JP6153424B2 - 焦点検出装置および撮像装置並びに焦点検出方法、プログラム - Google Patents

Description

本発明は、位相差方式の焦点検出装置および撮像装置並びに焦点検出方法、プログラムに関する。

近年の撮像装置には、オートフォーカスに用いられる焦点検出装置が搭載されている。

一眼レフカメラにおいて一般的に用いられる位相差検出方式の焦点検出装置では、回動ミラーをハーフミラーとし、この回動ミラーを透過した光束を第２の反射鏡によってカメラのミラーボックス下部方向に反射させる。そして、撮影光学系の予定焦点面と略共役となる位置に設けられた集光レンズを透過させたのち、集光レンズからの光束を２次結像光学系に導き、２次結像面上に配置された受光素子上に被写体像を再結像させる。

２次結像光学系は、入射瞳が撮影光学系の射出瞳の異なる部分に対応するように２つを１組(１対)として設けられており、１組の被写体像を形成する。これらの被写体像の相対的な位置ずれ量を計測することによって合焦状態が検出される。

しかしながら、撮影レンズの色収差によって波長毎に結像位置が異なるとき、被写体の色によって位相差検出方式の焦点検出装置の検出結果に誤差（ピントずれ）が生じる。この誤差は、焦点検出装置のセンサーがモノクロの感度しか持っていないため、被写体の色を見分けることができないために生じる。

図３のように、測距領域内に複数の色の被写体（例えば、花びらと葉）が含まれるとき、一つの測距領域内に複数のベストピント位置が存在するため、モノクロの感度しか持たないセンサーでは、適切な焦点位置を検出することができない。

特許文献１では、測光用センサを用いて被写体の色の分光強度比を検出することによって補正値を計算している。

特開２００６-３１７５９５号公報

図６（ａ）、（ｂ）は、測光用センサと、位相差検出方式の焦点検出手段の受光素子に関して、被写体を撮像光学系を通して見たときのそれぞれの出力分布を示している。図７（ａ）は、赤、緑、青の３つの波長領域に分光感度を持った測光用センサの各色の出力分布を示した図である（分光感度の一例を図４に示す）。

図６（ａ）において、輝度の最大値は、赤、緑、青の順に高いため、この被写体では赤の反射光が最も多くなり、この被写体を主に構成する色は赤となる。一方、焦点検出手段の受光素子は単色の感度しか持たないモノクロセンサーであり、赤、緑、青の輝度の振動が全て足し合わされた状態で検出される。位相差検出方式による焦点検出装置では、図６（ｂ）の出力分布を用いてデフォーカス量を検出する。図６（ｂ）において、赤、緑、青のうち最もコントラストが高い色は青色となり、焦点検出装置にとって最も影響度が高い色は、被写体を主に構成する色である赤色ではなく青色になる。

また、図７のように、振幅は全て同じでその振動の周波数が異なっているときでも同様である。位相差検出方式の焦点検出手段では、空間周波数が高い色が検出結果に大きな影響を与えるため、焦点検出手段にとって最も影響が高い色は青色となる。

そこで、測光用センサで色別のコントラストを計算し、焦点検出手段の受光素子に最も影響を与える色を判定することで、本来合焦するべき色との差分を補正すれば良い。しかしながら、測光用センサと、位相差検出方式の焦点検出手段の受光素子の２種類の撮像素子のサンプリング周波数が異なるとき、補正値に誤差が生じてしまう。

図７（ａ）、（ｂ）は、被写体を測光用センサで撮像したときの波長領域ごとの出力分布およびそれらの足し合わせを示したものである。図７（ａ）は全ての色でパターンの中心値が同じ場合、図７（ｂ）は中心値が異なる場合について示している。図８は、図７（ａ）の測光用センサの出力分布を焦点検出手段の受光素子のサンプリング周波数でサンプリングしたときの出力分布である。

ここで、焦点検出手段の撮像素子の画素配列ピッチに相当するサンプリング周波数が、測光用センサとしての撮像素子の画素配列ピッチに相当するサンプリング周波数よりも小さいとする。

図７（ｂ）に示すように、測光用センサのサンプリング周波数でサンプリングしたときは、青色のコントラストが最も高くなる。一方、図８に示すように、測光用センサの出力分布を焦点検出手段の受光素子のサンプリング周波数でサンプリングしたときは、赤色のコントラストが最も高くなる。したがって、焦点検出手段によって検出されるコントラストに最も影響を与えているのは赤色になる。

