(57)【要約】【課題】  高速オートフォーカス機能を有する撮像装置及び電子機器等を提供すること。【解決手段】  撮像装置は、被写体Ｏｂｊを結像し、合焦するための光学素子１０と、光学素子１０によって結像された被写体Ｏｂｊの像を撮像する撮像素子３０と、光学素子１０と撮像素子３０との間に設けられ、被写体Ｏｂｊの像に対してパターン像ｈ（ｘ／ｋ）を光学的に重畳するためのパターン２０を含む。撮像装置は、撮像素子３０による撮像により得られた画像データと、パターン２０に対応する参照パターンとの相関演算処理を行う。【選択図】      図１
2010256776.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体を結像し、合焦するための光学素子と、
前記光学素子によって結像された前記被写体の像を撮像する撮像素子と、
前記光学素子と前記撮像素子との間に設けられ、前記被写体の像に対してパターン像を光学的に重畳するためのパターンと、
前記撮像素子による撮像により得られた画像データと、前記パターンに対応する参照パターンとの相関演算処理を行う相関演算部と、
を含むことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記相関演算処理により得られた評価値に基づいてデフォーカス情報を取得するデフォーカス情報取得部と、
前記デフォーカス情報に基づいてフォーカス制御を行うオートフォーカス制御部と、
を含むことを特徴とする撮像装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記デフォーカス情報取得部は、
前記相関演算処理により得られた前記評価値に基づいてデフォーカス方向を判定し、
前記フォーカス制御部は、
前記デフォーカス情報取得部により判定された前記デフォーカス方向に基づいてフォーカス制御を行うことを特徴とする撮像装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記相関演算部は、
第１の座標軸に沿った第１の方向で空間周波数が単調増加する第１の参照パターンと、前記画像データとの相関演算処理を行って第１の評価値を取得し、前記第１の方向で空間周波数が単調減少する第２の参照パターンと、前記画像データとの相関演算処理を行って第２の評価値を取得し、
前記デフォーカス情報取得部は、
前記第１、第２の評価値に基づいてデフォーカス情報を取得することを特徴とする撮像装置。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記相関演算部は、
前記画像データと、複数のパターン幅縮小率に対応する複数の参照パターンとの相関演算処理を行い、
前記デフォーカス情報取得部は、
前記相関演算処理により得られた評価値に基づいて、前記複数の参照パターンのうちの前記画像データに重畳された前記パターン像との相関性が最も高い参照パターンのパターン幅縮小率を抽出し、抽出されたパターン幅縮小率に基づいてデフォーカス量を算出し、
前記フォーカス制御部は、
前記デフォーカス量に基づいてフォーカス制御を行うことを特徴とする撮像装置。
【請求項６】
請求項５において、
前記相関演算部には、
前記複数の参照パターンとして、第１の座標軸に沿った第１の方向で空間周波数が単調増加する複数の第１の参照パターンと、前記第１の方向で空間周波数が単調減少する複数の第２の参照パターンが入力され、
前記相関演算部は、
前記画像データと前記複数の第１の参照パターンとの相関演算処理を行って複数の第１の評価値を取得し、前記画像データと前記複数の第２の参照パターンとの相関演算処理を行って複数の第２の評価値を取得し、
前記デフォーカス情報取得部は、
前記複数の第１、第２の評価値に基づいて、前記複数の参照パターンのうちの前記画像データに重畳された前記パターン像との相関性が最も高い参照パターンのパターン幅縮小率を抽出することを特徴とする撮像装置。
【請求項７】
被写体にスポット光を照射するスポット光生成部と、
前記被写体に照射された前記スポット光の像を結像するための光学素子と、
前記光学素子による前記スポット光の像を撮像する撮像素子と、
前記光学素子と前記撮像素子との間に設けられ、前記スポット光の像に対してパターン像を光学的に重畳するためのパターンと、
前記撮像素子による撮像により得られた前記画像データと、前記パターンに対応する参照パターンとの相関演算処理を行う相関演算部と、
を含むことを特徴とする撮像装置。
【請求項８】
請求項７において、
前記相関演算処理により得られた評価値に基づいてデフォーカス情報を取得するデフォーカス情報取得部と、
前記デフォーカス情報に基づいてフォーカス制御を行うフォーカス制御部と、
を含むことを特徴とする撮像装置。
【請求項９】
請求項１乃至８において、
前記パターン、及び前記参照パターンは、
チャープ波パターンであることを特徴とする撮像装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載の撮像装置を含むことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置及び電子機器等に関する。
【背景技術】
【０００２】
オートフォーカス機能（例えば、特許文献１、２に開示されるオートフォーカス手法）は、カメラの機能として今や必須の機能となっている。昨今、デジタル一眼レフカメラ（ＤＳＬＲ）の市場が拡大基調にあり、市場ではデジタル一眼レフカメラの高性能化・小型化のニーズが高まっている。これを受けて、高速にオートフォーカス可能でカメラを小型化できるオートフォーカス技術が求められている。
【０００３】
例えば、高速性を重視する方式として位相差ＡＦ方式がある。位相差ＡＦ方式では、光路を２つに分岐し、一方の光路には撮像素子を設け、他方の光路にはＡＦ専用センサを設ける。そして、ＡＦ専用センサによってデフォーカス量を検出し、検出されたデフォーカス量を用いてフォーカス制御を行う。しかしながら、この位相差ＡＦ方式を用いると、光路を分岐するための構成（例えばミラー）とＡＦ専用センサを配置するスペースが必要となり、カメラの小型化が困難となってしまう。
【０００４】
また、小型化を重視する方式としてイメージャＡＦ方式（コントラスト方式）がある。イメージャＡＦ方式では、通常の撮像を行う撮像素子を用いてフォーカス位置を求める。すなわち、撮像素子で得た画像のコントラストを評価値とし、合焦位置において最もコントラストが高くなることを利用してフォーカス位置を探索的に求める（山登り法）。しかしながら、このイメージャＡＦ方式では、フォーカスレンズを逐次駆動することでコントラストピークを探索するため、高速に合焦させることが困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１２５１７７号公報
【特許文献２】特開平８−１２４８３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の幾つかの態様によれば、高速オートフォーカス機能を有する撮像装置及び電子機器等を提供できる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、被写体を結像し、合焦するための光学素子と、前記光学素子によって結像された前記被写体の像を撮像する撮像素子と、前記光学素子と前記撮像素子との間に設けられ、前記被写体の像に対してパターン像を光学的に重畳するためのパターンと、前記撮像素子による撮像により得られた画像データと、前記パターンに対応する参照パターンとの相関演算処理を行う相関演算部と、を含む撮像装置に関係する。
