(57)【要約】【課題】像面位相差ＡＦとコントラストＡＦとを組み合わせ、合焦までの時間を短縮しつつレンズウォブリング現象が起きないように制御するハイブリッドＡＦ方式により、優れた応答性と合焦位置検出精度を実現可能とする合焦位置検出器及び撮像装置を提供する。【解決手段】本発明の合焦位置検出器３２は、撮像画素１１１の画素群を構成する画素部１１に画素間の位相差を検出するための２画素１組の位相差検出画素１１２の画素群が配置された撮像素子１を用いて、合焦位置の検出のための撮像レンズ２の移動中に算出された所定の像面位相差ＡＦ評価値とコントラストＡＦ評価値の監視を並行して行い、撮像レンズ２の駆動速度を変更可能にして自動合焦制御を行う。【選択図】図５
2018128542.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像画素の画素群を構成する画素部に画素間の位相差を検出するための２画素１組の位相差検出画素の画素群が配置された撮像素子を用いて、焦点位置を調節可能な撮像レンズの合焦位置を検出する合焦位置検出器であって、
前記２画素１組の位相差検出画素の画素群から得られる位相差出力を基に、デフォーカス量を検出するための所定の評価値を像面位相差ＡＦ評価値として算出する第１評価値算出手段と、
前記撮像画素の画素群から得られる所定の関心領域内の画像を基に、前記合焦位置で最大となるコントラストを検出するための所定の評価値をコントラストＡＦ評価値として算出する第２評価値算出手段と、
前記合焦位置の検出の開始時に算出した前記像面位相差ＡＦ評価値を基に、前記撮像レンズの駆動方向と、変更可能な駆動速度を初期設定する初期設定手段と、
当該初期設定から前記撮像レンズの合焦位置を検出するために前記撮像レンズの駆動を開始して制御するレンズ駆動制御手段と、
前記合焦位置の検出のための前記撮像レンズの移動中に算出された前記像面位相差ＡＦ評価値と前記コントラストＡＦ評価値の監視を並行して行う評価値監視手段と、
前記評価値監視手段の結果を基に前記合焦位置を検出するようフィードバック制御を行うフィードバック制御手段と、
を備えることを特徴とする合焦位置検出器。
【請求項２】
前記評価値監視手段は、前記コントラストＡＦ評価値により前記合焦位置に対する前記撮像レンズの位置及び移動方向を監視する際に当該初期設定時から第１所定時間単位で得られるコントラストＡＦ評価値の比較により、前記撮像レンズが前記合焦位置を通過したか否かを示す合焦フラグ、及び前記撮像レンズの駆動方向が逆方向であるか否かを示す逆回転フラグを前記第１所定時間単位で逐次更新設定するとともに、前記像面位相差ＡＦ評価値により前記撮像レンズの駆動速度を変更可能に監視する際に当該初期設定時から第２所定時間単位で得られるコントラストＡＦ評価値の比較により、前記撮像レンズの位置が前記合焦位置に近いか否かを判定し、前記撮像レンズの位置が前記合焦位置に近いほど低速とする速度フラグを前記第２所定時間単位で逐次更新設定する手段を有することを特徴とする、請求項１に記載の合焦位置検出器。
【請求項３】
前記フィードバック制御手段は、前記撮像レンズが前記合焦位置を通過した旨を前記合焦フラグが示す際に該合焦位置を通過した時点の位置に前記撮像レンズが位置するよう前記レンズ駆動制御手段に指示して駆動制御し前記合焦位置の検出動作を完了させるとともに、前記撮像レンズが前記合焦位置を通過した旨を前記合焦フラグが示していない間、前記逆回転フラグに基づいて前記撮像レンズの駆動方向を変更可能に前記レンズ駆動制御手段に指示して駆動制御し、前記速度フラグに基づいて前記撮像レンズの駆動速度を変更可能に前記レンズ駆動制御手段に指示して駆動制御するようフィードバック制御を行うことを特徴とする、請求項２に記載の合焦位置検出器。
【請求項４】
前記レンズ駆動制御手段は、前記速度フラグに応じて、前記撮像レンズの位置が前記合焦位置に近いほど低速とする段階的な速度制御を行う手段を有することを特徴とする、請求項２又は３に記載の合焦位置検出器。
【請求項５】
前記初期設定手段は、前記合焦位置の検出の開始時の前記撮像画素の画素群から得られる動画の１フレームで算出した前記像面位相差ＡＦ評価値を基に前記撮像レンズの駆動方向と、変更可能な駆動速度を初期設定するか、又は前記合焦位置の検出の開始時の前記撮像画素の画素群から得られる動画の複数フレームから得られる加算平均で算出した前記像面位相差ＡＦ評価値を基に前記撮像レンズの駆動方向と、変更可能な駆動速度を初期設定する手段を有することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の合焦位置検出器。
【請求項６】
前記評価値監視手段は、前記第１所定時間単位を前記撮像画素の画素群から得られる動画のフレーム時間単位とし、該フレーム時間単位で前記コントラストＡＦ評価値を算出して監視する手段を有することを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の合焦位置検出器。
【請求項７】
前記評価値監視手段は、前記第２所定時間単位を前記撮像画素の画素群から得られる動画のフレーム時間単位として該フレーム時間単位で前記コントラストＡＦ評価値を算出するか、又は前記第２所定時間単位を前記撮像画素の画素群から得られる動画の複数フレーム時間単位として該複数フレーム時間単位で得られる値の加算平均により前記コントラストＡＦ評価値を算出して、監視する手段を有することを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の合焦位置検出器。
【請求項８】
前記フィードバック制御手段は、前記撮像レンズの駆動方向が逆方向である旨を前記逆回転フラグが示す際に、該逆方向である旨を連続的に示すカウント値を管理し、該カウント値が所定のカウント閾値以上となる際に、当該合焦位置の検出の動作を強制終了する手段を有することを特徴とする、請求項２から７のいずれか一項に記載の合焦位置検出器。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項に記載の合焦位置検出器と、
撮像画素の画素群を構成する画素部に画素間の位相差を検出するための２画素１組の位相差検出画素の画素群が配置された撮像素子と、
焦点位置を調節可能な撮像レンズと、
を備えることを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、合焦位置検出に係る合焦位置検出器及び撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
撮像装置にて自動的に合焦位置を検出し調節するオートフォーカス（Auto Focus:ＡＦ）技術において、撮像素子内に画像を構成するための撮像画素とは別に画素間の位相差を検出するための位相差検出画素を配置してその位相差検出画素間の位相差出力によりデフォーカス量（結像のずれ量）を検出し合焦位置を調節する像面位相差検出式のＡＦ方式（以下、「像面位相差ＡＦ」と称する）と、画像のコントラスト検出に基づいて合焦位置を調節するＡＦ方式（以下、「コントラストＡＦ」と称する）とを組み合わせたハイブリッドＡＦ方式が数多く報告されている。
【０００３】
例えば、このハイブリッドＡＦ方式として、像面位相差検出に基づいて撮像レンズの合焦位置を粗調し、画像のコントラスト検出に基づいて撮像レンズを微小駆動して合焦位置を微調する技法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１の技法は、像面位相差ＡＦで得られた合焦位置に撮像レンズを駆動した後に、コントラストＡＦで微調する際の応答性と、その合焦位置検出精度を改善することを目的としている。
【０００４】
尚、像面位相差ＡＦの方式において、そのＡＦ評価値（以下、「像面位相差ＡＦ評価値」と称する）の計算方法については様々な方法があるが、その一例として１対の像の差の絶対値を加算して像面位相差ＡＦ評価値（相関演算値ＣＯＲ）を得る技法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
