JP2016071275A - 撮像装置およびフォーカス制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】位相差焦点検出領域とコントラスト焦点検出領域のいずれも主被写体に対してずれることなく設定して、良好なハイブリッドＡＦを行う。
【解決手段】撮像装置は、撮像素子１２２の位相差検出用画素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１２９と、撮像用画素からの出力を用いて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１３０と、位相差ＡＦ後にコントラストＡＦを行う制御手段１２５と、少なくとも１つの位相差検出可能領域において位相差焦点検出領域を設定する第１の設定手段１２５と、コントラスト焦点検出領域を設定する第２の設定手段１２５とを有する。第２の設定手段は、位相差焦点検出領域と同じ数のコントラスト焦点検出領域を、両焦点検出領域の特定位置が互いに一致するように設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、位相差検出方式およびコントラスト検出方式によるオートフォーカス（ＡＦ）が可能なデジタルカメラやビデオカメラ等の撮像装置に関する。

上記のような撮像装置には、撮像およびコントラスト検出方式による焦点検出に用いられる撮像用画素と位相差検出方式による焦点検出に用いられる位相差検出用画素とを含む撮像素子を有し、いわゆるセンサ位相差ＡＦとコントラストＡＦとを併用するものがある。

このようないわゆるハイブリッド方式のＡＦを行う撮像装置として特許文献１には、以下のようなカメラが開示されている。このカメラでは、ユーザによってコントラストＡＦ用の焦点検出領域が任意に選択される。そして、選択されたコントラストＡＦ用の焦点検出領域に複数の位相差ＡＦ用の焦点検出領域が含まれる場合に、カメラは該複数の位相差ＡＦ用の焦点検出領域のうちコントラストＡＦ用の焦点検出領域との重複領域の面積が最大の焦点検出領域を選択する。カメラは、選択された位相差ＡＦ用の焦点検出領域で位相差ＡＦを行った後、コントラストＡＦ用の焦点検出領域でコントラストＡＦを行う。

特開２００７−２５６８８５号公報

しかしながら、特許文献１にて開示されたカメラでは、撮像素子（撮影画面）上で位置が固定された複数の位相差ＡＦ用の焦点検出領域から、ユーザにより選択されたコントラストＡＦ用の焦点検出領域との重複領域の面積が最大の焦点検出領域が選択される。このため、コントラストＡＦ用の焦点検出領域に含まれる合焦目標である主被写体に対して必ずしも位相差ＡＦ用の焦点検出領域が重なるとは限らない。すなわち、位相差ＡＦ用の焦点検出領域が主被写体に対してずれていると、良好な位相差ＡＦが行われず、その後のコントラストＡＦの精度の低下や遅れが生ずる等の悪影響が生じ得る。また、複数の位相差ＡＦ用の焦点検出領域のそれぞれについてコントラストＡＦ用の焦点検出領域との重複面積の演算が必要となるため、演算を行うＭＰＵやＣＰＵの負荷が大きくなるという問題もある。

本発明は、位相差ＡＦ用の焦点検出領域とコントラストＡＦ用の焦点検出領域のいずれも主被写体に対してずれることなく設定でき、良好なハイブリッドＡＦを行えるようにした撮像装置を提供する。

本発明の一側面としての撮像装置は、撮像に用いられる複数の撮像用画素と位相差検出方式による焦点検出に用いられる複数の位相差検出用画素とを含み、複数の位相差検出用画素が互いに離間した複数の位相差検出可能領域を形成するように配置された撮像素子と、位相差検出用画素からの出力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、撮像用画素からの出力を用いて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、第１の焦点検出手段により得られる第１の焦点検出情報に応じてフォーカス素子を移動させ、その後に第２の焦点検出手段により得られる第２の焦点検出情報に応じてフォーカス素子を移動させる制御手段と、複数の位相差検出可能領域のうち少なくとも１つの位相差検出可能領域において第１の焦点検出手段による焦点検出を行う第１の焦点検出領域を設定する第１の設定手段と、撮像素子のうち第２の焦点検出手段による焦点検出を行う第２の焦点検出領域を設定する第２の設定手段とを有する。そして、第２の設定手段は、第１の焦点検出領域と同じ数の第２の焦点検出領域を、該第１および第２の焦点検出領域の特定位置が互いに一致するように設定することを特徴とする。

また、本発明の他の一側面としてのフォーカス制御プログラムは、撮像に用いられる複数の撮像用画素と位相差検出方式による焦点検出に用いられる複数の位相差検出用画素とを含み、複数の位相差検出用画素が互いに離間した複数の位相差検出可能領域を形成するように配置された撮像素子を有する撮像装置のコンピュータにフォーカス制御処理を実行させるコンピュータプログラムである。フォーカス制御処理は、位相差検出用画素からの出力を用いて位相差検出方式による焦点検出を行う第１の焦点検出ステップと、撮像用画素からの出力を用いてコントラスト検出方式による焦点検出を行う第２の焦点検出ステップと、位相差検出方式による焦点検出により得られる第１の焦点検出情報に応じてフォーカス素子を移動させ、その後にコントラスト検出方式による焦点検出により得られる第２の焦点検出情報に応じてフォーカス素子を移動させるステップとを含む。第１の焦点検出ステップにおいて、複数の位相差検出可能領域のうち少なくとも１つの位相差検出可能領域において位相差検出方式による焦点検出を行う第１の焦点検出領域を設定し、第２の焦点検出ステップにおいて、撮像素子のうちコントラスト検出方式による焦点検出を行う第２の焦点検出領域を設定する。そして、該第２の焦点検出ステップにおいて、第１の焦点検出領域と同じ数の第２の焦点検出領域を、該第１および第２の焦点検出領域の特定位置が互いに一致するように設定することを特徴とする。

