JP2016018033A - 撮像装置、その制御方法、プログラム及び記憶媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】焦点検出画素を有する撮像素子を備えた撮像装置において、連写撮影中に焦点調節、露出処理を行いながら、高速な連写撮影を可能にする仕組みを提供する。
【解決手段】撮像装置は、撮影光学系の射出瞳の領域の異なる対の瞳領域を通過する光束を光電変換して対の像信号を出力する焦点検出画素、及び撮影光学系の射出瞳を通過する全ての光束を光電変換して像信号を出力する撮像画素を有する撮像素子１０７を備える。撮像素子１０７を順次露光する連写撮影時に、焦点検出手段１２１ｂは、露光ごとに生成された焦点検出画素の像信号から焦点検出を行い、焦点調節手段１２６は、焦点検出手段１２１ｂの検出結果に基づいて露光の間に焦点調節を行い、露出処理手段１２１ｄが露光ごとに生成された像信号から露出条件設定を行い、絞り調節手段１２８は、露出処理手段１２１ｄで設定された露出条件に基づいて露光の間に絞り調節を行う。
【選択図】図８

Description

本発明は、例えばデジタル一眼レフカメラ等の撮像光学系を有する撮像装置に関する。

一眼レフカメラ等では、駆動可能なメインミラー及びサブミラーからなるミラー部を有し、ミラーダウン時には撮像光学系を通過した被写体光束が位相差検出方式のＡＦユニット及び光学ファインダに入射し、ミラーアップ時には被写体光束が撮像面へ入射する。

このような一眼レフカメラで連写撮影する場合には、撮像素子へ露光の合間にミラー部のアップダウンを行い、位相差検出方式のＡＦユニットを用いた位相差ＡＦを行うことが可能である。

しかしながら、連写撮影中の位相差ＡＦでは、ミラー部のアップダウン駆動を行い、ＡＦユニットへの露光と撮像素子への露光を行わなければならない。このため、撮像素子の読み出し時間が高速である場合にもミラー部の駆動時間が必要となり、高速な連写撮影が困難である。

上記問題を解決する手段として、焦点検出画素を有する撮像素子を用いて、撮像面で位相差ＡＦを行い、連写撮影する撮像装置が提案されている（特許文献１）。この撮像装置は、撮像光学系の射出瞳における一対の部分領域を通過した被写体光束のそれぞれを受光する一対の画素が水平方向に２以上配列された焦点検出画素列を有する撮像素子を備えている。

そして、連写撮影時には、撮像素子への本露光による焦点検出画素列で生成された信号を用いて位相差ＡＦの演算処理（ＡＦ演算）を行い、ピントずれ量（デフォーカス量）を算出する。その後、算出されたデフォーカス量をもとにフォーカスレンズを合焦位置へ移動させることで、ミラー部のアップダウン駆動を行うことなく、連写中に位相差ＡＦをすることができるとしている。

特開２００９−１０９６３１号公報

しかし、上記特許文献１では、露出処理については開示されていない。このため、連写撮影中のＡＦは可能であるが、露出処理を行っていなため、露出条件が固定となる。従って、被写体や撮影環境が連写撮影中に変化した場合には、適した露出条件で連写撮影ができない。

そこで、本発明は、焦点検出画素を有する撮像素子を備えた撮像装置において、連写撮影中に焦点調節、露出処理を行いながら、高速な連写撮影を可能にする仕組みを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、撮影光学系の射出瞳の領域の異なる対の瞳領域を通過する光束を光電変換して対の像信号を出力する焦点検出画素、及び前記撮影光学系の前記射出瞳を通過する光束を光電変換して像信号を出力する撮像画素を有する撮像素子を備える撮像装置であって、前記撮像素子からの出力信号を用いて焦点検出を行う焦点検出手段と、前記焦点検出手段の検出結果に基づいてフォーカスレンズを駆動して焦点調節を行う焦点調節手段と、撮影時の露出条件を設定する露出処理手段と、前記露出処理手段により設定された前記露出条件に基づいて絞りを調節する絞り調節手段と、前記撮像素子を順次露光する連写撮影か否かを判定する判定手段と、前記判定手段により連写撮影と判定された場合に、前記焦点検出手段が前記露光ごとに生成された前記焦点検出画素の像信号から焦点検出を行い、前記焦点調節手段が前記焦点検出手段の検出結果に基づいて前記露光の間に焦点調節を行い、前記露出処理手段が前記露光ごとに生成された像信号から露出条件設定を行い、前記絞り調節手段が前記露出処理手段で設定された露出条件に基づいて前記露光の間に絞り調節を行うように制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、焦点検出画素を有する撮像素子を備えた撮像装置において、連写撮影中に焦点調節、露出処理を行いながら、高速な連写撮影を可能にすることができる。

