JP6529387B2 - 撮像装置及びその制御方法、プログラム、記憶媒体 - Google Patents

Description

本発明は、デジタルカメラ、ビデオカメラ等の撮像装置における焦点調節技術に関するものである。

従来、星空の撮影を行うモードを有する撮像装置においては、オートフォーカスによって得られる最終合焦位置を採用せずに、星が無限遠に存在することを利用して、撮影光学系の無限焦点位置にフォーカスレンズを移動させてから撮影することが一般的である。例えば、特許文献１には、星の撮影において、所定の露出条件で、撮影レンズを無限焦点位置にセットし、レリーズボタンの操作後所定の時間を待って露出動作を開始する技術が開示されている。

特開平４−１５６２９号公報 特開２００８−５２００９号公報 特開２０１３−１１７８３号公報

しかしながら、上述の特許文献１に開示された技術では、設計上の無限焦点位置にフォーカスレンズを移動させるため、経年変化、環境温度の変化、カメラ姿勢の変化等により設計上の無限焦点位置がずれる場合がある。そのため、撮影が必ずしも合焦状態で行われないという課題がある。

これを解決するためには、ＡＦ（オートフォーカス）機能によって、焦点調節を行うことが有効である。従来、ＡＦ方式の一つとして、撮像信号の特定周波数成分を抽出し（所謂バンドパスフィルタ処理）、コントラスト評価を行って焦点検出を行う、コントラストＡＦ方式が広く利用されている。

しかしながら、コントラストＡＦ方式による自動焦点調節では、複数フレームのコントラスト評価値を用いて焦点検出を行う必要がある。その場合、星空のように全体が暗く、被写体となる星が小さい場合には必要なコントラストを得るために１フレームの露光時間を長くする必要があり、焦点調節に時間がかかるという課題がある。

また、コントラストＡＦ方式による自動焦点調節では、複数フレームのコントラスト評価値からコントラスト評価値のピークを検出するため、コントラスト評価値のピークを通り過ぎる必要がある。そのため、動画撮影などにおいては、フォーカスレンズの往復運動が画像に表れてしまい、画像の品位を損ねるという課題がある。

そこで、ＡＦ方式の一つとして、各画素にマイクロレンズが形成された２次元の撮像素子を用いて瞳分割方式の焦点検出を行う装置が特許文献２に開示されている。この装置では、撮像素子を構成する各画素の光電変換部が複数に分割されており、分割された光電変換部がマイクロレンズを介して撮影レンズの瞳の異なる領域を通過した光束を受光するように構成されている。この撮影レンズの瞳の異なる領域を通過した光束を受光した光電変換部の１対の出力信号に対して、ずれ量である位相差を算出するための位相差演算を行い、その位相差からデフォーカス量（Ｄｅｆ）を算出することができる。

また、絞り値に応じて位相差検出方式のＡＦにおけるシフト量を変える焦点検出装置が特許文献３に開示されている。この焦点検出装置では、絞り値が大きいほど入射する光束が制限され、位相差検出方式のＡＦで用いる２像の重心間隔が狭くなるため、シフト量を狭くする。これにより、デフォーカス量（Ｄｅｆ）を算出するために要する時間を短縮することができる。

しかしながら、星空撮影においては空全体が暗いため、Ｓ／Ｎ比を良くするために読み出し方向の画素信号の加算を行いたいところである。しかし、その一方で空の星の大きさは極めて小さく、画素信号の加算を行うと解像度が低下し、星の検出ができにくくなる。そのため、その両立を図るには、読み出し方向の画素信号の加算は行わず、且つ明るいＦ値で（絞りを開いた状態で）撮影することが必要となる。しかし、特許文献３に示された方法では、絞りを開くと２像のシフト量が広くなり、デフォーカス量（Ｄｅｆ）を算出するために多くの時間を要してしまう。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、星空を撮影する場合に、高速で高精度な焦点調節が可能な撮像装置を提供することである。

本発明に係わる撮像装置は、撮影光学系の異なる射出瞳領域を通過した光をそれぞれ受光する焦点検出画素を有する撮像素子と、前記焦点検出画素から得られるそれぞれ異なる前記射出瞳領域に対応する一対の像信号に対して、該一対の像信号を相対的にシフトさせるシフト処理を行い、前記一対の像信号の位相差を検出する検出手段と、星空の撮影を行う星空撮影モードと、通常の撮影を行う通常撮影モードとを切り替える切り替え手段と、前記切り替え手段により前記星空撮影モードが選択された場合に、前記シフト処理における前記一対の像信号を相対的にシフトさせる１ステップのシフト量を、前記通常撮影モードが選択された場合の前記一対の像信号を相対的にシフトさせる１ステップのシフト量よりも小さくするように制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、星空を撮影する場合に、高速で高精度な焦点調節が可能な撮像装置を提供することが可能となる。

焦点調節装置を有する撮像装置の構成を示す図。 第１の実施形態における撮像素子の画素配列を示す図。 第１の実施形態における撮像素子における読み出し回路の構成を示す図。 第１の実施形態における撮像素子の光電変換部の共役関係を説明する図。 第１の実施形態における撮像素子の１画素を示す図。 第１の実施形態の焦点調節動作を示すフローチャート。 第２の実施形態の焦点調節動作を示すフローチャート。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、複数の撮影レンズを交換可能なカメラとその撮影レンズからなるカメラシステムであって焦点調節装置を有する撮像装置の構成を示す図である。図１において、本実施形態の焦点調節装置を含むカメラシステムはカメラ１００とこれに交換可能に装着される撮影レンズ３００とを備えて構成される。はじめに、カメラ１００の構成について説明する。

