(57)【要約】【課題】良好な画像を撮影することが可能な撮像装置を提供する。【解決手段】複数の画素が水平方向および垂直方向に配列され、垂直方向における画素の位置に応じて、各画素における電荷の蓄積開始時刻が異なるローリングシャッター方式の撮像素子２２と、撮像素子２２からの出力に基づいて、撮像画面内の焦点検出エリアにおける、撮影レンズの焦点状態を検出する焦点検出部２１と、焦点調節用レンズ３２の位置を検出するレンズ位置検出部２１と、所定時刻における被写体の光軸方向の位置を予測する被写体位置予測部２１と、焦点検出エリアに対応する画素の蓄積開始時刻を演算する蓄積開始時刻演算部２１と、焦点検出エリアに対応する画素の蓄積開始時刻における被写体の光軸方向の位置を、被写体予測位置として演算する被写体位置演算部２１と、被写体予測位置に基づいて、焦点調節用レンズを駆動させる駆動部３６と、を備える。【選択図】  図１
2012247724.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素が水平方向および垂直方向に二次元状に配列されており、垂直方向における画素の位置に応じて、各画素における電荷の蓄積開始時刻が異なるローリングシャッター方式の撮像素子と、
前記撮像素子からの出力に基づいて、撮像画面内の焦点検出エリアにおける、焦点調節用レンズを含む撮影レンズの焦点状態を検出する焦点検出部と、
前記焦点調節用レンズの位置を検出するレンズ位置検出部と、
所定時刻における被写体の光軸方向の位置を予測する被写体位置予測部と、
前記焦点検出エリアに対応する画素の前記撮像素子内における垂直方向の位置を検出し、前記焦点検出エリアに対応する画素の前記蓄積開始時刻を演算する蓄積開始時刻演算部と、
前記被写体位置予測部による予測結果に基づいて、前記焦点検出エリアに対応する画素の前記蓄積開始時刻における被写体の光軸方向の位置を、被写体予測位置として演算する被写体位置演算部と、
前記被写体位置演算部により算出された前記被写体予測位置に基づいて、前記焦点調節用レンズを駆動させる駆動部と、を備えることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の撮像装置であって、  
前記撮像素子は、二次元状に配列された複数の撮像用画素と、前記撮像用画素に混在して一次元状または二次元状に配列された複数の焦点検出用画素とを有し、
前記焦点検出部は、前記焦点検出用画素の出力に基づいて、前記光学系による像面のずれ量を検出することで、前記光学系の焦点状態を検出する位相差検出方式の焦点検出、および、前記撮像用画素の出力に基づいて、前記光学系による像のコントラストに関する評価値を算出し、算出した評価値に基づいて、前記光学系の焦点状態を検出するコントラスト検出方式の焦点検出のうち、少なくともいずれか一方の方式で焦点検出を行うことが可能であることを特徴とする撮像装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の撮像装置であって、
被写体が光軸方向において静止しているか否かを判定する判定部をさらに備え、
前記駆動部は、前記判定部による判定の結果、被写体が光軸方向において静止していると判定された場合には、前記被写体予測位置に基づいた前記焦点調節用レンズの駆動処理を行わないことを特徴とする撮像装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の撮像装置であって、
前記被写体位置予測部による予測結果に基づいて、被写体の光軸方向の移動速度を演算する移動速度演算部をさらに備え、
前記駆動部は、前記焦点検出エリアに対応する画素の前記蓄積開始時刻後、前記焦点検出エリアに対応する画素において電荷の蓄積が行われている間、前記焦点調節用レンズを、前記被写体の光軸方向の移動速度に応じて、等速で駆動させることを特徴とする撮像装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の撮像装置であって、
前記被写体位置演算部は、前記被写体位置予測部による予測結果に加え、前記画素の露光時間に基づいて、前記焦点検出エリアに対応する画素において電荷の蓄積が行われている間の所定時刻における、前記被写体の光軸方向の位置を、前記被写体予測位置として演算す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、撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、シャッターレリーズボタンを全押しされてから、露光が開始されるまでの間に、動体被写体が光軸方向に移動してまった場合でも、露光開始時に、動体被写体にピントが合うように、露光開始時の動体被写体の位置を予測し、該予測結果に基づいて、焦点調節用レンズの駆動を制御する撮像装置が知られている（たとえば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１２８６１１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、ローリングシャッター方式の撮像素子を用いた場合、撮像素子内の垂直方向における画素の位置に応じて、各画素における電荷の蓄積開始時刻が異なるが、従来技術では、このような、垂直方向における画素の位置に応じた画素ごとの電荷の蓄積開始時刻のずれが考慮されていないため、焦点検出を行うための焦点検出エリアの位置によっては、動体被写体にピントの合った画像を撮影できない場合があった。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、良好な画像を撮影することが可能な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】
