JP6214322B2 - 距離検出装置、撮像装置および距離検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、距離検出装置、撮像装置および距離検出方法に関する。

デジタルスチルカメラやビデオカメラに適用可能な距離検出技術として、撮像素子の一部の画素に測距機能を持たせ、位相差方式で検出するようにした距離検出技術が知られている。この画素は、結像光学系の瞳上の一部の領域を通過した光束を受光するように構成される。瞳上の異なる領域を通過した光束により生成される２つの像のズレ量を推定し、デフォーカス量を算出することによって、測距が行われる。この方式によると、従来のコントラスト方式とは異なり、距離を測定するためにレンズを動かす必要が無いため、高速高精度な測距が可能となる。また、各画素の受光部で取得した信号は、撮影画像を生成するための画像信号として用いることができ、撮像と同時に測距が可能となる。

特許文献１には、撮像素子の対角像高（画角の対角方向）において、光学系のケラレにより瞳形状が変形し、基線長及び２つの像のズレ方向が斜め方向になることが記載されている。また、水平方向に焦点検出領域を設定し、像ズレ量を検出すると精度が悪化することが記載されている。この問題に対処するために、特許文献１には、像ズレ方向と同じ、斜め方向に焦点検出領域を設定し、像ズレ量を検出する構成が記載されている。

特開２０１０−１３００１３号公報

一般的に撮像素子の各画素に蓄積された電気信号は、水平あるいは垂直方向に読み出され、撮像素子の外部に出力される。特許文献１に開示された構成において、斜め方向に焦点検出領域を設定すると、水平あるいは垂直方向の広い範囲で読み出した信号の中から焦点検出領域に相当する信号を抽出する処理が必要となる。また、斜め方向の像ズレ量を高精度に演算するための処理が必要になる。これらの要因によって、測距速度あるいは測距精度の面で十分な性能が得られない恐れがある。

本発明は、上記課題に鑑み、光学系のケラレによる誤差を低減し、高速かつ高精度な測距が可能な距離検出装置を提供することを目的とする。

本発明に係る距離検出装置は、被写体の像を結像する光学系と、前記光学系の射出瞳を通過した光束に基づく信号を取得する撮像素子と、前記信号に基づいて前記被写体までの距離を算出する演算手段と、を備えた距離検出装置であって、前記撮像素子は、前記射出瞳の中心から第１の方向および該第１の方向と垂直な第２の方向に偏心した第１の瞳領域を通過した光束に基づく第１の信号と、前記射出瞳の中心から前記第１の瞳領域とは逆方向に偏心した第２の瞳領域を通過した光束に基づく第２の信号と、前記第２の方向における重心位置が前記第１の瞳領域の重心位置とは異なる第３の瞳領域を通過した光束に基づく第３の信号と、を取得する信号取得手段を備え、前記演算手段は、前記第１の信号と前記第３の信号とを異なる割合で加減算することにより第１の補正信号を生成する信号補正処理と、前記第１の補正信号と前記第２の信号に基づいて前記第１の方向における像ズレ量を算出し、当該像ズレ量に基づいて前記被写体までの距離を算出する距離算出処理と、
を行うことを特徴とする。

本発明に係る距離検出方法は、被写体の像を結像する光学系と、前記光学系の射出瞳を通過した光束に基づく信号を取得する撮像素子と、前記信号に基づいて前記被写体までの距離を算出する演算手段と、を備えた距離検出装置が行う距離検出方法であって、前記射出瞳の中心から第１の方向および該第１の方向と垂直な第２の方向に偏心した第１の瞳領域を通過した光束に基づく第１の信号と、前記射出瞳の中心から前記第１の瞳領域とは逆方向に偏心した第２の瞳領域を通過した光束に基づく第２の信号と、前記第２の方向における重心位置が、前記第１の瞳領域の重心位置とは異なる第３の瞳領域を通過した光束に基づく第３の信号と、を取得する信号取得処理と、前記第１の信号と前記第３の信号とを異なる割合で加減算することにより第１の補正信号を生成する信号補正処理と、前記第１の補正信号と前記第２の信号に基づいて前記第１の方向における像ズレ量を算出し、当該像ズレ量に基づいて前記距離を算出する距離算出処理と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、光学系のケラレによる誤差を低減し、高速かつ高精度に測距が可能な距離検出装置を提供することができる。

距離検出装置の概略構成図。 測距画素の各受光部における受光感度特性および瞳領域。 距離演算部が行う処理のフローチャート。 瞳形状の変形により像ズレ方向が斜めになることを示す図。 信号補正処理（第１の実施形態）を説明する図。 補正係数調整処理における領域区分を示す図。 距離演算部が行う処理（変形例）のフローチャート。 撮像素子（第１の実施形態）の構成図。 測距画素の構成図。 撮像素子（第２の実施形態）の構成と瞳領域を示す図。 信号補正処理（第２の実施形態）を説明する図。 撮像素子の構成の変形例を示す図。 撮像素子（第３の実施形態）の構成図。 信号補正処理（第３の実施形態）を説明する図。

以下の説明では、本発明の距離検出装置を備えた撮像装置の一例として、デジタルカメラを用いて説明するが、本発明の適用はこれに限定されるものではない。例えば、本発明の距離検出装置はデジタル距離計測器などにも適用することができる。

尚、図を参照した説明においては、図番は異なっても原則として同一部位を示す部位には、同一の符号を付すこととし、なるべく重複した説明は避ける。

［第１の実施形態］
本実施形態にかかる距離検出装置は、結像光学系の瞳上の異なる領域を通過した光束により生成される２つの像を表す信号を用いて距離検出を行う。本実施形態にかかる距離検出装置は、これら２つの信号を異なる割合で加算した補正信号を使用して、距離算出を行う。

図１及び図２を参照して本実施形態における距離検出装置について説明する。図１（ａ）は、距離検出装置１００を構成する結像光学系１０５と撮像素子１０６を中心に示した
模式図である。図１（ｂ）は、本実施形態の距離検出装置の全体的な構成例を示す模式図である。図１（ｃ）は、撮像素子の一例を示す模式図である。図１（ｄ）は撮像素子の一部を拡大して示した図である。

以下の説明では、ｚ軸を結像光学系１０５の光学軸と平行にとる。また、ｘ軸を、撮像素子１０６面と平行な方向、かつ、像ズレ量の検出を行う方向（第１の方向）にとる。ｙ軸は、撮像素子１０６面と平行な方向、かつ、ｘ方向に垂直な方向（第２の方向）にとる。

図１（ａ）に示すように、結像光学系１０５は外界の被写体の像を撮像素子１０６の面上に結像する。

撮像素子１０６は、結像光学系１０５の射出瞳を透過した光束に基づく信号を取得する。撮像素子１０６は、図１（ｃ）（ｄ）に示すように複数の画素１０７を備え、複数の画素１０７のうちの一部に測距画素１０８を備える。測距画素１０８は、２行２列に配列された４つの受光部１０１、１０２、１０３、１０４を含む。受光部１０１は、測距画素１０８内の−ｘ方向および−ｙ方向に位置する。受光部１０２は、測距画素内１０８内の＋ｘ方向および＋ｙ方向に位置し、受光部１０１の対角方向に位置する。受光部１０３は、測距画素１０８内の−ｘ方向および＋ｙ方向に位置し、受光部１０１とｙ方向に隣接する。受光部１０４は、測距画素１０８内の＋ｘ方向および−ｙ方向に位置し、受光部１０１とｘ方向に隣接する。測距画素１０８は、ｘ方向における複数の位置に配置されている。各受光部で受光した光束は電気信号に変換される。更に各画素には、取得した電気信号を距離演算部１０９に出力する手段として、フローティングディフュージョン（ＦＤ）部、ゲート電極、配線等が構成される。各受光部、ＦＤ部、ゲート電極、配線等は、測距用の電気信号を取得する信号取得手段に相当する。画素１０７及び１０８で取得した信号は、各画素の観賞用画像生成用の信号として用いることができる。

距離検出装置１００は、図１（ｂ）に示すように、取得した信号に基づいて被写体までの距離を算出するための距離演算部１０９を備える。距離演算部１０９は、例えば、ＣＰＵ、メモリを含む信号処理基板で構成され、ＣＰＵがプログラムを実行することによりその機能を実現する。距離検出装置１００は、読み出した信号あるいは演算結果を記録するための記録装置１１０を備えている。図１（ｂ）に示す距離検出装置１００に、光学系１０５の合焦のための駆動機構、シャッター、観賞用画像生成手段、画像確認用の液晶等のディスプレイ等を付加することでデジタルカメラ（撮像装置）として捉えられる。

