JP2010136301A

JP2010136301A - 撮像装置及びその固体撮像素子

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Publication number: JP2010136301A
Application number: JP2008312667A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Haruta; 勉春田; Eiji Makino; 栄治牧野; Takeshi Yamaguchi; 猛史山口; Shinsuke Shimomoto; 進介下本
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2008-12-08
Filing date: 2008-12-08
Publication date: 2010-06-17
Anticipated expiration: 2028-12-08
Also published as: US20100141796A1; CN101750713B; JP4678053B2; CN101750713A; US8692899B2

Abstract

【課題】オートフォーカス制御機能を設けた場合であっても、内部の配線増加や構成の複雑化を抑制することができる撮像装置及びその固体撮像素子を提供する。
【解決手段】固体撮像素子１０に、撮像光学系により結像された被写体像を撮像する撮像部１１と、撮像部１１で撮像した被写体像の画像データ及びその輝度データを生成するデジタル画像信号処理部１４と、データの入出力を行うための入出力部１８と、デジタル画像信号処理部１４から出力される輝度データに基づいて被写体像のフォーカス評価値を生成し、このフォーカス評価値を入出力部１８から出力するフォーカス評価値生成部１６と、入出力部１８から撮像指示信号を入力すると、撮像部１１による撮像動作を開始させ、当該撮像動作を終了すると、撮像終了タイミング信号を入出力部１８へ出力する撮像駆動部１７と設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮像装置及びその固体撮像素子に関し、特にフォーカス制御を行うことができる撮像装置及びその固体撮像素に関する。

近年、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなど、固体撮像素子を用いて画像を撮像して保存できる撮像装置が広く普及している。このような撮像装置に用いる撮像素子としては、ＣＣＤ型イメージセンサが最も一般的であったが、近年では、撮像素子の一層の多画素化が進むのに従って、ＣＭＯＳ型イメージセンサが注目されている。ＣＭＯＳ型イメージセンサは、画素信号のランダムアクセスが可能である点や、ＣＣＤ型イメージセンサと比較して読み出しが高速で、高感度、低消費電力といった特徴がある。

ところで、この種の撮像装置には、一般に被写体に対するフォーカスを自動的に合わせるオートフォーカス（ＡＦ）機構が搭載されている（例えば、特許文献１参照。）。フォーカスの撮影条件は、固体撮像素子から出力された画像信号に基づいて調整される。例えば、画像信号の高域輝度成分を積分したものをフォーカス評価値とし、フォーカス評価値が最大となるように焦点調節レンズの位置が調整される。

図１１に、従来の撮像装置の構成を示す。この従来の撮像装置１００では、固体撮像素子１０１、ＤＳＰ１０２、エッジ検出部１０３、フォーカス評価値生成部１０４、制御部１０５、焦点調節レンズ１０６，レンズ移動機構１０７、絞り１０８，絞り駆動部１０９などを備える。

オートフォーカス制御を行うとき、制御部１０５は、まず、固体撮像素子１０１から画像信号を出力させ、インターフェース（Ｉ／Ｆ）を介してＤＳＰ１０２へ入力する。ＤＳＰ１０２は画像信号から画像輝度信号を生成し、エッジ検出部１０３へ出力する。エッジ検出部１０３は、画像輝度信号の高周波成分（以下、「高域輝度成分」と呼ぶ。）を抽出し、この高域輝度成分より撮像画像のエッジ部分を検出し、制御部１０５へ出力する。制御部１０５は、エッジ検出部１０３から取得した情報に基づいてフォーカスエリアをそのエッジ部分の周辺に限定する。

制御部１０５は、固体撮像素子１０１を制御して、フォーカスエリアの画像信号を固体撮像素子１０１から出力させ、Ｉ／Ｆ、ＤＳＰ１０２及びエッジ検出部１０３を介して高域輝度成分をフォーカス評価値生成部１０４へ出力する。フォーカス評価値生成部１０４は、高周波成分を積分したものをフォーカス評価値として、制御部１０５へ出力する。制御部１０５は、レンズ移動機構１０７を制御して焦点調節レンズ１０６を移動させ、同様の処理を行ってフォーカス評価値が最大値となる焦点調節レンズ１０６の位置を合焦位置と判定して、焦点調節レンズ１０６をこの合焦位置に配置する。
特開２００４−２８９８７０号公報

しかしながら、上記従来の撮像装置では、オートフォーカス制御機構が分散しており、複数の半導体チップやモジュール、それらの間に入るインターフェース（Ｉ／Ｆ）を必要とするため、撮像装置内の配線増加や構成の複雑化を招く虞がある。

そこで、本発明はオートフォーカス制御機能を設けた場合であっても、内部の配線増加や構成の複雑化を抑制することができる撮像装置及びその固体撮像素子を提供することを目的とする。

そこで、上記目的を達成すべく、請求項１に記載の発明は、焦点調節レンズと、前記焦点調節レンズを光軸方向に移動させるレンズ移動機構と、利用者によって操作可能な操作部と、撮像光学系により結像された被写体像を撮像する撮像部と、前記撮像部で撮像した被写体像の画像データ及びその輝度データを生成するデジタル信号処理部と、データの入出力を行うための入出力部と、前記デジタル信号処理部から出力される輝度データに基づいて前記被写体像のフォーカス評価値を生成し、当該フォーカス評価値を前記入出力部から出力するフォーカス評価値生成部と、前記入出力部から撮像指示信号を入力すると、前記撮像部による撮像動作を開始させ、当該撮像動作を終了すると、撮像終了タイミング信号を前記入出力部から出力する撮像駆動部と、を備えた固体撮像素子と、前記操作部への利用者による操作に応じて、前記レンズ移動機構と前記固体撮像素子と制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記操作部へのオートフォーカス指示操作を検出すると、前記固体撮像素子の前記入出力部へ撮像指示信号を出力し、前記固体撮像素子の前記入出力部から撮像終了タイミング信号を入力すると、前記レンズ移動機構を制御して前記焦点調節レンズを移動させ、前記固体撮像素子の前記入出力部から出力されるフォーカス評価値に基づいて、前記焦点調節レンズの合焦位置を判定する撮像装置とした。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の撮像装置において、前記制御部は、前記操作部へのオートフォーカス指示操作を検出すると、前記固体撮像素子の前記入出力部へ撮像指示信号を出力し、前記固体撮像素子の前記入出力部から撮像終了タイミング信号を入力したとき、前記レンズ移動機構を制御して前記焦点調節レンズを移動させると同時に前記固体撮像素子の前記入出力部から出力されるフォーカス評価値を取得する処理を、前記固体撮像素子の前記入出力部から出力されるフォーカス評価値がピークとなるまで繰り返すこととした。

