JP2014032214A - 撮像装置及びその合焦位置検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高速かつ高精度の位相差ＡＦを実現する。
【解決手段】受光面の位相差検出エリア４０内に瞳分割した第１，第２位相差画素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制御する制御手段とを備え、制御手段は、位相差の方向に対して直角方向にエリア４０を複数の分割エリアI,II,III,IVに分割し、分割エリア毎に当該分割エリア内の前記直角方向に一列に並ぶ複数の画素ｘの出力信号を該分割エリア内の前記位相差を検出する方向に並ぶ複数の画素ｘ毎に加算すると共に、画素ｙでも同様に加算し、分割エリア毎に画素ｘの前記加算した信号と画素ｙの前記加算した信号との相関関係を演算して評価曲線を算出し、分割エリア毎に算出された評価曲線に所定演算処理を施して全エリアの評価曲線を求め、該全エリアの評価曲線から前記位相差量を求める。
【選択図】図２

Description

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。

特開２０１０―８４４３号公報 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、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配列形成された撮像素子と、
該撮像素子の前段に置かれ、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の位相差検出画素の検出情報と前記第２の位相差検出画素の検出情報との位相差を求め、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制御する制御手段とを備える撮像装置であって、
前記位相差の検知方向に対して直角方向に前記位相差検出エリアを複数の分割エリアに分割し、
前記分割エリア毎に、当該分割エリア内の前記直角方向に一列に並ぶ複数の前記第１の位相差検出画素の出力信号を、該分割エリア内の前記位相差を検出する方向に並ぶ複数の前記第１の位相差検出画素毎に加算すると共に、前記直角方向に一列に並ぶ複数の前記第２の位相差検出画素の出力信号を、該分割エリア内の前記位相差を検出する方向に並ぶ複数の前記第２の位相差検出画素毎に加算し、
前記分割エリア毎に、前記第１の位相差検出画素の前記加算した信号と前記第２の位相差検出画素の前記加算した信号との相関関係を演算して分割エリア毎の相関演算曲線を算出し、
前記分割エリア毎に算出された前記分割エリア毎の相関演算曲線のうち任意複数個の前記相関演算曲線間に所定演算処理を施して複数エリアの相関演算曲線を求め、該複数エリアの相関演算曲線から前記フォーカスレンズを前記合焦位置に制御する位相差を求めることを特徴とする。

本発明によれば、分割エリア毎に評価曲線（相関演算曲線）を求め、複数の評価曲線に対し所定演算処理を施して全体（複数エリア）の評価曲線を求め、この全体の評価曲線（全エリア評価曲線）から位相差量を算出するため、画素加算数が多くなって被写体のパターンが平均化されてしまうことがなく、小さな固体撮像素子を搭載する場合であっても高速かつ高精度に位相差ＡＦを行うことが可能となる。

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。 分割エリア毎の評価曲線の信頼性説明図である。 分割エリア毎の評価曲線のうち異なる被写体に対する評価曲線が求められた場合の多数決例の説明図である。 分割エリア毎の評価曲線のうち異なる被写体に対する評価曲線の数が同数となった場合の説明図である。 水平方向及び垂直方向を位相差検出方向とする位相差画素の説明図である。 図９の位相差方向の説明図である。 図９の位相差検出画素を用いたときの位相差検出エリアの分割例を示す図である。 図９に示す分割エリア毎に求めた水平方向，垂直方向の評価曲線の一例を示す図である。

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制御部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４０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処理を行う回路や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画素ピッチづつずらして配列された、所謂、ハニカム配列でも良い。

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分割しており、各分割エリアＩ，II，III，IV毎に、後述の相関演算を行う構成となっている。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、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という問題が生じる。

そこで、本実施形態では、図２に示す様に、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（全エリア評価曲線）を求めることとしている。

