(57)【要約】【課題】１つの撮影光学系において、デフォーカス量に応じた焦点検出信号のぼけを抑制しつつ、基線長を拡張すること。【解決手段】絞りを有する撮影光学系からの光を光電変換して被写体の像を生成する撮像用画素と、前記撮影光学系の射出瞳のうち互いに異なる瞳領域を通過した光束をそれぞれ光電変換する第１の焦点検出用画素および第２の焦点検出用画素を有する一対の焦点検出用画素と、を有する撮像素子と、前記絞りの開口が第１の絞り値であるときに前記一対の焦点検出用画素から出力される第１の焦点検出信号と、前記絞りの開口が前記第１の絞り値とは異なる第２の絞り値であるときに前記一対の焦点検出用画素から出力される第２の焦点検出信号と、に基づいて、第３の焦点検出信号を生成する生成手段と、前記第３の焦点検出信号に基づいて、前記撮影光学系の焦点状態を検出する焦点検出手段と、を有する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絞りを有する撮影光学系からの光を光電変換して被写体の像を生成する撮像用画素と、前記撮影光学系の射出瞳のうち互いに異なる瞳領域を通過した光束をそれぞれ光電変換する第１の焦点検出用画素および第２の焦点検出用画素を有する一対の焦点検出用画素と、を有する撮像素子と、
前記絞りの開口が第１の絞り値であるときに前記一対の焦点検出用画素から出力される第１の焦点検出信号と、前記絞りの開口が前記第１の絞り値とは異なる第２の絞り値であるときに前記一対の焦点検出用画素から出力される第２の焦点検出信号と、に基づいて、第３の焦点検出信号を生成する生成手段と、
前記第３の焦点検出信号に基づいて、前記撮影光学系の焦点状態を検出する焦点検出手段と、を有することを特徴とする焦点検出装置。
【請求項２】
前記生成手段は、前記第１の焦点検出信号から、前記第２の焦点検出信号を減算することで前記第３の焦点検出信号を生成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】
前記第１の焦点検出信号および前記第２の焦点検出信号を読み出す際の、前記撮影光学系の口径情報を記憶する口径情報記憶手段と、
前記焦点検出用画素の入射光角度に対する感度分布特性を記憶する感度分布記憶手段と、
前記口径情報および前記感度分布特性をもとに前記第２の焦点検出信号を補正する信号補正手段と、をさらに有し、
前記生成手段は、前記第１の焦点検出信号から、前記信号補正手段により補正された第２の焦点検出信号を減算することで前記第３の焦点検出信号を生成することを特徴とする請求項１または２に記載の焦点検出装置。
【請求項４】
前記第１の焦点検出信号を読み出す際の露光時間と前記第２の焦点検出信号を読み出す際の露光時間は、同じ長さであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の焦点検出装置。
【請求項５】
前記焦点検出用画素の開口形状は、前記第１の絞り値に制御した状態と前記第２の絞り値に制御した状態で、前記焦点検出用画素のマイクロレンズの光軸から所定の範囲の感度分布形状が同じになるように設計され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焦点検出装置。
【請求項６】
前記焦点検出用画素の開口形状は、前記マイクロレンズの光軸に対して、円弧形状であることを特徴とする請求項５に記載の焦点検出装置。
【請求項７】
前記第１の絞り値よりも前記第２の絞り値の方が大きい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焦点検出装置。
【請求項８】
前記第１の絞り値は、開放絞り値であることを特徴とする請求項７に記載の焦点検出装置。
【請求項９】
絞りを含む撮影光学系と、
前記撮影光学系からの光を光電変換して被写体の像を生成する撮像用画素と、前記撮影光学系の射出瞳のうち互いに異なる瞳領域を通過した光束をそれぞれ光電変換する第１の焦点検出用画素および第２の焦点検出用画素を有する一対の焦点検出用画素と、を有する撮像素子と、
前記絞りの開口を第１の絞り値と、前記第１の絞り値とは異なる第２の絞り値に制御する絞り制御手段と、
前記絞りの開口が前記第１の絞り値であるときに前記一対の焦点検出用画素から出力される第１の焦点検出信号と、前記絞りの開口が前記第２の絞り値であるときに前記一対の焦点検出用画素から出力される第２の焦点検出信号と、に基づいて、第３の焦点検出信号を生成する生成手段と、
前記第３の焦点検出信号に基づいて、前記撮影光学系の焦点状態を検出する焦点検出手段と、を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項１０】
絞りを有する撮影光学系からの光を光電変換して被写体の像を生成する撮像用画素と、前記撮影光学系の射出瞳のうち互いに異なる瞳領域を通過した光束をそれぞれ光電変換する第１の焦点検出用画素および第２の焦点検出用画素を有する一対の焦点検出用画素と、を備えた撮像素子を有する焦点検出装置の制御方法であって、
前記絞りの開口が第１の絞り値であるときに前記一対の焦点検出用画素から出力される第１の焦点検出信号と、前記絞りの開口が前記第１の絞り値とは異なる第２の絞り値であるときに前記一対の焦点検出用画素から出力される第２の焦点検出信号と、に基づいて、第３の焦点検出信号を生成する生成ステップと、
前記第３の焦点検出信号に基づいて、前記撮影光学系の焦点状態を検出する焦点検出ステップと、を有することを特徴とする焦点検出装置の制御方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の焦点検出装置の制御方法の手順が記述された、コンピュータで実行可能なプログラム。