（瞳透過率分布・瞳重心・瞳領域の定義）
本実施形態においては、画素の大きさに対して、結像光学系１０５と撮像素子１０６の間の距離が長い。このため、結像光学系１０５の射出瞳１２０上の異なる位置を通過した光束は、異なる入射角の光束として撮像素子１０６の面上に入射する。受光部には、射出瞳１２０の形状や撮像素子上における受光部の位置に応じて、所定の角度範囲１２１からの光束が入射する。各角度で入射した光束に対する受光部の感度特性を、角度に応じて射出瞳上に射影したときの射出瞳上の感度分布を瞳透過率分布と呼ぶ。このときの瞳透過率分布の重心位置を瞳重心と呼ぶ。瞳重心は、以下の式１で算出することができる。

式１において、ｒは射出瞳上の座標であり、ｔは受光部の瞳透過率分布を表し、積分範囲は射出瞳上の領域である。

また、受光部で受光される光束が通過する領域のうち、瞳重心を含み、受光部の感度が高い角度範囲から入射する光束が通過する射出瞳１２０上の領域を瞳領域と呼ぶ。

図２（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）におけるグラフ１０１ａ、１０２ａ、１０３ａ，１０４ａは、各受光部１０１、１０２、１０３、１０４の受光感度の角度特性を示す図である。図２（ａ）（ｂ）は、ｘｚ平面内において各角度で入射した光束に対する各受光部の角度特性を示したものである。図２（ａ）（ｂ）の横軸はｘｚ平面内における入射光束とｚ軸が成す角度を示し、縦軸は感度を表している。図２（ｃ）（ｄ）は、ｙｚ平面内において各角度で入射した光束に対する各受光部の角度特性を示したものである。図２（ｃ）（ｄ）の横軸はｙｚ平面内における入射光束とｚ軸が成す角度を示し、縦軸は感度を表している。

図２（ｅ）（ｆ）（ｇ）（ｈ）は、撮像素子１０６の対角像高（一例として図１（ｃ）の対角像高１２５）に位置する測距画素１０８に対応する射出瞳１２０を示した図である。破線で示した領域１０１ｔ、１０２ｔ、１０３ｔ、１０４ｔは、各受光部で受光される光束が通過する領域を示す。点１０１ｇ、１０２ｇ、１０３ｇ、１０４ｇは瞳重心を示す。領域１０１ｄ、１０２ｄ、１０３ｄ、１０４ｄは各受光部の瞳領域を示している。

瞳領域１０１ｄは、射出瞳１２０の中心から＋ｘ方向（第１の方向）及び＋ｙ方向（第２の方向）に偏心した瞳領域である。受光部１０１（第１の受光部）は、主として瞳領域１０１ｄ（第１の瞳領域）を通過した光束を受光するように構成され、この光束に基づく電気信号である第１の信号Ｓ１０１が得られる。

瞳領域１０２ｄは、射出瞳１２０の中心から瞳領域１０１ｄとは逆方向（−ｘ及び−ｙ方向）に偏心した瞳領域である。受光部１０２（第２の受光部）は、主として瞳領域１０２ｄ（第２の瞳領域）を通過した光束を受光するように構成され、この光束に基づく第２の信号Ｓ１０２が得られる。

瞳領域１０３ｄは、ｘ方向においては瞳領域１０１ｄと同じ方向（＋ｘ方向）に偏心している。瞳領域１０３ｄは、ｙ方向において瞳領域１０１ｄとは異なる位置にある瞳領域であり、本実施形態においては、ｙ方向において瞳領域１０１ｄとは反対方向（−ｙ方向）に偏心した領域である。受光部１０３（第３の受光部）は、主として瞳領域１０３ｄ（第３の瞳領域）を通過した光束を受光するように構成され、この光束に基づく第３の信号Ｓ１０３が得られる。

瞳領域１０４ｄは、ｘ方向においては瞳領域１０２ｄと同じ方向（−ｘ方向）に偏心している。瞳領域１０４ｄは、ｙ方向において瞳領域１０２ｄとは異なる位置にある瞳領域であり、本実施形態においては、ｙ方向において瞳領域１０２ｄとは反対方向（＋ｙ方向）に偏心した領域である。受光部１０４（第４の受光部）は、主として瞳領域１０４ｄ（第４の瞳領域）を通過した光束を受光するように構成され、この光束に基づく第４の信号Ｓ１０４が得られる。

各信号Ｓ１０１、Ｓ１０２、Ｓ１０３、Ｓ１０４は、撮像素子１０６上の複数の位置にある測距画素１０８の各受光部で取得される。

距離演算部１０９は、図３に示すフローに従って、被写体までの距離を算出する手段である。距離演算部１０９は、図３に示す処理に先立って、撮像素子１０６の各受光部から第１〜第４の信号Ｓ１〜Ｓ４を取得する信号取得処理を行う。

距離演算部１０９は、信号補正処理１３０において、信号Ｓ１０１を第１の信号Ｓ１、信号Ｓ１０３を第３の信号Ｓ３とし、式２のように、異なる割合で加減算（加算または減算）することにより、補正信号ＣＳ１（第１の補正信号）を生成する。そして、信号Ｓ１０２を第２の信号Ｓ２、信号Ｓ１０４を第４の信号Ｓ４とし、式３のように、異なる割合で加減算することにより、補正信号ＣＳ２（第２の補正信号）を生成する。

ここで、α１、α２、α３、α４は補正係数であり、補正係数α１とα３、α２とα４とは互いに異なる実数とする。
なお、２つの信号を異なる割合で加算するとは、互いに等しくない正の実数の補正係数を各信号に掛けて足し合わせることを意味する。また、２つの信号を異なる割合で減算するとは、互いに等しくない正の実数の補正係数を掛けて引き算することを意味する。換言すると、絶対値が互いに異なる正および負の補正係数を各信号に掛けて足し合わせることを意味する。また、２つの信号を異なる割合で加減算するとは、上記の２つの演算の両方を含む。すなわち、絶対値が互いに等しくない補正係数（正または負の実数）を各信号に掛けて足し合わせることを意味する。

本実施形態においては、各補正係数は正の実数とする。すなわち、補正信号ＣＳ１は、信号Ｓ１及びＳ３を異なる割合で加算することにより生成され、補正信号ＣＳ２は、信号Ｓ２及びＳ４を異なる割合で加算することにより生成される。複数の位置に配置した測距画素１０８のそれぞれについて、このような信号補正処理を行い、補正信号ＣＳ１とＣＳ２を作成する。

距離演算部１０９は、距離算出処理１３１において、一対の補正信号ＣＳ１とＣＳ２のｘ方向（第１の方向）におけるズレ量から、被写体の距離を算出する。一対の信号のズレ量は、公知の方法により求められる。例えば、一対の信号のうち、片方の信号をｘ方向にずらしながら相関演算を行い、最も相関が高いときのズレ量を算出することで求められる。このように求めたズレ量から、公知の方法により、デフォーカス量を求め、被写体の距離を算出することができる。

上記に示した信号取得手段及び距離演算部１０９を備えた距離検出装置１００を用いることで、光学系のケラレによる誤差を低減し、ｘ方向の１方向のみの計算で像ズレ量を高精度に算出することができる。また、信号の読み出し手法は、公知の手法を用いることができる。これらにより、高速かつ高精度に像ズレ量を検出し、測距することができる。

（原理）
本実施形態にかかる距離検出装置１００により、高速かつ高精度な像ズレ量の検出と測距が可能となる理由を述べる。

デフォーカス量（距離）は、一対の信号の像ズレ量から算出される。基線長は、一対の信号を生成する光束が通過する瞳領域の瞳重心を結ぶ線であり、一対の信号のずれる方向
は、基線長が伸びる方向と同じ方向となる。

図４は、信号補正処理１３０を用いない場合の、射出瞳１２０の一例を表したものである。図４（ａ）（ｂ）は撮像素子の中央（図１（ｃ）の領域１２４）、図４（ｄ）（ｅ）は対角像高（図１（ｃ）の領域１２５）から見た射出瞳１２０を表している。撮像素子の中央から対角像高になるにつれて、結像光学系の枠によるケラレの影響がｘ方向及びｙ方向で非対称になるため、射出瞳１２０の形状は非対称になる。信号Ｓ１０１と信号Ｓ１０３、信号Ｓ１０２と信号Ｓ１０４を、同じ割合で加算することで得られる信号をそれぞれＳ９１１、Ｓ９１２とする。信号Ｓ９１１に対応する瞳領域９１１ｄは、瞳領域１０１ｄと１０３ｄを同じ割合で加算した領域で表され、信号Ｓ９１２に対応する瞳領域９１２ｄは、瞳領域１０２ｄと１０４ｄを同じ割合で加算した領域で表される。瞳形状が対称な中央像高では、瞳領域９１１ｄの瞳重心９１１ｇと瞳領域９１２ｄの瞳重心９１２ｇとは、ｙ方向において同じ位置（ｘ軸上）となり、基線長９１３が伸びる方向はｘ方向となる。図４（ｃ）のように、信号Ｓ９１１とＳ９１２のズレる方向は、ｘ方向となる。一方、瞳形状が非対称になると、各瞳重心の位置が変わり、瞳重心９１１ｇと瞳重心９１２ｇとは、ｙ方向（第２の方向）において異なる位置になる。このため、基線長９１３の方向は斜め方向（ｘｙ方向）となり、図４（ｆ）のように、信号Ｓ９１１とＳ９１２のズレる方向は、斜め方向となる。ｘ方向（第１の方向）に向かって信号Ｓ９１１とＳ９１２の像ズレ量を算出すると、算出誤差が大きくなり、測距精度が悪化する。

