(57)【要約】【課題】  撮影用の撮像素子に焦点検出用の画素を配置せずに、その撮像素子を利用して高速に焦点検出を行える撮像装置を提供する。【解決手段】  撮影光学系１１の像面側に配置される撮像素子１５と、撮影光学系を通過して撮像素子に向かう集光光Ｌ0を、撮影光学系の射出瞳における通過位置に応じて複数の方向の光Ｌ1〜Ｌ4に分離すると共に、該複数の光のうち少なくとも２つを互いに異なる集光状態に設定した後、複数の光を撮像素子の異なる領域に導く分離光学系(１３,１４)と、分離光学系を駆動し、撮影時には光路から退避させ、焦点検出時には光路に挿入する手段と、分離光学系が光路に挿入されたときに、分離光学系と撮影光学系とを介して撮像素子の異なる領域に形成される複数の被写体像の結像状態に基づいて、撮影光学系の焦点検出を行う検出手段とを備える。【選択図】      図２
2008026351.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮影光学系の像面側に配置される撮像素子と、
前記撮影光学系を通過して前記撮像素子に向かう集光光を、前記撮影光学系の射出瞳における通過位置に応じて複数の方向の光に分離すると共に、該複数の光のうち少なくとも２つを互いに異なる集光状態に設定した後、前記複数の光を前記撮像素子の異なる領域に導く分離光学系と、
前記分離光学系を駆動して、被写体の撮影時には前記集光光の光路から退避させ、前記撮影光学系の焦点検出時には前記光路に挿入する駆動手段と、
前記分離光学系が前記光路に挿入されたときに、前記分離光学系と前記撮影光学系とを介して前記撮像素子の前記異なる領域に形成される複数の被写体像の結像状態に基づいて、前記撮影光学系の焦点検出を行う検出手段とを備えた
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の撮像装置において、
前記分離光学系と前記撮影光学系とを介して前記撮像素子の前記異なる領域に形成される前記複数の被写体像のうち少なくとも１つは、前記分離光学系が前記光路から退避されたときに前記撮影光学系を介して前記撮像素子に形成される撮影用の被写体像と同じ結像状態である
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項３】
請求項２に記載の撮像装置において、
前記撮像素子の前記異なる領域に形成される前記複数の被写体像には、前記撮影用の被写体像と同じ結像状態の被写体像が含まれる他に、前記撮影用の被写体像とは結像状態が僅かに異なる被写体像が含まれる
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項４】
請求項１に記載の撮像装置において、
前記分離光学系と前記撮影光学系とを介して前記撮像素子の前記異なる領域に形成される前記複数の被写体像のうち少なくとも２つは、互いに同じ結像状態であり、かつ、前記分離光学系が前記光路から退避されたときに前記撮影光学系を介して前記撮像素子に形成される撮影用の被写体像と同じ結像状態である
ことを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルカメラなどの撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
撮像装置では、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどの撮像素子を用いて被写体の撮影を行う前に、撮影光学系の焦点検出が行われる。焦点検出の各種方式の中で、より高速な焦点検出を行えるものとして、撮影用の撮像素子を利用した瞳分割位相差方式がある（例えば特許文献１を参照）。この方式では、２つの光電変換部を有する焦点検出用の画素が撮影用の撮像素子の中に配置される。そして、焦点検出用の画素の各光電変換部から同時に出力される一対の信号から、デフォーカスの量と方向を１回で求めることができる。なお、焦点検出用の画素にはカラーフィルタが配置されない。これは、各光電変換部から出力される信号のレベルを上げて焦点検出の精度を確保するためである。また、この場合、撮影の際には、焦点検出用の画素の位置での画像信号を補間処理によって生成する。
【特許文献１】特開２００３−２４４７１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記した瞳分割位相差方式では、撮影用の撮像素子の中に焦点検出用の画素を配置するため、撮影の際に補間処理を行っても画像劣化を伴うことがあった。
本発明の目的は、撮影用の撮像素子に焦点検出用の画素を配置せずに、その撮像素子を利用して高速に焦点検出を行える撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の撮像装置は、撮影光学系の像面側に配置される撮像素子と、前記撮影光学系を通過して前記撮像素子に向かう集光光を、前記撮影光学系の射出瞳における通過位置に応じて複数の方向の光に分離すると共に、該複数の光のうち少なくとも２つを互いに異なる集光状態に設定した後、前記複数の光を前記撮像素子の異なる領域に導く分離光学系と、前記分離光学系を駆動して、被写体の撮影時には前記集光光の光路から退避させ、前記撮影光学系の焦点検出時には前記光路に挿入する駆動手段と、前記分離光学系が前記光路に挿入されたときに、前記分離光学系と前記撮影光学系とを介して前記撮像素子の前記異なる領域に形成される複数の被写体像の結像状態に基づいて、前記撮影光学系の焦点検出を行う検出手段とを備えたものである。
