JP5417827B2 - 焦点検出装置及び撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、焦点検出装置、焦点調節装置および撮像装置に関する。

フォーカシングレンズを所定の間隔で少しずつ移動させながら焦点評価値を算出し（以下、ＡＦ(Auto focus；自動焦点調節)サーチという）、焦点評価値が最大となる位置を合焦位置として焦点調節を行うコントラスト検出方式自動焦点調節装置（以下、単にコントラスト方式ＡＦという）において、撮像画像から人物の顔を検出し、この検出した顔領域に対して焦点評価値を求めるようにしたデジタルカメラが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この出願の発明に関連する先行技術文献としては次のものがある。
特開２００６−２０８４４３号公報

一般に、人物の顔はコントラストが低く、風景は高周波成分が多く含まれているためコントラストが高い。コントラスト方式ＡＦは焦点検出エリア内のコントラストの高さに大きく依存しているため、景勝地などで記念撮影を行う場合に背景の高周波部分が焦点検出エリアに含まれると、せっかく人物の顔を焦点検出エリア内に捕捉しても背景の方に合焦してしまうことがある。

請求項１の発明による焦点検出装置は、光学系による被写体像から顔に対応する第１検出領域を検出する顔検出手段と、前記第１検出領域内の被写体像のコントラスト情報を検出して前記第１検出領域における前記光学系の焦点調節状態を示す第１焦点検出情報を検出するコントラスト式焦点検出手段と、複数の第２検出領域を有し、前記第１検出領域内に前記第２検出領域が存在しない場合に、前記第１検出領域の下方に位置する第２検出領域に対して、前記光学系の焦点調節状態を示す第２焦点検出情報を検出する位相差式焦点検出手段と、前記第１焦点検出情報に対応する前記光学系の第１合焦距離と前記第２焦点検出情報に対応する前記光学系の第２合焦距離との差が所定のしきい値を超える場合に、前記第２焦点検出情報に基づき前記光学系の焦点調節を行い、前記差が前記所定のしきい値以下の場合に、前記第１焦点検出情報に基づき前記光学系の焦点調節を行う焦点調節手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、焦点検出エリアに含まれる撮影者が意図しない被写体の影響を受けた焦点評価値に基づいて焦点調節が行われるのを防止して、正確に焦点調節を行うことができる。

図１は一実施の形態のデジタルカメラの構成を示す図である。撮影レンズ１はフォーカシングレンズを備えており、所定の像面に被写体像を結像する。撮影レンズ１のフォーカシングレンズは、フォーカスモーター１０により駆動される。フォーカスモーター１０には通常、ステッピングモーターが用いられ、ＣＰＵ９によりオープンループ制御のパルス駆動が行われる。

撮像素子２は、撮影レンズ１による像面の位置に設けられている。撮像素子２には、撮像画素が二次元状に配置されるとともに、撮影レンズ１による像面内に予め設定された位相差ＡＦ用の焦点検出領域に対応した部分に焦点検出画素が組み込まれている。各撮像画素は、撮影レンズ１を介した光を受光し、その光強度分布に応じた画像信号を出力する。一方、焦点検出画素は後述するように隣接する画素同士が対をなしている。この焦点検出画素の各対は、撮影レンズ１を介した一対の光を受光し、その光強度分布に応じた一対の焦点検出信号を出力する。

アナログ信号処理部３は図示しないＣＤＳ回路、ＡＧＣ回路および色分離回路などを備え、撮像素子２の各撮像画素から出力される画像信号と、撮像素子２の各焦点検出画素から出力される焦点検出信号とをそれぞれ処理する。ＣＤＳ回路では信号が相関二重サンプリング(ＣＤＳ）処理され、ＡＧＣ回路では信号のレベル調整が行われる。Ａ／Ｄ変換器４は、アナログ信号処理部３から出力される処理後の画像信号および焦点検出信号をデジタル信号に変換する。デジタル信号処理部５はγ補正回路、輝度信号および色差信号生成回路などの信号処理回路を備え、画像信号に各種処理を施す。

位相差ＡＦ部６は、Ａ／Ｄ変換器４によってデジタル信号に変換された焦点検出信号に基づいて、瞳分割型位相差検出方式によるＡＦ演算（位相差ＡＦ演算）を行う。表示処理部７は、バッファーメモリ１２に保持された画像データ等に基づいて、ＬＣＤ８に各種画像を表示する処理を行う。ＬＣＤ８は液晶ディスプレイであり、表示処理部７の制御に応じて各種画像を表示する。

ＣＰＵ９は、ＡＥ演算機能、ＡＦ演算機能、ＡＷＢ演算機能などを有する。これらの機能により、カメラ全体のシーケンス制御、露出演算制御、焦点検出および焦点調節制御、ホワイトバランス制御などを行う。なお、ＣＰＵ９が行う焦点検出制御では、Ａ／Ｄ変換器４によってデジタル信号に変換された画像データに基づいて、コントラスト方式によるＡＦ演算（コントラストＡＦ演算）を行う。コントラスト方式ＡＦは、像のボケの程度とコントラストとの間に相関があり、焦点が合ったときに像のコントラストが最大になることを利用して焦点合わせを行うものである。コントラストの高低は、画像信号の高周波分を抽出するような評価関数を与え、その評価関数から得られる焦点評価値の大小により評価することができる。

