本発明に係る撮像装置の一実施の形態として、レンズ交換式デジタルスチルカメラを例に挙げて説明する。図1は一実施の形態としてのデジタルスチルカメラ201の構成を示す断面図である。デジタルスチルカメラ201は交換レンズ202とカメラボディ203から構成され、交換レンズ202がマウント部204を介してカメラボディ203に装着される。カメラボディ203にはマウント部204を介して種々の撮影光学系(撮像光学系)を有する交換レンズ202が装着可能である。
交換レンズ202はレンズ209、ズーミング用レンズ208、フォーカシング用レンズ210、絞り211、レンズ駆動制御装置206などを備えている。レンズ駆動制御装置206は不図示のマイクロコンピューター、メモリー、駆動制御回路などから構成され、ズーミング用レンズ208のズーミング、フォーカシング用レンズ210の焦点調節、絞り211の開口径調節のための駆動制御や、ズーミング用レンズ208、フォーカシング用レンズ210および絞り211の状態検出などを行う他、後述するボディ駆動制御装置214との通信によりレンズ情報の送信とカメラ情報の受信を行う。絞り211は、光量およびボケ量調整のために光軸中心に開口径が可変な開口を形成する。
レンズ駆動制御装置206は絞り駆動手段231を介して絞り211の開口径調節を行い、ズーム駆動手段232を介してズーミング用レンズ208を駆動してズーミングを行い、フォーカスレンズ駆動手段233を介してフォーカシング用レンズ210を駆動して焦点調節を行う。
フォーカスレンズ駆動手段233はモータと減速機構(ギアおよびヘリコイドなどから構成される)からなり、高速でフォーカシング用レンズ210を駆動して焦点調節を行う。
レンズ駆動制御装置206は、焦点調節状態、ズーミング状態、開口径調節状態、絞り開放F値などに応じてレンズ情報を更新する。具体的には、ズーミング用レンズ208とフォーカシング用レンズ210との位置、および絞り211の絞り値を検出し、これらのレンズ位置と絞り値に応じてレンズ情報を演算したり、あるいは予め用意されたルックアップテーブルからレンズ位置と絞り値に応じたレンズ情報を選択する。レンズ駆動制御装置206は、マウント部204に設けられた電気接点213を介してレンズ情報をボディ駆動制御装置214に送信する。
レンズ駆動制御装置206はボディ駆動制御装置214から受信した焦点調節情報(デフォーカス量)に基づいてレンズ駆動量を算出し、レンズ駆動量に応じてフォーカスレンズ駆動手段233を介してフォーカシング用レンズ210を合焦位置へ駆動する。また、レンズ駆動制御装置206は受信した絞り値に応じて絞り211を駆動する。
カメラボディ203は撮影光路中に挿入/退避可能なメインミラー205(ビームスプリッタ、ハーフミラー)およびサブミラー217(偏向ミラー、全反射ミラー)、光学ファインダー216(観察光学系、ビューファインダー)、撮像素子212、焦点検出センサー207、ボディ駆動制御装置214およびそれに付随する回路などを備えている。
交換レンズ202よりマウント部204の開口を通して到来する被写体からの光束は撮影光路中に挿入されたメインミラー205により、ペンタプリズムおよび接眼レンズなどからなる光学ファインダー216に分岐して導かれ、撮影者はこの光学フィンダー216を通して被写体を光学的に観察することができる。
一方メインミラー205を透過した被写体からの光束は、撮影光路中に挿入されたサブミラー217により偏向され、焦点検出センサー207に導かれる。焦点検出センサー207は再結像瞳分割型位相差検出方式の焦点検出装置の構成を有しており、焦点検出センサー207の出力信号がボディ駆動制御装置214により処理されて、位相差検出方式により被写体像の焦点調節状態が検出される。この焦点検出センサー207については詳細を後述する。
メインミラー205およびサブミラー217の撮影光路中への挿入/退避は、ボディ駆動制御装置214の指示に基づき、ミラー駆動手段234により独立して行われる。
撮像素子212には、撮像画素が二次元状に配置されるとともに、焦点検出位置に対応した部分に焦点検出画素が組み込まれており、焦点検出画素の出力信号がボディ駆動制御装置214により処理されて、再結像瞳分割型位相差検出方式により被写体像の焦点調節状態が検出される。この撮像素子212については詳細を後述する。
撮像素子212は交換レンズの光軸方向に所定の可動範囲内で移動可能に支持されており、ボディ駆動制御装置214の指示に基づき、撮像素子駆動手段235により光軸方向に駆動され、これにより高精度な焦点調節を行うことができる。
撮像素子駆動手段235はモータと減速機構(ギアおよびヘリコイドなどから構成される)や圧電アクチュエータからなり、フォーカスレンズ駆動手段233に比較して高精度な焦点調節が可能となるように構成されているが、その可動範囲はフォーカスレンズ駆動手段233の可動範囲より狭くなっている。
この明細書では、焦点検出センサー207による焦点検出結果に基づく焦点調節を、「専用AF(Autofocus)」と呼ぶ。一方、撮像素子212の焦点検出用画素列による焦点検出結果に基づく焦点調節を、撮像素子による焦点調節として「撮像素子AF」と呼ぶ。
ボディ駆動制御装置214は、マイクロコンピューター、メモリー、タイマー、駆動制御回路などから構成され、撮像素子212の駆動制御と画像信号および焦点検出信号の読み出しおよび焦点検出センサー207の駆動制御および焦点検出信号の読み出しと焦点検出信号に基づく焦点検出演算、および焦点検出結果に基づくフォーカシング用レンズ210または撮像素子212の駆動による焦点調節を繰り返し行うとともに、画像信号の処理と記録、カメラの動作制御などを行う。また、ボディ駆動制御装置214は電気接点213を介してレンズ駆動制御装置206と通信を行い、レンズ情報の受信とカメラ情報(デフォーカス量や絞り値など)の送信を行う。
外部操作手段220は、撮影者が焦点検出エリアや後述するAFモードを選択する手段であって、選択された焦点検出エリアと選択されたAFモードに応じてボディ駆動制御装置214は焦点調節動作を切り換える。
外部操作手段221は第1段階操作状態と第2段階操作状態を有し、撮影者が焦点調節動作の起動を指示する第1段階操作(半押し)を経て、撮影動作を指示する第2段階操作(全押し)に至る。
ボディ駆動制御装置214は外部操作手段221の操作状態に応じて焦点調節動作/撮影動作を制御する。ボディ駆動制御装置214は、撮像素子212および焦点検出センサー207からの出力信号に基づいてデフォーカス量を算出し、このデフォーカス量をレンズ駆動制御装置206へ送る。また、ボディ駆動制御装置214は、撮像素子212からの画像信号を処理して画像データを生成し、メモリーカード219に格納するとともに、その画像データに基づく画像を液晶表示素子215に表示させる。さらに、ボディ駆動制御装置214は、レンズ駆動制御装置206へ絞り制御情報を送って絞り211の開口制御を行う。
図2は、交換レンズ202の撮影画面上における焦点検出位置を示す図であり、後述する撮像素子212上の焦点検出画素列が焦点検出の際に撮影画面上で像をサンプリングする領域である焦点検出エリアをP0(太線)で示し、焦点検出センサー207のサンプリングする領域をP1、P2、P3で示す。この例では、矩形の撮影画面100上の中央および左右の3箇所に焦点検出エリアP1、P2、P3が配置され、撮影画面100上に格子状に焦点検出エリアP0が配置される。また焦点検出エリアP0の一部は焦点検出エリアP1、P2、P3に重畳して配置される。
