JP2009180778A - 焦点検出装置および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】遠近混在する被写体を撮影するときでも、フェーズｉｎ／フェーズｏｕｔにより発生する焦点検出値のばらつきを改善し、常に安定した焦点検出を行う。
【解決手段】第１、第２の物体像に対応した第１、第２の像信号をそれぞれ出力するラインセンサ列１１２より成る光電変換手段ＳＮＳと、第１、第２の像信号を演算上で順次相対的に変位させ、各相対変位位置における第１、第２の像信号の一致度を表わす評価量を演算するに際し、予め第１、第２の像信号に対してフィルタ処理を施し、評価量の変化に基づいて第１、第２の物体像の像ずれ量を求め、像ずれ量に対してデフォーカス量を算出する演算手段ＰＲＳとを有し、結像光学系の焦点状態を検出する焦点検出装置において、フィルタ処理は、群遅延量の差が１より小さい第１、第２の二つのデジタルフィルタを用いて第１、第２の像信号に施す処理である。
【選択図】図３

Description

本発明は、第１、第２の物体像の相対的位置関係により結像光学系の焦点状態を検出する焦点検出装置、該焦点検出装置を具備する撮像装置に関するものである。

図６は従来の焦点検出装置が組み込まれた一眼レフレックスカメラの例を示したものである。図中、１０１は結像光学系であるところの撮影レンズである。１０２は半透過部を有する主ミラーであり、撮影時には撮影光束外へ退避し、焦点検出時には撮影光路内に斜設される。図６では撮影光束中に挿入された状態（ミラーダウン）を示している。この主ミラー１０２は、撮影光路内に斜設された状態で、撮影レンズ１０１を通過した光束の一部を、ピント板１０３、ペンタプリズム１０４および接眼レンズ１０５から構成されるファインダ光学系に導く。

１０６は、主ミラー１０２の動作に同期して主ミラー１０２に対して折り畳み、展開可能なサブミラーである。上記主ミラー１０２の半透過部を通過した光束の一部が該サブミラー１０６によって下方へ反射され、位相差式の焦点検出装置１０８に入射し、撮影レンズ１０１の焦点状態が検出される。１０７は撮影レンズ１０１を通過した被写体光学像を結像させる、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子であり、結像された被写体光学像の光量に応じて電荷に変換して得られた画像信号を出力する。

図７は、焦点検出装置１０８により焦点状態を検出する原理を説明する為の光路図であり、構成要素を、撮影レンズ１０１の光軸上に展開して示したものである。但し、主ミラー１０２およびサブミラー１０６は省略している。また、図６と同じ構成要素には同じ符号を付している。

図７の焦点検出装置１０８内において、１０９は撮影レンズ１０１の予定焦点面、即ちフィルム面と共役な面付近に配置された視野マスク、１１０は同じく予定焦点面の付近に配置されたフィールドレンズである。１１１は２つのレンズ１１１ａと１１１ｂから成る２次結像系である。１１２は２次結像系１１１の２つレンズ１１１ａと１１１ｂに対応してその後方に配置された複数の画素より成るラインセンサ列（以下、センサ列とも記す）１１２ａと１１２ｂを含む光電変換素子である。１１３は２次結像系１１１の２つのレンズ１１１ａと１１１ｂに対応して配置された２つの開口部１１３ａと１１３ｂを有する絞りである。

なお、上記視野マスク１０９、フィールドレンズ１１０、２次結像系１１１および絞り１１３が、撮影レンズ１０９の焦点状態に応じて相対的な位置関係が変化する第１、第２の物体像（被写体像）を形成する再結像光学系に相当する。そして、第１、第２の物体像に対応した第１、第２の像信号が光電変換素子１１２を成すセンサ列１１２ａと１１２ｂから出力される。

１１４は分割された２つの領域１１４ａと１１４ｂを含む撮影レンズ１０１の射出瞳を示している。

このような構成において、例えば撮影レンズ１０１を図７中左方に繰り出して、撮像素子１０７より左方向に光束が結像すると、光電変換素子１１２上の一対の物体像は矢印Ａの方向に変位する。この一対の物体像の相対的なずれ量をセンサ列１１２の出力で検出することで、撮影レンズ１０１の合焦状態を検出し、該撮影レンズ１０１の焦点調節駆動を行うことが可能である。なお、撮影レンズ１０１を図７中右方向に繰り込んだ場合、光電変換素子１１２上の一対の物体像は、図７中矢印Ａの方向とは反対方向に変位する。

図８は、一対のセンサ列１１２ａと１１２ｂを備えた光電変換素子１１２の配置を示したものである。光電変換素子１１２を成す一対のセンサ列１１２ａと１１２ｂから出力される像信号より像ずれ量を求め、焦点状態（デフォーカス量）を検出する。このため、図８中の光電変換素子１１２を組み込んだカメラは一次元的な焦点検出領域を有するものとなる。