【０００５】
また、上記の撮像装置において、前記分離光学系と前記撮影光学系とを介して前記撮像素子の前記異なる領域に形成される前記複数の被写体像のうち少なくとも１つは、前記分離光学系が前記光路から退避されたときに前記撮影光学系を介して前記撮像素子に形成される撮影用の被写体像と同じ結像状態であることが好ましい。
また、上記の撮像装置において、前記撮像素子の前記異なる領域に形成される前記複数の被写体像には、前記撮影用の被写体像と同じ結像状態の被写体像が含まれる他に、前記撮影用の被写体像とは結像状態が僅かに異なる被写体像が含まれることが好ましい。
【０００６】
また、上記の撮像装置において、前記分離光学系と前記撮影光学系とを介して前記撮像素子の前記異なる領域に形成される前記複数の被写体像のうち少なくとも２つは、互いに同じ結像状態であり、かつ、前記分離光学系が前記光路から退避されたときに前記撮影光学系を介して前記撮像素子に形成される撮影用の被写体像と同じ結像状態であることが好ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の撮像装置によれば、撮影用の撮像素子に焦点検出用の画素を配置せずに、その撮像素子を利用して高速に焦点検出を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
ここでは、本実施形態の撮像装置について図１の一眼レフタイプのデジタルカメラ１０を例に説明する。
デジタルカメラ１０には、撮影光学系１１の像面側に、クイックリターンミラー１２と、焦点検出用の分離光学系(１３,１４)と、撮影用の撮像素子１５と、ファインダ光学系１６とが配置される。さらに、デジタルカメラ１０の全体的な制御を行うため、制御部１７が設けられる。
【０００９】
クイックリターンミラー１２は、半透過型の光学素子（ハーフミラー）であり、被写体の撮影時には、制御部１７からの制御信号に応じて点線の状態に跳ね上げられ、撮影光学系１１の光路から退避する（ミラーアップ）。また、撮影前には、撮影光学系１１の光路に挿入され、実線の状態に保持される。
分離光学系(１３,１４)は、クイックリターンミラー１２と撮像素子１５との間に配置され、例えばクイックリターンミラー１２の裏面に対して傾けて設置され、その傾き角度が変更可能となっている。ただし、クイックリターンミラー１２とは独立に分離光学系(１３,１４)を配置してもよい。
【００１０】
また、分離光学系(１３,１４)は、クイックリターンミラー１２と同様、撮影時には撮影光学系１１の光路から退避し、撮影前には撮影光学系１１の光路に挿入される。分離光学系(１３,１４)の退避/挿入動作は、制御部１７からの制御信号に応じて、例えばクイックリターンミラー１２のミラーアップに連動して（または連動せずに）行われる。
クイックリターンミラー１２の裏面に設置された分離光学系(１３,１４)をミラーアップに連動して撮影光学系１１の光路から退避させるときには、ミラーアップの最中（または前後）に、クイックリターンミラー１２の裏面に対する分離光学系(１３,１４)の傾き角度の変更動作が行われる。すなわち、その傾き角度を小さくして、分離光学系(１３,１４)をクイックリターンミラー１２の裏面に接近させ、両者が略平行な一体化した状態（図１の点線の状態）で変更動作が停止される。
【００１１】
このような分離光学系(１３,１４)の傾き角度の変更動作を行うことで、光路外に退避した分離光学系(１３,１４)によって撮影光学系１１の光路が遮られることはない。なお、図１では、分かり易くするために、分離光学系(１３,１４)を実際より大きく図示した。
このように、被写体の撮影時には、撮影光学系１１の光路からクイックリターンミラー１２と分離光学系(１３,１４)とが退避するため、所定のタイミングで不図示のシャッタが開放されると、被写体からの光は、撮影光学系１１を通過した後、そのまま直進して撮像素子１５の撮像面に入射する。この撮像面には、撮影光学系１１の集光作用により被写体の光学像が形成される。
【００１２】
撮像素子１５は、２次元的に配列された複数の画素を有し、各々の画素の光電変換部において入射光の光量に応じた信号電荷を生成する。各々の画素には、光電変換部の上方にカラーフィルタとマイクロレンズとがオンチップ状に配置される。カラーフィルタの組み合わせは原色系(ＲＧＢ)や補色系(ＣＭＹＧ)などであり、ベイヤー配列やストライプ配列を成す。マイクロレンズは集光率を向上させるために設けたものである。
【００１３】
なお、本実施形態では、撮像素子１５の有効画素領域の全画素にカラーフィルタが配置され、従来のような焦点検出用の画素（カラーフィルタがなく２つの光電変換部を有する画素）が撮像素子１５の中に配置されることはない。
