JP2010085922A - 焦点検出装置及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】結像光学系の球面収差に応じてデフォーカス量を精度良く補正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】マイクロレンズ１６１ａを複数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複数の受光部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、前記複数の受光部のうち、前記光学系の異なる領域を通過した一対の光束を受光する一対の受光部を前記光学系の複数の絞り値に対応付けて選択し、当該一対の受光部の出力に基づいて前記光学系の像面ズレ量を演算する演算手段１６３と、を備える。
【選択図】 図２

Description

この発明は、焦点検出装置及び撮像装置に関するものである。

結像光学系の球面収差に応じてデフォーカス量を補正して最適な合焦位置を検出するカメラシステムが知られている（特許文献１）。このカメラシステムのレンズ鏡筒には、焦点検出光学系の２つの開放相当Ｆ値にそれぞれ対応した球面収差補正データが記憶されている。そして、装着されたカメラボディでこれら２つの球面収差補正データを読み取り、当該カメラボディの焦点検出光学系固有の開口相当Ｆ値に応じて最適な重み付け係数を２つの球面収差補正データに乗じることで、その焦点検出光学系に適した球面収差補正量を算出する。

特開昭６２−２２７１０８号公報

しかしながら、上述した従来のカメラシステムで得られる球面収差補正量は、一律に算出されるものであり、各カメラボディ固有の焦点検出光学系に対する補正量ではない。したがって、カメラボディの製造上の個体差などによる誤差を含むことになる。

この発明が解決しようとする課題は、結像光学系の球面収差に応じてデフォーカス量を精度良く補正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は、マイクロレンズ（１６１ａ）を複数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複数の受光部（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、前記複数の受光部のうち、前記光学系の異なる領域を通過した一対の光束を受光する一対の受光部を前記光学系の複数の絞り値に対応付けて選択し、当該一対の受光部の出力に基づいて前記光学系の像面ズレ量を演算する演算手段（１６３）と、を備えたことを特徴とする。

上記発明に係る焦点検出装置において、前記演算手段（１６３）は、前記複数の絞り値に対応した複数の前記像面ズレ量を演算し、当該演算結果に基づいて特定の絞り値に応じた前記光学系の像面ズレ量を演算するように構成することができる。

また上記発明に係る焦点検出装置において、前記演算手段（１６３）は、前記光学系による像の像高に応じた前記マイクロレンズに対応する前記複数の受光部で得られる出力に基づいて、前記光学系の像面ズレ量を演算するように構成することができる。

また上記発明に係る焦点検出装置において、前記演算手段（１６３）は、前記複数の絞り値に対応した前記複数の像面ズレ量の演算結果に基づいて、前記複数の絞り値とは異なる他の絞り値に対応した前記光学系の像面ズレ量を演算するように構成することができる。

また上記発明に係る焦点検出装置において、前記演算手段（１６３）は、前記マイクロレンズアレイ上の前記マイクロレンズの配列位置に応じて、前記一対の受光部の選択を異ならせるように構成することができる。

発明に係る撮像装置（１）は、上記発明に係る焦点検出装置と、前記光学系による像を撮像する撮像手段（１１０）と、を備えたことを特徴とする。

上記発明に係る撮像装置において、前記演算手段（１６３）は、前記撮像手段による撮像を行う際の前記光学系の制御絞り値に対応した前記像面ズレ量を求め、当該像面ズレ量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（１６３Ｋ）を備えるように構成することができる。

また上記発明に係る撮像装置において、前記マイクロレンズに対応する受光素子で得られる出力に基づいて前記光学系による像のコントラストを検出するコントラスト検出手段（１６３Ｇ）を備え、前記焦点検出手段は、前記コントラスト検出手段で検出されたコントラストが所定値以上である前記受光素子の出力に基づいて前記焦点調節状態を検出するように構成することができる。

また上記発明に係る撮像装置において、前記演算手段により演算された前記像面ズレ量を前記複数の絞り値に対応付けて記憶する記憶手段（１６３Ｊ）を備えるように構成することができる。