【０００８】
本発明の一態様によれば、光学素子と撮像素子との間にパターンが設けられることで、光学素子によって結像された被写体像にパターン像が重畳される。その被写体像が撮像されることで、パターン像が重畳された被写体像の画像データが取得される。そして、その画像データに対して参照パターンが相関演算処理される。これにより、相関演算処理の処理結果を用いた種々の処理や、種々の機能を実現できる。
【０００９】
また、本発明の一態様では、前記相関演算処理により得られた評価値に基づいてデフォーカス情報を取得するデフォーカス情報取得部と、前記デフォーカス情報に基づいてフォーカス制御を行うオートフォーカス制御部と、を含んでもよい。
【００１０】
このようにすれば、オートフォーカス機能を実現することができる。具体的には、評価値に基づいて取得されたデフォーカス情報に基づいてフォーカス制御されることで、オートフォーカス制御を行うことができる。
【００１１】
また、本発明の一態様では、前記デフォーカス情報取得部は、前記相関演算処理により得られた前記評価値に基づいてデフォーカス方向を判定し、前記フォーカス制御部は、前記デフォーカス情報取得部により判定された前記デフォーカス方向に基づいてフォーカス制御を行ってもよい。
【００１２】
このようにすれば、評価値に基づいてデフォーカス方向を判定することで、デフォーカス情報としてデフォーカス方向の情報を取得できる。そして、取得したデフォーカス方向の情報に基づいてフォーカス制御を行うことで、フォーカス駆動の方向を決定できる。
【００１３】
また、本発明の一態様では、前記相関演算部は、第１の座標軸に沿った第１の方向で空間周波数が単調増加する第１の参照パターンと、前記画像データとの相関演算処理を行って第１の評価値を取得し、前記第１の方向で空間周波数が単調減少する第２の参照パターンと、前記画像データとの相関演算処理を行って第２の評価値を取得し、前記デフォーカス情報取得部は、前記第１、第２の評価値に基づいてデフォーカス情報を取得してもよい。
【００１４】
このようにすれば、第１、第２の評価値に基づいてデフォーカス情報を取得できる。例えば、あるデフォーカス方向において、第１の方向で空間周波数が単調増加するパターン像が被写体像に重畳されるとする。そうすると、第１の参照パターンの方が、パターン像との相関性が高くなる。この相関性の違いにより、第１、第２の評価値がデフォーカス方向に応じて異なるものとなるため、第１、第２の評価値に基づいてデフォーカス方向を判定できる。
【００１５】
また、本発明の一態様では、前記相関演算部は、前記画像データと、複数のパターン幅縮小率に対応する複数の参照パターンとの相関演算処理を行い、前記デフォーカス情報取得部は、前記相関演算処理により得られた評価値に基づいて、前記複数の参照パターンのうちの前記画像データに重畳された前記パターン像との相関性が最も高い参照パターンのパターン幅縮小率を抽出し、抽出されたパターン幅縮小率に基づいてデフォーカス量を算出し、前記フォーカス制御部は、前記デフォーカス量に基づいてフォーカス制御を行ってもよい。
【００１６】
本発明の一態様によれば、パターン像との相関性が最も高い参照パターンのパターン幅縮小率を抽出し、パターン幅縮小率に基づいてデフォーカス量を算出することで、デフォーカス情報としてデフォーカス量の情報を取得できる。そして、取得したデフォーカス量の情報に基づいてフォーカス制御を行うことで、デフォーカス量に基づいてフォーカス駆動の駆動量を決定できる。
【００１７】
また、本発明の一態様では、前記相関演算部には、前記複数の参照パターンとして、第１の座標軸に沿った第１の方向で空間周波数が単調増加する複数の第１の参照パターンと、前記第１の方向で空間周波数が単調減少する複数の第２の参照パターンが入力され、前記相関演算部は、前記画像データと前記複数の第１の参照パターンとの相関演算処理を行って複数の第１の評価値を取得し、前記画像データと前記複数の第２の参照パターンとの相関演算処理を行って複数の第２の評価値を取得し、前記デフォーカス情報取得部は、前記複数の第１、第２の評価値に基づいて、前記複数の参照パターンのうちの前記画像データに重畳された前記パターン像との相関性が最も高い参照パターンのパターン幅縮小率を抽出してもよい。
【００１８】
このようにすれば、複数の第１、第２の評価値に基づいて、パターン像との相関性が最も高い参照パターンのパターン幅縮小率を抽出できる。例えば、各パターン幅縮小率に対応する第１、第２の参照パターンが生成される。そして、相関演算処理により、各パターン幅縮小率に対応する第１、第２の評価値が求められる。この第１、第２の評価値は、パターン幅縮小率に応じて異なるため、これらの評価値に基づいて、パターン像との相関性が最も高い参照パターンのパターン幅縮小率を抽出できる。
【００１９】
また、本発明の他の態様は、被写体にスポット光を照射するスポット光生成部と、前記被写体に照射された前記スポット光の像を結像するための光学素子と、前記光学素子による前記スポット光の像を撮像する撮像素子と、前記光学素子と前記撮像素子との間に設けられ、前記スポット光の像に対してパターン像を光学的に重畳するためのパターンと、前記撮像素子による撮像により得られた前記画像データと、前記パターンに対応する参照パターンとの相関演算処理を行う相関演算部と、を含む撮像装置に関係する。
【００２０】
本発明の他の態様によれば、被写体にスポット光が照射され、スポット光の像が結像され、そのスポット光の像にパターン像が重畳される。その像が撮像されることで、パターン像が重畳されたスポット光の像の画像データが取得される。そして、その画像データに対して参照パターンが相関演算処理される。これにより、相関演算処理の処理結果を用いた種々の処理や、種々の機能を実現できる。
【００２１】
例えば、本発明の他の態様では、前記相関演算処理により得られた評価値に基づいてデフォーカス情報を取得するデフォーカス情報取得部と、前記デフォーカス情報に基づいてフォーカス制御を行うフォーカス制御部と、を含んでもよい。
【００２２】
このようにすれば、オートフォーカス機能を実現することができる。また、被写体にスポット光を照射することで、自然光等の照明が得られる状況や、得られない状況に関わらずオートフォーカス制御を実現できる。
【００２３】
また、本発明の一態様及び他の態様では、前記パターン、及び前記参照パターンは、チャープ波パターンであってもよい。
【００２４】
このようにすれば、パターン像と参照パターンとの相関性が向上し、デフォーカス情報をより高精度に取得することができる。
【００２５】
また、本発明の他の態様は、上記のいずれかに記載の撮像装置を含む電子機器に関係する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本実施形態の撮像装置の第１の基本構成例。
【図２】相関演算処理の説明図。
【図３】相関演算処理の説明図。
【図４】相関演算処理の説明図。
【図５】相関演算処理の説明図。
