WO2012073728A1 - 撮像装置及びその合焦位置検出方法 - Google Patents

撮像装置及びその合焦位置検出方法 Download PDF

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phase difference
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貴嗣 青木
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富士フイルム株式会社
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    • H04N25/704—Pixels specially adapted for focusing, e.g. phase difference pixel sets

Definitions

  • the present invention relates to an imaging apparatus that detects the distance to a subject and controls the focal position of a photographic lens, and an in-focus position detection method thereof.
  • the focus position detection method for detecting the distance to the main subject includes a contrast method and a phase difference AF method.
  • the phase difference AF method is often used in single-lens reflex cameras because it can detect the in-focus position at a higher speed and with higher accuracy than the contrast method.
  • phase difference AF method employed in the conventional single-lens reflex camera is, for example, as described in Patent Document 1 below, arranged separately on two right and left sides apart from a solid-state image sensor that captures a subject image.
  • a phase difference detection line sensor is provided, and the distance to the main subject is detected based on the phase difference between the detection information of the first line sensor and the detection information of the second line sensor.
  • phase difference AF method described in Patent Document 1 requires a line sensor for phase difference detection in addition to the solid-state imaging device, which increases the parts cost and manufacturing cost, and further increases the size of the apparatus. .
  • Patent Document 2 a pixel in which a pixel for detecting a phase difference is provided on a light receiving surface of a solid-state imaging device has been proposed.
  • a solid-state image sensor in which pixels for phase difference detection are formed as a solid-state image sensor that captures a subject image, an external phase difference detection sensor becomes unnecessary, and the cost can be reduced.
  • Patent Document 2 the conventional technique described in Patent Document 2 is intended for single-lens reflex cameras, and is premised on mounting a large-area solid-state imaging device.
  • the phase difference detection pixel as described in Patent Document 2, the light shielding film opening of each of a pair of adjacent pixels is made small, and the light shielding film opening position of one and the other is set to the phase difference detection direction (normal case). Is configured to detect the phase difference by shifting in the horizontal direction.
  • a large-format (large area) solid-state imaging device that can increase the light receiving area of each pixel can obtain phase difference information at high speed and high accuracy even if the light shielding film aperture is slightly reduced.
  • the light receiving area of each pixel cannot be increased.
  • the original light-shielding film aperture is small. If the information is acquired at high speed, there is a problem that the accuracy of the phase difference information, that is, the in-focus position detection accuracy is lowered depending on the state of the subject.
  • An object of the present invention is to provide an imaging apparatus capable of acquiring phase difference information at high speed and with high accuracy and obtaining an in-focus position, regardless of the state of a subject, even when applied to a solid-state imaging device having a small area, It is to provide a focal position detection method.
  • a first phase difference detection pixel and a second phase difference detection that are divided into pupils in a phase difference detection area provided on a light receiving surface that captures an image of a subject.
  • An image sensor in which a pair of pixels is arranged two-dimensionally;
  • a focus lens that is placed in front of the optical path of the image sensor and forms a focused optical image of the subject on the light receiving surface;
  • An in-focus position detection method for an imaging apparatus comprising: a control unit that obtains a phase difference from the second distribution curve with respect to the one arrangement direction and drives and controls the focus lens to the in-focus position based on the phase difference. There, Whether the number of divisions for dividing the phase difference detection area in the direction perpendicular to the phase difference detection direction is the first division number n or the second division number m greater than n is determined according to the state of the subject.
  • the correlation between the first detection information and the second detection information is calculated to calculate a correlation calculation curve for each divided area
  • a comprehensive evaluation curve obtained by performing a required calculation process on the correlation calculation curves in a plurality of the divided areas is obtained, and a defocus amount for driving and controlling the focus lens to the in-focus position is obtained from the comprehensive evaluation curve. It is characterized by seeking.
  • FIG. 1 It is a functional block block diagram of the imaging device which concerns on one Embodiment of this invention. It is explanatory drawing of the phase difference detection area provided on the light-receiving surface of the solid-state image sensor shown in FIG. It is a surface expansion schematic diagram in the dotted-line rectangular frame of FIG. It is a figure explaining the concept of the phase difference amount calculated
  • FIG. 1 is a functional block diagram of a digital camera according to an embodiment of the present invention.
  • the digital camera 10 of the present embodiment has a function of capturing a still image or a moving image of a subject and digitally processing a captured image signal in the camera 10, and includes a photographic lens 20 including a telephoto lens and a focus lens, and a photographic lens 20.
  • AGC automatic gain adjustment
  • an analog / digital conversion unit (A / D) 23 that converts analog image data output from the analog signal processing unit 22 into digital image data, and a system control unit (CPU) 29 described later
  • the A / D 23, the analog signal processing unit 22, the solid-state imaging device 21, and the photographic lens 20 are driven and controlled by It includes a moving section 24, a flash 25 that emits light in response to an instruction from the CPU 29.
  • the digital camera 10 further includes a digital signal processing unit 26 that takes in digital image data output from the A / D 23 and performs interpolation processing, white balance correction, RGB / YC conversion processing, and the like.
  • a compression / decompression processing unit 27 that compresses or reversely decompresses the image data
  • a display unit 28 that displays a menu or the like, and a through image or a captured image
  • a system control unit that performs overall control of the entire digital camera
  • a media interface (I / F) unit 31 that performs interface processing between the (CPU) 29, an internal memory 30 such as a frame memory, and a recording medium 32 that stores JPEG image data, and the like are connected to each other.
  • an operation unit 33 for inputting an instruction from the user to the system control unit 29. It is connected.
  • the system control unit 29 analyzes the captured image data (through image) output from the solid-state imaging device 21 in a moving image state and processed by the digital signal processing unit 26 using the subordinate digital signal processing unit 26 and the like as described later. To obtain an evaluation curve (correlation calculation curve) and detect the distance to the main subject. Then, the system control unit 29 controls the position of the focus lens placed in front of the optical path of the solid-state imaging device 21 in the photographic lens 20 via the driving unit 24, and the optical image focused on the subject is a solid-state imaging device. An image is formed on the light receiving surface 21.
  • the solid-state image pickup device 21 is a CMOS type in this embodiment, and an output signal of the solid-state image pickup device 21 is processed by an analog signal processing unit (AFE: analog front end) 22, and this AFE portion (correlated double sampling processing or A circuit for performing clamping, a signal amplifier for performing gain control, and the like) are generally provided as a peripheral circuit on the solid-state imaging device chip.
  • AFE analog signal processing unit
  • a horizontal scanning circuit, a vertical scanning circuit, a noise reduction circuit, a synchronization signal generation circuit, and the like are also formed as peripheral circuits around the light receiving unit on the chip of the solid-state imaging device 21, and the A / D in FIG.
  • the conversion part 23 may also be formed.
  • the solid-state imaging device 21 may be a CCD type, and the embodiments described below can be applied as they are.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram of the light receiving surface of the solid-state image sensor 21.
  • a large number of pixels (light receiving elements: photodiodes) (not shown) are arranged in a two-dimensional array.
  • a plurality of pixels are arranged in a square lattice pattern.
  • the pixel arrangement is not limited to a square lattice arrangement, and may be a so-called honeycomb pixel arrangement in which even-numbered pixel rows are shifted by 1/2 pixel pitch with respect to odd-numbered pixel rows.
  • a rectangular phase difference detection area 40 is provided at an arbitrary partial region position on the light receiving surface, in the illustrated example, at the center position. In this example, only one phase difference detection area 40 is provided with respect to the light receiving surface. However, the phase difference detection area 40 may be provided at a plurality of locations so that AF can be performed anywhere on the imaging screen. The entire area of the light receiving surface may be used as a phase difference detection area.
  • the phase difference detection area 40 is divided into four in the vertical direction (up and down direction y) with respect to the phase difference detection direction (in this example, the left and right direction, that is, the x direction is the phase difference detection direction).
  • the focus position to the subject is detected and the focus position to the subject is detected as one area without dividing the phase difference detection area 40 according to the state of the subject.
  • the number of divisions is not limited to four, and may be six or seven, and can be divided into an arbitrary number.
  • FIG. 3 is a schematic enlarged surface view of a portion indicated by a dotted rectangular frame 41 in FIG. 2 in the phase difference detection area 40.
  • a large number of pixels are arranged in a square lattice on the light receiving surface of the solid-state imaging device 21, and the same applies to the phase difference detection area 40.
