JP2010107662A - 撮像装置、測距装置および測距方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レンズ光軸方向に動く被写体に対して容易にピントを合わすことができる撮像装置を提供する。
【解決手段】本発明の撮像装置は、撮像領域を有する固体撮像素子１０１と、前記撮像領域に被写体像を結像する撮影レンズ１０２と、前記レンズの位置を調整するレンズ駆動部１０６と、前記撮像領域に含まれる第１の領域から得られた画素信号からコントラストを検波し、第１コントラスト信号として出力する第１コントラスト検波部１０３と、前記第１の領域と信号蓄積タイミングが異なる第２の領域から得られた画素信号からコントラストを検波し、第２コントラスト信号として出力する第２コントラスト検波部１０４と、第１コントラスト信号と第２コントラスト信号との位相差を検出するコントローラ１０５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子画像を生成し表示もしくは記録する機器に関するものであり例えばデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラまたはカメラ付き携帯電話における撮像装置、測距装置および測距方法に関する。

例えば近年のデジタルスチルカメラにおいては、固体撮像素子にＭＯＳ型イメージセンサが採用され、撮像動作の高速化や低消費電力の進歩がひとつのトレンドとなっておりめざましい発展を遂げている。一方で従来から採用されているＣＣＤを用いたデジタルスチルカメラは技術的に成熟しつつある。特に自動焦点調整機能、所謂オートフォーカス機能はデジタル一眼レフカメラを除きビデオカメラの技術からの流れである被写体のコントラストをフォーカスレンズを変位しながら検出しフォーカスレンズ位置に対するコントラストの山型のプロファイルから被写体に合焦するフォーカスレンズ位置を検出する所謂コントラストＡＦが主流となっている。上述のＭＯＳ型イメージセンサを搭載したデジタルスチルカメラにおいても、自動焦点調整ではコントラストＡＦを採用することが自然である。ところが一般的なＭＯＳ型イメージセンサはその構造から従来のＣＣＤと異なり受光エリア内の画素セルの電荷蓄積期間を同時化できないという特性があり、コントラストＡＦのようにレンズが停止しているある瞬間の被写体コントラストを時系列的に取得していく概念の自動焦点調整には不向きな面があった。この課題を解決する手段としてＡＦ領域内の画素セルの露光タイミングのずれを焦点位置が変位した量を勘案して補正する技術が提案されている（特許文献１）。

またさらには、ＡＦ検波領域の画素セルが電荷蓄積している期間外で焦点位置の変位を行う技術も提案されている（特許文献２）。
特開２００７−１０９０８号公報 特開２００６−２４３５２７号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２で開示されている従来技術は単に従来のＣＣＤを搭載したカメラが実現してきたコントラストＡＦの基本性能を達成する水準に留まっている。特に従来のコントラストＡＦはレンズ光軸方向に動く被写体に対して原理的に被写体の合焦位置が検出できないといった課題がある。このため撮像動作の高速化がＭＯＳ型イメージセンサにて実現できても、動く被写体に対してピントが合わないといったカメラの潜在的なクレームに対応できない。

本発明は、レンズ光軸方向に動く被写体に対して容易にピントを合わすことができる撮像装置、測距装置および測距方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の撮像装置は、撮像領域を有する固体撮像素子と、前記撮像領域に被写体像を結像するレンズと、前記レンズの位置を調整するレンズ位置調整部と、前記撮像領域に含まれる第１の領域から得られた画素信号からコントラストを検波し、第１コントラスト信号として出力する第１検波部と、前記第１の領域と信号蓄積タイミングが異なる第２の領域から得られた画素信号からコントラストを検波し、第２コントラスト信号として出力する第２検波部と、前記第１コントラスト信号と前記第２コントラスト信号との位相差を検出する制御部とを備える。

この構成によれば、レンズ光軸方向の被写体の動きを、上記のコントラスト変化の位相差として検出することができる。すなわち、位相差が０である場合は、レンズ光軸方向の被写体の動きが０、位相差が０でない場合は、レンズ光軸方向の被写体が動いていることを検出することができる。位相差の遅れは、被写体がレンズに近づくこと（または遠ざかること）を意味する。位相差の進みは、被写体がレンズから遠ざかること（または近づくこと）を意味する。位相差の大きさは、レンズ光軸方向の被写体の移動量（または移動速度）を意味する。これにより、レンズ光軸方向に動く被写体に対してピントを合わせることを容易にすることができる。

ここで、前記制御部は、さらに前記位相差に基づいて被写体までの距離を示す距離情報を生成してもよい。

レンズ位置と被写体との距離は一意に対応するので、上記の位相差を利用することによって、被写体の移動量（または移動速度）を加味した距離情報を生成することができる。

ここで、前記レンズ位置調整部は、動画読み出しモードにおいて画像読み出し周期毎に異なる位置にレンズ位置を調整し、前記制御部は、前記レンズ位置調整部により調整された複数のレンズ位置に対する前記第１コントラスト信号の変化から前記レンズの合焦位置を算出し、前記複数のレンズ位置に対する前記第２コントラスト信号の変化から前記レンズの合焦位置を算出し、算出された２つの合焦位置の差分を前記位相差として検出してもよい。

この構成によれば、前記第１コントラスト信号が示す合焦位置、前記第２コントラスト信号が示す合焦位置のずれを、前記位相差として容易に検出することができる。

ここで、前記制御部は、さらに、前記２つの合焦位置の差分からレンズ光軸方向の被写体の移動量を算出してもよい。

この構成によれば、各合焦位置は、被写体と撮像装置との距離に一意に対応するので、
前記２つの合焦位置の差分はレンズ光軸方向の被写体の移動量を表す。

ここで、前記制御部は、さらに、前記２つの合焦位置の差分を、前記第１の領域の信号蓄積タイミングと前記第２の領域の信号蓄積タイミングとの時間差で除算することにより、レンズ光軸方向の被写体の移動速度を算出してもよい。

この構成によれば、前記２つの合焦位置の差分を、前記第１の領域の信号蓄積タイミングと前記第２の領域の信号蓄積タイミングとの時間差で除算した結果は、レンズの変位速度を表し、さらにレンズの変位速度を換算した被写体の移動速度を表す。

ここで、前記制御部は、前記第１コントラスト信号の最大値に対応するレンズ位置と、前記第２コントラスト信号の最大値に対応するレンズ位置との差分を、前記位相差として検出してもよい。

この構成によれば、前記第１、第２コントラスト信号の最大値を求めるだけで、それぞれの合焦位置を簡単に算出することができる。

ここで、前記撮像装置は、静止画撮像用に全画素の露光時間を同じにする同時露光モードを有し、前記制御部は、前記同時露光モード直前の前記動画読み出しモードにおいて検出された位相差に基づいて、前記同時露光モードにおける露光期間の中間的な時刻におけるレンズの合焦位置を推定してもよい。

この構成によれば、レンズ光軸方向に動く被写体に対して、同時露光時刻における合焦位置を推定して、ピントを合わせることができる。

ここで、前記レンズ位置調整部は、前記画像読み出し周期において第１の領域の信号蓄積時間でなくかつ第２の領域の信号蓄積時間でない時間に前記位置を変位させるようにしてもよい。

この構成によれば、第１および第２の領域の信号蓄積時間においてレンズ位置は固定されるので、第１および第２コントラスト信号を精度よく検波することができる。

ここで、前記撮像領域は行列状に配置された複数の画素セルを有し、前記第１の領域と前記第２の領域は列方向に並んで配置され、第１の領域を構成する行の画素セルは連続して読み出され、かつ第２の領域を構成する行の画素セルは連続して読み出されるようにしてもよい。

この構成によれば、行毎に時間的に順次に画素セルの信号蓄積を行う固体撮像素子の特性を利用して、信号蓄積タイミングが異なる前記第１の領域と第２の領域とを適切に設定することができる。

