JP4952293B2

JP4952293B2 - 測光装置および撮像装置

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Publication number: JP4952293B2
Application number: JP2007041994A
Authority: JP
Inventors: 一郎前田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2007-02-22
Filing date: 2007-02-22
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2027-02-22
Also published as: JP2008206014A

Description

本発明は、色フィルタを備えた受光素子を有する測光装置、および、その測光装置を備えた撮像装置に関する。

従来の測光装置として、複数の受光素子にＲ，Ｇ，Ｂの色フィルタを設けて、受光する光に含まれているＲ，Ｇ，Ｂの各色成分を検出するほか、特定の輝線スペクトルを検出する検出部をさらに備えるようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特公昭６２−５００２６号公報

しかしながら、ＲＧＢの検出部の他に別の検出部が必要であるため、測光装置としての小型化を阻害する要因となっていた。

請求項１の発明による測光装置は、色フィルタを有する受光素子を複数配列して構成した測光素子と、前記測光素子と光学的にほぼ共役な位置に部分的に光を通過する開口を有する絞りを配置する絞り機構と、前記開口を通過した光を分光して前記測光素子へと出射する分光素子と、前記開口の位置を前記分光素子の分光方向に移動することにより、分光した光のうち前記受光素子に入射する光を変える変更手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、コストの増大および装置の大型化を抑えつつ、多色での測光を行うことができる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は、本発明による測光装置が組み込まれたカメラの一実施の形態を示す概略構成図である。不図示の被写体からの光は、撮影レンズ１を通過した後に、一部が反射ミラー２によって反射されてフォーカシングスクリーン３上に結像される。フォーカシングスクリーン３の近傍には、スリット絞り機構である液晶表示素子１３が配設されている。

フォーカシングスクリーン３上に結像された被写体像は、ペンタプリズム４および接眼レンズ５を経て撮影者に観察されるとともに、ペンタプリズム４，直角プリズム６および測光用再結像レンズ７により測光素子８上に再結像される。すなわち、フォーカシングスクリーン３と測光素子８とは共役関係にある。直角プリズム６と測光用再結像レンズ７との間には、分光素子としての回折格子１４が配設されている。

測光素子８には、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の２次元イメージセンサが用いられる。被写体の輝度分布は測光素子８により光電変換され、その情報は制御装置１１に転送される。制御装置１１はカメラ全体の制御を行うものであり、ＣＰＵやＲＡＭ，ＲＯＭ等を備えている。制御装置１１のＡＥ制御部１１０は、測光素子８の出力に基づいて最適な露光量を演算し、その演算結果に基づいてシャッタ９および絞り１２を制御して撮像素子１０による撮像を行わせる。制御装置１１のスリット制御部１１１では、スリット絞り機構１３の駆動制御を行う。また、制御装置１１のＡＷＢ演算部１１２では、測光素子８の出力に基づいてホワイトバランス演算を行う。なお、撮像素子１０としては、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の２次元イメージセンサや銀塩フィルムが用いられる。

図２は、測光素子８に用いられる２次元イメージセンサを模式的に示した図であり、矩形状の受光素子８１が縦横方向にマトリクス状に並んでいる。各受光素子８１は、光電変換素子と、オンチップフィルタとして形成された赤、緑、青の色フィルタとを備えている。本実施の形態では、オンチップフィルタはストライプタイプのフィルタを構成しており、左端の縦１列の各受光素子８１Ｂには青色の色フィルタ（以下ではＢフィルタと称する）が設けられ、その右側の縦一列の各受光素子８１Ｇには緑色の色フィルタ（以下ではＧフィルタと称する）が設けられ、さらに右側の縦一列の各受光素子８１Ｒには赤色の色フィルタ（以下ではＲフィルタと称する）が設けられている。すなわち、図示左右方向にＢ，Ｇ，Ｒの各フィルタ列が、Ｂ，Ｇ，Ｒ，Ｂ，Ｇ，Ｒ，…のように周期的に配置されている。