【０００６】
本発明は、以下の解決手段によって上記課題を解決する。なお、以下においては、本発明の実施形態を示す図面に対応する符号を付して説明するが、この符号は発明の理解を容易にするためだけのものであって発明を限定する趣旨ではない。
【０００７】
［１］本発明に係る撮像装置は、複数の画素が水平方向および垂直方向に二次元状に配列されており、垂直方向における画素の位置に応じて、各画素における電荷の蓄積開始時刻が異なるローリングシャッター方式の撮像素子（２２）と、前記撮像素子からの出力に基づいて、撮像画面内の焦点検出エリアにおける、焦点調節用レンズ（３２）を含む撮影レンズの焦点状態を検出する焦点検出部（２１）と、前記焦点調節用レンズの位置を検出するレンズ位置検出部（３５）と、所定時刻における被写体の光軸方向の位置を予測する被写体位置予測部（２１）と、前記焦点検出エリアに対応する画素の前記撮像素子内における垂直方向の位置を検出し、前記焦点検出エリアに対応する画素の前記蓄積開始時刻を演算する蓄積開始時刻演算部（２１）と、前記被写体位置予測部による予測結果に基づいて、前記焦点検出エリアに対応する画素の前記蓄積開始時刻における被写体の光軸方向の位置を、被写体予測位置として演算する被写体位置演算部（２１）と、前記被写体位置演算部により算出された前記被写体予測位置に基づいて、前記焦点調節用レンズを駆動させる駆動部（３６）と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
［２］上記撮像装置に係る発明において、前記撮像素子（２２）は、二次元状に配列された複数の撮像用画素（２２１）と、前記撮像用画素に混在して一次元状または二次元状に配列された複数の焦点検出用画素（２２２ａ，２２２ｂ）とを有し、前記焦点検出部（２１）は、前記焦点検出用画素の出力に基づいて、前記光学系による像面のずれ量を検出することで、前記光学系の焦点状態を検出する位相差検出方式の焦点検出、および、前記撮像用画素の出力に基づいて、前記光学系による像のコントラストに関する評価値を算出し、算出した評価値に基づいて、前記光学系の焦点状態を検出するコントラスト検出方式の焦点検出のうち、少なくともいずれか一方の方式で焦点検出を行うことが可能であるように構成することができる。
【０００９】
［３］上記撮像装置に係る発明において、被写体が光軸方向において静止しているか否かを判定する判定部（２１）をさらに備え、前記駆動部（３６）は、前記判定部による判定の結果、被写体が光軸方向において静止していると判定された場合には、前記被写体予測位置に基づいた前記焦点調節用レンズの駆動処理を行わないように構成することができる。
【００１０】
［４］上記撮像装置に係る発明において、前記被写体位置予測部（２１）による予測結果に基づいて、被写体の光軸方向の移動速度を演算する移動速度演算部（２１）をさらに備え、前記駆動部は、前記焦点検出エリアに対応する画素の前記蓄積開始時刻後、前記焦点検出エリアに対応する画素において電荷の蓄積が行われている間、前記焦点調節用レンズ（３２）を、前記被写体の光軸方向の移動速度に応じて、等速で駆動させるように構成することができる。
【００１１】
［５］上記撮像装置に係る発明において、前記被写体位置演算部（２１）は、前記被写体位置予測部（２１）による予測結果に加え、前記画素の露光時間に基づいて、前記焦点検出エリアに対応する画素において電荷の蓄積が行われている間の所定時刻における、前記被写体の光軸方向の位置を、前記被写体予測位置として演算するように構成することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、良好な画像を撮影することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本実施形態に係るカメラを示すブロック図である。
【図２】図２は、図１に示す撮像素子の撮像面における焦点検出エリアを示す正面図である。
【図３】図３は、図２のIII部を拡大して焦点検出画素２２２ａ，２２２ｂの配列を模式的に示す正面図である。
【図４】図４は、撮像画素２２１の一つを拡大して示す正面図である。
【図５】図５（Ａ）は、焦点検出画素２２２ａの一つを拡大して示す正面図、図５（Ｂ）は、焦点検出画素２２２ｂの一つを拡大して示す正面図である。
【図６】図６は、撮像画素２２１の一つを拡大して示す断面図である。
【図７】図７（Ａ）は、焦点検出画素２２２ａの一つを拡大して示す断面図、図７（Ｂ）は、焦点検出画素２２２ｂの一つを拡大して示す断面図である。
【図８】図８は、図３のVIII-VIII線に沿う断面図である。
【図９】図９は、本実施形態に係るカメラの動作を示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、蓄積開始時刻Ｔｓにおける被写体の像面位置を予測する方法を説明するための図である。
【図１１】図１１は、本実施形態に係るカメラの動作を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
≪第１実施形態≫
図１は、本発明の実施形態に係るデジタルカメラ１を示す要部構成図である。本実施形態のデジタルカメラ１（以下、単にカメラ１という。）は、カメラ本体２とレンズ鏡筒３から構成され、これらカメラ本体２とレンズ鏡筒３はマウント部４により着脱可能に結合されている。
【００１６】
レンズ鏡筒３は、カメラ本体２に着脱可能な交換レンズである。図１に示すように、レンズ鏡筒３には、レンズ３１，３２，３３、および絞り３４を含む撮影光学系が内蔵されている。
【００１７】
レンズ３２は、フォーカスレンズであり、光軸Ｌ１方向に移動することで、撮影光学系の焦点距離を調節可能となっている。フォーカスレンズ３２は、レンズ鏡筒３の光軸Ｌ１に沿って移動可能に設けられ、エンコーダ３５によってその位置が検出されつつフォーカスレンズ駆動モータ３６によってその位置が調節される。
