JP7022575B2 - 焦点検出装置および方法、および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、焦点検出装置および方法、および撮像装置に関するものである。

撮像装置で用いられる自動焦点検出（ＡＦ）方式として、位相差焦点検出方式（位相差ＡＦ）が知られている。位相差ＡＦは、デジタルスチルカメラで多く用いられるＡＦであり、撮像素子が焦点検出用センサとして用いられるものも存在する。特許文献１には、瞳分割方式の焦点検出を行うために、撮像素子を構成する各画素の光電変換部が複数に分割されており、分割された光電変換部がマイクロレンズを介して撮影レンズの瞳の異なる領域を通過した光束を受光するように構成されている。

位相差ＡＦは、撮像素子に形成された焦点検出画素から得られた対の信号に基づいて、焦点検出方向と焦点検出量を同時に検出することが可能であり、高速に焦点調節を行うことができる。一方、位相差ＡＦは光学像の位相差を利用して焦点検出を行うため、光学像を結像する光学系の収差が焦点検出結果に誤差を与える場合があり、このような誤差を低減するための方法が提案されている。

特許文献２には、合焦状態において一対の焦点検出用の光束が形成する一対の光学像の形状が、光学系の収差に起因して一致しなくなることによる焦点検出誤差を補正する方法が開示されている。

また、特許文献３には焦点検出誤差を補正する方法として、撮影レンズの状態に関する情報と、撮像素子の状態に関する情報と、像高との組み合わせに応じた補正値で補正することが開示されている。

特開２００８－５２００９号公報 特開２０１３－１７１２５１公報 特開２０１４－２２２２９１公報

しかしながら、位相差ＡＦにおいて、倍率色収差が及ぼす焦点検出誤差は、結像光学系の色収差と、撮像素子の色シェーディングが絡む複雑なメカニズムからなっており、製造ばらつきも含め、適切な補正を行うのが難しい場合がある。

本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、互いに分光感度の異なる複数の焦点検出画素から得られる信号に基づいて位相差検出方式による自動焦点検出を行う撮像装置において、倍率色収差が及ぼす焦点検出誤差を抑制し、高精度な焦点検出を行うことを目的とする。

上記目的を達成するために、複数のマイクロレンズそれぞれに対して複数の光電変換部を備え、結像光学系を介して入射する光を光電変換して電気信号を出力する、複数色のカラーフィルタに覆われた撮像素子から得られる複数色の信号に基づいて、位相差検出方式による焦点検出を行う本発明の焦点検出装置は、前記結像光学系の倍率色収差の特性に応じて、前記複数色の信号に適用する重み付けを示す複数の加算係数を予め記憶し、前記結像光学系の情報に応じて、前記複数の加算係数の１つを選択する取得手段と、前記選択した加算係数により、前記複数色の信号の重み付け加算を行って、一対の焦点検出信号を生成する生成手段と、前記一対の焦点検出信号間の像ずれ量を検出する検出手段とを有する。

本発明によれば、互いに分光感度の異なる複数の焦点検出画素から得られる信号に基づいて位相差検出方式による自動焦点検出を行う撮像装置において、結像光学系の倍率収差が焦点検出結果に与える影響を抑制し、高精度な焦点検出を行うことができる。

本発明の実施の形態に係る撮像装置の概略構成図。 実施形態における画素配列の概略図。 実施形態における画素の概略平面図と概略断面図。 実施形態における画素構造と瞳分割の概略説明図。 実施形態における撮像素子と瞳分割の概略説明図。 実施形態における第１焦点検出信号と第２焦点検出信号のデフォーカス量と像ずれ量との概略関係図。 実施形態における合焦時の第１焦点検出画素の受光信号および第２焦点検出画素の受光信号による各色線像を示す図。 第１の実施形態における焦点検出処理と撮像処理の流れを示すフローチャート。 第３の実施形態における加算係数セットを変えた場合の、設定デフォーカス量と検出デフォーカス量との関係の一例を示す図。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、実施形態は発明の理解と説明を容易にするため、具体的かつ特定の構成を有するが、本発明はそのような特定の構成に限定されない。例えば、以下では本発明をレンズ交換可能な一眼レフタイプのデジタルカメラに適用した実施形態について説明するが、本発明はレンズ交換できないタイプのデジタルカメラや、ビデオカメラに対しても適用可能である。また、カメラを備えた任意の電子機器、例えば携帯電話機、パーソナルコンピュータ（ラップトップ、タブレット、デスクトップ型など）、ゲーム機などで実施することもできる。

＜第１の実施形態＞
［全体構成］
図１は本発明の実施の形態における撮像素子を有する撮像装置であるカメラの概略構成を示したものである。図１において、第１レンズ群１０１は結像光学系の先端に配置され、光軸方向に進退可能に保持される。絞り兼用シャッタ１０２は、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の機能も備える。第２レンズ群１０３は、絞り兼用シャッタ１０２と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）を実現することができる。

第３レンズ群１０５（フォーカスレンズ）は、光軸方向の進退により焦点調節を行う。光学的ローパスフィルタ１０６は、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。撮像素子１０７は２次元ＣＭＯＳフォトセンサとその周辺回路からなり、結像光学系の結像面に配置され、結像光学系を介して入射する光を光電変換して、電気信号を出力する。

ズームアクチュエータ１１１は、不図示のカム筒を回動することで、第１レンズ群１０１ないし第２レンズ群１０３を光軸方向に進退駆動し、変倍操作を行う。絞りシャッタアクチュエータ１１２は、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。フォーカスアクチュエータ１１４は、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。

