JP2019200348A - 撮像装置及び撮像装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より高精度な焦点検出ができる撮像装置を提供する。【解決手段】複数の方向に分割された光電変換部を具備した撮像画素が撮像面上に配列された撮像素子と、撮像光学系からの光束を絞り値に従って制御する絞りを備える撮像装置は、光電変換部からの信号に基づいて複数の方向における位相差情報に基づいて焦点検出を行う焦点検出手段と、焦点検出手段による焦点検出結果であるデフォーカス量に従って、レンズを駆動して焦点調節を行う制御手段とを備え、焦点検出手段は、第１の絞り値で複数の方向のうち少なくとも第１の方向における位相差情報に基づいて第１の焦点検出を行い、第１の焦点検出ができない場合、第１の絞り値よりも大きい第２の絞り値に変えて、第２の絞り値で前記複数の方向のうち第１の方向を含む少なくとも２つの方向における位相差情報に基づいて第２の焦点検出を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、撮像装置及び撮像装置の制御方法に関する。

撮像装置の自動焦点検出（ＡＦ）方式として、位相差ＡＦ方式が知られている。位相差ＡＦ方式は、ビデオカメラやデジタルスチルカメラで多く用いられるＡＦ方式であり、撮像素子が焦点検出用センサとして用いられるものが存在する。位相差ＡＦ方式は、撮像素子上の焦点検出画素による光学像を表す一対の像信号により、一対の像信号の相関度合いから、位相差（像ずれ量）を検出する。さらに、像ずれ量に変換係数を乗算することで、デフォーカス量を算出し、焦点状態を検出する。ただし、デフォーカス量が大きい場合、光束の量を制限するための絞りを開いたＦ値の小さい状態では、撮像面上での像がひどくぼけてしまうため、位相差を検出することが困難であることがある。そこで、デフォーカス量が大きい場合に位相差検出精度を向上するための方法が提案されている。例えば、特許文献１では、Ｆ値が小さい状態で位相差検出が困難であると判断された場合に、一度F値を大きくして撮像面上での像のぼけを低下させて位相差を検出し直す方法を適用する撮像装置が提案されている。

特許第５８７９７６２号公報

しかしながら、撮像面上における像のぼけ方は、被写体の形状やテクスチャ、画角内の位置（像面上の位置）などに依存するため像ずれの主な方向は一意に決まらず、場合により検出しやすい位相差の方向が変化する。特許文献１では、このような検出すべき位相差の方向については触れていない。そのため、検出しやすい位相差の方向に基づいた焦点検出を行わないことにより、焦点検出の精度が低い。

本発明は、上記課題を鑑みて、より高精度な焦点検出ができる撮像装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の撮像装置は、複数の方向に分割された光電変換部を具備した撮像画素が撮像面上に配列された撮像素子と、撮像光学系からの光束を絞り値に従って制御する絞りを備える撮像装置であって、前記光電変換部からの信号に基づいて前記複数の方向における位相差情報に基づいて焦点検出を行う焦点検出手段と、前記焦点検出手段による焦点検出結果であるデフォーカス量に従って、レンズを駆動して焦点調節を行う制御手段とを備え、前記焦点検出手段は、第１の絞り値で前記複数の方向のうち少なくとも第１の方向における位相差情報に基づいて第１の焦点検出を行い、前記第１の焦点検出ができない場合、前記第１の絞り値よりも大きい第２の絞り値に変えて、前記第２の絞り値で前記複数の方向のうち前記第１の方向を含む少なくとも２つの方向における位相差情報に基づいて第２の焦点検出を行うことを特徴とする。

本発明によれば、より高精度な焦点検出ができる撮像装置を提供することができる。

ＡＦ動作手順を示すフローチャートである。 デジタルカメラの概略構成を示すブロック図である。 受光画素をレンズユニット側から見た平面図である。 撮影用画素の構造を説明する平面図と断面図である。 ＡＦ動作の基本手順を示すフローチャートである。 焦点検出領域の説明図である。 焦点検出信号の相関演算に関する説明図である。 焦点検出信号の相関量に関する説明図である。 焦点検出信号の生成に関する説明図である。

以下、図面を参照しながら本発明の例示的な実施形態について説明する。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。

（撮像装置全体の構成）
図２は、本実施形態に係る撮像装置の一例としてデジタルカメラの機能構成例を示すブロック図である。本実施形態のデジタルカメラは、レンズ交換式一眼レフカメラであり、撮像光学系であるレンズユニット１００とカメラ本体１２０とを有する。レンズユニット１００は図中央の点線で示されるマウントＭを介して、カメラ本体１２０に装着される。

レンズユニット１００は、光学系（第１レンズ群１０１、絞り１０２、第２レンズ群１０３、フォーカスレンズ群（以下、単に「フォーカスレンズ」という）１０４）及び、駆動／制御系を有する。このように、レンズユニット１００は、フォーカスレンズ１０４を含み、被写体の光学像を形成する撮影レンズである。尚、レンズユニット１００は、本実施形態中では、制御手段を構成する。