【００１８】
このフォーカスレンズ３２の光軸Ｌ１に沿う移動機構の具体的構成は特に限定されない。一例を挙げれば、レンズ鏡筒３に固定された固定筒に回転可能に回転筒を挿入し、この回転筒の内周面にヘリコイド溝（螺旋溝）を形成するとともに、フォーカスレンズ３２を固定するレンズ枠の端部をヘリコイド溝に嵌合させる。そして、フォーカスレンズ駆動モータ３６によって回転筒を回転させることで、レンズ枠に固定されたフォーカスレンズ３２が光軸Ｌ１に沿って直進移動することになる。
【００１９】
上述したようにレンズ鏡筒３に対して回転筒を回転させることによりレンズ枠に固定されたフォーカスレンズ３２は光軸Ｌ１方向に直進移動するが、その駆動源としてのフォーカスレンズ駆動モータ３６がレンズ鏡筒３に設けられている。フォーカスレンズ駆動モータ３６と回転筒とは、たとえば複数の歯車からなる変速機で連結され、フォーカスレンズ駆動モータ３６の駆動軸を何れか一方向へ回転駆動すると所定のギヤ比で回転筒に伝達され、そして、回転筒が何れか一方向へ回転することで、レンズ枠に固定されたフォーカスレンズ３２が光軸Ｌ１の何れかの方向へ直進移動することになる。なお、フォーカスレンズ駆動モータ３６の駆動軸が逆方向に回転駆動すると、変速機を構成する複数の歯車も逆方向に回転し、フォーカスレンズ３２は光軸Ｌ１の逆方向へ直進移動することになる。
【００２０】
フォーカスレンズ３２の位置はエンコーダ３５によって検出される。既述したとおり、フォーカスレンズ３２の光軸Ｌ１方向の位置は回転筒の回転角に相関するので、たとえばレンズ鏡筒３に対する回転筒の相対的な回転角を検出すれば求めることができる。
【００２１】
本実施形態のエンコーダ３５としては、回転筒の回転駆動に連結された回転円板の回転をフォトインタラプタなどの光センサで検出して、回転数に応じたパルス信号を出力するものや、固定筒と回転筒の何れか一方に設けられたフレキシブルプリント配線板の表面のエンコーダパターンに、何れか他方に設けられたブラシ接点を接触させ、回転筒の移動量（回転方向でも光軸方向の何れでもよい）に応じた接触位置の変化を検出回路で検出するものなどを用いることができる。
【００２２】
フォーカスレンズ３２は、上述した回転筒の回転によってカメラボディ側の端部（至近端ともいう）から被写体側の端部（無限端ともいう）までの間を光軸Ｌ１方向に移動することができる。ちなみに、エンコーダ３５で検出されたフォーカスレンズ３２の現在位置情報は、レンズ制御部３７を介して後述するカメラ制御部２１へ送出され、フォーカスレンズ駆動モータ３６は、この情報に基づいて演算されたフォーカスレンズ３２の駆動位置が、カメラ制御部２１からレンズ制御部３７を介して送出されることにより駆動する。
【００２３】
絞り３４は、上記撮影光学系を通過して撮像素子２２に至る光束の光量を制限するとともにボケ量を調整するために、光軸Ｌ１を中心にした開口径が調節可能に構成されている。絞り３４による開口径の調節は、たとえば自動露出モードにおいて演算された適切な開口径が、カメラ制御部２１からレンズ制御部３７を介して送出されることにより行われる。また、カメラ本体２に設けられた操作部２８によるマニュアル操作により、設定された開口径がカメラ制御部２１からレンズ制御部３７に入力される。絞り３４の開口径は図示しない絞り開口センサにより検出され、レンズ制御部３７で現在の開口径が認識される。
【００２４】
一方、カメラ本体２には、上記撮影光学系からの光束Ｌ１を受光する撮像素子２２が、撮影光学系の予定焦点面に設けられ、その前面にシャッター２３が設けられている。本実施形態に係る撮像素子２２は、その撮像面に複数の画素が水平方向および垂直方向に二次元状に配列されており、水平方向に配列された画素列（走査ライン）ごとに、順次シャッターを切るローリングシャッター方式により駆動する。このような撮像素子２２としては、たとえば、ＣＭＯＳイメージセンサを用いることができる。また、撮像素子２２は、被写体からの光束を受光し、受光した光信号を電気信号に変換してカメラ制御部２１に送出する。カメラ制御部２１に送出された撮影画像情報は、逐次、液晶駆動回路２５に送出されて観察光学系の電子ビューファインダ（ＥＶＦ）２６に表示されるとともに、操作部２８に備えられたレリーズボタン（不図示）が全押しされた場合には、その撮影画像情報が、記録媒体であるメモリ２４に記録される。このようなメモリとしては着脱可能なカード型メモリや内蔵型メモリの何れをも用いることができる。なお、撮像素子２２の撮像面の前方には、赤外光をカットするための赤外線カットフィルタ、および画像の折り返しノイズを防止するための光学的ローパスフィルタが配置されている。撮像素子２２の構造の詳細は後述する。
【００２５】
カメラ本体２にはカメラ制御部２１が設けられている。カメラ制御部２１は、マウント部４に設けられた電気信号接点部４１によりレンズ制御部３７と電気的に接続され、このレンズ制御部３７からレンズ情報を受信するとともに、レンズ制御部３７へデフォーカス量や絞り開口径などの情報を送信する。また、カメラ制御部２１は、上述したように撮像素子２２から画素出力を読み出すとともに、読み出した画素出力について、必要に応じて所定の情報処理を施すことにより画像情報を生成し、生成した画像情報を、電子ビューファインダ２６の液晶駆動回路２５や記録媒体であるメモリ（不図示）に出力する。また、カメラ制御部２１は、撮像素子２２からの画像情報の補正やレンズ鏡筒３の焦点調節状態、絞り調節状態などを検出するなど、カメラ１全体の制御を司る。
【００２６】
また、カメラ制御部２１は、上記に加えて、撮像素子２２から読み出した画素データに基づき、位相検出方式による撮影光学系の焦点状態の検出、およびコントラスト検出方式による光学系の焦点状態の検出を行う。なお、焦点状態の検出方法については、後述する。
