JP5256675B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、ハーフミラーを備えた撮像装置に関するものである。

ハーフミラーを備えた一眼レフデジタルカメラにおいて、ハーフミラーが光路挿入位置にあるときに該ハーフミラーを介して撮像素子に入射する被写体光束に基づいて撮影レンズを合焦位置に移動させるとともに、ハーフミラーを退避位置に移動させる前に、ハーフミラーによる光路長の変化量だけ撮影レンズを移動させ、その後に撮影するものが知られている（特許文献１参照）。

しかしながら、従来手法では依然ピントが合わないという問題があった。

特開２０００−３２３２３号公報

本発明が解決しようとする課題は、正確に合焦させることができる撮像装置を提供することである。

本発明は、以下の解決手段によって上記課題を解決する。なお、本発明の実施形態を示す図面に対応する符号を付して説明するが、この符号は本発明の理解を容易にするためだけのものであって本発明を限定する趣旨ではない。

本発明の撮像装置は、撮影光学系（３１）の絞り開口により制限された光束（Ｌ１）を受光し、受光信号を出力するとともに、前記撮影光学系の絞り開口により制限された瞳の異なる領域からの一対の焦点検出光束を受光する光電変換部を有する焦点検出画素を含む撮像素子（２２）と、撮影光学系と撮像素子との間の光路中に挿脱可能に設けられたハーフミラー（２１）と、ハーフミラーが光路中に挿入された状態及び前記ハーフミラーが前記光路から退避した状態での前記焦点検出画素からの信号に基づき前記絞り開口により制限された前記異なる領域からの一対の焦点検出光束により形成される一対の像のズレ量を検出する焦点検出手段（２５）と、一対の焦点検出光束を制限する絞り開口Ｆ値に基づいて、ハーフミラーが前記光路中に挿入されたことにより生ずる撮影光学系の像面の移動量を検出する移動量検出手段（２５）と、前記像のズレ量および移動量に応じて撮影光学系の像面と撮像素子との相対位置を調節する調節手段（３２）と、を備え、前記調節手段は、前記ハーフミラーが前記光路中に挿入された状態での前記焦点検出手段により検出された前記像のズレ量および前記移動量検出手段により検出された前記移動量に応じて前記撮影光学系の像面と前記撮像素子との相対位置を調節したのち、前記ハーフミラーを前記光路から退避させてから撮像動作するまでの間に、前記ハーフミラーが前記光路から退避した状態での前記焦点検出手段により検出された前記像のズレ量に応じて前記撮影光学系の像面と前記撮像素子との相対位置を調節することを特徴とする。

上記発明において、移動量検出手段（２５）は、撮影光学系の像面内の、焦点調節状態の検出位置に応じて移動量を求めるように構成することができる。さらに、移動量検出手段（２５）は、撮影光学系による像の分光感度特性に応じて移動量を求めるように構成することができる。

上記発明において、撮影光学系の位置に応じた撮影距離を表示する距離表示手段（３３）をさらに備えるように構成することができる。

上記発明において、調節手段（３２）は、ハーフミラーが光路中に挿入された状態で撮影光学系の焦点を調節するように構成することができる。

本発明の撮像装置によれば、正確に合焦させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る一眼レフデジタルカメラ１を示す要部構成図である。本実施形態の一眼レフデジタルカメラ１（以下、単にカメラ１という。）は、カメラ本体２とレンズ鏡筒３から構成され、これらカメラ本体２とレンズ鏡筒３はマウント部４により着脱可能に結合されている。

レンズ鏡筒３には、レンズ３１１、絞り３１２、ズームレンズ３１３、フォーカスレンズ３１４を含む撮影光学系３１が内蔵されている。フォーカスレンズ３１４は、レンズ鏡筒３の光束Ｌ１の光軸に沿って移動可能に設けられ、フォーカスレンズ駆動モータ３５によってその位置が調節される。なお、フォーカスレンズ駆動モータ３５は、後述するカメラ制御ＣＰＵ２５から出力され、レンズ制御ＣＰＵ３２を介してフォーカスレンズ駆動モータ３５に入力される指令信号に基づいて駆動する。

レンズ鏡筒３の筐体外表面には液晶表示装置などから構成される距離表示器３３が設けられ、フォーカスレンズ３１４の位置に連動した被写体距離を表示する。この被写体距離データは、後述するカメラ制御ＣＰＵ２５から出力され、レンズ制御ＣＰＵ３２を介して距離表示器３３に入力される。なお、被写体距離を表示する距離表示器３３は、レンズ鏡筒３以外にも、たとえばカメラ本体２に設けることもできる。

カメラ本体２は、被写体からの光束Ｌ１を撮像素子２２及び観察光学系２４へ導くためのハーフミラー２１を備えている。このハーフミラー２１は、回転軸Ｏを中心にして被写体の観察位置と撮影位置との間を回転する。図１では、ハーフミラー２１が被写体の観察位置にある状態を実線で示し、被写体の撮影位置にある状態を点線で示す。ハーフミラー２１は、被写体の観察位置にある状態では光束Ｌ１の光路上に挿入される一方で、被写体の撮影位置にある状態では光束Ｌ１の光路から退避するように回転する。したがって、以下の説明においてはハーフミラー２１が観察位置にある状態を挿入位置とも言い、撮影位置にある状態を退避位置とも言う。

