(57)【要約】【課題】位相差検出方式とコントラスト検出方式を併用して合焦時間を短縮可能な撮像装置を提供する。【解決手段】撮像装置は、複数の焦点検出画素を含み、被写体像を光電変換する撮像素子と、複数の焦点検出画素からの信号に基づいて位相差方式の焦点検出を行う焦点検出手段と、撮像素子からの信号に基づいてコントラスト評価値を生成するコントラスト評価値生成手段と、焦点検出手段およびコントラスト評価値生成手段からの出力信号に基づいてフォーカスレンズを制御するフォーカス制御手段と、フォーカスレンズの移動速度を設定する速度設定手段とを有し、速度設定手段は、焦点検出手段により算出されたデフォーカス量または絞り値、および、撮像素子のフレームレートの切り換えに要する第１の時間に基づいて、フォーカスレンズの移動速度を設定する。【選択図】図９
2015094871.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の焦点検出画素を含み、被写体像を光電変換する撮像素子と、
前記複数の焦点検出画素からの信号に基づいて位相差方式の焦点検出を行う焦点検出手段と、
前記撮像素子からの信号に基づいてコントラスト評価値を生成するコントラスト評価値生成手段と、
前記焦点検出手段および前記コントラスト評価値生成手段からの出力信号に基づいてフォーカスレンズを制御するフォーカス制御手段と、
前記フォーカスレンズの移動速度を設定する速度設定手段と、を有し、
前記速度設定手段は、前記焦点検出手段により算出されたデフォーカス量または絞り値、および、前記撮像素子のフレームレートの切り換えに要する第１の時間に基づいて、前記フォーカスレンズの前記移動速度を設定する、ことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記速度設定手段は、前記フォーカスレンズが前記デフォーカス量だけ移動するのに要する第２の時間と、前記フレームレートの切り換えに要する前記第１の時間とを比較して、該フォーカスレンズの前記移動速度を設定すること特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記速度設定手段は、
前記第２の時間が前記第１の時間よりも長いか、または該第１の時間と等しい場合、前記フォーカスレンズの前記移動速度として第１の速度を設定し、
前記第２の時間が前記第１の時間よりも短い場合、前記フォーカスレンズの前記移動速度として前記第１の速度よりも低速な第２の速度に設定すること特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記第１の速度は、前記フォーカスレンズの駆動が可能な最高速度であり、
前記第２の速度は、前記最高速度よりも低い速度であ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】
前記速度設定手段は、前記絞り値と、前記フレームレートの切り換えに要する前記第１の時間とを比較して、該フォーカスレンズの前記移動速度を設定すること特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記速度設定手段は、
前記絞り値が所定値以上である場合、前記フォーカスレンズの前記移動速度として第３の速度を設定し、
前記絞り値が前記所定値よりも小さい場合、前記フォーカスレンズの前記移動速度として前記第３の速度よりも低速な第４の速度に設定すること特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記フォーカスレンズを備えたレンズ装置と、
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の撮像装置と、を有することを特徴とする撮像システム。
【請求項８】
複数の焦点検出画素を備えた撮像素子を用いて、被写体像を光電変換するステップと、
前記複数の焦点検出画素からの信号に基づいて位相差方式の焦点検出を行うステップと、
フォーカスレンズの移動速度を設定するステップと、
前記撮像素子のフレームレートの切換中に前記位相差方式の焦点検出により算出されたデフォーカス量に基づいて、フォーカスレンズを移動させるステップと、
切換後の前記フレームレートで得られた前記撮像素子からの信号に基づいてコントラスト評価値を生成するステップと、
前記コントラスト評価値に基づいて前記フォーカスレンズを制御するステップと、を有し、
前記フォーカスレンズの前記移動速度は、前記デフォーカス量または絞り値、および、前記撮像素子のフレームレートの切り換えに要する第１の時間に基づいて設定される、ことを特徴とする撮像装置の制御方法。
【請求項９】
前記フォーカスレンズの前記移動速度は、前記フォーカスレンズが前記デフォーカス量だけ移動するのに要する第２の時間と、前記フレームレートの切り換えに要する前記第１の時間とを比較して設定されることを特徴とする請求項８に記載の撮像装置の制御方法。
【請求項１０】
前記フォーカスレンズの前記移動速度は、前記絞り値と、前記フレームレートの切り換えに要する前記第１の時間とを比較して設定されることを特徴とする請求項８に記載の撮像装置の制御方法。
【請求項１１】
コンピュータに、請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の撮像装置の制御方法を実行させるように構成されていることを特徴とするプログラム。
【請求項１２】