また、コントラストＡＦの方式において、そのＡＦ評価値（以下、「コントラストＡＦ評価値」と称する）の計算方法についても様々な方法があるが、一般的に、映像のコントラストが一番高い位置へフォーカス位置を誘導するＡＦ評価値として、画像解析のみで実装できるため多くのデジタルカメラに導入されている。
【０００６】
これら特許文献１，２の技法は、撮像装置として、主に写真撮影用の撮像レンズを駆動するデジタルカメラについて開示されたものであるが、テレビジョンカメラにおいては、カメラマンのフォーカス調整のために、映像の高コントラスト部（合焦領域）をビューファインダ（ＶＦ）映像に重畳する技法が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
一般的に、テレビジョンカメラにおいては低解像度のビューファインダが設けられ、このビューファインダ映像の視認性向上のために、ピーキングと呼ばれる強い輪郭補償を行い、合焦領域の輪郭を際立たせる処理が行われている。通常のテレビジョンカメラでは、撮影したカメラ映像とビューファインダに入力されるビューファインダ映像との帯域幅がほぼ等しいので、ビューファインダ自体の解像度が低い場合でも、ビューファインダ映像に基づいて、ピーキング信号を生成することができる。
【０００８】
しかしながら、ビューファインダ映像に対しピーキング処理を施しても、フォーカス調整に有用な高域空間周波数成分が失われており、カメラマンは最良のフォーカス状態を十分に確認することができないという問題やフォーカス調整領域の選択操作が必要になる。
【０００９】
そこで、特許文献３の技法では、テレビジョンカメラにて撮影した超高精細映像からビューファインダ映像の解像度に対応した低解像度映像を生成し、その超高精細映像から当該テレビジョンカメラの合焦領域を示すフォーカス調整補助信号を生成し、当該生成した低解像度映像と当該フォーカス調整補助信号とを合成してビューファインダ映像を生成するよう構成して、ビューファインダ映像におけるフォーカス状態の視認性を維持しつつフォーカス調整領域の選択操作を不要としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１０−２５６８２４号公報
【特許文献２】特開２０１０−９１９９１号公報
【特許文献３】特開２０１１−１７６７８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１の技法では、像面位相差ＡＦの動作でコントラストＡＦの開始位置を決定することにより、位相差検出画素の位相差出力を用いて視差を算出し、一意に決まるレンズフォーカス値へ撮像レンズ位置を粗調し、撮像レンズの微小駆動を繰り返しながら画像のコントラストによってＡＦの微調整を行うものとなっている。
【００１２】
しかしながら、この特許文献１の技法では、コントラストＡＦの開始位置までの像面位相差ＡＦによる撮像レンズの移動中は、像面位相差ＡＦ評価値及びコントラストＡＦ評価値を監視していないため、像面位相差ＡＦによる合焦位置推定が失敗している場合はコントラストＡＦのみで行う場合よりも合焦速度が遅くなる場合がある。また、像面位相差ＡＦによるコントラストＡＦの開始位置までの撮像レンズ移動後の位置が、合焦位置の手前側であるのか奥側であるか判別できないため、そのどちらかへ微小駆動して合焦位置を確かめるための前後探索動作、すなわちレンズのウォブリング現象が発生し、合焦までの高速化を妨げる。
【００１３】
更に、デジタルカメラ用の撮像レンズとは異なり、テレビジョンカメラ用の撮像レンズは、様々なメーカーのものを使用できるよう設計されていることもあって、撮像レンズを駆動する際のフォーカス値の絶対値制御がテレビジョンカメラに組み込まれていないものや、カメラマンが指定するフォーカス値を、テレビジョンカメラ本体に対する撮像レンズの物理的な相対位置（以下、「レンズ相対位置」と称する）へと換算して制御するよう構成されているものなど様々なものがある。
【００１４】
そこで、このようなテレビジョンカメラに対し、特許文献１の技法を適用しようとしても、種々の撮像レンズを使用可能とする観点から、像面位相差ＡＦによる合焦位置推定の正確性に欠けてしまいＡＦが精度よく動作しないという問題がある。
【００１５】
また、ＡＦを前提としたデジタルカメラ用の撮像レンズに比べ、テレビジョンカメラの撮像レンズは大きく、カメラマンのマニュアル合焦調整を前提としており、撮像レンズの操作性に比較的大きい負荷（粘り）を持たせているため、特許文献１の技法のような像面位相差ＡＦで得られた合焦位置に撮像レンズを駆動した後にコントラストＡＦで微調しようとしても、その応答性や合焦位置検出精度の改善には適していないことが多い。
【００１６】
従って、デジタルカメラだけでなく、特にテレビジョンカメラなどの撮像装置に対して、合焦までの時間を短縮しつつレンズウォブリング現象が起きないように制御し、優れた応答性と合焦位置検出精度を実現可能とする、像面位相差ＡＦとコントラストＡＦとを組み合わせたハイブリッドＡＦ方式の技法が望まれる。
【００１７】
本発明の目的は、上述の問題に鑑みて、像面位相差ＡＦとコントラストＡＦとを組み合わせ、合焦までの時間を短縮しつつレンズウォブリング現象が起きないように制御するハイブリッドＡＦ方式により、優れた応答性と合焦位置検出精度を実現可能とする合焦位置検出器及び撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の合焦位置検出器は、撮像画素の画素群を構成する画素部に画素間の位相差を検出するための２画素１組の位相差検出画素の画素群が配置された撮像素子を用いて、焦点位置を調節可能な撮像レンズの合焦位置を検出する合焦位置検出器であって、前記２画素１組の位相差検出画素の画素群から得られる位相差出力を基に、デフォーカス量を検出するための所定の評価値を像面位相差ＡＦ評価値として算出する第１評価値算出手段と、前記撮像画素の画素群から得られる所定の関心領域内の画像を基に、前記合焦位置で最大となるコントラストを検出するための所定の評価値をコントラストＡＦ評価値として算出する第２評価値算出手段と、前記合焦位置の検出の開始時に算出した前記像面位相差ＡＦ評価値を基に、前記撮像レンズの駆動方向と、変更可能な駆動速度を初期設定する初期設定手段と、当該初期設定から前記撮像レンズの合焦位置を検出するために前記撮像レンズの駆動を開始して制御するレンズ駆動制御手段と、前記合焦位置の検出のための前記撮像レンズの移動中に算出された前記像面位相差ＡＦ評価値と前記コントラストＡＦ評価値の監視を並行して行う評価値監視手段と、前記評価値監視手段の結果を基に前記合焦位置を検出するようフィードバック制御を行うフィードバック制御手段と、を備えることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の合焦位置検出器において、前記評価値監視手段は、前記コントラストＡＦ評価値により前記合焦位置に対する前記撮像レンズの位置及び移動方向を監視する際に当該初期設定時から第１所定時間単位で得られるコントラストＡＦ評価値の比較により、前記撮像レンズが前記合焦位置を通過したか否かを示す合焦フラグ、及び前記撮像レンズの駆動方向が逆方向であるか否かを示す逆回転フラグを前記第１所定時間単位で逐次更新設定するとともに、前記像面位相差ＡＦ評価値により前記撮像レンズの駆動速度を変更可能に監視する際に当該初期設定時から第２所定時間単位で得られるコントラストＡＦ評価値の比較により、前記撮像レンズの位置が前記合焦位置に近いか否かを判定し、前記撮像レンズの位置が前記合焦位置に近いほど低速とする速度フラグを前記第２所定時間単位で逐次更新設定する手段を有することを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の合焦位置検出器において、前記フィードバック制御手段は、前記撮像レンズが前記合焦位置を通過した旨を前記合焦フラグが示す際に該合焦位置を通過した時点の位置に前記撮像レンズが位置するよう前記レンズ駆動制御手段に指示して駆動制御し前記合焦位置の検出動作を完了させるとともに、前記撮像レンズが前記合焦位置を通過した旨を前記合焦フラグが示していない間、前記逆回転フラグに基づいて前記撮像レンズの駆動方向を変更可能に前記レンズ駆動制御手段に指示して駆動制御し、前記速度フラグに基づいて前記撮像レンズの駆動速度を変更可能に前記レンズ駆動制御手段に指示して駆動制御するようフィードバック制御を行うことを特徴とする。