図３は、Ｂ，Ｇ，Ｒフィルタが設けられた各受光素子８１Ｂ，８１Ｇ，８１Ｒの分光感度を示す図である。受光素子８１Ｂは波長460nmに感度のピークがあり、受光素子８１Ｇは波長535nmに受光素子８１Ｒは波長600nmにそれぞれピークがある。

図４は回折格子１４による分光を説明する模式図であり、図２に示した測光素子８は、紙面に対して垂直に配置されている。すなわち、同一色フィルタを備えた縦列の受光素子８１Ｂ，８１Ｇ，８１Ｒは、図４においては紙面に垂直な方向に設けられている。フォーカシングスクリーン３からの白色光線Ｗは回折格子１４によって分光される。光線ＬＢ，ＬＧ，ＬＲは分光スペクトルＳＰ中に含まれる波長460nm，535nm，600nmの光を示している。

回折格子１４の回折溝も紙面に垂直な方向に沿って形成されており、各光線ＬＢ，ＬＧ，ＬＲの分離角は、次式（１）によって与えられる。式（１）において、αは入射角であり、βは回折角であり、λは光の波長、ｄは回折格子１４の溝間隔、ｍは回折の次数である。式（１）からも解るように、各光線ＬＢ，ＬＧ，ＬＲの分離角は回折格子１４の溝間隔により制御することができる。
ｄ・（sinα±sinβ）＝ｍλ …（１）

例えば、ブレーズド回折格子を用いて１次光を使用する場合にはｍ＝１とし、入射光が回折格子１４に垂直に入射する場合は入射角α＝０とし、スペクトルの広がりを指定するためにｄを決定する。本実施の形態では、測光素子８上における光線ＬＲおよび光線ＬＧの入射位置間隔が、測光素子８の受光素子間の間隔と等しくなるようにｄを決定する。図４に示した光線Ｗは、回折された光線ＬＧが受光素子８１Ｇに入射するものを示しており、光線ＬＢ，ＬＲは受光素子８１Ｇの両隣に隣接する受光素子８１Ｂ，８１Ｒに入射する。なお、ブレーズドの角度は波長により異なるので、本実施の形態の場合には、測光に最も寄与する波長535nmで回折効率が高くなるように設定している。

図５は液晶表示素子１３の表示状態を説明する図であり、（ａ）は透明状態を示し、（ｂ）はスリット表示状態を示す。液晶表示素子１３にはスリット状の開口１３０Ａ，１３０Ｂを有する透明電極が形成されている。そして、その透明電極に印加される電圧を制御することにより、図５（ａ）の透明状態と図５（ｂ）のスリット表示状態とを切り替える。スリット表示状態では、開口１３０Ａ，１３０Ｂを除く他の領域（遮光領域と呼ぶ）Ｃは遮光状態となる。

図５（ａ）の透明状態においては、従来同様の測光（通常測光と呼ぶ）が行われる。また、図５（ｂ）のスリット表示状態で行われる測光のことを、本実施の形態ではスリット測光と呼ぶことにする。なお、スリット測光の場合には、図２に示す測光素子８のハッチングを施した受光素子８１Ｒ、８１Ｇ，８１Ｂの出力信号に基づいて測光演算を行う。

図５に示した液晶表示素子１３の表示領域は、図２に示した測光素子８の受光領域に対応している。表示領域には４つの開口１３０Ａから成る行（奇数行）と、４つの開口１３０Ｂから成る行（偶数行）とが上下方向に交互に設けられており、各行は図２に示す測光素子８の各行に対応して設けられている。開口１３０Ａと開口１３０Ｂとは同一形状の開口であり、開口１３０Ａと開口１３０Ｂとの横方向の間隔はＡに設定されている。

上述したように、本実施の形態では、回折格子１４で光線Ｌ１２を光線ＬＧ，ＬＢ，ＬＲのように分光し、それらが受光素子８１Ｇ，８１Ｂ，８１Ｒに入射するように回折格子の間隔ｄを設定した。そのため、点光源のように受光素子程度の大きさの被写体であっても、偽色の発生を防止することができる。