【図６】透かしパターンの具体的な構成例。
【図７】本実施形態の撮像装置の第１の構成例。
【図８】デフォーカス量の取得手法の説明図。
【図９】デフォーカス量の取得手法の説明図。
【図１０】デフォーカス量の取得手法の説明図。
【図１１】デフォーカス量の取得手法の説明図。
【図１２】本実施形態の撮像装置の第２の構成例。
【図１３】本実施形態の撮像装置の第２の基本構成例。
【図１４】シンク関数の波形例。
【図１５】本実施形態の撮像装置の第３の構成例。
【図１６】デフォーカス量の取得手法の説明図。
【図１７】第３の構成例の撮像装置の動作説明図。
【図１８】電子機器の構成例。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。
【００２８】
１．基本構成例
図１に、本実施形態の撮像装置の第１の基本構成例を示す。この撮像装置は、レンズ１０（広義には、光学素子、結像光学系）、透かしパターン２０（広義には、パターン）、撮像素子３０（広義には、光電変換素子）を含む。そして、透かしパターン２０によるパターン像を被写体の像に重畳し、その重畳したパターン像を用いることでオートフォーカスを行うための装置である。
【００２９】
レンズ１０は、被写体Ｏｂｊの像を結像し、撮像面に焦点をフォーカス（合焦）する。例えば、レンズ１０は、対物レンズ・フォーカスレンズ等の複数のレンズにより構成される。そして、フォーカスレンズがレンズ光軸方向に駆動されることで、レンズ１０の焦点が撮像素子３０の撮像面にフォーカスされる。但し、本実施形態では、レンズ１０が単一のレンズで構成され、そのレンズが駆動されることでフォーカスされてもよい。なお、以下では便宜的に、フォーカスレンズの駆動によるフォーカス位置（焦点、合焦点）の移動を、撮像面の光軸方向の移動によって示す。
【００３０】
透かしパターン２０（特殊パターン、パターン部）は、被写体Ｏｂｊの像にパターン像を重畳する（重ね合わせる）。具体的には、透かしパターン２０は、レンズ１０と撮像素子３０との間に設けられる。そして、被写体Ｏｂｊからの反射光が、レンズ１０を介して透かしパターン２０に入射されることで、透かしパターン２０によるパターン像が被写体Ｏｂｊの像に重畳される。例えば、透かしパターン２０は、レンズ１０と撮像素子３０との中間より少なくともレンズ１０側に設けられる。被写体Ｏｂｊの各点に対応する像に対して適切にパターン像を重畳するために、透かしパターン２０は、できるだけレンズ１０に近い位置（近傍）に設けられることが望ましい。なお、レンズ１０が複数のレンズで構成される場合には、透かしパターン２０が、レンズとレンズとの間に設けられてもよい。すなわち、透かしパターン２０が、複数のレンズのうちの最も対物側のレンズと撮像素子３０との間に設けられてもよい。
【００３１】
より具体的には、透かしパターン２０は、自己相関性の高いパターン像を被写体Ｏｂｊの像に重畳する。例えば、Ａ５に示すように、透かしパターン２０は、２値化されたチャープ波パターンにより構成され、チャープ波パターンのパターン像（図１のＡ１に示すパターン像）を被写体Ｏｂｊの像に重畳する。この透かしパターン２０は、透明な平板・フィルム等（パターン部材）にパターンが形成されることで構成されてもよく、レンズ１０上に黒色フィルム・インク等（パターン部材）でパターンが形成されることで構成されてもよい。
【００３２】
透かしパターン２０によりパターン像が重畳された被写体Ｏｂｊの像は、撮像素子３０の撮像面に結像される。このとき、撮像面におけるパターン像は、撮像面とフォーカス位置との位置関係に応じて幅（パターン幅）や向きが異なる。フォーカス位置が撮像面にあるとき（合焦時）には、パターン像は消失する。例えば、図１のＦＡ１に示すように、デフォーカス位置に撮像面がある場合には、Ａ２に示すように、撮像面上のパターン幅は透かしパターン２０のパターン幅よりも縮小された幅となる。ＦＡ２に示すように、ＦＡ１よりもフォーカス位置に近い位置に撮像面がある場合には、Ａ３に示すように、撮像面上のパターン幅はさらに縮小されたパターン幅となる。そして、ＦＡ３に示すように、前ピント状態のデフォーカス位置に撮像面がある場合には、Ａ４に示すように、撮像面上のパターン像は透かしパターン２０を反転したパターン像となる。すなわち、レンズ１０の光軸に直交する軸をｘ軸（広義には、第１の座標軸）とし、透かしパターン２０（透かしパターン２０の透過率）を関数ｈ（ｘ）で表すとすると、ＦＡ１、ＦＡ２に示す後ピント状態において、パターン像はｈ（ｘ／ｋ）で表される。また、ＦＡ３に示す前ピント状態において、パターン像はｈ（−ｘ／ｋ）で表される（ｋは、パターン幅縮小率）。ここで、後ピント状態は、フォーカス位置がレンズ側から見て撮像面後方にある状態であり、前ピント状態は、フォーカス位置がレンズ側から見て撮像面の前方にある状態である。
【００３３】
撮像素子３０は、透かしパターン２０によってパターン像が重畳された被写体Ｏｂｊの像を撮像する。そして、撮像素子３０の撮像により得られた画像信号に基づいて画像データが生成される。例えば、撮像素子３０は、ＣＣＤイメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像素子により構成できる。これらの撮像素子は、撮像した画像の画像信号（アナログ信号）を出力する。そして、その画像信号がＡ／Ｄ変換処理（Analog to Digital Conversion）され、撮像画像の画像データが生成される。
【００３４】
２．相関演算処理、及びデフォーカス情報の取得手法
図２〜図５を用いて、本実施形態の相関演算処理、及びデフォーカス情報の取得手法について説明する。
【００３５】
図２に示すように、被写体Ｏｂｊの撮像領域の各点をｒ０〜ｒｎとする。そうすると、各点ｒ０〜ｒｎからの反射光がレンズ１０に入射し、各点ｒ０〜ｒｎに対応する像が撮像素子３０の撮像面に結像される。このとき、各点ｒ０〜ｒｎに対応する像には、それぞれ透かしパターン２０によってパターン像が重畳される。そのため、撮像面に結像される像は、被写体Ｏｂｊの像に対してパターン像を光学的にコンボリューションしたものとなる。
【００３６】
例えば、図２のＦＢ１に示すように、後ピント状態のデフォーカス位置に撮像面があるときには、Ｂ１に示すように、被写体Ｏｂｊの像に対して正転のパターン像ｈ（ｘ／ｋ）がコンボリューションされる。一方、ＦＢ２に示すように、前ピント状態のデフォーカス位置に撮像面があるときには、Ｂ２に示すように、被写体Ｏｂｊの像に対して反転のパターン像ｈ（−ｘ／ｋ）がコンボリューションされる。そして、Ｂ３、Ｂ４に示すように、パターン像がコンボリューションされた画像の画像データに対して、透かしパターン２０に対応する参照パターンｈｓ（ｘ）（参照パターンの関数）が相関演算処理される。
【００３７】
具体的には、図３のＣ１に示すように、後ピント状態のデフォーカス位置に撮像面がある場合の像は、被写体Ｏｂｊの反射率分布ｒ（ｘ／ｍ）とパターン像ｈ（ｘ／ｋ）とのコンボリューションにより表される（ｍは、被写体像の縮小率）。すなわち、下式（１）で表される。ここで、記号“＊”は、コンボリューション演算を表す（下式（１）においては、光学的なコンボリューション）。
ｆＢ（ｘ，ｋ）＝ｒ（ｘ／ｍ）＊ｈ（ｘ／ｋ）      ・・・  （１）
【００３８】
