JP4612869B2 - 焦点検出装置、撮像装置、および合焦方法 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置に係り、特に、撮像光学系の焦点状態を検出する焦点検出装置を有する撮像装置に関する。

デジタルカメラやビデオカメラに代表される撮像装置の撮像レンズの焦点状態を検出する際に、ＴＴＬ（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｔｈｅ Ｌｅｎｓ）位相差方式を利用した焦点検出装置が従来から使用されている。ＴＴＬ位相差方式は、撮影レンズの瞳を一対の領域に分割して、分割された瞳領域を通過する光束が形成する一対の像の相対的な位置変化を検出することで、撮像レンズの焦点状態を検出する。

図７は、従来の焦点検出装置１０００の構成を示す概略断面図である。図７において、フィールドレンズ１０１０は、撮像レンズＩＬの射出瞳を一対の２次結像レンズ１０２０の瞳面に結像させる。これにより、２次結像レンズ１０２０に入射する光束は、撮像レンズＩＬの射出瞳上において等しい面積の異なる位置の領域から射出されたものとなる。２次結像レンズ１０２０は、撮像レンズＩＬがフィールドレンズ１０１０近傍に結像した空中像を、一対の受光素子（光電変換素子）１０３０上に再結像する。

図８は、受光素子１０３０上に結像される像の相対的な位置変化を説明するための図である。図８（ａ）は、撮像レンズＩＬが合焦状態である（即ち、撮像レンズＩＬの結像点が予定結像面にある）場合、図８（ｂ）は、撮像レンズＩＬが前ピンである（即ち、撮像レンズＩＬの結像点が予定結像面の前段にある）場合、図８（ｃ）は、撮像レンズＩＬが後ピンである（即ち、撮像レンズＩＬの結像点が予定結像面の後段にある）場合を示している。図８（ａ）の合焦状態の結像位置を中心として、図８（ｂ）及び（ｃ）では、像の相対位置が互いに逆方向に移動している。即ち、合焦状態の結像位置を基準として、相対的に移動する像の移動方向及び相対位置のずれ量を検出することにより、撮像レンズＩＬの焦点ずれの方向及びデフォーカス量（焦点ずれ量）を検出することができる。

撮像レンズは、一般に、色収差などの収差を含んでおり、光の波長が異なると、フィールドレンズの近傍に結像される空中像の結像位置が変化してしまう。そこで、撮像レンズは、４００ｎｍ乃至７００ｎｍの可視光領域において、種々の収差を補正するように構成されている。しかし、焦点検出用受光素子は、一般に、可視光領域から近赤外領域までの感度を有するＰ−Ｎ接合型フォトダイオードであるため、上述の焦点検出装置は、正確な焦点状態を検出することができない。赤外光領域では、撮像レンズの色収差が良好に補正されていないため、被写体を太陽光で照明する場合と、被写体をタングステンランプ等の色温度の低い光源で照明する場合、或いは、蛍光灯等の色温度の高い光源で照明する場合とでは、可視光に対する近赤外光の相対的な割合が異なり、フィールドレンズの近傍に結像される空中像の結像位置が変化してしまうからである。そこで、被写体を照明する光源を判別し、判別した光源に応じて焦点検出誤差を補正する必要がある。なお、近赤外領域の感度を有さない焦点検出用受光素子を用いることも考えられるが、焦点検出用の補助光源にはパワーの大きな近赤外光のＬＥＤが使用されるため、焦点検出用受光素子の感度は近赤外領域まで有することが好ましい。

光源の判別には、光源の色を分離して検出する撮像素子が必要である。撮像素子での色の検出に関しては、ＲＧＢなどのカラーフィルターを用いて、色を分離して取り出す方法が従来から知られている。また、特許文献１には、ＲＧＢの３原色を分離して検出することができる撮像素子が提案されている。特許文献１の撮像素子は、光の波長によって吸収する深さが異なるシリコンの特性を利用し、３重のウエル構造を用いて同一位置のピクセルの異なる深さから３原色の各々の信号を取り出すことができる。

図９は、特許文献１に提案されている撮像素子（受光素子）２０００の構成を示す概略断面図である。撮像素子２０００は、３重構造を有し、ｐｎ接合を深さ方向に複数形成することによって、所望の波長の光を取り出せるように構成されている。撮像素子２０００は、ｐ型半導体基板２１００と、第１の結合領域２２００と、第２の結合領域２３００と、第３の結合領域２４００とを有する。

第１の結合領域２２００は、ｐ型半導体基板２１００上に形成されるｎ型のウエル領域であり、赤色の波長の光を吸収する深さ（即ち、結合の深さが１．５μｍ乃至３．０μｍ）に設定される。第２の結合領域２３００は、第１の結合領域２２００内に形成されるｐ型のウエル領域であり、緑色の波長の光を吸収する深さ（即ち、結合の深さが０．５μｍ乃至１．５μｍ）に設定される。第３の結合領域２４００は、第２の結合領域２３００内に形成されるｎ型のウエル領域であり、青色の光を吸収する深さ（即ち、結合の深さが０．２μｍ乃至０．５μｍ）に設定される。

Ｉｒは、第１の結合領域２２００から発生する電流を示しており、赤色の波長の光を吸収して発生する光電流である。Ｉｇは、第２の結合領域２３００から発生する電流を示しており、緑色の波長の光を吸収して発生する光電流である。Ｉｂは、第３の結合領域２４００から発生する電流を示しており、青色の波長の光を吸収して発生する光電流である。

