JP2009198771A - 焦点検出装置および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】焦点を適切に検出できる焦点検出装置および撮像装置を提供する。
【解決手段】複数のマイクロレンズ１６１ａを二次元状に配列したマイクロレンズアレイ１６１と、前記マイクロレンズに対応して設けられた受光部１６２ａを備え、前記マイクロレンズを介して結像光学系からの光束を受光する受光素子１６２と、前記受光素子の受光信号に基づいて画像情報を生成し、当該画像情報における複数方向Ｘ１〜Ｘ３のコントラストを検出するコントラスト検出手段１６３と、前記コントラストに基づいて前記複数方向の中から焦点検出する方向を選択するとともに、当該焦点検出方向に沿った前記複数のマイクロレンズの前記受光部で得られる受光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１６３と、を備える。
【選択図】 図２

Description

この発明は、焦点検出装置および撮像装置に関するものである。

マイクロレンズを二次元状に配列するとともに、各マイクロレンズに対して複数の受光素子（光電変換素子）を設け、複数の受光素子で得られる受光出力に基づいて結像光学系の異なる領域を通過した光束による像に対応する一対の信号列を生成し、この一対の信号列の位相ずれ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装置が知られている（特許文献１）。

特開２００７−１１３１４号公報

しかしながら、従来の焦点検出装置では、マイクロレンズの配列方向に沿った方向について信号列対を生成することができるが、信号列の生成方向を決定することについては提案されていなかった。

この発明が解決しようとする課題は、信号列の生成方向を適切に決定できる焦点検出装置および撮像装置を提供することである。

この発明は以下の解決手段によって上記課題を解決する。なお、発明の実施形態を示す図面に対応する符号を付して説明するが、この符号は発明の理解を容易にするためだけのものであって発明を限定する趣旨ではない。

発明に係る焦点検出装置および撮像装置は、複数のマイクロレンズ（１６１ａ）を二次元状に配列したマイクロレンズアレイ（１６１）と、前記マイクロレンズに対応して設けられた受光部（１６２ａ）を備え、前記マイクロレンズを介して結像光学系からの光束を受光する受光素子（１６２）と、前記受光素子の受光信号に基づいて画像情報を生成し、当該画像情報における複数方向（Ｘ１〜Ｘ３）のコントラストを検出するコントラスト検出手段（１６３）と、前記コントラストに基づいて前記複数方向の中から焦点検出する方向を選択するとともに、当該焦点検出方向に沿った前記複数のマイクロレンズの前記受光部で得られる受光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（１６３）と、を備えたことを特徴とする。

上記発明において、前記コントラスト検出手段（１６３）は、前記画像情報を畳み込み積分することにより前記コントラストを検出するように構成することができ、この場合、前記コントラスト検出手段（１６３）は、微分フィルタを用いて前記コントラストを検出するように構成することができる。

上記発明において、前記受光素子（１６２）は、前記複数のマイクロレンズ（１６１ａ）のそれぞれに対して複数の前記受光部（１６２ａ）を有し、前記コントラスト検出手段（１６３）は、前記マイクロレンズに対応する前記複数の受光部の一部で得られる受光信号に基づいて前記画像情報を生成するように構成することができる。この場合、前記コントラスト検出手段（１６３）は、前記複数の受光部（１６２ａ）の一部で得られる受光信号を前記複数のマイクロレンズ（１６１ａ）に亘って積算した信号に基づいて前記画像情報を生成するように構成することができる。

上記発明において、前記マイクロレンズ（１６１ａ）は、ハニカム状に配列するように構成することができる。また、上記発明において、前記コントラスト検出手段（１６３）は、前記マイクロレンズ（１６１ａ）の配列方向（Ｘ１〜Ｘ３）に沿って前記画像情報のコントラストを検出するように構成することができる。

上記発明において、前記コントラスト検出手段（１６３）は、前記複数のマイクロレンズ（１６１ａ）の一部に対応する前記画像情報に対して前記コントラストを検出するように構成することができる。この場合、前記受光素子（１６２）の受光信号に基づく画像情報の特徴部分を検出する特徴検出手段（１６３）を備え、前記コントラスト検出手段（１６３）は、前記複数のマイクロレンズ（１６１ａ）のうち、前記特徴部分に対応する前記マイクロレンズに関する前記受光部（１６２ａ）の受光信号に基づいて前記画像情報を生成するように構成することができる。

