JP2017173615A - 焦点調節装置および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被写体の光量変化に強い焦点調節装置および撮像装置を提供する。【解決手段】光学系を介して入射した光を光電変換して電荷蓄積を行う光電変換部と、前記光電変換部に第１時間と、前記第１時間よりも長い第２時間とで電荷蓄積させる制御部と、前記制御部により前記第２時間で電荷蓄積した前記光電変換部からの第２出力に基づいて、前記光学系の焦点位置を調節する調節部と、を備える焦点調節装置。【選択図】図４

Description

本発明は、焦点調節装置および撮像装置に関する。

複数の画素出力を加算して焦点検出信号のＳ／Ｎ比を向上させる技術が知られている（例えば特許文献１）。このような技術では、加算に用いるための追加の焦点検出用画素を設ける必要がある。

特開２００９−３１２２号公報

本発明の第１の態様によると、焦点調節装置は、光学系を介して入射した光を光電変換して電荷蓄積を行う光電変換部と、前記光電変換部に第１時間と、前記第１時間よりも長い第２時間とで電荷蓄積させる制御部と、前記制御部により前記第２時間で電荷蓄積した前記光電変換部からの第２出力に基づいて、前記光学系の焦点位置を調節する調節部と、を備える。
本発明の第２の態様によると、焦点調節装置は、光学系を介して入射した光を光電変換して電荷蓄積を行う光電変換部と、前記光電変換部に第１時間と、前記第１時間より短い第２時間と、前記第２時間と異なる第３時間とで電荷蓄積させる制御部と、前記第１時間で電荷蓄積した前記光電変換部からの第１出力または、前記第３時間で電荷蓄積した前記光電変換部からの第３出力に基づいて、前記光学系の焦点位置を調節する調節部と、を備える。
本発明の第３の態様によると、撮像装置は、光学系による像を撮像する撮像素子と、前記光学系を介して入射した光を光電変換して電荷蓄積を行う光電変換部と、前記撮像素子による第１撮像と第２撮像との間に、前記光電変換部に第１時間と第２時間とで電荷蓄積をさせる制御部と、前記制御部により前記第１時間で電荷蓄積した前記光電変換部からの第１出力と、前記第２時間で電荷蓄積した前記光電変換部からの第２出力とに基づいて、前記光学系の焦点位置を調節する調節部と、を備える。

撮像装置の構成を模式的に示す断面図 焦点検出装置の説明図 レリーズスイッチが半押し状態であるときの自動焦点調節処理に関するタイミングチャート レリーズスイッチが全押し状態であるときの自動焦点調節処理に関するタイミングチャート レリーズスイッチが全押し状態であるときの自動焦点調節処理に関するタイミングチャート 第１回目の焦点検出結果の説明図 第２回目の焦点検出結果の説明図

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る撮像装置の構成を模式的に示す断面図である。撮像装置１は、いわゆる一眼レフレックス方式のデジタルカメラである。撮像装置１は、カメラボディ１００および交換レンズ２００を含む。交換レンズ２００には、複数のレンズ２０２、２０３、２０４から構成される撮像光学系２０５が設けられる。なお、図１では撮像光学系２０５を３つのレンズにより構成されるかのように図示しているが、いくつのレンズで構成されるようにしてもよい。

撮像光学系２０５に含まれるレンズ２０３は、撮像光学系２０５の焦点位置を調節するフォーカスレンズである。フォーカスレンズ２０３は、不図示のアクチュエータにより撮像光学系２０５の光軸Ｏに沿った方向Ｘに駆動される。

カメラボディ１００は、撮像光学系２０５により結像された被写体像を撮像する、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子１０２を有する。撮像素子１０２は、撮像面が撮像光学系２０５の予定焦点面と一致するように配置される。カメラボディ１００内の、撮像光学系２０５と撮像素子１０２の撮像面との間には、クイックリターンミラー１０３が設置される。非撮影時、クイックリターンミラー１０３は撮像光学系２０５の光路上に存在し、被写体光をフォーカシングスクリーン１０４およびペンタプリズム１０５の方向に反射する。撮影者は、ファインダー部１０７から接眼レンズ１０６を介して被写体像を視認することができる。

クイックリターンミラー１０３の裏面には、サブミラー１０８が設置される。クイックリターンミラー１０３の表面（反射面）はハーフミラー加工されており、そこに入射した被写体光はクイックリターンミラー１０３を透過してサブミラー１０８に入射する。サブミラー１０８はこの光束をカメラボディ１００の下方に反射させる。カメラボディ１００の下方には、いわゆる瞳分割位相差検出方式の焦点検出を行う焦点検出装置１０９が設けられる。

カメラボディ１００は、マイクロプロセッサやその周辺回路から成る制御部１０１を備える。制御部１０１は、不図示のメモリに予め記憶されている所定の制御プログラムを読み込んで実行することにより、撮像装置１の各部を制御する。なお、制御部１０１を、上記の制御プログラム相当の動作を行う電子回路により構成してもよい。

所定の自動焦点調節操作（例えば、不図示のレリーズスイッチの半押し操作）がなされると、制御部１０１は後述する自動焦点調節（ＡＦ）処理を実行する。このＡＦ処理により、フォーカスレンズ２０３が駆動され、被写体にピントが合わせられる。

所定の静止画撮影操作（例えば、不図示のレリーズスイッチの全押し操作）がなされると、制御部１０１は撮像制御を行う。このとき制御部１０１は、クイックリターンミラー１０３およびサブミラー１０８を、図１に示す遮光位置から被写体光を遮らない退避位置に移動させた後、不図示のシャッター等を制御し、撮像素子１０２に被写体像を撮像させる。制御部１０１は、撮像素子１０２から出力される撮像信号に種々の画像処理を加え、静止画像データを生成して不図示の記憶媒体（例えばメモリカード等）に記憶する。

