JP2008242182A - 焦点検出装置、焦点検出方法および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】瞳分割型位相差検出方式の焦点検出における焦点検出精度の低下と焦点検出不能を防止する。
【解決手段】レンズ２０８〜２１０と、このレンズ２０８〜２１０の光軸を中心とする円形または多角形の開口を形成する開口絞り２１１とを含む結像光学系２０２を通過する光束の内、所定面上の一対の領域を通過する光束により形成される一対の像の信号を生成する焦点検出素子２１２と、結像光学系２０２の開放Ｆ値よりも暗いＦ値に相当する開口絞りの開口径において焦点検出素子２１２により生成される信号に基づき結像光学系２０２の焦点調節状態を検出する焦点検出手段２１４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は焦点検出装置、焦点検出方法および撮像装置に関する。

結像光学系の射出瞳を通る一対の焦点検出用光束が形成する一対の像のズレを検出することによって、結像光学系の焦点調節状態を検出する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。
特開平０１−２１６３０６号公報

しかしながら、上述した従来の瞳分割型位相差検出方式の焦点検出装置では、一対の焦点検出用光束が結像光学系の射出瞳で部分的に遮光されてしまうと、焦点検出精度が低下したり焦点検出不能になるという問題がある。

（１） 請求項１の発明は、レンズと、このレンズの光軸を中心とする円形または多角形の開口を形成する開口絞りとを含む結像光学系を通過する光束の内、所定面上の一対の領域を通過する光束により形成される一対の像の信号を生成する焦点検出素子と、結像光学系の開放Ｆ値よりも暗いＦ値に相当する開口絞りの開口径において焦点検出素子により生成される信号に基づき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る。
（２） 請求項２の焦点検出装置は、焦点検出手段により検出された焦点調節状態が合焦または合焦近傍にあるか否かを判定する合焦判定手段を備え、焦点検出手段によって、前回の検出結果の焦点調節状態が合焦判定手段により合焦または合焦近傍にないと判定された場合に、結像光学系の開放Ｆ値よりも暗いＦ値に相当する開口径において焦点検出素子により生成される信号に基づき結像光学系の焦点調節状態を検出するようにしたものである。
（３） 請求項３の焦点検出装置は、焦点検出手段によって、前回の検出結果の焦点調節状態が合焦判定手段により合焦または合焦近傍にあると判定された場合は、結像光学系の開放Ｆ値に相当する開口径において焦点検出素子により生成される信号に基づき結像光学系の焦点調節状態を検出するようにしたものである。
（４） 請求項４の焦点検出装置は、焦点検出手段によって、起動直後には結像光学系の開放Ｆ値よりも暗いＦ値に相当する開口径において焦点検出素子により生成される信号に基づき結像光学系の焦点調節状態を検出するようにしたものである。
（５） 請求項５の焦点検出装置は、焦点検出手段によって、結像光学系の特性に応じた開口径において焦点検出素子により生成される信号に基づき結像光学系の焦点調節状態を検出するようにしたものである。
（６） 請求項６の焦点検出装置の結像光学系の特性は、結像光学系の開放Ｆ値、射出瞳距離、焦点距離、フォーカシング用レンズの位置、および結像光学系の焦点調節範囲で生じ得る最大のデフォーカス量を示す最大像面デフォーカス量の内の少なくともいずれか１つである。
（７） 請求項７の焦点検出装置は、焦点検出手段によって、結像光学系の特性が所定の条件を満たす場合には、結像光学系の開放Ｆ値よりも暗いＦ値に相当する開口径で焦点検出を行わないようにしたものである。
（８） 請求項８の焦点検出装置の所定の条件は、結像光学系の開放Ｆ値が所定値より暗い場合、焦点距離が所定値より短い場合、射出瞳距離が所定範囲外の場合、および、検出された前回のデフォーカス量が結像光学系の焦点調節範囲で生じ得る最大のデフォーカス量を示す最大像面デフォーカス量以上の場合の内の少なくともいずれか１つである。
（９） 請求項９の焦点検出装置は、焦点検出手段によって、前回の検出結果が焦点検出不能であったときは、結像光学系の開放Ｆ値よりも暗いＦ値に相当する開口径において焦点検出素子により生成される信号に基づき結像光学系の焦点調節状態を検出するようにしたものである。
（１０） 請求項１０の焦点検出装置は、焦点検出素子の信号に基づいて一対の像のコントラストを検出するコントラスト検出手段を備え、焦点検出手段によって、コントラスト検出手段により検出されたコントラストが所定値未満の場合に、結像光学系の開放Ｆ値よりも暗いＦ値に相当する開口径において焦点検出素子により生成される信号に基づき結像光学系の焦点調節状態を検出するようにしたものである。
（１１） 請求項１１の焦点検出装置は、焦点検出手段によって、コントラスト検出手段により検出されたコントラストが所定値以上の場合は、結像光学系の開放Ｆ値に相当する開口径において焦点検出素子により生成される信号に基づき結像光学系の焦点調節状態を検出するようにしたものである。
（１２） 請求項１２の焦点検出装置は、焦点検出素子の信号に基づいて対象の輝度を検出する輝度検出手段を備え、焦点検出手段によって、輝度検出手段により検出された輝度が所定値以上の場合は、結像光学系の開放Ｆ値よりも暗いＦ値に相当する開口径において焦点検出素子により生成される画像データに基づき結像光学系の焦点調節状態を検出するようにしたものである。
（１３） 請求項１３の焦点検出装置は、焦点検出手段によって、輝度検出手段により検出された輝度が所定値未満の場合に、結像光学系の開放Ｆ値に相当する開口径において焦点検出素子により生成される信号に基づき結像光学系の焦点調節状態を検出するようにしたものである。
（１４） 請求項１４の焦点検出装置は、焦点検出手段によって、撮影時に制御されるＦ値に相当する開口径において焦点検出素子により生成される信号に基づき結像光学系の焦点調節状態を検出するようにしたものである。
（１５） 請求項１５の焦点検出装置は、結像光学系の撮影画面内に複数の焦点検出位置が設定されており、焦点検出手段によって、結像光学系の開放Ｆ値よりも暗いＦ値に相当する開口径において焦点検出を行う場合は、結像光学系の撮影画面の中央部に設定された焦点検出位置に対して焦点検出を行うようにしたものである。
（１６） 請求項１６の発明は、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の焦点検出装置と、撮影時の開口絞りを制御する制御装置とを備えた撮像装置である。
（１７） 請求項１７の撮像装置は、焦点検出手段によって、動画撮影モード、連続撮影モードおよび移動被写体撮影モードのうちのいずれかの撮影モードが設定されたときは、結像光学系の開放Ｆ値よりも暗いＦ値に相当する開口径において焦点検出を行うようにしたものである。
（１８） 請求項１８の発明は、レンズと、該レンズの有効開口径を調整可能な絞りとを含む結像光学系を通過する光束の内、所定面上の一対の領域を通過する光束により形成される一対の像の信号を焦点検出素子により生成し、結像光学系の開放Ｆ値よりも暗いＦ値に相当する開口径において焦点検出素子により生成される信号に基づき結像光学系の焦点調節状態を検出するようにした焦点検出方法である。

本発明によれば、結像光学系の開放Ｆ値の開口全体を通過する一対の焦点検出用光束を用いて瞳分割型位相差検出方式で焦点検出を行っても、焦点検出精度が低下したり焦点検出不能になるのを防止することができる。

一実施の形態の焦点検出装置を備えた撮像装置として、レンズ交換式デジタルスチルカメラを例に上げて説明する。図１は一実施の形態のカメラの構成を示す横断面図である。一実施の形態のデジタルスチルカメラ２０１は交換レンズ２０２とカメラボディ２０３から構成され、交換レンズ２０２がマウント部２０４を介してカメラボディ２０３に装着される。

