JP2008070629A - 光検出装置、カメラ、焦点検出装置および光学特性測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】結像光学系の射出瞳の異なる部分を通過した光束による一対の光像のズレを精度よく検出する。
【解決手段】複数のマイクロレンズ１を配列したマイクロレンズアレイ２と、各マイクロレンズ１に対して複数の受光部３を配置し、結像光学系５により結像された像をマイクロレンズアレイを介して受光する受光部アレイ１１とを備えた光検出装置において、結像光学系の開放Ｆ値に基づいてマイクロレンズの有効径Ａｍを決定する。
【選択図】図６

Description

本発明は、結像光学系の瞳の一対の領域を通過した光束による一対の光像のズレに関する量を検出する光検出装置、カメラ、焦点検出装置および光学特性測定装置に関する。

瞳分割像ズレ検出方式の原理を用いた結像光学系の焦点検出装置として、マイクロレンズアレイの背後に一対の受光部または二対の受光部を設けたものが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

この出願の発明に関連する先行技術文献としては次のものがある。
特開昭５４−１５９２５９号公報 特開昭５６−０３２１２６号公報

しかしながら、上述した焦点検出装置では、焦点検出精度を上げるためにマイクロレンズのピッチを細かくする必要があるが、マイクロレンズのピッチを細かくすると、光の波動性による回折の影響で結像光学系の射出瞳上の焦点検出に使う瞳部分（以下、部分瞳という）が広がり、焦点検出用光束が広がって光学系によるケラレが発生し、焦点検出精度が悪くなるという問題がある。

（１）請求項１の発明は、複数のマイクロレンズを配列したマイクロレンズアレイと、複数のマイクロレンズのそれぞれに対して複数の受光部を配置し、結像光学系により結像された像をマイクロレンズアレイを介して受光する受光部アレイとを備えた光検出装置であって、マイクロレンズアレイは、複数の有効径をもつマイクロレンズを含み、複数の有効径をもつマイクロレンズを介して受光部が受光した信号を、結像光学系の開放F値に応じて処理する処理手段を備える。
（２）請求項２の光検出装置のマイクロレンズアレイは、第１の有効径を有するマイクロレンズを複数配列した第１のマイクロレンズアレイと、第２の有効径を有するマイクロレンズを複数配列した第２のマイクロレンズアレイとを含み、第１マイクロレンズアレイの配列方向における前記複数のマイクロレンズの間隙の位置と、第２マイクロレンズアレイの配列方向における複数のマイクロレンズの間隙の位置とが一致しないように、第１および第２マイクロレンズアレイを配列するようにしたものである。
（３）請求項３の光検出装置は、各マイクロレンズの透過光を規制するマスクを備え、マイクロレンズの有効径はマスクの開口径である。
（４）請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光検出装置を備えた焦点検出装置である。
（５）請求項５の焦点検出装置は、マイクロレンズの有効径Ａｍが８４≧Ａｍ≧１４（ミクロン）である。
（６）請求項６の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光検出装置を備えた光学特性測定装置である。
（７）請求項７の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光検出装置を備えたカメラである。

本発明によれば、結像光学系の射出瞳の異なる部分を通過した光束による一対の光像のズレを正確に検出することができる。

《発明の第１の実施の形態》
図１は、結像光学系の射出瞳の異なる部分（一対の領域で以下では部分瞳という）を通過した光束による一対の光像のズレを検出する一実施の形態の光検出装置の構成を示す。一実施の形態の光検出装置は、複数のマイクロレンズ１を二次元状に配列したマイクロレンズアレイ２と、マイクロレンズアレイ２の背後にあって各マイクロレンズ１ごとに複数の受光部３ａを一次元状に配列した受光部アレイ３とを備える。これらの複数の受光部アレイ３は基板４上に形成されている。結像光学系（不図示）の射出瞳上の部分瞳を通過した複数の光束を、各マイクロレンズ１を介して受光部アレイ３の対応する受光部３ａで受光する。これらの複数の受光部３ａの出力に基づいて結像光学系の像ズレ検出、焦点検出、収差測定などを行うことができる。

