(57)【要約】【課題】  デジタルカメラ等の光学機器の焦点検出精度の向上と記憶容量の削減を図る。【解決手段】  撮影レンズの予定結像面に配置される撮像ユニットと該撮像ユニットを構成する複数の光電変換部から出力される像信号に基づいて撮影レンズの焦点状態を算出する演算手段からなる焦点検出装置とを具備した光学機器において、撮像ユニットは複数の焦点検出領域に区分され、該焦点検出領域の略中央に位置する光電変換部の受光強度分布を記憶する記憶手段を有する。【選択図】  図１
2005148091.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮影レンズの予定結像面に配置される撮像ユニットと該撮像ユニットを構成する複数の光電変換部から出力される像信号に基づいて撮影レンズの焦点状態を算出する演算手段からなる焦点検出装置とを具備した光学機器において、
前記撮像ユニットは複数の焦点検出領域に区分され、該焦点検出領域の略中央に位置する光電変換部の受光強度分布を記憶する記憶手段を有することを特徴とする光学機器。
【請求項２】
前記演算手段は、前記記憶手段に記憶された光電変換部の受光強度分布と撮影レンズの射出窓情報に基づいて、該光電変換部に入射する光束の受光量を算出することを特徴とする請求項１に記載の光学機器。
【請求項３】
前記演算手段は、前記記憶手段に記憶された光電変換部の受光強度分布と撮影レンズの射出窓情報に基づいて、該光電変換部に入射する光束の重心を算出することを特徴とする請求項１及び２に記載の光学機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮影レンズの瞳の異なる位置を透過する光束を光電変換素子列で受光して、該光電変換素子列にて光電変換された信号に基づいて瞳分割方式の焦点検出を行う焦点検出装置を具備した光学機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
撮影レンズの焦点状態を検出する方式の一つとして、センサの各画素にマイクロレンズが形成された２次元のセンサを用いて瞳分割方式の焦点検出を行う装置がある（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
また、本出願人はデジタルスチルカメラに用いられるＣＭＯＳイメージセンサ（撮像装置）を用いて瞳分割方式の焦点検出を行う装置がある（例えば、特許文献３参照）。
【０００４】
図１８は同公報で提案しているイメージセンサを用いて瞳分割方式の焦点検出を行う方法の原理説明図、図１９はイメージセンサの１画素の断面図である。
イメージセンサ１０は撮影レンズ５（５ａ及び５ｂ）の予定結像面に配置されている。また、イメージセンサ１０の１画素は２つの光電変換部１０１α、１０１βとから構成されており、各光電変換部の撮影レンズ側に形成されたマイクロレンズ１３０によって光電変換部１０１α、１０１βは撮影レンズ５の絞り５３近傍の瞳と略結像関係になるように設定されている。
【０００５】
撮影レンズ５の光軸近傍の画素では、マイクロレンズ１３０は２つの光電変換部１０１α、１０１βの中央に配置され、撮影レンズ５の光軸から離れた画素では、マイクロレンズ１３０は２つの光電変換部１０１α、１０１βに対して偏心した位置に配置され、２つの光電変換部１０１α、１０１βが撮影レンズ５の全瞳領域の光束を受光するようになっている。
【０００６】
図１８において、光電変換部１０１αは撮影レンズ５の瞳の図中上方を透過する光束Ｌαを受光し、光電変換部１０１βは撮影レンズ５の瞳の図中下方を透過する光束Ｌβを受光する。焦点検出時は、光電変換部１０１α及び光電変換部１０１βの光電荷を転送ゲート１２０α及び１２０βを介して異なるタイミングでフローティングディフュージョン部１２１に個別に出力し、イメージセンサ１０の外部に読み出す。さらに複数の画素の各光電変換部からの出力より撮影レンズの異なる瞳位置を透過した光束による像が生成される。
【０００７】
図２０は、撮影レンズ５の光軸近傍の画素の２つの光電変換部１０１α、１０１βの受光強度分布Ｍα、Ｍβを示したものである。ここでいう受光強度分布とは、所定の１画素の光電変換部が所定の画角（あるいは所定の位置）から入射する光を受光可能な光強度の分布を表している。
【０００８】
図２０（ａ）は、撮影レンズ５の瞳近傍のＸ−Ｙ平面内での受光強度分布を示し、図２０（ｂ）は、図２０（ａ）の受光強度分布のうち撮影レンズ光軸（Ｚ軸）とＸ軸を含む面での受光強度分布を示したものである。図中５３は撮影レンズ５の絞りを示している。同図から明らかなように、２つの光電変換部１０１α、１０１βは撮影レンズ５の瞳をほぼ２分割する領域を受光するように構成されている。
【０００９】
そのため、撮影レンズの異なる瞳位置を透過した光束より生成される像の強度はほぼ同一となる。撮影レンズの異なる瞳位置を透過した光束より生成される像の相関演算を行って焦点検出を行う方法は公知の技術である（例えば、特許文献４参照）。
【００１０】
一方通常撮影時は、光電変換部１０１αと光電変換部１０１βの光電荷は転送ゲート１２０α及び１２０βを同時にＯＮすることにより、同じタイミングでフローティングディフュージョン部１２１へ出力をされ、画素内で加算して出力するように構成されている。
【特許文献１】特開昭５５−１１１９２８号公報
【特許文献２】特開昭５８−２４１０５号公報
【特許文献３】特開２００１−１２４９８４号公報