第１レンズ群１０１は、レンズユニット１００の先端に配置され、光軸方向ＯＡに移動可能に保持される。絞り１０２は、撮影時の光量を調節する機能のほか、静止画撮影時には露出時間を制御するメカニカルシャッタとしても機能する。絞り１０２及び第２レンズ群１０３は、一体で光軸方向ＯＡに移動可能であり、第１レンズ群１０１と連動して移動することによりズーム機能を実現する。フォーカスレンズ１０４も光軸方向ＯＡに移動可能であり、位置に応じてレンズユニット１００が合焦する被写体距離（合焦距離）が変化する。フォーカスレンズ１０４の光軸方向ＯＡにおける位置を制御することにより、レンズユニット１００の合焦距離を調節する焦点調節を行う。

駆動／制御系は、ズームアクチュエータ１１１、絞りアクチュエータ１１２、フォーカスアクチュエータ１１３を有する。また、ズーム駆動回路１１４、絞り絞り駆動回路１１５、フォーカス駆動回路１１６、レンズＭＰＵ（ＭＰＵ：マイクロプロセッサ）１１７、レンズメモリ１１８を有する。ズーム駆動回路１１４は、ズームアクチュエータ１１１を用いて第１レンズ群１０１や第３レンズ群１０３を光軸方向ＯＡに駆動し、レンズユニット１００の光学系の画角を制御する。絞り駆動回路１１５は、絞りアクチュエータ１１２を用いて絞り１０２を駆動し、絞り１０２の開口径や開閉動作を制御する。フォーカス駆動回路１１６は、フォーカスアクチュエータ１１３を用いてフォーカスレンズ１０４を光軸方向ＯＡに駆動し、レンズユニット１００の光学系の合焦距離を変化させる。また、フォーカス駆動回路１１６は、フォーカスアクチュエータ１１３を用いてフォーカスレンズ１０４の現在位置を検出する。

レンズＭＰＵ（プロセッサ）１１７は、レンズユニット１００に係る全ての演算、制御を行い、ズーム駆動回路１１４、絞り駆動回路１１５、フォーカス駆動回路１１６を制御する。また、レンズＭＰＵ１１７は、マウントＭを通じてカメラＭＰＵ１２５と接続され、コマンドやデータを通信する。例えば、レンズＭＰＵ１１７は、フォーカスレンズ１０４の位置を検出し、カメラＭＰＵ１２５からの要求に対してレンズ位置情報を通知する。このレンズ位置情報は、フォーカスレンズ１０４の光軸方向ＯＡにおける位置、光学系が移動していない状態の射出瞳の光軸方向ＯＡにおける位置および直径、射出瞳の光束を制限するレンズ枠の光軸方向ＯＡにおける位置および直径などの情報を含む。また、レンズＭＰＵ１１７は、カメラＭＰＵ１２５からの要求に応じて、ズーム駆動回路１１４、絞り駆動回路１１５、フォーカス駆動回路１１６を制御する。レンズメモリ１１８は、自動焦点検出に必要な光学情報が予め記憶されている。カメラＭＰＵ１２５は、例えば、内蔵する不揮発性メモリやレンズメモリ１１８に記憶されているプログラムを実行することで、レンズユニット１００の動作を制御する。

カメラ本体１２０は、光学系（光学ローパスフィルタ１２１および撮像素子１２２）と、駆動／制御系とを有する。レンズユニット１００の第１レンズ群１０１、絞り１０２、第２レンズ群１０３、フォーカスレンズ１０４と、カメラ本体１２０の光学ローパスフィルタ１２１は、撮影光学系を構成する。

光学ローパスフィルタ１２１は、撮影画像の偽色やモアレを軽減する。撮像素子１２２は、ＣＭＯＳイメージセンサと周辺回路で構成され、横方向ｍ画素、縦方向ｎ画素（ｎ，ｍは２以上の整数）が配置される。本実施形態の撮像素子１２２は、瞳分割機能を有し、画像データを用いた位相差ＡＦが可能である。画像処理回路１２４は、撮像素子１２２が出力する画像データから、位相差ＡＦ用のデータと、表示、記録画像データを生成する。

駆動／制御系は、撮像素子駆動回路１２３、画像処理回路１２４、カメラＭＰＵ１２５、表示器１２６、操作スイッチ群１２７、メモリ１２８、撮像面位相差検出部１２９、撮像面位相差検出部１３０を有する。撮像素子駆動回路１２３は、撮像素子１２２の動作を制御するとともに、取得した画像信号をＡ／Ｄ変換してカメラＭＰＵ１２５に送信する。画像処理回路１２４は、撮像素子１２２が取得した画像データに対し、例えば、γ変換、ホワイトバランス調整処理、色補間処理、圧縮符号化処理など、デジタルカメラで行われる一般的な画像処理を行う。また、画像処理回路１２４は位相差ＡＦ用の信号も生成する。

