(57)【要約】 【課題】焦点検出精度を向上する。【解決手段】  マイクロレンズ５の背後に受光部１〜４を配置した画素６を複数個配列して画素列を形成するとともに、この画素列を光学系２０９、２１０の予定結像面近傍に配置し、受光部の出力信号に基づいて光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出装置において、受光部を画素列の並び方向に沿った３つ以上の受光領域を有するものとする。そして、光学系の口径情報に応じて選択した一対の受光領域の出力信号に基づいて、光学系の異なる瞳領域９０２、９０３を通過する一対の光束により結像される一対の像のズレ量を求め、この像ズレ量に基づいて光学系の焦点調節状態を検出する。【選択図】図７
2007133087.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロレンズの背後に受光部を配置した画素を複数個配列して画素列を形成するとともに、当該画素列を光学系の予定結像面近傍に配置し、前記受光部の出力信号に基づいて前記光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出装置であって、
前記受光部は前記画素列の並び方向に沿った３つ以上の受光領域を有することを特徴とする焦点検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の焦点検出装置において、
受光領域を４つ以上とすることを特徴とする焦点検出装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の焦点検出装置において、
受光領域をほぼ同形状にすることを特徴とする焦点検出装置。
【請求項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、
前記光学系の口径情報に応じて選択した一対の受光領域の出力信号に基づいて、前記光学系の異なる瞳領域を通過する一対の光束により結像される一対の像のズレ量を求め、この像ズレ量に基づいて前記光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出手段を備えることを特徴とする焦点検出装置。
【請求項５】
請求項４に記載の焦点検出装置において、
前記焦点検出手段は、前記受光部の一対の受光領域のそれぞれにおける受光量がほぼ等しくなるように、前記受光部の領域を２組に分けることを特徴とする焦点検出装置。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の焦点検出装置において、
前記焦点検出手段は、前記像ズレ量を前記光学系のデフォーカス量に変換するための変換係数を、前記受光部の領域の選択に応じて変更することを特徴とする焦点検出装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の焦点検出装置を備えることを特徴とする光学システム。
【請求項８】
請求項７に記載の光学システムにおいて、
マイクロレンズの背後に受光部を配置した画素を二次元状に配列し、前記光学系により結像された被写体像を撮像する撮像素子を備え、
前記焦点検出装置の前記画素列は、前記撮像素子の画素の一部であることを特徴とする光学システム。
【請求項９】
請求項８に記載の光学システムは、前記焦点検出装置を含む本体と、前記本体に対して着脱可能な前記光学系を含むレンズ構体とから構成され、
前記レンズ構体側に前記口径情報を記憶する記憶手段を設けるとともに、前記本体側に前記焦点検出手段を配置し、
前記焦点検出手段は、装着された前記レンズ構体の前記記憶手段から前記口径情報を読み出すことを特徴とする光学システム。
【請求項１０】
マイクロレンズの背後に受光部を配置した画素を複数個配列して画素列を形成するとともに、当該画素列を光学系の予定結像面近傍に配置し、前記受光部の出力信号に基づいて前記光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出方法であって、
前記受光部は前記画素列の並び方向に沿った３つ以上の受光領域を有し、前記光学系の口径情報に応じて選択した一対の受光領域の出力信号に基づいて、前記光学系の異なる瞳領域を通過する一対の光束により結像される一対の像のズレ量を求め、この像ズレ量に基づいて前記光学系の焦点調節状態を検出することを特徴とする焦点検出方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の焦点検出方法において、
前記受光部の一対の受光領域のそれぞれにおける受光量がほぼ等しくなるように、前記受光部の領域を２組に分けることを特徴とする焦点検出方法。
【請求項１２】
請求項１０または請求項１１に記載の焦点検出方法において、
前記像ズレ量を前記光学系のデフォーカス量に変換するための変換係数を、前記受光部の領域の選択に応じて変更することを特徴とする焦点検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出装置と、その焦点検出装置を備えた光学システム、および焦点検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロレンズアレイを用いて、光学系の射出瞳面の一対の領域を通過した焦点検出用光束を用いて光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、一対の焦点検出用光束により結像された一対の像の出力レベルにアンバランスが生じた場合には、一対の像の出力レベルを補正することによって一対の像の出力レベルを揃え、補正後の一対の像の出力を用いて像ズレ量を検出している。