ここで、前記撮像領域は行列状に配置された複数の画素セルを有し、前記第１の領域と前記第２の領域は行方向に並んで配置され、第１の領域を構成する列の画素セルは連続して読み出され、かつ第２の領域を構成する列の画素セルは連続して読み出されるようにしてもよい。

この構成によれば、列毎に時間的に順次に画素セルの信号蓄積を行う固体撮像素子の特性を利用して、信号蓄積タイミングが異なる前記第１の領域と第２の領域とを適切に設定することができる。

また、本発明の測距装置および測距方法は、上記と同様の機能を有するように構成される。

本発明によれば、レンズ光軸方向の被写体の動きを、上記のコントラスト変化の位相差として検出することができる。すなわち、位相差が０である場合は、レンズ光軸方向の被写体の動きが０、位相差が０でない場合は、レンズ光軸方向の被写体が動いていることを意味する。位相差の遅れは、被写体がレンズに近づくこと（または遠ざかること）を意味する。位相差の進みは、被写体がレンズから遠ざかること（または近づくこと）を意味する。位相差の大きさは、レンズ光軸方向の被写体の移動量（または移動速度）を意味する。これにより、レンズ光軸方向に動く被写体に対してピントを合わせることを容易にすることができる。

また、前記第１コントラスト信号が示す合焦位置、前記第２コントラスト信号が示す合焦位置のずれを、前記位相差として容易に検出することができる。

さらに、レンズ位置と被写体との距離は一意に対応するので、上記の位相差を利用することによって、被写体の移動量（または移動速度）を加味した距離情報を生成することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、以下で説明する実施の形態はあくまで一例であり、後述する改変例を含めて、様々な改変を行うことが可能である。

（装置構成）
図１から図８を用いて第一の実施例を説明する。

図１は本実施例の形態における撮像装置の構成図を示す。同図の撮像装置は、固体撮像素子１０１、撮影レンズ１０２、第１コントラスト検波部１０３、第２コントラスト検波部１０４、コントローラ１０５、位相差検出部１０５ａ、レンズ駆動部１０６、同期信号発生器１０７、メカニカルシャッタ１０８、メカニカルシャッタ制御部１０９、画像処理回路１１０、メディア記録回路１１１、メディア１１２、画像表示回路１１３、表示部１１４を備える。

固体撮像素子１０１は、行列状に配置された複数の画素セルを有する撮像領域を有する。撮影レンズ１０２は、撮像領域に被写体像を結像する。

第１コントラスト検波部１０３は、第１検波部として機能し、撮像領域に含まれる第１の領域（第１のＡＦ領域）から得られた画素信号からコントラストを検波し、コントラスト評価値１を出力する。コントラスト評価値１の時系列信号を第１コントラスト信号と呼ぶ。コントラスト評価値１は、第１のＡＦ領域のコントラストを示し、ここでは、値が大きいほどコントラストが高いものとする。第１コントラスト検波部１０３は、例えば、次のようにしてコントラスト評価値を検波する。コントラスト評価値１は、コントラストの強度を示し、焦点が合っている状態（合焦状態）で最も大きくなり、焦点が合っていない状態では小さくなる。

第２コントラスト検波部１０４と、第２検波部として機能し、第１のＡＦ領域と信号蓄積タイミングが異なる第２の領域（第２のＡＦ領域）から得られた画素信号からコントラストを検波し、コントラスト評価値２を出力する。コントラスト評価値２の時系列信号を第２コントラスト信号と呼ぶ。コントラスト評価値２の意味は、検波の対象となる領域が異なっている点以外は、コントラスト評価値１と同様である。

コントローラ１０５は、撮像装置全体の制御を行う。位相差検出部１０５ａは、第１コントラスト信号と第２コントラスト信号との位相差を検出する制御部として機能する。レンズ駆動部１０６は、レンズ位置調整部として撮影レンズ１０２のフォーカス位置を調整する。

同期信号発生器１０７では図示しない基準クロックから垂直同期信号ＶＤおよび水平同期信号ＨＤを生成し、固体撮像素子１０１とコントローラ１０５および画像処理回路１１０へ出力する。撮影レンズ１０２にて集光された光学映像は行列状に配置された８×８の画素セルからなる画素セルアレイを有するＭＯＳ型の固体撮像素子１０１上で結像され、光電変換された映像信号が、第１コントラスト検波部１０３と第２コントラスト検波部１０４および画像処理回路１１０に入力される。コントローラ１０５は固体撮像素子１０１へ読み出し駆動モードを指示する読み出しモード信号を出力する。本実施例ではコントローラ１０５が固体撮像素子１０１へ指示する読み出し駆動モードは、後述の動画読み出しモードと同時露光モードと静止画読み出しモードの３モードとなっている。ただし、静止画の撮像には、動画読み出しモード、同時露光モード、静止画読み出しモードの順に３つのモードが移行するものとする。このとき、動画読み出しモードで、上記の位相差（被写体の動き量）を検出し、この位相差に応じて同時露光モードでの撮影レンズ１０２のレンズ位置が決定される。

固体撮像素子１０１は上記読み出しモード信号入力が後述の動画読み出しモードの場合は、画素セルアレイ中の後述する第１のＡＦ領域に対応する所定の行の画素セルが露光されている期間を示す領域信号１と、上記領域信号１に対応する行に対して時間的に後に電荷蓄積される後述する第２のＡＦ領域に対応する所定の行の画素セルが露光されている期間を示す領域信号２をコントローラ１０５へ出力する。

第１コントラスト検波部１０３は固体撮像素子１０１から出力される上記領域信号１に対応する映像信号が固体撮像素子１０１から出力されている期間ハイレベルとなる検波期間信号１が入力され、該信号のハイ期間に入力された映像信号を図示しない基準クロック同期で取り込み、取り込み映像信号に対して行方向の空間的なＨＰＦをかけて被写体のコントラスト評価値１をフレーム毎に取得する。同様に第２コントラスト検波部１０４は固体撮像素子１０１から出力される上記領域信号２に対応する映像信号が固体撮像素子１０１から出力されている期間ハイレベルとなる検波期間信号２が入力され、該信号のハイ期間に入力された映像信号を図示しない基準クロック同期で取り込み、取り込み映像信号に対して行方向の空間的なＨＰＦをかけて被写体のコントラスト評価値２をフレーム毎に取得する。第１コントラスト検波部１０３および第２コントラスト検波部１０４は、取得されたそれぞれのコントラスト評価値１およびコントラスト評価値２をコントローラ１０５内の位相差検出部１０５ａへ出力する。

位相差検出部１０５ａでは複数フレームのコントラスト評価値１、２を、第１、第２コントラスト信号としてそれぞれ蓄積する。さらに、位相差検出部１０５ａは、後述するコントラストピークの検出をそれぞれの第１、第２コントラスト信号に対して実行する。第１、第２コントラスト信号の２つのコントラストピークに対応するレンズ位置のずれを検出することは、上記位相差を検出するための簡便な方法として望ましい。また、上記のコントローラ１０５は、同時露光モード直前の前記動画読み出しモードにおいて検出された位相差に基づいて、同時露光モードにおける露光期間の中間的な時刻におけるレンズの合焦位置を推定する。なお、レンズ位置と被写体との距離は一意に対応するので、コントローラ１０５は、上記の位相差を利用することによって、被写体の移動量、移動速度または距離情報を生成するようにしてもよい。距離情報は、被写体と撮像装置との現在の距離、または、被写体の移動量または移動速度を加味した、所定時間（数１０ｍＳ〜数１００ｍＳ）経過後の距離（推定値）でよい。

