JP2015210286A - 撮像装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 コントラスト検出方式で焦点調節を行う場合に、被写体が存在する方向へフォーカスレンズを移動する確率を向上させ、合焦時間を短縮すること。【解決手段】 撮像素子（１０７）と、撮像光学系に含まれるフォーカスレンズを駆動する駆動手段（１１４、１２５）と、フォーカスレンズの位置を変えながら、撮像素子から出力された画像信号のコントラストに基づいて、焦点検出を行うコントラスト信号処理回路（１２４）と、フォーカスレンズの移動方向を決定する方向決定部（１４２）と、撮像装置からの距離ごとに被写体が存在する確率と、距離とフォーカスレンズ位置の関係とを有する情報を記憶する記憶部（１４１）とを有し、方向決定部は、焦点検出を開始する際の前記フォーカスレンズの移動方向を、フォーカスレンズの位置と、記憶部に記憶された情報とに基づいて、被写体が存在する確率が高い方向に決定する。【選択図】 図１

Description

本発明はオートフォーカス機能を有する撮像装置及びその制御方法に関する。

従来、撮像装置のオートフォーカス（以下、ＡＦ）方法に用いられている一般的な方式の１つとして、コントラスト検出方式がある。コントラスト検出方式は撮像素子からの出力信号のうち、特に高周波成分の信号に着目し、被写体の明暗差（コントラスト）を指標としたコントラスト評価値が最も大きくなるフォーカスレンズの位置を合焦位置とする方式である。しかし、山登り方式とも言われるように、フォーカスレンズを移動させながらコントラスト評価値を取得し、そのコントラスト評価値が最大となる位置を探索する必要があるため、高速な焦点調節動作には不向きとされている。

不向きであるとされている理由の１つに、従来、コントラスト評価値が最大となると見込まれる方向、即ち探索すべき方向が焦点調節を開始した時点では分からないことがあげられる。これに対し、近年、コントラスト検出方式で方向を決定する技術が特許文献１に記載されている。

特開２００６−２１５５４６号公報

特許文献１に記載された技術においては、ＡＦ開始前のフォーカスレンズ位置に基づいて移動する方向を無限と至近方向のいずれかに移動するかを決定し、決定された方向に決められた速度でフォーカスレンズを移動させながら、コントラスト評価値を取得する。そして、コントラスト評価値のピークを検出したらフォーカスレンズの移動を停止し、停止した位置から逆方向にフォーカスレンズを移動することで合焦位置を判定する。具体的には、フォーカスレンズ位置が無限遠側にあれば無限遠方向、至近側にあれば至近方向とし、一度無限端または至近端へ移動してから、端とは逆方向へフォーカスレンズを移動しながら、コントラスト評価値を取得し、合焦位置の探索を行う。

しかしながら、特許文献１では被写***置を考慮せず、ＡＦ開始前のフォーカスレンズ位置に応じて移動方向を決めているため、被写***置とは異なる方向にフォーカスレンズを移動してしまうと、合焦時間が長くなってしまう。

本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、コントラスト検出方式で焦点調節を行う場合に、被写体が存在する方向へフォーカスレンズを移動する確率を向上させ、合焦時間を短縮することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の撮像装置は、撮像光学系により結像された被写体像を光電変換して、画像信号を出力する撮像手段と、前記撮像光学系に含まれるフォーカスレンズを駆動する駆動手段と、前記フォーカスレンズの位置を変えながら、前記撮像手段から出力された画像信号のコントラストに基づいて、焦点検出を行う焦点検出手段と、前記フォーカスレンズの移動方向を決定する決定手段と、撮像装置からの距離ごとに被写体が存在する確率と、前記距離とフォーカスレンズ位置の関係とを有する情報を記憶する記憶手段とを有し、前記決定手段は、前記焦点検出手段により焦点検出を開始する際の前記フォーカスレンズの移動方向を、前記フォーカスレンズの位置と、前記記憶手段に記憶された情報とに基づいて、前記被写体が存在する確率が高い方向に決定する。