本発明によれば、特別な演算を行うことなく位相差検出方式での焦点検出領域に対してコントラスト検出方式での焦点検出領域をずれがほとんど生じないように設定することができる。したがって、該ずれに起因した精度の低下や遅れを生じさせることなく、高精度ハイブリッドＡＦを高速で行うことができる。

本発明の実施例であるデジタルカメラシステムの構成を示すブロック図。 実施例における撮像素子をレンズユニット側から見た正面図。 実施例における撮像用画素の構造を説明する正面図および断面図。 実施例における位相差検出用画素の構造を説明する正面図と断面図。 実施例における位相差検出用画素を含む撮像素子をレンズユニット側から見た正面図。 実施例における位相差検出信号の出力例を示す図。 実施例におけるＡＦ処理を示すフローチャート。 実施例における被写体と焦点検出領域の対応関係を示す図。 実施例における複数の被写体と焦点検出領域との対応関係を示す図。 実施例におけるコントラスト評価値の出力例を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例である撮像装置としてのデジタルカメラ（以下、カメラ本体という）１２０とカメラ本体１２０に着脱可能な交換レンズ（以下、レンズユニットという）１００とにより構成されるレンズ交換式デジタルカメラシステムの構成を示している。レンズユニット１００は、図１中に点線で示したマウントＭを介してカメラ本体１２０に機械的および電気的に接続される。

レンズユニット１００は、被写体側（図の左側）から順に配置された、第１レンズ群１０１、絞り兼シャッタ１０２、第２レンズ群１０３およびフォーカスレンズ群（以下、単にフォーカスレンズという）１０４を含む撮像光学系を有する。また、レンズユニット１００は、該撮像光学系の駆動およびその制御を行うレンズ駆動制御系を有する。

第１レンズ群１０１は、光軸方向ＯＡに移動可能に保持されている。絞り兼用シャッタ１０２は、その開口径を変化させることで光量調節を行ったり、静止画撮像時に設定されたシャッタ秒時で開閉するシャッタ動作を行うことで後述する撮像素子１２２の露光量を制御したりする。絞り兼用シャッタ１０２と第２レンズ群１０３は一体となって光軸方向ＯＡに移動可能に保持されている。第１および第２レンズ群１０１，１０３が光軸方向ＯＡに移動することにより、変倍が行われる。フォーカス素子としてのフォーカスレンズ１０４は、光軸方向ＯＡに移動して焦点調節を行う。

レンズ駆動制御系は、ズームアクチュエータ１１１、絞りシャッタアクチュエータ１１２、フォーカスアクチュエータ１１３、ズーム駆動回路１１４、絞りシャッタ駆動回路１１５、フォーカス駆動回路１１６、レンズＭＰＵ１１７およびレンズメモリ１１８を含む。

ズーム駆動回路１１４はユーザ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。ズームアクチュエータ１１１は、第１および第２レンズ群１０１，１０３を光軸方向ＯＡに移動させる。絞りシャッタ駆動回路１１５は、レンズＭＰＵ１１７からの絞りシャッタ制御信号を受けて絞りシャッタアクチュエータ１１２を駆動する。絞りシャッタアクチュエータ１１２は、絞り兼用シャッタ１０２の開口径を変化させたり絞り兼用シャッタ１０２にシャッタ動作を行わせたりする。フォーカス駆動回路１１６は、レンズＭＰＵ１１７からのフォーカス制御信号を受けてフォーカスアクチュエータ１１３を駆動する。フォーカスアクチュエータ１１３は、フォーカスレンズ１０４を光軸方向ＯＡに移動させる。フォーカスアクチュエータ１１３は、フォーカスレンズ１０４の位置を検出するための不図示のフォーカス位置センサを備えている。

レンズＭＰＵ１１７は、レンズユニット１００に関する演算を行い、上記駆動回路１１４〜１１６を介してアクチュエータ１１１〜１１３の駆動を制御する。また、レンズＭＰＵ１１７は、上記フォーカス位置センサからの出力を用いてフォーカスレンズ１０４の位置（以下、フォーカス位置という）を検出し、後述するカメラＭＰＵ１２５からの要求に応じてフォーカス位置の情報をカメラＭＰＵ１２５に送信する。レンズメモリ１１８は、カメラＭＰＵ１２５が行うオートフォーカス（ＡＦ）に必要な該レンズユニット１００に固有の光学情報を記憶している。

カメラ本体１２０は、光学的ローパスフィルタ１２１と、撮像素子１２２と、カメラ駆動制御系とを有する。光学ローパスフィルタ１２１は、レンズユニット（撮像光学系）１００により形成された被写体像のうち不要な高周波成分をカットして偽色やモアレを軽減する。

撮像素子１２２は、複数の画素がマトリクス状に配置されたＣＭＯＳセンサ等の光電変換素子とその周辺回路で構成され、全画素からの独立出力が可能に構成されている。本実施例の撮像素子１２２は、被写体像の撮像を行うための複数の撮像用画素と、位相差検出方式による撮像光学系の焦点状態の検出を行うための複数の位相差検出用画素とを含む。撮像光学系の焦点状態の検出を、以下、焦点検出という。撮像素子１２２が位相差検出用画素を含むことで、いわゆる撮像面位相差ＡＦを行うことができる。撮像素子１２２の詳しい構成については後述する。

