(57)【要約】【課題】光学系の焦点状態を良好に検出することが可能な焦点検出装置を提供する。【解決手段】光学系の瞳の異なる領域からの光による像のズレ量を検出することで、光学系の焦点状態を検出する位相差検出手段２１と、光学系による像を撮像して画像信号を取得し、画像信号に基づいて、光学系による像のコントラストに関する評価値を算出することで、光学系の焦点状態を検出するコントラスト検出手段２１と、位相差検出手段２１により、合焦位置に対応する焦点状態が複数検出された場合に、コントラスト検出手段２１により、光学系の焦点状態の検出を行わせる制御手段２１と、を備えることを特徴とする焦点検出装置。【選択図】  図１
2012226247.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学系の瞳の異なる領域からの光による像のズレ量を検出することで、前記光学系の焦点状態を検出する位相差検出手段と、
前記光学系による像を撮像して画像信号を取得し、前記画像信号に基づいて、前記光学系による像のコントラストに関する評価値を算出することで、前記光学系の焦点状態を検出するコントラスト検出手段と、
前記位相差検出手段により、合焦位置に対応する焦点状態が複数検出された場合に、前記コントラスト検出手段により、前記光学系の焦点状態の検出を行わせる制御手段と、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、
前記コントラスト検出手段は、前記位相差検出手段による焦点状態の検出結果に基づいて、前記光学系の焦点状態を検出する範囲を設定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、
前記コントラスト検出手段は、前記位相差検出手段により検出された合焦位置に対応する複数の焦点状態に、前記評価値のピークが存在するか否かが検出できる範囲を、前記光学系の焦点状態を検出する範囲として設定することを特徴とする焦点検出装置。
【請求項４】
請求項３に記載の焦点検出装置において、
前記コントラスト検出手段は、焦点状態を変化させる速度と、前記画像信号の取得間隔に基づいて、前記光学系の焦点状態を検出する範囲を設定することを特徴とする焦点検出装置。
【請求項５】
請求項３または４に記載の焦点検出装置において、
前記コントラスト検出手段は、前記位相差検出手段により検出された合焦位置に対応する複数の焦点状態のそれぞれについて、各前記焦点状態を含む範囲において、前記評価値を３点以上算出することができる範囲を、前記光学系の焦点状態を検出する範囲として設定することを特徴とする焦点検出装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の焦点検出装置において、
前記位相差検出手段により、合焦位置に対応する焦点状態が複数検出された場合に、複数の前記焦点状態における像の高周波成分を検出し、前記高周波成分の検出結果に基づいて、前記光学系の焦点状態を検出する高周波成分検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記位相差検出手段により、合焦位置に対応する焦点状態が複数検出された場合に、前記コントラスト検出手段と、前記高周波成分検出手段とを切り替えて、前記コントラスト検出手段または前記高周波成分検出手段に、前記光学系の焦点状態の検出を行わせることを特徴とする焦点検出装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の焦点検出装置を備える撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焦点検出装置および撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、位相差検出方式により、一対の像のズレ量を検出することにより、光学系の焦点状態を検出する焦点検出装置が知られている。このような焦点検出装置として、合焦位置に対応する焦点状態が複数検出された場合に、合焦位置に対応する各焦点状態において一対の像の相関量を算出し、算出した相関量を比較することで、光学系の焦点状態を検出する技術が知られている（たとえば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２３２９８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１では、合焦位置に対応する複数の焦点状態で得られた相関量の差が所定値以下である場合には、合焦位置に対応する複数の焦点状態の中から、実際の合焦位置に対応する焦点状態を検出することができず、光学系の焦点状態を適切に検出できないという問題があった。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、光学系の焦点状態を良好に検出することが可能な焦点検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、以下の解決手段によって上記課題を解決する。なお、以下においては、本発明の実施形態を示す図面に対応する符号を付して説明するが、この符号は発明の理解を容易にするためだけのものであって発明を限定する趣旨ではない。
【０００７】
