JP5399627B2 - 焦点検出装置、焦点調節装置および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は焦点検出装置、焦点調節装置および撮像装置に関する。

マイクロレンズとその背後に配置された一対の光電変換部からなる焦点検出画素を撮影レンズの予定焦点面上に配列し、これにより光学系を通る一対の焦点検出光束が形成する一対の像に応じた一対の像信号を生成し、この一対の像信号間の像ズレ量を検出することによって撮影レンズの焦点調節状態を検出する、いわゆる瞳分割型位相差検出方式の焦点検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この種の焦点検出装置では、一対の像信号間の像ズレ量（位相差）を検出する際に、一対の像信号の一方を固定し（基準とし）、他方の像信号を固定された像信号に対し１画素ずつシフトしながら相関度を算出し、最大の相関度を示すシフト量に応じて光学系のデフォーカス量（焦点調節状態）を検出している。

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２００４−１７２２７３号公報

しかしながら、上述した従来の焦点検出装置では、焦点検出位置が画面の周辺にあって一対の光束の入射角が大きい場合には、焦点調節のための撮影レンズの移動により、固定される像信号に対応する被写体像が撮影レンズの移動前後で大幅に変化してしまう。そのため、撮影レンズ移動後に異なるターゲットに対して焦点検出をすることになり、撮影レンズがハンチング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上に、その中心から一方側及びその反対側にそれぞれ離れた位置にそれぞれ設定された第１及び第２の焦点検出エリアと、前記第１の焦点検出エリアにおいて、前記撮影光学系の瞳の一対の部分領域を通過する一対の光束のうちの一方の第1光束を受光して前記第1光束による像に対応する第1の信号列を出力する複数の第1の焦点検出画素と、前記一対の光束のうちの他方の第２光束を受光して前記第２光束による像に対応する第２の信号列を出力する複数の第２の焦点検出画素と、を有する第1の受光手段と、前記第２の焦点検出エリアにおいて、前記撮影光学系の瞳の一対の部分領域を通過する一対の光束のうちの一方の第３光束を受光して前記第３光束による像に対応する第３の信号列を出力する複数の第３の焦点検出画素と、前記一対の光束のうちの他方の第４光束を受光して前記第４光束による像に対応する第４の信号列を出力する複数の第４の焦点検出画素と、を有する第２の受光手段と、前記第1の信号列と前記第２の信号列との第１のズレ量を算出する第１のズレ量検出手段と、前記第３の信号列と前記第４の信号列との第２のズレ量を算出する第２のズレ量検出手段と、前記第１のズレ量または前記第２のズレ量に基づいて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、前記第１のズレ量検出手段は、前記第1の焦点検出画素への前記第１光束の入射角と前記第２の焦点検出画素への前記第２光束の入射角とのうち、入射角の小さい方の光束に関する信号列を第１の基準信号列とし、入射角の大きい方の光束に関する信号列を第１の変位信号列として、前記第１の基準信号列に対して前記第１の変位信号列を変位させながら、前記第１の基準信号列と前記第１の変位信号列との相関量を相関演算によって算出して前記第１のズレ量を算出し、前記第２のズレ量検出手段は、前記第３の焦点検出画素への前記第３光束の入射角と前記第４の焦点検出画素への前記第４光束の入射角とのうち、入射角の小さい方の光束に関する信号列を第２の基準信号列とし、入射角の大きい方の光束に関する信号列を第２の変位信号列として、前記第２の基準信号列に対して前記第２の変位信号列を変位させながら、前記第２の基準信号列と前記第２の変位信号列との相関量を相関演算によって算出して前記第２のズレ量を算出し、前記第１の受光手段は、前記第１の変位信号列を出力する複数の焦点検出画素の数が、前記第１の基準信号列を出力する複数の焦点検出画素の数よりも大きく、前記第２の受光手段は、前記第２の変位信号列を出力する複数の焦点検出画素の数が、前記第２の基準信号列を出力する複数の焦点検出画素の数よりも大きく、前記第１のズレ量検出手段による前記相関演算は、前記第１の基準信号列と前記第１の変位信号列について、互いに同数の基準信号及び変位信号を用いて行われ、前記第２のズレ量検出手段による前記相関演算は、前記第２の基準信号列と前記第２の変位信号列について、互いに同数の基準信号及び変位信号を用いて行われることを特徴とする。
請求項２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上に、その中心から一方側及びその反対側にそれぞれ離れた位置にそれぞれ設定された第１及び第２の焦点検出エリアと、前記第１の焦点検出エリアにおいて、前記撮影光学系の瞳の一対の部分領域を通過する一対の光束のうちの一方の第1光束を受光して前記第1光束による像に対応する第1の信号列を出力する複数の第1の焦点検出画素と、前記一対の光束のうちの他方の第２光束を受光して前記第２光束による像に対応する第２の信号列を出力する複数の第２の焦点検出画素と、を有する第1の受光手段と、前記第２の焦点検出エリアにおいて、前記撮影光学系の瞳の一対の部分領域を通過する一対の光束のうちの一方の第３光束を受光して前記第３光束による像に対応する第３の信号列を出力する複数の第３の焦点検出画素と、前記一対の光束のうちの他方の第４光束を受光して前記第４光束による像に対応する第４の信号列を出力する複数の第４の焦点検出画素と、を有する第２の受光手段と、前記第1の信号列と前記第２の信号列との第１のズレ量を算出する第１のズレ量検出手段と、前記第３の信号列と前記第４の信号列との第２のズレ量を算出する第２のズレ量検出手段と、前記第１のズレ量または前記第２のズレ量に基づいて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、前記第１のズレ量検出手段は、前記第1の焦点検出画素への前記第１光束の入射角と前記第２の焦点検出画素への前記第２光束の入射角とのうち、入射角の小さい方の光束に関する信号列を第１の基準信号列とし、入射角の大きい方の光束に関する信号列を第１の変位信号列として、前記第１の基準信号列に対して前記第１の変位信号列を変位させながら、前記第１の基準信号列と前記第１の変位信号列との相関量を相関演算によって算出して前記第１のズレ量を算出し、前記第２のズレ量検出手段は、前記第３の焦点検出画素への前記第３光束の入射角と前記第４の焦点検出画素への前記第４光束の入射角とのうち、入射角の小さい方の光束に関する信号列を第２の基準信号列とし、入射角の大きい方の光束に関する信号列を第２の変位信号列として、前記第２の基準信号列に対して前記第２の変位信号列を変位させながら、前記第２の基準信号列と前記第２の変位信号列との相関量を相関演算によって算出して前記第２のズレ量を算出し、前記第１のズレ量検出手段が前記第１の基準信号列に対して前記第１の変位信号列を変位させながら前記相関演算を行うために使用する前記第１の変位信号列の変位信号の数が前記第１の基準信号列の基準信号の数よりも大きく、前記第２のズレ量検出手段が前記第２の基準信号列に対して前記第２の変位信号列を変位させながら前記相関演算を行うために使用する前記第２の変位信号列の変位信号の数が前記第１の基準信号列の基準信号の数よりも大きく、前記第１のズレ量検出手段による前記相関演算は、前記第１の基準信号列と前記第１の変位信号列について、互いに同数の基準信号及び変位信号を用いて行われ、前記第２のズレ量検出手段による前記相関演算は、前記第２の基準信号列と前記第２の変位信号列について、互いに同数の基準信号及び変位信号を用いて行われることを特徴とする。
請求項４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上に、その中心から一方側及びその反対側にそれぞれ離れた位置にそれぞれ設定された第１及び第２の焦点検出エリアと、前記第１の焦点検出エリアにおいて、前記撮影光学系の瞳の一対の部分領域を通過する第1及び第２光束をそれぞれ受光して前記第1光束による像に対応する第1の信号列と前記第２光束による像に対応する第２の信号列とを出力する複数の第1の焦点検出画素を有する第1の受光手段と、前記第２の焦点検出エリアにおいて、前記撮影光学系の瞳の一対の部分領域を通過する第３及び第４光束をそれぞれ受光して前記第３光束による像に対応する第３の信号列と前記第４光束による像に対応する第４の信号列とを出力する複数の第２の焦点検出画素を有する第２の受光手段と、前記第1の信号列と前記第２の信号列との第１のズレ量を算出する第１のズレ量検出手段と、前記第３の信号列と前記第４の信号列との第２のズレ量を算出する第２のズレ量検出手段と、前記第１のズレ量または前記第２のズレ量に基づいて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、前記第１のズレ量検出手段は、前記第1の焦点検出画素への前記第１光束の入射角と前記第１の焦点検出画素への前記第２光束の入射角とのうち、入射角の小さい方の光束に関する信号列を第１の基準信号列とし、入射角の大きい方の光束に関する信号列を第１の変位信号列として、前記第１の基準信号列に対して前記第１の変位信号列を変位させながら、前記第１の基準信号列と前記第１の変位信号列との相関量を相関演算によって算出して前記第１のズレ量を算出し、前記第２のズレ量検出手段は、前記第２の焦点検出画素への前記第３光束の入射角と前記第２の焦点検出画素への前記第４光束の入射角とのうち、入射角の小さい方の光束に関する信号列を第２の基準信号列とし、入射角の大きい方の光束に関する信号列を第２の変位信号列として、当該基準信号列に対して当該変位信号列を変位させながら、前記第２の基準信号列と前記第２の変位信号列との相関量を相関演算によって算出して前記第２のズレ量を算出し、前記第１のズレ量検出手段が前記第１の基準信号列に対して前記第１の変位信号列を変位させながら前記相関演算を行うために使用する前記第１の変位信号列の変位信号の数が前記第１の基準信号列の基準信号の数よりも大きく、前記第２のズレ量検出手段が前記第２の基準信号列に対して前記第２の変位信号列を変位させながら前記相関演算を行うために使用する前記第２の変位信号列の変位信号の数が前記第１の基準信号列の基準信号の数よりも大きく、前記第１のズレ量検出手段による前記相関演算は、前記第１の基準信号列と前記第１の変位信号列について、互いに同数の基準信号及び変位信号を用いて行われ、前記第２のズレ量検出手段による前記相関演算は、前記第２の基準信号列と前記第２の変位信号列について、互いに同数の基準信号及び変位信号を用いて行われることを特徴とする。

