JP5852356B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置に関するものである。

撮像用画素と焦点検出用画素を有する撮像素子を用いて、撮像および焦点検出を行う撮像装置として、特許文献１および特許文献２に示すものが知られている。特許文献１は、撮像素子から撮像用画素および焦点検出用画素の像信号出力を取得して、表示装置のリフレッシュレートと低輝度被写体の焦点検出精度の向上を両立させようとしたものである。

特許文献２は、焦点検出用画素の光束の分布と撮影レンズの絞りの射出瞳、およびレンズ端部に対応する射出瞳の口径情報に基づいて、焦点検出用画素の像ずれ量をデフォーカス情報に変換するものである。

特開２００８−８５７３８号公報 特開２００７−１２１８９６号公報

特許文献１では、所定のフレームレートで動作させた撮像素子から撮像用画素および焦点検出用画素の画素信号出力を取得する。取得した撮像用画素の像信号を使って、逐次、表示装置の表示用データを作成し、表示の更新を行って、表示装置のフレームレートが確保される。一方、焦点検出用画素の像信号については、その最大値Ｐと閾値レベルＰｔｈを比較して、最大値Ｐが、Ｐｔｈを越えていなければ、前回のフレームの焦点検出信号と加算する。そして、その加算出力の最大値Ｐが、Ｐ＞Ｐｔｈになるまで焦点検出用画素信号をフレームを遡って加算していくことで、低輝度被写体の焦点検出精度を向上させる。

また、特許文献１に記載の焦点検出用画素に入射する光束は、特許文献２に記載されているように、撮影レンズの絞りの射出瞳およびレンズ端部に対応する射出瞳により、撮影レンズの絞り値の変化、焦点検出用画素の撮影レンズ光軸からの距離（以下、像高位置と称す）、交換レンズの種類により、異なったケラレが発生する。同時に、けられの発生により、２像の重心間隔が変化し、ケラレが発生した場合には、焦点検出用画素の像信号レベルが同一であっても、焦点検出精度は悪化する課題を有する。

従って、特許文献１は、焦点検出信号の最大値が、所定の閾値レベル以上になるまで、フレーム加算をおこない焦点検出精度の向上をはかるものであるが、けられの程度に応じて、最適に閾値レベルを設定するものではない。そのため、精度の高い光軸中心の中央測距点で閾値を決定してしまうと像高の高い位置の周辺測距点の精度を十分に確保することができない。また、精度の最も悪い周辺測距点で閾値を決定すると、中央測距点で不必要にフレーム加算して、いたずらに測距時間が長くなるという欠点を有する。さらに、撮影レンズの絞り値が変化した場合やさまざまな交換レンズへの対応についても記載がない。

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、撮影レンズの絞り値、レンズの種類によらず、全ての測距点の位置で測距時間を長くすることなく低輝度被写体の焦点検出精度を向上させることである。

本発明に係わる撮像装置は、撮影レンズの射出瞳を通過した光束を受光する撮像用画素と前記撮影レンズの射出瞳の一部の領域を通過した光束を受光する焦点検出用画素とが配列された撮像素子と、前記焦点検出用画素の出力信号を用いて位相差方式により前記撮影レンズのデフォーカス量を検出する焦点検出手段と、前記撮影レンズの口径情報を取得する取得手段と、前記取得手段により取得された口径情報と前記焦点検出用画素の位置に基づいて、所定の閾値を設定する閾値設定手段と、前記撮像素子から所定の周期で画素信号を読み出す読み出し手段と、前記撮像素子から前記所定の周期で読み出された前記焦点検出用画素の画素信号を加算する加算手段と、前記加算手段により加算された加算信号を前記所定の閾値と比較する比較手段と、前記比較手段の比較により、前記加算信号のレベルが前記所定の閾値を超えた場合に、前記加算手段による加算を終了する制御手段と、を備え、前記焦点検出手段は、前記加算手段による加算が終了した加算信号を用いて前記撮影レンズのデフォーカス量を検出することを特徴とする。

本発明によれば、撮影レンズの絞り値、レンズの種類によらず、全ての測距点の位置で測距時間を長くすることなく低輝度被写体の焦点検出精度を向上させることが可能となる。

本発明の一実施形態に係わるカメラの構成図。 撮像素子のブロック図。 撮像素子の撮像用画素の平面図と断面図。 撮像素子の焦点検出用画素の平面図と断面図。 撮像素子の焦点検出用画素の平面図と断面図。 撮像素子の焦点検出用画素の配置領域拡大図。 焦点検出用画素のケラレ、及び焦点検出光束の重心間隔を説明する図。 焦点検出光束の重心間隔および撮影レンズの有効径の関係を示す図。 撮像素子の焦点検出用画素の加算方法を示す図。 焦点検出用画素のケラレ、及び焦点検出光束の重心間隔を説明する図。

図１は本発明の撮像装置の一実施形態である「一眼レフタイプデジタルカメラシステム」の電気的構成を示すブロック図である。図１に示すように本実施形態のデジタルカメラ１００は、撮影レンズユニット２００が不図示のマウント機構を介し着脱可能に取り付けられる。マウント部には、電気的接点群２１０を有している。接点群２１０はカメラ本体１００と撮影レンズユニット２００との間で制御信号、状態信号、データ信号などを伝え合うと共に、各種電圧の電流を供給する機能を備える。さらに撮影レンズユニット２００が接続されるとシステムコントローラ１２０へ信号を送信する機能も備えている。これによりデジタルカメラ１００と撮影レンズユニット２００の間で通信を行い撮影レンズユニット内の撮影レンズ２０１、絞り２０２の駆動を行うことが可能となる。また、接点群２１０は電気通信のみならず、光通信、音声通信等を伝達する構成としても良い。なお、本実施形態では撮影レンズ２０１を便宜上１枚のレンズで示しているが、実際はさらに多数のレンズから構成されていることは周知の通りである。また、接点群２１０とシステムコントローラ１２０とから、レンズ検出手段を構成している。

