JP2009151154A - 受光素子、焦点検出装置および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】撮影画面内の被写体像の明るさの差が大きくても任意の位置で焦点検出を可能にする。
【解決手段】倍率の異なる複数種類のマイクロレンズ５２ａが規則的に配列されたマイクロレンズアレイ５２と、複数種類のマイクロレンズ５２ａのそれぞれに対して配列された複数の受光部を有し、マイクロレンズアレイ５２を透過した光を受光する受光部アレイ５３とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は受光素子、焦点検出装置および撮像装置に関する。

光学系の予定焦点面またはその近傍にマイクロレンズアレイと受光部アレイを配置し、瞳分割型位相差検出方式により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２００７−０１１３１４号公報

しかしながら、上述した従来の焦点検出装置では、撮影画面内において被写体像の明るさの差が大きいと、限られた範囲の明るさの部分しか焦点検出ができないという問題がある。

（１） 請求項１の発明は、倍率の異なる複数種類のマイクロレンズが規則的に配列されたマイクロレンズアレイと、複数種類のマイクロレンズのそれぞれに対して配列された複数の受光部を有し、マイクロレンズアレイを透過した光を受光する受光部アレイとを備える。
（２） 請求項２の発明は、請求項１に記載の受光素子において、マイクロレンズの倍率は、マイクロレンズの厚さ、マイクロレンズの曲面、マイクロレンズの光軸方向の位置およびマイクロレンズの屈折率の内の少なくとも一つの要素により決定される。
（３） 請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の受光素子において、倍率が同じ複数の第１のマイクロレンズを配列した第１のマイクロレンズ列と、第１のマイクロレンズと倍率が異なる複数の第２のマイクロレンズを配列した第２のマイクロレンズ列とを互いに近接して配置する。
（４） 請求項４の発明は、結像光学系を透過した光を請求項１〜３のいずれか一項に記載の受光素子で受光し、同じ種類の複数のマイクロレンズに対応する受光部の出力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を備える焦点検出装置である。
（５） 請求項５の発明は、請求項４に記載の焦点検出装置において、焦点検出手段は、同じ種類の複数のマイクロレンズを配列した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する。
（６） 請求項６の発明は、請求項５に記載の焦点検出装置において、焦点検出手段による複数の焦点検出結果の信頼性を判定する信頼性判定手段と、信頼性判定手段による判定結果の信頼性に応じて焦点検出手段による各焦点検出結果に重み付けを行い、重み付け後の焦点検出結果を平均して結像光学系の焦点調節状態を決定する焦点調節状態決定手段とを備える。
（７） 請求項７の発明は、請求項５に記載の焦点検出装置において、被写体輝度を検出する輝度検出手段と、輝度検出手段により検出された被写体輝度が所定値より低い場合は、複数種類のマイクロレンズのうち相対的に倍率が高いマイクロレンズからなるマイクロレンズ列に対応する焦点調節状態を結像光学系の焦点調節状態に決定する焦点調節状態決定手段とを備える。
（８） 請求項８の発明は、請求項５に記載の焦点検出装置において、結像光学系の絞り径を検出する絞り検出手段と、絞り検出手段により検出された結像光学系の絞り径が所定値より小さい場合は、複数種類のマイクロレンズのうち相対的に倍率が低いマイクロレンズ列に対応する焦点調節状態を結像光学系の焦点調節状態に決定する焦点調節状態決定手段を備える。
（９） 請求項９の発明は、請求項４〜８のいずれか一項に記載の焦点検出装置を備える撮像装置である。
（１０） 請求項１０の発明は、請求項９に記載の撮像装置において、受光部アレイの出力に基づいて結像光学系による画像に対応する画像信号を生成し、画像信号に基づいて画像のうちの特定の位置を焦点検出領域として抽出する抽出手段を備え、焦点検出手段は、抽出手段によって抽出された焦点検出領域に対応するマイクロレンズの受光部の出力信号に基づいて焦点調節状態を求める。

本発明によれば、撮影画面内で被写体像の明るさの差が大きくても任意の位置で焦点検出を行うことができる。

本発明の受光素子、焦点検出装置および撮像装置を一眼レフレックス・デジタルスチルカメラに適用した一実施の形態を説明する。なお、本願発明は一実施の形態の一眼レフレックス・デジタルスチルカメラに限定されず、レンズ一体型のコンパクトデジタルカメラやビデオカメラなどにも適用することができる。

図１は一実施の形態の撮像装置の構成を示す断面図である。なお、図１では本願発明の受光素子、焦点検出装置および撮像装置に係わる機器および装置以外の機器および装置については図示と説明を省略する。一実施の形態のカメラは、カメラボディ１にレンズ鏡筒２が着脱可能に装着され、レンズ鏡筒２は各種の交換レンズを内蔵したレンズ鏡筒に交換可能である。

