JP6131721B2 - 焦点検出装置および焦点調節装置 - Google Patents

Description

本発明は瞳分割型位相差検出方式の焦点検出装置および焦点調節装置に関する。

瞳分割型位相差検出方式の焦点検出を用い、焦点調節用レンズ（フォーカシングレンズ）を駆動することにより自動焦点調節を行なう焦点調節装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。その焦点調節装置は、光学系の射出瞳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する。その一対の像信号の相対的な像ズレ量（位相差）を検出するとともに、その像ズレ量に応じて光学系の焦点調節状態、すなわち予定焦点面と検出された像面との差に対応するデフォーカス量を検出することによって、瞳分割型位相差検出方式の焦点検出を行なう。そのような焦点検出で検出されたデフォーカス量に応じてフォーカシングレンズを駆動することにより自動焦点調節を行なう。焦点調節状態（デフォーカス量）の検出が不能な場合には、焦点状態の探索のためフォーカシングレンズを至近端―無限端の間で予め定められた方向に走査駆動（スキャン）する。

特開２００７−２７９３１２号公報

上記従来の瞳分割型位相差検出方式を用いた焦点調節装置においては、デフォーカス量検出不能時のフォーカシングレンズ位置に対応する物体距離に対し、結像すべき物体の距離がフォーカシングレンズの走査駆動方向に対して逆方向の側にあった場合には、一旦フォーカシングレンズのレンズ端（至近端または無限端）までフォーカシングレンズを駆動する。そして、該レンズ端でフォーカシングレンズの駆動方向を反転してから結像すべき物体の距離の方向にフォーカシングレンズが近づいて行き、結像すべき物体に対して焦点検出可能になったら、スキャン駆動から通常の自動焦点調節に切り替わって合焦することになる。したがって、最終的に結像すべき物体に対して合焦するまでに多大な時間を要するという問題があった。

（１）本発明による焦点検出装置は、物体像を予定焦点面に形成する光学系の射出瞳上の相異なる領域を通過する第１光束および第２光束が形成する第１像および第２像を光電変換し、第１像および第２像に対応した第１像信号列および第２像信号列を生成するイメージセンサと、第１像信号列の信号列形状と第２像信号列の信号列形状との相違に基づいて予定焦点面に対する物体像の合焦像が形成される像面のデフォーカス方向を検出するデフォーカス方向検出手段とを備える。
（２）本発明による焦点調節装置は、本発明による焦点検出装置と、前記デフォーカス量検出手段によって算出される前記デフォーカス量に応じて、前記像面が前記予定焦点面に一致するように前記光学系の焦点位置を所定の至近端と無限端との間の焦点調節範囲内で調節する焦点調節手段とを備える。

本発明によれば、デフォーカス量検出不能時においても、結像すべき物体の距離の方向が検出可能な焦点検出装置や、結像すべき物体の距離の方向にフォーカシングレンズを走査駆動することが可能な焦点調節装置を提供できる。

一実施の形態のデジタルカメラの構成を示す横断面図である。 撮影画面上における焦点検出位置を示す図である。 撮像素子の詳細な構成を示す正面図である。 撮像画素の断面図である。 焦点検出画素の断面図である。 撮像画素が受光する撮影光束の様子を説明するための図である。 焦点検出画素が受光する焦点検出光束の様子を説明するための図である。 射出瞳上における測距瞳の様子を示す図である。 射出瞳上において、測距瞳に制限が加えられた場合の図である。 射出瞳上において、測距瞳に制限が加えられた場合の図である。 一実施の形態のデジタルカメラの撮像動作を示すフローチャートである。 一対のデータの相関が高いシフト量において相関量が極小になることを示す図である。 レンズが合焦したときの測距瞳と予定焦点面との相対的な位置関係を、測距瞳を固定して模式的に示した図である。 測距瞳を通る光束が予定焦点面に形成する点像の点像分布の形状を示した図である。 測距瞳を通る光束が予定焦点面に形成する像の分布形状を示した図である。 測距瞳を通る光束が予定焦点面に形成する像の分布形状を示した図である。 デフォーカス方向検出の処理の詳細を示すフローチャートである。 最大傾斜左エッジ部と最大傾斜右エッジ部とを示す図である。 最大傾斜左エッジ部の拡大図である。 撮像素子の詳細な構成を示す正面図である。 焦点検出画素の断面図である。 焦点検出画素が受光する焦点検出光束の様子を説明するための図である。 再結像瞳分割型位相差検出方式の焦点検出装置の構成例を示す図である。 絞りマスクの絞り開口の開口形状を示した正面図である。

本発明の一実施の形態における焦点検出装置を含む撮像装置として、レンズ交換式のデジタルカメラを例に挙げて説明する。図１は本実施の形態のデジタルカメラ２０１の構成を示す横断面図である。本実施の形態のデジタルカメラ２０１は、交換レンズ２０２とカメラボディ２０３とから構成され、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、ズーミングレンズ２０８、フォーカシングレンズ２１０、絞り２１１、レンズ制御装置２０６などを有する。レンズ制御装置２０６は、不図示のマイクロコンピューター、メモリ、レンズ駆動制御回路などから構成される。レンズ制御装置２０６は、フォーカシングレンズ２１０の焦点調節および絞り２１１の開口径調節のための駆動制御、ならびにズーミングレンズ２０８、フォーカシングレンズ２１０および絞り２１１の状態検出などを行う。レンズ制御装置２０６は、後述するボディ制御装置２１４との通信によりレンズ情報の送信とカメラ情報（デフォーカス量や絞り値など）の受信とを行う。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、ＡＤ変換装置２２１などを有している。撮像素子２１２には、撮像画素が行と列とで規定される二次元状配列にしたがって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配置されている。この撮像素子２１２については詳細を後述する。

ボディ制御装置２１４は、マイクロコンピューター、メモリ、ボディ駆動制御回路などから構成される。ボディ制御装置２１４は、撮像素子２１２の露光制御と、撮像素子２１２からの画素信号の読み出しと、焦点検出画素の画素信号に基づく焦点検出演算および交換レンズ２０２の焦点調節とを繰り返し行うとともに、画像信号の処理、表示および記録、ならびにカメラの動作制御などを行う。また、ボディ制御装置２１４は、電気接点２１３を介してレンズ制御装置２０６と通信を行い、レンズ情報の受信とカメラ情報の送信とを行う。

液晶表示素子２１６は電子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から読み出された画像信号に基づき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信号に基づいて生成される画像データを記憶する画像ストレージである。

ＡＤ変換装置２２１は、撮像素子２１２から出力される画素信号をＡＤ変換してボディ制御装置２１４に送る。撮像素子２１２がＡＤ変換装置２２１を内蔵する構成であってもよい。

交換レンズ２０２を通過した光束により、撮像素子２１２の撮像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、撮像画素および焦点検出画素の画素信号がボディ制御装置２１４へ送られる。

ボディ制御装置２１４は、撮像素子２１２の焦点検出画素からの画素信号（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制御装置２０６へ送る。また、ボディ制御装置２１４は、撮像素子２１２の撮像画素の画素信号（撮像信号）を処理して画像データを生成し、メモリカード２１９に格納するとともに、撮像素子２１２から読み出された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、ボディ制御装置２１４は、レンズ制御装置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、ズーミングレンズ２０８とフォーカシングレンズ２１０の位置と絞り２１１の絞り値とを検出し、これらのレンズ位置と絞り値と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とに応じたレンズ情報を選択する。

レンズ制御装置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レンズ２１０を合焦位置へ駆動する。また、レンズ制御装置２０６は受信した絞り値に応じて絞り２１１を駆動する。

図２は、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による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（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（光軸上）に焦点検出エリア１０１が配置される。長方形で示す焦点検出エリア１０１の長手方向（水平方向）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、図２において水平方向に配置された焦点検出エリア１０１の近傍を拡大した画素配列の詳細を示す。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。撮像画素３１０は赤画素（Ｒ）、緑画素（Ｇ）、青画素（Ｂ）からなり、ベイヤー配列の配置規則によって配置されている。図３においては撮像画素３１０と同一の画素サイズを有する水平方向焦点検出用の焦点検出画素３１５、３１６が交互に、本来緑画素と青画素とが連続的に配置されるべき水平方向の直線上に連続して配列される。

撮像画素３１０ならびに焦点検出画素３１５および３１６の各々のマイクロレンズの形状は、元々画素サイズより大きな円形のマイクロレンズから画素サイズに対応した正方形の形状で切り出した形状をしている。

撮像画素３１０は、図３に示すように矩形のマイクロレンズ１０、後述の遮光マスクで受光領域を正方形に制限された光電変換部１１、および後述の色フィルタから構成される。色フィルタは赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３種類からなり、それぞれの色に対応する分光感度特性を有している。

焦点検出画素３１５、３１６には全ての色に対して焦点検出を行うために全ての可視光を透過する白色フィルタが設けられている。その白色フィルタは、緑画素、赤画素および青画素の分光感度特性を加算したような分光感度特性を有し、高い感度を示す光波長領域は緑画素、赤画素および青画素の各々において各色フィルタが高い感度を示す光波長領域を包括している。

焦点検出画素３１５は、図３に示すように矩形のマイクロレンズ１０と後述の遮光マスクとで受光領域を正方形の左半分（正方形を垂直線で２等分した場合の左半分）に制限された光電変換部１５、および後述の白色フィルタとから構成される。

また、焦点検出画素３１６は、図３に示すように矩形のマイクロレンズ１０と後述の遮光マスクとで受光領域を正方形の右半分（正方形を垂直線で２等分した場合の右半分）に制限された光電変換部１６、および後述の白色フィルタとから構成される。

焦点検出画素３１５と焦点検出画素３１６とをマイクロレンズ１０を重ね合わせて表示すると、遮光マスクで受光領域を正方形の半分に制限された光電変換部１５と１６とが水平方向に並んでいる。

また、上述した正方形の半分に制限された受光領域の部分に正方形を半分にした残りの部分を加えると、撮像画素３１０の受光領域と同じサイズの正方形となる。

図４は水平方向に配列した撮像画素配列の断面をとった場合の撮像画素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の上に近接して遮光マスク３０が形成され、遮光マスク３０の開口部３０ａを通過した光を光電変換部１１は受光する。遮光マスク３０の上には平坦化層３１が形成され、その上に色フィルタ３８が形成される。色フィルタ３８の上には平坦化層３２が形成され、その上にマイクロレンズ１０が形成される。マイクロレンズ１０により開口部３０ａ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。