【特許文献４】特開平５−１２７０７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、イメージセンサ１０の１画素に配設されるマイクロレンズ１３０の２つの光電変換部１０１α、１０１βに対する偏心量は、製造上の精度の問題で予め決められた値からずれてしまうことがある。マイクロレンズ１３０の２つの光電変換部１０１α、１０１βに対する偏心量が予め決められた値からずれていると、光電変換部１０１α、１０１βのマイクロレンズ１３０による撮影レンズ５の絞り５３近傍の瞳への投影位置が所定の位置からずれてしまう。
【００１２】
図２１は、マイクロレンズ１３０の２つの光電変換部１０１α、１０１βに対する偏心量が予め決められた値からずれていた場合の２つの光電変換部１０１α、１０１βの受光強度分布Ｍα、Ｍβに示している。図２１（ａ）は、撮影レンズ５の瞳近傍のＸ−Ｙ平面内での受光強度分布を示し、図２１（ｂ）は、図２１（ａ）の受光強度分布のうち撮影レンズ光軸（Ｚ軸）とＸ軸を含む面での受光強度分布を示したものである。同図に示すように、２つの光電変換部１０１α、１０１βは撮影レンズの瞳中心からずれた受光強度分布を有し、撮影レンズの絞り５３の開口に対して偏りが生じるため、２つの光電変換部１０１α、１０１βにて生成される２つの焦点検出像の強度に差が生じてしまう。
【００１３】
図２２は、マイクロレンズ１３０の２つの光電変換部１０１α、１０１βに対する偏心量が予め決められた値からずれていた場合に、２つの光電変換部１０１α、１０１βにて生成される焦点検出像を示している。同図に示すように２つの焦点検出像のレベル差が生じると、相関演算を行うことによって２つの像の像ずれ量を求めると、２つの一致度が小さいために演算結果に誤差が生じて、精度の高い焦点検出ができないという欠点があった。
【００１４】
また、イメージセンサ１０の１画素に配設されるマイクロレンズ１３０の２つの光電変換部１０１α、１０１βに対する偏心量が予め決められた値からずれていた場合、撮影レンズ５の瞳５３近傍での２つの光電変換部１０１α、１０１βが受光する焦点検出光束Ｌα及びＬβの重心位置がずれてしまう。その結果、撮影レンズの瞳の異なる位置を透過した光束による焦点検出像の像ずれ敏感度（デフォーカス量に伴う１組の焦点検出像の像ずれ量の変化の度合い）が変わってしまい、精度の高い焦点検出ができないという欠点があった。
【００１５】
さらに、イメージセンサの各画素の受光強度分布を記憶して、マイクロレンズ１３０の２つの光電変換部１０１α、１０１βに対する偏心誤差の影響を補正しようとすると、数百万画素の受光強度分布を記憶しなければならず、焦点検出装置を具備する光学機器は膨大な記憶容量を必要としてしまうという欠点があった。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明によれば、撮影レンズの予定結像面に配置される撮像装置と該撮像装置を構成する複数の光電変換部から出力される像信号に基づいて撮影レンズの焦点状態を算出する演算手段からなる焦点検出装置とを具備した光学機器において、前記撮像装置は複数の焦点検出領域に区分され、該焦点検出領域の略中央に位置する光電変換部の受光強度分布を記憶する記憶手段を有し、焦点検出領域を構成する複数の光電変換部の受光強度分布を焦点検出領域の略中央に位置する光電変換部の受光強度分布にて代表させることにより、前記光学機器の記憶手段の記憶容量の最小化を図っていることを特徴とする。
【００１７】
また、焦点検出装置を構成する演算手段は、記憶手段に記憶された光電変換部の受光強度分布と撮影レンズの射出窓情報に基づいて、該光電変換部に入射する光束の受光量を算出することにより、撮像装置のマイクロレンズと光電変換部の偏心誤差によって生じる焦点検出精度の低下を防止していることを特徴とする。
【００１８】
さらに焦点検出装置を構成する演算手段は、記憶手段に記憶された光電変換部の受光強度分布と撮影レンズの射出窓情報に基づいて、該光電変換部に入射する光束の重心を算出することにより、撮像装置のマイクロレンズと光電変換部の偏心誤差によって生じる焦点検出精度の低下を防止していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、撮影レンズの予定結像面に配置される撮像装置と該撮像装置を構成する複数の光電変換部から出力される像信号に基づいて撮影レンズの焦点状態を算出する演算手段からなる焦点検出装置を具備した光学機器において、前記撮像装置は複数の焦点検出領域に区分され、該焦点検出領域の略中央に位置する光電変換部の受光強度分布を記憶する記憶手段を有し、焦点検出領域を構成する複数の光電変換部の受光強度分布を焦点検出領域の略中央に位置する光電変換部の受光強度分布にて代表させることにより、光学機器の記憶手段の記憶容量の最小化を図ることが可能となった。
【００２０】
また、焦点検出装置を構成する演算手段は、記憶手段に記憶された光電変換部の受光強度分布と撮影レンズの射出窓情報に基づいて、該光電変換部に入射する光束の受光量を算出することにより、撮像装置のマイクロレンズと光電変換部の偏心誤差によって生じる焦点検出精度の低下を防止することが可能となる。
【００２１】
さらに焦点検出装置を構成する演算手段は、記憶手段に記憶された光電変換部の受光強度分布と撮影レンズの射出窓情報に基づいて、該光電変換部に入射する光束の重心を算出することにより、撮像装置のマイクロレンズと光電変換部の偏心誤差によって生じる焦点検出精度の低下を防止することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００２３】
