JP2008241872A - 光検出装置、焦点検出装置および撮像装置 - Google Patents

光検出装置、焦点検出装置および撮像装置 Download PDF

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Abstract

【課題】マイクロレンズ間の境界位置における不感帯の影響をなくして焦点検出性能を向上させる。
【解決手段】複数のマイクロレンズ5aを二次元状に配列したマイクロレンズアレイと、複数の受光素子6aを二次元状に連続的に配列した受光素子アレイ6であって、結像光学系からの光束をマイクロレンズアレイを介して受光する受光素子アレイとを備え、マイクロレンズアレイのマイクロレンズ5aは、マイクロレンズ5aの光軸に受光素子アレイ6上の受光素子6aが対応するように位置決めして配列される。
【選択図】図4

Description

本発明は光検出装置、焦点検出装置および撮像装置に関する。
撮影レンズの予定焦点面にマイクロレンズアレイを配置するとともに、その背後に受光素子アレイを配置し、撮影レンズの焦点検出を行う焦点検出装置が知られている。(例えば、特許文献1参照)。
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
しかしながら、上述した従来の焦点検出装置では、マイクロレンズアレイの位置付近に物体像がある場合にマイクロレンズ間の境界位置で不感帯を生じるという問題がある。物体像がマイクロレンズアレイ近傍にあるため、マイクロレンズとマイクロレンズとの間に物体像のエッジ、すなわちコントラストの変化帯がある場合には、この位置の像はマイクロレンズ間の光学的に無効な領域に投影され、有効な光束が受光素子に投影されなくなって焦点検出性能が低下する。
(1) 請求項1の発明は、複数のマイクロレンズを二次元状に配列したマイクロレンズアレイと、複数の受光素子を二次元状に連続的に配列した受光素子アレイであって、結像光学系からの光束をマイクロレンズアレイを介して受光する受光素子アレイとを備え、マイクロレンズアレイのマイクロレンズは、該マイクロレンズの光軸に受光素子アレイ上の受光素子が対応するように位置決めして配列される。
(2) 請求項2の光検出装置は、マイクロレンズアレイ上でマイクロレンズが稠密となる配列方向と受光素子アレイ上で受光素子が稠密となる配列方向とが45度をなすようにしたものである。
(3) 請求項3の光検出装置は、マイクロレンズアレイ上の各マイクロレンズに対応して受光素子アレイ上に整数個の受光素子を配列するようにしたものである。
(4) 請求項4の光検出装置は、マイクロレンズアレイの隣接するマイクロレンズの中心間に、受光素子アレイ上の受光素子を整数個配列するようにしたものである。
(5) 請求項5の光検出装置は、マイクロレンズアレイの隣接するマイクロレンズの中心間に、受光素子アレイ上の受光素子を奇数個配列するようにしたものである。
(6) 請求項6の焦点検出装置は、請求項1〜5のいずれか1項に記載の光検出装置と、受光素子アレイ上の複数の受光素子の出力信号に基づいて結像光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出手段とを備え、焦点検出手段によって、マイクロレンズアレイ上の各マイクロレンズに対応する受光素子アレイ上の複数の受光素子の中から、マイクロレンズアレイ上のマイクロレンズの配列方向に沿った対の受光素子群を選択し、対の受光素子群の出力信号に基づいて結像光学系の焦点調節状態を検出する。
(7) 請求項7の焦点検出装置は、焦点検出手段によって、複数のマイクロレンズの内の第1マイクロレンズ列と該第1マイクロレンズ列に隣接する第2マイクロレンズ列とを選択し、該第1および第2マイクロレンズ列を構成する各マイクロレンズに対応する受光素子アレイ上の複数の受光素子の出力信号に基づいて焦点検出するようにしたものである。
(8) 請求項8の焦点検出装置は、焦点検出手段によって、第1および第2マイクロレンズ列ごとに結像光学系の焦点調節状態を検出し、それらの相加平均値または相乗平均値を結像光学系の焦点調節状態とするようにしたものである。
