JP6465704B2 - 撮像装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置及びその制御方法に関する。

従来、撮像素子を構成する画素に、被写体像の位相差検出機能を付与することで、専用のＡＦセンサを不要とし、かつ高速の位相差ＡＦを実現するための技術が開示されている。特許文献１では、撮像素子の一部の受光素子（画素）において、１つのオンチップマイクロレンズの光軸に対して受光部の感度領域を偏心させることで瞳分割機能を付与している。そしてこれらの画素を焦点検出画素とし、撮像用画素群の間に所定の間隔で配置することで、焦点検出画素から得られた信号に基づいて位相差式焦点検出を行う。

なお、このような撮像装置においては、撮像用画素群からの出力に基づいて生成される撮像画像を撮像装置に備えられた表示装置にスルー画像として表示させることが一般的に行われている。そのため、露出制御は画像が表示されることを考慮して、画像全体の平均的な露光量が適正なものとなるように行われる。

一方で、特許文献１には、撮影光学系と撮像素子との間の光路中に挿脱可能なハーフミラーを設け、光学ファインダによる観察を可能にすると同時に、ハーフミラーを介して撮像素子に入射する被写体からの光束に基づいて焦点検出を行う技術が開示されている。

特開２０００−２９２６８６号公報

ハーフミラーが撮影光学系と撮像素子との間の光路中に挿入され、光学ファインダで被写体を観察する際には、被写体からの入射光量をレンズの絞り開口のみで制限するため、絞り開放状態を維持することが一般的である。そのため、絞りを使用した露出制御を行うことができず、被写体の明るさによっては比較的容易に画素信号が飽和してしまう。

本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、焦点検出画素を含む撮像素子において、露出制御と焦点検出をより適切に行えるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の撮像装置は、撮影光学系を介して入射した光を電気信号に変換して出力する撮像素子と、前記撮像素子における電荷蓄積時間を制御する制御手段と、前記撮像素子から出力された電気信号を、可視画像として出力しない第１のモードと、可視画像として出力する第２のモードとのいずれかを選択する選択手段と、前記撮像素子から出力された電気信号に基づいて測光する測光手段と、前記撮像素子から出力された電気信号に基づいて焦点検出を行う焦点検出手段と、を有し、前記制御手段は、水平同期信号の周期の整数倍で前記電荷蓄積時間を制御し、前記第１のモードが選択されている場合に、前記電荷蓄積時間の最短蓄積時間を第１の時間に設定し、前記第２のモードが選択されている場合に、前記最短蓄積時間を前記第１の時間以上の第２の時間に設定する。

本発明によれば、焦点検出画素を含む撮像素子において、露出制御と焦点検出をより適切に行うことができる。

本発明の実施形態におけるカメラの概略構成図。 実施形態における撮像素子の画素配列の概略図。 実施形態における撮像素子の概略構成を示す図。 実施形態における単位画素の等価回路図。 実施形態における撮影光学系の射出瞳面と光電変換部との関係を説明する図。 実施形態において撮像素子から１行分の電荷を読み出す動作を示すタイミングチャート。 実施形態において撮像素子から１画面分の信号を読み出す動作を示すタイミングチャート。 実施形態におけるカメラの撮影処理を示すフローチャート。 実施形態における焦点検出処理を示すフローチャート。 実施形態における撮影処理を示すフローチャート。 目標の電荷蓄積時間と設定可能な電荷蓄積時間との誤差が露出に与える影響の説明図。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態を詳細に説明する。ただし、本形態において例示される構成部品の寸法、形状、それらの相対配置などは、本発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、本発明がそれらの例示に限定されるものではない。

図１は本発明の実施形態における撮像装置の一例として、カメラの概略構成を示す図であり、交換可能な撮影レンズ１００とカメラ本体１５０とから構成される。撮影レンズ１００は、第１レンズ群１０１、絞り１０２、第２レンズ群１０３、第３レンズ群１０４を含み（撮影光学系）、光軸Ｌ上に配置されている。撮影レンズ１００は更に、駆動／制御系を有する。

第１レンズ群１０１は撮影レンズ１００の先端に配置され、光軸方向に進退可能に保持される。絞り１０２は、その開口径を調節することで撮影時の光量調節を行う。絞り１０２及び第２レンズ群１０３は一体として光軸方向に進退し、第１レンズ群１０１の進退動作との連動により、変倍作用（ズーム機能）を実現する。また、第３レンズ群１０４はフォーカスレンズを含み、光軸方向に進退させることで焦点調節が行われる。

駆動／制御系としては、ズームアクチュエータ１１１、絞りアクチュエータ１１２、フォーカスアクチュエータ１１４を有する。ズームアクチュエータ１１１は、不図示のカム筒を回動することで、第１レンズ群１０１ないし第３レンズ群１０３を光軸方向に進退駆動することで、変倍操作を行う。絞りアクチュエータ１１２は、絞り１０２の開口径を制御して撮影光量を調節する。フォーカスアクチュエータ１１４は、第３レンズ群１０４を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行う。