レンズ駆動部１０６は例えばステッピングモータの回転運動を撮影レンズの光軸方向への変位運動へと変換するメカニカル機構を有して、撮影レンズ１０２のフォーカス位置を調整することができる構成となっており、コントローラ１０５から入力される制御信号により指示されたフォーカス位置へ駆動制御を行う。

メカニカルシャッタ制御部１０９は、コントローラ１０５から入力される開閉指示信号により、撮影レンズ１０２の光路上に配置されたメカニカルシャッタ１０８の開閉駆動を行う部であり、メカニカルシャッタ１０８が開状態時は撮影レンズ１０２にて固体撮像素子１０１に結像される全光束が通され、メカニカルシャッタ１０８が閉状態時は該全光束が遮光される。画像処理回路１１０は同期信号発生器１０７から入力される同期信号に基づき固体撮像素子１０１から入力される映像信号に適切な空間補間処理を実施し画像化する回路でありメディア記録回路１１１および画像表示回路１１３へ出力する。メディア記録回路１１１はコントローラ１０５からの入力信号により静止画記録が指示された場合にはＪＰＥＧ圧縮を実施した静止画画像ファイルをメディア１１２へ記録する。メディア１１２は例えばＳＤカードとそのインターフェイス回路からなる不揮発性メモリーである。画像表示回路１１３は画像処理回路１１０から入力される画像信号をＬＣＤ等表示デバイスへのインターフェイス信号へ変換して表示部１１４へ出力する。

図２は本実施例の図１におけるＭＯＳ型の固体撮像素子１０１の撮像素子構成を示す。行列状に配置された複数の画素セルからなる画素セルアレイ２０１は固体撮像素子の構成となっている。画素セルアレイ２０１の各画素セルＰ１１、Ｐ１２、Ｐ１３・・・Ｐ８８は、列毎に配置された共通信号読み出し線Ｌ１からＬ８の共通信号読み出し線へスイッチング素子を介して接続されている。該スイッチング素子はタイミングジェネレータ２０２から各行毎に共通の選択信号Ｓ１１〜Ｓ１８が供給され、導通信号であるハイレベルが入力されると各列の共通信号読み出し線へ同じ行に配置される画素セルのアナログ映像信号が読み出される。画素セルアレイ２０１の各画素セルＰ１１、Ｐ１２、Ｐ１３・・・Ｐ８８は、さらに行毎に共通接続されたＲ１１からＲ１８がタイミングジェネレータ２０２から入力され、リセット信号であるハイレベルを入力することで各画素の光電変換信号を行毎にリセットする。上述のことから、例えばＲ１１のハイパルス入力からＳ１１のハイレベル入力までの期間がＰ１１、Ｐ１２・・・Ｐ１８の露光期間となる。各列の共通信号読み出し線は各列にＡＤ変換器が配置されたカラムＡＤ群２０３に入力される。該カラムＡＤ群２０３はタイミングジェネレータ２０２から入力される制御信号Ｓ３１により制御され、ローレベルからハイレベルへ遷移したハイエッジ入力でＡＤ開始し、ハイレベル期間中はＡＤ変換を実施しハイレベルからローレベルへ遷移したローエッジ入力でＡＤの終了となりロー期間中はＡＤされた各列のデジタル映像信号を出力に保持する。カラムＡＤ群２０３の各列のＡＤ変換器から出力されるデジタル映像信号出力は水平走査セレクタ２０４へ入力される。水平走査セレクタ２０４はタイミングジェネレータ２０２から入力されるＳ２１のハイレベル信号によりカラムＡＤ群２０３の各ＡＤ出力をＬ１側からＬ８の方向へデジタル映像信号出力を図示しない基準クロックに同期して逐次選択し、映像出力端子へ出力する。

図３は図２中の画素セルの等価回路であり、フォトダイオード３０１にて入射した光が光電変換され蓄積した電荷は読み出し信号がゲートに接続された読み出しトランジスタ３０２を介してフローティングディフュージョン３０３へ読み出され電荷電圧変換される。フローティングディフュージョン３０３はリセットトランジスタ３０４を介して電源に接続され、リセットトランジスタ３０４のゲートに接続されリセットゲート信号に導通信号が入力されると電荷がリセットされる。フローティングディフュージョン３０３の電圧はアンプ３０５を通してスイッチング素子を介して各列の共通信号読み出し線へ接続される。例えば図２中の画素セルＰ１１のアンプ３０５からの出力はスイッチング素子を介して共通信号読み出し線Ｌ１へ接続されている。図２中では上記読み出し信号およびリセットゲート信号の信号線が図示されていないが、いずれもタイミングジェネレータ２０２より各行毎に共通に印加されている。行毎に共通の図２中のＲ１１〜Ｒ１８の制御内容は、該信号のハイレベル入力によりリセットゲート信号にハイパルスを印加しフローティングディフュージョン３０３の電圧をリセットし、読み出し信号をオンしてフローティングディフュージョン３０３へフォトダイオード３０１の電荷を読み出してフォトダイオード３０１の電荷をリセットした後読み出し信号をオフする動作とする。同じく各行毎に共通の選択信号Ｓ１１〜Ｓ１８の各々へ導通信号であるハイパルスが印加される場合には、該信号の導通信号であるハイパルス印加直前に、リセットゲート信号印加によるフローティングディフュージョン３０３の電圧リセットを実施した後読み出し信号をオンすることでフォトダイオードの電荷をフローティングディフュージョンへ読み出す駆動を実行する。結果としてフォトダイオードに入射した光に比例し、各行毎にリセット信号Ｒ１１〜Ｒ１８のハイパルス印加からＳ１１〜Ｓ１８のハイパルス印加までの期間を露光期間とする露光量に対応した光電変換信号がアンプ３０５を介して共通信号読み出し線へ出力されることとなる。

なお、前述の第１のＡＦ領域および第２のＡＦ領域について図８を用いて説明する。本実施例では第１のＡＦ領域を図８中の斜線縞部で示した画素セルＰ３１、Ｐ３２、Ｐ３３・・・Ｐ３８およびＰ４１、Ｐ４２、Ｐ４３・・・Ｐ４８に結像される画面部分とし、第２のＡＦ領域を縦縞部で示した画素セルＰ５１、Ｐ５２、Ｐ５３・・・Ｐ５８およびＰ６１、Ｐ６２、Ｐ６３・・・Ｐ６８に結像される画面部分とする。