また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の撮像装置において、前記制御部は、前記固体撮像素子から取得したフォーカス評価値が所定条件を満たすとき、前記固体撮像素子の前記入出力部から撮像終了タイミング信号を入力したときに前記焦点調節レンズを移動させず、前記固体撮像素子からフォーカス評価値を取得し、当該取得したフォーカス評価値に応じた移動量で前記焦点調節レンズを移動させることとした。

また、請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載の撮像装置において、前記制御部は、前記焦点調節レンズを移動させている途中に前記固体撮像素子からフォーカス評価値を取得すると、当該フォーカス評価値に応じて前記焦点調節レンズの移動を停止するものである。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記制御部は、前記操作部へのオートフォーカス指示操作を検出すると、前記固体撮像素子の前記入出力部へ撮像指示信号を出力し、前記固体撮像素子の前記入出力部から撮像終了タイミング信号を入力したとき、前記レンズ移動機構を制御して前記焦点調節レンズを所定量移動させると同時に前記固体撮像素子の前記入出力部から出力されるフォーカス評価値を取得する処理を、前記焦点調節レンズの移動範囲内で行い、前記焦点調節レンズの各移動位置で前記固体撮像素子の前記入出力部から出力されるフォーカス評価値が最大となる位置を前記焦点調節レンズの合焦位置と判定することとした。

また、請求項６に記載の発明は、撮像光学系により結像された被写体像を撮像する撮像部と、前記撮像部で撮像した被写体像の画像データ及びその輝度データを生成するデジタル信号処理部と、データの入出力を行うための入出力部と、前記デジタル信号処理部から出力される輝度データに基づいて前記被写体像のフォーカス評価値を生成し、当該フォーカス評価値を前記入出力部から出力するフォーカス評価値生成部と、前記入出力部から撮像指示信号を入力すると、前記撮像部による撮像動作を開始させ、当該撮像動作を終了すると、撮像終了タイミング信号を前記入出力部へ出力する撮像駆動部と、を備えた固体撮像素子とした。

本発明によれば、撮像装置の構成簡素化を実現するコンパクトで高性能な固体撮像素子及びそれを備えた撮像装置を提供することができる。すなわち、従来必要であった固体撮像素子とデジタル信号処理部の間の入出力インターフェースが必要なくなり、装置規模の縮小とデータ転送の簡素化が実現できる。

以下、発明を実施するための最良の形態（以下、「実施形態」とする）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施形態（第１のオートフォーカス制御の例）
２．第２の実施形態（第２のオートフォーカス制御の例）
３．その他の実施形態

［１.第１の実施形態］
［１．１．撮像装置の構成］
まず、第１の実施形態おける撮像装置の構成について図面を用いて説明する。図１は第１の実施形態における撮像装置の構成を示す図である。

図１に示すように、本実施形態における撮像装置１は、固体撮像素子１０、制御部２０、焦点調節レンズ３０，レンズ移動機構３１、絞り４０，絞り駆動部４１、操作部５０、ＬＣＤ−Ｉ／Ｆ部６０、ＬＣＤ６１、記憶部７０などを備える。

撮像装置１は、被写体画像を固体撮像素子１０で撮像させ、固体撮像素子１０から出力される画像データをＬＣＤ−Ｉ／Ｆ部６０を介してＬＣＤ６１で表示させたり、記憶部７０に記憶させるようにしている。

さらに、撮像装置１は、オートフォーカス機能を有しており、制御部２０は、固体撮像素子１０から出力されるフォーカス評価値に基づいて、レンズ移動機構３１を制御して焦点調節レンズ３０を合焦位置に移動させるようにしている。

本実施形態における固体撮像素子１０では、オートフォーカス機能を実行するために必要なＤＳＰ機能、エッジ検出機能及びフォーカス評価値生成機能などを内蔵するようにしている。これにより、撮像装置１内の配線増加や構成の複雑化を抑制して、撮像装置１のコンパクト化を図っている。

図１に示すように、固体撮像素子１０は、撮像部１１、アナログ画像信号処理部１２、Ａ／Ｄ変換部１３、デジタル画像信号処理部１４，エッジ検出部１５、フォーカス評価値生成部１６、撮像駆動部１７、入出力部１８を有している。なお、入出力部１８は、固体撮像素子１０と制御部２０との間の信号の入出力を行うためのインターフェースや入出力端子などから構成される。

撮像部１１は、焦点調節レンズ３０を含む図示しない撮像光学系により結像された被写体像を撮像する。すなわち、撮像部１１は、２次元マトリクス状に配列された光電変換素子で光電変換された被写体像に応じた信号電荷をアナログの電気信号（以下、アナログ画像信号とする）に変換して、順次出力する。撮像部１１は、ＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)型で構成することとするが、ＣＣＤ(Charge Coupled Devices)型で構成してもよい。