本発明によれば、コントラスト検出方式で焦点調節を行う場合に、被写体が存在する方向へフォーカスレンズを移動する確率を向上させ、合焦時間を短縮することができる。

本発明の第１の実施形態における撮像装置の概略構成を示すブロック図。 第１の実施形態における撮像素子の概略構成を示すブロック図。 被写体存在確率とフォーカスレンズ移動量の一例を示す図。 フォーカスレンズの位置毎の被写体存在確率の一例を示す図。 第１の実施形態における焦点調節処理の手順を示すフローチャート。 第１の実施形態におけるフォーカス移動方向判定処理を示すフローチャート。 第２の実施形態における撮像装置の概略構成を示すブロック図。 第２の実施形態における撮像素子の通常画素の平面図と断面図。 第２の実施形態における撮像素子の焦点検出画素の平面図と断面図。 第２の実施形態における撮像素子の焦点検出画素のケラレ及び焦点検出光束の重心間隔の説明図。 第２の実施形態における焦点調節処理の手順を示すフローチャート。 第２の実施形態におけるフォーカス移動方向判定処理を示すフローチャート。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態を詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は本発明の第１の実施形態における撮像装置の一例として、動画及び静止画が記録可能な電子カメラの概略構成を示したブロック図である。図１において、第１レンズ群１０１は撮像光学系の先端に配置され、光軸方向に進退可能に保持される。絞り１０２（以下、「絞り」と記す。）は、その開口径を調節することで撮影時の光量調節を行うほか、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。第２レンズ群１０３は、絞り１０２と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）を実現することができる。

第３レンズ群１０５（フォーカスレンズ）は、光軸方向の進退により焦点調節を行う。光学的ローパスフィルタ１０６は、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。撮像素子１０７はＣＭＯＳセンサとその周辺回路からなり、撮像光学系の結像面に配置される。撮像素子１０７には、横方向にＭ画素、縦方向にＮ画素の受光画素が正方配置され、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。上述した第１レンズ群１０１、絞り１０２、第２レンズ群１０３、第３レンズ群１０５、光学的ローパスフィルタ１０６は、撮像光学系を構成している。

ズームアクチュエータ１１１は、不図示のカム筒を手動もしくはアクチュエータで回動することで、第１レンズ群１０１ないし第３レンズ群１０３を光軸方向に進退駆動し、変倍操作を行う。絞りアクチュエータ１１２は、絞り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う。フォーカスアクチュエータ１１４は、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。

ＣＰＵ１２１は、カメラ本体の種々の制御を司り、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。ＣＰＵ１２１は、ＲＯＭに記憶された所定のプログラムに基づいて、カメラが有する各種回路を駆動し、焦点調節（ＡＦ）、撮影、画像処理と記録等の一連の動作を実行する。

ＣＰＵ１２１は、記憶部１４１及び方向決定部１４２を含む。記憶部１４１は、過去の撮影データをもとに作成された被写***置の存在確率を記憶し、方向決定部１４２へ伝達する。方向決定部１４２は、記憶部１４１から取得した被写体の存在確率とフォーカスレンズ位置に基づいてフォーカス移動方向を設定し、フォーカス駆動回路１２５へ伝達する。

撮像素子駆動回路１２２は、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。画像処理回路１２３は、撮像素子１０７が取得した画像のγ変換、カラー補間、ＪＰＥＧ圧縮等の処理を行う。

コントラスト信号処理回路１２４は、撮像素子１０７からの撮像信号に対してγ処理や各種フィルタ処理を行うことで高周波成分を抽出することによって、コントラスト評価値を生成する。

フォーカス駆動回路１２５は、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。絞り駆動回路１２７は、絞りアクチュエータ１１２を駆動制御して絞り１０２の開口を制御する。ズーム駆動回路１２８は、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。

ＬＣＤ等の表示部１３１は、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、焦点検出時の焦点検出領域の指標や合焦状態表示画像等を表示する。操作部１３２は、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。着脱可能なフラッシュメモリ１３３は、撮影済み画像を記録する。

次に、本実施形態における撮像素子１０７の構成について、図２を参照して説明する。図２は、撮像素子１０７の概略構成を示すブロック図である。なお、図２では、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は省略している。

図２に示すように、ｍ×ｎ個の画素２０１が２次元上に配置されており、各画素２０１は、フォトダイオード、画素アンプ、リセット用スイッチなどで構成されている。垂直走査回路２０８は、順次信号Ｖ₀0からＶ_n-1を出力することにより、行単位で画素２０１の選択スイッチ２０２をオンにすることができる。そして、オンとなったスイッチ２０２を介して画素２０１の出力が垂直出力線２１０に現れる。

信号ＰＶＳＴは垂直走査回路２０８のデータ入力、ＰＶ１、ＰＶ２は、シフトクロック入力であり、ＰＶ１＝Ｈレベルでデータがセットされ、ＰＶ２＝Ｈレベルでデータがラッチされる構成となっている。ＰＶ１、ＰＶ２にシフトクロックを入力することにより、ＰＶＳＴを順次シフトさせて、信号Ｖ₀からＶ_n-1を順次Ｈにすることができる。また、信号ＳＫＩＰは、間引き読み出し時に用いられ、信号ＳＫＩＰをＨに設定することにより、信号Ｖｎを所定間隔でスキップさせることが可能になる。

