JP2015014676A - 焦点検出装置、制御方法、および制御プログラム、並びに撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一対の焦点検出領域が規定されたＡＦセンサにおいてローリング読出しに起因する一対の焦点検出領域における露光タイミングの差による影響を軽減し、撮影環境および被写体の移動に拘わらず精度よく焦点検出を行う。【解決手段】ＡＦセンサ１００の受光面１０１には少なくとも２つの焦点検出領域１０２および１０３が規定されるとともに、記受光面が複数の制御領域に分割されており、ＡＦセンサの受光面の一端側から他端側に向かってＡＦ撮像センサに蓄積された電荷を読み出すローリング読出しを行って一対の像信号を得る際、タイミング制御回路１０５は制御領域毎にローリング読出しのタイミングを所定のタイミングでずらす。【選択図】図３

Description

本発明は、焦点検出装置、制御方法、および制御プログラムに関し、特に、撮像装置で用いられる自動焦点検出装置に関する。

一般に、デジタルカメラなどの撮像装置で用いられる自動焦点検出手法として、位相差検出方式が知られている。位相差検出方式においては、撮影レンズにおける互いに異なる射出瞳領域を通過した被写像（光学像）を、固体撮像素子であるラインセンサ上に結像させる。そして、一対のラインセンサから得られた一対の画像の相対的位置（つまり、ずれ量）に応じて撮影レンズのデフォーカス量を検出する。

一方、ラインセンサの代わりに、撮像素子である２次元イメージセンサを用いた撮像装置も知られている。例えば、２次元イメージセンサの取り付け位置における回転方向の位置誤差量を予めメモリに記憶し、当該位置誤差に応じて２次元イメージセンサの読み出し位置を変更して取り付け位置の誤差を補正し、当該補正された２次元イメージセンサの出力に基づいて焦点検出を行うようにしたものがある（特許文献１参照）。

なお、撮像素子として、例えば、ＣＣＤ又はＣＭＯＳイメージセンサが知られているが、近年、ＣＭＯＳイメージセンサが用いられることが多い。ＣＭＯＳイメージセンサでは、撮像面の一端から他端にかけて電荷のリセット（蓄積開始）と信号読出しとを順次行うローリング読出しが用いられる。

図６は、従来のＣＭＯＳイメージセンサにおけるローリング読出しを説明するための図である。

図６に示すように、ローリング読出しでは、撮像面の一端から他端にかけて電荷のリセットと信号読出しとが順次行われる。この際、リセット期間およびＡＤ変換期間は蓄積期間に対して十分に短くされる。ローリング読出しの場合、縦方向に配列された各ラインの露光タイミングが異なるので、露光の際の同時間性はない。

特開平３−２１６６１２号公報

ところで、特許文献１に記載の焦点検出において、２次元イメージセンサとしてＣＭＯＳイメージセンサを用いてローリング読出しを行うと、一対の焦点検出領域の位置の差に起因して、露光タイミングが異なってしまう。

これによって、露光の際に被写体が移動すると、一対の焦点検出領域における被写体像が本来の位置からずれてしまい、焦点検出結果に誤差が生じる。さらに、環境光がフリッカー光源であると、一対の焦点検出領域に光量差が生じてしまい、焦点検出ができないこともある。

従って、本発明の目的は、ローリング読出しに起因する一対の焦点検出領域における露光タイミングの差による影響を軽減して、撮影環境および被写体の移動に拘わらず精度よく焦点検出を行うことのできる焦点検出装置、制御方法、および制御プログラム、並びに撮像装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明による焦点検出装置は、少なくともフォーカスレンズを備える撮影レンズユニットにおける互いに異なる射出瞳領域を通過した光学像を受け、複数の光電変換素子が２次元マトリックス状に配列されたフォーカスセンサを備え、該フォーカスセンサから出力される一対の像信号の位相差に応じて焦点検出を行う焦点検出装置であって、前記フォーカスセンサの受光面には少なくとも２つの焦点検出領域が規定されるとともに、前記受光面が複数の制御領域に分割されており、前記焦点検出領域の各々に前記光学像を結像させる光学部材と、前記フォーカスセンサの受光面の一端側から他端側に向かって前記フォーカスセンサに蓄積された電荷を読み出すローリング読出しを行って前記一対の像信号を得る際、前記制御領域の少なくとも１つについて前記ローリング読出しのタイミングを所定のタイミングでずらすタイミング制御手段と、を有することを特徴とする。