アナログ画像信号処理部１２は、撮像部１１からアナログ画像信号に対して、ＯＢ(Optical Black)クランプ処理、ＣＤＳ(Correllated Double Sampling）処理、ＡＧＣ(Auto Gain Control)処理を行う。ＯＢクランプ処理は、撮像部１１のＯＢ領域（遮光された光電変換部）の信号をクランプする処理であり、黒レベルを再生する。また、ＣＤＳ処理は、二重相関サンプリング法に基づいた処理であり、Ｓ／Ｎ（Signal／Noise）比を良好に保つ。

Ａ／Ｄ変換部１３は、アナログ画像信号処理部１２から出力されるアナログ画像信号をＡ／Ｄ（Analog／Digital）変換してデジタル画像信号を出力する。

デジタル画像信号処理部１４は、Ａ／Ｄ変換部１３から入力したデジタル画像信号に基づいて、撮像部１１で撮像した被写体像のデジタル画像データやその輝度データなどを生成して出力するデジタル信号処理部である。具体的には、デジタル画像信号処理部１４は、まず、固体撮像素子１０における欠陥画素の信号補正処理、レンズの周辺光量落ちを補正するシェーディング処理などを施してＲＡＷデータを生成する。次に、デジタル画像信号処理部１４は、ＲＡＷデータにデモザイク処理を施した後、ＡＦ制御、ＡＥ（Auto Exposure）制御、ホワイトバランス制御などのための信号検波処理や、ホワイトバランス調整に代表される信号補正処理などを実行する。この処理で、撮像部１１で撮像した被写体像の画像データの輝度データが生成され、出力される。さらに、信号補正後の画像データを、例えば４：２：２などの所定フォーマットの輝度信号（Ｙ）と色差信号（Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙ）に変換後、所定の解像度に変換する。その後、画像データを圧縮符号化し、ＪＰＥＧ方式の符号化データを生成する。なお、ＪＰＥＧ方式以外の静止画圧縮方式、あるいは動画圧縮方式で符号化を行うようにしてもよい。

エッジ検出部１５は、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）を有しており、デジタル画像信号処理部１４から出力される輝度データをバンドパスフィルタでフィルタリングして、撮像部１１で撮像した被写体像の高周波成分（以下、「高域輝度成分」とする）を抽出する。その後、エッジ検出部１５は、高域輝度成分から固体撮像素子１０が撮像した画像の高周波成分を演算して画像のエッジ部分を割り出し、エッジ位置情報として入出力部１８を介して制御部２０へ出力する。

フォーカス評価値生成部１６は、デジタル信号処理部から出力される輝度データに基づいてエッジ検出部１５により生成される高域輝度成分を積分して、その数値をフォーカス評価値として入出力部１８を介して制御部２０へ出力する。

撮像駆動部１７は、制御部２０から出力される制御信号に基づいて撮像部１１による撮像動作を制御する。この撮像駆動部１７は、撮像部１１に対して駆動信号を出力して撮像部１１に被写体像を撮像させ、撮像部１１から撮像した被写体像に応じたアナログ画像信号を出力する。また、制御部２０から撮像指示信号を入力すると、撮像部１１による撮像動作を開始させ、当該撮像動作を終了すると、撮像終了タイミング信号を出力する。

〔１．２．撮像装置１によるフォーカス制御処理〕
以上のように構成された撮像装置１におけるオートフォーカス動作について以下に具体的に説明する。

本実施形態における撮像装置１では、オートフォーカス機能を実行するために必要なデジタル画像信号処理部１４、エッジ検出部１５、フォーカス評価値生成部１６などを固体撮像素子１０に内蔵するようにしている。撮像装置１の制御部２０は、後述するように、固体撮像素子１０の撮像駆動部１７を動作させることにより、固体撮像素子１０からフォーカス評価値や撮像終了タイミング信号を取得することができ、これにより制御部２０の処理負荷を軽減する。

本実施形態における撮像装置１のフォーカス制御処理は、フォーカス評価値がピークとなるまで繰り返す、所謂山登り制御である。図２は撮像装置１のフォーカス制御処理のタイミングチャートを示す図、図３はフォーカス評価値のピーク値の判断を説明するための図、図４は撮像装置１の制御部２０が行うフォーカス制御処理を含む撮像処理の流れを示す図、図５は第１制御処理の流れを示す図、図６は第２制御処理の流れを示す図である。

本実施形態における撮像装置１の撮像処理は、図２に示すように、フォーカス制御処理を行った後、本撮像処理を行うことによって実行される。フォーカスエリアを指定した撮像指示が制御部２０から固体撮像素子１０に対して行われる（図２（ａ）参照）と、固体撮像素子１０の撮像駆動部１７は撮像部１１を駆動して被写体の撮像を実行する（図２（ｂ）参照）。

制御部２０は、フォーカス制御処理を行うとき、図２に示すように、まず第１制御処理を行って固体撮像素子１０からフォーカス評価値を取得していき、固体撮像素子１０から出力されるフォーカス評価値がピーク値に近いと判定すると、第２制御処理を行う。そして、フォーカス評価値がピーク値になると、本撮像を開始する。

第１制御処理では、撮像部１１による撮像結果であるアナログ画像信号の出力が終了すると、デジタル画像信号処理部１４、エッジ検出部１５及びフォーカス評価値生成部１６による処理を実行させる（図２（ｃ）参照）と同時に、焦点調節レンズ３０の移動処理も開始する（図２（ｄ）参照）。つまり、固体撮像素子１０からのフォーカス評価値の出力を待つことなく、焦点調節レンズ３０の移動をフォーカス評価値の生成と同時に開始する。

第２制御処理では、撮像部１１による撮像結果であるアナログ画像信号の出力が終了すると、デジタル画像信号処理部１４、エッジ検出部１５及びフォーカス評価値生成部１６による処理が終了した後、焦点調節レンズ３０の移動処理を開始する。つまり、固体撮像素子１０からのフォーカス評価値の出力を待ち、このフォーカス評価値に基づいて、焦点調節レンズ３０の移動量を決定し、焦点調節レンズ３０の移動を開始する。

