(57)【要約】【課題】高精度かつ高速な焦点調節が可能な焦点検出装置を提供する。【解決手段】一つのマイクロレンズを共有する第１の光電変換素子および第２の光電変換素子を備えた撮像素子を用いて位相差方式の焦点検出を行う焦点検出装置であって、第１の光電変換素子および第２の光電変換素子の加算信号を用いて得られた画像信号を処理する画像処理手段と、第１の光電変換素子および第２の光電変換素子のそれぞれから独立して得られた信号値を用いた相関演算を行って像ずれ量を算出する像ずれ量算出手段と、像ずれ量に係数を掛けることによりデフォーカス量を算出するデフォーカス量算出手段と、第１の光電変換素子または第２の光電変換素子から得られた信号値に応じて係数を補正する係数補正手段とを有する。【選択図】図１１
2014085634.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一つのマイクロレンズを共有する第１の光電変換素子および第２の光電変換素子を備えた撮像素子を用いて位相差方式の焦点検出を行う焦点検出装置であって、
前記第１の光電変換素子および前記第２の光電変換素子のそれぞれから独立して得られた信号値を用いた相関演算を行って像ずれ量を算出する像ずれ量算出手段と、
前記像ずれ量に係数を掛けることによりデフォーカス量を算出するデフォーカス量算出手段と、
前記第１の光電変換素子または前記第２の光電変換素子から得られた前記信号値に応じて前記係数を補正する係数補正手段と、を有することを特徴とする焦点検出装置。
【請求項２】
前記係数補正手段は、前記第１の光電変換素子または前記第２の光電変換素子から得られた前記信号値が大きいほど前記係数が大きくなるように補正することを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
【請求項３】
前記係数補正手段は、焦点検出エリアにある複数の第１の光電変換素子または複数の第２の光電変換素子から得られた複数の信号値に基づく累積値が大きいほど前記係数が大きくなるように補正することを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
【請求項４】
前記複数の第１の光電変換素子または前記複数の第２の光電変換素子から得られた前記複数の信号値が所定値以上であるか否かを判定する信号判定手段を更に有し、
前記信号判定手段は、前記複数の信号値のうち前記所定値以上の信号値に基づく値を加算することにより前記累積値を算出することを特徴とする請求項３に記載の焦点検出装置。
【請求項５】
前記信号判定手段は、前記所定値以上の前記信号値から該所定値を減じて得られた値を加算することにより前記累積値を算出することを特徴とする請求項４に記載の焦点検出装置。
【請求項６】
前記係数補正手段は、前記累積値に所定割合を乗じて得られた値を用いて補正係数を算出することを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載の焦点検出装置。
【請求項７】
焦点検出エリアにある複数の第１の光電変換素子または複数の第２の光電変換素子から得られた複数の信号値のうち最大値を判定する信号判定手段を更に有し、
前記係数補正手段は、前記最大値が大きいほど前記係数が大きくなるように補正することを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
【請求項８】
焦点検出エリアにある複数の第１の光電変換素子または複数の第２の光電変換素子から得られた複数の信号値が所定値以上であるか否かを判定する信号判定手段を更に有し、
前記信号判定手段は、前記所定値以上の信号値を示す画素数を算出し、
前記係数補正手段は、前記画素数が多いほど前記係数が大きくなるように補正することを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
【請求項９】
焦点検出エリアにある複数の第１の光電変換素子または複数の第２の光電変換素子から得られた複数の信号値が所定値以上であるか否かを判定する信号判定手段を更に有し、
前記信号判定手段は、前記複数の信号値のうち前記所定値以上の信号値に基づく値を加算することにより累積値、および、該所定値以上の信号値を示す画素数を算出し、
前記係数補正手段は、前記累積値と前記画素数との平均値が大きいほど前記係数が大きくなるように補正することを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
【請求項１０】
前記デフォーカス量の絶対値に基づいて合焦判定を行う合焦判定手段を更に有し、
前記合焦判定手段は、前記デフォーカス量の符号が直前のデフォーカス量の符号と反転した場合に合焦状態であると判定することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の焦点検出装置。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の焦点検出装置と、
前記第１の光電変換素子および前記第２の光電変換素子の加算信号を用いて得られた画像信号を処理する画像処理手段と、を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項１２】
撮像光学系と、
前記撮像光学系を介して得られた光学像を取得可能に構成された、請求項１１に記載の撮像装置と、を有することを特徴とする撮像システム。
【請求項１３】
前記第１の光電変換素子および前記第２の光電変換素子は、前記撮像光学系の射出瞳の異なる領域を通過した一対の光束を受光するように構成されていることを特徴とする請求項１２に記載の撮像システム。
【請求項１４】
一つのマイクロレンズを共有する第１の光電変換素子および第２の光電変換素子を備えた撮像素子を用いて位相差方式の焦点検出を行う焦点検出方法であって、
前記第１の光電変換素子および前記第２の光電変換素子のそれぞれから独立して得られた信号値を用いた相関演算を行って像ずれ量を算出するステップと、
