JP2013190734A - 焦点検出装置および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被写体の輪郭形状に依らず、精度のよい焦点検出を行うことが可能な焦点検出装置を提供する。
【解決手段】焦点検出用の画素よりなる第１、第２、第３画素列を並列に配置した画素を含む複数の画素を二次元状に配列した撮像兼焦点検出素子と、第１、第２、第３画素列からそれぞれ出力される第１、第２、第３出力信号列との間で相関演算を行うことにより被写体像の像ずれ量を検出する像ずれ検出手段とを備える焦点検出装置であって、第１画素列は、撮影光学系の一対の瞳領域をそれぞれ通過した一対の光束の両方を少なくとも受光する第１画素と、一対の光束の一方を少なくとも受光しない第２画素と、一対の光束の他方を少なくとも受光しない第３画素と、のいずれかの画素より構成され、第２画素列および第３画素列はそれぞれ、第１画素と、第２画素と、第３画素と、のうち第１画素列を構成する画素と異なる画素より構成される焦点検出装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、焦点検出装置および撮像装置に関する。

従来、二次元状に配置された撮像用画素配列中に、撮影光学系の一対の瞳領域をそれぞれ通過した一対の光束の各々を受光する２種類の焦点検出用画素を組み込み、それらの焦点検出用画素の出力信号のずれを検出して焦点検出を行う焦点検出装置が知られている（特許文献１）。

特開２００７−３３３７２０号公報

従来技術では、２種類の焦点検出用画素を同一の行に配列しているが、これを複数行に渡って配列した場合、輪郭形状がこれらの画素配列に対して傾いている被写体の焦点検出の精度が低下するという問題があった。

請求項１に係る発明は、焦点検出用の画素よりなる第１画素列、第２画素列、および第３画素列を並列に配置した画素を含む複数の画素を二次元状に配列した撮像兼焦点検出素子と、第１画素列、第２画素列、および第３画素列からそれぞれ出力される第１出力信号列、第２出力信号列、および第３出力信号列との間で相関演算を行うことにより被写体像の像ずれ量を検出する像ずれ検出手段と、を備える焦点検出装置であって、第１画素列は、撮影光学系の一対の瞳領域をそれぞれ通過した一対の光束の両方を少なくとも受光する第１画素と、一対の光束の一方を少なくとも受光しない第２画素と、一対の光束の他方を少なくとも受光しない第３画素と、のいずれかの画素より構成され、第２画素列および第３画素列はそれぞれ、第１画素と、第２画素と、第３画素と、のうち第１画素列を構成する画素と異なる画素より構成されることを特徴とする焦点検出装置である。
請求項１０に係る発明は、請求項１〜９のいずれか一項に記載の焦点検出装置と、撮像兼焦点検出素子の出力から被写体像の画像データを作成する画像データ作成手段と、を備えることを特徴とする撮像装置である。

本発明によれば、被写体の輪郭形状に依らず、精度のよい焦点検出を行うことができる。

一実施の形態のディジタルスチルカメラの構成を示す図である。 交換レンズ２０２の予定結像面に設定した撮像画面Ｇ上の焦点検出領域を示す図である。 撮像画素３１０の模式図である。 焦点検出画素３１１の模式図である。 撮像素子２１１上に設定された５つの焦点検出領域Ｇ１〜Ｇ５のうち、一例として焦点検出領域Ｇ１の周囲を拡大した部分拡大図である。 図５に示した撮像面上の領域２０を拡大した図である。 撮影光学系の測距瞳と撮像素子２１１の各画素との関係を模式的に示した図である。 第１画素列および第２画素列の画素配置に起因するずれ量を説明する模式図である。 カメラ駆動制御装置２１２が実行する像ずれ検出演算処理のフローチャートである。 撮像素子２１１の撮像面のうち、焦点検出領域Ｇ１を拡大した図である。 カメラ駆動制御装置２１２が実行する像ずれ検出演算処理のフローチャートである。 第１〜３画素列の配置例を示す図である。 第１〜３画素列の配置例を示す図である。 第１〜３画素列の配置例を示す図である。 第１〜３画素列の配置例を示す図である。 第１〜３画素列の配置例を示す図である。

（第１の実施の形態）
本願発明を撮像装置としてのディジタルスチルカメラに適用した一実施の形態を説明する。図１は一実施の形態のディジタルスチルカメラの構成を示す図である。一実施の形態のディジタルスチルカメラ２０１は交換レンズ２０２とカメラボディ２０３とから構成され、交換レンズ２０２はカメラボディ２０３のマウント部２０４に装着される。

交換レンズ２０２はレンズ２０５〜２０７、絞り２０８、レンズ駆動制御装置２０９などを備えている。なお、レンズ２０６はズーミング用、レンズ２０７はフォーカシング用である。レンズ駆動制御装置２０９はＣＰＵとその周辺部品を備え、フォーカシング用レンズ２０７と絞り２０８の駆動制御、ズーミング用レンズ２０６、フォーカシング用レンズ２０７および絞り２０８の位置検出、カメラボディ２０３の制御装置との通信によるレンズ情報の送信とカメラ情報の受信などを行う。

一方、カメラボディ２０３は撮像素子２１１、カメラ駆動制御装置２１２、メモリカード２１３、ＬＣＤドライバー２１４、ＬＣＤ２１５、接眼レンズ２１６などを備えている。撮像素子２１１は交換レンズ２０２の予定結像面（予定焦点面）に配置され、交換レンズ２０２により結像された被写体像を撮像して画像信号を出力する。撮像素子２１１には撮像用画素（以下、単に撮像画素という）が二次元状に配置されており、その内の焦点検出位置に対応した部分には撮像画素に代えて焦点検出用画素（以下、単に焦点検出画素という）列が組み込まれている。撮像画素および焦点検出画素の詳細については後述する。

なお、本実施形態の説明において用いられる「撮像用画素（撮像画素）」、「焦点検出用画素（焦点検出画素）」という語は便宜的なものである。実際には、撮像画素の出力を焦点検出に用いることもあれば、焦点検出画素の出力を被写体像の撮像に用いることもある。