一方、カメラ本体１５０において、撮影レンズ１００の予定結像面付近には、光学ローパスフィルタや赤外カットフィルタ１０６、ＣＭＯＳセンサや周辺回路等から構成された撮像素子１０７が配置される。本実施形態における撮像素子１０７は、画像信号を生成するための機能を有するとともに、焦点状態を検出するための機能を有する。なお、撮像素子１０７の詳細な構成については後述する。

撮影レンズ１００と撮像素子１０７の間には、平行平板のガラス板などで形成されたハーフミラー１０５が配置される。ハーフミラー１０５は、回転軸を中心にして、光路上に斜めに傾けた位置（実線）と、光路から退避した位置（点線）のいずれかの位置に駆動される。

ハーフミラー１０５は全面半透過性を有するミラーとなっており、光路上の実線位置に配置されている際には、撮影レンズ１００を通過した光束は、上方の光学ファインダ（光学部材）に導かれる反射光と、撮像素子１０７に入射する透過光とに分離される。ハーフミラー１０５による反射光は、光学ファインダを構成する、拡散面とフレネル面を備えるピント板１０９の拡散面上に結像し、ペンタプリズム１１０、接眼光学系１０８を介して撮影者の目に導かれる。一方、透過光は撮像素子１０７で受光され、受光された光に応じて生成された電気信号は、ＡＤ変換、画像処理部などを介して画像信号となる。

一方、ハーフミラー１０５が光路から退避した点線位置に配置されている際には、撮影レンズ１００を通過した光束はそのまま撮像素子１０７に導かれて、撮像素子１０７の受光面上に結像する。撮像素子１０７で受光された光に応じて生成された電気信号は、ＡＤ変換、画像処理部などを介して画像信号となり、記録や表示に用いられる。

ＣＰＵ１２１は、カメラ本体１５０の種々の制御を司るもので、演算部、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｄ／Ａコンバータ、通信インターフェイス回路等を有する。ＣＰＵ１２１は、ＲＯＭに記憶された所定のプログラムに基づいて、カメラ本体１５０が有する各種回路を駆動し、ＡＦ、撮影、画像処理と記録等の一連の動作を実行する。

撮像素子駆動回路１２４は、撮像素子１０７の撮像動作を制御するとともに、取得した電気信号をＡ／Ｄ変換してＣＰＵ１２１に送信する。画像処理回路１２５は、ＣＰＵ１２１を介して撮像素子１０７から取得した画像信号に対して、γ変換、カラー補間、ＪＰＥＧ圧縮等の処理を行う。

フォーカス駆動回路１２６は、撮影レンズ１００のフォーカスアクチュエータ１１４を駆動制御することで、第３レンズ群１０４を光軸方向に進退駆動させて焦点調節を行う。絞り駆動回路１２８は、絞りアクチュエータ１１２を駆動制御して絞り１０２の開口を制御する。ズーム駆動回路１２９は、撮影者のズーム操作に応じてズームアクチュエータ１１１を駆動することで、第１レンズ群１０１を光軸方向に進退駆動させてズーム動作を行う。

液晶等により構成された表示器１３１はカメラ背面に設置され、カメラの撮影モードに関する情報、撮影前のプレビュー画像と撮影後の確認用画像、焦点検出時の合焦状態表示画像等が表示される。操作スイッチ１３２は、電源スイッチ、レリーズ（撮影トリガ）スイッチ、ズーム操作スイッチ、撮影モード選択スイッチ、被写体の観察モード選択スイッチ等を含む。被写体の観察モード選択スイッチを操作することで、被写体の観察に光学ファインダを使用する光学ファインダモード（第１のモード）と、カメラ背面に設置された表示器１３１を使用する電子ファインダモード（第２のモード）とが選択可能となっている。観察モードの選択は、ハーフミラー１０５の位置と連動しており、光学ファインダモードではハーフミラー１０５が光路上の実線位置に挿入され、電子ファインダモードではハーフミラー１０５が点線位置へと退避する。１３３は着脱可能なフラッシュメモリなどの記録媒体で、撮影済み画像を記録する。

図２は、撮像素子１０７における画素部２０３の画素配列を示す概略図である。本実施形態では、マイクロレンズアレイを構成する各マイクロレンズ２０２と、各マイクロレンズ２０２に対して配置された複数の光電変換部２０１Ａ、２０１Ｂを１つの単位画素２００として、図２では、単位画素２００を４列×４行の範囲で示している。本実施形態では光電変換部２０１Ａ、２０１Ｂは単位画素２００をＸ軸方向に２つに分割した構成として説明するが、Ｙ軸方向に分割した構成でも、Ｘ軸方向に分割した単位画素と、Ｙ軸方向に分割した単位画素を混合した構成としてもよい。更に、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の両方に分割した構成としても良く、分割数も２分割に限られるものではない。また、本実施形態では、光電変換部２０１Ａ、２０１Ｂはフォトダイオードにより構成されているものとし、単位画素２００には、ベイヤー配列の原色カラーモザイクフィルタがオンチップで形成されているものとする。また、本実施形態では、画素部２０３を構成する全ての画素を焦点検出画素として用いることのできる単位画素２００により構成しているが、本発明はこれに限られるものではなく、一部の画素を単位画素２００により構成し、所定間隔で配置してもよい。

