JPH11258489A - 焦点検出装置、方法及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 焦点検出のための演算を簡単にし、処理を高
速に行う。 【解決手段】 左側瞳３ａ、右側瞳３ｂを交互に開放
し、ＣＣＤ９によりそれぞれ撮像して得られる２つの画
像信号の位相差から焦点検出を行う場合、各画像信号に
おけるＣＣＤ９の色フィルタの各色に対応する複数の画
素で構成される１ブロックから得られる２つの信号を用
い、それらの位相差から焦点検出を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、デジタルカメラな
どの撮像素子を用いた撮像装置の焦点検出装置、方法及
びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、一眼レフ方式の銀塩カメラなどに
用いられている自動焦点装置には、位相差検出方式の焦
点検出装置が数多く用いられている。図１７は、従来の
位相差検出方式の焦点検出装置を有する一眼レフカメラ
の断面図であり、撮影レンズ１００から射出してきた光
束１０９ａはハーフミラーでできた主ミラー１０２にて
反射する光束１０９ｂと透過する光束１０９ｅとに分け
られる。反射した光束１０９ｂはピント板１０３の拡散
面上に被写体を結像し、撮影者は接眼レンズ１０５ａ、
１０５ｂおよびペンタプリズム１０４を介してピント板
１０３上の被写体像を観察するように構成されている。

【０００３】一方、主ミラー１０２を透過した光束１０
９ｅはサブミラー１０６によって反射し、焦点検出装置
１０７へと導かれ、焦点検出装置１０７は撮影レンズ１
００からの光束１０９ｆによって、撮影レンズ１００の
銀塩フィルム１０８に対する焦点状態（デフォーカス
量）を検出するようになっている。検出されたデフォー
カス量が所定の合焦幅より大きく、非合焦状態であると
判定されると、検出されたデフォーカス量を解消するよ
うに撮影レンズ１００のフォーカス調整用レンズを駆動
し焦点調節を行う。

【０００４】次に図１８、図１９を使って従来の焦点検
出装置の焦点検出原理について説明する。図１８（ａ）
はピントの合った状態すなわち合焦状態であり、撮影レ
ンズ１００の異なる２つの瞳を通過してきた光束１１６
ａ、１１６ｂは１次結像面１１４で結像し、１次結像面
上の被写体像は２次結像レンズ１１２ａ、１１２ｂによ
って各々２つのラインセンサ１１３ａ、１１３ｂが配置
されるセンサ面上に再結像する。ここで、フィールドレ
ンズ１１１は撮影レンズ１００の１次結像面１１４の近
傍に配置され、所定の像高の光束を効率よくセンサ面に
導き、像高の増加に伴って発生する光量低下を防止す
る。一般に、撮影レンズ１００の異なる瞳を通過してく
る２つの光束１１６ａ、１１６ｂを規定するのは２次結
像レンズ１１２ａ、１１２ｂの直前あるいは直後に配置
される不図示の絞りであり、撮影レンズ１００に瞳分割
するような部材は持たない。

【０００５】ラインセンサ１１３ａ、１１３ｂ上に結像
される２つの像は、異なる瞳を通過した光束のため、レ
ンズの繰り出し量により、像の相対位置が図１８、図１
９のように、合焦、前ピン、後ピンの各状態で異なる。
図１８（ａ）、図１９（ａ）は、合焦状態の時でライン
センサ１１３ａ、１１３ｂ上に結像される２つの像の間
隔は、２つのラインセンサの相対的な距離ｅ０と等し
く、合焦の時は常に一定である。

【０００６】図１８（ｂ）、図１９（Ｂ）は、デフォー
カス量ｄ１だけ前ピン状態の時で、２つの像の間隔ｅ１
は、ｅ０より小さくなり、デフォーカス量ｄ１が大きく
なればｅ０とｅ１の差δ１も大きくなる。図１８
（ｃ）、図１９（ｃ）は、デフォーカス量ｄ２だけ後ピ
ン状態の時で、２つの像の間隔ｅ２は、ｅ０より大きく
なる。そして、デフォーカス量ｄ２が大きくなるとｅ２
とｅ０の差δ２も大きくなる。

【０００７】このように、２つの像の間隔から、その時
のデフォーカス量の大きさと方向が分かる。そこで、現
在のデフォーカス状態での２つの像の間隔ｅと、合焦の
時の基準像間隔ｅ０との差、つまり、２つの像の相対的
なずれ量（位相差）δ＝ｅ−ｅ０を、２つのラインセン
サ１１３ａ、１１３ｂの出力信号の相関をとることによ
り計算し、この位相差から光学系のデフォーカス量とそ
の方向を求め、フォーカスレンズを制御して合焦を行っ
ている。

【０００８】しかしながら、従来の一眼レフカメラで
は、焦点検出用の受光素子（センサ）に光束を導くため
の光学部材（主ミラー、サブミラーなど）や焦点検出装
置を配置するためのスペースを確保するために、大型化
し、その分コストもアップしてしまう。また、温度変化
あるいは主ミラーやサブミラーの耐久変化によって、撮
影用のフィルムと焦点検出装置との相対的な位置関係が
変化するために、ピント精度が低下してしまうという問
題点がある。

【０００９】これに対してビデオカメラやデジタルカメ
ラなどの撮像装置では、画像を得るために固体撮像素子
（ＣＣＤ）を使用しており、この撮像素子を焦点検出用
センサとして兼用することにより、上記問題点を解決す
ることができる。また、ビデオカメラではＣＣＤ上の被
写体像のコントラストを検出することによって焦点検出
するもの（山登り方式）が主流となっているが、この方
式では正確なデフォーカス量を検知することができない
ので、高速、高精度な焦点検出ができないという問題点
がある。