交換レンズ２０２はレンズ２０９、ズーミング用レンズ２０８、フォーカシング用レンズ２１０、絞り２１１、レンズ駆動制御装置２０６などを備えている。レンズ駆動制御装置２０６は不図示のマイクロコンピューター、メモリ、駆動制御回路などから構成され、フォーカシング用レンズ２１０の焦点調節と絞り２１１の開口径調節のための駆動制御や、ズーミング用レンズ２０８、フォーカシング用レンズ２１０および絞り２１１の状態検出などを行う他、後述するボディ駆動制御装置２１４との通信によりレンズ情報の送信とカメラ情報の受信を行う。絞り２１１は、光量およびボケ量調整のために光軸中心に開口径が可変な開口を形成する。なお、この一実施の形態では開口形状が円形の絞り２１１を例に上げて説明するが、絞り開口の形状は円形に限定されず、多角形状としてもよい。また、絞り２１１は撮影時の露光量や被写界深度を調節するものであり、この絞り２１１により後述の焦点検出時の絞り開口制御を行う。

カメラボディ２０３は撮像素子２１２、ボディ駆動制御装置２１４、液晶表示素子駆動回路２１５、液晶表示素子２１６、接眼レンズ２１７、メモリカード２１９などを備えている。撮像素子２１２には、撮像用画素が二次元状に配置されるとともに、焦点検出位置に対応した部分に焦点検出用画素が組み込まれている。

ボディ駆動制御装置２１４はマイクロコンピューター、メモリ、駆動制御回路などから構成され、撮像素子２１２の駆動制御と画像信号および焦点検出信号の読み出しと、焦点検出信号に基づく焦点検出演算と交換レンズ２０２の焦点調節を繰り返し行うとともに、画像信号の処理と記録、カメラの動作制御などを行う。また、ボディ駆動制御装置２１４は電気接点２１３を介してレンズ駆動制御装置２０６と通信を行い、レンズ情報の受信とカメラ情報（デフォーカス量や絞り値等）の送信を行う。

液晶表示素子２１６は液晶ビューファインダー（ＥＶＦ：電気的ビューファインダー）として機能する。液晶表示素子駆動回路２１５は撮像素子２１２によるスルー画像を液晶表示素子２１６に表示し、撮影者は接眼レンズ２１７を介してスルー画像を観察することができる。メモリカード２１９は、撮像素子２１２により撮像された画像を記憶する画像ストレージである。

交換レンズ２０２を通過した光束により、撮像素子２１２の受光面上に被写体像が形成される。この被写体像は撮像素子２１２により光電変換され、画像信号と焦点検出信号がボディ駆動制御装置２１４へ送られる。

ボディ駆動制御装置２１４は、撮像素子２１２の焦点検出用画素からの焦点検出信号に基づいてデフォーカス量を算出し、このデフォーカス量をレンズ駆動制御装置２０６へ送る。また、ボディ駆動制御装置２１４は、撮像素子２１２からの画像信号を処理してメモリカード２１９に格納するとともに、撮像素子２１２からのスルー画像信号を液晶表示素子駆動回路２１５へ送り、スルー画像を液晶表示素子２１６に表示させる。さらに、ボディ駆動制御装置２１４は、レンズ駆動制御装置２０６へ絞り制御情報を送って絞り２１１の開口制御を行う。

レンズ駆動制御装置２０６は、レンズ情報をフォーカシング状態、ズーミング状態、絞り設定状態、開放Ｆ値などに応じて変更する。具体的には、ズーミング用レンズ２０８とフォーカシング用レンズ２１０の位置と絞り２１１の絞り値を検出し、これらのレンズ位置と絞り値に応じてレンズ情報を演算したり、あるいは予め用意されたルックアップテーブルからレンズ位置と絞り値に応じたレンズ情報を選択する。

レンズ駆動制御装置２０６は、受信したデフォーカス量に基づいてレンズ駆動量を算出し、レンズ駆動量に応じてフォーカシング用レンズ２１０を合焦点へ駆動する。また、レンズ駆動制御装置２０６は受信した絞り値に応じて絞り２１１を駆動する。

カメラボディ２０３にはマウント部２０４を介して種々の結像光学系を有する交換レンズ２０２が装着可能であり、カメラボディ２０３は撮像素子２１２に組み込まれた焦点検出用画素の出力に基づいて交換レンズ２０２の焦点調節状態を検出する。

図２は撮影画面上における焦点検出位置を示す図であり、後述する焦点検出用画素列が焦点検出の際に撮影画面上で像をサンプリングする領域（焦点検出エリア、焦点検出位置）を示す。撮影画面１００上の５カ所に焦点検出エリア１０１〜１０５が配置される。長方形で示した焦点検出エリア１０１〜１０５の長手方向に焦点検出用画素が直線的に配列される。撮影者が複数の焦点検出エリアから構図に応じてエリア選択スイッチ（不図示）により１つの焦点検出エリアを手動で選択する。

図３は撮像素子２１２の詳細な構成を示す正面図であり、撮像素子２１２上の１つの焦点検出エリア近傍を拡大して示す。撮像素子２１２は、撮像用画素３１０と焦点検出用画素３１１から構成される。撮像用画素３１０は、図４に示すようにマイクロレンズ１０、光電変換部１１および不図示の色フィルターから構成される。色フィルターは赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）の３種類からなり、それぞれの分光感度は図６に示す特性となっている。これらの色フィルターを備えた撮像用画素３１０が撮像素子２１２上でベイヤー配列されている。

一方、焦点検出画素３１１は、図５に示すようにマイクロレンズ１０と一対の光電変換部１２，１３から構成される。焦点検出用画素３１１には光量をかせぐための色フィルターが設置されておらず、その分光特性は光電変換を行うフォトダイオードの分光感度、赤外カットフィルター（不図示）の分光特性を総合した分光特性（図７参照）、すなわち図６に示すような緑画素、赤画素および青画素の分光特性を加算したような分光特性となり、その感度の光波長領域は緑画素、赤画素および青画素の感度の光波長領域を包括している。

撮像用画素３１０の光電変換部１１は、マイクロレンズ１０により最も明るい交換レンズの射出瞳（たとえばＦ１．０）を通過する光束をすべて受光するような形状に設計される。一方、焦点検出用画素３１１の一対の光電変換部１２、１３は、マイクロレンズ１０により最も明るい交換レンズの射出瞳（たとえばＦ１．０）を通過する光束をすべて受光するような形状に設計される。

図３に示すように、２次元状に配置された撮像用画素３１１にはＲＧＢのベイヤー配列の色フィルターが備えられる。そして、焦点検出用画素３１１は、撮像用画素３１１の青画素Ｂと緑画素Ｇが配置されるべき行（列）に直線状に配置されている。焦点検出用画素３１１は焦点検出エリアの中に配列される。

図８は撮像用画素３１０の断面を示す。撮像用画素３１０において、撮像用の光電変換部１１の前方にマイクロレンズ１０が配置され、マイクロレンズ１０により光電変換部１１が前方に投影される。光電変換部１１は半導体回路基板２９上に形成される。また、不図示の色フィルターはマイクロレンズ１０と光電変換部１１の中間に配置される。

図９は焦点検出用画素３１１の断面を示す。焦点検出用画素３１１において、焦点検出用の光電変換部１２、１３の前方にマイクロレンズ１０が配置され、マイクロレンズ１０により光電変換部１２、１３が前方に投影される。光電変換部１２、１３は半導体回路基板２９上に形成される。

ここで、図１０を参照してマイクロレンズを用いた瞳分割方式による焦点検出方法について説明する。図１０において、９０は交換レンズ２０２の予定結像面近傍に配置されたマイクロレンズの前方ｄ０の距離に設定された射出瞳である。なお、この距離ｄ０は、マイクロレンズの曲率、屈折率、マイクロレンズと光電変換部の間の距離などに応じて決まる距離であり、この明細書では測距瞳距離と呼ぶ。９１は交換レンズの光軸、５０，６０はマイクロレンズ、(５２、５３)、(６２、６３)は焦点検出用画素の一対の光電変換部、(７２，７３)、(８２，８３)は焦点検出用光束である。また、９２はマイクロレンズ５０、６０により投影された光電変換部５２，６２の領域であり、この明細書では測距瞳と呼ぶ。同様に、９３はマイクロレンズ５０、６０により投影された光電変換部５３，６３の領域であり、測距瞳と呼ぶ。

