(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮影光学系の予定結像面近傍に、二次元状に配置される複数のマイクロレンズと、
前記複数のマイクロレンズの各々を透過した光束を受光するように各マイクロレンズの背後に二次元状に配置される複数の受光素子と、
所定の方向に配列された前記マイクロレンズの各々に対して、当該マイクロレンズの光軸を中心として前記所定の方向に対称な位置に位置する一対の受光素子群を選択して、各受光素子群の出力信号を加算して、一対の加算出力信号を算出する選択手段と、
前記選択手段によって算出された一対の加算出力信号に基づき焦点検出する焦点検出手段と、を備え、
前記選択手段は、前記受光素子への入射光量が多い時には、前記受光素子群の受光素子数が少なくかつ前記一対の受光素子群のそれぞれの受光素子数が等しくなるように、前記受光素子への入射光量が少ない時には、前記受光素子群の受光素子数が多くかつ前記一対の受光素子群のそれぞれの受光素子数が等しくなるように、前記受光素子への入射光量に応じて前記受光素子群の受光素子数を変更し、
前記受光素子数が変更された一対の受光素子群の基線長を、前記各受光素子群の選択の仕方それぞれに対応する基線長が記憶されたテーブルから読み出して、前記読み出した基線長を前記焦点検出手段による焦点検出に用いることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の撮像装置において、
前記複数のマイクロレンズの各々において、当該マイクロレンズの光軸上に配置された前記受光素子の出力信号に基づき、画像を生成する画像生成手段を更に備えることを特徴とする撮像装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の撮像装置において、
前記受光素子群の受光素子は、互いに隣接していることを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光検出装置、焦点検出装置および撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
撮影レンズの予定焦点面にマイクロレンズアレイを配置するとともに、その背後に受光素子アレイを配置し、撮影レンズの焦点検出を行う焦点検出装置が知られている。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
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。
【特許文献１】特開昭５４−１５９２５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した従来の焦点検出装置では、マイクロレンズアレイの位置付近に物体像がある場合にマイクロレンズ間の境界位置で不感帯を生じるという問題がある。物体像がマイクロレンズアレイ近傍にあるため、マイクロレンズとマイクロレンズとの間に物体像のエッジ、すなわちコントラストの変化帯がある場合には、この位置の像はマイクロレンズ間の光学的に無効な領域に投影され、有効な光束が受光素子に投影されなくなって焦点検出性能が低下する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１の発明による撮像装置は、撮影光学系の予定結像面近傍に、二次元状に配置される複数のマイクロレンズと、前記複数のマイクロレンズの各々を透過した光束を受光するように各マイクロレンズの背後に二次元状に配置される複数の受光素子と、所定の方向に配列された前記マイクロレンズの各々に対して、当該マイクロレンズの光軸を中心として前記所定の方向に対称な位置に位置する一対の受光素子群を選択して、各受光素子群の出力信号を加算して、一対の加算出力信号を算出する選択手段と、前記選択手段によって算出された一対の加算出力信号に基づき焦点検出する焦点検出手段と、を備え、前記選択手段は、前記受光素子への入射光量が多い時には、前記受光素子群の受光素子数が少なくかつ前記一対の受光素子群のそれぞれの受光素子数が等しくなるように、前記受光素子への入射光量が少ない時には、前記受光素子群の受光素子数が多くかつ前記一対の受光素子群のそれぞれの受光素子数が等しくなるように、前記受光素子への入射光量に応じて前記受光素子群の受光素子数を変更し、前記受光素子数が変更された一対の受光素子群の基線長を、前記各受光素子群の選択の仕方それぞれに対応する基線長が記憶されたテーブルから読み出して、前記読み出した基線長を前記焦点検出手段による焦点検出に用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、マイクロレンズ間の境界位置における不感帯の影響をなくして焦点検出性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、一実施の形態の光検出装置および焦点検出装置を備えた撮像装置としてのカメラの横断面図である。