JP5272565B2 - 焦点検出装置および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は焦点検出装置と撮像装置に関する。

撮影レンズを透過した光を、二次元状にマイクロレンズを配列したマイクロレンズアレイと、各マイクロレンズの背後に複数の光電変換素子を配列した光電変換素子アレイとにより受光し、位相差検出方式により撮影レンズの焦点検出を行うようにした焦点検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この出願の発明に関連する先行技術文献としては次のものがある。
特開昭５８−０２４１０５号公報

しかしながら、従来の焦点検出装置では、マイクロレンズを二次元状に正方配列しているので、撮影レンズの予定焦点面上の撮影レンズの光軸が通る中心から離れた周辺部の焦点検出領域において、撮影レンズの収差の影響により検出誤差が発生するという問題がある。

請求項１の発明による焦点検出装置は、撮影光学系による撮影画面内に設定された複数の焦点検出領域であって、前記複数の焦点検出領域の互いに隣接する焦点検出領域の境界線が前記撮影画面中心を通る放射方向に一致する複数の焦点検出領域と、複数のマイクロレンズがハニカム状に２次元配列された複数のマイクロレンズアレイであって、前記マイクロレンズの配列が最も密になる三つの最密方向うちの一つの最密方向が前記撮影画面中心から前記焦点検出領域の中心に向かう放射方向に直交する直交方向にほぼ一致するように、前記複数の焦点検出領域の各々に配置された複数のマイクロレンズアレイと、前記撮影光学系の瞳の異なった領域を通過した光束をそれぞれ受光する複数の焦点検出用受光素子が前記複数のマイクロレンズアレイの各マイクロレンズに対応して２次元状に配置された複数の焦点検出用受光素子アレイと、前記複数の焦点検出領域の各々に配列された前記複数のマイクロレンズのうち前記直交方向に最密に配列された複数のマイクロレンズに対応する前記複数の焦点検出用受光素子の出力信号に基づき前記撮影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、前記撮影画面中心から前記焦点検出領域の中心に向かう前記放射方向の内の第１の放射方向と、前記第１の放射方向に直交する第２の放射方向との間にある少なくとも２つの放射方向に対応してそれぞれ前記焦点検出領域が設定され、前記隣接する焦点検出領域における前記マイクロレンズの配列が最も密になる前記三つの最密方向がすべて異なり、前記複数の焦点検出用受光素子アレイの各々の前記複数の焦点検出用受光素子は、全ての焦点検出用受光素子アレイについて、同一方向に沿って正方配列されていることを特徴とする。

本発明によれば、結像光学系の収差に起因した焦点検出誤差を抑制することができる。

本発明をデジタル一眼レフカメラに適用した一実施の形態を説明する。なお、本発明は一眼レフデジタルカメラに限定されず、撮影レンズの焦点検出を行うあらゆる撮像装置に適用することができる。

図１は、一実施の形態の焦点検出装置を備えたデジタル一眼レフカメラの構成を示す横断面図である。なお、本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。一実施の形態のカメラはカメラボディ１にレンズ鏡筒２０が装着され、レンズ鏡筒２０は各種の撮影レンズに交換可能である。なお、この一実施の形態ではレンズ交換式カメラを例に上げて説明するが、本発明はレンズ交換式カメラに限定されず、レンズ固定式カメラに対しても適用できる。

カメラボディ１は、撮像素子２、シャッター３、焦点検出光学系４、焦点検出センサー５、焦点検出演算回路６、カメラ制御回路７、駆動回路８、クイックリターンミラー９、サブミラー１０、ファインダースクリーン１１、ペンタプリズム１２、測光レンズ１３、測光センサー１４、接眼レンズ１５、操作部材１６などを備えている。

撮像素子２はＣＣＤやＣＭＯＳなどから構成され、レンズ鏡筒２０内の撮像レンズ２３により結像した被写体像を電気信号に変換して出力する。シャッター３は、シャッターボタン（不図示）の全押し時（シャッターレリーズ時）に露出演算結果または撮影者が手動で設定したシャッター秒時だけ開放され、撮像素子２を露光する。焦点検出光学系４、焦点検出センサー５および焦点検出演算回路６は位相差検出方式の焦点検出装置を構成し、撮影レンズ２３の焦点調節状態を示すデフォーカス量を検出する。この焦点検出装置４，５，６については詳細を後述する。

カメラ制御回路７は図示しないマイクロコンピューターとメモリなどの周辺部品から構成され、測光、焦点検出、撮影などのシーケンス制御や、露出演算などの演算制御を行う。駆動回路８は、レンズ鏡筒２０内に設けられるアクチュエーター２５を駆動制御する。測光センサー１４は、撮影画面を複数の領域に分割して各領域ごとの輝度に応じた測光信号を出力する。