図１〜図１７は本発明の実施例で、図１は本発明の光学機器であるところのカメラの構成図、図２はイメージセンサ（２次元の光電素子列）の概略平面図、図３は光電変換部説明図、図４はイメージセンサの一部断面図、図５はイメージセンサの一部回路構成図、図６はタイミングチャート、図７はカメラ動作のフローチャート、図８は焦点検出のフローチャート、図９は焦点検出領域説明図、図１０〜図１１は焦点検出光束説明図、図１２は受光強度分布説明図、図１３は焦点検出像説明図、図１４は焦点検出像の極値説明図、図１５（ａ）はフィルタ波形説明図、図１５（ｂ）はフィルタの空間周波数特性説明図、図１６〜図１７は焦点検出像説明図である。
【００２４】
図１において１０はイメージセンサ（撮像装置）で、デジタルスチルカメラ１の撮影レンズ５の予定結像面に配置されている。デジタルスチルカメラ１には、カメラ全体を制御するＣＰＵ２０、イメージセンサ１０を駆動制御する制御手段であるところのイメージセンサ制御回路２１、イメージセンサ１０にて撮像した画像信号を画像処理する画像処理回路２４、画像処理された画像を表示する表示手段であるところの液晶表示素子９とそれを駆動する液晶表示素子駆動回路２５，液晶表示素子９に表示された被写体像を観察するための接眼レンズ３、イメージセンサ１０にて撮像された画像を記録するメモリ回路２２、画像処理回路２４にて画像処理された画像をカメラ外部に出力するためのインターフェース回路２３とから構成されている。
【００２５】
メモリ回路２２には、イメージセンサ１０の所定画素の受光強度分布、撮影レンズの固有情報（開放Ｆ値、射出窓情報等）も記憶されている。ここでいう受光強度分布は、所定の１画素の光電変換部が所定の画角（あるいは所定の位置）から入射する光を受光可能な光強度の分布を表している。
【００２６】
撮影レンズ５はカメラ本体１に対して着脱可能で、便宜上２枚のレンズ５ａ、５ｂで図示しているが、実際は多数枚のレンズで構成され、カメラ本体１のＣＰＵ２０から送られてくる焦点調節情報を電気接点２６を介してレンズＣＰＵ５０にて受信し、その焦点調節情報に基づいて撮影レンズ駆動機構５１によって合焦状態に調節される。また５３は撮影レンズ５の瞳近傍に配設された絞り装置で、絞り駆動機構５２によって所定の絞り値に絞り込まれるようになっている。
【００２７】
またＣＰＵ２０は、撮影レンズの焦点状態を算出する演算手段を兼ねており、イメージセンサ１０とともに焦点検出装置を構成している。
【００２８】
図２はイメージセンサの一部の概略平面図である。図中１ますが１画素を示しており、１ますの中に書かれた「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」の文字は各画素のカラーフィルタの色相を表している。Ｂａｙｅｒ配列の場合、１絵素は「Ｒ」「Ｂ」の画素と２つの「Ｇ」の画素から構成されるが、本発明の撮像装置は「Ｇ」であるべき画素の一つに無色透明の層「Ｗ」（「Ｗ」の文字は不図示）が形成され、更に１画素は２つの光電変換部に分割された構成になっている。この２つの光電変換部に分割された画素の各光電変換部から出力される光電変換信号に基づいて撮影レンズの焦点状態が検出される。
【００２９】
また、カラーフィルタの配列がＢａｙｅｒ配列と異なるため、通常画像の撮影時は「Ｒ」「Ｇ」「Ｂ」の画素出力で色差信号を生成し、「Ｗ」の画素出力で輝度信号を生成している。
【００３０】
さらに、同一の色相の画素は千鳥状に配列しており、撮影画像の解像感を向上させている。また２分割された光電変換部を有する画素は、図中（０，２）、（１，０）の配列に示すように光電変換部の分割方向、２分割された光電変換部の幅及び２つの光電変換部の間隔が異なる２種類の画素が配列されている。
【００３１】
（０，２）の位置に配列された画素は図中垂直方向（Ｙ方向）に分割されており、焦点検出時は列方向に配列した同種の構造の画素出力に基づいて横線を含む被写体に対して良好に焦点検出が行えるようになっている。一方、（１，０）の位置に配列された画素は図中水平方向（Ｘ方向）に分割されており、焦点検出時は行方向に配列した同種の構造の画素出力に基づいて縦線を含む被写体に対して良好に焦点検出が行えるようになっている。
【００３２】
図３は図２中の（２，０）、（０，２）、（１，０）の位置に配列された画素の光電変換部の説明図である。
【００３３】
図３（ａ）は、図２中の（２，０）の位置に配列された青色のカラーフィルタが形成された画素を示しており、光電変換部の面積はＳBの大きさである。他の緑色及び赤色のカラーフィルタが形成された画素の光電変換部の面積ＳG及びＳRは青色のカラーフィルタが形成された画素の光電変換部の面積ＳBと等しい大きさである。
【００３４】
また図３（ｂ）は、図２中の（０，２）の位置に配列されたカラーフィルタが形成されていない画素を示しており、垂直方向（Ｙ方向）に分割された光電変換部の幅が狭く、また２つの光電変換部の間隔が広く設定されている。１つの光電変換部の面積はＳWvの大きさである。
【００３５】
また図３（ｃ）は、図２中の（１，０）の位置に配列されたカラーフィルタが形成されていない画素を示しており、水平方向（Ｘ方向）に分割された光電変換部の幅が広く、また２つの光電変換部の間隔が狭く設定されている。１つの光電変換部の面積はＳWhの大きさである。
【００３６】
