JP2012220790A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】焦点検出用画素に隣接する撮像用画素が飽和する撮影条件においても、適切なクロストーク補正を行い、より精度良く焦点検出を行えるようにする。
【解決手段】被写体像を結像する結像光学系の第１の瞳領域を通過する光束を受光する第１の画素群と、第１の瞳領域よりも狭い第２の瞳領域を通過する光束を受光する第２の画素群とを有する撮像素子と、第１の画素群に蓄積される光量が飽和値に達しているかどうかを判定する判定部と、判定部によって飽和していると判定された画素の受光量を推定する受光量推定部とを備え、受光量推定部は、第１の画素群の結像光学系の瞳面における受光感度分布と、第２の画素群の結像光学系の瞳面における受光感度分布と、結像光学系のケラレ情報とを用いて、第１の画素群の第２の画素群に対する受光量比を算出し、第２の画素群の受光量に受光量比を乗じることにより、第１の画素群の受光量を推定する。
【選択図】図１７

Description

本発明は、撮影光学系の焦点調節が可能な撮像装置に関するものである。

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。特許文献１の装置では、センサを構成する各画素の光電変換部が複数に分割されており、分割された光電変換部がマイクロレンズを介して撮影レンズの瞳の異なる領域を受光するように構成されている。

また特許文献２では、マイクロレンズと光電変換部の相対位置を偏位させた画素を２次元的に配置した、イメージセンサを兼ねた固体撮像装置を開示している。特許文献２の固体撮像装置では、撮影レンズの焦点状態を検出する時は、マイクロレンズと光電変換部の相対偏位方向が異なる画素列で生成される像に基づいて撮影レンズの焦点状態を検出している。一方通常の画像を撮像するときは、マイクロレンズと光電変換部の相対偏位方向が異なる画素を加算することにより、画像を生成している。

また、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が特許文献３に開示されている。特許文献３の固体撮像装置は、固体撮像装置を構成する多数の画素のうち一部の画素は撮影レンズの焦点状態を検出するために光電変換部が２つに分割された構成になっている。光電変換部は、マイクロレンズを介して撮影レンズの瞳の所定領域を受光するように構成されている。

図１８は、特許文献３に開示されている固体撮像装置の中央に位置する焦点検出を行う画素の受光分布の説明図で、２つに分割された光電変換部がそれぞれ受光可能な撮影レンズの瞳上の領域を示している。図中円内の斜線部は撮影レンズの射出瞳を示し、白抜きされた領域Ｓα、領域Ｓβは２つに分割された光電変換部の受光可能な領域で、通常撮影レンズの光軸（図中ｘ軸とｙ軸の交点）に対して対称になるように設定されている。

カメラにおいては、撮影レンズの瞳上の領域Ｓαを透過した光束により生成された像と領域Ｓβを透過した光束により生成される像の相関演算を行って、撮影レンズの焦点状態が検出される。撮影レンズの異なる瞳領域を透過した光束より生成される像の相関演算を行って焦点検出を行う方法は、特許文献４に開示されている。

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ーを口径比、射出瞳位置、像ズレ量によって変形し、該変形フィルター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。

特開昭５８−２４１０５号公報（第２頁、図１） 特許第２９５９１４２号公報（第２頁、図２） 特開２００５−１０６９９４号公報（第７頁、図３） 特開平５−１２７０７４号公報（第１５頁、図３４）

しかしながら、上記構成の撮像素子内の焦点検出用画素には、焦点検出用画素の出力値が、実際に焦点検出用画素のマイクロレンズを通過し光電変換部で光電変換され出力される値よりも、大きくなるという問題がある。これは、次のような２つの要因による。１つは、焦点検出用画素の隣接画素に入光する光線が、カラーフィルタを通過した後、焦点検出用画素の光電変換部に漏れこむという光学的要因である。また、もう１つは、隣接画素のシリコン基板内部で発生した光電子が焦点検出用画素に拡散して混入するという電子的要因である。この隣接画素からの漏れ込みをクロストークと呼んでいる。いずれの要因にしても、焦点検出用画素出力値から、隣接画素出力値に一定の係数を掛けたクロストーク補正値を減算することで、焦点検出用画素出力を補正し、クロストークの影響を軽減することが出来る。