図９は、光電変換素子１１２の制御系を示す構成図である。

センサ列１１２ａ，１１２ｂに対して共通な遮光されたダーク画素１２０の出力（ダーク出力Ｖｄ）とセンサ列１１２ａ，１１２ｂに共通な最大値検出回路１２１の出力、即ち最大値を示す画素の出力（最大値出力Ｖｐ）が差動アンプ１２２に入力される。差動アンプ１２２では、上記ダーク出力Ｖｄと最大値出力Ｖｐの差を算出し、蓄積制御部１２３に出力する。蓄積制御部１２３では、入力される所定レベルＶｒに到達するまで蓄積を行い、到達時点で蓄積動作の終了と、蓄積容量への読出信号φｒをセンサ列１１２ａ，１１２ｂに出力する。

ここで、最大値出力Ｖｐとダーク出力Ｖｄとの差を取るのは、ダーク出力Ｖｄを基準とし、所定レベルＶｒに最大値出力Ｖｐが到達するまで蓄積することにより、焦点検出の位相差検出処理において、十分精度が出るレベルであると判定できるからである。この最大値出力Ｖｐ以上に蓄積時間を増加すれば、出力信号が飽和して適切な焦点検出が行えなくなるので、読出信号φｒをセンサ列１１２ａと１１２ｂに帰還している。

図１０は、物体像であるＡ像とＢ像が結像されるセンサ列１１２ａ，１１２ｂからの像信号をダーク画素１２０のダーク出力Ｖｄを基準として示したものである。

センサ列１１２ａ，１１２ｂそれぞれの像信号（画素出力）に対して共通の最大値出力Ｖｐが設定レベルＶｒとなっている。焦点検出は、各センサ列１１２ａ，１１２ｂのうち、画素のいずれかが設定レベルＶｒを含む所定間隔内に収まったときの像信号を用いて行う。

ここで、従来から一対のセンサ列より成る光電変換素子を用いたカメラでは、光電変換素子上の物体像のかかり具合（フェーズｉｎ／フェーズｏｕｔ）により焦点検出にばらつきが発生していた。

図１１はセンサ列上のフェーズｉｎ／フェーズｏｕｔを示す図であり、１３１は複数の画素より成るセンサ列、１３２はセンサ列１３１上の物体像である。なお、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇはセンサ列１３１上の画素位置を明示するものであり、この位置は被写体像の位置に対応するものである。

図１２はセンサ列１３１上の物体像１３２のフェーズｉｎ／フェーズｏｕｔにより発生する焦点検出値（実線で示す波形）のばらつき状態を示す図である。図１１において物体像１３２が矢印Ｂの方向に移動したときの画素ｄ，ｅ，ｆ上の被写体像の位置（画素の位置に対応）を図１２の横軸に、センサ列１３１の出力レベルを縦軸に、それぞれ示し、画素毎の位置による焦点検出値の変化を示している。

図１２からわかるように、センサ列１３１上の物体像１３２のフェーズｉｎ／フェーズｏｕｔにより発生する焦点検出値のばらつきは、画素の幅を１周期とした変化を示している。

上記のフェーズｉｎ／フェーズｏｕｔにより発生する焦点検出値のばらつきを改善し、常に安定したデフォーカス量の検出を可能とする方法として、センサ列１１２ａおよび１１２ｂの各画素の画素ピッチを小さくすればよいことが知られている。しかし、画素ピッチを小さくするために画素の面積を小さくすると、センサノイズが大きくなってしまうという問題点を有している。

一方、別の方法として、光電変換素子上に結像する物体像のかかり具合が、隣接配置された複数のセンサ列の各画素で所定ピッチずれるようにセンサ列を配置した光電変換素子が提案されている（特許文献１）。この場合、隣接するセンサ列間でそれぞれのセンサ列に結像する被写体からの光束位置は位相がずれているため、１つのセンサ列における画素と画素の間の不感帯を、もう一方のセンサ列が受光する構成となっている。従って、隣接するセンサ列からの光束位置に対し、互いにセンサ列の画素を所定ピッチずらした関係に配置した光電変換素子において、隣接する複数のセンサ列の出力から検出されるデフォーカス量に基づいて一つの焦点検出値を求める。そして、フェーズｉｎ／フェーズｏｕｔにより発生する焦点検出値のばらつきの影響を防いでいる。

しかし、上記のように複数のセンサ列を隣接配置すると、二次元的に広がりを持つために、例え隣接する二つのセンサ列であっても、両方の光電変換素子に必ずしも同一距離の物体像が結像するとはいえない。このような場合、隣接する複数のセンサ列の出力から検出されるデフォーカス量に基づき、一つの焦点検出値を求めると、本来、撮影者が意図した被写体距離とは異なるデフォーカス量を算出してしまうという問題がある。特に遠近混在した被写体を測距したとき、誤測距となる可能性が高い。

この問題の回避策として、隣接する複数のセンサ列から出力される信号の類似性を求めて同一距離の物体像であるか否かを判定する技術が提案されている（特許文献２）。
特開平１０−１０４５０３号公報 特開２００６−１４５８６２号公報