本発明による撮像装置は、上記の焦点検出装置と、前記焦点検出装置で検出された焦点検出結果に応じて前記撮影レンズユニットに備えられたフォーカスレンズを光軸に沿って駆動制御する駆動制御手段と、を有することを特徴とする。

本発明による制御方法は、少なくともフォーカスレンズを備える撮影レンズユニットにおける互いに異なる射出瞳領域を通過した光学像を受ける受光面に少なくとも２つの焦点検出領域が規定されるとともに前記受光面が複数の制御領域に分割され、複数の光電変換素子が２次元マトリックス状に配列されたフォーカスセンサと、前記焦点検出領域の各々に前記光学像を結像させる光学部材とを備え、前記フォーカスセンサから出力される一対の像信号の位相差に応じて焦点検出を行う焦点検出装置の制御方法であって、前記フォーカスセンサの受光面の一端側から他端側に向かって前記フォーカスセンサに蓄積された電荷を読み出すローリング読出しを行って前記一対の像信号を得る第１の制御ステップと、前記制御領域の少なくとも１つについて前記ローリング読出しのタイミングを所定のタイミングでずらす第２の制御ステップと、を有することを特徴とする。

本発明による制御プログラムは、少なくともフォーカスレンズを備える撮影レンズユニットにおける互いに異なる射出瞳領域を通過した光学像を受ける受光面に少なくとも２つの焦点検出領域が規定されるとともに前記受光面が複数の制御領域に分割され、複数の光電変換素子が２次元マトリックス状に配列されたフォーカスセンサと、前記焦点検出領域の各々に前記光学像を結像させる光学部材とを備え、前記フォーカスセンサから出力される一対の像信号の位相差に応じて焦点検出を行う焦点検出装置で用いられる制御プログラムであって、前記焦点検出装置が備えるコンピュータに、前記フォーカスセンサの受光面の一端側から他端側に向かって前記フォーカスセンサに蓄積された電荷を読み出すローリング読出しを行って前記一対の像信号を得る第１の制御ステップと、前記制御領域の少なくとも１つについて前記ローリング読出しのタイミングを所定のタイミングでずらす第２の制御ステップと、を実行させることを特徴とする。

本発明によれば、フォーカスセンサの受光面の一端側から他端側に向かってフォーカスセンサに蓄積された電荷を読み出すローリング読出しを行って一対の像信号を得る際、制御領域毎にローリング読出しのタイミングを所定のタイミングでずらすことで、ローリング読出しに起因する一対の焦点検出領域における露光タイミングの差による影響を軽減して、撮影環境および被写体の移動に拘わらず精度よく焦点検出を行うことができる。

本発明の実施の形態による焦点検出装置が備えられた撮像装置の一例についてその構成を示す図である。 図１に示す焦点検出装置における光学系を説明するための図である。 図２に示すＡＦセンサの構成を説明するためのブロック図である。 図３に示すＡＦセンサにおけるローリング読出し制御を説明するための図であり、（ａ）は二次結像レンズとＡＦセンサとの位置ずれがない状態における焦点検出領域の位置を示す図、（ｂ）は結像レンズとＡＦセンサとの位置が回転方向にずれた状態における焦点検出領域位置を示す図、（ｃ）は焦点検出領域の一方を含む制御領域におけるローリング読出しのタイミングを示す図である。 本発明の変形例における受光部の分割の一例を示す図である。 従来のＣＭＯＳイメージセンサにおけるローリング読出しを説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態による焦点検出装置の一例について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態による焦点検出装置が備えられた撮像装置の一例についてその構成を示す図である。