本発明の撮像装置の実施形態の一例であるデジタルカメラのシステム構成例を示すブロック図である。 撮像素子（固体撮像素子）の構成例を示すブロック図である。 （ａ）は２行×２列の撮像画素の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 （ａ）は焦点検出画素を含む２行×２列の画素の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 （ａ）は撮像素子の中央近傍の画素に対して、射出瞳面の位置にある結像光学系の絞りによって光束が制限されている様子を示す図、（ｂ）は（ａ）で撮像素子の中央の焦点検出画素の射出瞳面でのケラレによる重心位置の変化を説明する図である。 （ａ）は絞りを開放した場合の図５（ｂ）のＡ−Ａ線断面でのＡ像画素、Ｂ像画素及び撮像画素の感度分布を示す図、（ｂ）は絞りが絞られている場合の図５（ｂ）のＡ−Ａ線断面でのＡ像画素、Ｂ像画素及び撮像画素の感度分布を示す図である。 撮像素子における撮像画素及び焦点検出画素の配置例を示す図である。 デジタルカメラの連写撮影時の動作シーケンスを示す図である。 露出処理を行う範囲が撮像画素の範囲に対して像高が限定されている場合のデジタルカメラの連写撮影時の動作シーケンスを示す図である。 被写体顔検出処理を追加した場合のデジタルカメラの連写撮影時の動作シーケンスを示す図である。 デジタルカメラの連写撮影動作を説明するフローチャート図である。 図１１のステップＳ１１００の露出処理について説明するフローチャート図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態の一例を説明する。

図１は、本発明の撮像装置の実施形態の一例であるデジタルカメラのシステム構成例を示すブロック図である。なお、本実施形態では、カメラ本体と撮影光学系とが一体的に構成されるデジタルカメラを例示するが、カメラ本体に対して撮影光学系を構成するレンズ鏡筒が交換可能に装着されるデジタルカメラにも適用可能である。

図１に示すように、本実施形態のデジタルカメラ１００は、被写体側から像面側に向けて順番に配置される第１レンズ群１０１、第２レンズ群１０３及び第３レンズ群１０５を有する。第１レンズ群１０１、第２レンズ群１０３及び第３レンズ群１０５は、撮影光学系を構成し、それぞれ不図示のレンズ保持部に保持されて、光軸方向に移動可能になっている。

第２レンズ群１０３の被写体側には、絞り兼シャッタ１０２が設けられ、絞り兼シャッタ１０２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。絞り兼シャッタ１０２及び第２レンズ群１０３は、一体的に光軸方向に進退移動し、第１レンズ群１０１の進退動作との連動により、変倍動作（ズーム動作）を行う。

撮影光学系を通過した被写体光束は、光学ローパスフィルタ１０６を介して撮像素子１０７に結像する。光学ローパスフィルタ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。

撮像素子１０７は、ＣＭＯＳセンサとその周辺回路とを備え、撮像面に結像した被写体像を光電変換して画像信号を出力する。撮像素子１０７には、横方向ｍ画素及び縦方向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る。

また、後述するように、撮像素子１０７は、複数の焦点検出画素及び複数の撮像画素を有する。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第１の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第２の画素信号を出力する。

