JP5592944B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は撮像装置に係り、特に位相差検出方式を用いて自動焦点調整を行う技術に関する。

特許文献１には、位相差検出方式の焦点検出を行う撮像装置であって、低輝度の場合には隣接する左右、上下の４画素を画素混合してから出力し、この出力信号を用いてフォーカシングを行う撮像装置が記載されている。

特許文献２には、低輝度の場合ほど多い画素数に調整して画素混合を行い、画素混合後の受光信号に基づいてコントラストＡＦを行う撮像装置が記載されている。

特開２００２−２５８１４２号公報 特開２００６−３２４７６０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発明では、低輝度の場合には左右方向の画素に対して画素混合を行うため、ＡＦ処理の精度が悪くなるという問題がある。また、高輝度の場合には各画素の信号に対して何も処理を行わないため、ノイズを低減させることができないという問題がある。

また、特許文献２に記載の発明は、コントラストＡＦ方式であるため、位相差検出方式よりＡＦ処理に要する時間が長くなるという問題がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、ＡＦ処理に要する時間を短くするとともに、正確な焦点調節を低コストかつ省スペースで行うことができる撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に係る撮像装置は、撮影光学系と、前記撮影光学系の射出瞳を通過する光束の光軸から所定の方向に偏った一部の領域を受光する第１の画素と、前記第１の画素に隣接して配設され、前記撮影光学系の前記射出瞳を通過する光束の光軸から前記所定の方向と反対方向に偏った一部の領域を受光する第２の画素とが２次元状に配列された撮像素子と、前記第１の画素及び前記第２の画素から出力された信号電荷を電圧信号として読み出す撮像素子駆動部であって、前記第１の画素及び前記第２の画素のそれぞれについて隣接する第１の数の画素の信号電荷を混合して読み出す撮像素子駆動部と、前記撮像素子駆動部により混合して読み出された前記第１の画素及び前記第２の画素の電圧信号のそれぞれに対して、隣接する第２の数の電圧信号の加算平均を算出する加算平均算出部と、前記加算平均算出部により加算平均された前記第１の画素の電圧信号と前記第２の画素の電圧信号との位相差を検出し、当該位相差に基づいて前記撮影光学系の焦点調節を自動で行う自動焦点調節部とを備える。

上記第１の態様に係る撮像装置によれば、撮影光学系の射出瞳を通過する光束の光軸から所定の方向に偏った一部の領域からの光を受光する第１の画素及び第１の画素に隣接して配設され、撮影光学系の射出瞳を通過する光束の光軸から前記所定の方向と反対方向に偏った一部の領域からの光を受光する第２の画素から出力された信号電荷を電圧信号として読み出す時に、第１の画素及び第２の画素のそれぞれについて隣接する第１の数の画素の信号電荷が混合して読み出される。混合して読み出された第１の画素及び第２の画素の電圧信号のそれぞれについて、隣接する第２の数の電圧信号の加算平均が算出される。そして、加算平均された第１の画素の電圧信号と第２の画素の電圧信号との位相差が検出され、この位相差に基づいて撮影光学系の焦点調節が自動で行われる。これにより、このように画素混合及び加算平均の両方を用いることで、被写体の輝度に関わらずノイズを減らし、ＳＮ比を改善することができる。したがって、精度の良い自動焦点調節を行うことができる。

更に、第１の画素及び第２の画素からなる位相差画素が配設された撮像素子を用いて自動焦点調節（ＡＦ）を行うため、ＡＦ処理に要する時間を短くすることができる。この撮像素子は、従来位相差ＡＦに用いられてきた撮像素子と同様であること、本発明の実施には新たなハードウェアを必要としないことにより、正確な焦点調節を低コストかつ省スペースで行うことができる。

本発明の第２の態様に係る撮像装置は、上記第１の態様において、前記加算平均算出部は、前記第１の数と前記第２の数との積が一定となるように前記第１の数及び前記第２の数を決定するようにしたものである。

上記第２の態様に係る撮像装置によれば、第１の数と第２の数との積が一定となるように第１の数及び第２の数が決定されるため、位相差、デフォーカス量が算出される領域の大きさを被写体輝度によらず一定にすることができる。したがって、安定した自動焦点調節が可能となる。

本発明の第３の態様に係る撮像装置は、上記第１又は第２の態様において、前記撮像素子駆動部は、垂直方向に隣接する前記第１の数の信号電荷を混合し、前記加算平均算出部は、垂直方向に隣接する前記第２の数の電圧信号の加算平均を算出するようにしたものである。

上記第３の態様に係る撮像装置によれば、垂直方向に隣接する第１の数の画素が画素混合される。また、画素混合して読み出された電圧信号に対して、垂直方向に隣接する第２の数の加算平均が算出される。そして、加算平均された第１の画素の電圧信号と第２の画素の電圧信号との位相差が検出され、この位相差に基づいて撮影光学系の焦点調節が自動で行われる。すなわち、垂直方向にのみ画素混合、加算平均を行い、水平方向には画素混合、加算平均のいずれも行わない。これにより、ＡＦ処理の精度を悪くすることなく、ノイズを低減させることができる。したがって、より安定した自動焦点調節が可能となる。

本発明の第４の態様に係る撮像装置は、上記第１から第３のいずれかの態様において、被写体の輝度を取得する輝度取得部を備え、前記撮像素子駆動部は、前記取得された被写体の輝度が所定の輝度以上の場合には前記第１の数を１とし、前記測定された被写体の輝度が低くなるにつれて前記第１の数を増加させるようにしたものである。

上記第４の態様に係る撮像装置によれば、被写体の輝度が所定の輝度以上の場合には第１の数を１として画素混合を行わない。また、被写体の輝度が低くなるにつれて第１の数を増加させ、混合される画素の数（画素混合数）を増加させる。これにより、低輝度の場合においても適切にノイズを減らし、ＳＮ比を改善することができる。したがって、より暗い輝度域においても自動焦点調節が可能となる。