【００２１】
また、本発明の合焦位置検出器において、前記レンズ駆動制御手段は、前記速度フラグに応じて、前記撮像レンズの位置が前記合焦位置に近いほど低速とする段階的な速度制御を行う手段を有することを特徴とする。
【００２２】
また、本発明の合焦位置検出器において、前記初期設定手段は、前記合焦位置の検出の開始時の前記撮像画素の画素群から得られる動画の１フレームで算出した前記像面位相差ＡＦ評価値を基に前記撮像レンズの駆動方向と、変更可能な駆動速度を初期設定するか、又は前記合焦位置の検出の開始時の前記撮像画素の画素群から得られる動画の複数フレームから得られる加算平均で算出した前記像面位相差ＡＦ評価値を基に前記撮像レンズの駆動方向と、変更可能な駆動速度を初期設定する手段を有することを特徴とする。
【００２３】
また、本発明の合焦位置検出器において、前記評価値監視手段は、前記第１所定時間単位を前記撮像画素の画素群から得られる動画のフレーム時間単位とし、該フレーム時間単位で前記コントラストＡＦ評価値を算出して監視する手段を有することを特徴とする。
【００２４】
また、本発明の合焦位置検出器において、前記評価値監視手段は、前記第２所定時間単位を前記撮像画素の画素群から得られる動画のフレーム時間単位として該フレーム時間単位で前記コントラストＡＦ評価値を算出するか、又は前記第２所定時間単位を前記撮像画素の画素群から得られる動画の複数フレーム時間単位として該複数フレーム時間単位で得られる値の加算平均により前記コントラストＡＦ評価値を算出して、監視する手段を有することを特徴とする。
【００２５】
また、本発明の合焦位置検出器において、前記フィードバック制御手段は、前記撮像レンズの駆動方向が逆方向である旨を前記逆回転フラグが示す際に、該逆方向である旨を連続的に示すカウント値を管理し、該カウント値が所定のカウント閾値以上となる際に、当該合焦位置の検出の動作を強制終了する手段を有することを特徴とする。
【００２６】
更に、本発明の撮像装置は、本発明の合焦位置検出器と、撮像画素の画素群を構成する画素部に画素間の位相差を検出するための２画素１組の位相差検出画素の画素群が配置された撮像素子と、焦点位置を調節可能な撮像レンズと、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、撮像レンズの駆動中に常にコントラストＡＦ評価値を監視しているため、像面位相差ＡＦ評価値に基づくＡＦが誤ってしまうような場合でも直ちにＡＦ修正が可能となる。また、本発明によれば、合焦位置探索のための前後動作が必要なくなるため、合焦までの時間を短縮しつつレンズウォブリング現象を生じさせないようにすることができ、優れた応答性と合焦位置検出精度が実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明による一実施形態の撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明による一実施形態の撮像装置に係る撮像素子における画素部の画素配列の一部を概略的に例示する図である。
【図３】本発明による一実施形態の撮像装置におけるフォーカス調整補助信号によって画素部の全領域から一部を切り出して指定されるコントラストＡＦを行うための関心領域を例示する図である。
【図４】本発明による一実施形態の撮像装置における実施例１の合焦位置検出器によりＡＦを行う際の像面位相差ＡＦ評価値に基づく像面位相差ＡＦ及びコントラストＡＦ評価値に基づくコントラストＡＦと撮像レンズのフォーカス位置との関係を示す図である。
【図５】本発明による一実施形態の撮像装置における実施例１の合焦位置検出器のメイン処理を示すフローチャートである。
【図６】本発明による一実施形態の撮像装置における実施例１の合焦位置検出器のメイン処理に対するサブ処理を示すフローチャートである。
【図７】本発明による一実施形態の撮像装置における実施例１の合焦位置検出器のメイン処理に対するサブ処理を示すフローチャートである。
【図８】本発明による一実施形態の撮像装置における実施例１の合焦位置検出器のメイン処理に対するサブ処理を示すフローチャートである。
【図９】本発明による一実施形態の撮像装置における実施例１の合焦位置検出器のメイン処理に対するサブ処理を示すフローチャートである。
【図１０】本発明による一実施形態の撮像装置における実施例１の合焦位置検出器の動作の一例を示す図である。
【図１１】本発明による一実施形態の撮像装置における実施例１の合焦位置検出器の動作の別例を示す図である。
【図１２】本発明による一実施形態の撮像装置における実施例１の合焦位置検出器の動作の更なる別例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、図面を参照して、本発明による一実施形態の撮像装置５０について実施例１〜３の合焦位置検出器３２を順に説明する。撮像装置５０において、合焦位置検出器３２は、撮像素子１から得られる位相差検出画素の画素出力を用いて合焦位置の検出（デフォーカス量の算出）を行う機能部として構成される。
【００３０】
〔撮像装置〕
図１は、本発明による一実施形態の撮像装置５０の概略構成を示すブロック図であり、撮像装置５０は、画像を構成するための撮像画素とは別に画素間の位相差を検出するための位相差検出画素を配置した撮像素子１と、本発明に係る合焦位置検出器３２を有しており、代表して、オートフォーカス（ＡＦ）システムを備えたテレビジョンカメラとして構成した例を説明する。
【００３１】
撮像装置５０は、被写体を撮像レンズ２によって撮像素子１で結像させ、撮像素子１の出力を画像処理し、その画像データを表示部６や記録部７へと出力するよう構成され、概ね撮像光学系５１と、信号処理系５２と、入出力系５３とに区分することができる。撮像光学系５１は、被写体を撮像レンズ２によって撮像素子１に結像させ、撮像素子１はデジタル量の画素信号（画素値に対応する単位信号）を出力する。
【００３２】
信号処理系５２は、入出力系５３の操作部８からの操作指示をインターフェース（ＩＦ）制御部４により受け付け、ＩＦ制御部４は、その受け付けた操作に関する制御信号を撮像レンズ２やデジタル信号処理制御部３に出力する。また、ＩＦ制御部４は、デジタル信号処理制御部３に対し制御信号を送出するのみでなく画像処理に関する各種パラメータ（例えばガンマ値等）を得て操作部８に出力する機能を有する。特に、ＩＦ制御部４は、撮像レンズ２から、絞り・焦点距離・フォーカス値等のレンズパラメータを取得し、デジタル信号処理制御部３や操作部８に出力する機能や、入出力系５３の操作部８からの操作指示が自動焦点調節である場合など、レンズパラメータの変更に関する撮像レンズ制御信号を撮像レンズ２に出力する機能を有する。
【００３３】
デジタル信号処理制御部３は、ＩＦ制御部４からの操作指示に応じた各種動作を制御する。特に、デジタル信号処理制御部３は、デジタル信号処理部３１、合焦位置検出器３２、及び駆動制御部３３を備えている。
【００３４】
デジタル信号処理部３１は、撮像素子１から得られるＲＧＢの撮像画素の画素信号についてメモリ５に記憶し、更にはメモリ５から画素信号を読み出して所定の画像処理を施し、表示出力画素信号（テレビジョンカメラの映像フォーマットに準じた表示出力画素の信号）を構成して入出力系５３の表示部６又は記録部７に出力する機能と、撮像素子１から得られる画素信号のうち位相差検出画素信号（位相差検出画素の画素値）を合焦位置検出器３２に出力する機能と、フォーカス調整補助信号（合焦対象領域を示す画素群の画素値）を合焦位置検出器３２に出力する機能と、を有する。