ズームアクチュエータ１１１は、不図示のカム筒を回転させることで、第１レンズ群１０１、第２レンズ群１０３及び第３レンズ群１０５を光軸方向に進退駆動して、変倍操作を行う。絞りシャッタアクチュエータ１１２は、絞り兼シャッタ１０２の開口径を制御して撮影光量を調節（絞り調節）するとともに、静止画撮影の際に露光時間制御を行う。フォーカスアクチュエータ１１４は、フォーカスレンズとしての第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。

電子フラッシュ１１５は、撮影時の被写体照明用に用いられる。電子フラッシュ１１５としては、キセノン管を用いた閃光照明装置が好適であるが、連続発光するＬＥＤを備えた照明装置を用いてもよい。ＡＦ補助光手段１１６は、所定の開口パターンを有するマスクの像を、投光レンズを介して被写界に投影し、暗い被写体または低コントラストの被写体に対する焦点検出能力を向上させる。

カメラ制御回路１２１は、カメラ全体の制御を司るＣＰＵの他に、演算部、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、及び通信インターフェイス回路などを有する。カメラ制御回路１２１のＲＯＭ等に記憶されたプログラムがＲＡＭに展開されて、ＣＰＵによりＡＦ、撮影、画像処理、及び記録などの一連の処理が実行される。また、カメラ制御回路１２１は、焦点検出手段１２１ｂ、被写体検出手段１２１ｃ及び露出処理手段１２１ｄを有する。被写体検出手段１２１ｃは、撮像素子１０７から得られた画像信号をもとに被写体、例えば顔の検出処理を行う。露出処理手段１２１ｄは、撮像素子１０７から得られた画像信号をもとに本露光で設定する露出条件である絞り値、デジタルゲイン、シャッタスピード等を決める処理を行う。

電子フラッシュ制御回路１２２は、撮影動作に同期して電子フラッシュ１１５を発光制御する。補助光駆動回路１２３は、焦点検出動作に同期して、ＡＦ補助光手段１１６を発光制御する。撮像素子駆動回路１２４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変換してカメラ制御回路１２１に送信する。画像処理回路１２５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、及びＪＰＥＧ圧縮などの画像処理を行う。

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。絞りシャッタ駆動回路１２８は、絞りシャッタアクチュエータ１１２を駆動制御して、絞り兼シャッタ１０２の開口を制御する。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。

表示器１３１は、ＬＣＤ等で構成され、カメラ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等を表示する。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。フラッシュメモリ１３３は、着脱可能とされて、撮影済み画像を記録する。

図２は、撮像素子１０７の構成例を示すブロック図である。なお、図２では、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の図示は省略している。

図２において、光電変換部２０１（ＰＤｍｎ）は、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。光電変換部２０１（ＰＤｍｎ）のｍは、Ｘ方向アドレスであり、ｍ＝０、１、…、ｍ−１である。また、ｎは、Ｙ方向アドレスであり、ｎ＝０、１、…、ｎ−１である。本実施形態の撮像素子１０７は、ｍ×ｎの光電変換部２０１を２次元上に配置して構成されている。なお、光電変換部２０１（ＰＤｍｎ）のｍ，ｎの符号は、説明の便宜上、図の左上の光電変換部２０１（ＰＤ００）周辺のみに付している。

スイッチ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。ラインメモリ（ＭＥＭ）２０３は、光電変換部２０１（ＰＤｍｎ）の出力を一時的に記憶するメモリであり、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。

スイッチ２０４は、信号ＨＲＳＴにより制御され、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。スイッチ２０５（Ｈ０〜Ｈｍ−１）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。スイッチ２０５（Ｈ０〜Ｈｍ−１）を後述する水平走査回路２０６で順次走査することにより、一行分の光電変換部２０１（ＰＤｍｎ）の出力が読み出される。

水平走査回路２０６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。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。増幅器ＡＭＰ２０７は、水平出力線の信号を増幅して端子ＶＯＵＴに出力する。

垂直走査回路２０８は、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Ｖ０〜Ｖｎ−１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。なお、垂直走査回路２０８の動作の詳細は、水平走査回路２０６と同様であるため、その説明は省略する。

