JP2017021380A - 焦点検出装置および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像面位相差検出方式を用いたときに撮影光学系の焦点状態の誤検出を低減させること。【解決手段】撮影光学系（１０１、１０２、１０３）の射出瞳のうち互いに異なる瞳領域を通過した光束をそれぞれ光電変換する第１の画素群および第２の画素群を有する撮像素子（２０１）から得られる一対の像信号の位相差に基づいて、前記撮影光学系の焦点状態を検出する焦点検出装置であって、前記撮影光学系の光学情報を取得する取得手段（２１３）と、前記取得手段により取得した前記撮影光学系の光学情報と前記撮像素子の特性とに基づいて、前記一対の像信号をシフトさせる範囲を変化させる焦点検出演算手段（２１２）と、を有する。【選択図】 図１

Description

本発明は、撮像面位相差検出方式を用いた焦点検出装置に関するものである。

位相差検出方式には、撮像光学系の異なる瞳領域を通過して結像した光学像を、２次結像光学系によって撮像素子とは異なる焦点検出センサ上に一対の２次像として再結像させ、この一対の２次像の相対間隔から撮像光学系の焦点状態を検出する方式がある。この位相差検出方式は、いわゆるＴＴＬ（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｔｈｅ Ｔａｋｉｎｇ Ｌｅｎｓ）２次結像位相差検出方式と呼ばれるものである。この２次結像位相差検出方式では、２次結像光学系に含まれるフィールドレンズによって一対のラインセンサ（焦点検出センサ）を撮像光学系の瞳に投影することで瞳を分割する。

特許文献１では、この２次結像位相差検出方式を用いた焦点検出装置であって、位相差を相関演算により検出する際に、レンズのデフォーカス情報に基づいて相関演算を行う演算範囲を変える手法が提案されている。このデフォーカス情報とは現在のフォーカス位置から無限端までのデフォーカス量と至近端までのデフォーカス量のことである。現在のフォーカス位置から無限端までのデフォーカス量とＫ値およびＧ値より無限側のシフト量を求める。同様に現在のフォーカス位置から至近端までのデフォーカス量とＫ値およびＧ値より至近側のシフト量を求める。装着されているレンズで検出可能なデフォーカス範囲内で相関演算することで無駄な演算時間がかからないようにしている。

また、その他の位相差検出方式として、撮像素子の２次元的に配列されたマイクロレンズアレイ毎に一対の受光部を設け、このマイクロレンズによって一対の受光部を撮像光学系の瞳に投影することで瞳を分割する、いわゆる撮像面位相差検出方式がある。

特開昭６２−１３３４０９号公報

撮像面位相差検出方式において、大デフォーカス時は位相のシフトに加え像信号の崩れが起きるので検出されるデフォーカス量は実際よりも大きい値となる。このため、特許文献１と同様にレンズのデフォーカス情報に基づいて演算するシフト範囲を設定した場合、シフト範囲外に被写体位置を示すシフト位置があることがあり、このときシフト範囲内の別の被写体位置を示すシフト位置を検出することになる。また、検出したシフト量からレンズの駆動量を算出し、レンズを駆動させようとしたときもレンズが駆動できるデフォーカス量よりも大きく駆動させてしまうときがある。

本発明の目的は、撮像面位相差検出方式を用いたときに撮影光学系の焦点状態の誤検出を低減させる自動焦点調節装置を提供することである。

本発明の一側面としての焦点検出装置は、光学系を通過した光束を受光し、第１の信号対を出力する第１の撮像素子と、前記光学系を通過し、且つ、前記第１の撮像素子が受光する光束より狭い光束を受光し、第２の信号対を出力する第２の撮像素子と、から得られる信号対に基づいて、前記光学系の焦点検出を行う焦点検出装置であって、前記第１の信号対を用いた相関演算に基づく焦点検出と、前記第２の信号対を用いた相関演算に基づく焦点検出と、を行う演算手段と、を備え、前記第１の信号対を用いた焦点検出における合焦位置の探索範囲は、前記第２の信号対を用いた焦点検出における合焦位置の探索範囲よりも広いことを特徴とする。

