JP2010032646A - 焦点検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】隣接する画素を結合あるいは加算することで画素ピッチが粗くなった場合においても、被写体の高周波成分による焦点検出の誤差を軽減できるようにする。
【解決手段】被写体像を形成する撮影光学系と、被写体像を光電変換する撮像素子であって、撮影光学系の射出瞳を分割した一部領域を通過した光束を受光する焦点検出用画素ＢＬＫを有する撮像素子と、撮像素子の所定の領域内に含まれる複数の焦点検出用画素の出力に焦点検出用画素の位置に応じた重み付け係数を掛けて加算する加算部と、加算部からの出力に基づいて生成した一対の位相差検出用信号から焦点ずれ量を計算する焦点ずれ量演算部とを備える。
【選択図】図１２

Description

本発明は、デジタルスチルカメラ、ビデオカメラなどに搭載される焦点検出装置に関する。

従来、カメラの自動焦点検出装置として、撮影レンズの異なる射出瞳領域を通過した被写体からの光束を、一対のラインセンサー上に結像させ、これらのラインセンサーから得られる一対の像信号の相対位置変位量を求めることにより、被写体のデフォーカス量を検出して、これに基づいて焦点調節レンズの駆動を行なう自動焦点装置が良く知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、撮像素子に位相差検出機能を付与し、専用のＡＦセンサを不要とし、位相差焦点検出を実現するための技術も提案されている。

例えば特開２０００−１５６８２３号公報（特許文献２）では、撮像素子の一部の受光素子（画素）に対して、オンチップマイクロレンズの光軸に対して受光部の感度領域を偏心させることで瞳分割機能を付与している。そしてこれらの画素を焦点検出用画素とし、撮像用画素群の間に所定の間隔で配置することで、位相差焦点検出を行なう。

一方、電荷蓄積型センサは、低輝度被写体では電荷蓄積量自体が減少するので、センサ出力のＳ／Ｎが低下し、焦点検出精度が悪化する問題がある。

一般的に、特許文献２で開示されている焦点検出用画素は、専用のＡＦセンサの画素よりも開口部が小さいため、低輝度被写体に対してＳ／Ｎが低下する。これは、焦点検出用画素が配置された箇所は撮像用画素の欠損部となるため、焦点検出用画素のサイズを、撮像用画素と同じサイズかもしくは小さく構成する必要があり、専用ＡＦセンサの画素のようにサイズを自由に設計することができないためである。

そこで、特開平１０−３１９３１１号公報（特許文献３）には、隣接する光電変換画素アレイを結合および分離できる画素ピッチ切り換え手段を備えた焦点検出装置が開示されている。この焦点検出装置では、低輝度時に画素ピッチ切り換え手段により、隣接する光電変換画素アレイを結合し、電荷蓄積量を増加させてＳ／Ｎを向上させている。

一方、位相差焦点検出では、被写体の高周波成分が検出精度に悪影響を及ぼすことが知られている。

そこで、特開平６−３０８３７９号公報（特許文献４）には、撮影画面の水平、垂直方向に対して、ラインセンサーの画素を少し傾けることによって光学的に高周波成分をカットする構成が開示されている。
特開２０００−２９２６８６号公報 特開２０００−１５６８２３号公報 特開平１０−３１９３１１号公報 特開平６−３０８３７９号公報

しかしながら、上記の特許文献３に開示されている焦点検出装置では、Ｓ／Ｎを良くするために、隣接画素信号を加算して像信号を形成した場合、画素ピッチが粗くなり、検出できる空間周波数の分解能が低下する。そのため、被写体の高周波成分による焦点検出結果の誤差がより大きくなる。

また、上記の特許文献４に開示されている焦点検出装置では、傾けた画素に対して平行で、かつ高周波な被写体に対しては、光学的な高周波成分カットができない問題が生じる。

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、隣接する画素を結合あるいは加算することで画素ピッチが粗くなった場合においても、被写体の高周波成分による焦点検出の誤差を軽減できるようにすることである。

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、被写体像を形成する撮影光学系と、前記被写体像を光電変換する撮像素子であって、前記撮影光学系の射出瞳を分割した一部領域を通過した光束を受光する焦点検出用画素を有する撮像素子と、前記撮像素子の所定の領域内に含まれる複数の前記焦点検出用画素の出力に該焦点検出用画素の位置に応じた重み付け係数を掛けて加算する加算手段と、前記加算手段からの出力に基づいて生成した一対の位相差検出用信号から焦点ずれ量を計算する焦点ずれ量演算手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、隣接する画素を結合あるいは加算することで画素ピッチが粗くなった場合においても、被写体の高周波成分による焦点検出の誤差を軽減できるようにすることが可能となる。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の一実施形態に係わるカメラの構成を示す図であり、撮像素子を備えたカメラ本体と撮影光学系が一体となったデジタルカメラを示している。

図１において、１０１は撮影光学系（撮影レンズ）の先端に配置された第１レンズ群で、光軸方向に進退可能に保持される。１０２は絞り兼用のシャッタで、その開口径を調節することにより撮影時の光量調節を行なうほか、静止画撮影時には露光秒時を調節する機能も備える。１０３は第２レンズ群である。そしてシャッタ１０２及び第２レンズ群１０３は一体となって光軸方向に進退し、第１レンズ群１０１の進退動作との連動により、変倍（ズーミング）を行う。