図１０では、光軸９１上にある焦点検出用画素（マイクロレンズ５０と一対の光電変換部５２、５３からなる）と、隣接する焦点検出用画素（マイクロレンズ６０と一対の光電変換部６２、６３からなる）を模式的に例示しているが、その他の焦点検出用画素においても、一対の光電変換部はそれぞれ一対の測距瞳から各マイクロレンズに到来する光束を受光する。なお、焦点検出用画素の配列方向は一対の測距瞳の並び方向と一致させている。

マイクロレンズ５０、６０は交換レンズ２０２の予定結像面近傍に配置されており、光軸９１上に配置されたマイクロレンズ５０によって、その背後に配置された一対の光電変換部５２、５３の形状がマイクロレンズ５０、６０から投影距離ｄ０だけ離間した射出瞳９０上に投影され、その投影形状は測距瞳９２，９３を形成する。一方、光軸９１から離間して配置されたマイクロレンズ６０によって、その背後に配置された一対の光電変換部６２、６３の形状が投影距離ｄ０だけ離間した射出瞳９０上に投影され、その投影形状は測距瞳９２，９３を形成する。すなわち、投影距離ｄ０にある射出瞳９０上で各焦点検出用画素の光電変換部の投影形状（測距瞳９２，９３）が一致するように、各画素の投影方向が決定されている。

光電変換部５２は、測距瞳９２を通過してマイクロレンズ５０に向う焦点検出用光束７２によりマイクロレンズ５０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。また、光電変換部５３は、測距瞳９３を通過してマイクロレンズ５０に向う焦点検出用光束７３によりマイクロレンズ５０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。一方、光電変換部６２は、測距瞳９２を通過してマイクロレンズ６０に向う焦点検出用光束８２によりマイクロレンズ６０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。また、光電変換部６３は、測距瞳９３を通過してマイクロレンズ６０に向う焦点検出用光束８３によりマイクロレンズ６０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。

上記のような焦点検出用画素を直線状に多数配置し、各画素の一対の光電変換部の出力を測距瞳９２および測距瞳９３に対応した出力グループにまとめることによって、測距瞳９２と測距瞳９３を各々通過する焦点検出用光束が焦点検出用画素列上に形成する一対の像の強度分布に関する情報が得られる。この情報に対して後述する像ズレ検出演算処理（相関演算処理、位相差検出処理）を施すことによって、いわゆる瞳分割位相差検出方式で一対の像の像ズレ量が検出される。さらに、像ズレ量に一対の測距瞳の重心間隔に応じた変換演算を行うことによって、予定結像面に対する現在の結像面（予定結像面上のマイクロレンズアレイの位置に対応した焦点検出位置における結像面）の偏差（デフォーカス量）が算出される。なお、上述した説明では測距瞳は絞り開口によって制限されていない状態として説明を行ったが、実際には測距瞳は絞り開口によって制限された形状と大きさになる。

図１１は、マイクロレンズにより焦点検出用画素と撮像用画素の光電変換部を射出瞳面に投影した射出瞳面の正面図である。焦点検出用画素から一対の光電変換部をマイクロレンズにより射出瞳面９０に投影した測距瞳９２，９３の外接円は、結像面から見た場合に所定の開口Ｆ値（この明細書では測距瞳Ｆ値と呼ぶ。ここではＦ１）となる。また、撮像用画素の光電変換部をマイクロレンズにより射出瞳面９０に投影すると領域９４となり、測距瞳９２，９３を包含した広い領域となる。

図１１において、破線で示す交換レンズ２０２の絞り開口に対応した領域９５の中心と、測距瞳９２，９３の外接円の中心との位置関係は、交換レンズ２０２固有の射出瞳の位置と焦点検出用画素の画面上の位置（光軸からの距離）に応じて変化し、光軸上にある焦点検出用画素の場合は両者が一致するが、光軸外にある焦点検出用画素の場合には一致しない。交換レンズ２０２の射出瞳の中心と測距瞳９２，９３の外接円の中心とが一致しない場合には、一対の測距瞳９２、９３を通過する焦点検出用光束がアンバランスにケラレ、結果的に形成される一対の像の光量が一致せずに歪みが生じる。

図１２は、撮影画面周辺の焦点検出位置における焦点検出用画素の像信号の強度分布（光量）を示し、縦軸は像信号の強度を、横軸は焦点検出用画素位置をそれぞれ表す。焦点検出用光束にアンバランスなケラレが生じていない場合には、一対の像データ４００，４０１は図１２(ａ)に示すように同一の像データ波形が単に横にシフトしたものとなっている。焦点検出用光束にケラレが生ずると、測距瞳を通る焦点検出用光束の量が焦点検出位置および焦点検出位置内での位置偏差によって変化し、一対の像データ４０２，４０３は図１２(ｂ)に示すようになり、同一のデータを相対的にシフトしたものにはならない。

上記のような焦点検出用光束のケラレによって生ずる一対の像データのアンバランスの影響を受けないようにする対策として、瞳分割型位相差検出方式の焦点検出装置において、一対の測距瞳の外形を予め焦点検出を行う光学系の絞り開放開口径より小さくしておくことが知られている。しかしながら、マイクロレンズを用いた瞳分割型位相差検出方式の焦点検出装置では、マイクロレンズの収差および回折効果によって一対の測距瞳の外形形状がぼけて広がってしまうため、けられを防止することが困難である。

図１３は、図１に示すデジタルスチルカメラ（撮像装置）の撮影動作を示すフローチャートである。ボディ駆動制御装置２１４は、ステップ１００でカメラの電源が投入されるとこの撮影動作を開始する。ステップ１１０で、図１４に示すサブルーチンを実行して絞り開口の制御を行う。この絞り開口制御については詳細を後述する。ステップ１２０において撮像素子２１２の露光制御が行われ、撮像用画素と焦点検出用画素のデータを読み出し、撮像用画素のデータを電子ビューファインダーに表示させる。なお、焦点検出エリアは撮影者がエリア選択スイッチにより選択したエリアである。

ステップ１３０において、焦点検出用画素列に対応した一対の像データに基づいて後述する像ズレ検出演算処理（相関演算処理）を行い、像ズレ量を演算し、さらにデフォーカス量を演算する。ステップ１４０で合焦近傍か否か、すなわち演算されたデフォーカス量の絶対値が所定値以内か否かを判定する。合焦近傍でないと判定された場合はステップ１５０へ進み、デフォーカス量をレンズ駆動制御装置２０６へ送信し、交換レンズ２０２のフォーカシング用レンズ２１０を合焦位置に駆動させ、ステップ１１０へ戻って上述した動作を繰り返す。なお、焦点検出不能な場合もこのステップに分岐し、レンズ駆動制御装置２０６へスキャン駆動命令を送信し、交換レンズ２０２のフォーカシング用レンズ２１０を無限から至近までの間でスキャン駆動させ、ステップ１１０へ戻って上記動作を繰り返す。

一方、合焦近傍であると判定された場合はステップ１６０へ進み、レリーズボタン（不図示）の操作によりシャッターレリーズがなされたか否かを判定し、なされていないと判定された場合はステップ１１０へ戻って上述した動作を繰り返す。シャッターレリーズがなされたと判定された場合はステップ１７０へ進み、レンズ駆動制御装置２０６へ絞り制御情報を送信し、交換レンズ２０２の絞り値を撮影絞り値にする。絞り制御が終了した時点で、撮像素子２１２に撮像動作を行わせ、撮像素子２１２の撮像用画素およびすべての焦点検出用画素から画像データを読み出す。