焦点評価値のピークを探索する場合には、通常、フォーカシングレンズを無限遠側または至近側に所定量ずらし、そのときに算出される焦点評価値と移動前の焦点評価値とを比較する。移動後の焦点評価値が大きい場合は、より解像感（合焦度合い）が高まる傾向であると見なし、フォーカシングレンズをさらに同一方向に移動して同様の演算と比較を行う。一方、移動後の焦点評価値が小さい場合は、合焦度合いが低くなる傾向であると見なし、フォーカシングレンズを逆方向に移動して同様の演算と比較を行う。このような処理を繰り返し行う、いわゆる“山登り方式ＡＦ”によって焦点評価値が最大となる位置、すなわち合焦位置を探す。

上記のＡＦサーチとは異なるが、所定位置、例えば無限端から至近端までフォーカシングレンズを移動させつつ、所定間隔で焦点評価値を取得し、全範囲から焦点評価値の最大値を探索する、いわゆる“全域サーチ”を行ってもよい。

バッファーメモリ１２は、撮像素子２で撮像された複数フレーム分のデータを記憶することができるフレームメモリであり、デジタル信号処理部５で一連の処理が施された画像データが格納される。顔認識演算部１１は、バッファーメモリ１２に保持されたスルー画表示用の静止画に対して顔認識処理を施し、顔の存在が検出された場合は、ＣＰＵ９に認識した顔検出エリアの位置と大きさを示す座標を出力する。

記録・再生信号処理部１３は、デジタル信号処理部５で一連の処理が施された画像データの外部記憶装置１４への記録制御、および外部記憶装置１４に記録された画像データの読み出し制御を行う。外部記憶装置１４は、カメラに対して着脱可能な不揮発性の記録媒体であり、記録・再生信号処理部１３の制御により画像データを記録する。

図２は、撮影レンズ１による像面内に設定された位相差ＡＦ用の焦点検出領域の例を示す図である。この焦点検出領域は、後述する焦点検出画素列により焦点検出を行うときに画面上で像をサンプリングする領域（焦点検出エリア、焦点検出位置）の一例である。この一実施の形態では、矩形の像面１００内の中央に位相差ＡＦ用の焦点検出エリア１０１が配置される。長方形で示した焦点検出エリア１０１の長手方向に、複数の焦点検出画素が直線的に配列される。なお、ここでは位相差ＡＦ用の焦点検出領域として像面１００内に焦点検出エリア１０１が１つだけ存在する例を示しているが、実際には複数の焦点検出領域が像面１００内のそれぞれ異なる位置に設定されている。

図３は撮像素子２の詳細な構成を示す正面図であり、撮像素子２上の焦点検出エリア１０１の近傍を拡大して示したものである。撮像素子２は、撮像画素３１０と、対をなす焦点検出画素３１３、３１４から構成される。撮像画素３１０は水平および垂直方向に２次元状に正方格子配列されており、一方、焦点検出画素３１３、３１４は水平方向に配列されている。

撮像画素３１０は、図４に示すように、マイクロレンズ２０と光電変換部２１を備えている。また、焦点検出画素３１３は、図５(ａ)に示すように、マイクロレンズ２０と光電変換部２３を備えている。光電変換部２３の形状は、マイクロレンズ２０の垂直２等分線に接する左半円である。さらに、焦点検出画素３１４は、図５(ｂ)に示すように、マイクロレンズ２０と光電変換部２４を備えている。光電変換部２４の形状は、マイクロレンズ２０の垂直２等分線に接する右半円である。

光電変換部２３，２４は、マイクロレンズ２０を重ね合わせて表示した場合に左右水平方向に並んでおり、マイクロレンズ２０の垂直２等分線に関して対称な形状をしている。焦点検出画素３１３と焦点検出画素３１４は、水平方向（光電変換部２３と２４の並び方向）に交互に配置される。これらの撮像画素３１０と焦点検出画素３１３、３１４の分光感度特性は、図６に示すような特性となっている。

図７は撮像画素３１０の断面図である。撮像画素３１０には、撮像用の光電変換部２１の前方にマイクロレンズ２０が配置されており、マイクロレンズ２０により光電変換部２１が前方に投影される。光電変換部２１は半導体回路基板２９上に形成される。

図８（ａ）は、焦点検出画素３１３の断面図である。焦点検出画素３１３には、光電変換部２３の前方にマイクロレンズ２０が配置されており、マイクロレンズ２０により光電変換部２３が前方に投影される。光電変換部２３は半導体回路基板２９上に形成されるとともに、その上にマイクロレンズ２０が半導体イメージセンサーの製造工程により一体的かつ固定的に形成される。光電変換部２３はマイクロレンズ２０の光軸の片側に配置される。

図８（ｂ）は、焦点検出画素３１４の断面図である。焦点検出画素３１４では、光電変換部２４の前方にマイクロレンズ２０が配置されており、マイクロレンズ２０により光電変換部２４が前方に投影される。光電変換部２４は半導体回路基板２９上に形成されるとともに、その上にマイクロレンズ２０が半導体イメージセンサーの製造工程により一体的かつ固定的に形成される。光電変換部２４はマイクロレンズ２０の光軸の片側で、かつ光電変換部２３の反対側に配置される。