【００１０】そこで、山登り方式より高速、高精度で、
かつ、前述した従来の位相差方式の問題点を解消するも
のとして、撮影用の光学系に移動可能な瞳を挿入し、こ
の瞳を移動して、瞳領域の異なる光束よりなる光学像
を、撮影用の撮像素子に結像させ、これにより得られる
瞳領域の異なる複数の像の位相差を検出し、撮影レンズ
のデフォーカス量を検知する位相差方式（瞳時分割位相
差ＡＦ）が提案されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように撮影用の撮像素子と焦点検出用のセンサとを兼用
する場合、単板のカラーセンサを用いた入力装置では、
撮像素子上に色フィルタが作り込まれており、撮像素子
からの出力信号を位相差検出用信号として用いるために
は、信号処理を施さなければならない。

【００１２】撮影用の輝度信号は所定のマトリクス演算
で作られており、この輝度信号を位相差検出用信号とし
て位相差検出を行うことは可能であるが、焦点検出に要
する時間のことを考えると、撮像素子の出力信号から位
相差検出用信号を作る演算処理の時間は短い方が良く、
撮影用の輝度信号を位相差検出用信号として用いるには
問題がある。

【００１３】従って、本発明の目的は、焦点検出用の位
相差検出用信号をより簡易な演算で処理することによ
り、処理時間の高速化や、回路規模を小さくすることに
ある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明による焦点検出装
置においては、撮像面に結像された被写体の光学像を撮
像して画像信号を出力する撮像手段と、上記撮像面に設
けられ、複数の色フィルタを画素に対応して所定に配列
して成る色フィルタ手段と、上記光学像を上記色フィル
タ手段を通じて上記撮像面に結像すると共に複数の瞳領
域を有しその１つが順次に開放されるように成された光
学系手段と、上記複数の色フィルタの各々と対応する複
数の画素で構成される１ブロックについて得られる画像
信号を検出用信号として用い、上記各瞳領域について撮
像して得られる複数の上記検出用信号の位相差を検出す
る検出手段とを設けている。

【００１５】本発明による焦点検出方法においては、撮
像面に結像された被写体の光学像を複数の瞳領域の各々
について撮像して複数の画像信号を出力する撮像手順
と、上記撮像面に設けられた複数の色フィルタの各々と
対応する複数の画素で構成される１ブロックについて得
られる画像信号を検出用信号として用い、上記各瞳領域
について撮像して得られる複数の上記検出用信号の位相
差を検出する検出手順とを設けている。

【００１６】本発明による記憶媒体においては、撮像面
に結像された被写体の光学像を複数の瞳領域の各々につ
いて撮像して複数の画像信号を出力する処理と、上記撮
像面に設けられた複数の色フィルタの各々と対応する複
数の画素で構成される１ブロックについて得られる画像
信号を検出用信号として用い、上記各瞳領域について撮
像して得られる複数の上記検出用信号の位相差を検出す
る処理とを実行するためのプログラムを記憶している。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明による焦点検出装
置およびそれを用いたカメラの実施の形態を示す図であ
り、１ｂは撮影レンズのフォーカス用レンズ群、１ａは
撮影レンズのフォーカス用レンズ群１ｂ以外のレンズ
群、２はフォーカス用レンズ群１ｂを繰り出すためのレ
ンズ繰り出し機構で、レンズの移動を行うモータを含ん
でいる。３は焦点検出用絞り、４は焦点検出用絞り３を
光路中に入れるためのモータ、５は焦点検出用絞り３に
ある２つの開口部３ａ、３ｂのうちいずれか一方を遮光
するための遮光板、６は遮光板５を移動させるためのモ
ータである。７は光学ローパスフィルタ、８は赤外カッ
トフィルタ、９は撮像面に結像された光学像を光電変換
して電気信号にする撮像素子としてのＣＣＤである。こ
のＣＣＤ９の撮像面には、後述する図６（ａ）に示す色
フィルタが設けられている。

【００１８】１０はＣＣＤ９からの出力を増幅するため
のアンプ、１１はアンプ１０より所定のゲインで増幅さ
れたアナログ信号をデジタル化するＡ／Ｄ変換器、１２
はＡ／Ｄ変換されたデジタル信号の様々なデジタル信号
処理を行うデジタル信号処理部、１３はカメラ全体の制
御を行うシステムコントロール部、１４はＣＣＤ９の駆
動制御およびアンプ１０の増幅率の設定を行うためのＣ
ＣＤドライバ、１５はフォーカス用レンズ群１ｂの繰り
出し制御を行うレンズコントロール部である。

【００１９】１６はデジタル信号を一時記憶しておく場
合等に使われる例えばＤＲＡＭなどのバッファメモリ、
１７は記録媒体やファンクションカード等と接続される
カードスロットとそのコントロール部、１８は電子ビュ
ーファインダー（ＥＶＦ）、１９はそのＬＣＤのドライ
バ部、２０はドライバ部１９へアナログ信号を送るため
のＤ／Ａ変換器、２１はＥＶＦ１８に表示する画像を保
持し、Ｄ／Ａ変換器２０へデジタル信号を出力するＶＲ
ＡＭ、２２はカメラの設定等の表示をする外部白黒液晶
（ＬＣＤ）、２３はそのＬＣＤの表示のためのＬＣＤド
ライバ、２４はカメラの撮影モードの設定やレリーズ操
作を検知するための操作スイッチである。