撮像素子212上の焦点検出画素列の出力信号を用いて焦点検出を行う場合には、格子状に配置された焦点検出エリアP0の一部に対応した出力信号を用いて焦点検出が行われる。例えば焦点検出エリアP1に重畳した部分の焦点検出エリアP0の出力信号を用いて焦点検出を行う。
図3は撮像素子212の詳細な構成を示す正面図であり、図2の領域101に対応した撮像素子212の部分の拡大図である。撮像素子212には撮像画素310が二次元正方格子状(緑画素、赤画素、青画素からなるベイヤー配列)に稠密に配列されるとともに、焦点検出エリアに対応する位置には焦点検出用の焦点検出画素313、314が直線上に交互に配列される。焦点検出画素313、314はそれぞれ撮像画素310の青画素と緑画素が配置されるべき位置に配置される。
なお図3は垂直方向の焦点検出エリアに対応する焦点検出画素配置を示しているが、水平方向の焦点検出エリアに対応する焦点検出画素配置は、図3を90度回転したものと等しい。
撮像画素310は、図4に示すようにマイクロレンズ10、光電変換部11、および色フィルター(不図示)から構成される。色フィルターは赤(R)、緑(G)、青(B)の3種類からなり、それぞれの分光感度は図6に示す特性になっている。撮像素子212には、各色フィルターを備えた撮像画素310である赤画素、緑画素、青画素がベイヤー配列されている。
図5は、図3に示した焦点検出画素配列における焦点検出画素の構成を示す図であって、焦点検出画素313は、図5(a)に示すようにマイクロレンズ10と光電変換部13とから構成され、光電変換部13の形状は矩形である。また、焦点検出画素314は、図5(b)に示すようにマイクロレンズ10と光電変換部14とから構成され、光電変換部14の形状は矩形である。仮に、焦点検出画素313のマイクロレンズ10と焦点検出画素314のマイクロレンズ10とを重ね合わせて図示すると、光電変換部13と14とが垂直方向に並ぶような位置関係になる。
なお図5(a)、(b)は垂直方向の焦点検出エリアに対応する焦点検出画素配列における焦点検出画素の構成を示しているが、水平方向の焦点検出エリアに対応する焦点検出画素配列における焦点検出画素の構成は、図5(a)、(b)を90度回転したものとなる。
焦点検出画素313、314には光量をかせぐために色フィルターが設けられておらず、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感度と、赤外カットフィルター(不図示)の分光特性とを総合した分光特性(図7参照)となる。つまり、図6に示す緑画素、赤画素および青画素の分光特性を加算したような分光特性となり、その感度の光波長領域は緑画素、赤画素および青画素の感度の光波長領域を包括している。
焦点検出用の焦点検出画素313、314は、撮像画素310の青画素と緑画素が配置されるべき列に配置されている。焦点検出用の焦点検出画素313、314が、撮像画素310の青画素と緑画素が配置されるべき列に配置されているのは、焦点検出画素の位置における撮像用の画像信号を求めるための補間処理において補間誤差が生じた場合に、人間の視覚特性上、赤画素の補間誤差に比較して青画素の補間誤差が目立たないためである。
撮像画素310の光電変換部11は、マイクロレンズ10によって最も明るい交換レンズの射出瞳径(例えばF1.0)を通過する光束をすべて受光するような形状に設計される。また、焦点検出画素313、314の光電変換部13、14は、マイクロレンズ10によって最も明るい交換レンズの射出瞳径(例えばF1.0)を通過する光束の略半分ずつを受光するような形状に設計される。
図8は撮像画素310の断面図である。撮像画素310では撮像用の光電変換部11の前方にマイクロレンズ10が配置され、マイクロレンズ10により光電変換部11の形状が前方に投影される。光電変換部11は半導体回路基板29上に形成される。なお、不図示の色フィルターはマイクロレンズ10と光電変換部11の中間に配置される。
図9(a)は図5(a)に示した焦点検出画素313の断面図である。図2における画面中央の焦点検出エリア101に対応して配置された焦点検出画素313において、光電変換部13の前方(図9(a)においては左方)にマイクロレンズ10が配置され、マイクロレンズ10により光電変換部13の形状が前方に投影される。光電変換部13は半導体回路基板29上に形成されるとともに、その前方にマイクロレンズ10が半導体イメージセンサーの製造工程により一体的かつ固定的に形成される。
図9(b)は図5(b)に示した焦点検出画素314の断面図である。図2における画面中央の焦点検出エリア101に対応して配置された焦点検出画素314において、光電変換部14の前方(図9(b)においては左方)にマイクロレンズ10が配置され、マイクロレンズ10により光電変換部14の形状が前方に投影される。光電変換部14は半導体回路基板29上に形成されるとともに、その前方にマイクロレンズ10が半導体イメージセンサーの製造工程により一体的かつ固定的に形成される。
図10は、マイクロレンズを用いた瞳分割型位相差検出方式の焦点検出光学系の構成を示す。なお、焦点検出画素の部分は拡大して示す。図10において、射出瞳90は、交換レンズ202(図1参照)の予定結像面に配置されたマイクロレンズ10から前方へ距離dの位置に設定される。この距離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間の距離などに応じて決まる距離であって、この明細書では測距瞳距離と呼ぶ。符号91は交換レンズの光軸、符号10a〜10dはマイクロレンズ、符号13a、13b、14a、14bは光電変換部、符号313a、313b、314a、314bは焦点検出画素、符号73,74、83,84は焦点検出光束である。
また、符号93は、マイクロレンズ10a、10cにより投影された光電変換部13a、13bの領域であり、この明細書では測距瞳と呼ぶ。図10では、説明を解りやすくするために楕円形の領域で示しているが、実際には光電変換部13a、13bの形状が拡大投影された形状になる。同様に、符号94は、マイクロレンズ10b、10dにより投影された光電変換部14a、14bの領域であり、測距瞳である。図10では、説明を解りやすくするために楕円形の領域で示しているが、実際には光電変換部14a、14bの形状が拡大投影された形状になる。
図10では、交換レンズの光軸91に隣接する4つの焦点検出画素313a、313b、314a、314bを模式的に例示しているが、焦点検出エリア101のその他の焦点検出画素においても、また画面周辺部の焦点検出エリア102、103の焦点検出画素においても、光電変換部はそれぞれ対応した測距瞳93、94を通って各マイクロレンズに到来する光束を受光するように構成されている。焦点検出画素の配列方向は一対の測距瞳93と94との並び方向、すなわち一対の光電変換部13aと14a(または13bと14b)との並び方向と一致させる。