図９は、マイクロレンズを用いた瞳分割型位相差検出方式の焦点検出光学系の構成を示す。図９において、９０は、撮影レンズ１（図１参照）の予定結像面に配置されたマイクロレンズから前方ｄの距離に設定された射出瞳である。この距離ｄは、マイクロレンズの曲率、屈折率、マイクロレンズと光電変換部との間の距離などに応じて決まる距離であって、この明細書では測距瞳距離と呼ぶ。９１は交換レンズの光軸、２０ａ〜２０ｄはマイクロレンズ、２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂは光電変換部、３１３ａ、３１３ｂ、３１４ａ、３１４ｂは焦点検出画素、７３，７４、８３，８４は焦点検出光束である。

また、９３は、マイクロレンズ２０ａ、２０ｃにより投影された光電変換部２３ａ、２３ｂの領域であり、この明細書では測距瞳と呼ぶ。図９では、説明を解りやすくするために測距瞳９３を楕円形の領域で示しているが、実際には光電変換部の形状が拡大投影された形状になる。同様に、９４は、マイクロレンズ２０ｂ、２０ｄにより投影された光電変換部２４ａ、２４ｂの領域であり、この明細書では測距瞳と呼ぶ。図９では、説明を解りやすくするために測距瞳９４を楕円形の領域で示しているが、実際には光電変換部の形状が拡大投影された形状になる。

図９では、隣接する４つの焦点検出画素３１３ａ、３１３ｂ、３１４ａ、３１４ｂを模式的に例示しているが、その他の焦点検出画素においても光電変換部はそれぞれ対応した測距瞳から各マイクロレンズに到来する光束を受光する。焦点検出画素の配列方向は一対の測距瞳の並び方向、すなわち一対の光電変換部の並び方向と一致させる。

マイクロレンズ２０ａ〜２０ｄは、撮影レンズ１（図１参照）の予定結像面近傍に配置されている。マイクロレンズ２０ａ〜２０ｄは、それらの背後に配置された光電変換部２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂの形状をマイクロレンズ２０ａ〜２０ｃから測距瞳距離ｄだけ離間した射出瞳９０上に投影する。その投影形状は、測距瞳９３，９４を形成する。すなわち、投影距離ｄにある射出瞳９０上で各焦点検出画素の光電変換部の投影形状（測距瞳９３，９４）が一致するように、各焦点検出画素における光電変換部の投影方向が決定されている。

測距瞳９３を通過してマイクロレンズ２０ａに向う光束７３は、マイクロレンズ２０ａ上に像を形成する。光電変換部２３ａは、形成された像の光強度に対応した信号を出力する。同様に、測距瞳９３を通過してマイクロレンズ２０ｃに向う光束８３は、マイクロレンズ２０ｃ上に像を形成し、光電変換部２３ｂは形成された像の光強度に対応した信号を出力する。

また、測距瞳９４を通過してマイクロレンズ２０ｂに向う光束７４は、マイクロレンズ２０ｂ上に像を形成する。光電変換部２４ａは、形成された像の光強度に対応した信号を出力する。同様に、測距瞳９４を通過してマイクロレンズ２０ｄに向う光束８４は、マイクロレンズ２０ｄ上に像を形成し、光電変換部２４ｂは形成された像の光強度に対応した信号を出力する。

上述した２種類の焦点検出画素を直線状に多数配置し、各画素の光電変換部の出力を測距瞳９３および測距瞳９４に対応した出力グループにまとめることによって、測距瞳９３および測距瞳９４をそれぞれ通過した焦点検出用光束が画素列上に形成する一対の像に対して、像の強度分布に関する情報を得ることができる。図１に示す位相差ＡＦ部６は、この情報に対して、相関演算処理や位相差検出処理を施すことによって、いわゆる瞳分割型位相差検出方式で一対の像の像ズレ量を検出する。さらに、像ズレ量に一対の測距瞳の重心間隔に応じた変換演算を行うことによって、予定結像面に対する現在の結像面（予定結像面上のマイクロレンズアレイの位置に対応した焦点検出エリアにおける結像面）の偏差（デフォーカス量）を算出する。

以上説明したようにして位相差ＡＦ部６により求められたデフォーカス量に基づいて、ＣＰＵ９はフォーカスモーター１０を制御して撮影レンズ１のフォーカシングレンズを駆動し、撮影レンズ１の焦点調節を行う。このようにして位相差ＡＦが行われる。

一方、コントラストＡＦでは、ＣＰＵ９により、顔認識演算部１１から出力された座標によって特定される顔検出エリアに基づいて、撮影レンズ１による像面内にコントラストＡＦ用の焦点検出領域を設定する。たとえば図１０に示すような画像の顔検出エリアに対して、この顔検出エリアと一致する領域をコントラストＡＦ用の焦点検出領域３０に設定する。なお、顔検出エリアとコントラストＡＦ用の焦点検出領域３０とは完全に一致しなくてもよい。たとえば、顔検出エリアの一部分のみをコントラストＡＦ用の焦点検出領域３０に設定してもよい。あるいは、顔検出エリアよりも大きな範囲をコントラストＡＦ用の焦点検出領域３０に設定してもよい。

上記のようにして設定された焦点検出領域３０に対応する撮像画素から出力される画像信号に基づいて、ＣＰＵ９の制御により、前述したように撮影レンズ１のフォーカシングレンズを移動させて焦点評価値が最大となる合焦位置を探す。合焦位置が求められたら、撮影レンズ１のフォーカシングレンズをその合焦位置まで駆動し、撮影レンズ１の焦点調節を行う。このようにしてコントラストＡＦが行われる。