カメラボディ１００の背面には、例えば液晶等の表示素子により構成されるモニター１１０が設けられている。制御部１０１はこのモニター１１０を用いて、例えば撮影した静止画像データや動画像データの再生、撮影パラメータ（Ｆ値やシャッタースピード等）の設定メニューの表示、動画撮影中のスルー画の表示などを行う。

図２は、焦点検出装置１０９の説明図である。図２（ａ）は、撮像画面に配置された焦点検出領域を示す平面図であり、図２（ｂ）は、１つの焦点検出領域に対応する光電変換部を模式的に示す平面図である。

図２（ａ）に示す撮像画面１０には、計１３個の焦点検出領域１１が配置されている。焦点検出装置１０９は、各々の焦点検出領域１１について、焦点評価値を演算する（焦点検出を行う）ことができるように構成される。なお、図２（ａ）に示した焦点検出領域１１の個数および位置は一例であり、より多数の焦点検出領域１１を設けてもよいし、図２（ａ）に示した位置とは別の位置に焦点検出領域１１を設けてもよい。以下、１つの焦点検出領域１１に注目して焦点検出等の処理を説明するが、説明する内容を複数の焦点検出領域１１に適用することは当然に可能である。

図２（ｂ）に、１つの焦点検出領域１１に対応する光電変換部２０を示す。焦点検出装置１０９は、図２（ｂ）に図示した光電変換部２０を、焦点検出領域１１ごとに複数有している。光電変換部２０は、第１光電変換素子列２０Ａおよび第２光電変換素子列２０Ｂを含む。第１光電変換素子列２０Ａおよび第２光電変換素子列２０Ｂは、一列に配列された複数の光電変換素子２１を有する。

焦点検出装置１０９は、サブミラー１０８からの反射光を一対の再結像レンズ（不図示）により一対の光束に瞳分割する。一対の光束の一方は第１光電変換素子列２０Ａに入射する。一対の光束の他方は第２光電変換素子列２０Ｂに入射する。焦点検出装置１０９は、第１光電変換素子列２０Ａによる光電変換信号と、第２光電変換素子列２０Ｂによる光電変換信号との位相差を周知の方法により算出し、この位相差から周知の方法により焦点評価値を演算する。

（非撮影時の自動焦点調節処理の説明）
図３は、レリーズスイッチが半押し状態であるときの自動焦点調節処理に関するタイミングチャートである。図３の横軸は時間の経過を示しており、紙面左から右に向かって時間が進行している。ユーザが不図示のレリーズスイッチの半押し操作を行うと（レリーズスイッチを半押し状態にすると）、制御部１０１は自動焦点調節処理を実行する。レリーズスイッチが半押し状態である間、制御部１０１は自動焦点調節処理を繰り返し実行し、被写体にピントが合った状態を維持しようとする。

図３では、制御部１０１が実行する焦点調節以外の種々の処理（例えばモニター１１０の表示内容の更新など）を、「その他処理」と表記している。図３の時刻ｔ０において、制御部１０１はそのような処理を実行している。

本実施の形態の焦点検出装置１０９は、焦点検出を２段階に分けて行う。時刻ｔ１〜ｔ４の処理が焦点検出の第１段階の処理であり、時刻ｔ５〜ｔ８の処理が焦点検出の第２段階の処理である。

第１段階において、焦点検出装置１０９は、被写体の光量を測定する目的で、光電変換部２０に電荷蓄積を行わせる（時刻ｔ１〜ｔ２）。焦点検出装置１０９は、光電変換部２０から、この電荷蓄積による光電変換信号を読み出す（時刻ｔ２〜ｔ３）。制御部１０１は、この電荷蓄積による光電変換部２０からの出力に基づき、第２段階における電荷蓄積の時間（蓄積時間）を決定する（時刻ｔ３〜ｔ４）。図３では、この処理を時間決定処理と表記している。

時間決定処理において、制御部１０１は、第１段階における電荷蓄積結果から、第２段階における蓄積時間を演算する。例えば、光電変換部２０からの光電変換信号の大きさと被写体光量との関係を示す式に、第１段階における電荷蓄積結果（すなわち光電変換部２０からの光電変換信号の大きさ）を与え、被写体光量を求める。その後、その被写体光量で飽和せず、かつ十分に長い蓄積時間を演算する。

第２段階において、焦点検出装置１０９は、時間決定処理により決定した時間だけ光電変換部２０に電荷蓄積を行わせる（時刻ｔ５〜ｔ６）。焦点検出装置１０９は、光電変換部２０から、この電荷蓄積による光電変換信号を読み出す（時刻ｔ６〜ｔ７）。焦点検出装置１０９は、この電荷蓄積による光電変換部２０からの出力に基づき、焦点評価値を演算する（時刻ｔ７〜ｔ８）。制御部１０１は、演算された焦点評価値に基づき、フォーカスレンズ２０３を駆動する（時刻ｔ８〜ｔ９）。

前述の通り、レリーズスイッチが半押し状態である間、図３に示す処理は繰り返し実行される。つまり、図３に例示した期間の後、焦点検出装置１０９は、被写体の光量を測定する目的で、光電変換部２０に電荷蓄積を行わせ（２回目の第１段階）、この電荷蓄積による光電変換部２０からの出力に基づき、２回目の第２段階における蓄積時間を決定する。その後、焦点検出装置１０９は、２回目の第１段階における時間決定処理により決定した時間だけ光電変換部２０に電荷蓄積を行わせ（２回目の第２段階）、この電荷蓄積による光電変換部２０からの出力に基づき、焦点評価値を演算する。制御部１０１は、演算された焦点評価値に基づき、フォーカスレンズ２０３を駆動する。