図６はスリット測光を説明する図であり、（ａ）は奇数行の開口１３０Ａを通過した光を用いた測光に関するもの、（ｂ）は偶数行の開口１３０Ｂを通過した光を用いた測光に関するものである。開口１３０Ａ，１３０Ｂを通過した光による測光では、図２のハッチングを施した受光素子８１Ｒ、８１Ｇ，８１Ｂの出力に基づいて測光演算を行う。

液晶表示素子１３の奇数行目に形成される開口１３０Ａを通過した光は、回折格子１４により回折され、そのスペクトルＳＰが図６（ａ）の一点鎖線で示すように奇数行目の受光素子８１Ｒ、８１Ｇ，８１Ｂ上に投影される。このとき、スペクトルＳＰの内の波長535nmの光線ＬＧが受光素子８１Ｒのほぼ中央に入射し、波長460nmの光線ＬＢが受光素子８１Ｇのほぼ中央に入射し、波長460nmよりも波長の短い光が受光素子８１Ｒのほぼ中央に入射するように、開口１３０Ａの位置が設定されている。

そのため、受光素子８１Ｇには、スペクトルＳＰの内の波長460nmを中心とする所定波長域SP12の光が入射することになる。所定波長域SP12の幅は受光素子８１Ｇの幅寸法により決まる。同様に、受光素子８１Ｒには、スペクトルＳＰの内の波長535nmを中心とする所定波長域SP13の光が入射し、受光素子８１Ｂには、光線ＬＢの波長460nmよりも短い波長を中心とする所定波長域SP11の光が入射することになる。

図７は、奇数行の各受光素子８１Ｂ，８１Ｇ，８１Ｒで検出される光の波長域を説明する図である。受光素子８１Ｂの場合、受光素子８１Ｂの検出感度は破線で示すようにピーク波長460nmを中心とする波長域にあり、受光素子８１Ｂに入射する光は曲線SP11で示すような分布となる。その結果、ハッチングを施した分布D11で示すように、曲線Ｂと曲線SP11とが重なり合う波長域の光が、受光素子８１Ｂで検出されることになる。分布D11のピーク波長λ１は約415nmとなる。

受光素子８１Ｇの場合には、検出感度はピーク波長535nmを中心とする波長域にあり、受光素子８１Ｇに入射する光は曲線SP12で示すように波長460nmを中心として分布している。そのため、分布D12で示すような曲線Ｇと曲線SP12とが重なり合う波長域の光が、受光素子８１Ｇで検出されることになる。分布D12のピーク波長λ２は約490nmとなる。

受光素子８１Ｒの場合には、検出感度はピーク波長600nmを中心とする波長域にあり、受光素子８１Ｒに入射する光は曲線SP13で示すように波長535nmを中心として分布している。その結果、分布D13で示すような曲線Ｒと曲線SP13とが重なり合う波長域の光が、受光素子８１Ｒで検出されることになる。分布D13のピーク波長λ３は約550nmとなる。

一方、液晶表示素子１３の偶数行目に形成される開口１３０Ｂを通過した光は、回折格子１４により回折され、そのスペクトルＳＰが図６（ｂ）の一点鎖線で示すように偶数行目の受光素子８１Ｒ、８１Ｇ，８１Ｂ上に投影される。この場合、スペクトルＳＰの内の波長535nmの光線ＬＧが受光素子８１Ｂの中央に入射し、波長600nmの光線ＬＲが受光素子８１Ｇの中央に入射し、波長600nmよりも波長の長い光が受光素子８１Ｒの中央に入射するように、開口１３０Ｂの位置すなわち図５の間隔Ａが設定されている。