本実施例では、焦点調節のために撮像光学系の一部を構成するフォーカスレンズ１０４を光軸方向ＯＡに移動させるが、撮像素子１２２をフォーカス素子として光軸方向ＯＡに移動させて焦点調節を行ってもよい。

カメラ駆動制御系は、撮像素子駆動回路１２３、画像処理回路１２４、カメラＭＰＵ１２５、表示器１２６、操作スイッチ群１２７、位相差焦点検出部１２９およびコントラスト焦点検出部１３０を有する。

撮像素子駆動回路１２３は、撮像素子１２２の駆動（光電変換による電荷蓄積とその読み出し）を制御するとともに、各画素からの出力信号をＡ／Ｄ変換してカメラＭＰＵ１２５に出力する。画像処理回路１２４は、撮像素子１２２における撮像用画素からの出力信号に対してγ変換およびカラー補間等の画像処理を行って画像データ信号を生成したり、該画像データ信号の圧縮処理を行ったりする。

カメラＭＰＵ１２５は、カメラ本体１２０に関する演算を行い、撮像素子駆動回路１２３、画像処理回路１２４、表示器１２６、位相差焦点検出部１２９およびコントラスト焦点検出部１３０を制御する。また、カメラＭＰＵ１２５は、マウントＭに設けられた信号線を介してレンズＭＰＵ１１７と通信可能に接続されている。カメラＭＰＵ１２５は、レンズＭＰＵ１１７にフォーカス位置の取得要求やフォーカスレンズ１０４の駆動指令（フォーカス駆動指令）を送信したり、レンズＭＰＵ１１７からフォーカス位置の情報やレンズメモリ１１８に記憶された光学情報を受信したりする。

コンピュータとしてのカメラＭＰＵ１２５には、制御用のコンピュータプログラムを格納したＲＯＭ１２５ａ、制御用の変数を記憶したＲＡＭ１２５ｂおよび各種パラメータを記憶したＥＥＰＲＯＭ１２５ｃが内蔵されている。カメラＭＰＵ１２５は、ＲＯＭ１２５ａに格納されたコンピュータプログラムにより、後述するＡＦ処理（焦点検出およびその結果に基づくフォーカスレンズ１０４の移動の制御）を実行する。以下、ＡＦ処理において、フォーカスアクチュエータ１１３を介してフォーカスレンズ１０４を移動させることをフォーカス駆動という。

また、カメラＭＰＵ１２５は、ＡＦ処理に際して、人物の顔を自動的に検出する、いわゆる顔認識処理も行うことができる。

表示器１２６は、ＬＣＤ等の表示素子により構成され、撮像モードに関する情報、撮像前のプレビュー画像、撮像後の確認用画像およびＡＦによる合焦完了を表示する画像等を表示する。操作スイッチ群１２７は、電源スイッチ、レリーズ（撮像トリガ）スイッチ、ズーム操作スイッチ、撮像モード選択スイッチ等を含む。

カメラ本体１２０には、画像記録メモリ１２８の着脱が可能である。画像記録メモリ１２８は、撮像により取得された画像を記録する半導体メモリや光ディスク等の記録媒体である。

第１の焦点検出手段としての位相差焦点検出部１２９は、撮像素子１２２に設けられた複数の位相差検出用画素からの出力信号（位相差像信号）を用いて位相差検出方式での焦点検出を行う。詳しくは後述するが、複数の位相差検出用画素のうちそれぞれ対をなす位相差検出用画素は、撮像光学系における互いに異なる射出瞳領域を通過した光束によって形成された一対の被写体像を光電変換して一対の位相差像信号を出力する。位相差焦点検出部１２９は、該一対の位相差像信号のずれ量である位相差（像ずれ量）から第１の焦点検出情報としてのデフォーカス量を演算する。デフォーカス量が所定値以下となる位置にフォーカスレンズ１０４を移動させることで、撮像光学系を被写体に対して合焦状態またはこれに近い状態とすることができる。

第２の焦点検出手段としてのコントラスト焦点検出部１３０は、画像処理回路１２４で生成された画像データ信号のコントラスト成分から撮像光学系の焦点状態に対応する第２の焦点検出情報としてのコントラスト評価値を算出する。このようなコントラスト検出方式の焦点検出とコントラスト評価値によるを含むＡＦは、ＴＶＡＦとも称される。コントラスト評価値がピークとなる位置にフォーカスレンズ１０４を移動させることで、撮像光学系を被写体に対して高精度に合焦状態とすることができる。

本実施例では、撮像面位相差ＡＦとＴＶＡＦとを組み合わせたハイブリッドＡＦを行う。ただし、撮像状況に応じたカメラＭＰＵ１２５による制御により、撮像面位相差ＡＦとＴＶＡＦのうち一方のみが行われる場合もある。

次に、撮像面位相差ＡＦおよびＴＶＡＦを行うための撮像素子１２２の画素構成について詳述する。図２には、撮像素子１２２の撮像面４００レンズユニット１００側から見て示している。撮像面４００上には、横方向ｍ個（ｍ行）×縦方向ｎ個（ｎ列）の画素４０１が配列されている。上述したように撮像素子１２２は、複数の撮像用画素と複数の位相差検出用画素とを含む。複数の撮像用画素のうち横方向２個（２行）×縦方向２個（２列）の４つの画素４０１上にはオンチップでベイヤー配列の原色カラーフィルタ（Ｒ，Ｇ，Ｇ，Ｂ）が形成され、この４つ１組の画素が横方向および縦方向に繰り返し配列されている。各撮像用画素は、撮像光学系の射出瞳の全域を通る光を受光して、受光量に応じた撮像用画素信号を出力する。なお、図２には左上の領域の画素４０１のみを示し、他の領域の画素は図示を省略している。

