JP2011017800A - 焦点検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像素子に配置された焦点検出用画素群からの信号をもとに位相差方式の自動焦点検出を行う場合の焦点検出精度を向上させる。
【解決手段】撮像装置は、撮影レンズにより結像される被写体像を光電変換して画像生成用の信号を生成する撮像用画素と、複数の撮像用画素の間に離散的に配置され、撮影レンズの瞳領域を分割して、分割された瞳領域からの被写体像を光電変換して位相差検出用の信号を生成する焦点検出用画素とを有する撮像素子と、焦点検出用画素からの位相差検出用の信号を用いて、位相差検出方式による焦点検出を行う第１の焦点検出部と、撮像用画素からの画像生成用の信号から画像のコントラストを検出し、コントラスト検出方式による焦点検出を行う第２の焦点検出部と、第１の焦点検出部による焦点検出結果と第２の焦点検出部による焦点検出結果の差に基づき、第１の焦点検出部による焦点検出結果の補正値を算出する補正値算出部とを備える。
【選択図】図９

Description

本発明は、撮像素子に配置された焦点検出用画素群からの信号をもとに自動焦点検出を行う第１の焦点検出機能と、撮像素子に配置された撮像用画素群のコントラスト情報をもとに自動焦点検出を行う第２の焦点検出機能の双方を有する撮像装置に関する。

従来より、撮像装置の自動焦点検出（オートフォーカス：ＡＦ）を行う方式として、一眼レフカメラで使用されているＴＴＬ位相差検出方式が知られている。ＴＴＬ位相差検出方式は、撮影光束の一部を２つに分割し、これら２つの像のずれ方向とずれ量を検出することによって、予定焦点面（撮像面と共役な面）で合焦させるのに必要な焦点調節レンズの移動方向、および移動量を算出するものである。撮影レンズの射出瞳を通過した光束を２分割し、それぞれの光束に対応する信号を得るためには、撮像光路中にクイックリターンミラーやハーフミラー等の光路分割手段を設け、その先に焦点検出用光学系とＡＦセンサを設けるのが一般的である。このように撮像素子とは別体のＡＦセンサを用いた位相差検出方式による自動焦点検出を、ここではセンサ別体型位相差検出方式と呼ぶことにする。センサ別体型位相差検出方式は、合焦に必要な焦点調節レンズの駆動方向、および駆動量を直接算出することが出来るため、短時間で合焦動作を行うことが出来るという特長がある。しかし、別体のセンサや光学部品が必要になるため、撮像装置内に比較的大きなスペースが必要になってしまうという欠点もある。

一方、自動焦点検出を行う別の方式として、撮像素子の一部の画素に、水平、垂直方向の像ずれ量を検出することが可能な瞳分割機能を付与し、これによっていわゆる位相差ＡＦを可能にした構成のものがある。ここでは、この方式をセンサ一体型位相差検出方式と呼ぶことにする。センサ一体型焦点検出方式に関して詳細は後述するが、この方式のものは、撮影レンズの絞りによっては、射出瞳がけられてしまい、正確な焦点検出が行えないという問題がある。これに対し特許文献１は、レンズの撮影レンズ射出窓情報と焦点検出領域情報を用いて、位相差ＡＦの相関演算に使用する像信号のシェーディング補正を行い、より高精度な焦点検出を可能にする技術を開示している。

特開２００４−１９１６２９号公報

しかしながら、このような構成においては、撮影レンズ射出窓情報と焦点検出領域情報に基づいてシェーディングデータが必要になるので、実測のシェーディングを調整値として持つと、大きな容量の記憶領域が必要になってしまう。また、シミュレーションなどでの計算値でシェーディング補正を行うとしても、レンズの製造誤差などに起因するばらつきを吸収することが出来ないという問題があった。

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、撮像素子に配置された焦点検出用画素群からの信号をもとに位相差方式の自動焦点検出を行う場合の焦点検出精度を向上させることである。

本発明に係わる撮像装置は、撮影レンズにより結像される被写体像を光電変換して画像生成用の信号を生成する撮像用画素と、複数の前記撮像用画素の間に離散的に配置され、前記撮影レンズの瞳領域を分割して、分割された瞳領域からの被写体像を光電変換して位相差検出用の信号を生成する焦点検出用画素とを有する撮像素子と、前記焦点検出用画素からの位相差検出用の信号を用いて、位相差検出方式による焦点検出を行う第１の焦点検出手段と、前記撮像用画素からの画像生成用の信号から画像のコントラストを検出し、コントラスト検出方式による焦点検出を行う第２の焦点検出手段と、前記第１の焦点検出手段による焦点検出結果と前記第２の焦点検出手段による焦点検出結果の差に基づいて、前記第１の焦点検出手段による焦点検出結果の補正値を算出する補正値算出手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、撮像素子に配置された焦点検出用画素群からの信号をもとに位相差方式の自動焦点検出を行う場合の焦点検出精度を向上させることが可能となる。