【００２７】
操作部２８は、シャッターレリーズボタン、および撮影者がカメラ１の各種動作モードを設定するための入力スイッチであり、オートフォーカスモード／マニュアルフォーカスモードの切換が行えるようになっている。操作部２８により設定された各種モードはカメラ制御部２１へ送出され、当該カメラ制御部２１によりカメラ１全体の動作が制御される。また、シャッターレリーズボタンは、ボタンの半押しでＯＮとなる第１スイッチＳＷ１と、ボタンの全押しでＯＮとなる第２スイッチＳＷ２とを含む。
【００２８】
次に、本実施形態に係る撮像素子２２について説明する。
【００２９】
図２は、撮像素子２２の撮像面を示す正面図、図３は、図２のIII部を拡大して焦点検出画素２２２ａ，２２２ｂの配列を模式的に示す正面図である。なお、実際の撮像素子２２には、オプティカルブラック画素領域が存在するが、説明を簡略化するため、図２については記載を省略する。
【００３０】
本実施形態の撮像素子２２は、図３に示すように、複数の撮像画素２２１が、撮像面の平面上に、水平方向および垂直方向に二次元的に配列され、緑色の波長領域を透過するカラーフィルタを有する緑画素Ｇと、赤色の波長領域を透過するカラーフィルタを有する赤画素Ｒと、青色の波長領域を透過するカラーフィルタを有する青画素Ｂがいわゆるベイヤー配列（Bayer Arrangement）されたものである。すなわち、隣接する４つの画素群２２３（稠密正方格子配列）において一方の対角線上に２つの緑画素が配列され、他方の対角線上に赤画素と青画素が１つずつ配列されている。このベイヤー配列された画素群２２３を単位として、当該画素群２２３を撮像素子２２の撮像面に二次元状に繰り返し配列することで撮像素子２２が構成されている。
【００３１】
なお、単位画素群２２３の配列は、図示する稠密正方格子以外にも、たとえば稠密六方格子配列にすることもできる。また、カラーフィルタの構成や配列はこれに限定されることはなく、補色フィルタ（緑：Ｇ、イエロー：Ｙｅ、マゼンタ：Ｍｇ，シアン：Ｃｙ）の配列を採用することもできる。
【００３２】
図４は、撮像画素２２１の一つを拡大して示す正面図、図６は断面図である。一つの撮像画素２２１は、マイクロレンズ２２１１と、光電変換部２２１２と、図示しないカラーフィルタから構成され、図６の断面図に示すように、撮像素子２２の半導体回路基板２２１３の表面に光電変換部２２１２が造り込まれ、その表面にマイクロレンズ２２１１が形成されている。光電変換部２２１２は、マイクロレンズ２２１１により撮影光学系の射出瞳（たとえばＦ１．０）を通過する撮像光束を受光する形状とされ、撮像光束を受光する。
【００３３】
また、撮像素子２２の撮像面には、上述した撮像画素２２１に代えて焦点検出画素２２２ａ，２２２ｂが配列された焦点検出画素列２２ａ〜２２ｅが設けられている。図３に示すように、一つの焦点検出画素列は、複数の焦点検出画素２２２ａおよび２２２ｂが、互いに隣接して交互に、水平方向に配列されて構成されている。本実施形態においては、焦点検出画素２２２ａおよび２２２ｂは、ベイヤー配列された撮像画素２２１の緑画素Ｇと青画素Ｂとの位置にギャップを設けることなく密に配列されている。
【００３４】
なお、図２に示す焦点検出画素列２２ａ〜２２ｅの位置は図示する位置にのみ限定されず、何れか一箇所、二箇所、三箇所、あるいは四箇所とすることもでき、また、六箇所以上の位置に配置することもできる。また、実際の焦点検出に際しては、撮影者が操作部２８を手動操作することにより、複数配置された各焦点検出画素列２２ａ〜２２ｅ、または各焦点検出画素列２２ａ〜２２ｅの一部に対応する焦点検出エリアの中から、所望の焦点検出エリアを選択することもできる。
【００３５】
図５（Ａ）は、焦点検出画素２２２ａの一つを拡大して示す正面図、図７（Ａ）は、焦点検出画素２２２ａの断面図である。また、図５（Ｂ）は、焦点検出画素２２２ｂの一つを拡大して示す正面図、図７（Ｂ）は、焦点検出画素２２２ｂの断面図である。焦点検出画素２２２ａは、図５（Ａ）に示すように、マイクロレンズ２２２１ａと、半円形状の光電変換部２２２２ａとから構成され、図７（Ａ）の断面図に示すように、撮像素子２２の半導体回路基板２２１３の表面に光電変換部２２２２ａが造り込まれ、その表面にマイクロレンズ２２２１ａが形成されている。また、焦点検出画素２２２ｂは、図５（Ｂ）に示すように、マイクロレンズ２２２１ｂと、光電変換部２２２２ｂとから構成され、図７（Ｂ）の断面図に示すように、撮像素子２２の半導体回路基板２２１３の表面に光電変換部２２２２ｂが造り込まれ、その表面にマイクロレンズ２２２１ｂが形成されている。そして、これら焦点検出画素２２２ａおよび２２２ｂは、図３に示すように、互いに隣接して交互に、水平方向に配列されることにより、図２に示す焦点検出画素列２２ａ〜２２ｅを構成する。なお、図３においては、１６個の焦点検出画素２２２ａ，２２２ｂにより、焦点検出画素列を構成する例を示しているが、焦点検出画素列を構成する焦点検出画素の数は特に限定されない。
【００３６】
なお、焦点検出画素２２２ａ，２２２ｂの光電変換部２２２２ａ，２２２２ｂは、マイクロレンズ２２２１ａ，２２２１ｂにより撮影光学系の射出瞳の所定の領域（たとえばＦ２．８）を通過する光束を受光するような形状とされる。また、焦点検出画素２２２ａ，２２２ｂにはカラーフィルタは設けられておらず、その分光特性は、光電変換を行うフォトダイオードの分光特性と、図示しない赤外カットフィルタの分光特性を総合したものとなっている。ただし、撮像画素２２１と同じカラーフィルタのうちの一つ、たとえば緑フィルタを備えるように構成することもできる。
【００３７】