ところで、顔検出エリアを焦点検出領域３０としてコントラストＡＦを行うと、図１１に示すようなフォーカシングレンズの位置に対する焦点評価値の特性曲線が得られる場合がある。背景の被写体には高周波成分が多く含まれるため、背景のみの焦点評価値の特性曲線は図１１に破線で示す特性曲線になる。一方、人の顔はコントラスト変化（空間周波数変化）が小さいため、人物のみの焦点評価値の特性曲線は図１１に実線で示すような特性曲線になる。図１０に示すように、焦点検出領域３０内において人物の顔と背景などが重なっている、つまり遠近競合している場合、背景の特性曲線（破線）と人物の特性曲線（実線）とが合成された焦点評価値の特性曲線が得られることがある。

このような焦点評価値の特性曲線に基づいて合焦探索を行うと、本来の主要被写体である人物の位置（図１１に示すレンズ位置Ｌ２）ではなく、背景の位置に相当するレンズ位置Ｌ４を目標駆動位置としてレンズ駆動を行ってしまう。これではせっかく顔検出機能により焦点検出エリアを設定したにも関わらず、人物に正しく合焦していないピンボケ写真となってしまう。

上記のような問題に対処するために、本実施の形態では、図１２のフローチャートに示す処理を実行することで、撮影の状況に応じて位相差ＡＦとコントラストＡＦのいずれかを適切に選択して撮影レンズ１の焦点調節を行う。以下、図１２のフローチャートに従って処理の内容を説明する。

ステップＳ１０では、顔認識演算部１１により顔認識処理を実行する。この顔認識処理によって検出された顔検出エリアの情報は、前述のようにＣＰＵ９へ出力される。ステップＳ２０では、ＣＰＵ９により、ステップＳ１０の顔認識処理によって得られた顔検出エリアに基づいて、コントラストＡＦ用の焦点検出領域を設定する。これにより、たとえば顔検出エリアと一致する図１０の焦点検出領域３０が設定される。

ステップＳ３０では、ＣＰＵ９により、ステップＳ２０で設定したコントラストＡＦ用の焦点検出領域内に、撮影レンズ１による像面内に複数設定されている位相差ＡＦ用の焦点検出領域のうちいずれかが存在するか否かを判定する。コントラストＡＦ用の焦点検出領域内に少なくとも１つの位相差ＡＦ用の焦点検出領域が存在する場合は、ステップＳ１２０へ進む。一方、コントラストＡＦ用の焦点検出領域内に位相差ＡＦ用の焦点検出領域が１つも存在しない場合は、ステップＳ４０へ進む。

たとえば図１３のように、撮影レンズ１による像面内において、一点鎖線４１，４２および４３でそれぞれ示すような位置に位相差ＡＦ用の焦点検出領域が設定されているとする。また、顔認識処理によって検出された顔検出エリアに対して、コントラストＡＦ用の焦点検出領域３０が設定されたとする。このような場合、焦点検出領域３０内には位相差ＡＦ用の焦点検出領域が存在しないため、ステップＳ４０へ進む。

ステップＳ４０では、ＣＰＵ９により、ステップＳ２０で設定したコントラストＡＦ用の焦点検出領域に基づいて、デフォーカス量の検出対象とする位相差ＡＦ用の焦点検出領域を探索するための探索エリアを撮影レンズ１による像面内に設定する。ここでは、コントラストＡＦ用の焦点検出領域に対して、その下方に位置する所定範囲の領域を探索エリアに設定する。例えば図１４に示すように、焦点検出領域３０の下方に隣接する同じ大きさの探索エリア３１を設定する。これにより、顔検出エリアに位相差ＡＦ用の焦点検出領域がなくても、当該人物の襟元や胸元までデフォーカス量を検出する位相差ＡＦ用の焦点検出領域の範囲を拡張することができる。なお、焦点検出領域３０と探索エリア３１の大きさは違っていてもよい。また、撮影レンズ１の光軸回りにカメラの向きが変化した場合、その向きの変化に応じて、コントラストＡＦ用の焦点検出領域に対する探索エリアの設定方向を変化させることが好ましい。すなわち、カメラの向きが変化しても、コントラストＡＦ用の焦点検出領域に対して探索エリアが常に下方に位置するようにする。

ステップＳ５０では、ＣＰＵ９により、ステップＳ４０で設定した探索エリア内に位相差ＡＦ用の焦点検出領域が存在するか否かを判定する。探索エリア内に少なくとも１つの位相差ＡＦ用の焦点検出領域が存在する場合は、ステップＳ６０へ進む。一方、探索エリア内に位相差ＡＦ用の焦点検出領域が１つも存在しない場合は、ステップＳ１３０へ進む。前述した図１４の例では、探索エリア３１と一点鎖線４２とが重なっていることから、この一点鎖線４２により示される位相差ＡＦ用の焦点検出領域が探索エリア３１内に存在すると判定してステップＳ６０へ進む。