本発明の第５の態様に係る撮像装置は、上記第４の態様において、前記取得された被写体の輝度が所定の閾値より高輝度である場合には、前記撮像素子を複数の領域に分割する領域分割部を備え、前記加算平均算出部は、前記分割された各領域毎に前記電圧信号の加算平均を算出し、前記自動焦点調節部は、前記算出された各領域毎の電圧信号の加算平均に基づいて前記第１の画素の電圧信号と前記第２の画素の電圧信号との位相差を前記各領域毎に検出し、当該各領域毎に検出された位相差のうちの最も信頼度の高い位相差に基づいて前記撮影光学系の焦点調節を自動で行うようにしたものである。

上記第５の態様に係る撮像装置によれば、被写体の輝度が所定の閾値より高輝度である場合には、撮像素子が複数の領域に分割され、分割された各領域毎に電圧信号の加算平均が算出される。算出された各領域毎の電圧信号の加算平均に基づいて第１の画素の電圧信号と第２の画素の電圧信号との位相差が各領域毎に検出され、この各領域毎に検出された位相差のうちの最も信頼度の高い位相差に基づいて自動焦点調節が行われる。これにより、より精度の高い自動焦点調節を行うことができる。

本発明の第６の態様に係る撮像装置は、上記第４又は第５の態様において、前記加算平均算出部は、前記測定された被写体の輝度が所定の輝度以上の場合には前記第２の数を２とし、前記測定された被写体の輝度が低くなるにつれて前記第２の数を増加させるようにしたものである。

上記第６の態様に係る撮像装置によれば、被写体の輝度が所定の輝度以上の場合には第２の数を２とする、すなわち２つの電圧信号の加算平均を算出する。また、測定された被写体の輝度が低くなるにつれて第２の数を増加させ、加算平均の算出に用いる電圧信号の数を増加させる。これにより、より暗い輝度域において精度の良い自動焦点調節を行うことができる。

本発明によれば、ＡＦ処理に要する時間を短くするとともに、正確な焦点調節を低コストかつ省スペースで行うことができる。

本発明の第１の実施の形態に係るデジタルカメラ１０内部構成を示すブロック図 撮像素子の構成例を示す平面図 図２Ａの撮像素子の一部を拡大して示す平面図 本発明の第１の実施形態に係る自動焦点調節処理を示すフローチャート 本発明の第１の実施形態に係る自動焦点調節処理における画素混合及び加算平均処理を模式的に示す図 本発明の第１の実施形態に係る自動焦点調節処理における画素混合及び加算平均処理を模式的に示す図 本発明の第１の実施形態に係る自動焦点調節処理における画素の加算平均処理を模式的に示す図 Ｅｖ値やシャッタースピードと画素混合数の関係を示すグラフ 本発明の第２の実施形態に係る自動焦点調節処理を示すフローチャート 本発明の第２の実施形態に係る自動焦点調節処理における画素混合及び加算平均処理を模式的に示す図 本発明の第２の実施形態に係る自動焦点調節処理における画素混合及び加算平均処理を模式的に示す図 本発明の第２の実施形態に係る自動焦点調節処理における画素の加算平均処理を模式的に示す図 本発明の第３の実施形態に係る自動焦点調節処理を示すフローチャート 本発明の第３の実施形態に係る自動焦点調節処理を示すフローチャート（つづき） 本発明の第３の実施形態に係る自動焦点調節処理における画素混合及び加算平均処理を模式的に示す図 位相差ＣＣＤの構成例を示す平面図 位相差ＣＣＤの主画素を示す平面図 位相差ＣＣＤの副画素を示す平面図

以下、添付図面に従って本発明に係る単眼立体撮像装置の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る撮像装置が適用されたデジタルカメラの実施の形態を示すブロック図である。

このデジタルカメラ１０は、撮像した画像をメモリカード５４に記録するもので、カメラ全体の動作は、中央処理装置（ＣＰＵ：ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）４０によって統括制御される。

デジタルカメラ１０には、シャッタボタンや、撮影モード、再生モード等を設定するモードダイヤルを含む操作部３８が設けられている。この操作部３８を用いて操作に応じた信号はＣＰＵ４０に入力される。

被写体を示す画像光は、撮影レンズ１２及び絞り１４を介してＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサ、ＣＭＯＳ（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサ等の撮像素子１６の受光面に結像される。撮影レンズ１２は、ＣＰＵ４０によって制御されるレンズ駆動部３６によって駆動され、フォーカス制御等が行われる。絞り１４は、例えば、５枚の絞り羽根からなり、ＣＰＵ４０によって制御される絞り駆動部３４によって駆動され、例えば、絞り値Ｆ２．８〜Ｆ１１まで１ＡＶ刻みで５段階に絞り制御される。

また、ＣＰＵ４０は、絞り駆動部３４を介して絞り１４を制御するとともに、撮像素子制御部３２を介して撮像素子１６での電荷蓄積時間（シャッタスピード）や、後述する画素混合の制御等を行う。

図２Ａは撮像素子１６の構成例を示す図であり、図２Ｂは図２Ａの一部（中央領域１６Ｃ）を拡大して示す図である。撮像素子１６は、それぞれマトリクス状に配列された奇数ラインの画素と、偶数ラインの画素とを有しており、奇数ラインの画素は、偶数ラインの画素に対して画素同士が２分の１ピッチだけライン方向にずれて配置されている。

