JP6884582B2 - 撮像装置、撮像方法および撮像プログラム - Google Patents

Description

本発明は、焦点調節制御（ＡＦ）を行う撮像装置に関する。

ＡＦ方式には、撮像光学系の射出瞳のうち互いに異なる領域を通過した２つの光束により形成される一対の被写体像を光電変換して得られた一対の像信号のずれ量である像ずれ量からデフォーカス量を算出する位相差検出方式（位相差ＡＦ）がある。この位相差ＡＦでは、デフォーカス量から算出されたフォーカスレンズの駆動量を算出して、フォーカスレンズを該駆動量だけ駆動することで合焦状態を得る。合焦状態は、フォーカスレンズの駆動後のデフォーカス量が所定範囲（以下、合焦判定幅という）内であることで判定される。

このような位相差ＡＦは、撮像装置のレリーズボタンが半押し操作されることに応じて開始される。通常は、ＡＦによって合焦状態が得られた後にレリーズボタンが全押し操作されることに応じて撮像（露光）を行うことで、十分にピントが合った静止画像が得られる。ただし、レリーズボタンが半押し操作状態で止められることなく一気に全押し操作される場合がある。このような場合の処理としては、ＡＦの終了後に撮像を行う処理と、合焦状態か否かにかかわらず撮像を開始する処理とがある。特許文献１には、レリーズボタンが一気に全押し操作されたか否かに応じて合焦判定幅を変更することで、実用上において許容される合焦精度での速写に対応する撮像装置が開示されている。

また、ＡＦによりフォーカスレンズを駆動したにもかかわらず、合焦状態が得られなかった場合は、再度ＡＦを行う。特許文献２には、数回のＡＦによってもデフォーカス量が合焦判定幅内に収まらずにフォーカスレンズが移動し続けるハンチングが発生している際に、合焦判定幅を変更することで撮像のタイミングの遅延を防ぐ撮像装置が開示されている。

特開２０１０−１９７６０１号公報 特開２０１３−０６１５３７号公報

合焦判定幅は、ＡＦの精度やＡＦに要する時間に直結するパラメータである。例えば、合焦判定幅が小さければ、合焦状態が得られずにＡＦをやり直す回数が増加するためにＡＦに要する時間は長くなるが、ＡＦの精度は向上する。

ただし、合焦判定幅を小さくしても、実際のフォーカスレンズの駆動精度の限界や被写体のばらつきによるデフォーカス量の検出ばらつき等の種々の要因から、必ずしもＡＦの精度が向上するわけではなく、ＡＦの速度を無駄に遅くさせる要因となり得る。一方、ＡＦの速度は、シャッターチャンスを逃さないためにも、実用上許容される合焦精度が得られる範囲において高速であることが望まれる。

本発明は、被写体にかかわらず、ＡＦの精度を良好としつつ、ＡＦにより合焦状態が得られるまでの時間を短縮することができるようにした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、撮像光学系のデフォーカス量を検出するデフォーカス検出手段と、デフォーカス量が合焦判定範囲内になるように焦点調節制御を行う制御手段とを有する。そして、制御手段は、撮像光学系により形成される被写体像を光電変換して得られた信号を用いてデフォーカス量のばらつき度を示す情報を取得し、前記ばらつき度が相対的に大きい第１の場合は、前記ばらつき度が相対的に小さい第２の場合よりも前記合焦判定範囲を小さくすることを特徴とする。

また、本発明の他の一側面としての焦点調節制御方法は、撮像光学系のデフォーカス量を検出するステップと、デフォーカス量が合焦判定範囲内になるように焦点調節制御を行うステップとを有する。そして、焦点調節制御において、撮像光学系により形成される被写体像を光電変換して得られた信号を用いてデフォーカス量のばらつき度を示す情報を取得し、前記ばらつき度が相対的に大きい第１の場合は、前記ばらつき度が相対的に小さい第２の場合よりも前記合焦判定範囲を小さくすることを特徴とする。

なお、撮像装置のコンピュータに、上記焦点調節制御方法に従う処理を実行させるコンピュータプログラムである焦点調節制御プログラムも、本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、被写体に依存するデフォーカス量のばらつき度に応じて合焦判定範囲を適切に変更するので、被写体にかかわらず、良好な精度の焦点調節制御を行いつつ、合焦状態が得られるまでの時間を短縮することができる。

本発明の実施例である撮像装置の構成を示すブロック図。 実施例における撮像素子の画素構成を示す図。 実施例における撮像に関する動作を示すフローチャート。 実施例におけるＡＦ処理を示すフローチャート。 実施例における焦点検出処理を示すフローチャート。 上記焦点検出処理で用いられるＡＦ領域を示す図。 上記ＡＦ領域から得られる像信号を示す図。 上記像信号のシフト量と相関量との関係を示す図。 上記像信号のシフト量と相関変化量との関係を示す図。 実施例における信頼度評価処理を示すフローチャート。 従来の合焦判定幅を示す図。 実施例における合焦判定幅を示す図。 実施例におけるｍａｘｄｅｒと像ずれ量の標準偏差との関係を示すグラフ。 実施例における合焦判定幅算出処理を示すフローチャート。 実施例においてフィルタから出力できる評価値を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施例である撮像装置としてのデジタルカメラ本体（以下、カメラ本体という）２００と交換レンズユニット１００の構成を示す。交換レンズユニット１００は、電気接点ユニット１０６を有する不図示のマウント部を介して着脱可能（交換可能）にカメラ本体２００に取り付けられる。

交換レンズユニット１００において、１０１はズーム機構を含む撮像レンズであり、１０２は光量を制御する絞りシャッタである。１０３は光軸方向に移動して焦点調節を行うフォーカスレンズである。撮像レンズ１０１、絞りシャッタ１０２およびフォーカスレンズ１０３により撮像光学系が構成される。１０４はフォーカスレンズを駆動するフォーカスモータであり、１０５はフォーカスモータ１０４の駆動等、交換レンズユニット１００の動作を制御するレンズコントローラである。

