JP2006208495A - 焦点検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 撮像性能を落とすことなく位相差検出方式焦点検出装置の小型化及びコストの低減を実現すると共に広領域でのクロス測距を実現することができる焦点検出装置を提供する。
【解決手段】 本発明の焦点検出装置１１は、焦点検出用光束を再結像する再結像レンズ６と、再結像された焦点検出用光束をマイクロレンズを介して受光すると共に受光した光束を像信号に変換する光電変換部９ａ，９ｂとを備える。光電変換部９ａ，９ｂは、マイクロレンズ８を介して再結像レンズ６の瞳領域６ａ，６ｂを透過した焦点検出用光束を夫々受光すると共に受光した光束を夫々Ａ像信号及びＢ像信号に変換し、Ａ像信号及びＢ像信号の相対位置関係に基づいて撮影レンズ部３２の焦点状態を検出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、焦点検出装置に関し、特に、複数の光電変換部から得られる２つの被写体像の相対的な位置関係に基づいて焦点検出を行う焦点検出装置に関する。

従来のデジタルスチルカメラに設けられた焦点検出装置は、撮像素子を利用して焦点検出を行っており、焦点検出方法の１つに、コントラスト検出方式の焦点検出方法がある。

コントラスト検出方式の焦点検出方法は、撮像素子の出力を所定の評価関数を用いて評価することにより、撮像光学系によって形成される被写体像のコントラスト値を求め、所定の評価関数による評価値が極値をとるような撮像光学系の光軸上位置を検出するものである。撮像光学系は、検出された位置に移動され、このとき用いられる評価関数としては、隣接する輝度信号の差の絶対値を焦点検出領域内で加算するもの、隣接する輝度信号の差の２乗を焦点検出領域内で加算するもの、及びＲ，Ｇ，Ｂの各画素信号について隣接する信号の差を焦点検出領域内で加算するもの等がある。このようなコントラスト検出方式の焦点検出は、撮像光学系の光軸上位置を僅かに移動させながら評価関数値を求めていくので、一般的に、合焦するまでの焦点調節にかなりの時間を要するという問題がある。

もう１つの焦点検出方法として、位相差検出方式の焦点検出方法がある。

位相差検出方式の焦点検出方法は、複数の光電変換部から得られる２つの被写体像の相対的な位置関係に基づいて焦点検出を行うものであり、具体的には、撮像光学系の瞳の異なる部分を通過した２つの光束を用いて夫々被写体像を形成し、撮像素子の出力に基づいて２つの被写体像間の位置的位相差を検出し、これを撮像光学系のデフォーカス量に換算する。この位相差検出方式の焦点検出方法を実現する焦点検出装置としては、以下の４つがある。

第１の焦点検出装置は、２次元的に配列したマイクロレンズアレイ毎に一対又は二対の受光部を設け、このマイクロレンズによって受光部を撮像光学系の瞳に投影することによって瞳を分割する（例えば、特許文献１参照）。

また、第２の焦点検出装置は、２次元的に配列したマイクロレンズアレイ毎に分割された受光部を設け、撮像光学系の瞳の一部からの光束による光電変換出力を行う第１のモードと、瞳全体からの光束による光電変換出力を行う第２のモードとを制御する制御手段とを有する（例えば、特許文献２参照）。

さらに、第３の焦点検出装置は、撮像光学系の像を一対のレンズを複数有する再結像レンズで複数の被写体像を形成し、２つの被写体像間の位置的位相差を撮像素子の出力に基づいて検出し、これを撮像光学系のデフォーカス量に換算する（例えば、特許文献３参照）。

図１８は、第３の焦点検出装置の構成を概略的に示す図であり、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は上面図である。

第３の焦点検出装置は、図１８に示すように、一対のレンズ部５１ａ，５１ｂを有する再結像レンズ５１と、一対のレンズ部５１ａ，５１ｂに対向するように配列された一対の光電変換部５２ａ，５２ｂを有する光電変換部列５２とを備える。一対のレンズ部５１ａ，５１ｂは、夫々、入射光に対して一対の光電変換部５２ａ，５２ｂ上に被写体像を形成する。一対の光電変換部５２ａ，５２ｂは、夫々、一対のレンズ部５１ａ，５１ｂから被写体像を受光して一対の像信号を出力する。一対のレンズ部５１ａ，５１ｂには、集光性の楕円面で構成された反射鏡であり、撮影レンズの光軸に対して斜めに配置された楕円サブミラー及び折り返しミラーを介して被写体像が入射される。

第３の焦点検出装置は、光電変換部列５２の出力に基づいて、一対の光電変換部５２ａ，５２ｂに形成された一対の被写体像の位置的位相差を検出し、これをデフォーカス量に換算する。

また、第４の焦点検出装置は、一対のレンズを有し、撮像素子に結像される像の一対のレンズの並び方向の歪曲を、撮像素子の出力に演算処理を行うことによって補正する（例えば、特許文献４参照）。

位相差検出方式の焦点検出装置は、上記のようにデフォーカス量を求めるので、コントラスト検出方式に比べて合焦するまでの時間を大幅に短縮することができる。
米国特許第４４１０８０４号明細書 特開２００１−０８３４０７号公報 特開平９−１８４９６６号公報 特開昭６２−１７３４１２号公報

しかしながら、第１及び第２の焦点検出装置は、撮像素子が通常撮像光学系による１次結像面に配置されているので、焦点検出領域の大きさは、イメージセンサの受光部上におけるものの大きさと等価となり、撮像素子の大きさによって決定される。これにより、高級機のように、大口径レンズ使用時の美しいボケ味を再現するために撮像素子が大判のときは、焦点検出領域もそれに伴い大きくなるので、焦点検出用撮像素子が大型化し、焦点検出装置の大型化を招くのみならず、コストが増大する。