本発明によれば、焦点検出の安定性と信頼性を向上させることができる。

一実施の形態の撮像素子および撮像装置として、レンズ交換式デジタルスチルカメラを例に上げて説明する。図１は一実施の形態のカメラ（撮像装置）の構成を示すカメラの横断面図である。一実施の形態のデジタルスチルカメラ２０１は交換レンズ２０２とカメラボディ２０３から構成され、交換レンズ２０２がマウント部２０４を介してカメラボディ２０３に装着される。カメラボディ２０３にはマウント部２０４を介して種々の撮影光学系を有する交換レンズ２０２が装着可能である。

交換レンズ２０２はレンズ２０９、ズーミング用レンズ２０８、フォーカシング用レンズ２１０、絞り２１１、レンズ駆動制御装置２０６などを備えている。レンズ駆動制御装置２０６は不図示のマイクロコンピューター、メモリ、駆動制御回路などから構成され、フォーカシング用レンズ２１０の焦点調節と絞り２１１の開口径調節のための駆動制御や、ズーミング用レンズ２０８、フォーカシング用レンズ２１０および絞り２１１の状態検出などを行う他、後述するボディ駆動制御装置２１４との通信によりレンズ情報の送信とカメラ情報の受信を行う。絞り２１１は、光量およびボケ量調整のために光軸中心に開口径が可変な開口を形成する。

カメラボディ２０３は撮像素子２１２、ボディ駆動制御装置２１４、液晶表示素子駆動回路２１５、液晶表示素子２１６、接眼レンズ２１７、メモリカード２１９などを備えている。撮像素子２１２には、撮像画素が二次元状に配置されるとともに、焦点検出位置に対応した部分に焦点検出画素が組み込まれている。この撮像素子２１２については詳細を後述する。

ボディ駆動制御装置２１４はマイクロコンピューター、メモリ、駆動制御回路などから構成され、撮像素子２１２の駆動制御と画像信号および焦点検出信号の読み出しと、焦点検出信号に基づく焦点検出演算と交換レンズ２０２の焦点調節を繰り返し行うとともに、画像信号の処理と記録、カメラの動作制御などを行う。また、ボディ駆動制御装置２１４は電気接点２１３を介してレンズ駆動制御装置２０６と通信を行い、レンズ情報の受信とカメラ情報（デフォーカス量や絞り値など）の送信を行う。

液晶表示素子２１６は電気的なビューファインダー（ＥＶＦ：Electronic View Finder）として機能する。液晶表示素子駆動回路２１５は撮像素子２１２によるスルー画像を液晶表示素子２１６に表示し、撮影者は接眼レンズ２１７を介してスルー画像を観察することができる。メモリカード２１９は、撮像素子２１２により撮像された画像を記憶する画像ストレージである。

交換レンズ２０２を通過した光束により、撮像素子２１２の受光面上に被写体像が形成される。この被写体像は撮像素子２１２により光電変換され、画像信号と焦点検出信号がボディ駆動制御装置２１４へ送られる。

ボディ駆動制御装置２１４は、撮像素子２１２の焦点検出画素からの焦点検出信号に基づいてデフォーカス量を算出し、このデフォーカス量をレンズ駆動制御装置２０６へ送る。また、ボディ駆動制御装置２１４は、撮像素子２１２からの画像信号を処理して画像を生成し、メモリカード２１９に格納するとともに、撮像素子２１２からのスルー画像信号を液晶表示素子駆動回路２１５へ送り、スルー画像を液晶表示素子２１６に表示させる。さらに、ボディ駆動制御装置２１４は、レンズ駆動制御装置２０６へ絞り制御情報を送って絞り２１１の開口制御を行う。

レンズ駆動制御装置２０６は、フォーカシング状態、ズーミング状態、絞り設定状態、絞り開放Ｆ値などに応じてレンズ情報を更新する。具体的には、ズーミング用レンズ２０８とフォーカシング用レンズ２１０の位置と絞り２１１の絞り値を検出し、これらのレンズ位置と絞り値に応じてレンズ情報を演算したり、あるいは予め用意されたルックアップテーブルからレンズ位置と絞り値に応じたレンズ情報を選択する。

レンズ駆動制御装置２０６は、受信したデフォーカス量に基づいてレンズ駆動量を算出し、レンズ駆動量に応じてフォーカシング用レンズ２１０を合焦位置へ駆動する。また、レンズ駆動制御装置２０６は受信した絞り値に応じて絞り２１１を駆動する。

図２は、交換レンズ２０２の撮影画面上における焦点検出位置を示す図であり、後述する撮像素子２１２上の焦点検出画素列が焦点検出の際に撮影画面上で像をサンプリングする領域、すなわち焦点検出エリア、焦点検出位置の一例を示す。この例では、矩形の撮影画面１００上の中央および上下の３箇所に焦点検出エリア１０１、１０２、１０３が配置される。長方形で示す焦点検出エリアの長手方向に、焦点検出画素が直線的に配列される。

図３は撮像素子２１２の詳細な構成を示す正面図であり、撮像素子２１２上の焦点検出エリア１０１、１０２、１０３の近傍を拡大して示す。撮像素子２１２には撮像画素３１０が二次元正方格子状に稠密に配列されるとともに、焦点検出エリア１０１、１０２、１０３に対応する位置には焦点検出用の焦点検出画素３１２、３１３が垂直方向の直線上に隣接して交互に配列される。

撮像画素３１０は、図４に示すようにマイクロレンズ１０、光電変換部１１、および色フィルター（不図示）から構成される。色フィルターは赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３種類からなり、それぞれの分光感度は図６に示す特性になっている。撮像素子２１２には、各色フィルターを備えた撮像画素３１０がベイヤー配列されている。

焦点検出画素３１２は、図５(ａ)に示すようにマイクロレンズ１０と光電変換部１２から構成され、光電変換部１２の形状は矩形である。同様に、焦点検出画素３１３は、図５(ｂ)に示すようにマイクロレンズ１０と光電変換部１３から構成され、光電変換部１３の形状は矩形である。焦点検出画素３１２と焦点検出画素３１３とをマイクロレンズ１０を重ね合わせて表示すると、光電変換部１２と１３は垂直方向に並んでいる。焦点検出画素３１２と焦点検出画素３１３は、焦点検出エリア１０１において垂直方向、すなわち光電変換部１２と１３の並び方向に交互に配置される。