ラインメモリ２０３は、垂直走査回路２０８により選択された一行分の画素２０１の出力を一時的に記憶するものであり、通常は、コンデンサが使用される。スイッチ２０４は水平出力線２１１に接続され、水平出力線２１１を所定の電位ＶＨＲSＴにリセットするもので、信号ＨＲSＴにより制御される。スイッチ２０５は、ラインメモリ２０３に記憶された画素２０１の出力を水平出力線２１１に順次出力するためのものであり、水平走査回路２０６により信号Ｈ₀からＨ_m-1によりオン／オフ制御される。

水平走査回路２０６は、信号Ｈ₀からＨ_m-1を順次Ｈにすることにより、ラインメモリ２０３に記憶された画素２０１の出力を順次、水平出力線２１１に出力させる。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、信号Ｈ₀からＨ_m-1を順次Ｈにすることができる。信号ＳＫＩＰは、間引き読み出し時に用いられ、信号ＳＫＩＰをＨレベルに設定することにより、信号Ｈｍを所定間隔でスキップさせることが可能になる。

次にコントラスト検出方式について説明する。コントラスト信号処理回路１２４は焦点検出領域の画像信号に対してフィルタを適用して高周波成分を抽出し、コントラスト評価値を生成する。第１の実施形態のコントラスト信号処理回路１２４は複数の周波数特性を有するフィルタもしくは周波数特性を変更可能なフィルタを有している。コントラスト検出方式では、撮像信号にフィルタ処理を施し、コントラスト情報を生成するため、撮像信号を大量に記憶する必要がなく、演算負荷も軽い。そのため、焦点検出範囲に依存せず、複数の焦点検出領域を同時に信号処理することが可能である。

コントラスト信号処理回路１２４で生成されたコントラスト評価値は撮像素子１０７からの出力信号に基づいて生成される画像の鮮鋭度（コントラストの大きさ）を表す値である。鮮鋭度は、ピントが合った画像では高く、ぼけた画像では低いので、撮像光学系の焦点状態を表す値として利用できる。ただし、位相差検出方式とは違ってデフォーカス量を求めることができないため、コントラスト評価値がピーク値となるフォーカスレンズ位置を探索する必要がある。

コントラスト検出方式による合焦動作では、フォーカスレンズをある方向に駆動しながら、撮像素子１０７から画像信号を取得し（スキャン）、取得した画像信号からコントラスト評価値を求め、コントラスト評価値が増加する方向を探索する。そして、その方向へフォーカスレンズを移動させることでコントラスト評価値のピークを取得し、かつ、その後減少に転じるまでコントラスト評価値を取得する。合焦判定はコントラスト評価値の値が大きい上位３点または４点を用い、それらと対応した各々のフォーカスレンズ位置から補間計算を行うことで合焦位置を算出し、算出した合焦位置へフォーカスレンズを移動させる。

第１の実施形態では、焦点検出を開始する際に、合焦位置を探索する場合の探索方向を被写体の存在確率とフォーカスレンズの移動量によって決めることで、被写体が存在する方向へフォーカスレンズを移動させる確率を向上させる。

図３は、ある任意のレンズでの被写***置と被写体の存在確率、及び、フォーカスレンズの移動量の関係を示す図である。横軸に各距離での被写***置、縦軸に被写体の存在確率と、無限遠からのフォーカスレンズ移動量を示す。実線が被写体存在確率を示し、点線がフォーカスレンズ移動量を示す。被写体の位置と被写体存在確率の関係はフォトスペースと呼ばれるデータベースに基づいている。フォトスペースによれば、焦点距離、明るさ等により被写体の位置の分布が異なる。第１の実施形態ではその中の一例のみを取り扱う。この任意のレンズでは、前述の関係に基づくと、被写体は１ｍ〜６ｍの範囲に存在する確率が高い。被写***置とフォーカスレンズの移動量の関係はレンズの光学設計データから求まる。フォーカスレンズの移動量は至近側になるに従い急激に増加する傾向を示す。

図４（ａ）は図３の被写***置とフォーカスレンズの移動量の関係をもとに、ＡＦ前のフォーカスレンズの現在位置を合焦点までの距離合焦距離に換算したものをＡＦ開始位置として横軸に示している。また、ＡＦ開始位置に対して無限遠方向と至近方向に被写体が存在する確率を棒グラフで示している。白色の棒グラフがＡＦ開始位置に対して無限遠方向に被写体が存在する確率を示し、黒色の棒グラフがＡＦ開始位置に対して至近方向に被写体が存在する確率を示す。図４（ａ）に示す例ではＡＦ開始位置が４ｍ〜５ｍをほぼ中心として、それよりＡＦ開始位置が無限遠側の場合には至近方向に被写体が存在する確率が高く、至近側の場合には無限遠方向に被写体が存在する確率が高い。ＡＦ開始位置が４ｍ〜５ｍより大きい場合には、至近方向へフォーカスレンズを移動し、ＡＦ開始位置が４ｍ〜５ｍより小さい場合には、無限遠方向へフォーカスレンズを移動することで、被写体が存在する方向へ探索できる確率が高い。