ここで、前記各画素の光電変換部の面積は
ＳB  ＝  ＳG  ＝  ＳR  ＞  ２×ＳWh  ＞  ２×ＳWv
の関係を満足するように構成されている。
【００３７】
撮影レンズの焦点状態の検出は、カラーフィルタが形成されていない画素の分割された面積の小さい光電変換部から出力される光電変換信号に基づいて行われるが、カラーフィルタが形成されていない画素の透過率は有色のカラーフィルタが形成された画素の透過率の約３倍であるため、焦点検出時もＳ／Ｎ比の高い焦点検出用画像を得られるようになっている。
【００３８】
図４はＣＭＯＳイメージセンサの一部断面図である。同図は、図２における（１，０）（２，０）の２画素の断面を示している。
【００３９】
図４において、１１７はＰ型ウェル、１１８はＭＯＳのゲート絶縁膜であるＳｉＯ2膜である。１２６は表面Ｐ+層であり、ｎ層１２５と光電変換部１０１を構成している。１２０は光電変換部１０１に蓄積された光電荷を１２１のフローティングディフュージョン部（以下ＦＤ部と称す）へ転送するための転送ゲートである。１２９はカラーフィルタ層、１３０はマイクロレンズで、マイクロレンズ１３０は撮影レンズ５の瞳とイメージセンサ１０の光電変換部１０１とが略共役になるような形状及び位置に形成されている。
【００４０】
また（１，０）の画素において、光電変換部１０１はＦＤ部１２１α0を挟んで２つの領域、１０１α0領域と１０１β0領域とにそれぞれ形成されており、さらに各光電変換部で発生した光電荷をそれぞれＦＤ部１２１α0へ転送する転送ゲート１２０α0、１２０β0´が形成されている。
【００４１】
また（２，０）の画素において、  ＦＤ部１２１γ0は光電変換部１０１γ0と隣接する画素の光電変換部１０１β0との間に形成されており、さらに各光電変換部で発生した光電荷をそれぞれＦＤ部１２１γ0へ転送する転送ゲート１２０γ0、１２０β0が形成されている。
【００４２】
ここで、転送ゲート１２０γ0及び転送ゲート１２０β0´は同じ制御パルスΦＴＸγ0で制御されるように構成されている。そして、光電変換部１０１β0の光電荷は制御パルスΦＴＸβ0及びΦＴＸγ0のハイ／ロー状態で、ＦＤ部１２１γ0及び  ＦＤ部１２１γ0に選択的に転送されることを特徴としている。
図５はイメージセンサ１０の概略的回路構成図である。同図は図２における（１，０）（２，０）（１，１）（２，１）の４画素を示したものであるが、実際は数百万画素の画素から構成されている。
【００４３】
同図において、１０１は光電変換部、１０３は転送スイッチＭＯＳトランジスタ、１０４はリセット用ＭＯＳトランジスタ、１０５はソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ、１０６は水平選択スイッチＭＯＳトランジスタ、１０７はソースフォロワの負荷ＭＯＳトランジスタ、１０８は暗出力転送ＭＯＳトランジスタ、１０９は明出力ＭＯＳトランジスタ、１１０は暗出力蓄積容量、１１１は明出力蓄積容量、１１２は水平転送ＭＯＳトランジスタ、１１３は水平出力線リセットＭＯＳトランジスタ、１１４は差動出力アンプである。１１５は水平走査回路、１１６は垂直走査回路で、制御手段であるところのイメージセンサ制御回路２１を構成している。
【００４４】
次に図６のタイミングチャートを用いてイメージセンサ１０の動作を説明する。
【００４５】
イメージセンサ１０で通常の撮像を行う際の第０行のタイミングチャートを示したのが図６（ａ）である。通常撮像時は、２つの光電変換部に分割された（１，０）画素の光電変換部１０１α0及び１０１β0にて発生した光電荷が同時にＦＤ部１２１α0に転送され加算されてイメージセンサ１０の外に出力されるように構成されている。このとき、同時に非分割画素（２，０）の光電変換部１０１γ0にて発生した光電荷もＦＤ部１２１γ0に転送されイメージセンサ１０の外に出力される。
【００４６】
図６（ａ）において、垂直走査回路１１６からのタイミング出力によって、制御パルスΦＳ0をハイとして水平選択スイッチＭＯＳトランジスタ１０６をオンさせ第０行の画素部を選択する。次に制御パルスΦＲ0をローとしＦＤ部１２１のリセットを止めＦＤ部１２１をフローティング状態とし、ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５のゲート・ソース間をスルーとしたのち、所定時間後制御パルスΦＴＮをハイとし、ＦＤ部１２１の暗電圧をソースフォロワ動作で蓄積容量１１０に出力させる。
【００４７】
次に、第０行の各画素の光電変換部１０１α0、１０１β0及び１０１γ0の出力を行うため、制御パルスΦＴＸα0及びΦＴＸγ0をハイとして転送スイッチＭＯＳトランジスタ１０３α0（転送ゲート１２０α0）、１０３β0´（転送ゲート１２０β0´）及び１０３γ0（転送ゲート１２０γ0）を導通する。この時光電変換部１０１α0及び１０１β0にて発生した光電荷はＦＤ部１２１α0に転送され、光電変換部１０１γ0にて発生した光電荷はＦＤ部１２１γ0に転送される。フォトダイオードの光電変換部１０１からの電荷がＦＤ部１２１に転送されることにより、ＦＤ部１２１の電位が光に応じて変化することになる。この時ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５がフローティング状態であるので、ＦＤ部１２１の電位を制御パルスΦＴＳをハイとして蓄積容量１１１に出力する。
【００４８】