カメラ駆動制御装置２１２はＣＰＵとメモリなどの周辺部品を備え、撮像素子２１１の駆動制御、撮像画像の処理、交換レンズ２０２の焦点検出および焦点調節、絞り２０８の制御、ＬＣＤ２１５の表示制御、レンズ駆動制御装置２０９との通信、カメラ全体のシーケンス制御などを行う。なお、カメラ駆動制御装置２１２は、マウント部２０４に設けられた電気接点２１７を介してレンズ駆動制御装置２０９と通信を行う。

メモリカード２１３は撮像画像を記憶する画像ストレージである。ＬＣＤ２１５は液晶ビューファインダー（ＥＶＦ：電子ビューファインダー）の表示器として用いられ、撮影者は接眼レンズ２１６を介してＬＣＤ２１５に表示された撮像画像を視認することができる。

交換レンズ２０２を通過して撮像素子２１１上に結像された被写体像は撮像素子２１１により光電変換され、画像出力がカメラ駆動制御装置２１２へ送られる。カメラ駆動制御装置２１２は、各画素の出力に基づいて焦点検出位置におけるデフォーカス量を演算し、このデフォーカス量をレンズ駆動制御装置２０９へ送る。また、カメラ駆動制御装置２１２は、撮像素子２１１の出力に基づいて生成した画像信号をＬＣＤドライバー２１４へ送り、ＬＣＤ２１５に表示するとともに、メモリカード２１３に記憶する。

レンズ駆動制御装置２０９は、ズーミングレンズ２０６、フォーカシングレンズ２０７および絞り２０８の位置を検出し、検出位置に基づいてレンズ情報を演算するか、あるいは予め用意されたルックアップテーブルから検出位置に応じたレンズ情報を選択し、カメラ駆動制御装置２１２へ送る。また、レンズ駆動制御装置２０９は、カメラ駆動制御装置２１２から受信したデフォーカス量に基づいてレンズ駆動量を演算し、レンズ駆動量に基づいてフォーカシング用レンズ２０７を駆動制御する。

図２は、交換レンズ２０２の予定結像面に設定した撮像画面Ｇ上の焦点検出領域を示す図である。撮像画面Ｇ上にＧ１〜Ｇ５の焦点検出領域を設定し、撮像素子２１１の焦点検出画素を撮像画面Ｇ上の各焦点検出領域Ｇ１〜Ｇ５の長手方向ＬＤ１〜ＬＤ５に直線状に配列する。つまり、撮像素子２１１上の焦点検出画素列は、撮影画面Ｇ上に結像された被写体像の内の焦点検出領域Ｇ１〜Ｇ５の像をサンプリングする。撮影者は撮影構図に応じて焦点検出領域Ｇ１〜Ｇ５の中から任意の焦点検出領域を手動で選択する。

図３（ａ）は撮像画素３１０を被写体光の入射方向から見た平面図であり、図３（ｂ）は撮像画素３１０の断面図である。図３に示すように、撮像画素３１０はマイクロレンズ１０、光電変換部１１、不図示の色フィルターから構成される。撮像画素３１０の光電変換部１１は、マイクロレンズ１０によって明るい交換レンズの射出瞳（たとえばＦ１．０）を通過する光束をすべて受光するような形状に設計される。撮像画素３１０には赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のいずれかの色フィルターが備えられており、撮像素子２１１の撮像面に、いわゆるベイヤー配列で２次元状に配置されている。

図３（ｂ）に示すように、撮像画素３１０において、撮像用の光電変換部１１の前方にマイクロレンズ１０が配置され、マイクロレンズ１０により光電変換部１１が前方に投影される。光電変換部１１は半導体回路基板２９上に形成され、不図示の色フィルタはマイクロレンズ１０と光電変換部１１の中間に配置される。

図４（ａ）は焦点検出画素３１１を被写体光の入射方向から見た平面図であり、図４（ｂ）は焦点検出画素３１１の断面図である。焦点検出画素３１１は撮像画素３１０と同様のマイクロレンズ１０、光電変換部１１、不図示の色フィルターに加え、更に光電変換部１１の一部を覆う遮光マスク１２により構成される。本実施形態の遮光マスク１２は、光電変換部１１の右半分を覆う形状を有する。従って、焦点検出画素３１１の光電変換部１１は、撮影光学系（レンズ２０５〜２０７）に設けられた一対の瞳領域をそれぞれ通過した一対の光束のうち、光電変換部１１の右半分に相当する一方の光束のみを受光する。他方の光束は遮光マスク１２により遮光され、光電変換部１１に入射しない。

図５は撮像素子２１１上に設定された５つの焦点検出領域Ｇ１〜Ｇ５のうち、一例として焦点検出領域Ｇ１の周囲を拡大した部分拡大図である。図５に示すように、撮像素子２１１の撮像面には、ＲＧＢ各色の色フィルターを備えた撮像画素３１０が二次元状にベイヤー配列される。そして、焦点検出領域Ｇ１の長手方向ＬＤ１に沿って、緑の色フィルターを備えた撮像画素３１０の一部が、緑の色フィルターを備えた焦点検出画素３１１に置き換えられている。焦点検出画素３１１は入射した被写体光の一部を遮光するため、カメラ駆動制御装置２１２は、撮像素子２１１の出力に基づいて画像信号を生成する際、焦点検出画素３１１に相当する画像信号を、その周囲の撮像画素３１０の出力や焦点検出画素３１１の出力に基づいて補間する。このような補間については周知であるので説明を省略する。

本実施形態のカメラ駆動制御装置２１２は、焦点検出領域Ｇ１において、長手方向ＬＤ１に沿って配列された複数の焦点検出画素３１１と、その１つ上の行に配列されている複数の撮像画素３１０と、その１つ下の行に配列されている複数の撮像画素３１０の出力に基づいて、以下に説明する方法により焦点検出を行う。