参照パターンｈｓ（ｘ）は、Ｃ２に示す第１の参照パターンｈｓ（ｘ／ｋｓ）、及びＣ３に示す第２の参照パターンｈｓ（−ｘ／ｋｓ）により構成される（ｋｓは、参照パターンの縮小率）。ｈｓ（ｘ／ｋｓ）は、正転のパターン像ｈ（ｘ／ｋ）に対応する参照パターンであり、ｈｓ（−ｘ／ｋｓ）は、反転のパターン像ｈ（−ｘ／ｋ）に対応する参照パターンである。そして、下式（２）に示すように、これらの参照パターンを画像データにコンボリューション演算することで相関演算処理が行われ、評価値Ｖ＋（ｘ）、Ｖ−（ｘ）が求められる。
Ｖ＋（ｘ）＝ｆＢ（ｘ，ｋ）＊ｈｓ（ｘ／ｋｓ），
Ｖ−（ｘ）＝ｆＢ（ｘ，ｋ）＊ｈｓ（−ｘ／ｋｓ）      ・・・  （２）
【００３９】
一方、図４に示すように、前ピント状態のデフォーカス位置に撮像面がある場合の像は、下式（３）で表され、評価値Ｖ＋（ｘ）、Ｖ−（ｘ）は、下式（４）で表される。
ｆＦ（ｘ，ｋ）＝ｒ（ｘ／ｍ）＊ｈ（−ｘ／ｋ）      ・・・  （３）
Ｖ＋（ｘ）＝ｆＦ（ｘ，ｋ）＊ｈｓ（ｘ／ｋｓ），
Ｖ−（ｘ）＝ｆＦ（ｘ，ｋ）＊ｈｓ（−ｘ／ｋｓ）      ・・・  （４）
【００４０】
ここで、参照パターンが下式（５）を満たすと仮定する。
ｈｓ（ｘ／ｋｓ）  ＝ｈ（ｘ／ｋ），
ｈｓ（−ｘ／ｋｓ）＝ｈ（−ｘ／ｋ）      ・・・  （５）
【００４１】
そうすると、後ピント状態において、上式（１）、（２）より、下式（６）が成り立つ。
Ｖ＋（ｘ）＝ｒ（ｘ／ｍ）＊ｈ（ｘ／ｋ）＊ｈ（ｘ／ｋ），
Ｖ−（ｘ）＝ｒ（ｘ／ｍ）＊ｈ（ｘ／ｋ）＊ｈ（−ｘ／ｋ）      ・・・  （６）
【００４２】
また、前ピント状態において、上式（３）、（４）より、下式（７）が成り立つ。
Ｖ＋（ｘ）＝ｒ（ｘ／ｍ）＊ｈ（−ｘ／ｋ）＊ｈ（ｘ／ｋ），
Ｖ−（ｘ）＝ｒ（ｘ／ｍ）＊ｈ（−ｘ／ｋ）＊ｈ（−ｘ／ｋ）      ・・・  （７）
【００４３】
このとき、本願の発明者が、上式（６）、（７）に示すＶ＋（ｘ）、Ｖ−（ｘ）をシミュレーションにより求めたところ、Ｖ−（ｘ）がＶ＋（ｘ）に対してシフトする現象が生じることが判明した。具体的には、図３のＣ４に示すように、後ピント状態において、Ｖ−（ｘ）がＶ＋（ｘ）に対して、ｘ軸の正方向にシフト量δ（＋δ）だけシフトする。また、図４のＤ１に示すように、前ピント状態において、Ｖ−（ｘ）がＶ＋（ｘ）に対して、ｘ軸の負方向にシフト量δ（−δ）だけシフトする。なお、本願の発明者は、上式（５）が成立しないとき（ｋｓ＝ｋでないとき）でも、Ｖ−（ｘ）がＶ＋（ｘ）に対してシフトすることを確認している。
【００４４】
図５に示すように、本実施形態では、評価値Ｖ＋（ｘ）と評価値Ｖ−（ｘ）とが相関演算されて、シフト量δが求められる。具体的には、Ｖ＋（ｘ）・Ｖ−（ｘ＋ｓ）をｘで積分する相互相関演算（Cross correlation）により、相関値Ｓ（ｓ）が求められる。そして、相関値Ｓ（ｓ）の値が最大となるｓが求められ、そのｓがシフト量δとして設定される。例えば、図５に示すように、Ｖ−（ｘ）がＶ＋（ｘ）に対して＋δシフトするときには、相関値Ｓ（ｓ）が最大値となるｓとしてｓ＝＋δが求められ、シフト量ｓ＝＋δが設定される。
【００４５】
本実施形態では、この評価値Ｖ＋（ｘ）、Ｖ−（ｘ）のシフトに基づいてデフォーカス情報が取得され、取得されたデフォーカス情報に基づいてフォーカス制御が行われる。例えば、シフト方向に基づいてデフォーカス方向の情報が取得される。具体的には、ｓ＞０（シフト方向がｘ軸の正方向）の場合には、後ピント状態であると判定され、ｓ＜０（シフト方向がｘ軸の負方向）の場合には、前ピント状態であると判定される。また、ｓ＝０（ｓ≒０）の場合には、合焦点であると判定される。あるいは、図８等で後述するように、シフト量ｓの大きさ（絶対値）に基づいてデフォーカス量の情報が取得される。すなわち、シフト量ｓの大きさに基づいてパターン幅縮小率ｋが推定され、そのｋに基づいて撮像面の位置とフォーカス位置との距離が求められる。
【００４６】
３．透かしパターン、参照パターン
図６に、透かしパターンの具体例を示す。図６に示す透かしパターン２０は、Ｅ１に示すチャープ波パターン（掃引波パターン）を２値化したものである。具体的には、Ｅ１に示すように、チャープ波パターンは、ｘ軸の正方向に空間周波数が単調減少（または、単調増加）する三角関数で表される。例えば、Ｅ２に示すように、ｘ軸の正方向で空間周波数ｆｘがリニア（直線的、線形）に減少する三角関数で表される。そして、三角関数の値が所定の値以上（例えば、正）となるｘの範囲では、高透過率（第１の透過率）とし、三角関数の値が所定の値以下（例えば、負）となるｘの範囲では、低透過率（第２の透過率）とすることで、チャープ波パターンを２値化できる。
【００４７】
参照パターンには、この透かしパターン２０に対応して、チャープ波パターンが２値化された参照パターンが用いられる。すなわち、参照パターンを関数ｈｓ（ｘ）で表すとすると、チャープ波パターンの三角関数の値が所定の値以上となるｘの範囲に対して、例えばｈｓ（ｘ）＝１（第１の値）が対応する。また、三角関数の値が所定の値以下となるｘの範囲に対して、例えばｈｓ（ｘ）＝０（第２の値）が対応する。パターン幅縮小率ｋｓに応じた参照パターンは、上記のｈｓ（ｘ）において、ｘをｘ／ｋｓ又は−ｘ／ｋｓで置き換えてｈｓ（ｘ／ｋｓ）又はｈｓ（−ｘ／ｋｓ）とすることで求められる。なお、参照パターンの関数ｈｓ（ｘ）は、例えば数値テーブルにより実現できる。
【００４８】
４．第１の構成例
図７に、本実施形態の撮像装置の第１の構成例を示す。この撮像装置は、撮像部１００、参照パターン生成部１１０、相関演算部１２０（コンボリューション演算部）、デフォーカス情報取得部１３０（画像シフト判定部）、レンズ駆動部１４０、オートフォーカス制御部１５０（フォーカス制御部）、撮像取込部１６０、画像記録部１７０、モニター表示部１８０を含む。なお、本発明の撮像装置は、図７の構成に限定されず、その構成要素の一部を省略したり他の構成要素を追加したりする等の種々の変形実施が可能である。
【００４９】
撮像部１００は、被写体を撮像し、画像データを出力する。具体的には、撮像部１００は、図示しない光学素子、透かしパターン、撮像素子、ＡＦＥ（Analog Front End）回路を含む。ＡＦＥ回路は、撮像素子からの画像信号をＡ／Ｄ変換処理し、画像データを生成する。
【００５０】
参照パターン生成部１１０は、透かしパターンに対応する参照パターンを生成する。具体的には、所定のパターン幅縮小率ｋｓ（例えば、ｋｓ＝２）の参照パターンｈｓ（ｘ／ｋｓ）、ｈｓ（−ｘ／ｋｓ）を生成する。相関演算部１２０は、相関演算処理を行う。具体的には、撮像部１００からの画像データと参照パターンとのコンボリューション演算（畳み込み積分）を行って、評価値Ｖ＋（ｘ）、Ｖ−（ｘ）を求める。デフォーカス情報取得部１３０は、評価値Ｖ＋（ｘ）、Ｖ−（ｘ）に基づいて、デフォーカス情報を取得する。具体的には、評価値Ｖ＋（ｘ）、Ｖ−（ｘ）のシフト量に基づいて、フォーカスが前ピント状態であるか後ピント状態であるか（デフォーカス方向）を判定する。そして、判定結果に基づいて前ピント・後ピント判定信号（デフォーカス方向判定信号）を出力する。
【００５１】