［１］本発明に係る焦点検出装置は、光学系の瞳の異なる領域からの光による像のズレ量を検出することで、前記光学系の焦点状態を検出する位相差検出手段（２１）と、前記光学系による像を撮像して画像信号を取得し、前記画像信号に基づいて、前記光学系による像のコントラストに関する評価値を算出することで、前記光学系の焦点状態を検出するコントラスト検出手段（２１）と、前記位相差検出手段により、合焦位置に対応する焦点状態が複数検出された場合に、前記コントラスト検出手段により、前記光学系の焦点状態の検出を行わせる制御手段（２１）と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
［２］上記焦点検出装置に係る発明において、前記コントラスト検出手段（２１）は、前記位相差検出手段（２１）による焦点状態の検出結果に基づいて、前記光学系の焦点状態を検出する範囲を設定するように構成することができる。
【０００９】
［３］上記焦点検出装置に係る発明において、前記コントラスト検出手段（２１）は、前記位相差検出手段（２１）により検出された合焦位置に対応する複数の焦点状態に、前記評価値のピークが存在するか否かが検出できる範囲を、前記光学系の焦点状態を検出する範囲として設定するように構成することができる。
【００１０】
［４］上記焦点検出装置に係る発明において、前記コントラスト検出手段（２１）は、焦点状態を変化させる速度と、前記画像信号の取得間隔に基づいて、前記光学系の焦点状態を検出する範囲を設定するように構成することができる。
【００１１】
［５］上記焦点検出装置に係る発明において、前記コントラスト検出手段（２１）は、前記位相差検出手段（２１）により検出された合焦位置に対応する複数の焦点状態のそれぞれについて、各前記焦点状態を含む範囲において、前記評価値を３点以上算出することができる範囲を、前記光学系の焦点状態を検出する範囲として設定するように構成することができる。
【００１２】
［６］上記焦点検出装置に係る発明において、前記位相差検出手段（２１）により、合焦位置に対応する焦点状態が複数検出された場合に、複数の前記焦点状態における像の高周波成分を検出し、前記高周波成分の検出結果に基づいて、前記光学系の焦点状態を検出する高周波成分検出手段（２１）をさらに備え、前記制御手段（２１）は、前記位相差検出手段により、合焦位置に対応する焦点状態が複数検出された場合に、前記コントラスト検出手段（２１）と、前記高周波成分検出手段とを切り替えて、前記コントラスト検出手段または前記高周波成分検出手段に、前記光学系の焦点状態の検出を行わせるように構成することができる。
【００１３】
［７］本発明に係る撮像装置は、上記焦点検出装置を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、光学系の焦点状態を良好に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本実施形態に係るカメラを示すブロック図である。
【図２】図２は、図１に示す撮像素子の撮像面における焦点検出位置を示す正面図である。
【図３】図３は、図２のIII部を拡大して焦点検出画素２２２ａ，２２２ｂの配列を模式的に示す正面図である。
【図４】図４は、撮像画素２２１の一つを拡大して示す正面図である。
【図５】図５（Ａ）は、焦点検出画素２２２ａの一つを拡大して示す正面図、図５（Ｂ）は、焦点検出画素２２２ｂの一つを拡大して示す正面図である。
【図６】図６は、撮像画素２２１の一つを拡大して示す断面図である。
【図７】図７（Ａ）は、焦点検出画素２２２ａの一つを拡大して示す断面図、図７（Ｂ）は、焦点検出画素２２２ｂの一つを拡大して示す断面図である。
【図８】図８は、図３のVIII-VIII線に沿う断面図である。
【図９】図９は、本実施形態に係るカメラの動作を示すフローチャートである。
【図１０】図１０（Ａ）は、焦点検出画素２２２ａから出力された受光信号の強度の一例を示す図であり、図１０（Ｂ）は、焦点検出画素２２２ｂから出力された受光信号の強度の一例を示す図である。
【図１１】図１１は、図１０（Ａ），（Ｂ）に示す一対の受光信号の間の相関量と、シフト量との関係を示す図である。
【図１２】図１２は、図１１に示す場面例において取得された焦点評価値とフォーカスレンズ位置との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施形態に係るデジタルカメラ１を示す要部構成図である。本実施形態のデジタルカメラ１（以下、単にカメラ１という。）は、カメラ本体２とレンズ鏡筒３から構成され、これらカメラ本体２とレンズ鏡筒３はマウント部４により着脱可能に結合されている。
【００１８】
レンズ鏡筒３は、カメラ本体２に着脱可能な交換レンズである。図１に示すように、レンズ鏡筒３には、レンズ３１，３２，３３、および絞り３４を含む撮影光学系が内蔵されている。
【００１９】
レンズ３２は、フォーカスレンズであり、光軸Ｌ１方向に移動することで、撮影光学系の焦点距離を調節可能となっている。フォーカスレンズ３２は、レンズ鏡筒３の光軸Ｌ１に沿って移動可能に設けられ、エンコーダ３５によってその位置が検出されつつフォーカスレンズ駆動モータ３６によってその位置が調節される。
【００２０】
このフォーカスレンズ３２の光軸Ｌ１に沿う移動機構の具体的構成は特に限定されない。一例を挙げれば、レンズ鏡筒３に固定された固定筒に回転可能に回転筒を挿入し、この回転筒の内周面にヘリコイド溝（螺旋溝）を形成するとともに、フォーカスレンズ３２を固定するレンズ枠の端部をヘリコイド溝に嵌合させる。そして、フォーカスレンズ駆動モータ３６によって回転筒を回転させることで、レンズ枠に固定されたフォーカスレンズ３２が光軸Ｌ１に沿って直進移動することになる。
