JP5003132B2 - 撮像素子および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮影光学系によって結像された被写体光像に基づく画像信号の生成が可能な撮像素子の技術に関する。

撮像素子においては、位相差検出方式のオートフォーカス制御(以下では「位相差ＡＦ」ともいう)を行うための特定の画素(位相差ＡＦ用の画素)を有するものがある。

例えば特許文献１の技術によれば、マイクロレンズの中心に対してメタル遮光層の開口部の中心が互いに逆向きに偏っている一対の位相差ＡＦ用の画素を複数有する撮像素子が設けられたデジタルカメラにおいて、撮影レンズ(撮影光学系)の射出瞳における一対の部分領域を通過した光束を上記一対の位相差ＡＦ用の画素で受光して一対の像列を生成し、この一対の像列に関するシフト量を求めることにより、位相差ＡＦを行うようになっている。

特開２００５−３０３４０９号公報

しかしながら、上記の特許文献１の技術では、上述した一対の位相差ＡＦ用の特定画素を用いて位相差ＡＦを行うため、撮影レンズに係る実絞り値の変化に伴って射出瞳の大きさが変化しても適切な位相差ＡＦが可能なように、比較的小さな射出瞳を想定してそのエリア内に上記一対の部分領域を収めるようにしているが、これでは必ずしも位相差ＡＦが精度良く行われているとは限らない。例えば、実絞り値が小さく射出瞳が比較的大きくなる場合には、この大きな射出瞳を有効に使って上記一対の部分領域を定めると、位相差ＡＦにおいて焦点検出精度を向上できる可能性がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、焦点検出精度を向上させることを目的とする。

本発明の第１の側面は、被写体光像に基づいて画像信号を生成するための撮像用画素と、射出瞳面の一対の光通過領域の所定方向における位置の違いに応じて複数のグループに分類され、位相差検出方式による焦点検出に用いられる位相差検出用画素とを備える撮像素子と、前記位相差検出方式による焦点検出に用いるグループを絞り値に基づいて前記複数のグループのうちから選択し、当該選択されたグループに属する前記位相差検出用画素が生成した信号に基づいて前記位相差検出方式による焦点検出を行う位相差検出部と、前記位相差検出方式による焦点検出に基づくフォーカスレンズの移動の際に複数のタイミングにおいて取得された前記画像信号に基づいて、コントラスト検出方式による焦点検出のための評価値を前記複数のタイミングごとに算出する評価値算出部と、前記位相差検出方式による焦点検出に基づく合焦位置に前記フォーカスレンズが移動した際における前記評価値である第1評価値と、前記第1評価値よりも１つ前の評価値である第２評価値とに基づいて前記フォーカスレンズの位置が合焦位置であるか否かの判断を行い、前記フォーカスレンズの位置が合焦位置でないと判断された場合には前記算出された評価値または新たに算出される前記評価値を使用して検出される合焦位置に前記フォーカスレンズを移動させる制御を行う制御部とを具備する撮像装置である。また、この第１の側面において、上記制御部は、上記第1評価値と上記第２評価値とに基づいて合焦位置判定値を算出し、当該合焦位置判定値が所定範囲内の値である場合には、上記フォーカスレンズの位置が合焦位置であると判断するようにしてもよい。また、この第１の側面において、上記制御部は、上記フォーカスレンズの位置が合焦位置でないと判断された場合には、上記フォーカスレンズの移動の際に上記合焦位置を通過したか否かを上記合焦位置判定値に基づいて判断し、上記フォーカスレンズの移動の際に上記合焦位置を通過していないと判断された場合には、上記第1評価値を取得した際の上記絞り値に対応する焦点深度を反映したステップを用いて上記位相差検出方式による焦点検出の際の上記フォーカスレンズの移動方向と同一方向に上記フォーカスレンズを移動させ、最新の位置において取得される評価値を新たな第1評価値とし、当該新たな第1評価値よりも１つ前の評価値を新たな第２評価値として上記合焦位置判定値を算出し、当該算出された合焦位置判定値が上記所定範囲内の値となる位置に上記フォーカスレンズを移動させる制御を行うようにしてもよい。また、この第１の側面において、上記制御部は、上記フォーカスレンズの位置が合焦位置でないと判断された場合において上記フォーカスレンズの移動の際に上記合焦位置を通過していると判断された場合には、上記位相差検出方式による焦点検出による上記フォーカスレンズの駆動の際に上記複数のタイミングごとに算出された複数の上記評価値と、当該複数の評価値を取得した際における上記フォーカスレンズの位置とに基づいて検出された合焦位置に上記フォーカスレンズを移動させる制御を行うようにしてもよい。また、この第１の側面において、上記制御部は、上記選択されたグループに係わらずに単一の範囲を上記所定範囲として上記フォーカスレンズの位置が合焦位置であるか否かの判断を行うようにしてもよい。また、この第１の側面において、上記位相差検出部は、上記位相差検出方式による焦点検出により上記フォーカスレンズの位置が合焦位置であると検出されるまで上記位相差検出方式による焦点検出を繰り返し行い、上記制御部は、上記位相差検出方式による焦点検出により上記フォーカスレンズの位置が合焦位置であると検出された場合に、上記第1評価値と上記第２評価値とに基づいて上記フォーカスレンズの位置が合焦位置であるか否かの判断を行うようにしてもよい。また、この第１の側面において、上記グループと上記絞り値とが関連付けられており、上記位相差検出部は、上記画像信号の取得の際の上記絞り値に関連付けられているグループを選択するようにしてもよい。また、この第１の側面において、上記評価値算出部は、上記選択されたグループに属する上記位相差検出用画素の近傍に配置される上記撮像用画素が出力した上記画像信号に基づいて上記評価値を算出するようにしてもよい。

本発明によれば、焦点検出精度を向上させることができる。

＜撮像装置の外観構成＞
図１および図２は、本発明の実施形態に係る撮像装置１の外観構成を示す図である。ここで、図１および図２は、それぞれ正面図および背面図を示している。また、図３は、撮像装置１の縦断面図である。

撮像装置１は、例えば一眼レフレックスタイプのデジタルスチルカメラとして構成されており、カメラボディ１０と、カメラボディ１０に着脱自在な交換レンズとしての撮影レンズ２とを備えている。

図１において、カメラボディ１０の正面側には、正面略中央に撮影レンズ２が装着されるマウント部３０１と、マウント部３０１の右横に配置されたレンズ交換ボタン３０２と、正面左端部（Ｘ方向左側）において突設され、ユーザが片手（又は両手）により確実に把持可能とするためのグリップ部３０３と、正面左上部（Ｙ方向左上側）に配置されたモード設定ダイアル３０５と、正面右上部に配置された制御値設定ダイアル３０６と、グリップ部３０３の上面に配置されたシャッターボタン３０７とが設けられている。

また、図２において、カメラボディ１０の背面側には、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）３１１と、ＬＣＤ３１１の左方に配置された設定ボタン群３１２と、ＬＣＤ３１１の右方に配置された十字キー３１４と、十字キー３１４の中央に配置されたプッシュボタン３１５とが備えられている。また、カメラボディ１０の背面側には、ＬＣＤ３１１の上方に配設されたＥＶＦ(Electronic View Finder)３１６と、ＥＶＦ３１６の周囲を囲むアイカップ３２１と、ＥＶＦ３１６の左方に配設されたメインスイッチ３１７と、ＥＶＦ３１６の右方に配設された露出補正ボタン３２３およびＡＥロックボタン３２４と、ＥＶＦ３１６の上方に配設されたフラッシュ部３１８および接続端子部３１９とが備えられている。

マウント部３０１には、装着された撮影レンズ２との電気的接続を行うための複数個の電気的接点や、機械的接続を行うためのカプラ等が設けられている。

レンズ交換ボタン３０２は、マウント部３０１に装着された撮影レンズ２を取り外す際に押下されるボタンである。

グリップ部３０３は、ユーザが撮影時に撮像装置１を把持する部分であり、フィッティング性を高めるために指形状に合わせた表面凹凸が設けられている。なお、グリップ部３０３の内部には電池収納室およびカード収納室(不図示)が設けられている。電池収納室にはカメラの電源として電池６９Ｂ(図４参照)が収納されており、カード収納室には撮影画像の画像データを記録するための記録媒体（例えばメモリカード）が着脱可能に収納されるようになっている。なお、グリップ部３０３には、当該グリップ部３０３をユーザが把持したか否かを検出するためのグリップセンサを設けるようにしても良い。

モード設定ダイアル３０５及び制御値設定ダイアル３０６は、カメラボディ１０の上面と略平行な面内で回転可能な略円盤状の部材からなる。モード設定ダイアル３０５は、自動露出（ＡＥ）制御モードや自動焦点（ＡＦ；オートフォーカス）制御モード、或いは１枚の静止画を撮影する静止画撮影モードや連続撮影を行う連続撮影モード等の各種撮影モード、記録済みの画像を再生する再生モード等、撮像装置１に搭載されたモードや機能を択一的に選択するためのものである。一方、制御値設定ダイアル３０６は、撮像装置１に搭載された各種の機能に対する制御値を設定するためのものである。