請求項１１に記載のプログラムを記憶していることを特徴とする記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位相差方式およびコントラスト方式を併用して焦点検出を行う撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、撮像装置のオートフォーカス（以下、ＡＦ）方法に用いられている一般的な方式として、位相差検出方式とコントラスト検出方式がある。特許文献１には、位相差方式とコントラスト方式の焦点検出を併用し、合焦動作を指示する操作に先行して位相差方式を用いた焦点検出処理を行うことによりピントずれ量を算出する構成が開示されている。特許文献１の構成によれば、合焦動作を指示する操作がされた場合、すぐにピントずれ量へ移動し、移動した位置をコントラスト方式の焦点検出における開始位置とすることができるため、合焦時間を短縮することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３０９２５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１には、算出されたピントずれ量に対するフォーカスレンズの移動方法について説明されていない。算出されたピントずれ量が小さい場合、フォーカスレンズを高速で移動させると、余分な停止時間が必要となり、コントラスト方式のためのフォーカスレンズの移動をすぐに開始することができない。このため、位相差方式によりピントずれ量を算出したにもかかわらず、合焦時間が長くなってしまう。
【０００５】
そこで本発明は、位相差検出方式とコントラスト検出方式を併用して合焦時間を短縮可能な撮像装置、撮像システム、撮像装置の制御方法、プログラム、および、記憶媒体を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面としての撮像装置は、複数の焦点検出画素を含み、被写体像を光電変換する撮像素子と、前記複数の焦点検出画素からの信号に基づいて位相差方式の焦点検出を行う焦点検出手段と、前記撮像素子からの信号に基づいてコントラスト評価値を生成するコントラスト評価値生成手段と、前記焦点検出手段および前記コントラスト評価値生成手段からの出力信号に基づいてフォーカスレンズを制御するフォーカス制御手段と、前記フォーカスレンズの移動速度を設定する速度設定手段とを有し、前記速度設定手段は、前記焦点検出手段により算出されたデフォーカス量または絞り値、および、前記撮像素子のフレームレートの切り換えに要する第１の時間に基づいて、前記フォーカスレンズの前記移動速度を設定する。
【０００７】
本発明の他の側面としての撮像システムは、フォーカスレンズを備えたレンズ装置と、前記撮像装置とを有する。
【０００８】
本発明の他の側面としての撮像装置の制御方法は、複数の焦点検出画素を備えた撮像素子を用いて、被写体像を光電変換するステップと、前記複数の焦点検出画素からの信号に基づいて位相差方式の焦点検出を行うステップと、前記フォーカスレンズの移動速度を設定するステップと、前記撮像素子のフレームレートの切換中に前記位相差方式の焦点検出により算出されたデフォーカス量に基づいて、フォーカスレンズを移動させるステップと、切換後の前記フレームレートで得られた前記撮像素子からの信号に基づいてコントラスト評価値を生成するステップと、前記コントラスト評価値生成手段からの出力信号に基づいて前記フォーカスレンズを制御するステップとを有し、前記フォーカスレンズの前記移動速度は、前記デフォーカス量または絞り値、および、前記撮像素子のフレームレートの切り換えに要する第１の時間に基づいて設定される。
【０００９】
本発明の他の側面としてのプログラムは、コンピュータに、前記撮像装置の制御方法を実行させる。
【００１０】
本発明の他の側面としての記憶媒体は、前記プログラムを記憶している。
【００１１】
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、位相差検出方式とコントラスト検出方式を併用して合焦時間を短縮可能な撮像装置、撮像システム、撮像装置の制御方法、プログラム、および、記憶媒体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施例における撮像装置の構成図である。
【図２】本実施例における撮像素子（固体撮像素子）のブロック図である。
【図３】本実施例における撮像素子の撮像画素の平面図と断面図である。
【図４】本実施例における撮像素子の焦点検出画素の平面図と断面図である。
【図５】本実施例において、焦点検出画素のケラレおよび焦点検出光束の重心間隔の説明図ある。
【図６】本実施例における撮像素子の撮像画素および焦点検出画素の配置例を示す図である。
【図７】本実施例における焦点検出動作の説明図である。
【図８】本実施例における撮像装置の制御方法を示すフローチャートである。
【図９】本実施例におけるフォーカス移動速度設定処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１５】
まず、図１を参照して、本発明の実施例１における撮像装置について説明する。図１は、撮像装置１００（撮像システム）の構成図である。撮像装置１００は、動画および静止画を記録可能である。撮像装置１００は、撮像素子１０７を備えた撮像装置本体（カメラ本体）と撮影光学系（撮影レンズ）とが一体的に構成されている。ただし本実施例は、これに限定されるものではなく、撮像装置本体と撮像装置本体に着脱可能なレンズ装置（撮影光学系）とを備えて構成される撮像システムにも適用可能である。
【００１６】
図１において、１０１は第１レンズ群である。第１レンズ群１０１は、撮影光学系（結像光学系）の先端に配置されており、光軸ＯＡの方向（光軸方向）に進退可能に保持されている。１０２は絞り兼用シャッタである。絞り装置１０２（絞り兼用シャッタ）は、その開口径を調節することにより、撮影時の光量調節を行う。また絞り装置１０２は、静止画撮影の際に露光秒時調節用シャッタとしての機能を有する。１０３は撮影光学系を構成する第２レンズ群である。絞り装置１０２および第２レンズ群１０３は、一体的に光軸方向に進退し、第１レンズ群１０１の進退動作との連動により、変倍作用（ズーム機能）をなす。１０５は撮影光学系を構成する第３レンズ群である。第３レンズ群１０５は、光軸方向に進退することにより、焦点調節を行う。１０６は光学的ローパスフィルタである。光学的ローパスフィルタ１０６は、撮影画像の偽色やモアレを軽減するための光学素子である。
【００１７】