(9) 請求項9の撮像装置は、請求項6〜8のいずれか1項に記載の焦点検出装置を備える。。
(10) 請求項10の光検出装置の製造方法は、複数のマイクロレンズを二次元状に配列してマイクロレンズアレイを構成し、複数の受光素子を二次元状に連続して配列した受光素子アレイを、受光素子がマイクロレンズの光軸上に位置するように、マイクロレンズアレイに対して相対的に位置決めする。
本発明によれば、マイクロレンズ間の境界位置における不感帯の影響をなくして焦点検出性能を向上させることができる。
図1は、一実施の形態の光検出装置および焦点検出装置を備えた撮像装置としてのカメラの横断面図である。なお、本願発明の光検出装置および焦点検出装置と直接的に関係のないカメラの機器および回路の図示と説明を省略する。また、本願発明の光検出装置および焦点検出装置は一眼レフカメラやコンパクトカメラなどのあらゆる種類のカメラに適用することができる。さらに、本願発明の光検出装置は焦点検出装置に限らず、例えば画像合成装置などに適用することができる。
カメラ1の撮影レンズ(撮影光学系)2を透過した被写体からの光束は、予定結像面3に被写体像を結ぶ。通常、この予定結像面3に撮像素子やフィルムが配設される。撮影前はミラー4が撮影レンズ2の撮影光路中に置かれており、ミラー4で反射された被写体からの光束がマイクロレンズアレイ5と受光素子アレイ6に導かれる。マイクロレンズアレイ5は予定結像面3と光学的に等価な面に配置され、その背後に受光素子アレイ6が配置される。
図2はマイクロレンズアレイ5と受光素子アレイ6の拡大図である。マイクロレンズアレイ5は複数のマイクロレンズ5aを二次元状に配列して構成され、受光素子アレイ6は複数の受光素子(光電変換素子)6aを二次元状に配列して構成される。
ある一つのマイクロレンズ5aにより被写体像が光軸方向に受光素子6a上に投影されるとすると、ある範囲の受光素子6aの一群がそのマイクロレンズ5aに対応することになる。この点からはマイクロレンズ5aごとに一群の受光素子6aを配置してもよいが、この一実施の形態では一様な平面上に複数の受光素子6aを二次元状に連続して配列した受光素子6を例に上げて説明する。
例えば図3に示す例では、一つのマイクロレンズ5aに対して横11個、縦11個の受光素子6aからなる正方形の角を省いた領域(図3に太線で示す範囲)の受光素子6aが対応している。図3の上側に示すマイクロレンズ5aでは、対応する受光素子6aの領域の中心にある黒く塗りつぶした受光素子6aがこのマイクロレンズ5aの光軸中心に位置し、マイクロレンズに対応する受光素子の領域は上下左右に5個素子づつの広がりを有する。つまり、マイクロレンズアレイ5上の各マイクロレンズ5aに対応する受光素子アレイ6上の複数の受光素子6aの内の1つの受光素子6aが、各マイクロレンズ5aの光軸上に配置されるようにマイクロレンズアレイと受光素子アレイとを相対的に位置決めして作成されている。
複数のマイクロレンズ5aと受光素子6aの関係を図4に示す。この例ではマイクロレンズ5aの径が受光素子6aの一辺の長さのちょうど整数倍になっており、マイクロレンズ5aに対応する受光素子領域内の複数の受光素子6aの中から焦点検出に用いる受光素子6aを選択する際に、領域内からバランスよく選択することができる。これにより、焦点検出結果にマイクロレンズ5aごとの揺らぎが生じるのを防止することができる。
ここで、マイクロレンズ5aの配列について考察する。図5に示すマイクロレンズ5aの配列例では、複数のマイクロレンズ5aが正方稠密(最密)に配列されていて、水平方向の上下に隣接する2列のマイクロレンズ列(例えば図中のA列とB列)において、マイクロレンズ5aが互い違いに配列されている。そして、あるマイクロレンズ5aの水平方向の中心位置は、上方または下方のマイクロレンズ列の水平方向の境界線上になる。なお、垂直方向のマイクロレンズ列においても同様な配列になっている。