シャッターボタン３０７は、途中まで押し込んだ「半押し状態」の操作と、さらに押し込んだ「全押し状態」の操作とが可能とされた押下スイッチである。静止画撮影モードにおいてシャッターボタン３０７が半押し（Ｓ１）されると、被写体の静止画を撮影するための準備動作（露出制御値の設定や焦点調節等の準備動作）が実行され、シャッターボタン３０７が全押し（Ｓ２）されると、撮影動作（撮像センサを露光し、その露光によって得られた画像信号に所定の画像処理を施してメモリカード等に記録する一連の動作）が実行される。

ＬＣＤ３１１は、画像表示が可能なカラー液晶パネルを備えており、撮像素子１０１(図３)により撮像された画像の表示や記録済みの画像の再生表示等を行うとともに、撮像装置１に搭載される機能やモードの設定画面を表示するものである。なお、ＬＣＤ３１１に代えて、有機ＥＬやプラズマ表示装置を用いるようにしても良い。

設定ボタン群３１２は、撮像装置１に搭載された各種の機能に対する操作を行うボタンである。この設定ボタン群３１２には、例えばＬＣＤ３１１に表示されるメニュー画面で選択された内容を確定するための選択確定スイッチ、選択取り消しスイッチ、メニュー画面の内容を切り替えるメニュー表示スイッチ、表示オン／オフスイッチ、表示拡大スイッチなどが含まれる。

十字キー３１４は、円周方向に一定間隔で配置された複数の押圧部（図中の三角印の部分）を備える環状の部材を有し、各押圧部に対応して備えられた図示省略の接点（スイッチ）により押圧部の押圧操作が検出されるように構成されている。また、プッシュボタン３１５は、十字キー３１４の中央に配置されている。十字キー３１４及びプッシュボタン３１５は、撮影倍率の変更（ズームレンズのワイド方向やテレ方向への移動）、ＬＣＤ３１１等に再生する記録画像のコマ送り、及び撮影条件（絞り値、シャッタスピード、フラッシュ発光の有無等）の設定等の指示を入力するためのものである。

ＥＶＦ３１６は、例えば画像表示が可能なカラー液晶パネルを備えており、撮像素子１０１(図３)により撮像された画像の表示や記録済みの画像の再生表示等を行う。ここで、ＥＶＦ３１６やＬＣＤ３１１において本撮影(画像記録用の撮影)前に撮像素子１０１で順次に生成される画像信号に基づき動画的態様で被写体を表示するライブビュー(プレビュー)表示が行われることにより、ユーザは、実際に撮像素子１０１にて撮影される被写体を視認することが可能となる。

メインスイッチ３１７は、左右にスライドする２接点のスライドスイッチからなり、左にセットすると撮像装置１の電源がオンされ、右にセットすると電源がオフされる。

フラッシュ部３１８は、ポップアップ式の内蔵フラッシュとして構成されている。一方、外部フラッシュ等をカメラボディ１０に取り付ける場合には、接続端子部３１９を使用して接続する。

アイカップ３２１は、遮光性を有してＥＶＦ３１６への外光の侵入を抑制する「コ」字状の遮光部材である。

露出補正ボタン３２３は、露出値（絞り値やシャッタースピード）を手動で調整するためのボタンであり、ＡＥロックボタン３２４は、露出を固定するためのボタンである。

撮影レンズ２は、被写体からの光（光像）を取り込むレンズ窓として機能するとともに、当該被写体光をカメラボディ１０の内部に配置されている撮像素子１０１に導くための撮影光学系として機能するものである。この撮影レンズ２は、上述のレンズ交換ボタン３０２を押下操作することで、カメラボディ１０から取り外すことが可能となっている。

撮影レンズ２は、光軸ＬＴに沿って直列的に配置された複数のレンズからなるレンズ群２１を備えている(図３)。このレンズ群２１には、焦点の調節を行うためのフォーカスレンズ２１１(図４参照)と、変倍を行うためのズームレンズ２１２(図４参照)とが含まれており、それぞれ光軸ＬＴ方向に駆動されることで、変倍や焦点調節が行われる。また、撮影レンズ２には、その鏡胴の外周適所に該鏡胴の外周面に沿って回転可能な操作環が備えられており、上記のズームレンズ２１２は、マニュアル操作或いはオート操作により、上記操作環の回転方向及び回転量に応じて光軸方向に移動し、その移動先の位置に応じたズーム倍率(撮影倍率)に設定されるようになっている。

撮像素子１０１は、カメラボディ１０に撮影レンズ２が装着された場合の当該撮影レンズ２が備えているレンズ群２１の光軸ＬＴ上において、光軸ＬＴに対して垂直となる方向に配置されている。撮像素子１０１としては、例えばフォトダイオードを有して構成される複数の画素がマトリクス状に２次元配置され、それぞれ分光特性の異なる例えばＲ(赤)、Ｇ(緑)、Ｂ(青)のカラーフィルタが配設された色画素を有するＣＭＯＳカラーエリアセンサ(ＣＭＯＳ型の撮像素子)が用いられる。撮像素子(撮像センサ)１０１は、撮影レンズ(撮影光学系)２によって結像された被写体光像をＲ(赤)、Ｇ(緑)、Ｂ(青)各色成分のアナログの電気信号(画像信号)に変換し、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色の画像信号を生成して出力する。この撮像素子１０１の構成については、後で詳述する。

撮像装置１の前方には、シャッタユニット４０が配置されている。このシャッタユニット４０は、上下方向に移動する幕体を備え、光軸ＬＴに沿って撮像素子１０１に導かれる被写体光の光路開口動作及び光路遮断動作を行うメカニカルフォーカルプレーンシャッタとして構成されている。なお、シャッタユニット４０は、撮像素子１０１が完全電子シャッター可能な撮像素子である場合には省略可能である。

＜撮像装置１の電気的構成＞
図４は、撮像装置１全体の電気的な構成を示すブロック図である。ここで、図１〜図３と同一の部材等については、同一の符号を付している。なお、説明の便宜上、撮影レンズ２の電気的構成について先ず説明する。

撮影レンズ２は、上述した撮影光学系を構成するレンズ群２１に加え、レンズ駆動機構２４と、レンズ位置検出部２５と、レンズ制御部２６と、絞り駆動機構２７とを備えている。

レンズ群２１では、フォーカスレンズ２１１及びズームレンズ２１２と、カメラボディ１０に備えられた撮像素子１０１へ入射される光量を調節するための絞り２３とが、鏡胴内において光軸ＬＴ(図３)方向に保持されており、被写体の光像を取り込んで撮像素子１０１に結像させる。焦点調節動作は、レンズ群２１がカメラボディ１０内のＡＦアクチュエータ７１Ｍにより光軸ＬＴ方向に駆動されることで行われる。

レンズ駆動機構２４は、例えばヘリコイド及び該ヘリコイドを回転させる図示省略のギア等で構成され、カプラ７４を介してＡＦアクチュエータ７１Ｍからの駆動力を受けて、フォーカスレンズ２１１等を光軸ＬＴと平行な方向に移動させるものである。なお、フォーカスレンズ２１１の移動方向及び移動量は、それぞれＡＦアクチュエータ７１Ｍの回転方向及び回転数に従う。

レンズ位置検出部２５は、レンズ群２１の移動範囲内において光軸ＬＴ方向に複数個のコードパターンが所定ピッチで形成されたエンコード板と、このエンコード板に摺接しながら鏡胴２２と一体的に移動するエンコーダブラシとを備えており、レンズ群２１の焦点調節時の移動量を検出する。なお、レンズ位置検出部２４で検出されたレンズ位置は、例えばパルス数として出力される。

レンズ制御部２６は、例えば制御プログラムを記憶するＲＯＭや状態情報に関するデータを記憶するフラッシュメモリ等からなるメモリ部２６１が内蔵されたマイクロコンピュータからなっている。また、レンズ制御部２６は、カメラボディ１０のメイン制御部６２との間で通信を行う通信部２６２を備え、この通信部２６２は、例えばレンズ群２１の焦点距離、射出瞳位置、絞り値、合焦距離及び周辺光量状態等の状態情報データをメイン制御部６２に送信する一方、メイン制御部６２から例えばフォーカスレンズ２１１の駆動量のデータを受信する。また撮影時には、撮影レンズ２に関する焦点距離情報、フォーカスレンズ２１１の位置、絞り値等のデータが通信部２６２からメイン制御部６２へ送信される。なお、メモリ部２６１には、上記のレンズ群２１の状態情報データや、撮影レンズ２のＦナンバー(Ｆno)、メイン制御部６２から送信された例えばフォーカスレンズ２１１の駆動量のデータ等が記憶される。