図示の撮像装置は、所謂一眼レフデジタルカメラ（以下単にカメラと呼ぶ）であり、撮影レンズユニット（以下単に撮影レンズと呼ぶ）２００を介して入射した光はその大部分がクイックリターンミラー２０５で上方に反射される。そして、この反射光はファインダスクリーン２０３上に被写体像（光学像）として結像される。ユーザーはファインダスクリーンに結像した光学像をペンタプリズム２０１および接眼レンズ２０２を介して観察することができる。

撮影レンズ２００から入射した光の一部はクイックリターンミラー２０５を透過して、クイックリターンミラー２０５の後側に配置されたサブミラー２０６によって下方に反射される。そして、当該反射光は視野マスク２０７、フィールドレンズ２１１、絞り２０８、および二次結像レンズ２０９を経てＡＦセンサ１００に光学像として結像される。

ＡＦセンサ１００では光学像を光電変換して像信号を出力する。そして、図示しない制御部などによって当該増信号を処理して撮影レンズ２００が合焦状態にあるか否かを検出する。なお、撮影の際には、クイックリターンミラー２０５が跳ね上げられ（アップされ）、撮影レンズ２００からの全の光が撮像センサ（例えば、ＣＭＯＳイメージセンサ）２１０に結像されて、被写体像の露光が行われる。

図１に示すカメラで用いられる焦点検出装置は、視野マスク２０７、フィールドレンズ２１１、絞り２０８、および二次結像レンズ２０９からなる光学系（焦点検出光学系）とＡＦセンサ１００とによって構成され、位相差検出方式によって焦点検出を行う。

図２は、図１に示す焦点検出装置における光学系を説明するための図である。

前述のように、撮影レンズ２００からの光の一部がクイックリターンミラー２０５（図１）を透過撮影してサブミラー２０６（図１）で反射される。視野マスク２０７は撮像センサ２０６の撮像面と共役な面上にあり、サブミラー２０６で反射した光は視野マスク２０７の近傍に一旦結像する。なお、図２においては、サブミラー２０６で反射され、折り返された光路が展開されて示されている。また、視野マスク２０７は焦点検出領域以外の余分な光を遮光するための部材である。

フィールドレンズ２１１は、絞り２０８の開口部を撮影レンズ２００の射出瞳付近に結像する作用を行う。絞り２０８の後方には二次結像レンズ２０９が配置されており、この二次結像レンズ２０９は一対のレンズから構成され、各レンズは絞り２０８の開口部に対応づけられている。そして、視野マスク２０７、フィールドレンズ２１１、絞り２０８、および二次結像レンズ２０９を通過した光は、ＡＦセンサ１００に結像される。

ＡＦセンサ（フォーカスセンサ）１００は複数の光電変換素子が２次元マトリックス状に配列された受光部（受光面ともいう）を有しており、光は当該受光部に結像する。つまり、ＡＦセンサ１００の受光面には撮影レンズユニットにおける互いに異なる射出瞳領域を通過した光学像が受光されることになる。

図３は、図２に示すＡＦセンサ１００の構成を説明するためのブロック図である。

前述のように、ＡＦセンサ１００は複数の光電変換素子が２次元マトリックス状に配列された受光部１０１を有しており、この受光部（受光面）１０１には２つの焦点検出領域１０２および１０３が規定されている。そして、受光部１０１は二次結像レンズ２０９によって結像された被写体像（光学像）を光電変換する。なお、焦点検出の際に用いられる受光部１０１の領域は焦点検出領域１０２および１０３である。