撮像素子１６には、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のカラーフィルタを備えた画素のうち、ＧＢＧＢ…の画素配列のラインと、ＲＧＲＧ…の画素配列のラインとが２列おきに設けられる。図２の拡大図では、１列目、２列目、５列目、６列目、９列目、１０列目、１３列目、１４列目、１７列目、１８列目、２１列目、２２列目・・・はＧＢＧＢ…の画素配列のラインであり、３列目、４列目、７列目、８列目、１１列目、１２列目、１５列目、１６列目、１９列目、２０列目・・・はＲＧＲＧ…の画素配列のラインである。なお、カラーフィルタの配列はこれに限らず、ＧＢＧＢ…の画素配列のラインと、ＲＧＲＧ…の画素配列のラインとが交互に配設されたハニカム配列やベイヤー配列等その他の配列を採用してもよい。

図２Ｂに示すように、撮像素子１６の中央領域（フォーカス領域）１６Ｃには、瞳分割機能を有しない通常画素以外に、出力信号を位相差演算のためのＡＦ画素信号として使用する位相差画素が配設されている。位相差画素は、Ｇの画素のみに配設され、撮影レンズ１２の射出瞳を通過する光束の光軸から所定の方向に偏った一部の領域を受光する画素と、撮影レンズ１２の射出瞳を通過する光束の光軸から所定の方向と反対方向に偏った一部の領域を受光する画素とからなる。本実施の形態では、位相差画素は、右半分が覆われ、射出瞳を通過する光束の光軸の左側のみを受光する左シフト画素Ｂ１１、Ｂ１２・・・と、左半分が覆われ、射出瞳を通過する光束の光軸の右側のみを受光する右シフト画素Ａ１１、Ａ１２・・・とからなる。

右シフト画素Ａ１１、Ａ１２・・・及び左シフト画素Ｂ１１、Ｂ１２・・・は隣接して配設され、右シフト画素Ａ１１、Ａ１２・・・及び左シフト画素Ｂ１１、Ｂ１２・・・はそれぞれ横方向、縦方向ともに４画素おきに配設される。本実施の形態では、最も左上の右シフト画素をＡ１１、左シフト画素をＢ１１とし、右シフト画素Ａ１１の下方向に隣接する右シフト画素をＡ１２、左シフト画素Ｂ１１の下方向に隣接する左シフト画素をＢ１２とする。また、右シフト画素Ａ１１の右方向に隣接する右シフト画素をＡ２１、左シフト画素Ｂ１１の右方向に隣接する左シフト画素をＢ２１とする。

本実施の形態では、撮像素子１６の中央領域１６Ｃをフォーカス領域とし、このフォーカス領域に位相差画素を配設したが、位相差画素はフォーカス領域に配設されていればよく、フォーカス領域は撮像素子１６の中央領域に限られない。撮像素子１６の全面をフォーカス領域としてもよいし、縦方向３領域×横方向３領域の合計９箇所の領域をフォーカス領域としてもよい。

本実施の形態では、射出瞳を通過する光束の光軸の左側のみを受光する左シフト画素と、左半分が覆われ、射出瞳を通過する光束の光軸の右側のみを受光する右シフト画素とからなる位相差画素が配設された撮像素子１６を用いたが、位相差画素の形態はこれに限られない。例えば、射出瞳を通過する光束の光軸の上側のみを受光する画素と、射出瞳を通過する光束の光軸の下側のみを受光する画素とからなる位相差画素が配設されていてもよい。また、射出瞳を通過する光束の光軸の左側の一部の領域と、射出瞳を通過する光束の光軸の右側の一部の領域（これらの領域は線対称であることが望ましい）とからなる位相差画素が配設されていてもよい。

図１の説明に戻る。撮像素子１６に蓄積された信号電荷は、撮像素子制御部３２から加えられる読み出し信号に基づいて信号電荷に応じた電圧信号として読み出される。撮像素子１６から読み出された電圧信号は、アナログ信号処理部１８に加えられ、ここで各画素ごとのＲ、Ｇ、Ｂ信号がサンプリングホールドされ、増幅されたのちＡ／Ｄ変換器２０に加えられる。Ａ／Ｄ変換器２０は、順次入力するＲ、Ｇ、Ｂ信号をデジタルのＲ、Ｇ、Ｂ信号に変換して画像入力コントローラ２２に出力する。

デジタル信号処理部２４は、画像入力コントローラ２２を介して入力するデジタルの画像信号に対して、オフセット処理、ホワイトバランス補正及び感度補正を含むゲイン・コントロール処理、ガンマ補正処理、ＹＣ処理等の所定の信号処理を行う。

デジタル信号処理部２４によって処理された画像データは、ＶＲＡＭ（ｖｉｄｅｏ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）５０に入力する。ＶＲＡＭ５０には、それぞれが１駒分の画像を表す画像データを記憶するＡ領域とＢ領域とが含まれている。ＶＲＡＭ５０において１駒分の画像を表す画像データがＡ領域とＢ領域とで交互に書き換えられる。ＶＲＡＭ５０のＡ領域及びＢ領域のうち、画像データが書き換えられている方の領域以外の領域から、書き込まれている画像データが読み出される。ＶＲＡＭ５０から読み出された画像データはビデオ・エンコーダ２８においてエンコーディングされ、カメラ背面に設けられている液晶モニタ３０に出力される。これにより、被写体像が液晶モニタ３０の表示画面上に表示される。

また、操作部３８のシャッタボタンの第１段階の押下（半押し）があると、ＡＥ（ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｅｘｐｏｓｕｒｅ）動作及びＡＦ動作が開始される。即ち、Ａ／Ｄ変換器２０から出力される画像データがＡＦ（ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｆｏｃｕｓ）検出部４２並びにＡＥ検出部４４に取り込まれる。