ハーフミラー２１は、たとえば１ｍｍ程度の平行平面ガラスにより構成され、被写体側の主面に光束の半透過性を付与する多層膜が形成されている。そして、被写体の観察位置にある状態では、被写体からの光束Ｌ１の一部の光束Ｌ２を当該ハーフミラー２１で反射して観察光学系２４へ導き、残りの光束Ｌ３を透過させて撮像素子２２へ導く。

したがって、ミラー系２１が観察位置にある場合、被写体からの光束Ｌ１は観察光学系２４と撮像素子２２に導かれ、使用者により被写体が観察されるとともに、フォーカスレンズ３１４の焦点調節状態の検出が行われる。この状態から、使用者が図示しないレリーズボタンを押すとハーフミラー２１が撮影位置に回転し、被写体からの光束Ｌ１は全て撮像素子２２へ導かれ、撮影した画像データをメモリ２６に保存する。

観察光学系２４は、スクリーン２４１とペンタプリズム２４２と接眼レンズ２４３を備えている。スクリーン２４１は、ハーフミラー２１が観察位置にある状態において、撮像素子２２の撮像面と共役な面に配置されている。これにより、使用者は、スクリーン２４１上に形成された像をペンタプリズム２４２と接眼レンズ２４３を介して観察することができる。

カメラ本体２にはカメラ制御ＣＰＵ２５が設けられている。カメラ制御ＣＰＵ２５は、マウント部４に設けられた電気信号接点部４１によりレンズ制御ＣＰＵ３２と電気的に接続され、このレンズ制御ＣＰＵ３２からレンズ情報を受信するとともに、レンズ制御ＣＰＵ３２へデフォーカス量などのカメラボディ情報を送信する。また、カメラ制御ＣＰＵ２５は、撮像素子２２から画像信号を読み出すとともに、所定の情報処理を施して液晶ディスプレイ２７やメモリ２６に出力する。また、カメラ制御ＣＰＵ２５は、画像信号の補正や交換レンズ３の焦点調節状態、絞り調節状態などを検出するなど、カメラ全体の制御を司る。

液晶ディスプレイ２７は、たとえばカメラ本体の背面に設けられた液晶表示素子２７１と、これを駆動する駆動回路２７２とを備え、カメラ制御ＣＰＵ２５から送出された画像信号を駆動回路２７２で受信し、この画像信号に応じた駆動信号を液晶表示素子２７１へ送出することで撮影画像を表示する。

なお、メモリ２６は着脱可能なカード型メモリや内蔵型メモリの何れをも用いることができる。

次に、本実施形態に係る撮像素子２２について説明する。

図２は、撮像素子２２の撮像面における焦点検出位置を示す正面図、図３は、図２のIII部を拡大して焦点検出画素２２２の配列を模式的に示す正面図である。

本実施形態の撮像素子２２は、複数の撮像画素２２１が、撮像面の平面上に二次元的に配列され、緑色の波長領域を透過するカラーフィルタを有する緑画素Ｇと、赤色の波長領域を透過するカラーフィルタを有する赤画素Ｒと、青色の波長領域を透過するカラーフィルタを有する青画素Ｂがいわゆるベイヤー配列(Bayer Arrangement)されたものである。すなわち、隣接する４つの画素群２２３（稠密正方格子配列）において一方の対角線上に２つの緑画素が配列され、他方の対角線上に赤画素と青画素が１つずつ配列されている。このベイヤー配列された画素群２２３を単位として、当該画素群２２３を撮像素子２２の撮像面に二次元状に繰り返し配列することで撮像素子２２が構成されている。

なお、単位画素群２２３の配列は、図示する稠密正方格子以外にも、たとえば稠密六方格子配列にすることもできる。また、カラーフィルタの構成や配列はこれに限定されることはなく、補色フィルタ（緑：Ｇ、イエロー：Ｙｅ、マゼンタ：Ｍｇ，シアン：Ｃｙ）の配列を採用することもできる。

図４Ａは、撮像画素２２１の一つを拡大して示す正面図、図７Ａは断面図である。一つの撮像画素２２１は、マイクロレンズ２２１１と、光電変換部２２１２と、図示しないカラーフィルタから構成され、図７Ａの断面図に示すように、撮像素子２２の半導体回路基板２２１３の表面に光電変換部２２１２が造り込まれ、その表面にマイクロレンズ２２１１が形成されている。光電変換部２２１２は、マイクロレンズ２２１１により撮影光学系３１の射出瞳（たとえばＦ１．０）を通過する撮像光束を受光する形状とされ、撮像光束ＩＢを受光する。

なお、本実施形態のカラーフィルタはマイクロレンズ２２１１と光電変換部２２１２との間に設けられ、緑画素Ｇと赤画素Ｒと青画素Ｂのそれぞれのカラーフィルタの分光感度は、たとえば図５に示すとおりとされている。

図２及び図３に戻り、撮像素子２２の撮像面の中心及び中心から左右対称位置の３箇所には、上述した撮像画素２２１に代えて焦点検出画素２２２が配列された焦点検出画素列２２ａ，２２ｂ，２２ｃが設けられている。図３に示すように、一つの焦点検出画素列は、複数の焦点検出画素２２２が横一列に配列されて構成されている。本例の焦点検出画素２２２は、ベイヤー配列された撮像画素２２１の緑画素Ｇと青画素Ｂの位置にギャップを設けることなく密に配列されている。