絞り駆動機構２７は、カプラ７５を介して絞り駆動アクチュエータ７３Ｍからの駆動力を受けて、絞り２３の絞り径を変更するものである。

続いて、カメラボディ１０の電気的構成について説明する。カメラボディ１０には、先に説明した撮像素子１０１、シャッタユニット４０等の他に、ＡＦＥ（アナログフロントエンド）５、画像処理部６１、画像メモリ６１４、メイン制御部６２、フラッシュ回路６３、操作部６４、ＶＲＡＭ６５(６５ａ、６５ｂ)、カードＩ／Ｆ６６、メモリカード６７、通信用Ｉ／Ｆ６８、電源回路６９、電池６９Ｂ、フォーカス駆動制御部７１Ａ及びＡＦアクチュエータ７１Ｍ、シャッタ駆動制御部７２Ａ及びシャッタ駆動アクチュエータ７２Ｍ、絞り駆動制御部７３Ａ及び絞り駆動アクチュエータ７３Ｍを備えて構成されている。

撮像素子１０１は、先に説明した通りＣＭＯＳセンサからなり、後述のタイミング制御回路５１により、当該撮像素子１０１の露光動作の開始（及び終了）や、撮像素子１０１が備える各画素の出力選択、画素信号の読出し等の撮像動作が制御される。

ＡＦＥ５は、撮像素子１０１に対して所定の動作を行わせるタイミングパルスを与えると共に、撮像素子１０１から出力される画像信号（ＣＭＯＳエリアセンサの各画素で受光されたアナログ信号群）に所定の信号処理を施し、デジタル信号に変換して画像処理部６１に出力するものである。このＡＦＥ５は、タイミング制御回路５１、信号処理部５２及びＡ／Ｄ変換部５３などを備えて構成されている。

タイミング制御回路５１は、メイン制御部６２から出力される基準クロックに基づいて所定のタイミングパルス（垂直走査パルスφＶｎ、水平走査パルスφＶｍ、リセット信号φＶｒ等を発生させるパルス）を生成して撮像素子１０１に出力し、撮像素子１０１の撮像動作を制御する。また、所定のタイミングパルスを信号処理部５２やＡ／Ｄ変換部５３にそれぞれ出力することにより、信号処理部５２及びＡ／Ｄ変換部５３の動作を制御する。

信号処理部５２は、撮像素子１０１から出力されるアナログの画像信号に所定のアナログ信号処理を施すものである。この信号処理部５２には、ＣＤＳ(相関二重サンプリング)回路、撮像素子１０１から出力される電荷信号を増幅するＡＧＣ(オートゲインコントロール)回路及びクランプ回路等が備えられている。

信号処理部５２のＡＧＣ回路では、後述する位相差ＡＦ用の画素列Ｌｐにおける各画素からの電荷信号がゲイン(増幅率)αで増幅されるとともに、後述の撮影用の画素列Ｌｎにおける各画素(Ｇ画素１１ｇｂ、Ｒ画素１１ｒおよびＢ画素１１ｂ)からの電荷信号が、上記のゲインαと異なるゲインβで増幅されることとなる。これは、撮影レンズ２の射出瞳の一部を通過した光束を受光する位相差ＡＦ用の画素においては、撮影用の画素に比べて感度が低下するため、撮影用の画素より高ゲインで増幅して適正な出力レベルを確保する必要があるためである。

Ａ／Ｄ変換部５３は、信号処理部５２から出力されたアナログのＲ、Ｇ、Ｂの画像信号を、上記タイミング制御回路５１から出力されるタイミングパルスに基づいて、複数のビット(例えば１２ビット)からなるデジタルの画像信号に変換するものである。

画像処理部６１は、ＡＦＥ５から出力される画像データに所定の信号処理を行って画像ファイルを作成するもので、黒レベル補正回路６１１、ホワイトバランス制御回路６１２及びガンマ補正回路６１３等を備えて構成されている。なお、画像処理部６１へ取り込まれた画像データは、撮像素子１０１の読み出しに同期して画像メモリ６１４に一旦書き込まれ、以後この画像メモリ６１４に書き込まれた画像データにアクセスして、画像処理部６１の各ブロックにおいて処理が行われる。

黒レベル補正回路６１１は、Ａ／Ｄ変換部５３によりＡ／Ｄ変換されたＲ、Ｇ、Ｂの各デジタル画像信号の黒レベルを、基準の黒レベルに補正するものである。

ホワイトバランス補正回路６１２は、光源に応じた白の基準に基づいて、Ｒ(赤)、Ｇ(緑)、Ｂ(青)の各色成分のデジタル信号のレベル変換（ホワイトバランス(ＷＢ)調整）を行うものである。すなわちホワイトバランス制御回路６１２は、メイン制御部６２から与えられるＷＢ調整データに基づき、撮影被写体において輝度や彩度データ等から本来白色であると推定される部分を特定し、その部分のＲ、Ｇ、Ｂそれぞれを色成分の平均と、Ｇ／Ｒ比及びＧ／Ｂ比とを求め、これをＲ、Ｂの補正ゲインとしてレベル補正する。

ガンマ補正回路６１３は、ＷＢ調整された画像データの階調特性を補正するものである。具体的にはガンマ補正回路６１３は、画像データのレベルを色成分毎に予め設定されたガンマ補正用テーブルを用いて非線形変換するとともにオフセット調整を行う。

画像メモリ６１４は、撮影モード時には、画像処理部６１から出力される画像データを一時的に記憶するとともに、この画像データに対しメイン制御部６２により所定の処理を行うための作業領域として用いられるメモリである。また、再生モード時には、メモリカード６７から読み出した画像データを一時的に記憶する。

メイン制御部６２は、例えば制御プログラムを記憶するＲＯＭや一時的にデータを記憶するフラッシュメモリ等の記憶部が内蔵されたマイクロコンピュータからなり、撮像装置１各部の動作を制御するものである。

フラッシュ回路６３は、フラッシュ撮影モードにおいて、フラッシュ部３１８または接続端子部３１９に接続される外部フラッシュの発光量を、メイン制御部６２により設定された発光量に制御するものである。

操作部６４は、上述のモード設定ダイアル３０５、制御値設定ダイアル３０６、シャッターボタン３０７、設定ボタン群３１２、十字キー３１４、プッシュボタン３１５、メインスイッチ３１７等を含み、操作情報をメイン制御部６２に入力するためのものである。

ＶＲＡＭ６５ａ、６５ｂは、ＬＣＤ３１１およびＥＶＦ３１６の画素数に対応した画像信号の記憶容量を有し、メイン制御部６２とＬＣＤ３１１およびＥＶＦ３１６との間のバッファメモリである。カードＩ／Ｆ６６は、メモリカード６７とメイン制御部６２との間で信号の送受信を可能とするためのインターフェースである。メモリカード６７は、メイン制御部６２で生成された画像データを保存する記録媒体である。通信用Ｉ／Ｆ６８は、パーソナルコンピュータやその他の外部機器に対する画像データ等の伝送を可能とするためのインターフェースである。

電源回路６９は、例えば定電圧回路等からなり、メイン制御部６２等の制御部、撮像素子１０１、その他の各種駆動部等、撮像装置１全体を駆動させるための電圧（例えば５Ｖ）を生成する。なお、撮像素子１０１への通電制御は、メイン制御部６２から電源回路６９に与えられる制御信号により行われる。電池６９Ｂは、アルカリ乾電池等の一次電池や、ニッケル水素充電池等の二次電池からなり、撮像装置１全体に電力を供給する電源である。

フォーカス駆動制御部７１Ａは、メイン制御部６２から与えられるＡＦ制御信号に基づき、フォーカスレンズ２１１を合焦位置に移動させるために必要な、ＡＦアクチュエータ７１Ｍに対する駆動制御信号を生成するものである。ＡＦアクチュエータ７１Ｍは、ステッピングモータ等からなり、カプラ７４を介して撮影レンズ２のレンズ駆動機構２４にレンズ駆動力を与える。

シャッタ駆動制御部７２Ａは、メイン制御部６２から与えられる制御信号に基づき、シャッタ駆動アクチュエータ７２Ｍに対する駆動制御信号を生成するものである。シャッタ駆動アクチュエータ７２Ｍは、シャッタユニット４０の開閉駆動を行うアクチュエータである。

絞り駆動制御部７３Ａは、メイン制御部６２から与えられる制御信号に基づき、絞り駆動アクチュエータ７３Ｍに対する駆動制御信号を生成するものである。絞り駆動アクチュエータ７３Ｍは、カプラ７５を介して絞り駆動機構２７に駆動力を与える。

また、カメラボディ１０は、黒レベル補正回路６１１から出力される黒レベル補正済みの画像データに基づき、オートフォーカス(ＡＦ)制御時に必要な演算を行う位相差ＡＦ演算回路７６およびコントラストＡＦ演算回路７７を備えている。

これらの位相差ＡＦ演算回路７６およびコントラストＡＦ演算回路７７を利用した撮像装置１のＡＦ動作と撮像素子１０１の構成とについて、以下で詳しく説明する。

＜撮像素子１０１の構成および撮像装置１のＡＦ動作について＞
撮像装置１では、撮像素子１０１において撮影レンズ２の射出瞳の異なった部分(一対の部分領域)を透過(通過)した透過光を受光することにより焦点検出を行う位相差検出方式のＡＦ(位相差ＡＦ)が可能な構成となっている。この撮像素子１０１の構成と、この撮像素子１０１を利用した位相差ＡＦの原理とを、以下で説明する。

