JP2012247723A - 焦点調節装置および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学系の焦点状態を適切に検出することが可能な焦点調節装置を提供する。
【解決手段】撮影画面内の第１領域の焦点状態を、光学系による像面のずれ量に基づいて検出する位相差検出部２１と、第１領域および第１領域の周囲に位置する撮影画面内の第２領域の焦点状態を、光学系による像のコントラストに関する評価値に基づいて検出するコントラスト検出部２１と、撮像画像から対象とする像に相当する基準画像に対応する画像を繰り返し認識することで、撮影画面内の追尾対象の位置を追尾する追尾部２１と、追尾対象の位置に基づいて焦点検出エリアを設定する焦点検出エリア設定部２１と、焦点検出エリアが第１領域に存在する場合には、位相差検出部２１およびコントラスト検出部２１のうち少なくとも一方に焦点検出を行わせ、焦点検出エリアが第２領域に存在する場合には、コントラスト検出部２１に焦点検出を行わせる制御部２１と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、焦点調節装置および撮像装置に関する。

従来より、位相差を用いて光学系の焦点状態を検出する焦点調節装置が知られている。このような焦点調節装置として、特定の被写体を追尾し、追尾対象の被写体について焦点検出を行う技術が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１８６００４号公報

しかしながら、従来技術では、位相差を用いて光学系の焦点状態を検出することができる領域が、撮影画面内の一部の領域に限られているため、追尾対象の被写体が、位相差を用いて光学系の焦点状態を検出することができる領域から外れた場合には、追尾対象の被写体について焦点状態を検出することができないという問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、光学系の焦点状態を適切に検出することが可能な焦点調節装置を提供することである。

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。

[１] 本発明に係る焦点調節装置は、撮影画面内の第１領域における光学系の焦点状態を、前記光学系による像面のずれ量に基づいて検出する位相差検出部（２１）と、前記第１領域および前記第１領域の周囲に位置する撮影画面内の第２領域における光学系の焦点状態を、前記光学系による像のコントラストに関する評価値に基づいて検出するコントラスト検出部（２１）と、前記光学系を介して撮像された撮像画像から対象とする像に相当する基準画像に対応する画像を追尾対象として繰り返し認識することで、撮影画面内における前記追尾対象の位置を追尾する追尾部と、撮影画面内における前記追尾対象の位置に基づいて、焦点検出用のエリアを設定する焦点検出エリア設定部（２１）と、前記焦点検出エリアが前記第１領域に存在する場合には、前記位相差検出部および前記コントラスト検出部のうち少なくとも一方に、前記光学系の焦点状態の検出を行わせ、前記焦点検出エリアが前記第２領域に存在する場合には、前記コントラスト検出部に、前記光学系の焦点状態の検出を行わせる制御部（２１）と、を備えることを特徴とする。

［２］上記焦点調節装置に係る発明において、撮像用画素（２２１）と焦点検出用画素（２２２ａ，２２２ｂ）とを有し、前記光学系による像を撮像し、撮像した像に対応する画像信号を出力する撮像部（２２）をさらに備え、前記位相差検出部（２１）は、前記焦点検出用画素から出力された画像信号に基づいて、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し、前記コントラスト検出部（２１）は、前記撮像用画素から出力された画像信号に基づいて、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することで、前記評価値に基づいて、前記光学系の焦点状態を検出するように構成することができる。