カメラＭＰＵ１２５は、カメラ本体１２０に係る全ての演算、制御を行い、撮像素子駆動回路１２３、画像処理回路１２４、表示器１２６、操作スイッチ群１２７、メモリ１２８、撮像面位相差検出部１２９、撮像面位相差検出部１３０を制御する。カメラＭＰＵ１２５は、マウントＭの信号線を介してレンズＭＰＵ１１７と接続され、レンズＭＰＵ１１７とコマンドやデータを通信する。カメラＭＰＵ１２５は、レンズＭＰＵ１１７に対し、レンズ位置の取得要求や、所定の駆動量での絞り、フォーカスレンズ、ズーム駆動要求や、レンズユニット１００に固有の光学情報の取得要求などを要求する。カメラＭＰＵ１２５には、ＲＯＭ１２５ａ、ＲＡＭ１２５ｂ、ＥＥＰＲＯＭ１２５ｃが内蔵されている。ＲＯＭ（ＲＯＭ：Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１２５ａは、カメラ動作を制御するプログラムを格納する。ＲＡＭ（ＲＡＭ：Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１２５ｂは、変数を記憶する。ＥＥＰＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ−Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１２５ｃは、諸パラメータを記憶する。

表示器１２６は、ＬＣＤ（ＬＣＤ： ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｉｓｐｌａｙ）などから構成され、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、焦点検出時の合焦状態表示画像などを表示する。操作スイッチ群１２７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。本実施形態の記録手段としてのメモリ１２８は、着脱可能なフラッシュメモリで、撮影済み画像を記録する。

撮像面位相差検出部１２９、撮像面位相差検出部１３０は、画像処理回路１２４により得られる焦点検出用データを用いて位相差検出方式で焦点検出処理を行う。より具体的には、画像処理回路１２４が、撮影光学系の方向の異なる二対の瞳領域を通過する光束で形成される各対の像データを焦点検出用データとして生成する。そして、撮像面位相差検出部１２９、撮像面位相差検出部１３０はこの各対の像データのずれ量に基づいて異なる方向の焦点ずれ量を検出する。このように、本実施形態の撮像面位相差検出部１２９、撮像面位相差検出部１３０は、専用のＡＦセンサを用いず、撮像素子１２２の出力に基づく位相差ＡＦ（撮像面位相差ＡＦ）を行う。撮像面位相差検出部１２９、撮像面位相差検出部１３０の動作については後で詳細に説明する。このように、本実施形態のデジタルカメラは位相差ＡＦを実行可能である。

（撮像面位相差方式の焦点検出方法の説明）
以下、撮像面位相差検出部１２９、撮像面位相差検出部１３０の動作についてさらに詳細に説明する。図３（Ａ）は、本実施形態における撮像素子１２２の撮像画素配列を示した図で、２次元Ｃ−ＭＯＳエリアセンサの縦（Ｙ方向）６行と横（Ｘ方向）８列の範囲を、レンズユニット１００側から観察した状態を示している。撮像素子１２２にはベイヤー配列のカラーフィルタが設けられ、奇数行の画素には、左から順に緑（Ｇ）と赤（Ｒ）のカラーフィルタが交互に、偶数行の画素には、左から順に青（Ｂ）と緑（Ｇ）のカラーフィルタが交互に配置されている。画素２１１において、円２１１ｉは、オンチップマイクロレンズを表し、オンチップマイクロレンズの内側に配置された複数の矩形２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃ、２１１ｄは、それぞれ光電変換部である。

本実施形態の撮像素子１２２は、すべての撮像画素の光電変換部がＸ方向およびＹ方向に２分割され、個々の光電変換部の光電変換信号と、光電変換信号の和が独立して読み出し可能である。個々の光電変換部における光電変換信号は位相差ＡＦ用のデータとして用いたり、３Ｄ（３−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ）画像を構成する視差画像の生成に用いたりすることもできる。また、光電変換信号の和は、通常の撮影画像データとして用いることができる。

ここで、位相差ＡＦを行う場合の画素信号について説明する。後述するように、本実施形態においては、図３（Ａ）のマイクロレンズ２１１ｉと、分割された光電変換部２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃ、２１１ｄで撮影光学系の射出光束を瞳分割する。本実施形態では、図３（Ｂ）の点線２１１Ａで示すように光電変換部２１１aと２１１ｃの信号を加算したものと、点線２１１Ｂで示すように光電変換部２１１ｂと２１１ｄの信号を加算したものとを対として用いる。これにより、Ｘ方向の像ずれ量（位相差）に基づく焦点検出を行うことが出来る。同様に、図３（Ｃ）の点線２１１Ｃで示すように光電変換部２１１aと２１１ｂの信号を加算したものと、点線２１１Ｄで示すように光電変換部２１１ｃと２１１ｄの信号を加算したものとを対として用いる。これにより、Ｙ方向の像ずれ量（位相差）に基づく焦点検出を行うことが出来る。