【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２００３−２４１０７５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、いったん光電変換された後の像情報を拡縮しているので、量子化やノイズの影響のために一対の像の出力レベルのバランスが大きく崩れた場合には、正確な像ズレ検出が期待できない。その上、焦点検出用光束のケラレが複雑な過程の影響で発生しているので、単純にモデル化した系を仮定して設計パラメーターのみで補正量を算出しても、一対の像の出力レベルを正確に補正するのは困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）  請求項１の発明は、マイクロレンズの背後に受光部を配置した画素を複数個配列して画素列を形成するとともに、この画素列を光学系の予定結像面近傍に配置し、受光部の出力信号に基づいて光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出装置において、受光部を画素列の並び方向に沿った３つ以上の領域に分割する。
（２）  請求項２の発明は、受光領域を４つ以上にしたものである。
（３）  請求項３の発明は、受光領域をほぼ同形状にしたものである。
（４）  請求項４の発明は、光学系の口径情報に応じて選択した一対の受光領域の出力信号に基づいて、光学系の異なる瞳領域を通過する一対の光束により結像される一対の像のズレ量を求め、この像ズレ量に基づいて光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出手段を備える。
（５）  請求項５の発明は、焦点検出手段によって、受光部の一対の受光領域のそれぞれにおける受光量がほぼ等しくなるように、受光部の領域を２組に分けるようにしたものである。
（６）  請求項６の発明は、焦点検出手段によって、像ズレ量を光学系のデフォーカス量に変換するための変換係数を、受光部の領域の選択に応じて変更するようにしたものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、一対の像信号の出力レベルが略等しくなるように受光部を領域分割することができ、その結果、像ズレ検出を高精度に行うことができ、焦点検出精度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は一実施の形態の焦点検出装置の光学系の構成を示す図である。なお、図１は光学系（不図示）の光軸上のマイクロレンズとそれに隣接するマイクロレンズの部分のみを拡大したものであり、実際には多くのマイクロレンズが配列されて１つの焦点検出エリアを形成している。また、光学系の光軸上以外にもマイクロレンズアレイが配置され、別の焦点検出エリアを形成している。そして、焦点検出エリアごとに、焦点検出エリアが配置された位置における光学系の焦点調節状態を検出する。
【０００８】
図１において、９０１は光学系の射出瞳、９０２と９０３は測距瞳、９０４は光学系の光軸、９５０と９６０はマイクロレンズ、９５２と９５３、９６２と９６３はそれぞれ焦点検出用のイメージセンサの一対の受光部、９６７は測距瞳の投影軸、９７２と９７３、９８２と９８３はそれぞれ焦点検出用光束である。
【０００９】
マイクロレンズ９５０、９６０は光学系の予定結像面近傍に配置される。光軸９０４上に配置されたマイクロレンズ９５０によって、その背後に配置された一対の受光部９５２、９５３の形状が光軸９０４の方向の光学系の射出瞳９０１上の測距瞳９０２、９０３へ投影される。また、光軸９０４から離間して配置されたマイクロレンズ９６０によって、その背後に配置された一対の受光部９６２、９６３の受光部の形状が投影軸９６７の方向の射出瞳９０１上の測距瞳９０２、９０３へ投影される。
【００１０】
受光部９５２は、測距瞳９０２を通過した焦点検出光束９７２によりマイクロレンズ９５０上に形成される像の強度に対応した情報を出力し、受光部９５３は、測距瞳９０３を通過した焦点検出光束９７３によりマイクロレンズ９５０上に形成される像の強度に対応した情報を出力する。また、受光部９６３は、測距瞳９０２を通過した焦点検出光束９８２によりマイクロレンズ９６０上に形成される像の強度に対応した情報を出力し、受光部９６３は、測距瞳９０３を通過した焦点検出光束９８３によりマイクロレンズ９６０上に形成される像の強度に対応した情報を出力する。
【００１１】
上述したマイクロレンズをアレイ状に多数配置し、各マイクロレンズの背後に配置した一対の受光部の出力をまとめることによって、測距瞳９０２と測距瞳９０３を各々通過する焦点検出用光束がマイクロレンズアレイ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。この情報に対して周知の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、一対の像の像ズレ量を検出することができる。そして、像ズレ量に所定の変換係数を乗ずることにより、予定結像面に対する現在の結像面、すなわち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）を算出することができる。
【００１２】
マイクロレンズアレイを用いた瞳分割方式においては、焦点検出状態の検出結果としてデフォーカス量、すなわち予定結像面に対する現在の結像面の光軸方向のズレ方向とズレ量が正確に算出されるため、このデフォーカス量に応じて光学系を変位させることによって、コントラスト検出方式などの他の焦点検出方式に比較して迅速に光学系を合焦させることが可能である。
【００１３】
ここで、マイクロレンズアレイを用いた瞳分割方式の焦点検出装置では、像ズレ量を高精度に検出するためには、一対の像の同一性が高いことが要求される。そこで、まず一対の像の出力レベルのバランスについて以下に説明する。
【００１４】
図２はマイクロレンズ背後に配置される一対の受光部で受光した一対の像を示す。(ａ)図において、一対の像９１１、９１２は同一性が高く、単に横方向にずれているだけなので、周知の相関演算により像ズレ量を正確に求めることができる。（ｂ）図は、口径食などにより焦点検出用光束にケラレが生じ、一対の焦点検出用光束のバランスが崩れた場合の、焦点検出用イメージセンサで検出される輝度一様な被写体像を表しており、本来なら一致すべきはずの一方の像９１１の出力レベルと他方の像９１２の出力レベルとが異なっている。
【００１５】