前記像ずれ量に係数を掛けることによりデフォーカス量を算出するステップと、
前記第１の光電変換素子または前記第２の光電変換素子から得られた信号値に応じて前記係数を補正するステップと、を有することを特徴とする焦点検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルカメラやビデオカメラなどの撮像装置に用いられる焦点検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
撮像装置におけるオートフォーカス（ＡＦ）方式の一つとして、位相差検出方式（以下、「位相差ＡＦ」という。）が知られている。位相差ＡＦでは、撮影レンズの射出瞳を通過した光束を二分割し、二分割した光束を一組の焦点検出用センサによりそれぞれ受光する。そして、その受光量に応じて出力される信号のずれ量、すなわち、光束の分割方向の相対的位置ずれ量（以下、「像ずれ量」という。）を検出することで、撮影レンズのピント方向のずれ量（以下、「デフォーカス量」という。）を求める。
【０００３】
特許文献１には、撮像素子に位相差検出機能を付与することで、専用の焦点検出用センサを不要とするとともに、高速の位相差ＡＦを実現する構成が開示されている。特許文献１の構成では、撮像素子の画素の光電変換部を二分割して瞳分割機能を付与し、二分割された光電変換部の出力を個別に処理することで焦点検出を行うとともに、二分割された光電変換部の合算出力を撮像信号として用いる。また特許文献２には、撮影レンズによるケラレを考慮し、焦点検出光学系の分布と撮像光学系の口径情報から換算係数を算出することにより、焦点検出精度の向上を図った構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３０５４１５号公報
【特許文献２】特開２００７−１２１８９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の構成では、二分割した光電変換部の感度の違いについては考慮されていない。光電変換部それぞれの感度を全く同じにすることは困難であり、特に画素出力（電荷）が飽和する程度の明るい被写体に対して、二分割されたうちの一方の光電変換部の出力は飽和し、他方の光電変換部は飽和しない場合がある。
【０００６】
そこで、正確な光量は取得するため、一方の光電変換部の出力が飽和した場合、その出力を他方の光電変換部へ漏出させる必要がある。ところが、像ずれ量は、二分割された光電変換部の出力を個別に処理して算出されるため、焦点検出の精度および速度に影響を及ぼす。また、特許文献２の構成では、焦点検出精度を向上させるため、撮影レンズから焦点検出までの光学系の情報に基づいて換算係数を算出しているが、光電変換部の漏れ込みについては考慮されていない。
【０００７】
そこで本発明は、高精度かつ高速な焦点調節が可能な焦点検出装置、撮像装置、撮像システム、および、焦点検出方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面としての焦点検出装置は、一つのマイクロレンズを共有する第１の光電変換素子および第２の光電変換素子を備えた撮像素子を用いて位相差方式の焦点検出を行う焦点検出装置であって、前記第１の光電変換素子および前記第２の光電変換素子のそれぞれから独立して得られた信号値を用いた相関演算を行って像ずれ量を算出する像ずれ量算出手段と、前記像ずれ量に係数を掛けることによりデフォーカス量を算出するデフォーカス量算出手段と、前記第１の光電変換素子または前記第２の光電変換素子から得られた前記信号値に応じて前記係数を補正する係数補正手段とを有する。
【０００９】
本発明の他の側面としての撮像装置は、前記焦点検出装置と、前記第１の光電変換素子および前記第２の光電変換素子の加算信号を用いて得られた画像信号を処理する画像処理手段とを有する。
【００１０】
本発明の他の側面としての撮像システムは、撮像光学系と、前記撮像光学系を介して得られた光学像を取得可能に構成された前記撮像装置とを有する。
【００１１】
本発明の他の側面としての焦点検出方法は、一つのマイクロレンズを共有する第１の光電変換素子および第２の光電変換素子を備えた撮像素子を用いて位相差方式の焦点検出を行う焦点検出方法であって、前記第１の光電変換素子および前記第２の光電変換素子のそれぞれから独立して得られた信号値を用いた相関演算を行って像ずれ量を算出するステップと、前記像ずれ量に係数を掛けることによりデフォーカス量を算出するステップと、前記第１の光電変換素子または前記第２の光電変換素子から得られた信号値に応じて前記係数を補正するステップとを有する。
【００１２】
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、高精度かつ高速な焦点調節が可能な焦点検出装置、撮像装置、撮像システム、および、焦点検出方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施例における撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本実施例における撮像装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】本実施例における撮像素子の説明図である。
【図４】本実施例における撮影レンズの瞳を示す図である。
【図５】本実施例における焦点検出エリアを示す図である。
【図６】本実施例における像信号の説明図である。
【図７】本実施例における光学系および像信号の説明図である。
【図８】本実施例における光電変換部の出力と入射光量との関係を示す図である。
【図９】本実施例における光電変換素子の電荷の漏れ込みが生じた場合の像信号を示す図である。
【図１０】本実施例におけるデフォーカス量と像ずれ量との関係を示す図である。
【図１１】本実施例における焦点検出方法を示すフローチャートである。
【図１２】本実施例における補正値βと累積値αとの関係を示す図である。