ステップ１８０において、焦点検出用画素列の各画素位置の画素データを焦点検出用画素のデータと周囲の撮像用画素のデータに基づいて補間する。続くステップ１９０で、撮像用画素のデータと補間されたデータからなる画像データをメモリーカード２１９に記録し、ステップ１１０へ戻って上述した動作を繰り返す。

図１４は絞り開口制御サブルーチンを示すフローチャートである。ステップ２１０において電源オン直後の初回の撮影時か否かを判定し、電源オン直後の場合はステップ２５０へ進む。一方、電源オン直後でない場合はステップ２２０へ進み、前回のサイクルで焦点検出不能であったか否かを判定し、焦点検出不能であった場合はステップ２５０へ進む。一方、焦点検出不能でない場合はステップ２３０へ進み、前回のサイクルにおける焦点検出の結果、デフォーカス量の絶対値が所定値Ｔh０以上であるか否かを判定し、所定値Ｔh０以上の場合はステップ２５０へ進む。一方、デフォーカス量の絶対値が所定値Ｔh０未満であった場合はステップ２４０へ進む。ステップ２４０では、交換レンズ２０２側の絞り２１１が開放Ｆ値となるように、レンズ駆動制御装置２０６へ指令を出して制御し、続くステップ２７０でリターンする。

ステップ２５０において、交換レンズ２０２の開放Ｆ値（レンズ情報）に対応したデフォーカス量の検出範囲が所定値Ｔh１以上か否かを判定し、所定値Ｔh１以上である場合はステップ２４０へ進み、上述したように、交換レンズ２０２側の絞り２１１が開放Ｆ値となるようにレンズ駆動制御装置２０６へ指令を出して制御し、続くステップ２７０でリターンする。一方、交換レンズ２０２の開放Ｆ値（レンズ情報）に対応したデフォーカス量の検出範囲が所定値Ｔh１未満の場合はステップ２６０へ進み、最大像面デフォーカス量データ（レンズ情報）に対応した絞り開口Ｆ値となるようにレンズ駆動制御装置２０６へ指令を出して制御し、ステップ２７０でリターンする。

ここで、最大像面デフォーカス量データとは、交換レンズ２０２のフォーカシング用レンズ２１０を最短撮影距離にセットした状態で無限の被写体を見た場合の像面のデフォーカス量と、フォーカシング用レンズ２１０を無限距離にセットした状態で最短撮影距離の被写体を見た場合の像面のデフォーカス量の内の、大きいほうのデフォーカス量を示すデータである。つまり、最大像面デフォーカス量データは、交換レンズ２０２の通常の使用方法において発生する最大のデフォーカス量である。

図１５は絞り開口径とデフォーカス検出範囲との関係を説明するための図である。また、図１６および図１７は絞り開口径による測距瞳制限を説明するための射出瞳面の正面図である。これらの図において、開放Ｆ値に対応する開口径４００で制限された測距瞳９２，９３の測距瞳重心を４０２，４０３、それらの測距瞳重心４０２，４０３間の距離をＧ１とする。また、開放Ｆ値より暗いＦ値に対応する開口径４１０で制限された測距瞳９２，９３の測距瞳重心を４１２，４１３、それらの測距瞳重心４１２，４１３間の距離をＧ２とする。Ｐ０は予定焦点面である。

図１５において、予定焦点面Ｐ０において検出可能な最大像ズレ量をＸｍａｘとする。この量は焦点検出用画素の配列の長さに関係する。面Ｐ１ａは、開放Ｆ値における測距瞳重心４０２,４０３を通る光線が予定焦点面Ｐ０より前側（結像光学系側）で焦点を結んだときに、予定焦点面Ｐ０における像ズレ量が最大像ズレ量Ｘmaxとなる面である。また、面Ｐ１ｂは、開放Ｆ値における測距瞳重心４０２,４０３を通る光線が予定焦点面Ｐ０より後側（結像光学系と反対側）で焦点を結んだときに、予定焦点面Ｐ０における像ズレ量が最大像ズレ量Ｘmaxとなる面である。一方、面Ｐ２ａは、開放Ｆ値より暗いＦ値における測距瞳重心４１２、４１３を通る光線が予定焦点面Ｐ０より前側で焦点を結んだときに、予定焦点面Ｐ０における像ズレ量が最大像ズレ量Ｘmaxとなる面である。また、面Ｐ２ｂは、開放Ｆ値より暗いＦ値における測距瞳重心４１２、４１３を通る光線が予定焦点面Ｐ０より後側で焦点を結んだときに、予定焦点面Ｐ０における像ズレ量が最大像ズレ量Ｘmaxとなる面である。

開放Ｆ値で焦点検出を行った場合には、面Ｐ１ａと面Ｐ１ｂとの差がデフォーカス量検出範囲Ｄmax１となり、一方、開放Ｆ値より暗いＦ値で焦点検出を行った場合には、面Ｐ２ａと面Ｐ２ｂとの差がデフォーカス量検出範囲Ｄmax２となる。図１５から明らかなように、開放Ｆ値より暗いＦ値の場合のデフォーカス量検出範囲Ｄmax２の方が、開放Ｆ値の場合のデフォーカス量検出範囲Ｄmax１より大きくなる。つまり、同じ最大像ズレ量Ｘmaxに対しては開放Ｆ値より暗いＦ値したほうが、より大きなデフォーカス状態を検出できる。

上述した図１４のステップ２５０では、交換レンズ２０２（結像光学系）の開放Ｆ値と最大像ズレ量Ｘmaxのデータに応じて、交換レンズ２０２の開放Ｆ値に対応するデフォーカス量検出範囲（図１５に示すＤmax１に相当）を求め、予め定めた所定値Ｔh１と比較する。デフォーカス量検出範囲（Ｄmax１）が所定値Ｔh１以上である場合には、交換レンズ２０２の開放Ｆ値で十分に大きなデフォーカス量を検出できるから、これ以上開放Ｆ値よりも暗いＦ値に絞り込んでデフォーカス量の検出範囲を大きくする必要がないと判断する。一方、デフォーカス量検出範囲（Ｄmax１）が所定値Ｔh１未満の場合には、交換レンズ２０２が明るいので開放Ｆ値で十分に大きなデフォーカス量を検出することができないから、デフォーカス量の検出範囲を大きくするために開放Ｆ値よりも暗いＦ値まで絞り込む必要があると判断する。なお、所定値Ｔh１には実験的に求めた値を設定する。

また、図１４のステップ２６０では、上述した最大像面デフォーカス量データと最大像ズレ量Ｘmaxに応じて測距瞳重心距離Ｇを求め、求めた測距瞳重心ＧとなるようなＦ値、すなわち最大像面デフォーカス量データに対応したＦ値に絞りを制御している。つまり、交換レンズ２０２で発生する最大像面デフォーカス量を検出することができる開口Ｆ値に絞りを制御する。最大像面デフォーカス量Ｄmax、最大像ズレ量Ｘmaxおよび測距瞳重心間距離Ｇの間には、予定焦点面Ｐ０と測距瞳面との間の距離をｄ０とすると簡略的に次式に示すような関係がある。
Ｇ・Ｄmax＝Ｘmax・ｄ０ ・・・（１）

図１４に示すフローチャートにおいて、絞りを開放Ｆ値に制御する場合（ステップ２４０）の条件と、開放Ｆ値より暗いＦ値に制御する場合（ステップ２６０）の条件を整理して表１に示す。

電源オン直後にはフォーカシング用レンズ２１０が過去の撮影時の撮影距離にセットされており、今回の撮影時にはそのままでは大きなデフォーカスになる確率が高い。そこで、開放Ｆ値より暗いＦ値として焦点検出不能になるのを防止している。

