JP2020101722A - 焦点検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】瞳分割位相差方式で、焦点検出可能な像高範囲を拡大することができる焦点検出装置を提供する。【解決手段】上方に第１の光学素子が配置された第１の焦点検出画素を有する第１の焦点検出画素群と、上方に第２の光学素子が配置された第２の焦点検出画素を有する第２の焦点検出画素群と、を有し、第１の光学素子の頂点から焦点検出素子の中央部側にある端部までの距離ｄ１１は、像高に応じた変化量Δｄ１だけ短くなり、第１の光学素子の頂点から焦点検出素子の周辺部側にある端部までの距離ｄ１２は、像高に応じた変化量Δｄ１だけ長くなり、第２の光学素子の頂点から焦点検出素子の中央部側にある端部までの距離ｄ２１は、像高に応じた変化量Δｄ１とは異なる変化量Δｄ２だけ短くなり、第２の光学素子の頂点から前記焦点検出素子の周辺部側にある端部までの距離ｄ２２は、像高に応じた前記変化量Δｄ２だけ長くなることを特徴とする。【選択図】図４

Description

本発明は、焦点検出素子から出力される光電変換信号に基づいて焦点検出を行う焦点検出装置に関する。

交換レンズの焦点状態を検出する方式の一つとして、各画素にマイクロレンズが形成された２次元の焦点検出素子を用いて瞳分割方式の焦点検出を行う撮像面位相差方式の自動焦点検出方法（撮像面位相差ＡＦ）が知られている。

特許文献１には、瞳分割方式の焦点検出を行うために、焦点検出素子を構成する各画素の光電変換部が複数に分割されており、分割された光電変換部がマイクロレンズを介して交換レンズの瞳の異なる領域を通過した光束を受光するように構成されている。

撮像面位相差ＡＦは、焦点検出素子に形成された焦点検出画素により焦点検出方向と焦点検出量を同時に検出することが可能であり、高速に焦点調節を行うことができる。撮像面位相差ＡＦで、交換レンズの射出瞳距離と焦点検出素子の入射瞳距離が異なる場合、焦点検出素子の像高が高くなると、交換レンズの射出瞳と焦点検出素子の入射瞳との間で瞳ずれが生じる。撮像面位相差ＡＦでは、瞳ずれが生じるに伴い、瞳分割された各瞳部分領域の非対称性が大きくなり、焦点検出精度が低下してしまう。

特許文献２には、焦点検出素子の中心部から周辺部に向かうほど、マイクロレンズが中心部側にずれており、中心部側に対する位置ずれ量が互いに異なる行を有する撮像装置が開示されている。

また特許文献３には、交換レンズの射出瞳距離が焦点検出素子の入射瞳距離よりも短い場合に周辺像高で起こる集光性能の低下が抑制された光学素子アレイが開示されている。

特開２００８−５２００９号公報 特許第５５４２２４９号公報 特開２０１５−７５６６３号公報

しかしながら、交換レンズの射出瞳距離が非常に短い場合、像高が高くなるとマイクロレンズに入射する光束の入射角が大きくなる。特許文献２では、マイクロレンズをずらせる距離が隣接するマイクロレンズによって制限される為、像高が高くなると集光効率が低下してしまう。特許文献３では、射出瞳距離が非常に短い交換レンズに対応出来たとしても、交換レンズの射出瞳距離の変化が大きい場合には、射出瞳距離が短い交換レンズから射出瞳距離が長い交換レンズまで対応することができない。そのため、射出瞳距離の変化が大きい場合に、瞳分割位相差方式による焦点検出可能な像高範囲が限定されてしまうという課題がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、射出瞳距離の変化が大きい場合に、瞳分割位相差方式による焦点検出可能な像高範囲を拡大することにある。