図１０は、撮像素子２０００の分光感度特性を示すグラフである。図１０を参照するに、撮像素子２０００は、ＲＧＢのカラーフィルターを用いて色分離する場合と比較して、シャープに色分離されていないが、異なる分光感度特性を有しており、ＲＧＢの３原色に分離していることが分かる。

また、特許文献１と同様な構造を有する検出素子（受光素子）を用いて、光源の赤外光成分の影響による焦点検出誤差を補正する焦点検出装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。図１１は、特許文献２に開示されている焦点検出装置３０００の構成を示す概略斜視図である。焦点検出装置３０００は、光路分割用のプリズム３１００と、基板３２００と、第１の受光素子列３３００と、第２の受光素子列３４００と、光源の分光特性を検出するための検出素子３５００とを有する。なお、第１の受光素子列３３００と第２の受光素子列３４００とは、異なる光路長となるように、撮像レンズの予定結像面の前後に、即ち、合焦状態が検出可能に配置される。

図１２は、検出素子３５００の構成を示す概略断面図である。検出素子３５００は、シリコンの３層構造を有し、第１のＰ領域３５１０、Ｎ領域３５２０及び第２のＰ領域３５３０で形成される。それぞれの領域には、第１の電極３５１２、第２の電極３５２２、第３の電極３５３２が設けられている。上述したように、シリコンは、短波長の光を表面付近で吸収し、長波長の光を深い部分で吸収する。従って、第１のＰ領域３５１０及びＮ領域３５２０で形成される第１のダイオードは、短波長側の光に感度のピークを有し、Ｎ領域３５２０及び第２のＰ領域３５３０で形成される第２のダイオードは、長波長側の光に感度のピークを有する。図１３は、検出素子３５００の分光感度特性、詳細には、第１のダイオード及び第２のダイオードの相対感度特性を示すグラフである。焦点検出装置３０００は、図１３に示すような異なる感度特性を有する２つのダイオードの出力比を用いて、光源の分光特性の違い（即ち、赤外光成分の影響）による焦点検出誤差を補正することができる。

また、その他の技術として、ＲＧＢ以外の光、例えば、赤外光（ＩＲ）、紫外光（ＵＶ）を検出することができる多層（積層）構造の固体撮像素子も提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
特表２００２−５１３１４５号公報 特公平１−４５８８３号公報 特開２００４−２２１５０６

特許文献１に開示されている撮像素子は、カラー画像を撮像するためのセンサーであり、同一位置のピクセルから３原色を各々取り出すことによって、ローパスフィルターを用いることなく偽色信号の発生を防止することが可能となる。しかしながら、特許文献１には、３原色の信号から光源を判別し、撮像光学系の焦点検出状態の変化を検出して、かかる変化の補正に用いるなどの応用については全く記載されていない。また、特許文献３に開示されている固体撮像素子は、ＩＲフィルタを用いることなく赤外光を検出することができるが、特許文献１と同様に、かかる検出結果を焦点検出に利用することについては記載されていない。

特許文献２には、光源の分光感度特性を検出し、検出された分光感度特性に応じて焦点検出結果を補正することが記載されている。しかしながら、図１１に示すように、光源（の分光特性）を検出する検出素子と焦点状態を検出する第１及び第２の受光素子列とは、異なる位置に配置されているため視差が生じ、被写体を観察する位置が厳密には異なる。複数の異なる色温度の光源が混在するような場合、例えば、被写体は室内で蛍光灯によって照明され、バックに室外の風景などがあるような場合では、検出素子と受光素子列との視差のために、それぞれの素子に異なる色温度の光源で照明された像が取り込まれてしまう。従って、実際に検出素子に入射している光源の種類を誤って検出し、焦点検出結果を良好に補正することができない（例えば、焦点検出結果を過補正したり、逆方向に補正したりするなどしてしまう）という問題を生じてしまう。このような問題は、光源（の分光特性）を検出する素子と焦点状態を検出する素子との視差を完全になくさないと、防止することができない。

そこで、本発明は、被写体からの光（光源）に対応して、撮像光学系の焦点状態を高精度に検出することができる焦点検出装置及び撮像装置を提供することを例示的目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面としての焦点検出装置は、撮像レンズからの光束を分割して少なくとも一対の像を形成し、前記少なくとも一対の像を光電変換する受光素子を有し、前記受光素子からの信号に基づいて、前記撮像レンズの焦点状態を検出する焦点検出装置であって、前記受光素子は、同一位置の深さ方向に、第１の波長領域の光に感度を有する第１の受光領域と、前記第１の波長領域とは異なる第２の波長領域の光に感度を有する第２の受光領域とを有し、前記第１の受光領域からの信号が所定値以上である場合に、前記第１の受光領域からの信号に基づいて前記撮像レンズの焦点状態を検出することを特徴とする。
本発明の別の側面としての焦点検出装置は、撮像レンズからの光束を分割して少なくとも一対の像を形成し、前記少なくとも一対の像を光電変換する受光素子を有し、前記受光素子からの信号に基づいて、前記撮像レンズの焦点状態を検出する焦点検出装置であって、前記受光素子は、同一位置の深さ方向に、第１の波長領域の光に感度を有する第１の受光領域と、前記第１の波長領域とは異なる第２の波長領域の光に感度を有する第２の受光領域とを有し、前記第１の受光領域からの信号が所定値以下である場合に、前記第１の受光領域からの信号と前記第２の受光領域からの信号との比率に応じて前記撮像レンズの焦点状態を検出することを特徴とする。
本発明の更に別の側面としての焦点検出装置は、撮像レンズからの光束を分割して少なくとも一対の像を形成し、前記少なくとも一対の像を光電変換する受光素子を有し、前記受光素子からの信号に基づいて、前記撮像レンズの焦点状態を検出する焦点検出装置であって、前記受光素子は、同一位置の深さ方向に、第１の波長領域の光に感度を有する第１の受光領域と、前記第１の波長領域とは異なる第２の波長領域の光に感度を有する第２の受光領域とを有し、被写体の明るさを確保するための補助光が被写体に照射された場合には、前記第２の受光領域からの信号に基づいて前記撮像レンズの焦点状態を検出することを特徴とする。

