JP2008134413A

JP2008134413A - 撮像装置

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Publication number: JP2008134413A
Application number: JP2006320070A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Fujii; 真一藤井; Kazusane Kageyama; 和実陰山; Genta Yagyu; 玄太柳生
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2006-11-28
Filing date: 2006-11-28
Publication date: 2008-06-12

Abstract

【課題】分割画素を有する撮像素子を用いて位相差検出方式の焦点検出を行う場合に焦点検出精度を向上できる撮像装置を提供する。
【解決手段】撮像装置には、位相差検出方式の焦点検出(位相差ＡＦ)に用いる複数の分割画素１１ｇｒを備えた撮像素子が設けられている。この分割画素１１ｇｒは４つの光電変換部１１１〜１１４を有しており、撮影レンズの実絞りがＦ２.０の場合には射出瞳面Ｅｆを通過した一対の光束Ｌａ１、Ｌａ２が外側の各光電変換部１１１、１１４に結像し、実絞りがＦ５.６の場合には射出瞳面Ｅｆを通過した一対の光束Ｌｂ１、Ｌｂ２が内側の各光電変換部１１２、１１３に結像するようになっている。そこで、撮像装置では、実絞り値がＦ２.０より大きいか否かで内側または外側の光電変換部を選択することとして、位相差ＡＦにおける焦点検出精度の向上を図る。
【選択図】図２１

Description

本発明は、撮影光学系を有する撮像装置に関する。

デジタルカメラ(撮像装置)においては、画素内が分割され複数の光電変換部を持つ画素(以下では「分割画素」ともいう)を備えた撮像素子を用いて位相差検出方式のオートフォーカス制御(以下では「位相差ＡＦ」ともいう)を行う技術が知られている。

例えば特許文献１の技術によれば、２分割された分割画素の各光電変換部で撮影レンズ(撮影光学系)の射出瞳における一対の部分領域を通過した光束を受光して一対の像列を生成し、この一対の像列に関するシフト量を求めることにより、撮像素子を用いた位相差ＡＦが可能となっている。

特開２００１−３０５４１５号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、上述の一対の像列に対応する２(一対)の光電変換部を持つ分割画素を用いて位相差ＡＦを行うため、撮影レンズに係る実絞り値の変化に伴って射出瞳の大きさが変化しても適切な位相差ＡＦが可能なように、比較的小さな射出瞳を想定してそのエリア内に上記一対の部分領域を収めるようにしているが、これでは必ずしも位相差ＡＦが精度良く行われているとは限らない。例えば、実絞り値が小さく射出瞳が比較的大きくなる場合には、この大きな射出瞳を有効に使って上記一対の部分領域を定めると、位相差ＡＦにおいて焦点検出精度を向上できる可能性がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、分割画素を有する撮像素子を用いて位相差検出方式の焦点検出を行う場合に焦点検出精度を向上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の側面は、撮影光学系を有する撮像装置であって、(a)所定の方向に沿って４以上の光電変換部が配列された特定の画素を複数有する撮像素子と、(b)前記撮影光学系の射出瞳における一対の部分領域を通過した被写体光束を受光する各特定の画素からの電荷信号に基づき一対の像列を生成して、位相差検出方式の焦点検出を行う焦点検出手段とを備え、前記焦点検出手段は、(b-1)実絞り値を取得する取得手段と、(b-2)前記実絞り値に応じて、前記４以上の光電変換部から前記一対の像列に係る各電荷信号を生成する光電変換部をそれぞれ選択する選択手段とを有することを特徴とする。

本発明によれば、実絞り値に応じて、撮像素子における特定の画素に配列された４以上の光電変換部から、位相差検出方式の焦点検出で用いる一対の像列に係る各電荷信号を生成する光電変換部をそれぞれ選択するため、特定の画素(分割画素)を有する撮像素子を用いて位相差検出方式の焦点検出を行う場合に焦点検出精度を向上できる。

＜撮像装置の外観構成＞
図１および図２は、本発明の実施形態に係る撮像装置１の外観構成を示す図である。ここで、図１および図２は、それぞれ正面図および背面図を示している。また、図３は、撮像装置１の縦断面図である。

撮像装置１は、例えば一眼レフレックスタイプのデジタルスチルカメラとして構成されており、カメラボディ１０と、カメラボディ１０に着脱自在な交換レンズとしての撮影レンズ２とを備えている。

図１において、カメラボディ１０の正面側には、正面略中央に撮影レンズ２が装着されるマウント部３０１と、マウント部３０１の右横に配置されたレンズ交換ボタン３０２と、正面左端部（Ｘ方向左側）において突設され、ユーザが片手（又は両手）により確実に把持可能とするためのグリップ部３０３と、正面左上部（Ｙ方向左上側）に配置されたモード設定ダイアル３０５と、正面右上部に配置された制御値設定ダイアル３０６と、グリップ部３０３の上面に配置されたシャッターボタン３０７とが設けられている。

また、図２において、カメラボディ１０の背面側には、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）３１１と、ＬＣＤ３１１の左方に配置された設定ボタン群３１２と、ＬＣＤ３１１の右方に配置された十字キー３１４と、十字キー３１４の中央に配置されたプッシュボタン３１５とが備えられている。また、カメラボディ１０の背面側には、ＬＣＤ３１１の上方に配設されたＥＶＦ(Electronic View Finder)３１６と、ＥＶＦ３１６の周囲を囲むアイカップ３２１と、ＥＶＦ３１６の左方に配設されたメインスイッチ３１７と、ＥＶＦ３１６の右方に配設された露出補正ボタン３２３およびＡＥロックボタン３２４と、ＥＶＦ３１６の上方に配設されたフラッシュ部３１８および接続端子部３１９とが備えられている。

マウント部３０１には、装着された撮影レンズ２との電気的接続を行うための複数個の電気的接点や、機械的接続を行うためのカプラ等が設けられている。

レンズ交換ボタン３０２は、マウント部３０１に装着された撮影レンズ２を取り外す際に押下されるボタンである。

グリップ部３０３は、ユーザが撮影時に撮像装置１を把持する部分であり、フィッティング性を高めるために指形状に合わせた表面凹凸が設けられている。なお、グリップ部３０３の内部には電池収納室およびカード収納室(不図示)が設けられている。電池収納室にはカメラの電源として電池６９Ｂ(図４参照)が収納されており、カード収納室には撮影画像の画像データを記録するための記録媒体（例えばメモリカード）が着脱可能に収納されるようになっている。なお、グリップ部３０３には、当該グリップ部３０３をユーザが把持したか否かを検出するためのグリップセンサを設けるようにしても良い。

モード設定ダイアル３０５及び制御値設定ダイアル３０６は、カメラボディ１０の上面と略平行な面内で回転可能な略円盤状の部材からなる。モード設定ダイアル３０５は、自動露出（ＡＥ）制御モードや自動焦点（ＡＦ；オートフォーカス）制御モード、或いは１枚の静止画を撮影する静止画撮影モードや連続撮影を行う連続撮影モード等の各種撮影モード、記録済みの画像を再生する再生モード等、撮像装置１に搭載されたモードや機能を択一的に選択するためのものである。一方、制御値設定ダイアル３０６は、撮像装置１に搭載された各種の機能に対する制御値を設定するためのものである。

シャッターボタン３０７は、途中まで押し込んだ「半押し状態」の操作と、さらに押し込んだ「全押し状態」の操作とが可能とされた押下スイッチである。静止画撮影モードにおいてシャッターボタン３０７が半押し（Ｓ１）されると、被写体の静止画を撮影するための準備動作（露出制御値の設定や焦点調節等の準備動作）が実行され、シャッターボタン３０７が全押し（Ｓ２）されると、撮影動作（撮像センサを露光し、その露光によって得られた画像信号に所定の画像処理を施してメモリカード等に記録する一連の動作）が実行される。