図６は、図５に示した撮像面上の領域２０を拡大した図である。つまり、図６には撮像素子２１１が有する多数の撮像画素３１０および焦点検出画素３１１のうち、その一部が模式的に示されている。以下の説明において、図６に示した撮像画素３１０および焦点検出画素３１１の各々を、図６の左上隅を原点とする座標系を用いて、Ｐｘｙと表現する。つまり、図６の左上隅の撮像画素３１０はＰ００と、右下隅の撮像画素３１０はＰ６４とそれぞれ表記される。

以下、図６に示した各画素を用いた瞳分割方式による焦点検出方法を説明する。図７は、撮影光学系の測距瞳と撮像素子２１１の各画素との関係を模式的に示した図である。図７に示した各画素のうち、交換レンズ２０２の光軸９１上に配置される焦点検出画素３１１（図６のＰ１２、Ｐ３２、Ｐ５２に相当）と、交換レンズ２０２の光軸９１外に配置される撮像画素３１０（図６のＰ０１、Ｐ２１、Ｐ４１、Ｐ６１に相当）を例にあげて説明する。なお、図７では焦点検出画素３１１と撮像画素３１０が一列に並んでいるかのように示しているが、図６などに示した通り、実際には焦点検出画素３１１と撮像画素３１０はそれぞれ異なる列に配置されている。

焦点検出画素３１１は、マイクロレンズ５０と、そのマイクロレンズ５０の後方に配置される遮光マスク５２および光電変換部５１を有する。撮像画素３１０は、マイクロレンズ６０と、そのマイクロレンズ６０の後方に配置される光電変換部６１を有する。交換レンズ２０２の予定結像面に配置したマイクロレンズ５０、６０の前方の距離ｄ４の位置に、交換レンズ２０２の射出瞳９０を設定する。ここで、距離ｄ４は、マイクロレンズ５０、６０の曲率、屈折率、マイクロレンズ５０、６０と光電変換部５１、６１との間の距離などに応じて決まる値である。

マイクロレンズ５０、６０は交換レンズ２０２の予定結像面に配置されており、光軸９１上のマイクロレンズ５０によって、遮光マスク５２に覆われた部位を除く光電変換部５１の形状がマイクロレンズ５０から投影距離ｄ４だけ離れた射出瞳９０上に投影される。その投影形状は少なくとも測距瞳９３を含むが、遮光マスク５２に覆われた部位に対応する測距瞳９２は含まない。一方、光軸９１外のマイクロレンズ６０によって光電変換部６１の形状が投影距離ｄ４だけ離れた射出瞳９０上に投影され、その投影形状は測距瞳９２、９３を少なくとも含む。

焦点検出画素３１１の光電変換部５１は、測距瞳９３を通過しマイクロレンズ５０へ向う焦点検出光束７３によってマイクロレンズ５０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。他方、測距瞳９２を通過しマイクロレンズ５０へ向う焦点検出光束７２は、遮光マスク５２により遮られ、光電変換部５１に入射しない。従って、光電変換部５１から出力される信号には、焦点検出光束７２の成分が含まれない。その一方で、光電変換部６１は、測距瞳９２、９３を通過しマイクロレンズ６０へ向う焦点検出光束８２、８３の各々によってマイクロレンズ６０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。なお、焦点検出画素３１１の配列方向は一対の瞳距離の分割方向と一致させる。

このような画素を、例えば図６に示すように直線状に多数配列し、各画素の光電変換部の出力を測距瞳９２と測距瞳９３に対応した出力グループにまとめることによって、一対の測距瞳９２と９３を各々通過する焦点検出光束が焦点検出画素列上に形成する一対の像の強度分布に関する情報を得ることができる。カメラ駆動制御装置２１２は、この情報に対して後述する像ずれ検出演算処理（相関処理、位相差検出処理）を施し、いわゆる瞳分割方式で一対の像（測距瞳９２、９３をそれぞれ通過した光束による像）の像ずれ量を検出する。そして、この像ずれ量に所定の変換係数を乗ずることによって、予定結像面に対する現在の結像面（予定結像面上のマイクロレンズアレイの位置に対応した焦点検出位置における結像面）の偏差（デフォーカス量）を算出する。

なお、図７では、光軸９１上にある焦点検出画素３１１（マイクロレンズ５０と光電変換部５１）と、その焦点検出画素３１１とは異なる行に配列された撮像画素３１０（マイクロレンズ６０と光電変換部６１）とを模式的に例示したが、その他の位置に配置される焦点検出画素３１１および撮像画素３１０においても同様に、光電変換部５１、６１がそれぞれ図７に示したように、測距瞳９２、９３から各マイクロレンズに到来する光束を受光する。

次に、カメラ駆動制御装置２１２が実行する像ずれ検出演算処理について、図６に示す被写体像２１を例に挙げて説明する。この被写体像２１は、その少なくとも一部に直線状の輪郭を有しており、その輪郭の一部である直線２２は、焦点検出画素Ｐ１２、Ｐ３２、Ｐ５２、…の各画素が配列された行に対し角度θを成す。

本実施形態のカメラ駆動制御装置２１２は、まず、焦点検出画素Ｐ１２、Ｐ３２、Ｐ５２、…の出力信号を並べた信号列と、その１つ上の行に配列される、Ｇフィルタを有する撮像画素Ｐ０１、Ｐ２１、Ｐ４１、Ｐ６１、…の出力信号を並べた信号列とで相関演算を行う。以下、焦点検出画素Ｐ１２、Ｐ３２、Ｐ５２、…の画素列を第１画素列と呼び、第１画素列に属する各焦点検出画素３１１の出力信号を並べた信号列を第１信号列と呼ぶ。同様に、第１画素列の１つ上の行に配列される撮像画素Ｐ０１、Ｐ２１、Ｐ４１、Ｐ６１、…の画素列を第２画素列と呼び、第２画素列に属する各撮像画素３１０の出力信号を並べた信号列を第２信号列と呼ぶ。