１０５は第３レンズ群で、光軸方向の進退動作により、焦点調節を行なう。１０６は光学的ローパスフィルタで、撮影画像の偽色やモアレを軽減する機能を果たす。１０７はＣ−ＭＯＳセンサとその周辺回路で構成された撮像素子である。この撮像素子１０７は、横方向ｍ画素、縦方向ｎ画素の受光ピクセル上に、ベイヤー配列の原色カラーモザイクフィルタがオンチップで形成された、２次元単板カラーセンサである。

１１１はズームアクチュエータで、不図示のカム筒を回動することで、第１レンズ群１１１及び第２レンズ群１０３を光軸方向に進退駆動し、変倍操作を行なう。１１２はシャッタアクチュエータで、シャッタ１０２の開口径を制御して撮影光量を調節すると共に、静止画撮影時の露光時間の制御を行なう。１１４はフォーカスアクチュエータで、第３レンズ群１０５を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行なう。

１１５は撮影時に被写体を照明するための電子フラッシュであり、キセノン管を用いた閃光照明装置が通常用いられるが、連続発光するＬＥＤを用いた照明装置でも良い。１１６はＡＦ補助光投光装置で、所定の開口パターンを有したマスクの像を、投光レンズを介して被写界に投影し、暗い被写体あるいはコントラストの低い被写体に対する焦点検出能力を向上させる。

１２１はＣＰＵで、カメラ本体の種々の制御を司る。ＣＰＵ１２１は、演算部、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、通信インターフェイス回路等を有し、ＲＯＭに記憶された所定のプログラムに基づいて、カメラが有する各種回路を駆動する。そして、ＡＦ（オートフォーカス）、ＡＥ（自動露出）、撮影処理、画像処理、記録処理等の一連の動作を実行する。

１２２はフラッシュ制御回路で、撮影動作に同期して電子フラッシュ１１５を点灯制御する。１２３は補助光駆動回路で、焦点検出動作に同期してＡＦ補助光投光装置１１６を点灯制御する。１２４は撮像素子駆動回路で、撮像素子１０７を駆動するとともに、取得した画像信号をＡ／Ｄ変換してＣＰＵ１２１に送信する。１２５は画像処理回路で、撮像素子１０７が取得した画像信号に対して、γ変換、カラー補間、ＪＰＥＧ圧縮等の処理を行なう。

１２６はフォーカス駆動回路で、焦点検出結果に基づいてフォーカスアクチュエータ１１４を駆動し、第３レンズ群１０５を光軸方向に進退させて焦点調節を行なう。１２８はシャッタ駆動回路で、シャッタアクチュエータ１１２を駆動してシャッタ１０２の開口を制御する。１２９はズーム駆動回路で、撮影者のズーム操作に応じてズームアクチュエータ１１１を駆動する。

１３１はＬＣＤ等の表示器で、カメラの撮影モードに関する情報、撮影前のプレビュー画像と撮影後の確認用画像、焦点検出時の合焦状態表示画像等を表示する。１３２は操作スイッチ群で、電源スイッチ、レリーズ（撮影トリガ）スイッチ、ズーム操作スイッチ、撮影モード選択スイッチ等を備えて構成される。１３３はフラッシュメモリ等からなる着脱可能なメモリで、撮影済み画像を記録する。

図２は、撮像素子１０７の概略的な回路構成を示す図で、特開平０９−０４６５９６号公報等に開示された技術を用いて製造される。

図２は、２次元Ｃ−ＭＯＳエリアセンサの２列×４行の画素の範囲を示しているが、撮像素子として利用する場合は、図２に示した画素を多数配置し、高解像度画像の取得を可能としている。本実施形態においては、画素ピッチが２μｍ、有効画素数が横３０００列×縦２０００行＝６００万画素、撮像画面サイズが横６ｍｍ×縦４ｍｍの撮像素子として説明を行なう。

図２において、１はＭＯＳトランジスタゲートとゲート下の空乏層とからなる光電変換部、２はフォトゲート、３は転送スイッチＭＯＳトランジスタ、４はリセット用ＭＯＳトランジスタ、５はソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ、６は水平選択スイッチＭＯＳトランジスタ、７はソースフォロワの負荷ＭＯＳトランジスタ、８は暗出力転送ＭＯＳトランジスタ、９は明出力転送ＭＯＳトランジスタ、１０は暗出力蓄積容量Ｃｔｎ、１１は明出力蓄積容量Ｃｔｓ、１２は水平転送ＭＯＳトランジスタ、１３は水平出力線リセットＭＯＳトランジスタ、１４は差動出力アンプ、１５は水平走査回路、１６は垂直走査回路である。

図３は、各画素部の断面を示す図である。

図３において、１７はＰ型ウェル、１８はゲート酸化膜、１９は一層目ポリＳｉ、２０は二層目ポリＳｉ、２１はｎ+フローティングディフュージョン部（ＦＤ部）である。ＦＤ部２１は別の転送ＭＯＳトランジスタを介して別の光電変換部と接続される。図３においては、２つの転送ＭＯＳトランジスタ３のドレインとＦＤ部２１を共通化して微細化とＦＤ部２１の容量低減による感度向上を図っているが、Ａｌ配線でＦＤ部２１を接続しても良い。