ただし、ＡＦ開始位置が４ｍ〜５ｍ近傍の場合には、無限遠方向と至近方向の被写体の存在確率が共に４０％以上（予め決められた確率以上）のため、探索する方向を間違える可能性が高く、また、ＡＦ開始位置と被写***置が近いと推定される。そこで、第１の実施形態では、そのようなＡＦ開始位置から所定フォーカスレンズ移動範囲を無限遠方向と至近方向にそれぞれ設定し、その範囲内で被写体の存在確率を計算し直す。

上記方法でＡＦ開始位置と被写体の存在確率を求めた結果を図４（ｂ）に示す。図４（ｂ）は被写体の存在確率が無限遠方向と至近方向でほぼ同等であるＡＦ開始位置が４ｍ〜５ｍの場合に所定フォーカスレンズ移動範囲内で被写体の存在確率を求めた結果である。そのため、ＡＦ開始位置からフォーカスレンズの移動量が大きい領域は被写体の存在確率を計算する領域として含めていない。所定のフォーカスレンズ移動範囲に限定するのは、被写体の存在確率が無限遠方向と至近方向で差がない場合に、ＡＦ開始位置が合焦近傍である可能性が高いと判断しているためである。

図４では一例を示したが、被写体の存在確率の分布や、フォーカスレンズの移動量はレンズの焦点距離、光学系等により異なる。そのため、レンズの焦点距離や撮影時の輝度に応じた被写体の存在確率をデータベースとして複数保持しても良い。また、撮影者が撮影する被写体距離の傾向を把握するため、ＡＦ開始位置と合焦位置を距離換算したデータを履歴として保存し、被写体の存在確率を記憶する記憶部１４１のデータを更新しても良い。

以上により、ＡＦ開始位置に応じて被写体の存在確率を求め、探索方向を決定することができるので、被写体が存在する方向へ探索を開始する確率を向上させることができる。

次に、第１の実施形態における焦点調節処理手順について、図５のフローチャートを参照して説明する。まず、Ｓ１０１において、撮影者が操作部１３２に含まれるレリーズスイッチを半押し（ＳＷ１ ＯＮ）したかどうかを判定する。ＳＷ１をＯＮした場合にはＳ１０２へ、ＯＦＦの場合にはＳ１０１の判定を繰り返す。Ｓ１０２では現在のフォーカスレンズ位置情報を取得し、Ｓ１０３へ進む。Ｓ１０３ではフォーカス移動方向判定処理を行い、Ｓ１０４へ進む。なお、Ｓ１０３における処理の詳細は後述する。

Ｓ１０４ではＳ１０３で設定した探索方向へフォーカスレンズの移動を開始し、Ｓ１０５へ進む。Ｓ１０５ではコントラストＡＦ方式のスキャン動作を行い、コントラスト評価値がピークとなる位置を取得して、Ｓ１０６へ進む。Ｓ１０６ではＳ１０５で探索した結果をもとに合焦位置算出の演算を行い、Ｓ１０７で合焦位置へフォーカスレンズを移動させて終了となる。

次に、Ｓ１０３で行われるフォーカス移動方向判定処理について、図６のフローチャートを参照して説明する。Ｓ２０１では、フォトスペースや、撮影履歴等の情報を用いて、図４（ａ）を参照して説明したようにして現在のフォーカスレンズ位置に対する無限遠方向と至近方向の被写体存在確率を計算し、Ｓ２０２へ進む。Ｓ２０２では無限遠方向と至近方向の被写体存在確率が共に所定値以上かどうかを判定する。所定値以上の場合にはＳ２０３へ進み、所定値以下の場合にはＳ２０４へ進む。Ｓ２０３では現在のフォーカスレンズ位置から所定範囲内のフォーカス移動量で無限遠方向と至近方向の被写体存在確率を計算し直し、Ｓ２０４へ進む。Ｓ２０４では被写体存在確率が高い方向は無限遠方向であるかどうかを判定し、無限遠方向の場合にはＳ２０５でフォーカス移動方向を無限遠方向に設定し、至近方向の場合にはＳ２０６でフォーカス移動方向を至近方向に設定し、図５の処理に戻る。