しかし、上記のクロストーク補正方法では、焦点検出用画素の隣接画素出力値が飽和していると、正しく補正を行うことができない。それは、飽和した隣接画素出力値にある係数を掛けたクロストーク補正値は、実際に必要なクロストーク補正値より小さくなることによる。それにより、焦点検出精度の低下を引き起こしてしまうという問題があった。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、焦点検出用画素に隣接する撮像用画素が飽和する撮影条件においても、適切なクロストーク補正を行い、より精度良く焦点検出を行えるようにすることである。

本発明に係わる撮像装置は、被写体像を結像する結像光学系の第１の瞳領域を通過する光束を受光する第１の画素群と、該第１の瞳領域よりも狭い第２の瞳領域を通過する光束を受光する第２の画素群とを有する撮像素子と、前記第１の画素群に蓄積される光量が飽和値に達しているかどうかを判定する判定手段と、前記判定手段によって飽和していると判定された画素の受光量を推定する受光量推定手段とを備え、前記受光量推定手段は、前記第１の画素群の前記結像光学系の瞳面における受光感度分布と、前記第２の画素群の前記結像光学系の瞳面における受光感度分布と、前記結像光学系のケラレ情報とを用いて、前記第１の画素群の前記第２の画素群に対する受光量比を算出し、前記第２の画素群の受光量に前記受光量比を乗じることにより、前記第１の画素群の受光量を推定することを特徴とする。

本発明によれば、焦点検出用画素に隣接する撮像用画素が飽和する撮影条件においても、適切なクロストーク補正を行い、より精度良く焦点検出を行うことが可能となる。

本発明の一実施形態に係るカメラの構成図。 撮像素子の概略的回路構成図。 撮像素子の画素部の断面図。 撮像素子の駆動タイミングチャート。 撮像素子の撮像用画素の平面図と断面図。 撮影レンズの水平方向（横方向）に瞳分割を行なうための焦点検出用画素の平面図と断面図。 撮影レンズの垂直方向に瞳分割を行なうための焦点検出用画素の平面図と断面図。 撮像素子の瞳分割状況を概念的に説明する図。 焦点検出時に取得した画像と焦点検出領域を説明する図。 撮像素子中央の焦点検出用画素の入射角特性を表した模式図。 光束のケラレを説明する図。 瞳面Ｍｅ上での瞳領域を示した図。 焦点検出用画素の瞳強度分布を示す図。 撮像素子中央の焦点検出用画素の瞳面Ｍｅ上でのケラレを示した図。 撮像素子の中央から像高を持った位置の画素の瞳面Ｍｅ上でのケラレを示した図。 焦点検出フローチャート。 クロストーク補正フローチャート。 従来の固体撮像装置の受光分布説明図。

以下、本発明の一実施形態について、図１〜図１７を参照して詳細に説明する。

図１は本発明に係る撮像装置の一実施形態であるであるカメラの構成を示す図である。ここでは、レンズとカメラ本体が一体であるデジタルカメラを例に挙げて説明するが、レンズ交換可能な一眼レフデジタルカメラであってもよい。図１において、１０１は撮影光学系（結像光学系）の先端に配置された第１レンズ群で、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で、その開口径を調節することで撮影時の光量調節を行なうほか、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。１０３は第２レンズ群である。そして絞り兼用シャッタ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、変倍作用（ズーム機能）をなす。

１０５は第３レンズ群で、光軸方向の進退により、焦点調節を行なう。１０６は光学的ローパスフィルタで、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である。撮像素子１０７には、横方向ｍ画素、縦方向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。

１１１はズームアクチュエータで、不図示のカム筒を回動することで、第１レンズ群１１１乃至第３レンズ群１０５を光軸方向に進退駆動し、変倍操作を行なう。１１２は絞りシャッタアクチュエータで、絞り兼用シャッタ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なう。１１４はフォーカスアクチュエータで、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なう。