図６を用いて図２に示す固体撮像素子１０１の動画読み出しモードにおける動作タイミングを説明する。タイミングジェネレータ２０２には読み出しモード信号として動画読み出しモードが指示されている。タイミングジェネレータ２０２に入力される垂直同期信号ＶＤおよび水平同期信号ＨＤに同期して一番目の水平同期期間Ｈ１１の先頭でＲ１３のハイパルス印加およびＳ１１のハイパルス印加がタイミングジェネレータ２０２から出力され、次以降の水平同期期間では順次図中に示すようにリセット信号はＲ１３→Ｒ１４→Ｒ１５→Ｒ１６・・・Ｒ１８とハイパルス印加され、水平同期期間Ｈ１７にてＲ１１にハイパルスが出力される。選択信号はＳ１１→Ｓ１２→Ｓ１３→Ｓ１４・・・Ｓ１８と順次水平同期期間毎にハイパルスが出力される。Ｓ３１はＳ１１〜Ｓ１８のハイ期間にハイパルスが印加されるようタイミングジェネレータ２０２が出力する。Ｓ２１信号はＳ３１信号のハイからローレベルへの立ち下がりエッジにてハイレベルとなり、この動作により選択信号Ｓ１１〜Ｓ１８の中でハイパルス入力された行の画素セルの光電変換電荷がカラムＡＤ群２０３の各ＡＤ変換器にてデジタル映像信号化され出力保持されて水平走査セレクタ２０４に入力され、水平走査セレクタ２０４にて図示しない基準クロックに同期して順次選択されて映像出力へ出力される。ここで水平同期期間Ｈ２３にて出力される映像出力Ａ２３について説明する。水平同期期間Ｈ２１にてタイミングジェネレータ２０２からＲ１３がハイパルス出力され、画素セルＰ３１、Ｐ３２、Ｐ３３、・・・・Ｐ８３のフォトダイオードの電荷が一旦リセットされ、Ｒ１３信号の立ち下りエッジのタイミングからフォトダイオードにて光電変換による電荷の蓄積が開始される。その後水平同期期間Ｈ２３の先頭にて選択信号Ｓ１３がタイミングジェネレータ２０２からハイパルス入力されると画素セルＰ３１、Ｐ３２、Ｐ３３、・・・・Ｐ８３のフォトダイオードの電荷をフローティングディフュージョンへ読み出す駆動を実行する。この動作により水平同期期間Ｈ２１のＲ１３信号の立ち下がりから水平同期期間Ｈ２３のＳ１３信号の立ち上がりまでの水平同期期間２周期が画素セルＰ３１、Ｐ３２、Ｐ３３、・・・・Ｐ８３のフォトダイオードの電荷蓄積期間となりこれに対応したデジタル映像信号が水平同期期間Ｈ２３で映像出力Ａ２３として得られることになる。同様に画素セルＰ４１、Ｐ４２、Ｐ４３・・・Ｐ４８は、水平同期期間Ｈ２２のＲ１４信号の立ち下がりから水平同期期間Ｈ２４のＳ１４信号の立ち上がりまでの水平同期期間２周期が当該画素セルのフォトダイオードの電荷蓄積期間となり、これに対応したデジタル映像信号が水平同期期間Ｈ２４で映像出力Ａ２４として得られることになる。以上のことから第１のＡＦ領域に対応する画素セルＰ３１、Ｐ３２、Ｐ３３・・・Ｐ３８およびＰ４１、Ｐ４２、Ｐ４３・・・Ｐ４８の露光期間を示す領域信号１は水平同期期間Ｈ２１のＲ１３信号の立ち下がりから水平同期期間Ｈ２４のＳ１４信号の立ち上がりまでの水平同期期間３周期にてハイレベルとしてタイミングジェネレータ２０２から出力され、第１のＡＦ領域に対応する画素セルの映像信号が映像出力から出力されるタイミングをハイレベルで示す検波期間信号１は映像出力Ａ２３およびＡ２４が出力される水平同期期間Ｈ２３およびＨ２４の期間にてハイレベル出力される。同じように第２のＡＦ領域に対応する画素セルＰ５１、Ｐ５２、Ｐ５３・・・Ｐ５８およびＰ６１、Ｐ６２、Ｐ６３・・・Ｐ６８の露光期間を示す領域信号２は水平同期期間Ｈ２３のＲ１５信号の立ち下がりから水平同期期間Ｈ２６のＳ１６信号の立ち上がりまでの水平同期期間３周期にてハイレベルとしてタイミングジェネレータ２０２から出力され、第２のＡＦ領域に対応する画素セルの映像信号が映像出力から出力されるタイミングをハイレベルで示す検波期間信号２は画素セルＰ５１、Ｐ５２、Ｐ５３・・・Ｐ５８の映像信号である映像出力Ａ２５およびＰ６１、Ｐ６２、Ｐ６３・・・Ｐ６８の映像信号である映像出力Ａ２６が出力される水平同期期間Ｈ２５およびＨ２６の期間にてハイレベル出力される。以上のことから、上述の第１コントラスト検波部１０３で取り込まれる映像信号は第１のＡＦ領域に対応する画素セルＰ３１、Ｐ３２、Ｐ３３・・・Ｐ３８およびＰ４１、Ｐ４２、Ｐ４３・・・Ｐ４８の映像信号であり、第２コントラスト検波部１０４で取り込まれる映像信号は第２のＡＦ領域に対応する画素セルＰ５１、Ｐ５２、Ｐ５３・・・Ｐ５８およびＰ６１、Ｐ６２、Ｐ６３・・・Ｐ６８の映像信号となる。

図７を用いて図２に示す固体撮像素子１０１の同時露光モードおよび静止画読み出しモードにおける動作タイミングを説明する。図７中の第１番目の垂直同期期間が同時露光モードによる動作タイミングであり、第２番目の垂直同期期間が静止画読み出しモードによる動作タイミングである。同時露光モードでは映像信号の読み出しを実行せず、垂直同期信号ＶＤの先頭で全行に対するリセット信号Ｒ１１〜Ｒ１８全てに同時にハイパルスを入力する。全画素セルのフォトダイオードはリセット信号Ｒ１１〜Ｒ１８の立ち下がりエッジから同時に光電変換された電荷の蓄積を開始することになるから、画面全体の露光開始が同時化される。静止画読み出しモードでは、Ｒ１１〜Ｒ１８信号によるリセット動作を行わない。タイミングジェネレータ２０２に入力される垂直同期信号ＶＤおよび水平同期信号ＨＤに同期して一番目の水平同期期間ＨＸ１の先頭でＳ１１のハイパルス印加がタイミングジェネレータ２０２から出力され、次以降の水平同期期間では順次図中に示すように選択信号Ｓ１１→Ｓ１２→Ｓ１３→Ｓ１４・・・Ｓ１８と順次水平同期期間毎にハイパルスが出力される。Ｓ３１はＳ１１〜Ｓ１８のハイ期間にハイパルスが印加されるようタイミングジェネレータ２０２が出力する。Ｓ２１信号はＳ３１信号のハイからローレベルへの立ち下がりエッジにてハイレベルとなり、この動作により選択信号Ｓ１１〜Ｓ１８の中でハイパルス入力された行の画素セルの光電変換電荷がカラムＡＤ群２０３の各ＡＤ変換器にてデジタル映像信号化され出力保持されて水平走査セレクタ２０４に入力され、水平走査セレクタ２０４にて図示しない基準クロックに同期して順次選択されて映像出力へ出力される。上述のように同時露光モードから静止画読み出しモードへ遷移すると、例えば静止画読み出しで先頭行となる画素セルＰ１１、Ｐ１２、Ｐ１３・・・Ｐ１８の電荷蓄積期間は同時露光モードの垂直同期期間と等しくなり、読み出しが最終行となる画素セルＰ８１、Ｐ８１、Ｐ８３・・・Ｐ８８の電荷蓄積期間は、同時露光モードの垂直同期期間＋水平同期期間ＨＸ８で選択信号Ｓ１８が立ち上がる水平同期期間７周期分となる。