カメラ１００は、複数種類の撮影レンズ３００が存在するカメラシステムに対応しており、同一種類のレンズでも製造番号が異なるものが装着可能である。更には、焦点距離や開放Ｆナンバーが異なる撮影レンズ３００若しくはズーム機能を備える撮影レンズ３００なども装着可能で、同種、異種の撮影レンズにかかわらず交換可能な構成を有する。

このカメラ１００において、本実施形態の撮影レンズ３００を通過した光束は、カメラマウント１０６を通過し、メインミラー１３０により上方へ反射されて光学ファインダ１０４に入射する。光学ファインダ１０４により、撮影者は被写体を光学像として観察しながら撮影できる。光学ファインダ１０４内には、表示部５４の一部の機能、例えば、合焦表示、手振れ警告表示、絞り値表示、露出補正表示等が設置されている。

メインミラー１３０は半透過性のハーフミラーで構成され、メインミラー１３０に入射する光束のうち一部はこのハーフミラー部を通過しサブミラー１３１で下方へ反射されて焦点検出装置１０５へ入射する。焦点検出装置１０５は、２次結像光学系からなる位相差検出方式ＡＦ機構を採用しており、得られた光学像を電気信号に変換しＡＦ部（オートフォーカス部）４２へ送る。ＡＦ部４２では、この電気信号から位相差検出演算を行う。この演算結果に基づき、システム制御回路５０が、本実施形態の撮影レンズ３００のフォーカス制御部３４２（後述する）に対して、焦点調節処理などの制御を行う。本実施形態では、焦点検出結果の補正もＡＦ部４２で行う。

一方、本実施形態の撮影レンズ３００の焦点調節処理が終了し静止画撮影、電子ファインダ表示、動画撮影を行う場合には、不図示のクイックリターン機構によりメインミラー１３０とサブミラー１３１を撮影光束外に退避させる。こうして、撮影レンズ３００を通過した光束は、露光量を制御するためのシャッター１２を介して、光学像を電気信号に変換する撮像素子１４に入射する。これらの撮影動作終了後には、メインミラー１３０とサブミラー１３１は図示される様な位置に戻る。

撮像素子１４において光電変換された電気信号はＡ／Ｄ変換器１６へ送られ、アナログ信号出力がデジタル信号（画像データ）に変換される。１８は、撮像素子１４、Ａ／Ｄ変換器１６、Ｄ／Ａ変換器２６にクロック信号や制御信号を供給するタイミング発生回路であり、メモリ制御回路２２及びシステム制御回路５０により制御される。画像処理回路２０は、Ａ／Ｄ変換器１６からの画像データ或いはメモリ制御回路２２からの画像データに対して所定の画素補間処理や色変換処理を行う。画像処理回路２０は、画像データを用いて所定の演算処理を行う。

撮像素子１４は焦点検出装置の一部を有し、クイックリターン機構によりメインミラー１３０とサブミラー１３１が撮影光束外に退避した状態においても位相差検出方式ＡＦを行うことができる。得られた画像データのうち、焦点検出に対応する画像データは、画像処理回路２０で焦点検出信号に変換される。その後、システム制御回路５０を介してＡＦ部４２へ送られ、焦点調節装置により撮影レンズ３００の焦点合わせが行われる。なお、画像処理回路２０により撮像素子１４の画像データを演算した演算結果に基づき、システム制御回路５０が、撮影レンズ３００のフォーカス制御部３４２に対して焦点合わせを行う所謂コントラスト方式ＡＦも可能な構成となっている。こうして、電子ファインダ観察時や動画撮影時では、メインミラー１３０とサブミラー１３１が撮影光束外に退避するが、撮像素子１４による位相差検出方式ＡＦとコントラスト方式ＡＦの両者が可能となっている。特に、位相差検出方式ＡＦが可能であるため高速な焦点合わせが可能となっている。

この様に、本実施形態のカメラ１００は、メインミラー１３０とサブミラー１３１が撮影光路内にある通常の静止画撮影では、焦点検出装置１０５による位相差検出方式ＡＦを用いる。また、メインミラー１３０とサブミラー１３１が撮影光束外へ退避する電子ファインダ観察時や動画撮影時では、撮像素子１４による位相差検出方式ＡＦを用いる構成となっている。従って、静止画撮影、電子ファインダ、動画撮影のどの撮影においても焦点調節が可能である。なお、撮像素子１４によるＡＦとして、撮像面位相差検出方式ＡＦとコントラスト方式ＡＦを併用する構成であってもよい。

メモリ制御回路２２は、Ａ／Ｄ変換器１６、タイミング発生回路１８、画像処理回路２０、画像表示メモリ２４、Ｄ／Ａ変換器２６、メモリ３０、圧縮伸長回路３２を制御する。そして、Ａ／Ｄ変換器１６のデータが画像処理回路２０、メモリ制御回路２２を介して、或いはＡ／Ｄ変換器１６のデータが直接メモリ制御回路２２を介して、画像表示メモリ２４或いはメモリ３０に書き込まれる。画像表示部２８は液晶モニタ等から構成され、画像表示メモリ２４に書き込まれた表示用の画像データを、Ｄ／Ａ変換器２６を介して画像表示部２８により表示する。画像表示部２８を用いて撮像した画像データを逐次表示することで、電子ファインダ機能を実現できる。画像表示部２８は、システム制御回路５０の指示により任意に表示をＯＮ／ＯＦＦすることが可能であり、表示をＯＦＦにした場合にはカメラ１００の電力消費を大幅に低減できる。

