(57)【要約】【課題】  複屈折を利用した従来技術の光学ローパスフィルタは、複数枚の複屈折材を積層した構造にする必要があり、モアレなど画質劣化の原因となった。また、コスト低減や小型化の面でも大きな課題があった。【解決手段】  カメラレンズと、被写体からの光を電気信号に変換する光電変換部を有する複数の単位画素からなる固体撮像素子と、前記被写体からの光を前記カメラレンズによって前記固体撮像素子に結像させるための焦点位置を検出する焦点検出手段と、前記カメラレンズを所定の位置に動かす焦点制御手段とを有する電子カメラにおいて、前記焦点制御手段は、前記焦点検出手段が出力する前記焦点位置からずれた位置に前記カメラレンズを動かすことを特徴とする。【選択図】    図１
2007140176.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カメラレンズと、
被写体からの光を電気信号に変換する光電変換部を有する複数の単位画素からなる固体撮像素子と、
前記被写体からの光を前記カメラレンズによって前記固体撮像素子に結像させるための焦点位置を検出する焦点検出手段と、
前記カメラレンズを所定の位置に動かす焦点制御手段と
を有する電子カメラにおいて、
前記焦点制御手段は、前記焦点検出手段が出力する前記焦点位置からずれた位置に前記カメラレンズを動かすことを特徴とする電子カメラ。
【請求項２】
請求項１記載の電子カメラにおいて、
前記焦点検出手段は二次結像位相差検出方式によるオートフォーカスシステムであることを特徴とする電子カメラ。
【請求項３】
請求項１記載の電子カメラにおいて、
前記焦点検出手段は前記固体撮像素子から得られる画像信号を処理して焦点位置を検出することを特徴とする電子カメラ。
【請求項４】
請求項１記載の電子カメラにおいて、
前記固体撮像素子をＣＭＯＳ型の固体撮像素子とし、
前記焦点検出手段は前記ＣＭＯＳ型の固体撮像素子から得られるオートフォーカス信号を処理して焦点位置を検出することを特徴とする電子カメラ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電子カメラにおいて、
前記焦点制御手段は、前記焦点検出手段が検出した焦点位置から、前記固体撮像素子面に結像する焦点のずれ量が前記単位画素のピッチの０．５〜１．５画素分ずれる位置に、前記カメラレンズの焦点をずらすことを特徴とする電子カメラ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電子カメラにおいて、
前記カメラレンズと前記固体撮像素子との間に光学的ローパスフィルタが無いことを特徴とする電子カメラ。
【請求項７】
請求項４記載の電子カメラにおいて、
前記焦点検出手段は、前記ＣＭＯＳ型の固体撮像素子の単位画素の前記光電変換部が出力する電気信号を任意の間引き間隔で読み出して焦点位置を検出し、
前記焦点制御手段は、前記焦点検出手段が読み出す間引き間隔の画素ピッチに対応したずれ量になるように、前記カメラレンズの焦点をずらすことを特徴とする電子カメラ。
【請求項８】
請求項４記載の電子カメラにおいて、
前記焦点制御手段は、前記ずれ量が前記間引き間隔の画素ピッチの０．５〜１．５倍になる位置に前記カメラレンズの焦点をずらすことを特徴とする電子カメラ。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の電子カメラにおいて、
前記焦点制御手段に前記カメラレンズの焦点を焦点位置からずらすか否かを設定する焦点動作設定手段を設け、
前記焦点制御手段は前記焦点動作設定手段の状態に基づいて、前記カメラレンズの焦点を制御することを特徴とする電子カメラ。
【請求項１０】
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の電子カメラにおいて、
前記固体撮像素子から読み出された画像信号の高周波成分を検出する高周波成分検出手段を設け、
前記焦点制御手段は、前記高周波成分検出手段が検出する高周波成分が所定値より高い場合は前記カメラレンズの焦点を焦点位置からずらし、高周波成分が所定値より低い場合は前記カメラレンズの焦点を焦点位置からずらさないようにすることを特徴とする電子カメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焦点検出が可能な電子カメラに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＣＤ（Ｃharge Ｃoupld Ｄevice)型やＣＭＯＳ（Ｃomplementary Ｍetal Ｏxide Ｓemiconductor)型（或いは増幅型と呼ばれる）などの固体撮像素子を用いたビデオカメラや電子カメラが広く一般に普及している。固体撮像素子は複数の単位画素が二次元アレイ状に配置され、単位画素は受ける光を電気信号に変換する光電変換部や各単位画素が出力する電気信号を読み出すための信号線などで構成されている。固体撮像素子を用いたビデオカメラや電子カメラの撮影レンズによって入射される被写体からの光は、単位画素毎に配置されたマイクロレンズによって、光電変換部以外の単位画素に入射する光を無駄なく光電変換部に集光させ、受光量を増大させるようになっている。さらに、カラー映像を得るためにＲＧＢ（赤緑青）や補色系の各色のカラーフィルタが、ベイヤー配列やストライプ配列などで規則的に光電変換部の上に配置されている。