【００２０】次に、図１を用いて本発明に直接関係する
焦点検出方法と焦点検出装置を中心に説明する。今、カ
メラの電源が投入されており、撮影可能状態であるとす
る。焦点検出用絞り３は、瞳時分割位相差ＡＦを行うた
めに、水平方向に同じ形状の二つの開口部（以下、ＣＣ
Ｄ９の側から見て、左側の開口部を左側瞳３ａ、右側の
開口部を右側瞳３ｂと呼ぶ）を持っており、焦点検出時
には、モータにより撮影レンズの光路中に挿入され、モ
ータ６で遮光板５を動かし、上記左側瞳３ａまたは右側
瞳３ｂのいずれかを遮光して、異なる瞳領域を通過した
光束によりなる光学像をＣＣＤ９上に結像することがで
きる。

【００２１】瞳時分割位相差ＡＦを行うために、システ
ムコントロール部１３の指示により、光路中に焦点検出
用絞り３を挿入する。図２は焦点検出用絞り３と遮光板
５の位置関係を示す図である。図２（ａ）は、撮影時の
状態で、焦点検出用絞り３および遮光板５は撮影レンズ
の光路外に退避した位置にある。２５は撮影レンズの撮
影用絞りを開放にしたときの瞳形状を示している。

【００２２】まず、図２（ｂ）のように、焦点検出用絞
りの右側瞳３ｂを、遮光板５で塞ぎ、撮影レンズの左側
瞳３ａを開放して、これを通過する光束よりなる光学像
をＣＣＤ９上に結像して画像を取り込む。このとき左側
瞳３ａを通過した光束よりなる焦点検出用画像データを
左画像１とする。次に、異なる瞳領域を通過する光束よ
りなる焦点検出用画像データを得るため、モータ６を駆
動して遮光板５を図２（ｃ）のように移動し、撮影光学
系の右側瞳３ｂを開放しこれを通過した光束よりなる光
学像をＣＣＤ９上に結像して画像を取り込む。このとき
右側瞳３ｂを通過した光束よりなる焦点検出用画像デー
タを右画像２とする。

【００２３】さらに、左画像１と同じ左側瞳３ａを通過
した光束よりなる焦点検出用画像データを取り込むため
に、遮光板５を再び図２（ｂ）のように移動し、このと
き、ＣＣＤ９上に結像する画像を取り込む。このときの
左側瞳３ａを通過した光束よりなる焦点検出用画像デー
タを左画像３とする。同様にして、右画像４、左画像５
を取り込む。なお、焦点検出用画像データを取り込む際
の露出は、電子シャッタ、図示しないメカシャッタ、ア
ンプ１０のゲイン調整、後述するＣＣＤ９内での加算読
み出し、場合によっては、補助光を用意しておき、それ
らを用いて調整することにより行う。

【００２４】ところで、焦点検出用画像データである左
画像１、右画像２、左画像３、右画像４、左画像５を取
り込み焦点検出を行うが、これらの画像データは時系列
的に画像の取り込みを行っており、カメラと被写体の相
対移動（手振れや被写体の移動など）による焦点検出誤
差を小さくするため、各画像の取り込み間隔はできるだ
け短い時間で行われることが望ましい。そこで、焦点検
出用画像データの読み出しは、撮影用の画像を読み出す
時のように、ＣＣＤ９の全画面を読み出すと、読み出し
に時間がかかるので、焦点検出用に必要な画像の一部分
だけを、通常の本撮影の場合より高速に読み出す。

【００２５】上記のような読み出し方を以下に説明す
る。図３にインターライン型ＣＣＤの概略図を示す。３
１は画素、３２は垂直電荷転送素子、３３は水平電荷転
送素子、３４は出力部となっている。各画素３１で光電
変換された信号電荷は、垂直電荷転送素子３２に送ら
れ、４相駆動パルスφＶ１、φＶ２、φＶ３およびφＶ
４により水平電荷転送素子３３の方向へ順に転送され
る。水平電荷転送素子３３は、垂直電荷転送素子３２か
ら転送されてきた水平一列分の信号電荷を２相駆動パル
スφＨ１およびφＨ２により出力部４に転送し、そこで
電圧に変換されて出力される。

【００２６】図４にＣＣＤの撮像領域の概略図を示す。
本実施の形態では、読み出し動作の高速化のため、焦点
検出に必要な読み出し領域のみ通常の速さで読み出し、
それ以外は高速に読み出す掃き出し転送を行う。図４に
おいて、４１は焦点検出に用いる通常の速さで読み出す
領域、４２および４３は、それぞれ前半および後半の高
速掃き出し転送領域となっている。

【００２７】図５はＣＣＤの垂直電荷転送素子３２を４
相駆動とした場合の一垂直同期期間分のタイミングチャ
ートを示している。ＶＤは垂直同期信号で、垂直ブラン
キング期間をＬＯＷ電位で示し、ＨＤは水平同期信号
で、水平ブランキング期間をＬＯＷ電位で示す。φＶ
１、φＶ２、φＶ３およびφＶ４は、垂直電荷転送素子
３２の４相駆動パルス、５１および５２は、画素３１で
光電変換された信号電荷を水平電荷転送素子３３に転送
する読み出しパルスを示している。４相駆動パルスのう
ち５３および５４は、それぞれ、図４の４２および４３
の領域部分の垂直電荷転送素子３２に読み出された信号
電荷を高速に転送する高速掃き出し転送パルスを示して
いる。このようにして必要な読み出し領域以外を高速に
掃き出すことで、部分読み出し動作の高速化を行うこと
ができる。

【００２８】なお、焦点検出用信号の読み出し時には、
複数ラインの信号電荷を水平電荷転送素子３３を用いて
加算し、複数ラインを加算読み出しすることが可能とな
っている。これは、本撮影時の撮影用絞りを開放にした
ときより、焦点検出用絞り３の瞳３ａ、３ｂが小さいた
め、焦点検出時に起こる光量不足を補うためのもので、
アンプ３のゲインアップとともに感度を上げるために用
いる。