カメラ本体２００において、２０１は撮像光学系により形成された被写体像を光電変換する撮像素子であり、２０２は撮像素子２０１から出力されるアナログ電気信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部である。２０３は画像処理部であり、２０４はＡＦ信号処理部である。２０５はフォーマット変換部であり、２０６はランダムアクセスメモリ等のメモリ（以下、ＤＲＡＭと記す）であり、画像データの一時記憶用の高速バッファとして、また画像データの圧縮伸張処理における作業用メモリ等として使用される。２０７はメモリカード等の記録媒体とそのインターフェースからなる画像記録部である。２０８はタイミングジェネレータであり、２０９はＡＦ処理（焦点調節制御）や撮像処理（撮像制御）等のカメラ本体２００の動作を制御するシステム制御部である。

２１０はカメラ本体２００（システム制御部２０９）と交換レンズユニット１００（レンズコントローラ１０５）との通信を行う通信部である。２１１はＡＥ処理部であり、２１２は画像表示用メモリ（以下、ＶＲＡＭと記す）である。２１３は画像表示部であり、撮像前に取得されるライブビュー映像や撮像により取得された撮像静止画の他、撮像に関する各種情報を表示する画像表示部である。２１５は撮像モードをユーザが選択するために操作するモードスイッチである。撮像モードには、マクロモードやスポーツモード等がある。

２１６はカメラ本体２００およびカメラ本体２００から電源供給を受ける交換レンズユニット１００に電源を投入するためにユーザにより操作されるメインスイッチである。２１７は第１スイッチ（以下、ＳＷ１と記す）である。ＳＷ１（２１７）は、ユーザによる不図示の操作部材であるレリーズボタンの第１の操作としての半押し操作に応じてＯＮになり、ＡＦ（自動焦点調節）やＡＥ（自動露光）等の撮像準備処理の実行をシステム制御部２０９に指示する信号を出力する。２１８は第２スイッチ（以下、ＳＷ２と記す）である。ＳＷ２（２１８）は、ユーザによるレリーズボタンの第２の操作としての全押し操作に応じてＯＮになり、撮像処理の実行をシステム制御部２０９に指示する信号を出力する。２１４はモードスイッチ２１５、メインスイッチ２１６、ＳＷ１（２１７）およびＳＷ２（２１８）以外のユーザにより操作される各種スイッチやダイヤル等を含む操作部である。操作部２１４は、撮像時および画像再生時における各種設定を行うためのメニュースイッチや、撮像モードと再生モードとを切り替える撮像／再生モードスイッチ等を含む。

上述した撮像素子２０１は、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等により構成され、その撮像面上に結像した光（被写体像）を複数の画素のそれぞれに含まれるフォトダイオードにより光電変換する。撮像素子２０１の各フォトダイオードは、光電変換した光の光量に応じた電荷を蓄積する。各フォトダイオードに蓄積された電荷は、システム制御部２０９の指令に応じてタイミングジェネレータ２０８から与えられる駆動パルスに基づいて順次読み出されてアナログ電気信号として出力される。

本実施例で用いられる撮像素子２０１の各画素は、２つ（一対）のフォトダイオードＡ，Ｂとこれら一対のフォトダイオードＡ，Ｂに対して設けられた１つのマイクロレンズから構成されている。一対のフォトダイオードＡ，Ｂは、１つのマイクロレンズを介して撮像光学系の射出瞳のうち互いに異なる領域（ＡＦ瞳）からの光束により形成される一対の光学像を光電変換する。該一対のフォトダイオードＡ，Ｂから一対のＡＦ用信号であるＡ信号およびＢ信号を出力する。また、一対のフォトダイオードＡ，Ｂの出力を加算することで、撮像用画素信号（Ａ＋Ｂ信号）を得ることができ、この撮像用画素信号を全画素において加算することで撮像信号が得られる。

複数の画素から出力された複数のＡ信号と複数のＢ信号をそれぞれ瞳分割方向と直交する方向において加算することで、撮像面位相差検出方式によるＡＦ（以下、撮像面位相差ＡＦという）に用いられる一対の位相差像信号が得られる。ＡＦ信号処理部２０４は、該一対の位相差像信号に対して相関演算を行い、これら一対の位相差像信号の位相差である像ずれ量を算出し、さらに該像ずれ量から被写体に対する撮像光学系のデフォーカス量（およびデフォーカス方向）を算出する。

図２（ａ）には撮像面位相差ＡＦに対応していない画素構成を、図２（ｂ）は撮像面位相差ＡＦに対応した画素構成を示している。いずれの図においても、ベイヤー配列が用いられており、Ｒは赤のカラーフィルタを、Ｂは青のカラーフィルタを、Ｇｒ，Ｇｂは緑のカラーフィルタを示している。図２（ｂ）に示す撮像面位相差ＡＦ対応の画素構成では、図２（ａ）に示す撮像面位相ＡＦ非対応の画素構成での１画素（実線で囲む）に相当する画素内に、図の水平方向に２分割された２つのフォトダイオード（小さいＡ，Ｂを付す）が設けられている。なお、図２（ｂ）に示した画素の分割方法は例に過ぎず、図の垂直方向に分割したり、水平および垂直方向に２分割ずつ（計４分割）したりしてもよい。また、同じ撮像素子内において互いに異なる分割方法で分割された複数種類の画素が含まれてもよい。

撮像素子２０１から読み出されたそれぞれアナログ電気信号としての撮像信号および一対の位相差像信号は、Ａ／Ｄ変換部２０２に入力される。Ａ／Ｄ変換部２０２は、リセットノイズを除去するための相関二重サンプリング、ゲインの調節およびアナログ電気信号のデジタル化を行う。Ａ／Ｄ変換部２０２は、撮像信号を画像処理部２０３に、一対の位相差像信号をＡＦ信号処理部２０４にそれぞれ出力する。

ＡＦ信号処理部２０４は、Ａ／Ｄ変換部２０２から出力された一対の位相差像信号に対する相関演算を行って像ずれ量および信頼度情報（２像一致度、２像急峻度、コントラスト情報、飽和情報、キズ情報等）を算出する。さらにＡＦ信号処理部２０４は、算出した像ずれ量からデフォーカス量を算出し、該デフォーカス量と信頼度情報をシステム制御部２０９に出力する。相関演算の詳細については、図６から図９を用いて後述する。撮像素子２０１およびＡＦ信号処理部２０４によりデフォーカス検出手段が構成される。