【０００３】
固体撮像素子は、複数の単位画素が一定のピッチで二次元アレイ状に規則正しく配置された構造をしており、画像を取り込む際には、被写体を空間的にサンプリングしていることになるので、固体撮像素子で取り扱える画像の細かさは、固体撮像素子の配列ピッチによって決まり、それ以上の高周波成分が含まれた被写体画像からは折り返しによる偽信号が発生する。また、カラーの固体撮像素子では画素配列上に例えばベイヤー配列などでカラーフィルタが配置されているため、各色が色モアレなどの偽信号を生じることなくサンプリングできる空間周波数はさらに半減する。このため、固体撮像素子の光学系では、このような偽信号の発生を防ぐために光学ローパスフィルタを配置している。
【０００４】
ここで、従来技術による複屈折型光学ローパスフィルタの原理を図１０を用いて説明する。図１０において、９０１は水晶などの複屈折材、９０２は入射光、９０３および９０４は入射光９０２が複屈折材９０１によって分離した常光線と異常光線、ｄは分離幅、ｔは複屈折材９０１の厚さをそれぞれ示す。分離幅ｄは光学軸に対して、入射光９０２が複屈折材９０１に４５度で入射する場合に最大となり、その値は、常光線の屈折率をｎ0異常光線の屈折率をｎe、複屈折材の厚さをｔとすると、式（１）で示される。
【０００５】
ｄ＝｛（ｎe2−ｎ02）／（２×ｎe×ｎ0）｝×ｔ  ・・・（１）
式（１）において、複屈折材の厚さｔを制御することにより常光線９０３と異常光線９０４との分離幅ｄを、また、光学軸の方向を制御することにより、分離の方向を自由に制御することができる。また、二次元空間的に入射光を分離するためには、複数枚の複屈折板を重ねて、モアレを効果的に抑えるように設計することができる。例えば、ある画素サイズの正方画素の固体撮像素子に対して、単位画素のピッチが１０μｍのナイキスト周波数でＭＴＦ（Ｍodulation Ｔransfer Ｆunction）がゼロ点になるように、水晶を用いた光学ローパスフィルタを設計する場合について図１１を用いて説明する。図１１（ａ）と（ｂ）は異なる構造の光学ローパスフィルタの例を示しており、図１１（ａ）において、１５０はｘ方向に光を分離する複屈折材、１５１は１／４波長板、１５２はｙ方向に光を分離する複屈折材、１５３は固体撮像素子、１５４はｘｙ投影面上でｘ方向と平行な結晶の光軸、１５５はｘｙ投影面上でｙ方向と平行な結晶の光軸、１５６は入射光線、１５７は分離前の入射光線のｘｙ投影面上の様子、１５８は複屈折材１５０を通過後の様子、１５９は複屈折材１５２を通過後の様子、１６０は撮像面をそれぞれ示している。
【０００６】
水晶を用いた光学ローパスフィルタの場合、板厚が１．５３５ｍｍのときに図１０（ａ）の常光線９０３と異常光線９０４との分離幅ｄが１０μｍになることが分かっているので、複屈折材１５０の光軸をｘ方向と平行に配置し、その膜厚を１．５３５ｍｍとすることによって、ｘｙ投影面上の様子１５８に示したように入射光がｘ方向に１０μｍ分離する。さらに、複屈折材１５０を通過した光が１／４波長板１５１で円偏光になり、複屈折材１５２の膜厚も１．５３５ｍｍとすることによって、ｘｙ投影面上の様子１５９に示したように入射光がｙ方向に１０μｍ分離する。
【０００７】
このように、従来の光学ローパスフィルタは、光軸が互いにｘ方向とｙ方向で直交する複屈折材二枚で１／４波長板を挟んだ構造にすることによって、単位画素のピッチが１０μｍのナイキスト周波数でＭＴＦがゼロ点になる光学ローパスフィルタを実現することができる。
ところが、通常の光学ローパスフィルターは、カバーガラスとカメラレンズとの間に配置され、図１１（ａ）の３層分に加えて赤外線カットフィルタを張り合わせた４層以上の構造になっている。例えば、画素ピッチが１０μｍの場合には、図１１（ａ）で説明したように、少なくとも１．５ｍｍ以上の厚さにしなければならず、光学ローパスフィルタ全体の厚さは５ｍｍ程度になってしまう。
【０００８】
また、図１１（ｂ）に示すように、ｘ方向より４５度傾いた方向に光を分離する結晶の光軸１６４を持つ光学ローパスフィルタ１６１を用いることによって、ｘｙ投影面上の様子１６２に示したように入射光が４５度傾いた方向に１０μｍ分離し、最終的にｘｙ投影面上の様子１６３に示したような点像が得られるので、１／４波長板を不要にすることも可能である。しかし、ｙ方向の分離幅が７．０７μｍになってしまうため、ｙ方向の分離幅を１０μｍにするためには板厚を１．５３５ｍｍから２．１７１ｍｍにしなければならず、結局、光学ローパスフィルタ全体の厚さはそれほど薄くできない。
【０００９】
近年のデジタルカメラの小型化の流れの中で、光学ローパスフィルタの薄膜化は重要な課題になっている。また、水晶などで構成する光学ローパスフィルタは部材コストや製造コストなどコスト面での課題も大きい。このような課題を解決するために、特許文献１では、光学ローパスフィルタの薄膜化、低価格化を目的として、回折格子型の光学ローパスフィルタが提案されている。