この時点で第０行の各画素の暗出力と光出力はそれぞれ蓄積容量１１０と１１１に蓄積されており、さらに制御パルスΦＨＣを一時ハイとして水平出力線リセットＭＯＳトランジスタ１１３を導通して水平出力線をリセットし、水平転送期間において水平走査回路１１５の水平転送ＭＯＳトランジスタ１１２への走査タイミング信号により水平出力線に画素の暗出力と光出力とが出力される。このとき、蓄積容量１１０と１１１を差動増幅器１１４によって差動出力Ｖｏｕｔをとるため、画素のランダムノイズ、固定パターンノイズを除去したＳ／Ｎの良い信号が得られる。
【００４９】
さらに垂直走査回路１１６は同様に、次の行の出力を行うことにより、イメージセンサ１０の全画素を出力する。
【００５０】
読み出された画像出力は画像処理回路２４にて信号処理が行われ、液晶表示素子９に表示され、またメモリ回路２２に画像が記憶される。
【００５１】
撮影レンズ５の焦点状態の検出を行う場合、２つの光電変換部に分割された画素の光電変換部１０１α0及び光電変換部１０１β0のそれぞれの出力から得られる２つの画像の相関演算を行い、２つの画像の像ずれ量から撮影レンズ５の焦点状態を検出する。
【００５２】
焦点検出装置の一部を構成するイメージセンサ１０は、撮影レンズ５の焦点状態を検出する際は、２つの光電変換部に分割された画素（１，０）に隣接する非分割画素（２，０）の光電変換部の出力は読み出さないように構成されている。そして、２つの光電変換部に分割された画素（１，０）の一方の光電変換部の出力は、隣接する非分割画素（２，０）の転送部から出力されるようになっており、焦点検出時の焦点検出用画像の読み出し時間を半減していることを特徴としている。
【００５３】
図６（ｂ）はイメージセンサ１０で焦点検出用画像を読み出す際の第０行のタイミングチャートを示している。
【００５４】
垂直走査回路１１６は、制御パルスΦＳ0をハイとして水平選択スイッチＭＯＳトランジスタ１０６をオンさせ第０行の画素部を選択する。次に制御パルスΦＲ0をローとしＦＤ部１２１のリセットを止めＦＤ部１２１をフローティング状態とし、ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５のゲート・ソース間をスルーとしたのち、所定時間後制御パルスΦＴＮをハイとし、ＦＤ部１２１の暗電圧をソースフォロワ動作で蓄積容量１１０に出力させる。
【００５５】
次に、制御パルスΦＴＸα0及びΦＴＸβ0をハイとして転送スイッチＭＯＳトランジスタ１０３α0（転送ゲート１２０α0）及び１０３β0（転送ゲート１２０β0）を導通し、２つの光電変換部に分割された画素（１，０）の２つの光電変換部にて発生した光発電荷をＦＤ部１２１α0及び１２１γ0に同時に転送する。このとき、制御パルスΦＴＸγ0はローであるため、非分割画素（２，０）の光電変換部１０１γ0の光電荷はＦＤ部１２１γ0には転送されない。
【００５６】
フォトダイオードの光電変換部１０１からの電荷がＦＤ部１２１に転送されることにより、ＦＤ部１２１の電位が光に応じて変化することになる。この時ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ１０５がフローティング状態であるので、ＦＤ部１２１の電位を制御パルスΦＴＳをハイとして蓄積容量１１１に出力する。この時点で第０行の２つの光電変換部を有する各画素の暗出力と光出力はそれぞれ蓄積容量１１０と１１１に蓄積される。
【００５７】
イメージセンサ１０から外部への出力は、制御パルスΦＨＣを一時ハイとして水平出力線リセットＭＯＳトランジスタ１１３を導通して水平出力線をリセットし、水平転送期間において水平走査回路１１５の水平転送ＭＯＳトランジスタ１１２への走査タイミング信号により水平出力線に出力される。このとき、蓄積容量１１０と１１１を差動増幅器１１４によって差動出力Ｖｏｕｔをとるため、画素のランダムノイズ、固定パターンノイズを除去したＳ／Ｎの良い信号が得られる。
【００５８】
イメージセンサ１０からの出力は、演算手段を兼ねるＣＰＵ２０にて焦点検出用画像信号として整形され、相関演算処理を行った後に撮影レンズ５の焦点状態が算出されることとなる。
【００５９】
以上のような画像信号の読み出し動作を行うイメージセンサを有するカメラの動作を、図７のフローチャートを用いて説明する。
【００６０】
撮影者が、図１には不図示のデジタルスチルカメラ１のメインスイッチをＯＮすると（ｓ１０１）、カメラ１は待機状態から復帰する。引き続き、撮影者が不図示の操作スイッチＳＷ１をＯＮすると（ｓ１０２）、カメラ１のＣＰＵ２０はイメージセンサ制御回路２１に焦点検出信号を送ってイメージセンサ１０にて焦点検出用の撮像を行わせる（ｓ１０３）。焦点検出用の画像を得るためにイメージセンサ制御回路２１よりイメージセンサ１０に出力される制御信号は、図６（ｂ）のタイミングチャートに示したとおりである。
【００６１】
カメラ１の接眼レンズ３を介して観察される電子ビューファインダ（ＥＶＦ）の画像は、本発明では焦点検出用の画像から生成されるようになっている。撮影レンズ５の瞳の異なる領域を透過した光束による焦点検出用の画像は画像処理回路２４にて加算処理が行われ、ＣＰＵ２０を介して液晶表示素子駆動回路２５に送られて液晶表示素子９に表示される（ｓ１０４）。
【００６２】
同時に、撮影レンズ５の瞳の異なる領域を透過した光束による焦点検出用の画像に基づいて演算手段を兼ねたＣＰＵ２０は撮影レンズ５の焦点検出を実行する（ｓ１０５）。焦点検出方法の詳細は後述する。
【００６３】