次に、図４のタイミングチャートを用いて撮像素子の動作について説明する。このタイミングチャートは、全画素独立出力の場合のタイミングを示す図である。

まず垂直走査回路１６からのタイミング出力によって、制御パルスφＬをハイとして垂直出力線をリセットする。また制御パルスφＲ０，φＰＧ００，φＰＧｅ００をハイとし、リセット用ＭＯＳトランジスタ４をオンとし、フォトゲート２の一層目ポリＳｉ１９をハイとしておく。時刻Ｔ０において、制御パルスφＳ０をハイとし、選択スイッチＭＯＳトランジスタ６をオンさせ、第１、第２ラインの画素部を選択する。次に制御パルスφＲ０をローとし、ＦＤ部２１のリセットを止め、ＦＤ部２１をフローティング状態とする。そして、ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ５のゲート・ソース間をスルーとした後、時刻Ｔ１において制御パルスφＴｎをハイとし、ＦＤ部２１の暗電圧をソースフォロワ動作で蓄積容量Ｃｔｎ１０に出力させる。

次に、第１ラインの画素の光電変換出力を行なうため、第１ラインの制御パルスφＴＸ００をハイとして転送スイッチＭＯＳトランジスタ３を導通した後、時刻Ｔ２において制御パルスφＰＧ００をローとして下げる。この時フォトゲート２の下に拡がっていたポテンシャル井戸を上げて、光発生キャリアをＦＤ部２１に完全転送させるような電圧関係が好ましい。従って完全転送が可能であれば制御パルスφＴＸはパルスではなくある固定電位でもかまわない。

時刻Ｔ２でフォトダイオードの光電変換部１からの電荷がＦＤ部２１に転送されることにより、ＦＤ部２１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５がフローティング状態であるので、ＦＤ部２１の電位を時刻Ｔ３において制御パルスφＴｓをハイとして蓄積容量Ｃｔｓ１１に出力する。この時点で第１ラインの画素の暗出力と光出力はそれぞれ蓄積容量Ｃｔｎ１０とＣｔｓ１１に蓄積されており、時刻Ｔ４の制御パルス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１３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１５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を出力させる。この時、蓄積容量Ｃｔｎ１０とＣｔｓ１１の差動増幅器１４によって、差動出力Ｖｏｕｔを取れば、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。また画素３０−１２、３０−２２の光電荷は画素３０−１１、３０−２１と同時に夫々の蓄積容量Ｃｔｎ１０とＣｔｓ１１に蓄積されるが、その読み出しは水平走査回路１５からのタイミングパルスを１画素分遅らして水平出力線に読み出して差動増幅器１４から出力させる。

本実施形態では、差動出力Ｖｏｕｔをチップ内で生成する構成を示しているが、チップ内に含めず、外部で従来のＣＤＳ（Correlated Double Sampling：相関二重サンプリング）回路を用いるように構成しても同様の効果が得られる。

蓄積容量Ｃｔｓ１１に明出力を出力した後、制御パルスφＲ０をハイとしてリセット用ＭＯＳトランジスタ４を導通しＦＤ部２１を電源ＶＤＤにリセットする。第１ラインの水平転送が終了した後、第２ラインの読み出しを行なう。第２ラインの読み出しは、制御パルスφＴＸｅ０、制御パルスφＰＧｅ０を同様に駆動させ、制御パルスφＴｎ、φＴｓに夫々ハイパルスを供給して、蓄積容量Ｃｔｎ１０とＣｔｓ１１に夫々光電荷を蓄積し、暗出力及び明出力を取り出す。以上の駆動により、第１、第２ラインの読み出しが夫々独立に行なえる。この後、垂直走査回路を走査させ、同様に第２ｎ＋１，第２ｎ＋２（ｎ＝１，２，…）の読み出しを行なえば全画素独立出力が行なえる。即ち、ｎ＝１の場合は、まず制御パルスφＳ１をハイとし、次にφＲ１をローとし、続いて制御パルスφＴｎ、φＴＸ０１をハイとし、制御パルスφＰＧ０１をロー、制御パルスφＴｓをハイ、制御パルスφＨＣを一時ハイとして画素３０−３１，３０−３２の画素信号を読み出す。続いて、制御パルスφＴＸｅ１，φＰＧｅ１及び上記と同様に制御パルスを印加して、画素３０−４１，３０−４２の画素信号を読み出す。

図５乃至図７は、撮像用画素と焦点検出用画素の構造を説明する図である。本実施形態においては、２行×２列の４画素のうち、対角２画素にＧ（緑色）の分光感度を有する画素を配置し、他の２画素にＲ（赤色）とＢ（青色）の分光感度を有する画素を各１個配置した、ベイヤー配列が採用されている。そして、このベイヤー配列の間に、後述する構造の焦点検出用画素が所定の規則で分散配置される。

図５は、撮像用画素の配置と構造を示す図である。

図５（ａ）は２行×２列の撮像用画素の平面図である。周知のごとく、ベイヤー配列では対角方向にＧ画素が、他の２画素にＲとＢの画素が配置される。そしてこの２行×２列の構造が繰り返し配置される。

図５（ｂ）は、図５（ａ）における断面Ａ−Ａを示している。ＭＬは各画素の最前面に配置されたオンチップマイクロレンズ、ＣＦＲはＲ（Ｒｅｄ）のカラーフィルタ、ＣＦＧはＧ（Ｇｒｅｅｎ）のカラーフィルタである。ＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）は図３で説明したＣ−ＭＯＳセンサの光電変換部を模式的に示したもの、ＣＬ（Ｃｏｎｔａｃｔ Ｌａｙｅｒ）はＣ−ＭＯＳセンサ内の各種信号を伝達する信号線を形成するための配線層である。ＴＬは撮影光学系を模式的に示したものである。

