JP2021063976A - 焦点検出装置及びその制御方法、プログラム、記憶媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】被写体の明暗によらず高精度なＡＦ制御を行うことができる焦点検出装置を提供する。【解決手段】撮影レンズを通過した被写体からの光を受光する複数の画素を有する撮像素子と、複数の画素の画素信号の信号値に応じて、低輝度変換モードと、高輝度変換モードとを切り替えて、複数の画素からの信号をＡＤ変換するＡＤ変換部と、ＡＤ変換部からの出力信号が、低輝度変換モードと高輝度変換モードの両方でＡＤ変換された信号か、どちらか一方でＡＤ変換された信号かを判定する判定部と、判定部により、ＡＤ変換部からの出力信号が、低輝度変換モードと高輝度変換モードの両方でＡＤ変換された信号であると判定された場合に、低輝度変換モードと高輝度変換モードの境界における出力信号の段差を抑制する抑制部と、段差が抑制された信号に基づいて、撮影レンズのデフォーカス量を算出する算出部とを備える。【選択図】 図１０

Description

本発明は、撮像装置における焦点検出技術に関する。

従来より、光電変換素子を有する撮像センサで検出した被写体の焦点状態に応じて、撮像レンズの合焦距離を調整し、自動的に被写体に合焦させるオートフォーカス（以下ＡＦ）装置が知られている。さらに、撮像センサの蓄積時間や出力ゲインを、被写体の明るさやコントラストに応じて制御することも知られている。

例えば、特許文献１には、列ＡＤ変換器を搭載し、デジタル出力可能な撮像センサのダイナミックレンジを拡大する技術が開示されている。画素毎の光量に応じて列アンプのゲイン設定を切り替え、そのゲイン設定に応じてデジタル変換後の出力コードにデジタル的なゲイン補正処理を行うことにより、疑似的にゲイン比分のｂｉｔ拡張を行っている。このような撮像センサを用いて焦点検出することにより、被写体の明暗に依らずＡＦ制御を行うことが可能となる。

特開２０１４−２２０６６３号公報

しかしながら、上述の特許文献１に開示された従来技術では、入射光量がゲインが切り替わる付近の光量となる画素では、列アンプのゲインおよびオフセット誤差の影響で、周囲の画素との間で出力が不連続になってしまう場合がある。そのため、焦点検出結果に誤差が生じてしまう。

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、被写体の明暗によらず高精度なＡＦ制御を行うことができる焦点検出装置を提供することである。

本発明に係わる焦点検出装置は、撮影レンズを通過した被写体からの光を受光する複数の画素を有する撮像素子と、前記複数の画素の画素信号の信号値に応じて、低輝度変換モードと、高輝度変換モードとを切り替えて、前記複数の画素からの信号をＡＤ変換するＡＤ変換手段と、前記ＡＤ変換手段からの出力信号が、前記低輝度変換モードと前記高輝度変換モードの両方でＡＤ変換された信号か、どちらか一方でＡＤ変換された信号かを判定する判定手段と、前記判定手段により、前記ＡＤ変換手段からの出力信号が、前記低輝度変換モードと前記高輝度変換モードの両方でＡＤ変換された信号であると判定された場合に、前記低輝度変換モードと前記高輝度変換モードの境界における前記出力信号の段差を抑制する抑制手段と、前記段差が抑制された信号に基づいて、前記撮影レンズのデフォーカス量を算出する算出手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、被写体の明暗によらず高精度なＡＦ制御を行うことができる焦点検出装置を提供することが可能となる。

本発明の撮像装置の第１の実施形態であるデジタルカメラの側面図。 焦点検出センサの全体構成を示す図。 ＡＤＣの回路構成を示す図。 振幅制御部の回路構成を示す図。 ＡＤＣの入出力特性を模式的に示す図。 焦点検出の原理を概念的に説明する図 ファインダー画面を示す図。 ＡＦ領域の画素信号を示す図。 デジタルカメラの撮像動作を示すフローチャート。 第１の実施形態のＡＦ動作を示すフローチャート。 第２の実施形態のＡＦ動作を示すフローチャート。 第３の実施形態のＡＦ動作を示すフローチャート。 撮像素子１０４の単位画素に光が入射する様子を示す概念図。

以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の撮像装置の第１の実施形態であるデジタルカメラの側面図である。

図１において、デジタルカメラ１００は、カメラ本体１０１と、レンズ（撮影レンズ）１５０とを備える。なお、図１では、説明を分かりやすくするために内部の構成が透視して示されている。カメラ本体１０１は、ＣＰＵ１０２、メモリ１０３、撮像素子１０４、シャッター１０５、ハーフミラー１０６、ピント板１０７、測光センサ１０８、ペンタプリズム１０９、光学ファインダー１１０、サブミラー１１１を備える。さらに、カメラ本体１０１は、視野マスク１１２、赤外カットフィルタ１１３、フィールドレンズ１１４、絞り１１５、二次結像レンズ１１６、焦点検出センサ（焦点検出用センサ）１１７を有する焦点検出部１２０を備える。レンズ１５０は、ＬＰＵ１５１、レンズ群１５２を備える。

ＣＰＵ１０２は、マイクロコンピュータからなり、カメラ本体１０１における各制御を行う。メモリ１０３は、ＣＰＵ１０２に接続されたＲＡＭやＲＯＭ等のメモリであり、ＣＰＵ１０２によって実行されるプログラムや各データを格納する。撮像素子１０４は、赤外カットフィルタやローパスフィルタ等を含むＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等からなり、レンズ１５０から入射した光が被写体像として結像される。シャッター１０５は、開閉駆動可能であり、非撮影時には閉じて撮像素子１０４を遮光し、撮影時には開いて撮像素子１０４を露光させる。ハーフミラー１０６は、非撮影時にレンズ１５０から入射した光の一部を反射してピント板１０７に結像させる。測光センサ１０８は、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子を備え、測光演算、顔検出演算、追跡演算、及び光源検知等の被写体認識処理を行う。ペンタプリズム１０９は、ピント板１０７を通過した光を測光センサ１０８及び光学ファインダー１１０に向けて反射させる。