なお、図２に示す焦点検出画素列２２ａ，２２ｂ，２２ｃの位置は図示する位置にのみ限定されず、何れか一箇所又は二箇所にすることもでき、また、撮像素子２２の中心から上下対称の位置に配置することもできる。また、実際の焦点検出に際しては、複数配置された焦点検出画素列２２ａ〜２２ｃの中から使用者の手動操作により所望の焦点検出画素列を選択することもできる。

図４Ｂは、焦点検出画素２２２の一つを拡大して示す正面図、図７Ｂは断面図である。焦点検出画素２２２は、図４Ｂに示すように、マイクロレンズ２２２１と、一対の光電変換部２２２２，２２２３から構成され、図７Ｂの断面図に示すように、撮像素子２２の半導体回路基板２２１３の表面に光電変換部２２２２，２２２３が造り込まれ、その表面にマイクロレンズ２２２１が形成されている。一対の光電変換部２２２２，２２２３は同じ大きさで、かつマイクロレンズ２２２１の光軸に対して左右対称に配置されている。この光電変換部２２２２，２２２３は、マイクロレンズ２２２１により撮影光学系３１の特定の射出瞳（たとえばＦ２．８）を通過する一対の光束を受光する形状とされている。すなわち、図７Ｂに示すように、焦点検出画素２２２の一方の光電変換部２２２２は一方の光束ＡＢ１を受光する一方で、焦点検出画素２２２の他方の光電変換部２２２３は、マイクロレンズ２２２１の光軸に対して光束ＡＢ１と対称となる光束ＡＢ２を受光する。

なお、焦点検出画素２２２にはカラーフィルタは設けられておらず、その分光特性は、光電変換を行うフォトダイオードの分光特性と、図示しない赤外カットフィルタの分光特性を総合したものとなっている。図６に焦点検出画素２２２の分光感度特性を示すが、相対感度は、図５に示す撮像画素２２１の青画素Ｂ、緑画素Ｇ及び赤画素Ｒの各感度を加算したような分光感度特性とされ、また感度が現れる光波長領域は、図５に示す撮像画素２２１の青画素Ｂ、緑画素Ｇ及び赤画素Ｒの感度の光波長領域を包摂した領域となっている。ただし、撮像画素２２１と同じカラーフィルタのうちの一つ、たとえば緑フィルタを備えるように構成することもできる。

また、図４Ｂに示す焦点検出画素２２２の光電変換部２２２２，２２２３は半円形状としたが、光電変換部２２２２，２２２３の形状はこれに限定されず、他の形状、たとえば、楕円形状、矩形状、多角形状にすることもできる。

ここで、上述した焦点検出画素２２２の出力に基づいて焦点を調節する、いわゆる瞳分割位相差検出方式について説明する。

図８は、図３のVIII-VIII線に沿う断面図であり、撮影光軸Ｌ上に配置された焦点検出画素２２２−１と、これに隣接する焦点検出画素２２２−２が、射出瞳３４の測距瞳３４１，３４２から照射される光束ＡＢ１−１，ＡＢ２−１，ＡＢ２−１，ＡＢ２−２を受光することを示す。ただし、その他の焦点検出画素についても、一対の光電変換部は一対の測距瞳３４１，３４２から照射される一対の光束を受光する。

ここで、射出瞳３４とは、交換レンズ３の予定焦点面に配置された焦点検出画素２２２のマイクロレンズ２２２１の前方Ｄの位置に設定された像である。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距離などに応じて一義的に決まる値であって、この距離Ｄを測距瞳距離と称する。また、測距瞳３４１，３４２とは、焦点検出画素２２２のマイクロレンズ２２２１により投影された光電変換部２２２２,２２２３の像をいう。

なお、同図において焦点検出画素２２２−１，２２２−２の配列方向は一対の測距瞳３４１，３４２の並び方向と一致している。

焦点検出画素２２２のマイクロレンズ２２２１−１，２２２１−２は、交換レンズ３の予定焦点面近傍に配置されており、光軸Ｌ上に配置されたマイクロレンズ２２２１−１により、その背後に配置された一対の光電変換部２２２２−１，２２２３−１の形状が測距瞳距離Ｄだけ離れた射出瞳３４上に投影され、その投影形状は測距瞳３４１，３４２を形成する。

同様に、光軸Ｌ上から離間して配置されたマイクロレンズ２２２１−２により、その背後に配置された一対の光電変換部２２２２−２，２２２３−２の形状が測距瞳距離Ｄだけ離れた射出瞳３４上に投影され、その投影形状は測距瞳３４１，３４２を形成する。

すなわち、測距瞳距離Ｄにある射出瞳３４上で、各焦点検出画素２２２の光電変換部２２２２，２２２３の投影形状（測距瞳３４１，３４２）が一致するように各画素２２２の投影方向が決定されている。

なお、焦点検出画素２２２−１の光電変換部２２２２−１は、一方の測距瞳３４１を通過しマイクロレンズ２２２１−１に向かう一方の焦点検出光束ＡＢ１−１により、マイクロレンズ２２２１−１上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。これに対して、光電変換部２２２３−１は、他方の測距瞳３４２を通過しマイクロレンズ２２２１−１に向かう他方の焦点検出光束ＡＢ２−１により、マイクロレンズ２２２１−１上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。