ステップＳ６０では、位相差ＡＦ部６により、ステップＳ５０で探索エリア内にあると判定した位相差ＡＦ用の焦点検出領域に対してデフォーカス量を検出する。すなわち、当該焦点検出領域に対応して配置された焦点検出画素から出力される一対の焦点検出信号に基づいて、一対の像のずれ量を表すデフォーカス量を算出する。

なお、図１４における探索エリア３１の位置は、焦点検出領域３０の位置を基準として、ステップＳ１０で顔認識された人物の像が延在する方向にある。ステップＳ６０では、この探索エリア３１内に存在する位相差ＡＦ用の焦点検出領域に対してデフォーカス量を検出する。換言すれば、ステップＳ６０において位相差ＡＦ部６は、複数の位相差ＡＦ用の焦点検出領域のうち、焦点検出領域３０を基準として撮影レンズ１による像が延在する方向に位置する位相差ＡＦ用の焦点検出領域に対して、デフォーカス量を検出する。すなわち、コントラストＡＦ用の焦点検出領域として設定された顔に対応する領域の下方に位置する位相差ＡＦ用の焦点検出領域に対して、デフォーカス量を検出する。

ステップＳ７０では、ＣＰＵ９により、ステップＳ６０で検出したデフォーカス量に対応する合焦距離（合焦距離Ａと称する）を算出する。この合焦距離Ａは、フォーカシングレンズをデフォーカス量に応じて移動させたときの合焦位置に対応して決まり、カメラからピントが合う被写体までの撮影距離に相当する。

ステップＳ８０では、ＣＰＵ９により、ステップＳ２０で設定したコントラストＡＦ用の焦点検出領域に対して焦点評価値を検出する。ここでは前述のように、フォーカシングレンズの移動と、コントラストＡＦ用の焦点検出領域に対応する撮像画素から出力される画像信号に基づく焦点評価値の検出とを繰り返し行い、最大焦点評価値が得られる合焦位置を求める。

ステップＳ９０では、ＣＰＵ９により、ステップＳ８０で検出した最大焦点評価値に対応する合焦距離（合焦距離Ｂと称する）を算出する。この合焦距離Ｂは、最大焦点評価値が得られたときのフォーカシングレンズの位置、すなわち合焦位置に対応して決まり、ステップＳ７０で得られた合焦距離Ａと同様にカメラからピントが合う被写体までの撮影距離に相当する。

ステップＳ１００では、ＣＰＵ９により、ステップＳ９０、Ｓ７０でそれぞれ算出した合焦距離Ｂと合焦距離Ａとの差（Ｂ−Ａ）が所定のしきい値ｔｈよりも大きいか否かを判定する。Ｂ−Ａの値がしきい値ｔｈを超える場合、すなわち合焦距離Ａよりも合焦距離Ｂの方が大きく、さらにその差がしきい値ｔｈを上回っている場合は、ステップＳ１１０へ進む。一方、Ｂ−Ａの値がしきい値ｔｈ以下である場合は、ステップＳ１４０へ進む。なお、この判定に用いるしきい値ｔｈは、被写界深度に基づいて決定することが好ましい。ここで被写界深度は、撮影レンズ１の実焦点距離と絞りに基づいて求めることができる。

ステップＳ１１０では、ＣＰＵ９により、ステップＳ６０で検出したデフォーカス量に基づく位相差ＡＦを行う。すなわち、フォーカスモーター１０を用いて、デフォーカス量に対応する合焦位置へとフォーカシングレンズを駆動させることにより、撮影レンズ１の焦点調節を行う。合焦距離Ｂと合焦距離Ａとの差が大きい場合にコントラストＡＦを行うと、前述のように背景の位置に相当するレンズ位置を目標駆動位置として焦点調節を行ってしまう危険性がある。したがって、このような場合はステップＳ１１０を実行して位相差ＡＦを行うことで、正確に焦点調節を行うようにする。ステップＳ１１０を実行したら、図１２のフローチャートに示す処理を終了する。

一方、ステップＳ１００においてＢ−Ａがしきい値ｔｈ以下であると判定した場合は、ステップＳ１４０において、ＣＰＵ９により、ステップＳ８０で検出した焦点評価値に基づくコントラストＡＦを行う。すなわち、フォーカスモーター１０を用いて、最大焦点評価値が得られたときの合焦位置へとフォーカシングレンズを駆動させることにより、撮影レンズ１の焦点調節を行う。ステップＳ１４０を実行したら、図１２のフローチャートに示す処理を終了する。

以上説明したような処理を実行することで、焦点評価値とデフォーカス量をそれぞれ検出し、これらの値に基づいて、当該焦点評価値に応じて撮影レンズ１を焦点調節するか否かをステップＳ１００において判定することができる。すなわち、合焦距離Ｂと合焦距離Ａとの差が所定のしきい値ｔｈを超える場合、焦点評価値に応じて撮影レンズ１を焦点調節しないと判定してステップＳ１１０へ進み、位相差ＡＦにより焦点調節を行う。一方、合焦距離Ｂと合焦距離Ａとの差がしきい値ｔｈ以下である場合は、焦点評価値に応じて撮影レンズ１を焦点調節すると判定してステップＳ１４０へ進み、コントラストＡＦにより焦点調節を行う。これにより、撮影の状況に応じて位相差ＡＦとコントラストＡＦのいずれかを適切に選択して撮影レンズ１の焦点調節を行うことができる。