また、第１の焦点検出装置は、受光部の分割方向によって２つの被写体像の分離方向が決まってしまうので、縦横２方向の２つの被写体像の位置的位相差検出すること（以下「クロス測距」という）はできない。

さらに、第２の焦点検出装置は、撮像用の撮像素子が焦点検出用の撮像素子を兼ねているので、マイクロレンズの形状は、撮像性能と焦点検出性能の両方を満たすように設計される必要があるが、これは非常に困難であるので、撮像専用の撮像素子に比べて撮像性能が低下する。

加えて、第３の焦点検出装置では、再結像レンズ５１が熱等の影響により膨張した場合に、以下の問題がある。

図１８において、再結像レンズ５１の膨張により、一対のレンズ部５１ａ，５１ｂの間隔がｔ１だけ大きくなって、得られる一対の被写体像の間隔がｔ２だけ大きくなるとすると、一対のレンズ部５１ａ，５１ｂの間隔と一対の被写体像との間隔はほぼ等価であることから、ｔ１とｔ２に対して、下式
ｔ１＝ｔ２ …（１）
が成り立つ。つまり、再結像レンズ５１の膨張により一対のレンズ部５１ａ，５１ｂの間隔が大きくなると、その分だけ一対の被写体像の間隔が大きくなる。第３の焦点検出装置は、一対のレンズ部を複数対有する再結像レンズによって複数の被写体像を形成するので、一対のレンズの精度が焦点検出精度に与える影響が非常に大きく、高温時や低温時における再結像レンズ自体の膨張収縮による一対のレンズ間の距離の変化が、焦点検出結果に誤差を与える要因となる。このとき、再結像レンズ６の周囲に温度センサを備えて、検出温度に応じて焦点検出結果に補正処理を行うことによって、熱膨張の影響を軽減させることは可能であるが、温度センサの精度や応答性の悪さ等の影響によって、焦点検出誤差が残る恐れがある。

また、コスト優先で考えると、再結像レンズ５１は、射出成型可能な透明樹脂で作ることが望ましいが、透明樹脂の線膨張係数は７×１０^−５×１／℃程度と大きく、熱膨張による焦点検出誤差を避けられず、また、再結像レンズ５１を、線膨張係数が１×１０^−５×１／℃と小さいガラスモールドを使って成型することによって、熱膨張の影響を軽減させ、熱膨張による焦点検出誤差を低減することができるが、ガラスモールドは高価であるという難点がある。

このように、一対のレンズ部を有する再結像レンズ５１により焦点検出を行う方式では、高精度な焦点検出を行うために高精度な再結像レンズ５１を低膨張率の材料で成型する必要があり、コストが増大する。

また、第３の焦点検出装置では、一対のレンズ部５１ａ，５１ｂのいずれか一方に、光電変換部５２ａ，５２ｂの並び方向と垂直方向にずれていると、以下の問題がある。

図１９において、レンズ部５１ａがｔ３だけずれて、被写体像の位置がｔ４だけずれるとすると、レンズ部５１ａのずれ量との被写体像の位置のずれ量はほぼ等価であることから、ｔ３とｔ４に対して、下式
ｔ３＝ｔ４ …（２）
が成り立つ。つまり、一対のレンズ部５１ａ，５１ｂのうちどちらか一方が、光電変換部５２ａ，５２ｂの並び方向と垂直方向にずれると、その分だけ一対の被写体像の位置ずれが生じる。

この場合、光電変換部５２ａ，５２ｂの並び方向にコントラストパターンを有する被写体に対しては焦点検出誤差が生じないが、光電変換部５２ａ，５２ｂの並び方向に対して傾いた向きにコントラストパターンを有する被写体（図２０）に対しては焦点検出誤差が生じる。

図２１に示すように、光電変換部５２ａ，５２ｂの並び方向に対して４５度傾いた線分を有する被写体（図２０）に対して焦点検出するとき、ずれているレンズ部５１ｂによって得られた線分Ｂは、その中心ｂが光電変換部５２ｂの中心位置から光電変換部５２ａ，５２ｂの並び方向と垂直方向にｔ４だけずれ、光電変換部５２ａ，５２ｂの並び方向にｔ５だけずれる。線像Ｂは、光電変換部５２ａ，５２ｂの並び方向に対して４５度傾いた直線であるので、ｔ４とｔ５には、下式
ｔ５＝ｔａｎ（π／２）×ｔ４＝ｔ４ …（３）
が成り立つ。式（３）に式（２）を代入すると、ｔ３とｔ５には、下式
ｔ３＝ｔ４＝ｔ５ …（４）
が成り立つ。つまり、レンズ部５２ｂが光電変換部５２ａ，５２ｂの並び方向と垂直方向にｔ３だけずれていると、光電変換部５２ａ，５２ｂの並び方向のコントラストパターンを有する被写体を焦点検出した場合と、光電変換部５２ａ，５２ｂの並び方向に対して４５度傾いたコントラストパターンを有する被写体を焦点検出した場合とでは、一対の被写体像の間隔にｔ３もの位置ずれが生じる。これは、被写体の模様によって焦点検出結果が変わることを示しており、焦点検出誤差の要因となる。

再結像レンズ５１の膨張による焦点検出誤差が生じた場合と異なり、上記の焦点検出誤差は軽減させることが不可能である。そのため、生じた一対の被写体像の位置ずれは、そのまま焦点検出誤差の要因となる。