また、各位相差検出用画素は、撮像光学系の射出瞳の一部の領域を通る光を受光して、受光量に応じた位相差検出用画素信号としての位相差像信号を出力する。上述した４つ１組の画素４０１のうち対角に配置された２つ（一対）のＧ画素は撮像用画素として用いられ、Ｒ画素とＢ画素に相当する画素が一対の位相差検出用画素として用いられる。

図３（ａ）には上述した２行×２列の撮像用画素の配置を、図３（ｂ）には図３（ａ）におけるＡ−Ａ線で切断したときの撮像用画素の断面構造をそれぞれ示している。また、図４（ａ）には２行×２列の画素に含まれる撮像用画素と位相差検出用画素の配置を、図４（ｂ）には図４（ａ）におけるＢ−Ｂ線で切断したときの位相差検出用画素の断面構造をそれぞれ示している。なお、図３（ｂ）および図４（ｂ）には、撮像光学系３１１と該撮像光学系３１１から各画素に入射する光束を模式的に示している。なお、図３（ｂ）および図４（ｂ）では、実際にはミクロンオーダーのサイズの画素構造を拡大して示しているとともに、説明に不要な構成要素については図示を省略している。

図３（ａ）に示す２行×２列の撮像用画素は、２つの対角方向のうち一方に配置されたＲ（赤）画素およびＢ（青）画素と他方に配置された２つのＧ（緑）画素とにより構成されている。図３（ｂ）において、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である。ＣＦ_ＲはＲ画素に設けられたＲカラーフィルタであり、ＣＦ_ＧはＧ画素に設けられたＧカラーフィルタである。ＰＤ（Photo Diode）は画素ごとに設けられた光電変換部であり、ＣＬ（Contact Layer）は画素ごとに設けられ、撮像素子１２２内において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。４１１は撮像光学系３１１の射出瞳であり、Ｌは撮像光学系３１１の光軸である。なお、図３（ｂ）は、撮像素子１２２の中心付近、すなわち光軸Ｌ付近の画素の構造を示しており、このことは図４（ｂ）も同じである。

オンチップマイクロレンズＭＬと光電変換部ＰＤは、撮像光学系３１１を通過した光束をできるだけ有効に取り込むように構成されている。言い換えれば、撮像光学系３１１の射出瞳４１１と光電変換部ＰＤとはマイクロレンズＭＬにより共役な関係となるように配置されており、かつ光電変換部ＰＤの有効面積は可能な限り大きく設定されている。これにより、図３（ｂ）において射出瞳４１１の全域を通過した光束４１０が光電変換部ＰＤに取り込まれる。なお、図３（ｂ）にはＲ画素に入射する光束４１０のみを示しているが、Ｇ画素およびＢ画素についても同様である。

図４（ａ）に示す２行×２列の画素は、２つの対角方向のうち一方に配置された２つ（一対）の位相差検出用画素Ｓ_ＨＡ，Ｓ_ＨＢと他方に配置された２つのＧ画素とにより構成されている。一対の位相差検出用画素Ｓ_ＨＡ，Ｓ_ＨＢは、横方向（撮像素子１２２の長辺が延びる水平方向）に瞳分割を行う。Ｇ画素は輝度情報の主成分を取得する画素であり、人間の画像認識特性からＧ画素が欠けると画質劣化が認識されやすい。一方、ＲおよびＢ画素は色情報（色差情報）を取得する画素であり、人間の視覚特性は色情報には鈍感で、ＲおよびＢ画素が欠けても画質劣化が認識されにくい。このため、位相差検出用画素Ｓ_ＨＡ，Ｓ_ＨＢを図３（ａ）におけるＲおよびＢ画素に代えて配置している。

図４（ｂ）において、マイクロレンズＭＬと光電変換部ＰＤは、図３（ｂ）に示した撮像用画素と同様に設けられている。一方、配線層ＣＬは、位相差検出用画素Ｓ_ＨＡ，Ｓ_ＨＢにより射出瞳４１１を分割するため、配線層ＣＬの開口部がマイクロレンズＭＬの中心線に対して一方向に偏心するように設けられている。

具体的には、位相差検出用画素Ｓ_ＨＡの開口部ＯＰ_ＨＡは、マイクロレンズＭＬの中心線に対して右側に偏心量４２１_ＨＡだけ偏心している。このため、位相差検出用画素Ｓ_ＨＡの光電変換部ＰＤは、射出瞳４１１のうち光軸Ｌよりも左側の射出瞳領域４２２_ＨＡを通過した光束４２０_ＨＡを受光する。これに対して、位相差検出用画素Ｓ_ＨＢの開口部ＯＰ_ＨＢは、マイクロレンズＭＬの中心線に対して左側に偏心量４２１_ＨＢだけ偏心している。このため、位相差検出用画素Ｓ_ＨＢの光電変換部ＰＤは、射出瞳４１１のうち光軸Ｌよりも右側の射出瞳領域４２２_ＨＢを通過した光束４２０_ＨＢを受光する。図から明らかな様に、偏心量４２１_ＨＡと偏心量４２１_ＨＢとは互いに等しい。このように、位相差検出用画素Ｓ_ＨＡ，Ｓ_ＨＢは、マイクロレンズＭＬに対する配線層ＣＬの開口部ＯＰ_ＨＡ，ＯＰ_ＨＢの偏心によって互いに異なる射出瞳領域４２２_ＨＡ，４２２_ＨＢを通過する光束４２０_ＨＡ，４２０_ＨＢを取り出すことが可能となっている。