図５は水平方向に配列された焦点検出画素３１５、３１６からなる焦点検出画素配列の断面をとった場合の焦点検出画素３１５、３１６の断面図である。焦点検出画素３１５、３１６では焦点検出用の光電変換部１５、１６の上に近接して遮光マスク３０が形成され、遮光マスク３０の開口部３０ｂ、３０ｃを通過した光を光線変換部１５、１６は受光する。遮光マスク３０の上には平坦化層３１が形成され、その上に白色フィルタ３５が形成される。白色フィルタ３５の上には平坦化層３２が形成され、その上にマイクロレンズ１０が形成される。マイクロレンズ１０により開口部３０ｂ、３０ｃの形状が前方に投影される。光電変換部１５、１６は半導体回路基板２９上に形成される。

図６は、図４に示す画素構造を有する撮像画素３１０が受光する撮影光束の様子を説明するための図であって、水平方向に配列した撮像画素配列の断面をとっている。撮像素子上に配列された全ての撮像画素の光電変換部１１は光電変換部１１に近接して配置された遮光マスク開口３０ａを通過した光束を受光する。遮光マスク開口３０ａの形状は各撮像画素のマイクロレンズ１０によりマイクロレンズ１０から測距瞳距離ｄだけ離間した撮影光学系の射出瞳９０上の全撮像画素共通な領域９７に投影される。

従って各撮像画素の光電変換部１１は、領域９７と各撮像画素のマイクロレンズ１０を通過する撮影光束７１を受光し、領域９７を通過して各撮像画素のマイクロレンズ１０へ向う撮影光束７１によって各マイクロレンズ１０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。

図７は、図５に示す画素構造を有する焦点検出画素３１５、３１６が受光する焦点検出光束の様子を図６と比較して説明するための図であって、水平方向に配列した焦点検出画素配列の断面をとっている。

撮像素子上に配列された全ての焦点検出画素の光電変換部１５、１６は光電変換部１５、１６に近接して配置された遮光マスク開口３０ｂ、３０ｃを通過した光束を受光する。遮光マスク開口３０ｂの形状は各焦点検出画素３１５のマイクロレンズ１０によりマイクロレンズ１０から測距瞳距離ｄだけ離間した射出瞳９０上の焦点検出画素３１５に全てに共通した領域９５に投影される。同じく遮光マスク開口３０ｃの形状は各焦点検出画素３１６のマイクロレンズ１０によりマイクロレンズ１０から測距瞳距離ｄだけ離間した射出瞳９０上の焦点検出画素３１６に全てに共通した領域９６に投影される。射出瞳９０上の相異なる一対の領域９５、９６を測距瞳と呼ぶ。

従って各焦点検出画素３１５の光電変換部１５は、測距瞳９５と各焦点検出画素３１５のマイクロレンズ１０とを通過する光束７５を受光し、その光束７５によって各マイクロレンズ１０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。また各焦点検出画素３１６の光電変換部１６は、測距瞳９６と各焦点検出画素３１６のマイクロレンズ１０とを通過する光束７６を受光し、その光束７６によって各マイクロレンズ１０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。

図６に示すように、図７に示した一対の焦点検出画素３１５および３１６が受光する光束７５、７６が通過する射出瞳９０上の光軸９１を挟んで位置する測距瞳９５と９６とを統合した領域は、撮像画素３１０が受光する光束７１が通過する射出瞳９０上の領域９７と一致し、射出瞳９０上において一対の光束７５、７６は光束７１に対して相補的な関係になっている。

上述の説明においては、遮光マスクにより光電変換部の受光領域が規制されているが、光電変換部自身の形状を遮光マスクの開口形状とすることも可能である。その場合は遮光マスクを排してもよい。

要は光電変換部と測距瞳とはマイクロレンズにより光学的に共役な関係となっていることが重要である。

また測距瞳の位置（測距瞳距離）は、一般に撮影光学系の射出瞳距離と略同一になるように設定される。複数の交換レンズが装着される場合には、複数の交換レンズの平均的な射出瞳距離に測距瞳距離を設定する。

上述した一対の焦点検出画素３１５、３１６を交互にかつ直線状に多数配置し、各焦点検出画素の光電変換部の出力を測距瞳９５および測距瞳９６に対応した一対の出力グループにまとめる。これにより、測距瞳９５および測距瞳９６をそれぞれ通過する一対の光束が水平方向の焦点検出画素配列上に形成する一対の像の強度分布に関する情報（一対の像信号列）が得られる。この情報（一対の像信号列）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（位相差）が検出される。さらに、像ズレ量に、一対の測距瞳の重心間隔と測距瞳距離との比例関係に応じた変換係数を用いての変換演算を行うことによって、焦点検出位置における予定結像面と瞳分割型位相差検出方式で検出される結像面との偏差、すなわちデフォーカス量が算出される。

図７に示す測距瞳９５、９６（一対の光束の分布）の特性について、図８を用いて詳細に説明する。図８（ａ）は射出瞳９０上における測距瞳９５、９６の様子を、撮像素子側から見た場合の正面図である。図７において一対の焦点検出画素３１５および３１６が受光する光束７５、７６は、射出瞳９０上において一律には分布しておらず、実際には図８（ａ）に等高線で示すような分布を持っている。図８（ａ）の等高線で示す測距瞳９５、９６の分布を測距瞳９５、９６の重心位置を結ぶ方向の断面、すなわち射出瞳の中心（光軸）を通る水平方向断面で見ると、図８（ｂ）に示すような分布関数（分布形状）となる。図８（ａ）において×印は測距瞳９５、９６の重心位置を示す。

このように測距瞳９５、９６が分布特性を持つ理由は、焦点検出画素３１５、３１６を構成するマイクロレンズ１０のサイズが１０ミクロン以下となり可視光の波長に近づいた場合には回折が生ずるためである。すなわち図５に示す焦点検出画素の構造において、マイクロレンズ１０により開口部３０ｂ、３０ｃと射出瞳９０とが光学的に共役関係となっているが、射出瞳９０上にマイクロレンズ１０により投影される開口部３０ｂ、３０ｃの形状は回折によりボケを生じるからである。

また回折によるボケは略等方性であるので、分布の重心位置自体は回折の有無によって大きくは変化しない。図８に示すようにｘ軸の方向を定めると、測距瞳９５の分布のピーク位置は光軸（ｘ＝０）に対しプラス側に位置し、測距瞳９６の分布のピーク位置は光軸（ｘ＝０）に対しマイナス側に位置する。また測距瞳９５、９６の分布関数の形状はそれぞれ分布重心位置ｇ１５、ｇ１６を中心として回折ボケによる裾野を左右対称に引いた形状となっており、分布重心位置ｇ１５、ｇ１６を一致させた場合に測距瞳９５、９６の分布関数の形状は略一致している。

図９は射出瞳９０上において、開口径が最大の絞り開口９２により図８に示す測距瞳９５、９６に制限が加えられた場合の図である。光軸から離れた周辺部分の測距瞳９５、９６の分布は絞り開口９２により遮光される。このように測距瞳９５、９６の分布の周辺部が制限された場合には、分布関数が図９（ｂ）に示すような形状となる。即ち測距瞳９５の分布関数は光軸（ｘ＝０）に対しプラス側にある裾野部分が切られて急激に立上がり、光軸（ｘ＝０）に対しマイナス側にある回折による裾野部分は残る。また測距瞳９６の分布関数は光軸（ｘ＝０）に対しマイナス側にある裾野部分が切られて急激に立上がり、光軸（ｘ＝０）に対しプラス側にある回折による裾野部分は残る。図９（ａ）において×印は測距瞳９５、９６の分布重心位置ｇ２５、ｇ２６を示す。

図９（ｂ）に示すように測距瞳９５、９６の分布関数の形状はそれぞれの分布重心位置ｇ２５、ｇ２６に対し非対称となる。分布重心位置ｇ２５、ｇ２６を一致させた場合にそれぞれの測距瞳９５、９６の分布関数の形状は互いに相違するとともに、一致させた分布重心位置に対して互いに略線対称の関係になる。

図１０は射出瞳９０上において、最大開口径の絞り開口９２より開口径が小さい絞り開口９３により図８に示す測距瞳９５、９６に制限が加えられた場合の図である。光軸から離れた周辺部分の測距瞳９５、９６の分布は絞り開口９３により遮光される。このように測距瞳９５、９６の分布が制限された場合には、分布関数が図９（ｂ）より光軸近傍に制限され、図１０（ｂ）に示すような形状となる。即ち測距瞳９５の分布関数は光軸（ｘ＝０）に対しプラス側にある裾野部分が切られて急激に立上がり、光軸（ｘ＝０）に対しマイナス側にある回折による裾野部分も絞り開口９３により制限されるがその影響はプラス側よりも少なく回折による裾引き形状が残る。また測距瞳９６の分布関数は光軸（ｘ＝０）に対しマイナス側にある裾野部分が切られて急激に立上がり、光軸（ｘ＝０）に対しプラス側にある回折による裾野部分も絞り開口９３により制限されるがその影響はマイナス側よりも少なく回折による裾引き形状が残る。

図１０（ｂ）に示すように測距瞳９５、９６の分布関数の形状はそれぞれの分布重心位置ｇ３５、ｇ３６に対し非対称となる。分布重心位置ｇ３５、ｇ３６を一致させた場合にそれぞれの測距瞳９５、９６の分布関数の形状は互いに相違するとともに、一致させた分布重心位置に対して互いに略線対称の関係になる。

以上絞り開口が存在する場合の測距瞳９５、９６の分布形状の特徴についてまとめると、以下のようになる。
（ｉ）測距瞳９５、９６の分布は、互いに分布形状が相違するとともに、それぞれの分布重心位置は光軸（ｘ＝０）に対して反対側に位置する。
（ｉｉ）測距瞳９５、９６の分布形状は、それぞれの分布重心位置に対して非対称な形状となる。
（ｉｉｉ）測距瞳９５、９６の分布形状のそれぞれの分布重心位置に対して光軸から離れた側（例えば図９（ｂ）、図１０（ｂ）の９５Ｒ、９６Ｌ）は急峻なカーブに立上がるとともに、分布形状のピークに近づくにつれて緩やかになるので、カーブ部分の形状は全体的に略凸形状となる。
（ｉｖ）測距瞳９５、９６の分布形状のピークに対して光軸に近い側（例えば図９（ｂ）、図１０（ｂ）の９５Ｌ、９６Ｒ）は比較的ゆるやかなカーブの裾野を引いて減少するので、カーブ部分の全体的に略凹形状となる。
（ｖ）測距瞳９５、９６の分布形状はそれぞれの分布の重心位置を一致させた場合に、一致させた重心位置に対して略線対称な形状（一方の分布を一致させた重心位置に対して反転すると略一致する形状）となる。

