JP5288752B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、デジタルカメラやビデオカメラ等の撮像装置に関し、特に撮像素子からの画像生成用信号を用いたコントラスト検出方式フォーカス制御と、該撮像素子からの位相差検出用信号を用いた位相差検出方式フォーカス制御とを行う撮像装置に関する。

撮像装置のオートフォーカス（ＡＦ）方式には、コントラスト検出方式（特許文献１参照）や位相差検出方式（特許文献２参照）がある。さらに、これらコントラスト検出方式と位相差検出方式とを組み合わせた、いわゆるハイブリッド方式（特許文献３参照）も知られている。

コントラスト検出方式のＡＦ（以下、コントラストＡＦという）では、撮像素子を用いて得られた画像信号から高周波数成分を抽出し、この高周波数成分からコントラスト評価値を生成する。そして、フォーカスレンズを光軸方向に移動させながら得られた複数のコントラスト評価値のうち最大のコントラスト評価値に対応するフォーカスレンズ位置を合焦位置と判定し、この合焦位置にフォーカスレンズを移動させる。

また、位相差検出方式のＡＦ（以下、位相差ＡＦという）では、撮像レンズの異なる瞳領域を通過した２つの光束によって形成された２像のずれ量（位相差）から撮像レンズのデフォーカス量を算出する。そして。デフォーカス量から合焦位置を求め、この合焦位置にフォーカスレンズを移動させる。

ここで、特許文献２に開示された位相差ＡＦでは、映像取得用の撮像素子を構成する一部の光電変換セル（位相差検出画素）に瞳分割光学系を偏心配置し、互いに隣接した位相差検出画素の瞳分割光学系の偏心方向を異ならせることで位相差を検出する。

さらに、特許文献３にて開示されたハイブリッド方式のＡＦ（以下、ハイブリッドＡＦという）では、位相差ＡＦの実行中に被写体の周期性の有無を判定し、周期性がある場合はコントラストＡＦに切り換える。
特開２０００−２５８６８１号公報 特開２０００−１５６８２３号公報 特開２００６−３０１１５０号公報

特許文献２に開示された撮像素子では、画像取得用の画素群内に位相差検出画素が離散的に配置されている。このように配置された位相差検出画素を用いて位相差を検出する場合、該配置（間隔）によって画像信号のいわゆる折り返しが発生する可能性がある。画像信号の折り返しは、位相差検出誤差の原因となり、位相差ＡＦの精度を低下させるおそれがある。

本発明は、画像信号の折り返しの影響を少なくして精度の高いＡＦを行うことができる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、撮像光学系からの光束により形成された被写体像を光電変換して画像の生成に用いられる第１の信号を出力する第１の光電変換セル群、及び撮像光学系からの光束のうち分割された光束により形成された複数の像を光電変換して位相差の検出に用いられる第２の信号を出力する第２の光電変換セル群を有する撮像素子を備える。制御手段は、第１の信号を用いたコントラスト検出方式による第１のフォーカス制御及び第２の信号を用いた位相差検出方式による第２のフォーカス制御を行う。第１の光電変換セル群内に配置された第２の光電変換セル群における第２の光電変換セルのピッチは、第１の光電変換セル群における第１の光電変換セルのピッチよりも大きい。そして、制御手段は、画像の周波数成分のうち第２の光電変換セルのピッチに対応する周波数の１／２の大きさである特定周波数よりも高い周波数の成分が該特定周波数よりも低い周波数の成分に比べて多い場合は第１のフォーカス制御を行い、画像の周波数成分のうち特定周波数よりも高い周波数の成分が該特定周波数よりも低い周波数の成分に比べて少ない場合は第２のフォーカス制御を行うことを特徴とする。

また、本発明の一側面としての制御方法は、撮像光学系からの光束により形成された被写体像を光電変換して画像の生成に用いられる第１の信号を出力する第１の光電変換セル群、及び撮像光学系からの光束のうち分割された光束により形成された複数の像を光電変換して位相差の検出に用いられる第２の信号を出力する第２の光電変換セル群を有する撮像素子を備えた撮像装置に適用される。第１の光電変換セル群内に配置された第２の光電変換セル群における第２の光電変換セルのピッチは、第１の光電変換セル群における第１の光電変換セルのピッチよりも大きい。該制御方法は、第１の信号を用いたコントラスト検出方式による第１のフォーカス制御を行うステップと、第２の信号を用いた位相差検出方式による第２のフォーカス制御を行うステップとを有する。そして、画像の周波数成分のうち第２の光電変換セルのピッチに対応する周波数の１／２の大きさである特定周波数よりも高い周波数の成分が該特定周波数よりも低い周波数の成分に比べて多い場合は第１のフォーカス制御を行い、画像の周波数成分のうち特定周波数よりも高い周波数の成分が該特定周波数よりも低い周波数の成分に比べて少ない場合は第２のフォーカス制御を行うことを特徴とする。

本発明によれば、位相差検出に用いられる第２の光電変換セル群の配置に基づいて決まる特定周波数を基準とした画像の周波数成分の分布に応じて位相差ＡＦとコントラストＡＦとを選択する。このため、画像信号の折り返しの影響が少ない精度の高いＡＦを高速で行うことができる。