位相差検出用画素Ｓ_ＨＡ，Ｓ_ＨＢはそれぞれ、撮像素子１２２において水平方向に複数配置される。これら複数の位相差検出用画素Ｓ_ＨＡにより受光される被写体像をＡ像とし、該複数の位相差検出用画素Ｓ_ＨＡから出力される位相差検出用像信号をＡ像信号という。同様に水平方向に配置された複数の位相差検出用画素Ｓ_ＨＢにより受光される被写体像をＢ像とし、該複数の位相差検出用画素Ｓ_ＨＢから出力される位相差検出用像信号をＢ像信号という。Ａ像とＢ像の相対位置差、つまりはＡ像信号とＢ像信号の位相差を検出（算出）することで、水平方向に輝度分布を有する被写体に対する撮像光学系３１１のデフォーカス量を求めることができる。

本実施例における撮像素子１２２には、図示はしないが、垂直方向に輝度分布を有する被写体に対する撮像光学系３１１のデフォーカス量を求めるために垂直方向に瞳分割を行う位相差検出用画素も、後述する位相差検出ライン（図５参照）内に設けられている。

なお、位相差検出用画素からは色情報を取得することができないため、撮像による撮影画像の生成においては位相差検出用画素の位置の色情報を、その周辺のＲおよびＢ画素の出力信号から補間する必要がある。このため、位相差検出用画素は、撮像素子１２２上に連続的に並べずに離散的に配置する。これにより、撮影画像の画質低下を防止することができる。

図５の上側には、撮像素子１２２の撮像面（つまりは撮像画面）４００における位相差検出用画素の配置をレンズユニット１００側から見て示している。図５の下側には、上側に示した撮像面４００の一部を拡大して示している。

本実施例では、撮像面４００内に、それぞれ水平方向（第１の方向）に延びるライン形状を有し、かつ互いに垂直方向（第１の方向に直交する第２の方向）に離間した複数の位相差検出ラインＬｎ（ｎ＝１〜６）が形成されている。これら位相差検出ラインＬｎはそれぞれ、水平方向に複数配列された位相差検出用画素Ｌｎ＿Ｓ_ＨＡ，Ｌｎ＿Ｓ_ＨＢ（ｎ＝１〜６）によって形成されている。言い換えれば、各位相差検出ラインは、図４（ａ）に示した位相差検出用画素Ｌｎ＿Ｓ_ＨＡ，Ｌｎ＿Ｓ_ＨＢと２つのＧ画素からなる２行×２列の画素が水平方向に複数配列されることで形成された位相差検出可能領域である。撮像面位相差ＡＦは、複数の位相差検出ラインＬｎ上においてのみ行うことができる。これに対して、ＴＶＡＦは、撮像面４００の全域のうち任意の領域において行うことができる。

次に、撮像面位相差ＡＦについて、図６（ａ）を用いて説明する。図６（ａ）には、それぞれ複数の位相差検出用画素Ｓ_ＨＡ，Ｓ_ＨＢからの位相差検出用信号により形成された対のＡ像およびＢ像信号４３０ａ，４３０ｂを示す。図６（ａ）において、横軸は位相差検出用画素の並び方向を示し、縦軸はＡ像およびＢ像信号の強度を示す。図６（ａ）は、撮像光学系が被写体に対してデフォーカスした状態を示しており、この状態ではＡ像およびＢ像信号４３０ａ，４３０ｂが互いに左右にずれている。位相差焦点検出部１２９は、このＡ像およびＢ像信号４３０ａ，４３０ｂのずれの量である位相差をＡ像およびＢ像信号４３０ａ，４３０ｂに対する相関演算を行って算出する。さらに位相差焦点検出部１２９は、この位相差から撮像光学系のデフォーカス量を算出する。

図６（ｂ）には、複数の位相差検出用画素Ｓ_ＨＡからの位相差検出用信号により形成されたＡ像信号４３０ａと、それぞれの位相差検出用画素Ｓ_ＨＡに隣接する複数の撮像用画素からの撮像用画素信号を利用して形成された位相差検出用像信号４３０ｉｍｇとを示す。これらＡ像信号４３０ａと位相差検出用像信号４３０ｉｍｇに対して相関演算を行ってこれらの位相差を算出し、さらに該位相差からデフォーカス量を算出してもよい。なお、この場合に算出されるデフォーカス量は実際の撮像光学系のデフォーカス量の半分の値になるので、ＡＦに用いるためには２倍する必要がある。これに代えて、複数の位相差検出用画素Ｓ_ＨＢからの位相差検出用信号により形成されたＢ像信号４３０ｂと位相差検出用像信号４３０ｉｍｇの位相差から得られたデフォーカス量を加算してＡＦに用いるデフォーカス量としてもよい。

カメラＭＰＵ１２５は、レンズＭＰＵ１１７から受信したフォーカス位置の情報と位相差焦点検出部１２９が算出したデフォーカス量（方向を含む）とを用いて、撮像光学系を合焦状態に近づけるためのフォーカスレンズ１０４の移動量（方向を含む）を算出する。カメラＭＰＵ１２５は、レンズＭＰＵ１１７に対してフォーカスレンズ１０４の移動量を含むフォーカス駆動指令を送信する。レンズＭＰＵ１１７は、フォーカス駆動指令に応じて、フォーカス駆動回路１１６を介してフォーカスアクチュエータ１１３を駆動することで、フォーカスレンズ１０４を移動させる。このようにして、撮像面位相差ＡＦにより合焦状態またはこれに近い状態を得ることができる。

