(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体像を光電変換して電荷蓄積を行う撮像素子と、
撮影画面を分割した複数のエリアごとに、被写体までの距離に関する情報を取得する取得手段と、
前記取得手段が取得した前記撮影画面の複数のエリアごとの前記被写体までの距離に関する情報に基づいて、前記撮影画面の複数のエリアのそれぞれに対応した前記撮像素子の各エリアの蓄積時間を制御する制御手段と、
発光装置をプリ発光させている間に前記撮像素子で電荷蓄積を行った結果に基づいて、当該発光装置の本発光量を決定する決定手段と、を備え、
前記制御手段は、前記決定手段が前記発光装置の本発光量を決定するために、前記発光装置をプリ発光させている間において、前記被写体までの距離に関する情報に基づく被写体までの距離が第１の距離である前記撮影画面のエリアに対応する前記撮像素子のエリアよりも、前記被写体までの距離に関する情報に基づく被写体までの距離が、前記第１の距離よりも短い第２の距離である前記撮影画面のエリアに対応する前記撮像素子のエリアの蓄積時間が短くなるように制御することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記取得手段は、前記発光装置をプリ発光させる前に、前記撮影画面の複数のエリアごとの前記被写体までの距離に関する情報を取得することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記取得手段は、前記撮像素子に被写体の光学像を導く撮影レンズの射出瞳の異なる領域を通過した光束に関する位相差情報と、前記撮影レンズの焦点位置情報と前記撮影レンズの焦点距離情報とを、前記被写体までの距離に関する情報として取得することを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記取得手段は、前記撮像素子の撮像用画素の間に設けられた位相差検出ができる画素を用いて前記撮影レンズの射出瞳の異なる領域を通過した光束に関する位相差情報を取得することを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。   
【請求項５】
前記制御手段は、前記撮像素子の複数のエリアのうち、被写体までの距離がわからないエリアの、前記発光装置をプリ発光させている間の蓄積時間を、被写体までの距離がわかるエリアの中であって、前記発光装置をプリ発光させている間で最も長い蓄積時間のエリアの蓄積時間よりも短くするように制御することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の撮像装置。   
【請求項６】
前記制御手段は、前記発光装置をプリ発光させている間に、前記撮像素子の全てのエリアの電荷蓄積の開始から終了までが収まるように、蓄積時間を制御することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項７】
被写体像を光電変換して電荷蓄積を行う撮像素子を備えた撮像装置の制御方法であって、   
撮影画面を分割した複数のエリアごとに、被写体までの距離に関する情報を取得する取得ステップと、
前記取得ステップで取得した前記撮影画面の複数のエリアごとの前記被写体までの距離に関する情報に基づいて、前記撮影画面の複数のエリアのそれぞれに対応した前記撮像素子の各エリアの蓄積時間を制御する制御ステップと、
発光装置をプリ発光させている間に前記撮像素子で電荷蓄積を行った結果に基づいて、当該発光装置の本発光量を決定する決定ステップと、を備え、
前記制御ステップは、前記決定ステップで前記発光装置の本発光量を決定するために、前記発光装置をプリ発光させている間において、前記被写体までの距離に関する情報に基づく被写体までの距離が第１の距離である前記撮影画面のエリアに対応する前記撮像素子のエリアよりも、前記被写体までの距離に関する情報に基づく被写体までの距離が、前記第１の距離よりも短い第２の距離である前記撮影画面のエリアに対応する前記撮像素子のエリアの蓄積時間が短くなるように制御することを特徴とする撮像装置の制御方法。   
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光装置を用いた撮影が可能な撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の撮像装置においては、発光装置を用いて被写体像を撮影する際に、撮影時の発光量を決定するために撮影前に所謂プリ発光を行い、プリ発光時の被写体からの反射光を測光して撮影時の発光量を決定するシステムが多用されている。
【０００３】