カメラボディ１は、メインミラー１１、サブミラー１２、フィルター１３、シャッター１４、撮像素子１５、焦点検出装置１６、ペンタダハプリズム１７、接眼レンズ１８、電気接点１９、ボディ駆動制御装置２０などを備えている。フィルター１３は、光学的ローパスフィルターと赤外線カットフィルターを合わせたものである。撮像素子１５はＣＣＤやＣＭＯＳなどから構成され、撮影レンズ２１により結像された被写体像を電気信号に変換して出力する。焦点検出装置１６は、撮影レンズ２１の焦点調節状態、すなわちデフォーカス量を検出する。ボディ駆動制御装置２０は不図示のマイクロコンピューター、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバーターなどから構成され、カメラの各種演算、シーケンス制御、撮像素子の駆動制御などを行う。

一方、レンズ鏡筒２は、撮影レンズ２１（レンズ２１ａ〜２１ｅ）、絞り２２、レンズ駆動制御装置２３などを備えている。レンズ駆動制御装置２３は不図示のマイクロコンピューター、ＲＯＭ、ＲＡＭ、レンズ駆動用アクチュエーター、絞り駆動用アクチュエーターなどから構成され、撮影レンズ２１の焦点調節や絞り２２の開口調節などを行う。なお、カメラボディ１のボディ駆動制御装置２０とレンズ鏡筒２のレンズ駆動制御装置２３は、交換レンズ２のマウント部に設けられた電気接点１９を介して電気的に接続されており、各種情報の授受を行う。

非撮影時には、図１に実線で示すように、メインミラー１１とサブミラー１２が撮影光路中に置かれ、撮影レンズ２１を透過した被写体光の一部はメインミラー１１、ペンタダハプリズム１７、接眼レンズ１８を介して撮影者の目へ導かれ、撮影者に被写体像が視認される。また、被写体光の残りの一部はメインミラー１１、サブミラー１２を介して焦点検出装置１６へ導かれ、焦点検出装置１６により撮影レンズ２１の焦点調節状態、すなわちデフォーカス量が検出される。

撮影時には、図１に破線で示すように、メインミラー１１とサブミラー１２が撮影光路中から待避し、撮像素子１４による被写体像の撮影が行われる。撮像素子１４から出力された被写体像信号は不図示の画像処理装置により処理され、被写体像が不図示のメモリカードなどの記録装置に記録される。

図２は、一実施の形態の撮像装置に組み込まれている焦点検出光学系の構成を示す。撮影レンズ２１は、撮像素子１５（図１参照）の受光面１５ａに被写体像を結像する。撮影レンズ２１を透過した被写体からの光束（焦点検出用光束）はサブミラー１２（図１参照）の反射面１２ａで反射され、撮像素子受光面１５ａと共役な予定焦点面１６ａへ導かれ、予定焦点面１６ａにおいて被写体像が結像される。なお、この予定焦点面１６ａにおいて被写体像のピントが合うように、撮影レンズ２１の焦点調節が行われる。

像高の高い部分の焦点検出用光束を用いて焦点検出を行う場合には、光路中、具体的には予定焦点面１６ａの近傍から後述するマイクロレンズアレイ５２の間にフィールドレンズ５１を挿入し、像高の高い部分の光線を光軸方向から曲げるようにしてもよい。以下では、フィールドレンズ５１を無視して説明する。

焦点検出装置１６は、マイクロレンズアレイ５２と受光部アレイ５３がカバーガラス５４で蓋をしたパッケージ５５の中に封入されている。図３はマイクロレンズアレイ５２と受光部アレイ５３を拡大した斜視図である。なお、実際にはマイクロレンズアレイ５２と受光部アレイ５３がほぼ密着しているが、図３では説明を解りやすくするためにそれらを分離して示す。また、図４はマイクロレンズアレイ５２と受光部アレイ５３の断面図であり、図３に示すＹ−Ｚ平面に平行な断面を示す。図３および図４では、各マイクロレンズごとに（Ｘ，Ｙ）アドレスを付して説明する。

マイクロレンズアレイ５２は、カメラの予定焦点面１６ａの近傍に配置される。マイクロレンズアレイ５２は、２種類の厚さの複数のマイクロレンズが二次元状に配列されて構成される。図３に示すように、第１の厚さのマイクロレンズが複数個、Ｘ方向に配列されて第１の一次元マイクロレンズアレイを構成するとともに、第２の厚さのマイクロレンズが複数個、Ｘ方向に配列されて第２の一次元マイクロレンズアレイを構成する。そして、第１の一次元マイクロレンズアレイと第２の一次元マイクロレンズアレイは、図３に示すＹ方向に交互に配列される。

図３では図示を省略しているが、マイクロレンズとマイクロレンズとの間には、図４に示すようにマイクロレンズ間のクロストークを防ぐための遮光隔壁５７が設けられている。この遮光隔壁５７は、機械加工やエッチングによりマイクロレンズに格子状の深い溝を形成し、その溝の中に遮光性樹脂を充填して形成される。