【００２９】このようにして高速読み出しをした、焦点
検出用画像データである左画像１、右画像２、左画像
３、右画像４、左画像５を用いて、各画像間の相関演算
を行い、各画像間の位相差を求めることにより、焦点検
出を行うわけであるが、一眼レフ方式の銀塩カメラで用
いられているような焦点検出専用のモノクロセンサと異
なり、撮影用の撮像素子と焦点検出用のセンサとを兼用
している場合、撮影用の撮像素子である単板のカラーセ
ンサ上に色フィルタが作り込まれているため、ＣＣＤか
らの出力信号を、位相差検出用信号として用いるために
は、信号処理を施さなければならない。

【００３０】前述したように、撮影用の輝度信号処理回
路を用いて作られた輝度信号を、位相差検出用信号とし
て用いることは可能であるが、撮影用の輝度信号は所定
のマトリクス演算が用いられており、焦点検出に要する
時間のことを考えると、撮像素子の出力信号から位相差
検出用信号を作る演算処理の時間は短い方が良いが、撮
影用の輝度信号処理回路を用いて位相差検出用信号を演
算するには時間がかかりすぎて問題がある。

【００３１】以下、ＣＣＤの出力信号から焦点検出用の
位相差検出用信号を求める演算処理について説明する。
図６（ａ）は、ＣＣＤ上に作り込まれた色フィルタ配列
を示す図である。色フィルタを構成するＹｅ、Ｃｙ、Ｍ
ｇ、Ｇ（イエロー、シアン、マゼンタ、グリーン）の４
色を各１画素ずつ加算すると、Ｙｅ＋Ｃｙ＋Ｍｇ＋Ｇ＝
２Ｂ＋３Ｇ＋２Ｒとなるので、隣接した２×２画素の１
ブロックの出力の加算平均を位相差検出用信号として用
いる。

【００３２】実際には、前述したようにＣＣＤ９から読
み出し時にライン加算読み出しが可能なので、２ライン
加算読み出しを行うことで、ＣＣＤ内で縦２画素の加算
を行い（図６ｂ）、このアナログ信号をＡ／Ｄ変換器１
１でデジタル信号に変換し、デジタル信号処理部１２内
で横方向２画素の演算を行う（図６（ｃ））ことで、２
×２画素の１ブロックの出力を加算平均した位相差検出
用信号を求める。

【００３３】なお、図６では、ＣＣＤの画素ピッチｐに
対して、位相差検出用信号のピッチは２ｐとなるが、図
７のように、位相差検出用信号のピッチがｐとなるよう
にデジタル演算処理を行ってもよい。また、本実施の形
態では、Ｓ／Ｎをよくするため、縦加算についてはＣＣ
Ｄ内で行ったが、ライン加算は行わず読み出しを行い、
縦加算もデジタル信号処理で行ってもよい。

【００３４】次に、被写体が暗く、位相差検出に必要な
感度が得られない場合、ＣＣＤ９からの読み出し時の加
算ライン数を、前述した２ライン加算読み出しから、４
ライン加算読み出しにして、位相差検出用信号を求める
演算処理について述べる。図８（ａ）は、ＣＣＤ上に作
り込まれた色フィルタ配列を示す図である。色フィルタ
を構成するＹｅ、Ｃｙ、Ｍｇ、Ｇの４色を各２画素ずつ
加算すると、２×（Ｙｅ＋Ｃｙ＋Ｍｇ＋Ｇ）＝２×（２
Ｂ＋３Ｇ＋２Ｒ）となるので、隣接した４×２画素の１
ブロックの出力の加算平均を位相差検出用信号として用
いる。このことにより、一つの位相差検出用信号を求め
るための画素開口が大きくなり、結果として感度を上げ
ることができる。

【００３５】実際には、前述したようにＣＣＤから読み
出し時に加算読み出しライン数を、２ライン加算読み出
しから４ライン加算読み出しに変更することで、ＣＣＤ
内で縦４画素の加算を行い（図８（ｂ））、このアナロ
グ信号をＡ／Ｄ変換器１１でデジタル信号に変換し、デ
ジタル信号処理部１２内で横方向２画素の演算を行う
（図８（ｃ））ことで、４×２画素の１ブロックの出力
を加算平均した位相差検出用信号を求める。

【００３６】なお、図８では、ＣＣＤの画素ピッチｐに
対して、位相差検出用信号のピッチは２ｐとなるが、図
９のように、位相差検出用信号のピッチがｐとなるよう
にデジタル演算処理を行ってもよい。また、本実施の形
態では、Ｓ／Ｎをよくするため、縦加算についてはＣＣ
Ｄ内で行ったが、ライン加算は行わず読み出しを行い、
縦加算もデジタル信号処理で行ってもよい。

【００３７】次に、被写体が暗く、焦点検出用の補助光
を光らせて焦点検出を行う場合、ＣＣＤの出力信号か
ら、位相差検出用信号を求める演算処理について述べ
る。焦点検出用の補助光のスペクトルが、長波長側のス
ペクトルを有している場合がある。この場合、ＣＣＤ９
上の色フィルタを構成するＹｅ、Ｃｙ、Ｍｇ、Ｇのすべ
ての色を用いるより、長波長側のスペクトルの透過率が
高い色フィルタの出力信号を選択し、透過率の低い色フ
ィルタの出力信号は除いて、焦点検出精度を向上させた
方がよい。そこで、位相差検出用信号を求める演算処理
を変更し、各色の画素の出力信号を加算する際の重み付
けを変えて、長波長側を優先して、ＭｇとＹｅのフィル
タの出力信号を用いて演算を行う。