上記発明によれば、結像光学系の球面収差に応じてデフォーカス量を精度良く補正することができる。

以下、上記発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

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、たとえば撮影レンズ２１０固有の開放Ｆ値を送信する。

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３Ｄ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マイクロレンズ光軸中心決定部１６３Ｃからの要求に応じて出力する。

このとき、図４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４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４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４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。

ここで、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、マイクロレンズ光軸中心決定部１６３Ｃにおいて、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。

こうして各マイクロレンズの光軸中心が決定したら、撮影レンズ２１０の球面収差を評価するために、光軸中心を中心点にして複数の基線長を設定する。レンズは絞り値Ｆにて代表される光束径に応じて焦点位置が変動し、この変動の度合いはレンズによって異なり、また同一機種のレンズであっても製造上の個体差によって異なる。そこで、図３Ｅ〜図３Ｈに示すようにマイクロレンズの光軸中心に対応する光電変換素子１６２ｃを中心点にして左右対称となる一対の光電変換素子１６２ｄ，１６２ｄを選択する。

図３Ｅ〜図３Ｈに示すマイクロレンズ１６１ａの焦点距離を９０μｍ、一つの光電変換素子１６２ａの大きさを３．２μｍ×３．２μｍとすると、絞り値Ｆは焦点距離を有効口径（画素間隔）で除した値であるから、図３Ｅに示すように２ピクセルの画素間隔で選択された場合はＦ＝１４、図３Ｆに示すように４ピクセルの画素間隔で選択された場合はＦ＝７、図３Ｇに示すように６ピクセルの画素間隔で選択された場合はＦ＝４．７、図３Ｈに示すように８ピクセルの画素間隔で選択された場合はＦ＝３．５の各光学情報を得ることができる。なお、図四は省略するが１０ピクセルの画素間隔で選択された場合はＦ＝２.８の光学情報を得ることができる。これら画素間隔と絞り値の関係を図５に示す。

そして、それぞれの光電変換素子１６２ａは、撮影レンズ２１０の瞳の対応する位置と共役であるから、これにより得られた光学情報は絞り値Ｆを変化させた場合の焦点位置と相関がある情報となる。

図２に示す計算絞り値選択部１６３Ｄは、第１ステップとして２ピクセル、第２ステップとして４ピクセル、第３ステップとして６ピクセル、第４ステップとして８ピクセルといった、基線長を決定するための画素間隔を画素パターンテーブル１６３Ｅへ出力する。

画素間隔の上限はマイクロレンズ１６１ａがとり得る最小の絞り値で定まるが、マイクロレンズ１６１ａの最小絞り値を十分に小さくすることで、画素間隔の上限を撮影レンズ２１０の開放絞り値により規定することができる。すなわち、レンズ鏡筒２００側から当該撮影レンズ２１０の開放絞り値データを受け取ると、計算絞り値選択部１６３Ｄはこれに応じて開放絞り値の近傍までの各ステップの絞り値と画素間隔を決定し、これを段階的に出力する。

撮影レンズ２１０の開放絞り値データに基づいて画素間隔が決定されると、画素選択部１６３Ｆは、画素パターンテーブル１６３Ｅから絞り値−間隔の関係を表す画素選択パターンを抽出する。なお、ここで抽出される画素パターンは、所定間隔の２つの光電変換素子１６２ａを選択すればたりるが、入射光量などの条件から基線に直交する複数の光電変換素子１６２ａを選択することもできる。図３Ｅ〜図３Ｈに示す例は３つの光電変換素子１６２ａを選択した例を示す。

マイクロレンズ光軸中心決定部１６３Ｃで求められた光軸中心位置と、画素パターンテーブル１６３Ｅで抽出された画素パターンとから、それぞれ実際の光電変換素子１６２ａが特定される。

対象検出列抽出部１６３Ｇは、パターンを構成する一対の各光電変換素子１６２ａの出力をメモリ１６３Ｂから読み出して積算し、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、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１６３Ｈへ出力する。