撮影時の被写体照明用電子フラッシュ１１５は、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。ＡＦ補助光発光部１１６は、所定の開口パターンを有したマスクの像を、投光レンズを介して被写界に投影し、暗い被写体あるいは低コントラスト被写体に対する焦点検出能力を向上させる。

カメラ内ＣＰＵ１２１は、カメラ本体の種々の制御を司り、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。

また、ＣＰＵ１２１には、撮像素子１０７の出力信号を用いた焦点調節で必要となる、補正値算出係数が記憶されている。この補正値算出係数は、第３レンズ群１０５の位置に対応したフォーカス状態、第１レンズ群１０１ないし第２レンズ群１０３の位置に対応したズーム状態、結像光学系のＦ値、撮像素子１０７の設定瞳距離、画素サイズ毎に複数用意されている。焦点調節を行う際は、結像光学系の焦点調節状態（フォーカス状態、ズーム状態）と絞り値、撮像素子１０７の設定瞳距離、画素サイズの組み合わせに応じて最適な補正値算出係数が選択される。そして、選択された補正値算出係数と撮像素子１０７の像高から、補正値が算出される構成となっている。

また、補正値算出係数は、ＲＧＢ信号を重み付け加算するための加算係数セットを含む。この加算係数セットは、第１の実施形態においては、結像光学系のレンズＩＤ（レンズ識別情報）に応じて選択可能に記憶されている。そして、選択された加算係数セットを用いて、焦点検出信号を生成する。なお、加算係数セットおよび焦点検出信号の生成方法については、詳細に後述する。

また、本実施形態では、補正値算出係数をＣＰＵ１２１に記憶するものとして説明するが、記憶する場所はこれに限らない。例えば、交換レンズ式の撮像装置においては、結像光学系を有する交換レンズが不揮発性メモリを有し、そのメモリに補正値算出係数を記憶してもよい。この場合には、例えば、交換レンズが撮像装置に装着されたときや、撮像装置からのリクエストに応じて、補正値算出係数を撮像装置に送信すればよい。

電子フラッシュ制御回路１２２は、撮影動作に同期して電子フラッシュ１１５を点灯制御する。補助光回路１２３は、焦点検出動作に同期してＡＦ補助光発光部１１６を点灯制御する。撮像素子駆動回路１２４は、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。画像処理回路１２５は、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。

フォーカス駆動回路１２６は、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。絞りシャッタ駆動回路１２８は、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。ズーム駆動回路１２９は、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。

ＬＣＤ等の表示器１３１は、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、焦点検出時の焦点検出領域の枠や合焦状態表示画像等を表示する。操作スイッチ群１３２は、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。着脱可能なフラッシュメモリ１３３は、撮影済み画像を記録する。

［撮像素子］
次に、本実施形態における撮像素子１０７の撮像画素と焦点検出画素の配列の概略を図２参照して説明する。図２は、本実施形態の２次元ＣＭＯＳセンサー（撮像素子）の画素（撮像画素）配列を４列×４行の範囲で、焦点検出画素配列を８列×４行の範囲で示したものである。

画素群２００は、複数色のカラーフィルタに覆われた２行×２列の画素からなり、Ｒ（赤）の分光感度を有する画素２００Ｒが左上に、Ｇ（緑）の分光感度を有する画素２００Ｇが右上と左下に、Ｂ（青）の分光感度を有する画素２００Ｂが右下に配置されている。さらに、各画素は２列×１行に配列された第１焦点検出画素２０１と第２焦点検出画素２０２により構成されている。

図２に示した４列×４行の画素（８列×４行の焦点検出画素）を面上に多数配置し、撮像画像（焦点検出信号）の取得を可能としている。

図２に示した撮像素子１０７の１つの画素２００Ｇを、撮像素子１０７の受光面側（＋ｚ側）から見た平面図を図３（ａ）に示し、図３（ａ）のａ－ａ断面を－ｙ側から見た断面図を図３（ｂ）に示す。図３に示すように、本実施形態の画素２００Ｇでは、各画素の受光側に入射光を集光するためのマイクロレンズ３０５が形成され、ｘ方向にＮＨ分割（２分割）、ｙ方向にＮＶ分割（１分割）された光電変換部３０１と光電変換部３０２が形成される。光電変換部３０１および３０２が、それぞれ、第１焦点検出画素２０１と第２焦点検出画素２０２に対応する。

光電変換部３０１および３０２は、ｐ型層とｎ型層の間にイントリンシック層を挟んだｐｉｎ構造フォトダイオードとしても良いし、必要に応じて、イントリンシック層を省略し、ｐｎ接合フォトダイオードとしても良い。

各画素には、マイクロレンズ３０５と、光電変換部３０１および３０２との間に、カラーフィルタ３０６が形成される。本実施形態においては上述したＲ（赤）の分光感度を有するカラーフィルタ、Ｇ（緑）の分光感度を有するカラーフィルタ、Ｂ（青）の分光感度を有するカラーフィルタのいずれかが配置される。ただし、カラーフィルタの分光感度特性はＲＧＢに限定されるものではない。

図３に示した画素２００Ｇに入射した光は、マイクロレンズ３０５により集光され、カラーフィルタ３０６で分光されたのち、光電変換部３０１および３０２で受光される。光電変換部３０１および３０２では、受光量に応じて電子とホールが対生成し、空乏層で分離された後、負電荷の電子はｎ型層（不図示）に蓄積され、一方、ホールは定電圧源（不図示）に接続されたｐ型層を通じて撮像素子１０７の外部へ排出される。光電変換部３０１および３０２のｎ型層（不図示）に蓄積された電子は、転送ゲートを介して、静電容量部（ＦＤ）に転送され、電圧信号に変換されて出力される。