特許文献１に記載の撮像装置では、撮影レンズを透過したプリ発光時の被写体からの反射光を撮像素子で受光し、撮像素子の出力を用いて適切な発光量を決定する。また、プリ発光時に被写体が近距離にあって撮像素子の出力が所定の値を超える場合は撮影レンズの絞りを絞って再度プリ発光を行い、適切な撮像素子出力から発光量を決定している。
【０００４】
また、特許文献２に記載のカメラの測光装置では、撮像素子の蓄積時間を長くしての測光と、短くしての測光を交互に繰り返すことにより広い輝度範囲の測光に対応している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２１９６１号公報
【特許文献２】特開平６−１３０４６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の特許文献１に開示された従来技術では、プリ発光時に被写体が近距離にあって撮像素子の出力が所定の値を超える場合は撮影レンズの絞りを絞って再度プリ発光を行う。そのため、被写体距離の条件によっては本発光量の決定のために複数回のプリ発光が必要になってしまう。
【０００７】
また、上述の特許文献２に開示された従来技術では、短い蓄積時間と長い蓄積時間の二回の測光を行うため、少なくとも二回のプリ発光を必要とする。さらに、短い蓄積時間もあらかじめ設定した蓄積時間であるため、被写体との距離関係によっては撮像素子が飽和し、本発光量の決定が正しく行えない場合が発生してしまう。
【０００８】
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、発光装置を用いて被写体像を撮影する際に、一度のプリ発光で適正な本発光量を決定することを可能にした撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る撮像装置は、被写体像を光電変換して電荷蓄積を行う撮像素子と、撮影画面を分割した複数のエリアごとに、被写体までの距離に関する情報を取得する取得手段と、前記取得手段が取得した前記撮影画面の複数のエリアごとの前記被写体までの距離に関する情報に基づいて、前記撮影画面の複数のエリアのそれぞれに対応した前記撮像素子の各エリアの蓄積時間を制御する制御手段と、発光装置をプリ発光させている間に前記撮像素子で電荷蓄積を行った結果に基づいて、当該発光装置の本発光量を決定する決定手段と、を備え、前記制御手段は、前記決定手段が前記発光装置の本発光量を決定するために、前記発光装置をプリ発光させている間において、前記被写体までの距離に関する情報に基づく被写体までの距離が第１の距離である前記撮影画面のエリアに対応する前記撮像素子のエリアよりも、前記被写体までの距離に関する情報に基づく被写体までの距離が、前記第１の距離よりも短い第２の距離である前記撮影画面のエリアに対応する前記撮像素子のエリアの蓄積時間が短くなるように制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、発光装置を用いて被写体像を撮影する際に、一度のプリ発光で適正な本発光量を決定することを可能にした撮像装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わる撮像装置の構成を示すブロック図。
【図２】被写体に対する測光および測距のエリア分割の様子を示した図。
【図３】距離ごとの蓄積時間の設定を示す図。
【図４】第１の実施形態の動作シーケンスを示すフローチャート。
【図５】撮像素子の蓄積時間制御を示すタイミングチャート。
【図６】本発明の第２の実施形態に係わる撮像装置の構成を示すブロック図。
【図７】第２の実施形態に使用する撮像素子の画素配置を示す図。
【図８】撮像用画素の配置と構造を示す図。
【図９】焦点検出用画素の配置と構造を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる撮像装置の構成を示すブロック図である。図１において、１０１はレンズ（撮影レンズ）、１０２はレンズ１０１に内蔵される絞り、１０３は撮像素子、１０４は信号処理回路、１０５は制御回路、１０６はシャッターボタンである。また、１０７はＴＦＴ液晶等の表示部、１０８は着脱自在のメモリーカード、１０９は発光装置、１１０はハーフミラー、１１１は位相差検出素子である。なお、レンズ１０１及び発光装置１０９は撮像装置に内蔵されていなくてもよく、撮像装置に着脱可能であってもよい。
【００１４】