レンズ鏡筒２０は、フォーカシングレンズ２１、ズーミングレンズ２２、絞り２４、アクチュエーター２５、レンズメモリ２６などを備えている。なお、図１ではフォーカシングレンズ２１とズーミングレンズ２２を一つの撮影レンズ２３で代表して表す。フォーカシングレンズ２１はアクチュエーター２５により光軸方向に駆動され、撮影レンズ２３の焦点調節を行うレンズである。ズーミングレンズ２２はアクチュエーター２５により光軸方向に駆動され、撮影レンズ２３の焦点距離を変えるレンズである。絞り２４はアクチュエーター２５に駆動されて絞り開口径を変化させる。レンズメモリ２６には、撮影レンズ２３の開放Ｆ値、焦点距離、絞りしきい値Ｆｋ（詳細後述）などの撮影光学系に関する情報が記憶されている。

カメラボディ１およびレンズ鏡筒２０には、撮影者が操作する操作部材１６が配置される。操作部材１６には、シャッターボタンの半押し時にオンするレリーズ半押しスイッチ、シャッターボタンの全押し時オンするレリーズ全押しスイッチなどが含まれる。

撮影時以外は、クイックリターンミラー９とサブミラー１０が図１に示すように撮影光路中に置かれる。このとき、撮影レンズ２３を透過した被写体からの光の一部は、クイックリターンミラー９に反射されてファインダースクリーン１１へ導かれ、スクリーン１１上に被写体像を結像する。この被写体像は、ペンタプリズム１２と接眼レンズ１５を介して撮影者の目へ導かれるとともに、ペンタプリズム１２と測光用レンズ１３を介して測光用センサー１４へ導かれる。カメラ制御回路７は、測光用センサー１４から出力される測光領域ごとの測光信号に基づいて露出演算を行い、撮影画面の輝度に応じたシャッター速度と絞り値を算出する。なお、手動露出撮影モード設定時には、撮影者が操作部材１６を操作して設定したシャッター速度と絞り値を用いる。

一方、撮影レンズ２３を通過した被写体からの光の他の一部は、クイックリターンミラー９を透過してサブミラー１０により反射され、焦点検出光学系４を介して焦点検出センサー５へ導かれる。この一実施の形態では撮影画面内の複数の位置に焦点検出エリアが設定されており、焦点検出センサー５は、各焦点検出エリアごとに撮影レンズ２３の焦点調節状態を示す焦点検出信号を出力する。焦点検出演算回路６は、各焦点検出エリアごとの焦点検出信号に基づいて撮影レンズ２３の焦点調節状態を示すデフォーカス量を算出する。カメラ制御回路７はデフォーカス量に基づいてレンズ駆動量を算出し、駆動回路８によりアクチュエーター２５を駆動してフォーカシングレンズ２１を合焦駆動する。

撮影時には、クイックリターンミラー９とサブミラー１０が撮影光路から退避され（ミラーアップ）、シャッター３が開放されて撮影レンズ２３を透過した被写体からの光束が撮像素子２へ導かれ。撮像素子２により撮像を行う。

図２は焦点検出光学系４と焦点検出センサー５の詳細な構成を示す。焦点検出光学系４は複数のマイクロレンズを二次元平面上に展開したマイクロレンズアレイから構成されており、図１に示すように撮影レンズ２３の予定焦点面１７から所定距離だけ後方の位置に配置される。このマイクロレンズアレイ（焦点検出光学系）４の背後には、焦点検出センサー５がマイクロレンズアレイ４に密着して配置される。焦点検出センサー５は複数の受光素子（光電変換素子）を二次元平面上に展開した受光素子アレイから構成されており、この一実施の形態では各マイクロレンズに対して５個の受光素子が配列された例を示す。なお、マイクロレンズおよび受光素子の配列と対応関係の種々の態様については後述する。

一つのマイクロレンズとそのマイクロレンズに対応する受光素子列をこの明細書では便宜上、画素と呼ぶことにする。図２に示す例では、マイクロレンズとそのマイクロレンズに対応して配置される５個の受光素子が一つの画素である。この一実施の形態の焦点検出装置では、各画素の受光素子列の各マイクロレンズによる像が、各マイクロレンズの頂点よりも被写体側に結像する構成になっており、この結像面が予定焦点面１７と一致するようにマイクロレンズアレイ（焦点検出光学系）４と焦点検出センサー５を配置する。

この一実施の形態の焦点検出装置４〜６は、撮影レンズ２３の瞳面の異なる領域を通過した被写体光による対の像の、検出面近傍における位置ずれに基づいてデフォーカス量を得るものであり、位相差検出方式の焦点検出装置である。

ここで、一実施の形態の焦点検出演算回路６による焦点検出演算方法について説明する。第１の焦点検出演算方法では、隣接する画素、または所定間隔の画素の受光素子列で検出した像どうしのずれ量に基づいてデフォーカス量を算出する。例えば図２において、二つの隣接する画素のＡ列とＢ列の二つの受光素子列上の像のずれ量、つまり予定焦点面１６上のＡ’とＢ’で表す“受光素子列ＡとＢの逆投影像”の位置に撮影レンズ２３により結像される被写体像のずれ量によりデフォーカス量を演算する。

