JP6153390B2 - 焦点検出装置およびその制御方法、撮像装置、プログラム、記憶媒体 - Google Patents

Description

本発明は、デジタルカメラ等の撮像装置における焦点検出技術に関するものである。

従来、撮像装置の自動焦点検出方式としては、位相差検出方式というものが一般的に良く知られている。位相差検出方式では、撮影レンズの異なる射出瞳領域を通過した被写体からの光束を、ＡＦセンサの一対のラインセンサ上に結像させる。そして、一対のラインセンサで光電変換して得られた一対の被写体像の相対位置を演算し、撮影レンズのデフォーカス量を検出する。（以下ＡＦ演算という）
特許文献１では、被写体輝度に応じてＡＦセンサの感度を切り替えることにより、精度の高い自動焦点検出をする技術が開示されている。

特開２００７−３５３４号公報

しかしながら、特許文献１に開示された従来技術では、１回目の信号蓄積で、被写体の輝度と設定された感度との関係が適切でない場合は、該設定された感度を切り替えて再び信号蓄積をやり直す。すなわち、１回目の信号蓄積をリセットする。そのため、計２回の信号蓄積を行う必要があり、ＡＦ動作にかかる応答性が低下してしまう。

そこで、本発明は、応答性を低下させることなく、幅広い輝度範囲の被写体に対して、より精度の高い自動焦点検出を行うことを可能にした焦点検出装置を提供することを例示的目的とする。

本発明の一側面としての焦点検出装置は、被写体からの光を受光する光電変換素子の電荷蓄積期間に、前記光電変換素子で生成された電荷を対応する積分容量に転送し、前記積分容量で積分する構成を有する第１のラインセンサと、前記電荷蓄積期間に前記光電変換素子で生成された電荷を、前記電荷蓄積期間の終了まで積分容量に転送せずに画素で蓄積し、前記電荷蓄積期間が終わると対応する積分容量に転送し、前記積分容量で積分する構成を有する第２のラインセンサと、前記第１のラインセンサおよび前記第２のラインセンサの感度を、第１の感度および前記第１の感度よりも低い第２の感度のいずれか一方の感度に設定する感度設定手段と、前記感度設定手段により前記一方の感度に設定された前記第１のラインセンサから得られる信号に基づいて、前記第１のラインセンサおよび前記第２のラインセンサに設定すべき第３の感度を判定する感度判定手段と、前記感度判定手段により判定された前記第３の感度が、前記第１のラインセンサおよび前記第２のラインセンサに設定されている前記一方の感度と同じ場合には、前記第１のラインセンサおよび前記第２のラインセンサの信号に基づいて焦点検出演算を行い、前記第１のラインセンサおよび前記第２のラインセンサに設定されている前記一方の感度と異なる場合には、前記第２のラインセンサのみの信号に基づいて焦点検出演算を行う演算手段と、を有することを特徴とする。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。

本発明によれば、応答性を低下させることなく、幅広い輝度範囲の被写体に対して、より精度の高い自動焦点検出を行うことができる。

本発明の実施例に係わる撮像装置の構成図。 本発明の実施例に係わる撮像装置の光学系の構成図。 本発明の実施例に係わる焦点検出装置の光学構成図。 ラインセンサの配置とＡＦ枠との関係を示す図。 本発明の実施例に係わる焦点検出装置の構成図。 第１タイプのラインセンサを構成する回路の回路図。 第２タイプのラインセンサを構成する回路の回路図。 焦点検出動作のフローチャート。 焦点検出装置の動作を示すタイミングチャート。 ＰＢ信号と蓄積時間の制御方法を説明する図。 被写体の輝度とＳＮ比との関係を示した図。 感度判定を説明するための図。 焦点検出装置の転送動作を示すタイミングチャート。 焦点検出装置の電荷蓄積期間を再開する場合の動作を示すタイミングチャート。

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係わる撮像装置としてのデジタルカメラの構成を示すブロック図である。

カメラ用マイクロコンピュータ（以下ＣＰＵと記載する）１００は、カメラ（撮像装置）の全体を制御する。ＣＰＵ１００には、カメラの各種操作用のスイッチ群２１４を検知するための信号入力回路２０４、撮像センサ（撮像素子、撮像手段）２０６、ＡＥセンサ２０７が接続されている。また、シャッタマグネット２１８ａ，２１８ｂを制御するためのシャッタ制御回路２０８、ＡＦセンサ（焦点検出センサ、焦点検出装置）１０１も接続されている。ＣＰＵ１００は、撮影レンズ３００（図２参照）とはレンズ通信回路２０５を介して信号２１５の伝送がなされ、焦点位置や絞りの制御を行うことができる。カメラの動作はスイッチ群２１４の設定で決定される。

ＡＦセンサ１０１は、ラインセンサ（図４参照）を備えている。ＣＰＵ１００によりＡＦセンサ１０１を制御することで、ラインセンサで得られた被写体のコントラスト分布から、デフォーカス量を検出し、撮影レンズ３００（図２参照）の焦点位置を制御する。ＣＰＵ１００は、ラインセンサからの信号に基づいて、焦点検出演算を行う演算手段としての機能も有している。

ＣＰＵ１００はＡＥセンサ２０７を制御することで、被写体の輝度を検出し、撮影レンズ３００の絞り値やシャッタスピードを決定する。そして、レンズ通信回路２０５を介して絞り値を制御し、またシャッタ制御回路２０８を介してマグネット２１８ａ，２１８ｂの通電時間を調節することでシャッタスピードを制御し、さらに撮像センサ２０６を制御することで撮影動作を行う。

