JP2010008873A - 焦点検出装置および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出精度が高い信号列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。
【解決手段】複数のマイクロレンズ１６１ａを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、前記受光素子で得られた出力に基づく画像信号のコントラスト値を検出するコントラスト検出手段１６３と、前記画像信号による画像のうちの複数の部分画像について、前記コントラスト値を積算した積算値を求める演算手段１６３と、前記演算手段によって求めた前記積算値のうち最大値となるものが得られる前記部分画像に対応する前記受光部の出力に基づいて前記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、焦点検出精度が高い信号列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、焦点検出精度が高い信号列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。

［１］発明に係る焦点検出装置及び撮像装置は、複数のマイクロレンズ（１６１ａ）を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、
前記受光素子で得られた出力に基づく画像信号のコントラスト値を検出するコントラスト検出手段（１６３）と、
前記画像信号による画像のうちの複数の部分画像について、前記コントラスト値を積算した積算値を求める演算手段（１６３）と、
前記演算手段によって求めた前記積算値のうち最大値となるものが得られる前記部分画像に対応する前記受光部の出力に基づいて前記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。

［２］上記発明において、前記コントラスト検出手段（１６３）は、前記受光部（１６２ａ）の出力に対する微分フィルタであり、該微分フィルタの配列の大きさに応じた範囲のコントラスト値を除外するように構成することができる。

［３］上記発明において、前記演算手段（１６３）は、前記部分画像の中央部に対応するコントラスト値に対して最大の重み付けを行って前記積算値を求めるように構成することができる。

［４］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毎に前記複数の受光部の一部で得られた出力に基づく前記画像信号のコントラスト値を検出するように構成することができる。

［５］上記発明において、前記マイクロレンズアレイ（１６１）は、前記複数のマイクロレンズ（１６１ａ）をハニカム状に配列したものであり、
前記演算手段（１６３）は、前記ハニカム状に配列された複数列のマイクロレンズ（１６１ａ）に対応する受光部（１６２ａ）の出力に基づく画像を前記部分画像とするように構成することができる。

［６］上記発明において、前記コントラスト検出手段（１６３）は、隣接する前記受光部（１６２ａ）の間の位置に相当する出力を補間して求め、該補間した出力に対して前記微分フィルタを用いて前記コントラスト値を検出するように構成することができる。

上記発明によれば、焦点検出精度が高い信号列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、その光軸Ｌ１に沿って移動可能に設けられ、エンコーダ２６０によってその位置又は移動量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２６０で検出されたフォーカスレンズ２１１の位置又は移動量の情報は、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。また、レンズ駆動モータ２３０は、後述する焦点検出結果に基づいて演算された駆動量や駆動速度に応じて、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絞り値に応じた信号が、カメラ制御部１７０からレンズ制御部２５０を介して絞り駆動部２４０へ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、設定された絞り値に応じた信号がカメラ制御部１７０からレンズ制御部２５０を介して絞り駆動部２４０へ送信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。

レンズ鏡筒２００にはレンズ制御部２５０が設けられている。レンズ制御部２５０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、カメラ制御部１７０と電気的に接続され、このカメラ制御部１７０からデフォーカス量や絞り制御信号などの情報を受信するとともに、カメラ制御部１７０へレンズ情報を送信する。

一方、カメラボディ１００は、被写体からの光束を撮像素子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間で所定角度だけ回転するクイックリターンミラー１２１と、このクイックリターンミラー１２１に軸支されてクイックリターンミラー１２１の回転に合わせて回転するサブミラー１２２とを備える。

図１においては、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軸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軸Ｌ１の光路から退避するように回転する。

クイックリターンミラー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（光軸Ｌ１）の一部の光束（光軸Ｌ２，Ｌ３）を当該クイックリターンミラー１２１で反射してファインダ１３５及び測光センサ１３７へ導き、一部の光束（光軸Ｌ４）を透過させてサブミラー１２２へ導く。これに対して、サブミラー１２２は全反射ミラーで構成され、クイックリターンミラー１２１を透過した光束（光軸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（光軸Ｌ１）はファインダ１３５、測光センサ１３５および焦点検出光学系１６１へ導かれ、撮影者により被写体が観察されるとともに、露出演算やフォーカスレンズ２１１の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（光軸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、被写体からの光束の光軸Ｌ１上であって、撮影レンズ２１０の予定焦点面となる位置に設けられ、その前面にシャッター１１１が設けられている。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、クイックリターンミラー１２１で反射された被写体光からの光束は、撮像素子１１０と光学的に等価な面に配置された焦点板１３１に結像し、ペンタプリズム１３３と接眼レンズ１３４とを介して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など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、撮影者は、撮影準備状態において、ファインダ１３５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。シャッターレリーズボタンは全押ししたときにシャッターがＯＮされるが、これ以外にも、オートフォーカスモードにおいて当該ボタンを半押しするとフォーカスレンズの合焦動作がＯＮとなり、ボタンを離すとＯＦＦになる。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制御信号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。