また、図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示す焦点検出画素２２２ａ，２２２ｂの光電変換部２２２２ａ，２２２２ｂは半円形状としたが、光電変換部２２２２ａ，２２２２ｂの形状はこれに限定されず、他の形状、たとえば、楕円形状、矩形状、多角形状とすることもできる。
【００３８】
ここで、上述した焦点検出画素２２２ａ，２２２ｂの画素出力に基づいて撮影光学系の焦点状態を検出する、いわゆる位相差検出方式について説明する。
【００３９】
図８は、図３のVIII-VIII線に沿う断面図であり、撮影光軸Ｌ１近傍に配置され、互いに隣接する焦点検出画素２２２ａ−１，２２２ｂ−１，２２２ａ−２，２２２ｂ−２が、射出瞳３４の測距瞳３４１，３４２から照射される光束ＡＢ１−１，ＡＢ２−１，ＡＢ１−２，ＡＢ２−２をそれぞれ受光していることを示している。なお、図８においては、複数の焦点検出画素２２２ａ，２２２ｂのうち、撮影光軸Ｌ１近傍に位置するもののみを例示して示したが、図８に示す焦点検出画素以外のその他の焦点検出画素についても、同様に、一対の測距瞳３４１，３４２から照射される光束をそれぞれ受光するように構成されている。
【００４０】
ここで、射出瞳３４とは、撮影光学系の予定焦点面に配置された焦点検出画素２２２ａ，２２２ｂのマイクロレンズ２２２１ａ，２２２１ｂの前方の距離Ｄの位置に設定された像である。距離Ｄは、マイクロレンズの曲率、屈折率、マイクロレンズと光電変換部との距離などに応じて一義的に決まる値であって、この距離Ｄを測距瞳距離と称する。また、測距瞳３４１，３４２とは、焦点検出画素２２２ａ，２２２ｂのマイクロレンズ２２２１ａ，２２２１ｂにより、それぞれ投影された光電変換部２２２２ａ,２２２２ｂの像をいう。
【００４１】
なお、図８において焦点検出画素２２２ａ−１，２２２ｂ−１，２２２ａ−２，２２２ｂ−２の配列方向は一対の測距瞳３４１，３４２の並び方向と一致している。
【００４２】
また、図８に示すように、焦点検出画素２２２ａ−１，２２２ｂ−１，２２２ａ−２，２２２ｂ−２のマイクロレンズ２２２１ａ−１，２２２１ｂ−１，２２２１ａ−２，２２２１ｂ−２は、撮影光学系の予定焦点面近傍に配置されている。そして、マイクロレンズ２２２１ａ−１，２２２１ｂ−１，２２２１ａ−２，２２２１ｂ−２の背後に配置された各光電変換部２２２２ａ−１，２２２２ｂ−１，２２２２ａ−２，２２２２ｂ−２の形状が、各マイクロレンズ２２２１ａ−１，２２２１ｂ−１，２２２１ａ−２，２２２１ｂ−２から測距距離Ｄだけ離れた射出瞳３４上に投影され、その投影形状は測距瞳３４１，３４２を形成する。
【００４３】
すなわち、測距距離Ｄにある射出瞳３４上で、各焦点検出画素の光電変換部の投影形状（測距瞳３４１，３４２）が一致するように、各焦点検出画素におけるマイクロレンズと光電変換部の相対的位置関係が定められ、それにより各焦点検出画素における光電変換部の投影方向が決定されている。
【００４４】
図８に示すように、焦点検出画素２２２ａ−１の光電変換部２２２２ａ−１は、測距瞳３４１を通過し、マイクロレンズ２２２１ａ−１に向う光束ＡＢ１−１によりマイクロレンズ２２２１ａ−１上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。同様に、焦点検出画素２２２ａ−２の光電変換部２２２２ａ−２は測距瞳３４１を通過し、マイクロレンズ２２２１ａ−２に向う光束ＡＢ１−２によりマイクロレンズ２２２１ａ−２上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。
【００４５】
また、焦点検出画素２２２ｂ−１の光電変換部２２２２ｂ−１は測距瞳３４２を通過し、マイクロレンズ２２２１ｂ−１に向う光束ＡＢ２−１によりマイクロレンズ２２２１ｂ−１上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。同様に、焦点検出画素２２２ｂ−２の光電変換部２２２２ｂ−２は測距瞳３４２を通過し、マイクロレンズ２２２１ｂ−２に向う光束ＡＢ２−２によりマイクロレンズ２２２１ｂ−２上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。
【００４６】
そして、上述した２種類の焦点検出画素２２２ａ，２２２ｂを、図３に示すように直線状に複数配置し、各焦点検出画素２２２ａ，２２２ｂの光電変換部２２２２ａ，２２２２ｂの出力を、測距瞳３４１と測距瞳３４２とのそれぞれに対応した出力グループにまとめることにより、測距瞳３４１と測距瞳３４２とのそれぞれを通過する焦点検出光束が焦点検出画素列上に形成する一対の像の強度分布に関するデータが得られる。そして、この強度分布データに対し、相関演算処理または位相差検出処理などの像ズレ検出演算処理を施すことにより、いわゆる位相差検出方式による像ズレ量を検出することができる。
【００４７】
そして、得られた像ズレ量に一対の測距瞳の重心間隔に応じた変換演算を施すことにより、予定焦点面に対する現在の焦点面（予定焦点面上のマイクロレンズアレイの位置に対応した焦点検出エリアにおける焦点面をいう。）の偏差、すなわちデフォーカス量を求めることができる。
【００４８】
なお、これら位相差検出方式による像ズレ量の演算と、これに基づくデフォーカス量の演算は、カメラ制御部２１により実行される。
【００４９】
また、カメラ制御部２１は、撮像素子２２の撮像画素２２１の出力を読み出し、読み出した画素出力に基づき、焦点評価値の演算を行う。この焦点評価値は、たとえば撮像素子２２の撮像画素２２１からの画像出力の高周波成分を、高周波透過フィルタを用いて抽出し、これを積算して焦点電圧を検出することで求めることができる。また、遮断周波数が異なる２つの高周波透過フィルタを用いて高周波成分を抽出し、それぞれを積算して焦点電圧を検出することでも求めることができる。
【００５０】