【００３８】図１０（ａ）は、ＣＣＤ上に作り込まれた
色フィルタ配列を示す図である。色フィルタを構成する
Ｙｅ、Ｃｙ、Ｍｇ、Ｇの４色の隣接した２×２画素の１
ブロックの内、Ｃｙ、Ｇの重み付けを０、Ｍｇ、Ｙｅの
重み付けを１として加算すると（１×Ｙｅ＋０×Ｃｙ＋
１×Ｍｇ＋０×Ｇ）＝Ｙｅ＋Ｍｇとなるので、このよう
にして長波長側の透過率が高いＭｇ、Ｙｅの各１画素ず
つの出力の加算平均を位相差検出用信号として用いる。

【００３９】実際には、ＣＣＤからの読み出し時にライ
ン加算読み出しを行わず（図１０（ｂ））、このアナロ
グ信号をＡ／Ｄ変換器１１でデジタル信号に変換し、デ
ジタル信号処理部１２内でＣｙ、Ｇの重み付けを０、Ｍ
ｇ、Ｙｅの重み付けを１として、Ｍｇ、Ｙｅを取り出し
て演算を行う（図１０（ｃ））ことで、２×２画素の１
ブロックの内、Ｍｇ、Ｙｅの出力を加算平均した位相差
検出用信号を求める。

【００４０】次に、上述のように求めた位相差検出用信
号を用いて、相関演算を行い位相差を求める。図１１、
１２、１３は本発明に関する瞳時分割位相差ＡＦの焦点
検出原理を説明するための図である。図１１はピントの
合った状態すなわち合焦状態の時であり、図１１（ｃ）
の撮影状態では、撮影レンズ１を透過してきた光束２７
は、ＣＣＤ９の受光面上に焦点を結び、デフォーカス量
はゼロである。

【００４１】図１１（ａ）は、撮影レンズの光路上に焦
点検出用絞り３を挿入し、遮光板５により右側瞳３ｂを
遮光し、左側瞳３ａを開けた状態で、左側瞳３ａを通過
した光束２７ａは、ＣＣＤ９の受光面上で光軸２６から
ゼロ離れた位置に結像する。図１１（ｂ）は、遮光板５
により左側瞳３ａを遮光し、右側瞳３ｂを開けた状態
で、右側瞳３ｂを通過した光束２７ａは、ＣＣＤ９の受
光面上で光軸２６からゼロ離れた位置に結像する。この
ように、合焦状態では、異なる二つの瞳３ａ、３ｂを通
過してきた光束よりなる光学像は、ＣＣＤ９の受光面上
で共に光軸２６からゼロの同じ位置に入射するので、２
つの像の位相差はゼロとなる。

【００４２】図１２はデフォーカス量がｄだけ前ピン状
態の時であり、図１２（ｃ）の撮影状態では、撮影レン
ズ１を透過してきた光束２７は、ＣＣＤ９の受光面より
ｄだけ手前に焦点を結ぶ。図１２（ａ）は、撮影レンズ
１の光路上に焦点検出用絞り３を挿入し、左側瞳３ａを
開けた状態で、左側瞳３ａを通過した光束２７ａは、Ｃ
ＣＤ９の受光面上で光軸２６から＋δ／２だけ離れた位
置に結像する。図１２（ｂ）は、右側瞳３ｂを開けた状
態で、右側瞳３ｂを通過した光束２７ａは、ＣＣＤ９の
受光面上で光軸２６から−δ／２だけ離れた位置に結像
する。このように、前ピン状態では、異なる二つの瞳３
ａ、３ｂを通過してきた光束よりなる２つの像の位相差
は（＋δ／２）−（−δ／２）＝δとなる。

【００４３】図１３はデフォーカス量がｄだけ後ピン状
態の時であり、図１３（ｃ）の撮影状態では、撮影レン
ズ１を透過してきた光束２７は、ＣＣＤ９の受光面より
ｄだけ後ろに焦点を結ぶ。図１３（ａ）は、撮影レンズ
１の光路上に焦点検出用絞り３を挿入し、左側瞳３ａを
開けた状態で、左側瞳３ａを通過した光束２７ａは、Ｃ
ＣＤ９の受光面上で光軸２６から−δ／２だけ離れた位
置に結像する。図１３（ｂ）は、右側瞳３ｂを開けた状
態で、右側瞳３ｂを通過した光束２７ａは、ＣＣＤ９の
受光面上で光軸２６から＋δ／２だけ離れた位置に結像
する。このように、前ピン状態では、異なる二つの瞳３
ａ、３ｂを通過してきた光束よりなる２つの像の位相差
は（−δ／２）−（＋δ／２）＝−δとなる。上述のよ
うにして、左側瞳３ａ、右側瞳３ｂを通過した光束より
なる２つの像の位相差検出用信号の位相差を求めること
により焦点状態を検出することができる。

【００４４】次に、位相差のアルゴリズムについて説明
する。初めに、説明を簡単にするために、被写体と撮影
光学系との相対位置が移動していない場合を例にあげて
説明する。左の瞳領域を通過した光束よりなる位相差検
出用信号（左画像）と右の瞳領域を通過した光束よりな
る位相差検出用信号（右画像）との位相差を、相関演算
により求める。今、位相差検出用信号は、図１４に示す
ように、それぞれ横Ｍ個×縦Ｎ個からなり、この中から
ｍ×ｎ個を切り出して相関演算を行う。