１０７は撮像素子である。撮像素子１０７は、撮影光学系を介して得られた被写体像（光学像）を光電変換して画像信号を出力する。撮像素子１０７は、Ｃ−ＭＯＳセンサとその周辺回路とを備えて構成されている。また撮像素子１０７では、横方向にｍ画素、縦方向にｎ画素の受光ピクセル上に、ベイヤー配列の原色カラーモザイクフィルタがオンチップで形成された２次元単板カラーセンサが用いられている。後述のように、撮像素子１０７は、複数の焦点検出画素および複数の撮像画素を備えている。複数の焦点検出画素は、撮影光学系の互いに異なる瞳領域を通過した光束を受光して画素信号を出力する。複数の撮像画素は、撮影光学系の同一の瞳領域を通過した光束を受光して画素信号を出力する。
【００１８】
１１１はズームアクチュエータである。ズームアクチュエータ１１１は、不図示のカム筒を回動することにより、第１レンズ群１０１、第２レンズ群１０３、および、第３レンズ群１０５を光軸方向に進退駆動し、変倍操作を行う。１１２は絞りアクチュエータである。絞りアクチュエータ１１２は、絞り装置１０２の開口径を制御して撮影光量を調節するとともに、静止画撮影の際に露光時間制御を行う。１１４はフォーカスアクチュエータである。フォーカスアクチュエータ１１４は、第３レンズ群１０５（フォーカスレンズ）を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行う。
【００１９】
１２１はＣＰＵ（カメラ制御部）である。ＣＰＵ１２１は、カメラ本体の種々の制御を司るカメラＣＰＵであり、演算部、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、および、通信インターフェイス回路などを有する。ＣＰＵ１２１は、位相差演算処理回路１２４およびコントラスト信号処理回路１２５からの出力信号に基づいてフォーカスレンズを制御するフォーカス制御手段として機能する。またＣＰＵ１２１は、ＲＯＭに記憶された所定のプログラムに基づいて、カメラ本体の各種回路を駆動し、ＡＦ、撮影、画像処理、および、記録などの一連の動作を実行する。またＣＰＵ１２１は、後述のフォーカス速度設定手段１４１を備えている。
【００２０】
１２２は撮像素子駆動回路である。撮像素子駆動回路１２２は、撮像素子１０７の撮像動作を制御するとともに、撮像素子１０７から出力された画像信号をＡ／Ｄ変換してＣＰＵ１２１に送信する。１２３は画像処理回路である。画像処理回路１２３は、撮像素子１０７から得られた画像信号に対して、γ変換、カラー補間、および、ＪＰＥＧ圧縮などの画像処理を行う。
【００２１】
１２４は、位相差演算処理回路（焦点検出手段）である。位相差演算処理回路１２４は、撮像素子１０７の複数の焦点検出画素（２つの光電変換領域）から焦点検出信号（Ａ像信号およびＢ像信号を含むＡＦ信号）を取得する。そして位相差演算処理回路１２４は、焦点検出信号に基づいて、Ａ像（Ａ像信号）とＢ像（Ｂ像信号）との間の像ずれ量を相関演算により求め、ピントずれ量（デフォーカス量）を算出する。これにより、位相差演算処理回路１２４は、複数の焦点検出画素からの信号に基づいて位相差方式による焦点検出を行うことができる。
【００２２】
１２５は、コントラスト信号処理回路（コントラスト評価値生成手段）である。コントラスト信号処理回路１２５は、撮像素子１０７からの撮像信号（画素信号）に対してγ処理や各種のフィルタ処理を行うことにより、高周波成分を抽出してコントラスト評価値を生成する。これにより、コントラスト信号処理回路１２５は、撮像素子１０７からの信号に基づいて、コントラスト方式による焦点検出を行うことができる。
【００２３】
１２６はフォーカス駆動回路である。フォーカス駆動回路１２６は、焦点検出結果に基づいてフォーカスアクチュエータ１１４を駆動制御し、第３レンズ群１０５を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行う。１２８はシャッタ駆動回路である。シャッタ駆動回路１２８は、絞りアクチュエータ１１２を駆動制御して、絞り装置１０２の開口を制御する。１２９はズーム駆動回路である。ズーム駆動回路１２９は、撮影者のズーム操作に応じてズームアクチュエータ１１１を駆動する。
【００２４】
１３１はＬＣＤなどの表示器である。表示器１３１は、カメラ本体の撮影モードに関する情報、撮影前のプレビュー画像と撮影後の確認用画像、焦点検出時の合焦状態表示画像などを表示する。１３２は操作スイッチ群である。操作スイッチ群１３２は、電源スイッチ、レリーズ（撮影トリガ）スイッチ、ズーム操作スイッチ、および、撮影モード選択スイッチなどにより構成される。１３３は着脱可能なフラッシュメモリである。フラッシュメモリ１３３は、動画または静止画を含む撮影済み画像を記録する。
【００２５】
１４１はフォーカス速度設定手段（速度設定手段）である。フォーカス速度設定手段１４１は、ＡＦ動作時のフォーカスレンズの移動速度（フォーカス移動速度）を設定し、設定したフォーカス移動速度をフォーカス駆動回路１２６へ伝達する。またフォーカス速度設定手段１４１は、後述の撮像素子１０７の読み出し周期切換時間（フレームレート切換時間）および位相差演算処理回路１２４により算出されるデフォーカス量に応じて、フォーカス速度を設定する。
【００２６】
図２は、撮像素子１０７（固体撮像素子）のブロック図を示している。なお、図２のブロック図は、画像信号の読み出し動作の説明に必要な最低限の構成を示し、画素リセット信号などが省略されている。図２において、２０１は、光電変換部（以下、「ＰＤｍｎ」ともいう。ｍは、Ｘ方向アドレスであり、ｍ＝０、１、…、ｍ−１、ｎは、Ｙ方向アドレスであり、ｎ＝０、１、…、ｎ−１である。）であり、フォトダイオード、画素アンプ、リセット用のスイッチなどで構成されている。また、本実施例の撮像素子１０７は、ｍ×ｎの光電変換部を２次元上に配置して構成されている。符号は、煩雑になるため、左上の光電変換部ＰＤ００付近のみに付記している。
【００２７】
２０２は、光電変換部２０１（ＰＤｍｎ）の出力を選択するスイッチであり、垂直走査回路２０８により、一行ごとに選択される。２０３は、光電変換部２０１（ＰＤｍｎ）の出力を一時的に記憶するためのラインメモリ（ＭＥＭ）であり、垂直走査回路２０８により選択された、一行分の光電変換部２０１（ＰＤｍｎ）の出力を記憶する。ラインメモリ２０３としては、通常、コンデンサが用いられる。