ＣＰＵ１００内には、カメラ動作を制御するためのプログラムを格納したＲＯＭ、変数を記憶するためのＲＡＭ、種々のパラメータを記憶するためのＥＥＰＲＯＭ（電気的消去、書き込み可能メモリ）などの記憶回路２０９が内蔵されている。

次に、図２を参照して、カメラの光学構成について説明する。撮影レンズ（撮影光学系）３００を介して入射した被写体からの光束の大部分はクイックリターンミラー３０５で上方に反射され、ファインダスクリーン３０３上に被写体像として結像される。カメラのユーザーはこの像をペンタプリズム３０１、接眼レンズ３０２を介して観察することができる。被写体からの光束の一部はクイックリターンミラー３０５を透過し、後方のサブミラー３０６で下方へ曲げられて、視野マスク３０７、フィールドレンズ３１１、絞り３０８、二次結像レンズ３０９を経てＡＦセンサ１０１上に結像される。この被写体像を光電変換して得られる像信号を処理することで、撮影レンズ３００の焦点状態を検出することができる。撮影に際しては、クイックリターンミラー３０５が跳ね上がり、全光束は撮像センサ２０６上に結像され、被写体像の露光が行われる。換言すれば、撮像センサ２０６は、撮影光学系により形成された被写体像を光電変換する。

本実施形態における焦点検出装置（図２において、視野マスク３０７から二次結像レンズ３０９までの光学系およびＡＦセンサ１０１から構成される）での焦点検出方式は周知の位相差検出方式である。そして、本実施形態のおける焦点検出装置は、画面内の異なる複数の領域の焦点状態を検出することが可能である。

焦点検出に関わる光学系の詳細な構成を、図３に示す。撮影レンズ３００を通過した被写体からの光束は、サブミラー３０６（図２参照）で反射され、撮像センサ２０６の撮像面と共役な面上にある視野マスク３０７の近傍に一旦結像する。図３では、サブミラー３０６で反射され、折り返された光路を展開して示している。視野マスク３０７は画面内の焦点検出領域（以下、ＡＦ枠とも記す）以外の余分な光を遮光するための部材である。

フィールドレンズ３１１は、絞り３０８の各開口部を撮影レンズ３００の射出瞳付近に結像する作用を有している。絞り３０８の後方には二次結像レンズ３０９が配置されており、一対の２つのレンズから構成され、それぞれのレンズは絞り３０８の各開口部に対応している。視野マスク３０７、フィールドレンズ３１１、絞り３０８、二次結像レンズ３０９を通過した各光束は、ＡＦセンサ１０１上のラインセンサに結像する。

ここで、ＡＦセンサ１０１上のラインセンサと撮影画面内のＡＦ枠との関係について、図４（ａ）〜図４（ｃ）を参照しながら説明する。

図４（ａ）は、ＡＦセンサ１０１のラインセンサの配置を示す図である。ラインセンサ１０２−１ａとラインセンサ１０２−２ａは、互いに並行に隣接して配されている。また、ラインセンサ１０２−１ｂとラインセンサ１０２−２ｂも、同様に並行に隣接して配されている。ラインセンサ１０２−１ａと１０２−１ｂ、ラインセンサ１０２−２ａと１０２−２ｂは、それぞれ二次結像レンズ３０９により対の関係になっており、ラインセンサ１０２−１、ラインセンサ１０２−２を構成する。ラインセンサ１０２−１、１０２−２は、撮影レンズ３００の異なる瞳領域を通過した光を受光する一対のラインセンサであり、これらの一対のラインセンサから出力される２つの被写体像の位相差を検出することにより、デフォーカス量が検出される。なお、図４（ａ）では、一対のラインセンサが図の左右方向に並んで配置されているが、本発明はこれに限定されず、図の上下方向に並ぶように配置されてもよい。また、これに限らず、一対のラインセンサが図の左右方向と上下方向にそれぞれ並ぶように配置されてもよい。

図４（ｂ）には、ラインセンサ１０２−１ａとラインセンサ１０２−２ａの配置の例が示されており、フォトダイオード（光電変換素子）と素子分離領域６１のみを示している。

ここでは、説明を分かりやすくするために、それぞれ５個の画素から構成されるものとしている。ラインセンサ１０２−１ａはフォトダイオード（受光部）６０−Ｕ１〜６０−Ｕ５から構成され、ラインセンサ１０２−２ａはフォトダイオード（受光部）６０−Ｌ１〜６０−Ｌ５から構成される。フォトダイオード６０−Ｕ１〜６０−Ｕ５、フォトダイオード６０−Ｌ１〜６０−Ｌ５は同一の画素ピッチで配されている。

なお、後述するトランジスタなどの回路素子は、遮光層６２の下に設けられ、それぞれフォトダイオード形成領域に隣接して形成されている。

図４（ｃ）は、ファインダ内に表示されるＡＦ枠の配置と、ＡＦセンサ１０１上のラインセンサによるＡＦ視野を示す図である。１点のＡＦ枠に、互いに近接した２組のラインセンサを配置しているため、ラインセンサ１０２−１と１０２−２は、ほぼ同じ被写体像が結像している。

ＡＦセンサ１０１の詳細な回路構成を、図５のブロック図を参照して説明する。二次結像レンズ３０９により結像された被写体像は、ラインセンサ１０２−１、１０２−２で光電変換され、電荷として蓄積される。

ラインセンサ１０２−１は、フォトダイオードを複数個並べたフォトダイオード群１０９−１と、複数個のフォトダイオードのそれぞれに対応した積分容量で構成される積分容量群１１０−１及びメモリ群１１１−１、感度切り替え回路１０３−１で構成される。