受光部アレイ５３はマイクロレンズアレイ５２のごく近傍に配置され、各マイクロレンズごとに複数の受光部が二次元状に配列される。この一実施の形態では各マイクロレンズごとに横５個×縦５個の受光部を配列した受光部アレイ５３を用いた例を示すが、マイクロレンズごとの受光部の個数はこの一実施の形態に限定されず、また、マイクロレンズごとに受光部を配列せず、単に複数の受光部を二次元状に配列してもよい。

図５は一実施の形態の焦点検出装置１６による焦点検出方法を説明するための図であり、図３のＸ−Ｚ平面に平行な断面を示す。なお、図５では遮光隔壁５７（図４参照）の図示を省略する。この一実施の形態では、１個のマイクロレンズとそのマイクロレンズに対応する受光部アレイの組を１個の画素と呼ぶ。図５では、各マイクロレンズごとに５個の受光部を有する画素が並んでいる。

マイクロレンズアレイ５２の各マイクロレンズによる受光部アレイ５３の各受光部の像は、マイクロレンズの頂点よりわずかに被写体側の受光部像結像面１６ｂに結び、この受光部像結像面１６ｂは図２に示すカメラの予定焦点面１６ａの近傍になるように構成されている。

この一実施の形態の焦点検出装置１６は、瞳分割型位相差検出方式による焦点検出装置である。すなわち、撮影レンズ２１の瞳面上の一対の領域を通過した一対の焦点検出用光束により形成される一対の被写体像の位置ズレ量に基づいて、撮影レンズ２１のデフォーカス量を検出する。具体的な焦点検出方法を以下に説明する。

第１の焦点検出方法は、隣接する画素、または一つおきなどの画素の受光部アレイで検出した一対の被写体像の位置ズレ量に基づいてデフォーカス量を検出する方法である。図５に示すＡ列とＢ列の受光部アレイ上に結像された一対の被写体像は、受光部像結像面１６ｂ上のＡ’、Ｂ’で示す「マイクロレンズによる受光部アレイの逆投影像」の位置に、撮像レンズ２１により結像される一対の被写体像に対応する。したがって、Ａ列とＢ列の受光部アレイの出力に基づいて、受光部像結像面１６ｂ上の撮影レンズ２１により結像された一対の被写体像の位置ズレ量を検出する。

第２の焦点検出方法は、連続して配置される画素の各受光部アレイの端からｎ番目どうしの受光部出力を繋げた波形が表す合成像と、（ｎ＋ｍ）番目どうしの受光部出力を繋げた波形が表す合成像との位置ズレ量に基づいてデフォーカス量を検出する方法である。図５に示すように、連続して配置される画素の各受光部アレイの端から２番目の受光部ｃの出力を繋げた信号列に対応する像と、端から４番目の受光部ｄの出力を繋げた信号列に対応する像は、受光部像結像面１６ｂ上のＣ’とＤ’で示す「マイクロレンズによる受光部アレイの逆投影像」の位置に撮影レンズ２１により結像される一対の被写体像に対応する。すなわち、受光部ｃを連ねた離散的受光部列Ｃと、受光部ｄを連ねた離散的受光部列Ｄの出力波形が表す合成像がそれぞれＣ’とＤ’の位置の被写体像に対応する。したがって、受光部列Ｃと受光部列Ｄの出力に基づいて、受光部像結像面１６ｂ上の撮影レンズ２１により結像された一対の被写体像の位置ズレ量を検出する。

なお、第２の焦点検出方法の変形例として、図６に示すように、連続して配置される画素の各受光部アレイの端から１番目と２番目の受光部出力を加算した信号列、すなわち、合成受光部ｃが連なる受光部列Ｃの出力波形と、端から４番目と５番目の受光部出力を加算した信号列、すなわち、合成受光部ｄが連なる受光部列Ｄの出力波形に基づいて、画素結像面１６ｂ上の撮影レンズ２１により結像された一対の被写体像の位置ズレ量を検出するようにしてもよい。つまり、隣接した複数の受光部の出力を合成して１個の受光部出力としてもよい。

図７は焦点検出装置１６の詳細な構成を示すブロック図である。二次元受光部アレイ５３（図３参照）の出力はＡ／Ｄコンバーター５４によりデジタル信号に変換され、いったんメモリ５５に記憶される。マイクロコンピューター５６はソフトウエア形態により合成信号列作成部５６ａ、像ズレ演算部５６ｂおよびフォーカス量算出部５６ｃを備え、メモリ５５から受光部アレイ５３の出力データを読み出し、合成信号列作成部５６ａにより第１信号列{ａ(i)}＝ａ(1)，ａ(2)，ａ(3)，・・・と、第２信号列{ｂ(i)}＝ｂ(1)，ｂ(2)，ｂ(3)，・・・を作成する。