撮像素子１５には、ＣＣＤセンサを用いても構わないが、高速に部分読み出しが可能なＣＭＯＳセンサを用いる方がより好ましい。ＣＭＯＳセンサの場合、各々の画素にて生成された信号電荷は画素アンプや信号線などを介してＸＹアドレス方式で外部に読み出される。撮像素子１５の読み出し動作や撮像素子１５からの出力信号の処理（撮影時や焦点検出時の演算処理など）は、制御部１７が行う。
【００１４】
被写体の撮影時、撮像素子１５では、その撮像面に形成された被写体の光学像を各画素ごとに光電変換して、各画素の電荷を画像信号として制御部１７に出力する。本実施形態では、撮像素子１５の有効画素領域の全画素にカラーフィルタが配置されるため、従来のような焦点検出用の画素の位置に対する補間処理を行う必要がなく、さらに、鮮明な撮影画像（カラー画像）を常に得ることができる。
【００１５】
また、撮像素子１５を用いて被写体の撮影を行う前には、撮影光学系１１の焦点検出が行われる。このとき、撮影光学系１１の光路にはクイックリターンミラー１２と分離光学系(１３,１４)とが挿入され、実線の状態に保持される。
このため、撮影光学系１１を通過して撮像素子１５に向かう集光光は、その一部（光量の約半分）がクイックリターンミラー１２で反射した後、ファインダ光学系１６に導かれる。ファインダ光学系１６では、撮影光学系１１の集光作用による被写体像がスクリーンに形成され（図２）、そこでの透過光がペンタプリズムと接眼レンズとを介して撮影者の眼に導かれる。
【００１６】
一方、撮影光学系１１を通過して撮像素子１５に向かう集光光のうち、残りの一部は、クイックリターンミラー１２を透過した後（光Ｌ0）、分離光学系(１３,１４)に導かれる。そして、分離光学系(１３,１４)は、概略、クイックリターンミラー１２からの光Ｌ0を、複数の方向の光Ｌ1〜Ｌ4に分離して撮像素子１５の撮像面の異なる領域に導く。
分離光学系(１３,１４)について具体的に説明する。
【００１７】
分離光学系(１３,１４)は、ＡＦ絞り１３と分離プリズム１４とで構成される。
ＡＦ絞り１３は、焦点検出エリアを設定するための部材であり、図３に示す通り、円形状の開口部３Ａを有する。また、本実施形態では、開口部３Ａの中心３Ｂを撮影光学系１１の光軸と略一致させ、図４(ａ)に示す通り、焦点検出エリア２０を視野中心２Ａ（撮影光学系１１の光軸）の近傍エリアに設定している。
【００１８】
さらに、ＡＦ絞り１３は、撮像素子１５の撮像面から例えば１５ｍｍ前方に配置される（Ｄ1＝１５ｍｍ）。開口部３Ａのサイズ（Ｄ2）は例えばφ２.７ｍｍであり、これを撮像素子１５から見た大きさは例えばｆ５.６程度である。
また、ＡＦ絞り１３の配置は、分離光学系(１３,１４)を撮影光学系１１の光路から退避させたときに、焦点検出エリア２０の各部（図４(ａ)の視野中心２Ａ,上部２Ｂ,下部２Ｃなど）から発生する光（図４(ｂ)に示す光ＬA,ＬB,ＬCなど）に対して、次のようになっている。
【００１９】
ここで、光ＬA,ＬB,ＬCの各経路を説明しておく。焦点検出エリア２０の中心部（つまり視野中心２Ａ）から発生した光ＬAは、その主光線が撮影光学系１１の光軸と略平行であり、撮影光学系１１の射出瞳の各部を通過した後、撮像素子１５の撮像面の中心部２Ａ'に向けて集光する光となる。
また、焦点検出エリア２０の上部２Ｂから発生した光ＬBは、その主光線が撮影光学系１１の光軸に対して斜めであり、撮影光学系１１の射出瞳の各部を通過して、撮像素子１５の撮像面の中心部２Ａ'より下方の部分２Ｂ'に向けて集光する光となる。焦点検出エリア２０の下部２Ｃから発生した光ＬCも同様であり、撮影光学系１１の射出瞳の各部を通過し、撮像面の中心部２Ａ'より上方の部分２Ｃ'に向けて集光する光となる。
【００２０】
また、撮影光学系１１の射出瞳から撮像面までの光ＬA,ＬB,ＬCの断面を考えると、撮影光学系１１の光軸に対して垂直な例えば図５(ａ)の平面２１,２２では、それぞれ、図５(ｂ),(ｃ)のようになる。つまり、光ＬA,ＬB,ＬCの断面は、射出瞳に近いほど大きく互いに重なり合っているが（図５(ｂ)）、撮像面に近づくほど小さく互いに分離してくる（図５(ｃ)）。
【００２１】
そして、このような光ＬA,ＬB,ＬCの断面に対し、ＡＦ絞り１３は、例えば、図５(ｃ)に示す断面の位置（平面２２）において、図６(ａ),(ｂ)のように配置される。分かりやすくするために、図６(ｂ)では、光ＬA,ＬB,ＬCの断面とＡＦ絞り１３の開口部３Ａを拡大して示した。太い実線が開口部３Ａに対応する。また、光ＬA,ＬB,ＬCの断面が開口部３Ａより小さいとした。
【００２２】
平面２２では、撮像面の中心部２Ａ'より下方の部分２Ｂ'に集光する光ＬBと上方の部分２Ｃ'に集光する光ＬCの各断面が互いに重ならず、光ＬB,光ＬCの各断面がそれぞれ撮像面の中心部２Ａ'に集光する光ＬAと重なっている。そして、この平面２２にＡＦ絞り１３を配置すると、開口部３Ａの中には、光ＬAの断面の全体と、光ＬBの断面の上部と、光ＬCの断面の下部とが含まれることになる。
【００２３】