【図１３】実施例１における焦点制御方法を示すフローチャートである。
【図１４】実施例２における実デフォーカス量と検出デフォーカス量との関係を示す図である。
【図１５】実施例２における焦点制御方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１６】
まず、図１を参照して、本実施例における撮像装置の構成について説明する。図１は、撮像装置１００の構成を示すブロック図である。撮像装置１００は、被写体を撮影して、動画や静止画のデータをテープや固体メモリ、光ディスクや磁気ディスクなどの各種メディアに記録可能なビデオカメラやデジタルスチルカメラなどであるが、これらに限定されるものではない。撮像装置１００内の各ユニットは、バス１６０を介して接続されている。また各ユニットは、メインＣＰＵ１５１（中央演算処理装置）により制御される。
【００１７】
撮像装置１００は、一つのマイクロレンズを共有する複数の光電変換素子（第１の光電変換素子および第２の光電変換素子）を備えた撮像素子を用いて位相差方式の焦点検出を行う焦点検出装置を搭載している。なお本実施例の焦点検出装置は、撮像光学系（撮影レンズ）を介して得られた光学像を取得可能に構成された撮像装置（撮像装置本体）と、撮像装置本体に着脱可能な撮像光学系とを備えて構成された撮像システムに適用される。ただし、本実施例はこれに限定されるものではなく、撮像光学系が一体的に設けられた撮像装置にも適用可能である。
【００１８】
撮影レンズ１０１（レンズユニット）は、固定１群レンズ１０２、ズームレンズ１１１、絞り１０３、固定３群レンズ１２１、および、フォーカスレンズ１３１を備えて構成される。絞り制御部１０５は、メインＣＰＵ１５１の指令に従い、絞りモータ１０４を介して絞り１０３を駆動することにより、絞り１０３の開口径を調整して撮影時の光量調節を行う。ズーム制御部１１３は、ズームモータ１１２を介してズームレンズ１１１を駆動することにより、焦点距離を変更する。また、フォーカス制御部１３３は、フォーカスモータ１３２を介してフォーカスレンズ１３１を駆動することにより、焦点調節状態を制御する。フォーカスレンズ１３１は、焦点調節用レンズであり、図１には単レンズで簡略的に示されているが、通常複数のレンズで構成される。
【００１９】
これらの光学部材（撮影レンズ１０１）を介して撮像素子１４１上に結像する被写体像は、撮像素子１４１により電気信号に変換される。撮像素子１４１は、被写体像（光学像）を電気信号に光電変換を行う光電変換素子である。撮像素子１４１は、横方向にｍ画素、縦方向にｎ画素の受光素子のそれぞれに、後述のように二つの光電変換素子（受光領域）が配置されている。撮像素子１４１上に結像されて光電変換された画像は、撮像信号処理部１４２により画像信号（画像データ）として整えられる。
【００２０】
位相差ＡＦ処理部１３５は、二つの光電変換素子（第１の光電変換素子、第２の光電変換素子）から個別に（それぞれ独立して）出力された画像信号（信号値）を用い、被写体からの光を分割して得られた像の分割方向における像ずれ量を検出（算出）する。すなわち位相差ＡＦ処理部１３５は、第１の光電変換素子および第２の光電変換素子のそれぞれから独立して得られた信号値を用いた相関演算を行って像ずれ量を算出する像ずれ量算出手段である。また、位相差ＡＦ処理部１３５は、検出した像ずれ量に基づいて撮影レンズ１０１のピント方向のずれ量（デフォーカス量）を算出するデフォーカス量算出手段である。デフォーカス量は、後述のように、像ずれ量に係数（換算係数）を掛けることにより算出される。位相差ＡＦ処理部１３５は、後述のように、第１の光電変換素子および第２の光電変換素子から得られた信号値に応じて係数を補正する係数補正手段を含む。なお、像ずれ量算出手段、デフォーカス量算出手段、および、係数補正手段としての各動作は、メインＣＰＵ１５１の指令に基づいて行われる。また、これらの動作の少なくとも一部をメインＣＰＵ１５１またはフォーカス制御部１３３で実行するように構成してもよい。
【００２１】
位相差ＡＦ処理部１３５は、算出されたずれ量（デフォーカス量）をフォーカス制御部１３３へ出力する。フォーカス制御部１３３は、撮影レンズ１０１のピント方向のずれ量に基づいてフォーカスモータ１３２を駆動する駆動量を決定する。フォーカス制御部１３３およびフォーカスモータ１３２によるフォーカスレンズ１３１の移動制御により、ＡＦ制御が実現される。
【００２２】
撮像信号処理部１４２から出力される画像データは、撮像制御部１４３に送られ、一時的にＲＡＭ１５４（ランダム・アクセス・メモリ）に蓄積される。ＲＡＭ１５４に蓄積された画像データは、画像圧縮解凍部１５３にて圧縮された後、画像記録媒体１５７に記録される。これと並行して、ＲＡＭ１５４に蓄積された画像データは、画像処理部１５２に送られる。画像処理部１５２（画像処理手段）は、第１の光電変換素子および第２の光電変換素子の加算信号を用いて得られた画像信号を処理する。画像処理部１５２は、例えば、画像データに対して最適なサイズへの縮小・拡大処理を行う。最適なサイズに処理された画像データは、モニタディスプレイ１５０に送られて画像表示される。このため操作者は、リアルタイムで撮影画像を観察することができる。なお、画像の撮影直後にはモニタディスプレイ１５０が所定時間だけ撮影画像を表示することで、操作者は撮影画像を確認することができる。
【００２３】
操作部１５６（操作スイッチ）は、操作者が撮像装置１００への指示を行うために用いられる。操作部１５６から入力された操作指示信号は、バス１６０を介してメインＣＰＵ１５１に送られる。バッテリ１５９は、電源管理部１５８により適切に管理され、撮像装置１００の全体に安定した電源供給を行う。フラッシュメモリ１５５は、撮像装置１００の動作に必要な制御プログラムを記憶している。操作者の操作により撮像装置１００が起動すると（電源ＯＦＦ状態から電源ＯＮ状態へ移行すると）、フラッシュメモリ１５５に格納された制御プログラムがＲＡＭ１５４の一部に読み込まれる（ロードされる）。メインＣＰＵ１５１は、ＲＡＭ１５４にロードされた制御プログラムに従って撮像装置１００の動作を制御する。