ラインセンサ１０２−２は、フォトダイオードを複数個並べたフォトダイオード群１０９−２と、複数個のフォトダイオードのそれぞれに対応した積分容量で構成される積分容量群１１０−２及びメモリ群１１１−２、感度切り替え回路１０３−２で構成される。また、ラインセンサ１０２−２は、ラインセンサ１０２−１とは異なり、転送ゲート群１１２も有するように構成される。

ライン選択回路１０４は、ラインセンサ１０２−１、１０２−２のうち１ラインを選択する。そして、ラインセンサの蓄積信号を後述するＰＢコントラスト検出回路１０５及び出力回路１０８へと送信する機能を持っている。

ＰＢコントラスト検出回路１０５は、ライン選択回路１０４により選択されたラインの画素信号で最も大きな信号（以下、Ｐｅａｋ信号と記す）と、最も小さな信号（以下、Ｂｏｔｔｏｍ信号と記す）を検出する。そして、Ｐｅａｋ信号とＢｏｔｔｏｍ信号の差分信号（以下、ＰＢ信号と記す）を生成し、Ｐｅａｋ信号とＰＢ信号を蓄積停止判定回路１０６へ出力する。

ラインセンサ１０２−１，１０２−２で蓄積された画素信号は、ＣＰＵ１００によりシフトレジスタ１０７を駆動することで、１画素ずつの画素信号として出力回路１０８へ出力される。出力回路１０８では、画素信号からコントラスト成分を取り出し、増幅するなどの処理を行い、ＣＰＵ１００のＡ／Ｄ変換器（不図示）へ出力する。

以下、ラインセンサ（第１のラインセンサ）１０２−１の具体的な回路図を図６に示す。

図６において、ラインセンサ１０２−１はセンサ画素回路部とノイズ除去回路部で構成される。センサ画素回路部はフォトダイオードＰＤ１、積分容量ＣＬ１、メモリ容量ＣＳ１、電流源１、電流源２、ＭＯＳトランジスタＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５、スイッチＳＷＲＥＳ１、ＳＷＳＥＮＳ１、ＳＷＣＨ１で構成される。ノイズ除去回路部は容量ＣＣＬＡＭＰ１、増幅回路ＡＭＰ１、スイッチＳＷＰＴＳ１１、ＳＷＰＴＳ２１、ＳＷＰＴＮ１１、ＳＷＰＴＮ２１、ＳＷＣＬＡＭＰ１、ＳＷＰＨ１ｎで構成される。電圧ＶＲＥＳはリセット電位であり、電圧ＶＣＬＡＭＰはクランプ電位である。出力ＶＯＵＴ１はライン選択回路１０４に接続されている。容量ＣＰＤ１は、フォトダイオード、ＭＯＳトランジスタ、スイッチ、配線等で生ずる寄生容量である。スイッチＳＷＲＥＳ１は、信号φＲＥＳ１でオン／オフ制御される。ＳＷＳＥＮＳ１は、信号φＳＥＮＳでオン／オフ制御される。ＳＷＣＨ１は、信号φＣＨ１でオン／オフ制御される。ＳＷＰＴＳ１１は、信号φＰＴＳ１１でオン／オフ制御される。ＳＷＰＴＳ２１は、信号φＰＴＳ２１でオン／オフ制御される。ＳＷＰＴＮ１１は、信号φＰＴＮ１１でオン／オフ制御される。ＳＷＰＴＮ２１は、信号φＰＴＮ２１でオン／オフ制御される。ＳＷＣＬＡＭＰ１は、信号φＣＬＡＭＰ１でオン／オフ制御される。ＳＷＰＨ１ｎは、信号φＰＨ１ｎでオン／オフ制御される。本実施例において、ラインセンサ１０２−１は、電荷蓄積期間に、フォトダイオードＰＤ１で生成された電荷を対応する積分容量に転送し、該積分容量で積分する構成を有する。

次に、ラインセンサ（第２のラインセンサ）１０２−２の具体的な回路図を図７に示す。

図７において、ラインセンサ１０２−２はセンサ画素回路部とノイズ除去回路部で構成される。センサ画素回路部はフォトダイオードＰＤ２、積分容量ＣＬ２、メモリ容量ＣＳ２、電流源１、電流源２、ＭＯＳトランジスタＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５、スイッチＳＷＲＥＳ２、ＳＷＳＥＮＳ２、ＳＷＣＨ２で構成される。ノイズ除去回路部は容量ＣＣＬＡＭＰ２、増幅回路ＡＭＰ２、スイッチＳＷＰＴＳ１２、ＳＷＰＴＳ２２、ＳＷＰＴＮ１２、ＳＷＰＴＮ２２、ＳＷＣＬＡＭＰ２、ＳＷＰＨ２ｎで構成される。電圧ＶＲＥＳはリセット電位であり、電圧ＶＣＬＡＭＰはクランプ電位である。出力ＶＯＵＴ２はライン選択回路１０４に接続されている。容量ＣＰＤ２は、フォトダイオード、ＭＯＳトランジスタ、スイッチ、配線等で生ずる寄生容量である。スイッチＳＷＲＥＳ２は、信号φＲＥＳ２でオン／オフ制御される。ＳＷＳＥＮＳ２は、信号φＳＥＮＳでオン／オフ制御される。ＳＷＣＨ２は、信号φＣＨ２でオン／オフ制御される。ＳＷＰＴＳ１２は、信号φＰＴＳ１２でオン／オフ制御される。ＳＷＰＴＳ２２は、信号φＰＴＳ２２でオン／オフ制御される。ＳＷＰＴＮ１２は、信号φＰＴＮ１２でオン／オフ制御される。ＳＷＰＴＮ２２は、信号φＰＴＮ２２でオン／オフ制御される。ＳＷＣＬＡＭＰ２は、信号φＣＬＡＭＰ２でオン／オフ制御される。ＳＷＰＨ２ｎは、信号φＰＨ２ｎでオン／オフ制御される。本実施例において、ラインセンサ１０２−２は、電荷蓄積期間にフォトダイオードＰＤ２で生成された電荷を、電荷蓄積期間の終了まで積分容量に転送せずに画素で蓄積する構成を有する。そして、電荷蓄積期間が終わると対応する積分容量に転送し、該積分容量で積分する構成を有する。