なお、２回目以降の時間決定処理において、制御部１０１は、今回の第１段階における電荷蓄積の結果だけではなく、前回の第２段階における電荷蓄積の結果も用いて、今回の第２段階における蓄積時間を決定する。例えば、制御部１０１は、前回の第２段階における電荷蓄積の結果から求まる被写体光量と、今回の第１段階における電荷蓄積の結果から求まる被写体光量とを比較する。両者の差が所定量未満であれば、被写体光量が前回の焦点検出からほとんど変化していないということなので、前回決定した蓄積時間（前回の第１段階における電荷蓄積の結果から算出された時間）をそのまま利用する。他方、両者の差が所定量以上であれば、被写体光量が前回の焦点検出から変化したということなので、今回の第１段階における電荷蓄積の結果から蓄積時間を算出する。

第１段階の電荷蓄積は、第２段階における蓄積時間を決定するための電荷蓄積である。従って、第１段階の蓄積時間は、被写体の光量が測定可能な程度の時間であればよく、図３に例示したように、第２段階の蓄積時間に比べて短い。なお、被写体の光量が極めて大きい場合には、第１段階の蓄積時間が、第２段階の蓄積時間に比べて長くなることもある。また、蓄積時間だけでなく光電変換部２０の感度（ゲイン）を調節した場合にも、第１段階の蓄積時間が、第２段階の蓄積時間に比べて長くなることがある。

焦点検出を２段階に分けず、第２段階の処理だけで自動焦点調節を行う場合、蓄積時間は前回の自動焦点調節に際して為された電荷蓄積の結果により決定されることになる。例えば前回の自動焦点調節後に被写体の光量が大きく変化した場合、今回の蓄積時間が被写体の光量に合っておらず、光電変換部２０の出力が飽和してしまう可能性がある。この場合、焦点検出が正しく行えないので、今回の自動焦点調節はスキップされ、次回の自動焦点調節までレンズ駆動を行うことができない。本実施の形態では、第１段階の処理において、蓄積時間を決定するための電荷蓄積を行っているので、焦点検出を常に正しく行うことができる。

なお、第１段階の処理は、第２段階の処理にできるだけ近い時期に実行されることが望ましい。換言すれば、これは、被写体の光量変化に可能な限り素早く追従するためである。例えば第１段階の処理と第２段階の処理を連続して実行することも考えられる。しかし、そのようにすると自動焦点調節のために制御部１０１が連続して占有される期間が長くなってしまう。つまり、その他処理を行うことができない期間が長くなってしまう。そこで、本実施の形態では、第１段階の処理と第２段階の処理との間に時間間隔を設けている。なお、第１段階の処理と第２段階の処理との時間間隔を設けなくてもよい。

（撮影時の自動焦点調節処理の説明）
図４は、レリーズスイッチが全押し状態であるときの自動焦点調節処理に関するタイミングチャートである。図４の横軸は時間の経過を示しており、紙面左から右に向かって時間が進行している。ユーザが不図示のレリーズスイッチの全押し操作を行うと（レリーズスイッチを全押し状態にすると）、制御部１０１は撮影処理を行う。

撮影処理において、制御部１０１は、クイックリターンミラー１０３およびサブミラー１０８を、退避位置に移動させる（時刻ｔ１１〜ｔ１２）。その後、制御部１０１は、撮像素子１０２に被写体像を撮像させる（時刻ｔ１３〜ｔ１４）。制御部１０１は、撮像素子１０２により出力された撮像信号に対して種々の画像処理を実行して静止画像データを生成し（時刻ｔ１４〜ｔ１５）、静止画像データを不図示の記憶媒体に記憶する（時刻ｔ１５〜ｔ１６）。制御部１０１は、クイックリターンミラー１０３およびサブミラー１０８を、遮光位置から待避位置に移動させ（時刻ｔ１７〜ｔ２０）、撮影処理を終了させる。

なお、本実施の形態では、クイックリターンミラー１０３およびサブミラー１０８の退避位置への移動完了から、撮像素子１０２による被写体像の撮像開始までの間に、若干の時間が存在する（時刻ｔ１２〜ｔ１３）。このようにしたのは、クイックリターンミラー１０３およびサブミラー１０８が退避位置に移動した直後は、クイックリターンミラー１０３およびサブミラー１０８が振動しており、被写体像が安定しない可能性があるためである。

レリーズスイッチが全押し状態である間、制御部１０１は撮影処理を繰り返し実行し、被写体像を連続して撮像する（いわゆる連写機能）。制御部１０１は、連写コマ間で被写体が移動した場合でもピントが合った画像が得られるよう、撮影処理と撮影処理との間で、自動焦点調節処理を実行する。以下、この撮影時に実行される自動焦点調節処理について説明する。

本実施の形態の焦点検出装置１０９は、撮影時に実行される自動焦点調節処理において、前述した非撮影時の自動焦点調節処理と同様に、焦点検出を２段階に分けて行う。時刻ｔ１８〜ｔ２１の処理が焦点検出の第１段階の処理であり、時刻ｔ２２〜ｔ２５の処理が焦点検出の第２段階の処理である。

第１段階において、焦点検出装置１０９は、被写体の光量を測定する目的で、光電変換部２０に電荷蓄積を行わせる（時刻ｔ１８〜ｔ１９）。焦点検出装置１０９は、光電変換部２０から、この電荷蓄積による光電変換信号を読み出す（時刻ｔ１９〜ｔ２０）。焦点検出装置１０９は、この電荷蓄積による光電変換部２０からの出力に基づき、第２段階における電荷蓄積の時間（蓄積時間）を決定する（時刻ｔ２０〜ｔ２１）。

第２段階において、焦点検出装置１０９は、第１段階の時間決定処理により決定した時間だけ光電変換部２０に電荷蓄積を行わせる（時刻ｔ２２〜ｔ２３）。焦点検出装置１０９は、光電変換部２０から、この電荷蓄積による光電変換信号を読み出す（時刻ｔ２３〜ｔ２４）。焦点検出装置１０９は、この電荷蓄積による光電変換部２０からの出力に基づき、焦点評価値を演算する（時刻ｔ２４〜ｔ２５）。制御部１０１は、演算された焦点評価値に基づき、フォーカスレンズ２０３を駆動する（時刻ｔ２５〜ｔ２６）。