前回の焦点検出時に焦点検出不能となった場合には、大デフォーカス状態による像ズレ量が検出可能な最大像ズレ量Ｘmaxを超えてしまうケースと、大デフォーカス状態により像コントラストが低下して像ズレ量検出が不能になるケースとがある。まず、後者の場合について説明する。図１８(ａ)、(ｂ)、(ｃ)は、同一の大きなデフォーカス量（同一の像ズレ量）に対し、片側の測距瞳の瞳並び方向の幅を小、中、大と変えた場合に検出される像の強度分布を示したものである。図１８(ｃ)に示すように、片側の測距瞳の瞳並び方向の幅が大きいと像の微細な構造はぼけて低周波成分のみとなってしまい、正確な像ズレ検出が困難になったり、像ズレ検出が不能になってしまう。それに対し片側の測距瞳の瞳並び方向の幅が小さいと、図１８(ａ)に示すように、デフォーカスしても像の微細な構造が保存されるので、正確な像ズレ検出が可能になる。いずれの場合も絞りを開放Ｆ値より暗いＦ値として焦点検出を行うことによって、焦点検出不能を防止することが可能になる。

図１４のステップ２３０において、前回のデフォーカス量の絶対値が所定値Ｔh０より大きい場合は、最大デフォーカス量データに対応した絞り開口Ｆ値に制御した。前回の焦点検出時のデフォーカス量が大きい場合には、今回の焦点検出時にも大きなデフォーカス量の検出が可能になるように、絞りを開放Ｆ値より暗いＦ値にして焦点検出を行う。なお、所定値Ｔh０には実験的に求めた値を設定する。

開放Ｆ値対応のデフォーカス量が所定値以下の場合には、今回の焦点検出時にも大デフォーカス量の検出が可能になるように絞りを開放Ｆ値より暗いＦ値として焦点検出を行う。

なお、表１に示す条件は一例であって、単独またはそのほかの組み合わせ条件で絞り制御を行ってもよい。例えば表１において、開放Ｆ値対応のデフォーカス量が所定値以下の場合に、絞りを開放Ｆ値より暗いＦ値として焦点検出を行っているが、さらに現時点でのフォーカシング用レンズ２１０の位置情報（撮影距離）に応じて、現在位置から最短撮影距離および無限距離までのデフォーカス偏差を計算し、求めたデフォーカス偏差が大きい場合のみ、絞りを開放Ｆ値より暗いＦ値として焦点検出を行うようにしてもよい。すなわち、フォーカシング用レンズ位置が最短距離と無限距離の中央近傍の距離にある場合には、最短距離および無限距離とも図１５に示す開放Ｆ値でのデフォーカス量Ｄmax１の範囲に含まれるので開放Ｆ値のまま焦点検出を行うとともに、フォーカシング用レンズ位置が最短距離あるいは無限距離の近傍にある場合には、最短距離と無限距離の一方が図１５に示す開放Ｆ値でのデフォーカス量Ｄmax１の範囲から外れるので、絞りを開放Ｆ値より暗いＦ値として焦点検出を行う。

また、交換レンズ２０２の最大像面デフォーカス量Ｄmaxは焦点距離に概略比例するので、焦点距離が所定値以上の場合に絞りを開放Ｆ値より暗いＦ値にして焦点検出を行うようにし、以下の場合には絞りを開放Ｆ値より暗いＦ値にして焦点検出を行うことを禁止したり、あるいは絞りを開放Ｆ値より暗いＦ値にして焦点検出を行う場合のＦ値を焦点距離に応じて調整することも可能である。

さらに、撮影画面周辺の焦点検出エリアにおいては、絞りを開放Ｆ値より暗いＦ値として焦点検出を行うことによって、焦点検出用光束のケラレが発生して焦点検出不能となる可能性があるので、焦点検出位置に応じて絞りを開放Ｆ値より暗いＦ値にして焦点検出を行うことを禁止したり、絞りを開放Ｆ値より暗いＦ値にして焦点検出を行う場合のＦ値を焦点検出位置に応じて調整することも可能である。あるいは、絞りを開放Ｆ値より暗いＦ値にして焦点検出を行う場合には、撮影画面中央近傍の焦点検出エリアでのみ焦点検出を行うようにしてもよい。

さらにまた、焦点検出用光束のケラレは測距瞳距離と交換レンズ２０２の射出瞳距離の差にも関連するので、交換レンズ２０２の射出瞳距離が所定の範囲から外れた場合には絞りを開放Ｆ値より暗いＦ値にして焦点検出を行うことを禁止したり、絞りを開放Ｆ値より暗いＦ値として焦点検出を行う場合のＦ値を交換レンズの射出瞳距離情報に応じて調整することも可能である。

低輝度な状態においては、絞りを開放Ｆ値より暗いＦ値として焦点検出を行うと焦点検出用画素の出力レベルが低下して焦点検出不能となる可能性があるので、所定輝度以下の場合は絞りを開放Ｆ値より暗いＦ値にして焦点検出を行うことを禁止したり、絞りを開放Ｆ値より暗いＦ値として焦点検出を行う場合のＦ値を輝度に応じて調整することも可能である。

また、画像データが低コントラストな場合は大きなデフォーカス状態となっている可能性が高いので、撮像用画素あるいは焦点検出用画素のデータのコントラストを検出し、コントラストが所定値以下の場合には絞りを開放Ｆ値より暗いＦ値にして焦点検出を行ったり、絞りを開放Ｆ値より暗いＦ値にして焦点検出を行う場合のＦ値をコントラスト値に応じて調整することも可能である。

要は、今回の焦点検出時に大デフォーカスに遭遇する確率が高い場合は、絞りを開放Ｆ値より暗いＦ値にし、像ズレ量が最大像ズレ量Ｘmaxより小さくなるようにするとともに、像のコントラストを上げて焦点検出不能を防止することがポイントである。

また、焦点検出時に像ズレ量が最大像ズレ量Ｘmaxより小さくなるようにするとともに、像のコントラストを上げて焦点検出不能を防止するための手段として、撮影時の光量およびボケ量調整のために使用される絞りを用いているので、専用の手段を追加する必要はないこともポイントである。

図１３のステップ１３０における焦点検出演算処理（相関演算処理）について説明する。焦点検出用画素列から出力される一対のデータ列（α１〜αＭ、β１〜βＭ：Ｍはデータ数）に対し（２）に示すような高周波カットフィルタ処理を施し、第１データ列、第２データ列（Ａ１〜ＡＮ、Ｂ１〜ＢＮ）を生成することによって、データ列から相関処理に悪影響を及ぼすノイズ成分や高周波成分を除去する。なお、演算時間の短縮を図る場合や、すでに大きくデフォーカスしていて高周波成分が少ないことがわかっている場合などには、この高周波カット処理を省略することもできる。
Ａn＝αn＋２×αn+1＋αn+2，
Ｂn＝βn＋２×βn+1＋βn+2 ・・・（２）
（２）式において、ｎ＝１〜Ｎである。

データ列Ａｎ、Ｂｎに対し（３）式に示す相関演算を施し、相関量Ｃ(ｋ)を演算する。
Ｃ(ｋ)＝Σ｜Ａn×Ｂn+1+k−Ｂn+k×Ａn+1｜ ・・・（３）
（３）式において、Σ演算はｎについて累積され、ｎのとる範囲はずらし量ｋに応じてＡn、Ａn+1、Ｂn+k、Ｂn+1+kのデータが存在する範囲に限定される。ずらし量ｋは整数であり、データ列のデータ間隔を単位とした相対的シフト量である。（３）式の演算結果は、図１９(ａ)に示すように、一対のデータの相関が高いシフト量（図１９(ａ)ではｋ＝ｋj＝２）において相関量Ｃ(ｋ)が極小（小さいほど相関度が高い）になる。

（４）〜（７）式による３点内挿の手法を用いて連続的な相関量に対する極小値Ｃ(ｘ)を与えるシフト量ｘを求める。
ｘ＝ｋj＋Ｄ／ＳＬＯＰ ・・・（４），
Ｃ(ｘ)＝ Ｃ(ｋj)−｜Ｄ｜ ・・・（５），
Ｄ＝｛Ｃ(ｋj-１)−Ｃ(ｋj-1)｝／２ ・・・（６），
ＳＬＯＰ＝ＭＡＸ｛Ｃ(ｋj+1)−Ｃ(ｋj)，Ｃ(ｋj-1)−Ｃ(ｋj)｝ ・・・（７）