マイクロレンズ10a〜10dは交換レンズ202(図1参照)の予定結像面近傍に配置されており、マイクロレンズ10a〜10dによりその背後(図10においては右方)に配置された光電変換部13a、13b、14a、14bの形状がマイクロレンズ10a〜10cから測距瞳距離dだけ離間した射出瞳90上に投影され、その投影形状は測距瞳93,94を形成する。すなわち、マイクロレンズから測距瞳距離dにある射出瞳90上で各焦点検出画素の光電変換部の投影形状(測距瞳93,94)が一致するように、各焦点検出画素におけるマイクロレンズと光電変換部の相対的位置関係が定められ、それにより各焦点検出画素の光電変換部の投影方向が決定されている。
光電変換部13aは、測距瞳93を通過してマイクロレンズ10aに到来する光束73によりマイクロレンズ10a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、光電変換部13bは、測距瞳93を通過してマイクロレンズ10cに到来する光束83によりマイクロレンズ10c上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。また、光電変換部14aは、測距瞳94を通過してマイクロレンズ10bに到来する光束74によりマイクロレンズ10b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、光電変換部14bは、測距瞳94を通過してマイクロレンズ10dに到来する光束84によりマイクロレンズ10d上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。
上述した2種類の焦点検出画素を直線状に多数配置し、各画素の光電変換部の出力を測距瞳93および測距瞳94に対応した出力グループにまとめることによって、測距瞳93と測距瞳94をそれぞれ通過する焦点検出用光束が画素列上に形成する一対の像の強度分布に関する情報が得られる。この情報に対して後述する像ズレ検出演算処理(相関演算処理、位相差検出処理)を施すことによって、瞳分割型位相差検出方式による一対の像の像ズレ量が検出される。さらに、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行うことによって、予定結像面(マイクロレンズアレイの位置に対応)に対する現在の結像面(撮影画面上の焦点検出位置に対応する結像面)の偏差(デフォーカス量)が算出される。
図11により、再結像瞳分割型位相差検出方式の焦点検出センサー207の構成および焦点検出動作について説明する。図11は図2に示した焦点検出エリアP1、P2、P3に対応した3つの再結像光学系ユニットからなる焦点検出センサー207の構成を図2の上方向から見た図である。図11において、符号91は交換レンズの光軸、符号110,120はコンデンサレンズ、符号111、121は絞りマスク、112,113、122,123は絞りマアスク開口、符号114、115、124,125は再結像レンズ、符号116、126は焦点検出用の撮像素子(CCD)である。
また、符号132,133、142,143は焦点検出光束である。射出瞳90は交換レンズの予定結像面から前方へ距離dの位置に設定される。ここで、距離dは、コンデンサレンズ110,120の焦点距離と、コンデンサレンズ110,120と絞り開口112,113、122,123との間の距離などに応じて決まる距離であって、以下では測距瞳距離と呼ぶ。この測距瞳距離dは図10における距離dと略等しく設定される。符号192は、コンデンサレンズ110,120により投影された絞り開口112,122の領域であり、以下では測距瞳と呼ぶ。同様に、符号193は、コンデンサレンズ110,120により投影された絞り開口113,123の領域であり、以下では測距瞳と呼ぶ。コンデンサレンズ110、絞りマスク111、絞りマスク開口112,113、再結像レンズ114、115およびイメージセンサー116が、一つの位置で焦点検出を行う再結像瞳分割型位相差検出方式の焦点検出ユニットを構成する。
図11においては、交換レンズの光軸91上にある焦点検出ユニットと交換レンズの光軸91上に無い焦点検出ユニットとを模式的に例示している。複数の焦点検出ユニットを組み合わせることによって、図2に示す3箇所の焦点検出エリアP1、P2、P3において再結像瞳分割型位相差検出方式で焦点検出を行う焦点検出装置を実現することができる。
コンデンサレンズ110からなる焦点検出ユニットは、交換レンズの予定結像面近傍に配置されたコンデンサレンズ110、その背後(図11においては右方)に配置された撮像素子116、コンデンサレンズ110と撮像素子116との間に配置され、予定結像面近傍に結像された1次像を撮像素子116上に再結像する一対の再結像レンズ114、115、一対の再結像レンズの近傍(図11では左方)に配置された一対の絞りマスク開口112、113を有する絞りマスク111から構成される。
撮像素子116は、複数の光電変換部が直線に沿って密に配置されたラインセンサであり、光電変換部の配置方向は一対の測距瞳の並び方向(すなわち、絞り開口の並び方向)と一致させる。この撮像素子116からは、撮像素子116上に再結像された一対の像の強度分布に対応した情報が出力され、この情報に対して後述する像ズレ検出演算処理(相関演算処理、位相差検出処理)を施すことによって、再結像瞳分割型位相差検出方式による一対の像の像ズレ量が検出される。さらに、像ズレ量に所定の変換係数を乗ずることによって、予定結像面に対する現在の結像面の偏差(デフォーカス量)が算出される。
撮像素子116は再結像レンズ114、115により予定結像面上に投影されており、デフォーカス量(像ズレ量)の検出精度は、像ズレ量の検出ピッチ(再結像瞳分割型位相差検出方式の場合は予定結像面上に投影された光電変換部の配列ピッチ)により決まる。
コンデンサレンズ110は、絞りマスク111の絞りマスク開口112、113を射出瞳90上に領域192、193として投影している。領域192,193を測距瞳と呼ぶ。すなわち、撮像素子116上に再結像される一対の像は射出瞳90上の一対の測距瞳192,193を通過する光束によって形成される。射出瞳90上の一対の測距瞳192,193を通過する光束132、133を焦点検出用光束と呼ぶ。
図12は射出瞳90上における撮像素子AFの測距瞳93、94と専用AFの測距瞳192、193を比較した図である。なお、この場合の撮像素子AFにおける焦点検出画素配列方向は図2における水平方向であり、一対の測距瞳の並び方向を専用AFの一対の測距瞳の並び方向に揃えている。
図12において撮像素子AFの測距瞳93、94は開口F1.0を含むように設定されている。一方、専用AFの測距瞳192、193は開口F5.6内に入るように設定されている。これは全ての交換レンズの開放F値がF5.6より明るい交換レンズシステムにおいて、どの交換レンズを使用した場合にも焦点検出光束のケラレがないようにするためである。
瞳分割型位相差検出方式においては、一対の測距瞳を通る一対の焦点検出光束が形成する一対の像のズレ量(光軸に対して垂直な方向でのズレ量)を検出し、該像ズレ量を光軸方向のデフォーカス量に変換することにより焦点検出を行っている。