本発明の更に別の側面としての合焦方法は、撮像レンズからの光束を分割して少なくとも一対の像を形成し、前記少なくとも一対の像を光電変換する受光素子であって、同一位置の深さ方向に、第１の波長領域の光に感度を有する第１の受光領域と、前記第１の波長領域とは異なる第２の波長領域の光に感度を有する第２の受光領域とを有する受光素子を利用して、前記撮像レンズの焦点状態を合焦させる合焦方法であって、前記第１の受光領域からの信号が所定値以上である場合に、前記第１の受光領域からの信号に基づいて前記撮像レンズの焦点状態を検出するステップと、当該焦点状態に応じて前記撮像レンズを駆動させるステップとを有することを特徴とする。
本発明の更に別の側面としての合焦方法は、撮像レンズからの光束を分割して少なくとも一対の像を形成し、前記少なくとも一対の像を光電変換する受光素子であって、同一位置の深さ方向に、第１の波長領域の光に感度を有する第１の受光領域と、前記第１の波長領域とは異なる第２の波長領域の光に感度を有する第２の受光領域とを有する受光素子を利用して、前記撮像レンズの焦点状態を合焦させる合焦方法であって、前記第１の受光領域からの信号が所定値以下である場合に、前記第１の受光領域からの信号と前記第２の受光領域からの信号との比率に基づいて前記撮像レンズの焦点状態を検出するステップと、当該焦点状態に応じて前記撮像レンズを駆動させるステップとを有することを特徴とする。
本発明の更に別の側面としての合焦方法は、撮像レンズからの光束を分割して少なくとも一対の像を形成し、前記少なくとも一対の像を光電変換する受光素子であって、同一位置の深さ方向に、第１の波長領域の光に感度を有する第１の受光領域と、前記第１の波長領域とは異なる第２の波長領域の光に感度を有する第２の受光領域とを有する受光素子を利用して、前記撮像レンズの焦点状態を合焦させる合焦方法であって、被写体の明るさを確保するための補助光が被写体に照射された場合に、前記第２の受光領域からの信号に基づいて前記撮像レンズの焦点状態を検出するステップと、当該焦点状態に応じて前記撮像レンズを駆動させるステップとを有することを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、被写体からの光（光源）に対応して、撮像光学系の焦点状態を高精度に検出することができる焦点検出装置及び撮像装置を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の一側面としての撮像装置について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。図１は、本発明の撮像装置１の構成を示す概略断面図である。

撮像装置１は、被写体からの光を、撮像レンズを介して撮像素子に結像し、被写体を撮像する撮像装置であり、本実施形態では、デジタルスチルカメラとして具現化される。

撮像装置１は、図１に示すように、撮像レンズ１０と、主ミラー２０と、ファインダー光学系３０と、サブミラー４０と、撮像素子５０と、焦点検出装置６０と、補助光手段７０と、制御部８０とを有する。なお、主ミラー２０、ファインダー光学系３０、サブミラー４０、撮像素子５０、焦点検出装置６０、補助光手段７０及び制御部８０は、カメラ本体を構成し、図示しないマウント部を介して撮像レンズ１０を着脱可能とする。従って、撮像レンズ１０は、必ずしも撮像装置１の構成要素となるわけではない。

撮像レンズ１０は、被写体を撮像するための交換型の撮像レンズであり、焦点調整レンズを含む撮像光学系を備えている。撮像レンズ１０は、後述する制御部８０によって、焦点調整レンズを介して焦点（状態）が調整される。

主ミラー２０は、半透過性を有するミラーで構成され、撮像レンズ１０を透過した光の一部を反射して後述する焦点板３２に導光すると共に、撮像レンズ１０を透過した光の一部を透過して後述するサブミラー４０に導光する。主ミラー２０は、撮像光路上への挿脱が可能なように構成され、ファインダー観察時には撮像光路上の所定の位置に配置され、撮像時には撮像光路外に退避する。

ファインダー光学系３０は、撮像する被写体を観察するための光学系であり、本実施形態では、焦点板３２と、ペンタプリズム３４と、接眼レンズ３６とを有する。換言すれば、ファインダー光学系３０は、撮像される被写体の画像を擬似的にユーザーに提供する。

焦点板３２は、主ミラー２０で反射された撮像レンズ１０からの光（被写体像）を拡散してペンタプリズム３４に射出する。ペンタプリズム３４は、互いに４５度の２つの反射面と、入射光と射出光に直角の２つの屈折面を含み、焦点板３２で拡散された光を反射し、接眼レンズ３６に導光する。接眼レンズ３６は、アイピースとも呼ばれ、ファインダー光学系３０において、最終的に像を結ぶ機能を有する。接眼レンズ３６は、例えば、光像を拡大する。