【００２１】
上述したようにレンズ鏡筒３に対して回転筒を回転させることによりレンズ枠に固定されたフォーカスレンズ３２は光軸Ｌ１方向に直進移動するが、その駆動源としてのフォーカスレンズ駆動モータ３６がレンズ鏡筒３に設けられている。フォーカスレンズ駆動モータ３６と回転筒とは、たとえば複数の歯車からなる変速機で連結され、フォーカスレンズ駆動モータ３６の駆動軸を何れか一方向へ回転駆動すると所定のギヤ比で回転筒に伝達され、そして、回転筒が何れか一方向へ回転することで、レンズ枠に固定されたフォーカスレンズ３２が光軸Ｌ１の何れかの方向へ直進移動することになる。なお、フォーカスレンズ駆動モータ３６の駆動軸が逆方向に回転駆動すると、変速機を構成する複数の歯車も逆方向に回転し、フォーカスレンズ３２は光軸Ｌ１の逆方向へ直進移動することになる。
【００２２】
フォーカスレンズ３２の位置はエンコーダ３５によって検出される。既述したとおり、フォーカスレンズ３２の光軸Ｌ１方向の位置は回転筒の回転角に相関するので、たとえばレンズ鏡筒３に対する回転筒の相対的な回転角を検出すれば求めることができる。
【００２３】
本実施形態のエンコーダ３５としては、回転筒の回転駆動に連結された回転円板の回転をフォトインタラプタなどの光センサで検出して、回転数に応じたパルス信号を出力するものや、固定筒と回転筒の何れか一方に設けられたフレキシブルプリント配線板の表面のエンコーダパターンに、何れか他方に設けられたブラシ接点を接触させ、回転筒の移動量（回転方向でも光軸方向の何れでもよい）に応じた接触位置の変化を検出回路で検出するものなどを用いることができる。
【００２４】
フォーカスレンズ３２は、上述した回転筒の回転によってカメラボディ側の端部（至近端ともいう）から被写体側の端部（無限端ともいう）までの間を光軸Ｌ１方向に移動することができる。ちなみに、エンコーダ３５で検出されたフォーカスレンズ３２の現在位置情報は、レンズ制御部３７を介して後述するカメラ制御部２１へ送出され、フォーカスレンズ駆動モータ３６は、この情報に基づいて演算されたフォーカスレンズ３２の駆動位置が、カメラ制御部２１からレンズ制御部３７を介して送出されることにより駆動する。
【００２５】
絞り３４は、上記撮影光学系を通過して撮像素子２２に至る光束の光量を制限するとともにボケ量を調整するために、光軸Ｌ１を中心にした開口径が調節可能に構成されている。絞り３４による開口径の調節は、たとえば自動露出モードにおいて演算された適切な開口径が、カメラ制御部２１からレンズ制御部３７を介して送出されることにより行われる。また、カメラ本体２に設けられた操作部２８によるマニュアル操作により、設定された開口径がカメラ制御部２１からレンズ制御部３７に入力される。絞り３４の開口径は図示しない絞り開口センサにより検出され、レンズ制御部３７で現在の開口径が認識される。
【００２６】
一方、カメラ本体２には、上記撮影光学系からの光束Ｌ１を受光する撮像素子２２が、撮影光学系の予定焦点面に設けられ、その前面にシャッター２３が設けられている。撮像素子２２はＣＣＤやＣＭＯＳなどのデバイスから構成され、受光した光信号を電気信号に変換してカメラ制御部２１に送出する。カメラ制御部２１に送出された撮影画像情報は、逐次、液晶駆動回路２５に送出されて観察光学系の電子ビューファインダ（ＥＶＦ）２６に表示されるとともに、操作部２８に備えられたレリーズボタン（不図示）が全押しされた場合には、その撮影画像情報が、記録媒体であるメモリ２４に記録される。メモリ２４は着脱可能なカード型メモリや内蔵型メモリの何れをも用いることができる。なお、撮像素子２２の撮像面の前方には、赤外光をカットするための赤外線カットフィルタ、および画像の折り返しノイズを防止するための光学的ローパスフィルタが配置されている。撮像素子２２の構造の詳細は後述する。
【００２７】
カメラ本体２には、撮像素子２２で撮像される像を観察するための観察光学系が設けられている。本実施形態の観察光学系は、液晶表示素子からなる電子ビューファインダ（ＥＶＦ）２６と、これを駆動する液晶駆動回路２５と、接眼レンズ２７とを備えている。液晶駆動回路２５は、撮像素子２２で撮像され、カメラ制御部２１へ送出された撮影画像情報を読み込み、これに基づいて電子ビューファインダ２６を駆動する。これにより、ユーザは、接眼レンズ２７を通して現在の撮影画像を観察することができる。なお、光軸Ｌ２による上記観察光学系に代えて、または、これに加えて、液晶ディスプレイをカメラ本体２の背面等に設け、この液晶ディスプレイに撮影画像を表示させることもできる。
【００２８】
カメラ本体２にはカメラ制御部２１が設けられている。カメラ制御部２１は、マウント部４に設けられた電気信号接点部４１によりレンズ制御部３７と電気的に接続され、このレンズ制御部３７からレンズ情報を受信するとともに、レンズ制御部３７へデフォーカス量や絞り開口径などの情報を送信する。また、カメラ制御部２１は、上述したように撮像素子２２から画素出力を読み出すとともに、読み出した画素出力について、必要に応じて所定の情報処理を施すことにより画像情報を生成し、生成した画像情報を、電子ビューファインダ２６の液晶駆動回路２５やメモリ２４に出力する。また、カメラ制御部２１は、撮像素子２２からの画像情報の補正やレンズ鏡筒３の焦点調節状態、絞り調節状態などを検出するなど、カメラ１全体の制御を司る。