上述したように、焦点検出精度を上げるには像を検出するサンプリングピッチを細かくする必要があるが、像を検出するサンプリングピッチを細かくするとマイクロレンズ１の開口径も小さくしなければならない。マイクロレンズ１の開口径を小さくすると回折によるボケが発生し、焦点検出精度を低下させる。この点について以下に詳細に説明する。

図２は、受光部アレイ３上の点３ｂがマイクロレンズ１により結像光学系５の射出瞳５ａ上に共役関係を結んでいる状態を示す（簡単の為に単レンズで書いているのでレンズの径がそのまま射出瞳径になっているが、複数のレンズから構成される結像光学系では、射出瞳はそのレンズ構成と絞り部材の構成に応じて決まる）。また、図３は結像光学系の射出瞳５ａ上に逆投影された受光部アレイ３上の点３ｂの像６を射出瞳５ａの正面から見た図である。マイクロレンズ１が無収差の場合、幾何光学的には点３ｂから出た光はマイクロレンズの作用で点６ａに収束する。

しかし、マイクロレンズ１の開口径が小さくなると点３ｂから出た光による像は光の波動性による回折作用によって点像にならず、図３（ｂ）に示す様な強度分布で広がりをもつ像となる。図２および図３(ａ)の破線の円６はその広がりを示すが、その広がりをＦ値に換算すると大きさＦａの広がり（ボケ量）であり、角度にして１／Ｆａラジアンの広がり（ボケ量）を持つ像６になる。

ここで、マイクロレンズ１の有効径（以下、単に径という）をＡｍ［ミクロン］とした場合の、マイクロレンズ１の種々の径Ａｍ［ミクロン］に対する受光部アレイ３上の点３ｂの像６の広がり（ボケ量）をＦ値に換算したＦａを求めると、
Ｆａ≒０．８・Ａｍ ・・・（１）
となり、マイクロレンズ径Ａｍに対するＦ値に換算したＦａと角度に換算した１／Ｆａ［ラジアン］とを表１に示す。

ところで、カメラの焦点検出対象となるレンズのＦ値は、Ｆ１．４〜Ｆ５．６の範囲のものが一般的である。そため、瞳分割方式の焦点検出をＦ５．６のレンズで可能にするには、Ｆ５．６相当の射出瞳の中に複数の焦点検出用の部分瞳を設定する必要がある。

図４は、マイクロレンズ１により受光部アレイ３の一対の受光部３ｃ、３ｄを結像光学系の射出瞳５ａ上に投影した場合の一対の受光部の像６ｃ、６ｄ（以下、部分瞳とも称す）を示す。また、図５は結像光学系の射出瞳５ａ上に逆投影された一対の受光部像６ｃ、６ｄを射出瞳５ａの正面から見た図である。

射出瞳５ａはＦ５．６相当（角度で１／５．６ラジアン相当）の広がり（大きさ）を有する。瞳分割型焦点検出ではこの射出瞳５ａの中を２個の焦点検出用の部分瞳に分割しようとするものであり、幾何光学的に考えれば、部分瞳６ｃ、６ｄの並び方向の広がりは射出瞳５の半分の、Ｆ値で１１．２より狭い広がりにする必要がある。

ところで、焦点検出用の部分瞳が結像光学系の射出瞳の中に収まらない場合は、検出光束にケラレが発生することになり、焦点検出精度が低下するという問題が生じる。そこで、回折の影響を考慮すると、部分瞳６ｃ、６ｄは図３で説明したようにボケが生じているので、検出光束にケラレが生じない為には、ボケを生じた部分瞳像が結像光学系の射出瞳の径を殆どはみ出さないようにすることが望ましい。