この場合、焦点検出エリア２０の中心部(２Ａ)から発生して撮影光学系１１の射出瞳の各部を通過した光ＬAは、その全体がＡＦ絞り１３の開口部３Ａを通過することができる。ところが、焦点検出エリア２０の上部２Ｂから発生して射出瞳の各部を通過した光ＬBは、その下部がＡＦ絞り１３によって遮られ、上部のみが開口部３Ａの下部を通過することになる。また、焦点検出エリア２０の下部２Ｃからの光ＬCも同様であり、その上部がＡＦ絞り１３によって遮られ、下部のみが開口部３Ａの上部を通過することになる。
【００２４】
このようにしてＡＦ絞り１３の開口部３Ａを通過した光（光ＬAの全体,光ＬBの上部,光ＬCの下部）は、後段に分離プリズム１４が配置されていなければ、そのまま撮像素子１５の撮像面の各部（中心部２Ａ',部分２Ｂ',部分２Ｃ'）に集光して、図６(ｃ)に示す１つの被写体像２３となる。被写体像２３は焦点検出エリア２０（図４(ａ)）の像である。なお、撮影光学系１１の射出瞳の距離に応じて多少の違いはあるが、撮像面における１つの被写体像２３の大きさ（Ｄ3）は例えばφ４ｍｍ程度となる。
【００２５】
一方、ＡＦ絞り１３の後段に配置される分離プリズム１４（図１）は、図７(ａ)に示すように、４つのプリズム４Ａ,４Ｂ,４Ｃ,４Ｄを組み合わせて構成される。プリズム４Ａ,４Ｄの断面を図７(ｂ)に示す。プリズム４Ｂ,４Ｃの断面を図７(ｃ)に示す。
プリズム４Ａ,４Ｂ,４Ｃ,４Ｄには、ＡＦ絞り１３の開口部３Ａからの光（図６(ｂ)に示す光ＬAの全体,光ＬBの上部,光ＬCの下部）が入射する側に所定のパワーを持つレンズ面が形成され、その反対側にプリズム面が形成されている。
【００２６】
プリズム４Ａのレンズ面は、正のパワーを持つ凸面である。プリズム４Ｂのレンズ面は、負のパワーを持つ凹面である。プリズム４Ｃ,４Ｄのレンズ面は、共に、ほとんどパワーを持たない略平面である。
また、各々のプリズム面は、プリズム４Ａ,４Ｂ,４Ｃ,４Ｄの接合部（分離プリズム１４の中心部４Ｅ）から周辺に向かうほど撮像素子１５に近づく方向に傾斜した平面であり、その頂角θが何れも等しい。
【００２７】
さらに、本実施形態では、分離プリズム１４の中心部４Ｅが撮影光学系１１の光軸と略一致するように、つまり、その中心部４ＥがＡＦ絞り１３の開口部３Ａの中心３Ｂと対応するように、分離プリズム１４を配置している。
以下の説明では、便宜上、分離プリズム１４の中心部４Ｅに対するプリズム４Ａの位置を左上という。また同様に、プリズム４Ｂ,４Ｃ,４Ｄの位置をそれぞれ右上,左下,右下という。さらに、ＡＦ絞り１３の開口部３Ａを、プリズム４Ａ,４Ｂ,４Ｃ,４Ｄの各々に対応する４つの領域に分けて考え、各々の領域を左上領域,右上領域,左下領域,右下領域ということにする。
【００２８】
分離プリズム１４を上記のように配置したので、左上のプリズム４Ａには、開口部３Ａからの光（図６(ｂ)の光ＬAの全体,光ＬBの上部,光ＬCの下部）のうち、開口部３Ａの左上領域を通過した光Ｌ1（図７(ｂ)参照)(光ＬA,ＬCの一部を含む）が入射する。右上のプリズム４Ｂには、開口部３Ａの右上領域を通過した光Ｌ2（図７(ｃ)参照)(光ＬA,ＬCの一部を含む）が入射する。また同様に、左下と右下のプリズム４Ｃ,４Ｄには、開口部３Ａの左下と右下の各領域を通過した光Ｌ3,Ｌ4（図７(ｃ),(ｂ)参照)(光ＬA,ＬBの一部を含む）が入射する。
【００２９】
そして、これらの光Ｌ1〜Ｌ4は、プリズム４Ａ,４Ｂ,４Ｃ,４Ｄの各々のレンズ面により所定のパワーが付加され、さらに各々のプリズム面を介して所定の方向に偏向された後、撮像素子１５の撮像面に向かうことになる。
プリズム４Ａ,４Ｂ,４Ｃ,４Ｄのプリズム面は、何れも、分離プリズム１４の中心部４Ｅから周辺に向かうほど撮像素子１５に近づくように傾斜しているため、上記の光Ｌ1〜Ｌ4は、各々のプリズム面により撮影光学系１１の光軸から離れる方向に偏向して互いに分離され、異なる方向に進行することになる。そして、撮像素子１５の撮像面の異なる領域に導かれ、図８(ａ)に示す４つの被写体像３１〜３４となる。
【００３０】
例えば、プリズム面の頂角θを２５度、プリズム４Ａ,４Ｂ,４Ｃ,４Ｄの屈折率を１.５とするとき、上記の光Ｌ1〜Ｌ4は、撮影光学系１１の光軸に対して１４.３度だけ傾斜した方向に偏向される（ψ＝１４.３度）。
また、撮像素子１５の撮像面における４つの被写体像３１〜３４は、何れも、分離プリズム１４が配置されないときに形成される１つの被写体像２３（図６(ｃ)）の位置から約３.５ｍｍだけシフトして形成される（Ｄ4＝３.５ｍｍ）。このとき、４つの被写体像３１〜３４の間隔（Ｄ5）は約５ｍｍとなる。
【００３１】
さらに、４つの被写体像３１〜３４の各々の大きさ（Ｄ6）は、図６(ｃ)に示す被写体像２３の大きさ（Ｄ3＝４ｍｍ）より小さい。これは次のような理由による。
左上の被写体像３１は、開口部３Ａの左上領域とプリズム４Ａとを通過した光Ｌ1（図７(ｂ)参照)(図６(ｂ)の光ＬA,ＬCの一部を含む）による焦点検出エリア２０（図４(ａ)）の像である。ただし、光Ｌ1には、焦点検出エリア２０の中心部(２Ａ)と下部２Ｃから発生した光ＬA,ＬCの一部が含まれ、上部２Ｂから発生した光ＬBは含まれない。