焦点検出画素３１２、３１３には光量をかせぐために色フィルターが設けられておらず、その分光特性は光電変換を行うフォトダイオードの分光感度と、赤外カットフィルター（不図示）の分光特性とを総合した分光特性（図７参照）となる。つまり、図６に示す緑画素、赤画素および青画素の分光特性を加算したような分光特性となり、その感度の光波長領域は緑画素、赤画素および青画素の感度の光波長領域を包括している。

焦点検出用の焦点検出画素３１２、３１３は、撮像画素３１０のＢとＧが配置されるべき列に配置されている。焦点検出用の焦点検出画素３１２、３１３が撮像画素３１０のＢとＧが配置されるべき列に配置されているのは、画素補間処理において補間誤差が生じた場合に、人間の視覚特性上、赤画素の補間誤差に比較して青画素の補間誤差が目立たないためである。

撮像画素３１０の光電変換部１１は、マイクロレンズ１０によって最も明るい交換レンズの射出瞳径（例えばＦ１．０）を通過する光束をすべて受光するような形状に設計される。また、焦点検出画素３１２、３１３の光電変換部１２、１３は、マイクロレンズ１０によって交換レンズの射出瞳の所定の領域（例えばＦ２．８）を通過する光束をすべて受光するような形状に設計される。

図８は撮像画素３１０の断面図である。撮像画素３１０では撮像用の光電変換部１１の前方にマイクロレンズ１０が配置され、マイクロレンズ１０により光電変換部１１の形状が前方に投影される。光電変換部１１は半導体回路基板２９上に形成される。なお、不図示の色フィルターはマイクロレンズ１０と光電変換部１１の中間に配置される。

図９(ａ)は焦点検出画素３１２の断面図である。画面中央の焦点検出エリア１０１に配置された焦点検出画素３１２において、光電変換部１２の前方にマイクロレンズ１０が配置され、マイクロレンズ１０により光電変換部１２の形状が前方に投影される。光電変換部１２は半導体回路基板２９上に形成されるとともに、その上にマイクロレンズ１０が半導体イメージセンサーの製造工程により一体的かつ固定的に形成される。

図９(ｂ)は焦点検出画素３１３の断面図である。画面中央の焦点検出エリア１０１に配置された焦点検出画素３１３において、光電変換部１３の前方にマイクロレンズ１０が配置され、マイクロレンズ１０により光電変換部１３の形状が前方に投影される。光電変換部１３は半導体回路基板２９上に形成されるとともに、その上にマイクロレンズ１０が半導体イメージセンサーの製造工程により一体的かつ固定的に形成される。

図１０は、撮影画面中央におけるマイクロレンズを用いた瞳分割型位相差検出方式の焦点検出光学系の構成を示す図である。９０は交換レンズの予定結像面に配置されたマイクロレンズの前方ｄの距離に設定された瞳面（以下では測距瞳面と呼ぶ）であり、距離ｄはマイクロレンズの曲率、屈折率、マイクロレンズと光電変換部の間の距離などに応じて決まる距離（以下では測距瞳距離と呼ぶ）である。９１は交換レンズの光軸、１０ａ〜１０ｄはマイクロレンズ、１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂは光電変換部、３１２ａ、３１２ｂ、３１３ａ、３１３ｂは焦点検出画素、７２、７３、８２、８３は焦点検出用光束である。９２はマイクロレンズ１０ａ、１０ｃにより投影された光電変換部１２ａ、１２ｂの領域であり、以下では測距瞳と呼ぶ。９３はマイクロレンズ１０ｂ、１０ｄにより投影された光電変換部１３ａ、１３ｂの領域であり、以下では測距瞳と呼ぶ。

図１０においては、撮影光軸９１に隣接する４つの焦点検出画素（画素３１２ａ、３１３ａ、３１２ｂ、３１３ｂ）を模式的に例示しているが、焦点検出エリア１０１のその他の焦点検出画素においても、光電変換部はそれぞれ対応した測距瞳９２、９３から各マイクロレンズに到来する光束を受光する。焦点検出画素の配列方向は一対の測距瞳の並び方向すなわち一対の光電変換部の並び方向と一致している。

マイクロレンズ１０ａ〜１０ｄは交換レンズの予定結像面近傍に配置されており、マイクロレンズ１０ａ〜１０ｄによりその背後に配置された光電変換部１２ａ、１３ａ、１２ｂ、１３ｂの形状がマイクロレンズ１０ａ〜１０ｄから測距瞳距離ｄだけ離間した測距瞳面９０上に投影され、その投影形状は測距瞳９２、９３を形成する。すなわち、投影距離ｄにある測距瞳面９０上で各焦点検出画素の光電変換部の投影形状（測距瞳９２、９３）が一致するように、各焦点検出画素におけるマイクロレンズと光電変換部の相対的位置関係が定められ、それにより各焦点検出画素における光電変換部の投影方向が決定されている。

光電変換部１２ａは、測距瞳９２を通過してマイクロレンズ１０ａに向かう光束７２によりマイクロレンズ１０ａ上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。光電変換部１２ｂは、測距瞳９２を通過してマイクロレンズ１０ｃに向かう光束８２によりマイクロレンズ１０ｃ上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。また、光電変換部１３ａは、測距瞳９３を通過してマイクロレンズ１０ｂに向かう光束７３によりマイクロレンズ１０ｂ上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。光電変換部１３ｂは、測距瞳９３を通過してマイクロレンズ１０ｄに向かう光束８３によりマイクロレンズ１０ｄ上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。

上述したような２種類の焦点検出画素を直線上に多数配置し、各画素の光電変換部の出力を測距瞳９２と測距瞳９３に対応した出力グループにまとめることによって、測距瞳９２と測距瞳９３をそれぞれ通過する焦点検出用光束が画素列上に形成する一対の像の強度分布に関する情報が得られる。この情報に対して後述する像ズレ検出演算処理（相関演算処理、位相差検出処理）を施すことによって、いわゆる瞳分割型位相差検出方式で一対の像の像ズレ量が検出される。像ズレ量に一対の測距瞳の重心間隔に応じた変換演算を行うことによって、予定結像面に対する現在の結像面（予定結像面上のマイクロレンズアレイの位置に対応した焦点検出位置における結像面）の偏差（デフォーカス量）が算出される。

図１１は、撮影画面周辺（焦点検出エリア１０２）におけるマイクロレンズを用いた瞳分割型位相差検出方式の焦点検出光学系の構成を示す図である。９０は、交換レンズの予定結像面に配置されたマイクロレンズの前方ｄの距離に設定された瞳面（以下では測距瞳面と呼ぶ）であり、距離ｄはマイクロレンズの曲率、屈折率、マイクロレンズと光電変換部の間の距離などに応じて決まる距離（以下では測距瞳距離と呼ぶ）である。

また、９１は交換レンズの光軸、１０ｅ〜１０ｈは隣接して配置されたマイクロレンズ、１２ｃ、１２ｄ、１３ｃ、１３ｄは光電変換部、３１２ｃ、３１２ｄ、３１３ｃ、３１３ｄは焦点検出画素、１７２、１７３、１８２、１８３は焦点検出用光束、９２はマイクロレンズ１０ｅ、１０ｇにより測距瞳面９０に投影された光電変換部１２ｃ、１２ｄの領域であり（以下では測距瞳と呼ぶ）、図１０に示す測距瞳９２と同一である。９３はマイクロレンズ１０ｆ、１０ｈにより測距瞳面９０に投影された光電変換部１３ｃ、１３ｃの領域（以下では測距瞳と呼ぶ）であり、図１０に示す測距瞳９３と同一である。

図１１においては、焦点検出エリア１０２内の隣接する４焦点検出画素（焦点検出画素３１２ｃ、３１２ｄ、３１３ｃ、３１３ｄ）を模式的に例示しているが、焦点検出エリア１０２内のその他の焦点検出画素においても、光電変換部はそれぞれ対応した測距瞳９２、９３から各マイクロレンズに到来する光束を受光する。このために画面周辺にある焦点検出画素においては、マイクロレンズの光軸に対し、光電変換部の位置が非対称に配置されることによって、マイクロレンズの光軸より交換レンズの光軸９１側に寄った光束を受光している。焦点検出画素の配列方向は一対の測距瞳の並び方向すなわち一対の光電変換部の並び方向と一致している。