一対のレンズのずれは、再結像レンズ５１が光電変換部５２ａ，５２ｂに対して焦点検出用光束の光軸を軸に回転した場合とほぼ同じであるので、再結像レンズ５１と光電変換部５２ａ，５２ｂの位置決めの不十分さによる回転方向の位置決め誤差が生じた場合でも、上記と同じ焦点検出誤差が生じる。

さらに、第３の焦点検出装置は、楕円サブミラーにより歪曲が生じた像を、再結像レンズ５１によって、夫々光電変換部５２ａ，５２ｂ上に結像する。この歪みは、光軸から離れるほど大きくなるので、周辺視野になるに従い歪曲度合いが大きくなり、得られる一対の被写体像は同じ形状ではなく（図２２）、一対の被写体像の一致度は低下する。それゆえ、一対の被写体像の相対位置関係を求めるときの演算精度が低下し、良好な焦点検出を行うことができない。

また、縦方向に並ぶ画素列を焦点検出用画素列とする縦視野方式及び横方向に並ぶ画素列を焦点検出用画素列とする横視野方式を両立させようとする場合、この歪曲を、光電変換部列５２の縦横方向で同時に小さくすることが必要であるが、第３の焦点検出装置は、焦点検出用画素列の方向が直交しているので、これらを両立させることは必ずしも容易ではない。

さらに、両者の被写体像を形成する光束は、楕円サブミラー及び折り返しミラーにおいて共通した領域で反射しているので、これらの反射鏡の形状を工夫して対応することも困難である。

そこで、第３の焦点検出装置は、被写体像の歪曲による焦点検出誤差を小さくするために、縦視野方式の焦点検出用画素列と横視野方式の焦点検出用画素列のうち、一方の画素列を光軸付近に設定すると共に、画素列の長さを短く設定せざるを得ない。このため、縦視野方式焦点検出領域と横視野方式焦点検出領域のうちどちらかを光軸付近に配置しなければならず、広範囲で縦視野方式と横視野方式とを両立することはできない。

以上のように、第３の焦点検出装置は、クロス測距することは可能であるが、楕円反射鏡による被写体像の歪曲の影響があるので、広領域のクロス測距は実現できない。

また、第４の焦点検出装置は、光電変換部５２ａ，５２ｂの並び方向と直交する方向の歪曲を補正することはできない。

本発明の目的は、撮像性能を落とすことなく位相差検出方式焦点検出装置の小型化及びコストを低減させると共に広領域でのクロス測距の実現することができる焦点検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る焦点検出装置は、撮影レンズを透過した光束を再結像する再結像レンズと、前記再結像された光束をマイクロレンズを介して受光すると共に前記受光した光束を像信号に変換する複数の光電変換部とを備える焦点検出装置において、前記変換された像信号に基づいて前記撮影レンズの焦点状態を検出する焦点状態検出手段を備え、前記再結像レンズは、前記撮影レンズを透過した光束を透過させる複数の瞳領域を有し、前記複数の光電変換部は、前記マイクロレンズを介して前記複数の瞳領域を透過した光束を夫々受光すると共に前記受光した光束を夫々複数の像信号に変換し、前記焦点状態検出手段は、前記複数の光電変換部によって夫々変換された複数の像信号の相対位置関係に基づいて前記撮影レンズの焦点状態を検出することを特徴とする。

本発明によれば、マイクロレンズを介して再結像レンズの複数の瞳領域を透過した光束を夫々受光すると共に受光した光束を夫々複数の像信号に変換し、夫々変換された複数の像信号の相対位置関係に基づいて撮影レンズの焦点状態を検出するので、撮像性能を落とすことなく位相差検出方式焦点検出装置の小型化及びコストの低減を実現すると共に広領域でのクロス測距を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述する。

図１は、本発明の実施の形態に係る焦点検出装置を備えるデジタルスチルカメラの構成を概略的に示す図であり、撮影時以外の場合を示す。

図１において、デジタルスチルカメラは、カメラ本体３４と、カメラ本体３４の前面に取り付けられる交換レンズとしての撮影レンズ部３２とを備える。

撮影レンズ部３２は、撮影レンズ３２ａと、絞り装置３１と、撮影レンズ３２ｂと、撮影レンズ３２ａを駆動するレンズ駆動機構３０と、絞り装置３１を駆動して所定の絞り値に絞り込む絞り駆動機構２９とから成る。

本実施の形態では、撮影レンズ３２ａ，３２ｂは、便宜上２枚のレンズで構成されているが、実際は多数枚のレンズで構成され、後述するＣＰＵ２０から送られるレンズ駆動量情報に基づいて撮影レンズ駆動機構３０によって駆動され、合焦状態に調節される。

レンズ駆動機構３０及び絞り駆動機構２９は、カメラ本体３４との取り付け部に設けられた通信端子を通して、ＣＰＵ２０と通信可能である。

カメラ本体３４は、背面側に、撮影レンズ部３２の撮影光束の予定結像面にイメージセンサ２２と、撮影された画像を表示する外部液晶表示部３３とを備える。

カメラ本体３４は、また、撮影レンズ部３２の取り付け部とイメージセンサ２２の間において、撮影レンズ部３２から入射された光束の一部を画像観察用光束として反射させると共に残りの光束を焦点検出用光束として透過させるハーフミラー部を有する主ミラー１と、主ミラー１を透過した焦点検出用光束を一次結像面３に一旦結像するように反射させるサブミラー２と、サブミラー２によって反射された焦点検出用光束を受光する焦点検出装置１１とを備える。

