JP4935544B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、オートフォーカス機能を有する撮像装置に関する。

近年、ＡＦ（オートフォーカス）機能を有するビデオカメラや電子カメラが広く一般に普及している。これらの撮像装置には、ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型の固体撮像素子が使用されており、入射光の光量に応じて信号電荷を生成する光電変換部を有する単位画素が２次元マトリクス状に配置されている。また、光電変換部の光が入射する側には、マイクロレンズがオンチップ状に配置され、光電変換部以外の画素部に入射する光を光電変換部に集光させ、光量を増大するようになっている。

ところで、ＣＭＯＳ型固体撮像素子を用いた撮像装置で、ＡＦ機能を実現するために、瞳分割位相差方式による焦点検出が提案されている。これは、２つの光検出領域を対とする焦点検出用光電変換部を有するＡＦ用の単位画素が固体撮像素子の撮像エリアの一部に配置されるＡＦエリアに設けられ、対となった光検出領域の出力信号から焦点位置を検出するものである。また、撮像装置の焦点検出精度を向上するために、焦点検出用光電変換部を全画素に設け、撮像用の信号と焦点検出用の信号とを時分割で出力する固体撮像素子も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−３１４０６２号公報

一般に、瞳分割位相差方式において、精度良く焦点検出を行うためには、信号レベルを高く保つことと、瞳を通過してきた光を主光線に対して対称的に分割して対となる焦点検出用の光電変換部に導く必要がある。

一方、固体撮像素子の中に焦点検出用光電変換部を設けた場合、固体撮像素子の各単位画素に形成されたマイクロレンズは、カメラレンズから入射した光束が画素中心に導かれるように設計される。このため、そのマイクロレンズで導かれる光束に対して対称に瞳分割されるように、焦点検出用光電変換部の対となる光検出領域が配置される。ところが、レンズ交換可能なカメラの場合、交換レンズ毎に焦点検出用光電変換部に投影される射出瞳位置が異なるため、使用する交換レンズによっては、瞳分割の対称性が大きく崩れてしまい、焦点検出の精度が十分に得られないという問題があった。

また、製造誤差により、光電変換部とマイクロレンズとの相対的な位置が設計値からずれて焦点検出精度が低下することも問題であった。

本発明の目的は、焦点検出用光電変換部を有する固体撮像素子を用いた場合でも、固体撮像素子の製造精度を高めることなく、様々な射出瞳距離のレンズであっても瞳分割の対称性を等価的に維持し、精度の高い焦点検出が可能な撮像装置を提供することである。

本発明に係る撮像装置は、フォーカスレンズを有するレンズ光学部と、マイクロレンズを有する単位画素がマトリクス状に配置された有効画素領域の一部に少なくとも１つのフォーカスエリアを有し、前記フォーカスエリアの単位画素には焦点検出用光電変換部が前記マイクロレンズと所定のずらし量で相対的にずらされて配置され、且つ前記フォーカスエリアは前記ずらし量が異なる複数の単位画素で構成される固体撮像素子と、前記フォーカスエリアから前記ずらし量が異なる少なくとも２つの単位画素の前記焦点検出用光電変換部の出力が略等しくなる割合で合成する合成部と、前記合成部が合成した結果を用いて、前記レンズ光学部の焦点制御を行う焦点制御部とを有することを特徴とする。

特に、前記焦点検出用光電変換部は、対となる第１の光検出領域と第２の光検出領域とで構成され、前記合成部は、前記ずらし量が異なる少なくとも２つの単位画素において、各単位画素の同一辺側に配置された第１の光検出領域の出力を単位画素毎に前記レンズ光学系の射出瞳距離に応じて予め求められた合成比率で加算して合成すると共に、他方の第２の光検出領域の出力を単位画素毎に前記レンズ光学系の射出瞳距離に応じて予め求められた合成比率で加算して合成することを特徴とする。

さらに、前記合成部は、前記各単位画素の第１の光検出領域の合成後の出力と前記各単位画素の第２の光検出領域の合成後の出力とが略等しくなる割合で合成することを特徴とする。

また、前記合成部は、ずらし量が異なる複数の単位画素の中から、各単位画素の第１の光検出領域または第２の光検出領域のいずれかの出力が、前記第１の光検出領域の出力と前記第２の光検出領域の出力の和の１／２より小さく且つ前記出力の和の１／２に最も近い単位画素と、前記第１の光検出領域の出力と前記第２の光検出領域の出力の和の１／２より大きく且つ前記出力の和の１／２に最も近い単位画素とを選択して、これらの単位画素の第１の光検出領域および第２の光検出領域出力の出力を合成することを特徴とする。

特に、前記合成部は、前記ずらし量が異なる単位画素Ｘと単位画素Ｙとにおいて、前記単位画素Ｘの第１の光検出領域の出力をＡ１および第２の光検出領域の出力をＢ１とし、前記単位画素Ｙの第１の光検出領域の出力をＡ２および第２の光検出領域の出力をＢ２とし、前記単位画素Ｘにおける所定の割合をα、前記単位画素Ｙにおける所定の割合をβとした場合に、前記単位画素Ｘおよび前記単位画素Ｙの第１の光検出領域の合成後の第１の出力は（Ａ１×α＋Ａ２×β）の計算により算出し、前記単位画素Ｘおよび前記単位画素Ｙの第２の光検出領域の合成後の第２の出力は（Ｂ１×α＋Ｂ２×β）の計算により算出し、前記第１の出力≒前記第２の出力となる条件で合成することを特徴とする。

或いは、前記合成部は、前記各単位画素の第１の光検出領域の合成後の出力と前記各単位画素の第２の光検出領域の合成後の出力とを、前記第１の光検出領域の出力と前記第２の光検出領域の出力の和が１になるように規格化し、前記ずらし量が異なる複数の単位画素の中から、各単位画素の第１の光検出領域または第２の光検出領域のいずれかの出力が０．５より小さく且つ０．５に最も近い単位画素と、前記出力が０．５より大きく且つ０．５に最も近い単位画素とを選択して、これらの単位画素の第１の光検出領域および第２の光検出領域出力の出力を合成することを特徴とする。

特に、前記合成部は、前記ずらし量が異なる単位画素Ｘと単位画素Ｙとにおいて、前記単位画素Ｘの第１の光検出領域の出力をＡ１および第２の光検出領域の出力をＢ１とし、前記単位画素Ｙの第１の光検出領域の出力をＡ２および第２の光検出領域の出力をＢ２とし、前記単位画素Ｘにおける所定の割合をα、前記単位画素Ｙにおける所定の割合をβとした場合に、前記単位画素Ｘおよび前記単位画素Ｙの第１の光検出領域の合成後の第１の出力は（Ａ１×α＋Ａ２×β）の計算により算出し、前記単位画素Ｘおよび前記単位画素Ｙの第２の光検出領域の合成後の第２の出力は（Ｂ１×α＋Ｂ２×β）の計算により算出し、前記第１の出力≒前記第２の出力、且つ、前記第１の出力＋前記第２の出力≒１となる条件で合成することを特徴とする。

また、前記レンズ光学部は、前記撮像装置に着脱可能であり、前記撮像装置に装着される前記レンズ光学部の射出瞳距離を検知する射出瞳距離検出部と、前記撮像装置に装着される前記レンズ光学部の射出瞳距離に対応した前記合成比率を記憶する合成比率テーブルとを更に設け、前記合成部は、前記射出瞳距離検出部が検出した前記レンズ光学部の射出瞳距離に応じた前記合成比率を前記合成比率テーブルから読み出して合成時に使用するようにしたことを特徴とする。

或いは、前記レンズ光学部は、前記撮像装置に着脱可能であり、前記撮像装置に装着される前記レンズ光学部の種類を検知するレンズ検出部と、前記撮像装置に装着される前記レンズ光学部の種類に対応させて前記合成比率を記憶する記憶部とを更に設け、前記合成部は、前記レンズ検出部が検出した前記レンズ光学部の種類に応じた前記合成比率を前記記憶部から読み出して合成時に使用するようにしたことを特徴とする。

さらに、前記撮像装置に装着されたレンズ光学部の種類が前記記憶部に記憶されていない場合に、前記記憶部に記憶されている種類のレンズ光学部の中から前記装着されたレンズ光学部の射出瞳距離に近いレンズ光学部の前記合成比率を読み出して、前記装着されたレンズ光学部の前記合成比率を推定する補間演算部を更に設け、前記合成部は、前記補間演算部が推定した前記合成比率で前記第１の光検出領域の出力および前記第２の光検出領域の出力をそれぞれ合成することを特徴とする。