上記の目的を達成するために、本発明に係る焦点検出装置は、
結像光学系の異なる瞳部分領域をそれぞれ通過する光束を受光する複数の光電変換部と、
前記複数の光電変換部の上方に第１の光学素子が配置された第１の焦点検出画素を有する第１の焦点検出画素群と、
前記複数の光電変換部の上方に第２の光学素子が配置された第２の焦点検出画素を有する第２の焦点検出画素群と、を有する焦点検出素子と、
前記複数の光電変換部から得られる焦点検出信号から像ずれ量を検出する焦点検出手段と、を有する焦点検出装置であって、
前記第１の光学素子の頂点から前記焦点検出素子の中央部側にある端部までの距離ｄ１１は、像高に応じた変化量Δｄ１だけ短くなり、
前記第１の光学素子の頂点から前記焦点検出素子の周辺部側にある端部までの距離ｄ１２は、像高に応じた前記変化量Δｄ１だけ長くなり、
前記第２の光学素子の頂点から前記焦点検出素子の中央部側にある端部までの距離ｄ２１は、像高に応じた前記変化量Δｄ１とは異なる変化量Δｄ２だけ短くなり、
前記第２の光学素子の頂点から前記焦点検出素子の周辺部側にある端部までの距離ｄ２２は、像高に応じた前記変化量Δｄ２だけ長くなることを特徴とする。

本発明に係る焦点検出装置によれば、撮像面での瞳分割位相差方式による焦点検出において、焦点検出可能な像高範囲を拡大することができる。

実施形態における焦点検出装置のブロック図 実施形態における焦点検出素子を示す図 実施形態における焦点検出素子の画素配置を示す図 実施形態における第１の焦点検出画素と第２の焦点検出画素を示す図 実施形態における第１の焦点検出画素群と第２の焦点検出画素群を示す図 実施形態における射出瞳距離の変化が大きい場合の対応を示す図 実施形態における第１の光学素子と第２の光学素子とずれ量Δを示す図

以下、図面を参照しながら本発明の例示的な実施形態について説明する。なお、実施形態は発明の理解と説明を容易にするため、具体的かつ特定の構成を有するが、本発明はそのような特定の構成に限定されない。例えば、以下では本発明をレンズ交換可能な焦点検出装置に適用した実施形態について説明するが、本発明はレンズ交換できないタイプの焦点検出装置に対しても適用可能である。また、焦点検出装置を備えた任意の電子機器、例えば携帯電話機、パーソナルコンピュータ（ラップトップ、タブレット、デスクトップ型など）、ゲーム機などで実施することもできる。

（第１の実施形態）
［全体構成−レンズユニット］
図１は、複数の交換レンズを装着可能な焦点検出装置とその交換レンズからなる焦点検出システムの構成を示す図である。

本実施形態の焦点検出システムは、交換レンズからなるレンズユニット１００と焦点検出装置本体１２０とを有する。レンズユニット１００は図中央の点線で示されるマウントＭを介して、焦点検出装置本体１２０に装着される。

レンズユニット１００は、光学系（第１レンズ群１０１、絞り１０２、第２レンズ群１０３、フォーカスレンズ群（以下、単に「フォーカスレンズ」という）１０４）及び、駆動／制御系を有する。

第１レンズ群１０１はレンズユニット１００の先端に配置され、光軸方向ＯＡに移動可能に保持される。絞り１０２は、光量を調節する。絞り１０２及び第２レンズ群１０３は一体で光軸方向ＯＡに移動可能であり、第１レンズ群１０１と連動して移動することによりズーム機能を実現する。第３レンズ群１０４（フォーカスレンズ）も光軸方向ＯＡに移動可能であり、位置に応じてレンズユニット１００が合焦する被写体距離（合焦距離）が変化する。フォーカスレンズ１０４の光軸方向ＯＡにおける位置を制御することにより、レンズユニット１００の合焦距離を調節する焦点調節を行う。

駆動／制御系は、ズームアクチュエータ１１１、絞りアクチュエータ１１２、フォーカスアクチュエータ１１３、ズーム駆動回路１１４、絞り絞り駆動回路１１５、フォーカス駆動回路１１６、レンズＭＰＵ１１７、レンズメモリ１１８を有する。