本発明の一実施形態に係わるカメラの断面図である。 ベイヤー配列の撮像素子とその断面を示した図である。 撮影レンズの水平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。 撮像用画素および水平方向に瞳分割された焦点検出用画素の配置例を示す図である。 撮像用画素および垂直方向に瞳分割された焦点検出用画素の配置例を示す図である。 撮像用画素および水平、垂直方向に瞳分割された焦点検出用画素を併せ持つ配置例を示す図である。 焦点検出用画素の出力を平均する範囲について説明する図である。 本発明の一実施形態に係わるカメラのブロック図である。 一実施形態のカメラの動作を示すフローチャートである。 コントラスト検出方式のＡＦを行う、画像内の領域を説明する図である。 コントラスト検出方式のＡＦの信頼性を説明するための図である。

図１は、本発明の一実施形態に係わるデジタル一眼レフカメラの構成を示す側断面図である。図１に示すカメラは、光学ファインダモードと、ライブビューモードという二つのモードを持ち、これら両モードを切り替え可能であるものとする。光学ファインダモードでは、撮影レンズからの光束をハーフミラーによってビームスプリットし、反射光を光学ファインダ、およびＡＥセンサに導く。そして、ピント板に映し出された被写体像をアイピースから覗くことによって、被写体を観測することができる。また、ハーフミラーを透過した光はＡＦセンサに導かれる。一方、ライブビューモードは、撮影レンズからの光束を直接撮像素子に導き、撮像素子からの画像情報をリアルタイムにカメラ背面などに設置された液晶ディスプレイなどの表示装置に出力、表示することによって、被写体の観測を行うモードである。以下、両モードでのカメラの構成について、詳しく説明する。

図１（ａ）は、本実施形態におけるデジタル一眼レフカメラの光学ファインダモード時の断面図である。図１（ａ）において１０１はカメラ本体であり、その前面には撮影レンズ１０２が装着される。撮影レンズ１０２は交換可能であり、またカメラ本体１０１と撮影レンズ１０２はマウント接点群１１２を介して電気的にも接続される。さらに撮影レンズ１０２の中には、絞り１１３が配置されており、カメラ内に取り込む光量を調整できるようになっている。１０３はメインミラーであり、ハーフミラーとなっている。メインミラー１０３はファインダ観測状態では撮影光路上に斜設され、撮影レンズ１０２からの撮影光束をファインダ光学系へと反射する。一方、透過光はサブミラー１０４を介してＡＦユニット１０５へと入射する。

ＡＦユニット１０５は位相差検出方式のＡＦセンサである。位相差方式による焦点検出は公知の技術であるため、具体的な制御に関してはここでは省略するが、概略次のように動作する。すなわち、撮影レンズ１０２の二次結像面を焦点検出ラインセンサ上に形成することによって、撮影レンズ１０２の焦点調節状態を検出し、その検出結果をもとに不図示のフォーカシングレンズを駆動して自動焦点検出を行う。

１０８は撮像素子であり、１０６はローパスフィルタ、１０７はフォーカルプレーンシャッタである。１０９はファインダ光学系を構成する撮影レンズ１０２の予定結像面に配置されたピント板であり、１１０はファインダ光路変更用のペンタプリズムである。１１４はアイピースであり、撮影者はここからピント板１０９を観察することによって、撮影画面を確認することができる。また１１１はＡＥユニットであり、測光を行う際に使用する。

１１５はレリーズボタンであり、半押し、全押しの状態を持つ二段押し込み式のスイッチである。レリーズボタン１１５が半押しされることによって、ＡＥ、ＡＦ動作などの撮影前の準備動作が行われ、全押しされることによって、撮像素子１０８が露光されて撮影処理が行われる。以下では、レリーズボタン１１５が半押しされた状態をＳＷ１がＯＮした状態、全押しされた状態をＳＷ２がＯＮした状態、と記述することにする。１１６はライブビュー開始／終了ボタンであり、このボタンが押されるたびに、図１（ａ）の光学ファインダモードと、図１（ｂ）のライブビューモードが切り替わる構成となっている。また１１８はカメラの姿勢センサ（姿勢検知センサ）であり、ＧＰＳや電子コンパス、姿勢センサなどから構成される。これにより、カメラの位置、及び向いている方向を特定することができる。ある時刻ｔ１での姿勢センサの出力と、別の時刻ｔ２での姿勢センサの出力を比較することによって、ｔ１〜ｔ２間にカメラが動いたのかどうかを判定することができる。