【００２４】
次に、図２を参照して、撮像装置１００の焦点制御（焦点調節）を含む動作について説明する。図２は、撮像装置１００の動作を示すフローチャートである。図２の各ステップは、メインＣＰＵ１５１の指令に基づいて行われる。
【００２５】
まずステップＳ２０１において、撮像装置１００の電源がＯＮにされると、メインＣＰＵ１５１は演算（制御）を開始する。続いてステップＳ２０２において、撮像装置１００のフラグや制御変数などを初期化する。そしてステップＳ２０３において、フォーカスレンズ１３１などの光学部材（撮像光学部材）を初期位置に移動させる。
【００２６】
次に、ステップＳ２０４において、メインＣＰＵ１５１は操作者により電源ＯＦＦ操作が行われたか否か（電源ＯＦＦ操作の有無）を検出する。ステップＳ２０４にて電源ＯＦＦ操作が検出された場合、ステップＳ２０５に進む。ステップＳ２０５において、メインＣＰＵ１５１は、撮像装置１００の電源をＯＦＦにするため、撮像光学部材を初期位置へ移動し、各種フラグや制御変数のクリアなどの後処理を行う。そしてステップＳ２０６において、撮像装置１００の処理（制御）を終了する。
【００２７】
一方、ステップＳ２０４にて電源ＯＦＦ操作が検出されない場合、ステップＳ２０７に進む。ステップＳ２０７において、メインＣＰＵ１５１は、焦点検出処理を行う。続いてステップＳ２０８において、フォーカス制御部１３３は、ステップＳ２０７にて決定された駆動方向、速度、および、位置でフォーカスレンズ１３１を駆動し、フォーカスレンズ１３１を所望の位置に移動させる。
【００２８】
続いてステップＳ２０９において、撮像素子１４１は被写体像を光電変換する（撮像処理）。また撮像信号処理部１４２は、光電変換された被写体像に所定の処理（画像処理）を施して画像信号を出力する。そしてステップＳ２１０において、メインＣＰＵ１５１は、操作者により記録ボタン（操作部１５６）の押下がなされたか否かを検出し、記録中であるか否かを確認する。記録中でない場合には、ステップＳ２０４へ戻る。一方、記録中である場合には、ステップＳ２１１に進む。ステップＳ２１１において、撮像信号処理部１４２から出力された画像信号（画像データ）は、画像圧縮解凍部１５３により圧縮処理され、画像記録媒体１５７に記録される。そしてステップＳ２０４へ戻り、上述の各ステップを繰り返す。
【００２９】
次に、本実施例における位相差検出方法について説明する。まず、図３を参照して、撮像素子１４１の構成について説明する。図３（ａ）は、瞳分割機能を有する撮像素子１４１の画素の構成図（断面図）である。光電変換素子３０は、一画素につき二つの光電変換素子３０−１（第１の光電変換素子）および光電変換素子３０−２（第２の光電変換素子）に分割されており、瞳分割機能を有する。マイクロレンズ３１（オンチップマイクロレンズ）は、光電変換素子３０に効率よく光を集める機能を有し、光電変換素子３０−１、３０−２の境界に光軸が合うように配置されている。また、一つの画素の内部には、平坦化膜３２、カラーフィルタ３３、配線３４、および、層間絶縁膜３５が設けられている。
【００３０】
図３（ｂ）は、撮像素子１４１の一部の構成図（平面図）である。撮像素子１４１は、図３（ａ）に示される構成を有する一画素を複数配列することで形成される。また、撮像を行うため、各画素にはＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）のカラーフィルタ３３が交互に配置され、四画素で一組の画素ブロック４０、４１、４２を配列することで、所謂ベイヤー配列が構成されている。なお図３（ｂ）において、Ｒ、Ｇ、Ｂのそれぞれの下に示される「１」または「２」は、光電変換素子３０−１、３０−２のそれぞれを表す数値である。
【００３１】
図３（ｃ）は、撮像素子１４１の光学原理図であり、図３（ｂ）中のＣ−Ｃ線で切断して得られた断面図の一部を示す。撮像素子１４１は、撮影レンズ１０１の予定結像面に配置されている。マイクロレンズ３１の作用により、光電変換素子３０−１、３０−２はそれぞれ、撮影レンズ１０１の瞳（射出瞳）の異なる位置（領域）を通過した一対の光束を受光するように構成されている。光電変換素子３０−１は、主に、撮影レンズ１０１の瞳のうち図３（ｃ）中の右側位置を透過する光束を受光する。一方、光電変換素子３０−２は、主に、撮影レンズ１０１の瞳の図３（ｃ）中の左側位置を透過する光束を受光する。
【００３２】
続いて、図４を参照して、撮像素子１４１の瞳について説明する。図４は、撮像素子１４１から見た場合の、撮影レンズ１０１の瞳６０を示す図である。６１−１は光電変換素子３０−１の感度領域（以下、「Ａ像瞳」という。）、６１−２は光電変換素子３０−２の感度領域（以下、「Ｂ像瞳」という。）である。６２−１、６２−２は、それぞれ、Ａ像瞳およびＢ像瞳の重心位置である。
【００３３】
本実施例の撮像処理を行う場合、同一画素において同一色のカラーフィルタが配置された二つの光電変換素子の出力を加算することにより、画像信号を生成することが可能である。一方、本実施例の焦点検出処理を行う場合、一画素ブロック内における光電変換素子３０−１に対応する光電変換素子からの出力を積算することにより、一画素の焦点検出信号を取得する。そして、この信号を画素ブロック４０、４１、４２のように横方向に連続して取得することによりＡ像信号を生成することが可能である。同様に、一画素ブロック内における光電変換素子３０−２に対応する光電変換素子からの出力を積算することにより、一画素の焦点検出信号を取得する。そして、この信号を横方向に連続して取得することによりＢ像信号を生成することが可能である。Ａ像信号およびＢ像信号により、一対の位相差検出用信号が生成される。なお、一画素の焦点検出信号を生成する際に、適切な範囲で図３（ｃ）中の縦方向にライン加算を行ってもよい。
【００３４】