本実施形態では、Ｘ方向の像ずれ量に基づく焦点検出による位相差ＡＦに着目して説明する。同一画素行に配置された所定範囲内の複数の画素２１１について、点線２１１Ａに属する光電変換部２１１ａと２１１ｃの出力を加算（以下光電変換部２１１Ａ）してつなぎ合わせて編成したものをＡＦ用Ａ像とする。そして、点線２１１Ｂに属する光電変換部２１１ｂと２１１ｄの出力を加算（以下光電変換部２１１Ｂ）してつなぎ合わせて編成したものをＡＦ用Ｂ像とする。光電変換部２１１Ａ、２１１Ｂの出力は、カラーフィルタの単位配列に含まれる緑、赤、青、緑の出力を加算して算出した疑似的な輝度（Ｙ）信号を用いる。但し、赤、青、緑の色ごとに、ＡＦ用Ａ像、Ｂ像を編成してもよい。このように生成したＡＦ用Ａ像とＢ像である一対の像信号の相対的な像ずれ量を相関演算により検出することで、一対の像信号の相関度であるプレディクション［ｂｉｔ］を検出することができる。カメラＭＰＵ１２５は、プレディクションに変換係数を乗ずることで、所定領域のデフォーカス量［ｍｍ］を検出することができる。光電変換部２１１Ａと２１１Ｂの出力の和は、一般的には、出力画像の１画素（出力画素）を形成する。

本実施形態の撮像素子においては、各画素の光電変換部２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃ、２１１ｄの信号が画素配列の行に平行な方向に読み出されてゆき、各行の信号読出しが完了すると、次の行へと移行して同様の読出しが行われるものである。本実施形態の撮像素子は、上述の画素内の読み出し方法に加え、以下の２種類の読み出しモードを有する。第１の読み出しモードは、全画素読み出しモードと称するもので、高精細静止画を撮像するためのモードである。この場合は、全画素の信号が読み出される。同様に、点線２１１Ｃに属する光電変換部２１１ａと２１１ｂの出力を加算（以下光電変換部２１１Ｃ）してつなぎ合わせて編成したものをＡＦ用Ａ像とする。そして、点線２１１Ｄに属する光電変換部２１１ｃと２１１ｄの出力を加算（以下光電変換部２１１Ｄ）してつなぎ合わせて編成したものをＡＦ用Ｂ像として取り扱うことで、Ｙ方向の像ずれ量（位相差）に基づく位相差ＡＦを行うことができる。

第２の読み出しモードは間引き読み出しモードと称するもので、動画記録、もしくはプレビュー画像の表示のみを行なうためのモードである。この場合に必要な画素数は、全画素よりも少ないため、画素群はＸ方向及びＹ方向ともに所定比率で間引いた画素のみ読み出す。また、高速に読み出す必要がある場合にも、同様に間引き読み出しモードを用いる。Ｘ方向に間引く際には、信号の加算を行いＳ／Ｎの改善を図り、Ｙ方向に対する間引きは、間引かれる行の信号出力を無視する。位相差ＡＦおよびコントラストＡＦも、通常、第２の読み出しモードで読み出された信号に基づいて行われる。

図４は、本実施形態の撮像装置において、撮影光学系の射出瞳面と、像高ゼロすなわち像面中央に配置された撮像素子の光電変換部の共役関係を説明する図である。撮像素子内の光電変換部と撮影光学系の射出瞳面は、オンチップマイクロレンズによって共役関係となるように設計される。そして撮影光学系の射出瞳は、一般的に光量調節用の虹彩絞りが置かれる面とほぼ一致する。一方、本実施形態の撮影光学系は変倍機能を有したズームレンズであるが、光学タイプによっては変倍操作を行なうと、射出瞳の像面からの距離や大きさが変化する。図４（Ａ）では、レンズユニット１００の焦点距離が広角端と望遠端の中央にある状態を示している。この状態における射出瞳距離Ｚｅｐを標準値として、オンチップマイクロレンズの形状や、像高（Ｘ，Ｙ座標）に応じた偏心パラメータの最適設計がなされる。

図４（Ａ）の状態では、第１レンズ群１０１と、第１レンズ群を保持する鏡筒部材１０１ｂと、フォーカスレンズ１０４を保持する鏡筒部材１０４ｂとが含まれる。さらに、絞り１０２と、絞り開放時の開口径を規定する開口板１０２ａと、絞り込み時の開口径を調節するための絞り羽根１０２ｂとが含まれる。なお、撮影光学系を通過する光束の制限部材として作用する虚像１０１ｂ、１０２ａ、１０２ｂ、及び１０４ｂは、像面から観察した場合の光学的な虚像を示している。また、絞り１０２の近傍における合成開口をレンズの射出瞳と定義し、前述したように像面からの距離をＺｅｐとしている。

画素２１１は像面中央近傍に配置されており、本実施形態では、中央画素と呼ぶ。中央画素２１１は、最下層より、光電変換部２１１Ａ，２１１Ｂ、配線層２１１ｅ〜２１１ｇ、カラーフィルタ２１１ｈ、及びオンチップマイクロレンズ２１１ｉの各部材で構成される。そして２つの光電変換部はオンチップマイクロレンズ２１１ｉによって撮影光学系の射出瞳面に投影される。換言すれば、撮影光学系の射出瞳が、オンチップマイクロレンズ２１１ｉを介して、光電変換部の表面に投影される。ここでは、Ｘ方向の瞳分割に寄与する光電変換部２１１Ａと２１１Ｂを用いて説明する。