１１５は撮影時の被写体照明用電子フラッシュで、キセノン管を用いた閃光照明装置が好適であるが、連続発光するＬＥＤを備えた照明装置を用いてもよい。１１６はＡＦ補助光装置で、所定の開口パターンを有したマスクの像を、投光レンズを介して被写界に投影し、暗い被写体あるいは低コントラスト被写体に対する焦点検出能力を向上させる。

１２１は、カメラ本体の種々の制御を司るカメラ内ＣＰＵで、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し、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する。そして、焦点検出、焦点調節、撮影、画像処理、記録等の一連の動作を実行する。

１２２は電子フラッシュ制御回路で、撮影動作に同期して電子フラッシュ１１５を点灯制御する。１２３は補助光駆動回路で、焦点検出動作に同期してＡＦ補助光装置１１６を点灯制御する。１２４は撮像素子駆動回路で、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、撮像素子１０７が取得した画像のγ変換、カラー補間、ＪＰＥＧ圧縮等の処理を行なう。

１２６はフォーカス駆動回路で、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なう。１２８は絞りシャッタ駆動回路で、絞りシャッタアクチュエータ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、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、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、焦点検出時の合焦状態表示画像等を表示する。１３２は操作スイッチ群で、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。１３３は着脱可能なフラッシュメモリで、撮影済み画像を記録する。

図２は本実施形態における撮像素子の概略的回路構成を示した図で、特開平０９−０４６５９６号報等に開示された技術が好適である。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たものであるが、撮像素子として利用する場合は、図２に示した画素を多数配置し、高解像度画像の取得を可能としている。本実施形態においては、画素ピッチが２μm、有効画素数が横３０００列×縦２０００行＝６００万画素、撮像画面サイズが横６ｍｍ×縦４ｍｍの撮像素子として説明を行なう。

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トランジスタである。さらに、１０は暗出力蓄積容量ＣTN、１１は明出力蓄積容量ＣTS、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に本実施形態における撮像素子の画素部の断面を示す図である。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動作を説明する。このタイミングチャートは全画素独立出力の場合の図である。

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をハイとしておく。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をロウとし、ＦＤ部２１のリセットを止め、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。この時フォトゲート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に完全転送させるような電圧関係が好ましい。従って完全転送が可能であれば制御パルスφＴＸはパルスではなくある固定電位でもかまわない。

時刻Ｔ2 で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とになる。この時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ので、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に蓄積されおり、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する。そして、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が出力される。この時、蓄積容量ＣTN１０と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、固定パターンノイズを除去したＳ／Ｎのよい信号が得られる。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とＣTS１１に蓄積される。しかし、それらの信号は水平走査回路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。本実施形態では、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を導通し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，制御パルス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て、蓄積容量ＣTN１０とＣTS１１に夫々光電荷を蓄積し、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ラインの読み出しが夫々独立に行える。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が行える。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、上記と同様に制御パルスφＴＸe1，φＰＧe1及びその他の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乃至図７は、本実施形態における第１の画素群である撮像用画素と、第２の画素群、及び第３の画素群である焦点検出用画素の構造を説明する図である。本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用画素が所定の規則にて分散配置される。

図５に撮像用画素の平面図と断面図を示す。図５（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。周知のごとく、ベイヤー配列では対角方向にＧ画素が、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（ａ）の断面Ａ−Ａを図５（ｂ）に示す。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、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ＭＬと光電変換部ＰＤは、撮影光学系ＭＬ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、撮影光学系ＴＬの射出瞳ＥＰと光電変換部ＰＤは、マイクロレンズＭＬにより共役関係にあり、かつ光電変換部の有効面積は大面積に設計される。また、図５（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（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６は、撮影レンズの図中ｘ方向に瞳分割を行なうための焦点検出用画素の平面図と断面図を示す。図６（ａ）は、撮像素子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。そして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。一方でＲもしくは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。そこで本実施形態においては、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を配列している。これを図６（ａ）においてＳＨＡ及びＳＨＢで示す。