ここで、撮像用画素のオンチップマイクロレンズＭＬと光電変換部ＰＤは、撮影光学系ＴＬ（Ｔａｋｉｎｇ Ｌｅｎｓ）を通過した光束を可能な限り有効に取り込むように構成されている。換言すると、撮影光学系ＴＬの射出瞳ＥＰ（Ｅｘｉｔ Ｐｕｐｉｌ）と光電変換部ＰＤは、マイクロレンズＭＬにより共役関係にあり、かつ光電変換部の有効面積は大面積に設計される。また、図５（ｂ）ではＲ画素の入射光束について説明したが、Ｇ画素及びＢ（Ｂｌｕｅ）画素も同一の構造となっている。従って、撮像用のＲＧＢ各画素に対応した射出瞳ＥＰは大径となり、被写体からの光束（光量子）を効率よく取り込んで画像信号のＳ／Ｎを向上させている。

図６は、撮影光学系の水平方向（横方向）に瞳分割を行なうための焦点検出用画素の配置と構造を示す図である。ここで水平方向あるいは横方向とは、撮影光学系の光軸が水平となるようにカメラを構えたとき、この光軸に直交し、かつ水平方向に伸びる直線に沿った方向を指す。図６（ａ）は、焦点検出用画素を含む２行×２列の画素の平面図である。記録もしくは観賞のための画像信号を得る場合、Ｇ画素で輝度情報の主成分を取得する。そして人間の画像認識特性は輝度情報に敏感であるため、Ｇ画素が欠損すると画質劣化が認知されやすい。一方でＲもしくはＢ画素は、色情報（色差情報）を取得する画素であるが、人間の視覚特性は色情報には鈍感であるため、色情報を取得する画素は多少の欠損が生じても画質劣化は認識され難い。そこで本実施形態においては、２行×２列の画素のうち、Ｇ画素は撮像用画素として残し、ＲとＢの画素を焦点検出用画素に置き換える。これを図６（ａ）においてＳＨＡ及びＳＨＢで示す。

図６（ｂ）は、図６（ａ）における断面Ａ−Ａを示している。マイクロレンズＭＬと、光電変換部ＰＤは図５（ｂ）に示した撮像用画素と同一構造である。本実施形態においては、焦点検出用画素の信号は画像創生には用いないため、色分離用カラーフィルタの代わりに透明膜ＣＦＷ（Ｗｈｉｔｅ）が配置される。また、撮像素子で瞳分割を行なうため、配線層ＣＬの開口部はマイクロレンズＭＬの中心線に対して一方向に偏倚している。具体的には、画素ＳＨＡの開口部ＯＰＨＡは右側に偏倚しているため、撮影光学系ＴＬの左側の射出瞳ＥＰＨＡ（射出瞳の一部領域）を通過した光束を受光する。同様に、画素ＳＨＢの開口部ＯＰＨＢは左側に偏倚しているため、撮影光学系ＴＬの右側の射出瞳ＥＰＨＢを通過した光束を受光する。よって、画素ＳＨＡを水平方向に規則的に配列し、これらの画素群で取得した被写体像をＡ像（位相差検出用信号）とし、画素ＳＨＢも水平方向に規則的に配列し、これらの画素群で取得した被写体像をＢ像とすると、Ａ像とＢ像の相対位置を検出することで、被写体像のピントずれ量（デフォーカス量）を検出することができる。

なお、上記の画素ＳＨＡ及びＳＨＢでは、撮影画面の横方向に輝度分布を有した被写体、例えば縦線に対しては焦点検出可能だが、縦方向に輝度分布を有する横線は焦点検出不能である。そこで本実施形態では、後者についても焦点検出できるよう、撮影光学系の垂直方向（縦方向）にも瞳分割を行なう画素も備えている。

図７は、撮影光学系の垂直方向（換言すると上下方向もしくは縦方向）に瞳分割を行なうための焦点検出用画素の配置と構造を示す。ここで垂直方向あるいは上下あるいは縦方向とは、撮影光学系の光軸が水平となるようにカメラを構えたとき、この光軸に直交し、鉛直方向に伸びる直線に沿った方向を指す。図７（ａ）は、焦点検出用画素を含む２行×２列の画素の平面図で、図６（ａ）と同様に、Ｇ画素は撮像用画素として残し、ＲとＢの画素を焦点検出用画素としている。これを図７（ａ）においてＳＶＣ及びＳＶＤで示す。

図７（ｂ）は、図７（ａ）の断面Ａ−Ａを示しているが、図６（ｂ）の画素が横方向に瞳分離する構造であるのに対して、図７（ｂ）の画素は瞳分離方向が縦方向になっているだけで、画素の構造としては変わらない。すなわち、画素ＳＶＣの開口部ＯＰＶＣは下側に偏倚しているため、撮影光学系ＴＬの上側の射出瞳ＥＰＶＣを通過した光束を受光する。同様に、画素ＳＶＤの開口部ＯＰＶＤは上側に偏倚しているため、撮影光学系ＴＬの下側の射出瞳ＥＰＶＤを通過した光束を受光する。よって、画素ＳＶＣを垂直方向に規則的に配列し、これらの画素群で取得した被写体像をＣ像とし、画素ＳＶＤも垂直方向に規則的に配列し、これらの画素群で取得した被写体像をＤ像とすると、Ｃ像とＤ像の相対位置を検出することで、垂直方向に輝度分布を有する被写体像のピントずれ量（デフォーカス量）を検出することができる。