図示されない被写体像からの撮影光束が、撮影レンズ２０１及び絞り２０２を介して、図１の矢印で示す方向に駆動可能なクイックリターンミラー１０２に導かれる。クイックリターンミラー１０２の中央部はハーフミラーになっており、クイックリターンミラー１０２がダウンした際に一部の光束が透過する。そして、この透過した光束は、クイックリターンミラー１０２に設置されたサブミラー１０３で下方に向けて反射される。

１０４は、結像面近傍に配置されたフィールドレンズ、反射ミラー、２次結像レンズ、絞り、及び、複数のＣＣＤから成るラインセンサ等から構成されている周知の位相差方式のＡＦセンサユニットである。そして、システムコントローラ１２０からの制御信号により、焦点検出回路１０５はＡＦセンサユニット１０４を制御して、周知の位相差検出方式による焦点検出を行う。なお、ＡＦセンサユニット１０４と焦点検出回路１０５とから焦点検出手段を構成している。

一方、クイックリターンミラー１０２で反射された撮影光束は、ペンタプリズム１０１、接眼レンズ１０６を介して撮影者の目に至る。また、接眼レンズ１０６の近傍に配設された不図示の測光センサは、被写体の輝度を測定するためのセンサであり、その出力は測光回路１０７を経てシステムコントローラ１２０へ供給される。なお、上記の測光センサ、測光回路１０７とシステムコントローラ１２０とから測光手段を構成している。

また、クイックリターンミラー１０２がアップした際には、撮影レンズ２０１からの光束は、機械シャッタであるフォーカルプレーンシャッタ１０８、フィルタ１０９を介して撮像素子としてのＣＭＯＳ等に代表されるイメージセンサ１１２に至る。

フィルタ１０９は２つの機能を有しているもので、１つは赤外線をカットし可視光線のみをイメージセンサ１１２へ導く機能であり、もう１つは光学ローパスフィルタとしての機能である。また、フォーカルプレーンシャッタ１０８は、先幕及び後幕を有して成るもので、撮影レンズ２０１からの光束の透過、遮断を制御する。なお、クイックリターンミラー１０２のアップ時には、サブミラー１０３は折り畳まれるようになっている。

また、本実施形態のデジタルカメラ１００は、当該デジタルカメラ全体の制御手段となり、制御を司るＣＰＵにより構成されるシステムコントローラ１２０を備え、後述する各部の動作を適宜制御する。なお、システムコントローラ１２０は、補正手段に相当する。

システムコントローラ１２０には、撮影レンズ２０１を光軸方向に移動してピント合わせを行うためのレンズ駆動機構２０３を制御するレンズ制御回路２０４と、絞り２０２を駆動するための絞り駆動機構２０５を制御する絞り制御回路２０６とがレンズ制御マイコン２０７を介して接続されている。また、システムコントローラ１２０には、クイックリターンミラー１０２のアップ・ダウンの駆動及びフォーカルプレーンシャッタ１０８のシャッタチャージを制御するシャッタチャージ・ミラー駆動機構１１０が接続されている。また、システムコントローラ１２０には、フォーカルプレーンシャッタ１０８の先幕、後幕の走行を制御するためのシャッタ制御回路１１１が接続されている。さらにシステムコントローラ１２０には、ＥＥＰＲＯＭ１２２等が接続されている。ＥＥＰＲＯＭ１２２は、デジタルカメラ１００を制御する上で調整が必要なパラメータやデジタルカメラの個体識別が可能なカメラＩＤ情報や基準レンズで調整されたＡＦ補正データや自動露出補正値などが記憶される記憶手段である。

レンズ制御マイコン２０７は、レンズ固有の情報、例えば焦点距離、開放絞り、レンズ個々に割り振られるレンズＩＤといった情報とシステムコントローラ１２０から受け取った情報を記憶するレンズ記憶装置も有している。また、システムコントローラ１２０は、レンズ制御マイコン２０７を介してレンズ駆動機構２０３を制御することにより、被写体像をイメージセンサ１１２上に結像させる。また、設定されたＡｖ値に基づいて、絞り２０２を駆動する絞り駆動機構２０５を制御し、更に、設定されたＴｖ値に基づいて、シャッタ制御回路１１１へ制御信号を出力することで露出制御を行う。

フォーカルプレーンシャッタ１０８の先幕、後幕は、駆動源がバネにより構成されており、シャッタ走行後次の動作のためにバネチャージを要する。シャッタチャージ・ミラー駆動機構１１０は、このバネチャージを制御するようになっている。また、シャッタチャージ・ミラー駆動機構１１０によりクリックリターンミラー１０２のアップ・ダウンが行われる。