図５（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本実施形態（信号補正処理１３０を行う場合）の対角像高（図１（ｃ）の領域１２５）における射出瞳１２０の一例を示した図である。補正信号ＣＳ１に対応する瞳領域１１１ｄは、瞳領域１０１ｄと１０３ｄに補正係数α１及びα３を乗じた領域を加算した領域で表される。瞳重心１１１ｇは、瞳重心１０１ｇと１０３ｇの間の、補正係数α１及びα３に応じた位置となる。同様に、補正信号ＣＳ２に対応する瞳領域１１２ｄは、瞳領域１０２ｄと１０４ｄに補正係数α２及びα４を乗じた領域を加算した領域で表される。瞳領域１１２ｄの瞳重心１１２ｇは、瞳重心１０２ｇと１０４ｇの間の、補正係数α２及びα４に応じた位置となる。

信号補正処理１３０において、瞳重心１１１ｇ、１１２ｇのｙ座標成分ｙ１１１ｇとｙ１１２ｇが等しくなるように、各補正係数α１、α２、α３、α４を設定する。ｙ座標成分ｙ１１１ｇ、ｙ１１２ｇは、式４、式５で表される。

ここで、Ｔ１０１、Ｔ１０２、Ｔ１０３、Ｔ１０４は射出瞳１２０上における各受光部の瞳透過率分布の積分値である。ｙ１０１ｇ、ｙ１０２ｇ、ｙ１０３ｇ、ｙ１０４ｇは、各瞳重心１０１ｇ、１０２ｇ、１０３ｇ、１０４ｇのｙ座標成分である。式４と式５に基づき、各補正係数を設定することで、瞳重心のｙ座標成分ｙ１１１ｇとｙ１１２ｇを等しくすることができる。

なお、図５では瞳重心１１１ｇ及び１１２ｇのｙ座標が射出瞳１２０の中心のｙ座標と一致する場合を示しているが、上述のようにこれらの瞳重心のｙ座標が一致するように補正すればよい。すなわち、補正後の瞳重心のｙ座標の値は任意であって構わない。

また、ｙ１１１ｇ＝ｙ１１２ｇを満たすように各補正係数を設定することが望ましいが、必ずしもこの条件を満たさなくても良い。補正後の瞳重心のｙ方向における差分が、第１〜第４の信号を同じ割合で加算した場合の瞳重心の差分よりも小さくなるように補正係数を設定すればよい。すなわち、｜ｙ１１１ｇ−ｙ１１２ｇ｜＜｜（Ｔ１０１・ｙ１０１ｇ＋Ｔ１０３・ｙ１０３ｇ）／（Ｔ１０１＋Ｔ１０３）−（Ｔ１０２・ｙ１０２ｇ＋Ｔ１０４・ｙ１０４ｇ）／（Ｔ１０２＋Ｔ１０４）｜を満たすように補正係数を設定すればよい。このようにすることで、第１と第３の信号および第２と第４の信号を同じ割合で加算する場合よりも、ｙ方向への像ズレ量を少なくできる。

例えば、図５の例においては、瞳領域１０１ｄの方が瞳領域１０３ｄよりも領域が広く高感度であることから、α１をα３よりも小さい値とする。また、瞳領域１０２ｄの方が瞳領域１０４ｄよりも領域が広く高感度であることから、α２をα４よりも小さい値に設定する。これにより、瞳重心１１１ｇと１１２ｇのｙ方向における位置の差が減少し、基線長１１３の方向はｘ方向となり、図５（ｄ）のように、補正信号ＣＳ１とＣＳ２のズレる方向はｘ方向となる。距離算出処理１３１において、ｘ方向（第１の方向）の１方向のみの計算で補正信号ＣＳ１とＣＳ２の像ズレ量を高精度に検出することができる。また、信号の読み出しは、公知の手法を用いることができる。これらにより、高速かつ高精度な測距が可能となる。

なお、式４、５の右辺の分母（α１・Ｔ１０１＋α３・Ｔ１０３）、（α２・Ｔ１０２＋α４・Ｔ１０４）は、各補正信号に対応する瞳透過率分布の積算値であり、補正信号ＣＳ１０１、ＣＳ１０２の強度を決定する式である。

両式の分母の値が同じになるように、各補正係数を決定することが望ましい。あるいは、各補正信号を各式の分母の値で規格化（除算）してもよい。あるいは、どちらかの補正信号に両式の分母の値の比を乗算してもよい。補正信号ＣＳ１０１とＣＳ１０２の信号強度を揃えることができ、両信号間の像ズレ量を高精度に求めることができ、高精度な測距が可能となる。

（補正処理に用いる２つの信号の瞳領域の関係）
なお、２つの信号を加算することにより補正信号を生成する（各補正係数が正の実数となる）本実施形態においては、両信号の瞳領域は、第１の方向（ｘ方向）において同じ方向に偏心した領域であることが望ましい。すなわち、瞳領域１０１ｄと１０３ｄは射出瞳１２０の中心からいずれも＋ｘ方向に偏心した領域、瞳領域１０２ｄと１０４ｄは−ｘ方向に偏心した領域であることが望ましい。加算して得られる瞳領域１１１ｄは＋ｘ方向に、瞳領域１１２ｄは−ｘ方向に偏心した領域となり、補正信号の基線長が確保され、測距精度の低下を回避することができる。

（補正処理の変形例）
上記の例では像ズレ量の算出に２つの補正信号ＣＳ１およびＣＳ２を用いているが、これ以外の信号に基づいて像ズレ量を算出しても構わない。例えば、像ズレ量の算出に用いる２つの信号のうち、一方については２つの受光部から得られる信号を同じ割合で加算した信号として、他方を上記式２または３に基づいて生成した信号としてもよい。例えば、一方の信号は信号Ｓ２及びＳ４を同じ割合で加算した信号（Ｓ２＋Ｓ４）とし、他方の信号は式２に基づく補正信号ＣＳ１として、両信号の瞳領域の重心のｙ座標が一致するように式２の補正係数α１、α３を決定する。このような補正係数α１、α３は、式４、式５においてα２＝α４＝１とおいて、ｙ座標成分ｙ１１１ｇとｙ１１２ｇが等しいという条件の下に決定できる。なお、信号Ｓ１とＳ３を同じ割合で加算した信号と、式３に基づく補正信号ＣＳ２とを採用しても構わない。このような構成でも、前述と同様の効果を得ることができ、高速かつ高精度な測距が可能となる。

また、補正信号ＣＳ１と、第２の信号Ｓ２（あるいは第４の信号Ｓ４）から像ズレ量を算出しても構わない。これは、上記の補正係数をα２＝１、α４＝０（あるいは、α２＝０、α４＝１）とした場合と同様である。この際は、補正信号ＣＳ１の瞳重心のｙ座標位置が第２の信号Ｓ２に対応する瞳重心１０２ｇ（あるいは第４の信号Ｓ４に対応する瞳重心１０４ｇ）のｙ座標位置と等しくなるように、補正係数α１およびα３を設定すればよい。このような処理を採用する場合には、測距画素１０８は、第４の受光部１０４（あるいは第２の受光部１０２）を備えていなくてもよい。また、同様に、補正信号ＣＳ２と、第１の信号Ｓ１（あるいは第３の信号Ｓ３）から像ズレ量を算出しても構わない。

（補正係数）
信号補正処理１３０において、補正係数を調整する補正係数調整処理を行うことが望ましい。各瞳領域は、射出瞳１２０の形状と各受光部に入射する光の角度範囲及び各受光部の感度特性によって決まる。これらは、結像光学系１０５の状態や撮像素子１０６と射出瞳１２０の距離や各受光部（信号取得手段）の撮像素子１０６上の位置に応じて変化する。したがって、射出瞳１２０の形状、または射出瞳１２０と撮像素子１０６との間の距離、または各受光部の撮像素子１０６上の位置の少なくともいずれかに基づいて、補正係数を調整する補正係数調整処理を行うことが望ましい。