ＡＦ検出部４２は、右シフト画素及び左シフト画素から出力される電圧信号を取得し、相関演算を行って位相差を検出する。そして、ＡＦ検出部４２は、その位相差からデフォーカス量を計算し、このデフォーカス量をＣＰＵ４０に出力する。ＡＦ検出部４２が取得する画像信号は、必要に応じて画素混合や加算平均が行われる。画素混合や加算平均については後に詳述する。

ＡＥ検出部４４は、画面全体のＧ信号を積算し、又は画面中央部と周辺部とで異なる重みづけをしたＧ信号を積算し、その積算値をＣＰＵ４０に出力する。

ＣＰＵ４０は、ＡＦ検出部４２から入力するデフォーカス量に基づいて撮影レンズ１２のフォーカスレンズの移動量を算出し、レンズ駆動部３６を介して、算出された移動量だけ撮影レンズ１２を移動させる。また、ＣＰＵ４０は、ＡＥ検出部４４から入力する積算値より被写体の明るさ（撮影Ｅｖ値）を算出し、この撮影Ｅｖ値に基づいて絞り１４の絞り値及び撮像素子１６の電子シャッタ（シャッタスピード）を所定のプログラム線図に従って決定する。ＣＰＵ４０は、その決定した絞り値に基づいて絞り駆動部３４を介して絞り１４を制御するとともに、決定したシャッタースピードに基づいて撮像素子制御部３２を介して撮像素子１６での電荷蓄積時間を制御する。

ＡＥ動作及びＡＦ動作が終了し、シャッタボタンの第２段階の押下（全押し）があると、その押下に応答してＡ／Ｄ変換器２０から出力される１駒分の画像データが画像入力コントローラ２２からメモリ（ＳＤＲＡＭ：ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｄｙｎａｍｉｃ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）４８に入力され、一時的に記憶される。

画像データは、メモリ４８から読み出され、デジタル信号処理部２４において輝度データ及び色差データの生成処理（ＹＣ処理）を含む所定の信号処理が行われる。ＹＣ処理された画像データ（ＹＣデータ）は、デジタル信号処理部２４から読み出され、再びメモリ４８に記憶される。続いて、ＹＣデータは圧縮伸長処理部２６に出力され、ＪＰＥＧ（ｊｏｉｎｔ ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｉｃ ｅｘｐｅｒｔｓ ｇｒｏｕｐ）などの所定の圧縮処理が実行される。圧縮されたＹＣデータは、再びメモリ４８に出力されて記憶されたのち、メディア・コントローラ５２によって読み出され、メモリカード５４に記録される。

次に、上記構成のデジタルカメラ１０の自動焦点調節方法について説明する。

＜第１の実施の形態＞
第１の実施の形態は、被写体の輝度に応じて画素混合及び加算平均を組み合わせる形態である。図３は、第１の実施の形態におけるＡＦ処理の流れを示すフローチャートである。

ＣＰＵ４０は、ＡＥ検出部４４から得た積算値に基づいて被写体の明るさ（被写体輝度）を取得し、この被写体輝度が低輝度、中輝度、高輝度のいずれに該当するか否かを判断する（ステップＳ１０）。例えば、ＣＰＵ４０は、被写体輝度が第１の閾値より低い場合には低輝度と判断し、被写体輝度が第１の閾値以上かつ第２の閾値（第１の閾値より高い値）より低い場合には、中輝度と判断し、被写体輝度が第２の閾値以上の場合には高輝度と判断する。例えば、各画素の最大出力を１６０００とすると、第１の閾値を４０００とし、第２の閾値を８０００とする。なお、被写体輝度は、ＡＥ検出部４４から得た積算値に基づいて取得する場合に限らず、センサ等を用いて取得するようにしてもよい。

被写体輝度が低輝度であると判断された場合（ステップＳ１０で低輝度）には、撮像素子制御部３２は、図４Ａに示すように、右シフト画素及び左シフト画素をそれぞれ垂直方向に４画素混合する（ステップＳ１１）。すなわち、撮像素子制御部３２は、右シフト画素Ａ１１、Ａ１２、Ａ１３、Ａ１４を画素混合し、左シフト画素Ｂ１１、Ｂ１２、Ｂ１３、Ｂ１４を画素混合する。同様に、右シフト画素Ａ２１、Ａ２２、Ａ２３、Ａ２４を画素混合し、左シフト画素Ｂ２１、Ｂ２２、Ｂ２３、Ｂ２４を画素混合する。これを全ての右シフト画素及び左シフト画素について行う。

画素混合とは、撮像素子１６の垂直方向に隣接する右シフト画素及び左シフト画素の画像信号をそれぞれ混合し、これにより１画素の画像信号よりも信号レベルの大きい画像信号を得るための処理である。

各画素から出力される信号電荷にはノイズが含まれる。ノイズはダークノイズ（撮像素子にまったく光を当てない状態で発生する電荷によるノイズ）、固定パターンノイズ（シリコンの暗電流特性に依存するノイズ）、ショットノイズ（光の量に起因するノイズ）に大別される。画素混合により出力される信号電荷が大きくなるため、ショットノイズの影響が小さくなり、ＳＮ比が改善する。

被写体輝度が低輝度の場合には、十分な露光量が得られないため、各画素の信号電荷が小さく、ＳＮ比が悪化する。そのため、画素混合により出力される信号電荷を大きくし、ＳＮ比の改善を行う。例えば、最大出力が１６０００、第１の閾値が４０００とすると、４画素混合により最大出力を越えることのない範囲で最大限出力を大きくすることができる。