図１に示す焦点検出光学系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４Ｃ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であり、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。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の配列状態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、図３Ｃ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３ＢのIIIC-IIIC線に沿う断面図）、図３Ｄは一つのマイクロレンズ１６１ａおよび焦点検出センサ１６２を拡大して示す平面図、図４Ａ及び図４Ｂは図１に示すファインダ１３５で観察される撮影画面を示す図、図４Ｃは図４Ｂの画像ＩＭを拡大して示す図である。

焦点検出光学系１６１は、図３Ｂ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正方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、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３Ｄ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正方配列した受光素子アレイであり、図３Ｃ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３Ｃ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。

本例のマイクロレンズ１６１ａは円形状マイクロレンズであり、マイクロレンズアレイ１６１は、このような円形マクロレンズ１６１ａが正方配列されたものである。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、円形マイクロレンズに代えて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で、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もできるがこれについては後述する。

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１６２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３Ｄ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（同図の例では縦５個×横５個）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）またはそ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。

このとき、図４Ａに示す焦点検出エリアＡＦＰ１〜１１のいずれか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１６１ａに対応する光電変換素子１６２ａからの出力だけを読み出す。

図４Ａ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が設定されているものとする。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４Ａに示す焦点検出エリアＡＦＰ７が選択された場合は、この焦点検出エリアＡＦＰ７を中心にした所定範囲（図４Ａに点線で示す。）に相当するマイクロレンズ１６１ａに対応する光電変換素子１６２ａからの出力を読み出す。

図２に戻り、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（たとえば図４のＡＦＰ７）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。たとえば、図４Ｂに示すように人物の顔を含む画像を撮影している場合に焦点検出エリアＡＦＰ７が選択されたときは、同図に点線で示す焦点検出エリアＡＦＰ７を含む範囲ＩＭの画像データを抽出する。これにより抽出された画像データを図４Ｃに示す。

この選択領域の切り出し処理に先立って、上述した瞳の共役関係を担保するために撮影レンズ２１０の瞳中心位置を計算する必要がある。これは、通常マイクロレンズアレイ１６１と受光素子アレイ１６２とは独立して製造されたうえで組み立てられることから、どの光電変換素子１６２ａがどのマイクロレンズ１６１ａのどこの位置に相当するかが不確定だからである。また、一眼レフカメラ１ではレンズ鏡筒２００が交換されることが想定されるから、マイクロレンズ１６１ａから見た撮影レンズ２１０の瞳の位置が変化する。このため、撮影レンズ２１０の瞳中心位置と共役関係にある光電変換素子１６２ａの位置をマイクロレンズ１６１ａの中心に決定する。

この各マイクロレンズ１６１ａの中心に対応する光電変換素子１６２ａの位置は、撮影レンズ２１０の光軸Ｌ１に対するマイクロレンズ１６１ａの位置（像高）とマイクロレンズ１６１ａから撮影レンズ２１０の瞳までの距離から求めることができる。たとえば、マイクロレンズ１６１ａから撮影レンズ２１０の瞳までの距離が既知であるレンズ鏡筒において、各マイクロレンズ１６１ａの中心位置のデータ群を予めレンズ制御部２５０のメモリなどに記憶させておき、現在の撮影レンズ２１０の瞳までの距離に基づいて、内挿又は外挿演算により現在の撮影レンズ２１０の中心位置を演算する。

そして、求められた各マイクロレンズ１６１ａの光軸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。図３Ｄに示す縦５個×横５個の光電変換素子１６２ａを有する受光素子アレイ１６２において、たとえば同図に塗りつぶした中央の光電変換素子１６２ｃの画像データを抽出する。

なお、撮影レンズ２１０の瞳までの距離が不明である場合には、瞳までの距離を無限位置とし、マイクロレンズ１６１ａと光電変換素子１６２ａとの位置関係のみから求めた中心位置を用いることもできる。

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３Ｂに示すように円形のマイクロレンズ１６１ａが正方配列したものであることから、画像データも正方配列である。したがって、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ができる。図４Ｃに示す画像ＩＭを構成する一つひとつの画素ＰＣが一つのマイクロレンズ１６１ａの中心位置に対応する光電変換素子１６２ｃからの画像データに相当する。