  • each pixel is indicated by R (red), G (green), and B (blue).
  • R, G, and B represent colors of the color filters stacked on each pixel, and the color filter array is a Bayer array in this example, but is not limited to the Bayer array, and other color filters such as stripes. An array may be used.
  • phase difference detection pixels 1x and 1y Pixels of the same color adjacent to are designated as phase difference detection pixels 1x and 1y.
  • paired pixels for phase difference detection are provided at discrete and periodic positions in the area 40, in the illustrated example, at checkered positions.
  • the same color pixels are diagonally adjacent because the color filter array is a Bayer array, and in the case of a horizontal stripe array, the same color pixels are arranged in the horizontal direction. Will be adjacent to.
  • each pixel constituting the pair may be provided separately in each filter row of the same color closest in the vertical direction. The same applies to the vertical stripe arrangement.
  • the phase difference detection pixels 1x and 1y are provided in the most G filter mounted pixels among R, G, and B, and 8 pixels are arranged in the horizontal direction (x direction) and in the vertical direction (y direction). It is arranged so that every eight pixels and the entire checkered position. Accordingly, when viewed in the phase difference detection direction (left-right direction), the phase difference detection pixels 1x are arranged every four pixels.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing only the phase difference detection pixels 1x and 1y of FIG.
  • the phase difference detection pixels 1x and 1y constituting the paired pixels are formed such that the light shielding film openings 2x and 2y are smaller than other pixels (pixels other than the phase difference detection pixels), and the pixel 1x
  • the light shielding film opening 2x is eccentrically provided in the left direction
  • the light shielding film opening 2y of the pixel 1y is eccentrically provided in the right direction (phase difference detection direction).
  • the curve X shown in the lower part of FIG. 4 is a graph in which the detection signal amounts of the phase difference detection pixels 1x arranged in a horizontal row are plotted, and the curve Y is a detection signal of the phase difference detection pixel 1y that forms a pair with these pixels 1x. It is the graph which plotted quantity.
  • the paired pixels 1x and 1y are adjacent pixels and are very close to each other, and therefore are considered to receive light from the same subject. For this reason, it is considered that the curve X and the curve Y have the same shape, and the shift in the left-right direction (phase difference detection direction) is caused by the difference between the image seen by one pixel 1x of the paired pixel divided by pupil and the other pixel 1y. This is the amount of phase difference from the image seen in.
  • the phase difference amount (lateral shift amount) can be obtained, and the distance to the subject can be calculated from the phase difference amount.
  • a known method for example, a method described in Patent Document 1 or a method described in Patent Document 2 may be adopted as a method for obtaining the evaluation value of the correlation amount between the curve X and the curve Y.
  • the integrated value of the absolute value of the difference between each point X (i) constituting the curve X and each point Y (i + j) constituting the curve Y is used as the evaluation value, and the j value giving the maximum evaluation value is expressed as the phase difference.
  • the detection signals of the pixels 1x at the same horizontal position are added by a plurality of pixels in the vertical direction, and the detection signals of the pixels 1y at the same horizontal position are added in the vertical direction. If only a plurality of pixels are added, the influence of noise can be reduced and the detection accuracy (AF accuracy) of the in-focus position can be improved.
  • the arrangement area of the phase difference detection pixels to be added to the pixels in the phase difference detection area 40 extends in the vertical direction (vertical direction). It will be.
  • the subject pattern is usually different between a pattern imaged in the upper part of the phase difference detection area 40, a pattern imaged in the middle part, and a pattern imaged in the lower part. Therefore, depending on the state of the subject, if the phase difference detection area 40 is one area and all of these pixels are added, the pattern after subject pixel addition is averaged in the phase difference detection direction (left-right direction). The evaluation value for obtaining the phase difference may decrease.
  • the phase difference detection area 40 is divided into four according to the state of the subject, the pixel addition range is limited to each divided area, and pixel addition is not performed beyond the divided area.
  • pixels are added to each divided area I, II, III, IV to obtain a divided area evaluation curve (correlation calculation curve), and each divided area evaluation curve is added to evaluate the entire evaluation curve of the phase difference detection area 40 ( Comprehensive evaluation curve).
  • FIG. 5 shows divided area evaluation curves (correlation calculation curves for each divided area) I, II, III, IV, and a total evaluation curve (evaluation curve for all areas) V obtained by summing these four divided area evaluation curves. It is a graph to show.
  • the divided area evaluation curve I is the same as the divided area I in FIG. 4 obtained by adding the detection signals of the phase difference detection pixels 1x in the divided area I in the vertical direction (for example, reference numeral 45 in FIG. 3).
  • 4 is an evaluation curve obtained by correlation calculation with the curve Y in FIG. 4 obtained by adding the detection signals of the phase difference detection pixel 1y in the vertical direction (for example, reference numeral 46 in FIG. 3).
  • the maximum evaluation value is obtained as the minimum value.
  • the divided area evaluation curve II is an evaluation curve obtained in the divided area II
  • the divided area evaluation curve III is an evaluation curve obtained in the divided area III
  • the divided area evaluation curve IV is obtained in the divided area IV. Evaluation curve.
  • the number of added pixels for obtaining each of these four divided area evaluation curves I, II, III, and IV is substantially divided with respect to the number of phase difference detection pixels 1x arranged in the vertical direction of the phase difference detection area 40. Since the number of areas is one-thousand, there is little possibility that the subject pattern is averaged, and the evaluation value can be calculated with high accuracy.
  • phase difference amount (defocus amount) for adjusting the focus lens to the in-focus position is obtained. This makes it possible to calculate the phase difference with high accuracy while being resistant to noise and maintaining the evaluation value of each divided area of the subject, thereby improving the AF accuracy.
  • the minimum of the comprehensive evaluation curve V Subpixel interpolation of the position that gives the true minimum value (maximum evaluation value), that is, the phase difference amount, taking into account the position of the value and the slope of the curve that extends to the right and the curve that extends to the left with respect to this minimum value. Calculate by calculation. As a result, the phase difference amount can be obtained for each pixel in FIG.
  • phase difference detection area 40 by dividing the phase difference detection area 40 into a plurality of areas and performing a correlation operation for each divided area, it is possible to calculate the in-focus position with high accuracy.
  • the correlation calculation takes time, an increase in the number of divisions becomes a factor that hinders AF speedup.
  • FIG. 4 shows the curve X of FIG. 4 by the addition signal of the pixel 1x and the addition signal of the pixel 1y by adding pixels in the vertical direction to the phase difference detection pixels 1x and 1y in the phase difference detection area 40 without dividing the area 40.
  • the correlation calculation with the curve Y of No. 4 is performed, the optimum evaluation value is obtained, and the in-focus position is calculated. This speeds up the AF operation.
  • the in-focus position is calculated by the method described with reference to FIG.
  • FIG. 6 shows a case where a face image is shown in the phase difference detection area 40.
  • Human face images are generally low frequency and difficult to focus. Therefore, in this case, it is preferable to divide the phase difference detection area 40 in order to increase AF accuracy.
  • FIG. 7 is a flowchart showing a processing procedure performed by the CPU 29 in this case.
  • next step S3 correlation calculation is performed for each divided area to calculate evaluation curves I, II, III, IV for each divided area.
  • evaluation curves I, II, IV for each divided area are calculated.
  • the total evaluation curve V for all areas is obtained by summing III and IV.
  • step S7 sub-pixel interpolation is performed on the overall evaluation curve V to obtain an optimum evaluation value, and a phase difference amount (defocus amount) that gives the optimum evaluation value is calculated.
  • step S8 the focus lens position is controlled to perform focusing control, and this process is terminated.
  • step S1 If the face image is not detected as a result of the determination in step S1, the process proceeds from step S1 to step S5, the phase difference detection area 40 is handled as one area without being divided, and the phase difference added in area 40 in step S6. Correlation between the curve X of FIG. 4 obtained from the detection pixel 1x and the curve Y obtained from the phase difference detection pixel 1y is performed. Then, based on the comprehensive evaluation curve obtained as a result of the correlation calculation, a defocus amount is calculated (step S7), and focusing control of the focus lens is performed (step S8).
  • the phase difference detection area 40 when a face image is detected, the phase difference detection area 40 is divided to increase AF accuracy, and when a face image is not detected, the phase difference detection area 40 is not divided. It is possible to increase the speed of the AF operation.
  • step S1 in the case of a face image, a high-frequency component increases in the case of a face image smaller than the phase difference detection area 40, so that the in-focus position can be easily detected.