ズーム駆動回路１１４は、ズームアクチュエータ１１１を用いて第１レンズ群１０１や第３レンズ群１０３を光軸方向ＯＡに駆動し、レンズユニット１００の光学系の画角を制御する。絞り駆動回路１１５は、絞りアクチュエータ１１２を用いて絞り１０２を駆動し、絞り１０２の開口径や開閉動作を制御する。フォーカス駆動回路１１６はフォーカスアクチュエータ１１３を用いてフォーカスレンズ１０４を光軸方向ＯＡに駆動し、レンズユニット１００の光学系の合焦距離を制御する。また、フォーカス駆動回路１１６は、フォーカスアクチュエータ１１３を用いてフォーカスレンズ１０４の現在位置を検出する。

レンズＭＰＵ（プロセッサ）１１７は、レンズユニット１００に係る全ての演算、制御を行い、ズーム駆動回路１１４、絞り駆動回路１１５、フォーカス駆動回路１１６を制御する。また、レンズＭＰＵ１１７は、マウントＭを通じて焦点検出装置ＭＰＵ１２５と接続され、コマンドやデータを通信する。例えばレンズＭＰＵ１１７はフォーカスレンズ１０４の位置を検出し、焦点検出装置ＭＰＵ１２５からの要求に対してレンズ位置情報を通知する。このレンズ位置情報は、フォーカスレンズ１０４の光軸方向ＯＡにおける位置、光学系が移動していない状態の射出瞳の光軸方向ＯＡにおける位置および直径、射出瞳の光束を制限するレンズ枠の光軸方向ＯＡにおける位置および直径などの情報を含む。

またレンズＭＰＵ１１７は、焦点検出装置ＭＰＵ１２５からの要求に応じて、ズーム駆動回路１１４、絞り駆動回路１１５、フォーカス駆動回路１１６を制御する。レンズメモリ１１８は撮像面位相差ＡＦに必要な光学情報が予め記憶されている。焦点検出装置ＭＰＵ１２５は例えば内蔵する不揮発性メモリやレンズメモリ１１８に記憶されているプログラムを実行することで、レンズユニット１００の動作を制御する。

［全体構成−焦点検出装置］
焦点検出装置本体１２０は、光学系（光学ローパスフィルタ１２１および焦点検出素子１２２）と、駆動／制御系とを有する。

焦点検出素子１２２はＣＭＯＳイメージセンサと周辺回路で構成され、横方向ｍ画素、縦方向ｎ画素（ｎ，ｍは２以上の整数）が配置される。本実施形態の焦点検出素子１２２は、瞳分割機能を有し、画像データを用いた撮像面位相差ＡＦを行う。画像処理回路１２４は、焦点検出素子１２２が出力する画像データから、焦点検出信号を生成する。

駆動／制御系は、焦点検出素子駆動回路１２３、焦点検出装置ＭＰＵ１２５、操作スイッチ群１２７、焦点検出部１２９を有する。本発明の焦点検出手段は焦点検出部１２９で行わる。

焦点検出素子駆動回路１２３は、焦点検出素子１２２の動作を制御するとともに、取得した画像信号をＡ／Ｄ変換して焦点検出装置ＭＰＵ１２５に送信する。

焦点検出装置ＭＰＵ（プロセッサ）１２５は、焦点検出装置本体１２０に係る全ての演算、制御を行い、センサ駆動回路１２３、操作スイッチ群１２７、メモリ１２８、焦点検出部１２９を制御する。焦点検出装置ＭＰＵ１２５はマウントＭを介してレンズＭＰＵ１１７と接続され、レンズＭＰＵ１１７とコマンドやデータを通信する。焦点検出装置ＭＰＵ１２５はレンズＭＰＵ１１７に対し、レンズ位置の取得要求や、所定の駆動量での絞り、フォーカスレンズ、ズーム駆動要求や、レンズユニット１００に固有の光学情報の取得要求などを発行する。焦点検出装置ＭＰＵ１２５には、焦点検出装置動作を制御するプログラムを格納したＲＯＭ１２５ａ、変数を記憶するＲＡＭ１２５ｂ、諸パラメータを記憶するＥＥＰＲＯＭ１２５ｃが内蔵されている。