図２の特徴検出部１６３Ｄは、二次元画像生成部１６３Ｃで生成されたパンフォーカスの二次元画像（図４Ｃ参照）を畳み込み積分（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信号列を選択する。

こ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、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。図５は、本例で適用する微分フィルタの一例を示す行列式である。

図５に示すＡ１およびＡ２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、フィルタＡ１は、水平方向および垂直方向の合計４方向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り、フィルタＡ２は、水平方向、垂直方向および両対角方向の合計８方向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。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画像（高周波画像）の検出に有利であり、Ａ１，Ａ２のどちらのフィルタも用いることができる。

特徴検出部１６３Ｄは、図４Ｃに示す焦点検出エリアＡＦＰ７を中心とする所定領域内におけるパンフォーカスの二次元画像について、上記ラプラシアンフィルタＡ１又はＡ２を用いてフィルタ処理を実行する。このフィルタ処理は、同図に示すように二次元画像データＩＭのたとえば左上の３画素×３画素を最初の処理対象画像データとして行列演算を実行し、順次水平方向（列ｊ方向）に１画素（１列）ずつずらしながら同様の行列演算を実行する。最初の１行（ｉ＝１）の行列演算を終了すると、垂直方向（行ｉ方向）に１画素（１行）ずらし、同様にして左の３画素×３画素から右へ向かって行列演算を実行する。

なお、図４Ｃに示す１０行×１４列の画素からなる画像データＩＭに対して図５に示す３×３行列式によるフィルタ処理を実行すると、８×１２のマトリックスデータが得られるが、画像データＩＭのうちの最外周の画素に対するコントラストは除外することになる。したがって、フィルタ行列式の大きさに応じて画像データＩＭの抽出範囲を適宜設定することが好ましい。

特徴検出部１６３Ｄは、選択された焦点検出アリアＡＦＰ７を中心とする所定領域ＩＭの全てについて、各行ｉについて得られたコントラストＰをそれぞれ積算して積算値Ｉを演算する。この積算値演算は、移動平均値の演算（移動しながらデータの平均を求める方法）要領で行うことができる。

Ｉ＝ΣＰ…式１
この積算値Ｉは、選択された焦点検出エリアＡＦＰ７を中心とする所定領域ＩＭ内における行ｉ別のコントラスト量を示す値、すなわちコントラスト評価値である。

ここで、各行ｉのコントラスト評価値の相関演算を行ってその極小値の位置を焦点位置とみなすことを考慮すると、後述する焦点検出演算においてはコントラストが中央付近にあるほど演算精度が良好となるから、上記式１の積算演算にあたり積算する各行ｉの中央付近で重みが大きくなる係数を付加することもできる。

Ｉ＝ΣαＰ…式２
式２において、積算値Ｉがその中央付近で重みが大きくなる係数αとして、たとえばｅｘｐ｛−ｋ（ｘ−ｎ／２）^２｝を適用することができる。

そして、各行ｉの積算値Ｉを比較し、最も大きいコントラストを示す行ｉを検出し、領域設定部１６３Ｅへその情報を出力する。たとえば、図４Ｃの焦点検出エリアＡＦＰ７において、矢印で示す第８行目のコントラスト評価値が最も大きい場合は、この第８行目で焦点検出を行うこととする。この決定された第８行目の信号群はそれぞれ対応するマイクロレンズ群が存在するから、その検出された信号群情報を領域設定部１６３Ｅから画像信号抽出部１６３Ｆへ出力する。

このとき仮に、コントラスト評価値である積算値Ｉが最も大きい信号群が複数存在したときは、たとえば所定領域ＩＭの最も中央にある信号群を選択するようにプログラムすることができる。またこれに代えて、焦点検出エリアＡＦＰが撮影者のマニュアル操作により選択されたものである場合は、その撮影者の意図をよく反映した、たとえば焦点検出エリアＡＦＰに最も近い信号群（これも複数ある場合は、焦点検出エリアＡＦＰの最も中央にある信号群）を選択するようにプログラムすることもできる。

領域設定部１６３Ｅは、特徴検出部１６３Ｄで検出されたコントラスト評価値が最大となる焦点検出列を中心に焦点検出領域を設定する。なお、本例によれば抽出された焦点検出列が焦点検出エリアＡＦＰの中心から離れた位置に存在する場合でも、焦点検出列を中心にして焦点検出領域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として設定することができる。

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。そして、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３
式３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６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に戻り、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においてはコントラスト評価値が最大となる焦点検出列を検出し、この最もコントラスト評価値が大きい検出列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。