ＬＣＤ３１１は、画像表示が可能なカラー液晶パネルを備えており、撮像素子１０１(図３)により撮像された画像の表示や記録済みの画像の再生表示等を行うとともに、撮像装置１に搭載される機能やモードの設定画面を表示するものである。なお、ＬＣＤ３１１に代えて、有機ＥＬやプラズマ表示装置を用いるようにしても良い。

設定ボタン群３１２は、撮像装置１に搭載された各種の機能に対する操作を行うボタンである。この設定ボタン群３１２には、例えばＬＣＤ３１１に表示されるメニュー画面で選択された内容を確定するための選択確定スイッチ、選択取り消しスイッチ、メニュー画面の内容を切り替えるメニュー表示スイッチ、表示オン／オフスイッチ、表示拡大スイッチなどが含まれる。

十字キー３１４は、円周方向に一定間隔で配置された複数の押圧部（図中の三角印の部分）を備える環状の部材を有し、各押圧部に対応して備えられた図示省略の接点（スイッチ）により押圧部の押圧操作が検出されるように構成されている。また、プッシュボタン３１５は、十字キー３１４の中央に配置されている。十字キー３１４及びプッシュボタン３１５は、撮影倍率の変更（ズームレンズのワイド方向やテレ方向への移動）、ＬＣＤ３１１等に再生する記録画像のコマ送り、及び撮影条件（絞り値、シャッタスピード、フラッシュ発光の有無等）の設定等の指示を入力するためのものである。

ＥＶＦ３１６は、例えば画像表示が可能なカラー液晶パネルを備えており、撮像素子１０１(図３)により撮像された画像の表示や記録済みの画像の再生表示等を行う。ここで、ＥＶＦ３１６やＬＣＤ３１１において本撮影(画像記録用の撮影)前に撮像素子１０１で順次に生成される画像信号に基づき動画的態様で被写体を表示するライブビュー(プレビュー)表示が行われることにより、ユーザは、実際に撮像素子１０１にて撮影される被写体を視認することが可能となる。

メインスイッチ３１７は、左右にスライドする２接点のスライドスイッチからなり、左にセットすると撮像装置１の電源がオンされ、右にセットすると電源がオフされる。

フラッシュ部３１８は、ポップアップ式の内蔵フラッシュとして構成されている。一方、外部フラッシュ等をカメラボディ１０に取り付ける場合には、接続端子部３１９を使用して接続する。

アイカップ３２１は、遮光性を有してＥＶＦ３１６への外光の侵入を抑制する「コ」字状の遮光部材である。

露出補正ボタン３２３は、露出値（絞り値やシャッタースピード）を手動で調整するためのボタンであり、ＡＥロックボタン３２４は、露出を固定するためのボタンである。

撮影レンズ２は、被写体からの光（光像）を取り込むレンズ窓として機能するとともに、当該被写体光をカメラボディ１０の内部に配置されている撮像素子１０１に導くための撮影光学系として機能するものである。この撮影レンズ２は、上述のレンズ交換ボタン３０２を押下操作することで、カメラボディ１０から取り外すことが可能となっている。

撮影レンズ２は、光軸ＬＴに沿って直列的に配置された複数のレンズからなるレンズ群２１を備えている(図３)。このレンズ群２１には、焦点の調節を行うためのフォーカスレンズ２１１(図４参照)と、変倍を行うためのズームレンズ２１２(図４参照)とが含まれており、それぞれ光軸ＬＴ方向に駆動されることで、変倍や焦点調節が行われる。また、撮影レンズ２には、その鏡胴の外周適所に該鏡胴の外周面に沿って回転可能な操作環が備えられており、上記のズームレンズ２１２は、マニュアル操作或いはオート操作により、上記操作環の回転方向及び回転量に応じて光軸方向に移動し、その移動先の位置に応じたズーム倍率(撮影倍率)に設定されるようになっている。

撮像素子１０１は、カメラボディ１０に撮影レンズ２が装着された場合の当該撮影レンズ２が備えているレンズ群２１の光軸ＬＴ上において、光軸ＬＴに対して垂直となる方向に配置されている。撮像素子１０１としては、例えばフォトダイオードを有して構成される複数の画素がマトリクス状に２次元配置され、各画素の受光面に、それぞれ分光特性の異なる例えばＲ(赤)、Ｇ(緑)、Ｂ(青)のカラーフィルタが１：２：１の比率で配設されてなるベイヤー配列のＣＭＯＳカラーエリアセンサ(ＣＭＯＳ型の撮像素子)が用いられる。撮像素子(撮像センサ)１０１は、レンズ群２１により結像された被写体の光像をＲ(赤)、Ｇ(緑)、Ｂ(青)各色成分のアナログの電気信号(画像信号)に変換し、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色の画像信号として出力する。この撮像素子１０１の構成については、後で詳述する。

撮像装置１の前方には、シャッタユニット４０が配置されている。このシャッタユニット４０は、上下方向に移動する幕体を備え、光軸ＬＴに沿って撮像素子１０１に導かれる被写体光の光路開口動作及び光路遮断動作を行うメカニカルフォーカルプレーンシャッタとして構成されている。なお、シャッタユニット４０は、撮像素子１０１が完全電子シャッター可能な撮像素子である場合には省略可能である。

＜撮像装置１の電気的構成＞
図４は、撮像装置１全体の電気的な構成を示すブロック図である。ここで、図１〜図３と同一の部材等については、同一の符号を付している。なお、説明の便宜上、撮影レンズ２の電気的構成について先ず説明する。

撮影レンズ２は、上述した撮影光学系を構成するレンズ群２１に加え、レンズ駆動機構２４と、レンズ位置検出部２５と、レンズ制御部２６と、絞り駆動機構２７とを備えている。

レンズ群２１では、フォーカスレンズ２１１及びズームレンズ２１２と、カメラボディ１０に備えられた撮像素子１０１へ入射される光量を調節するための絞り２３とが、鏡胴内において光軸ＬＴ(図３)方向に保持されており、被写体の光像を取り込んで撮像素子１０１に結像させる。焦点調節動作は、レンズ群２１がカメラボディ１０内のＡＦアクチュエータ７１Ｍにより光軸ＬＴ方向に駆動されることで行われる。

レンズ駆動機構２４は、例えばヘリコイド及び該ヘリコイドを回転させる図示省略のギア等で構成され、カプラ７４を介してＡＦアクチュエータ７１Ｍからの駆動力を受けて、フォーカスレンズ２１１等を光軸ＬＴと平行な方向に移動させるものである。なお、フォーカスレンズ２１１の移動方向及び移動量は、それぞれＡＦアクチュエータ７１Ｍの回転方向及び回転数に従う。

レンズ位置検出部２５は、レンズ群２１の移動範囲内において光軸ＬＴ方向に複数個のコードパターンが所定ピッチで形成されたエンコード板と、このエンコード板に摺接しながら鏡胴２２と一体的に移動するエンコーダブラシとを備えており、レンズ群２１の焦点調節時の移動量を検出する。なお、レンズ位置検出部２４で検出されたレンズ位置は、例えばパルス数として出力される。

レンズ制御部２６は、例えば制御プログラムを記憶するＲＯＭや状態情報に関するデータを記憶するフラッシュメモリ等からなるメモリ部２６１が内蔵されたマイクロコンピュータからなっている。また、レンズ制御部２６は、カメラボディ１０のメイン制御部６２との間で通信を行う通信部２６２を備え、この通信部２６２は、例えばレンズ群２１の焦点距離、射出瞳位置、絞り値、合焦距離及び周辺光量状態等の状態情報データをメイン制御部６２に送信する一方、メイン制御部６２から例えばフォーカスレンズ２１１の駆動量のデータを受信する。また撮影時には、撮影レンズ２に関する焦点距離情報、フォーカスレンズ２１１の位置、絞り値等のデータが通信部２６２からメイン制御部６２へ送信される。なお、メモリ部２６１には、上記のレンズ群２１の状態情報データや、撮影レンズ２のＦナンバー(Ｆno)、メイン制御部６２から送信された例えばフォーカスレンズ２１１の駆動量のデータ等が記憶される。