このように構成される撮像装置の動作について、以下説明する。不図示の被写体像はレンズ１０１にて撮像素子１０３上に結像されるとともに、ハーフミラー１１０にて反射され、位相差検出素子１１１上にも像を結ぶ。位相差検出素子１１１ではレンズ１０１の射出瞳の異なる領域を通過した光束を独立に取り出すことができ、撮影画面内の複数のエリアについて射出瞳の異なる領域を通過した光束を読み出される。制御装置１０５は位相差検出素子１１１から読みだされた信号に所定の処理を施すことにより、各エリアの位相差情報を得ることができる。
【００１５】
レンズ１０１は、制御装置１０５からの信号により、絞り１０２やフォーカス駆動が制御されており、さらにレンズ１０１自体の焦点距離情報、焦点位置情報などを制御装置１０５からの制御信号に応じて読み出される。制御装置１０５は、前述した位相差情報とレンズ１０１から読み出した焦点距離情報と焦点位置情報といった被写体までの距離に関する情報に基づいて各エリアの被写体の位置（被写体までの距離）を推定する。そして、推定結果に絞り１０２の開度情報（絞り値に関する情報）を加味してプリ発光に先立って撮像素子１０３の各エリアごとの蓄積時間を設定する。なお、絞り１０２の開度情報に基づいてプリ発光の光量を変更する場合などは、撮像素子１０３の各エリアごとの蓄積時間を設定する際に絞り１０２の開度情報を加味しなくても構わない。
【００１６】
プリ発光に際しては、制御装置１０５は発光装置１０９に対して発光量および発光方式を設定する。発光量は使用しているレンズ１０１の絞り値、最も近い被写体が含まれるエリアの被写体距離、設定された蓄積時間から撮像素子１０３の画素が飽和しない光量が選択される。また、発光方式は、撮像素子１０３の全エリアの蓄積時間をカバーするために定光量発光（発光時間中の光量が略一定の発光）が選択される。すなわち、撮像素子１０３のエリアの中で最初に電荷蓄積を開始するエリアの電荷蓄積開始前から撮像素子１０３のエリアの中で最後に電荷蓄積を開始するエリアの電荷蓄積終了後まで略一定の光量でプリ発光を行う。定光量発光としてはいわゆるＦＰ発光などの発光方式が適している。
【００１７】
プリ発光時に被写体で反射されたフラッシュ光（反射光）はレンズ１０１にて撮像素子１０３上に投影され、撮像素子１０３にて光電変換されて電気信号として読み出される。読み出された電気信号は信号処理回路１０４にて所定の処理を施され、各エリアごとの輝度積分値が制御装置１０５に読み出される。
【００１８】
制御装置１０５ではレンズ１０１より読み出された絞り開度情報、焦点距離情報、焦点位置情報、および撮像素子１０３に設定したエリアごとの蓄積時間、さらに信号処理回路１０４から読み出されたエリアごとの輝度積分値を参照する。そして、各エリアのプリ発光結果を算出し本発光量（撮影時の発光量）を決定する。
【００１９】
図２は被写体に対する測光および測距のエリア分割の様子を示した図であり、図２（ａ）に被写体像の分割状態を、図２（ｂ）にそれぞれのエリアの距離情報を示している。距離情報は各エリアの位相差検出結果およびレンズ焦点距離および焦点位置情報から求められるが、レンズ焦点位置が無限遠位置となるエリアは距離判定ができないため空白となっている。図２から手前の床及び画面右手前の親子連れが約２ｍ、中央の像が４ｍなどとなっており、廊下の奥側は無限遠位置となることがわかる。
【００２０】
各エリアの蓄積時間は各エリアの距離情報の自乗に比例して設定される。図３に被写体距離ごとの蓄積時間設定を示していて、被写体までの距離が近いほど蓄積時間を短くしている。なお、レンズ焦点位置が無限遠位置となるエリアは、プリ発光の光量を最大にしてもプリ発光が届かないことが想定されるため、プリ発光時の蓄積時間を長くする必要はない。そこで、レンズ焦点位置が無限遠位置となるエリアについては、他のエリアの中で最も蓄積時間が長いエリアの蓄積時間よりも短い蓄積時間とすれば、プリ発光のための蓄積時間を必要以上に長くしないようにできる。必要な蓄積時間は使用しているレンズの開放絞り値に応じて撮像素子に到達する光束と蓄積時間の積が同一となるように異なる値となっている。また本発光量決定に際しては、被写体距離が使用レンズの最短撮影距離よりも短いエリアの情報は無視して発光量が決定される。
【００２１】
一方、画面全体が暗く、位相差検出限界以下の照度の場合などには被写体距離を判定することができない。この場合は、画面全体の蓄積時間を使用レンズの焦点距離および絞り値に応じてあらかじめ定められた時間として、またプリ発光量も使用レンズの焦点距離および絞り値に応じてあらかじめ定められた発光量としてプリ発光を行い本発光量を決定する。
【００２２】
図４は本発明の第１の実施形態における撮像装置の動作シーケンスを示すフローチャートであり、図に従って動作を説明する。
【００２３】