図８は、偶数行の各受光素子８１Ｂ，８１Ｇ，８１Ｒで検出される光の波長域を説明する図である。受光素子８１Ｂの場合、受光素子８１Ｂの検出感度はピーク波長460nmを中心とする波長域にあり、受光素子８１Ｂに入射する光は曲線SP13で示すような分布となる。その結果、分布D14で示すような曲線Ｂと曲線SP13とが重なり合う波長域の光が、受光素子８１Ｂで検出されることになる。分布D14のピーク波長λ４は約520nmとなる。

受光素子８１Ｇの場合には、検出感度はピーク波長535nmを中心とする波長域にあり、受光素子８１Ｇに入射する光は曲線SP14で示すように波長600nmを中心として分布している。そのため、分布D15で示すような曲線Ｇと曲線SP14とが重なり合う波長域の光が、受光素子８１Ｇで検出されることになる。分布D15のピーク波長λ５は約590nmとなる。

受光素子８１Ｒの場合には、検出感度はピーク波長600nmを中心とする波長域にあり、受光素子８１Ｒに入射する光は曲線SP15で示すような分布となる。この場合、曲線SP15の中心波長は波長600nmよりも長くなる。その結果、分布D16で示すような曲線Ｒと曲線SP15とが重なり合う波長域の光が、受光素子８１Ｒで検出されることになる。分布D16のピーク波長λ６は約660nmとなる。

このように、図５（ｂ）のような開口１３０Ａ，１３０Ｂを形成して行われるスリット測光では、測光素子８の奇数行の受光素子８１Ｂ，８１Ｇ，８１Ｒで検出される光の波長は、各受光素子８１Ｂ，８１Ｇ，８１Ｒの検出感度のピーク波長よりも短波長側にシフトし、測光素子８の偶数行の受光素子８１Ｂ，８１Ｇ，８１Ｒで検出される光の波長は、逆に長波長側にシフトすることになる。その結果、スリット測光では、６種類の波長415nm，490nm，520nm，550nm，590nmおよび660nmの光をそれぞれ検出することができる。さらに、図５（ａ）の状態で測光が行われる通常測光のＲ（600nm），Ｇ（535nm），Ｂ（460nm）データを用いることで、合計９色の多色測光を行うことができる。

例えば、図２の破線８００で示すブロック領域に含まれる複数の受光素子８１の信号を用いてスリット測光および通常測光を行うことで、図９に示すような分光スペクトルを取得することができる。図９では、上述した９種類の波長の平均出力を相対値で示したものである。また、測光素子８の受光面を複数のブロック領域に分けて、それぞれのブロック領域毎に図９に示すようなスペクトルを求めることで、対応する被写体の各領域毎に輝度情報や９色の色情報を得ることもできる。

図１０は、測光系の処理動作の一例を示すフローチャートである。図１０のフローチャートは、カメラのレリーズボタンが半押しされて、半押しスイッチがオンすると処理を開始する。このフローチャートで示される一連の処理は、制御装置１１のＣＰＵで測光処理プログラムを実行して行われる。なお、図１０の各ステップの処理はＣＰＵの制御の下で実行されるので、各ステップの説明では、その動作主体であるＣＰＵの記述を省略して説明する場合もある。

カメラの電源がオンされた直後の初期状態では、液晶表示素子１３はスリットオフの状態すなわち図５（ａ）に示す透明状態とされる。ステップＳ１では、図５（ａ）に示す透明状態において通常測光を行う。その結果、Ｒ，Ｇ，Ｂ光に関する測光データが得られる。ステップＳ２において、ＣＰＵはレリーズボタンの全押しによりオンするレリーズスイッチがオンか否かを判定する。ステップＳ２でオンと判定されるとステップＳ３へ進み、オフと判定されるとステップＳ１へ戻る。

ステップＳ３では、スリット制御部１１１により液晶表示素子１３を図５（ｂ）に示すスリット表示状態とする。ステップＳ４では、上述したスリット測光を行う。そして、続くステップＳ５においてミラーアップ許可信号を露光処理系へ送信する。なお、レリーズスイッチがオンされると、露光処理制御による露光処理が開始され、ミラーアップ許可信号を受けることによりミラーアップ動作が開始される。