［３］上記焦点調節装置に係る発明において、前記光学系のうち焦点調節光学系（３２）を光軸方向に駆動して、前記光学系の焦点状態を調節する焦点調節部（２１，３６，３７）と、シャッターレリーズボタンの半押し操作が行われた場合に、前記焦点検出部（２１）の検出結果に基づいて、前記焦点調節光学系を合焦位置に駆動させた後に、前記焦点調節光学系の駆動を禁止する焦点調節モードと、シャッターレリーズボタンの半押し操作が行われた場合に、前記焦点検出部の検出結果に基づいて、前記焦点調節光学系を合焦位置に駆動させた後に、前記光学系の焦点状態が変化した場合には、前記光学系の焦点状態に応じて、前記焦点調節光学系を駆動させる焦点調節モードとを設定可能なモード設定部（２８）と、をさらに備え、前記焦点調節部は、前記焦点検出エリアの位置が、前記第１領域および前記第２領域のうちの一方の領域から他方の領域に移動した場合に、前記移動後においても、前記移動前の焦点調節モードにおける焦点調節動作を継続するように構成することができる。

［４］上記焦点調節装置に係る発明において、前記焦点調節部（２１，３６，３７）は、前記焦点検出エリアの位置が、前記第１領域および前記第２領域のうちの一方の領域から他方の領域に移動した場合には、前記移動後においても、前記移動前の焦点調節モードでの焦点調節動作で得られた演算結果を用いるように構成することができる。

［５］上記焦点調節装置に係る発明において、前記焦点調節部（２１，３６，３７）は、前記焦点検出エリアの位置が、前記第１領域および前記第２領域のうちの一方の領域から他方の領域に移動した場合には、前記移動後においても、前記移動前の焦点調節モードでの焦点調節動作で得られた、前記追尾対象が動体被写体であるか静止体被写体であるかの情報、前記追尾対象の動作パターン情報、前記追尾対象の光軸方向の移動速度情報、および、前記追尾対象の光軸方向における位置の履歴情報のうち少なくとも１つを用いるように構成することができる。

[６] 本発明に係る撮像装置は、上記焦点調節装置を備えることを特徴とする。

本発明によれば、光学系の焦点状態を適切に検出することができる。

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は、撮像画素２２１の一つを拡大して示す正面図である。 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は、撮像画素２２１の一つを拡大して示す断面図である。 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は、図３のVIII-VIII線に沿う断面図である。 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。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。撮像素子２２はＣＣＤやＣＭＯＳなどのデバイスから構成され、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。メモリ２４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。

カメラ本体２には、撮像素子２２で撮像される像を観察するための観察光学系が設けられている。本実施形態の観察光学系は、液晶表示素子からなる電子ビューファインダ（ＥＶＦ）２６と、これを駆動する液晶駆動回路２５と、接眼レンズ２７とを備えている。液晶駆動回路２５は、撮像素子２２で撮像され、カメラ制御部２１へ送出された撮影画像情報を読み込み、これに基づいて電子ビューファインダ２６を駆動する。これにより、ユーザは、接眼レンズ２７を通して現在の撮影画像を観察することができる。なお、光軸Ｌ２による上記観察光学系に代えて、または、これに加えて、液晶ディスプレイをカメラ本体２の背面等に設け、この液晶ディスプレイに撮影画像を表示させることもできる。

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。

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撮影光学系の焦点状態の検出を行う。なお、具体的な焦点状態の検出方法については、後述する。

操作部２８は、シャッターレリーズボタンや撮影者がカメラ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、特定の被写体を追尾するための被写体追尾モードの設定や、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、オートフォーカスモードの中でも、ワンショットモード／コンティニュアスモードの切換が行えるようになっている。ここで、ワンショットモードとは、一度調節したフォーカスレンズ３２の位置を固定し、そのフォーカスレンズ位置で撮影するモードであるのに対し、コンティニュアスモードとは、フォーカスレンズ３２の位置を固定することなく被写体に応じてフォーカスレンズ位置を調節するモードである。この操作部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。

次に、本実施形態に係る撮像素子２２について説明する。

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。

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。

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。

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。

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、横一列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。

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、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、この例に限定されるものではない。

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、横一列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、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