次に、図３乃至図６を参照して、撮像素子１０７の撮像画素と焦点検出画素の構造について説明する。本実施形態では、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を採用する。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画素が所定の規則で分散配置されている。

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（Ｇｒｅｅｎ）画素が配置され、他の２画素にＲ（Ｒｅｄ）とＢ（Ｂｌｕｅ）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。

図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図３（ｂ）において、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のカラーフィルタ、ＣＦＧは、Ｇのカラーフィルタである。ＰＤは、ＣＭＯＳセンサの光電変換部を模式的に示したものであり、ＣＬは、ＣＭＯＳ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。

撮像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画素も同一の構造を有する。従って、ＲＧＢの各々の撮像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。

図４は、撮影光学系の水平方向（図４の左右方向）に瞳分割を行うための焦点検出画素の配置と構造を説明する図である。ここで、水平方向とは、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、かつ水平方向に延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。記録又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画素及び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。このため、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、本実施形態では、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。

図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図４（ｂ）に示す焦点検出画素のマイクロレンズＭＬと光電変換部ＰＤは、図３（ｂ）に示す撮像画素と同一構造である。本実施形態では、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）を配置して構成されている。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。

次に、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。撮像素子１０７（イメージセンサ）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及び図６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（ａ）は、撮像素子１０７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１０２によって光束が制限されている様子を示す図である。

図５（ａ）において、実線で示す撮像素子１０７ａは、予定結像面位置における撮像素子である。位置５０６は、予定結像面位置における撮像素子１０７ａ上での光軸５０５の位置である。光束５０７，５０８は、それぞれ絞り１０２が絞られることで、絞り１０２により制限された場合の光束である。光束５０９，５１０は、それぞれ絞り１０２が開放されることで、絞り１０２により制限されていない場合の光束である。光束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。重心位置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、光束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。重心位置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。

図５（ｂ）は、図５（ａ）の破線で示す撮像素子１０７ｂの中央の焦点検出画素の射出瞳面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、瞳領域５２３，５２４は、それぞれ撮像素子１０７ｂの中央の画素に対して絞り１０２により制限された光束５０７，５０８、及び絞り１０２により制限されていない光束５０９，５１０の瞳領域を示す。入射角特性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、焦点検出用光束が絞り１０２により制限されている場合と、絞り１０２により制限されていない場合との重心間隔を算出することができる。

そして、算出した重心間隔から、それぞれの基線長を求めることができる。焦点検出画素の感度分布情報及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メモリ等に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。

図５（ａ）において、デフォーカス量５１９をＤＥＦとし、撮像素子１０７ａから射出瞳面５０１までの距離５２０をＬとする。また、焦点検出用光束が絞り１０２により制限されている場合と制限されていない場合の基線長（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とし、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、次式（１）によりデフォーカス量ＤＥＦを求めることができる。

ＤＥＦ＝Ｋ１×ＰＲＥＤ１＝Ｋ２×ＰＲＥＤ２ …（１）
また、像ずれ量５２１，５２２をデフォーカス量ＤＥＦに変換する変換係数Ｋ１，Ｋ２は、それぞれ次式（２），（３）により求められる。

Ｋ１＝Ｌ／Ｇ１ …（２）
Ｋ２＝Ｌ／Ｇ２ …（３）
ここで、Ｋ１＜Ｋ２である。このため、絞り１０２が開放されている場合と絞り１０２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し、絞り１０２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。

図６（ａ）は、絞り１０２を開放した場合の図５（ｂ）のＡ−Ａ線断面におけるＡ像画素５３０、Ｂ像画素５３１及び撮像画素５３２の感度分布を示す図である。図６（ｂ）は、絞り１０２が絞られている場合の図５（ｂ）のＡ−Ａ線断面におけるＡ像画素５３０、Ｂ像画素５３１及び撮像画素５３２の感度分布を示す図である。