【００３２】
したがって、図８(ｂ)に示す通り、被写体像３１の形状は、光ＬBの欠如に起因して下部２Ｂ'の欠けた形状となる。また、このような上下方向と同様、左右方向においても、焦点検出エリア２０の右部からの光は上記の光Ｌ1に含まれるが、左部からの光は上記の光Ｌ1に含まれない。このため、被写体像３１の形状は、下部２Ｂ'と同様、左部からの光の欠如に起因して右部２Ｄ'も欠けた形状となる。
【００３３】
さらに、他の被写体像３２〜３４についても事情は同じである。このため、右上の被写体像３２の場合には、左部と下部が欠けた形状となる。左下の被写体像３３の場合には、上部と右部が欠けた形状となる。右下の被写体像３４の場合には、上部と左部が欠けた形状となる。
このような理由で、４つの被写体像３１〜３４の各々の大きさ（Ｄ6）は、分離プリズム１４がないときの被写体像２３（Ｄ3＝４ｍｍ）より小さくなる。したがって、４つの被写体像３１〜３４の間隔（Ｄ5）を被写体像２３の大きさ（Ｄ3）以上とし、例えば約５ｍｍとすれば、各々の被写体像３１〜３４を互いに十分に分離することができる。
【００３４】
互いに分離された４つの被写体像３１〜３４の強度分布の一例を図８(ｃ)に示す。横軸は撮像面での位置を表し、縦軸は強度を表している。この強度分布からも分かるように、４つの被写体像３１〜３４は、互いに十分に分離されている。
被写体像３１〜３４を十分に分離するためには、分離プリズム１４のプリズム４Ａ,４Ｂ,４Ｃ,４Ｄの各プリズム面における偏向角ψ（または頂角θ）と、ＡＦ絞り１３の開口部３Ａを撮像素子１５から見た大きさ（または開口部３ＡのサイズＤ2,撮像素子１５からＡＦ絞り１３までの距離Ｄ1）を適切に設定することが必要である。本実施形態では、その一例として、偏向角ψを１４.３度、開口部３Ａの見た目の大きさをｆ５.６程度にした。
【００３５】
また、焦点検出エリア２０の中心部(２Ａ)から発生した光ＬAに注目すると、この光ＬAのうち、撮影光学系１１の射出瞳の左上領域を通過した成分は、開口部３Ａの左上領域とプリズム４Ａとを介して被写体像３１の一部となる。
さらに、光ＬAのうち射出瞳の右上領域を通過した成分は、開口部３Ａの右上領域とプリズム４Ｂとを介して被写体像３２の一部となる。同様に、光ＬAのうち射出瞳の左下領域と右下領域とを通過した各々の成分は、開口部３Ａの対応領域とプリズム４Ｃ,４Ｄとを介して被写体像３３,３４の一部となる。
【００３６】
すなわち、焦点検出エリア２０の中心部(２Ａ)から発生した光ＬAは、分離光学系(１３,１４)を通過する際、撮影光学系１１の射出瞳における通過位置に応じて４つの異なる方向の光に分離され、撮像素子１５の撮像面の異なる領域に導かれて、被写体像３１〜３４の一部となる。
同様に、焦点検出エリア２０の上部２Ｂから発生した光ＬBに注目すると、この光ＬBは、分離光学系(１３,１４)を通過する際、射出瞳における通過位置に応じて２つの異なる方向の光に分離され、撮像素子１５の撮像面の異なる領域に導かれ、被写体像３３,３４の一部となる。
【００３７】
焦点検出エリア２０の他の部分から発生した光も同様であり、分離光学系(１３,１４)を通過する際に、射出瞳における通過位置に応じて複数の異なる方向の光に分離され、撮像素子１５の撮像面の異なる領域に導かれて、被写体像３１〜３４のうち少なくとも２つの一部となる。
このように、分離光学系(１３,１４)を介して形成される４つの被写体像３１〜３４は、撮影光学系１１の射出瞳における通過位置に応じて分割された像と考えられる（瞳分割）。したがって、被写体像３１〜３４の一部分（特に境界付近）には、焦点検出エリア２０の同じ部分に対応する共通の絵柄が現れる（例えば図８(ａ)に示す小さい円形状の点ハッチング部分）。
【００３８】
本実施形態のデジタルカメラ１０では、撮影光学系１１の焦点検出時に、上記の分離光学系(１３,１４)を光路に挿入することで、撮像素子１５の撮像面の異なる領域に４つの被写体像３１〜３４を形成し、これらの被写体像３１〜３４における同一像の部分（共通部分）の結像状態に基づいて焦点検出を行う。
４つの被写体像３１〜３４は、何れも、撮影光学系１１の集光作用と分離プリズム１４のプリズム４Ａ,４Ｂ,４Ｃ,４Ｄの各レンズ面の集光作用によって形成される。このため、被写体像３１〜３４の結像状態は、プリズム４Ａ,４Ｂ,４Ｃ,４Ｄの各レンズ面のパワーに応じて変化する。
【００３９】
本実施形態では、プリズム４Ａのレンズ面が正のパワーを持ち、プリズム４Ｂのレンズ面が負のパワーを持ち、プリズム４Ｃ,４Ｄのレンズ面が共にほとんどパワーを持たない。このため、プリズム４Ａに対応する被写体像３１の結像状態と、プリズム４Ｂに対応する被写体像３２の結像状態と、プリズム４Ｃに対応する被写体像３３の結像状態は、互いに異なる。プリズム４Ｃ,４Ｄに対応する被写体像３３,３４の結像状態は、互いに同じである。つまり、３種類の異なる結像状態を得ることができる。
【００４０】
