JP5167783B2 - 焦点検出装置および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は焦点検出装置および撮像装置に関する。

撮像画素が二次元状に配列された撮像素子において、一部の撮像画素を焦点検出画素に置き換えた撮像素子を用いて焦点検出を行う撮像装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この出願の発明に関連する先行技術文献としては次のものがある。
特開２０００−２９２６８６号公報

しかしながら、上述した従来の装置では、ライン露光方式（ローリングシャッター方式）で画素の露光制御を行う撮像素子（ＣＭＯＳイメージセンサー）を用いた場合に、焦点検出画素列に属する焦点検出画素の間で露光タイミングが異なるため、移動被写体に対して焦点検出を行う場合や、焦点検出装置自体が動いたり振動したりする場合には、焦点検出精度が低下したり、間違った焦点検出結果を出力するという問題がある。

請求項１に記載の焦点検出装置は、光学系を介した光束を受光する複数の電荷蓄積型の画素を有する撮像素子と、前記画素のうち、前記撮像素子上の第１方向に沿って配列された第１画素列に対して同時に電荷蓄積制御するとともに、前記第１方向と交差する第２方向に沿って配列された第２画素列に対して順次蓄積制御する蓄積制御手段と、前記第１画素列と前記第２画素列の出力に基づいて前記光学系の焦点検出を行う焦点検出手段と、前記光学系の画面内における像の動きを検出する動き検出手段とを備え、前記焦点検出手段は、前記第１画素列の出力を用いた焦点検出が不能な場合は、前記第２画素列の出力を用いて焦点検出を行い、更に、前記焦点検出手段は、前記動き検出手段により像の動きが検出された場合は、前記第２画素列の出力を用いた焦点検出を禁止することを特徴とする。

本発明によれば、ＣＭＯＳイメージセンサーのようにライン露光方式（ローリングシャッター方式）で蓄積制御を行う撮像素子においても、画面内の像の動きに対して安定して高精度の焦点検出を行うことができる。

一実施の形態の撮像素子および撮像装置として、レンズ交換式デジタルスチルカメラを例に上げて説明する。図１は一実施の形態のカメラの構成を示すカメラの横断面図である。一実施の形態のデジタルスチルカメラ２０１は交換レンズ２０２とカメラボディ２０３から構成され、交換レンズ２０２がマウント部２０４を介してカメラボディ２０３に装着される。カメラボディ２０３にはマウント部２０４を介して種々の撮影光学系を有する交換レンズ２０２が装着可能である。

交換レンズ２０２はレンズ２０９、ズーミング用レンズ２０８、フォーカシング用レンズ２１０、絞り２１１、レンズ駆動制御装置２０６などを備えている。レンズ駆動制御装置２０６は不図示のマイクロコンピューター、メモリ、駆動制御回路などから構成され、フォーカシング用レンズ２１０の焦点調節と絞り２１１の開口径調節のための駆動制御や、ズーミング用レンズ２０８、フォーカシング用レンズ２１０および絞り２１１の状態検出などを行う他、後述するボディ駆動制御装置２１４との通信によりレンズ情報の送信とカメラ情報の受信を行う。絞り２１１は、光量およびボケ量調整のために光軸中心に開口径が可変な開口を形成する。

カメラボディ２０３は撮像素子２１２、ボディ駆動制御装置２１４、液晶表示素子駆動回路２１５、液晶表示素子２１６、接眼レンズ２１７、メモリカード２１９などを備えている。撮像素子２１２には、撮像画素が二次元状に配置されるとともに、焦点検出位置に対応した部分に焦点検出画素が組み込まれている。この撮像素子２１２については詳細を後述する。

ボディ駆動制御装置２１４はマイクロコンピューター、メモリ、駆動制御回路などから構成され、撮像素子２１２の駆動制御と画像信号および焦点検出信号の読み出しと、焦点検出信号に基づく焦点検出演算と交換レンズ２０２の焦点調節を繰り返し行うとともに、画像信号の処理と記録、カメラの動作制御などを行う。また、ボディ駆動制御装置２１４は電気接点２１３を介してレンズ駆動制御装置２０６と通信を行い、レンズ情報の受信とカメラ情報（デフォーカス量や絞り値など）の送信を行う。

液晶表示素子２１６は電気的なビューファインダー（ＥＶＦ：Electronic View Finder）として機能する。液晶表示素子駆動回路２１５は撮像素子２１２によるスルー画像を液晶表示素子２１６に表示し、撮影者は接眼レンズ２１７を介してスルー画像を観察することができる。メモリカード２１９は、撮像素子２１２により撮像された画像を記憶する画像ストレージである。

交換レンズ２０２を通過した光束により、撮像素子２１２の受光面上に被写体像が形成される。この被写体像は撮像素子２１２により光電変換され、画像信号と焦点検出信号がボディ駆動制御装置２１４へ送られる。

ボディ駆動制御装置２１４は、撮像素子２１２の焦点検出画素からの焦点検出信号に基づいてデフォーカス量を算出し、このデフォーカス量をレンズ駆動制御装置２０６へ送る。また、ボディ駆動制御装置２１４は、撮像素子２１２からの画像信号を処理してメモリカード２１９に格納するとともに、撮像素子２１２からのスルー画像信号を液晶表示素子駆動回路２１５へ送り、スルー画像を液晶表示素子２１６に表示させる。さらに、ボディ駆動制御装置２１４は、レンズ駆動制御装置２０６へ絞り制御情報を送って絞り２１１の開口制御を行う。