【特許文献１】特開平３−１６７５３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、複屈折材を利用した従来技術による光学ローパスフィルタは、ローパス効果が得られる方向が限られているので、図１１（ａ）で説明したように、ローパス効果を得たい方向分の数の複屈折板が必要となり、１／４波長板を含めて複数枚の複屈折板を積層しなければならず、光学ローパスフィルタ全体の厚さが厚くなってしまうという課題があった。１／４波長板を使用しない図１１（ｂ）の場合でも、同じ効果を得るためには、先に説明したように、複屈折板を厚くする必要があり、結局、光学ローパスフィルタ全体の厚さはそれほど薄くならない。
【００１１】
また、特許文献１に記載の回折格子型の光学ローパスフィルタは、従来よりも薄くできるが、固体撮像素子との位置合わせに画素ピッチ相当の精度が要求され、精度が悪い場合には、回折格子模様が撮像した画像に写り込んでしまうなどの問題が生じる。また、光学ローパスフィルタと撮像面との間が、複屈折型のものと比べて撮像面に非常に近い為に、スポット光などの強い光が入射した際に、その光が光学ローパスフィルタに反射して、再び撮像面に戻った時に生じるリング状フレアが画像に写り込むなど、原理的な問題も生じる。
【００１２】
さらに、従来の光学ローパスフィルタを用いた構成は、組み立て時のゴミ付着の問題や、水晶など複屈折材の材料コスト並びに製造コストなど、コスト低減の面でも大きな課題が残る。
本発明は、電子カメラのＡＦ（オートフォーカス）機能を利用することによって、従来の光学ローパスフィルタと同等の効果を得ることができる固体撮像素子およびこれを用いた電子カメラを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の電子カメラは、カメラレンズと、被写体からの光を電気信号に変換する光電変換部を有する複数の単位画素からなる固体撮像素子と、前記被写体からの光を前記カメラレンズによって前記固体撮像素子に結像させるための焦点位置を検出する焦点検出手段と、前記カメラレンズを所定の位置に動かす焦点制御手段とを有する電子カメラにおいて、前記焦点制御手段は、前記焦点検出手段が出力する前記焦点位置からずれた位置に前記カメラレンズを動かすことを特徴とする。
【００１４】
特に、前記焦点検出手段は二次結像位相差検出方式によるオートフォーカスシステムであることを特徴とする。
或は、前記焦点検出手段は前記固体撮像素子から得られる画像信号を処理して焦点位置を検出することを特徴とする。
特に、前記固体撮像素子をＣＭＯＳ型の固体撮像素子とし、前記焦点検出手段は前記ＣＭＯＳ型の固体撮像素子から得られるオートフォーカス信号を処理して焦点位置を検出することを特徴とする。
【００１５】
また、前記焦点制御手段は、前記焦点検出手段が検出した焦点位置から、前記固体撮像素子面に結像する焦点のずれ量が前記単位画素のピッチの０．５〜１．５画素分ずれる位置に、前記カメラレンズの焦点をずらすことを特徴とする。
さらに、前記カメラレンズと前記固体撮像素子との間に光学的ローパスフィルタが無いことを特徴とする。
【００１６】
また、前記焦点検出手段は、前記ＣＭＯＳ型の固体撮像素子の単位画素の前記光電変換部が出力する電気信号を任意の間引き間隔で読み出して焦点位置を検出し、前記焦点制御手段は、前記焦点検出手段が読み出す間引き間隔の画素ピッチに対応したずれ量になるように、前記カメラレンズの焦点をずらすことを特徴とする。
特に、前記焦点制御手段は、前記ずれ量が前記間引き間隔の画素ピッチの０．５〜１．５倍になる位置に前記カメラレンズの焦点をずらすことを特徴とする。
【００１７】
さらに、前記焦点制御手段に前記カメラレンズの焦点を焦点位置からずらすか否かを設定する焦点動作設定手段を設け、前記焦点制御手段は前記焦点動作設定手段の状態に基づいて、前記カメラレンズの焦点を制御することを特徴とする。
或は、前記固体撮像素子から読み出された画像信号の高周波成分を検出する高周波成分検出手段を設け、前記焦点制御手段は、前記高周波成分検出手段が検出する高周波成分が所定値より高い場合は前記カメラレンズの焦点を焦点位置からずらし、高周波成分が所定値より低い場合は前記カメラレンズの焦点を焦点位置からずらさないようにすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の電子カメラは、焦点検出手段から得られた焦点位置から焦点をずらすことによって、固体撮像素子の画素ピッチに起因する折り返し歪の発生を抑制し、従来の光学ローパスフィルタと同等の効果を得ることができるので、高価な光学ローパスフィルタを不要にすることができる。従って、カメラの組立て工程における光学ローパスフィルタの組み込み工数の省略や、光学ローパスフィルタの欠陥などに起因する歩留りの低下を無くすことができ、大幅なコストダウンを実現することができる。さらに、光学ローパスフィルタが占有していたカメラ内のスペースが不要になるため、カメラの軽量化や小型化が可能になる。
【００１９】