図５には、分割エリア毎の夫々の評価曲線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全エリア評価曲線（全エリアの相関演算曲線）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、本実施形態では、これら４本の分割エリア評価曲線Ｉ，II，III，IVを合計した全エリア評価曲線Ｖを求め、更に、全エリア評価曲線Ｖからサブピクセル補間演算を行うことで、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毎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、全エリア評価曲線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で算出する。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。

上述した実施形態では、４本の分割エリア評価曲線Ｉ，II，III，IVを合計して全エリア評価曲線Ｖを求め、最大評価値を求めるとして説明した。しかし、各分割エリアＩ，II，III，IV毎に相関演算を行った場合、信頼性の低い相関演算結果しか得られない分割エリアも存在することがある。

例えば、図６に示す様に、相関カーブ（評価曲線）IIだけみたとき、最大評価値（この例では最小値）を与える横軸位置が明確でなく不明（例えば複数点の存在）の場合が存在する。この様な場合には、信頼性の低い相関カーブII以外の、信頼性の高い相関カーブＩ，III，IVの３本の相関カーブだけを加算して合計の全エリア評価曲線（分割領域Ｉの相関演算曲線は使っていないため「全」エリアではなく複数エリアの相関演算曲線であるが、便宜上、「全エリア評価曲線」という。）Ｖを求め、この全エリア評価曲線Ｖをサブピクセル補間処理し、位相差量つまりデフォーカス量を算出する。これにより、ＡＦ精度の更なる向上を図ることが可能となる。

信頼性が高いか否かは、信頼性を数値化しこれが所定閾値より高いか否かで判定する。例えば、１本の分割エリア評価曲線に評価値が同程度の最小値となる極小値が複数存在したとき、信頼性が低いと判断する。

図２の位相差検出エリア４０内に撮影距離の異なる複数の被写体が存在する場合がある。仮に、被写体Ａ，Ｂが存在するとする。この様な場合、例えば図７に示す様に、分割エリアＩ，II，IIIでは被写体Ａに対して最大評価値を出す評価曲線Ｉ，II，IIIが算出され、分割エリアIVでは被写体Ｂに対して最大評価値を出す評価曲線IVが算出される。図６の場合と異なり、図７の評価曲線IVは、信頼性が低い訳ではなく、信頼性は高い。

しかし、この様な場合に、全部の分割エリア評価曲線Ｉ，II，III，IVを合計して全エリア評価曲線Ｖを求めると誤合焦となり、合焦位置を誤る虞がある。そこで、この様な場合には、個々の評価曲線Ｉ，II，III，IVの最大評価値をとる横軸上の位置（精確な位置ではなく、ある程度の同範囲内にあると考えられる位置で良い。）の多数決をとり、分割エリア評価曲線IVを除外し、多数となる分割エリア評価曲線Ｉ，II，IIIを合計することで全エリア評価曲線Ｖを求める。これにより、位相差検出エリア（ＡＦエリア）に撮影距離の異なる被写体が存在しても、誤合焦を防ぐことが可能となる。

図７の説明では、４本の分割エリア評価曲線の多数決をとるとして説明した。しかし、分割エリア数が４個であるため、２対２の同数となる場合も存在する。この場合を図８で説明する。図８では、分割エリア評価曲線Ｉ，III（被写体Ａに対する評価曲線とする。）と、分割エリア評価曲線II，IV（被写体Ｂに対する評価曲線とする。）の２本づつとなっている。

この様な場合に、４本の分割エリア評価曲線Ｉ，II，III，IVを合計して全エリア評価曲線Ｖを求めると、被写体Ａにも合焦せず、被写体Ｂにも合焦しない結果になってしまう。そこで、被写体Ａか被写体Ｂのいずれか一方を選ぶことになる。本実施形態では、被写体Ａと被写体Ｂのうち、カメラに近い側の被写体を主要被写体と判断することにする。つまり、位置ズレ量が小さい側（図５の横軸参照：撮像装置に近い側）の被写体を選択し、分割エリア評価曲線Ｉ，IIIだけを加算して全エリア評価曲線Ｖを求め、サブピクセル補間して位相差量を算出する。