フォーカス評価値がピーク値に近いこと、或はフォーカス評価値がピーク値となったことは、制御部２０が固体撮像素子１０から取得し内部のメモリに記憶したフォーカス評価値に基づいて行う。

具体的には、制御部２０は、焦点調節レンズ３０を順次移動させて固体撮像素子１０からフォーカス評価値を取得していき、取得したフォーカス評価値が所定値以上であるときに、フォーカス評価値がピーク値に近いと判定する。また、固体撮像素子１０から取得した複数のフォーカス評価値からフォーカス評価値のピーク値を推定し、この推定値をピーク値として、フォーカス評価値がピーク値になったことを検出する。

例えば、図３に示す例では、所定値αに基づいて、フォーカス評価値がピーク値に近いか否かを判定するようにしている。制御部２０は、焦点調節レンズ３０がタイミングｔ１の位置にあるときは、フォーカス評価値がピーク値に近いとは判定しない。一方、制御部２０は、焦点調節レンズ３０がタイミングｔ２〜ｔ４の位置にあるときは、フォーカス評価値がピーク値に近いと判定する。そして、制御部２０は、焦点調節レンズ３０がタイミングｔ５の位置にあるときにフォーカス評価値がピーク値であると判定する。

従って、焦点調節レンズ３０の位置をタイミングｔ１の位置からタイミングｔ２の位置へ移行するとき、及び焦点調節レンズ３０の位置をタイミングｔ２の位置からタイミングｔ３の位置へ移行するときの処理は、第１制御処理で行われる。焦点調節レンズ３０の位置がタイミングｔ２の位置にあるときにも第１制御処理が行われるが、これは、第１制御処理が焦点調節レンズ３０の移動をフォーカス評価値の生成と同時に開始するためである。

一方、タイミングｔ３の位置からタイミングｔ４，ｔ５の位置へ順次移行するときの処理は、第２制御処理で行われる。第１制御処理は、焦点調節レンズ３０の移動をフォーカス評価値の生成と同時に開始することから、第２制御処理に比べフォーカス制御処理１回にかかる時間を低減させることができる。一方、フォーカス評価値がピーク値に近くなったときには、第２制御処理によりフォーカス評価値を取得した後にこのフォーカス評価値を用いて焦点調節レンズ３０の移動量を決定する。従って、フォーカス評価値がピーク値となる焦点調節レンズ３０への到達を早めることができる。

さらに、制御部２０は、第１制御処理において、焦点調節レンズ３０を移動させている途中に固体撮像素子１０からフォーカス評価値を取得すると、当該フォーカス評価値に応じて焦点調節レンズ３０の移動を停止することもできる。これにより、焦点調節レンズ３０の移動量をより適切に設定することが可能となる。

以下、上述したフォーカス制御処理を含む撮像処理について、撮像装置１の制御部２０が行う動作と撮像装置１の固体撮像素子１０が行う動作についてそれぞれ図面を参照して説明する。

（制御部２０による制御）
まず、フォーカス制御処理を含む撮像処理のうち、撮像装置１の制御部２０が行う動作について説明する。

撮像装置１の電源ボタン（図示せず）がＯＮ操作されると、利用者の操作部５０への操作によりオートフォーカス指示操作（以下、「ＡＦ撮像指示」とする。）を待つ。この処理において、制御部２０は、操作部５０に含まれるシャッターボタン（図示せず）が押下されたときに、ＡＦ撮像指示があったと判定し、図４に示す処理を開始する。

図４に示すように、制御部２０は、まず固体撮像素子１０にオートフォーカス撮像のための撮像指示信号を出力する（ステップＳ１１）。次に、この撮像指示信号に対するエッジ位置情報を、固体撮像素子１０から取得できたか否かを判定する（ステップＳ１２）。

固体撮像素子１０からエッジ位置情報を取得すると（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、制御部２０は、固体撮像素子１０が撮像可能な範囲のうちオートフォーカス制御処理に用いるフォーカスエリア（以下、「ＡＦエリア」とする。）を判定する（ステップＳ１３）。

次に、制御部２０は、焦点調節レンズ３０を移動させ、固体撮像素子１０からフォーカス評価値を取得する第１制御処理を開始する（ステップＳ１４）。この第１制御処理は、図５に示すステップＳ２０〜Ｓ２５の処理であり後で詳述する。

次に、制御部２０は、第１制御処理又は後述する第２制御処理によって固体撮像素子１０から取得したフォーカス評価値がピーク値であるか否かを判定する（ステップＳ１５）。例えば、図３に示すように、固体撮像素子１０の位置がタイミングｔ１の位置から順にタイミングｔ４の位置で被写体像が撮像され、固体撮像素子１０からフォーカス評価値が出力されるとする。このとき、制御部２０は、次のタイミングｔ５で焦点調節レンズ３０を合焦位置と推定される位置に移動させる。このときに固体撮像素子１０から出力されるフォーカス評価値がピーク値となる。

この処理において、取得したフォーカス評価値がピーク値ではないと判定すると（ステップＳ１５：ＮＯ）、制御部２０は、取得したフォーカス評価値がピーク値に近いか否かを判定する（ステップＳ１６）。ここで、「フォーカス評価値がピーク値に近い」とは、フォーカス評価値が所定値以上であることを意味し、この所定値は予め制御部２０のメモリに記憶されている。例えば、図３に示す例では、所定値α以上のときにフォーカス評価値がピーク値に近いと判定される。

ステップＳ１６の処理において、フォーカス評価値がピーク値に近いと判定すると（ステップＳ１６：ＹＥＳ）、制御部２０は、固体撮像素子１０からフォーカス評価値を取得した後に焦点調節レンズ３０を移動させる第２制御処理を開始する（ステップＳ１７）。この第２制御処理は、図６に示すステップＳ３０〜Ｓ３４の処理であり後で詳述する。