（ｂ）図の状況で（ａ）図と同じ被写体を見た場合には、（ｃ）図に示すように一対の像９３１、９３２の出力バランスが大きく崩れ、この一対の像９３１、９３２に対して周知の相関演算を施しても算出される像ズレ量の誤差が大きく、焦点検出精度が悪化したり、最悪の場合には像ズレ量の算出が不能となり、焦点検出不能になってしまう場合がある。
【００１６】
図３は焦点検出用光束のケラレ（口径食）を説明するための図である。図において、９０５は焦点検出面、９４０は図１に示す射出瞳面９０１（距離ｄ０）に一致している光学系の絞りまたは絞り以外の射出瞳、９４８は射出瞳面９０１より遠方（距離ｄ１）にある光学系の絞りまたは絞り以外の開口の射出瞳である。また、９４９は射出瞳面９０１より近く（距離ｄ２）にある光学系の絞りまたは絞り以外の開口の射出瞳、９４５は光軸上の焦点検出エリアの位置、９４７は光軸から離間した画面周辺の焦点検出エリアの位置である。さらに、９２２、９２３は光軸上の焦点検出エリアの位置９４５に配置されたマイクロレンズアレイに入射する一対の焦点検出光束、９２２、９２３は光軸から離間した画面周辺の焦点検出エリアの位置９４７に配置されたマイクロレンズアレイに入射する一対の焦点検出光束である。
【００１７】
一般に、光学系の絞りまたは絞り以外の開口（レンズ端など）は光軸中心の円形の開口形状となっており、射出瞳９４０、９４８、９４９も円形形状となる。光軸上の焦点検出エリア９４５に配置されたマイクロレンズアレイと、光軸から離間した画面周辺の焦点検出エリアの位置９４７に配置されたマイクロレンズアレイとは、焦点検出面９０５から所定距離ｄ０前方の射出瞳面９０１上において略同一な一対の測距瞳９０２、９０３を通過する光束を、一対の焦点検出用光束（９２２、９２３）、（９３２，９３３）として利用して一対の像を検出している。
【００１８】
光学系の絞りまたは絞り以外の射出瞳９４０が射出瞳面９０１と略合致しており、その開口径または開口形状が測距瞳９０２、９０３より大きければ、一対の焦点検出光束（９２２、９２３）、（９３２，９３３）にケラレ（口径食）は発生せず、一対の像の出力レベルは合致する。
【００１９】
光学系の絞りまたは絞り以外の射出瞳９４０が射出瞳面９０１と略合致しており、その開口径または開口形状が測距瞳９０２、９０３より小さい場合、一対の焦点検出光束（９２２、９２３）、（９３２，９３３）にケラレ（口径食）が発生するが、一対の焦点検出光束が略均等にケラレるために一対の像の出力レベルは合致する。
【００２０】
光学系の絞りまたは絞り以外の射出瞳９４８、９４９が射出瞳面９０１と合致しておらず、射出瞳面９０１より遠距離や近距離にある場合、光軸上の焦点検出エリア９４５の一対の焦点検出光束９２２、９２３に対しては、その開口径または開口形状が一対の焦点検出光束（９２２、９２３）をけらなければ、一対の像の出力レベルは合致するとともに、一対の焦点検出光束（９２２、９２３）をけった場合でも、略均等にケラレが生ずるために一対の像の出力レベルは合致する。
【００２１】
光学系の絞りまたは絞り以外の射出瞳９４８、９４９が射出瞳面９０１と合致しておらず、射出瞳面９０１より遠距離や近距離にある場合、光軸外の焦点検出エリア９４７の一対の焦点検出光束９３２、９３３に対しては、その開口径または開口形状が一対の焦点検出光束（９３２、９３３）をけらなければ、一対の像の出力レベルは合致するが、一対の焦点検出光束（９３２、９３３）をけった場合には、射出瞳面９０１から離れた面では焦点検出光束（９３２、９３３）が通過する領域が光軸に対して非対称となるために、一方の焦点検出光束のみにケラレが生じたり、両方の焦点検出光束にケラレが生じた場合でも、そのケラレ量が大幅に異なるため、一対の像の出力レベルに相違が生ずる。
【００２２】
図４は、一実施の形態のマイクロレンズアレイ方式の瞳分割型焦点検出装置の１つのマイクロレンズユニットの断面図である。マイクロレンズ５（光学要素）の背後に、イメージセンサの受光部１、２、３、４を並列に配置し、マイクロレンズユニット６（１つの焦点検出用画素）を形成する。そして、受光部１、２、３、４の並び方向に複数のマイクロレンズユニット６を配列してマイクロレンズユニット・アレイを形成し、このアレイ（複数の焦点検出用画素）からの出力に基づいて一対の像信号の像ズレ量を検出することによって、光学系の焦点調節状態を検出する。マイクロレンズ５のレンズ作用により、マイクロレンズ５に複数の方向から入射する焦点検出用光束がそれぞれ受光部１、２、３、４に受光される構成となる。なお、この受光部１〜４はいずれもほぼ同形状となっており、その数も３以上であればよい。
【００２３】
図５はマイクロレンズユニットの受光部の正面図である。図４では受光部数を４として示したが、図５では受光部数を１４として示す。ほぼ同形状の受光部１０〜２３は並列に配置されており、ある光学系から到来する光束がマイクロレンズにより受光部１０〜２３上の領域７（破線で示す円の内部）に投影される。
【００２４】
図５おいて、領域７は受光部１３から受光部２０にまたがっており、領域７の受光部の並び方向の中心線８は受光部１６と受光部１７の間に位置する。複数の受光部１０〜２３を、中心線８の左右で一対の領域（１０〜１６）（１７〜２３）に振り分ける。振り分けた一方の領域（１０〜１６）に属する受光部の出力を用いて一対の像の一方の像信号を形成し、他方の領域（１７〜２３）に属する受光部の出力を用いて一対の像のもう一方の像信号を形成する。これにより、略同等の光量を有する一対の焦点検出用光束により形成される一対の像の出力を得ることができる。
【００２５】
受光部上に投影される領域７の位置と形状は光学系によって異なるし、同じ光学系であってもフォーカシング状態、ズーミング状態、絞り設定状態などによって異なる。領域７の位置と形状は、口径情報（光学系の構成、通過する光束を規制する絞りやレンズ端の予定結像面を基準とした光軸方向の位置／形状）と焦点検出位置（マイクロレンズアレイが配置されている光軸と直交する面内の位置）に応じて算出することができる。算出された領域７の面積を受光部の並び方向に垂直な線分で略２等分する境界線８を決定し、複数の受光部を境界線８の一方の側の領域ともう一方の側の領域に振り分けることによって、略同等の光量を有する一対の焦点検出光束により形成される一対の像の出力を得ることができる。
【００２６】