（４）式で算出されたずらし量ｘの信頼性があるかどうかは、以下のようにして判定される。図１９(ｂ)に示すように、一対のデータの相関度が低い場合は、内挿された相関量の極小値Ｃ(ｘ)の値が大きくなる。したがって、Ｃ(ｘ)が所定のしきい値以上の場合は算出されたずらし量の信頼性が低いと判定し、算出されたずらし量ｘをキャンセルする。あるいは、Ｃ(ｘ)をデータのコントラストで規格化するために、コントラストに比例した値となるＳＬＯＰでＣ(ｘ)を除した値が所定値以上の場合は、算出されたずらし量の信頼性が低いと判定し、算出されたずらし量ｘをキャンセルする。あるいはまた、コントラストに比例した値となるＳＬＯＰが所定値以下の場合は、被写体が低コントラストであり、算出されたずらし量の信頼性が低いと判定し、算出されたずらし量ｘをキャンセルする。図１９(ｃ)に示すように、一対のデータの相関度が低く、シフト範囲ｋmin〜ｋmaxの間で相関量Ｃ(ｋ)の落ち込みがない場合は、極小値Ｃ(ｘ)を求めることができず、このような場合は焦点検出不能と判定する。

なお、(３)式に代えて下記(８)式により相関演算を行い、相関量Ｃ(ｋ)を演算してもよい。
Ｃ(ｋ)＝Σ｜Ａn／Ａn+1−Ｂn+k／Ｂn+1+k｜ ・・・（８）
（８）式において、Σ演算はｎについて累積され、ｎのとる範囲はずらし量ｋに応じてＡn、Ａn+1、Ｂn+k、Ｂn+1+kのデータが存在する範囲に限定される。

相関演算式としては上記（３）式や（８）式に限定されず、相対的なゲインの相違がある一対の画像データ間の相関度を検出することが可能な相関演算式であれば利用することが可能である。
例えば、第１信号データ列と第２信号データ列との相関度を演算する相関演算において、第１信号データ列中の第１データと、第２信号データ列中の第１データに対応する第２データの近傍のデータとを乗算して第１演算データを生成するとともに、第２信号データ列中の第２データと、第１信号データ列の第１データの近傍のデータとを乗算して第２演算データを生成し、第１演算データと第２演算データとの相関度を演算する。

また、例えば、第１信号データ列と第２信号データ列との相関度を演算する相関演算において、まず、第１信号データ列中の第１データとその近傍のデータに第１演算を行って演算データを演算するとともに、第２信号データ列中の第１データに対応する第２データとその近傍のデータに第２演算を行って演算データを演算し、それらの演算データを乗算して第１演算データを演算する。次に、第２信号データ列中の第２データとその近傍のデータに第１演算を行って演算データを演算するとともに、第１信号データ列中の第１データとその近傍のデータに第２演算を行って演算データを演算し、それらの演算データを乗算して第２演算データを演算する。そして、第１演算データと第２演算データとの相関度を演算する。

さらに、例えば、第１信号データ列と第２信号データ列との相関度を演算する相関演算において、まず、第１信号データ列中の第１データと第１データ近傍のデータの少なくとも１つに対して第１演算と第２演算を施して第１演算データと第２演算データを生成し、第１演算データを第２演算データで除して第３演算データを生成する。次に、第２信号データ列中の第１データに対応する第２データと第２データ近傍のデータの少なくとも１つに対して第１演算と第２演算を施して第４演算データと第５演算データを生成し、第４演算データを第５演算データで除して第６演算データを生成する。そして、第３演算データと第６演算データとの相関度を演算する。

さらにまた、例えば、第１信号データ列と第２信号データ列との相関度を演算する相関演算において、まず、第１信号データ列中の第１データと第１データ近傍のデータの少なくとも１つに対して第１演算を施して第１演算データを生成するとともに、第２信号データ列中の第１データに対応する第２データと第２データ近傍のデータの少なくとも１つに対して第１演算を施して第２演算データを生成し、第１演算データを第２演算データで除して第３演算データを生成する。次に、第１信号データ列中の第１データと第１データ近傍のデータの少なくとも１つに対して第２演算を施して第４演算データを生成するとともに、第２信号データ列中の第２データと第２データ近傍のデータの少なくとも１つに対して第２演算を施して第５演算データを生成し、第４演算データを第５演算データで除して第６演算データを生成する。そして、第３演算データと第６演算データとの相関度を演算する。

《発明の実施の形態の変形例》
図２０は、図１３のステップ１１０で実行される絞り開口制御の変形例を示すフローチャートである。図１４に示す絞り開口制御では、大デフォーカス状態での焦点検出不能を防止する場合に絞りを開放Ｆ値より暗いＦ値に制御して焦点検出を行う例を示したが、図２０に示すようにステップ４１０で絞りを撮影時の絞り値に制御してもよい。例えば図１には不図示の測光手段によって測光した被写界輝度に応じて自動的に決定された撮影絞り値、あるいは図１には不図示の操作部材によってユーザーが手動で設定した撮影絞り値に応じた絞り制御情報をレンズ駆動制御装置２０６へ送り、絞り開口径を撮影絞り値に設定する。このようにすれば、焦点検出結果の像面（撮影Ｆ値の像面）と撮影時の像面とが一致するため、従来必要だった球面収差などのＦ値に関連する誤差補正が不要となる。

なお、交換レンズ２０２の撮影画面内に複数の焦点検出位置が設定されており、交換レンズ２０２の開放Ｆ値よりも暗いＦ値に相当する開口径において焦点検出を行う場合には、交換レンズ２０２の撮影画面の中央部に設定された焦点検出位置に対して焦点検出を行うようにする。

図２１は、図１３のステップ１１０で実行される絞り開口制御の変形例を示すフローチャートである。図１４に示す絞り開口制御では、大デフォーカス状態での焦点検出不能を防止する場合に絞りを開放Ｆ値より暗いＦ値に制御して焦点検出を行う例を示したが、図２１に示すように絞り開口を制御してもよい。まず、ステップ５１０において輝度値（不図示の測光手段によって測光した被写界輝度）が所定値Ｔh２以上か否かを判定する。輝度値が所定値Ｔh２以上の場合にはステップ５３０へ進み、絞りを輝度値に応じたＦ値に制御する。一方、輝度値が所定値Ｔh２未満の場合にはステップ５２０へ進み、絞りを開放Ｆ値に制御する。

例えば輝度値がＥｚ（ＥＶ値）、Ｆ値がＦｚで撮像素子の最短電荷蓄積時間になる場合には、測光輝度をＥａ、交換レンズの開放Ｆ値をＦ０とすれば次式の段数Ｆａだけ交換レンズの開放Ｆ値Ｆ０から暗いＦ値に制御する。
Ｆａ＝（Ｅａ−Ｅｚ）＋（Ｆ０−Ｆｚ） ・・・（９）
このようにすれば高輝度状態における撮像素子の画像データの飽和による焦点検出不能を防止することができる。

上述した実施の形態では、デフォーカス状態などに応じて焦点検出時のＦ値を切り換える例を示したが、焦点検出サイクル間のデフォーカス量変化が大きくなると予測される状況において、大きなデフォーカス量を検出できるように開放Ｆ値より暗い開口Ｆ値で焦点検出を行うようすることも可能である。例えば、過去のデフォーカス量データの経過から被写体が移動被写体であるか否かを判断する演算手段を設け、移動被写体であると判断された場合には開放Ｆ値より暗い開口Ｆ値で焦点検出を行うようにしたり、絞りを開放Ｆ値より暗いＦ値として焦点検出を行う場合のＦ値を交換レンズの被写体移動速度または像面移動速度に応じて調整する。

また、撮像装置の撮影モード（シャッター速度と絞りの関係を規定する）が移動被写体を撮影するのに適した撮影モード（例えばスポーツモード）に設定された場合に、開放Ｆ値より暗い開口Ｆ値で焦点検出を行う。さらに、撮像装置の撮影モードが動画撮影モードまたは連続撮影モードに設定された場合にも、開放Ｆ値より暗い開口Ｆ値で焦点検出を行う。