【００２８】
２０４は、水平出力線に接続されて、水平出力線を所定の電位ＶＨＲＳＴにリセットするためのスイッチであり、信号ＨＲＳＴにより制御される。２０５は、ラインメモリ２０３に記憶された光電変換部２０１（ＰＤｍｎ）の出力を水平出力線に順次出力するためのスイッチ（Ｈ０〜Ｈｍ−１）である。スイッチ２０５（Ｈ０〜Ｈｍ−１）を後述の水平走査回路２０６で順次走査することにより、一行分の光電変換の出力が読み出される。
【００２９】
２０６は水平走査回路であり、ラインメモリ２０３に記憶された光電変換部２０１の出力を順次操作して、水平出力線に出力させる。信号ＰＨＳＴは、水平走査回路２０６のデータ入力、ＰＨ１、ＰＨ２はシフトクロック入力であり、ＰＨ１＝Ｈでデータがセットされ、ＰＨ２でデータがラッチされる構成となっている。シフトクロック入力ＰＨ１、ＰＨ２にシフトクロックを入力することにより、信号ＰＨＳＴを順次シフトさせて、スイッチ２０５（Ｈ０〜Ｈｍ−１）を順次オンさせることができる。信号ＳＫＩＰは、間引き読み出し時に設定を行わせる制御入力信号である。信号ＳＫＩＰをＨレベルに設定することにより、水平走査回路２０６を所定間隔でスキップさせることが可能になる。２０７は水平出力線の信号を増幅して端子ＶＯＵＴに出力する増幅器ＡＭＰである。
【００３０】
２０８は垂直走査回路であり、順次走査して、制御信号Ｖ０〜Ｖｎ−１を出力することにより、光電変換部２０１（ＰＤｍｎ）の選択スイッチ２０２を選択することができる。制御信号は、水平走査回路２０６の場合と同様に、データ入力である信号ＰＶＳＴ、シフトクロックＰＶ１、ＰＶ２、及び、間引き読み設定を行う信号ＳＫＩＰにより制御される。動作の詳細は、水平走査回路２０６と同様であるため、その説明は省略する。
【００３１】
図３乃至図５は、撮像画素と焦点検出画素の構造を説明する図である。本実施例においては、２×２の４画素のうち、対角２画素にＧ（緑色）の分光感度を有する画素を配置し、他の２画素にＲ（赤色）とＢ（青色）の分光感度を有する画素を各１個配置した、ベイヤー配列が採用されている。そしてベイヤー配列の間に、後述する構造を有する焦点検出用画素が所定の規則で分散配置されている。
【００３２】
図３は、撮像画素の配置および構造を示す。図３（ａ）は、２行×２列の撮像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の画素が配置されている。そして、この２行×２列の構造が繰り返し配置される。
【００３３】
図３（ｂ）は、図３（ａ）の断面Ａ−Ａを示す断面図である。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（Ｒｅｄ）のカラーフィルタ、ＣＦＧはＧ（Ｇｒｅｅｎ）のカラーフィルタである。ＰＤはＣ−ＭＯＳセンサの光電変換部を模式的に示したものであり、ＣＬはＣ−ＭＯＳ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、撮影光学系を模式的に示したものである。
【００３４】
撮像用画素のオンチップマイクロレンズＭＬと光電変換部ＰＤは、撮影光学系ＴＬ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と光電変換部ＰＤは、マイクロレンズＭＬにより共役関係にあり、かつ光電変換部ＰＤの有効面積は大面積であるように設計される。また、図３（ｂ）ではＧ画素の入射光束について説明したが、Ｒ画素及びＢ（Ｂｌｕｅ）画素も同一の構造を有する。従って、ＲＧＢの各々の撮像用画素に対応した射出瞳ＥＰは大径となり、被写体からの光束を効率よく取り込むことで画像信号のＳ／Ｎを向上させている。
【００３５】
図４は、撮影光学系の水平方向（横方向）に瞳分割を行うための焦点検出用画素の配置と構造を示す。ここで水平方向（横方向）とは、撮影光学系の光軸が水平となるようにカメラを構えたとき、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指す。図４（ａ）は、焦点検出画素を含む２行×２列の画素の平面図である。記録また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。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、Ｒ画素、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。そこで本実施例においては、２行×２列の画素のうち、Ｇ画素は撮像画素として残し、ＲとＢの画素を焦点検出画素に置き換える。これを、図４（ａ）においてＳＡおよびＳＢでそれぞれ示している。
【００３６】
図４（ｂ）は、図４（ａ）における断面Ａ−Ａを示す断面図である。マイクロレンズＭＬと光電変換部ＰＤは、図３（ｂ）に示される撮像画素と同一構造である。本実施例において、焦点検出画素は、Ｂ画素の画素位置にＧ画素のカラーフィルタＣＦＧ（Ｇｒｅｅｎ）が配置することにより構成されている。また、撮像素子１０７で瞳分割を行うため、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ＳＡ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ＳＢ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。画素ＳＡ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ＳＢ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し、像のズレ量に対して変換係数を乗じることにより、被写体像のピントずれ量（デフォーカス量）を算出することができる。
【００３７】