レンズ駆動制御装置２０６は、フォーカシング状態、ズーミング状態、絞り設定状態、絞り開放Ｆ値などに応じてレンズ情報を更新する。具体的には、ズーミング用レンズ２０８とフォーカシング用レンズ２１０の位置と絞り２１１の絞り値を検出し、これらのレンズ位置と絞り値に応じてレンズ情報を演算したり、あるいは予め用意されたルックアップテーブルからレンズ位置と絞り値に応じたレンズ情報を選択する。

レンズ駆動制御装置２０６は、受信したデフォーカス量に基づいてレンズ駆動量を算出し、レンズ駆動量に応じてフォーカシング用レンズ２１０を合焦位置へ駆動する。また、レンズ駆動制御装置２０６は受信した絞り値に応じて絞り２１１を駆動する。

図２は撮影画面上の焦点検出位置を示す図であり、後述する焦点検出画素列により焦点検出を行うときに画面上で像をサンプリングする領域（焦点検出エリア、焦点検出位置）の一例を示す。この一実施の形態では、矩形の撮影画面１００内の中央、左右、上下の５カ所に焦点検出エリア１０１〜１０５が配置される。長方形で示した焦点検出エリア１０１〜１０５の長手方向に、複数の焦点検出画素が直線的に配列される。

図３は撮像素子２１２の詳細な構成を示す正面図であり、(ａ)は図２に示す撮像素子２１２上の焦点検出エリア１０１、１０４、１０５の近傍を拡大して示し、(ｂ)は図２に示す撮像素子２１２上の焦点検出エリア１０２、１０３の近傍を拡大して示す。まず、撮影画面１００の水平方向（左右方向）の焦点検出エリア１０１、１０４、１０５の近くには、図３(ａ)に示すように、撮像用の撮像画素３１０と焦点検出用の焦点検出画素３１３、３１４が配置される。撮像画素３１０は水平および垂直方向に二次元状に正方格子配列され、焦点検出画素３１３、３１４は水平方向に配列されている。

撮像画素３１０は、図４に示すようにマイクロレンズ１０、光電変換部１１、不図示の色フィルターから構成される。色フィルターは赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３種類からなり、それぞれの分光感度は図６に示す特性を示す。この一実施の形態では、各色フィルターを備えた撮像画素３１０がベイヤー配列された撮像素子２１２の例を示す。

一方、焦点検出画素３１３は、図５(ａ)に示すようにマイクロレンズ１０と光電変換部１６とから構成される。光電変換部１６の形状はマイクロレンズ１０の垂直２等分線に接する左半円である。また、焦点検出画素３１４は、図５(ｂ)に示すようにマイクロレンズ１０と光電変換部１７とから構成される。光電変換部１７の形状はマイクロレンズ１０の垂直２等分線に接する右半円である。光電変換部１６と１７は、マイクロレンズ１０を重ね合わせて表示した場合に左右水平方向に並んでおり、マイクロレンズ１０の垂直２等分線に関して対称な形状をしている。焦点検出エリア１０１、１０４、１０５では、焦点検出画素３１３と焦点検出画素３１４が水平方向（光電変換部１６と１７の並び方向；図２に示す撮影画面１００の左右方向）に交互に配置される。

焦点検出画素３１３、３１４には光量をかせぐために色フィルターが配置されておらず、その分光特性は光電変換を行うフォトダイオードの分光感度と、赤外カットフィルター（不図示）の分光特性を総合した図７に示すような分光特性となる。すなわち、図６に示す緑画素、赤画素、青画素の分光特性を加算したような分光特性となり、その感度の光波長領域は緑画素、赤画素、青画素の感度の光波長領域を包括している。焦点検出画素３１３、３１４は、撮像画素３１０の青（Ｂ）フィルターと緑（Ｇ）フィルターが配置されるべき行に配置されている。

次に、撮影画面１００の垂直方向（上下方向）の焦点検出エリア１０２、１０３の近くでは、図３(ｂ)に示すように、撮像用の撮像画素３１０と焦点検出用の焦点検出画素３１５、３１６が配置される。焦点検出画素３１５，３１６は、焦点検出画素３１３，３１４を９０度回転した構造となっており、撮像面において垂直方向に配列されている。焦点検出画素３１５、３１６は、撮像画素３１０のＢとＧフィルターが配置されるべき列に配置されている。

図８は撮像画素３１０の断面図である。撮像画素３１０では、撮像用の光電変換部１１の前方にマイクロレンズ１０が配置され、マイクロレンズ１０により光電変換部１１が前方に投影される。光電変換部１１は半導体回路基板２９上に形成される。不図示の色フィルターはマイクロレンズ１０と光電変換部１１の中間に配置される

図９(ａ)は焦点検出画素３１３の断面図である。焦点検出画素３１３では、光電変換部１６の前方にマイクロレンズ１０が配置され、マイクロレンズ１０により光電変換部１６が前方に投影される。光電変換部１６は半導体回路基板２９上に形成されるとともに、その上にマイクロレンズ１０が半導体イメージセンサーの製造工程を経て一体的かつ固定的に形成される。光電変換部１６はマイクロレンズ１０の光軸の片側に配置される。