次に図１（ｂ）にライブビューモード、および露光時のカメラの断面図を示す。ライブビューモードにおいては、メインミラー１０３、サブミラー１０４は撮影光路外に退避し、フォーカルプレーンシャッタ１０７が開くことによって、撮影光束を撮像素子１０８に導く。また、１１７はディスプレイユニットであり、カメラ本体１０１の背面に取り付けられている。ディスプレイユニット１１７は液晶パネルなどによって構成され、撮像素子１０８から得られた信号をリアルタイムに表示することで、ライブビュー表示を行うほかに、撮影者が撮影した画像を読み出して表示できるようになっている。

ここで、ライブビューモードでのＡＦ動作について説明する。本実施形態のカメラにおいては、ライブビューモードでのＡＦ動作は、ユーザーが不図示のスイッチを切り替えることにより、コントラスト検出方式とセンサ一体型位相差検出方式のどちらかを選択可能なものとする。コントラスト検出方式（第２の焦点検出方式）は、合焦までにある程度の時間を要するものの、精度の高い焦点検出が可能な方式である。一方、センサ一体型位相差検出方式は、撮像素子１０８内の画素群のうちの一部の画素群が、結像光学系の複数方向の焦点状態に応じた信号電荷を出力するように構成された焦点検出用画素群に置き換えられている。そして、これらの画素を用いて位相差検出方式（第１の焦点検出方式）によるＡＦ動作が可能である。センサ一体型位相差検出方式では、素早い合焦が可能であるため、動く被写体に追従させた合焦動作などが可能になる。以下、図を用いて撮像用画素と焦点検出用画素について説明する。

図２（ａ）は２行×２列の撮像用画素（画像生成用の信号を出力する画素）の平面図である。本実施形態では、ベイヤー配列の原色カラー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が用いられている。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２（ａ）の断面Ａ−Ａを図２（ｂ）に示す。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はＣＭＯＳセンサの光電変換部を模式的に示したものであり、ＣＬはＣＭＯＳ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ＭＬ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。すなわち、撮影光学系ＴＬの射出瞳ＥＰ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２（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３に、撮像素子１０８における撮影レンズの水平方向（横方向）に瞳分割（瞳領域の分割）を行なう焦点検出用画素（位相差検出用の信号を出力する画素）の配置と構造を示す。図３（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。撮像信号を得る場合、Ｇ画素は輝度情報の主成分をなす。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められやすい。一方でＲもしくはＢ画素は、色情報を取得する画素であるが、人間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に気づきにくい。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の画素の一部を焦点検出用画素としている。これを図３（ａ）においてＳＡ及びＳＢで示す。

図３（ａ）の断面Ａ−Ａを図３（ｂ）に示す。マイクロレンズＭＬと、光電変換部ＰＤは図２（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ＳＡおよび、その開口部ＯＰＨＡは右側に偏倚しているため、撮影レンズＴＬの左側の射出瞳ＥＰＨＡを通過した光束を受光する。同様に、画素ＳＢの開口部ＯＰＨＢは左側に偏倚しているため、撮影レンズ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ＳＡ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像とする。また、画素ＳＢ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。こうすると、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）が検出できる。

また、垂直方向（縦方向）のピントずれ量を検出したい場合には、ＳＡおよび、その開口部ＯＰＨＡを上側に、ＳＢおよび、その開口部ＯＰＨＢを下側に偏倚させて構成すればよい。よって、図示しないが、垂直方向を検出したい場合は、ＳＡおよびＳＢを９０度回転させて、偏倚させればよい。

図４は、撮像用画素および焦点検出用画素が、撮像素子１０８上にどのように配置されているかを示した図である。本実施形態のカメラでは、ライブビュー中は、ディスプレイユニット１１７に表示するフレームレートを高くするため、Ｘ（水平）方向に１／３、Ｙ（垂直）方向に１／３になるよう間引きされた信号を表示している。これに伴い、焦点検出用の画素は、間引きされた状態でも読み出せるように、間引きの周期にあわせて配置されている。図４において、Ｇは、緑フィルタを塗布された画素、Ｒは、赤フィルタを塗布された画素、Ｂは、青フィルタを塗布された画素であり、図中のＧ、Ｒ、Ｂは、間引き読み出し時に読み出される画素である。また、記号の書かれていない白抜き画素は、間引き読み出し時に読み出されない画素を表しているが、これらもベイヤー状に配置された画素であり、全画素読み出し時には読み出される。また、図中のＳＡは、画素部の開口を水平方向に偏倚させて形成された焦点検出用の画素であり、後述のＳＢ画素群との水平方向の像ずれ量を検出するための基準画素群である。また、ＳＢは、画素の開口部をＳＡ画素とは逆方向に偏倚させて形成された画素であり、ＳＡ画素群との水平方向の像ずれ量を検出するための参照画素群である。ＳＡ画素、ＳＢ画素の斜線部が、偏倚した画素の開口部を示している。