続いて、像ズレ量からデフォーカス量を算出するための変換係数を得る方法について説明する。変換係数は、結像光学系の口径情報および焦点検出画素の感度分布に基づいて算出される。イメージセンサ（撮像素子１０７）には、撮影レンズＴＬのレンズ保持枠や絞り１０２などのいくつかの構成部材によって制限された光束が入射する。図５は、撮影光学系のケラレにより、焦点検出用の光束が制限されている様子を示す図である。図５は、イメージセンサの中央近傍の画素に対して、射出瞳面５０１の位置にある結像光学系の絞り５０２によって光束が制限されている様子を示している。図５（ａ）において、５０３、５０４はイメージセンサ（５０３は、予定結像面位置におけるイメージセンサ）、５０５は光軸、５０６はイメージセンサ５０３上での光軸の位置である。５０７、５０８は絞り５０２によって光束が限定された場合の光束（絞り５０２が絞られている場合の光束）、５０９、５１０は絞り５０２により制限されていない光束（絞り５０２が開放している場合の光束）である。５１１、５１２はそれぞれ、光束５０７、５０８に対する焦点検出用光束である。５１５、５１６はそれぞれ、焦点検出用光束５１１、５１２の重心位置である。同様に、５１３、５１４はそれぞれ、光束５０９、５１０に対する焦点検出用光束である。５１７、５１８はそれぞれ、焦点検出用光束５１３、５１４の重心位置である。５３０はイメージセンサに最も近い側にあるレンズ保持枠、５３１は被写体に最も近い側にあるレンズ保持枠である。
【００３８】
図５（ｂ）は、イメージセンサの中央の焦点検出用画素の射出瞳面５０１でのケラレによる重心位置の変化を説明する図である。図５（ｂ）において、５２３、５２４はそれぞれ、イメージセンサ５０４の中央の画素に対して制限された光束５０７、５０８、および、制限されていない光束５０９、５１０の瞳領域を示す。５２５、５２６はそれぞれ、焦点検出画素ＳＡ、ＳＢの入射角特性を示す。焦点検出画素ＳＡ、ＳＢには、瞳領域５２３、５２４の内側を透過した光束が入射角特性５２５、５２６で示される感度分布で入射する。このため、瞳領域５２３、５２４の内側を透過した焦点検出用光束の分布重心をそれぞれ求めることで、焦点検出用光束が制限されている場合（絞りが絞られている状態）と、制限されていない場合（絞り開放状態）の重心間隔を算出することができる。そしてこれらの重心間隔から、それぞれの基線長を求めることができる。焦点検出用画素の感度分布情報および結像光学系の口径情報を測定及び計算から求めて予め記憶しておくことで、像ズレ量からデフォーカス量を算出するための変換係数を求めることができる。
【００３９】
図５（ａ）において、デフォーカス量５１９をＤＥＦ、イメージセンサ５０３から射出瞳面５０１までの距離５２０をＬとする。また、焦点検出用光束が制限されている場合（絞られている状態）と制限されていない場合（絞り開放状態）の基線長（重心間隔）をそれぞれＧ１（重心位置５１５、５１６間距離）、Ｇ２（重心位置５１７、５１８間距離）とする。また、像ズレ量５２１、５２２をそれぞれＰＲＥＤ１、ＰＲＥＤ２、像ズレ量５２１、５２２のそれぞれをデフォーカス量ＤＥＦに変換する変換係数をＫ１、Ｋ２とする。このとき、以下の式（１）によりデフォーカス量ＤＥＦを求めることができる。
【００４０】
ＤＥＦ＝Ｋ１×ＰＲＥＤ１＝Ｋ２×ＰＲＥＤ２  …  （１）
また、像ズレ量５２１、５２２をデフォーカス量ＤＥＦに変換する変換係数Ｋ１、Ｋ２は、それぞれ以下の式（２）、（３）により求められる。
【００４１】
Ｋ１＝Ｇ１／Ｌ  …  （２）
Ｋ２＝Ｇ２／Ｌ  …  （３）
ここで、Ｋ１＜Ｋ２である。このため、絞りが開放されている場合と絞りが絞られている場合とを比較すると、像ズレ量を算出する際に像ズレ量に同等の誤差が発生すると、絞りが絞られている場合のほうがデフォーカス量として、Ｋ２／Ｋ１倍の誤差が発生する。
【００４２】
図５（ｃ）は、図５（ｂ）における感度分布の断面Ａ−Ａを示す断面図である。図５（ｃ）において、（ｃ）−１は絞りを開放した場合、（ｃ）−２は絞りが絞られている場合のＡ像画素５３０、Ｂ像画素５３１、および、撮像画素５３２の感度分布を示している。図５（ｃ）の両図において、横軸は光入射角度、縦軸は感度分布をそれぞれ示す。両図を比較すると、絞り開放状態のほうが基線長が長く（Ｇ１＜Ｇ２）、また感度を持つ入射角度幅が広くなる。基線長と、デフォーカスに対するＡ像、Ｂ像の像ズレ量とは比例関係にあるため、基線長が長くなるとデフォーカスに対する像ズレ量の敏感度が高くなる。感度を持つ入射角度幅が大きくなると、デフォーカスに対するＡ像、Ｂ像のボケ量、像ケラレが大きくなる。一般的に、焦点検出画素による像信号としては、デフォーカスに対して、像ずれ量の敏感度が高く、ボケ量および像ケラレが小さい像信号が望まれる。
【００４３】
図６は、撮像素子１０７における撮像画素および焦点検出画素の配置例を示す図である。図６において、Ｇは緑のカラーフィルタ（緑フィルタ）が塗布された画素、Ｒは赤のカラーフィルタ（赤フィルタ）を塗布された画素、Ｂは青のカラーフィルタ（青フィルタ）を塗布された画素である。図６中のＳＡは、画素部の開口を水平方向に偏倚させて形成された焦点検出画素であり、後述の焦点検出画素ＳＢに対する水平方向の像ズレ量を検出するための基準画素群である。また、ＳＢは、画素の開口部を焦点検出画素ＳＡとは逆方向に偏倚させて形成された焦点検出画素であり、焦点検出画素ＳＡとの水平方向の像ズレ量を検出するための参照画素群である。焦点検出画素ＳＡ、ＳＢの白抜き部分は、偏倚した画素の開口位置を示している。
【００４４】
合焦近傍の焦点状態を高精度に検出するには、焦点検出画素を密に配置する必要がある。一方、焦点検出画素の位置における画像信号（画素信号）は、周辺の撮像画素の出力信号、および焦点検出画素の出力信号を用いて補間処理により生成する必要がある。このため、画質劣化の影響を考慮すると、焦点検出画素を疎に配置することが望まれる。図６において、焦点検出画素ＳＡ、ＳＢは、画質劣化の影響を考慮して、欠損による画質劣化が認識され難いＢ画素の位置に配置している。このため本実施例では、焦点検出画素ＳＡ、ＳＢを用いた位相差検出方式の焦点検出にて所望の合焦精度を満たすことはできず、所定の誤差を含むデフォーカス量が算出される。本実施例において、所望の合焦精度はコントラスト検出方式の焦点検出により満たすように構成される。