次に、ＴＶＡＦについて説明する。前述したように、コントラスト焦点検出部１３０は、画像処理回路１２４にて生成された画像データ信号からコントラスト評価値を算出する。図１０には、横軸に示したフォーカス位置ＬＰｎ（ｎ＝１〜８）の変化に伴う縦軸に示したコントラスト評価値ＡＦ＿Ｃの一般的な変化例を示している。コントラスト評価値は、フォーカス位置の変化（移動）により撮像光学系が合焦状態に近づくほど高くなる。このため、コントラスト評価値が最も高くなるフォーカス位置（ピーク位置）を探索することで、撮像光学系の高精度な合焦状態を得ることができる。図１０の例では、ＴＶＡＦにより、フォーカス位置ＬＰ４とＬＰ５の間のピーク位置にフォーカス駆動が行われる。

次に、カメラＭＰＵ１２５が、位相差焦点検出部１２９およびコントラスト焦点検出部１３０とともに実行するＡＦ処理（フォーカス制御処理）について、図７のフローチャートを用いて説明する。カメラＭＰＵ１２５は、コンピュータプログラムとしてのＡＦ制御プログラム（フォーカス制御プログラム）に従って該ＡＦ処理を実行する。本実施例では、はじめに撮像面位相差ＡＦを行って合焦状態またはこれに近い状態を得た後、ＴＶＡＦによってさらに高精度な合焦状態を得るようにハイブリッドＡＦを行う。カメラＭＰＵ１２５は、制御手段、第１の設定手段および第２の設定手段として機能する。

ＡＦ処理を開始したカメラＭＰＵ１２５は、ステップＳ１において、撮像画面（撮像素子１２２の撮像面４００）のうち、撮像面位相差ＡＦでの焦点検出を行う位相差焦点検出領域を設定する。ここでは、図５に示した撮像面４００に配置された複数の位相差検出ラインＬｎのうち合焦目標である主被写体の被写体像が形成された位相差検出ライン上に位相差焦点検出領域が設定される。

例えば、図８（ａ）には、人物２２０と背景としての建物（家）が含まれるシーンを示している。このシーンを撮像する際には、カメラＭＰＵ１２５は、顔認識処理によって人物２２０の顔を認識する。そして、カメラＭＰＵ１２５は、図８（ｂ）に示すように、複数の位相差検出ラインＬｎのうちその顔（主被写体）の被写体像が形成されている位相差検出ラインＬ２上に位相差焦点検出領域ＡＦ＿Ｌ２を設定する。言い換えれば、位相差検出ラインＬ２上における顔の被写体像が形成されている部分を位相差焦点検出領域ＡＦ＿Ｌ２として設定する。なお、図５の下側に示すように、位相差検出ライン（図ではＬ２）上に設定される位相差焦点検出領域（図ではＡＦ＿Ｌ２）は、２列の画素の垂直方向幅を有して水平方向に延びる矩形の領域である。

なお、位相差検出ラインＬｎ上での位相差焦点検出領域の設定を、ユーザによる選択操作に応じて行ってもよい。

次に、ステップＳ２（第１の焦点検出ステップ）では、カメラＭＰＵ１２５は、位相差焦点検出部１２９に、ステップＳ１で設定された位相差焦点検出領域での撮像面位相差ＡＦによる焦点検出を行わせる。そして、カメラＭＰＵ１２５は、位相差焦点検出部１２９からデフォーカス量（デフォーカス方向を含む）を取得し、該デフォーカス量に基づいて、レンズＭＰＵ１１７を通じてフォーカスレンズ１０４を移動させる。すなわち、撮像面位相差ＡＦにおけるフォーカス駆動を行う。

次に、ステップＳ３では、カメラＭＰＵ１２５は、撮像面位相差ＡＦの結果の信頼性を判定する。例えば、ステップＳ２でのフォーカス駆動の後に再度同じ位相差焦点検出領域で取得されたデフォーカス量が０に近い場合や、該位相差焦点検出領域内の撮像用画素を通じて得られたコントラスト評価値が所定値以上である場合には、信頼性有りとする。信頼性有りとは、合焦状態が得られたという意味である。このため、信頼性有りと判定した場合は、カメラＭＰＵ１２５は、ＡＦ処理を終了する。一方、再取得されたデフォーカス量が所定値よりも大きい場合およびコントラスト評価値が所定値に満たない場合や、そもそも主被写体にコントラストが無いまたは輝度飽和した画素が多数ある等の特殊な状況が検出された場合には、信頼性無しとする。信頼性無しとは、合焦状態が得られたとは確定できないという意味である。信頼性無しと判定した場合は、カメラＭＰＵ１２５は、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４では、カメラＭＰＵ１２５は、ＴＶＡＦを行うか否かを判定する。ステップＳ３で特殊な状況が検出された場合には、ＴＶＡＦを行っても正しい焦点検出を行えずに合焦状態が得られない可能性が高い。このため、この場合は、カメラＭＰＵ１２５は、ＡＦ不能としてＡＦ処理を終了する。ＴＶＡＦを行う場合には、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５では、カメラＭＰＵ１２５は、ステップＳ２で設定した位相差焦点検出領域の位置（ｘ，ｙ）と数ｍの情報を取得する。例えば図８（ｂ）に示した例では、位相差焦点検出領域の位置として、位相差検出ラインＡＦ＿Ｌ２上の位相差焦点検出領域の重心の位置（ｘ１，ｙ１）を用いる。また、位相差焦点検出領域の数ｍは１である。