図４（Ｂ）は、撮影光学系の射出瞳面上における、光電変換部の投影像を示したもので、光電変換部２１１Ａ及び２１１Ｂに対する投影像は各々ＥＰ１Ａ及びＥＰ１Ｂとなる。光電変換部２１１Ａ及び２１１Ｂ両方の出力の和は、撮影光学系のほぼ全瞳領域である投影像ＥＰ１Ａ、ＥＰ１Ｂの両方の領域を通過した光束を光電変換したものである。従って、図４（Ｂ）でのＴＬとＥＰ１Ａに属する光電変換部、ＥＰ１Ｂに属する光電変換部が重複している面積（図４（Ｂ）中の斜線領域）の値が出力される。

図４（Ａ）で、撮影光学系を通過する光束の最外部を光束Ｌで示すと、光束Ｌは、絞りの開口板１０２ａで規制されており、投影像ＥＰ１Ａ及びＥＰ１Ｂは撮影光学系でケラレがほぼ発生していない。図４（Ｂ）では、図４（Ａ）の光束Ｌを、光束ＴＬで示している。光束ＴＬで示す円の内部に、光電変換部の投影像ＥＰ１Ａ、ＥＰ１Ｂの大部分が含まれていることからも、ケラレがほぼ発生していないことがわかる。光束Ｌは、絞りの開口板１０２ａでのみ制限されているため、光束ＴＬは、開口板１０２ａと言い換えることができる。この際、像面中央では各投影像ＥＰ１ＡないしＥＰ１Ｂのけられ状態は光軸に対して対称となり、各光電変換部２１１Ａ及び２１１Ｂが受光する光量は等しい。ＡＦ用の信号を出力する光電変換部対を、光電変換部２１１Ｃ、２１１Ｄとした場合にも、同様の原理が成り立つ。

カメラＭＰＵ１２５は撮像素子１２２から光電変換部２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃ、２１１ｄからの４種類の出力を読み出すように撮像素子駆動回路１２３を制御する。そして、カメラＭＰＵ１２５は画像処理回路１２４に対して焦点検出領域の情報を与え、焦点検出領域内に含まれる画素の出力から、Ｘ方向の位相差情報を算出するためのＡＦ用Ａ像とＢ像のデータを生成する。そして、撮像面位相差検出部１２９に、Ｙ方向の位相差情報を算出するためのＡＦ用Ａ像とＢ像のデータを生成して撮像面位相差検出１３０に供給するよう指示する。画像処理回路１２４はこの命令に従ってＸ方向およびＹ方向の位相差情報を算出するためのＡＦ用Ａ像とＢ像のデータを生成して撮像面位相差検出部１２９および１３０に出力する。以上説明した様に、撮像素子１２２は位相差ＡＦについて、焦点検出装置の一部を構成している。

図６は、焦点検出領域の例を示す図である。上述の通り、位相差ＡＦは焦点検出領域に含まれる画素から得られた信号に基づいて行われる。図６において、点線で示す長方形は撮像素子１２２の画素が形成された中の焦点検出領域２１９を示す。図６中の例では、ａｆＨ×ａｆＶ［ｐｉｘ］の焦点検出画素を含む。図６では、顔検出を行い、焦点検出領域を設定した例を示したが、体部２２０を含むような焦点検出領域設定としても良いし、ユーザーが事前に設定した焦点検出領域でも構わない。数、位置および大きさは図示したものに限定されない。

（焦点検出処理の流れの説明）
次に、図５を参照して、本実施形態のデジタルカメラにおける自動焦点検出（ＡＦ）動作について説明する。以下のＡＦ処理動作は、他の主体が明記されている場合を除き、カメラＭＰＵ１２５が主体となって実行される。また、カメラＭＰＵ１２５がレンズＭＰＵ１１７にコマンド等を送信することによってレンズユニット１００の駆動や制御を行う場合、説明を簡潔にするために動作主体をカメラＭＰＵ１２５として記載する場合がある。

Ｓ１でカメラＭＰＵ１２５は焦点検出領域を設定する。ここで設定される焦点検出領域２１９は、図６のように、主被写体２２０によって決められるものでもよく、予め設定された焦点検出領域でも良い。ここでは、焦点検出領域に対して、焦点検出領域２１９を代表する座標（ｘ、ｙ）を設定する。この時の代表座標（ｘ、ｙ）は例えば、焦点検出領域２１９に対する重心位置であってもよい。

次に、ステップＳ２では焦点検出画素の読み出しを行う。前述した方法で、ステップＳ１で設定した領域内の撮像素子１２０からの読み出し信号を用いることで、各方向の像ずれ量を算出するためのＡＦ用Ａ像、Ｂ像の信号を生成する。次に、像ずれ量検出手段としてのカメラＭＰＵは、ステップＳ３では、ステップＳ２で得られた一対の像信号であるＡ像とＢ像の相対的な像ずれ量を相関演算により検出することで、プレディクション［ｂｉｔ］である相関量Ｐ［ｂｉｔ］を検出する。