また、光学ローパスフィルタでは不可能であったが、ローパスフィルタの効果を自由に制御することが可能となる。特に、固体撮像素子から読み出す解像度を可変する場合に、解像度に合わせた最適なローパスフィルタの特性に設定することもできる。さらに、ローパスフィルタの効果を解除する手段を設けることによって、例えば天文写真など空間的な高周波成分が無い被写体など、ローパス効果を必要としない被写体を撮影する場合には、合焦位置にレンズを配置し、ローパス効果が発現しないように設定することにより、固体撮像素子本来の限界解像度まで性能を引き出すことができ、画質を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
（第１の実施形態）
以下、本発明による電子カメラについて、図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施形態の電子カメラのブロック図で、ＡＦ用のモジュールを搭載しているカメラである。図１において、１０１は電子カメラ、１０２はカメラレンズ、１０３はハーフミラー、１０４はファインダ用プリズム、１０５はファインダ、１０６は固体撮像素子、１０７はＪＰＥＧ（Ｊoint Ｐhotographic Ｅxperts Ｇroupの略で画像圧縮方式の一つ）などの画像圧縮を行う画像処理部、１０８はカメラシステム制御部、１０９は記憶部、１１０はメモリカード、１１１はシャッターボタンやフラッシュ設定などの操作を行う操作パネル、１１２は撮影中の画像や撮影済みの画像を表示する液晶表示部、１１３は焦点検出部、１１４はレンズ制御部、１１５は焦点検出用ハーフミラーをそれぞれ示している。尚、本電子カメラには光学ローパスフィルタは無い。
【００２１】
被写体からの光はカメラレンズ１０２を介してハーフミラー１０３に入り、一部はファインダ用プリズム１０４へ反射され、透過した光は焦点検出用ハーフミラー１１５に入り、その一部は焦点検出部１１３に反射され、透過した光は固体撮像素子１０６に結像される。固体撮像素子１０６上に結像された光は電気信号に変換されて画像信号として画像処理部１０７に出力される。画像処理部１０７は色補正や画像圧縮など適切な画像処理を行ってカメラシステム制御部１０８に画像信号を出力する。カメラシステム制御部１０８は受け取った画像信号を記憶部１０９に出力し、一時的に画像信号を記憶すると共に、必要に応じてメモリカード１１０に画像信号を保存する。カメラシステム制御部１０８は、操作パネル１１１の操作に従って、記憶部１０９に一時的に記憶された画像信号を読み出して、液晶表示部１１２に画像を表示する。ここで、カメラシステム制御部１０８はソフトウェアによってプログラムされ、電子カメラ１０１全体の制御を行うようになっている。
【００２２】
一方、焦点検出部１１３は焦点位置を検出してカメラシステム制御部１０８に出力する。カメラシステム制御部１０８は焦点検出部１１３から受け取った焦点位置にカメラレンズ１０２を駆動し、焦点を合わせるようレンズ制御部１１４に指示する。
通常のカメラシステムでは、非特許文献１に紹介されているような自動的に焦点を検出するための焦点検出素子が使用されている。ここで、焦点検出用ハーフミラー１１５および焦点検出部１１３で構成されるＡＦ用モジュールの動作について図２を用いて説明する。図２（ａ）は、従来の一眼レフカメラで使用されているパッシブ型ＡＦシステムの二次結像位相差検出方式の原理を示した図で、２００は被写体、２０１および２０２は被写体からカメラレンズ１０２を介して入射される光束、２０３は焦点検出部１１３の中にあるコンデンサレンズ、２０４は絞りマスク、２０５および２０６は二次結像レンズ、２０７および２０８は焦点検出用のリニアセンサ、２０９は焦点検出用ハーフミラー１１５で反射された時の固体撮像素子１０６の結像位置に相当する共役撮像素子面である。図２（ｂ）は焦点検出を説明するための図で、２１０は焦点が合った時の合焦位置、２１１はピントが前にずれた時の前ピン位置、２１２はピントが後ろにずれた時の後ピン位置をそれぞれ示している。
【００２３】
図２（ａ）において、被写体２００から入射した光束２０１および２０２はカメラレンズ１０２および焦点検出用ハーフミラー１１５を介して固体撮像素子１０６に結像し、光束２０１および２０２の一部は焦点検出用ハーフミラー１１５で反射されて焦点検出部１１３のコンデンサレンズ２０３，絞りマスク２０４および二次結像レンズ２０５および２０６を介して２つのリニアセンサ２０７および２０８に結像するようになっている。尚、実際の一眼レフカメラでは、図１に示したように、カメラレンズ１０２と固体撮像素子１０６との間に別のハーフミラー１０３によってファインダ１０５ヘと光束が分割され、撮影者が撮影しようとする被写体を確認できるようなシステムになっているが、図２のＡＦモジュールの説明では省略している。
【００２４】