なお、図２に示す画素２００Ｒ，２００Ｂも、画素２００Ｇと同様の構成を有し、画素２００Ｇと同様にして、カラーフィルタ３０６により各色に分光された光に応じた電圧信号を出力する。

図３に示した本実施形態における画素構造と瞳分割との対応関係を図４を参照して説明する。図４は、図３（ａ）に示した本実施形態の画素構造のａ－ａ断面を＋ｙ側から見た断面図と結像光学系の射出瞳面をに示す図である。なお、図４では、射出瞳面の座標軸と対応を取るために、断面図のｘ軸とｙ軸を図３に対して反転させている。

第１瞳部分領域５０１は光電変換部３０１に対応し、重心が－ｘ方向に偏心している光電変換部３０１の受光面と、マイクロレンズ３０５によって概ね共役関係になっており、光電変換部３０１で受光可能な瞳領域を表している。第１瞳部分領域５０１は、瞳面上で＋Ｘ側に重心が偏心している。

また、第２瞳部分領域５０２は光電変換部３０２に対応し、重心が＋ｘ方向に偏心している光電変換部３０２の受光面と、マイクロレンズ３０５によって概ね共役関係になっており、光電変換部３０２で受光可能な瞳領域を表している。第２瞳部分領域５０２は、瞳面上で－Ｘ側に重心が偏心している。

また、瞳領域５００は、光電変換部３０１および３０２を全て合わせた際に画素２００Ｇ全体で受光可能な瞳領域である。４００は、絞り兼用シャッタ１０２の開口を表している。

撮像面位相差ＡＦでは、撮像素子１０７のマイクロレンズ３０５を利用して瞳分割するため、回折の影響を受ける。射出瞳面までの瞳距離が数１０ｍｍであるのに対し、マイクロレンズの直径は数μｍであるため、マイクロレンズ３０５の絞り値が数万となり、数１０ｍｍレベルの回折ボケが生じる。そのため、光電変換部３０１，３０２の受光面の像は、明瞭な瞳領域や瞳部分領域とはならずに、瞳強度分布（受光率の入射角分布）となる。

図５は、本実施の形態の撮像素子１０７と瞳分割との対応関係を示した概略図である。撮像素子の入射瞳距離Ｚ_sにおいて、撮像素子１０７の面上の各位置に配置された各画素の光電変換部３０１の受光領域に、対応する第１瞳部分領域５０１が、概ね、一致するように構成されている。同様に、光電変換部３０２の受光領域に、対応する第２瞳部分領域５０２が、概ね、一致するように構成されている。つまり、撮像素子１０７の入射瞳距離Ｚ_sにおいて、撮像素子１０７の各画素の分割位置と、第１瞳部分領域５０１と第２瞳部分領域５０２との瞳分割位置が、概ね、一致するように構成されている。第１瞳部分領域５０１と第２瞳部分領域５０２の結像光学系の異なる瞳部分領域を通過した一対の光束は、撮像素子１０７の各画素にそれぞれ異なる角度で入射し、２×１分割された光電変換部３０１，３０２で受光される。なお、本実施形態では、瞳領域が水平方向に２つに瞳分割されている例を示しているが、必要に応じて、垂直方向に瞳分割を行っても良い。

また、本実施形態の撮像素子１０７は、それぞれの撮像画素が第１焦点検出画素２０１と第２焦点検出画素２０２とから構成されているが、本発明はこれに限るものではない。必要に応じて、結像光学系の第１瞳部分領域５０１と第２瞳部分領域５０２とを合わせた瞳領域５００を通過した光束を受光する撮像画素と、第１焦点検出画素２０１および第２焦点検出画素２０２を個別の画素構成としてもよい。その場合、撮像画素による配列の一部に、第１焦点検出画素２０１と第２焦点検出画素２０２を部分的に配置する構成としても良い。

上述した構成を有する撮像素子１０７の各画素の第１焦点検出画素２０１の受光信号を集めて第１焦点検出信号を生成し、各画素の第２焦点検出画素２０２の受光信号を集めて第２焦点検出信号を生成して焦点検出を行う。なお、本実施形態における各画素は、図２に示すように緑（Ｇ）、赤（Ｒ）、青（Ｂ）、緑（Ｇ）のいずれかの色のカラーフィルタにより覆われている。そのため、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）、青（Ｂ）、緑（Ｇ）の４画素からなる画素群２００毎に、第１焦点検出画素２０１の受光信号、第２焦点検出画素２０２の受光信号をそれぞれ加算して算出した信号Ｙを第１焦点検出信号、第２焦点検出信号として用いる。

また、撮像素子１０７の各マイクロレンズ３０５に対応する画素毎に、第１焦点検出画素２０１と第２焦点検出画素２０２の受光信号を加算することで、有効画素数Ｎの解像度の画像信号（加算信号）を生成することができる。

［デフォーカス量と像ずれ量の関係］
次に、本実施形態の撮像素子１０７により取得される第１焦点検出信号と第２焦点検出信号の像ずれ量とデフォーカス量との関係について説明する。図６は、第１焦点検出信号と第２焦点検出信号のデフォーカス量と第１焦点検出信号と第２焦点検出信号間の像ずれ量との関係を示す図である。撮像面８００に本実施形態の撮像素子１０７が配置され、図４、図５と同様に、結像光学系の瞳領域５００が、第１瞳部分領域５０１と第２瞳部分領域５０２に２分割される。