なお、本願発明の光検出装置および焦点検出装置と直接的に関係のないカメラの機器および回路の図示と説明を省略する。また、本願発明の光検出装置および焦点検出装置は一眼レフカメラやコンパクトカメラなどのあらゆる種類のカメラに適用することができる。さらに、本願発明の光検出装置は焦点検出装置に限らず、例えば画像合成装置などに適用することができる。
【０００８】
カメラ１の撮影レンズ(撮影光学系）２を透過した被写体からの光束は、予定結像面３に被写体像を結ぶ。通常、この予定結像面３に撮像素子やフィルムが配設される。撮影前はミラー４が撮影レンズ２の撮影光路中に置かれており、ミラー４で反射された被写体からの光束がマイクロレンズアレイ５と受光素子アレイ６に導かれる。マイクロレンズアレイ５は予定結像面３と光学的に等価な面に配置され、その背後に受光素子アレイ６が配置される。
【０００９】
図２はマイクロレンズアレイ５と受光素子アレイ６の拡大図である。マイクロレンズアレイ５は複数のマイクロレンズ５ａを二次元状に配列して構成され、受光素子アレイ６は複数の受光素子（光電変換素子）６ａを二次元状に配列して構成される。
【００１０】
ある一つのマイクロレンズ５ａにより被写体像が光軸方向に受光素子６ａ上に投影されるとすると、ある範囲の受光素子６ａの一群がそのマイクロレンズ５ａに対応することになる。この点からはマイクロレンズ５ａごとに一群の受光素子６ａを配置してもよいが、この一実施の形態では一様な平面上に複数の受光素子６ａを二次元状に連続して配列した受光素子６を例に上げて説明する。
【００１１】
例えば図３に示す例では、一つのマイクロレンズ５ａに対して横１１個、縦１１個の受光素子６ａからなる正方形の角を省いた領域（図３に太線で示す範囲）の受光素子６ａが対応している。図３の上側に示すマイクロレンズ５ａでは、対応する受光素子６ａの領域の中心にある黒く塗りつぶした受光素子６ａがこのマイクロレンズ５ａの光軸中心に位置し、マイクロレンズに対応する受光素子の領域は上下左右に５個素子づつの広がりを有する。つまり、マイクロレンズアレイ５上の各マイクロレンズ５ａに対応する受光素子アレイ６上の複数の受光素子６ａの内の１つの受光素子６ａが、各マイクロレンズ５ａの光軸上に配置されるようにマイクロレンズアレイと受光素子アレイとを相対的に位置決めして作成されている。
【００１２】
複数のマイクロレンズ５ａと受光素子６ａの関係を図４に示す。この例ではマイクロレンズ５ａの径が受光素子６ａの一辺の長さのちょうど整数倍になっており、マイクロレンズ５ａに対応する受光素子領域内の複数の受光素子６ａの中から焦点検出に用いる受光素子６ａを選択する際に、領域内からバランスよく選択することができる。これにより、焦点検出結果にマイクロレンズ５ａごとの揺らぎが生じるのを防止することができる。
【００１３】
ここで、マイクロレンズ５ａの配列について考察する。図５に示すマイクロレンズ５ａの配列例では、複数のマイクロレンズ５ａが正方稠密（最密）に配列されていて、水平方向の上下に隣接する２列のマイクロレンズ列（例えば図中のＡ列とＢ列）において、マイクロレンズ５ａが互い違いに配列されている。そして、あるマイクロレンズ５ａの水平方向の中心位置は、上方または下方のマイクロレンズ列の水平方向の境界線上になる。なお、垂直方向のマイクロレンズ列においても同様な配列になっている。
【００１４】
図４および図５から明らかなように、この一実施の形態ではマイクロレンズアレイ５上のマイクロレンズ５ａの配列方向が、受光素子アレイ６上の受光素子６ａの配列方向に対して４５度の方向となるように、マイクロレンズアレイ５上のマイクロレンズ５ａを配列する。換言すれば、マイクロレンズアレイ５上の隣接して配列される２列のマイクロレンズ列（図５に示すＡ列とＢ列）は、互いにマイクロレンズ５ａの半径だけ位相をずらして配列する。
【００１５】