また、システムコントローラ１２０には、画像データコントローラ１１５が接続されている。この画像データコントローラ１１５は、ＤＳＰ（デジタル信号プロセッサ）により構成される。そして、イメージセンサ１１２の制御、イメージセンサ１１２から入力された画像データの補正や加工などをシステムコントローラ１２０の指令に基づいて実行する。画像データの補正・加工の項目の中にはオートホワイトバランスも含まれている。オートホワイトバランスとは、撮影画像中の最大輝度の部分を所定の色（白色）に補正する機能である。オートホワイトバランスは、システムコントローラ１２０からの命令により補正量を変更する事が可能である。

さらに、システムコントローラ１２０と画像データコントローラ１１５とから、第２の測光手段を構成している。第２の測光手段は、画像データコントローラ１１５によって、画像信号を領域分割し、それぞれの領域でベイヤ画素毎に積分した値をシステムコントローラ１２０に供給し、システムコントローラ１２０で積分信号を評価することで測光を行う。

画像データコントローラ１１５には、タイミングパルス発生回路１１４と、Ａ／Ｄコンバータ１１３と、ＤＲＡＭ１２１と、Ｄ／Ａコンバータ１１６と、画像圧縮回路１１９と、コントラスト検出回路１４０が接続されている。タイミングパルス発生回路１１４は、イメージセンサ１１２を駆動する際に必要なパルス信号を出力する。Ａ／Ｄコンバータ１１３は、イメージセンサ１１２と共にタイミングパルス発生回路１１４で発生されたタイミングパルスを受けて、イメージセンサ１１２から出力される被写体像に対応したアナログ信号をデジタル信号に変換する。ＤＲＡＭ１２１は、得られた画像データ（デジタルデータ）を一時的に記憶しておく。ＤＲＡＭ１２１は、加工や所定のフォーマットへのデータ変換が行われる前の画像データを一時的に記憶するために使用される。

更に、画像圧縮回路１１９には、記録手段である記録媒体４０１が接続される。画像圧縮回路１１９は、ＤＲＡＭ１２１に記憶された画像データの圧縮や変換（例えばＪＰＥＧ）を行うための回路である。変換された画像データは、記録媒体４０１へ格納される。この記録媒体としては、ハードディスク、フラッシュメモリ、フロッピー（登録商標）ディスク等が使用される。なお、画像データコントローラ１１５と画像圧縮回路１１９と記録媒体４０１とから記録手段を構成している。

また、Ｄ／Ａコンバータ１１６には、エンコーダ回路１１７を介して画像表示回路１１８が接続される。画像表示回路１１８は、イメージセンサ１１２で撮像された画像データを表示するための回路であり、一般にはカラーの液晶表示素子により構成される。

画像データコントローラ１１５は、ＤＲＡＭ１２１上の画像データを、Ｄ／Ａコンバータ１１６によりアナログ信号に変換してエンコーダ回路１１７へ出力する。エンコーダ回路１１７はこのＤ／Ａコンバータ１１６の出力を、画像表示回路１１８を駆動する際に必要な映像信号（例えばＮＴＳＣ信号）に変換する。なお、Ｄ／Ａコンバータ２１５と画像表示回路１１８とエンコーダ回路１１７とから画像表示手段を構成している。

さらに、システムコントローラ１２０と画像データコントローラ１１５とから第２の焦点検出手段を構成している。画像データコントローラ１１５は、補正した画像データに対し、所定の周波数特性を持つフィルタを通し、所定のガンマ処理を行って得られる画像信号の所定方向のコントラストを評価し、その結果はシステムコントローラ１２０に供給される。システムコントローラ１２０は、レンズ制御回路２０４と通信を行い、焦点位置を調節しコントラスト評価値が所定レベルよりも高くなるように焦点位置を調節する。なお、画像データコントローラ１１５とシステムコントローラ１２０とレンズ制御回路２０４とレンズ駆動機構２０３と撮影レンズ２０１から第２の自動焦点調節手段を構成している。

さらにシステムコントローラ１２０には、動作表示回路１２３と、撮影モード選択ボタン１３０と、メイン電子ダイヤル１３１と、決定ＳＷ１３２と、測距点選択ボタン１３３（測距点選択手段に相当する）と、ＡＦモード選択ボタン１３４が接続されている。また、測光モード選択ボタン１３５と、測光・測距などの撮影準備動作を開始させるためのレリーズＳＷ１（１３６）と、撮像動作を開始させるためのレリーズＳＷ２（１３７）と、ファインダーモード選択ＳＷ１３８とが接続されている。動作表示回路１２３は、デジタルカメラの動作モードの情報や露出情報（シャッタ秒時、絞り値等）などを外部液晶表示装置１２４や内部液晶表示装置１２５に表示させる。撮影モード選択ボタン１３０は、ユーザが所望の動作をデジタルカメラに実行させるべくモードを設定するボタンである。測距点選択ボタン１３３は、ＡＦセンサユニット１０４が持つ複数の焦点検出位置から使用する焦点検出位置を選択するためのボタンである。レリーズＳＷ１（１３６）は、測光・測距などの撮影準備動作を開始させるためのスイッチであり、レリーズＳＷ２（１３７）は、撮像動作を開始させるためのスイッチである。

なお、外部液晶表示装置１２４と内部液晶表示装置１２５とが動作表示手段に相当し、さらに、外部液晶表示装置１２４は外部表示手段、内部液晶表示装置１２５は内部表示手段にそれぞれ相当する。さらに、動作表示回路１２３とシステムコントローラ１２０とから表示制御手段を構成している。