これにより、ＡＦエリアに撮影距離の異なる被写体が存在する場合でも、誤合焦を防ぐことが可能となり、かつ、近い被写体に優先的にＡＦを合わせることが可能となる。

図９は、本発明の別実施形態に係る位相差検出画素の画素配列を示す図である。上述した各実施形態では、位相差検出方向を横方向（ｘ方向）だけとして位相差検出画素１ｘ，１ｙを設けたが、本実施形態では、図１０に示す様に、横方向を第１位相差検出方向とし、縦方向（ｙ方向）も第２位相差検出方向としている。

このため、図９に示す様に、この実施形態では、正方配列の最隣接４画素Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄのうち、左上画素Ａ（位相差画素１ｘに相当）と右下画素Ｂ（位相差画素１ｙに相当）とで水平方向（ｘ方向）の位相差を検出し、右上画素Ｃと左下画素Ｄとで垂直方向（ｙ方向）の位相差を検出する構成となっている。即ち、画素Ａの小さな遮光膜開口を左側に偏心させ、画素Ｂの小さな遮光膜開口を右側に偏心させ、画素Ｃの小さな遮光膜開口を上側に偏心させ、画素Ｄの小さな遮光膜開口を下側に偏心させている。

上述した図９に示す位相差検出画素Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの組を、図１０の位相差検出エリア４０内の周期的かつ離散的位置に配列することで、縦方向，横方向の位相差を検出する。この場合、矩形の位相差検出エリア４０をメッシュ状に、図１１に示す例では縦横共に２分割の計４つのエリアＩ，II，III，IVに分割する。この４つの分割エリアの夫々では、同一エリア内で縦方向，横方向共に同じ様な評価曲線が得られる蓋然性が高いと考えられる。

図１２は、４つの分割エリアの夫々で水平方向の分割エリア評価曲線と垂直方向の分割エリア評価曲線の計８本の分割エリア評価曲線を求めた場合の一例を示す図である。分割エリアＩからは、水平方向の分割エリア評価曲線Ｉａと垂直方向の分割エリア評価曲線Ｉｂが求まり、分割エリアIIからは、水平方向の分割エリア評価曲線IIａと垂直方向の分割エリア評価曲線IIｂが求まり、分割エリアIIIからは、水平方向の分割エリア評価曲線IIIａと垂直方向の分割エリア評価曲線IIIｂが求まり、分割エリアIVからは、水平方向の分割エリア評価曲線IVａと垂直方向の分割エリア評価曲線IVｂが求まる。

図１２の例では、分割エリアIVの評価値の信頼性が小さいため、分割エリアＩ，II，IIIの計６本の分割エリア評価曲線を加算して合計の全エリア評価曲線Ｖを求め、サブピクセル補間を行い、位相差量つまりデフォーカス量を算出する。この様に、異なる方向の位相差を検出して合焦位置を求めるため、ＡＦ精度の更なる向上を図ることが可能となる。また、信頼性の低い分割エリアを除外してＡＦ演算には用いないため、ＡＦ精度を更に向上させることができる。

以上述べた実施形態の様に、位相差検出エリアを複数領域に分割し、分割エリア毎に分割エリア評価曲線を求め、信頼性の高い分割エリア評価曲線だけを加算して合計の全エリア評価曲線を求め、この全エリア評価曲線をサブピクセル補間して位相差量を算出し撮影レンズの合焦制御を行うため、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。