本発明によれば、撮像面位相差検出方式を用いたときに撮影光学系の焦点状態の誤検出を低減させることができる。

本実施形態に関わる焦点検出装置を有するカメラシステムのブロック図である。 本実施形態に関わる撮像面位相差検出方式の構成を示す模式図である。 本実施形態に関わるライブビュー撮影処理のフローを説明する図である。 本実施形態に関わる動画撮影処理のフローを説明する図である。 本実施形態に関わる静止画撮影処理のフローを説明する図である。 本実施形態に関わる焦点検出演算処理のフローを説明する図である。 本実施形態に関わる焦点検出演算処理を説明する図である。 本実施形態に関わる撮像面位相差検出方式と２次結像位相差検出方式の光学特性を説明する図である。 本実施形態に関わる撮像面位相差検出方式で観測するデフォーカス量を説明する図である。 本実施形態に関わる撮像面位相差検出方式および２次結像位相差検出方式の相関量とレンズの光学情報との関係を説明する図である。 本実施形態に関わる相関演算範囲設定処理のフローを説明する図である 本実施形態に関わるレンズ駆動量設定処理のフローを説明する図である

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明が適用される装置の構成や各種条件によって適宜修正又は変更されるべきものであり、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の第一の実施の形態におけるレンズおよびカメラ本体からなるレンズ交換型のカメラシステムの構成を示すブロック図である。なお、本実施例では、レンズ交換型のカメラシステム（撮像装置）について説明するが、本発明は、レンズ一体型の撮像装置にも適用することが可能である。

図１に示すように、本実施形態のカメラシステムは、レンズ（レンズ装置）１０およびカメラ（撮像装置）２０から構成されている。レンズ１０には、レンズ全体の動作を統括制御するレンズ制御部１０６が設けられ、カメラ２０には、カメラ全体の動作を統括制御するカメラ制御部２１２が設けられている。カメラ制御部２１２とレンズ制御部１０６とは、カメラ通信制御部２１３とレンズ通信制御部１０８とを介して互いに通信することができる。なお、本発明がレンズ一体型の撮像装置である場合は、レンズ制御部の機能および手段はすべてカメラ制御部に含まれるようにしてもよい、そのときカメラ制御部はレンズ一体型の撮像装置全体の動作を統括制御する。

まず、レンズ１０の構成について説明する。レンズ１０は、固定レンズ１０１、絞り１０２、フォーカスレンズ１０３、絞り駆動部１０４、フォーカスレンズ駆動部１０５、レンズ制御部１０６、レンズ操作部１０７を備えている。本実施例では、固定レンズ１０１、絞り１０２、フォーカスレンズ１０３により撮影光学系が構成される。固定レンズ１０１は、レンズ１０の最も被写体側に配置された固定の第１群レンズである。絞り１０２は、絞り駆動部１０４によって駆動され、後述する撮像素子２０１への入射光量を制御する。フォーカスレンズ１０３は、レンズ１０の最も像面側に配置され、フォーカスレンズ駆動部１０５によって光軸方向に駆動され、後述する撮像素子２０１に結像する焦点の調節を行う。絞り駆動部１０４およびフォーカスレンズ駆動部１０５はレンズ制御部１０６によって制御され、絞り１０２の開口量や、フォーカスレンズ１０３の光軸方向の位置を決定する。レンズ操作部１０７によってユーザの操作があった場合には、レンズ制御部１０６はユーザ操作に応じた制御を行う。レンズ制御部１０６は、後述するカメラ制御部２１２から、カメラ通信制御部２１３とレンズ通信制御部１０８を介して受信した制御命令または制御情報に応じて絞り駆動部１０４やフォーカスレンズ駆動部１０５の制御を行う。また、レンズ制御部１０６は、レンズ制御情報（光学情報）をレンズ通信制御部１０８とカメラ通信制御部２１３を介してカメラ制御部２１２に送信する。

次に、カメラ２０の構成について説明する。カメラ２０は、撮影光学系を通過した光束から撮像信号を取得できるように、撮像素子２０１、ＣＤＳ／ＡＧＣ／ＡＤコンバータ２０２、画像入力コントローラ２０３、カメラ制御部２１２、タイミングジェネレータ２１５を備える。また、カメラ２０は、ＡＦ信号処理部２０４、バス２１、表示制御部２０５、表示部２０６、記録媒体制御部２０７、記録媒体２０８、ＳＤＲＡＭ２０９、ＲＯＭ２１０、フラッシュＲＯＭ２１１、カメラ通信制御部２１３、カメラ操作部２１４を備えている。撮像素子２０１は、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサにより構成される光電変換素子（フォトダイオード）である。レンズ１０の撮影光学系を通ってきた光束（被写体像）は撮像素子２０１の受光面上に結像され、フォトダイオードによって入射光量に応じた信号電荷に変換される。各フォトダイオードに蓄積された信号電荷は、カメラ制御部２１２の指令に従ってタイミングジェネレータ２１５から与えられる駆動パルスに基づいて、信号電荷に応じた電圧信号（撮像信号、ＡＦ用信号）として撮像素子２０１から順次読み出される。