上述した測距瞳９５、９６の分布形状の特性については実験評価によって確認を行なっている。

本発明は、上述した測距瞳９５、９６の分布形状の特性を利用することにより、従来の焦点検出方法において焦点検出不能となるような大デフォーカス時においても、デフォーカス方向の検出を可能とするものである。

図１１は、一実施の形態のデジタルスチルカメラ（撮像装置）２０１の撮像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Ｓ１００でデジタルスチルカメラ２０１の電源がオンされると、ステップＳ１１０以降の撮像動作を開始する。

ステップＳ１１０において禁止フラグをＯＦＦとする。禁止フラグとは、後述するデフォーカス方向の検出および該検出結果に基づく走査駆動の許可および禁止を制御するためのフラグである。電源ＯＮ直後あるいは撮影直後には禁止フラグＯＦＦ（デフォーカス方向の検出および該検出結果に基づく走査駆動の許可状態にセット）される。

ステップＳ１２０において全画素のデータを読み出し、撮像画素のデータを電子ビューファインダーに表示させる。

ステップＳ１３０では焦点検出画素のデータに基づい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）を行い、デフォーカス量を算出する。

ステップＳ１４０では禁止フラグＯＦＦかつステップＳ１３０で焦点検出不能であった場合にはステップＳ１５０に進み、それ以外はステップＳ１５０をスキップし、ステップＳ１６０に進む。

ステップＳ１５０では焦点検出画素のデータに基づいて後述するデフォーカス方向の検出処理を行ない、デフォーカス方向を検出する。

ステップＳ１６０ではレリーズボタン（不図示）が半押し（レリーズボタンが操作状態）であるか否かをチェックする。レリーズボタンは撮影（シャッターレリーズ）を指示するための操作部材であり、通常は非操作状態に保持されており、ユーザーの操作により半押し状態を経て全押し状態へと遷移され、半押しから全押しへの遷移により撮影（シャッターレリーズ）が指示される。また半押し状態においては焦点検出結果に基づいた光学系の自動焦点調節動作が行なわれる。

ステップＳ１６０でレリーズボタンが半押しでない場合は、ステップＳ２９０を経て、ステップＳ１１０〜ステップＳ１６０の処理を繰り返す。

ステップＳ１６０でレリーズボタンが半押しされている場合は、ステップＳ１７０に進み、禁止フラグがＯＦＦかつステップＳ１３０の結果が焦点検出不能であったかチェックする。

ステップＳ１７０での判定が否定された場合、即ち禁止フラグがＯＮ又はステップＳ１３０の結果が焦点検出可能であった場合には、ステップＳ２１０に進み、ステップＳ１３０の結果が焦点検出不能であったかチェックする。

一方ステップＳ１７０での判定が肯定された場合、即ち禁止フラグがＯＦＦかつステップＳ１３０の結果が焦点検出不能であった場合には、ステップＳ１８０に進み、ステップＳ１５０の結果がデフォーカス方向検出可能であったかチェックする。

ステップＳ１８０でデフォーカス方向検出可能であった場合は、ステップＳ１９０に進み、走査駆動開始Ｚ１の処理を行なう。すなわち、焦点検出可能な物体像をサーチするために交換レンズ２０２のフォーカシングレンズ２１０をその駆動範囲内（最至近撮影距離〜無限遠撮影距離）でスキャン駆動する際に、その初動駆動方向を検出されたデフォーカス方向に設定してレンズ駆動制御装置２０６に指示を与える。その後ステップＳ２８０を経て、ステップＳ１２０に戻る。

ステップＳ１８０でデフォーカス方向検出不能であった場合は、ステップＳ２００に進み、走査駆動開始Ｚ２の処理を行なう。すなわち、焦点検出可能な物体像をサーチするために交換レンズ２０２のフォーカシングレンズ２１０をその駆動範囲内（最至近撮影距離〜無限遠撮影距離）でスキャン駆動する際に、その初動駆動方向を予め定められた方向（最至近撮影距離方向あるいは無限遠撮影距離方向）に設定してレンズ駆動制御装置２０６に指示を与える。その後ステップＳ２８０を経て、ステップＳ１２０に戻る。

ステップＳ２８０では禁止フラグをＯＮにセットし、一旦走査駆動が開始された後はデフォーカス方向検出を禁止するとともに、デフォーカス方向検出結果に応じた走査駆動がリセットされないようにしている。

なお走査駆動はレンズ駆動制御装置２０６により制御され、走査駆動中に焦点検出可能にならない場合には、交換レンズ２０２のフォーカシングレンズ２１０の駆動範囲（最至近撮影距離〜無限遠撮影距離）を全て走査した後に自動的に停止する。

ステップＳ２１０ではステップＳ１３０で焦点検出不能であったかチェックし、焦点検出不能であった場合は上述したステップＳ２８０を経てステップＳ１２０に戻り、上記の処理を繰り返す。

ステップＳ２１０で焦点検出可能であった場合は、ステップＳ２２０で合焦近傍か否か、すなわち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Ｓ２３０へ進む。ステップＳ２３０では、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の合焦位置への駆動を開始させ、ステップＳ２８０を経てステップＳ１２０に戻り、上述した動作を繰り返す。

ステップＳ２１０で合焦近傍であると判定された場合はステップＳ２４０へ進み、レリーズボタン（不図示）の操作によりシャッターレリーズ（全押し）がなされたか否かを判別する。シャッターレリーズ（全押し）がなされていないと判定された場合はステップＳ２８０を経てステップＳ１２０に戻り、上述した動作を繰り返す。

一方、ステップＳ２４０でシャッターレリーズ（全押し）がなされたと判定された場合はステップＳ２５０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３１０および全ての焦点検出画素３１５、３１６から画像データを読み出す。

ステップＳ２６０において、各焦点検出画素３１５、３１６の位置の画像データを各焦点検出画素３１５、３１６のデータ及び各焦点検出画素３１５、３１６の周囲の撮像画素３１０のデータに基づいて補間する。続くステップＳ２７０では、撮像画素３１０のデータおよび焦点検出画素位置の補間された画像データを画像情報としてメモリカード２１９に記憶し、ステップＳ２９０を経てステップＳ１１０へ戻り、上述した動作を繰り返す。

ステップＳ２９０ではレンズ駆動制御装置２０６にレンズ駆動中であった場合はレンズ駆動を停止するように指示を出す。

図１１のステップＳ１３０におけるデフォーカス量を検出するための像ズレ検出演算処理（相関演算処理、位相差検出処理）の詳細について以下説明する。

焦点検出画素３１５、３１６が検出する一対の像は、測距瞳９５、９６がレンズの絞り開口による口径蝕を受け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３１５の配列から読み出されたデータ列Ａ１_ｎ（Ａ１_１，・・・，Ａ１_Ｍ：Ｍはデータ数）、および焦点検出画素３１６の配列から読み出されたデータ列Ａ２_ｎ（Ａ２_１，・・・，Ａ２_Ｍ）からなる一対のデータ列Ａ１_ｎ、Ａ２_ｎに対し、例えば特開２００７−３３３７２０号公報に開示された公知の相関演算式である下記（１）式を用い、相関量Ｃ（ｋ）を演算する。
Ｃ(ｋ)＝Σ｜Ａ１_ｎ×Ａ２_{ｎ＋１＋ｋ}−Ａ２_ｎ＋ｋ×Ａ１_ｎ＋１｜ ・・・（１）

（１）式において、Σ演算はｎについて累積される。ｎのとる範囲は、像ずらし量ｋに応じてＡ１_ｎ、Ａ１_ｎ＋１、Ａ２_ｎ＋ｋ、Ａ２_{ｎ＋１＋ｋ}のデータが存在する範囲に限定される。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。（１）式の演算結果は、図１２に示すように、一対のデータの相関が高いシフト量（図１２ではｋ＝ｋｊ＝２）において相関量Ｃ(ｋ)が極小になる。すなわち、相関量Ｃ(ｋ)が小さいほど相関度が高い。

次に、（２）式から（５）式の３点内挿の手法を用いて連続的な相関量に対する極小値Ｃ(Ｇ)を与えるシフト量Ｘを求める。
Ｇ＝ｋｊ＋Ｄ／ＳＬＯＰ ・・・（２）
Ｃ(Ｇ)＝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Ｇの信頼性があるかどうかは次のようにして判定される。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(Ｇ)の値が大きくなる。したがって、Ｃ(Ｇ)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Ｇをキャンセルする。あるいは、Ｃ(Ｇ)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(Ｇ)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Ｇ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Ｇをキャンセルする。

また一対のデータの相関度が低く、シフト範囲ｋ_ｍｉｎ〜ｋ_ｍａｘの間で相関量Ｃ(ｋ)の落ち込みがない場合は、極小値Ｃ(Ｇ)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。

シフト量Ｇが算出されるとともに、シフト量Ｇの信頼性があると判定された場合は、（６）式によりシフト量Ｇを像ズレ量Ｓｆに換算する。（６）式において、検出ピッチＰＹは、同一種類の焦点検出画素によるサンプリングピッチ、すなわち撮像画素のピッチの２倍となる。
Ｓｆ＝ＰＹ×Ｇ ・・・（６）

さらに像ズレ量Ｓｆに所定の変換係数Ｋｄを乗じてデフォーカス量Ｄｆへ変換する。
Ｄｆ＝Ｋｄ×Ｓｆ ・・・（７）

（７）式において変換係数Ｋｄは一対の測距瞳９５、９６の重心間隔と測距瞳距離との比例関係に応じた変換係数であり、光学系の絞りＦ値に応じて変化する。

図１１のステップＳ１５０におけるデフォーカス方向を検出するための処理の詳細について説明する前に、瞳分割位相差検出方式におけるデフォーカス像の特性について説明する。