マイクロレンズ１０ｅ〜１０ｈは交換レンズの予定結像面近傍に配置されており、マイクロレンズ１０ｅ〜１０ｈによりその背後に配置された光電変換部１２ｃ、１３ｃ、１２ｄ、１３ｄの形状がマイクロレンズ１０ｅ〜１０ｈから測距瞳距離ｄだけ離間した測距瞳面９０上に投影され、その投影形状は測距瞳９２、９３を形成する。すなわち、投影距離ｄにある測距瞳面９０上で焦点検出画素の光電変換部の投影形状（測距瞳９２、９３）が一致するように、各焦点検出画素におけるマイクロレンズと光電変換部の相対的位置関係が定められ、それにより各焦点検出画素における光電変換部の投影方向が決定されている。

光電変換部１２ｃは、測距瞳９２を通過してマイクロレンズ１０ｅに向かう光束１７２を受光し、光束１７２によりマイクロレンズ１０ｅ上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。光電変換部１２ｄは、測距瞳９２を通過してマイクロレンズ１０ｇに向かう光束１８２を受光し、光束１８２によりマイクロレンズ１０ｇ上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。また、光電変換部１３ｃは、測距瞳９３を通過してマイクロレンズ１０ｆに向かう光束１７３を受光し、光束１７３によりマイクロレンズ１０ｆ上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。光電変換部１３ｄは、測距瞳９３を通過してマイクロレンズ１０ｈに向かう光束１８３を受光し、光束１８３によりマイクロレンズ１０ｈ上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。

上記のような２種類の焦点検出画素を直線上に多数配置し、各画素の光電変換部の出力を測距瞳９２および測距瞳９３に対応した出力グループにまとめることによって、測距瞳９２と測距瞳９３をそれぞれ通過する焦点検出用光束が画素列上に形成する一対の像の強度分布に関する情報が得られる。この情報に対して後述する像ズレ検出演算処理（相関演算処理、位相差検出処理）を施すことによって、いわゆる瞳分割型位相差検出方式で一対の像の像ズレ量が検出される。この像ズレ量に一対の測距瞳の重心間隔の開き角に応じた変換演算を行うことによって、予定結像面に対する現在の結像面（予定結像面上のマイクロレンズの位置に対応した焦点検出位置における結像面）の偏差（デフォーカス量）が算出される。

なお、焦点検出エリア１０３の焦点検出画素の配列は、撮影画面中心を通る水平軸を対称軸として焦点検出エリア１０２の焦点検出画素の配列を対称に配置したものとなっており、焦点検出エリア１０３の焦点検出画素も測距瞳９２、９３を通る光束を受光する。

図１２は、一対の測距瞳から各焦点検出位置に到来する一対の焦点検出光束の関係を示す図である。図１０および図１１に示す構成によって、焦点検出位置１０１，１０２，１０３には一対の測距瞳９２、９３を通過する光束により一対の像が形成され、該一対の像に対応する像信号を各焦点検出位置に配置された焦点検出画素が出力することになる。測距瞳９２を通る焦点検出光束２７２と測距瞳９３を通る焦点検出光束２７３が、焦点検出領域１０１に一対の像を形成する。測距瞳９２を通る焦点検出光束２８２と測距瞳９３を通る焦点検出光束２８３が、焦点検出領域１０２に一対の像を形成する。測距瞳９２を通る焦点検出光束２９２と測距瞳９３を通る焦点検出光束２９３が、焦点検出領域１０３に一対の像を形成する。

図１３は測距瞳の正面図である。射出瞳面９０を光軸方向から見た場合に、水平軸をＸ軸、垂直軸をＹ軸とするとｘ軸の上方向に測距瞳９３が位置し、下方向に測距瞳９２が位置する。測距瞳９２、９３の重心位置をＧ２、Ｇ３とする。

図１４は、図１に示すデジタルスチルカメラ（撮像装置）の動作を示すフローチャートである。ボディ駆動制御装置２１４は、ステップ１００でカメラの電源がオンされると、ステップ１１０以降の動作を開始する。ステップ１１０で撮像画素のデータを間引き読み出しし、電子ビューファインダーに表示する。続くステップ１２０では焦点検出画素列から一対の像に対応した一対の像データを読み出す。なお、焦点検出エリアは、エリア選択スイッチ（不図示）を用いて撮影者により選択されているものとする。

ステップ１３０において、読み出された一対の像データのうち、焦点検出位置と測距瞳の並び方向に応じて、焦点検出位置に入射する角度が小さな焦点検出光束により形成された像に対応する像データを固定データとし、もう一方の像データを変位データとして、後述する像ズレ検出演算処理（相関演算処理）を行い、像ズレ量を演算してデフォーカス量に変換する。ステップ１４０で合焦近傍か否か、つまり算出されたデフォーカス量の絶対値が所定値以内であるか否かを調べる。

合焦近傍でないと判定された場合はステップ１５０へ進み、デフォーカス量をレンズ駆動制御装置２０６へ送信し、交換レンズ２０２のフォーカシングレンズ２１０を合焦位置に駆動させ、ステップ１１０へ戻って上述した動作を繰り返す。焦点検出不能な場合もこのステップに分岐し、レンズ駆動制御装置２０６へスキャン駆動命令を送信し、交換レンズ２０２のフォーカシングレンズ２１０を無限から至近までの間でスキャン駆動させ、ステップ１１０へ戻って上述した動作を繰り返す。

一方、合焦近傍であると判定された場合はステップ１６０へ進み、シャッターボタン（不図示）の操作によりシャッターレリーズがなされたか否かを判定し、なされていないと判定された場合はステップ１１０へ戻り、上述した動作を繰り返す。シャッターレリーズがなされた場合はステップ１７０へ進み、レンズ駆動制御装置２０６へ絞り調整命令を送信し、交換レンズ２０２の絞り値を制御Ｆ値（撮影者または自動により設定されたＦ値）に設定する。

絞り制御が終了した時点で、撮像素子２１２に撮像動作を行わせ、撮像素子２１２の撮像画素およびすべての焦点検出画素から画像データを読み出す。ステップ１８０では、焦点検出画素列の各画素位置の画素データを焦点検出画素の周囲の撮像画素のデータに基づいて後述する画素補間する。続くステップ１９０で、撮像画素のデータおよび補間されたデータからなる画像データをメモリーカード２１９に保存し、ステップ１１０へ戻って上述した動作を繰り返す。

図１４のステップ１３０における像ズレ検出演算処理（相関演算処理）の詳細を説明する。まず、一対の像データから固定データと変位データを弁別する手法を説明する。図１５は、焦点検出位置１０２に到来する一対の焦点検出光束を示す図である。図において、面ＩＰは撮像素子（焦点検出素子）が配置される光学系の予定焦点面、面ＦＰは面ＩＰより光学系に近寄った面、面ＲＰは面ＩＰより光学系から遠ざかった面である。また、９０は射出瞳面であり、予定焦点面ＩＰから距離ｄだけ離れている。９１は光学系の光軸である。位置Ｓ２は焦点検出位置１０２の中心を示し、線Ｌ２、Ｌ３は測距瞳９２、９３の重心Ｇ２、Ｇ３から位置Ｓ２に向かう焦点検出光束の主光線である。

図１５は、予定焦点面ＩＰの焦点検出位置１０２において合焦が達成されている場合の図であって、一対の焦点検出光束の主光線は位置Ｓ２において交差している。すなわち、一対の焦点検出光束により形成される一対の像の相対的なズレ（像ズレ）がなく一致している状態を示している。図から明らかなように、主光線Ｌ２の予定焦点面ＩＰへの入射角度θ２（位置Ｓ２における予定焦点面ＩＰの法線８９と主光線Ｌ２のなす角度）は、主光線Ｌ３の予定焦点面ＩＰへの入射角度θ３（位置Ｓ２における予定焦点面ＩＰの法線８９と主光線Ｌ３のなす角度）より大きくなっている。

この状態において、面ＩＰより光学系に近寄った面ＦＰおよび面ＩＰより光学系から遠ざかった面ＲＰと主光線Ｌ２，Ｌ３の交点の位置を考えると、入射角度の小さい主光線Ｌ３の交点は位置Ｓ２の法線８９に近く、入射角度の大きい主光線Ｌ２の交点は位置Ｓ２の法線８９から遠くなる。