同様に、焦点検出画素２２２−２の光電変換部２２２２−２は、一方の測距瞳３４１を通過しマイクロレンズ２２２１−２に向かう一方の焦点検出光束ＡＢ１−２により、マイクロレンズ２２２１−２上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。これに対して、光電変換部２２２３−２は、他方の測距瞳３４２を通過しマイクロレンズ２２２１−２に向かう他方の焦点検出光束ＡＢ２−２により、マイクロレンズ２２２１−２上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。

以上の焦点検出画素２２２を、図３に示すように直線状に複数配置し、各焦点検出画素２２２の一対の光電変換部２２２２，２２２３の出力を、測距瞳３４１と測距瞳３４２のそれぞれに対応した出力グループにまとめることにより、測距瞳３４１と測距瞳３４２のそれぞれを通過する焦点検出光束ＡＢ１，ＡＢ２が焦点検出画素列上に形成する一対の像の強度分布に関するデータが得られる。この強度分布データに対し、相関演算処理又は位相差検出処理などの像ズレ検出演算処理を施すことにより、いわゆる瞳分割位相差検出方式による像ズレ量を検出することができる。

そして、得られた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施すことにより、予定焦点面に対する現在の焦点面（予定焦点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位置における焦点面をいう。）の偏差、すなわちデフォーカス量を求めることができる。

本実施形態のカメラ１では、上述した手順のとおり、ハーフミラー２１を挿入した状態で求められたデフォーカス量に、撮影光学系３１の光学特性、たとえば絞り開口Ｆ値、撮影光学系３１による像の分光感度特性、撮影光学系３１の像面内における焦点検出位置２２ａ〜２２ｃなどを寄与させ、これによりハーフミラー２１を光路内に挿入したことに起因する像面の移動量を求め、この移動量に基づいてフォーカスレンズ３１４を駆動する。

図１４Ａ及び図４Ｂは、撮影光学系３１の絞り開口Ｆ値及び焦点検出位置による補正量の求め方（図１１及び図１３のステップＳ１４０に相当）を説明するための図であり、図１４Ａはハーフミラー２１が退避位置、図１４Ｂはハーフミラー２１が挿入位置にある状態をそれぞれ示す。なお図１４Ｂにおいて、説明を簡便化するためにハーフミラー２１の挿入角度を９０度とする。

まず、図１４Ａに示すように、ハーフミラー２１が光路から退避している状態であって、撮影光学系３１の予定焦点面２２０上に形成された像が合焦している場合には、撮影光学系３１の絞り開口Ｆ値が相対的に小さい射出瞳３４Ｓと、絞り開口Ｆ値が相対的に大きい射出瞳３４Ｌのそれぞれを通る光束は、光軸Ｌと予定焦点面２２０の交点であって像高が０である画面中心の位置２２０Ｐ１と、像高がＨの画面周辺の位置２２０Ｐ２で収束するものとする。

この状態において、光路中にハーフミラー２１を挿入した場合、図１４Ｂに示すように、撮影光学系３１の射出瞳３４Ｌ（絞り開口Ｆ値が大）を通る光束は、像高０において予定焦点面２２０より後方の面２２０Ｌ１に収束する一方で、撮影光学系３１の射出瞳３４Ｓ（絞り開口Ｆ値が小）を通る光束は、像高０において予定焦点面２２０より後方の面２２０Ｓ１に収束する。

また、撮影光学系３１の射出瞳３４Ｌ（絞り開口Ｆ値が大）を通る光束は、像高Ｈにおいて予定焦点面２２より後方の面２２０Ｌ２に収束する一方で、撮影光学系３１の射出瞳３４Ｓ（絞り開口Ｆ値が小）を通る光束は、像高Ｈにおいて予定焦点面２２０より後方の面２２０Ｓ２に収束する。

このように、ハーフミラー２１を光路中に挿入した場合には像面の移動が生じるが、この像面の移動量は、ハーフミラー２１に入射する光束の角度によって変化することから、交換レンズ３の絞り開口Ｆ値や焦点検出位置２２ａ〜２２ｃ（画面中心からの像高Ｈ）によって変化することになる。

このため、本実施形態では、後述する図１１及び図１３のステップＳ１４０において、ボディ制御ＣＰＵ２５はレンズ制御ＣＰＵ３２との通信によって、交換レンズ３の絞り開口Ｆ値の情報を得るとともに、図示しない選択スイッチにより選択されている焦点検出位置の情報に基づき、表１のように補正量を決定する。

表１において、補正量δ１〜補正量δ１０は、絞り開口Ｆ値１．４〜５．６と焦点検出位置２２ａ〜２２ｃ（像高Ｈ）によって、予め理論的または実験的に決定された量である。たとえば、図１４Ｂにおいて射出瞳３４Ｌの絞り開口Ｆ値がＦ５．６で、焦点検出位置が２２ａのとき、予定焦点面２２０と像面２２０Ｌ１の間の距離の補正量はδ９となる。

そして、ボディ制御ＣＰＵ２５は、上述した手順で検出されたデフォーカス量に対し、表１で決定された補正量δだけオフセット補正を行う。なお、表１のマップはカメラ制御ＣＰＵ２５のメモリに格納しておく。