ここで、図７を用いて、相関演算の方法の一例を説明する。ステップＳ２で、焦点検出画素から図７（Ａ）のようなＡＦ用Ａ像（以下、Ａ像）、ＡＦ用Ｂ像（以下、Ｂ像）信号が読みだされたとする。まず、カメラＭＰＵ１２５は、ノイズの低減のため、Ａ像、Ｂ像信号に対してデジタルフィルタ処理を行う。図７（Ａ）のフィルタ処理後の波形が図７（Ｂ）である。そして、カメラＭＰＵ１２５は、図７（Ｂ）〜図７（Ｅ）のように、Ａ像、Ｂ像いずれかもしくは両方をビットシフトしながらその時の相関量ＣＯＲを計算する。この時の相関量ＣＯＲとは、Ａ像、Ｂ像を重ねた時の面積でもよく、Ａ像の面積―Ｂ像の面積でも良いし、相関度を表す計算値であればどの値でもよい。図８は、図７に図示したＡ像、Ｂ像を相関演算した時の、シフト量［ｂｉｔ］と相関量ＣＯＲ（ここではＡ像の面積とＢ像面積の差分）の関係を図示したものである。Ａ像とＢ像が完全に一致した時、最も相関が高くＡ像とＢ像の重なりが大きくなるため、相関量ＣＯＲは小さくなる。本実施形態では、相関量ＣＯＲが極小値をとる時のシフト量［ｂｉｔ］が相関量Ｐとなるので、内挿補間演算等により、相関量Ｐ＝２．６［ｂｉｔ］と計算される。

図５に戻って、次に、ステップＳ４では、相関量Ｐに乗じてデフォーカス量ｄｅｆを求めるための値である変換係数Ｋを算出する。ここでの詳細な説明は後述する。次に、デフォーカス量算出手段としてのカメラＭＰＵは、ステップＳ５では、以下の計算式により、デフォーカス量ｄｅｆ［ｍｍ］の計算を行う。
ＤＥＦ＝Ｐ×Ｋ・・・式（１）

次に、ステップＳ６では、制御手段としてのカメラＭＰＵ１２５が、ステップＳ５で得られたデフォーカス量ＤＥＦに基づいて以下の式でフォーカスレンズの駆動量Ｍ［ｌｅｎｓｍｍ］を計算し、フォーカスレンズを駆動させる。
Ｍ＝ＤＥＦ／ＦＳ・・・式（２）
ＦＳはデフォーカス量ｄｅｆ［ｍｍ］をレンズ駆動量［ｌｅｎｓｍｍ］に変換する係数であり、レンズレンズＭＰＵ１１７から取得される値とする。カメラＭＰＵ１２５は、フォーカスレンズ駆動量Ｍの分、光軸方向にフォーカスレンズを駆動させることで、ユーザーの意図にあった焦点画像を得る。

次に、変換係数Ｋの計算Ｓ４について説明する。まず、変換係数Ｋの計算ステートの取得を行う。カメラＭＰＵ１２５は、図５でＡＦ検出を行った際の、撮影光学系のズーム位置、Ｆ値、フォーカスレンズ位置、ステップＳ１で設定された像高（ｘ，ｙ）、ステップＳ３で検出された相関量Ｐを記憶、またはレンズＭＰＵ１１７から取得しておく。変換係数Ｋの求め方を図９に示す。図９のＺ方向軸は、撮影光学系の光軸方向を示し、Ｚ＝０は撮像素子面上を示す。Ｚｅｐは前述した射出瞳距離を示す。Ｚ＝Ｚｅｐ上のＡ像、Ｂ像の焦点検出光束の光量分布である瞳強度分布ＰＩ＿Ａ、瞳強度分布ＰＩ＿Ｂは、焦点検出画素信号を射出瞳面上に投影した投影像である。つまり、瞳強度分布ＰＩ＿Ａ、瞳強度分布ＰＩ＿Ｂは、図３（Ｂ）、（Ｃ）に示すマトリクス上に配置された光電変換部２１１Ａに相当する焦点検出画素Ａ、光電変換部２１１Ｂに相当する焦点検出画素Ｂの各焦点検出画素信号を射出瞳面上に投影した投影像である。

図９のＰＩ＿Ａ、ＰＩ＿Ｂは一次元の瞳強度分布を示したものである。ＰＩ＿ＡＢはＰＩ＿ＡとＰＩ＿Ｂの強度分布をｘ位置座標毎に足し合わせた値で、出力画素（Ａ＋Ｂ像）の光束の光量分布である瞳強度分布を表している。言い換えると、瞳強度分布ＰＩ＿ＡＢは、瞳強度分布ＰＩ＿Ａと瞳強度分布ＰＩ＿Ｂに瞳分離されている。この時のＰＩ＿Ａ、ＰＩ＿Ｂの重心間隔を基線長ＢＬとすると、ＺｅｐとＢＬの比で、Ａ像、Ｂ像の横ずれ量［ｂｉｔ］に対する光軸方向の変化ｄｅｆ［ｍｍ］を求めることができるので、以下の式となる。
変換係数Ｋ［ｍｍ／ｂｉｔ］＝ＢＬ／Ｚｅｐ・・・式（３）