ステップＳ６では、液晶表示素子１３をスリットオフの状態すなわち図５（ａ）に示す透明状態に戻す。ステップＳ７では、次のようなバックグラウンド処理を行う。スリット測光時には、液晶表示素子１３を図５（ｂ）に示すようなスリット表示状態し、開口１３０Ａ，１３０Ｂを通過した光のみで測光を行う。しかし、実際には遮光領域Ｃにおいて光は１００％阻止されるわけではなく、僅かではあるが光が透過する。そして、遮光領域Ｃを透過したモレ光が、図２でハッチングを施したスリット測光に用いる受光素子８１Ｇ，８１Ｂ，８１Ｒにも入射する。

ここで、バックグラウンド処理とは、上述したモレ光の影響をキャンセルする処理のことである。具体的には、図５（ａ）のスリット非表示状態における出力に液晶表示素子１３の透過係数を掛けたものを、図５（ｂ）のスリット表示状態における出力から差し引くようにする。そして、差し引いた後の値を補正後の出力値として使用する。

ステップＳ８では、ステップＳ７でバックグラウンド処理された後の出力値を用いて、図９に示したようなスペクトルを算出する。測光領域が複数のブロック領域に分割されている場合には、各ブロック領域毎にスペクトルを算出する。このようにして得られるスペクトルに基づいて、図１のＡＷＢ演算部１１２ではホワイトバランス演算が行われ、ＡＥ制御部１１０では自動露出演算処理が行われる。

なお、上述した実施の形態では、図６に示すように、奇数行の受光素子８１に関しては光線ＬＧが受光素子８１Ｒの中央に入射するように開口１３０Ａの位置を設定し、偶数行の受光素子８１に関しては光線ＬＧが受光素子８１Ｂの中央に入射するように開口１３０Ｂの位置を設定した。しかし、開口１３０Ａ，１３０Ｂの形成位置を回折格子１４の分光方向である左右にずらすことで、図７，８に示す波長λ１〜λ６の値を変えることができる。

例えば、図５において開口１３０Ａを右側にずらすと、それに応じて受光面に投影されるスペクトルＳＰの位置も図１１（ａ）に示すように右側に移動する。逆に、開口１３０Ａを左側にずらすと、図１１（ｂ）に示すように、各受光素子８１Ｇ，８１Ｂ，８１Ｒに対してスペクトルＳＰの位置が左側にずれる。その結果、図１１（ａ）の場合には各受光素子８１Ｇ，８１Ｂ，８１Ｒに入射する光の波長域は長波長側にずれ、図１１（ｂ）の場合には各受光素子８１Ｇ，８１Ｂ，８１Ｒに入射する光の波長域は短波長側にずれる。

図１２（ａ），（ｂ）は、図１１（ａ），（ｂ）の受光素子８１Ｇで検出される光の波長域を説明する図である。上述したように、受光素子８１Ｇの検出感度はピーク波長535nmを中心とする波長域にある。図１２（ａ）の場合には、受光素子８１Ｇに入射する光の波長域は曲線SP20に示すように長波長側へとずれる。そのため、分布D20で示すような曲線Ｇと曲線SP20とが重なり合う波長域の光が、受光素子８１Ｇで検出されることになる。分布D20のピーク波長λ20は、図７に示した曲線SP12の場合のピーク波長λ２（約490nm）よりも長くなる。

逆に、図１２（ｂ）の場合には、受光素子８１Ｇに入射する光の波長域は、曲線SP21に示すように曲線SP12に対して短波長側へとずれる。そのため、分布D21で示すような曲線Ｇと曲線SP21とが重なり合う波長域の光が、受光素子８１Ｇで検出されることになる。分布D21のピーク波長λ21は、図７に示した曲線SP12の場合のピーク波長λ２よりも短くなる。受光素子８１Ｂ，８１Ｒの場合も同様な傾向を示す。