図１６は、面ＩＰ、ＦＰ、ＲＰと主光線Ｌ２，Ｌ３の交点の位置の移動にともなう像の移動の様子を示した図である。図１６(ａ)は主光線Ｌ３による像の移動の様子を示しており、像ＩＰ３は面ＩＰにおける像、像ＦＰ３は面ＦＰにおける像、像ＲＰ３は面ＲＰにおける像である。また、図１６(ｂ)は主光線Ｌ２による像の移動の様子を示しており、像ＩＰ２は面ＩＰにおける像、像ＦＰ２は面ＦＰにおける像、像ＲＰ２は面ＲＰにおける像である。入射角度の大きい主光線Ｌ２の像は予定焦点面前後で大きく位置を移動するのに対して、入射角度の小さい主光線Ｌ３の像は予定焦点面前後で位置の移動量が小さいことがわかる。

焦点検出調節動作においては、大きくデフォーカスした状態で焦点検出（像ズレ検出）を行い、その検出結果において合焦状態へと光学系を移動し、光学系の移動後に再度焦点検出（像ズレ検出）を行って合焦を確認する。像ズレ検出の際に、焦点調節状態に応じて大きく像が移動してしまう像を固定して像ズレ検出を行うと、大デフォーカス時に焦点検出位置に入っていた像が、合焦状態にすると焦点検出位置から大きく外れてしまい、焦点検出位置には異なる像が入って来てしまう可能性が高くなる。大デフォーカス時に焦点検出位置に入っていた像に対応する被写体の距離と、合焦時に焦点検出位置に入ってくる像に対応する被写体の距離とが異なる場合には、距離が異なる２つの被写体に対して合焦させようとして光学系の移動においてハンチングをおこす。

このような問題を防止するために、図１５に示すような状況においては入射角度の小さい主光線Ｌ３の像を固定して像ズレ検出を行う。

図１３に示すように、測距瞳９２，９３がｙ軸方向に並んでいる場合、一般的には焦点検出位置の中心のｙ座標と、測距瞳９２，９３の重心Ｇ２，Ｇ３のｙ座標との差の絶対値を比較し、小さい方の測距瞳に対応する像データを固定データとする。焦点検出位置１０２の場合はその中心Ｓ２のｙ座標と、測距瞳９２，９３の重心Ｇ２，Ｇ３のｙ座標との差ｙ０２，ｙ０３の絶対値を比較すると、ｙ０３の絶対値が小さくなるので、測距瞳９３に対応する像データ（この場合は焦点検出画素３１３の出力データ）を固定データとする。

焦点検出位置１０１の場合は、測距瞳９２，９３から焦点検出位置（画面中央）に向かう一対の焦点検出光束の入射角度が同じであるから、測距瞳９２に対応する像データを固定データとしても、測距瞳９３に対応する像データを固定データとしてもよい。焦点検出位置１０３の場合は、測距瞳９２から焦点検出位置の中心に向かう焦点検出光束のほうが小さな入射角度となるので、測距瞳９２に対応する像データを固定データとする。

焦点検出画素が検出する一対の像は、測距瞳がレンズの絞り開口によりけられて光量バランスが崩れている可能性があるので、光量バランスに対して像ズレ検出精度を維持できるタイプの相関演算を施す。焦点検出画素列から読み出された一対のデータ列（Ａ１１〜Ａ１Ｍ、Ａ２１〜Ａ２Ｍ：Ｍはデータ数）に対し、（１）式に示す相関演算を行い、相関量Ｃ(k)を演算する。この像ズレ検出演算（相関演算）において、固定データをＡ１１〜Ａ１Ｍとし、変位データをＡ２１〜Ａ２Ｍとする。
Ｃ(k)＝Σ｜Ａ１n・Ａ２n+1+k−Ａ２n+k・Ａ１n+1｜ ・・・（１）
（１）式において、Σ演算はｎについて累積され、ｎのとる範囲は像ずらし量ｋに応じてＡ１n、Ａ１n+1、Ａ２n+k、Ａ２n+1+kのデータが存在する範囲に限定される。像ずらし量ｋは整数であり、データ列のデータ間隔を単位とした相対的シフト量である。

図１７は（１）式における固定データＡ１nと変位データＡ２nの相対的な位置関係を示した図であり、固定データＡ１nは図１７(ａ)に示すように像ずらし量ｋに関わらず固定される。一方、変位データＡ２nは、図１７(ｂ)、(ｃ)、(ｄ)に示すように像ずらし量ｋに応じて変位される。

（１）式の演算結果は、図１８(ａ)に示すように、一対のデータの相関が高いシフト量（図１８(ａ)ではｋ＝ｋj＝２）において相関量Ｃ(k)が極小（小さいほど相関度が高い）になる。（２）式〜（５）式に示す３点内挿の手法を用い、連続的な相関量に対する極小値Ｃ(ｘ)を与えるシフト量ｘを求める。
ｘ＝ｋj＋Ｄ／ＳＬＯＰ ・・・（２），
Ｃ(ｘ)＝ Ｃ(ｋj)−｜Ｄ｜ ・・・（３），
Ｄ＝｛Ｃ(ｋj-1)−Ｃ(ｋj+1)｝／２ ・・・（４），
ＳＬＯＰ＝ＭＡＸ｛Ｃ(ｋj+1)−Ｃ(ｋj)，Ｃ(ｋj-1)−Ｃ(ｋj)｝・・・（５）

（２）式で算出されたずらし量ｘの信頼性があるかどうかは、次のようにして判定される。図１８(ｂ)に示すように、一対のデータの相関度が低い場合は、内挿された相関量の極小値Ｃ(ｘ)の値が大きくなる。したがって、Ｃ(ｘ)が所定のしきい値以上の場合は算出されたずらし量の信頼性が低いと判定し、算出されたずらし量ｘをキャンセルする。あるいは、Ｃ(ｘ)をデータのコントラストで規格化するために、コントラストに比例した値となるＳＬＯＰでＣ(ｘ)を除した値が所定値以上の場合は、算出されたずらし量の信頼性が低いと判定し、算出されたずらし量ｘをキャンセルする。あるいはまた、コントラストに比例した値となるＳＬＯＰが所定値以下の場合は、被写体が低コントラストであり、算出されたずらし量の信頼性が低いと判定し、算出されたずらし量ｘをキャンセルする。

図１８(ｃ)に示すように、一対のデータの相関度が低く、シフト範囲ｋmin〜ｋmaxの間で相関量Ｃ(k)の落ち込みがない場合は、極小値Ｃ(ｘ)を求めることができず、このような場合は焦点検出不能と判定する。

なお、相関演算式としては（１）式に限定されず、例えば以下の演算式を用いてもよい。
Ｃ(ｋ)＝Σ｜(Ａ１n／Ａ１n+1)−(Ａ２n+k／Ａ２n+1+k)｜ ・・・（６）
（６）式において、Σ演算はｎについて累積され、ｎのとる範囲はずらし量ｋに応じてＡ１n、Ａ１n+1、Ａ２n+k、Ａ２n+1+kのデータが存在する範囲に限定される。あるいは、
Ｃ(ｋ)＝Σ｜Ａ１n／Ａ２n+k−Ａ１n+1／Ａ２n+1+k｜ ・・・（７）
（７）式において、Σ演算はｎについて累積され、ｎのとる範囲はずらし量ｋに応じてＡ１n、Ａ１n+1、Ａ２n+k、Ａ２n+1+kのデータが存在する範囲に限定される。上述したように、焦点検出画素が検出する一対の像は、測距瞳がレンズの絞り開口によりけられて光量バランスが崩れている可能性があるので、光量バランスに対して像ズレ検出精度を維持できる相関演算式であればどのような演算式でもよい。

算出されたずらし量ｘの信頼性があると判定された場合は、（８）式により像ズレ量ｓｈｆｔに換算される。
ｓｈｆｔ＝ＰＹ・ｘ ・・・（８）
（８）式において、ＰＹは検出ピッチ（焦点検出画素のピッチ）である。（８）式で算出された像ズレ量に所定の変換係数ｋｄを乗じてデフォーカス量ｄｅｆへ変換する。
ｄｅｆ＝ｋｄ・ｓｈｆｔ ・・・（９）