絞り駆動機構２７は、カプラ７５を介して絞り駆動アクチュエータ７３Ｍからの駆動力を受けて、絞り２３の絞り径を変更するものである。

続いて、カメラボディ１０の電気的構成について説明する。カメラボディ１０には、先に説明した撮像素子１０１、シャッタユニット４０等の他に、ＡＦＥ（アナログフロントエンド）５、画像処理部６１、画像メモリ６１４、メイン制御部６２、フラッシュ回路６３、操作部６４、ＶＲＡＭ６５(６５ａ、６５ｂ)、カードＩ／Ｆ６６、メモリカード６７、通信用Ｉ／Ｆ６８、電源回路６９、電池６９Ｂ、フォーカス駆動制御部７１Ａ及びＡＦアクチュエータ７１Ｍ、シャッタ駆動制御部７２Ａ及びシャッタ駆動アクチュエータ７２Ｍ、絞り駆動制御部７３Ａ及び絞り駆動アクチュエータ７３Ｍを備えて構成されている。

撮像素子１０１は、先に説明した通りＣＭＯＳカラーエリアセンサからなり、後述のタイミング制御回路５１により、当該撮像素子１０１の露光動作の開始（及び終了）や、撮像素子１０１が備える各画素の出力選択、画素信号の読出し等の撮像動作が制御される。

ＡＦＥ５は、撮像素子１０１に対して所定の動作を行わせるタイミングパルスを与えると共に、撮像素子１０１から出力される画像信号（ＣＭＯＳエリアセンサの各画素で受光されたアナログ信号群）に所定の信号処理を施し、デジタル信号に変換して画像処理部６１に出力するものである。このＡＦＥ５は、タイミング制御回路５１、信号処理部５２及びＡ／Ｄ変換部５３などを備えて構成されている。

タイミング制御回路５１は、メイン制御部６２から出力される基準クロックに基づいて所定のタイミングパルス（垂直走査パルスφＶｎ、水平走査パルスφＶｍ、リセット信号φＶｒ等を発生させるパルス）を生成して撮像素子１０１に出力し、撮像素子１０１の撮像動作を制御する。また、所定のタイミングパルスを信号処理部５２やＡ／Ｄ変換部５３にそれぞれ出力することにより、信号処理部５２及びＡ／Ｄ変換部５３の動作を制御する。

信号処理部５２は、撮像素子１０１から出力されるアナログの画像信号に所定のアナログ信号処理を施すものである。この信号処理部５２には、ＣＤＳ(相関二重サンプリング)回路、撮像素子１０１から出力される電荷信号を増幅するＡＧＣ(オートゲインコントロール)回路及びクランプ回路等が備えられている。

信号処理部５２のＡＧＣ回路では、後述する分割Ｇ画素１１ｇｒからの電荷信号がゲイン(増幅率)αで増幅されるとともに、後述の非分割画素(Ｇ画素１１ｇｂ、Ｒ画素１１ｒおよびＢ画素１１ｂ)からの電荷信号が、上記のゲインαと異なるゲインβで増幅されることとなる。これは、撮影レンズ２の射出瞳の一部を通過した光束を受光する分割Ｇ画素においては、非分割画素に比べて感度が低下するため、非分割画素より高ゲインで増幅して適正な出力レベルを確保する必要があるためである。

Ａ／Ｄ変換部５３は、信号処理部５２から出力されたアナログのＲ、Ｇ、Ｂの画像信号を、上記タイミング制御回路５１から出力されるタイミングパルスに基づいて、複数のビット(例えば１２ビット)からなるデジタルの画像信号に変換するものである。

画像処理部６１は、ＡＦＥ５から出力される画像データに所定の信号処理を行って画像ファイルを作成するもので、黒レベル補正回路６１１、ホワイトバランス制御回路６１２及びガンマ補正回路６１３等を備えて構成されている。なお、画像処理部６１へ取り込まれた画像データは、撮像素子１０１の読み出しに同期して画像メモリ６１４に一旦書き込まれ、以後この画像メモリ６１４に書き込まれた画像データにアクセスして、画像処理部６１の各ブロックにおいて処理が行われる。

黒レベル補正回路６１１は、Ａ／Ｄ変換部５３によりＡ／Ｄ変換されたＲ、Ｇ、Ｂの各デジタル画像信号の黒レベルを、基準の黒レベルに補正するものである。

ホワイトバランス補正回路６１２は、光源に応じた白の基準に基づいて、Ｒ(赤)、Ｇ(緑)、Ｂ(青)の各色成分のデジタル信号のレベル変換（ホワイトバランス(ＷＢ)調整）を行うものである。すなわちホワイトバランス制御回路６１２は、メイン制御部６２から与えられるＷＢ調整データに基づき、撮影被写体において輝度や彩度データ等から本来白色であると推定される部分を特定し、その部分のＲ、Ｇ、Ｂそれぞれを色成分の平均と、Ｇ／Ｒ比及びＧ／Ｂ比とを求め、これをＲ、Ｂの補正ゲインとしてレベル補正する。

ガンマ補正回路６１３は、ＷＢ調整された画像データの階調特性を補正するものである。具体的にはガンマ補正回路６１３は、画像データのレベルを色成分毎に予め設定されたガンマ補正用テーブルを用いて非線形変換するとともにオフセット調整を行う。

画像メモリ６１４は、撮影モード時には、画像処理部６１から出力される画像データを一時的に記憶するとともに、この画像データに対しメイン制御部６２により所定の処理を行うための作業領域として用いられるメモリである。また、再生モード時には、メモリカード６７から読み出した画像データを一時的に記憶する。

メイン制御部６２は、例えば制御プログラムを記憶するＲＯＭや一時的にデータを記憶するフラッシュメモリ等の記憶部が内蔵されたマイクロコンピュータからなり、撮像装置１各部の動作を制御するものである。

フラッシュ回路６３は、フラッシュ撮影モードにおいて、フラッシュ部３１８または接続端子部３１９に接続される外部フラッシュの発光量を、メイン制御部６２により設定された発光量に制御するものである。

操作部６４は、上述のモード設定ダイアル３０５、制御値設定ダイアル３０６、シャッターボタン３０７、設定ボタン群３１２、十字キー３１４、プッシュボタン３１５、メインスイッチ３１７等を含み、操作情報をメイン制御部６２に入力するためのものである。

ＶＲＡＭ６５ａ、６５ｂは、ＬＣＤ３１１およびＥＶＦ３１６の画素数に対応した画像信号の記憶容量を有し、メイン制御部６２とＬＣＤ３１１およびＥＶＦ３１６との間のバッファメモリである。カードＩ／Ｆ６６は、メモリカード６７とメイン制御部６２との間で信号の送受信を可能とするためのインターフェースである。メモリカード６７は、メイン制御部６２で生成された画像データを保存する記録媒体である。通信用Ｉ／Ｆ６８は、パーソナルコンピュータやその他の外部機器に対する画像データ等の伝送を可能とするためのインターフェースである。

電源回路６９は、例えば定電圧回路等からなり、メイン制御部６２等の制御部、撮像素子１０１、その他の各種駆動部等、撮像装置１全体を駆動させるための電圧（例えば５Ｖ）を生成する。なお、撮像素子１０１への通電制御は、メイン制御部６２から電源回路６９に与えられる制御信号により行われる。電池６９Ｂは、アルカリ乾電池等の一次電池や、ニッケル水素充電池等の二次電池からなり、撮像装置１全体に電力を供給する電源である。