これら焦点検出領域１０２および１０３は、合焦の際には同一の被写体像が結像される位置にあるが、二次結像レンズ２０９とＡＦセンサ１００との相対的位置に応じて破線で示す位置にずれることもある。これら焦点検出領域１０２および１０３に係る受光部１０１上の位置を示す位置情報（二次結像レンズとＡＦセンサとの位置ずれに起因する焦点検出領域１０２および１０３の位置情報）として予め光学調整の際に測定されて、ＲＯＭ１０４に記憶される。

タイミング制御回路１０５は、ＲＯＭ１０４に記憶された焦点検出領域１０２および１０３の位置情報に応じて、受光部１０１のローリング読出しタイミングを制御する。ここでは、タイミング制御回路１０５は、例えば、焦点検出領域１０２を含む受光部１０１の左半分と焦点検出領域１０３を含む受光部１０１の右半分とを個別に制御するものとする。

図４は、図３に示すＡＦセンサ１００におけるローリング読出し制御を説明するための図である。そして、図４（ａ）は二次結像レンズ２０９とＡＦセンサ１００との位置ずれがない状態における焦点検出領域１０２および１０３の位置を示す図であり、図４（ｂ）は結像レンズ２０９とＡＦセンサ１００との位置が回転方向にずれた状態における焦点検出領域１０２および１０３の位置を示す図である。また、図４（ｃ）は焦点検出領域１０３を含む制御領域におけるローリング読出しのタイミングを示す図である。

図４（ａ）において、図中、受光部１０１の上側（一端側）のラインから下側（他端側）のラインに向かって順次ローリング読出しを行う際には、焦点検出領域１０２および１０３においては時刻Ｔ１〜Ｔ２までの蓄積期間で電荷が蓄積される。

一方、図４（ｂ）に示すように、二次結像レンズ２０９とＡＦセンサ１００との位置が回転方向にずれると、受光部１０１の上側のラインから順次ローリング読出しを行う際には、焦点検出領域１０２について時刻Ｔ３〜Ｔ４までの蓄積期間で電荷が蓄積される。そして、焦点検出領域１０３については時刻Ｔ５〜Ｔ６までの蓄積期間で電荷が蓄積される。

ローリング読出し制御の際、焦点検出領域１０２および１０３が図中縦方向にずれると、前述のように、焦点検出領域１０２および１０３における電荷の蓄積期間にずれが生じる。このため、たとえ、撮影レンズ２００が合焦状態（合焦位置）に位置する場合であっても、焦点検出領域１０２および１０３において同一の被写体像が得られない。

このような問題を防止するため、前述のように、受光部１０１を２つのローリング制御領域１０２ａおよび１０３ａに分割する。そして、タイミング制御回路１０５は焦点検出領域１０２を含む制御領域（左側）１０２ａと焦点検出領域１０３を含む制御領域（右側）１０３ａとにおいてローリング読出し制御のタイミングを変更する。

図４（ｃ）を参照すると、ここでは、焦点検出領域１０３を含む制御領域１０３ａにおけるローリング読出し制御のタイミングが示されている。タイミング制御回路１０５は、制御領域１０３ａにおけるローリング読出し制御の開始タイミングをΔＴ＝Ｔ３−Ｔ５の時間（つまり、所定のタイミング）だけ遅延させて、焦点検出領域１０３における蓄積期間を焦点検出領域１０２における蓄積期間（時刻Ｔ３〜Ｔ４）とする。

なお、焦点検出領域１０２を含む制御領域１０２ａにおけるローリング読出し制御は、図４（ｂ）に示すタイミングと同一のタイミングで行われる。

タイミング制御回路１０５は、遅延時間ΔＴを求める際には、ローリング読出し制御の周期とＲＯＭ１０４に記憶された焦点検出領域１０２および１０３の位置情報とに応じて合焦の際に被写体像を共有する点（例えば、図４（ｂ）に示すＰ５とＰ３）の時刻差（時間差）を算出して、当該時刻差によって遅延時間ΔＴを決定する。