図５はその状況を説明するものであり、射出瞳５ａ上で幾何光学的に決まる部分瞳６ｃ、６ｄの１点１点が回折によって破線の円８程度ぼける。そのため、検出に関わる部分瞳の広がりは、破線７ａ、７ｂで示すように広がったものになる。マイクロレンズの開口径が小さくなることで、回折による広がりだけでＦ値で１１．２に迄広がれば、ケラレ無しの部分瞳を設けることが出来なくなる。いずれにしてもボケの量が大きくなると、ケラレをなくすには幾何光学的に定義される部分瞳の大きさを小さくしなければならず、検出の光量を確保できなくなる。

図５に示すように、幾何光学的な部分瞳６ｃ、６ｄの並び方向の広がりをＦ値に換算した値がＦｓ、すなわち角度にして１／Ｆｓラジアンの広がりであるとする。サンプルピッチを小さくしながらも検出光量を確保するために、幾何光学的に定義される部分瞳の広がり（Ｆｓ相当）が回折によるボケの広がり（Ｆａ相当）と同程度になる所までを許容するとすれば、ＦａとＦｓの間に次の関係を条件づけることが出来る。
Ｆａ≧Ｆｓ ・・・・ （２）

すなわち、ほぼこの条件を満たすようにすれば、ケラレが発生することなく細かいサンプルピッチでの像ずれ検出が可能になり、高精度な光学条件の検出が可能となる。このため、例えば焦点検出を行う場合であれば、精度の高い焦点検出が可能となる。

検出精度を向上させるには、検出のサンプルピッチを細かくする必要があり、その結果マイクロレンズは小さくなって有効開口径Ａｍは小さくなる。そのため、（１）式の関係で決まる回折の広がりが増え、その分幾何光学的な部分瞳のボケが増大してケラレが発生し、これが逆に検出精度を低下するという関係を説明し、実質的な限界条件として（２）式を提案した。

さらに、５図で示すように結像光学系の開放Ｆ値をＦ０とし、部分瞳６ｃ、６ｄの重心間隔をＦｄ（Ｆ値相当）とすれば、以下の関係が成り立つ。
１／Ｆ０＝１／Ｆａ＋１／Ｆｓ＋１／Ｆｄ ・・・・ （３）
また、部分瞳どうしがボケ部分も含めてほぼ重ならないことを条件にすれば、以下の関係となる。
１／Ｆｄ＝１／Ｆａ＋１／Ｆｓ ・・・・ （４）
これから １／Ｆ０＝２／Ｆａ＋２／Ｆｓ ・・・・ （５）
の関係を得る。
（２）式と（５）式より、
Ｆａ≧４×Ｆ０ ・・・・ （６）
となり、更に（１）式の関係から
Ａｍ≧５×Ｆ０ ・・・・ （７）
（但し、Ａｍはミクロン単位）
となる。

すなわち、マイクロレンズの有効開口径をミクロン単位で表した量Ａｍは、検出対象とする結像光学系の開放Ｆ値の値Ｆ０の５倍程度以上であることが好ましいということである。

具体的には、開放Ｆ値がＦ０＝５．６の結像光学系に対しては、Ａｍ≧２８ミクロンとなり、開放Ｆ値がＦ０＝２．８の結像光学系に対しては、Ａｍ＞＝１４ミクロンとなる。
尚、マイクロレンズの有効径を大きくすれば、ボケの量は有効系の大きさに反比例して減少するので、急激に回折によるボケのケラレ問題を生じなくなる。しかしマイクロレンズの並びのピッチＰｍは大きくなるので、焦点検出性能向上の点からいえば、ピッチは上記Ａｍの２倍程度以下（Ｐｍ≦２×Ａｍ）が好ましく、少なくともＡｍの３倍程度以下（Ｐｍ≦３×Ａｍ）であることが望ましい。