  • FIG. 5 in the case of a group photo in which many small faces exist in the vicinity of the phase difference detection area 40, the in-focus position is easy to detect because the high-frequency component increases. For this reason, AF accuracy can be secured even if the process proceeds from step S1 to steps S5 and S6 as one area without dividing the phase difference detection area 40. Therefore, a step of determining the state of FIGS. 8 and 9 is inserted between step S1 and step S2, and the phase difference detection area 40 is divided by the presence / absence of the main subject, the size of the face, and the number of faces. You may divide whether or not.
  • FIG. 10 shows a case where the contrast of the subject reflected in the phase difference detection area 40 is high in the vertical direction (perpendicular to the phase difference detection direction), and FIG. 11 shows the direction perpendicular to the phase difference detection direction.
  • the contrast is a value indicating the level of contrast of the subject image in the phase difference detection area 40, and is determined, for example, by a value obtained by extracting a high frequency component signal from the captured image signal by a high pass filter.
  • the same processing steps as those in FIG. 7 are denoted by the same step numbers, and detailed description thereof is omitted.
  • step S11 a contrast in a direction perpendicular (perpendicular) to the phase difference detection direction is calculated, and in the next step S12, whether or not the contrast calculated in step S11 is higher than a predetermined threshold value. Determine. If it is higher, the process proceeds to step S2, and the phase difference detection area 40 is divided. If it is lower, the process proceeds to step S5, and the phase difference detection area 40 is handled as one area without being divided.
  • the subsequent processing procedure is the same as in FIG.
  • phase difference detection area 40 When the contrast in the vertical direction of the phase difference detection area 40 is high, if the phase difference detection pixels 1x and 1y are all added together with the phase difference detection area 40 as one area, the subject pattern after the addition is averaged. The difference in contrast is not reflected, and a high evaluation value cannot be obtained.
  • step S2 when the contrast in the vertical direction is high, the process proceeds to step S2, and the phase difference detection area 40 is divided to reduce the influence of noise and improve the AF accuracy.
  • the contrast in the vertical direction is low, an evaluation curve is obtained without dividing the phase difference detection area 40, and the AF operation is speeded up.
  • FIG. 12 shows a case where the contrast of the subject reflected in the phase difference detection area 40 is high in the left-right direction (the same direction as the phase difference detection direction).
  • FIG. 13 shows the case where the contrast is high in the phase difference detection direction. It is a flowchart which shows the process sequence to divide
  • step S13 the contrast in the phase difference detection direction is calculated.
  • step S14 it is determined whether or not this contrast is lower than a predetermined threshold value. If the contrast in the left-right direction is low, the process proceeds to step S2 to increase the AF accuracy, and if it is high, the AF operation is speeded up. The process proceeds to step S5.
  • the subsequent processing procedure is the same as in FIG.
  • the shape of the curve X and the shape of the curve Y in FIG. 4 are clear, and the amount of deviation between the two can be easily calculated. Therefore, if the contrast in the phase difference detection direction is high, the phase difference detection area is not divided and the AF operation is speeded up.
  • the determination is made based on the contrast in the vertical direction when the contrast in the horizontal direction is low.
  • FIG. 14 is a flowchart showing a processing procedure according to another embodiment of the present invention.
  • the same processing steps as those in FIG. 7 are denoted by the same step numbers, and detailed description thereof is omitted.
  • step S15 when the AF operation is started, first, it is determined whether or not the brightness of the subject is brighter than a predetermined threshold (step S15).
  • the exposure amount is sufficient, so that it is easy to achieve AF accuracy.
  • the process proceeds to step S2 to divide the area.
  • the process proceeds to step S5, and the phase difference detection area 40 is set as one area to speed up the AF operation.
  • the subsequent processing procedure is the same as in FIG.
  • FIG. 15 is a flowchart showing a processing procedure according to still another embodiment of the present invention.
  • the same processing steps as those in FIG. 7 are denoted by the same step numbers, and detailed description thereof is omitted.
  • step S16 when the AF operation is started, first, in step S16, the frequency characteristic of the subject image is calculated. In the next step S17, it is determined whether or not there are many high-frequency components. If there are few high-frequency components, the process proceeds to step S2 to obtain AF accuracy. If there are many high-frequency components, sufficient AF accuracy is achieved even in one area. Therefore, the process proceeds to step S5 to perform high-speed AF.
  • the subsequent processing procedure is the same as in FIG.
  • the density of the normal pixels is generally higher.
  • the frequency that the normal pixel can recognize is higher than the detection pixel. Based on the frequency of the subject image detected by the normal pixels, it is possible to perform high-speed and high-precision AF even in the case of a subject with many high-frequency components, by dividing the case into step S2 or step S5. It becomes possible.
  • phase difference detection area is handled as one area or divided into a plurality of areas. If AF accuracy can be expected even in one area, AF is not performed. If the AF accuracy cannot be expected, the phase difference detection area is divided and the phase difference AF process is performed. Therefore, even when using a small area image sensor, the same level as a single-lens reflex camera is used. High-speed and high-precision AF performance can be obtained.
  • the pupil-divided pair pixel constituting the phase difference detection pixel has been described by using an example in which the reduced light shielding film openings are shifted in opposite directions.
  • the method of configuring is not limited to this, and for example, one microlens may be mounted on a pair of pixels to divide the pupil.
  • the phase difference detection area is divided into a plurality of regions to detect the focus position by the phase difference AF method, or the phase difference detection area is not divided (that is, the division number is “1”). Whether the focus position is detected by the phase difference AF method is divided according to the state of the subject, but the number of divisions may be changed depending on the state of the subject. For example, whether the number of divisions is “2” or “4” may be divided according to the state of the subject. The smaller the number of divisions, the smaller the correlation calculation processing, and the faster AF processing becomes possible.
  • the pixel need not necessarily be provided at the periodic and discrete positions. 4 may be random positions (even if the phase difference detection pixels provided in the same row are at random positions, the curves X and Y in FIG. 4 can be obtained), or all the pixels are used as phase difference detection pixels. That's fine.
  • the imaging apparatus and the focus position detection method thereof include the first phase difference detection pixel and the second phase divided in the phase difference detection area provided on the light receiving surface that captures the image of the subject.
  • An image sensor in which a pair of pixels composed of phase difference detection pixels are two-dimensionally arranged;
  • a focus lens that is placed in front of the optical path of the image sensor and forms a focused optical image of the subject on the light receiving surface;
  • the control means includes Whether the number of divisions for dividing the phase difference detection area in the direction perpendicular to the phase difference detection direction is the first division number n or the second division number m greater than n is determined according to the state of the subject.
  • the correlation between the first detection information and the second detection information is calculated to calculate a correlation calculation curve for each divided area
  • a comprehensive evaluation curve obtained by performing a required calculation process on the correlation calculation curves in a plurality of the divided areas is obtained, and a defocus amount for driving and controlling the focus lens to the in-focus position is obtained from the comprehensive evaluation curve. It is characterized by seeking.
  • the state of the subject is determined based on a spatial frequency characteristic of the subject image.
  • the first division number n is selected, and when the number of subjects is small, the second division number m is selected.
  • the state of the subject is determined based on the presence or absence of a face image. If the face image does not exist, the division number n is selected and the face image exists. In this case, the second division number m is selected.
  • the state of the subject is determined based on the size of the main subject image, and the main subject image is smaller than a predetermined threshold with respect to the phase difference detection area. Selects the first division number n, and when larger, selects the second division number m.
  • the state of the subject is determined by contrast in a direction perpendicular to the phase difference detection direction of the phase difference detection area.
  • One division number n is selected, and if it is larger, the second division number m is selected.
  • the state of the subject is determined based on the contrast in the phase difference detection direction of the phase difference detection area. If the contrast is large, the first division number n is determined. Is selected, and if it is smaller, the second division number m is selected.
  • the state of the subject is determined by the brightness of the subject.
  • the first division number n is selected, and when the subject is dark. Selects the second division number m.
  • high-speed AF and high-precision AF equivalent to those of a single-lens reflex camera can be realized by the phase difference AF method regardless of the state of the subject.
  • the in-focus position detection method according to the present invention can obtain high-speed and high-precision AF performance regardless of the state of the subject. Therefore, a digital camera, particularly a compact digital camera, a camera-equipped mobile phone, and a camera-equipped electronic device. It is useful when applied to an endoscope imaging device or the like.
