(57)【要約】【課題】結像光学系の焦点検出精度を向上させる。【解決手段】結像光学系の瞳の異なる位置を通過した一対の光束による一対の像のズレ量に基づいて、結像光学系の予定結像面における焦点調節状態を検出する焦点検出装置であって、光束の分布を示す情報と結像光学系の口径情報とに基づいて、一対の像のズレ量を結像光学系のデフォーカス量に変換するための変換係数を算出する。【選択図】図１
2007121896.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結像光学系の瞳の異なる位置を通過した一対の光束による一対の像のズレ量に基づいて、前記結像光学系の予定結像面における焦点調節状態を検出する焦点検出装置であって、
前記光束の分布を示す情報と前記結像光学系の口径情報とに基づいて、前記一対の像のズレ量を前記結像光学系のデフォーカス量に変換するための変換係数を算出する変換係数演算手段を備え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、
前記変換係数演算手段は、前記光束の分布を示す情報と前記口径情報とに基づいて、前記一対の光束の中でそれぞれ焦点検出に利用可能な二つの光束分布の重心の開き角を算出し、この重心の開き角に基づいて変換係数を算出することを特徴とする焦点検出装置。
【請求項３】
請求項２に記載の焦点検出装置において、
前記変換係数演算手段は、前記一対の光束の中でそれぞれ焦点検出に利用可能な二つの光束分布の前記結像光学系の射出瞳面上における重心間隔を算出し、前記結像光学系の予定結像面と前記射出瞳面との間の距離と前記重心間隔とに基づいて前記重心の開き角を算出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、
前記結像光学系の予定結像面上の所定の焦点検出位置における前記結像光学系の焦点調節状態を検出するものであり、前記光束の分布を示す情報には前記焦点検出位置に応じた焦点検出用光束の方向に関する情報が含まれることを特徴とする焦点検出装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の焦点検出装置において、
前記結像光学系の予定結像面上の所定の焦点検出位置における前記結像光学系の焦点調節状態を検出するものであり、前記口径情報は前記焦点検出位置に応じた情報であることを特徴とする焦点検出装置。
【請求項６】
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、
前記結像光学系の予定結像面上の所定の焦点検出位置における前記結像光学系の焦点調節状態を検出するものであり、前記変換係数演算手段は、前記焦点検出位置の情報、前記光束の分布を示す情報および前記口径情報に基づいて前記変換係数を算出することを特徴とする焦点検出装置。
【請求項７】
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、
前記結像光学系の予定結像面上の所定の焦点検出位置における前記結像光学系の焦点調節状態を検出するものであり、前記焦点検出位置情報、前記光束の分布を示す情報および前記口径情報とに基づいて、焦点検出に利用可能な前記一対の焦点検出用光束の光量に関する情報を算出する測距光量情報算出手段と、前記一対の焦点検出用光束による一対の像を前記光量に関する情報により補正する像補正手段とをさらに備えることを特徴とする焦点検出装置。
【請求項８】
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、
予定結像面上の複数の位置に対応した複数の前記光束の分布を示す情報を記憶する瞳情報記憶手段と、
前記瞳情報記憶手段に記憶されている複数の前記光束の分布を示す情報に基づいて、予定結像面上の焦点検出位置に対応した前記光束の分布を示す情報を補間演算により求める補間演算手段とを備えることを特徴とする焦点検出装置。
【請求項９】
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、
予定結像面から光軸方向の複数の距離に対応した複数の前記光束の分布を示す情報を記憶する瞳情報記憶手段と、
前記記憶手段に記憶されている複数の前記光束の分布を示す情報に基づいて、結像光学系の射出瞳の予定結像面からの距離に対応した前記光束の分布を示す情報を補間演算により求める補間演算手段とを備えることを特徴とする焦点検出装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の焦点検出装置と結像光学系とを備えることを特徴とする光学システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の光学システムにおいて、
光学システムは、前記焦点検出装置を含む本体と、本体に対して着脱交換可能な前記結像光学系を含むレンズ構体とから成り、
前記本体側に前記変換係数演算手段を設置するとともに前記光束の分布を示す情報を保持し、前記レンズ構体側に前記口径情報を保持し、前記本体側に設置された前記変換係数演算手段は、前記レンズ構体から前記口径情報を読み出し、前記口径情報と前記光束の分布を示す情報とに基づいて前記変換係数を算出することを特徴とする光学システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結像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に関する。
【背景技術】
【０００２】
結像光学系を通過した光束を用いて結像光学系の焦点調節状態を検出するＴＴＬ方式の焦点検出方式として、いわゆる瞳分割型の焦点検出方式が知られている。この瞳分割型の焦点検出方式では、結像光学系の射出瞳の異なる領域を通過した光束が予定結像面上に形成する一対の像の相対的位置ズレ量を検出し、その像ズレ量に所定の変換係数を乗じて光軸方向のデフォーカス量に変換している。そのため位相差検出方式または像ズレ検出方式とも呼ばれている。