そして、図示しない制御部（ＣＰＵ）は焦点検出領域１０２および１０３から出力される一対の像信号における位相差を求めて、当該位相差に応じて撮影レンズに備えられたフォーカスレンズ（図示せず）を光軸に沿って駆動して焦点調節を行う。なお、位相差検出方式を用いた焦点調節については既知であるので、ここでは詳細な説明を使用略する。

このように、本発明の第実施の形態では、受光部１０１を複数の制御領域に分割して、制御領域におけるローリング読出し制御のタイミングを調整することによって、二次結像レンズ２０９とＡＦセンサ１００とに生じる位置ずれに起因する電荷の蓄積期間のずれ軽減することができる。その結果、ローリング読出しに起因する一対の焦点検出領域における露光タイミングの差による影響を軽減して、撮影環境および被写体の移動に拘わらず精度よく焦点検出を行うことができる。

さらに、結像レンズとＡＦセンサとの相対的な位置ずれを示す情報として、焦点検出領域１０２および１０３の位置を示す位置情報をＲＯＭ１０４に予め格納しておくので、精度よくローリング読出し制御のタイミングを調整することができる。

なお、二次結像レンズ２０９とＡＦセンサ１００との位置ずれを示す情報として、二次結像レンズ２０９およびＡＦセンサ１００の回転角のズレ量をＲＯＭ１０４に予め記憶しておき、当該回転角に応じて焦点検出領域の位置およびローリング読出し制御のタイミングを求めるようにしてもよい。

（変形例）
上述の実施の形態では、受光部１０１を２つの制御領域に分割して、これら制御領域における電荷蓄積期間が同一となるようにローリング読出し制御を行うようにしたが、受光部１０１を多数の領域に分割するようにしてもよい。

図５は、本発明の変形例における受光部１０１の分割の一例を示す図である。

図５において、受光部１０１は多数の領域（分割領域）５０１〜５１７に分割されている。そして、焦点検出領域１０３は分割領域５０２〜５０８に跨り、焦点検出領域１０２は分割領域５１０〜５１７に跨っている。そして、ここでは、領域境界と焦点検出領域１０３の境界とが交差する点がそれぞれＰ３およびＰ１２〜Ｐ１７とされ、領域境界と焦点検出領域１０２の境界とが交差する点がそれぞれＰ５〜Ｐ１１とされる。

タイミング制御回路１０５は、ローリング読出し制御の際、例えば、点Ｐ３を基準として、当該点Ｐ３と点Ｐ５〜Ｐ１７との電荷蓄積期間の時刻差に応じて、分割領域毎にローリング読出し制御タイミングをずらして、点Ｐ３〜Ｐ１７における電荷蓄積タイミングを同一とする。これによって、基線長方向における電荷の蓄積タイミングの差を軽減することができる。

上述の説明から明らかなように、図１に示す例においては、視野マスク２０７、フィールドレンズ２１１、絞り２０８、および二次結像レンズ２０９が光学部材を構成する。さらに、図３において、ＲＯＭ１０４およびタイミング制御回路１０５がタイミング制御手段として機能する。また、前述のように、カメラに備えられたＣＰＵ（図示せず）は焦点検出結果に応じて撮像レンズに備えられたフォーカスレンズを光軸に沿って駆動制御する駆動制御手段として機能する。

以上、本発明について実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。

例えば、上記の実施の形態の機能を制御方法として、この制御方法を焦点検出装置に実行させるようにすればよい。また、上述の実施の形態の機能を有するプログラムを制御プログラムとして、当該制御プログラムを焦点検出装置が備えるコンピュータに実行させるようにしてもよい。なお、制御プログラムは、例えば、コンピュータに読み取り可能な記録媒体に記録される。

上記の制御方法および制御プログラムの各々は、少なくとも第１の制御ステップおよび第２の制御ステップを有している。

また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。つまり、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種の記録媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵなど）がプログラムを読み出して実行する処理である。