特に、前記補間演算部は、前記記憶部に記憶されている種類のレンズ光学部の中から前記装着されたレンズ光学部の射出瞳距離に近い２種類のレンズ光学部を選択し、前記装着されたレンズ光学部の射出瞳距離との差分値に応じて、前記装着されたレンズ光学部の前記合成比率を前記選択した２種類のレンズ光学部の所定の割合から外挿して推定することを特徴とする。

さらに、前記記憶部は、レンズ光学部の種類に応じた所定の割合を前記フォーカスエリア毎に記憶し、前記合成部は、前記レンズ検出部が検出したレンズ光学部の種類に応じた前記合成比率を前記記憶部から前記フォーカスエリア毎に読み出して合成時に使用するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、フォーカスエリアの単位画素には焦点検出用光電変換部がマイクロレンズと所定のずらし量で相対的にずらされて配置され、ずらし量が異なる複数の単位画素でフォーカスエリアが構成される固体撮像素子を用いた撮像装置において、ずらし量の異なる単位画素の焦点検出用光電変換部の出力を合成することによって、焦点検出用光電変換部を構成する対となる光検出領域の間の中心線に対して対称的な射出瞳像を得ることとほぼ等価になり、固体撮像素子の製造誤差に依らず、精度の高い焦点検出が可能になる。特に、撮像装置に装着するレンズの種類に応じて、対となる光検出領域の出力を最適な割合で合成するので、様々な射出瞳距離のレンズにも対応できる精度の高い焦点検出が可能になる。

以下、図面を参照して本発明に係る撮像装置の実施形態について詳しく説明する。
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態に係る撮像装置１００のブロック図である。撮像装置１００は、カメラ本体１０１と、レンズユニット１０２とで構成され、レンズユニット１０２をカメラ本体１０１から取り外して、焦点距離の異なる別のレンズユニットをカメラ本体１０１に装着可能な一眼レフカメラである。

カメラ本体１０１は、ハーフミラー１０３と、ペンタプリズム１０４と、ファインダスクリーン１０５と、固体撮像素子１０６と、画像処理部１０７と、制御部１０８と、液晶表示部１０９と、メモリカード１１０と、操作パネル１１１と、焦点検出部１１２と、レンズ駆動部１１３と、焦点検出テーブル１１４と、レンズ検出部１１５とで構成される。

レンズユニット１０２から入射する光束の一部はハーフミラー１０３でペンタプリズム１０４側に反射され、ファインダスクリーン１０５に投影された後、ペンタプリズム１０４を介してアイポイントに導かれる。一方、ハーフミラー１０３を透過した光束は固体撮像素子１０６の受光面に結像される。

固体撮像素子１０６は、受光面に導かれた光束を電気信号に変換して、画像処理部１０７に出力する。画像処理部１０７は、固体撮像素子１０６が出力する電気信号にノイズ除去処理やホワイトバランス処理などを行ってデジタル画像データに変換し、制御部１０８に出力する。

制御部１０８は、予め記憶されたプログラムによって動作し、制御部１０８は、画像処理部１０７から入力する画像データを液晶表示部１０９に表示したり、メモリカード１１０に記憶する。

撮影者は操作パネル１１１に配置されたレリーズボタンや設定ボタンなどを操作し、制御部１０８は操作内容に応じて、撮像装置１００の各部を制御する。

レンズ検出部１１５は、カメラ本体１０１に装着されているレンズユニット１０２の種類を検出し、例えば、焦点距離が何ｍｍで射出瞳距離が何ｍｍのレンズユニット１０２が装着されているかを制御部１０８に出力する。或いは、ズームレンズなど焦点距離が変化する場合は、現在位置の焦点距離や射出瞳距離を制御部１０８に出力する。

ここで、撮像装置１００はオートフォーカス（ＡＦ）機能を有しており、固体撮像素子１０６にはＡＦ用の焦点検出用光電変換部が設けられており、瞳分割位相差方式による焦点検出を行い、焦点検出情報を制御部１０８に出力する。焦点検出情報を入力した制御部１０８は、レンズ駆動部１１３に指令して、レンズユニット１０２の焦点レンズを移動させて、固体撮像素子１０６の受光面に被写体が結像するように焦点を合わせる。本実施形態では、焦点検出部１１２は焦点検出を行う際に、制御部１０８を介して焦点検出テーブル１１４を参照し、カメラ本体１０１に装着されているレンズユニット１０２の焦点距離に応じた制御を行う。焦点検出テーブルは、カメラ本体１０１の製造時に設定される。すなわち、カメラ本体１０１に固体撮像素子１０６が搭載され固体撮像素子１０６から焦点検出用の信号が出力されるようになった製造段階で、基準となる複数のレンズユニット１０２が実際に装填され、焦点検出信号が取得される。取得されたデータに基づき、カメラ本体１０１ごとに焦点検出テーブルがカメラ本体１０１に記憶される。尚、焦点検出テーブル１１４および制御方法については後で詳しく説明する。

次に、撮像装置１００のＡＦ機能について説明する。撮像装置１００の固体撮像素子１０６には、図２に示すように、ＡＦ用の焦点検出用光電変換部が配置された１１ヶ所のＡＦエリアが設けられており、有効画素領域２００内で１１点の測距を行うことができる。ＡＦエリア１〜３は縦方向の模様に対して、ＡＦエリア４〜１１は横方向の模様に対してそれぞれ焦点検出を行うために、ＡＦエリア１〜３では横方向に、ＡＦエリア４〜１１では縦方向にそれぞれ焦点検出用の単位画素が並べて配置されている。尚、本実施形態では、１１ヶ所のＡＦエリアが設けられているものとして説明するが、１１ヶ所である必要はなく、例えば有効画素領域２００内の全ての単位画素に設けても構わない。

次に、瞳分割位相差方式による焦点検出方法について図３を用いて説明する。図３は、ＡＦエリア内の焦点検出用光電変換部を有する１つの単位画素に光束２０１が入射した時の様子を示した図である。図３において、光束２０１は単位画素に設けられたマイクロレンズ２０２を介して受光面２０３に投影される。受光面２０３には、焦点検出用光電変換部を構成する対となる光検出領域２０４ａ，２０４ｂが配置されている。尚、本実施形態のように、１つの単位画素に対となる２つの光検出領域２０４ａ，２０４ｂが配置されていても構わないし、別の単位画素に配置された光検出領域と対になるように配置されていても構わない。

図３の単位画素２０５は受光面２０３をその上方のマイクロレンズ側から見た様子を描いた図で、矩形状の対となる光検出領域２０４ａ，２０４ｂが単位画素の中央部に配置されている。今、マイクロレンズ２０２は、レンズユニット１０２の射出瞳像２０６を対となる光検出領域２０４ａ，２０４ｂに跨るように分割して投影する。尚、図１の焦点検出部１１２は、光検出領域２０４ａ，２０４ｂのそれぞれの出力信号から、フォーカスのずれ具合いを示すデフォーカス量を求め、制御部１０８に出力する。

ところで、マイクロレンズ２０２と光検出領域２０４ａ，２０４ｂとの相対的な位置が有効画素領域２００内の全ての単位画素において固定されている場合、レンズユニット１０２の射出瞳までの距離が有限である限り、図２で説明したＡＦエリアの位置によって、射出瞳像２０６が投影される位置がずれる。例えば、図３の単位画素２０７は射出瞳像２０６が光検出領域２０４ａ，２０４ｂの矩形形状の長辺方向にずれた様子を描いた図で、単位画素２０８は射出瞳像２０６が光検出領域２０４ａ，２０４ｂの矩形形状の短辺方向にずれた様子を描いた図である。単位画素２０７の場合は、射出瞳像２０６の位置は光検出領域２０４ａ，２０４ｂの端の方にずれているが、光検出領域２０４ａ，２０４ｂに投影されている射出瞳像２０６は、光検出領域２０４ａ，２０４ｂの間の中心線に対して対称的に分割されるので、焦点検出部１１２および制御部１０８が誤った指令を出すことはない。一方、単位画素２０８の場合は、光検出領域２０４ａ，２０４ｂの間の中心線に対して非対称的に射出瞳像２０６が分割されるので、デフォーカス量算出の誤差が大きく、誤った焦点検出制御を行う恐れがある。特に、標準レンズなど特定のレンズユニット１０２に特化して光検出領域２０４ａ，２０４ｂを配置した場合、望遠レンズや広角レンズなど射出瞳距離の異なるレンズユニット１０２を使用すると、瞳分割した射出瞳像２０６の対称性が大きく崩れ、焦点検出精度が十分に得られないという問題が起こる。