像ズレ量をデフォーカス量に変換する際に、結像光学系の明るさ（Ｆ値）に応じた変換係数を用いるようにした焦点検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この焦点検出装置によれば、結像光学系の明るさの影響を受けて焦点検出用光束にケラレが生じるような場合であっても、適切な変換係数を用いて高精度な焦点検出が可能になるとしている。
【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】特公平０７−０６２７３２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、焦点検出位置が結像光学系の光軸を外れた予定結像面の周辺にある場合には、絞り開口以外のレンズ開口によっても焦点検出用光束のケラレが発生するため、単に明るさのみの情報では正確な変換係数が得られないという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
結像光学系の瞳の異なる位置を通過した一対の光束による一対の像のズレ量に基づいて、結像光学系の予定結像面における焦点調節状態を検出する焦点検出装置であって、光束の分布を示す情報と結像光学系の口径情報とに基づいて、一対の像のズレ量を結像光学系のデフォーカス量に変換するための変換係数を算出する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、瞳分割型の焦点検出方式において、一対の像ズレ量を結像光学系のデフォーカス量に変換するための正確な変換係数を求めることができ、結像光学系の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】
結像光学系を通過した光束を用いて結像光学系の焦点調節状態を検出するＴＴＬ方式の焦点検出方式として、いわゆる瞳分割型の焦点検出方式が知られている。この瞳分割型の焦点検出方式では、結像光学系の射出瞳の異なる領域を通過した光束が予定結像面上に形成する一対の像の相対的位置ズレ量を検出し、その位置ズレ量に所定の変換係数を乗じて光軸方向のデフォーカス量に変換している。そのため位相差検出方式または像ズレ検出方式とも呼ばれている。
【０００８】
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（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結像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結像光学系を合焦させることが可能である。
【０００９】
瞳分割型の焦点検出方式には再結像方式とマイクロレンズ方式がある。まず、再結像方式について説明する。再結像方式は結像光学系の予定結像面近傍に配置されたコンデンサーレンズ、イメージセンサー、一対の再結像レンズ、一対の再結像レンズの近傍に配置された一対の開口を有する絞りマスクから構成され、再結像レンズにより予定焦点面に結像した像をイメージセンサー上に一対の像として再結像させ、この一対の像の相対的位置ズレ量を検出する方式である。この方式においては、一対の絞りマスク開口の形状がコンデンサーレンズによって結像光学系の射出瞳面近傍に投影されており、この投影された一対の絞り開口形状の領域を通過する一対の光束により上記一対の像が再結像される。
【００１０】
図１は再結像方式の焦点検出装置の構成を示す図である。測距ユニット１８は結像光学系の予定結像面近傍に配置されたコンデンサレンズ１０、その背後に配置されたイメージサンサ１６、コンデンサレンズ１０とイメージサンサ１６の間に配置され、予定結像面近傍に結像された１次像をイメージセンサ１６上に再結像する一対の再結像レンズ１４，１５、一対の再結像レンズの近傍（図では前面）に配置された一対の絞り開口１２，１３を有する絞りマスク１１から構成される。
【００１１】
イメージセンサ１６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１６から出力され、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）が施されて一対の像の像ズレ量が検出される。そして、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。
【００１２】
コンデンサレンズ１０は光軸４上に配置され、光軸４の方向に絞りマスク１１の絞り開口１２，１３を射出瞳１上に領域２，３として投影している。この領域２，３を測距瞳と呼ぶ。すなわち、イメージセンサ１６上に再結像される一対の像は射出瞳１上の一対の測距瞳２，３を通過する光束によって形成される。射出瞳１上の一対の測距瞳２，３を通過する光束３２、３３を焦点検出用光束と呼ぶ。
【００１３】
測距ユニット２８は結像光学系の予定結像面近傍に配置されたコンデンサレンズ２０、その背後に配置されたイメージサンサ２６、コンデンサレンズ２０とイメージサンサ２６の間に配置され、予定結像面近傍に結像された１次像をイメージセンサ２６上に再結像する一対の再結像レンズ２４，２５、一対の再結像レンズの近傍（図では前面）に配置された一対の絞り開口２２，２３を有する絞りマスク２１から構成される。
【００１４】
イメージセンサ２６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２６から出力され、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）が施されて一対の像の像ズレ量が検出される。この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。
【００１５】
コンデンサレンズ２０は光軸４から離間した位置に配置され、射出瞳１に対して投影軸２７の方向に絞りマスク２１の絞り開口２２，２３を射出瞳１上に測距瞳２，３として投影している。すなわち、イメージセンサ２６上に再結像される一対の像は、射出瞳１上の一対の測距瞳２，３を通過する光束によって形成される。射出瞳１上の一対の測距瞳２，３を通過する光束４２，４３を焦点検出用光束と呼ぶ。