第２の焦点検出演算方法では、隣接して配列される複数の画素において、各画素の受光素子列の端からｎ番目の受光素子出力を連ねて生成する像と、(ｎ＋ｍ)番目の受光素子出力を連ねて生成する像とのずれ量に基づいてデフォーカス量を算出する。例えば図２において、各画素の受光素子列の左から２番目の受光素子ｃの出力を連ねて受光素子列Ｃとした像と、左から４番目の受光素子ｄの出力を連ねて受光素子列Ｄとした像とのずれ量、つまり予定焦点面１６上のＣ’とＤ’で表す“受光素子列ＣとＤの逆投影像”の位置に撮影レンズ２３により結像される被写体像のずれ量により、デフォーカス量を演算する。

なお、第２の焦点検出演算方法の変形例として、図３に示すように、左から１番目と２番目の受光素子出力の加算値を連ねて受光素子列Ｃとした像と、左から４番目と５番目の受光素子出力の加算値を連ねて受光素子列Ｄとした像とのずれ量、つまり予定焦点面１６上のＣ’とＤ’で表す“受光素子列ＣとＤの逆投影像”の位置に撮影レンズ２３により結像される被写体像のずれ量により、デフォーカス量を演算してもよい。

図４は焦点検出光学系（マイクロレンズアレイ）４のマイクロレンズ配列の一例を示す。この焦点検出光学系（マイクロレンズアレイ）４は、図４(ａ)に示すように１３個の焦点検出領域Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、・・、Ｍ１、Ｎ１に区分されており、(ｂ)〜(ｅ)図に示すように各領域ごとにマイクロレンズ（図中に円形で示す）がハニカム状配列（六方最密状配列または六方稠密状配列とも呼ぶ）されている。

なお、焦点検出領域Ａ１〜Ｍ１どうしの境界は、撮影画面中心からの放射方向に沿って設定されている。この領域分割方法によれば、各領域の画面中心からの放射方向と直交する方向において撮影レンズの収差の影響を抑制しながら正確な焦点検出を行うことができる。

図４(ａ)において、ｒ２１はマイクロレンズアレイ４の中心を通る縦の直線、ｒ２４は焦点検出光学系４の中心を通る横の直線である。縦線ｒ２１と横線ｒ２４の交点、すなわち焦点検出光学系（マイクロレンズアレイ）４の中心は図１に示す撮影レンズ２３の撮影画面の中心に対応する。

マイクロレンズの配列は焦点検出領域Ａ１〜Ｎ１ごとに異なっており、領域Ａ１は(ｂ)図に示す配列、領域Ｂ１は(ｃ)図に示す配列、領域Ｃ１は(ｄ)図に示す配列、領域Ｄ１は(ｅ)図に示す配列である。なお、図４(ｂ)〜(ｅ)はマイクロレンズ配列の一部を示す。他の焦点検出領域Ｆ１〜Ｍ１のマイクロレンズ配列は、焦点検出光学系４の中心（縦線ｒ２１と横線ｒ２４の交点で撮影画面の中心）に対して点対象位置にある領域のマイクロレンズ配列と同じである。すなわち、領域Ｆ１と領域Ｌ１、領域Ｇ１と領域Ｍ１、領域Ｈ１と領域Ａ１、領域Ｉ１と領域Ｂ１、領域Ｊ１と領域Ｃ１、領域Ｋ１と領域Ｄ１はそれぞれ焦点検出光学系４の中心に対して点対称であり、互いにマイクロレンズ配列は同じである。なお、中央の焦点検出領域Ｎ１のマイクロレンズ配列は焦点検出領域Ａ１のマイクロレンズ配列と同一としている。

このマイクロレンズの配列では、隣接する３個のマイクロレンズの中心どうしを結ぶ線分から構成される三角形が正三角形になるように、複数のマイクロレンズがハニカム状に稠密に配列されており、(ｂ)図〜(ｅ)図に示すようにこのハニカム状配列におけるマイクロレンズの並びピッチが密になる配列方向Ｓ１〜Ｓ３どうしの間隔はすべて６０度である。したがって、(ｂ)図〜(ｅ)図に示すように、マイクロレンズのハニカム状配列における配列方向Ｓ１〜Ｓ３のそれぞれにおいて、マイクロレンズの配列ピッチが最小になる。このようなハニカム状のマイクロレンズ配列は、同一寸法のマイクロレンズを縦横に配列した正方配列に比べ、配列ピッチを最小にすることができ、より密なマイクロレンズ配列、つまり画素配列が可能になる。

焦点検出領域Ａ１において、撮影画面の中心（焦点検出光学系４の中心）から領域Ａ１の中心へ延びる直線（放射線）ｒ２１と直交する直線ｎ２１の方向は、マイクロレンズのハニカム状配列における３本の配列方向Ｓ１〜Ｓ３の内の一方向Ｓ１と一致する。同様に、焦点検出領域Ｂ１において、撮影画面中心から領域Ｂ１の中心へ延びる直線ｒ２２と直交する直線ｎ２２の方向は、マイクロレンズのハニカム状配列における３本の配列方向Ｓ１〜Ｓ３の内の一方向Ｓ１と一致する。