ここで、上述した第１の焦点検出方法の場合は、信号列{ａ(i)}、{ｂ(i)}は図５に示す隣接する画素Ａ、Ｂの各受光部アレイの受光部出力の並びである。また、上述した第２の焦点検出方法の場合は、信号列{ａ(i)}、{ｂ(i)}は図５に示す受光部列ＣとＤの出力の並びである。

こうして得られた第１信号列{ａ(i)}と第２信号列{ｂ(i)}に基づいて、公知の方法により像ズレ演算を行い、デフォーカス量を算出する。２つの信号列{ａ(i)}、{ｂ(i)}からデフォーカス量を算出する方法はよく知られており、まず第１信号列{ａ(i)}と第２信号列{ｂ(i)}（ｉ＝１，２，３，・・・）から対応する一対の像の相関量Ｃ(N)を求める。
Ｃ(N)＝Σ｜ａ(i)−ｂ(ｊ)｜ ・・・（１）
（１）式において、シフト数ＮはＮ＝ｊ−ｉであり、Σはｉ＝ｐＬ〜ｑＬの総和演算を表す。

（１）式により離散的に求められた相関量Ｃ(N)から次のようにしてシフト量を求める。ここで、相関量Ｃ(N)の中でシフト量Ｎ＝Ｎ０のときに極小値を与える相関量をＣ０とし、シフト量（Ｎ０−１）における相関量をＣｒ、シフト量（Ｎ０＋１）における相関量をＣｆとする。相関量Ｃｒ、Ｃ０、Ｃｆの並びから精密なシフト量Ｎａを求める。
ＤＬ＝０．５・（Ｃｒ−Ｃｆ） ・・・（２），
Ｅ＝ＭＡＸ{Ｃｆ−Ｃ０、Ｃｒ−Ｃ０） ・・・（３），
Ｎａ＝Ｎ０＋ＤＬ／Ｅ ・・・（４）
次に、シフト量Ｎａに、焦点検出面の位置に応じた補正量（定数CONST）を加え、焦点検出面上での像ズレ量Δｎ＝Ｎａ＋CONSTを算出する。さらに、像ズレ量Δｎに検出開角に依存した定数Ｋｆを乗じ、デフォーカス量Ｄｆを算出する。
Ｄｆ＝Ｋｆ・Δｎ ・・・（５）

図３に示すように、一実施の形態のマイクロレンズアレイ５２は、２種類の厚さの複数のマイクロレンズが二次元状に配列されて構成され、第１の厚さのマイクロレンズが複数個、Ｘ方向に配列されて第１の一次元マイクロレンズアレイを構成するとともに、第２の厚さのマイクロレンズが複数個、Ｘ方向に配列されて第２の一次元マイクロレンズアレイを構成する。そして、第１の一次元マイクロレンズアレイと第２の一次元マイクロレンズアレイは、図３に示すＹ方向に交互に配列されている。

そして、第１の一次元マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズは、第２の一次元マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズよりも厚みが厚い。２種類のマイクロレンズはいずれも入射側の面が凸面で、奇数列と偶数列の境には図４に示すように段差があり、出射側は共有する平面の一部になっている。このマイクロレンズアレイ５２はガラス製で、グレースケールマスクを用いたエッチングにより加工される。

図３において、マイクロレンズアレイ５２の各マイクロレンズ５２ａをＸ軸とＹ軸の座標を用いて（ｘ，ｙ）と表す。マイクロレンズアレイ５２のマイクロレンズ５２ａ(1,5)、５２ａ(2.5)、５２ａ(3.5)、・・・、５２ａ(10,5)は、レンズ厚が比較的厚いマイクロレンズ５２ａがＸ方向に配列された第１の一次元マイクロレンズアレイである。一方、マイクロレンズ５２ａ(1,6)、５２ａ(2,6)、５２ａ(3,6)、・・・、５２ａ(10,6)は、レンズ厚が比較的薄いマイクロレンズ５２ａがＸ方向に配列された第２の一次元マイクロレンズアレイである。一実施の形態のマイクロレンズ５２は、これらの第１および第２の一次元マイクロレンズアレイが交互にＹ方向に並べられている。

焦点検出装置１６は、２種類の一次元マイクロレンズアレイに対応する受光部アレイ５３の出力を用い、図５および図６により説明した方法により焦点検出を行う。これにより、Ｙ＝１〜１０の各列においてそれぞれ異なる１０種類の焦点検出結果が得られる。これらは、撮影画面内のある位置から少しずつ上または下にずれた領域の被写体像に対する焦点検出結果である。このうち、Ｙ＝１，３，５，７，９の奇数列では、マイクロレンズが比較的厚く、レンズ曲面が比較的受光部面から遠い。したがって、受光部アレイ５３の各受光部をマイクロレンズ５２ａにより図２に示す焦点検出面１６ａ付近に逆投影した像が比較的小さい。つまりマイクロレンズの倍率、すなわち逆投影倍率が比較的小さい。これに対しＹ＝２，４，６，８，１０の偶数列においては、受光部の逆投影像が比較的大きい。つまりマイクロレンズの倍率、すなわち逆投影倍率が比較的大きい。