例えば図９(ａ),(ｂ)に示すように、プリズム４Ｃ,４Ｄからの光Ｌ3,Ｌ4が撮像素子１５の撮像面に結像して鮮明な合焦状態の被写体像３３,３４が形成されるとき、プリズム４Ａからの光Ｌ1は、プリズム４Ａのレンズ面（凸面）のパワーによって撮像面の前方（被写体側）に結像し、被写体像３１は不鮮明な非合焦状態となる。また、プリズム４Ｂからの光Ｌ2は、プリズム４Ｂのレンズ面（凹面）のパワーによって撮像面の後方に結像し、被写体像３２は不鮮明な非合焦状態となる。
【００４１】
さらに、本実施形態では、プリズム４Ｃ,４Ｄからの光Ｌ3,Ｌ4によって撮像面に形成される被写体像３３,３４の結像状態が、分離光学系(１３,１４)を光路から退避させて撮影光学系１１の集光作用のみを働かせたとき（つまり被写体の撮影時）に形成される撮影用の被写体像３５の結像状態と同じである。
このため、分離光学系(１３,１４)を光路に挿入したときに被写体像３１〜３４の各々の結像状態が図９(ａ),(ｂ)のようになっていれば、分離光学系(１３,１４)を光路から退避させ、撮影光学系１１の集光作用のみを働かせたとき（つまり被写体の撮影時）に、被写体からの光Ｌ5は撮像面に結像し、鮮明な合焦状態の被写体像３５（撮影用）を得ることができる。
【００４２】
なお、プリズム４Ｃ,４Ｄの各レンズ面（略平面）のパワーは共に等しく、撮影時と同じ結像状態の被写体像３３,３４を得られるように設定されている。プリズム４Ａのレンズ面（凸面）のパワーは、撮影光学系１１のみを介して撮像面の例えば５ｍｍ後方に結像する光が、プリズム４Ａのレンズ面により撮像面に結像するように設定される。プリズム４Ｂのレンズ面（凹面）のパワーは、撮影光学系１１のみを介して撮像面の例えば５ｍｍ前方に結像する光が、プリズム４Ｂのレンズ面によって撮像面に結像するように設定される。
【００４３】
本実施形態のデジタルカメラ１０では、プリズム４Ａ,４Ｂ,４Ｃ,４Ｄの各々のレンズ面のパワーを上記のように設定するため、被写体像３１〜３４における同一像の部分（共通部分）の結像状態に基づき、プリズム４Ｃ,４Ｄに対応する被写体像３３,３４の結像状態を目標として、撮影光学系１１の焦点検出を行うことができる。
焦点検出の際には、撮像素子１５の撮像面における４つの被写体像３１〜３４の各々のコントラストを評価値として用いる。例えば、被写体像３１〜３４の結像状態が図９(ａ),(ｂ)のようであれば、各々のコントラスト評価値は、図９(ｃ)に示す通り、被写体像３３,３４で最も高く、その他の被写体像３１,３２で低くなる。これは、上記したように、撮影光学系１１のデフォーカス量がゼロの状態である。
【００４４】
これに対し、撮影光学系１１のデフォーカス量が大きい初期状態では、例えば、図１０(ａ),(ｂ)に示す通り、プリズム４Ｂからの光Ｌ2が撮像素子１５の撮像面に結像して鮮明な合焦状態の被写体像３２を形成することがある。この場合、プリズム４Ｃ,４Ｄからの光Ｌ3,Ｌ4は撮像面の前方に結像し、被写体像３３,３４は不鮮明な非合焦状態となる。また、プリズム４Ａからの光Ｌ1は、撮像面のかなり前方に結像し、被写体像３１は大きく不鮮明な非合焦状態となる。
【００４５】
このとき、被写体像３１〜３４の各々のコントラスト評価値は、図１０(ｃ)に示す通り、被写体像３２で最も高く、被写体像３３,３４で少し低く、被写体像３１で最も低くなる。なお、被写体像３１〜３４の各々の結像状態が図１０のようになっているとき、分離光学系(１３,１４)を光路から退避させると、被写体からの光Ｌ5は撮像面より前方（光Ｌ3,Ｌ4と同じ位置）に結像し、撮影用の被写体像３５は不鮮明な非合焦状態となる。
【００４６】
また、例えば、図１１(ａ),(ｂ)に示す通り、プリズム４Ａからの光Ｌ1が撮像素子１５の撮像面に結像して鮮明な合焦状態の被写体像３１を形成することもある。この場合、プリズム４Ｃ,４Ｄからの光Ｌ3,Ｌ4は撮像面の後方に結像し、被写体像３３,３４は不鮮明な非合焦状態となる。また、プリズム４Ｂからの光Ｌ2は、撮像面のかなり後方に結像し、被写体像３２は大きく不鮮明な非合焦状態となる。
【００４７】
このとき、被写体像３１〜３４の各々のコントラスト評価値は、図１１(ｃ)に示す通り、被写体像３１で最も高く、被写体像３３,３４で少し低く、被写体像３２で最も低くなる。なお、被写体像３１〜３４の各々の結像状態が図１１のようになっているとき、分離光学系(１３,１４)を光路から退避させると、被写体からの光Ｌ5は撮像面より後方（光Ｌ3,Ｌ4と同じ位置）に結像し、撮影用の被写体像３５は不鮮明な非合焦状態となる。
【００４８】
そして、撮影光学系１１の焦点検出を行う際には、撮像面における４つの被写体像３１〜３４の各々のコントラスト評価値を求め、その値の大小関係と、事前に分かっている光Ｌ1〜Ｌ5の結像位置関係とに基づいて、撮影光学系１１のデフォーカスの量と方向を求める。
例えば図１０の場合には、被写体像３２のコントラスト評価値が最も高いため、被写体像３２の形成に関わる光Ｌ2の結像位置と目標である被写体像３３,３４の形成に関わる光Ｌ3,Ｌ4の結像位置とのずれ量（既知）に基づいて、撮影光学系１１のデフォーカスの量と方向を求める。
【００４９】