  • This application is based on Japanese Patent Application No. 2010-267933 filed on Nov. 30, 2010, the contents of which are incorporated herein by reference.
  • Phase difference detection pixels 1x, 1y Phase difference detection pixels 2x, 2y Light shielding film opening 10 of phase difference detection pixels Imaging device 20 Shooting lens 21 Solid-state imaging device 24 Drive unit 26 Digital signal processing unit 29 System control unit 40 Phase difference detection areas I, II, III , IV Divided area

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Abstract

　被写体の状態によらず、高速かつ高精度の位相差ＡＦを実現する。　受光面の位相差検出エリア内に瞳分割した第１，第２位相差検出画素ｘ，ｙを配列形成しておき、撮像素子前段のフォーカスレンズ位置を画素ｘ，ｙの各検出情報間の位相差量に基づき合焦位置に駆動制御する制御手段を備える。制御手段は、位相差検出エリアの分割数を第１分割数ｎ（ｎ＝１を含む）とするか該ｎより大きい第２分割数ｍとするかを被写体の状態（例えば顔の有無）によって判断し、位相差検出エリアをｎ又はｍに分割した分割エリア毎に、第１情報と第２情報との相関関係を演算して分割エリア評価曲線を算出し、分割エリア毎の分割エリア評価曲線に所要演算処理を施して総合評価曲線を求め、該総合評価曲線からフォーカスレンズを合焦位置に駆動制御するためのデフォーカス量を求める。

Description

撮像装置及びその合焦位置検出方法
　本発明は、被写体までの距離を検出し撮影レンズの焦点位置制御を行う撮像装置及びその合焦位置検出方法に関する。
　主要な被写体までの距離を検出する合焦位置検出方法には、コントラスト方式や位相差ＡＦ方式がある。位相差ＡＦ方式は、コントラスト方式に比べて合焦位置の検出を高速，高精度に行うことができるため、一眼レフカメラで多く採用されている。
　従来の一眼レフカメラで採用されている位相差ＡＦ方式は、例えば下記の特許文献１に記載されている様に、被写体画像を撮像する固体撮像素子とは別に、２つの左右に配置される位相差検出用ラインセンサを設け、第１のラインセンサの検出情報と第２のラインセンサの検出情報との位相差に基づき、主要被写体までの距離を検出する構成になっている。
　この特許文献１記載の位相差ＡＦ方式は、固体撮像素子とは別に位相差検出用のラインセンサが必要となり、部品コスト，製造コストが嵩んでしまい、更に装置が大型化してしまうという問題がある。
　これに対し、下記の特許文献２に記載されている様に、固体撮像素子受光面上に位相差検出用の画素を設けたものが提案されている。被写体画像を撮像する固体撮像素子として位相差検出用の画素が形成された固体撮像素子を採用することで、外部の位相差検出用センサが不要となり、低コスト化を図ることが可能となる。
日本国特開２０１０―８４４３号公報 日本国特開２０１０―９１９９１号公報
　しかしながら、特許文献２に記載の従来技術は、一眼レフカメラが対象であり、大面積の固体撮像素子を搭載することが前提となっている。位相差検出画素は、特許文献２に記載されている様に、１対の隣接画素の夫々の遮光膜開口を小さくし、かつ一方と他方で遮光膜開口位置を位相差検出方向（通常の場合は左右方向）にずらすことで位相差を検出する構成になっている。
　一画素一画素の受光面積を大きくとれる大判（大面積）の固体撮像素子であれば、遮光膜開口を少しくらい小さくしても位相差情報を高速かつ高精度にとることができる。しかし、一画素一画素の受光面積を大きくとれない、例えばコンパクトカメラ等に搭載する固体撮像素子では、もともとの遮光膜開口が小さいため、これを更に小さくし、受光時間を短時間にして位相差情報を高速に取得すると、被写体の状態によっては、位相差情報の精度つまり合焦位置検出精度が落ちてしまうという問題が生じる。
　本発明の目的は、小面積の固体撮像素子に適用した場合でも、被写体の状態によらずに、高速かつ高精度に位相差情報を取得し合焦位置を求めることができる撮像装置及びその合焦位置検出方法を提供することにある。
　本発明の撮像装置及びその合焦位置検出方法は、被写体の画像を撮像する受光面に設けられた位相差検出エリア内に、瞳分割した第１の位相差検出画素及び第２の位相差検出画素で構成されるペア画素が２次元配列された撮像素子と、
　該撮像素子の光路前段に置かれ、前記被写体の合焦した光学像を前記受光面に結像させるフォーカスレンズと、
　前記第１の位相差検出画素から出力される第１検出情報の前記ペア画素の一方の配列方向に対する第１の分布曲線と、前記第２の位相差検出画素から出力される第２検出情報の前記一方の配列方向に対する第２の分布曲線との位相差を求め、該位相差に基づき前記フォーカスレンズを前記合焦する位置に駆動制御する制御手段とを備える撮像装置の合焦位置検出方法であって、
　前記位相差検出エリアを前記位相差の検出方向に対して直角方向に分割する分割数を第１分割数ｎとするか該ｎより大きい第２分割数ｍとするかを被写体の状態によって判断し、
　前記位相差検出エリアを前記ｎ又は前記ｍに分割した分割エリア毎に、前記第１検出情報と前記第２検出情報との相関関係を演算して前記分割エリア毎の相関演算曲線を算出し、
　複数の前記分割エリアの前記相関演算曲線に対して所要の演算処理を施した総合評価曲線を求め、該総合評価曲線から前記フォーカスレンズを前記合焦する位置に駆動制御するためのデフォーカス量を求めることを特徴とする。
　本発明によれば、被写体の状態によらずに、小型の固体撮像素子を使用する場合でも一眼レフカメラと同等の高速かつ高精度なＡＦ動作性能を得ることが可能となる。
本発明の一実施形態に係る撮像装置の機能ブロック構成図である。 図１に示す固体撮像素子の受光面上に設ける位相差検出エリアの説明図である。 図２の点線矩形枠内の表面拡大模式図である。 図３の位相差検出画素とその検出信号だけを抜き出して求める位相差量の概念を説明する図である。 分割エリア毎の評価曲線と合計の評価曲線の説明図である。 被写体として顔画像が検出された場合の説明図である。 被写体中に顔画像があるか否かでＡＦ処理の場合分けを行う処理手順の説明図である。 被写体中の顔画像が位相差検出エリアの広さに比べて小さい場合の説明図である。 被写体中に集合写真の顔画像が存在する場合の説明図である。 被写体に垂直方向のコントラストがある場合の説明図である。 被写体の垂直方向のコントラストの有無による場合分けを行う処理手順を示すフローチャートである。 被写体に水平方向のコントラストがある場合の説明図である。 被写体の水平方向のコントラストの有無による場合分けを行う処理手順を示すフローチャートである。 本発明の別実施形態に係る処理手順を示すフローチャートである。 本発明の更に別実施形態に係る処理手順を示すフローチャートである。
　以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
　図１は、本発明の一実施形態に係るデジタルカメラの機能ブロック図である。本実施形態のデジタルカメラ１０は、被写体の静止画像或いは動画像を撮影しカメラ１０内で撮像画像信号をデジタル処理する機能を有し、望遠レンズ及びフォーカスレンズを備える撮影レンズ２０と、撮影レンズ２０の背部に置かれその結像面に配置された固体撮像素子２１と、固体撮像素子２１の各画素から出力されるアナログの画像データを自動利得調整（ＡＧＣ）や相関二重サンプリング処理等のアナログ処理するアナログ信号処理部２２と、アナログ信号処理部２２から出力されるアナログ画像データをデジタル画像データに変換するアナログデジタル変換部（Ａ／Ｄ）２３と、後述のシステム制御部（ＣＰＵ）２９からの指示によってＡ／Ｄ２３，アナログ信号処理部２２，固体撮像素子２１，撮影レンズ２０の駆動制御を行う駆動部２４と、ＣＰＵ２９からの指示によって発光するフラッシュ２５とを備える。