図５は、撮像素子１０１の構成を説明するための図である。

撮像素子１０１は、図５(ａ)に示すように水平方向に沿って配置された撮影用の画素列Ｌｎと位相差ＡＦ用の画素列Ｌｐとを備えている。

撮影用の画素列Ｌｎは、フォトダイオード上にＲ(赤)、Ｇ(緑)およびＢ(青)の各カラーフィルタが設けられたＲ画素１１ｒ、Ｇ画素１１ｇおよびＢ画素１１ｂを有しており、これらのＲ画素１１ｒ、Ｇ画素１１ｇおよびＢ画素１１ｂの画素配置はベイヤー配列となっている。

位相差ＡＦ用の画素列Ｌｐは、位相差ＡＦで利用するための画素(特定画素)として、実絞り値がＦ２に相当する場合における射出瞳の左右一対の部分領域を通過する被写体光束のみを受光する一対の画素(以下では「第１画素」ともいう)１１１(１１１ａ、１１１ｂ)と、実絞り値がＦ６に相当する場合における射出瞳の左右一対の部分領域を通過する被写体光束のみを受光する一対の画素(以下では「第２画素」ともいう)１１２(１１２ａ、１１２ｂ)とを有している。すなわち、位相差ＡＦ用の画素列Ｌｐに配列される特定画素は、後述の遮光板ＢＤのスリットによって制限された被写体光束の一部に相当する各光束(後述する図６〜７の各光束Ｊａ〜Ｊｄ)が通過する射出瞳面の一対の部分領域が実絞り値の違いにより互いに異なっている２つの画素グループ、つまり第１画素１１１のグループ（以下では「第１画素グループ」ともいう）および第２画素１１２のグループ（以下では「第２画素グループ」ともいう）に分けられるとともに、第１画素グループおよび第２画素グループそれぞれは、射出瞳の一対の部分領域を通過した被写体光束を受光する一対の画素群（一対の第１画素１１１ａ、１１１ｂの群、一対の第２画素１１２ａ、１１２ｂの群）で構成されることとなる。また、位相差ＡＦ用の画素列Ｌｐでは、一対の第１画素１１１と一対の第２画素１１２とが交互に配置されている。

一対の第１画素１１１は、隣接して配置される左側の第１画素１１１ａと右側の第１画素１１１ｂとからなり、位相差ＡＦ用の画素列Ｌｐの配列方向(水平方向)に沿って配置されている。そして、左側の第１画素１１１ａと右側の第１画素１１１ｂとは、選択透過部として機能する遮光板ＢＤに設けられたスリット(開口部)Ｓａ、Ｓｂ(図５(ｂ))により撮影レンズ２の射出瞳を通過した被写体光束の一部を選択的に透過させることで、実絞り値がＦ２相当の射出瞳における左右一対の部分領域を通過する被写体光束を受光領域Ｐａ、Ｐｂで受光できるようになっている。ここで、左側の第１画素１１１ａと右側の第１画素１１１ｂとは、スリットＳａ、Ｓｂの位置が鏡面対象の関係となっている。

また、一対の第２画素１１２は、隣接して配置される左側の第２画素１１２ａと右側の第２画素１１２ｂとからなり、位相差ＡＦ用の画素列Ｌｐの配列方向(水平方向)に沿って配置されている。そして、左側の第２画素１１２ａと右側の第２画素１１２ｂとは、選択透過部として機能する遮光板ＢＤに設けられたスリット(開口部)Ｔａ、Ｔｂ(図５(ｂ))により撮影レンズ２の射出瞳を通過した被写体光束の一部を選択的に透過させることで、実絞り値がＦ６相当の射出瞳における左右一対の部分領域を通過する被写体光束を受光領域Ｑａ、Ｑｂで受光できるようになっている。ここで、左側の第２画素１１２ａと右側の第２画素１１２ｂとは、スリットＴａ、Ｔｂの位置が、上記一対の第１画素１１１と同様に鏡面対象の関係となっている。

以上のように位相差ＡＦ用の画素列Ｌｐでは、スリットＳａ、Ｓｂ、Ｔａ、Ｔｂの位置が４画素毎に異なる遮光板ＢＤが設けられている(図５(ｂ))。よって、位相差ＡＦ用の画素列Ｌｐに配置される第１画素１１１および第２画素１１２においては、撮影用の画素列Ｌｎに配置される各画素１１ｒ、１１ｇ、１１ｂより受光量が少なくなるので、感度を向上させるためにカラーフィルタを設けないこととしている。このため、位相差ＡＦ用の画素列Ｌｐでは水平１ライン分の撮影用の画素データが欠落することとなるが、このデータ欠損については、公知の一般的なライン欠損に対する画素補間で対応することとする。なお、撮像素子１０１の電荷読出しでは、撮影用の画素列ＬｎにおけるＲＧＢ各画素１１ｒ、１１ｇ、１１ｂと、位相差ＡＦ用の画素列Ｌｐにおける第１画素１１１および第２画素１１２とで読み出し方法を異ならせて同時に電荷読出しを行えるようになっている。

次に、上記の位相差ＡＦ用の画素列Ｌｐを利用した位相差ＡＦの原理を、詳しく説明する。

図６および図７は、撮像素子１０１における位相差ＡＦ用の画素列Ｌｐを利用した位相差ＡＦの原理を説明するための図である。ここで、図６には、撮影レンズ(撮影光学系)２の実絞り値がＦ２.０に相当する場合の射出瞳を部分的に通過する光束Ｊａ、Ｊｂが表されており、図７には、撮影レンズ２の実絞り値がＦ５.６に相当する場合の射出瞳を部分的に通過する光束Ｊｃ、Ｊｄが表されている。

実絞り値がＦ２.０の場合、一対の第１画素１１１ａ、１１１ｂでは、図６に示すように射出瞳の右側領域Ｅｐａを通過した光束ＪａがマイクロレンズＭＬおよび遮光板ＢＤのスリットＳａを通って光電変換部１１０の左端付近の受光領域Ｐａで結像するとともに、射出瞳の左側領域Ｅｐｂを通過した光束ＪｂがマイクロレンズＭＬおよび遮光板ＢＤのスリットＳｂを通って光電変換部１１０の右端付近の受光領域Ｐｂで結像するようになっている。以下では、一対の第１画素１１１ａ、１１１ｂにおいて、左側の第１画素１１１ａから得られる受光データを「Ａ系列のデータ」と呼び、右側の第１画素１１１ｂから得られる受光データを「Ｂ系列のデータ」と呼ぶこととし、例えば、ある１つの位相差ＡＦ用の画素列Ｌｐ(図５)に配置された一対の第１画素１１１ａ、１１１ｂから得られるＡ系列のデータとＢ系列のデータとを表した図８〜図１２を参照して実絞り値がＦ２.０の場合における位相差ＡＦの原理を説明する。

図８は、焦点面が撮像素子１０１の撮像面から２００μｍ近側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図であり、図９は、焦点面が撮像面から１００μｍ近側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図である。また、図１０は、焦点面が撮像面に一致している合焦状態のシミュレーション結果を示す図である。さらに、図１１は、焦点面が撮像面から１００μｍ遠側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図であり、図１２は、焦点面が撮像面から２００μｍ遠側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図である。ここで、図８〜図１２においては、横軸が位相差ＡＦ用の画素列Ｌｐにおける第１画素１１１ａ、１１１ｂの位置を示し、縦軸が各第１画素１１１ａ、１１１ｂからの出力を示している。また、図８〜図１２では、グラフＧａ１〜Ｇａ５(実線で図示)がＡ系列のデータを表し、グラフＧｂ１〜Ｇｂ５(破線で図示)がＢ系列のデータを表している。

図８〜図１２においてＡ系列のグラフＧａ１〜Ｇａ５で示される各Ａ系列の像列とＢ系列のグラフＧｂ１〜Ｇｂ５で示される各Ｂ系列の像列とを比較すると、デフォーカス量が大きいほど、Ａ系列の像列とＢ系列の像列との間に生じる撮像素子１０１の水平方向のシフト量(ずれ量)が増大していることが分かる。

このような一対の像列(Ａ系列およびＢ系列の像列)におけるシフト量と、デフォーカス量との関係をグラフ化すると、図１３に示すグラフＧｃのように表される。この図１３においては、横軸がデフォーカス量(ｍｍ)を示し、縦軸がＡ系列の像列の重心位置に対するＢ系列の像列の重心位置の差(画素数)を示している。なお、各像列の重心位置Ｘ_gは、例えば次のような演算式(１)により求められる。

ただし、上式(１)において、Ｘ₁〜Ｘ_nは、例えば位相差ＡＦ用の画素列Ｌｐにおける左端からの第１画素１１１の位置を表し、Ｙ₁〜Ｙ_nは、各位置Ｘ₁〜Ｘ_nの第１画素１１１からの出力値を表している。