１００ ＡＦセンサ
１０１ 受光面
１０２，１０３ 焦点検出領域
１０４ ＲＯＭ
１０５ タイミング制御回路
２００ 撮影レンズ
２０８ 絞り
２０９ 二次結像レンズ
２１０ 撮像センサ
２１１ フィールドレンズ

Claims (6)

1. 少なくともフォーカスレンズを備える撮影レンズユニットにおける互いに異なる射出瞳領域を通過した光学像を受け、複数の光電変換素子が２次元マトリックス状に配列されたフォーカスセンサを備え、該フォーカスセンサから出力される一対の像信号の位相差に応じて焦点検出を行う焦点検出装置であって、
   前記フォーカスセンサの受光面には少なくとも２つの焦点検出領域が規定されるとともに、前記受光面が複数の制御領域に分割されており、
   前記焦点検出領域の各々に前記光学像を結像させる光学部材と、
   前記フォーカスセンサの受光面の一端側から他端側に向かって前記フォーカスセンサに蓄積された電荷を読み出すローリング読出しを行って前記一対の像信号を得る際、前記制御領域の少なくとも１つについて前記ローリング読出しのタイミングを所定のタイミングでずらすタイミング制御手段と、
   を有することを特徴とする焦点検出装置。
2. 前記タイミング制御手段は、前記光学部材と前記フォーカスセンサとの位置ずれに応じて求められた前記焦点検出領域の位置を示す位置情報に応じて前記所定のタイミングを決定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
3. 前記タイミング制御手段は、前記所定のタイミングを決定する際には、前記光学部材と前記フォーカスセンサとの位置ずれに応じて求められた前記焦点検出領域の位置を示す位置情報と前記ローリング読出しの周期とに応じて、合焦の際に前記光学像が前記焦点検出領域で共有されるようにする時間差を算出して当該時間差を前記所定のタイミングとすることを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の焦点検出装置と、
   前記焦点検出装置で検出された焦点検出結果に応じて前記撮影レンズユニットに備えられたフォーカスレンズを光軸に沿って駆動制御する駆動制御手段と、
   を有することを特徴とする撮像装置。
5. 少なくともフォーカスレンズを備える撮影レンズユニットにおける互いに異なる射出瞳領域を通過した光学像を受ける受光面に少なくとも２つの焦点検出領域が規定されるとともに前記受光面が複数の制御領域に分割され、複数の光電変換素子が２次元マトリックス状に配列されたフォーカスセンサと、前記焦点検出領域の各々に前記光学像を結像させる光学部材とを備え、前記フォーカスセンサから出力される一対の像信号の位相差に応じて焦点検出を行う焦点検出装置の制御方法であって、
   前記フォーカスセンサの受光面の一端側から他端側に向かって前記フォーカスセンサに蓄積された電荷を読み出すローリング読出しを行って前記一対の像信号を得る第１の制御ステップと、
   前記制御領域の少なくとも１つについて前記ローリング読出しのタイミングを所定のタイミングでずらす第２の制御ステップと、
   を有することを特徴とする制御方法。
6. 少なくともフォーカスレンズを備える撮影レンズユニットにおける互いに異なる射出瞳領域を通過した光学像を受ける受光面に少なくとも２つの焦点検出領域が規定されるとともに前記受光面が複数の制御領域に分割され、複数の光電変換素子が２次元マトリックス状に配列されたフォーカスセンサと、前記焦点検出領域の各々に前記光学像を結像させる光学部材とを備え、前記フォーカスセンサから出力される一対の像信号の位相差に応じて焦点検出を行う焦点検出装置で用いられる制御プログラムであって、
   前記焦点検出装置が備えるコンピュータに、
   前記フォーカスセンサの受光面の一端側から他端側に向かって前記フォーカスセンサに蓄積された電荷を読み出すローリング読出しを行って前記一対の像信号を得る第１の制御ステップと、
   前記制御領域の少なくとも１つについて前記ローリング読出しのタイミングを所定のタイミングでずらす第２の制御ステップと、
   を実行させることを特徴とする制御プログラム。

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