次に、本実施例のカメラ本体２００における制御手段としてのシステム制御部２０９が行う処理について説明する。まず、図３のフローチャートを用いて、システム制御部２０９が実行する撮像に関する処理全体について説明する。ＣＰＵ等を含むコンピュータにより構成されるシステム制御部２０９は、コンピュータプログラムである撮像プログラムに従って本処理を実行する。以下の説明において、「Ｓ」はステップを意味する。

まずＳ３０１では、システム制御部２０９は、ＡＥ処理部２１１に画像処理部２０３からの出力に対してＡＥ処理を行わせてＳ３０２に進む。

Ｓ３０２では、システム制御部２０９は、ＳＷ１（２１７）の状態を調べ、ＯＮであればＳ３０３に進み、そうでなければＳ３０１に進む。

Ｓ３０３では、システム制御部２０９は、ＡＦ信号処理部２０４とともに後述するＡＦ処理を行い、撮像光学系のデフォーカス量が後述する合焦判定幅内（合焦判定範囲内）になるようにフォーカスレンズ１０３の駆動を制御する。その後Ｓ３０４に進む。

Ｓ３０４では、システム制御部２０９は、ＳＷ１（２１７）の状態を調べ、ＯＮであればＳ３０５に進み、そうでなければＳ３０１に進む。

Ｓ３０５では、システム制御部２０９は、ＳＷ２（２１８）の状態を調べ、ＯＮであればＳ３０６に進み、そうでなければＳ３０４に進む。

Ｓ３０６では、システム制御部２０９は、撮像処理を行い、その後Ｓ３０１に戻る。

図４のフローチャートを用いて、上述したＳ３０３でシステム制御部２０９がＡＦ信号処理部２０４とともに実行するＡＦ処理（焦点調節制御方法）について説明する。システム制御部２０９およびＡＦ信号処理部２０４は、上述した撮像プログラムの一部である焦点調節制御プログラムに従って本処理を実行する。

まずＳ４０１において、システム制御部２０９は、ＡＦ処理に関する初期化を行う。

次にＳ４０２では、システム制御部２０９は、ＡＦ信号処理部２０４に焦点検出処理を行わせ、ＡＦ信号処理部２０４が算出したデフォーカス量と信頼度情報を取得する。そして、Ｓ４０３に進む。焦点検出処理は、撮像素子２０１から撮像用画素信号およびＡＦ用信号が読み出されるフレーム（以下、撮像フレームという）ごとに行われる。焦点検出処理の詳細については後述する。

Ｓ４０３では、システム制御部２０９は、Ｓ４０２で取得した信頼度情報が示す信頼度が予め設定された「信頼度閾値２」より高いか否かを判定し、そうであればＳ４０４に進み、そうでなければＳ４１３に進む。「信頼度閾値２」は、信頼度がこの信頼度閾値２未満であるときは、デフォーカス量の精度は保証できないが、被写体のピント位置方向は保証できることを示す閾値である。

Ｓ４０４では、システム制御部２０９は、Ｓ４０２で取得したデフォーカス量（以下、検出デフォーカス量という）が予め設定された合焦判定幅である「Ｄｅｆ量閾値２」より小さいか否かを判定する。検出デフォーカス量がＤｅｆ量閾値２以下である場合は、ピント位置が第２の合焦判定範囲内にある。検出デフォーカス量がＤｅｆ量閾値２より小さければＳ４０５に進み、そうでなければＳ４１２に進む。「Ｄｅｆ量閾値２」は、検出デフォーカス量がこのＤｅｆ量閾値２以下であれば、その検出デフォーカス量に従ってフォーカスレンズ１０３を所定回数（例えば３回）駆動することで、第２の合焦状態が得られることを示す閾値である。第２の合焦状態とは、被写体が撮像光学系の焦点深度内に入り、被写体に高精度にピントが合った状態である。Ｄｅｆ量閾値２は、例えば焦点深度の５倍の値に設定する。

Ｓ４０５では、システム制御部２０９は、フォーカスレンズ１０３が停止状態であるか否かを判定し、そうであればＳ４０６に進み、そうでなければＳ４１０に進む。

Ｓ４０６では、システム制御部２０９は、Ｓ４０２で取得した信頼度情報に示される信頼度が予め設定された「信頼度閾値１」より高いか否かを判定し、そうであればＳ４０７に進み、そうでなければＳ４１０に進む。「信頼度閾値１」は、信頼度がこの信頼度閾値１以上であれば、検出デフォーカス量のばらつきが所定範囲内（例えば焦点深度内）となることを示す閾値である。

Ｓ４０７では、システム制御部２０９は、検出デフォーカス量が予め設定された合焦判定幅である「Ｄｅｆ量閾値１」より小さいか否かを判定し、そうであればＳ４０８に進み、そうでなければＳ４０９に進む。検出デフォーカス量がＤｅｆ量閾値１より小さい場合は、ピント位置が第１の合焦判定範囲にある。「Ｄｅｆ量閾値１」は、検出デフォーカス量がこのＤｅｆ量閾値１以下であれば、第１の合焦状態が得られることを示す閾値であり、Ｄｅｆ量閾値２よりも小さい値をとる。第１の合焦状態とは、第２の合焦状態より検出デフォーカス量が小さく、実用上許容される合焦精度が得られている状態を意味する。

このように本実施例では、合焦判定幅の端の値であるＤｅｆ量閾値として、「Ｄｅｆ量閾値１」と「Ｄｅｆ量閾値２」を用いる。さらに本実施例では、後に図１４を用いて説明するように、第１の合焦判定幅である「Ｄｅｆ量閾値１」を検出デフォーカス量のばらつきの大きさ（ばらつき度）に応じて複数の合焦判定幅（１〜４）間で変更する。

Ｓ４０８では、システム制御部２０９は、撮像光学系が合焦状態にあると判定して本処理を終了する。

一方、Ｓ４０９では、システム制御部２０９は、検出デフォーカス量からフォーカスレンズ１０３の駆動量（以下、フォーカス駆動量という）を算出し、該フォーカス駆動量を含むフォーカス指令をレンズコントローラ１０５に送信する。レンズコントローラ１０５は、フォーカス指令に含まれるフォーカス駆動量だけフォーカスレンズ１０３が駆動されるようにフォーカスモータ１０４の駆動を制御する。この後、システム制御部２０９はＳ４０２に戻る。