図６はマイクロレンズユニットの断面図である。光学系の構成、フォーカシング状態、ズーミング状態、絞り設定状態に応じて、光学系からマイクロレンズユニットに到来する光束の方向が変化する。図において、光束３０（実線で示す）と光束３１（破線で示す）は到来方向が異なっており、それに応じてマイクロレンズ５によって受光部１０〜２３上に投影される領域も異なる。
【００２７】
図７はマイクロレンズユニットの受光部の正面図であり、図５と異なる位置に領域７が投影される場合を示す。領域７は受光部１５から受光部２２にまたがっており、領域７の受光部の並び方向の中心線８は受光部１８と受光部１９の間に位置している。複数の受光部１０〜２３は中心線８の左右で一対の領域（１０〜１８）、（１９〜２３）に振り分けられる。振り分けられた一方の領域（１０〜１８）に属する受光部の出力を用いて一対の像の一方の像信号を形成し、他方の領域（１９〜２３）に属する受光部の出力を用いて一対の像のもう一方の像信号を形成する。これにより、略同等の光量を有する一対の焦点検出光束により形成される一対の像の出力を得ることができる。
【００２８】
図８はマイクロレンズユニットの受光部の正面図であり、図５および図７と異なる位置に領域７が投影される場合を示す。領域７は受光部１１から受光部１８にまたがっており、領域７の受光部の並び方向の中心線８は受光部１４と受光部１５の間に位置している。複数の受光部１０〜２３は中心線８の左右で一対の領域（１０〜１４）、１５〜２３）に振り分けられる。振り分けられた一方の領域（１０〜１４）に属する受光部の出力を用いて一対の像の一方の像信号を形成し、他方の領域（１５〜２３）に属する受光部の出力を用いて一対の像のもう一方の像信号を形成する。これにより、略同等の光量を有する一対の焦点検出光束により形成される一対の像の出力を得ることができる。
【００２９】
図９は焦点検出装置を備える光学システムの構成図である。デジタルスチルカメラ２０１はカメラボディ２０３と交換レンズ２０２とから構成され、それらはマウント部２０４により結合される。交換レンズ２０２は被写体像を形成するためのレンズ２０９、フォーカシング用レンズ２１０、絞り２１１、フォーカシング用レンズ２１０の駆動制御および絞り２１１の駆動制御を行うレンズＣＰＵ２０６などを備えている。
【００３０】
カメラボディ２０３は、交換レンズ２０２の予定結像面に配置される撮像素子２１２、撮像素子２１２からの画像信号の読み出しおよびデジタルスチルカメラ全体の動作制御を行うボディＣＰＵ２１４、ボディＣＰＵ２１４から画像信号の一部を受信して交換レンズ２０２の焦点調節状態を検出する焦点検出部２１３、液晶ビューファインダ（ＥＶＦ：電気的ビューファインダー）の液晶表示素子２１６、液晶表示素子２１６を観察するための接眼レンズ２１７、ボディＣＰＵ２１４の制御にしたがって液晶ビューファインダの液晶表示素子２１６を駆動する液晶表示素子駆動回路２１５などを備えている。
【００３１】
焦点検出部２１３とレンズＣＰＵ２０６は、マウント部２０４に設けられた電気接点部２１８により各種情報（口径情報、レンズ駆動のためのデフォーカス量等）を伝達する。撮像素子２１２には、複数の焦点検出位置に対応した複数の部分に上述したマイクロレンズユニットと配列する。
【００３２】
交換レンズ２０２を通過して撮像素子２１２上に形成された被写体像は、撮像素子２１２により光電変換され、その出力はボディＣＰＵ２１４に送られる。このとき、マイクロレンズユニット（焦点検出用画素）の出力は焦点検出部２１３へ送られる。焦点検出部２１３は、レンズＣＰＵ２０６と通信し、装着されているレンズの口径情報を読み出し、この口径情報と焦点検出部２１３が保持している複数の焦点検出位置の情報に基づいて、上述した領域７の位置と形状を算出する。さらに、焦点検出部２１３は、算出した領域７の面積をマイクロレンズユニットの複数の受光部の並び方向に垂直な線分で略２等分する境界線を決定し、複数の受光部をこの境界線の一方の側の領域ともう一方の側の領域に振り分け、振り分けた一方の領域に属する受光部の出力を用いて一対の像の一方の像信号を形成し、他方の領域に属する受光部の出力を用いて一対の像のもう一方の像信号を形成する。
【００３３】
なお、レンズＣＰＵ２０６は口径情報をフォーカシング状態、ズーミング状態および絞り設定状態に応じて変更する。具体的には、レンズＣＰＵ２０６はレンズ２０９、２１０の位置と絞り２１１の絞り位置をモニターし、モニター情報に応じて口径情報を演算したり、あるいは予め用意されたルックアップテーブルからモニター情報に応じた口径情報を選択する。
【００３４】
焦点検出部２１３は、焦点検出位置ごとに得られた一対の像信号に対して周知の焦点検出演算処理を施し、焦点検出位置ごとに一対の像の像ズレ量を算出する。さらに、焦点検出部２１３は、焦点検出位置ごとに算出した像ズレ量に後述する変換係数を乗じ、各焦点検出位置におけるデフォーカス量を算出する。そして、焦点検出部２１３は、複数のデフォーカス量に基づき最終的なデフォーカス量を決定する。例えば、複数のデフォーカス量のうちの最至近を示すデフォーカス量を最終的なデフォーカス量とする。あるいは、複数のデフォーカス量の平均値を最終的なデフォーカス量とする。焦点検出部２１３は、最終的なデフォーカス量に基づきレンズ駆動が必要だと判断した場合（非合焦と判断した場合）には、最終的なデフォーカス量をレンズＣＰＵ２０６へ送信する。
【００３５】
レンズＣＰＵ２０６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、このレンズ駆動量に基づいてフォーカシングレンズ２１０を合焦点へと駆動する。ボディＣＰＵ２１４は、撮像素子２１２からの出力信号に基づいて表示用の画像信号を生成し、この画像信号を液晶表示素子駆動回路２１５を介して液晶表示素子２１６に表示する。
【００３６】
図１０は、図９に示すデジタルスチルカメラにおける焦点検出位置の具体例を示す。図９で説明した複数の焦点検出位置は例えば図１０のごとく、撮影画面３００上で焦点検出位置３０１が画面中央、焦点検出位置３０２、３０３が画面左右に配置されている。
【００３７】