また、ハーフミラー１０６は、レンズ１５０から入射した光の一部を透過させる。透過された光は、後方のサブミラー１１１で下方へ曲げられて、視野マスク１１２、赤外カットフィルタ１１３、フィールドレンズ１１４、絞り１１５、二次結像レンズ１１６を経て光電変換素子が２次元状に配列された焦点検出センサ１１７上に結像される。焦点検出部１２０は、この像を光電変換して得られる画像信号に基づいて、レンズ１５０の焦点状態を検出する。

ＬＰＵ１５１は、マイクロコンピュータからなり、レンズ１５０におけるレンズ群１５２を移動させる制御を行う。例えば、ＬＰＵ１５１は、ピントのずれ量を示すデフォーカス量をＣＰＵ１０２から受信すると、そのデフォーカス量に基づいてレンズ群１５２をピントが合う位置（以下、「フォーカシング位置」という）に移動させる。

図２は、２次元ＣＭＯＳエリアセンサからなる焦点検出センサ１１７の全体構成を示す図である。

画素領域ＰＡには、ｉ列×ｊ行（ｉ，ｊは整数）の画素２０１が行列状に配置されている。入射した被写体からの光は、画素２０１により光電変換される。各画素で光電変換された信号は、垂直走査回路２０２から駆動線Ｖ１〜Ｖｊによって供給される駆動信号によって、垂直出力線Ｈ１〜Ｈｉへ１行毎に転送される。

列毎に設けられたＣＤＳアンプ２０３は、光電変換により生成された信号に対してＣＤＳ（相関二重サンプリング）処理をした後に増幅する。画素２０１から垂直出力線に読み出された画素信号は、各列のＣＤＳアンプ２０３に入力され、画素ノイズが除去されると共に所定のゲインが掛けられる。ＣＤＳアンプ２０３の出力は、サンプルホールド回路２０４によって列毎にサンプルホールドされる。サンプルホールド回路２０４でサンプルホールドされた各画素信号は、その後、列毎に設けられたＡＤ変換器（ＡＤＣ）２０５によりデジタル信号（画素データ）に変換される。各列のＡＤＣ２０５には、画素信号との比較参照に用いるランプ信号がランプ信号発生回路２０６から共通に供給される。また、カウンタ２０７の出力も各列のＡＤＣ２０５に共通に接続される。各列のＡＤＣ２０５の変換結果は、データメモリ２０８へ格納され、その後、水平走査回路２０９によって１列ずつ選択／転送され、焦点検出センサ１１７から出力される。

なお、上記では、焦点検出専用の焦点検出センサ１１７を用いて焦点検出を行う場合について記載しているが、焦点検出は記録用の画像を撮像する撮像素子１０４を用いて行ってもよい。その場合、撮像素子１０４には、１つのマイクロレンズに対して複数の光電変換部を有する画素が２次元的に配置され、１画素内のそれらの複数の光電変換部がそれぞれレンズ１５０の射出瞳の異なる瞳領域からの光を受光するように構成される。この構成により、撮像面において位相差検出方式の焦点検出を行うことが可能となる。以下で説明するオートフォーカス動作（ＡＦ動作）は、このような撮像素子１０４を用いても同様に行うことが可能である。詳しくは、第４の実施形態にて後述する。

次に、図３は、焦点検出センサ１１７における各列のサンプルホールド回路２０４およびＮビットのＡＤＣ２０５の構成の一例を示す図である。この例では、画素信号のレベルが閾値（参照電圧）Ｖｍ未満の低輝度の場合と閾値（参照電圧）Ｖｍ以上の高輝度の場合とで分けてＡＤ変換を行うことにより、ＡＤ変換に要する時間が長くなることを防いでいる。

サンプルホールド回路２０４は、第１の信号転送スイッチ３０１と第１の記憶容量３０２とを備えて構成される。サンプルホールド回路２０４に入力された画素信号は、第１の信号転送スイッチ３０１を介して第１の記憶容量３０２にホールドされる。第１の記憶容量３０２は、バッファ３０３を経由して振幅制御部３０４に接続されると共に、第１の比較器３０５にも接続されている。第１の比較器３０５では、第１の記憶容量３０２の信号が参照電圧Ｖｍと比較され、その比較結果はフリップフロップ（ＦＦ）３０６を経由して信号振幅制御部３０４に伝達される。ＦＦ３０６は、データ入力端子に第１の比較器３０５の出力が接続され、信号ｃｋ１の立ち上がりでデータを取り込んで保持し、信号ｒｅｓ＿ｌによってリセットされる。参照電圧Ｖｍは、ここではＡＤ変換のフルスケール振幅の１／４に相当する電圧とする。

信号振幅制御部３０４は、ＦＦ３０６から入力される比較結果に基づいて、画素信号の振幅を制御する。具体的には、画素信号が参照電圧Ｖｍ未満である場合は振幅をそのまま（１倍）出力し、画素信号が参照電圧Ｖｍ以上である場合は振幅を１／４倍して出力する。信号振幅制御部３０４の出力は、第２の比較器３０７の入力端子に接続される。

ここで、図４は、信号振幅制御部３０４の構成を示す図である。まず、バッファ３０３から信号振幅制御部３０４に入力された画素信号は、第２の信号転送スイッチ４０１を介して、第２の記憶容量４０２及び第３の記憶容量４０３に記憶される。第２の記憶容量４０２と第３の記憶容量４０３は直列に接続されている。第２の記憶容量４０２と第３の記憶容量４０３には、それぞれの容量の両端を短絡する第１の短絡スイッチ４０４及び第２の短絡スイッチ４０５がそれぞれ接続されている。