このため、奇数列では偶数列に比べ、受光部の１画素に注ぐ光量が比較的少なく、また比較的高い分解能で被写体パターンを検出できるという特性を有する。

なお、図３のＹ方向にコントラストを有する被写体に対する焦点検出は、一行おきのマイクロレンズを重ねた部分アレイ、例えば５２ａ(5,1)、５２ａ(5,3)、５２ａ(5,5)、・・・を用いて行うことができる。

上述した一実施の形態のマイクロレンズアレイ５２における奇数列と偶数列でマイクロレンズ５２ａによる受光部の逆投影倍率（マイクロレンズ５２ａの倍率）が異なることの第１の利点は、次の点にある。図８は、受光部アレイ５３のすべての画素で同一の電荷蓄積時間で蓄積をした場合の、被写体光の明るさに対する奇数列の受光部出力７０１と偶数列の受光部出力７０２を示す。図から明らかなように、偶数列の受光部出力７０２では、Ｌｓよりも明るい光を注いでも受光部出力がＳＨレベルで飽和してしまう。つまり、比較的弱い光Ｌｓで飽和し、それ以上の明るさの被写体パターンを検出できなくなる。したがって、そのような明るすぎる被写体に対する焦点検出ができなくなる。しかしこのとき、奇数列ではＬｓよりも明るい光を注いでも受光部出力が飽和せず、焦点検出ができる。

図９(ａ)は被写体像の輝度分布例を示し、図９(ｂ)は(ａ)に示す輝度分布の被写体像を奇数列の画素列で受光した場合の受光部出力を示し、図９(ｃ)は(ａ)に示す輝度分布の被写体像を偶数列の画素で受光した場合の受光部出力を示す。(ａ)に示す輝度分布の被写体像を上述した偶数列の画素で受光すると、(ｃ)に示すようにＣｂ部分に対応する受光部の出力が飽和してしまい、コントラストが検出できないために像ズレ量が検出できない。しかし、奇数列の画素で受光すると、(ｂ)に示すようにＣｂ部分に対応する受光部の出力は飽和せず、コントラストが検出できるために像ズレ量が検出できる。

一方、比較的暗い被写体の場合には、奇数列では、入射光量と受光部出力の比が小さいので、図９(ａ)に示すＣａ部分の受光部出力は(ｂ)に示すようにほとんど平らになってしまう。このため、ノイズなどの影響により焦点検出ができなかったり、誤差が大きくなったりする。このとき、偶数列では、Ｃａ部分の受光部出力が(ｃ)に示すように凹凸が比較的はっきりしており、焦点検出が可能である。このように、図９(ａ)に示すように輝度差が大きく明暗が混在した被写体の場合には、一実施の形態の焦点検出装置１６では同一の蓄積時間を設定して明暗両方の部分の焦点検出が可能になる。

実際には、最初の電荷蓄積で図９に示すような最適な受光部出力を得られるとは限らず、今回の受光部出力レベルに基づいて次回の電荷蓄積時間を調整することによって、次回または次々回に最適な出力レベルが得られる。この場合でも、図９(ｂ)のＣａ部分に対応する受光部出力のようにほぼ０に近い出力レベルであると、このような低い受光部出力レベルに基づいて次回の電荷蓄積時間をどの程度長くすればよいかを把握することは困難である。一方、図９(ｃ)のＣｂ部分に対応する受光部出力のように一様に飽和していると、このような一様に飽和している出力レベルに基づいて次回の電荷蓄積時間をどの程度短くすればよいかを把握することは困難である。

しかし、一実施の形態の焦点検出装置１６では、輝度差が大きい被写体像に対しても一度に正確なコントラスト情報を検出できるので、電荷蓄積時間の調整を短時間で完了することができる。

ここで、奇数列の画素と偶数列の画素とに異なる電荷蓄積時間を設定しても、輝度差が大きい被写体像に対して一度に正確なコントラスト情報を検出できるが、奇数列または偶数列の画素の蓄積時間を長くする分だけ焦点検出時間がかかり、蓄積時間を長くすることによる光学的ノイズや電気的ノイズの混入を増長し、一実施の形態の焦点検出装置に比べて焦点検出性能が低下する。特に、受光部アレイ５３にＣＣＤセンサーを用いる場合には、奇数列と偶数列の画素で蓄積時間を変えるためにＣＣＤセンサーの駆動制御回路が複雑になる。

また、電荷蓄積時間には当然、技術上の上限と下限があるので、奇数列と偶数列で異なる厚さのマイクロレンズ列を用いる一実施の形態の焦点検出装置によれば、電荷蓄積時間の上下限内でコントラストが検出できる輝度の幅が広がるという利点がある。