次に、焦点検出部１１３の動作について説明する。被写体２００から光束２０１および２０２が固体撮像素子１０６に結像している時、同様に焦点検出部１１３の共役撮像素子面２０９にも結像されており、コンデンサレンズ２０３を通った光は、絞りマスク２０４で光束２０１の部分と光束２０２の部分とに分けられ、二次結像レンズ２０５によって光束２０２がリニアセンサ２０７に結像され、二次結像レンズ２０６によって光束２０１がリニアセンサ２０８にそれぞれ結像される。今、焦点が合っている場合は、図２（ｂ）の合焦位置２１０に出力値のピークが現れ、前ピンの場合には前ピン位置２１１に、後ピンの場合には後ピン位置２１２に、それぞれピークが現れる。ピーク位置のずれ量は、焦点のずれ量つまりデフォーカス量に比例するので、ずれの方向やずれ量からデフォーカス量が算出できる。カメラシステム制御部１０８は、この算出値に基づいて、レンズ制御部１１４にカメラレンズ１０２を駆動するよう指示し、レンズ制御部１１４は合焦位置２１０にカメラレンズ１０２を動かす。このようにして、電子カメラ１０１のＡＦスシステムを実現することができる。
【００２５】
次に、図３を用いて、カメラ撮像時の合焦状態および、前ピン、後ピン状態について説明する。被写体３００からの光束３０１はカメラレンズ３０２の全瞳を通って固体撮像素子面の合焦位置３０７に結像される。この状態が固体撮像素子面の合焦位置３０７に焦点が合っている合焦状態である。ところが、前ピン位置では、固体撮像素子３０３は点線３０５に位置するのと同じ状態になる。ここで、実際には固体撮像素子３０３が動くのではなく、カメラレンズ３０２が動くのだが、分かり易いように、固体撮像素子３０３を動かした状態を図示している。今、固体撮像素子３０３が点線３０５に位置すると、光束３０１は固体撮像素子面の前ピン位置３０８上の１点に収束せず、画像がボケた状態になる。同様に、後ピン状態では、固体撮像素子３０３は点線３０４に位置するのと同じ状態になる。固体撮像素子３０３が点線３０４に位置すると、光束３０１は固体撮像素子面の後ピン位置３０９上の１点に収束せず、前ピン位置と同様に画像がボケた状態になる。
【００２６】
ここで、画像がボケた状態とは、ローパスフィルタを通した状態と同じであると考えることができる。この点に関して、図３（ｂ）を用いて詳しく説明する。図３（ｂ）は、図３（ａ）の１点鎖線で丸く囲んだ３０６の部分を拡大した図で、３１０および３１１は被写体の隣接した２つの部分から来た光線を示しており、図３（ａ）の光束３０１に相当するものである。従って、光線３１０も光線３１１も共に合焦状態では、それぞれの光線は固体撮像素子面の合焦位置３０７上の一点に結像されている。後ピン状態の固体撮像素子面の後ピン位置３０９上ではずれ量３１３だけ焦点がずれ、前ピン位置の固体撮像素子面の前ピン位置３０８上ではずれ量３１２だけ焦点がずれる。例えば、固体撮像素子面の前ピン位置３０８上の３１４で示した部分では、光線３１０と光線３１１とが重なるので画像がボケて、複屈折材の光学ローパスフィルタと同等のローパス効果が得られる。尚、後ピン状態あるいは前ピン位置のいずれにおいても、同様の効果が得られることは上記より明らかである。
【００２７】
本発明は、このような原理を利用してローパス効果を得るので、デフォーカス量を制御することによってローパス効果を制御することができ、デフォーカス量を大きくしてローパス効果を強めたり、逆にデフォーカス量を小さくしてローパス効果を弱めたり、場合によっては、デフォーカス量をゼロにしてローパス効果を無くすことも可能となる。これに対して、従来技術による光学ローパスフィルタは、電子カメラの設計時点でローパス効果の特性が決まってしまうため、撮影時にローパス効果を自由に制御することは難しい。
【００２８】
次に、本実施例の効果を説明するために、複屈折材料を利用した従来技術による光学ローパスフィルタの原理を図１０（ｂ）を用いて説明する。図１０（ｂ）において、９０７および９０８は、被写体上の隣接した２つの部分から来た光線を示している。光線９０７および９０８は、複屈折材による光学ローパスフィルタ９０５を通過する際に、光線９０７は光線９０９と光線９１０とに分離され、光線９０８は光線９１１と光線９１２とに分離されて、分離されたそれぞれの光線は撮像面９０６上に集光される。この時、９１４で示した部分において光線９１０と光線９１１とが重なるように、光学ローパスフィルタ９０５の厚さなどが設計される。このようにして、従来技術による光学ローパスフィルタは、固体撮像素子面９０６上で画像がボケてローパス効果が得られる。ところが、このような単純なローパスフィルタでは、一方向つまり一次元でしかローパス効果が得られないので、実際には、複数の方向の複屈折材を組み合わせて実現する必要があり、厚くなってしまう。また、９１３は光線９０７が分離される幅を示しているが、図１０（ａ）で説明したように、分離幅９１３は光学ローパスフィルタ９０５の複屈折材の厚さに比例するので、一般に、固体撮像素子の単位画素の画素ピッチ程度に設計している。従って、複屈折材を利用した光学ローパスフィルタは、設計時点でナイキスト周波数が固定され、撮影時に自由に変更することができない。
【００２９】