周知の相関演算により第１信号列と第２信号列から検出される被写体像２１の像ずれ量ΔＤ２は、焦点調節状態が合焦状態からずれることによる焦点検出画素３１１と撮像画素３１０の間の真の像ずれ量ｓと異なる。この差異についてより詳細に述べると、検出される像ずれ量ΔＤ２には真の像ずれ量ｓに加えて、第１画素列および第２画素列の画素配置に起因するずれ量ｏ２と、被写体像２１の輪郭２２が第２画素列に対して角度θを成すことに起因するずれ量ｒ２とが含まれている。以下、これら２つのずれ量ｏ２、ｒ２について順に説明する。

１つ目の「第１画素列および第２画素列の画素配置に起因するずれ量ｏ２」とは、図８に示すように、第１画素列に含まれる各焦点検出画素Ｐ１２、Ｐ３２、Ｐ５２、…の光電変換部１１の重心位置Ｃ１２と、第２画素列に含まれる各撮像画素Ｐ０１、Ｐ２１、Ｐ４１、Ｐ６１、…の光電変換部１１の重心位置Ｃ０１が、横方向（各画素列を構成する画素の配列方向）にずれていることに起因するずれ量である。例えば図８において、焦点検出画素Ｐ１２が有する光電変換部１１の重心位置Ｃ１２は、撮像画素Ｐ０１が有する光電変換部１１の重心位置Ｐ０１に対して、横方向に距離Ｄ１２だけ離れている。このように、第１画素列および第２画素列の配列方向に対して直交する方向への配置ずれが、像ずれ量に対して影響を及ぼしてしまう。

２つ目の「被写体像２１の輪郭２２が第２画素列に対して角度θを成すことに起因するずれ量ｓ２」とは、第１画素列と第２画素列が撮像面において上下方向（各画素列を構成する画素の配列方向に直交する方向）にずれて配置されていることに起因するずれ量である。仮に第１画素列と第２画素列が同一の列に配置されているとすれば、被写体像２１の輪郭２２が第２画素列に対して角度θだけ傾いていたとしても、このずれ量は生じない。図６より、ずれ量ｒ２はθの関数であり、次式（１）により表される。
ｒ２＝１／ｔａｎθ …（１）

以上で説明した、検出される像ずれ量ΔＤ２と真の像ずれ量ｓとの関係は、次式（２）により表される。
ΔＤ２＝ｓ＋ｏ２＋ｒ２ …（２）

カメラ駆動制御装置２１２は、ΔＤ２を検出した後、焦点検出画素Ｐ１２、Ｐ３２、Ｐ５２、…の出力信号を並べた信号列（第１信号列）と、その１つ下の行に配列される、Ｇフィルタを有する撮像画素Ｐ０３、Ｐ２３、Ｐ４３、Ｐ６３、…の出力信号を並べた信号列とで相関演算を行う。以下、第１画素列の１つ下の行に配列される撮像画素Ｐ０３、Ｐ２３、Ｐ４３、Ｐ６３、…の画素列を第３画素列と呼び、第３画素列に属する各撮像画素３１０の出力信号を並べた信号列を第３信号列と呼ぶ。

第１信号列と第３信号列の間にも、上述した第１信号列と第２信号列の間に存在した像ずれ量の問題が存在する。つまり、周知の相関演算により第１信号列と第３信号列から検出される被写体像２１の像ずれ量ΔＤ３には、焦点調節状態が合焦状態からずれることによる焦点検出画素３１１と撮像画素３１０の間の真の像ずれ量ｓに加えて、第１画素列および第３画素列の画素配置に起因するずれ量ｏ３と、被写体像２１の輪郭２２が第２画素列に対して角度θを成すことに起因するずれ量ｒ３とが含まれる。図６より、ずれ量ｒ３は次式（３）により表される。
ｒ３＝−１／ｔａｎθ …（３）

以上で説明した、検出される像ずれ量ΔＤ３と真の像ずれ量ｓとの関係は、次式（４）により表される。
ΔＤ３ ＝ ｓ＋ｏ３＋ｒ３ …（４）

上式（２）、（４）より、次式（５）が成り立つ。
２ｓ＝（ΔＤ２＋ΔＤ３）＋（ｏ２＋ｏ３）＋（ｒ２＋ｒ３） …（５）

ここで、上式（１）、（３）より、ｒ２＋ｒ３＝１／ｔａｎθ−１／ｔａｎθ＝０である。また、ｏ２＋ｏ３は撮像素子２１１上の画素配列より予め定まる量である。従って、カメラ駆動制御装置２１２は、相関演算により検出した像ずれ量ΔＤ２、ΔＤ３と、予め定められたずれ量ｏ２、ｏ３とから、次式（６）により、真の像ずれ量ｓを検出することができる。
Ｓ≒２ｓ＝ΔＤ２＋ΔＤ３＋（ｏ２＋ｏ３） …（６）

上式（６）のＳおよび２ｓについて説明する。本実施形態の焦点検出画素３１１は、遮光マスク１２により右半分が遮蔽されていることから、一対の瞳領域（測距瞳９２、９３）をそれぞれ通過した一対の光束のうち、一方のみを受光する。他方、撮像画素３１０は一対の測距瞳９２、９３をそれぞれ通過した一対の光束を共に受光する。つまり、第１信号列は一対の光束の一方から作成された信号列であり、第２信号列は一対の光束の両方から作成された信号列である。

従って、第１画素列と第２画素列（または第３画素列）との間の真の像ずれ量ｓは、一対の測距瞳９２、９３をそれぞれ通過した一対の光束から一対の信号列を作成し、信号列同士のずれ量を相関演算により検出した場合の像ずれ量Ｓと比べ、半分程度の大きさとなる。換言すれば、Ｓ／２≒ｓである。つまり、上式（６）に従って算出される像ずれ量２ｓは、一対の瞳領域をそれぞれ通過した一対の光束から一対の信号列を作成し、信号列同士のずれ量を相関演算により検出した場合の像ずれ量Ｓとほぼ同一となる。カメラ駆動制御装置２１２は、この像ずれ量Ｓを用いて、焦点検出領域Ｇ１におけるデフォーカス量を算出し、撮影光学系のピントを調節する。