図３に示す一実施の形態の撮像素子２１２では、焦点検出用画素３１１を隙間なく配列した例を示したが、図２２に示す撮像素子２１２Ａのように、焦点検出用画素３１１を１画素おきに青画素の位置に焦点検出用画素を一列に配列するようにしてもよい。焦点検出用画素のピッチが大きくなることによって焦点検出精度は多少低下するが、焦点検出用画素の密度が低くなるので補正後の画像品質が向上する。

図３に示す一実施の形態の撮像素子２１２では、焦点検出用画素３１１がひとつの画素内に一対の光電変換部を備えた例を示したが、図２３に示す撮像素子２１２Ｂのように、焦点検出用画素３１３，３１４がひとつの画素内にひとつの光電変換部を備えるようにしてもよい。図２３において、焦点検出用画素３１３と焦点検出用画素３１４とがペアになっており、図３に示す焦点検出用画素３１１に相当する。

図２４(ａ)に示すように、焦点検出用画素３１３はマイクロレンズ１０と光電変換部１６から構成される。また、図２４(ｂ)に示すように、焦点検出用画素３１４は、マイクロレンズ１０と光電変換部１７から構成される。光電変換部１６，１７はマイクロレンズ１０により交換レンズ２０２の射出瞳に投影され、図１０に示す測距瞳９２，９３を形成する。したがって、焦点検出用画素３１３，３１４により焦点検出に用いる一対の像の出力を得ることができる。焦点検出用画素内にひとつの光電変換部を備えることによって、撮像素子の読み出し回路構成の複雑化を防止することができる。

図３に示す撮像素子２１２では、撮像用画素がベイヤー配列の色フィルターを備えた例を示したが、色フィルターの構成や配列は上述した一実施の形態の撮像素子２１２に限定されない。例えば、図４に示すような補色フィルター（緑：Ｇ、イエロー：Ｙｅ、マゼンタ：Ｍｇ，シアン：Ｃｙ）を採用してもよい。この場合、焦点検出用画素はシアンとマゼンタ（出力誤差が比較的目立たない青成分を含む）が配置されるべき画素位置に配置される。

図３に示す撮像素子２１２では、焦点検出用画素に色フィルターを設けない例を示したが、撮像用画素と同色の色フィルターの内の１種類のフィルター、例えば緑フィルターを設けるようにしてもよい。この場合でも本発明を適用することができる。

図３に示す撮像素子２１２では、撮像用画素の一部を焦点検出用画素に置き換えた配置例を示したが、全画素を焦点検出用画素とした構成にしてもよい。

図３に示す撮像素子２１２では、撮像用画素と焦点検出用画素が稠密正方格子状に配列された例を示したが、稠密六方格子状に配列してもよい。

上述した撮像素子２１２、２１２Ａ、２１２ＢはＣＣＤイメージセンサー、ＣＭＯＳイメージセンサーとして形成することができる。

なお、本発明は図１に示すような撮像素子２１２に焦点検出用画素を組み込んだ焦点検出兼用の撮像素子を用いた撮像装置に限定されない。撮影光束をハーフミラーなどの光分割手段により分割し、それぞれの光路に撮像素子と専用の焦点検出素子を配置した撮像装置にも適用可能である。

また、本発明はマイクロレンズを用いた瞳分割方式による焦点検出装置に限定されず、再結像瞳分割方式の焦点検出装置にも適用可能である。図２５を参照して再結像瞳分割方式の焦点検出方法を説明する。図２５において、１９１は交換レンズの光軸、１１０，１２０はコンデンサーレンズ、１１１、１２１は絞りマスク、１１２，１１３、１２２，１２３は絞り開口、１１４、１１５、１２４，１２５は再結像レンズ、１１６、１２６は焦点検出用のイメージセンサー（ＣＣＤ）である。また、１３２，１３３、１４２，１４３は焦点検出用光束、１９０は交換レンズ２０２の予定結像面の前方ｄ５の距離に設定された射出瞳である。ここで、距離ｄ５は、コンデンサーレンズ１１０，１２０の焦点距離と、コンデンサーレンズ１１０，１２０と、絞り開口１１２，１１３、１２２，１２３の間の距離などに応じて決まる距離であって、この明細書では測距瞳距離と呼ぶ。

さらに、１９２はコンデンサーレンズ１１０，１２０により投影された絞り開口１１２，１２２の領域（測距瞳）、１９３はコンデンサーレンズ１１０，１２０により投影された絞り開口１１３，１２３の領域（測距瞳）である。コンデンサーレンズ１１０、絞りマスク１１１、絞り開口１１２，１１３、再結像レンズ１１４、１１５、イメージセンサー１１６が１つの位置で焦点検出を行う再結像方式の瞳分割方位相差検出の焦点検出ユニット２０７を構成する。

図２５では、光軸１９１上にある焦点検出ユニットと光軸外にある焦点検出ユニットを模式的に例示している。複数の焦点検出ユニットを組み合わせることによって、図２の１０１〜１０５に示す５箇所の焦点検出位置において再結像方式の瞳分割方位相差検出で焦点検出を行う焦点検出専用センサーを実現することができる。

コンデンサーレンズ１１０からなる焦点検出ユニットは、結像光学系（図１の交換レンズ２０２に相当）の予定結像面近傍に配置されたコンデンサーレンズ１１０、その背後に配置されたイメージセンサー１１６、コンデンサーレンズ１１０とイメージセンサー１１６の間に配置され、予定結像面近傍に結像された１次像をイメージセンサー１１６上に再結像する一対の再結像レンズ１１４、１１５、一対の再結像レンズの近傍（図では前面）に配置された一対の絞り開口１１２、１１３を有する絞りマスク１１から構成される。イメージセンサー１１６は複数の光電変換部が直線に沿って密に配置されたラインセンサーであって、光電変換部の配置方向は一対の測距瞳の分割方向（＝絞り開口の並び方向）と一致させる。

イメージセンサー１１６上に再結像された一対の像の強度分布に対応した情報がイメージセンサー１１６から出力され、この情報に対して上述した像ズレ検出演算処理（相関処理、位相差検出処理）を施すことによって、いわゆる瞳分割型位相差検出方式（再結像方式）で一対の像の像ズレ量が検出される。像ズレ量に上述した変換処理を行うことにより、予定結像面に対する現在の結像面の偏差（デフォーカス量）が算出される。イメージセンサー１１６は再結像レンズ１１４、１１５により予定結像面上に投影されており、デフォーカス量（像ズレ量）の検出精度は、像ズレ量の検出ピッチ（再結像方式の場合は予定結像面上に投影された光電変換部の配列ピッチ）により決まる。

コンデンサーレンズ１１０は、絞りマスク１１１の絞り開口１１２、１１３を射出瞳１９０上に領域１９２、１９３として投影している。領域１９２，１９３を測距瞳と呼ぶ。すなわち、イメージセンサー１１６上に再結像される一対の像は、射出瞳１９０上の一対の測距瞳１９２，１９３を通過する光束によって形成される。射出瞳１９０上の一対の測距瞳１９２，１９３を通過する光束１３２、１３３を焦点検出用光束と呼ぶ。

なお、本発明はマイクロレンズを用いた瞳分割型位相差検出方式の焦点検出装置や、再結像型位相差検出方式の焦点検出装置に限定されず、結像光学系の射出瞳を分割し、分割した瞳を通る一対の光束によって形成される一対の像の像ズレ量を算出することによって、結像光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出装置に適用が可能である。例えば偏光を利用した瞳分割型の焦点検出装置や、瞳を時分割に機械的または電気的に切り替える焦点検出装置にも適用可能である。