一方、ステップＳ１６の処理において、フォーカス評価値がピーク値に近くないと判定したとき（ステップＳ１６：ＮＯ）、制御部２０は処理をステップＳ１４に移行する。また、ステップＳ１７の処理が終了したとき、制御部２０は処理をステップＳ１５に移行する。

ステップＳ１５の処理において、取得したフォーカス評価値がピーク値であると判定すると（ステップＳ１５：ＹＥＳ）、制御部２０は、固体撮像素子に本撮像のための撮像指示信号を出力する（ステップＳ１８）。その後、制御部２０は、固体撮像素子から出力される画像データを記憶部７０に記憶して（ステップＳ１９）、処理を終了する。

次に、ステップＳ１４に示す第１制御処理を図５を参照して説明する。

図５に示すように、第１制御処理を開始すると制御部２０は、ＡＦエリアを指定して固体撮像素子１０へ撮像指示信号を出力する（ステップＳ２０）。制御部２０は、この撮像指示信号に対して撮像終了タイミング信号が固体撮像素子１０から出力されるのを待つ（ステップＳ２１）。

この処理において、固体撮像素子１０から撮像終了タイミング信号を受信すると（ステップＳ２１：ＹＥＳ）、制御部２０は、内部のメモリに記憶しているフォーカス評価値に基づいて焦点調節レンズ移動量を決定し、焦点調節レンズ３０を移動する（ステップＳ２２）。

その後、制御部２０は、固体撮像素子１０からフォーカス評価値が出力されるのを待つ（ステップＳ２３）。固体撮像素子１０からフォーカス評価値が出力されると（ステップＳ２３：ＹＥＳ）、制御部２０は、このフォーカス評価値を内部のメモリに記憶する（ステップＳ２４）。その後、制御部２０は、焦点調節レンズ３０の移動が終了したか否かを判定し（ステップＳ２５）、焦点調節レンズ３０の移動が終了したと判定すると（ステップＳ２５：ＹＥＳ）、第１制御処理を終了する。

次に、ステップＳ１７に示す第２制御処理を図６を参照して説明する。

図６に示すように、第２制御処理を開始すると制御部２０は、ＡＦエリアを指定して固体撮像素子１０へ撮像指示信号を出力する（ステップＳ３０）。制御部２０は、この撮像指示信号に対して撮像終了タイミング信号が固体撮像素子１０から出力されるのを待つ（ステップＳ３１）。

この処理において、固体撮像素子１０から撮像終了タイミング信号を受信すると（ステップＳ３１：ＹＥＳ）、制御部２０は、固体撮像素子１０からフォーカス評価値が出力されるのを待つ（ステップＳ３２）。

固体撮像素子１０からフォーカス評価値が出力されると（ステップＳ３２：ＹＥＳ）、制御部２０は、このフォーカス評価値を内部のメモリに記憶する。さらに、内部のメモリに記憶しているフォーカス評価値に基づいて、焦点調節レンズ３０の移動量を決定し、決定した移動量に応じてレンズ移動機構３１を制御して焦点調節レンズ３０を移動する（ステップＳ３３）。その後、制御部２０は、焦点調節レンズ３０の移動が終了したか否かを判定し（ステップＳ３４）、焦点調節レンズ３０の移動が終了したと判定すると（ステップＳ３４：ＹＥＳ）、第２制御処理を終了する。

（固体撮像素子１０による制御）
まず、フォーカス制御処理を含む撮像処理のうち、撮像装置１の固体撮像素子１０が行う動作について説明する。図７は撮像装置１の固体撮像素子１０が行うフォーカス制御処理を含む撮像処理の流れを示す図である。

図７に示すように、制御部２０から撮像指示信号が入力されると、固体撮像素子１０の撮像駆動部１７は、ＡＦエリアの指定があるか否かを判定する（ステップＳ４１）。この処理において、ＡＦエリアの指定があると判定すると（ステップＳ４１：ＹＥＳ）、撮像駆動部１７は、ＡＦエリアに撮像範囲を限定するＡＦ制御用の駆動信号を撮像部１１へ出力して、ＡＦエリアの撮像を撮像部１１に実行させる（ステップＳ４２）。一方、ＡＦエリアの指定がないと判定すると（ステップＳ４１：ＮＯ）、撮像駆動部１７は、撮像エリアを限定せずに通常撮影用の駆動信号を撮像部１１へ出力して、エリアを限定しない撮像を撮像部１１に実行させる（ステップＳ４３）。

次に、撮像駆動部１７は、撮像部１１からのアナログ画像信号の出力が終了するまで待ち（ステップＳ４４）、アナログ画像信号の出力が終了すると（ステップＳ４４：ＹＥＳ）、撮像終了タイミング信号を、制御部２０及びデジタル画像信号処理部１４へ出力する（ステップＳ４５）。デジタル画像信号処理部１４は、撮像終了タイミング信号を入力すると、アナログ画像信号処理部１２及びＡ／Ｄ変換部１３を介して入力したデジタル画像信号に基づいて、各種デジタル処理を行う。例えば、デジタル画像信号処理部１４は、撮像部１１で撮像した被写体像のデジタル画像データやその輝度データなどを生成して出力する。

その後、デジタル画像信号処理部１４から輝度データを入力したエッジ検出部１５は、輝度データをバンドパスフィルタでフィルタリングすることにより、撮像部１１で撮像した被写体像の高周波成分（高域輝度成分）を抽出する。その後、エッジ検出部１５は、高域輝度成分から固体撮像素子１０が撮像した画像の高周波成分を演算して画像のエッジ部分を割り出し、エッジ位置情報として制御部２０へ出力する（ステップＳ４６）。