ステップＳ１１で画素混合された信号電荷は電圧信号として読み出され、ＡＦ検出部４２に入力される。ＡＦ検出部４２は、図４Ａに示すように、ステップＳ１１で４画素混合して読み出された右シフト画素及び左シフト画素の電圧信号に対して、縦方向に隣接する２個の出力値の加算平均を算出する（ステップＳ１２）。すなわち、ＡＦ検出部４２は、右シフト画素Ａ１１、Ａ１２、Ａ１３、Ａ１４を画素混合して出力された電圧信号及び右シフト画素Ａ１５、Ａ１６、Ａ１７、Ａ１８を画素混合して出力された電圧信号、右シフト画素Ａ２１、Ａ２２、Ａ２３、Ａ２４を画素混合して出力された電圧信号及び右シフト画素Ａ２５、Ａ２６、Ａ２７、Ａ２８を画素混合して出力された電圧信号、・・・の加算平均を算出する。左シフト画素についても、同様に電圧信号の加算平均を算出する。

加算平均は、加算数をＮとするとノイズを１／√Ｎにする効果がある。画素混合によりノイズが低減された電圧信号に対して加算平均を取ることにより、更にノイズを減らすことができる。

被写体輝度が中輝度であると判断された場合（ステップＳ１０で中輝度）には、図４Ｂに示すように、撮像素子制御部３２は、右シフト画素及び左シフト画素をそれぞれ垂直方向に２画素混合する（ステップＳ１３）。中輝度の場合には低輝度の場合に比べて各画素の信号電荷が大きい。そのため、低輝度の場合と比べて画素加算の数は少なくなる。例えば、最大出力が１６０００、第２の閾値が８０００とすると、２画素混合により最大出力を越えることのない範囲で最大限出力を大きくすることができる。

ＡＦ検出部４２は、図４Ｂに示すように、２画素混合により読み出された信号電荷を取得し、ステップＳ１３で２画素混合して読み出された右シフト画素及び左シフト画素の電圧信号に対して、縦方向に隣接する３個の加算平均を算出する（ステップＳ１４）。

被写体輝度が高輝度であると判断された場合（ステップＳ１０で高輝度）には、各画素の信号量は十分な値であるため画素混合は行わない。そのため、図４Ｃに示すように、右シフト画素及び左シフト画素のそれぞれの電圧信号が読み出され、ＡＦ検出部４２は読み出された右シフト画素及び左シフト画素の電圧信号に対して、縦方向に隣接する４個の加算平均を算出する（ステップＳ１５）。このように十分な露光量が得られる輝度域では、加算平均によりノイズを減らすことができる。

ＡＦ検出部４２は、ステップＳ１２、Ｓ１４、Ｓ１５で加算平均された信号電荷に対して相関演算を行い、その位相差からデフォーカス量を計算する（ステップＳ１６）。ＣＰＵ４０は、ＡＦ検出部４２からデフォーカス量を取得し、このデフォーカス量に基づいて撮影レンズ１２のフォーカスレンズの移動量を算出し、レンズ駆動部３６を介して、算出された移動量だけ撮影レンズ１２を移動させる（ステップＳ１７）。これにより、自動焦点調節が行われる。

本実施の形態では、画素混合及び加算平均の両方を用いることで、被写体の輝度に関わらずノイズを減らし、ＳＮ比を改善することができる。また、被写体の輝度に応じて画素混合と加算平均とを使い分けることで、どのような被写体を撮影する場合においても適切なノイズ低減を図り、高精度な位相差演算結果を得ることができる。したがって、精度の良い正確な自動焦点調節を行うことができる。

また、本実施の形態では、輝度が低くなるにつれて画素混合を行う画素数を増やしている。これにより、低輝度の場合においても適切にノイズを減らし、ＳＮ比を改善することができる。そのため、より暗い輝度域においても自動焦点調節が可能となる。

また、本実施の形態では、画素混合、加算平均の算出を垂直方向にのみ行い、水平方向には行わないため、ＡＦ処理の精度を悪くすることなく、ノイズを低減させることができる。

また、本実施の形態では、位相差ＡＦを行うため、ＡＦ処理に要する時間を短くすることができる。また、従来から位相差ＡＦに用いられてきた撮像素子と同様の撮像素子を用い、新たなハードウェアを必要としないため、正確な焦点調節を低コストかつ省スペースで行うことができる。

なお、本実施の形態では、低輝度の場合には４画素、中輝度の場合には２画素に対して画素混合を行ったが、画素混合の数がこれに限定されないことは言うまでもない。また、高輝度の場合にも、蓄積される信号電荷に応じて画素混合を行うようにしてもよい。

また、本実施の形態では、各画素の最大出力と、低輝度、中輝度、高輝度を分ける閾値との関係により画素混合数が決定されたが、画素混合数の決定はこれに限られない。図５は、Ｅｖ値やシャッタースピードに応じて多段階で画素混合数を変更する方法の一例を示している。

図５によれば、シャッタースピードが１／１５秒以下の場合には、Ｅｖ値によらず画素混合数を３２とする。シャッタースピードが１／１５秒〜１／６０秒の場合には、Ｅｖ値によって画素混合数が変わり、Ｅｖ８の場合の画素混合数は３２、Ｅｖ９、Ｅｖ１０の場合の画素混合数は１６、Ｅｖ１１、Ｅｖ１２の場合の画素混合数は８、Ｅｖ１３の場合の画素混合数は４、Ｅｖ１４の場合の画素混合数は２、Ｅｖ１５の場合の画素混合数は１となる。シャッタースピードが１／１２５秒以上の場合には、Ｅｖ値によらず画素混合数を１とする。このように多段階で画素混合数を変更することにより、より適切に画素混合数を決定することができる。

また、本実施の形態では、被写体輝度が高くなるにつれて加算平均に用いる加算数を増やしたが、より暗い輝度域において精度の良い自動焦点調節を行うために、被写体輝度が低くなるにつれて加算平均に用いる加算数を増やすようにしてもよい。