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配列形成された撮像素子と、
該撮像素子の前段に置かれ、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の位相差検出画素の検出情報と前記第２の位相差検出画素の検出情報との位相差を求め、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制御する制御手段とを備える撮像装置及びその合焦位置検出方法であって、
前記位相差の検知方向に対して直角方向に前記位相差検出エリアを複数の分割エリアに分割し、
前記分割エリア毎に、当該分割エリア内の前記直角方向に一列に並ぶ複数の前記第１の位相差検出画素の出力信号を、該分割エリア内の前記位相差を検出する方向に並ぶ複数の前記第１の位相差検出画素毎に加算すると共に、前記直角方向に一列に並ぶ複数の前記第２の位相差検出画素の出力信号を、該分割エリア内の前記位相差を検出する方向に並ぶ複数の前記第２の位相差検出画素毎に加算し、
前記分割エリア毎に、前記第１の位相差検出画素の前記加算した信号と前記第２の位相差検出画素の前記加算した信号との相関関係を演算して分割エリア毎の相関演算曲線を算出し、
前記分割エリア毎に算出された前記分割エリア毎の相関演算曲線のうち任意複数個の前記相関演算曲線間に所定演算処理を施して複数エリアの相関演算曲線を求め、該複数エリアの相関演算曲線から前記フォーカスレンズを前記合焦位置に制御する位相差を求める
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、前記複数エリアの相関演算曲線を算出するとき前記分割エリア毎の各相関演算曲線の信頼性評価を行い、信頼性が所定閾値より高い前記分割エリア毎の相関演算曲線に対してだけ前記所定演算処理を施して前記複数エリアの相関演算曲線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、前記分割エリア毎の相関演算曲線の最大評価値を与える位置が同程度の範囲内となる分割エリア毎の相関演算曲線だけを用いて前記複数エリアの相関演算曲線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、各分割エリア毎の相関演算曲線の前記最大評価値を与える位置の多数決をとり、多数となる前記分割エリア毎の相関演算曲線だけを用いて前記複数エリアの相関演算曲線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、前記最大評価値を与える位置が同程度の範囲内となる数が複数となり前記複数エリアの相関演算曲線が複数求まるときは、前記最大評価値を与える位置の位相差ズレ量が小さい方の前記複数エリアの相関演算曲線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、前記最大評価値を与える位置が同程度の範囲内となる数が複数となり前記複数エリアの相関演算曲線が複数求まるときは、前記最大評価値を与える位置が前記撮像素子から近い方の前記複数エリアの相関演算曲線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、水平方向の位相差を検出する前記第１の位相差検出画素及び前記第２の位相差検出画素のペア画素の他に垂直方向の位相差を検出する前記第１の位相差検出画素及び前記第２の位相差検出画素のペア画素を前記撮像素子の前記位相差検出エリア内に設け、前記位相差検出エリアをメッシュ状に複数の分割エリアに分割し、各分割エリア毎に、前記水平方向の前記分割エリア毎の相関演算曲線と前記垂直方向の前記分割エリア毎の相関演算曲線とを求め、分割エリア数の２倍の数の前記分割エリア毎の相関演算曲線に基づいて前記複数エリアの相関演算曲線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２倍の数の前記分割エリア毎の相関演算曲線のうち、同一分割エリアにおける前記水平方向の分割エリア毎の相関演算曲線と前記垂直方向の分割エリア毎の相関演算曲線とが異なる最大評価値を持つ場合には当該分割エリアの２本の分割エリア毎の相関演算曲線を除外した残りの分割エリア毎の相関演算曲線から前記複数エリアの相関演算曲線を求めることを特徴とする。

以上述べた実施形態によれば、分割エリア毎に画素加算を行うため、画素加算数が多くなって被写体のパターンが平均化されていることがなく、また、画素加算を行うために精度の高い位相差量を検出でき、小型小面積の固体撮像素子であっても高速かつ高精度に位相差ＡＦを実現可能となる。