操作スイッチ群１２７は、電源スイッチ、焦点検出スイッチ、ズーム操作スイッチ等で構成される。

焦点検出部１２９は、信号処理回路１２４により得られる撮像面位相差ＡＦ用信号を用いて、本発明の焦点検出手段である撮像面位相差ＡＦで焦点検出処理を行う。具体的には、信号処理回路１２４が撮像面位相差ＡＦ用信号として撮影光学系の一対の瞳領域を通過する光束で形成される一対の像データを生成し、焦点検出部１２９がこの一対の像データのずれ量に基づいて焦点ずれ量を検出する。

このように、本実施形態の焦点検出部１２９は、焦点検出素子１２２の出力に基づく撮像面位相差ＡＦを行う。焦点検出部１２９の動作については後で詳細に説明する。

［焦点検出素子−画素配置］
本実施形態における焦点検出素子に関して説明する。

図２は本発明の焦点検出素子を示している。Ｌｉｎｅ１は、本発明の第１の焦点検出画素群を示しており、Ｌｉｎｅ２は、本発明の第２の焦点検出画素群を示している。図３は、本発明の焦点検出素子の画素配列の概略図示したものであり、この画素配列が面上に多数配置されている。

本発明の焦点検出素子はベイヤー配列のカラーフィルタが設けられている。本実施形態のベイヤー配列は、例えば、奇数行の画素には、左から順に緑（Ｇ）と赤（Ｒ）のカラーフィルタがＸ方向に交互に配置され、偶数行の画素には、左から順に青（Ｂ）と緑（Ｇ）のカラーフィルタがＸ方向に交互に配置されている。２１１は本発明の焦点検出画素を示しており、円２１１ｉはマイクロレンズ（ＭＬ１，ＭＬ２）を示しており、マイクロレンズの内側に配置された複数の矩形２１１ａ，２１１ｂは本発明の複数の光電変換部を示している。

［焦点検出素子−マイクロレンズ］
本発明の第１の光学素子（ＭＬ１）と第２の光学素子（ＭＬ２）について図４を用いて説明する。

図４（ａ）は図２で示したＰｏｓｉｔｉｏｎ１におけるＭＬ１のマイクロレンズ形状を示しており、図４（ｂ）は図２で示したＰｏｓｉｔｉｏｎ２におけるＭＬ２のマイクロレンズ形状を示している。ＭＬ１とＭＬ２はマイクロレンズの形状が互いに異なっており、それぞれの焦点検出画素群の入射瞳距離（ＳＰＤ）が異なる。本実施形態では、異なるマイクロレンズＭＬ１とＭＬ２を有するＬｉｎｅ１、Ｌｉｎｅ２が図２のように配置されている場合について説明するが、異なる位置に配置されても良い。また、異なるマイクロレンズＭＬ１とＭＬ２とは異なるマイクロレンズを有する焦点検出画素群が含まれていても良い。

ＭＬ１は曲率半径ｒを有し、水平Ｘ方向の端部から端部までの距離ｄ１（＝ｄ１１＋ｄ１２）のマイクロレンズである。ｄ１１は、ＭＬ１の頂点からＭＬ１の焦点検出素子の中央部側（図４では、＋Ｘ側）の端部までの距離であり、ｄ１２は、ＭＬ１の頂点からＭＬ１の焦点検出素子の周辺部側（図４では、−Ｘ側）の端部までの距離である。ｄ１１とｄ１２は像高に応じた変化量（Δｄ１）だけ変化する。また、Δｄ１は像高に応じて焦点検出素子の中央部側に変化する為、ｄ１１≦ｄ１２の関係でＭＬ１の形状は変化する。ＭＬ２も同様に変化するが、Δｄ１＜Δｄ２だけ変化する点が異なる。

なお、本実施形態では、ＭＬ１とＭＬ２は曲率半径ｒを有するマイクロレンズとして説明したが、異なる複数の曲率半径によって前述したｄ１１とｄ１２、ｄ２１とｄ２２の関係となるような構成であっても良い。