図８乃至図１０は、上記の図５乃至図７で説明した撮像用画素と焦点検出用画素の配置の規則を説明する図である。

図８は、撮像用画素の間に焦点検出用画素を離散的に配置する場合の、最小単位の配置規則を説明するための図である。

図８において、１０行×１０列＝１００画素をひとつのブロックと定義する。そして一番左上のブロックＢＬＫ（１，１）において、一番左下のＲ画素とＢ画素を、水平方向に瞳分割を行なう１組の焦点検出用画素ＳＨＡ及びＳＨＢで置き換える。

その右隣のブロックＢＬＫ（１，２）においては、同じく一番左下のＲ画素とＢ画素を、垂直方向に瞳分割を行なう１組の焦点検出用画素ＳＶＣ及びＳＶＤで置き換える。また、最初のブロックＢＬＫ（１，１）の下に隣接したブロックＢＬＫ（２，１）の画素配列は、ブロックＢＬＫ（１，２）と同一とする。そして、その右隣のブロックＢＬＫ（２，２）の画素配列は、先頭のブロックＢＬＫ（１，１）と同一とする。

この配置規則を普遍的に表現すると、ブロックＢＬＫ（ｉ，ｊ）において、ｉ＋ｊが偶数なら水平瞳分割用の焦点検出用画素を配置し、ｉ＋ｊが奇数なら垂直瞳分割用の焦点検出用画素を配置することになる。そして、図８の２×２＝４ブロック、すなわち２０行×２０列＝４００画素の領域を、ブロックの上位の配列単位として、クラスタと定義する。

図９は、前述したクラスタを単位とした配置規則を説明するための図である。

図９において、２０行×２０列＝４００画素で構成された一番左上のクラスタをＣＳＴ（ｕ，ｗ）＝ＣＳＴ（１，１）とする。そして、このクラスタＣＳＴ（１，１）においては、各ブロックの一番左下のＲ画素とＢ画素を、焦点検出用画素ＳＨＡ及びＳＨＢ、もしくはＳＶＣ及びＳＶＤで置き換える。

その右隣のクラスタＣＳＴ（１，２）においては、ブロック内における焦点検出用画素の配置を、クラスタＣＳＴ（１，１）に対して上方向に２画素分シフトした位置に配置する。また、最初のクラスタＣＳＴ（１，１）の下に隣接したクラスタＣＳＴ（２，１）においては、ブロック内における焦点検出用画素の配置を、クラスタＣＳＴ（１，１）に対して右方向に２画素分シフトした位置に配置する。以上の規則を繰り返し適用すると図９に示した配置が得られる。

この配置規則を普遍的に表現すると以下のようになる。なお、焦点検出用画素の座標は、図６もしくは図７で示したＧ画素を含む４画素を一つの単位（ペア）とし、そのうちの左上の画素の座標で規定する。また各ブロック内の座標は左上を（１，１）とし、下方向と右方向を正とする。

以上の定義を適用すると、クラスタＣＳＴ（ｕ，ｗ）において、各ブロック内の焦点検出用画素ペアの水平座標は２×ｕ−１となり、垂直座標は１１−２×ｗとなる。そして、図９の５×５＝２５クラスタ、すなわち１００行×１００列＝１万画素の領域を、クラスタの上位の配列単位として、フィールドと定義する。

図１０は、上記のフィールドを単位とした配置規則を説明するための図である。同図において、１００行×１００列＝１万画素で構成された一番左上のフィールドをＦＬＤ（ｑ，ｒ）＝ＦＬＤ（１，１）とする。そして本実施形態では、すべてのフィールドＦＬＤ（ｑ，ｒ）は先頭フィールドＦＬＤ（１，１）と同様の配列となっている。そこで、ＦＬＤ（１，１）を水平方向に３０個、垂直方向に２０個配列すると、３０００列×２０００行＝６００万画素の撮像領域は６００個のフィールドで構成されることになる。そして撮像領域全面に渡って焦点検出用画素を均一に分布させることができる。

次に図１１乃至図１４を用いて、焦点検出時の画素のグループと信号加算方法について説明する。

図１１は、撮影光学系によって形成された被写体像の、横ずれ方向の焦点検出（焦点ずれ量演算）を行なう場合の画素グループ化方法を説明する図である。

横ずれ方向の焦点検出とは、図６で説明した、撮影光学系の射出瞳を横方向（左右方向、水平方向）に分割するための焦点検出用画素を用いて、位相差式焦点検出を行なうことを指す。

図１１に示す画素配列は図９で説明したものであるが、焦点検出の際には、破線で囲まれた範囲を１つのグループとし、これをセクションと定義する。隣接しているセクションは一部がオーバーラップしている。そして、本実施形態では、横方向に並んだ３０セクションで、１つの焦点検出領域を構成する。この１つの焦点検出領域をＡＦエリアと定義する。ここで、１つのセクション内（領域内）においては、横方向における一方の瞳分割を行なう画素ＳＨＡが９個、他方の瞳分割を行なう画素ＳＨＢも９個含まれている。そこで本実施形態においては、９個のＳＨＡの出力をそれぞれ重み付け加算して、位相差演算用の一方の画像信号（Ａ像と称する）の１ＡＦ画素とする。同様に、９個のＳＨＢの出力についても重み付け加算して、位相差演算用の他方の画像信号（Ｂ像と称する）の１ＡＦ画素とする。