上述した実施の形態では、絞り機構として液晶表示素子１３を使用し、液晶を部分的に透過状態にして開口１３０Ａ，１３０Ｂを形成するスリット表示状態と、液晶を全体的に透過状態とする透明状態とを切り替えた。しかし、このような液晶表示素子１３に代えて、絞り機構として、開口１３０Ａ，１３０Ｂが形成された絞り板をフォーカシングスクリーン３の近傍の光路中に挿脱する構成を採用しても良い。また、回折格子１４の代わりに、プリズム等を分光素子として用いても良い。

さらに、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、例えば、測光素子はＲ，Ｇ，Ｂの色フィルタを備えていたが、他の種類の色フィルタを備えていても良い。上述した実施の形態ではカメラの測光装置を例に説明したが、カメラに限らず種々の撮像装置に適用することができる。

本発明による測光装置が組み込まれたカメラの一実施の形態を示す概略構成図である。測光素子８に用いられる２次元イメージセンサの模式図である。測光素子８の各受光素子８１Ｂ，８１Ｇ，８１Ｒの分光感度を示す図である。回折格子１４による分光を説明する模式図である。液晶表示素子１３の表示状態を説明する図であり、（ａ）は透明状態を示し、（ｂ）はスリット表示状態を示す。スリット測光を説明する図であり、（ａ）は奇数行の開口１３０Ａを用いた場合を示し、（ｂ）は偶数行の開口１３０Ｂを用いた場合を示す。奇数行の各受光素子８１Ｂ，８１Ｇ，８１Ｒで検出される光の波長域を説明する図である。偶数行の各受光素子８１Ｂ，８１Ｇ，８１Ｒで検出される光の波長域を説明する図である。分光スペクトルの一例を示す図である。測光動作の一例を示すフローチャートである。開口１３０Ａを左右にずらした場合の各受光素子８１Ｇ，８１Ｂ，８１ＲとスペクトルＳＰとの関係を示す図であり、（ａ）は右側にずらした場合を、（ｂ）は左側にずらした場合を示す。開口１３０Ａを左右にずらした場合に受光素子８１Ｇで検出される光の波長域を説明する図であり（ａ）は右側にずらした場合を、（ｂ）は左側にずらした場合を示す。

符号の説明

４：ペンタプリズム、６：直角プリズム、７：測光用再結像レンズ、８：測光素子、１０：撮像素子、１１：制御装置、１３：液晶表示装置、１４：回折格子、８１，８１Ｒ，８１Ｇ，８１Ｂ：受光素子、１３０Ａ，１３０Ｂ：開口

Claims

色フィルタを有する受光素子を複数配列して構成した測光素子と、
前記測光素子と光学的にほぼ共役な位置に部分的に光を通過する開口を有する絞りを配置する絞り機構と、
前記開口を通過した光を分光して前記測光素子へと出射する分光素子と、
前記開口の位置を前記分光素子の分光方向に移動することにより、分光した光のうち前記受光素子に入射する光を変える変更手段と、を備えたことを特徴とする測光装置。
請求項１に記載の測光装置において、
前記絞り機構は、前記絞りが配置される第１の状態と、前記絞りが前記光学的に無効な第２の状態とを切り替える切替手段を含むことを特徴とする測光装置。
請求項２に記載の測光装置において、
前記絞り機構は透過型液晶素子であって、
前記透過型液晶素子の液晶を部分的に透過状態にして前記開口を形成する第１の状態と、液晶を全体的に透過状態とする第２の状態とを切り替える表示制御部を備えることを特徴とする測光装置。
請求項２または３に記載の測光装置において、
前記第１の状態において、前記分光素子からの光が入射する受光素子の信号を、前記分光素子からの光が入射しない受光素子の信号に基づいて補正する補正手段を備えたことを特徴とする測光装置。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の測光装置を備えたことを特徴とする撮像装置。
請求項５に記載の撮像装置において、
前記測光素子の測光領域を複数の前記受光素子を含む複数のブロック領域に分け、そのブロック領域毎の色情報演算を行う演算手段を備えたことを特徴とする撮像装置。