また、焦点検出用の画素配置であるが、焦点検出用画素群が、撮像用に使用できないことを考慮して、本実施形態では、Ｘ、Ｙ方向にある程度の間隔をおいて、離散的に配置されるように構成される。さらに、画像の劣化が目立ちにくいように、Ｇ画素部分には配置しないことが望ましい。本実施形態では、図中の太い黒枠で示された、４ｘ４画素（間引き前の画素配置で言えば、１２ｘ１２画素）のブロック内に、ＳＡ画素、ＳＢ画素の１ペアを配置するようにしている。図中に記載されたＢＬＯＣＫ＿Ｈ（ｉ、ｊ）は、ブロック名を表している。また、ブロックは、４ｘ４ブロックで完結するように構成されている。

焦点検出用の画素の配置規則に関しては、Ｘ方向が同一ブロックで、Ｙ方向が異なるブロックでは、ＳＡ、ＳＢの画素配置を水平方向に１画素（間引き前の画素では、３画素）ごとにシフトさせている。これを図中の矢印で示した。これは、離散的に配置された焦点検出用の画素群のサンプリング特性を改善させるためである。即ち、ＳＡ、ＳＢ画素は、Ｘ（水平）方向に瞳分割された画素群であるため、Ｘ方向には、サンプリングが密になるようにシフト量を１画素単位で行っている。また、Ｙ方向が同一ブロックで、Ｘ方向が異なるブロックでも、同様の考え方からＳＡ、ＳＢの画素配置を垂直方向に１画素（間引き前の画素では、３画素）ごとにシフトさせている。

このように焦点検出用画素の配置は、４ｘ４ブロックの塊を１ユニットとしており、全撮像画面への拡張は、このユニットを撮像素子の任意の位置に適宜配置すればよい。また、図４は水平方向（横方向）の画像信号を取得してＡＦに用いる場合の例であるが、垂直方向（縦方向）の画像信号を取得したい場合は、図４の水平、垂直方向を転置させた図５のような画素配置にすればよい。

さらに、焦点検出用の画素を、図４の配置と図５の配置が市松状に入れ子構造になるように配置すると、図６に示すようになり、水平、垂直の両方向の信号を用いてＡＦを行うことができる。この方式では、ＡＦ演算に使うＳＡ、ＳＢ画素を切り替えることによって、画面内の任意の位置でＡＦ動作を行うことが出来るという特長がある。なお、実際のＡＦ演算においては、図７に示すように、いくつかのＳＡ画素を加算平均することによって、大きな１画素とし、Ｓ／Ｎを向上させることを行う。図７の例では、Ａ像、Ｂ像それぞれ２画素を平均しているが、平均する画素の数は必要に応じて任意である。

本実施形態においては、撮像素子１０８の焦点検出用画素は、図６に示すような配置を持つものとし、撮像素子とＡＦセンサを兼用した位相差検出によるＡＦを実現できる。これを、センサ一体型位相差検出方式と称することにする。このような構成をとることにより、本実施形態では、光学ファインダモードにおいてはセンサ別体型位相差検出方式、ライブビューモードと露光時においてはセンサ一体型位相差検出方式かコントラスト検出方式にてＡＦ動作を行うことが出来る。

センサ一体型位相差検出方式は、高速な合焦動作が可能であるが、焦点検出用画素は、実際の撮影画像を形成する際には欠陥画素となってしまうため、密に配置すると撮影画像に影響を与えてしまう。そのため、サンプリングピッチをあまり高くできず、空間周波数の高い被写体への合焦が苦手である。また、撮影レンズを絞ると、図３の射出瞳ＥＰＨＡ、ＥＰＨＢがけられてしまうので、絞りに応じた補正が必要になり、またけられ方もカメラやレンズの製造誤差によって、個体差がある。

次に本実施形態のカメラのブロック図について説明する。図８が本実施形態におけるカメラのブロック図である。なお、図１と同じ部材については、同一符号を付すことにする。図８において、撮影レンズ１０２から入射した光線は、絞り１１３を通過し、ミラーボックス２０１に到達する。ミラーボックス２０１は前述のメインミラー１０３とサブミラー１０４で構成され、入射光を透過光と反射光に分割しそれぞれをＡＦユニット１０５、及びＡＥユニット１１１へと導く状態（光学ファインダモード：図１の（ａ））と、メインミラー１０３とサブミラー１０４を入射光路から退避させる状態（ライブビューモード：図１の（ｂ））と、で切り替えられる。