続いて、図５を参照して、本実施例の焦点検出方法にて用いられる焦点検出エリアについて説明する。図５は、焦点検出エリアを示す図である。図５に示されるように、撮像画角７０に対して、適切な位置に焦点検出エリア７１が設けられる。位相差ＡＦ処理部１３５は、焦点検出エリア７１に対して上述の一対の位相差検出用信号を生成し、焦点検出を行う。なお、撮像画角７０上において、複数の焦点検出エリアを設定することも可能である。本実施例は、撮像素子１４１を構成する全画素において二つの光電変換素子を設け、焦点検出エリアから位相差検出用信号を生成する方法について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、焦点検出エリアにのみ図３（ａ）に示される構造（分割画素構造）を有する撮像素子１４１を用いてもよい。
【００３５】
続いて、図６を参照して、Ａ像信号およびＢ像信号（以下、まとめて「像信号」という。）について説明する。図６は、像信号の説明図である。図６において、縦軸は像信号のレベル、横軸は画素位置をそれぞれ示している。また、図６中のグラフ曲線Ｗ１はＡ像信号、グラフ曲線Ｗ２はＢ像信号をそれぞれ示している。生成した一対の位相差検出用信号の像ずれ量Ｘは、撮影レンズ１０１の結像状態（合焦状態、前ピン状態、または、後ピン状態） に応じて変化する。撮影レンズ１０１が合焦状態の場合、二つの像信号の像ずれ量は無くなる。一方、前ピン状態または後ピン状態の場合、異なる方向の像ずれ量が生じる。また像ずれ量は、撮影レンズ１０１により被写体像が結像している位置とマイクロレンズ上面との距離、いわゆるデフォーカス量と一定の関係を有する。
【００３６】
メインＣＰＵ１５１は、二つの像信号（Ａ像信号およびＢ像信号）に対して相関演算を行う。この相関演算において、メインＣＰＵ１５１は、画素をシフトさせながら二つの像信号の相関値を演算し、相関値が最大になる位置同士の差を像ずれ量として算出する。メインＣＰＵ１５１は、算出された像ずれ量に基づいて撮影レンズ１０１のデフォーカス量を求め、撮影レンズ１０１が合焦状態になるようなレンズ駆動量を算出することで焦点調節を行う。
【００３７】
続いて、図７を参照して、相関演算により算出された像ずれ量からデフォーカス量への変換について説明する。図７（ａ）は、撮影レンズ１０１および撮像素子１４１を含む光学系を示す図である。被写体８０に対する予定結像面の位置ｐ０の光軸ＯＡ上に焦点検出面の位置ｐ１がある。図７（ｂ）は、焦点検出面の位置ｐ１での像信号である。像ずれ量とデフォーカス量との関係は、光学系に応じて決定される。デフォーカス量は、像ずれ量Ｘに所定の係数Ｋ（換算係数）を掛けることにより算出することができる。係数Ｋは、Ａ像瞳とＢ像瞳との重心位置に基づいて算出される。焦点検出面の位置ｐ１が位置ｐ２に移動した場合、位置ｐ０、ｑ２、ｑ３の三角形と位置ｐ０、ｑ２’、ｑ３’との三角形の相似に従って、像ずれ量が変化する。このため、焦点検出面の位置ｐ２でのデフォーカス量を算出することが可能である。メインＣＰＵ１５１は、デフォーカス量に基づいて、被写体に対して合焦状態を得るためのフォーカスレンズ１３１の位置を算出する。
【００３８】
続いて、本実施例の撮像処理について説明する。撮像処理を行う場合、同一画素において、同一色のカラーフィルタが配置された二つの光電変換素子の出力を合算することにより、画像信号を生成する。図３（ａ）中の光電変換素子３０−１の出力と光電変換素子３０−２の出力とを合算（加算）することにより、画像信号に用いられる光電変換素子３０としての出力を取得する。ただし、光電変換素子３０−１および光電変換素子３０−２の感度を全く同じにすることは困難であり、光電変換素子３０−１および光電変換素子３０−２には感度の差がある。
【００３９】
図８は、光電変換素子３０の出力と被写体からの入射光との関係を示す図である。図８において、横軸は被写体からの入射光量、縦軸は光電変換素子の出力をそれぞれ示している。図８において、Ｓ１は光電変換素子３０−１の出力（Ａ像信号の出力）、Ｓ２は光電変換素子３０−２の出力（Ｂ像信号の出力）、Ｓ３は光電変換素子３０−１の出力と光電変換素子３０−２の出力とを合算した出力（撮像信号の出力）である。光電変換素子３０−１、３０−２の両方が飽和する領域Ｒ３では、撮像信号としての出力も飽和したものとして扱うことができる。また、光電変換素子３０−１、３０−２のいずれの出力も飽和しない領域Ｒ１では、入射光量に応じて、撮像信号の出力も線形に得られる。一方、光電変換素子３０−１が飽和しているものの光電変換素子３０−２が飽和しない領域Ｒ２については、光電変換素子３０−１が飽和したことにより、入射光量に対して線形に撮像信号の出力を得ることができない。
【００４０】
このため本実施例の撮像素子１４１は、一方の光電変換素子の出力が飽和しない程度で所定以上になった場合、その光電変換素子で発生した電荷が一つのマイクロレンズ３１を共有する他方の光電変換素子に漏出するように構成される。このような構成により、一方の光電変換素子が飽和した状態においても、二つの光電変換素子の出力を合算して得られる撮像信号の出力は、入射光量に応じて線形に得ることが可能であり、画像に与える影響を低減させることができる。
【００４１】
しかしながら、光電変換素子３０−１で発生した電荷を光電変換素子３０−２へ漏出させると、それぞれの光電変換素子からの独立した出力であるＡ像信号およびＢ像信号の像ずれ量を求める焦点検出に影響を与える。このため、このような影響を低減させることが必要となる。
【００４２】
図９は、光電変換素子３０−１から光電変換素子３０−２へ電荷の漏れ込みが生じた場合における像信号である。図９に示されるように、高輝度の領域９１における電荷は、他方の光電変換素子へ漏れ込むことにより、領域９２へ移動する。電荷漏れ込みの結果、焦点検出のためのＡ像信号およびＢ像信号はそれぞれＶ１、Ｖ２となり、検出される像ずれ量Ｘは、電荷漏れ込みが生じる前の像ずれ量よりも小さく検出される。
【００４３】