【００４５】相関のとりかたは、次式（１）に示すよう
に、左画像：ａの切り出し位置は固定し、右画像：ｂ
は、左画像に対して順次位相（τｘ，τｙ）をずらしつ
つａとｂの積の積分値Ｃ（τｘ，τｙ）［τｘ，τｙは
整変数とする］を演算し、各位相（τｘ，τｙ）毎に求
まる値Ｃ（τｘ，τｙ）を、２つの像の相関量とする。

【００４６】

【数１】

【００４７】この相関量Ｃ（τｘ，τｙ）は最小値をと
り、このときの位相（τｘ，τｙ）が、左画像のデータ
ａと右画像のデータｂとの位相差（δｘ，δｙ）に相当
する。さらに、位相差の検出精度を高める位相（τｘ，
τｙ）を整数の値（図７のように、位相差検出用信号を
ＣＣＤの画素ピッチと同じになるように求めた場合は、
ＣＣＤの画素ピッチに相当する）ではなく、小数点以下
の値まで求めるためには、相関量の最小値とその前後の
値を用いて、補間計算により、位相差を計算すればよ
い。

【００４８】なお、被写体と撮影光学系との相対位置が
移動していない場合は、ノイズなどの影響がなければ、
δｙは原理的にゼロとなる。また、被写体の模様、コン
トラスト等による影響、撮影条件の違いによる影響、固
体撮像素子に作り込まれている色フィルタアレイの影
響、ノイズによる影響などを軽減するため、位相差検出
用信号にフィルタ処理を施した後、相関演算を行っても
よい。

【００４９】光学系によって、位相差と像面移動量、デ
フォーカス量との関係は決まっているので、その位相差
からデフォーカス量を求め、合焦に必要な繰り出し量を
求めて、光学系のフォーカス制御を行い、合焦させる。
ここまでは、被写体と光学系の相対移動がない場合に、
異なる瞳領域を通過した光束よりなる２つの画像を用い
て、焦点検出を行う方法について述べた。

【００５０】次に、被写体と光学系の相対移動がある場
合について、位相差の計算アルゴリズムの述べる。位相
差は、異なる瞳領域の光束よりなる２つの像（左画像と
右画像）から求めることができるが、本実施の形態で
は、左画像と右画像を時系列的に取り込んでおり、被写
体と光学系の相対運動（手振れや被写体の移動）などが
あると、その影響で焦点検出誤差を含んでしまう。

【００５１】そのため、前述したように、焦点検出用画
像データの読み出しは、撮影用の画像を読み出す時のよ
うに、ＣＣＤの全画面を読み出さず、焦点検出用に必要
な画像の一部分だけを、通常の本撮影の場合より高速に
読み出し、像の取り込み間隔をできるだけ短くする工夫
を行っている。しかし、左画像と右画像の信号取り込み
は、動作が時間的に異なっており、この間にカメラと被
写体の相対移動があると位相差検出に誤差が生じること
は避けられない。

【００５２】そこで、本実施の形態では、前述したよう
に、位相差検出用信号として、左画像１、右画像２、左
画像３、右画像４、左画像５と、時系列的に５つの画像
の取り込み、各画像間より求めた複数の位相差を用い
て、カメラと被写体の相対移動（手振れや被写体の移動
など）による検出誤差の補正を行うようにしている。カ
メラと被写体が相対的に移動すると、その影響は２つの
画像の位相差（δｘ，δｙ）に表れる。ここで、δｙは
画像の縦方向の位相差であり、光学的のデフォーカス量
に応じて生じる位相ずれ方向とは垂直な方向なので、デ
フォーカスによる位相ずれ成分は含まれず、カメラと被
写体の相対移動による位相ずれ成分のみである。そのた
め、カメラと被写体の相対移動による縦方向の像移動の
補正量として、δｙの値はそのまま用いる。

【００５３】δｘは画像の横方向の位相差であり、光学
的のデフォーカス量に応じて生じる位相ずれ方向にあた
るので、カメラと被写体の相対移動を含む２つの画像よ
り求めた値δｘには、デフォーカスによる位相ずれ成分
と、カメラと被写体の相対移動による位相ずれ成分が含
まれている。

【００５４】図１６は、縦方向のカメラと被写体の相対
移動による像移動を補正した後の、カメラと被写体の相
対移動による画像の横方向（ｘ方向）の位置と、各画像
間の位相差との関係を示している。実線のＬ１、Ｒ２、
Ｌ３、Ｒ４、Ｌ５は、位相差検出を行うために、時系列
的に瞳を切り替えて取り込んだ、左画像１、右画像２、
左画像３、右画像４、左画像５であり、ｔ＝ｔ１、ｔ
２、ｔ３、ｔ４、ｔ５は各画像の取り込み時刻で、各画
像の取り込み時間間隔は等しくなっている。破線のＲ
１′、Ｌ２′、Ｒ３′、Ｌ４′、Ｒ５′は、実線のＬ
１、Ｒ２、Ｌ３、Ｒ４、Ｌ５に対して、仮に同じ時刻で
取り込みを行った場合の、異なる瞳を通過した光束より
なる像の位置を示したもの、実際には取り込みを行うこ
とができない信号である。

【００５５】ｍ１、ｍ２、ｍ３、ｍ４は、各画像取り込
み時刻の間に、カメラと被写体の相対移動による画像上
での移動量であり、δは、光学系のデフォーカスによる
位相ずれ成分で、焦点検出として求めたい位相差であ
る。

【００５６】まず、異なる瞳よりなる画像Ｌ１とＲ２、
Ｒ２とＬ３、Ｌ３とＲ４、Ｒ４とＬ５のそれぞれの位相
差δ１、δ２、δ３、δ４を、左画像を基準に求める。
図１５から判るように、ここで求めた各位相差は、デフ
ォーカスによる位相ずれ成分と、カメラと被写体の相対
運動による位相ずれ成分が含まれている。