フォーカス駆動制御部７１Ａは、メイン制御部６２から与えられるＡＦ制御信号に基づき、フォーカスレンズ２１１を合焦位置に移動させるために必要な、ＡＦアクチュエータ７１Ｍに対する駆動制御信号を生成するものである。ＡＦアクチュエータ７１Ｍは、ステッピングモータ等からなり、カプラ７４を介して撮影レンズ２のレンズ駆動機構２４にレンズ駆動力を与える。

シャッタ駆動制御部７２Ａは、メイン制御部６２から与えられる制御信号に基づき、シャッタ駆動アクチュエータ７２Ｍに対する駆動制御信号を生成するものである。シャッタ駆動アクチュエータ７２Ｍは、シャッタユニット４０の開閉駆動を行うアクチュエータである。

絞り駆動制御部７３Ａは、メイン制御部６２から与えられる制御信号に基づき、絞り駆動アクチュエータ７３Ｍに対する駆動制御信号を生成するものである。絞り駆動アクチュエータ７３Ｍは、カプラ７５を介して絞り駆動機構２７に駆動力を与える。

また、カメラボディ１０は、黒レベル補正回路６１１から出力される黒レベル補正済みの画像データに基づき、オートフォーカス(ＡＦ)制御時に必要な演算を行う位相差ＡＦ演算回路７６およびコントラストＡＦ演算回路７７を備えている。

これらの位相差ＡＦ演算回路７６およびコントラストＡＦ演算回路７７を利用した撮像装置１のＡＦ動作について、詳しく説明する。

＜撮像装置１のＡＦ動作について＞
撮像装置１では、撮像素子１０１において射出瞳の異なった部分を透過(通過)した透過光を受光することにより焦点検出を行う位相差検出方式のＡＦ(位相差ＡＦ)が可能な構成となっている。この撮像素子１０１の構成と、この撮像素子１０１を利用した位相差ＡＦの原理とを、以下で説明する。

図５は、撮像素子１０１の構成を説明するための図である。

撮像素子１０１は、フォトダイオード上にＲ(赤)、Ｇ(緑)およびＢ(青)の各カラーフィルタが設けられたＲ画素１１ｒ、Ｇ画素１１ｇおよびＢ画素１１ｂを有するとともに、各画素１１(１１ｒ、１１ｇ、１１ｂ)には、１つのマイクロレンズＭＬが配設されている。なお、図５では、図示の便宜上、隣接するマイクロレンズＭＬが重なる部分を有しているように図示しているが、実際の撮像素子では、マイクロレンズＭＬが重ならずに配置される。

Ｇ画素１１ｇは、ＧｒラインＬ１の方向(水平方向)に沿って配置された複数のＧ画素１１ｇｒと、ＧｂラインＬ２に沿って配置された複数のＧ画素１１ｇｂとからなっているが、このうちＧｒラインＬ１のＧ画素１１ｇｒでは、ＧｒラインＬ１の方向に画素内が４つに分割されている。すなわち、Ｇ画素１１ｇｒにおいては、図６に示すようにＧｒラインＬ１の方向に沿って４つの光電変換部１１１〜１１４が配列されており、各光電変換部１１１〜１１４では、独立したフォトダイオードを有して光電変換により蓄積された電荷の読出しが可能となっている。そして、外側の各光電変換部１１１、１１４は、内側の各光電変換部１１２、１１３に対して２倍の受光面積を有している。なお、撮像素子１０１の電荷読出しでは、画素内が分割されたＧ画素１１ｇｒと、その他の分割されていない画素（Ｇ画素１１ｇｂ、Ｒ画素１１ｒおよびＢ画素１１ｂ）とで読み出し方法を異ならせて同時に電荷読出しを行えるようになっている。また、以下では、画素内が分割されたＧ画素１１ｇｒを「分割Ｇ画素」(単に「分割画素」ともいう)と呼び、画素内が分割されていないＧ画素１１ｇｂを「非分割Ｇ画素」(単に「非分割画素」ともいう)と呼ぶこととする。

次に、上記の分割Ｇ画素１１ｇｒを有する撮像素子１０１を利用した位相差ＡＦの原理を、詳しく説明する。

図７および図８は、撮像素子１０１を利用した位相差ＡＦの原理を説明するための図である。ここで、図７は、撮影レンズ(撮影光学系)２に関する実絞り値がＦ２.０に相当する場合の射出瞳Ｅｐおよび射出瞳Ｅｐを部分的に通過する光束Ｔａ、Ｔｂを示しており、図８は、撮影レンズ２に関する実絞り値がＦ５.６に相当する場合の射出瞳Ｅｑおよび射出瞳Ｅｑを部分的に通過する光束Ｔｃ、Ｔｄを示している。

実絞り値がＦ２.０の場合、分割Ｇ画素１１ｇｒでは、図７に示すように射出瞳Ｅｐの右側部分を通過した光束Ｔａが緑色のカラーフィルタ１２を透過して左端の光電変換部１１１に結像するとともに、射出瞳Ｅｐの左側部分を通過した光束Ｔｂが緑色のカラーフィルタ１２を透過して右端の光電変換部１１４に結像する。すなわち、非分割Ｇ画素１１ｇｂ、Ｒ画素１１ｒおよびＢ画素１１ｂからなる複数の非分割画素においては、撮影レンズ２の射出瞳Ｅｐにおける全体領域を通過した被写体光束を受光するのに対して、複数の分割Ｇ画素１１ｇｒにおいては、撮影レンズ２の射出瞳Ｅｐにおける一対の部分領域を通過した被写体光束Ｔａ、Ｔｂを受光することとなる。以下では、光電変換部１１１から得られる受光データを「Ａ系列のデータ」と呼び、光電変換部１１４から得られる受光データを「Ｂ系列のデータ」と呼ぶこととし、例えば、ある１つのＧｒラインＬ１(図５)に配置された複数の分割Ｇ画素１１ｇｒから得られるＡ系列のデータとＢ系列のデータとを表した図９〜図１３を参照して実絞り値がＦ２.０の場合における位相差ＡＦの原理を説明する。

図９は、焦点面が撮像素子１０１の撮像面から２００μｍ近側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図であり、図１０は、焦点面が撮像面から１００μｍ近側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図である。また、図１１は、焦点面が撮像面に一致している合焦状態のシミュレーション結果を示す図である。さらに、図１２は、焦点面が撮像面から１００μｍ遠側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図であり、図１３は、焦点面が撮像面から２００μｍ遠側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図である。ここで、図９〜図１３においては、横軸がＧｒラインＬ１方向に関する分割Ｇ画素１１ｇｒの位置を示し、縦軸が各光電変換部１１１、１１４からの出力を示している。また、図９〜図１３では、グラフＧａ１〜Ｇａ５(実線で図示)がＡ系列のデータを表し、グラフＧｂ１〜Ｇｂ５(破線で図示)がＢ系列のデータを表している。

図９〜図１３においてＡ系列のグラフＧａ１〜Ｇａ５で示される各Ａ系列の像列とＢ系列のグラフＧｂ１〜Ｇｂ５で示される各Ｂ系列の像列とを比較すると、デフォーカス量が大きいほど、Ａ系列の像列とＢ系列の像列との間に生じるＧｒラインＬ１方向のシフト量(ずれ量)が増大していることが分かる。

このような一対の像列(Ａ系列およびＢ系列の像列)におけるシフト量と、デフォーカス量との関係をグラフ化すると、図１４に示すグラフＧｃのように表される。この図１４においては、横軸がデフォーカス量(ｍｍ)を示し、縦軸がＡ系列の像列の重心位置に対するＢ系列の像列の重心位置の差(画素数)を示している。なお、各像列の重心位置Ｘ_gは、例えば次のような演算式(１)により求められる。