図１０は、焦点検出装置により検出される像ずれ量Ｘと合焦位置からピントをずらした場合のデフォーカス量との関係を示す図である。図１０において、縦軸は検出された像ずれ量、横軸はデフォーカス量をそれぞれ示している。Ｄ１は光電変換素子の電荷の漏れ込みが発生しない場合の像ずれ量であり、Ｄ２は電荷の漏れ込みが発生した場合の像ずれ量である。電荷の漏れ込みが発生しない場合、検出された像ずれ量Ｘに光学系に応じて決定される係数Ｋ（換算係数）を乗じることにより、デフォーカス量を算出することが可能である。
【００４４】
しかしながら、電荷の漏れ込みが発生した場合、像ずれ量が小さく検出されるため、デフォーカス量は実際の値よりも小さく検出される。そこで、電荷の漏れ込みにより像ずれ量が小さく検出された場合、検出されたデフォーカス量を実際のデフォーカス量に近づけるため、電荷の漏れ込みの程度に応じて、像ずれ量Ｘからデフォーカス量を算出するために用いられる係数Ｋ（換算係数）を補正する。光電変換素子から得られる出力が大きい程、電荷の漏れ込みが大きく発生する。このため、Ａ像信号またはＢ像信号の所定値以上の輝度値の累積値に基づいて、係数Ｋに対する補正値を算出することが可能である。
【００４５】
図１１は、本実施例における焦点検出方法を示すフローチャートである。図１１の各ステップは、メインＣＰＵ１５１、位相差ＡＦ処理部１３５、および、フォーカス制御部１３３により実施され、図２中のステップＳ２０７に相当する。
【００４６】
まず、ステップＳ１１０１において、焦点検出が開始される。続いてステップＳ１１０２において、撮像素子１４１は電荷を蓄積する。そしてステップＳ１１０３において、メインＣＰＵ１５１は、電荷の蓄積が完了したか否かを判定する。撮像素子１４１の電荷蓄積終了時間に達していない場合、ステップＳ１１０２に戻り、撮像素子１４１は電荷の蓄積を継続する。一方、ステップＳ１１０３において、電荷の蓄積が完了している場合、ステップＳ１１０４において、今回の焦点検出に関する累積値αを初期化する。
【００４７】
続いてステップＳ１１０５において、図５に示される焦点検出エリア７１での像信号の画素値読み出しを行う。そしてステップＳ１１０６において、メインＣＰＵ１５１（フォーカス制御部１３３または位相差ＡＦ処理部１３５）は、画素値読み出しがＡ像信号の読み出しであるか否かを判定する。Ａ像信号の読み出しでない場合、ステップＳ１１０９へ進む。一方、Ａ像信号の読み出しである場合、ステップＳ１１０７において、メインＣＰＵ１５１（フォーカス制御部１３３または位相差ＡＦ処理部１３５）は、画素値（Ａ像画素値）が所定値以上であるか否かを判定する。このように、メインＣＰＵ１５１（フォーカス制御部１３３または位相差ＡＦ処理部１３５）は、複数の第１の光電変換素子または複数の第２の光電変換素子から得られた複数の信号値が所定値以上であるか否かを判定する信号判定手段である。
【００４８】
ステップＳ１１０７にて画素値が所定値以上である場合、ステップＳ１１０８において、信号判定手段は、複数の信号値のうち所定値以上の信号値に基づく値を加算することにより累積値を算出（更新）する。本実施例の信号判定手段は、読み出した画素値（所定値以上の信号値）から所定値を減算して得られた値を加算することにより、累積値αを算出（更新）する（α＝α＋（画素値−所定値））。そして、ステップＳ１１０９へ進む。
【００４９】
一方、ステップＳ１１０７にて画素値が所定値未満である場合、ステップＳ１１０９へ進む。ステップＳ１１０９において、メインＣＰＵ１５１は、焦点検出エリア７１にある所定画素数分の読み出しが完了したか否かを判定する。所定画素数分の読み出しが完了していない場合、ステップＳ１１０５に戻り、所定画素数分の読み出しが終了するまでステップＳ１１０５〜Ｓ１１０８を繰り返す。
【００５０】
続いてステップＳ１１１０において、フォーカス制御部１３３は、取得した像信号に対して前補正処理を行う。この前補正処理は、読み出した像信号に対する補正処理と、平均化フィルタ、エッジ強調フィルタなどの像信号のフィルタ処理とを含む。そしてステップＳ１１１１において、メインＣＰＵ１５１（フォーカス制御部１３３または位相差ＡＦ処理部１３５）は相関演算を行い、相関が最も高くなるシフト量を算出する。相関演算では、焦点検出エリア７１内のＡ像信号およびＢ像信号の画素をシフトさせながら相関値が演算され、相関値が最大になる位置同士の差が像ずれ量として算出される。
【００５１】
相関値を算出する際、二つの像信号を重ねて、それぞれ対応する信号同士を比較し、小さい方の値の累積を取得する。なお、大きい方の値の累積を取得してもよい。また、これらの値の差分を取得してもよい。累積は、相関を指し示す指標となり、小さい方の値の累積を取得した場合には、この値が最も大きいときが相関の高いときである。なお、大きい方の値の累積を取得した場合、または差分を取得した場合、この値が最も小さいときが相関の高いときとなる。相関が最も高くなるシフト量を算出した後、そのシフト量と前後のシフト量での相関値を用いて、補間演算を行い、１シフト以内の補間値を算出する。このシフト量と補間値との和が像ずれ量Ｘとなる。このように、像ずれ量算出手段としてのメインＣＰＵ１５１、フォーカス制御部１３３、または、位相差ＡＦ処理部１３５は、第１の光電変換素子および第２の光電変換素子のそれぞれから独立して得られた信号値を用いた相関演算を行って像ずれ量を算出する。
【００５２】
続いてステップＳ１１１２において、メインＣＰＵ１５１（フォーカス制御部１３３または位相差ＡＦ処理部１３５）は、算出した像ずれ量Ｘの信頼性を評価する。この信頼性は、像信号のコントラストや二つの像信号の一致度などに基づいて算出される。そしてステップＳ１１１３において、フォーカス制御部１３３は、算出した信頼性の評価を行う。所定の閾値に対して信頼性が大きい場合、像ずれ量Ｘは十分に信頼できると評価される。一方、所定の閾値に対して信頼性が小さい場合、像ずれ量Ｘは信頼できないと評価される。
【００５３】