ここで、図２には、撮影画面内の第１領域と第２領域とを、撮像素子２２に対応させて表示している（なお、図２に示す一点鎖線で囲われた領域が、第１領域であり、第１領域の周囲に位置し、一点鎖線で囲われた第１領域の外側の領域が第２領域である）。撮影画面内の第１領域は、撮像素子２２のうちの焦点検出画素列２２ａ〜２２ｅを含む領域に対応しており、これにより、第１領域における光学系の焦点状態を、位相差検出方式およびコントラスト検出方式により検出することができる。また、撮影画面内の第２領域は、図２に示すように、撮影画面内の第１領域の周囲に位置し、撮像素子２２のうちの焦点検出画素列２２ａ〜２２ｅを含まない領域に対応しているため、第２領域における光学系の焦点状態は、コントラスト検出方式のみにより検出することができる。そのため、カメラ制御部２１は、図２に示すように、焦点検出を行うための焦点検出エリアＡＦＰが、撮影画面内の第１領域に存在する場合には、位相差検出方式およびコントラスト検出方式により焦点検出を行うことができ、一方、焦点検出エリアＡＦＰが、撮影画面の第２領域に存在する場合には、コントラスト検出方式により焦点検出を行うことができる。

次に、図９を参照して、本実施形態に係るカメラ１の動作例を説明する。図９は、本実施形態に係るカメラ１の動作を示すフローチャートである。なお、以下においては、被写体を追尾する追尾モードが選択されており、撮影者により撮影画面内の所望領域が追尾対象エリアとして設定されたことで、追尾対象エリアに対応するテンプレート画像情報が生成されている場面を例示して説明する。また、以下に示すカメラ１の動作は、操作部２８に備えられたシャッターレリーズボタンが半押しされることで開始され、シャッターレリーズボタンが半押しされている間、行われる。

まず、ステップＳ１０１では、カメラ制御部２１により、被写体を追尾するための追尾演算が行われる。具体的には、カメラ制御部２１は、撮像素子２２より撮像された画像データを読み出し、読み出した画像データに基づく画像から、設定した追尾対象エリアを含みこれより広い周辺の所定エリアを設定し、周辺エリアに相当する画像情報と、先に生成したテンプレート画像情報と比較する。なお、この比較の際に用いられる画像情報は、撮像素子２２により撮像された画像信号の色情報及び輝度値であり、テンプレート画像情報と周辺画像情報との一致の度合いを類似度として評価するとともに、周辺エリアに他に一致するエリアが存在したかどうかといった可能性の有無を信頼度として評価する。そして、周辺エリアの画像情報とテンプレート画像情報とのマッチング処理を実行し、周辺エリアの画像情報のうち、テンプレート画像情報とマッチングするエリアの二次元座標を求める。そして、求められた二次元座標におけるエリアが、新たに追尾対象エリアとして決定される。なお、追尾演算は所定の間隔で繰り返し行われる。

ステップＳ１０２では、カメラ制御部２１により、ステップＳ１０１で決定された追尾対象エリアの位置に基づいて、焦点検出を行うための焦点検出エリアＡＦＰが設定される。本実施形態では、たとえば、図２に示すように、ステップＳ１０１で設定された追尾対象エリアに対応する焦点検出エリアＡＦＰが、焦点検出を行うための焦点検出エリアＡＦＰとして設定される。