図１１は、図９に示す撮像素子２１２の詳細な構成図である。撮像素子２１２は撮像用画素３１０が２次元的に配列されており、図１０に示す３ヶ所の焦点検出位置に対応する部分には焦点検出用画素３１１（マイクロレンズユニット）が図示のごとく配列されている。焦点検出用画素３１１の複数の受光部の並び方向は、画面中心（光軸中心）に対して放射方向となっており、焦点検出用画素３１１の並び方向も画面中心（光軸中心）に対して放射方向となっている。
【００３８】
図１２は焦点検出用画素の回路構成図である。なお、図１２では４個の受光部を有する１つのマイクロレンズユニットの受光部のみを示す。１〜４は受光部（フォトダイオード）、５１〜５４は転送スイッチＭＯＳトランジスタ、６４１〜６４４は受光部１〜４を所定電位にリセットするリセット用ＭＯＳトランジスタである。また、６５１〜６５４は転送スイッチＭＯＳトランジスタ５１〜５４により受光部１〜４から転送された電荷に基づく増幅信号を得るためのソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ、５７１〜５７４はソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ６５１〜６５４のフローティングディフージョン部（ＦＤ部）である。
【００３９】
６６１〜６６４はソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ６５１〜６５４で得られる増幅信号の読出対象の受光部を選択する水平選択スイッチＭＯＳトランジスタ、７０１〜７０４はソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ６５１〜６５４とともにソースフォロワを構成する負荷ＭＯＳトランジスタであり、所定電圧ＶＬ、ＶＳＳが印加される。また、７２１〜７２４はソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ６５１〜６５４の出力の転送制御を行う出力転送ＭＯＳトランジスタ、７４１〜７４４は出力転送ＭＯＳトランジスタ７２１〜７２４によって転送された出力を蓄積する出力蓄積容量である。
【００４０】
７６１〜７６４は出力蓄積容量７４１〜７４４に蓄積されている各出力を水平出力線へ転送する水平転送ＭＯＳトランジスタ、７８は信号を増幅して出力する出力アンプ、７９は水平選択スイッチＭＯＳトランジスタ６６１〜６６４等のオン／オフを制御する垂直走査回路、８０は水平転送ＭＯＳトランジスタ７６１〜７６４のオン／オフを制御する水平走査回路である。
【００４１】
図１３は、図１２に示す撮像素子回路の動作を示すタイミングチャートである。まず、制御パルスＰＲをハイレベルにする。次に、制御パルスＰＸをハイレベルに切り換えて、転送スイッチＭＯＳトランジスタ５１〜５４を同時にオンにする。このとき、制御パルスＰＲはハイレベルとなっているので、ＦＤ部５７１〜５７４に残った電荷とともにフォトダイオード１〜４に残った電荷が電圧Ｖｄｄにリセットされる。次に、制御パルスＰＸをローレベルにしてフォトダイオード１〜４で電荷蓄積を同時に開始するとともに、制御パルスＰＲをローレベルにしてＦＤ部５７１〜５７４をフローティング状態とする。
【００４２】
電荷蓄積時間後、制御パルスＰＸをハイレベルに切り換え、転送スイッチＭＯＳトランジスタ５１〜５４を導通し、フォトダイオード１〜４で蓄積された電荷をＦＤ部５７１〜５７４に転送する。フォトダイオード１〜４で変換された電荷がＦＤ部５７１〜５７４に転送されることによって、ＦＤ部５７１〜５７４の電位がフォトダイオード１〜４で受光した光量に応じて変化することになる。このとき、ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ６５１〜６５４がフローティング状態であるので、ＦＤ部５７１〜５７４の電位を、制御パルスＰＳｎ、ＰＴを一時的にハイレベルに切り換えることによって出力蓄積容量７４１〜７４４に出力する。出力蓄積容量７４１〜７４４に蓄積された電荷は、水平走査回路８０からの水平転送ＭＯＳトランジスタ７６１〜７６４への走査タイミング信号によって、水平転送期間に差動出力アンプ７８から出力される。
【００４３】
以上が撮像素子の焦点検出用画素が含まれる一行の画素出力を得るための動作である。以上の動作を制御パルスＰＳｎ（ｎは垂直方向の行数を示す）を垂直方向に順次ずらしながら行うことによって、すべての行の画像信号（撮像用画素および焦点検出用画素の出力）を得ることができる。
【００４４】
図１４は、図９に示すデジタルスチルカメラ（光学システム）の動作（ボディＣＰＵ２１４および焦点検出部２１３の動作）を示すフローチャートである。ステップ１００において電源がＯＮされるとステップ１１０へ進み、レンズＣＰＵ２０６から口径情報を受信する。続くステップ１２０で、口径情報と焦点検出位置情報に基づいて各焦点検出位置ごとに受光部の振り分け処理方法を決定する。ステップ１３０では焦点検出位置ごとに撮像素子の焦点検出用画素から複数受光部の像信号を読み出し、ステップ１２０で決定した振り分け方法に従って受光部を振り分け、振り分けられた受光部に属する受光部の出力を合成（加算）して一対の像信号を生成する。
【００４５】
ステップ１４０において焦点検出位置ごとに合成された一対の像信号の像ズレ量を演算する。次に、ステップ１５０で焦点検出位置ごとに像ズレ量に変換係数（詳細後述）を乗じ、各焦点検出位置ごとのデフォーカス量を算出し、複数のデフォーカス量に基づいて最終的なデフォーカス量を決定する。ステップ１６０では最終的なデフォーカス量に基づいて撮影光学系が合焦状態か否かを判定する。合焦状態でないと判定された場合はステップ１７０へ進み、デフォーカス量をレンズＣＰＵ２０６に送信し、撮影光学系を合焦位置に駆動させた後、ステップ１１０へ戻って上述した動作を繰り返す。
【００４６】
一方、ステップ１６０で合焦状態であると判定された場合はステップ１８０へ進み、シャッターレリーズがなされたか否かを判定する。シャッターレリーズがなされていない場合はステップ１１０へ戻って上述した動作を繰り返す。一方、シャッターレリーズがなされた場合はステップ１９０へ進み、撮影動作を実行した後、ステップ１１０へ戻って上記動作を繰り返す。
【００４７】