以下、本発明の好ましい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の構成を示している。

撮像レンズ（撮像光学系）１０１は、不図示のフォーカスレンズや変倍レンズ、絞り等を含む。撮像レンズ１０１を通過した被写体からの光束は、撮像素子１０２に入射する。撮像素子１０２は、電荷蓄積型のイメージセンサであり、ＣＭＯＳセンサやＣＣＤセンサによって構成される。

撮像素子１０２は、撮像レンズ１０１からの光束により形成された被写体像を光電変換して画像生成用の信号（第１の信号：以下、撮像信号という）を出力する第１の光電変換セル群を有する。また、撮像素子１０２は、撮像レンズ１０１からの光束のうち分割された光束により形成された複数の像を光電変換して位相差検出用の信号（第２の信号：以下、位相差像信号という）を出力する第２の光電変換セル群を有する。第２の光電変換セル群は、第１の光電変換セル群の中に離散的に配置されている。以下、第１の光電変換セルを撮像画素といい、第２の光電変換セルを位相差検出画素という。撮像画素及び位相差検出画素の具体的な配置及び構成については後述する。

Ａ／Ｄ変換部１０３は、撮像素子１０２から入力される撮像信号と位相差像信号からなるアナログ信号をデジタル信号に変換する。

１１２はコントラスト焦点検出部であり、Ａ／Ｄ変換部１０３でデジタル信号に変換された撮像信号と位相差像信号（以下、混在信号と称する）から高周波数成分を抽出し、該高周波数成分から被写体画像（画像信号）のコントラスト状態を示すコントラスト評価値信号を生成する。コントラスト焦点検出部１１２は、後述するＡＦ方式切り換え部１０９とともに、コントラスト検出方式のＡＦ（第１のフォーカス制御：以下、コントラストＡＦという）を行う。

なお、本実施例では、混在信号をコントラスト焦点検出部１１２に入力する場合について説明するが、混在信号から抽出した撮像信号のみを入力してもよい。

コントラスト焦点検出部１１２は、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）１０４と、積分回路１０５と、ピークホールド回路１０６と、コントラスト評価部１１４とを有する。

ＨＰＦ１０４は、被写体画像のうち所定コントラスト評価領域の混在信号から高周波数成分を抽出する。積分回路１０５は、ＨＰＦ１０４によって抽出された高周波数成分を積分してコントラスト評価値信号（ＡＦ評価値信号ともいう）を生成する。ピークホールド回路１０６は、ＨＰＦ１０４からのコントラスト評価値信号のピーク値を検出して保持する。コントラスト評価部１１４は、積分回路１０５及びピークホールド回路１０６からそれぞれ出力されたコントラスト評価値信号及びピーク値を読み出す。そして、該ピーク値に対するコントラスト評価値の大小関係から撮像レンズ１０１（フォーカスレンズ）の合焦方向を判定する。そして、該判定結果に基づくコントラストＡＦ用制御信号を、ＡＦ方式切り換え部１０９に出力する。このようなコントラスト評価部１１４の具体的な動作は後述する。

１１５は位相差焦点検出部であり、混在信号から抽出された位相差像信号から撮像レンズ１０１のデフォーカス量を算出し、合焦位置までのフォーカスレンズの駆動方向と駆動量を決定する。位相差焦点検出部１１５は、ＡＦ方式切り換え部１０９とともに、位相差検出方式のＡＦ（第２のフォーカス制御：以下、位相差ＡＦという）を行う。

なお、位相差ＡＦに用いられる位相差像信号とコントラストＡＦに用いられる撮像信号とは、周波数帯域が異なる。言い換えれば、位相差ＡＦとコントラストＡＦとは、同じ撮像素子１０２から得られた信号のうち異なる周波数帯域の信号を用いてＡＦを行う。

位相差焦点検出部１１５は、位相差像信号抽出部１１３と、デフォーカス量算出部１０７と、位相差評価部１１１とを有する。

位相差像信号抽出部１１３と、混在信号から位相差像信号を抽出して、デフォーカス量算出部１０７に出力する。デフォーカス量算出部１０７は、位相差像信号からデフォーカス量を算出し、デフォーカス量を被写体判定部１０８と位相差評価部１１１に出力する。

位相差評価部１１１は、デフォーカス量に基づいて、合焦位置までのフォーカスレンズの駆動方向と駆動量を算出する。そして、該算出結果に基づく位相差ＡＦ用制御信号をＡＦ方式切り換え部１０９に出力する。

１０８は被写体判定部であり、位相差検出画素の配置に基づいて決まる周波数（配置周波数）ｆｐからカットオフ周波数（特定周波数）ｆｐ／２を求め、該カットオフ周波数ｆｐ／２を基準とした被写体画像の周波数分布を算出する。周波数ｆｐが位相差検出画素の配置に基づいて決まるので、カットオフ周波数ｆｐ／２も位相差検出画素の配置に基づいて決まると言える。そして、被写体判定部１０８は、該周波数分布に応じて、コントラストＡＦと位相差ＡＦのうち実行するＡＦ方式を選択する。