そして、ステップＳ１０３では、カメラ制御部２１により、ステップＳ１０２で設定された焦点検出エリアＡＦＰが、撮影画面内の第１領域に存在するか否かの判断が行われる。焦点検出エリアＡＦＰが撮影画面内の第１領域に存在する場合は、ステップＳ１０４に進み、一方、焦点検出エリアＡＦＰが撮影画面内の第１領域に存在しない場合は、ステップＳ１０７に進む。たとえば、図２に示す例では、焦点検出エリアＡＦＰが、撮影画面内の第１領域内に存在しているため、ステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０４では、カメラ制御部２１により、焦点検出エリアＡＦＰの位置が、撮影画面内の第２領域から第１領域に移動したか否かの判断が行われる。たとえば、前回処理時に焦点検出エリアＡＦＰが撮影画面内の第２領域に存在していたが、追尾対象である被写体が、撮影画面内の第２領域から第１領域内に移動したことにより、今回処理時に焦点検出エリアＡＦＰが撮影画面内の第１領域に存在する場合には、カメラ制御部２１は、焦点検出エリアＡＦＰの位置が、撮影画面内の第２領域から第１領域へと移動したものと判断することができる。また、カメラ制御部２１は、たとえば、前回処理時においても、焦点検出エリアＡＦＰが撮影画面内の第１領域に存在した場合には、焦点検出エリアＡＦＰの位置が、撮影画面内の第２領域から第１領域に移動していないと判断することができる。焦点検出エリアＡＦＰの位置が、撮影画面内の第２領域から第１領域へと移動したと判断された場合はステップＳ１０５に進み、一方、焦点検出エリアＡＦＰの位置が、撮影画面内の第２領域から第１領域に移動していないと判断された場合には、ステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０５では、焦点検出エリアＡＦＰの位置が、撮影画面内の第２領域から第１領域に移動したと判断されているため、カメラ制御部２１により、焦点検出エリアＡＦＰが第２領域に存在していた際の焦点調節動作と、該焦点調節動作により得られた演算結果との引継ぎが行われる。たとえば、焦点検出エリアＡＦＰの位置が第２領域に存在していた際のオートフォーカスモードが、ワンショットモードであった場合には、移動後の第１領域においてもワンショットモードが継続され、たとえば、移動前の第２領域において合焦ロック（フォーカスレンズ３２の駆動を禁止する処理）が行われていた場合には、移動後の第１領域においても合焦ロックの状態（フォーカスレンズ３２の駆動を禁止した状態）が継続される。また、焦点検出エリアＡＦＰが第２領域に存在していた際のオートフォーカスモードが、コンティニュアスモードである場合には、移動後の第１領域においても、コンティニュアスモードが継続されるとともに、移動後の第１領域でのフォーカスレンズ３２の予測駆動などの処理に用いるために、移動前の第２領域におけるコンティニュアスモードでの焦点調節動作により得られた演算結果、たとえば、追尾対象である被写体が動体被写体であるか静止体被写体であるかの情報や、追尾対象である被写体がランダム（不規則に不特定の方向）に動いている、または、カメラ１に近づいてきているなどの追尾対象の動作パターンの情報、さらには、追尾対象である被写体の光軸方向における移動速度情報や、追尾対象である被写体の光軸方向における位置の履歴情報などが引継がれる。

そして、ステップＳ１０６では、カメラ制御部２１により、第１領域内の焦点検出エリアＡＦＰにおける焦点状態が検出される。本実施形態において、カメラ制御部２１は、まず、第１領域内の焦点検出エリアＡＦＰにおいて、位相差検出方式による焦点検出を行い、位相差検出方式による焦点検出で光学系の焦点状態を検出することができない場合に、コントラスト検出方式による焦点検出を行う。なお、位相差検出方式による焦点検出で光学系の焦点状態を検出することができない場合としては、位相差検出方式によりデフォーカス量が算出できなかった場合や、デフォーカス量の算出ができた場合でも、算出されたデフォーカス量の信頼性が低い場合が挙げられる。

また、ステップＳ１０６において、カメラ制御部２１は、オートフォーカスモードがコンティニュアスモードである場合には、検出された追尾対象の焦点状態に基づいて、追尾対象が動体被写体であるか静止体被写体であるかの判定や、追尾対象の動作パターンの検出、さらには、追尾対象の光軸方向における移動速度の算出や、追尾対象の光軸方向における位置の履歴の生成なども行う。