【請求項１２】
コンピュータに、請求項１０に記載の焦点検出装置の制御方法のステップを実行させるためのプログラムが記憶されたコンピュータが読み取り可能な記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焦点検出装置およびその制御方法、撮像装置、プログラム、記憶媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
撮像素子を構成する画素群の一部に特定の機能を付与した機能素子を有する撮像素子の一例として、撮像素子に被写体像の位相差検出機能を付与し、専用のＡＦセンサを不要とし、かつ高速の位相差ＡＦを実現するための技術が開示されている。
【０００３】
例えば特許文献１では、撮像素子の一部の受光素子（画素）において、オンチップマイクロレンズの光軸に対して受光部の感度領域を偏心させることで瞳分割機能を付与する技術が開示されている。そしてこれらの画素を焦点検出用画素とし、撮像用画素群の間に所定の間隔で配置することで、位相差式焦点検出を行なうことが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２９２６８６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、上述した特許文献１の撮像装置では、焦点検出用画素から得られる１対の焦点検出信号の位相差が、撮影光学系の仕様により制限されることがある。これについて、図１４を参照して説明する。図１４（ａ）に示すように、１つのマイクロレンズ１４０１に対応して配置された、１対の受光素子１４０２及び１４０３には、射出瞳１４０４のうちのそれぞれ異なる領域１４０５及び１５０６を通過した光束が結像される。なお、ここで、１対の受光素子１４０２及び１４０３をそれぞれＡ像受光素子及びＢ像受光素子と称す。このとき、Ａ像受光素子１４０２及びＢ像受光素子１４０３のそれぞれのマイクロレンズにより屈折されて入射する光束は、所定の入射角の範囲を有する。
【０００６】
入射角における入射光束の強度分布は図１４（ｂ）のようになる。同図では、受光素子に対して入射する光の入射角を、右側からの入射角を横軸の正、左側からの入射角を横軸の負として、それぞれの入射角で入射する光束の強度を縦軸とした図である。図１４（ｂ）には、Ａ像受光素子１４０２への入射光束に対する感度分布は１４１１、Ｂ像受光素子１４０３への入射光束に対する感度分布は１４１２として示されている。感度のピークはそれぞれの入射光束が射出瞳を通過した領域における重心位置となっており、重心位置の間隔を基線長とする。また、Ａ像受光素子及びＢ像受光素子を基線長方向にライン状に配置することで得られるライン信号をそれぞれＡ像及びＢ像とする。焦点検出画素による位相差式焦点検出では、被写体像のぼけ量（デフォーカス量）に応じて変化する、Ａ像、Ｂ像の相対位置ずれ量を演算することで、光学系のデフォーカス量を検出する。デフォーカス量が大きくなるほど、Ａ像、Ｂ像の相対位置ずれ量は大きくなり、デフォーカス量に対するＡ像、Ｂ像の相対位置ずれ量の敏感度は基線長によって制限されることになる。
【０００７】
即ち、１つの撮影光学系において、Ａ像受光素子及びＢ像受光素子の基線長が最大となるのは、絞りが開放状態である場合の射出瞳の半径に応じて決定される。
【０００８】
一方、焦点検出画素群から得られるＡ像、Ｂ像は絞りが開放側に向かうに従ってデフォーカス量に応じてぼけ易くなり、Ａ像、Ｂ像の相対位置ずれ量の演算が困難となる。
【０００９】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、１つの撮影光学系において、デフォーカス量に応じた焦点検出信号のぼけを抑制しつつ、基線長を拡張することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一側面としての焦点検出装置は、絞りを有する撮影光学系からの光を光電変換して被写体の像を生成する撮像用画素と、前記撮影光学系の射出瞳のうち互いに異なる瞳領域を通過した光束をそれぞれ光電変換する第１の焦点検出用画素および第２の焦点検出用画素を有する一対の焦点検出用画素と、を有する撮像素子と、前記絞りの開口が第１の絞り値であるときに前記一対の焦点検出用画素から出力される第１の焦点検出信号と、前記絞りの開口が前記第１の絞り値とは異なる第２の絞り値であるときに前記一対の焦点検出用画素から出力される第２の焦点検出信号と、に基づいて、第３の焦点検出信号を生成する生成手段と、前記第３の焦点検出信号に基づいて、前記撮影光学系の焦点状態を検出する焦点検出手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、１つの撮影光学系において、デフォーカス量に応じた焦点検出信号のぼけを抑制しつつ、基線長を拡張することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明における第１の実施形態の撮像装置の構成図である。
【図２】本発明における第１の実施形態の固体撮像素子のブロック図である。
【図３】本発明における第１の実施形態の撮像素子の撮像用画素の平面図と断面図である。
【図４】本発明における第１の実施形態の撮像素子の焦点検出用画素の平面図と断面図である。
【図５】本発明における第１の実施形態の焦点検出用画素のケラレ、及び焦点検出光束の重心間隔を説明する図である。
【図６】本発明における第１の実施形態の撮像素子の焦点検出用画素の配置領域拡大図である。
【図７】本発明における第１の実施形態の撮像素子の焦点領域の配置図である。
【図８】本発明における第１の実施形態の撮像装置の動作を示すフローチャートである。