また、フォーカス評価値生成部１６は、エッジ検出部１５により生成される高域輝度成分を積分して、その数値をフォーカス評価値として制御部２０へ出力して（ステップＳ４７）、撮像処理を終了する。

以上のように、第１の実施形態の撮像装置１では、焦点調節レンズ３０と、焦点調節レンズ３０を光軸方向に移動させるレンズ移動機構３１と、固体撮像素子１０と、レンズ移動機構３１及び固体撮像素子１０を制御する制御部２０とを備えている。

また、固体撮像素子１０は、撮像光学系により結像された被写体像を撮像する撮像部１１と、撮像部１１で撮像した被写体像の画像データ及びその輝度データを生成するデジタル画像信号処理部１４と、データの入出力を行うための入出力部１８とを備える。さらに、固体撮像素子１０は、デジタル画像信号処理部１４から出力される輝度データに基づいて被写体像のフォーカス評価値を生成し、当該フォーカス評価値を入出力部１８から出力するフォーカス評価値生成部１６と、撮像駆動部１７とを備える。撮像駆動部１７は、入出力部１８から撮像指示信号を入力すると、撮像部１１による撮像動作を開始させ、当該撮像動作を終了すると、撮像終了タイミング信号を入出力部１８へ出力する。

一方、制御部２０は、操作部５０へのオートフォーカス指示操作を検出すると、固体撮像素子１０の入出力部１８へ撮像指示信号を出力する。さらに、固体撮像素子１０の入出力部１８から撮像終了タイミング信号を入力したとき、制御部２０は、レンズ移動機構３１を制御して焦点調節レンズ３０を移動させる。そして、制御部２０は、固体撮像素子１０の入出力部１８から出力されるフォーカス評価値に基づいて、焦点調節レンズ３０の合焦位置を判定する。

このように、本実施形態における固体撮像素子１０では、オートフォーカス機能を実行するために必要なＤＳＰ機能、エッジ検出機能及びフォーカス評価値生成機能などを内蔵するようにしている。これにより、撮像装置１内の配線増加や構成の複雑化を抑制して、撮像装置１のコンパクト化を図ることができる。また、オートフォーカスの撮像処理、フォーカス評価値の算出処理、レンズ移動制御のタイミングが最適化される。従って、オートフォーカス制御処理の精度向上、処理時間短縮、低消費電力化を図ることができる。

また、制御部２０は、操作部５０へのオートフォーカス指示操作を検出すると、固体撮像素子１０の入出力部１８へ撮像指示信号を出力する。その後、制御部２０は、固体撮像素子１０の入出力部１８から撮像終了タイミング信号を入力したとき、レンズ移動機構３１を制御し焦点調節レンズ３０を移動させると同時に固体撮像素子１０の入出力部１８から出力されるフォーカス評価値を取得する処理を行う。制御部２０は、この処理を固体撮像素子１０の入出力部１８から出力されるフォーカス評価値がピークとなるまで繰り返すようにしている。

このように、焦点調節レンズ３０の移動をフォーカス評価値の生成と同時に開始することで、フォーカス制御処理１回にかかる時間を低減させることができる。

また、制御部２０は、固体撮像素子１０から取得したフォーカス評価値が所定条件を満たすとき、例えば、フォーカス評価値が所定値以上のとき、次のように制御を実行する。すなわち、制御部２０は、固体撮像素子１０の入出力部１８から撮像終了タイミング信号を入力したときに焦点調節レンズ３０を移動させず、固体撮像素子１０からフォーカス評価値を取得する。そして、制御部２０は、当該取得したフォーカス評価値に応じた移動量で焦点調節レンズ３０を移動する。

このように、フォーカス評価値がピーク値に近くなると、フォーカス評価値を取得した後にこのフォーカス評価値を用いて焦点調節レンズ３０の移動量を決定することで、フォーカス評価値がピーク値となる焦点調節レンズ３０への到達を早めることができる。

さらに、制御部２０は、焦点調節レンズ３０を移動させている途中に固体撮像素子１０からフォーカス評価値を取得すると、当該フォーカス評価値に応じて焦点調節レンズ３０の移動を停止することもできる。これにより、焦点調節レンズ３０の移動量をより適切に設定することが可能となる。

〔２．第２の実施形態〕
上記第１の実施形態では、オートフォーカス制御処理の方式として、山登り方式を採用した撮像装置１について説明したが、本第２の実施形態では、スキャン方式を採用した撮像装置１について説明する。なお、第２の実施形態の撮像装置は第１の実施形態の撮像装置１と同様の構成であり、固体撮像素子にオートフォーカス機能を実行するために必要なデジタル信号処理部、エッジ検出部、フォーカス評価値生成部などを内蔵するようにしている。なお、第１の実施形態の撮像装置１とは処理方法のみことなり、構成は同様であることから、第２の実施形態では第１の実施形態と同一符号を用いて説明する。

本実施形態における撮像装置１のフォーカス制御処理は、スキャン方式のフォーカス制御処理である。スキャン方式では、焦点調節レンズ３０を所定量移動させて固体撮像素子１０から出力されるフォーカス評価値を取得する処理を、焦点調節レンズ３０の移動範囲の全域に亘って行い、フォーカス評価値が最大となる位置を焦点調節レンズ３０の合焦位置と判定する。図８は撮像装置１のフォーカス制御処理のタイミングチャートを示す図、図９はフォーカス評価値のピーク値の判断を説明するための図、図１０は撮像装置１の制御部２０が行うフォーカス制御処理を含む撮像処理の流れを示す図である。

第２の実施形態における撮像装置１の撮像処理は、図８に示すように、フォーカス制御処理を行った後、本撮像処理を行うことによって実行される。制御部２０からフォーカスエリアを指定した撮像指示を固体撮像素子１０に対して行うための撮像指示信号を出力する（図８（ａ）参照）と、固体撮像素子１０の撮像駆動部１７は撮像部１１を駆動して被写体の撮像を実行する（図８（ｂ）参照）。