専用AFではお互いの重心間隔が狭い一対の測距瞳192、193を通る一対の焦点検出光束が形成する一対の像のズレ量に応じて焦点検出を行うため、小さな像ズレ量で大きなデフォーカス量の検出することができる。
一方、撮像素子AFではお互いの重心間隔が広い一対の測距瞳93、94を通る一対の焦点検出光束が形成する一対の像のズレ量に応じて焦点検出を行うため、デフォーカス量の検出精度が向上する。
また、予定結像面上における像の検出ピッチに関しては、撮像素子AFの検出ピッチは画素ピッチの2倍のピッチであり、専用AFの検出ピッチは撮像素子のピッチを再結像レンズによって予定結像面に投影した場合のピッチとなる。撮像素子AFの検出ピッチを専用AFの検出ピッチより小さくしておくことにより、さらに撮像素子AFのデフォーカス量の検出精度が向上する。
図13は、本実施の形態のデジタルスチルカメラ201の撮像動作を示すフローチャートである。ボディ駆動制御装置214は、ステップS10において、撮影者により外部操作手段221が操作されて第1段階操作状態となることにより、AF開始が指示されると、ステップS20において、外部操作手段220で設定されたAFモードに応じて、ステップS100のワンショットAFモード、ステップS300のコンティニュアスAFモード、ステップS500の高精度AFモード、ステップS700の高速連写AFモードに分岐する。
ワンショットAFモードとは一旦合焦を検出した後は焦点調節動作をロックするAFモードであり、コンティニュアスAFモードとは合焦に関わらず常時迅速な焦点調節動作を継続するAFモードであり、高精度AFモードとは合焦に関わらず常時高精度な焦点調節動作を継続するAFモードであり、高速連写モードとは高速連写に適した焦点調節動作を行うAFモードである。
ワンショットAFモードに分岐した場合は、図14のステップS100から動作を開始する。ステップS110においてメインミラー205とサブミラー217が撮影光路外に退避されていた場合には、メインミラー205とサブミラー217を撮影光路に挿入する。ステップS120において、撮像素子212の位置をリセットし、撮像素子212を撮像素子駆動手段235による可動範囲の中央に位置させる。ステップS130において専用AFの焦点検出エリア(AFエリア)からデータを読み出す。なおAFエリアは撮影者により予め外部操作手段220により選択されている。
ステップS140において専用AFのAFエリアから読み出されたデータに基づいて像ズレ量を算出する。ステップS150において像ズレ量をデフォーカス量に変換する。ステップS140およびS150の詳細は後述する。
ステップS160では算出されたデフォーカス量に基づき、合焦近傍か否かを判定し、合焦近傍でない場合はステップS170に進み、デフォーカス量をレンズ駆動制御装置(レンズCPU)206へ送信し、交換レンズ202のフォーカシング用レンズ210を合焦位置に駆動させる。その後、ステップS130へ戻って上述した動作を繰り返す。合焦近傍と判定された場合は、ステップS180でサブミラー217のみを撮影光路から退避し、図15の状態となる。
ステップS190において撮像素子AFのAFエリア(撮影者が選択したAFエリアであって、専用AFのAFエリアと合致しているAFエリア)からデータを読み出す。ステップS200において撮像素子AFのAFエリアから読み出されたデータに基づいて像ズレ量を算出する。ステップS210において像ズレ量をデフォーカス量に変換する。ステップS200およびS210の詳細は後述する。
ステップS220では算出されたデフォーカス量に基づき、合焦か否かを判定し、合焦でない場合はステップS230に進み、デフォーカス量が撮像素子212の可動範囲内であるか判定し、可動範囲内にない場合にはステップS240でサブミラー217を撮影光路に挿入し、ステップS130へ戻って上述した動作を繰り返す。可動範囲内にある場合にはステップS250で撮像素子212をデフォーカス量に応じて光軸方向に移動させる。
図16はフォーカシング用レンズ210の可動範囲と撮像素子212の可動範囲を模式的に示した図であって、フォーカシング用レンズ210の可動範囲は撮影距離の至近から無限遠(∞)まであり(図16(a))、撮像素子212の可動範囲はフォーカシング用レンズ210の可動範囲より狭い(図16(b))。
専用AFの焦点調節によりフォーカシング用レンズ210が駆動されて合焦近傍内に入った段階でのレンズ位置が撮像素子210の可動範囲の中央(リセット位置)になっており、撮像素子AFで検出されたデフォーカス量に応じて撮像素子212が可動範囲内で移動されることになる。撮像素子212の現在位置Cpに対して検出されたデフォーカス量に基づく撮像素子212の移動位置(合焦位置)が可動範囲内に入る場合(図16(c))には撮像素子212をデフォーカス量に応じて移動させる。撮像素子212の現在位置Cpに対して検出されたデフォーカス量に基づく撮像素子212の移動位置(合焦位置)が可動範囲内に入らない場合(図16(d))には撮像素子212を移動させずに、専用AFによる焦点調節を行う。
図14において、ステップS220で合焦と判定された場合は、ステップS260で撮影者により外部操作手段221が第2段階操作状態となり、シャッタレリーズが指示されるのを待機する。シャッターレリーズの指示に応じて、ステップS270で、メインミラー205を撮影光路から退避させるとともに、レンズ駆動制御装置206へ絞り調整命令を送信し、交換レンズ202の絞り値を制御F値(撮影者または自動により設定されたF値)にする。絞り制御が終了した時点で、ステップS280で撮像素子212に撮像動作を行わせ、撮像素子212の撮像画素310および全ての焦点検出画素313,314から画像データを読み出す。
ステップS290において、画像データに対し所定の処理(例えば焦点検出画素列の各画素位置の画素データを焦点検出画素の周囲の撮像画素のデータに基づいて補間)を行い、次にその画像データをメモリーカード219に記憶し、ステップS110へ戻って上述した動作を繰り返す。
なお上記フローにおいては、ステップS230においてデフォーカス量が撮像素子の可動範囲外であった場合にはステップS240を経てステップS130に戻って、専用AFによる焦点調節を行っているが、デフォーカス量をレンズ駆動制御装置206へ送信し、交換レンズ202のフォーカシング用レンズ210を合焦位置に駆動させた後ステップ190に戻り、撮像素子AFによる焦点調節を継続するようにしてもよい。このようにすれば、サブミラー217の挿入退避を省略することができるので、迅速な焦点調節動作を達成することができる。
ワンショットAFモードでは、メインミラー205とサブミラー217を撮影光路に挿入した状態で、専用AFにより焦点検出を行って第1段階の焦点調節(粗調節)を行った後、サブミラー217を撮影光路から退避して撮像素子AFにより焦点検出を行って第2段階の焦点調節(微調節)を行う。撮影者により焦点検出動作の開始が指示された時点で大きくデフォーカスした状態にあっても、確実に焦点検出して迅速に合焦近傍状態にすることができ、最終的には高い精度で合焦を達成できるとともに、撮影者は、シャッターレリーズを行うまで光学ファインダーにより被写体像を捕捉し続けることができる。