周波数ｆｐ、周波数分布及び該周波数分布に応じたＡＦ方式の選択方法については、後述する。

被写体判定部１０８は、周波数算出部１１７と、周波数評価部１１８と、シーン評価部１１９とを有する。周波数算出部１１７は、カットオフ周波数ｆｐ／２を基準とした被写体画像の周波数成分の分布を求める。具体的には、混在信号から抽出した撮像信号をカットオフ周波数ｆｐ／２を境として低周波数成分と高周波数成分とに分け、それぞれを積分することで低周波数成分と高周波数成分の量を算出する。そして、該積分結果を周波数評価部１１８に出力する。なお、「被写体画像の周波数分布」は、撮像信号の周波数分布と言い換えることもできる。

周波数評価部１１８は、上記積分により得られた被写体画像（つまりは被写体）の低周波数成分と高周波数成分の量の大小を比較する。なお、低周波数成分量と高周波数成分量の比率を求め、該比率が所定値より大きいか否かを判定してもよい。さらに、周波数評価部１１８は、低周波数成分と高周波数成分のそれぞれに対するコントラストＡＦの可否を判定する。そして、該比較結果及びコントラストＡＦの可否の判定結果をシーン評価部１１９に出力する。

シーン評価部１１９は、被写体判定部１０８からの比較及び判定結果と、デフォーカス量算出部１０７からのデフォーカス量とに基づいて、コントラストＡＦと位相差ＡＦのうち実行するＡＦ方式を選択する。そして、選択結果を示すＡＦ選択信号をＡＦ方式切り換え部１０９に出力する。

なお、本実施例では、被写体判定部１０８に混在信号を入力する場合について説明するが、混在信号から抽出した撮像信号のみを入力してもよい。

ＡＦ方式切り換え部１０９は、被写体判定部１０８での選択結果がコントラストＡＦである場合は、コントラスト評価部１１４からのコントラストＡＦ用制御信号をモータ駆動制御部１１０に出力する。また、選択結果が位相差ＡＦである場合は、位相差評価部１１１からの位相差ＡＦ用制御信号をモータ駆動制御部１１０に出力する。

以上の被写体判定部１０８及びＡＦ方式切り換え部１０９により制御手段が構成される。

モータ駆動制御部１１０は、コントラストＡＦ用制御信号又は位相差ＡＦ用制御信号に応じて、フォーカスレンズを移動させるアクチュエータとしてのモータ１１６に、駆動信号を出力する。モータ１１６は、該駆動信号に応じてフォーカスレンズを移動させるよう動作する。モータ１１６がステッピングモータである場合は、モータ駆動制御部１１０からの駆動信号はパルス信号となり、各制御信号に応じたパルス数のパルス信号がモータ１１６に対して与えられる。

次に、図２を用いて、撮像素子１０２上における撮像画素（群）と位相差検出画素（群）の配置と、該配置に基づいて決まる周波数ｆｐ（カットオフ周波数ｆｐ／２）について説明する。

図２には、撮像素子１０２の一部を拡大して示している。矩形枠によって囲まれた個々の白抜き部分２０１が撮像画素を示す。また、矩形枠によって囲まれてその内側にハッチングが施された部分２０２，２０３が位相差検出画素を示す。位相差検出画素は、互いに斜めに隣接した２つの画素で１つのペアを構成し、該ペアが撮像素子１０２（撮像画素群）内に離散的に配置されている。なお、該ペアが撮像素子１０２（撮像画素群）内に周期的に配置されていてもよい。

ここで、撮像画素２０１の間隔（ピッチ）をｄとする。また、位相差検出画素２０２，２０３のペアとこれに最も近い位相差検出画素２０２，２０３のペアとの間の間隔（ピッチ）を１０×ｄとする。図２では、位相差検出画素２０２，２０３の数を、撮像素子１０２上の全画素数の２％にした場合を示している。ただし、この割合は例にすぎず、より少ない又はより多くの位相差検出画素を設けてもよい。

図２に示した割合で位相差検出画素２０２，２０３を配置する場合、複数の撮像画素２０１（撮像画素群）の配置（ピッチ）に対応する周波数は、１／ｄ（以下、これをｆｓとする）である。このため、撮像画素２０１を用いて得られるコントラスト評価値に関してサンプリング定理を満足する周波数帯域は、０〜ｆｓ／２と表すことができる。

また、複数の位相差検出画素２０２，２０３のペア（これらをまとめて位相差検出画素群という）の配置（ピッチ）に対応する周波数ｆｐは、１／１０×ｄ（＝ｆｓ／１０＝ｆｐ）である。このため、位相差検出画素２０２，２０３を用いて得られる位相差像信号に関してサンプリング定理を満足する周波数帯域は、０〜ｆｓ／２０（＝ｆｐ／２）と表すことができる。

図３の上側には位相差検出画素２０２の正面図を、図３の下側には、正面図におけるＢ−Ｂ’線で切断した場合の位相差検出画素２０２の断面図を示している。この位相差検出画素２０２は、撮像画素２０１が有するＲ，Ｇ，Ｂのいずれかのカラーフィルタ層は持っておらず、最も光入射側の位置にマイクロレンズ３０１が設けられている。なお、正面図ではマイクロレンズ３０１の図示は省略している。３０２はマイクロレンズ３０１を形成するための平面を構成するための平滑層である。