上述したＳ４０５〜Ｓ４０９の処理を行うことにより、Ｓ４０２で取得した信頼度が「信頼度閾値１」よりも高い場合に、フォーカスレンズ１０３を停止させた状態で再度、デフォーカス量を算出（検出）することができる。

Ｓ４１０では、システム制御部２０９は、検出デフォーカス量の所定割合分に対するフォーカス駆動量（以下、部分フォーカス駆動量という）を算出し、該部分フォーカス駆動量を含むフォーカス指令をレンズコントローラ１０５に送信する。所定割合については後述する。レンズコントローラ１０５は、フォーカス指令に含まれる部分フォーカス駆動量だけフォーカスレンズ１０３が駆動されるようにフォーカスモータ１０４の駆動を制御する。

次にＳ４１１では、システム制御部２０９は、レンズコントローラ１０５に対してフォーカスレンズ１０３の停止を指示し、Ｓ４０２に戻る。

また、Ｓ４１２では、システム制御部２０９は、Ｓ４１０と同様に、Ｓ４０２で取得したデフォーカス量の所定割合分に対する部分フォーカス駆動量を算出し、該部分フォーカス駆動量を含むフォーカス指令をレンズコントローラ１０５に送信する。レンズコントローラ１０５は、フォーカス指令に含まれる部分フォーカス駆動量だけフォーカスレンズ１０３が駆動されるようにフォーカスモータ１０４の駆動を制御する。そして、システム制御部２０９は、Ｓ４０２に戻る。

Ｓ４１０およびＳ４２１にいう「所定割合」は、例えば８割のように、検出デフォーカス量に対してフォーカスレンズ１０３の駆動量が少なくなる割合である。また、Ｓ４１０およびＳ４２１でのフォーカスレンズ１０３の駆動速度は、次の撮像フレームでの焦点検出処理が完了するまでに部分フォーカス駆動量分のフォーカスレンズ１０３の駆動が完了する駆動速度よりも遅く設定される。これにより、検出デフォーカス量が正しくない場合においてフォーカスレンズ１０３が被写体に対して合焦状態が得られる位置（合焦位置）を通過してしまうことを防ぐことができる。また、Ｓ４１２からＳ４０２に戻る場合は、フォーカスレンズ１０３を停止させずに駆動しながら次の焦点検出処理を行う（すなわちオーバーラップＡＦ制御を行う）ことができる。

Ｓ４１３では、システム制御部２０９は、非合焦条件が満足されたか否かを判定し、そうであればＳ４１４に進み、そうでなければＳ４１５に進む。非合焦条件とは、ピントを合わせるべき被写体が存在しないと判定するための条件である。例えば、フォーカスレンズ１０３の全可動範囲での駆動が完了して、つまりはフォーカスレンズ１０３が遠側と近側の両方の可動端を検出して初期位置に戻ったという条件である。

そしてＳ４１４では、システム制御部２０９は、撮像光学系が非合焦状態であると判定して本処理を終了する。

Ｓ４１５では、システム制御部２０９は、フォーカスレンズ１０３が遠側または近側の可動端に到達したか否かを判定し、そうであればＳ４１６に進み、そうでなければＳ４１７に進む。

Ｓ４１６では、システム制御部２０９は、フォーカスレンズ１０３の駆動方向を反転させてＳ４０２に戻る。

Ｓ４１７では、システム制御部２０９は、フォーカスレンズ１０３を所定方向に駆動させてＳ４０２に戻る。ここでのフォーカスレンズ１０３の駆動速度は、例えばデフォーカス量が検出できるようになった時点で合焦位置を通り過ぎることのないような駆動速度の範囲で最も速い速度が設定される。

次に、上述したＳ４０２でシステム制御部２０９およびＡＦ信号処理部２０４が実行する焦点検出処理について図５のフローチャートを用いて説明する。まず、Ｓ５０１では、システム制御部２０９は、撮像素子２０１の撮像面内においてユーザにより選択された又は所定のアルゴリズムに従って選択した範囲の焦点検出領域（以下、ＡＦ領域という）を設定し、Ｓ５０２に進む。

Ｓ５０２では、ＡＦ信号処理部２０４は、撮像素子２０１の撮像面のうちＳ５０１で設定されたＡＦ領域に含まれる画素からＡＦ用信号（Ａ信号およびＢ信号）を取得してＳ５０３に進む。

Ｓ５０３では、ＡＦ信号処理部２０４は、Ｓ５０２で取得したＡＦ用信号に対して垂直方向に行加算平均処理を行い、一対の位相差像信号を生成する。この垂直行加算平均処理によって一対の位相差像信号におけるノイズの影響を軽減することができる。

Ｓ５０４では、ＡＦ信号処理部２０４は、Ｓ５０３での垂直行加算平均処理により生成された一対の位相差像信号から所定の周波数帯域の信号成分を取り出す複数種類のフィルタ処理のうち１つを行い、Ｓ５０５に進む。

Ｓ５０５では、ＡＦ信号処理部２０４は、Ｓ５０４でのフィルタ処理を経た一対の位相差像信号の相関量を算出して、Ｓ５０６に進む。

Ｓ５０６では、ＡＦ信号処理部２０４は、Ｓ５０５において算出した相関量から相関変化量を算出して、Ｓ５０７に進む。

Ｓ５０７では、ＡＦ信号処理部２０４は、Ｓ５０５において算出した相関変化量から像ずれ量を算出して、Ｓ５０８に進む。

Ｓ５０８では、ＡＦ信号処理部２０４は、Ｓ５０７で算出した像ずれ量の信頼度を評価して、Ｓ５０９に進む。

Ｓ５０９では、ＡＦ信号処理部２０４は、像ずれ量をデフォーカス量に変換して検出デフォーカス量をシステム制御部２０９に出力する。そして、Ｓ５１０に進む。

Ｓ５１０では、ＡＦ信号処理部２０４は、Ｓ５０４での複数種類のフィルタ処理の全てが完了したか否かを判定し、そうであればＳ５１１に進み、そうでなければＳ５０４に進む。ＡＦ信号処理部２０４は、Ｓ５０４での複数種類のフィルタ処理として、例えば垂直行加算平均処理により生成された一対の位相差像信号に対してそれぞれ帯域が異なる複数の周波数帯域のバンドパスフィルタによる処理を水平方向に行う。