また、焦点検出領域Ｃ１において、撮影画面中心から領域Ｃ１の中心へ延びる直線ｒ２３と直交する直線ｎ２３の方向は、マイクロレンズのハニカム状配列における３本の配列方向Ｓ１〜Ｓ３の内の一方向Ｓ１と一致する。さらに、焦点検出領域Ｄ１において、撮影画面中心から領域Ｄ１の中心へ延びる直線ｒ２４と直交する直線ｎ２４の方向は、マイクロレンズのハニカム状配列における３本の配列方向Ｓ１〜Ｓ３の内の一方向Ｓ１と一致する。

図５〜図８は、図４(ｂ)〜(ｅ)に示す焦点検出領域Ａ１〜Ｄ１の焦点検出光学系（マイクロレンズアレイ）４と焦点検出センサー（受光素子アレイ）５の画素配列を示し、図１に示す予定焦点面１７から焦点検出光学系４と焦点検出センサー５を見た図である。なお、実際にはマイクロレンズとマイクロレンズの間は遮光膜で覆っているが、図５〜図８では説明を解りやすくするために遮光膜の図示を省略している。

図５〜図８において、各焦点検出領域Ａ１〜Ｄ１におけるマイクロレンズ配列は図４(ｂ)〜(ｅ)に示す配列と同じである。一方、焦点検出センサー５の受光素子配列は、各焦点検出領域Ａ１〜Ｄ１ごとに異なる。図５に示すように、焦点検出領域Ａ１では、受光素子が、画面中心から領域Ａ１の中心へ延びる直線ｒ２１と、直線ｒ２１に直交する直線ｎ２１の方向に沿って正方配列されている。

同様に、図６に示すように、焦点検出領域Ｂ１では、受光素子が、画面中心から領域Ｂ１の中心へ延びる直線ｒ２２と、直線ｒ２２に直交する直線ｎ２２の方向に沿って正方配列されている。また図７に示すように、焦点検出領域Ｃ１では、受光素子が、画面中心から領域Ｃ１の中心へ延びる直線ｒ２３と、直線ｒ２３に直交する直線ｎ２３の方向に沿って正方配列されている。さらに図８に示すように、焦点検出領域Ｄ１では、受光素子が、画面中心から領域Ｄ１の中心へ延びる直線ｒ２４と、直線ｒ２４に直交する直線ｎ２４の方向に沿って正方配列されている。

図４〜図８に示すマイクロレンズと受光素子の配列においては、３方向のマイクロレンズの並びピッチが密になるように、マイクロレンズをハニカム状に配列したので、正方配列に比べ、同一外形のマイクロレンズを用いても最小の並びピッチでマイクロレンズを配列できる。つまり、画素配列が正方配列の場合に比べて密になり、焦点検出精度を向上させることができる。

また、各焦点検出領域ごとに、マイクロレンズのハニカム状配列におけるマイクロレンズの並びピッチを密にする３本の配列方向Ｓ１〜Ｓ３（図４(ｂ)〜(ｅ)参照）のいずれか１方向が、画面中心から焦点検出領域の中心を通る直線（放射線）に直角な方向に沿うようにマイクロレンズを配列したので、撮影画面のどの焦点検出領域においても、画面中心からの放射方向と直角な方向に細密な画素配列を実現でき、同方向において撮影レンズの収差の影響を抑制しながら正確な焦点検出を行うことができる。

《マイクロレンズ配置の変形例》
上述した一実施の形態のマイクロレンズ配列は、正確なハニカム状配列、つまり隣接する３個のマイクロレンズの中心どうしを結ぶ線分から構成される三角形が正三角形になるように、複数のマイクロレンズが正確なハニカム状配列された例を示したが、このような幾何学的な厳密性が製造誤差などにより多少崩れても問題にならないのはもちろんであるが、設計上で意図的に正確なハニカム状配列から少しずらした配列としてもよい。

マイクロレンズを正確なハニカム状配列にすると、撮影画面中心からの放射方向のマイクロレンズの並びピッチと、画面中心からの放射方向に直交する方向のマイクロレンズの並びピッチとの比が無理数になる。そこで、配列を正確なハニカム状配列から崩し、画面中心からの放射方向のマイクロレンズの並びピッチと、画面中心からの放射方向に直交する方向のマイクロレンズの並びピッチとの比が有理数となるように、隣接する３個のマイクロレンズの中心どうしを結ぶ線分から構成される三角形が二等辺三角形になるようにする。

図９は、マイクロレンズの配列を正確なハニカム状配列から少しずらした配列例を示す。図中に破線で示すように、隣接する３個のマイクロレンズの中心どうしを結ぶ線分から構成される三角形は正三角形ではなく、二等辺三角形である。正確なハニカム状配列の場合には、三角形が正三角形であるから、三角形の底辺と高さの比は√(３)：２、つまり無理数になるが、この配列例の二等辺三角形の場合には三角形の底辺と高さの比が図から明らかなように１４：１６、つまり有理数（整数比）になる。