＜第２の実施の形態＞
第２の実施の形態は、画素混合の画素数と加算平均に用いる電圧信号の数との積を一定にする形態である。図６は、第２の実施の形態におけるＡＦ処理の流れを示すフローチャートである。なお、第１の実施の形態と同一の部分については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

ＣＰＵ４０は、フォーカスエリアの縦の幅Ｈ、すなわち画素混合の画素数と加算平均に用いる電圧信号の数との積をいくつにするかを指定する（ステップＳ２０）。この処理は、操作部３８からの入力に応じて指定してもよいし、常に所定の値を指定するようにしてもよい。本実施の形態では、Ｈとして「８」が指定されている。

ＣＰＵ４０は、ＡＥ検出部４４から得た積算値に基づいて被写体の明るさ（被写体輝度）を取得し、この被写体輝度が低輝度、中輝度、高輝度のいずれに該当するか否かを判断する（ステップＳ１０）。

被写体輝度が低輝度であると判断された場合（ステップＳ１０で低輝度）には、撮像素子制御部３２は、図７Ａに示すように、右シフト画素及び左シフト画素をそれぞれ垂直方向に４画素混合する（ステップＳ１１）。すなわち、ステップＳ１１の画素混合数ＧＮは４である。

ステップＳ１１で画素混合された信号電荷は電圧信号として読み出され、ＡＦ検出部４２に入力される。ＡＦ検出部４２は、ステップＳ２０で指定されたＨと、ステップＳ１１で行われた画素混合の画素数とに基づいて加算平均を算出するのに使用する電圧信号の数ＡＮを決定し、決定した数の電圧信号を用いて加算平均を算出する。本実施の形態では、Ｈは８であり、ステップＳ１１の画素混合の画素数は４であるため、ＡＮはＨ／ＧＮ＝８／４＝２と算出される。そのため、ＡＦ検出部４２は、図７Ａに示すように、ステップＳ１１で４画素混合して読み出された右シフト画素及び左シフト画素の電圧信号に対して、縦方向に隣接する２個の出力値の加算平均を算出する（ステップＳ２１）。

被写体輝度が中輝度であると判断された場合（ステップＳ１０で中輝度）には、図７Ｂに示すように、撮像素子制御部３２は、右シフト画素及び左シフト画素をそれぞれ垂直方向に２画素混合する（ステップＳ１３）。すなわち、ステップＳ１３の画素混合数ＧＮは２である。

ステップＳ１３で画素混合された信号電荷は電圧信号として読み出され、ＡＦ検出部４２に入力される。ＡＦ検出部４２は、ステップＳ２０で指定されたＨと、ステップＳ１３で行われた画素混合の画素数とに基づいて加算平均を算出する電圧信号の数ＡＮを決定し、決定した数の加算平均を算出する。本実施の形態では、Ｈは８であり、ステップＳ１３の画素混合の画素数は２であるため、ＡＮはＨ／ＧＮ＝８／２＝４と算出される。そのため、ＡＦ検出部４２は、図７Ｂに示すように、ステップＳ１１で２画素混合して読み出された右シフト画素及び左シフト画素の電圧信号に対して、縦方向に隣接する４個の出力値の加算平均を算出する（ステップＳ２２）。

被写体輝度が高輝度であると判断された場合（ステップＳ１０で高輝度）には、各画素の信号量は十分な値であるため画素混合は行わない。そのため、図７Ｃに示すように、右シフト画素及び左シフト画素のそれぞれの電圧信号が読み出される。すなわち、ＧＮは１である（ステップＳ２３）。

ＡＦ検出部４２は、ステップＳ２０で指定されたＨと、ステップＳ２３の画素混合の画素数とに基づいて加算平均を算出する電圧信号の数ＡＮを決定し、決定した数の加算平均を算出する。本実施の形態では、Ｈは８であり、ステップＳ２３の画素混合の画素数は１であるため、ＡＮはＨ／ＧＮ＝８／１＝８と算出される。そのため、ＡＦ検出部４２は、図７Ｃに示すように、画素混合なしで読み出された右シフト画素及び左シフト画素の電圧信号に対して、縦方向に隣接する８個の出力値の加算平均を算出する（ステップＳ２４）。

ＡＦ検出部４２は、ステップＳ２１、Ｓ２２、Ｓ２４で加算平均された信号電荷に対して相関演算を行い、その位相差からデフォーカス量を計算する（ステップＳ１６）。ＣＰＵ４０は、ＡＦ検出部４２からデフォーカス量を取得し、このデフォーカス量に基づいて撮影レンズ１２のフォーカスレンズの移動量を算出する。そして、ＣＰＵ４０は、レンズ駆動部３６を介して、算出された移動量だけ撮影レンズ１２を移動させる（ステップＳ１７）。これにより、自動焦点調節が行われる。

本実施の形態によれば、被写体輝度に応じて画素混合数を変えつつも、画素混合の画素数と加算平均に用いる電圧信号の数との積、すなわち加算平均により算出された電圧信号の基となる画素数を一定にすることができる。そのため、位相差、デフォーカス量が算出される領域の大きさを被写体輝度によらず一定にすることができる。したがって、安定した自動焦点調節が可能となる。

＜第３の実施の形態＞
第３の実施の形態は、高輝度の場合にはフォーカス領域を複数の領域に分けてより精度の高い自動焦点調節を行う形態である。図８Ａ及び図８Ｂは、第３の実施の形態におけるＡＦ処理の流れを示すフローチャートである。なお、第１の実施の形態、第２の実施の形態と同一の部分については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

ＣＰＵ４０は、フォーカスエリアの縦の幅Ｈ（本実施の形態では８）、すなわち画素混合の画素数と加算平均に用いる電圧信号の数との積をいくつにするかを指定する（ステップＳ２０）。