そして、カメラ制御部２１は、レンズ制御部３７に制御信号を送出してフォーカスレンズ３２を所定のサンプリング間隔(距離)で駆動させ、それぞれの位置における焦点評価値を求め、該焦点評価値が最大となるフォーカスレンズ３２の位置を合焦位置として求める、コントラスト検出方式による焦点検出を実行する。なお、この合焦位置は、たとえば、フォーカスレンズ３２を駆動させながら焦点評価値を算出した場合に、焦点評価値が、２回上昇した後、さらに、２回下降して推移した場合に、これらの焦点評価値を用いて、内挿法などの演算を行うことで求めることができる。
【００５１】
次いで、本実施形態に係るカメラ１の動作例を説明する。図９は、第１実施形態に係るカメラ１の動作例を示すフローチャートである。
【００５２】
ステップＳ１０１では、カメラ制御部２１により、操作部２８に備えられたシャッターレリーズボタンの半押し（第１スイッチＳＷ１のオン）がされたかどうかの判断が行なわれる。シャッターレリーズボタンが半押しされた場合は、テップＳ１０２に進み、一方、シャッターレリーズボタンが半押しされていない場合は、ステップＳ１０１で待機する。
【００５３】
ステップＳ１０２では、カメラ制御部２１により、位相差検出方式によるデフォーカス量の算出処理が行われる。具体的には、まず、撮像素子２２により、光学系からの光束の受光が行われ、カメラ制御部２１により、撮像素子２２の５つの焦点検出画素列２２ａ〜２２ｅを構成する各焦点検出画素２２２ａ，２２２ｂから一対の像に対応した一対の像データの読み出しが行われる。この場合、撮影者の手動操作により、特定の焦点検出エリアが選択されているときは、その焦点検出エリアに対応する焦点検出画素からのデータのみを読み出すような構成としてもよい。そして、カメラ制御部２１は、読み出された一対の像データに基づいて像ズレ検出演算処理(相関演算処理)を実行し、５つの焦点検出画素列２２ａ〜２２ｅに対応する焦点検出エリアにおける像ズレ量を演算し、さらに像ズレ量をデフォーカス量に変換する。
【００５４】
続くステップＳ１０３では、カメラ制御部２１により、ステップＳ１０２で算出されたデフォーカス量と、エンコーダ３５により検出されたフォーカスレンズ３２の現在位置とに基づいて、デフォーカス量に応じてフォーカスレンズ３２を駆動した場合の駆動後のフォーカスレンズ３２のレンズ位置における像面位置が、被写体の像面位置として検出される。そして、カメラ制御部２１は、検出した被写体の像面位置を、該被写体の像面位置を検出した時刻に関連付けて、カメラ制御部２１のメモリに記憶する。ここで、図１０は、被写体の像面位置の履歴の一例を示す図であり、被写体が無限遠側から至近側に移動している場面における、被写体の像面位置の履歴を例示している。図１０に示す例では、時刻Ｔ１において、被写体の像面位置ＰＴ１が検出され、その後、時刻Ｔ２において、被写体の像面位置ＰＴ２が、時刻Ｔ１における被写体の像面位置ＰＴ１よりも至近側で検出される。同様に、時刻Ｔ３，Ｔ４において、被写体の像面位置ＰＴ３，ＰＴ４がそれぞれ検出される。そして、カメラ制御部２１は、検出されたそれぞれの像面位置を、該像面位置を検出した時刻に関連付けて、カメラ制御部２１のメモリに記憶することで、図１０に示すように、時系列に沿った被写体の像面位置の履歴が、カメラ制御部２１のメモリに記憶されることとなる。
【００５５】
ステップＳ１０４では、カメラ制御部２１により、ステップＳ１０２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３２を合焦位置まで駆動するためのレンズ駆動量の算出が行われ、算出されたレンズ駆動量が、レンズ制御部３７を介して、フォーカスレンズ駆動モータ３６に送出される。これにより、フォーカスレンズ駆動モータ３６により、算出されたレンズ駆動量に基づいて、フォーカスレンズ３２が駆動される。
【００５６】
そして、ステップＳ１０５では、カメラ制御部２１により、シャッターレリーズボタンの全押し（第２スイッチＳＷ２のオン）がされたか否か判断される。第２スイッチＳＷ２がオンの場合には、ステップＳ１０６に進み、一方、第２スイッチＳＷ２がオンではない場合には、ステップＳ１０１に戻る。
【００５７】
ステップＳ１０６では、カメラ制御部２１により、ステップＳ１０３で得られた被写体の像面位置の履歴に基づいて、被写体が光軸方向に移動しているか否かの判断が行われる。被写体が光軸方向に移動していると判断された場合は、ステップＳ１０７に進み、一方、被写体が光軸方向に移動しておらず、被写体が静止していると判断された場合は、ステップＳ１１１に進む。なお、本実施形態において、カメラ制御部２１は、たとえば、図１０に示すように、被写体の像面位置が一定の光軸方向（図１０に示す例では至近側）に移動している場合には、被写体が光軸方向に移動しているものと判断することができ、被写体の像面位置が移動していない場合や、被写体の像面位置が光軸方向に沿って前後に移動しているが、被写体の像面位置が一定の光軸方向に移動していない場合には、被写体は静止していると判断することができる。
【００５８】
ステップＳ１０７では、カメラ制御部２１により、焦点検出エリアに対応する画素において、電荷の蓄積が開始される蓄積開始時刻Ｔｓの算出が行われる。以下においては、図１１を用いて、焦点検出エリアに対応する画素の蓄積開始時刻Ｔｓの算出方法について説明する。
【００５９】