《発明の他の実施の形態》
撮像素子における焦点検出エリアの配置は図２に示す配置に限定されず、画面上の任意の位置に水平方向および垂直方向に焦点検出エリアを配置することも可能である。水平方向に焦点検出画素を配置した場合には、図３に示す撮像素子を９０度回転したような配置となり、対応する測距瞳も図１３に示す測距瞳を９０度回転した形となる。例えば図１９に示すように、画面右上に焦点検出位置１０４を配置した場合（焦点検出画素の配列は垂直方向）には、図１３において焦点検出位置の中心Ｓ４のｙ座標と、測距瞳９２，９３の重心Ｇ２，Ｇ３のｙ座標との差ｙ１２，ｙ１３の絶対値を比較すると、ｙ１３の絶対値が小さくなるので、測距瞳９３に対応する像データ（この場合は焦点検出画素３１３の出力データ）を固定データとする。

上述したように、焦点検出位置と一対の測距瞳の重心位置の関係に応じて一対の像データのうちの一方を固定データとし、もう一方を変位データとして像ズレ検出を行うが、どちらの像データを固定データとして像ズレ検出するかは焦点検出位置によって予め決定されているので、固定データを出力する焦点検出画素の配列の長さ（焦点検出画素数）は、変位データを出力する焦点検出画素の配列の長さ（焦点検出画素数）より短くすることができる。

図２０は、図３に示す撮像素子２１２に対応する変形例の撮像素子２１２Ａの画素配置図である。焦点検出位置１０２においては、焦点検出画素３１３が固定データを出力するので、焦点検出位置の端では焦点検出画素３１３が省略され、代わりにＧの撮像画素が配置されている。これとは逆に焦点検出位置１０３の場合は、焦点検出位置の端では焦点検出画素３１２が省略され、代わりに撮像画素が配置される。また、焦点検出位置１０１の場合は、焦点検出位置の端では焦点検出画素３１２または３１３のどちらかが省略され、代わりに撮像画素が配置される。このようにすれば、省略された焦点検出画素３１３の位置の画素データを補間する必要がなくなるので、画像品質を向上させることができる。

図３に示す撮像素子２１２では、焦点検出画素３１２、３１３がひとつの画素内にひとつの光電変換部を備えた例を示したが、ひとつの画素内に一対の光電変換部を備えてもよい。図２１は、図３に示す撮像素子２１２に対応する変形例の撮像素子２１２Ｂを示し、焦点検出画素３１１ではひとつの画素内に一対の光電変換部を備える。図に示す焦点検出画素３１１が、図３に示す焦点検出画素３１２と焦点検出画素３１３のペアに相当した機能を果たす。

図２２に示すように、焦点検出画素３１３はマイクロレンズ１０、一対の光電変換部２２，２３からなる。焦点検出画素３１３には光量をかせぐために色フィルターが配置されておらず、その分光特性は光電変換を行うフォトダイオードの分光感度、赤外カットフィルター（不図示）の分光特性を総合した分光特性（図７）となり、図６に示す緑画素、赤画素、青画素の分光特性を加算したような分光特性となる。そして、その感度の光波長領域は緑画素、赤画素、青画素の感度の光波長領域を包括している。

上述した一実施の形態では、マイクロレンズを用いた瞳分割方式による焦点検出動作を説明したが、本発明はこのような方式の焦点検出に限定されず、再結像瞳分割方式の焦点検出にも適用可能である。図２３は、図２に示すように撮影画面の中央、上下の３カ所に焦点検出位置を有する再結像瞳分割型位相差検出方式の焦点検出装置の構成を示す。図２３により、再結像瞳分割方式の焦点検出動作を説明する。１９１は交換レンズの光軸、１１０，１２０はコンデンサレンズ、１１１、１２１は絞りマスク、１１２，１１３、１２２，１２３は絞り開口、１１４、１１５、１２４，１２５は再結像レンズ、１１６、１２６は焦点検出用のイメージセンサー（ＣＣＤ）である。

また、１３２，１３３、１４２，１４３は焦点検出光束、１９０は交換レンズの予定結像面の前方ｄ５の距離に設定された射出瞳である。ここで、距離ｄ５は、コンデンサレンズ１１０，１２０の焦点距離と、コンデンサレンズ１１０，１２０と絞り開口１１２，１１３、１２２，１２３との間の距離などに応じて決まる距離であって、以下では測距瞳距離と呼ぶ。１９２は、コンデンサレンズ１１０，１２０により投影された絞り開口１１２，１２２の領域であり、以下では測距瞳と呼ぶ。同様に、１９３は、コンデンサレンズ１１０，１２０により投影された絞り開口１１３，１２３の領域であり、以下では測距瞳と呼ぶ。コンデンサレンズ１１０、絞りマスク１１１、絞り開口１１２，１１３、再結像レンズ１１４、１１５およびイメージセンサー１１６が、画面中央の位置１０１で焦点検出を行う再結像方式の瞳分割方位相差検出の焦点検出ユニットを構成する。

コンデンサレンズ１１０からなる焦点検出ユニットは、交換レンズの予定結像面近傍に配置されたコンデンサレンズ１１０、その背後に配置されたイメージサンサ１１６、コンデンサレンズ１１０とイメージサンサ１１６との間に配置され、予定結像面近傍に結像された１次像をイメージセンサー１１６上に再結像する一対の再結像レンズ１１４、１１５、一対の再結像レンズの近傍（図では前面）に配置された一対の絞り開口１１２、１１３を有する絞りマスク１１から構成される。

イメージセンサー１１６は、複数の光電変換部が直線に沿って密に配置されたラインサンサであり、光電変換部の配置方向は一対の測距瞳の分割方向（＝絞り開口の並び方向）と一致させる。イメージセンサー１１６上に再結像された一対の像の強度分布に対応した情報がイメージセンサー１１６から出力され、この情報に対して後述する像ズレ検出演算処理（相関処理、位相差検出処理）を施すことによって、いわゆる瞳分割型位相差検出方式（再結像方式）で一対の像の像ズレ量が検出される。さらに、像ズレ量に所定の変換係数を乗ずることによって、予定結像面に対する現在の結像面の偏差（デフォーカス量）が算出される。

イメージセンサー１１６は再結像レンズ１１４、１１５により予定結像面上に投影されており、デフォーカス量（像ズレ量）の検出精度は、像ズレ量の検出ピッチ（再結像方式の場合は予定結像面上に投影された光電変換部の配列ピッチ）により決まる。

コンデンサレンズ１１０は、絞りマスク１１１の絞り開口１１２、１１３を射出瞳１９０上に領域１９２、１９３として投影している。領域１９２，１９３を測距瞳と呼ぶ。すなわち、イメージセンサー１１６上に再結像される一対の像は射出瞳１９０上の一対の測距瞳１９２，１９３を通過する光束によって形成される。射出瞳１９０上の一対の測距瞳１９２，１９３を通過する光束１３２、１３３を焦点検出用光束と呼ぶ。

コンデンサレンズ１２０、絞りマスク１２１、絞り開口１２２，１２３、再結像レンズ１２４、１２５、イメージセンサ１２６が、画面上の位置１０２で焦点検出を行う再結像方式の瞳分割方位相差検出の焦点検出ユニットを構成する。

コンデンサレンズ１２０からなる焦点検出ユニットは、交換レンズの予定結像面近傍に配置されたコンデンサレンズ１２０、その背後に配置されたイメージサンサ１２６、コンデンサレンズ１２０とイメージサンサ１２６の間に配置され、予定結像面近傍に結像された１次像をイメージセンサ１２６上に再結像する一対の再結像レンズ１２４、１２５、一対の再結像レンズの近傍（図では前面）に配置された一対の絞り開口１２２、１２３を有する絞りマスク１２１から構成される。

イメージセンサ１２６は複数の光電変換部が直線に沿って密に配置されたラインサンサであって、光電変換部の配置方向は一対の測距瞳の分割方向（＝絞り開口の並び方向）と一致させる。イメージセンサ１２６上に再結像された一対の像の強度分布に対応した情報がイメージセンサ１２６から出力され、該情報に対して後述する像ズレ検出演算処理（相関処理、位相差検出処理）を施すことによって、いわゆる瞳分割型位相差検出方式（再結像方式）で一対の像の像ズレ量が検出される。像ズレ量に所定の変換係数を乗ずることによって、予定結像面に対する現在の結像面の偏差（デフォーカス量）が算出される。イメージセンサ１２６は再結像レンズ１２４、１２５により予定結像面上に投影されており、デフォーカス量（像ズレ量）の検出精度は、像ズレ量の検出ピッチ（再結像方式の場合は予定結像面上に投影された光電変換部の配列ピッチ）により決まる。