【００１６】
次に、マイクロレンズ方式の瞳分割型焦点検出について説明する。マイクロレンズ方式は、予定結像面近傍に配置されたマイクロレンズアレイの、各マイクロレンズの背後に置かれたイメージセンサーからなる一対の受光素子でマイクロレンズを通過した光束を受光し、一対の受光素子の一方の系列の出力信号と他方の系列の出力信号のズレ量を検出する方式である。
【００１７】
この方式においては、各マイクロレンズによりその背後に位置する一対の受光素子の開口形状が結像光学系の射出瞳面近傍に投影されており、該投影された一対の開口形状の領域を通過する一対の光束によりマイクロレンズアレイ上に形成された一対の像の光量が、一対の受光素子によりそれぞれ検出される。
【００１８】
図２はマイクロレンズ方式の焦点検出装置の構成を示す図である。なお、図２において、図１に示す要素と同様な要素については同一の符号を付して相違点を中心に説明する。マイクロレンズ５０、６０は結像光学系の予定結像面近傍に配置されている。光軸４上に配置されたマイクロレンズ５０によって、その背後に配置された一対の受光素子５２，５３の受光部の形状が光軸４の方向の射出瞳１の測距瞳２，３へ投影される。また、光軸４から離間して配置されたマイクロレンズ６０によって、その背後に配置された一対の受光素子６２，６３の受光部の形状が投影軸６７の方向の射出瞳１の測距瞳２，３へ投影される。
【００１９】
受光素子５２は、測距瞳２を通過した焦点検出用光束７２によりマイクロレンズ５０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、受光素子５３は、測距瞳３を通過した焦点検出用光束７３によりマイクロレンズ５０上に形成される像の強度に対応した情報を出力する。一方、受光素子６３は、測距瞳２を通過した焦点検出用光束８２によりマイクロレンズ６０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、受光素子６３は、測距瞳３を通過した焦点検出用光束８３によりマイクロレンズ６０上に形成される像の強度に対応した情報を出力する。
【００２０】
上記のようなマイクロレンズをアレイ状に多数配置し、その背後に配置した一対の受光素子の出力をまとめることによって、測距瞳２と測距瞳３をそれぞれ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が検出される。さらに、この像ズレ量に所定の変換係数を乗ずることによって、結像光学系の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。マイクロレンズ方式では、マイクロレンズのサイズが小さくになるにつれてマイクロレンズの開口径が小さくなり、回折により受光素子の射出瞳面への投影像がぼやける。
【００２１】
図３はマイクロレンズ方式における回折現象を説明する図である。なお、図３は回折の影響がない場合の理想的な射出瞳上での受光素子投影像（片側）の例を示す。９３０はマイクロレンズから１００ｍｍ前方に設定された射出瞳上で絞り開口径Ｆ２．８に対応する円、９４０はＦ２．８の対応円９３０にほぼ内接して投影されるべき矩形領域９４０（Ｘ＝２〜１２mm、Ｙ＝−１０〜１０mm）である。
【００２２】
図４は、図３に対応する回折像強度分布パターンを示す図である。なお、図４はマイクロレンズの開口を半径２ｕｍの円形とした場合の、投影されるべき矩形領域９４０の射出瞳上の回折像強度分布を波長５００ｎｍとしてシミュレーションで求めた図である。
【００２３】
図５は、図４の回折像パターンのＹ＝０の断面図である。図４および図５から明らかなように、回折像においては投影像のエッジがだれて投影像のかなりの部分がＦ２．８の円からはみ出す（Ｆ２．８の円の内部にあるものが約８１％）。実際にはマイクロレンズの開口円の半径が数１０ｕｍ以下になると、射出瞳上の焦点検出用の領域は回折の影響で形が崩れ始める。回折の影響で測距瞳の形が崩れ、設定した領域の外部にはみ出してしまうことにより、はみ出した部分の光束が結像光学系の絞りや絞り以外のレンズ端部によってけられてしまうことがある。また、図５からも明らかなように、測距瞳における焦点検出用光束の分布は一様ではない。
【００２４】
図６はマイクロレンズ方式における球面収差を説明する図である。マイクロレンズ５０の近軸光線により測距瞳を射出瞳１上に形成する場合、例えば一対の受光素子の中心点９５から出射する近軸光線９０は射出瞳１と光軸４との交点９２上に収束するが、マイクロレンズ５０の周辺を通る光線は射出瞳１上で点９２から離れた９３，９４に到達する。この現象はいわゆる球面収差と呼ばれているもので、微小なマイクロレンズ５０を製造する上で避けられないものである。球面収差により投影像のエッジがだれて投影像のかなりの部分が理想の測距瞳からはみ出し、回折と同じような結果をもたらす。球面収差以外の収差（色収差、コマ収差、非点収差、歪曲収差、像面湾曲）によっても同様に投影像のエッジが乱れるとともに、焦点検出用光束の分布は一様ではなくなる。
【００２５】
図７は焦点検出用光束のケラレの説明図である。５は予定結像面、６，７はケラレた場合の焦点検出用光束、５６，５７はケラレない場合の焦点検出用光束、８，９はケラレない場合の焦点検出用光束５６，５７の重心位置、７８，７９は焦点検出用光束６，７の重心位置、４５は予定結像面５と光軸４の交点、３６は重心位置８，９を点４５から見た場合の開き角、３５は重心位置７８，７９を点４５から見た場合の開き角、４６は予定結像面５から射出瞳面１までの距離、４０は射出瞳面１に一致している結像光学系の絞りの射出瞳、４１，４４は射出瞳面１以外の位置にある結像光学系の絞りの射出瞳である。
【００２６】
図７において、焦点検出位置が光軸上あるいはその近傍にある場合の焦点検出用光束のケラレを示し、予定結像面５から距離４６に設定された射出瞳面１上に測距瞳が形成されており、結像光学系の明るさ絞りが十分おおきな場合には焦点検出用光束５６，５７にケラレが発生しない。焦点検出用光束５６，５７の重心位置８，９を点４５から臨む開き角３６をΘａ、像ズレ量をＨ、変換係数をｋａ、デフォーカス量をＤとすれば、以下の式でデフォーカス量Ｄが求まる。