【００４５】
前述のように、本実施例の撮像装置１００は、位相差演算処理回路１２４に加えて、コントラスト情報を生成するコントラスト信号処理回路１２５を備えている。ここで、コントラスト検出方式による焦点検出について説明する。コントラスト信号処理回路１２５は、測距領域（焦点検出領域）の画像信号（画素信号）に対してフィルタを適用することにより高周波成分を抽出し、コントラスト評価値（コントラスト情報）を生成する。本実施例のコントラスト信号処理回路１２５は、複数の周波数特性を有するフィルタ、または、周波数特性が可変であるフィルタを有している。またコントラスト信号処理回路１２５は、被写体輝度の高周波成分のピークや被写体輝度の最大値と最小値との差を生成することもできる。コントラスト検出方式の焦点検出では、撮像素子１０７から得られた撮像信号（画素信号）に対して、すぐにフィルタを介した信号処理が実行され、コントラスト情報が生成される。このため、撮像信号を一時的に記憶させる必要がなく、演算負荷も軽い。したがって、コントラスト信号処理回路１２５は、測距領域（焦点検出領域）の範囲に依存せず、複数の測距領域に対する信号を同時に信号処理することが可能である。
【００４６】
コントラスト信号処理回路１２５により生成されたコントラスト評価値は、撮像素子１０７からの出力信号（画素信号）に基づいて生成される映像の鮮鋭度（コントラストの大きさ）を表す値である。ピントが合った画像の鮮鋭度は高く、ぼけた画像の鮮鋭度は低いため、コントラスト評価値は、撮影光学系の焦点状態を表す値として利用することができる。ただし、コントラスト方式では、位相差方式（撮像面位相差検出方式）のようにデフォーカス量がわからないため、コントラスト評価値がピークを示すフォーカス位置を探索する必要がある。
【００４７】
コントラスト方式による合焦動作では、まずＣＰＵ１２１は、第３レンズ群１０５（フォーカスレンズ）をある方向に移動させてコントラスト評価値が増加する方向を探索する。そしてＣＰＵ１２１は、コントラスト評価値が増加する方向へフォーカスレンズを移動させることによりコントラスト評価値のピークを取得し、更に、その後減少に転じるまでのコントラスト評価値を取得する。ＣＰＵ１２１は、合焦判定を行う際、コントラスト評価値の値が大きい上位３点または４点を用いて、それと対応するフォーカスレンズ位置から補間計算を行うことにより、コントラスト評価値が最大となるフォーカスレンズ位置（合焦位置）を算出する。これにより、ＣＰＵ１２１およびフォーカスアクチュエータ１１４は、フォーカスレンズを合焦位置へ移動させることができる。
【００４８】
このように、コントラスト方式による焦点検出および合焦動作によれば、複数の測距領域を同時に評価することが可能である。しかし、デフォーカス量がわからないため、合焦位置を探索するまでに時間を要する。またコントラスト信号処理回路１２５は、コントラスト情報として、コントラスト評価値の他に、高周波成分のピーク値や被写体輝度の最大値と最小値との差を求めることができる。これらの情報は、被写体の色や模様に左右されにくい性質を有するという利点があるが、コントラスト評価値のように平均化された値ではなくノイズ成分を多く含んでいるため、合焦位置を求めるデータとしては適さない。
【００４９】
コントラスト方式による焦点検出および合焦動作を行う場合、コントラスト信号処理回路１２５は、フォーカスレンズを移動させながら、撮像素子１０７の出力信号（画素信号）に基づいてコントラスト評価値を生成する。フォーカスレンズの移動速度は、絞り値（Ｆ値）、焦点検出時（ＡＦ時）の撮像素子１０７の駆動周期（フレームレート）、または、撮像素子１０７の画素ピッチに応じて異なる。例えば、Ｆ値が大きい場合、焦点深度が深いため、合焦精度を満たす範囲（合焦範囲）が大きい。このため、フォーカス速度設定手段１４１は、フォーカスレンズの移動速度を速くする。一方、Ｆ値が小さい場合、合焦範囲が小さい。このため、フォーカス速度設定手段１４１は、フォーカスレンズの移動速度を遅くする。
【００５０】
また、フォーカスレンズの移動速度は、ＡＦ時の撮像素子１０７の駆動周期（フレームレート）にも依存する。フレームレートが高い場合（例えば、フレームレートが１２０ｆｐｓである場合）、コントラスト信号処理回路１２５は、コントラスト評価値を密に取得（サンプリング）することができる。このためフォーカス速度設定手段１４１は、フォーカスレンズの移動速度を高速に設定する。一方、フレームレートが低い場合、コントラスト評価値を密に取得することができない。このためフォーカス速度設定手段１４１は、フォーカスレンズの移動速度を低速に設定する。これにより、コントラスト信号処理回路１２５は、コントラスト評価値を密に取得することができる。
【００５１】
通常、撮像素子１０７のフレームレートは、ＡＦ時以外には高速にする必要がない。このためフォーカス速度設定手段１４１は、ＡＦ時以外のフレームレートを低フレームレート（例えば３０ｆｐｓ）に設定する。一方、フォーカス速度設定手段１４１は、ＡＦ時において、撮像素子１０７のフレームレートを高速（高フレームレート）に設定する（高フレームレートに切り換える）。これにより、コントラスト信号処理回路１２５によるコントラスト評価値の取得間隔とフォーカスレンズの移動速度との関係を適切に設定し、焦点検出および合焦動作に要する時間（ＡＦ時間）を短縮することができる。
【００５２】
撮像素子１０７の駆動周期（フレームレート）を切り換えるには、時間を要する。フレームレートの切り換えは、撮影者がレリーズボタンを半押し（ＳＷ１）したときに実行される。フレームレートの切換中において、コントラスト信号処理回路１２５は、撮像素子１０７からの信号（画素信号）を利用することができず、コントラスト評価値を取得することができない。このため、撮像素子１０７からの信号を用いた焦点検出（位相差方式またはコントラスト方式による焦点検出）を行うことはできない。そこで本実施例では、フレームレートの切換中において、ＣＰＵ１２１は、位相差方式による焦点検出で得られたデフォーカス量に基づいて、フォーカスレンズを移動させる（合焦制御を行う）。ただし本実施例において、フォーカスレンズの移動速度は、位相差方式の焦点検出により算出されたデフォーカス量だけフォーカスレンズが移動するのに要する時間、および、フレームレートの切換時間に応じて適切に制御される必要がある。