また、メモリ３０は、撮影した静止画像や動画像を記憶するためのものであり、所定枚数の静止画像や所定時間の動画像を記憶するのに十分な記憶容量を備えている。これにより、連射撮影やパノラマ撮影の場合にも、高速かつ大量の画像書き込みをメモリ３０に対して行うことができる。また、メモリ３０はシステム制御回路５０の作業領域としても使用できる。圧縮伸長回路３２は、適応離散コサイン変換（ＡＤＣＴ）等により画像データを圧縮伸長する機能を有し、メモリ３０に記憶された画像を読み込んで圧縮処理或いは伸長処理を行い、処理を終えた画像データをメモリ３０に書き込む。

シャッター制御部３６は、測光部４６からの測光情報に基づいて、撮影レンズ３００側の絞り３１２を制御する絞り制御部３４４と連携しながら、シャッター１２を制御する。インターフェース部３８とコネクタ１２２は、カメラ１００と撮影レンズ３００とを電気的に接続する。これらは、カメラ１００と撮影レンズ３００との間で制御信号、状態信号、データ信号等を伝え合うと共に、各種電圧の電流を供給する機能も備えている。また、電気通信のみならず、光通信、音声通信等を伝達する構成としてもよい。測光部４６は、ＡＥ処理を行う。撮影レンズ３００を通過した光束を、カメラマウント１０６、ミラー１３０、そして不図示の測光用レンズを介して、測光部４６に入射させることにより、画像の露出状態を測定できる。また、測光部４６は、フラッシュ４８と連携することで調光処理機能も有する。なお、画像処理回路２０による撮像素子１４の画像データを演算した演算結果に基づき、システム制御回路５０が、シャッター制御部３６と撮影レンズ３００の絞り制御部３４４に対してＡＥ制御を行うことも可能である。フラッシュ４８は、ＡＦ補助光の投光機能、フラッシュ調光機能も有する。

システム制御回路５０はカメラ１００の全体を制御し、メモリ５２はシステム制御回路５０の動作用の定数、変数、プログラム等を記憶する。表示部５４はシステム制御回路５０でのプログラムの実行に応じて、文字、画像、音声等を用いて動作状態やメッセージ等を表示する液晶表示装置である。カメラ１００の操作部近辺の視認し易い位置に単数或いは複数設置され、例えばＬＣＤやＬＥＤ等の組み合わせにより構成される。表示部５４の表示内容のうち、ＬＣＤ等に表示するものとしては、記録枚数や残撮影可能枚数等の撮影枚数に関する情報や、シャッタースピード、絞り値、露出補正、フラッシュ等の撮影条件に関する情報等がある。その他、電池残量や日付・時刻等も表示される。また、表示部５４は、前述した様にその一部の機能が光学ファインダ１０４内に設置されている。

不揮発性メモリ５６は、電気的に消去・記録可能なメモリであり、例えばＥＥＰＲＯＭ等が用いられる。６０、６２、６４、６６、６８及び７０は、システム制御回路５０の各種の動作指示を入力するための操作部であり、スイッチやダイアル、タッチパネル、視線検知によるポインティング、音声認識装置等の単数或いは複数の組み合わせで構成される。

モードダイアルスイッチ６０は、本実施形態の星空撮影モードや電源オフ、オート撮影モード、マニュアル撮影モード、再生モード、ＰＣ接続モード等の各機能モードを切り替え設定できる。シャッタースイッチＳＷ１である６２は、不図示のシャッターボタンが半押しされるとＯＮとなり、ＡＦ処理、ＡＥ処理、ＡＷＢ処理、ＥＦ処理等の動作開始を指示する。シャッタースイッチＳＷ２である６４は、シャッターボタンが全押しされるとＯＮとなり、撮影に関する一連の処理の動作開始を指示する。撮影に関する処理とは、露光処理、現像処理及び記録処理等のことである。露光処理では、撮像素子１４から読み出した信号をＡ／Ｄ変換器１６、メモリ制御回路２２を介してメモリ３０に画像データとして書き込む。現像処理では、画像処理回路２０やメモリ制御回路２２での演算を用いた現像を行う。記録処理では、メモリ３０から画像データを読み出し、圧縮・伸長回路３２で圧縮を行い、記録媒体２００或いは２１０に画像データとして書き込む。

画像表示ＯＮ／ＯＦＦスイッチ６６は、画像表示部２８のＯＮ／ＯＦＦを設定できる。この機能により、光学ファインダ１０４を用いて撮影を行う際に、液晶モニタ等から成る画像表示部への電流供給を遮断することにより、省電力を図ることができる。クイックレビューＯＮ／ＯＦＦスイッチ６８は、撮影直後に撮影した画像データを自動再生するクイックレビュー機能を設定する。操作部７０は、各種ボタンやタッチパネル等からなる。各種ボタンには、メニューボタン、フラッシュ設定ボタン、単写／連写／セルフタイマー切り替えボタン、露出補正ボタン等がある。

電源制御部８０は、電池検出回路、ＤＣ／ＤＣコンバータ、通電するブロックを切り替えるスイッチ回路等により構成されている。電池の装着の有無、電池の種類、電池残量の検出を行い、検出結果及びシステム制御回路５０の指示に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータを制御し、必要な電圧を必要な期間、記録媒体を含む各部へ供給する。コネクタ８２及び８４は、アルカリ電池やリチウム電池等の一次電池やＮｉＣｄ電池やＮｉＭＨ電池、リチウムイオン電池等の二次電池、ＡＣアダプタ等からなる電源部８６をカメラ１００と接続する。