次に、本発明の第１の焦点検出画素群と第２の焦点検出画素群について図５を用いて説明する。

図５（ａ）は図４（ａ）のＭＬ１を有する図２のＬｉｎｅ１の入射瞳距離ＳＰＤ１を示しており、図５（ｂ）は図４（ｂ）のＭＬ２を有する図２のＬｉｎｅ２の入射瞳距離ＳＰＤ２を示している。ＭＬ１の像高に応じた頂点の移動量Δｄ１は、ＭＬ２の像高に応じた頂点の移動量Δｄ２とΔｄ１＜Δｄ２の関係にある。これより、ＭＬ２の方がＭＬ１よりも高入射角で入射した光束を受光することができる為、ＭＬ１の入射瞳距離ＳＰＤ１とＭＬ２の入射瞳距離ＳＰＤ２は、ＰＤ１＞ＰＤ２の関係にある。本発明では、入射瞳距離（ＳＰＤ１とＳＰＤ２）が異なる２種類のマイクロレンズを有する焦点検出素子として説明したが、２種類以上のマイクロレンズを有しても良い。

［焦点検出］
図３に示した焦点検出用画素２１１の光電変換部２１１ａをｘ方向に規則的に配列し、これら複数の焦点検出用画素から取得した被写体像をＡ像とする。同様に、図３に示した焦点検出用画素２１１ｂをｘ方向に規則的に配列し、これら複数の焦点検出用画素から取得した被写体像をＢ像とする。そして、Ａ像とＢ像の像ずれ量（相対位置）から本発明の焦点検出手段を用いて、デフォーカス量（合焦ずれ量）を算出し、焦点検出を行うことができる。

［射出瞳距離の変化が大きい場合の対応］
本実施形態における交換レンズの射出瞳距離の変化が大きい場合の対応について説明する。

図６に、焦点検出素子の周辺像高における焦点検出用画素の複数の光電変換部２１１ａ、２１１ｂの各瞳領域（１００ａ、２００ａ、１００ｂ、２００ｂ）、および結像光学系の射出瞳の関係を示す。ＬＰＤ１、ＬＰＤ２は交換レンズの射出瞳距離を示しており、ＬＰＤ１＞ＬＰＤ２の関係にある。ＳＰＤ１、ＳＰＤ２は焦点検出素子の入射瞳距離を示している。図６（ａ）は本発明の第１の焦点検出画素群に関して示しており、図６（ｂ）は本発明の第２の焦点検出画素群に関して示している。

図６（ａ）において、結像光学系の射出瞳距離がＬＰＤ１の場合、ＬＰＤ１とＳＰＤ１が概ね一致する。この場合は、光電変換部２１１ａの瞳領域１００ａと光電変換部２１１ｂの瞳領域１００ｂにより、結像光学系の射出瞳Ｗ１１が、概ね、均等に瞳分割される。

これに対して、図６（ａ）において、結像光学系の射出瞳距離がＬＰＤ２の場合、ＬＰＤ２がＳＰＤ１に対して非常に短い場合、焦点検出素子の周辺像高では、結像光学系の射出瞳Ｗ１２が、不均一に瞳分割されてしまう。

瞳分割が不均一になるのに伴い、Ａ像とＢ像の強度も不均一になり、Ａ像とＢ像のいずれか一方の強度が大きくなり、他方の強度が小さくなる。そのため、周辺像高などで、このＡ像とＢ像の強度の不均一が激しくなると、Ａ像とＢ像の一方の信号が十分な強度で得られなくなり、焦点検出性能が低下してしまう。

本実施形態では、入射瞳距離が異なる第１の焦点検出画素群（Ｌｉｎｅ１）と第２の焦点検出画素群（Ｌｉｎｅ２）を予め、焦点検出素子に配置しておく。

その為、結像光学系の射出瞳距離ＬＰＤ２の場合には、第２の焦点検出画素群（Ｌｉｎｅ２）で焦点検出を行う。図６（ｂ）において、結像光学系の射出瞳距離ＬＰＤ２の場合、ＬＰＤ２とＳＰＤ２が概ね一致する。この場合は、光電変換部２１１ａの瞳領域２００ａと光電変換部２１１ｂの瞳領域２００ｂにより、結像光学系の射出瞳Ｗ２２が、概ね、均等に瞳分割される。

図６（ｂ）では、図６（ａ）とは異なり、結像光学系の射出瞳距離がＬＰＤ１の場合、ＬＰＤ１がＳＰＤ２に対して非常に長い場合、焦点検出素子の周辺像高では、結像光学系の射出瞳Ｗ１２が、不均一に瞳分割されてしまう。