図１２は、セクションにおける、重み付け加算方法を説明するための図である。

図１２は、図１１の左端の２つのセクションを切り出したものである。そして下端に示された水平線ＰＲＪｈは、焦点検出用画素ＳＨＡ及びＳＨＢの瞳分割方向に延伸した第１の射影軸（Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｌｉｎｅ）と射影された像信号に対応した重み付け係数である。

ここで、セクション内における、各焦点検出用画素に対応した重み付け係数はセクションの中心付近ほど大きく、周辺ほど小さくなっている。焦点検出用画素からの信号と重み付け係数を乗算して、１セクション内で乗算結果を積算する。そして、１セクションの演算結果を１ＡＦ画素の信号とする。ＳＣＴｈ（１）、ＳＣＴｈ（２）以外の他のセクションについても同様の重み付け係数であり、同様の演算を行なう。

ここで、隣接するセクションは一部の焦点検出用画素がオーバーラップするように構成しているので、光学的に被写体の高周波成分をカットしているのと同じ効果が得られる。 図１３は、撮影光学系によって形成された被写体像の、縦ずれ方向の焦点検出を行なう場合の画素グループ化方法を説明する図である。縦ずれ方向の焦点検出とは、図７で説明した、撮影光学系の射出瞳を縦方向（上下方向、すなわち垂直方向）に分割するための焦点検出用画素を用いて、位相差焦点検出を行なうことを指す。すなわち、図１１で説明した技術を９０度回転したものに相当する。

図１３に示す画素配列も図９で説明したものだが、焦点検出の際には、破線で囲まれた範囲を１つのグループとし、これをセクションと定義する。隣接しているセクションは一部がオーバーラップしている。すなわちｎ番目（ｎは正の整数）と（ｎ＋１）番目のセクションは一部オーバーラップしている。そして、本実施形態では、縦方向に並んだ３０セクションで、１つの焦点検出領域を構成する。この１つの焦点検出領域も図１１と同様にＡＦエリアと定義する。ここで、１つのセクション内においては、縦方向における一方の瞳分割を行なう画素ＳＶＣが９個、他方の瞳分割を行なう画素ＳＶＤも９個含まれている。そこで本実施形態においては、９個のＳＶＣの出力をそれぞれ重み付け加算して、位相差演算用の一方の画像信号（Ｃ像と称する）の１ＡＦ画素とする。同様に、９個のＳＶＤの出力についても重み付け加算して、位相差演算用の他方の画像信号（Ｄ像と称する）の１ＡＦ画素とする。

図１４は、セクションにおける、重み付け加算方法を説明するための図で、図１２の手法を９０度回転したものと等価である。

図１４は図１３の上端の２つセクションを切り出したものである。そして右端に示された垂直線ＰＲＪｖは、焦点検出用画素ＳＶＣ及びＳＶＤの瞳分割方向に延伸した第２の射影軸と射影された像信号に対応した重み付け係数である。

図１４においても、セクション内における焦点検出用画素に対応した重み付け係数はセクションの中心付近ほど大きく、周辺ほど小さくなっている。焦点検出用画素からの信号と重み付け係数を乗算し、１セクション内の乗算結果を積算する。そして、１セクションの演算結果を１ＡＦ画素の信号とする。ＳＣＴｖ（１）、ＳＣＴｖ（２）以外の他のセクションについても同様の重み付け係数であり、同様の演算を行なう。

図１４においても、隣接するセクションは一部の焦点検出用画素がオーバーラップするように構成しているので、光学的に被写体の高周波成分をカットしているのと同じ効果が得られる。

図１５は、本実施形態における撮像素子の瞳分割状況を概念的に説明する図である。ＴＬは撮影光学系、１０７は撮像素子、ＯＢＪは被写体、ＩＭＧは被写体像である。

撮像用画素は図５で説明したように、撮影光学系の射出瞳全域ＥＰを通過した光束を受光する。一方、焦点検出用画素は図６及び図７で説明したように、瞳分割機能を有している。具体的には、図６の画素ＳＨＡは撮像面からレンズ後端を見て左側の瞳を通過した光束、すなわち図１５の瞳ＥＰＨＡを通過した光束を受光する。同様に画素ＳＨＢ、ＳＶＣ及びＳＶＤはそれぞれ瞳ＥＰＨＢ、ＥＰＶＣ及びＥＰＶＤを通過した光束を受光する。そして、焦点検出用画素は、図１０で説明したように撮像素子１０７の全領域に渡って分布しているため、撮像領域全域で焦点検出も可能となっている。

図１６は、焦点検出時に取得した画像と焦点検出領域を説明する図である。

図１６において、撮像面に形成された被写体像には、中央に人物、左側に近景の樹木、右側に遠景の山並みが写っている。そして本実施形態においては、焦点検出用画素は、横ずれ検出用の画素ペアＳＨＡ及びＳＨＢと、縦ずれ検出用の画素ペアＳＶＣ及びＳＶＤが、図１０に示したように撮像領域全域に渡って均等な密度で配置されている。そして横ずれ検出の際には、位相差演算のためのＡＦ画素信号を図１１及び図１２で示したようにグループ化処理する。また、縦ずれ検出の際には、位相差演算のためのＡＦ画素信号を図１３及び図１４で示したようにグループ化処理する。よって、撮像領域の任意位置において、横ずれ検出及び縦ずれ検出のための焦点検出領域を設定可能である。