このように、２種類の撮像素子のサンプリング周波数が異なるとき、焦点検出手段のコントラスト出力に最も影響を与えている色を間違える可能性があり、撮像光学系に関して赤色と青色に大きな色収差があった場合、被写体に対する合焦精度が低下してしまう。

本発明の目的は、被写体の色によらず誤差の少ない焦点検出を行うことができる焦点検出装置および撮像装置並びに焦点検出方法、プログラムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る焦点検出装置は、撮像光学系により形成される像の光強度分布を複数の波長領域について波長領域ごとに検出する第１の撮像素子と、前記撮像光学系の瞳の異なる領域を通過した光により形成される複数の像の光強度分布を検出する第２の撮像素子と、前記第１の撮像素子と前記第２の撮像素子から出力される画像に基づいてデフォーカス値を算出する制御手段を有する焦点検出装置であって、前記第１の撮像素子の画素は第１のピッチで配列されており、前記第２の撮像素子の画素は、前記第１のピッチよりも長い第２のピッチで配列されており、前記制御手段は、前記第２の撮像素子に形成される複数の像の位相差に基づいて第１のデフォーカス値を算出し、前記第１の撮像素子から出力される画像について、前記第２のピッチに対応する空間周波数以下の空間周波数の画像を生成し、生成された画像における前記複数の波長領域の光の強度の比率とコントラストの比率の少なくとも一方に基づいて前記第１のデフォーカス値を補正することにより、第２のデフォーカス値を算出することを特徴とする。
また、本発明に係る撮像装置は、上記焦点検出装置を有することを特徴とする。
また、本発明に係る焦点検出方法は、第１のピッチで画素が配列された第１の撮像素子を用いて、撮像光学系により形成される像の光強度分布を複数の波長領域について波長領域ごとに検出するステップと、前記第１のピッチよりも長い第２のピッチで画素が配列された第２の撮像素子を用いて、前記撮像光学系の瞳の異なる領域を通過した光により形成される複数の像の光強度分布を検出するステップと、前記第２の撮像素子に形成される複数の像の位相差に基づいて第１のデフォーカス値を算出するステップと、前記第１の撮像素子から出力される画像について、前記第２のピッチに対応する空間周波数以下の空間周波数の画像を生成するステップと、生成された画像における前記複数の波長領域の光の強度の比率とコントラストの比率の少なくとも一方に基づいて前記第１のデフォーカス値を補正することにより、第２のデフォーカス値を算出するステップと、を含むことを特徴とする。
また、本発明に係るプログラムは、焦点検出装置のコンピュータに、第１のピッチで画素が配列された第１の撮像素子を用いて、撮像光学系により形成される像の光強度分布を複数の波長領域について波長領域ごとに検出するステップと、前記第１のピッチよりも長い第２のピッチで画素が配列された第２の撮像素子を用いて、前記撮像光学系の瞳の異なる領域を通過した光により形成される複数の像の光強度分布を検出するステップと、前記第２の撮像素子に形成される複数の像の位相差に基づいて第１のデフォーカス値を算出するステップと、前記第１の撮像素子から出力される画像について、前記第２のピッチに対応する空間周波数以下の空間周波数の画像を生成するステップと、生成された画像における前記複数の波長領域の光の強度の比率とコントラストの比率の少なくとも一方に基づいて前記第１のデフォーカス値を補正することにより、第２のデフォーカス値を算出するステップと、を実行させることを特徴とする。

本発明によれば、被写体の色によらず誤差の少ない焦点検出を行うことができる。

本発明の実施形態に係る焦点検出装置を搭載した撮像装置の概略構成を示す図である。 一般的な位相差検出方式の焦点検出手段の概略図である。 測距領域内に複数の色が混在する被写体の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る測光用センサ（第１の撮像素子）の分光感度の一例を示す図である。 （ａ）は本発明の第１の実施形態におけるアルゴリズム選択方法について示した図、（ｂ）は本発明の第１の実施形態におけるブロック図である。 （ａ）は、測光用センサとしての撮像素子に関し、色別の出力分布の空間周波数が同じだがコントラストが異なる被写体を見たときに得られる出力分布の一例の図、（ｂ）は、焦点検出手段の受光素子に関し、複数の感度波長ごとの出力の空間分布およびそれらを足し合わせたものを示した図である。 （ａ）は、測光用センサとしての撮像素子に関し、コントラストが同じだが、出力分布の空間周波数が異なる被写体を見たときに得られる色別の出力分布の一例、（ｂ）は、焦点検出手段の受光素子に関し、複数の感度波長ごとの出力の空間分布およびそれらを足し合わせたものを示した図である。 図７（ａ）の出力分布を焦点検出手段のサンプリング周波数でサンプリングしたときの出力分布である。