本発明に係る合焦位置検出方法は、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。

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配列形成された撮像素子と、
   該撮像素子の前段に置かれ、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の位相差検出画素の検出情報と前記第２の位相差検出画素の検出情報との位相差を求め、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制御する制御手段とを備え、
   該制御手段は、
   前記位相差の検知方向に対して直角方向に前記位相差検出エリアを複数の分割エリアに分割する手段と、
   前記分割エリア毎に、当該分割エリア内の前記直角方向に一列に並ぶ複数の前記第１の位相差検出画素の出力信号を、該分割エリア内の前記位相差を検出する方向に並ぶ複数の前記第１の位相差検出画素毎に加算すると共に、前記直角方向に一列に並ぶ複数の前記第２の位相差検出画素の出力信号を、該分割エリア内の前記位相差を検出する方向に並ぶ複数の前記第２の位相差検出画素毎に加算する手段と、
   前記分割エリア毎に、前記第１の位相差検出画素の前記加算した信号と前記第２の位相差検出画素の前記加算した信号との相関関係を演算して分割エリア毎の相関演算曲線を算出する手段と、
   前記分割エリア毎に算出された前記分割エリア毎の相関演算曲線のうち任意複数個の前記相関演算曲線間に所定演算処理を施して複数エリアの相関演算曲線を求め、該複数エリアの相関演算曲線から前記フォーカスレンズを前記合焦位置に制御する位相差を求める手段と
   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、前記複数エリアの相関演算曲線を算出するとき前記分割エリア毎の各相関演算曲線の信頼性評価を行い、信頼性が所定閾値より高い前記分割エリア毎の相関演算曲線に対してだけ前記所定演算処理を施して前記複数エリアの相関演算曲線を求めることを特徴とする撮像装置。
3. 請求項１に記載の撮像装置であって、前記分割エリア毎の相関演算曲線の最大評価値を与える位置が同程度の範囲内となる分割エリア毎の相関演算曲線だけを用いて前記複数エリアの相関演算曲線を求めることを特徴とする撮像装置。
4. 請求項３に記載の撮像装置であって、各分割エリア毎の相関演算曲線の前記最大評価値を与える位置の多数決をとり、多数となる前記分割エリア毎の相関演算曲線だけを用いて前記複数エリアの相関演算曲線を求めることを特徴とする撮像装置。
5. 請求項３に記載の撮像装置であって、前記最大評価値を与える位置が同程度の範囲内となる数が複数となり前記複数エリアの相関演算曲線が複数求まるときは、前記最大評価値を与える位置の位相差ズレ量が小さい方の前記複数エリアの相関演算曲線を選択することを特徴とする撮像装置。
6. 請求項３に記載の撮像装置であって、前記最大評価値を与える位置が同程度の範囲内となる数が複数となり前記複数エリアの相関演算曲線が複数求まるときは、前記最大評価値を与える位置が前記撮像素子から近い方の前記複数エリアの相関演算曲線を選択することを特徴とする撮像装置。
7. 請求項１に記載の撮像装置であって、水平方向の位相差を検出する前記第１の位相差検出画素及び前記第２の位相差検出画素のペア画素の他に垂直方向の位相差を検出する前記第１の位相差検出画素及び前記第２の位相差検出画素のペア画素を前記撮像素子の前記位相差検出エリア内に設け、前記位相差検出エリアをメッシュ状に複数の分割エリアに分割し、各分割エリア毎に、前記水平方向の前記分割エリア毎の相関演算曲線と前記垂直方向の前記分割エリア毎の相関演算曲線とを求め、分割エリア数の２倍の数の前記分割エリア毎の相関演算曲線に基づいて前記複数エリアの相関演算曲線を求める撮像装置。
8. 請求項７に記載の撮像装置であって、前記２倍の数の前記分割エリア毎の相関演算曲線のうち、同一分割エリアにおける前記水平方向の分割エリア毎の相関演算曲線と前記垂直方向の分割エリア毎の相関演算曲線とが異なる最大評価値を持つ場合には当該分割エリアの２本の分割エリア毎の相関演算曲線を除外した残りの分割エリア毎の相関演算曲線から前記複数エリアの相関演算曲線を求める撮像装置。
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配列形成された撮像素子と、