Ｄ＝Ｈ×ｋａ＝Ｈ／（２×Ｔａｎ（Θａ／２））  ・・・（１）
【００２７】
射出瞳面１に一致した位置に結像光学系の射出瞳４０があり、その明るさが暗くなってくると、焦点検出用光束５６，５７の一部を遮光していわゆるケラレと呼ばれる現象が発生し、実際に焦点検出に利用できる光束は焦点検出用光束６，７となる。ケラレが生じた焦点検出用光束６，７の重心位置７８，７９を点４５から臨む開き角３５をΘｂ、像ズレ量をＨ、変換係数をｋｂ、デフォーカス量をＤとすれば、以下の式でデフォーカス量Ｄが求まる。
Ｄ＝Ｈ×ｋｂ＝Ｈ／（２×Ｔａｎ（Θｂ／２））  ・・・（２）
焦点検出位置が光軸上あるいはその近傍にある場合には、結像光学系の絞りの射出瞳４１、４４が射出瞳面１以外の位置にあっても、明るさが同じであれば焦点検出用光束のケラレは大きく変わらない。
【００２８】
図８は焦点検出用光束の重心の求め方を説明する図である。図８において、結像光学系の射出瞳４０は焦点検出用光束５７の一部を遮光している。実際に焦点検出に利用できる光束は射出瞳４０の内部の焦点検出用光束７となる。焦点検出用光束５７の重心位置９は焦点検出用光束５７（射出瞳面１上での測距瞳に相当）の光束の分布重心となる。ここで、重心は測距瞳の並び方向（図ではｘ方向）の重心を示す。結像光学系の射出瞳４０でケラレた焦点検出用光束７の重心位置７９は焦点検出用光束７（射出瞳面１上でのけられた測距瞳に相当）の光束の分布重心となる。
【００２９】
ケラレが生じていない場合の焦点検出用光束５７の光束の分布情報を測距瞳情報として、予め測定または計算により求めて２次元情報などとして記憶しておく。結像光学系の射出瞳の情報（明るさ情報＝射出瞳の径、位置）を口径情報として、予め測定または計算により求めて２次元情報などとして記憶しておく。２次元的な測距瞳情報と口径情報を重ね合わせ、結像光学系の射出瞳の内部に存在する焦点検出用光束の重心位置を演算により求める。一対の焦点検出用光束６，７の重心位置７８，７９が求まれば、予定結像面５と射出瞳面１との間の距離４６を用いて点４５における開き角３５を求めることができる。
【００３０】
例えば重心位置間の距離をＳ、距離４６をＭ、開き角をΘｂとすれば、以下の式で開き角Θｂが求まる。
Θｂ＝２×ＡｒｃＴａｎ（Ｓ／（２×Ｍ））  ・・・（３）
焦点検出位置が光軸上あるいはその近傍にある場合には、結像光学系の絞りの射出瞳４１、４４が射出瞳面１以外の位置にあっても、明るさが同じであれば焦点検出用光束のケラレは大きく変わらないので、焦点検出用光束５６，５７のケラレは結像光学系の光学絞りに対応する射出瞳の明るさのみを考慮すればよい。２次元的な測距瞳情報と口径情報を重ね合わせ、結像光学系の射出瞳の内部に存在する焦点検出用光束の総量（光量に相当する）を演算により求める。
【００３１】
図９は焦点検出用光束のケラレを説明する図である。４７は予定結像面５と光軸４の交点４７から離間した点、３６は重心位置８，９を点４７から見た場合の開き角、３５は重心位置７８，７９を点４７から見た場合の開き角、４６は予定結像面５から射出瞳面１までの距離、４８は射出瞳面１より遠方にある結像光学系の絞り以外の開口の射出瞳、４９は射出瞳面１より近くにある結像光学系の絞り以外の開口の射出瞳、５８は測距瞳の投影軸である。
【００３２】
図９において、焦点検出位置が光軸から離れている場合の焦点検出用光束のケラレを示し、予定結像面５から距離４６に設定された射出瞳面１上に測距瞳が形成されており、結像光学系の明るさ絞りが十分大きな場合には焦点検出用光束５６，５７にケラレが発生しない。焦点検出用光束５６，５７の重心位置８，９を点４７から臨む開き角３６をΘｃ、像ズレ量をＨ、変換係数をｋｃ、デフォーカス量をＤとすれば、以下の式でデフォーカス量Ｄが求まる。
Ｄ＝Ｈ×ｋｃ＝Ｈ／（２×Ｔａｎ（Θｃ／２））  ・・・（４）
射出瞳面１に一致した位置に結像光学系の射出瞳４０があり、その明るさが暗くなってくると、焦点検出用光束５６，５７の一部を遮光していわゆるケラレと呼ばれる現象が発生する。
【００３３】
また、焦点検出位置が光軸近傍にない場合には、結像光学系の絞り以外のレンズ端部による射出瞳４８，４９（絞りの射出瞳よりＦ値が明るい場合においても）によっても焦点検出用光束のケラレが発生し、実際に焦点検出に利用できる光束は焦点検出用光束６，７となる。ケラレが生じた焦点検出用光束６，７の重心位置７８，７９を点４７から臨む開き角３５をΘｄ、像ズレ量をＨ、変換係数をｋｄ、デフォーカス量をＤとすれば、以下の式でデフォーカス量Ｄが求まる。
Ｄ＝Ｈ×ｋｄ＝Ｈ／（２×Ｔａｎ（Θｄ／２））  ・・・（５）
焦点検出位置が光軸近傍にない場合には、射出瞳面１以外の位置にある絞りの射出瞳や、絞りの射出瞳よりＦ値が明るい場合であっても結像光学系の絞り以外のレンズ端部に対応した射出瞳４８，４９によっても焦点検出用光束のケラレが発生する。
【００３４】
図１０は焦点検出用光束の重心の求め方を説明する図である。射出瞳面１において、焦点検出用光束５７は図９に示すように射出瞳４８，４９により一部が遮光される。すなわち、焦点検出位置である点４７に対しては、結像光学系の射出瞳は図１０に示すように左側が射出瞳４８により規定され、右側が射出瞳４９により規定された形状となる。上記形状の射出瞳を周辺射出瞳と呼ぶと、実際に焦点検出に利用できる光束は周辺射出瞳の内部の焦点検出用光束７となる。焦点検出用光束５７の重心位置９は焦点検出用光束５７（射出瞳面１上での測距瞳に相当）の光束の分布重心となる。ここで、重心は測距瞳の並び方向（図ではｘ方向）の重心を示す。結像光学系の周辺射出瞳でケラレた焦点検出用光束７の重心位置７９は、焦点検出用光束７（射出瞳面１上でのケラレた測距瞳に相当）の光束の分布重心となる。
【００３５】