図６のように撮像素子１０６を複数の領域１４０に区分し、領域毎に補正係数を調整する。各領域の補正係数は、射出瞳１２０の形状、撮像素子１０６と射出瞳１２０の距離、各領域の代表的な位置に基づいて算出される。上記項目に応じて補正係数を適切に設定することができ、高精度な補正信号を生成できる。あるいは、各受光部を含む測距画素１０８毎に補正係数を設定することで、より高精度な補正信号を生成することができる。また、上記項目に応じて予め計算しておいた補正係数をメモリに記録しておき、状況に応じてメモリ上の補正係数を読み出し、使用してもよい。状況に応じて補正係数を計算する処理が不要となり、高速に補正信号を生成することができる。

射出瞳の形状は、測距画素の撮像素子上での位置が対角像高になるほど（撮像素子の隅に近いほど）、光学系の焦点距離が短いほど、撮像素子と射出瞳の距離が近くなるほど、非対称になる。射出瞳が非対称になるほど、補正信号を生成する２つの信号に対応する瞳領域の面積比（小さい方の面積に対する他方の面積の比）が大きくなり、信号強度の比（弱い方の信号強度に対する他方の信号強度の比）が大きくなる。これらの項目に応じて、射出瞳が非対称になるほど、補正係数α１とα３の比や補正係数α２とα４の比が大きくなるように、補正係数を調整することが望ましい。なお、補正係数α１とα３あるいはα２とα４のうちどちらを大きくするかは、測距画素の撮像素子上での位置（４隅のいずれに最も近いか）によって決まる。したがって、補正係数調整処理では、まず、補正係数α１とα３およびα２とα４のどちらを大きくするかを測距画素の撮像素子上の位置で決定する。そして、測距画素の撮像素子上の位置が撮像素子の隅に近いほど、光学系の焦点距離が短くなるほど、射出瞳と撮像素子の間の距離が短くなるほど、補正係数α１とα３の比およびα２とα４の比を大きくする。このように各受光部の位置に応じて補正係数を適切に調整することができる。

以上のような補正係数の調整を行うことで、補正信号を高速あるいは高精度に生成でき、より高速かつ高精度な測距を行うことが可能となる。

各画素に、赤又は緑又は青の光のみを選択的に透過するカラーフィルタを配置してもよい。各色に対応する信号を取得することができ、カラー画像を生成することが出来る。

いずれかの色に対応する信号のみ、あるいは、全色の信号を用いて、補正信号を生成し
、測距してもよい。被写体の色に応じて適切な信号を選択することで、高品質な信号のみを用いて測距することができ、高精度な測距が可能となる。

各受光部に入射する光の波長分布は、カラーフィルタの透過スペクトルや被写体光の波長分布で決定される。入射光の波長分布が変わると、受光部の感度特性が変化し、瞳領域が変化する。被写体光の波長分布は、各色の信号の強度を比較することで推定することができる。入射光の波長分布に応じて補正係数を調整することが望ましい。前述の補正係数調整処理において、各色の信号ごとに、カラーフィルタの透過スペクトルに応じて補正係数を調整してもよい。あるいは、推定した被写体光の波長分布に応じて、補正係数を調整してもよい。このような補正係数の調整を行うことで、高精度な補正信号を生成でき、より高精度な測距を行うことが可能となる。

（基線長補正）
距離算出処理１３１は、補正基線長を用いて距離を算出する補正基線長算出処理を含むことが好ましい。基線長の補正によって、より高精度な測距が可能となる。

補正基線長は、図５における、補正信号ＣＳ１とＣＳ２に対応する瞳重心１１１ｇと１１２ｇ間の距離１１３を算出することで求められる。

まず、各受光部の角度特性と各補正係数と射出瞳１２０の形状や位置情報から瞳透過率分布を求め、瞳透過率分布から瞳重心１１１ｇと１１２ｇを算出する。

次に、補正基線長Ｗ´に相当する、射出瞳１２０上の瞳重心間の距離１２３を、式６より算出する。

このようにして求めた補正基線長Ｗ´と補正信号より算出したズレ量から、式７により、デフォーカス量を求め、被写体の距離を算出する。

式７において、ΔＬはデフォーカス量、ｒはズレ量、Ｌは射出瞳１２０と撮像素子１０６までの距離、Ｗ´は補正基線長を表している。

このようにすることでより正確な基線長を用いてズレ量からデフォーカス量を算出することで、より高い精度で距離を算出することができる。

距離算出処理１３１において、他の方式で距離を算出してもよい。例えば、ズレ量とデフォーカス量を結び付ける変換係数を予め算出しておき、検出したズレ量と変換係数を用いてデフォーカス量を算出してもよい。撮影条件や撮像面上における受光部の位置に応じて基線長を算出する演算を省くことができ、高速な測距が可能となる。

（像形状修正処理）
距離演算手段において、更に補正信号の像形状を修正するための信号修正処理を行ってもよい。

補正信号ＣＳ１とＣＳ２は、被写体の光量分布ｆと、補正点像分布関数Ｐ１´、Ｐ２´
を用いて式８、式９のように記述することができる。＊は畳み込み積分を表している。

結像光学系１０５の光学特性、各受光部の角度特性、射出瞳１２０の形状や位置によって決まる点像分布関数をＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４とする。

式８及び式９における補正点像分布関数Ｐ１´、Ｐ２´は、式１０、式１１のように記述することができる。各係数α１、α２、α３、α４は信号補正処理１３０で用いた補正係数である。

点像分布関数Ｐは、射出瞳１２０の位置や形状、各受光部の角度特性によって決定される。結像光学系１０５による光束のケラレがあると、点像分布関数Ｐ１とＰ２、Ｐ３とＰ４は異なる関数となる。補正点像分布関数Ｐ１´とＰ２´は、異なる関数となり、補正信号ＣＳ１とＣＳ２の像形状は互いに異なる形状となる。

信号修正処理１３２を含むフローを図７に示す。信号修正処理１３２は、まず一対の補正信号ＣＳ１とＣＳ２から、公知の手段によって、暫定デフォーカス量を算出する。

次に、暫定デフォーカス量と既知の情報である各受光部の角度特性及び射出瞳１２０の情報を元に、像修正フィルタとして、式１０及び式１１に示す関数Ｐ１´、Ｐ１´を作成する。

補正信号ＣＳ１、ＣＳ２に、像修正フィルタＰ２´、Ｐ１´をそれぞれ畳み込み積分することで、修正信号ＭＳ１（第１の修正信号）、ＭＳ２（第２の修正信号）を作成する。このとき、畳み込み積分の基準点は各補正信号及び像修正フィルタの重心位置とする。

修正信号の像形状は式１２、式１３で表される。

式１２及び式１３のように、両修正信号の像形状は、関数Ｐ１´＊Ｐ２´で決まり、概略同じ形状となる。

距離算出処理１３１では、修正信号ＭＳ１、ＭＳ２を用い、公知の手法によって、デフォーカス量および被写体の距離を算出する。

本発明にかかる信号修正処理を含む測距演算により、補正信号の像形状を修正することができ、像形状の違いによるズレ量の算出誤差を低減することができる。ズレ量の検出精度が向上し、より高精度に距離を算出することができる。

なお、像修正フィルタＰ１´、Ｐ２´は、デフォーカス量に応じて変化する関数である。修正信号ＭＳ１とＭＳ２を用いて求めたデフォーカス量を元に、再度像修正フィルタを作成し、この像修正フィルタを用いて修正像を作成し、デフォーカス量を求めてもよい。より正解値に近いデフォーカス量を元に、像修正フィルタを作成することで、像修正フィルタの形状誤差が小さくなる。そして、修正信号の形状誤差が低減し、ズレ量およびデフォーカス量の算出精度が向上し、測距精度が向上する。また、前述の暫定デフォーカス量は、同じ割合で２つの信号を加算して得られる信号Ｓ９１１とＳ９１２あるいは信号Ｓ１０１、Ｓ１０２、Ｓ１０３、Ｓ１０４のいずれかを用いて求めてもよい。この像修正フィルタを用いて修正像を作成し、デフォーカス量を求めてもよい。より簡便な方法で暫定デフォーカス量を求めることで、より高速な測距が可能となる。

なお、信号修正処理は本実施形態の処理に限定されるものではない。例えば、式１０及び式１１の関数の逆関数（Ｐ１´）^−１及び（Ｐ２´）^−１を導出し、それぞれの補正信号ＣＳ１、ＣＳ２に畳み込み積分することで、信号修正処理を行ってもよい。

また、ここでの説明では、信号修正処理は、２次元の点像分布関数を用いた処理例を示したが、１次元（ｘ方向）の線像分布関数を用いて修正を行ってもよい。計算負荷を減らすことができ、より高速に修正信号を生成することができる。あるいは、射出瞳１２０の情報や信号取得手段の特性に基づき、他の信号修正処理を行ってもよい。