なお、ステップＳ３０においてコントラストＡＦ用の焦点検出領域内に位相差ＡＦ用の焦点検出領域が存在すると判定された場合、ステップＳ１２０において、位相差ＡＦ部６により、当該位相差ＡＦ用の焦点検出領域に対して、ステップＳ６０と同様にデフォーカス量を検出する。ここで、コントラストＡＦ用の焦点検出領域内に複数の位相差ＡＦ用の焦点検出領域が存在する場合は、そのいずれかを選択してデフォーカス量を検出してもよい。あるいは、該当する全ての焦点検出領域についてデフォーカス量を検出してもよい。この場合、検出したデフォーカス量のうちいずれか、たとえば最至近を示すデフォーカス量を焦点調節用のデフォーカス量として選択してもよいし、検出した各デフォーカス量の平均値を求めてもよい。ステップＳ１２０を実行したらステップＳ１１０へ進み、ＣＰＵ９により、ステップＳ１２０で検出したデフォーカス量に基づく位相差ＡＦを行う。

以上説明したように、位相差ＡＦ用の焦点検出領域がコントラストＡＦ用の焦点検出領域内にある場合は、ステップＳ１００の判定を行わずに、位相差ＡＦによる焦点調節を行う。これにより、顔検出エリアに対応する位相差ＡＦ用の焦点検出領域がある場合は、位相差ＡＦを優先して実行することで適切に撮影レンズ１の焦点調節を行うことができる。なお、このときステップＳ１２０において適切なデフォーカス量が得られなかった場合は、位相差ＡＦに替えてコントラストＡＦを用いてもよい。

上記のとおり、位相差ＡＦ部６は、ステップＳ１２０では、コントラストＡＦ用の焦点検出領域３０内に存在する位相差ＡＦ用の焦点検出領域に対してデフォーカス量を検出する。一方、前述のステップＳ６０では、焦点検出領域３０の周囲に設定された探索エリア３１内に存在する位相差ＡＦ用の焦点検出領域に対してデフォーカス量を検出する。総括すると、位相差ＡＦ部６は、撮影レンズ１による像面内の焦点検出領域３０およびその周囲（すなわち、焦点検出領域３０を含む範囲）に設定された位相差ＡＦ用の焦点検出領域に対して、デフォーカス量を検出するものである。なお、探索エリアを設定する代わりに、焦点検出領域３０の近傍に設定された位相差ＡＦ用の焦点検出領域を選択するようにしてもよい。

また、ステップＳ５０において探索エリア内に位相差ＡＦ用の焦点検出領域が存在しないと判定された場合、ステップＳ１３０において、ＣＰＵ９により、コントラストＡＦ用の焦点検出領域に対して、ステップＳ８０と同様に焦点評価値を検出する。ステップＳ１３０を実行したらステップＳ１４０へ進み、ＣＰＵ９により、ステップＳ１３０で検出した焦点評価値に基づくコントラストＡＦを行う。

ステップＳ１１０において位相差ＡＦを行った後、さらにコントラストＡＦを行うようにしてもよい。このような焦点調節の方法はハイブリッドＡＦと呼ばれている。このハイブリッドＡＦにおける時間経過に応じたフォーカシングレンズの位置変化の様子を、図１５に示す例により以下に説明する。

最初に時刻Ｔ０において、フォーカシングレンズが位置Ｌ０にあり、位置Ｌ２を合焦位置とするデフォーカス量が検出されたとする。この場合、時刻Ｔ０からＴ１の間に、フォーカシングレンズを位置Ｌ２よりも所定量だけ手前の位置Ｌ１へ移動させる。その後、時刻Ｔ１からＴ２の間にコントラストＡＦを行い、位置Ｌ１、Ｌ２およびＬ３においてそれぞれ焦点評価値Ｖａ，ＶｂおよびＶｃをそれぞれ取得する。なお、位置Ｌ１、Ｌ２およびＬ３はいずれも等間隔に設定される。こうして取得した焦点評価値Ｖａ，ＶｂおよびＶｃの中から最大のものを選択し、その最大焦点評価値に対応する位置へとフォーカシングレンズを移動させる。このようにして焦点調節を行う。

上記のハイブリッドＡＦにより、位相差ＡＦとコントラストＡＦそれぞれの利点を生かした焦点調節を行うことができる。すなわち、位相差ＡＦを利用して素早く焦点調節を行うと共に、コントラストＡＦを利用してより正確に焦点調節を行うことができる。なお、撮影状況などに応じて、通常の位相差ＡＦとハイブリッドＡＦのいずれか一方を選択的に用いるようにしてもよい。

以上説明した実施の形態によれば、次の作用効果を奏する。

（１）ＣＰＵ９は、撮影レンズ１による像面内に設定されたコントラストＡＦ用の焦点検出領域に対して、撮影レンズ１の焦点調節状態を示す焦点評価値を検出する（ステップＳ８０）。また位相差ＡＦ部６は、ＣＰＵ９とは異なる方法で、像面内のコントラストＡＦ用の焦点検出領域を含む範囲に設定された位相差ＡＦ用の焦点検出領域に対して、撮影レンズ１の焦点調節状態を示すデフォーカス量を検出する（ステップＳ６０）。こうして検出した焦点評価値とデフォーカス量に基づいて、ＣＰＵ９は、コントラストＡＦにより焦点評価値に応じて撮影レンズ１を焦点調節するか否かを判定する（ステップＳ１００）。このようにしたので、焦点検出エリアに含まれる撮影者が意図しない被写体の影響を受けた焦点評価値に基づいて焦点調節が行われるのを防止して、正確に焦点調節を行うことができる。