このように、ラインセンサ１０２−２は、図６で示されるラインセンサ１０２−１と同様の構成を有する。しかしながら、図６で示されるラインセンサ１０２−１の回路に対して、フォトダイオードＰＤ２とＭＯＳトランジスタＭ１の間に、転送ゲートＭＴＸが配置されている。転送ゲートＭＴＸは、信号φＴＸにより制御され、電荷転送動作を行う。

φＳＥＮＳがローレベルの時、スイッチＳＷＳＥＮＳ１とＳＷＳＥＮＳ２はオフとなりトランジスタＭ１には容量ＣＰＤ１及びＣＰＤ２のみが接続されラインセンサ１０２−１、１０２―２は高感度に設定される。φＳＥＮＳがハイレベルの時、スイッチＳＷＳＥＮＳ１とＳＷＳＥＮＳ２はオンとなりトランジスタＭ１には容量ＣＰＤ１、ＣＬ１及び容量ＣＰＤ２、ＣＬ２が接続されラインセンサ１０２−１、１０２―２は低感度に設定される。

以上のように構成された焦点検出装置の動作を、図８のフローチャートに基づいて詳細に説明する。スイッチ群２１４の操作により焦点検出の開始信号を受信したら、ＣＰＵ１００からＡＦセンサ１０１を制御することで焦点検出動作を開始する。

ステップＳ８００では、ＣＰＵ１００からＡＦセンサ１０１を制御することで、感度切り替え回路（感度設定手段）１０３によりラインセンサ１０２−１および１０２−２の感度を所定の感度に設定する。ここでは、φＳＥＮＳをローレベルとして高感度に設定するが、高感度（第１の感度）および低感度（第１の感度より低い第２の感度）のいずれか一方を設定すればよい。

次のステップＳ８０１では、ＣＰＵ１００によりＡＦセンサ１０１を制御し、ラインセンサ１０２−１については画素リセット動作、回路リセット動作、ノイズ記憶動作を行い、ラインセンサ１０２−２については画素リセット動作を行う。次のステップＳ８０２では、ラインセンサ１０２−１および１０２−２の電荷蓄積期間を開始する。

ステップＳ８０３において、蓄積停止判定回路１０６によるラインセンサ１０２−１の蓄積停止判定がされると、ステップＳ８０４へと進み、ラインセンサ１０２−１の信号保持動作を行う。

ステップＳ８００からＳ８０４における回路動作について、図９のタイミングチャートを用いて説明する。

信号φＲＥＳ１、φＳＥＮＳ、φＣＨ１、φＰＴＮ１１、φＰＴＮ２１、φＣＬＡＭＰ１をハイレベルにして、フォトダイオードＰＤ１、容量ＣＬ１、ＣＰＤ１、ＣＳ１、ＣＣＬＡＭＰ１をリセットする。

同時に信号φＲＥＳ２、φＣＨ２、φＰＴＳ１２、φＰＴＳ２２、φＣＬＡＭＰ２、φＴＸをハイレベルにして、フォトダイオードＰＤ２、容量ＣＬ２、ＣＰＤ２、ＣＳ２、ＣＣＬＡＭＰ２をリセットする。

その後、信号φＴＸ、φＳＥＮＳを順次ローレベルとしてラインセンサ１０２−１、１０２―２を高感度に設定し、φＲＥＳ１、φＰＴＮ２１、φＰＴＮ１１を順次ローレベルとする。このとき、ラインセンサ１０２−１のセンサ画素回路部のオフセット電圧をＶＯＳ１、増幅回路ＡＭＰ１のオフセット電圧をＶＯＳ２、スイッチＳＷＳＥＮＳ１をオフすることによって生じるノイズ電圧をＶＮ１とすると、容量ＣＣＬＡＭＰ１には、下記式（１）
ＶＣＰ１＝（ＶＲＥＳ＋ＶＯＳ１＋ＶＯＳ２＋ＶＮ１） − ＶＣＬＡＭＰ・・・（１）
に相当する電荷が充電されノイズが記憶される。

さらに信号φＰＴＳ１１をハイレベルとして容量ＣＣＬＡＭＰ１と増幅回路ＡＭＰ１を接続し、その後、信号φＣＬＡＭＰ１をローレベルとしてノイズ記憶動作を終了する。

次に信号φＰＴＳ２１、φＰＨ１ｎをオンして電荷蓄積期間を開始する。蓄積した電荷を積分して得られる信号をＳとすると、センサ画素回路部の出力ＶＳＥＮＳ１は下記式（２）であらわされる。
ＶＳＥＮＳ１＝ＶＲＥＳ＋ＶＯＳ１＋ＶＮ１＋Ｓ・・・（２）
さらに、増幅回路ＡＭＰ１の入力ＶＩＮ１は、前述した容量ＣＣＬＡＭＰ１に記憶されたノイズ電圧が引かれ、下記式（３）であらわされる。
ＶＩＮ１ ＝ ＶＳＥＮＳ１−ＶＣＰ１ ＝ Ｓ−ＶＯＳ２＋ＶＣＬＡＭＰ・・・（３）
したがって、センサ出力ＶＯＵＴ１は下記式（４）であらわされる。
ＶＯＵＴ１＝ＶＩＮ１＋ＶＯＳ２ ＝ Ｓ＋ＶＣＬＡＭＰ・・・（４）
以上の様にノイズ除去回路部により蓄積信号からノイズを除去し、精度の高いＰＢコントラスト検出が可能となる。