本実施例において、撮像素子２０１は、撮像面位相差ＡＦを行うために、図２（ｂ）のように１つの画素に２つのフォトダイオードＰＤを保持している。撮影光学系ＴＬの射出瞳ＥＰの全域を通過した光束をマイクロレンズＭＬで分離し、この２つのフォトダイオードＰＤで結像することで、撮像用とＡＦ用の２つの信号が取り出せるようになっている。２つのフォトダイオードＰＤの信号を加算した信号Ａ＋Ｂが撮像信号であり、個々のフォトダイオードの信号Ａ、信号Ｂが撮像面位相差ＡＦ用の２つの像信号になっている。このような画素を撮像素子２０１の全域にわたって分散配置する、つまり撮影光学系の射出瞳のうち互いに異なる瞳領域を通過した光束をそれぞれ光電変換する第１の画素群および第２の画素群を有することで、撮像画面内の全域で焦点検出を可能としている。焦点検出は、ＡＦ用信号を基に、後述するＡＦ信号処理部２０４で２つの（一対の）像信号に対して相関演算を行い、像ずれ量や各種信頼性情報を算出する。なお、図２（ａ）は、本実施例の撮像素子２０１の一部の画素を拡大したもので、原色ベイヤー配列と呼ばれる画素構成を採用している。具体的には、Ｒ（Ｒｅｄ），Ｇ（Ｇｒｅｅｎ），Ｂ（Ｂｌｕｅ）の原色カラーフィルタがベイヤー配列された２次元単板ＣＭＯＳカラーイメージセンサが用いられている。ここで、図２（ａ）に示されるＲは、Ｒ画素を表し、Ｂは、Ｂ画素を表し、ＧｒおよびＧｂは、Ｇ画素を表している。

撮像素子２０１から読み出された撮像信号およびＡＦ用信号はＣＤＳ／ＡＧＣ／ＡＤコンバータ２０２に入力され、リセットノイズを除去するための相関二重サンプリング、ゲインの調節、信号のデジタル化が行われる。ＣＤＳ／ＡＧＣ／ＡＤコンバータ２０２は、撮像信号を画像入力コントローラ２０３に、撮像面位相差ＡＦ用の信号をＡＦ信号処理部２０４にそれぞれ出力する。

画像入力コントローラ２０３は、ＣＤＳ／ＡＧＣ／ＡＤコンバータ２０２から出力された撮像信号をＳＤＲＡＭ２０９に格納する。ＳＤＲＡＭ２０９に格納した撮像信号（画像信号）は、バス２１を介して、表示制御部２０５によって表示部２０６に表示される。また、撮像信号の記録を行うモードの時には、記録媒体制御部２０７によって記録媒体２０８に記録される。また、バス２１を介して接続されたＲＯＭ２１０には、カメラ制御部２１２が実行する制御プログラムおよび制御に必要な各種データ等が格納されており、フラッシュＲＯＭ２１１には、ユーザ設定情報等のカメラ２０の動作に関する各種設定情報等が格納されている。

ＡＦ信号処理部２０４はＣＤＳ／ＡＧＣ／ＡＤコンバータ２０２から出力されたＡＦ用の２つの像信号を基に、相関演算を行い、像ずれ量、信頼性情報（二像一致度、二像急峻度、コントラスト情報、飽和情報、キズ情報等）を算出する。算出した像ずれ量と、信頼性情報をカメラ制御部２１２へ出力する。また、カメラ制御部２１２は、取得した像ずれ量や信頼性情報を基に、これらを算出する設定の変更をＡＦ信号処理部２０４に通知する。例えば、像ずれ量が大きい場合に相関演算を行う領域を広く設定したり、コントラスト情報に応じてバンドパスフィルタの種類を変更したりする。相関演算の詳細については、図６から図１２を用いて後述する。なお、本発明の焦点検出装置は、少なくともこのＡＦ信号処理部２０４と後述するカメラ制御部２１２から構成される。

なお、本実施形態は撮像信号およびＡＦ用の２つの像信号の計３つの信号を撮像素子２０１から取り出しているが、このような方法に限定されない。撮像素子２０１の負荷を考慮し、例えば撮像信号とＡＦ用の１つの像信号の計２つを取り出し、撮像信号とＡＦ用信号の差分を取ることでもう１つのＡＦ用像信号を生成するような制御にしても良い。