【００３５】
ただし、表示部６はカメラマンが視認可能なビューファインダーで構成され、デジタル信号処理部３１は、撮像光学系５１を経て撮影した撮像映像から表示部６におけるビューファインダ映像の解像度に対応した低解像度映像を生成し、その撮像映像又は低解像度映像から撮像レンズ２の合焦領域を示すフォーカス調整補助信号を生成し、当該低解像度映像と当該フォーカス調整補助信号とを合成してビューファインダ映像を生成して表示部６に出力するよう構成される。
【００３６】
また、駆動制御部３３は、撮像素子１の撮像動作を制御するための撮像素子駆動信号を撮像素子１に供給する機能を有する。
【００３７】
本発明に係る各実施例の合焦位置検出器３２は、詳細に後述するが、デジタル信号処理部３１から位相差検出画素信号（位相差検出画素の画素値）及びフォーカス調整補助信号（合焦対象領域（関心領域）を示す画素群の画素値）を得て、位相差検出画素信号を基に像面位相差ＡＦ評価値を算出し、フォーカス調整補助信号を基にコントラストＡＦ評価値を算出する。そして、各実施例の合焦位置検出器３２は、これらの像面位相差ＡＦ評価値及びコントラストＡＦ評価値を基に、焦点のずれ量であるデフォーカス量を算出して合焦位置を決定し自動焦点調節を行うための制御量の情報をＩＦ制御部４に出力する機能を有する。これにより、ＩＦ制御部４は、当該撮像レンズ制御信号を撮像レンズ２に出力して駆動させるため合焦位置検出器３２によるＡＦが可能となり、自動焦点調節に関するレンズパラメータを変更することができる。
【００３８】
従って、撮像装置５０は、撮像レンズ２とＩＦ制御部４との間で電気的な信号通信の送受信を行うことができるため、撮像光学系５１と信号処理系５２とは、絞り・焦点距離・フォーカス値等のレンズパラメータや、撮像素子１の露光情報などを共有することができる。そして、合焦位置検出器３２の制御に基づいて、ＩＦ制御部４からの命令（撮像レンズ制御信号）によって撮像レンズ２の各種レンズパラメータを変更することが可能となっている。
【００３９】
尚、図１に示す撮像装置５０の例では、入出力系５３に表示部６、記録部７、及び操作部８を備える例を示しているが、本発明に係る撮像装置５０としては、中継用のテレビジョンカメラなど、表示部６、記録部７、或いは操作部８を別装置で構成し、これら装置と通信する伝送装置を入出力系５３に備えた形態とすることもできる。
【００４０】
特に、各実施例の合焦位置検出器３２は、各実施例について詳細に後述するが、撮像素子１における位相差検出画素間の結像のずれ量である視差から物体位置を推測する像面位相差ＡＦ評価値と、カメラマンがビューファインダー上でフォーカスを合わせるために使用するフォーカス調整補助信号を用いたコントラストＡＦ評価値の２つの評価値を用いたハイブリッドＡＦ方式により、正確で高速なＡＦの制御を行うよう構成される。
【００４１】
また、本実施形態の撮像装置５０は、テレビジョンカメラとして構成される際に、その撮像レンズ２として様々なメーカーのものを使用できるよう設計され、撮像レンズ２を駆動する際のフォーカス値の絶対値制御を組み込んだ構成であるか否かや、カメラマンが指定するフォーカス値を、当該テレビジョンカメラ本体に対する撮像レンズ２の物理的な相対位置（レンズ相対位置）へと換算して制御するよう構成したものであるか否かは問わずに、本発明に係る合焦位置検出器３２を適用することができる。
【００４２】
〔撮像素子〕
図２には、本発明による一実施形態の撮像装置５０に係る撮像素子１における画素部１１の画素配列の一部を概略的に例示している。撮像素子１は、典型的には、赤（Ｒ）色用カラーフィルター（ＣＦＲ）、緑（Ｇ）色用カラーフィルター（ＣＦＧ）及び青（Ｂ）色用カラーフィルター（ＣＦＢ）をベイヤー配列（ＧＧＢＲ）で４画素１組に配置して画素部１１を形成している。
【００４３】
ただし、本発明に係る撮像素子１は、４画素１組のフィルター配列のうちＧ色用カラーフィルターの１つを白（Ｗ）色フィルターに置き換えたＲＧＢＷ配列とするなど、他のカラーフィルター配列で構成することもできる。本願明細書中、このようなカラーフィルターを配置した画素を「撮像画素」１１１と称する。
【００４４】
ところで、図２に示すように、撮像素子１における画素部１１には、これらカラーフィルターによる撮像画素１１１の画素群とは別に、画素間の位相差を検出するための２画素１組（図示するＡ画素，Ｂ画素）の位相差検出画素１１２の画素群が設けられ、この位相差検出画素１１２は、焦点を検出するための像面位相差ＡＦ用の位相差検出素子として機能する。一対のＡ画素，Ｂ画素の位相差検出画素１１２は、それぞれ左目用位相差検出画素、右目用位相差検出画素となる。
【００４５】
この位相差検出画素１１２には、発色に影響を与えることなく光量のみを所定量制限するＮＤフィルターを配置してもよいが、ＳＮ比の向上のためにカラーフィルターが設けられていない例を示している。そして、画素部１１内に、２画素１組の位相差検出画素１１２が複数個所に離散的に配置される。また、位相差検出画素１１２におけるＡ画素及びＢ画素の瞳分割方向が互いに鏡像関係となるようマスク１１３が形成されている。一対のＡ画素，Ｂ画素の位相差検出画素１１２は、撮像画素１１１と比較して、図２に示すようなＸ方向に開口率が５０％となり、位相差検出画素１１２におけるＡ画素及びＢ画素の瞳分割方向が互いに鏡像関係となるようマスク１１３が形成されている。マスク１１３の形状について様々な形状が想定され、図示する例に限定する必要はない。
【００４６】
そして、この２画素１組の位相差検出画素１１２は、焦点のずれ量であるデフォーカス量を算出して合焦位置を決定し自動焦点調節を行う像面位相差ＡＦに用いられる。
【００４７】
尚、本願明細書中、Ａ画素，Ｂ画素の瞳分割方向（図２における左右方向）をＸ方向、画素部１１上でＸ方向に直交する方向（図２における上下方向）をＹ方向、ＸＹ平面に直交する方向を（図２における図示面に対し手前方向）をＺ方向としている。
【００４８】
（像面位相差ＡＦ評価値）
まず、像面位相差ＡＦ評価値について説明する。合焦位置検出器３２は、デジタル信号処理部３１から位相差検出画素信号（位相差検出画素の画素値）を得て２画素１組の位相差検出画素の画素群から得られる位相差出力を基に、デフォーカス量を検出するための所定の評価値を像面位相差ＡＦ評価値として算出する。位相差検出画素１１２を用いたデフォーカス量の算出方法には、様々な方法が想定されるが、その従来技法の一例として、式（１）に示すような一対の像の差の絶対値を加算したものがある（例えば、特許文献２参照）。
【００４９】
【数１】
2018128542.tif 000003
【００５０】
式（１）において、Ａｉｊ，Ｂｉｊは、複数の撮像画素１１１が格子配列される画素部１１内に、離散的に配置される２画素１組の位相差検出画素１１２（右目用及び左目用位相差検出画素Ａ，Ｂ）のｊ列目ｉ番目の画素値を表しており、ｎｉは相関演算に用いる画素数、ｎｊは相関演算を行う一対の像の列方向の数であり、ｎｉ,ｎｊは測距視野長（測距する視野長）等に応じて適切に設定される。
【００５１】
式（１）に基づくデフォーカス量の算出は、相関演算値ＣＯＲ（ｋ）が最小となる視差ｋを合焦位置として求めるものである。即ち、この相関演算値ＣＯＲ（ｋ）を像面位相差ＡＦ評価値αとして利用できる。合焦位置検出器３２は、デジタル信号処理部３１から各フレーム毎に位相差検出画素信号を得て、像面位相差ＡＦ評価値α（即ち、ＣＯＲ（ｋ））を各フレーム毎に計算する。
【００５２】
そして、デフォーカス量の算出時には、画素値のＳＮ比を考慮し位相差検出画素１１２の信号レベルによって自動焦点調節を行うか否かの閾値を設けるのが一般的である。また、相関演算に用いる画素数（ｎｉ,ｎｊ）の決定には、画素部１１の検出位置、像高や撮像レンズ２の撮像レンズ性能（レンズパラメータ）、及びその信号レベルによって予め定めた基準値内の位相差検出画素１１２を相関演算の対象として決定する。
【００５３】