上記の通り第１の実施形態によれば、被写体の存在確率とフォーカスレンズの位置に基づいて、コントラストＡＦでのフォーカスレンズの探索方向を決定することによって、被写体が存在する確率が高い方向へフォーカスレンズを移動させることができる。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図７は、第２の実施形態における撮像装置の概略構成を示すブロック図である。図１に示す第１の実施形態で説明した撮像装置とは、位相差演算処理回路２２６を更に有する点、撮像素子２２７が位相差検出方式による焦点検出を可能にする焦点検出画素を有する点、及び方向決定部２４２による決定方法が異なる。その他の構成は図１に示す構成と同様であるため説明を省略し、以下、相違点について詳しく説明する。

第２の実施形態における撮像素子２２７は、図２に示すように配列された画素のうち、一部の画素が焦点検出画素で構成されている。なお、焦点検出画素の構成については、図８及び図９を参照して後述する。

位相差演算処理回路２２６は、撮像素子２２７の各焦点検出画素の光電変換領域から得られる信号を別々に取り込むことで、ＡＦ用Ａ像信号とＡＦ用Ｂ像信号を取得して、Ａ像とＢ像の像ずれ量を相関演算で求め、デフォーカス量を算出する。

方向決定部２４２は、記憶部１４１から取得した被写体の存在確率とフォーカスレンズ位置と位相差演算処理回路２２６で演算したデフォーカス量をもとにフォーカス移動方向を設定し、フォーカス駆動回路１２５へ伝達する。

図８及び図９は、通常画素と焦点検出画素の構造を説明する図である。第２の実施形態においては、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ている。そして、このベイヤー配列の間に、後述する構造の焦点検出画素が所定の規則で分散配置される。

図８（ａ）は２行×２列の通常画素の平面図である。この２行×２列の構造が繰り返し配置される。

図８（ｂ）は、図８（ａ）の断面Ａ−Ａを示す断面図である。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、ＣＦ_ＲはＲ（赤色）のカラーフィルタ、ＣＦ_ＧはＧ（緑色）のカラーフィルタである。ＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）は撮像素子２２７の光電変換素子を模式的に示したものである。ＣＬ（Ｃｏｎｔａｃｔ Ｌａｙｅｒ）は、撮像素子２２７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（Ｔａｋｉｎｇ Ｌｅｎｓ）は撮像光学系を模式的に示したものである。

通常画素のオンチップマイクロレンズＭＬと光電変換素子ＰＤは、撮像光学系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、撮像光学系ＴＬの射出瞳ＥＰ（Ｅｘｉｔ Ｐｕｐｉｌ）と光電変換素子ＰＤは、マイクロレンズＭＬにより共役関係にあり、かつ光電変換素子ＰＤの有効面積は大面積であるように設計される。なお、図８（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（青色）画素も同一の構造となっている。このように、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むことで画像信号のＳ／Ｎを向上させている。

図９は、撮像光学系ＴＬの水平方向（横方向）に瞳分割を行うための焦点検出画素の平面図と断面図を示す。ここで水平方向（横方向）とは、撮像光学系ＴＬの光軸が水平となるようにカメラを構えたとき、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。図９（ａ）は、焦点検出画素を含む２行×２列の画素の平面図である。記録また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。これは、人間の画像認識特性は輝度情報に敏感であるためで、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画素又は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、第２の実施形態においては、２行×２列の画素のうち、Ｇ画素は通常画素として残し、Ｒ画素とＢ画素をある割合で焦点検出画素に置き換える。この焦点検出画素対を図９（ａ）においてＳ_ＨＡ及びＳ_ＨＢと示す。

図９（ｂ）は、図９（ａ）における断面Ａ−Ａを示す断面図である。マイクロレンズＭＬと、光電変換素子ＰＤは図８（ｂ）に示した通常画素と同一構造である。

第２の実施形態においては、焦点検出画素の信号は画像生成には用いないため、色分離用カラーフィルタの代わりに透明膜ＣＦ_Ｗ（白色）が配置される。また、撮像素子１０７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の中心線に対して水平方向に偏倚している。具体的には、画素Ｓ_ＨＡの開口部ＯＰ_ＨＡはマイクロレンズＭＬの中心線に対して右方向に４１_ＨＡだけ偏心しているため、撮像光学系ＴＬの左方向の射出瞳領域ＥＰ_ＨＡを通過した光束４０_ＨＡを受光する。同様に、画素Ｓ_ＨＢの開口部ＯＰ_ＨＢはマイクロレンズＭＬの中心線に対して左方向に４１_ＨＢだけ偏心しているため、撮像光学系ＴＬの右方向の射出瞳領域ＥＰ_ＨＢを通過した光束４０_ＨＢを受光する。