図１６においては、画面中央に人物の顔が存在している。そこで公知の顔認識技術によって顔の存在が検出されると、顔領域を中心に横ずれ検知のための焦点検出領域ＡＦＡＲｈ（ｘ１，ｙ１）と、縦ずれ検知のための焦点検出領域ＡＦＡＲｖ（ｘ３，ｙ３）が設定される。ここで添え字のｈは水平方向を表わし、（ｘ１，ｙ１）及び（ｘ３，ｙ３）は焦点検出領域の左上隅の座標を表わす。そして、焦点検出領域ＡＦＡＲｈ（ｘ１，ｙ１）の各セクション内に含まれる９個の焦点検出用画素ＳＨＡを重み付け加算し、これを３０セクションに渡って連結した位相差検出用のＡ像信号がＡＦＳＩＧｈ（Ａ１）である。また、同様に各セクションの９個の焦点検出用画素ＳＨＢを重み付け加算し、これを３０セクションに渡って連結した位相差検出用のＢ像信号がＡＦＳＩＧｈ（Ｂ１）である。そして、Ａ像信号ＡＦＳＩＧｈ（Ａ１）とＢ像信号ＡＦＳＩＧｈ（Ｂ１）の相対的な横ずれ量を公知の相関演算によって計算することで、被写体の焦点ずれ量（デフォーカス量）を求めることができる。

焦点検出領域ＡＦＡＲｖ（ｘ３，ｙ３）についても同様に焦点ずれ量を求める。そして、横ずれ及び縦ずれの焦点検出領域で検出した２つの焦点ずれ量を比較し、信頼性の高い値を採用すればよい。

一方、画面左側の樹木の幹部は、縦線成分が主体、すなわち横方向に輝度分布を有しているため、横ずれ検知に適した被写体と判断され、横ずれ検知のための焦点検出領域ＡＦＡＲｈ（ｘ２，ｙ２）が設定される。また、画面右側の山並み稜線部は、横線成分が主体、すなわち縦方向に輝度分布を有しているため、縦ずれ検知に適した被写体と判断され、縦ずれ検知のための焦点検出領域ＡＦＡＲｖ（ｘ４，ｙ４）が設定される。

以上のごとく本実施形態においては、横ずれ及び縦ずれ検出のための焦点検出領域が画面の任意位置に設定可能なため、被写体の投影位置や輝度分布の方向性が様々であっても、常に正確な焦点検出が可能である。

図１７乃至図１９は、本実施形態に係わるカメラの焦点調節及び撮影工程を説明するためのフローチャートである。先に説明した図１乃至図１６の各図を参照しながら、図１７以降の制御フローを説明する。

図１７は実施形態のカメラのメインフローである。

撮影者がカメラの電源スイッチをオン操作すると、ステップＳ１０１においてＣＰＵ１２１はカメラ内の各アクチュエータや撮像素子の動作確認を行ない、メモリ内容や実行プログラムの初期化を行なうと共に、撮影準備動作を実行する。ステップＳ１０２では撮像素子の撮像動作を開始し、プレビュー用の低画素動画像を出力する。ステップＳ１０３では読み出した動画をカメラ背面に設けられた表示器１３１に表示し、撮影者はこのプレビュー画像を目視して撮影時の構図決定を行なう。

ステップＳ１０４では、プレビュー用動画像に顔が存在するか否かを認識する。そして、撮影領域に顔が存在していると認識された場合には、ステップＳ１０５からステップＳ１０６に移行し、焦点調節モードを顔ＡＦモードに設定する。ここで顔ＡＦモードとは、撮影領域の顔に焦点を合わせるＡＦモードを指す。

一方撮影領域に顔が存在していない場合はステップＳ１０５からステップＳ１０７に移行し、焦点調節モードを多点ＡＦモードに設定する。ここで多点ＡＦモードとは、撮影領域を例えば３×５＝１５分割し、各分割領域で焦点検出を行ない、焦点検出結果と被写体の輝度情報から主被写体を類推し、その領域を合焦させるモードを指す。

ステップＳ１０６あるいはステップＳ１０７でＡＦモードを決定したら、ステップＳ１０８で焦点検出領域を決定する。ステップＳ１０９では、撮影準備スイッチがオン操作されたか否かを判別し、オン操作されていなければステップＳ１０２に戻り、撮像素子駆動からステップＳ１０８の焦点検出領域の決定を繰り返し実行する。

ステップＳ１０９で撮影準備スイッチがオン操作されるとステップＳ１１０に移行し、焦点検出サブルーチンを実行する。

図１８は焦点検出サブルーチンのフローチャートである。

メインフローのステップＳ１０９から当サブルーチンのステップＳ１１０にジャンプすると、続くステップＳ１３１においては、メインルーチンのステップＳ１０８で決定した焦点検出領域に含まれる焦点検出用画素を読み出す。

ステップＳ１３２では、焦点検出領域における図１２もしくは図１４で説明した方法で、それぞれのセクション内に含まれる焦点検出用画素からの信号を重み付け加算することで、ＡＦ画素信号を得る。

ステップＳ１３３では、ステップＳ１３２の演算結果を基に、相関演算用の２像の信号を得る。具体的には、図１６に示したＡＦＳＩＧｈ（Ａ１）とＡＦＳＩＧｈ（Ｂ１）、あるいはＡＦＳＩＧｖ（Ｃ３）とＡＦＳＩＧｖ（Ｄ３）等の対の信号を創生する。