焦点検出装置１１は、サブミラー２によって反射された焦点検出用光束を透過するフィールドレンズ４と、フィールドレンズ４を透過した焦点検出用光束を反射させる折り返しミラー５と、折り返しミラー５によって反射された焦点検出用光束を再び結像する再結像レンズ６と、再結像レンズ６の予定結像面付近に配置され、再結像レンズ６によって焦点検出用光束が結像される焦点検出用撮像素子７とを備える。

カメラ本体３４は、さらに、主ミラー１で反射された画像観察用光束の予定結像面に配置されたピント板２６と、ピント板２６上に結像された被写体像を２回反射するペンタダハプリズム２７と、ペンタダハプリズム２７によって反射された画像観察用光束が入射される接眼光学系２８とを備える。使用者は、接眼光学系２８を介してピント板２６上にできる被写体像を観察することができる。

カメラ本体３４において、主ミラー１とサブミラー２は、撮影時、カメラ本体３４の上方にクイックリターンし、撮影光束が透過する領域から退避する（図２）。これにより、撮影レンズ３２ａ，３２ｂを透過した撮影光束は、主ミラー１やサブミラー２に邪魔されることなくイメージセンサ２２に到達することができ、もって撮影画像の明るさを保つことができるとともに、撮影画像の色再現性を高品位に保つことができる。

カメラ本体３４は、また、イメージセンサ２２に接続されイメージセンサ２２を駆動制御するイメージセンサ制御回路２１と、撮像された画像の画像信号を画像処理する画像処理回路２５と、外部液晶表示装置３３に接続され外部液晶表示装置３３を駆動する外部液晶表示駆動回路３５と、撮像された画像を記録するメモリ回路２３と、画像処理回路２５にて画像処理された画像をカメラ外部に出力するためのインターフェース回路２４と、撮影者が撮影された画像を記録する操作スイッチＳＷ２と、これらに夫々接続され、カメラ全体を制御するＣＰＵ２０（焦点状態検出手段）とを備える。

図３は、図１における焦点検出装置１１の作動を説明するのに用いられる図である。

図３において、フィールドレンズ４は、再結像レンズ６の瞳１４を撮影レンズ部３２の瞳４０に投影しているので、再結像レンズ６の瞳１４と撮影レンズ部３２の瞳４０は結像関係にある。

再結像レンズ６は、フィールドレンズ４を透過した焦点検出用光束を焦点検出用撮像素子７の表面に結像させる。

図４は、図１における焦点検出用撮像素子７の構成を概略的に示す図であり、図５は、図１における焦点検出用撮像素子７の平面図である。

図４において、焦点検出用撮像素子７は、マトリックス状に配列された光電変換ユニット９と、焦点検出用撮像素子７の光入射面上にマトリックス状に配列され、焦点検出用光束を光電変換ユニット９に効率良く集光するマイクロレンズ８とを備える。

マイクロレンズ８は、光電変換ユニット９を再結像レンズ６の瞳１４に投影しているので、光電変換ユニット９と再結像レンズ６の瞳１４とは結像関係にある。

光電変換ユニット９は、光電変換部９ａ，９ｂの２つに分割されており、光電変換部９ａは、マイクロレンズ８を介して再結像レンズ６の瞳１４の上方（瞳領域６ａ）を透過する焦点検出用光束を受光し、光電変換部９ｂは、下方（瞳領域６ｂ）を透過する焦点検出用光束を受光する（図６）。

再結像レンズ６の瞳１４と撮影レンズ部３２の瞳４０とは結像関係にあるので、再結像レンズ６の互いに異なる瞳領域６ａ，６ｂは、フィールドレンズ４によって撮影レンズ３２の瞳４０に投影されて、夫々瞳領域４０ａ，４０ｂとなるので、光電変換部９ａが受光する焦点検出用光束は、撮影レンズ３２の瞳領域４０ａを透過したものであり、光電変換部９ｂが受光する焦点検出用光束は、撮影レンズ３２の瞳領域４０ａとは異なる瞳領域４０ｂを透過したものである（図７）。

図４では、光軸上の画素についてのみ説明したが、光軸上以外の画素の光電変換部９ａ，９ｂも、撮影レンズ３２の異なる瞳領域４０ａ，４０ｂを透過した光束をマイクロレンズ８を介して受光する。

光軸以外の画素におけるマイクロレンズ８は、一対の光電変換部９ａ，９ｂに対して、光軸からの距離に比例した偏心量で光軸に偏心させて配列される。これにより、一対の光電変換部９ａ，９ｂは、光軸以外の画素においても、再結像レンズ６の瞳１４に正しく投影することができる。

図８は、図４における光電変換部９ａ，９ｂに到達する焦点検出用光束を説明するのに用いられる図であり、（ａ）は、光電変換部９ａに到達する焦点検出用光束を示し、（ｂ）は、光電変換部９ｂに到達する焦点検出用光束を示す。

図８（ａ）において、各画素の光電変換部９ａは、マイクロレンズ８により全て再結像レンズ６の瞳領域６ａに投影される。また、瞳領域６ａは、フィールドレンズ４により撮影レンズ部３２の瞳領域４０ａと結像関係にあるので、各画素の光電変換部９ａから得られた像信号（以下「Ａ像信号」という）は、撮影レンズ部３２の瞳領域４０ａを透過した光束による像信号である。