図４を用いて自動焦点調整のシーケンスを説明する。図４は横軸を時間とし、垂直同期信号ＶＤとコントローラ１０５から固体撮像素子１０１に入力される読み出しモード信号にて指示されている読み出し駆動モードの状態とメカニカルシャッタ１０８の開閉状態と、画素セルの各行、Ｐ１１−Ｐ１８、Ｐ２１−２８、Ｐ３１−Ｐ３８、Ｐ４１−Ｐ４８、Ｐ５１−Ｐ５８、Ｐ６１−６８、Ｐ７１−Ｐ７８、Ｐ８１−Ｐ８８、の電荷蓄積期間を表しており斜線部は第１のＡＦ領域に対応する画素セルの電荷蓄積期間を図示し縦縞部は第２のＡＦ領域に対応する画素セルの電荷蓄積期間を図示し、最下段には縦軸を撮影レンズ１０２内の被写体側合焦位置を調整するフォーカスレンズの位置としグラフ線の被写体の位置とは被写体に合焦するフォーカスレンズの位置を表し、レンズ位置とは各時点のフォーカスレンズの位置を表している。本説明では撮影レンズ１０２によって固体撮像素子１０１に結像される被写体は撮像装置に対して無限側から至近側へ動いてくるものとする。図示しないユーザー操作部材の操作によりコントローラ１０５に静止画取り込みを指示するトリガー信号が入力されると、コントローラ１０５は固体撮像素子１０１に読み出しモード信号として動画読み出しモードを指示し、メカニカルシャッタ制御部１０９にメカニカルシャッタ１０８を開放させる制御を指示する。この時の撮影レンズ１０２のフォーカスレンズ位置は無限端となっており、同期信号発生器１０７より入力される垂直同期信号ＶＤの第一番目の期間ｖｄ１にて固体撮像素子１０１内のタイミングジェネレータ２０２は動画読み出しモードを開始する。垂直同期期間ｖｄ１に読み出しが先頭となる画素セルＰ１１−Ｐ１８の行から順次に次の行へローリングシャッタ動作により電荷蓄積が開始され次の垂直同期期間ｖｄ２にて蓄積終了する期間を第１露光期間と呼ぶ。コントローラ１０５は第１露光期間の第１のＡＦ領域および第２のＡＦ領域の画素セルの露光が開始される前にレンズ駆動部１０６に対してフォーカスレンズを無限端から所定の変位量ｍｓ変位したｍ１のレンズ位置に駆動制御するよう指示する。第１露光期間にて第１のＡＦ領域から第１コントラスト検波部１０３にて得られる被写体コントラスト評価値は第１露光期間で固体撮像素子１０１から出力される領域信号１のハイ期間の時間的な中点に当たる時刻ｔ１１での被写体の位置とレンズ位置のズレ分だけピントがずれ被写体に対してピントが無限側にずれたコントラスト値となっており、該コントラスト評価値をｃ１１とする。本実施例では無限側にずれた後ピンとなっている。同様に第１露光期間にて第２のＡＦ領域から第２コントラスト検波部１０４にて得られる被写体コントラスト評価値は第１露光期間で固体撮像素子１０１から出力される領域信号２のハイ期間の時間的な中点に当たる時刻ｔ１２での被写体の位置とレンズ位置のズレ分だけピントがずれた時刻ｔ１１で得られたｃ１１よりもさらに被写体に対してピントが無限側にずれた低いコントラスト値となっており、該コントラスト評価値をｃ１２とする。コントローラ１０５は第１コントラスト検波部１０３からコントラスト評価値ｃ１１が入力され、第２コントラスト検波部１０４からコントラスト評価値ｃ１２が入力され、フォーカスレンズ位置ｍ１と時刻ｔ１１およびｔ１２とコントラスト評価値ｃ１１とｃ１２を関連付けて位相差検出部１０５ａにて記憶保持する。さらにコントローラ１０５は第１露光期間の領域信号２の立ち下りエッジをトリガーとしてレンズ駆動部１０６にフォーカスレンズ位置ｍ１に対して変位量ｍｓ変位したフォーカスレンズ位置ｍ２へフォーカスレンズを駆動制御指示する。

垂直同期期間ｖｄ２に読み出しが先頭となる画素セルＰ１１−Ｐ１８の行から順次に次の行へローリングシャッタ動作により電荷蓄積が開始され次の垂直同期期間ｖｄ３にて蓄積終了する期間を第２露光期間と呼ぶと、結果として第２露光期間の第１のＡＦ領域および第２のＡＦ領域の電荷蓄積がなされる期間ではレンズ位置がフォーカスレンズ位置ｍ２となっている。第２露光期間にて第１のＡＦ領域から第１コントラスト検波部１０３にて得られる被写体コントラスト評価値は第２露光期間で固体撮像素子１０１から出力される領域信号１のハイ期間の時間的な中点に当たる時刻ｔ２１における被写体の位置とレンズ位置のズレ分だけピントがずれた被写体に対してピントが至近側にあるコントラスト値となっており、該コントラスト評価値をｃ２１とする。同様に第２露光期間にて第２のＡＦ領域から第２コントラスト検波部１０４にて得られる被写体コントラスト評価値は第２露光期間で固体撮像素子１０１から出力される領域信号２のハイ期間の時間的な中点に当たる時刻ｔ２２での被写体の位置とレンズ位置のズレ分だけピントがズレたコントラスト値であり時刻ｔ２１で得られたｃ２１よりも被写体に対してピントが至近側にある度合いが軽減され相対的に高いコントラスト値となっており、該コントラスト評価値をｃ２２とする。コントローラ１０５は第１コントラスト検波部１０３からコントラスト評価値ｃ２１が入力され、第２コントラスト検波部１０４からコントラスト評価値ｃ２２が入力され、フォーカスレンズ位置ｍ２と時刻ｔ２１およびｔ２２とコントラスト評価値ｃ２１とｃ２２を関連付けて位相差検出部１０５ａにて記憶保持する。コントローラ１０５は第２露光期間の領域信号２の立ち下りエッジをトリガーとしてレンズ駆動部１０６にフォーカスレンズ位置ｍ２に対して変位量ｍｓ変位したフォーカスレンズ位置ｍ３へフォーカスレンズを駆動制御指示する。

垂直同期期間ｖｄ３に読み出しが先頭となる画素セルＰ１１−Ｐ１８の行から順次に次の行へローリングシャッタ動作により電荷蓄積が開始され次の垂直同期期間ｖｄ４にて蓄積終了する期間を第３露光期間と呼ぶと、結果として第３露光期間の第１のＡＦ領域および第２のＡＦ領域の電荷蓄積がなされる期間ではレンズ位置がフォーカスレンズ位置ｍ３となっている。第２露光期間にて第１のＡＦ領域から第１コントラスト検波部１０３にて得られる被写体コントラスト評価値は第３露光期間で固体撮像素子１０１から出力される領域信号１のハイ期間の時間的な中点に当たる時刻ｔ３１における被写体の位置とレンズ位置のズレ分だけピントがずれた被写体に対してピントが至近側にあるコントラスト値となっており、該コントラスト評価値をｃ３１とする。同様に第３露光期間にて第２のＡＦ領域から第２コントラスト検波部１０４にて得られる被写体コントラスト評価値は第３露光期間で固体撮像素子１０１から出力される領域信号２のハイ期間の時間的な中点に当たる時刻ｔ３２での被写体の位置とレンズ位置のズレ分だけピントがズレたコントラスト値であり時刻ｔ３１で得られたｃ３１よりも被写体に対してピントが至近側にある度合いが軽減され相対的に高いコントラスト値となっており、該コントラスト評価値をｃ３２とする。コントローラ１０５は第１コントラスト検波部１０３からコントラスト評価値ｃ３１が入力され、第２コントラスト検波部１０４からコントラスト評価値ｃ３２が入力され、フォーカスレンズ位置ｍ３と時刻ｔ３１およびｔ３２とコントラスト評価値ｃ３１とｃ３２を関連付けて位相差検出部１０５ａにて記憶保持する。

第３露光期間における第１のＡＦ領域および第２のＡＦ領域からのコントラスト評価値取得が完了した後の垂直同期期間ｖｄ５にて位相差検出部１０５ａが第１のＡＦ領域と第２のＡＦ領域それぞれに対してフォーカスレンズ位置に対するコントラストピーク位置を算出する動作を図５を用いて説明する。位相差検出部１０５ａは記憶保持している第１のＡＦ領域に対応するｍ１に対するｃ１１とｍ２に対するｃ２１とｍ３に対するｃ３１の３点からフォーカスレンズ位置ｘに対するコントラスト評価値ｙで曲線近似式ｙ＝ｆ１（ｘ）を算出し、ｙが最大となるｘ値、つまりは第１のＡＦ領域でコントラスト評価値が最大ピークとなるフォーカスレンズ位置ｍａを算出する。つまり、ｍａは第１のＡＦ領域に対する合焦状態のレンズ位置を示す。