次に、本実施形態に係る撮像装置１００に用いる固体撮像素子１０６について詳しく説明する。固体撮像素子１０６は図２で説明したように有効画素領域に複数のＡＦエリアを有し、各ＡＦエリアには図３で説明したように光検出領域２０４ａ，２０４ｂを有する複数の単位画素が配置されている。さらに、同じＡＦエリア内には、マイクロレンズに対する光検出領域の配置が異なる複数の単位画素を有している。尚、ここでは、単位画素内のマイクロレンズの配置は同じものを想定しているので、単位画素内において光検出領域の配置が異なるように描いている。しかし、マイクロレンズに対する光検出領域の相対的な配置が同様であれば、単位画素内の光検出領域の配置が同じで、単位画素内のマイクロレンズの配置が異なっていても同様である。

図４は、カメラ本体１０１に装着される可能性が高い代表的な射出瞳距離の３種類のレンズユニット１０２に対して、対となる光検出領域の間の中心線６６１，６６２，６６３に対して対称的に射出瞳像が分割される３種類の単位画素を同じＡＦエリアに設けた例を示している。尚、図４はＡＦエリア１１の例を示しており、固体撮像素子１０６の中心は紙面左上方向にある。ここでは、６６１，６６２，６６３は対となる２つの光検出領域の短辺方向における単位画素の中心線を示しており、６５１，６５２，６５３は対となる２つの光検出領域の中心線を示している。単位画素４０１では光検出領域４５１ａ，４５１ｂが中心線６６１より紙面上側にずれた位置に配置されている。単位画素４０１は射出瞳位置の遠いレンズユニット１０２がカメラ本体１０１に装着された場合に、対となる光検出領域４５１ａ，４５１ｂの間の中心線６５１に対して対称的に射出瞳像４０４が分割される。尚、射出瞳像４０４は、光検出領域４５１ａ，４５１ｂの長手方向にもずれるが、射出瞳像４０４に対して光検出領域が十分に長いので受光量は変わらず、焦点検出部１１２および制御部１０８が誤った指令を出すことはない。

また、単位画素４０２では光検出領域４５２ａ，４５２ｂの中心線６５２が単位画素４０２の中心線６６２と同じ位置とされている。単位画素４０２は想定している３種類のレンズユニット１０２の中で射出瞳距離が中程度のレンズユニット１０２がカメラ本体１０１に装着された場合に、対となる光検出領域４５２ａ，４５２ｂの間の中心線６６２に対して対称的に射出瞳像４０５が分割される。

さらに、単位画素４０３では光検出領域４５３ａ，４５３ｂが中心線６６３より紙面下側にずれた位置に配置されている。単位画素４０３は射出瞳位置の近いレンズユニット１０２がカメラ本体１０１に装着された場合に、対となる光検出領域４５３ａ，４５３ｂの間の中心線６５３に対して対称的に射出瞳像４０６が分割される。

このように、固体撮像素子１０６は、有効画素領域の複数のＡＦエリアのそれぞれに、マイクロレンズに対する光検出領域の配置が異なる複数の単位画素を有しているので、レンズユニット１０２に装着するレンズの種類に応じて、最適な配置の光検出領域を有する単位画素を選択して焦点検出を行うことができ、高精度な焦点検出制御を行うことができる。

次に、各ＡＦエリア毎の焦点検出用単位画素の配置例を示す。図５は、図２のＡＦエリア１から３に配置される単位画素の配列を示した図である。ここではＡＦエリアをＡＦエリア５０１と称する。ＡＦエリア５０１は、マイクロレンズに対する光検出領域の配置が異なる３つのグループで構成される。グループ５０２は、例えば単位画素５１１のように、対となる光検出領域５１１ａ，５１１ｂの間の中心線５５２が単位画素５１１の光検出領域５１１ａ，５１１ｂの短辺方向の中心線５５１よりも紙面右側に水平方向にずれた位置に、光検出領域５１１ａ，５１１ｂが配置されている。尚、同じグループ５０２の単位画素５１２，５１３，５１４，５１５についても同じように、光検出領域は紙面右側にずれた位置に配置されている。グループ５０３は、例えば単位画素５２１のように、対となる光検出領域５２１ａ，５２１ｂの間の中心線５５３が単位画素５２１の中心線５５１と一致するように、光検出領域５２１ａ，５２１ｂが配置されている。尚、同じグループ５０３の他の単位画素についても同じように、各単位画素の光検出領域は単位画素の中央位置に配置されている。グループ５０４は、例えば単位画素５３１のように、対となる光検出領域５３１ａ，５３１ｂの間の中心線５５４が単位画素５３１の中心線５５１よりも紙面左側に水平方向にずれた位置に、光検出領域５３１ａ，５３１ｂが配置されている。尚、同じグループ５０４の他の単位画素についても同じように、光検出領域は紙面左側にずれた位置に配置されている。

このように、ＡＦエリア１から３においては、マイクロレンズと焦点検出用光電変換部を構成する対となる光検出領域との相対位置が異なる３つのグループを有している。このＡＦエリアにおいて基本的には射出瞳距離の異なるレンズユニットに交換しても、射出瞳像は上下方向にずれるだけであり左右方向にはずれない。このため、瞳分割の状態は変化しない。しかし、カメラ本体１０１に固体撮像素子を搭載する時の組立て誤差で撮像素子の受光面がレンズユニットの光軸とずれて設置されると、射出瞳像も左右方向にずれる。また、固体撮像素子の製造時に製造誤差により光検出領域とマイクロレンズとの相対的な位置がずれると、射出瞳像も左右方向にずれる。このような場合に、射出瞳像が適正に分割される焦点検出用光電変換部を有する単位画素を使用する。つまり、レンズユニット１０２を交換した場合や固体撮像素子１０６の製造誤差による射出瞳像のずれが右寄りの場合はグループ５０２の出力信号を用い、射出瞳像の左右ずれが小さい場合はグループ５０３の出力信号を用い、左よりの場合はグループ５０４の出力信号を用いて、それぞれ焦点検出制御を行うことで、高精度な焦点検出制御を行うことができる。

図６は、図２のＡＦエリア４から７に配置される単位画素の配列を示した図である。ここではＡＦエリアをＡＦエリア６０１と称する。ＡＦエリア６０１は、マイクロレンズに対する光検出領域の配置が異なる３つのグループで構成される。グループ６０２は、例えば単位画素６１１のように、対となる光検出領域６１１ａ，６１１ｂの間の中心線６７２が単位画素６１１の光検出領域６１１ａ，６１１ｂの短辺方向の中心線６７１よりも紙面上側に垂直方向にずれた位置に、光検出領域６１１ａ，６１１ｂが配置されている。尚、同じグループ６０２の単位画素６１２，６１３，６１４，６１５についても同じように、光検出領域は紙面上側にずれた位置に配置されている。グループ６０３は、例えば単位画素６２１のように、対となる光検出領域６２１ａ，６２１ｂの間の中心線６７３が単位画素６２１の中心線６７１と一致するように、光検出領域６２１ａ，６２１ｂが配置されている。尚、同じグループ６０３の他の単位画素についても同じように、各単位画素の光検出領域は単位画素の中央位置に配置されている。グループ６０４は、例えば単位画素６３１のように、対となる光検出領域６３１ａ，６３１ｂの間の中心線６７４が単位画素６３１の中心線６７１よりも紙面下側に垂直方向にずれた位置に、光検出領域６３１ａ，６３１ｂが配置されている。尚、同じグループ６０４の他の単位画素についても同じように、光検出領域は紙面下側にずれた位置に配置されている。

このように、ＡＦエリア４から７においては、マイクロレンズと焦点検出用光電変換部を構成する対となる光検出領域との相対位置が異なる３つのグループを有している。このＡＦエリアにおいて基本的には射出瞳距離の異なるレンズユニットに交換しても、射出瞳像は上下方向にずれるだけであり左右方向にはずれない。このため、瞳分割の状態は変化しない。しかし、カメラ本体１０１に固体撮像素子を搭載する時の組立て誤差で撮像素子の受光面がレンズユニットの光軸とずれて設置されると、射出瞳像も上下方向にずれる。また、固体撮像素子の製造時に製造誤差により光検出領域とマイクロレンズとの相対的な位置がずれると、射出瞳像も上下方向にずれる。このような場合に、射出瞳像が適正に分割される焦点検出用光電変換部を有する単位画素を使用する。つまり、射出瞳像のずれが上寄りの場合はグループ６０２の出力信号を用い、下寄りの場合はグループ６０４の出力信号を用い、射出瞳像の上下ずれが小さい場合はグループ６０３の出力信号を用いて、それぞれ焦点検出制御を行うことで、高精度な焦点検出制御を行うことができる。