図８（ｂ）において、各画素の光電変換部９ｂは、マイクロレンズ８により全て再結像レンズ６の瞳領域６ｂに投影される。また、瞳領域６ｂは、フィールドレンズ４により撮影レンズ部３２の瞳領域４０ｂと結像関係にあるので、各画素の光電変換部９ｂから得られた像信号（以下「Ｂ像信号」という）は、撮影レンズ部３２の瞳領域４０ｂを透過した光束による像信号である。

得られたＡ像信号及びＢ像信号の位相差（図９）は、撮影レンズ部３２の結像状態（合焦状態、前ピン状態、後ピン状態）により変化し、撮影レンズ部３２が合焦状態のときは、２つの像信号の位相差は無くなり，前ピン状態と後ピン状態のときは、夫々異なる方向の位相差が生じる。

この２つの像信号の位相差は、以下に示す「ＭＩＮアルゴリズム」と呼ばれる相関の取り方によって求められる。

まず、Ａ像信号の出力データをＡ［１］〜Ａ［ｎ］とし、Ｂ像信号の出力データをＢ［１］〜Ｂ［ｎ］とすると、相関量Ｕ０は、下式

で求められる（図１０（ａ））。

ここで、ｍｉｎ（ａ，ｂ）は、ａ，ｂの小さい方の値である。

次に、Ａ像信号を信号電圧の１ビットシフトさせたデータとＢ像信号のデータとの相関量Ｕ１（図１０（ｂ））を、下式

より求める。

同様に、Ａ像信号を１ビットずつシフトしたときの相関量を次々に計算する。

２つの像信号が一致するときは、相関量は最大値Ｕｍａｘとなるので、相関量が最大値Ｕｍａｘとなるときのシフト量を求め、その前後のシフト量のときの夫々の相関量に基づき、相関量が最大となる真のシフト量を補間して求め、求められたシフト量を２つの像信号の位相差とする。

ここで、２つの像信号の位相差は、撮影レンズ部３２によって被写体像が結像している位置とマイクロレンズ８上面との距離であるデフォーカス量と一定の関係があるので、ＣＰＵ２０は、ＭＩＮアルゴリズムによって求められた２つの像信号の位相差に基づいて、撮影レンズ部３２のデフォーカス量を求めると共に、撮影レンズ部３２を合焦状態にするのに必要なレンズ駆動量を算出することによって焦点検出を行う。

図１１は、図１における１次結像面３から光射出面側の光学系を説明するのに用いられる図である。

図１１は、分かりやすくするために、サブミラー２と折り返しミラー５とによる焦点検出用光束の反射を省略し、焦点検出用光束が撮影レンズ部３２を透過してそのまま直進するように描かれている。

図１１において、Ｈは１次結像面３における焦点検出領域の大きさを示し、Ｉは再結像レンズ６による２次結像面１０における焦点検出領域の大きさを示す。

再結像レンズ６の瞳１４から１次結像面３までの距離をＪ、再結像レンズ６の瞳１４から２次結像面１０までの距離をＫとすると、再結像レンズ６の結像倍率ｔは、下式
ｔ＝Ｋ／Ｊ …（７）
で求められる。

また、２次結像面１０における焦点検出領域の大きさＩは１次結像面３における焦点検出領域の大きさＨと結像倍率ｔを用いて、下式
Ｉ＝Ｈ×ｔ …（８）
で求められる。

もし、ＪとＫが、下式
Ｊ：Ｋ＝５：１ …（９）
となるような光学系に設定されるときは、式（９）を式（７）に代入して、結像倍率ｔは、下式
ｔ＝１／５ …（１０）
で表せる。これを式（８）に代入して、ＩとＨの関係は、下式
Ｉ＝Ｈ／５ …（１１）
で表される。再結像レンズ６の結像倍率ｔが１／５となるような光学系に設定されることによって、２次結像面１０における焦点検出領域の大きさＩを、１次結像面３における焦点検出領域の大きさＨの１／５にすることができる。また、図１１における上下方向についても同様のことが言えるので、２次結像面１０における焦点検出領域の面積を１次結像面３における焦点検出領域の面積の１／５×１／５＝１／２５にすることができる。

つまり、再結像レンズ６によって１次結像面３の像をさらに再度結像させ、再結像レンズ６の予定結像面に焦点検出用撮像素子７が配置されるので、再結像レンズ６の結像倍率を小さくし、予定結像面にできる像の大きさを小さくすることができ、もって焦点検出装置１１において、最もコストが高く、その面積に応じてコストが決定される焦点検出用撮像素子７の面積を大幅に小さくすることができる。これにより、焦点検出用撮像素子７のコストを大幅に下げ、もって焦点検出装置１１自体のコストを大幅に下げることができる。

図１２は、図３における再結像レンズ６及び焦点検出用素子７を光電変換ユニット９の分割方向と垂直な方向から見た概略図であり、（ａ）は、光電変換部９ｂに到達する焦点検出用光束を示し、（ｂ）は、光電変換部９ａに到達する焦点検出用光束を示す。

図１２（ａ）において、温度等の影響により再結像レンズ６が膨張した場合は、再結像レンズ６のレンズパワーが弱まるので、膨張前に比べて焦点検出用光束の結像位置が光電変換ユニット９側にずれる。光軸上以外の光電変換部９ｂに到達する焦点検出用光束も、微小量だけ光軸にずれるが、焦点検出用光束の結像位置のずれに比べて非常に微小であるのでここでは考慮しない。