水平および垂直方向に隣接するマイクロレンズ５ａの中心間距離は、図４に示すように受光素子６ａの一辺の長さの整数倍になっている。なお、この中心間距離は受光素子６ａの一辺の長さの奇数倍にすることが望ましい。その理由は、マイクロレンズ５ａの中心に受光素子６ａを配置することができ、かつ、マイクロレンズ５ａと受光素子６ａの相対関係がどのマイクロレンズ５ａに対しても同一となるからである。各マイクロレンズ５ａに対応する受光素子領域から焦点検出に用いる受光素子６ａを選択する際に、すべてのマイクロレンズ５ａで同じ選択パターンとすることができる。つまり、各マイクロレンズ５ａに対応する受光素子領域内からバランスよく焦点検出用受光素子を選択することができ、焦点検出結果にマイクロレンズ５ａごとの揺らぎが生じるのを防止して焦点検出性能を向上させることができる。
【００１６】
次に、撮影レンズ２の光軸方向におけるマイクロレンズアレイ５と受光素子アレイ６の配置について考察する。上述したように、撮影レンズ２の予定結像面３と光学的に等価な面にマイクロレンズアレイ５が配置され、撮影レンズ２により結像された被写体像がマイクロレンズ５ａにより受光素子６ａ上に投影される。予定結像面３と光学的に等価なマイクロレンズアレイ５の受光面は、撮影レンズ２の瞳面と略共役の位置にあり、受光素子アレイ６の受光素子６ａの選択は、この焦点検出光学系において瞳開口を選ぶのと等価である。
【００１７】
したがって、図３に示す各マイクロレンズ５ａの光軸上の受光素子６ａ、すなわち各マイクロレンズ５ａに対応する受光素子領域内の中央の受光素子６ａを選択してマイクロレンズアレイ５の像を合成すれば、撮影レンズ２に小さな絞りを配したものと同じになり、焦点深度が深く、いわばパンフォーカスな画像が得られることになる。各マイクロレンズ５ａの中心に受光素子６ａを配置することによって、焦点位置に拠らない被写体像を得ることができる。
【００１８】
さらに具体的には、図３の下側に示すマイクロレンズ５ａにおいて、黒く塗りつぶされた左右それぞれの受光素子６ａの列（群）は、同様に撮影レンズ２において左右短冊状の絞りを透過した被写体像を合成する。この左右の合成像の視差から、撮影レンズ２の焦点調節状態を算出することができる。
【００１９】
この一実施の形態では、以下に示す焦点調節状態の検出方法を採用する。ここでは、図５に示すマイクロレンズアレイ５の水平方向の列から焦点調節状態を検出する例を示す。この場合、図５に示すＡ列とＢ列のマイクロレンズ５ａに対応する受光素子６ａの出力信号に基づいて撮影レンズ２の焦点調節状態を検出する。
【００２０】
Ａ列とＢ列の各マイクロレンズ５ａに対応する複数の受光素子６ａの中から、図３の下側に示すマイクロレンズ５ａのように、左右３個づつの受光素子６ａで構成される一対の受光素子群Ｉ、Ｄを形成する。そして、まず受光素子群Ｉに含まれる３個の受光素子６ａの出力信号を加算し、これをＡ列のｊ番目のマイクロレンズ５ａの左側データＡijとする。同様に、受光素子群Ｄに含まれる３個の受光素子６ａの出力信号を加算し、これをＡ列のｊ番目のマイクロレンズ５ａの右側データＡdjとする。
【００２１】
左右一対のデータ列{Ａij}と{Ａdj}の視差、すなわちイメージのずれに基づいて焦点調節情報を得る方法は、従来のＴＣＬ(Through Camera Lens)タイプの焦点検出装置と基本的に同様である。まず、一対の列の一方をある量ｋだけずらしたＴakを考える。
Ｔak＝Σ｜Ａij+k−Ａdj｜  ・・・（１）
（１）式において、ΣはＡ列のｊ＝１〜ｎ（ｎは焦点検出に用いる受光素子数）の総和を表す。（１）式で表されるＴakが最少となるｋを求める。本質的にイメージは連続であり、またずれ量も連続的に変化するものであるから、このように離散的な計算から得られた離散的なデータＴak列を内挿してずれ量ＨＡを求める。
【００２２】
上述したように、この列は不感帯を含んでおり、マイクロレンズアレイ５の近傍に被写体像面があると、この計算結果の信頼性は低下する。そこで、Ａ列のマイクロレンズ５ａに隣接し、レンズ半ピッチ分だけ位置がずれているＢ列のマイクロレンズ５ａに対応するデータを利用する。Ａ列データを計算したのと同様に、Ｔbkを求める。
Ｔbk＝Σ｜Ｂij+k−Ｂdj｜  ・・・（２）
（２）式において、ΣはＢ列のｊ＝１〜ｎ（ｎは焦点検出に用いる受光素子数）の操作を表す。このＢ列データＴbkを内挿してずれ量ＨＢを求め、このずれ量ＨＢと上記Ａ列のずれ量ＨＡの相加平均ないしは相乗平均をとり、焦点調節情報とすることができる。
【００２３】
このようにすれば、相補的に位置する二つの列、Ａ列とＢ列とが互いの不感帯を補い合い、被写体像がマイクロレンズアレイ５の受光面の近傍にあっても安定した焦点検出結果を得ることができる。
