JP5489641B2 - 焦点検出装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像装置から得られる像に基づいて撮影レンズの焦点状態を検出する焦点検出装置及び焦点検出装置の制御方法に関するものである。

撮影レンズの焦点状態を検出する方式として、位相差検出方式（ずれ方式）がある。位相差検出方式では、撮影レンズの射出瞳を通過した光束を２分割し、２分割した光束を一組の焦点検出用センサによりそれぞれ受光する。そして、その受光量に応じて出力される信号のずれ量、すなわち、光束の分割方向の相対的位置ずれ量を検出することで、合焦させるために必要な撮影レンズの駆動量を直接求めるものである。従って、焦点検出用センサにより一度蓄積動作を行えば、ピントずれの量と方向とが得られるので、高速な焦点調節動作が可能である。下記の特許文献には、撮像素子に位相差検出機能を付与することで、専用の焦点検出用センサを不要とすると共に、高速の位相差ＡＦを実現するための技術が開示されている。

例えば、特許文献１では、撮像素子の一部の受光素子（画素）において、オンチップマイクロレンズの光軸に対して受光部の感度領域を偏心させることで瞳分割機能を付与することが開示されている。そして、これらの画素を焦点検出用画素として、受光部の感度領域が偏心されていない撮像用画素の間に所定の間隔で配置し、位相差式焦点検出を行う。また、焦点検出用画素が配置された画素は撮像用画素の欠損部となるため、周辺の撮像用画素から得られる情報を用いて、画像情報を補間している。

また、特許文献２では、撮像素子の一部の画素の受光部を２分割することで瞳分割機能を付与することが記載されている。そして、２分割された受光部の出力を個別に処理することで位相差式焦点検出を行うとともに、２分割された受光部の出力を合算することで撮像信号にも用いる技術が開示されている。

また、特許文献３では、撮像素子に位相差検出機能を付与した技術において、像高が高くなったときに撮像光学系の口径食によって生じる第１の像と第２の像との間の光量アンバランスを補正する技術が開示されている。

特開２０００−１５６８２３号公報（段落００７５〜００７９、図３〜図４等） 特開２００１−３０５４１５号公報（段落００５２〜００５６、図７〜図８等） 特開２００４−１９１６２９号公報（段落００４８〜００５３、図７〜図９等）

上述した特許文献３では、口径食によって生じる第１の像と第２の像間の光量のアンバランスを補正することを課題としている。

一方、口径食によって生じる課題は、第１の像と第２の像との間の光量のアンバランスだけではなく、撮像素子の対角像高において、口径食により、第１の像と第２の像とのピントズレによって像が斜めに移動することも挙げられる。その場合、被写体によっては測距誤差が生じることがある。

本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、画素内瞳分割により位相差検出機能を有する撮像素子を用いて焦点調節を行う場合に、口径食によって生じる検出誤差を抑えることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の焦点検出装置は、検出領域に対応する２像の位相差に基づいて当該検出領域における焦点ずれ量を検出する焦点検出装置であって、撮影レンズの異なる瞳領域を透過した対の光束をそれぞれ受光する複数の焦点検出用画素を有し、当該複数の焦点検出用画素から対の像の信号が出力される撮像素子と、撮像画角に対する前記検出領域の位置情報と、前記撮影レンズの射出窓情報とに応じて、前記検出領域の傾きを決定する決定手段と、前記複数の焦点検出用画素のうち、前記決定手段により傾きの決定された前記検出領域に対応する焦点検出用画素から得られる前記対の像の信号の位相差に基づいて、焦点ずれ量を検出する検出手段とを有することを特徴とする。

本発明によれば、画素内瞳分割により位相差検出機能を有する撮像素子を用いて焦点調節を行う場合に、口径食によって生じる検出誤差を抑えることができる。

カメラの概略構成を示すブロック図。 撮像素子の構成の一例を示す回路図。 撮像素子の２つの光電変換素子にかかる配線の回路図。 撮像素子の駆動タイミングチャート。 瞳分離機能を有する撮像素子の画素の構成を示す図。 焦点検出領域、焦点検出用画素ブロック、及び焦点検出用画素を説明する図。 瞳分離画素での受光感度特性を示す図。 撮像素子の各像高での画素の受光感度中心を説明する図。 口径食の形状及び受光領域の重心を説明する斜視図。 各像高における口径食の形状を説明する投影図。 被写体像の傾きと位相差信号のズレ量を説明する図。 被写体像の傾きと位相差信号のズレ量を説明する図。 画像における焦点検出位置及び焦点検出領域の一例を示す図。 焦点ずれ量検出動作を示すフローチャート。 焦点検出枠及び焦点検出領域の一例を示す図。 焦点ずれ量検出動作を示すフローチャート。 瞳分割機能を有する撮像素子の画素の構成を示す図。 撮像素子１０７上の焦点検出領域を説明する図。 従来より一眼レフカメラで使用されている２次結像光学系を示す図。 各像高における口径食を説明する図。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は本実施形態における光学機器の一例として、カメラの構成を示すブロック図である。

図１において、２００はカメラであり、撮像素子を有するカメラ本体と撮影レンズ１００とが一体となった電子カメラを示している。１０１は撮影レンズ１００の先端に配置された第１レンズ群で、光軸方向に進退可能に保持される。１０２は絞り兼用シャッタで、その開口径を調節することで撮影時の光量調節を行うほか、静止画撮影時には露光秒時調節用シャッタとしても機能する。１０３は第２レンズ群である。絞り兼用シャッタ１０２及び第２レンズ群１０３は一体となって光軸方向に進退し、第１レンズ群１０１の進退動作との連動により、変倍作用（ズーム機能）を実現する。

１０５は第３レンズ群で、光軸方向の進退により、焦点調節を行う。１０６は光学的ローパスフィルタで、撮影画像の偽色やモアレを軽減するための光学素子である。１０７はＣＭＯＳセンサとその周辺回路で構成された撮像素子である。撮像素子１０７は、横方向ｍ画素、縦方向ｎ画素の受光画素のそれぞれに、後述するように、２つの光電変換素子（受光領域）が配置されている。