図３は、読み出し回路を含む撮像素子１０７の概略構成を示す図である。なお、図３では、後述の読み出し動作が説明できる最低限の構成を示しており、画素リセット信号線などが省略されている。図３に示すように、本実施形態における画素部２０３は、横方向にｎ個、縦方向にｍ個の単位画素２００が２次元に配置された構成を有する。以下、ｉをＹ方向のアドレス（ｉ＝０〜m−１）、ｊをＸ方向のアドレス（ｊ＝０〜n−１）として、ｉ行ｊ列目の光電変換部２０１ＡをPDijA、光電変換部２０１ＢをPDijBと記す。

垂直出力線３０６には、PDijA及びPDijBが後述するスイッチを介して接続され、垂直走査回路２０８がスイッチを制御することで単位画素２００が行単位で選択され、選択された行の単位画素２００の信号が垂直出力線３０６に出力される。

垂直走査回路２０８は、信号V0からVm-1により、PDijA及びPDijBと垂直出力線３０６との間のスイッチをＯＮにすることにより、読み出す行を選択することができる。信号PVSTは、垂直走査回路２０８のデータ入力、信号PV1、PV2は、シフトクロック入力であり、信号PV1がＨの時にデータがセットされ、信号PV2がＨの時にデータがラッチされる構成となっている。信号PV1、PV2にシフトクロックを入力することにより、信号PVSTを順次シフトさせて、信号V0からvm-1に対応するスイッチを順次ＯＮさせることができる。信号SKIPは、間引き読み出し時に設定を行わせる制御端子入力である。信号SKIPをＨレベルに設定することにより、垂直走査回路２０８を所定間隔でスキップさせることが可能になる。

ラインメモリ２１０は、選択された行の単位画素２００の出力を一時的に記憶するためのメモリであり、通常は、コンデンサが使用される。スイッチ２０４は、水平出力線２０９を所定の電位VHRSTにリセットするためのスイッチであり、信号HRSTにより制御される。スイッチ２０５は、水平走査回路２０６からの信号Ｈ0からＨn-1により制御され、スイッチ２０５がＯＮされると、ＯＮされたスイッチ２０５に対応する、ラインメモリ２１０に記憶された単位画素２００の出力を水平出力線２０９に出力する。信号Ｈ0からＨn-1によりスイッチ２０５を順にＯＮすることで、一行分の単位画素から出力が読み出される。

水平走査回路２０６において、信号PHSTは、水平走査回路２０６のデータ入力、信号PH1、PH2は、シフトクロック入力であり、信号PH1がＨの時にデータがセットされ、信号PH2がＨの時にデータがラッチされる構成となっている。信号PH1、PH2にシフトクロックを入力することにより、信号PHSTを順次シフトさせて、信号H0からHn-1に対応するスイッチ２０５を順次ＯＮさせることができる。信号SKIPは、後述の間引き読み出し時に設定を行わせる制御端子入力である。信号SKIPをＨレベルに設定することにより、水平走査回路２０６を所定間隔でスキップさせることが可能になる。

図４は、撮像素子１０７の単位画素２００の等価回路図であり、２行２列分の単位画素２００を示している。各PDijA及びPDijBには、それぞれ異なる転送スイッチ３０１Ａ、３０１Ｂに接続され、転送スイッチ３０１Ａ、３０１Ｂは、PDijA、PDijBで発生した電荷を共通のフローティングデフュージョン部（ＦＤ）３０２に転送する。PDijA、PDijBから転送された電荷は、ＦＤ３０２で一時的に保持されるとともに、選択スイッチ３０４により選択された行の電荷は電圧に変換されてソースフォロワアンプ（ＳＦ）３０３から垂直出力線３０６に出力される。リセットスイッチ３０５は、ＦＤ３０２の電位、及び転送スイッチ３０１Ａ、３０１Ｂを介してPDijA、PDijBの電位をVDDにリセットする。なお、転送スイッチ３０１Ａ、３０１Ｂは、それぞれ転送パルス信号PTXAi、PTXBiによって制御される。転送パルス信号PTXAi、PTXBiを制御することで、PDijAの電荷及びPDijBの電荷のうち、ＦＤ３０２に転送する電荷を選択可能としている。また、リセットスイッチ３０５、選択スイッチ３０４はそれぞれ、垂直走査回路２０８からの信号PRESi、PSELiによって制御される。