また、ファインダーモード選択ＳＷ１３８は、光学ファインダーモードと、ライブビュー表示モードとを切り替えるファインダーモード選択手段に相当する。光学ファインダーモードでは、接眼レンズ１０６を通過する光束を確認することを可能とし、ライブビュー表示モードでは、イメージセンサ１１２で受光した象信号を、逐次、画像表示回路１１８によって表示する。

さらに、デジタルカメラ１００は、ストロボ装置３００が不図示のマウント機構を介し着脱可能に取り付けられる。マウント部には、電気的接点群３１０を有している。接点群３１０はカメラ本体１００とストロボ装置３００との間で制御信号、状態信号、データ信号などを伝え合うと共に、発光タイミングを制御するＸ端子（発光端子）を備える。さらに、ストロボ装置３００が接続されるとシステムコントローラ１２０へ信号を送信する機能も備えている。これによりデジタルカメラ１００とストロボ装置３００の間で通信を行いストロボの発光制御を行うことが可能となる。また、接点群３１０は電気通信のみならず、光通信、音声通信等を伝達する構成としても良い。

ストロボ装置３００は、キセノン（Ｘｅ）管３０１、反射笠３０２、Ｘｅ管３０１の発光を制御するＩＧＢＴなどで構成された発光制御回路３０３、Ｘｅ管３０１に給電するために３００Ｖ程度の電圧を発生する充電回路３０４を備える。さらに、充電回路３０４に給電する電池などの電源３０５、ストロボの発光、充電などを制御するとともに、カメラ側のシステムコントローラ１２０と通信を制御するストロボ制御マイコン３０６も備える。

図２は、撮像素子のブロック図を示している。なお、図２のブロック図は、読み出し動作が説明できる最低限の構成を示しており、画素リセット信号などが省略されている。図２において、２０１は、光電変換部（以下、ＰＤｍｎと略す。ｍは、Ｘ方向アドレスであり、ｍ＝０，１，…，ｍ−１、ｎは、Ｙ方向アドレスであり、ｎ＝０，１，…，ｎ−１である。）である。光電変換部２０１は、フォトダイオード、画素アンプ、リセット用のスイッチなどで構成されている。また、本実施形態の撮像素子は、ｍ×ｎの光電変換部が２次元状に配置されている。符号は、煩雑になるので、左上の光電変換部ＰＤ００付近のみに付記した。

２０２は、光電変換部ＰＤｍｎの出力を選択するスイッチであり、垂直走査回路２０８により、一行ごとに選択される。２０３は、光電変換部ＰＤｍｎの出力を一時的に記憶するためのラインメモリであり、垂直走査回路により選択された、一行分の光電変換部の出力信号を記憶するものである。通常は、コンデンサが使用される。２０４は、水平出力線に接続されて、水平出力線を所定の電位ＶＨＲＳＴにリセットするためのスイッチであり、信号ＨＲＳＴにより制御される。

２０５は、ラインメモリ２０３に記憶された光電変換部ＰＤｍｎの出力を水平出力線に順次出力するためのスイッチであり、Ｈ０からＨｍ−１のスイッチを後述の水平走査回路２０６により、順次走査することにより、一行分の光電変換の出力信号が読み出される。

２０６は、水平走査回路であり、ラインメモリに記憶された光電変換部の出力を順次走査して、水平出力線に出力させる。信号ＰＨＳＴは、水平走査回路のデータ入力、ＰＨ１、ＰＨ２は、シフトクロック入力であり、ＰＨ１＝Ｈでデータがセットされ、ＰＨ２でデータがラッチされる構成となっている。そして、ＰＨ１、ＰＨ２にシフトクロックを入力することにより、ＰＨＳＴを順次シフトさせて、Ｈ０からＨｍ−１のスイッチを順次オンさせることができる。ＳＫＩＰは、間引き読み出し時に設定を行なわせる制御端子入力である。ＳＫＩＰ端子をＨレベルに設定することにより、水平走査回路を所定間隔でスキップさせることが可能になる。

２０８は、垂直走査回路であり、順次走査して、Ｖ０からＶｎ−１を出力することにより、光電変換部ＰＤｍｎの選択スイッチ２０２を選択することができる。制御信号は、水平走査回路と同様に、データ入力ＰＶＳＴ、シフトクロックＰＶ１、ＰＶ２、間引き読み設定ＳＫＩＰにより制御される。動作に関しては、水平走査回路と同様であるので詳細説明は省略する。また、図中では、前記の制御信号は、不図示とした。

図３、図４、及び図５は、撮像用画素と焦点検出用画素の構造を説明する図である。本実施形態においては、２×２の４画素のうち、対角２画素にＧ（緑色）の分光感度を有する画素を配置し、他の２画素にＲ（赤色）とＢ（青色）の分光感度を有する画素を各１個配置した、ベイヤー配列が採用されている。そして、このベイヤー配列の間に、後述する構造の焦点検出用画素が所定の規則にて分散配置される。

図３に撮像用画素の配置と構造を示す。図３（ａ）は２×２の撮像用画素の平面図である。周知のごとく、ベイヤー配列では対角方向にＧ画素が、他の２画素にＲとＢの画素が配置される。そしてこの２行×２列の構造が繰り返し配置される。

図３（ａ）の断面Ａ−Ａを図３（ｂ）に示す。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、ＣＦＲはＲ（赤）のカラーフィルタ、ＣＦＧはＧ（緑）のカラーフィルタである。ＰＤはＣ−ＭＯＳセンサの光電変換部を模式的に示したもの、ＣＬはＣ−ＭＯＳセンサ内の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。ＴＬは撮影光学系を模式的に示したものである。