ケラレが生じていない場合の焦点検出用光束５７の光束の分布情報を測距瞳情報として予め測定または計算により求め、２次元情報などとして記憶しておく。結像光学系の絞りおよび絞り以外のレンズ端部に対応する射出瞳の情報（明るさ情報＝射出瞳の径、位置）を口径情報として、予め測定または計算により求めて２次元情報などとして記憶しておく。焦点検出位置から射出瞳面を見た場合の周辺射出瞳の形状を、結像光学系の口径情報から求める。２次元的な測距瞳情報と周辺射出瞳形状を重ね合わせ、周辺射出瞳の内部に存在する焦点検出用光束の重心位置を演算により求める。
【００３６】
一対の焦点検出用光束６，７の重心位置７８，７９が求まれば、予定結像面５と射出瞳面１との間の距離４６を用いて点４５における開き角３５を求めることができる。例えば重心位置間の距離をＳ、距離４６をＭ、開き角をΘｄとすれば、以下の式で開き角Θｄが求まる。
Θｄ＝２×ＡｒｃＴａｎ（Ｓ／（２×Ｍ））  ・・・（６）
２次元的な測距瞳情報と周辺射出瞳形状を重ね合わせ、周辺射出瞳の内部に存在する焦点検出用光束の総量（光量に相当する）を演算により求める。
【００３７】
図１１は光学システムの構成図を示す。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から構成され、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および絞り２１１と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とからなる。
【００３８】
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ている撮像素子２１２と、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と、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と、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と、液晶表示素子２１６を観察するための接眼レンズ２１７と、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とを備えている。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（変換係数を算出するために必要な口径情報、レンズ駆動のためのデフォーカス量等）を伝達する。
【００３９】
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マイクロレンズ方式の焦点検出用のイメージセンサが組込まれている。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、マイクロレンズ方式の焦点検出用のイメージセンサの出力は焦点検出部に送られる。焦点検出部２１３は、レンズＣＰＵ２０６と通信して、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が保持している測距瞳情報と複数の焦点検出位置の情報に基づき、複数の焦点検出位置ごとに変換係数と測距光量情報を算出する。
【００４０】
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、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。焦点検出部２１３は、測距光量情報に応じて焦点検出位置ごとに一対の像信号を補正した後、周知の焦点検出演算処理を施して焦点検出位置毎に一対の像の像ズレ量を算出する。
【００４１】
焦点検出部２１３は、焦点検出位置ごとに算出された像ズレ量に焦点検出位置ごとに求められた変換係数を乗じ、各焦点検出位置でのデフォーカス量を算出する。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）は、最終的なデフォーカス量をレンズＣＰＵに送信する。レンズＣＰＵ２０６は受信したデフォーカス量に基づき、レンズ駆動量を算出し、該レンズ駆動量に基づき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き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に表示させる。
【００４２】
図１２は、図１１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１１で説明した複数の焦点検出位置は、例えば図１２に示すように、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が画面上下、焦点検出位置３０４、３０５が画面左右に配置されている。
【００４３】
図１３は、図１１、図１２に対応した撮像素子２１２の詳細構成図である。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１２の５箇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（マイクロレンズ方式）が図のように配列されている。
【００４４】
図１４は、デジタルスチルカメラ（光学システム、図１１参照）の動作（ボディＣＰＵ２１４と焦点検出部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されると処理を開始し、ステップ１１０へ進む。ステップ１１０でレンズＣＰＵから口径情報を受信する。続くステップ１２０では、口径情報と測距瞳情報と焦点検出位置情報に基づいて各焦点検出位置毎の変換係数と測距光量情報を演算する。ステップ１３０において、焦点検出位置毎に撮像素子の焦点検出用画素から一対の像信号を読み出し、測距光量情報で補正する。この補正の詳細については後述する。
【００４５】
ステップ１４０で焦点検出位置毎に補正された一対の像信号の像ズレ量を演算する。ステップ１５０において、焦点検出位置毎に像ズレ量に変換係数を乗じてデフォーカス量を算出し、該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。ステップ１６０で最終的なデフォーカス量に基づき、結像光学系が合焦状態か否かを判定する。ステップ１６０で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ＣＰＵに送信して結像光学系を合焦位置に駆動させ、ステップ１１０へ戻って上記動作を繰り返す。