オートフォーカス制御部１５０は、デフォーカス情報取得部１３０からのデフォーカス情報に基づいて、オートフォーカス制御及び合焦の検出処理を行う。具体的には、オートフォーカス制御部１５０は、前ピント・後ピント判定信号が前ピント状態を示す時には、フォーカス位置を後退させる制御を行う。また、前ピント・後ピント判定信号が後ピント状態を示す時には、フォーカス位置を前進させる制御を行う。レンズ駆動部１４０は、フォーカスレンズの駆動を行う。具体的には、レンズ駆動部１４０は、オートフォーカス制御部１５０からの制御信号を受けて、フォーカス位置を前進又は後退させる。撮像取込部１６０は、合焦時において撮像部１００からの画像データを取り込み、取り込んだ画像データを画像記録部１７０に出力する。具体的には、撮像取込部１６０は、オートフォーカス制御部１５０が合焦を検出処理することで生成された合焦確定信号を受けて、画像データを取り込む。
【００５２】
画像記録部１７０は、画像取込部１６０からの画像データを記録する。例えば、画像記録部１７０は、半導体メモリや、光学式ドライブにより構成できる。モニター表示部１８０は、撮像取込部１６０または画像記録部１７０からの画像データを表示する。例えば、モニター表示部１８０は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）や、ＥＬ（Electro-Luminescence）ディスプレイにより構成できる。
【００５３】
ここで、デジタル一眼レフカメラ等のデジタルカメラにおいて、小型の構成で高速にオートフォーカスできるオートフォーカス機能が求められているという課題があった。例えば、位相差ＡＦ方式では、高速オートフォーカスが可能である反面、光路の分岐手段やＡＦ専用センサが必要なため小型化が困難である。また、イメージャ方式（コントラスト方式）では、小型化が可能である反面、フォーカス位置を探索的に求めるため高速オートフォーカスが困難である。
【００５４】
この点、本実施形態によれば、レンズ１０が被写体Ｏｂｊを結像し、透かしパターン２０が、被写体Ｏｂｊの像に対してパターン像を光学的に重畳し、撮像素子３０が、パターン像が重畳された被写体Ｏｂｊの像を撮像し、相関演算部１２０が、撮像により得られた画像データと参照パターンとの相関演算処理を行う。
【００５５】
また、本実施形態では、デフォーカス情報取得部１３０が、相関演算処理により得られた評価値に基づいてデフォーカス情報を取得し、オートフォーカス制御部１５０が、そのデフォーカス情報に基づいてフォーカス制御を行う。
【００５６】
このようにすれば、評価値に基づいてデフォーカス情報が取得され、そのデフォーカス情報に基づいてフォーカス制御が行われることで、オートフォーカス機能を実現できる。また、本実施形態によれば、位相差ＡＦ方式のように光路の分岐手段やＡＦ専用センサを必要としないため、構成をコンパクトにすることができる。これにより、カメラの小型化を図ることができる。
【００５７】
また、本実施形態では、デフォーカス情報取得部１３０が、評価値に基づいてデフォーカス方向を判定し、オートフォーカス制御部１５０が、そのデフォーカス方向に基づいてフォーカス制御を行う。
【００５８】
このようにすれば、デフォーカス情報としてデフォーカス方向の情報を取得できる。そして、デフォーカス方向に基づいてフォーカス制御を行うことで、フォーカス駆動の方向を直接に決定することができる。これにより、フォーカス駆動の方向を探索的に決定するイメージャ方式に比べて、オートフォーカスを高速化できる。
【００５９】
なお、本発明では、参照パターンとして１つの参照パターンを生成し、評価値として１つの評価値を求めてもよく、参照パターンとして複数の参照パターンを生成し、評価値として複数の評価値を求めてもよい。
【００６０】
例えば、本実施形態では、参照パターンとして第１、第２の参照パターンｈｓ（ｘ／ｋｓ）、ｈｓ（−ｘ／ｋｓ）を生成し、相関演算処理により第１、第２の評価値Ｖ＋（ｘ）、Ｖ−（ｘ）を求める。このようにすれば、評価値Ｖ＋（ｘ）、Ｖ−（ｘ）のシフト量δを求めることで、そのシフト量δの符号に基づいてデフォーカス方向を判定できる。
【００６１】
また、本実施形態では、図８等で後述するように、デフォーカス情報取得部１３０が、評価値Ｖ＋（ｘ）、Ｖ−（ｘ）に基づいてデフォーカス量を算出し、オートフォーカス制御部１５０が、そのデフォーカス量に基づいてフォーカス制御を行ってもよい。
【００６２】
このようにすれば、デフォーカス情報としてデフォーカス量を取得して、撮像面とフォーカス位置の距離を検出することができる。そのため、デフォーカス量に基づいてフォーカス制御することで、例えば１回のフォーカス駆動でフォーカスレンズを合焦点まで駆動できる。これにより、フォーカス駆動の方向を探索的に決定するイメージャ方式に比べて、オートフォーカスを高速化できる。
【００６３】
また、本実施形態では、相関演算部１２０が、ｘ軸（第１の座標軸）に沿った第１の方向（正方向又は負方向）で空間周波数が単調増加する第１の参照パターンｈｓ（ｘ／ｋｓ）と、画像データとの相関演算処理を行って、第１の評価値Ｖ＋（ｘ）を取得する。また、第１の方向で空間周波数が単調減少する第２の参照パターンｈｓ（−ｘ／ｋｓ）と、画像データとの相関演算処理を行って第２の評価値Ｖ−（ｘ）を取得する。そして、デフォーカス情報取得部１３０は、第１、第２の評価値Ｖ＋（ｘ）、Ｖ−（ｘ）に基づいてデフォーカス情報を取得する。
【００６４】
例えば、図３のＣ２、Ｃ３に示すように、ｘ軸の正方向に空間周波数が単調増加するｈｓ（ｘ／ｋｓ）と、ｘ軸の正方向に空間周波数が単調減少するｈｓ（−ｘ／ｋｓ）が用いられる。このとき、Ｃ１に示すように、パターン像の空間周波数がｘ軸の正方向に単調増加するとする。そうすると、このパターン像に対して、ｈｓ（ｘ／ｋｓ）はｈｓ（−ｘ／ｋｓ）よりも相関性が高い。そのため、評価値Ｖ＋（ｘ）とＶ−（ｘ）がシフト等の差異を生じ、その差異に基づいてデフォーカス情報を取得することができる。
【００６５】
本実施形態では、図６で説明したように、このような参照パターンとしてチャープ波パターンが用いられてもよい。このチャープ波パターンは、自己相関性が高いパターンである。すなわち、被写体像や反転パターン等の他のパターンに比べて、自己と同形状のパターンに対して非常に高い相関性を示す。そのため、透かしパターン及び参照パターンにチャープ波パターンを用いることで、ｈｓ（ｘ／ｋｓ）、ｈｓ（−ｘ／ｋｓ）の相関性の差がより大きくなり、デフォーカス情報をより高精度に取得できるようになる。
【００６６】
５．デフォーカス量の取得手法
図８〜図１１を用いて、デフォーカス量の取得手法について具体的に説明する。図８に示すように、Ｆ１に示すデフォーカス位置に撮像素子３０の撮像面があるものとする。このとき、Ｆ２に示すフォーカス位置と撮像面との距離をｄとし、パターン２０と撮像面との距離をｄｉとする。距離ｄは、Ｆ１に示すデフォーカス位置におけるデフォーカス量である。また、パターン２０と撮像素子３０の位置は、撮像装置内部で固定されているため、距離ｄｉは既知である。なお以下では、説明を簡単にするために、パターン２０のパターン幅を１とする。
【００６７】
図９に示すように、参照パターンのパターン幅縮小率ｋｓとして、第１〜第ｎのパターン幅縮小率ｋ１〜ｋｎ（複数のパターン幅縮小率。ｎは自然数）が設定される。ｋ１〜ｋｎに対応して、参照パターンｈｓ（ｘ／ｋ１）〜ｈｓ（ｘ／ｋｎ）、ｈｓ（−ｘ／ｋ１）〜ｈｓ（−ｘ／ｋｎ）が生成される。そして、ｈｓ（ｘ／ｋ１）〜ｈｓ（ｘ／ｋｎ）が、撮像画像データｒ（ｘ／ｍ）＊ｈ（ｘ／ｋ）に対してコンボリューション演算されることで、評価値Ｖ１＋（ｘ）〜Ｖｎ＋（ｘ）が求められる。また、ｈｓ（−ｘ／ｋ１）〜ｈｓ（−ｘ／ｋｎ）が、撮像画像データｒ（ｘ／ｍ）＊ｈ（ｘ／ｋ）に対してコンボリューション演算されることで、評価値Ｖ１−（ｘ）〜Ｖｎ−（ｘ）が求められる。