また、図１１の場合には、被写体像３１のコントラスト評価値が最も高いため、被写体像３１の形成に関わる光Ｌ1の結像位置と目標である被写体像３３,３４の形成に関わる光Ｌ3,Ｌ4の結像位置とのずれ量（既知）に基づいて、撮影光学系１１のデフォーカスの量と方向を求める。
そして、求めたデフォーカスの量と方向に応じて、撮影光学系１１の合焦機構部（不図示）を駆動し、図９に示すように被写体像３３,３４を撮像面に略合焦させる。このとき、被写体像３３,３４のコントラスト評価値が最大となり、分離光学系(１３,１４)を光路から退避させたときに、鮮明な合焦状態の被写体像３５（撮影用）を撮像面に形成することができる。
【００５０】
上記したように、本実施形態のデジタルカメラ１０では、焦点検出用の分離光学系(１３,１４)を駆動し、被写体の撮影時には撮影光学系１１の光路から退避させ、焦点検出時には撮影光学系１１の光路に挿入する。このため、焦点検出時には、クイックリターンミラー１２からの光Ｌ0（図２）を、撮影光学系１１の射出瞳における通過位置に応じて、複数の方向の光Ｌ1〜Ｌ4に分離することができる。さらに、これらの光Ｌ1〜Ｌ4のうち少なくとも２つ（上記では光Ｌ1,Ｌ2,Ｌ3）を互いに異なる集光状態に設定した後、撮像素子１５の撮像面の異なる領域に導くことができる。
【００５１】
したがって、本実施形態のデジタルカメラ１０によれば、撮像素子１５の撮像面の異なる領域に、結像状態の異なる４つの被写体像３１〜３４を形成することができ、これらの被写体像３１〜３４における同一像の部分（共通部分）の結像状態に基づいて焦点検出を行うことができる。このとき、結像状態の異なる被写体像３１〜３４に基づいて、同時に複数の画像を取得でき、高速に焦点検出を行える。
【００５２】
さらに、撮影用の撮像素子１５は、その有効画素領域の全画素にカラーフィルタが配置され、従来のような焦点検出用の画素（カラーフィルタがなく２つの光電変換部を有する画素）が撮像素子１５の中に配置されることはない。つまり、本実施形態では、撮影用の撮像素子１５に焦点検出用の画素を配置せずに、その撮像素子１５を利用して高速に焦点検出を行うことができる。
【００５３】
また、本実施形態のデジタルカメラ１０では、被写体像３１〜３４のコントラスト評価値を３点以上で求めることができるので、撮影光学系１１のデフォーカスの量と方向とを簡単に求めることができる。なお、コントラスト評価値の極大値を関数フィッティングなどによって求め、その極大値を利用してデフォーカスの量と方向とを求めてもよい。
さらに、本実施形態のデジタルカメラ１０では、プリズム４Ｃ,４Ｄ（共にレンズ面が略平面）に対応する被写体像３３,３４（結像状態が同じ像）を比較することで、より精密なＡＦも可能である。この場合、焦点検出の方式としては、瞳分割位相差方式を用いることが考えられる。
【００５４】
例えば、上記した３点のコントラスト評価値による焦点検出で撮影光学系１１の焦点合わせ（粗調整）を行った後、さらに精度を向上させるため、結像状態が同じ２つの被写体像３３,３４（既に高コントラスト）を瞳分割位相差方式によって比較し、焦点検出の微調整を行う。
２つの被写体像３３,３４が分離プリズム１４によって理想的に分離される間隔は既知であるため、この理想的な間隔と実際の被写体像３３,３４のコントラストピークの間隔（図１２(ａ),(ｂ)の距離Ｄ7,Ｄ8）とを比較して、その大小関係から、微細なデフォーカスの量と方向を求めればよい（図１２(ｃ)）。そして、撮影光学系１１の合焦機構部を微調整して撮像面に正確に合焦させる。
【００５５】
なお、図１２(ａ)は、２つの被写体像３３,３４に関わる光Ｌ3,Ｌ4が撮像面の少し前方に結像している場合であり、２つの被写体像３３,３４のコントラストピークの間隔Ｄ7は理想的な間隔より若干狭くなる。図１２(ｂ)は、光Ｌ3,Ｌ4が撮像面の少し後方に結像している場合であり、被写体像３３,３４のコントラストピークの間隔Ｄ8は理想的な間隔より若干広くなる。
【００５６】
また、上記した３点のコントラスト評価値によって求めたデフォーカス量が初期状態で十分に小さい場合には、そのデフォーカス量などに応じた撮影光学系１１の合焦機構部の調整を行わずに、上記の瞳分割位相差方式によって微細なデフォーカス量を求め、これに基づいて撮影光学系１１の合焦機構部の微調整を行ってもよい。この場合には、より高速に焦点合わせを行える。
【００５７】
さらに、本実施形態のデジタルカメラ１０では、ＡＦ絞り１３の開口部３Ａによって焦点検出エリア２０（図４(ａ)）が固定され、撮像素子１５の撮像面からの読み出し領域も固定されるので、撮像素子１５としてＣＭＯＳセンサを用い、必要な領域のみから高速に信号を読み出すことが好ましい。この場合、より高速な焦点検出が可能となる。
また、本実施形態では、撮像素子１５上で複数の画像を取得して焦点検出を行うため、焦点検出の際には、撮像素子１５によるライブビュー機能を使用できない。逆に、ライブビュー機能による観察を優先すると、本実施形態の高速焦点検出を行うことができない。ライブビュー機能による観察時には高速焦点検出の必要性が極めて低いため、分離光学系(１３,１４)を光路から退避させて、従来より周知の撮像素子１５によるコントラスト方式で焦点検出を行えばよい。この場合、撮影光学系１１を動かしながら焦点の異なる複数枚の画像を連続的に取得し、焦点検出エリアでデフォーカスの量と方向を求め、被写体像のコントラストが最大となるように撮影光学系１１を追従させる。複数枚の画像を取得するため、焦点検出に時間が掛かるが、確実に焦点検出を行うことができる。