【００４６】
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し、シャッターレリーズがなされていないと判定された場合はステップ１１０へ戻って上記動作を繰り返す。一方、シャッターレリーズがなされたと判定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は測距光量情報による像信号の補正を説明する図である。図１５では、１つの焦点検出位置における像信号の強度分布（光量）を縦軸、焦点検出位置内の位置偏差を横軸にとって示した。ここで、焦点検出位置内の位置偏差は、例えば図１３に示す撮像素子上の１つの焦点検出位置に属する複数の焦点検出用画素の位置に相当する。焦点検出用光束にケラレが生じていない場合の一対の像信号４００，４０１は、図１５（ａ）に示すように、同一の像信号関数が単に横にシフトしたものとなっている。このような一対の像信号に対して周知の像ズレ検出演算を施すことにより、一対の像信号４００，４０１の正確な像ズレ量を算出することができる。
【００４８】
焦点検出用光束にケラレが生ずると、測距瞳を通る焦点検出用光束の量が焦点検出位置および焦点検出位置内での位置偏差によって変化し、例えば輝度が一様な物体を結像させた場合でも図１５（ｂ）のように一対の像信号４０２，４０３のように一様にならない。図１５（ｂ）のような輝度一様物体に対する一対の像信号４０２，４０３は、図７〜図１０で説明したように、口径情報と測距瞳情報と焦点検出位置および焦点検出位置内の位置偏差に基づき、実際に焦点検出に利用できる焦点検出用光束の量すなわち測距光量情報として演算することができる。
【００４９】
焦点検出用光束にケラレが生じている場合の一対の像信号４０４，４０５は図１５（ｃ）のようになり、同一の信号を相対的にシフトしたものにはならない。したがって、このまま像ズレ検出演算を施しても像ズレ量に誤差を生ずる。一対の像信号４０４，４０５は、図１５（ａ）に示す焦点検出用光束にケラレが生じていない場合の一対の像信号４００，４０１に、図１５（ｂ）に示す一対の像信号（測距光量情報）４０２、４０３を乗じた像信号となっている。反対に、焦点検出用光束にケラレが生じている場合の一対の像信号４０４，４０５が得られた場合には、測距光量情報４０２、４０３を演算で求め、この測距光量情報で一対の像信号４０４，４０５を除してやれば、焦点検出用光束にケラレが生じていない場合の一対の像信号４００，４０１を得ることができる。
【００５０】
このように、ケラレが生じている信号を測距光量情報で補正することにより、一対の像の一致度が高まり、像ズレ量を正確に算出することが可能になる。
【００５１】
図１６は光学システムの他の実施例を示す。図１１に示す光学システムでは撮像素子中に焦点検出用の画素を埋め込んだ構成となっているが、図１６に示す光学システムでは焦点検出を撮像素子と別の焦点検出ユニット（焦点検出装置）で行う構成になっている。図１６において、図１１に示す機器と同様な機器については説明を省略する。３２０は焦点検出ユニット（再結像方式）、３２１はメインミラー（ハーフミラー）、３２２はサブミラー、３２３は折り返しミラーである。また、撮像素子２１２は撮像専用のイメージセンサーである。
【００５２】
交換レンズ２０２からボディ２０３に入射する光束は、メインミラー３２１で分割され一方は折り返しミラー３２３方向に反射され、折り返しミラー３２３で接眼レンズ２１７方向に反射され、ファインダー像をした観察される。メインミラー３２１を通過した光束はサブミラー３２２で反射され、再結像方式の焦点検出ユニット３２０で受光され、焦点検出ユニット３２０は一対の像信号を出力される。焦点検出ユニットは図１に示すような構成となっており、画面上の複数の焦点検出位置に対応して、複数の再結像方式の光学系とイメージセンサが配置されている。
【００５３】
撮影時はメインミラー３２１とサブミラー３２２は撮影光路中から待避し、撮像素子２１２で撮像が行われる。焦点検出ユニット３２０から出力される一対の像信号は焦点検出部２１３で処理される。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（変換係数を算出するために必要な口径情報、レンズ駆動のためのデフォーカス量等）を伝達する。焦点検出部２１３は、レンズＣＰＵ２０６と通信して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が保持している測距瞳情報と複数の焦点検出位置の情報に基づいて、複数の焦点検出位置毎に変換係数と測距光量情報を算出する。
【００５４】
焦点検出部２１３は、測距光量情報に応じて焦点検出位置毎に一対の像信号を補正した後、周知の焦点検出演算処理を施して焦点検出位置毎に一対の像の像ズレ量を算出する。焦点検出部２１３は、焦点検出位置毎に算出された像ズレ量に焦点検出位置毎に求められた変換係数を乗じて各焦点検出位置で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き最終的なデフォーカス量を決定する。また、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）は、最終的なデフォーカス量をレンズＣＰＵに送信する。
【００５５】
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きフォーカシングレンズ２１０を合焦点へと駆動する。
【００５６】
なお、光学システムは上述したデジタルスチルカメラに限定されない。携帯電話などに内蔵される小型カメラモジュール等にも適用できる。また、以上の説明では瞳分割型の焦点検出方式の例として再結像方式とマイクロレンズ方式を説明したが、これらの方式に限定されず、射出瞳を何らかの方法で分割し、これらの分割された瞳を通る光束を用いて形成された一対の像の像ズレ量を検出する方式であればよい。