図６（ａ）の断面Ｂ−Ｂを図６（ｂ）に示す。マイクロレンズＭＬと、光電変換部ＰＤは図５（ｂ）に示した撮像用画素と同一構造である。本実施形態においては、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なうため、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。よって、画素ＳＨＡをｘ方向に規則的に配列し、これらの画素群（第２の画素群）で生成した被写体像をＡ像（第２の被写体像）とし、画素ＳＨＢもｘ方向に規則的に配列し、これらの画素群（第３の画素群）で生成した被写体像をＢ像（第３の被写体像）とする。そして、Ａ像とＢ像の相対位置を検出することで、被写体像のピントずれ量（デフォーカス量）が検出できる。

なお、上記の画素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可能であるが、ｙ方向に輝度分布を有するｘ方向の線は焦点検出不能である。そこで本実施形態では、後者についても焦点検出できるよう、撮影レンズのｙ方向にも瞳分割を行なう画素も備えている。

図７は、撮影レンズの図中ｙ方向に瞳分割を行なうための焦点検出用画素の平面図と断面図を示す。図７（ａ）は、撮像素子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、図６（ａ）と同様に、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を配列している。これを図６（ａ）においてＳＶＣ及びＳＶＤで示す。

図７（ａ）の断面Ｃ−Ｃを図７（ｂ）に示すが、図６（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７（ｂ）の画素は瞳分離方向がｙ方向になっているだけで、画素の構造としては変わらない。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。よって、画素ＳＶＣをｙ方向に規則的に配列し、これらの画素群で取得した被写体像をＣ像とし、画素ＳＶＤもｙ方向に規則的に配列し、これらの画素群で取得した被写体像をＤ像とする。そして、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ずれ量（デフォーカス量）が検出できる。

図８は、本実施形態における撮像素子の瞳分割状況を概念的に説明する図である。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の撮像素子の撮像用画素の平面図と断面図で説明したように、撮影レンズの射出瞳全域ＥＰ（第１の瞳領域）を通過した光束を受光する。一方、焦点検出用画素は図６のｘ方向に瞳分割を行なうための焦点検出用画素の平面図と断面図及び図７のｙ方向に瞳分割を行なうための焦点検出用画素の平面図と断面図で説明したように、瞳分割機能を有している。具体的には、図６の画素ＳＨＡは＋Ｘ方向の側の瞳を通過した光束、すなわち図８の瞳ＥＰＨＡ（第２の瞳領域）を通過した光束を受光する。同様に画素ＳＨＢ、ＳＶＣ及びＳＶＤはそれぞれ瞳ＥＰＨＢ（第３の瞳領域）、ＥＰＶＣ及びＥＰＶＤを通過した光束を受光する。上記の説明から明らかな通り、第１の瞳領域よりも第２の瞳領域の方が狭くなっている。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、撮像領域全域で焦点検出を可能とさせている。

図９は、焦点検出時に取得した画像と焦点検出領域を説明する図である。図９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。そして本実施形態においては、焦点検出用画素は、ｘ方向ずれ検出用の画素ペアＳＨＡ及びＳＨＢと、ｙ方向ずれ検出用の画素ペアＳＶＣ及び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方向ずれ検出の際には、ｘ方向ずれ検出用の画素ペアＳＨＡ及び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方向ずれ検出の際には、ｙ方向ずれ検出用の画素ペアＳＶＣ及び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。よって、撮像領域の任意位置において、ｘ方向ずれ検出及びｙ方向ずれ検出のための測距領域を設定可能である。