このように、本実施形態では、ハーフミラー２１が撮影光学系３１の光路中に挿入された状態で、オフセット補正されたデフォーカス量に基づいて自動焦点調節を行うことにより、合焦像面は予定焦点面２２０から一定量オフセットすることになる。

たとえば、補正量を予定焦点面２２０と像面２２０Ｌ１の間の距離とした場合には、合焦像面は像面２２０Ｌ１にオフセットされるが、像面２２０Ｌ１で合焦が達成された状態でハーフミラー２１を撮影光学系３１の光路から退避すると、合焦像面は像面２２０Ｌ１から予定焦点面２２０に戻ることになる。

したがって、交換レンズ３の絞り開口Ｆ値や焦点検出位置２２ａ〜２２ｃに拘らず高精度な焦点調節を達成した状態での撮影が可能になる。

なお、本実施形態では、ハーフミラー２１を光路内に挿入したことに起因する像面の移動量として表１に示す絞り開口Ｆ値と焦点検出位置を挙げたが、本実施形態はこれに限定されず、その他の撮影光学系３１の光学特性、たとえば焦点距離や射出瞳距離などを用いることもできる。

また、撮影光学系３１により形成される像面の位置に影響を与える他の要因としては、色収差がある。したがって、焦点検出画素２２２の近傍の撮像画素２２１の出力により、撮影光束の色（分光感度特性）を検出し、検出された色に応じて補正量を決定することもできる。

ちなみに、図３及び図４Ｂに示す本実施形態の焦点検出画素２２２に代えて、図９及び図１０に示す焦点検出画素２２２ａ，２２２ｂを用いることもできる。図９は、本発明の他の実施形態に係る画素の配列を模式的に示す正面図であり、図２のIII部に相当する拡大正面図、図１０は、図９の一対の焦点検出画素を拡大して示す正面図である。

図３及び図４Ｂに示す実施形態では、焦点検出画素２２２として一つの画素に一対の光電変換部２２２２，２２２３を有するものを用いたのに対し、図９及び図１０に示す実施形態では一対の焦点検出画素２２２ａ，２２２ｂのそれぞれに対をなす光電変換部２２２４，２２２５を有するものを用いる。

図１０に示す焦点検出画素２２２ａは、マイクロレンズ２２２１と、光電変換部２２２４から構成され、図７Ｂに示す断面図と同様に、撮像素子２２の半導体回路基板２２１３の表面に光電変換部２２２４が造り込まれ、その表面にマイクロレンズ２２２１が形成されている。光電変換部２２２４はマイクロレンズ２２２１の光軸に対して左右対称の位置のうちの左側に配置されている。

これに対して、図１０に示す焦点検出画素２２２ｂも、マイクロレンズ２２２１と、光電変換部２２２５から構成され、図７Ｂに示す断面図と同様に、撮像素子２２の半導体回路基板２２１３の表面に光電変換部２２２５が造り込まれ、その表面にマイクロレンズ２２２１が形成されている。光電変換部２２２５はマイクロレンズ２２２１の光軸に対して左右対称の位置のうちの右側に配置されている。

そして、図９に示すように、一対の焦点検出画素２２２ａ，２２２ｂは撮像素子２２の中心から左右一列に配置され、撮影光学系３１の射出瞳を通過する一対の光束をこれら一対の焦点検出画素２２２ａ，２２２ｂそれぞれの光電変換部２２２４，２２２５で受光する。

このように、異なる画素で構成される一対の焦点検出画素２２２ａ，２２２ｂを用いても、一対の光電変換部２２２４，２２２５の出力結果に基づいて、瞳分割位相差検出方式による像ズレ量を検出することができる。

これに加えて、撮像素子２２を構成する画素からの出力読出回路の構成がシンプルになるという利点もある。

次に、本実施形態に係るカメラの動作例を説明する。図１１は本実施形態に係るカメラ１の動作を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ１００にてカメラ１の電源がＯＮされていることを確認した上でステップＳ１１０に進み、ハーフミラー２１を光路内への挿入位置へ移動させる。

ステップＳ１２０では、ハーフミラー２１が挿入位置（被写体の観察位置）にあり、また撮像素子２２が後退位置にある状態で、撮像素子２２の画像データをカメラ制御ＣＰＵ２５へ読み出すとともに、この画像データに間引き処理などを施したのち、液晶ディスプレイ２７の駆動回路２７２を介して液晶表示素子２７１に現在の撮影画像を表示する。

なお、被写体からの光束Ｌ１の一部はハーフミラー２１を通過して撮像素子２２へ至る一方で、残りの光束Ｌ２はハーフミラー２１で反射してスクリーン２４１に至るので、使用者は、ペンタプリズム２４２及び接眼レンズ２４３を介して被写体を観察できるとともに液晶ディスプレイ２７によっても被写体を観察することができる。

ステップＳ１３０では、撮像素子２２に設定された焦点検出画素列２２ａ〜２２ｃに設けられた焦点検出画素２２２から一対のデータを読み出す。この場合、使用者の手動操作により特定の焦点検出画素列が選択されているときは、その焦点検出画素列の焦点検出画素からのデータのみを読み出す。