ただし、上式(１)において、Ｘ₁〜Ｘ_nは、例えばＧｒラインＬ１における左端からの画素位置を表し、Ｙ₁〜Ｙ_nは、各位置Ｘ₁〜Ｘ_nの画素からの出力値を表している。

図１４に示すグラフＧｃのようにデフォーカス量と一対の像列における重心位置の差との関係は、比例関係となっている。この関係について、デフォーカス量をＤＦ(μｍ)とし重心位置の差をＣ(μｍ)として数式で表現すると、次の式(２)のようになる。

ここで、上式(２)の係数ｋ１は、図１４のグラフＧｃに関する傾きＧｋ(破線で図示)を表しており、工場試験等によって事前に取得できるものである。

一方、実絞り値がＦ５.６の場合、分割Ｇ画素１１ｇｒでは、図８に示すようにＦ２.０の射出瞳Ｅｐ(図７)より小さい射出瞳Ｅｑの右側部分を通過した光束Ｔｃが緑色のカラーフィルタ１２を透過して分割Ｇ画素１１ｇｒの左から２番目の光電変換部１１２に結像するとともに、射出瞳Ｅｐの左側部分を通過した光束Ｔｄが緑色のカラーフィルタ１２を透過して分割Ｇ画素１１ｇｒの左から３番目(右から２番目)の光電変換部１１３に結像することとなる。以下では、上述した光電変換部１１１、１１４と同様に、光電変換部１１２から得られる受光データを「Ａ系列のデータ」と呼び、光電変換部１１３から得られる受光データを「Ｂ系列のデータ」と呼ぶこととし、例えば、ある１つのＧｒラインＬ１(図５)に配置された複数の分割Ｇ画素１１ｇｒから得られるＡ系列のデータとＢ系列のデータとを表した図１５〜図１９を参照して実絞り値がＦ５.６の場合における位相差ＡＦの原理を説明する。

図１５は、焦点面が撮像素子１０１の撮像面から２００μｍ近側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図であり、図１６は、焦点面が撮像面から１００μｍ近側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図である。また、図１７は、焦点面が撮像面に一致している合焦状態のシミュレーション結果を示す図である。さらに、図１８は、焦点面が撮像面から１００μｍ遠側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図であり、図１９は、焦点面が撮像面から２００μｍ遠側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図である。ここで、図１５〜図１９においては、横軸がＧｒラインＬ１方向に関する分割Ｇ画素１１ｇｒの位置を示し、縦軸が各光電変換部１１２、１１３からの出力を示している。また、図１５〜図１９では、グラフＨａ１〜Ｈａ５(実線で図示)がＡ系列のデータを表し、グラフＨｂ１〜Ｈｂ５(破線で図示)がＢ系列のデータを表している。

図１５〜図１９においてＡ系列のグラフＨａ１〜Ｈａ５で示される各Ａ系列の像列とＢ系列のグラフＨｂ１〜Ｈｂ５で示される各Ｂ系列の像列とを比較すると、デフォーカス量が大きいほど、Ａ系列の像列とＢ系列の像列との間に生じるＧｒラインＬ１方向のシフト量(ずれ量)が増大していることが分かる。

このような一対の像列(Ａ系列およびＢ系列の像列)におけるシフト量と、デフォーカス量との関係をグラフ化すると、図２０に示すグラフＨｃのように表される。この図２０においては、横軸がデフォーカス量(ｍｍ)を示し、縦軸がＡ系列の像列の重心位置に対するＢ系列の像列の重心位置の差(画素数)を示している。なお、各像列の重心位置Ｘ_gは、例えば上述した演算式(１)によって求められる。

図２０に示すグラフＨｃのようにデフォーカス量と一対の像列における重心位置の差との関係は、比例関係となっている。この関係について、デフォーカス量をＤＦ(μｍ)とし重心位置の差をＣ(μｍ)として数式で表現すると、次の式(３)のようになる。

ここで、上式(３)の係数ｋ２は、図２０のグラフＨｃに関する傾きＨｋ(破線で図示)を表しており、工場試験等によって事前に取得できるものである。

以上より、実絞り値がＦ２.０の場合には外側の光電変換部１１１、１１４から、実絞り値がＦ５.６の場合には内側の光電変換部１１２、１１３から得られるＡ系列のデータとＢ系列のデータとに関する重心位置の差(位相差)を位相差ＡＦ演算回路７６で求めた後に、上式(２)や上式(３)を利用してデフォーカス量を算出し、算出されたデフォーカス量に相当する駆動量をフォーカスレンズ２１１に与えることで、検出された焦点位置(検出焦点位置)にフォーカスレンズ２１１を迅速に移動させるオートフォーカス(ＡＦ)制御が可能となる。すなわち、撮像装置１では、図７(図８)に示す射出瞳Ｅｐ(Ｅｑ)における一対の部分領域を通過した被写体光束Ｔａ、Ｔｂ(Ｔｃ、Ｔｄ)を受光する各分割Ｇ画素（特定の画素）１１ｇｒの光電変換部１１１、１１４(１１２、１１３)からの各電荷信号に基づき一対の像列を生成し、この一対の像列に関するＧｒラインＬ１の方向に沿ったずれ量(シフト量)を検出することにより、位相差ＡＦが行われることとなる。なお、上記のデフォーカス量とフォーカスレンズ２１１の駆動量との関係は、カメラボディ１０に装着されている撮影レンズ２の設計値より一意に定まるものである。

また、図１４のグラフＧｃと図２０のグラフＨｃとを比較すると、グラフＧｃの傾きＧｋはグラフＨｃの傾きＨｋより大きいため、グラフＧｃの方がデフォーカス量に対する一対の像列のシフト量(重心位置の差)の変化量が大きくなる。すなわち、実絞り値がＦ５.６の場合よりＦ２.０の場合の方が、位相差ＡＦのＡＦ精度を高められることとなる。

よって、本実施形態の撮像装置１では、撮影レンズ２において実絞りがＦ２.０以下となる場合には、図７に示す射出瞳Ｅｐを通過する各光束Ｔａ、Ｔｂを受光して高精度な焦点検出を行うために位相差ＡＦにおいて外側の各光電変換部１１１、１１４を使用するとともに、実絞りがＦ２.０より大きくなる場合には、図８に示す射出瞳Ｅｑを通過する各光束Ｔｃ、Ｔｄを受光するために位相差ＡＦにおいて内側の各光電変換部１１２、１１３を使用することとする。この光電変換部の使い分けについて、図２１を参照して具体的に説明する。

図２１(ａ)に示すように、撮影レンズ２の実絞り値がＦ１.４、Ｆ２.８、Ｆ５.６と増加するに従って射出瞳は破線で示す円Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３のように順に小さくなっていく。一方、図２１(ｂ)に示すように、実絞り値がＦ２.０の場合において点光源から発せられた一対の光束Ｌａ１、Ｌａ２は、射出瞳面Ｅｆを通過して分割Ｇ画素１１ｇｒの外側の各光電変換部１１１、１１４に結像するとともに、実絞り値がＦ５.６の場合において点光源から発せられた一対の光束Ｌｂ１、Ｌｂ２は、射出瞳面Ｅｆを通過して分割Ｇ画素１１ｇｒの内側の各光電変換部１１２、１１３に結像する。すなわち、４つの光電変換部１１１〜１１４それぞれでは、撮影レンズ(撮影光学系)２の射出瞳面Ｅｆにおいて異なる箇所（部分領域）を通過した被写体光束を受光する。そこで、撮像装置１においては、図２１(ａ)のように実絞り値の増加に伴って小さくなる射出瞳の性質を考慮し、射出瞳面Ｅｆ上で実絞り値に対応した被写体光束が通過する領域に内包される箇所(部分領域)のうち、最も外側の箇所を通過した被写体光束を受光する光電変換部が選択されるように、実絞り値Ｆ２.０を閾値として分割Ｇ画素１１ｇｒにおける外側の光電変換部１１１、１１４と内側の光電変換部１１２、１１３とを位相差ＡＦにおいて使い分けることとする。