カメラ制御部２１２は、カメラ２０内全体と情報をやり取りして制御を行う。カメラ２０内の処理だけでなく、カメラ操作部２１４からの入力に応じて、電源のＯＮ／ＯＦＦ、設定の変更、記録の開始、ＡＦ制御の開始、記録映像の確認等の、ユーザが操作したさまざまなカメラ機能を実行する。また、先述したようにレンズ１０内のレンズ制御部１０６と情報をやり取りし、レンズの制御命令または制御情報を送り、またレンズ内の情報（光学情報）を取得する。このように、カメラ制御部２１２は、レンズ１０（撮影光学系）の光学情報を取得する取得手段としても機能する。また、カメラ制御部２１２は、撮影光学系の焦点状態を検出する焦点検出演算手段や、撮影光学系の焦点状態から撮影光学系を駆動させる駆動量を演算する駆動量演算手段としても機能する。詳細については後述する。

次に、図１のカメラ２０の本実施形態における動作について説明する。

図３はカメラ２０の撮影処理の手順を示すフローチャートである。Ｓ３０１ではカメラの初期化処理を行い、Ｓ３０２へ進む。初期化処理は、レンズ１０と通信してレンズの各種光学情報を取得する。この各種光学情報には本実施形態で用いる、現在のフォーカス位置から無限端までのデフォーカス量と現在のフォーカス位置から至近端までのデフォーカス量が含まれている。本実施例では、これらレンズの各種光学情報は、レンズ制御部１０６の内部にあるレンズ側ＲＯＭ１０９に記憶されている。また、フラッシュＲＯＭ２１１に格納されているユーザ設定情報等のカメラ２０の動作に関する各種設定情報の読み出しを行っている。Ｓ３０２では、カメラ２０の撮影モードが動画撮影モードか、静止画撮影モードかどうかの判定を行い、動画撮影モードである場合はＳ３０３へ、静止画撮影モードである場合はＳ３０４へ進む。Ｓ３０３では動画撮影処理を行い、Ｓ３０５へ進む。Ｓ３０３の動画撮影処理の詳細については図４で後述する。Ｓ３０２で静止画撮影モードだと判断した場合に進むＳ３０４では静止画撮影処理を行い、Ｓ３０５へ進む。Ｓ３０４の静止画撮影処理の詳細については図５で後述する。Ｓ３０３で動画撮影処理またはＳ３０４で静止画撮影処理を行った後に進むＳ３０５では、撮影処理が停止されていないかどうかを判断し、停止されていない場合はＳ３０２へ進み、停止された場合は撮影処理を終了する。撮影処理が停止されたときとは、カメラ２０の電源が切断されたときや、撮影モードの変更、カメラ２０のユーザ設定処理、撮影画像または動画の確認のための再生処理等、撮影以外の動作が行われたときである。

次に図３のＳ３０３の動画撮影処理について図４を用いて説明する。Ｓ４０１からＳ４０３では、動画記録に関する制御を行う。Ｓ４０１は動画記録スイッチがオンされているかどうかを判断し、オンされている場合はＳ４０２へ進み、オフの場合はＳ４０３へ進む。本実施形態においては動画記録スイッチを押下することで、動画の記録開始および停止を行うが、もちろん切り替えスイッチ等の他の方式によって記録開始および停止を行っても構わない。

Ｓ４０１からＳ４０３で動画記録に関する制御を行った後に進むＳ４０４では、動画サーボＡＦするかしないかの判定を行う。する場合はＳ４０５へ進み、しない場合はＳ４０８へ進む。ここで動画サーボＡＦとは、連続して後述する焦点検出処理を行い、レンズを駆動させて焦点調節をし続ける動作のことである。動画サーボＡＦする、または、しないの設定はＳ３０１の初期化処理において、フラッシュＲＯＭ２１１に格納されている設定情報を読み出したときと、カメラ２０のユーザ設定処理が行われたときに設定される。Ｓ４０５では、焦点検出（演算）処理を行う。詳細は後述する。Ｓ４０６では、Ｓ４０５で検出演算した焦点状態をレンズ（フォーカスレンズ１０３）の駆動量に変換する。詳細は後述する。Ｓ４０７では、Ｓ４０６で算出したレンズの駆動量に従ってしてレンズを駆動する。Ｓ４０８では、動画撮影処理が停止されたかどうかを判定する。継続する場合はＳ４０１へ進み、停止する場合は動画撮影処理を終了する。