図１３は、予定焦点面８０の光軸上において合焦像が形成される場合であって、レンズのデフォーカス方向が無限方向の場合（合焦撮影距離より近距離側にレンズがセットされている場合）、およびデフォーカス方向が至近方向の場合（合焦撮影距離より遠距離側にレンズがセットされている場合）に、レンズが合焦したときの測距瞳９５、９６と予定焦点面８０（撮像素子が配置された面）との相対的な位置関係を、測距瞳９５、９６を固定して模式的に示した図である。

測距瞳９５、９６は射出瞳９０において絞り開口９４により制限を受けている。また物体像が予定焦点面８０の光軸９１上に結像される場合において測距瞳９５、９６の分布重心位置を通る光線をそれぞれ８５、８６で示す。

レンズ駆動の際は実際には予定焦点面８０の位置が固定され測距瞳９５、９６の位置が移動するのであるが、図の簡便化のため測距瞳９５、９６の位置を固定し予定焦点面８０の位置が移動するものとして図示している。また実際にはデフォーカス量（図１３の予定焦点面の合焦位置からの移動距離）は測距瞳距離に比較して数十分の１程度であるが、図１３においては分かりやすくするために誇張して図示している。

レンズが合焦した場合（レンズにより形成される像面が予定焦点面８０と一致した場合）における予定焦点面８０の位置がＦ０である。またデフォーカス方向が無限方向の場合の予定焦点面８０の位置がＦ１、Ｆ２であり、Ｆ２のほうがＦ１より大きなデフォーカス量である。デフォーカス方向が無限方向の場合とは、レンズにより形成される像面が予定焦点面８０と射出瞳９０との間にある場合と定義される。合焦させるためには、レンズを予定焦点面８０に近づく方向に移動させる必要がある。またデフォーカス方向が至近方向の場合の予定焦点面８０の位置がＦ３、Ｆ４であり、Ｆ４のほうがＦ３より大きなデフォーカス量である。デフォーカス方向が至近方向とは、レンズにより形成される像面が予定焦点面８０に対して射出瞳９０の方向と反対側の方向にある場合と定義される。合焦させるためには、レンズを予定焦点面８０から遠ざかる方向に移動させる必要がある。

以上のような設定において、光線８５、８６は位置Ｆ０の予定焦点面８０の光軸上の位置（Ｐ０＝Ｑ０）において交差する。デフォーカス方向が無限方向の場合、即ち予定焦点面８０の位置Ｆ１、Ｆ２においては、光線８５は光軸９１に対する測距瞳９５の分布重心位置の方向と光軸９１に対して反対方向の位置Ｐ１、Ｐ２において予定焦点面８０と交差する。それとともに、光線８６は光軸９１に対する測距瞳９６の分布重心位置の方向と光軸９１に対して反対方向の位置Ｑ１、Ｑ２において予定焦点面８０と交差する。

また予定焦点面８０の位置Ｆ１、Ｆ２における光線８５、８６が予定焦点面８０と交差する位置の間隔（Ｐ１とＱ１の間隔、Ｐ２とＱ２の間隔）はデフォーカス量が大きくなるほど広がる。

デフォーカス方向が至近方向の場合、即ち予定焦点面８０の位置Ｆ３、Ｆ４においては、光線８５は光軸９１に対する測距瞳９５の分布重心位置の方向と光軸９１に対して同じ方向の位置Ｐ３、Ｐ４において予定焦点面８０と交差する。それとともに、光線８６は光軸９１に対する測距瞳９６の分布重心位置の方向と光軸９１に対して同じ方向の位置Ｑ３、Ｑ４において予定焦点面８０と交差する。

また予定焦点面８０の位置Ｆ３、Ｆ４における光線８５、８６が予定焦点面８０と交差する位置の間隔（Ｐ３とＱ３の間隔、Ｐ４とＱ４の間隔）はデフォーカス量が大きくなるほど広がる。

以上のようにデフォーカス方向が反転すると、光線８５、８６が予定焦点面８０と交差する位置の関係（ＰｎとＱｎの位置関係）が反転することになる。

図１４は図１３に対応した図であって、合焦時に点像が予定焦点面８０の光軸９１上に形成される場合において、射出瞳９０において絞り開口９４により制限を受けた測距瞳９５、９６を通る光束が予定焦点面８０の位置Ｆ４、Ｆ３、Ｆ０、Ｆ１、Ｆ２に形成する点像の点像分布１５０，１６０，１５１，１６１，１５２，１６２，１５３，１６３，１５４，１６４の形状を示した図である。図１４において破線が測距瞳９５を通る光束による点像分布、実線が測距瞳９６を通る光束による点像分布を示している。

図１４（ｃ）は位置Ｆ０（合焦位置）における予定焦点面８０上の点像分布であり、測距瞳９５を通る光束による点像分布１５０、測距瞳９６を通る光束による点像分布１６０は両者ともδ関数的に光軸上の１点（ｘ＝０＝Ｐ０＝Ｑ０）に集中する。

図１４（ａ）、（ｂ）は位置Ｆ４、位置Ｆ３（デフォーカス方向が至近方向）の場合における予定焦点面８０上の点像分布である。測距瞳９５を通る光束による点像分布１５３、１５４の分布重心位置Ｐ３、Ｐ４（Ｐ４＞Ｐ３）は光軸（ｘ＝０）に対しプラス方向にずれる。それとともに、点像分布１５３、１５４の形状は分布重心位置Ｐ３、Ｐ４より右側（ｘ軸において値が大きくなる側）の減衰部において略凸状となり、分布重心位置Ｐ３、Ｐ４より左側（ｘ軸において値が小さくなる側）の減衰部において略凹状となる。これはデフォーカス時の予定焦点面８０と射出瞳面９０との間の距離が、合焦時の予定焦点面８０と射出瞳９０との間の距離より短い（デフォーカス方向が至近方向）場合には、予定焦点面８０上の測距瞳９５を通る光束による点像分布の形状は図９、図１０で示した測距瞳９５の分布形状を略縮小した形状となるためである。その縮小倍率は略デフォーカス量の大きさに応じて変化するので、点像分布１５３より点像分布１５４のほうがｘ軸上での分布範囲の広がりが大きくなる。

一方図１４（ａ）、（ｂ）において、測距瞳９６を通る光束による点像分布１６３、１６４の分布重心位置Ｑ３、Ｑ４（Ｑ４＜Ｑ３）は光軸（ｘ＝０）に対しマイナス方向にずれる。それとともに、点像分布１６３、１６４の形状は分布重心位置Ｑ３、Ｑ４より右側（ｘ軸において値が大きくなる側）の減衰部において略凹状となり、重心位置Ｑ３、Ｑ４より左側（ｘ軸において値が小さくなる側）の減衰部において略凸状となる。これはデフォーカス時の予定焦点面８０と射出瞳９０との間の距離が、合焦時の予定焦点面８０と射出瞳面９０との間の距離より短い（デフォーカス方向が至近方向）場合には、予定焦点面８０上の測距瞳９６を通る光束による点像分布の形状は図９、図１０で示した測距瞳９６の分布形状を略縮小した形状となるためである。その縮小倍率は略デフォーカス量の大きさに応じて変化するので、点像分布１６３より点像分布１６４のほうがｘ軸上での分布範囲の広がりが大きくなる。

図１４（ｄ）、（ｅ）は位置Ｆ１、位置Ｆ２（デフォーカス方向が無限方向）の場合における予定焦点面８０上の点像分布である。測距瞳９５を通る光束による点像分布１５１、１５２の分布重心位置Ｐ１、Ｐ２（Ｐ２＜Ｐ１）は光軸（ｘ＝０）に対しマイナス方向にずれる。それとともに、点像分布１５１、１５２の形状は分布重心位置Ｐ１、Ｐ２より右側（ｘ軸において値が大きくなる側）の減衰部において略凹状となり、分布重心位置Ｐ１、Ｐ２より左側（ｘ軸において値が小さくなる側）の減衰部において略凸状となる。これはデフォーカス時の予定焦点面８０と射出瞳面９０との間の距離が、合焦時の予定焦点面８０と射出瞳９０との間の距離より長い（デフォーカス方向が無限方向）場合には、予定焦点面８０上の測距瞳９５を通る光束による点像分布の形状は図９、図１０で示した測距瞳９５の分布形状をｘ軸方向に対して反転して略縮小した形状となるためである。その縮小倍率は略デフォーカス量の大きさに応じて変化するので、点像分布１５１より点像分布１５２のほうがｘ軸上での分布範囲の広がりが大きくなる。

一方図１４（ｅ）、（ｄ）において、測距瞳９６を通る光束による点像分布１６１、１６２の分布重心位置Ｑ１、Ｑ２（Ｑ２＞Ｑ１）は光軸（ｘ＝０）に対しプラス方向にずれる。それとともに、点像分布１６１、１６２の形状は分布重心位置Ｑ１、Ｑ２より右側（ｘ軸において値が大きくなる側）の減衰部において略凸状となり、分布重心位置Ｑ１、Ｑ２より左側（ｘ軸において値が小さくなる側）の減衰部において略凹状となる。これはデフォーカス時の予定焦点面８０と射出瞳９０との間の距離が、合焦時の予定焦点面８０と射出瞳面９０との間の距離より長い（デフォーカス方向が無限方向）場合には、予定焦点面８０上の測距瞳９６を通る光束による点像分布の形状は図９、図１０で示した測距瞳９６の分布形状をｘ軸方向に対して反転して略縮小した形状となるためである。その縮小倍率は略デフォーカス量の大きさに応じて変化するので、点像分布１６３より点像分布１６４のほうがｘ軸上での分布範囲の広がりが大きくなる。

以上説明したように測距瞳９５、９６を通る光束が形成する点像分布は以下のような特徴を持つ。
（ｉ）デフォーカス状態において、測距瞳９５、９６を通過する一対の光束に応じた一対の点像分布の分布重心位置は一致しない。
（ｉｉ）デフォーカス状態において、一対の点像分布の分布重心位置を結ぶ方向における一対の点像分布の分布形状は互いに相違する。
（ｉｉｉ）デフォーカス状態において、一対の点像分布の分布形状は、それぞれの点像分布重心位置に対して非対称な形状となる。一対の点像分布の分布重心位置を一致させた場合に、一致させた分布重心位置に対して略線対称な形状、すなわち一方の分布を一致させた分布重心位置に対して反転すると略一致する形状となる。
（ｉｖ）デフォーカス状態において、一対の点像分布の分布形状は、測距瞳９５、９６を通過する一対の光束の分布形状を反映した形状になるとともに、点像分布の分布重心位置を基準として、点像分布の一方の側の減衰部と他方の側の減衰部との凸凹が逆となる。
（ｖ）上記点像分布の重心位置を結ぶ方向における一対の点像分布の分布形状については、点像分布の分布重心位置を基準として、点像分布の一方の側の減衰部と他方の側の減衰部との凸凹が逆となる。すなわち、一対の点像分布の分布形状は非対称的な特性を有する。点像分布の一方の側の減衰部と他方の側の減衰部との凸凹は、デフォーカス方向に応じて反転する。