図６において、横軸は光入射角度を示し、縦軸は感度分布を示す。図６（ａ）及び図６（ｂ）を比較すると、図６（ａ）に示す絞り開放の方が基線長Ｇ１が長く、また、感度を持つ入射角度幅が広くなる。基線長と、デフォーカス量に対するＡ像及び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、デフォーカス量に対する像ズレ量の敏感度が高くなる。また、感度を持つ入射角度幅が大きくなると、デフォーカス量に対する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、デフォーカス量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。

図７は、撮像素子１０７における撮像画素及び焦点検出画素の配置例を示す図である。図７において、画素Ｇ，ＧＡ，ＧＢは、緑のカラーフィルタ（緑フィルタ）を有し、画素Ｒは、赤のカラーフィルタ（赤フィルタ）を有し、画素Ｂは、青のカラーフィルタ（青フィルタ）を有する。

また、焦点検出画素ＳＡは、画素部の開口を水平方向に偏倚させて形成され、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。焦点検出画素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、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。焦点検出画素ＳＡ，ＳＢは、ＡＦライン１からＡＦライン４に配置されている。

合焦位置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、及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７（ａ）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。一方、図７（ｂ）において、焦点検出画素ＳＡ，ＳＢは、周辺に同色の撮像画素が多く配置されるため、焦点検出画素の位置における画像信号の補間処理が、比較的容易となるＧ画素の位置に配置している。本実施形態では、焦点検出画素から得られる信号を用いて、焦点検出処理、及び焦点検出結果の補正処理を行うが、その際の焦点検出画素の配置は、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示す２つの例に限らない。

次に、図８乃至図１０を参照して、デジタルカメラ１００の連写撮影時の動作例について説明する。図８乃至図１０では、レリーズスイッチ（ＳＷ２）オン、撮像素子１０７、ＡＦ処理、フォーカスレンズ（第３レンズ群）１０５、露出処理、絞り駆動の各項目に分けて動作シーケンスを示している。また、撮影者が不図示のレリーズホタンを半押し等してレリーズスイッチ（ＳＷ１）がオンすると、ＡＦ処理を行い、さらにレリーズホタンを全押し等してレリーズスイッチ（ＳＷ２）がオンした時点を立下り信号で示し、開始位置としている。本実施形態では、開始位置以降、本露光の蓄積、読み出しを１回行い、２回目の撮影動作から説明する。露出処理手段１２１ｄは、前の撮影で読み出された撮像信号を用いて次の本露光の蓄積を行うための露出条件を設定する。

図８は、デジタルカメラ１００の撮像素子１０７を順次露光する連写撮影時の動作シーケンスを示す図である。

撮像素子１０７は、本露光である蓄積を行い撮像画素の読み出しを開始し、並行して焦点検出画素の読み出しも行う。焦点検出画素は、前述したように、撮像画素の範囲に対して像高が限定された範囲に配置されているため、焦点検出画素の読み出しは、撮像画素の読み出しより先に完了する。焦点検出を行う範囲は、ＡＦ処理時の測距範囲または前の連写撮影の撮像画像から検出処理を行い決定する。

焦点検出画素の読み出し完了後、ＡＦ演算をする。焦点検出画素に対して相関演算を行い、算出した像ずれ量からデフォーカ量を求める。ＡＦ演算後、算出したデフォーカス量に基づいて、フォーカスアクチュエータ１１４によってフォーカスレンズ１０５を合焦位置へ移動させる。

絞り駆動は、読出し開始と同時に、開放へ駆動する。開放へ駆動するのは、絞り兼シャッタ１０２の初期位置出しのためである。一度開放へ駆動し、絞り兼シャッタ１０２の初期位置出しを行ってから、所定の絞り値に駆動することで、絞り口径の精度を維持することができる。ただし、絞りを開放にせずに所定の絞り値で絞り口径精度が満たすことができる絞り兼シャッタであれば、絞りを開放へ駆動しなくてもよい。絞り開放駆動後、前述の露出処理で設定された絞り値へ絞り兼シャッタ１０２を絞り込み駆動させる。