上記のように類似性を求めた結果、同一距離の物体像であると判定したときは、隣接する複数のセンサ列の出力から検出されるデフォーカス量に基づき、一つの焦点検出値を求める。このようにして、フェーズｉｎ／フェーズｏｕｔにより発生する焦点検出値のばらつきの影響を防いでいる。しかし、類似性を求めた結果、同一距離の物体像ではないと判定したときは、少なくとも一方の光電変換素子の出力から検出されるデフォーカス量に基づいて焦点検出値を求めることになる。

つまり、隣接配置されたセンサ列は二次元的な広がりを持つがゆえに、遠近混在した被写体を測距する場合には、同一距離の被写体像を隣接する光電変換素子上に結像させることができない。そのため、隣接するセンサ列からの光束位置に対して互いにセンサ列の所定ピッチずらした関係に配置した光電変換素子によるフェーズｉｎ／フェーズｏｕｔにより発生する焦点検出値のばらつきの抑制効果は得られない。

この点を図１５により説明する。図１５に示すように画素数分、縦方向に一次元の広がりを持つセンサ列１１２ａ１，１１２ｂ１にセンサ列１１２ａ２，１１２ｂ２を隣接配置することで横方向にも１画素分の広がりを持つことになる。センサ列を隣接配置した組み合わせ（１１２ａ１，１１２ａ２）と（１１２ｂ１，１１２ｂ２）はそれぞれ二次元的な広がりを持つ。このため、図１５のようなセンサ列の隣接配置では横方向の広がりがあるので、遠近混在した被写体を測距する場合には、一方のセンサ列には遠の被写体が、もう一方のセンサ列には近の被写体が結像することもある。よって、同一距離の被写体像を隣接する光電変換素子上に結像させることができない。

根本的な問題は、上述したように、光電変換素子が二次元的な広がりを持つため、遠近混在した被写体を測距する場合には同一距離の被写体像を隣接する光電変換素子上に結像させることができないことである。

（発明の目的）
本発明の目的は、遠近混在する被写体を撮影するときでも、フェーズｉｎ／フェーズｏｕｔにより発生する焦点検出値のばらつきを改善し、常に安定した焦点検出を行うことのできる焦点検出装置および撮像装置を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明は、結像光学系の焦点状態に応じて、相対的な位置関係が変化する第１、第２の物体像を形成する再結像光学系と、前記第１、第２の物体像に対応した第１、第２の像信号をそれぞれ出力するラインセンサ列より成る光電変換手段と、前記第１、第２の像信号を演算上で順次相対的に変位させ、各相対変位位置における第１、第２の像信号の一致度を表わす評価量を演算するに際し、予め前記第１、第２の像信号に対してフィルタ処理を施し、前記評価量の変化に基づいて前記第１、第２の物体像の像ずれ量を求め、前記像ずれ量に対してデフォーカス量を算出する演算手段とを有し、前記結像光学系の焦点状態を検出する焦点検出装置において、前記フィルタ処理が、群遅延量の差が１より小さい第１、第２の二つのデジタルフィルタを用いて前記第１、第２の像信号に施す処理である焦点検出装置とするものである。

同じく上記目的を達成するために、本発明は、本発明の上記焦点検出装置を具備する撮像装置とするものである。

本発明によれば、遠近混在する被写体を撮影するときでも、フェーズｉｎ／フェーズｏｕｔにより発生する焦点検出値のばらつきを改善し、常に安定した焦点検出を行うことができる焦点検出装置または撮像装置を提供できるものである。

本発明を実施するための最良の形態は、以下の実施例１および２に示す通りである。

本発明の各実施例の説明に入る前に、上記特許文献１や２に開示されている課題について、改めて簡単に説明する。特許文献１では、フェーズｉｎ／フェーズｏｕｔにより発生する焦点検出値のばらつきを改善し、常に安定したデフォーカス量の検出を可能とするために、図１３に示す様なセンサ列の配置としている。図１３では、一方のセンサ列１３３の画素ａ〜ｇと他方のセンサ列１３４の画素ｈ〜ｎとが所定画素ピッチ、本例では、１／２画素ピッチ分ずれた関係で配置されている。

図１３のような配置のセンサ列１３３，１３４としたときの焦点検出値を図１４に示す。図１４では、画素ｄ〜ｆでの実線で示す焦点検出値１４０ａ（図１２の実線で示す波形に対応）の変化に対して、画素ｋ〜ｍによる点線で示す焦点検出値１４０ｂの変化とが検出される。そして、両者を単に加算すれば、焦点検出値は１４０ｃで示す零、つまり焦点検出値のばらつきを改善できる。

このようにセンサ列を互いに位相がずれた関係に配置し、隣接する複数のセンサ列（図１３では、センサ列１３３，１３４）の出力に基づいて一つの焦点検出値を求める方法が知られている。そして、隣接するセンサ列間の位相差は画素幅の１／２ピッチずらした関係が最も改善効果があることが、理論上の実験の結果から明らかになっている。