像ズレ量演算部１６３Ｈでは瞳分割位相差方式による焦点位置の検出が実行される。すなわち、像ズレ量演算部１６３Ｈ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。第１信号列｛ａｊ｝と第２信号列｛ｂｊ｝を、マイクロレンズ１６１ａ内の基線に沿って中心と対称の位置からそれぞれａｊ（ｊ＝１，２，…Ｎ）とｂｊ（ｊ＝１，２，…Ｎ）の信号が格納されたものとすると、焦点位置、すなわち予定焦点面からの焦点のズレ量は、対象となる光電変換素子１６２ａに光学的に共役である瞳位置の視差に表れる。つまり、Ｎ個のマイクロレンズ１６１ａから切り出されたデータ列が表現する一次元の曲線が第１信号列｛ａｊ｝と第２信号列｛ｂｊ｝で視差の分だけずれることになる。像ズレ量演算部１６３Ｈにおける焦点検出演算は、この２つのデータ列にほぼ同等の画像が投影されていることを前提にして２つのデータ列間の位相のズレ量を求めるものである。

この演算は、この２つの数列の相対的な基数をずらしながら第１信号列｛ａｊ｝と第２信号列｛ｂｊ｝との差を算出し、これが最も小さくなるズレ量を求める。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。

［式１］ Ｄｋ＝Σ｜ａ_ｉ＋ｋ−ｂ_ｉ｜
式１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は、本例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。最初に、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。次に、選んだＤｉ−１とＤｉとを結ぶ直線をＬ１とする。そして、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とし、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。

像ズレ量演算部１６３Ｈにおいて、一つの画素間隔（たとえば２ピクセル）、すなわち絞り値（たとえばＦ＝１４）に対する焦点位置が求められたら、次の画素間隔（たとえば４ピクセル，Ｆ＝７）について同様の処理を実行し、その絞り値における焦点位置を求める。この処理を図５に示す全ての画素間隔について実行し、得られた各焦点位置のデータ結果を記憶部１６３Ｊに格納する。

たとえば図５に示すように画素間隔が２,４,６,８,１０ピクセルについての結果を絞り値Ｆごとに記憶させた例を図７に黒丸にて示す。これは撮影レンズ210の球面収差を離散的な値で代表したものである。そして、補正部１６３Ｋは、撮影時における実際の絞り値ｆを読み込み、記憶部１６３Ｊに格納された図７に示すテーブルから、近傍の計測値の内挿法又は外挿法を用いて、撮影レンズ２１０の球面収差による像ズレ量をゼロにする最適な焦点位置に補正する。

ここで、絞り値ｆは焦点距離を有効口径で除したものであるから、絞り値ｆの逆数１／ｆを用いて線形の画素次元−有効口径で補正する。すなわち、補正テーブルは対応する絞り値ｆの逆数１／ｆと測定値とが対応付けられたものとなる。

この補正テーブルの絞り値ｆの逆数１／ｆをｘｉ、測定値をｙｉとすると、補正テーブルは｛ｘｉ，ｙｉ｝（ただしｘｉ＜ｘ_ｉ＋１）で表わされる。そして、撮影絞り値ｆを読み取るとその逆数ｆｆ＝１／ｆから、ｘｉ≦ｆｆ≦ｘ_ｉ＋１となるｘｉを内挿法により求める。ｘｉ≦ｆｆ≦ｘ_ｉ＋１を満足する値が存在しない場合は補正テーブル外に求める値が存在することになるから、ｘｉ＝ｘ０またはｘｉ＝ｘ_ｎ−１（ｎは補正テーブルの最終値）として外挿法によりｘｉを求める。このようにして配分係数ｓを下記式２から求め、これから近傍の測定値を比例計算することで、撮影絞り値に対応する焦点位置Ｙを求めることができる。

［式２］
ｓ＝（ｆｆ−ｘｉ）／（ｘ_ｉ＋１−ｘｉ）
Ｙ＝（１−ｓ）ｙｉ＋ｓｙ_ｉ＋１
なおこの補正はスプライン関数で行うこともできる。

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においては焦点検出センサ１６２の画像から、複数の画素間隔、つまり絞り値に対応する焦点位置を演算し、これを用いて実際の撮影絞り値に相当する光束の焦点位置を求めるので、球面収差による焦点位置の変動が異なる撮影レンズであっても、精度よく焦点を検出することができる。