以上で説明したのは、測距瞳９５、９６を通る光束が形成する点像分布に関する特性である。測距瞳９５、９６を通る光束が形成する一般的な像分布においても、デフォーカス時の像分布は、合焦時の像分布に、デフォーカス時の点像分布をたたみ込んだ（コンボルーション）ものであるから、デフォーカス時の一般的な像分布も上述した点像分布の特性を継承している。

図１５、図１６は合焦時に矩形関数の信号波形となる像を一般的な像分布の代表として選んだ場合の、射出瞳９０において絞り開口９４により制限を受けた測距瞳９５、９６を通る光束が予定焦点面８０の位置Ｆ４、Ｆ３、Ｆ０、Ｆ１、Ｆ２に形成する像の分布形状である像分布２５０，２６０，２５１，２６１，２５２，２６２，２５３，２６３，２５４，２６４を示した図である。

図１５（ｃ）は位置Ｆ０（合焦位置）における予定焦点面８０上の像分布であり、測距瞳９５を通る光束による像分布２５０は矩形関数的に光軸上の狭い領域に集中する。この時像分布２５０の左側減衰部２５０Ｌ（左エッジ）、右側減衰部２５０Ｒ（右エッジ）はほぼ垂直になっており、凸凹形状にはならない。

図１５（ａ）、（ｂ）は位置Ｆ４、位置Ｆ３（デフォーカス方向が至近方向）の場合における予定焦点面８０上の像分布であり、測距瞳９５を通る光束による像分布２５３、２５４の形状はデフォーカスによりボケて、エッジ部がなだらかになる。この時像分布２５３、２５４の左側減衰部２５３Ｌ、２５４Ｌ（左エッジ）の形状は、図１４の点像分布１５３、１５４の分布重心位置Ｐ３、Ｐ４に対して左側の減衰形状の影響を受け、減衰部において略凹状となる。それとともに、右側減衰部２５３Ｒ、２５４Ｒ（右エッジ）の形状は、点像分布１５３、１５４の分布重心位置Ｐ３、Ｐ４に対して右側の減衰形状の影響を受け、減衰部において略凸状となる。

図１５（ｅ）、（ｄ）は位置Ｆ１、位置Ｆ２（デフォーカス方向が無限方向）の場合における予定焦点面８０上の像分布であり、測距瞳９５を通る光束による像分布２５１、２５２の形状はデフォーカスによりボケて、エッジ部がなだらかになる。この時像分布２５１、２５２の左側減衰部２５１Ｌ、２５２Ｌ（左エッジ）の形状は、図１４の点像分布１５１、１５２の分布重心位置Ｐ１、Ｐ２に対して左側の減衰形状の影響を受け、減衰部において略凸状となる。それとともに、右側減衰部２５１Ｒ、２５２Ｒ（右エッジ）の形状は、点像分布１５１、１５２の分布重心位置Ｐ１、Ｐ２に対して右側の減衰形状の影響を受け、減衰部において略凹状となる。

図１６（ｃ）は位置Ｆ０（合焦位置）における予定焦点面８０上の像分布であり、測距瞳９６を通る光束による像分布２６０は矩形関数的に光軸上の狭い領域に集中し、図１５（ｃ）の像分布２５０とほぼ一致する。この時像分布２６０の左側減衰部２６０Ｌ（左エッジ）、右側減衰部２６０Ｒ（右エッジ）はほぼ垂直になっており、凸凹形状にはならない。

図１６（ａ）、（ｂ）は位置Ｆ４、位置Ｆ３（デフォーカス方向が至近方向）の場合における予定焦点面８０上の像分布であり、測距瞳９６を通る光束による像分布２６３、２６４の形状はデフォーカスによりボケて、エッジ部がなだらかになる。この時像分布２６３、２６４の左側減衰部２６３Ｌ、２６４Ｌ（左エッジ）の形状は、図１４の点像分布１６３、１６４の分布重心位置Ｑ３、Ｑ４に対して左側の減衰形状の影響を受け、減衰部において略凸状となる。それとともに、右側減衰部２６３Ｒ、２６４Ｒ（右エッジ）の形状は、点像分布１６３、１６４の分布重心位置Ｑ３、Ｑ４に対して右側の減衰形状の影響を受け、減衰部において略凹状となる。

図１６（ｅ）、（ｄ）は位置Ｆ１、位置Ｆ２（デフォーカス方向が無限方向）の場合における予定焦点面８０上の像分布であり、測距瞳９６を通る光束による像分布２６１、２６２の形状はデフォーカスによりボケて、エッジ部がなだらかになる。この時像分布２６１、２６２の左側減衰部２６１Ｌ、２６２Ｌ（左エッジ）の形状は、図１４の点像分布１６１、１６２の分布重心位置Ｑ１、Ｑ２に対して左側の減衰形状の影響を受け、減衰部において略凹状となる。それとともに、右側減衰部２６１Ｒ、２６２Ｒ（右エッジ）の形状は、点像分布１６１、１６２の分布重心位置Ｑ１、Ｑ２に対して右側の減衰形状の影響を受け、減衰部において略凸状となる。

以上説明したように測距瞳９５、９６を通る光束が形成する一般像の像分布においてエッジ部の凸凹形状特性は、点像分布のエッジ部の凸凹形状特性を継承する。

図１５、図１７は矩形波形を呈する像に対するデフォーカス特性の説明であるが、より一般的な像においても像を点像の集合とみなすことができ、デフォーカス時において同様なデフォーカス特性を示す。

上述したような測距瞳の分布形状が分布重心位置に対して非対称となる瞳分割位相差方式を採用したデフォーカス検出においては、デフォーカス時に一対の測距瞳を通る光束が形成する一対の点像の点像分布が互いに一致しない。この場合、一般的な像に対してデフォーカス量検出演算により相対的な像ずらしを行なって相関度を算出した場合においても相関度（一致度）が低下するので、焦点検出不能になる確率が増加し、結果的に大きなデフォーカス量の検出ができないという問題がある。またデフォーカス量が大きくなるとデフォーカス像の高周波成分がなくなり、低周波成分だけになるので、しばしば、像の異なる部分のボケパターンを誤って一致検出するといった、偽合焦が発生するという問題もある。

本発明はこのような状況においてもデフォーカス時のボケ像の特徴を抽出することによりデフォーカス方向を検出するものであり、例えばボケ像のエッジ部の凸凹形状がデフォーカス方向に応じて反転するといった特性を利用してデフォーカス方向を正確に検出するものである。

以上説明した瞳分割位相差検出方式のデフォーカス像の特性を踏まえ、図１１のステップＳ１５０におけるボディ駆動制御装置２１４によるデフォーカス方向検出の処理の詳細について、図１７を用いて以下説明する。

ステップＳ４００以降のデフォーカス方向検出処理を開始する。ステップＳ４１０において焦点検出画素３１５の配列および焦点検出画素３１６の配列から読み出された一対のデータ列Ａ１_ｎ（第１信号列）、Ａ２_ｎ（第２信号列）を（８）式により合成して合成信号列Ａ３_ｎ（ｎ＝１〜Ｍ）を算出する。
Ａ３_ｎ＝（Ａ１_ｎ＋Ａ２_ｎ）／２ ・・・（８）

一対のデータ列Ａ１_ｎ、Ａ２_ｎと合成信号列Ａ３_ｎとを連続的な波形として表わした場合の関係を図１８に示す。図１８は合焦時に略矩形形状となる像分布のデフォーカス状態（デフォーカス方向は至近方向）を表わしており、実線の太線が合成信号列Ａ３_ｎであり、破線の細線がデータ列Ａ１_ｎ、実線の細線がデータ列Ａ２_ｎである。

ステップＳ４２０において、合成信号列Ａ３_ｎに対して最大傾斜左エッジ部ＭＬと最大傾斜右エッジ部ＭＲとの検出を行なう。

これは例えば図１８において傾斜検出間隔（データ間隔）をＳｐとした場合に、全データ区間（１〜Ｍ）において、Ａ３_ｎ＋Ｓｐ−Ａ３_ｎが最大となる部分を最大傾斜左エッジ部ＭＬとし、Ａ３_ｎ−Ａ３_ｎ＋Ｓｐが最大となる部分を最大傾斜右エッジ部ＭＲとする。なお傾斜検出間隔Ｓｐは、相関度低下によるデフォーカス量検出不能となるデフォーカス状態での点像分布形状の広がり量の数分の１程度に定められる。

ステップＳ４３０では最大傾斜左エッジ部ＭＬにおいて、データ列Ａ１_ｎが形成する信号列形状の特徴（合成信号列Ａ３_ｎを基準とした凸凹量）を算出するために、最大傾斜左エッジ部ＭＬの区間でデータ列Ａ１_ｎと合成信号列Ａ３_ｎとの差分を積算し、（９）式のように評価値Ｌ１を算出する。（９）式において積算Σはｎについて区間ＭＬで行なわれる。
Ｌ１＝Σ（Ａ１_ｎ−Ａ３_ｎ） ・・・（９）

図１９は図１８の最大傾斜左エッジ部ＭＬの拡大図であって、評価値Ｌ１は、最大傾斜左エッジ部ＭＬの区間におけるデータ列Ａ１_ｎと合成信号列Ａ３_ｎとの間の斜線部の面積（符号はマイナスになる）に相当しており、このマイナス符号の面積が大きくなるほど凹量が大きいと判定される。

ステップＳ４４０では最大傾斜左エッジ部ＭＬにおいて、データ列Ａ２_ｎが形成する信号列形状の特徴（合成信号列Ａ３_ｎを基準とした凸凹量）を算出するために、最大傾斜左エッジ部ＭＬの区間でデータ列Ａ２_ｎと合成信号列Ａ３_ｎとの差分を積算し、（１０）式のように評価値Ｌ２を算出する。（１０）式において積算Σはｎについて区間ＭＬで行なわれる。
Ｌ２＝Σ（Ａ２_ｎ−Ａ３_ｎ） ・・・（１０）