【００６８】
そして、評価値Ｖ１＋（ｘ）〜Ｖｎ＋（ｘ）、Ｖ１−（ｘ）〜Ｖｎ−（ｘ）に基づいて、シフト量＋δ１〜＋δｎ（または、−δ１〜−δｎ）が求められる。例えば、Ｖ１−（ｘ）のＶ１＋（ｘ）に対するシフト量から＋δ１が求められ、Ｖｎ−（ｘ）のＶｎ＋（ｘ）に対するシフト量から＋δｎが求められる。
【００６９】
図１０に示すように、パターン幅縮小率ｋ１〜ｋｎに応じて異なったシフト量＋δ１〜＋δｎが得られる。これは、参照パターンのパターン幅縮小率が異なると、参照パターンとパターン像との相関性も異なるためである。そして、シフト量δの最大値＋δｉ（ｉは、１以上ｎ以下の自然数）が検出され、＋δｉに対応するパターン幅縮小率ｋｉが求められる。参照パターンとパターン像との相関性が最大のとき、シフト量も最大になると考えられることから、ｋｉは、パターン像のパターン幅縮小率ｋに最も近いパターン幅縮小率となる。このようにして、パターン像のパターン幅縮小率ｋ（＝ｋｉ）が求められる。
【００７０】
図１１に、パターン幅縮小率ｋとデフォーカス量ｄの関係の説明図を示す。図１１では、撮像面の位置とフォーカス位置を、上述の図８と同様の符号Ｆ１、Ｆ２で示す。図１１に示すように、１／ｋとｄが比例することから、下式（８）が成り立つ。
ｔａｎθ＝（１−１／ｋ）／ｄｉ＝（１／ｋ）／ｄ      ・・・  （８）
【００７１】
そして、上式（８）から下式（９）が導かれる。
ｄ＝ｄｉ・１／（ｋ−１）      ・・・  （９）
上式（９）により、パターン像のパターン幅縮小率ｋと、既知の距離ｄｉに基づいて、デフォーカス量ｄが求められる。
【００７２】
６．第２の構成例
図１２に、本実施形態の撮像装置の第２の構成例を示す。この撮像装置は、撮像部１００、参照パターン生成部１１０、相関演算部１２０（コンボリューション演算部）、デフォーカス情報取得部１３０、レンズ駆動部１４０、オートフォーカス制御部１５０、撮像取込部１６０、画像記録部１７０、モニター表示部１８０を含む。なお、図７等で説明したモニター表示部等の構成要素には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００７３】
第２の構成例の撮像装置は、デフォーカス情報としてデフォーカス量及びデフォーカス方向を取得し、そのデフォーカス量及びデフォーカス方向に基づいてオートフォーカス制御を行うための装置である。
【００７４】
具体的には、参照パターン生成部１１０は、相関演算部１２０からパターン幅縮小率ｋ１〜ｋｎを受けて、ｋ１〜ｋｎに対応する参照パターンｈｓ（ｘ／ｋ１）〜ｈｓ（ｘ／ｋｎ）、ｈｓ（−ｘ／ｋ１）〜ｈｓ（−ｘ／ｋｎ）を生成する。相関演算部１２０は、撮像部１００からの画像データと、参照パターンｈｓ（ｘ／ｋ１）〜ｈｓ（ｘ／ｋｎ）、ｈｓ（−ｘ／ｋ１）〜ｈｓ（−ｘ／ｋｎ）とのコンボリューション演算を行う。そして、相関演算部１２０は、コンボリューション演算により得られた評価値Ｖ１＋（ｘ）〜Ｖｎ＋（ｘ）、Ｖ１−（ｘ）〜Ｖｎ−（ｘ）に基づいて、シフト量δ１〜δｎを求める。
【００７５】
デフォーカス情報取得部１３０は、シフト量δ１〜δｎに基づいて、デフォーカス量とデフォーカス方向の情報を取得する。具体的には、デフォーカス情報取得部１３０は、適合パターン幅検出部２００、画像シフト判定部２１０、デフォーカス量算出部２２０を含む。適合パターン幅検出部２００は、シフト量δ１〜δｎの最大値δｉ（絶対値の最大値）を検出処理し、最大値δｉに対応するパターン幅縮小率ｋｉを抽出する。画像シフト判定部２１０は、シフト量δｉに基づいてデフォーカス方向を判定し、デフォーカス方向判定信号を出力する。具体的には、画像シフト判定部２１０は、δｉ＞０のとき後ピント状態、δｉ＜０のとき前ピント状態と判定する。デフォーカス量算出部２２０は、パターン幅縮小率ｋｉに基づいてデフォーカス量を算出する。具体的には、上式（９）によりデフォーカス量ｄを求める。
【００７６】
オートフォーカス制御部１５０は、デフォーカス量ｄと、デフォーカス方向判定信号を受けて、オートフォーカス制御を行う。具体的には、オートフォーカス制御部１５０は、デフォーカス方向判定信号に基づいてフォーカス駆動の駆動方向（フォーカス位置の移動方向）を制御し、デフォーカス量ｄに基づいてフォーカス駆動の駆動量（フォーカス位置の移動距離）を制御する。
【００７７】
このように、本実施形態によれば、画像データに対して、複数のパターン幅縮小率ｋ１〜ｋｎに対応する複数の参照パターンが相関演算処理されて、ｋ１〜ｋｎに対応する評価値が求められる。そして、その評価値に基づいてパターン像との相関性が最も高い参照パターンのパターン幅縮小率ｋｉが抽出される。
【００７８】
このようにすれば、撮像面におけるパターン像のパターン幅縮小率ｋを求めることができる。すなわち、ｋ１〜ｋｎのうちパターン像のパターン幅縮小率ｋに最も近いパターン幅縮小率としてｋｉを抽出できる。これにより、ｋｉに基づいてデフォーカス量ｄを算出することで、撮像面のデフォーカス量を知ることができる。そして、求めたデフォーカス量ｄに基づいてフォーカス制御を行うことで、撮像面に対して高速にフォーカス位置を合わせることができる。
【００７９】
なお、本発明では、ｋ１〜ｋｎに対応する複数の参照パターンとして、ｋ１〜ｋｎの各々について各々１つの参照パターンが生成されてもよく、ｋ１〜ｋｎの各々について各々複数の参照パターンが生成されてもよい。
【００８０】
例えば、本実施形態では、ｋ１〜ｋｎに対応する複数の参照パターンとして、複数の第１の参照パターンｈｓ（ｘ／ｋ１）〜ｈｓ（ｘ／ｋｎ）と、複数の第２の参照パターンｈｓ（−ｘ／ｋ１）〜ｈｓ（−ｘ／ｋｓ）が生成される。そして、相関演算処理によって複数の第１の評価値Ｖ１＋（ｘ）〜Ｖｎ＋（ｘ）と、複数の第２の評価値Ｖ１−（ｘ）〜Ｖｎ−（ｘ）が取得され、シフト量δ１〜δｎが求められる。このようにすれば、δ１〜δｎの最大値δｉに対応するパターン幅縮小率ｋｉを求めることで、パターン像との相関性が最も高い参照パターンのパターン幅縮小率ｋｉを抽出できる。
【００８１】
７．スポット光による照明
図１３に、本実施形態の撮像装置の第２の基本構成例を示す。この撮像装置は、レンズ１０、透かしパターン２０、撮像素子３０、スポット光生成部４０を含む。なお、図１等で説明したレンズ等の構成要素には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００８２】
スポット光生成部４０は、被写体Ｏｂｊにスポット光ＳＰ（ポインティングビーム）を照射する。具体的には、スポット光生成部４０は、光源５０、照射部６０を含む。光源５０は、スポット光を照射するためのビームを生成し、例えばＬＥＤや半導体レーザによって構成される。照射部６０は、光源５０からのビームを反射または屈折させて被写体Ｏｂｊに照射する。例えば、照射部６０は、ミラーやプリズムによって構成される。スポット光生成部４０により照射されるスポット光ＳＰは、図示しない制御回路（例えば、オートフォーカス制御部）によりオン・オフが制御されてもよい。