　本実施形態のデジタルカメラ１０は更に、Ａ／Ｄ２３から出力されるデジタル画像データを取り込み補間処理やホワイトバランス補正，ＲＧＢ／ＹＣ変換処理等を行うデジタル信号処理部２６と、画像データをＪＰＥＧ形式などの画像データに圧縮したり逆に伸長したりする圧縮／伸長処理部２７と、メニューなどを表示したりスルー画像や撮像画像を表示する表示部２８と、デジタルカメラ全体を統括制御するシステム制御部（ＣＰＵ）２９と、フレームメモリ等の内部メモリ３０と、ＪＰＥＧ画像データ等を格納する記録メディア３２との間のインタフェース処理を行うメディアインタフェース（Ｉ／Ｆ）部３１と、これらを相互に接続するバス３９とを備え、また、システム制御部２９には、ユーザからの指示入力を行う操作部３３が接続されている。
　システム制御部２９は、固体撮像素子２１から動画状態で出力されデジタル信号処理部２６で処理された撮像画像データ（スルー画像）を配下のデジタル信号処理部２６等を用いて後述するように解析して評価曲線（相関演算曲線）を求め、主要被写体までの距離を検出する。そして、システム制御部２９は、駆動部２４を介し、撮影レンズ２０のうちの固体撮像素子２１の光路前段に置かれたフォーカスレンズの位置制御を行い、被写体に合焦した光学像が固体撮像素子２１の受光面に結像するようにする。
　固体撮像素子２１は、本実施形態ではＣＭＯＳ型であり、固体撮像素子２１の出力信号をアナログ信号処理部（ＡＦＥ：アナログフロントエンド）２２で処理するが、このＡＦＥ部分（相関二重サンプリング処理やクランプを行う回路、利得制御を行う信号増幅回路等）は固体撮像素子チップ上に周辺回路として設けられるのが普通である。また、固体撮像素子２１のチップ上には、その他にも、水平走査回路や垂直走査回路、雑音低減回路，同期信号発生回路等が周辺回路として受光部周りに形成され、図１のＡ／Ｄ変換部２３も形成される場合がある。なお、固体撮像素子２１は、ＣＣＤ型でも、以下に説明する実施形態はそのまま適用可能である。
　図２は、固体撮像素子２１の受光面の説明図である。固体撮像素子２１の受光面には、図示しない多数の画素（受光素子：フォトダイオード）が二次元アレイ状に配列形成されている。この実施形態では、複数の画素が正方格子状に配列形成されている。なお、画素配列は正方格子配列に限るものではなく、奇数行の画素行に対して偶数行の画素行が１／２画素ピッチずつずらして配列された、所謂、ハニカム画素配列でも良い。
　受光面の任意の一部領域位置、図示する例では中央位置に、矩形の位相差検出エリア４０が設けられている。この例では、位相差検出エリア４０は受光面に対して１箇所だけ設けているが、撮影画面内のどこでもＡＦ可能とできるよう複数箇所に設けても良い。受光面の全領域を位相差検出エリアとすることでも良い。
　本実施形態では、位相差検出エリア４０を、位相差検出方向（この例では左右方向つまりｘ方向を位相差検出方向としている。）に対し垂直方向（上下方向ｙ）に４分割して後述の様に被写体までの合焦位置を検出する場合と、位相差検出エリア４０を分割せずに１エリアとして被写体までの合焦位置を検出する場合とを、被写体の状態に応じて切り替えることを特徴とする。なお、分割数は４つに限るものではなく、６分割でも７分割でも良く、任意数に分割できる。
　図３は、位相差検出エリア４０内の、図２の点線矩形枠４１で示す部分の表面拡大模式図である。固体撮像素子２１の受光面には、多数の画素が正方格子配列されており、位相差検出エリア４０内でも同様である。
　図示する例では、各画素をＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）で示している。Ｒ，Ｇ，Ｂは各画素上に積層したカラーフィルタの色を表し、カラーフィルタ配列は、この例ではベイヤ配列となっているが、ベイヤ配列に限るものではなく、ストライプ等の他のカラーフィルタ配列でも良い。
　位相差検出エリア４０内の画素配列，カラーフィルタ配列は、位相差検出エリア４０外の受光面の画素配列，カラーフィルタ配列と同じであるが、位相差検出エリア４０内では、ペアを構成する斜めに隣接する同色画素を、位相差検出画素１ｘ，１ｙとしている。位相差検出用のペア画素は、本実施形態では、エリア４０内の離散的，周期的な位置、図示する例では市松位置に設けられている。
　なお、図示する例では、カラーフィルタ配列がベイヤ配列のため同色画素が斜めに隣接するのであって、横ストライプ配列の場合には同色画素は水平方向に並ぶため、ペアを構成する２画素は横に隣接することになる。あるいは、横ストライプ配列で同じ色フィルタ行内にペアを構成する２画素を設けるのではなく、縦方向に最近接する同色のフィルタ行の夫々にペアを構成する各画素を離して設けることでも良い。縦ストライプ配列の場合も同様である。
　本実施形態では、位相差検出画素１ｘ，１ｙを、Ｒ，Ｇ，Ｂのうち最も多いＧフィルタ搭載画素に設けており、水平方向（ｘ方向）に８画素置き、垂直方向（ｙ方向）に８画素置き、かつ全体的に市松位置となるように配置されている。従って、位相差検出方向（左右方向）で見たとき、位相差検出画素１ｘは４画素置きに配置されることになる。
　図４は、図３の位相差検出画素１ｘ，１ｙだけを抜き出して模式的に表示した図である。ペア画素を構成する位相差検出画素１ｘ，１ｙは、特許文献２と同様に、その遮光膜開口２ｘ，２ｙが他の画素（位相差検出画素以外の画素）より小さく形成され、かつ、画素１ｘの遮光膜開口２ｘは左方向に偏心して設けられ、画素１ｙの遮光膜開口２ｙは右方向（位相差検出方向）に偏心して設けられている。
　図４の下段に示す曲線Ｘは、横一行に並ぶ位相差検出画素１ｘの検出信号量をプロットしたグラフであり、曲線Ｙは、これら画素１ｘとペアを構成する位相差検出画素１ｙの検出信号量をプロットしたグラフである。
　ペア画素１ｘ，１ｙは隣接画素であり極めて近接しているため、同一被写体からの光を受光していると考えられる。このため、曲線Ｘと曲線Ｙとは同一形状になると考えられ、その左右方向（位相差検出方向）のずれが、瞳分割したペア画素の一方の画素１ｘで見た画像と、他方の画素１ｙで見た画像との位相差量となる。
　この曲線Ｘと曲線Ｙの相関演算を行うことで、位相差量（横ズレ量）を求めることができ、この位相差量から被写体までの距離を算出することが可能となる。曲線Ｘと曲線Ｙの相関量の評価値を求める方法は、公知の方法（例えば特許文献１に記載された方法や特許文献２に記載された方法）を採用すれば良い。例えば、曲線Ｘを構成する各点Ｘ（ｉ）と、曲線Ｙを構成する各点Ｙ（ｉ＋ｊ）の差分の絶対値の積算値を評価値とし、最大評価値を与えるｊ値を、位相差量（横ズレ量）とする。
　しかし、１画素１画素の受光面積が小さい場合、個々の信号量は小さくなってノイズの割合が増えるため、相関演算を行っても精度良く位相差量を検出することが困難となる。そこで、図２の位相差検出エリア４０内において、水平方向同一位置にある画素１ｘの検出信号を垂直方向に複数画素分だけ加算し、水平方向同一位置にある画素１ｙの検出信号を垂直方向に複数画素分だけ加算すれば、ノイズの影響を低減して合焦位置の検出精度（ＡＦ精度）を向上させることが可能となる。
　しかし、画素加算数を多くすれば良いというものではなく、画素加算数が多くなるほど、それだけ位相差検出エリア４０の画素加算対象とする位相差検出画素の配置領域が上下方向（垂直方向）に延びることになる。被写体パターンは、位相差検出エリア４０の上部分で撮像されるパターンと中間部分で撮像されるパターンと下部分で撮像されるパターンとでは異なるのが普通である。このため、被写体の状態によって、位相差検出エリア４０を１エリアとして、これらを全て画素加算してしまうと、位相差検出方向（左右方向）で被写体の画素加算後のパターンが平均化されてしまい、位相差を求める評価値が下がってしまう場合がある。