図１１は、カメラ１の動作を説明するための図であり、図１１（Ａ）に示す撮像素子２２における、各画素における電荷の蓄積開始時刻のずれを、図１１（Ｂ）に示している。なお、図１１（Ａ）に示す撮像素子２２は、光学系の焦点状態を検出し、画像を撮像するための画素からなる有効画素領域と、有効画素領域の画素の出力から暗電流ノイズを除去するための画素からなるオプティカルブラック画素領域とを有している。図１１に示す例では、時刻ｔＳ２において、シャッターレリーズボタンが全押しされ、時刻Ｔｐにおいて、カメラ制御部２１により垂直同期信号が発せられる。これにより、時刻Ｔｐから、撮像素子２２の露光が開始され、撮像素子２２の上部に位置する画素から、撮像素子２２の下部に位置する画素に向かって、順に、電荷の蓄積が開始される。具体的には、時刻Ｔｐにおいて、撮像素子２２の画素のうち垂直方向の最も上部に位置するオプティカルブラック画素領域の画素において、電荷の蓄積が開始され、その後、時刻Ｔａにおいて、有効画素領域の画素のうち垂直方向の最も上部に位置する画素において、電荷の蓄積が開始される。そして、有効画素領域の画素において、順次、電荷の蓄積が開始されるとともに、電荷の蓄積の開始から一定の露光時間ｔｅｘｐが経過した画素は、電荷の蓄積を終了する。時刻Ｔｂになると、有効画素領域の画素のうち垂直方向の最も下部に位置する画素において、電荷の蓄積が終了し、さらに、時刻Ｔｃになると、撮像素子２２の画素のうち垂直方向の最も下部に位置するオプティカルブラック画素領域の画素においても、電荷の蓄積が終了し、これにより、撮像素子２２による露光が終了する。
【００６０】
焦点検出エリアに対応する画素の蓄積開始時刻Ｔｓは、このように、撮像素子２２の垂直方向の画素の位置に応じて異なる、各画素における電荷の蓄積開始時刻のうち、焦点検出エリアに対応する画素における電荷の蓄積開始時刻であり、本実施形態においては、図１１に示すように、焦点検出エリアに対応する画素のうち、垂直方向の中央に位置する画素が、電荷の蓄積を開始する時刻とする。
【００６１】
蓄積開始時刻Ｔｓの算出方法は、特に限定されないが、本実施形態においては、下記式（１）に基づいて、蓄積開始時刻Ｔｓを算出することができる。
Ｔｓ＝Ｔｐ＋ｔｓｃａｎ×（ＡＦｐｏｓ／Ｖｓｉｚｅ）  ・・・（１）
ここで、図１１（Ｂ）に示すように、ｔｓｃａｎは、垂直同期信号が発せられ、撮像素子２２の画素のうち垂直方向の最も上部に位置する画素において、電荷の蓄積が開始される時刻Ｔｐから、撮像素子２２の画素のうち垂直方向の最も下部に位置する画素において、電荷の蓄積が開始される時刻までの時間である。また、Ｖｓｉｚｅは、撮像素子２２の垂直方向における画素数であり、ＡＦｐｏｓは、撮像素子２２の画素のうち垂直方向において最も上部に位置する画素から、焦点検出エリアに対応する画素のうち垂直方向の中央に位置する画素までの画素数である。
【００６２】
そして、ステップＳ１０８では、カメラ制御部２１により、図１１に示すように、シャッターレリーズボタンが全押しされた時刻ｔＳ２から、ステップＳ１０７で算出された蓄積開始時刻Ｔｓまでの時間が、焦点検出エリアに対応する画素の蓄積遅れ時間ＴＲとして算出される。
【００６３】
ステップＳ１０９では、カメラ制御部２１により、蓄積開始時刻Ｔｓにおける被写体の像面位置の予測が行われる。具体的には、カメラ制御部２１は、ステップＳ１０３で取得した被写体の像面位置の履歴に基づいて、被写体の像面移動速度を算出し、算出した被写体の像面移動速度と、ステップＳ１０８で算出した蓄積遅れ時間ＴＲとに基づいて、蓄積遅れ時間ＴＲにおいて被写体が移動する像面移動量を算出する。そして、カメラ制御部２１は、算出した被写体の像面移動量に基づいて、蓄積開始時刻Ｔｓにおける被写体の像面位置を予測することができる。たとえば、図１０に示す例において、カメラ制御部２１は、算出した蓄積遅れ時間ＴＲにおける被写体の像面移動量と、ステップＳ１０３で検出した最新の像面位置Ｐ４とに基づいて、蓄積開始時刻Ｔｓにおける被写体の像面位置ＰＴｓを予測することができる。
【００６４】
ステップＳ１１０では、カメラ制御部２１により、ステップＳ１０９で予測された蓄積開始時刻Ｔｓにおける被写体の像面位置に対応するレンズ位置まで、フォーカスレンズ３２を駆動するためのレンズ駆動量の算出が行われ、算出されたレンズ駆動量が、レンズ制御部３７を介して、フォーカスレンズ駆動モータ３６に送出される。これにより、フォーカスレンズ駆動モータ３６により、算出されたレンズ駆動量に基づいて、蓄積開始時刻Ｔｓにおける被写体の像面位置に対応するレンズ位置まで、フォーカスレンズ３２が駆動されることとなる。
【００６５】
そして、ステップＳ１１１では、撮像素子２２により露光が開始され、画像の撮像が行われる。本実施形態では、図１１に示すように、焦点検出エリアに対応する画素の露光が、蓄積開始時時刻Ｔｓから開始され、蓄積開始時時刻Ｔｓから所定の露光時間ｔｅｘｐの間、電荷の蓄積が行われる。そして、カメラ制御部２１により、蓄積された電荷に応じた画像データが、撮像素子２２から読み出され、読み出された画像の画像データが、メモリ２４に記憶される。
【００６６】
以上のように、本実施形態では、焦点検出エリアに対応する画素の蓄積開始時刻Ｔｓにおける被写体の像面位置を予測し、予測した被写体の像面位置に応じたレンズ位置まで、フォーカスレンズ３２を駆動させて、画像の撮像を行う。これにより、本実施形態では、シャッターレリーズボタンが全押しされてから、焦点検出エリアに対応する画素の蓄積開始時刻Ｔｓまでの蓄積遅れ時間ＴＲの間に、被写体が光軸方向に移動し、被写体の像面位置が変化してしまった場合でも、被写体にピントの合った画像を撮像することができる。
【００６７】
≪第２実施形態≫
次いで、本発明の第２実施形態を説明する。本発明の第２実施形態は、図１に示す第１実施形態のカメラ１において、焦点検出エリアに対応する画素の蓄積開始時刻Ｔｓにおける被写体の像面位置を予測し、予測した被写体の像面位置に対応するレンズ位置まで、フォーカスレンズ３２を駆動させた後に、蓄積開始時刻Ｔｓから、焦点検出エリアに対応する画素において電荷の蓄積が行われている間に、被写体の像面移動速度に応じて、フォーカスレンズ３２を等速で駆動させる構成となっていること以外は、第１実施形態と同様の構成となっている。
【００６８】