図１９において評価値Ｌ２は、最大傾斜左エッジ部ＭＬの区間におけるデータ列Ａ２_ｎと合成信号列Ａ３_ｎとの間の斜線部の面積（符号はプラスになる）に相当しており、このプラス符号の面積が大きくなるほど凸量が大きいと判定される。

ステップＳ４５０では最大傾斜右エッジ部ＭＲにおいて、データ列Ａ１_ｎの特徴（合成信号列Ａ３_ｎを基準とした凸凹量）を算出するために、最大傾斜右エッジ部ＭＲの区間でデータ列Ａ１_ｎと合成信号列Ａ３_ｎとの差分を積算し、（１１）式のように評価値Ｒ１を算出する。（１１）式において積算Σはｎについて区間ＭＲで行なわれる。
Ｒ１＝Σ（Ａ１_ｎ−Ａ３_ｎ） ・・・（１１）

評価値Ｒ１は、最大傾斜右エッジ部ＭＲの区間におけるデータ列Ａ１_ｎと合成信号列Ａ３_ｎとの間の領域の面積（符号はプラスになる）に相当しており、このプラス符号の面積が大きくなるほど凸量が大きいと判定される。

ステップＳ４６０では最大傾斜右エッジ部ＭＲにおいて、データ列Ａ２_ｎの特徴（合成信号列Ａ３_ｎを基準とした凸凹量）を算出するために、最大傾斜右エッジ部ＭＲの区間でデータ列Ａ２_ｎと合成信号列Ａ３_ｎとの差分を積算し、（１２）式のように評価値Ｒ２を算出する。（１２）式において積算Σはｎについて区間ＭＲで行なわれる。
Ｒ２＝Σ（Ａ２_ｎ−Ａ３_ｎ） ・・・（１２）

評価値Ｒ２は、最大傾斜右エッジ部ＭＲの区間におけるデータ列Ａ２_ｎと合成信号列Ａ３_ｎとの間の領域の面積（符号はマイナスになる）に相当しており、このマイナス符号の面積が大きくなるほど凹量が大きいと判定される。

一般に図１８のようなデフォーカス状態（デフォーカス方向は至近方向）においては、測距瞳９５を通る光束が形成する予定焦点面に形成する像（データ列Ａ１_ｎに対応）の左エッジ部が凹状になり、右エッジ部が凸状になる。一方これとは反対に測距瞳９６を通る光束が形成する予定焦点面に形成する像（データ列Ａ２_ｎに対応）の左エッジ部が凸状になり、右エッジ部が凹状になる。

またデフォーカス方向が図１８とは反対のデフォーカス状態（デフォーカス方向は無限方向）においては、測距瞳９５を通る光束が形成する予定焦点面に形成する像（データ列Ａ１_ｎに対応）の左エッジ部が凸状になり、右エッジ部が凹状になる。一方これとは反対に測距瞳９６を通る光束が形成する予定焦点面に形成する像（データ列Ａ２_ｎに対応）の左エッジ部が凹状になり、右エッジ部が凸状になる。

このようにデフォーカス状態に応じて像の左エッジ部、右エッジ部の形状特徴が変化することは、一般的な像に対する実験評価においても成立することが確認されている。

即ち一般的な像を含めたデフォーカス像に対しては、デフォーカス方向が至近方向の場合、評価値Ｌ１、Ｒ２がマイナス符号（凹状）となるとともに、評価値Ｒ１、Ｌ２がプラス符号（凸状）となる。

またデフォーカス方向が無限方向の場合、評価値Ｌ１、Ｒ２がプラス符号（凸状）となるとともに、評価値Ｒ１、Ｌ２がマイナス符号（凹状）となる。

従って４つの評価値Ｌ１、Ｌ２、Ｒ１、Ｒ２を用いて表１のようにしてデフォーカス方向を検出する。即ちＬ１＋Ｒ２とＲ１＋Ｌ２との大小関係を判定し、Ｌ１＋Ｒ２＜Ｒ１＋Ｌ２の場合にはデフォーカス方向が至近方向であると判定する。反対にＬ１＋Ｒ２＞Ｒ１＋Ｌ２の場合にはデフォーカス方向が無限方向であると判定する。またＬ１＋Ｒ２とＲ１＋Ｌ２との差の絶対値が所定閾値Ｔｈ１以下の場合は、デフォーカス方向判定結果の信頼性が低くなるので、このような場合はデフォーカス方向が検出不能であると判定する。

ステップ４７０〜ステップＳ５１０では、ステップＳ４３０〜ステップＳ４６０で算出された４つの評価値Ｌ１、Ｌ２、Ｒ１、Ｒ２を用いて、表１に基づいてデフォーカス方向の検出を行なう。

ステップＳ４７０では、Ｌ１＋Ｒ２とＲ１＋Ｌ２との差の絶対値が所定閾値Ｔｈ１以上であるかチェックする。Ｌ１＋Ｒ２とＲ１＋Ｌ２との差の絶対値が所定閾値Ｔｈ１以上でない場合は、ステップＳ４８０でデフォーカス方向検出不能とし、ステップＳ５２０でリターンする。

ステップＳ４７０でＬ１＋Ｒ２とＲ１＋Ｌ２との差の絶対値が所定閾値Ｔｈ１以上である場合は、ステップＳ４９０でＬ１＋Ｒ２がＲ１＋Ｌ２よりも小さいかチェックする。Ｌ１＋Ｒ２がＲ１＋Ｌ２よりも小さい場合にはステップＳ５００でデフォーカス方向を至近方向とし、ステップＳ５２０でリターンする。

ステップＳ４９０でＬ１＋Ｒ２がＲ１＋Ｌ２よりも大きい場合には、ステップＳ５１０でデフォーカス方向を無限方向とし、ステップＳ５２０でリターンする。

上述したデフォーカス方向の検出に用いる評価値Ｌ１、Ｌ２、Ｒ１、Ｒ２は図１９（ａ）のように合成像信号列Ａ３_ｎを基準とした差分値の積算として算出されているが、評価値Ｌ１、Ｌ２、Ｒ１、Ｒ２の算出はこれに限定されることはなく、デフォーカス時のボケ像の特徴を抽出することによりデフォーカス方向を検出するものであればよい。

例えば上述した（９）〜（１２）式による評価値算出演算において、合成像信号列Ａ３_ｎの代わりにエッジ部の両端において合成像信号列Ａ３_ｎと一致する直線と合致する信号列を使用してもよい。エッジ部の両端において合成像信号列Ａ３_ｎと一致する直線とは、図１９（ａ）において、区間ＭＬの左端における合成像信号Ａ３_ｎと、区間ＭＬの右端における合成像信号Ａ３_ｎ＋Ｓｐとを結んだ直線である。

また例えば予定焦点面８０の光軸から離れた高い像高の領域では、測距瞳９５、９６の口径蝕アンバランスによるシェーディングが発生し、一対のデータ列Ａ１_ｎ（第１信号列）、Ａ２_ｎ（第２信号列）の信号レベルが一致しなくなる場合がある。そのような場合には評価値Ｌ１、Ｌ２、Ｒ１、Ｒ２を、合成像信号列Ａ３_ｎを基準とするのではなく、自分自身の信号列を基準とした差分値の積算として算出するほうがよい。

図１９（ｂ）はそのような方法で評価値Ｌ１、Ｌ２を算出する場合の説明図である。
図１９（ｂ）において最大傾斜左エッジ部ＭＬにおけるデータ列Ａ１_ｎの特徴を算出するために、最大傾斜左エッジ部ＭＬの区間でデータ列Ａ１_ｎとデータ列Ａ１_ｎの区間ＭＬの両端（データＡ１_ｎおよびデータＡ１_ｎ＋Ｓｐ）を結んだ直線との差分を積算し、評価値Ｌ１を算出する。

また最大傾斜左エッジ部ＭＬにおけるデータ列Ａ２_ｎの特徴を算出するために、最大傾斜左エッジ部ＭＬの区間でデータ列Ａ２_ｎとデータ列Ａ２_ｎの区間ＭＬの両端（データＡ２_ｎおよびデータＡ２_ｎ＋Ｓｐ）を結んだ直線との差分を積算し、評価値Ｌ２を算出する。

また図１９（ａ）、（ｂ）のようなデータ間の差分の積算による評価値の算出ではなく、デフォーカス時のボケ像の特徴を別の観点から抽出することも可能である。一例としてエッジ部が凸状であるか凹状であるかは、最大傾斜エッジ部の区間において区間幅の数分の１〜数十分の１のデータ間隔で再度最大傾斜エッジ部の位置を検出することにより検出することも可能である。

図１９（ａ）において、上述のようにして最大傾斜左エッジ部の区間ＭＬにおけるデータ列Ａ１_ｎとデータ列Ａ２_ｎとについて再度最大傾斜左エッジ部の位置（エッジ部の中心位置のｘ座標）を検出した場合の位置をそれぞれＰＬ１、ＰＬ２とすれば、デフォーカス方向が至近方向の場合、ＰＬ１＞ＰＬ２（位置ＰＬ１が位置ＰＬ２より右側に位置する）となる。同じようにして最大傾斜右エッジ部の区間ＭＲにおけるデータ列Ａ１_ｎとデータ列Ａ２_ｎとについて再度最大傾斜右エッジ部の位置（エッジ部の中心位置のｘ座標）を検出した場合の位置をそれぞれＰＲ１、ＰＲ２とすれば、デフォーカス方向が至近方向の場合、ＰＲ１＞ＰＲ２（位置ＰＲ１が位置ＰＲ２より右側に位置する）となる。またデフォーカス方向が無限方向の場合は、上記位置関係は逆転して、最大傾斜左エッジ部の区間ＭＬにおいてＰＬ１＜ＰＬ２、最大傾斜右エッジ部の区間ＭＲにおいてＰＲ１＜ＰＲ２となる。したがって、位置ＰＬ１、ＰＬ２、ＰＲ１、ＰＲ２をデフォーカス方向検出の際の評価値として採用することもできる。

デジタルスチルカメラ２０１が有する本実施の形態における焦点検出装置は、撮像素子２１２と、ボディ制御装置２１４とを含む。撮像素子２１２は、物体像を予定焦点面８０に形成する撮影光学系の射出瞳９０上の相異なる領域９５および９６を通過する光束７５および７６が形成する第１像および第２像を光電変換し、一対の像に対応した一対のデータ列Ａ１_ｎ（第１信号列）およびＡ２_ｎ（第２信号列）を生成する。ボディ制御装置２１４は、ステップＳ１５０において、データ列Ａ１_ｎが形成する信号列形状とデータ列Ａ２_ｎが形成する信号列形状との凸凹に関する相違に基づいて予定焦点面８０に対する物体像の合焦像が形成される像面のデフォーカス方向を検出する。