　そこで、本実施形態では、被写体の状態によって、位相差検出エリア４０を４分割し、画素加算範囲を各分割エリア内に限定し、分割エリアを超えて画素加算しない様にしている。つまり、各分割エリアＩ，II，III，IV毎に画素加算して分割エリア評価曲線（相関演算カーブ）を求め、各分割エリア評価曲線を加算して位相差検出エリア４０の全体の評価曲線（総合評価曲線）を求めることとしている。
　図５には、分割エリア評価曲線（分割エリア毎の相関演算曲線）Ｉ，II，III，IVと、これら４本の分割エリア評価曲線を合計した総合評価曲線（全エリアの評価曲線）Ｖを示すグラフである。分割エリア評価曲線Ｉは、分割領域Ｉ内で位相差検出画素１ｘの検出信号を垂直方向（例えば図３の符号４５）に画素加算して得られた図４の曲線Ｘと、同じく分割領域Ｉ内で位相差検出画素１ｙの検出信号を垂直方向（例えば図３の符号４６）に画素加算して得られた図４の曲線Ｙとを相関演算して求めた評価曲線である。この例の場合、最大評価値は最小値として求められる。
　同じく、分割エリア評価曲線IIは分割領域IIで得られた評価曲線であり、分割エリア評価曲線IIIは分割領域IIIで得られた評価曲線であり、分割エリア評価曲線IVは分割領域IVで得られた評価曲線である。
　これら４本の分割エリア評価曲線Ｉ，II，III，IVの各々を求めるための加算画素数は、位相差検出エリア４０の垂直方向に並ぶ位相差検出画素１ｘの画素数に対して、ほぼ分割エリア数分の１となるため、被写体のパターンが平均化される虞が少なく、精度良く評価値を算出することが可能となる。
　そして、これら４本の分割エリア評価曲線Ｉ，II，III，IVを合計した総合評価曲線Ｖという。）を求め、更に、総合評価曲線Ｖからサブピクセル補間演算を行うことで、フォーカスレンズを合焦位置に合わせるための位相差量（デフォーカス量）を求める。これにより、ノイズに強く、かつ被写体の各分割エリアの評価値を保ったまま位相差の高精度な演算が可能となり、ＡＦ精度の向上を図ることが可能となる。
　図５のグラフの横軸の１単位は、図３の位相差検出画素の画素間隔（８画素間隔の市松配列であるため、４画素間隔となる。）であるため、総合評価曲線Ｖの最小値の位置と、この最小値に対して右側に延びる曲線と左側に延びる曲線の夫々の勾配等を勘案して、真の最小値（最大評価値）を与える位置つまり位相差量をサブピクセル補間演算により算出する。これにより、図３の一画素単位で位相差量を求めることが可能となる。
　上述した様に、位相差検出エリア４０を複数エリアに分割し、分割エリア毎に相関演算を行うことで、高精度な合焦位置の算出が可能となる。しかし、相関演算には時間がかかるため、分割数が増えるとＡＦの高速化を阻害する要因になってしまう。
　そこで、本実施形態では、被写体の状態によって、位相差検出エリア４０を分割せずに１エリアとして位相差検出画素の画素加算を行ってもＡＦ精度が高いと判断できる場合には、位相差検出エリア４０を分割せずに、位相差検出エリア４０内の位相差検出画素１ｘ，１ｙを垂直方向に画素加算し、画素１ｘの加算信号による図４の曲線Ｘと、画素１ｙの加算信号による図４の曲線Ｙとの相関演算を行い、最適評価値を求めて合焦位置の算出を行う。これによりＡＦ動作の高速化を図る。
　また、被写体の状態によってＡＦ精度を高くするために位相差検出エリア４０を分割する方が良いと考えた場合には、図５で説明した方法で合焦位置の算出を行う。
　図６は、位相差検出エリア４０に顔画像が映っている場合を示している。人の顔画像は、一般的に、低周波であり、焦点を合わせるのが難しい。そこで、この場合には、ＡＦ精度を上げるために、位相差検出エリア４０を分割するのが好ましい。図７は、この場合のＣＰＵ２９が行う処理手順を示すフローチャートである。ＡＦ動作が開始すると、先ずステップＳ１で、顔が検出されたか否かを判定する。顔が検出された場合には、ステップＳ１からステップＳ２に進み、位相差検出エリア４０を複数に分割する。この例では４分割する。
　そして、次のステップＳ３では、分割エリア毎に相関演算を行って分割エリア毎の評価曲線I,II,III,IVを算出し、次のステップＳ４で、分割エリア毎の評価曲線I,II,III,IVを合計して全エリアの総合評価曲線Ｖを求める。
　次にステップＳ７に進み、総合評価曲線Ｖに対しサブピクセル補間演算を行って最適評価値を求め、最適評価値を与える位相差量（デフォーカス量）を算出する。そして、次のステップＳ８でフォーカスレンズ位置を制御して合焦制御を行い、この処理を終了する。
　ステップＳ１の判定の結果、顔画像が検出されない場合には、ステップＳ１からステップＳ５に進み、位相差検出エリア４０を分割せずに１エリアとして取り扱い、ステップＳ６で、エリア４０で加算した位相差検出画素１ｘから求めた図４の曲線Ｘと位相差検出画素１ｙから求めた曲線Ｙとの相関演算を行う。そして、相関演算の結果として得られた総合評価曲線に基づき、デフォーカス量を算出し（ステップＳ７）、フォーカスレンズの合焦制御を行う（ステップＳ８）。
　この実施形態によれば、顔画像が検出された場合には、ＡＦ精度を上げるために位相差検出エリア４０を分割し、顔画像が検出されない場合には位相差検出エリア４０を分割せずにＡＦ動作の高速化を図ることが可能となる。
　なお、顔画像といっても、例えば図８に示す様に、位相差検出エリア４０に比べて小さな顔画像の場合には高周波成分が多くなるため合焦位置を検出し易く、また、図９に示す様に、位相差検出エリア４０付近に小さな顔が沢山存在する集合写真の場合も高周波成分が多くなるため合焦位置を検出し易い。このため、位相差検出エリア４０を分割せずに、１エリアとしてステップＳ１からステップＳ５，Ｓ６と進んでもＡＦ精度を確保可能である。そこで、ステップＳ１からステップＳ２の間に図８，図９の状態を判定するステップを入れ、主要被写体である顔の有無、顔の大きさ、顔の数で位相差検出エリア４０を分割するか否かを場合分けしても良い。
　図１０は、位相差検出エリア４０に映った被写体の上下方向（位相差検出方向に対して直角方向）のコントラストが高い場合を示しており、図１１は、位相差検出方向に対して直角方向のコントラストの高さで場合分けする処理手順を示すフローチャートである。ここで、コントラストとは、位相差検出エリア４０内における被写体画像のコントラストの高低を示す値であり、例えば撮像画像信号から高域周波数成分の信号をハイパスフィルタによって抽出した値で判断される。なお、図７の処理ステップと同じ処理ステップには同じステップ番号を付けてその詳細な説明は省略する。
　まず、ＡＦ動作が開始すると、ステップＳ１１で、位相差検出方向に対して垂直（直角）方向のコントラストを算出し、次のステップＳ１２で、ステップＳ１１で算出したコントラストが所定閾値より高いか否かを判定する。高い場合にはステップＳ２に進んで位相差検出エリア４０を分割し、低い場合にはステップＳ５に進み、位相差検出エリア４０を分割せずに１エリアとして取り扱う。以下の処理手順は図７と同様である。
　位相差検出エリア４０の垂直方向のコントラストが高い場合、位相差検出エリア４０を１エリアとして位相差検出画素１ｘ，１ｙを全画素加算してしまうと、加算後の被写体パターンが平均化されてしまい、コントラストの違いが反映されなくなってしまい、高い評価値を得ることができなくなる。
　そこで本実施形態では、垂直方向のコントラストが高い場合には、ステップＳ２に進み、位相差検出エリア４０を分割し、ノイズの影響を低減してＡＦ精度を向上することとしている。一方、垂直方向のコントラストが低い場合には、位相差検出エリア４０の分割を行わずに評価曲線を求め、ＡＦ動作の高速化を図ることとしている。
　図１２は、位相差検出エリア４０に映った被写体の左右方向（位相差検出方向と同方向）のコントラストが高い場合を示しており、図１３は、位相差検出方向のコントラストの高さで場合分けする処理手順を示すフローチャートである。なお、図７の処理ステップと同じ処理ステップには同じステップ番号を付けてその詳細な説明は省略する。