【００８３】
スポット光ＳＰは、例えば、被写体Ｏｂｊ上の１点（または、複数点）を照明する。このとき、レンズ１０によりスポット光ＳＰの反射光が結像されることで、撮像素子３０の撮像面にスポット光ＳＰに対応する１つのパターン像が結像される。このパターン像は、後ピント状態においてｐ・ｈ（ｘ／ｋ）で表され、前ピント状態においてｐ・ｈ（−ｘ／ｋ）で表される。ｐは、スポット光ＳＰについての被写体Ｏｂｊの反射率である。一方、自然光やアクティブ照明等のスポット光以外の照明による像も撮像面に結像される。この像は、後ピント状態においてｒ（ｘ／ｍ）＊ｈ（ｘ／ｋ）で表され、前ピント状態においてｒ（ｘ／ｍ）＊ｈ（−ｘ／ｋ）で表される。
【００８４】
本実施形態では、スポット光をオフしたときの像と、オンしたときの像が撮像される。例えば、後ピント状態では、スポット光をオフしたときに撮像される像ｆＢＮ−１（ｘ，ｋ）と、スポット光をオンしたときに撮像される像ｆＢＮ（ｘ，ｋ）は、下式（１０）で表される。
ｆＢＮ−１（ｘ，ｋ）＝ｒ（ｘ／ｍ）＊ｈ（ｘ／ｋ），
ｆＢＮ（ｘ，ｋ）  ＝ｒ（ｘ／ｍ）＊ｈ（ｘ／ｋ）＋ｐ・ｈ（ｘ／ｋ）
・・・  （１０）
【００８５】
そして、下式（１１）に示すように、これらの像を撮像することで得られた画像データの差分が演算され、下式（１２）に示すように、その差分と参照パターンとのコンボリューション演算により評価値が求められる。
ｇＢＮ（ｘ，ｋ）＝ｆＢＮ（ｘ，ｋ）−ｆＢＮ−１（ｘ，ｋ）      ・・・  （１１）
Ｖ＋（ｘ）＝ｇＢＮ（ｘ，ｋ）＊ｈｓ（ｘ／ｋｓ），
Ｖ−（ｘ）＝ｇＢＮ（ｘ，ｋ）＊ｈｓ（−ｘ／ｋｓ）      ・・・  （１２）
【００８６】
一方、後ピント状態では、スポット光をオフしたときの像ｆＦＮ−１（ｘ，ｋ）と、スポット光をオンしたときの像ｆＦＮ（ｘ，ｋ）は、下式（１３）で表される。そして、差分ｇＦＮ（ｘ，ｋ）は下式（１４）で表され、評価値Ｖ＋（ｘ）、Ｖ−（ｘ）は下式（１５）で表される。
ｆＦＮ−１（ｘ，ｋ）＝ｒ（ｘ／ｍ）＊ｈ（−ｘ／ｋ），
ｆＦＮ（ｘ，ｋ）  ＝ｒ（ｘ／ｍ）＊ｈ（−ｘ／ｋ）＋ｐ・ｈ（−ｘ／ｋ）
・・・  （１３）
ｇＦＮ（ｘ，ｋ）＝ｆＦＮ（ｘ，ｋ）−ｆＦＮ−１（ｘ，ｋ）      ・・・  （１４）
Ｖ＋（ｘ）＝ｇＦＮ（ｘ，ｋ）＊ｈｓ（ｘ／ｋｓ），
Ｖ−（ｘ）＝ｇＦＮ（ｘ，ｋ）＊ｈｓ（−ｘ／ｋｓ）      ・・・  （１５）
【００８７】
ここで、参照パターンが下式（１６）を満たし、透かしパターン及び参照パターンがチャープ波パターンであるものとする。
ｈｓ（ｘ／ｋｓ）  ＝ｈ（ｘ／ｋ），
ｈｓ（−ｘ／ｋｓ）＝ｈ（−ｘ／ｋ）      ・・・  （１６）
【００８８】
チャープ波パターン同士のコンボリューション演算では、下式（１７）の関係が成り立つ。関数ｓｉｎｃ（ｘ）は、図１４に示すシンク関数である。
ｈ（ｘ／ｋ）＊ｈ（ｘ／ｋ）＝ｈ（−ｘ／ｋ）＊ｈ（−ｘ／ｋ）＝ｓｉｎｃ（ｘ），
ｈ（ｘ／ｋ）＊ｈ（−ｘ／ｋ）＝０                            ・・・  （１７）
【００８９】
そうすると、上式（１０）〜（１７）より、後ピント状態において下式（１８）が成り立ち、前ピント状態において下式（１９）が成り立つ。また、合焦時にはパターン像が消失することから、下式（２０）が成り立つ。
Ｖ＋（ｘ）＝ｐ・ｈ（ｘ／ｋ）＊ｈ（ｘ／ｋ）  ＝ｐ・ｓｉｎｃ（ｘ），
Ｖ−（ｘ）＝ｐ・ｈ（ｘ／ｋ）＊ｈ（−ｘ／ｋ）＝０
・・・  （１８）
Ｖ＋（ｘ）＝ｐ・ｈ（−ｘ／ｋ）＊ｈ（ｘ／ｋ）  ＝０，
Ｖ−（ｘ）＝ｐ・ｈ（−ｘ／ｋ）＊ｈ（−ｘ／ｋ）＝ｐ・ｓｉｎｃ（ｘ）
・・・  （１９）
Ｖ＋（ｘ）＝Ｖ−（ｘ）＝０      ・・・  （２０）
【００９０】
本実施形態では、上式（１８）〜（２０）に基づいて、Ｖ＋（ｘ）＞０、Ｖ−（ｘ）＝０のとき後ピント状態と判定し、Ｖ＋（ｘ）＝０、Ｖ−（ｘ）＞０のとき前ピント状態と判定し、Ｖ＋（ｘ）＝Ｖ−（ｘ）＝０のときフォーカス位置と判定することで、デフォーカス方向を判定する。なお、画像データの画素値は正のデータであることから、本発明では、上式（１８）〜（２０）の評価値がオフセットを含む値となってもよい。また、本発明では、透かしパターン及び参照パターンがチャープ波パターン以外のパターンであってもよく、ｋｓがｋ以外の値であってもよい。このとき、後ピント状態におけるＶ＋（ｘ）、前ピント状態におけるＶ−（ｘ）が、ｐ・ｓｉｎｃ（ｘ）と異なる関数となってもよい。
【００９１】
ここで、上記においては、スポット光以外の自然光等によっても被写体Ｏｂｊが照明されている場合について説明した。但し、本発明では、カメラによる夜間撮影や、内視鏡による撮像等のように、スポット光以外の照明が無いときでもオートフォーカス制御を行うことができる。この場合、スポット光照射時において撮像が行われ、撮像画像は下式（２１）によって表される。
ｆＢ（ｘ，ｋ）＝ｐ・ｈ（ｘ／ｋ），
ｆＦ（ｘ，ｋ）＝ｐ・ｈ（−ｘ／ｋ）      ・・・  （２１）
【００９２】
従って、画像データと参照パターンをコンボリューション演算して評価値を求めることで、上式（１８）〜（２０）と同様の演算結果が得られる。このようにして、上記と同様の手法によりデフォーカス方向を判定できる。
【００９３】
８．第３の構成例
図１５に、本実施形態の撮像装置の第３の構成例を示す。この撮像装置は、撮像部１００、参照パターン生成部１１０、相関演算部１２０（自己相関演算部）、デフォーカス情報取得部１３０、レンズ駆動部１４０、オートフォーカス制御部１５０、撮像取込部１６０、画像記録部１７０、モニター表示部１８０を含む。なお、図７等で説明したモニター表示部等の構成要素には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００９４】
第３の構成例の撮像装置は、被写体にスポット光を照射することで得られた被写体像に基づいてデフォーカス情報を取得し、そのデフォーカス情報に基づいてオートフォーカス制御を行うための装置である。
【００９５】
撮像部１００は、被写体にスポット光を照射するためのスポット光生成部４０を含む。参照パターン生成部１１０は、相関演算部１２０からのパターン幅縮小率ｋ１〜ｋｎを受けて、参照パターンｈｓ（ｘ／ｋ１）〜ｈｓ（ｘ／ｋｎ）、ｈｓ（−ｘ／ｋ１）〜ｈｓ（−ｘ／ｋｎ）を生成する。相関演算部１２０は、参照パターンと、撮像部１００からの画像データとのコンボリューション演算を行い、評価値Ｖ１＋（ｘ）〜Ｖｎ＋（ｘ）、Ｖ１−（ｘ）〜Ｖｎ−（ｘ）を求める。
【００９６】
デフォーカス情報取得部１３０は、相関演算部１２０からの評価値に基づいてデフォーカス情報を取得する。具体的には、デフォーカス情報取得部１３０は、デフォーカス方向検出部２３０、適合パターン幅検出部２００、デフォーカス量算出部２２０を含む。デフォーカス方向検出部２３０は、評価値に基づいてデフォーカス方向を判定し、デフォーカス方向判定信号を出力する。例えば、評価値Ｖ１＋（ｘ）〜Ｖｎ＋（ｘ）、Ｖ１−（ｘ）〜Ｖｎ−（ｘ）の任意の一組（例えばＶ１＋（ｘ）とＶ１−（ｘ））の符号に基づいて前ピント状態・後ピント状態・合焦状態を判定する。適合パターン幅検出部２００は、パターン像のパターン幅縮小率ｋを検出処理する。具体的には、評価値に基づいて、ｋ１〜ｋｎに対応するピーク値ｐ１〜ｐｎを求める。すなわち、後ピント状態においてＶ１＋（ｘ）〜Ｖｎ＋（ｘ）のピーク値、前ピント状態においてＶ１−（ｘ）〜Ｖｎ−（ｘ）のピーク値を求める。そして、ｐ１〜ｐｎに基づいて、ｋ１〜ｋｎのうちのパターン像のパターン幅縮小率ｋに最も近いパターン幅縮小率ｋｊ（ｊは、１以上ｎ以下の自然数）を抽出する。デフォーカス量算出部２２０は、ｋｊに基づいてデフォーカス量を算出する。具体的には、図１１等で説明した算出手法によりデフォーカス量ｄを求める。