前述した非撮影時の自動焦点調節処理とは異なり、焦点検出装置１０９は、クイックリターンミラー１０３およびサブミラー１０８が退避位置から遮光位置に移動する（ミラーアップ状態からミラーダウン状態に遷移する）間に、第１段階の処理を実行する。換言すると、クイックリターンミラー１０３およびサブミラー１０８の退避位置から遮光位置への移動期間と、第１段階の処理期間とは、少なくとも一部が重複している。なお、前述の通り、クイックリターンミラー１０３およびサブミラー１０８が遮光位置に移動してから振動が収まり安定するまで、若干の時間を必要とする。この時間についても、クイックリターンミラー１０３およびサブミラー１０８の退避位置から遮光位置への移動期間の一部と考えることができる。

光電変換部２０は、クイックリターンミラー１０３およびサブミラー１０８の移動中に電荷蓄積を行うので、第１段階における電荷蓄積の結果は、焦点検出演算には不向きなものとなる。しかしながら、第１段階における電荷蓄積は、前述の通り、第２段階における蓄積時間を決定するための電荷蓄積である。従って、クイックリターンミラー１０３およびサブミラー１０８が移動中であることは問題にならない。

焦点検出装置１０９は、クイックリターンミラー１０３およびサブミラー１０８が移動中であることを考慮して被写体の光量を算出する。例えば、光量が既知である被写体からの光束で、第１段階における電荷蓄積の結果を取得すれば、ある光量に対応する光電変換部２０の出力が判明する。さまざまな光量の被写体についてこの手順を繰り返せば、被写体の光量と第１段階における電荷蓄積結果との対応関係を知ることができる。このような測定を事前に行っておき、対応関係をテーブル化したり、対応関係を示す演算式を作成したりすることで、上述の処理を焦点検出装置１０９に実装する。

焦点検出を２段階に分けず、第２段階の処理だけで次回の蓄積時間を決定して自動焦点調節を行う場合、蓄積時間は前回の自動焦点調節に際して為された電荷蓄積の結果により決定されることになる。例えば前回の自動焦点調節後に被写体の光量が大きく変化した場合、今回の蓄積時間が被写体の光量に合っておらず、光電変換部２０の出力が飽和してしまう可能性がある。この場合、焦点検出が正しく行えないので、今回の自動焦点調節はスキップされ、次回の自動焦点調節までレンズ駆動を行うことができない。本実施の形態では、第１段階の処理において、蓄積時間を決定するための電荷蓄積を行っているので、焦点検出を常に正しく行うことができる。

なお、第１段階の処理は、第２段階の処理にできるだけ近い時期に実行されることが望ましい。これは、被写体の光量変化に可能な限り素早く追従するためである。本実施の形態では、第１段階の処理をミラーダウン中に行っているので、第１段階の処理と第２段階の処理を極めて近い時期に実行することができ、被写体の光量変化に素早く追従することができる。

前述の通り、レリーズスイッチが全押し状態である間、図４に示す処理は繰り返し実行される。つまり、図４に例示した期間の後、クイックリターンミラー１０３およびサブミラー１０８は再び退避位置に移動され、撮像素子１０２が被写体像を撮像する。その後、クイックリターンミラー１０３およびサブミラー１０８は再び遮光位置に移動されるが、その移動中に、焦点検出装置１０９は、被写体の光量を測定する目的で光電変換部２０に電荷蓄積を行わせ（２回目の第１段階）、この電荷蓄積による光電変換部２０からの出力に基づき、２回目の第２段階における蓄積時間を決定する。クイックリターンミラー１０３およびサブミラー１０８が遮光位置に移動した後に、焦点検出装置１０９は、２回目の第１段階における時間決定処理により決定した時間だけ光電変換部２０に電荷蓄積を行わせ（２回目の第２段階）、この電荷蓄積による光電変換部２０からの出力に基づき、焦点評価値を演算する。制御部１０１は、演算された焦点評価値に基づき、フォーカスレンズ２０３を駆動する。

上述した実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）光電変換部２０は、撮像光学系２０５を介して入射した光を光電変換して電荷蓄積を行う。制御部１０１は、光電変換部２０に第１時間と、第１時間よりも長い第２時間とで電荷蓄積させる。制御部１０１は、第２時間で電荷蓄積した光電変換部２０からの出力に基づいて、撮像光学系２０５の焦点位置を調節する。このようにしたので、被写体の光量変化に強い焦点調節機能を提供することができる。

（２）制御部１０１は、第１時間で電荷蓄積した光電変換部２０からの出力に基づいて決定される第２時間で光電変換部２０に電荷蓄積させる。このようにしたので、光電変換部２０からの出力が飽和しない好適な電荷蓄積時間を決定することができる。

（３）制御部１０１は、第１時間で電荷蓄積した光電変換部２０からの出力に基づいて第２時間を算出する。このようにしたので、被写体の現在の光量に即した最適な電荷蓄積時間を適用することができる。

（４）制御部１０１は、光電変換部２０に第２時間で電荷蓄積させた後、光電変換部２０に第３時間と第３時間よりも長い第４時間とで電荷蓄積させ、第３時間で電荷蓄積した光電変換部２０からの第３出力に基づいて決定される第４時間で光電変換部２０に電荷蓄積させる。このようにしたので、長期間に渡って焦点調節を繰り返し実行することができる。

（５）制御部１０１は、第２時間で電荷蓄積した光電変換部２０からの出力と第３時間で電荷蓄積した光電変換部２０からの出力とに基づいて決定される第４時間で電荷蓄積させる。このようにしたので、過去の電荷蓄積結果も考慮してより精緻に電荷蓄積時間を決定することができる。