【００２９】
また、カメラ制御部２１は、上記に加えて、撮像素子２２から読み出した画素データに基づき、位相検出方式による撮影光学系の焦点状態の検出、およびコントラスト検出方式による撮影光学系の焦点状態の検出を行う。なお、具体的な焦点状態の検出方法については、後述する。
【００３０】
操作部２８は、シャッターレリーズボタンや撮影者がカメラ１の各種動作モードを設定するための入力スイッチであり、オートフォーカスモード／マニュアルフォーカスモードの切換が行えるようになっている。この操作部２８により設定された各種モードはカメラ制御部２１へ送出され、当該カメラ制御部２１によりカメラ１全体の動作が制御される。また、シャッターレリーズボタンは、ボタンの半押しでＯＮとなる第１スイッチＳＷ１と、ボタンの全押しでＯＮとなる第２スイッチＳＷ２とを含む。
【００３１】
次に、本実施形態に係る撮像素子２２について説明する。
【００３２】
図２は、撮像素子２２の撮像面を示す正面図、図３は、図２のIII部を拡大して焦点検出画素２２２ａ，２２２ｂの配列を模式的に示す正面図である。
【００３３】
本実施形態の撮像素子２２は、図３に示すように、複数の撮像画素２２１が、撮像面の平面上に二次元的に配列され、緑色の波長領域を透過するカラーフィルタを有する緑画素Ｇと、赤色の波長領域を透過するカラーフィルタを有する赤画素Ｒと、青色の波長領域を透過するカラーフィルタを有する青画素Ｂがいわゆるベイヤー配列（Bayer Arrangement）されたものである。すなわち、隣接する４つの画素群２２３（稠密正方格子配列）において一方の対角線上に２つの緑画素が配列され、他方の対角線上に赤画素と青画素が１つずつ配列されている。このベイヤー配列された画素群２２３を単位として、当該画素群２２３を撮像素子２２の撮像面に二次元状に繰り返し配列することで撮像素子２２が構成されている。
【００３４】
なお、単位画素群２２３の配列は、図示する稠密正方格子以外にも、たとえば稠密六方格子配列にすることもできる。また、カラーフィルタの構成や配列はこれに限定されることはなく、補色フィルタ（緑：Ｇ、イエロー：Ｙｅ、マゼンタ：Ｍｇ，シアン：Ｃｙ）の配列を採用することもできる。
【００３５】
図４は、撮像画素２２１の一つを拡大して示す正面図、図６は断面図である。一つの撮像画素２２１は、マイクロレンズ２２１１と、光電変換部２２１２と、図示しないカラーフィルタから構成され、図６の断面図に示すように、撮像素子２２の半導体回路基板２２１３の表面に光電変換部２２１２が造り込まれ、その表面にマイクロレンズ２２１１が形成されている。光電変換部２２１２は、マイクロレンズ２２１１により撮影光学系の射出瞳（たとえばＦ１．０）を通過する撮像光束を受光する形状とされ、撮像光束を受光する。
【００３６】
また、撮像素子２２の撮像面の中心、ならびに中心から左右対称位置の３箇所には、上述した撮像画素２２１に代えて焦点検出画素２２２ａ，２２２ｂが配列された焦点検出画素列２２ａ，２２ｂ，２２ｃが設けられている。そして、図３に示すように、一つの焦点検出画素列は、複数の焦点検出画素２２２ａおよび２２２ｂが、互いに隣接して交互に、横一列（２２ａ，２２ｃ，２２ｃ）に配列されて構成されている。本実施形態においては、焦点検出画素２２２ａおよび２２２ｂは、ベイヤー配列された撮像画素２２１の緑画素Ｇと青画素Ｂとの位置にギャップを設けることなく密に配列されている。
【００３７】
なお、図２に示す焦点検出画素列２２ａ〜２２ｃの位置は図示する位置にのみ限定されず、何れか一箇所、二箇所にすることもでき、また、四箇所以上の位置に配置することもできる。また、実際の焦点検出に際しては、複数配置された焦点検出画素列２２ａ〜２２ｃの中から、撮影者が操作部２８を手動操作することにより所望の焦点検出画素列を、焦点検出位置として選択することもできる。
【００３８】
図５（Ａ）は、焦点検出画素２２２ａの一つを拡大して示す正面図、図７（Ａ）は、焦点検出画素２２２ａの断面図である。また、図５（Ｂ）は、焦点検出画素２２２ｂの一つを拡大して示す正面図、図７（Ｂ）は、焦点検出画素２２２ｂの断面図である。焦点検出画素２２２ａは、図５（Ａ）に示すように、マイクロレンズ２２２１ａと、半円形状の光電変換部２２２２ａとから構成され、図７（Ａ）の断面図に示すように、撮像素子２２の半導体回路基板２２１３の表面に光電変換部２２２２ａが造り込まれ、その表面にマイクロレンズ２２２１ａが形成されている。また、焦点検出画素２２２ｂは、図５（Ｂ）に示すように、マイクロレンズ２２２１ｂと、光電変換部２２２２ｂとから構成され、図７（Ｂ）の断面図に示すように、撮像素子２２の半導体回路基板２２１３の表面に光電変換部２２２２ｂが造り込まれ、その表面にマイクロレンズ２２２１ｂが形成されている。そして、これら焦点検出画素２２２ａおよび２２２ｂは、図３に示すように、互いに隣接して交互に、横一列に配列されることにより、図２に示す焦点検出画素列２２ａ〜２２ｃを構成する。
【００３９】
なお、焦点検出画素２２２ａ，２２２ｂの光電変換部２２２２ａ，２２２２ｂは、マイクロレンズ２２２１ａ，２２２１ｂにより撮影光学系の射出瞳の所定の領域（たとえばＦ２．８）を通過する光束を受光するような形状とされる。また、焦点検出画素２２２ａ，２２２ｂにはカラーフィルタは設けられておらず、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特性と、図示しない赤外カットフィルタの分光特性を総合したものとなっている。ただし、撮像画素２２１と同じカラーフィルタのうちの一つ、たとえば緑フィルタを備えるように構成することもできる。