コンティニュアスAFモードに分岐した場合は、図17のステップS300から動作を開始する。ステップS310において撮像素子212の位置をリセットし、撮像素子212を撮像素子駆動手段235による可動範囲の中央に位置させる。ステップS320においてメインミラー205とサブミラー217が撮影光路外に退避されていた場合には、メインミラー205とサブミラー217を撮影光路に挿入する。
ステップS330において専用AFのAFエリアからデータを読み出す。なおAFエリアは撮影者により予め外部操作手段220により選択されている。ステップS340において専用AFのAFエリアから読み出されたデータに基づいて像ズレ量を算出する。ステップS350において像ズレ量をデフォーカス量に変換する。ステップS340およびS350の詳細は後述する。
ステップS360では、算出されたデフォーカス量をレンズ駆動制御装置(レンズCPU)206へ送信し、交換レンズ202のフォーカシング用レンズ210(撮影光学系)を合焦位置に駆動させる。
ステップS370では、撮影者により外部操作手段221が第2段階操作状態となり、シャッターレリーズが指示されているかを判定し、シャッターレリーズの指示がない場合にはステップS330へ戻って上述した動作を繰り返す。
シャッターレリーズの指示があった場合には、ステップS380でメインミラー205とサブミラー217を撮影光路から退避させるとともに、レンズ駆動制御装置206へ絞り調整命令を送信し、交換レンズ202の絞り値を制御F値(撮影者または自動により設定されたF値)にする。絞り制御が終了した時点で、ステップS390で撮像素子212に撮像動作を行わせ、撮像素子212の撮像画素310および全ての焦点検出画素313,314から画像データを読み出す。
ステップS400において、画像データに対し所定の処理(例えば焦点検出画素列の各画素位置の画素データを焦点検出画素の周囲の撮像画素のデータに基づいて補間)を行い、次にその画像データをメモリーカード219に記憶し、ステップS320へ戻って上述した動作を繰り返す。
コンティニュアスAFモードではメインミラー205とサブミラー217を撮影光路に挿入した状態で常時専用AFにより焦点検出を行って焦点調節を行う。したがって、被写体の移動が高速でデフォーカス量が大きく急変する場合や、撮影者による構図変更が頻繁に行われデフォーカス量が大きく急変する場合においても確実にデフォーカス量の急変に迅速に追従して焦点調節を行うことができるとともに、撮影者は、シャッターレリーズを行うまで光学ファインダーにより被写体像を捕捉し続けることができる。
高精度AFモードに分岐した場合は、図18のステップS500から動作を開始する。ステップS510においてサブミラー217が撮影光路に挿入されていた場合には、サブミラー217を撮影光路外に退避する。ステップS520においてメインミラー205が撮影光路外に退避されていた場合には、メインミラー205を撮影光路に挿入する。ステップS530において撮像素子212の位置をリセットし、撮像素子212を撮像素子駆動手段235による可動範囲の中央に位置させる。
ステップS540において撮像素子AFのAFエリア(撮影者が選択したAFエリア)からデータを読み出す。ステップS550において撮像素子AFのAFエリアから読み出されたデータに基づいて像ズレ量を算出する。ステップS560において像ズレ量をデフォーカス量に変換する。
ステップS570においてデフォーカス量をレンズ駆動制御装置206へ送信し、交換レンズ202のフォーカシング用レンズ210を合焦位置に駆動させる。ステップS580において撮像素子AFのAFエリア(撮影者が選択したAFエリア)からデータを読み出す。ステップS590において撮像素子AFのAFエリアから読み出されたデータに基づいて像ズレ量を算出する。ステップS540、S550、S590、S600の詳細は後述する。
ステップS610では算出されたデフォーカス量が撮像素子212の可動範囲内であるか判定し、可動範囲内にない場合にはステップS570へ戻って上述した動作を繰り返す。可動範囲内にある場合にはステップS620で撮像素子212をデフォーカス量に応じて光軸方向に移動させる。
ステップS630では、撮影者により外部操作手段221が第2段階操作状態となり、シャッターレリーズが指示されているかを判定し、シャッターレリーズの指示がない場合にはステップS540またはステップS580へ戻って上述した動作を繰り返す。
シャッターレリーズの指示があった場合には、ステップS640でメインミラー205を撮影光路から退避させるとともに、レンズ駆動制御装置206へ絞り調整命令を送信し、交換レンズ202の絞り値を制御F値(撮影者または自動により設定されたF値)にする。絞り制御が終了した時点で、ステップS650で撮像素子212に撮像動作を行わせ、撮像素子212の撮像画素310および全ての焦点検出画素313,314から画像データを読み出す。
ステップS660において、画像データに対し所定の処理(例えば焦点検出画素列の各画素位置の画素データを焦点検出画素の周囲の撮像画素のデータに基づいて補間)を行い、次にその画像データをメモリーカード219に記憶し、ステップ520へ戻って上述した動作を繰り返す。
高精度AFモードではメインミラー205を撮影光路に挿入し、サブミラー217を撮影光路から退避した状態で撮像素子AFにより焦点検出を行い、検出されたデフォーカス量が撮像素子212の可動範囲外である場合には、フォーカシング用レンズ210を移動させて第1段階の焦点調節(粗調節)を行った後、検出されたデフォーカス量が撮像素子212の可動範囲内である場合には、撮像素子212の移動による第2段階の焦点調節(微調節)を行う。したがって、被写体が光軸方向にわずかに動く場合や、手持ち撮影などで被写体とカメラの相対的位置がわずかに変化する場合においても、迅速かつ高精度な合焦状態を常に達成することができるとともに、撮影者は、シャッターレリーズを行うまで光学ファインダーにより被写体像を捕捉し続けることができる。
高速連写AFモードに分岐した場合は、図19のステップS700から動作を開始する。ステップS710においてメインミラー205とサブミラー217が撮影光路に挿入されていた場合には、メインミラー205とサブミラー217を撮影光路外に退避し、図20の状態となる。ステップS720において撮像素子212の位置をリセットし、撮像素子212を撮像素子駆動手段235による可動範囲の中央に位置させる。
ステップS730では、交換レンズ202の絞り値を固定したまま撮像素子212に撮像動作を行わせ、撮像素子212の撮像画素310および全ての焦点検出画素313,314から画像データを読み出す。ステップS740ではその画像データに基づく画像を液晶表示素子215に表示させる。
ステップS750では、撮影者により外部操作手段221が第2段階操作状態となり、シャッターレリーズが指示されているかを判定し、シャッターレリーズの指示がない場合にはステップ770に進む。
シャッターレリーズの指示があった場合には、ステップS760において、画像データに対し所定の処理(例えば焦点検出画素列の各画素位置の画素データを焦点検出画素の周囲の撮像画素のデータに基づいて補間)を行い、次にその画像データをメモリーカード219に記憶し、ステップS770に進む。
