JP4821674B2 - 焦点検出装置および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、レンズアレイと光電変換素子アレイとを備える焦点検出装置および撮像装置に関する。

従来、対物レンズの射出瞳から出る結像作用光線をマイクロレンズ群を通して分割し、分割した光線を一対の光電変換素子群に入射させて対物レンズのピント状態を検出する焦点検出装置、いわゆる、ＴＣＬ（ThroughCamera Lens）方式と呼ばれる焦点検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この焦点検出装置では、一つのマイクロレンズに対して一対の光電変換素子が設けられており、それらの組がライン状に複数配置されている。

特開昭５５−１１５０２０号公報

しかしながら、予定焦点面上に配置されたマイクロレンズ群は予定焦点面全域に分布しているわけでなく、光学的に使用しない領域が存在する。そのため、光電変換素子に到達しない像情報が存在し、焦点検出が不安定となったり、ピント状態の誤検出が生じたりするおそれがあった。

請求項１の発明による焦点検出装置は、複数のレンズを各レンズの辺同士が接するようにハニカム状に配列したレンズアレイと、複数のレンズのそれぞれに対して複数の光電変換素子を有するとともに、該複数の光電変換素子を各レンズのそれぞれに対応してハニカム状に配列した光電変換素子アレイと、ハニカム状に配列された複数のレンズの垂直方向の配列と水平から６０度方向の配列と水平から１２０度方向の配列とのそれぞれの配列方向に対応する一対の光電変換素子群をそれぞれ選択し、該選択された一対の光電変換素子群で得られる信号に基づいて結像光学系の焦点調節状態を検出する焦点調節状態検出手段とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、レンズおよび光電変換素子の密度を上げることができ、光学的に無効な領域の発生を抑制することができる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明による撮像装置の一実施の形態を示す図であり、デジタルスチルカメラの要部構成を示す図である。なお、本願発明の焦点検出装置および撮像装置に関わる機器および装置以外のカメラの一般的な機器および装置については図示と説明を省略する。図１に示すカメラは、撮影レンズ１、メインミラー２、サブミラー３、ペンタプリズム４、接眼レンズ５、撮像素子６、フォーカスレンズ駆動部７、焦点検出装置８、ＡＦ制御装置９などを備えている。

非撮影時には、図に示すようにメインミラー２とサブミラー３が撮影光路中に置かれる。撮影レンズ１を透過した被写体光の一部はメインミラー２、ペンタプリズム４、接眼レンズ５を介して撮影者の目に導かれ、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２、サブミラー３を介して焦点検出装置８へ導かれる。焦点検出装置８は撮影レンズ１の焦点調節状態を検出し、検出結果をＡＦ制御装置９へ出力するする。焦点検出装置８の詳細については後述する。

一方、撮影時には、メインミラー２およびサブミラー３は光路外に退避するとともにシャッタ１０が開閉され、撮影レンズ１で結像された被写体像が撮像素子６の撮像面上に投影される。撮像素子６はＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子で構成され、撮影レンズ１により結像された被写体像を電気信号に変換する。

ＡＦ制御装置９は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、画像処理部９１、相関演算部９２、駆動量演算部９３を備えている。画像処理部９１は、焦点検出装置８からの信号に基づいて画像を生成し、生成された画像のコントラスト情報から焦点検出エリアを算出する。相関演算部９２は、焦点検出装置８からの信号および画像処理部９１で算出された焦点検出エリア情報に基づいて後述するような相関演算を行い、相関演算結果に基づいて撮影レンズ１の焦点調節状態（デフォーカス量）を算出する。

駆動量演算部９３は、算出されたデフォーカス量に基づいて、撮影レンズ１のフォーカスレンズ（不図示）を駆動する際の目標となるレンズ目標位置を演算する。算出されたレンズ目標位置はフォーカスレンズ駆動部７に入力され、フォーカスレンズ駆動部７はフォーカスレンズを目標位置へと駆動する。なお、レンズ目標位置とは、その位置にフォーカスレンズを駆動したときにデフォーカス量が実質的にゼロとなるレンズ位置である。

図２は焦点検出光学系の構成を示す図である。撮影レンズ１を透過した被写体光は撮像素子６の撮像面６１に結像される。また、撮影レンズ１を透過した被写体光はサブミラー３により反射され、被写体像を結像する。８ａは撮影レンズ１の予定結像面であり、予定結像面８ａの近傍もしくは撮像面６１と光学的に等価な位置にフィールドレンズ８１が配置され、この位置の光束を焦点検出装置８で検出する。