【図９】本発明における第１の実施形態の焦点検出の動作を示すフローチャートである。
【図１０】本発明における第１の実施形態の撮影の動作を示すフローチャートである。
【図１１】本発明における第１の実施形態の相関演算説明図である。
【図１２】本発明における第１の実施形態の焦点検出光束の重心間隔を説明する図である。
【図１３】本発明における第１の実施形態の変形例の焦点検出光束の重心間隔を説明する図である。
【図１４】焦点検出用画素における焦点検出光束の概念を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は本発明に係る撮像装置（カメラ）の構成図で、撮像素子を有した撮像装置本体（カメラ本体）と撮影レンズ（撮影光学系）とが一体となった電子カメラ１００を示している。本実施例において、電子カメラ１００は、例えば、デジタルカメラやビデオカメラ等である。なお、ここでは、撮影レンズが一体となった撮像装置を例として挙げたが、本発明は、これに限定されるものではなく、撮影レンズが撮像装置本体に対して交換可能に装着される撮像装置にも適用可能である。同図において、１０１は撮影光学系（結像光学系、撮像光学系）の先端に配置された第１レンズ群で、光軸方向に進退可能に保持される。１０２は絞り兼用シャッタ（以下、単に絞りともいう。）で、その開口径を調節することで撮影時の光量調節を行なうほか、静止画撮影時には露光秒時調節用シャッタとしての機能も備える。１０３は第２レンズ群である。そして絞り兼用シャッタ１０２及び第２レンズ群１０３は一体となって光軸方向に進退し、第１レンズ群１０１の進退動作との連動により、変倍作用（ズーム機能）をなす。
【００１４】
１０５は第３レンズ群（フォーカスレンズ）で、光軸方向の進退により、焦点調節を行なう。１０６は光学的ローパスフィルタで、撮影画像の偽色やモアレを軽減するための光学素子である。１０７はＣ−ＭＯＳセンサとその周辺回路で構成された撮像素子（撮像手段）である。撮像素子１０７は、横方向（水平方向）ｍ画素、縦方向（垂直方向）ｎ画素の受光ピクセル上に、ベイヤー配列の原色カラーモザイクフィルタがオンチップで形成された２次元単板カラーセンサが用いられる。なお、本実施例において、撮像素子１０７は、後述するように撮像用画素と焦点検出用画素とを備えている。
【００１５】
１１１はズームアクチュエータで、不図示のカム筒を回動することで、第１レンズ群１０１ないし第２レンズ群１０３を光軸方向に進退駆動し、変倍操作を行なう。１１２は絞りシャッタアクチュエータで、絞り兼用シャッタ１０２の開口径を制御して撮影光量を調節すると共に、静止画撮影時の露光時間制御を行なう。１１４はフォーカスアクチュエータで、第３レンズ群１０５を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行なう。
【００１６】
１１５は撮影時の被写体照明用電子フラッシュ（照明手段）で、キセノン管を用いた閃光照明装置が好適だが、連続発光するＬＥＤを備えた照明装置を用いても良い。１１６はＡＦ補助光装置（ＡＦ補助光手段）で、所定の開口パターンを有したマスクの像を、投光レンズを介して被写界に投影し、暗い被写体あるいは低コントラスト被写体に対する焦点検出能力を向上させる。
【００１７】
１２１はＣＰＵ（制御手段）で、カメラ１００の種々の制御を司るカメラ内ＣＰＵであり、不図示の演算部、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、通信インターフェイス回路等を有する。また、ＣＰＵ１２１は、後述の撮像素子駆動回路１２４や画像処理回路１２５からの出力に基づいて、一対の像信号の位相差を、相関演算を用いて求める位相差検出方式の焦点検出手段としての機能も有する。このように、ＣＰＵ１２１は、撮影レンズ（撮影光学系）の焦点状態を検出する焦点検出装置の一部として機能する。また、ＲＯＭに記憶された所定のプログラムに基づいて、カメラ１００が有する各種回路を駆動し、ＡＦ、撮影、画像処理及び記録等の一連の動作を実行する。
【００１８】
１２２は電子フラッシュ制御回路で、撮影動作に同期して照明手段１１５を点灯制御する。１２３は補助光駆動回路で、焦点検出動作に同期してＡＦ補助光手段１１６を点灯制御する。１２４は撮像素子駆動回路で、撮像素子１０７の撮像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ＣＰＵ１２１に送信する。１２５は画像処理回路で、撮像素子１０７が取得した画像のγ変換、カラー補間、ＪＰＥＧ圧縮等の処理を行なう。
【００１９】
１２６はフォーカス駆動回路で、焦点検出結果に基づいてフォーカスアクチュエータ１１４を駆動制御し、第３レンズ群１０５を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行なう。１２８は絞りシャッタ駆動回路（絞り制御手段）で、絞りシャッタアクチュエータ１１２を駆動制御して絞り兼用シャッタ１０２の開口を制御する。１２９はズーム駆動回路で、撮影者のズーム操作に応じてズームアクチュエータ１１１を駆動する。
【００２０】
１３１はＬＣＤ等の表示器（表示手段）で、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等を表示する。１３２は操作スイッチ群（操作手段）で、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。１３３は着脱可能なフラッシュメモリ（記憶手段）で、撮影済み画像を記録する。
【００２１】
