JP2011227388A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な演算で高精度なシェーディング補正が可能な撮像装置を提供する。
【解決手段】撮像装置は、絞りおよび結像光学系を有するレンズユニットを通過した光束のうち射出瞳を分割して形成された像を光電変換する複数の焦点検出用画素を有する撮像手段と、前記複数の焦点検出用画素から一対の像信号を取得して前記結像光学系の焦点状態を検出する焦点検出手段と、前記焦点検出手段による前記焦点状態の検出の際に、前記焦点検出用画素の位置での射出瞳の開口の形状が前記絞りの開口の形状に依存するように前記絞りを制御する制御手段とを有する。
【選択図】図１６

Description

本発明は、複数の焦点検出用画素を有する撮像素子を備えた撮像装置に関する。

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、特許文献１に開示されている。また本出願人は、デジタルスチルカメラに用いられるＣＭＯＳ型イメージセンサ（固体撮像装置）を用いて瞳分割方式の焦点検出を行う固体撮像装置を特許文献２に開示している。瞳分割方式の焦点検出方法では、撮影レンズの瞳の異なる領域を透過して生成された２つの像に対して相関演算を行うことにより、撮影レンズの焦点状態を検出している。

瞳ケラレによって２つの像の相関方向の光量分布が異なってくると、２つの像の対応する被写体像の出力波形に非対称性が生じ、相関演算に誤差が生じる。このような現象を回避するため、２つの像の相関方向の光量分布を予め予測し、得られた像をシェーディング補正する方法が用いられる。また、基線長を予め計算してピントズレ量を算出する方法が用いられる。特許文献３では、瞳ケラレの形状をレンズの種類や像高などのパラメータから予測する方法が取られている。また、特許文献４では、カメラに格納された特定のフィルタを口径比（Ｆ値）、射出瞳位置、像ズレ量によって変形し、該変形フィルタ（像修正フィルタ）を被写体像に適応したのち結像状態を検出する技術が開示されている。

特許文献５では、レンズ内の絞り位置において、通常絞り開口以外に、２つの開口となる特殊開口を切り替え可能にし、瞳ケラレの形状をレンズの瞳開口形状に合わせる方法が開示されている。また特許文献６では、レンズの絞り羽根によって絞り開口を２つの開口に形状変更して、瞳ケラレの形状をレンズの瞳開口形状に合わせる方法が開示されている。

特開昭５８−２４１０５号公報（第２頁、図１） 特開２００５−１０６９９４号公報（第７頁、図３） 特開２００４−１９１６２９号公報（第８〜１２頁、図７〜１０） 特開平５−１２７０７４号公報（第１５頁、図３４） 特開２００１−０８３４０７号公報（第１０〜１１頁、図２７） 特開２００２−３５０７１８号公報（第３頁、図１）

レンズ交換が可能なカメラでは、レンズの種類や像高に対して瞳ケラレの形状が多種多様であり、シェーディング補正を行うためのデータ量やパラメータ数が多く、多大な演算能力が必要となる。また、複雑なケラレ形状の場合には予測値と実際の光量値との間に誤差が生じやすく、所望のシェーディング補正の精度を確保することが困難となる。

この点、特許文献５、６には、レンズ毎に特殊なレンズ開口（２つの開口）となる絞り機構を設ける内容が開示されている。しかしながら、特許文献５、６では、特殊レンズに対してはケラレ形状が簡略化されるが、一般的に市販されている光軸中心の丸に近い絞り開口によって撮影画像を取得するレンズでは、特許文献５、６のような２つの開口を構成できない。このため、特許文献５、６では、一般的に市販されているレンズに対してケラレ形状を簡略化することができない。

本発明は、簡易な演算で高精度なシェーディング補正が可能な撮像装置を提供する。

本発明の一側面としての撮像装置は、絞りおよび結像光学系を有するレンズユニットを通過した光束のうち射出瞳を分割して形成された像を光電変換する複数の焦点検出用画素を有する撮像手段と、前記複数の焦点検出用画素から一対の像信号を取得して前記結像光学系の焦点状態を検出する焦点検出手段と、前記焦点検出手段による前記焦点状態の検出の際に、前記焦点検出用画素の位置での射出瞳の開口の形状が前記絞りの開口の形状に依存するように前記絞りを制御する制御手段とを有する。

本発明の他の側面としての撮像方法は、絞りおよび結像光学系を有するレンズユニットを通過した光束のうち射出瞳を分割して形成された像を複数の焦点検出用画素により光電変換する工程と、前記複数の焦点検出用画素から一対の像信号を取得して前記結像光学系の焦点状態を検出する工程と、前記焦点状態の検出の際に、前記焦点検出用画素の位置での射出瞳の開口の形状が前記絞りの開口の形状に依存するように前記絞りを制御する工程とを有する。