ＡＦ信号処理部２０４は、Ｓ５１０において、Ｓ５０４〜Ｓ５０９の一連の処理を複数の周波数帯域の全てに対して行ったか否かを判定し、そうであればＳ５１１に進み、そうでなければＳ５０４に戻る。

Ｓ５１１では、Ｓ５０４〜Ｓ５０９の一連の処理によって算出された複数の周波数帯域のそれぞれに対応した複数の検出デフォーカス量の中から少なくとも１つを選択して焦点検出処理を終了する。

次に、図５で説明した焦点検出処理について詳細に説明する。図６には、焦点検出処理において撮像素子２０１の画素アレイ６０１上でのＡＦ領域６０２の例を示している。ＡＦ領域６０２の両側のシフト領域６０３は、相関演算に必要な領域である。このため、ＡＦ域６０２とシフト領域６０３とを合わせた領域６０４が相関演算に必要な画素領域である。図中のｐ，ｑ，ｓ，ｔはそれぞれ、水平方向（ｘ軸方向）での座標を表し、ｐとｑはそれぞれ画素領域７０４の始点と終点のｘ座標を、ｓとｔはそれぞれＡＦ領域６０２の始点と終点のｘ座標を示している。

図７（ａ）は、図６に示したＡＦ領域６０２に含まれる複数の画素から取得した一対の位相差像信号の例を示す。実線が一方の位相差像信号７０１を示し、以下ではＡ像信号という。また、破線が他方の位相差像信号７０２を示し、以下ではＢ像信号という。図７（ａ）はシフト前のＡ像およびＢ像信号７０１，７０２を示し、図７（ｂ），（ｃ）はそれぞれＡ像およびＢ像信号７０１，７０２をそれぞれ、図７（ａ）の位置からプラス方向およびマイナス方向にシフトした状態を示している。これらＡ像およびＢ像信号７０１，７０２の相関量を算出する際には、Ａ像およびＢ像信号７０１，７０２の両方を矢印の方向に１ビットずつシフトする。

次に、相関量の算出方法について説明する。まず、図７（ｂ），（ｃ）に示すように、Ａ像およびＢ像信号７０１，７０２をそれぞれ１ビットずつシフトして、Ａ像およびＢ像信号７０１，７０２の差の絶対値の和を算出する。シフト量をｉとし、マイナス方向の最大シフト量をｐ−ｓとし、プラス方向の最大シフト量をｑ−ｔとし、ｘをＡＦ領域６０２の開始座標とし、ｙをＡＦ領域６０２の終了座標とする。このとき、相関量ＣＯＲは以下の式（１）によって算出することができる。

図８（ａ）には、シフト量と相関量ＣＯＲとの関係の例を示している。横軸はシフト量を示し、縦軸は相関量ＣＯＲを示す。シフト量とともに変化する相関量８０１における極値付近８０２，８０３のうち、より小さい相関量に対応するシフト量においてＡ像およびＢ像信号７０１，７０２の一致度が最も高くなる。

次に、相関変化量の算出方法について説明する。図８（ａ）に示した相関量８０１の波形における１シフトおきの相関量の差を相関変化量として算出する。シフト量をｉとし、マイナス方向の最大シフト量をｐ−ｓとし、プラス方向の最大シフト量をｑ−ｔとすると、相関変化量ΔＣＯＲは以下の式（２）によって算出することができる。

図９（ａ）には、シフト量と相関変化量ΔＣＯＲとの関係の例を示している。横軸はシフト量を示し、縦軸は相関変化量ΔＣＯＲを示す。シフト量とともに変化する相関変化量９０１は、９０２，９０３の部分でプラスからマイナスになる。相関変化量が０となる状態をゼロクロスと呼び、Ａ像およびＢ像信号７０１，７０２の一致度が最も高くなる。したがって、ゼロクロスを与えるシフト量が像ずれ量となる。

図９（ｂ）には、図９（ａ）中の９０２で示した部分を拡大して示す。９０４は相関変化量９０１の一部分である。この図９（ｂ）を用いて像ずれ量ＰＲＤの算出方法について説明する。

ゼロクロスを与えるシフト量（ｋ−１＋α）は、整数部分β（＝ｋ−１）と小数部分αとに分けられる。小数部分αは、図中の三角形ＡＢＣと三角形ＡＤＥとの相似の関係から、以下の式（３）によって算出することができる。

整数部分βは、図９（ｂ）から以下の式（４）によって算出することができる。
β＝ｋ−１ （４）
そして、αとβの和（α＋β）から像ずれ量ＰＲＤを算出することができる。
図９（ａ）に示したように相関変化量ΔＣＯＲのゼロクロスが複数存在する場合は、その付近での相関変化量ΔＣＯＲの変化の急峻性がより大きい方を第１のゼロクロスとする。この急峻性はＡＦの行い易さを示す指標であり、値が大きいほど精度良いＡＦを行い易い点であることを示す。急峻性ｍａｘｄｅｒは、以下の式（５）によって算出することができる。

このように、本実施例では、相関変化量のゼロクロスが複数存在する場合は、その急峻性によって第１のゼロクロスを決定し、この第１のゼロクロスを与えるシフト量を像ずれ量とする。

次に、Ｓ５０８でＡＦ信号処理部２０４が行う信頼度評価処理について、図１０のフローチャートを用いて説明する。Ｓ１００１では、ＡＦ信号処理部２０４は、ｍａｘｄｅｒを撮像条件（センサーゲインおよび読み出し行加算数等）や被写体条件（コントラスト等）で正規化する。ｍａｘｄｅｒを正規化する理由は、信頼度の精度を高めるためである。