ハニカム状配列における上記２方向のマイクロレンズの並びピッチの比が有理数になると、受光素子が縦横等ピッチに正方配列された一般的な受光素子アレイを用いて、マイクロレンズの並びピッチを上記２方向ともに受光素子の並びピッチの整数倍にすることができる。これにより、マイクロレンズと対応する受光素子との相対位置関係がすべてのマイクロレンズで同一になり、これらの受光素子出力を用いて焦点検出演算を行う際に計算が上述した第１および第２の焦点検出演算方法のように単純になるなどの利点がある。

厳密なハニカム状配列から少しずれた場合でも、図４(ｂ)〜(ｅ)に示す正確なハニカム状配列における配列方向Ｓ１〜Ｓ３に近い、レンズピッチを極小にする３つの配列方向が存在する。厳密には、３つの配列方向の内の１つの配列方向のレンズピッチが最小になるとともに、残り２つの配列方向のレンズピッチは前者のレンズピッチよりわずかに大きくなり、いずれも正確なハニカム状配列の場合のレンズピッチよりもわずかに大きくなる。しかし、正確なハニカム状配列から少しずれても、３つの配列方向どうしの角度の変化は微小である。

正確なハニカム状配列から少しずらした配列における３つの配列方向を、図４(ｂ)〜(ｅ)に示す正確なハニカム状配列における３つの配列方向Ｓ１〜Ｓ３と同等に扱うことに何ら問題はなく、焦点検出演算が容易になるなどの幾何学的に正確なハニカム状配列の場合の利点と同様な利点が得られる。

上述した一実施の形態とその変形例では、それぞれの焦点検出領域Ａ１〜Ｎ１（図４参照）の位置に応じて受光素子の配列方向を異ならせた。つまり、受光素子を、画面中心からそれぞれの領域へ向かう方向と、画面中心からそれぞれの領域へ向かう方向と直交する方向とに沿って正方配列したので、領域ごとに画面中心からの放射方向と直交する方向において撮影レンズの収差の影響を抑制しながら正確な焦点検出を行うことができる。

《受光素子配列の変形例》
上述した一実施の形態とその変形例では、それぞれの焦点検出領域Ａ１〜Ｎ１（図４参照）の位置に応じて受光素子の配列方向を変える例を示したが、すべての焦点検出領域Ａ１〜Ｎ１における受光素子配列を同一としてもよい。例えば、すべての焦点検出領域Ａ１〜Ｎ１における受光素子を、図４(ａ)に示すように焦点検出光学系（マイクロレンズアレイ）４の中心を通る縦の直線ｒ２１と横の直線ｒ２４に沿って正方配列する。

図１０〜図１３は、すべての焦点検出領域で受光素子配列を同一の縦方向と横方向の正方配列とした場合の、図４(ａ)に示す焦点検出領域Ａ１〜Ｄ１の焦点検出光学系（マイクロレンズアレイ）４と焦点検出センサー（受光素子アレイ）５の画素配列を示し、図１に示す予定焦点面１７から焦点検出光学系４と焦点検出センサー５を見た図である。なお、実際にはマイクロレンズとマイクロレンズの間は遮光膜で覆っているが、図１０〜図１３では説明を解りやすくするために遮光膜の図示を省略している。

焦点検出領域Ａ１〜Ｄ１におけるマイクロレンズの配列は、領域ごとに異なる。つまり、各焦点検出領域Ａ１〜Ｄ１において、マイクロレンズのハニカム状配列における３本の配列方向（図４(ｂ)参照）の内の一方向が、図４(ａ)に示す焦点検出光学系（マイクロレンズアレイ）４の中心、すなわち撮影画面の中心からの放射線ｒ２１〜２４と直交する直線ｎ２１〜ｎ２４のいずれかと同一方向となるように、マイクロレンズが配列されている。領域Ａ１では図４(ｂ)に示す配列と同じ、領域Ｂ１では図４(ｃ)に示す配列と同じ、領域Ｃ１では図４(ｄ)に示す配列と同じ、領域Ｄ１では図４(ｅ)に示す配列と同じである。さらに、これ以外の領域Ｅ１〜Ｎ１のマイクロレンズ配列は図４で説明した一実施の形態の配列と同じである。

なお、この変形例において、マイクロレンズ配列を正確なハニカム状配列から崩し、隣接するマイクロレンズの中心どうしを結ぶ線分が二等辺三角形を形成するように配列する場合には、上記二等辺三角形の三辺の内の最小の辺の方向が、焦点検出領域ごとに、撮影画面の中心からの放射線ｒ２１〜２４と直交する直線ｎ２１〜ｎ２４と同一方向となるように、マイクロレンズを配列する。これにより、焦点検出領域ごとに、画面中心からの放射線ｒ２１〜ｒ２４と直交する直線ｎ２１〜ｎ２４の方向において、マイクロレンズを最も密に配列することができ、同方向の画素ピッチを最小にすることができるため、同方向の焦点検出精度を向上させることができる。