上式において、各ｄｅｆ位置において焦点検出画素に検出されると想定されているＡ像、Ｂ像信号は、瞳強度分布ＰＩ＿Ａ、ＰＩ＿Ｂの相似形状である。例えば、図９に示すように、Ｚ＝Ｚ５位置における瞳分離像は、Ｐ＿Ａ（Ｚ５）、Ｐ＿Ｂ（Ｚ５）であり、Ｚ＝Ｚ−５位置における瞳分離像は、Ｐ＿Ａ（Ｚ−５）、Ｐ＿Ｂ（Ｚ−５）である。撮像素子上は、基準面としており、光束が一点に収束するので、Ｐ＿Ａ（０）、Ｐ＿Ｂ（０）のように、インパルス形状になって瞳分離像Ａ、Ｂが完全に一致する。しかしながら、それ以外のＺ＝ｘにおいては、瞳分離像は、瞳強度分布の相似形状となるので式（３）で計算される変換係数Ｋにおいて、Ｘ方向のＡ像、Ｂ像の相関量Ｐが光軸方向のデフォーカス量であるＤＥＦに変換される。焦点検出画素Ａを光電変換部２１１Ｃ、焦点検出画素Ｂを光電変換部２１１Ｄとした場合も同様に換算係数を算出する。

上述の説明では、主に補正値の計算を、カメラＭＰＵ１２５で行ったが、計算手段はこれに限らない。例えば、レンズＭＰＵ１１７で補正値の計算を行ってもよい。その場合には、カメラＭＰＵ１２５から、レンズＭＰＵ１１７に対して、収差情報を送信し、レンズＭＰＵ１１７内で、変換係数Ｋの算出を行う。その場合には、カメラＭＰＵ１２５から送信された合焦位置に対して、レンズＭＰＵ１１７が補正を施して、レンズ駆動を行えばよい。

（ＡＦにかかるカメラの動作フロー）
工程Ｓ３からＳ５における演算の中で、そもそも撮像面上での像のコントラストが低い場合や、図８に示す相関量ＣＯＲが明確に検出できない場合には、ＡＦ不能とし、デフォーカス量に応じたフォーカスレンズ駆動を行わないことになる。本実施形態では、この状態を焦点検出できない状態と称する。

ここで、本実施形態の撮像装置における焦点調節工程について、図１を用いて説明する。本実施形態では、開始状態の絞り値Ｆ２．８を撮影用の絞り値として、この状態を第１の絞り状態とする。まず、ステップＳ２０１にて、焦点調節工程が開始された後、ステップＳ２０２にて、縦横焦点検出１が行われる。

本実施形態では、撮像素子の撮像面においてＸ方向に相当する方向を横方向（第１の方向）、Ｙ方向に相当する方向を縦方向（第２の方向）とする。図３(Ｂ）に示す光電変換部２１１Ａと２１１Ｂの信号を用いた演算処理により、Ｘ方向の位相差情報を算出することができ、図３(Ｃ）に示す光電変換部２１１Ｃと２１１Ｄの信号を用いた演算処理により、Ｙ方向の位相差情報を算出することができる。また、本実施形態では、光電変換部の信号を、行に平行な方向つまり横方向に先行して読み出していくため、横方向のＡＦ用信号を先に得ることができる。焦点検出領域において横方向の信号が行ごとに読み出され次第、横方向の像ずれに基づく焦点検出を行う。焦点検出領域における全ての行の信号が読み出された後、縦方向の像ずれ量の算出が可能になるので縦方向の像ずれ量に基づく焦点検出演算を行う。そして、ステップＳ２０３にて、焦点検出ができたか否かを判定する。横方向の焦点検出が先行して行うことが可能な場合、焦点検出結果からステップＳ２１１のレンズ駆動へ移行するが、横方向の焦点検出が先行して行うことが不可能な場合は、縦方向の焦点検出結果を参照する。そして、縦方向で焦点検出できた場合、焦点検出結果からステップＳ２１１に進む。つまり、一つの方向では焦点検出できない場合に別の方向での焦点検出を行うことで焦点検出の精度を向上することが出来る。

一方、ステップＳ２０３で縦方向でも焦点検出ができないとされた場合（すなわち、縦・横いずれの方向も焦点検出できない場合）（Ｎｏ）、ステップＳ２０４にて、所定値の絞り値Ｆ８まで絞りを絞り、これを第２の絞り状態とする。第１および第２の絞り状態は、これらの値に限らないが、第１の絞り値よりも第２の絞り値が大きいことが必須である。これは、絞り値が大きい状態ほど、被写界深度（焦点深度）が深くなるため、焦点検出は容易となるからである。

第２の絞り状態において、ステップＳ２０５にて、縦横焦点検出２を行う。ステップＳ２０５では、ステップＳ２０２と同様に、焦点検出領域において横方向の焦点検出が先行して行われ、ステップＳ２０６にて、焦点検出ができたか否かを判定する。横方向の焦点検出が可能であるか、または縦方向の焦点検出が可能であると判定された場合（Ｙｅｓ）、横方向または縦方向の焦点検出結果に基づいてステップＳ２０７にて、フォーカスレンズ駆動、焦点調節を行う。一方、ステップＳ２０６で検出ができないと判定された場合（Ｎｏ）、フォーカスレンズを連続的に駆動（例えば、至近側から無限遠側に駆動）しながらの焦点サーチ動作（ステップＳ２１２）に移行する。