図１３に示すグラフＧｃのようにデフォーカス量と一対の像列における重心位置の差との関係は、比例関係となっている。この関係について、デフォーカス量をＤＦ(μｍ)とし重心位置の差をＣ(μｍ)として数式で表現すると、次の式(２)のようになる。

ここで、上式(２)の係数ｋ１は、図１３のグラフＧｃに関する傾きＧｋ(破線で図示)を表しており、工場試験等によって事前に取得できるものである。

次に、実絞り値がＦ５.６の場合、一対の第２画素１１２ａ、１１２ｂでは、図７に示すように射出瞳の右側部分Ｅｑａを通過した光束ＪｃがマイクロレンズＭＬおよび遮光板ＢＤのスリットＴａを通って光電変換部１１０の中央左側の受光領域Ｑａで結像するとともに、射出瞳の左側部分Ｅｑｂを通過した光束ＪｄがマイクロレンズＭＬおよび遮光板ＢＤのスリットＴｂを通って光電変換部１１０の中央右端の受光領域Ｑｂで結像するようになっている。以下では、一対の第２画素１１２ａ、１１２ｂにおいて、左側の第２画素１１２ａから得られる受光データを「Ａ系列のデータ」と呼び、右側の第２画素１１２ｂから得られる受光データを「Ｂ系列のデータ」と呼ぶこととし、例えば、ある１つの位相差ＡＦ用の画素列Ｌｐ(図５)に配置された一対の第２画素１１２ａ、１１２ｂから得られるＡ系列のデータとＢ系列のデータとを表した図１４〜図１８を参照して実絞り値がＦ５.６の場合における位相差ＡＦの原理を説明する。

図１４は、焦点面が撮像素子１０１の撮像面から２００μｍ近側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図であり、図１５は、焦点面が撮像面から１００μｍ近側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図である。また、図１６は、焦点面が撮像面に一致している合焦状態のシミュレーション結果を示す図である。さらに、図１７は、焦点面が撮像面から１００μｍ遠側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図であり、図１８は、焦点面が撮像面から２００μｍ遠側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図である。ここで、図１４〜図１８においては、横軸が位相差ＡＦ用の画素列Ｌｐにおける第２画素１１２ａ、１１２ｂの位置を示し、縦軸が各第２画素１１２ａ、１１２ｂからの出力を示している。また、図１４〜図１８では、グラフＨａ１〜Ｈａ５(実線で図示)がＡ系列のデータを表し、グラフＨｂ１〜Ｈｂ５(破線で図示)がＢ系列のデータを表している。

図１４〜図１８においてＡ系列のグラフＨａ１〜Ｈａ５で示される各Ａ系列の像列とＢ系列のグラフＨｂ１〜Ｈｂ５で示される各Ｂ系列の像列とを比較すると、デフォーカス量が大きいほど、Ａ系列の像列とＢ系列の像列との間に生じる撮像素子１０１の水平方向のシフト量(ずれ量)が増大していることが分かる。

このような一対の像列(Ａ系列およびＢ系列の像列)におけるシフト量と、デフォーカス量との関係をグラフ化すると、図１９に示すグラフＨｃのように表される。この図１９においては、横軸がデフォーカス量(ｍｍ)を示し、縦軸がＡ系列の像列の重心位置に対するＢ系列の像列の重心位置の差(画素数)を示している。なお、各像列の重心位置Ｘ_gは、例えば上述した演算式(１)によって求められる。

図１９に示すグラフＨｃのようにデフォーカス量と一対の像列における重心位置の差との関係は、比例関係となっている。この関係について、デフォーカス量をＤＦ(μｍ)とし重心位置の差をＣ(μｍ)として数式で表現すると、次の式(３)のようになる。

ここで、上式(３)の係数ｋ２は、図１９のグラフＨｃに関する傾きＨｋ(破線で図示)を表しており、工場試験等によって事前に取得できるものである。

以上より、実絞り値がＦ２.０の場合には一対の第１画素１１１ａ、１１１ｂから、実絞り値がＦ５.６の場合には一対の第２画素１１２ａ、１１２ｂから得られるＡ系列のデータとＢ系列のデータとに関する重心位置の差(位相差)を位相差ＡＦ演算回路７６で求めた後に、上式(２)や上式(３)を利用してデフォーカス量を算出し、算出されたデフォーカス量に相当する駆動量をフォーカスレンズ２１１に与えることで、検出された焦点位置(検出焦点位置)にフォーカスレンズ２１１を迅速に移動させるオートフォーカス(ＡＦ)制御が可能となる。すなわち、撮像装置１では、図６(図７)に示す射出瞳における一対の部分領域Ｅｐａ、Ｅｐｂ(Ｅｑａ、Ｅｑｂ)を通過した被写体光束Ｊａ、Ｊｂ(Ｊｃ、Ｊｄ)を受光する一対の第１画素１１１ａ、１１１ｂ(一対の第２画素１１２ａ、１１２ｂ)の群からの電荷信号に基づき一対の像列を生成し、この一対の像列に関する位相差ＡＦ用の画素列Ｌｐの配列方向(水平方向)に沿ったずれ量(シフト量)を検出することにより、位相差ＡＦが行われることとなる。なお、上記のデフォーカス量とフォーカスレンズ２１１の駆動量との関係は、カメラボディ１０に装着されている撮影レンズ２の設計値より一意に定まるものである。

また、図１３のグラフＧｃと図１９のグラフＨｃとを比較すると、グラフＧｃの傾きＧｋはグラフＨｃの傾きＨｋより大きいため、グラフＧｃの方がデフォーカス量に対する一対の像列のシフト量(重心位置の差)の変化量が大きくなる。すなわち、実絞り値がＦ５.６の場合よりＦ２.０の場合の方が、位相差ＡＦのＡＦ精度を高められることとなる。

よって、本実施形態の撮像装置１では、撮影レンズ２において実絞りがＦ２.０以下となる場合には、例えば図６に示す射出瞳からの各光束Ｊａ、Ｊｂを受光して高精度な焦点検出を行うために一対の第１画素１１１ａ、１１１ｂを使用した位相差ＡＦを実施するとともに、実絞りがＦ２.０より大きくなる場合には、例えば図７に示す射出瞳からの各光束Ｊｃ、Ｊｄを受光して焦点検出を行うために一対の第２画素１１２ａ、１１２ｂを使用した位相差ＡＦを実施することとする。

さて、一般にデジタルカメラの被写界深度を考慮すると、位相差ＡＦより合焦精度が高いコントラスト検出方式の焦点検出(コントラストＡＦ)で最終的な合焦を行うのが好ましい。そこで、本実施形態の撮像装置１においても、精度の高い合焦を図るためにコントラストＡＦを採用するが、このコントラスＡＦの原理について、以下で説明する。

撮像装置１におけるコントラストＡＦでは、撮影範囲の一部(例えば中央部分)に設定されるＡＦエリア内においてＧ画素１１ｇの画素群を読み出し、ＡＦ評価値が算出される。このＡＦ評価値については、例えばＡＦエリア内におけるＧ画素１１ｇの隣接差分の絶対値の総和として算出される。

ここで、このＡＦ評価値を、フォーカスレンズ２１１を一定方向に移動させつつ順次に算出すれば、図２０のようにＡＦ評価値が単調に増加してからピークＱｋを境に単調に減少するようなファーカスレンズ２１１の各位置とＡＦ評価値との関係が得られることとなる。なお、フォーカスレンズ２１１は、ピントの山、つまりＡＦ評価値のピークＱｋを超えるまで移動するようにする。

そして、図２０に示すようにピークＱｋ近傍のＡＦ評価値Ｄ_n-1、Ｄ_n、Ｄ_n+1と、そのフォーカスレンズ２１１の位置Ｐ_n-1、Ｐ_n、Ｐ_n+1とが取得されると、次の式(４)に示す２次補間近似式を用いて、フォーカスレンズ２１１の合焦位置Ｐ_fが算出できることとなる。

以上で説明したコントラストＡＦでは、ＡＦ評価値をコントラストＡＦ演算回路７７で求めて、フォーカス駆動制御部７１Ａによりフォーカスレンズ２１１を上記の式(４)で求めた合焦位置に移動させることで、合焦精度が高いオートフォーカス制御が可能となる。

本実施形態の撮像装置１では、位相差ＡＦ用の画素列Ｌｐを用いた位相差ＡＦと撮影用の画素列Ｌｎを用いたコントラストＡＦとを併用したハイブリッドＡＦを行うようになっているが、このハイブリッドＡＦに関する撮像装置１の具体的な動作を以下で説明する。

なお、上記説明では、一般的なコントラスト方式による山登りＡＦについて述べたが、本実施形態では以下に説明するハイブリッドＡＦによりピークＱｋを超えない場合でも合焦位置に移動させることができる。