１１１はズームアクチュエータで、不図示のカム筒を回動することで、第１レンズ群１０１及び第２レンズ群１０３を光軸方向に進退駆動し、変倍操作を行う。１１２は絞りシャッタアクチュエータで、絞り兼用シャッタ１０２の開口径を制御して撮影光量を調節すると共に、静止画撮影時の露光時間制御を行う。１１４はフォーカスアクチュエータで、第３レンズ群１０５を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行う。

１１５は撮影時の被写体照明用電子フラッシュで、キセノン管を用いた閃光照明装置が好適だが、連続発光するＬＥＤを備えた照明装置を用いても良い。

１２１は、カメラ本体の種々の制御を司るカメラ内ＣＰＵで、演算部、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、通信インターフェイス回路等を有する。ＣＰＵ１２１は、ＲＯＭに記憶された所定のプログラムに基づいて、カメラ本体が有する各種回路を駆動し、ＡＦ、撮影、画像処理と記録等の一連の動作を実行する。

本実施形態では、さらに、レンズ情報３４と焦点検出位置情報３５を基に切り出し角度を演算する演算回路３３を有する。なお、この演算回路３３としては個別のマイコンを搭載しても良いが、ＣＰＵ１２１に内蔵してもよい。

１２２は電子フラッシュ制御回路で、撮影動作に同期してフラッシュ１１５を点灯制御する。１２４は撮像素子駆動回路で、撮像素子１０７の撮像動作を制御するとともに、取得した画像信号をＡ／Ｄ変換してＣＰＵ１２１に送信する。１２５は画像処理回路で、撮像素子１０７が取得した画像のγ変換、カラー補間、ＪＰＥＧ圧縮等の処理を行う。

１２６はフォーカス駆動回路で、焦点検出結果に基づいてフォーカスアクチュエータ１１４を駆動制御し、第３レンズ群１０５を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行う。１２８は絞りシャッタ駆動回路で、絞りシャッタアクチュエータ１１２を駆動制御して絞り兼用シャッタ１０２の開口を制御する。１２９はズーム駆動回路で、撮影者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。

１３１はＬＣＤ等の表示器で、カメラの撮影モードに関する情報、撮影前のプレビュー画像と撮影後の確認用画像、焦点検出時の合焦状態表示画像等を表示する。１３２は操作スイッチ群で、電源スイッチ、レリーズ（撮影トリガ）スイッチ、ズーム操作スイッチ、撮影モード選択スイッチ等で構成される。１３３は着脱可能なフラッシュメモリで、撮影済み画像を記録する。

図２は本実施形態における撮像素子１０７の概略構成を示す回路図である。２次元ＣＭＯＳエリアセンサの２列×４行分の光電変換部の範囲を示しているが、本実施形態では後述するように各画素が水平方向に２つの光電変換素子を設けているため、１列４行の４画素分の回路構成を示していることになる。

図２において、１はＭＯＳトランジスタゲートとゲート下の空乏層からなる光電変換素子の光電変換部、２はフォトゲート、３は転送スイッチＭＯＳトランジスタ、４はリセット用ＭＯＳトランジスタである。５はソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ、６は水平選択スイッチＭＯＳトランジスタ、７はソースフォロワの負荷ＭＯＳトランジスタである。８は暗出力転送ＭＯＳトランジスタ、９は明出力転送ＭＯＳトランジスタ、１０は暗出力蓄積容量Ｃ_TN、１１は明出力蓄積容量Ｃ_TSである。１２は水平転送ＭＯＳトランジスタ、１３は水平出力線リセットＭＯＳトランジスタ、１４は差動出力アンプ、１５は水平走査回路、１６は垂直走査回路である。

図３は、Ｙ方向の２つの光電変換素子に係る配線部の断面図を示す。同図において、１７はＰ型ウェル、１８はゲート酸化膜、１９は一層目ポリシリコン、２０は二層目ポリシリコン、２１はｎ+フローティングディフュージョン（ＦＤ）部である。ＦＤ部２１は２つの転送ＭＯＳトランジスタを介して２つの光電変換部と接続される。同図において、２つの転送スイッチＭＯＳトランジスタ３のドレインとＦＤ部２１を共通化して微細化とＦＤ部２１の容量低減による感度向上を図っているが、アルミ（Ａｌ）配線でＦＤ部２１を接続しても良い。

次に、図４のタイミングチャートを用いて、図２及び図３に示す撮像素子１０７における全画素独立出力の場合の動作について説明する。

まず、垂直走査回路１６からのタイミング出力によって、制御パルスφＬをハイとして垂直出力線をリセットする。また、制御パルスφＲ₀、φＰＧ₀₀、φＰＧ_e0をハイとし、リセット用ＭＯＳトランジスタ４をオンとし、フォトゲート２の一層目ポリシリコン１９をハイとしておく。時刻Ｔ₀において、制御パルスφＳ₀をハイとし、選択スイッチＭＯＳトランジスタ６をオンさせ、第１及び第２ラインの画素部を選択する。次に制御パルスφＲ₀をロウとし、ＦＤ部２１のリセットを止め、ＦＤ部２１をフローティング状態とし、ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ５のゲート・ソース間をスルーとする。その後、時刻Ｔ₁において制御パルスφＴ_Nをハイとし、ＦＤ部２１の暗電圧をソースフォロワ動作で蓄積容量Ｃ_TN１０に出力させる。

次に、第１ラインの光電変換部１からの光電変換出力を行うため、先ず、第１ラインの制御パルスφＴＸ₀₀をハイとして転送スイッチＭＯＳトランジスタ３を導通する。その後、時刻Ｔ₂において制御パルスφＰＧ₀₀をローとして下げる。この時フォトゲート２の下に拡がっていたポテンシャル井戸を上げて、光発生キャリアをＦＤ部２１に完全転送させるような電圧関係が好ましい。従って完全転送が可能であれば制御パルスφＴＸはパルスではなくある固定電位でもかまわない。