デフォーカス量ｄは、被写体の結像位置から撮像面８００までの距離を大きさ｜ｄ｜としたとき、被写体の結像位置が撮像面より被写体側にある前ピン状態を負（ｄ＜０）、撮像面８００より被写体の反対側にある後ピン状態を正（ｄ＞０）として定義される。被写体の結像位置が撮像面８００（合焦位置）にある焦点状態はｄ＝０である。図６で、被写体８０１は合焦状態（ｄ＝０）の例を示しており、被写体８０２は前ピン状態（ｄ＜０）の例を示している。前ピン状態（ｄ＜０）と後ピン状態（ｄ＞０）を合わせて、デフォーカス状態（｜ｄ｜＞０）と呼ぶ。

前ピン状態（ｄ＜０）では、被写体８０２からの光束のうち、第１瞳部分領域５０１を通過した被写体光は、一度、集光した後、光束の重心位置Ｇ１を中心として幅Γ１に広がり、撮像面８００でボケた像となる。第２瞳部分領域５０２を通過した被写体光についても同様であり、重心位置Ｇ２を中心として幅Γ２に広がったボケた像を形成する。ボケた像は、撮像素子１０７に配列された各画素を構成する第１焦点検出画素２０１および第２焦点検出画素２０２により受光され、得られた受光信号から第１焦点検出信号および第２焦点検出信号が生成される。よって、第１焦点検出信号および第２焦点検出信号は、撮像面８００上の重心位置Ｇ１およびＧ２に、被写体８０２が幅Γ１およびΓ２にボケた被写体像として記録される。被写体像のボケ幅Γ１，Γ２は、デフォーカス量ｄの大きさ｜ｄ｜が増加するのに伴い、概ね、比例して増加していく。同様に、第１焦点検出信号と第２焦点検出信号間の被写体像の像ずれ量ｐ（＝光束の重心位置の差Ｇ１－Ｇ２）の大きさ｜ｐ｜も、デフォーカス量ｄの大きさ｜ｄ｜が増加するのに伴い、概ね、比例して増加していく。後ピン状態（ｄ＞０）でも、第１焦点検出信号と第２焦点検出信号間の被写体像の像ずれ方向が前ピン状態と反対となるが、同様である。

したがって、事前に求めておいた、像ずれ量ｐをデフォーカス量ｄへ換算するための換算係数Ｋと、第１焦点検出信号と第２焦点検出信号間の被写体像の像ずれ量ｐとから、デフォーカス量ｄを算出することができる。

［合焦精度］
上述した通常の位相差検出方式による自動焦点検出（位相差ＡＦ）で求められる合焦位置はデフォーカス量ｄ＝０となる位置である。しかしながら、結像光学系の収差により、本来の合焦位置においてデフォーカス量ｄ＝０とならない検出誤差が発生する。検出誤差の抑制方法としては補正値を組み込む手法がある。しかしながら、倍率色収差が及ぼす焦点検出誤差は、撮像素子１０７の色シェーディングが絡む複雑なメカニズムからなっており、製造ばらつきも含め、焦点検出誤差に対して適切な補正を行うのが難しいという場合がある。

ここで、倍率色収差が及ぼす焦点検出誤差に関して説明をする。位相差ＡＦでは、第１焦点検出信号と第２焦点検出信号の像ずれ量ｐよりデフォーカス量ｄを検出する。つまり、位相差ＡＦにおける合焦位置は、第１焦点検出信号の重心位置Ｇ１と第２焦点検出信号の重心位置Ｇ２が一致したときに合焦と判断することになる。

図７を用いて、第１および第２の焦点検出信号（信号Ｙ）の重心位置Ｇ１，Ｇ２を算出する手順について説明する。図７は、フォーカスレンズ１０４が合焦位置にある場合における、第１焦点検出画素２０１の受光信号および第２焦点検出画素２０２の受光信号による各色線像の一例を示す図である。図７において、縦軸は信号強度で、第１焦点検出画素２０１の受光信号および第２焦点検出画素２０２の受光信号それぞれにおいて、Ｇ信号の信号強度で規格化してある。横軸は、焦点検出領域の水平方向の中央座標を０とした画素位置を表している。

まず、図７の横軸におけるＲＧＢ各色線像の重心位置をそれぞれ、Ｘｒ、Ｘｇ、Ｘｂ［ｍｍ］とする。また、図７の縦軸おけるＲＧＢ各色の信号強度を、Ｓｒ、Ｓｇ、Ｓｂとする。なお、第１焦点検出信号の値には（１）、第２焦点検出信号の値には（２）を付す。第１および第２の焦点検出信号の作成時のＲＧＢの重み付けにより、重心算出時の各色の寄与率Ｐｒ、Ｐｇ、Ｐｂは
Ｐｒ（１）＝Ｓｒ（１）／（Ｓｒ（１）＋２Ｓｇ（１）＋Ｓｂ（１））
Ｐｇ（１）＝２Ｓｇ（１）／（Ｓｒ（１）＋２Ｓｇ（１）＋Ｓｂ（１））
Ｐｂ（１）＝Ｓｂ（１）／（Ｓｒ（１）＋２Ｓｇ（１）＋Ｓｂ（１））
Ｐｒ（２）＝Ｓｒ（２）／（Ｓｒ（２）＋２Ｓｇ（２）＋Ｓｂ（２））
Ｐｇ（２）＝２Ｓｇ（２）／（Ｓｒ（２）＋２Ｓｇ（２）＋Ｓｂ（２））
Ｐｂ（２）＝Ｓｂ（２）／（Ｓｒ（２）＋２Ｓｇ（２）＋Ｓｂ（２））
となる。Ｓｇの係数のみ２になっているのは、画素群２００に緑（Ｇ）が２画素含まれるためである。ここで、ＲＧＢ毎の線像の重心差は倍率色収差に相当し、各色寄与率は、第１焦点検出画素２０１と第２焦点検出画素２０２との色シェーディングの差に相当する。