図９(ｂ)は焦点検出画素３１４の断面図である。焦点検出画素３１４では、光電変換部１７の前方にマイクロレンズ１０が配置され、マイクロレンズ１０により光電変換部１７が前方に投影される。光電変換部１７は半導体回路基板２９上に形成されるとともに、その上にマイクロレンズ１０が半導体イメージセンサーの製造工程を経て一体的かつ固定的に形成される。光電変換部１７はマイクロレンズ１０の光軸の片側でかつ光電変換部１６の反対側に配置される。

図１０は、マイクロレンズを用いた瞳分割型位相差検出方式の焦点検出光学系の構成を示す。図において、９０は、交換レンズ２０２（図１参照）の予定結像面に配置されたマイクロレンズから前方ｄの距離に設定された射出瞳である。この距離ｄは、マイクロレンズの曲率、屈折率、マイクロレンズと光電変換部との間の距離などに応じて決まる距離であって、この明細書では測距瞳距離と呼ぶ。９１は交換レンズの光軸、１０ａ〜１０ｄはマイクロレンズ、１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂは光電変換部、３１３ａ、３１３ｂ、３１４ａ、３１４ｂは焦点検出画素、７３，７４、８３，８４は焦点検出光束である。

また、９３は、マイクロレンズ１０ａ、１０ｃにより投影された光電変換部１３ａ、１３ｂの領域であり、この明細書では測距瞳と呼ぶ。図１０では、説明を解りやすくするために楕円形の領域で示しているが、実際には光電変換部の形状が拡大投影された形状になる。同様に、９４は、マイクロレンズ１０ｂ、１０ｄにより投影された光電変換部１４ａ、１４ｂの領域であり、この明細書では測距瞳と呼ぶ。図１０では、説明を解りやすくするために楕円形の領域で示しているが、実際には光電変換部の形状が拡大投影された形状になる。

図１０では、隣接する４つの焦点検出画素３１３ａ、３１３ｂ、３１４ａ、３１４ｂを模式的に例示しているが、その他の焦点検出画素においても光電変換部はそれぞれ対応した測距瞳から各マイクロレンズに到来する光束を受光する。焦点検出画素の配列方向は一対の測距瞳の並び方向、すなわち一対の光電変換部の並び方向と一致させる。

マイクロレンズ１０ａ〜１０ｄは交換レンズ２０２（図１参照）の予定結像面近傍に配置されており、マイクロレンズ１０ａ〜１０ｄによりその背後に配置された光電変換部１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂの形状がマイクロレンズ１０ａ〜１０ｃから測距瞳距離ｄだけ離間した射出瞳９０上に投影され、その投影形状は測距瞳９３，９４を形成する。すなわち、投影距離ｄにある射出瞳９０上で各焦点検出画素の光電変換部の投影形状（測距瞳９３，９４）が一致するように、各焦点検出画素における光電変換部の投影方向が決定されている。

光電変換部１３ａは測距瞳９３を通過し、マイクロレンズ１０ａに向う光束７３によりマイクロレンズ１０ａ上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。同様に、光電変換部１３ｂは測距瞳９３を通過し、マイクロレンズ１０ｃに向う光束８３によりマイクロレンズ１０ｃ上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。また、光電変換部１４ａは測距瞳９４を通過し、マイクロレンズ１０ｂに向う光束７４によりマイクロレンズ１０ｂ上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。同様に、光電変換部１４ｂは測距瞳９４を通過し、マイクロレンズ１０ｄに向う光束８４によりマイクロレンズ１０ｄ上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。

上述した２種類の焦点検出画素を直線状に多数配置し、各画素の光電変換部の出力を測距瞳９３および測距瞳９４に対応した出力グループにまとめることによって、測距瞳９３と測距瞳９４をそれぞれ通過する焦点検出用光束が画素列上に形成する一対の像の強度分布に関する情報が得られる。この情報に対して後述する像ズレ検出演算処理（相関演算処理、位相差検出処理）を施すことによって、いわゆる瞳分割型位相差検出方式で一対の像の像ズレ量が検出される。さらに、像ズレ量に一対の測距瞳の重心間隔に応じた変換演算を行うことによって、予定結像面に対する現在の結像面（予定結像面上のマイクロレンズアレイの位置に対応した焦点検出位置における結像面）の偏差（デフォーカス量）が算出される。

図１１は撮像素子２１２の回路構成を示す概念図である。撮像素子２１２はＣＭＯＳイメージセンサーとして構成され、蓄積制御はライン露光方式（ローリングシャッター方式）で制御される。説明を解りやすくするために、撮像素子２１２の回路構成を、４画素×４画素のレイアウトとして図示する。ここでは、２つの焦点検出画素３１３、３１４が３行目の２列目と３列目に配置され、その他は撮像画素３１０である。すなわち、画面水平方向に配置される焦点検出エリア１０１、１０４、１０５に対応して、焦点検出画素３１３、３１４が水平方向に配列されている。なお、画面垂直方向に配置される焦点検出エリア１０２，１０３に対応する焦点検出画素３１５、３１５の場合は、同じ列上にこれらの焦点検出画素３１５、３１５が配列される。例えば、２つの焦点検出画素３１５、３１５を３列目の２行目と３行目に配置したとして考えればよい。

上述したように、ライン露光方式では蓄積制御が行ごとに行われるので、同一行に配列される撮像画素と焦点検出画素に対しては露光タイミングの同時性が保証されているが、異なる行に跨って配列される撮像画素と焦点検出画素の間では露光タイミングにズレが生じる。