図4および図5から明らかなように、この一実施の形態ではマイクロレンズアレイ5上のマイクロレンズ5aの配列方向が、受光素子アレイ6上の受光素子6aの配列方向に対して45度の方向となるように、マイクロレンズアレイ5上のマイクロレンズ5aを配列する。換言すれば、マイクロレンズアレイ5上の隣接して配列される2列のマイクロレンズ列(図5に示すA列とB列)は、互いにマイクロレンズ5aの半径だけ位相をずらして配列する。
水平および垂直方向に隣接するマイクロレンズ5aの中心間距離は、図4に示すように受光素子6aの一辺の長さの整数倍になっている。なお、この中心間距離は受光素子6aの一辺の長さの奇数倍にすることが望ましい。その理由は、マイクロレンズ5aの中心に受光素子6aを配置することができ、かつ、マイクロレンズ5aと受光素子6aの相対関係がどのマイクロレンズ5aに対しても同一となるからである。各マイクロレンズ5aに対応する受光素子領域から焦点検出に用いる受光素子6aを選択する際に、すべてのマイクロレンズ5aで同じ選択パターンとすることができる。つまり、各マイクロレンズ5aに対応する受光素子領域内からバランスよく焦点検出用受光素子を選択することができ、焦点検出結果にマイクロレンズ5aごとの揺らぎが生じるのを防止して焦点検出性能を向上させることができる。
次に、撮影レンズ2の光軸方向におけるマイクロレンズアレイ5と受光素子アレイ6の配置について考察する。上述したように、撮影レンズ2の予定結像面3と光学的に等価な面にマイクロレンズアレイ5が配置され、撮影レンズ2により結像された被写体像がマイクロレンズ5aにより受光素子6a上に投影される。予定結像面3と光学的に等価なマイクロレンズアレイ5の受光面は、撮影レンズ2の瞳面と略共役の位置にあり、受光素子アレイ6の受光素子6aの選択は、この焦点検出光学系において瞳開口を選ぶのと等価である。
したがって、図3に示す各マイクロレンズ5aの光軸上の受光素子6a、すなわち各マイクロレンズ5aに対応する受光素子領域内の中央の受光素子6aを選択してマイクロレンズアレイ5の像を合成すれば、撮影レンズ2に小さな絞りを配したものと同じになり、焦点深度が深く、いわばパンフォーカスな画像が得られることになる。各マイクロレンズ5aの中心に受光素子6aを配置することによって、焦点位置に拠らない被写体像を得ることができる。
さらに具体的には、図3の下側に示すマイクロレンズ5aにおいて、黒く塗りつぶされた左右それぞれの受光素子6aの列(群)は、同様に撮影レンズ2において左右短冊状の絞りを透過した被写体像を合成する。この左右の合成像の視差から、撮影レンズ2の焦点調節状態を算出することができる。
この一実施の形態では、以下に示す焦点調節状態の検出方法を採用する。ここでは、図5に示すマイクロレンズアレイ5の水平方向の列から焦点調節状態を検出する例を示す。この場合、図5に示すA列とB列のマイクロレンズ5aに対応する受光素子6aの出力信号に基づいて撮影レンズ2の焦点調節状態を検出する。
A列とB列の各マイクロレンズ5aに対応する複数の受光素子6aの中から、図3の下側に示すマイクロレンズ5aのように、左右3個づつの受光素子6aで構成される一対の受光素子群I、Dを形成する。そして、まず受光素子群Iに含まれる3個の受光素子6aの出力信号を加算し、これをA列のj番目のマイクロレンズ5aの左側データAijとする。同様に、受光素子群Dに含まれる3個の受光素子6aの出力信号を加算し、これをA列のj番目のマイクロレンズ5aの右側データAdjとする。
左右一対のデータ列{Aij}と{Adj}の視差、すなわちイメージのずれに基づいて焦点調節情報を得る方法は、従来のTCL(Through Camera Lens)タイプの焦点検出装置と基本的に同様である。まず、一対の列の一方をある量kだけずらしたTakを考える。
Tak=Σ|Aij+k−Adj| ・・・(1)
(1)式において、ΣはA列のj=1〜n(nは焦点検出に用いる受光素子数)の総和を表す。(1)式で表されるTakが最少となるkを求める。本質的にイメージは連続であり、またずれ量も連続的に変化するものであるから、このように離散的な計算から得られた離散的なデータTak列を内挿してずれ量HAを求める。