上記発明によれば、信号列の生成方向を適切に決定することができる。

以下においては、上記発明をレンズ交換式一眼レフデジタルカメラに適用した実施形態を図面に基づいて説明するが、上記発明は、撮影レンズの焦点調節を行うあらゆる撮像装置やレンズ固定式カメラにも適用することができる。

図１は発明の実施形態に係る一眼レフデジタルカメラ１（以下、単にカメラ１という。）を示すブロック図であり、上記発明の焦点検出装置および撮像装置に関する構成以外のカメラの一般的構成については、その図示と説明を一部省略する。

本例のカメラ１は、カメラボディ１００とレンズ鏡筒２００を備え、これらカメラボディ１００とレンズ鏡筒２００はマウント部３００により着脱可能に結合されている。

レンズ鏡筒２００には、フォーカスレンズ２１１やズームレンズ２１２を含む撮影レンズ２１０や絞り装置２２０などからなる撮影光学系が内蔵されている。

フォーカスレンズ２１１は、レンズ鏡筒２００の光束Ｌ１の光軸に沿って移動可能に設けられ、図示しないエンコーダによってその位置が検出されつつレンズ駆動モータ２３０によってその位置が調節される。フォーカスレンズ２１１は、回転筒の回転によってカメラボディ側の端部（至近端）から被写体側の端部（無限端）までの間を光軸Ｌ１方向に移動することができる。ちなみに、エンコーダで検出されたフォーカスレンズ２１１の現在位置情報は、レンズ制御部２５０を介してレンズ駆動制御部１６５へ送信される一方で、レンズ駆動モータ２３０は、この位置情報に基づいて演算された合焦位置へ向かって、レンズ駆動制御部１６５からレンズ制御部２５０を介して受信される駆動信号により駆動する。

絞り装置２２０は、上記撮影光学系を通過して撮像素子１１０に至る光束の光量を制限するとともにボケ量を調整するために、光軸Ｌ１を中心にした開口径が調節可能に構成されている。絞り装置２２０による開口径の調節は、たとえば自動露出モードにおいて演算された適切な開口径が、カメラ制御部１７０からレンズ制御部２５０を介して送信されることにより行われる。また、開口径の調節は、カメラボディ１００に設けられた操作部１５０によるマニュアル操作により、設定された開口径がカメラ制御部１７０からレンズ制御部２５０に入力されることによっても行われる。絞り装置２２０の開口径は、図示しない絞り開口センサにより検出され、レンズ制御部２５０で現在の開口径が認識される。

一方、カメラボディ１００は、被写体からの光束Ｌ１を撮像素子１１０、ファインダ１３５、測光センサ１３７及び焦点検出光学系１６１へ導くためのミラー系１２０を備えている。このミラー系１２０は、回転軸１２３を中心にして被写体の観察位置と撮影位置との所定角度だけ回転するクイックターンミラー１２１と、このクイックターンミラー１２１に軸支されてクイックターンミラー１２１の回転にともなって回転するサブミラー１２２とを備える。

図１には、ミラー系１２０が被写体の観察位置にある状態を実線で示し、被写体の撮影位置にある状態を二点鎖線で示す。ミラー系１２０は、被写体の観察位置にある状態では光束Ｌ１の光路上に挿入される一方で、被写体の撮影位置にある状態では光束Ｌ１の光路から退避するように回転する。

クイックターンミラー１２１はハーフミラーで構成され、被写体の観察位置にある状態では、被写体からの光束Ｌ１の一部の光束Ｌ２を当該クイックターンミラー１２１で反射してファインダ１３５側へ導き、一部の光束Ｌ４を透過させてサブミラー１２２へ導く。なお、ファインダ１３５側へ反射した光束のうち焦点板１３１によって散乱された光束Ｌ３が測光センサ１３７に入射する。これに対して、サブミラー１２２は全反射ミラーで構成され、クイックターンミラー１２１を透過した光束Ｌ４を焦点検出光学系１６１へ導く。

したがって、ミラー系１２０が観察位置にある場合は、被写体からの光束Ｌ１はファインダ１３５、測光センサ１３５および焦点検出光学モジュール１６１へ導かれ、撮影者により被写体が観察されるとともに、露出検出や焦点調節状態の検出が実行される。そして、撮影者がレリーズボタンを全押しするとミラー系１２０が撮影位置に回転し、被写体からの光束Ｌ１は撮像素子１１０へ導かれ、撮影した画像データを図示しないメモリに保存する。

撮像素子１１０は、カメラボディ１００の、被写体からの光束Ｌ１の光軸上であって、撮影レンズ２１０の予定焦点面となる位置に固定されている。撮像素子１１０は、複数の光電変換素子が二次元に配列されたものであって、二次元ＣＣＤイメージセンサ、ＭＯＳセンサまたはＣＩＤなどで構成することができる。