次に、一実施の形態のマイクロレンズアレイ５２における奇数列と偶数列でマイクロレンズ５２ａによる受光部の逆投影倍率（マイクロレンズ５２ａの倍率）が異なることの第２の利点は、偶数列で十分な低輝度検出限界を確保しながら、奇数列でより高周波の被写体パターンを検出できる。

さらに、第３の利点は、偶数列で十分な低輝度検出限界を確保しながら、奇数列でより精度の高い焦点検出が可能になる。図１０を参照して奇数列で高精度の焦点検出が可能になる点を以下に説明する。図１０において、撮影レンズ２１の射出瞳２０１上でのマイクロレンズによる受光部アレイ５３の１受光部の逆投影像を四角形の枠で表す。実際には、受光部と光学的に共役な位置は焦点面付近であるから、それより前方の射出瞳面上では投影像はややぼけ像になる。(ａ)は奇数列の受光部アレイ１列分の投影像を示し、(ｂ)は偶数列の受光部アレイ１列分の投影像を示す。

瞳分割型位相差式の焦点検出で検出精度をよくするには、ズレ量を比較し合う一対の像が通過する瞳領域の間隔を長くするのがいいことが知られている。一実施の形態の焦点検出装置１６では、一対の像が通過する瞳領域が図１０(ａ)、(ｂ)に四角形の枠で示す受光部の逆投影像に対応する。図１０(ａ)、(ｂ)において、瞳領域の間隔を最も広くとれるのは太枠で表した受光部を用いる場合である。(ａ)に示す奇数列の場合は、太枠で表した受光部像に対応する瞳領域の重心間隔はＬ０であり、(ｂ)に示す偶数列の場合は、太枠で表した受光部像に対応する瞳領域の重心間隔はＬｅである。図１０から明らかなように、受光部の逆投影像が比較的小さい奇数列(ａ)の重心間隔Ｌ０の方が、受光部の逆投影像が比較的大きい偶数列(ｂ)の重心間隔Ｌｅよりも長い。

これは、逆投影像が小さいことによって、（１）撮影レンズの瞳で部分的にけられる受光部像（図１０にハッチングで示す四角形枠）が占める大きさが小さいため、それを避けた内側の画素がたいていの場合、より外よりになる。（２）外側輪郭が同じ位置にある受光部像どうしを比べたとしても、外側輪郭に対する重心位置が比較的外よりになる、からである。

奇数列と偶数列で受光部の逆投影倍率（マイクロレンズ５２ａの倍率）が異なることの第４の利点は、撮影レンズ２１の瞳が大きい場合の低輝度限界を偶数列で十分確保しながら、瞳が小さくて偶数列が使えないレンズでも奇数列を用いて焦点検出ができることにある。図１０において、比較的小さい射出瞳２０３に注目すると、偶数列ではけられのないペアの受光部像が選べないが、奇数列では例えば中３個挟んだ両隣の受光部像を用いて焦点検出できる。

以上説明した奇数列と偶数列で受光部の逆投影倍率（マイクロレンズ５２ａの倍率）を変えることによる利点は、逆投影倍率を変える代わりに奇数列と偶数列で受光部の大きさ自体を変えることによっても実現できる。しかしながら、一実施の形態の方が次の点で有利である。（１）受光部アレイの構造が簡単になる。（２）電荷蓄積制御が複雑にならない。（３）受光部アレイ５３に汎用の二次元センサーを流用したり、ほぼ共通の製造工程で不要画素上だけ遮光性物質をコートすることによって受光部アレイを製造できる。したがって、コストが安い。（４）受光部アレイ５３で受光部を二次元状に連続して配列した場合に、位置合わせが容易になる。

次に、一実施の形態の奇数列と偶数列の画素列の使い方について説明する。まず、撮影者がカメラの操作部材により焦点検出エリアを選択する手動モードの場合には、選択された焦点検出エリアに近い逆投影倍率（マイクロレンズの倍率）が異なる少なくとも２列の画素列の内、適切な方を採用するか、または両方の結果を合成する。具体的には、（１）両方の画素列の受光部出力に基づいて焦点検出演算を行い、焦点検出結果の信頼性に応じた重みを付けて平均する。なお、このとき片方の信頼性が一様に所定値より低ければ、初めから他方のみを選んだのと同じ結果になる。また、（２）被写体輝度を検出し、被写体輝度が所定値より低く暗い場合には逆投影倍率（マイクロレンズの倍率）が高い方を選択する。さらに、（３）撮影レンズの絞り径が所定値より小さい場合には、逆投影倍率（マイクロレンズの倍率）が低い方を選択する。

なお、上述した一実施の形態では、図３に示すｙ座標が一定のすべての画素が一つの焦点検出領域に対応する例を示したが、任意の列または行の画素を任意の小領域に区分し、各小領域をそれぞれ焦点検出領域として上記（１）の手法を適用してもよい。特に、実際には図３に示す画素数よりもさらに多くの画素があるのが望ましく、その場合にはさらに多くの小領域に区分することができる。