画素信号が参照電圧Ｖｍ以上である場合には、第１の比較器３０５の出力がＨｉｇｈレベルになり、信号ｃｋ１が入力されるタイミングでＦＦ３０６の出力もＨｉｇｈレベルとなるため、ＯＲゲート４０６を介して第２の短絡スイッチ４０５が短絡される。この短絡動作によって記憶容量が変化するので、画素信号の振幅が変わる。この例では、第２の記憶容量４０２の容量値を第３の記憶容量４０３の３倍にしているため、第２の短絡スイッチ４０５をショートさせた場合のＡ点の電位は、元の画素信号の電位の１／４倍になる。

図３に戻り、第２の比較器３０７では、振幅制御後の画素信号とランプ信号のレベルが比較される。第２の比較器３０７の出力は、ラッチ回路３０８へ入力されている。ラッチ回路３０８には、カウンタ２０７のカウントデータも入力されている。ランプ信号が画素信号のレベルを超え、第２の比較器３０７の出力が反転すると、そのときのカウンタ値がラッチ回路３０８に保持される。ＡＤＣ２０５がＮビットを出力する場合、この例では、カウンタは最大（Ｎ−２）ビット分のカウントを行えばよい。ラッチ回路３０８に保持されたカウントデータは、ビット拡張部３０９及び３１０において上位或いは下位に所定のビットが付加される。Ｎビットの出力に対して（Ｎ−２）ビットまでカウントする場合は、２ビットの”０”が上位又は下位に付加されてＮビットのデータとして出力される。続いて、出力データ選択部３１１において、ＦＦ３０６の出力に応じて、一方のデータが選択されてデータメモリ２０８へ出力される。

以下、説明の便宜上、画素信号が参照電圧Ｖｍ未満である場合のＡＤ変換を低輝度変換モード、参照電圧Ｖｍ以上である場合のＡＤ変換を高輝度変換モードと称することとする。また、低輝度変換モードと高輝度変換モードの両方を使用したＡＤ変換をＨＤＲ（ハイダイナミックレンジ）モードと称する。この例では、画素信号を低輝度と高輝度に分けて、高輝度の電圧を１／４にして（Ｎ−２）ビットまでのカウントを行い、Ｎビットに変換して出力するので、ＡＤ変換にかかる時間が延びることを防ぐことができる。

図５は、アナログ入力信号である画素信号とデータメモリ２０８へ出力される時点でのＮビットのデジタルデータであるＡＤ変換出力との関係、つまりＡＤＣ２０５の入出力特性を模式的に示す図である。参照電圧Ｖｍは、理想的にはＡＤ変換された出力コードが４０９６ＬＳＢになる電圧であるものとする。理想的な入出力特性が得られる場合、点線で示すように入力信号が参照電圧Ｖｍと一致する場合には出力コードは４０９６ＬＳＢとなり、入力信号が参照電圧Ｖｍ以上の入出力特性とＶｍ未満の入出力特性は直線状に繋がるはずである。しかし、実際には信号振幅制御部３０４の記憶容量のばらつきや短絡スイッチの特性などによって、低輝度の場合と高輝度の場合でランプ信号振幅と画素信号振幅の相対関係が想定とずれることがある。この場合には、実線で示すように理想的な入出力特性とずれてしまい、参照電圧Ｖｍを境界に入出力特性に段差や傾きの違いが生じることになる。

図６は、焦点検出の原理を概念的に説明する図である。

図６において、被写体ＯＢＪからの光束５０１ａ及び５０１ｂは、レンズ１５０の瞳（瞳領域）５０３ａ及び５０３ｂを通過して、視野マスク１１２近傍のピント面Ｐ（一次結像面）で結像される。光束５０１ａ及び５０１ｂを２次結像レンズ５０５ａ及び５０５ｂで分割し、焦点検出センサ１１７の画素領域ＰＡ上である結像エリア５０７ａ及び５０７ｂに再結像させ、その上下２つの被写体像を相関演算することにより、デフォーカス量を求める。

同様に、光束５０２ａ及び５０２ｂは、レンズ１５０の瞳５０４ａ及び５０４ｂを通過して視野マスク１１２近傍のピント面Ｐ（一次結像面）で結像される。光束５０４ａ及び５０４ｂを２次結像レンズ５０６ａ及び５０６ｂで分割し、焦点検出センサ１１７の画素領域ＰＡ上である結像エリア５０８ａ及び５０８ｂに再結像させ、その左右２つの被写体像を相関演算することにより、デフォーカス量を求める。

図７は、ファインダー画面内のＡＦ可能領域と焦点検出センサ上の結像エリアの関係を示す図である。

図７（ａ）はファインダー画面を示しており、結像エリア５０７ａ，５０７ｂ，５０８ａ，５０８ｂにより形成されるＡＦ可能領域７０１が配置されている。ここで、撮影者が先頭人物の顔をＡＦ領域として指定すると、図７（ｂ）に示すように、画素領域ＰＡの結像エリア５０７ａ，５０７ｂ上の一部であるＡＦ領域７０２の画素信号が抜き取られ、ＡＦ演算がなされる。また、結像エリア５０８ａ，５０８ｂ上の一部であるＡＦ領域７０３の画素信号が抜き取られ、ＡＦ演算がなされる。このように、縦線、横線のいずれか一方のコントラストしか持たない被写体でも、焦点状態を検出することができる。

また、結像エリア５０７ａ，５０７ｂ，５０８ａ，５０８ｂ内を複数の領域に分割し、それぞれの領域でＡＦ演算を行うことにより、ファインダー画面内の焦点状態の分布を検出することができる。得られた分布情報からＣＰＵ１０２により主被写体を判定し、ＡＦ制御することもできる。

図８は、焦点検出センサ１１７で得られた画素信号のうち、ＡＦ領域７０２の画素信号を示した図である。

図８（ａ）は、図５に示したＡＤＣ２０５が理想的な入出力特性が得られる場合の画素信号を示している。実線を結像エリア５０７ａから得られるＡ像、破線を結像エリア５０７ｂから得られるＢ像とする。Ａ像とＢ像の画素信号は、２次結像レンズの光学シェーディングにより多少レベル差がついているものの、相関演算する前にデジタルフィルタ処理でＤＣ成分をカットすることにより、ＡＦ演算へのレベル差の影響をなくすことができる。低輝度変換モードと高輝度変換モードの入出力特性は直線状に繋がっているので、Ａ像、Ｂ像共に歪は発生してない。