撮像素子１１０の前面に配置されたシャッター１１１は、操作部１５０に含まれるシャッターボタンを全押しした時（シャッターレリーズ時）に、露出演算結果に基づく、または撮影者が設定したシャッター秒数だけ開放され、撮像素子１１０を露光する。この撮像素子１１０で光電変換された電気画像信号は、カメラ制御部１７０で画像処理されたのち図示しないメモリに保存される。なお、撮影画像を格納するメモリは内蔵型メモリやカード型メモリなどで構成することができる。

一方、クイックターンミラー１２１で反射された被写体光の一部は、撮像素子１１０と光学的に等価な面に配置された焦点板１３１を通過してペンタプリズム１３３に導かれ、ペンタプリズム１３３で折曲されたのち、光軸Ｌ２に沿って接眼レンズ１３４を通り撮影者の眼球に導かれる。このとき、透過型液晶表示器１３２は、焦点板１３１上の被写体像に焦点検出エリアマークを重畳して表示するとともに、被写体像外のエリアにシャッター速度、絞り値、撮影枚数などの撮影に関する情報を表示する。これにより、レリーズしない状態において、ファインダ１３４を通して被写体およびその背景ならびに撮影関連情報などを観察することができる。

測光センサ１３７は、二次元カラーＣＣＤイメージセンサなどで構成され、撮影の際の露出値を演算するため、撮影画面を複数の領域に分割して領域ごとの輝度に応じた測光信号を出力する。測光センサ１３７で検出された画像情報はカメラ制御部１７０へ出力され、自動露出制御に用いられる。

操作部１５０は、シャッターレリーズボタンや撮影者がカメラ１の各種動作モードを設定するための入力スイッチであり、オートフォーカスモード／マニュアルフォーカスモードの切換や、オートフォーカスモードの中でも、ワンショットモード／コンティニュアスモードの切換が行えるようになっている。この操作部１５０により設定された各種モードはカメラ制御部１７０へ送信され、当該カメラ制御部１７０によりカメラ１全体の動作が制御される。

カメラボディ１００にはカメラ制御部１７０が設けられている。カメラ制御部１７０はマイクロプロセッサとメモリなどの周辺部品から構成され、マウント部３００に設けられた電気信号接点部によりレンズ制御部２５０と電気的に接続され、このレンズ制御部２５０からレンズ情報を受信するとともに、レンズ制御部２５０へデフォーカス量や絞り開口径などの情報を送信する。また、カメラ制御部１７０は、上述したように撮像素子１１０から画像情報を読み出すとともに、必要に応じて所定の情報処理を施し、図示しないメモリに出力する。また、カメラ制御部１７０は、撮影画像情報の補正やレンズ鏡筒２００の焦点調節状態、絞り調節状態などを検出するなど、カメラ１全体の制御を司る。

焦点検出光学系１６１、焦点検出センサ１６２、焦点検出演算部１６３およびレンズ駆動量演算部１６４は位相差検出方式の焦点検出装置を構成し、撮影レンズ２１０の焦点調節状態を表すデフォーカス量を検出する。

本例の焦点検出装置について図２〜図４Ｂを参照しながら説明する。

図２は焦点検出装置の構成を示すブロック図、図３Ａは同じく焦点検出装置の光学的配置を示す図、図３Ｂは焦点検出光学系１６１および焦点検出センサ１６２を示す断面図、図４Ａは焦点検出光学系１６１および焦点検出センサ１６２の配列状態を示す平面図、図４Ｂは一つの焦点検出光学系１６１および焦点検出センサ１６２を拡大して示す平面図である。図２は図１に示す焦点検出演算部１６３の構成を処理手順にしたがって詳細に表わしたブロック図である。

焦点検出光学系１６１は、図４Ａに示すように複数のマイクロレンズ１６１ａを二次元状に稠密に（ハニカム状に）配列したマイクロレンズアレイであり、図３Ａに示すように撮影レンズ２１０の予定焦点面となる位置Ｐ１の近傍に配置されている。以下、マイクロレンズアレイ１６１ともいう。マイクロレンズアレイ１６１は、予定焦点面となる位置Ｐ１に一致させて配置することができる一方で、予定焦点面となる位置Ｐ１からずらして配置することもできる。一致させて配置した場合は、マイクロレンズ１６１ａ間に被写体像のコントラストがあるような場合にその部分が不感帯となるが、ずらして配置することによりそのような不感帯の発生を回避することができる。