図１５は変換係数の説明図である。上述した一対の像の像ズレ量をデフォーカス量に変換する際の変換係数は、振り分けられた領域のうちで一対の像を合成するときに用いられる受光部が受光する焦点検出光束の重心の開き角に応じて決まる。図１５において、像ズレ量がｈの場合、焦点検出光束４１７、４２７の重心の開き角がΘ１であれば、このときの変換係数をｋ１としてデフォーカス量ｇ１は次式で計算される。
ｇ１＝ｋ１×ｈ≒ｈ／２・tan（Θ１／２）  ・・・（１）
【００４８】
一方、像ズレ量が同じｈの場合でも、焦点検出光束４３７、４４７の重心の開き角がΘ２であれば、このときの変換係数をｋ２としてデフォーカス量ｇ２は次式で計算される。
ｇ１＝ｋ２×ｈ≒ｈ／２・tan（Θ２／２）  ・・・（２）
したがって、一対の像の像ズレ量からデフォーカス量を算出する際は、一対の像を合成する際に用いた受光部が受光する焦点検出光束の重心の開き角に応じて変換係数を決定する。
【００４９】
図１６〜図１８により、焦点検出光束の重心について説明する。ここでは、マイクロレンズ５の背後に６つの受光部４０、４１、４２、４３、４４、４５が並列に配置されている場合を例に上げて説明する。図１６は２つの領域が受光部４２、４３の間の境界線で振り分けられ、振り分けられた領域のうち受光部４２と受光部４３が一対の焦点検出用光束を受光している場合を示す。この場合は、受光部４２が受光する焦点検出用光束の重心４５７と、受光部４３が受光する焦点検出用光束の重心４６７とが焦点検出用光束の重心となる。
【００５０】
図１７は２つの領域が受光部４２、４３の間の境界線で振り分けられ、振り分けられた領域のうち受光部４１、４２と受光部４３、４４とが一対の焦点検出光束を受光している場合を示す。この場合は、受光部４１、４２が受光する焦点検出光束の重心４７７と受光部４３、４４が受光する焦点検出光束の重心４８７が焦点検出光束の重心となる。
【００５１】
図１８は２つの領域が受光部４２、４４の間の境界線で振り分けられ、振り分けられた領域のうち受光部４１、４２と受光部４４、４５が一対の焦点検出光束を受光している場合を示す。この場合は、受光部４１、４２が受光する焦点検出光束の重心４９７と受光部４４、４５が受光する焦点検出光束の重心５０７とが焦点検出光束の重心となる。
【００５２】
《受光部の選択方法》
受光部の選択方法は図５〜図８で説明した方法に限定されない。図１９において、受光部１０〜２３は並列配置されており、ある光学系から到来する光束がマイクロレンズにより受光部１０〜２３上の領域７（破線で示す円の内部）に投影される。領域７は受光部１２から受光部１７にまたがっており、領域７の受光部の並び方向の中心線８は受光部１４と受光部１５の間に位置している。複数の受光部１０〜２３は中心線８の左右で一対の領域（１０〜１４）と（１５〜２３）とに振り分けられる。振り分けられた一方の領域（１０〜１４）に属する受光部のうち、焦点検出光束が到来している受光部１２，１３，１４の出力を用いて一対の像の一方の像信号を形成し、他方の領域（１５〜２３）に属する受光部のうち、焦点検出光束が到来している受光部１５，１６，１７の出力を用いて一対の像のもう一方の像信号を形成する。
【００５３】
《境界線の設定方法》
境界線の設定方法は図５〜図８で説明した方法に限定されない。図２０において、受光部１０〜２３は並列配置されており、ある光学系から到来する光束がマイクロレンズにより受光部１０〜２３上の領域７（破線の内部）に投影される。領域７の形状は円ではなく、複数の開口により複合的に口径食が発生しているため、ラグビーボールのような形状となっている。領域７は受光部１３から受光部１６にまたがっており、領域７を受光部の並び方向で略２等分する境界線８は受光部１４と受光部１５の間に位置している。複数の受光部１０〜２３は境界線８の左右で一対の領域（１０〜１４）と（１５〜２３）に振り分けられる。
【００５４】
振り分けられた一方の領域（１０〜１４）に属する受光部のうち、焦点検出用光束が到来している受光部１３，１４の出力を用いて一対の像の一方の像信号を形成し、他方の領域（１５〜２３）に属する受光部のうち焦点検出光束が到来している受光部１５，１６の出力を用いて一対の像のもう一方の像信号を形成する。
【００５５】
《受光部と焦点検出光束のサイズ関係》
受光部と焦点検出光束のサイズ関係は図５〜図８で説明したものに限定されない。図２１において、受光部１０〜２３は並列配置されており、ある光学系から到来する光束がマイクロレンズにより受光部１０〜２３上の領域７（破線で示す円の内部）に投影されている。受光部１０〜２３の並び方向と垂直な方向の長さは、領域７の大きさより短く設定されている。領域７は受光部１２から受光部１７にまたがっており、領域７の受光部の並び方向の中心線８は受光部１４と受光部１５の間に位置している。複数の受光部１０〜２３は中心線８の左右で一対の領域（１０〜１４）（１５〜２３）に振り分けられる。振り分けられた一方の領域（１０〜１４）に属する受光部のうち焦点検出光束が到来している受光部１２，１３，１４の出力を用いて一対の像の一方の像信号が形成し、他方の領域（１５〜２３）に属する受光部のうち焦点検出光束が到来している受光部１５，１６，１７の出力を用いて一対の像のもう一方の像信号を形成する。
【００５６】
《焦点検出用画素の回路構成》
図２２は焦点検出画素の回路構成を示す図である。焦点検出用画素の回路構成は図１２に示す構成に限定されない。図１２に示す回路構成では各受光部の出力は独立してイメージセンサより読み出され、その後に一対の像信号として合成（加算）したが、図２２に示す回路構成では受光部出力の合成をイメージセンサ内で行い、イメージセンサから一対の像信号を直接出力できる。
【００５７】
１〜４は受光部（フォトダイオード）、５１〜５４は転送スイッチＭＯＳトランジスタ、８１〜８４は転送スイッチＭＯＳトランジスタのドレイン領域、５５、５６、５７は受光部１〜４を２つの領域に振り分けるための選択スイッチＭＯＳトランジスタ、６４、６７は受光部１〜４を所定電位にリセットするリセット用ＭＯＳトランジスタである。また、６５、６８は転送スイッチＭＯＳトランジスタ５１〜５４により受光部１〜４から転送された電荷に基づく増幅信号を得るためのソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ、５０、６１はソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ６５、６８のフローティングディフージョン部（ＦＤ部）である。