図９においては、画面中央に人物の顔が存在している。そこで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方向ずれ検知のための焦点検出領域ＡＦＡＲｈ（ｘ1,ｙ1）と、ｙ方向ずれ検知のための焦点検出領域ＡＦＡＲｖ（ｘ3,ｙ3）が設定される。ここで添え字のｈはｘ方向を表わし、（ｘ1,ｙ1）及び（ｘ3,ｙ3）は焦点検出領域の左上隅の座標を表わす。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方向ずれ検出用の焦点検出用画素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。また、同様に各セクションのｘ方向ずれ検出用の焦点検出用画素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。そして、Ａ像信号ＡＦＳＩＧｈ（Ａ1）とＢ像信号ＡＦＳＩＧｈ（Ｂ1）の相対的なｘ方向ずれ量を公知の相関演算によって計算することで、撮影レンズの焦点ずれ量（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）についても同様に焦点ずれ量を求める。そして、ｘ方向ずれ及びｙ方向ずれの焦点検出領域で検出した２つの焦点ずれ量を比較し、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方向ずれ検知に適した被写体と判断され、ｘ方向ずれ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方向ずれ検知に適した被写体と判断され、ｙ方向ずれ検知のための焦点検出領域ＡＦＡＲｖ（ｘ4,ｙ4）が設定される。

以上のごとく本実施形態においては、ｘ方向ずれ及びｙ方向ずれ検出のための焦点検出領域が画面の任意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である。なお、原理はｘ方向ずれとｙ方向ずれとでは方向が異なること以外は同じであるため、以下はｘ方向ずれの検出のための説明とし、ｙ方向ずれ検出の説明は省略する。

図１０は撮像素子中央の焦点検出用画素の入射角特性を表した模式図であり、図１０（ａ）は画素ＳＨＡ、図１０（ｂ）は画素ＳＨＢの特性を示している。図１０中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１０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６では説明を分かりやすくするため、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１０に示すように、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を向上させるために画素ＳＨＡと画素ＳＨＢの射出瞳は一部領域の重なる部分がある。

図１０（ｃ）は焦点検出用画素の入射角特性を１次元で表した図である。横軸は入射角を、縦軸は図１０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。図１０（ｃ）に示すように、撮像素子中央の焦点検出用画素では、画素ＳＨＡと画素ＳＨＢの入射角特性は光軸に対して略対称となる。

図１１は光束のケラレを説明する図である。図１１（ａ）は撮像素子中央の画素に入射する光束を示し、図１１（ｂ）は撮像素子の中央から像高を持った位置の画素に入射する光束を示している。撮像素子には撮影レンズ１０１のレンズ保持枠や絞り１０２など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。これらの光束を制限する構成部材の位置や大きさの情報が、本実施形態の光学系のケラレ情報である。光学系のケラレ情報は、レンズの種類や、撮影条件であるＦ値やズームステート、像高などによって異なる値となる。ここでは説明を分かりやすくするため、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として、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を表している。図１１（ａ）を用いて、撮像素子中央の画素に入射する光束のケラレを説明する。Ｌ１ｒｃ、Ｌ１ｌｃは窓Ｉｗ１の射出光束の外周を表しており、Ｌ１ｒｃは図１１中右端、Ｌ１ｌｃは図１１中左端を示している。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ており、Ｌ２ｒｃは図１１中右端、Ｌ２ｌｃは図１１中左端を示している。図１１（ａ）に示すように、撮像素子中央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、つまり、矢印Ａｒｅａ１で示される。

次に、図１１(ｂ)を用いて、撮像素子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を説明する。Ｌ１ｒｈ、Ｌ１ｌｈは窓Ｉｗ１の射出光束の外周を表しており、Ｌ１ｒｈは図１１中右端、Ｌ１ｌｈは図１１中左端を示している。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ており、Ｌ２ｒｈは図１１中右端、Ｌ２ｌｈは図１１中左端を示している。図１１(ｂ)に示すように、撮像素子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、つまり、矢印Ａｒｅａ２で示される。

図１２は瞳面Ｍｅ上での瞳領域を示した図である。図１２（ａ）は撮像素子中央の画素の瞳領域を示し、図１２（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している。図１１で説明したように、撮像素子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１２（ａ）に示すように瞳領域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１２（ｂ）に示したような形状となる。

図１３は焦点検出用画素の瞳強度分布を示す図である。これは、本実施形態の、第２の画素群の瞳面における受光感度分布と、第３の画素群の瞳面における受光感度分布である。これは、図１０に示した撮像素子中央の焦点検出用画素の入射角特性をマイクロレンズＭＬの瞳上に投影したものに等しく、図１３の縦軸およ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、像高によって異なるため、いくつかの像高での値がＣＰＵ１２１内のＲＯＭに保管されている。保管されている像高の中間像高での瞳強度分布は、補間処理によって、算出される。