（６）制御部１０１は、第２時間で電荷蓄積した光電変換部２０からの出力または第４時間で電荷蓄積した光電変換部２０からの出力に基づいて、撮像光学系２０５の焦点位置を調節する。このようにしたので、より柔軟に焦点調節を行うことができる。

（７）制御部１０１は、第２時間で電荷蓄積した光電変換部２０からの出力と第３時間で電荷蓄積した光電変換部２０からの出力とに基づいて、第２時間で電荷蓄積した光電変換部２０からの出力、第３時間で電荷蓄積した光電変換部２０からの出力、または第２時間で電荷蓄積した光電変換部２０からの出力と第３時間で電荷蓄積した光電変換部２０からの出力とから第４時間を算出するかを決定する。このようにしたので、光量変化がない場合には追加の処理を省略することができる。

（８）制御部１０１は、第２時間で電荷蓄積した光電変換部２０からの出力と第３時間で電荷蓄積した光電変換部２０からの出力との差が所定量未満である場合には、第４時間を第２時間で電荷蓄積した光電変換部２０からの出力から算出し、第２時間で電荷蓄積した光電変換部２０からの出力と第３時間で電荷蓄積した光電変換部２０からの出力との差が所定量以上である場合には、第４時間を第３時間で電荷蓄積した光電変換部２０からの出力から算出する。このようにしたので、過去の電荷蓄積結果も考慮してより精緻に電荷蓄積時間を決定することができる。

（９）クイックリターンミラー１０３およびサブミラー１０８は、撮像光学系２０５を通過した光束が撮像素子１０２に向かう第１状態と、撮像光学系２０５を通過した光束が光電変換部２０に向かう第２状態と、を切り替え可能に構成される。連写時、制御部１０１は、クイックリターンミラー１０３およびサブミラー１０８が第１状態から第２状態に切り替わる間に、光電変換部２０に第１時間で電荷蓄積を行わせ、クイックリターンミラー１０３およびサブミラー１０８が第２状態である間に、光電変換部２０に第２時間で電荷蓄積を行わせる。このようにしたので、第１段階の電荷蓄積のために連写速度を落とすことなく、被写体の光量変化に強い焦点調節機能を提供することができる。

（１０）クイックリターンミラー１０３およびサブミラー１０８は、撮像光学系２０５を通過した光束が撮像素子１０２に向かう第１状態と、撮像光学系２０５を通過した光束が光電変換部２０に向かう第２状態と、を切り替え可能に構成される。非撮影時、制御部１０１は、クイックリターンミラー１０３およびサブミラー１０８が第２状態である間に、光電変換部２０に第１時間および第２時間で電荷蓄積を行わせる。このようにしたので、焦点調節処理のために他の処理を行えない期間を最小限に保ちつつ、被写体の光量変化に強い焦点調節機能を提供することができる。

（１１）クイックリターンミラー１０３およびサブミラー１０８は、撮像光学系２０５を通過した光束が撮像素子１０２に向かう第１状態と、撮像光学系２０５を通過した光束が光電変換部２０に向かう第２状態と、を切り替え可能に構成される。連写時、制御部１０１は、クイックリターンミラー１０３およびサブミラー１０８が第１状態から第２状態に切り替わる間に、光電変換部２０に第１時間または第３時間で電荷蓄積を行わせ、クイックリターンミラー１０３およびサブミラー１０８が第２状態である間に、光電変換部２０に第２時間または第４時間で電荷蓄積を行わせる。このようにしたので、第１段階の電荷蓄積のために連写速度を落とすことなく、被写体の光量変化に強い焦点調節機能を提供することができる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係る撮像装置は、第１の実施の形態に係る撮像装置１（図１）と同一の構成を有しており、第１の実施の形態とは異なる自動焦点調節処理を連写時に実行する。以下、第２の実施の形態に係る連写時の自動焦点調節処理について説明する。

図５は、レリーズスイッチが全押し状態であるときの自動焦点調節処理に関するタイミングチャートである。図５の横軸は時間の経過を示しており、紙面左から右に向かって時間が進行している。ユーザが不図示のレリーズスイッチの全押し操作を行うと（レリーズスイッチを全押し状態にすると）、制御部１０１は撮影処理を行う。撮影処理の内容は、第１の実施の形態と同様であるため説明を省略する。

レリーズスイッチが全押し状態である間、制御部１０１は撮影処理を繰り返し実行し、被写体像を連続して撮像する（いわゆる連写機能）。制御部１０１は、連写コマ間で被写体が移動した場合でもピントが合った画像が得られるよう、撮影処理と撮影処理との間で、自動焦点調節処理を実行する。以下、この撮影時に実行される自動焦点調節処理について説明する。

本実施の形態の焦点検出装置１０９は、撮影時に実行される自動焦点調節処理において、焦点検出を２回実行する。時刻ｔ３２〜ｔ３５の処理が第１回目の焦点検出処理であり、時刻ｔ３６〜ｔ３９の処理が第２回目の焦点検出処理である。この２回の焦点検出は、いずれもクイックリターンミラー１０３およびサブミラー１０８が遮光位置にあるときに行われる。

第１回目の焦点検出処理において、焦点検出装置１０９は、光電変換部２０に電荷蓄積を行わせる（時刻ｔ３２〜ｔ３３）。この電荷蓄積は、第１の実施の形態における第１段階の処理とは異なり、焦点検出を行う目的で為される。この電荷蓄積の時間は、例えば過去に検出した被写体光量などから適宜決定する。焦点検出装置１０９は、光電変換部２０から、この電荷蓄積による光電変換信号を読み出す（時刻ｔ３３〜ｔ３４）。焦点検出装置１０９は、この電荷蓄積による光電変換部２０からの出力に基づき、焦点評価値を演算する（時刻ｔ３４〜ｔ３５）。