ここで、重心位置Ｇ１と重心位置Ｇ２は、ＲＧＢ各色線像の重心位置Ｘｒ、Ｘｇ、Ｘｂと、各色寄与率Ｐｒ、Ｐｇ、Ｐｂとの積和によって求められ、
Ｇ１＝ΣＸｉ（１）Ｐｉ（１），（ｉ＝ｒ，ｇ，ｂ）
Ｇ２＝ΣＸｉ（２）Ｐｉ（２），（ｉ＝ｒ，ｇ，ｂ）
ΔＧ＝Ｇ１－Ｇ２ [ｍｍ]
となる。ΔＧは、第１焦点検出信号と第２焦点検出信号を用いて位相差ＡＦにより求めた焦点検出合焦位置における、第１焦点検出信号と第２焦点検出信号の重心差である。

同一色における第１焦点検出画素２０１の受光信号および第２焦点検出画素２０２の受光信号の線像重心位置は、焦点検出合焦位置においてほぼ同等であるため、
Ｘｉ（１）＝Ｘｉ（２） （ｉ＝ｒ，ｇ，ｂ）
として考えられる。

従って、ΔＧ＝０の場合、焦点検出合焦位置における第１焦点検出信号と第２焦点検出信号との重心が等しいことを意味するため、倍率色収差による焦点検出誤差は無いことになる。一方、倍率色収差が大きく、第１焦点検出画素２０１と第２焦点検出画素２０２との色シェーディングの差が大きいと、ΔＧは大きくなるため、倍率色収差による焦点検出誤差も大きくなる。

一般的に、結像光学系における倍率色収差は少なからず存在し、２つの焦点検出画素における色シェーディング差は中央像高から離れるほど大きくなる傾向にある。さらに、倍率色収差や色シェーディング差は製造ばらつきに影響されるため、適切な補正が難しい場合がある。

［重み付け］
そこで、本実施形態では、結像光学系のレンズ情報に基づき、互いに分光感度の異なる複数の焦点検出画素の受光信号から焦点検出信号を生成する際に、受光信号にかける重み付け（加算係数セット）を変更することで、倍率色収差が及ぼす焦点検出誤差を抑制する。本実施形態における結像光学系のレンズ情報は、結像光学系を構成するレンズＩＤとする。また、互いに分光感度の異なる複数の焦点検出画素は、本実施形態においては、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３種４画素である。通常、４画素の出力を加算して信号Ｙ（焦点検出信号）を作成する際の受光信号の重み付けは、Ｇは２画素あることを考慮して、Ｒ：Ｇ：Ｂ＝１：２：１である。これに対し、本実施形態においては、レンズＩＤに基づいて受光信号の重み付け（加算係数セット）を変更することを特徴とする。

［焦点検出処理の流れ］
図８は、第１の実施形態における焦点検出処理の流れの概略を示すフローチャートである。なお、図８の動作は、ＣＰＵ１２１によりカメラの各構成を制御することにより実行される。

まず、Ｓ１０で、結像光学系を構成するレンズのレンズＩＤを取得する。次いで、Ｓ１１で、撮像素子１０７の有効画素領域内に、焦点調節を行う焦点検出領域を設定する。そして、Ｓ１２において、設定された焦点検出領域の第１焦点検出画素２０１および第２焦点検出画素２０２から、受光信号を取得する。

Ｓ１３において、Ｓ１０で取得したレンズＩＤに基づき、第１焦点検出画素２０１および第２焦点検出画素２０２から取得したＲＧＢからなる受光信号に対して、加算係数セットを用いて重み付け調整を実施する。レンズＩＤと受光信号の加算係数セットはＣＰＵ１２１に記憶されており、例えば表１のようにレンズＩＤ＝Ａの場合の加算係数セットはＲ：Ｇ：Ｂ＝１：２：１であるが、レンズＩＤ＝Ｂの場合の加算係数セットはＲ：Ｇ：Ｂ＝０：２：０となる。レンズＩＤ＝Ｂの場合は緑（Ｇ）の受光信号のみを用いて焦点検出を行うことになる。

Ｓ１４において、Ｓ１３で重み付け調整された受光信号に対し、画素群２００毎に加算処理を行って、第１焦点検出信号と第２焦点検出信号を生成する。なお、信号データ量を抑制するために、列方向に、例えば３つの画素群２００ずつ加算処理を行ってもよい。

Ｓ１５では、第１焦点検出信号と第２焦点検出信号に、強度を揃えるための、シェーディング補正処理（光学補正処理）を行う。

Ｓ１６では、相関（信号の一致度）を良くして焦点検出精度を向上するために、第１焦点検出信号と第２焦点検出信号に、特定の通過周波数帯域を有するバンドパスフィルタ処理を行う。バンドパスフィルタの例としては、ＤＣ成分をカットしてエッジ抽出を行う｛１、４、４、４、０、－４、－４、－４、－１｝などの差分型フィルタや、高周波ノイズ成分を抑制する｛１、２、１｝などの加算型フィルタがある。