信号保持部５０２は、１行分の画素の画像信号を一時的に保持するバッファであり、垂直信号線５０１に出力されている同一行の画像信号を垂直走査回路５０３が発する制御信号ΦＨに基づいてラッチする。撮像画素３１０および焦点検出画素３１３、３１４の電荷蓄積は、蓄積制御回路５０４が発する制御信号（ΦＲ１〜ΦＲ４）により行ごとに制御される。撮像画素３１０および焦点検出画素３１３、３１４からの画像信号の出力は、垂直走査回路５０３が発する制御信号（ΦＳ１〜ΦＳ４）により行ごとに独立に制御される。制御信号により選択された画素の画像信号は垂直信号線５０１へ出力される。信号保持部５０２に保持された画像信号は水平転送回路５０５が発する制御信号（ΦＶ１〜ΦＶ４）により、順次出力回路５０６へ転送され、出力回路５０６により予め設定された増幅度で増幅されて外部へ出力される。

図１２は、図１１に示す撮像画素３１０および焦点検出画素３１３、３１４の詳細な回路図である。光電変換部はフォトダイオード（ＰＤ）で構成される。ＰＤで蓄積された電荷は浮遊拡散層（フローティングディフュージョン：ＦＤ）に蓄積される。ＦＤは増幅ＭＯＳトランジスター（ＡＭＰ）のゲートに接続されており、ＡＭＰはＦＤに蓄積された電荷の量に応じた信号を発生する。ＦＤはリセットＭＯＳトランジスター５１０を介して電源電圧Ｖｄｄに接続されており、制御信号ΦＲｎ（ΦＲ１〜ΦＲ４）によりリセットＭＯＳトランジスター５１０がオンすることによって、ＦＤおよびＰＤに溜まった電荷がクリアされリセット状態となる。ＡＭＰの出力は行選択ＭＯＳトランジスター５１２を介して垂直出力線５０１に接続されており、制御信号ΦＳｎ（ΦＳ１〜ΦＳ４）により行選択ＭＯＳトランジスター５１２がオンすることによって、ＡＭＰの出力が垂直出力線５０１へ出力される。

図１３は、図１１に示す撮像素子２１２の動作を示すタイミングチャートである。１行目の撮像画素３１０は垂直走査回路５０３が発する制御信号ΦＳ１により選択され、選択された撮像画素３１０の画像信号は垂直信号線５０１へ出力される。制御信号ΦＳ１と同期して発せられる制御信号ΦＨにより、垂直信号線５０１へ出力された１行目の画像信号は信号保持部５０２に一時的に保持される。信号保持部５０２に保持された１行目の撮像画素３１０の画像信号は、水平走査回路５０５から順次発せられる制御信号ΦＶ１〜ΦＶ４にしたがって出力回路５０６へ転送され、出力回路５０６で設定された増幅度で増幅されて外部へ出力される。

１行目の撮像画素３１０の画像信号の信号保持部５０２への転送が終了した時点で、蓄積制御回路５０４から発せられる制御信号ΦＲ１により１行目の撮像画素３１０がリセットされ、制御信号ΦＲ１の立ち下がりで１行目の撮像画素３１０の次の電荷蓄積が開始される。１行目の撮像画素３１０の画像信号の出力回路５０６からの出力が終了した時点において、２行目の撮像画素３１０は垂直走査回路５０３が発する制御信号ΦＳ２により選択され、選択された撮像画素３１０の画像信号が垂直信号線５０１へ出力される。以下、同様にして２行目の撮像画素３１０の画像信号の保持および撮像画素３１０のリセット、画像信号の出力および次の電荷蓄積の開始が行われる。

続いて３行目の撮像画素３１０と焦点検出画素３１３、３１４の画像信号の保持および画素のリセット、画像信号の出力および次の電荷蓄積の開始が行われる。さらに、続いて４行目の撮像画素３１０の画像信号の保持および撮像画素３１０のリセット、撮像画素３１０の画像信号の出力および次の電荷蓄積の開始が行われる。その後ふたたび１行目へ戻り、上述した動作が繰り返される。

１行目の撮像画素３１０の画像信号の電荷保持タイミングから、次回の１行目の撮像画素３１０の画像信号の電荷保持タイミングまでの周期Ｔｓは、一定に制御される。撮像画素３１０および焦点検出画素３１３、３１４の電荷蓄積時間Ｔｉ（露光時間）は、画素のリセットタイミング（制御信号ΦＲｎの立ち下がり）から画像信号の保持タイミング（制御信号ΦＳｎがＯＮ中の制御信号ΦＨの立ち上がり）までの時間となる。また、制御信号ΦＲ１〜ΦＲ４のパルス幅を変更することによって、撮像画素３１０および焦点検出画素３１３、３１４の電荷蓄積時間Ｔｉ（露光時間）を調整することが可能である。

図１４は一実施の形態の撮像素子２１２の露光タイミングの説明図である。撮像素子２１２では、上述したライン露光方式によって画素の電荷蓄積タイミングの制御が行われる。一般に、Ｎ行の撮像素子では、図１４に示すように、第１行目の画素の電荷蓄積開始と終了は時刻ｔ１ｓ、ｔ２ｅとなり、Ｎ行目の画素の電荷蓄積開始と終了は時刻ｔＮｓ、ｔＮｅとなる。そして、中間の行の画素の電荷蓄積開始と終了のタイミングは１行目の画素とＮ行目の画素の電荷蓄積タイミングの間の中間的なタイミングとなって、行ごとに電荷蓄積タイミングのズレを生じる。すなわち、ｇ行目に配置された撮像画素と焦点検出画素の間では電荷蓄積の開始と終了が同時に行われるが、ｇ行目に配置された撮像画素と焦点検出画素と(ｇ＋１)行目に配置された撮像画素と焦点検出画素の間では、電荷蓄積の開始と終了が(ｔＮｓ−ｔ１ｓ)／(Ｎ−１)だけ異なることになり、電荷蓄積の同時性が失われる。