一方、焦点検出領域Ａ１〜Ｄ１における受光素子の配列はすべての領域において同一であり、図４(ａ)に示す撮影画面中心を通る縦の直線ｒ２１と横の直線ｒ２４に沿って正方配列されている。つまり、焦点検出センサー５の受光素子は、センサーの全範囲において単に撮影画面の縦横に沿って正方配列されている。

焦点検出センサー５の各マイクロレンズに対応する複数の受光素子の内、画面中心からの放射方向に配列される５〜６個の受光素子を一つのグループとしてグループ分けし、各グループ内の受光素子出力を合計して一つの受光素子として扱い、上述した第１または第２の焦点検出演算方法を用いて画面中心からの放射方向と直交する方向における焦点検出を行うことができる。

図１０に示す焦点検出領域Ａ１（図４(ａ)参照）において、各マイクロレンズに対応する複数の受光素子の内、画面中心からの放射方向（ｒ２１方向）に配列される５個の受光素子を一つのグループとして６グループにグループ分けし、各グループ内の受光素子出力を合計して一つの受光素子として扱い、上述した第１または第２の焦点検出演算方法を用いて画面中心からの放射方向（ｒ２１方向）と直交する方向（ｎ２１方向）における焦点検出を行うことができる。

同様に、図１１に示す焦点検出領域Ｂ１（図４(ａ)参照）において、各マイクロレンズに対応する複数の受光素子の内、画面中心から放射方向（ｒ２２方向）に配列される６個の受光素子を一つのグループとして６グループにグループ分けする。この例では、ｒ２２方向の黒丸印を付した受光素子を６個繋げて１グループにするとともに、ｒ２２方向の×印を付した受光素子を６個繋げて１グループにし、合計６グループにグループ化している。そして、各グループ内の受光素子出力を合計して一つの受光素子として扱い、上述した第１または第２の焦点検出演算方法を用いて画面中心からの放射方向（ｒ２２方向）と直交する方向（ｎ２２方向）における焦点検出を行うことができる。

図１２に示す焦点検出領域Ｃ１（図４(ａ)参照）において、各マイクロレンズに対応する複数の受光素子の内、画面中心から放射方向（ｒ２３方向）に配列される６個の受光素子を一つのグループとして６グループにグループ分けする。この例では、ｒ２３方向の黒丸印を付した受光素子を６個繋げて１グループにするとともに、ｒ２３方向の×印を付した受光素子を６個繋げて１グループにし、合計６グループにグループ化している。そして、各グループ内の受光素子出力を合計して一つの受光素子として扱い、上述した第１または第２の焦点検出演算方法を用いて画面中心からの放射方向（ｒ２３方向）と直交する方向（ｎ２３方向）における焦点検出を行うことができる。

焦点検出領域Ｂ１（図１１参照）、Ｃ１Ｉ（図１２参照）では検出領域中心における画面中心からの放射方向と焦点検出センサー５上の受光素子の並び方向との角度によって、グループの受光素子の並び方向が正確に画面中心からの放射方向とならず、グループの形状が同じにならない。しかし、近似的にそれらの条件を満たすようにグループ化することによって、同じ方法で焦点検出が可能になる。図１１、図１２では、マイクロレンズの直径に対して受光素子を比較的大きくした例を示すが、実際にはより受光素子を細かくすることによって、さらによい近似が可能になる。

図１３に示す焦点検出領域Ｄ１（図４(ａ)参照）において、各マイクロレンズに対応する複数の受光素子の内、画面中心から放射方向（ｒ２４方向）に配列される５個の受光素子を一つのグループとして６グループにグループ分けし、各グループ内の受光素子出力を合計して一つの受光素子として扱い、上述した第１または第２の焦点検出演算方法を用いて画面中心からの放射方向（ｒ２４方向）と直交する方向（ｎ２４方向）における焦点検出を行うことができる。

ここで、画面中心からの放射方向と直角な方向において像ずれ検出を行う場合には、次のような利点がある。第１に、ずれた２像の一致性が比較的よい。一般に、位置ずれを比較する二つの像、すなわち受光素子列で検出される二つの光量分布は、透過してきた撮影レンズの収差の影響で歪みがある。二つの像における歪みの差が大きいほど、これらの像ずれ検出が不正確になる。収差の像への影響は、その像の像高と角度、つまり像のコントラスト検出方向と光軸中心からの像の位置への放射線との相対角度によるところが大きい。像ずれ検出方向が、検出領域の概略中心点における画面中心からの放射方向と直角な方向である場合には、二つの像を形成する光束が焦点検出センサー５の受光面上でほぼ同じ像高に注ぐ光束となり、さらに各像自体の方向も各光束が注ぐ位置における画面中心からの放射方向と直角な方向に近い。したがって、これら像全体にわたって収差はほぼ等しくなり、収差に起因した二つの像の不一致は軽微となる。これにより、像の不一致による焦点検出不能状態になりにくく、また焦点検出精度の低下を防ぐことができる。なお、この場合に検出される像ずれ量に対して収差による誤差分を補正する必要がある。第２に、けられにくい、けられてもずれを比較する２像が比較的に同じようにけられるので、検出結果への影響が少ない。