一般的に、一眼レフカメラの交換レンズでは、開放Ｆ値がＦ１．４からＦ５．６の範囲にほとんど分布する。Ｆ１．４の撮影レンズの周辺光束は明るさを稼ぐことには寄与しても、シャープなピントを結ぶ結像光束としては寄与していないことが多い。従って、一眼レフカメラの交換レンズでの精度の良い焦点検出を考える場合は、検出に使用する光束の範囲は実質Ｆ２．８からＦ５．６を考えておくのが適当である。

その意味では、開放Ｆ２．８に対するマイクロレンズの有効径Ａｍの最適範囲は、４２≧Ａｍ≧１４（ミクロン）であり、開放Ｆ２．８に対する有効径Ａｍの最適範囲は、８４≧Ａｍ≧２８（ミクロン）となる。

従って、レンズ交換式の一眼レフカメラシステムの光検出装置に適したマイクロレンズの開口径の範囲は、種々の交換レンズにおいて概ね大きな精度低下のない範囲としては８４≧Ａｍ≧１４（ミクロン）であり、ほぼすべての交換レンズで条件を満たす範囲としては、４２≧Ａｍ≧２８（ミクロン）となる。

マイクロレンズ１の周辺部は形状が乱れやすく、また球面収差も大きくなりがちなので、マイクロレンズ１の結像性能を確保するために、図６に示すように、マイクロレンズ１の並びピッチがＰｍの場合にマイクロレンズ１の有効径Ａｍを、
Ａｍ≦０．８・Ｐｍ ・・・（８）
に制限することによって、像ズレ検出精度を向上させることができる。マイクロレンズ１の有効径以外の部分には光を遮光するマスク１０を設置するが、この遮光マスク１０は蒸着方により形成してもよいし、穴のあいたマスク部材を製作してマイクロレンズアレイ２にかぶせるようにしてもよい。

《発明の第２の実施の形態》
上述した第１の実施の形態では、複数の開放Ｆ値に対して、マイクロレンズの開口径としては１つの最適値を与える方法を示したが、本実施の形態では、複数の開放Ｆ値に対して、複数のマイクロレンズの開口径で対応することを可能にし、更に最適な検出を行おうとするものである。

図７は、本発明の第2の実施の形態による光検出装置の概略的な構成を示す図である。本実施の形態では、開放F値に応じた最適な検出装置とするために、複数種類の有効開口径を有するマイクロレンズアレイを配置し、検出に用いるマイクロレンズを、開放F値に依存させて切り替える様にする。

図７において、撮像素子１０１には、第1受光部１００ｃ、１００ｄ、１００ｃ’、１００ｄ’・・・、および第1受光部よりも受光部面積の小さい第2受光部１００ｅ，１００ｆ，１００ｅ’，１００ｆ’・・・が形成されており、一対の第１受光部（例えば１００ｃ，１００ｄ）ごとに第１の有効開口径を有する第１マイクロレンズ１００ａを所定ピッチで配列した第1マイクロレンズアレイが設けられている。また同様に、一対の第２受光部（例えば１００ｅ，１００ｆ）ごとに、第１マイクロレンズよりも小さい有効開口径を有する第2マイクロレンズ１００ｂを、第１マイクロレンズアレイの配列ピッチよりも小さなピッチで配列した第２マイクロレンズアレイが設けられている。

第１・第２マイクロレンズアレイの配列のさせ方としては、図のように同種のマイクロレンズの配列方向における間隙の位置が、第１マイクロレンズアレイと第２マイクロレンズアレイとで互いに一致しないようになっている。つまり、各マイクロレンズアレイの間隙が、マイクロレンズの配列方向と垂直な方向で揃うことが無いようにすることが好ましい。そうすれば一方のマイクロレンズアレイの間隙に、検出すべき像のエッジ（マイクロレンズの並び方向に対して垂直なエッジ）が結像した場合でも、他方のマイクロレンズアレイに関しては、像のエッジがマイクロレンズの間隙に位置することがなく、検出不能となることを避けることができる。