焦点検出センサ１６２は、図４Ａに示すように複数の光電変換素子１６２ａを二次元状に稠密に配列した受光素子アレイであり、図３Ｂに示すようにマイクロレンズアレイ１６１の略焦点位置に配置されている。以下、受光素子アレイ１６２ともいう。なお、図３Ｂは各マイクロレンズ１６１ａの中心または中心近傍の光電変換素子１６２ａが受光する光束の広がりを示している。

図４Ａはマイクロレンズアレイ１６１と受光素子アレイ１６２の一部を示す平面図であって、サブミラー１２２側からマイクロレンズアレイ１６１を見た図である。同図において、一部のマイクロレンズ１６１ａの後方にのみ光電変換素子１６２ａを示したが、他のマイクロレンズ１６１ａの後方にも同様にして光電変換素子１６２ａが配置されている。

本例のマイクロレンズ１６１ａは、レンズ面の形状が一点鎖線で示すような円形状マイクロレンズを正六角形に切り出した形状とされており、円形状マイクロレンズと同一機能を有する。そして、マイクロレンズアレイ１６１は、このような正六角形のマクロレンズ１６１ａがハニカム状に配列されたものである。このように正六角形のマイクロレンズ１６１ａをハニカム状に配列することにより、円形状マイクロレンズを配列させた場合に生じるレンズ間の焦点検出の不感帯を回避することができる。同図における上下左右方向は撮像素子１１０で撮像される撮像画面の上下左右方向と一致している。なお、正六角形のマイクロレンズ１６１ａをハニカム状に配列することに代えて、円形のマイクロレンズを正方配列することもできる。

これに対して、マイクロレンズアレイ１６１の後方に配置される光電変換素子アレイ６２は、正方形の光電変換素子１６２ａが正方配列されたものである。一つの光電変換素子１６２ａは一つのマイクロレンズ１６１ａより小さく形成され、図４Ｂに拡大して示すように、一つのマイクロレンズ１６１ａを垂直に投影した範囲には複数の光電変換素子１６２ａが含まれている。これらの光電変換素子１６２ａがマイクロレンズ１６１ａに対応して設けられた光電変換素子１６２ａである。

さて、上述したようにマイクロレンズアレイ１６１は撮影レンズ２１０の予定焦点面となる位置Ｐ１（撮像素子１１０の撮像面と光学的に等価な面）の近傍に配置されているので、撮像素子１１０と同じ光学像が投影される。受光素子アレイ１６２には、各マイクロレンズ１６１ａによって撮影レンズ２１０の瞳像が結像され、受光素子アレイ１６２の各光電変換素子１６２ａは瞳の各部分に対応することから、マイクロレンズ１６１ａごとに光電変換素子１６２ａを選択してその出力を合成すれば、光電変換素子１６２ａに対応する絞りで撮影された画像が得られることになる。

本実施形態の焦点検出は以下の手順で行われる。

図２に示す焦点検出演算部１６３のＡ／Ｄコンバータ１６３Ａは、焦点検出センサ（受光素子アレイ）１６２から出力されたアナログ画像信号をデジタル画像信号に変換し、メモリ１６３Ｂに出力する。メモリ１６３Ｂは、このデジタル画像信号を二次元画像生成部１６３Ｃと画像信号抽出部１６３Ｆからの要求に応じて出力する。

なお、焦点検出エリアが選択された場合には、選択された焦点検出エリアに対応する所定範囲に相当するマイクロレンズに対応する光電変換素子からの出力だけを読み出す。図７は焦点検出エリアＡＦＰを含むファインダ１３５から観察される撮影画面１３５Ａを示す図であり、本例では撮影画面１３５Ａに１１カ所の焦点検出エリアＡＦＰ１〜ＡＦＰ１１が設定されている。この表示は、液晶表示器１３２が、焦点板１３１上の被写体像に１１カ所の焦点検出エリアの位置を表すマークを重畳することにより行われる。そして、撮影者が操作部１５０を操作することにより所望の焦点検出エリアＡＦＰを選択したり、あるいは自動露光などのデータに基づいて所定のシーケンスにより自動的に焦点検出エリアＡＦＰを選択したりする。たとえば、図７に示す焦点検出エリアＡＦＰ９が選択された場合は、この焦点検出エリアＡＦＰ９を中心にした所定範囲に相当するマイクロレンズに対応する光電変換素子からの出力を読み出す。