インターフェース９０及び９４は、メモリカードやハードディスク等の記録媒体との接続機能を有し、コネクタ９２及び９６は、メモリカードやハードディスク等の記録媒体と物理的接続を行う。記録媒体着脱検知部９８は、コネクタ９２または９６に記録媒体が装着されているかどうかを検知する。なお、本実施形態では、記録媒体を取り付けるインターフェース及びコネクタを２系統持つものとして説明しているが、インターフェース及びコネクタは、単数或いは複数、いずれの系統数を備える構成としても構わない。また、異なる規格のインターフェース及びコネクタを組み合わせて備える構成としても構わない。更に、インターフェース及びコネクタにＬＡＮカード等の各種通信カードを接続することで、コンピュータやプリンタ等の他の周辺機器との間で画像データや画像データに付属した管理情報を転送し合うことができる。

通信部１１０は、有線通信、無線通信等の各種通信機能を有する。コネクタ１１２は、通信部１１０によりカメラ１００を他の機器と接続し、無線通信の場合はアンテナである。記録媒体２００及び２１０は、メモリカードやハードディスク等である。記録媒体２００及び２１０は、半導体メモリや磁気ディスク等から構成される記録部２０２，２１２、カメラ１００とのインターフェース２０４，２１４、カメラ１００と接続を行うコネクタ２０６，２１６を備えている。

次に、本実施形態の撮影レンズ３００について説明する。撮影レンズ３００は、カメラ１００に着脱可能に構成される。レンズマウント３０６は、撮影レンズ３００をカメラ１００と機械的に結合し、カメラマウント１０６を介してカメラ１００に交換可能に取り付けられる。カメラマウント１０６及びレンズマウント３０６内には、撮影レンズ３００をカメラ１００と電気的に接続するコネクタ１２２及びコネクタ３２２の機能が含まれている。レンズ３１１には被写体の焦点合わせを行うフォーカスレンズが含まれ、絞り３１２は撮影光束の光量を制御する絞りである。絞りは絞り値が大きいほど入射光束を制限し、絞り値が小さいほど入射光束を多く取り込む。

コネクタ３２２及びインターフェース３３８は、撮影レンズ３００をカメラ１００のコネクタ１２２と電気的に接続する。そして、コネクタ３２２は、カメラ１００と撮影レンズ３００との間で制御信号、状態信号、データ信号等を伝え合うと共に、各種電圧の電流を供給される機能も備えている。コネクタ３２２は電気通信のみならず、光通信、音声通信等を伝達する構成としてもよい。ズーム制御部３４０はレンズ３１１のズーミングを制御し、フォーカス制御部３４２はレンズ３１１のフォーカスレンズの動作を制御する。撮影レンズ３００がズーム機能のない単焦点レンズタイプであればズーム制御部３４０はなくてもよい。絞り制御部３４４は、測光部４６からの測光情報に基づいて、シャッター１２を制御するシャッター制御部３６と連携しながら、絞り３１２を制御する。絞り制御部３４４と絞り３１２は、絞り開口を調節する。

レンズシステム制御部３４６は撮影レンズ３００全体を制御する。そして、レンズシステム制御部３４６は、撮影レンズの動作用の定数、変数、プログラム等を記憶するメモリの機能を備えている。不揮発性メモリ３４８は、撮影レンズ固有の番号等の識別情報、管理情報、開放絞り値や最小絞り値、焦点距離等の機能情報、現在や過去の各設定値などを記憶する。本実施形態においては、撮影レンズ３００の状態に応じたレンズ枠情報も記憶されている。このレンズ枠情報は、撮影レンズを通過する光束を決定する枠開口の撮像素子１４からの距離と枠開口の半径の情報である。絞り３１２は、撮影レンズを通過する光束を決定する枠に含まれ、他にもレンズを保持するレンズ枠部品の開口などが枠に該当する。また、撮影レンズを通過する光束を決定する枠は、レンズ３１１のフォーカス位置やズーム位置によって異なるため、レンズ３１１のフォーカス位置やズーム位置に対応して複数用意されている。そして、カメラ１００が、本実施形態の焦点検出装置を用いて焦点検出を行う際には、レンズ３１１のフォーカス位置とズーム位置に対応した最適なレンズ枠情報が選択され、カメラ１００にコネクタ３２２を通じて送られる構成となっている。

以上が、カメラ１００と撮影レンズ３００からなるカメラシステムの構成である。次に、撮像素子１４からなる焦点検出装置について詳細に説明する。この焦点検出装置は焦点検出装置１０５と同様に位相差検出方式ＡＦを採用している。その構成について説明する。

本実施形態では、撮像素子１４上の各画素についてそれぞれ２つの光電変換部が設けられており、全画素からＡＦ（オートフォーカス）用のＡ像とＢ像（一対の像信号）の出力信号を得ることができる。ＡＦ用信号の数が多いため、出力信号のＳ／Ｎ比が良く、精度のよい焦点検出結果を得ることができる。また、焦点検出用画素から撮像用画素信号も得られるため、高画質な画像を得ることができる。

図２は本実施形態における撮像素子の画素配列を示した図で、２次元Ｃ−ＭＯＳエリアセンサの縦（Ｙ方向）６行と横（Ｘ方向）８列の範囲を、撮影光学系側から観察した状態を示している。カラーフィルタはベイヤー配列が適用され、奇数行の画素には、左から順に緑（Ｇｒｅｅｎ）と赤（Ｒｅｄ）のカラーフィルタが交互に設けられる。また、偶数行の画素には、左から順に青（Ｂｌｕｅ）と緑（Ｇｒｅｅｎ）のカラーフィルタが交互に設けられる。円２１１ｉはオンチップマイクロレンズを表わす。オンチップマイクロレンズの内側に配置された複数の矩形はそれぞれ光電変換部である。