カメラが所定のアルゴリズムにしたがって焦点検出エリアを自動で選択する自動モードの場合には、選択された焦点検出エリアに近い逆投影倍率（マイクロレンズの倍率）が異なる少なくとも２列の画素列の内、適切な方を採用するか、または両方の結果を合成する。

《その他の実施形態》
受光部アレイの隣接した複数の受光部出力を加算して一つの受光部として扱ってもよい。その場合、図６に示す像ズレ方向の隣接した受光部だけでなく、図３に示すＹ方向に隣接した受光部を複数個まとめてもよい。

図３では、各マイクロレンズに対応する受光部をすべて同一数、同一配置としたが、これらをマイクロレンズの倍率（逆投影倍率）に応じて変えてもよい。例えば図３では各マイクロレンズごとに縦横５個ずつ受光部を配列しているが、逆投影倍率が高い偶数列だけ縦横３個ずつ受光部を配置するなど、受光部の数を減らすことによって、マイクロレンズの輪郭でけられて無駄な画素を作る必要がなく、省略した画素のあった場所に他の回路を配置することもできる。

図３に示す受光部アレイ５３では、マイクロレンズごとに２５個の受光部を隙間を空けて配置した例を示したが、この隙間にも受光部が配列された受光部アレイを用いてもよい。受光部が連続的に配列された一般的なセンサーチップを流用することもでき、マイクロレンズアレイ５２と受光部アレイ５３を貼り合わせるときに、図３のＸ方向とＹ方向の位置を正確に合わせる必要がなくなる。この場合には、両者を貼り合わせた後に、ソフトウエアで画素ごとに対応する受光部を決めればよい。

図３に示すマイクロレンズアレイ５２と受光部アレイ５３はマイクロレンズと受光部を正方格子状に配列した例を示したが、図１１に示すように千鳥配列としてもよい。また、マイクロレンズと受光部をハニカム状に配列することもできる。さらに、図３に示すように異なる逆投影倍率のマイクロレンズ列を交互に配列するのではなく、一方の逆投影倍率のマイクロレンズアレイの中に他方の逆投影倍率のマイクロレンズ列を組み込むようにしてもよい。撮影画面中央部などの特定の場所だけに、異なる逆投影倍率のマイクロレンズ列を交互に配列するようにしてもよい。

上述した一実施の形態ではマイクロレンズを正方格子状に配列した例を示したが、例えば撮影画面の周辺部でマイクロレンズを撮影レンズのサジタル方向に配列したマイクロレンズアレイおよび受光部アレイに対しても本発明を適用することができる。

上述した一実施の形態では２種類の異なる逆投影倍率のマイクロレンズを例に挙げて説明したが、マイクロレンズの逆投影倍率の種類は２種類に限定されず、３種類以上としてもよい。これにより、一度に検出できる被写体輝度の範囲がより広くなる。

上述した一実施の形態では、表面（被写体側の面）が凸状、裏面（受光部側の面）が平らなマイクロレンズを用いた例を示したが、表面凸部の高低に応じて裏面に段差をもうけてもよい。また、レンズの曲率を変えて逆投影倍率を変えてもよい。さらに、表面と裏面を凸状としてもよい。ガラス基板（平行平板）に薄いレンズ曲面付きプラスチックを貼り合わせた複合レンズを用いてもよい。あるいは屈折率分布レンズで構成してもよい。さらに、ＢＯＥ(Binary Optical Element)などの回折光学系レンズ、および通常レンズ面またはその反対面に回折光学系レンズを加工したものでもよい。

なお、本発明は撮影レンズ交換式一眼レフカメラに限らず、レンズ固定式カメラや別ファインダーを有する形式のカメラにも適用することができる。また、サブミラーで焦点検出装置に焦点検出用光束を導く形式に限らず、例えば固定式のペリクルミラーで透過光と反射光に被写体光を分岐し、一方を撮像に用い、他方を焦点検出装置に注がせるなど、他の方法で焦点検出用光束を導くようにしてもよい。これにより、サブミラーの大きさ上の制約がなくなり、より画面の周辺部まで焦点検出領域を配置できる。

また、本発明は静止画を撮影するカメラに限定されず、ビデオカメラなどの動画を撮影するカメラにも適用できる。動画撮影装置では特に焦点検出を短時間で行う必要があるが、本発明の焦点検出装置を用いることによって動画撮影時の焦点検出時間を短縮できる。さらに、本発明はカメラに限定されず、双眼鏡、測量機、測定器、検出器など、結像光学系を経た光を用いて対象物の像を結ぶ機能を含む光学機器に広く応用することができる。