第１回目の焦点検出処理において、例えば光電変換信号の一部が低すぎる（いわゆる黒つぶれ状態になっている）場合、その一部における焦点評価値は演算することができない。被写体光量が前回の焦点検出から大きく変化していた場合、そのようなことが起こる場合がある。制御部１０１は、例えば光電変換信号の一部が黒つぶれ状態になっている等の理由により、一部における焦点評価値を演算することができなかった場合、その一部が適切な出力レベルになる蓄積時間を演算する（時刻ｔ３５〜ｔ３６）。図５では、この蓄積時間を演算する処理を時間決定処理と表記している。

なお、蓄積時間ではなく、光電変換部２０の感度（ゲイン）を、出力信号が黒つぶれ状態にならないように決定してもよい。また、蓄積時間と感度の両方を決定してもよい。

焦点検出装置１０９は、演算された蓄積時間に基づき第２回目の焦点検出処理を行う。第２回目の焦点検出処理において、焦点検出装置１０９は、光電変換部２０に電荷蓄積を行わせる（時刻ｔ３６〜ｔ３７）。ここでの蓄積時間は、前述した時間決定処理により演算された蓄積時間である。焦点検出装置１０９は、光電変換部２０から、この電荷蓄積による光電変換信号を読み出す（時刻ｔ３７〜ｔ３８）。焦点検出装置１０９は、この電荷蓄積による光電変換部２０からの出力に基づき、焦点評価値を演算する（時刻ｔ３８〜ｔ３９）。

制御部１０１は、第１回目の焦点検出処理では演算できなかった部分の焦点評価値として、第２回目の焦点検出処理で演算された同部分の焦点評価値を当てはめる。第２回目の焦点検出処理では、その部分の光電変換信号は適切な信号レベルになっているため、焦点評価値を正しく演算できる。制御部１０１は、第１回目の焦点検出処理で焦点評価値を演算できた部分については、第２回目の焦点検出処理における演算結果を無視する。これにより、１つの焦点検出領域１１の全域について、正しく焦点評価値が演算される。制御部１０１は、演算された焦点評価値に基づき、フォーカスレンズ２０３を駆動する（時刻ｔ３９〜ｔ４０）。

図６は、第１回目の焦点検出結果の説明図である。図６（ａ）に、第１回目の焦点検出における電荷蓄積の結果として得られた光電変換信号の一例を示す。なお、ここで図示しているのは、光電変換部２０を構成する第１光電変換素子列２０Ａからの光電変換出力である。もう一方の第２光電変換素子列２０Ｂからの光電変換出力は図示を省略している。

図６（ａ）の横軸は光電変換素子列内における素子位置を、縦軸は信号出力をそれぞれ示す。図６（ａ）では、第１光電変換素子列２０Ａに含まれる光電変換素子２１の範囲（素子位置）を、ｘ０〜ｘ３と表記している。出力信号Ｓ１は、ｘ１〜ｘ２の範囲ではしきい値ｔｈ１を上回っているが、ｘ０〜ｘ１の範囲およびｘ２〜ｘ３の範囲ではしきい値ｔｈ１を下回っている。ここで、しきい値ｔｈ１は、焦点評価値を正しく求めるために最低限必要な信号レベルを示す。つまり、信号レベルがしきい値ｔｈ１を下回っている場合、その部分はいわゆる黒つぶれ状態である。

以下の説明において、ｘ０〜ｘ１の範囲における光電変換信号を出力信号Ｓ１１、ｘ１〜ｘ２の範囲における光電変換信号を出力信号Ｓ１２、ｘ２〜ｘ３の範囲における光電変換信号を出力信号Ｓ１３と称する。

図６（ｂ）に、図６（ａ）に例示した出力信号Ｓ１に基づく焦点検出演算の結果を模式的に示す。ｘ１〜ｘ２の範囲では、焦点評価値を正しく演算できているが、ｘ０〜ｘ１およびｘ２〜ｘ３の範囲では、焦点評価値を演算できていない。

図７は、第２回目の焦点検出結果の説明図である。図７（ａ）に、第２回目の焦点検出における電荷蓄積の結果として得られた光電変換信号の一例を示す。なお、ここで図示しているのは、光電変換部２０を構成する第１光電変換素子列２０Ａからの光電変換出力である。もう一方の第２光電変換素子列２０Ｂからの光電変換出力は図示を省略している。

図７（ａ）の横軸は光電変換素子列内における素子位置を、縦軸は信号出力をそれぞれ示す。第１回目の焦点検出よりも蓄積時間を長くしたことにより、出力信号Ｓ２の信号レベルは、全体的に図６（ａ）に例示した出力信号Ｓ１を上回っている。しかし、ｘ１〜ｘ２の範囲において、出力信号の一部がしきい値ｔｈ２を上回っている。ここで、しきい値ｔｈ２は、飽和レベルを示す。

以下の説明において、ｘ０〜ｘ１の範囲における光電変換信号を出力信号Ｓ２１、ｘ１〜ｘ２の範囲における光電変換信号を出力信号Ｓ２２、ｘ２〜ｘ３の範囲における光電変換信号を出力信号Ｓ２３と称する。

焦点検出装置１０９は、第２回目の焦点検出処理において焦点検出演算を行うに際し、第１回目の焦点検出処理において焦点検出に成功した範囲の出力信号Ｓ２２を、第１回目の焦点検出処理における出力信号Ｓ１２で置き換える。このようにすることで、焦点検出演算に用いる出力信号から、飽和している箇所を取り除く（置き換える）ことができる。

図７（ｂ）に、置き換えた後の出力信号Ｓ３を示す。出力信号Ｓ３は、第２回目の焦点検出処理における出力信号Ｓ２１および出力信号Ｓ２３と、第１回目の焦点検出処理における出力信号Ｓ１２とを含む。なお、出力信号Ｓ２１および出力信号Ｓ２３と、出力信号Ｓ１２とは、全体的な信号レベルが異なるので、そのままでは不連続な信号になってしまう。焦点検出装置１０９は、周知のレベル補正処理やスムージング処理を施すことにより、出力レベルが異なるこれらの信号を滑らかに接続する。