ＣＰＵ４０は、ＡＥ検出部４４から得た積算値に基づいて被写体の明るさ（被写体輝度）を取得し、この被写体輝度が低輝度、中輝度、高輝度のいずれに該当するかを判断する（ステップＳ１０）。

被写体輝度が低輝度であると判断された場合（ステップＳ１０で低輝度）には、画素混合数ＧＮを４とし、撮像素子制御部３２は、右シフト画素及び左シフト画素をそれぞれ垂直方向に４画素混合する（ステップＳ１１）。

ステップＳ１１で画素混合された信号電荷は電圧信号として読み出され、ＡＦ検出部４２に入力される。ＡＦ検出部４２は、ステップＳ２０で指定されたＨと、ステップＳ１１で行われた画素混合の画素数とに基づいて加算平均を算出する電圧信号の数ＡＮ（本ステップでは、ＡＮ＝Ｈ／ＧＮ＝８／４＝２）を決定し、ステップＳ１１で４画素混合して読み出された右シフト画素及び左シフト画素の電圧信号に対して、縦方向に隣接する２個の出力値の加算平均を算出する（ステップＳ２１）。

被写体輝度が中輝度であると判断された場合（ステップＳ１０で中輝度）には、画素混合数ＧＮを２とし、撮像素子制御部３２は、右シフト画素及び左シフト画素をそれぞれ垂直方向に２画素混合する（ステップＳ１３）。

ステップＳ１３で画素混合された信号電荷は電圧信号として読み出され、ＡＦ検出部４２に入力される。ＡＦ検出部４２は、ステップＳ２０で指定されたＨと、ステップＳ１３で行われた画素混合の画素数とに基づいて加算平均を算出する電圧信号の数ＡＮを決定し（本ステップでは、ＡＮ＝Ｈ／ＧＮ＝８／２＝４）、ステップＳ１１で２画素混合して読み出された右シフト画素及び左シフト画素の電圧信号に対して、縦方向に隣接する４個の出力値の加算平均を算出する（ステップＳ２２）。

ＡＦ検出部４２は、ステップＳ２１、Ｓ２２で加算平均された信号電荷に対して相関演算を行い、その位相差からデフォーカス量を計算する（ステップＳ１６）。

被写体輝度が高輝度であると判断された場合（ステップＳ１０で高輝度）には、各画素の信号量は十分な値であるため画素混合は行わない（ＧＮは１）（ステップＳ２３）。

ＡＦ検出部４２は、フォーカス領域を複数の領域に分割する。そして、ＡＦ検出部４２は、分割された各領域毎に電圧信号の加算平均を算出し（ステップＳ３０、Ｓ３２・・・）、加算平均された電圧信号に対して相関演算を行い、その位相差からデフォーカス量を計算する（ステップＳ３１、Ｓ３３・・・）。

本実施の形態では、図９に示すように、フォーカス領域の位相差画素の画素数が８画素であり、垂直方向に４つの領域に分割される。そのため、ＡＦ検出部４２は、垂直方向に隣接する２画素の電圧信号の加算平均を算出する。すなわち、右シフト画素Ａ１１、Ａ１２（第１グループ）の電圧信号を加算平均し（ステップＳ３０）、右シフト画素Ａ１３、Ａ１４（第２グループ）の電圧信号を加算平均する（ステップＳ３２）。この処理は、全てのグループに対して行われる。左シフト画素についても同様に加算平均を算出する。

ＡＦ検出部４２がフォーカス領域を複数の領域に分割する方法は任意である。例えば、分割後の領域の大きさを所定の大きさ（任意に変更可能）とし、この大きさになるように分割数を決定してもよい。また、加算平均する画素数を任意に指定し、この画素数に基づいてフォーカス領域を分割してもよい。

そして、ＡＦ検出部４２は、ステップＳ３０で算出された第１グループの電圧信号に対して相関演算を行い、その位相差からデフォーカス量を計算し（ステップＳ３１）、ステップＳ３２で算出された第２グループの電圧信号に対して相関演算を行い、その位相差からデフォーカス量を計算する（ステップＳ３３）。この処理は、全てのグループに対して行われる。これにより、各グループ毎にデフォーカス量が算出される。

ＡＦ検出部４２は、ステップＳ３１、３３・・・で各グループ毎に算出されたデフォーカス量の信頼度を判定し、最も信頼度の高いデフォーカス量を決定する（ステップＳ３５）。例えば、各グループ毎に算出されたデフォーカス量の平均値にどの程度近いかにより信頼度を判定し、最も平均値に近いデフォーカス量を最も信頼度の高いデフォーカス量としてもよい。また、各グループ毎に算出されたデフォーカス量が算出された全てのデフォーカス量に何個含まれるかにより信頼度を判定し、最も含まれる数の多いデフォーカス量を最も信頼度の高いデフォーカス量としてもよい。このように、最も信頼度の高いデフォーカス量を決定には複数の方法が考えられるが、どの方法を用いるかは任意である。

ＣＰＵ４０は、ステップＳ１６、Ｓ３５で算出、決定されたデフォーカス量をＡＦ検出部４２から取得する。ＣＰＵ４０は、このデフォーカス量に基づいて撮影レンズ１２のフォーカスレンズの移動量を算出し、レンズ駆動部３６を介して、算出された移動量だけ撮影レンズ１２を移動させる（ステップＳ１７）。これにより、自動焦点調節が行われる。

本実施の形態では、被写体輝度が高輝度の場合には、フォーカス領域を複数の領域に分けて詳細な位相差演算を行い、最も信頼度の高い演算結果を用いることで、より精度の高い自動焦点調節を行うことができる。