図７は、図２のＡＦエリア８から１１に配置される単位画素の配列を示した図である。ここではＡＦエリアをＡＦエリア７０１と称する。尚、ＡＦエリア７０１では、例え固体撮像素子の受光面が光軸と正しく合致していても、射出瞳距離の異なるレンズユニットに交換すると、射出瞳像は、上下、左右両方向にずれる。よって、射出瞳距離の異なるレンズユニットに交換すると瞳分割の状態が変化する。そのため、ＡＦエリア７０１は、ＡＦエリア５０１やＡＦエリア６０１よりも種類を増やし、マイクロレンズに対する光検出領域の配置が異なる５つのグループで構成される。グループ７０２は、例えば単位画素７１１のように、対となる光検出領域７１１ａ，７１１ｂの間の中心線７５２が単位画素７１１の光検出領域７１１ａ，７１１ｂの短辺方向の中心よりも紙面上側に垂直方向に大きくずれた位置に、光検出領域７１１ａ，７１１ｂが配置されている。尚、同じグループ７０２の他の単位画素についても同じように、光検出領域は紙面上側に大きくずれた位置に配置されている。グループ７０３は、例えば単位画素７１２のように、対となる光検出領域７１２ａ，７１２ｂの間の中心線７５３が単位画素７１２の中心線７５１よりも紙面上側に垂直方向に少しずれた位置に、光検出領域７１２ａ，７１２ｂが配置されている。尚、同じグループ７０３の他の単位画素についても同じように、光検出領域は紙面上側に少しずれた位置に配置されている。グループ７０４は、例えば単位画素７１３のように、対となる光検出領域７１３ａ，７１３ｂの間の中心線７５４が単位画素７１３の中心線７５１と一致するように、光検出領域７１３ａ，７１３ｂが配置されている。尚、同じグループ７０４の他の単位画素についても同じように、各単位画素の光検出領域は配置されている。グループ７０５は、例えば単位画素７１４のように、対となる光検出領域７１４ａ，７１４ｂの間の中心線７５５が単位画素７１４の中心線７５１よりも紙面下側に垂直方向に少しずれた位置に、光検出領域７１４ａ，７１４ｂが配置されている。尚、同じグループ７０５の他の単位画素についても同じように、光検出領域は紙面下側に少しずれた位置に配置されている。グループ７０６は、例えば単位画素７１５のように、対となる光検出領域７１５ａ，７１５ｂの間の中心線７５６が単位画素７１５の中心線７５１よりも紙面下側に垂直方向に大きくずれた位置に、光検出領域７１５ａ，７１５ｂが配置されている。尚、同じグループ７０６の他の単位画素についても同じように、光検出領域は紙面下側に大きくずれた位置に配置されている。

このように、ＡＦエリア８から１１においては、マイクロレンズと焦点検出用光電変換部を構成する対となる光検出領域との相対位置が異なる５つのグループを有している。製造誤差による射出瞳像が小さい場合でも、レンズユニット１０２を交換すれば、射出瞳像の分割状態がずれるので、それに合わせた焦点検出用光電変換部を構成する対となる光検出領域を使用する。例えば、レンズユニット１０２として望遠レンズを使用する場合は、ＡＦエリア８，１０ではグループ７０２または７０３の出力信号を用い、標準レンズを使用する場合は、ＡＦエリア８，１０ではグループ７０４の出力信号を用い、広角レンズを使用する場合は、ＡＦエリア８，１０ではグループ７０５または７０６の出力信号を用いて、それぞれ焦点検出制御を行うことで、高精度な焦点検出制御を行うことができる。ＡＦエリア９，１１では上下が逆になるので、ＡＦエリア８，１０とは逆になる。実際には、製造誤差による射出瞳像のずれ分も加わる。特に、射出瞳位置の異なる複数のレンズを使い分ける場合には、１つのＡＦエリア内に単位画素と焦点検出用光電変換部を構成する対となる光検出領域との相対位置の異なるグループの数が多いほど、選択肢が増えるので、射出瞳像の分割状態が最も対称に近いグループを選択することによって、高精度な焦点検出制御を行うことができる。

特に、ＡＦエリア７０１は、マイクロレンズに対する光検出領域の配置が異なる５つのグループで構成されているので、焦点距離を可変できるズームレンズなどを用いた場合に、ズーム位置に応じて、対となる光検出領域の間の中心線に対してできるだけ対称的に射出瞳像が分割されるグループを選択することで、高精度な焦点検出制御を行うことができる。このように、射出瞳距離の異なる複数のレンズを使い分ける場合には、１つのＡＦエリア内にマイクロレンズに対する光検出領域の配置が異なるグループの数が多いほど、対となる光検出領域の間の中心線に対して対称的に射出瞳像を分割するグループの選択肢が増えるが、限られた固体撮像素子１０６の有効画素領域に多くの種類のグループを配置することは空間的に難しい。

逆に、グループ数が少ない場合は、いずれのグループにおいても、対となる光検出領域の間の中心線に対して対称的に射出瞳像を分割できない場合が生じる。そこで、本実施形態における焦点検出部１１２は、同じＡＦエリア内の異なるグループの光検出領域の出力を合成することによって、いずれのグループにおいても対となる光検出領域の間の中心線に対して射出瞳像が対称的に分割されない場合でも、対称的に分割された場合とほぼ等価になるように処理する。

次に、この合成処理について詳しく説明する。合成処理は、同じＡＦエリア内の単位画素の光検出領域の配置が異なるいずれのグループにおいても、対となる光検出領域の間の中心線に対して対称的に射出瞳像を分割できない場合に行う処理である。尚、対称的に射出瞳像を分割できるグループがある場合は、先に述べたように、そのグループのみを選択して焦点検出制御すればよい。

先ず、射出瞳像の位置のずれとレンズユニットの射出瞳距離との関係を図面を用いてさらに詳しく説明し、これにより、合成処理の有用性について説明する。図８は、同じグループの焦点検出画素列において、瞳距離の異なるレンズ毎に焦点検出画素列に投影される射出瞳像の様子を示した図である。尚、理解を容易にするため、本図は、ＡＦエリア１１（図２参照）を用いている。また、グループ１５１とグループ１５１ａとグループ１５１ｂは同一の焦点検出画素列であるが、グループ１５１は１００ｍｍの射出瞳距離のレンズを使用した場合の射出瞳像の様子、グループ１５１ａは２００ｍｍの射出瞳距離のレンズを使用した場合の射出瞳像の様子、グループ１５１ｂは５０ｍｍの射出瞳距離のレンズを使用した場合の射出瞳像の様子をそれぞれ示している。また、図８の各グラフは、焦点検出画素列の中央部を０、焦点検出画素列の下側方向を−Ｙ、焦点検出画素列の上側方向＋Ｙとして、均一な光源に対して各焦点検出画素列を構成する単位画素の光検出領域の上側開口（上側の光検出領域）と下側開口（下側の光検出領域）の出力変化を表している。

本実施形態では、１００ｍｍの射出瞳距離のレンズを使用した場合に、適正な射出瞳像を結ぶように、−Ｙから＋Ｙまでの焦点検出画素列を構成する各単位画素の２つの光検出領域の位置が調整されている。従って、１００ｍｍの射出瞳距離のレンズを使用した場合、図８のグループ１５１の射出瞳像は、−Ｙから＋Ｙまでの焦点検出画素列を構成する全単位画素において、光検出領域の上側開口と下側開口とに等分されて投影される。このような状態をマイクロレンズの適正シュリンクと呼ぶ。適正シュリンクの場合は、グラフ２５１に示すように、光検出領域の上側開口の出力と下側開口の出力とは等しくなり、焦点検出画素列の−Ｙから＋Ｙまでの各単位画素において一定となる。

ところが、グループ１５１と同一の焦点検出画素列に２００ｍｍの射出瞳距離のレンズを使用した場合は、グループ１５１ａに示すように、投影される射出瞳像は、−Ｙから＋Ｙまでの焦点検出画素列において少しずつ焦点検出画素列の中央部方向に引き寄せられたようにずれて投影される。このような状態をマイクロレンズの過剰シュリンクと呼ぶ。過剰シュリンクの場合は、グラフ２５１ａに示すように、光検出領域の上側開口の出力は＋Ｙ方向に向かって徐々に減少するが、下側開口の出力は＋Ｙ方向に向かって徐々に増加する。

但し、ＡＦエリアの長さは、固体撮像素子１０６の受光面全体の大きさに対して、それほど長いものではないので、上記減少量または増加量は小さな値となる。従って、実際には図８の減少量または増加量の傾きは非常に小さいものであるが、理解を容易にするために減少量または増加量の傾きを誇張して極端に大きく描いてある。