ここで、撮像用画素のオンチップマイクロレンズＭＬと光電変換部ＰＤは、撮影光学系ＴＬを通過した光束を可能な限り有効に取り込むように構成されている。換言すると、撮影光学系ＴＬの射出瞳ＥＰと光電変換部ＰＤは、マイクロレンズＭＬにより共役関係にあり、かつ光電変換部の有効面積は大面積に設計される。また、図３（ｂ）ではＲ画素の入射光束について説明したが、Ｇ画素及びＢ（青）画素も同一の構造となっている。従って、撮像用のＲＧＢ各画素に対応した射出瞳ＥＰは大径となり、被写体からの光束を効率よく取り込んで画像信号のＳ／Ｎを向上させている。

図４は、撮影光学系の水平方向（横方向）に瞳分割を行なうための焦点検出用画素の配置と構造を示す。ここで水平方向あるいは横方向の定義は、撮影光学系の光軸が水平となるようにカメラを構えたとき、光軸に直交し、かつ水平方向に伸びる直線に沿った方向を指す。図４（ａ）は、焦点検出用画素を含む２行×２列の画素の平面図である。記録もしくは観賞のための画像信号を得る場合、Ｇ画素で輝度情報の主成分を取得する。そして人間の画像認識特性は輝度情報に敏感であるため、Ｇ画素が欠損すると画質劣化が認知されやすい。一方でＲもしくはＢ画素は、色情報（色差情報）を取得する画素であるが、人間の視覚特性は色情報には鈍感であるため、色情報を取得する画素は多少の欠損が生じても画質劣化は認識され難い。そこで本実施形態においては、２行×２列の画素のうち、Ｇ画素は撮像用画素として残し、ＲとＢの画素を焦点検出用画素に置き換える。これを図４（ａ）においてＳＨＡ及びＳＨＢで示す。

図４（ａ）における断面Ａ−Ａを図４（ｂ）に示す。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一構造である。本実施形態においては、焦点検出用画素の信号は画像創生には用いないため、色分離用カラーフィルタの代わりに透明膜ＣＦＷ（Ｗｈｉｔｅ）が配置される。また、撮像素子で瞳分割を行なうため、配線層ＣＬの開口部はマイクロレンズＭＬの中心線に対して一方向に偏倚している。具体的には、画素ＳＨＡの開口部ＯＰＨＡは右側に偏倚しているため、撮影光学系ＴＬの左側の射出瞳ＥＰＨＡを通過した光束を受光する。同様に、画素ＳＨＢの開口部ＯＰＨＢは左側に偏倚しているため、撮影光学系ＴＬの右側の射出瞳ＥＰＨＢを通過した光束を受光する。よって、画素ＳＨＡを水平方向に規則的に配列し、これらの画素群で取得した被写体像をＡ像とする。また、画素ＳＨＢも水平方向に規則的に配列し、これらの画素群で取得した被写体像をＢ像とすると、Ａ像とＢ像の相対位置を検出し、像のズレ量に対して変換係数を乗じることで被写体像のピントずれ量（デフォーカス量）を算出できる。

なお、画素ＳＨＡ及びＳＨＢでは、撮影画面の横方向に輝度分布を有した被写体、例えば縦線に対しては焦点検出可能だが、縦方向に輝度分布を有する横線は焦点検出不能である。そこで本実施形態では、後者についても焦点検出できるよう、撮影光学系の垂直方向（縦方向）にも瞳分割を行なう画素も備えている。

図５は、撮影光学系の垂直方向（換言すると上下方向もしくは縦方向）に瞳分割を行なうための焦点検出用画素の配置と構造を示す。ここで垂直方向あるいは上下あるいは縦横方向の定義は、撮影光学系の光軸が水平となるようにカメラを構えたとき、光軸に直交し、鉛直方向に伸びる直線に沿った方向を指す。図５（ａ）は、焦点検出用画素を含む２行×２列の画素の平面図で、図４（ａ）と同様に、Ｇ画素は撮像用画素として残し、ＲとＢの画素を焦点検出用画素としている。これを図５（ａ）においてＳＶＣ及びＳＶＤで示す。

図５（ａ）の断面Ａ−Ａを図５（ｂ）に示すが、図４（ｂ）の画素が横方向に瞳分離する構造であるのに対して、図５（ｂ）の画素は瞳分離方向が縦方向になっているだけで、画素の構造としては変わらない。すなわち、画素ＳＶＣの開口部ＯＰＶＣは下側に偏倚しているため、撮影光学系ＴＬの上側の射出瞳ＥＰＶＣを通過した光束を受光する。同様に、画素ＳＶＤの開口部ＯＰＶＤは上側に偏倚しているため、撮影光学系ＴＬの下側の射出瞳ＥＰＶＤを通過した光束を受光する。よって、画素ＳＶＣを垂直方向に規則的に配列し、これらの画素群で取得した被写体像をＣ像とする。また、画素ＳＶＤも垂直方向に規則的に配列し、これらの画素群で取得した被写体像をＤ像とすると、Ｃ像とＤ像の相対位置を検出することで、垂直方向に輝度分布を有する被写体像のピントずれ量（デフォーカス量）が検出できる。