次にＳ１００２では、ＡＦ信号処理部２０４は、検出デフォーカス量が所定のデフォーカス量閾値より大きいか否かを判定する。ＡＦ信号処理部２０４は、検出デフォーカス量がデフォーカス量閾値より大きいときはＳ１００３に進んで信頼度を０とする。また、検出デフォーカス量がデフォーカス量閾値以下のときはＳ１００４に進み、Ｓ１００１で正規化したｍａｘｄｅｒが正規化ｍａｘｄｅｒ閾値以下か否かを判定する。

ＡＦ信号処理部２０４は、正規化ｍａｘｄｅｒが正規化ｍａｘｄｅｒ閾値以下のときは、Ｓ１００３に進み信頼度を０として、本処理を終了する。信頼度０は、検出デフォーカス量の信頼度がきわめて低いことを示す。

本実施例では、デフォーカス量閾値とｍａｘｄｅｒ閾値をフィルタごとに設定している。デフォーカス量閾値は各フィルタのデフォーカス量検出能力（総シフト量の観点から焦点検出可能な限界距離）に応じて設定する。また、低輝度時や低コントラスト被写体に対する焦点検出処理のように信頼度を誤りやすい場面では、正規化ｍａｘｄｅｒが小さくなる。このため、正規化ｍａｘｄｅｒ閾値を設定することで誤った信頼度を出力することを防止している。

Ｓ１００４で正規化ｍａｘｄｅｒが正規化ｍａｘｄｅｒ閾値より大きいと判定したＡＦ信号処理部２０４はＳ１００５に進み、正規化ｍａｘｄｅｒに基づいて像ずれ量の標準偏差を推定する。図１３に示すように、正規化ｍａｘｄｅｒと像ずれ量の標準偏差との間には負の相関があるため、正規化ｍａｘｄｅｒから像ずれ量の標準偏差を推定することができる。

次にＳ１００６では、ＡＦ信号処理部２０４は、像ずれ量の標準偏差に所定の換算係数を乗算して、検出デフォーカス量の標準偏差を算出する。ここで使用する換算係数は、像ずれ量から検出デフォーカス量を算出する際に使用した換算係数と同様に、絞り１０２の絞り値、撮像光学系の射出瞳距離、撮像素子２０１の個体情報および撮像面上におけるＡＦ領域の座標によって決定される値である。このように、検出デフォーカス量のばらつき度を示す情報としての標準偏差は、像ずれ量、すなわち被写体像を光電変換して得られた一対の位相差像信号のずれ量から得られる。

また、検出デフォーカス量の標準偏差に対しても、絞り値Ｆと許容錯乱円δで除算して正規化する。ｍａｘｄｅｒに基づいて信頼度（つまりは検出デフォーカス量の標準偏差）を評価する場合は、上記換算係数の個数分の閾値を設定する必要がある。このため、本実施例では、大量の閾値データをＲＯＭ１３７に保持しておかなくても、より所望の閾値を設定することができる。また、絞り値Ｆによって正規化しているため、絞り１０２の状態に関係なく閾値を設定することが可能である。

続くＳ１４００では、ＡＦ信号処理部２０４は、合焦判定幅を設定する。このステップでの合焦判定幅の設定処理については後述する。

次にＳ１００７以降において、ＡＦ信号処理部２０４は、検出デフォーカス量の標準偏差に応じて該検出デフォーカス量の信頼度を評価する。本実施例では、検出デフォーカス量の標準偏差の閾値を３段階（ＴＨＲＥＳＨＯＬＤ１、ＴＨＲＥＳＨＯＬＤ２、ＴＨＲＥＳＨＯＬＤ３）設定している。ＴＨＲＥＳＨＯＬＤ１、ＴＨＲＥＳＨＯＬＤ２およびＴＨＲＥＳＨＯＬＤ３は、
ＴＨＲＥＳＨＯＬＤ３＜ＴＨＲＥＳＨＯＬＤ２＜ＴＨＲＥＳＨＯＬＤ１
という関係を有する。また、信頼度Ｎ（Ｎ＝０〜３）は数字が小さいほど信頼度がより低いことを意味する。

まずＳ１００７において検出デフォーカス量の標準偏差がＴＨＲＥＳＨＯＬＤ１より大きい場合は、ＡＦ信号処理部２０４はＳ１００３に進み、検出デフォーカス量の信頼度を信頼度０と判定する。また、Ｓ１００８において検出デフォーカス量の標準偏差がＴＨＲＥＳＨＯＬＤ１以下で、かつＴＨＲＥＳＨＯＬＤ２より大きい場合は、ＡＦ信号処理部２０４はＳ１００９に進み、信頼度を信頼度１と判定する。

さらに、Ｓ１０１０において検出デフォーカス量の標準偏差がＴＨＲＥＳＨＯＬＤ２以下であり、かつＴＨＲＥＳＨＯＬＤ３より大きい場合は、ＡＦ信号処理部２０４はＳ１０１１に進み、信頼度を信頼度２と判定する。検出デフォーカス量の標準偏差がＴＨＲＥＳＨＯＬＤ３以下である場合は、ＡＦ信号処理部２０４はＳ１０１２に進み、信頼度を信頼度３と判定する。

以上が信頼度を評価する基本的な処理であるが、信頼度の評価方法は３種類のフィルタの役割ごとに変えてもよい。図１５は、各フィルタから出力できる信頼度を示しており、○が記された条件は出力できる信頼度を意味し、×が記された条件は出力しない信頼度を意味する。低域フィルタは精度が低いため、合焦可能であることを意味する信頼度３は出力しない。また、高域フィルタでは、総シフト量が小さく大ボケ時の被写体に対して焦点検出を行えないため、信頼度１は出力しない。このように処理することで、誤った信頼度を出力する可能性を軽減することができる。

撮像面位相差ＡＦでは、バンドパスフィルタの周波数帯域と被写体の周波数帯域との相違や、撮像光学系を構成するレンズを保持するレンズ枠によるＡＦ瞳のケラレの影響がデフォーカス量に応じて変化する。このため、撮像面位相差ＡＦでは、特にフォーカスレンズ１０３の実際のデフォーカス量に対して、検出されるデフォーカス量が比例関係（線形性）から外れる場合がある。この検出デフォーカス量のずれは、特に検出デフォーカス量が大きい場合に発生しやすく、被写体の空間周波数および検出デフォーカス量に応じて変化するため、被写体やフォーカスレンズ１０３の位置ごとにこのずれに対する補正を行うことは困難である。