次に、ステップＳ６では、カメラＭＰＵ１２５は、ステップＳ５で取得した位相差焦点検出領域の位置（ｘ，ｙ）と数ｍに応じて、ＴＶＡＦによる焦点検出を行うコントラスト焦点検出領域を数ｍだけ設定する。具体的には、コントラスト焦点検出領域と位相差焦点検出領域の特定位置が互いに一致する（又は一致するとみなせる程に近接する）ようにコントラスト焦点検出領域を設定する。例えば、図８（ｂ）に示す例では、コントラスト焦点検出領域２１９を、その特定位置としての重心の位置（ｘ２，ｙ２）が位相差焦点検出領域の特定位置である重心の位置（ｘ１，ｙ１）と一致するように設定している。これにより、コントラスト焦点検出領域は、撮像面位相差ＡＦでの焦点検出が行われる位相差焦点検出領域が設定された位相差検出ラインＡＦ＿Ｌ２上であって該位相差焦点検出領域の特定位置にコントラスト焦点検出領域の特定位置が一致するように設定される。なお、特定位置は、重心の位置に限らず、以下に説明するようにコントラスト焦点検出領域と位相差焦点検出領域の大きさが一致するように場合には、両焦点検出領域の同じ頂点（例えば、右上の頂点）の位置でもよい。

コントラスト焦点検出領域２１９の大きさは、その水平方向幅（ｘ方向幅）および垂直方向幅（ｙ方向幅）ともに位相差焦点検出領域ＡＦ＿Ｌ２に一致する又はそれに近い大きさとすることが望ましい。位相差焦点検出領域ＡＦ＿Ｌ２に近い大きさとは、例えば、位相差焦点検出領域ＡＦ＿Ｌ２に対して水平方向の左右および垂直方向の上下において所定の画素数以下の差を有する（例えば、１画素や２画素を加えた）大きさである。また、コントラスト焦点検出領域２１９の垂直方向幅は、位相差焦点検出領域ＡＦ＿Ｌ２が設定された位相差検出ラインＬ２とは別の位相差検出ライン（Ｌ２に対して垂直方向にて隣り合うＬ１またはＬ３）に重ならない幅とする。

ただし、コントラスト焦点検出領域の大きさが小さすぎる（つまりはコントラスト焦点検出領域に含まれる撮像用画素の数が少なすぎる）とノイズに弱くなってＴＶＡＦの性能が低下するおそれがある。このため、コントラスト焦点検出領域の大きさを、上述した位相差焦点検出領域に一致する又はそれに近い大きさよりも大きくしてもよい。

また、図９（ａ）には、２人の人物２２０，２３０と背景としての建物が含まれるシーンを示している。このシーンを撮像する際には、カメラＭＰＵ１２５は、顔認識処理によって２人の人物２２０，２３０の顔を認識する。そして、図９（ｂ）に示すように、複数の位相差検出ラインＬｎのうち人物２２０，２３０の顔（主被写体）の被写体像がそれぞれ形成されている位相差検出ラインＬ２，Ｌ４上に２つの位相差焦点検出領域ＡＦ＿Ｌ２，ＡＦ＿Ｌ４を設定する。この例では、カメラＭＰＵ１２５は、２つ（ｍ＝２）のコントラスト焦点検出領域２１９，２２９を、それらの重心の位置（ｘ２，ｙ２），（ｘ４，ｙ４）がそれぞれ位相差焦点検出領域の重心の位置（ｘ１，ｙ１），（ｘ３，ｘ３）と一致するように設定する。コントラスト焦点検出領域２１９，２２９の大きさはそれぞれ、上述したように位相差焦点検出領域ＡＦ＿Ｌ２，ＡＦ＿Ｌ４に一致する又はそれに近い大きさとする。

このようにコントラスト焦点検出領域を、位相差焦点検出領域と同じ位置に（かつ大きさも同じか近い大きさで）同じ数だけ設定することで、撮像面位相差ＡＦとＴＶＡＦでの焦点検出領域間にずれが生じない。このため、同じ主被写体に対して撮像面位相差ＡＦとＴＶＡＦでの焦点検出を確実に行うことができ、焦点検出領域間のずれに起因するＴＶＡＦの精度の低下や遅れが生ずることなく、主被写体に対して高精度かつ高速に合焦状態を得ることができる。しかも、コントラスト焦点検出領域の設定に際して、その位置（および大きさ）および数に関する特別な演算を行うことなく、該設定が可能であるので、カメラＭＰＵ１２５の演算負担を軽くすることができる。

次に、ステップＳ７では、カメラＭＰＵ１２５は、コントラスト焦点検出部１３０に、ステップＳ６で設定したコントラスト焦点検出領域におけるコントラスト評価値を生成させ、該コントラスト評価値を取得する。ステップＳ６およびステップＳ７が、第２の焦点検出ステップに相当する。

そして、ステップＳ８では、カメラＭＰＵ１２５は、ステップＳ６で設定したコントラスト焦点検出領域が複数か否かを判定し、１つであればステップＳ１０に進み、ステップＳ７で取得したコントラスト評価値が最大となる位置にフォーカス駆動する。一方、コントラスト焦点検出領域が複数である場合は、ステップＳ９に進む。