次に、図３のＳ３０４の静止画撮影処理について図５を用いて説明する。Ｓ５０１では、コンティニュアスＡＦするかしないかの判定を行う。する場合はＳ５０２へ進み、しない場合はＳ５０５へ進む。ここでコンティニュアスＡＦとは、連続して後述する焦点検出処理を行い、レンズを駆動させて焦点調節をし続ける動作のことである。コンティニュアスＡＦする、または、しないの設定はＳ３０１の初期化処理において、フラッシュＲＯＭ２１１に格納されている設定情報を読み出したときと、カメラ２０のユーザ設定処理が行われたときに設定される。Ｓ５０２では、焦点検出（演算）処理を行う。詳細は後述する。Ｓ５０３では、Ｓ５０２で検出演算した焦点状態をレンズ（フォーカスレンズ１０３）の駆動量に変換する。詳細は後述する。Ｓ５０４では、Ｓ５０３で算出したレンズの駆動量に従ってレンズを駆動する。Ｓ５０５では、静止画撮影処理が停止されたかどうかを判定する。継続する場合はＳ５０１へ進み、停止する場合は静止画撮影処理を終了する。

次に、図４のＳ４０５および図５のＳ５０２の焦点検出演算処理について図６を用いて説明する。本実施形態においてはＳ４０５の動画撮影処理内の焦点検出演算処理とＳ５０２の静止画撮影処理内の焦点検出演算処理は同じものとして説明するが、各撮影処理に応じて焦点検出演算処理が異なっていても構わない。

まず、Ｓ６０１で任意の測距領域から像信号を取得する。次に、Ｓ６０２でＳ６０１より取得した像信号から相関量を算出する。図７（ａ）は、最大シフト量をＳとしたときに−Ｓから＋Ｓまで像信号Ａと像信号Ｂをそれぞれ１ビットずつシフトさせたときの様子を示している。図７（ａ）では、像信号Ａと像信号Ｂをそれぞれ１ビットずつシフトさせたときのシフト位置を、−Ｓ、−（Ｓ−２ｓ）、−（Ｓ−４ｓ）、０、＋（Ｓ−４ｓ）、＋（Ｓ−２ｓ）、＋Ｓで示している。相関量ＣＯＲは、各シフト位置において像信号Ａと像信号Ｂの差の絶対値の和を算出する。シフト量ｉ、画素数Ｍのときの相関量は、以下の式（１）によって算出する事ができる。

図７（ｂ）は相関量ＣＯＲを波形で示した図である。グラフの横軸はシフト量を示し、縦軸は相関量を示す。図７（ｂ）中の符号７０１ｂと７０２ｂは極値周辺を示している。この中でも相関量が小さい方ほど、像信号Ａと像信号Ｂの一致度が高いといえる。

続いて、Ｓ６０３ではＳ６０２で算出した相関量から像信号Ａと像信号Ｂの一致度が高いシフト量を検出するときにどの範囲から検出するかを設定する。なお、Ｓ６０２と順番を入れ替えてまず像信号Ａと像信号Ｂをシフトさせる範囲を設定してこの範囲で相関量を算出しても良い。詳細は後述する。

続いて、Ｓ６０４でＳ６０２より算出した相関量から相関変化量を算出する。ここでは、相関変化量ΔＣＯＲの算出法について説明する。図７（ｂ）の相関量波形から１シフト飛ばしの相関量の差から相関変化量を算出する。シフト量ｉのときの相関変化量は以下の式（２）によって算出する事ができる。

図７（ｃ）は相関変化量ΔＣＯＲを波形で示した図である。グラフの横軸はシフト量を示し、縦軸は相関変化量を示す。図７（ｃ）中で、符号７０１ｃ、７０２ｃは相関変化量がプラスからマイナスになる周辺である。相関変化量が０となるシフト位置をゼロクロスと呼び、最も像信号Ａと像信号Ｂの一致度が高い。

続いて、Ｓ６０５でＳ６０４より算出した相関変化量からピントずれ量を算出する。そして、Ｓ６０６でピントずれ量をデフォーカス量に変換する。

ここで、図６のＳ６０３の相関演算範囲設定を説明するにあたり、図８を用いて、本実施形態におけるマイクロレンズで瞳分割した撮像面位相差検出方式の光学特性を、フィールドレンズで瞳分割した２次結像位相差検出方式の光学特性と比較しながら説明する。なお、図８において、図１および図２と同じ構成要素には同じ参照番号を付している。

まず、図８（ａ）は、２次結像位相差検出方式の瞳分割を模式的に表した図である。８０１は、予定焦点面の付近に配置されたフィールドレンズである。８０２ａと８０２ｂは、２つのレンズからなる２次結像系（２次結像レンズ）である。８０３は、２次結像系の２つレンズ８０２ａと８０２ｂに対応してその後方（光軸方向像面側）に配置された２つのラインセンサ列８０３ａと８０３ｂを含む光電変換素子である。８０４は、２次結像系の２つのレンズ８０２ａと８０２ｂに対応して配置された２つの開口部８０４ａと８０４ｂを有する絞りである。８０５は、分割された２つの領域８０５ａと８０５ｂを含む撮影光学系ＴＬの射出瞳を示している。