検出された撮影レンズ５の焦点状態が合焦状態でなければ（ｓ１０６）、ＣＰＵ２０は検出された撮影レンズ５のデフォーカス量をレンズＣＰＵ５０に送信し、レンズＣＰＵ５０にて撮影レンズの駆動量が算出される。さらに、レンズＣＰＵ５０は撮影レンズ駆動機構５１にレンズ駆動信号を送って、撮影レンズ５を算出されたデフォーカス量に対応した量だけ駆動して合焦状態に設定する（ｓ１１１）。
【００６４】
撮影レンズ５を所定位置まで駆動し焦点調節が終了すると（ｓ１１１）、カメラ１のＣＰＵ２０は再度メインスイッチ及び操作スイッチＳＷ１の確認を行う。メインスイッチがＯＮ状態で（ｓ１０１）操作スイッチＳＷ１もＯＮ状態であれば（ｓ１０２）、カメラ１のＣＰＵ２０はイメージセンサ制御回路２１に焦点検出信号を送ってイメージセンサ１０にて焦点検出用の撮像を行わせる（ｓ１０３）。
【００６５】
さらに、撮影レンズ５の瞳の異なる領域を透過した光束による焦点検出用の画像は画像処理回路２４にて加算処理が行われ、ＣＰＵ２０を介して液晶表示素子駆動回路２５に送られて液晶表示素子９に表示される（ｓ１０４）。このとき液晶表示素子９に表示される画像は、被写体にピントがあった画像となっている。
【００６６】
同時に、撮影レンズ５の瞳の異なる領域を透過した光束による焦点検出用の画像に基づいて演算手段を兼ねたＣＰＵ２０は撮影レンズ５の焦点検出を実行する（ｓ１０５）。
検出された撮影レンズ５の焦点状態が合焦状態で（ｓ１０６）、液晶表示素子９に表示されたピントのあった被写体画像を撮影者が視認して画像を記録するための操作スイッチＳＷ２をＯＮしたら（ｓ１０７）、カメラ１のＣＰＵ２０はイメージセンサ制御回路２１に撮像信号を送ってイメージセンサ１０にて通常の撮像を行わせる（ｓ１０８）。本画像を得るためにイメージセンサ制御回路２１よりイメージセンサ１０に出力される制御信号は、図６（ａ）のタイミングチャートに示したとおりである。
【００６７】
イメージセンサ１０にて撮像された画像信号は、イメージセンサ制御回路２１にてＡ／Ｄ変換された後に画像処理回路２４にて画像処理が行われる。このとき、イメージセンサ１０からの出力信号に基づいて色再現のために所定の画像処理が行われる。画像処理が行われた画像信号はＣＰＵ２０を介して液晶表示素子駆動回路２５に送られ液晶表示素子９に表示される（ｓ１０９）。撮影者は接眼レンズ３を通して液晶表示素子９に表示された被写体像を観察することが可能となる。
【００６８】
同時に、ＣＰＵ２０は撮像された画像信号をそのままカメラ１のメモリ回路２２に記憶する（ｓ１１０）。
【００６９】
撮影動作が終了し、撮影者がメインスイッチをＯＦＦすると（ｓ１０１）カメラの電源が落ちて待機状態となる（ｓ１１２）。
【００７０】
ところで本発明の光学機器は、撮影レンズ５の予定結像面に配置されたイメージセンサ１０を用いて撮影レンズ５の焦点状態の検出を行うが、イメージセンサ１０の受光強度分布を用いて撮影レンズ５の瞳の異なる領域を透過する焦点検出光束の光量比と焦点検出光束の重心を算出して焦点検出精度の向上を図っている。
【００７１】
以下、図８〜図１７を用いて本発明の光学機器に具備される焦点検出装置の焦点検出方法を説明する。
【００７２】
図９の焦点検出領域説明図に示すように、本発明のカメラ１に具備されたイメージセンサ１０は図中点線で示すように複数の焦点検出領域に区分されている。そして、各焦点検出領域のほぼ中心に位置する画素（□で図示）の受光強度分布がメモリ回路２２に記憶されていて、カメラ１に配設されたイメージセンサ１０の受光強度分布の個体差を補正できるようになっている。
【００７３】
図８の焦点検出フローチャートにおいて、まずＣＰＵ２０は、カメラあるいは撮影者によって設定された焦点検出領域（例えば図９（ａ）に示した（３，０）のブロックの焦点検出領域）に対応した１画素の受光強度分布をメモリ回路２２から読み出す（ｓ１２０）。さらにＣＰＵ２０は、レンズＣＰＵ５０と通信して撮影レンズ５の種類、撮影レンズ５の焦点距離及びレンズ繰り出し量を確認する。そして各撮影レンズ情報に合致した撮影レンズの射出窓情報をメモリ回路２２から読み出す（ｓ１２１）。
【００７４】
そしてＣＰＵ２０は、設定された焦点検出領域のほぼ中心に位置する画素の受光強度分布と撮影レンズの射出窓情報から、焦点検出光束の光量比を算出する（ｓ１２２）。
例えば、図９（ａ）の焦点検出領域説明図に示すような、撮影レンズ５の光軸から離れた位置（（３，０）のブロックの焦点検出領域）の被写体に対して撮影レンズ５の焦点状態を検出する場合、図１０の焦点検出光束説明図に示すように撮影レンズ５の瞳（例えば５３の絞り面）の異なる位置を透過する焦点検出光束Ｌα（図４の光電変換部１０１α０にて受光する光束）とＬβ（図４の光電変換部１０１β０にて受光する光束）の光束径が異なる。
【００７５】
これは、図中上方を透過する焦点検出光束Ｌαは撮影レンズ５の後側射出窓５５で最外光束が制限され、図中下方を透過する焦点検出光束Ｌβは撮影レンズ５の前側射出窓５４で最外光束が制限されるためである。
【００７６】
また焦点検出光束の光束径は、焦点検出光束を受光するイメージセンサ１０上の光電変換部の位置によっても変わる。図９（ｂ）は、（３，０）のブロックの焦点検出領域の中で焦点検出光束の光量比を算出する画素（■で図示）を示している。本実施例では、焦点検出領域内の左端（座標（ｘ１、０，０））、中央（座標（ｘ０、０，０））、右端（座標（ｘ２、０，０））の３画素に入射する１組の焦点検出光束の光量比を求めて、各画素での光量比からシェーディング補正式を算出している。以下、図１１の焦点検出光束説明図を用いて焦点検出光束の絞り５３面上での形状をから焦点検出光束の光量比を求める方法を説明する。