【００５７】図１６は、位相差検出誤差を補正する方法
を説明するための図であり、横軸は時間軸ｔ、縦軸は横
方向の被写体像の位置ｘである。Ｌ１、Ｒ２、Ｌ３、Ｒ
４、Ｌ５は、時系列に取り込んだ被写体像の位置で、こ
の信号を取り込む間の、カメラと被写体の相対運動によ
る被写体像の移動を２次関数近似することにより、時刻
ｔ２、ｔ４における左画像の被写体の位置Ｌ２′、Ｌ
４′の位置を求める。そして、Ｌ２′とＲ２の位相差δ
２′と、Ｌ４とＲ４′の位相差δ４′の平均値を最終的
に求める位相差δとする。

【００５８】（ｔ１，ｘ１）、（ｔ３，ｘ３）、（ｔ
５，ｘ５）を通る２次関数ｙ＝Ａｔ²＋Ｂｔを、ｔ１＝
０、ｘ１＝０として求め、最終的に求める位相差δをδ
２′とδ４′の平均値から求めると、今、各画像の取り
込み間隔が等しいことから、補正後の位相差δは、次式
（２）になる。 δ＝（δ１＋３×δ２＋３×δ３＋δ４）／８ ………（２）

【００５９】このようにして求めた、カメラと被写体の
相対移動を補正した位相差δから合焦に必要な繰り出し
量を求め、光学系のフォーカス制御を行い、合焦させた
後、撮影を行う。撮影では、焦点検出用絞り３を撮影レ
ンズの光路中から退避させた後、撮影を行う。そして記
録のためにＣＣＤ９のデータを読み出し、デジタル信号
処理部１２で画像信号処理を施し、必要であれば画像デ
ータ圧縮などの処理をして、カードスロット１３を介し
て記録媒体に記録する。なお、この時画像データはデジ
タル信号処理部１２でファインダ表示のためのビデオ処
理が施され、ＶＲＡＭ２１を経て、ＥＶＦ１８に表示さ
れる。これにより撮影者は被写体像を確認することがで
きる。

【００６０】尚、図１の各機能ブロックによるシステム
は、ハード的に構成してもよく、また、ＣＰＵやメモリ
等から成るマイクロコンピュータシステムに構成しても
よい。マイクロコンピュータシステムに構成する場合、
上記メモリは本発明による記憶媒体を構成する。この記
憶媒体には、前述した各処理を実行するためのプログラ
ムが記憶されている。またこの記憶媒体としてはＲＯ
Ｍ、ＲＡＭ等の半導体メモリ、光ディスク、光磁気ディ
スク、磁気媒体等を用いてもよく、これらをＣＤ−ＲＯ
Ｍ、フロッピーディスク、磁気テープ、不揮発性のメモ
リカード等して用いてもよい。

【００６１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の第１の発
明では、撮像素子の色フィルタ配列を構成する各色を１
画素ずつ含む１ブロックより位相差検出用信号を求める
ことを特徴とする。このことにより、撮影用の輝度信号
処理のような複雑なマトリクス演算に比べ、より簡易な
演算で処理することが可能になり、位相差検出用信号の
処理時間の高速化や、回路規模を小さくすることが可能
になる。

【００６２】また、第２の発明では、撮像素子の色フィ
ルタ配列を構成する各色を１画素ずつ含む１ブロックの
加算平均を、位相差検出用信号とすることを特徴とす
る。このことにより、より簡易な演算処理が可能にな
る。第３の発明では、撮像素子の色フィルタ配列を構成
する各色を１画素ずつ含む隣接画素で構成された１ブロ
ックより、位相差検出用信号とすることを特徴とする。
このことにより、より簡易な演算処理が可能になる。

【００６３】第４、第５の発明では、位相差検出用信号
を求める際、光源すなわち被写体の色温度に応じて、各
色の画素を加算する際の重み付けを変えることを特徴と
するこのことにより、色フィルタを構成するすべての色
の出力信号を同じ重み付けで加算平均して用いるのでは
なく、補助光による被写体の色温度等の様々の条件に対
して例えば透過率の高い色フィルタの出力信号を、透過
率の低い色フィルタの出力信号よりも優先する等によ
り、焦点検出精度を向上させることができる。上記目的
を達成するために本出願に係る第６の発明では、瞳領域
の移動手段を設けることを特徴とする。このことによ
り、撮影用の撮像素子と焦点検出用のセンサとを兼用す
ることができ、これにより、小スペース、コストダウ
ン、焦点検出精度の向上を計ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の焦点検出装置およびそれを用いたカメ
ラの実施の形態を示す構成図である。

【図２】焦点検出用絞りと遮光板との位置関係を示す構
成図である。

【図３】インターライン型ＣＣＤの構成図である。

【図４】ＣＣＤの撮像領域の構成図である。

【図５】ＣＣＤの垂直電荷転送素子を４相駆動とした場
合の一垂直同期期間分のタイミングチャートである。

【図６】位相差検出用信号を求めるときの演算処理につ
いて説明するため（位相差信号のピッチが、ＣＣＤの２
画素となる場合）の構成図である。

【図７】位相差検出用信号を求めるときの演算処理につ
いて説明するため（位相差信号のピッチが、ＣＣＤの１
画素となる場合）の構成図である。

【図８】被写体を暗く位相差検出に必要な感度が得られ
ない場合、位相差検出用信号を求めるときの演算処理に
ついて説明するため（位相差信号のピッチが、ＣＣＤの
２画素となる場合）の構成図である。