焦点検出用光束は、再結像レンズ６の膨張前はマイクロレンズ８上で結像していたが、再結像レンズ６の膨張後は、マイクロレンズ８上でボケるので、光電変換部９ａへの取り込み効率が若干低下する。しかし、光電変換ユニット９の分割方向へのずれは生じないので、焦点検出結果は大きな影響を受けない。図１２（ｂ）についても同様のことが言える。

また、図３の焦点検出装置１１において、熱膨張によって再結像レンズ６の被写体像が変わった場合でも、分割された光電変換部９ａ，９ｂは、同一マイクロレンズ８により被写体像の同じ場所から発した光束を受光するので、被写体像の相対的な位置を検出する上では何ら障害にはならない。

一対の光電変換部９ａ，９ｂから夫々得られるＡ像信号、Ｂ像信号は、両者の相対位置関係のみがずれた像信号となるが、全く同じ形状をしており、２つの像の不一致による焦点検出誤差は生じない。

つまり、図３の焦点検出装置１１は、再結像レンズ６の膨張が生じても、焦点検出結果に影響を与えにくい。

以上のような理由により、図３の焦点検出装置１１は、再結像レンズ６の膨張に対して強く、精度の高い再結像レンズ６を必要としない構成であり、再結像レンズ６をコストの高い低膨張の材料で成型する必要がなくなるので、再結像レンズ６のコストを抑制することができ、もって焦点検出装置自体のコストも低減させることができる。

また、図３の焦点検出装置１１において、再結像レンズ６は、１つのレンズで構成されているので、光電変換部９ａ，９ｂの並び方向に対して、再結像レンズ６の形状誤差に基づく、光電変換部９ａ，９ｂにおける一対の被写体像の垂直な方向の位置ずれは生じず、また、再結像レンズ６は、軸対称な形状であるので、光電変換部９ａ，９ｂとの位置決めの不十分さによる回転方向の位置決め誤差に基づく、光電変換部９ａ，９ｂにおける一対の被写体像の間隔ずれは生じない。つまり、図３の焦点検出装置１１は、再結像レンズ６の形状誤差や、再結像レンズ６と光電変換部９ａ，９ｂとの位置決め誤差が生じても焦点検出誤差が発生しにくい。

また、図３の焦点検出装置１１において、仮に、再結像レンズ６の形状誤差や再結像レンズ６と光電変換部９ａ，９ｂとの位置決め誤差が生じることによって再結像レンズの被写体像が変わった場合でも、光電変換部９ａ，９ｂは、同一マイクロレンズ８により被写体像の同じ場所から発した光束を受光するので、被写体像の相対的な位置を検出する上では何ら障害にはならない。

一対の光電変換部９ａ，９ｂから夫々得られるＡ像信号、Ｂ像信号は、両者の相対位置関係のみがずれた像信号となるが、全く同じ形状をしており、２つの像の不一致による焦点検出誤差は生じない。つまり、図３の焦点検出装置１１は、再結像レンズ６に形状誤差や回転方向のずれが生じても、焦点検出結果に影響を与えにくい。

また、再結像レンズを高精度に成型して形状誤差を抑制しようとすると、成形時間や形状の自由度が制限されてしまい、再結像レンズのコストが増加し、再結像レンズと光電変換部との間の位置決めを高精度にしようとすると、調整時の調整ステップの細分化や調整残り少量化が必要となり、調整時間が増大すると共に調整コストが増加する。

しかしながら、図３の焦点検出装置１１は、再結像レンズの形状誤差や、再結像レンズと光電変換部との間の位置決めの不十分さに対して強いので、再結像レンズの製造コスト及び調整コストを抑制することができ、もって焦点検出装置のコストダウンを実現することができる。

また、焦点検出用撮像素子７は、焦点検出専用であるので、マイクロレンズ８の形状を焦点検出に最適な形状に設計することによって、撮像性能に影響を与えることなく良好な焦点検出を行うことができる。

図１３は、図１におけるサブミラー１２及び焦点検出用撮像素子７の変形例を説明するのに用いられる図である。

図１３において、サブミラー１２は、集光性の楕円面で構成された反射鏡であり、撮影レンズ部３２の光軸に対して斜めに配置されている。

サブミラー１２の表面形状は、折り返しミラー５による再結像レンズ６の瞳１４の像位置１３と撮影レンズ部３２の瞳４０の中心とを焦点とする楕円を、像位置１３と瞳４０の中心を結ぶ線を軸に回転させてできる回転楕円面の一部の形状と同じであり、撮影レンズ部３２の瞳４０と再結像レンズ６の瞳１４とはほぼ結像関係にある。

また、サブミラー１２は、反射面として必要な領域には光を反射するようにアルミや銀等の金属膜が蒸着されることによって、焦点検出を行う範囲を制限する視野マスク（規制手段）の働きを兼ねており、反射面として使用しない領域には光吸収性の塗料が塗布され、遮光部材を近接して設ける等の光束規制手段を施されている。

被写体像は、サブミラー１２によるイメージセンサ２２に共役な近軸的結像面である１次結像面３に結像する。

焦点検出用撮像素子７は、マトリックス状に配列された光電変換ユニット９と、焦点検出用撮像素子７の光入射面上にマトリックス状に配列され、焦点検出用光束を光電変換ユニット９に効率よく集光するマイクロレンズ８とを備える。

光電変換ユニット９は、マトリックス状に配列された光電変換部９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄから成る（図１４）。

マイクロレンズ８は、光電変換ユニット９を再結像レンズ６の瞳１４に投影しており、また、光電変換ユニット９と再結像レンズ６の瞳１４とは結像関係にあるので、光電変換部９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄは、マイクロレンズ８によって、再結像レンズ６の瞳１４を十字状に分割した瞳領域６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄの夫々異なる領域を透過した焦点検出用光束を受光し（図１５）、光電変換部９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄは、夫々再結像レンズ６の瞳領域６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを透過する焦点検出用光束を受光する。