ところで、特許文献１の従来技法であれば、式（１）におけるｋの値から合焦位置を一意に算出させ、その位置に撮像レンズ２を移動させて、コントラストＡＦにより微調整を行うものとなる。像面位相差ＡＦ評価値は、撮像素子１に対し位相差検出画素１１２を密に埋め込む程その検出精度が向上するが、その一方で位相差検出画素１１２は撮像画素１１１としては使用できないため、位相差検出画素１１２を埋め込む程に画質が劣化してしまう。換言すると、特許文献１の従来技法において、コントラストＡＦにより微調整可能とする範囲内まで像面位相差ＡＦに従って撮像レンズ２をほぼ合焦位置へと移動させるには、この制御に十分な一定量の位相差検出画素１１２を埋め込む必要が生じる点に留意する。
【００５４】
（コントラストＡＦ評価値）
次にコントラストＡＦ評価値について説明する。合焦位置検出器３２は、デジタル信号処理部３１からフォーカス調整補助信号（合焦対象領域を示す画素群の画素値）を得てコントラストＡＦを行うための所定の評価値を算出する。コントラストＡＦは、映像のコントラストが最も高い位置へフォーカス位置を誘導する技法である。即ち、合焦位置検出器３２は、撮像画素１１１の画素群から得られる関心領域（合焦対象領域）内の画像を基に、合焦位置で最大となるコントラストを検出するための所定の評価値をコントラストＡＦ評価値として算出する。
【００５５】
図３には、フォーカス調整補助信号によって画素部１１の全領域から一部を切り出して指定されるコントラストＡＦを行うための関心領域１１４を例示している。図３に例示する関心領域１１４において、式（２）で示されるフォーカス調整補助信号の合計値がコントラストＡＦ評価値となる。
【００５６】
【数２】
2018128542.tif 000004
【００５７】
式（２）のＣｉｊはフォーカス調整補助信号のｊ列目ｉ番目の画素の信号値を表しており、ｍｉは演算に用いる行方向の数、ｍｊは演算に用いる列方向の数であり、ｍｉ，ｍｊは像面位相差ＡＦの関心領域１１４と同等の領域として設定される。ＣＡＦはコントラストＡＦ評価値を示しており、ＣＡＦが最大となる時に関心領域１１４内が合焦していることを意味している。合焦位置検出器３２は、デジタル信号処理部３１から各フレーム毎にフォーカス調整補助信号を得て、コントラストＡＦ評価値ＣＡＦを各フレーム毎に計算する。
【００５８】
但し、本例ではフォーカス調整補助信号を生成する機能を有する撮像装置５０として説明しているが、フォーカス調整補助信号を生成する機能がない撮像装置５０の場合には、デジタル信号処理部３１によりコントラストＡＦ用に高コントラスト部を抽出してフォーカス調整補助信号と同等の信号を生成し、合焦位置検出器３２に出力するよう構成すればよい。或いは、デジタル信号処理部３１により撮像映像又はビューファインダ映像から合焦領域の輪郭を際立たせる処理によって当該関心領域を示すピーキング信号を生成し合焦位置検出器３２に出力するよう構成すればよい。この場合には、そのピーキング信号を当該フォーカス調整補助信号の代わりに用いることができる。
【００５９】
〔合焦位置検出器〕
（実施例１）
実施例１の合焦位置検出器３２は、以上の像面位相差ＡＦ評価値とコントラストＡＦ評価値を用いてハイブリッドＡＦを行って撮像レンズ２を駆動制御するよう構成される。
【００６０】
実施例１の合焦位置検出器３２は、撮像する動画のフレーム毎に像面位相差ＡＦ評価値及びコントラストＡＦ評価値を計算し、高精度且つ高速なＡＦを行う。テレビジョンカメラで構成される撮像装置５０では、デジタルカメラと比して高い演算能力を有するため、撮像する動画のフレーム毎のＡＦ評価値の演算も容易に実現される。
【００６１】
特に、実施例１の合焦位置検出器３２は、像面位相差ＡＦ評価値に基づく像面位相差ＡＦにより、ＡＦ開始時の撮像レンズ２の駆動方向の決定と撮像レンズ２の駆動速度の制御を行い、コントラストＡＦ評価値に基づくコントラストＡＦは、常にその合焦位置の監視を行うよう構成される。
【００６２】
図４には、実施例１の合焦位置検出器３２により像面位相差ＡＦ評価値に基づく像面位相差ＡＦ及びコントラストＡＦ評価値に基づくコントラストＡＦと、撮像レンズ２のフォーカス位置との関係を示している。実施例１の合焦位置検出器３２の具体的な処理については後述するが、本発明の理解を高めるために、図４を参照してその主となる動作を説明する。
【００６３】
図４を参照するに、図中の撮像レンズ２のフォーカス位置（レンズフォーカス位置）ＡでＡＦが開始された場合、像面位相差ＡＦ評価値αが算出される。αの±符号によって、撮像レンズ２の駆動方向（ｔｅｌｅ側、ｗｉｄｅ側）が決定される。この後、レンズフォーカス位置を合焦方向（合焦点の方向）へ速度Ｖａで移動させながら、像面位相差ＡＦ評価値を算出し続ける。
【００６４】
図中のレンズフォーカス位置Ｂで像面位相差ＡＦ評価値が２α／３以下になった時、撮像レンズ２の駆動速度を速度Ｖｂ（Ｖｂ＜Ｖａ）へ減速する。更に図中のレンズフォーカス位置Ｃで像面位相差ＡＦ評価値が１α／３以下になった時、撮像レンズ２の駆動速度を更に減速して速度Ｖｃ（Ｖｃ＜Ｖｂ）にする。つまり、実施例１の合焦位置検出器３２は、レンズフォーカス位置ＡからＢまでは速度Ｖａで、レンズフォーカス位置ＢからＣまでは速度Ｖｂで、レンズフォーカス位置Ｃから合焦点までは速度Ｖｃで、撮像レンズ２を駆動制御する。
【００６５】
実施例１の合焦位置検出器３２の例では、速度Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃの三段階で速度調整を可能とする構成としているが、その速度分割数（段階数）は２つ以上であればよく、分割の割合も等分にする必要は無く任意である。合焦位置の検出の開始時に算出した像面位相差ＡＦ評価値αに関して、ＡＦ開始位置が合焦点付近の場合に対応するために下限値を設けておき、像面位相差ＡＦ評価値αが下限値より低い場合は最初から撮像レンズ２の駆動速度を最低（本例では速度Ｖｃ）に設定する。
【００６６】
また、エラー処理として撮像レンズ２の駆動中に像面位相差ＡＦ評価値αの絶対値が増加する、αの±符号が反転する、コントラストＡＦ評価値による監視で撮像レンズ２の駆動方向が逆転した場合は像面位相差ＡＦ評価値の信頼性は低いと判断できるため、フォーカス移動速度をＡＦシーケンスの終了まで最低速度に固定する。
【００６７】
コントラストＡＦ評価値は合焦位置付近で変化量が大きいため、合焦付近でのコントラストＡＦ評価値を算出するサンプリング回数が多いほど高精度の制御が可能となる。このため、実施例１の合焦位置検出器３２は、コントラストＡＦ評価値をフレーム毎に計算して合焦位置を判定するようにしている。ただし、１フレーム毎に必ずしも限定する必要はなく間欠フレーム毎など所定時間単位で計算して合焦位置を判定する構成としてもよい。また、実施例１の合焦位置検出器３２は、合焦位置に近づくに従って撮像レンズ２の駆動速度を減速しているため合焦精度を高めることができる。また、実施例１の合焦位置検出器３２は、撮像レンズ２の駆動速度を段階的に下げており、急停止する必要がないため撮像レンズ２にかかる負荷が少なくて済むようになる。
【００６８】
また、実施例１の合焦位置検出器３２では、像面位相差ＡＦ評価値を用いて撮像レンズ２のフォーカス位置を一意に決定しなければならないような高い精度が要求されないため、画素部１１に埋め込む位相差検出画素１１２の画素数密度を疎として、特許文献１の技法よりも少ない位相差検出画素１１２の画素数とすることもでき、欠損画素となってしまう位相差検出画素１１２による画質の劣化を低減させることができる。
【００６９】
以下、図５乃至図９を参照して、実施例１の合焦位置検出器３２の具体的な処理について詳細に説明する。図５は、本発明による一実施形態の撮像装置における実施例１の合焦位置検出器３２のメイン処理を示すフローチャートである。また、図６乃至図９は、それぞれ実施例１の合焦位置検出器３２のメイン処理に対するサブ処理を示すフローチャートである。
【００７０】
ここでは、所謂ワンショットＡＦとして動作する例を説明する。ワンショットＡＦは、ＡＦ開始のための物理ボタンの操作等で開始トリガーを発生させ、合焦したところでシーケンスを終了するものである。そして、図４に示した三段階の速度に分割して制御する例を説明する。