時刻Ｔ₂でフォトダイオードの第１ラインの光電変換部１からの電荷がＦＤ部２１に転送されることにより、ＦＤ部２１の電位が光に応じて変化することになる。この時ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ５がフローティング状態であるので、ＦＤ部２１の電位を時刻Ｔ₃において制御パルスφＴ_sをハイとして蓄積容量Ｃ_TS１１に出力する。この時点で第１ラインの画素の暗出力と明出力はそれぞれ蓄積容量Ｃ_TN１０とＣ_TS１１に蓄積される。時刻Ｔ₄で制御パルスφＨＣを一時ハイとして水平出力線リセットＭＯＳトランジスタ１３を導通して水平出力線をリセットし、水平転送期間において水平走査回路１５の走査タイミング信号により水平出力線に画素の暗出力と明出力を出力させる。この時、蓄積容量Ｃ_TN１０とＣ_TS１１の差動増幅器１４によって、差動出力Ｖ_OUTを取れば、画素のランダムノイズ、固定パターンノイズを除去したＳ／Ｎの良い信号が得られる。

また、第１ラインの光電変換部１の暗出力及び明出力は、同時に夫々の垂直出力線に接続された蓄積容量Ｃ_TN１０とＣ_TS１１に蓄積されている。従って、水平転送ＭＯＳトランジスタ１２を順次オンとしていくことにより、夫々の蓄積容量Ｃ_TN１０とＣ_TS１１に蓄積された電荷は、水平出力線に順次読み出され、差動増幅器１４から出力される。

また、本実施形態では、差動出力Ｖ_OUTをチップ内で行う構成を示している。しかしながら、チップ内に含めず、外部で従来のＣＤＳ（Correlated Double Sampling：相関二重サンプリング）回路を用いても同様の効果が得られる。

一方、第１ラインの光電変換部１から蓄積容量Ｃ_TS１１に明出力を出力した後、制御パルスφＲ₀をハイとしてリセット用ＭＯＳトランジスタ４を導通し、ＦＤ部２１を電源Ｖ_DDにリセットする。第１ラインの電荷の水平転送が終了した後、第２ラインの光電変換部１からの読み出しを行う。第２ラインの読み出しは、上述した第１ラインと同様にまず制御パルスφＴＸ_e0、制御パルスφＰＧ_e0を駆動させる。次に、制御パルスφＴ_N、φＴ_Sに夫々ハイパルスを供給して、蓄積容量Ｃ_TN１０とＣ_TS１１に夫々暗出力と明出力を蓄積し、暗出力及び明出力を取り出す。

以上の駆動により、第１、第２ラインの読み出しを夫々独立に行うことができる。この後、垂直走査回路１６を走査させ、同様にして第２ｎ＋１、第２ｎ＋２（ｎ＝１，２，…）の読み出しを行えば、全光電変換部１からの独立出力が行える。即ち、ｎ＝１の場合は、まず制御パルスφＳ₁をハイとし、次にφＲ₁をローとし、続いて制御パルスφＴ_N、φＴＸ₀₁をハイとする。そして、制御パルスφＰＧ₀₁をロー、制御パルスφＴ_Sをハイ、制御パルスφＨＣを一時ハイとして第３ラインの各光電変換部１から暗出力及び明出力を読み出す。続いて、制御パルスφＴＸ_e1、φＰＧ_e1及び上記と同様に制御パルスを印加して、第４ラインの各光電変換部１から暗出力及び明出力を読み出す。

次に、本実施形態における位相差検出方法について説明する。図５は、瞳分割機能を有する撮像素子１０７の画素の構成を示す図である。図５（ａ）は不図示の撮像光学系の光軸上にある中央像高画素、図５（ｂ）は水平に像高を持った周辺像高画素の構成を示す図である。６０は光電変換素子であり、１画素につき２つの光電変換素子６０ａ、６０ｂを配置することにより、瞳分割機能を持たせている。

６１はオンチップマイクロレンズであり、光電変換素子６０に効率良く光を集める。オンチップマイクロレンズ６１は、図５（ａ）では光電変換素子６０ａ、６０ｂの境界に光軸が合っており、図５（ｂ）では光電変換素子６０ａ、６０ｂの境界に対し光軸をずらして配置されている。６２は平坦化膜、６３はカラーフィルタ、６４は配線、６５は層間絶縁膜である。２つの光電変換素子６０ａ、６０ｂは、図２の各行における２つの光電変換部１に対応している。また、焦点検出動作を行う場合は、２つの光電変換素子６０ａ、６０ｂからの出力を個別の信号として扱うが、一般撮影を行う場合は、２つの光電変換素子６０ａ、６０ｂの出力の加算信号を、１画素の画素信号として取り扱う。

次に、本実施形態において、１対の位相差検出用信号を撮像素子１０７で検出する動作について説明する。

図６は、撮像素子１０７上の焦点検出領域を説明する図であり、撮像素子１０７をその受光面の撮影レンズ１００側から見た状態を示す。図６（ａ）は、撮像素子１０７上の対角位置にある位相差検出用信号の演算処理領域（以下、「焦点検出領域」と呼ぶ。）３１の形状を示している。また、図６（ｂ）は、焦点検出領域３１を拡大して示している。

３２−１、３２−２、…、３２−ｎ−１、３２−ｎは、それぞれ焦点検出用画素ブロックであり、それぞれ、複数配列された画素から構成されている。図６（ｃ）は、焦点検出用画素ブロック３２ー１の構成を示しているが、他の焦点検出用画素ブロックも同様の構成を有している。