なお、以上の説明では、図６に拡大して示した焦点検出領域Ｇ１について述べたが、他の焦点検出領域Ｇ２〜Ｇ６についても同様に、長手方向ＬＤ２〜ＬＤ６に沿って撮像画素３１０および焦点検出画素３１１が配列されており、カメラ駆動制御装置２１２は上述した内容と同様に焦点検出を行う。

図９は、カメラ駆動制御装置２１２が実行する像ずれ検出演算処理のフローチャートである。まずステップＳ１００において、撮像素子２１１に配置された第１画素列、第２画素列、および第３画素列から第１信号列、第２信号列、および第３信号列をそれぞれ取得する。次にステップＳ１１０において、第１信号列と第２信号列から相関演算により像ずれ量ΔＤ２を検出し、ステップＳ１２０で第１信号列と第３信号列から相関演算により像ずれ量ΔＤ３を検出する。

ステップＳ１３０では、ステップＳ１１０、Ｓ１２０で検出した像ずれ量ΔＤ２、ΔＤ３と上式（６）から像ずれ量Ｓを算出する。ステップＳ１４０では、像ずれ量Ｓに所定の係数を掛けることによりデフォーカス量を算出する。以上のように、カメラ駆動制御装置２１２は図９に示した処理を実行することにより、特定の焦点検出領域における被写体像のデフォーカス量を算出する。

上述した第１の実施の形態によるディジタルスチルカメラによれば、次の作用効果が得られる。
（１）撮像素子２１１には、撮影光学系の一対の瞳領域９２、９３をそれぞれ通過した一対の光束の一方を受光しない焦点検出画素３１１よりなる第１画素列と、撮影光学系の一対の瞳領域９２、９３をそれぞれ通過した一対の光束の両方を少なくとも受光する撮像画素３１０よりなる第２画素列および第３画素列とが並列に配置される。カメラ駆動制御装置２１２は、第１画素列、第２画素列、および第３画素列からそれぞれ出力される第１出力信号列、第２出力信号列、および第３出力信号列との間で相関演算を行うことにより被写体像の像ずれ量を検出する。このようにしたので、被写体の輪郭形状に依らず、精度のよい焦点検出を行うことができる。

（２）第１画素列を構成する焦点検出画素３１１と、第２画素列を構成する撮像画素３１０と、第３画素列を構成する撮像画素３１０はそれぞれ同一のカラーフィルター（緑）を有する。すなわち、これらの撮像画素３１０および焦点検出画素３１１は略同一の分光特性を有する。このようにしたので、被写体の色によって焦点検出の精度が左右されることがない。

（３）カメラ駆動制御装置２１２は、第１出力信号列および第２出力信号列のずれ量ΔＤ２と、第１出力信号列および第３出力信号列のずれ量ΔＤ３とをそれぞれ相関演算により検出し、これら２つのずれ量から像ずれ量Ｓを検出する。このようにしたので、被写体像２１の輪郭２２が第２画素列や第３画素列に対して傾いていることに起因するずれ量の影響を除去した、正確な像ずれ量を検出することができる。

（４）カメラ駆動制御装置２１２は、撮像素子２１１が有する複数の撮像画素３１０および焦点検出画素３１１の出力から被写体像の画像データを作成する。このようにしたので、画像データを作成する際に補間が必要となる焦点検出画素３１１の数を減らしつつ、焦点検出を精度よく行うことができる。

（第２の実施の形態）
本発明を適用した第２の実施の形態のディジタルスチルカメラは、第１の実施の形態のディジタルスチルカメラと同様の構成を有するが、カメラ駆動制御装置２１２による像ずれ検出演算処理の内容が第１の実施の形態とは異なる。以下、この第２の実施の形態に係るディジタルスチルカメラについて説明する。なお、以下の説明において、第１の実施の形態と同様の各部については、第１の実施の形態と同一の符号を付し説明を省略する。

図１０は、撮像素子２１１の撮像面のうち、焦点検出領域Ｇ１を拡大した図である。図９には図６と同様に、撮像素子２１１が有する多数の撮像画素３１０および焦点検出画素３１１のうちの一部が模式的に示されている。それらの配列については、第１の実施の形態と同様であるので説明を省略する。

以下、本実施形態のカメラ駆動制御装置２１２が実行する像ずれ検出演算処理について、図１０に示す被写体像２３を例に挙げて説明する。この被写体像２３は、その少なくとも一部に曲線状の輪郭を有している。図１０ではこの曲線状の輪郭を、第１画素列（Ｐ１２、Ｐ３２、Ｐ５２、…）の上で折れ曲がる２つの直線２４ａ、２４ｂにより近似している。この輪郭２４ａ、２４ｂは、第１画素列の上側では第１画素列に対し角度θｕを成し、第１画素列の下側では第１画素列に対し角度θｄを成す。

カメラ駆動制御装置２１２は、まず第１の実施の形態と同様に、第１画素列（Ｐ１２、Ｐ３２、Ｐ５２、…）の出力信号を並べた第１信号列と、第２画素列（Ｐ０１、Ｐ２１、Ｐ４１、Ｐ６１、…）の出力信号を並べた信号列とで相関演算を行い、像ずれ量ΔＤ２を検出する。次に、第１信号列と、第２画素列の１つ上の行の各撮像画素Ｐ１０、Ｐ３０、Ｐ５０、…（以下、第４画素列と呼ぶ）の出力信号を並べた信号列（以下、第４信号列と呼ぶ）とで相関演算を行い、像ずれ量ΔＤ４を検出する。この、第１信号列と第４信号列との間で行われる相関演算は、第１信号列と第２信号列との間で行われる相関演算と同様である。このとき検出される像ずれ量ΔＤ２、ΔＤ４は次式（７）、（８）により表される。
ΔＤ２＝ｓｕ＋ｏ２＋ｒ２， ｒ２＝１／ｔａｎθｕ …（７）
ΔＤ４＝ｓｕ＋ｏ４＋ｒ４， ｒ４＝２／ｔａｎθｕ …（８）