プリ発光シーケンスが開始されると（Ｓ４０１）、制御部１０５は、焦点距離、焦点位置などのレンズ情報をレンズ１０１より取得し（Ｓ４０２）、さらに撮像素子１０３から読み出した電気信号に基づく露出情報を取得する（Ｓ４０３）。次に、制御装置１０５は、レンズ情報および露出情報から測距可能か否かを判定し（Ｓ４０４）、測距可能な場合は（Ｓ４０４：ＹＥＳ）前述のようにして各測距エリアの被写体距離を取得する（Ｓ４０５）。そして、制御装置１０５は、各測距エリアの被写体距離に応じてプリ発光量と（Ｓ４０６）撮像素子１０３の各エリアの蓄積時間を設定する（Ｓ４０７）。
【００２４】
Ｓ４０４にて測距不能の場合（Ｓ４０４：ＮＯ）には、制御装置１０５は、所定のプリ発光量と（Ｓ４０８）各エリア共通の蓄積時間を設定する（Ｓ４０９）。制御装置１０５は、Ｓ４０６、Ｓ４０７、あるいは、Ｓ４０８、Ｓ４０９で決定したプリ発光量および蓄積時間にてプリ発光が行われるように、発光装置１０９および撮像素子１０３を制御する（Ｓ４１０）。プリ発光が行われて設定した蓄積時間が経過すると、撮像素子１０３より画像信号が読み出される（Ｓ４１１）。
【００２５】
読み出された画像信号は信号処理回路１０４および制御回路１０５にて映像評価が施され（Ｓ４１２）、制御装置１０５は、本発光量を決定し（Ｓ４１３）、プリ発光シーケンスが終了する（Ｓ４１４）。
【００２６】
図５は撮像素子１０３のエリアごとの蓄積時間を制御する方法を示したタイミングチャートである。撮像素子上のエリア１〜エリアｎの各エリアに対して、それぞれ独立にリセットパルスが供給される。リセットパルスが供給されたエリアはそれまでにフォトダイオードに蓄積されていた電荷がリセットされ、改めて電荷蓄積を行うことになる。
【００２７】
各エリアのフォトダイオードに蓄積された電荷は読み出しパルスによって読み出される。この際、各エリアのリセットパルスは読み出しパルスに対して所望の蓄積時間となるように供給される。図の例ではエリア１では３．２ｍｓ、エリア２では１．６ｍｓ、エリア３では０．８ｍｓ、エリア４では０．４ｍｓ、エリアｎでは０．２ｍｓの蓄積時間となるよう制御されている。
【００２８】
プリ発光タイミングは最も早く蓄積開始となるエリアにリセットパルスを供給する前に光量が安定するのに必要な時間を見越して発光開始とし、蓄積終了となる読み出しパルスが供給されるタイミングでプリ発光を終了する。
【００２９】
なお、本実施形態の説明ではＣＣＤ型撮像素子に代表される全画面同時読み出し型の撮像素子の場合について解説した。しかし、ＣＭＯＳ型撮像素子に多用される行順次読み出し型撮像素子においても、各行のリセットパルスと読み出しパルスの関係を上述の説明と同様に制御することによって同様の効果を実現可能である。
【００３０】
上述した実施形態の構成においては、エリアごとの蓄積時間を制御可能な撮像素子１０３と、被写体のエリアごとに測距可能な測距手段を設けることにより、プリ発光前のエリアごとの測距結果に基づきエリアごとに最適な蓄積時間を設定する。それととともに、設定された最も長い蓄積時間を包含する期間略一定光量でプリ発光を行うことにより、一度のプリ発光で適切な本発光量を決定することが可能となる。
【００３１】
（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係わる撮像装置の構成を示すブロック図である。なお、第２の実施形態の構成は、図１に示す第１の実施形態の構成と共通する部分が多いため、図１と同一部材には同一符合を付し説明を省略する。また、６０３は位相差検出機能を有する撮像素子である。
【００３２】
この第２の実施形態においても、被写体距離判定からプリ発光を経て本発光量を決定する基本動作は第１の実施形態と同様である。しかし、本実施形態においてはハーフミラー１１０および位相差検出素子１１１を廃止し、撮像素子５０３上に位相差検出画素が設けられている。
【００３３】
図７は、本実施形態で用いる撮像素子５０３の画素の様子を示した図である。画像取得用の通常画素７０１としては、赤色光を透過するＲフィルターを積層したＲ画素７０１Ｒ、緑色光を透過するＧフィルターを積層したＧ画素７０１Ｇ、青色光を透過するＢフィルターを積層したＢ画素７０１Ｂが配置されている。それに加えて位相差検出画素７０２が配置されている。位相差検出画素７０２は画素領域内の左右にオフセットされた位置にスリット状に開口が形成されている。
【００３４】
図８に撮像用画素の配置と構造を示す。図８（ａ）は２行×２列の撮像用画素の平面図である。周知のように、ベイヤー配列では対角方向にＧ画素が、他の２画素にＲとＢの画素が配置される。そして２行×２列の構造が繰り返し配置される。
【００３５】