さて、一般にデジタルカメラの被写界深度を考慮すると、位相差ＡＦより合焦精度が高いコントラスト検出方式の焦点検出(コントラストＡＦ)で最終的な合焦を行うのが好ましい。そこで、本実施形態の撮像装置１においても、精度の高い合焦を図るためにコントラストＡＦを採用するが、このコントラスＡＦの原理について、以下で説明する。

撮像装置１におけるコントラストＡＦでは、撮影範囲の一部(例えば中央部分)に設定されるＡＦエリア内において非分割Ｇ画素１１ｇｂの画素群を読み出し、ＡＦ評価値が算出される。このＡＦ評価値については、例えばＡＦエリア内における非分割Ｇ画素１１ｇｂの隣接差分の絶対値の総和として算出される。

ここで、このＡＦ評価値を、フォーカスレンズ２１１を一定方向に移動させつつ順次に算出すれば、図２２のようにＡＦ評価値が単調に増加してからピークＱｋを境に単調に減少するようなファーカスレンズ２１１の各位置とＡＦ評価値との関係が得られることとなる。なお、フォーカスレンズ２１１は、ピントの山、つまりＡＦ評価値のピークＱｋを超えるまで移動するようにする。

そして、図２２に示すようにピークＱｋ近傍のＡＦ評価値Ｄ_n-1、Ｄ_n、Ｄ_n+1と、そのフォーカスレンズ２１１の位置Ｐ_n-1、Ｐ_n、Ｐ_n+1とが取得されると、次の式(４)に示す２次補間近似式を用いて、フォーカスレンズ２１１の合焦位置Ｐ_fが算出できることとなる。

以上で説明したコントラストＡＦでは、ＡＦ評価値をコントラストＡＦ演算回路７７で求めて、フォーカス駆動制御部７１Ａによりフォーカスレンズ２１１を上記の式(４)で求めた合焦位置に移動させることで、合焦精度が高いオートフォーカス制御が可能となる。

本実施形態の撮像装置１では、撮影レンズ２の実絞り値に応じた光電変換部の選択が可能な分割Ｇ画素１１ｇｒを用いた位相差ＡＦと非分割Ｇ画素１１ｇｂを用いたコントラストＡＦとを併用したハイブリッドＡＦを行うようになっているが、このハイブリッドＡＦに関する撮像装置１の具体的な動作を以下で説明する。

なお、上記説明では、一般的なコントラスト方式による山登りＡＦについて述べたが、本実施形態では以下に説明するハイブリッドＡＦによりピークＱｋを超えない場合でも合焦位置に移動させることができる。

＜撮像装置１の動作＞
図２３は、撮像装置１の基本的な動作を示すフローチャートである。本動作は、メイン制御部６２によって実行される。

まず、メインスイッチ３１７で撮像装置１の電源をオンにし、撮像素子１０１を起動する(ステップＳＴ１)。

ステップＳＴ２では、カメラボディ１０のマウント部３０１に装着されている撮影レンズ２のＦnoをメイン制御部６２で取得する。ここでは、撮影レンズ２におけるレンズ制御部２６のメモリ部２６１に記憶されているＦnoの情報が、メイン制御部６２に取り込まれることとなる。

ステップＳＴ３では、撮像素子１０１からの出力に基づき自動露出制御(ＡＥ)を行う。このＡＥ動作により、撮像素子１０１の電子シャッタースピード(露光時間)や、撮影レンズ２の絞り２３、信号処理部５２のＡＧＣ回路のゲインが変更されることとなる。

ステップＳＴ４では、現在の実絞り値(Ｆno)を取得する。すなわち、ステップＳＴ３で設定された絞り２３の開度と、(現在の)撮影レンズ２の焦点距離とに基づき、実絞り値(Ｆno)が取得される。

ステップＳＴ５では、シャッターボタン３０７がユーザによって半押し(Ｓ１)されたかを判定する。ここで、半押しされた場合には、ステップＳＴ６に進むとともに、半押しされていない場合には、ステップＳＴ３に戻る。

ステップＳＴ６では、撮像素子１０１におけるＡＦエリア内の非分割Ｇ画素１１ｇｂからの出力に基づき、コントラストＡＦ演算回路７７でＡＦ評価値を算出して取得する。ここでは、撮像素子１０１のおける画素読出しの周期(フレームレート)を２４０ｆｐｓに設定して、ＡＦ評価値の算出が行われる。

ステップＳＴ７では、フォーカスレンズ２１１の位置を、撮影レンズ２のレンズ位置検出部２５から出力されるパルス数に基づき検出する。ここでは、上記ステップＳＴ６のＡＦ評価値の算出に用いる非分割Ｇ画素１１ｇｂの露光中心時間(露光時間の中間時点)にフォーカスレンズ２１１の位置検出を行うのが好ましい。

ステップＳＴ８では、現在の実絞り値(Ｆno)を取得する。具体的には、ステップＳＴ４で取得された実絞り値に、ステップＳＴ７で検出したフォーカスレンズ２１１の位置を考慮した現在の実絞り値を取得する。これは、後述のステップＳＴ１０やステップＳＴ１１で行う位相差ＡＦによってフォーカスレンズ２１１の位置が変更されるので、その最新の位置を反映した正確な実絞り値を求めるためである。

すなわち、ステップＳＴ８においては、撮影レンズ(撮影光学系)２に関する焦点距離およびフォーカスレンズ２１１の位置と絞り２３の開度とに基づき、実絞り値が取得されることとなる。

ステップＳＴ９では、ステップＳＴ８で取得した実絞り値(Ｆno)が２.０より大きいかを判定する。ここで、Ｆnoが２.０より大きい場合には、ステップＳＴ１０に進むとともに、Ｆnoが２.０以下である場合には、ステップＳＴ１１に進む。

ステップＳＴ１０では、分割Ｇ画素１１ｇｒにおける内側の各光電変換部１１２、１１３からの出力信号を用いて位相差ＡＦを行う。具体的には、分割Ｇ画素１１ｇｒの光電変換部１１２および光電変換部１１３から得られるＡ系列のデータとＢ系列のデータとに関する重心位置の差を位相差ＡＦ演算回路７６で求め、この重心位置の差がなくなるように上記の式(３)を利用してフォーカスレンズ２１１を駆動する。

ステップＳＴ１１では、分割Ｇ画素１１ｇｒにおける外側の各光電変換部１１１、１１４からの出力信号を用いて位相差ＡＦを行う。具体的には、分割Ｇ画素１１ｇｒの光電変換部１１１および光電変換部１１４から得られるＡ系列のデータとＢ系列のデータとに関する重心位置の差を位相差ＡＦ演算回路７６で求め、この重心位置の差がなくなるように上記の式(２)を利用してフォーカスレンズ２１１を駆動する。

以上のステップＳＴ９〜ＳＴ１１の動作により、実絞り値に応じて４以上の光電変換部１１１〜１１４から、位相差ＡＦに用いる一対の像列(Ａ系列およびＢ系列の像列)に係る各電荷信号を生成する光電変換部がそれぞれ選択されるとともに、実絞り値が大きくなるほど４つの光電変換部１１１〜１１４において内側の光電変換部が選択されることとなる。