図１４は撮像素子中央の焦点検出用画素の瞳面Ｍｅ上でのケラレを示した図である。図１４（ａ）は画素ＳＨＡ、図１４（ｂ）は画素ＳＨＢの特性を示している。図１４は図１２（ａ）と図１３を重ね合わせたものであり、画素ＳＨＡ及び画素ＳＨＢにはＡｒｅａ１で示した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１４（ｃ）は撮像素子中央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２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している。各座標の強度は図１４（ａ）、（ｂ）のｙ方向の瞳強度を加算したものである。画素ＳＨＡと画素ＳＨＢの瞳面Ｍｅ上での入射光束の瞳強度分布はＥｓｄＡｃ、ＥｓｄＢｃで示している。図１４（ｃ）に示すように画素ＳＨＡ及び画素ＳＨＢの瞳面Ｍｅ上の瞳強度分布は左右対称である。また、けられる形状も左右対称形状であることから、画素ＳＨＡと画素ＳＨＢの瞳面Ｍｅ上での入射光束の瞳強度分布も左右対称である。

図１５は撮像素子の中央から像高を持った位置の画素の瞳面Ｍｅ上でのケラレを示した図である。図１５（ａ）は画素ＳＨＡ、図１５（ｂ）は画素ＳＨＢの特性を示している。図１５は図１２(ｂ)と図１３を重ね合わせたものであり、画素ＳＨＡ及び画素ＳＨＢにはＡｒｅａ２で示した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１５（ｃ）は撮像素子の中央から像高を持った位置の画素の瞳面Ｍｅ上での入射光束の瞳強度分布を２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している。各座標の強度は図１５（ａ）、（ｂ）のｙ方向の瞳強度を瞳分離方向と直交する方向に加算したものである。図１５（ｃ）中、画素ＳＨＡと画素ＳＨＢの瞳面Ｍｅ上での入射光束の瞳強度分布はＥｓｄＡｈ、ＥｓｄＢｈで示している。画素ＳＨＡ及び画素ＳＨＢの瞳面Ｍｅ上の瞳強度分布は左右対称である。

次に本実施形態の焦点検出の流れについて図１６のフローチャートを用いて説明する。なお、図１６のフローにおける動作は本実施形態のの飽和判定手段、受光量推定手段、受光量補正手段であるＣＰＵ１２１によって実行される。

ステップＳ１ではケラレ状態を知るためのレンズ情報が読み出され、ステップＳ２へと進む。ここでレンズ情報とは、撮影条件であるＦ値やズームステートの他、本実施形態における光学系のケラレ情報が含まれる。ステップＳ２では使用者が設定した測距位置や範囲などの測距点情報が読み出される。完了後ステップＳ３へと進む。

ステップＳ３では各焦点検出用画素においてＣＰＵ１２１内のＲＯＭに保管されている瞳強度分布を読み出し、ステップＳ１で得られた光学系のケラレ情報と合わせて線像分布関数を算出する。完了後、ステップＳ４へと進む。ステップＳ４では、ステップＳ３で得られた線像分布関数の重心を算出し、基線長を求める。ここでの基線長の算出方法の詳細は後述する。完了すると、ステップＳ５へと進む。

ステップＳ５では、ステップＳ２で読み出された測距位置での焦点検出用画素の画像信号を読み出し、被写体Ａ像、被写体Ｂ像が形成される。また同時に、ステップＳ６のクロストーク補正で用いるための、周辺画素の信号の読み出しも行う。完了後、ステップＳ６へと進む。