上式（７）、（８）において、ｏ２は第１画素列および第２画素列の画素配置に起因するずれ量であり、ｏ４は第１画素列および第４画素列の画素配置に起因するずれ量である。また、ｒ２は被写体像２３の上側輪郭２４ａが第２画素列に対して角度θｕを成すことに起因するずれ量であり、ｒ４は被写体像２３の上側輪郭２４ａが第４画素列に対して角度θｕを成すことに起因するずれ量である。また、ｓｕは、被写体像２３の上側における、焦点検出画素３１１と撮像画素３１０の間の真の像ずれ量である。これらについては第１の実施の形態で説明したものと同様であるので、説明を省略する。

上式（７）、（８）から、次式（９）が成り立つ。
ｓｕ＝２ΔＤ２−ΔＤ４−（２ｏ２−ｏ４） …（９）

カメラ駆動制御装置２１２は、上述した相関演算により像ずれ量ΔＤ２、ΔＤ４を検出した後、これらの値と予め定められるｏ２、ｏ４を上式（９）に当てはめることにより、被写体２１の上側における、輪郭角度θｕに依存しない真の像ずれ量ｓｕを算出する。

次に、カメラ駆動制御装置２１２は、第１信号列と、第３画素列（Ｐ０３、Ｐ２３、Ｐ４３、Ｐ６３、…）の出力信号を並べた第３信号列とで相関演算を行い、像ずれ量ΔＤ３を検出する。その後、第１信号列と、第３画素列の１つ下の行の各撮像画素Ｐ１４、Ｐ３４、Ｐ５４、…（以下、第５画素列と呼ぶ）の出力信号を並べた信号列（以下、第５信号列と呼ぶ）とで相関演算を行い、像ずれ量ΔＤ５を検出する。この、第１信号列と第５信号列との間で行われる相関演算は、第１信号列と第３信号列との間で行われる相関演算と同様である。このとき検出される像ずれ量ΔＤ３、ΔＤ５は次式（１０）、（１１）により表される。
ΔＤ３＝ｓｄ＋ｏ３＋ｒ３， ｒ３＝１／ｔａｎθｄ …（１０）
ΔＤ５＝ｓｄ＋ｏ５＋ｒ５， ｒ５＝２／ｔａｎθｄ …（１１）

上式（１０）、（１１）において、ｏ３は第１画素列および第３画素列の画素配置に起因するずれ量であり、ｏ５は第１画素列および第５画素列の画素配置に起因するずれ量である。また、ｒ３は被写体像２３の下側輪郭２４ｂが第３画素列に対して角度θｄを成すことに起因するずれ量であり、ｒ５は被写体像２３の下側輪郭２４ｂが第５画素列に対して角度θｄを成すことに起因するずれ量である。また、ｓｄは、被写体像２３の下側における、焦点検出画素３１１と撮像画素３１０の間の真の像ずれ量である。これらについては第１の実施の形態で説明したものと同様であるので、説明を省略する。

上式（１０）、（１１）から、次式（１２）が成り立つ。
ｓｄ＝２ΔＤ３−ΔＤ５−（２ｏ３−ｏ５） …（１２）

カメラ駆動制御装置２１２は、上述した相関演算により像ずれ量ΔＤ３、ΔＤ５を検出した後、これらの値と予め定められるｏ３、ｏ５を上式（１２）に当てはめることにより、被写体２１の下側における、輪郭角度θｄに依存しない真の像ずれ量ｓｄを算出する。

像ずれ量ｓｕ、ｓｄをそれぞれ算出したカメラ駆動制御装置２１２は、それらの像ずれ量に著しい乖離が見られるか否かを判定する。例えば、被写体２３の輪郭２４ａ、２４ｂが第１画素列からずれた位置で大きく曲がっていたり、あるいは第１画素列の上下で被写体２３の奥行きが大きく変化している場合などに、像ずれ量ｓｕ、ｓｄの差が大きくなる。このような場合、最終的に算出される像ずれ量が信頼のおけるものではなくなるため、カメラ駆動制御装置２１２はデフォーカス量を出力しない。

他方、像ずれ量ｓｕ、ｓｄに著しい乖離が見られない場合、カメラ駆動制御装置２１２は次式（１３）により、最終的な像ずれ量Ｓを算出する。
Ｓ≒２ｓ≒ｓｕ＋ｓｄ …（１３）

図１１は、カメラ駆動制御装置２１２が実行する像ずれ検出演算処理のフローチャートである。まずステップＳ２００において、撮像素子２１１に配置された第１、第２、第３、第４、および第５画素列からそれぞれ第１、第２、第３、第４、および第５信号列を取得する。次にステップＳ２１０において、第１信号列と第２信号列から相関演算により像ずれ量ΔＤ２を検出し、ステップＳ２２０で第１信号列と第４信号列から相関演算により像ずれ量ΔＤ４を検出する。そしてステップＳ２３０で、ステップＳ２１０、Ｓ２２０で検出した像ずれ量ΔＤ２、ΔＤ４と上式（９）から被写体像２３の上側の像ずれ量ｓｕを検出する。

ステップＳ２４０、Ｓ２５０では、ステップＳ２１０、Ｓ２２０と同様に、第１信号列と第３信号列から像ずれ量ΔＤ３を、第１信号列と第４信号列から像ずれ量ΔＤ４をそれぞれ検出する。ステップＳ２６０では、ステップＳ２４０、Ｓ２５０で検出した像ずれ量ΔＤ３、ΔＤ５と上式（１２）から被写体像２３の下側の像ずれ量ｓｄを検出する。