ステップＳＴ１２では、位相差ＡＦによる焦点調整が完了したかを判定する。ここで、位相差ＡＦによる焦点調整が完了した場合には、ステップＳＴ１３に進むとともに、完了していない場合には、ステップＳＴ６に戻る。

以上のステップＳＴ６〜ＳＴ１２を位相差ＡＦによる焦点調整が完了するまで繰り返すことにより、位相差ＡＦによってフォーカスレンズ２１１を駆動する際に、フォーカスレンズ２１１の各位置についてのＡＦ評価値(焦点検出情報)が焦点検出の履歴情報として取得されることとなる。なお、このＡＦ評価値の履歴情報は、例えばメイン制御部６２のメモリに格納される。

ステップＳＴ１３では、位相差ＡＦ中に算出されたＡＦ評価値の履歴情報のうち最後に算出された最終のＡＦ評価値Ｄ_mと、最終のＡＦ評価値Ｄ_mの１つ前(最終前)のＡＦ評価値Ｄ_m-1とを取得する。

ステップＳＴ１４では、最終前のＡＦ評価値Ｄ_m-1に対する最終のＡＦ評価値Ｄ_mの比率が、０.９９以上で１.０１以下となるかを判定する。これは、最終前のＡＦ評価値Ｄ_m-1に対する最終のＡＦ評価値Ｄ_mの比率が１００％±１％以内となる場合には、傾きがなだらかなＡＦ評価値のピークＱｋ(図２２)近傍にフォーカスレンズ２１１が駆動されているため、このフォーカスレンズ２１１の位置を合焦位置とみなして合焦位置を特定するようにするためである。

このステップＳＴ１４において、０.９９≦Ｄ_m/Ｄ_m-1≦１.０１の場合、つまり上記のＡＦ評価値の履歴情報(最終前のＡＦ評価値Ｄ_m-1および最終のＡＦ評価値Ｄ_m)に基づきフォーカスレンズ２１１の合焦位置が特定される場合には、本フローチャートを抜け、そうでない場合には、ステップＳＴ１５に進む。

ステップＳＴ１５では、最終前のＡＦ評価値Ｄ_m-1に対する最終のＡＦ評価値Ｄ_mの比率が１より大きいかを判定する。ここで、Ｄ_m/Ｄ_m-1＞１の場合には、ＡＦ評価値が単調に増加している状態と判断してステップＳＴ１６に進み、Ｄ_m/Ｄ_m-1≦１の場合には、ＡＦ評価値が単調に減少している状態と判断してステップＳＴ２１に進む。

ステップＳＴ１６では、ステップＳＴ６と同様に、撮像素子１０１におけるＡＦエリア内の非分割Ｇ画素１１ｇｂからの出力に基づきＡＦ評価値Ｄ１を取得する。なお、位相差ＡＦによる焦点調整の完了直後においては、ＡＦ評価値Ｄ１として上記最終のＡＦ評価値Ｄ_mがＡＦ評価値の履歴情報から取得される。

ステップＳＴ１７では、フォーカスレンズ２１１について、位相差ＡＦによる駆動方向と同方向に焦点深度(被写界深度)に相当する１Ｆδ分の追い駆動を行う。ここで、Ｆは撮影レンズ(撮影光学系)２に関する実絞りを表すＦナンバーであり、δは撮像素子１０１の画素ピッチの２倍(例えば６μｍの画素ピッチではδ＝１２μｍ)である。

ステップＳＴ１８では、ステップＳＴ６と同様に、撮像素子１０１におけるＡＦエリア内の非分割Ｇ画素１１ｇｂからの出力に基づきＡＦ評価値Ｄ２を取得する。

ステップＳＴ１９では、ステップＳＴ１６で取得したＡＦ評価値Ｄ１に対する、ステップＳＴ１８で取得したＡＦ評価値Ｄ２の比率が、０.９９以上で１.０１以下であるかを判定する。これは、ＡＦ評価値がピークＱｋ(図２２)を超えず単調に増加している状態において、例えば図２４に示すようにフォーカスレンズ２１１の駆動量Ｗの追い駆動を行うことによりＡＦ評価値Ｄ２が得られたとすると、ＡＦ評価値Ｄ２に対するＡＦ評価値Ｄ１の比率が１００％±１％以内となる場合、換言すればＡＦ評価値Ｄ２とＡＦ評価値Ｄ１との差ＥｆがＡＦ評価値Ｄ１の１％以下となる場合には、ＡＦ評価値のピークＱｋ(図２２)付近の緩い傾斜部分にフォーカスレンズ２１１が駆動されているので、この追い駆動されたフォーカスレンズ２１１の位置を合焦位置とみなして合焦位置を特定するようにするためである。

このステップＳＴ１９において、０.９９≦Ｄ１/Ｄ２≦１.０１の場合には、本フローチャートを抜け、そうでない場合には、未だにＡＦ評価値のピークＱｋ(図２２)付近にフォーカスレンズ２１１が到達していないと判断してステップＳＴ２０に進む。

ステップＳＴ２０では、ステップＳＴ１７で行われるフォーカスレンズ２１１の追い駆動がｎ(例えばｎ＝３)回実施されたかを判定する。これは、フォーカスレンズ２１１の追い駆動が幾度も実施される場合には合焦が困難と見なして、ＡＦ動作を打ち切るためである。ここで、追い駆動がｎ回実施された場合には、本フローチャートを抜け、ｎ回未満の場合には、ステップＳＴ１６に戻る。

ステップＳＴ２１では、ＡＦ評価値のピーク位置までフォーカスレンズ２１１の戻り駆動を行う。すなわち、ステップＳＴ１５において最終前のＡＦ評価値Ｄ_m-1に対する最終のＡＦ評価値Ｄ_mの比率が１以下と判定される場合には、現在のフォーカスレンズ２１１の位置はＡＦ評価値のピーク位置を超えているものと判断し、上述した式(４)を利用してフォーカスレンズ２１１の合焦位置を特定する。そして、位相差ＡＦによってＡＦ評価値のピーク位置(合焦位置)を通過したフォーカスレンズ２１１を、特定された合焦位置に戻らせるように駆動する。

以上の撮像装置１の動作により、撮影レンズ(撮影光学系)２の実絞り値に応じて分割Ｇ画素１１ｇｒの４つの光電変換部１１１〜１１４から２つの光電変換部（内側または外側の光電変換部）を選択するため、位相差ＡＦにおける焦点検出精度を向上できる。すなわち、比較的小さい実絞り値の場合において従来と比べて高精度な位相差ＡＦを行えることとなる。

また、撮像装置１においては、撮影レンズ(撮影光学系)２に関する焦点距離およびフォーカスレンズ２１１の位置と、絞りの開度とに基づき、実絞り値を算出して取得するため、正確な実絞り値を取得できる。

また、撮像装置１においては、撮影レンズ(撮影光学系)２に係る実絞り値が大きくなるほど、４つの光電変換部１１１〜１１４において内側の各光電変換部１１２、１１３を選択するため、適切な光電変換部を選択できることとなる。

また、撮像装置１においては、図２１を用いて説明したように射出瞳面Ｅｆ上で実絞り値に対応した被写体光束が通過する領域に内包される箇所のうち、最も外側の箇所を通過した被写体光束を受光する光電変換部を、分割Ｇ画素の４つの光電変換部１１１〜１１４から選択するため、最適な光電変換部を選択できる。

＜変形例＞
・上記の実施形態においては、画素内が４分割された分割画素(分割Ｇ画素)を用いて位相差ＡＦを行うのは必須でなく、図１７に示すように６分割された分割画素を用いて位相差ＡＦを行うようにしても良い。