サブミラー４０は、主ミラー２０を透過した光を反射し、焦点検出装置６０に導光する。サブミラー４０は、撮像光路上への挿脱が可能なように構成され、ファインダー観察時には撮像光路上の所定の位置に配置され、撮像時には撮像光路外に退避する。

撮像素子５０は、規則的に配列された画素を有し、撮像レンズ１０によって結像される被写体からの光を受光し、画像信号に変換する（光電変換）機能を有する。撮像素子５０は、例えば、受光した光を画素毎に電気信号に変換し、その受光量に応じた電荷をそれぞれ蓄積して、その電荷を読み出すタイプのエリア（２次元）センサーで構成される。また、撮像素子５０は、ＣＭＯＳセンサーやＣＣＤで構成される。なお、撮像素子５０からの出力信号は、図示しない画像処理回路にて所定の処理が施されて画像データとなり、かかる画像データは、図示しない半導体メモリ、光ディスク及び磁気テープ等の記録媒体に記録される。

焦点検出装置６０は、ＴＴＬ位相差方式を利用して、撮像レンズ１０の焦点状態を検出する。具体的には、焦点検出装置６０は、サブミラー４０で反射された撮像レンズ１０からの光束を分割して少なくとも一対の像を形成し、かかる一対の像を光電変換して得られる信号に基づいて、撮像レンズ１０の焦点状態を検出する。焦点検出装置６０は、本実施形態では、フィールドレンズと、２次結像レンズと、図２及び図３を参照して後述する受光素子６００とを有する。なお、フィールドレンズ及び２次結像レンズは、図７に示すフィールドレンズ及び２次結像レンズと同様な機能及び動作を示すため、ここでの詳細な説明は省略する。

図２は、焦点検出装置６０の受光素子６００の全体を示す概略ブロック図である。受光素子６００は、フィールレンズ及び２次結像レンズが形成する一対の像を光電変換する機能を有する。図２において、６１０は、ＡＦリニア回路ブロックである。ＡＦリニア回路ブロック６１０、フォトダイオードアレイ及び信号処理回路で構成され、Ａ像部６１２と、Ｂ像部６１４とを有する。

Ａ像部６１２は、一対の可視光のフォトダイオードアレイ及び光電変換回路で構成され、Ｂ像部６１４は、一対の赤外光のフォトダイオードアレイ及び光電変換回路で構成され、所謂、公知のＴＴＬ位相差パッシブオートフォーカスに用いられる構成を有する。Ａ像部６１２及びＢ像部６１４に用いられるフォトダイオードは、図９及び図１２に示したように、同一位置の深さ方向に、複数のＰＮ接合を有し、異なる波長領域の光の出力を取り出すことができる。従って、可視光のフォトダイオードアレイと赤外光のフォトダイオードアレイとの間には、完全に視差がなく、光を検出（受光）する位置が同一である。これにより、被写体を照明する光源の種類（即ち、被写体を照明する光の波長）が複数存在するような場合でも、背景光などに惑わされることなく、光源の種類を検出することができる。

Ａ像部６１２及びＢ像部６１４は、本実施形態では、図１２と同様なフォトダイオードを使用し、それぞれ可視光領域に感度を有するＡ像可視部６１２ａ及びＢ像可視部６１４ａ（第１の受光領域）、赤外光領域に感度を有するＡ像ＩＲ部６１２ｂ及びＢ像ＩＲ部６１４ｂ（第２の受光領域）を有する。また、Ａ像可視部６１２ａ、Ｂ像可視部６１４ａ、Ａ像ＩＲ（赤外）部６１２ｂ、及び、Ｂ像ＩＲ部６１４ｂは、それぞれ、物体からの反射光を受光するフォトダイオード、フォトダイオードの蓄積電荷を電圧に変換するアンプなどで構成される。

位相差方式の焦点検出装置においては、被写体からの反射光が、視差を有する一対の受光光学系によって、それぞれフォトダイオード上に結像され、かかる像のずれ量から、被写体までの距離（焦点）、或いは、撮像レンズ１０のデフォーカス量を検出することができる。本実施形態の焦点検出装置６０は、可視光及び赤外光の領域のそれぞれに対して、デフォーカス量の検出が可能である。

６２０は、アナログ回路ブロックであり、ＡＦリニア回路ブロック６１０からの像信号に基づいて、可視光のフォトダイオードの蓄積時間を制御するＡＧＣ（オートゲインコントロール）回路６２１と、赤外光のフォトダイオードの蓄積時間を制御するＡＧＣ（オートゲインコントロール）回路６２２と、ＡＦリニア回路ブロック６１０からの可視部及びＩＲ部の像信号を所定の増幅率で増幅すると共に外部に出力する信号増幅回路６２３と、ＡＦリニア回路ブロック６１０の信号処理回路などのバイアス電圧や各種のクランプ電圧を与えるための基準電圧発生回路６２４と、中間電圧発生回路６２５とを有する。

６３０は、デジタル回路ブロックであり、受光素子６１０を制御する制御部（マイクロコンピューター）８０に接続するためのＩ／Ｏ回路６３２と、ＡＦリニア回路ブロック６１０の駆動タイミングを発生するＴＧ（タイミングジェネレータ）回路６３４とを有する。

図３は、ＡＦリニア回路ブロック６１０を詳細に示すブロック図である。なお、図３では、Ａ像部６１２及びＢ像部６１４の可視部６１２ａ及び６１４ａのみを図示している。ＩＲ部６１２ｂ及び６１４ｂに関しては、可視部６１２ａ及び６１４ａと同様な構成であるため図示及び説明を省略する。本実施形態では、Ａ像部６１２ａを基準部とし、Ｂ像部６１４ａを参照部とする。