本実施形態では、全ての画素の光電変換部はＸ方向に２分割され、分割された一方の領域の光電変換信号と２つの光電変換信号の和は独立して読み出しできる構成となっている。そして、２つの光電変換信号の和と分割された一方の領域の光電変換信号との差分をとることにより、もう一方の光電変換領域で得られる信号に相当する信号を得ることができる。これらの分割された領域の光電変換信号は、後述する方法で位相差式焦点検出に用いられるほか、視差情報を有した複数画像から構成される３Ｄ（３−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ）画像を生成することもできる。一方で、２つの光電変換信号の和は、通常の撮影画像として用いられる。

ここで、本実施形態における位相差式焦点検出を行なう場合の画素信号について説明する。本実施形態においては、図２に示すマイクロレンズ２１１ｉと、焦点検出画素である分割された光電変換部２１１ａ及び２１１ｂで、撮影光学系の射出瞳領域を瞳分割する。そして、同一行上に配置された所定範囲内の複数の画素２１１において、光電変換部２１１ａの出力をつなぎ合わせて編成したものをＡＦ用Ａ像、同じく光電変換部２１１ｂの出力をつなぎ合わせて編成したものをＡＦ用Ｂ像とする。

このように生成したＡＦ用Ａ像とＡＦ用Ｂ像の相対的な像ずれ量を位相差演算により検出することで、所定領域の焦点ずれ量、すなわちデフォーカス量（Ｄｅｆ）を検出することができる。本実施形態では、ＡＦ用Ａ像もしくはＡＦ用Ｂ像は、いずれか一方は撮像素子からは出力されないが、上述した通り、Ａ像出力とＢ像出力の和は出力されるため、その出力と他方の出力の差分から、もう一方の信号を得ることができ、焦点検出を行うことができる。

図３は本実施形態の撮像素子における読み出し回路の構成を示した図である。１５１は水平走査回路、１５３は垂直走査回路である。そして各画素の境界部には、水平走査ライン１５２ａ及び１５２ｂと、垂直走査ライン１５４ａ及び１５４ｂが配線され、各光電変換部の信号はこれらの走査ラインを介して外部に読み出される。本実施形態における撮像素子では、奇数行からは、ＡＦ用のＡ像出力信号が読みだされ、偶数行からは、ＡＦ用のＢ像出力信号が読みだされるものとする。そして、ＡＦ用のＡ像出力信号とＡＦ用のＢ像出力信号のＳ／Ｎ比を良くするため、行方向に複数の出力信号を加算して、それぞれＡ像信号、Ｂ像信号を生成する。または、後段での処理負荷を軽減させるため、行方向に間引いて、それぞれＡ像信号、Ｂ像信号を生成する。このようにして生成されたＡ像信号、Ｂ像信号を用いて焦点検出を行う。

しかし、本実施形態における星空撮影モードにおいては、被写体となる星像が極めて小さい。そのため、前述した出力信号の加算を行ってしまうと、かえってＳ／Ｎ比が悪くなり、また間引きを行ってしまうと、星像をとらえられない恐れがある。そこで本実施形態では、画像処理部２０により、読みだされたＡ像出力信号とＢ像出力信号から、加算や間引きを行わずに焦点検出信号であるＡ像信号、Ｂ像信号を生成する。

図４Ａ、図４Ｂは、本実施形態の撮像装置において、撮影光学系の射出瞳面と、像高ゼロすなわち像面中央近傍に配置された撮像素子の光電変換部の共役関係を説明する図である。撮像素子内の光電変換部と撮影光学系の射出瞳面は、オンチップマイクロレンズによって共役関係となるように設計される。そして撮影光学系の射出瞳は一般的に光量調節用の虹彩絞りが置かれる面とほぼ一致する。一方、本実施形態の撮影光学系は変倍機能を有したズームレンズであるが、光学タイプによっては変倍操作を行なうと、射出瞳の像面からの距離や大きさが変化する。図４Ａにおける撮影光学系は、焦点距離が広角端と望遠端の中間、すなわちＭｉｄｄｌｅの状態を示している。これを標準的な射出瞳距離Ｚｅｐと仮定して、オンチップマイクロレンズの形状や、像高（Ｘ、Ｙ座標）に応じた偏心パラメータの最適設計がなされる。

図４Ａにおいて、１０１は第１レンズ群、１０１ｂは第１レンズ群を保持する鏡筒部材、１０５は第３レンズ群、１０５ｂは第３レンズ群を保持する鏡筒部材である。１０２は絞りで、１０２ａは絞り開放時の開口径を規定する開口板、１０２ｂは絞り込み時の開口径を調節するための絞り羽根である。なお、撮影光学系を通過する光束の制限部材として作用する１０１ｂ、１０２ａ、１０２ｂ、及び１０５ｂは、像面から観察した場合の光学的な虚像を示している。また、絞り１０２の近傍における合成開口をレンズの射出瞳と定義し、前述したように像面からの距離をＺｅｐとしている。

２１１０は、被写体像を光電変換するための画素で、像面中央近傍に配置されており、本実施形態では、中央画素と呼ぶ。中央画素２１１０は、最下層より、光電変換部２１１０ａ，２１１０ｂ、配線層２１１０ｅ〜２１１０ｇ、カラーフィルタ２１１０ｈ、及びオンチップマイクロレンズ２１１０ｉの各部材で構成される。そして２つの光電変換部はオンチップマイクロレンズ２１１０ｉによって撮影光学系の射出瞳面に投影される。また別の言い方をすれば、撮影光学系の射出瞳が、オンチップマイクロレンズ２１１０ｉを介して、光電変換部の表面に投影されることになる。