図１５は、図１に示すデジタルスチルカメラ（撮像装置）の動作を示すフローチャートである。ボディ駆動制御装置２１４は、ステップ１００でカメラの電源がオンされるとこの動作を開始する。ステップ１１０において、撮像画素と焦点検出画素をライン露光方式で蓄積制御して撮像画素と焦点検出画素からデータを読み出す。続くステップ１２０で、撮像画素のデータを電子ビューファインダーに表示させる。ステップ１３０では、画面水平方向に焦点検出画素３１３、３１４が配列された焦点検出エリア１０１、１０４、１０５から読み出された一対の像データに基づいて、後述する像ズレ検出演算処理（相関演算処理）を行い、各焦点検出エリアごとに像ズレ量を演算し、さらに像ズレ量をデフォーカス量に変換する。

ステップ１４０において、画面水平方向の焦点検出エリア１０１、１０４、１０５のすべてのエリアで焦点検出不能（信頼性のあるデフォーカス量が求まらなかった）であったか否かを調べ、少なくとも１つの焦点検出エリアで焦点検出可能であった場合はステップ１６０へ進み、すべてのエリアで焦点検出不能であった場合はステップ１５０へ進む。

水平方向のすべての焦点検出エリア１０１、１０４、１０５において焦点検出不能であった場合は、ステップ１５０で、垂直方向に焦点検出画素３１５、３１６が配列された焦点検出エリア１０２、１０３から読み出された一対の像データに基づいて、後述する像ズレ検出演算処理（相関演算処理）を行い、各焦点検出エリアごとに像ズレ量を演算し、さらに像ズレ量をデフォーカス量に変換する。

ステップ１６０では、画面水平方向の焦点検出エリア１０１、１０４、１０５の内のいずれか複数の焦点検出エリアでデフォーカス量が求まった場合は、選択処理（複数デフォーカス量の平均、または最も至近を示すデフォーカス量を選択など）をして最終的なデフォーカス量を算出する。画面水平方向の焦点検出エリア１０１、１０４、１０５の内の１つの焦点検出エリアでしかデフォーカス量が求まらなかった場合は、そのデフォーカス量を交換レンズ２０２の焦点調節を行うための最終的なデフォーカス量とする。

一方、画面水平方向のすべての焦点検出エリア１０１、１０４、１０５で焦点検出不能となり、画面垂直方向の焦点検出エリア１０２、１０３の両方でデフォーカス量が求まった場合には、上記選択処理によりいずれかを選択し、焦点検出エリア１０２、１０３の一方でのみデフォーカス量が得られた場合には、そのデフォーカス量を交換レンズ２０２の焦点調節を行うための最終的なデフォーカス量とする。画面水平方向および垂直方向のすべての焦点検出エリアで焦点検出不能であった場合は、焦点検出不能とする。

ステップ１７０において、合焦近傍か否か、つまり算出された最終的なデフォーカス量の絶対値が所定値以内であるか否かを調べる。合焦近傍でないと判定された場合はステップ１８０へ進み、デフォーカス量をレンズ駆動制御装置２０６へ送信し、交換レンズ２０２のフォーカシングレンズ２１０を合焦位置に駆動させた後、ステップ１１０へ戻って上述した動作を繰り返す。なお、焦点検出不能な場合もこのステップ１８０へ分岐し、レンズ駆動制御装置２０６へスキャン駆動命令を送信し、交換レンズ２０２のフォーカシングレンズ２１０を無限から至近までの間でスキャン駆動させた後、ステップ１１０へ戻って上述した動作を繰り返す。

一方、合焦近傍であると判定された場合はステップ１９０へ進み、レリーズボタン（不図示）が操作されてシャッターレリーズがなされたか否かを判定し、なされていないと判定された場合はステップ１１０へ戻って上述した動作を繰り返す。シャッターレリーズがなされたと判定された場合はステップ２００へ進み、レンズ駆動制御装置２０６に対して絞り調整命令を送信し、交換レンズ２０２の絞り値を制御Ｆ値（撮影者または自動により設定されたＦ値）にする。絞り制御が終了した時点で、撮像素子２１２に撮像動作を行わせ、撮像素子２１２の撮像画素３１０およびすべての焦点検出画素３１３、３１４、３１５、３１６から画像データを読み出す。

ステップ２１０では、焦点検出画素列の各画素位置の画素データを焦点検出画素の周囲の撮像画素のデータに基づいて画素補間する。続くステップ２２０で、撮像画素のデータおよび補間されたデータからなる画像データをメモリーカード２１９に保存し、ステップ１１０へ戻って上述した動作を繰り返す。