同様に第２のＡＦ領域に対応するｍ１に対するｃ１２とｍ２に対するｃ２２とｍ３に対するｃ３２の３点からフォーカスレンズ位置ｘに対するコントラスト評価値ｙで曲線近似式ｙ＝ｆ２（ｘ）を算出し、ｙが最大となるｘ値、つまりは第２のＡＦ領域でコントラスト評価値が最大ピークとなるフォーカスレンズ位置ｍｂを算出する。つまり、ｍｂは第２のＡＦ領域に対する合焦状態のレンズ位置を示す。

上記で求められたフォーカスレンズ位置ｍａとｍｂが同一な場合は、被写体が撮像装置に対して至近側および無限側へ動いていないことを示し、フォーカスレンズ位置ｍａがｍｂに対して無限側にある場合は被写体が撮像装置の至近側へ移動していることを検知することができ、フォーカスレンズ位置ｍａがｍｂに対して至近側にある場合は被写体が撮像装置の無限側方向へ移動していることを検知することができる。第１のＡＦ領域と第２のＡＦ領域の電荷蓄積時間のずれをｔｄｆとすると、ｔｄｆ＝ｔ１１−ｔ１２、ｔｄｆ＝ｔ２１−ｔ２２、ｔｄｆ＝ｔ３１−ｔ３２が成立し既知の時間間隔である。フォーカスレンズ位置ｍａとｍｂの差をｍｄ（＝ｍｂ−ｍａ）とすると、ｍｄは、上記の２つの合焦状態のレンズ位置の差分、つまり第１コントラスト信号と第２コントラスト信号との位相差を示す。既知のｔｄｆから得られるｍｄ／ｔｄｆは被写体の撮像装置に対する至近〜無限間の移動速度をフォーカスレンズの変位速度に換算した値となる。言い換えれば、上記の２つの合焦状態のレンズ位置の差分を、第１のＡＦ領域の信号蓄積タイミングと第２のＡＦ領域の信号蓄積タイミングとの時間差で除算した結果は、レンズの変位速度を表し、さらにレンズの変位速度を換算した被写体の移動速度を表す。

コントローラ１０５は、同時露光モード直前の動画読み出しモードにおいて検出された位相差に基づいて、同時露光モードにおける露光期間の中間的な時刻におけるレンズの合焦位置を次のように推定する。

すなわち、位相差検出部１０５ａは次式にてフォーカスレンズ位置の目標位置ｍｘを算出する。

ｍｘ＝ｍｄ×ｔｄｓ／ｔｄｆ＋ｍ２

ここでｔｄｓは、時刻ｔ２１とｔ２２の時間的な中点から、垂直同期期間ｖｄ５後のｖｄ６の予定されている同時露光モードでリセット信号Ｒ１１〜Ｒ１８の立ち下りエッジとメカニカルシャッタ閉の間の時間ｔｅｘの時間的な中点との時間間隔に相当する。ｔｅｘはフォトダイオードの露光開始を画素セルの蓄積電荷の同時リセットにより同時化し露光終了をメカニカルシャッタ閉にて同時化した静止画用露光の露光時間にあたり、予め既知の値とすることができる。

上式では、フォーカスレンズ位置ｍ２を基点として算出したが最後のコントラスト評価値を取得するための電荷蓄積期間の時間的中点である時刻ｔ３２から静止画用露光期間ｔｅｘの時間的な中点までをｔｄｓ’として下式でも目標位置ｍｘを求めることができる。

ｍｘ＝ｍｄ×ｔｄｓ’／ｔｄｆ＋ｍ３

垂直同期期間ｖｄ５にて位相差検出部１０５ａがフォーカスレンズ位置の目標位置ｍｘを算出後コントローラ１０５はレンズ駆動部１０６に対して撮影レンズ１０２のフォーカスレンズを目標位置ｍｘへ変位させるよう駆動指示し、結果としてフォーカスレンズはレンズ駆動部１０６により目標位置ｍｘに駆動される。その後コントローラ１０５は垂直同期期間ｖｄ５からｖｄ６へ移行するにあたり固体撮像素子１０１へ読み出しモード信号から同時露光モードを指示制御し、結果として垂直同期期間ｖｄ６は同時露光モードへ移行し、該垂直同期期間ｖｄ６の先頭で固体撮像素子１０１内のリセット信号Ｒ１１〜Ｒ１８の同時ハイパルス印加で電荷蓄積の開始に伴う画素セルへの露光が開始される。コントローラ１０５は予め設定された所定時間ｔｅｘ経過後にメカニカルシャッタ制御部１０９へメカニカルシャッタ１０８を閉制御するよう指示し、メカニカルシャッタ１０８の閉じにより固体撮像素子１０１の全画素セルの露光は終了する。上述の動作により、同時化された露光期間ｔｅｘの時間的な中点の時刻におけるピント状態は被写体が撮像装置の至近側に動いているにも関わらず合焦状態を実現することができる。

コントローラ１０５は垂直同期期間ｖｄ６からｖｄ７へ移行するにあたり固体撮像素子１０１へ読み出しモード信号を介して静止画読み出しモードへ移行するよう制御指示をする。これにより垂直同期期間ｖｄ７ではｖｄ６で露光の同時化が行われた映像信号が固体撮像素子１０１の映像出力から出力される。画像処理回路１１０は該映像信号が入力され記録のための静止画画像を生成し、メディア記録回路１１１へ出力する。コントローラ１０５はメディア記録回路１１１へ画像処理回路１１０から入力された静止画画像をメディア１１２へ記録書き込みするよう指示し、メディア１１２へ垂直同期期間ｖｄ７で固体撮像素子１０１から読み出され生成された静止画画像が記録される。また、垂直同期期間ｖｄ２、ｖｄ３、ｖｄ４にて固体撮像素子１０１から出力される映像信号は画像処理回路１１０にて画像生成され画像表示回路１１３へ入力され、画像表示回路１１３にて表示部１１４へ表示を行う。この動作により静止画の露光前にユーザーは被写体画像を観察可能となる。

以上の動作により、フォーカスレンズを変位させながら被写体のコントラストを検波し、このコントラストピークを検出する所謂コントラストＡＦで苦手とされていたレンズ光軸方向に動く被写体に対しても本発明の構成と部を採用することで精度よく焦点の自動調整が可能となる。

以上説明してきたように本実施の形態における撮像装置は、行列状に配置された複数の画素セルを有し、行毎または列毎に時間的に順次に画素セルの電荷蓄積を行う順次露光されるＭＯＳ型イメージセンサ等の固体撮像素子と、固体撮像素子上の複数の画素セルからなる第１のＡＦ領域と、第１のＡＦ領域に含まれる画素セルとは電荷蓄積されるタイミングが異なる複数の画素セルからなる第２のＡＦ領域と、固体撮像素子に被写体像を結像し焦点位置を調整可能な撮影レンズと、第１のＡＦ領域に結像される被写体のコントラストを検波する第１のコントラスト検波部と、第２のＡＦ領域に結像される被写体のコントラストを検波する第２のコントラスト検波部と、第１のコントラスト検波部のコントラストのプロファイルと第２のコントラスト検波部のコントラストのプロファイルから撮影レンズの焦点位置に対応するコントラストのプロファイルのずれ量から被写体の動き量を検出する検出部とを備えることで動く被写体に焦点調整が対応可能な測距装置および撮像装置である。

このように、ＭＯＳ型イメージセンサでは必然的に生じる異なる画素セルの電荷蓄積時間のタイミング差により生じる撮影レンズの焦点位置に対応するコントラストのプロファイルのずれ量から被写体の動き量を検出する検出部を考案しているので、特殊なイメージセンサの駆動モードを考案する必要なく、従来のＣＣＤを搭載したカメラでは対応できなかったレンズ光軸方向に動く被写体に対する焦点調整が可能となり、動く被写体の瞬間を止めたいというＭＯＳ型イメージセンサが有利な高速撮像動作のニーズに合致する焦点調整機能を実現することができる。