＜撮像装置１の動作＞
図２１は、撮像装置１の基本的な動作を示すフローチャートである。本動作は、メイン制御部６２によって実行される。

まず、メインスイッチ３１７で撮像装置１の電源をオンにし、撮像素子１０１を起動する(ステップＳＴ１)。

ステップＳＴ２では、カメラボディ１０のマウント部３０１に装着されている撮影レンズ２のＦnoをメイン制御部６２で取得する。ここでは、撮影レンズ２におけるレンズ制御部２６のメモリ部２６１に記憶されているＦnoの情報が、メイン制御部６２に取り込まれることとなる。

ステップＳＴ３では、撮像素子１０１からの出力に基づき自動露出制御(ＡＥ)を行う。このＡＥ動作により、撮像素子１０１の電子シャッタースピード(露光時間)や、撮影レンズ２の絞り２３、信号処理部５２のＡＧＣ回路のゲインが変更されることとなる。

ステップＳＴ４では、現在の実絞り値(Ｆno)を取得する。すなわち、ステップＳＴ３で設定された絞り２３の開度と、(現在の)撮影レンズ２の焦点距離とに基づき、実絞り値(Ｆno)が取得される。

ステップＳＴ５では、シャッターボタン３０７がユーザによって半押し(Ｓ１)されたかを判定する。ここで、半押しされた場合には、ステップＳＴ６に進むとともに、半押しされていない場合には、ステップＳＴ３に戻る。

ステップＳＴ６では、撮像素子１０１におけるＡＦエリア内のＧ画素１１ｇからの出力に基づき、コントラストＡＦ演算回路７７でＡＦ評価値を算出して取得する。ここでは、撮像素子１０１のおける画素読出しの周期(フレームレート)を２４０ｆｐｓに設定して、ＡＦ評価値の算出が行われる。

ステップＳＴ７では、フォーカスレンズ２１１の位置を、撮影レンズ２のレンズ位置検出部２５から出力されるパルス数に基づき検出する。ここでは、上記ステップＳＴ６のＡＦ評価値の算出に用いるＧ画素１１ｇの露光中心時間(露光時間の中間時点)にフォーカスレンズ２１１の位置検出を行うのが好ましい。

ステップＳＴ８では、現在の実絞り値(Ｆno)を取得する。具体的には、ステップＳＴ４で取得された実絞り値に、ステップＳＴ７で検出したフォーカスレンズ２１１の位置を考慮した現在の実絞り値を取得する。これは、後述のステップＳＴ１０やステップＳＴ１１で行う位相差ＡＦによってフォーカスレンズ２１１の位置が変更されるので、その最新の位置を反映した正確な実絞り値を求めるためである。

すなわち、ステップＳＴ８においては、撮影レンズ(撮影光学系)２に関する焦点距離およびフォーカスレンズ２１１の位置と絞り２３の開度とに基づき、実絞り値が取得されることとなる。

ステップＳＴ９では、ステップＳＴ８で取得した実絞り値(Ｆno)が２.０より大きいかを判定する。ここで、Ｆnoが２.０より大きい場合には、第２画素１１２からなる第２画素グループを位相差ＡＦで選択するステップＳＴ１０に進むとともに、Ｆnoが２.０以下である場合には、第１画素１１１からなる第１画素グループを位相差ＡＦで選択するステップＳＴ１１に進む。

ステップＳＴ１０では、位相差ＡＦ用の画素列Ｌｐにおける一対の第２画素１１２ａ、１１２ｂからの出力信号を用いて位相差ＡＦを行う。具体的には、一対の第２画素において左側の第２画素１１２ａから得られるＡ系列のデータと、右側の第２画素１１２ｂから得られるＢ系列のデータとに関する重心位置の差を位相差ＡＦ演算回路７６で求め、この重心位置の差がなくなるように上記の式(３)を利用してフォーカスレンズ２１１を駆動する。

ステップＳＴ１１では、位相差ＡＦ用の画素列Ｌｐにおける一対の第１画素１１１ａ、１１１ｂからの出力信号を用いて位相差ＡＦを行う。具体的には、一対の第１画素において左側の第１画素１１１ａから得られるＡ系列のデータと、右側の第１画素１１１ｂから得られるＢ系列のデータとに関する重心位置の差を位相差ＡＦ演算回路７６で求め、この重心位置の差がなくなるように上記の式(２)を利用してフォーカスレンズ２１１を駆動する。

以上のステップＳＴ９〜ＳＴ１１の動作により、実絞り値に応じて、第１画素グループおよび第２画素グループの２つの画素グループから、位相差ＡＦに用いる一対の像列（Ａ系列の像列およびＢ系列の像列）に関する電荷信号を生成する１つの画素グループが選択されることととなる。これにより、適切な画素グループの選択が可能となる。

ステップＳＴ１２では、位相差ＡＦによる焦点調整が完了したかを判定する。ここで、位相差ＡＦによる焦点調整が完了した場合には、ステップＳＴ１３に進むとともに、完了していない場合には、ステップＳＴ６に戻る。

以上のステップＳＴ６〜ＳＴ１２を位相差ＡＦによる焦点調整が完了するまで繰り返すことにより、位相差ＡＦによってフォーカスレンズ２１１を駆動する際に、フォーカスレンズ２１１の各位置についてのＡＦ評価値(焦点検出情報)が焦点検出の履歴情報として取得されることとなる。なお、このＡＦ評価値の履歴情報は、例えばメイン制御部６２のメモリに格納される。

ステップＳＴ１３では、位相差ＡＦ中に算出されたＡＦ評価値の履歴情報のうち最後に算出された最終のＡＦ評価値Ｄ_mと、最終のＡＦ評価値Ｄ_mの１つ前(最終前)のＡＦ評価値Ｄ_m-1とを取得する。

ステップＳＴ１４では、最終前のＡＦ評価値Ｄ_m-1に対する最終のＡＦ評価値Ｄ_mの比率が、０.９９以上で１.０１以下となるかを判定する。これは、最終前のＡＦ評価値Ｄ_m-1に対する最終のＡＦ評価値Ｄ_mの比率が１００％±１％以内となる場合には、傾きがなだらかなＡＦ評価値のピークＱｋ(図２０)近傍にフォーカスレンズ２１１が駆動されているため、このフォーカスレンズ２１１の位置を合焦位置とみなして合焦位置を特定するようにするためである。

このステップＳＴ１４において、０.９９≦Ｄ_m/Ｄ_m-1≦１.０１の場合、つまり上記のＡＦ評価値の履歴情報(最終前のＡＦ評価値Ｄ_m-1および最終のＡＦ評価値Ｄ_m)に基づきフォーカスレンズ２１１の合焦位置が特定される場合には、本フローチャートを抜け、そうでない場合には、ステップＳＴ１５に進む。

ステップＳＴ１５では、最終前のＡＦ評価値Ｄ_m-1に対する最終のＡＦ評価値Ｄ_mの比率が１より大きいかを判定する。ここで、Ｄ_m/Ｄ_m-1＞１の場合には、ＡＦ評価値が単調に増加している状態と判断してステップＳＴ１６に進み、Ｄ_m/Ｄ_m-1≦１の場合には、ＡＦ評価値が単調に減少している状態と判断してステップＳＴ２１に進む。

ステップＳＴ１６では、ステップＳＴ６と同様に、撮像素子１０１におけるＡＦエリア内のＧ画素１１ｇからの出力に基づきＡＦ評価値Ｄ１を取得する。なお、位相差ＡＦによる焦点調整の完了直後においては、ＡＦ評価値Ｄ１として上記最終のＡＦ評価値Ｄ_mがＡＦ評価値の履歴情報から取得される。

ステップＳＴ１７では、フォーカスレンズ２１１について、位相差ＡＦによる駆動方向と同方向に焦点深度(被写界深度)に相当する１Ｆδ分の追い駆動を行う。ここで、Ｆは撮影レンズ(撮影光学系)２に関する実絞りを表すＦナンバーであり、δは撮像素子１０１の画素ピッチの２倍(例えば６μｍの画素ピッチではδ＝１２μｍ)である。

ステップＳＴ１８では、ステップＳＴ６と同様に、撮像素子１０１におけるＡＦエリア内のＧ画素１１ｇからの出力に基づきＡＦ評価値Ｄ２を取得する。

ステップＳＴ１９では、ステップＳＴ１６で取得したＡＦ評価値Ｄ１に対する、ステップＳＴ１８で取得したＡＦ評価値Ｄ２の比率が、０.９９以上で１.０１以下であるかを判定する。これは、ＡＦ評価値がピークＱｋ(図２０)を超えず単調に増加している状態において、例えば図２２に示すようにフォーカスレンズ２１１の駆動量Ｗの追い駆動を行うことによりＡＦ評価値Ｄ２が得られたとすると、ＡＦ評価値Ｄ２に対するＡＦ評価値Ｄ１の比率が１００％±１％以内となる場合、換言すればＡＦ評価値Ｄ２とＡＦ評価値Ｄ１との差ＥｆがＡＦ評価値Ｄ１の１％以下となる場合には、ＡＦ評価値のピークＱｋ(図２２)付近の緩い傾斜部分にフォーカスレンズ２１１が駆動されているので、この追い駆動されたフォーカスレンズ２１１の位置を合焦位置とみなして合焦位置を特定するようにするためである。