３０３ａは遮光層であり、光電変換領域３０５の中心Ｏに対して一方向に偏心した絞り開口部を有する。３０４は平滑層である。

また、図４の上側には位相差検出画素２０３の正面図を、図４の下側には、正面図におけるＢ−Ｂ’線で切断した場合の位相差検出画素２０３の断面図を示している。この位相差検出画素２０３も、カラーフィルタ層は持っておらず、最も光入射側の位置（平滑層３０２上）にマイクロレンズ３０１が設けられている。なお、正面図ではマイクロレンズ３０１の図示は省略している。

３０３ｂは遮光層であり、光電変換領域３０５の中心Ｏに対して、位相差検出画素２０２に設けられた遮光層３０３ａとは反対方向に偏心した絞り開口部を有する。すなわち、位相差検出画素２０２，２０３の遮光層３０３ａ，３０３ｂは、各マイクロレンズ３０１の光軸（Ｏ）を挟んだ対称な位置に絞り開口部を有する。

このような構成によれば、撮像レンズ１０１を位相差検出画素２０２から見た場合と位相差検出画素２０３から見た場合とで、撮像レンズ１０１の瞳が対称に分割されたことと等価となる。すなわち、マイクロレンズ３０１と遮光層３０３ａ，３０３ｂは、いわゆる瞳分割光学系を構成する。

互いに隣接した位相差検出画素２０２，２０３上には、撮像素子１０２の画素数が多くなるにつれてより近似した２像が形成されるようになる。撮像レンズ１０１が被写体に対してピントが合っている状態では、位相差検出画素２０２，２０３から得られる出力（位相差像信号）は互いに一致する。

これに対し、撮像レンズ１０１のピントがずれているならば、位相差検出画素２０２，２０３から得られる位相差像信号には位相差が生じる。そして、該位相差の方向は、前ピン状態と後ピン状態とで逆になる。

図５及び図６に、ピント状態と位相差との関係を示す。これらの図においては、位相差検出画素２０２，２０３をそれぞれＳ１，Ｓ２として示す。また、撮像画素２０１を省略して、複数の位相差検出画素２０２，２０３のペアを互いに近づけて同一断面上に示している。また、図中、位相差検出画素Ｓ１，Ｓ２のペアが同じマイクロレンズ３０１で覆われているように示しているが、位相差検出画素Ｓ１，Ｓ２がそれぞれ別々のマイクロレンズで覆われていてもよい。

被写体の特定点からの光は位相差検出画素Ｓ１に対する瞳を通って位相差検出画素Ｓ１に入射する光束Ｌ１と、位相差検出画素Ｓ２に対する瞳を通って位相差検出画素Ｓ２に入射する光束Ｌ２とに分割される。該２つの光束Ｌ１，Ｌ２は、撮像レンズ１０１のピントが特定点に合っている状態では、図５に示すようにマイクロレンズ３０１゜の表面における一点に集光する。そして、位相差検出画素Ｓ１，Ｓ２上には、同一の像が形成される。これにより、位相差検出画素Ｓ１から読み出した位相差像信号と、位相差検出画素Ｓ２から読み出した位相差像信号とは同一のものとなる。

一方、撮像レンズ１０１のピントが特定点に合っていない状態では、図６に示すように、光束Ｌ１，Ｌ２はマイクロレンズ３０１の表面とは異なる位置で交差する。このときのマイクロレンズ３０１の表面と２つの光束Ｌ１，Ｌ２の交点との距離、すなわちデフォーカス量をｘとする。また、この状態で発生した位相差検出画素Ｓ１，Ｓ２上での像のずれ量（位相差）がｎ画素に相当するものとする。

画素ピッチをｄ、２つの瞳の重心間の距離をＤａｆ、撮像レンズ１０１の主点から焦点位置までの距離をｕとするとき、デフォーカス量ｘは、
ｘ＝ｎ×ｄ×ｕ／Ｄａｆ …（１）
で求められる。

なお、ｕは撮像レンズ１０１の焦点距離ｆにほぼ等しいと考えられるので、デフォーカス量ｘは、
ｘ＝ｎ×ｄ×ｆ／Ｄａｆ …（２）
で求めることもできる。

図７には、位相差検出画素Ｓ１，Ｓ２のそれぞれから読み出した位相差像信号を示す。これらの位相差像信号にはずれ量（つまりは像ずれ量）ｎ×ｄが発生する。このため、この像ずれ量ｎ×ｄを求めることで、（１）又は（２）式によってデフォーカス量ｘを求めることができる。そして、撮像レンズ１０１内のフォーカスレンズを、デフォーカス量ｘを所定範囲内に収める（望ましくは零にするように）量だけ移動させれば、位相差ＡＦによる合焦状態を得ることができる。

このように、本実施例では、撮像レンズ１０１からの光束のうち異なる瞳を通った光束Ｌ１，Ｌ２を瞳分割光学系によって分割し、光束Ｌ１，Ｌ２により形成される２像を受光するように位相差検出画素Ｓ１，Ｓ２を設けることで、位相差ＡＦを可能としている。

位相差ＡＦは、前述したように、撮像素子１０２から出力された混在信号をＡ／Ｄ変換部１０３を介して位相差像信号抽出部１１３に入力することで行われる。位相差像信号抽出部１１３は、混在信号から位相差検出画素Ｓ１，Ｓ２からの２つの位相差像信号を抽出してデフォーカス量算出部１０７に出力する。