図６は、撮像用画素および焦点検出用画素の配置を示した図である。図６において、Ｇは、緑フィルタを塗布された画素、Ｒは、赤フィルタを塗布された画素、Ｂは、青フィルタを塗布された画素である。図中のＳＨＡは、画素部の開口を水平方向に偏倚させて、形成された焦点検出用の画素であり、後述のＳＨＢ画素群との水平方向の像ずれ量を検出するための基準画素群である。また、ＳＨＢは、画素の開口部をＳＨＡ画素とは、逆方向に偏倚させて形成された画素であり、ＳＨＡ画素群との水平方向の像ずれ量を検出するための参照画素群である。ＳＨＡ、ＳＨＢ画素の白抜き部分が、偏倚した画素の開口位置を示している。

ここで、像ズレ量からデフォーカス量を算出するための変換係数の求め方について説明する。変換係数は結像光学系の口径情報、及び焦点検出用画素の感度分布に基づいて算出することができる。イメージセンサ１１２には撮影レンズＴＬのレンズ保持枠や絞り２０２などのいくつかの構成部材によって制限された光束が入射する。図７は撮影光学系のケラレにより、焦点検出に用いる光束が限定されている様子を示す図である。図７はイメージセンサの中央近傍の画素に対して、射出瞳面７０１の位置にある結像光学系の絞り７０２によって光束が限定されている様子を示している。図７（ａ）において、７０３、７０４はイメージセンサ（７０３は予定結像面位置）、７０５は光軸、７０６はイメージセンサ上での光軸位置、７０７、７０８は絞りによって光束が限定された場合の光束、７０９、７１０は光束が限定されていない場合の光束を示している。光束７０７、７０８に対する焦点検出用光束を７１１、７１２、焦点検出用光束の重心位置を７１５、７１６で示す。同様に、光束７０９、７１０に対する焦点検出用光束を７１３、７１４、焦点検出用光束の重心位置を７１７、７１８で示す。

図７（ｂ）はイメージセンサの中央の焦点検出用画素の射出瞳面１でのケラレによる重心位置の変化を示した図である。図７（ｂ）において、７２３、７２４はイメージセンサの中央の画素に対して、限定された光束７０７、７０８、及び限定されていない光束７０９、７１０の瞳領域を示し、７２５、７２６は焦点検出用画素ＳＨＡ、ＳＨＢの入射角特性を示している。焦点検出用画素ＳＨＡ、ＳＨＢには、７２１、７２２で示した形状の内側を透過した光束が７２３、７２４で図示した感度分布で入射する。そのため、７２３、７２４で示した形状の内側を透過した焦点検出用光束の分布重心をそれぞれ求めることで、焦点検出に用いる光束が限定されている場合と、限定されていない場合の重心間隔を求めることができる。焦点検出用画素の感度分布情報、及び結像光学系の口径情報を測定及び計算から求めて記憶しておくことで、像ズレ量からデフォーカス量を算出するための変換係数を求めることができる。

図７（ａ）においてデフォーカス量７１９をＤＥＦ、イメージセンサから射出瞳面７０１までの距離７２０をＬ、焦点検出に用いる光束が限定されている場合と、限定されていない場合の重心間隔をそれぞれＧ１（７１５，７１６間距離）、Ｇ２（７１７、７１８間距離）、像ずれ量をＰＲＥＤ１（７２１）、ＰＲＥＤ２（７２２）、像ずれ量をデフォーカス量に変換する変換係数をＫ１、Ｋ２とした場合、以下の式によってデフォーカス量が求まる。

ＤＥＦ＝Ｋ１×ＰＲＥＤ１＝Ｋ２×ＰＲＥＤ２
像ずれ量をデフォーカス量に変換する変換係数Ｋ１、Ｋ２はそれぞれ以下の式によって求まる。

Ｋ１ ＝ Ｌ／Ｇ１
Ｋ２ ＝ Ｌ／Ｇ２
したがって、絞りを変化させることにより、Ｇ値が変化し、デフォーカス検出精度が変わってしまうことになる。

図８は、射出瞳上に形成される絞りの有効径Ｄおよび絞りにより変化する変換係数ＫのうちＧの変化（絞りが変化しても、Ｌは変化しない）を示した図である。図８において、縦軸は、有効径ＤおよびＧの相対値を示している。図中の点線が有効径Ｄ、実線がＧの相対変化をそれぞれ表わしている。基準となる絞りの大きさは、図７の７２４の絞り値であり、たとえばＦ５．６の絞りに相当する。また、図７の７２３の絞りは、たとえばＦ１１に相当する。横軸は、Ｆ値（ＦＮｏ）である。図より有効径Ｄは、ＦＮｏに反比例していることがわかる。また、Ｇは、７２４よりも絞りを明るくしても、焦点検出用画素の感度分布により規制され、１以上に大きくなることはない。また、７２４よりも暗い絞り値では、焦点検出用画素の略楕円形状の感度分布が、円形の絞りによりケラレるために、Ｇの変化は、有効径の減少よりも、大きな減少を示す。

通常、カメラなどの撮像装置では、許容錯乱円をδとすると、これを満足するために必要なデフォーカス検出精度ＤＥＦは、
ＤＥＦ＝Ｆδ
となり、Ｆ（＝Ｄ／Ｌ）を絞ることによって必要な検出デフォーカスの精度は、大きくてもよいことになる。すなわち、Ｇの値を有効径Ｄで除算した結果が、１以上であれば、デフォーカス検出精度は、悪化しないことになる。図８の一点鎖線は、Ｇの値を有効径Ｄで除算したものである。図より明らかなように、７２４よりも絞りを明るくしていくごとに、７２４よりも絞りを暗くしていくごとに、デフォーカス検出精度が悪化していくことがわかる。したがって、デフォーカス検出精度を悪化させないためには、焦点検出用画素のＳＮを向上させて、Ｇの変化による精度悪化分を補う必要がある。