しかし、図１３の画素ａ〜ｇと画素ｈ〜ｎは２次元的に広がりを持つために同一距離の物体像が結像するとはいえない。このような場合、隣接する複数のセンサ列の出力から検出されるデフォーカス量に基づき、一つの焦点検出値を求めると、本来、撮影者が意図した被写体距離とは異なるデフォーカス量を算出してしまう。そこで、隣接する複数のセンサ列から出力される信号の類似性を求めて同一距離の物体像であるか否かを判定して誤測距を防ぐことができる。しかしながら、前述したように、このとき、隣接するセンサ列からの光束位置に対して互いにセンサ列の所定ピッチずらした関係に配置したセンサ列によるフェーズｉｎ／フェーズｏｕｔにより発生する焦点検出値のばらつきの抑制効果は得られない。

上記の問題を改善するために、本発明の実施例１では、以下のようにしている。つまり、位相特性が異なり、振幅特性が等価な一対のデジタルフィルタを用いて、一対のセンサ列を備えた光電変換素子から出力される像信号にフィルタ処理を施すことにより、像信号の位相を１／２ずらす。これにより、一方のデジタルフィルタを用いたフィルタ処理後の信号の画素と画素の間の不感帯を、もう一方のデジタルフィルタを用いたフィルタ処理後の信号が補完することになる。よって、フェーズｉｎ／フェーズｏｕｔにより発生する焦点検出ばらつきを改善でき、常に安定した焦点検出を行うことができる。

詳しくは、本実施例１では、一つの光電変換素子の出力から該光電変換素子上の物体像のかかり具合（いわゆるフェーズｉｎ／フェーズｏｕｔ）により発生する焦点検出値のばらつきを改善するものである。そのために、一対の光学系が形成する物体像の位置を光電変換素子上に結像させ、相対的に比較することによって焦点状態を検出する焦点検出装置としている。

つまり、一対の光電変換素子から出力される像信号にデジタルフィルタ処理を施す際、フィルタ段数Ｎとフィルタ段数Ｎ＋１の一対のデジタルフィルタを用いる。フィルタ段数Ｎとフィルタ段数Ｎ＋１の一対のデジタルフィルタは、群遅延量の差が１／２となるように設計されているため、フィルタ処理を施した後の像信号はフィルタ段数Ｎとフィルタ段数Ｎ＋１とで位相が１／２ずれた像信号となる。さらに、フィルタ段数Ｎとフィルタ段数Ｎ＋１の一対のデジタルフィルタは、振幅特性が等価になるように設計されているため、フィルタ処理によるゲイン倍率は等しい。

従って、一つの光電変換素子における画素と画素の間の不感帯を、もう一方の光電変換素子が補完する構成となっている。これは、光電変換素子上に結像する物体像のフェーズが隣接配置した複数の光電変換素子の各画素で１／２画素ピッチずれるようにセンサ列を配置した光電変換素子と同程度の精度が得られる。

上記のように、本実施例１では、段数Ｎと段数Ｎ＋１の一対のデジタルフィルタを、群遅延量の差が１／２で、振幅特性が等価となるように設計している。そして、フィルタ段数Ｎのデジタルフィルタを用いてフィルタ処理して検出されるデフォーカス量と、フィルタ段数Ｎ＋１のデジタルフィルタを用いてフィルタ処理して検出されるデフォーカス量に基づき、一つの焦点検出値を求める。このことで、フェーズｉｎ／フェーズｏｕｔにより発生する焦点検出ばらつきの影響を防ぐことができる。

ここで、本実施例１において用いる一対のデジタルフィルタが有していなければならない直線位相特性と等価な振幅特性について説明する。

まず、直線位相特性とは、対象性をもつフィルタ係数のデジタルフィルタを有し、全周波数帯域で遅延量が一定になることからフィルタ処理後の信号に歪を生じさせない特性のことである。直線位相特性を有するデジタルフィルタの遅延量はフィルタ段数Ｎから（Ｎ−１）／２であることが知られている。遅延量がフィルタ段数Ｎにのみ依存するのであれば、フィルタ段数Ｎとフィルタ段数Ｎ＋１のデジタルフィルタを群遅延量の差は１／２になることがわかる。フィルタ段数Ｎとフィルタ段数Ｎ＋１のデジタルフィルタが直線位相特性を有していれば全周波数帯域において群遅延量の差が１／２であることから、一つの物体像信号から互いの位相が１／２ずれた物体像信号を生成することができる。

次に、等価な振幅特性とは、像ずれ量を求める際の相関演算が像信号の振幅に依存するためにフィルタ処理によるゲインはフィルタ段数Ｎとフィルタ段数Ｎ＋１のデジタルフィルタで同じでなければならない。つまり、フィルタ段数Ｎとフィルタ段数Ｎ＋１のデジタルフィルタの振幅特性を等価にしなければならない。

ここから、上記の特性を有するデジタルフィルタについて、図１を用いて説明する。

まず、フィルタ段数Ｎのデジタルフィルタについて説明する。対象性をもつ連続関数ｈ（ｘ）（例えば、ガウス関数）から軸Ｃで左右対称になるようにサンプリングして離散信号であるフィルタ段数Ｎのデジタルフィルタｈ_Ｎ［ｋ］を求める。