デフォーカス量算出部１０７は、２つの位相差像信号の相関演算を行い、該２つの位相差像信号のずれ量（位相差）を算出する。さらに、デフォーカス量算出部１０７は、該ずれ量に基づいてデフォーカス量を算出し、位相差評価部１１１に出力する。位相差評価部１１１は、デフォーカス量に基づいて位相差ＡＦ用制御信号を生成してＡＦ方式切り換え部１０９に出力する。

次に、コントラスト評価部１１４の具体的な動作について説明する。コントラスト評価部１１４は、ピークホールド回路１０６で保持されたピーク値よりも積分回路１０５からのコントラスト評価値が大きくなる方向にフォーカスレンズを移動させることで、コントラスト評価値が最大となるフォーカスレンズ位置を探索する。

コントラスト評価値に応じたフォーカスレンズの駆動例を、図８Ａに示す。この図において、横軸はフォーカスレンズの位置を示し、縦軸はコントラスト評価値を示す。

例えば、フォーカスレンズを無限遠位置から至近方向に移動させると、ピークホールド回路１０６で保持されたピーク値よりも積分回路１０５からのコントラスト評価値が大きい状態が続き、コントラスト評価値が最大となる合焦位置Ｐに近づいていく。コントラスト評価部１１４は、このようにピークホールド回路１０６で保持されたピーク値よりも積分回路１０５からのコントラスト評価値が大きくなる方向にフォーカスレンズを移動させるようにコントラストＡＦ用制御信号をＡＦ方式切り換え部１０９に出力する。

さらにフォーカスレンズを至近方向に移動させると、ピークホールド回路１０６により保持されたピーク値よりも積分回路１０５からのコントラスト評価値が小さくなる。このピーク値とコントラスト評価値との大小関係の逆転によって、フォーカスレンズが合焦位置を通過したことを検出する。この場合、コントラスト評価部１１４は、それまでとは反対方向（無限遠側）にフォーカスレンズを移動させて合焦位置（又はその近傍）に戻すようにコントラストＡＦ用制御信号をＡＦ方式切り換え部１０９に出力する。これにより、コントラストＡＦによる合焦状態が得られる。

そして、合焦状態が得られると、フォーカスレンズを停止させるようコントラストＡＦ用制御信号をＡＦ方式切り換え部１０９に出力する。

次に、図９を用いて被写体判定部１０８について説明する。１１７は前述した周波数算出部であり、１１８は前述した周波数評価部である。

周波数算出部１１７において、９０１はカットオフ周波数がｆｐ／２（＝ｆｓ／２０）のハイパスフィルタ（ＨＰＦ）であり、Ａ／Ｄ変換部１０３からの混在信号のうち高周波数成分を抽出する。

９０３はＨＰＦ９０１で抽出された高周波数成分を積分する積分回路である。積分回路９０３の演算結果Ｈは、被写体（被写体画画像又は撮像信号）が有する高周波数成分の量を示す値である。

９０２はカットオフ周波数がｆｐ／２のローパスフィルタ（ＬＰＦ）であり、Ａ／Ｄ変換部１０３からの混在信号のうち低周波数成分を抽出する。

９０４は、ＬＰＦ９０２で抽出された低周波数成分を積分する積分回路である。積分回路９０４の演算結果Ｌは、被写体（被写体画画像又は撮像信号）が有する低周波数成分の量を示す値である。

位相差検出画素の配置に基づいて決まる周波数ｆｐ（又はカットオフ周波数ｆｐ／２）は、予め被写体判定部１０８を構成するＣＰＵ等のマイクロコンピュータによって与えられる固定値である。ただし、周波数ｆｐ（又はカットオフ周波数ｆｐ／２）を可変値としてもよい。

低周波帯域評価部９０５は、低周波数成分量Ｌに重み付けのための補正係数ｋを乗じた値（以下、補正低周波数成分量という）ｋＬと判断基準値Ａとの大小を比較することによって、被写体が持つ低周波数成分を評価する。

ここで、判断基準値Ａは、被写体の低周波数成分によって正しいコントラスト評価値が得られるか否か、つまりはコントラストＡＦが可能か否かを判定するための基準値である。つまり、低周波帯域評価部９０５は、被写体の低周波数成分によってコントラストＡＦが可能か否かを判定する。

なお、判断基準値Ａは、撮像素子１０２の感度等のパラメータに基づいて決定される。

分布評価部９０６は、補正低周波数成分量ｋＬと高周波数成分量Ｈとの大小を比較することによって、被写体が持つ周波数成分の分布を評価する。言い換えれば、カットオフ周波数ｆｐ／２よりも高い高周波数の成分量Ｈがカットオフ周波数ｆｐ／２よりも低い低周波数の成分量（補正低周波数成分量ｋＬ：以下、単に低周波数成分量ｋＬという）に比べて多いか少ないかを判定する。さらに言い換えれば、カットオフ周波数よりも高い周波数の成分が該カットオフ周波数よりも低い周波数の成分に比べて多いか少ないかを判定する。これにより、位相差ＡＦにおける位相差像信号（つまりはデフォーカス量）を得ることができる低周波数成分（高周波数成分量Ｈより多い低周波数成分量ｋＬ）を被写体が有するか否かを判定できる。

高周波帯域評価部９０７は、高周波数成分量Ｈと判断基準値Ａとの大小を比較することによって、被写体が持つ高周波数成分を評価する。つまり、被写体の高周波数成分によって正しいコントラスト評価値が得られるか否か、つまりはコントラストＡＦが可能か否かを判定する。