《受光素子グループ化の変形例》
次に、すべての焦点検出領域Ａ１〜Ｎ１における受光素子を、図４(ａ)に示すようにマイクロレンズアレイ４の中心を通る縦の直線ｒ２１と横の直線ｒ２４に沿って正方配列し、図３に示す第２の焦点検出演算方法を適用する場合の受光素子のグループ分け方法を説明する。

図１４〜図１７は、すべての焦点検出領域で受光素子配列を同一の縦方向と横方向の正方配列とした場合の、図４(ａ)に示す焦点検出領域Ａ１〜Ｄ１の焦点検出光学系（マイクロレンズアレイ）４と焦点検出センサー（受光素子アレイ）５の画素配列を示し、図１に示す予定焦点面１７から焦点検出光学系４と焦点検出センサー５を見た図である。なお、実際にはマイクロレンズとマイクロレンズの間は遮光膜で覆っているが、図１４〜図１７では説明を解りやすくするために遮光膜の図示を省略している。各焦点検出領域Ａ１〜Ｄ１では、隣接する複数の受光素子をグループ分けし、図３に示す受光素子列ＣおよびＤに相当する“グループ列”を生成することができる。

焦点検出領域Ａ１〜Ｄ１におけるマイクロレンズの配列は、領域ごとに異なる。つまり、各焦点検出領域Ａ１〜Ｄ１において、マイクロレンズのハニカム状配列における３本の配列方向（図４(ｂ)〜(ｅ)参照）の内の一方向が、図４(ａ)に示す焦点検出光学系（マイクロレンズアレイ）４の中心、すなわち撮影画面の中心からの放射線ｒ２１〜２４と直交する直線ｎ２１〜ｎ２４と同一方向になるように、マイクロレンズが配列されている。領域Ａ１では図４(ｂ)に示す配列と同じ、領域Ｂ１では図４(ｃ)に示す配列と同じ、領域Ｃ１では図４(ｄ)に示す配列と同じ、領域Ｄ１では図４(ｅ)に示す配列と同じである。さらに、これ以外の領域Ｅ１〜Ｎ１のマイクロレンズ配列は図４で説明した一実施の形態の配列と同じである。

一方、焦点検出領域Ａ１〜Ｄ１における受光素子の配列はすべての領域において同一であり、図４(ａ)に示す撮影画面中心を通る縦の直線ｒ２１と横の直線ｒ２４に沿って正方配列されている。つまり、焦点検出センサー５の受光素子は、センサーの全範囲において単に撮影画面の縦横に沿って正方配列されている。この焦点検出センサー５の各マイクロレンズの光軸を通る放射線ｒ２１〜ｒ２４の両側において、各マイクロレンズに対応する複数の受光素子の内、画面中心からの放射方向に並んで配列される６〜７個の受光素子を一つのグループとするグループ分けを行い、マイクロレンズごとに２グループずつ形成する。そして、各グループ内の受光素子出力を合計して一つの受光素子として扱い、上述した図３に示す第２の焦点検出演算方法を用いて画面中心からの放射方向と直交する方向における焦点検出を行う。

なお、この変形例において、各マイクロレンズ下の複数の受光素子のグループ分けは矩形形状に限定されず、例えば図１８や図１９に示すような形状にグループ分けすることができる。図１８では、被写体からの光束がケラレない範囲の受光素子をできる限り多く焦点検出に用いるために、マイクロレンズの輪郭に近い受光素子を用いず、かつ、二つのグループの形状を一致させるためにグループの形状を略長円形状としている。グループ形状を一致させるのは、そうしないと像ずれを比較する二つの像がぼけている場合にその一致性が悪くなり、像ずれ量検出の誤差が大きくなるからである。

上述した一実施の形態とその変形例では、受光素子を撮影画面の全範囲に展開した例を示したが、マイクロレンズを通過した光束が注ぐ範囲のみに受光素子を展開するようにしてもよい。さらに、マイクロレンズの形状は円形に限定されず、例えば六角形にすることによってさらに多くの焦点検出用光束を受光することができる。