焦点検出装置８には、光軸に沿ってマイクロレンズアレイ８２と光電変換素子アレイ８３とが設けられている。マイクロレンズアレイ８２は、複数のマイクロレンズを二次元的に配列したものである。光電変換素子アレイ８３は光電変換素子を二次元的に配列したものであり、マイクロレンズアレイ８２の略焦点位置に配置される。

なお、マイクロレンズアレイ８２は予定結像面８ａからずらして配置しても良いし、一致させて配置しても良い。一致させて配置した場合、マイクロレンズ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、ずらして配置するとそのような不都合を避けることができる。

図３はマイクロレンズアレイ８２および光電変換素子アレイ８３の一部を示す平面図である。図３はハーフミラー３側からマイクロレンズアレイ８２および光電変換素子アレイ８３を見たものであり、マイクロレンズアレイ８２の後方に光電変換素子アレイ８３が配置されている。マイクロレンズアレイ８２には、正六角形のマイクロレンズ８２０がハニカム状に配置されている。なお、図３における上下左右方向は、撮像素子６で撮像される撮像画面の上下左右方向と一致している。

各マイクロレンズ８２０のレンズ面の形状は、一点鎖線で示すような円形状マイクロレンズ８２１を正六角形状に切り出したものと同一形状になっており、円形状マイクロレンズ８２１と同一機能を有している。このように正六角形のマイクロレンズ８２０をハニカム状に配列した場合、円形状マイクロレンズ８２１を配列させた場合のようにマイクロレンズ間に、焦点検出の際の不感帯となる隙間が生じることがない。

各光電変換素子８３０はマイクロレンズ８２０と同様に正六角形をしており、ハニカム状に配列されている。光電変換素子８３０の大きさはマイクロレンズ８２０よりも小さく設定されており、マイクロレンズ８２０を垂直に投影した範囲には、複数の光電変換素子８３０が含まれている。これらの複数の光電変換素子８３０は、マイクロレンズ８２０に対応して設けられたものであって、以下では、これらの光電変換素子８３０のことをマイクロレンズ８２０に含まれる複数の光電変換素子と称することにする。

ＴＣＬ方式の焦点検出装置では、図３のマイクロレンズ８２０Ａ，８２０Ｂ，８２０Ｃ，８２０Ｄに示すように一方向に配列した複数のマイクロレンズ８２０を選択し、それらに含まれる光電変換素子８３０の出力に基づいて焦点検出を行う。その場合、各マイクロレンズ８２０に含まれる複数の光電変換素子８３０から一対の光電変換素子または一対の光電変換素子群を選び、それらの出力に基づいて焦点検出を行う。そのため、マイクロレンズ８２０に含まれる光電変換素子８３０の数が少ないと、焦点検出を行う際の光電変換素子８３０の選択の自由度が小さくなるが、一方で、焦点検出の際の空間周波数が高まるために、より細かい被写体像に対応することができる。

図４は、光電変換素子アレイ８３の拡大図である。破線８２０ａ、８２０ｂは、大きさの異なる２種類のマイクロレンズを示している。光電変換素子８３０は、図示左右方向が正六角形の対角方向となるように配置されている。また、破線８２０ａ、８２０ｂで示すマイクロレンズも、光電変換素子８３０と同様に正六角形の対角方向が図示左右方向と一致している。

正六角形のマイクロレンズ８２０ａの対辺の距離は、正六角形である光電変換素子８３０の対辺の距離の３倍となっており、面積では９倍になっている。一方、マイクロレンズ８２０ｂの場合には、対辺の距離は光電変換素子８３０の対辺の距離の５倍となっており、面積では２５倍になっている。いずれの場合にも、マイクロレンズ８２０ａ，８２０ｂの光軸上に一つの光電変換素子８３０が位置するように、マイクロレンズアレイ８２と光電変換素子アレイ８３とが相対的に位置決めされている。この場合、マイクロレンズ８２０ａ内に完全に含まれている光電変換素子８３０の数は７個であり、マイクロレンズ８２０ｂ内に完全に含まれている光電変換素子８３０の数は１９個である。図５は、マイクロレンズ８２０ａ，８２０ｂおよび光電変換素子８３０を、正六角形の対角方向が撮像画面の上下方向と一致するように配列させた場合を示す。