このような構成において射出瞳８０５は、絞り８０４を投影しているので径は小さく、光電変換素子８０３から取り出される信号はぼけにくくはっきりとした信号となる。この種の構成の場合、一対の焦点検出用像信号が平行移動でほぼ重なる形状をしており、ラインセンサ列８０３ａの像信号と８０３ｂの像信号の関係は位相のみがシフトしたものになる。したがって、例えば撮影光学系ＴＬを図中左方（光軸方向被写体側）に大きく繰り出して、撮像素子２０１より左方に光束が結像しても、光電変換素子８０３上の一対の信号はぼけずに矢印Ａの方向に変位する。この一対の信号の相対的なずれ量を光電変換素子８０３で検出することで、撮影光学系ＴＬの合焦状態を検出し、さらに撮影光学系ＴＬの焦点調節駆動を行うことが可能である。なお、撮影光学系ＴＬを図中右方（光軸方向像面側）に繰り込んだ場合、光電変換素子８０３上の一対の信号は、図中矢印Ａの方向とは反対方向に変位する。

図８（ｂ）は、撮像面位相差検出方式の瞳分割を模式的に表した図である。撮影光学系ＴＬの瞳の異なる部分を通過した２光束がマイクロレンズＭＬによって撮像素子２０１上に結像されている。２０１は、予定焦点面の付近に配置された撮像素子である。８０６は、分割された２つの領域８０６ａと８０６ｂを含む撮影光学系ＴＬの射出瞳を示している。

このような構成において射出瞳８０６は、マイクロレンズＭＬで投影しているので径は大きく、フォトダイオードＰＤから取り出される信号はぼやけた信号になりやすい。この種の構成の場合、射出瞳上の２つの領域８０６ａと８０６ｂの形状は互いに裏返しの関係であって、平行移動で重なるわけではない。したがって、像信号に重畳するボケ形状も同様に裏返しの関係になり、一対の像信号は形状を異ならせながら位相がシフトしたものになってしまう。これにより、大デフォーカス時には像信号の位相差検出がうまくいかず、デフォーカス量検出誤差は大きくなる。例えば、撮影光学系ＴＬを図中左方（光軸方向被写体側）に大きく繰り出して、撮像素子２０１より左方に光束が結像すれば、フォトダイオードＰＤ上の一対の信号は互いに裏返しの関係であって形状を異ならせながら位相がシフトする。したがって、大デフォーカスのときは、信号の崩れにより位相のシフトより大きなデフォーカス量を観測する。

図９は、予め既知のデフォーカス量（所定のデフォーカス量、設定デフォーカス量）だけデフォーカスさせたときに撮像面位相差検出方式で観測されるデフォーカス量を図示した（撮像素子の特性を示した）ものである。大デフォーカスになるにつれ設定デフォーカス量より大きなデフォーカス量を観測することがわかる。また、被写体の周波数成分が高周波であれば信号の崩れ方が大きいため、低周波な被写体と比べてより大きなデフォーカス量を観測することがわかる。換言すれば、被写体のコントラストに応じて、図９に示される設定デフォーカス量と観測デフォーカス量との関係は変化する。なお、図９に示されるデータは、カメラ２０のＲＯＭ２１０に記憶される。

ここで、図１０を用いて、撮像面位相差検出方式の光学特性とレンズの光学情報である現在のフォーカス位置から至近端までのデフォーカス量と現在のフォーカス位置から無限端までのデフォーカス量との関係を説明する。まず、レンズの光学情報について、現在のフォーカス位置を１００１で表している。この現在のフォーカス位置１００１から無限端までのデフォーカス量を無限側デフォーカス量ＤＥＦ１と表している。また、現在のフォーカス位置１００１から至近端までのデフォーカス量を至近側デフォーカス量ＤＥＦ２と表している。また、レンズ１０は、無限端から至近端まで複数の領域に分割されており、領域ごとに無限側デフォーカス量ＤＥＦ１と至近側デフォーカス量ＤＥＦ２を持っている。２次結像位相差検出方式で観測される相関量を点線で示す。現在のフォーカス位置１００１から無限側のデフォーカス量の検出範囲内に相関が高い位置１００２ｂと至近側のデフォーカス量の検出範囲内に相関が高い位置１００３ｂを検出することができる。一方、撮像面位相差検出方式で観測される相関量を実線で示す。ここでは、現在のフォーカス位置１００１から無限側のデフォーカス量の検出範囲内に相関が高い位置１００２ａを検出できるが、至近側のデフォーカス量の検出範囲内に相関が高い位置１００３ａを検出することはできない。実際の被写体の位置が（１００２ａ付近でなく）１００３ａ付近である場合、撮像面位相差検出方式では現在のフォーカス位置１００１から１００３ａの位置を検出できず、誤った位置１００２ａを検出することになる。