【００７１】
図５を参照するに、合焦位置検出器３２は、まず、ＡＦ開始の開始トリガーを発生後、後述する各種フラグ（合焦フラグ、逆回転フラグ、速度フラグ等）の値を０に初期設定する（ステップＳ１）。
【００７２】
ここで、合焦位置検出器３２によるＡＦのため、合焦フラグ、逆回転フラグ、速度フラグ、及び逆回転フラグが用いられる。
【００７３】
合焦フラグは、合焦位置に無い旨を示す“０”と、合焦位置にある旨を示す“１”の２値を有する。
【００７４】
逆回転フラグは、合焦させるための撮像レンズ２の移動方向を反転させる必要が無い状態である旨を示す“０”と、合焦させるための撮像レンズ２の移動方向を反転させる必要がある状態である旨を示す“１”の２値を有する。
【００７５】
速度フラグは、本例では、予め定めた３段階の撮像レンズ２の駆動速度として、速度Ｖａを示す“０”と、速度Ｖｂを示す“１”と、速度Ｖｃを示す“２”との３値を有する。
【００７６】
また、後述する「レンズ相対位置のホールド」とは、撮像レンズ２を駆動する位置目標として撮像装置５０の本体に対する撮像レンズ２の物理的な相対位置（レンズ相対位置）の情報（即ち、撮像レンズ２の位置情報）を一時保持することを意味している。撮像レンズ２の位置情報は、ＩＦ制御部４を介して得られる撮像レンズ２からの送り返し信号（レンズパラメータ）を基に特定される。
【００７７】
また、後述する「逆回転回数」とは、合焦させるための撮像レンズ２の移動方向を反転させる駆動を行うたびに、その反転回数をカウントした値であり、ＡＦ開始時点での初期値は０である。
【００７８】
続いて、合焦位置検出器３２は、図６に示す撮像レンズ２の駆動方向・駆動速度の初期設定を行う（ステップＳ２）。尚、撮像レンズ２の駆動方向・速度は、像面位相差ＡＦ評価値によって初期設定される。
【００７９】
図６を参照するに、合焦位置検出器３２は、先ず像面位相差ＡＦ評価値α０とコントラストＡＦ評価値ＣＡＦ０を算出する（ステップＳ２０）。
【００８０】
続いて、合焦位置検出器３２は、像面位相差ＡＦ評価値α０の値が０より大きいか否かを判定し（ステップＳ２１）、α０の値が０より大きければ（ステップＳ２１：Ｙｅｓ）、撮像レンズ２のレンズ回転方向フラグを１（ｔｅｌｅ側）に設定し（ステップＳ２２）、α０の値が０以下であれば（ステップＳ２１：Ｎｏ）、撮像レンズ回転方向フラグを０（ｗｉｄｅ側）に設定する（ステップＳ２３）。
【００８１】
次に、合焦位置検出器３２は、像面位相差ＡＦ評価値α０の値が任意に設定する閾値αｔｈｒｅｓｈｏｌｄより大きいか否かを判定し（ステップＳ２４）、α０の値が閾値αｔｈｒｅｓｈｏｌｄ以下である場合（ステップＳ２４：Ｎｏ）、ＡＦ開始時から既に合焦点に近い状態と判断し、速度フラグを２（速度Ｖｃ）に設定する（ステップＳ２６）。閾値αｔｈｒｅｓｈｏｌｄの値は、画素部１１に埋め込めている像面位相差検出画素１１２の数や像面位相差ＡＦ評価値の算出方法（本例では、式（１）に基づく評価値ＣＯＲ）に従って任意に設定する。尚、速度フラグを２（速度Ｖｃ）の状態では、以後のシーケンスでは像面位相差ＡＦ評価値の値に関わらず設定速度は変更されない。一方、α０の値が閾値αｔｈｒｅｓｈｏｌｄよりも大きい場合（ステップＳ２４：Ｙｅｓ）、速度フラグを０（速度Ｖａ）に設定する。
【００８２】
図５を参照するに、図６に示す撮像レンズ２の駆動方向・駆動速度の初期設定を行うと、合焦位置検出器３２は、当該初期設定した撮像レンズ２のレンズ回転方向・駆動速度に関するレンズ回転方向フラグ及び速度フラグに基づいて、ＩＦ制御部４を介して撮像レンズ制御信号を送信させ、撮像レンズ２の駆動を開始する（ステップＳ３）。
【００８３】
撮像レンズ２の駆動の開始後、以降のステップＳ４，Ｓ５，Ｓ６に基づくＡＦ（自動合焦制御）のフィードバックループを開始する。このフィードバックループの開始は映像の１フレームの開始と同期しており、撮像レンズ２の逆回転動作が行われない限りは１フレーム以内に完結する。このフィードバックループでは、コントラストＡＦ評価値による合焦位置の監視処理（ステップＳ４）と、像面位相差ＡＦ評価値による撮像レンズ２の駆動速度の監視処理（ステップＳ５）とを並行に（同時に）行って、合焦フラグ、逆回転フラグ及び速度フラグに基づいて撮像レンズ２の駆動制御を行い（ステップＳ６）、このステップＳ４，Ｓ５，Ｓ６のループ処理でＡＦを行う。
【００８４】
まず、コントラストＡＦ評価値による合焦位置の監視処理（ステップＳ４）について、図７を参照して説明する。
【００８５】
図７に示すコントラストＡＦ評価値による合焦位置の監視処理において、合焦位置検出器３２は、はじめに所定のコントラストＡＦ評価値（本例では、式（２）に基づくＣＡＦ）を算出する（ステップＳ４０）。以下、ＣＡＦの最大値をＣＡＦｍａｘ、１フレーム前のＣＡＦの値をＣＡＦ−１とする。
【００８６】
続いて、合焦位置検出器３２は、ＩＦ制御部４を介して得られる撮像レンズ２からの送り返し信号（レンズパラメータ）を基に、撮像レンズ２の位置が移動端（レンズ移動範囲の端部）でないか否かを判別し（ステップＳ４１）、撮像レンズ２の位置が移動端であると判別した場合（ステップＳ４１：Ｎｏ）、逆回転フラグ＝１に設定してこのときのレンズ相対位置をホールド（一時保持）し（ステップＳ４６）、合焦フラグ＝０を維持してＡＦフィードバックループを継続する（ステップＳ４７）。尚、撮像レンズ２の位置が移動端である場合、反転させる制御を行わない限りそれ以上の移動ができない状態にある。一方、撮像レンズ２の位置が移動端でない場合、撮像レンズ２は移動中であることを意味する。
【００８７】
そして、撮像レンズ２の位置が移動端でないと判別した場合（ステップＳ４１：Ｙｅｓ）、合焦位置検出器３２は、ＣＡＦがＣＡＦ−１より小さいか否かを判定し（ステップＳ４２）、ＣＡＦがＣＡＦ−１以上の値を持つ場合（ステップＳ４２：Ｎｏ）、そのＣＡＦの値をＣＡＦｍａｘとし、このときのレンズ相対位置をホールド（一時保持）し（ステップＳ４８）、合焦フラグ＝０を維持してＡＦフィードバックループを継続する（ステップＳ４９）。尚、当該ステップＳ４，Ｓ５，Ｓ６に基づくＡＦのフィードバックループでは、このステップＳ４８の処理を繰り返し通過することになるため、合焦フラグ＝１となるまでＣＡＦｍａｘを逐次更新したレンズ相対位置をホールド（一時保持）しながら、図４に示すコントラストＡＦ評価値ＣＡＦのピーク位置（即ち、合焦点）を探索することになる。
【００８８】
ＣＡＦがＣＡＦ−１より小さい値を持つ場合（ステップＳ４２：Ｙｅｓ）、撮像レンズ２の位置が図４に示すコントラストＡＦ評価値ＣＡＦのピーク位置（即ち、合焦点）を通り過ぎた可能性があるため、合焦位置検出器３２は、当該ＣＡＦのピーク位置を通り過ぎたのか、或いは誤差によるＣＡＦの減少であるのかを判断するために、“ＣＡＦｍａｘ−ＣＡＦ”の値が任意に定める設定値thresholdより大きいか否かを判定する（ステップＳ４３）。
【００８９】
“ＣＡＦｍａｘ−ＣＡＦ”の値が設定値threshold以下である場合（ステップＳ４３：Ｎｏ）、合焦位置検出器３２は、誤差によるＣＡＦの減少と判断し、合焦フラグ＝０を維持してＡＦフィードバックループを継続する（ステップＳ４９）。
【００９０】
一方、“ＣＡＦｍａｘ−ＣＡＦ”の値が設定値thresholdより大きい場合（ステップＳ４２：Ｙｅｓ）、当該ＣＡＦのピーク位置を通り過ぎた可能性と、最初の像面位相差ＡＦ評価値によって撮像レンズ２の駆動方向が誤ってしまい撮像レンズ２の移動方向（回転移動する回転方向）が合焦点に対し逆方向である可能性があるため、これを判別するために、合焦位置検出器３２は、ＣＡＦｍａｘがＣＡＦ０より大きいか否かを判定する（ステップＳ４４）。
【００９１】
ＣＡＦｍａｘがＣＡＦ０以下の値を持つ場合（ステップＳ４４：Ｎｏ）、合焦位置検出器３２は、元々の撮像レンズ２の移動方向（回転移動する回転方向）が合焦点に対し逆方向であると判定し、逆回転フラグ＝１に設定してこのときのレンズ相対位置をホールド（一時保持）し（ステップＳ４６）、合焦フラグ＝０に設定する（ステップＳ４７）。