以上の動作を実行することによって、電荷蓄積タイミングの同時性が保証された焦点検出エリア１０１、１０４、１０５において焦点検出が優先的に行われ、焦点検出エリア１０１、１０４、１０５において焦点検出不能な場合のみ、電荷蓄積タイミングの同時性が保証されない焦点検出エリア１０２，１０３において焦点検出を行うように制御されるので、被写体とカメラの相対的な変位が生じた場合であっても、電荷蓄積タイミングの非同時性に起因する焦点検出の誤動作の確率を減少させることができる。

ここで、図１５のステップ１３０と１５０における像ズレ検出演算処理（相関演算処理）の詳細を説明する。焦点検出画素が検出する一対の像は、測距瞳がレンズの絞り開口によりけられて光量バランスが崩れている可能性があるので、光量バランスに対して像ズレ検出精度を維持できるタイプの相関演算を施す。焦点検出画素列から読み出された一対のデータ列（Ａ１１〜Ａ１Ｍ、Ａ２１〜Ａ２Ｍ：Ｍはデータ数）に対し、下記（１）式に示す相関演算を行い、相関量Ｃ(k)を演算する。
Ｃ(k)＝Σ｜Ａ１n・Ａ２n+1+k−Ａ２n+k・Ａ１n+1｜ ・・・（１）
（１）式において、Σ演算はｎについて累積され、ｎのとる範囲は像ずらし量ｋに応じてＡ１n、Ａ１n+1、Ａ２n+k、Ａ２n+1+kのデータが存在する範囲に限定される。像ずらし量ｋ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シフト量である。

（１）式の演算結果は、図１６(ａ)に示すように、一対のデータの相関が高いシフト量（図１６(ａ)ではｋ＝ｋj＝２）において相関量Ｃ(k)が極小（小さいほど相関度が高い）になる。次に、下記（２）式〜（５）式に示す３点内挿の手法を用い、連続的な相関量に対する極小値Ｃ(ｘ)を与えるシフト量ｘを求める。
ｘ＝ｋj＋Ｄ／ＳＬＯＰ ・・・（２），
Ｃ(ｘ)＝ Ｃ(ｋj)-｜Ｄ｜ ・・・（３），
Ｄ＝｛Ｃ(ｋj-１)−Ｃ(ｋ j＋１)｝／２ ・・・（４），
ＳＬＯＰ＝ＭＡＸ｛Ｃ(ｋj＋１)−Ｃ(ｋj)，Ｃ(ｋj−１)−Ｃ(ｋj)｝ ・・・（５）

（２）式で算出されたずらし量ｘの信頼性があるかどうかは、以下のようにして判定される。図１６(ｂ)に示すように、一対のデータの相関度が低い場合は、内挿された相関量の極小値Ｃ(ｘ)の値が大きくなる。したがって、Ｃ(ｘ)が所定のしきい値以上の場合は算出されたずらし量の信頼性が低いと判定し、算出されたずらし量ｘをキャンセルする。あるいは、Ｃ(ｘ)をデータのコントラストで規格化するために、コントラストに比例した値となるＳＬＯＰでＣ(ｘ)を除した値が所定値以上の場合は、算出されたずらし量の信頼性が低いと判定し、算出されたずらし量ｘをキャンセルする。あるいはまた、コントラストに比例した値となるＳＬＯＰが所定値以下の場合は、被写体が低コントラストであり、算出されたずらし量の信頼性が低いと判定し、算出されたずらし量ｘをキャンセルする。図１６(ｃ)に示すように、一対のデータの相関度が低く、シフト範囲ｋmin〜ｋmaxの間で相関量Ｃ(k)の落ち込みがない場合は、極小値Ｃ(ｘ)を求めることができず、このような場合は焦点検出不能と判定する。

なお、相関演算式としては上記（１）式に限定されず、測距瞳がレンズの絞り開口によりけられて光量バランスが崩れていても像ズレ検出精度を維持できるタイプの相関演算式ならばどのような式でもよい。

算出されたずらし量ｘの信頼性があると判定された場合は、（６）式により像ズレ量ｓｈｆｔに換算される。
ｓｈｆｔ＝ＰＹ・ｘ ・・・（６）
（６）式において、ＰＹは検出ピッチ（焦点検出画素のピッチ）である。次に、（６）式で算出された像ズレ量に所定の変換係数ｋを乗じてデフォーカス量ｄｅｆへ変換する。
ｄｅｆ＝ｋ・ｓｈｆｔ ・・・（７）
なお、変換係数ｋは図１０に示す一対の測距瞳９３，９４の重心を見込む開き角θに依存しており、おおよそｋ＝１／（２・Ｔａｎ（θ／２））の関係がある。

《発明の他の実施の形態》
図１７は、デジタルスチルカメラの変形例の動作を示すフローチャートである。上述した一実施の形態の動作（図１５参照）では、常に、水平方向の焦点検出エリア１０１、１０４、１０５において、垂直方向の焦点検出エリア１０２、１０３に優先して焦点検出を行う例を示したが、状況に応じて、水平方向の焦点検出エリア１０１、１０４、１０５を垂直方向の焦点検出エリア１０２、１０３よりも優先して焦点検出を行うようにしてもよい。なお、図１７に示す動作において、図１５に示す動作と同じ動作を行うステップに対しては同一のステップ番号を付して相違点を中心に説明する。

この変形例の動作では、ステップ１２０と１３０の間にステップ１２１と１２２が追加されている。ステップ１２１で画面内の像の動きを検出し、像の動きがあった場合はステップ１３０へ進み、像の動きがない場合はステップ１２２へ進む。