図２の二次元画像生成部１６３Ｃは、焦点検出位置として選択された焦点検出エリアに関する情報をカメラ制御部１７０から受け、この位置を中心とする所定範囲の画像データを抽出して二次元画像を生成する。

このとき、各マイクロレンズ１６１ａの中心に対応する光電変換素子の位置を、撮影光学系の光軸に対するマイクロレンズの位置（像高）とマイクロレンズから撮影レンズ２１０の瞳までの距離から求め、各マイクロレンズ１６１ａの中心または中心周辺に対応する光電変換素子１６２ａの画像データをメモリ１６３Ｂに格納された画像データから抽出する。

こうして二次元画像生成部１６３で生成される二次元画像は、光電変換素子１６２ａに対応する絞りで撮影された画像となる。たとえば、光電変換素子１６２ａの大きさを３μｍ、マイクロレンズ１６１ａの焦点距離を２００μｍ、マイクロレンズアレイ１６１から瞳までの距離を７０ｍｍとすると、光電変換素子１６２ａの瞳上での大きさは１ｍｍとなり、１ｍｍφの絞りで得られる画像にほぼ等しい二次元画像が生成されることになる。たとえば、撮影レンズ２１０の焦点距離を５０ｍｍとするとＦ値は５０となり、焦点深度が深いパンフォーカスの画像が生成されることになる。

ここで、本例のマイクロレンズアレイ１６１は図４Ａに示すように正六角形のマイクロレンズ１６１ａがハニカム状に配列したものであることから、画像データの配列もハニカム状である。そのため、二次元画像を生成するに際しては等間隔の正方配列の画素配列にそのまま置き換えることはできない。すなわち、マイクロレンズアレイ１６１における各マイクロレンズ１６１ａの中心位置は、偶数列と奇数列とが互い違いに並び、しかも縦の間隔を１としたときに横の間隔が２／√３と異なるからである。このため、本例の二次元画像生成部１６３では、こうしたハニカム配列による画像データを、内挿演算または外挿演算を行うことで等間隔の正方配列に再配置する。

図２の特徴検出部１６３Ｄは、二次元画像生成部１６３で生成されたパンフォーカスの二次元画像を、複数方向について、それぞれ畳み込み積分（コンボリューション Convolution、一方の関数ｆを平行移動しながら他の関数ｇを重ね足し合わせる二項演算）することによりコントラストを検出し、コントラストの積算値が最も大きい検出方向を選択する。

本例のハニカム状配列のマイクロレンズアレイ１６１において稠密な画像を抽出できる方向は、図４Ａに示す水平方向Ｘ１と、このＸ１方向に対して±６０°（±π／３ｒａｄ）である方向Ｘ２，Ｘ３の３方向であるので、この３方向Ｘ１〜Ｘ３について二次元画像を畳み込み積分することによりコントラストを検出する。ただし、これら３方向Ｘ１〜Ｘ３以外の方向についてコントラストを検出することもできる。

これら３方向Ｘ１〜Ｘ３のコントラスト検出は、二次元画像の畳み込み積分フィルタに微分フィルタを組み込むことにより各方向にコントラストを有する画像のエッジを画像化して検出することができる。図５は本例にて適用する微分フィルタの一例を示す行列式である。図５（Ａ１）〜（Ａ３）は、二次元画像の一次微分フィルタであるソーベルフィルタ（グラディエントフィルタ）を示す行列式であり、それぞれ水平方向Ｘ１、π／３方向Ｘ２、２π／３方向Ｘ３に対するコントラストのエッジ部を検出するフィルタである。これに対し、図５（Ｂ１）〜（Ｂ３）は、二次元画像の二次微分フィルタであるラプラシアンフィルタを示す行列式であり、それぞれ水平方向Ｘ１、π／３方向Ｘ２、２π／３方向Ｘ３に対するコントラストのエッジ部を検出するフィルタである。

図４Ａに示すような本例の３方向Ｘ１〜Ｘ３に対するコントラスト検出では、いずれの微分フィルタをも用いることができる。同図（Ａ１）〜（Ａ３）に示す一次微分フィルタであるソーベルフィルタは低周波画像の検出に有利であり、同図（Ｂ１）〜（Ｂ３）に示す二次微分フィルタであるラプラシアンフィルタは鮮鋭な検出に有利であることから、必要に応じて適用することができる。

なお、同図（Ａ１）〜（Ａ３）に示す一次微分フィルタは、３つの方向Ｘ１〜Ｘ３の一方向に向かう行列式であることから、３つの方向Ｘ１〜Ｘ３の逆方向に向かう行列式、すなわち同図（Ｃ１）〜（Ｃ３）に示すように行列式の数値の正負を逆にした一次微分フィルタを用いることもできる。