像部６１２ａ及びＢ像部６１４ａ（ＡＦリニア回路ブロック６１０Ａ）は、被写体からの反射光を受光するための可視光のフォトダイオード６１２ａ_１及び６１４ａ_１と、フォトダイオード６１２ａ_１及び６１４ａ_１の蓄積電荷を受ける光電変換アンプアレイ６１２ａ_２及び６１４ａ_２と、光電アンプアレイ６１２ａ_２及び６１４ａ_２の出力を受けて、光電アンプアレイ６１２ａ_２及び６１４ａ_２の出力に含まれる固定パターンノイズ（ＦＰＮ）を除去するノイズ除去アレイ６１２ａ_３及び６１４ａ_３と、像信号の最大値を検出し、かかる最大値出力をＡＧＣ回路６２１に出力する最大値検出回路アレイ６１２ａ_４及び６１４ａ_４と、像信号出力を信号増幅回路６２３に出力する信号出力回路アレイ６１２ａ_５及び６１４ａ_５と、信号出力回路アレイ６１２ａ_５及び６１４ａ_５の出力を信号増幅回路３２３に順次出力するためのシフトレジスタ６１２ａ_６及び６１４ａ_６によって構成される。

図１に戻って、補助光手段７０は、撮像時の被写体の明るさが不足している場合に、被写体に補助光を投光し、被写体の明るさを確保する機能を有する。補助光手段７０は、本実施形態では、パワーの大きな近赤外光のＬＥＤで構成される。

制御部８０は、焦点検出装置６０が検出した撮像レンズ１０の焦点ずれの方向及びデフォーカス量に基づいて、撮像レンズ１０が有する焦点調整レンズを制御し、撮像レンズ１０の焦点を調整する。詳細には、制御部８０は、後述するように、撮像レンズ１０の焦点ずれの方向及びデフォーカス量に基づいて、焦点調整レンズの駆動量を算出し、かかる算出結果を図示しない撮像レンズ側制御部に送信する。かかる撮像レンズ側制御部は、制御部８０からの焦点調整レンズの駆動量に基づいて、モーター等を介して焦点調整レンズを駆動する。

制御部８０は、本実施形態では、焦点検出装置６０を制御する。例えば、制御部８０は、後述するように、焦点検出装置６０の焦点検出動作を制御し、焦点検出装置６０が取得する複数の撮像レンズ１０の焦点状態に基づいて、撮像レンズ１０の焦点状態を決定する決定手段や、かかる焦点状態に基づいて焦点調整レンズの駆動量や受光素子６００の可視部６１２ａ及び６１４ａからの信号とＩＲ部６１２ｂ及び６１４ｂからの信号との比率などを算出する算出手段として機能する。なお、本実施形態では、制御部８０は、撮像装置１に設けられているが、以下に説明する焦点検出動作に必要な機能を独立させて、焦点検出装置６０に設けてもよい。

ここで、図４を参照して、焦点検出装置６０の焦点検出動作（制御部８０による焦点検出装置６０の制御）について説明する。図４は、焦点検出装置６０による焦点検出を説明するためのフローチャートである。

図４を参照するに、図２に示す受光素子６１０の蓄積動作を開始する（ステップ９０１）。本実施形態では、まず、可視部６１２ａ及び６１４ａの蓄積動作が終了したかどうか判断する（ステップ９０２）。可視部６１２ａ及び６１４ａの蓄積動作が終了していれば蓄積時間を記録する（ステップ９０３）と共に、像信号の読み出しを行う（ステップ９０７）。

次いで、可視部６１２ａ及び６１４ａ、及び、ＩＲ（赤外）部６１２ｂ及び６１４ｂの像信号の読み出しが終了しているか判断する（ステップ９０８）。ＩＲ部６１２ｂ及び６１４ｂの像信号の読み出しが終了していなければ、ステップ９０２と同様に、ＩＲ部６１２ｂ及び６１４ｂの蓄積動作が終了したかどうか判断する（ステップ９０４）。ＩＲ部６１２ｂ及び６１４ｂの蓄積動作が終了していれば蓄積時間を記録する（ステップ９０３）と共に、像信号の読み出しを行う（ステップ９０７）。一方、ＩＲ部６１２ｂ及び６１４ｂの蓄積動作が終了していなければ、受光素子６１０の蓄積動作が開始されてから所定時間が経過しているかどうか判断する（ステップ９０５）。所定時間が経過していなければ、受光素子６１０の蓄積動作を継続してステップ９０２に戻り、所定時間が経過していれば、受光素子６１０の蓄積動作を強制停止する（ステップ９０６）。

可視部６１２ａ及び６１４ａ、及び、ＩＲ（赤外）部６１２ｂ及び６１４ｂの像信号の読み出しが終了すると、ステップ９０３で記録された蓄積時間及びステップ９０７で読み出された像信号（出力）を基に、可視部６１２ａ及び６１４ａ、及び、ＩＲ部６１２ｂ及び６１４ｂのそれぞれの信号量を算出する（ステップ９０９）。なお、信号量は、所定の蓄積時間に換算した出力電圧を算出する。