また、グループ１５１と同一の焦点検出画素列に５０ｍｍの射出瞳距離のレンズを使用した場合は、グループ１５１ｂに示すように、投影される射出瞳像は、−Ｙから＋Ｙまでの焦点検出画素列において少しずつ焦点検出画素列の中央部から＋Ｙおよび−Ｙ方向に広がるようにずれて投影される。このような状態をマイクロレンズのシュリンク不足と呼ぶ。シュリンク不足の場合は、グラフ２５１ｂに示すように、光検出領域の下側開口の出力は＋Ｙ方向に向かって徐々に減少するが、上側開口の出力は＋Ｙ方向に向かって徐々に増加する。グループ１５１のように、合焦時に−Ｙから＋Ｙに渡って単位画素から出力される焦点検出信号が二つの光検出領域で均等であるなら、後で説明する合成処理は不要である。この場合は、グループ１５１が焦点検出用として選択される。しかし、このような理想的なグループが常に存在するとは限らず、その場合に後で説明する合成処理は特に有用となる。

また、過剰シュリンクやシュリンク不足の時には、−Ｙから＋Ｙに渡って出力値が変動する。しかし、前述したとおり、ＡＦエリアの長さはそれほど長くはないので、この変動量は大きくない。そして、合成処理においては、中央の部分にて後述する合成比率を求めている。このことについては、また後述する。

図９は、図８に示した１００ｍｍの射出瞳距離のレンズを使用した適正シュリンクのグループ１５１において、対となる光検出領域が単位画素の中央部よりも紙面上側または下側にずれて配置された異なる３つのグループの焦点検出画素列に投影される射出瞳像の様子を示した図である。尚、図９のグラフは、図８のグラフと同様に、焦点検出画素列の中央部を０、焦点検出画素列の下側方向を−Ｙ、焦点検出画素列の上側方向＋Ｙとして、均一な光源に対して各焦点検出画素列を構成する単位画素の光検出領域の上側開口と下側開口の出力変化を表している。また、グループ１５１とそのグラフ２５１は図８と同じである。

グループ１５２の焦点検出画素列を構成する各単位画素において、対となる光検出領域の中心は各単位画素の中心よりも紙面上側にずれた位置に配置されている。逆に、グループ１５３の焦点検出画素列を構成する各単位画素において、対となる光検出領域の中心は各単位画素の中心よりも紙面下側にずれた位置に配置されている。尚、点線円で描いた射出瞳像が投影されている単位画素内の位置は、グループ１５１，１５２，１５３の全ての焦点検出画素列において同じである。

従って、グループ１５２の場合、グラフ２５２に示すように、光検出領域の上側開口の出力は−Ｙから＋Ｙまでの全ての焦点検出画素列において小さな一定の値となり、下側開口の出力は−Ｙから＋Ｙまでの全ての焦点検出画素列において大きな一定の値となる。逆に、グループ１５３の場合、グラフ２５３に示すように、光検出領域の上側開口の出力は−Ｙから＋Ｙまでの全ての焦点検出画素列において大きな一定の値となり、下側開口の出力は−Ｙから＋Ｙまでの全ての焦点検出画素列において小さな一定の値となる。

このように適正シュリンクであっても、グループ１５２，１５３のように合焦時に二つの光検出領域から均等な焦点検出信号が出力されるとは限らない。このようなグループしか存在しない場合に後で説明する合成処理は特に有用となる。尚、グループ１５１のように、焦点検出信号が二つの光検出領域で均等であるグループが存在するなら、後で説明する合成処理は不要である。この場合は、グループ１５１が焦点検出用として選択される。しかし、このような理想的なグループが常に存在するとは限らない。

本実施形態に係る合成処理は、合焦しているにもかかわらず、二つの光検出領域から均等出力されるグループがない場合に、瞳分割の均等出力が崩れた異なるグループの焦点検出画素列の出力を組み合わせて、演算処理することによって瞳分割の均等出力を等価的に維持し、精度の高い焦点検出を行えるようにするものである。

次に本実施形態の合成処理について具体例を用いて説明する。表１は、ＡＦエリア１１（図２参照）の焦点検出信号の出力データである。但し、ここでは、説明を簡単にするため、マイクロレンズと二つの光検出領域との相対的位置が異なる３つのグループ（グループ１〜３）が配置されているものとする。そして、本表は、各グループを代表してＹ方向中央位置に配置される単位画素のデータを示している（その理由は後述する）。また、本表は、代表的な３種類の射出瞳距離である２００ｍｍ，１００ｍｍ，５０ｍｍのレンズユニット１０２を用いた時のデータを示している。

ここで、例として射出瞳距離が２００ｍｍのレンズユニット１０２を装着した場合の合成手順について説明する。尚、表１において、Ａ：Ｂで表した比の左側のＡは、同じＡＦエリアの各グループ間の単位画素の同一辺側に配置された光検出領域（ＡならＡ、ＢならＢ）の出力を示し、Ａ：Ｂで表した比の右側のＢは、他の同一辺側に配置された光検出領域の出力を示す。本合成処理時は、異なるグループの焦点検出画素列の同じ側の光検出領域の出力を所定の比率で乗じた後に加算する。

尚、説明を簡単にするために、グループ１から３の中で、Ａ側とＢ側の光検出領域の出力和が等しく、且つ出力和が１になるように規格化されているものとして説明する。出力和が１になるように規格化されていない場合は、つまりグループ１から３の出力和が１でない場合は、求めた合成比率を出力和の比で割ることで、同様に扱うことができる。また、実際のカメラシステムでは、適正に扱える信号出力の範囲が限られているので、合成後の出力がその範囲に入るように、求めた合成比率を定数倍して使用するのが望ましい。

さて、グループ１から３の中で、先ず合成する２つのグループを選択する。この時、対となる光検出領域の間の中心線に対してできるだけ対称的に射出瞳像を分割している２つのグループを選択するため、Ａ：Ｂで表した比のＡ側またはＢ側が０．５に最も近く且つ０．５をまたぐ２つのグループを選択する。例えば、表１の射出瞳距離が２００ｍｍの列において、グループ１のＡ側の出力は０．６６、グループ２のＡ側の出力は０．５８、グループ３のＡ側の出力は０．４９なので、グループ２とグループ３を選択する。尚、Ｂ側の出力で行っても同じ結果になる。

このようにして、選択された２つのグループは、それぞれの出力比に応じて合成処理される。図１０は、先に選択したグループ２とグループ３の合成処理を説明した図である。単位画素９０１はグループ２に属し、Ｙ方向中央に位置し、表１から上側開口の光検出領域９０１ａの出力Ａ１は０．５８，下側開口の光検出領域９０１ｂの出力Ｂ１は０．４２である。同様に、単位画素９０２はグループ３に属し、Ｙ方向中央に位置し、表１から上側開口の光検出領域９０２ａの出力Ａ２は０．４９，下側開口の光検出領域９０２ｂの出力Ｂ２は０．５１である。尚、図１０のグラフは、図８で説明したように、焦点検出画素列の中央部を０、焦点検出画素列の下側方向を−Ｙ、焦点検出画素列の上側方向＋Ｙとした時の各焦点検出画素列を構成する単位画素の光検出領域の上側開口の光検出領域と下側開口の光検出領域との出力変化を表している。

但し、図８で説明したように、ＡＦエリアの長さはそれほど長いものではないので、各グラフの減少量または増加量は小さな値となるが、理解を容易にするために減少量または増加量の傾きを誇張して極端に大きく描いてある。従って、図１０においても、図９で説明した理想的な場合に近いものと見なすことができ、−Ｙから＋Ｙまでの各出力の変動量は小さいので、焦点検出精度に与える影響は小さい。

さらに、本実施形態では各ＡＦエリアのＹ方向中央の焦点検出用単位画素の出力を用いて合成比率が算出され、これが当該ＡＦエリアの代表値として適用される。前述の通り、−Ｙと＋Ｙ間の出力の変動量は元々小さい。しかし、中央の焦点検出用単位画素の出力を代表値とするなら、各ＡＦエリア内の代表値と各単位画素とのばらつきは、−Ｙと０、及び、＋Ｙと０が最大となり、−Ｙと＋Ｙ間の出力の変動量の半分となる。従って、焦点検出精度に与える影響は、ほとんど無視できる。

次に、グループ２の中央部付近の単位画素９０１の光検出領域９０１ａ，９０１ｂと、グループ３の中央部付近の単位画素９０２の光検出領域９０２ａ，９０２ｂとを合成する合成比率について説明する。表２は各グループ間の合成比率を示しており、例えば、射出瞳距離が２００ｍｍの列において、先に選択した２つのグループ２およびグループ３は、それぞれ０．１１１と０．８８９の合成比率となる。

ここで、上記の合成比率α＝０．１１１とβ＝０．８８９の算出方法について説明する。尚、合成比率の和は１になるように規格化されており、
α＋β＝１ …（式１）
である。