図２は、撮像素子１０７のブロック図を示している。なお、図２のブロック図は、読み出し動作が説明できる最低限の構成を示しており、画素リセット信号などが省略されている。図２において、２０１は撮像素子１０７の光電変換部を示している。複数の光電変換部２０１は、図２ではＰＤｍｎと略されて記載されている。ここで、ｍは、Ｘ方向アドレスであり、ｍ=０、１・・・ｍ−１である。また、ｎは、Ｙ方向アドレスであり、ｎ=０、１・・・ｎ−１である。各光電変換部ＰＤｍｎは、フォトダイオード（ＰＤ）、画素アンプ、リセット用のスイッチなどで構成されている。また、本発明の撮像素子は、ｍ×ｎの光電変換部が２次元上に配置されている。符号は、煩雑になるので、左上の光電変換部ＰＤ００付近にのみ付記した。
【００２２】
２０２は、光電変換部ＰＤｍｎの出力を選択するスイッチであり、後述する垂直走査回路２０８により、一行ごとに選択される。
【００２３】
２０３は、光電変換部ＰＤｍｎの出力を一時的に記憶するためのラインメモリであり、垂直走査回路２０８により選択された一行分の光電変換部の出力を記憶するものである。ラインメモリ２０３は、通常はコンデンサが使用される。
【００２４】
２０４は、水平出力線に接続されて、水平出力線を所定の電位ＶＨＲＳＴにリセットするためのスイッチであり、信号ＨＲＳＴにより制御される。
【００２５】
２０５は、ラインメモリ２０３に記憶された光電変換部ＰＤｍｎの出力を水平出力線に順次出力するためのスイッチであり、Ｈ０からＨｍ−１のスイッチを後述の水平走査回路２０６により、順次走査することにより、一行分の光電変換の出力が読み出される。
【００２６】
２０６は、水平走査回路であり、ラインメモリ２０３に記憶された光電変換部の出力を順次操作して、水平出力線に出力させる。水平出力線に出力された信号は、出力アンプ２０７を介して信号ＶＯＵＴとして出力される。信号ＰＨＳＴは、水平走査回路２０６のデータ入力、ＰＨ１、ＰＨ２は、シフトクロック入力であり、ＰＨ１＝Ｈでデータがセットされ、ＰＨ２でデータがラッチされる構成となっている。ＰＨ１、ＰＨ２にシフトクロックを入力することにより、ＰＨＳＴを順次シフトさせて、Ｈ０からＨｍ−１のスイッチを順次オンさせることができる。ＳＫＩＰは、間引き読み出し時に設定を行なわせる制御端子入力である。ＳＫＩＰ端子をＨレベルに設定することにより、水平走査回路を所定間隔でスキップさせることが可能になる。
【００２７】
２０８は、垂直走査回路であり、順次走査して、Ｖ０からＶｎ−１を出力することにより、光電変換部ＰＤｍｎの選択スイッチ２０２を選択することができる。制御信号は、水平走査回路と同様に、データ入力ＰＶＳＴ、シフトクロックＰＶ１、ＰＶ２、間引き読み設定ＳＫＩＰにより制御される。動作に関しては、水平走査回路と同様であるので詳細説明は省略する。また、図中では、前記の制御信号は、不図示とした。
【００２８】
図３、図４、及び図５は、本実施例の撮像素子１０７に備えられた撮像用画素と焦点検出用画素の構造を説明する図である。本実施例においては、２×２の４画素のうち、対角２画素にＧ（緑色）の分光感度を有する画素を配置し、他の２画素にＲ（赤色）とＢ（青色）の分光感度を有する画素を各１個配置した、ベイヤー配列が採用されている。そして、該ベイヤー配列の間に、後述する構造の焦点検出用画素が所定の規則にて分散配置される。
【００２９】
図３に撮像用画素の配置と構造を示す。同図（ａ）は２×２の撮像用画素の平面図である。周知のごとく、ベイヤー配列では対角方向にＧ画素が、他の２画素にＲとＢの画素が配置される。そして該２行×２列の構造が繰り返し配置される。
【００３０】
同図（ａ）の断面Ａ−Ａを同図（ｂ）に示す。ＭＬは各画素の最前面に配置されたオンチップマイクロレンズ、ＣＦＲはＲ（Ｒｅｄ）のカラーフィルタ、ＣＦＧはＧ（Ｇｒｅｅｎ）のカラーフィルタである。ＰＤはＣ−ＭＯＳセンサの光電変換部を模式的に示したもの、ＣＬはＣ−ＭＯＳセンサ内の各種信号を伝達する信号線を形成するための配線層である。ＴＬは撮影光学系を模式的に示したものである。ＥＰは撮影光学系ＴＬの射出瞳を示したものである。
【００３１】
ここで、撮像用画素のマイクロレンズＭＬと光電変換部ＰＤは、撮影光学系ＴＬを通過した光束を可能な限り有効に取り込むように構成されている。換言すると、撮影光学系ＴＬの射出瞳ＥＰと光電変換部ＰＤは、マイクロレンズＭＬにより共役関係にあり、かつ光電変換部の有効面積は大面積に設計される。また、同図（ｂ）ではＲ画素の入射光束について説明したが、Ｇ画素及びＢ（Ｂｌｕｅ）画素も同一の構造となっている。従って、撮像用のＲＧＢ各画素に対応した射出瞳ＥＰは大径となり、被写体からの光束を効率よく取り込んで画像信号のＳ／Ｎを向上させている。
【００３２】
図４は、撮影光学系の水平方向（横方向）に瞳分割を行なうための焦点検出用画素の配置と構造を示す。ここで水平方向あるいは横方向の定義は、撮影光学系の光軸が水平となるようにカメラを構えたとき、該光軸に直交し、かつ水平方向に伸びる直線に沿った方向を指す。同図（ａ）は、焦点検出用画素を含む２行×２列の画素の平面図である。記録もしくは観賞のための画像信号を得る場合、Ｇ画素で輝度情報の主成分を取得する。人間の画像認識特性は輝度情報に敏感であるため、Ｇ画素が欠損すると画質劣化が認知されやすい。一方でＲもしくはＢ画素は、色情報（色差情報）を取得する画素であるが、人間の視覚特性は色情報には鈍感であるため、色情報を取得する画素は多少の欠損が生じても画質劣化は認識され難い。そこで本実施例においては、２行×２列の画素のうち、Ｇ画素は撮像用画素として残し、ＲとＢの画素を焦点検出用画素に置き換える。この焦点検出用画素を同図（ａ）においてＳＨＡ（第１の焦点検出用画素）及びＳＨＢ（第２の焦点検出用画素）で示す。また、このＳＨＡ（第１の焦点検出用画素）及びＳＨＢ（第２の焦点検出用画素）を一対の焦点検出用画素と称す。なお、図示しないが、本実施例は、撮影光学系の垂直方向（縦方向）にも瞳分割を行なうための焦点検出用画素を備えるようにしてもよい。ここで垂直方向あるいは縦方向の定義は、撮影光学系の光軸と撮像領域の長辺とが地面に平行となるように撮像装置を構えたとき、この光軸に直交し、鉛直方向に伸びる直線に沿った方向を指す。