ステップＳ６では、焦点検出用画素の出力値に対して、推算した周辺の画素からの漏れ込み量を減算する、クロストーク補正を行う。クロストーク補正の詳細は後述する。完了後、ステップＳ７へと進む。ステップＳ７では、ステップＳ１で得られた光学系のケラレ情報と瞳強度分布を用いて、被写体像Ａ像と被写体像Ｂ像の光束のケラレ量を予測し、クロストーク補正後の被写体像Ａ像、被写体像Ｂ像に対して光量比を調節する光量補正を行う。光量補正後、ステップＳ８へと進む。

ステップＳ８では、ＣＰＵ１２１はステップＳ７で得られた光量補正後の被写体像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、デフォーカス量を求める。デフォーカス量算出後、ステップＳ９へと進む。ステップＳ９では、算出されたデフォーカス量が、合焦か否かの判定がされる。合焦だと判定されなかった場合には、ステップＳ１０へと進む。合焦だと判定された場合には、ステップＳ１１へと進む。ステップＳ１０では、算出されたデフォーカス演算結果に応じて、第３レンズ群１０５を進退させる。そして、ステップＳ５へと戻る。ステップＳ１１にて、一連の焦点検出フローが終了する。

次に、ステップＳ４の基線長算出方法について詳細に説明する。まず、被写体像Ａ像に対応した線像（以下、線像Ａ）と被写体像Ｂ像に対応した線像（以下、線像Ｂ）の重心を合わせるように移動させる。移動させた線像Ａ、線像Ｂをそれぞれ線像Ａ０、線像Ｂ０とすると、線像Ａに線像Ｂ０を畳み込み積分した修正線像Ａと、線像Ｂに線像Ａ０を畳み込み積分した修正線像Ｂの重心間隔により、修正基線長を算出する。これを式で表すと以下のようになる。

修正線像Ａを求める式は、修正線像ＡをＭＡ（ｘ）、線像ＡをＬＡ（ｘ）、線像Ｂ０をＬＢ’（ｘ）とすると、

…（１）
よって、修正線像Ａの重心をＧＡ’とすると、

…（２）
となる。

同様に、修正線像Ｂを求める式は、修正線像ＢをＭＢ（ｘ）、線像ＢをＬＢ（ｘ）、線像Ａ０をＬＡ’（ｘ）とすると、

…（３）
よって、修正線像Ｂの重心をＧＢ’とすると、

…（４）
となる。
よって、求める基線長をＧ’とすると、

…（５）
以上の計算により、基線長が算出される。

次に、ステップＳ６のクロストーク補正について図１７のクロストーク補正の動作を示すフローチャートを用いて詳細に説明する。なお、図１７のフローにおけるクロストーク補正動作は本実施形態の飽和判定手段、受光量推定手段、受光量補正手段であるＣＰＵ１２１によって実行される。

ステップＳ１０１では、本実施形態の飽和判定手段であるＣＰＵ１２１によって、図１６のステップＳ５で読み出された、焦点検出用画素に隣接する撮像用画素の出力信号値ＳＯが飽和値ＳＯmaxに達しているかどうかを判定する。この処理は、ある一つの焦点検出用画素に対して、隣接する８つの画素それぞれで行われる。飽和値に達しているとステップＳ１０２へと進む。飽和値に達していないと、ステップＳ１０５へと進む。

ステップＳ１０２では、本実施形態の受光量推定手段であるＣＰＵ１２１によって、飽和値に達している撮像用画素の受光量の、それに隣接する焦点検出用画素の受光量に対する比Ｒｓｆを算出する。例えば、撮像素子の中央から像高を持った位置でのそれぞれの受光量は、光学系のケラレ情報を用いて図１５のＡｒｅａ２を決定し、それぞれの瞳強度分布をＡｒｅａ２の領域で積分することで、それぞれの受光量の相対的な比を算出することができる。受光量比Ｒｓｆの算出後、ステップＳ１０３へと進む。

ステップＳ１０３では、本実施形態の受光量推定手段であるＣＰＵ１２１によって、飽和している撮像用画素の受光量を、隣接する焦点検出用画素の受光量ＦＯに、Ｒｓｆを乗算することで、飽和しなかった際の受光量ＳＯtを推定する。受光量ＳＯtを推定後、ステップＳ１０４へと進む。