次いで、所定の判定電圧Ｖ０と所定の蓄積時間に換算した可視部６１２ａ及び６１４ａの信号量とを比較する（ステップ９１０）。なお、判定電圧Ｖ０は、例えば、ＥＶ１４の明るさで得られる出力電圧に設定される。かかる明るさは、蛍光灯などの人工光源で得られる明るさよりも高く設定される。従って、太陽光下で蓄積動作が行われたかどうかを判断することができる。

ステップ９０９で算出された可視部６１２ａ及び６１４ａの信号量が所定の判定電圧Ｖ０よりも大きければ（本実施形態では、太陽光下で蓄積動作が行われた判断されれば）、可視部６１２ａ及び６１４ａの像信号出力から公知の相関演算を行い、焦点ずれの方向及びデフォーカス量（焦点情報）を算出する（ステップ９１１）。次いで、算出した焦点情報の信号量、コントラスト及び２つの視野の一致度などから信頼性を判定する（ステップ９１２）。信頼性がＮＧの場合には、焦点検出できなかった（ステップ９１３）ものとして、焦点検出動作を終了する。一方、信頼性がＯＫの場合には、ステップ９１１で算出された焦点ずれの方向及びデフォーカス量から、最適な（本実施形態では、太陽光下での）焦点調整レンズの繰り出し量（駆動量）及び方向を算出し（ステップ９１４）、焦点検出動作を終了する。

ステップ９０９で算出された可視部６１２ａ及び６１４ａの信号量が所定の判定電圧Ｖ０よりも小さければ、可視部６１２ａ及び６１４ａの像信号出力から焦点ずれの方向及びデフォーカス量（焦点情報）を算出する（ステップ９１５）と共に、ＩＲ部６１２ｂ及び６１４ｂの像信号出力から焦点ずれの方向及びデフォーカス量（焦点情報）を算出する（ステップ９１６）。次いで、可視部６１２ａ及び６１４ａ、及び、ＩＲ部６１２ｂ及び６１４ｂのそれぞれの焦点状態から、それぞれの信頼性を判定する（ステップ９１７）。かかる信頼性の判定は、以下に説明する３つの処理に分岐する。

まず、可視部６１２ａ及び６１４ａの信頼性がＯＫ、且つ、ＩＲ部６１２ｂ及び６１４ｂの信頼性がＮＧである場合、可視部６１２ａ及び６１４ａとＩＲ部６１２ｂ及び６１４ｂとの間の視差は完全に一致しているため、ＩＲ部６１２ｂ及び６１４ｂの出力が所定量に達しなかったと判断できる。従って、赤外光がほとんど含まれない、例えば、蛍光灯などの光源と判定することができ、可視部６１２ａ及び６１４ａから得られた焦点ずれ方向及びデフォーカス量を基に、蛍光灯下で最適なフォーカス位置となるような焦点調整レンズの繰り出し量（駆動量）及び方向を算出し（ステップ９１８）、焦点検出動作を終了する。

可視部６１２ａ及び６１４ａの信頼性がＯＫ、且つ、ＩＲ部６１２ｂ及び６１４ｂの信頼性がＯＫである場合、例えば、所定量の赤外光が含まれる光源、例えば、タングステンランプなどと考えられ、可視部６１２ａ及び６１４ａ、及び、ＩＲ部６１２ｂ及び６１４ｂのそれぞれから焦点調整レンズの繰り出し量（駆動量）及び方向を算出する（ステップ９１９）。次いで、可視部６１２ａ及び６１４ａからの信号量とＩＲ部６１２ｂ及び６１４ｂからの信号量との比率を算出し、かかる比率に基づいて、ステップ９１９で算出した焦点調整レンズの繰り出し量を補正する（ステップ９２０）。例えば、可視部６１２ａ及び６１４ａからの信号量とＩＲ部６１２ｂ及び６１４ｂからの信号量との比率が１：１であれば、可視部６１２ａ及び６１４ａ、及び、ＩＲ部６１２ｂ及び６１４ｂのそれぞれから算出した焦点の真中に実際の焦点が存在すると仮定し、焦点調整レンズの繰り出し量を補正する。詳細には、図５に示すように、横軸を光源の色温度、縦軸を焦点位置とすると、光源の色温度によって可視部６１２ａ及び６１４ａ、及び、ＩＲ部６１２ｂ及び６１４ｂからの焦点位置の算出結果が変化する。例えば、光源の色温度が低い、即ち、赤外光成分が増加すると、算出結果は前ピンを示す。また、可視部６１２ａ及び６１４ａとＩＲ部６１２ｂ及び６１４ｂとの間の算出結果の誤差は、色温度が低いほど大きくなる。従って、ステップ９１９で算出した焦点調整レンズの駆動量は、Δ＝α×δで補正することができる。ここで、Δは焦点調整レンズの駆動量を補正する補正量、δは可視部６１２ａ及び６１４ａの算出結果とＩＲ部６１２ｂ及び６１４ｂの算出結果との差分、αは撮像レンズ１０の色収差によって変動する値である。また、焦点の算出結果の差分δから色温度を推測することが可能であるが、可視部６１２ａ及び６１４ａからの信号量とＩＲ部６１２ｂ及び６１４ｂからの信号量との割合Ｐから推測することも可能である。即ち、Ｐの値が小さくなるほど色温度が高く、大きくなるほど色温度が低いと推測される。従って、Ｐの値が小さい場合は、焦点調整レンズの繰り出し量の補正を小さく、Ｐの値が大きい場合は、焦点調整レンズの繰り出し量の補正を大きくすればよい。