一方、図８（ｂ）は、図５に示したＡＤＣ２０５が理想的な入出力特性からずれた場合のＡ像、Ｂ像の画素信号を示している。Ａ像は一部の画素信号が低輝度変換モードと高輝度変換モードの境界電圧（Ｖｍ）を超えているが、Ｂ像は超えていない。この例では、図５のように、境界電圧において、高輝度変換モードでＡＤ変換された出力が低輝度変換モードでＡＤ変換された出力よりも低い値になっているので、Ａ像信号の丸で囲った部分で歪が生じてしまう。この歪が、Ａ像、Ｂ像の位相差を検出するＡＦ演算において誤差が発生する原因となる。

この誤差を軽減するための処理方法について、図９及び図１０のフローチャートを用いて説明する。

図９は、図１に示したデジタルカメラ１００によって実行される撮像制御処理の手順を示すフローチャートである。図９の処理は、ＣＰＵ１０２がメモリ１０３に格納されたプログラムを実行することによって行われ、カメラ１００が起動している場合を前提とする。

まず、ステップＳ１０１（以下、「ステップ」を省略して「Ｓ」のみで示す）では、ＣＰＵ１０２は、撮影を指示するシャッタスイッチ（レリーズボタン）の半押し（スイッチＳＷ１のオン）がユーザーによって行われたか否かを判定する。スイッチＳＷ１がオンされている場合は、Ｓ１０２に進み、スイッチＳＷ１がオンされていなければ、そのまま待機する。

Ｓ１０２では、ＣＰＵ１０２は、測光センサ１０８を制御してＡＥ処理を行う。これにより、定常光における被写体の輝度情報を含む測光値（以下、「定常光における測光値」）が得られる。また、定常光における測光値に基づいて、撮影時の絞り値やＩＳＯ感度等の露出制御値と、焦点検出センサ１１７における蓄積時間を決定する。

Ｓ１０３では、ＣＰＵ１０２は焦点検出センサ１１７を制御して、位相差方式のＡＦ処理（オートフォーカス動作）を行う。ＣＰＵ１０２は、算出したデフォーカス量をＬＰＵ１５１に送信する。これにより、ＬＰＵ１５１が、受信したデフォーカス量に基づいてレンズ群１５２をフォーカシング位置に移動させる。なお、ＡＦ処理の詳細は図１０のフローチャートを用いて後述する。

Ｓ１０４では、ＣＰＵ１０２は、シャッタスイッチの全押し（スイッチＳＷ２のオン）がユーザーによって行われたか否かを判定する。スイッチＳＷ２がオンされている場合にはＳ１０５に進み、スイッチＳＷ２がオンされていなければＳ１０１に戻る。

Ｓ１０５では、ＣＰＵ１０２は本撮影を行い、本フローチャートの処理を終了する。以上が、本実施形態のデジタルカメラ１００の全体動作である。

図１０は、図９のＳ１０３のＡＦ処理（焦点検出動作）の手順を示すフローチャートである。

Ｓ２０１において、ＣＰＵ１０２は、Ｓ１０２で検出した輝度情報を含む測光値に基づいて、焦点検出センサ１１７の蓄積時間を決定する。そして、決定した蓄積時間で焦点検出センサ１１７を制御するための制御パラメータを設定する。

Ｓ２０２では、ＣＰＵ１０２は、Ｓ２０１および後述するＳ２０７で設定された制御パラメータで焦点検出センサ１１７を制御し、蓄積を行わせる。

Ｓ２０３では、ＣＰＵ１０２は、焦点検出センサ１１７を制御して、Ｓ２０２で蓄積した画素信号（信号値）を読み出す。読み出し時の焦点検出センサ１１７のＡＤ変換動作は、図２から図４で説明した通りであり、参照電圧Ｖｍに出力コード４０９６ＬＳＢ相当の電圧を設定することにより、ＡＤ変換はＨＤＲ（ハイダイナミックレンジ）モードで動作する。

Ｓ２０４では、ＣＰＵ１０２は、Ｓ２０３の読み出し動作で得られた画素信号の一部を切り取り、ＡＦ演算用の画素信号を生成する。ここでは、図７で説明したように撮影者がファインダー画面上の任意の位置を選択し、その位置に対応したＡＦ領域７０２，７０３の画素信号をＡＦ演算用の画素信号として使用する。

Ｓ２０５では、ＣＰＵ１０２は、Ｓ２０４で生成したＡＦ演算用の画素信号（出力信号）について、低輝度変換モードと高輝度変換モードが混在しているか否か（低輝度変換モードと高輝度変換モードの両方か、あるいは一方のみか）を判定する。判定方法について説明する。

ＡＤ変換回路が理想的な入出力特性の場合は、ＡＤＣ２０５の出力が４０９６ＬＳＢ以上であれば、画素信号が参照電圧Ｖｍ以上であり、高輝度変換モードで動作する。一方、ＡＤＣ２０５の出力が４０９６ＬＳＢ未満であれば、画素信号が参照電圧Ｖｍ未満であり、低輝度変換モードで動作する。しかしながら、実際の入出力特性は、画素信号が参照電圧Ｖｍであっても、ゲインやオフセット誤差によりＡＤＣ２０５の出力が４０９６ＬＳＢからずれた値になる。ずれ幅の最大値をαＬＳＢとすると、ＡＤＣ２０５の出力が４０９６＋αＬＳＢ以上であれば、確実に高輝度変換モードで動作する。一方、ＡＤＣ２０５の出力が４０９６−αＬＳＢ未満であれば低輝度変換モードで動作する。そこで、「ＡＦ演算用の画素信号の最大値が４０９６−αＬＳＢ未満」または、「ＡＦ演算用の画素信号の最小値が４０９６＋αＬＳＢ以上」の場合は、単モードであると判定し、Ｓ２０８へ移行する。一方、上記の条件以外の場合は、モードが混在していると判定し、Ｓ２０６へ移行する。