前述したように、各光電変換素子８３０は各マイクロレンズ８２０のほぼ焦点面にあり、マイクロレンズ８２０の焦点距離が撮影レンズ１の焦点距離に比べて小さいので、各光電変換素子８３０は撮影レンズ１の瞳面と光学的にほぼ共役な位置にあるとみなすことができる。つまり、各マイクロレンズ８２０に含まれる光電変換素子８３０の出力は、それぞれ撮影レンズ１の瞳の一部分を通った光束の強度を表しているということになる。図４の円２０はマイクロレンズ８２０ａに対応する撮影レンズ１の開口瞳であり、大きい円２１は大きなマイクロレンズ８２０ｂに対応する開口瞳を示している。

［焦点検出演算に関する説明］
次に、焦点検出装置８の検出データに基づく、焦点検出演算について説明する。この場合、図３のマイクロレンズ８２０Ａ〜８２０Ｄのように一方向に配列されたマイクロレンズ８２０に含まれる光電変換素子８３０の信号に基づいて、次のような相関演算算を図１の相関演算部９２において行う。その際、各マイクロレンズ８２０に含まれる光電変換素子８３０の内、一対の開口瞳に対応する光電変換素子８３０の信号を用いる。

マイクロレンズ８２０Ａ〜８２０Ｄの場合、それらの光軸を結ぶ基線に沿い、かつ、光軸に対して対称な一対の光電変換素子８３０または一対の光電変換素子群（光電変換素子８３０の集まり）の信号を用いる。ここでは、それらの信号をａｊ、ｂｊと表す。ｊ＝１，２，…，Ｎであり、Ｎはマイクロレンズの数である。ここでは、マイクロレンズ８２０Ａ〜８２０Ｄを通過する光束を用いて焦点検出を行っているので、Ｎ＝４である。また、信号ａｊは各マイクロレンズ８２０の光軸に関して一方の側の光電変換素子または光電変換素子群の信号を表し、ｂｊは光軸に関して他方の側の光電変換素子または光電変換素子群の信号を表す。

図６は、信号ａｊおよびｂｊの出力パターンの一例を示したものである。信号ａｊの出力パターンとｂｊの出力パターンとはほぼ同一形状となっている。図６は非合焦状態の場合の信号ａｊ，ｂｊを示したものであり、信号ａｊの出力パターンとｂｊの出力パターンとは左右方向にｘだけずれている。一方、合焦状態においてはｘ＝０となる。すなわち、出力パターンのズレ量ｘにより合焦状態からのずれが分かり、このズレ量ｘがゼロとなるように撮影レンズ１の焦点調節状態を調整すれば良い。具体的には、次式（１）で表される相関演算値Ｄｋが最小となるようにｋを求めれば良い。

式（１）で表されるＤｋは離散的な値であるので、その最小値は真の最小値の近傍とみなせる。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。信号ａｊ，ｂｊの空間的変化を正弦的変化で表すと、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７に示すように、最小のＤｋをＤｉとし、それに隣接するＤｋをＤi+1、Ｄi-1とする。Ｄi+1とＤi-1の内で値の大きい方を選ぶ。図７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としたとき、傾きが−αでＤi+1を通る直線をＬ２とする。そして、直線Ｌ１と直線Ｌ２との交点を求めると、その交点の値ｘが上述したズレ量である。図１の駆動量演算部９３は、相関演算部９２で算出されたズレ量ｘに基づいてフォーカスレンズの駆動量を算出する。この駆動量は、現在のレンズ位置からズレ量ｘがゼロとなるレンズ位置までのレンズ駆動量である。

ところで、マイクロレンズ８２０Ａ〜８２０Ｄには、図４に示すように複数の光電変換素子８３０が含まれるので、基線に沿った一対の光電変換素子８３０または一対の光電変換素子群の選び方は複数種類ある。マイクロレンズが符号８２０ａで示す大きさであった場合、例えば、光軸に対して下側の光電変換素子Ｌの信号により数列ａｊを形成し、光軸に対して上側の光電変換素子Ｍの信号により数列ｂｊを形成する。

また、Ｓ／Ｎの改善を図るためには、複数の光電変換素子を用いても良い。例えば、光電変換素子Ｌの代わりに光電変換素子Ｃ，Ｌ，Ｅからなる光電変換素子群(C+L+E)を、光電変換素子Ｍの代わりに光電変換素子Ｂ，Ｍ，Ｄからなる光電変換素子群(B+M+D)を用いても構わない。また、光軸に関して対象となるように光電変換素子群(E+C)，（B+D)のように選んでも良いし、光電変換素子群（A+C+L+E)，(A+B+M+D)のように選んでも良い。大きなマイクロレンズ８２０ｂの場合も、光電変換素子群（L+F+G+H)，(M+I+J+K)のように選ぶことができる。