【００７７】
同図において、メモリ回路２２から読み出された前側射出窓５４の光軸方向の位置をｚ１、前側射出窓５４の半径をｒ１、射出瞳５３の光軸方向の位置をｚｉ、射出瞳５３の半径をｒｉ、後側射出窓５５の光軸方向の位置をｚ２、後側射出窓５５の半径をｒ２とする。またイメージセンサ１０の光軸対応画素を座標原点とする。
【００７８】
図１１（ａ）は、前側射出窓５４を透過して焦点検出位置Ｐ（例えば（３，０）のブロックの焦点検出領域の中央画素で座標（ｘ０、０，０））に入射する光束を示している。ここで、前側射出窓５４を絞り５３面に投影したときの形状を示したものが図１２の破線で示した円５４′である。円５４′は、
（Ｘ−（ｚ１−ｚｉ）／ｚ１×ｘ０）2＋Ｙ2＝（ｚｉ／ｚ１×ｒ１）2・・・（１）
を満足する。
【００７９】
一方、図１１（ｂ）は、後側射出窓５５を透過して焦点検出位置Ｐに入射する光束を示している。ここで、後側射出窓５５を絞り５３面に投影したときの形状を示したものが図１２の点線で示した円５５′である。円５５′は
（Ｘ−（ｚ２−ｚｉ）／ｚ２×ｘ０）2＋Ｙ2＝（ｚｉ／ｚ２×ｒ２）2・・・（２）
を満足する。
【００８０】
そして、図４の光電変換部１０１β０の受光強度分布Ｍβと絞り５３面に投影された各射出窓との関係を示したのが図１２（ａ）である。光電変換部１０１β０に入射する光束は、前側射出窓５４を投影した円５４′と後側射出窓５５を投影した円５５′の重なる領域となる。そこで演算手段であるＣＰＵ２０は、前側射出窓５４を投影した円５４′と後側射出窓５５を投影した円５５′の重なる領域の受光強度分布Ｍβを積分して焦点検出光束Ｌβの光量を算出する。
【００８１】
同様に、図４の光電変換部１０１α０の受光強度分布Ｍαと絞り５３面に投影された各射出窓との関係を示したのが図１２（ｂ）である。光電変換部１０１α０に入射する光束は、前側射出窓５４を投影した円５４′と後側射出窓５５を投影した円５５′の重なる領域となる。そこで演算手段であるＣＰＵ２０は、前側射出窓５４を投影した円５４′と後側射出窓５５を投影した円５５′の重なる領域の受光強度分布Ｍαを積分して焦点検出光束Ｌαの光量を算出する。
【００８２】
算出された焦点検出光束Ｌαの光量と焦点検出光束Ｌβの光量とから光量比が求まる（ｓ１２２）。２つの焦点検出光束の光量比と２つの焦点検出像の強度比は同一である。
【００８３】
同様の方法で、（３，０）のブロックの焦点検出領域の左端（ｘ１、０，０））、右端（座標（ｘ２、０，０））の画素の焦点検出光束の光量比を算出する。そして、各画素での光量比からシェーディング補正式を算出している（ｓ１２３）。
【００８４】
本実施例では、所定の焦点検出領域の複数の画素における焦点検出光束の光量比を算出する際、焦点検出領域のほぼ中央に位置する１画素の光電変換部の受光強度分布を用いているため、カメラ１のメモリ回路２２に記憶する受光強度分布の容量を軽減している。
【００８５】
次に、演算手段であるＣＰＵ２０は焦点検出光束の重心を算出する（ｓ１２４）。焦点検出光束の重心は、図１２に示すように、撮影レンズ５の絞り５３面に前側射出窓５４を投影した円５４′と後側射出窓５５を投影した円５５′の重なる領域の位置と受光強度分布Ｍβの積を積分した値を受光強度分布Ｍβを積分した値で割ることによって算出される（ｓ１２４）。
【００８６】
さらに、焦点検出光束Ｌαの重心と焦点検出光束Ｌβの重心から基線長が算出される（ｓ１２５）。本実施例では、焦点検出光束の重心を算出する際カメラ１のメモリ回路２２に記憶されたカメラ１に配設されたイメージセンサ１０の受光強度分布を用いているため、イメージセンサの１０の個体差に影響されない基線長が算出され、焦点検出精度の向上を図っている。
【００８７】
ところで図９の焦点検出領域説明図に示すように、撮影レンズ５の光軸から離れた画面周辺部の被写体に対する焦点状態を検出する際に、撮影レンズ５の瞳の異なる領域を透過した光束による焦点検出用の１組の画像に含まれる空間周波数成分のうち異なる強度の空間周波数成分を除去するようなフィルタ処理を行って、１組の像の一致度を向上させて焦点検出精度を向上させている。そのために、焦点検出用の１組の画像に含まれる空間周波数成分がほぼ同一になるようにフィルタの周波数特性を決定している。
【００８８】
まずＣＰＵ２０は、イメージセンサ１０より出力された焦点検出用の１組の画像からフィルタの周波数特性を決定するために用いる画像（注目像）を選択する（ｓ１２６）。ＣＰＵ２０は、例えば図２２に示した焦点検出用の画像のうち高い空間周波数成分が含まれていない画像を選択する。高い空間周波数成分が含まれていない画像として、後述するように、撮影レンズ５の瞳の異なる領域を透過する２つの焦点検出光束のうち光束の幅が大きい焦点検出光束により生成される像βが選択される（ｓ１２６）。
【００８９】
フィルタの周波数特性を決定する注目像がβ像と選択されると（ｓ１２６）、ＣＰＵ２０は選択されたβ像に基づいて、フィルタ処理を施すことによって焦点検出用の１組の画像α及びβに含まれる空間周波数特性をほぼ同一とするようなフィルタの空間周波数特性を決定する（ｓ１２７）。
【００９０】
以下、図１３及び図１４を用いてフィルタの空間周波数特性を決定する方法を説明する。