ステップS770において、撮像時に画像データといっしょに読み出された焦点検出画素のデータのうち、選択されたAFエリアに対応する焦点検出画素のデータに基づいて像ズレ量を算出する。ステップS780において像ズレ量をデフォーカス量に変換する。ステップS770およびS780の詳細は後述する。
ステップS790では算出されたデフォーカス量が撮像素子212の可動範囲内であるか判定し、可動範囲内にある場合にはステップS800で撮像素子212をデフォーカス量に応じて光軸方向に移動させ、ステップS730に戻って上述した動作を繰り返す。可動範囲内にない場合にはステップS800でデフォーカス量をレンズ駆動制御装置206へ送信し、交換レンズ202のフォーカシング用レンズ210を合焦位置に駆動させ、ステップS730へ戻って上述した動作を繰り返す。
高速連写AFモードではメインミラー205とサブミラー217を撮影光路から退避した状態で撮像動作と同時に読み出される焦点検出画素データに基づいて焦点検出を行い、検出されたデフォーカス量に応じて常時迅速かつ高精度な焦点調節を行う。したがって、焦点検出専用のデータ読み出しを行う時間を短縮でき、メインミラー205とサブミラー217の撮影光路への挿入退避を行う時間も短縮できるので高速連写が可能になるとともに、撮影者は、被写体像を液晶表示素子215において常時捕捉し続けることができる。
なお、簡便のため、図14、図17、図18、図19のフローには不図示であるが、デフォーカス量の算出が不能(すなわち、焦点検出不能)であった場合には、レンズ駆動制御装置206へ指令を送信し、フォーカシング用レンズ210を至近と無限遠(∞)の間で走査駆動させながら焦点検出を行う。
図14のステップS140、S150、S200、S210、図17のステップS340、S350、図18のステップS540、S550、S590、S600、図19のステップS770、S780における像ズレ検出演算処理(相関演算処理、位相差検出処理)の詳細について以下説明する。以下の説明においては、専用AFの出力信号(データ列)と撮像素子AFの出力信号(データ列)を区別せずに取り扱う。
データ列は、一対の像の一方に対応する基準データ列と、もう一方に対応する副データ列からなる。例えば、専用AFの場合は、図11において再結像レンズ114により撮像素子116上に形成された像に相当するデータが基準データ列を構成し、再結像レンズ125により撮像素子126上に形成された像に相当するデータが副データ列を構成する。また、撮像素子AFの場合は、焦点検出画素313の配列の出力が基準データ列となり、焦点検出画素314の配列の出力が副データ列となる。
基準データ列(A1n ,但しn=0〜N)が固定され、該基準データ列に対し副データ列(A2n ,但しn=(−m)〜(N+m))が相対的にデータ列のデータ間隔(データピッチ)だけ順次シフトされ、各シフトにおける相関量が数式1により計算される。
C(k)=Σ|A1n−A2(n+k)| (1)
ただし、Σ演算はnについて0〜Nまでの積算を行う。また、シフト量kは整数であり、式(1)の演算はk=(−m)〜(+m)の範囲で行われる。式(1)の演算結果は、図21(a)に示すように、一対のデータの相関が高いシフト量(図21(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。
以下の式(2)〜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。
x=kj+D/SLOP (2)
C(x)= C(kj)-|D| (3)
D={C(kj-1)-C(kj+1)}/2 (4)
SLOP=MAX{C(kj+1)-C(kj),C(kj-1)-C(kj)} (5)
式(2)で算出されたずらし量xの信頼性があるかどうかは、以下のようにして判定される。図13(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ずらし量の信頼性が低いと判定し、算出されたずらし量xをキャンセルする。
あるいは、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、算出されたずらし量の信頼性が低いと判定し、算出されたずらし量xをキャンセルする。あるいはまた、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、算出されたずらし量の信頼性が低いと判定し、算出されたずらし量xをキャンセルする。
図13(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。
算出されたずらし量xの信頼性があると判定された場合は、式(6)により像ズレ量shftに換算される。
shft=PY・(x−X0) (6)
式(6)において、PYは検出ピッチ(専用AFの場合は撮像素子116を再結像レンズ114,115により予定焦点面に投影した場合の投影倍率が掛けられた撮像素子116のピッチ、撮像素子AFの場合は焦点検出画素313または314同士の実際のピッチであってすなわち画素ピッチの2倍)であり、X0はオフセット量である。X0は専用AFの場合には予定焦点面に合焦面が合致した場合に、像ズレ量が0となるように定められたオフセット量である。撮像素子AFの場合はX0=−0.5となり、この量は焦点検出画素313と焦点検出画素314が半分の検出ピッチ分ずれて配置されていることを補正するためのオフセット量である。
式(6)で算出された像ズレ量に所定の変換係数qを乗じてデフォーカス量defへ変換する。
def=q・shft (7)
変換係数qは専用AFの場合と撮像素子AFでは異なる値となる。専用AFの場合は図12において一対の測距瞳192,193の重心間隔を開口F値相当の値に変換した値となる。撮像素子AFの場合は使用されている交換レンズの開放F値に応じて変換係数qの値が変化し、交換レンズの開放F値の開口を2等分した2つの半円の重心間の距離を開口F値相当の値に変換した値となる。
撮像素子AFの場合は一対の測距瞳93,94が交換レンズの絞り開口によりけられて一対の像の光量バランスが崩れる場合があるので、光量バランス崩れに対して像ズレ検出精度を維持できる次式(8)のような相関演算式を式(1)の代わりに用いてもよい。
C(k)=Σ|A1n・A2(n+1+k)−A2(n+k)・A1(n+1)|
ただしΣ演算はn=0〜(N−1)の範囲で総和を取る。
《発明の他の実施の形態》
専用AFおよび撮像素子AFにおける焦点検出エリアの配置は図2に限定されることはなく、その他の位置・方向に焦点検出エリアを配置することも可能である。
上述した実施例においては、レンズ駆動制御装置206はフォーカスレンズ駆動手段233を介してフォーカシング用レンズ210を駆動して焦点調節を行っているが、図22に示すようにフォーカシング用レンズ210の駆動手段を高速用(第1駆動手段233A)と通常用(第2駆動手段233B)の2系統設け、デフォーカス量に応じて使い分けても良い。