また、図３のようにマイクロレンズ８２０がハニカム状に配列されている場合には、選択するマイクロレンズ８２０の配列方向は、上述した垂直方向だけでなく、マイクロレンズ８２０Ａ，８２０Ｈ，８２０Ｉ，８２０Ｊのように水平から６０°方向や、マイクロレンズ８２０Ａ，８２０Ｅ，８２０Ｆ，８２０Ｇのように水平から１２０°方向に設定することもできる。水平から６０°方向に設定した場合には、上述した光電変換素子Ｌ，Ｍに対応する光電変換素子はＥおよびＢとなり、水平から１２０°方向に設定した場合には光電変換素子Ｃ，Ｄが選択される。このように、マイクロレンズ８２０をハニカム状に配列させたことで、３方向に関して焦点検出が行える。

図４，５に示したマイクロレンズ８２０と光電変換素子８３０との配置関係では、正六角形の対角方向が両者の間で一致していた。一方、図８の一点鎖線で示すマイクロレンズ８２０ｃの場合には、正六角形の対角方向が光電変換素子８３０の対角方向と直交している。マイクロレンズ８２０の基線方向を水平方向とした場合、一対の光電変換素子群(A+C)，（D+F)の信号を用いて上述した相関演算を行えば良い。また、点線で示すようにマイクロレンズ８２０ｄを配置した場合、マイクロレンズ８２０の光軸上に光電変換素子８３０の中心は位置せず、８つの光電変換素子Ａ〜Ｈを用いて焦点検出を行う。例えば、一対の光電変換素子群(A+C)，（D+F)で左右の瞳を代表させて焦点検出を行う。

図９は、マイクロレンズ８２０の形状に関する変形例を示す図である。図３に示したようにマイクロレンズ８２０を正六角形とした場合、２つのマイクロレンズ間にまたがるように配置される光電変換素子が発生する。そこで、図９では、光電変換素子８３０とマイクロレンズ８２０の境界と光電変換素子８３０の境界とが一致するように、マイクロレンズ８２０の形状を設定するようにした。この場合もレンズ面の形状は円形状マイクロレンズ８２１と同様であり、マイクロレンズ８２０の光軸上に光電変換素子８３０が配置されている。このように、マイクロレンズ８２０や光電変換素子８３０の形状は必ずしも正六角形である必要はなく、ハニカム状に配列できる形状であれば良い。

［画像処理部の説明］
図３に示すような焦点検出に用いるマイクロレンズ８２０Ａ〜８２０Ｄに関しては、予め撮像画面内の複数の領域に設定しても良いし、以下に説明するように、画像情報に基づいて設定するようにしても良い。図１に示した画像処理部９１は、光電変換素子アレイ８３に含まれる複数の光電変換素子８３０の内、マイクロレンズ８２０の光軸上にある光電変換素子８３０の信号を焦点検出装置８から読み込み、それらの信号に基づいて画像を生成する。この場合、各マイクロレンズ８２０の光軸近傍の光束を用いているため、パンフォーカスな画像が得られる。そのため、画像から得られるコントラスト情報からコントラストの高い領域を認識することが可能となる。

そこで、画像処理部９１では公知のコントラスト演算方法により撮像画面全領域におけるコントラスト情報を取得し、高コントラスト領域を抽出する。そして、画像処理部９１は、高コントラスト領域を焦点検出するのに最適なマイクロレンズ８２０の配置、すなわち、焦点検出領域を決定する。例えば、図３のようなマイクロレンズアレイ８２の場合には、垂直配列、６０°配列、１２０°配列のいずれかに配列方向を選び、高コントラスト領域の大きさに応じてマイクロレンズ８２０の数を選定する。焦点検出に用いるマイクロレンズ８２０が画像処理部９１により決定されたならば、相関演算部９２は、決定された各マイクロレンズ８２０に含まれる光電変換素子８３０の信号に基づいて上述した相関演算を行う。

上述したように、本実施の形態では、マイクロレンズアレイ８２のマイクロレンズ８２０をハニカム状に配列して隙間なく光学有効領域に敷き詰めるとともに、マイクロレンズ８２０のそれぞれに対応して光電変換素子８３０をハニカム状に配列したエリアセンサを配置したので、マイクロレンズ８２０および光電変換素子８３０の密度を上げることができ、光学的に無効な領域が減って不感帯の発生を抑制することができる。また、面積当たりの情報の密度が向上するので、焦点検出精度の向上を図ることができる。