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。

本発明によれば、簡易な演算で高精度なシェーディング補正が可能な撮像装置を提供することができる。

本実施例における焦点検出装置を備えたカメラ（撮像装置）の構成図である。 本実施例における撮像素子の回路構成図である。 本実施例における撮像素子の画素部の断面図である。 本実施例における撮像素子のタイミングチャートである。 本実施例にいて、（１）撮像用画素の平面図と断面図、（２）撮影レンズのｘ方向に瞳分割を行うための焦点検出用画素の平面図と断面図、（３）撮影レンズのｙ方向に瞳分割を行うための焦点検出用画素の平面図と断面図である。 本実施例における撮像素子の瞳分割の説明図である。 本実施例において、焦点検出時に取得した画像と焦点検出領域の説明図である。 本実施例において、（１）撮像素子の中央の焦点検出用画素の入射角特性を示す模式図、（２）焦点検出用画素の瞳強度分布図、（３）レンズを装着した際の焦点検出用画素の瞳強度分布図である。 本実施例において、１次元で表された焦点検出用画素の入射角特性である。 本実施例における光束のケラレの説明図である。 本実施例における瞳面上での瞳領域を示す図である。 本実施例における撮像素子の像高を示す図である。 本実施例において、撮像素子の中央像高の焦点検出用画素の瞳面上での入射光束の瞳強度分布を１次元で表した図である。 本実施例において、中央像高での焦点検出範囲のケラレの状態である。 本実施例において、中央像高での画素の焦点検出範囲内での光量変化を示す図である。 本実施例において、（ａ）各像高の中央位置での通常画像撮影時の瞳ケラレ形状、（ｂ）焦点検出を行う際の各像高での瞳ケラレ形状である。 本実施例において、焦点検出手段における瞳面位置Ｍｅでのレンズの絞り位置と焦点検出位置との関係図である。 本実施例において、（１）光量の補正を行うことにより得られたゲインマップ曲線の一例、（２）焦点検出位置における画素の瞳強度分布の重心ズレ量の逆数についてのグラフの一例である。 本実施例における焦点検出の際のフローチャートである。

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。

図１は、本実施例における焦点検出装置を備えたカメラ２００（撮像装置）の構成図である。図１において、１００は絞りおよび結像光学系（撮影光学系）を有するレンズユニットである。レンズユニット１００は、カメラ本体に着脱可能なものであっても着脱可能でないものであってもよい。１０１は撮影光学系の先端に配置された第１レンズ群であり、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（絞り）であり、その開口径を調節することで撮影時の光量調節を行い、また、静止画撮影時に露光秒時調節用シャッタとして機能する。１０３は第２レンズ群である。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、変倍機能（ズーム機能）を有する。

１０５は第３レンズ群であり、光軸方向の進退により焦点調節を行う。１０６は光学的ローパスフィルタであり、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、横方向にｍ画素、縦方向に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。撮像素子１０７は、後述のように、結像光学系からの光束により形成された像を光電変換する複数の撮像用画素および撮像光学系からの光束のうち分割された光束により形成された像を光電変換する複数の焦点検出用画素を有する。

１１１はズームアクチュエータであり、不図示のカム筒を回動することで、第１レンズ群１０１乃至第３レンズ群１０３を光軸方向に進退駆動し、変倍操作を行う。１１２は絞りアクチュエータ（制御手段）である。絞りアクチュエータ１１２は、焦点検出手段（ＣＰＵ１２１）による焦点検出の際に、焦点検出用画素の位置での射出瞳の開口の形状が絞り（絞り兼用シャッタ１０２）の開口の形状に依存するように絞りを制御する。１１４はフォーカスアクチュエータであり、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う。１１５は撮影時の被写体照明用電子フラッシュであり、キセノン管を用いた閃光照明装置が好適に用いられるが、連続発光するＬＥＤを備えた照明装置を用いてもよい。

１２１はＣＰＵであり、カメラ本体の種々の制御を行う。ＣＰＵ１２１は、演算部、データ格納手段ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、及び、通信インターフェイス回路等を有する。ＣＰＵ１２１は、ＲＯＭに記憶された所定のプログラムに基づいて、カメラ２００の各種回路を駆動し、ＡＦ、撮影、画像処理及び記録等の一連の動作を実行する。ＣＰＵ１２１は、本発明の演算手段、焦点検出手段、データ格納手段に相当する。焦点検出手段としてのＣＰＵ１２１は、焦点検出用画素（画素ＳＨＡ、ＳＨＢ）から一対の像信号を取得して結像光学系の焦点状態を検出する。また焦点検出手段としてのＣＰＵ１２１は、複数の焦点検出用画素から得られた一対の像信号から焦点ズレ量を計算する焦点ズレ量演算手段を有する。

１２２は電子フラッシュ制御回路であり、撮影動作に同期して照明手段１１５を点灯制御する。１２４は撮像素子駆動回路であり、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は画像処理回路であり、撮像素子１０７が取得した画像のγ変換、カラー補間、及び、ＪＰＥＧ圧縮等の各処理を行う。

１２６はフォーカス駆動回路であり、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う。１２８は絞りシャッタ駆動回路であり、絞りアクチュエータ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あり、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。

１３１はＬＣＤ等の表示器であり、カメラ２００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、及び、焦点検出時の合焦状態表示画像等を表示する。１３２は操作スイッチ群であり、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、及び、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であり、撮影済み画像を記録する。

図２は、本実施例における撮像素子の回路構成図である。図２は２次元Ｃ−ＭＯＳエリアセンサの２列×４行画素の範囲を示しているが、撮像素子として利用する場合には、図２に示される画素を多数配置することで高解像度画像の取得が可能となる。図２において、１はＭＯＳトランジスタゲートとゲート下の空乏層からなる光電変換素子の光電変換部、２はフォトゲート、３は転送スイッチＭＯＳトランジスタ、４はリセット用ＭＯＳトランジスタ、５はソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタである。また、６は水平選択スイッチＭＯＳトランジスタ、７はソースフォロワの負荷ＭＯＳトランジスタ、８は暗出力転送ＭＯＳトランジスタ、９は明出力転送ＭＯＳトランジスタ、１０は暗出力の蓄積容量ＣＴＮ、１１は明出力の蓄積容量ＣＴＳである。また、１２は水平転送ＭＯＳトランジスタ、１３は水平出力線リセットＭＯＳトランジスタ、１４は差動出力アンプ、１５は水平走査回路、１６は垂直走査回路である。