シーン評価部１１９は、低周波帯域評価部９０５、高周波帯域評価部９０７及び分布評価部９０６のそれぞれの評価（判定）結果と、デフォーカス量算出部１０７から得られるデフォーカス量とに基づいて被写体を判定する。そして、被写体判定結果に基づいて、実行するＡＦ方式を決定する。

なお、ｋは任意に設定可能であるが、以下の説明では、ｋ＝１とする。

次に、シーン評価部１１９で行われる被写体の判定とこれに応じたＡＦ方式を決定について、図１１Ａ〜図１１Ｉ及び図１２を用いて説明する。

図１１Ａには、被写体を周波数分布で分類する条件を示す。周波数分布は、判断基準値Ａ、低周波数成分量ｋＬ及び高周波数成分量Ｈの大小関係によってａ〜ｃの３つに分類される。

図１１Ｂ〜図１１Ｉには、被写体画像（撮像信号）の周波数分布を、横軸を周波数、縦軸を積分回路９０３，９０４により積分した出力（Ｐｏｗｅｒ）として示す。また、これらの図には、周波数ｆｓのサンプリングで折り返しが生じない周波数分布を示している。

周波数がｆｐ／２より低い低周波数の成分量Ｌを横ハッチングを施した領域で示し、周波数がｆｐ／２より高い高周波数の成分量Ｈを縦ハッチング施した領域で示している。また、図１１Ｃの斜めハッチングを施した領域は、判断基準値Ａを面積換算して示す。判断基準値Ａの領域の境界線を、図１１Ｂ及び図１１Ｄ〜図１１Ｉでは破線で示している。

ａに分類される場合は、被写体の高周波数成分量Ｈが、判断基準値Ａ及び低周波数成分量ｋＬよりも多い場合である。ａに分類される場合は、撮像レンズ１０１は合焦位置付近に位置すると判断できる。このときの被写体画像（撮像信号）の周波数分布を図１１Ｄ及び図１１Ｆに示す。図１１Ｄは、Ａ＜ｋＬ＜Ｈの場合を、図１１Ｆは、ｋＬ＜Ａ＜Ｈの場合をそれぞれ示す。

ｂに分類される場合は、被写体の高周波数成分量Ｈが低周波帯域成分量ｋＬよりも少ない場合である。具体的には、図１１Ｅに示すように、Ａ＜Ｈ＜ｋＬの場合や、図１１Ｇに示すように、Ｈ＜Ａ＜ｋＬの場合である。図１１Ｉに示す、Ｈ＜ｋＬ＜Ａの場合も高周波数成分量Ｈが低周波帯域成分量ｋＬよりも少ないが、高周波数成分量Ｈと低周波帯域成分量ｋＬのいずれも判断基準値Ａより小さいため、後述する理由によってｃに分類する。

ここで、ｂの分類をさらに細分化すると、以下のようになる。

ｂ１）被写体自体に高周波数成分が少ないために、デフォーカス量が所定値より小さくても高周波数成分量Ｈが少なく算出される場合。

ｂ２）デフォーカス量が所定値より大きいため、被写体によらず高周波数成分量Ｈが少なく算出される場合。

ｂ３）高周波数成分量Ｈが少ないと判定されたが、位相差ＡＦにおいて求められる位相差やデフォーカス量の信頼性が低い場合。

ｂ１，ｂ２に分類される場合は、低周波数成分量Ｌに対して高周波数成分量Ｈが少ないため、折り返しによる影響が小さいと考えられる。このため、位相差ＡＦが可能である。

また、ｂ３に分類される場合は、位相差ＡＦにおける位相差検出が困難な被写体である場合に相当する。このような被写体として、例えば、周期性のパターン模様を有する被写体が挙げられる。

図１２には、被写体が周期性のパターン模様を有する場合の位相差像信号のずれを示す。位相差検出画素Ｓ１上の像における点Ｐ０に対して、位相差検出画素Ｓ２上の像における点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，…でずれ量がそれぞれＮ，３Ｎ，５Ｎ，７Ｎ，９Ｎ，…と多数算出されて１つの値に定まらない。つまり、位相差検出は困難である。

ｃに分類される場合は、被写体が低照度又は低コントラストである場合である。このような被写体は、高周波数成分量Ｈと低周波数成分量ｋＬのＰｏｗｅｒがいずれも小さい。図１１Ｈには、ｋＬ＜Ｈ＜Ａの場合を示す。また、図１１Ｉには、Ｈ＜ｋＬ＜Ａの場合を示す。これらの場合は、精度の良いコントラスト評価値や位相差を高速で求めることが困難である。したがって、このような場合は、非合焦（合焦不能）処理を行う。

図１０のフローチャートには、被写体判定部１０８及びＡＦ方式切り換え部１０９で行われるＡＦ処理（制御方法）を示す。該処理は、被写体判定部１０８及びＡＦ方式切り換え部１０９を構成するＣＰＵ等のマイクロコンピュータにより、その内部に格納されたコンピュータプログラムに従って実行される。