一方、ＡＦ処理に要する時間やＡＦ処理における動作品位を考えると、フォーカスレンズ１０３の駆動方向の反転を極力少なくする（無くする）ことが望ましい。このため、本実施例では、前述したように、デフォーカス量が大きい状態からのＡＦでは検出デフォーカス量にそのまま対応するフォーカス駆動量を設定するのではなく、検出デフォーカス量に対して１以下の係数を乗じて部分フォーカス駆動量を設定する。これにより、フォーカスレンズ１０３が合焦位置を通過することで駆動方向の反転が必要となることを防止し、スムーズなＡＦを実現することが可能となる。

ただし、前述したように、検出デフォーカス量のずれはデフォーカス量が大きい状態で発生しやすく、デフォーカス量が小さい状態では線形性は保たれる。このように検出デフォーカス量の線形性が保たれる条件では、検出デフォーカス量にそのまま対応するフォーカス駆動量を設定して、より高速なＡＦを実現することが望ましい。

本実施例では、１フレームでのフォーカス駆動量として、検出デフォーカス量にそのまま対応するフォーカス駆動量が設定可能な検出デフォーカス量の範囲を第１のデフォーカス範囲とし、それより大きい検出デフォーカス量の範囲を第２のデフォーカス範囲とする。検出デフォーカス量が第１のデフォーカス範囲にあれば、合焦状態が得られたか否かを判定するための第１の合焦判定幅を広げても、実用上許容される合焦状態（第１の合焦状態）は得られる。一方、検出デフォーカス量が第２のデフォーカス範囲にある場合は、合焦判定幅を狭くして精度の高い合焦状態（第２の合焦状態）が得られるまでフォーカスレンズ１０３を駆動することが望ましい。

また本実施例では、検出デフォーカス量が第１のデフォーカス範囲にある場合により高速なＡＦを実現するために、１フレームでのフォーカス駆動量のみならず、第１の合焦判定幅である「Ｄｅｆ量閾値１」も被写体に応じて変更する。

次に、「Ｄｅｆ量閾値１」について、図１１（ａ），（ｂ）および図１２（ａ），（ｂ）を用いて説明する。本実施例は、撮像する被写体（つまりは被写体像）に応じて「Ｄｅｆ量閾値１」である合焦判定幅を適切に設定（変更）することで、ＡＦ処理により合焦状態が得られるまでに要する時間を短縮させる。図１１（ａ），（ｂ）および図１２（ａ），（ｂ）のいずれにおいても、実用上許容される合焦精度としては、デフォーカス量が合焦基準幅としての±１Ｆδ以内とする。

図１１（ａ），（ｂ）は、被写体によらず合焦判定幅（±０．２５Ｆδ）を一定とする従来方式を示している。図１１（ａ）は、被写体が高コントラストであり、検出デフォーカス量のばらつき度（以下、デフォーカス検出ばらつきという）が±０．２５Ｆδとなる場合の該デフォーカス検出ばらつきと第１の合焦判定幅との関係を示している。また、図１１（ｂ）は、被写体が低コントラストであり、デフォーカス検出ばらつきが±０．７５Ｆδとなる場合の該デフォーカス検出ばらつきと第１の合焦判定幅との関係を示している。

撮像面位相差ＡＦにおけるデフォーカス量の検出誤差としては、前述したような帯域ずれ等の種々の要因から生じるオフセット誤差や、デフォーカス量を繰り返して検出したときの検出ごとのばらつき等がある。図１１（ａ）に示す従来方式では、デフォーカス検出ばらつきが小さい高コントラスト被写体においても、デフォーカス検出ばらつきが大きい低コントラスト被写体と同じ合焦判定幅を使用している。このため、上述した実用上許容される合焦精度より厳しく合焦状態を判定している。

図４のＳ４０７にて説明したように、検出デフォーカス量が合焦判定幅（Ｄｅｆ量閾値１）以内にない場合は、再度、フォーカスレンズの駆動が行われる。合焦状態の近傍でのフォーカスレンズの駆動は、デフォーカス量の検出精度を確保するために、フォーカスレンズが停止しているフレームで取得された検出デフォーカス量に基づいて行われることが望ましい。このため、デフォーカス量を検出するために、フォーカスレンズの停止を判定するためのフレーム、レンズ停止後の撮像フレームおよび撮像フレームで得られた一対の位相差像信号からデフォーカス量を演算するフレーム等が必要である。これらの複数のフレーム分の期間の間、フォーカスレンズは動けず、フォーカスレンズを合焦位置まで移動させるＡＦ処理が遅延する。

図１２（ａ），（ｂ）は、本実施例における合焦判定幅を示す。本実施例では、被写体に応じたデフォーカス検出ばらつき、つまりは焦点検出処理内（図５のＳ１００６）で取得される検出デフォーカス量の標準偏差に応じて、「Ｄｅｆ量閾値１」としての合焦判定幅を設定する。

図１２（ａ）は、被写体が高コントラストであり、デフォーカス検出ばらつきが±０．２５Ｆδとなる場合の該デフォーカス検出ばらつきと合焦判定幅との関係を示している。また、図１２（ｂ）は、被写体が低コントラストであり、デフォーカス検出ばらつきが±０．７５Ｆδとなる場合の該デフォーカス検出ばらつきと合焦判定幅との関係を示している。

図１２（ａ）では、デフォーカス検出ばらつきを適切に考慮し、実用上許容される合焦精度を確保しつつ、合焦判定幅（Ｄｅｆ量閾値１）を広げる。これにより、合焦状態の近傍において複数回のフォーカスレンズ１０３の駆動が行われる頻度を少なくする。

図１４のフローチャートは、図１０のＳ１４００においてＡＦ信号処理部２０４が実行する合焦判定幅の設定処理を示している。本実施例では、信頼度の判定と同様に、合焦判定幅を段階的に設定する。ステップＳ１４０１において、ＡＦ信号処理部２０４は、Ｓ１００６で算出した検出デフォーカス量の標準偏差を読み込む。