続いてステップＳ１１１３において、メインＣＰＵ１５１（フォーカス制御部１３３または位相差ＡＦ処理部１３５）は、信頼性が所定の閾値よりも大きいか（信頼性できる像ずれ量Ｘが得られたか）否かを判定する。信頼性が所定の閾値よりも大きい場合、ステップＳ１１１４において、メインＣＰＵ１５１（フォーカス制御部１３３または位相差ＡＦ処理部１３５）は、像ずれ量Ｘからデフォーカス量を算出するための係数Ｋの補正値β（補正係数）を求める。図１２は、補正値βと累積値αとの関係を示す図である。累積値αが０の場合、補正値βは１に設定される。累積値αが大きくなるにつれて、補正値βは大きくなる。本実施例において、補正値βは、β＝０．０００１×α＋１の関係式を用いて求められる。すなわち係数補正手段は、累積値αに所定割合（本実施例では０．０００１）を乗じて得られた値を用いて補正係数（補正値β）を算出する。
【００５４】
続いてステップＳ１１１５において、メインＣＰＵ１５１（フォーカス制御部１３３または位相差ＡＦ処理部１３５）は、係数Ｋを補正する。補正後の係数Ｋ’は、補正値βを用いて、Ｋ’＝β×Ｋの関係式により求められる。このように、メインＣＰＵ１５１（フォーカス制御部１３３または位相差ＡＦ処理部１３５）は、第１の光電変換素子および第２の光電変換素子から得られた信号値に応じて係数Ｋを補正する係数補正手段である。例えば、本実施例の係数補正手段は、第１の光電変換素子または第２の光電変換素子から得られた信号値が大きいほど係数Ｋが大きくなるように補正する。より具体的には、本実施例の係数補正手段は、焦点検出エリアにある複数の第１の光電変換素子または複数の第２の光電変換素子から得られた複数の信号値に基づく累積値が大きいほど係数Ｋが大きくなるように補正する。
【００５５】
次に、ステップＳ１１１６において、メインＣＰＵ１５１（フォーカス制御部１３３または位相差ＡＦ処理部１３５）は、算出された像ずれ量Ｘに補正後の係数Ｋ’を掛けることにより（Ｄｅｆ＝Ｋ’×Ｘの関係式により）、デフォーカス量Ｄｅｆを算出する。
【００５６】
そしてステップＳ１１１８において本フローに示される焦点検出処理を終了する。一方、ステップＳ１１１３において信頼性が所定の閾値以下である場合（信頼性のある像ずれ量を検出できなかった場合）、焦点検出を行わない（焦点検出ＮＧ）。そしてステップＳ１１１８において、本フローの処理を終了する。
【実施例１】
【００５７】
次に、図１３を参照して、本発明の実施例１における焦点制御方法（焦点調節方法）について説明する。図１３は、本実施例における焦点制御方法を示すフローチャートである。本実施例の焦点制御方法が開始されると、メインＣＰＵ１５１は所定の演算を行う。そしてフォーカス制御部１３３は、メインＣＰＵ１５１の指令に基づいて、フォーカスモータ１３２の制御を行う。図１３に示される各ステップは、メインＣＰＵ１５１およびフォーカス制御部１３３により実施され、図２中のステップＳ２０８に相当する。
【００５８】
まずステップＳ１３０１にて焦点制御が開始されると、ステップＳ１３０２において、フォーカス制御部１３３は、図１１に示される焦点検出方法で算出されたデフォーカス量を取得する。そしてステップＳ１３０３において、フォーカス制御部１３３は、デフォーカス量に基づいてフォーカスレンズ１３１の駆動量（レンズ駆動量）を算出する。また、このレンズ駆動量の算出には、レンズ駆動方向と速度の算出も含まれる。続いてステップＳ１３０４において、メインＣＰＵ１５１（フォーカス制御部１３３）は、デフォーカス量の絶対値が所定値以下であるか否かを判定する。このように、メインＣＰＵ１５１（フォーカス制御部１３３）は、デフォーカス量の絶対値に基づいて合焦判定を行う合焦判定手段である。
【００５９】
ステップＳ１３０４にてデフォーカス量の絶対値が所定値以下ではない場合、ステップＳ１３０５に進む。ステップＳ１３０５において、フォーカスレンズ１３１の位置は合焦位置（合焦点）でないと見なされるため、ステップＳ１３０３にて算出されたレンズ駆動量に従って、フォーカスレンズ１３１を駆動し、ステップＳ１３０７に進む。以後、図２に示されるフローに従って、焦点検出とフォーカスレンズ駆動を繰り返す。
【００６０】
一方、ステップＳ１３０４にてデフォーカス量の絶対値が所定値以下である場合、ステップＳ１３０６に進む。このとき、フォーカスレンズ位置は合焦点にあると見なされるため、ステップＳ１３０６にてレンズ駆動を停止し、ステップＳ１３０７に進む。以後、図２に示されるフローに従って焦点検出を行い、デフォーカス量が再び所定値を超えた場合にはフォーカスレンズ１３１を駆動する。
【００６１】
以上のように、二分割された光電変換部を用いて撮像および焦点検出が可能な焦点検出装置において、一方の光電変換素子の出力が大きい場合、その光電変換素子で生じた電荷は、一つのマイクロレンズ３１を共有する他方の光電変換素子に漏出される。これにより、一方の光電変換素子が飽和した状態でも、二つの光電変換素子の出力を合算して得られる撮像信号の出力は、入射光量に応じて線形に得ることが可能である。また、電荷の漏れ込みによる、焦点検出における像ずれ量の変化分を、像信号の大きさに基づいて、像ずれ量からデフォーカス量へ変換する際に補正する。これにより、検出されたデフォーカス量を実際のデフォーカス量に近づけることができるため、合焦精度を向上させることが可能となる。また、合焦に至るまでの焦点検出回数を減らすことができるため、焦点調節の高速化が可能である。
【実施例２】
【００６２】
次に、本発明の実施例２における焦点制御方法（焦点調節方法）について説明する。実施例１では、像信号の大きさに基づいて、検出した像ずれ量Ｘからデフォーカス量を算出するための係数Ｋを変更する焦点制御方法について説明した。検出デフォーカス量を実際のデフォーカス量に近づけ、合焦に至るまでの焦点検出回数を減らすことにより、高速な焦点調節が可能となる。一方、本実施例では、合焦位置により近い位置へフォーカスレンズを駆動する焦点制御方法について説明する。なお本実施例において、実施例１と同一の内容については、同一の符号を用いてその説明を省略する。
【００６３】
図１４は、合焦位置からピントをずらした場合の実際のデフォーカス量と、焦点検出装置により検出されたデフォーカス量との関係を示す図である。Ｄ３は係数Ｋ（換算係数）の補正を行わない場合の検出デフォーカス量であり、Ｄ４は実施例１の方法で係数Ｋの補正を行った場合の検出デフォーカス量である。係数Ｋに補正値βを乗じるため、実際のデフォーカス量が０となる合焦位置での検出デフォーカス量には、補正値βに応じた誤差が含まれる。