Ｓ２０６では、ＣＰＵ１０２は、Ｓ２０４で生成したＡＦ演算用の画素信号のコントラストを判定する。この例では、画素信号の最大値と最小値の差分信号（以下ＰＢレベルと記載する）を判定値と比較する。ＰＢレベルが判定値よりも小さい場合は、低コントラストだと判断し、Ｓ２０７の動作へ移行する。一方、ＰＢレベルが判定値以上の場合は、高コントラストだと判断し、Ｓ２０８の動作へ移行する。

Ｓ２０７では、ＣＰＵ１０２は、焦点検出センサ１１７の次回の蓄積のための制御パラメータを設定する。次回の蓄積時間を今回の蓄積時間の２倍に設定し、Ｓ２０２の動作へ戻る。蓄積時間を長くすることにより、次回の蓄積では、画素信号が高輝度変換モード側へシフトする。

Ｓ２０８では、ＣＰＵ１０２は、Ｓ２０４で得たＡＦ演算用の画素信号からデフォーカス量を算出する。

Ｓ２０９では、ＣＰＵ１０２は、Ｓ２０８で得られたデフォーカス量が所望の範囲内、例えば１／４Ｆδ以内（Ｆ：レンズの絞り値、δ：定数（２０μｍ））であれば合焦と判断する。具体的には、レンズの絞り値Ｆ＝２．０であれば、デフォーカス量が１０μｍ以下なら合焦と判断し、ＡＦ処理を終了する。

一方、デフォーカス量が１／４Ｆδより大きいならば、Ｓ２１０において、ＣＰＵ１０２は、Ｓ２０８で求めたデフォーカス量からレンズ駆動量を算出し、レンズ１５０にレンズ群１５２の駆動を指示する。そして、ＣＰＵ１０２は処理をＳ２０２に戻し、合焦状態と判断されるまでＳ２０２〜Ｓ２１０の動作を繰り返す。

以上説明したように、本実施形態では、Ｓ２０５において、ＡＦ演算用の画素信号について高輝度変換モードと低輝度モードが混在しているか否かを判定する。そして、混在している場合は、続くＳ２０６において、画素信号のコントラストを判定し、ＡＤ変換の歪の影響が大きくなる低コントラストか否かを判定する。ＡＤ変換モードが混在し、かつ低コントラストの場合は、Ｓ２０７で画素信号がすべて高輝度モードでＡＤ変換されるように、次回の制御パラメータを変更して、蓄積時間を長くする。画素信号が低輝度変換モードと高輝度変換モードの境界の値を含まないように制御できるので、図８（ｂ）のような歪の発生を防ぐ（抑制する）ことができる。

なお、上記の実施形態では、Ｓ２０５で低輝度変換モードと高輝度変換モードが混在している場合に、Ｓ２０７で次回の蓄積時間を長くして、高輝度変換モード側へシフトさせるように説明した。しかし、それとは逆に、Ｓ２０５で低輝度変換モードと高輝度変換モードが混在している場合に、Ｓ２０７で次回の蓄積時間を短くして、低輝度変換モード側へシフトさせるようにしてもよい。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。

図１１は、図９のＳ１０３のＡＦ処理の第２の実施形態の手順を示すフローチャートである。第１の実施形態の図１０とは異なる動作になっている。その他の構成は第１の実施形態と同じであるため説明は省略する。

Ｓ３０１では、ＣＰＵ１０２は、図９のＳ１０２で検出した輝度情報を含む測光値に基づいて、焦点検出センサ１１７の蓄積時間を決定する。そして、決定した蓄積時間で焦点検出センサ１１７を制御するための制御パラメータを設定する。また、ＡＤＣ２０５については、参照電圧Ｖｍに出力コード４０９６ＬＳＢ相当の電圧を設定することにより、ＡＤＣ２０５はＨＤＲモードで動作する。

Ｓ３０２では、ＣＰＵ１０２は、Ｓ３０１で設定した制御パラメータで焦点検出センサ１１７を制御し、蓄積動作を行わせる。

Ｓ３０３では、ＣＰＵ１０２は、焦点検出センサ１１７を制御して、Ｓ３０２で蓄積した画素信号を読み出す。読み出し時の焦点検出センサ１１７のＡＤ変換動作は、Ｓ３０１あるいは後述するＳ３０８の動作に従って、参照電圧Ｖｍを設定することにより、ＨＤＲモードあるいは高輝度変換モードでのＡＤ変換動作となる。

Ｓ３０４では、ＣＰＵ１０２は、Ｓ３０３の読み出し動作で得られた画素信号の一部を切り取り、ＡＦ演算用の画素信号を生成する。ここでは、図７で説明したように、撮影者がファインダー画面上の任意の位置を選択し、その位置に対応したＡＦ領域７０２，７０３の画素信号をＡＦ演算用の画素信号として使用する。

Ｓ３０５では、ＣＰＵ１０２は、Ｓ３０３で画素信号を読み出した時のＡＤ変換の設定がＨＤＲモードであったか否かを判定する。ＨＤＲモードであった場合は、Ｓ３０６へ移行する。一方、高輝度変換モードでＡＤ動作した場合は、Ｓ３０９へ移行する。

Ｓ３０６では、ＣＰＵ１０２は、Ｓ３０４で生成されたＡＦ演算用の画素信号について、低輝度変換モードと高輝度変換モードが混在しているか否かを判定する。「ＡＦ演算用の画素信号の最大値が４０９６−αＬＳＢ未満」または、「ＡＦ演算用の画素信号の最小値が４０９６＋αＬＳＢ以上」の場合は、単モードであると判定し、Ｓ３０９へ移行する。一方、上記の条件以外の場合は、モードが混在していると判定し、Ｓ３０７へ移行する。