図１１を用いて、Ｓ６０３の相関演算範囲設定について説明する。Ｓ１１０１では、レンズ１０に現在のフォーカス位置から無限側デフォーカス量ＤＥＦ１と至近側デフォーカス量ＤＥＦ２のデフォーカス情報（光学情報）を持っているレンズかどうかを判定する。デフォーカス情報を持っているレンズであればＳ１１０２へ進み、持っていいなければＳ１１１０へ進む。Ｓ１１０２では、無限側デフォーカス量ＤＥＦ１をシフト量ｓｆｔ１に変換する。変換にはＫ値を用いる。Ｓ１１０３では、無限側最大シフト量Ｓとシフト量ｓｆｔ１×Ｎを比較し、シフト量ｓｆｔ１×Ｎの方が小さければＳ１１０４へ進み、大きければＳ１１０５へ進む。ここで、Ｎは、図９より観測されるデフォーカス量と設定されるデフォーカス量の関係から求まる値（所定の値）である。所定の値Ｎは、カメラ２０のＲＯＭ２１０（記憶手段）などにあらかじめ記憶されるようにしてもよい。Ｓ１１０４では、無限側シフト量をｓｆｔ１×Ｎ（第１のシフト量）にする。つまり、無限側最大シフト量Ｓに対し制限をかける。Ｓ１１０５では、無限側シフト量をＳにする。Ｓ１１０６では、至近側デフォーカス量ＤＥＦ２をシフト量ｓｆｔ２に変換する。変換にはＫ値を用いる。Ｓ１１０７では、至近側最大シフト量Ｓとシフト量ｓｆｔ２×Ｎを比較し、シフト量ｓｆｔ２×Ｎの方が小さければＳ１１０８へ進み、大きければＳ１１０９へ進む。Ｓ１１０８では、至近側シフト量をｓｆｔ２×Ｎ（第２のシフト量）にする。つまり、至近側最大シフト量Ｓに対し制限をかける。Ｓ１１０９では、至近側シフト量をＳにする。Ｓ１１１０では、無限側シフト量をＳにする。Ｓ１１１１では、至近側シフト量をＳにする。このようにして、相関演算範囲を設定することにより、撮像面位相差検出方式での、焦点状態の誤検出を低減することができる。

次にＳ４０６とＳ５０３のレンズ駆動量設定処理について、図１２を用いて説明する。Ｓ１２０１では、検出したデフォーカス量ＤＥＦが無限方向か至近方向かを判定する。無限方向であればＳ１２０２へ進み、至近方向であればＳ１２０４へ進む。Ｓ１２０２では、検出したデフォーカス量ＤＥＦの絶対値と現在のフォーカス位置から無限側デフォーカス量ＤＥＦ１を比較して、検出したデフォーカス量ＤＥＦの方が大きければＳ１２０３へ進み、小さければレンズ駆動量設定処理を終了する。Ｓ１２０３では、検出デフォーカス量をＤＥＦ１とする。つまり、検出したデフォーカス量ＤＥＦに対し制限をかける。Ｓ１２０４では、検出したデフォーカス量ＤＥＦの絶対値と現在のフォーカス位置から至近側デフォーカス量ＤＥＦ２を比較して、検出したデフォーカス量ＤＥＦの方が大きければＳ１２０５へ進み、小さければレンズ駆動量設定処理を終了する。Ｓ１２０５では、検出デフォーカス量をＤＥＦ２とする。つまり、検出したデフォーカス量ＤＥＦに対し制限をかける。このようにして、レンズ駆動量を設定することにより、適切な駆動量でレンズを駆動することができる。

以上説明したように、本実施形態におけるカメラ２０は、撮影光学系のデフォーカス情報と撮像素子の光学特性に基づいて焦点状態を検出することで、撮像素子の光学特性により生じる焦点状態の誤検出を低減させることができる。また、撮影光学系のデフォーカス情報に基づいて撮影光学系の駆動量を演算することで適切な駆動量でレンズを駆動することができる。
（他の実施形態）
本発明の目的は以下のようにしても達成できる。すなわち、前述した実施形態の機能を実現するための手順が記述されたソフトウェアのプログラムコードを記録した記憶媒体を、焦点検出装置に供給する。そしてその焦点検出装置のコンピュータ（またはＣＰＵ、ＭＰＵ等）が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出して実行するのである。