図３は、本実施例における撮像素子の画素部の断面図である。図３において、１７はＰ型ウェル、１８はゲート酸化膜、１９は一層目ポリＳｉ、２０は二層目ポリＳｉ、２１はｎ+ フローティングディフュージョン部（ＦＤ部）である。ＦＤ部２１は、別の転送ＭＯＳトランジスタを介して別の光電変換部と接続される。図３において、２つの転送スイッチＭＯＳトランジスタ３のドレインとＦＤ部２１を共通化して微細化とＦＤ部２１の容量低減による感度向上を図っているが、Ａｌ配線でＦＤ部２１を接続してもよい。

次に、図４のタイミングチャートを用いて撮像素子の動作について説明する。図４は、本実施例における撮像素子のタイミングチャートであり、このタイミングチャートは全画素独立出力の場合を示す。まず、垂直走査回路１６からのタイミング出力によって、制御パルスφＬをハイとして垂直出力線をリセットする。また、制御パルスφＲ０，φＰＧ００，φＰＧｅ０をハイとし、リセット用ＭＯＳトランジスタ４をオンとし、フォトゲート２の一層目ポリＳｉ１９をハイとする。時刻Ｔ０において、制御パルスφＳ０をハイとし、選択スイッチＭＯＳトランジスタ６をオンさせ、第１，第２ラインの画素部を選択する。次に、制御パルスφＲ０をローとし、ＦＤ部２１のリセットを止めてＦＤ部２１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５のゲート・ソース間をスルーとする。その後、時刻Ｔ１において、制御パルスφＴＮをハイとし、ＦＤ部２１の暗電圧をソースフォロワ動作で蓄積容量ＣＴＮ１０に出力させる。

次に、第１ラインの画素の光電変換出力を行うため、第１ラインの制御パルスφＴＸ００をハイとして転送スイッチＭＯＳトランジスタ３を導通した後、時刻Ｔ２において制御パルスφＰＧ００をローとして下げる。このとき、フォトゲート２の下に拡がっていたポテンシャル井戸を上げて、光発生キャリアをＦＤ部２１に完全転送させることが可能な電圧関係であることが好ましい。従って完全転送が可能であれば、制御パルスφＴＸは、パルスではなく所定の固定電位でもよい。

時刻Ｔ２において、フォトダイオードの光電変換部１からの電荷がＦＤ部２１に転送されることにより、ＦＤ部２１の電位が光に応じて変化する。このとき、ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ５がフローティング状態であるため、ＦＤ部２１の電位を時刻Ｔ３において制御パルスφＴｓをハイとして蓄積容量ＣＴＳ１１に出力する。この時点で、第１ラインの画素の暗出力と光出力はそれぞれ蓄積容量ＣＴＮ１０とＣＴＳ１１に蓄積されている。時刻Ｔ４の制御パルス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１３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１５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を出力する。このとき、蓄積容量ＣＴＮ１０、ＣＴＳ１１の差動増幅器１４によって、差動出力ＶＯＵＴを取れば、画素のランダムノイズ及び固定パターンノイズを除去したＳ／Ｎの良好な信号を得ることができる。また、画素３０−１２、３０−２２の光電荷は、画素３０−１１、３０−２１と同時に夫々の蓄積容量ＣＴＮ１０、ＣＴＳ１１に蓄積される。そして、水平走査回路１５からのタイミングパルスを１画素分遅らして水平出力線に読み出され、差動増幅器１４から出力される。なお本実施例では、差動出力ＶＯＵＴをチップ内で行う構成を示しているが、チップ内に含めず、外部で従来のＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ：相関二重サンプリング）回路を用いても同様の効果が得られる。

蓄積容量ＣＴＳ１１に明出力を出力した後、制御パルスφＲ０をハイとしてリセット用ＭＯＳトランジスタ４を導通させ、ＦＤ部２１を電源ＶＤＤにリセットする。第１ラインの水平転送が終了した後、第２ラインの読み出しを行う。第２ラインの読み出しは、制御パルスφＴＸｅ０、φＰＧｅ０を同様に駆動させ、制御パルスφＴＮ、φＴＳに夫々ハイパルスを供給し、蓄積容量ＣＴＮ１０、ＣＴＳ１１に夫々光電荷を蓄積して暗出力及び明出力を取り出す。以上の駆動により、第１、第２ラインの読み出しを夫々独立に行うことができる。この後、垂直走査回路を走査させ、同様に第２ｎ＋１、第２ｎ＋２（ｎ＝１，２，…）の読み出しを行えば全画素独立出力を行うことができる。即ち、ｎ＝１の場合は、まず制御パルスφＳ１をハイとし、次にφＲ１をローとする。続いて、制御パルスφＴＮ、φＴＸ０１をハイとし、制御パルスφＰＧ０１をロー、制御パルスφＴＳをハイ、制御パルスφＨＣを一時ハイとして画素３０−３１、３０−３２の画素信号を読み出す。続いて、制御パルスφＴＸｅ１，φＰＧｅ１及び上記と同様に制御パルスを印加して、画素３０−４１、３０−４２の画素信号を読み出す。

図５は、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行×２列の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る。ベイヤー配列の間には、後述する焦点検出用画素が所定の規則にて分散配置される。

図５（１）は、撮像用画素の平面図と断面図である。図５（１）（ａ）は撮像素子中央に位置する２行×２列の撮像用画素の平面図である。ベイヤー配列では、対角方向にＧ画素が、また、他の２画素にＲとＢの画素が配置される。そして、この２行×２列の構造が繰り返し配置される。図５（１）（ｂ）は、図５（１）（ａ）中のＡ−Ａ断面図である。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、図３で説明したＣ−ＭＯＳセンサの光電変換部を模式的に示したものであり、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。

ここで、撮像用画素のオンチップマイクロレンズ（マイクロレンズＭＬ）と光電変換部ＰＤは、撮影光学系（撮影レンズ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、撮影レンズＴＬの射出瞳ＥＰと光電変換部ＰＤは、マイクロレンズＭＬにより略共役関係にあり、かつ光電変換部ＰＤの有効面積は大面積に設計される。また、図５（１）（ｂ）では、Ｒ画素の入射光束について説明しているが、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。