図６（ｃ）に示すように、焦点検出用画素ブロック３２−１に含まれる各画素には、通常の撮影を行うためにベイヤー配列のカラーフィルタが配置されている。そして同一画素において、同一色のカラーフィルタが配置された２つの光電変換素子（ＧａとＧｂ、ＲａとＲｂ、ＢａとＢｂ）の出力を加算することにより、通常撮影時に画像信号を入手することが可能となる。

一方、焦点検出処理を行う場合は、画素ブロック３２−１内の、光電変換素子６０ａに対応する光電変換素子３２−１ａからの出力をすべて積算することにより、画素ブロック３２−１の焦点検出用画素のＡ像信号とする。また、画素ブロック３２−１内の、光電変換素子６０ｂに対応する光電変換素子３２−１ｂからの出力をすべて積算することにより、画素ブロック３２−１の焦点検出用画素のＢ像信号とする。このように、光電変換素子３２−１ａ、３２−１ｂそれぞれからの出力の積算信号をＡ像信号、Ｂ像信号とすることにより、低輝度における画素信号のＳ／Ｎに効果を持たせることができる。

そして、図６（ｂ）における焦点検出用画素ブロック３２−１、３２−２、…、３２−ｎ−１、３２−ｎそれぞれのＡ像信号、Ｂ像信号によって、一対の位相差検出用信号を生成することができる。

ここではＡ像信号、Ｂ像信号として、画素ブロック内の信号を加算したものを示したが、焦点検出用画素は画素ブロック内で信号加算しないように構成してもよい。

本実施形態における焦点検出領域３１は、上述した口径食によって生じる、Ａ像、Ｂ像瞳領域の重心位置７８ａ、７８ｂの傾き角度θに合わせている。焦点検出領域３１の角度θは、画素ブロック３２ー１〜ｎの縦方向の段差を撮像素子１０７の単位画素の整数倍にしなければならないため、横方向には平行ブロックが複数個ずつ束ねた形で切り出し角度をつけるようにしている。

図７は瞳分割機能を有する画素の受光感度を示す図であり、横軸が入射角度、縦軸が受光感度である。図７（ａ）は中央像高画素の２つの光電変換素子６０ａ、６０ｂそれぞれの受光感度（図ではそれぞれＡ像感度、Ｂ像感度と称している。）を表す。また、図７（ｂ）は周辺像高画素の光電変換素子６０ａ、６０ｂそれぞれの受光感度を表す。図７からわかるように、中央像高画素では２つの光電変換素子６０ａ、６０ｂの感度は入射角０度に対して対称な特性になっている。一方、周辺像高画素では２つの光電変換素子６０ａ、６０ｂの感度は入射角約−２度に対して対称な特性になっている。

図８は、撮像素子の各像高での画素の受光感度中心を説明する図である。像高とは、撮像画角に対する前記焦点状態検出位置の位置情報を表す。図８において、１０７は撮像素子であり、７０はマイクロレンズ（ＭＬ）瞳領域である。Ｏは、撮像素子１０７における不図示の撮像光学系の光軸との交点であり、７３−１〜８は各像高の画素位置を示す。

中央像高画素Ｏでは、光電変換素子６０ａ、６０ｂを１つの受光領域と見なした場合、光電変換素子６０の受光領域中心とオンチップマイクロレンズ６１の光軸とが一致している。そして像高が高くなるにつれオンチップマイクロレンズ６１の光軸を徐々にずらして、像高によらずに画素の光電変換素子６０の受光領域中心が所定の光学系光軸上の一点に向かうようにしている。ここで、撮像素子１０７から受光領域中心が向かっている点までの距離をオンチップマイクロレンズ瞳距離ＭＬＬと呼ぶ。また、光軸を垂線とするオンチップマイクロレンズ瞳距離上の面をＭＬ瞳領域７０と称する。７７−１〜８は、各像高での受光感度中心の角度ズレを示したものである。図からわかるように、感度中心の角度ズレは像高に依らずに瞳距離ＭＬＬの光軸上に向かっている。

図９は口径食の形状を説明する図であり、図９（ａ）は斜視図、図９（ｂ）及び（ｃ）は投影図である。図９（ａ）で示すようにＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を定義した場合、図９（ｂ）は図９（ａ）のＺ（＋）方向から見たＭＬ瞳領域を示しており、図９（ｃ）は図９（ａ）のＹ（−）方向から描いたものである。撮影レンズは一般に複数枚のレンズで構成されており、撮影レンズの光軸と撮像素子１０７の交点以外に位置する周辺の画素７３は、主に２つの射出窓によって光束が制限される。１つは、複数枚あるレンズ枠のうち、絞り位置から被写体に近い側のレンズ保持枠の中で絞り位置での投影半径が最も小さいレンズ枠である。もう１つは、絞り位置から撮像素子１０７に近い側のレンズ保持枠の中で、絞り位置での投影半径が最も小さいレンズ枠である。これらの２つのレンズ枠によって光束が制限される。ここで、被写体に近い側のレンズ保持枠を撮影レンズの第１の射出窓７１とし、撮像素子１０７に近い側のレンズ保持枠を撮影レンズの第２の射出窓７２とする。

投影射出窓７１−１は、第１の射出窓７１を周辺画素７３からＭＬ瞳領域７０に投影したものである。投影射出窓７２−１は、第２の射出窓７２を周辺画素７３からＭＬ瞳領域７０に投影したものである。周辺画素７３は、投影射出窓７１−１と投影射出窓７２−１によって切り出される焦点検出開口瞳７６を通過した光束を受光する。周辺画素７３は、図５（ｂ）に示したように２つの光電変換素子６０ａ、６０ｂから構成されている。そして、撮影レンズ側に形成されたオンチップマイクロレンズ６１によって、２つの光電変換素子６０ａ、６０ｂは、撮影レンズの瞳の異なる位置を透過した光束をそれぞれ受光するように構成されている。