【００５７】
このように、一実施の形態によれば、結像光学系を通過した一対の焦点検出用光束により結像される一対の像のズレ量に基づいて結像光学系の予定結像面における焦点調節状態を検出する場合に、焦点検出に用いる焦点検出用光束の分布を示す測距瞳情報と、結像光学系から焦点検出装置に射出する光束を規定する口径情報とに基づいて、一対の像のズレ量を結像光学系のデフォーカス量に変換するための変換係数を算出するようにしたので、瞳分割型の焦点検出方式において、一対の像ズレ量を結像光学系のデフォーカス量に変換するための正確な変換係数を求めることができ、結像光学系の焦点検出精度を向上させることができる。
【００５８】
また、一実施の形態によれば、上述した測距瞳情報と口径情報とに基づいて、一対の焦点検出用光束の中からそれぞれ焦点検出に利用可能な光束を分別するとともに、分別した二つの光束分布の重心の開き角を算出し、この重心の開き角に基づいて変換係数を算出するようにしたので、焦点検出用光束にケラレが発生したり、さらにそのケラレ方が結像光学系の交換やフォーカシングやズーミングによって変化する場合でも正確な変換係数を迅速にも求めることができ、焦点検出における精度と応答性を向上させることができる。
【００５９】
一実施の形態によれば、結像光学系の射出瞳面上において一対の焦点検出用光束の中からそれぞれ焦点検出に利用可能な二つの光束を分別するとともに、分別した二つの光束分布の重心間隔を算出し、結像光学系の予定結像面と射出瞳面との間の距離と重心間隔とに基づいて重心の開き角を算出するようにしたので、重心の開き角を正確にかつ迅速に求めることができ、焦点検出における精度と応答性をさらに向上させることができる。
【００６０】
さらに、一実施の形態によれば、測距瞳情報には焦点検出位置に応じた焦点検出用光束の方向に関する情報を含むようにしたので、焦点検出位置に応じて焦点検出用光束のケラレ方が異なる場合でも正確な変換係数を迅速に求めることができ、焦点検出における精度と応答性を向上させることができる。
【００６１】
一実施の形態によれば、口径情報を焦点検出位置に応じた情報としたので、焦点検出位置に応じて焦点検出用光束のケラレ方が異なる場合でも正確な変換係数を迅速に求めることができ、焦点検出における精度と応答性を向上させることができる。
【００６２】
一実施の形態によれば、焦点検出位置の情報、測距瞳情報および口径情報に基づいて変換係数を算出するようにしたので、焦点検出位置に応じて焦点検出用光束のケラレ方が異なる場合でも正確な変換係数を迅速に求めることができ、焦点検出における精度と応答性を向上させることができる。
【００６３】
さらにまた、焦点検出位置情報、測距瞳情報および口径情報とに基づいて、焦点検出に利用可能な一対の焦点検出用光束の光量に関する測距光量情報を算出するとともに、一対の焦点検出用光束により結像される一対の像を測距光量情報により補正するようにしたので、高精度な像ズレ量の検出ができ、それにより高精度な焦点検出が可能になる。
【００６４】
一実施の形態によれば、上述した一実施の形態の焦点検出装置を含むカメラボディ２０３と、カメラボディ２０３に対して着脱交換可能な結像光学系を含む交換レンズ２０２とから光学システムを構成し、カメラボディ２０３側に変換係数を演算するＣＰＵ２１４を設置するとともにそのメモリに測距瞳情報を記憶しておき、一方、交換レンズ２０２のレンズＣＰＵ２０６のメモリに口径情報を記憶し、カメラボディ２０３に設置されたＣＰＵ２１４によって、交換レンズ２０２から口径情報を読み出し、口径情報と測距瞳情報とに基づいて変換係数を算出するようにしたので、上述した焦点検出装置を含む本体と、本体に対して着脱交換可能なレンズ溝体とから成る光学システムにおいても、焦点検出用光束にケラレが発生したり、さらにそのケラレ方が結像光学系の交換やフォーカシングやズーミングによって変化する場合でも正確な変換係数を迅速にも求めることができ、焦点検出における精度と応答性を向上させることができる。
【００６５】
《焦点検出用光束の重心位置算出の変形例》
上述した図８および図９では、予定結像面上の中心（予定結像面と光軸との交点）と周辺において焦点検出用光束の重心を求める際、同一の焦点検出用光束の分布情報を用いているが、予定結像面上の位置に応じて焦点検出用光束の分布を示す測距瞳情報が異なる場合には、それぞれの位置に対応した測距瞳情報を記憶しておき、焦点検出用光束の重心を求める際には予定結像面上の位置（焦点検出位置）に対応した測距瞳情報を用いるようにしてもよい。
【００６６】
焦点検出位置が多く、焦点検出位置に対応した測距瞳情報を記憶するのに膨大な記憶容量を必要とする場合には、図１７に示すように少数の特定位置に対応した測距瞳情報を記憶しておき、任意の焦点検出位置における測距瞳情報を焦点検出位置近傍の特定位置の測距瞳情報より補間して求める。このようにすれば、測距瞳情報を記憶するための記憶容量を低減することができる。
【００６７】
図１７(ａ)において、予定結像面４００上の特定位置４０１、４０２に対しては、焦点検出用光束の分布を示す測距瞳情報（(ｂ)図および(ｄ)図参照）が記憶されているものとする。ここで、任意の焦点検出位置４０３における測距瞳情報を求める場合には、位置４０３の近傍に存在する特定位置であって、予め測距瞳情報が記憶されている特定位置、ここでは位置４０１と４０２の測距瞳情報を用いて焦点検出用位置４０３の測距瞳情報（(ｃ)図参照）を補間により求める。この補間演算に際しては、焦点検出位置４０３と特定位置４０１の間の距離と、焦点検出位置４０３と特定位置４０２の間の距離とに応じて、特定位置４０１の測距瞳情報と特定位置４０２の測距瞳情報を按分する。
【００６８】
《焦点検出用光束の重心位置算出の他の変形例》
上述した図８および図９では、焦点検出用光束の重心を求める際に射出瞳面１上における焦点検出用光束の分布情報を用いたが、予定結像面からの光軸方向の距離に応じて焦点検出用光束の分布を示す測距瞳情報が異なる場合には、予定結像面からの光軸方向の距離に対応した測距瞳情報を記憶しておき、焦点検出用光束の重心を求める際には光学系の射出瞳位置（予定結像面からの光軸方向の距離）に対応した測距瞳情報を用いるようにしてもよい。