コンデンサレンズ１２０は絞りマスク１２１の絞り開口１２２、１２３を射出瞳１９０上に領域１９２、１９３として投影している。これら領域１９２，１９３を測距瞳と呼ぶ。すなわち、イメージセンサ１２６上に再結像される一対の像は射出瞳１９０上の一対の測距瞳１９２，１９３を通過する光束によって形成される。射出瞳１９０上の一対の測距瞳１９２，１９３を通過する光束１４２、１４３を焦点検出光束と呼ぶ。

このような構成において、焦点検出位置１０２においては焦点検出光束１４３の入射角ほうが焦点検出光束１４２の入射角より小さいので、像ズレ検出演算においては、再結像レンズ１２４によりイメージセンサ１２６上に形成された像に対応するデータを固定データとし、再結像レンズ１２５によりイメージセンサ１２６上に形成された像に対応するデータを変位データとする。

焦点検出位置１０１においては、焦点検出光束１３２の入射角と焦点検出光束１３３は同じなので、像ズレ検出演算では、再結像レンズ１１４によりイメージセンサ１１６上に形成された像に対応するデータと、再結像レンズ１１５によりイメージセンサ１２６上に形成された像に対応するデータのいずれを固定データ、変位データとしてもかまわない。

図３に示す撮像素子２１２において、撮像画素はベイヤー配列の色フィルターを備えた例を示したが、色フィルターの構成や配列はこれに限定されることはなく、補色フィルター（緑：Ｇ、イエロー：Ｙｅ、マゼンタ：Ｍｇ，シアン：Ｃｙ）の配列を採用してもよい。

図３に示す撮像素子２１２において、焦点検出画素には色フィルターを設けない例を示したが、撮像画素と同色の色フィルターのうちひとつのフィルター（たとえば緑フィルター）を備えるようにした場合でも、本発明を適用することができる。

図５、図２２において、焦点検出画素の光電変換部の形状を矩形にした例を示したが、光電変換部の形状はこれに限定されず、他の形状であってもよい。例えば、焦点検出画素の光電変換部の形状を楕円や半円形や多角形にすることも可能である。

図３に示す撮像素子２１２では撮像画素、焦点検出画素を稠密正方格子配列に配置した例を示したが、稠密六方格子配列であってもよい。

なお、撮像装置としては、上述したようなカメラボディに交換レンズが装着される構成のデジタルスチルカメラやフィルムスチルカメラに限定されない。例えばレンズ一体型のデジタルスチルカメラ、フィルムスチルカメラ、あるいはビデオカメラにも本発明を適用することができる。さらには、携帯電話などに内蔵される小型カメラモジュール、監視カメラやロボット用の視覚認識装置などにも適用できる。カメラ以外の焦点検出装置や測距装置、さらにはステレオ測距装置にも適用できる。

一実施の形態のカメラ（撮像装置）の構成を示すカメラの横断面図 交換レンズの撮影画面上における焦点検出位置を示す図 撮像素子の詳細な構成を示す正面図 撮像画素の構成を示す正面図 焦点検出画素の構成を示す正面図 撮像画素の分光特性を示す図 焦点検出画素の分光特性を示す図 撮像画素の断面図 焦点検出画素の断面図 撮影画面中央におけるマイクロレンズを用いた瞳分割型位相差検出方式の焦点検出光学系の構成を示す図 撮影画面周辺におけるマイクロレンズを用いた瞳分割型位相差検出方式の焦点検出光学系の構成を示す図 一対の測距瞳から各焦点検出位置に到来する一対の焦点検出光束の関係を示す図 測距瞳の正面図 図１に示すデジタルスチルカメラ（撮像装置）の動作を示すフローチャート 焦点検出位置に到来する一対の焦点検出光束を示す図 面ＩＰ、ＦＰ、ＲＰと主光線Ｌ２，Ｌ３の交点の位置の移動にともなう像の移動の様子を示した図 固定データＡ１nと変位データＡ２nの相対的な位置関係を示した図 焦点検出結果の信頼性判定方法を説明する図 焦点検出位置の変形例を示す図 撮像素子の変形例を示す図 撮像素子の変形例を示す図 変形例の焦点検出画素を示す正面図 再結像瞳分割方式の焦点検出動作を説明する図

符号の説明

２０１；カメラ、２０２；交換レンズ、２０６；レンズ駆動制御装置、２１２；撮像素子、２１４；ボディ駆動制御装置

Claims (10)