図５は、撮影レンズ１００から出射された光が１つのマイクロレンズ２０２を通過して、撮像素子１０７の光電変換部２０１Ａ、２０１Ｂで受光される様子を光軸Ｌに対して垂直方向から観察した図である。図５において、５０３は撮影レンズ１００全体の射出瞳、５０１、５０２は光電変換部２０１Ａ、２０１Ｂにそれぞれ対応した撮影レンズ１００の射出瞳の瞳領域、５０４はレンズ絞りを示す。射出瞳５０３を通過した光は、光軸Ｌを中心として単位画素２００に入射する。図５に示すように瞳領域５０１を通過した光束はマイクロレンズ２０２を通して光電変換部２０１Ａで受光され、瞳領域５０２を通過した光束はマイクロレンズ２０２を通して光電変換部２０１Ｂで受光される。このように、光電変換部２０１Ａと２０１Ｂは、それぞれ撮影レンズ１００の射出瞳の異なる領域の光を受光している。

このように瞳分割された光電変換部２０１Ａの信号をＸ軸方向に並ぶ複数の単位画素２００から取得し、これらの出力信号群で構成した被写体像をＡ像とする。同様に、瞳分割された光電変換部２０１Ｂの信号をＸ軸方向に並ぶ複数の単位画素２００から取得し、これらの出力信号群で構成した被写体像をＢ像とする。得られたＡ像とＢ像に対して相関演算を実施し、像のずれ量（瞳分割位相差）を検出する。そして、検出した像のずれ量に対して、撮影レンズ１００の焦点位置と光学系から決まる変換係数を乗じることで、画面内の任意の被写体位置を焦点位置とする撮影レンズ１００の位置を算出することができる。ここで算出された焦点位置情報を元に第３レンズ群１０４を制御することで、撮像面位相差ＡＦが可能となる。

また、Ａ像信号とＢ像信号とを単位画素２００毎に足し合わせて得られるＡ＋Ｂ像信号を、通常の撮影画像として用いることができる。

図６（ａ）は、本実施形態における撮像素子１０７の一行分の画素の電荷蓄積開始から読み出し動作を示すタイミングチャートであり、各駆動パルスのタイミング及び水平走査信号を模式的に示している。

時刻t0、t1では、信号PSELi、PRESi、PTXAi、PTXBiをＨとすることで、ＦＤ３０２の電位、及び転送スイッチ３０１Ａ、３０１Ｂを介してｉ行目のPDijA、PDijBの電位をVDDにリセットする。時刻t2では、信号PTXAi、PTXBiをＬとすることで、リセット解除し、PDijA、PDijBでの電荷蓄積を開始する。

続いて、予め決められた電荷蓄積時間の経過後、時刻t3で読み出し動作が開始される。PDijA、PDijBからの信号の読み出しに先立って、時刻t3では信号PSELiをＨとし、ＳＦ３０３を動作状態とする。時刻t4では信号PRESiをＬとすることでＦＤ３０２のリセットを解除する。

次に、時刻t5で信号PTXAiをＨ、時刻t6でＬとして、PDijAに蓄積された光電荷をＦＤ３０２に転送する。すると、電荷量に応じたＦＤ３０２の電位変動が垂直出力線３０６に出力される。この状態で、不図示のMEM信号をＨにして、各画素のデータをラインメモリ２１０にサンプルホールドする。続いて時刻t7より、水平走査回路２０６によりスイッチ２０５を順次動作させることで、ラインメモリ２１０に保持された信号は列毎に水平出力線２０９に出力される。出力された画素出力は、アンプ２０７を介して、ＶＯＵＴとして出力され、撮像素子駆動回路１２４においてＡＤ変換されてデジタルデータとなる。

同様に、時刻t8で信号PTXBiをＨ、時刻t9でＬとして、PDijBに蓄積された光電荷をＦＤ３０２に転送する。すると、電荷量に応じたＦＤ３０２の電位変動が垂直出力線３０６に出力される。この状態で、不図示のMEM信号をＨにして、各画素のデータをラインメモリ２１０にサンプルホールドする。続いて時刻t10より、水平走査回路２０６によりスイッチ２０５を順次動作させることで、ラインメモリ２１０に保持された信号は列毎に水平出力線２０９に出力される。出力された画素出力は、アンプ２０７を介して、ＶＯＵＴとして出力され、撮像素子駆動回路１２４においてＡＤ変換されてデジタルデータとなる。

なお、図６（ａ）に示す駆動例では、同一行に配置されているPDijA及びPDijBは同時刻にリセットされ、PDijAからの信号、PDijBからの信号が順次読み出される。したがって、電荷蓄積時間としては、PDijAとPDijBとの間で水平同期信号の１パルス（１Ｈ）分の違いが生じる。このPDijA、PDijBの同時リセットは、制御を簡略化するために行っており、PDijA、PDijBのリセット時刻を１Ｈずらして制御することで、PDijAとPDijBとの間で電荷蓄積時間の差を発生させないようにしてもよい。