【００３３】
同図（ａ）における断面Ａ−Ａを同図（ｂ）に示す。マイクロレンズＭＬと、光電変換部ＰＤは図３（ｂ）に示した撮像用画素と同一構造である。本実施例においては、焦点検出用画素の信号は画像創生には用いないため、色分離用カラーフィルタの代わりに透明膜ＣＦＷ（Ｗｈｉｔｅ）が配置される。また、撮像素子で瞳分割を行なうため、配線層ＣＬの開口部はマイクロレンズＭＬの中心線に対して一方向に偏倚している。具体的には、画素ＳＨＡの開口部ＯＰＨＡは右側に偏倚しているため、撮影光学系ＴＬの左側の射出瞳ＥＰＨＡを通過した光束を受光する。同様に、画素ＳＨＢの開口部ＯＰＨＢは左側に偏倚しているため、撮影光学系ＴＬの右側の射出瞳ＥＰＨＢを通過した光束を受光する。このように、画素ＳＨＡおよび画素ＳＨＢは、撮影光学系の射出瞳のうち互いに異なる瞳領域を通過した光束をそれぞれ受光（光電変換）する。画素ＳＨＡを水平方向に規則的に配列し、これらの画素群で取得した被写体像をＡ像とする。また、画素ＳＨＢも水平方向に規則的に配列し、これらの画素群で取得した被写体像をＢ像とすると、Ａ像とＢ像の相対位置を検出し、像のズレ量に対して変換係数を乗じることで被写体像のピントずれ量（デフォーカス量）を算出できる。
【００３４】
ここで、像ズレ量からデフォーカス量を算出するための変換係数の求め方について説明する。変換係数は撮影光学系の口径情報、及び焦点検出用画素の感度分布に基づいて算出することができる。撮像素子１０７には撮影レンズＴＬのレンズ保持枠や絞り兼用シャッタ１０２などのいくつかの構成部材によって制限された光束が入射する。図５は撮影光学系のケラレにより、焦点検出に用いる光束が限定されている様子を示す図である。同図はイメージセンサ（撮像素子）の中央近傍の画素に対して、射出瞳面５０１の位置にある撮影光学系の絞り兼用シャッタ５０２によって光束が限定されている様子を示している。同図（ａ）において、５０３、５０４はイメージセンサ（５０３は予定結像面位置にある状態を示す）、５０５は光軸、５０６はイメージセンサ上での光軸位置を示している。また、５０７、５０８は絞り兼用シャッタ５０２によって光束が限定された場合（絞りが絞られている状態）の光束、５０９、５１０は光束が限定されていない場合（絞り開放状態）の光束を示している。光束５０７、５０８に対する焦点検出用光束を５１１、５１２、焦点検出用光束の重心位置を５１５、５１６で示す。同様に、光束５０９、５１０に対する焦点検出用光束を５１３、５１４、焦点検出用光束の重心位置を５１７、５１８で示す。
【００３５】
同図（ｂ）はイメージセンサの中央の焦点検出用画素の射出瞳面５０１でのケラレによる重心位置の変化を示した図である。同図において、５２３、５２４はイメージセンサの中央の画素に対して、絞り状態の光束５０７、５０８、及び絞り開放状態の光束５０９、５１０の瞳領域を示し、５２５、５２６は焦点検出用画素ＳＨＡ、ＳＨＢの感度分布を示している。焦点検出用画素ＳＨＡ、ＳＨＢには、５２５、５２６で図示した感度分布に対して、５２３、５２４で示した形状の内側を透過した光束が入射する。そのため、５２３、５２４で示した形状の内側を透過した焦点検出用光束の分布重心をそれぞれ求めることで、焦点検出に用いる光束が絞られている状態と、絞り開放状態の重心間隔からそれぞれの基線長を求めることができる。
【００３６】
焦点検出用画素の感度分布情報、及び撮影光学系の口径情報を測定及び計算から求めて不図示のメモリ（口径情報記憶手段、感度分布記憶手段）等に記憶しておくことで、像ズレ量からデフォーカス量を算出するための変換係数を求めることができる。
【００３７】
同図（ａ）においてデフォーカス量５１９をＤＥＦ、イメージセンサ５０３から射出瞳面５０１までの距離５２０をＬとする。また、焦点検出に用いる光束が絞られている状態と、絞り開放状態の基線長をそれぞれＧ２（５１５，５１６間距離）、Ｇ１（５１７、５１８間距離）とする。また、像ずれ量をＰＲＥＤ２（５２１）、ＰＲＥＤ１（５２２）、像ずれ量をデフォーカス量に変換する変換係数をＫ２、Ｋ１とした場合、以下の式によってデフォーカス量が求まる。
【００３８】
ＤＥＦ ＝Ｋ１×ＰＲＥＤ１ ＝ Ｋ２×ＰＲＥＤ２
像ずれ量をデフォーカス量に変換する変換係数Ｋ１、Ｋ２はそれぞれ以下の式によって求まる。
【００３９】
Ｋ１ ＝Ｇ１／Ｌ
Ｋ２ ＝Ｇ２／Ｌ
同図（ｂ）における感度分布の断面Ａ−Ａを同図（ｃ）に示す。同図（ｃ）において、（ｃ）−１は絞り開放、（ｃ）−２は絞りが絞られている状態の感度分布（５３３、５３４）を示す図である。同図において、横軸は光入射角度、縦軸は感度分布を示す図となる。両図を比較すると、絞り開放状態のほうが基線長が長い、また感度を持つ入射角度幅が広くなることが分かる。基線長と、デフォーカスに対するＡ像、Ｂ像の像ズレ量は比例関係にあるため、基線長が長くなるとデフォーカスに対する像ズレ量の敏感度が高くなる。また、感度を持つ入射角度幅が大きくなると、デフォーカスに対するＡ像、Ｂ像のボケ量、像ケラレが大きくなる。一般的に、焦点検出用画素による像信号としては、デフォーカスに対して、像ずれ量の敏感度が高く、ボケ量、像ケラレが小さい像信号が望まれる。換言すれば、ＡＦを高精度に行なうためには、ボケが小さく被写体のエッジが立っていること、基線長（像ずれ量）が大きいことが望まれる。
【００４０】
ここで、本発明に特徴的な、１つの撮影光学系において、デフォーカス量に応じた焦点検出信号のボケ量を抑制しつつ、基線長を拡張する方法の概念について図５（ｃ）を用いて説明する。