このような３方向Ｘ１〜Ｘ３について二次元画像のエッジ検出を行った結果を、具体例を参照して説明する。図６Ａは受光素子アレイ１６２で検出された二次元画像を示す図であり、横縞模様のシャツを着た人物Ｈの背景に建物Ｂが写っている画像である。

この二次元画像を図５（Ａ１）または（Ｂ１）または（Ｃ１）に示す水平方向Ｘ１についての微分フィルタを用いて畳み込み積分すると図６Ｂに示すような画像となる。この画像では、水平方向Ｘ１に対して直交する鉛直方向のエッジ、たとえば建物Ｂの柱や窓の縦方向の模様は鮮鋭に検出されているものの、人物Ｈが着ているシャツの横縞模様は鮮鋭に検出されない。

これに対して、図６（Ａ）に示す二次元画像を図５（Ａ２），（Ａ３），（Ｂ１），（Ｂ２），（Ｃ２），（Ｃ３）のいずれかに示すπ／３方向Ｘ２または２π／３方向Ｘ３についての微分フィルタを用いて畳み込み積分すると図６Ｃに示す画像となる。この画像では、人物Ｈが着ているシャツの横縞模様は鮮鋭に検出され、背景の建物Ｂの柱や窓の模様は鮮鋭に検出されていない。

このように、水平方向Ｘ１のコントラストを検出するだけでは目的とする被写体に対する焦点を適切に検出できないことがあるが、本例のように複数方向についてコントラストを検出することで目標被写体のコントラストを適切に検出することができる。

特徴検出部１６３Ｄは、３つの方向Ｘ１〜Ｘ３のそれぞれについて得られたコントラストをそれぞれ積算する。この積算値は、選択された焦点検出エリアＡＦＰを中心とする所定領域内における方向別のコントラスト量を示す値である。そして、３つの方向Ｘ１〜Ｘ３についての積算値を比較し、最も大きいコントラストを示す方向Ｘ１〜Ｘ３を決定する。たとえば、図４Ａにおいて焦点検出エリアＡＦＰの指定された位置がＰ１であり、π／３方向Ｘ２のコントラストが最も大きい場合は、同図に示す位置Ｐ１のマイクロレンズ１６１ａを中心にしてＸ２方向に沿った所定数のデータを抽出する。以下において、焦点検出方向をＸ２として説明する。

焦点検出方向がＸ２に決定されたら、特徴検出部１６３Ｄは、決定された焦点検出方向Ｘ２における各マイクロレンズ１６１ａの光電変換素子１６２ａ（二次元画像を構成する素子）の輝度の差分すなわちコントラストを演算する。二次元画像の輝度値をＶ［ｉ，ｊ］（ｉは光電変換素子１６２ａのＸ２方向に対する行番号、ｊは光電変換素子１６２ａのＸ２方向に対する列番号を示す）とすると、隣接する光電変換素子１６２ａのコントラストＣ［ｉ，ｊ］は、
Ｃ［ｉ，ｊ］＝｜Ｖ［ｉ，ｊ］−Ｖ［ｉ＋１，ｊ］｜ …式１
により求めることができる。

そして、演算されたコントラストＣ［ｉ，ｊ］が相対的に大きいマイクロレンズ１６１ａの中心位置の光電変換素子１６２ａの位置を特徴点として抽出する。なお、特徴抽出は上記式１にのみ限定されず、コントラストに関する物理量が検出できる方法であればよい。

図２に戻り、領域設定部１６３Ｅは、特徴検出部１６３Ｄで抽出された特徴点のうち焦点検出エリアＡＦＰの中心に近い特徴点を選択し、選択した特徴点を中心に焦点検出領域を設定する。図４Ｂに示すように、Ｘ２方向について抽出された特徴点が２つのマイクロレンズ１６１Ｘに相当する位置である場合は、これを中心にした焦点検出領域ＡＦＡを二点鎖線で示すように設定する。

なお、特徴点が焦点検出エリアＡＦＰの中心から離れた位置に存在する場合でも、特徴点を中心にして焦点検出領域ＡＦＡを設定することができ、こうすることで選択された焦点検出エリアＡＦＰのコントラストに拘わらず、コントラストの高い部分を焦点検出領域ＡＦＡとして設定することができる。