【００９７】
図１６を用いて、ｋｊの取得手法について具体的に説明する。図１６に示すように、ｐ１〜ｐｎとして、ｋ１〜ｋｎに応じて異なった値が取得される。そして、適合パターン幅検出部２００は、ｐ１〜ｐｎの最大値ｐｊを検出し、ｐｊに対応するパターン幅縮小率ｋｊを抽出することで、パターン像のパターン幅縮小率ｋに最も近いｋｊを抽出する。ここで、ｐ１〜ｐｎがｋ１〜ｋｎに応じて異なるのは、ｋ１〜ｋｎに応じて参照パターンとパターン像との相関性が異なるためである。参照パターンとパターン像の相関性は、パターン幅縮小率が一致するとき最も高い。また、参照パターンとパターン像の相関性が高いほど評価値のピーク（例えば、チャープ波パターンを用いたときのシンク関数のピーク）は鋭くなる。そのため、ｐ１〜ｐｎの最大値ｐｊを検出することで、パターン像のパターン幅縮小率ｋに最も近いｋｊを抽出できる。
【００９８】
図１７に、本実施形態の撮像装置の動作説明図を示す。図１７のＧ１に示すように、第１のフレームｆ１においてスポット光が点灯（オン）され、Ｇ２に示すように、撮像素子による撮像が行われる。Ｇ３に示すように、第２のフレームｆ２においてスポット光が消灯（オフ）され、Ｇ４に示すように、撮像素子による撮像が行われる。そして、ｆ１、ｆ２において撮像された画像に基づいてデフォーカス情報が取得される。デフォーカスと判定された場合には、Ｇ５に示すように、フォーカス駆動が行われる。
【００９９】
同様に、第３のフレームｆ３において、スポット光が点灯された状態で撮像が行われ、ｆ２、ｆ３において撮像された画像に基づいてデフォーカス情報が取得される。そして、デフォーカスと判定された場合には、再びフォーカス駆動が行われる。このようなフォーカス制御が、合焦に至るまで繰り返される。例えば、Ｇ６に示すように、第５のフレームｆ５において合焦と判定されたとする。そうすると、Ｇ７に示すように、合焦確定信号がアクティブにされ、ｆ５において撮像された画像が記録される。
【０１００】
なお、上記第３の構成例の説明では、複数のパターン幅縮小率に対応する評価値が求められ、その評価値に基づいてデフォーカス量及びデフォーカス方向の情報が取得されるものとして説明した。但し、本発明では、１つのパターン幅縮小率に対応する評価値が求められ、その評価値に基づいてデフォーカス方向の情報のみが取得されてもよい。
【０１０１】
ここで、本実施形態によれば、スポット光生成部４０が、被写体Ｏｂｊにスポット光ＳＰを照射し、レンズ１０が、被写体Ｏｂｊに照射されたスポット光ＳＰの像を結像し、透かしパターン２０が、スポット光ＳＰの像に対してパターン像を光学的に重畳し、撮像素子３０が、そのスポット光ＳＰの像を撮像する。そして、相関演算部１１０が、撮像により得られた画像データと、透かしパターン２０に対応する参照パターンとの相関演算処理を行う。
【０１０２】
このようにすれば、被写体に照明が当たらない状況であっても、オートフォーカス機能を実現することができる。具体的には、被写体にスポット光を照射することで、パターン像が重畳されたスポット光の像を撮像できる。そして、その撮像により得られた画像データと参照パターンとを相関演算処理することで、デフォーカス情報を取得できる。このようにして、被写体に照明が当たらない状況であってもデフォーカス情報を取得し、オートフォーカス制御を行うことができる。
【０１０３】
また、本実施形態によれば、デフォーカス情報の取得処理を簡素化できる。例えば、上式（１８）〜（２０）等で説明したように、評価値Ｖ＋（ｘ）、Ｖ−（ｘ）の大小関係によりデフォーカス方向を判定できる。このように、評価値Ｖ＋（ｘ）、Ｖ−（ｘ）をさらに加工することなくデフォーカス方向を判定できる。
【０１０４】
９．電子機器
図１８に、本実施形態の撮像装置を含む電子機器の構成例を示す。この電子機器は、カメラモジュール９１０（撮像装置）、表示制御装置９２０、ホストコントローラ９４０、ドライバ９５０（表示ドライバ）、電気光学パネル９６０を含む。なお、これらの一部の構成要素を省略したり、他の構成要素を追加したりするなどの種々の変形実施が可能である。
【０１０５】
カメラモジュール９１０は、光学素子、透かしパターン、撮像素子等により構成され、オートフォーカス制御や撮像を行う。表示制御回路９２０は、カメラモジュール９１０から供給される画像データや、水平同期信号、垂直同期信号等をドライバ９５０に対して供給する。ホストコントローラ９４０は、例えばＣＰＵであり、操作入力部９７０からの操作情報を受けて、カメラモジュール９１０、表示制御回路９２０、ドライバ９５０を制御する。電気光学パネル９６０は、例えば液晶パネルやＥＬパネルであり、ドライバ９５０の駆動により画像を表示する。操作入力部９７０は、ユーザーが各種情報を入力するためのものであり、各種ボタン、キーボード等により実現される。
【０１０６】
なお、本実施形態により実現される電子機器としては、例えばデジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯型情報端末、携帯電話機、携帯ゲーム端末、ＷＥＢカメラ等の種々の機器を想定できる。
【０１０７】
なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語（光学素子、パターン、光電変換素子、相関演算、第１の座標軸等）と共に記載された用語（レンズ、透かしパターン、撮像素子、コンボリューション演算、ｘ軸等）は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また相関演算部、デフォーカス情報取得部、撮像装置、電子機器等の構成、動作も本実施形態で説明したものに限定に限定されず、種々の変形実施が可能である。
【符号の説明】
【０１０８】
１０  光学素子、２０  パターン、３０  撮像素子、４０  スポット光生成部、
５０  光源、６０  照射部、１００  撮像部、１１０  参照パターン生成部、
１２０  相関演算部、１３０  デフォーカス情報取得部、１４０  レンズ駆動部、
１５０  オートフォーカス制御部、１６０  撮像取込部、１７０、画像記録部、
１８０  モニター表示部、２００  適合パターン幅検出部、
２１０  画像シフト判定部、２２０  デフォーカス量算出部、
２３０  デフォーカス方向検出部、９１０  カメラモジュール、
９２０  表示制御回路、９４０  ホストコントローラ、９５０  ドライバ、
９６０  電気光学パネル、９７０  操作入力部、
Ｏｂｊ  被写体、ｈ（ｘ／ｋ）  パターン像、ｈｓ（ｘ／ｋｓ）  参照パターン、
ｋ，ｋｓ  パターン幅縮小率、Ｖ＋（ｘ）  評価値、ｄ  デフォーカス量
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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