周辺画素７３のオンチップマイクロレンズ６１は、ＭＬ瞳領域の光軸に向かうように偏心されている。そのため、図９（ｂ）に示すように、光電変換素子６０ａが受光する光束の領域７４ａ（以下、Ａ像瞳領域７４ａと呼ぶ。）と光電変換素子６０ｂが受光する光束の領域７４ｂ（以下、Ｂ像瞳領域７４ｂと呼ぶ。）との境界線は、撮影レンズの光軸を通過する。図９（ｂ）において、７８ａはＡ像瞳領域７４ａの重心位置、７８ｂはＢ像瞳領域７４ｂの重心位置を表している。

図９（ｃ）において、Ｌ７１は撮像素子１０７から第１の射出窓７１までの距離、Ｌ７２は撮像素子１０７から第２の射出窓７２までの距離である。Ｄ７１は第１の射出窓７１の直径、Ｄ７２は第２の射出窓７２の直径である。Ａ像瞳領域７４ａとＢ像瞳領域７４ｂは、図９（ｂ）からも分かるように、境界線に対して線対称な形状とはならず、重心位置７８ａ、７８ｂの位置も水平とはならない。

周辺画素７３では、光電変換素子６０ａが受光する光束の領域は図９（ｂ）のＡ像瞳領域７４ａとして示したものとなる。また、光電変換素子６０ｂが受光する光束の領域は図９（ｂ）のＢ像瞳領域７４ｂとして示したものとなる。更に、２つの光電変換素子６０ａ、６０ｂの瞳領域の重心位置は、図９（ｂ）の重心位置７８ａ、７８ｂで示したものになる。

ここで重心位置７８ａの座標を（ｘａ、ｙａ）、重心位置７８ｂの座標を（ｂ、ｙｂ）とすると、傾き角度θは、
ｔａｎθ＝｛（ｙａ−ｙｂ）／（ｘａ−ｘｂ）｝ …（１）

の関係式より求められる。
一方、Ａ像、Ｂ像瞳領域の重心位置７８ａ、７８ｂの座標は、撮像素子１０７上の画素７３を像高として表した座標（ｘｓ、ｙｓ）と、第１及び第２の射出窓７１、７２の情報と、撮像素子１０７固有のＭＬ瞳距離ＭＬＬとから、幾何学的に求めることができる。ここで第１及び第２の射出窓７１、７２の情報とは、以下の情報を示す。即ち、図９（ｃ）における、撮像素子１０７から第１の射出窓７１までの距離Ｌ７１と、撮像素子１０７から第２の射出窓７２までの距離Ｌ７２と、第１の射出窓７１の直径Ｄ７１と、第２の射出窓７２の直径Ｄ７２である。

撮影レンズ１００の種類が変わったり、ズーム比、Ｆ値が変わったりすると、上記射出窓の情報は異なってくる。そのため、撮影レンズ１００の種類や、ズーム比、Ｆ値に対応する射出窓情報を予め光学計算にて算出しておき、撮影レンズ１００の各条件での射出窓情報（レンズ情報３４）をレンズ内のメモリに格納しておき、必要に応じて射出窓情報を受け渡すようにする。

図１０は、撮像素子１０７上の像高毎の口径食の形状を示したもので、網掛けした部分がＡ像の感度領域、白部分がＢ像の感度領域を表している。また黒点はそれぞれの重心位置を示している。

図１０から分かるように、画面中央（撮影レンズの光軸上）及び、画面中央に対して、水平方向及び垂直方向では、Ａ像瞳領域とＢ像瞳領域の重心は水平状態を保っているが、画面中央に対して対角方向においてはＡ像瞳領域とＢ像瞳領域の重心が傾いてくる。この重心の傾きは像のピントがずれたときの像ズレ方向の傾きと一致する。

図１１は、撮像素子１０７の対角位置での像ズレ方向が斜めとなる場合の、被写体像の傾きと位相差信号のズレ量を説明する図である。ここでは、撮影像を正立像として見せるために撮像素子１０７の裏面（Ｚ軸（−）方向）からの像を１８０度回転させてある。

図１１（ａ）は対角焦点検出位置での位相差信号の演算処理領域８０を示しており、被写体像として同一測距面上で、左斜めに倒れた像１、垂直像２、右斜めに倒れた像３を想定している。また、焦点検出を行う演算処理領域８０から得られる光電変換素子６０ａの画素列から得られる信号をＡ像信号、光電変換素子６０ｂの画素列から得られる信号をＢ像信号としている。この場合、図１１（ｂ）は前ピンで演算処理領域８０に結像したＡ像及びＢ像の様子、図１１（ｃ）は前ピンで画素列から得られる信号である、いわゆる位相差信号（Ａ像信号、Ｂ像信号）及びそのズレ量を示している。また、図１１（ｄ）は後ピンで演算処理領域８０に結像したＡ像及びＢ像の様子、図１１（ｅ）は後ピンで画素列から得られる位相差信号（Ａ像信号、Ｂ像信号）及びそのズレ量を示している。また、被写体像として像１、像２、像３に対応するそれぞれのＡ像をａ１、ａ２、ａ３、それぞれのＢ像をｂ１、ｂ２、ｂ３としている。

図１１（ｃ）から分かるように、前ピンで被写体像が垂直の場合は、ピントズレによる像ズレの水平成分と演算処理領域８０での位相差ズレ量Ｓ２とは一致する。これに対し、被写体像が斜めの場合は、ピントズレによる像ズレの水平成分と演算処理領域８０での位相差ズレ量（Ｓ１、Ｓ３）との間に食い違いが生じる。例えば、左斜めに倒れた像１では、ピントズレによる像ズレの水平成分Ｓ２よりも演算処理領域８０での位相差ズレ量Ｓ１が小さくなり、また右斜めに倒れた像３では、逆に演算処理領域８０での位相差ズレ量Ｓ３が大きくなる。

同様に、図１１（ｅ）に示すように、後ピンでの被写体像が垂直の場合はピントズレによる像ズレの水平成分と演算処理領域８０での位相差ズレ量Ｓ２’とは一致する。これに対し、被写体像が斜めの場合は、ピントズレによる像ズレの水平成分と演算処理領域８０での位相差ズレ量（Ｓ１’、Ｓ３’）との間に食い違いが生じる。