Ｓ３０７では、ＣＰＵ１０２は、Ｓ３０４で生成されたＡＦ演算用の画素信号のコントラストを判定する。ここでは、画素信号の最大値と最小値の差分信号（以下ＰＢレベルと記載する）を判定値と比較する。ＰＢレベルが判定値よりも小さい場合は、低コントラストだと判断しＳ３０８の動作へ移行する。一方、ＰＢレベルが判定値以上の場合は、高コントラストだと判断しＳ３０９の動作へ移行する。

Ｓ３０８では、ＣＰＵ１０２は、焦点検出センサ１１７の次回の蓄積のための制御パラメータを設定する。参照電圧Ｖｍを０ＬＳＢ相当の電圧よりも低く設定することにより、次回の蓄積では、高輝度変換モードのみでＡＤ動作するように変更し、Ｓ３０２の動作へ戻る。

Ｓ３０９では、ＣＰＵ１０２は、Ｓ３０４で得られたＡＦ演算用の画素信号からデフォーカス量を算出する。

Ｓ３１０では、ＣＰＵ１０２は、Ｓ３０９で算出されたデフォーカス量が所望の範囲内、例えば１／４Ｆδ以内（Ｆ：レンズの絞り値、δ：定数（２０μｍ））であれば合焦と判断する。具体的には、レンズの絞り値Ｆ＝２．０であれば、デフォーカス量が１０μｍ以下なら合焦と判断し、ＡＦ処理を終了する。

一方、デフォーカス量が１／４Ｆδより大きいならば、Ｓ３１１において、ＣＰＵ１０２は、Ｓ３０９で求めたデフォーカス量からレンズ駆動量を算出し、レンズ１５０にレンズ群１５２の駆動を指示する。そして、ＣＰＵ１０２は処理をＳ３０２に戻し、合焦状態と判断されるまでＳ３０２〜Ｓ３１１の動作を繰り返す。

以上説明したように、本実施形態では、Ｓ３０６において、ＡＦ演算用の画素信号について高輝度変換モードと低輝度モードが混在しているか否かを判定する。そして、混在している場合は、続くＳ３０７において、画素信号のコントラストを判定し、ＡＤ変換の歪の影響が大きくなる低コントラストか否かを判定する。ＡＤ変換モードが混在し、かつ低コントラストの場合は、Ｓ３０８で画素信号がすべて高輝度モードでＡＤ変換されるように、参照電圧Ｖｍを０ＬＳＢ相当の電圧よりも低く設定する。画素信号が低輝度変換モードと高輝度変換モードの境界の値を含まないように制御できるので、図８（ｂ）のような歪の発生を防ぐことができる。

なお、上記の実施形態では、Ｓ３０６で低輝度変換モードと高輝度変換モードが混在している場合に、Ｓ３０８で次回の焦点検出時に、参照電圧Ｖｍを低く設定することにより、次回の蓄積では、高輝度変換モードのみでＡＤ動作するように説明した。しかし、それとは逆に、Ｓ３０６で低輝度変換モードと高輝度変換モードが混在している場合に、Ｓ３０８で次回の焦点検出時に、参照電圧Ｖｍを高く設定することにより、次回の蓄積では、低輝度変換モードのみでＡＤ動作するようにしてもよい。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。

図１２は、図９のＳ１０３のＡＦ処理の第３の実施形態の手順を示すフローチャートである。第１の実施形態の図１０、第２の実施形態の図１１とは異なる動作になっている。その他の構成は第１の実施形態と同じであるため説明は省略する。

Ｓ４０１では、ＣＰＵ１０２は、図９のＳ１０２で検出した輝度情報を含む測光値に基づいて、焦点検出センサ１１７の蓄積時間を決定する。そして、決定した蓄積時間で焦点検出センサ１１７を制御するための制御パラメータを設定する。

Ｓ４０２では、ＣＰＵ１０２は、Ｓ４０１で設定した制御パラメータで焦点検出センサ１１７を制御し、蓄積動作を行わせる。

Ｓ４０３では、ＣＰＵ１０２は、焦点検出センサ１１７を制御して、Ｓ２０２で蓄積された画素信号を読み出す。読み出し時の焦点検出センサ１１７のＡＤ変換動作は、図２から図４で説明した通りであり、参照電圧Ｖｍに出力コード４０９６ＬＳＢ相当の電圧を設定することにより、列ＡＤ変換器２０５はＨＤＲモードで動作する。

Ｓ４０４では、ＣＰＵ１０２は、Ｓ４０３の読み出し動作で得られた画素信号の一部を切り取り、ＡＦ演算用の画素信号を生成する。ここでは、結像エリア５０７ａ，５０７ｂ，５０８ａ，５０８ｂ内を複数領域に分割し、それぞれの領域を順番に抜き取っていく。

Ｓ４０５では、ＣＰＵ１０２は、Ｓ４０４で生成されたＡＦ演算用の画素信号について、低輝度変換モードと高輝度変換モードが混在しているか否かを判定する。「ＡＦ演算用の画素信号の最大値が４０９６−αＬＳＢ未満」または、「ＡＦ演算用の画素信号の最小値が４０９６＋αＬＳＢ以上」の場合は、単モードであると判定し、Ｓ４０９へ移行する。一方、上記の条件以外の場合は、モードが混在していると判定し、Ｓ４０６へ移行する。

Ｓ４０６では、ＣＰＵ１０２は、Ｓ４０４で生成されたＡＦ演算用の画素信号のコントラストを判定する。この例では、画素信号の最大値と最小値の差分信号（以下ＰＢレベルと記載する）を判定値と比較する。ＰＢレベルが判定値よりも小さい場合は、低コントラストだと判断しＳ４０７の動作へ移行する。一方、ＰＢレベルが判定値以上の場合は、高コントラストだと判断しＳ４０９の動作へ移行する。