このステップＳＴ１９において、０.９９≦Ｄ１/Ｄ２≦１.０１の場合には、本フローチャートを抜け、そうでない場合には、未だにＡＦ評価値のピークＱｋ(図２０)付近にフォーカスレンズ２１１が到達していないと判断してステップＳＴ２０に進む。

ステップＳＴ２０では、ステップＳＴ１７で行われるフォーカスレンズ２１１の追い駆動がｎ(例えばｎ＝３)回実施されたかを判定する。これは、フォーカスレンズ２１１の追い駆動が幾度も実施される場合には合焦が困難と見なして、ＡＦ動作を打ち切るためである。ここで、追い駆動がｎ回実施された場合には、本フローチャートを抜け、ｎ回未満の場合には、ステップＳＴ１６に戻る。

ステップＳＴ２１では、ＡＦ評価値のピーク位置までフォーカスレンズ２１１の戻り駆動を行う。すなわち、ステップＳＴ１５において最終前のＡＦ評価値Ｄ_m-1に対する最終のＡＦ評価値Ｄ_mの比率が１以下と判定される場合には、現在のフォーカスレンズ２１１の位置はＡＦ評価値のピーク位置を超えているものと判断し、上述した式(４)を利用してフォーカスレンズ２１１の合焦位置を特定する。そして、位相差ＡＦによってＡＦ評価値のピーク位置(合焦位置)を通過したフォーカスレンズ２１１を、特定された合焦位置に戻らせるように駆動する。

以上で説明した撮像装置１においては、遮光板ＢＤでのスリットの位置が異なっている一対の第１画素１１１ａ、１１１ｂと一対の第２画素１１２ａ、１１２ｂとを有する撮像素子１０１が設けられているため、この一対の第１画素と一対の第２画素とを撮影レンズ(撮影光学系)２の実絞り値に応じて切り替えてやれば、位相差ＡＦにおいて焦点検出精度を向上できることとなる。すなわち、比較的小さい実絞り値の場合において一対の第１画素１１１ａ、１１１ｂを使用できるため、従来と比べて高精度な位相差ＡＦが可能となる。

また、撮像装置１の撮像素子１０１では、遮光板ＢＤのスリットＳａ、Ｓｂ、Ｔａ、Ｔｂ(図６〜７)により撮影レンズ２の射出瞳を通過した被写体光束の一部が選択的に透過されるため、第１画素１１１および第２画素１１２おいて位相差ＡＦに必要な光束を簡易に受光できる。

＜変形例＞
・上記の実施形態における撮像素子では、図５に示すように一対の第１画素と一対の第２画素とが交互に配置された位相差ＡＦ用の画素列Ｌｐを有するのは必須でなく、図２３に示すように一対の第１画素１１１ａ、１１１ｂのみが配列された位相差ＡＦ用の画素列Ｌｐａと、一対の第２画素１１２ａ、１１２ｂのみが配列された位相差ＡＦ用の画素列Ｌｐｂとを有しても良い。

また、図２４に示すように一対の第２画素１１２ａ、１１２ｂと、一対の第１画素１１１ａ、１１１ｂと、色画素(Ｇ画素１１ｇおよびＲ画素１１ｒ)とが順に繰り返される画素配列となる位相差ＡＦ用の画素列Ｌｑを有しても良い。このように水平ライン方向に沿って配置される位相差ＡＦ用の画素列(画素配列)Ｌｑにおいて、第１画素および第２画素とともに、撮影用の画素データが取得できる色画素が含まれることで、水平１ライン全ての撮影用の画素データが欠落する上述の位相差ＡＦ用の画素列Ｌｐ、Ｌｐａ、Ｌｐｂと比べて画素補間が少なくてすみ、画像の品質が向上することとなる。

・上記の実施形態においては、スリットが形成された遮光板ＢＤを有する一対の第１画素１１１ａ、１１１ｂおよび一対の第２画素１１２ａ、１１２ｂを用いて位相差ＡＦを行うのは必須でなく、図２５および図２６に示すような一対の第１画素１１１ｃ、１１１ｄおよび一対の第２画素１１２ｃ、１１２ｄを用いて位相差ＡＦを行うようにしても良い。

図２５は、本発明の変形例に係る一対の第１画素１１１ｃ、１１１ｄの構成を説明するための図である。

一対の第１画素１１１ｃ、１１１ｄは、図６のスリットＳａ、Ｓｂに対応する光透過領域Ｓｃ、Ｓｄを除いて顔料または塗料で黒塗りされた遮光層Ｂ１、Ｂ２が表面に形成されたマイクロレンズＭＬを備えており、この光透過領域Ｓｃ、Ｓｄにより撮影レンズ２の射出瞳を通過した被写体光束の一部が選択的に透過されることとなる。

このような構成を有する一対の第１画素１１１ｃ、１１１ｄでは、実絞り値がＦ２.０の場合において、射出瞳の右側領域Ｅｐａを通過した光束Ｊａが、マイクロレンズＭＬにおける光透過領域Ｓｃを通って光電変換部１１０の左端付近の受光領域Ｐａで結像するとともに、射出瞳の左側領域Ｅｐｂを通過した光束Ｊｂが、マイクロレンズＭＬにおける光透過領域Ｓｄを通って光電変換部１１０の右端付近の受光領域Ｐｂで結像するようになっている。

図２６は、本発明の変形例に係る一対の第２画素１１２ｃ、１１２ｄの構成を説明するための図である。

一対の第２画素１１２ｃ、１１２ｄは、図７のスリットＴａ、Ｔｂに対応する光透過領域Ｔｃ、Ｔｄを除いて顔料または塗料で黒塗りされた遮光層Ｂ３、Ｂ４が表面に形成されたマイクロレンズＭＬを備えており、この光透過領域Ｔｃ、Ｔｄにより撮影レンズ２の射出瞳を通過した被写体光束の一部が選択的に透過されることとなる。

このような構成を有する一対の第２画素１１２ｃ、１１２ｄでは、実絞り値がＦ５.６の場合において、射出瞳の右側領域Ｅｑａを通過した光束Ｊｃが、マイクロレンズＭＬにおける光透過領域Ｔｃを通って光電変換部１１０の中央左側の受光領域Ｑａで結像するとともに、射出瞳の左側領域Ｅｑｂを通過した光束Ｊｄが、マイクロレンズＭＬにおける光透過領域Ｔｄを通って光電変換部１１０の中央右側の受光領域Ｑｂで結像するようになっている。

以上のような一対の第１画素１１１ｃ、１１１ｄおよび一対の第２画素１１２ｃ、１１２ｄについても、図６〜７に示す第１画素１１１ａ、１１１ｂおよび一対の第２画素１１２ａ、１１２ｂと同様に位相差ＡＦにおいて撮影レンズ２の実絞り値に応じて切り替えるようにすれば、従来と比べて焦点検出精度を向上できることとなる。

また、第１画素１１１ｃ、１１１ｄおよび第２画素１１２ｃ、１１２ｄでは、光透過領域Ｓｃ、Ｓｄ、Ｔｃ、Ｔｄを有する遮光層Ｂ１〜Ｂ４が表面に形成された選択透過部としてのマイクロレンズＭＬにより撮影レンズ２の射出瞳を通過した被写体光束の一部が選択的に透過されるため、第１画素１１１ｃ、１１１ｄおよび第２画素１１２ｃ、１１２ｄおいて位相差ＡＦに必要な光束を簡易に受光できる。

・上記の実施形態おける撮像素子については、図５に示すように位相差ＡＦ用の画素列Ｌｐの間に２つの撮影用の画素列Ｌｎが挟まれるのは必須でなく、位相差ＡＦ用の画素列Ｌｐの間に１つ、または３以上の撮影用の画素列Ｌｎが挟まれるような配置であっても良い。

・上記の実施形態における第１画素１１１および第２画素１１２については、カラーフィルタを設けるようにしても良い。このカラーフィルタにより、感度が低下するものの、撮影用のカラーの画素データが取得できることとなる。

・上記の実施形態における位相差ＡＦ用の画素列については、実絞り値Ｆ２に対応する第１画素１１１からなる第１画素グループ、および実絞り値Ｆ６に対応する第２画素１１２からなる第２画素グループのみを有するのは必須でなく、これらの中間の実絞り値(例えばＦ３)に対応する第３画素からなる第３画素グループを追加するようにしても良い。

このような位相差ＡＦ用の画素列では、撮影レンズ２に関する実絞り値に応じて第１画素グループ、第２画素グループまたは第３画素グループが選択されることとなる。具体的には、実絞りのＦnoが２.０以下の場合には、第１画素グループを選択するとともに、実絞りのＦnoが３.０より大きい場合には、第２画素グループを選択する。一方、実絞りのＦnoが２.０より大きく３.０以下の場合には、第３画素グループを選択するようにする。