一方、ステップＳ１０３において、焦点検出エリアＡＦＰが、撮影画面内の第１領域に存在していないと判断された場合は、焦点検出エリアＡＦＰが撮影画面内の第２領域に存在すると判断され、ステップＳ１０７に進む。ステップＳ１０７では、カメラ制御部２１により、焦点検出エリアＡＦＰの位置が、撮影画面内の第１領域から第２領域に移動したか否かの判断が行われる。焦点検出エリアＡＦＰの位置が撮影画面内の第１領域から第２領域に移動したと判断された場合はステップＳ１０８に進み、一方、焦点検出エリアＡＦＰの位置が撮影画面内の第１領域から第２領域に移動していないと判断された場合には、ステップＳ１０９に進む。なお、焦点検出エリアＡＦＰの位置が移動したか否かの判断は、ステップＳ１０４と同様に行うことができる。

ステップＳ１０８では、焦点検出エリアＡＦＰの位置が、撮影画面内の第１領域から第２領域に移動したと判断されているため、カメラ制御部２１により、焦点検出エリアＡＦＰが第１領域に存在していた際の焦点調節動作、および該焦点調節動作により得られた演算結果の引継ぎが行われる。すなわち、焦点検出エリアＡＦＰの位置が第１領域に存在していた際のオートフォーカスモードが、ワンショットモードであった場合には、移動後の第２領域においてもワンショットモードが継続され、また、移動前の第１領域において合焦ロックが行われていた場合には、移動後の第２領域においても合焦ロックの状態が継続される。また、焦点検出エリアＡＦＰが第１領域に存在していた際のオートフォーカスモードが、コンティニュアスモードであった場合には、移動後の第２領域においてもコンティニュアスモードが継続され、移動前の第１領域におけるコンティニュアスモードでの焦点調節動作により得られた演算結果が引継がれる。

そして、ステップＳ１０９では、カメラ制御部２１により、第２領域内の焦点検出エリアＡＦＰにおいて、コントラスト検出方式による焦点検出が行われる。また、ステップＳ１０９において、カメラ制御部２１は、ステップＳ１０６と同様に、オートフォーカスモードがコンティニュアスモードである場合には、検出された追尾対象の焦点状態に基づいて、追尾対象が動体被写体であるか静止体被写体であるかの判定や、追尾対象の動作パターンの検出、さらには、追尾対象の光軸方向における移動速度の算出や、追尾対象の光軸方向における位置の履歴の生成などを行う。

ステップＳ１１０では、カメラ制御部２１により、ワンショットモードが選択されているか否かの判断が行われる。ワンショットモードが選択されている場合には、ステップＳ１１１に進み、一方、ワンショットモードが選択されていない場合には、ステップＳ１１３に進む。

ステップＳ１１１では、ワンショットモードが選択されているため、カメラ制御部２１により、ステップＳ１０６，Ｓ１０９における焦点検出の結果に基づいて、フォーカスレンズ３２の合焦駆動が行われる。具体的には、位相差検出方式によりデフォーカス量が算出された場合には、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させるのに必要となる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の駆動が行われる。また、コントラスト検出方式により合焦位置が検出された場合には、合焦位置までフォーカスレンズ３２が駆動される。そして、フォーカスレンズ３２の合焦位置への駆動が完了した後は、ステップＳ１１２に進み、合焦ロック（フォーカスレンズ３２の駆動を禁止する処理）が行われる。なお、ステップＳ１１１において、既に、合焦ロックが行われている場合には、フォーカスレンズ３２の駆動は行われない。これにより、ワンショットモードが選択されている場合には、一度調節されたフォーカスレンズ３２の位置が固定されることとなる。