従来の瞳分割位相差検出方式の焦点検出においては、測距瞳９５、９６の瞳分布形状の非対称性によって生じる一対のデフォーカス像の相関度の低下によりデフォーカス量が大きくなると焦点検出不能に陥り易くなる。上述したように本発明の実施形態では、そのような場合においても確実にデフォーカス方向を検出することが可能になる。検出したデフォーカス方向に応じてレンズを合焦方向へと駆動することにより、従来検出不能時に合焦方向と反対方向にレンズを駆動してしまった場合に生じる合焦時間のロスをなくすことができ、迅速な合焦動作を達成することが可能になる。

上述したように、焦点検出不能であるときは、デフォーカス量が大きい場合があり、デフォーカス量が大きいときは、像ズレ検出を行なうべき一対の像から高周波成分が失われ低周波成分が支配的になる場合がある。このような場合には、像の異なる部分に対する類似性が高まることが知られている。このような一対の像を相対的にずらしながら相関度に基づく像ズレ検出を行なうと、実際には像の異なる部分が一致したと誤検出してしまい、誤ったデフォーカス情報（デフォーカス方向）に基づき合焦方向と反対方向にレンズを駆動してしまう場合があった。本発明においてはそのような場合においても正しいデフォーカス方向を検出することができるので、迅速かつ正確な合焦動作を達成することが可能になる。

また大デフォーカス量を検出するためには例えば（１）式において像ずらし量ｋの範囲を大きくする必要があり、演算量および演算時間が膨大になることにより合焦動作の迅速性が損なわれるという問題もある。従来の瞳分割位相差検出方式の焦点検出においては、デフォーカス量が検出されるまで像ずらし量ｋの範囲を広げて焦点検出演算を行うが、本発明によれば、像ずらし量ｋの範囲を広げる程度にデフォーカス量が大きい状態であれば、デフォーカス方向を検出して焦点調節を行えばよい。こうした焦点調節によって合焦位置付近の狭い像ずらし量ｋの範囲に到達したら、従来の瞳分割位相差検出方式の焦点検出によってデフォーカス量を検出することとしてもよい。本発明におけるデフォーカス方向を検出するための演算（例えば（９）式〜（１２）式）は像ずらし量ｋに依存していない演算なので、相対的に少ない演算量および演算時間でデフォーヵス方向を検出することが可能になり、合焦動作の迅速性が損なわれることがない。

例えば相関演算式（１）における像ずらし量ｋの範囲を狭めるとともに、該範囲でデフォーカス量が検出不能な場合には、上述のデフォーカス方向検出を行なうことにより、焦点検出演算時間の短縮を図ることも可能である。

＜１つの焦点検出画素に一対の受光領域を備える＞
図３に示す撮像素子２１２の部分拡大図では、各画素に１つの光電変換部を有する一対の焦点検出画素３１５、３１６を備える例を示したが、ひとつの焦点検出画素内に一対の光電変換部を備えるようにしてもよい。図２０は図３に対応した撮像素子２１２の部分拡大図であり、焦点検出画素３１２は一対の光電変換部を備える。

図２０に示す焦点検出画素３１２は、図３に示す焦点検出画素３１５および３１６のペアに相当した機能を果たす。焦点検出画素３１２は、マイクロレンズ１０と一対の光電変換部１３、１４から構成される。焦点検出画素３１２には白色フィルタが配置されており、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（不図示）の分光特性とを総合した分光特性となる。つまり緑画素、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。

図２１は図２０に示した焦点検出画素３１２の断面図であって、光電変換部１３、１４の上に近接して遮光マスク３０が形成され、遮光マスク３０の開口部３０ｄを通過した光を光線変換部１３、１４は受光する。遮光マスク３０の上には平坦化層３１が形成され、その上に白色フィルタ３４が形成される。白色フィルタ３４の上には平坦化層３２が形成され、その上にマイクロレンズ１０が形成される。マイクロレンズ１０により開口部３０ｄに制限された光電変換部１３、１４の形状が前方に投影されて、一対の測距瞳を形成する。光電変換部１３、１４は半導体回路基板２９上に形成される。

図２２は、図２１に示す画素構造を有する焦点検出画素３１２が受光する焦点検出光束の様子を図７と比較して説明するための図であって、水平方向に配列した焦点検出画素配列の断面をとっている。図２２において、射出瞳９０は、交換レンズ２０２の予定結像面に配置されたマイクロレンズ１０から前方に測距瞳距離ｄの位置に設定されている。図２２には他に、交換レンズの光軸９１、マイクロレンズ１０、光電変換部１３、１４、焦点検出画素３１２、焦点検出光束７３、７４が示されている。

測距瞳９５は、開口部３０ｄにより制限された光電変換部１３がマイクロレンズ１０により投影されたものである。同様に、測距瞳９６は、開口部３０ｄにより制限された光電変換部１４がマイクロレンズ１０により投影されたものである。測距瞳９５、９６は光軸９１を挟んで水平方向に並ぶ。

図２２では、撮影光軸９１近傍の焦点検出エリア１０１における隣接する５つの焦点検出画素３１２を模式的に例示しているが、各焦点検出画素３１２の光電変換部はそれぞれ対応した測距瞳９５、９６から各マイクロレンズに到来する光束を受光するように構成されている。

以上のような構成により、光電変換部１３は測距瞳９５を通過し、焦点検出画素３１２のマイクロレンズ１０に向かう光束７３によりマイクロレンズ１０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１４は測距瞳９６を通過し、焦点検出画素３１２のマイクロレンズ１０に向う光束７４によりマイクロレンズ１０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。

＜再結像光学系＞
上述した実施の形態では、マイクロレンズを用いた瞳分割位相差検出方式による焦点検出動作を例にとって説明したが、本発明はこのような方式の焦点検出に限定されず、周知の再結像瞳分割位相差検出方式の焦点検出にも適用可能である。

再結像瞳分割位相差検出方式においては、１次像面上に形成される被写体像を一対のセパレータレンズを用い、一対の測距瞳を通過する一対の焦点検出光束が形成する一対の被写体像として一対のイメージセンサ上に再結像し、該一対のイメージセンサの出力に基づき、上記一対の被写体像の像ズレ量を検出している。

図２３は、図２０に示す撮影画面１００の中央に焦点検出エリア１０１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例を示す。図２３を用いて、再結像瞳分割方式の焦点検出動作を説明する。図２３には、交換レンズの光軸１９１、コンデンサレンズ１１０、絞りマスク１２１、絞り開口１１５、１１６、再結像レンズ２５、２６、焦点検出専用のイメージセンサ（ＣＣＤ）１１７が示されている。

また、図２３には、焦点検出光束１７５、１７６、交換レンズの予定結像面の前方へ測距瞳距離ｄ１の位置に設定された射出瞳１９０も示されている。ここで、測距瞳距離ｄ１は、コンデンサレンズ１１０の焦点距離、およびコンデンサレンズ１１０と絞り開口１１５、１１６との間の距離などに応じて決まる。測距瞳１９５は、コンデンサレンズ１１０により投影された絞り開口１１５の領域である。同様に、測距瞳１９６は、コンデンサレンズ１１０により投影された絞り開口１１６の領域である。コンデンサレンズ１１０、絞りマスク１２１、絞り開口１１５、１１６、再結像レンズ２５、２６およびイメージセンサ１１７が、図２における撮影画面１００の中央の焦点検出エリア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２０７を構成する。

コンデンサレンズ１１０は、交換レンズの予定結像面近傍に配置される。イメージセンサ１１７は、コンデンサレンズ１１０の背後に配置される。予定結像面近傍に結像された１次像をイメージセンサ１１７上に再結像する一対の再結像レンズ２５、２６は、コンデンサレンズ１１０とイメージセンサ１１７との間に配置される。絞りマスク１２１は、一対の再結像レンズ２５、２６の近傍（図２３では前面）に配置された一対の絞り開口１１５、１１６を有する。

イメージセンサ１１７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センサであり、光電変換部の配置方向は一対の測距瞳１９５および１９６による瞳分割方向と一致させる。一対の測距瞳１９５および１９６による瞳分割方向は、一対の絞り開口１１５および１１６の並び方向と一致する。イメージセンサ１１７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１１７から出力され、この情報に対して上述した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）による一対の像の像ズレ量の検出が行われる。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。

再結像瞳分割型位相差検出方式の焦点検出装置においては、図７に示すようなマイクロレンズ１０を用いた瞳分割型位相差検出方式の焦点検出装置に比べると、一対の測距瞳１９５および１９６の分布形状に非対称性が生じる程度は小さい。しかし、以下に説明するように、一対の測距瞳１９５および１９６の分布形状に非対称性が生じる場合がある。

図２４は絞りマスク１２１の絞り開口１１５、１１６の開口形状を示した正面図であり、絞り開口１１５、１１６の開口は互いに開口の円周部が光軸中心の円周に沿って形成された対向する扇形として形成される。これは光学系の絞り開口径が小さくなった場合において、焦点検出光束の絞り開口による口径蝕が生ずることは許容して焦点検出光束を確保するためである。換言すると、絞り開口１１５、１１６を形成する扇形の中心角が光軸近傍まで張り出した形状となっているため、射出瞳が光軸近傍の小さな領域になった場合であっても、絞り開口１１５、１１６によってケラれない焦点検出光束を確保することができる。その際、一対の測距瞳１９５および１９６の分布形状に非対称性が生じる場合がある。

コンデンサレンズ１１０は、絞りマスク１２１の絞り開口１１５、１１６の開口形状を、測距瞳距離ｄ５に位置する射出瞳１９０上に一対の測距瞳１９５、１９６として投影している。すなわち、イメージセンサ１１７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１９５、１９６を通過する焦点検出用光束１７５、１７６によって形成される。

以上のような構成においても、測距瞳１９５、１９６の瞳分布形状の非対称性によって生じる一対のデフォーカス像の相関度の低下によりデフォーカス量が大きくなると焦点検出不能に陥り易くなる。しかし、上述したように本発明を適用することにより、そのような場合においても確実にデフォーカス方向を検出することが可能になるという効果を得ることが出来る。