図５（２）は、撮影レンズのｘ方向に瞳分割を行うための焦点検出用画素の平面図と断面図である。図５（２）（ａ）は、撮像素子の中央に位置する焦点検出用画素を含む２行×２列の画素の平面図である。撮像信号を得る場合、Ｇ画素は輝度情報の主成分をなす。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められやすい。一方、Ｒ画素又はＢ画素は、色情報を取得する画素であるが、人間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に気づきにくい。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に相当する位置の画素にある割合で焦点検出用画素（画素ＳＨＡ、ＳＨＢ）を配列している。

図５（２）（ｂ）は、図５（２）（ａ）中のＢ−Ｂ断面図である。マイクロレンズＭＬと光電変換部ＰＤは、図５（１）（ｂ）に示した撮像用画素のものと同一構造である。本実施例では、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ｘ方向に偏倚している。具体的には、画素ＳＨＡの開口部ＯＰＨＡは−ｘ方向に偏倚しているため、撮影レンズ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＋ｘ方向に偏倚しているため、撮影レンズＴＬの右側の射出瞳ＥＰＨＢを通過した光束を受光する。本実施例では、画素ＳＨＡをｘ方向規則的に配列して、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ｘ方向規則的に配列して、これらの画素群で取得した被写体像をＢ像とする。このとき、Ａ像とＢ像の相対位置を検出することで、被写体像のピントズレ量（デフォーカス量）を検出することができる。

なお、画素ＳＨＡ及びＳＨＢでは、撮影画面のｘ方向に輝度分布を有した被写体、例えばｙ方向の線に対しては焦点検出が可能である。しかし、ｙ方向に輝度分布を有するｘ方向の線については焦点検出ができない。そこで本実施例では、後者についても焦点検出できるように、撮影レンズのｙ方向にも瞳分割を行う画素を備える。

図５（３）は、撮影レンズのｙ方向に瞳分割を行うための焦点検出用画素の平面図と断面図である。図５（３）（ａ）は、撮像素子の中央に位置する焦点検出用画素を含む２行×２列の画素の平面図である。図５（２）（ａ）と同様に、Ｇ画素は撮像用画素として残し、Ｒ、Ｂ画素に相当する位置の画素に一定の割合で焦点検出用画素（画素ＳＶＣ、ＳＶＤ）を配列している。

図５（３）（ｂ）は、図５（３）（ａ）中のＣ−Ｃ断面図である。図５（２）（ｂ）の画素がｘ方向に瞳分離する構造であるのに対して、図５（３）（ｂ）の画素は瞳分離方向がｙ方向になっているが、画素の構造は同じである。すなわち、画素ＳＶＣの開口部ＯＰＶＣは−ｙ方向に偏倚しているため、撮影レンズＴＬの＋ｙ方向の射出瞳ＥＰＶＣを通過した光束を受光する。同様に、画素ＳＶＤの開口部ＯＰＶＤは＋ｙ方向に偏倚しているため、撮影レンズＴＬの−ｙ方向の射出瞳ＥＰＶＤを通過した光束を受光する。本実施例では、画素ＳＶＣをｙ方向規則的に配列して、これらの画素群で取得した被写体像をＣ像とする。また、画素ＳＶＤもｙ方向規則的に配列し、これらの画素群で取得した被写体像をＤ像とする。このとき、Ｃ像とＤ像の相対位置を検出することで、ｙ方向に輝度分布を有する被写体像のピントズレ量（デフォーカス量）を検出することができる。

図６は、本実施例における撮像素子の瞳分割の説明図である。ＴＬは撮影レンズ、１０７は撮像素子、ＯＢＪは被写体、ＩＭＧは被写体像である。撮像用画素は、図５（１）を参照して説明したように、撮影レンズＴＬの射出瞳全域ＥＰを通過した光束を受光する。一方、焦点検出用画素は、図５（２）及び図５（３）を参照して説明したように、瞳分割機能を有する。具体的には、図５（２）の画素ＳＨＡは＋Ｘ方向の側の瞳を通過した光束、すなわち図６の瞳ＥＰＨＡを通過した光束ＬＨＡを受光する。同様に、画素ＳＨＢ、ＳＶＣ及びＳＶＤは、それぞれ、瞳ＥＰＨＢ、ＥＰＶＣ及びＥＰＶＤを通過した光束ＬＨＢ、ＬＶＣ及びＬＶＤを受光する。そして、焦点検出用画素を、撮像素子１０７の全領域に渡って分布させることで、撮像領域全域において焦点検出が可能となる。

図７は、焦点検出時に取得した画像と焦点検出領域の説明図である。図７において、撮像面に形成された被写体像には、中央に人物、左側に近景の樹木、右側に遠景の山並みが写っている。本実施例において、焦点検出用画素は、ｘ方向ズレ検出用の画素ペア（画素ＳＨＡ、ＳＨＢ）と、ｙ方向ズレ検出用の画素ペア（画素ＳＶＣ、ＳＶＤ）が、撮像領域全域に渡って均等な密度で配置されている。そして、ｘ方向ズレ検出の際には、ｘ方向ズレ検出用の画素ＳＨＡ、ＳＨＢから得られる一対の画像信号を、位相差演算のためのＡＦ画素信号として使用する。また、ｙ方向ズレ検出の際には、ｙ方向ズレ検出用の画素ＳＶＣ、ＳＶＤから得られる一対の画像信号を、位相差演算のためのＡＦ画素信号として使用する。このため、撮像領域の任意の位置において、ｘ方向ズレ検出及びｙ方向ズレ検出のための焦点検出領域を設定することができる。