そして、読み出された一対の像データに基づいて像ズレ検出演算処理（相関演算処理）を行って像ズレ量を演算し、さらにこの像ズレ量をデフォーカス量に変換する。

ここで、読み出された一対の像データに基づく像ズレ検出演算処理（相関演算処理）の一例を簡単に説明する。

焦点検出画素２２２が検出する一対の像は、測距瞳３４１，３４２が交換レンズ３の絞り開口３１２により遮光され、光量バランスが崩れている可能性がある。したがって、本実施形態では、この光量バランスの崩れに対して像ズレ検出精度を維持できるタイプの相関演算を施す。

まず、焦点検出画素列から読み出された一対の像データ列をＡ１_１〜Ａ１_Ｍ、Ａ２_１〜Ａ２_Ｍ（Ｍはデータ数）とし、下記相関演算式（数式１）を行い、相関量Ｃ（ｋ）を演算する。

［数１］
Ｃ（ｋ）＝Σ｜Ａ１_ｎ・Ａ２_{ｎ＋１＋ｋ}−Ａ２_ｎ＋ｋ・Ａ１_ｎ＋１｜
なお、数式１においてΣ演算はｎについての累積演算（総和演算）を示し、ｎの範囲は、像ずらし量ｋに応じてＡ１_ｎ、Ａ１_ｎ＋１、Ａ２_ｎ＋ｋ、Ａ２_{ｎ＋１＋ｋ}のデータが存在する範囲に限定される。また、像ずらし量ｋは整数であり、データ列のデータ間隔を単位とした相対的シフト量である。

数式１の演算結果は、図１２（ａ）に示すように、一対のデータの相関が高いシフト量（図１２（ａ）ではｋ＝ｋj＝２）において相関量Ｃ（ｋ）が極小（小さいほど相関度が高い）になる。

次に、数式２〜数式５による３点内挿の手法を用いて、連続的な相関量に対する極小値Ｃ（ｘ）を与えるシフト量ｘを求める。

［数２］
ｘ＝ｋj＋Ｄ／ＳＬＯＰ

［数３］
Ｃ（ｘ）＝ Ｃ（ｋj）−｜Ｄ｜

［数４］
Ｄ＝｛Ｃ（ｋj−１）−Ｃ（ｋ j＋１）｝／２

［数５］
ＳＬＯＰ＝ＭＡＸ｛Ｃ（ｋj＋１）−Ｃ（ｋj），Ｃ（ｋj−１）−Ｃ（ｋj）｝
そして、数式２で算出されたシフト量ｘの信頼性があるかどうかは、以下のようにして判定する。

図１２（ｂ）に示すように、一対のデータの相関度が低い場合は、内挿された相関量の極小値Ｃ（ｘ）の値が大きくなる。したがって、Ｃ（ｘ）が所定の閾値以上の場合は算出されたシフト量の信頼性が低いと判定し、算出されたシフト量ｘをキャンセルする。

または、Ｃ（ｘ）をデータのコントラストで規格化するために、コントラストに比例した値となるＳＬＯＰでＣ（ｘ）を除した値が所定値以上の場合は、算出されたシフト量の信頼性が低いと判定し、算出されたシフト量ｘをキャンセルする。

または、コントラストに比例した値となるＳＬＯＰが所定値以下の場合は、被写体が低コントラストであり、算出されたシフト量の信頼性が低いと判定し、算出されたシフト量ｘをキャンセルする。

また、図１２（ｃ）に示すように、一対のデータの相関度が低く、シフト範囲ｋｍｉｎ〜ｋｍａｘの間で相関量Ｃ（ｋ）の落ち込みがない場合は、極小値Ｃ（ｘ）を求めることができず、このような場合は焦点検出不能と判定する。

なお、相関演算式としては上述した数式１に限定されず他の公知の相関式を利用することもできる。

算出されたシフト量ｘの信頼性があると判定された場合は、下記数式６により像ズレ量ｓｈｆｔを求める。

［数６］
ｓｈｆｔ＝ＰＹ・ｘ
数式６において、ＰＹは検出ピッチ（焦点検出画素のピッチ）である。

最後に、数式６で算出された像ズレ量ｓｈｆｔに所定の変換係数ｋを乗じてデフォーカス量ｄｅｆを求める。

［数７］
ｄｅｆ＝ｋ・ｓｈｆｔ
図１１のステップＳ１４０へ戻り、レンズ制御ＣＰＵ３２から交換レンズ３の絞り開口Ｆ値の情報を読み込むとともに、図示しない選択スイッチにより選択されている焦点検出位置２２ａ〜２２ｃを確認し、これら絞り開口Ｆ値と焦点検出位置との値を表１に示すマップを参照することで光路長の補正量δを決定し、ステップＳ１３０で算出されたデフォーカス量をこの補正量で補正する。

次いで、ステップＳ１５０では、ステップＳ１４０で算出され補正されたデフォーカス量の絶対値が、所定値以内であるか否かを判断する。デフォーカス量の絶対値が所定値以内にあるときは合焦しているものとし、ステップＳ１６０をジャンプしてステップＳ１７０へ進む。デフォーカス量が所定値以内にないときは、ステップＳ１６０へ進み、カメラ制御ＣＰＵ２５からレンズ制御ＣＰＵ３２を介してレンズ駆動モータ３５へ駆動信号を送出し、フォーカスレンズ３１４を合焦位置へ移動させる。これと相前後してフォーカスレンズ３１４の合焦位置に連動した被写体距離を距離表示器３３に表示する。