【００４１】
本発明では、同図（ｃ）−１、（ｃ）−２のように、絞り状態を異ならせて得られた焦点検出信号の画素値を減算することにより、図（ｃ）−３のような、領域５３１及び領域５３２を通過した光束により結像された光学像に相当する焦点検出信号を取得する。即ち、当該減算により光束の入射角に対する感度分布は５３５のようになり、レンズ外周からの光に対して相対的に感度が高くなるため、射出瞳における光束の通過領域の重心間距離（基線長）を、絞り開放状態における重心間隔距離より拡張することができる。また、感度分布の入射角度幅を小さくすることができるため、デフォーカスに対する、焦点検出像のボケ量を小さくすることができる。これにより、撮像面位相差ＡＦの精度を改善することができる。
【００４２】
なお、絞り径と射出瞳の径が一致する撮影光学系の場合、図５（ａ）〜（ｃ）のように、焦点検出用画素の受光領域に到達する光束が、射出瞳において通過する領域の重心間距離（基線長）Ｇ１、Ｇ２、及びＧ３は、概略以下のようになる。
【００４３】
Ｇ１ ＝Ｄ１／２
Ｇ２ ＝Ｄ２／２
Ｇ３ ＝Ｇ１＋Ｇ２
ここで、Ｄ１は開放絞り時の絞り径、Ｄ２は絞り状態における絞り径である。
【００４４】
さらに、像ずれ量をデフォーカス量に変換する変換係数は、以下の式によって求まる。
【００４５】
Ｋ３ ＝Ｇ３／Ｌ
また、図５の場合における焦点検出用画素の出力Ｐｂは、撮影光学系の光学性能や、撮像部のマイクロレンズ及び受光素子の配置に起因する集光性能により変化するが、絞り開放状態における出力Ｐａを基準として、
Ｐａ ×（Ｄ２／Ｄ１） ≦ Ｐｂ ≦ Ｐａ × （Ｄ２／Ｄ１）２
の範囲に含まれる。またこの場合、減算した画像データにおける出力Ｐｃは、
Ｐｃ ＝Ｐａ − Ｐｂ
となる。
【００４６】
図６は、撮像用画素群および焦点検出用画素群の配置を示した図である。同図において、Ｇは、緑フィルターを塗布された画素、Ｒは、赤フィルターを塗布された画素、Ｂは、青フィルターを塗布された画素である。図中のＳＨＡは、画素部の開口を水平方向に偏倚させて、形成された焦点検出用の画素であり、後述のＳＨＢ画素群との水平方向の像ずれ量を検出するための基準画素群である。また、ＳＨＢは、画素の開口部をＳＨＡ画素とは、逆方向に偏倚させて形成された画素であり、ＳＨＡ画素群との水平方向の像ずれ量を検出するための参照画素群である。ＳＨＡ、ＳＨＢ画素の白抜き部分が、偏倚した画素の開口位置を示している。
【００４７】
図７は、撮像画面上の焦点検出領域を示した一例である。同図において、焦点検出領域では図６に示した画素の配置となっている。本実施例では、焦点検出領域を撮像画面上の中央に設定しているが、焦点検出領域を複数領域配置し、それぞれの領域で結像された被写体像から焦点検出画素で像をサンプリングするようにしてもよい。
【００４８】
図８〜図１０は、カメラの焦点調節及び撮影工程を説明するためのフローチャートである。先に説明した各図も参照しながら、図７以降の制御フローを説明する。なお、このフローにおける各工程は、ＣＰＵ１２１により構成されるコンピュータがコンピュータプログラムに従って実行する。
【００４９】
図８は、本実施例におけるカメラの動作を示すフローチャートである。
【００５０】
ステップＳ８０１で撮影者がカメラの電源スイッチをオン操作すると、ステップＳ８０２においてＣＰＵ１２１はカメラ内の各アクチュエータや撮像素子の動作確認を行ない、メモリ内容や実行プログラムの初期化を行なうと共に、撮影準備動作を実行する。ステップＳ８０３では撮像素子の撮像動作を開始し、プレビュー用の低画素動画像を出力する。ステップＳ８０４では読み出した動画をカメラ背面に設けられた表示器１３１に表示し、撮影者はこのプレビュー画像を目視して撮影時の構図決定を行なう。
【００５１】
ステップＳ８０５で画像領域の中から焦点検出領域を決定する。本実施例においては、図７に示すように、測距点を中央のみに配置しているため、中央領域が選択される。その後、ステップＳ９０１に進み、焦点検出サブルーチンを実行する。
【００５２】
図９は焦点検出サブルーチンのフロー図である。メインフローのステップＳ９０１から当サブルーチンにジャンプする。サブルーチンにジャンプすると、ステップＳ９０２、Ｓ９０３で２種類の異なる絞り値でそれぞれ焦点検出画素信号を読み出す。
【００５３】
ステップＳ９０２で、ＣＰＵ１２１は、絞り値を例えばＦ２．０等の開側の値（第１の絞り値）に設定して焦点検出画素信号を読み出し、得られた絞り開側データをＲＡＭ（焦点検出用画素記憶手段）に格納する。続くＳ９０３で、ＣＰＵ１２１は、絞り値を例えばＦ８．０等の閉側の値（第１の絞り値とは異なる第２の絞り値）に設定して焦点検出画素信号を読み出し、得られた絞り閉側データをＲＡＭに格納する。ここで、第１の絞り値における開口の大きさは、第２の絞り値における開口の大きさより大きい。本実施例では、第１の絞り値を開放絞り値から１段絞った絞り値に設定し、第２の絞り値を第１の絞り値よりも大きい絞り値（例えば第１の絞り値から４段絞った絞り値）に設定している。なお、本実施例では、第１の絞り値を開放絞り値から１段絞った絞り値としたがこれに限定されず、第１の絞り値を開放絞り値としてもよい。このように、第１の絞り値を開放絞り値近傍の値に設定する。また、絞り開側焦点検出画素信号から、適切に絞り閉側の光束成分を除去するために、絞り閉側の焦点検出画素信号を読み出す際には、絞り開側読出し時の露出に対して、同じ露光時間で読み出す。また、表示器１３１に常時映し出されるプレビュー画像の露出変化をなくすため絞り閉側読出し時には、絞り開側読み出し時の露出と同一となるようにゲイン制御したプレビュー画像を表示する。
【００５４】