可視部６１２ａ及び６１４ａの信頼性がＮＧ、且つ、ＩＲ部６１２ｂ及び６１４ｂの信頼性がＮＧである場合、後述するように、補助光による焦点検出（ステップ９２１）を行う。

以下、図６を参照して、補助光による焦点検出動作について説明する。図６は、図４のステップ９２０の補助光による焦点検出を説明するためのフローチャートである。まず、補助光手段７０を用いて、被写体に向けて補助光を投光し（ステップ９４１）、受光素子６１０の蓄積動作を開始する（ステップ９４２）。この際、補助光による焦点検出であるため、ＩＲ部６１２ｂ及び６１４ｂのみを蓄積させればよい。

次いで、ＩＲ部６１２ｂ及び６１４ｂの蓄積動作が終了したかどうか判断する（ステップ９４３）。ＩＲ部６１２ｂ及び６１４ｂの蓄積動作が終了していれば蓄積時間を記録する（ステップ９４４）と共に、像信号の読み出しを行う（ステップ９４５）。一方、ＩＲ部６１２ｂ及び６１４ｂの蓄積動作が終了していなければ、蓄積動作が開始されてから所定時間が経過しているかどうか判断する（ステップ９４６）。所定時間が経過していなければ、蓄積動作を継続してステップ９４３に戻り、所定時間が経過していれば、蓄積動作を強制停止する（ステップ９４７）。

ＩＲ部６１２ｂ及び６１４ｂの像信号の読み出しが終了すると、ステップ９４４で記録された蓄積時間及びステップ９４５で読み出された像信号（出力）を基に、ＩＲ部６１２ｂ及び６１４ｂの信号量を算出する（ステップ９４８）。なお、信号量は、所定の蓄積時間に換算した出力電圧を算出する。

次いで、ＩＲ部６１２ｂ及び６１４ｂの像信号出力から公知の相関演算を行い、焦点ずれの方向及びデフォーカス量（焦点情報）を算出する（ステップ９４９）。更に、算出した焦点情報の信号量、コントラスト及び２つの視野の一致度などから信頼性を判定する（ステップ９５０）。信頼性がＮＧの場合には、焦点検出できなかった（ステップ９５１）ものとして、焦点検出動作を終了する。一方、信頼性がＯＫの場合には、ステップ９４９で算出された焦点ずれの方向及びデフォーカス量から、補助光下で最適な焦点調整レンズの繰り出し量（駆動量）及び方向を算出し（ステップ９５２）、焦点検出動作を終了する。

このように、本実施形態の焦点検出装置６０及び焦点検出装置６０を利用した焦点検出は、同一位置で深さ方向が異なる波長の光の信号を検出することによって、異なる波長領域の焦点情報及びそれぞれの輝度を判別（検出）することが可能である。かかる検出結果に基づいて、焦点情報を補正することにより、光源の種類や複数種類の光源が混在した場合でも、正確に焦点位置を検出することができる。また、被写体の明るさやコントラストが不足することで焦点検出が不可能となり、補助光を投光して焦点を検出する場合でも、使用される補助光の波長領域に適した深さ方向の出力を検出することで、補助光の波長領域以外の光に影響されることなく、焦点を検出することができる。

撮像装置１の動作について説明する。ファインダー観察時において、撮像レンズ１０を透過した光は、主ミラー２０で反射され、焦点板３２に結像し、ペンタプリズム３４及び接眼レンズ３６を介して観察される。また、主ミラー２０を透過した光は、サブミラー４０で反射され、焦点検出装置６０に入射する。焦点検出装置６０は、上述したように、受光素子６１０上に一対又は複数対の像を形成し、撮像レンズ１０の焦点状態を検出する。かかる検出結果に基づいて、制御部８０及び図示しない撮像レンズ側制御部は、撮像レンズ１０内に含まれるフォーカスレンズを駆動して、合焦状態を得る。

一方、撮像時（記録用画像の取得時）においては、主ミラー２０及びサブミラー４０は、撮像光路上から退避し、撮像レンズ１０により形成された被写体像は、撮像素子５０で撮像される。撮像装置１は、焦点検出装置６０によって、複数の光源が混在するような場合であっても、撮像レンズ１０の焦点を高精度に検出すると共に、かかる検出結果に基づいて、撮像レンズ１０のフォーカス合わせをすることができるため、高品位な画像を撮像することができる。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、本実施形態では、２種類の異なる深さからの出力によって可視領域の光及び赤外領域の光の検出しているが、ＲＧＢなどの３種類以上の異なる波長領域の出力を用いてもよい。また、補助光を使用した焦点検出においても、近赤外の波長を有する光に限定するものではなく、選択される補助光の波長に応じて、適宜、最適な波長特性を有するフォトダイオードを形成すればよい。

本発明の一側面としての撮像装置の構成を示す概略断面図である。 図１に示す焦点検出装置の受光素子の全体を示す概略ブロック図である。 図２に示すＡＦリニア回路ブロックを詳細に示すブロック図である。 図１に示す焦点検出装置による焦点検出を説明するためのフローチャートである。 焦点調整レンズの駆動量の補正について説明するための図である。 図４のステップ９２０の補助光による焦点検出を説明するためのフローチャートである。 従来の焦点検出装置の構成を示す概略断面図である。 図７に示す撮像素子上に結像される像の相対的な位置変化を説明するための図である。 従来の撮像素子の構成を示す概略断面図である。 図９に示す撮像素子の分光感度特性を示すグラフである。 従来の焦点検出装置の構成を示す概略斜視図である。 図１１に示す検出素子の構成を示す概略断面図である。 図１２に示す検出素子の分光感度特性を示すグラフである。