また、再結像レンズ６の瞳１４と撮影レンズ３２の瞳４０とは結像関係にあるので、再結像レンズ６の瞳領域６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄは、サブミラー１２によって撮影レンズ３２の瞳４０に投影されて、瞳領域４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄとなる。これにより、光電変換部９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄは、夫々撮影レンズ３２の瞳領域４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄを透過する光束を受光する。

縦方向に並ぶ画素列を焦点検出用画素列とした場合（縦視野方式）は、光電変換部９ａと９ｃからの出力を足し合わせた像信号をＡ像信号とし、光電変換部部９ｂと９ｄからの出力を足し合わせた像信号をＢ像信号とすると、Ａ像信号は、撮影レンズ部３２の瞳領域４０ａと４０ｃを透過した光束による像信号となり、Ｂ像信号は、撮影レンズ３２の瞳領域４０ｂと４０ｄを透過した光束による像信号となる。

Ａ像信号とＢ像信号は、撮影レンズ部３２の焦点状態に応じて、夫々縦方向反対向きにずれるので、縦方向に並ぶ焦点検出用画素列から得られるＡ像信号とＢ像信号の位相差を算出することによって、撮影レンズ部３２の焦点検出を行う。

このとき、焦点検出用画素列は縦方向に並んでいるので、縦方向にコントラストのある被写体に対して焦点検出を行うことができる。

横方向に並ぶ画素列を焦点検出用画素列とした場合（横視野方式）は、光電変換部９ａと９ｂからの出力を足し合わせた像信号をＡ像信号とし、光電変換部部９ｃと９ｄからの出力を足し合わせた像信号をＢ像信号とすると、Ａ像信号は、撮影レンズ部３２の瞳領域４０ａと４０ｂを透過した光束による像信号となり、Ｂ像信号は、撮影レンズ部３２の瞳領域４０ｃと４０ｄを透過した光束による像信号となる。

Ａ像信号とＢ像信号は、撮影レンズ部３２の焦点状態に応じて、夫々横方向反対向きにずれるので、横方向に並ぶ焦点検出用画素列から得られるＡ像信号とＢ像信号の位相差を算出することによって、撮影レンズ部３２の焦点検出を行う。

このとき、焦点検出用画素列は横方向に並んでいるので、横方向にコントラストのある被写体に対して焦点検出を行うことができる。

仮に、焦点検出用画素列が縦方向のみであれば、縦方向にコントラストを持たない被写体、例えば縦線に対して焦点検出を行うときは、Ａ像信号とＢ像信号はコントラストのない均一出力の像信号となるので焦点検出を行えず、逆に、焦点検出用画素列が横方向のみであれば、横方向にコントラストの持たない被写体、例えば横線に対して焦点検出を行うときは、Ａ像信号とＢ像信号はコントラストのない均一出力の像信号となるので焦点検出が行えない。

しかし、図１３における焦点検出装置１１によれば、光電変換ユニット９は、十字状に分割した光電変換部９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄで構成されているので、分割された４つの領域のうちの任意の２つの領域を組み合わせて、縦方向、横方向、及び斜め方向に並んだ２つの領域を作ることができ、また、光電変換ユニット９とマイクロレンズ８は、焦点検出用撮像素子７において２次元的に配置されているので、焦点検出用画素列を縦方向、横方向、及び斜め方向に並べることができ、もって縦視野方式及び横視野方式の両方をとることができる。

また、被写体のコントラストに応じて縦視野方式と横視野方式とを切り替えることもできる。

さらに、縦視野方式による焦点検出結果と横視野方式による焦点検出結果の平均値から、撮影レンズ部３２の焦点状態を検出することもできる。

加えて、被写体のコントラストに応じて、縦視野方式による焦点検出結果と横視野方式による焦点検出結果とに重み付け処理を行い、撮影レンズ部３２の焦点状態を検出することもできる。

図１７は、図１３における焦点検出用撮像素子７の光入射側から見た上面概略図である。

図１７において、横方向は図１３の紙面奥行き方向、上方は図１３におけるサブミラー１２がある方向である。

サブミラー１２は、再結像レンズ６の瞳１４を撮影レンズ部３２の瞳４０に投影する収束性のパワーを有し、撮影レンズ部３２の光軸に対して斜めに配置されているため、１次結像面３において非対称性の大きな歪曲収差が発生するので、サブミラー１２によって結像された１次結像面３及び焦点検出用撮像素子７の表面上での被写体像である像６１には歪みが生じる。

図１７は、撮影レンズ部３２によってイメージセンサ２２上に矩形の格子図形が結像された場合に、当該格子図形が、サブミラー１２によって焦点検出用撮像素子７の表面上でどのように歪むかを示している。この歪みは、サブミラー１２からの距離が遠くなるほど大きくなるので、焦点検出用撮像素子７の表面上に結像された格子図形は、上方の間隔が狭く、下方の間隔が広い扇形状となる。

焦点検出用撮像素子７上で焦点検出用画素列は、縦横に規則正しく並べて構成しているのに対して、歪んだ像が形成されるということは、縦横に規則正しく並んだ焦点検出用画素列のイメージセンサ２２上への逆投影像が逆に歪んだ形状となり、焦点検出を行う視野が周辺部において傾くことを意味するが、焦点検出用撮像素子７上に形成される被写体像が歪んでいても、被写体像の相対的な位置を検出する上では、視野が傾いていること自体は何ら障害にはならず、影響は少ない。