【００９２】
一方、ＣＡＦｍａｘがＣＡＦ０より大きい値を持つ場合（ステップＳ４４：Ｙｅｓ）、合焦位置検出器３２は、当該ＣＡＦのピーク位置を通り過ぎたと判定し、合焦フラグを１に設定する（ステップＳ４５）。合焦フラグが１に設定されると、後続の処理（後述するステップＳ６１）により、ステップＳ４８にてＣＡＦｍａｘに設定しホールドしているレンズ相対位置へ撮像レンズ２を駆動させることになる。
【００９３】
次に、像面位相差ＡＦ評価値による撮像レンズ２の駆動速度の監視処理（ステップＳ５）について、図８を参照して説明する。
【００９４】
図８に示す像面位相差ＡＦ評価値による撮像レンズ２の駆動速度の監視処理において、合焦位置検出器３２は、はじめに像面位相差ＡＦ評価値αを算出する（ステップＳ５０）。
【００９５】
続いて、合焦位置検出器３２は、“速度フラグが２（速度Ｖｃ）ではない”、且つ“逆回転回数が０である”、且つ“αの±符号がα−１と同じである”、且つ“αの絶対値がα−１の絶対値以下である（｜α｜≦｜α−１|）”、且つ“αの絶対値が（１／３）α０の絶対値より大きい（｜α｜＞（１／３）｜α０｜）”、の５つの条件全てを満たす状態にあるか否かを判別する（ステップＳ５１）。
【００９６】
上記５つの条件全てを満たす状態にないとき（ステップＳ５１：Ｎｏ）、合焦位置検出器３２は、常に、速度フラグを２（速度Ｖｃ）に設定する（ステップＳ５５）。当該ステップＳ４，Ｓ５，Ｓ６に基づくＡＦのフィードバックループでは、一度でも速度フラグが２（速度Ｖｃ）になると、上記５つの条件全てを満たす状態にならない（“速度フラグが２ではない”の条件を満たさない）ため、撮像レンズ２の駆動速度は速度Ｖｃで一定となるようになっている。そして、この速度Ｖｃの状態は、図４に示したように合焦点近傍に達しているか、像面位相差ＡＦ評価値αの信頼性が低いことを意味している。
【００９７】
上記５つの条件全てを満たす状態にあるとき（ステップＳ５１：Ｎｏ）、合焦位置検出器３２は、αの絶対値が（２／３）α０の絶対値より大きいか否かを判定し（ステップＳ５２）、αの絶対値が（２／３）α０の絶対値より大きい場合には速度フラグを０（速度Ｖａ）に変更し（ステップＳ５２：Ｙｅｓ，ステップＳ５３）、αの絶対値が（２／３）α０の絶対値以下の場合には速度フラグを１（速度Ｖｂ）に変更する（ステップＳ５２：Ｎｏ，ステップＳ５４）。尚、“αの絶対値がα−１の絶対値以下である”という条件があるため、撮像レンズ２の駆動速度が速度Ｖｂから速度Ｖａへ加速することは無い。
【００９８】
次に、合焦フラグ、逆回転フラグ及び速度フラグに基づいて撮像レンズ２の駆動制御（ステップＳ６）について、図９を参照して説明する。
【００９９】
図９に示す撮像レンズ２の駆動制御において、合焦位置検出器３２は、コントラストＡＦ評価値による合焦位置の監視処理（ステップＳ４）と、像面位相差ＡＦ評価値による撮像レンズ２の駆動速度の監視処理（ステップＳ５）とを並行に（同時に）行って得られる合焦フラグ、逆回転フラグ及び速度フラグに基づいて、ＡＦに関する撮像レンズ２の駆動制御（フィードバックループ制御）を開始する。
【０１００】
まず、合焦位置検出器３２は、合焦フラグが１であるか否かを判定する（ステップＳ６０）。合焦フラグが１である場合（ステップＳ６０：Ｙｅｓ）、合焦位置検出器３２は、当該ステップＳ４，Ｓ５，Ｓ６に基づくＡＦのフィードバックループを抜けて、ＩＦ制御部４を介して撮像レンズ制御信号を送信させ、ホールドしているレンズ相対位置に撮像レンズ２が位置するよう撮像レンズ２の駆動を制御する（ステップＳ６１）。このときのホールドしているレンズ相対位置は、合焦フラグが１の場合のフレームに対し、ステップＳ４８にてＣＡＦｍａｘに設定されたレンズ相対位置である。即ち、撮像レンズ２は、図４に示す合焦点に位置するよう速度Ｖcで駆動制御される。
【０１０１】
一方、合焦フラグが０の場合（ステップＳ６０：Ｎｏ）、合焦位置検出器３２は、まず、逆回転フラグが１であるか否かを判定する（ステップＳ６２）。
【０１０２】
逆回転フラグが１である場合（ステップＳ６２：Ｙｅｓ）、合焦位置検出器３２は、逆回転回数のカウント値を＋１（１加算）して（ステップＳ６３）、１加算したその逆回転回数がカウント閾値Ｘ未満であるか否かを確認する（ステップＳ６４）。当該１加算したその逆回転回数がカウント閾値Ｘ以上の場合（ステップＳ６４：Ｎｏ）、既に撮像レンズ２の移動方向の反転動作としてＸ−１回分の逆回転を繰り返しており、ＡＦが正常に動作していないと判定して強制終了する。カウント閾値Ｘの値は、２以上の任意の数とすることができるが、本発明に係る合焦位置検出器３２では１回の逆回転のみ許容する場合でも正常に機能するため、Ｘ＝２に設定することができる。
【０１０３】
当該１加算したその逆回転回数がカウント閾値Ｘ未満の場合（ステップＳ６４：Ｙｅｓ）、合焦位置検出器３２は、数フレーム分の所定時間分、撮像レンズ２の移動を確保するため、合焦位置検出器３の処理を待機状態して故意に撮像レンズ２の位置を進ませる（ステップＳ６５）。
【０１０４】
当該数フレーム分の所定時間分の待機後、合焦位置検出器３２は、ＩＦ制御部４を介して撮像レンズ制御信号を送信させ、ホールドしているレンズ相対位置に撮像レンズ２が位置するよう撮像レンズ２の駆動を制御する（ステップＳ６６）。尚、この時点でホールドしているレンズ相対位置は、合焦フラグが０で逆回転フラグが１であることから撮像レンズ２が合焦点に達していない位置である。
【０１０５】
続いて、合焦位置検出器３２は、ＩＦ制御部４を介して得られる撮像レンズ２からの送り返し信号（レンズパラメータ）を監視して、当該ホールドしているレンズ相対位置で撮像レンズ２を一旦停止させるよう制御し、その停止後に、ステップＳ２２（又はＳ２３）にて設定していたレンズ回転方向フラグを反転設定し、速度フラグを２（Ｖｃ）に設定し、逆回転フラグを０に戻した状態で、撮像レンズ２を当該レンズ回転方向フラグ及び速度フラグに対応する動作で駆動を再開し、図５に示す図示“ＦＢ”のＡＦフィードバックループの開始シーケンスに戻り、次フレームにおけるステップＳ４，Ｓ５の処理に移行する（ステップＳ６７）。
【０１０６】
ステップＳ６５〜Ｓ６７の処理は、撮像レンズ２に逆回転（反転移動）の指示後も瞬時に物理的に切り替わるわけではないために生じる撮像レンズ２の回転のオーバーシュート現象によって、ＡＦフィードバックループで次のフレーム以後も逆回転フラグが１になり続け、直ちに強制終了する状態になってしまうことを防ぐためである。この動作に入る場合に限りＡＦフィードバックループが１フレーム以内に終了しないことがある。
【０１０７】
合焦フラグが０で逆回転フラグが０である場合（ステップＳ６２：Ｎｏ）、合焦位置検出器３２は、速度フラグが前回値（１フレーム前）から変化したか否かを判定する（ステップＳ６８）。
【０１０８】
速度フラグが前回値から変化していない場合（ステップＳ６８：Ｎｏ）、合焦位置検出器３２は、図５に示す図示“ＦＢ”のＡＦフィードバックループの開始シーケンスに戻り、次の映像のフレームにおけるステップＳ４，Ｓ５の処理に移行する。
【０１０９】
速度フラグが前回値から変化している場合（ステップＳ６８：Ｙｅｓ）、合焦位置検出器３２は、その変化した速度フラグに対応する速度となるよう、ＩＦ制御部４を介して撮像レンズ制御信号を送信させ、撮像レンズ２の駆動を制御する（ステップＳ６９）。
【０１１０】
以上のように、図５に示すステップＳ４，Ｓ５，Ｓ６のＡＦフィードバックループを経て、合焦位置検出器３２によるＡＦが行われると、合焦フラグが１の場合は当該ＡＦフィードバックループから抜け出して、コントラストＡＦ評価値ＣＡＦがピークになった時に対応する当該ホールドしていたレンズ相対位置へ撮像レンズ２を移動させることができる。また、合焦フラグが０の場合は、次の映像のフレームと同期しながら当該ＡＦフィードバックループを開始する。
【０１１１】
この実施例１の合焦位置検出器３２によるＡＦの動作例を、図４に対応付けて図１０乃至図１６に示している。
【０１１２】