図23はレンズ駆動制御装置206の動作フローチャートであって、ステップS2000でボディ駆動制御装置214からのデフォーカス量の受信を待機する。デフォーカス量を受信するとステップS2010でデフォーカス量の絶対値が所定閾値以内であるか判定し、所定閾値以上である場合は第1駆動手段233Aにより高速にフォーカシング用レンズ210(撮影光学系)を駆動して移動し、所定閾値以内である場合は第2駆動手段233Bにより通常速度でフォーカシング用レンズ210(撮影光学系)を駆動して移動し、ステップS2000に戻る。
第1駆動手段233Aおよび第2駆動手段233Bは、それぞれ、モータと減速機構(ギアおよびヘリコイドなどから構成される)によりフォーカシング用レンズ210に接続されている。第1駆動手段233Aに用いられているモータは第2駆動手段233Bに用いられているモータより高速で動作し、第1駆動手段233Aに用いられている減速機構の減速比は第2駆動手段233Bに用いられている減速機構の減速比より小さいので、より高速にモータでフォーカシング用レンズ210を駆動できるが、フォーカシング用レンズ210の停止精度は低下している。
なおフォーカシング用レンズ210を2つのフォーカシング用レンズに分割し、それぞれのレンズを別々に第1駆動手段233Aと第2駆動手段233Bとで駆動するようにしても良い。
上述した実施例においては、ボディ駆動制御装置214は撮像素子駆動手段235を介して撮像素子212を光軸方向に移動して焦点調節を行っているが、図24に示すように撮像素子212の駆動手段を高精度用(第1駆動手段235A)と超高精度用(第2駆動手段235B)の2系統設け、デフォーカス量に応じて使い分けても良い。
図25はボディ駆動制御装置214の動作フローチャートであって、図18に示した高精度AFモードの動作におけるスッテプS610からステップS620の部分を置換するものである。
ステップS611では算出されたデフォーカス量が第1撮像素子駆動手段の可動範囲内であるか判定し、可動範囲内にない場合にはステップS570へ戻る。
第1撮像素子駆動手段の可動範囲内にある場合には、ステップS612において算出されたデフォーカス量が第2撮像素子駆動手段の可動範囲内(ただし、第2撮像素子駆動手段の可動範囲<第1撮像素子駆動手段の可動範囲)であるか判定し、可動範囲内にない場合には撮像素子212をデフォーカス量に応じて第1撮像素子駆動手段により光軸方向に高精度で移動させ、ステップS630に進む。
算出されたデフォーカス量が第2撮像素子駆動手段の可動範囲内である場合は、撮像素子212をデフォーカス量に応じて第2撮像素子駆動手段により光軸方向に超高精度で移動させ、ステップS630に進む。
上述した実施例においては、専用AFによる焦点検出と撮像素子AFによる焦点検出を切換える際にサブミラー217を撮影光路に挿入/退避する必要があった。
図26に示す実施形態の撮像装置の構成においては、サブミラー217Aをハーフミラーとすることで、専用AFによる焦点検出と撮像素子AFによる焦点検出を同時に行うことができる。
図27は、図26の実施形態におけるボディ駆動制御装置214のひとつのAFモードである「パラレルAFモード」(専用AFによる焦点検出と撮像素子AFによる焦点検出を同時に行って焦点調節を行うAFモード)における動作フローチャートである。
パラレルAFモードの場合は、図27のステップS900から動作を開始する。ステップS910において、メインミラー205およびサブミラー217Aが撮影光路外に退避されていた場合には、メインミラー205およびサブミラー217Aを撮影光路に挿入する。ステップS920において、撮像素子212の位置をリセットし、撮像素子212を撮像素子駆動手段235による可動範囲の中央に位置させる。
ステップS930において、専用AFおよび撮像素子AFのAFエリア(撮影者が選択したAFエリア)からデータを読み出す。ステップS940において、専用AFおよび撮像素子AFのAFエリアから読み出されたデータに基づいてそれぞれの像ズレ量を算出する。ステップS950において、専用AFおよび撮像素子AFの像ズレ量をデフォーカス量に変換する。
ステップS960では、算出された撮像素子AFのデフォーカス量が撮像素子の可動範囲内であるか判定し、可動範囲内にない場合にはステップS970において専用AFのデフォーカス量をレンズ駆動制御装置206へ送信し、交換レンズ202のフォーカシング用レンズ210を合焦位置に駆動させ、ステップS930に戻り上述の処理を繰り返す。算出されたデフォーカス量が撮像素子の可動範囲内である場合には、ステップS980で撮像素子212を撮像素子AFのデフォーカス量に応じて光軸方向に移動させる。
ステップS990では、撮影者により外部操作手段221が第2段階操作状態となり、シャッターレリーズが指示されているかを判定し、シャッターレリーズの指示がない場合にはステップS930へ戻って上述した動作を繰り返す。シャッターレリーズの指示があった場合には、ステップS1000でメインミラー205とサブミラー217Aを撮影光路から退避させるとともに、レンズ駆動制御装置206へ絞り調整命令を送信し、交換レンズ202の絞り値を制御F値(撮影者または自動により設定されたF値)にする。絞り制御が終了した時点で、ステップS1010で撮像素子212に撮像動作を行わせ、撮像素子212の撮像画素310および全ての焦点検出画素313,314から画像データを読み出す。
ステップS1020において、画像データに対し所定の処理(例えば焦点検出画素列の各画素位置の画素データを焦点検出画素の周囲の撮像画素のデータに基づいて補間)を行い、次にその画像データをメモリーカード219に記憶し、ステップS930へ戻って上述した動作を繰り返す。
パラレルAFモードでは、メインミラー205を撮影光路に挿入した状態で、サブミラー217Aの撮影光路への挿入/退避を行うことなしに常時専用AFと撮像素子AFとで同時に焦点検出できる。したがって、被写体の高速移動や構図変更などによりデフォーカス状態が大きく急変した場合にも迅速に追従して焦点調節動作を継続することが可能であると同時に、被写体の微小移動や手ブレなどによりデフォーカス状態がわずかに変化した場合にも高精度に追従して焦点調節動作を継続することが可能であるとともに、撮影者は、シャッターレリーズを行うまで光学ファインダーにより被写体像を捕捉し続けることができる。
また、上述した実施例においては、撮像画素はRGBのベイヤー配列として説明を行ったが、例えば補色フィルター配列のようなベイヤー配列以外の画素配列であっても構わない。
また、上述した一実施の形態の図5に示す焦点検出画素313、314では、光電変換部の形状を矩形にした例を示したが、焦点検出画素の光電変換部の形状はこれらに限定されず、他の形状であってもよい。例えば焦点検出画素の光電変換部の形状を半円形や楕円や多角形にすることも可能である。
また、上述した一実施の形態の図5、図9に示す焦点検出画素313、314では、光電変換部13,14の形状をマイクロレンズ10により前方に投影することにより測距瞳が形成されているが、図28(a)、(b)のように焦点検出画素313、314を構成することも可能である。図28(a)、(b)において光電変換部30の直前に遮光マスク33、34を設け、遮光マスク33,34に設けられた開口部43、44の形状をマイクロレンズ10により前方に投影することにより射出瞳上に一対の測距瞳を形成する。この場合光電変換部33は開口部43,44を通過した光束を受光することになる。