なお、図示は省略するが、ステップＳ１５０にて焦点検出が不能であると判断された場合もこのステップＳ１６０へ進み、レンズ制御ＣＰＵ３２にスキャン駆動命令を送信し、交換レンズ３のフォーカスレンズ３１４を無限端から至近端の間でスキャン駆動させることで合焦位置を探索したのち、ステップＳ１００へ戻って上記動作を繰り返す。

ステップＳ１７０では、カメラ本体２に設けられた図示しないレリーズボタンが押されたか否かを判断する。レリーズボタンが押されないときはステップＳ１００へ戻り、ステップＳ１００〜Ｓ１７０の処理を繰り返す。

ステップＳ１７０でレリーズボタンが押されたことを検出したら、ステップＳ１８０へ進み、ハーフミラー２１を光束Ｌ１の光路から退避させる。ハーフミラー２１の退避動作により撮影光学系３１による像面はδだけ前方にずれるが、フォーカスレンズ３１４の駆動量にはこの像面の移動量δが既に反映されているので、再びフォーカスレンズ３１４を移動させることなく、撮像素子２２の撮像面において合焦することになる。この結果、レリーズボタンを押した後にフォーカスレンズ３１４が動作するといった違和感を使用者に与えることもなくなる。

ステップＳ１９０では、レンズ制御ＣＰＵ３２に対して絞り調整命令を送信し、交換レンズ３の絞り３１２の絞り値を、使用者または自動設定された制御Ｆ値にする。この絞り制御が終了したのち、撮像素子２２の撮像画素２２１および全ての焦点検出画素２２２から画像データを読み出す。

ここで、読み出された焦点検出画素２２２の画像データは白黒データであることから、ステップＳ２００にて、焦点検出画素列２２ａ〜２２ｃの各焦点検出画素２２２が位置する画素データを、これら焦点検出画素２２２の周囲の撮像画素２２１の画像データに基づいて画素補間する。これにより、焦点検出画素列２２ａ〜２２ｃの位置におけるカラー画像データを得ることができる。

最後に、ステップＳ２１０にて、撮像画素２２１の画像データおよび補間された画像データをメモリ２６に保存する。このとき、得られた画像データを間引き処理して液晶ディスプレイ２７に表示することもできる。

ステップＳ２２０では連続撮影かどうかを判断し、連続撮影の場合にはステップＳ１９０〜Ｓ２１０を繰り返す。なお、連続撮影モードはカメラ本体２などに設けられる連続撮影モードスイッチを使用者が操作することで選択される。

連続撮影モードが選択されているときは、ハーフミラー２１のアップ・ダウンを行うことなくハーフミラー２１を退避位置に退避させた状態で撮像素子２２からの画像データを連続して読み出すので、連続撮影の駒速度を上げることができる。なお、ハーフミラー２１が退避位置にあると観察光学系２４による被写体の観察はできないが、上述したように液晶ディスプレイ２７に画像データを表示させることにより使用者は被写体を観察しながら連続撮影を行うことができる。

図１３は、本発明の他の実施形態に係るカメラの動作例を示すフローチャートである。図１１に示す実施形態の動作フローに対して、ステップＳ１８０とＳ１９０の間にステップＳ１８２，Ｓ１８６，Ｓ１８８を追加した動作フローであり、共通する動作フローについては説明を省略する。

上述した実施形態では、レリーズボタンが押されたらハーフミラー２１を退避させた後、フォーカスレンズ３１４の焦点調節動作を行わずに撮像動作を行っている。これに対して、本実施形態ではハーフミラー２１を退避させてから撮像動作するまでの間にフォーカスレンズ３１４の焦点調節動作を再度行うようにしている。

すなわち、ステップＳ１８０にて、ハーフミラー２１を光束Ｌ１の光路から退避させたら、ステップＳ１８２へ進み、撮像素子２２に設定された焦点検出画素列２２ａ〜２２ｃに設けられた焦点検出画素２２２から一対のデータを読み出す。この場合、使用者の手動操作により特定の焦点検出画素列が選択されているときは、その焦点検出画素列の焦点検出画素からのデータのみを読み出す。

次のステップＳ１８４では、読み出された一対の像データに基づいて像ズレ検出演算処理（相関演算処理）を行って像ズレ量を演算し、さらにこの像ズレ量をデフォーカス量に変換する。この像ズレ量の演算とデフォーカス量の算出は、上述したステップＳ１３０と同じである。

次のステップＳ１８６では、ステップＳ１８４で算出されたデフォーカス量の絶対値が所定値以内であるか否かを判断する。デフォーカス量の絶対値が所定値以内にあるときは合焦しているものとし、ステップＳ１８８をジャンプしてステップＳ１９０へ進む。デフォーカス量が所定値以内にないときは、ステップＳ１８８へ進み、カメラ制御ＣＰＵ２５からレンズ制御ＣＰＵ３２を介してレンズ駆動モータ３４へ駆動信号を送出し、フォーカスレンズ３１４を合焦位置へ移動させる。これと相前後してフォーカスレンズ３１４の合焦位置に連動した被写体距離を距離表示器３３に表示する。

本実施形態では、ハーフミラー２１を退避させたのちに、再度フォーカスレンズ３１４の合焦操作を行うので、撮像素子２２の移動動作や光路長変化量δに多少の誤差があっても確実に合焦した画像データを得ることができる。