上述したように、この列は不感帯を含んでおり、マイクロレンズアレイ5の近傍に被写体像面があると、この計算結果の信頼性は低下する。そこで、A列のマイクロレンズ5aに隣接し、レンズ半ピッチ分だけ位置がずれているB列のマイクロレンズ5aに対応するデータを利用する。A列データを計算したのと同様に、Tbkを求める。
Tbk=Σ|Bij+k−Bdj| ・・・(2)
(2)式において、ΣはB列のj=1〜n(nは焦点検出に用いる受光素子数)の操作を表す。このB列データTbkを内挿してずれ量HBを求め、このずれ量HBと上記A列のずれ量HAの相加平均ないしは相乗平均をとり、焦点調節情報とすることができる。
このようにすれば、相補的に位置する二つの列、A列とB列とが互いの不感帯を補い合い、被写体像がマイクロレンズアレイ5の受光面の近傍にあっても安定した焦点検出結果を得ることができる。
この計算は、一対のデータ列{Adj}と{Bdj}を互い違いに整列させた新たなデータ列{Cdj}と、一対のデータ列{Aij}と{Bij}を互い違いに配列させた新たなデータ列{Cij}を考え、これらのデータ列{Cdj}と{Cij}のずれ量を算出しても同様な効果が得られる。このとき、データ列{Cdj}と{Cij}は、
{Cdj}=・・,Adj,Bdj,Adj+1,Bdj+1,Adj+2,Bdj+2,・・、
{Cij}=・・,Aij,Bij,Aij+1,Bij+1,Aij+2,Bij+2,・・ ・・・(3)
のようなA列とB列とを合わせた長さを持つ数列となる。この数列から従来の方法でずれ量HCを算出すればよい。
また、演算量を少なくするために、次のような計算方法を採用してもよい。この場合、上述したデータ列の合成ではなく、算出値の合成になる。まず、データ列{Adj}と{Aij}からずれ量HAを算出し、同様にデータ列{Bdj}と{Bij}からずれ量HBを算出する。この値は配列上、相補的であるから、ずれ量Hを、
H=√(HA・HB) ・・・(4)
あるいは、
H=(HA+HB)/2 ・・・(5)
として求める。これによって、不感帯の影響を小さくした焦点調節情報を得ることができる。
この正方配列では、水平方向と垂直方向が回転対称であるから、垂直方向についても同様である。被写体の焦点が合焦点付近で上記不感帯への配慮が不要なときには、45度方向のマイクロレンズ列を用いて焦点検出を行うことも可能である。この場合、隣接する列を用いても配置が相補的ではないので、データ量を増やすことは揺らぎを安定させる意味しかなく、一列の処理で充分である。各マイクロレンズ5aに対応する受光素子群は、例えば図6の上に示すマイクロレンズ5aに対応する一対の受光素子群のようにすると、この演算に適したデータが用意できる。
各マイクロレンズ5aに対応する受光素子領域の中から一対の焦点検出用受光素子群を選択する際には、マイクロレンズ5aの配列や基線の向きに応じて選択方法を変える必要がある。撮影レンズ2の開口より大きな瞳を設けることはできないから、撮影レンズ2の絞り値によって受光素子群の選択を変える必要がある。また、受光素子6aへの入射光量、あるいは受光素子群に入る光子の量が、受光素子6aの蓄積時間もしくはサンプリング時間に影響することから、光量が少ない場合には受光素子群の領域を広げ(図3の下側のマイクロレンズおよび図7の下側マイクロレンズ5a参照)、多いときには受光素子群の領域を理想に近い小さな領域とする必要がある(図7の下側のマイクロレンズ5a参照)。基線の方向が回転するときには、もちろんそれに応じて受光素子群の選択位置を変化させる必要がある。
なお、理想的な瞳位置を種々の状況に応じていくつかの有限個の受光素子群の結合としているため、基線長には一定の誤差が生じる。焦点ずれの値は基線長に対して線形であるから、この誤差は焦点ずれの値にそのままかかってくることになる。そこで、各受光素子群の選択の仕方それぞれに対応する基線長テーブルを用意し、受光素子群を選択するときには必要な基線長をテーブルから読み出し、実効的な値として援用する。
