電変換素子列と該光電変換素子列から出力される２つの光電変換信号にフィルタ処理を施した後に相関演算を行って前記撮影レンズの焦点状態を算出する演算手段とを具備した焦点検出装置において、前記２つの光電変換信号の内の１つの光電変換信号を選択する選択手段を有し、該選択手段は前記撮影レンズの射出窓情報及び焦点検出位置に基づいて２つの光電変換信号の内相対的に高い空間周波数成分を含まない光電変換信号を選択し、前記演算手段は該選択された光電変換信号を信号処理して光電変換信号に含まれる主要空間周波数成分を検出してその信号処理結果に基づいて前記フィルタの空間周波数特性を決定することにより、フィルタ処理後の２つの光電変換信号の一致度を向上させて焦点検出精度を向上させることが可能となる。
【０１０２】
【他の実施形態】
本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用しても良いし、また、単体の機器から成る装置に適用しても良いしＬＡＮなどのネットワークを介して処理が行われるシステムに適用しても良い。
【０１０３】
また、各実施形態の目的は、前述した実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記憶媒体（または記録媒体）を、システムあるいは装置に供給し、そのシステムあるいは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ）が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出し実行することによっても、達成されることは言うまでもない。この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が前述した実施形態の機能を実現することになり、そのプログラムコードを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。また、コンピュータが読み出したプログラムコードを実行することにより、前述した実施形態の機能が実現されるだけでなく、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼働しているオペレーティングシステム（ＯＳ）などが実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって前述した実施形態の機能が実現される場合も含まれることは言うまでもない。
【０１０４】
さらに、記憶媒体から読み出されたプログラムコードが、コンピュータに挿入された機能拡張カードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書込まれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張カードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵなどが実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって前述した実施形態の機能が実現される場合も含まれることは言うまでもない。
【０１０５】
本発明を上記記憶媒体に適用する場合、その記憶媒体には、先に説明した手順に対応するプログラムコードが格納されることになる。
【０１０６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、撮影レンズの光軸から離れた位置で焦点検出を行なう場合でも、その検出精度の低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係わるデジタルカメラの構成図である。
【図２】イメージセンサの概略平面図である。
【図３】光電変換部の説明図である。
【図４】イメージセンサの断面図である。
【図５】イメージセンサの回路構成図である。
【図６】各制御信号のタイミングチャートである。
【図７】カメラ動作を説明するフローチャートである。
【図８】焦点検出動作を説明するフローチャートである。
【図９】注目像選択動作を説明するフローチャートである。
【図１０】焦点検出像の説明図である。
【図１１】焦点検出像の極値の説明図である。
【図１２】フィルタ波形の説明図である。
【図１３】フィルタの空間周波数特性の説明図である。
【図１４】焦点検出像の説明図である。
【図１５】注目像選択動作を説明するフローチャートである。
【図１６】焦点検出位置の説明図である。
【図１７】焦点検出光束の説明図である。
【図１８】焦点検出光束の説明図である。
【図１９】瞳形状の説明図である。
【図２０】注目像選択動作を説明するフローチャートである。
【図２１】焦点検出原理の説明図である。
【図２２】イメージセンサの断面図である。
【図２３】瞳形状の説明図である。
【図２４】焦点検出像の説明図である。
【符号の説明】
１ カメラ本体
３ 接眼レンズ
５ 撮影レンズ
９ 液晶表示素子
１０ イメージセンサ
２０、５０ ＣＰＵ
２１ イメージセンサ制御回路
２２ メモリー回路
２３ インターフェイス回路
２４ 画像処理回路
２５ 液晶表示素子駆動回路
２６ 電気接点
５１ レンズ駆動機構
５２ 絞り駆動機構
５３ 絞り装置
Claims (1)
- 撮影レンズの瞳の異なる領域を通過する２つの光束を受光し、前記２つの光束にそれぞれ対応する２つの光電変換信号を出力する光電変換素子列と、
前記２つの光電変換信号のうちの一方の光電変換信号を選択する選択手段と、
該選択手段により選択された前記一方の光電変換信号に基づいて、前記２つの光電変換信号のうちの少なくとも他方の光電変換信号にフィルタ処理を施すためのフィルタの特性を決定するフィルタ特性演算手段と、
該フィルタ特性演算手段により特性が決定されたフィルタにより少なくとも一方がフィルタ処理された前記２つの光電変換信号に基づいて前記撮影レンズの焦点状態を算出する焦点状態演算手段と、
を備えることを特徴とする焦点検出装置。
Priority Applications (1)
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| JP2002305827A JP2004138968A (ja) | 2002-10-21 | 2002-10-21 | 焦点検出装置 |
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- 2002-10-21 JP JP2002305827A patent/JP2004138968A/ja not_active Withdrawn
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