上述した焦点検出装置においては、一対のボケ像のエッジ部の凸凹形状の相違に基づいてデフォーカス方向を検出する。しかし、一対のボケ像のエッジ部以外の部分の形状に関する、デフォーカス方向に応じた相違に基づいてデフォーカス方向を検出することとしてもよい。

上述した焦点検出装置においては、本発明によりデフォーカス方向を検出した後に、従来の瞳分割位相差検出方式の焦点検出を行うことによって焦点調節可能とした。しかし、本発明によりデフォーカス方向を検出した後に、マニュアル操作やコントラスト方式等の他の焦点検出を行うことによって焦点調節可能としてもよい。

なお、焦点検出装置が適用される撮像装置としては、上述したようなカメラボディ２０３に交換レンズ２０２が装着される構成のデジタルカメラ２０１に限定されない。例えばレンズ一体型のデジタ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、車載カメラなどにも適用することができる。

１０ マイクロレンズ、１１，１３，１４，１５，１６ 光電変換部、
２５，２６ 再結像レンズ、
２９ 半導体回路基板、３０ 遮光マスク、３１，３２ 平坦化層、
３５ 白色フィルタ、３８ 色フィルタ、
７１，７３，７４，７５，７６ 光束、８０ 予定焦点面、８５，８６ 光線、
９０ 射出瞳、９１ 光軸、９２，９３，９４ 絞り開口、
９５，９６ 測距瞳、９７ 領域、
１００ 撮影画面、１０１ 焦点検出エリア、１１０ コンデンサレンズ、
１１５，１１６ 絞り開口、１１７ イメージセンサ、１２１ 絞りマスク、
１５０，１５１，１５２，１５３，１５４ 点像分布、
１６０，１６１，１６２，１６３，１６４ 点像分布、
１７５，１７６ 焦点検出光束、１９０ 射出瞳、１９１ 光軸、
１９５，１９６ 測距瞳、
２０１ デジタルカメラ、２０２ 交換レンズ、２０３ カメラボディ、
２０４ マウント部、２０６ レンズ制御装置、
２０７ 焦点検出ユニット、
２０８ ズーミングレンズ、２０９ レンズ、２１０ フォーカシングレンズ、
２１１ 絞り、２１２ 撮像素子、２１３ 電気接点、２１４ ボディ制御装置、
２１５ 液晶表示素子駆動回路、２１６ 液晶表示素子、２１７ 接眼レンズ、
２１９ メモリカード、２２１ ＡＤ変換装置、
２５０，２５１，２５２，２５３，２５４ 像分布、
２６０，２６１，２６２，２６３，２６４ 像分布、
３１０ 撮像画素、３１２，３１５，３１６ 焦点検出画素

Claims (17)

1. 物体像を予定焦点面に形成する光学系の射出瞳上の相異なる領域を通過する第１光束および第２光束が形成する第１像および第２像を光電変換し、前記第１像および第２像に対応した第１像信号列および第２像信号列を生成するイメージセンサと、
   前記第１像信号列の信号列形状と前記第２像信号列の信号列形状との相違に基づいて前記予定焦点面に対する前記物体像の合焦像が形成される像面のデフォーカス方向を検出するデフォーカス方向検出手段とを備え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、
   前記第１光束の前記射出瞳上における第１光束分布および前記第２光束の前記射出瞳上における第２光束分布は、前記光学系の絞り開口により分布範囲が制限された分布であり、
   前記第１光束分布の第１光束重心位置と前記第２光束分布の第２光束重心位置とを結ぶ方向において、前記第１光束分布の第１光束分布形状は前記第１光束重心位置に対して非対称性を有し、前記第２光束分布の第２光束分布形状は前記第２光束重心位置に対して非対称性を有し、
   前記第１光束重心位置と前記第２光束重心位置とを一致させるように前記第１光束分布および前記第２光束分布を偏位させた場合に、前記第１光束分布形状と前記第２光束分布形状とは、前記第１光束重心位置と前記第２光束重心位置とを一致させた位置に対して互いに線対称の関係とな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、
   前記物体像が点像であるとき、デフォーカス状態において前記第１光束および前記第２光束により前記予定焦点面上に各々形成される第１点像および第２点像に対応する第１点像分布の第１点像重心位置および第２点像分布の第２点像重心位置を結ぶ方向における前記第１点像分布の第１点像分布形状および前記第２点像分布の第２点像分布形状は、前記第１光束分布形状と前記第２光束分布形状との非対称性に関連した非対称性をそれぞれ有し、
   前記第１点像重心位置と前記第２点像重心位置を一致させるように前記第１点像分布および前記第２点像分布を偏位させた場合に、前記第１点像分布形状と前記第２点像分布形状とは一致させた重心位置に対して互いに略線対称の関係となるとともに、
   前記第１点像重心位置に対する前記第１点像分布形状の非対称性と前記第２点像重心位置に対する前記第２点像分布形状の非対称性とは、前記予定焦点面に対する前記点像のデフォーカス方向に応じて反転することを特徴とする焦点検出装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の焦点検出装置において、
   前記第１像信号列の信号列形状は前記第１像のエッジ部のボケ形状に対応し、前記第２像信号列の信号列形状は前記第２像のエッジ部のボケ形状に対応することを特徴とする焦点検出装置。
5. 請求項４に記載の焦点検出装置において、
   前記第１像信号列の信号列形状と前記第２像信号列の信号列形状との相違は、前記第１像のエッジ部において前記第１像のエッジ部の両端を結んだ直線に対する前記第１像信号列の偏差を前記第１像のエッジ部の範囲で積算した積算値と、前記第２像のエッジ部において前記第２像のエッジ部の両端を結んだ直線に対する前記第２像信号列の偏差を前記第２像のエッジ部の範囲で積算した積算値とに基づいて表されることを特徴とする焦点検出装置。
6. 請求項４または５に記載の焦点検出装置において、
   前記デフォーカス方向検出手段は、前記第１像のエッジ部および前記第２像のエッジ部の各々は、前記第１光束重心位置から前記第２光束重心位置に向かう第１方向に関して、前記第１像信号列および前記第２像信号列の各々の信号値が増加する第１エッジ部と、前記信号値が減少する第２エッジ部とを含み、前記第１エッジ部と前記第２エッジ部とに対して独立に、前記第１像信号列の信号列形状と前記第２像信号列の信号列形状との相違を検出することを特徴とする焦点検出装置。
7. 請求項６に記載の焦点検出装置において、
   前記デフォーカス方向検出手段は、前記第１像信号列および前記第２像信号列に基づき、前記第１像の前記第１エッジ部に対する第１評価値と、前記第１像の前記第２エッジ部に対する第２評価値と、前記第２像の前記第１エッジ部に対する第３評価値と、前記第２像の前記第２エッジ部に対する第４評価値とを算出するとともに、前記第１評価値と、前記第２評価値と、前記第３評価値と、前記第４評価値との比較演算結果に基づいて、前記デフォーカス方向を検出することを特徴とする焦点検出装置。
8. 請求項７に記載の焦点検出装置において、
   前記デフォーカス方向検出手段は、前記第１評価値と前記第２評価値との和が前記第２評価値と前記第３評価値との和よりも小さいとき、前記デフォーカス方向が至近方向であると検出し、前記第１評価値と前記第２評価値との和が前記第２評価値と前記第３評価値との和よりも大きいとき、前記デフォーカス方向が無限方向であると検出することを特徴とする焦点検出装置。
9. 請求項４〜８のいずれか１項に記載の焦点検出装置において、
   前記デフォーカス方向検出手段は、前記第１像信号列と前記第２像信号列とを合成して得られる第３像信号列に基づき、前記第１像信号列および前記第２像信号列の各々の信号値が増加する第１エッジ部と、前記信号値が減少する第２エッジ部とを検出することを特徴とする焦点検出装置。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の焦点検出装置において、
    前記イメージセンサは、前記予定焦点面に配置されるとともに、前記光学系の射出瞳を通過する前記第１光束および前記第２光束を受光する複数の焦点検出画素を備えることを特徴とする焦点検出装置。
11. 請求項１０に記載の焦点検出装置において、
    前記焦点検出画素はマイクロレンズと光電変換部とを含み、
    前記マイクロレンズにより前記光電変換部と前記光学系の射出瞳とが光学的に共役関係となることを特徴とする焦点検出装置。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の焦点検出装置は、
    前記第１像信号列と前記第２像信号列との位相差を検出するとともに、該位相差に基づき前記予定焦点面に対する前記像面のデフォーカス量を検出するデフォーカス量検出手段をさらに備えることを特徴とする焦点検出装置。
13. 請求項１２に記載の焦点検出装置と、
    前記デフォーカス量検出手段によって算出される前記デフォーカス量に応じて、前記像面が前記予定焦点面に一致するように前記光学系の焦点位置を所定の至近端と無限端との間の焦点調節範囲内で調節する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。
14. 請求項１３に記載の焦点調節装置において、
    前記焦点調節手段は、前記デフォーカス量検出手段による前記デフォーカス量の検出が不能な場合に、前記デフォーカス方向検出手段によって検出された前記デフォーカス方向に前記光学系の焦点位置を移動させることを特徴とする焦点調節装置。
15. 請求項１４に記載の焦点調節装置において、
    前記焦点調節手段は、前記デフォーカス量検出手段による前記デフォーカス量の検出が不能であり、かつ前記デフォーカス方向検出手段による前記デフォーカス方向の検出が不能である場合に、前記光学系の焦点位置を予め定められた方向に移動させることを特徴とする焦点調節装置。
16. 請求項１４または１５に記載の焦点調節装置において、
    前記デフォーカス量検出手段は、前記第１像信号列と前記第２像信号列との位相差を検出する際に、前記第１像信号列と前記第２像信号列との相関度に基づき、前記位相差の信頼性を判定するとともに、該信頼性が低いと判定した場合には、前記デフォーカス量の検出が不能と判定することを特徴とする焦点調節装置。
17. 請求項１４または１５に記載の焦点調節装置において、
    前記デフォーカス量検出手段は、前記第１像信号列と前記第２像信号列との位相差を検出する際に、前記第１像信号列と前記第２像信号列とを予め定められたシフト範囲で相対的にシフトするとともに、前記シフト範囲内において前記位相差の検出ができなかった場合には、前記デフォーカス量の検出が不能と判定することを特徴とする焦点調節装置。

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