また、ステップＳ１１０において、ワンショットモードが選択されていないと判断された場合は、コンティニュアスモードが選択されていると判断され、ステップＳ１１３に進む。ステップＳ１１３では、ステップＳ１１１と同様に、カメラ制御部２１により、ステップＳ１０６，Ｓ１０９における焦点検出の結果に基づいて、フォーカスレンズ３２が合焦位置まで駆動される。そして、フォーカスレンズ３２の合焦位置への駆動が完了すると、ステップＳ１０１に戻り、再度、焦点検出エリアＡＦＰにおける焦点状態の検出と、フォーカスレンズ３２の駆動とが繰り返される。このように、コンティニュアスモードが選択されている場合には、焦点検出エリアＡＦＰにおける焦点状態に応じて、フォーカスレンズ３２が繰り返し駆動されることとなる。

以上のように、本実施形態に係るカメラ１は、焦点検出エリアＡＦＰが撮影画面内の第１領域に存在する場合には、焦点検出エリアＡＦＰにおける焦点状態を、位相差検出方式およびコントラスト検出方式のうち少なくとも一方の方式により検出し、また、焦点検出エリアＡＦＰが撮影画面内の第２領域に存在する場合には、焦点検出エリアＡＦＰにおける焦点状態を、コントラスト検出方式により検出する。このように、本実施形態によれば、追尾対象の位置に基づいて設定された焦点検出エリアＡＦＰが、位相差検出方式による焦点検出ができない第２領域に存在する場合であっても、焦点検出エリアＡＦＰにおける焦点状態を適切に検出することができるため、たとえ追尾対象の被写体が、位相差検出方式による焦点検出が可能な第１領域から、位相差検出方式による焦点検出ができない第２領域に移動した場合であっても、追尾対象の被写体の焦点状態を適切に検出することができる。

また、本実施形態では、焦点検出エリアＡＦＰが、撮影画面内の第１領域および第２領域のうちの一方の領域から他方の領域に移動した場合に、移動前の焦点調節動作や演算結果を引き継いで、移動後の焦点調節を行う。たとえば、焦点検出エリアＡＦＰの位置が撮影画面内の第１領域から第２領域に移動した場合であって、焦点検出エリアＡＦＰが第１領域に存在していた際のオートフォーカスモードが、ワンショットモードである場合には、移動後の第２領域においても、ワンショットモードを継続し、たとえば、移動前の第１領域において合焦ロックが行われていた場合には、移動後の第２領域においても、合焦ロックの状態を引継ぐ。また、焦点検出エリアＡＦＰが第１領域に存在していた際のオートフォーカスモードが、コンティニュアスモードモードである場合には、移動後の第２領域においても、コンティニュアスモードを継続し、移動前の第１領域における焦点調節動作で得られた、追尾対象が動体被写体であるか静止体被写体であるかの情報、追尾対象の動作パターン情報、追尾対象の光軸方向における移動速度情報、さらには、追尾対象の光軸方向における位置の履歴情報などの演算結果を引継ぐ。これにより、本実施形態では、焦点検出エリアＡＦＰの位置が撮影画面内の第１領域および第２領域のうちの一方の領域から他方の領域に移動した場合でも、移動前と同様に、追尾対象の位置に基づく焦点検出エリアＡＦＰにおいて、光学系の焦点状態を検出することができるため、カメラ１の使用感の向上を図ることができる。

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。

例えば、上述した実施形態では、追尾対象に基づいて設定された焦点検出エリアＡＦＰが、撮影画面内の第１領域および第２領域のうちの一方の領域から他方の領域に移動した場合に、オートフォーカスモードのうち、ワンショットモードおよびコンティニュアスモードを引継ぐ構成を例示したが、この構成に限定されず、他のオートフォーカスモードを引継ぐ構成としてもよい。

また、上述した実施形態では、撮像素子２２が撮像画素２２１と焦点検出画素２２２ａ，２２２ｂとを有し、撮像素子２２が有する焦点検出画素２２２ａ，２２２ｂにおいて、位相差検出方式による焦点検出を行う構成を例示したが、この構成に限定されるものではなく、位相差検出方式による焦点検出を行うための焦点検出モジュールを、撮像素子２２と独立して設ける構成としてもよい。