《第１の実施形態》
（撮像装置）
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、本発明の実施形態に係る焦点検出装置およびこれを搭載した撮像装置の全体図である。撮像装置は、焦点検出装置に撮像光学系を加えたものである。図１において、図の左側に存在する被写体は太陽などの光源からの光によって照明されており、被写体表面の反射特性に従って照明光を反射している。反射された光は、撮像光学系２から撮像装置に入射し、被写体像を撮像する撮像素子１の付近に結像する。

撮像素子１は素子の受光面状の光量分布を記録し、記憶手段へ転送する。撮像素子１と撮像光学系の間には主ミラー３があり、撮像光学系２を通ってきた全光束の一部が撮像光学系の光軸に対して略垂直方向に反射される。反射された光は、ピント板４を透過しペンタプリズム５、アイピース６を透過した後、結像する。この像を見ることによって、撮影者は撮影画面を確認することができる。７は撮影画面の輝度値を測定する測光用センサである。測光センサ７とペンタプリズム５の間には、測光センサ７の受光面に光を集光させるための測光光学系６が配置されている。

図１では、撮像レンズ２およびペンタプリズム５を透過した光を用いて測光センサ７により測光しているが、図３のように、ファインダー光路および撮像光路を使わずに、直接被写体を観察してもよい。第１の撮像素子である測光センサ７では、被写体の色が検知される。ここで、被写体の色とは、照明光で照明された被写体が反射する光の可視領域内での分光強度比のこととする。主ミラー３と撮像素子１の間には、サブミラー９が配置されている。サブミラー９は主ミラー３を透過してきた光の一部を反射し、焦点検出手段１０へと導く。

（焦点検出装置）
本実施形態の焦点検出装置は、第１の撮像素子（図１の測光用センサ７）と、第２の撮像素子（図２の受光素子２５、２６）と、第１の撮像素子の出力と第２の撮像素子の出力に基づいてデフォーカス値を算出する不図示のカメラ側制御手段を備える。ここで、第２の撮像素子は、位相差検出方式によってデフォーカス値を得る焦点検出手段１０（図１）を構成するラインセンサ（一次元撮像素子）である。

ここで、測光用センサ７は第１の画素配列ピッチ（第１のピッチ）を備え、撮像光学系により形成される像の光強度分布を複数の波長領域ごとに検出する。また、受光素子２５、２６は、上述した第１の画素配列ピッチよりも長い第２の画素配列ピッチ（第２のピッチ）を備える。そして、受光素子２５、２６は、撮像光学系を介して被写体の色を見分けずに被写体を撮像して位相差検出による焦点検出情報を得る。

不図示のカメラ側制御手段は、第２の撮像素子２５、２６により取得された画像の位相差を検出することでデフォーカス値を算出する。そして、カメラ側制御手段は、撮像光学系制御手段１２を介して、算出されたデフォーカス値に基づいて、撮像光学系２の全体もしくは一部または撮像素子１を光軸方向に駆動する。

ここで、第１の撮像素子（図１の測光用センサ７）は、第１の画素配列ピッチを備えており、撮像光学系２を介して被写体の色に関する強度分布情報を得る。また、第２の撮像素子（図２の受光素子２５、２６）は、第１の画素配列ピッチと異なる第２の画素配列ピッチを備え、撮像光学系を介して被写体の色を見分けずに被写体を撮像して位相差検出による焦点検出情報を得る。

第１の撮像素子（測光用センサ７）からの出力は、第１の画素配列ピッチに相当する第１のサンプリング周波数から第２の画素配列ピッチに相当する第２のサンプリング周波数へ変換される。第１の撮像素子からの第２のサンプリング周波数に基づく出力、および第２の撮像素子の出力に基づいて第２のデフォーカス値が算出される。

ここで、一般に、焦点検出手段の受光素子のサンプリング周波数は、測光用センサとしての撮像素子のサンプリング周波数よりも低くなっている。

測光センサ７は、図４のように撮像素子１が持つ感度領域内に異なる複数の感度領域を持ち、かつ測距領域内の色の分布が検出できるような多分割センサとなっている。測光センサ７で測距領域内に生じた複数の波長領域の強度分布情報を比較し、補正アルゴリズムを選択する。