（２）ステップＳ１００において、ＣＰＵ９は、ステップＳ８０で検出した焦点評価値のうちの最大焦点評価値に対応する合焦距離Ｂと、ステップＳ６０で検出したデフォーカス量に対応する合焦距離Ａとの差が所定のしきい値ｔｈを超える場合に、コントラストＡＦを行わないとしてステップＳ１１０へ進む。すなわち、焦点評価値に応じて撮影レンズ１を焦点調節しないと判定する。これにより、背景の位置に相当するレンズ位置を目標駆動位置とした焦点調節が行われるのを回避することができる。

（３）ＣＰＵ９は、位相差ＡＦ用の焦点検出領域がコントラストＡＦ用の焦点検出領域内にあるか否かを判定し（ステップＳ３０）、ある場合は、ステップＳ１００の判定を行わずに、ステップＳ１２０、Ｓ１１０の処理によって位相差ＡＦによる焦点調節を行う。したがって、顔検出エリアに対応する位相差ＡＦ用の焦点検出領域がある場合は、位相差ＡＦを優先して実行することで適切に撮影レンズ１の焦点調節を行うことができる。

（４）位相差ＡＦ部６は、ステップＳ６０において、予め設定された複数の位相差ＡＦ用の焦点検出領域のうち、ステップＳ２０で設定されたコントラストＡＦ用の焦点検出領域を基準として撮影レンズ１による像が延在する方向に位置する位相差ＡＦ用の焦点検出領域に対して、デフォーカス量を検出する。換言すると、ＣＰＵ９は、撮影レンズ１による像のうち顔に対応する領域を検出し（ステップＳ１０）、この顔に対応する領域をコントラストＡＦ用の焦点検出領域として設定する（ステップＳ２０）。また、位相差ＡＦ部６は、ステップＳ６０において、当該顔に対応する領域の下方に位置する位相差ＡＦ用の焦点検出領域に対して、デフォーカス量を検出する。したがって、顔検出エリアに対応する位相差ＡＦ用の焦点検出領域がない場合であっても、適切な焦点検出領域を選択してデフォーカス量を検出することができる。

（５）ＣＰＵ９は、ステップＳ２０で設定したコントラストＡＦ用の焦点検出領域に基づいて、撮影レンズ１による像における位相差ＡＦ用の焦点検出領域の探索範囲を設定する（ステップＳ４０）。位相差ＡＦ部６は、ステップＳ６０において、この探索範囲内に位置する位相差ＡＦ用の焦点検出領域に対して、デフォーカス量を検出する。したがって、上記と同様に、顔検出エリアに対応する位相差ＡＦ用の焦点検出領域がない場合であっても、適切な焦点検出領域を選択してデフォーカス量を検出することができる。

（６）撮像素子２は、撮影レンズ１による像面の位置に設けられ、撮影レンズ１を介した光を受光して画像信号を出力する撮像画素と、撮影レンズ１を介した一対の光を受光して一対の焦点検出信号を出力する焦点検出画素とを含む複数の画素を有する。ＣＰＵ９は、ステップＳ８０において、コントラストＡＦ用の焦点検出領域に対応する撮像画素から出力される画像信号に基づいて焦点評価値を検出する。また、位相差ＡＦ部６は、ステップＳ６０において、焦点検出画素から出力される一対の焦点検出信号に基づいてデフォーカス量を検出する。したがって、撮像素子２による１回の撮像で画像信号と焦点検出信号を両方取得して、焦点評価値とデフォーカス量をそれぞれ検出することができる。

（７）ＣＰＵ９は、ステップＳ８０で検出した焦点評価値とステップＳ６０で検出したデフォーカス量とのいずれか少なくとも一方に基づいて、フォーカスモーター１０を制御してフォーカシングレンズを駆動し、撮影レンズ１の焦点調節を行う（ステップＳ１１０、Ｓ１４０）。これにより、ステップＳ１００の判定結果に応じて適切に焦点調節を行うことができる。

（８）なお、ステップＳ１１０においてＣＰＵ９は、ハイブリッドＡＦを用いてもよい。ハイブリッドＡＦを用いる場合、最初に位相差ＡＦによりデフォーカス量に基づく撮影レンズ１の焦点調節を行い、その後に、焦点評価値を検出してコントラストＡＦにより撮影レンズ１の焦点調節を行う。このようにすれば、位相差ＡＦとコントラストＡＦそれぞれの利点を生かして、正確かつ素早い焦点調節を行うことができる。

なお、以上説明した実施の形態では、撮像素子２に配置された焦点検出画素からの焦点検出信号に基づいてデフォーカス量を検出することとしたが、焦点検出信号を出力するための焦点検出装置を撮像素子２とは別個に設けてもよい。すなわち、撮影レンズ１を介した光束の一部を分岐して焦点検出装置に導き、この焦点検出装置において、瞳分割型位相差検出方式により一対の像の像ズレ量を検出するようにしてもよい。この場合、撮像素子２は焦点検出画素を有さず、撮像画素のみが配置されたものであってもよい。