図１７に示すように、十字状に分割された光電変換部９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄは、被写体像６１の同じ場所から発した光束を受光するので、同一マイクロレンズ８の光電変換部９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄは全く同じ歪曲が発生しており、光電変換部９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄから得られる像信号は同じ形状をしている。つまり、光電変換部９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄの組み合わせから得られる２つの像信号であるＡ像信号及びＢ像信号は全く同じ形状をしているので、２つの像の不一致による焦点検出誤差は生じない。

図１３における焦点検出装置１１によれば、焦点検出装置１１は、サブミラー１２よる被写体像の歪曲を許容できるので、サブミラー１２及び折り返しミラー５の反射面の形状を工夫することなく、簡単に広範囲での縦視野方式と横視野方式の両立が可能となり、もって広領域のクロス測距が実現できる。

本発明の実施の形態に係る焦点検出装置を備えるデジタルスチルカメラの構成を概略的に示す図であり、撮影時以外の場合を示す。 図１のデジタルスチルカメラの構成を概略的に示す図であり、撮影時以外の時の場合を示す。 図１における焦点検出装置の作動を説明するのに用いられる図である。 図１における焦点検出用撮像素子の構成を概略的に示す図である。 図１における焦点検出用撮像素子の平面図である。 図１における再結合レンズの瞳領域を説明するのに用いられる図である。 図１における撮影レンズの瞳領域を説明するのに用いられる図である。 図４における光電変換ユニットに到達する焦点検出用光束を説明するのに用いられる図であり、（ａ）は、光電変換ユニットに到達する焦点検出用光束を示し、（ｂ）は、光電変換ユニットに到達する焦点検出用光束を示す。 図４における光電変換部による相関値を説明するのに用いられるグラフである。 図９の相関値の一致を説明するのに用いられるグラフであり、（ａ）は、求められたＡ像信号及びＢ像信号を示し、（ｂ）は、Ａ像信号が１ビットシフトした場合を示し、（ｃ）は、Ａ像信号及びＢ像信号が一致する場合を示す。 図３における１次結像面から光射出面側の光学系を説明するのに用いられる図である。 図３における再結像レンズ及び焦点検出用素子を光電変換ユニット部の分割方向と垂直な方向から見た概略図であり、（ａ）は、光電変換ユニットに到達する焦点検出用光束を示し、（ｂ）は、光電変換ユニットに到達する焦点検出用光束を示す。 図１におけるサブミラー及び焦点検出用撮像素子の変形例を説明するのに用いられる図である。 図１３における焦点検出用撮像素子の光入射側から見た概略上面図である。 図１３における再結像レンズの瞳領域を説明するのに用いられる図である。 図１３における撮影レンズの瞳領域を説明するのに用いられる図である。 図１３における焦点検出用撮像素子の光入射側から見た上面概略図である。 第３の焦点検出装置の構成を概略的に示す図であり、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は上面図である。 従来のデジタルスチルカメラが備える焦点検出装置の構成を概略的に示す図であり、（ａ）は側面図であり、（ｂ）は上面図である。 被写体を説明するのに用いられる図である。 従来のデジタルスチルカメラが備える焦点検出装置における焦点検出用撮像素子を光入射側からみた上面概略図である。 従来のデジタルスチルカメラが備える焦点検出装置における焦点検出用撮像素子を光入射側からみた上面概略図である。

符号の説明

１ 主ミラー
２ サブミラー
４ フィールドレンズ
５ 折り返しミラー
６ 再結像レンズ
７ 焦点検出用撮像素子
８ マイクロレンズ
９ 光電変換ユニット
１０ ２次結像面
１１ 焦点検出装置
１２ サブミラー
１４ 再結像レンズ６の瞳
３４ 焦点検出装置
４０ 撮影レンズの瞳

Claims (7)

1. 撮影レンズを透過した光束を再結像する再結像レンズと、前記再結像された光束をマイクロレンズを介して受光すると共に前記受光した光束を像信号に変換する複数の光電変換部とを備える焦点検出装置において、前記変換された像信号に基づいて前記撮影レンズの焦点状態を検出する焦点状態検出手段を備え、前記再結像レンズは、前記撮影レンズを透過した光束を透過させる複数の瞳領域を有し、前記複数の光電変換部は、前記マイクロレンズを介して前記複数の瞳領域を透過した光束を夫々受光すると共に前記受光した光束を夫々複数の像信号に変換し、前記焦点状態検出手段は、前記複数の光電変換部によって夫々変換された複数の像信号の相対位置関係に基づいて前記撮影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. 前記複数の光電変換部は光電変換ユニットを構成することを特徴とする請求項１項に記載の焦点検出装置。
3. 前記複数の光電変換部は、マトリックス状に配列された４つの光電変換部から成ることを特徴とする請求項２記載の焦点検出装置。
4. 前記光電変換ユニットは複数備えられると共にマトリックス状に配列されることを特徴とする請求項２又は３記載の焦点検出装置。
5. 前記マイクロレンズは複数備えられると共にマトリックス状に配列されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の焦点検出装置。
6. 前記撮影レンズを透過した光束を反射して前記再結像レンズに入射させる楕円ミラーを備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の焦点検出装置。
7. 前記マトリックス状に配列されたマイクロレンズは、前記撮影レンズの光軸からの距離に比例した偏心量で前記光軸に偏心されて配列されることを特徴とする請求項５又は６記載の焦点検出装置。

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