図５（ａ）は補正アルゴリズム選択のフローチャートであり、図５（ｂ）はブロック図である。ここで、測光センサ７のｋ番目の色成分のｍ番目の画素の出力値をＡｋｍ、受光素子２５のｎ番目の画素の出力値をＢｎ、測光センサ７、受光素子２５，２６のサンプリング周波数をそれぞれＳ、Ａとする。

測光センサ７のサンプリング周波数Ｓと、焦点検出手段１０の受光素子２５，２６のサンプリング周波数Ａを先ず比較する（ステップ０１）。

測光センサ７のサンプリング周波数Ｓと、受光素子２５，２６のサンプリング周波数Ａが異なる場合、測光センサ７から得られる出力分布データを周波数空間へフーリエ変換する（ステップ０２）。

フーリエ変換結果のｌ番目の周波数の成分をＡｋｍｌとする。そして、フーリエ変換したデータについて、焦点検出手段１０のサンプリング周波数以下の周波数成分を抽出する（ステップ０３）。

次に、取り出したデータを逆フーリエ変換し、低周波成分だけで出来た輝度分布情報を得る（ステップ０４）。このようにして、ステップ０２、０３、０４を介して、図５（ｂ）に示すように、第１の撮像素子（測光センサ）の撮像画像（出力画像）から低周波成分だけで生成された生成画像が出力される。

そして、このときのｋ番目の色のｎ番目の画素の輝度をＡｋｐｎとし、このデータの中で最もコントラストがある色を選別する（ステップ０５）。これにより、上述したサンプリング周波数の違いがあっても、実際に焦点検出手段のコントラスト出力に最も影響を与えている色を間違えることがなくなる。

選別方法としては、輝度データの微分値の総和をとって最も大きな色を選択する方法、各色の出力値の最大値と最小値の差分をとって最も大きな色を選択する方法などを用いることができる。

そして、各色に対応したデフォーカス値は、レンズがもつ色収差などの性能情報を用いて算出することができる。

更に精度良く補正を行うため、以下のステップを備える。即ち、第２のピッチに対応する空間周波数以下の空間周波数からなる画像（ステップ０２、０３、０４を介した図５（ｂ）の生成画像）における複数の波長領域の光の強度の比率とコントラストの比率の少なくとも一方を用いて補正する。

被写体光が単色でほぼ形成されているならば、上述した支配的な色に合わせることで高い精度を得ることができる。しかし、被写体の中には複数の色が同程度混在した被写体も存在する。そのため、被写体を構成する色の混合の割合に応じて補正を行う。

ここでは補正の一例について述べる。まず、焦点検出手段１０の受光素子に同期させたときの赤、緑、青のコントラストの大きさをａ、ｂ、ｃ、赤、緑、青単色の被写体から出力されるデフォーカス量をＸ、Ｙ，Ｚとする。

すると、デフォーカス量検出手段１０で出力されるデフォーカス量Ｄは、Ｄ＝（ａ＊Ｘ＋ｂ＊Ｙ＋ｃ＊Ｚ）／（ａ＋ｂ＋ｃ）となる。また、赤、緑、青の強度をＡｒ,Ｂｇ,Ｃｂとすると、最も解像度の高いベストピント位置Ｄ２は、Ｄ２＝（Ａｒ＊Ｘ＋Ｂｇ＊Ｙ＋Ｃｂ＊Ｚ）／（Ａｒ＋Ｂｇ＋Ｃｂ）となる。ここでピント補正量をＤとＤ２との差分量にすれば、精度の良い焦点検出補正ができる。

以上、本実施形態によれば、被写体領域内に複数の色が存在していても焦点検出誤差が少ない合焦ができる焦点検出装置および撮像装置を提供することができる。

（焦点検出方法およびプログラム）
また、本発明は、第２の撮像素子に形成される複数の像の位相差に基づいて算出される第１のデフォーカス値を第１の撮像素子を用いて補正することにより、誤差の少ない第２のデフォーカス値を算出する焦点検出方法として、以下を有する。

第１の撮像素子を用いて撮像光学系により形成される像の光強度分布を複数の波長領域について波長領域ごとに検出するステップを備える。さらに、第２の撮像素子を用いて撮像光学系の瞳の異なる領域を通過した光により形成される複数の像の光強度分布を検出するステップを備える。ここで、第１の撮像素子は第１のピッチで画素が配列され、第２の撮像素子は第１のピッチよりも長い第２のピッチで画素が配列される。