ステップ１００１では、被写体判定部１０８は、現在のフォーカスレンズ位置においてシーン判定を行う。すなわち、Ａ／Ｄ変換部１０３からの混在信号を低周波数成分と高周波数成分に分けてそれぞれの量Ｈ，ｋＬ及び判断基準値Ａを比較することで、図１１Ａに示したａ〜ｃのうちどのシーン（被写体）に相当するかを判定する。

ａに分類された場合は、配置周波数がｆｐの位相差検出画素を用いてより高精度で位相差ＡＦを行うことは不可能なので、後述するフォーカスレンズの微小駆動によるコントラスト検出方式でコントラストＡＦを行う。このため、被写体判定部１０８は、ＡＦ方式切り換え部１０９にコントラストＡＦ選択信号を出力して、ステップ１００６に進む。

また、ｂに分類された場合は、条件によっては位相差ＡＦを行うことが可能であるとして、ステップ１００２に進む。さらに、ｃに分類された場合は、非合焦処理を行うために、ステップ１００８に進む。

ステップ１００２では、被写体判定部１０８は、デフォーカス量算出部１０７からデフォーカス量を取得する。そして、ステップ１００３へ進む。

ステップ１００３では、被写体判定部１０８は、デフォーカス量に基づいて位相差ＡＦの信頼性を判定する。位相差ＡＦの信頼性が高いと判定したとき、すなわち、前述したｂ１，ｂ２に該当して像ずれ量を１つの値に絞り込むことができたときは、ステップ１００４に進む。

一方、位相差ＡＦの信頼性が低いと判定したとき、すなわち前述したｂ３のように、被写体に周期性があるために像ずれ量を１つの値に絞り込めないときは、コントラストＡＦを行うためにＡＦ方式切り換え部１０９にコントラストＡＦ選択信号を出力する。そして、ステップ１００６に進む。

ステップ１００４では、被写体判定部１０８は、デフォーカス量に基づいてＡＦ方式を選択する。ｂ１のようにデフォーカス量が所定値より小さい場合は、コントラストＡＦを行うためにＡＦ方式切り換え部１０９にコントラストＡＦ選択信号を出力する。そして、ステップ１００６へ進む。一方、ｂ２のようにデフォーカス量が所定値より大きい場合は、位相差ＡＦを行うために、ＡＦ方式切り換え部１０９に位相差ＡＦ選択信号を出力する。そして、ステップ１００５に進む。

ステップ１００５では、ＡＦ方式切り換え部１０９は、ステップ１００２で取得したデフォーカス量に基づいて合焦位置にフォーカスレンズを移動させるようモータ１１６を駆動する。その後、ステップ１００１に戻る。これにより、被写体判定部１０８は、再度シーン判定を行う。

ステップ１００６では、ＡＦ方式切り換え部１０９は、コントラストＡＦによりフォーカスレンズの移動を制御する。

ここで、ステップ１００１でａと判定された場合やステップ１００４でデフォーカス量が所定値より小さいと判定された場合は、位相差ＡＦでは高精度でのＡＦはできない。しかし、図８Ｂに示すようにフォーカスレンズの微小駆動によるコントラストＡＦが可能である。

ステップ１００１でａと判定されてこのステップ１００６に進んだ場合、フォーカスレンズはすでに合焦位置Ｐ付近に位置すると考えられる。このため、この場合は、コントラストＡＦによるフォーカスレンズの駆動方向を統一するために、合焦位置よりも無限遠側のＡ点を始点とする微小領域でフォーカスレンズを移動させるとともに、コントラスト評価値の変化をモニタする。

また、ステップ１００３で位相差ＡＦの信頼性が低いと判定されて本ステップ１００６に進んだ場合は、フォーカスレンズが合焦位置Ｐに対してどこに位置するかを判断できない。このため、まずフォーカスレンズを微小量に駆動し、このときのコントラスト評価値の変化に基づいてフォーカスレンズの駆動方向（合焦位置の方向）を判断する。その後、コントラスト評価値が最大値になるフォーカスレンズ位置を探索する。なお、この場合には、フォーカスレンズを無限遠端から至近端までの全領域で移動させながらコントラスト評価値が最大値となるフォーカスレンズ位置を探索してもよい。

また、ステップ１００５で位相差ＡＦを行った後にステップ１００１でａと判定された場合、ステップ１００３で信頼性が低いと判定された場合、ステップ１００４でデフォーカス量が所定値より小さいと判定された場合も、ステップ１００６で同様の処理を行う。そして、ステップ１００７に進み、合焦状態を確認した後、ＡＦ処理を終了する。

ステップ１００８では、撮像レンズ１０１を現在位置に停止させることにより焦点検出が困難な被写体の焦点検出を中断する。モータ駆動制御部１１０はモータ１１６に対して停止させる制御信号を出力する。処理後、焦点検出を終了する。

以上説明したように、本実施例によれば、位相差検出画素の配置に起因する折り返しの影響を少なくするために、被写体を周波数成分分布の面から評価してＡＦ方式を選択しているので、ハイブリッドＡＦの精度をより高めることができる。しかも、被写体画像に対応して周波数帯域が広いコントラストＡＦと離散的に配置された位相差検出画素によって行われる周波数帯域が狭い位相差ＡＦから適切なＡＦ方式を採用することで、ハイブリッドＡＦのさらなる高速化を図ることができる。