以上のような構成を有する画素Ｓ_ＨＡを水平方向に規則的に配列し、これらの画素群から取得した被写体像をＡ像とする。また、画素Ｓ_ＨＢも水平方向に規則的に配列し、これらの画素群から取得した被写体像をＢ像とする。そして、取得したＡ像とＢ像の相対位置を検出することで、水平方向に輝度分布を有する被写体像の像ずれ量を検出できる。

続いて、像ずれ量からデフォーカス量を算出するための変換係数を得る方法について説明する。変換係数は、撮像光学系の口径情報および焦点検出画素の感度分布に基づいて算出される。撮像素子２２７には、撮像光学系ＴＬのレンズ保持枠や絞り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１０は、撮像光学系のケラレにより、焦点検出用の光束が制限されている様子を示す図である。図１０は、イメージセンサの中央近傍の画素に対して、射出瞳面５０１の位置にある撮像光学系の絞り１０２によって光束が制限されている様子を示している。

図１０（ａ）において、予定結像面位置における撮像素子２２７を実線で、後ピン位置にある撮像素子２２７を破線で表している。予定結像面位置における撮像素子２２７における光軸５０５の位置を５０６で示している。絞り１０２によって制限されている場合（絞り１０２が絞られている場合）に位置５０６に集光される光は、光束５０７、５０８で表されている。また、絞り１０２により制限されていない場合（絞り１０２が開放の場合）に位置５０６に集光される光は、光束５０９、５１０で表されている。５１１、５１２はそれぞれ、光束５０７、５０８に対応する焦点検出用光束である。５１５、５１６はそれぞれ、焦点検出用光束５１１、５１２の重心位置である。同様に、５１３、５１４はそれぞれ、光束５０９、５１０に対応する焦点検出用光束である。５１７、５１８はそれぞれ、焦点検出用光束５１３、５１４の重心位置である。５３０はイメージセンサに最も近い側にあるレンズ保持枠、５３１は被写体に最も近い側にあるレンズ保持枠である。

図１０（ｂ）は、撮像素子２２７の中央部分に配置された焦点検出画素の射出瞳面５０１でのケラレによる重心位置の変化を説明する図である。図１０（ｂ）において、瞳領域５２３は撮像素子２２７の中央部分の画素に対する、開口が制限された場合の瞳領域、瞳領域５２４は制限されていない場合の瞳領域を示している。入射角特性５２５、５２６はそれぞれ、焦点検出画素Ｓ_ＨＡ、Ｓ_ＨＢの入射角特性を示す。焦点検出画素Ｓ_ＨＡ、Ｓ_ＨＢには、瞳領域５２３、５２４の内側を透過した光束が入射角特性５２５、５２６で示される感度分布で入射する。このため、瞳領域５２３、５２４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、焦点検出用光束が制限されている場合（絞りが絞られている状態）と、制限されていない場合（絞り開放状態）の重心間隔を算出することができる。そしてこれらの重心間隔から、それぞれの基線長を求めることができる。焦点検出画素の感度分布情報および撮像光学系の口径情報を測定及び計算から求めて予め記憶しておくことで、像ずれ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。

図１０（ａ）において、デフォーカス量５１９をＤＥＦ、撮像素子２２７から射出瞳面５０１までの距離５２０をＬとする。また、焦点検出用の光束が制限されている場合と制限されていない場合の基線長（重心間隔）をそれぞれＧ１（重心位置５１５、５１６間の距離）、Ｇ２（重心位置５１７、５１８間の距離）とする。また、像ずれ量５２１、５２２をそれぞれＰＲＥＤ１、ＰＲＥＤ２、像ずれ量５２１、５２２のそれぞれをデフォーカス量ＤＥＦに変換する変換係数をＫ１、Ｋ２とする。このとき、以下の式（１）によりデフォーカス量ＤＥＦを求めることができる。
ＤＥＦ＝Ｋ１×ＰＲＥＤ１＝Ｋ２×ＰＲＥＤ２ …（１）