図６（ｂ）はPDijA、PDijBのリセット時刻を１Ｈずらして制御する場合の撮像素子１０７の一行分の画素の電荷蓄積開始から読み出し動作を示すタイミングチャートである。

時刻t0、t1では、信号PSELi、PRESi、PTXAiをＨとすることで、ＦＤ３０２の電位、及び転送スイッチ３０１Ａを介してｉ行目のPDijAの電位をVDDにリセットする。時刻t2では、PTXAiをＬとすることで、リセット解除し、PDijAでの蓄積を開始する。

時刻t11、t12は時刻t0、t1から１Ｈ後の時刻であり、時刻t11、t12では、信号PSELi、PRESi、PTXBiをＨとすることで、ＦＤ３０２の電位、及び転送スイッチ３０１Ｂを介してｉ行目のPDijBの電位をVDDにリセットする。時刻t13では、PTXBiをＬとすることで、リセット解除し、PDijBでの電荷蓄積を開始する。

続く時刻t3以降の読み出し動作に関しては、上述した図６（ａ）の動作と同様であるため、説明を省略する。このように撮像素子１０７を駆動することで、PDijA、PDijBの間で電荷蓄積時間に差を生じさせずに駆動することが可能となる。

図７は、本実施形態における１画面分の信号を読み出す動作の概要を示すタイミングチャートである。なお、本実施形態においては、撮像素子１０７の駆動を図６（ａ）の方法で行うものとして説明する。

図７に示すように、撮像素子１０７は、露光動作が行われた後、撮像素子１０７内の各PDijA、PDijBに蓄積された電荷が読み出される。この読み出し動作は、垂直同期信号VD、及び不図示の水平同期信号HDに同期して行われる。垂直同期信号VDは、撮像処理における１フレームを規定する信号であり、実施形態中では、たとえば１／３０秒ごとにＣＰＵ１２１からのコマンドを受けて、撮像素子駆動回路１２４より、撮像素子１０７へ送られる。また、水平同期信号HDは、撮像素子１０７の水平同期信号であり、１フレームの期間に行数に応じた数のパルスが所定間隔で送出される。本実施形態では、図６で説明したように、１行に配列されたPDijA、PDijBからそれぞれ電荷を読み出すために２Ｈ期間かかるため、行数の２倍の数のパルスが送出される。また、水平同期信号HDに同期して、設定された電荷蓄積時間となるように、図中点線で示すように、各行毎に画素リセットが行われる。

垂直同期信号VD及び水平同期信号HDに同期して１フレーム分の読み出しが終了すると、垂直同期信号VDが再度送出され、次フレームの読み出しが開始される。また、読み出された画像信号は、画像処理回路１２５へ転送され、欠陥画素補正、Ａ像信号とＢ像信号の加算による撮像信号の生成などの画像処理が実行され、表示器１３１に転送される。

また、撮影レンズ１００の焦点状態を検出するために、画像データ内に含まれるＡ像信号及びＢ像信号のうち、予め決められた焦点検出領域内のＡ像信号及びＢ像信号を抽出して、画像処理回路１２５内の不図示の位相差検出ブロックへも転送される。この位相差検出ブロックで、瞳分割されたPDijA、PDijBから得られたＡ像とＢ像の相関演算を行って、位相差ＡＦ評価値を算出する。ＣＰＵ１２１は、算出した位相差ＡＦ評価値に基づいてフォーカス駆動回路１２６を制御してフォーカスアクチュエータ１１４を動作させ、撮影レンズ１００の第３レンズ群１０４を制御することで焦点調節を行う。なお、焦点検出領域は、予め決められた固定の領域であっても、撮影者が指定した領域であっても、被写体を検出し、検出した被写体を含むように設定された領域であってもよい。また、複数の焦点検出領域を設定してもよい。

また、画像処理回路１２５とＣＰＵ１２１によって構成される測光部によって測光が行われ、電荷蓄積時間、ゲイン、絞りなどの露光条件が決定される。ＣＰＵ１２１は、決定された絞り値に基づいて、絞り駆動回路１２８を制御して絞りアクチュエータ１１２を動作させ、絞り１０２を駆動する。

次に、電荷蓄積時間の制御について説明する。本実施形態においては、電荷蓄積時間は前述したように水平同期信号ＨＤに同期して設定される。そのため、水平同期信号ＨＤの周期の整数倍の電荷蓄積時間しか設定することができず、測光結果から求められた設定目標とする電荷蓄積時間と、制御上設定される電荷蓄積時間との間には最大で０．５Ｈ程度の差が生じる。設定目標とする電荷蓄積時間が長秒側であれば、差の影響は無視できるが、電荷蓄積時間が１／１０００秒以下の短秒側では、設定目標とする電荷蓄積時間が短くなるにつれ、差の影響が大きくなる。