ステップＳ２７０では、ステップＳ２３０で検出した上側の像ずれ量ｓｕと、ステップＳ２６０で検出した下側の像ずれ量ｓｄとの差の絶対値が、所定のしきい値Ｓｔｈ未満か否かを判定する。差の絶対値がしきい値Ｓｔｈ以上である場合、検出された像ずれ量は信頼できないので、デフォーカス量を算出せずに図１１の処理を終了する。他方、差の絶対値がしきい値Ｓｔｈ未満である場合にはステップＳ２８０に進み、上式（１３）により像ずれ量Ｓを算出し、ステップＳ２９０で像ずれ量Ｓに所定の係数を掛けることによりデフォーカス量を算出する。以上のように、カメラ駆動制御装置２１２は図１１に示した処理を実行することにより、特定の焦点検出領域における被写体像のデフォーカス量を算出する。

上述した第２の実施の形態によるディジタルスチルカメラによれば、次の作用効果が得られる。
（１）カメラ駆動制御装置２１２は、第１信号列と第２信号列から検出されたずれ量ΔＤ２と、第１信号列と第４信号列から検出されたずれ量ΔＤ４とから、上側輪郭２４ａに関する像ずれ量ｓｕを検出する。そして、第１信号列と第３信号列から検出されたずれ量ΔＤ３と、第１信号列と第５信号列から検出されたずれ量ΔＤ５とから、下側輪郭２４ｂに関する像ずれ量ｓｄを検出する。カメラ駆動制御装置２１２は、このようにして検出された像ずれ量ｓｕ、ｓｄから、真の像ずれ量Ｓを算出し、デフォーカス量を算出する。このようにしたので、被写体の輪郭形状が曲線等のより複雑なものであっても、精度のよい焦点検出を行うことができる。

次のような変形も本発明の範囲内であり、変形例の一つ、もしくは複数を上述の実施形態と組み合わせることも可能である。

（変形例１）
第１画素列と第２画素列と第３画素列との位置関係は、上述した各実施形態において示したものに限定されない。例えば、第２画素列および第３画素列が、第１画素列に対してそれぞれ対称に配置されていなくてもよい。以下、図面を用いてこのような配置を説明する。

図１２は、第２画素列および第３画素列を、第１画素列に対して同一の方向（上方向）に配置した例である。焦点検出画素Ｐ０３、Ｐ２３、Ｐ４３、Ｐ６３、…が第１画素列であり、その１つ上の行に配列された撮像画素Ｐ１２、Ｐ３２、Ｐ５２、…が第２画素列である。また、第１画素列から見て２つ上の行に配列された撮像画素Ｐ０１、Ｐ２１、Ｐ４１、Ｐ６１、…が第３画素列である。つまり図１２では、第２画素列および第３画素列が共に、撮像素子２１１を第１画素列の配列方向に沿って分割した２つの領域のうち一方の領域に配置されている。各画素列がこのように配置されている場合であっても、本願発明を適用することが可能である。

図１３は、第２画素列および第３画素列を、第１画素列と第２画素列との間の距離が第１画素列と第３画素列の間の距離とは異なるように配置した例である。この場合、焦点検出画素Ｐ１２、Ｐ３２、Ｐ５２、…が第１画素列であり、その２つ上の行に配列された撮像画素Ｐ１０、Ｐ３０、Ｐ５０、…が第２画素列である。また、第１画素列から見て１つ下の行に配列された撮像画素Ｐ０３、Ｐ２３、Ｐ４３、Ｐ６３、…が第３画素列である。つまり図１３では、第２画素列が第１画素列に隣接して配置されていない。このように、第２画素列や第３画素列が第１画素列の近傍に第１画素列と隣接せず配置されている場合であっても、本願発明を適用することが可能である。

（変形例２）
上述した各実施形態では、第１画素列を焦点検出画素３１１により構成し、第２画素列および第３画素列を撮像画素３１０により構成していた。第１画素列、第２画素列、および第３画素列を構成する画素の種類をこれとは異なるものにした場合であっても、第１画素列と第２画素列との間、および、第１画素列と第３画素列との間でそれぞれ相関演算を行えるのであれば、本発明を適用することが可能である。

例えば図１４のように、第１画素列を撮像画素３１０（Ｐ１２、Ｐ３２、Ｐ５２、…）により構成し、第２画素列および第３画素列を焦点検出画素３１１（Ｐ０１、Ｐ２１、Ｐ４１、Ｐ６１、…、Ｐ０３、Ｐ２３、Ｐ４３、Ｐ６３、…）により構成した場合であっても、第１画素列と第２画素列との間で相関演算を行うことができ、且つ、第１画素列と第３画素列との間で相関演算を行うことができる。

また、図１５のように、第１画素列を、左半分が遮光された焦点検出画素３１１（図４に示した焦点検出画素３１１を左右反転した画素）により構成し、第２画素列および第３画素列を、右半分が遮光された焦点検出画素３１１により構成してもよい。この場合であっても、第１画素列と第２画素列との間で相関演算を行うことができ、且つ、第１画素列と第３画素列との間で相関演算を行うことができる。

各画素列の配列方向における画素間隔を、上述した各実施形態と異ならせることもできる。例えば第１実施形態では、１画素おきに配列された焦点検出画素３１１を第１画素列としていたが、焦点検出画素３１１を３画素おきに配列し、これを第１画素列としてもよい。このように焦点検出画素３１１の配置間隔を大きくすることで、撮影画像を構成する各画素のうち、補間が必要な画素数に対してその近傍の多くの画素出力を参照でき、画像の品質が向上する。

このように、第１画素列と第２画素列との間、および、第１画素列と第３画素列との間でそれぞれ相関演算を行えるのであれば、各画素列を構成する画素の種類はどのようなものであってもよい。

（変形例３）
例えば動画撮影時やいわゆるスルー画の作成時などにおいて、撮像素子の間引き読み出しが行われることがある。このような場合に本発明を適用することも可能である。また、従来技術と組み合わせて、間引き読み出しを行わない場合と行う場合とで焦点検出の方法を切り替えることもできる。