前述のフォーカスレンズ駆動と絞り込み駆動が完了し、読み出しも完了したことを確認後、本露光である蓄積を開始し、絞りシャッタアクチュエータ１１２で絞り兼シャッタ１０２のシャッタで遮光することでシャッタスピードを制御し、蓄積を完了する。以上の連写撮影シーケンスにより、撮像素子１０７の本露光（蓄積）と読み出しの間にＡＦ処理と露出処理を行うことができ、高速な連写撮影が可能になる。

図９は、露出処理を行う範囲が撮像画素の範囲に対して像高が限定されている場合のデジタルカメラ１００の連写撮影時の動作シーケンスを示す図である。なお、図９でのＡＦ処理、及びフォーカスレンズ駆動は、前述した図８の場合と同じであるため、その説明を省略する。

図９においては、本露光の蓄積を行い、撮像画素信号の読出しを開始すると同時に絞り兼シャッタ１０２を開放へ駆動する。露出処理を行う範囲の撮像画素信号の読み出しが完了したら、前述の露出処理を行い、設定された絞り値に絞り兼シャッタ１０２を絞り込み駆動する。絞り込み駆動とフォーカスレンズ駆動が完了し、読み出しも完了後、本露光である蓄積を開始する。

以上の処理を行うことで、図８では、露出条件の設定に用いる本露光（蓄積）と露出条件の設定を反映させる本露光に連写撮影処理２回（２コマ）分の時間差が生じるが、図９では、１回（１コマ）の時間差で露出条件の設定を反映させることができる。これにより、連写撮影の時間を遅延させることなく、露出条件の設定を迅速に行うことができるため、高速な連写撮影が可能となる。

図１０は、被写体顔検出処理を追加した場合のデジタルカメラ１００の連写撮影時の動作シーケンスを示す図である。被写体検出処理は、パターンマッチング等の公知の技術を用いて主被写体の位置と範囲を特定する処理である。本実施形態では、顔検出処理として説明するが、他の検出技術を用いた処理を行っても良い。

図１０においては、被写体検出手段１２１ｃを用いて、読み出し完了後の撮像信号から顔検出処理を行い、位置と範囲を検出する。検出された位置と範囲の情報は、ＡＦ処理と露出処理に反映させる。ＡＦ処理では、検出された範囲の焦点検出画素で相関演算を行い、デフォーカス量を算出し、フォーカスレンズ駆動を行う。露出処理は、検出された範囲で行い、絞り値を設定する。絞り兼シャッタ１０２を設定された絞り値に絞り込み駆動する。絞り込み駆動と、フォーカスレンズ駆動が完了し、読み出しも完了後、本露光である蓄積を開始する。

このように、顔検出処理を行い、検出した位置、範囲でＡＦ処理、露出処理を行うことで、連写撮影の時間を遅延させることなく、主被写体に対して露出条件の設定とＡＦ処理を行うことができるため、高速な連写撮影が可能となる。

次に、図１１を参照して、デジタルカメラ１００の連写撮影動作について説明する。図１１での各処理は、カメラ制御回路１２１のＲＯＭ等に格納されたプログラムがＲＡＭに展開されて、ＣＰＵにより実行される。

図１１において、ステップＳ１００１では、カメラ制御回路１２１は、ＡＦ動作を行う。具体的には、カメラ制御回路１２１は、撮影者がレリーズボタンを半押し等してレリーズスイッチ（ＳＷ１）がオンすると、焦点検出画素による位相差検出方式のＡＦを行い、フォーカスレンズ１０５を合焦位置へ移動させ、ステップＳ１００２へ進む。

ステップＳ１００２では、カメラ制御回路１２１は、撮影者がレリーズボタンを全押し等してレリーズスイッチ（ＳＷ２）がオンとすると、ステップＳ１００３に進む。

ステップＳ１００３では、カメラ制御回路１２１は、露出条件設定等の撮影準備を行い、ステップＳ１００４へ進む。

ステップＳ１００４では、カメラ制御回路１２１は、撮像素子１０７で本露光である蓄積を行い、ステップＳ１００５へ進む。

ステップＳ１００５では、カメラ制御回路１２１は、撮像画素及び焦点検出画素の信号の読み出しを開始し、ステップＳ１００６へ進む。

ステップＳ１００６では、カメラ制御回路１２１は、レリーズスイッチ（ＳＷ２）のオン状態が維持されているか否か、即ち、連写撮影を行うか否かを判定し、レリーズスイッチ（ＳＷ２）がオンの場合は、ステップＳ１００７及びステップＳ１０１０へ進む。また、カメラ制御回路１２１は、レリーズスイッチ（ＳＷ２）がオンでない場合には，撮影動作を終了する。