図２の画像信号抽出部１６３Ｆは、領域設定部１６３Ｅにて設定された焦点検出領域ＡＦＡ内のマイクロレンズ１６１ａに対応する複数の光電変換素子１６２ａの出力信号をメモリ１６３Ｂから読み出し、撮影レンズ２１０の異なる瞳領域を通過した対の光束による像のズレ量を示す焦点検出信号、すなわち対の焦点検出用信号列を生成する。

ここで、焦点検出演算を実行するには、ある基線長をもった２つの信号列が必要であり、信号列の方向は基線長の方向と略一致しなければならない。したがって、一つのマイクロレンズ１６１ａの中で選択される２つの点は、図８に示すようになる。図８は、π／３方向Ｘ２について焦点検出する場合の例であって、マイクロレンズ１６１ａの中心に対応する位置Ｐ３に対し、対になる２つの仮想的な瞳に対応する位置をＰ４，Ｐ５にて示す。

ここで、水平方向Ｘ１に基線を設定した場合の中心から瞳までの距離を２画素とすると、図示するπ／３方向Ｘ２が基線の場合には位置Ｐ３の座標を（０，０）に対し（１，√３）の位置に瞳が存在する。ここで、√３の座標値は整数ではないことから対応する光電変換素子１６２ａは存在しないことになるが、この位置の周囲の光電変換素子１６２ａの出力を加重平均することで実質的に指定された位置における出力を求めることができる。

画像信号抽出部１６３Ｆは、第１信号列｛ａｊ｝と、第２信号列｛ｂｊ｝（ｊは自然数）を抽出し、像ズレ量演算部１６３Ｇへ出力する。

像ズレ量演算部１６３Ｇは、第１信号列｛ａｊ｝と、第２信号列｛ｂｊ｝を用いて像ズレ演算を実行しデフォーカス量を算出する。この演算は、まず第１信号列｛ａｊ｝と第２信号列｛ｂｊ｝から一対の像（信号列）の相関演算値Ｄｋを次式により求める。

Ｄｋ＝Σ｜ａｉ＋ｋ−ｂｉ｜ …式２
式２で表わされるＤｋは離散的な値であるため、その最小値は真の最小値の近傍とみなすことができる。そのため、最小値Ｄｋの前後のＤｋ値から内挿してズレ量ｘを算出する。第１信号列｛ａｊ｝および第２信号列｛ｂｊ｝の空間的変化を正弦的変化で表わすと、連続関数としたときのＤ（ｘ）は正弦波の絶対値であるから、Ｄ（ｘ）が最小となる位置は離散的なＤｋに基づく簡単な線形近似で求めることができる。

図９に示すように、最小のＤｋをＤｉとし、これに隣接するＤｋをＤｉ＋１、Ｄｉ−１とする。Ｄｉ＋１とＤｉ−１のなかで値の大きい方を選ぶ。同図に示す例ではＤｉ−１の方が大きいのでＤｉ−１を選ぶ。そして、選んだＤｉ−１とＤｉとを結ぶ直線をＬ１とする。直線Ｌ１の傾きをαとすると、傾きが−αでＤｉ＋１を通る直線をＬ２とする。直線Ｌ１とＬ２との交点を求めると、その交点のｘが上述したズレ量ｘとなる。

図２のレンズ駆動量演算部１６４は、デフォーカス演算部１６３から送られてきたズレ量ｘに基づいて、当該ズレ量ｘをゼロにするためのレンズ駆動量Δｄを演算し、これをレンズ駆動制御部１６５へ出力する。

レンズ駆動制御部１６５は、レンズ駆動量演算部１６４から送られてきたレンズ駆動量Δｄを取り込みながら、レンズ駆動モータ２３０へ駆動指令を送出し、レンズ駆動量Δｄだけフォーカスレンズ２１１を駆動する。

以上のとおり、本例のカメラ１においては３方向Ｘ１〜Ｘ３といった複数方向についてコントラストを検出し、最もコントラストが大きい方向について焦点検出を行うので、目標とする被写体のコントラストを適切に検出することができる。

なお、図４Ａには一つのマイクロレンズ１６１ａごとに縦４個×横４個の合計１６個の光電変換素子１６２ａを正方配列した受光素子アレイ１６２を示したが、マイクロレンズ１６１ａごとの光電変換素子１６２ａの個数および配列はこれに限定されない。また、同図に示すようにマイクロレンズ１６１ａごとに光電変換素子１６２ａをまとめて配置することに代えて、図４Ｂに示すように複数のマイクロレンズ１６１ａまたはマイクロレンズアレイ１６１全体に対して受光素子アレイ１６２を配置することもできる。さらに、正方形の光電変換素子１６２ａを正方配列することに代えて、正六角形の光電変換素子をハニカム状に配列することもできる。