ライブビューモードにおいては、図１（ｂ）に示すようにメインミラー１０３とサブミラー１０４を入射光路から退避させ、またシャッタ１０７も開いている状態となっているため、入射光はそのまま撮像素子１０８に到達する。撮像素子１０８から出力される映像信号は、Ａ／Ｄ変換回路２０７によりデジタル信号に変換されて信号処理回路２０８に入力される。信号処理回路２０８においては、輝度信号や色信号を形成するなどの信号処理を行って、カラー映像信号が形成される。また、ディスプレイユニット１１７と記録部２１０は、それぞれ撮影した画像を表示、記録保存する個所であり、撮影処理が行われた際は、信号処理乖離２０８で形成されたカラー映像信号を表示、および保存する。更に、信号処理回路２０８で得られた信号や情報は、撮影制御部２０２へと送られる。

一方、ライブビューモードではなく、光学ファインダモード（図１の（ａ））にあるときは、ＡＦユニット１０５、およびＡＥユニット１１１に光が到達するため、両ユニットからの出力は撮影制御部２０２に送られる。撮影制御部２０２は、得られた各種情報より、撮影レンズ１０２内にある不図示のフォーカシングレンズを、レンズ駆動部２０６により駆動して合焦動作を行う。さらに露光時の絞り値、シャッタスピードを決定し、シャッタ駆動部２０３と絞り駆動部２０５を制御する。このように撮影レンズ１０２は、ピント調節のためにレンズ駆動部２０６によって駆動され、絞り１１３は絞り駆動部２０５によって、ミラーボックス２０１はミラー駆動部２０４によって、シャッタ１０７はシャッタ駆動部２０３によって、それぞれ駆動される。なお、２１１は、各種の情報を記憶する記憶部である。

次に図９に示すフローチャートを用いて、本実施形態の動作について説明する。本実施形態では、ライブビューモードに設定されているものとする（ステップＳ９０１）。ライブビューモードにおいては、まずユーザーが使用するＡＦの方式を、コントラスト検出方式とセンサ一体型位相差検出方式のどちらかから選択する。その選択ステップがＳ９０２である。既に説明したように、コントラスト検出方式はフォーカシングレンズのスキャン駆動が必要なため、ある程度の合焦時間がかかるものの精度の高い焦点検出が可能であり、一方、センサ一体型焦点検出方式は、素早い合焦動作が可能であるという特長を持つ。そのため、撮影する被写体に応じて、ユーザーが２つのＡＦ方式を切り替える。ただし、これは静止画撮影を前提とした話であり、静止画撮影／動画撮影の両方が可能なカメラにおいては、静止画撮影時は高精度なコントラスト検出方式、動画撮影時は動体に追従できるように高速な合焦が可能なセンサ一体型焦点検出方式、といったように、自動的に切り替えても良い。ステップＳ９０２でコントラスト検出方式が選択されたらセンサ一体型位相差方式のキャリブレーションを行うステップＳ９０３へ進み、センサ一体型位相差ＡＦが選択された場合は、キャリブレーション値を考慮したＡＦを行うステップＳ９２０へ進む。

ここからは、まずセンサ一体型位相差検出方式のキャリブレーション値を算出するフローについて説明する。ステップＳ９０３は、ユーザーによりＳＷ１がＯＮされるのを待つステップである。ＳＷ１がＯＮしたらステップＳ９０４に進む。ステップＳ９０４は、ユーザーのＳＷ１ＯＮ動作を受けて、ＡＦを行うステップである。これにより、予め設定されているＡＦ方式であるコントラスト検出方式のＡＦを行い、その焦点検出結果に基づいてフォーカシングレンズを合焦位置まで駆動する。コントラスト検出方式のＡＦは、被写体像を撮像するための撮像素子から出力された信号に基づいて生成された映像信号の中から高周波成分を抽出し、この高周波成分のレベルを所定のサンプリング間隔で観察して、高周波成分のレベルがピークに向かう方向に焦点調節レンズを駆動する。これによって、最終的に高周波成分のレベルが所定のピーク範囲に到達することをもって合焦と判定するものである。このようなコントラスト検出方式では、被写体を撮像する撮像素子からの出力信号に基づいて得られた映像信号を用いて合焦判定を行うので、被写体に対してより高精度に焦点検出を行うことが出来るという特長を持つ。しかし、位相差検出方式のように合焦に必要な焦点調節レンズの駆動方向、駆動量を直接検知することはできないため、合焦動作に時間がかかってしまうという欠点がある。コントラスト検出方式でのＡＦ動作が終了したら、ステップＳ９０５に進む。