　本実施形態では、先ず、ステップＳ１３で、位相差検出方向のコントラストを算出する。そして次のステップＳ１４で、このコントラストが所定閾値より低いか否かを判定し、左右方向のコントラストが低い場合にはＡＦ精度を高めるためにステップＳ２に進み、高い場合にはＡＦ動作の高速化を図るためにステップＳ５に進む。以下の処理手順は図７と同様である。
　位相差検知方向と同じ方向でコントラストが高ければ、図４の曲線Ｘの形状と曲線Ｙの形状とはハッキリした形状となり、両者間のズレ量の算出は容易となる。このため、位相差検知方向のコントラストが高ければ位相差検出エリアの分割は行わずにＡＦ動作の高速化を図る。なお、図１１と図１３の処理を併用する場合には、水平方向のコントラストが低いとき垂直方向のコントラストで判断する構成とするのが良い。
　図１４は、本発明の別実施形態の処理手順を示すフローチャートである。なお、図７の処理ステップと同じ処理ステップには同じステップ番号を付けてその詳細な説明は省略する。
　本実施形態では、ＡＦ動作が開始すると、先ず、被写体の明るさが所定閾値より明るいか否かを判定する（ステップＳ１５）。被写体が明るい場合には、露光量が十分あるためＡＦ精度を出しやすく、暗い場合にはＡＦ精度が出にくくなる。そこで、被写体明るさが低い場合にはステップＳ２に進んでエリア分割を行い、被写体明るさが明るい場合にはステップＳ５に進み、位相差検出エリア４０を１エリアとしてＡＦ動作の高速化を図る。以下の処理手順は図７と同じである。
　図１５は、本発明の更に別実施形態の処理手順を示すフローチャートである。なお、図７の処理ステップと同じ処理ステップには同じステップ番号を付けてその詳細な説明は省略する。
　本実施形態では、ＡＦ動作が開始すると、先ず、ステップＳ１６で、被写体画像の周波数特性を算出する。そして次のステップＳ１７で、高周波成分が多いか否かを判定し、高周波成分が少ない場合にはＡＦ精度を出すためにステップＳ２に進み、高周波成分が多い場合には１エリアでも充分なＡＦ精度が得られるため、高速ＡＦを行うためにステップＳ５に進む。以下の処理手順は図７と同じである。
　図３に例示するように、位相差検出画素１ｘ，１ｙと、被写体画像を撮像する通常画素とを混在させたイメージセンサの場合、一般的に、通常画素の方が密度が高いため、位相差検出画素より通常画素の方が認識できる周波数は高くなる。この通常画素によって検出した被写体画像の周波数に基づき、ステップＳ２に進むかステップＳ５に進むかの場合分けを行うことで、特に高周波成分の多い被写体の場合でも高速，高精度のＡＦを行うことが可能となる。
　以上述べた実施形態の様に、被写体の状態によって、位相差検出エリアを１エリアとして取り扱うか複数エリアに分割するかを決め、１エリアとしてもＡＦ精度が期待できる場合には分割せずにＡＦ処理の高速化を図り、ＡＦ精度が期待できないときは位相差検出エリアを分割して位相差ＡＦ処理を行うため、小面積の撮像素子を使用する場合であっても一眼レフカメラと同程度の高速かつ高精度なＡＦ性能を得ることが可能となる。
　なお、上述した実施形態では、位相差検出画素を構成する瞳分割したペア画素として、小さくした遮光膜開口を互いに反対方向にずらした例を用いて説明したが、瞳分割して位相差検出画素を構成する方法はこれに限るものではなく、例えばペア画素に一つのマイクロレンズを搭載して瞳分割することでも良い。
　なお、上述した実施形態では、位相差検出エリアを複数領域に分割して位相差ＡＦ方式による合焦位置を検出するか、位相差検出エリアを分割せず（即ち、分割数が「１」）に位相差ＡＦ方式で合焦位置を検出するかを被写体の状態で切り分けたが、被写体の状態で分割数を変更することでも良い。例えば、分割数を「２」とするか「４」とするかを被写体の状態に応じて切り分けても良い。分割数が少ないほど相関演算処理が少なくなり、高速なＡＦ処理が可能となる。
　また、上述した実施形態では、全ての分割エリア評価曲線を加算合計して総合評価曲線を求めているが、全ての分割エリア評価曲線を加算対象とする必要はなく、信頼性の低い分割エリア評価曲線や、他の分割エリア評価曲線と最小値（最高評価値）の位置が大きく異なる分割エリア評価曲線は除外し、信頼性が所定閾値以上高い複数分割エリアだけその評価曲線に対し所定演算処理（実施形態では加算処理）を施して、更にＡＦ精度の向上を図ることが可能となる。
　また、上述した実施形態では、個々のエリア毎の相関演算曲線に対し所要演算処理を施して全エリア（或いは複数エリア）評価曲線を求める場合、所要演算処理として「加算合計」する例について述べたが、他にも、「平均値」や「乗算値」を求めることでも良い。
　更に、上述した実施形態では、位相差を検出するペア画素を位相差検出エリア内の離散的，周期的な位置に設けた例について述べたが、必ずしも周期的，離散的位置に設ける必要はなく、ランダムな位置（同一行に設けられる位相差検出画素がランダムな位置にあっても図４の曲線Ｘ，Ｙは求められる。）であっても良く、あるいは全画素を位相差検出画素とすることでも良い。
　以上述べた実施形態の撮像装置及びその合焦位置検出方法は、被写体の画像を撮像する受光面に設けられた位相差検出エリア内に、瞳分割した第１の位相差検出画素及び第２の位相差検出画素で構成されるペア画素が２次元配列された撮像素子と、
　該撮像素子の光路前段に置かれ、前記被写体の合焦した光学像を前記受光面に結像させるフォーカスレンズと、
　前記第１の位相差検出画素から出力される第１検出情報の前記ペア画素の一方の配列方向に対する第１の分布曲線と、前記第２の位相差検出画素から出力される第２検出情報の前記一方の配列方向に対する第２の分布曲線との位相差を求め、該位相差に基づき前記フォーカスレンズを前記合焦する位置に駆動制御する制御手段とを備え、
　該制御手段は、
　前記位相差検出エリアを前記位相差の検出方向に対して直角方向に分割する分割数を第１分割数ｎとするか該ｎより大きい第２分割数ｍとするかを被写体の状態によって判断し、
　前記位相差検出エリアを前記ｎ又は前記ｍに分割した分割エリア毎に、前記第１検出情報と前記第２検出情報との相関関係を演算して前記分割エリア毎の相関演算曲線を算出し、
　複数の前記分割エリアの前記相関演算曲線に対して所要の演算処理を施した総合評価曲線を求め、該総合評価曲線から前記フォーカスレンズを前記合焦する位置に駆動制御するためのデフォーカス量を求めることを特徴とする。
　また、実施形態の撮像装置及びその合焦位置検出方法は、前記第１分割数ｎは１を含み、ｎ＝１のときの前記分割エリアの相関演算曲線を前記複数エリアの相関演算曲線とすることを特徴とする。
　また、実施形態の撮像装置及びその合焦位置検出方法は、前記被写体の状態は、被写体画像の空間周波数特性で判断し、所定閾値以上に高周波成分が多い被写体の場合には前記第１分割数ｎを選択し、少ない被写体の場合には前記第２分割数ｍを選択することを特徴とする。
　また、実施形態の撮像装置及びその合焦位置検出方法は、前記被写体の状態は顔画像の有無で判断し、顔画像が存在しない場合には前記分割数ｎを選択し、顔画像が存在する場合には前記第２分割数ｍを選択することを特徴とする。
　また、実施形態の撮像装置及びその合焦位置検出方法は、前記被写体の状態は、主要被写体画像の大きさで判断し、主要被写体画像が前記位相差検出エリアに対して所定閾値以下に小さいときは前記第１分割数ｎを選択し、大きいときは前記第２分割数ｍを選択することを特徴とする。
　また、実施形態の撮像装置及びその合焦位置検出方法は、前記被写体の状態は、前記位相差検出エリアの位相差検出方向に対し直角方向のコントラストで判断し、コントラストが小さい場合には前記第１分割数ｎを選択し、大きい場合には前記第２分割数ｍを選択することを特徴とする。
　また、実施形態の撮像装置及びその合焦位置検出方法は、前記被写体の状態は、前記位相差検出エリアの位相差検出方向のコントラストで判断し、コントラストが大きい場合には前記第１分割数ｎを選択し、小さい場合には前記第２分割数ｍを選択することを特徴とする。
　また、実施形態の撮像装置及びその合焦位置検出方法は、前記被写体の状態は、被写体の明るさで判断し、所定閾値以上明るい場合には前記第１分割数ｎを選択し、暗い場合には前記第２分割数ｍを選択することを特徴とする。