【００５８】
さらに、６６、６９はソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ６５、６８で得られる増幅信号の読出対象の受光部を選択する水平選択スイッチＭＯＳトランジスタ、７０はソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ６５、６８と共にソースフォロワを構成する負荷ＭＯＳトランジスタであって、所定電圧ＶＬ，ＶＳＳが印加されている。７２はソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ６５、６８の出力の転送制御を行う出力転送ＭＯＳトランジスタ、７４は出力転送ＭＯＳトランジスタ７２によって転送された出力を蓄積する出力蓄積容量、７６は出力蓄積容量７４に蓄積されている各出力を水平出力線へ転送する水平転送ＭＯＳトランジスタである。また、７８は信号を増幅して出力する出力アンプ、７９は水平選択スイッチＭＯＳトランジスタ６６，６９などのオン／オフを制御する垂直走査回路、８０は水平転送ＭＯＳトランジスタ７６のオン／オフを制御する水平走査回路である。
【００５９】
図２３は、受光部１〜４、転送スイッチＭＯＳトランジスタ５１〜５４、転送スイッチＭＯＳトランジスタのドレイン領域８１〜８４、選択スイッチＭＯＳトランジスタ５５〜５７をマイクロレンズ側から見たレイアウト図である。受光部１〜４にはそれぞれ転送スイッチＭＯＳトランジスタ５１〜５４が接続され、転送スイッチＭＯＳトランジスタ５１〜５４のゲートは共通の制御パルスＰＸ０により制御される。また、転送スイッチＭＯＳトランジスタ５１、５２のドレイン領域８１、８２の間には、選択スイッチＭＯＳトランジスタ５５が接続される。さらに、転送スイッチＭＯＳトランジスタ５２、５３のドレイン領域８２、８３の間には、選択スイッチＭＯＳトランジスタ５６が接続される。
【００６０】
転送スイッチＭＯＳトランジスタ５３、５４のドレイン領域８３、８４の間には、選択スイッチＭＯＳトランジスタ５５が接続される。選択スイッチＭＯＳトランジスタ５５〜５７のゲートは、それぞれ制御パルスＰＸ１，ＰＸ２，ＰＸ３により制御される。転送スイッチＭＯＳトランジスタ５１、５４のドレイン領域８１、８４は、フローティングディフージョン部６０、６１に接続される。
【００６１】
以上の回路構成において、選択スイッチＭＯＳトランジスタ５５〜５７のＯＮ、ＯＦＦパターンによって、受光部１〜４の出力を任意に振り分け合成してＦＤ部６０、６１へ導くことができる。
【００６２】
図２４は、受光部１、２と受光部３、４を振り分けて出力する場合の図２２に示す撮像素子回路の動作を示すタイミングチャートである。まず、制御パルスＰＲをハイレベルにする。次に、制御パルスＰＸ０〜ＰＸ３をハイレベルに切り換えて、転送スイッチＭＯＳトランジスタ５１〜５４と選択スイッチＭＯＳトランジスタ５５〜５７を同時にオンにする。このとき、制御パルスＰＲはハイレベルとなっているので、ＦＤ部６０、６１に残った電荷とともにフォトダイオード１〜４に残った電荷が電圧Ｖｄｄにリセットされる。次に、制御パルスＰＸ０〜ＰＸ３をローレベルにしてフォトダイオード１〜４で電荷蓄積を同時に開始するとともに、制御パルスＰＲをローレベルにしてＦＤ部６０，６１をフローティング状態とする。
【００６３】
電荷蓄積時間後、制御パルスＰＸ０をハイレベルに切り換え、転送スイッチＭＯＳトランジスタ５１〜５４を導通するとともに、制御パルスＰＸ１、ＰＸ３をハイレベルに切り換え、フォトダイオード１、２で蓄積された電荷を加算してＦＤ部６０に転送し、フォトダイオード３，４で蓄積された電荷を加算してＦＤ部６１に転送する。このとき、ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ６５がフローティング状態であるので、ＦＤ部６５の電位を、制御パルスＰＳｎ１、ＰＴを一時的にハイレベルに切り換えることによって、出力蓄積容量７４に出力する。
【００６４】
出力蓄積容量７４に蓄積された電荷は、水平走査回路８０から水平転送ＭＯＳトランジスタ７６への走査タイミング信号によって、水平転送期間に差動出力アンプ７８から出力される。また、出力蓄積容量７４に蓄積された電荷が水平走査回路８０により水平転送された後、ＦＤ部６８の電位を、制御パルスＰＳｎ２、ＰＴを一時的にハイレベルに切り換えることによって出力蓄積容量７４に出力する。出力蓄積容量７４に蓄積された電荷は、水平走査回路８０からの水平転送ＭＯＳトランジスタ７６への走査タイミング信号によって、水平転送期間に差動出力アンプ７８から出力される。
【００６５】
以上が撮像素子の焦点検出用画素が含まれる一行の画素出力を得るための動作である。以上の動作を制御パルスＰＳｎ（ｎは垂直方向の行数を示す）を垂直方向に順次ずらしながら行うことによって、全ての行の画像信号（撮像用画素および焦点検出用画素の出力）が得られる。以上の動作では受光部１と受光部２の出力が合成され、受光部３と受光部４の出力が合成されて出力される。
【００６６】
図２５は、受光部１と受光部２、３、４を振り分けて出力する場合の図２２に示す撮像素子回路の動作を示すタイミングチャートである。電荷蓄積終了時に、制御パルスＰＸ０をハイレベルに切り換え、転送スイッチＭＯＳトランジスタ５１〜５４を導通するとともに、制御パルスＰＸ２、ＰＸ３をハイレベルに切り換え、フォトダイオード１で蓄積された電荷をＦＤ部６０に転送し、フォトダイオード２、３，４で蓄積された電荷を加算してＦＤ部６１に転送する。
【００６７】
なお、上述した一実施の形態では光学システムの実施例としてデジタルスチルカメラを例に上げて説明したが、本願発明の光学システムはデジタルスチルカメラに限定されず、例えば携帯電話などに内蔵される小型カメラモジュールなどにも適用することができる。
【００６８】