【００４０】
また、図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示す焦点検出画素２２２ａ，２２２ｂの光電変換部２２２２ａ，２２２２ｂは半円形状としたが、光電変換部２２２２ａ，２２２２ｂの形状はこれに限定されず、他の形状、たとえば、楕円形状、矩形状、多角形状とすることもできる。
【００４１】
ここで、上述した焦点検出画素２２２ａ，２２２ｂの画素出力に基づいて撮影光学系の焦点状態を検出する、いわゆる位相差検出方式について説明する。
【００４２】
図８は、図３のVIII-VIII線に沿う断面図であり、撮影光軸Ｌ１近傍に配置され、互いに隣接する焦点検出画素２２２ａ−１，２２２ｂ−１，２２２ａ−２，２２２ｂ−２が、射出瞳３４の測距瞳３４１，３４２から照射される光束ＡＢ１−１，ＡＢ２−１，ＡＢ１−２，ＡＢ２−２をそれぞれ受光していることを示している。なお、図８においては、複数の焦点検出画素２２２ａ，２２２ｂのうち、撮影光軸Ｌ１近傍に位置するもののみを例示して示したが、図８に示す焦点検出画素以外のその他の焦点検出画素についても、同様に、一対の測距瞳３４１，３４２から照射される光束をそれぞれ受光するように構成されている。
【００４３】
ここで、射出瞳３４とは、撮影光学系の予定焦点面に配置された焦点検出画素２２２ａ，２２２ｂのマイクロレンズ２２２１ａ，２２２１ｂの前方の距離Ｄの位置に設定された像である。距離Ｄは、マイクロレンズの曲率、屈折率、マイクロレンズと光電変換部との距離などに応じて一義的に決まる値であって、この距離Ｄを測距瞳距離と称する。また、測距瞳３４１，３４２とは、焦点検出画素２２２ａ，２２２ｂのマイクロレンズ２２２１ａ，２２２１ｂにより、それぞれ投影された光電変換部２２２２ａ,２２２２ｂの像をいう。
【００４４】
なお、図８において焦点検出画素２２２ａ−１，２２２ｂ−１，２２２ａ−２，２２２ｂ−２の配列方向は一対の測距瞳３４１，３４２の並び方向と一致している。
【００４５】
また、図８に示すように、焦点検出画素２２２ａ−１，２２２ｂ−１，２２２ａ−２，２２２ｂ−２のマイクロレンズ２２２１ａ−１，２２２１ｂ−１，２２２１ａ−２，２２２１ｂ−２は、撮影光学系の予定焦点面近傍に配置されている。そして、マイクロレンズ２２２１ａ−１，２２２１ｂ−１，２２２１ａ−２，２２２１ｂ−２の背後に配置された各光電変換部２２２２ａ−１，２２２２ｂ−１，２２２２ａ−２，２２２２ｂ−２の形状が、各マイクロレンズ２２２１ａ−１，２２２１ｂ−１，２２２１ａ−２，２２２１ｂ−２から測距距離Ｄだけ離れた射出瞳３４上に投影され、その投影形状は測距瞳３４１，３４２を形成する。
【００４６】
すなわち、測距距離Ｄにある射出瞳３４上で、各焦点検出画素の光電変換部の投影形状（測距瞳３４１，３４２）が一致するように、各焦点検出画素におけるマイクロレンズと光電変換部の相対的位置関係が定められ、それにより各焦点検出画素における光電変換部の投影方向が決定されている。
【００４７】
図８に示すように、焦点検出画素２２２ａ−１の光電変換部２２２２ａ−１は、測距瞳３４１を通過し、マイクロレンズ２２２１ａ−１に向う光束ＡＢ１−１によりマイクロレンズ２２２１ａ−１上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。同様に、焦点検出画素２２２ａ−２の光電変換部２２２２ａ−２は測距瞳３４１を通過し、マイクロレンズ２２２１ａ−２に向う光束ＡＢ１−２によりマイクロレンズ２２２１ａ−２上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。
【００４８】
また、焦点検出画素２２２ｂ−１の光電変換部２２２２ｂ−１は測距瞳３４２を通過し、マイクロレンズ２２２１ｂ−１に向う光束ＡＢ２−１によりマイクロレンズ２２２１ｂ−１上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。同様に、焦点検出画素２２２ｂ−２の光電変換部２２２２ｂ−２は測距瞳３４２を通過し、マイクロレンズ２２２１ｂ−２に向う光束ＡＢ２−２によりマイクロレンズ２２２１ｂ−２上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。
【００４９】
そして、上述した２種類の焦点検出画素２２２ａ，２２２ｂを、図３に示すように直線状に複数配置し、各焦点検出画素２２２ａ，２２２ｂの光電変換部２２２２ａ，２２２２ｂの出力を、測距瞳３４１と測距瞳３４２とのそれぞれに対応した出力グループにまとめることにより、測距瞳３４１と測距瞳３４２とのそれぞれを通過する焦点検出光束が焦点検出画素列上に形成する一対の像の強度分布に関するデータが得られる。そして、この強度分布データに対し、相関演算処理または位相差検出処理などの像ズレ検出演算処理を施すことにより、いわゆる位相差検出方式による像ズレ量を検出することができる。
【００５０】
そして、得られた像ズレ量に一対の測距瞳の重心間隔に応じた変換演算を施すことにより、予定焦点面に対する現在の焦点面（予定焦点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焦点面をいう。）の偏差、すなわちデフォーカス量を求めることができる。
【００５１】