（画素配置例）
本実施形態では、信号取得手段である測距画素１０８を撮像素子１０６の一部の画素に配置した例について示したが、この配置に限定されるものではない。例えば、図８のように、全画素に測距画素１０８を配置してもよい。このような構成にすることで、高解像度かつ高精度の距離画像と、高画質な撮像画像を同時に取得することができる。

本実施形態では、ｘ方向に像ズレ量を検出する構成例について示したが、ｙ方向に像ズレ量の検出を行っても良い。この場合、ｙ方向が第１の方向、ｘ方向が第２の方向となる。ｙ方向の検出を行う場合、図８のｙ方向の複数の位置にある測距画素１０８で取得した信号を使用する。信号補正処理１３０の式２及び式３において、第１の信号Ｓ１として信号Ｓ１０１、第２の信号Ｓ２として信号Ｓ１０２を用いて補正信号ＣＳ１を生成する。そして、第３の信号として受光部１０４で取得した信号Ｓ１０４を、第４の信号Ｓ４として受光部１０３で取得した信号Ｓ１０３を用いて補正信号ＣＳ２を生成する。補正信号ＣＳ１とＣＳ２とを用いて距離算出処理１３１にて前述と同様の処理を行うことで高精度に測距することができる。このような構成にすると、ｙ方向にコントラストの変化がある被写体の測距が可能となる。被写体のコントラスト変化の方向に応じて、測距の方向を決定し、測距演算処理を適切に行うことで、ｘあるいはｙ方向のみにコントラスト変化を有する被写体であっても高速・高精度に測距することができる。

あるいは、ｘ方向又はｙ方向に数画素の間隔を空けて、測距画素１０８を離散的に配置しても良い。このような構成でも本発明の効果を得ることができる。

本実施形態における測距画素１０８のように、画素内に複数の受光部を配置した構成とすると、撮像素子１０６上で互いに近い距離で取得した信号を用いて補正信号を生成することができる。被写体の異なる場所から出た光束が各受光部に入射することが低減し、各
受光部で取得した信号の品質が向上する。高品質な補正信号を生成でき、高精度な測距が可能となる。

（信号取得手段の構成例：マイクロレンズ型、導波路型）
本実施形態における信号取得手段である測距画素１０８の構成例を図９に示す。図９（ａ）（ｃ）は受光部１０１を通るｘｚ断面図、図９（ｂ）（ｄ）は受光部１０１を通るｙｚ断面図を示したものである。

図９（ａ）（ｂ）のように、測距画素１０８は、マイクロレンズ１５０と、半導体等で構成された基板１５１と、基板１５１中に設けられた受光部１０１、１０２、１０３、１０４とから構成されている。受光部１０１、１０２、１０３、１０４では、異なる瞳領域１０１ｄ、１０２ｄ、１０３ｄ、１０４ｄ（図２（ｂ））を通過した光束が、それぞれ受光部１０１、１０２、１０３、１０４で効率良く受光される。マイクロレンズ１５０の曲率や各受光部までの距離を調整することにより、各受光部の角度特性及び瞳領域を制御することができる。このような構成により、各受光部１０１、１０２、１０３、１０４で各信号Ｓ１０１、Ｓ１０２、Ｓ１０３、Ｓ１０４を取得することができ、前述の演算手段により距離を算出することができる。

あるいは測距画素１０８は、図９（ｃ）（ｄ）のように構成してもよい。各画素には、基板１５１の光入射側（＋ｚ側）にコア１６０とクラッド１６１からなる導波路が配置され、基板１５１内に受光部１０１、１０２、１０３、１０４が配置されている。コア１６０およびクラッド１６１は、撮像する波長帯域で透明な材料で形成され、コア１６０は、クラッド１６１より高い屈折率を有する材料で形成される。これによりコア１６０内に光を閉じ込めて伝播させることができる。各瞳領域を通過し、各画素に入射した光束は、導波路を伝播し各受光部に導かれる。このような構成により、各受光部１０１、１０２、１０３、１０４で各信号Ｓ１０１、Ｓ１０２、Ｓ１０３、Ｓ１０４を取得することができ、前述の演算手段により距離を算出することができる。このような構成とすることで、画素サイズが小さい撮像素子を用いた場合でも、入射光を効率良く受光することができる。

あるいは、基板１５１中にコアおよびクラッドからなる導波路を設けた、裏面入射型の構成としてもよい。このような構成にすると、基板の裏側から入射した光（＋ｚ方向に伝播する光）が検出される。配線等は基板１５１の表側に配置することができ、入射光の伝播が、配線等によって妨げられるのを回避することができる。また、配線等による空間的制約が軽減され、入射光を光電変換部に効率良く導くことができる。

（測距結果の利用法）
本実施形態の距離検出装置１００の測距結果は、例えば、結像光学系１０５の焦点検出に用いることができる。本実施形態の距離検出装置１００によって、高速かつ高精度に被写体の距離を測定することができ、被写体と結像光学系１０５の焦点位置とのズレ量を知ることができる。結像光学系１０５の焦点位置を制御することで、被写体に対して高速かつ高精度に焦点位置を合わせることができる。

あるいは、撮像素子１０６の全面にこのような受光部を配置し、撮像素子上の複数の領域ごとに、取得した信号を用いて距離を算出することで、距離画像を取得することができる。

本実施形態の距離検出装置を備えてデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ等の撮像装置を構成でき、距離検出装置の距離検出結果に基づき、光学系の焦点検出を行うことができる。

（採用し得るその他の構成）
本実施形態の距離検出装置における撮像素子は具体的には、ＣＭＯＳセンサ（相補型金属酸化物半導体を用いたセンサ）や、ＣＣＤセンサ（電荷結合素子を用いたセンサ）等の固体撮像素子を用いることができる。

本実施形態の距離検出装置における演算手段は、半導体素子を集積化した集積回路を用いて構成することができ、ＩＣ、ＬＳＩ、システムＬＳＩ、マイクロ処理ユニット（ＭＰＵ）、中央演算装置（ＣＰＵ）等で構成することができる。

本発明は、距離検出装置の他にコンピュータプログラムをも包含する。

本発明のコンピュータプログラムは、前述の信号補正処理及び距離算出処理により距離を算出するために、コンピュータに所定の工程を実行させるものである。演算手段１１１をマイクロ処理ユニットや中央演算装置等で構成する場合には、演算手段１１１は、コンピュータとして捉えることが可能である。

本発明のプログラムは、所定の結像光学系と、所定の撮像素子と、コンピュータと、を備えた距離検出装置またはカメラ等撮像装置のコンピュータにインストールされる。インストールされたプログラムがコンピュータによって実行されることで上記の機能が実現し、距離検出装置または撮像装置を高精度の距離検出が可能なものとなすことができる。

本発明のプログラムは、記録媒体の他、インターネットを通じて頒布することも可能である。

［第２の実施形態］
本実施形態では、信号補正処理において、２つの信号を異なる割合で減算して生成した補正信号を使用して距離検出を行う。なお、２つの信号を異なる割合で減算するとは、それぞれの信号に異なる重み付け係数（正の実数）を掛けた上で減算することである。

本実施形態にかかる距離検出装置の構成は、第１の実施形態（図１（ａ）（ｂ））と同様である。ただし、本実施形態においては、撮像素子の構成、および距離演算部の処理内容が第１の実施形態と異なる。以下、第１の実施形態と異なる部分について主に説明する。

本実施形態における撮像素子２０６の構成を図１０（ａ）に示す。撮像素子２０６は、複数の画素２０７を備える。撮像素子２０６は、画素２０７の一部として、受光部２０１、２０２を含む測距画素２０８（第１の測距画素）と、受光部２０３、２０４を含む測距画素２０９（第２の測距画素）とをそれぞれ複数備える。受光部２０３、２０４は、ｘｙ断面において同一の形状を有し、測距画素２０８の中心を挟んでｘ方向に並置される。また、受光部２０３、２０４は、ｘｙ断面において同一の形状を有し、測距画素２０９の中心を挟んでｙ方向に並置される。

図１０（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）は、撮像素子２０６の対角像高に位置する画素２０８，２０９に対応する射出瞳１２０を示した図である。破線で示した領域２０１ｔ、２０２ｔ、２０３ｔ、２０４ｔは、それぞれ対応する受光部２０１、２０２、２０３、２０４で受光される光束が通過する領域を示す。点２０１ｇ、２０２ｇ、２０３ｇ、２０４ｇは瞳重心を示す。領域２０１ｄ、２０２ｄ、２０３ｄ、２０４では各受光部の瞳領域を示している。