ステップＳ１０４では、本発明の受光量補正手段であるＣＰＵ１２１によって、ステップＳ１０３で推算された飽和しなかった際の受光量ＳＯtに、ＣＰＵ１２１内のＲＯＭに保管されているクロストーク補正係数Ｅｃｒを乗算することで、各撮像用画素から焦点検出用画素へのクロストーク補正光量ＣＲを算出する。この処理は、ある一つの焦点検出用画素に対して、隣接する８つの画素それぞれで行われる。各撮像用画素からのクロストーク補正光量ＣＲを全て合計してクロストーク補正光量ＣＲsを算出する。クロストーク補正光量算出後、ステップＳ１０６へと進む。

ステップＳ１０５では、本実施形態の受光量補正手段であるＣＰＵ１２１によって、焦点検出用画素に隣接する撮像用画素の出力値ＳＯに、ＣＰＵ１２１内のＲＯＭに保管されているクロストーク補正係数Ｅｃｒを乗算することで、各撮像用画素から焦点検出用画素へのクロストーク補正光量ＣＲを算出する。ここで用いる撮像用画素の出力値ＳＯは、読み出された出力値ＳＯのそのままの値である。この処理は、ある一つの焦点検出用画素に対して、隣接する８つの画素それぞれで行われる。各撮像用画素からのクロストーク補正光量ＣＲを全て合計してクロストーク補正光量ＣＲsを算出する。クロストーク補正光量算出後、ステップＳ１０６へと進む。

ステップＳ１０６では、本実施形態の受光量補正手段であるＣＰＵ１２１によって、焦点検出用画素の受光量ＦＯから、クロストーク補正光量ＣＲsを減算し、クロストーク補正を行う。ステップＳ１０６にて、一連のクロストーク補正フローが終了する。

以上のような構成によれば、焦点検出用画素の隣接画素の光量出力値が飽和値に達していても、隣接画素から焦点検出用画素への出力の漏れ込みを、より精度良く補正することが可能となる。また、飽和値に達している画素に入射した光量を、レンズのケラレ情報を用いて推定するので、多様なレンズ種類や、様々な撮影条件であるＦ値やズームステート、様々な像高においても、より精度良く推定することが可能となる。また、飽和値に達している画素に入射した光量を、瞳強度分布を用いて推定するので、様々な像高においても、より精度良く推定することが可能となる。これにより、より精度良く焦点検出を行うことが可能となる。

Claims (3)

1. 被写体像を結像する結像光学系の第１の瞳領域を通過する光束を受光する第１の画素群と、該第１の瞳領域よりも狭い第２の瞳領域を通過する光束を受光する第２の画素群とを有する撮像素子と、
   前記第１の画素群に蓄積される光量が飽和値に達しているかどうかを判定する判定手段と、
   前記判定手段によって飽和していると判定された画素の受光量を推定する受光量推定手段とを備え、
   前記受光量推定手段は、前記第１の画素群の前記結像光学系の瞳面における受光感度分布と、前記第２の画素群の前記結像光学系の瞳面における受光感度分布と、前記結像光学系のケラレ情報とを用いて、前記第１の画素群の前記第２の画素群に対する受光量比を算出し、前記第２の画素群の受光量に前記受光量比を乗じることにより、前記第１の画素群の受光量を推定することを特徴とする撮像装置。
2. 前記受光量推定手段によって推定した前記第１の画素群の受光量を用いて、前記第１の画素群に隣接する前記第２の画素群の受光量を補正する受光量補正手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記第１の瞳領域よりも狭い第３の瞳領域を通過する光束を受光する第３の画素群の受光量と、前記受光量推定手段によって推定した前記第１の画素群の受光量とを用いて、前記第１の画素群に隣接する前記第２の画素群の受光量と、前記第１の画素群に隣接する前記第３の画素群の受光量を補正する受光量補正手段と、前記受光量補正手段によって補正された第２の画素群の出力により生成される第２の被写体像と、前記受光量補正手段によって補正された第３の画素群の出力により生成される第３の被写体像とを用いて焦点検出を行うことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。