開放Ｆ値情報検出部１０２は、開放F値の情報を検出する。一眼レフカメラの交換レンズであれば、交換レンズから電気的に開放F値の情報を読み取り可能に構成し、カメラ一体型レンズであれば、開放Ｆ値を変動させる部材の位置情報をエンコーダ等で読み取るようにし、この位置情報を開放F値に対応させるようにする。

制御部１０３は、レンズの開放Ｆ値に応じて撮像素子駆動部を制御し、マイクロレンズを介して受光部で受光した像の信号を選択するものである。つまり、レンズの開放Ｆ値が所定値より大きいときは有効径の大きい第１マイクロレンズ１００ａからなるアレイに対応する受光部１００ｃ、１００ｄ、・・・で得られた信号の出力を読み出し、レンズの開放Ｆ値が所定値より小さいときは有効径の小さい第２マイクロレンズ１００ｂからなるアレイに対応する受光部１００ｅ、１００ｆ、・・・で得られた信号の出力を読み出し、読み出した信号をメモリ１０５に記録する。

演算手段１０６は、メモリから上記の出力を読み出し、受光部１００ｃ、１００ｃ′、・・・で得られる信号と受光部１００ｄ、１００ｄ′、・・・で得られる信号とに基づいて、マイクロレンズ１００ａを介して受光部に結像する一対の像のずれを公知の方法で算出する。求めた像ずれ量は、収差等のレンズの光学特性として表示部１０７に表示される。

また、演算部１０６は、求めた像ずれ量を、分割した部分瞳の開き角に依存した係数を用いて公知の方法により、さらにデフォーカス量に換算する。
駆動装置１０８は、求めたデフォーカス量に基づいて、結像光学系の少なくとも一部のレンズを駆動することにより、結像光学系の焦点調節を行う。

尚、制御部１０３は、撮像素子駆動部１０４を制御して有効径の大きい第１マイクロレンズアレイに対応した受光部で得られる出力とともに、有効径の小さい第２マイクロレンズアレイに対応した受光部で得られる出力もメモリに記憶しておき、演算部１０６に対してどちらか一方の出力のみに基づいて像ずれ量を演算するよう制御してもよい。

また、制御部１０３は、第１マイクロレンズアレイに対応した受光部で得られる出力とともに、第２マイクロレンズアレイに対応した受光部で得られる出力もメモリに記憶しておき、演算部１０６に対して両出力に基づく像ずれ量を演算するように制御し、それぞれの像ずれ量に基づくデフォーカス量を求めてから開放Ｆ値に応じて最終的なデフォーカス量を求めるようにしても良い。

例えば、レンズの開放Ｆ値が所定値よりも大きい（暗い）場合は、有効径の大きい第１マイクロレンズアレイに対応する像ずれ量に対する重み付けを、有効径の小さい第２マイクロレンズアレイに対応する像ずれ量に対する重み付けよりも大きくしてこれらを互いに合成したものを像ずれ量として求めるようにすれば良い。また、レンズの開放Ｆ値が所定値よりも小さい（明るい）場合は、第１・第２マイクロレンズアレイに対応する各像ずれ量に対する重み付けを、上記と逆にすればよい。

《発明の第３の実施の形態》
上述した一実施の形態の光検出装置を撮像装置（カメラ）、焦点検出装置および収差測定装置に適用することができる。図８にその概略構成を示す。撮影レンズ２１を透過した被写体からの光をマイクロレンズアレイ２２を介してイメージセンサー２３により受光し、イメージセンサー２３の出力に基づいて処理装置２４により画像出力、焦点検出結果および収差測定結果を得る。このイメージセンサー２３上には、受光部アレイ２３ａが二次元状に配列されているが、図１に示すような各マイクロレンズに対して一対の受光部を配置する構成であっても良い。