図４Ｂは、撮影光学系の射出瞳面上における、光電変換部の投影像を示したもので、光電変換部２１１０ａ及び２１１０ｂに対する投影像は各々ＥＰ１ａ及びＥＰ１ｂとなる。また本実施形態では、撮像素子は、２つの光電変換部２１１０ａと２１１０ｂのいずれか一方の出力と、両方の和の出力を得ることができる画素を有している。両方の和の出力は、撮影光学系のほぼ全瞳領域である投影像ＥＰ１ａ、ＥＰ１ｂの両方の領域を通過した光束を光電変換したものである。投影像ＥＰ１ａを、第１の瞳領域と呼び、投影像ＥＰ１ｂを、第２の瞳領域、２つの投影像の和の領域を第３の瞳領域と呼ぶ。

図４Ａで、撮影光学系を通過する光束の最外部をＬで示すと、光束Ｌは、絞りの開口板１０２ａで規制されており、投影像ＥＰ１ａ及びＥＰ１ｂは撮影光学系でケラレがほぼ発生していない。図４Ｂでは、図４Ａの光束Ｌを、ＴＬで示している。ＴＬで示す円の内部に、光電変換部の投影像ＥＰ１ａ、ＥＰ１ｂの大部分が含まれていることからも、ケラレがほぼ発生していないことがわかる。光束Ｌは、絞りの開口板１０２ａでのみ制限されているため、ＴＬは、１０２ａと言い換えることができる。この際、像面中央では各投影像ＥＰ１ａ及びＥＰ１ｂのけられ状態は光軸に対して対称となり、各光電変換部２１１０ａ及び２１１０ｂが受光する光量は等しい。

以上図２、図３、図４を用いて説明した様に、撮像素子１４は撮像のみの機能だけではなく焦点検出装置としての機能も有している。また、焦点検出方法としては、射出瞳を分割した光束を受光する焦点検出用画素を備えているため、位相差検出方式ＡＦを行うことが可能である。このように構成することにより、本実施形態では、撮像素子１４からの焦点検出信号で位相差検出を行うことができる。

次に、本実施形態におけるカメラ１００の動作について説明する。図５は、システム制御回路５０により実行される焦点調節動作を示すフローチャートである。なお、本フローチャートは、メインミラー１３０とサブミラー１３１が撮影光束外へ退避し、撮像素子１４による位相差検出方式ＡＦを行う電子ファインダ若しくは動画撮影時の焦点調節動作となっている。つまり、電子ファインダのための表示や動画記録を行いつつ、焦点調節動作が並行して行われている。

まず、ステップＳ５０１では、シャッタースイッチＳＷ１（６２）のＯＮや操作部７０の操作などにより焦点検出動作の開始が指示されたか否かを検知し、指示された場合にはステップＳ５０２へ進む。ここでは、焦点検出動作の開始の指示の有無を判別しているが、電子ファインダ表示や動画記録に移行したことをトリガーに、焦点検出を開始してもよい。

ステップＳ５０２では、撮影レンズ３００の上述したレンズ枠情報やフォーカスレンズ位置などの各種レンズ情報をインターフェース部３８，３３８、コネクタ１２２，３２２を介して取得する。ステップＳ５０３では、星空撮影モードに切り替えられたか否かを判定して、星空撮影モードに切り替えられていればステップＳ５０４へ進む。また、星空撮影モードに切り替えられていなければ（通常撮影モードの場合は）、ステップＳ５０７へ進む。なお、星空撮影モードの切り替えはモードダイアルスイッチ６０を用いて行う。

ステップＳ５０４は、ステップＳ５０３で星空撮影モードに切り替えられていると判定された場合に行われる。ステップＳ５０４では、まずステップＳ５０２で取得したレンズ位置を確認する。そして、確認したレンズ位置が製造工程において調整された設計上の無限遠位置である設定基準位置にない場合には、フォーカス制御部３４２によりレンズ３１１のフォーカスレンズを設定基準位置に移動させて、ステップＳ５０５へ進む。また、確認したレンズが設定基準位置の近傍に位置する場合には、レンズ駆動は行わず、ステップＳ５０５へ進む。

ステップＳ５０５では、画像処理部２０を用いて、撮像素子１４から逐次読み出されている画像データに対してフィルター処理を行い、焦点検出信号を生成する。生成した後、ステップＳ５０６へ進む。この時のフィルター処理に用いるフィルターについて説明する。ステップＳ５０５では、ステップＳ５０４で星像が存在する無限遠に焦点が合う設定基準位置近傍にフォーカスレンズを駆動させているため、小デフォーカス状態での焦点検出を行うことになる。そのため、フィルター処理の信号通過帯域は通常よりも高周波帯域を含むようにする。そして、この焦点検出信号は、ＡＦ部４２へ送られ、光量補正などが行われる。

ステップＳ５０６では、後ほど説明するステップＳ５０９においてデフォーカス量の算出に用いるＡＦ用Ａ像とＡＦ用Ｂ像のビットシフト量を決定する。ビットシフト量とは、Ａ像とＢ像を１ステップずつずらしてそれらのずれ量を検出する場合の、１ステップのずらし量、すなわちずれ量を検出する分解能を意味する。星空撮影モードにおけるデフォーカス量（Ｄｅｆ）の算出時のビットシフト量は、星空撮影モードでない場合のビットシフト量である第１のビットシフト量よりも小さい第２のビットシフト量とする。星像にピントが合う設定基準位置近傍にフォーカスレンズが位置する場合、小デフォーカス状態での焦点検出を行うことになる。そのため、Ａ像とＢ像のトータルのシフト量を大きくとる必要がないため、分解能であるビットシフト量を小さくして焦点検出精度を向上させることができる。ビットシフト量の決定後、ステップＳ５０９へ進む。