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。

本発明の実施例であるデジタルカメラ（撮像装置）の構成を示すブロック図。 実施例のデジタルカメラに用いられる撮像素子の構成を示す図。 実施例における撮像素子の位相差検出画素の構造を示す正面図及び断面図。 実施例における撮像素子の別の位相差検出画素の構造を示す正面図及び断面図。 実施例における位相差検出（合焦状態）の概念を示す図。 実施例における位相差検出（非合焦状態）の概念を示す図。 実施例における像ずれを示す図。 実施例におけるコントラストＡＦの動作を示す図。 実施例におけるコントラストＡＦの別の動作を示す図。 実施例における被写体判定部の構成を示すブロック図。 実施例におけるＡＦ処理を示すフローチャート。 実施例におけるシーン判定を示す図。 実施例における被写体画像の周波数分布を示す図。 実施例における被写体画像の周波数分布を示す図。 実施例における被写体画像の周波数分布を示す図。 実施例における被写体画像の周波数分布を示す図。 実施例における被写体画像の周波数分布を示す図。 実施例における被写体画像の周波数分布を示す図。 実施例における被写体画像の周波数分布を示す図。 実施例における被写体画像の周波数分布を示す図。 周期性を持つ被写体の像ずれ量が定まらない様子を示す図。

符号の説明

１０１ 撮像レンズ
１０２ 撮像素子
１０４ ハイパスフィルタ
１０５ 積分回路
１０６ ピークホールド回路
１０７ デフォーカス量算出部
１０８ 被写体判定部
１０９ ＡＦ方式切り換え部
１１０ モータ駆動制御部
１１１ 位相差評価部
１１２ コントラスト焦点検出部
１１３ 位相差検出用信号抽出部
１１４ コントラスト評価回路
１１５ 位相差焦点検出部
１１６ モータ
１１７ 周波数算出部
１１８ 周波数評価部
１１９ シーン評価部
２０１ 撮像画素
２０２，２０３ 位相差検出画素
３０１ マイクロレンズ
３０３ 遮光層
３０４ 絶縁層
９０１ ハイパスフィルタ
９０２ ローパスフィルタ
９０３，９０４ 積分回路
９０５ 低周波帯域評価部
９０６ 分布評価部
９０７ 高周波帯域評価部

Claims (4)

1. 撮像光学系からの光束により形成された被写体像を光電変換して画像の生成に用いられる第１の信号を出力する第１の光電変換セル群、及び前記撮像光学系からの光束のうち分割された光束により形成された複数の像を光電変換して位相差の検出に用いられる第２の信号を出力する第２の光電変換セル群を有する撮像素子と、
   前記第１の信号を用いたコントラスト検出方式による第１のフォーカス制御及び前記第２の信号を用いた位相差検出方式による第２のフォーカス制御を行う制御手段とを備えた撮像装置であって、
   前記第１の光電変換セル群内に配置された前記第２の光電変換セル群における第２の光電変換セルのピッチは、前記第１の光電変換セル群における第１の光電変換セルのピッチよりも大きく、
   前記制御手段は、
   前記画像の周波数成分のうち前記第２の光電変換セルのピッチに対応する周波数の１／２の大きさである特定周波数よりも高い周波数の成分が該特定周波数よりも低い周波数の成分に比べて多い場合は前記第１のフォーカス制御を行い、
   前記画像の周波数成分のうち前記特定周波数よりも高い周波数の成分が該特定周波数よりも低い周波数の成分に比べて少ない場合は前記第２のフォーカス制御を行うことを特徴とする撮像装置。
2. 前記制御手段は、前記周波数成分の分布と、前記位相差に基づいて得られた前記撮像光学系のデフォーカス量とに基づいて、前記第１のフォーカス制御と前記第２のフォーカス制御とを切り換えることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記制御手段は、前記画像の周波数成分のうち前記特定周波数よりも高い周波数の成分が前記特定周波数よりも低い周波数の成分に比べて少ない場合であって、前記デフォーカス量が所定値より小さいときは前記第１のフォーカス制御を行い、前記デフォーカス量が前記所定値より大きいときは前記第２のフォーカス制御を行うことを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
4. 撮像光学系からの光束により形成された被写体像を光電変換して画像の生成に用いられる第１の信号を出力する第１の光電変換セル群、及び前記撮像光学系からの光束のうち分割された光束により形成された複数の像を光電変換して位相差の検出に用いられる第２の信号を出力する第２の光電変換セル群を有する撮像素子を有し、前記第１の光電変換セル群内に配置された前記第２の光電変換セル群における第２の光電変換セルのピッチが、前記第１の光電変換セル群における第１の光電変換セルのピッチよりも大きい撮像装置の制御方法であって、
   前記第１の信号を用いたコントラスト検出方式による第１のフォーカス制御を行うステップと、
   前記第２の信号を用いた位相差検出方式による第２のフォーカス制御を行うステップとを有し、
   前記画像の周波数成分のうち前記第２の光電変換セルのピッチに対応する周波数の１／２の大きさである特定周波数よりも高い周波数の成分が該特定周波数よりも低い周波数の成分に比べて多い場合は前記第１のフォーカス制御を行い、前記画像の周波数成分のうち前記特定周波数よりも高い周波数の成分が該特定周波数よりも低い周波数の成分に比べて少ない場合は前記第２のフォーカス制御を行うことを特徴とする撮像装置の制御方法。