《変形例》
以上の実施の形態では、各マイクロレンズに一対の受光部を設ける、あるいは二次元状に配列する例を示したが、本発明はこの構成に限られるものではない。例えば、図９および図１１に示すように、各マイクロレンズ１に対して３つ以上の受光部３を配置し、その中から２つの受光部を選んでその出力を用いるようにしても良いし、複数の受光部３で得られる出力を一部の受光部ごとに合成して複数の合成出力を求めた上で、その複数の合成出力の中の２つを選ぶようにしても良い。

また更に、図１０および図１２に示すように、各マイクロレンズ１に対して複数の受光部を配置するとともに、縦横方向に隣接するマイクロレンズどうしで、その受光部の配列方向を異ならせるように構成しても良い。この場合は複数の方向に対して像ずれ量が検出可能となる利点がある。

第１の実施の形態の光検出装置の構成を示す図 受光部アレイ上の点がマイクロレンズにより結像光学系の射出瞳上に共役関係を結んでいる状態を示す図 結像光学系の射出瞳上に逆投影された受光部アレイ上の点像を射出瞳の正面から見た図 マイクロレンズにより受光部アレイの一対の受光部を結像光学系の射出瞳上に投影した場合の一対の受光部の像を示す図 結像光学系の射出瞳上に逆投影された一対の受光部像を射出瞳の正面から見た図 結像光学系のＦ値に換算してＦｓの広がりに相当する２光線が、マイクロレンズの中心を通って受光部アレイの受光部の像ズレ検出方向の並びのピッチＰｓの幅をおいた２点に入射する様子を示す図 第２の実施の形態の光検出装置の構成を示す図 第３の実施の形態の撮像装置の構成を示す図 変形例の光検出装置の構成を示す図 他の変形例の光検出装置の構成を示す図 他の変形例の光検出装置の構成を示す図 他の変形例の光検出装置の構成を示す図

符号の説明

１ マイクロレンズ
２ マイクロレンズアレイ
３、１１ 受光部アレイ
３ａ、３ｃ、３ｄ 受光部
５ 射出瞳
１０ マスク
１００ａ、１００ｂ マイクロレンズ
１００ｃ、１００ｄ、１００ｅ、１００ｆ 受光部

Claims (7)

1. 複数のマイクロレンズを配列したマイクロレンズアレイと、
   前記複数のマイクロレンズのそれぞれに対して複数の受光部を配置し、結像光学系により結像された像を前記マイクロレンズアレイを介して受光する受光部アレイとを備えた光検出装置であって、
   前記マイクロレンズアレイは、複数の有効径をもつ前記マイクロレンズを含み、
   前記複数の有効径をもつマイクロレンズを介して前記受光部が受光した信号を、前記結像光学系の開放F値に応じて処理する処理手段を備えたことを特徴とする光検出装置。
2. 請求項１に記載の光検出装置であって、
   前記マイクロレンズアレイは、第１の有効径を有するマイクロレンズを複数配列した第１のマイクロレンズアレイと、第２の有効径を有するマイクロレンズを複数配列した第２のマイクロレンズアレイとを含み、
   前記第１マイクロレンズアレイの配列方向における前記複数のマイクロレンズの間隙の位置と、前記第２マイクロレンズアレイの配列方向における前記複数のマイクロレンズの間隙の位置とが一致しないように、前記第１および第２マイクロレンズアレイを配列することを特徴とする光検出装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の光検出装置において、
   前記各マイクロレンズの透過光を規制するマスクを備え、前記マイクロレンズの有効径は前記マスクの開口径であることを特徴とする光検出装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の光検出装置を備えたことを特徴とする焦点検出装置。
5. 請求項４に記載の焦点検出装置であって、
   前記マイクロレンズの有効径Ａｍは、８４≧Ａｍ≧１４（ミクロン）であることを特徴とする焦点検出装置。
6. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の光検出装置を備えたことを特徴とする光学特性測定装置。
7. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の光検出装置を備えたことを特徴とするカメラ。

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