図７では、画面中央に人物の顔が存在している。公知の顔認識技術によって顔の存在が検出されると、顔領域を中心にｘ方向ズレ検知のための焦点検出領域ＡＦＡＲｈ（ｘ１，ｙ１）と、ｙ方向ズレ検知のための焦点検出領域ＡＦＡＲｖ（ｘ３，ｙ３）が設定される。ここで、ｈはｘ方向を表し、（ｘ１，ｙ１）及び（ｘ３，ｙ３）は焦点検出領域の左上隅の座標を表す。そして、焦点検出領域ＡＦＡＲｈ（ｘ１，ｙ１）の各セクション内に含まれるｘ方向ズレ検出用の画素ＳＨＡを３０セクションに渡って連結した位相差検出用のＡ像信号が、ＡＦＳＩＧｈ（Ａ１）である。同様に、各セクションのｘ方向ズレ検出用の画素ＳＨＢを３０セクションに渡って連結した位相差検出用のＢ像信号が、ＡＦＳＩＧｈ（Ｂ１）である。Ａ像信号ＡＦＳＩＧｈ（Ａ１）とＢ像信号ＡＦＳＩＧｈ（Ｂ１）の相対的なｘ方向ズレ量を公知の相関演算によって計算することで、撮影レンズの焦点ズレ量（デフォーカス量）を求めることができる。

焦点検出領域ＡＦＡＲｖ（ｘ３，ｙ３）についても、同様に、ｙ方向ズレ検出用の画素ＳＶＣを連結した位相差検出用のＣ像信号が、ＡＦＳＩＧｖ（Ｃ３）である。また、ｙ方向ズレ検出用の画素ＳＶＤを連結した位相差検出用のＤ像信号が、ＡＦＳＩＧｖ（Ｄ３）である。Ｃ像信号ＡＦＳＩＧｖ（Ｃ３）とＤ像信号ＡＦＳＩＧｖ（Ｄ３）の相対的なｙ方向ズレ量を相関演算によって計算することで、撮影レンズの焦点ズレ量（デフォーカス量）を求めることができる。そして、ｘ方向ズレ及びｙ方向ズレの焦点検出領域で検出した２つの焦点ズレ量を比較し、信頼性の高い値を採用すればよい。

一方、画面左側の樹木の幹部は、ｙ方向成分が主体、すなわちｘ方向に輝度分布を有しているため、ｘ方向ズレ検知に適した被写体と判断され、ｘ方向ズレ検知のための焦点検出領域ＡＦＡＲｈ（ｘ２，ｙ２）が設定される。また、画面右側の山並み稜線部は、ｘ方向成分が主体、すなわちｙ方向に輝度分布を有しているため、ｙ方向ズレ検知に適した被写体と判断され、ｙ方向ズレ検知のための焦点検出領域ＡＦＡＲｖ（ｘ４，ｙ４）が設定される。

本実施例では、ｘ方向ズレ及びｙ方向ズレ検出のための焦点検出領域を画面の任意の位置に設定可能なため、被写体の投影位置や輝度分布の方向性が様々であっても、常に焦点検出が可能となる。なお、原理はｘ方向ズレとｙ方向ズレとでは方向が異なること以外は同じである。このため、以下においてはｘ方向ズレの検出に関して説明し、ｙ方向ズレ検出の説明は省略する。

図８（１）は、撮像素子の中央の焦点検出用画素の入射角特性を示す模式図である。図８（１）（ａ）は画素ＳＨＡ、図８（１）（ｂ）は画素ＳＨＢの入射角特性を示している。図８（１）中のｘ軸、ｙ軸はそれぞれ画素のｘ方向、ｙ方向の入射角度を表している。図８（１）では、色が濃くなるほど受光強度が高いことを示している。図５（２）では説明を容易にするため、画素ＳＨＡの射出瞳をＥＰＨＡ、画素ＳＨＢの射出瞳をＥＰＨＢと、それぞれ分離して表した。しかし図８（１）に示されるように、実際には、開口部ＯＰＨＡ及び開口部ＯＰＨＢの開口部による回折の影響や、ＳＮを向上させるため、画素ＳＨＡと画素ＳＨＢの射出瞳は一部領域の重なる部分がある。

図９は、１次元で表された焦点検出用画素の入射角特性である。横軸は入射角を、縦軸は図８（１）のθｙ方向の受光感度を加算したものを表しており、原点が光軸である。画素ＳＨＡの特性を実線、画素ＳＨＢの特性を破線にて示している。図９に示されるように、撮像素子の中央の焦点検出用画素では、画素ＳＨＡと画素ＳＨＢの入射角特性は感度重心に対して略対称となっている。

図１０は、光束のケラレの説明図である。図１０（ａ）は撮像素子１０７の中央の画素に入射する光束を示し、図１０（ｂ）は撮像素子１０７の中央から像高を持った位置の画素に入射する光束を示す。撮像素子１０７には撮影レンズ（第１レンズ群１０１）のレンズ保持枠や絞り兼用シャッタ１０２等の幾つかの構成部材によって制限された光束が入射する。ここでは説明を簡単にするため、あらゆる像高において光束を制限する部材が２つあるとして説明する。Ｉｗ１、Ｉｗ２は光束を制限する部材を窓であり、光束はこの内側を通過する。ＭｅはマイクロレンズＭＬの構成によって設定された瞳面（ＭＬ瞳）を表す。