図１２は、本実施形態における、被写体像の傾きと位相差信号のズレ量を説明する図である。ここでは、撮影像を正立像として見せるために撮像素子１０７の裏面からの像を１８０度回転させてある。

図１２（ａ）は対角焦点検出位置での位相差信号の焦点検出領域３１を示しており、被写体像として同一測距面上で、左斜めに倒れた像１、垂直像２、右斜めに倒れた像３を想定している。図１２（ｂ）は前ピンで焦点検出領域３１に結像したＡ像及びＢ像の様子、図１２（ｃ）は前ピンで各焦点検出用画素ブロックから得られるＡ像信号及びＢ像信号のズレ量を示している。また、図１２（ｄ）は後ピンで焦点検出領域３１に結像したＡ像及びＢ像の様子、図１２（ｅ）は後ピンで各焦点検出用画素ブロックから得られるＡ像信号及びＢ像信号のズレ量を示している。また、被写体像として像１、像２、像３に対応するそれぞれのＡ像をａ１、ａ２、ａ３、それぞれのＢ像をｂ１、ｂ２、ｂ３としている。

図１２（ｃ）からわかるように、前ピンでは被写体像傾きに依らず、ピントズレによる像ズレの水平成分と焦点検出領域３１での位相差ズレ量（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）は全て一致する。

同様に、図１２（ｅ）からわかるように、後ピンにおいても被写体像傾きに依らず、ピントズレによる像ズレの水平成分と焦点検出領域３１での位相差ズレ量（Ｓ１’、Ｓ２’、Ｓ３’）は全て一致する。

このように、像ズレ方向の角度に焦点検出領域３１の角度を一致させることにより、焦点状態の検出精度の向上を図ることが可能となる。

以下、図１３の画像を例にして、図１４のフローチャートを参照しながら、本実施形態における焦点ずれ量（デフォーカス量）検出動作について説明する。

図１３では、撮影像を正立像として見せるために撮像素子１０７の裏面からの像を１８０度回転させてある。図１３（ａ）において、４０−１〜４は焦点状態の検出位置候補であり、図１３（ｂ）では各検出位置候補での焦点検出領域４１−１〜４を表している。

本実施形態では、選択された焦点状態検出位置に対応する焦点検出領域を設定し、当該焦点検出領域に対応する２像の位相差に基づいて当該焦点検出領域における焦点ずれ量を検出する。ここでは、図１３（ａ）において、複数の焦点状態の検出位置候補の中から、撮影者によって画面中心から外れたエリア（周辺エリア）が選択された場合について説明する。

まず画像情報、例えば像のコントラスト信号などによって、被写体像から検出位置候補を自動検出し、表示する（ステップＳ１）。次に、検出位置候補のいずれか１つ（図１３（ａ）ではselectで示されている検出位置候補４０−１）の選択を受けて（ステップＳ２）、レンズ情報３４（射出窓情報）を取得する（ステップＳ３）。このとき、レンズ情報３４として、ＣＰＵ１２１にてレンズ内のメモリにアクセスすることで、現時点の撮影レンズ１００の射出窓情報を取得する。Ａ像、Ｂ像瞳領域の重心位置は、前述したように、焦点検出位置情報３５とレンズ情報３４（射出窓情報）、撮像素子１０７固有のＭＬ瞳距離ＭＬＬを元に算出することが可能である。そして、演算回路３３により、Ａ像及びＢ像の重心を算出し、上述した式（１）で示した像ずれ方向、つまり、焦点検出領域３１の傾き（ここではθ１）を取得する（ステップＳ４）。

例えば単焦点レンズのようにレンズ情報がほとんど変化しないカメラシステムにおいては、焦点検出位置情報に対応して切り出し角度のみを変えればよい。また、焦点検出位置の変更をしない仕様（焦点検出位置が変動しない仕様）であれば（例えば顔検出機能により焦点検出位置が変化するような仕様を採用しなければ）、レンズ情報に対応して切り出し角度のみを変えればよい。

次に、演算回路３３により得られた像ずれ方向（傾きθ１）に基づいて、ＣＰＵ１２１により焦点検出領域（ここでは、図１３（ｂ）の４１−１）の形状（切り出し領域）を算出する（ステップＳ５）。

そして、ステップＳ５で設定された焦点検出領域の焦点検出用画素から信号を選択的に読み出し（ステップＳ６）、Ａ像信号とＢ像信号から得られた対の位相差検出用信号を基に、ＣＰＵ１２１により自己相関処理を行う（ステップＳ７）。以上の処理により、撮影光学系の焦点ずれ量（デフォーカス量）を検出する（ステップＳ８）ことが可能となる。ここでステップＳ７における自己相関処理とは、対の位相差検出用信号の位相差ズレを精度良く計算する手法であり、位相差検出方式の焦点検出演算として一般的に用いられる方式である。そのため、その手法についての詳細説明はここでは省略する。

以上の処理により、画面周辺部においても、像ズレ方向に合った焦点検出領域を選択することが可能となる。

なお、ここでは焦点検出領域３１を角度を付けて切り出す方法として、焦点検出領域３１内の画素信号を選択的に読み出す方法を記載したが、全画素読み出し後、焦点検出領域３１の画素信号のみを演算処理する方法をとることもできる。

また、上記処理において、例えば撮影レンズ１００のズーム比を変えると、同一の焦点検出位置でも口径食による像ズレ方向が変化する。その場合においても上述のフローを繰り返し行うことにより、適宜レンズ情報を取得して最適な切り出し角度に設定可能となるため、検出誤差を抑えることができる。

ＣＰＵ１２１は、検出した焦点ずれ量（デフォーカス量）に基づいて、撮影レンズ１００に含まれる第３レンズ群１０５のフォーカスレンズの合焦位置を算出する。そして、フォーカス駆動回路１２６及びフォーカスアクチュエータ１１４を介して、第３レンズ群１０５を駆動することにより、全ズーム領域における自動焦点調節（ＡＦ）を行うことが可能となる。