第２の実施形態における撮像装置１は、フォーカス制御処理を行うとき、図８に示すように、撮像部１１による撮像結果であるアナログ画像信号の出力が終了すると、焦点調節レンズ３０の移動とフォーカス評価値の生成と同時に開始する。

すなわち、アナログ画像信号の出力が終了すると、デジタル画像信号処理部１４、エッジ検出部１５及びフォーカス評価値生成部１６による処理が実行され（図８（ｃ）参照）、同時に焦点調節レンズ３０の移動処理が開始される（図８（ｄ）参照）。従って、固体撮像素子１０からのフォーカス評価値の出力を待つことなく、焦点調節レンズ３０が移動するので、オートフォーカス撮像１フレーム当たりの期間を短縮することができ、オートフォーカス期間の短縮を行うことができる。

制御部２０は、焦点調節レンズ３０を所定量移動させて固体撮像素子１０から出力されるフォーカス評価値が最大となる焦点調節レンズ３０の位置を判定し、この位置を焦点調節レンズ３０の合焦位置として決定する。その後、この合焦位置に焦点調節レンズ３０を移動させ、固体撮像素子１０による本撮像処理を実行する。

例えば、図９に示す例では、記憶しているフォーカス評価値のうち最大のフォーカス評価値を取得したときの焦点調節レンズ３０の位置βを焦点調節レンズ３０の合焦位置として判定する。

以下、上述したフォーカス制御処理を含む撮像処理について、撮像装置１の制御部２０が行う動作についてそれぞれ図面を参照して説明する。なお、撮像装置１の固体撮像素子１０が行う動作は第１の実施形態と同様である。

撮像装置１の電源ボタン（図示せず）がＯＮ操作されると、利用者の操作部５０への操作によりＡＦ撮像指示を待つ。この処理において、制御部２０は、操作部５０に含まれるシャッターボタン（図示せず）が押下されたときに、ＡＦ撮像指示があったと判定し、図１０に示す処理を開始する。

図１０に示すように、制御部２０は、まず固体撮像素子１０に撮像指示信号を出力する（ステップＳ５１）。次に、この撮像指示信号に対するエッジ位置情報を、固体撮像素子１０から取得できたか否かを判定する（ステップＳ５２）。

固体撮像素子１０からエッジ位置情報を取得すると（ステップＳ５２：ＹＥＳ）、制御部２０は、固体撮像素子１０が撮像可能な範囲のうちオートフォーカス制御処理に用いるフォーカスエリア（以下、「ＡＦエリア」とする。）を判定する（ステップＳ５３）。

次に、制御部２０は、焦点調節レンズ３０を始点位置に移動させ（ステップＳ５４）、オートフォーカス制御処理を行う（ステップＳ５５）。このオートフォーカスは、第１の実施形態におけるステップＳ１４の第１制御処理（図５に示す処理）と同様の処理であるが、図５に示すステップＳ２２の処理において、レンズ移動を予め定められた所定量だけ移動させる点で異なる。

ステップＳ５５のオートフォーカス制御処理を終了すると、制御部２０は、焦点調節レンズ３０の位置が終点位置であるか否かを判定する（ステップＳ５６）。換言すれば、焦点調節レンズ３０の移動範囲の全域に亘ってフォーカス評価値を取得したか否かを判定する。

焦点調節レンズ３０の位置が終点位置であると判定すると（ステップＳ５６：ＹＥＳ）、制御部２０は、ステップＳ５５の処理で固体撮像素子１０から取得したフォーカス評価値に基づいて、焦点調節レンズ３０の合焦位置を判定する（ステップＳ５７）。制御部２０は、内部のメモリに記憶したフォーカス評価値のうち最大値となるフォーカス評価値を取得したときの焦点調節レンズ３０の位置を焦点調節レンズ３０の合焦位置と判定する。

次に、制御部２０は、レンズ移動機構３１を制御して、判定した合焦位置に焦点調節レンズ３０を移動させ（ステップＳ５８）、固体撮像素子１０を制御して固体撮像素子１０に本撮像のための撮像指示信号を出力する（ステップＳ５９）。その後、制御部２０は、固体撮像素子から出力される画像データを記憶部７０に記憶して（ステップＳ６０）、処理を終了する。

以上のように、第２の実施形態における撮像装置１では、第１の実施形態における撮像装置１と同様に、オートフォーカスの撮像処理、フォーカス評価値の算出処理、レンズ移動制御のタイミングが最適化される。従って、オートフォーカス制御処理の精度向上、処理時間短縮、低消費電力化を図ることができる。

特に、制御部２０は、前記操作部へのオートフォーカス指示操作を検出すると、固体撮像素子１０の入出力部１８へ撮像指示信号を出力する。その後、制御部２０は、固体撮像素子１０の入出力部１８から撮像終了タイミング信号を入力すると、レンズ移動機構３１を制御して焦点調節レンズ３０を所定量移動させて固体撮像素子の入出力部１８から出力されるフォーカス評価値を取得する。この一連の処理を、焦点調節レンズ３０の移動範囲の全域に亘って行い、焦点調節レンズ３０の各移動位置で固体撮像素子１０の入出力部１８から出力されるフォーカス評価値が最大となる位置を焦点調節レンズ３０の合焦位置と判定するようにしている。

〔３．その他の実施形態〕
上述の実施形態では、制御部２０が固体撮像素子１０へ撮像指示信号を出力することで、固体撮像素子１０での撮像を開始させているため、オートフォーカス撮像１フレームの期間が可変であったが、オートフォーカス撮像１フレームを固定としてもよい。この場合、固体撮像素子１０の撮像駆動部１７から撮像を開始するタイミングで同期信号を制御部２０に出力する。制御部２０は、焦点調節レンズ３０を移動中のタイミングで撮像駆動部１７から同期信号を入力したとき、焦点調節レンズ３０の移動を中止する。