【００５８】
さらに、本実施形態では、クイックリターンミラー１２より後方（撮像素子１５側）に分離光学系(１３,１４)を設置したので、被写体の撮影前に、ファインダ光学系１６による観察を支障なく行える。ファインダ光学系１６による視認の際には、ライブビュー機能は必要ないので、分離光学系(１３,１４)により高速焦点検出が実用上可能になる。
（変形例）
上記した実施形態では、瞳分割位相差方式によって高精度な焦点検出（図１２）を行うために、分離プリズム１４の２つのプリズム４Ｃ,４Ｄのレンズ面を共に略平面にしたが、本発明はこれに限定されない。プリズム４Ａと同様の凸面（またはプリズム４Ｂと同様の凹面）を２つ設け、同じ結像状態の２つの被写体像を形成し、それらを使って瞳分割位相差方式による高精度な焦点検出を行ってもよい。この場合でも、同じ結像状態の２つの被写体像を比較するため、瞳分割位相差方式による微調整を良好に行える。ただし、瞳分割位相差方式では２つのレンズ面に付加するパワーを小さくする方が好ましい。
【００５９】
また、上記した実施形態では、瞳分割位相差方式によって高精度な焦点検出（図１２）を行う例で説明したが、本発明はこれに限定されない。その他、例えばプリズム４Ｃ,４Ｄのレンズ面に付加するパワーに若干差を付け、僅かに結像位置をずらした２つの被写体像をコントラスト評価値によって比較し、微細なデフォーカス量と方向を求めてもよい。このようなコントラスト方式と瞳分割位相差方式とを組み合わせて、より高精度な焦点検出を行うこともできる。
【００６０】
さらに、プリズム４Ｃ,４Ｄのレンズ面のパワーに若干差を付ける場合には、一方のレンズ面によって撮影用の被写体像と同じ結像状態の被写体像を形成し、他方のレンズ面によって撮影用の被写体像とは結像状態が僅かに異なる被写体像を形成することが好ましい。このようにすれば、上記の高精度な焦点検出を行う前に、撮影用の被写体像と同じ結像状態の被写体像を目標に焦点検出を行える。撮影用の被写体像と同じ結像状態の被写体像の数は１つで構わない。
【００６１】
また、上記した実施形態では、４つのプリズム４Ａ,４Ｂ,４Ｃ,４Ｄを組み合わせた分離プリズム１４を例に説明したが、プリズムの数は２個以上なら何個でもよい。
さらに、上記した実施形態では、ＡＦ絞り１３に１つの開口部３Ａを設けて、撮影光学系１１の光軸上の１箇所に焦点検出エリア２０を設定したが、本発明はこれに限定されない。開口部３Ａの中心３Ｂを軸外に位置決めして焦点検出エリアを軸外に設定してもよい。また、分離光学系(１３,１４)の挿入場所や撮像素子１５の撮像面における被写体像の形成領域が許せば、ＡＦ絞り１３に複数の開口部を設けて、複数の焦点検出エリアを設定してもよい。
【００６２】
さらに、上記した実施形態では、クイックリターンミラー１２の後方に分離光学系(１３,１４)を設置したが、分離光学系(１３,１４)をクイックリターンミラー１２より前方（撮影レンズ１１側）に設置してもよい。
また、上記した実施形態では、一眼レフタイプのデジタルカメラ１０を例に説明したが、コンパクトタイプのデジタルカメラやビデオカメラなどにも本発明を適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】デジタルカメラ１０の全体構成を示す概略図である。
【図２】被写体からの光の光路を説明する図である。
【図３】ＡＦ絞り１３の構成を説明する図である。
【図４】焦点検出エリア２０と各部からの光ＬA,ＬB,ＬCを説明する図である。
【図５】光ＬA,ＬB,ＬCの断面を説明する図である。
【図６】ＡＦ絞り１３と光ＬA,ＬB,ＬCの断面との配置関係を説明する図である。
【図７】分離プリズム１４の構成を説明する図である。
【図８】撮像面に形成された複数の被写体像３１〜３４を説明する図である。
【図９】被写体像３１〜３４の結像状態とコントラスト評価値を説明する図である。
【図１０】被写体像３１〜３４の結像状態とコントラスト評価値を説明する図である。
【図１１】被写体像３１〜３４の結像状態とコントラスト評価値を説明する図である。
【図１２】被写体像３３,３４の間隔を説明する図である。
【符号の説明】
【００６４】
１０ デジタルカメラ ; １１ 撮影光学系 ; １３ ＡＦ絞り ; ３Ａ 開口部 ; １４ 分離プリズム ; ４Ａ〜４Ｄ プリズム ; １５ 撮像素子 ; ２０ 焦点検出エリア ; ２３,３１〜３４ 被写体像
【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】
2008026351.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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