上記の通り、本実施形態によれば、焦点調節領域を、レンズ情報（ズーム比やＦ値）及び焦点調節領域の像高に応じて、撮像光学系の口径食に対応するように、画素配列方向から角度をつけて切り出す。これにより、口径食によって焦点検出性能を低下させる斜め被写体像においても検出誤差を抑えることができる。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、カメラの全体構成は第１の実施形態で説明したものと同様であるため、ここでは説明を省略する。
上述した第１の実施形態では、撮影する画像に応じて、任意の領域を焦点調節領域として設定することを可能としたが、本実施形態では、焦点検出領域が固定されているところが第１の実施形態と異なる。

図１５は本発明の第２の実施形態における焦点検出領域を示す図である。

図１５（ａ）において５０−１〜５０−１５は、固定された１５点の焦点検出枠を示し、図１５（ｂ）において５１−１〜５１−１５は固定された１５点の焦点検出領域を示す。

本実施形態では、単焦点レンズまたは、レンズのズーム比が変わっても口径食の形状があまり変化しない場合を想定したものとなる。この場合、像高毎の像ズレ方向は予め決まった角度となるために、撮像素子の切り出し領域を変える必要が無くなる。

以下、図１５の画像を例にして、図１６のフローチャートを参照しながら、本実施形態における焦点ずれ量（デフォーカス量）の検出動作について説明する。

不図示のシャッタボタンが半押しされると、１５点の焦点検出枠５０−１〜５０−１５に対応する焦点検出領域５１−１〜５１−１５の焦点検出用画素から信号を読み出す（ステップＳ１１）。得られた対の位相差信号（Ａ像信号とＢ像信号）の一致度やコントラストを評価し（ステップＳ１２）、最も焦点検出位置候補としてふさわしい焦点検出領域を自動選択する（ステップＳ１３）。なお、焦点検出領域の選択の仕方としては、例えば、顔や、カメラ２００に最も近い被写体などを含む焦点検出領域を選択することが考えられるが、任意の条件に基づいて選択するように制御すればよい。そして、Ａ像信号とＢ像信号から得られた対の位相差検出用信号を基に、ＣＰＵ１２１により自己相関処理を行って（ステップＳ１４）、撮影光学系の焦点ずれ量（デフォーカス量）を検出する（ステップＳ１５）。

上記の通り、本実施形態によれば、焦点検出領域の像高に対して最適な切り出し角度の焦点検出領域を切り出すことができるため、口径食によって焦点検出性能を低下させる斜め被写体像においても検出誤差を抑えることができる。

なお、上述した第１及び第２の実施形態では、撮像素子１０７の一部の画素の受光部を２分割することで瞳分割機能を付与させた場合について説明した。しかしながら、本発明はこれに限るものではなく、特許文献１で示したように、オンチップマイクロレンズの光軸に対して受光部の感度領域を偏心させることで瞳分割機能を付与させたものに対しても同様の効果を得ることができる。また特許文献１で示されたように標準画素の一部に瞳の異なる焦点検出用画素を部分的に配置して、離散的な瞳分離画像を元に焦点検出を行う構造のものに対しても同様の効果を得ることができる。

図１７は、瞳分割機能を有する撮像素子の画素の構成を示す図である。６１はオンチップマイクロレンズであり、光電変換素子６０に効率良く光を集める。６２は平坦化膜、６３はカラーフィルタ、６４は配線、６５は層間絶縁膜である。

図１７（ａ）は受光感度が右方向に感度ピークを持つ焦点検出画素（左側の画素）と標準画素（右側の画素）を示した図である。また図１７（ｂ）は標準画素（右側の画素）と受光感度が左方向に感度ピークを持つ焦点検出画素（左側の画素）を示した図である。図１７（ａ）では、最下部の配線層６４ａの開口を左側にシフトすることにより、右方向に感度ピーク瞳分割機能を持たせている。図１７（ｂ）では、最下部の配線層６４ｂの開口を右側にシフトすることにより、左方向に感度ピーク瞳分割機能を持たせている。また焦点検出画素部のカラーフィルタ６３Ｗは、光量拡大を図るために、透明層となっている。

図１８は、撮像素子１０７上の焦点検出領域を説明する図であり、撮像素子１０７をその受光面の撮影レンズ１００側から見た状態を示す。図１８（ａ）は、撮像素子１０７上の対角位置にある焦点検出領域３１の形状を示している。

また、図１８（ｂ）は焦点検出領域３１を拡大して示している。３２−１、３２−２、…、３２−ｎ−１、３２−ｎは、それぞれ焦点検出用画素ブロックであり、それぞれ、複数配列された画素から構成されている。

図１８（ｃ）は、図１８（ｂ）の撮像素子１０７上の一部分１０７−１を拡大した、撮像素子１０７に配置されている画素のパターン構成を示す図である。図１８（ｃ）に示すように、1対の焦点検出用画素ａ、ｂは、ブロック８ｘ８画素を基本パターンとして離散配置されており、標準画素部にはベイヤー配列のカラーフィルタが配置されている。画素ブロック３２−１内には、焦点検出画素が縦に８対あり、焦点検出ａ、焦点検出ｂそれぞれの出力を加算することにより、画素ブロック３２−１の焦点検出用画素のＡ像信号、Ｂ像信号とする。このように、光電変換素子３２−１内の焦点検出画素８画素分の出力の積算信号をＡ像信号、Ｂ像信号とすることにより、低輝度における画素信号のＳ／Ｎに効果を持たせることができる。

そして、図１８（ｂ）における焦点検出用画素ブロック３２−１、３２−２、…、３２−ｎ−１、３２−ｎそれぞれのＡ像信号、Ｂ像信号によって、一対の位相差検出用信号を生成することができる。