（改変例）
図９および図１０を用いて本発明の改変として第二の実施例を示す。回路構成と撮像素子構成およびシーケンスは前述の第一の実施例の図１と図２と同じである。本実施例では図１０に示す斜線部の画素セルＰ３１〜Ｐ３８およびＰ５１〜Ｐ５８を第１のＡＦ領域とし、縦縞部の画素セルＰ４１〜Ｐ４８およびＰ６１〜Ｐ６８を第２のＡＦ領域とする。

図９は固体撮像素子１０１の動画読み出しモードにおけるタイミングチャートである。垂直同期信号ＶＤの開始に伴い第一番目の水平同期期間ではタイミングジェネレータ２０２から選択信号Ｓ１１へハイパルスが出力されＰ１１〜Ｐ１８の画素セルのアナログ映像信号が共通信号読み出し線Ｌ１〜Ｌ８へ出力され、タイミングジェネレータ２０２から出力されるＳ３１信号のハイパルスによりカラムＡＤ群の各ＡＤ変換器にてデジタル映像信号化され出力保持される。タイミングジェネレータ２０２から出力されるＳ２１信号がＳ３１信号のハイからローレベルへの立ち下がりエッジにてハイレベルとなり、この動作により画素セルＰ１１〜Ｐ１８のカラムＡＤ群２０３から出力保持されているデジタル映像信号が水平走査セレクタ２０４にて図示しない基準クロックに同期して順次選択されて映像出力からＡ１１またはＡ１２として出力される。

第二番目の水平同期期間では選択信号Ｓ１３がタイミングジェネレータ２０２からハイパルス出力され上記同様に信号Ｓ３１およびＳ２１が出力されることで、画素セルＰ３１〜Ｐ３８に対応するデジタル映像信号が映像出力からＡ１３またはＡ２３として出力される。次の水平同期期間以降は選択信号Ｓ１５→Ｓ１７と選択されることで第３番目の水平同期期間では画素セルＰ５１〜Ｐ５８に対応するデジタル映像信号が映像出力からＡ１５またはＡ２５として出力され、第４番目の水平同期期間では画素セルＰ７１〜Ｐ７８に対応するデジタル映像信号が映像出力からＡ１７またはＡ２７として出力される。第５番目の水平同期期間からは選択信号Ｓ１２→Ｓ１４→Ｓ１６→Ｓ１８と水平同期期間毎に順次に選択されることで、第５番目の水平同期期間では画素セルＰ２１〜Ｐ２８に対応するデジタル映像信号が映像出力され、第６番目の水平同期期間では画素セルＰ４１〜Ｐ４８に対応するデジタル映像信号が映像出力され、第７番目の水平同期期間では画素セルＰ６１〜Ｐ６８に対応するデジタル映像信号が映像出力され、第８番目の水平同期期間では画素セルＰ８１〜Ｐ８８に対応するデジタル映像信号が映像出力される。画素セルの蓄積電荷を一旦リセットし電荷蓄積を開始するリセット信号であるＲ１１〜Ｒ１８は、タイミングジェネレータ２０２から同じ行の画素セルへの選択信号Ｓ１１〜Ｓ１８がハイパルス入力される水平同期期間の直前の水平同期期間にてハイパルスが出力される。

例えば水平同期期間Ｈ２２で映像出力されるＡ２３は画素セルＰ３１〜Ｐ３８に対応するデジタル映像信号であるが、該画素セルに接続されるリセット信号Ｒ１３は水平同期期間Ｈ２１の先頭でハイパルスがタイミングジェネレータ２０２から出力され、水平同期期間１周期分の電荷蓄積期間となる。同様に水平同期期間Ｈ２３で映像出力されるＡ２５は画素セルＰ５１〜Ｐ５８に対応するデジタル映像信号であるが、該画素セルに接続されるリセット信号Ｒ１５は水平同期期間Ｈ２２の先頭でハイパルスがタイミングジェネレータ２０２から出力され水平同期期間１周期分の電荷蓄積期間となる。したがって画素セルＰ３１〜Ｐ３８およびＰ５１〜Ｐ５８からなる第１のＡＦ領域の露光期間を示す領域信号１は水平同期期間Ｈ２１のＲ１３信号の立ち下りエッジから選択信号Ｓ１５の水平同期期間Ｈ２３の立ち上がりまでの水平同期期間２周期にてタイミングジェネレータ２０２からハイレベル出力され、第１のＡＦ領域に対応する画素セルの映像信号が映像出力から出力されるタイミングをハイレベルで示す検波期間信号１は映像出力Ａ２３およびＡ２５が出力される水平同期期間Ｈ２２およびＨ２３の期間にてハイレベル出力される。同じように第２のＡＦ領域に対応する画素セルＰ４１〜Ｐ４８およびＰ６１〜Ｐ６８の露光期間を示す領域信号２は水平同期期間Ｈ２５のＲ１４信号の立ち下がりから水平同期期間Ｈ２７のＳ１６信号の立ち上がりまでの水平同期期間２周期にてハイレベルとなるようタイミングジェネレータ２０２から出力され、第２のＡＦ領域に対応する画素セルの映像信号が映像出力から出力されるタイミングをハイレベルで示す検波期間信号２は画素セルＰ４１〜Ｐ４８の映像信号である映像出力Ａ２４および画素セルＰ６１〜Ｐ６８の映像信号である映像出力Ａ２６が出力される水平同期期間Ｈ２６およびＨ２７の期間にてハイレベル出力される。

本実施例によれば、動画読み出しモードにて動作中の第１のＡＦ領域と第２のＡＦ領域が露光される期間の時間差が垂直同期期間に含まれる水平同期期間の数の１／２となり、時間差を長くすることができることから原理的に低速で動く被写体に対しても動き量の検出の感度を高めることが可能であり、かつ画面内で交互に第１のＡＦ領域と第２のＡＦ領域に対応する画素セル行が繰り返されることから、画面内の被写体に対して第１のＡＦ領域と第２のＡＦ領域がほぼ同一画角となる効果がある。

なお、第一および第二の実施例では第１のＡＦ領域および第二のＡＦ領域を画素セルの行方向の画面端から画面端までとしているが、画素セルの同一行内の一部、例えば中央部のみをウインドウとしてコントラスト検波に使用することは当然のことながら本発明の範疇で実現可能である。また、第１のＡＦ領域と第２のＡＦ領域は、行方向または列方向に隣接していることは必須ではなく、行方向または列方向に並んで配置されていればよい。

なお、上記各実施形態における第１コントラスト検波部１０３および第２コントラスト検波部１０４を別個に備える代わりに、１つのコントラスト検波部を備え兼用させても良い。この場合、撮像装置は、撮像領域を有する固体撮像素子１０１と、撮像領域に被写体像を結像する撮影レンズ１０２と、レンズの位置を調整するレンズ駆動部１０６と、前記撮像領域から得られた画素信号からコントラストを検波するコントラスト検波部と、撮像領域に含まれる第１の領域から得られた画素信号から前記コントラスト検波部によって検波されたコントラストを示す第１コントラスト信号と、前記第１の領域と信号蓄積タイミングが異なる第２の領域から得られた画素信号から前記コントラスト検波部によって検波されたコントラストを示す第２コントラスト信号との位相差を検出する制御部とを備えるように構成すればよい。

また、本発明の測距装置は、上記撮像装置の一部と同じであり、固体撮像素子の撮像領域に含まれる第１の領域から得られた画素信号からコントラストを検波し、第１コントラスト信号として出力する第１検波部と、前記第１の領域と信号蓄積タイミングが異なる第２の領域から得られた画素信号からコントラストを検波し、第２コントラスト信号として出力する第２検波部と、前記第１コントラスト信号と前記第２コントラスト信号との位相差を検出し、検出した位相差に基づいて被写体までの距離を示す距離情報を生成する制御部とを備える。