次に、Ｓ１７において、フィルタ処理後の第１焦点検出信号と第２焦点検出信号を相対的に瞳分割方向にシフトさせるシフト処理を行い、信号の一致度を表す相関量を算出する。

フィルタ処理後のｋ番目の第１焦点検出信号をＡ（ｋ）、第２焦点検出信号をＢ（ｋ）、焦点検出領域に対応する番号ｋの範囲をＷとする。シフト処理によるシフト量をｓ、シフト量ｓのシフト範囲をΓとすると、相関量ＣＯＲは、式（１）により算出される。

シフト量ｓのシフト処理により、ｋ番目の第１焦点検出信号Ａ（ｋ）とｋ－ｓ番目の第２焦点検出信号Ｂ（ｋ－ｓ）を対応させて減算し、シフト減算信号を生成する。生成されたシフト減算信号の絶対値を計算し、焦点検出領域に対応する範囲Ｗ内で番号ｋの和を取り、相関量ＣＯＲ（ｓ）を算出する。必要に応じて、各行毎に算出された相関量を、各シフト量毎に、複数行に渡って加算しても良い。

Ｓ１８では、相関量から、サブピクセル演算により、相関量が最小値となる実数値のシフト量を算出して像ずれ量ｐとする。そして、像ずれ量ｐに変換係数Ｋをかけて、デフォーカス量ｄを検出する。そして、Ｓ１９において、検出したデフォーカス量ｄに基づいてレンズ駆動を行う。

倍率色収差が及ぼす焦点検出誤差は、倍率色収差が大きく、第１焦点検出画素と第２焦点検出画素との色シェーディングの差が大きい結像光学系において、互いに分光感度の異なる複数の焦点検出画素の検出信号を合算すると生じる課題である。したがって、倍率色収差が及ぼす焦点検出誤差が大きくなる結像光学系においては、例えば表１のレンズＩＤ＝Ｂのように緑（Ｇ）のみで焦点検出を行えば、焦点検出誤差は抑制できる。また、Ｂ（青）の倍率色収差が特に大きいレンズの場合は、レンズＩＤ＝Ｃのように赤（Ｒ）と緑（Ｇ）を加算した検出信号を用いてもよい。さらには、レンズＩＤ＝Ｄのように赤（Ｒ）と青（Ｂ）の重み付けを半分にしたうえで、赤（Ｒ）緑（Ｇ）青（Ｂ）を加算した検出信号を用いてもよい。

なお、第１の実施形態においてはレンズＩＤと加算係数セットとの関係を撮像装置側のＣＰＵ１２１が記憶しておく構成としたが、本発明はこれに限定されない。例えば、レンズＩＤの代わりに、加算係数セットを指定するグループ別ＩＤを定義し、グループ別ＩＤ＝Ａのレンズの加算係数セットをＲ：Ｇ：Ｂ＝１：２：１、グループ別ＩＤ＝Ｂのレンズの加算係数セットをＲ：Ｇ：Ｂ＝０：２：０といったように構成してもよい。交換レンズ式の撮像装置においては、結像光学系を有する交換レンズが、不揮発性メモリを有し、そのメモリに上述のグループ別ＩＤを記憶させる。交換レンズ側からグループ別ＩＤを撮像装置に送信し、受信したグループ別ＩＤに対応した加算係数セットを用いて重み付けを行う構成としてもよい。

上記の通り第１の実施形態によれば、結像光学系の倍率収差が焦点検出結果に与える影響を抑制し、高精度な焦点検出を行うことが可能となる。

＜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。第１の実施形態においては、結像光学系のレンズＩＤもしくはグループ別ＩＤを結像光学系のレンズ情報とし、互いに分光感度の異なる複数の焦点検出画素から出力された信号を加算する際の重み付け（加算係数セット）をレンズ情報に応じて変更した。これに対し、第２の実施形態においては、結像光学系のレンズ情報として倍率色収差情報により、互いに分光感度の異なる複数の焦点検出画素の信号を加算する際の重み付け（加算係数セット）を変更する。なお、検出信号の重み付けを変更する点以外は第１の実施形態と同様であるため、相違点について説明し、カメラの構成等、共通点についての説明は省略する。

倍率色収差が及ぼす焦点検出誤差は、倍率色収差が大きいほど大きくなるため、倍率色収差が大きい焦点検出画素の受光信号の重みを低下させることで、検出誤差を抑制することができる。そこで第２の実施形態においては、倍率色収差情報と受光信号との関係を撮像装置側のＣＰＵ１２１に記憶しておく。Ｇを基準色として、ＲとＧ、ＢとＧの倍率色収差量に応じて表２のように受光信号の加算係数セットを変更する。ここで、ｘＲはＲとＧの倍率色収差の判断閾値であり、ＲとＧの倍率色収差量がｘＲ未満（閾値未満）であればＲの検出信号を用い、ｘＲ以上（閾値以上）であればＲの検出信号を用いない。同様に、ｘＢはＢとＧの倍率色収差の判断閾値であり、ＢとＧの倍率色収差量がｘＢ未満であればＢの検出信号を用い、ｘＢ以上であればＢの検出信号を用いない。