このように、従来技術による光学ローパスフィルタは、撮影時にローパス効果を自由に制御することが難しかったが、本実施形態では、デフォーカス量を制御することによって、ローパス効果を強めたり、逆に弱めたり、場合によってはローパス効果を無くすことも可能となる。また、原理的に本実施形態のローパス効果はマトリクス状に配置された単位画素の全方向に現れるので、複屈折材を使用した光学ローパスフィルタのようなモアレを生じない自然なローパスフィルタを実現することができる。しかも、高価な光学ローパスフィルタを必要としないので、電子カメラのコスト低減が実現でき、さらに、光学ローパスフィルタのスペースが無くなるので、電子カメラの軽量化や小型化も可能になる。
【００３０】
（第２の実施形態）
本発明の電子カメラの第２の実施形態について、図４を用いて説明する。第１の実施形態との違いは、電子カメラ４０１は、図１の電子カメラ１０１にあった焦点検出用ハーフミラー１１５が無いこと、その代わりに、固体撮像素子１０６の出力が焦点検出部４０２に入力されている点である。第２の実施形態による電子カメラ４０１は、固体撮像素子１０６の出力から焦点位置を検出するもので、焦点検出用ハーフミラー１１５など光学系の部材やＡＦ専用のＡＦモジュールが不要となる。また、固体撮像素子１０６から読み出した複数の単位画素の出力を焦点検出部４０２が処理することによって、焦点位置を検出するので、読み出し方を変えることによって、高速化などにも対応できるようになっている。尚、図４において、図１と同一符号のものは同じものを示すので、ここでの説明は省略する。
【００３１】
ここで、固体撮像素子１０６を用いた焦点検出の方法について、図５および図７を用いて説明する。図５は、固体撮像素子１０６の撮像面を平面状に表した図である。尚、固体撮像素子１０６を構成する画素数は、説明に必要な最小限の画素数しか描かれておらず、図５（ａ），（ｂ）および（ｃ）では描かれている画素数が異なっているが、実際には１０００×１６００画素などで構成される。また、図５の斜線部分の単位画素は撮影画像として使用しない単位画素を示しており、白い部分の単位画素のみ撮影画像として使用することを意味している。つまり、図５（ａ）は画素を間引かずに、例えば、１０００×１６００画素の解像度で撮影する場合を示し、図５（ｂ）は画素を１画素分間引いて、例えば、５００×８００画素の解像度で撮影する場合を示し、図５（ｃ）は画素を３画素分間引いて、例えば、２５０×４００画素の解像度で撮影する場合を示している。
【００３２】
図５（ａ）において、５０１は隣接する２つの単位画素Ａおよび単位画素Ｂの画素ピッチを示している。図５（ｂ）において、５０２は２画素ピッチで読み出した場合の２つの単位画素Ｃおよび単位画素Ｄの画素ピッチを示している。図５（ｃ）において、５０３は４画素ピッチで読み出した場合の２つの単位画素Ｅおよび単位画素Ｆの画素ピッチを示している。例えば、図５（ａ）の場合は、ナイキストの折り返し歪みが発生しない０．５画素以上のボケ量で、ボケが実用的な範囲で必要以上に大きくならない１．５画素以下程度のボケ量にするのが適切である。図５（ｂ）や図５（ｃ）の場合は、ナイキストの折り返し歪みが発生しないボケ量、つまり、画素ピッチ５０２または５０３の０．５倍以上で１．５倍以下程度のボケ量が適切である。一般に、固体撮像素子の画素ピッチに起因する折り返し歪の発生を抑制するためには、例えば、固体撮像素子の最小解像度ピッチとほば同等量をデフォーカスさせるように制御するのが好ましい。
【００３３】
尚、固体撮像素子は、ＣＣＤ型とＣＭＯＳ型とがあるが、いずれの固体撮像素子であってもローパス効果の考え方は同じであるが、本実施形態の電子カメラ４０１はＣＭＯＳ型の固体撮像素子１０６を用いている。ここで、図４の本実施形態の電子カメラ４０１を実現するのに最も適したＣＭＯＳ型の固体撮像素子１０６について、図６を用いて説明する。図６は、ＣＭＯＳ型の固体撮像素子１０６を上方から見た時の様子を示す平面図で、７５２は垂直走査回路、７５３は水平走査回路、７５４はフォトダイオードなど画素を構成する半導体素子、７５５は点線で囲まれた１ブロックの画素単位、７５６は画像信号の読み出し回路、７５７は出力アンプ、７５８は画像信号の出力端子をそれぞれ示している。同図において、各画素単位７５５のフォトダイオードなど半導体素子７５４が出力する電気信号を、垂直走査回路７５２および水平走査回路７５３によって読み出し回路７５６に読み出して、出力アンプ７５７を介して出力端子７５８に画像信号として出力するようになっている。ＣＣＤ型の固体撮像素子が行単位あるいは列単位で順にバケツリレー方式で単位画素の電気信号を読み取るのに対して、ＣＭＯＳ型の固体撮像素子はＸ−Ｙアドレス方式とも呼ばれ、数画素置きに間引き読み出しを行うことができる。従って、撮影する画像の解像度が異なる場合は、その解像度に合わせた画素数の画像信号を得ることができるので、不要な信号の読み出しをする必要が無く、高速化が可能となる。本発明の電子カメラの固体撮像素子として、図６に示したようなＣＭＯＳ型の固体撮像素子１０６を使用することによって、焦点検出に必要な単位画素の信号だけを読み出すことができるので、解像度に合わせた焦点検出および焦点制御を高速に行うことができる。
【００３４】