ステップＳ８０３において、ＰＢコントラスト検出回路１０５は、ライン選択回路１０４により選択されたラインセンサ１０２−１からの信号に基づいて、ＰＢ信号を生成する。

図１０は、ＰＢコントラスト検出回路１０５からの出力信号であるＰＢ信号の信号量と蓄積時間の関係を示した図である。蓄積時間０が蓄積開始タイミング（電荷蓄積期間の開始）であり、時間が経過するほどＰＢ信号は増加していく。蓄積停止判定回路（蓄積停止判定手段）１０６は、ＰＢ信号と蓄積停止レベルとを比較判定する。

また、蓄積停止判定回路１０６はＰｅａｋ信号とＰｅａｋ信号の蓄積停止レベルの比較判定もして、Ｐｅａｋ信号とＰｅａｋ信号蓄積停止レベルとを比較判定する。

ＰＢ信号、またはＰｅａｋ信号のどちらか一方がそれぞれの蓄積停止レベルよりも大きくなった時点で、ＣＰＵ１００は蓄積終了タイミング（電荷蓄積期間の終了）を決定（蓄積停止判定）し、ラインセンサ１０２−１へ蓄積停止信号を出力する。そして、ステップＳ８０４へ進む。

また、ＰＢ信号とＰｅａｋ信号が所定の時間内に目標値（各蓄積停止レベル）に達しなかった場合は、強制的に蓄積を停止するために、ラインセンサ１０２−１へ蓄積停止信号を出力し、ステップＳ８０４へ進む。

ステップＳ８０４では、ラインセンサ１０２−１では、蓄積停止信号を受け、φＣＨ１をローレベルとし、蓄積された電荷に対応した信号を、容量ＣＳ１に保持する。

その後、ＣＰＵ１００へ蓄積終了信号と蓄積時間、Ｐｅａｋ信号、Ｂｏｔｔｏｍ信号、ＰＢ信号を出力する。このように、ラインセンサ１０２−１は、電荷蓄積期間の終了まで感度を切り替えずに電荷蓄積を行う第１の蓄積モードを有する。

感度判定工程としてのステップＳ８０５では、ＣＰＵ１００（感度判定手段）は、被写体のコントラスト情報と輝度情報からラインセンサの設定すべき感度（第３の感度）を判定する。

ここで、感度判定について詳細に説明する。図１１に被写体の輝度とＡＦセンサ出力のＳＮ比との関係を示す。

図１１（ａ）は被写体のコントラストが、所定の値Ｃｔｈより高い（すなわち、所定のコントラスト値より高い）場合の図である。この図において、被写体の輝度が高い場合、ＰＢ信号が一定になるように蓄積制御されるので、ＳＮ比は一定の値となる。この輝度範囲では、光ショットノイズが支配的となる。低感度に設定されたラインセンサは、高感度に設定されたラインセンサよりも画素部のダイナミックレンジが大きいので、ＳＮ比が一定となる輝度が高く、さらに光ショットノイズの影響も小さい。このため、高感度に設定されたラインセンサよりも高輝度でのＳＮ比が大きい。ここで、ラインセンサのＳＮ比が、低感度センサ＞高感度センサになる輝度をＬ１（第１の輝度値）とする。

また、被写体の輝度が低い場合、ラインセンサのＰＢ信号量は所定の蓄積時間内では蓄積停止レベルに至らず、蓄積は強制的に停止される。蓄積が強制的に停止される輝度以下では、ＡＦセンサ出力のＳＮ比は急激に劣化する。これは、信号量が少なくなるのに対し、暗電流によるノイズ、回路で発生するノイズなどが変わらないためである。高感度に設定されたラインセンサは、蓄積が強制停止となる輝度が低く、低感度に設定されたラインセンサよりも低輝度でのＳＮ比は大きい。ここで、ラインセンサのＳＮ比が、高感度センサ＞低感度センサとなる輝度をＬ２とする。

被写体の輝度がＬ１とＬ２の中間である場合、低感度に設定されたラインセンサと、高感度に設定されたラインセンサのＳＮ比は同程度であり、輝度が高くなるにつれて向上する。

図１１（ｂ）は被写体のコントラストが、所定の値Ｃｔｈ以下（すなわち、所定のコントラスト値以下）の場合の図である。被写体のコントラストが低い場合、ラインセンサからの信号は被写体のコントラスト成分であるため振幅が小さい。このため、高輝度時の光ショットノイズや、低輝度時の暗電流や回路に起因するノイズなどの影響を強く受けやすく、ＳＮ比が全体的に悪くなる。また、高輝度時のラインセンサのＳＮ比が、低輝度センサ＞高輝度センサになる輝度をＬ３（第２の輝度値）とすると、Ｌ１＞Ｌ３となる。一方、低輝度時のラインセンサのＳＮ比が、高感度センサ＞低感度センサになる輝度をＬ４とすると、Ｌ２＜Ｌ４となる。

図１２に被写体のコントラストと輝度、ラインセンサの感度、焦点検出演算精度の関係を示す。被写体のコントラストが低い場合、各種ノイズの影響が大きくなり、それぞれの感度設定で信頼性の高いＡＦ演算のできる輝度範囲が狭くなる。