【００６４】
また、図１３中のステップＳ１３０４において、フォーカスレンズ１３１の位置が合焦位置に移動したか否かの判定は、検出したデフォーカス量の絶対値が所定値以下であるか否かにより行われる。これは、一度合焦してから後に検出されるわずかなデフォーカス量により、フォーカスレンズ１３１が頻繁に駆動されることを防止するためである。しかし、補正値βを乗じることにより合焦位置での誤差が大きくなると、フォーカスレンズ１３１を合焦位置に移動させる場合、誤差がそのまま残ってしまう。そこで本実施例では、合焦位置により近い位置へフォーカスレンズ１３１を移動可能な焦点制御方法（焦点調節方法）について説明する。
【００６５】
図１５は、本実施例における焦点制御方法を示すフローチャートである。図１５において、ステップＳ１５０１〜Ｓ１５０５は、図１３を参照して説明した実施例１におけるステップＳ１３０１〜Ｓ１３０５とそれぞれ同様である。ステップＳ１５０４にてデフォーカス量の絶対値が所定値以下である場合、ステップＳ１５０６において、メインＣＰＵ１５１（フォーカス制御部１３３）は、今回検出されたデフォーカスの符号が前回検出されたデフォーカスの符号と一致するか否かを判定する。これらの符号が一致する場合、フォーカスレンズ１３１の位置は合焦位置（合焦点）にあると見なされないため、ステップＳ１５０７において、ステップＳ１５０３にて算出されたレンズ駆動方向にフォーカスレンズ１３１を微小駆動する。このとき、レンズ駆動速度を遅くしてもよい。これは、フォーカスレンズ１３１の位置が合焦位置の付近にあることから、合焦点を大きく越えないようにするためである。
【００６６】
一方、ステップＳ１５０６において、デフォーカス量の符号が一致しない場合、ステップＳ１５０８において、フォーカスレンズ１３１の位置は合焦位置（合焦点）にあると見なされ、レンズ駆動を停止する。このように、メインＣＰＵ１５１（フォーカス制御部１３３）は、デフォーカス量の符号が直前のデフォーカス量の符号と反転した場合に合焦状態であると判定する合焦判定手段である。
【００６７】
本実施例では、前回と今回のデフォーカス量の符号の反転の有無により、前回と今回とで合焦点がある位置が入れ替わったことを確認（判定）することができる。検出した像ずれ量Ｘからデフォーカス量を算出する際に、補正を行うことにより、合焦近傍までフォーカスレンズを迅速に移動させることができるとともに、デフォーカス量の符号の反転の確認により、合焦位置までフォーカスを追い込むことが可能となる。
【００６８】
以上のように、本実施例では、実施例１の電荷の漏れ込みによる焦点検出における像ずれ量変化分に対する補正に加え、デフォーカス量の符号の反転により合焦位置を確認することにより、合焦位置により近い位置へフォーカスレンズを駆動することが可能である。
【００６９】
上記各実施例において、Ａ像信号における所定値より大きい輝度値（信号値）の累積値を算出して補正値を算出しているが、これに限定されるものではない。例えば、Ａ像信号の最大値を用いて補正値を算出してもよい。この場合、信号判定手段は、焦点検出エリアにある複数の第１の光電変換素子または複数の第２の光電変換素子から得られた複数の信号値のうち最大値を判定する。そして係数補正手段は、この最大値が大きいほど係数Ｋが大きくなるように補正する。
【００７０】
また、Ａ像信号における所定値より大きい画素数を用いて補正値を算出することもできる。この場合、信号判定手段は、焦点検出エリアにある複数の第１の光電変換素子または複数の第２の光電変換素子から得られた複数の信号値が所定値以上であるか否かを判定し、所定値以上の信号値を示す画素数を算出する。そして係数補正手段は、この画素数が多いほど係数Ｋが大きくなるように補正する。
【００７１】
また、Ａ像信号における所定値より大きい輝度値（信号値）の累積値および画素数の平均値を算出し、その平均値に対して補正値を算出してもよい。この場合、信号判定手段は、複数の信号値のうち所定値以上の信号値に基づく値を加算することにより累積値、および、所定値以上の信号値を示す画素数を算出する。そして係数補正手段は、累積値と画素数との平均値が大きいほど係数Ｋが大きくなるように補正する。
【００７２】
上記各実施例によれば、二分割された光電変換部のうち、一方の光電変換部が飽和した状態においても、二つの光電変換部の出力を合算して得られる撮像信号の出力は、入射光量に応じて線形に得ることができる。また、電荷の漏れ込みが生じた際の焦点検出精度を向上させることが可能である。また、合焦に至るまでの焦点検出回数を減らすことができる。このため上記各実施例によれば、高精度かつ高速な焦点調節が可能な焦点検出装置、撮像装置、撮像システム、および、焦点検出方法を提供することができる。
【００７３】
以上、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及び変更が可能である。例えば、上記各実施例では、Ａ像信号に対して所定値より大きいか否かを判定することにより電荷の漏れ込み量を算出しているが、これに限定されるものではなく、Ｂ像信号に対して同様の判定を行ってもよい。
【符号の説明】
【００７４】
３０    光電変換素子
３１    マイクロレンズ
１３３  フォーカス制御部
１３５  位相差ＡＦ処理部
１４１  撮像素子
１５１  ＣＰＵ  
【図２】
2014085634.tif 000003
【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１】
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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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