次に、フィルタ段数Ｎ＋１のデジタルフィルタについて説明する。フィルタ段数Ｎのデジタルフィルタｈ_Ｎ［ｋ］をフーリエ変換して振幅特性｜Ｈ_Ｎ［ｓ］｜と位相特性∠Ｈ_Ｎ［ｓ］を求める。但し、Ｈ_Ｎ［ｓ］はフィルタ段数Ｎのデジタルフィルタｈ_Ｎ［ｋ］の周波数特性である。位相特性に関しては、フィルタ段数Ｎ＋１のデジタルフィルタの位相特性は、フィルタ段数Ｎのデジタルフィルタの群遅延量に対して位相を１／２遅らせるために位相特性∠Ｈ_Ｎ［ｓ］をｅの−（１／２）ｓ乗シフトさせた値とする。

一方、振幅特性に関しては、フィルタ段数Ｎ＋１のデジタルフィルタの振幅特性はフィルタ段数Ｎのデジタルフィルタの振幅特性｜Ｈ_Ｎ［ｓ］｜と等価でなければならないので、｜Ｈ_Ｎ［ｓ］｜とする。このようにして求めた周波数特性Ｈ_Ｎ＋１［ｓ］を逆フーリエ変換すれば、フィルタ段数Ｎ＋１のデジタルフィルタを求めることができる。

本実施例１において、フィルタ段数Ｎは光電変換素子を成す複数のセンサ列の画素数よりも小さな整数値であればどのような値でもいいが、例として、フィルタ段数４とフィルタ段数５のデジタルフィルタを用いたときのフィルタ処理を図２に示す。

上記のようにして設計したフィルタ段数４とフィルタ段数５のデジタルフィルタを用いて、図２（ａ）に示す像信号に対してフィルタ処理を施す。図２（ｂ）はフィルタ処理後の像信号を示しており、フィルタ段数４とフィルタ段数５のフィルタ処理後の像信号は互いの位相が１／２ずれることになる。

このようにして設計したフィルタ段数Ｎとフィルタ段数Ｎ＋１を一対とするデジタルフィルタを用いてフィルタ処理を施せば、位相が１／２ずれた物体像信号を得ることができる。さらに、この像信号の振幅は全周波数帯域において同じゲインで増幅または減衰されているため、互いの像信号が画素と画素の間の不感帯を補完できる。これにより、フェーズｉｎ／フェーズｏｕｔにより発生する焦点検出ばらつきを改善し、常に安定した焦点検出を行うことができる。

図３は、複数の焦点検出領域を持ち、上記のような焦点検出装置を備えた本実施例１に係る撮像装置であるところのカメラの具体的な構成の一例を示すブロック図である。

図３において、ＰＲＳは一眼レフカメラの中央演算回路であり、ＣＰＵ，ＲＡＭ，ＲＯＭ，ＡＤＣ（Ａ／Ｄコンバータ）および入出力ポート等が配置された１チップマイクロコンピュータである。上記ＲＯＭ内にはＡＦ（オートフォーカス）制御を含む一連のカメラの制御用ソフトウエアおよびパラメータが格納されている。

ＤＢＵＳはデータバスである。ＳＨＴはシャッタ制御回路であり、中央演算回路ＰＲＳよりデータバスＤＢＵＳを介して入力するデータを受け付け、そのデータに基づいて不図示のシャッタ先幕及び後幕の走行制御を行う。ＡＰＲは絞り制御回路であり、データバスＤＢＵＳを介して入力するデータを受け付け、該データに基づいて不図示の絞り制御機構を制御する。ＳＷＳはレリーズスイッチ、連写モードスイッチ並びに各種情報設定用のスイッチ等のスイッチ群である。

ＬＣＯＭはレンズ通信回路であり、データバスＤＢＵＳを介して入力するデータを受け付け、該データに基づいてレンズ制御回路ＬＮＳＵとシリアル通信を行う。該レンズ通信回路ＬＣＯＭは、クロック信号ＬＣＫに同期してレンズ駆動用データＤＣＬをレンズ側のレンズ制御回路ＬＮＳＵへ伝送し、それと同時にレンズ情報ＤＬＣがシリアル入力する。ＢＳＹは不図示の焦点調節用レンズが移動中であることをカメラ側に知らせる為の信号であり、この信号ＢＳＹが発生しているときにはシリアル通信は行われない。ＳＰＣは測光回路であり、レンズ制御回路ＬＮＳＵからの制御信号を受け取ると、測光出力を中央演算回路ＰＲＳへ送る。測光出力は中央演算回路ＰＲＳ内部のＡＤＣでＡ／Ｄ変換され、シャッタ制御回路ＳＨＴ及び絞り制御回路ＡＰＲを制御するためのデータとして用いられる。