ステップＳ８０５においては、ステップＳ８０３で得られるＰｅａｋ信号、Ｂｏｔｔｏｍ信号、電荷蓄積時間（電荷蓄積期間）を用いてコントラスト情報と輝度情報を演算する。

例えば、コントラスト情報及び輝度情報は下記式（５）及び（６）で計算される。
コントラスト＝Ｐｅａｋ信号値／Ｂｏｔｔｏｍ信号値・・・（５）
輝度＝Ｐｅａｋ信号値／蓄積時間・・・（６）
ＣＰＵ１００は、コントラスト＞Ｃｔｈであれば、輝度＞Ｌ１で低感度と判定し、コントラスト≦Ｃｔｈであれば、輝度＞Ｌ３で低感度と判定する。また、コントラスト＞Ｃｔｈであって、輝度≦Ｌ１の場合は高感度と判定し、コントラスト≦Ｃｔｈであって、輝度≦Ｌ３の場合は高感度と判定する。

ステップＳ８０５で高感度と判定された場合は、ステップＳ８０６に進む。

ステップＳ８０６ではラインセンサ１０２−２の回路リセット動作とノイズ記憶動作を行い、Ｓ８０７では蓄積された電荷の転送動作を行う。ステップＳ８０６、Ｓ８０７における回路動作について、図１３のタイミングチャートを用いて説明する。

信号φＰＴＳ１２、φＰＴＳ２２をローレベル、信号φＰＴＮ１２、φＰＴＮ２２をハイレベルにして、容量ＣＬ２、ＣＰＤ２、ＣＳ２、ＣＣＬＡＭＰ２をリセットする。

その後、φＲＥＳ２、φＰＴＮ２２、φＰＴＮ１２を順次ローレベルとする。

さらに信号φＰＴＳ１２をハイレベルとして容量ＣＣＬＡＭＰ２と増幅回路ＡＭＰ２を接続し、その後、信号φＣＬＡＭＰ２をローレベルとしてノイズ記憶動作を終了する。

次に信号φＰＴＳ２２をハイレベルとした後、φＴＸをハイレベルにして、フォトダイオードＰＤ２に蓄積された信号電荷を容量ＣＰＤ２へ転送し積分する。その後φＴＸをローレベルとして転送を終了した後、φＣＨ２をローレベルとし、容量ＣＳ２に信号を保持する。

出力ＶＯＵＴ２から得られる信号は、ラインセンサ１０２−１と同様に、ノイズ除去回路部により蓄積信号からノイズが除去されたものとなる。なお、ラインセンサ１０２−２から得られるＶＳＥＮＳ２、ＶＩＮ２、およびＶＯＵＴ２の算出などは、上記のラインセンサ１０２−１で説明した内容と同様である。

次に、ステップＳ８０５で低感度と判定された場合は、ステップＳ８０８に進む。

ステップＳ８０８では、ラインセンサ１０２−１および１０２−２を低感度に設定し、ステップＳ８０９でラインセンサ１０２−１の電荷蓄積期間を再開する。ここで、ステップ８０８は、ステップＳ８００で設定した所定の感度とステップＳ８０５で判定した感度とが異なる場合に実行されるステップであり、ステップＳ８０５で判定した感度に合わせるように、感度の切り替えを行う。換言すれば、ステップＳ８０８では、ステップＳ８００で設定した高感度および低感度のうち一方から他方への切り替えを行っている。この際、ラインセンサ１０２−１の画素リセット動作、回路リセット動作、ノイズ記憶動作は行わない。ラインセンサ１０２−１とラインセンサ１０２−２にはほぼ同じ被写体像が結像しており、同等の電荷が蓄積されている。各リセット動作を行わないことにより、ラインセンサ１０２−１をラインセンサ１０２−２の電荷蓄積状態を検知するモニタセンサとして用いることができる。

ステップＳ８１０にて、Ｓ８０３と同様の蓄積停止判定動作を行い、蓄積停止が判定されると、ステップＳ８１１に進み、ラインセンサ１０２−１の信号保持動作を行った後にステップＳ８１２へ進む。このように、ラインセンサ１０２−１は、電荷蓄積期間の途中で感度を切り替え、電荷蓄積期間の終了まで切り替えた感度のまま電荷蓄積を行う第２の蓄積モードを有する。

ステップＳ８０８からＳ８１１における回路動作について、図１４のタイミングチャートを用いて説明する。

信号φＳＥＮＳをハイレベルとして、ラインセンサ１０２−１および１０２−２を低感度に設定する。その後、φＣＨ１、φＰＨｎ１をハイレベルとして、電荷蓄積期間を再開する。そして、蓄積停止が判定されると、φＣＨ１をローレベルとし、容量ＣＳ１に信号を保持する。

ステップＳ８１２とＳ８１３では、信号φＳＥＮＳをハイレベルとして感度を低感度に設定した状態で、図１３と同様のラインセンサ１０２−２の回路リセット動作とノイズ記憶動作、と電荷の転送動作を行う。ここで、ラインセンサ１０２−２では、感度が高感度から低感度に切り替わったとしても、画素リセット動作は行われない。つまり、ラインセンサ１０２−２の電荷蓄積期間は、ステップＳ８０５で判定された感度がラインセンサ１０２−２に設定されている感度と異なる場合においても、ステップＳ８０５の前後で継続して行われる。つまり、ラインセンサ１０２−２のステップＳ８０２の電荷蓄積期間開始から電荷の転送動作が行われるまでの電荷蓄積期間は、一回分の電荷蓄積期間となる。このように、本発明によれば、ラインセンサの感度を切り替える必要がある場合においても、ＡＦ動作に必要な電荷蓄積期間は一回分で済み、従来技術のようにリセットして信号蓄積をやり直す必要がない。したがって、ＡＦ動作の応答性が低下してしまうのを防止することができる。また、感度を適切な感度（高感度又は低感度）に設定したラインセンサを用いて焦点検出を行うため、幅広い輝度範囲の被写体に対して、より精度の高い自動焦点検出を行うことができる。なお、ラインセンサ１０２−２では、電荷の転送動作を行う直前に回路リセット動作を行っている。これにより、電荷蓄積期間中に積分容量群１１０−２やメモリ回路群１１１−２で発生するノイズが積分容量群１１０−２やメモリ回路群１１１−２に多量に蓄積されることを防止することができる。