　以上述べた実施形態によれば、被写体の状態によらずに、一眼レフカメラと同等の高速ＡＦ，高精度ＡＦを位相差ＡＦ方式で実現可能となる。
　本発明に係る合焦位置検出方法は、被写体の状態によらずに、高速かつ高精度なＡＦ性能を得ることができるため、デジタルカメラ特にコンパクトなデジタルカメラやカメラ付携帯電話機、カメラ付電子装置、内視鏡用撮像装置等に適用すると有用である。
　本出願は、２０１０年１１月３０日出願の日本特許出願番号２０１０－２６７９３３に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
１ｘ，１ｙ　位相差検出画素
２ｘ，２ｙ　位相差検出画素の遮光膜開口
１０　撮像装置
２０　撮影レンズ
２１　固体撮像素子
２４　駆動部
２６　デジタル信号処理部
２９　システム制御部
４０　位相差検出エリア
Ｉ，II，III，IV　分割エリア

Claims (16)

  1. 　被写体の画像を撮像する受光面に設けられた位相差検出エリア内に、瞳分割した第１の位相差検出画素及び第２の位相差検出画素で構成されるペア画素が２次元配列された撮像素子と、
    　該撮像素子の光路前段に置かれ、前記被写体の合焦した光学像を前記受光面に結像させるフォーカスレンズと、
    　前記第１の位相差検出画素から出力される第１検出情報の前記ペア画素の一方の配列方向に対する第１の分布曲線と、前記第２の位相差検出画素から出力される第２検出情報の前記一方の配列方向に対する第２の分布曲線との位相差を求め、該位相差に基づき前記フォーカスレンズを前記合焦する位置に駆動制御する制御手段とを備え、
    　該制御手段は、
    　前記位相差検出エリアを前記位相差の検出方向に対して直角方向に分割する分割数を第１分割数ｎとするか該ｎより大きい第２分割数ｍとするかを被写体の状態によって判断する手段と、
    　前記位相差検出エリアを前記ｎ又は前記ｍに分割した分割エリア毎に、前記第１検出情報と前記第２検出情報との相関関係を演算して前記分割エリア毎の相関演算曲線を算出する手段と、
    　複数の前記分割エリアの前記相関演算曲線に対して所要の演算処理を施した総合評価曲線を求め、該総合評価曲線から前記フォーカスレンズを前記合焦する位置に駆動制御するためのデフォーカス量を求める手段とを備える撮像装置。
  2. 　請求項１に記載の撮像装置であって、
    　前記第１分割数ｎは１を含み、ｎ＝１のときの前記分割エリアの相関演算曲線を前記複数エリアの相関演算曲線とする撮像装置。
  3. 　請求項１又は請求項２に記載の撮像装置であって、
    　前記被写体の状態は、被写体画像の空間周波数特性で判断し、所定閾値以上に高周波成分が多い被写体の場合には前記第１分割数ｎを選択し、少ない被写体の場合には前記第２分割数ｍを選択する撮像装置。
  4. 　請求項１又は請求項２に記載の撮像装置であって、
    　前記被写体の状態は顔画像の有無で判断し、顔画像が存在しない場合には前記第１分割数ｎを選択し、顔画像が存在する場合には前記第２分割数ｍを選択する撮像装置。
  5. 　請求項１又は請求項２に記載の撮像装置であって、
    　前記被写体の状態は、主要被写体画像の大きさで判断し、主要被写体画像が前記位相差検出エリアに対して所定閾値以下に小さいときは前記第１分割数ｎを選択し、大きいときは前記第２分割数ｍを選択する撮像装置。
  6. 　請求項１又は請求項２に記載の撮像装置であって、
    　前記被写体の状態は、前記位相差検出エリア内における撮像画像信号の高域周波数成分の強度（コントラスト値）のうち、前記位相差検出エリアの位相差検出方向に対し直角方向のコントラスト値で判断し、コントラスト値が小さい場合には前記第１分割数ｎを選択し、大きい場合には前記第２分割数ｍを選択する撮像装置。
  7. 　請求項１又は請求項２に記載の撮像装置であって、
    　前記被写体の状態は、前記位相差検出エリアの位相差検出方向に対する撮像画像信号の高域周波数成分の強度（コントラスト値）で判断し、コントラスト値が大きい場合には前記第１分割数ｎを選択し、小さい場合には前記第２分割数ｍを選択する撮像装置。
  8. 　請求項１又は請求項２に記載の撮像装置であって、
    　前記被写体の状態は、被写体の明るさで判断し、所定閾値以上明るい場合には前記第１分割数ｎを選択し、暗い場合には前記第２分割数ｍを選択する撮像装置。
  9. 　被写体の画像を撮像する受光面に設けられた位相差検出エリア内に、瞳分割した第１の位相差検出画素及び第２の位相差検出画素で構成されるペア画素が２次元配列された撮像素子と、
    　該撮像素子の光路前段に置かれ、前記被写体の合焦した光学像を前記受光面に結像させるフォーカスレンズと、
    　前記第１の位相差検出画素から出力される第１検出情報の前記ペア画素の一方の配列方向に対する第１の分布曲線と、前記第２の位相差検出画素から出力される第２検出情報の前記一方の配列方向に対する第２の分布曲線との位相差を求め、該位相差に基づき前記フォーカスレンズを前記合焦する位置に駆動制御する制御手段とを備える撮像装置の合焦位置検出方法であって、
    　前記位相差検出エリアを前記位相差の検出方向に対して直角方向に分割する分割数を第１分割数ｎとするか該ｎより大きい第２分割数ｍとするかを被写体の状態によって判断し、
    　前記位相差検出エリアを前記ｎ又は前記ｍに分割した分割エリア毎に、前記第１検出情報と前記第２検出情報との相関関係を演算して前記分割エリア毎の相関演算曲線を算出し、
    　複数の前記分割エリアの前記相関演算曲線に対して所要の演算処理を施した総合評価曲線を求め、該総合評価曲線から前記フォーカスレンズを前記合焦する位置に駆動制御するためのデフォーカス量を求める撮像装置の合焦位置検出方法。
  10. 　請求項９に記載の撮像装置の合焦位置検出方法であって、
    　前記第１分割数ｎはｎ＝１を含み、ｎ＝１のときの前記分割エリアの相関演算曲線を前記複数エリアの相関演算曲線とする撮像装置の合焦位置検出方法。
  11. 　請求項９又は請求項１０に記載の撮像装置の合焦位置検出方法であって、
    　前記被写体の状態は、被写体画像の空間周波数特性で判断し、所定閾値以上に高周波成分が多い被写体の場合には前記第１分割数ｎを選択し、少ない被写体の場合には前記第２分割数ｍを選択する撮像装置の合焦位置検出方法。
  12. 　請求項９又は請求項１０に記載の撮像装置の合焦位置検出方法であって、
    　前記被写体の状態は顔画像の有無で判断し、顔画像が存在しない場合には前記第１分割数ｎを選択し、顔画像が存在する場合には前記第２分割数ｍを選択する撮像装置の合焦位置検出方法。
  13. 　請求項９又は請求項１０に記載の撮像装置の合焦位置検出方法であって、
    　前記被写体の状態は、主要被写体画像の大きさで判断し、主要被写体画像が前記位相差検出エリアに対して所定閾値以下に小さいときは前記第１分割数ｎを選択し、大きいときは前記第２分割数ｍを選択する撮像装置の合焦位置検出方法。
  14. 　請求項９又は請求項１０に記載の撮像装置の合焦位置検出方法であって、
    　前記被写体の状態は、前記位相差検出エリアの位相差検出方向に対し直角方向のコントラストで判断し、コントラストが小さい場合には前記第１分割数ｎを選択し、大きい場合には前記第２分割数ｍを選択する撮像装置の合焦位置検出方法。
  15. 　請求項９又は請求項１０に記載の撮像装置の合焦位置検出方法であって、
    　前記被写体の状態は、前記位相差検出エリアの位相差検出方向のコントラストで判断し、コントラストが大きい場合には前記第１分割数ｎを選択し、小さい場合には前記第２分割数ｍを選択する撮像装置の合焦位置検出方法。
  16. 　請求項９又は請求項１０に記載の撮像装置の合焦位置検出方法であって、
    　前記被写体の状態は、被写体の明るさで判断し、所定閾値以上明るい場合には前記第１分割数ｎを選択し、暗い場合には前記第２分割数ｍを選択する撮像装置の合焦位置検出方法。
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