次に、図５の撮像面を断面から見た時の集光の様子を図７に示す。図７は図３（ｂ）と同様の図で、合焦位置３０７から前ピン位置３０５側の前ピン位置の状態で説明するが、後ピン位置でも考え方は同じである。図７において、６０１は合焦位置、６０２はボケ量が１画素分の前ピン位置、６０３はボケ量が４画素分の前ピン位置、６０６および６０７は画素ピッチ、６０８および６０９は被写体のある同じ場所から到来して集光される光線、６１０および６１１は光線６０８および６０９とは異なる被写体の別の場所から到来して集光される光線、６１２および６１３は光線６０８および６０９とは異なる被写体の少し離れた別の場所から到来して集光される光線、６１４は前ピン位置６０２で光線６０８と光線６１３とが集光される単位画素、６１５は前ピン位置６０３で光線６０８と光線６１１とが集光される単位画素をそれぞれ示している。また、図７では二次元に配置された単位画素で構成される固体撮像素子の単位画素が一次元方向に連続して並んだ状態を示している。また、図３と同様に、実際には固体撮像素子が動くのではなく、カメラレンズが動くのだが、分かり易いように、固体撮像素子を動かした状態を図示し、前ピン位置６０２と前ピン位置６０３とは、合焦位置６０１を基準とした相対的な位置関係を示している。
【００３５】
今、図７において、被写体より集光した光線６０８と６０９、光線６１０と６１１、光線６１２と６１３のそれぞれは、一旦、合焦位置６０１で結像し、前ピン位置６０２では、合焦位置６０１で結像した対となった各光線は画素ピッチ６０６の１つの単位画素分だけずれた状態になっている。この時、例えば、光線６０９と、光線６０９の被写体部分とは少し離れた被写体部分から入射される光線６１３とが、一緒に単位画素６１４に入射されるので、単位画素６１４で撮像される画像はボケる。また、前ピン位置６０３では、合焦位置６０１で結像された対となった各光線は画素ピッチ６０７の４つの単位画素分ずれた状態になっている。この時、例えば、光線６０８と、光線６０８の被写体部分とは離れた被写体部分から入射される光線６１１とが、一緒に単位画素６１５に入射されるので、単位画素６１５で撮像される画像はボケる。ここで、前ピン位置６０２での画像のボケ方と前ピン位置６０３での画像のボケ方とは異なり、前ピン位置６０２では１単位画素分なのでボケ具合が弱く、前ピン位置６０３では４単位画素分なのでボケ具合が強くなる。つまり、デフォーカス量が小さい前ピン位置６０２ではローパス効果が弱く、デフォーカス量が大きい前ピン位置６０３ではローパス効果が強くなる。
【００３６】
このように、第２の実施形態は第１の実施形態と同様に、ローパス効果を自由にコントロールすることが可能になる。特に、固体撮像素子から読み出す画像の解像度に合わせて、デフォーカス量を制御することによって、常に、最適なローパス効果を得ることができる。尚、撮影する解像度毎に最適なローパス効果を設定するには、カメラシステム制御部１０８が操作パネル１１１で選択した撮影解像度に応じて、デフォーカス量を算出することで実現できる。
【００３７】
（第３の実施形態）
次に、本発明の電子カメラの第３の実施形態について、図８を用いて説明する。第２の実施形態との違いは、電子カメラ７０１は、図４の電子カメラ４０１に焦点モード選択ボタン７０２を追加した電子カメラである。焦点モード選択ボタン７０２は、電子カメラ７０１のフォーカス動作設定を行うもので、（強），（弱），（切）の３つのモードが選択できるようになっている。例えば、電子カメラ７０１の使用者が焦点モード選択ボタン７０２によってフォーカスの（弱）を選択すると、カメラシステム制御部１０８は焦点検出部４０２から出力される図７の合焦位置６０１から４画素分ずらした前ピン位置６０３にカメラレンズ１０２を移動するようにレンズ制御部１１４に指令する。逆に、焦点モード選択ボタン７０２によってフォーカスの（強）を選択すると、カメラシステム制御部１０８は焦点検出部４０２から出力される図７の合焦位置６０１から１画素分ずらした前ピン位置６０２にカメラレンズ１０２を移動するようにレンズ制御部１１４に指令する。また、焦点モード選択ボタン７０２によって（切）を選択すると、カメラシステム制御部１０８は焦点検出部４０２から出力される図７の合焦位置６０１にカメラレンズ１０２を移動するようにレンズ制御部１１４に指令する。
【００３８】
このように、第３の実施形態によれば、使用者が撮影する被写体毎にローパス効果を自由に選択することができ、ローパス効果を（切）にすることで、高周波成分が無い被写体を最高解像度で撮像することが可能になる。尚、第３の実施形態では、（強），（弱），（切）の三段階で切り替えるようにしたが、無段階に調整できるようにしても構わない。さらに、ローパス効果の設定状態を撮影時に確認できるように、カメラシステム制御部１０８が、ローパス効果がかかった状態の画像を液晶表示部１１２に表示するようにすれば、より効果的である。
【００３９】
（第４の実施形態）