【００５３】
続いて、図７を参照して、本実施例における焦点検出動作（ＡＦ動作）を説明する。図７は、本実施例における焦点検出動作（フォーカス動作）の説明図である。図７において、横軸は時間、縦軸はフォーカス移動量（フォーカスレンズの移動量）をそれぞれ示している。点線Ａ１は、フレームレート切換時間中のフォーカスレンズの移動速度が最高速の場合におけるフォーカス動作を示す。実線Ａ２は、フレームレート切換時間中のフォーカスレンズの移動速度が低速の場合のフォーカス動作を示す。時間０は、レリーズボタンの半押し状態（ＳＷ１）を検知した時間である。Ｔ１は、フレームレート切換時間（フレームレートの切り換えが完了した時間）である。Ｔ２は、フレームレート切換時間中のフォーカスレンズの移動速度が最高速の場合に、フォーカスレンズが合焦位置に到達するまでに要する時間（合焦時間）である。Ｔ３は、フレームレート切換時間中のフォーカスレンズの移動速度が低速の場合に、フォーカスレンズが合焦位置に到達するまでに要する時間（合焦時間）である。
【００５４】
図７において、Ｙ０は位相差演算処理回路１２４（位相差方式）により算出されたデフォーカス量、Ｙ１は合焦位置である。位相差演算処理回路１２４は、ＳＷ１を検知した時点でデフォーカス量を既に検出している場合、ＣＰＵ１２１はフォーカスレンズの移動（合焦制御）を開始する。フォーカス速度設定手段１４１は、フォーカスレンズの移動と同時に、撮像素子１０７のフレームレートを低速（例えば３０ｆｐｓ）から高速（例えば１２０ｆｐｓ）へ変更する（フレームレートを切り換える）。フレームレート切換中において、撮像素子１０７からの信号（撮像信号）を利用することはできない。このためＣＰＵ１２１は、ＳＷ１を検知したときに取得された焦点検出信号（位相差方式による焦点検出）に基づいて得られたデフォーカス量を用いて、フォーカスレンズを移動させる（合焦制御を行う）。
【００５５】
本実施例において、フォーカス速度設定手段１４１は、フォーカスレンズの移動速度として、複数の速度を設定することができる。またフォーカス速度設定手段１４１は、位相差演算処理回路１２４により算出されたデフォーカス量（位相差方式の焦点検出により算出されたデフォーカス量）、および、フレームレート切換時間に応じて、フォーカスレンズの移動速度を変更する。
【００５６】
フォーカスレンズがこのデフォーカス量の移動に要する時間がフレームレート切換時間よりも短い場合、図７中の点線Ａ１に示されるようにフォーカスレンズを移動させると、フォーカスレンズがデフォーカス量に到達した後の停止時間が長くなってしまう。すなわち、フォーカスレンズの移動速度を最高速に設定して移動させると、加減速時間または停止時間が余分に必要となるため、デフォーカス量が小さい場合の移動には適さない。このため、図７中の実線Ａ２に示されるように、フォーカスレンズの移動速度を低速（最高速ではない速度）に設定して移動させることが好ましい。これにより、加減速時間または停止時間を短縮することができ、または、コントラスト方式に適したスキャン速度へそのまま移行することができる。
【００５７】
フォーカスレンズがデフォーカス量だけ移動した後、ＣＰＵ１２１（フォーカス速度設定手段１４１）は、コントラスト方式に適したスキャン速度に設定して合焦位置を検出することにより、フォーカスレンズを合焦位置で停止させる。このように、フォーカスレンズがデフォーカス量の移動に要する時間がフレームレート切換時間より短い場合、フォーカスレンズの速度を最高速ではなく低速に設定して移動させたほうが、焦点検出時間（ＡＦ時間）を短縮することができる。
【００５８】
次に、図８を参照して、本実施例における撮像装置１００の制御方法（合焦動作）について説明する。図８は、撮像装置１００の制御方法（合焦動作）を示すフローチャートである。図８の各ステップは、ＣＰＵ１２１の指令に基づいて実行される。
【００５９】
まずステップＳ１００において、撮像装置１００は合焦動作を開始する。そしてステップＳ１０１において、ＣＰＵ１２１は、撮影者がレリーズスイッチを半押し（ＳＷ１）をしたか否かを判定する。ＳＷ１がＯＮでない場合、ＳＷ１がＯＮになるまでステップＳ１０１を繰り返す。一方、ＳＷ１がＯＮである場合、ステップＳ１０２に進む。
【００６０】
ステップＳ１０２において、位相差演算処理回路１２４は、位相差方式による焦点検出結果に基づいてデフォーカス量を算出する。続いてステップＳ１０３において、フォーカス速度設定手段１４１は、ステップＳ１０２にて算出されたデフォーカス量、および、フレームレート切換時間に基づいて、フォーカスレンズの移動速度（フォーカス移動速度）を設定する。なお、ステップＳ１０３の詳細については、図９を参照して後述する。
【００６１】
続いてステップＳ１０４において、ＣＰＵ１２１（撮像素子駆動回路１２２）は、撮像素子１０７のフレームレート（駆動周期）の切換を開始する。また、ステップＳ１０５において、ＣＰＵ１２１（フォーカス駆動回路１２６、フォーカスアクチュエータ１１４）は、ステップＳ１０３にて設定されたフォーカス移動速度で、ステップＳ１０２にて算出されたデフォーカス量だけフォーカスレンズを移動させる。そしてステップＳ１０６において、ＣＰＵ１２１（撮像素子駆動回路１２２）は、撮像素子１０７のフレームレートの切換を完了する。
【００６２】
続いてステップＳ１０７において、フォーカス速度設定手段１４１は、フォーカスレンズの移動速度を、コントラスト方式による焦点検出および合焦制御に適したフォーカス移動速度に設定する。そしてＣＰＵ１２１（コントラスト信号処理回路１２５）は、切換後のフレームレートで、合焦位置の探索動作（スキャン動作）を開始する。続いてステップＳ１０８において、ＣＰＵ１２１は、探索動作中にコントラスト評価値がピークとなるフォーカス位置を探索して合焦位置を検出する。続いてＳ１０９において、ＣＰＵ１２１は、フォーカスレンズを合焦位置へ移動させる（フォーカス移動を行う）。そしてステップＳ１１０において、本フローを終了する。