ステップＳ９０５は、コントラストＡＦ中のカメラの姿勢、およびコントラストＡＦに使用した範囲の画像、さらに実行したコントラストＡＦの信頼性を算出、保存するステップである。まず、カメラの姿勢に関しては、カメラ内部に搭載された姿勢センサ１１８の出力を参照し、これをＰ１としてカメラ内に保存する。また、コントラストＡＦは、必ずある範囲の画像信号のコントラストを計算するので、その使用した範囲と画像をＷ１として保持する。例えば、図１０に示すように、画面中央の領域に対して合焦動作を行ったとすると、このコントラスト値を計算する対象範囲と画像をＷ１として保存する。この例では、２点の座標（Ｘａ，Ｙａ）、（Ｘｂ，Ｙｂ）を記憶し、これら２点を対角線とする長方形領域内の画像信号を記憶する。

また、コントラストＡＦの信頼性に関しては、図１１を用いて説明する。コントラストＡＦは、フォーカシングレンズをスキャンさせ、各レンズ位置での対象画像領域のコントラスト値を算出し、コントラスト値が最大値をとるようなレンズ位置を合焦点とする方式である。よって、レンズ位置とコントラスト値の関係は、例えば図１１のようになる。コントラスト値のピークの絶対値が大きく、またピーク値近傍のグラフの傾きが急峻なほど信頼性が高いと考えられる。そのため、コントラスト値のピークであるＣmax、もしくはピーク値近傍の傾きであるａ、ｂの平均を取って、（ａ−ｂ）÷２などをコントラストＡＦの信頼性Ｒｃとして算出し、記憶する。Ｐ１、Ｗ１、Ｒｃを算出したら、ステップＳ９０６へ進む。

ステップＳ９０６は、ユーザーによってレリーズボタンが全押しされる、すなわちＳＷ２がＯＮされるのを待つステップである。ＳＷ２がＯＮされればステップＳ９０７へ進むステップＳ９０７では撮影動作を行う。撮像素子１０８への露光を行い、その画像信号出力と共に、焦点検出用画素の出力を記憶する。またステップＳ９０８では、撮影時のカメラの姿勢Ｐ２、ステップＳ９０４にてコントラストＡＦの演算対象とした領域（この例では２点の座標（Ｘａ，Ｙａ）、（Ｘｂ，Ｙｂ）を対角線とする長方形領域）の画像Ｗ２、およびＷ２の空間周波数ｆを算出する。一般に、コントラストＡＦのコントラスト値が大きければ、被写体の空間周波数も高いため、本実施形態においては、コントラスト値Ｃmaxの値を、被写体の空間周波数ｆと相関のある数値として兼用する。Ｐ２、Ｗ２、ｆ（＝Ｃmax）を算出したら、ステップＳ９０９へ進む。

ここからは、撮影画像とともに記憶してある焦点検出用画素群の出力より、センサ一体型位相差検出方式のＡＦ結果（焦点検出結果）を求め、コントラスト検出方式のＡＦ結果（焦点検出結果）との差分を算出し（補正値算出）、補正量として記憶しキャリブレーション動作を行う。しかし正確な補正量を算出するには、コントラスト検出方式、センサ一体型位相差検出方式の両方が、十分に信頼性の高いことが必要になる。そこでステップＳ９０９では、まずコントラスト検出方式の信頼性Ｒｃについて、カメラ内に格納された所定量と比較を行い、信頼性Ｒｃが所定量よりも低い場合は、キャリブレーション動作を中止する。Ｒｃが所定量以上の場合は、ステップＳ９１０に進む。

ステップＳ９１０は、コントラストＡＦ時のカメラの姿勢Ｐ１と、撮影時のカメラの姿勢Ｐ２を比較する処理である。Ｐ１≠Ｐ２であれば、コントラストＡＦ実行時と撮影時の間に、カメラが動いてしまったことになり、コントラストＡＦ実行時と撮影時では被写体が変化しており、測距結果も変化してしまっている可能性が高い。そのため、｜Ｐ１−Ｐ２｜が所定量より大きい場合は、カメラが動いてしまったとしてキャリブレーションを中止する。ステップＳ９１１でも、コントラストＡＦ実行時と撮影時で同じ構図が保たれているかを、画像信号を用いて確認する。ＡＦの演算に使用するのはＷ１として記憶した座標（Ｘａ，Ｙａ）、（Ｘｂ，Ｙｂ）を対角線とする長方形領域であるため、コントラストＡＦ実行時点のこの領域の画像Ｗ１と、撮影時点のこの領域の画像Ｗ２の一致度（類似度）を算出する。一致度としては、Ｗ１の座標（ｘ，ｙ）の出力をＷ１ｘｙ，Ｗ２も同様にＷ２ｘｙと表記すると、例えば

を計算すればよい。Ｗ１とＷ２に差異がないほど、この値は小さくなるため、この値が所定量より大きい場合は、被写体が動いてしまったことなどが考えられるため、キャリブレーションを中止する。