瞳領域２０１ｄは、基本的に射出瞳１２０の中心から＋ｘ方向（第１の方向）に偏心し
ており、また、射出瞳形状の変形により＋ｙ方向（第２の方向）にも偏心している。瞳領域２０２ｄは、射出瞳１２０の中心から瞳領域２０１ｄとは逆方向（−ｘ及び−ｙ方向）に偏心した瞳領域である。瞳領域２０３ｄは、基本的に射出瞳１２０の中心から＋ｙ方向に偏心しており、また、射出瞳形状の変形により＋ｘ方向にも偏心している。本実施形態においては、瞳領域２０３ｄは、ｙ方向に関して瞳領域２０１ｄと同じ向き（＋ｙ方向）に偏心しており、瞳領域２０３ｄの方が瞳領域２０１ｄよりも偏心量が多い。瞳領域２０４ｄは、基本的に射出瞳１２０の中心から−ｙ方向に偏心しており、また、射出瞳形状の変形により−ｘ方向にも偏心している。本実施形態においては、瞳領域２０４ｄは、ｙ方向に関して瞳領域２０２ｄと同じ向き（−ｙ方向）に偏心しており、瞳領域２０４ｄの方が瞳領域２０２ｄよりも偏心量が多い。各受光部２０１、２０２、２０３、２０４で、信号Ｓ２０１、Ｓ２０２、Ｓ２０３、Ｓ２０４が取得される。

本実施形態における距離演算部１０９は、第１の実施形態と同様に信号補正処理１３０、距離算出処理１３１（図３）を実行する。本実施形態では、距離算出処理１３１の内容が第１の実施形態と異なるので、以下で説明する。信号補正処理１３０において、信号Ｓ２０１を第１の信号Ｓ１、信号Ｓ２０２を第２の信号Ｓ２として用いる。信号Ｓ２０３を第３の電気信号Ｓ３とし、信号Ｓ２０４を第４の電気信号Ｓ４として用いる。そして、式２及び式３において、α１及びα２を正の実数、α３及びα４を負の実数とする。つまり、信号Ｓ２０１からＳ２０３を所定の割合で減算することにより、信号ＣＳ１（第１の補正信号）を生成し、信号Ｓ２０２からＳ２０４を所定の割合で減算することにより、信号ＣＳ２（第２の補正信号）を生成する。距離算出処理１３１で、これらの補正信号ＣＳ１とＣＳ２を用いて距離を算出することで、前述と同様に高速かつ高精度に測距することができる。

（原理）
図１１は撮像素子の対角像高における射出瞳の一例を表したものである。

補正信号ＣＳ１に対応する瞳領域２１１ｄは、瞳領域２０１ｄと２０３ｄを補正係数α１及びα３に応じて減算した領域で表される。瞳領域２０１ｄよりも＋ｙ方向に偏心している瞳領域２０３ｄの透過率分布が、瞳領域２０１ｄの透過率分布から減算されるので、瞳重心２１１ｇは瞳重心２０１ｇから−ｙ方向にシフトする。同様に、補正信号ＣＳ２に対応する瞳領域２１２ｄは、瞳領域２０２ｄと２０４ｄを補正係数α２及びα３に応じて減算した領域で表される。瞳領域２０２ｄよりも−ｙ方向に偏心している瞳領域２０４ｄの透過率分布が、瞳領域２０２ｄの透過率分布から減算されるので、瞳重心２１２ｇは、瞳重心２０２ｇから＋ｙ方向にシフトする。

信号補正処理１３０において、補正係数α１、α２、α３、α４を適切に調整することにより、瞳重心２１１ｇと２１２ｇのｙ方向の位置の差が減少し、基線長２１３の方向をｘ方向と平行にすることができる。補正信号ＣＳ１とＣＳ２のｙ方向（第２の方向）のずれを減少することができる。前述と同様に、距離算出処理１３１において、ｘ方向（第１の方向）の１方向のみの計算で、一対の補正信号ＣＳ１とＣＳ２の像ズレ量を高精度に算出できる。また、信号像ズレ量の算出は、公知の手法を用いることができる。これらにより、高速かつ高速な測距が可能となる。

なお、本実施形態のように、補正係数α１、α２が正の実数、補正係数α３、α４が負の実数の場合、式１４及び式１５の範囲の値とすることが望ましい。ｔ２０１、ｔ２０２、ｔ２０３、ｔ２０４は、各受光部２０１、２０２、２０３、２０４の瞳透過率分布である。ｍiｎ（）は、（）内の最小値を求める関数である。Ｘ及びＹは射出瞳１２０上の座
標である。

各受光部の瞳透過率分布に補正係数を掛け、加減算することにより得られる分布を補正瞳透過率分布と呼ぶ。補正信号は補正瞳透過率分布を有する受光部で取得した信号に相当する。補正係数α３及びα４を式１４及び式１５で示す範囲外に設定すると、補正瞳透過率分布の一部に負の感度が生じる。負の感度で受光した信号は、負の値となり、正の感度で受光した正の値を有する信号と相殺される。補正信号は、一部の光束の情報が欠落した信号となる。これにより、補正信号より検出されるズレ量に誤差が生じ、測距誤差が生じる。補正係数を式１４及び式１５で示す範囲の値とすることで、補正信号の誤差を減少させ、ズレ量の検出誤差を低減し、更に高精度な測距が可能となる。

なお、図１１では瞳重心２１１ｇ及び２１２ｇのｙ座標が射出瞳１２０の中心のｙ座標と一致する場合を示しているが、上述のようにこれらの瞳重心のｙ座標が一致するように補正すれば補正すればよい。すなわち、補正後の瞳重心のｙ座標の値は任意であって構わない。

（補正処理に用いる２つの信号の瞳領域の関係）
本実施形態においては、２つの信号を減算することにより補正信号を生成する（補正係数α３、α４が負の実数となる）。この際、瞳領域１０３ｄ、１０４ｄは、第１の方向（ｘ方向）に関して、それぞれ第１、第２の信号の瞳領域１０１ｄ、１０２ｄよりも瞳中心１２０に近い領域あるいは逆側に偏心した領域であることが望ましい。この条件を満たす場合は、補正後の瞳領域２１１ｄ及び２１２ｄがそれぞれ＋ｘ方向及び−ｘ方向に偏心するため、補正信号の基線長が確保され測距精度の低下を回避することができる。

（信号取得手段の配置間隔）
本実施形態における信号取得手段である測距画素２０８と２０９は、撮像素子上で互いに近傍に隣接して配置することが望ましい。互いに離れた位置に配置すると、各受光部に、異なる被写体からの光束が入射する。入射光束に差があると、各受光部で取得した信号により生成される補正信号に誤差が含まれ、測距結果に誤差が生じる。測距画素２０８と２０９は、互いに近傍に配置することが望ましい。測距画素２０８と２０９は、３画素以内に隣接して配置することがより望ましい。測距画素２０８と２０９は、直接隣接して配置することが更に望ましい。

本実施形態のように、各画素に含まれる受光部の数を減らすと、各受光部の領域を広くすることができ、画素サイズが小さい撮像素子でも、各受光部を容易に作製することができる。また、各受光部で受光される光束が増加するため、Ｓ／Ｎの良い信号を取得することができ、より高精度な測距が可能となる。

本実施形態における信号取得手段である測距画素２０８、２０９は、第１の実施形態のように、各画素にマイクロレンズと複数の受光部を設けることで構成することが出来る。あるいは、各画素に導波路と複数の受光部を設けることで構成してもよい。

（信号取得手段の変形例）
測距画素（信号取得手段）の構成は前述と異なる構成にしてもよい。例えば、図１２に示す構成にしてもよい。図１２（ａ）は撮像素子２０６の一部を示す図であり、図１２（ｂ）（ｃ）は各画素のｘｚ断面図、図１２（ｄ）（ｅ）はｙｚ断面図である。信号取得手段は、４つの画素２４１、２４２、２４３、２４４で構成される。各画素には、マイクロレンズ１５０とそれぞれ受光部２５１、２５２、２５３、２５４が構成される。受光部２５１は、測距画素２４１内に、−ｘ方向に偏心して配置され（中心が測距画素２４１の中心よりも−ｘ方向に位置して配置されている）。受光部２５２は、測距画素２４２内に、＋ｘ方向に偏心して配置される。受光部２５１と２５２のｘｙ断面形状は同一である。また、受光部２５３は、測距画素２４３内に、＋ｙ方向に偏心して配置される。受光部２５４は、測距画素２４４内に、＋ｙ方向に偏心して配置される。受光部２５３と２５４のｘｙ断面形状は同一である。更に、各画素には入射した光束の一部を遮光する遮光部材２５５が配置される。画素２４１、２４２、２４３、２４４では、それぞれ瞳領域２０１ｄ、２０２ｄ、２０３ｄ、２０４ｄからの光束が受光され、それ以外の瞳領域からの光束は遮光部材２５５により遮光される。このような構成により、各受光部２５１、２５２、２５３、２５４で、各信号Ｓ２０１、Ｓ２０２、Ｓ２０３、Ｓ２０４を取得することができる。前述と同様に、距離演算手段にて補正信号を生成し、補正信号を用いて距離を算出することで、高速かつ高精度な測距が可能となる。