ステップＳ９０４で、ＣＰＵ１２１（生成手段および焦点検出手段）は、絞り開側の焦点検出信号（第１の焦点検出信号）から、絞り閉側の焦点検出信号（第２の焦点検出信号）の減算を実行する。
【００５５】
ステップＳ９０５では減算して得られた焦点検出信号（減算焦点検出信号、第３の焦点検出信号）の相関演算を行ない、２像の相対的な位置ずれ量（像ずれ量）を計算する。焦点検出画素列から読み出された一対の像信号（ａ１〜ａｎ、ｂ１〜ｂｎ：ｎはデータ数）に対して、以下の式に示す相関演算を行ない、相関量Ｃｏｒｒ（ｌ）を演算する。
【００５６】
【数１】
2015099218.tif 000003
【００５７】
同式において、ｌは像ずらし量を表し、像をずらした際のデータ数はｎ−ｌに限定される。また、像ずらし量ｌは整数であり、データ列のデータ間隔を単位とした相対的なシフト量である。同式の演算結果は、図１１に示すように、一対のデータの相関が最も高い場合に、相関量Ｃｏｒｒ（ｌ）が極小となる。さらに、相関量Ｃｏｒｒ（ｍ）（極小となるシフト量ｍ）、及びｍに近いシフト量で算出された相関量を用いて、３点内挿の手法を用いて、連続的な相関量に対する極小値Ｃｏｒｒ（ｄ）を与えるシフト量ｄを求める。
【００５８】
ステップＳ９０６では、相関演算結果の信頼性を演算する。ここで信頼性とは、２像の一致度ＦＬＶＬを指す。２像の一致度ＦＬＶＬは同式で算出した相関量Ｃｏｒｒ（ｌ）に対して、相関性の最も高いときの値Ｃｏｒｒ（ｄ）とする。デフォーカス量が大きいとき、Ａ像、Ｂ像の非対称性が大きくなるため、２像の一致度ＦＬＶＬが大きく、信頼性が悪化する。一般的にデフォーカス量に対する２像の一致度ＦＬＶＬは、レンズの位置が合焦位置に近いほど、２像の一致度ＦＬＶＬは低く演算され、信頼性が高い傾向となる。
【００５９】
続くステップＳ９０７、９０８では、Ｓ９０５で演算された像ずれ量に対して、所定のデフォーカス変換係数を乗ずることでデフォーカス量ＤＥＦを演算する。ステップＳ９０７では、予め記憶されている焦点検出用画素の感度分布情報、及び撮影光学系の口径情報から、絞り開側、閉側の２種類の絞り状態の情報を参照することで、上述したデフォーカス変換係数Ｋ３を演算する。ステップＳ９０８では、デフォーカス変換係数Ｋ３、及びＳ９０５で算出した像ずれ量を用いて検出デフォーカス量ＤＥＦを得る。
【００６０】
ステップＳ９０９では、測距点内の全測距ラインに対して、検出デフォーカス量までの演算が終了したか否かの判断を行なう。終了していない場合、ステップＳ９０２に戻り、順にステップＳ９０４から演算を実行する。
【００６１】
測距点内の全測距ラインに対してデフォーカス演算が終了している場合、続くステップＳ９１０に進み、測距領域内にある複数の焦点検出ラインの中から、信頼性の高い（ＦＬＶＬの小さい）情報を優先的に使用する処理を施し、最終的な測距結果を決定する。
【００６２】
続くステップＳ９１１で図８のメインフロー内のステップＳ８０７にリターンする。
【００６３】
図８のステップＳ８０７では、検出デフォーカス量が許容値以下か否かを判断する（すなわち、合焦か否かを判断する）。そして、検出デフォーカス量が許容値より大きい場合は、非合焦と判断し、ステップＳ８０８でフォーカスレンズを駆動し、その後ステップＳ９０１ないしステップＳ８０７を繰り返し実行する。そしてステップＳ８０７にて合焦状態に達した（すなわち、検出デフォーカス量が許容値以下である）と判定されると、ステップＳ８０９にて合焦表示を行ない、ステップＳ８１０に移行する。
【００６４】
ステップＳ８１０では、撮影開始スイッチがオン操作されたか否かを判別し、オン操作されていなければステップＳ８１０にて撮影待機状態を維持する。ステップＳ８１０で撮影開始スイッチがオン操作されるとステップＳ１００１に移行し、撮影サブルーチンを実行する。
【００６５】
図１０は撮影サブルーチンのフロー図である。撮影開始スイッチが操作されると、ステップＳ１００１を経由して、ステップＳ１００２では光量調節絞りを駆動し、露光時間を規定するメカニカルシャッタの開口制御を行なう。ステップＳ１００３では、高画素静止画撮影のための画像読み出し、すなわち全画素の読み出しを行なう。ステップＳ１００４では読み出した画像信号の欠損画素補間を行なう。すなわち、焦点検出用画素の出力は撮像のためのＲＧＢカラー情報を有しておらず、画像を得る上では欠陥画素に相当するため、周囲の撮像用画素の情報から補間により画像信号を創生する。
【００６６】
ステップＳ１００５では、画像のγ補正、エッジ強調等の画像処理をおこない、ステップＳ１００６において、フラッシュメモリ１３３に撮影画像（画像信号）を記録する。ステップＳ１００７では、表示器１３１に撮影済み画像を表示し、ステップＳ１００８で図８のメインフローにリターンする。
【００６７】
図８のメインフローに戻ると、ステップＳ８１２にて一連の撮影動作を終了する。
【００６８】
以上説明した実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
《第１の実施形態の変形例》
第１の実施形態では、２種類の絞り状態によりそれぞれ読み出された焦点検出画素信号に対して、そのまま減算を行なうことで、相関演算を行なう焦点検出信号を生成している。
【００６９】
図１２は、図５（ｂ）において、２種類の絞り状態の減算を行なった際の、感度分布を示した図である。同図より、第１の実施形態のように、２種類の絞り状態で得られた焦点検出画素信号の減算を実施した場合、１２０１、１２０２の感度領域水平方向の角度が０度近傍、かつ垂直方向に入射角度のついた感度領域で感度をもつ。そのため、理想的な瞳分離を行なうことが困難である。ここで、同図の１２０３は焦点検出用画素の受光可能領域を示す。
【００７０】