【００６９】
予定結像面からの光軸方向の距離に対応した測距瞳情報を記憶するのに膨大な記憶容量が必要となる場合には、図１８に示すように少数の特定距離に対応した測距瞳情報を記憶しておき、任意の距離における測距瞳情報を近傍の特定距離の測距瞳情報より補間して求める。このようにすれば、測距瞳情報を記憶するための記憶容量を低減することができる。
【００７０】
図１８において、予定結像面４００から特定距離だけ離れた位置４１１、４１２に対しては、焦点検出用光束の分布を示す測距瞳情報（(ｂ)図および(ｄ)図参照）が記憶されているものとする。ここで、結像光学系の射出瞳位置４１３における測距瞳情報を求める場合には、位置４１３の近傍に存在する特定位置であって、予め測距瞳情報が記憶されている特定位置、ここでは位置４１１と４１２の測距瞳情報を用いて射出瞳位置４１３の測距瞳情報（(ｃ)図参照）を補間演算により求める。この補間演算に際しては、位置４１３と特定位置４１１の間の距離と、位置４１３と特定位置４１２の間の距離とに応じて、特定位置４１１の測距瞳情報と特定位置４１２の測距瞳情報を按分する。
【００７１】
以上の説明では、焦点検出用光束の重心を求める際に用いる焦点検出用光束の分布情報（測距瞳情報）を予め記憶しておく例を示したが、焦点検出装置が高速演算処理可能なマイクロコンピューターを備えている場合には、焦点検出系の構成パラメーター（光電変換部サイズ、マイクロレンズ曲率、マイクロレンズ屈折率、マイクロレンズと光電変換部の距離、マイクロレンズ開口径など）から直接、光線追跡演算や回折演算を行うことによって、予定結像面上の任意の位置、あるいは予定結像面から光軸方向の任意の距離に対応した測距瞳情報を求めるようにしてもよい。
【００７２】
光線追跡演算や回折演算に時間がかかり過ぎる場合には、予定結像面上の任意の位置、あるいは予定結像面から光軸方向の任意の距離に対応した点像分布関数を予め演算して記憶するとともに、回折や収差のない場合の設計上の測距瞳情報（設計測距瞳情報）を記憶しておき、焦点検出光束の重心を求める際には焦点検出位置および結像光学系の射出瞳位置に対応した点像分布関数と設計測距瞳情報を読み出し、この点像分布関数と設計測距瞳情報とのコンボルーション演算を行うことによって、焦点検出位置および結像光学系の射出瞳位置に対応した測距瞳情報を演算により求めて用いるようにする。
【００７３】
予定結像面上の任意の位置、あるいは予定結像面から光軸方向の任意の距離に対応した点像分布関数を記憶するのに膨大な記憶容量が必要となる場合は、予定結像面上の特定の位置あるいは予定結像面から光軸方向の特定の距離に対応した点像分布関数を記憶しておき、焦点検出位置あるいは結像光学系の射出瞳位置に対応した点像分布関数を焦点検出位置近傍の特定位置あるいは結像光学系の射出瞳距離の近傍の特定距離に対応した点像分布関数を用いて補間演算を行う。このようにすれば、点像分布関数を記憶するための記憶容量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】再結像方式の焦点検出装置の構成を示す図である。
【図２】マイクロレンズ方式の焦点検出装置の構成を示す図である。
【図３】マイクロレンズ方式における回折現象を説明する図である。
【図４】図３に対応する回折像強度分布パターンを示す図である。
【図５】図４の回折像強度分布パターンのＹ＝０の断面図である。
【図６】マイクロレンズ方式における球面収差を説明する図である。
【図７】焦点検出用光束のケラレの説明図である。
【図８】焦点検出用光束の重心の求め方を説明する図である。
【図９】焦点検出用光束のケラレを説明する図である。
【図１０】焦点検出用光束の重心の求め方を説明する図である。
【図１１】光学システムの構成図である。
【図１２】図１１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１３】図１１、図１２に対応した撮像素子の詳細構成図である。
【図１４】デジタルスチルカメラの動作を示すフローチャートである。
【図１５】測距光量情報による像信号の補正を説明する図である。
【図１６】光学システムの他の実施例を示す図である。
【図１７】焦点検出用光束の重心位置算出の変形例を説明する図である。
【図１８】焦点検出用光束の重心位置算出の他の変形例を説明する図である。
【符号の説明】
【００７５】
１  射出瞳
２、３  測距瞳
４  光軸
６、７  焦点検出用光束
８、９  重心位置
１２、１３、２２、２３  絞り開口
１６、２６  イメージセンサ
１８、２８  測距ユニット
３２、３３、４２、４３、５６、５７、７２、７３、８２、８３  焦点検出用光束
４１、４４  結像光学系の絞りの射出瞳
５０、６０  マイクロレンズ
５２、５３、６２、６３  受光素子
６７  投影軸
７８、７９  重心位置
２０１  デジタルスチルカメラ
２０３  カメラボディ
２０６  レンズＣＰＵ
２１１  絞り
２１２  撮像素子
２１０  デジタルスチルカメラ
２１２  撮像素子
２１３  焦点検出部
２１４  ボディＣＰＵ
３１０  撮像用画素
３１１  焦点検出用画素（マイクロレンズ方式）
【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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【図８】
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【図９】
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【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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