なお、これら位相差検出方式による像ズレ量の演算と、これに基づくデフォーカス量の演算は、カメラ制御部２１により実行される。
【００５２】
また、カメラ制御部２１は、撮像素子２２の撮像画素２２１の出力を読み出し、読み出した画素出力に基づき、焦点評価値の演算を行う。この焦点評価値は、たとえば撮像素子２２の撮像画素２２１からの画像出力の高周波成分を、高周波透過フィルタを用いて抽出し、これを積算して焦点電圧を検出することで求めることができる。また、遮断周波数が異なる２つの高周波透過フィルタを用いて高周波成分を抽出し、それぞれを積算して焦点電圧を検出することでも求めることができる。
【００５３】
そして、カメラ制御部２１は、レンズ制御部３７に制御信号を送出してフォーカスレンズ３２を所定のサンプリング間隔(距離)で駆動させ、それぞれの位置における焦点評価値を求め、該焦点評価値が最大となるフォーカスレンズ３２の位置を合焦位置として求める、コントラスト検出方式による焦点検出を実行する。なお、この合焦位置は、たとえば、フォーカスレンズ３２を駆動させながら焦点評価値を算出した場合に、焦点評価値が、２回上昇した後、さらに、２回下降して推移した場合に、これら５つの焦点評価値を用いて、内挿法などの演算を行うことで求めることができる。なお、焦点評価値のピークを検出するために用いられる焦点評価値の数は、５つに限定されるものではなく、３つ以上であればよい。たとえば、３つの焦点評価値を取得した場合に、これら焦点評価値が、１回上昇した後、さらに、１回下降して推移した場合に、これら３つの焦点評価値を用いて、焦点評価値のピークを検出する構成としてもよい。
【００５４】
次いで、本実施形態に係るカメラ１の動作例を説明する。図９は、本実施形態に係るカメラ１の動作を示すフローチャートである。なお、以下の動作は、たとえば、撮影者により、操作部２８に備えられたシャッターレリーズボタンが半押しされることで開始される。
【００５５】
まず、ステップＳ１０１では、撮像素子２２により、撮影光学系からの光束の受光が行われ、カメラ制御部２１により、撮像素子２２の３つの焦点検出画素列２２ａ〜２２ｃを構成する各焦点検出画素２２２ａ，２２２ｂから一対の像に対応した一対の受光信号が読み出される。
【００５６】
ステップＳ１０２では、カメラ制御部２１により、ステップＳ１０１で読み出された一対の受光信号に基づいて、像ズレ検出演算処理(相関演算処理)が行われ、像ズレ量が演算される。具体的には、カメラ制御部２１は、配列方向ｎ番目の画素から得られた一対の受光信号の強度をα（ｎ）、β（ｎ）とした場合に、一対の受光信号の相関量Ｃ（ｋ）を、下記式（１）に示す相関演算により求める。
Ｃ（ｋ）＝Σ｜ａ（ｎ＋ｋ）−ｂ（ｎ）｜    …（１）
なお、上記式（１）において、Σ演算はｎについての累積演算（相和演算）を示し、像ずらし量ｋに応じてａ（ｎ＋ｋ）、ｂ（ｎ）のデータが存在する範囲に限定される。また、像ずらし量ｋは整数であり、ラインセンサ１６１ｄに配列された画素列の画素間隔を単位としたシフト量である。なお、上記式（１）の演算結果においては、一対の受光信号の相関が高いシフト量において、相関量Ｃ（ｋ）は極小（小さいほど相関度が高い）になる。  
【００５７】
次いで、ステップＳ１０３では、カメラ制御部２１により、ステップＳ１０２で算出された相関量に基づいて、相関量の極小値を算出する処理が行われる。本実施形態では、たとえば、以下の下記式（２）〜（５）に示す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（ｘ）と、極小値Ｃ（ｘ）を与えるシフト量ｘを算出することができる。なお、下記式に示すＣ（ｋｊ）は、上記式（１）で得られた相関量Ｃ（ｋ）のうち、Ｃ（ｋ−１）≧Ｃ（ｋ）およびＣ（ｋ＋１）＞Ｃ（ｋ）の条件を満たす値である。
Ｄ＝｛Ｃ（ｋｊ−１）−Ｃ（ｋｊ＋１）｝／２    …（２）
Ｃ（ｘ）＝ Ｃ（ｋｊ）−｜Ｄ｜    …（３）
ｘ＝ｋｊ＋Ｄ／ＳＬＯＰ    …（４）
ＳＬＯＰ＝ＭＡＸ｛Ｃ（ｋｊ＋１）−Ｃ（ｋｊ），Ｃ（ｋｊ−１）−Ｃ（ｋｊ）｝    …（５）
【００５８】
ステップＳ１０４では、カメラ制御部２１により、ステップＳ１０３で相関量の極小値が検出されたか否かの判断が行われる。相関量の極小値が検出された場合はステップＳ１０５に進み、一方、相関量の極小値が検出されなかった場合はステップＳ１１３に進む。
【００５９】
ステップＳ１０５では、カメラ制御部２１により、ステップＳ１０３で複数の極小値が検出されたか否かの判断が行われる。複数の極小値が検出された場合にはステップＳ１０９に進み、一方、相関量の極小値が１つだけ検出された場合には、ステップＳ１０６に進む。
【００６０】
ここで、図１０（Ａ）は、焦点検出画素２２２ａから出力された受光信号の強度の一例を示す図であり、図１０（Ｂ）は、焦点検出画素２２２ｂから出力された受光信号の強度の一例を示す図である。また、図１１は、図１０（Ａ），（Ｂ）に示す一対の受光信号の間の相関量とシフト量との関係の一例を示す図である。たとえば、森や、高層ビル、あるいは柵などを、広角レンズを用いて撮影した場合に、図１０（Ａ），（Ｂ）に示すように、周期的なパターンを有する受光信号が得られる場合がある。そして、図１０（Ａ），（Ｂ）に示すような一対の受光信号について相関演算を行った場合、図１１に示すように、相関量の極小値が複数得られる場合がある。たとえば、図１１に示す例では、極小値ａ、極小値ｂ、極小値ｃの３つの極小値が検出され、ステップＳ１０９に進むこととなる。
【００６１】