図１０（ａ）を参照して、撮像素子１０７の中央の画素に入射する光束のケラレについて説明する。Ｌ１ｒｃ、Ｌ１ｌｃは窓Ｉｗ１の射出光束の外周を表し、Ｌ１ｒｃは図１０中右端、Ｌ１ｌｃは図１０中の左端を示す。Ｌ２ｒｃ、Ｌ２ｌｃは窓Ｉｗ２の射出光束をマイクロレンズＭＬの瞳位置まで投影したものの外周を表し、Ｌ２ｒｃは図１０中右端、Ｌ２ｌｃは図１０中左端を示す。図１０（ａ）に示されるように、撮像素子１０７の中央の画素に入射する光束の瞳面Ｍｅでの瞳領域は、Ｌ２ｌｃとＬ２ｒｃを外周とする光束、すなわち矢印Ａｒｅａ１で示される。

次に、図１０（ｂ）を参照して、撮像素子１０７の中央から像高を持った位置の画素に入射する光束のケラレについて説明する。Ｌ１ｒｈ、Ｌ１ｌｈは窓Ｉｗ１の射出光束の外周を表し、Ｌ１ｒｈは図１０中の右端、Ｌ１ｌｈは図１０中の左端を示す。Ｌ２ｒｈ、Ｌ２ｌｈは窓Ｉｗ２の射出光束をマイクロレンズＭＬの瞳位置まで投影したものの外周を表し、Ｌ２ｒｈは図１０中の右端、Ｌ２ｌｈは図１０中の左端を示す。図１０(ｂ)に示されるように、撮像素子１０７の中央から像高を持った位置の画素に入射する光束の瞳面Ｍｅ上での瞳領域は、Ｌ１ｌｈとＬ２ｒｈを外周とする光束、すなわち矢印Ａｒｅａ２で示される。

図１１は、瞳面Ｍｅ上での瞳領域を示す図である。図１１（ａ）は撮像素子の中央の画素の瞳領域を示し、図１１（ｂ）は撮像素子の中央から像高を持った位置の画素の瞳領域を示す。図１０を参照して説明したように、撮像素子の中央の画素は同一窓Ｉｗ２のみによって制限された光束が入射するため、図１１（ａ）に示されるように、瞳領域Ａｒｅａ１は窓Ｉｗ２の形状がそのまま投影される。光束を制限する窓は円形状であるため、瞳領域Ａｒｅａ１の形状も円形状となる。一方、撮像素子の中央から像高を持った位置の画素はＩｗ１とＩｗ２によって制限された光束が入射するため、瞳領域Ａｒｅａ２は図１１（ｂ）に示されるような形状となる。

図８（２）は、焦点検出用画素の瞳強度分布図である。図８（２）（ａ）は画素ＳＨＡ、図８（２）（ｂ）は画素ＳＨＢの特性を示す。撮像素子の中央から像高を持った位置の画素のマイクロレンズＭＬは、光軸中心が所定の瞳（ＭＬ瞳）距離の光軸中心を通過するように偏心して作製されている。そのため、図８（１）に示される撮像素子の中央の焦点検出用画素の入射角特性をＭＬ瞳上に投影したものに等しく、図８（２）の縦軸及び横軸は瞳上の座標に展開したものである。この瞳強度分布は、撮像素子の中央から像高を持った位置の画素についても同じ特性を有する。なお、以上説明したレンズ保持枠や絞りの位置寸法は、レンズの種類によってそれぞれ異なるため、同じ像高の位置でもレンズの種類によって瞳領域の形状は異なる。

図１２は、撮像素子内の焦点検出位置の説明図であり、撮像素子１０７の像高を示す。図１２において、Ｉｍｇ０は中央像高、Ｉｍｇ１は水平４割像高、Ｉｍｇ２は対角４割像高の位置を示す。図８（３）は、レンズを装着した際の焦点検出用画素の瞳強度分布図である。図８（３）（ａ）は画素ＳＨＡ、図８（３）（ｂ）は画素ＳＨＢの瞳強度分布特性を示す。図８（３）は、図１１(ａ)で説明した瞳ケラレ形状と図８（２）の焦点検出用画素単体の瞳強度分布図を重ね合わせたものであり、画素ＳＨＡ及び画素ＳＨＢには、Ａｒｅａ１で示される形状の内側を透過した光束が図示した瞳強度分布で入射する。図１３は、撮像素子の中央像高Ｉｍｇ０の焦点検出用画素の瞳面Ｍｅ上での入射光束の瞳強度分布を１次元で表した図である。横軸は瞳面Ｍｅ上のｘ方向の座標を表し、縦軸は各座標の強度を表す。各座標の強度は、図８（３）のｙ方向の瞳強度を加算したものである。画素ＳＨＡの特性を実線、画素ＳＨＢの特性を破線にて示している。

図１４は、中央像高Ｉｍｇ０での焦点検出範囲のケラレの状態である。図１４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ焦点検出領域の左端、中央、右端でのケラレの状態を示している。図１４に示されるように、中央（図１４（ｂ））では、ケラレが丸形状であるのに対し、焦点検出領域の左端（図１４（ａ））及び右端（図１４（ｃ））では、別のレンズ枠が出現し、ケラレの丸形状が崩れている。図１５は、中央像高Ｉｍｇ０での画素ＳＨＡ、ＳＨＢの焦点検出範囲内の光量変化を示す図である。画素ＳＨＡ、ＳＨＢのいずれにおいても、光量は測距領域に応じて変化する。このような光量ズレを補正しないと、ピントが合っている状態でも被写体の状態に応じて相関演算に誤差が生じる。

図１６（ａ）は、図１２に示される各像高Ｉｍｇ０、Ｉｍｇ１、Ｉｍｇ２の中央位置での通常画像撮影時の瞳ケラレ形状である。図１６（ａ）に示されるように、各像高での瞳ケラレは焦点検出位置により大きく変動し、特に像高が高いところでは瞳ケラレの影響でＡ像信号とＢ像信号との間で光量の相違が大きく、焦点検出誤差を引き起こす要因が増える。本実施例では、焦点検出動作を行う際に絞りを制御することにより、絞りの形状のみでケラレ形状が決定される。