図７（ｃ）に、図７（ｂ）に例示した出力信号Ｓ３に基づく焦点検出演算の結果を模式的に示す。出力信号Ｓ３は、信号レベルが全域（ｘ０〜ｘ３の範囲）でしきい値ｔｈ１以上しきい値ｔｈ２未満となっているので、全域で焦点評価値を正しく演算できている。制御部１０１は、このようにして求められた第２回目の焦点検出結果で、第１回目の焦点検出結果のうち焦点検出に失敗した部分を置き換えることにより、最終的な焦点検出結果を得る。

図７（ｄ）に、最終的な焦点検出結果を模式的に示す。ｘ１〜ｘ２の範囲の焦点評価値は、第１回目の焦点検出結果をそのまま採用する。ｘ０〜ｘ１の範囲およびｘ２〜ｘ３の範囲（第１回目の焦点検出処理において演算に失敗した範囲）には、第２回目の焦点検出結果を採用して当てはめる。

なお、このように単純に置き換える処理とは異なる処理で、最終的な焦点検出結果を求めてもよい。例えば、第２回目の焦点検出結果で第１回目の焦点検出結果を補正する補正演算を行い、最終的な焦点検出結果を求めてもよい。

上述した実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）制御部１０１は、撮像素子１０２による第１撮像と第２撮像との間に、光電変換部２０に第１時間と第２時間とで電荷蓄積をさせる。制御部１０１は、第１時間で電荷蓄積した光電変換部２０からの第１出力と、第２時間で電荷蓄積した光電変換部２０からの第２出力とに基づいて、撮像光学系２０５の焦点位置を調節する。このようにしたので、被写体の光量変化に強い焦点調節機能を提供することができる。

（２）制御部１０１は、第１出力に基づいて第２時間を決定する。このようにしたので、光電変換部２０からの出力が飽和しない好適な電荷蓄積時間を決定することができる。

（３）制御部１０１は、第１出力による第１演算と、第２出力による第２演算とを行い、第１演算により焦点評価値が得られなかった場合、第２演算により得られた焦点評価値で補正して、撮像光学系２０５の焦点位置を調節する。このようにしたので、焦点評価値を確実に演算することが可能な、信頼性の高い焦点調節機能を提供することができる。

（４）制御部１０１は、第１演算により焦点評価値が得られなかった部分に、第２演算により得られた焦点評価値を当てはめる補正をして、撮像光学系２０５の焦点位置を調節する。このようにしたので、少ない処理量で適切に焦点評価値を補正することができる。

（５）クイックリターンミラー１０３およびサブミラー１０８は、撮像光学系２０５を通過した光束が撮像素子１０２に向かう第１状態と、撮像光学系２０５を通過した光束が光電変換部２０に向かう第２状態と、を切り替え可能に構成される。制御部１０１は、連写時、クイックリターンミラー１０３およびサブミラー１０８が第２状態である間に、光電変換部２０に第１時間および第２時間で電荷蓄積を行わせる。このようにしたので、連写中でも精度を落とすことなく、被写体の光量変化に強い焦点調節機能を提供することができる。

次のような変形も本発明の範囲内であり、変形例の一つ、もしくは複数を上述の実施形態と組み合わせることも可能である。
（変形例１）
第１の実施の形態において、２回目以降の時間決定処理で制御部１０１が第２段階における蓄積時間を決定する方法は、上述した方法に限定されない。例えば、前回の第２段階における電荷蓄積の結果と、今回の第１段階における電荷蓄積の結果とを、蓄積時間を決定するための式に代入することで、適正な蓄積時間を決定するようにしてもよい。すなわち、上述した実施の形態では、前回の第２段階における電荷蓄積の結果と今回の第１段階における電荷蓄積の結果とを比較し、比較結果によって前回決定した蓄積時間を採用するか、今回の第１段階における電荷蓄積の結果から算出した蓄積時間を採用するかを切り替えていた。これに対して、上記の変形例では、前回の第２段階における電荷蓄積の結果と今回の第１段階における電荷蓄積の結果とから、今回の第２段階における蓄積時間を算出している。第２の実施の形態における時間決定処理についても同様である。

（変形例２）
上述した各実施の形態では、いわゆる一眼レフレックスカメラ方式のデジタルカメラについて説明したが、これとは異なる実施の形態も考えられる。例えば、第１の実施の形態における非撮影時の自動焦点検出処理や、第２の実施の形態における連写時の自動焦点検出処理を、いわゆるコンパクトカメラや携帯電話の内蔵カメラ等のクイックリターンミラーを持たないカメラに適用することもできる。

また、光電変換部２０を撮像素子１０２に設けた、いわゆる像面位相差方式の焦点検出方式を、各実施の形態に適用することも可能である。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１…撮像装置、２０…光電変換部、１００…カメラボディ、１０１…制御部、１０２…撮像素子、１０３…クイックリターンミラー、１０８…サブミラー、１０９…焦点検出装置、２００…交換レンズ、２０５…撮像光学系

Claims (18)