ステップＳ８０７またはＳ８１３でラインセンサ１０２−２の転送動作が終了すると、ステップＳ８１４に進み、ラインセンサからの信号がＣＰＵ１００に読みだされる。この際、ラインセンサ１０２−１及びラインセンサ１０２−２からの信号は、それぞれノイズが記憶されたノイズ除去回路部を経由し、ノイズが除去されて出力される。ただし、ラインセンサ１０２−１においては、高感度に設定された時のノイズのみが記憶されているため、処理フローがステップＳ８０８〜Ｓ８１３を経由している場合は、正しくノイズの除去がされない。

ライン選択工程であるＳ８１５では、どのラインセンサから読みだされた信号をＡＦ演算に用いるかの選択をする。処理フローがステップＳ８０６、Ｓ８０７を経由している場合は、ラインセンサ１０２−１、ラインセンサ１０２−２からの信号の両方を選択する。また、処理フローがステップＳ８０８〜Ｓ８１３を経由している場合は、ラインセンサ１０２−１からの信号は前述のようにノイズが正しく除去されていないため、ＡＦ演算には用いず、ラインセンサ１０２−２からの信号のみ選択する。

ステップＳ８１６では、ＣＰＵ１００は選択されたラインセンサからの信号を用いてＡＦ演算を行う。

ラインセンサ１０２−１、ラインセンサ１０２−２からの信号の両方を選択した場合は、それぞれの信号から得られたＡＦ演算結果を平均する。これにより、演算精度が統計的に向上する。

被写体のコントラスト及び輝度が十分に高い場合は、ラインセンサ１個（すなわち、ラインセンサ１０２−２）のみからの信号でＡＦ演算を行っても、十分な精度が得られる。また、被写体のコントラスト及び輝度が低い場合は、２個のラインセンサ（すなわち、ラインセンサ１０２−１および１０２−２）からの信号を用いるため、精度の高いＡＦ演算が可能となる。

以上のように、本実施例では、２種類のラインセンサを用いて焦点検出を行うことにより、一回の焦点検出動作で、応答性を低下させることなく、幅広い輝度範囲の被写体に対して、適切な感度に設定されたランセンサで焦点検出することができる。

本実施例では、ステップＳ８００で高感度に設定して動作する場合について説明したが、
テップＳ８００で低感度に設定して動作させてもよい。この場合、ステップＳ８０５での感度判定において、ステップＳ８０３で得られるＰｅａｋ信号、Ｂｏｔｔｏｍ信号、蓄積時間を用いてコントラスト情報と輝度情報を演算し、コントラスト＞Ｃｔｈであれば、輝度＞Ｌ２で低感度と判定する。また、コントラスト≦Ｃｔｈであれば、輝度＞Ｌ４で低感度と判定する。このような判定条件にすることで、低感度に設定されたラインセンサ１０２−１からの信号を幅広い輝度範囲で使用することができ、２個のラインセンサからの信号を用いた精度の高いＡＦ演算が可能となる。本発明によれば、焦点検出装置に用いられるＡＦセンサにおいて、応答性を低下させることなく、より幅広い輝度範囲で良好なＳＮ比を得ることが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
（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。

１０２−１ ラインセンサ
１０２−２ ラインセンサ
１０３ 感度切り替え回路
１００ ＣＰＵ

Claims (14)