すなわち、第２実施形態では、第１実施形態と同様に、焦点検出エリアに対応する画素の蓄積開始時刻Ｔｓにおける被写体の像面位置を予測し（ステップＳ１０９）、予測した被写体の像面位置に対応するレンズ位置に、フォーカスレンズ３２を駆動する（ステップＳ１１０）。そして、カメラ制御部２１は、焦点検出エリアに対応する画素の蓄積開始時刻Ｔｓから、焦点検出エリアに対応する画素において電荷の蓄積が行われている間に、被写体の像面移動速度に応じて、フォーカスレンズ３２を等速で駆動させながら、画像の撮像を行う（ステップＳ１１１）。たとえば、図１１に示す例において、カメラ制御部２１は、蓄積開始時刻Ｔｓにおける被写体の像面位置に応じたレンズ位置に、フォーカスレンズ３２を駆動させた後に、フォーカスレンズ３２を、焦点検出エリアに対応する画素の蓄積開始時刻Ｔｓから、焦点検出エリアに対応する画素の蓄積終了時刻Ｔｇまでの間において、被写体の像面移動速度で駆動させながら、画像の撮像を行う。
【００６９】
このように、第２実施形態では、焦点検出エリアに対応する画素において電荷の蓄積が行われている間、被写体の像面移動速度に応じて、フォーカスレンズ３２を等速で駆動させながら、画像の撮像を行う。これにより、第２実施形態では、第１実施形態の効果に加えて、焦点検出エリアに対応する画素において電荷の蓄積が行われている間における、被写体の像面位置の変化に追従して、画像を撮像することができるため、被写体にピントの合った画像をより適切に撮像することができる。
【００７０】
≪第３実施形態≫
次いで、本発明の第３実施形態を説明する。本発明の第３実施形態は、図１に示す第１実施形態のカメラ１において、焦点検出エリアに対応する画素の露光時間内の所定時刻における被写体の像面位置を予測し、予測した被写体の像面位置に対応するレンズ位置まで、フォーカスレンズ３２を駆動させる構成となっていること以外は、第１実施形態と同様の構成となっている。
【００７１】
すなわち、第３実施形態では、カメラ制御部２１により、焦点検出エリアに対応する画素の蓄積開始時刻Ｔｓと、画素の露光時間ｔｅｘｐとに基づいて、焦点検出エリアに対応する画素の露光時間ｔｅｘｐ内の所定時刻が算出され、算出された時刻における被写体の像面位置が予測される（ステップＳ１０９）。たとえば、図１１に示す例において、カメラ制御部２１は、焦点検出エリアに対応する画素の蓄積開始時刻Ｔｓから、焦点検出エリアに対応する画素の露光時間ｔｅｘｐのうちの半分の時間が経過した時刻Ｔｅを算出する。そして、カメラ制御部２１は、図１０に示すように、被写体の像面位置の履歴に基づいて、算出した露光時間内の時刻Ｔｅにおける被写体の像面位置ＰＴｅを予測する。そして、予測された被写体の像面位置ＰＴｅに対応するレンズ位置に、フォーカスレンズ３２が駆動され（ステップＳ１１０）、予測された被写体の像面位置ＰＴｅに対応するレンズ位置で、画像の撮像が行われる（ステップＳ１１１）。
【００７２】
このように、第３実施形態では、焦点検出エリアに対応する画素の露光時間内の所定時刻における被写体の像面位置を予測し、予測した被写体の像面位置に対応するレンズ位置に、フォーカスレンズ３２を駆動させて、画像の撮像を行う。これにより、第３実施形態では、たとえば、焦点検出エリアに対応する画素の露光時間ｔｅｘｐ内に、被写体の像面位置が、図１０に示す像面位置ＰＴｇまで移動した場合であっても、フォーカスレンズ３２を、焦点検出エリアに対応する画素の露光時間ｔｅｘｐ内の時刻Ｔｅにおける被写体の像面位置ＰＴｅまで駆動させることで、被写体の像面位置ＰＴｇと、フォーカスレンズのレンズ位置に対応する像面位置ＰＴｅとの距離（ＰＴｇ−ＰＴｅ）を、第１実施形態よりも小さくすることができるため、被写体にピントの合った画像をより適切に撮影することができる。
【００７３】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【００７４】
たとえば、上述した実施形態では、焦点検出エリアに対応する画素の蓄積開始時刻Ｔｓにおける被写体の像面位置を予測し、予測した被写体の像面位置に基づいて、フォーカスレンズ３２を駆動する構成を例示したが、この構成に限定されるものではなく、たとえば、焦点検出エリアに対応する画素の蓄積開始時刻Ｔｓにおける被写体までの距離を予測し、予測した被写体までの距離に基づいて、フォーカスレンズ３２を駆動する構成としてもよい。
【００７５】
また、上述した実施形態では、デフォーカス量に基づいて、被写体の像面位置を検出し、検出した被写体の像面位置に基づいて、焦点検出エリアに対応する画素の蓄積開始時刻Ｔｓにおける被写体の像面位置を予測する構成を例示したが、たとえば、コントラスト検出方式により算出した焦点評価値に基づいて、合焦位置を検出し、検出した合焦位置の履歴に基づいて、焦点検出エリアに対応する画素の蓄積開始時刻Ｔｓにおける被写体の位置を予測する構成としてもよい。
【００７６】
なお、上述した実施形態のカメラ１は特に限定されず、例えば、デジタルビデオカメラ、一眼レフデジタルカメラ、レンズ一体型のデジタルカメラ、携帯電話用のカメラなどのその他の光学機器に本発明を適用してもよい。
【符号の説明】
【００７７】
１…デジタルカメラ
２…カメラ本体
２１…カメラ制御部
２２…撮像素子
２２１…撮像画素
２２２ａ，２２２ｂ…焦点検出画素
２８…操作部
３…レンズ鏡筒
３２…フォーカスレンズ
３６…フォーカスレンズ駆動モータ
３７…レンズ制御部
【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】
2012247724.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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