像の動きの検出方法は、例えば、周知のブレ検出センサーをカメラボディに配置し、ブレ検出センサーの出力に応じて像の動きを検出してもよいし、あるいは、画像メモリをカメラボディに配置し、過去の画像データと今回の画像データとの間で周知の動きベクトルを算出し、この動きベクトルの大きさに応じて像の動きを検出してもよい。

ステップ１２２において、すべての焦点検出エリア１０１〜１０５から読み出された一対の像データに基づいて、像ズレ検出演算処理（相関演算処理）を行い、各焦点検出エリアごとに像ズレ量を演算し、さらに像ズレ量をデフォーカス量に変換してステップ１６０へ進む。

この変形例の動作によれば、像の動きがあった場合のみ、電荷蓄積タイミングの同時性が保証された焦点検出エリア１０１、１０４、１０５において焦点検出が優先的に行われ、像の動きがない場合はすべての焦点検出エリア１０１〜１０５において焦点検出が行われるため、より多くの焦点検出エリアを有効に利用することができる。

図１８は、デジタルスチルカメラの他の変形例の動作を示すフローチャートである。図１７に示す動作では、画面内で像の動きがある場合にのみ、水平方向の焦点検出エリア１０１、１０４、１０５において垂直方向の焦点検出エリア１０２、１０３に対して優先的に焦点検出を行っているが、像の動きがある場合に垂直方向の焦点検出エリア１０２、１０３における焦点検出を禁止するようにしてもよい。図１８に示す動作では、図１７に示す動作の内のステップ１４０と１５０の動作を削除し、ステップ１３０からステップ１６０へ進む。

この他の変形例の動作によれば、像の動きがあった場合（被写体とカメラの相対的な変位が生じた場合）には、電荷蓄積タイミングの非同時性に起因する焦点検出の誤動作を確実に防止することができる。

撮像素子における焦点検出エリアの配置は図２に示す配置に限定されず、対角線方向やその他の位置に水平方向および垂直方向に焦点検出エリアを配置することも可能である。

また、水平方向の焦点検出エリアと垂直方向の焦点検出エリアを近接して配置することによって、水平方向の焦点検出エリアが優先された場合でも実質的に焦点検出箇所を減ずることを防止できる。例えば、水平方向の焦点検出エリアと垂直方向の焦点検出エリアを交差して十字型の焦点検出エリアを配置することによって、画面内の像の動きにより垂直方向の焦点検出エリアにおける焦点検出が禁止された場合でも、十字型に交差する水平方向の焦点検出エリアで焦点検出を行うことができ、画面内の同じ位置において焦点検出を実行できる。

なお、水平方向と垂直方向の十字型の焦点検出エリアを構成する場合には、例えば図３(ａ)において、水平方向の焦点検出画素３１３と３１４の画素列の中央付近で、図３(ｂ)に示す垂直方向の焦点検出画素３１５と３１６の配列が交差するようにすればよい。垂直方向の焦点検出画素３１５と３１６の配列は、緑と青の撮像画素の列に配置するのが望ましい。なお、交差点において垂直方向の焦点検出画素列を連続的に配列することはできないが、それによる焦点検出精度の低下は無視できる程度である。十字型の焦点検出エリアは撮影画面内の中央部、周辺部の多くの位置に配置することが望ましい。

図３に示す撮像素子において、焦点検出画素３１３、３１４、３１５、３１６はひとつの画素内にひとつの光電変換部を備えた例を示したが、ひとつの画素内に一対の光電変換部を備えてもよい。例えば、図１９に示すように、撮像画素３１０の二次元配列の中に、ひとつの画素内に一対の光電変換部を備えた焦点検出画素３１１を複数個配列して撮像素子２１２Ａを構成してもよい。この撮像素子２１２Ａでは、焦点検出画素３１１が図３に示す焦点検出画素３１３と焦点検出画素３１４のペアに相当した機能を果たす。

この撮像素子２１２Ａでは、図２０に示すように、焦点検出画素３１１がマイクロレンズ１０と一対の光電変換部１２，１３から構成される。焦点検出画素３１１には光量をかせぐために色フィルターは配置されておらず、その分光特性は光電変換を行うフォトダイオードの分光感度と、赤外カットフィルター（不図示）の分光特性を総合した分光特性（図７参照）となる。すなわち、図６に示す緑画素、赤画素、青画素の分光特性を加算したような分光特性となり、その感度の光波長領域は緑画素、赤画素、青画素の感度の光波長領域を包括している。

図３に示す撮像素子２１２では、撮像画素の配列中の一部に焦点検出画素を配置した例を示したが、図１においてカメラボディ２０３の撮影光路中にハーフミラーを配置して撮影光路を分割し、一方の光路に撮像専用の撮像素子を配置し、他方の光路に焦点検出画素のみが２次元状に配列された焦点検出専用の撮像素子を配置した構成のカメラに対しても、本発明を適用することが可能である。

上述した一実施の形態では、瞳分割位相差検出方式の焦点検出画素を用いた例を示したが、撮像画素を用いたコントラスト検出方式にも本発明を適用することができる。すなわち、水平方向に配列した撮像画素の画像データに基づくコントラスト検出を、垂直方向に配列した撮像画素の画像データに基づくコントラスト検出に対して優先する焦点検出装置を構成することも可能である。