図１６（ｂ）は、本実施例において焦点検出を行う際の各像高Ｉｍｇ０、Ｉｍｇ１、Ｉｍｇ２での瞳ケラレ形状である。図１６（ｂ）に示されるように、像高Ｉｍｇ０、Ｉｍｇ１、Ｉｍｇ２でのそれぞれの焦点検出領域内では、絞りで形成された丸の絞り形状で統一されており、他のレンズ枠によるケラレの影響を受けない。このため、レンズ枠の製造誤差やカメラ側の光軸の製造誤差によるレンズ枠の出現の誤差を無くすことができる。また、絞り枠のみで光量変化を引き起こしているため、焦点検出領域内での急激な光量変化は生じない。このため、補正曲線が比較的なだらかな特性となり、補正誤差が生じにくい。

図１７は、焦点検出手段における瞳面位置Ｍｅでのレンズの絞り位置と焦点検出位置との関係図である。図１７（ａ）は画素ＳＨＡでの瞳面上での瞳ケラレの形状を示す図であり、図１７（ｂ）は焦点検出位置により絞り形状の円の中心のズレ方を示す図である。撮像素子１０７とレンズの絞り位置との間の距離をＰ１、撮像素子１０７とＭＬ瞳面Ｍｅとの間の距離をＰｍｅ、絞り値をＦｎｏとすると、ＭＬ瞳面Ｍｅでの開口形状は円形で、その直径は式（１）で表される。

Ｄ１＝Ｐｍｅ／Ｆｎｏ （１）
一方、円の中心のズレ位置（ｄｘ、ｄｙ）は、焦点検出位置の像高を（ｘｓ、ｙｓ）とすると、式（２）、（３）のように表すことができる。

ｄｘ＝（Ｐ１−Ｐｍｅ）×ｘｓ／Ｐ１ （２）
ｄｙ＝（Ｐ１−Ｐｍｅ）×ｙｓ／Ｐ１ （３）
図１８（１）は、特定の絞り値Ｆｎｏにおける光量を元に光量の補正（シェーディング補正）を行ったゲインマップ曲線の一例である。図１８（１）において、水平方向、垂直方向は、絞り形状の円の中心ズレを表す。前述の式（２）、（３）のｄｘ、ｄｙと水平、垂直がそれぞれ対応している。図１８（１）のゲイン特性は、各像高での光量に対して逆数を取ったものに相当する。図１８（１）のようなゲインマップデータ（ゲインマップ曲線）を予めカメラ内のメモリに格納することにより、どのようなレンズが装着されても、焦点検出の際に絞りを制御するだけで、ゲイン特性を統一することができる。この際、複数のレンズ枠ケラレによる急激な光量変化がなくなるため、光量補正誤差も少なくなる。

ここでは光量の補正について説明したが、ケラレ形状は、レンズによらず、図１７に示される焦点検出手段の瞳面位置Ｍｅでのレンズの絞り値と焦点検出位置との関係により統一的に算出される。このため、ケラレ形状の決定により特定される焦点検出に関するパラメータ（補正値）を予めデータ化すれば、レンズ毎に焦点検出に関するパラメータ（補正値）を持つ必要はない。このような焦点検出に関する補正値は、結像光学系の射出瞳面上での絞り中心ズレに対応し、データ格納手段に格納されている。ここで焦点検出に関する補正値は、焦点検出画素の出力を補正するゲイン補正値に相当する値である。また、焦点検出に関する補正値は、焦点検出用画素から得られた一対の像信号の像ズレ変換係数に相当する値としてもよい。さらに焦点検出に係わる補正値は、焦点検出用画素から得られた一対の像信号の像修正フィルタに相当する値でもよい。

図１８（２）は、焦点検出位置における画素ＳＨＡ、ＳＨＢの瞳強度分布の重心ズレ量（基線長）の逆数（像ズレ換算係数）についてのグラフの一例である。焦点検出位置での相関演算より得られた像ズレ値に図１８（２）の像ズレ換算係数を掛けたものが、焦点検出位置でのピントズレ量に相当する。図１８（２）において、水平方向、垂直方向は、絞り形状の円の中心ズレを表し、前述の式（２）、（３）のｄｘ、ｄｙと水平、垂直が対応している。図１８（２）に示されるデータを予めカメラ内のメモリに格納することにより、どのようなレンズが装着されても、焦点検出手段による焦点検出の際に、絞り値（Ｆナンバー）を制御して焦点検出位置と像ズレ換算係数のデータを統一することができる。具体的には、絞り値制御手段は、焦点検出手段による焦点状態の検出の際に、焦点検出用画素の位置での射出瞳の開口が丸形状になるように制御する。ここで、「丸形状」とは、厳密な丸に限定されるものではなく、実質的に丸の単一形状であると評価できる形状を含む。本実施例によれば、絞り形状のみでケラレ形状が決定されるため、レンズの射出瞳位置によらずにフィルタ形状を決定することができる。その結果、複数の条件のレンズに対してフィルタ形状のデータを統一的に使用することが可能となる。

図１９は、オートフォーカスの一部である本実施例の焦点検出に関わるフローチャートを示す。メインフローは、一般的なカメラのフローと同一であるため、ここでの説明を省略する。なお、図１９のフローにおける動作は、本実施例の演算手段及び焦点検出手段であるＣＰＵ１２１によって実行される。