一実施の形態の焦点検出装置を備えたカメラの横断面図 マイクロレンズアレイと受光素子アレイの拡大図 マイクロレンズアレイ上の各マイクロレンズに対応する受光素子アレイ上の受光素子の配列と、一対の焦点検出用受光素子群の選択方法を示す図 マイクロレンズアレイ上の各マイクロレンズに対応する受光素子アレイ上の受光素子の配列を示す図 マイクロレンズアレイ上のマイクロレンズの配列を示す図 マイクロレンズアレイ上の各マイクロレンズに対応する受光素子アレイ上の受光素子の配列と、一対の焦点検出用受光素子群の選択方法を示す図 マイクロレンズアレイ上の各マイクロレンズに対応する受光素子アレイ上の受光素子の配列と、一対の焦点検出用受光素子群の選択方法を示す図
符号の説明
1 カメラ
2 撮影レンズ
5 マイクロレンズアレイ
5a マイクロレンズ
6 受光素子アレイ
6a 受光素子

Claims (10)

  1. 複数のマイクロレンズを二次元状に配列したマイクロレンズアレイと、
    複数の受光素子を二次元状に連続的に配列した受光素子アレイであって、結像光学系からの光束を前記マイクロレンズアレイを介して受光する受光素子アレイとを備え、
    前記マイクロレンズアレイのマイクロレンズは、該マイクロレンズの光軸に前記受光素子アレイ上の受光素子が対応するように位置決めして配列される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において、
    前記マイクロレンズアレイ上で前記マイクロレンズが稠密となる配列方向と前記受光素子アレイ上で前記受光素子が稠密となる配列方向とが45度をなす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、
    前記マイクロレンズアレイ上の各マイクロレンズに対応して前記受光素子アレイ上に整数個の受光素子を配列することを特徴とする光検出装置。
  4. 請求項1または請求項2に記載の光検出装置において、
    前記マイクロレンズアレイの隣接するマイクロレンズの中心間に、前記受光素子アレイ上の受光素子を整数個配列することを特徴とする光検出装置。
  5. 請求項1または請求項2に記載の光検出装置において、
    前記マイクロレンズアレイの隣接するマイクロレンズの中心間に、前記受光素子アレイ上の受光素子を奇数個配列することを特徴とする光検出装置。
  6. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の光検出装置と、
    前記受光素子アレイ上の複数の受光素子の出力信号に基づいて前記結像光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出手段とを備え、
    前記焦点検出手段は、前記マイクロレンズアレイ上の各マイクロレンズに対応する前記受光素子アレイ上の複数の受光素子の中から、前記マイクロレンズアレイ上のマイクロレンズの配列方向に沿った対の受光素子群を選択し、前記対の受光素子群の出力信号に基づいて前記結像光学系の焦点調節状態を検出することを特徴とする焦点検出装置。
  7. 請求項6に記載の焦点検出装置において、
    前記焦点検出手段は、前記複数のマイクロレンズの内の第1マイクロレンズ列と該第1マイクロレンズ列に隣接する第2マイクロレンズ列とを選択し、該第1および第2マイクロレンズ列を構成する各マイクロレンズに対応する前記受光素子アレイ上の複数の受光素子の出力信号に基づいて焦点検出することを特徴とする焦点検出装置。
  8. 請求項7に記載の焦点検出装置において、
    前記焦点検出手段は、前記第1および第2マイクロレンズ列ごとに前記結像光学系の焦点調節状態を検出し、それらの相加平均値または相乗平均値を前記結像光学系の焦点調節状態とすることを特徴とする焦点検出装置。
  9. 請求項6〜8のいずれか1項に記載の焦点検出装置を備えたことを特徴とする撮像装置。
  10. 複数のマイクロレンズを二次元状に配列してマイクロレンズアレイを構成し、
    複数の受光素子を二次元状に連続して配列した受光素子アレイを、前記受光素子が前記マイクロレンズの光軸上に位置するように、前記マイクロレンズアレイに対して相対的に位置決めすることを特徴とする光検出装置の製造方法。
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