ＳＮＳは複数の光電変換素子であり、対を成すセンサ列１１２ａ１，１１２ｂ１、１１２ａ２，１１２ｂ２、……、１１２ａｉ，１１２ｂｉをそれぞれ有する。ＳＤＲはセンサ駆動回路であり、中央演算回路ＰＲＳからの制御信号を解釈して光電変換素子ＳＮＳを制御する。詳しくは、光電変換素子ＳＮＳのいずれか一つを選択して、その選択した光電変換素子ＳＮＳから得られる像信号を中央演算回路ＰＲＳのＲＡＭに送信する。

センサ駆動回路ＳＤＲは例えば図９に示されるような構成を有する。複数の光電変換素子ＳＮＳとセンサ駆動回路ＳＤＲと中央演算回路ＰＲＳのＣＰＵなどが焦点検出装置を構成する。フィルタ段数Ｎとフィルタ段数Ｎ＋１を一対とするデジタルフィルタは図３に示す中央演算回路ＰＲＳのＲＯＭに記憶されている。センサ列からの出力に対してＣＰＵがＲＯＭからデジタルフィルタを読み出してフィルタ処理を行う。

次に、焦点検出について、図４のフローチャートを用いて説明する。この焦点検出は、中央演算回路ＰＲＳにより光電変換素子ＳＮＳからの像信号を用いて行われる。

まず、ステップＳ１０１では、光電変換素子ＳＮＳのいずれか一つを選択、つまりいずれかの対を成すセンサ列を選択する。そして、一方のセンサ列から読み出した第１の像信号および他方のセンサ列から読み出した第２の像信号に対して、図９に示したダーク画素１２０の基準信号に変換する。そして、周辺光量落ちを補正するシェーディング補正を行う。

次のステップＳ１０２では、フィルタ段数Ｎのデジタルフィルタを用いて第１、第２の像信号のフィルタ処理を行う。なお、フィルタ処理とは、畳み込み積分のことである。続くステップＳ１０３では、フィルタ処理後の波形を用いて像ずれ量を算出する。

また、上記ステップＳ１０２，Ｓ１０３と並行して行われるステップＳ１０４，Ｓ１０５では、次の動作を行う。つまり、ステップＳ１０４では、フィルタ段数Ｎ＋１のデジタルフィルタを用いて第１、第２の像信号のフィルタ処理を行う。続くステップＳ１０５では、フィルタ処理後の波形を用いて像ずれ量を算出し、ステップＳ１０６へ進む。

フィルタ処理後の第１、第２の像信号から像ずれ量を検出する信号処理方法としては、センサ列を構成する画素数をＬとし、フィルタ段数Ｎのデジタルフィルタを用いたときはｉ番目（ｉ＝０，・・・，Ｌ−Ｎ）の画素からの第１の像信号をＡ（ｉ）、第２像信号をＢ（ｉ）とするとき、

あるいは、

なる式を、ｋ１ ≦ｋ≦ｋ２ について演算する。なお、Ｍは（Ｍ＝Ｌ−Ｎ−｜ｋ｜）で表される演算画素数であり、ｋは相対変移量と呼ばれ、ｋ１ ，ｋ２ は通常−Ｌ／２、Ｌ／２にとらえることが多い。また、フィルタ段数Ｎ＋１のデジタルフィルタを用いたときはｉ番目（ｉ＝０，・・・，Ｌ−Ｎ−１）の画素からの第１の像信号をＡ（ｉ）、第２像信号をＢ（ｉ）に対してＭ＝Ｌ−Ｎ−｜ｋ｜−１の演算画素数で上記の（１）式あるいは（２）式の演算を行う。ここで、ｍａｘ｛ａ，ｂ｝なる演算子はａ，ｂから大なるものを抽出することを表し、ｍｉｎ｛ａ，ｂ｝なる演算子はａ，ｂから小なるものを抽出することを表す。したがって、前記（１）、（２）式における頁Ｘ１（ｋ）、Ｘ２（ｋ）、Ｙ１（ｋ）、Ｙ２（ｋ）は広義の相関量と考えることができる。更に前記（１）、（２）式を詳細に見ると、Ｘ１（ｋ），Ｙ１（ｋ）は現実には（ｋ−１）の変位における相関量を、Ｘ２（ｋ），Ｙ２（ｋ）は（ｋ＋１）の変位における相関量を、それぞれ表している。それゆえ、Ｘ１（ｋ），Ｘ２（ｋ）の差である評価量Ｘ（ｋ）は相対変位量ｋにおける像信号Ａ（ｉ），Ｂ（ｉ）の相関量の変化量を意味する。

Ｘ１（ｋ），Ｘ２（ｋ）なる相関量は上記定義より２像の相関が最も高いときに最小となる。よって、その変化量であるＸ（ｋ）は相関最高のときに「０」で、かつ傾きは負となるはずである。ところがＸ（ｋ）は離散データであるから、実際には、
Ｘ（ｋｐ）≧０，Ｘ（ｋｐ＋１）＜０ ・・・（３）
かつ、Ｘ（ｋｐ）−（ｋｐ＋１）が最大なる相対変位の区間〔ｋｐ，ｋｐ＋１〕に相関量のピークが存在すると考えて、
ＰＲ＝ｋｐ＋Ｘ（ｋｐ）／｛Ｘ（ｋｐ）−Ｘ（ｋｐ＋１）｝ ・・・（４）
の補間演算を行うことにより、画素単位以下の像ずれ量ＰＲを検出することができる。