ステップＳ１３４では得られた２像の相関演算を行ない、２像の相対的な位置ずれ量を計算する。ステップＳ１３５では、相関演算結果の信頼性を判定する。ここで信頼性とは、２像の一致度を指し、２像の一致度が良い場合は一般的に焦点検出結果の信頼性が高い。そこで、複数の焦点検出領域が選択されている場合は、信頼性の高い情報を優先的に使用する。

ステップＳ１３６では、上記の信頼性の高い検出結果からピントずれ量を演算し、図１７のメインフロー内のステップＳ１１１にリターンする。

図１７のステップＳ１１１では、図１８のステップＳ１３６で計算したピントずれ量が許容値以下か否かを判断する。そして焦点ずれ量が許容値以上である場合は、非合焦と判断し、ステップＳ１１２でフォーカスレンズを駆動し、その後ステップＳ１１０からステップＳ１１２を繰り返し実行する。そしてステップＳ１１１にて合焦状態に達したと判定されると、ステップＳ１１３にて合焦表示を行ない、ステップＳ１１４に移行する。

ステップＳ１１４では、撮影開始スイッチがオン操作されたか否かを判別し、オン操作されていなければステップＳ１１４にて撮影待機状態を維持する。ステップＳ１１４で撮影開始スイッチがオン操作されるとステップＳ１１５に移行し、撮影サブルーチンを実行する。

図１９は撮影サブルーチンのフローチャートである。

撮影開始スイッチが操作されると、ステップＳ１１５にジャンプする。続くステップＳ１６１では光量調節絞りを駆動し、露光時間を規定するメカニカルシャッタの開口制御を行なう。ステップＳ１６２では、高画素静止画撮影のための画像読み出し、すなわち全画素の読み出しを行なう。ステップＳ１６３では読み出した画像信号の欠損画素補間を行なう。すなわち、焦点検出用画素の出力は撮像のためのＲＧＢカラー情報を有しておらず、画像を得る上では欠陥画素に相当する。そのため、周囲の撮像用画素の情報から補間により画像信号を創生する。

ステップＳ１６４では、画像のγ補正、エッジ強調等の画像処理を行い、ステップＳ１６５において、メモリ１３３に撮影画像を記録する。ステップＳ１６６では、表示器１３１に撮影済み画像を表示し、図１７のメインフローにリターンする。

図１７のメインフローに戻り、一連の撮影動作を終了する。

以上説明したように、上記の実施形態によれば、以下のような効果が得られる。

ステップＳ１３２で説明したように、焦点領域の各セクション内に含まれる焦点検出用画素を重み付け加算してＡＦ画素を得ている。また、隣接するセクションは、セクションに含まれる焦点検出用画素の一部がオーバーラップするように重み付け係数を設定している。そのため、演算したＡＦ画素信号で形成された被写体像信号は、光学的に高周波成分をカットされる効果ある。したがって、被写体の高周波成分による焦点検出結果の誤差を軽減できる。

本発明の一実施形態に係わるデジタルカメラの構成を示す図である。 撮像素子の回路図である。 撮像素子の画素部断面図である。 撮像素子の駆動タイミングチャートである。 撮像素子の撮像用画素の平面図と断面図である。 撮像素子のＡＦ用画素の平面図と断面図である。 撮像素子の他のＡＦ用画素の平面図と断面図である。 撮像素子の最小単位の画素配列の説明図である。 撮像素子の上位単位の画素配列の説明図である。 撮像素子の全領域における画素配列の説明図である。 横ずれ焦点検出時の画素のグループ化方法の説明図である。 横ずれ焦点検出時の画素信号の重み付け係数の説明図である。 縦ずれ焦点検出時の画素のグループ化方法の説明図である。 縦ずれ焦点検出時の画素信号の重み付け係数の説明図である。 撮像素子の瞳分割状況を説明する概念図である。 焦点検出領域の説明図である。 一実施形態のデジタルカメラのメイン制御フローチャートである。 焦点検出サブルーチンのフローチャートである。 撮影サブルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０１ 第１レンズ群
１０２ シャッタ
１０３ 第２レンズ群
１０５ 第３レンズ群
１０６ 光学的ローパスフィルタ
１０７ 撮像素子
１１３ プリズムアクチュエータ
１１４ フォーカスアクチュエータ
１２１ ＣＰＵ
１２４ 撮像素子駆動回路
１２５ 画像処理回路
１３１ 表示器
１３２ 操作スイッチ群
１３３ メモリ

Claims (3)

1. 被写体像を形成する撮影光学系と、
   前記被写体像を光電変換する撮像素子であって、前記撮影光学系の射出瞳を分割した一部領域を通過した光束を受光する焦点検出用画素を有する撮像素子と、
   前記撮像素子の所定の領域内に含まれる複数の前記焦点検出用画素の出力に該焦点検出用画素の位置に応じた重み付け係数を掛けて加算する加算手段と、
   前記加算手段からの出力に基づいて生成した一対の位相差検出用信号から焦点ずれ量を計算する焦点ずれ量演算手段と、
   を備えることを特徴とする焦点検出装置。
2. 前記加算手段は、前記位相差検出用信号のｎ番目（ｎは正の整数）の信号と隣接する（ｎ−１）番目と（ｎ＋１）番目の信号がオーバーラップするように予め設定された重み付け係数を掛けて加算を行なうことを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
3. 前記撮像素子は、記録もしくは表示のための画像を生成するための撮像用画素と、該撮像用画素の間に所定の間隔で離散的に配置された前記焦点検出用画素とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の焦点検出装置。

Images