ステップＳ９では、カメラＭＰＵ１２５は、複数のコントラスト焦点検出領域で得られた複数のコントラスト評価値に対して、最終的にＴＶＡＦでのフォーカス駆動に用いるコントラスト評価値としての最終コントラスト評価値ＣＥＶを決定するための演算を行う。例えば、図９（ｂ）に示す例において、２つのコントラスト焦点検出領域２１９，２２９からそれぞれ互いに異なるコントラスト評価値ＣＥＶ＿２１９，ＣＥＶ＿２２９が得られたとする。この場合は、例えば、
ＣＥＶ＝（ＣＥＶ＿２１９＋ＣＥＶ＿２２９）／２
なる演算を行って、コントラスト評価値ＣＥＶ＿２１９，ＣＥＶ＿２２９の平均値を最終コントラスト評価値ＣＥＶを求めてもよい。

また、それぞれのコントラスト評価値ＣＥＶ＿２１９，ＣＥＶ＿２２９の信頼性を求め、信頼性が高い方により重みを付ける重み付け演算を行って最終コントラスト評価値を求めてもよい。このときの信頼性は、コントラスト評価値自体から求めてもよいし、先に行った撮像面位相差ＡＦでの焦点検出結果であるデフォーカス量から求めてもよい。また、撮像用画素のゲインにより求めてもよい。

最終コントラスト評価値ＣＥＶを決定したカメラＭＰＵ１２５は、ステップＳ１０に進み、最終コントラスト評価値ＣＥＶが最大となる位置にフォーカス駆動する。

その後、図示はしないが、カメラＭＰＵ１２５は、表示器１２６に合焦完了を表示してＡＦ処理を終了する。

以上説明したように、本実施例によれば、位相差焦点検出領域に対してずれることなくコントラスト焦点検出領域を設定することができるので、撮像面位相差ＡＦで合焦目標とされた主被写体に対して確実にＴＶＡＦを行うことができる。したがって、ユーザが意図する主被写体に対して高精度に、かつ高速で合焦状態を得ることができる。

本発明は、上述した実施例における１つ以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介して撮像装置に供給し、その装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサがプログラムを読出して実行する処理でも実現可能である。また、１つ以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

１２２ 撮像素子
１２５ カメラＭＰＵ
１２９ 位相差焦点検出部
１３０ コントラスト（ＴＶＡＦ）焦点検出部

Claims (6)

1. 撮像に用いられる複数の撮像用画素と位相差検出方式による焦点検出に用いられる複数の位相差検出用画素とを含み、前記複数の位相差検出用画素が互いに離間した複数の位相差検出可能領域を形成するように配置された撮像素子と、
   前記位相差検出用画素からの出力を用いて前記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出力を用いて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り得られる第１の焦点検出情報に応じてフォーカス素子を移動させ、その後に前記第２の焦点検出手段により得られる第２の焦点検出情報に応じて前記フォーカス素子を移動させる制御手段と、
   前記複数の位相差検出可能領域のうち少なくとも１つの位相差検出可能領域において前記第１の焦点検出手段による焦点検出を行う第１の焦点検出領域を設定する第１の設定手段と、
   前記撮像素子のうち前記第２の焦点検出手段による焦点検出を行う第２の焦点検出領域を設定する第２の設定手段とを有し、
   前記第２の設定手段は、前記第１の焦点検出領域と同じ数の前記第２の焦点検出領域を、該第１および第２の焦点検出領域の特定位置が互いに一致するように設定することを特徴とする撮像装置。
2. 前記特定位置は、前記第１および第２の焦点検出領域の重心の位置であ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２の設定手段は、前記第２の焦点検出領域の大きさを、前記第１の焦点検出領域の大きさに対して一致する又は所定の画素数以下の差を有するように設定する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. 前記第２の設定手段は、前記第２の焦点検出領域を、前記第１の焦点検出領域が設定された前記位相差検出可能領域とは別の前記位相差検出可能領域に重ならないように設定することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の撮像装置。
5. 前記複数の位相差検出可能領域は、それぞれ第１の方向に延びるライン形状を有し、前記第１の方向に対して直交する第２の方向に互いに離間していることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の撮像装置。
6. 撮像に用いられる複数の撮像用画素と位相差検出方式による焦点検出に用いられる複数の位相差検出用画素とを含み、前記複数の位相差検出用画素が互いに離間した複数の位相差検出可能領域を形成するように配置された撮像素子を有する撮像装置のコンピュータにフォーカス制御処理を実行させるコンピュータプログラムであって、
   前記フォーカス制御処理は、
   前記位相差検出用画素からの出力を用いて前記位相差検出方式による焦点検出を行う第１の焦点検出ステップと、
   前記撮像用画素からの出力を用いてコントラスト検出方式による焦点検出を行う第２の焦点検出ステップと、
   前記位相差検出方式による焦点検出により得られる第１の焦点検出情報に応じてフォーカス素子を移動させ、その後に前記コントラスト検出方式による焦点検出により得られる第２の焦点検出情報に応じて前記フォーカス素子を移動させるステップとを含み、
   前記第１の焦点検出ステップにおいて、前記複数の位相差検出可能領域のうち少なくとも１つの位相差検出可能領域において前記位相差検出方式による焦点検出を行う第１の焦点検出領域を設定し、
   前記第２の焦点検出ステップにおいて、前記撮像素子のうち前記コントラスト検出方式による焦点検出を行う第２の焦点検出領域を設定し、
   該第２の焦点検出ステップにおいて、前記第１の焦点検出領域と同じ数の前記第２の焦点検出領域を、該第１および第２の焦点検出領域の特定位置が互いに一致するように設定することを特徴とするフォーカス制御プログラム。