一方、Ｙ１（ｋ），Ｙ２（ｋ）なる相関量は上記定義より２像の相関が最も高いとき、Ｘ１（ｋ），Ｘ２（ｋ）とは逆に最大となる。よって、その変化量であるＹ（ｋ）は相関最高のときに「０」で、かつ傾きは正となるはずである。Ｙ（ｋ）もＸ（ｋ）と同様に
Ｙ（ｋｐ）≦０，Ｙ（ｋｐ＋１）＞０ ・・・（５）
で、かつＹ（ｋｐ）−Ｙ（ｋｐ＋１）が最大のとき
ＰＲ＝ｋｐ＋｜Ｙ（ｋｐ）／｛Ｙ（ｋｐ）−Ｙ（ｋｐ＋１）｝｜・・（６）
の補間演算を行うことにより、画素単位以下の像ずれ量ＰＲを検出することができる。

次のステップＳ１０６では、上記ステップＳ１０３で算出した像ずれ量と上記ステップＳ１０５で算出した像ずれ量の平均値を求め、一つの焦点検出値を求める。これは図１４を用いて説明したように、隣接するセンサ列間の位相差を光電変換素子幅の１／２ピッチずらしたセンサ列の出力に基づいて一つの焦点検出値を求める方法が理論上の実験の結果から明らかになっている。このことから、一つの光電変換素子から出力される信号に対して一対のデジタルフィルタ用いてフィルタ処理し、位相差を１／２ずらしたそれぞれの像信号に基づいて一つの焦点検出値を求めている。

図５は、本発明の実施例２に係る焦点検出動作を示すフローチャートである。なお、図５の焦点検出動作以外は、上記実施例１と同様であるので、その詳細は省略する。

まず、ステップＳ２０１では、光電変換素子ＳＮＳのいずれか一つを選択、つまりいずれかの対を成すセンサ列を選択し、ここから読み出した像信号に対して、図９に示したダーク画素１２０の基準信号に変換する。そして、周辺光量落ちを補正するシェーディング補正を行う。

次のステップＳ２０２では、フィルタ段数Ｎのデジタルフィルタを用いてフィルタ処理を行う。また、上記ステップＳ２０２と並行して行われるステップＳ２０３では、フィルタ段数Ｎ＋１のデジタルフィルタを用いてフィルタ処理を行う。

次のステップＳ２０４では、上記ステップＳ２０２でフィルタ処理を施した後の第１、第２の像信号と上記ステップＳ２０３でフィルタ処理を施した後の第１、第２の像信号を合成する。像信号の合成は、上記ステップＳ２０２で求めた像信号の画素と画素の間に、上記ステップＳ２０３で求めた像信号の画素を挿入する。この動作を全画素に対して行うことで、見かけ上画素ピッチが１／２になる像信号が得られる。

次のステップＳ２０５では、上記ステップＳ２０４で合成した第１、第２の像信号を用いて像ずれ量を求めて焦点検出値を求める。

以上の実施例１および２においては、図４のステップＳ１０６や図５のステップＳ２０５で算出した像ずれ量に対してデフォーカス変換演算を施して求めたデフォーカス量に基づいてレンズ駆動を行い、合焦させる。このとき、一対のセンサ列を備えた光電変換素子からの像信号に基づいてデフォーカス量を求める。そのため、遠近混在した被写体の撮影するとき、複数のセンサ列を隣接配置した光電変換素子で発生し得る該センサ列間のデフォーカス量のばらつきを抑制できる。従って、撮影者が意図した被写体距離と必ず同じデフォーカス量を算出するため、誤測距となる可能性は低い。さらに、像信号の位相差を１／２ずらす一対のデジタルフィルタを用いてフィルタ処理を施した像信号に基づいて一つの焦点検出値を求めている。

したがって、遠近混在する被写体を撮影するときでも、フェーズｉｎ／フェーズｏｕｔにより発生する焦点検出ばらつきを改善し、常に安定した焦点検出を行うことができる。

なお、図４のステップＳ１０２，Ｓ１０４、及び、図５のステップＳ２０２，Ｓ２０３で用いるデジタルフィルタのフィルタ段数Ｎは固定であっても良いし、像信号のコントラストなどに応じて可変であっても良い。