このように実絞り値に応じて第１〜第３画素グループから１つの画素グループを選択することにより、上述した第１画素および第２画素のみの場合より高精度な位相差ＡＦが可能となる。なお、位相差ＡＦ用の画素列においては、さらに異なる画素グループを追加するようにしても良い。

・上記の実施形態における撮像装置については、撮影レンズ２がカメラボディ１０に着脱自在であるのは必須でなく、撮影レンズ２がカメラボディ１０に固定されているものでも良い。

・上記の実施形態におけるＡＦ評価値については、ＡＦエリア内のＧ画素１１ｇにおいて隣接差分の絶対値総和を算出するのは必須でなく、隣接差分の２乗の絶対値総和を算出するようにしても良い。

・上記の実施形態における撮像装置の動作については、図２１のステップＳＴ１４におて最終前のＡＦ評価値Ｄ_m-1に対する最終のＡＦ評価値Ｄ_mの比率が１００％±１％以内であるかを判定するのは必須でなく、例えば１００％±３％以内であるか否かを判定するようにしても良い。

・上記の実施形態における撮像装置の動作については、図２１のステップＳＴ１７においてフォーカスレンズ２１１を１Ｆδ分追い駆動するのは必須でなく、２Ｆδ分の追い駆動を行うようにしても良い。すなわち、撮影レンズ２に係る焦点深度に基づく駆動量の追い駆動を行えば良い。

本発明の実施形態に係る撮像装置１の外観構成を示す図である。 撮像装置１の外観構成を示す図である。 撮像装置１の縦断面図である。 撮像装置１全体の電気的な構成を示すブロック図である。 撮像素子１０１の構成を説明するための図である。 撮像素子１０１を利用した位相差ＡＦの原理を説明するための図である。 撮像素子１０１を利用した位相差ＡＦの原理を説明するための図である。 実絞り値Ｆ２.０において焦点面が撮像素子１０１の撮像面から２００μｍ近側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図である。 実絞りＦ２.０において焦点面が撮像面から１００μｍ近側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図である。 実絞り値Ｆ２.０において焦点面が撮像面に一致している合焦状態のシミュレーション結果を示す図である。 実絞り値Ｆ２.０において焦点面が撮像面から１００μｍ遠側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図である。 実絞り値Ｆ２.０において焦点面が撮像面から２００μｍ遠側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図である。 実絞り値Ｆ２.０における一対の像列の重心位置の差とデフォーカス量との関係を示すグラフＧｃを説明するための図である。 実絞り値Ｆ５.６において焦点面が撮像素子１０１の撮像面から２００μｍ近側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図である。 実絞り値Ｆ５.６において焦点面が撮像面から１００μｍ近側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図である。 実絞り値Ｆ５.６において焦点面が撮像面に一致している合焦状態のシミュレーション結果を示す図である。 実絞り値Ｆ５.６において焦点面が撮像面から１００μｍ遠側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図である。 実絞り値Ｆ５.６において焦点面が撮像面から２００μｍ遠側にデフォーカスしている場合のシミュレーション結果を示す図である。 実絞り値Ｆ５.６における一対の像列の重心位置の差とデフォーカス量との関係を示すグラフＧｃを説明するための図である。 コントラストＡＦの原理を説明するための図である。 撮像装置１の基本的な動作を示すフローチャートである。 撮像装置１のＡＦ動作を説明するための図である。 本発明の変形例に係る位相差ＡＦ用の画素列Ｌｐａ、Ｌｐｂを説明するための図である。 本発明の変形例に係る位相差ＡＦ用の画素列Ｌｑを説明するための図である。 本発明の変形例に係る一対の第１画素１１１ｃ、１１１ｄの構成を説明するための図である。 本発明の変形例に係る一対の第２画素１１２ｃ、１１２ｄの構成を説明するための図である。

符号の説明

１ 撮像装置
２ 撮影レンズ(交換レンズ)
１０ カメラボディ
１１ｂ Ｂ画素
１１ｇ Ｇ画素
１１ｒ Ｒ画素
２３ 絞り
２５ レンズ位置検出部
７６ 位相差ＡＦ演算回路
７７ コントラストＡＦ演算回路
１０１ 撮像素子
１１０ 光電変換部
１１１ａ〜１１１ｂ、１１１ｃ〜１１１ｄ 一対の第１画素
１１２ａ〜１１２ｂ、１１２ｃ〜１１２ｄ 一対の第２画素
２１１ フォーカスレンズ
３１１ ＬＣＤ
３１６ ＥＶＦ
ＢＤ 遮光板
Ｂ１〜Ｂ４ 遮光層
Ｌｎ 撮影用の画素列
Ｌｐ、Ｌｐａ、Ｌｐｂ、Ｌｑ 位相差ＡＦ用の画素列
ＭＬ マイクロレンズ
Ｓａ、Ｓｂ、Ｔａ、Ｔｂ スリット
Ｓｃ、Ｓｄ、Ｔｃ、Ｔｄ 光透過領域

Claims (8)

1. 被写体光像に基づいて画像信号を生成するための撮像用画素と、射出瞳面の一対の光通過領域の所定方向における位置の違いに応じて複数のグループに分類され、位相差検出方式による焦点検出に用いられる位相差検出用画素とを備える撮像素子と、
   前記位相差検出方式による焦点検出に用いるグループを絞り値に基づいて前記複数のグループのうちから選択し、当該選択されたグループに属する前記位相差検出用画素が生成した信号に基づいて前記位相差検出方式による焦点検出を行う位相差検出部と、
   前記位相差検出方式による焦点検出に基づくフォーカスレンズの移動の際に複数のタイミングにおいて取得された前記画像信号に基づいて、コントラスト検出方式による焦点検出のための評価値を前記複数のタイミングごとに算出する評価値算出部と、
   前記位相差検出方式による焦点検出に基づく合焦位置に前記フォーカスレンズが移動した際における前記評価値である第1評価値と、前記第1評価値よりも１つ前の評価値である第２評価値とに基づいて前記フォーカスレンズの位置が合焦位置であるか否かの判断を行い、前記フォーカスレンズの位置が合焦位置でないと判断された場合には前記算出された評価値または新たに算出される前記評価値を使用して検出される合焦位置に前記フォーカスレンズを移動させる制御を行う制御部と
   を具備する撮像装置。
2. 前記制御部は、前記第1評価値と前記第２評価値とに基づいて合焦位置判定値を算出し、当該合焦位置判定値が所定範囲内の値である場合には、前記フォーカスレンズの位置が合焦位置であると判断する請求項１記載の撮像装置。
3. 前記制御部は、前記フォーカスレンズの位置が合焦位置でないと判断された場合には、前記フォーカスレンズの移動の際に前記合焦位置を通過したか否かを前記合焦位置判定値に基づいて判断し、前記フォーカスレンズの移動の際に前記合焦位置を通過していないと判断された場合には、前記第1評価値を取得した際の前記絞り値に対応する焦点深度を反映したステップを用いて前記位相差検出方式による焦点検出の際の前記フォーカスレンズの移動方向と同一方向に前記フォーカスレンズを移動させ、最新の位置において取得される評価値を新たな第1評価値とし、当該新たな第1評価値よりも１つ前の評価値を新たな第２評価値として前記合焦位置判定値を算出し、当該算出された合焦位置判定値が前記所定範囲内の値となる位置に前記フォーカスレンズを移動させる制御を行う請求項２記載の撮像装置。
4. 前記制御部は、前記フォーカスレンズの位置が合焦位置でないと判断された場合において前記フォーカスレンズの移動の際に前記合焦位置を通過していると判断された場合には、前記位相差検出方式による焦点検出による前記フォーカスレンズの駆動の際に前記複数のタイミングごとに算出された複数の前記評価値と、当該複数の評価値を取得した際における前記フォーカスレンズの位置とに基づいて検出された合焦位置に前記フォーカスレンズを移動させる制御を行う請求項３記載の撮像装置。
5. 前記制御部は、前記選択されたグループに係わらずに単一の範囲を前記所定範囲として前記フォーカスレンズの位置が合焦位置であるか否かの判断を行う請求項２記載の撮像装置。
6. 前記位相差検出部は、前記位相差検出方式による焦点検出により前記フォーカスレンズの位置が合焦位置であると検出されるまで前記位相差検出方式による焦点検出を繰り返し行い、
   前記制御部は、前記位相差検出方式による焦点検出により前記フォーカスレンズの位置が合焦位置であると検出された場合に、前記第1評価値と前記第２評価値とに基づいて前記フォーカスレンズの位置が合焦位置であるか否かの判断を行う
   請求項１記載の撮像装置。
7. 前記グループと前記絞り値とが関連付けられており、
   前記位相差検出部は、前記画像信号の取得の際の前記絞り値に関連付けられているグループを選択する
   請求項１記載の撮像装置。
8. 前記評価値算出部は、前記選択されたグループに属する前記位相差検出用画素の近傍に配置される前記撮像用画素が出力した前記画像信号に基づいて前記評価値を算出する請求項１記載の撮像装置。

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