ステップＳ１０６では、カメラ制御部２１により、ステップＳ１０３で検出された極小値Ｃ（ｘ）を与えるシフト量ｘに基づいて、デフォーカス量の演算が行われ、続くステップＳ１０７で、算出されたデフォーカス量に基づいて、フォーカスレンズ３２を合焦位置まで駆動させるのに必要となるレンズ駆動量の演算が行われる。これにより、算出されたレンズ駆動量が、レンズ制御部３７を介して、フォーカスレンズ駆動モータ３６に送出され、フォーカスレンズ駆動モータ３６により、レンズ駆動量に基づくフォーカスレンズ３２の駆動が行われる。そして、フォーカスレンズ３２の合焦位置への駆動が完了すると、ステップＳ１０８に進み、合焦表示が行なわれる。なお、ステップＳ１０８における合焦表示は、たとえば、電子ビューファインダ２６により行われる。また、合焦表示を行なう際には、位相差検出方式により合焦動作が行われた旨をユーザに報知するための表示を併せて行なってもよい。
【００６２】
一方、ステップＳ１０５で、相関量の極小値が複数検出されたと判断された場合には、ステップＳ１０９に進む。ステップＳ１０９では、カメラ制御部２１により、コントラスト検出方式により合焦位置を検出するためのサーチ範囲の設定が行われる。具体的には、カメラ制御部２１は、以下に説明するように、フォーカスレンズ３２のサーチ範囲を設定する。
【００６３】
すなわち、カメラ制御部２１は、ステップＳ１０３で検出された複数の極小値に対応する各レンズ位置において、焦点評価値のピークが存在するか否かを検出できる範囲を、フォーカスレンズ３２のサーチ範囲として設定する。ここで、図１２は、焦点評価値とフォーカスレンズ位置との関係を示す図であり、図１１に示す場面例において算出された焦点評価値を示している。また、図１２においては、図１１に示す極小値ａに対応するフォーカスレンズ３２のレンズ位置をレンズ位置ａ’として示し、図１１に示す極小値ｂに対応するフォーカスレンズ３２のレンズ位置をレンズ位置ｂ’として示し、また、図１１に示す極小値ｃに対応するフォーカスレンズ３２のレンズ位置をレンズ位置ｃ’として示している。以下においては、図１２に示す例において、フォーカスレンズ３２を駆動させながら焦点評価値を取得し、取得した焦点評価値が、１回上昇した後、さらに、１回下降して推移した場合に、これらの焦点評価値を用いて、内挿法により焦点評価値のピークを検出する場面について説明する。
【００６４】
この場合、検出された複数の相関量の極小値のうち、シフト量が最も小さい極小値に対応するレンズ位置ａ’において焦点評価値のピークが存在するか否かを検出するためには、レンズ位置ａ’を含む範囲において焦点評価値を３点取得し、取得した焦点評価値を用いて、内挿演算を行えばよい。たとえば、図１２に示す例では、Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６の３点で焦点評価値を算出することで、レンズ位置ａ’において焦点評価値のピークが存在するか否かを検出することができる。また、同様に、検出された複数の相関量の極小値のうち、シフト量が最も大きい極小値に対応するレンズ位置ｃ’において、焦点評価値のピークが存在するか否かを検出するためには、レンズ位置ｃ’を含む範囲において焦点評価値を３点取得し、取得した焦点評価値を用いて、内挿演算を行えばよい。たとえば、図１２に示す例では、Ｐ１４，Ｐ１５，Ｐ１６の３点で焦点評価値を算出することで、レンズ位置ｃ’において焦点評価値のピークが存在するか否かを検出することができる。そのため、カメラ制御部２１は、図１２に示す例においては、Ｐ４の位置をサーチ開始位置とし、Ｐ１６の位置をサーチ終了位置とした、サーチ範囲を設定することで、検出した複数の極小値に対応する各レンズ位置ａ’，ｂ’，ｃ’において、焦点評価値のピークが存在するか否かを判断することができる。
【００６５】
このように、カメラ制御部２１は、検出された複数の相関量の極小値に対応する各レンズ位置において、焦点評価値のピークが存在するか否かを検出することができる範囲を、サーチ範囲として設定する。ここで、本実施形態においては、フォーカスレンズ３２を、所定のサーチ駆動速度で駆動させながら、フレームレートに応じた時間間隔で、焦点評価値を算出するため、カメラ制御部２１は、フォーカスレンズ３２のサーチ駆動速度と、フレームレートとに基づいて、サーチ開始位置およびサーチ終了位置を算出することができる。たとえば、カメラ制御部２１は、フォーカスレンズ３２のサーチ駆動速度と、フレームレートとに基づいて、焦点評価値の取得間隔を算出することで、算出した焦点評価値の取得間隔に基づいて、レンズ位置ａ’までに焦点評価値を１つ得ることができるレンズ位置（図１２中のＰ４の位置）を算出し、該レンズ位置を、サーチ範囲のサーチ開始位置として設定することができる。また同様に、カメラ制御部２１は、フォーカスレンズ３２のサーチ駆動速度と、フレームレートとに基づいて、焦点評価値の取得間隔を算出することで、算出した焦点評価値の取得間隔に基づいて、レンズ位置ｃ’から焦点評価値を１つ得ることができるレンズ位置（図１２中のＰ１６の位置）を算出し、該レンズ位置を、サーチ範囲のサーチ終了位置として、サーチ範囲を設定することができる。
【００６６】