1. 撮影光学系による撮影画面上に、その中心から一方側及びその反対側にそれぞれ離れた位置にそれぞれ設定された第１及び第２の焦点検出エリアと、
   前記第１の焦点検出エリアにおいて、前記撮影光学系の瞳の一対の部分領域を通過する一対の光束のうちの一方の第1光束を受光して前記第1光束による像に対応する第1の信号列を出力する複数の第1の焦点検出画素と、前記一対の光束のうちの他方の第２光束を受光して前記第２光束による像に対応する第２の信号列を出力する複数の第２の焦点検出画素と、を有する第1の受光手段と、
   前記第２の焦点検出エリアにおいて、前記撮影光学系の瞳の一対の部分領域を通過する一対の光束のうちの一方の第３光束を受光して前記第３光束による像に対応する第３の信号列を出力する複数の第３の焦点検出画素と、前記一対の光束のうちの他方の第４光束を受光して前記第４光束による像に対応する第４の信号列を出力する複数の第４の焦点検出画素と、を有する第２の受光手段と、
   前記第1の信号列と前記第２の信号列との第１のズレ量を算出する第１のズレ量検出手段と、
   前記第３の信号列と前記第４の信号列との第２のズレ量を算出する第２のズレ量検出手段と、
   前記第１のズレ量または前記第２のズレ量に基づいて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、
   前記第１のズレ量検出手段は、前記第1の焦点検出画素への前記第１光束の入射角と前記第２の焦点検出画素への前記第２光束の入射角とのうち、入射角の小さい方の光束に関する信号列を第１の基準信号列とし、入射角の大きい方の光束に関する信号列を第１の変位信号列として、前記第１の基準信号列に対して前記第１の変位信号列を変位させながら、前記第１の基準信号列と前記第１の変位信号列との相関量を相関演算によって算出して前記第１のズレ量を算出し、
   前記第２のズレ量検出手段は、前記第３の焦点検出画素への前記第３光束の入射角と前記第４の焦点検出画素への前記第４光束の入射角とのうち、入射角の小さい方の光束に関する信号列を第２の基準信号列とし、入射角の大きい方の光束に関する信号列を第２の変位信号列として、前記第２の基準信号列に対して前記第２の変位信号列を変位させながら、前記第２の基準信号列と前記第２の変位信号列との相関量を相関演算によって算出して前記第２のズレ量を算出し、
   前記第１の受光手段は、前記第１の変位信号列を出力する複数の焦点検出画素の数が、前記第１の基準信号列を出力する複数の焦点検出画素の数よりも大きく、
   前記第２の受光手段は、前記第２の変位信号列を出力する複数の焦点検出画素の数が、前記第２の基準信号列を出力する複数の焦点検出画素の数よりも大きく、
   前記第１のズレ量検出手段による前記相関演算は、前記第１の基準信号列と前記第１の変位信号列について、互いに同数の基準信号及び変位信号を用いて行われ、
   前記第２のズレ量検出手段による前記相関演算は、前記第２の基準信号列と前記第２の変位信号列について、互いに同数の基準信号及び変位信号を用いて行われることを特徴とする焦点検出装置。
2. 撮影光学系による撮影画面上に、その中心から一方側及びその反対側にそれぞれ離れた位置にそれぞれ設定された第１及び第２の焦点検出エリアと、
   前記第１の焦点検出エリアにおいて、前記撮影光学系の瞳の一対の部分領域を通過する一対の光束のうちの一方の第1光束を受光して前記第1光束による像に対応する第1の信号列を出力する複数の第1の焦点検出画素と、前記一対の光束のうちの他方の第２光束を受光して前記第２光束による像に対応する第２の信号列を出力する複数の第２の焦点検出画素と、を有する第1の受光手段と、
   前記第２の焦点検出エリアにおいて、前記撮影光学系の瞳の一対の部分領域を通過する一対の光束のうちの一方の第３光束を受光して前記第３光束による像に対応する第３の信号列を出力する複数の第３の焦点検出画素と、前記一対の光束のうちの他方の第４光束を受光して前記第４光束による像に対応する第４の信号列を出力する複数の第４の焦点検出画素と、を有する第２の受光手段と、
   前記第1の信号列と前記第２の信号列との第１のズレ量を算出する第１のズレ量検出手段と、
   前記第３の信号列と前記第４の信号列との第２のズレ量を算出する第２のズレ量検出手段と、
   前記第１のズレ量または前記第２のズレ量に基づいて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、
   前記第１のズレ量検出手段は、前記第1の焦点検出画素への前記第１光束の入射角と前記第２の焦点検出画素への前記第２光束の入射角とのうち、入射角の小さい方の光束に関する信号列を第１の基準信号列とし、入射角の大きい方の光束に関する信号列を第１の変位信号列として、前記第１の基準信号列に対して前記第１の変位信号列を変位させながら、前記第１の基準信号列と前記第１の変位信号列との相関量を相関演算によって算出して前記第１のズレ量を算出し、
   前記第２のズレ量検出手段は、前記第３の焦点検出画素への前記第３光束の入射角と前記第４の焦点検出画素への前記第４光束の入射角とのうち、入射角の小さい方の光束に関する信号列を第２の基準信号列とし、入射角の大きい方の光束に関する信号列を第２の変位信号列として、前記第２の基準信号列に対して前記第２の変位信号列を変位させながら、前記第２の基準信号列と前記第２の変位信号列との相関量を相関演算によって算出して前記第２のズレ量を算出し、
   前記第１のズレ量検出手段が前記第１の基準信号列に対して前記第１の変位信号列を変位させながら前記相関演算を行うために使用する前記第１の変位信号列の変位信号の数が前記第１の基準信号列の基準信号の数よりも大きく、
   前記第２のズレ量検出手段が前記第２の基準信号列に対して前記第２の変位信号列を変位させながら前記相関演算を行うために使用する前記第２の変位信号列の変位信号の数が前記第１の基準信号列の基準信号の数よりも大きく、
   前記第１のズレ量検出手段による前記相関演算は、前記第１の基準信号列と前記第１の変位信号列について、互いに同数の基準信号及び変位信号を用いて行われ、
   前記第２のズレ量検出手段による前記相関演算は、前記第２の基準信号列と前記第２の変位信号列について、互いに同数の基準信号及び変位信号を用いて行われる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、
   前記複数の第1の焦点検出画素と前記複数の第２の焦点検出画素とは、互いに同数であり、
   前記複数の第３の焦点検出画素と前記複数の第４の焦点検出画素とは、互いに同数であることを特徴とする焦点検出装置。
4. 撮影光学系による撮影画面上に、その中心から一方側及びその反対側にそれぞれ離れた位置にそれぞれ設定された第１及び第２の焦点検出エリアと、
   前記第１の焦点検出エリアにおいて、前記撮影光学系の瞳の一対の部分領域を通過する第1及び第２光束をそれぞれ受光して前記第1光束による像に対応する第1の信号列と前記第２光束による像に対応する第２の信号列とを出力する複数の第1の焦点検出画素を有する第1の受光手段と、
   前記第２の焦点検出エリアにおいて、前記撮影光学系の瞳の一対の部分領域を通過する第３及び第４光束をそれぞれ受光して前記第３光束による像に対応する第３の信号列と前記第４光束による像に対応する第４の信号列とを出力する複数の第２の焦点検出画素を有する第２の受光手段と、
   前記第1の信号列と前記第２の信号列との第１のズレ量を算出する第１のズレ量検出手段と、
   前記第３の信号列と前記第４の信号列との第２のズレ量を算出する第２のズレ量検出手段と、
   前記第１のズレ量または前記第２のズレ量に基づいて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、
   前記第１のズレ量検出手段は、前記第1の焦点検出画素への前記第１光束の入射角と前記第１の焦点検出画素への前記第２光束の入射角とのうち、入射角の小さい方の光束に関する信号列を第１の基準信号列とし、入射角の大きい方の光束に関する信号列を第１の変位信号列として、前記第１の基準信号列に対して前記第１の変位信号列を変位させながら、前記第１の基準信号列と前記第１の変位信号列との相関量を相関演算によって算出して前記第１のズレ量を算出し、
   前記第２のズレ量検出手段は、前記第２の焦点検出画素への前記第３光束の入射角と前記第２の焦点検出画素への前記第４光束の入射角とのうち、入射角の小さい方の光束に関する信号列を第２の基準信号列とし、入射角の大きい方の光束に関する信号列を第２の変位信号列として、当該基準信号列に対して当該変位信号列を変位させながら、前記第２の基準信号列と前記第２の変位信号列との相関量を相関演算によって算出して前記第２のズレ量を算出し、
   前記第１のズレ量検出手段が前記第１の基準信号列に対して前記第１の変位信号列を変位させながら前記相関演算を行うために使用する前記第１の変位信号列の変位信号の数が前記第１の基準信号列の基準信号の数よりも大きく、
   前記第２のズレ量検出手段が前記第２の基準信号列に対して前記第２の変位信号列を変位させながら前記相関演算を行うために使用する前記第２の変位信号列の変位信号の数が前記第１の基準信号列の基準信号の数よりも大きく、
   前記第１のズレ量検出手段による前記相関演算は、前記第１の基準信号列と前記第１の変位信号列について、互いに同数の基準信号及び変位信号を用いて行われ、
   前記第２のズレ量検出手段による前記相関演算は、前記第２の基準信号列と前記第２の変位信号列について、互いに同数の基準信号及び変位信号を用いて行われ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、
   前記第１及び第２の焦点検出エリアは、前記撮影画面の周辺領域において前記撮影画面の中心に対して互いにほぼ対称な位置に配置されることを特徴とする焦点検出装置。
6. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の焦点検出装置において、
   前記第1の焦点検出画素は、マイクロレンズと、前記マイクロレンズを通過した前記第1光束を受光する光電変換部とを有し、
   前記第２の焦点検出画素は、マイクロレンズと、当該マイクロレンズを通過した前記第２光束を受光する光電変換部とを有し、
   前記第３の焦点検出画素は、マイクロレンズと、当該マイクロレンズを通過した前記第３光束を受光する光電変換部とを有し、
   前記第４の焦点検出画素は、マイクロレンズと、当該マイクロレンズを通過した前記第４光束を受光する光電変換部とを有することを特徴とする焦点検出装置。
7. 請求項４に記載の焦点検出装置において、
   前記第1の焦点検出画素は、マイクロレンズと、前記マイクロレンズを通過した前記第1及び第２光束をそれぞれ受光する第１及び第２の光電変換部とを有し、
   前記第２の焦点検出画素は、マイクロレンズと、当該マイクロレンズを通過した前記第３及び第４光束を受光する第３及び第４の光電変換部とを有することを特徴とする焦点検出装置。
8. 請求項５〜７のいずれか一項に記載の焦点検出装置において、
   前記第１光束による像及び前記第２光束による像をそれぞれ再結像する第１及び第２の再結像光学系と、
   前記第３光束による像及び前記第４光束による像をそれぞれ再結像する第３及び第４の再結像光学系と、を更に備え、
   前記複数の第１の焦点検出画素は、前記第１の再結像光学系を通過した前記第１光束を受光し、
   前記複数の第２の焦点検出画素は、前記第２の再結像光学系を通過した前記第２光束を受光し、
   前記複数の第３の焦点検出画素は、前記第３の再結像光学系を通過した前記第３光束を受光し、
   前記複数の第４の焦点検出画素は、前記第４の再結像光学系を通過した前記第４光束を受光することを特徴とする焦点検出装置。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の焦点検出装置と、
   前記焦点検出手段により検出された前記撮影光学系の焦点調節状態に応じて前記撮影光学系の焦点調節を行う焦点調節手段とを備えることを特徴とする焦点調節装置。
10. 請求項９に記載の焦点調節装置を備えることを特徴とする撮像装置。
    

Images