また、上述の実施形態では、画像信号の高域輝度成分から画像のエッジ部分を表すエッジ位置情報を生成し、フォーカスエリア（フォーカス評価値の算出に使用される画像エリア）をエッジ部分の移動に追尾させることとしたが、これに限られるものではない。例えば、オートフォーカス処理の時間短縮のため、フォーカスエリアを画像中央部のみに限定するようにしてもよい。

第１の実施形態における撮像装置の構成を示す図である。第１の実施形態における撮像装置のフォーカス制御処理のタイミングチャートを示す図である。第１の実施形態におけるフォーカス評価値のピーク値の判断を説明するための図である。第１の実施形態における撮像装置の制御部が行うフォーカス制御処理を含む撮像処理の流れを示す図である。図４に示す第１制御処理の流れを示す図である。図４に示す第２制御処理の流れを示す図である。第１の実施形態における撮像装置の固体撮像素子が行うフォーカス制御処理を含む撮像処理の流れを示す図である。第２の実施形態における撮像装置のフォーカス制御処理のタイミングチャートを示す図である。第２の実施形態におけるフォーカス評価値のピーク値の判断を説明するための図である。第２の実施形態における撮像装置の制御部が行うフォーカス制御処理を含む撮像処理の流れを示す図である。従来の撮像装置の構成を示す図である。

符号の説明

１撮像装置
１０固体撮像素子
１１撮像部
１２アナログ画像信号処理部
１３Ａ／Ｄ変換部
１４デジタル信号処理部
１５エッジ検出部
１６フォーカス評価値生成部
１７撮像駆動部
２０制御部
３０焦点調節レンズ
３１レンズ移動機構
４０絞り
４１絞り駆動部
５０操作部
６０ＬＣＤＩ／Ｆ部
６１ＬＣＤ
７０記憶部

Claims

焦点調節レンズと、
前記焦点調節レンズを光軸方向に移動させるレンズ移動機構と、
利用者によって操作可能な操作部と、
撮像光学系により結像された被写体像を撮像する撮像部と、前記撮像部で撮像した被写体像の画像データ及びその輝度データを生成するデジタル信号処理部と、データの入出力を行うための入出力部と、前記デジタル信号処理部から出力される輝度データに基づいて前記被写体像のフォーカス評価値を生成し、当該フォーカス評価値を前記入出力部から出力するフォーカス評価値生成部と、前記入出力部から撮像指示信号を入力すると、前記撮像部による撮像動作を開始させ、当該撮像動作を終了すると、撮像終了タイミング信号を前記入出力部から出力する撮像駆動部と、を備えた固体撮像素子と、
前記操作部への利用者による操作に応じて、前記レンズ移動機構と前記固体撮像素子と制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記操作部へのオートフォーカス指示操作を検出すると、前記固体撮像素子の前記入出力部へ撮像指示信号を出力し、前記固体撮像素子の前記入出力部から撮像終了タイミング信号を入力すると、前記レンズ移動機構を制御して前記焦点調節レンズを移動させ、前記固体撮像素子の前記入出力部から出力されるフォーカス評価値に基づいて、前記焦点調節レンズの合焦位置を判定する撮像装置。
前記制御部は、前記操作部へのオートフォーカス指示操作を検出すると、前記固体撮像素子の前記入出力部へ撮像指示信号を出力し、前記固体撮像素子の前記入出力部から撮像終了タイミング信号を入力したとき、前記レンズ移動機構を制御して前記焦点調節レンズを移動させると同時に前記固体撮像素子の前記入出力部から出力されるフォーカス評価値を取得する処理を、前記固体撮像素子の前記入出力部から出力されるフォーカス評価値がピークとなるまで繰り返す請求項１に記載の撮像装置。
前記制御部は、前記固体撮像素子から取得したフォーカス評価値が所定条件を満たすとき、前記固体撮像素子の前記入出力部から撮像終了タイミング信号を入力したときに前記焦点調節レンズを移動させず、前記固体撮像素子からフォーカス評価値を取得し、当該取得したフォーカス評価値に応じた移動量で前記焦点調節レンズを移動させる請求項２に記載の撮像装置。
前記制御部は、前記焦点調節レンズを移動させている途中に前記固体撮像素子からフォーカス評価値を取得すると、当該フォーカス評価値に応じて前記焦点調節レンズの移動を停止する請求項２又は３に記載の撮像装置。
前記制御部は、前記操作部へのオートフォーカス指示操作を検出すると、前記固体撮像素子の前記入出力部へ撮像指示信号を出力し、前記固体撮像素子の前記入出力部から撮像終了タイミング信号を入力したとき、前記レンズ移動機構を制御して前記焦点調節レンズを所定量移動させると同時に前記固体撮像素子の前記入出力部から出力されるフォーカス評価値を取得する処理を、前記焦点調節レンズの移動範囲内で行い、前記焦点調節レンズの各移動位置で前記固体撮像素子の前記入出力部から出力されるフォーカス評価値が最大となる位置を前記焦点調節レンズの合焦位置と判定する請求項１に記載の撮像装置。
撮像光学系により結像された被写体像を撮像する撮像部と、
前記撮像部で撮像した被写体像の画像データ及びその輝度データを生成するデジタル信号処理部と、
データの入出力を行うための入出力部と、
前記デジタル信号処理部から出力される輝度データに基づいて前記被写体像のフォーカス評価値を生成し、当該フォーカス評価値を前記入出力部から出力するフォーカス評価値生成部と、
前記入出力部から撮像指示信号を入力すると、前記撮像部による撮像動作を開始させ、当該撮像動作を終了すると、撮像終了タイミング信号を前記入出力部から出力する撮像駆動部と、を備えた固体撮像素子。