また、像ずれ量５２１、５２２をデフォーカス量ＤＥＦに変換する変換係数Ｋ１、Ｋ２は、それぞれ以下の式（２）、（３）により求められる。
Ｋ１＝Ｌ／Ｇ１ … （２）
Ｋ２＝Ｌ／Ｇ２ … （３）
ここで、Ｋ１＜Ｋ２である。このため、絞りが開放されている場合と絞りが絞られている場合とを比較すると、像ずれ量を算出する際に像ずれ量に同等の誤差が発生すると、絞りが絞られている場合のほうがデフォーカス量として、Ｋ２／Ｋ１倍の誤差が発生する。
図１０（ｃ）及び（ｄ）は、図１０（ｂ）における断面Ａ−Ａの感度分布を示す図である。図１０（ｃ）は絞りを開放した場合、図１０（ｄ）は絞りが絞られている場合のＡ像画素の感度分布５３０、Ｂ像画素の感度分布５３１、及び、通常画素の感度分布５３２を示している。図１０（ｃ）及び（ｄ）の両図において、横軸は光入射角度、縦軸は感度分布をそれぞれ示す。両図を比較すると、絞り開放状態のほうが基線長が長く、また感度を持つ入射角度幅が広くなる。基線長と、デフォーカスに対するＡ像、Ｂ像の像ずれ量と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ずれ量の敏感度が高くなる。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、ボケ量及び像ケラレが小さい像信号が望まれる。

次に、第２の実施形態における焦点調節処理手順について、図１１のフローチャートを参照して説明する。まず、Ｓ３０１において、撮影者が操作部１３２に含まれるレリーズスイッチを半押し（ＳＷ１ ＯＮ）したかどうかを判定する。ＳＷ１をＯＮした場合にはＳ３０２へ、ＯＦＦの場合にはＳ３０１の判定を繰り返す。Ｓ３０２では焦点検出画素から出力された信号を用いて位相差演算処理回路２２６により上述した位相差方式の焦点検出を行い、Ｓ３０３へ進む。Ｓ３０３では、Ｓ３０２における焦点検出により合焦位置を検出できたか否かを判定する。合焦位置を検出できた場合にはＳ３０９へ、合焦位置を検出できなかった場合にはＳ３０４へ進む。Ｓ３０４では現在のフォーカスレンズ位置情報を取得し、Ｓ３０５へ進む。Ｓ３０５ではフォーカス移動方向判定処理を行い、Ｓ３０６へ進む。なお、Ｓ３０５における処理の詳細は後述する。

Ｓ３０６ではＳ３０５で設定した探索方向へフォーカスレンズの移動を開始し、Ｓ３０７へ進む。Ｓ３０７ではコントラストＡＦ方式のスキャン動作を行い、コントラスト評価値がピークとなる位置を取得して、Ｓ３０８へ進む。Ｓ３０８ではＳ３０７で探索した結果をもとに合焦位置算出の演算を行い、Ｓ３０９で、Ｓ３０２またはＳ３０８で得られた合焦位置へフォーカスレンズを移動させて終了となる。

次に、Ｓ３０５で行われるフォーカス移動方向判定処理について、図１２のフローチャートを参照して説明する。Ｓ４０１では、Ｓ３０２における焦点検出結果から方向検出可能であるかどうかを判定し、可能である場合にはＳ４０２へ進み、可能でない場合にはＳ４０３へ進む。

Ｓ４０２では方向検出結果による所定の方向に設定し、Ｓ４０７へ進み完了となる。Ｓ４０３では、フォトスペースや、撮影履歴等の情報を用いて、焦点検出可能範囲外となる範囲のみで、現在のフォーカスレンズ位置に対する無限遠方向と至近方向の被写体存在確率を計算し、Ｓ４０４へ進む。なお、位相差検出方式により高い精度で合焦位置が検出可能な範囲は、現在のフォーカスレンズ位置から所定の範囲内であることが多い。そのため、図１１のＳ３０２で合焦位置が検出できなかった場合、現在のフォーカスレンズ位置から合焦位置が離れている可能性が高いと考えられる。そのため、現在のフォーカスレンズ位置から、フォーカスレンズの移動量が所定量以上の領域を焦点検出可能範囲外として、被写体存在確率を計算する。Ｓ４０４では被写体存在確率が高い方向は無限遠方向であるかどうかを判定し、無限遠方向の場合にはＳ４０５でフォーカス移動方向を無限遠方向に設定し、至近方向の場合にはＳ４０６でフォーカス移動方向を至近方向に設定し、図１１の処理に戻る。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

なお、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用しても、一つの機器からなる装置に適用してもよい。

また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。

１０１：第１のレンズ群、１０２：絞り、１０３：第２レンズ群、１０５：第３レンズ群、１０６：光学的ローパスフィルタ、１０７、２２７：撮像素子、１１４：フォーカスアクチュエータ、１２４：コントラスト信号処理回路、１２７：フォーカス駆動回路、１４１：記憶部、１４２、２４２：方向決定部、２２６：位相差演算処理回路

Claims (12)