結像光学系を有する交換レンズの不揮発性メモリにレンズ固有の倍率色収差情報を記憶させておく。そして、交換レンズ側から倍率色収差情報を撮像装置に送信し、受信した倍率色収差情報に対応した加算係数セットを用いて、重み付け加算を行う。なお、倍率色収差量は結像光学系の状態によって異なる値であるため、例えばズーム状態や焦点状態に応じた倍率色収差情報を交換レンズの不揮発性メモリに記憶してもよい。その場合、結像光学系の状態に応じた倍率色収差情報を撮像装置に送信し、受信した倍率色収差情報に対応した加算係数セットを用いて重み付けを行う構成となる。

第２の実施形態においては結像光学系のレンズ情報として倍率色収差情報を用いて、加算係数セットを変更する調整方法について説明した。結像光学系のレンズ情報としては、倍率色収差による検出誤差を見積もる変数を用いることが好適であり、倍率色収差量以外にも射出瞳距離や、像ずれ量ｐをデフォーカス量ｄへ換算するための換算係数Ｋを用いることができる。一般的に射出瞳距離が短い結像光学系は、第１焦点検出画素２０１と第２焦点検出画素２０２との色シェーディングの差が大きくなりやすいため、倍率色収差による検出誤差を見積もる際に有用である。また、換算係数Ｋが大きい結像光学系は、倍率色収差による検出誤差を拡大することになるため、換算係数Ｋを結像光学系の情報として用いて、加算係数セットを変更する調整方法も有効である。射出瞳距離や換算係数Ｋを用いる場合、Ｇを基準色として、例えば、基準色以外の色（Ｒ、Ｂ）の加算係数セットを小さくする。

上記の通り第２の実施形態によれば、結像光学系の倍率収差が焦点検出結果に与える影響を抑制し、高精度な焦点検出を行うことが可能となる。

＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。交換レンズ式の撮像装置において、交換レンズと撮像装置の組み合わせが決定した状態において校正を行うことが知られている。そこで、本第３の実施形態では、交換レンズと撮像装置の組み合わせが決定した状態において、校正時に適切な検出信号の重み付け（加算係数セット）を設定する。なお、検出信号の重み付けを変更する点以外は第１の実施形態と同様であるため、相違点について説明し、カメラの構成等、共通点についての説明は省略する。

加算係数セットにはいくつかのパターンが考えられるが、第３の実施形態では、表３に示すようなパターンとする。また、第３の実施形態の撮像素子１０７の画素レイアウトは、図２に示すようにＲＧＢからなるベイヤ配列であるが、本実施形態においてはＲ画素に隣接するＧ画素をＧｒ、Ｂ画素に隣接するＧ画素をＧｂとして区別する。区別する理由としては、隣接画素からの光学的漏れこみを考慮すると、Ｇｒ画素とＧｂ画素は分光感度が異なると考えられるためである。

図９は、第３の実施形態において、それぞれの加算係数セットを用いた場合の、設定デフォーカス量と検出デフォーカス量との関係の一例を示す図である。設定デフォーカス量は正しいデフォーカス量であり、検出デフォーカス量は、検出したデフォーカス量に、表３に示す組み合わせ１～３のいずれかの加算係数セットを用いて重み付け加算して得られたデフォーカス量である。

設定デフォーカス量が０の時に検出デフォーカス量として０と返す場合が、最も合焦精度が高いと言える。したがって、図９より、最も合焦精度が高い加算係数セットは組み合わせ３となり、本実施形態の交換レンズと撮像装置の組み合わせでは、組み合わせ３の加算係数セットを用いて焦点検出を行うことが最適となる。したがって、この場合の交換レンズと撮像装置の組み合わせで焦点検出を行う場合は、組み合わせ３の加算係数セットを用いて焦点検出を行うように関連づけて撮像装置に記憶し、使用するとよい。

なお、適切な加算係数セットを決定する方法としては、設定デフォーカス量と検出デフォーカス量とを比較する以外にも、コントラストが最も高くなるピント位置に対して、最も近い検出結果を返す加算係数セットを選択してもよい。また、最も検出精度が高いと考えられる単色における焦点検出結果を正解とし、他の加算係数セットの組み合わせを用いた場合と比較をしてもよい。ただし、単色での焦点検出結果は受光量が少ないためＳ／Ｎ比が悪くなるという課題が発生する。同等な結果が得られる加算係数セットの組み合わせ同士の比較においては、Ｓ／Ｎ比の観点から受光量が最も高くなる組み合わせがよい。

なお、倍率色収差による焦点検出精度への影響はレンズの状態によって異なるため、絞り値毎に適切な加算係数セットを設定してもよい。また、ズームレンズの場合はズーム位置毎に適切な加算係数セットを設定してもよい。また、加算係数セットによっては、焦点検出結果を算出するのに必要なパラメータが大きく変わることがある。前述した換算係数Ｋやシェーディング補正値が焦点検出信号の加算係数によって変わる場合は、校正時に適切な値を算出し、撮像装置に記憶することで焦点検出時に使用するとよい。

上記の通り第３の実施形態によれば、結像光学系の倍率収差が焦点検出結果に与える影響を抑制し、高精度な焦点検出を行うことが可能となる。

また、本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

１０１：第１レンズ群、１０２：絞り兼用シャッタ、１０３：第２レンズ群、１０５：第３レンズ群、１０７：撮像素子、１２１：ＣＰＵ、１２４：撮像素子駆動回路、１２５：画像処理回路、１２６：フォーカス駆動回路、１２９：ズーム駆動回路

Claims (16)