【００６３】
次に、図９を参照して、フォーカスレンズの移動速度の設定処理（フォーカス移動速度設定処理）について説明する。図９は、フォーカス移動速度設定処理（ステップＳ１０３）を示すフローチャートである。図９の各ステップは、ＣＰＵ１２１（フォーカス速度設定手段１４１）により実行される。
【００６４】
まずステップＳ２００において、フォーカス移動速度設定処理を開始する。そしてステップＳ２０１において、ＣＰＵ１２１は、位相差演算処理回路１２４により算出されたデフォーカス量（位相差方式による焦点検出で算出されたデフォーカス量）に基づいて、フォーカスレンズが算出されたデフォーカス量の移動に要する時間を算出する。本実施例において、ステップＳ２０１における移動時間算出時のフォーカス移動速度は、フォーカスレンズの最高速に設定されており、フォーカスレンズが最高速である場合の移動時間が算出される。続いてステップＳ２０２において、ＣＰＵ１２１は、撮像素子１０７のフレームレート切換時間を取得する。
【００６５】
続いてステップＳ２０３において、ＣＰＵ１２１は、フォーカスレンズの移動速度が最高速に設定されている場合においてデフォーカス量の移動に要する時間（デフォーカス量移動時間：第２の時間）と、フレームレート切換時間（第１の時間）とを比較する。そして、デフォーカス量移動時間（第２の時間）がフレームレート切換時間（第１の時間）よりも短い場合、ステップＳ２０４へ進む。一方、デフォーカス量移動時間がフレームレート切換時間よりも長い場合（または、これらの時間が等しい場合）、ステップＳ２０５へ進む。
【００６６】
ステップＳ２０４において、フォーカス速度設定手段１４１は、フォーカス移動速度を低速（フォーカスレンズを駆動可能な最高速よりも低速）な第２の速度に設定する。これは、フォーカス移動速度が最高速に設定されていると、フォーカスレンズがデフォーカス量だけ移動した後に余分な停止時間が生じ、適切にコントラスト方式のスキャン速度に移行できないためである。なお本実施例において、フォーカス速度設定手段１４１は、フォーカスレンズの速度を低速に設定するが、フォーカスレンズがデフォーカス量だけ移動している間に、フォーカスレンズの速度を段階的に高速から低速に変化するように設定してもよい。
【００６７】
一方、ステップＳ２０５において、フォーカス速度設定手段１４１は、フォーカスレンズの移動速度を高速な第１の速度に設定する。本実施例において、このとき設定されるフォーカスレンズの速度として、フォーカスレンズの駆動可能な最高速であるが、これに限定されるものではない。ステップＳ２０４にて設定される速度よりも高速な速度であればよい。ステップＳ２０４またはステップＳ２０５を経た後、ステップＳ２０６において本フローは終了する。
【００６８】
このように本実施例において、フォーカス速度設定手段１４１は、位相差演算処理回路１２４により算出されたデフォーカス量または絞り値および撮像素子１０７のフレームレートの切り換えに要する第１の時間に基づいて、フォーカスレンズの移動速度を設定する。
【００６９】
好ましくは、フォーカス速度設定手段１４１は、フォーカスレンズがデフォーカス量だけ移動するのに要する第２の時間と、フレームレートの切り換えに要する第１の時間とを比較して、フォーカスレンズの移動速度を設定する。
【００７０】
好ましくは、フォーカス速度設定手段１４１は、第２の時間が第１の時間よりも長いか、または第１の時間と等しい場合、フォーカスレンズの移動速度として第１の速度を設定する。またフォーカス速度設定手段１４１は、第２の時間が第１の時間よりも短い場合、フォーカスレンズの移動速度として第１の速度よりも低速な第２の速度に設定する。より好ましくは、第１の速度はフォーカスレンズの駆動が可能な最高速度であり、第２の速度は最高速度よりも低い速度である。
【００７１】
好ましくは、フォーカス速度設定手段１４１は、絞り値と、フレームレートの切り換えに要する第１の時間とを比較して、フォーカスレンズの移動速度を設定する。より好ましくは、フォーカス速度設定手段１４１は、絞り値が所定値以上である場合、フォーカスレンズの移動速度として第３の速度を設定する。一方、フォーカス速度設定手段１４１は、絞り値が所定値よりも小さい場合、フォーカスレンズの移動速度として第３の速度よりも低速な第４の速度に設定する。
【００７２】
［その他の実施形態］
本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。すなわち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウエア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。この場合、撮像装置の制御方法の手順が記述されたコンピュータで実行可能なプログラムおよびそのプログラムを記憶した記憶媒体は本発明を構成する。
【００７３】
本実施例によれば、位相差検出方式とコントラスト検出方式を併用して合焦時間を短縮可能な撮像装置、撮像システム、撮像装置の制御方法、プログラム、および、記憶媒体を提供することができる。
【００７４】
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。
【符号の説明】
【００７５】
１００  撮像装置
１０７  撮像素子  
１２１  ＣＰＵ
１２４  位相差演算処理回路
１２５  コントラスト信号処理回路
１４１  フォーカス速度設定手段
【図１】
2015094871.tif 000003
【図２】
2015094871.tif 000004
【図３】
2015094871.tif 000005
【図４】
2015094871.tif 000006
【図５】
2015094871.tif 000007
【図６】
2015094871.tif 000008
【図７】
2015094871.tif 000009
【図８】
2015094871.tif 000010
【図９】
2015094871.tif 000011