また、本発明の測距方法は、上記測距装置と同じ作用を奏する。すなわち、本発明の測距方法は、固体撮像素子の撮像領域に含まれる第１の領域から得られた画素信号からコントラストを検波し、第１コントラスト信号として出力し、前記第１の領域と信号蓄積タイミングが異なる第２の領域から得られた画素信号からコントラストを検波し、第２コントラスト信号として出力し、前記第１コントラスト信号と前記第２コントラスト信号との位相差を検出し、検出した位相差に基づいて被写体までの距離を示す距離情報を生成する。ここで、距離情報は、被写体と撮像装置との現在の距離でもよいし、被写体の移動量または移動速度を加味した所定時間（数１０ｍＳ〜数１００ｍＳ）経過後の距離（推定値）であってもよい。

本発明によって、動く被写体に対しても高い精度で焦点調整が可能なデジタルスチルカメラまたはデジタルビデオカメラを実現することでＭＯＳ型イメージセンサを搭載した高速撮像動作の高付加価値化のみならず、動画像を記録しながら特定の場面で静止画記録を必要とするような用途の監視カメラや、車載カメラ分野におけるドライブレコーダーにおいて利用可能性がある。

本実施例の形態における撮像装置の構成を示す図である。 固体撮像素子の構成を示す図である。 画素セルの等価回路を示す図である。 自動焦点調整のシーケンスを説明する図である。 第１のＡＦ領域と第２のＡＦ領域それぞれに対してフォーカスレンズ位置に対するコントラストピーク位置を算出する動作説明する図である。 動画読み出しモードにおける動作タイミングを示す図である。 同時露光モードおよび静止画読み出しモードにおける動作タイミングを示す図である。 第１のＡＦ領域および第２のＡＦ領域を示す説明図である。 変形例における動画読み出しモードにおけるタイミングチャートである。 変形例における第１のＡＦ領域と第２のＡＦ領域を示す図である。

符号の説明

１０１ 固体撮像素子
１０２ 撮影レンズ
１０３ 第１コントラスト検波部
１０４ 第２コントラスト検波部
１０５ コントローラ
１０５ａ 位相差検出部
１０６ レンズ駆動部
１０７ 同期信号発生器
１０８ メカニカルシャッタ
１０９ メカニカルシャッタ制御部
１１０ 画像処理回路
１１１ メディア記録回路
１１２ メディア
１１３ 画像表示回路
１１４ 表示部
２０１ 画素セルアレイ
２０２ タイミングジェネレータ
２０３ カラムＡＤ群
２０４ 水平走査セレクタ
３０１ フォトダイオード
３０２ トランジスタ
３０３ フローティングディフュージョン
３０４ リセットトランジスタ
３０５ アンプ

Claims (13)

1. 撮像領域を有する固体撮像素子と、
   前記撮像領域に被写体像を結像するレンズと、
   前記レンズの位置を調整するレンズ位置調整部と、
   前記撮像領域に含まれる第１の領域から得られた画素信号からコントラストを検波し、第１コントラスト信号として出力する第１検波部と、
   前記第１の領域と信号蓄積タイミングが異なる第２の領域から得られた画素信号からコントラストを検波し、第２コントラスト信号として出力する第２検波部と、
   前記第１コントラスト信号と前記第２コントラスト信号との位相差を検出する制御部と
   を備える撮像装置。
2. 前記制御部は、さらに前記位相差に基づいて被写体までの距離を示す距離情報を生成する請求項１記載の撮像装置。
3. 前記レンズ位置調整部は、動画読み出しモードにおいて画像読み出し周期毎に異なる位置にレンズ位置を調整し、
   前記制御部は、前記レンズ位置調整部により調整された複数のレンズ位置に対する前記第１コントラスト信号の変化から前記レンズの合焦位置を算出し、前記複数のレンズ位置に対する前記第２コントラスト信号の変化から前記レンズの合焦位置を算出し、算出された２つの合焦位置の差分を前記位相差として検出する請求項１記載の撮像装置。
4. 前記制御部は、さらに、前記２つの合焦位置の差分からレンズ光軸方向の被写体の移動量を算出する請求項３記載の撮像装置。
5. 前記制御部は、さらに、前記２つの合焦位置の差分を、前記第１の領域の信号蓄積タイミングと前記第２の領域の信号蓄積タイミングとの時間差で除算することにより、レンズ光軸方向の被写体の移動速度を算出する請求項３記載の撮像装置。
6. 前記制御部は、前記第１コントラスト信号の最大値に対応するレンズ位置と、前記第２コントラスト信号の最大値に対応するレンズ位置との差分を、前記位相差として検出する請求項３、４または５に記載の撮像装置。
7. 前記撮像装置は、静止画撮像用に全画素の露光時間を同じにする同時露光モードを有し、
   前記制御部は、前記同時露光モード直前の前記動画読み出しモードにおいて検出された位相差に基づいて、前記同時露光モードにおける露光期間の中間的な時刻におけるレンズの合焦位置を推定する請求項３、４、５または６に記載の撮像装置。
8. 前記レンズ位置調整部は、前記画像読み出し周期において第１の領域の信号蓄積時間でなくかつ第２の領域の信号蓄積時間でない時間に前記位置を変位させる請求項３記載の撮像装置。
9. 前記撮像領域は行列状に配置された複数の画素セルを有し、
   前記第１の領域と前記第２の領域は列方向に並んで配置され、
   第１の領域を構成する行の画素セルは連続して読み出され、かつ第２の領域を構成する行の画素セルは連続して読み出される請求項１、２または３に記載の撮像装置。
10. 前記撮像領域は行列状に配置された複数の画素セルを有し、
    前記第１の領域と前記第２の領域は行方向に並んで配置され、
    第１の領域を構成する列の画素セルは連続して読み出され、かつ第２の領域を構成する列の画素セルは連続して読み出される請求項１、２または３に記載の撮像装置。
11. 撮像領域を有する固体撮像素子と、
    前記撮像領域に被写体像を結像するレンズと、
    前記レンズの位置を調整するレンズ位置調整部と、
    前記撮像領域から得られた画素信号からコントラストを検波するコントラスト検波部と、
    前記撮像領域に含まれる第１の領域から得られた画素信号から前記コントラスト検波部によって検波されたコントラストを示す第１コントラスト信号と、前記第１の領域と信号蓄積タイミングが異なる第２の領域から得られた画素信号から前記コントラスト検波部によって検波されたコントラストを示す第２コントラスト信号との位相差を検出する制御部と
    を備える撮像装置。
12. 撮像装置に備えられる測距装置であって、
    固体撮像素子の撮像領域に含まれる第１の領域から得られた画素信号からコントラストを検波し、第１コントラスト信号として出力する第１検波部と、
    前記第１の領域と信号蓄積タイミングが異なる第２の領域から得られた画素信号からコントラストを検波し、第２コントラスト信号として出力する第２検波部と、
    前記第１コントラスト信号と前記第２コントラスト信号との位相差を検出し、検出した位相差に基づいて被写体までの距離を示す距離情報を生成する制御部と
    を備える測距装置。
13. 撮像装置における測距方法であって、
    固体撮像素子の撮像領域に含まれる第１の領域から得られた画素信号からコントラストを検波し、第１コントラスト信号として出力し、
    前記第１の領域と信号蓄積タイミングが異なる第２の領域から得られた画素信号からコントラストを検波し、第２コントラスト信号として出力し、
    前記第１コントラスト信号と前記第２コントラスト信号との位相差を検出し、
    検出した位相差に基づいて被写体までの距離を示す距離情報を生成する
    測距方法。

Images