なお、本実施形態に係るカメラ１は、特に限定されず、例えば、一眼レフデジタルカメラ、デジタルコンパクトカメラ、デジタルビデオカメラ、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。

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

Claims (6)

1. 撮影画面内の第１領域における光学系の焦点状態を、前記光学系による像面のずれ量に基づいて検出する位相差検出部と、
   前記第１領域および前記第１領域の周囲に位置する撮影画面内の第２領域における光学系の焦点状態を、前記光学系による像のコントラストに関する評価値に基づいて検出するコントラスト検出部と、
   前記光学系を介して撮像された撮像画像から対象とする像に相当する基準画像に対応する画像を追尾対象として繰り返し認識することで、撮影画面内における前記追尾対象の位置を追尾する追尾部と、
   撮影画面内における前記追尾対象の位置に基づいて、焦点検出用のエリアを設定する焦点検出エリア設定部と、
   前記焦点検出エリアが前記第１領域に存在する場合には、前記位相差検出部および前記コントラスト検出部のうち少なくとも一方に、前記光学系の焦点状態の検出を行わせ、前記焦点検出エリアが前記第２領域に存在する場合には、前記コントラスト検出部に、前記光学系の焦点状態の検出を行わせる制御部と、を備えることを特徴とする焦点調節装置。
2. 請求項１に記載の焦点調節装置であって、
   撮像用画素と焦点検出用画素とを有し、前記光学系による像を撮像し、撮像した像に対応する画像信号を出力する撮像部をさらに備え、
   前記位相差検出部は、前記焦点検出用画素から出力された画像信号に基づいて、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し、
   前記コントラスト検出部は、前記撮像用画素から出力された画像信号に基づいて、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することで、前記評価値に基づいて、前記光学系の焦点状態を検出することを特徴とする焦点調節装置。
3. 請求項１または２に記載の焦点調節装置であって、
   前記光学系のうち焦点調節光学系を光軸方向に駆動して、前記光学系の焦点状態を調節する焦点調節部と、
   シャッターレリーズボタンの半押し操作が行われた場合に、前記焦点検出部の検出結果に基づいて、前記焦点調節光学系を合焦位置に駆動させた後に、前記焦点調節光学系の駆動を禁止する焦点調節モードと、シャッターレリーズボタンの半押し操作が行われた場合に、前記焦点検出部の検出結果に基づいて、前記焦点調節光学系を合焦位置に駆動させた後に、前記光学系の焦点状態が変化した場合には、前記光学系の焦点状態に応じて、前記焦点調節光学系を駆動させる焦点調節モードとを設定可能なモード設定部と、をさらに備え、
   前記焦点調節部は、前記焦点検出エリアの位置が、前記第１領域および前記第２領域のうちの一方の領域から他方の領域に移動した場合に、前記移動後においても、前記移動前の焦点調節モードにおける焦点調節動作を継続することを特徴とする焦点調節装置。
4. 請求項３に記載の焦点調節装置であって、
   前記焦点調節部は、前記焦点検出エリアの位置が、前記第１領域および前記第２領域のうちの一方の領域から他方の領域に移動した場合には、前記移動後においても、前記移動前の焦点調節モードでの焦点調節動作で得られた演算結果を用いることを特徴とする焦点調節装置。
5. 請求項４に記載の焦点調節装置であって、
   前記焦点調節部は、前記焦点検出エリアの位置が、前記第１領域および前記第２領域のうちの一方の領域から他方の領域に移動した場合には、前記移動後においても、前記移動前の焦点調節モードでの焦点調節動作で得られた、前記追尾対象が動体被写体であるか静止体被写体であるかの情報、前記追尾対象の動作パターン情報、前記追尾対象の光軸方向の移動速度情報、および、前記追尾対象の光軸方向における位置の履歴情報のうち少なくとも１つを用いることを特徴とする焦点調節装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の焦点調節装置を備えた撮像装置。

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