図３に示す撮像素子では、撮像画素がベイヤー配列の色フィルターを備えた例を示したが、色フィルターの構成や配列はこれに限定されることはなく、補色フィルター（緑：Ｇ、イエロー：Ｙｅ、マゼンタ：Ｍｇ，シアン：Ｃｙ）の配列を採用してもよい。

図３に示す撮像素子では、焦点検出画素には色フィルターを設けない例を示したが、撮像画素と同色の色フィルターの内のひとつの色フィルター（たとえば緑色のフィルター）を設けるようにした場合でも、本発明を適用することができる。

図５、図２０において、焦点検出画素の光電変換部の形状を半円形とした例を示したが、光電変換部の形状はこれに限定されず、他の形状であってもよい。例えば、焦点検出画素の光電変換部の形状を楕円や矩形や多角形にすることも可能である。

図３に示す撮像素子では、撮像画素と焦点検出画素が稠密正方格子配列に配置された例を示したが、稠密六方格子配列であってもよい。

本願発明に係わる撮像装置は、交換レンズとカメラボディから構成されるデジタルスチルカメラやフィルムスチルカメラに限定されず、レンズ一体型のデジタルスチルカメラやフィルムスチルカメラやビデオカメラにも適用できる。また、携帯電話などに内蔵される小型カメラモジュールや、監視カメラやロボット用の視覚認識装置等にも適用できる。あるいは、カメラ以外の焦点検出装置や測距装置やステレオ測距装置にも適用することができる。

一実施の形態のカメラの構成を示すカメラの横断面図 撮影画面上の焦点検出位置を示す図 一実施の形態の撮像素子の詳細な構成を示す正面図 撮像画素の構成を示す図 焦点検出画素の構成を示す図 撮像画素の分光特性を示す図 焦点検出画素の分光特性を示す図 撮像画素の断面図 焦点検出画素の断面図 マイクロレンズを用いた瞳分割型位相差検出方式の焦点検出光学系の構成を示す図 一実施の形態の撮像素子の回路構成を示す概念図 図１１に示す撮像画素および焦点検出画素の詳細な回路図 図１１に示す撮像素子の動作を示すタイミングチャート 一実施の形態の撮像素子の露光タイミングの説明図 図１に示すデジタルスチルカメラ（撮像装置）の動作を示すフローチャート 焦点検出結果の信頼性を説明する図 図１に示すデジタルスチルカメラ（撮像装置）の変形例の動作を示すフローチャート 図１に示すデジタルスチルカメラ（撮像装置）の他の変形例の動作を示すフローチャート 変形例の撮像素子の正面図 図１９に示す撮像素子で用いる焦点検出画素の構成を示す図

符号の説明

１０；マイクロレンズ、１１、１２、１３、１６、１７；光電変換部、２０１；カメラ（撮像装置）、２１２、２１２Ａ；撮像素子、２１４；ボディ駆動制御装置、３１０；撮像画素、３１３、３１４、３１５、３１６；焦点検出画素、５０３；垂直走査回路、５０４；蓄積制御回路、５０５；水平走査回路

Claims (9)

1. 光学系を介した光束を受光する複数の電荷蓄積型の画素を有する撮像素子と、
   前記画素のうち、前記撮像素子上の第１方向に沿って配列された第１画素列に対して同時に電荷蓄積制御するとともに、前記第１方向と交差する第２方向に沿って配列された第２画素列に対して順次蓄積制御する蓄積制御手段と、
   前記第１画素列と前記第２画素列の出力に基づいて前記光学系の焦点検出を行う焦点検出手段と、
   前記光学系の画面内における像の動きを検出する動き検出手段とを備え、
   前記焦点検出手段は、前記第１画素列の出力を用いた焦点検出が不能な場合は、前記第２画素列の出力を用いて焦点検出を行い、
   更に、前記焦点検出手段は、前記動き検出手段により像の動きが検出された場合は、前記第２画素列の出力を用いた焦点検出を禁止することを特徴とする焦点検出装置。
2. 請求項１に記載の焦点検出装置において、
   前記動き検出手段は、焦点検出装置に加わる振れを検出することを特徴とする焦点検出装置。
3. 請求項１に記載の焦点検出装置において、
   前記動き検出手段は、異なる時刻における前記撮像素子の出力を比較して像の動きを検出することを特徴とする焦点検出装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の焦点検出装置において、
   前記撮像素子は、光学系による像を撮像する複数の撮像画素が二次元状に配列されており、
   前記第１画素列と前記第２画素列は、前記複数の撮像画素の配列中に設けられていることを特徴とする焦点検出装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の焦点検出装置において、
   前記第１画素列と、前記第２画素列とが交差するように配列されることを特徴とする焦点検出装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の焦点検出装置において、
   前記複数の画素は、前記光学系の瞳上の異なる領域を通る一対の光束を受光して前記光学系の焦点調節状態を検出するための信号を出力することを特徴とする焦点検出装置。
7. 請求項６に記載の焦点検出装置において、
   前記画素は、マイクロレンズと該マイクロレンズに対して配置された一対の光電変換部から構成されることを特徴とする焦点検出装置。
8. 請求項６に記載の焦点検出装置において、
   前記画素は、マイクロレンズと該マイクロレンズに対して配置された第１光電変換部から構成される第１焦点検出画素と、マイクロレンズと該マイクロレンズに対して配置された第２光電変換部から構成される第２焦点検出画素とを含むことを特徴とする焦点検出装置。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の焦点検出装置を備えることを特徴とする撮像装置。

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