（信号補正処理の変形例）
なお、実施形態１と同様に、本実施形態の構成における各受光部で取得した信号を加算することにより補正信号を生成してもよい。

図１０（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）のように、瞳領域２０４ｄは、ｙ方向において、瞳領域２０１ｄとは異なる位置にある領域であり、瞳領域２０１ｄとは反対方向（−ｙ方向）に偏心した領域である。瞳領域２０３ｄは、ｙ方向において、瞳領域２０２ｄとは異なる位置にある領域であり、瞳領域２０２ｄとは反対方向（＋ｙ方向）に偏心した領域である。

実施形態１の信号補正処理１３０において、受光部２０１で取得した信号Ｓ２０１を第１の信号Ｓ１、受光部２０４で取得した信号Ｓ２０４を第３の電気信号Ｓ３とし、式２に基づき補正信号ＣＳ１を生成する。そして、受光部２０２で取得した信号Ｓ２０２を第２の信号Ｓ２、受光部２０３で取得した信号Ｓ２０３を第４の電気信号Ｓ４とし、式３に基づき補正信号ＣＳ２を生成する。距離演算部１３１にて補正信号を用いて距離を算出することで、前述と同様に高速かつ高精度な測距を行うことができる。

［第３の実施形態］
本実施形態の距離検出装置３００は、結像光学系１０５と撮像素子３０６と距離演算部１０９を備えている。

本実施形態の距離検出装置を構成する信号取得手段の構成例を図１３に示す。図１３（ａ）は撮像素子３０６の一部を示した図であり、画素２４１と画素２４３と画素３１５を配置して構成されている。画素２４１及び２４３は、それぞれ瞳領域２０１ｄ及び２０３ｄからの光束を受光するものであり、前述（図１２（ａ）（ｂ））と同様の構成を有している。画素３１５には受光部３０５が設けられている。受光部３０５は、射出瞳領域の全域を通過した光束を受光するように構成されている。受光部３０５は、図１３（ｂ）のように画素面の略全域に配置される。画素３１５は、マイクロレンズ３０１、基板１５１、受光部３０５が図に示すように配置されて構成される。画素３１５は、更に、読み出し手段（不図示）を備えており、これにより、受光部３０５の蓄積電荷を電気信号として距離演算部１０９に出力する。

受光部２５１、２５３ではそれぞれ信号Ｓ２０１、Ｓ２０３が取得される。受光部３０５で取得した信号Ｓ３０５から信号Ｓ２０１を減算して得られる信号を信号Ｓ３０２とする（Ｓ３０２＝Ｓ３０５−Ｓ２０１）。信号Ｓ３０２は、図１４（ａ）のように、射出瞳の瞳領域２５１ｄ以外の瞳領域３０２ｄからの光束に基づく信号であり、前述の瞳領域２０２ｄに対応する信号となる。信号Ｓ３０５から信号Ｓ２０３を減算して得られる信号を信号Ｓ３０４とする（Ｓ３０４＝Ｓ３０５−Ｓ２０３）。信号Ｓ３０４は、図１４（ｂ）のように、射出瞳の瞳領域２５３ｄ以外の瞳領域３０４ｄからの光束に基づく信号であり、前述の瞳領域２０４ｄに対応する信号となる。

距離演算部１０９において、信号Ｓ２０１を信号Ｓ１（第１の信号）とし、信号Ｓ２０３を信号Ｓ３（第３の信号）として用いる。そして、信号Ｓ３０２を信号Ｓ２（第２の信号）とし、信号Ｓ３０４を信号Ｓ４（第４の信号）として用いる。これらの信号を用いて、前述と同様の手法で測距することで、高速かつ高精度に測距することができる。

このような構成とすることで、実施形態２の構成と比べて、各信号を取得するための受光部を減らすことができ、撮像素子１０６の構成を簡素化することができる。また、受光部３０５は、受光部Ｓ２０２、２０４よりも広い瞳領域からの光束を受光する高感度な受光部であり、この信号を用いて生成される信号Ｓ３０２、Ｓ３０４は、信号Ｓ２０２、Ｓ２０４よりもＳ／Ｎが良い信号となる。このような信号を用いて補正信号を生成することで、補正信号の品質が向上し、測距精度及び撮影画像の品質を向上することができる。

上述した各実施形態における距離演算部の具体的な実装は、ソフトウェア（プログラム）による実装と、ハードウェアにより実装のいずれも可能である。例えば、撮像装置や画像処理装置に内蔵されたコンピュータ（マイコン、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＦＰＧＡ等）のメモリにコンピュータプログラムを格納し、当該コンピュータプログラムをコンピュータに実行させて、各処理を実現させてもよい。また、本発明の全部または一部の処理を論理回路により実現するＡＳＩＣ等の専用プロセッサを設けることも好ましい。また、本発明は、クラウド環境におけるサーバーにも適用可能である。

また、例えば、記憶装置に記録されたプログラムを読み込み実行することで前述した実施形態の機能を実現するシステムや装置のコンピュータによって実行されるステップからなる方法によっても、本発明を実施することができる。この目的のために、上記プログラムは、例えば、ネットワークを通じて、又は、上記記憶装置となり得る様々なタイプの記録媒体（つまり、非一時的にデータを保持するコンピュータ読取可能な記録媒体）から、上記コンピュータに提供される。よって、上記コンピュータ（ＣＰＵ、ＭＰＵ等のデバイスを含む）、上記方法、上記プログラム（プログラムコード、プログラムプロダクトを含む）、上記プログラムを非一時的に保持するコンピュータ読取可能な記録媒体は、いずれも本発明の範疇に含まれる。

１００ 距離検出装置
１０５ 光学系
１０６ 撮像素子
１０９ 距離演算手段
１２０ 射出瞳

Claims (24)

1. 被写体の像を結像する光学系と、前記光学系の射出瞳を通過した光束に基づく信号を取得する撮像素子と、前記信号に基づいて前記被写体までの距離を算出する演算手段と、を備えた距離検出装置であって、
   前記撮像素子は、
   前記射出瞳の中心から第１の方向および該第１の方向と垂直な第２の方向に偏心した第１の瞳領域を通過した光束に基づく第１の信号と、
   前記射出瞳の中心から前記第１の瞳領域とは逆方向に偏心した第２の瞳領域を通過した光束に基づく第２の信号と、
   前記第２の方向における重心位置が前記第１の瞳領域の重心位置とは異なる第３の瞳領域を通過した光束に基づく第３の信号と、
   を取得する信号取得手段を備え、
   前記演算手段は、
   前記第１の信号と前記第３の信号とを異なる割合で加減算することにより第１の補正信号を生成する信号補正処理と、
   前記第１の補正信号と前記第２の信号に基づいて前記第１の方向における像ズレ量を算出し、当該像ズレ量に基づいて前記被写体までの距離を算出する距離算出処理と、
   を行う、
   ことを特徴とする距離検出装置。
2. 前記信号補正処理は、以下の式１に基づき、前記第１の補正信号を生成する処理である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の距離検出装置。
   

   

   ただし、ＣＳ１は前記第１の補正信号、Ｓ１とＳ３は前記第１と第３の信号であり、α１とα３は補正係数であり、互いに異なる実数である。
3. 前記信号取得手段は、前記第２の方向における重心位置が前記第２の瞳領域の重心位置とは異なる第４の瞳領域を通過した光束に基づく第４の信号をさらに取得し、
   前記信号補正処理は、前記第２の信号と前記第４の信号とを異なる割合で加減算することにより、第２の補正信号を生成する処理を含み、
   前記距離算出処理は、前記第１の補正信号と前記第２の補正信号の前記第１の方向における像ズレ量を算出し、当該像ズレ量に基づいて前記被写体までの距離を算出する処理である、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の距離検出装置。
4. 前記信号補正処理は、以下の式１および式２に基づき、前記第１の補正信号および前記第２の補正信号を生成する処理である、
   ことを特徴とする請求項３に記載の距離検出装置。
   

   

   ただし、ＣＳ１は前記第１の補正信号、ＣＳ２は前記第２の補正信号、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４はそれぞれ前記第１、第２、第３、第４の信号であり、α１、α２、α３、α４は補正係数であり、α１とα３は互いに異なる実数であり、α２とα４は互いに異なる実数である。
5. 前記第１の補正信号に対応する瞳重心の前記第２の方向における位置と、前記第２の補正信号に対応する瞳重心の前記第２の方向における位置は、等しい、
   ことを特徴とする請求項４に記載の距離検出装置。
6. 前記補正係数α_１、α_２、α_３、α_４は、以下の式３を満たす実数である、
   ことを特徴とする請求項５に記載の距離検出装置。
   