このように一実施の形態によれば、マイクロレンズの背後に受光部を配置した画素を複数個配列して画素列を形成するとともに、この画素列を光学系の予定結像面近傍に配置し、受光部の出力信号に基づいて光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出装置において、受光部を画素列の並び方向に沿った３つ以上の受光領域に分割するようにしたので、一対の像信号の出力レベルが略等しくなるように受光部を領域分割することができ、その結果、像ズレ検出を高精度に行うことができ、焦点検出精度を向上させることができる。
【００６９】
また、一実施の形態によれば、光学系の口径情報に応じて選択した一対の受光領域の出力信号に基づいて、光学系の異なる瞳領域を通過する一対の光束により結像される一対の像のズレ量を求め、この像ズレ量に基づいて光学系の焦点調節状態を検出するようにしたので、一対の像信号の出力レベルが略等しくなり、像ズレ検出を高精度に行うことができ、焦点検出精度を向上させることができる。
【００７０】
一実施の形態によれば、受光部の一対の受光領域のそれぞれにおける受光量がほぼ等しくなるように、受光部の領域を２組に分けるようにしたので、一対の像信号の出力レベルが略等しくなり、像ズレ検出を高精度に行うことができ、焦点検出精度を向上させることができる。
【００７１】
一実施の形態によれば、像ズレ量を光学系のデフォーカス量に変換するための変換係数を、受光部の領域の選択に応じて変更するようにしたので、像ズレ検出に用いる受光部を口径情報に応じていろいろと変更した場合でも正確にデフォーカス量を算出することができる。
【００７２】
一実施の形態によれば、焦点検出装置と光学系とを備え、マイクロレンズの背後に受光部を配置した画素を二次元状に配列し、光学系により結像された被写体像を撮像する撮像素子を備え、焦点検出装置の画素列を撮像素子の画素の一部としたので、焦点検出専用のイメージセンサを設けずに、被写体像を撮像するための撮像素子を用いて焦点検出を行うことができ、光学システムの小型化とコストダウンを図ることができる。
【００７３】
一実施の形態によれば、焦点検出装置を含む本体と本体に対して着脱可能な光学系を含むレンズ構体とから光学システムを構成し、レンズ構体側に口径情報を記憶するレンズＣＰＵを設けるとともに、本体側に焦点検出部を配置し、焦点検出部によって、装着されたレンズ構体のレンズＣＰＵから口径情報を読み出すようにしたので、撮像条件に応じて複数種類のレンズ構体を取り替えて撮像を行っても、一対の像信号の出力レベルが略等しくなり、像ズレ検出を高精度に行うことができ、焦点検出精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】一実施の形態の焦点検出装置の光学系の構成を示す図である。
【図２】マイクロレンズ背後に配置される一対の受光部で受光した一対の像を示す図である。
【図３】焦点検出用光束のケラレ（口径食）を説明するための図である。
【図４】一実施の形態のマイクロレンズアレイ方式の瞳分割型焦点検出装置の１つのマイクロレンズユニットの断面図である。
【図５】マイクロレンズユニットの受光部の正面図である。
【図６】マイクロレンズユニットの断面図である。
【図７】マイクロレンズユニットの受光部の正面図である。
【図８】マイクロレンズユニットの受光部の正面図である。
【図９】焦点検出装置を備える光学システムの構成図である。
【図１０】図９に示すデジタルスチルカメラにおける焦点検出位置の具体例を示す図である。
【図１１】図９に示す撮像素子２１２の詳細な構成図である。
【図１２】焦点検出用画素の回路構成図である。
【図１３】図１２に示す撮像素子回路の動作を示すタイミングチャートである。
【図１４】図９に示すデジタルスチルカメラ（光学システム）の動作（ボディＣＰＵ２１４および焦点検出部２１３の動作）を示すフローチャートである。
【図１５】変換係数の説明図である。
【図１６】焦点検出光束の重心を説明する図である。
【図１７】焦点検出光束の重心を説明する図である。
【図１８】焦点検出光束の重心を説明する図である。
【図１９】受光部の選択方法を説明する図である。
【図２０】境界線の設定方法を説明する図である。
【図２１】受光部と焦点検出光束のサイズ関係を説明する図である。
【図２２】焦点検出画素の回路構成を示す図である。
【図２３】受光部、転送スイッチＭＯＳトランジスタ、転送スイッチＭＯＳトランジスタのドレイン領域、選択スイッチＭＯＳトランジスタをマイクロレンズ側から見たレイアウト図である。
【図２４】受光部１、２と受光部３、４を振り分けて出力する場合の図２２に示す撮像素子回路の動作を示すタイミングチャートである。
【図２５】受光部１と受光部２、３、４を振り分けて出力する場合の図２２に示す撮像素子回路の動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００７５】
１〜４、１０〜２３  受光部
５  マイクロレンズ（光学要素）
６  マイクロレンズユニット（焦点検出用画素）
３０、３１  光束
２０１  デジタルスチルカメラ
２０２  交換レンズ
２０３  カメラボディ
２０６  レンズＣＰＵ
２０９  レンズ
２１０  フォーカシング用レンズ
２１１  絞り
２１２  撮像素子
２１３  焦点検出部
２１４  ボディＣＰＵ
３０１〜３０３  焦点検出位置
３１０  撮像用画素
３１１  焦点検出用画素（マイクロレンズユニット）
９０１  光学系の射出瞳
９０２、９０３  測距瞳
９５０、９６０  マイクロレンズ
９５２、９５３、９６２、９６３  受光部
９７２、９７３、９８２、９８３  焦点検出用光束
【図１】
2007133087.tif 000003
【図２】
2007133087.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2007133087.tif 000008
【図７】
2007133087.tif 000009
【図８】
2007133087.tif 000010
【図９】
2007133087.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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