ステップＳ１００７では、カメラ制御回路１２１は、撮像素子１０７から焦点検出画素の読み出しを行い、読み出しが完了したら、ステップＳ１００８へ進む。

ステップＳ１００８では、カメラ制御回路１２１は、ステップＳ１００７で撮像素子１０７から読み出した焦点検出画素を用いて相関演算を行い、デフォーカス量を算出して、ステップＳ１００９へ進む。

ステップＳ１００９では、カメラ制御回路１２１は、ステップＳ１００８で算出したデフォーカス量に基づいてフォーカスレンズ１０５を合焦位置へ移動させ、ステップＳ１０１２へ進む。

一方、ステップＳ１０１０では、カメラ制御回路１２１は、絞り兼シャッタ１０２を開放へ駆動させ、ステップＳ１１００へ進む。

ステップＳ１１００は、カメラ制御回路１２１は、露出処理を行い、ステップＳ１０１１へ進む。なお、ここでの露出処理の詳細については、図１２を用いて後述する。

ステップＳ１０１１では、カメラ制御回路１２１は、ステップＳ１１００の露出処理結果の絞り値へ絞り兼シャッタ１０２の絞り込み駆動を行い、ステップＳ１０１２へ進む。

ステップＳ１０１２では、カメラ制御回路１２１は、撮像画素信号の読み出しが完了したかを判定し、完了した場合には、ステップＳ１００４へ戻り、再び本露光である蓄積を開始する。

次に、図１２を参照して、図１１のステップＳ１１００の露出処理について説明する。

図１２において、ステップＳ１１０１では、カメラ制御回路１２１は、顔検出範囲で露出設定するか否かを判断し、露出設定する場合は、ステップＳ１１０２へ進み、露出設定しない場合は、ステップＳ１１０４へ進む。

ステップＳ１１０２では、カメラ制御回路１２１は、顔検出処理が完了しているかを判断し、完了している場合は、ステップＳ１１０３へ進む。

ステップＳ１１０３では、カメラ制御回路１２１は、顔検出範囲で露出条件設定を行い、図１１のメインフローへ戻る。

ステップＳ１１０４では、カメラ制御回路１２１は、露出処理範囲が像高限定かどうかを判定し、像高限定の場合は、ステップＳ１１０５へ進み、像高限定ではない場合は、ステップＳ１１０７へ進む。なお、本実施形態では、露出処理範囲を像高限定で判定したが、像高限定ではなく、露出処理結果の絞り値に応じて判定してもよい。絞り開放の場合には、絞り込み駆動を行わないため、絞り込み駆動による時間が生じないため、連写撮影の時間遅延とならないためである。

ステップＳ１１０５では、カメラ制御回路１２１は、露出処理範囲の撮像画素信号の読み出しが完了したかどうかを判定し、完了した場合は、ステップＳ１１０６へ進む。

ステップＳ１１０６では、カメラ制御回路１２１は、限定された像高範囲で露出条件設定を行い、図１１のメインフローへ戻る。

ステップＳ１１０７では、カメラ制御回路１２１は、前回の蓄積結果で露出条件設定を行い、図１１のメインフローへ戻る。

以上説明したように、本実施形態では、焦点検出画素及び撮像画像を有する撮像素子を備えた撮像装置において、連写撮影中に焦点調節、露出処理を行いながら、高速な連写撮影が可能になり、また、連写撮影時に露出条件設定の変更が可能になる。