図８（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を図８（ｂ）に示す。ＭＬは各画素の最前面に配置されたオンチップマイクロレンズ、ＣＦＲはＲ（赤色）のカラーフィルタ、ＣＦＧはＧ（緑色）のカラーフィルタである。ＰＤ（Ｐｈｏｔｏ  Ｄｉｏｄｅ）はＣＭＯＳイメージセンサの光電変換素子を模式的に示したものである。ＣＬ（Ｃｏｎｔａｃｔ  Ｌａｙｅｒ）は、ＣＭＯＳイメージセンサ内の各種信号を伝達する信号線を形成するための配線層である。ＴＬはレンズ１０１を模式的に示したものであり、ＥＰはレンズ１０１の射出瞳を示したものである。
【００３６】
ここで、撮像用画素のオンチップマイクロレンズＭＬと光電変換素子ＰＤは、撮影光学系ＴＬ（Ｔａｋｉｎｇ  Ｌｅｎｓ）を通過した光束を可能な限り有効に取り込むように構成されている。換言すると、撮影光学系ＴＬの射出瞳ＥＰ（Ｅｘｉｔ  Ｐｕｐｉｌ）と光電変換素子ＰＤは、マイクロレンズＭＬにより共役関係にあり、かつ光電変換素子の有効面積は大面積に設計される。また、図８（ｂ）ではＲ画素の入射光束について説明したが、Ｇ画素及びＢ（青色）画素も同一の構造となっている。従って、撮像用のＲＧＢ各画素に対応した射出瞳ＥＰは大径となり、被写体からの光束（光量子）を効率よく取り込んで画像信号のＳ／Ｎを向上させている。
【００３７】
図９は、撮影光学系の水平方向（横方向）に瞳分割を行なうための焦点検出用画素の配置と構造を示す図である。ここで水平方向又は横方向とは、撮影光学系の光軸と撮影画面の長辺とが地面に平行となるように撮像装置を構えたとき、この光軸に直交し、かつ水平方向に伸びる直線に沿った方向をいう。また、図９における瞳分割方向は水平方向である。図９（ａ）は、焦点検出用画素を含む２行×２列の画素の平面図である。記録又は観賞のための画像信号を得る場合、Ｇ画素で輝度情報の主成分を取得する。そして人間の画像認識特性は輝度情報に敏感であるため、Ｇ画素が欠損すると画質劣化が認知されやすい。一方でＲ画素又はＢ画素は、色情報（色差情報）を取得する画素であるが、人間の視覚特性は色情報には鈍感であるため、色情報を取得する画素は多少の欠損が生じても画質劣化は認識され難い。そこで本実施形態においては、２行×２列の画素のうち、Ｇ画素は撮像用画素として残し、Ｒ画素とＢ画素を焦点検出用画素に置き換える。この焦点検出用画素を図９（ａ）においてＳＨＡ及びＳＨＢと示す。
【００３８】
図９（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を図９（ｂ）に示す。図９（ｂ）においては撮像光学系ＴＬの射出瞳ＥＰの径は本実施形態において位相差検出可能な状態を示している。マイクロレンズＭＬと、光電変換素子ＰＤは図８（ｂ）に示した撮像用画素と同一構造である。本実施形態においては、焦点検出用画素の信号は画像生成には用いないため、色分離用カラーフィルタの代わりに透明膜ＣＦＷ（白色）が配置される。また、撮像素子で瞳分割を行なうため、配線層ＣＬの開口部はマイクロレンズＭＬの中心線に対して一方向に偏倚している。具体的には、画素ＳＨＡの開口部ＯＰＨＡは右側に偏倚しているため、撮影光学系ＴＬの左側の射出瞳ＥＰＨＡを通過した光束を受光する。同様に、画素ＳＨＢの開口部ＯＰＨＢは左側に偏倚しているため、撮影光学系ＴＬの右側の射出瞳ＥＰＨＢを通過した光束を受光する。よって、画素ＳＨＡを水平方向に規則的に配列し、これらの画素群で取得した被写体像をＡ像とする。また、画素ＳＨＢも水平方向に規則的に配列し、これらの画素群で取得した被写体像をＢ像とする。そして、Ａ像とＢ像の相対位置を検出することで、被写体像のピントずれ量（デフォーカス量）が検出できる。
【００３９】
なお、上記画素ＳＨＡ及びＳＨＢでは、撮影画面の横方向に輝度分布を有した被写体、例えば縦線は焦点検出可能だが、縦方向に輝度分布を有する横線は焦点検出不能である。そこで本実施形態では、後者についても焦点状態を検出できるよう、撮影光学系の垂直方向（縦方向）にも瞳分割を行なう画素も備えるよう構成されうる。
【００４０】
上記のような構成の撮像素子６０３を用いることで、位相差検出素子を用いる場合と同様に、制御装置１０５は撮影レンズの射出瞳の異なる位置の光束の位相差情報を取得することができる。
【００４１】
本実施形態の構成では、撮像素子上に位相差検出用画素を設けることにより、独立した位相差検出素子が不要となり、機器の小型化およびコスト低減に寄与するとともに、撮像素子からの映像信号を観察しながらの測距が可能となった。
【００４２】
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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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