なお、上述した例では、３つの焦点評価値を用いて、焦点評価値のピークが存在するか否かを検出する構成を説明したが、たとえば、算出した焦点評価値が、２回上昇した後、さらに、２回下降して推移した場合に、これらの５つの焦点評価値を用いて焦点評価値のピークが存在するか否かを検出する場合には、算出した焦点評価値の取得間隔に基づいて、レンズ位置ａ’までに焦点評価値を２つ得ることができるレンズ位置（図１２中のＰ３の位置）を、サーチ範囲のサーチ開始位置として設定し、レンズ位置ｃ’から焦点評価値を２つ得ることができるレンズ位置（図１２中のＰ１７の位置）を、サーチ範囲のサーチ終了位置として、サーチ範囲を設定することができる。
【００６７】
ステップＳ１１０では、カメラ制御部２１により、ステップＳ１０９で設定されたフォーカスレンズ３２のサーチ範囲において、フォーカスレンズ３２を光軸Ｌ１に沿ってサーチ駆動させながら、フレームレートに応じた時間間隔で、撮像素子２２の撮像画素２２１から画素出力の読み出しを行い、これに基づき、焦点評価値を算出し、これにより、異なるフォーカスレンズ位置における焦点評価値を取得することで、焦点評価値のピーク位置を、合焦位置として検出する、コントラスト検出方式による焦点検出を行う。たとえば、図１２に示す例では、Ｐ４の位置からＰ１６の位置までのサーチ範囲において、フォーカスレンズ３２をサーチ駆動させて、焦点評価値のピークを求めることで、相関量の極小値ａに対応するレンズ位置ａ’において、焦点評価値のピークが検出され、検出された焦点評価値のピークの位置が、合焦位置として検出される。
【００６８】
そして、ステップＳ１１１では、ステップＳ１１０で検出された合焦位置に基づいて、フォーカスレンズ３２を、合焦位置まで駆動させるレンズ駆動処理が行なわれる。そして、フォーカスレンズ３２の合焦位置への駆動が完了すると、ステップＳ１１２に進み、合焦表示が行なわれる。なお、ステップＳ１１２における合焦表示も、たとえば、電子ビューファインダ２６により行われる。また、合焦表示を行なう際には、コントラスト検出方式により合焦動作が行われた旨をユーザに報知するための表示を併せて行なってもよい。
【００６９】
なお、ステップＳ１０４において、相関量の極小値が検出されなかった場合には、ステップＳ１１３に進み、合焦不能表示が行なわれる。合焦不能表示は、たとえば、電子ビューファインダ２６により行われる。
【００７０】
以上のように、本実施形態では、位相差検出方式による相関演算により、複数の相関量の極小値が検出された場合に、検出された極小値に対応する各レンズ位置において、焦点評価値のピークが存在するか否かを検出可能な範囲を、サーチ範囲として設定する。そして、設定したサーチ範囲において、コントラスト検出方式により焦点評価値を算出し、焦点評価値のピークを合焦位置として検出する。これにより、本実施形態では、たとえば、図１１に示すように、相関量の極小値が複数検出された場合であっても、図１２に示すように、複数の極小値に対応するレンズ位置の中から、合焦位置を適切に検出することができ、偽合焦を有効に防止することができる。また、本実施形態では、フォーカスレンズ３２のサーチ範囲を、検出された極小値に対応する各レンズ位置において、焦点評価値のピークが存在するか否かを検出できる範囲に限定することで、焦点検出に要する時間を短縮することができる。
【００７１】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【００７２】
例えば、上述した実施形態では、複数の相関量の極小値が検出された場合に、検出された極小値に対応するレンズ位置において、焦点評価値のピークが存在するか否かを検出できる範囲を、サーチ範囲として設定し、設定したサーチ範囲において焦点評価値を取得することで、焦点評価値のピーク位置を合焦位置として検出する構成を例示したが、上述した構成と、以下に説明する構成とを切り替え可能な構成としてもよい。すなわち、複数の相関量の極小値が検出された場合に、検出された極小値に対応する各レンズ位置まで、フォーカスレンズ３２を駆動させ、極小値に対応する各レンズ位置で得られた一対の受光信号から高周波成分を抽出する。そして、複数の極小値に対応するレンズ位置のうち、高周波成分が最も多く含む受光信号が得られたレンズ位置を、合焦位置として検出する構成を、上述した構成と切り替え可能な構成としてもよい。なお、これらの構成の切り替えは、たとえば、撮影者による操作部２８の操作により、いずれかの構成を用いるモードが選択された場合に、行われるようにすることができる。
【００７３】
なお、上述した実施形態のカメラ１は特に限定されず、例えば、デジタルビデオカメラ、一眼レフデジタルカメラ、レンズ一体型のデジタルカメラ、携帯電話用のカメラなどのその他の光学機器に本発明を適用してもよい。
【符号の説明】
【００７４】
１…デジタルカメラ
２…カメラ本体
２１…カメラ制御部
２２…撮像素子
２２１…撮像画素
２２２ａ，２２２ｂ…焦点検出画素
２８…操作部
３…レンズ鏡筒
３２…フォーカスレンズ
３６…フォーカスレンズ駆動モータ
３７…レンズ制御部
【図１】
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【図２】
2012226247.tif 000004
【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】
2012226247.tif 000010
【図９】
2012226247.tif 000011
【図１０】
2012226247.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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