上記理想的な瞳分離を行なうための第一の変形例として、２種類の絞り状態によりそれぞれ読み出された焦点検出画素信号に対して減算を行なう際に、絞り閉側の焦点検出信号に対してゲイン補正を施す。つまり、本変形例においてＣＰＵ１２１は、絞り閉側の焦点検出信号を補正する信号補正手段としての機能を有する。より具体的には、焦点検出用画素を読み出す際の撮影光学系の口径情報、および焦点検出用画素の入射光角度に対する感度分布特性を基に、絞り閉側の焦点検出信号に対して（ゲイン）補正を施す。そして、絞り開側の焦点検出信号（第１の焦点検出信号）からゲイン補正後の絞り閉側の焦点検出信号（ゲイン補正後の第２の焦点検出信号）を減算することで、減算焦点検出信号（第３の焦点検出信号）を得る。図１２の１２０３の感度領域に対応した量のゲイン補正値を設定することで、上述した瞳分離性能を向上することができる。
【００７１】
上記理想的な瞳分離を行なうための第二の変形例として、焦点検出用画素の受光可能領域を限定させることが考えられる。図１２において、一対の焦点検出用画素の受光可能領域は単位画素において、基線長方向に２分割した形状としている。図１３は、左右２分割した受光可能領域を設ける際に、受光可能領域の境界をマイクロレンズの光軸に対して単位画素の対角方向に設けた形状（１３０１）としている。より具体的には、焦点検出用画素の開口形状をマイクロレンズの光軸に対して、円弧形状となるように構成する。このように、第１の絞り値に制御した状態と第２の絞り値に制御した状態で、焦点検出用画素のマイクロレンズの光軸付近の感度分布形状が同等となるように焦点検出用画素の開口形状を設計する。換言すれば、該マイクロレンズの光軸から所定の範囲の感度分布形状が同じになるように焦点検出用画素の開口形状を設計する。ただし、ここにいう形状が同じとは、完全に一致する場合だけでなく、製造誤差の範囲でわずかな差を有するが一致しているとみなすことができる場合も含む。同図の形状とすることで、図１２の感度領域１２０２のような、瞳分離性能を悪化させる要因を排除することが可能となる。
【００７２】
以上、第一、及び第二の変形例を実施することで、瞳分離性能をさらに向上することが可能である。
【００７３】
本発明によれば、撮像用画素群と焦点検出用画素群とを含む撮像素子において、焦点検出信号の基線長を拡張しつつ、像のぼけを抑制することができる。
（他の実施形態）
本発明の目的は以下のようにしても達成できる。すなわち、前述した実施形態の機能を実現するための手順が記述されたソフトウェアのプログラムコードを記録した記憶媒体を、装置（例えば、撮像装置）に供給する。そしてその装置のコンピュータ（またはＣＰＵ、ＭＰＵ等）が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出して実行するのである。
【００７４】
この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が本発明の新規な機能を実現することになり、そのプログラムコードを記憶した記憶媒体およびプログラムは本発明を構成することになる。
【００７５】
また、プログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスクなどが挙げられる。また、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−ＲＷ、ＤＶＤ−Ｒ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭ等も用いることができる。
【００７６】
また、コンピュータが読み出したプログラムコードを実行可能とすることにより、前述した実施形態の機能が実現される。さらに、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているＯＳ（オペレーティングシステム）等が実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって前述した実施形態の機能が実現される場合も含まれる。
【００７７】
更に、以下の場合も含まれる。まず記憶媒体から読み出されたプログラムコードが、コンピュータに挿入された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書き込まれる。その後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵ等が実際の処理の一部または全部を行う。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明は、コンパクトデジタルカメラ、一眼レフカメラ、ビデオカメラなどのカメラシステムに好適に利用できる。
【符号の説明】
【００７９】
１０２        絞り兼用シャッタ
１０７        撮像素子
１２１        ＣＰＵ
【図１】
2015099218.tif 000004
【図２】
2015099218.tif 000005
【図３】
2015099218.tif 000006
【図４】
2015099218.tif 000007
【図５】
2015099218.tif 000008
【図６】
2015099218.tif 000009
【図７】
2015099218.tif 000010
【図８】
2015099218.tif 000011
【図９】
2015099218.tif 000012
【図１０】
2015099218.tif 000013
【図１１】
2015099218.tif 000014
【図１２】
2015099218.tif 000015
【図１３】
2015099218.tif 000016
【図１４】
2015099218.tif 000017