図１１は、水平同期信号ＨＤの周期を２０μｓとした際に、設定目標とする電荷蓄積時間に０．５Ｈの差が生じた場合の影響を示した図である。横軸は設定目標とする荷蓄積時間、縦軸は０．５Ｈの差により生じる露出変化量を示している。短秒側で生じる露出の差が与える画像への影響は、画像データにゲイン補正をかけることで画像の見えに対する影響は軽減することができる。しかし、超短秒側では０．５Ｈの差により生じる露出変化量が大きく、その補正のために画像データに掛けるゲインの値が大きくなるため、ゲイン補正の影響が視認可能となる。そのため、設定可能な最短蓄積時間として、撮像素子１０７の最短駆動限界よりも手前で制限値を設けることが一般的である。

また、本実施形態の撮像素子１０７では、図６（ａ）を参照して前述したように、同一行に配置されているPDijAとPDijBとでは、電荷蓄積時間に１Ｈ分の差が生じる。そのため、画像信号の生成、及び焦点検出時には、設定する電荷蓄積時間に応じて決まるゲイン補正値をどちらか一方、もしくは両方の像信号に掛ける操作を行うことで、一対の信号レベルを揃える必要がある。

更に、上述したように、一般的に、光学ファインダで被写体を観察する際には、被写体からの入射光量はレンズの絞り開口のみで制限されるが、観察する被写体が暗くならないように、絞り開口を開放状態にすることが望ましい。これに対して、表示器１３１により被写体を観察する電子ファインダモードでは、撮像素子１０７で受光した被写体像の画像を表示するため、画像の観察に適した露光条件を、絞り含めて設定することができる。そのため、光学ファインダモードでは電子ファインダモードと比較して、被写体を撮影した際にPDijAとPDijBが飽和しやすくなる。

更には、光学ファインダモードでは被写体の観察を光学ファインダから行うため、本撮影時以外では表示器１３１への被写体表示、及び撮影データの記録を行う必要がない。そのため、先に述べたような画像の見え方に対する補正の影響を考慮する必要が無く、撮像素子１０７の駆動限界となる最短蓄積時間まで使用することができる。

従って、本実施形態では、設定可能な最短蓄積時間を被写体の観察モードに応じて変更する。

次に、本実施形態における動作について、図８〜図１０を参照して詳細に説明する。図８は、本実施形態のカメラにおける撮影処理を示すフローチャートである。

Ｓ８０１において撮影者がカメラの電源スイッチをオン操作すると動作が開始され、Ｓ８０２においてＣＰＵ１２１はカメラ内の各アクチュエータや撮像素子１０７の動作確認を行い、メモリ内容や実行プログラムの初期化、及び、撮影準備動作を実行する。

Ｓ８０３では、操作スイッチ１３２から、観察モードとして、光学ファインダモードが選択されているかどうかを判断する。光学ファインダモードが選択されている場合にはＳ８０４に進んで、ハーフミラー１０５を光軸Ｌ上に挿入した状態にする。一方、電子ファインダモードが選択されている場合にはＳ８０６に進み、ハーフミラー１０５を光軸Ｌから退避させた状態にする。

被写体の観察モードが選択され、ハーフミラー１０５の位置を確定した後は、各観察モードで設定可能な最短蓄積時間を指定する。光学ファインダモードではＳ８０５において最短蓄積時間をＴ１（第１の時間）に、電子ファインダモードではＳ８０７において最短蓄積時間をＴ２（第２の時間）に設定する。ここで、最短蓄積時間Ｔ１、Ｔ２の関係は、Ｔ１≦Ｔ２（第２の時間は第１の時間以上）とする。

次に、Ｓ８０８では、撮像素子１０７から出力されるＡ像信号、Ｂ像信号を読み出し、続くＳ８０９では読み出したＡ像信号、Ｂ像信号を単位画素２００毎に加算処理して撮影画像信号を生成し、Ｓ８１０において生成した撮影画像信号を用いて測光を行う。

次に、Ｓ８１１で再度、選択されている観察モードの判断を行う。光学ファインダモードが選択されている場合にはＳ８１２に進み、Ｓ８１０における測光結果に基づいて露光条件を設定する。その際、レンズの絞り開口は開放状態とし、Ｓ８０５で設定された最短蓄積時間Ｔ１を短秒時側の限界として、電荷蓄積時間を制御することにより露光条件を設定する。これにより、光電変換部２０１Ａ及び２０１Ｂが飽和する可能性を低くすることができる。