図１０において、グループ２の上側開口の光検出領域９０１ａの出力は、Ａ１＝０．５８で、下側開口の光検出領域９０１ｂの出力は、Ｂ１＝０．４２である。また、グループ３の上側開口の光検出領域９０２ａの出力は、Ａ２＝０．４９で、下側開口の光検出領域９０２ｂの出力は、Ｂ２＝０．５１である。ここで、各画素の光検出領域の出力の和は１になるように規格化されており、Ａ１＋Ｂ１＝１で、Ａ２＋Ｂ２＝１である。

上記条件において、光検出領域９０１ａの上側開口の出力Ａ１と光検出領域９０１ｂの上側開口の出力Ａ２とを所定の合成比率α：βで合成した時の出力と、光検出領域９０１ａの下側開口の出力Ｂ１と光検出領域９０１ｂの下側開口の出力Ｂ２とを所定の合成比率α：βで合成した時の出力とがほぼ等価になるようにするので、
（Ａ１×α＋Ａ２×β）＝（Ｂ１×α＋Ｂ２×β） …（式２）
を満たす合成比率α：βを求めればよい。

表１より、Ａ１＝０．５８、Ｂ１＝０．４２、Ａ２＝０．４９、Ｂ２＝０．５１なので、（式１）と（式２）からαとβとを求めると、
α＝０．１１１
β＝０．８８９
となり、合成比率α：β＝０．１１１：０．８８９が求まる。

単位画素９０１の光検出領域９０１ａ，９０１ｂと、単位画素９０２の光検出領域９０２ａ，９０２ｂの合成比率が求まったら、単位画素９０１と単位画素９０２の上側開口の光検出領域９０１ａ，９０２ａのそれぞれに合成比率を乗算してから加算し、同様に単位画素９０１と単位画素９０２の下側開口の光検出領域９０１ｂ，９０２ｂのそれぞれに合成比率を乗算してから加算する。合成後の上側開口の光検出領域の出力ＯＡは、
ＯＡ＝Ａ１×０．１１１＋Ａ２×０．８８９となる。
同様に、合成後の下側開口の光検出領域の出力ＯＢは、
ＯＢ＝Ｂ１×０．１１１＋Ｂ２×０．８８９となる。

このようにして、上側開口の光検出領域の出力と下側開口の光検出領域の出力の比が０．５：０．５になるように合成することができるので、射出瞳像は、上側開口の光検出領域と下側開口の光検出領域との間の中心線に対して対称的に分割しているのとほぼ等価になる。この結果、高精度な焦点検出制御を行うことができる。

上記の合成方法の例は、表１において、射出瞳距離が２００ｍｍのレンズユニット１０２を用いた場合について説明した。同様に表１において、射出瞳距離が５０ｍｍのレンズユニット１０２を用いた場合は、グループ１とグループ２が対となる光検出領域の出力比Ａ：ＢのＡ側またはＢ側が０．５に最も近く且つ０．５をまたぐ２つのグループとして選択され、表２に示すようにグループ１とグループ２の合成比率はそれぞれ０．３７５と０．６２５になる。尚、これらの合成比率を用いた合成後の出力レベルの計算は、射出瞳距離が２００ｍｍのレンズユニット１０２を用いた場合と同じである。また、射出瞳距離が１００ｍｍのレンズユニット１０２を用いた場合も、表１において、同様にグループ２とグループ３が選択され、表２に示すようにグループ２とグループ３の合成比率は、それぞれ０．７５０と０．２５０になる。これらの合成比率を用いた合成後の出力レベルの計算は、射出瞳距離が２００ｍｍのレンズユニット１０２を用いた場合と同じである。

このような合成比率の算出は、カメラ本体１０１の製造時に行われる。すなわち、カメラ本体１０１に固体撮像素子１０６が搭載され固体撮像素子１０６から焦点検出用の信号が出力されるようになった製造段階で、カメラ本体１０１毎に行われる。基準となる複数のレンズユニット１０２が準備され、実際に装填され、前述したように均一な光源を用いて射出瞳像の位置情報を求め、取得された情報に基づき、選択するＡＦグループと上記の合成比率が算出される。選択するＡＦグループ及び算出された合成比率などのデータは、焦点検出テーブル１１４に記憶される。

図１の焦点検出テーブル１１４には、射出瞳距離が異なる３種類の代表的なレンズユニット１０２に対応させて、選択すべき光検出領域のグループと、その合成比率が製造時に予め記憶されている。従って、制御部１０８は、レンズ検出部１１５からカメラ本体１０１に装着されているレンズユニット１０２の種類に関する情報を入力し、そのレンズユニット１０２の射出瞳距離に応じたグループと合成比率を焦点検出テーブル１１４から得て、焦点検出部１１２に出力する。焦点検出部１１２は、先に説明したように、固体撮像素子１０６から選択したグループの光検出領域の出力を読み出して、所定の合成比率で合成し、レンズユニット１０２の焦点位置を求める。求めた焦点位置は、制御部１０８に出力され、レンズ駆動部１１３によってレンズユニット１０２のフォーカスレンズの位置を調節して焦点を合わせる。尚、上記の説明は、分かり易いように１つのＡＦエリアについて説明したが、各ＡＦエリア毎に固有の合成比率が記憶され同様の処理が行われる。

以上、説明してきたように、カメラ本体１０１に装着されたレンズユニット１０２の種類によって、単位画素内の焦点検出用光電変換部を構成する対となる光検出領域の配置が異なる２つのグループを選択し、予め焦点検出テーブル１１４に記憶しておいた所定の合成比率で対となる光検出領域の出力をそれぞれ合成する。この結果、対となる光検出領域の間の中心線に対して対称的に射出瞳像が分割されているのとほぼ等価になり、高精度な焦点検出制御を行うことができる。

代表的なレンズユニット１０２に対しては、そのレンズユニット１０２の種類に対応させて、選択すべき２つのグループとその合成比率が焦点検出テーブル１１４に予め記憶しておくので、これらの情報を参照するだけでよい。しかし、焦点検出テーブル１１４に記憶されていない種類のレンズユニット１０２が装着された場合や、射出瞳距離が変化するズームレンズが装着された場合には、どのグループを選択すべきか、或いは合成比率はいくつか、という情報を参照することはできない。そこで、本実施形態では、焦点検出テーブル１１４に記憶されている代表的なレンズユニット１０２の情報を補間して選択すべきグループとその合成比率を求める。

次に、補間方法について、図１１を用いて説明する。図１１は、横軸に射出瞳距離、縦軸に合成比率を示したもので、各グループの合成比率を示す直線は、表２の代表的なレンズユニット１０２の合成比率を基に、直線補間して描いたものである。例えば代表的なレンズユニット１０２とは異なる射出瞳距離が１５０ｍｍのレンズユニット１０２がカメラ本体１０１に装着された場合は、図１１より、先ず１５０ｍｍを通るグループ２とグループ３を選択すべきであることがわかる。合成比率は、１００ｍｍと２００ｍｍの合成比率を足して、射出瞳距離の割合を掛ければ１５０ｍｍでの合成比率が求まる。
つまり、射出瞳距離の割合は、
１５０／（１００＋２００）＝０．５ となり、
表２からグループ２の合成比率は、
（０．１１１＋０．７５０）×０．５＝０．４３１ となる。
同様に、グループ１の合成比率は、
（０．８８９＋０．２５０）×０．５＝０．５６９ となる。
尚、図１１において、約７０ｍｍの射出瞳距離のレンズユニット１０２が装着された場合は、グループ２だけで合成比率が１になっているので、合成する必要はなく、グループ２の出力のみで焦点検出制御すればよい。

このように、カメラ本体１０１に装着されたレンズユニット１０２が焦点検出テーブル１１４に記憶されていない種類のレンズユニット１０２であった場合でも、単位画素内の焦点検出用光電変換部を構成する対となる光検出領域の配置が異なる２つのグループを選択し、予め焦点検出テーブル１１４に記憶しておいた所定の合成比率で対となる光検出領域の出力をそれぞれ合成するので、対となる光検出領域の間の中心線に対して対称的に射出瞳像が分割されているのとほぼ等価になり、高精度な焦点検出制御を行うことができる。また、この射出瞳距離に応じて補間した結果も、例えばｍｍ単位もしくは近似関数の形で事前に焦点検出テーブル１１４に記憶させておくことで、より高速に焦点検出が可能になる。

尚、先に述べたように、本実施形態では上側開口と下側開口の光検出領域の出力和が１になるように規格化されているものとして説明したが、出力和が１になるように規格化されていない場合でも以下のように計算することができる。