1. 光学系を介して入射した光を光電変換して電荷蓄積を行う光電変換部と、
   前記光電変換部に第１時間と、前記第１時間よりも長い第２時間とで電荷蓄積させる制御部と、
   前記制御部により前記第２時間で電荷蓄積した前記光電変換部からの第２出力に基づいて、前記光学系の焦点位置を調節する調節部と、
   を備える焦点調節装置。
2. 請求項１に記載の焦点調節装置において、
   前記制御部は、前記第１時間で電荷蓄積した前記光電変換部からの第１出力に基づいて決定される前記第２時間で前記光電変換部に電荷蓄積させる焦点調節装置。
3. 請求項２に記載の焦点調節装置において、
   前記制御部は、前記第１出力に基づいて前記第２時間を算出する焦点調節装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の焦点調節装置と、
   前記光学系を通過した光束による像を撮像する撮像素子と、
   前記光学系を通過した光束が前記撮像素子に向かう第１状態と、前記光学系を通過した光束が前記光電変換部に向かう第２状態と、を切り替え可能なミラー部とを備え、
   前記制御部は、前記ミラー部が前記第１状態から前記第２状態に切り替わる間に、前記光電変換部に前記第１時間で電荷蓄積を行わせ、前記ミラー部が前記第２状態である間に、前記光電変換部に前記第２時間で電荷蓄積を行わせる撮像装置。
5. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の焦点調節装置と、
   前記光学系を通過した光束による像を撮像する撮像素子と、
   前記光学系を通過した光束が前記撮像素子に向かう第１状態と、前記光学系を通過した光束が前記光電変換部に向かう第２状態と、を切り替え可能なミラー部とを備え、
   前記制御部は、前記ミラー部が前記第２状態である間に、前記光電変換部に前記第１時間および前記第２時間で電荷蓄積を行わせる撮像装置。
6. 光学系を介して入射した光を光電変換して電荷蓄積を行う光電変換部と、
   前記光電変換部に第１時間と、前記第１時間より短い第２時間と、前記第２時間と異なる第３時間とで電荷蓄積させる制御部と、
   前記第１時間で電荷蓄積した前記光電変換部からの第１出力または、前記第３時間で電荷蓄積した前記光電変換部からの第３出力に基づいて、前記光学系の焦点位置を調節する調節部と、
   を備える焦点調節装置。
7. 請求項６に記載の焦点調節装置において、
   前記制御部は、前記第２時間で電荷蓄積した前記光電変換部からの第２出力、または前記第１出力および前記第２出力に基づいて決定される前記第３時間で前記光電変換部に電荷蓄積させる焦点調節装置。
8. 請求項７に記載の焦点調節装置において、
   前記制御部は、前記第１出力、前記第２出力、または前記第１出力および前記第２出力に基づいて前記第３時間を算出する焦点調節装置。
9. 請求項６から請求項８までのいずれか一項に記載の焦点調節装置において、
   前記制御部は、前記第１出力と前記第２時間で電荷蓄積した前記光電変換部からの第２出力とに基づいて、前記第１出力、前記第２出力、または前記第１出力および前記第２出力から前記第３時間を算出するかを決定する焦点調節装置。
10. 請求項９に記載の焦点調節装置において、
    前記制御部は、前記第１出力と前記第２出力との差が所定量未満である場合には、前記第３時間を前記第１出力から算出し、前記第１出力と前記第２出力との差が所定量以上である場合には、前記第３時間を前記第２出力、または前記第１出力および前記第２出力から算出する焦点調節装置。
11. 請求項６から請求項１０までのいずれか一項に記載の焦点調節装置と、
    前記光学系を通過した光束による像を撮像する撮像素子と、
    前記光学系を通過した光束が前記撮像素子に向かう第１状態と、前記光学系を通過した光束が前記光電変換部に向かう第２状態と、を切り替え可能なミラー部とを備え、
    前記制御部は、前記ミラー部が前記第１状態から前記第２状態に切り替わる間に、前記光電変換部に前記第２時間で電荷蓄積を行わせ、前記ミラー部が前記第２状態である間に、前記光電変換部に前記第１時間または前記第３時間で電荷蓄積を行わせる撮像装置。
12. 請求項６から請求項１０までのいずれか一項に記載の焦点調節装置と、
    前記光学系を通過した光束による像を撮像する撮像素子と、
    前記光学系を通過した光束が前記撮像素子に向かう第１状態と、前記光学系を通過した光束が前記光電変換部に向かう第２状態と、を切り替え可能なミラー部とを備え、
    前記制御部は、前記ミラー部が前記第２状態である間に、前記光電変換部に前記第１時間および前記第２時間および前記第３時間で電荷蓄積を行わせる撮像装置。
13. 請求項１から請求項１０までのいずれか一項に記載の焦点調節装置と、
    前記光電変換部を含む複数の光電変換部を有し、前記光学系を通過した光束による像を撮像する撮像素子と、
    を備える撮像装置。
14. 光学系による像を撮像する撮像素子と、
    前記光学系を介して入射した光を光電変換して電荷蓄積を行う光電変換部と、
    前記撮像素子による第１撮像と第２撮像との間に、前記光電変換部に第１時間と第２時間とで電荷蓄積をさせる制御部と、
    前記制御部により前記第１時間で電荷蓄積した前記光電変換部からの第１出力と、前記第２時間で電荷蓄積した前記光電変換部からの第２出力とに基づいて、前記光学系の焦点位置を調節する調節部とを備える撮像装置。
15. 請求項１４に記載の撮像装置において、
    前記制御部は、前記第１出力に基づいて、前記第２時間および前記第２出力の増幅値の少なくとも一方を決定する撮像装置。
16. 請求項１５に記載の撮像装置において、
    前記調節部は、前記第１出力による第１演算と、前記第２出力による第２演算とを行い、前記第１演算により焦点評価値が得られなかった場合、前記第２演算により得られた焦点評価値で補正して、前記光学系の焦点位置を調節する撮像装置。
17. 請求項１６に記載の撮像装置において、
    前記調節部は、前記第１演算により焦点評価値が得られなかった部分に、前記第２演算により得られた焦点評価値を当てはめる補正をして、前記光学系の焦点位置を調節する撮像装置。
18. 請求項１４から請求項１７までのいずれか一項に記載の撮像装置において、
    前記光学系を通過した光束が前記撮像素子に向かう第１状態と、前記光学系を通過した光束が前記光電変換部に向かう第２状態と、を切り替え可能なミラー部を備え、
    前記光電変換部は、前記ミラー部が前記第２状態である間に、前記光電変換部に前記第１時間および前記第２時間で電荷蓄積を行わせる撮像装置。

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