図１０では、レンズフォーカス位置Ａで開始し、レンズフォーカス位置ＡからＢまでを速度Ｖａ、レンズフォーカス位置ＢからＣまでを速度Ｖｂ、レンズフォーカス位置ＣからＤを速度Ｖｃでｔｅｌｅ側に撮像レンズ２が駆動している様子を示している。この場合、実施例１の合焦位置検出器３２は、レンズフォーカス位置Ｄで合焦フラグが１になるとすると、ＣＡＦｍａｘである合焦点に撮像レンズ２を戻すよう制御する。
【０１１３】
図１１では、最初の像面位相差ＡＦ評価値によって撮像レンズ２の駆動方向が誤ってしまい撮像レンズ２の移動方向（回転移動する回転方向）が合焦点に対し逆方向であるときの例である。レンズフォーカス位置ＥをＡＦ開始点とした場合、実施例１の合焦位置検出器３２は、レンズフォーカス位置Ｆの時点で逆回転フラグが１になるのを判別し、レンズフォーカス位置Ｇまでオーバーシュートさせてレンズフォーカス位置Ｆに撮像レンズ２の位置を戻すよう制御する。その後、実施例１の合焦位置検出器３２は、レンズフォーカス位置ＦからＤまで速度Ｖｃで撮像レンズ２を移動させ、レンズフォーカス位置Ｄで合焦フラグが１になる、ＣＡＦｍａｘである合焦位置まで撮像レンズ２を移動させるよう制御する。
【０１１４】
図１２では、最初の像面位相差ＡＦ評価値によって撮像レンズ２の駆動方向が誤ってしまい撮像レンズ２が移動端まで移動してしまったときの例である。レンズフォーカス位置ＢをＡＦ開始点とした場合、実施例１の合焦位置検出器３２は、撮像レンズ２が速度Ｖｂで移動端のレンズフォーカス位置Ｈまで移動するのを検知すると、レンズフォーカス位置Ｈで逆回転フラグ＝１になり、レンズフォーカス位置ＨからＤまで速度Ｖｃで撮像レンズ２を移動させるよう制御する。その後、図１０と同様に、実施例１の合焦位置検出器３２は、レンズフォーカス位置Ｄで合焦フラグが１になるとすると、ＣＡＦｍａｘである合焦点に撮像レンズ２を戻すよう制御する。
【０１１５】
以上のように、実施例１の合焦位置検出器３２は、撮像レンズ２の駆動中に常にコントラストＡＦ評価値を監視しているため、像面位相差ＡＦ評価値に基づくＡＦが誤ってしまうような場合でも直ちにＡＦ修正が可能となり、像面位相差ＡＦ評価値の信頼性が低い場合でも比較的早く正確なＡＦが可能である。また、実施例１の合焦位置検出器３２は、合焦位置探索のための前後動作が必要なくなるため、合焦までの時間を短縮しつつレンズウォブリング現象を生じさせないようにすることができ、優れた応答性と合焦位置検出精度が実現可能となる。
【０１１６】
（実施例２）
前述した実施例１の合焦位置検出器３２は、図１０乃至図１２を参照しても理解されるように、最初の像面位相差ＡＦ評価値によって決まる撮像レンズ２の駆動方向の正誤によって合焦までの時間が変わるものとなっている。そして、図５から分かるように、像面位相差ＡＦ評価値による撮像レンズ２の駆動方向・速度の設定シーケンス（ステップＳ２）は、ステップＳ４，Ｓ５，Ｓ６のＡＦフィードバックループに入っていないため時間がかかってもよい。
【０１１７】
そこで、撮像装置５０として構成するテレビジョンカメラでは、６０ｆｐsという高速で常に画素値を取得していることを利用して、実施例２の合焦位置検出器３２として、ＡＦを開始する最初の撮像レンズ２の駆動方向の決定のための像面位相差ＡＦ評価値α０に限り、その算出精度向上の為、位相差検出画素１１２の値を数フレーム分、加算平均するよう構成することができる。例えば、１０フレーム分を加算平均しても時間的には１／６秒以内に計算は終了し、この時の各位相差検出画素１１２の画素値のＳ／Ｎは、√１０倍改善される。一般に位相差検出画素１１２による像面位相差ＡＦは、低輝度状態では著しく精度が低下するが、このように構成することで、当該最初の方向決定に係る精度を高めることができ、更に合焦点までの応答性を高めることができる。
【０１１８】
（実施例３）
また、前述した実施例１の合焦位置検出器３２では、像面位相差ＡＦ評価値による撮像レンズ２の駆動速度の監視処理（ステップＳ５）において、像面位相差ＡＦ評価値αはフレーム毎の位相差検出画素１１２を参照する例を説明した。ここで、像面位相差ＡＦ評価値αは撮像レンズ２の駆動速度の制御に用いられるのみであるため、像面位相差ＡＦ評価値αの値の厳密な正確性は重要ではなく、更にはその速度決定に関し高速性も問われないことから、フレーム毎に処理する必要はない。
【０１１９】
そこで、実施例３の合焦位置検出器３２として、像面位相差ＡＦ評価値αの値を算出するために、撮像レンズ２の駆動速度に応じて位相差検出画素１１２の値を数フレーム分、加算平均して算出するよう構成することができる。この場合、勿論、加算されるフレーム中も撮像レンズ２が動いているため像面位相差ＡＦ評価値の正確性が失われるが、位相差検出画素１１２の画素値が小さい（輝度値が低い）場合や被写体の特定のパターンによる評価値が大幅なエラーとなってしまう頻度を低減できる。
【０１２０】
また、実施例３の合焦位置検出器３２においては、撮像レンズ２の駆動速度に応じて当該位相差検出画素１１２のフレーム加算平均数を調整し、異なるものとするよう構成することもできる。例えば図４において、撮像レンズ２を速度Ｖａで駆動している場合は直前フレームとの２フレームの位相差検出画素１１２の加算平均値を利用し、速度Ｖｂで駆動している場合は直前フレーム、前々フレームとの３フレームの位相差検出画素１１２の加算平均値を利用する態様が想定される。この加算するフレーム数は設定する撮像レンズ２の駆動速度に鑑みて任意に設定すればよい。
【０１２１】
また、実施例２と実施例３の合焦位置検出器３２を組み合わせた構成とすることもできる。
【０１２２】
以上のように、本発明に係る各実施例の合焦位置検出器３２は、撮像装置５０（特に、テレビジョンカメラ）の処理速度を活かし撮像レンズ２の移動中もリアルタイムで像面位相差ＡＦ評価値、及びコントラストＡＦ評価値を並行に（同時に）算出し、撮像レンズ２の駆動中に常にコントラストＡＦ評価値を監視して、合焦位置探索のための前後動作の必要性が無い制御としているため、合焦までの時間を短縮しつつレンズウォブリング現象を生じさせないようにすることができ、優れた応答性と合焦位置検出精度が実現可能となる。
【０１２３】
更に、本発明に係る各実施例の合焦位置検出器３２は、像面位相差ＡＦ評価値の厳密性が要求されない制御となっているため、撮像素子１の画素部１１に埋め込む位相差検出画素１１２の個数を従来技法よりも減らすことができ、これにより画質の劣化を従来技法よりも抑制することができる。
【０１２４】
更に、本発明に係る各実施例の合焦位置検出器３２は、撮像レンズ２のフォーカス値を絶対値で制御できない撮像装置５０に対しても、本発明に係る各実施例の合焦位置検出器３２を組み入れるのみで上述した動作を実現可能である。
【０１２５】
更に、本発明に係る各実施例の合焦位置検出器３２は、撮像レンズ２の駆動速度を段階的に落とし停止させるよう構成しているため、撮像装置５０における各機構への負荷を低減させることができる。
【０１２６】
以上、特定の実施形態の例を挙げて本発明を説明したが、本発明は前述した例に限定されるものではなく、その技術思想を逸脱しない範囲で種々変形可能であり、特許請求の範囲によってのみ制限される。
【産業上の利用可能性】
【０１２７】
本発明によれば、ＡＦに関し優れた応答性と合焦位置検出精度が実現可能となるので、ＡＦ機能を要する撮像装置の用途に有用である。
【符号の説明】
【０１２８】
１  撮像素子
２  撮像レンズ
３  デジタル信号処理制御部
４  ＩＦ制御部
５  メモリ
６  表示部
７  記録部
８  操作部
１１  画素部
３１  デジタル信号処理部
３２  合焦位置検出器
３３  駆動制御部
５０  撮像装置
５１  撮像光学系
５２  信号処理系
５３  入出力系
１１１  撮像画素
１１２  位相差検出画素（Ａ画素、Ｂ画素）
１１３  マスク
１１４  コントラストＡＦ用関心領域
【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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