本発明では、フォーカス領域に位相差画素が配設された撮像素子を用いたが、用いる撮像素子はこれに限られない。例えば、全ての画素が位相差画素で構成された位相差ＣＣＤを用いるようにしてもよい。図１０Ａから図１０Ｃは、位相差ＣＣＤの構成例を示す図である。

図１０Ａに示すように、位相差ＣＣＤは、それぞれマトリクス状に配列された奇数ラインの画素（主画素）と、偶数ラインの画素（副画素）とを有しており、これらの主、副画素によってそれぞれ光電変換された２面分の画像信号は、独立して読み出すことができるようになっている。

図１０Ｂに示すように、位相差ＣＣＤ１６の奇数ライン（１、３、５、…）には、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のカラーフィルタを備えた画素のうち、ＧＲＧＲ…の画素配列のラインと、ＢＧＢＧ…の画素配列のラインとが交互に設けられ、一方、図１０Ｃに示すように、偶数ライン（２、４、６、…）の画素は、奇数ラインと同様に、ＧＲＧＲ…の画素配列のラインと、ＢＧＢＧ…の画素配列のラインとが交互に設けられるとともに、偶数ラインの画素に対して画素同士が２分の１ピッチだけライン方向にずれて配置されている。

位相差ＣＣＤ１６の主画素の前面側（マイクロレンズＬ側）には、主画素（フォトダイオードＰＤ）の受光面の右半分を遮光する遮光部材１６Ａが配設され、副画素の前面側には、副画素（フォトダイオードＰＤ）の受光面の左半分を遮光する遮光部材１６Ｂが配設される。そのため、主画素には、射出瞳を通過する光束の光軸の左側のみが受光され、副画素には、射出瞳を通過する光束の光軸の右側のみが受光される。

このような位相差ＣＣＤを用い、主画素から出力される画像信号に基づいて左視点画像データを生成し、副画素から出力される画像信号に基づいて右視点画像データを生成するようにすれば、立体視画像の撮影を行うことができる。また、位相差ＣＣＤの中央領域をフォーカス領域とし、フォーカス領域内のＧ画素のうちの主画素を左シフト画素、副画素を右シフト画素として扱えば、本実施の形態と同様の方法により自動焦点調節を行うことができる。

本発明では、撮像素子にＣＣＤを用いた例で説明したが、ＣＣＤに限定されるものではない。本発明は、ＣＭＯＳ等他のイメージセンサにも適用可能である。

１０：デジタルカメラ、１２…撮影レンズ、１４…絞り、１６…撮像素子、２４…デジタル信号処理部、３２…撮像素子制御部、３４…絞り駆動部、３６…レンズ駆動部、３８…操作部、４０…ＣＰＵ、４２…ＡＦ検出部、４４…ＡＥ検出部、４８…メモリ

Claims (7)

1. 撮影光学系と、
   複数の画素が受光面上にマトリクス状に配列された撮像素子であって、前記撮影光学系の射出瞳を通過する光束の光軸から所定の方向に偏った一部の領域を受光する第１の画素であって、前記撮像素子の受光面上に所定の画素おきに配置された第１の画素と、前記各第１の画素に隣接して配設され、前記撮影光学系の前記射出瞳を通過する光束の光軸から前記所定の方向と反対方向に偏った一部の領域を受光する第２の画素とが２次元状に配列された撮像素子と、
   被写体の輝度を取得する輝度取得部と、
   前記複数の画素から信号電荷を電圧信号として読み出す撮像素子駆動部であって、前記第１及び第２の画素から信号電荷を読み出す際に、隣り合う第１の数の第１の画素の信号電荷を混合して読み出すとともに、隣り合う第１の数の第２の画素の信号電荷を混合して読み出す撮像素子駆動部と、
   前記撮像素子駆動部により混合して読み出された前記第１の画素の電圧信号について隣り合う第２の数分の加算平均を算出するとともに、前記第２の画素の電圧信号について隣り合う第２の数分の加算平均を算出する加算平均算出部と、
   前記加算平均算出部により加算平均された前記第１の画素の電圧信号と前記第２の画素の電圧信号との位相差を検出し、当該位相差に基づいて前記撮影光学系の焦点調節を自動で行う自動焦点調節部と、
   前記輝度取得部によって取得された前記被写体の輝度が低くなるにつれて前記第１の数を増加させ、前記第２の数を減少させる処理部と、
   を備える撮像装置。
2. 前記処理部は、前記第１の数と前記第２の数との積が一定となるように前記第１の数及び前記第２の数を決定する請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記撮像素子駆動部は、垂直方向に隣接する前記第１の数の信号電荷を混合し、
   前記加算平均算出部は、垂直方向に隣接する前記第２の数の電圧信号の加算平均を算出する請求項１又は２に記載の撮像装置。
4. 前記処理部は、前記取得された被写体の輝度が所定の輝度以上の場合には前記第１の数を１とする請求項１から３のいずれかに記載の撮像装置。
5. 前記取得された被写体の輝度が所定の閾値より高輝度である場合には、前記撮像素子を複数の領域に分割する領域分割部を備え、
   前記加算平均算出部は、前記分割された各領域毎に前記電圧信号の加算平均を算出し、
   前記自動焦点調節部は、前記算出された各領域毎の電圧信号の加算平均に基づいて前記第１の画素の電圧信号と前記第２の画素の電圧信号との位相差を前記各領域毎に検出し、当該各領域毎に検出された位相差のうちの最も信頼度の高い位相差に基づいて前記撮影光学系の焦点調節を自動で行う請求項１から４のいずれか１項に記載の撮像装置。
6. 前記第１及び第２の画素は、緑のカラーフィルタを備えた画素にのみ設けられる請求項１から５のいずれかに記載の撮像装置。
7. 前記第１及び第２の画素は、前記受光面のうちフォーカス領域にのみ設けられる請求項１から６のいずれかに記載の撮像装置。

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