1. 複数のマイクロレンズそれぞれに対して複数の光電変換部を備え、結像光学系を介して入射する光を光電変換して電気信号を出力する、複数色のカラーフィルタに覆われた撮像素子から得られる複数色の信号に基づいて、位相差検出方式による焦点検出を行う焦点検出装置であって、
   前記結像光学系の倍率色収差の特性に応じて、前記複数色の信号に適用する重み付けを示す複数の加算係数を予め記憶し、前記結像光学系の情報に応じて、前記複数の加算係数の１つを選択する取得手段と、
   前記選択した加算係数により、前記複数色の信号の重み付け加算を行って、一対の焦点検出信号を生成する生成手段と、
   前記一対の焦点検出信号間の像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. 前記結像光学系の情報は、前記結像光学系のレンズ識別情報であることを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
3. 前記結像光学系の情報は、前記結像光学系の倍率色収差の特性に応じて前記複数の加算係数のいずれかを指定する情報であることを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
4. 前記結像光学系の倍率色収差の特性は、前記結像光学系の倍率色収差の大きさを示す情報であることを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
5. 前記倍率色収差の大きさを示す情報は、前記複数色のうち基準となる色と、その他の色との間の倍率色収差量であって、前記取得手段は、前記倍率色収差量が予め決められた閾値以上の場合に、前記倍率色収差が前記閾値未満である場合よりも、より小さい加算係数を選択することを特徴とする請求項４に記載の焦点検出装置。
6. 前記倍率色収差の大きさを示す情報は、前記撮像素子から前記結像光学系までの射出瞳距離であって、前記取得手段は、前記射出瞳距離が予め決められた閾値以上の場合に、前記射出瞳距離が前記閾値未満である場合よりも、前記複数色のうち基準色以外の色の加算係数が小さい加算係数を選択することを特徴とする請求項４に記載の焦点検出装置。
7. 前記倍率色収差の大きさを示す情報は、前記像ずれ量を、前記結像光学系のデフォーカス量に変換する変換係数であって、前記取得手段は、前記変換係数が予め決められた閾値以上の場合に、前記変換係数が前記閾値未満である場合よりも、前記複数色のうち基準色以外の色の加算係数が小さい加算係数を選択することを特徴とする請求項４に記載の焦点検出装置。
8. 前記結像光学系は、前記撮像素子を含む撮像装置に対して着脱可能であって、
   前記取得手段は、前記複数の加算係数を用いて前記複数色の信号の重み付け加算をそれぞれ行って得られた像ずれ量のうち、予め決められた像ずれ量に最も近い像ずれ量となる加算係数を選択し、前記結像光学系と前記撮像装置の組み合わせと、選択した加算係数とを関連づけて記憶することを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
9. 前記取得手段は、さらに、前記複数の加算係数のうち、前記結像光学系の状態に応じて、加算係数を選択し、前記結像光学系の状態に関連づけて記憶することを特徴とする請求項８に記載の焦点検出装置。
10. 複数のマイクロレンズそれぞれに対して複数の光電変換部を備え、結像光学系を介して入射する光を光電変換して電気信号を出力する、複数色のカラーフィルタに覆われた撮像素子から得られる複数色の信号に基づいて、位相差検出方式による焦点検出を行う焦点検出装置であって、
    前記結像光学系の倍率色収差の特性に応じて、前記結像光学系から、前記複数色の信号に適用する重み付けを示す加算係数を取得する取得手段と、
    前記加算係数により、前記複数色の信号の重み付け加算を行って、一対の焦点検出信号を生成する生成手段と、
    前記一対の焦点検出信号間の像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。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の焦点検出装置と、
    前記撮像素子と、
    前記像ずれ量に基づいて、前記結像光学系を制御する制御手段と
    を有することを特徴とする撮像装置。
12. 前記結像光学系を更に有することを特徴とする請求項１１に記載の撮像装置。
13. 複数のマイクロレンズそれぞれに対して複数の光電変換部を備え、結像光学系を介して入射する光を光電変換して電気信号を出力する、複数色のカラーフィルタに覆われた撮像素子から得られる複数色の信号に基づいて、位相差検出方式による焦点検出を行う焦点検出方法であって、
    取得手段が、前記結像光学系の倍率色収差の特性に応じて、前記複数色の信号に適用する重み付けを示す複数の加算係数を予め記憶し、前記結像光学系の情報に応じて、前記複数の加算係数の１つを選択する取得工程と、
    生成手段が、前記選択した加算係数により、前記複数色の信号の重み付け加算を行って、一対の焦点検出信号を生成する生成工程と、
    検出手段が、前記一対の焦点検出信号間の像ずれ量を検出する検出工程と
    を有することを特徴とする焦点検出方法。
14. 複数のマイクロレンズそれぞれに対して複数の光電変換部を備え、結像光学系を介して入射する光を光電変換して電気信号を出力する、複数色のカラーフィルタに覆われた撮像素子から得られる複数色の信号に基づいて、位相差検出方式による焦点検出を行う焦点検出方法であって、
    取得手段が、前記結像光学系の倍率色収差の特性に応じて、前記結像光学系から、前記複数色の信号に適用する重み付けを示す加算係数を取得する取得工程と、
    生成手段が、前記加算係数により、前記複数色の信号の重み付け加算を行って、一対の焦点検出信号を生成する生成工程と、
    検出手段が、前記一対の焦点検出信号間の像ずれ量を検出する検出工程と
    ことを特徴とする焦点検出方法。
15. コンピュータを、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の焦点検出装置の各手段として機能させるためのプログラム。
16. 請求項１５に記載のプログラムを記憶したコンピュータが読み取り可能な記憶媒体。

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