なお、ステップＳ１４０〜Ｓ１６０の、補正量δが反映されたデフォーカス量によるフォーカスレンズ３１４の駆動によって既に合焦位置の近傍に移動しているので、このステップＳ１８８の焦点調節動作は、使用者に違和感を与えるほど大きな移動量ではなくまた迅速に行うことができる。

本実施形態の撮像装置１は、上述した一眼レフデジタルカメラに限定されず、銀塩フィルムカメラ、レンズ一体型デジタルスチルカメラや銀塩フィルムスチルカメラのほかビデオカメラにも適用できる。また、携帯電話機などに内蔵される小型カメラモジュール、監視カメラ、ロボット用視覚認識装置等にも適用できる。さらに、カメラ以外のたとえば焦点検出装置、測距装置、ステレオ測距装置などにも適用することができる。

また、上述した実施形態では、撮影光学系３１の像面と撮像素子２２との相対位置をフォーカスレンズ３１４のみを駆動することにより調節したが、これに代えて又はこれに加えて、撮像素子２２を光軸方向に駆動させるように構成することもできる。

本発明の実施形態に係る一眼レフデジタルカメラを示す要部構成図である。 図１に示す撮像素子の撮像面における焦点検出位置を示す正面図である。 図２のIII部を拡大して焦点検出画素の配列を模式的に示す正面図である。 図３の撮像画素の一つを拡大して示す正面図である。 図３の焦点検出画素の一つを拡大して示す正面図である。 図３に示す３つの撮像画素ＲＧＢそれぞれの波長に対する相対感度を示す分光感度特性図である。 図３に示す焦点検出画素２２２の波長に対する相対感度を示す分光感度特性図である。 図３の撮像画素の一つを拡大して示す断面図である。 図３の焦点検出画素の一つを拡大して示す断面図である。 図３のVIII-VIII線に沿う断面図である。 本発明の他の実施形態に係る画素の配列を模式的に示す正面図であり、図２のIII部に相当する拡大正面図である。 図９の一対の焦点検出画素を拡大して示す正面図である。 本発明の実施形態に係るカメラの動作例を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係るカメラの焦点検出演算（デフォーカス量演算）手順を説明するためのグラフである。 本発明の他の実施形態に係るカメラの動作例を示すフローチャートである。 図１１及び図１３のステップＳ１４０における補正量の求め方を説明するための図（ハーフミラーが退避位置）である。 図１１及び図１３のステップＳ１４０における補正量の求め方を説明するための図（ハーフミラーが挿入位置）である。

符号の説明

１…一眼レフデジタルカメラ；２…カメラ本体；３…交換レンズ
２１…ハーフミラー；２２…撮像素子；２５…カメラ制御ＣＰＵ
３２…レンズ制御ＣＰＵ；３３…距離表示器
２２１…撮像画素；２２２，２２２ａ，２２２ｂ…焦点検出画素
２２２１…マイクロレンズ；２２２２〜２２２５…光電変換部
３１４…フォーカスレンズ

Claims (4)

1. 撮影光学系の絞り開口により制限された光束を受光し、受光信号を出力するとともに、前記撮影光学系の絞り開口により制限された瞳の異なる領域からの一対の焦点検出光束を受光する光電変換部を有する焦点検出画素を含む撮像素子と、
   前記撮影光学系と前記撮像素子との間の光路中に挿脱可能に設けられたハーフミラーと、
   前記ハーフミラーが前記光路中に挿入された状態及び前記ハーフミラーが前記光路から退避した状態での前記焦点検出画素からの信号に基づき前記絞り開口により制限された前記異なる領域からの一対の焦点検出光束により形成される一対の像のズレ量を検出する焦点検出手段と、
   前記一対の焦点検出光束を制限する絞り開口Ｆ値に基づいて、前記ハーフミラーが前記光路中に挿入されたことにより生ずる前記撮影光学系の像面の移動量を検出する移動量検出手段と、
   前記像のズレ量および前記移動量に応じて前記撮影光学系の像面と前記撮像素子との相対位置を調節する調節手段と、を備え、
   前記調節手段は、
   前記ハーフミラーが前記光路中に挿入された状態での前記焦点検出手段により検出された前記像のズレ量および前記移動量検出手段により検出された前記移動量に応じて前記撮影光学系の像面と前記撮像素子との相対位置を調節したのち、
   前記ハーフミラーを前記光路から退避させてから撮像動作するまでの間に、前記ハーフミラーが前記光路から退避した状態での前記焦点検出手段により検出された前記像のズレ量に応じて前記撮影光学系の像面と前記撮像素子との相対位置を調節することを特徴とする撮像装置。
2. 請求項１に記載の撮像装置において、
   前記移動量検出手段は、前記撮影光学系の像面内の、前記像のズレ量の検出位置に応じて前記移動量を求めることを特徴とする撮像装置。
3. 請求項１又は２に記載の撮像装置において、
   前記撮影光学系の位置に応じた撮影距離を表示する距離表示手段をさらに備えることを特徴とする撮像装置。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載の撮像装置において、
   前記調節手段は、前記ハーフミラーが前記光路中に挿入された状態で前記撮影光学系の焦点を調節することを特徴とする撮像装置。

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