またステップＳ９１２は、測距対象領域の空間周波数に対してチェックを行うステップである。センサ一体型位相差検出方式では、焦点検出用画素を密に配置してしまうと、撮影画像に影響を与えてしまうため、高密度に配置することが出来ず、結果として空間周波数の高い被写体に対する合焦動作は苦手である。そのため、空間周波数ｆが所定量よりも高い場合は、キャリブレーション動作を中止し、そうでない場合のみステップＳ９１３に進む。

ステップＳ９１３では、撮影画像の中に埋め込まれた焦点検出用画素群の画素出力を用い、センサ一体型位相差検出方式のＡＦ結果を算出する。前述のように、撮像素子１０８には、焦点検出用の画素が通常の画素に混ざって存在しており、カラーフィルタが無い、開口部がマイクロレンズの中心から偏移している、など、通常の画素とは構成的に異なる部分がある。そのため、撮像した画像（以下、本画像と表記する）には使えない。そのため、本画像を形成するには、焦点検出用画素部分は傷（欠陥画素）とみなし、この傷を周囲の画素の情報を用いて補完する。また、焦点検出用画素の出力を用いて測距演算を行うが、この際は、図１０に示したコントラストＡＦの演算に用いた領域内に存在する焦点検出用画素の出力より測距結果を算出する。また、センサ一体型位相差検出方式は、撮影レンズが絞られていくと、射出瞳がけられることによってＡＦの演算に使用するＡ像、Ｂ像の形状が崩れる。そのため、予め撮影レンズ射出窓情報と焦点検出領域情報に基づいたシミュレーションにより、Ａ像、Ｂ像に対してシェーディング補正をかけた上で算出し、そのときのデフォーカス量をＤｓとする。Ｄｓを演算したら、ステップＳ９１４に進む。

ステップＳ９１４では、Ｄｓの信頼性Ｒｓを算出し、信頼性が低い場合はキャリブレーションを中止する。Ｄｓの信頼性に関しては、定量化するのに様々な方式が提案されているが、本実施形態においては、Ａ像とＢ像の像信号の形状が一致していれば、信頼度が高いと判断する。すなわち、全部でｎ画素あるラインセンサで、ＡＦ動作後に得られるＡ像、Ｂ像信号をそれぞれＡｉ、Ｂｉと表記すると、信頼性Ｒｓは、

で算出されるとする。ここで、Ａ像とＢ像の像信号が一致していれば、Ｒｓの値は小さくなるため、Ｒｓが所定量より以下の場合のみ、信頼性が高いとしてキャリブレーションを行う。ステップＳ９１４の次は、ステップＳ９１５へ進む。

ここまでのステップにおいては、デフォーカス演算結果の信頼性、被写体の空間周波数、およびカメラの動きの有無により、キャリブレーションを行うかどうかを判定してきた。しかしステップＳ９１５では、センサ一体型位相差検出方式のＡＦ結果と、コントラスト検出方式の２種類のＡＦ結果の比較を行い、両者の差が大きい場合は、キャリブレーション動作を終了するステップである。Ｄｓは、コントラスト検出方式で合焦動作を行った際の画像より算出したＡＦ結果との差であるため、理想的なＤｓは０になり、逆にＤｓの値そのものがセンサ一体型位相差検出方式のキャリブレーションすべき値である。Ｄｓが０と大きく異なるのは、両方式で測距を行った際に、被写体が移動などしてシーンが変化した場合などが考えられ、この場合は正確なキャリブレーションを計算することはできない。よって、この場合もキャリブレーションを中止する。すなわちＤｓの絶対値が所定量以下の場合のみ、キャリブレーションを行う。

最終的なキャリブレーション量をＤｓとして、この処理以降のセンサ一体型位相差検出方式のＡＦ演算結果に加味すれば正確な合焦動作を行える。しかし、本実施形態においては、撮影して得られた複数のＤｓの値を記憶部２１１内に格納し、この記憶部２１１に記憶された過去のＤｓの値も用いて、最終的なキャリブレーション量を算出する。よって、ステップＳ９１６にてＤｓをカメラ内の記憶部２１１に記憶し、ステップＳ９１７にて記憶部２１１内の過去ｎ回のＤｓの算出結果の平均値を算出してキャリブレーション量Ａを算出する。ｎは任意の正の整数であり、例えばｎ＝１００であれば、過去１００枚のキャリブレーション結果の平均値を算出することになる。記憶部２１１内の過去ｎ回分のＤｓの値を用いてキャリブレーション量を算出することにより、１回の撮影結果のみでキャリブレーション量を決める場合よりも、より安定したキャリブレーションを行うことが可能になる。最終的なキャリブレーション量Ａを求めたら、ステップＳ９１８にてシーケンスを終了する。