ステップＳ５０７では、画像処理部２０を用いて、逐次読み出されている画像データに対して加算もしくは間引き等を行い、さらにフィルター処理を行って、焦点検出信号を生成する。この場合には、大デフォーカス状態での焦点検出を行うことも考えられるため、フィルター処理の信号通過帯域は低周波帯域を含むようにする。必要に応じて、大デフォーカス状態から小デフォーカス状態まで焦点調節を行う際に、デフォーカス状態に応じて、フィルター処理の通過帯域がより高周波帯域となるように調整しても良い。そして、この焦点検出信号は、ＡＦ部４２へ送られ、光量補正などが行われる。

ステップＳ５０８では、後ほど説明するステップＳ５０９においてデフォーカス量の算出に用いるＡＦ用Ａ像とＡＦ用Ｂ像のビットシフト量を決定する。この場合のデフォーカス量（Ｄｅｆ）算出時のビットシフト量は、星空撮影モードでない場合のビットシフト量である第１のビットシフト量とする。既に説明したように、この第１のビットシフト量は、星空撮影モードである場合の第２のビットシフト量よりも大きい。ビットシフト量の決定後、ステップＳ５０９へ進む。

ステップＳ５０９では、ステップＳ５０６またはステップＳ５０８で決定したビットシフト量に基づいてシフト処理を行い、ＡＦ部４２において公知の位相差演算手法などによりＡ像とＢ像のずれ量を表す位相差を算出し、デフォーカス量（Ｄｅｆ）に換算する。

ここで、本実施形態における焦点検出演算の詳細について説明する。まずは、焦点検出信号であるＡＦ用Ａ像とＡＦ用Ｂ像を用いた位相差演算を行う。位相差演算に用いる位相差ＣＯＲ（ｋ）は、下記の式で算出される。

式１で用いるｋは、位相差を検出するためにＡＦ用Ａ像とＡＦ用Ｂ像をシフトさせるときのステップ数で、−ｋｍａｘ以上ｋｍａｘ以下の整数である。そして、ＡＦ用Ａ像とＡＦ用Ｂ像が最も一致する場合、すなわち、位相差ＣＯＲが最小となる場合のｋの値を求める。ここで、ｋの値は、整数で算出すると分解能が粗くなってしまうため、適宜補間処理を行い、所謂サブピクセル演算を行う。

本実施形態では、位相差ＣＯＲの差分を取り、差分量の符号が変化するシフト量ｄｋを検出する。位相差の差分ＤＣＯＲは、下記式で算出される。

ＤＣＯＲ（ｋ）＝ＣＯＲ（ｋ）−ＣＯＲ（ｋ−１） …（式２）
この位相差ＣＯＲの差分量ＤＣＯＲを用いて、差分量の符号が変化するシフト量ｄｋを検出する。この差分量の符号が変化するシフト量ｄｋが位相差となる。符号が変化する直前のｋの値をｋ１、符号が変化した直後のｋの値をｋ２（ｋ２＝ｋ１＋１）とすると、シフト量ｄｋは、下記の式で算出される。

ｄｋ＝ｋ１＋｜ＤＣＯＲ（ｋ１）｜／｜ＤＣＯＲ（ｋ１）−ＤＣＯＲ（ｋ２）｜
…（式３）
以上のようにして、１ピクセル以下のＡＦ用Ａ像とＡＦ用Ｂ像のシフト量ｄｋを算出し、処理を終える。上述の位相差の算出方法には、様々な公知の方法があり、本実施形態においても、他の方法を用いても構わない。

次に、デフォーカス量（Ｄｅｆ）の算出を行う。算出されたシフト量に予め不揮発性メモリ５６に記憶された敏感度を乗じることで、シフト量をデフォーカス量（Ｄｅｆ）に換算する。以上のようにして、デフォーカス量（Ｄｅｆ）を算出する。

図５の説明に戻り、ステップＳ５１０では、ステップＳ５０９で算出したデフォーカス量（Ｄｅｆ）が所定の閾値以上か否かを判定する。まず、デフォーカス量（Ｄｅｆ）が閾値以上の場合には、ステップＳ５１１へ進む。ステップＳ５１１では、ステップＳ５０９で算出したデフォーカス量（Ｄｅｆ）に基づき、撮影レンズ３００のレンズ駆動量を算出する。そして、インターフェース部３８，３３８、コネクタ１２２，３２２を介して、レンズ駆動量を撮影レンズ３００のフォーカス制御部３４２に送りフォーカスレンズを駆動することで、撮影レンズ３００の焦点調節を行う。そして、ステップＳ５１２に進む。

ステップＳ５１２では、星空撮影モードであるか否かを判定し、星空撮影モードである場合には、ステップＳ５０５に戻る。また、星空撮影モードでない場合には、ステップＳ５０７に戻る。また、ステップＳ５１０で、デフォーカス量（Ｄｅｆ）が閾値よりも小さい場合には、レンズ駆動を終了して焦点調節動作を終了する。