まずステップＳ００１では、レンズの種類やズーム位置、絞り値などのレンズ情報から各焦点検出位置での絞り値、及び、絞りの位置（撮像素子と絞りとの間の距離Ｐ１）が読み出され、ステップＳ００２へと進む。ステップＳ００２では、使用者により設定された焦点検出位置が読み出される。ここでは、使用者が焦点検出位置を選択するが、画像処理により顔を検出して自動的に焦点検出位置を選択する等の方法を採用してもよい。選択が完了した後、ステップＳ００３へ進む。

ステップＳ００３では、焦点検出位置に対応した各焦点検出用画素のＭＬ瞳上の丸絞り形状の中心ズレ（ｄｘ、ｄｙ）がＣＰＵ１２１により算出される。ステップＳ００４では、ステップＳ００３で算出した丸絞り形状の中心ズレ（ｄｘ、ｄｙ）と絞り値Ｆｎｏを元に、ゲイン補正係数を保管されているＣＰＵ１２１内のＲＯＭから読み出す。

ステップＳ００５では、ステップＳ００３で算出された丸絞り形状を元に、ＣＰＵ１２１内のＲＯＭから適正な像修正フィルタを読み込む。像修正フィルタについては、例えば特許文献４に開示されている既知の方式を採用する。また、ステップＳ００６では、ステップＳ００３で算出した丸絞り形状の中心ズレ（ｄｘ、ｄｙ）と絞り値Ｆｎｏを元に、基線長データを保管されているＣＰＵ１２１内のＲＯＭから読み出す。また、ステップＳ００７では、ステップＳ００１、Ｓ００２より得られた情報を元に絞り値を決定し、絞り駆動回路１２８により所定の絞り値に制御する。

ステップＳ００８では、焦点検出位置での焦点検出用画素の画像信号を読み出す。ステップＳ００９では、ステップＳ００４で取り込まれたゲイン補正データにより、被写体Ａ像、被写体Ｂ像がそれぞれ補正される。また、ステップＳ０１０では、ステップＳ００５で取り込まれた像修正フィルタにより、被写体Ａ像、被写体Ｂ像がそれぞれ補正される。

ステップＳ０１１では、ステップＳ００６で得られた基線長データを元に、画像補正後の被写体像Ａ像、被写体像Ｂ像を用いて公知の相関演算方法により像ズレ量を求め、デフォーカス量を算出する。デフォーカス量の算出が完了した後、ステップＳ０１２へ進む。ステップＳ０１２では、算出されたデフォーカス量から、合焦しているか否かの判定が行われる。合焦していないと判定された場合には、ステップＳ０１３へ進む。ステップＳ０１３では、算出されたデフォーカス量に応じて第３レンズ群１０５を進退させ、ステップＳ００８へと戻る。一方、合焦していると判定された場合には、ステップＳ０１４へ進む。ステップＳ０１４では、一連の焦点検出フローが終了し、合焦表示を行ってメインフローへ戻る。

以上のような構成により、焦点検出位置Ｉｍｇ１、２、３の光束のケラレ状態に対応した補正係数を読み出して、簡単な演算での像の修復を行い、合焦精度を向上させることができる。従って、簡易な演算処理回路による処理が可能となり、低コストや省スペースを確保することが可能となる。なお、本実施例では絞り形状を円形と見なして説明した。一般的に市販されている交換レンズは、実際には六枚羽根による六角絞りなど複数の形状があるが、予め円形と見なしても誤差が少ないことを確認できるため、本実施例をそのまま適用可能である。実際の絞り形状で誤差が大きいレンズについては、予め特殊レンズとしてデータを格納しておけばよい。

本実施例によれば、一般的に市販されている交換レンズに対しても、共通のシェーディング補正データより、個々のシェーディング補正係数を簡単な演算処理により算出することができる。このため、小規模な演算処理にも関わらず所望のシェーディング補正の精度を確保することが可能となる。また、簡易な演算処理回路による処理が可能となり、低コストで、焦点検出スピードを確保することが可能となる。

以上、本発明の実施例について具体的に説明した。ただし、本発明は上記実施例として記載された事項に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内で適宜変更が可能である。

１０１ 第１レンズ群
１０２ 絞り兼用シャッタ
１０３ 第２レンズ群
１０５ 第３レンズ群
１０７ 撮像素子
１２１ ＣＰＵ

Claims (6)

1. 絞りおよび結像光学系を有するレンズユニットを通過した光束のうち射出瞳を分割して形成された像を光電変換する複数の焦点検出用画素を有する撮像手段と、
   前記複数の焦点検出用画素から一対の像信号を取得して前記結像光学系の焦点状態を検出する焦点検出手段と、
   前記焦点検出手段による前記焦点状態の検出の際に、前記焦点検出用画素の位置での射出瞳の開口の形状が前記絞りの開口の形状に依存するように前記絞りを制御する制御手段と、を有することを特徴とする撮像装置。
2. 前記撮像装置はデータ格納手段を更に有し、
   前記データ格納手段は、前記結像光学系の射出瞳面上での絞り中心ズレに対応する焦点検出に関する補正値を格納していることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記焦点検出に関する補正値は、焦点検出画素の出力を補正するゲイン補正値に相当する値であることを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記焦点検出に関する補正値は、前記焦点検出用画素から得られた前記一対の像信号の像ズレ変換係数に相当する値であることを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
5. 前記焦点検出に係わる補正値は、前記焦点検出用画素から得られた前記一対の像信号の像修正フィルタに相当する値であることを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
6. 絞りおよび結像光学系を有するレンズユニットを通過した光束のうち射出瞳を分割して形成された像を複数の焦点検出用画素により光電変換する工程と、
   前記複数の焦点検出用画素から一対の像信号を取得して前記結像光学系の焦点状態を検出する工程と、
   前記焦点状態の検出の際に、前記焦点検出用画素の位置での射出瞳の開口の形状が前記絞りの開口の形状に依存するように前記絞りを制御する工程と、を有することを特徴とする撮像方法。