一方、電子ファインダモードが選択されている場合にはＳ８１３に進み、Ｓ８１０で演算された測光結果に基づいて、表示器１３１における表示に適した露光条件を設定する。この際に、Ｓ８０７で設定された最短蓄積時間Ｔ２を短秒時側の限界として、電荷蓄積時間を制御する。これにより、電子ファインダに表示される画像の画質低下を防ぐことができる。続くＳ８１４、Ｓ８１５では、Ｓ８０９で得られた撮影画像信号に対して画像処理を行い、表示器１３１にプレビュー画像を表示する。撮影者はこのプレビュー画像を目視して、撮影時の構図決定を行う。Ｓ８１２及びＳ８１５の後はＳ９０１に進み、焦点検出処理を実行する。

図９はＳ９０１で行われる焦点検出処理のサブルーチンを示すフローチャートである。焦点検出処理が開始されると、Ｓ９０２において、予め設定されている焦点検出領域に含まれるPDijA、PDijBから得られたＡ像信号、及びＢ像信号（焦点検出信号）を抽出する。続くＳ９０３では、得られた一対の焦点検出信号に対して、２像の電荷蓄積時間の差により生じるレベル差を補正するゲイン補正を行う。なお、このＳ９０３の処理は、図６（ｂ）に示すタイミングで制御を行った場合には行う必要は無い。Ｓ９０４では２像の相関演算を行い、２像の相対的な位置ずれ量を計算する。ここでは、PDijA、PDijBから読み出され、ゲイン補正された一対の焦点検出信号（a1〜ap、b1〜bp、pはデータ数）に対して、式（１）に示す相関演算を行い、相関量Corr(l)を演算する。

式（１）において、lは像ずらし量を表し、像をずらした際のデータ数はp-lに限定される。また、像ずらし量l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なシフト量である。式（１）の演算結果は、一対のデータの相関が最も高い場合に、相関量Corr(l)が極小となる。さらに、相関量Corr(q)（極小となるシフト量q）、及びqに近いシフト量で算出された相関量を用いて、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Corr(d)を与えるシフト量ｄを求める。

続くＳ９０５では、Ｓ９０４で得られた像ずれ量に対して、所定のデフォーカス換算係数を乗ずることでデフォーカス量を演算し、図８に戻る。

図８のＳ８１６では、Ｓ９０５で求められたデフォーカス量が許容値以下か否かを判断する。デフォーカス量が許容値より大きい場合は非合焦と判断し、Ｓ８１８で第３レンズ群１０４を駆動し、その後、Ｓ８０８〜Ｓ８１６を繰り返し実行する。そしてＳ８１６において、求められたデフォーカス量が許容値以下となり、合焦状態に達したと判定されると、Ｓ８１７にて合焦表示を行い、Ｓ８１９に移行する。Ｓ８１９では、撮影開始スイッチがオン操作されたか否かを判別し、オン操作されていなければＳ８１９にて撮影待機状態を維持する。Ｓ８１９で撮影開始スイッチがオン操作されると、Ｓ１００１に移行して、撮影処理を実行する。

図１０はＳ１００１で行われる撮影処理のサブルーチンを示すフローチャートである。Ｓ１００２では選択されている観察モードの判断を行う。光学ファインダモードが選択されている場合には、Ｓ１００３に進んでハーフミラー１０５を光軸Ｌから退避させてから、Ｓ１００４に進む。電子ファインダモードが選択されている場合には、ハーフミラー１０５は光軸Ｌから退避された状態であるので、そのままＳ１００４に進む。

Ｓ１００４では静止画撮影のために、光量調節絞りを駆動し、露光時間を制御して、撮像素子１０７を露光する。この際に、カメラがメカニカルシャッタが備えられている場合にはその開口制御を行う。メカニカルシャッタが備えられていない場合には、電子シャッタにより電荷蓄積時間を制御する。また、メカニカルシャッタと電子シャッタを両方組み合わせて露光時間を制御しても良い。

撮像素子１０７の露光後、Ｓ１００５において、Ａ像信号及びＢ像信号を読み出す。Ｓ１００６では読み出した信号の欠損画素補間、及び、Ａ像信号及びＢ像信号の加算処理による画像データ生成を行うと共に、画像のγ補正、エッジ強調等の画像処理も行う。Ｓ１００７において、フラッシュメモリ１３３に撮影画像を記録し、続くＳ１００８で撮影した画像を表示器１３１に表示して、図８の処理に戻り、一連の撮影動作を終了する。

以上説明したように本実施形態によれば、観察モードに応じて画像観察時の最短蓄積時間を変更することにより、光電変換部が飽和する可能性を低くすると共に、電子ファインダに表示される画像の画質低下を防ぐことができる。これにより、観察モードに関わらず、露出制御と焦点検出をより適切に行うことができる。

なお、以上説明した実施形態は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、実施形態に対して種々の変形や変更が可能である。