さらに、撮像素子１５による撮影画面内の特定の位置を焦点検出領域に設定し、焦点検出領域内のマイクロレンズに対応する受光部の出力に基づいて焦点調節状態を検出するようにしてもよい。撮影画面内の特定の位置としては、例えば、画像情報から特徴を検出し、特徴が検出された位置に相当する撮影画面内の位置に焦点検出領域を設定する。また、画像情報のコントラストを検出し、コントラストが所定値以上となる部分の位置に焦点検出領域を設定する。

一実施の形態の撮像装置の構成を示す断面図 一実施の形態の撮像装置に組み込まれている焦点検出光学系の構成を示す図 マイクロレンズアレイと受光部アレイを拡大した斜視図 マイクロレンズアレイと受光部アレイの断面図 一実施の形態の焦点検出装置による焦点検出方法を説明するための図 一実施の形態の焦点検出装置による他の焦点検出方法を説明するための図 焦点検出装置の詳細な構成を示すブロック図 受光部アレイのすべての画素で同一の電荷蓄積時間で蓄積をした場合の、被写体光の明るさに対する奇数列の受光部出力と偶数列の受光部出力を示す図 (ａ)は被写体像の輝度分布例を示し、(ｂ)は(ａ)に示す輝度分布の被写体像を奇数列の画素列で受光した場合の受光部出力を示し、(ｃ)は(ａ)に示す輝度分布の被写体像を偶数列の画素で受光した場合の受光部出力を示す図 奇数列で高精度の焦点検出が可能になる点を説明するための図 受光部を千鳥配列にした例を示す図

符号の説明

１６；焦点検出装置、２０；ボディ駆動制御装置、２１；撮影レンズ、２３；レンズ駆動制御装置、５２；マイクロレンズアレイ、５２ａ；マイクロレンズ、５３；受光部アレイ

Claims (10)

1. 倍率の異なる複数種類のマイクロレンズが規則的に配列されたマイクロレンズアレイと、
   前記複数種類のマイクロレンズのそれぞれに対して配列された複数の受光部を有し、前記マイクロレンズアレイを透過した光を受光する受光部アレイとを備えることを特徴とする受光素子。
2. 請求項１に記載の受光素子において、
   前記マイクロレンズの倍率は、前記マイクロレンズの厚さ、前記マイクロレンズの曲面、前記マイクロレンズの光軸方向の位置および前記マイクロレンズの屈折率の内の少なくとも一つの要素により決定されることを特徴とする受光素子。
3. 請求項１または請求項２に記載の受光素子において、
   倍率が同じ複数の第１のマイクロレンズを配列した第１のマイクロレンズ列と、前記第１のマイクロレンズと倍率が異なる複数の第２のマイクロレンズを配列した第２のマイクロレンズ列とを互いに近接して配置することを特徴とする受光素子。
4. 結像光学系を透過した光を請求項１〜３のいずれか一項に記載の受光素子で受光し、同じ種類の複数の前記マイクロレンズに対応する前記受光部の出力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を備える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において、
   前記焦点検出手段は、同じ種類の複数の前記マイクロレンズを配列した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、
   前記焦点検出手段による複数の焦点検出結果の信頼性を判定する信頼性判定手段と、
   前記信頼性判定手段による判定結果の信頼性に応じて前記焦点検出手段による各焦点検出結果に重み付けを行い、重み付け後の焦点検出結果を平均して前記結像光学系の焦点調節状態を決定する焦点調節状態決定手段とを備えることを特徴とする焦点検出装置。
7. 請求項５に記載の焦点検出装置において、
   被写体輝度を検出する輝度検出手段と、
   前記輝度検出手段により検出された被写体輝度が所定値より低い場合は、前記複数種類のマイクロレンズのうち相対的に倍率が高いマイクロレンズからなる前記マイクロレンズ列に対応する焦点調節状態を前記結像光学系の焦点調節状態に決定する焦点調節状態決定手段とを備えることを特徴とする焦点検出装置。
8. 請求項５に記載の焦点検出装置において、
   前記結像光学系の絞り径を検出する絞り検出手段と、
   前記絞り検出手段により検出された前記結像光学系の絞り径が所定値より小さい場合は、前記複数種類のマイクロレンズのうち相対的に倍率が低い前記マイクロレンズ列に対応する焦点調節状態を前記結像光学系の焦点調節状態に決定する焦点調節状態決定手段を備えることを特徴とする焦点検出装置。
9. 請求項４〜８のいずれか一項に記載の焦点検出装置を備えることを特徴とする撮像装置。
10. 請求項９に記載の撮像装置において、
    前記受光部アレイの出力に基づいて前記結像光学系による画像に対応する画像信号を生成し、前記画像信号に基づいて前記画像のうちの特定の位置を焦点検出領域として抽出する抽出手段を備え、
    前記焦点検出手段は、前記抽出手段によって抽出された前記焦点検出領域に対応する前記マイクロレンズの前記受光部の出力信号に基づいて前記焦点調節状態を求めることを特徴とする撮像装置。

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