図１７は、本発明の変形例に係る分割画素１１ｇｓの構成を説明するための図である。

分割画素１１ｇｓは、撮像素子のＧｒライン(図５のＧｒラインＬ１参照)の方向に沿って６つの光電変換部１３１〜１３６が配列されており、各光電変換部１３１〜１３６では、独立したフォトダイオードを有して光電変換により蓄積された電荷の読出しが可能となっている。ここで、各光電変換部１３１〜１３６は、同一の受光面積を有している。

以上のような分割画素１１ｇｓでは、上述した分割画素(分割Ｇ画素)１１ｇｒと同様に、撮影レンズ２に関する実絞り値に応じて６つの光電変換部１３１〜１３６から２つの光電変換部を選択するようにする。具体的には、実絞りのＦnoが２.０以下の場合には、最も外側の各光電変換部１３１、１３６を選択するとともに、実絞りのＦnoが３.０より大きい場合には、最も内側の各光電変換部１３３、１３４を選択する。一方、実絞りのＦnoが２.０より大きく３.０以下の場合には、外側および内側の光電変換部に挟まれる各光電変換部１３２、１３５を選択する。なお、左側の光電変換部１３１〜１３３からの電荷信号によりＡ系列のデータが生成され、右側の光電変換部１３４〜１３６からの電荷信号によりＢ系列のデータが生成されることとなる。

このように実絞り値に応じて分割画素１１ｇｓにおける６つの光電変換部１３１〜１３６から２つの光電変換部を選択することにより、分割画素１１ｇｒと同様に、高精度な位相差ＡＦを行えることとなる。さらに、分割画素１１ｇｓでは、光電変換部１３１〜１３６の選択において３通りの選択を行えるため、上述した分割画素１１ｇｒより高精度な焦点検出が可能となる。

なお、画素分割については、画素内を４分割や６分割するのは必須でなく、４以上の分割がなされたものであれば良い。また、Ｇ画素を分割するのは必須でなく、Ｒ画素やＢ画素を分割しても良い。

・上記の実施形態における撮像装置については、撮影レンズ２がカメラボディ１０に着脱自在であるのは必須でなく、撮影レンズ２がカメラボディ１０に固定されているものでも良い。

・上記の実施形態におけるＡＦ評価値については、分割されていないＧ画素１１ｇｂにおいて隣接差分の絶対値総和を算出するのは必須でなく、隣接差分の２乗の絶対値総和を算出するようにしても良い。

・上記の実施形態における撮像装置の動作については、図２３のステップＳＴ１１におて最終前のＡＦ評価値Ｄ_m-1に対する最終のＡＦ評価値Ｄ_mの比率が１００％±１％以内であるかを判定するのは必須でなく、例えば１００％±３％以内であるか否かを判定するようにしても良い。

・上記の実施形態における撮像装置の動作については、図２３のステップＳＴ１４においてフォーカスレンズ２１１を１Ｆδ分追い駆動するのは必須でなく、２Ｆδ分の追い駆動を行うようにしても良い。すなわち、撮影レンズ２に係る焦点深度に基づく駆動量の追い駆動を行えば良い。

・上記の実施形態における分割Ｇ画素については、図５に示すＧｒラインＬ１の方向(水平方向)に複数に分割するのは必須でなく、垂直方向に複数に分割するようにしても良い。この場合には、分割Ｇ画素で得られる一対の像列(Ａ系列の像列およびＢ系列の像列)に関する垂直方向のシフト量によって位相差ＡＦが行われることとなる。

本発明の実施形態に係る撮像装置１の外観構成を示す図である。撮像装置１の外観構成を示す図である。撮像装置１の縦断面図である。撮像装置１全体の電気的な構成を示すブロック図である。撮像素子１０１の構成を説明するための図である。画素内が分割されたＧ画素１１ｇｒの構成を説明するための図である。撮像素子１０１を利用した位相差ＡＦの原理を説明するための図である。撮像素子１０１を利用した位相差ＡＦの原理を説明するための図である。実絞り値Ｆ２.０において焦点面が撮像素子１０１の撮像面から２００μｍ近側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図である。実絞りＦ２.０において焦点面が撮像面から１００μｍ近側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図である。実絞り値Ｆ２.０において焦点面が撮像面に一致している合焦状態のシミュレーション結果を示す図である。実絞り値Ｆ２.０において焦点面が撮像面から１００μｍ遠側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図である。実絞り値Ｆ２.０において焦点面が撮像面から２００μｍ遠側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図である。実絞り値Ｆ２.０における一対の像列の重心位置の差とデフォーカス量との関係を示すグラフＧｃを説明するための図である。実絞り値Ｆ５.６において焦点面が撮像素子１０１の撮像面から２００μｍ近側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図である。実絞り値Ｆ５.６において焦点面が撮像面から１００μｍ近側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図である。実絞り値Ｆ５.６において焦点面が撮像面に一致している合焦状態のシミュレーション結果を示す図である。実絞り値Ｆ５.６において焦点面が撮像面から１００μｍ遠側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図である。実絞り値Ｆ５.６において焦点面が撮像面から２００μｍ遠側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図である。実絞り値Ｆ５.６における一対の像列の重心位置の差とデフォーカス量との関係を示すグラフＧｃを説明するための図である。実絞り値に応じた光電変換部１１１〜１１４の使い分けについて説明するための図である。コントラストＡＦの原理を説明するための図である。撮像装置１の基本的な動作を示すフローチャートである。撮像装置１のＡＦ動作を説明するための図である。本発明の変形例に係る分割画素１１ｇｓの構成を説明するための図である。

符号の説明

１撮像装置
２撮影レンズ(交換レンズ)
１０カメラボディ
１１画素
１１ｂＢ画素(非分割画素)
１１ｇＧ画素
１１ｇｂ非分割Ｇ画素
１１ｇｒ、１１ｇｓ分割Ｇ画素(分割画素)
１１ｒＲ画素(非分割画素)
２３絞り
２５レンズ位置検出部
７６位相差ＡＦ演算回路
７７コントラストＡＦ演算回路
１０１撮像素子
１１１〜１１４、１３１〜１３６光電変換部
２１１フォーカスレンズ
３１１ＬＣＤ
３１６ＥＶＦ
Ｅｐ、Ｅｑ射出瞳
Ｌ１Ｇｒライン
Ｌ２Ｇｂライン

Claims

撮影光学系を有する撮像装置であって、
(a)所定の方向に沿って４以上の光電変換部が配列された特定の画素を複数有する撮像素子と、
(b)前記撮影光学系の射出瞳における一対の部分領域を通過した被写体光束を受光する前記特定の画素からの電荷信号に基づき一対の像列を生成して、位相差検出方式の焦点検出を行う焦点検出手段と、
を備え、
前記焦点検出手段は、
(b-1)実絞り値を取得する取得手段と、
(b-2)前記実絞り値に応じて、前記４以上の光電変換部から前記一対の像列に係る各電荷信号を生成する光電変換部をそれぞれ選択する選択手段と、
を有することを特徴とする撮像装置。
請求項１に記載の撮像装置において、
前記取得手段は、
前記撮影光学系に関する焦点距離およびフォーカスレンズの位置と、絞りの開度とに基づき、前記実絞り値を取得する手段、
を有することを特徴とする撮像装置。
請求項１に記載の撮像装置において、
前記選択手段は、
前記実絞り値が大きくなるほど、前記４以上の光電変換部において内側の光電変換部を選択する手段、
を有することを特徴とする撮像装置。
請求項１に記載の撮像装置において、
前記４以上の光電変換部それぞれでは、前記撮影光学系の射出瞳面において異なる箇所を通過した被写体光束を受光するとともに、
前記選択手段は、
前記射出瞳面上で前記実絞り値に対応した被写体光束が通過する領域に内包される前記箇所のうち、最も外側の箇所を通過する被写体光束を受光する光電変換部を選択する手段、
を有することを特徴とする撮像装置。