また、上記の実施の形態では、顔認識処理によって人物の顔を検出し、その検出結果に応じてコントラストＡＦ用の焦点検出領域を設定することとしたが、検出する対象は人物の顔に限らず、動物、植物、工業製品などであっても良いことは言うまでもない。さらに、このような対象の検出を行わずにコントラストＡＦ用の焦点検出領域を設定してもよい。たとえば、ユーザがスルー画上で指定した領域をコントラストＡＦ用の焦点検出領域に設定してもよい。

上記の実施の形態では、コントラストＡＦと位相差ＡＦのいずれか少なくとも一方を選択して焦点調節を行うこととしたが、これとは別のＡＦ方式を選択するようにしてもよい。たとえば、アクティブＡＦ方式と外光パッシブＡＦ方式のいずれかを選択してもよい。異なる２つのＡＦ方式のいずれか少なくとも一方を撮影状況に応じて適切に選択して焦点調節を行う限り、どのようなものであっても本発明を適用することができる。

一実施の形態のデジタルカメラの構成を示す図である。 撮影レンズによる像面内に設定された位相差ＡＦ用の焦点検出領域の例を示す図である。 撮像素子の詳細な構成を示す正面図である。 撮像画素の詳細を示す正面図である。 焦点検出画素の詳細を示す正面図である。 撮像画素と焦点検出画素の分光感度特性を示す図である。 撮像画素の断面図である。 焦点検出画素の断面図である。 マイクロレンズを用いた瞳分割型位相差検出方式の焦点検出光学系の構成を示す図である。 焦点検出領域の設定例を示す図である。 焦点検出領域内に人物の顔と背景とが重なっている場合の、フォーカシングレンズ位置に対する焦点評価値の特性曲線の例を示す図である。 撮影の状況に応じて位相差ＡＦとコントラストＡＦのいずれかを適切に選択して撮影レンズの焦点調節を行う際に実行される処理のフローチャートである。 撮影レンズによる像面内における位相差ＡＦ用の焦点検出領域とコントラストＡＦ用の焦点検出領域との設定例を示す図である。 探索エリアの設定例を示す図である。 ハイブリッドＡＦにおける時間経過に応じたフォーカシングレンズの位置変化の様子を示す図である。

符号の説明

１ 撮影レンズ
２ 撮像素子
６ 位相差ＡＦ部
９ ＣＰＵ
１０ フォーカスモーター
１１ 顔認識演算部

Claims (6)

1. 光学系による被写体像から顔に対応する第１検出領域を検出する顔検出手段と、
   前記第１検出領域内の被写体像のコントラスト情報を検出して前記第１検出領域における前記光学系の焦点調節状態を示す第１焦点検出情報を検出するコントラスト式焦点検出手段と、
   複数の第２検出領域を有し、前記第１検出領域内に前記第２検出領域が存在しない場合に、前記第１検出領域の下方に位置する第２検出領域に対して、前記光学系の焦点調節状態を示す第２焦点検出情報を検出する位相差式焦点検出手段と、
   前記第１焦点検出情報に対応する前記光学系の第１合焦距離と前記第２焦点検出情報に対応する前記光学系の第２合焦距離との差が所定のしきい値を超える場合に、前記第２焦点検出情報に基づき前記光学系の焦点調節を行い、前記差が前記所定のしきい値以下の場合に、前記第１焦点検出情報に基づき前記光学系の焦点調節を行う焦点調節手段と、を備えることを特徴とする焦点検出装置。
2. 請求項１に記載の焦点検出装置において、
   前記像面の位置に設けられ、前記光学系を介した光を受光して画像信号を出力する撮像画素と、前記光学系を介した一対の光を受光して一対の焦点検出信号を出力する焦点検出画素とを含む複数の画素を有する撮像手段をさらに備え、
   前記コントラスト式焦点検出手段は、前記第１検出領域に対応する前記撮像画素から出力される前記画像信号に基づいて前記第１焦点検出情報を検出し、
   前記位相差式焦点検出手段は、前記一対の焦点検出信号に基づいて前記第２焦点検出情報を検出することを特徴とする焦点検出装置。
3. 請求項２に記載の焦点検出装置において、
   前記第１検出領域の下方に探索範囲を設定する探索範囲設定手段を更に備え、
   前記位相差式焦点検出手段は、前記探索範囲内に位置する前記第２検出領域に対して、前記第２焦点検出情報を検出することを特徴とする焦点検出装置。
4. 請求項３に記載の焦点検出装置において、
   前記焦点調節手段は、前記探索範囲内に位置する前記第２検出領域が存在しない場合に、前記第１焦点検出情報に基づき前記焦点調節を行うことを特徴とする焦点検出装置。
5. 請求項２〜４のいずれか一項に記載の焦点検出装置において、
   前記焦点調節手段により前記第２焦点検出情報に基づく前記光学系の焦点調節が行われた後に、前記コントラスト式焦点検出手段は、前記第１検出領域に対して前記光学系の焦点調節状態を示す第１焦点検出情報を検出し、前記焦点調節手段は、当該第１焦点検出情報に基づき前記焦点調節を行うことを特徴とする焦点検出装置。
6. 請求項２〜５のいずれか一項に記載の焦点検出装置と、
   前記撮像手段の出力信号に基づき、画像データを生成する画像処理部とを備えることを特徴とする撮像装置。

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