以上、撮像素子上に構成される焦点検出画素における本実施形態の適用方法を説明したが、さらに、従来より一眼レフカメラで使用されている２次結像光学系を用いた焦点検出装置に適用しても良い（図１９）。この場合、焦点検出用センサは撮像素子と同様に正方画素が複数配列された構成を取っており、切り出し形状を任意に選択することが可能となっている。図２０（ａ）は、２次結像面（１０７−２）上で定義される瞳形状がレンズのビネッティング（口径食）により変形している様子を示している。この場合に、重心傾きθに合わせて検出画素切り出し形状を設定することを示したのが図２０（ｂ）、（ｃ）である。このような構成によって本発明における効果が期待できる。

Claims (9)

1. 検出領域に対応する２像の位相差に基づいて当該検出領域における焦点ずれ量を検出する焦点検出装置であって、
   撮影レンズの異なる瞳領域を透過した対の光束をそれぞれ受光する複数の焦点検出用画素を有し、当該複数の焦点検出用画素から対の像の信号が出力される撮像素子と、
   撮像画角に対する前記検出領域の位置情報と、前記撮影レンズの射出窓情報とに応じて、前記検出領域の傾きを決定する決定手段と、
   前記複数の焦点検出用画素のうち、前記決定手段により傾きの決定された前記検出領域に対応する焦点検出用画素から得られる前記対の像の信号の位相差に基づいて、焦点ずれ量を検出する検出手段と
   を有することを特徴とする焦点検出装置。
2. 撮影レンズの異なる瞳領域を透過した対の光束をそれぞれ受光する複数の焦点検出用画素を有し、当該複数の焦点検出用画素から対の像の信号が出力される撮像素子と、
   予め設定された複数の検出領域から１つを選択する選択手段と、
   前記選択された検出領域に対応する焦点検出用画素から得られる前記対の像の信号の位相差に基づいて、焦点ずれ量を検出する検出手段と、を有し、
   前記複数の検出領域は、各検出領域の像高に応じて異なる傾きを有することを特徴とする焦点検出装置。
3. 検出領域に対応する２像の位相差に基づいて当該検出領域における焦点ずれ量を検出する焦点検出装置であって、
   撮影レンズの異なる瞳領域を透過した対の光束をそれぞれ受光して、対の像の信号を出力する焦点検出用画素を含む撮像素子と、
   前記対の光束による対の像の像ズレ方向に対応して、前記検出領域の傾きを決定する決定手段と、
   前記決定手段により傾きの決定された前記検出領域に対応する焦点検出用画素から得られる前記対の像の信号の位相差に基づいて、焦点ずれ量を検出する検出手段と
   を有することを特徴とする焦点検出装置。
4. 前記傾きは、傾きをθ、異なる瞳領域を透過した一方の光束を受光する焦点検出用画素における重心位置の座標を（ｘａ、ｙａ）、もう一方の光束を受光する焦点検出用画素における重心位置の座標を（ｘｂ、ｙｂ）とした場合に
   ｔａｎθ＝｛（ｙａ−ｙｂ）／（ｘａ−ｘｂ）｝
   により求められることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の焦点検出装置。
5. 前記焦点検出用画素は、それぞれ、前記撮影レンズの異なる瞳領域を透過した対の光束をそれぞれ受光するように、対の受光領域を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の焦点検出装置。
6. 前記検出領域は、前記焦点検出用画素が縦方向に並べられた複数の画素ブロックを、前記傾きの方向に並べた構成を有し、
   前記検出手段は、同じ瞳領域を透過した光束に基づいて得られる信号を前記画素ブロックごとに加算して得られた一対の信号の位相差に基づいて、前記焦点ずれ量を検出することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の焦点検出装置。
7. 検出領域に対応する２像の位相差に基づいて当該検出領域における焦点ずれ量を検出する焦点検出装置の制御方法であって、
   撮影レンズの異なる瞳領域を透過した対の光束をそれぞれ受光する複数の焦点検出用画素を有し、当該複数の焦点検出用画素から対の像の信号が出力される撮像素子から、該対の像の信号を読み出す読み出しステップと、
   撮像画角に対する前記検出領域の位置情報と、前記撮影レンズの射出窓情報とに応じて、前記検出領域の傾きを決定する決定ステップと、
   前記複数の焦点検出用画素のうち、前記決定ステップで傾きが決定された前記検出領域に対応する焦点検出用画素から得られる前記対の像の信号の位相差に基づいて、焦点ずれ量を検出する検出ステップと
   を有することを特徴とする焦点検出装置の制御方法。
8. 撮影レンズの異なる瞳領域を透過した対の光束をそれぞれ受光する複数の焦点検出用画素を有し、当該複数の焦点検出用画素から対の像の信号が出力される撮像素子から、該対の像の信号を読み出す読み出しステップと、
   予め設定された複数の検出領域から１つを選択する選択ステップと、
   前記選択された検出領域に対応する焦点検出用画素から得られる前記対の像の信号の位相差に基づいて、焦点ずれ量を検出する検出ステップと、を有し
   前記複数の検出領域は、各検出領域の像高に応じて異なる傾きを有することを特徴とする焦点検出装置の制御方法。
9. 検出領域に対応する２像の位相差に基づいて当該検出領域における焦点ずれ量を検出する焦点検出装置の制御方法であって、
   撮影レンズの異なる瞳領域を透過した対の光束をそれぞれ受光する複数の焦点検出用画素を有し、当該複数の焦点検出用画素から対の像の信号が出力される撮像素子から、該対の像の信号を読み出す読み出しステップと、
   前記対の光束による対の像の像ズレ方向に対応して、前記検出領域の傾きを決定する決定ステップと、
   前記決定ステップで傾きが決定された前記検出領域に対応する焦点検出用画素から得られる前記対の像の信号の位相差に基づいて、焦点ずれ量を検出する検出ステップと
   を有することを特徴とする焦点検出装置の制御方法。

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