＜変形例＞
上述した実施形態では、設定可能な最短蓄積時間の設定を観察モードに応じて変更する場合について説明した。しかしながら、最短蓄積時間が超短秒時の場合に発生する影響としては、表示、もしくは記録される画像に対して、その差が視認可能となる点にある。そのため、設定可能な最短蓄積時間の設定を、被写体画像の表示、もしくは記録を行う可視画像として出力するモードであるか否かで変更するようにしてもよい。

１００：撮影レンズ、１０１：第１レンズ群、１０２：絞り、１０３：第２レンズ群、１０４：第３レンズ群、１０５：ハーフミラー、１０７：撮像素子、１０８：接眼光学系、１０９：ピント板、１１０：ペンタプリズム、１１２：絞りアクチュエータ、１１４：フォーカスアクチュエータ、１２１：ＣＰＵ、１２４：撮像素子駆動回路、１２５：画像処理回路、１２６：フォーカス駆動回路、１２８：絞り駆動回路、１３１：表示器、１３３：フラッシュメモリ、１５０：カメラ本体

Claims (10)

1. 撮影光学系を介して入射した光を電気信号に変換して出力する撮像素子と、
   前記撮像素子における電荷蓄積時間を制御する制御手段と、
   前記撮像素子から出力された電気信号を、可視画像として出力しない第１のモードと、可視画像として出力する第２のモードとのいずれかを選択する選択手段と、
   前記撮像素子から出力された電気信号に基づいて測光する測光手段と、
   前記撮像素子から出力された電気信号に基づいて焦点検出を行う焦点検出手段と、を有し、
   前記制御手段は、水平同期信号の周期の整数倍で前記電荷蓄積時間を制御し、前記第１のモードが選択されている場合に、前記電荷蓄積時間の最短蓄積時間を第１の時間に設定し、前記第２のモードが選択されている場合に、前記最短蓄積時間を前記第１の時間以上の第２の時間に設定することを特徴とする撮像装置。
2. 前記撮影光学系と、前記撮像素子との間に、光路に挿入された位置及び前記光路から退避した位置のいずれかの位置に駆動されるハーフミラーと、
   前記ハーフミラーにより反射された光を観察するための光学部材を更に含み、
   前記第１のモードは、前記光学部材により被写体を観察する光学ファインダモードであることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記撮影光学系は絞りを有し、
   前記光学ファインダモードでは前記絞りを開放にすることを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記撮像素子から出力された電気信号から生成した画像を表示する表示手段を更に有し、
   前記第２のモードは、前記表示手段に表示された画像を観察する電子ファインダモードであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
5. 前記撮像素子から出力された電気信号から画像信号を生成して、記録媒体に記録する記録手段を更に有し、
   前記第２のモードは、記録を行うモードであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
6. 前記制御手段は、前記測光手段による測光結果に基づいて、前記電荷蓄積時間を制御することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
7. 前記撮像素子は、複数のマイクロレンズそれぞれに対して複数の光電変換部を備え、該複数の光電変換部からそれぞれ電気信号を出力する焦点検出画素を含み、
   前記焦点検出手段は、前記複数の光電変換部からそれぞれ出力される電気信号から位相差を有する一対の焦点検出信号を生成し、該一対の焦点検出信号の位相差に基づいて、焦点検出を行うことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の撮像装置。
8. 前記制御手段は、前記複数の光電変換部における電荷蓄積を行毎に同時に開始するとともに、前記複数の光電変換部から互いに異なるタイミングで電気信号を出力するように制御し、
   前記複数の光電変換部ごとに互いに異なる電荷蓄積時間の差に応じて、前記出力された電気信号のレベル差を補正する補正手段を更に有することを特徴とする請求項７に記載の撮像装置。
9. 前記制御手段は、前記複数の光電変換部から互いに異なるタイミングで電気信号を出力すると共に、前記複数の光電変換部における電荷蓄積時間が互いに同じになるように前記複数の光電変換部における電荷蓄積の開始するタイミングを互いに変えて制御することを特徴とする請求項７に記載の撮像装置。
10. 撮影光学系を介して入射した光を電気信号に変換して出力する撮像素子を有する撮像装置の制御方法であって、
    選択手段が、前記撮像素子から出力された電気信号を、可視画像として出力しない第１のモードと、可視画像として出力する第２のモードとのいずれかを選択する選択工程と、
    制御手段が、水平同期信号の周期の整数倍で前記撮像素子における電荷蓄積時間を制御する制御工程であって、前記第１のモードが選択されている場合に、前記電荷蓄積時間の最短蓄積時間を第１の時間に設定し、前記第２のモードが選択されている場合に、前記最短蓄積時間を前記第１の時間以上の第２の時間に設定する制御工程と、
    測光手段が、前記撮像素子から出力された電気信号に基づいて測光する測光工程と、
    焦点検出手段が、前記撮像素子から出力された電気信号に基づいて焦点検出を行う焦点検出工程と
    を有することを特徴とする撮像装置の制御方法。

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