上述した実施の形態では、画像撮影用の撮像素子６とは別に設けられた焦点検出装置８に対して本発明を適用したが、撮影用の撮像素子６の撮像画素配列中の一部をＴＣＬ方式の焦点検出用画素に置き換えた構成の焦点検出装置にも、同様に適用することができる。すなわち、撮像素子６の画素配列をハニカム状の配列とし、その一部の画素を上述した正六角形のマイクロレンズ８２０および光電変換素子８３０により置き換え、それらの信号に基づいて焦点検出を行う。なお、撮影画像データを得る場合、焦点検出画素における画像データについては、焦点検出画素の近傍周囲にある撮像画素の画像データを用いて補間される。

なお、上述した実施の形態はデジタルスチルカメラの焦点検出装置を例に説明したが、本発明は、デジタルスチルカメラに限らず種々の撮像装置の焦点検出や、さらには光検出装置にも適用することができる。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

本発明による撮像装置の一実施の形態を示す図である。 焦点検出光学系の構成を示す図である。 マイクロレンズアレイ８２および光電変換素子アレイ８３の一部を示す平面図である。 光電変換素子アレイ８３の拡大図である。 マイクロレンズ８２０ａ，８２０ｂおよび光電変換素子８３０を、正六角形の対角方向が撮像画面の上下方向と一致するように配列させた図である。 信号ａｊおよびｂｊの出力パターンの一例を示す図である。 ズレ量ｘの算出を説明する図である。 光電変換素子８３０とマイクロレンズ８２０との配列の関係の他の例を示す図である。 マイクロレンズ８２０の形状に関する変形例を示す図である。

符号の説明

１：撮影レンズ、２：メインミラー、３：サブミラー、６：撮像素子、７：フォーカスレンズ駆動部、８：焦点検出装置、９：ＡＦ制御装置、８２：マイクロレンズアレイ、８３：光電変換素子アレイ、９１：画像処理部、９２：相関演算部、９３：駆動量演算部、８２０，８２０ａ〜８２０ｄ：マイクロレンズ、８３０：光電変換素子

Claims (10)

1. 複数のレンズを各レンズの辺同士が接するようにハニカム状に配列したレンズアレイと、
   前記複数のレンズのそれぞれに対して複数の光電変換素子を有するとともに、該複数の光電変換素子を前記各レンズのそれぞれに対応してハニカム状に配列した光電変換素子アレイと、
   前記ハニカム状に配列された複数のレンズの垂直方向の配列と水平から６０度方向の配列と水平から１２０度方向の配列とのそれぞれの配列方向に対応する一対の光電変換素子群をそれぞれ選択し、該選択された一対の光電変換素子群で得られる信号に基づいて結像光学系の焦点調節状態を検出する焦点調節状態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、
   前記レンズおよび前記光電変換素子の形状を正六角形とした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、
   前記レンズの対角方向と前記光電変換素子の対角方向とが一致していることを特徴とする焦点検出装置。
4. 請求項２に記載の焦点検出装置において、
   前記レンズアレイは、前記正六角形のレンズの対角長を、前記正六角形の光電変換素子の対角長の整数倍になるように配列したことを特徴とする焦点検出装置。
5. 請求項２に記載の焦点検出装置において、
   前記レンズアレイは、前記正六角形のレンズの対角長を、前記正六角形の光電変換素子の対辺の距離の整数倍になるように配列した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、
   前記レンズの光軸上に前記複数の光電変換素子の一つを配置した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において、
   前記レンズアレイを、前記結像光学系の予定焦点面と異なる位置に配置したことを特徴とする焦点検出装置。
8. 請求項１に記載の焦点検出装置と、
   前記結像光学系により結像される像を撮像する撮像手段とを備えることを特徴とする撮像装置。
9. 請求項６に記載の焦点検出装置と、
   結像光学系により結像される像を撮像する撮像手段と、
   前記レンズアレイの各レンズの光軸上に配置された光電変換素子で得られる信号に基づいて画像を生成する画像生成手段とを備えた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、
    前記画像生成手段により生成された画像のコントラストに基づいて前記レンズアレイから複数のレンズを選択し、該選択された複数のレンズに対応する光電変換素子で得られる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調節状態検出手段を備えたことを特徴とする撮像装置。

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