また、本例では撮像素子１１０とは別に二次元センサである焦点検出センサ１６２を設けたが、これに代えて撮像素子１１０の一部にマイクロレンズ１６１ａと光電変換素子１６２ａを同様の構成で設け、これにより上記の手順で焦点検出することもできる。

発明の実施形態に係る一眼レフデジタルカメラを示すブロック図である。 図１に示すカメラの焦点検出装置の構成を示すブロック図である。 図１に示すカメラの焦点検出装置の光学的配置を示す図である。 図１に示すカメラの焦点検出光学系および焦点検出センサを示す断面図である。 図１に示すカメラの焦点検出光学系および焦点検出センサの配列状態を示す平面図である。 図１に示すカメラの一つの焦点検出光学系および焦点検出センサを拡大して示す平面図である。 図１に示すカメラの焦点検出装置で用いられる微分フィルタの一例を示す行列式である。 図１に示すカメラの焦点検出センサで検出された二次元画像を示す図である。 図６Ａに示す画像を、図５（Ａ１），（Ｂ１），（Ｃ１）に示す微分フィルタを用いて処理した結果を示す図である。 図６Ａに示す画像を、図５（Ａ２），（Ａ３），（Ｂ１），（Ｂ２），（Ｃ２），（Ｃ３）に示すいずれかの微分フィルタを用いて処理した結果を示す図である。 図１に示すカメラのファインダで観察される撮影画面を示す図である。 図１に示すカメラの焦点検出装置において、π／３方向Ｘ２について焦点検出する場合の手順を説明するための、一つの焦点検出光学系および焦点検出センサを拡大して示す平面図である。 図１に示すカメラの焦点検出装置において、ズレ量ｘを算出する方法を説明するためのグラフである。

符号の説明

１…一眼レフデジタルカメラ
１００…カメラボディ
１１０…撮像素子
１６１…焦点検出光学系（マイクロレンズアレイ）
１６１ａ…マイクロレンズ
１６２…焦点検出センサ（受光素子アレイ）
１６２ａ…光電変換素子
１６３…焦点検出演算部
２００…レンズ鏡筒
２１０…撮影レンズ

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、
   前記マイクロレンズに対応して設けられた受光部を備え、前記マイクロレンズを介して結像光学系からの光束を受光する受光素子と、
   前記受光素子の受光信号に基づいて画像情報を生成し、当該画像情報における複数方向のコントラストを検出するコントラスト検出手段と、
   前記コントラストに基づいて前記複数方向の中から焦点検出する方向を選択するとともに、当該焦点検出方向に沿った前記複数のマイクロレンズの前記受光部で得られる受光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、を備えた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、
   前記コントラスト検出手段は、前記画像情報を畳み込み積分することにより前記コントラスト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、
   前記コントラスト検出手段は、微分フィルタを用いて前記コントラストを検出することを特徴とする焦点検出装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の焦点検出装置において、
   前記受光素子は、前記複数のマイクロレンズのそれぞれに対して複数の前記受光部を有し、
   前記コントラスト検出手段は、前記マイクロレンズに対応する前記複数の受光部の一部で得られる受光信号に基づいて前記画像情報を生成す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、
   前記コントラスト検出手段は、前記複数の受光部の一部で得られる受光信号を前記複数のマイクロレンズに亘って積算した信号に基づいて前記画像情報を生成することを特徴とする焦点検出装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の焦点検出装置において、
   前記マイクロレンズは、ハニカム状に配列されていることを特徴とする焦点検出装置。
7. 請求項４に記載された焦点検出装置において、
   前記コントラスト検出手段は、前記マイクロレンズの配列方向に沿って前記画像情報のコントラストを検出することを特徴とする焦点検出装置。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の焦点検出装置において、
   前記コントラスト検出手段は、前記複数のマイクロレンズの一部に対応する前記画像情報に対して前記コントラストを検出することを特徴とする焦点検出装置。
9. 請求項８に記載の焦点検出装置において、
   前記受光素子の受光信号に基づく画像情報の特徴部分を検出する特徴検出手段を備え、
   前記コントラスト検出手段は、前記複数のマイクロレンズのうち、前記特徴部分に対応する前記マイクロレンズに関する前記受光部の受光信号に基づいて前記画像情報を生成することを特徴とする焦点検出装置。
10. 請求項１〜９のいずれか一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。

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