本実施例においては、焦点検出用の像に含まれる像の空間周波数成分を簡易的に見出すために、選択されたβ像の凹凸の間隔と大きさを求めている。そこで、ＣＰＵ２０は、選択されたβ像の凹凸の間隔と大きさを求めるためにβ像の極値を算出する。図１３は算出されたβ像の極値を示したもので、５つの極値の位置ｈと強度ｖが示してある。図１４は隣接する極値の間隔Δｈと強度差Δｖを示したものである。同図より、β像に含まれるおおよその空間周波数成分が簡易的に把握される。
【００９１】
図１５（ａ）は本発明の焦点検出装置で用いるフィルタの波形を示したものである。同図に示したフィルタは図１５（ｂ）のフィルタの空間周波数特性説明図に示すように、低周波側と高周波側とを除去するようなバンドパス型の空間周波数特性を有していることを特徴としている。また、バンドパス型のフィルタの中心空間周波数ｆｃは、先に求められたβ像の極値の間隔Δｈｃより
ｆｃ＝１／（２×Δｈｃ  ）
を満足するようになっている。ここで、β像の極値の間隔Δｈｃは、隣接する極値の強度差Δｖが最も大きくなるような値を採用している。
【００９２】
フィルタの空間周波数特性が決定されると（ｓ１２７）、イメージセンサ１０にて検出された焦点検出用の画像α及びβのシェーディング補正（ゲイン補正）が実行される（ｓ１２８）。シェーディング補正は、先に算出されたシェーディング補正式に基づいて行われる。
【００９３】
図１６はシェーディング補正後の焦点検出像α´及びβ´を示したものである。焦点検出像α´及びβ´の強度レベルはほぼ同一となったが、像α´には高い空間周波数成分が含まれているため１組の像α´及びβ´の一致度は低い。
【００９４】
そこで、シェーディング補正後の１組の像α´及びβ´に、先に求めた空間周波数特性を有するフィルタを用いてフィルタ処理が行われる（ｓ１２９）。フィルタ処理後の１組の像α´´及びβ´´を示したのが図１７である。同図において１組の像α´´及びβ´´に含まれる空間周波数成分がほぼ同一となったため、像α´´及びβ´´の一致度が向上している。
【００９５】
引き続き演算手段を兼ねたＣＰＵ２０は、像α´´及びβ´´の相関演算を行って、２つの像の像ずれ量を算出する（ｓ１３０）。さらにＣＰＵ２０は、先に算出された２つの焦点検出光束Ｌα及びＬβの基線長と焦点検出像の像ずれ量とから撮影レンズ５のデフォーカス量を算出する（ｓ１３１）。
【００９６】
本実施例では、記憶手段に記憶された受光強度分布に基づいて焦点検出光束により生成される像の強度レベルを補正して、また焦点検出光束の重心位置を算出して焦点検出光束の基線長を補正して焦点検出を行う例を示したが、記憶手段に記憶された２つの光電変換部の受光強度分布を加算した値に基づいて、撮影レンズのＦ値比例性を補正したり、周辺光量落ちを補正するのに利用するのも有効である。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】カメラの構成図
【図２】イメージセンサ概略平面図
【図３】光電変換部説明図
【図４】イメージセンサ断面図
【図５】イメージセンサ回路構成図
【図６】タイミングチャート
【図７】カメラ動作フローチャート
【図８】焦点検出のフローチャート
【図９】焦点検出領域説明図
【図１０】焦点検出光束説明図
【図１１】焦点検出光束説明図
【図１２】受光強度分布説明図
【図１３】焦点検出像説明図
【図１４】焦点検出像の極地説明図
【図１５】（ａ）フィルタ波形説明図、（ｂ）フィルタの空間周波数特性説明図
【図１６】焦点検出像説明図
【図１７】焦点検出像説明図
【図１８】焦点検出原理説明図
【図１９】イメージセンサ断面図
【図２０】受光強度分布説明図
【図２１】受光強度分布説明図
【図２２】焦点検出像説明図
【符号の説明】
【００９８】
１・・・カメラ本体
３・・・接眼レンズ
５・・・撮影レンズ
９・・・液晶表示素子
１０・・・イメージセンサ
２０、５０・・・ＣＰＵ
２１・・・イメージセンサ制御回路
２２・・・メモリー回路
２３・・・インターフェイス回路
２４・・・画像処理回路
２５・・・液晶表示素子駆動回路
２６・・・電気接点
５１・・・レンズ駆動機構
５２・・・絞り駆動機構
５３・・・絞り装置
【図１】
2005148091.tif 000003
【図２】
2005148091.tif 000004
【図３】
2005148091.tif 000005
【図４】
2005148091.tif 000006
【図５】
2005148091.tif 000007
【図６】
2005148091.tif 000008
【図７】
2005148091.tif 000009
【図８】
2005148091.tif 000010
【図９】
2005148091.tif 000011
【図１０】
2005148091.tif 000012
【図１１】
2005148091.tif 000013
【図１２】
2005148091.tif 000014
【図１３】
2005148091.tif 000015
【図１４】
2005148091.tif 000016
【図１５】
2005148091.tif 000017
【図１６】
2005148091.tif 000018
【図１７】
2005148091.tif 000019
【図１８】
2005148091.tif 000020
【図１９】
2005148091.tif 000021
【図２０】
2005148091.tif 000022
【図２１】
2005148091.tif 000023
【図２２】
2005148091.tif 000024