以上のことから、結像光学系の射出瞳距離（ＬＰＤ１，ＬＰＤ２）に応じて、適切な焦点検出素子の入射瞳距離（ＳＰＤ１，ＳＰＤ２）となる焦点検出画素群（Ｌｉｎｅ１，Ｌｉｎｅ２）を選択することで周辺像高でも瞳ずれを抑制し、均一な瞳分割を行うことができ、焦点検出性能を向上することができる。適切な焦点検出画素群の選択方法は、交換レンズから得られる射出瞳距離と焦点検出素子の焦点検出画素群毎の入射瞳距離とを比較して、瞳距離差が小さい焦点検出画素群を選択するなどして行う。

以上の構成により、射出瞳距離の変化が大きい場合に対応し、瞳分割位相差方式による焦点検出可能な像高範囲を拡大することが可能となる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について、図７を用いて以下に説明する。第２の実施形態では、第１の光学素子と第２の光学素子が、像高に応じた変化量（Δｄ１、Δｄ２）に応じて、形状が変わるだけでなく、像高に応じたずれ量Δだけ位置がずれている。これにより、焦点検出素子の入射瞳距離を更に短く設定することが可能となる。

図７は図４に対して、像高に応じたずれ量ΔだけＭＬ１，ＭＬ２がずれている点が異なる。これにより、ＭＬ１とＭＬ２の頂点の像高に応じた変化量はΔ＋Δｄ１、もしくはΔ＋Δｄ２となり、焦点検出素子の入射瞳距離（ＳＰＤ１、ＳＰＤ２）を更に短く設定することが可能となる。

また、本発明の第１の実施形態と第２の実施形態を組み合わせることで、所定の入射瞳距離が設定された焦点検出画素群を有する焦点検出素子としても良い。具体的には、像高に応じた変化量とずれ量を調整することで実現できる。

以上の構成により、射出瞳距離の変化が大きい場合に対応し、瞳分割位相差方式による焦点検出可能な像高範囲を拡大することが可能となる。さらに、入射瞳距離の対応範囲を射出瞳距離が短い側に設定することが可能となる。

１００ レンズユニット、１０１ 第１レンズ群、１０２ 絞り、
１０３ 第２レンズ群、１０４ フォーカスレンズ群、１２０ 焦点検出装置本体

Claims (3)

1. 結像光学系の異なる瞳部分領域をそれぞれ通過する光束を受光する複数の光電変換部と、
   前記複数の光電変換部の上方に第１の光学素子が配置された第１の焦点検出画素を有する第１の焦点検出画素群と、
   前記複数の光電変換部の上方に第２の光学素子が配置された第２の焦点検出画素を有する第２の焦点検出画素群と、を有する焦点検出素子と、
   前記複数の光電変換部から得られる焦点検出信号から像ずれ量を検出する焦点検出手段と、を有する焦点検出装置であって、
   前記第１の光学素子の頂点から前記焦点検出素子の中央部側にある端部までの距離ｄ１１は、像高に応じた変化量Δｄ１だけ短くなり、
   前記第１の光学素子の頂点から前記焦点検出素子の周辺部側にある端部までの距離ｄ１２は、像高に応じた前記変化量Δｄ１だけ長くなり、
   前記第２の光学素子の頂点から前記焦点検出素子の中央部側にある端部までの距離ｄ２１は、像高に応じた前記変化量Δｄ１とは異なる変化量Δｄ２だけ短くなり、
   前記第２の光学素子の頂点から前記焦点検出素子の周辺部側にある端部までの距離ｄ２２は、像高に応じた前記変化量Δｄ２だけ長くなることを特徴とする焦点検出装置。
2. 前記第１の光学素子と前記第２の光学素子は、前記焦点検出素子の中心部側にずれており、中央からの距離に応じてずれ量Δが異なることを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
3. 前記焦点検出手段は、前記結像光学系の射出瞳距離に応じて、前記第１の焦点検出画素群か前記第２の焦点検出画素群を選択することを特徴とする請求項１又は２に記載の焦点検出装置。