Ｓ４０７では、ＣＰＵ１０２は、Ｓ４０４で生成されたＡＦ演算用の画素信号に対して、比較的低周波帯域を通過する第１のバンドパス特性（周波数特性）を持ったデジタルフィルタ（バンドパスフィルタ）を適用する。そして、続くＳ４０８でデフォーカス量を算出する。この動作で得られた演算結果の信頼性を１としてデジタルカメラ１００内のメモリ１０３に記憶する。

Ｓ４０９では、ＣＰＵ１０２は、Ｓ４０４で生成されたＡＦ演算用の画素信号に対して、第１のバンドパス特性よりも高周波帯域を通過させる第２のバンドパス特性（周波数特性）を持つデジタルフィルタ（バンドパスフィルタ）を適用する。そして、続くＳ４１０でデフォーカス量を算出する。この動作で得られた演算結果の信頼性を信頼性１よりも信頼性が高い信頼性２としてデジタルカメラ１００内のメモリ１０３に記憶する。

Ｓ４１１では、ＣＰＵ１０２は、結像エリア５０７ａ，５０７ｂ，５０８ａ，５０８ｂ内を複数領域に分割した全ての領域についてデフォーカス量を算出したか否かを判定する。全ての領域の処理が終わっていれば、Ｓ４１２へ移行する。一方、処理していない領域があれば、Ｓ４０４の動作へ戻り、次の領域のデフォーカス量を算出する。全ての領域の処理が終わるまでＳ４０４からＳ４１１の動作を繰り返す。

Ｓ４１２では、ＣＰＵ１０２は、Ｓ４０８およびＳ４１０の動作で算出した複数のデフォーカス量の中から主被写体のデフォーカス量を決定する。ここでは、まず信頼性２の中で最も近い距離の被写体に対応するデフォーカス量を選択する。もしも信頼性２の結果がなければ、信頼性１の中で最も近い距離の被写体に対応するデフォーカス量を選択する。

Ｓ４１３では、ＣＰＵ１０２は、Ｓ４１２で選択されたデフォーカス量が所望の範囲内、例えば１／４Ｆδ以内（Ｆ：レンズの絞り値、δ：定数（２０μｍ））であれば合焦と判断する。具体的には、レンズの絞り値Ｆ＝２．０であれば、デフォーカス量が１０μｍ以下なら合焦と判断し、ＡＦ処理を終了する。

一方、デフォーカス量が１／４Ｆδより大きいならば、Ｓ４１４において、ＣＰＵ１０２は、Ｓ４１２で決定したデフォーカス量からレンズ駆動量を算出し、レンズ１５０にレンズ群１５２の駆動を指示する。そして、ＣＰＵ１０２は処理をＳ４０２に戻し、合焦状態と判断されるまでＳ４０２〜Ｓ４１４の動作を繰り返す。

以上説明したように、本実施形態では、低輝度変換モードと高輝度変換モードの境界の値を含む画素信号を基にＡＦ演算を行う場合は、Ｓ４０７で第１のバンドパス特性を持ったデジタルフィルタを適用する。これにより、図８（ｂ）のような歪の発生を防ぐことができる。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について、添付図面に基づいて詳細に説明する。

撮像装置の構成は第１の実施形態と同様である。第４の実施形態では、撮像素子１０４で焦点検出を行う。撮像素子１０４は２次元Ｃ−ＭＯＳエリアセンサであり、焦点検出センサ１１７と同様の回路構成である。

撮影レンズの射出瞳から出射した光束が撮像部１０４内の撮像素子の単位画素に入射する様子を示す概念図を図１３に示す。

図１３において、単位画素１１００は２×２個のフォトダイオード１１０１，１１０２，１１０３，１１０４を有する。単位画素１１００の前面には、カラーフィルタ１００２、マイクロレンズ１００３が配置されている。レンズ１５０は、射出瞳１０１０を有する。マイクロレンズ１００３を有する単位画素１１００に対して、射出瞳１０１０から出射した光束の中心を光軸１００１とすると、射出瞳１０１０を通過した光は、光軸１００１を中心として単位画素１１００に入射する。

２×２個のフォトダイオード１１０１，１１０２，１１０３，１１０４により、レンズ１５０の射出瞳１０１０は分割される。瞳位置の異なるフォトダイオード１１０１，１１０２，１１０３，１１０４の組み合わせを変えてペア像を形成することにより、焦点検出が可能となる。

フォトダイオード１１０１，１１０２で得られた信号を加算してＡ像とし、フォトダイオード１１０３，１１０４で得られた信号を加算してＢ像とする。近傍の画素で同様の処理をすることにより、結像エリア５０８ａ，５０８ｂと等価な被写体像を得ることができる。一方、フォトダイオード１１０１，１１０３で得られた信号を加算しＡ像とし、フォトダイオード１１０２，１１０４で得られた信号を加算しＢ像とする。近傍の画素で同様の処理をすることにより、結像エリア５０７ａ，５０７ｂと等価な被写体像を得ることができる。

次に、図９〜１２の撮影動作およびＡＦ動作のフローチャートについては、センサが第１の実施形態の焦点検出センサ１１７から撮像素子１０４に変わるが、処理の流れは変わらない。そのため、ここでは説明を省略するが、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、撮像素子１０４は焦点検出機能とライブビュー表示機能を兼ねるため、図１０のＳ２０７、図１１のＳ３０８で制御パラメータを変える際には、ユーザーへのライブビュー表示が著しく変化しないよう制御する必要がある。

例えば、得られた画像信号にデジタルゲインをかけることにより、表示輝度の変化量を軽減させる、といった手法があげられる。

（他の実施形態）
また本発明は、上述の実施形態の１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システム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読み出し実行する処理でも実現できる。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現できる。

発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。

１００：デジタルカメラ、１０１：カメラ本体、１０２：ＣＰＵ、１０３：メモリ、１１７：焦点検出センサ、１５０：レンズ、１５１：ＬＰＵ、１５２：レンズ群

Claims (20)