（本発明と実施例の対応）
撮影レンズ１０１が本発明の結像光学系に相当する。また、視野マスク１０９、フィールドレンズ１１０、２次結像系１１１および絞り１１３が、本発明の、結像光学系の結像状態に応じて、相対的な位置関係が変化する第１と第２の物体像を形成する再結像光学系に相当する。また、光電変換素子１１２が、本発明の、第１、第２の物体像に対応した第１、第２の像信号をそれぞれ出力する複数の画素から成る光電変換手段に相当する。また、中央演算回路ＰＲＳが、本発明の、第１、第２の像信号を演算上で順次相対的に変位させ、各相対変位位置における第１、第２の像信号の一致度を表わす評価量を演算するに際し、予め第１、第２の像信号に対してフィルタ処理を施す演算手段に相当する。そして、この演算手段は、評価量の変化に基づいて第１と第２の物体像の像ずれ量を求め、像ずれ量に対してデフォーカス量を算出する。また、フィルタ段数Ｎとフィルタ段数Ｎ＋１の一対のデジタルフィルタが、本発明の、第１、第２の二つのデジタルフィルタ（第１のデジタルフィルタ、第２のデジタルフィルタ）に相当する。

また、図１中の∠Ｈ_Ｎ［ｓ］と∠Ｈ_Ｎ［ｓ］をｅの−（１／２）ｓ乗シフトさせた値が、本発明の、直線位相特性に相当し、図１中の｜Ｈ_Ｎ［ｓ］｜が、本発明の、振幅特性に相当する。また、図１中のｈ_Ｎ［ｋ］が、本発明の、フィルタ段数Ｎのデジタルフィルタに、図１中のｈ_Ｎ＋１［ｋ］が、本発明の、フィルタ段数Ｎ＋１のデジタルフィルタに、それぞれ相当する。

本発明の実施例１に係るフィルタ処理で用いるデジタルフィルタについて説明するための図である 本発明の実施例１に係るフィルタ処理を説明するための図である 本発明の実施例１に係る一眼レフカメラの構成を示すブロック図である 本発明の実施例１に係る一眼レフカメラの焦点検出動作を示すフローチャートである。 本発明の実施例２に係る一眼レフカメラの焦点検出動作を示すフローチャートである。 従来および本実施例に係る一眼レフカメラの主要部分の光学配置図である。 図６に示す焦点検出装置の焦点検出光学系を示す構成図である。 図７に示す光電変換素子を成すセンサ列の配置を説明する図である。 図７の光電変換素子の制御系を示す構成図である。 図７のセンサ列上の像信号を示す図である。 図７のセンサ列上の物体像を示す図である 一般的なフェーズｉｎ／フェーズｏｕｔによる焦点検出値の変化について説明するための図である 隣接配置されたセンサ列の配置を説明する図である。 隣接配置されたセンサ列を用いたときのフェーズｉｎ／フェーズｏｕｔによる焦点検出値に変化を示す図である。 隣接配置されたセンサ列の二次元的な広がりを示す図である。

符号の説明

１０１ 撮影レンズ
１０８ 焦点検出装置
１１１ ２次結像系
１１２ 光電変換素子
１１２ａ センサ列
１１２ｂ センサ列
ＰＲＳ 中央演算回路

Claims (6)

1. 結像光学系の焦点状態に応じて、相対的な位置関係が変化する第１、第２の物体像を形成する再結像光学系と、
   前記第１、第２の物体像に対応した第１、第２の像信号をそれぞれ出力するラインセンサ列より成る光電変換手段と、
   前記第１、第２の像信号を演算上で順次相対的に変位させ、各相対変位位置における第１、第２の像信号の一致度を表わす評価量を演算するに際し、予め前記第１、第２の像信号に対してフィルタ処理を施し、前記評価量の変化に基づいて前記第１、第２の物体像の像ずれ量を求め、前記像ずれ量に対してデフォーカス量を算出する演算手段とを有し、前記結像光学系の焦点状態を検出する焦点検出装置において、
   前記フィルタ処理は、群遅延量の差が１より小さい第１、第２の二つのデジタルフィルタを用いて前記第１、第２の像信号に施す処理であることを特徴とする焦点検出装置。
2. 前記評価量を演算するに際し、前記第１、第２の像信号に対して前記第１のデジタルフィルタを用いてフィルタ処理を施して求める像ずれ量と、前記第１、第２の像信号に対して前記第２のデジタルフィルタを用いてフィルタ処理を施して求める像ずれ量より一つの像ずれ量を求めることを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
3. 前記評価量を演算するに際し、前記第１、第２の像信号に対して前記第１のデジタルフィルタを用いてフィルタ処理を施した像信号と、前記第１、第２の像信号に対して前記第２のデジタルフィルタを用いてフィルタ処理を施した信号を合成して一つの像信号を生成し、像ずれ量を求めることを特徴とする請求項1に記載の焦点検出装置。
4. 前記フィルタ処理で用いる第１、第２のデジタルフィルタは、フィルタ段数Ｎとフィルタ段数Ｎ＋１であることを特徴とする請求項１ないし３に記載の焦点検出装置。
5. 前記フィルタ処理で用いる前記第１、第２のデジタルフィルタは、直線位相特性を有し、かつ、振幅特性が等価であることを特徴とする請求項１ないし３に記載の焦点検出装置。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の焦点検出装置を具備することを特徴とする撮像装置。

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