なお、本発明は、上記実施形態に例示したものに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

また、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。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア（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（または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。ネットワーク又は各種記憶媒体を介して取得したソフトウェア（プログラム）をパーソナルコンピュータ（ＣＰＵ，プロセッサ）にて実行することでも実現できる。

１００ デジタルカメラ
１０２ 絞り兼シャッタ
１０７ 撮像素子
１０５ フォーカスレンズ
１２１ カメラ制御回路
１２１ｂ 焦点検出手段
１２１ｃ 被写体検出手段
１２１ｄ 露出処理手段
１２６ フォーカス駆動回路
１２８ 絞りシャッタ駆動回路

Claims (7)

1. 撮影光学系の射出瞳の領域の異なる対の瞳領域を通過する光束を光電変換して対の像信号を出力する焦点検出画素、及び前記撮影光学系の前記射出瞳を通過する光束を光電変換して像信号を出力する撮像画素を有する撮像素子を備える撮像装置であって、
   前記撮像素子からの出力信号を用いて焦点検出を行う焦点検出手段と、
   前記焦点検出手段の検出結果に基づいてフォーカスレンズを駆動して焦点調節を行う焦点調節手段と、
   撮影時の露出条件を設定する露出処理手段と、
   前記露出処理手段により設定された前記露出条件に基づいて絞りを調節する絞り調節手段と、
   前記撮像素子を順次露光する連写撮影か否かを判定する判定手段と、
   前記判定手段により連写撮影と判定された場合に、前記焦点検出手段が前記露光ごとに生成された前記焦点検出画素の像信号から焦点検出を行い、前記焦点調節手段が前記焦点検出手段の検出結果に基づいて前記露光の間に焦点調節を行い、前記露出処理手段が前記露光ごとに生成された像信号から露出条件設定を行い、前記絞り調節手段が前記露出処理手段で設定された露出条件に基づいて前記露光の間に絞り調節を行うように制御する制御手段と、を備えることを特徴とする撮像装置。
2. 前記露出処理手段は、露出処理を行う範囲に応じて、異なる時間の露光で生成された像信号から露出条件を設定することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記絞り調節手段は、前記露光で像信号が生成される前に前記露出処理手段により設定された露出条件に基づいて絞り調節を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
4. 前記像信号から被写体の位置及び範囲を検出する被写体検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記判定手段により連写撮影と判定された場合に、前記露出処理手段が前記被写体検出手段により検出された前記被写体の位置及び範囲において前記露光ごとに生成された像信号から露出条件設定を行うように制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の撮像装置。
5. 撮影光学系の射出瞳の領域の異なる対の瞳領域を通過する光束を光電変換して対の像信号を出力する焦点検出画素、及び前記撮影光学系の前記射出瞳を通過する光束を光電変換して像信号を出力する撮像画素を有する撮像素子を備える撮像装置を制御する方法であって、
   前記撮像素子からの出力信号を用いて焦点検出を行う焦点検出ステップと、
   前記焦点検出ステップでの検出結果に基づいてフォーカスレンズを駆動して焦点調節を行う焦点調節ステップと、
   撮影時の露出条件を設定する露出処理ステップと、
   前記露出処理ステップで設定された露出条件に基づいて絞りを調節する絞り調節ステップと、
   前記撮像素子を順次露光する連写撮影か否かを判定する判定ステップと、を備え、
   前記判定ステップで連写撮影と判定された場合に、前記焦点検出ステップは、前記露光ごとに生成された前記焦点検出画素の像信号から焦点検出を行い、前記焦点調節ステップは、前記焦点検出ステップでの検出結果に基づいて前記露光の間に焦点調節を行い、前記露出処理ステップは、前記露光ごとに生成された像信号から露出条件設定を行い、前記絞り調節ステップは、前記露出処理ステップで設定された露出条件に基づいて前記露光の間に絞り調節を行うことを特徴とする撮像装置の制御方法。
6. 請求項５に記載の撮像装置の制御方法の各ステップをコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
7. 請求項６に記載のプログラムを格納した、ことを特徴とするコンピュータで読み取り可能な記憶媒体。