この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が本発明の新規な機能を実現することになり、そのプログラムコードを記憶した記憶媒体およびプログラムは本発明を構成することになる。

また、プログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスクなどが挙げられる。また、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−ＲＷ、ＤＶＤ−Ｒ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭ等も用いることができる。

また、コンピュータが読み出したプログラムコードを実行可能とすることにより、前述した実施形態の機能が実現される。さらに、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているＯＳ（オペレーティングシステム）等が実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって前述した実施形態の機能が実現される場合も含まれる。

更に、以下の場合も含まれる。まず記憶媒体から読み出されたプログラムコードが、コンピュータに挿入された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書き込まれる。その後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵ等が実際の処理の一部または全部を行う。

本発明は、コンパクトデジタルカメラ、一眼レフカメラ、ビデオカメラなどのカメラシステムに好適に利用できる。

１０ レンズ
２０ カメラ
１０１ 固定レンズ
１０２ 絞り
１０３ フォーカスレンズ
１０６ レンズ制御部
２０１ 撮像素子
２１２ カメラ制御部

Claims (12)

1. 光学系を通過した光束を受光し、第１の信号対を出力する第１の撮像素子と、
   前記光学系を通過し、且つ、前記第１の撮像素子が受光する光束より狭い光束を受光し、第２の信号対を出力する第２の撮像素子と、から得られる信号対に基づいて、前記光学系の焦点検出を行う焦点検出装置であって、
   前記第１の信号対を用いた相関演算に基づく焦点検出と、前記第２の信号対を用いた相関演算に基づく焦点検出と、を行う演算手段と、を備え、
   前記第１の信号対を用いた焦点検出における合焦位置の探索範囲は、前記第２の信号対を用いた焦点検出における合焦位置の探索範囲よりも広いことを特徴とする焦点検出装置。
2. 前記演算手段は、前記第１の信号対又は前記第２の信号対を用いた焦点検出において取得した合焦位置まで前記光学系を駆動させる量を演算することを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
3. 前記光学系を駆動させる量は、前記光学系から送信された光学情報に基づいて制限されることを特徴とする請求項１又は２に記載の焦点検出装置。
4. 前記光学系の光学情報は、前記光学系の現在のフォーカス位置から無限端までの無限側デフォーカス量と現在のフォーカス位置から至近端までの至近側デフォーカス量であることを特徴とする請求項３に記載の焦点検出装置。
5. 前記演算手段は、
   前記第１の信号対を用いた相関演算に基づく焦点検出を行う際に、前記探索範囲の設定を行い、
   前記探索範囲の設定は、前記無限側デフォーカス量を前記光学系のシフト量に変換し、該シフト量に所定の値を乗じた第１のシフト量と無限側最大シフト量とを比較して、前記無限側最大シフト量よりも前記第１のシフト量が小さければ、前記相関演算範囲の無限端を前記第１のシフト量とし、前記至近側デフォーカス量をシフト量に変換し、該シフト量に所定の値を乗じた第２のシフト量と至近側最大シフト量とを比較して、前記至近側最大シフト量よりも前記第２のシフト量が小さければ、前記相関演算範囲の至近端を前記第２のシフト量とすることで実行されることを特徴とする請求項４に記載の焦点検出装置。
6. 前記所定の値は、所定のデフォーカス量と、該所定のデフォーカス量だけデフォーカスさせたときに前記撮像素子で検出されるデフォーカス量との関係から求まる値であることを特徴とする請求項５に記載の焦点検出装置。
7. 前記所定の値は、被写体のコントラストに応じて変化することを特徴とする請求項５又は６に記載の焦点検出装置。
8. 前記所定の値を記憶する記憶手段をさらに有することを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の焦点検出装置。
9. 前記演算手段は、
   前記第１の信号対を用いた相関演算に基づく焦点検出の際に、
   前記探索範囲の設定を行い、
   前記設定された前記探索範囲を相関演算範囲として前記相関演算を行うことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の焦点検出装置。
10. 前記第１の撮像素子と、前記第２の撮像素子と、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の焦点検出装置と、を備えることを特徴とする撮像装置。
11. 前記第１の撮像素子と前記第２の撮像素子のそれぞれは、前記光学系の射出瞳のうち互いに異なる瞳領域を通過した光束をそれぞれ光電変換する第１の画素群および第２の画素群を有することを特徴とする請求項１０に記載の撮像装置。
12. 静止画撮影時において、
    前記第１の信号対を用いた焦点検出における相関演算範囲は、前記第２の信号対を用いた焦点検出における相関演算範囲よりも広いことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の撮像装置。