1. 撮影レンズを通過した被写体からの光を受光する複数の画素を有する撮像素子と、
   前記複数の画素の画素信号の信号値に応じて、低輝度変換モードと、高輝度変換モードとを切り替えて、前記複数の画素からの信号をＡＤ変換するＡＤ変換手段と、
   前記ＡＤ変換手段からの出力信号が、前記低輝度変換モードと前記高輝度変換モードの両方でＡＤ変換された信号か、どちらか一方でＡＤ変換された信号かを判定する判定手段と、
   前記判定手段により、前記ＡＤ変換手段からの出力信号が、前記低輝度変換モードと前記高輝度変換モードの両方でＡＤ変換された信号であると判定された場合に、前記低輝度変換モードと前記高輝度変換モードの境界における前記出力信号の段差を抑制する抑制手段と、
   前記段差が抑制された信号に基づいて、前記撮影レンズのデフォーカス量を算出する算出手段と、
   を備えることを特徴とする焦点検出装置。
2. 前記抑制手段は、次回の焦点検出において、前記複数の画素からの信号を前記低輝度変換モードと前記高輝度変換モードのどちらか一方でＡＤ変換することができるように、前記撮像素子の次回の焦点検出動作における蓄積の蓄積時間を変更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. 前記抑制手段は、次回の焦点検出において、前記複数の画素からの信号を前記高輝度変換モードのみでＡＤ変換することができるように、前記撮像素子の次回の焦点検出動作における蓄積の蓄積時間を長くすることを特徴とする請求項２に記載の焦点検出装置。
4. 前記抑制手段は、次回の焦点検出において、前記複数の画素からの信号を前記低輝度変換モードのみでＡＤ変換することができるように、前記撮像素子の次回の焦点検出動作における蓄積の蓄積時間を短くすることを特徴とする請求項２に記載の焦点検出装置。
5. 前記抑制手段は、前記画素信号のコントラストが所定よりも低い場合に、前記撮像素子の次回の焦点検出動作における蓄積の蓄積時間を変更することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の焦点検出装置。
6. 前記抑制手段は、次回の焦点検出において、前記複数の画素からの信号を前記低輝度変換モードと前記高輝度変換モードのどちらか一方でＡＤ変換することができるように、前記低輝度変換モードと前記高輝度変換モードの境界となる信号値を変更することを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
7. 前記抑制手段は、次回の焦点検出において、前記複数の画素からの信号を前記高輝度変換モードのみでＡＤ変換することができるように、前記低輝度変換モードと前記高輝度変換モードの境界となる信号値を下げることを特徴とする請求項６に記載の焦点検出装置。
8. 前記抑制手段は、次回の焦点検出において、前記複数の画素からの信号を前記低輝度変換モードのみでＡＤ変換することができるように、前記低輝度変換モードと前記高輝度変換モードの境界となる信号値を上げることを特徴とする請求項６に記載の焦点検出装置。
9. 前記抑制手段は、前記画素信号のコントラストが所定よりも低い場合に、前記低輝度変換モードと前記高輝度変換モードの境界となる信号値を変更することを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の焦点検出装置。
10. 前記抑制手段は、前記ＡＤ変換手段からの出力信号の周波数特性を変更することにより、前記低輝度変換モードと前記高輝度変換モードの境界における前記出力信号の段差を抑制することを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
11. 前記抑制手段は、前記ＡＤ変換手段からの出力信号に第１の帯域のバンドパスフィルタを適用することにより、前記低輝度変換モードと前記高輝度変換モードの境界における前記出力信号の段差を抑制することを特徴とする請求項１０に記載の焦点検出装置。
12. 前記算出手段は、前記ＡＤ変換手段からの出力信号に前記第１の帯域のバンドパスフィルタを適用して得られた信号に基づいてデフォーカス量を算出した場合、該デフォーカス量の信頼性を所定の信頼性の値よりも低くすることを特徴とする請求項１１に記載の焦点検出装置。
13. 前記抑制手段は、前記画素信号のコントラストが所定よりも低い場合に、前記ＡＤ変換手段からの出力信号に前記第１の帯域のバンドパスフィルタを適用することにより、前記低輝度変換モードと前記高輝度変換モードの境界における前記出力信号の段差を抑制することを特徴とする請求項１１または１２に記載の焦点検出装置。
14. 前記抑制手段は、前記ＡＤ変換手段からの出力信号が前記低輝度変換モードと前記高輝度変換モードのどちらか一方でＡＤ変換されている場合は、前記ＡＤ変換手段からの出力信号に前記第１の帯域より高周波の第２の帯域のバンドパスフィルタを適用することを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載の焦点検出装置。
15. 前記撮像素子は、焦点検出専用の撮像素子であることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の焦点検出装置。
16. 前記撮像素子は、記録用の画像を撮像する撮像素子を兼ねることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の焦点検出装置。
17. 請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の焦点検出装置を備えることを特徴とする撮像装置。
18. 撮影レンズを通過した被写体からの光を受光する複数の画素を有する撮像素子と、前記複数の画素の画素信号の信号値に応じて、低輝度変換モードと、高輝度変換モードとを切り替えて、前記複数の画素からの信号をＡＤ変換するＡＤ変換手段と、を備える焦点検出装置を制御する方法であって、
    前記ＡＤ変換手段からの出力信号が、前記低輝度変換モードと前記高輝度変換モードの両方でＡＤ変換された信号か、どちらか一方でＡＤ変換された信号かを判定する判定工程と、
    前記判定工程において、前記ＡＤ変換手段からの出力信号が、前記低輝度変換モードと前記高輝度変換モードの両方でＡＤ変換された信号であると判定された場合に、前記低輝度変換モードと前記高輝度変換モードの境界における前記出力信号の段差を抑制する抑制工程と、
    前記段差が抑制された信号に基づいて、前記撮影レンズのデフォーカス量を算出する算出工程と、
    を有することを特徴とする焦点検出装置の制御方法。
19. 請求項１８に記載の制御方法の各工程をコンピュータに実行させるためのプログラム。
20. 請求項１８に記載の制御方法の各工程をコンピュータに実行させるためのプログラムを記憶したコンピュータが読み取り可能な記憶媒体。

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