表１は、各グループの各単位画素の上側開口と下側開口の光検出領域の出力和は１になるように規格化された値を示しているが、出力和が規格化されていなくても合成比率は算出できる。例えば、グループ２の光検出領域の実際の出力が表１の４倍、グループ３の光検出領域の実際の出力が表１の６倍であったとする。表１の射出瞳距離が２００ｍｍの場合、グループ２の単位画素の上側開口の光検出領域の出力Ｃ１＝０．５８×４＝２．３２、下側開口の光検出領域の出力Ｄ１＝０．４２×４＝１．６８となる。同様に、グループ３の単位画素の上側開口の光検出領域の出力Ｃ２＝０．４９×６＝２．９４、下側開口の光検出領域の出力Ｄ２＝０．５１×６＝３．０６となる。ここで、Ｃ１＝４×Ａ１、Ｄ１＝４×Ｂ１、Ｃ２＝６×Ａ２、Ｄ２＝６×Ｂ２である。

ここで、求める合成比率をγ：δとする。尚、合成比率の和は１になるように規格化されており、
γ＋δ＝１ …（式３）
である。

上記条件において、光検出領域９０１ａの上側開口の出力Ｃ１と光検出領域９０１ｂの上側開口の出力Ｄ１とを所定の合成比率γ：δで合成した時の出力と、光検出領域９０１ａの下側開口の出力Ｃ２と光検出領域９０１ｂの下側開口の出力Ｄ２とを所定の合成比率γ：δで合成した時の出力とがほぼ等価になるようにするので、
（Ｃ１×γ＋Ｃ２×δ）＝（Ｄ１×γ＋Ｄ２×δ） …（式４）
を満たす合成比率γ：δを求めればよい。

表１より、Ａ１＝０．５８、Ｂ１＝０．４２、Ａ２＝０．４９、Ｂ２＝０．５１なので、Ｃ１＝２．３２、Ｄ１＝１．６８、Ｃ２＝２．９４、Ｄ２＝３．０６となり、（式３）と（式４）からγとδとを求めると、
γ＝０．１５８
δ＝０．８４２
となり、合成比率γ：δ＝０．１５８：０．８４２が求まる。

このように、対となる光検出領域の出力を規格化しなくても合成比率を求めることは可能である。

次に、カメラ本体１０１の焦点制御全体の流れについて、図１２のフローチャートを用いて説明する。尚、焦点制御は、図１の制御部１０８を中心に、焦点検出部１１２，レンズ駆動部１１３，焦点検出テーブル１１４，レンズ検出部１１５と連携して処理される。
（ステップＳ３０１）例えば、カメラ本体１０１の操作パネル１１１にあるレリーズボタンが半押しされると、焦点制御が開始される。
（ステップＳ３０２）制御部１０８は、レンズ検出部１１５からカメラ本体１０１に装着されているレンズユニット１０２の情報、例えばレンズの種類や射出瞳距離などの情報を入力する。
（ステップＳ３０３）制御部１０８は、焦点検出テーブル１１４を参照して、装着されたレンズユニット１０２の種類が焦点検出テーブル１１４に予め記憶されている所定のレンズユニット１０２か否かを判別する。所定のレンズユニット１０２の場合は、ステップＳ３０４に進み、所定のレンズユニット１０２でない場合は、ステップＳ３０５に進む。
（ステップＳ３０４）制御部１０８は、焦点検出テーブル１１４から所定のレンズユニット１０２の情報、例えば選択すべきグループとその合成比率を読み出す。
（ステップＳ３０５）制御部１０８は、焦点検出テーブル１１４から、射出瞳距離の近い前後の所定のレンズユニット１０２の情報を読み出す。
（ステップＳ３０６）図１１で説明したように、装着されたレンズユニット１０２の射出瞳距離に応じた合成比率を求める。
（ステップＳ３０７）焦点検出部１１２は、制御部１０８が出力する選択すべきグループと合成比率を用いて、固体撮像素子１０６の各ＡＦエリアの選択すべきグループから焦点検出用光電変換部を構成する対となる光検出領域の出力を読み出す。読み出した出力は先の合成比率で合成し、レンズユニット１０２のデフォーカス量を求める。尚、デフォーカス量は合焦位置からどれだけ焦点がずれているかを示す量である。
（ステップＳ３０８）制御部１０８は、焦点検出部１１２が求めたデフォーカス量に基づいて、レンズ駆動部１１３に指令し、レンズユニット１０２のフォーカスレンズを合焦位置に動かす。
（ステップＳ３０９）焦点制御が終了する。

尚、図１２のフローチャートでは、カメラ本体１０１に装着されているレンズユニット１０２の種類が焦点検出テーブル１１４に予め記憶されている所定のレンズユニット１０２か否かを判別するようにしたが、装着されているレンズユニット１０２の射出瞳距離情報を用いるようにしても構わない。

次に、装着されているレンズユニット１０２の射出瞳距離情報を用いる場合の焦点制御全体の流れについて、図１３のフローチャートを用いて説明する。尚、図１２と同符号のステップは同じ処理を行い、焦点制御は、図１の制御部１０８を中心に、焦点検出部１１２，レンズ駆動部１１３，焦点検出テーブル１１４，レンズ検出部１１５と連携して処理される。また、焦点検出テーブル１１４には、射出瞳距離と合成比率とを対応させた図１１に示したような合成比率テーブルが予め記憶されている。この合成比率テーブルは、所定のレンズユニットの合成比率を基に、補間処理された結果が、例えばｍｍ単位もしくは近似関数の形で記憶されているので、演算することなく、射出瞳距離から直ぐに合成比率を読み出すことができる。以下、図１２のフローチャートと異なる部分についてのみ説明する。
（ステップＳ３０１）図１２のフローチャートと同様に、焦点制御が開始される。
（ステップＳ４０１）制御部１０８は、レンズ検出部１１５からカメラ本体１０１に装着されているレンズユニット１０２の射出瞳距離情報を読み取る。
（ステップＳ４０２）制御部１０８は、ステップＳ４０１で読み取った射出瞳距離に対応する合成比率を焦点検出テーブル１１４から読み出す。

ステップＳ３０７以降の処理は、図１２のフローチャートと同様なので重複する説明は省略する。

このように、射出瞳距離に応じて補間した結果を、例えばｍｍ単位もしくは近似関数の形で事前に焦点検出テーブル１１４に記憶させておくことで、より高速に焦点検出が可能になる。

このように、固体撮像素子１０６は、有効画素領域の複数のＡＦエリアのそれぞれに、マイクロレンズに対する光検出領域の配置が異なる複数の単位画素を有しているので、レンズユニット１０２に装着するレンズの種類に応じて、最適な配置の光検出領域を有する単位画素を選択して焦点検出を行うことができるので、高精度な焦点検出制御を行うことができる。

特に、カメラ本体１０１に装着されたレンズユニット１０２の種類によって、単位画素内の焦点検出用光電変換部を構成する対となる光検出領域の配置が異なる２つのグループを選択し、予め焦点検出テーブル１１４に記憶しておいた所定の合成比率で対となる光検出領域の出力をそれぞれ合成するので、対となる光検出領域の間の中心線に対して対称的に射出瞳像が分割されているのとほぼ等価になり、高精度な焦点検出制御を行うことができる。

さらに、カメラ本体１０１に装着されたレンズユニット１０２が焦点検出テーブル１１４に記憶されていない種類のレンズユニット１０２であった場合でも、対となる光検出領域の間の中心線に対して対称的に射出瞳像が分割されているのとほぼ等価になる最適な合成比率を、焦点検出テーブル１１４に記憶されているレンズユニット１０２の情報を補間して求めるので、高精度な焦点検出制御を行うことができる。

以上、説明してきたように、本発明に係る撮像装置１００は、各ＡＦエリアの単位画素には焦点検出用光電変換部を構成する対となる光検出領域がマイクロレンズと所定のずらし量で相対的にずらされて配置され、且つずらし量が異なる複数の焦点検出用の単位画素が各ＡＦエリアに設けられた固体撮像素子１０６を用いている。焦点検出制御を行う際には、固体撮像素子１０６の各ＡＦエリアにおいてずらし量の異なる焦点検出用の単位画素の焦点検出用光電変換部の出力を所定の合成比率で合成することによって、焦点検出用光電変換部を構成する対となる光検出領域の間の中心線に対して対称的な射出瞳像を得ることとほぼ等価になり、固体撮像素子の製造誤差に依らず、精度の高い焦点検出が可能になる。特に、撮像装置に装着するレンズユニット１０２の種類に応じて、対となる光検出領域の出力を最適な割合で合成するので、様々な射出瞳距離のレンズユニット１０２にも対応できる精度の高い焦点検出が可能になる。