すなわち、撮影する際に人物の顔に焦点を合わせることは定常的に行われているが、人の肌はコントラストが小さく焦点検出には適さない。また、人の目の位置にピンポイントで焦点を合わせることも行われているものの、従来のカメラではこうした焦点検出のピンポイント位置を撮影者がカメラボディを動かすことで行っていた。ファインダ内には複数の焦点検出エリアが設定されているが、人の目などのようなピンポイント位置に焦点検出エリアを自動的に合わせることはできなかった。

これに対して本例のカメラ１によれば、選択された焦点検出エリアＡＦＰを含む所定範囲のうちコントラスト評価値が最も大きくなる信号列を検出するので、焦点検出エリアにコントラストが小さい肌が含まれていても、あるいは人の目に焦点検出エリアを合わせなくても、最もコントラストが大きい領域を選択して、この領域で焦点検出を行うことができる。

《他の実施形態》
上述した実施形態では、図３Ｂに示す円形のマイクロレンズ１６１ａを正方配列したマイクロレンズアレイ１６１を用いたが、正六角形のマクロレンズ１６１ａをハニカム状に稠密配列したマイクロレンズアレイ１６１を用いることもできる。

ただし、正六角形のマイクロレンズ１６１ａをハニカム状に稠密配列したマイクロレンズアレイ１６１は、上述した図３Ｂに示すマイクロレンズアレイ１６１に比べ、偶数行と奇数行の位置が半ピッチずれていることから、図４Ｃに示すパンフォーカス画像を生成する場合などの演算方法が相違する。この相違点を中心に正六角形のマクロレンズ１６１ａをハニカム状に稠密配列したマイクロレンズアレイ１６１を用いた他の実施形態について説明する。

図７Ａは、他の実施形態に係る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。図７Ｂは、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。

本例の焦点検出光学系１６１は、図７Ａ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、上記実施形態の図３Ａに示すものと同様に、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。

これに対し、焦点検出センサ１６２は、図７Ａ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、上記実施形態の図３Ｃに示すものと同様に、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。

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。

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、上記実施形態と同様に、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７Ｂ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。

このように構成された本例のマイクロレンズアレイ１６１は、図７Ａ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となる。このため、図２の二次元画像生成部１６３Ｃにおいてパンフォーカスの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。そして、正方配列に再配置されたパンフォーカスの二次元画像を生成したあとは、上述した実施形態と同様の処理を行うことができる。

この実施形態においても、コントラスト評価値が最大となる焦点検出列を検出し、この最もコントラスト評価値が大きい検出列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および図７Ａには一つのマイクロレンズ１６１ａごとに縦５個×横５個の合計２５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を配置することに代えて、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、上述した実施形態では、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の配列状態を示す平面図である。 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を示す断面図である。 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に示すファインダで観察される撮影画面を示す図である。 図４Ｂの画像ＩＭを拡大して示す図である。 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。 図１に示すカメラの他の実施形態に係る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７Ａ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。

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
１６３Ｃ…二次元画像生成部
１６３Ｄ…特徴抽出部
１６３Ｅ…領域設定部
１６３Ｆ…画像信号抽出部
１６３Ｇ…像ズレ量演算部
１６３Ｈ…デフォーカス量演算部
１６４…レンズ駆動量演算部
２００…レンズ鏡筒
２１０…撮影レンズ
２１１…フォーカスレンズ

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光学系からの光束を受光する受光素子と、
   前記受光素子で得られた出力に基づく画像信号のコントラスト値を検出するコントラスト検出手段と、
   前記画像信号による画像のうちの複数の部分画像について、前記コントラスト値を積算した積算値を求める演算手段と、
   前記演算手段によって求めた前記積算値のうち最大値となるものが得られる前記部分画像に対応する前記受光部の出力に基づいて前記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、
   前記コントラスト検出手段は、前記受光部の出力に対する微分フィルタであり、該微分フィルタの配列の大きさに応じた範囲のコントラスト値を除外することを特徴とする焦点検出装置。
3. 請求項１または２に記載の焦点検出装置において、
   前記演算手段は、前記部分画像の中央部に対応するコントラスト値に対して最大の重み付けを行って前記積算値を求め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毎に前記複数の受光部の一部で得られた出力に基づく前記画像信号のコントラスト値を検出することを特徴とする焦点検出装置。
5. 請求項２〜４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アレイは、前記複数のマイクロレンズをハニカム状に配列したものであり、
   前記演算手段は、前記ハニカム状に配列された複数列のマイクロレンズに対応する受光部の出力に基づく画像を前記部分画像と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、
   前記コントラスト検出手段は、隣接する前記受光部の間の位置に相当する出力を補間して求め、該補間した出力に対して前記微分フィルタを用いて前記コントラスト値を検出することを特徴とする焦点検出装置。
7. 請求項１〜６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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