なお、ここまでの説明においては、図１０に示す画面中央の領域に関してキャリブレーション動作を行ったが、中央以外の場所のキャリブレーションに関しては、その領域毎に個別にキャリブレーション量を保持することによって、画面上のどこの点に関しても、同様にキャリブレーションを行うことが出来る。

一方、ステップＳ９０２においてセンサ一体型位相差検出方式のＡＦが選択されている場合は、ステップＳ９２０より、キャリブレーション値Ａを考慮した合焦動作を行う。ステップＳ９２０は、ステップＳ９０３と同様、ユーザーによりＳＷ１がＯＮされるのを待つステップである。ＳＷ１がＯＮされたら、合焦動作を開始する。すなわち、まずは撮像素子１０８に存在する焦点検出用画素の出力より、センサ一体型位相差検出方式によるデフォーカス量ＤｓをステップＳ９２１にて演算する。しかし、実際のジャストピントの位置と、センサ一体型位相差検出方式によって算出されたデフォーカス量には差があり、その差分がキャリブレーション量Ａである。よってステップＳ９２２では、センサ一体型位相差検出方式にて算出したデフォーカス量Ｄｓからキャリブレーション量Ａを減算し、キャリブレーション量を加味したデフォーカス量を算出する。最終的なデフォーカス量が求まったら、ステップＳ９２３にて算出したデフォーカス量に応じた分だけフォーカシングレンズの駆動を行い、ＡＦ動作を完了する。そしてステップＳ９２４でＳＷ２がＯＮされると、撮影動作（ステップＳ９２５）を行い、シーケンスを終了する。

以上説明したように、上記の実施形態によれば、焦点検出用画素群からの信号を用いて自動焦点検出を行うセンサ一体型位相差検出方式において、位相差検出方式による検出結果を補正するための補正量をユーザが意識することなく、自動的に算出できる。そのため、ユーザの手を煩わせることなく、常に高精度なセンサ一体型位相差検出方式の自動焦点検出を行うことが可能となる。

Claims (9)

1. 撮影レンズにより結像される被写体像を光電変換して画像生成用の信号を生成する撮像用画素と、複数の前記撮像用画素の間に離散的に配置され、前記撮影レンズの瞳領域を分割して、分割された瞳領域からの被写体像を光電変換して位相差検出用の信号を生成する焦点検出用画素とを有する撮像素子と、
   前記焦点検出用画素からの位相差検出用の信号を用いて、位相差検出方式による焦点検出を行う第１の焦点検出手段と、
   前記撮像用画素からの画像生成用の信号から画像のコントラストを検出し、コントラスト検出方式による焦点検出を行う第２の焦点検出手段と、
   前記第１の焦点検出手段による焦点検出結果と前記第２の焦点検出手段による焦点検出結果の差に基づいて、前記第１の焦点検出手段による焦点検出結果の補正値を算出する補正値算出手段と、
   を備えることを特徴とする撮像装置。
2. 前記補正値算出手段は、前記第２の焦点検出手段による焦点検出結果を用いた撮影を行う毎に、前記補正値を自動的に算出することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記第１の焦点検出手段は、前記第２の焦点検出手段による焦点検出に用いた画面内の領域と同一の領域の前記焦点検出用画素からの位相差検出用の信号を用いて焦点検出を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
4. 前記補正値算出手段は、前記第１の焦点検出手段による焦点検出結果または前記第２の焦点検出手段による焦点検出結果の信頼性が所定量より低い場合に、前記補正値を算出しないことを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
5. 前記補正値算出手段は、前記第１の焦点検出手段による焦点検出結果と前記第２の焦点検出手段による焦点検出結果の差が所定量よりも大きい場合に、前記補正値を算出しないことを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
6. 前記撮像装置の姿勢を検知する姿勢検知手段をさらに備え、該姿勢検知手段が、前記第２の焦点検出手段により焦点検出を行った時点と、前記第１の焦点検出手段により焦点検出を行った時点との間で前記撮像装置の姿勢が所定量よりも大きく変化したことを検知した場合に、前記補正値算出手段は、前記補正値を算出しないことを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
7. 前記補正値算出手段は、前記第２の焦点検出手段による焦点検出に用いた画面内の領域の画像信号と、前記第１の焦点検出手段による焦点検出に用いた画面内の領域の画像信号の類似度が所定量より小さい場合には、前記補正値を算出しないことを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
8. 前記補正値を記憶する記憶手段をさらに備え、該記憶手段は、前記補正値算出手段が前記補正値を算出する毎に、該補正値を記憶することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の撮像装置。
9. 前記補正値算出手段は、前記第２の焦点検出手段による焦点検出に用いた画面内の領域の画像の空間周波数が所定量よりも高い場合に、前記補正値を算出しないことを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。

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