例えば図１６のように、右半分が遮光された焦点検出画素Ｐ０２、Ｐ２２、Ｐ４２、Ｐ６２、…と、左半分が遮光された焦点検出画素Ｐ１２、Ｐ３２、Ｐ５２、…とを同一行に互い違いに配置する。このとき、右半分が遮光された焦点検出画素Ｐ０２、Ｐ２２、Ｐ４２、Ｐ６２、…の出力信号列と、左半分が遮光された焦点検出画素Ｐ１２、Ｐ３２、Ｐ５２、…の出力信号列との間で相関演算を行えば、被写体像の像ずれ量を検出することができる。

しかしながら、間引き読み出しを行うと、例えば右半分が遮光された焦点検出画素Ｐ０２、Ｐ２２、Ｐ４２、Ｐ６２、…の出力が読み出されない場合がある。このような場合であっても、上述した第１の実施の形態で説明した方法を用いることで、被写体像の像ずれ量を検出することができる。つまり、間引き読み出しを行わない場合にはＰ０２、Ｐ１２、Ｐ２２、Ｐ３２、Ｐ４２、Ｐ５２、Ｐ６２、…の出力を用いて従来の焦点検出を行い、間引き読み出しを行う場合にはＰ１２、Ｐ３２、Ｐ５２、…の出力とＰ０１、Ｐ２１、Ｐ４１、Ｐ６１、…の出力とＰ０３、Ｐ２３、Ｐ４３、Ｐ６３、…の出力とを用いて上述した方法による焦点検出を行えばよい。

（変形例４）
焦点検出を行うために用いられる各画素の分光特性は略同一であればよく、その色フィルターは上述したＧフィルターに限定されない。例えば、ＧフィルターではなくＢフィルターを有する画素を用いて焦点検出を行ってもよいし、光量をかせぐために、第１〜３画素列を構成する各画素には色フィルターを設けないようにしてもよい。

（変形例５）
上述した第２の実施の形態において、デフォーカス量の算出に用いる像ずれ量は、式（１３）を用いて算出される像ずれ量Ｓでなくてもよい。例えばｓｕやｓｄのうち一方をそのままデフォーカス量の算出に用いてもよい。また、ｓｕとｓｄの差の絶対値を用いた判定（図１０のステップＳ２７０）を省略してもよい。

本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

１０、５０、６０…マイクロレンズ、１１、５１、６１…光電変換部、１２、５２…遮光マスク、２０１…ディジタルスチルカメラ、２０２…交換レンズ、２０３…カメラボディ、２０４…マウント部、２０６…ズーミングレンズ、２０７…フォーカシングレンズ、２０９…レンズ駆動制御装置、２１１…撮像素子、２１２…カメラ駆動制御装置、２１３…メモリカード、２１４…ＬＣＤドライバー、２１６…接眼レンズ、２１７…電気接点、３１０…撮像画素、３１１…焦点検出画素

Claims (10)

1. 焦点検出用の画素よりなる第１画素列、第２画素列、および第３画素列を並列に配置した画素を含む複数の画素を二次元状に配列した撮像兼焦点検出素子と、
   前記第１画素列、前記第２画素列、および前記第３画素列からそれぞれ出力される第１出力信号列、第２出力信号列、および第３出力信号列との間で相関演算を行うことにより被写体像の像ずれ量を検出する像ずれ検出手段と、
   を備える焦点検出装置であって、
   前記第１画素列は、撮影光学系の一対の瞳領域をそれぞれ通過した一対の光束の両方を少なくとも受光する第１画素と、前記一対の光束の一方を少なくとも受光しない第２画素と、前記一対の光束の他方を少なくとも受光しない第３画素と、のいずれかの画素より構成され、
   前記第２画素列および前記第３画素列はそれぞれ、前記第１画素と、前記第２画素と、前記第３画素と、のうち前記第１画素列を構成する画素と異なる画素より構成されることを特徴とする焦点検出装置。
2. 請求項１に記載の焦点検出装置において、
   前記像ずれ検出手段は、前記第１出力信号列および前記第２出力信号列のずれ量と、前記第１出力信号列および前記第３出力信号列のずれ量とをそれぞれ相関演算により検出し、これら２つのずれ量から前記被写体像の像ずれ量を検出することを特徴とする焦点検出装置。
3. 請求項１または２に記載の焦点検出装置において、
   前記第１画素列を構成する画素と、前記第２画素列を構成する画素と、前記第３画素列を構成する画素とはそれぞれ略同一の分光特性を有することを特徴とする焦点検出装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の焦点検出装置において、
   前記第２画素列および前記第３画素列は、前記撮像兼焦点検出素子を前記第１画素列の配列方向に沿って分割した２つの領域にそれぞれ配置されることを特徴とする焦点検出装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の焦点検出装置において、
   前記第１画素列および前記第２画素列の間の距離は、前記第１画素列および前記第３画素列の間の距離に等しいことを特徴とする焦点検出装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の焦点検出装置において、
   前記第２画素列および前記第３画素列は、それぞれ前記第１画素列の近傍に配置されることを特徴とする焦点検出装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の焦点検出装置において、
   前記第２画素列および前記第３画素列は、それぞれ前記第１画素列に隣接して配置されることを特徴とする焦点検出装置。
8. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の焦点検出装置において、
   前記第２画素列および前記第３画素列は、前記撮像兼焦点検出素子を前記第１画素列の配列方向に沿って分割した２つの領域のうち、一方の領域に配置されることを特徴とする焦点検出装置。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の焦点検出装置において、
   前記第１出力信号列と、前記第２出力信号列と、前記第３出力信号列と、はそれぞれ、前記第１画素列と、前記第２画素列と、前記第３画素列と、から間引き読み出しされた信号列であることを特徴とする焦点検出装置。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の焦点検出装置と、
    前記撮像兼焦点検出素子の出力から前記被写体像の画像データを作成する画像データ作成手段と、
    を備えることを特徴とする撮像装置。

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