そして、ステップＳ２０７にて、焦点調節を行った後、ステップＳ２０８にて、第１の絞り状態まで絞り値を戻して、ステップＳ２０９にて、縦横焦点検出３の縦方向と横方向における焦点検出を試みる。このときの焦点位置は、開始時の焦点位置よりも合焦位置に近づいていることになる。次に、ステップＳ２１０にて、ステップＳ２０９で横方向または縦方向の焦点検出が可能か否かを判定する。焦点検出が可能であると判定された場合（Ｙｅｓ）、この焦点検出結果に基づいてステップＳ２１１にて、フォーカスレンズ駆動を行い、合焦近傍まで焦点位置を調節し、ステップＳ２１３にて、処理を終了する。一方、ステップＳ２１０で横と縦の両方向において焦点検出が不可能であると判定された場合は、フォーカスレンズを連続的に駆動しながらの焦点サーチ動作（ステップＳ２１２）に移行する。

以上、本実施形態によれば、より高精度な焦点検出ができる撮像装置を提供することができる。つまり、着目する画角内の位置（像面上の位置）や、被写体の形状、模様などに依存して、位相差を検出しやすい方向は変わる。そのため、本実施形態のように、二つの方向における焦点検出を、読出しの方向とスピードを考慮しながら行うことで、焦点検出の精度をより向上させることが可能である。

また、ステップＳ２０２の縦横焦点検出１、ステップＳ２０５の縦横焦点検出２、ステップＳ２０９の縦横焦点検出３の焦点検出工程において、横方向と縦方向の両方向に基づいた焦点検出が可能な場合がある。この場合は、横方向と縦方向の焦点検出結果であるそれぞれのデフォーカス量の平均値を用いて焦点調節をすることも可能であるし、より信頼性の高い方の焦点検出結果であるデフォーカス量を焦点調節に用いることも可能である。

また、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および変更が可能である。

１０２ 絞り
１２２ 撮像素子
２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃ、２１１ｄ 光電変換部

Claims (6)

1. 複数の方向に分割された光電変換部を具備した撮像画素が撮像面上に配列された撮像素子と、撮像光学系からの光束を絞り値に従って制御する絞りを備える撮像装置であって、
   前記光電変換部からの信号に基づいて前記複数の方向における位相差情報に基づいて焦点検出を行う焦点検出手段と、
   前記焦点検出手段による焦点検出結果であるデフォーカス量に従って、レンズを駆動して焦点調節を行う制御手段と
   を備え、
   前記焦点検出手段は、第１の絞り値で前記複数の方向のうち少なくとも第１の方向における位相差情報に基づいて第１の焦点検出を行い、前記第１の焦点検出ができない場合、前記第１の絞り値よりも大きい第２の絞り値に変えて、前記第２の絞り値で前記複数の方向のうち前記第１の方向を含む少なくとも２つの方向における位相差情報に基づいて第２の焦点検出を行う
   ことを特徴とする撮像装置。
2. 前記制御手段は、前記焦点検出手段により前記第２の焦点検出ができない場合、フォーカスレンズを連続的に駆動しながらの焦点サーチ動作を行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記焦点検出手段は、前記焦点検出手段により前記第２の焦点検出ができた場合に前記第２の焦点検出における検出結果に基づいて前記制御手段により前記焦点調節を行った後、前記第２の絞り値から前記第１の絞り値に戻して焦点検出を行う
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
4. 前記第１の方向は、前記撮像画素の配列の行に平行な方向であり、各光電変換部からの信号読出しの方向に一致し、
   前記第１の方向と異なる第２の方向は、前記撮像画素の配列の列に平行な方向であり、
   前記焦点検出手段は、前記第１の方向の位相差情報に基づいた焦点検出を、前記第２の方向の位相差情報に基づいた焦点検出よりも先行して行い、前記第１の方向の位相差情報に基づいた焦点検出ができない場合、前記第２の方向の位相差情報に基づいた焦点検出を行う
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の撮像装置。
5. 前記制御手段は、前記第１の方向と、前記第２の方向それぞれの位相差情報に基づいた前記デフォーカス量の平均値を、焦点調節に用いる
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の撮像装置。
6. 複数の方向に分割された光電変換部を具備した撮像画素が撮像面上に配列された撮像素子と、撮像光学系からの光束を絞り値に従って制御する絞りを備える撮像装置の制御方法であって、
   前記光電変換部からの信号に基づいて前記複数の方向における位相差情報に基づいて焦点検出を行う焦点検出工程と、
   前記焦点検出工程による焦点検出結果であるデフォーカス量に従って、レンズを駆動して焦点調節を行う制御工程と
   を有し、
   前記焦点検出工程では、第１の絞り値で前記複数の方向のうち少なくとも第１の方向における位相差情報に基づいて第１の焦点検出を行い、前記第１の焦点検出ができない場合、前記第１の絞り値よりも大きい第２の絞り値に変えて、前記第２の絞り値で前記複数の方向のうち前記第１の方向を含む少なくとも２つの方向における位相差情報に基づいて第２の焦点検出を行う
   ことを特徴とする撮像装置の制御方法。
   

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