更に、第２の撮像素子に形成される複数の像の位相差に基づいて第１のデフォーカス値を算出するステップと、第１の撮像素子から出力される画像について、第２のピッチに対応する空間周波数以下の空間周波数からなる画像を生成するステップと、を備える。そして、生成された画像における前記複数の波長領域の光の強度の比率とコントラストの比率の少なくとも一方に基づいて前記第１のデフォーカス値を補正することにより、第２のデフォーカス値を算出するステップと、を備える。

また、本発明は、プログラムとして、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。

（変形例）
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。

（変形例１）
上述した実施形態では、第１の撮像素子として測光センサ７を用いて焦点検出補正を行ったが、第１の撮像素子として被写体の像を撮像する撮像素子１を用いて焦点検出補正を行っても良い。

７・・測光用センサ（第１の撮像素子）、１０・・焦点検出手段、１２・・撮像光学系制御手段（制御手段）、２５，２６・・受光素子

Claims (8)

1. 撮像光学系により形成される像の光強度分布を複数の波長領域について波長領域ごとに検出する第１の撮像素子と、
   前記撮像光学系の瞳の異なる領域を通過した光により形成される複数の像の光強度分布を検出する第２の撮像素子と、
   前記第１の撮像素子と前記第２の撮像素子から出力される画像に基づいてデフォーカス値を算出する制御手段を有する焦点検出装置であって、
   前記第１の撮像素子の画素は第１のピッチで配列されており、前記第２の撮像素子の画素は、前記第１のピッチよりも長い第２のピッチで配列されており、
   前記制御手段は、前記第２の撮像素子に形成される複数の像の位相差に基づいて第１のデフォーカス値を算出し、前記第１の撮像素子から出力される画像について、前記第２のピッチに対応する空間周波数以下の空間周波数の画像を生成し、生成された画像における前記複数の波長領域の光の強度の比率とコントラストの比率の少なくとも一方に基づいて前記第１のデフォーカス値を補正することにより、第２のデフォーカス値を算出することを特徴とする焦点検出装置。
2. 前記制御手段は、前記第１の撮像素子から出力される画像についてフーリエ変換を行い、前記第２のピッチに対応する空間周波数以下の成分を抽出し、抽出された前記第２のピッチに対応する空間周波数以下の成分について逆フーリエ変換することにより、前記第２のピッチに対応する空間周波数以下の空間周波数の画像を生成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. 前記第１の撮像素子は、測光センサであ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. 前記第１の撮像素子は、被写体を撮像する撮像素子であ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. 前記第２の撮像素子は、複数のラインセンサであ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. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の焦点検出装置と、前記撮像光学系を有することを特徴とする撮像装置。
7. 第１のピッチで画素が配列された第１の撮像素子を用いて、撮像光学系により形成される像の光強度分布を複数の波長領域について波長領域ごとに検出するステップと、
   前記第１のピッチよりも長い第２のピッチで画素が配列された第２の撮像素子を用いて、前記撮像光学系の瞳の異なる領域を通過した光により形成される複数の像の光強度分布を検出するステップと、
   前記第２の撮像素子に形成される複数の像の位相差に基づいて第１のデフォーカス値を算出するステップと、
   前記第１の撮像素子から出力される画像について、前記第２のピッチに対応する空間周波数以下の空間周波数の画像を生成するステップと、
   生成された画像における前記複数の波長領域の光の強度の比率とコントラストの比率の少なくとも一方に基づいて前記第１のデフォーカス値を補正することにより、第２のデフォーカス値を算出するステップと、
   を含むことを特徴とする焦点検出方法。
8. 焦点検出装置のコンピュータに、
   第１のピッチで画素が配列された第１の撮像素子を用いて、撮像光学系により形成される像の光強度分布を複数の波長領域について波長領域ごとに検出するステップと、
   前記第１のピッチよりも長い第２のピッチで画素が配列された第２の撮像素子を用いて、前記撮像光学系の瞳の異なる領域を通過した光により形成される複数の像の光強度分布を検出するステップと、
   前記第２の撮像素子に形成される複数の像の位相差に基づいて第１のデフォーカス値を算出するステップと、
   前記第１の撮像素子から出力される画像について、前記第２のピッチに対応する空間周波数以下の空間周波数の画像を生成するステップと、
   生成された画像における前記複数の波長領域の光の強度の比率とコントラストの比率の少なくとも一方に基づいて前記第１のデフォーカス値を補正することにより、第２のデフォーカス値を算出するステップと、
   を実行させることを特徴とするプログラム。