第１の実施形態に係る撮像装置１００の構成を示すブロック図である。 ＡＦエリアの場所を示す説明図である。 瞳分割位相差方式を説明するための説明図である。 ＡＦエリア１１の射出瞳像の様子を示す説明図である。 ＡＦエリア１から３の構成を示す説明図である。 ＡＦエリア４から７の構成を示す説明図である。 ＡＦエリア８から１１の構成を示す説明図である。 瞳距離の異なるレンズの射出瞳像の様子を示す説明図である。 適正シュリンクの異なる３つのグループの射出瞳像の様子を示す説明図である。 合成処理を示す説明図である。 補間方法を示す説明図である。 焦点制御全体の流れを示すフローチャートである。 焦点制御全体の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１〜１１・・・ＡＦエリア
１００・・・撮像装置 １０１・・・カメラ本体
１０２・・・レンズユニット １０６・・・固体撮像素子
１０７・・・画像処理部 １０８・・・制御部
１１２・・・焦点検出部 １１３・・・レンズ駆動部
１１４・・・焦点検出テーブル １１５・・・レンズ検出部
２０２・・・マイクロレンズ
２０４ａ，２０４ｂ・・・光検出領域

Claims (12)

1. フォーカスレンズを有するレンズ光学部と、
   マイクロレンズを有する単位画素がマトリクス状に配置された有効画素領域の一部に少なくとも１つのフォーカスエリアを有し、前記フォーカスエリアの単位画素には焦点検出用光電変換部が前記マイクロレンズと所定のずらし量で相対的にずらされて配置され、且つ前記フォーカスエリアは前記ずらし量が異なる複数の単位画素で構成される固体撮像素子と、
   前記フォーカスエリアから前記ずらし量が異なる少なくとも２つの単位画素の前記焦点検出用光電変換部の出力が略等しくなる割合で合成する合成部と、
   前記合成部が合成した結果を用いて、前記レンズ光学部の焦点制御を行う焦点制御部と
   を有することを特徴とする撮像装置。
2. 請求項１に記載の撮像装置において、
   前記焦点検出用光電変換部は、対となる第１の光検出領域と第２の光検出領域とで構成され、
   前記合成部は、前記ずらし量が異なる少なくとも２つの単位画素において、各単位画素の同一辺側に配置された第１の光検出領域の出力を単位画素毎に前記レンズ光学系の射出瞳距離に応じて予め求められた合成比率で加算して合成すると共に、他方の第２の光検出領域の出力を単位画素毎に前記レンズ光学系の射出瞳距離に応じて予め求められた合成比率で加算して合成すること
   を特徴とする撮像装置。
3. 請求項２に記載の撮像装置において、
   前記合成部は、前記各単位画素の第１の光検出領域の合成後の出力と前記各単位画素の第２の光検出領域の合成後の出力とが略等しくなる割合で合成すること
   を特徴とする撮像装置。
4. 請求項３に記載の撮像装置において、
   前記合成部は、ずらし量が異なる複数の単位画素の中から、各単位画素の第１の光検出領域または第２の光検出領域のいずれかの出力が、前記第１の光検出領域の出力と前記第２の光検出領域の出力の和の１／２より小さく且つ前記出力の和の１／２に最も近い単位画素と、前記第１の光検出領域の出力と前記第２の光検出領域の出力の和の１／２より大きく且つ前記出力の和の１／２に最も近い単位画素とを選択して、これらの単位画素の第１の光検出領域および第２の光検出領域出力の出力を合成すること
   を特徴とする撮像装置。
5. 請求項４に記載の撮像装置において、
   前記合成部は、
   前記ずらし量が異なる単位画素Ｘと単位画素Ｙとにおいて、前記単位画素Ｘの第１の光検出領域の出力をＡ１および第２の光検出領域の出力をＢ１とし、前記単位画素Ｙの第１の光検出領域の出力をＡ２および第２の光検出領域の出力をＢ２とし、前記単位画素Ｘにおける所定の割合をα、前記単位画素Ｙにおける所定の割合をβとした場合に、
   前記単位画素Ｘおよび前記単位画素Ｙの第１の光検出領域の合成後の第１の出力は（Ａ１×α＋Ａ２×β）の計算により算出し、
   前記単位画素Ｘおよび前記単位画素Ｙの第２の光検出領域の合成後の第２の出力は（Ｂ１×α＋Ｂ２×β）の計算により算出し、
   前記第１の出力≒前記第２の出力となる条件で合成すること
   を特徴とする撮像装置。
6. 請求項３に記載の撮像装置において、
   前記合成部は、前記各単位画素の第１の光検出領域の合成後の出力と前記各単位画素の第２の光検出領域の合成後の出力とを、前記第１の光検出領域の出力と前記第２の光検出領域の出力の和が１になるように規格化し、前記ずらし量が異なる複数の単位画素の中から、各単位画素の第１の光検出領域または第２の光検出領域のいずれかの出力が０．５より小さく且つ０．５に最も近い単位画素と、前記出力が０．５より大きく且つ０．５に最も近い単位画素とを選択して、これらの単位画素の第１の光検出領域および第２の光検出領域出力の出力を合成すること
   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、
   前記合成部は、
   前記ずらし量が異なる単位画素Ｘと単位画素Ｙとにおいて、前記単位画素Ｘの第１の光検出領域の出力をＡ１および第２の光検出領域の出力をＢ１とし、前記単位画素Ｙの第１の光検出領域の出力をＡ２および第２の光検出領域の出力をＢ２とし、前記単位画素Ｘにおける所定の割合をα、前記単位画素Ｙにおける所定の割合をβとした場合に、
   前記単位画素Ｘおよび前記単位画素Ｙの第１の光検出領域の合成後の第１の出力は（Ａ１×α＋Ａ２×β）の計算により算出し、
   前記単位画素Ｘおよび前記単位画素Ｙの第２の光検出領域の合成後の第２の出力は（Ｂ１×α＋Ｂ２×β）の計算により算出し、
   前記第１の出力≒前記第２の出力、且つ、前記第１の出力＋前記第２の出力≒１となる条件で合成すること
   を特徴とする撮像装置。
8. 請求項２から７のいずれか一項に記載の撮像装置において、
   前記レンズ光学部は、前記撮像装置に着脱可能であり、
   前記撮像装置に装着される前記レンズ光学部の射出瞳距離を検知する射出瞳距離検出部と、
   前記撮像装置に装着される前記レンズ光学部の射出瞳距離に対応した前記合成比率を記憶する合成比率テーブルとを更に設け、
   前記合成部は、前記射出瞳距離検出部が検出した前記レンズ光学部の射出瞳距離に応じた前記合成比率を前記合成比率テーブルから読み出して合成時に使用するようにしたこと
   を特徴とする撮像装置。
9. 請求項２から７のいずれか一項に記載の撮像装置において、
   前記レンズ光学部は、前記撮像装置に着脱可能であり、
   前記撮像装置に装着される前記レンズ光学部の種類を検知するレンズ検出部と、
   前記撮像装置に装着される前記レンズ光学部の種類に対応させて前記合成比率を記憶する記憶部とを更に設け、
   前記合成部は、前記レンズ検出部が検出した前記レンズ光学部の種類に応じた前記合成比率を前記記憶部から読み出して合成時に使用するようにしたこと
   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、
    前記撮像装置に装着されたレンズ光学部の種類が前記記憶部に記憶されていない場合に、前記記憶部に記憶されている種類のレンズ光学部の中から前記装着されたレンズ光学部の射出瞳距離に近いレンズ光学部の前記合成比率を読み出して、前記装着されたレンズ光学部の前記合成比率を推定する補間演算部を更に設け、
    前記合成部は、前記補間演算部が推定した前記合成比率で前記第１の光検出領域の出力および前記第２の光検出領域の出力をそれぞれ合成すること
    を特徴とする撮像装置。
11. 請求項１０に記載の撮像装置において、
    前記補間演算部は、前記記憶部に記憶されている種類のレンズ光学部の中から前記装着されたレンズ光学部の射出瞳距離に近い２種類のレンズ光学部を選択し、前記装着されたレンズ光学部の射出瞳距離との差分値に応じて、前記装着されたレンズ光学部の前記合成比率を前記選択した２種類のレンズ光学部の所定の割合から外挿して推定すること
    を特徴とする撮像装置。
12. 請求項８から１１のいずれか一項に記載の撮像装置において、
    前記記憶部は、レンズ光学部の種類に応じた所定の割合を前記フォーカスエリア毎に記憶し、
    前記合成部は、前記レンズ検出部が検出したレンズ光学部の種類に応じた前記合成比率を前記記憶部から前記フォーカスエリア毎に読み出して合成時に使用するようにしたこと
    を特徴とする撮像装置。

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