なお、上述した実施の形態とそれらの変形例において、実施の形態どうし、または実施の形態と変形例とのあらゆる組み合わせが可能である。

一実施の形態の焦点検出装置を備えたデジタル一眼レフカメラの構成を示す図 焦点検出光学系と焦点検出センサーの詳細な構成と焦点検出演算方法を説明するための図 焦点検出光学系と焦点検出センサーの詳細な構成と焦点検出演算方法を説明するための図 焦点検出光学系（マイクロレンズアレイ）のマイクロレンズ配列の一例を示す図 図４(ａ)に示す焦点検出領域Ａ１の焦点検出光学系（マイクロレンズアレイ）と焦点検出センサー（受光素子アレイ）の画素配列を示し、図１に示す予定焦点面から焦点検出光学系と焦点検出センサーを見た図 図５に示す焦点検出光学系と焦点検出センサーの焦点検出領域Ｂ１における画素配列を示す図 図５に示す焦点検出光学系と焦点検出センサーの焦点検出領域Ｃ１における画素配列を示す図 図５に示す焦点検出光学系と焦点検出センサーの焦点検出領域Ｄ１における画素配列を示す図 マイクロレンズの配列を正確なハニカム状配列から少しずらした配列例を示す図 すべての焦点検出領域で受光素子配列を同一の縦方向と横方向の正方配列とした場合の、図４(ａ)に示す焦点検出領域Ａ１の焦点検出光学系（マイクロレンズアレイ）と焦点検出センサー（受光素子アレイ）の画素配列を示し、図１に示す予定焦点面から焦点検出光学系と焦点検出センサーを見た図 図１０に示す焦点検出光学系と焦点検出センサーの焦点検出領域Ｂ１における画素配列を示す図 図１０に示す焦点検出光学系と焦点検出センサーの焦点検出領域Ｃ１における画素配列を示す図 図１０に示す焦点検出光学系と焦点検出センサーの焦点検出領域Ｄ１における画素配列を示す図 すべての焦点検出領域で受光素子配列を同一の縦方向と横方向の正方配列とした場合の、図４(ａ)に示す焦点検出領域Ａ１の焦点検出光学系（マイクロレンズアレイ）と焦点検出センサー（受光素子アレイ）の画素配列を示し、図１に示す予定焦点面から焦点検出光学系と焦点検出センサーを見た図 図１４に示す焦点検出光学系と焦点検出センサーの焦点検出領域Ｂ１における画素配列を示す図 図１４に示す焦点検出光学系と焦点検出センサーの焦点検出領域Ｃ１における画素配列を示す図 図１４に示す焦点検出光学系と焦点検出センサーの焦点検出領域Ｄ１における画素配列を示す図 受光素子グループ分けの変形例を示す図 受光素子グループ分けの他の変形例を示す図

符号の説明

４；焦点検出光学系（マイクロレンズアレイ）、５；焦点検出センサー、６；焦点検出演算回路、２１；撮影レンズ

Claims (5)

1. 撮影光学系による撮影画面内に設定された複数の焦点検出領域であって、前記複数の焦点検出領域の互いに隣接する焦点検出領域の境界線が前記撮影画面中心を通る放射方向に一致する複数の焦点検出領域と、
   複数のマイクロレンズがハニカム状に２次元配列された複数のマイクロレンズアレイであって、前記マイクロレンズの配列が最も密になる三つの最密方向うちの一つの最密方向が前記撮影画面中心から前記焦点検出領域の中心に向かう放射方向に直交する直交方向にほぼ一致するように、前記複数の焦点検出領域の各々に配置された複数のマイクロレンズアレイと、
   前記撮影光学系の瞳の異なった領域を通過した光束をそれぞれ受光する複数の焦点検出用受光素子が前記複数のマイクロレンズアレイの各マイクロレンズに対応して２次元状に配置された複数の焦点検出用受光素子アレイと、
   前記複数の焦点検出領域の各々に配列された前記複数のマイクロレンズのうち前記直交方向に最密に配列された複数のマイクロレンズに対応する前記複数の焦点検出用受光素子の出力信号に基づき前記撮影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、
   前記撮影画面中心から前記焦点検出領域の中心に向かう前記放射方向の内の第１の放射方向と、前記第１の放射方向に直交する第２の放射方向との間にある少なくとも２つの放射方向に対応してそれぞれ前記焦点検出領域が設定され、
   前記隣接する焦点検出領域における前記マイクロレンズの配列が最も密になる前記三つの最密方向がすべて異なり、
   前記複数の焦点検出用受光素子アレイの各々の前記複数の焦点検出用受光素子は、全ての焦点検出用受光素子アレイについて、同一方向に沿って正方配列されてい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、
   前記マイクロレンズアレイは、前記撮影画面中央から前記焦点検出領域へ向かう方向の前記マイクロレンズの配列ピッチと、前記撮影画面中央から前記焦点検出領域へ向かう方向と直交する方向の前記マイクロレンズの配列ピッチとの比が有理数となるように配列され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、
   前記焦点検出手段は、前記マイクロレンズに対応する複数の前記受光素子の内の、前記直交方向に沿った一対の焦点検出用受光素子群の出力信号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焦点検出装置。
4. 請求項３に記載の焦点検出装置において、
   前記焦点検出手段は、前記一対の焦点検出用受光素子群の出力信号を焦点検出用素子群毎に加算した出力信号に基づき前記焦点調節状態を検出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１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。
   

Images