1. 撮像光学系により結像された被写体像を光電変換して、画像信号を出力する撮像手段と、
   前記撮像光学系に含まれるフォーカスレンズを駆動する駆動手段と、
   前記フォーカスレンズの位置を変えながら、前記撮像手段から出力された画像信号のコントラストに基づいて、焦点検出を行う焦点検出手段と、
   前記フォーカスレンズの移動方向を決定する決定手段と、
   撮像装置からの距離ごとに被写体が存在する確率と、前記距離とフォーカスレンズ位置の関係とを有する情報を記憶する記憶手段とを有し、
   前記決定手段は、前記焦点検出手段により焦点検出を開始する際の前記フォーカスレンズの移動方向を、前記フォーカスレンズの位置と、前記記憶手段に記憶された情報とに基づいて、前記被写体が存在する確率が高い方向に決定することを特徴とする撮像装置。
2. 前記決定手段は、前記記憶手段に記憶された情報に基づいて、前記フォーカスレンズの位置における合焦距離よりも、前記被写体が至近方向に存在する確率と無限遠方向に存在する確率とを比較し、確率が高い方向を前記焦点検出手段により焦点検出を開始する際の前記移動方向として決定することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記決定手段は、前記フォーカスレンズの位置における合焦距離に対して、前記被写体が至近方向にある確率と無限遠方向にある確率とが共に予め決められた確率以上の場合に、前記フォーカスレンズの位置から至近方向及び無限遠方向の予め決められた移動量に対する距離の範囲において、前記被写体が至近方向にある確率と無限遠方向にある確率とを算出し、該算出した確率に基づいて前記フォーカスレンズの移動方向を決定することを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
4. 前記撮像手段は、前記撮像光学系の異なる射出瞳領域を通過した光束をそれぞれ受光する複数の焦点検出画素を含み、
   前記焦点検出画素から出力される画像信号の位相差に基づいて、合焦位置を検出する検出手段と、
   前記検出手段により合焦位置を検出できた場合に、前記焦点検出手段による焦点検出を行わないことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
5. 前記駆動手段は、前記検出手段により合焦位置を検出できた場合に、得られた合焦状態に基づいて前記フォーカスレンズを駆動することを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
6. 前記決定手段は、前記検出手段により合焦位置を検出できなかった場合に、前記合焦位置の検出結果に基づいて前記フォーカスレンズの移動方向を検出可能か否かを判断し、可能である場合に、前記合焦位置に基づいて前記焦点検出手段により焦点検出を開始する際の前記フォーカスレンズの移動方向を検出し、可能でない場合に、前記フォーカスレンズの位置と、前記記憶手段に記憶された情報とに基づいて前記フォーカスレンズの移動方向を決定することを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
7. 前記記憶手段は、撮影時に、前記焦点検出手段により焦点検出を開始する際の前記フォーカスレンズの位置と、合焦位置を距離に換算した情報により、前記記憶手段に記憶された情報を更新することを特徴する請求項１乃至６のいずれか１項に記載の撮像装置。
8. 前記記憶手段は、複数の焦点距離及び複数の輝度の少なくともいずれか一方に対応する複数の前記情報を記憶していることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の撮像装置。
9. 撮像光学系により結像された被写体像を光電変換して、画像信号を出力する撮像手段と、前記撮像光学系に含まれるフォーカスレンズを駆動する駆動手段とを有する撮像装置の制御方法であって、
   焦点検出手段が、前記フォーカスレンズの位置を変えながら、前記撮像手段から出力された画像信号のコントラストに基づいて、焦点検出を行う焦点検出工程と、
   取得手段が、記憶手段に記憶された、撮像装置からの距離ごとに被写体が存在する確率と、前記距離とフォーカスレンズ位置の関係とを有する情報を取得する取得工程と、
   決定手段が、前記焦点検出工程で焦点検出を開始する際の前記フォーカスレンズの移動方向を、前記フォーカスレンズの位置と、前記取得工程で取得した情報とに基づいて、前記被写体が存在する確率が高い方向に決定する決定工程と
   を有することを特徴とする撮像装置の制御方法。
10. 前記撮像手段は、前記撮像光学系の異なる射出瞳領域を通過した光束をそれぞれ受光する複数の焦点検出画素を含み、
    検出手段が、前記焦点検出画素から出力される画像信号の位相差に基づいて、合焦位置を検出する検出工程と、
    制御手段が、前記検出工程で合焦位置を検出できた場合に、前記焦点検出工程を行わないように制御する工程と
    を更に有することを特徴とする請求項９に記載の制御方法。
11. コンピュータに、請求項９または１０に記載の制御方法の各工程を実行させるためのプログラム。
12. 請求項１１に記載のプログラムを記憶したコンピュータが読み取り可能な記憶媒体。

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