図９は、焦点検出用画素のＳＮを向上させるためのフレーム加算動作を説明する図である。本実施形態では、レンズが合焦位置に移動する間もオーバーラップして焦点検出動作を行なえるものとして、図９では時間が経過するごとにレンズが合焦位置に近づいている様子を示している。図９において、最上部に画像信号の読出しの時間経過を示す。画像信号の読出しの所定周期をＴｓ、現フレームの読み出しサイクルをｎと表し、現フレームの時刻をｎＴｓとしている。各フレームで読み出された最新の画像データにより表示がリフレッシュされる。各フレームで読み出された焦点検出用画素の画像データは内部メモリにスタックして記憶される。画像信号の読出しｎ回目に読み出された焦点検出用画素の画像信号は、焦点検出用画素信号ａ（ｎ）として記憶される。焦点検出領域で得られる画像データは前述したようにＳＨＡ、ＳＨＢの各画素群によって１対の画素データが得られる。画像データの加算処理を施す上では、各画像データの最大値と最小値の差分（ピーク−ボトム値：以下ＰＢ値と称す）が小さい方の像によって加算フレーム数を制御する。そのため、ここでは、ＰＢ値の小さい方の画像データをａ（ｎ）として説明をする。ＰＢ値の小さい方の画像データから画像データの加算数（以下、フレーム加算数と称す）が決定した場合、ＰＢ値の大きい方の画像データでも同数の画像データを加算する。

加算処理の方法としては、まず、現フレームの焦点検出用画素の画像データのＰＢ値としきい値ＰＢｔｈを比較し、これを超えている場合は焦点検出用画素信号を加算画素信号（加算信号）とする。図９においては、時刻ｎＴｓで示されており、焦点検出用画素信号ａ（ｎ）のＰＢ値がしきい値ＰＢｔｈを超えているため、ａ（ｎ）を加算画素信号Ａ（ｎ）としている。

また、最新フレームの焦点検出用画素信号がＰＢｔｈを超えていない場合は、過去フレームで取得した焦点検出用画素の画像データを順に加算していき、加算画素信号のＰＢ値がＰＢｔｈを超えた時点で加算処理を終了し、加算結果を加算画素信号とする。図９においては、時刻（ｎ−２）Ｔｓで示されている。時刻（ｎ−１）Ｔｓでは焦点検出用画素信号ｂ（ｎ−１）のＰＢ値がしきい値ＰＢｔｈを超えておらず、前フレームで取得した焦点検出用画素信号ｃ（ｎ−２）をｂ（ｎ−１）に加算すると、加算画素信号のＰＢ値はしきい値ＰＢｔｈを超える。そのため、ｂ（ｎ−１）＋ｃ（ｎ−２）を加算画素信号Ｂ（ｎ−１）としている。

また、フレーム加算数には上限を設け、上限以上を必要とする場合は上限までの加算データを加算画素信号とする。図９においては、フレーム加算数の上限を３としており、時刻（ｎ−２）Ｔｓで示されている。以上が、加算処理の方法である。

以上、説明したように焦点検出用画素を複数フレームにわたって加算することにより、焦点検出用画素のＳＮを向上することが可能である。さらに、絞りの変化による検出精度の悪化を防止するために、撮影レンズの絞りに応じて、フレーム加算の閾値ＰＢｔｈを設定（閾値設定）すれば、検出精度の悪化を防止することが可能である。たとえば、Ｆ５．６のときの閾値レベルに対して、Ｆ／Ｇの二乗を乗算して閾値を設定すればよい。Ｆ／Ｇの二乗を乗算するのは、ＳＮ比は、信号量Ｓのルートで改善されるという特性のためである。また、Ｆ、Ｇは、それぞれフレーム加算により蓄積中の撮影レンズのＦ値およびそのときの焦点検出用画素の重心間隔である。

このように閾値を設定することで、撮影レンズの絞り値にかかわらず、デフォーカス検出精度を維持することができる。また、撮影レンズのＦ値に応じて、最適なフレーム加算枚数を設定することが可能となり、いたずらに測距時間を長くすることなく低輝度被写体の焦点検出精度の向上を図ることができる。

図１０はイメージセンサの中央から像高を持った位置の画素に対して、レンズ保持枠および絞りによって光束が限定されている様子を示している。また、図７と同一の構成要素には、同一の符号を付与してある。図１０（ａ）において、７０３、７０４はイメージセンサ、７０５は光軸、１００１はイメージセンサ上での光軸位置である。また、１００２、１００３はイメージセンサに最も近い側にあるレンズ保持枠７３０と、被写体に最も近い側にあるレンズの保持枠７３１によって光束が限定された場合の光束を示している。光束１００２、１００３に対する焦点検出用光束を１００４、１００５、焦点検出用光束の重心位置を１００６、１００７で示す。