【図９】被写体を暗く位相差検出に必要な感度が得られ
ない場合、位相差検出用信号を求めるときの演算処理に
ついて説明するため（位相差信号のピッチが、ＣＣＤの
１画素となる場合）の構成図である。

【図１０】補助光を用いる場合、位相差検出用信号を求
めるときの演算処理について説明するための構成図であ
る。

【図１１】焦点検出原理を説明するための図である。

【図１２】焦点検出原理を説明するための図である。

【図１３】焦点検出原理を説明するための図である。

【図１４】位相差を相関演算により求める時の相関の取
り方を説明するための構成図である。

【図１５】カメラと被写体の相対移動による画像の横方
向の位置と各画像間の位相差との関係を示す波形図であ
る。

【図１６】位相差検出誤差を補正する方法を説明するた
めの特性図である。

【図１７】従来の位相差検出方式の焦点検出装置を有す
る一眼レフカメラの構成図である。

【図１８】従来の焦点検出原理を説明するための構成図
である。

【図１９】従来の焦点検出原理を説明するための波形図
である。

【符号の説明】

１ａ 撮影レンズのフォーカス用レンズ群 １ｂ 撮影レンズのフォーカス用レンズ群１ｂ以外のレ
ンズ群 ２ レンズ繰り出し機構 ３ 焦点検出用絞り ４ モータ ５ 遮光板 ５ モータ ９ ＣＣＤ １２ デジタル信号処理部 １３ システムコントロール部 １４ ＣＣＤドライバ ２４ 操作スイッチ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０４Ｎ 9/07 Ｇ０３Ｂ 3/00 Ａ

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 撮像面に結像された被写体の光学像を撮
   像して画像信号を出力する撮像手段と、 上記撮像面に設けられ、複数の色フィルタを画素に対応
   して所定に配列して成る色フィルタ手段と、 上記光学像を上記色フィルタ手段を通じて上記撮像面に
   結像すると共に複数の瞳領域を有しその１つが順次に開
   放されるように成された光学系手段と、 上記複数の色フィルタの各々と対応する複数の画素で構
   成される１ブロックについて得られる画像信号を検出用
   信号として用い、上記各瞳領域について撮像して得られ
   る複数の上記検出用信号の位相差を検出する検出手段と
   を備えた焦点検出装置。
2. 【請求項２】 上記１ブロックにおける各画素の信号の
   加算平均を上記検出用信号とすることを特徴とする請求
   項１記載の焦点検出装置。
3. 【請求項３】 上記１ブロックを構成する複数の画素は
   隣接して配列されていることを特徴とする請求項１記載
   の焦点検出装置。
4. 【請求項４】 上記１ブロックを構成する複数の画素の
   信号の各々に重み付けした加算平均を上記検出用信号と
   することを特徴とする請求項１記載の焦点検出装置。
5. 【請求項５】 上記重み付けは上記被写体を照射する光
   源に応じて成されることを特徴とする請求項４記載の焦
   点検出装置。
6. 【請求項６】 上記複数の瞳領域を移動させる移動手段
   を設けたことを特徴とする請求項１記載の焦点検出装
   置。
7. 【請求項７】 撮像面に結像された被写体の光学像を複
   数の瞳領域の各々について撮像して複数の画像信号を出
   力する撮像手順と、 上記撮像面に設けられた複数の色フィルタの各々と対応
   する複数の画素で構成される１ブロックについて得られ
   る画像信号を検出用信号として用い、上記各瞳領域につ
   いて撮像して得られる複数の上記検出用信号の位相差を
   検出する検出手順とを備えた焦点検出方法。
8. 【請求項８】 上記１ブロックにおける各画素の信号の
   加算平均を上記検出用信号とすることを特徴とする請求
   項７記載の焦点検出方法。
9. 【請求項９】 上記１ブロックを構成する複数の画素は
   隣接して配列されていることを特徴とする請求項７記載
   の焦点検出方法。
10. 【請求項１０】 上記１ブロックを構成する複数の画素
    の信号の各々に重み付けした加算平均を上記検出用信号
    とすることを特徴とする請求項７記載の焦点検出方法。
11. 【請求項１１】 上記重み付けは上記被写体を照射する
    光源に応じて成されることを特徴とする請求項１０記載
    の焦点検出方法。
12. 【請求項１２】 上記複数の瞳領域を移動させる移動手
    順を設けたことを特徴とする請求項７記載の焦点検出方
    法。
13. 【請求項１３】 撮像面に結像された被写体の光学像を
    複数の瞳領域の各々について撮像して複数の画像信号を
    出力する処理と、 上記撮像面に設けられた複数の色フィルタの各々と対応
    する複数の画素で構成される１ブロックについて得られ
    る画像信号を検出用信号として用い、上記各瞳領域につ
    いて撮像して得られる複数の上記検出用信号の位相差を
    検出する処理とを実行するためのプログラムを記憶した
    コンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
14. 【請求項１４】 上記１ブロックにおける各画素の信号
    の加算平均を上記検出用信号とすることを特徴とする請
    求項１３記載のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
15. 【請求項１５】 上記１ブロックを構成する複数の画素
    は隣接して配列されていることを特徴とする請求項１３
    記載のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
16. 【請求項１６】 上記１ブロックを構成する複数の画素
    の信号の各々に重み付けした加算平均を上記検出用信号
    とすることを特徴とする請求項１３記載のコンピュータ
    読み取り可能な記憶媒体。
17. 【請求項１７】 上記重み付けは上記被写体を照射する
    光源に応じて成されることを特徴とする請求項１６記載
    のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
18. 【請求項１８】 上記複数の瞳領域を移動させる処理を
    実行するためのプログラムを記憶したことを特徴とする
    請求項１３記載のコンピュータ読み取り可能な記憶媒
    体。