【００２４】
この計算は、一対のデータ列{Ａdj}と{Ｂdj}を互い違いに整列させた新たなデータ列{Ｃdj}と、一対のデータ列{Ａij}と{Ｂij}を互い違いに配列させた新たなデータ列{Ｃij}を考え、これらのデータ列{Ｃdj}と{Ｃij}のずれ量を算出しても同様な効果が得られる。このとき、データ列{Ｃdj}と{Ｃij}は、
{Ｃdj}＝・・,Ａdj,Ｂdj,Ａdj+1,Ｂdj+1,Ａdj+2,Ｂdj+2,・・、
{Ｃij}＝・・,Ａij,Ｂij,Ａij+1,Ｂij+1,Ａij+2,Ｂij+2,・・      ・・・（３）
のようなＡ列とＢ列とを合わせた長さを持つ数列となる。この数列から従来の方法でずれ量ＨＣを算出すればよい。
【００２５】
また、演算量を少なくするために、次のような計算方法を採用してもよい。この場合、上述したデータ列の合成ではなく、算出値の合成になる。まず、データ列{Ａdj}と{Ａij}からずれ量ＨＡを算出し、同様にデータ列{Ｂdj}と{Ｂij}からずれ量ＨＢを算出する。この値は配列上、相補的であるから、ずれ量Ｈを、
Ｈ＝√（ＨＡ・ＨＢ）  ・・・（４）
あるいは、
Ｈ＝（ＨＡ＋ＨＢ）／２  ・・・（５）
として求める。これによって、不感帯の影響を小さくした焦点調節情報を得ることができる。
【００２６】
この正方配列では、水平方向と垂直方向が回転対称であるから、垂直方向についても同様である。被写体の焦点が合焦点付近で上記不感帯への配慮が不要なときには、４５度方向のマイクロレンズ列を用いて焦点検出を行うことも可能である。この場合、隣接する列を用いても配置が相補的ではないので、データ量を増やすことは揺らぎを安定させる意味しかなく、一列の処理で充分である。各マイクロレンズ５ａに対応する受光素子群は、例えば図６の上に示すマイクロレンズ５ａに対応する一対の受光素子群のようにすると、この演算に適したデータが用意できる。
【００２７】
各マイクロレンズ５ａに対応する受光素子領域の中から一対の焦点検出用受光素子群を選択する際には、マイクロレンズ５ａの配列や基線の向きに応じて選択方法を変える必要がある。撮影レンズ２の開口より大きな瞳を設けることはできないから、撮影レンズ２の絞り値によって受光素子群の選択を変える必要がある。また、受光素子６ａへの入射光量、あるいは受光素子群に入る光子の量が、受光素子６ａの蓄積時間もしくはサンプリング時間に影響することから、光量が少ない場合には受光素子群の領域を広げ（図３の下側のマイクロレンズおよび図７の下側マイクロレンズ５ａ参照）、多いときには受光素子群の領域を理想に近い小さな領域とする必要がある（図７の下側のマイクロレンズ５ａ参照）。基線の方向が回転するときには、もちろんそれに応じて受光素子群の選択位置を変化させる必要がある。
【００２８】
なお、理想的な瞳位置を種々の状況に応じていくつかの有限個の受光素子群の結合としているため、基線長には一定の誤差が生じる。焦点ずれの値は基線長に対して線形であるから、この誤差は焦点ずれの値にそのままかかってくることになる。そこで、各受光素子群の選択の仕方それぞれに対応する基線長テーブルを用意し、受光素子群を選択するときには必要な基線長をテーブルから読み出し、実効的な値として援用する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】一実施の形態の焦点検出装置を備えたカメラの横断面図
【図２】マイクロレンズアレイと受光素子アレイの拡大図
【図３】マイクロレンズアレイ上の各マイクロレンズに対応する受光素子アレイ上の受光素子の配列と、一対の焦点検出用受光素子群の選択方法を示す図
【図４】マイクロレンズアレイ上の各マイクロレンズに対応する受光素子アレイ上の受光素子の配列を示す図
【図５】マイクロレンズアレイ上のマイクロレンズの配列を示す図
【図６】マイクロレンズアレイ上の各マイクロレンズに対応する受光素子アレイ上の受光素子の配列と、一対の焦点検出用受光素子群の選択方法を示す図
【図７】マイクロレンズアレイ上の各マイクロレンズに対応する受光素子アレイ上の受光素子の配列と、一対の焦点検出用受光素子群の選択方法を示す図
【符号の説明】
【００３０】
１  カメラ
２  撮影レンズ
５  マイクロレンズアレイ
５ａ  マイクロレンズ
６  受光素子アレイ
６ａ  受光素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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