図１０（ｂ）はイメージセンサの中央から像高を持った位置の焦点検出用画素の射出瞳面１でのケラレによる重心位置を示した図である。図１０（ｂ）において、１００８はイメージセンサの中央から像高を持った画素に対して、限定された光束１００２、１００３の瞳領域を示し、１００９、１０１０は焦点検出用画素ＳＨＡ、ＳＨＢの入射角特性を示している。焦点検出用画素ＳＨＡ、ＳＨＢには、１００８で示した形状の内側を透過した光束が１００９、１０１０で図示した感度分布で入射する。そのため、１００８で示した形状の内側を透過した焦点検出用光束の分布重心をそれぞれ求めることで、焦点検出に用いる光束がレンズの保持枠によって限定されている場合の重心間隔を求めることができる。焦点検出用画素の感度分布情報、及び結像光学系の口径情報を測定及び計算から求めて記憶しておくことで、像ズレ量からデフォーカス量を算出するための変換係数を求めることができる。

また、図１０（ｂ）に示された、７２３、７２４は、図７で説明した７０２の絞りにより限定される光束の瞳領域を示している。像高の高い位置の画素から絞りを見た場合、円形の絞りは略楕円のような形状を示している。図より明らかなように、像高を持った位置の画素は、所定以上の絞りよりも明るい絞りでは、レンズ保持枠により、所定よりも暗い絞りでは、絞りにより光束が限定されることがわかる。どちらの要因が支配的であるかは、レンズ保持枠の位置や大きさ、撮影レンズの入射瞳の大きさ位置により決定され、一眼レフなどのようにレンズ交換式のシステムでは、レンズごとに、設定する必要がある。また、ズームレンズのような撮影レンズでは、ズーム位置ごとに設定する必要があるのは言うまでもない。

図１０（ａ）において、レンズ保持枠により光束が限定された場合、デフォーカス量７１９をＤＥＦ、イメージセンサ７０３の撮像面から射出瞳面７０１までの距離７２０をＬ、焦点検出に用いる光束がレンズの保持枠によって限定されている場合の重心間隔をそれぞれＧ３（１００６，１００７間距離）、像ずれ量をＰＲＥＤ３（１０１１）、像ずれ量をデフォーカス量に変換する変換係数をＫ３とした場合、以下の式によってデフォーカス量が求まる。

ＤＥＦ ＝ Ｋ３×ＰＲＥＤ３
像ずれ量をデフォーカス量に変換する変換係数Ｋ３は以下の式によって求まる。

Ｋ３ ＝ Ｌ／Ｇ３
また、絞りが所定よりも絞られた場合には、絞りにより光束が限定され、像高位置により、重心間隔は、光軸中心よりも短くなる。像ずれ量をＰＲＥＤ４、像ずれ量をデフォーカス量に変換する変換係数をＫ４とした場合、以下の式によってデフォーカス量が求まる。

ＤＥＦ ＝ Ｋ４×ＰＲＥＤ４
像ずれ量をデフォーカス量に変換する変換係数Ｋ４は以下の式によって求まる。

Ｋ４ ＝ Ｌ／Ｇ４
像高位置が高くなると、絞り値のほかに、レンズ保持枠も加味して、フレーム加算の閾値を設定して焦点検出精度の悪化を防止する必要がある。また、同一絞りであっても、像高位置で重心間隔が異なるので、これも考慮して閾値を設定する必要がある。設定に関しては、図７で説明した方法と同様の考え方で設定可能なので、説明は省略する。

さらに、近年の撮像素子は、ＩＳＯ感度が、ますます向上し、ＩＳＯ１２８００を超える設定が可能である。ＩＳＯ感度を高感度に設定して撮影する場合、画素のＳＮ自体は、悪化するので、焦点検出精度は落ちていく。したがって、前述した口径情報のほかに、ＩＳＯ感度も考慮して、閾値を設定することが望ましい。すなわち、ＩＳＯが、１段あがれば、閾値を２倍に設定し、フレーム加算数を２倍にすれば、焦点検出精度の悪化を防止可能なことはいうまでもない。

Claims (6)

1. 撮影レンズの射出瞳を通過した光束を受光する撮像用画素と前記撮影レンズの射出瞳の一部の領域を通過した光束を受光する焦点検出用画素とが配列された撮像素子と、
   前記焦点検出用画素の出力信号を用いて位相差方式により前記撮影レンズのデフォーカス量を検出する焦点検出手段と、
   前記撮影レンズの口径情報を取得する取得手段と、
   前記取得手段により取得された口径情報と前記焦点検出用画素の位置に基づいて、所定の閾値を設定する閾値設定手段と、
   前記撮像素子から所定の周期で画素信号を読み出す読み出し手段と、
   前記撮像素子から前記所定の周期で読み出された前記焦点検出用画素の画素信号を加算する加算手段と、
   前記加算手段により加算された加算信号を前記所定の閾値と比較する比較手段と、
   前記比較手段の比較により、前記加算信号のレベルが前記所定の閾値を超えた場合に、前記加算手段による加算を終了する制御手段と、を備え、
   前記焦点検出手段は、前記加算手段による加算が終了した加算信号を用いて前記撮影レンズのデフォーカス量を検出することを特徴とする撮像装置。
2. 前記撮影レンズの口径情報は、前記撮影レンズのＦ値の情報を含むことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記撮影レンズの口径情報は、前記撮影レンズの射出瞳の口径の情報を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
4. 前記射出瞳の情報は、前記撮像素子の撮像面から前記射出瞳までの距離の情報であることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
5. 前記撮影レンズの口径情報は、前記撮影レンズのレンズ保持枠のレンズを保持する枠部分の口径と該枠部分の前記撮影レンズの光軸方向の位置の情報を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像装置。
6. 前記閾値設定手段は、さらにＩＳＯ感度の情報を用いて前記所定の閾値を設定することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。