図3に示す撮像素子212では、焦点検出画素313、314がひとつの画素内にひとつの光電変換部を備えた例を示したが、ひとつの画素内に一対の光電変換部を備えるようにしてもよい。図29は、図3の撮像素子212に対応した撮像素子212Aの一部分の拡大図であり、焦点検出画素311はひとつの画素内に一対の光電変換部を備える。図に示す焦点検出画素311は、図3に示す焦点検出画素313と焦点検出画素314のペアに相当した機能を果たす。
焦点検出画素311は、図30に示すようにマイクロレンズ10と一対の光電変換部13,14から構成される。焦点検出画素311には光量をかせぐために色フィルターは配置されておらず、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感度と、赤外カットフィルター(不図示)の分光特性とを総合した分光特性(図7参照)となる。つまり、図6に示す緑画素、赤画素および青画素の分光特性を加算したような分光特性となり、その感度の光波長領域は緑画素、赤画素および青画素の感度の光波長領域を包括している。
図31は、図30に示す撮像素子212Aの焦点検出画素による瞳分割型位相差検出方式の焦点検出動作を説明するための図である。図31において、射出瞳90は、交換レンズの予定結像面に配置されたマイクロレンズの前方へ距離dの位置に設定される。ここで、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の間の距離などに応じて決まる測距瞳距離である。符号91は交換レンズの光軸、符号50、60はマイクロレンズ、符号53,54,63,64は焦点検出画素の光電変換部、符号73,74、83,84は焦点検出用光束である。光電変換部は、各焦点検出画素において、(53,54)、(63,64)という対をなしている。
さらに、符号93はマイクロレンズ50、60により投影された光電変換部53,63の領域であり、測距瞳である。同様に、符号94はマイクロレンズ50、60により投影された光電変換部54,64の領域であり、測距瞳である。図31では、光軸91上にある焦点検出画素(マイクロレンズ50と一対の光電変換部53、54からなる)と、隣接する焦点検出画素(マイクロレンズ60と一対の光電変換部63、64からなる)を模式的に例示している。撮像面上の周辺に配置された焦点検出画素においても、一対の光電変換部はそれぞれ一対の測距瞳93、94を通って各マイクロレンズに到来する光束を受光する。焦点検出画素の配列方向は一対の測距瞳の並び方向と一致させる。
マイクロレンズ50、60は撮影光学系の予定結像面近傍に配置されており、光軸91上に配置されたマイクロレンズ50によって、その背後(図31においては右方)に配置された一対の光電変換部53、54の形状がマイクロレンズ50、60から測距瞳距離dだけ離間した射出瞳90上に投影され、その投影形状は測距瞳93,94を形成する。また、マイクロレンズ50に隣接して配置されたマイクロレンズ60によって、その背後(図31においては右方)に配置された一対の光電変換部63、64の形状が測距瞳距離dだけ離間した射出瞳90上に投影され、その投影形状は測距瞳93,94を形成する。すなわち、マイクロレンズから測距瞳距離dにある射出瞳90上で各焦点検出画素の光電変換部の投影形状(測距瞳93,94)が一致するように、各画素のマイクロレンズと光電変換部の位置関係が決定されている。
光電変換部53は、測距瞳93を通過してマイクロレンズ50へ到来する焦点検出光束73によってマイクロレンズ50上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。また、光電変換部54は、測距瞳94を通過してマイクロレンズ50へ到来する焦点検出光束74によってマイクロレンズ50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、光電変換部63は、測距瞳93を通過してマイクロレンズ60へ到来する焦点検出光束83によってマイクロレンズ60上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。また、光電変換部64は、測距瞳94を通過してマイクロレンズ60へ到来する焦点検出光束84によってマイクロレンズ60上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。
このような焦点検出用画素を直線状に多数配置し、各画素の一対の光電変換部の出力を測距瞳93および測距瞳94に対応した出力グループにまとめることによって、測距瞳93と測距瞳94を各々通過する焦点検出光束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情報が得られる。この情報に対して上述の像ズレ検出演算処理(相関演算処理、位相差検出処理)を施すことによって、いわゆる瞳分割型位相差検出方式で一対の像の像ズレ量が検出される。さらに、像ズレ量に所定の変換処理を施すことによって、予定結像面(マイクロレンズアレイの位置に対応)に対する現在の結像面(撮影画面上の焦点検出位置に対応する結像面)の偏差(デフォーカス量)が算出される。
さらに、図3に示す撮像素子212では、撮像画素と焦点検出画素を稠密正方格子配列に配置した例を示したが、稠密六方格子配列としてもよい。
上述した一実施の形態では、撮像素子AFとしてマイクロレンズを用いた瞳分割型位相差検出方式による焦点検出動作を説明したが、本発明は、これに限定されず、特開2008−15157号公報に開示された偏光素子による瞳分割型位相差検出方式の撮像装置に適用することも可能である。
上述した図1では、2つの焦点調節機構(フォーカシング用レンズを移動させる/撮像素子を移動させる)を使用しているが、どちらか一方のみであっても構わない。
上述した一実施の形態では、撮像素子による焦点調節として瞳分割型位相差検出方式を用いているが、コントラスト方式(山登り方式)を用いても良い。ただし、瞳分割型位相差検出方式を用いる方がコントラスト方式に比して、焦点検出時間および焦点調節時間が短いため好ましい。
上述した一実施の形態では、観察光学系として光学ファインダーを使用しているが、電子ビューファインダーであっても良い。
なお、撮像装置としては、上述したようなカメラボディに交換レンズが装着される構成のデジタルスチルカメラに限定されない。例えばレンズ一体型のデジタルスチルカメラあるいはビデオカメラにも本発明を適用することができる。さらには、監視カメラやロボット用の視覚認識装置、車載カメラなどにも適用できる。
201 デジタルスチルカメラ、202 交換レンズ、203 カメラボディ、204 マウント部、205 メインミラー、206 レンズ駆動制御装置、207 焦点検出センサー、208 ズーミング用レンズ、209 レンズ、210 フォーカシング用レンズ、211 絞り、212 撮像素子、213 電気接点、214 ボディ駆動制御装置、215 液晶表示素子、216 光学ファインダー、217 サブミラー、219 メモリーカード、220および221 外部操作手段、231 絞り駆動手段、232 ズーム駆動手段、233 フォーカスレンズ駆動手段、234 ミラー駆動手段、235 撮像素子駆動手段