続いてＳ１４０２では、ＡＦ信号処理部２０４は、検出デフォーカス量の標準偏差がＤｅｆ１＿Ｔｈ１より小さいか否かを判定し、そうである場合はＳ１４０３に進み、合焦判定幅（Ｄｅｆ量閾値１）を高コントラスト被写体用の合焦判定幅１に設定する。検出デフォーカス量の標準偏差がＤｅｆ１＿Ｔｈ１以上でＤｅｆ１＿Ｔｈ２より小さい場合は、ＡＦ信号処理部２０４はＳ１４０５に進み、合焦判定幅を中コントラスト被写体用の合焦判定幅２に設定する。

また、検出デフォーカス量の標準偏差がＤｅｆ１＿Ｔｈ２以上であり、かつＤｅｆ１＿Ｔｈ３より小さい場合は、ＡＦ信号処理部２０４はＳ１４０７に進み、合焦判定幅を低コントラスト被写体用の合焦判定幅３に設定する。検出デフォーカス量の標準偏差がＤｅｆ１＿Ｔｈ３以上である場合は、ＡＦ信号処理部２０４は、Ｓ１４０８に進み、合焦判定幅を超低コントラスト被写体用の合焦判定幅４に設定する。ここで、合焦判定幅の大小関係を以下に示す。

合焦判定幅４＜合焦判定幅３＜合焦判定幅２＜合焦判定幅１
このように、本実施例では、被写体のコントラストが高く、デフォーカス検出ばらつきが小さいほど、合焦判定幅を広く設定する。これにより、少なくとも実用上許容される合焦精度を確保しつつ、ＡＦ処理により合焦状態が得られるまでに要する時間を短縮することができる。

上記実施例では、合焦判定幅を段階的に変更する場合について説明したが、検出デフォーカス量の標準偏差と合焦基準幅との差分に応じて合焦判定幅が連続的に変更されるようにしてもよい。

また、上記実施例では検出デフォーカス量のばらつき度を示す情報として標準偏差を用いたが、分散等、他のばらつき度を示す情報を用いてもよい。また、上記実施例では、デフォーカス量のばらつき度を一対の位相差像信号を用いて算出する場合について説明したが、被写体像を光電変換して得られる他の信号を用いてばらつき度を取得してもよい。例えば、撮像素子２０１からの出力により生成される撮像信号から被写体像のコントラストを示す情報を生成し、該コントラストの高低を示す情報からデフォーカス量のばらつき度を推定してもよい。

また、上記実施例ではフォーカスレンズ光軸方向に駆動してＡＦを行う場合について説明したが、撮像素子を光軸方向に駆動してＡＦを行う場合にも、上記実施例を適用することができる。

さらに上記実施例では、レリーズボタンの半押し操作（ＳＷ１のＯＮ）から全押し操作（ＳＷ２のＯＮ）までの間のＡＦ処理において合焦判定幅をデフォーカス検出ばらつきに応じて変更する場合について説明した。しかし、レリーズボタンの半押し操作から全押し操作までが一気に行われる等の特定条件を満足する場合に限って、合焦判定幅をデフォーカス検出ばらつきに応じて変更するようにしてもよい。これにより、ユーザが求める速写性を確保することができる。
（その他の実施例）
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

１０３ フォーカスレンズ
２００ デジタルカメラ本体
２０１ 撮像素子
２０４ ＡＦ信号処理部
２０９ システム制御部

Claims (7)

1. 撮像光学系のデフォーカス量を検出するデフォーカス検出手段と、
   前記デフォーカス量が合焦判定範囲内になるように焦点調節制御を行う制御手段とを有し、
   前記制御手段は、
   前記撮像光学系により形成される被写体像を光電変換して得られた信号を用いて前記デフォーカス量のばらつき度を示す情報を取得し、
   前記ばらつき度が相対的に大きい第１の場合は、前記ばらつき度が相対的に小さい第２の場合よりも前記合焦判定範囲を小さくすることを特徴とする撮像装置。
2. 前記デフォーカス検出手段は、位相差検出方式により得られる一対の位相差像信号の像ずれ量から前記デフォーカス量を算出し、
   前記制御手段は、前記像ずれ量を用いて前記ばらつき度を示す情報を取得することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記制御手段は、前記信号から得られる前記被写体像のコントラストの情報を用いて前記ばらつき度を示す情報を取得することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
4. 前記制御手段は、前記デフォーカス量が第１の合焦判定範囲内にあるかを判定した後、該第１の合焦判定範囲より狭い第２の合焦判定範囲内にあるかを判定し、
   前記制御手段は、前記第２の合焦判定範囲を前記ばらつき度に応じて変更することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の撮像装置。
5. 前記制御手段は、
   操作部材の第１の操作に応じて前記焦点調節制御を行い、前記操作部材の第２の操作に応じて撮像制御を行い、
   前記焦点調節制御が終了する前に前記第２の操作が行われた場合に、前記ばらつき度に応じて前記合焦判定範囲を変更することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の撮像装置。
6. 撮像光学系のデフォーカス量を検出するステップと、
   前記デフォーカス量が合焦判定範囲内になるように焦点調節制御を行うステップとを有し、
   前記焦点調節制御において、
   前記撮像光学系により形成される被写体像を光電変換して得られた信号を用いて前記デフォーカス量のばらつき度を示す情報を取得し、
   前記ばらつき度が相対的に大きい第１の場合は、前記ばらつき度が相対的に小さい第２の場合よりも前記合焦判定範囲を小さくすることを特徴とする焦点調節制御方法。
7. 撮像装置のコンピュータに、
   撮像光学系のデフォーカス量を検出する処理と、
   前記デフォーカス量が合焦判定範囲内になるように焦点調節制御を行う処理とを実行させるコンピュータプログラムであって、
   前記焦点調節制御を行う前記コンピュータに、
   前記撮像光学系により形成される被写体像を光電変換して得られた信号を用いて前記デフォーカス量のばらつき度を示す情報を取得させ、
   前記ばらつき度が相対的に大きい第１の場合は、前記ばらつき度が相対的に小さい第２の場合よりも前記合焦判定範囲を小さくさせることを特徴とする焦点調節制御プログラム。

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