   該撮像素子の前段に置かれ、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の位相差検出画素の検出情報と前記第２の位相差検出画素の検出情報との位相差を求め、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、
   前記位相差の検知方向に対して直角方向に前記位相差検出エリアを複数の分割エリアに分割し、
   前記分割エリア毎に、当該分割エリア内の前記直角方向に一列に並ぶ複数の前記第１の位相差検出画素の出力信号を、該分割エリア内の前記位相差を検出する方向に並ぶ複数の前記第１の位相差検出画素毎に加算すると共に、前記直角方向に一列に並ぶ複数の前記第２の位相差検出画素の出力信号を、該分割エリア内の前記位相差を検出する方向に並ぶ複数の前記第２の位相差検出画素毎に加算し、
   前記分割エリア毎に、前記第１の位相差検出画素の前記加算した信号と前記第２の位相差検出画素の前記加算した信号との相関関係を演算して分割エリア毎の相関演算曲線を算出し、
   前記分割エリア毎に算出された前記分割エリア毎の相関演算曲線のうち任意複数個の前記相関演算曲線間に所定演算処理を施して複数エリアの相関演算曲線を求め、該複数エリアの相関演算曲線から前記フォーカスレンズを前記合焦位置に制御する位相差を求める
   ことを特徴とす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、前記複数エリアの相関演算曲線を算出するとき前記分割エリア毎の各相関演算曲線の信頼性評価を行い、信頼性が所定閾値より高い前記分割エリア毎の相関演算曲線に対してだけ前記所定演算処理を施して前記複数エリアの相関演算曲線を求めることを特徴とする撮像装置の合焦位置検出方法。
11. 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、前記分割エリア毎の相関演算曲線の最大評価値を与える位置が同程度の範囲内となる分割エリア毎の相関演算曲線だけを用いて前記複数エリアの相関演算曲線を求めることを特徴とする撮像装置の合焦位置検出方法。
12. 請求項１１に記載の撮像装置の合焦位置検出方法であって、各分割エリア毎の相関演算曲線の前記最大評価値を与える位置の多数決をとり、多数となる前記分割エリア毎の相関演算曲線だけを用いて前記複数エリアの相関演算曲線を求めることを特徴とする撮像装置の合焦位置検出方法。
13. 請求項１１に記載の撮像装置の合焦位置検出方法であって、前記最大評価値を与える位置が同程度の範囲内となる数が複数となり前記複数エリアの相関演算曲線が複数求まるときは、前記最大評価値を与える位置の位相差ズレ量が小さい方の前記複数エリアの相関演算曲線を選択することを特徴とする撮像装置の合焦位置検出方法。
14. 請求項１１に記載の撮像装置の合焦位置検出方法であって、前記最大評価値を与える位置が同程度の範囲内となる数が複数となり前記複数エリアの相関演算曲線が複数求まるときは、前記最大評価値を与える位置が前記撮像素子から近い方の前記複数エリアの相関演算曲線を選択することを特徴とする撮像装置の合焦位置検出方法。
15. 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、水平方向の位相差を検出する前記第１の位相差検出画素及び前記第２の位相差検出画素のペア画素の他に垂直方向の位相差を検出する前記第１の位相差検出画素及び前記第２の位相差検出画素のペア画素を前記撮像素子の前記位相差検出エリア内に設け、前記位相差検出エリアをメッシュ状に複数の分割エリアに分割し、各分割エリア毎に、前記水平方向の前記分割エリア毎の相関演算曲線と前記垂直方向の前記分割エリア毎の相関演算曲線とを求め、分割エリア数の２倍の数の前記分割エリア毎の相関演算曲線に基づいて前記複数エリアの相関演算曲線を求める撮像装置の合焦位置検出方法。
16. 請求項１５に記載の撮像装置の合焦位置検出方法であって、前記２倍の数の前記分割エリア毎の相関演算曲線のうち、同一分割エリアにおける前記水平方向の分割エリア毎の相関演算曲線と前記垂直方向の分割エリア毎の相関演算曲線とが異なる最大評価値を持つ場合には当該分割エリアの２本の分割エリア毎の相関演算曲線を除外した残りの分割エリア毎の相関演算曲線から前記複数エリアの相関演算曲線を求める撮像装置の合焦位置検出方法。

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