   

   ただし、Ｔ１０１、Ｔ１０２、Ｔ１０３、Ｔ１０４はそれぞれ前記第１、第２、第３、第４の信号に対応する瞳透過率分布の前記射出瞳上における積分値であり、ｙ１０１ｇ、ｙ１０２ｇ、ｙ１０３ｇ、ｙ１０４ｇはそれぞれ前記第１、第２、第３、第４の信号に対応する瞳重心の前記第２の方向における位置である。
7. 前記信号補正処理は、前記射出瞳の形状、または前記射出瞳と前記撮像素子との間の距離、または前記信号取得手段の前記撮像素子上の位置の少なくともいずれかに基づいて、前記補正係数を調整する補正係数調整処理を含む、
   ことを特徴とする請求項４から６のいずれか１項に記載の距離検出装置。
8. 前記補正係数調整処理では、前記信号取得手段の前記撮像素子上の位置に応じて、前記補正係数α１とα３およびα２とα４のどちらを大きくするかを決定し、前記信号取得手段の位置が撮像素子の隅に近いほど、または前記光学系の焦点距離が短くなるほど、または前記射出瞳と前記撮像素子の距離が短くなるほど、前記補正係数α１とα３の比（小さい方に対する大きい方の比）または前記補正係数α２とα４の比が大きくなるように、前記補正係数を調整する、
   ことを特徴とする請求項７に記載の距離検出装置。
9. 前記第３の瞳領域は、前記第２の方向において前記射出瞳の中心から前記第１の瞳領域とは逆方向に偏心した領域であり、
   前記第４の瞳領域は、前記第２の方向において前記射出瞳の中心から前記第２の瞳領域とは逆方向に偏心した領域であり、
   前記補正係数α１、α２、α３、α４はいずれも正の実数である、
   ことを特徴とする請求項４から８のいずれか１項に記載の距離検出装置。
10. 前記第３の瞳領域は、前記第１の方向において前記射出瞳の中心から前記第１の瞳領域と同じ方向に偏心した領域であり
    前記第４の瞳領域は、前記第１の方向において前記射出瞳の中心から前記第２の瞳領域と同じ方向に偏心した領域である、
    ことを特徴とする請求項９に記載の距離検出装置。
11. 前記第３の瞳領域は、前記第２の方向に関して前記射出瞳の中心から前記第１の瞳領域と同じ方向に偏心しており、その偏心量は前記第１の瞳領域よりも多く、
    前記第４の瞳領域は、前記第２の方向に関して前記射出瞳の中心から前記第２の瞳領域と同じ方向に偏心しており、その偏心量は前記第２の瞳領域よりも多い、
    前記補正係数α１およびα２は正の実数であり、α３およびα４は負の実数である、
    ことを特徴とする請求項４から８のいずれか１項に記載の距離検出装置。
12. 前記第３の瞳領域は、前記第１の方向に関して前記第１の瞳領域よりも前記射出瞳の中
    心に近い位置もしくは前記第１の瞳領域とは逆方向に偏心した領域であり、
    前記第４の瞳領域は、前記第１の方向に関して前記第２の瞳領域よりも前記射出瞳の中心に近い位置もしくは前記第２の瞳領域とは逆方向に偏心した領域である、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の距離検出装置。
13. 前記撮像素子は、２行２列に配列された第１、第２、第３および第４の受光部を備える測距画素を複数備えており、
    前記信号取得手段は、複数の測距画素の前記第１、第２、第３および第４の受光部から、それぞれ前記第１、第２、第３および第４の信号を取得する、
    ことを特徴とする請求項４から１２のいずれか１項に記載の距離検出装置。
14. 前記撮像素子は、前記第１の方向に並置された第１および第２の受光部を備える第１の測距画素と、前記第２の方向に並置された第３および第４の受光部を備える第２の測距画素とをそれぞれ複数備えており、
    前記信号取得手段は、複数の第１の測距画素の前記第１および第２の受光部から、それぞれ前記第１および第２の信号を取得し、複数の第２の測距画素の前記第３および第４の受光部から、それぞれ前記第３および第４の信号を取得する、
    ことを特徴とする請求項４から１２のいずれか１項に記載の距離検出装置。
15. 前記第１および第２の測距画素は、３画素以内に隣接して配置される、
    ことを特徴とする請求項１４に記載の距離検出装置。
16. 前記撮像素子は、前記第１の方向に偏心して配置された第１の受光部を備える第１の測距画素と、前記第２の方向に偏心して配置された第３の受光部を備える第２の測距画素と、画素面の略全域に配置された第５の受光部を備える第３の測距画素とをそれぞれ複数備えており、
    前記信号取得手段は、第１の測距画素の前記第１の受光部から前記第１の信号を取得し、第３の測距画素の前記第５の受光部から取得される信号から第１の測距画素の前記第１の受光部から取得される信号を減算することで前記第２の信号を取得し、第２の測距画素の前記第３の受光部から前記第３の信号を取得し、第３の測距画素の前記第５の受光部から取得される信号から第２の測距画素の前記第３の受光部から取得される信号を減算することで前記第４の信号を取得する、
    ことを特徴とする請求項４から１２のいずれか１項に記載の距離検出装置。
17. 前記第１、第２および第５の測距画素は、互いに３画素以内に隣接して配置される、
    ことを特徴とする請求項１６に記載の距離検出装置。
18. 前記演算手段は、前記第１および第２の補正信号に対応する瞳透過率分布に基づいて補正基線長を算出する補正基線長算出処理を更に実行し、
    前記距離算出処理は、前記補正基線長と前記像ズレ量とを用いて前記距離を算出する、
    ことを特徴とする請求項４から１７のいずれか１項に記載の距離検出装置。
19. 前記演算手段は、以下の式３および式４で表わされる第１および第２の修正フィルタを生成し、前記第１の補正信号に第２の修正フィルタを、前記第２の補正信号に第１の修正フィルタを、それぞれ畳み込み積分することにより、第１の修正信号と第２の修正信号とを生成する信号修正処理を更に実行し、
    前記距離算出処理では、前記第１の補正信号および第２の補正信号に代えて前記第１および前記第２の修正信号を用いて前記像ズレ量を算出する、
    ことを特徴とする請求項４から１８のいずれか１項に記載の距離検出装置。
    

    

    ただし、Ｐ１´およびＰ２´は前記第１および第２の修正フィルタ、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４は、それぞれ前記第１、第２、第３、第４の信号を取得する前記信号取得手段と前記光学系によって決まる点像分布関数、α１、α２、α３、α４は前記補正係数である。
20. 請求項１から１９のいずれか１項に記載の距離検出装置と、
    前記撮像素子から得られる信号から被写体の画像を生成する画像生成手段と、
    を備える、撮像装置。
21. 前記撮像装置は、前記距離検出装置の距離検出結果に基づき、前記光学系の焦点検出を行う、
    ことを特徴とする請求項２０に記載の撮像装置。
22. 前記撮像装置は、前記距離検出装置の距離検出結果に基づき、距離画像を取得する、
    ことを特徴とする請求項２０に記載の撮像装置。
23. 被写体の像を結像する光学系と、前記光学系の射出瞳を通過した光束に基づく信号を取得する撮像素子と、前記信号に基づいて前記被写体までの距離を算出する演算手段と、を備えた距離検出装置が行う距離検出方法であって、
    前記射出瞳の中心から第１の方向および該第１の方向と垂直な第２の方向に偏心した第１の瞳領域を通過した光束に基づく第１の信号と、前記射出瞳の中心から前記第１の瞳領域とは逆方向に偏心した第２の瞳領域を通過した光束に基づく第２の信号と、前記第２の方向における重心位置が、前記第１の瞳領域の重心位置とは異なる第３の瞳領域を通過した光束に基づく第３の信号と、を取得する信号取得処理と、
    前記第１の信号と前記第３の信号とを異なる割合で加減算することにより第１の補正信号を生成する信号補正処理と、
    前記第１の補正信号と前記第２の信号に基づいて前記第１の方向における像ズレ量を算出し、当該像ズレ量に基づいて前記距離を算出する距離算出処理と、
    を含む、ことを特徴とする距離検出方法。
24. 前記信号取得処理は、前記第２の瞳領域とは前記第２の方向において異なる位置にある第４の瞳領域を通過した光束に基づく第４の信号を取得する処理をさらに含み、
    前記信号補正処理は、前記第２の信号と前記第４の信号とを異なる割合で加減算することにより、第２の補正信号を生成する処理を含み、
    前記距離算出処理は、前記第１の補正信号と前記第２の補正信号の前記第１の方向における像ズレ量を算出する処理を含む、
    ことを特徴とする請求項２３に記載の距離検出方法。

Images