符号の説明

１ 撮像装置
１０ 撮像レンズ
５０ 撮像素子
６０ 焦点検出装置
７０ 補助光手段
８０ 制御部
６１０ ＡＦリニア回路ブロック
６１２ Ａ像部
６１２ａ Ａ像可視部
６１２ｂ Ａ像ＩＲ部
６１４ Ｂ像部
６１４ａ Ｂ像可視部
６１４ｂ Ｂ像ＩＲ部
６２０ アナログ回路ブロック
６２１ ＡＧＣ回路
６２２ ＡＧＣ回路
６２３ 信号増幅回路
６２４ 基準電圧発生回路
６２５ 中間電圧発生回路
６３０ デジタル回路ブロック
６３２ Ｉ／Ｏ回路
６３４ ＴＧ回路

Claims (8)

1. 撮像レンズからの光束を分割して少なくとも一対の像を形成し、前記少なくとも一対の像を光電変換する受光素子を有し、前記受光素子からの信号に基づいて、前記撮像レンズの焦点状態を検出する焦点検出装置であって、
   前記受光素子は、同一位置の深さ方向に、第１の波長領域の光に感度を有する第１の受光領域と、前記第１の波長領域とは異なる第２の波長領域の光に感度を有する第２の受光領域とを有し、
   前記第１の受光領域からの信号が所定値以上である場合に、前記第１の受光領域からの信号に基づいて前記撮像レンズの焦点状態を検出することを特徴とする焦点検出装置。
2. 撮像レンズからの光束を分割して少なくとも一対の像を形成し、前記少なくとも一対の像を光電変換する受光素子を有し、前記受光素子からの信号に基づいて、前記撮像レンズの焦点状態を検出する焦点検出装置であって、
   前記受光素子は、同一位置の深さ方向に、第１の波長領域の光に感度を有する第１の受光領域と、前記第１の波長領域とは異なる第２の波長領域の光に感度を有する第２の受光領域とを有し、
   前記第１の受光領域からの信号が所定値以下である場合に、前記第１の受光領域からの信号と前記第２の受光領域からの信号との比率に応じて前記撮像レンズの焦点状態を検出することを特徴とする焦点検出装置。
3. 撮像レンズからの光束を分割して少なくとも一対の像を形成し、前記少なくとも一対の像を光電変換する受光素子を有し、前記受光素子からの信号に基づいて、前記撮像レンズの焦点状態を検出する焦点検出装置であって、
   前記受光素子は、同一位置の深さ方向に、第１の波長領域の光に感度を有する第１の受光領域と、前記第１の波長領域とは異なる第２の波長領域の光に感度を有する第２の受光領域とを有し、
   被写体の明るさを確保するための補助光が被写体に照射された場合には、前記第２の受光領域からの信号に基づいて前記撮像レンズの焦点状態を検出することを特徴とする焦点検出装置。
4. 前記第１の波長領域は、可視光領域であり、
   前記第２の波長領域は、赤外光領域であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の焦点検出装置。
5. 撮像レンズを介して被写体像を撮像する撮像装置であって、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の焦点検出装置と、
   前記被写体像を撮像し画像信号を出力する撮像素子と、
   記録手段に前記画像信号を記録するように制御する記録制御手段とを有することを特徴とする撮像装置。
6. 撮像レンズからの光束を分割して少なくとも一対の像を形成し、前記少なくとも一対の像を光電変換する受光素子であって、同一位置の深さ方向に、第１の波長領域の光に感度を有する第１の受光領域と、前記第１の波長領域とは異なる第２の波長領域の光に感度を有する第２の受光領域とを有する受光素子を利用して、前記撮像レンズの焦点状態を合焦させる合焦方法であって、
   前記第１の受光領域からの信号が所定値以上である場合に、前記第１の受光領域からの信号に基づいて前記撮像レンズの焦点状態を検出するステップと、
   当該焦点状態に応じて前記撮像レンズを駆動させるステップとを有することを特徴とする合焦方法。
7. 撮像レンズからの光束を分割して少なくとも一対の像を形成し、前記少なくとも一対の像を光電変換する受光素子であって、同一位置の深さ方向に、第１の波長領域の光に感度を有する第１の受光領域と、前記第１の波長領域とは異なる第２の波長領域の光に感度を有する第２の受光領域とを有する受光素子を利用して、前記撮像レンズの焦点状態を合焦させる合焦方法であって、
   前記第１の受光領域からの信号が所定値以下である場合に、前記第１の受光領域からの信号と前記第２の受光領域からの信号との比率に基づいて前記撮像レンズの焦点状態を検出するステップと、
   当該焦点状態に応じて前記撮像レンズを駆動させるステップとを有することを特徴とする合焦方法。
8. 撮像レンズからの光束を分割して少なくとも一対の像を形成し、前記少なくとも一対の像を光電変換する受光素子であって、同一位置の深さ方向に、第１の波長領域の光に感度を有する第１の受光領域と、前記第１の波長領域とは異なる第２の波長領域の光に感度を有する第２の受光領域とを有する受光素子を利用して、前記撮像レンズの焦点状態を合焦させる合焦方法であって、
   被写体の明るさを確保するための補助光が被写体に照射された場合に、前記第２の受光領域からの信号に基づいて前記撮像レンズの焦点状態を検出するステップと、
   当該焦点状態に応じて前記撮像レンズを駆動させるステップとを有することを特徴とする合焦方法。