以上の構成により、撮像面位相差ＡＦにおいて、星空撮影に適した設定により、高速かつ高精度な焦点検出が可能となる。

（第２の実施形態）
以下、図６を用いて、本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態では、星空撮影モードが選択された場合、さらに絞り値を制御して、星空撮影に適した設定を自動で行う。第１の実施形態では、星空撮影モードが選択された場合、画像データから加算もしくは間引きを行わずに焦点検出信号を生成した。また、星空撮影モードである場合、位相差を算出する場合のビットシフト量を、星空撮影モードでない場合の第１のビットシフト量よりも少ない第２のビットシフト量とした。これにより、フォーカスレンズの設定基準位置である無限遠に存在する星像に、常に高速で精度のよい焦点調節を行うことができる。これに対して、第２の実施形態では、星空撮影モードが選択された場合、第１の実施形態の内容に加え、絞り値を所定絞り値よりも小さくする（絞りを開ける）。絞り値を小さくすることにより、星像のような極めて小さい被写体から入射する光束をより多く取り込むことができる。

なお、第１の実施形態における撮像装置のブロック図（図１）、撮像素子１４からなる焦点検出装置を説明する図（図２から図４）に関しては、第２の実施形態においても同様の構成であり、同様の動作を行うため、説明は省略する。

第２の実施形態におけるカメラ１００の動作について説明する。図６は、システム制御回路５０により実行される焦点調節動作を示すフローチャートである。ステップＳ６０１からステップＳ６０４までの処理は第１の実施形態のフローチャート（図５）のステップＳ５０１からステップＳ５０４までの処理と同様であるため、説明を省略する。

ステップＳ６０５では、ステップＳ６０３で星空撮影モードに切り替えられていると判定された場合に、焦点検出信号を取得する際の絞り値を所定絞り値以下とする（絞りの開口を所定値以上に開く）。これにより、星像のような極めて小さい被写体から入射する光束をより多く取り込むことができる。そして、ステップＳ６０６の焦点検出信号取得へと進み、以後は、第１の実施形態と同様の処理を行い、焦点調節動作を終了する。

また、ステップＳ６０８、ステップＳ６０９の処理はステップＳ６０３で星空撮影モードに切り替えられていないと判定された場合の処理であるが、第１の実施形態のフローチャート（図５）のステップＳ５０７、ステップＳ５０８の処理と同様であるため、説明を省略する。

以上の構成により、撮像面位相差ＡＦにおいて、星空撮影に適した設定により、高速かつ高精度な焦点検出が可能となる。

（その他の実施形態）
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１２：撮像素子、２０：画像処理部、１００：カメラ、３００：撮影レンズ、３１１：レンズ、３１２：絞り

Claims (11)

1. 撮影光学系の異なる射出瞳領域を通過した光をそれぞれ受光する焦点検出画素を有する撮像素子と、
   前記焦点検出画素から得られるそれぞれ異なる前記射出瞳領域に対応する一対の像信号に対して、該一対の像信号を相対的にシフトさせるシフト処理を行い、前記一対の像信号の位相差を検出する検出手段と、
   星空の撮影を行う星空撮影モードと、通常の撮影を行う通常撮影モードとを切り替える切り替え手段と、
   前記切り替え手段により前記星空撮影モードが選択された場合に、前記シフト処理における前記一対の像信号を相対的にシフトさせる１ステップのシフト量を、前記通常撮影モードが選択された場合の前記一対の像信号を相対的にシフトさせる１ステップのシフト量よりも小さくするように制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする撮像装置。
2. 前記撮影光学系に配置されたフォーカスレンズを駆動する駆動手段をさらに備え、該駆動手段は、前記切り替え手段により前記星空撮影モードが選択された場合に、前記フォーカスレンズを、所定の基準位置に駆動することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記所定の基準位置とは、前記撮影光学系の無限遠に焦点を合わせるための前記フォーカスレンズの設計上の位置であることを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記撮影光学系の無限遠に焦点を合わせるための前記フォーカスレンズの設計上の位置は、撮像装置の製造工程で調整されていることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
5. 前記焦点検出画素は、前記撮影光学系の異なる射出瞳領域を通過した光を受光するように複数に分割されており、複数の前記焦点検出画素の信号を前記分割の方向に加算する加算手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
6. 前記加算手段は、前記通常撮影モードでは、複数の前記焦点検出画素の信号を前記分割の方向に加算することを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
7. 前記加算手段は、前記星空撮影モードでは、複数の前記焦点検出画素の信号を加算しないことを特徴とする請求項６に記載の撮像装置。
8. 前記切り替え手段により前記星空撮影モードが選択された場合には、前記制御手段は、前記撮影光学系に配置された絞りの絞り値を所定の絞り値よりも小さくすることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の撮像装置。
9. 撮影光学系の異なる射出瞳領域を通過した光をそれぞれ受光する焦点検出画素を有する撮像素子を備える撮像装置を制御する方法であって、
   検出手段が、前記焦点検出画素から得られるそれぞれ異なる前記射出瞳領域に対応する一対の像信号に対して、該一対の像信号を相対的にシフトさせるシフト処理を行い、前記一対の像信号の位相差を検出する検出工程と、
   切り替え手段が、星空の撮影を行う星空撮影モードと、通常の撮影を行う通常撮影モードとを切り替える切り替え工程と、
   制御手段が、前記切り替え手段により前記星空撮影モードが選択された場合に、前記シフト処理における前記一対の像信号を相対的にシフトさせる１ステップのシフト量を、前記通常撮影モードが選択された場合の前記一対の像信号を相対的にシフトさせる１ステップのシフト量よりも小さくするように制御する制御工程と、
   を有することを特徴とする撮像装置の制御方法。
10. 請求項９に記載の制御方法の各工程をコンピュータに実行させるためのプログラム。
11. 請求項９に記載の制御方法の各工程をコンピュータに実行させるためのプログラムを記憶したコンピュータが読み取り可能な記憶媒体。

Images