次に、本発明の電子カメラの第４の実施形態について、図９を用いて説明する。第３の実施形態との違いは、電子カメラ８０１は、図８の電子カメラ７０１の焦点モード選択ボタン７０２の代わりに高周波判別部８０２を追加した電子カメラである。高周波判別部８０２は、画像処理部１０７に接続されており、画像処理部１０７がＪＰＥＧなどの画像圧縮処理を行う際のＤＣＴ（離散コサイン変換）演算の係数を入力して画像に高周波成分がどのくらいあるのかを調べ、カメラシステム制御部１０８に出力する。カメラシステム制御部１０８は、高周波判別部８０２から入力した高周波成分が、予め設定した所定値より小さい場合、つまり高周波成分が少ない場合は、第３の実施形態において説明した（切）の状態にし、焦点検出部４０２から出力される図７の合焦位置６０１にカメラレンズ１０２を移動するようにレンズ制御部１１４に指令する。逆に、高周波成分が所定値より大きい場合は、解像度に応じた最適なローパス効果が得られるように、焦点検出部４０２から出力される図７の合焦位置６０１から撮影する解像度に応じた画素分をずらした前ピン位置もしくは後ピン位置にカメラレンズ１０２を移動するようにレンズ制御部１１４に指令する。
【００４０】
このように、第４の実施形態によれば、使用者が撮影する被写体毎にローパス効果をマニュアルで選択することなく、ローパス効果の無い状態からローパス効果の有る状態まで、撮影画像に対応した最適なローパス効果が得られるように自動的に切り替えることが可能となる。
以上、各実施形態において説明したように、本発明の電子カメラは、焦点検出位置からデフォーカス量を計算して、ナイキストの折返し歪が発生しないようにフォーカス位置をずらことによってローパス効果を得ることができる。従って、高価な光学ローパスフィルタを不要にでき、光学ローパスフィルタが占有していたカメラ内のスペースが無くなるので、カメラの軽量化、小型化が可能となる。また、電子カメラの組み立て工程における光学ローパスフィルタの組込み工数の削減、或は光学ローパスフィルタの欠陥などに起因する歩留りの低下なども無くなり、製造コストの削減も可能となる。
【００４１】
さらに、本発明によれば、ローパス効果を自由に設定することができるので、撮影する被写体に合わせた最適なローパス効果を容易に得ることができる。特に、光学ローパスフィルタでは実現が難しかったローパス効果を利用しないモードを選択することができるので、固体撮像素子の前記画素ピッチに比べて高周波成分が無い被写体、例えば天文写真などで、ローパス効果を無くすことによって、固体撮像素子本来の限界解像度まで性能を上げることができ、高画質な画像を撮影することが可能になる。
【００４２】
また、本発明の電子カメラは、焦点検出方法に限定されることはなく、ＡＦ専用モジュールを使用したカメラであっても、固体撮像素子を利用した焦点検出方法のカメラであっても、適用することができる。
特に、ＣＭＯＳ型の固体撮像素子を利用した電子カメラの場合に効果的で、ＣＭＯＳ型の固体撮像素子は必要な画素の信号だけを間引き読み出しすることができるので、解像度を落として撮影スピードを上げるモードで使用した場合には、間引き読み出しの間引きピッチに合わせたデフォーカス量を算出することによって、常に最適なローパス効果が得ることができる。
【００４３】
これらの本発明の効果は、いずれも従来技術の光学ローパスフィルタでは実現が難しかったもので、本発明の技術を使用することによって、飛躍的に機能および性能が向上した電子カメラを低コストで提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１の実施形態の電子カメラを示すブロック図である。
【図２】ＡＦモジュールの原理を示す説明図である。
【図３】フォーカス位置によるローパス効果を示す説明図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の電子カメラを示すブロック図である。
【図５】本発明の第２の実施形態の画素間引きを示す説明図である。
【図６】ＣＭＯＳ型固体撮像素子を示すブロック図である。
【図７】本発明の第２の実施形態の位相差焦点検出方式の原理を示す説明図である。
【図８】本発明の第３の実施形態の電子カメラを示すブロック図である。
【図９】本発明の第４の実施形態の電子カメラを示すブロック図である。
【図１０】従来技術の複屈折材の原理を示す説明図である。
【図１１】従来技術の複屈折材による光学ローパスフィルタの説明図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０１,４０１,７０１・・・電子カメラ    １０２・・・カメラレンズ
１０６・・・固体撮像素子                １０８・・・カメラシステム制御部
１１３・・・焦点検出部                  １１４・・・レンズ制御部
１１５・・・焦点検出用ハーフミラー      ３０７・・・合焦位置
３０８・・・前ピン位置                  ３０９・・・後ピン位置
４０２・・・焦点検出部                  ７０２・・・焦点モード選択ボタン
９０１・・・複屈折材
【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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【図１０】
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【図１１】
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