本発明に係わる撮像装置は、交換レンズがカメラボディに着脱可能に装着されるデジタルスチルカメラやフィルムスチルカメラに限定されず、レンズ一体型のデジタルスチルカメラやフィルムスチルカメラやビデオカメラにも適用することができる。あるいは、携帯電話などに内蔵される小型カメラモジュールや監視カメラなどにも適用することができる。さらには、カメラ以外の焦点検出装置や測距装置やステレオ測距装置にも適用できる。

一実施の形態のカメラの構成を示す横断面図 撮影画面上における焦点検出位置を示す図 撮像素子の詳細な構成を示す正面図 撮像用画素の構成を示す図 焦点検出用画素の構成を示す図 撮像用画素の緑画素、赤画素および青画素の分光特性を示す図 焦点検出用画素の分光特性を示す図 撮像用画素の断面図 焦点検出用画素の断面図 マイクロレンズを用いた瞳分割方式による焦点検出方法を説明するための図 マイクロレンズにより焦点検出用画素と撮像用画素の光電変換部を射出瞳面に投影した射出瞳面の正面図 撮影画面周辺の焦点検出位置における焦点検出用画素の像信号の強度分布（光量）を示す図 図１に示すデジタルスチルカメラ（撮像装置）の撮影動作を示すフローチャート 絞り開口制御サブルーチンを示すフローチャート 絞り開口径とデフォーカス検出範囲との関係を説明するための図 開放Ｆ値の絞り開口径による測距瞳制限を説明するための射出瞳面の正面図 開放Ｆ値よりも暗い絞り開口径による測距瞳制限を説明するための射出瞳面の正面図 片側の測距瞳の瞳並び方向の幅を変えた場合に検出される像の強度分布を示す図 相関演算処理を説明するための図 絞り開口制御の変形例を示すフローチャート 絞り開口制御の他の変形例を示すフローチャート 撮像素子の変形例を示す図 撮像素子の他の変形例を示す図 図２３に示す撮像素子に用いる焦点検出用画素の構成を示す図 再結像瞳分割方式の焦点検出方法を説明するための図

符号の説明

２１０ デジタルスチルカメラ
２０２ 交換レンズ
２０６ レンズ駆動制御装置
２１０ フォーカシング用レンズ
２１１ 絞り
２１２ 撮像素子
２１４ ボディ駆動制御装置

Claims (18)

1. レンズと、該レンズの光軸を中心とする円形または多角形の開口を形成する開口絞りとを含む結像光学系を通過する光束の内、所定面上の一対の領域を通過する光束により形成される一対の像の信号を生成する焦点検出素子と、
   前記結像光学系の開放Ｆ値よりも暗いＦ値に相当する前記開口絞りの開口径において前記焦点検出素子により生成される信号に基づき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ることを特徴とする焦点検出装置。
2. 請求項１に記載の焦点検出装置において、
   前記焦点検出手段により検出された焦点調節状態が合焦または合焦近傍にあるか否かを判定する合焦判定手段を備え、
   前記焦点検出手段は、前回の検出結果の焦点調節状態が前記合焦判定手段により合焦または合焦近傍にないと判定された場合に、前記結像光学系の開放Ｆ値よりも暗いＦ値に相当する開口径において前記焦点検出素子により生成される信号に基づき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。
3. 請求項２に記載の焦点検出装置において、
   前記焦点検出手段は、前回の検出結果の焦点調節状態が前記合焦判定手段により合焦または合焦近傍にあると判定された場合は、前記結像光学系の開放Ｆ値に相当する開口径において前記焦点検出素子により生成される信号に基づき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。
4. 請求項１に記載の焦点検出装置において、
   前記焦点検出手段は、起動直後には前記結像光学系の開放Ｆ値よりも暗いＦ値に相当する開口径において前記焦点検出素子により生成される信号に基づき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。
5. 請求項１に記載の焦点検出装置において、
   前記焦点検出手段は、前記結像光学系の特性に応じた開口径において前記焦点検出素子により生成される信号に基づき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。
6. 請求項５に記載の焦点検出装置において、
   前記結像光学系の特性は、前記結像光学系の開放Ｆ値、射出瞳距離、焦点距離、フォーカシング用レンズの位置、および前記結像光学系の焦点調節範囲で生じ得る最大のデフォーカス量を示す最大像面デフォーカス量の内の少なくともいずれか１つであることを特徴とする焦点検出装置。
7. 請求項５または請求項６に記載の焦点検出装置において、
   前記焦点検出手段は、前記結像光学系の特性が所定の条件を満たす場合には、前記結像光学系の開放Ｆ値よりも暗いＦ値に相当する開口径で焦点検出を行わない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、
   前記所定の条件は、前記結像光学系の開放Ｆ値が所定値より暗い場合、焦点距離が所定値より短い場合、射出瞳距離が所定範囲外の場合、および、検出された前回のデフォーカス量が前記結像光学系の焦点調節範囲で生じ得る最大のデフォーカス量を示す最大像面デフォーカス量以上の場合の内の少なくともいずれか１つであることを特徴とする焦点検出装置。
9. 請求項１に記載の焦点検出装置において、
   前記焦点検出手段は、前回の検出結果が焦点検出不能であったときは、前記結像光学系の開放Ｆ値よりも暗いＦ値に相当する開口径において前記焦点検出素子により生成される信号に基づき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。
10. 請求項１に記載の焦点検出装置において、
    前記焦点検出素子の前記信号に基づいて前記一対の像のコントラストを検出するコントラスト検出手段を備え、
    前記焦点検出手段は、前記コントラスト検出手段により検出されたコントラストが前記所定値未満の場合に、前記結像光学系の開放Ｆ値よりも暗いＦ値に相当する開口径において前記焦点検出素子により生成される信号に基づき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。
11. 請求項１０に記載の焦点検出装置において、
    前記焦点検出手段は、前記コントラスト検出手段により検出されたコントラストが所定値以上の場合は、前記結像光学系の開放Ｆ値に相当する開口径において前記焦点検出素子により生成される信号に基づき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。
12. 請求項１に記載の焦点検出装置において、
    前記焦点検出素子の前記信号に基づいて対象の輝度を検出する輝度検出手段を備え、
    前記焦点検出手段は、前記輝度検出手段により検出された輝度が所定値以上の場合は、前記結像光学系の開放Ｆ値よりも暗いＦ値に相当する開口径において前記焦点検出素子により生成される画像データに基づき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。
13. 請求項１２に記載の焦点検出装置において、
    前記焦点検出手段は、前記輝度検出手段により検出された輝度が前記所定値未満の場合に、前記結像光学系の開放Ｆ値に相当する開口径において前記焦点検出素子により生成される信号に基づき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。
14. 請求項１に記載の焦点検出装置において、
    前記焦点検出手段は、撮影時に制御されるＦ値に相当する開口径において前記焦点検出素子により生成される信号に基づき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。
15. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の焦点検出装置において、
    前記結像光学系の撮影画面内に複数の焦点検出位置が設定されており、
    前記焦点検出手段は、前記結像光学系の開放Ｆ値よりも暗いＦ値に相当する開口径において焦点検出を行う場合は、前記結像光学系の撮影画面の中央部に設定された前記焦点検出位置に対して焦点検出を行うことを特徴とする焦点検出装置。
16. 請求項１〜１５のいずれか１項に記載の焦点検出装置と、
    撮影時の前記開口絞りを制御する制御装置とを備えたことを特徴とする撮像装置。
17. 請求項１６に記載の撮像装置において、
    前記焦点検出手段は、動画撮影モード、連続撮影モードおよび移動被写体撮影モードのうちのいずれかの撮影モードが設定されたときは、前記結像光学系の開放Ｆ値よりも暗いＦ値に相当する開口径において焦点検出を行うことを特徴とする撮像装置。
18. レンズと、該レンズの有効開口径を調整可能な絞りとを含む結像光学系を通過する光束の内、所定面上の一対の領域を通過する光束により形成される一対の像の信号を焦点検出素子により生成し、
    前記結像光学系の開放Ｆ値よりも暗いＦ値に相当する開口径において前記焦点検出素子により生成される信号に基づき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方法。

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