《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。

図８Ａ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８Ｂ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８Ａ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８Ａ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１６２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８Ｂ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８Ａ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。

この実施形態においても、焦点検出センサ１６２の画像から、複数の画素間隔、つまり絞り値に対応する焦点位置を演算し、これを用いて実際の撮影絞り値に相当する光束の焦点位置を求めるので、球面収差による焦点位置の変動が異なる撮影レンズであっても、精度よく焦点を検出することができる。

なお、図３Ｄおよび図８Ｂには一つのマイクロレンズ１６１ａごとに複数の光電変換素子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。

なお、瞳分割位相差検出方式のＡＦと撮像素子１１０で得られる画像信号に基づくコントラスト方式のＡＦ（山登りＡＦ）とを併用するハイブリッドＡＦに適用してもよい。

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３Ｄに示す一つの焦点検出光学系および焦点検出センサのうち一対の光電変換素子の選択例を示す平面図である。 図３Ｄに示す一つの焦点検出光学系および焦点検出センサのうち一対の光電変換素子の他の選択例を示す平面図である。 図３Ｄに示す一つの焦点検出光学系および焦点検出センサのうち一対の光電変換素子のさらに他の選択例を示す平面図である。 図３Ｄに示す一つの焦点検出光学系および焦点検出センサのうち一対の光電変換素子のさらに他の選択例を示す平面図である。 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に示す焦点検出装置の画素間隔と絞り値Ｆとの関係を示す図である。 図１に示すカメラの焦点検出装置において、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に示す焦点検出装置において求められる絞り値に対する焦点位置の関係を示すグラフである。 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…マイクロレンズ光軸中心決定部
１６３Ｄ…計算絞り値選択部
１６３Ｅ…画素パターンテーブル
１６３Ｆ…画素選択部
１６３Ｇ…対象検出列抽出部
１６３Ｈ…像ズレ量演算部
１６３Ｊ…記憶部
１６３Ｋ…補正部
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 (9)

1. マイクロレンズを複数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複数の受光部を備え、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、
   前記複数の受光部のうち、前記光学系の異なる領域を通過した一対の光束を受光する一対の受光部を前記光学系の複数の絞り値に対応付けて選択し、当該一対の受光部の出力に基づいて前記光学系の像面ズレ量を演算する演算手段と、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、
   前記演算手段は、前記複数の絞り値に対応した複数の前記像面ズレ量を演算し、当該演算結果に基づいて特定の絞り値に応じた前記光学系の像面ズレ量を演算することを特徴とする焦点検出装置。
3. 請求項１に記載の焦点検出装置において、
   前記演算手段は、前記光学系による像の像高に応じた前記マイクロレンズに対応する前記複数の受光部で得られる出力に基づいて、前記光学系の像面ズレ量を演算することを特徴とする焦点検出装置。
4. 請求項２又は３に記載の焦点検出装置において、
   前記演算手段は、前記複数の絞り値に対応した前記複数の像面ズレ量の演算結果に基づいて、前記複数の絞り値とは異なる他の絞り値に対応した前記光学系の像面ズレ量を演算することを特徴とする焦点検出装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の焦点検出装置において、
   前記演算手段は、前記マイクロレンズアレイ上の前記マイクロレンズの配列位置に応じて、前記一対の受光部の選択を異ならせ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と、前記光学系による像を撮像する撮像手段と、を備えたことを特徴とする撮像装置。
7. 請求項６に記載の撮像装置において、
   前記演算手段は、前記撮像手段による撮像を行う際の前記光学系の制御絞り値に対応した前記像面ズレ量を求め、当該像面ズレ量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を備えたことを特徴とする焦点検出装置。
8. 請求項６又は７に記載の撮像装置において、
   前記マイクロレンズに対応する受光素子で得られる出力に基づいて前記光学系による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で検出されたコントラストが所定値以上である前記受光素子の出力に基づいて前記焦点調節状態を検出することを特徴とする撮像装置。
9. 請求項６〜８のいずれか一項に記載の撮像装置において、
   前記演算手段により演算された前記像面ズレ量を前記複数の絞り値に対応付けて記憶する記憶手段を備えたことを特徴とする撮像装置。

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