1. 被写体からの光を受光する光電変換素子の電荷蓄積期間に、前記光電変換素子で生成された電荷を対応する積分容量に転送し、前記積分容量で積分する構成を有する第１のラインセンサと、
   前記電荷蓄積期間に前記光電変換素子で生成された電荷を、前記電荷蓄積期間の終了まで積分容量に転送せずに画素で蓄積し、前記電荷蓄積期間が終わると対応する積分容量に転送し、前記積分容量で積分する構成を有する第２のラインセンサと、
   前記第１のラインセンサおよび前記第２のラインセンサの感度を、第１の感度および前記第１の感度よりも低い第２の感度のいずれか一方の感度に設定する感度設定手段と、
   前記感度設定手段により前記一方の感度に設定された前記第１のラインセンサから得られる信号に基づいて、前記第１のラインセンサおよび前記第２のラインセンサに設定すべき第３の感度を判定する感度判定手段と、
   前記感度判定手段により判定された前記第３の感度が、前記第１のラインセンサおよび前記第２のラインセンサに設定されている前記一方の感度と同じ場合には、前記第１のラインセンサおよび前記第２のラインセンサの信号に基づいて焦点検出演算を行い、前記第１のラインセンサおよび前記第２のラインセンサに設定されている前記一方の感度と異なる場合には、前記第２のラインセンサのみの信号に基づいて焦点検出演算を行う演算手段と、
   を有することを特徴とする焦点検出装置。
2. 前記焦点検出装置は、前記感度判定手段により判定された前記第３の感度が前記第１のラインセンサおよび前記第２のラインセンサに設定されている前記一方の感度と異なる場合、前記第１のラインセンサは前記第２のラインセンサの電荷蓄積状態を検知し、前記電荷蓄積状態に基づいて前記電荷蓄積期間の終了を決定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. 前記電荷蓄積期間は、前記感度判定手段により判定された前記第３の感度が前記第１のラインセンサおよび前記第２のラインセンサに設定されている前記一方の感度と異なる場合においても、前記第３の感度が判定される前後で継続していることを特徴とする請求項１または２に記載の焦点検出装置。
4. 前記感度設定手段は、前記感度判定手段により判定された前記第３の感度が前記第１のラインセンサおよび前記第２のラインセンサに設定されている前記一方の感度と異なる場合は、前記第１のラインセンサおよび前記第２のラインセンサの感度を前記第３の感度と同じになるように、感度の設定を切り替え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. 前記感度判定手段は、前記第１のラインセンサからの信号と電荷蓄積期間から演算した被写体のコントラスト情報および輝度情報から、前記第３の感度を判定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. 前記感度判定手段は、
   演算した前記コントラスト情報が所定のコントラスト値より高く、かつ、演算した前記輝度情報が第１の輝度値より高い場合は、前記第３の感度が前記第２の感度であると判定し、
   演算した前記コントラスト情報が前記所定のコントラスト値以下で、かつ、演算した前記輝度情報が第２の輝度値より高い場合は、前記第３の感度が前記第２の感度であると判定し、
   前記第１の輝度値は、前記第２の輝度値よりも高いことを特徴とする請求項５に記載の焦点検出装置。
7. 前記第１のラインセンサは、
   前記一方の感度に設定された後、前記電荷蓄積期間を開始し、前記電荷蓄積期間の終了まで前記一方の感度のままで蓄積する第１の蓄積モードと、
   前記一方の感度に設定された後、前記電荷蓄積期間を開始し、前記電荷蓄積期間の途中で感度を前記第１の感度および前記第２の感度の他方に切り替え、前記電荷蓄積期間の終了まで切り替えた感度のままで蓄積する第２の蓄積モードを有し、
   前記一方の感度と前記感度判定手段で判定された前記第３の感度が同じである場合は、前記第１の蓄積モードで制御され、
   前記一方の感度と前記感度判定手段で判定された前記第３の感度が異なる場合は、前記第２の蓄積モードで制御され、
   前記第１の蓄積モードで得られた信号は焦点検出演算に用い、前記第２の蓄積モードで得られた信号は焦点検出演算に用いないことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の焦点検出装置。
8. 前記第２の蓄積モードは、画素リセット動作、回路リセット動作およびノイズ記憶動作をした後に前記電荷蓄積期間を開始し、前記電荷蓄積期間の途中で感度を切り替えた時には、回路リセット動作およびノイズ記憶動作をしないことを特徴とする請求項７に記載の焦点検出装置。
9. 前記第２のラインセンサは、
   画素リセット動作をしたのちに前記電荷蓄積期間を開始し、
   前記感度判定手段により判定された前記第３の感度が前記第１のラインセンサおよび前記第２のラインセンサに設定されている前記一方の感度と異なる場合に、前記画素リセット動作をせずに、前記一方から他方の感度に切り替え、前記電荷蓄積期間が終了する際に、回路リセット動作およびノイズ記憶動作を行った後に、電荷を対応する積分容量に転送する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. 撮影光学系により形成された被写体像を光電変換する撮像手段と、
    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、
    を有することを特徴とする撮像装置。
11. 被写体からの光を受光する光電変換素子の電荷蓄積期間に、前記光電変換素子で生成された電荷を対応する積分容量に転送し、前記積分容量で積分する構成を有する第１のラインセンサと、前記電荷蓄積期間に前記光電変換素子で生成された電荷を、前記電荷蓄積期間の終了まで積分容量に転送せずに画素で蓄積し、前記電荷蓄積期間が終わると対応する積分容量に転送し、前記積分容量で積分する構成を有する第２のラインセンサと、を有する焦点検出装置の制御方法であって、
    前記第１のラインセンサおよび前記第２のラインセンサの感度を、第１の感度および前記第１の感度よりも低い第２の感度のいずれか一方の感度に設定する設定ステップと、
    前記設定ステップにより前記一方の感度に設定された前記第１のラインセンサから得られる信号に基づいて、前記第１のラインセンサおよび前記第２のラインセンサに設定すべき第３の感度を判定する判定ステップと、
    前記判定ステップにより判定された前記第３の感度が、前記第１のラインセンサおよび前記第２のラインセンサに設定されている前記一方の感度と同じ場合には、前記第１のラインセンサおよび前記第２のラインセンサの信号に基づいて焦点検出演算を行い、前記第１のラインセンサおよび前記第２のラインセンサに設定されている前記一方の感度と異なる場合には、前記第２のラインセンサのみの信号に基づいて焦点検出演算を行う演算ステップと、
    を有することを特徴とする焦点検出装置の制御方法。
12. 前記判定ステップにより判定された前記第３の感度が前記第１のラインセンサおよび前記第２のラインセンサに設定されている前記一方の感度と異なる場合は、前記第１のラインセンサおよび前記第２のラインセンサの感度を前記第３の感度と同じになるように、感度の設定を切り替える切り替えステップをさらに有することを特徴とする請求項１１に記載の焦点検出装置の制御方法。
13. 請求項１１または１２に記載の焦点検出装置の制御方法の手順が記述された、コンピュータで実行可能なプログラム。
14. コンピュータに、請求項１１または１２に記載の焦点検出装置の制御方法のステップを実行させるためのプログラムが記憶されたコンピュータが読み取り可能な記憶媒体。