JP5161702B2 - 撮像装置、撮像システム、及び焦点検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置、撮像システム、及び焦点検出方法に関し、更に詳しくは、デジタルスチルカメラ、ビデオカメラ、銀塩カメラなどの撮像装置、撮像システム、及び焦点検出方法に関する。

撮像装置の焦点検出、調節方法で撮影レンズを通過した光束を用いる一般的な方式として、コントラスト検出方式と位相差検出方式とがある。コントラスト検出方式はビデオカメラやデジタルスチルカメラで多く用いられる方式であり、撮像素子が焦点検出用センサとして用いられるものである。撮像素子の出力信号、特に高周波成分の情報（コントラスト情報）に着目し、その評価値が最も大きくなる撮影レンズの位置を合焦位置とする方式である。しかしながら、山登り方式とも言われるように、撮影レンズを微少量動かしながら評価値を求め、その評価値が結果的に最大であったとわかるまで動かす事が必要であるため、高速な焦点調節動作には不向きとされている。

一方、位相差検出方式は、銀塩フィルムによる一眼レフカメラに多く用いられ、自動焦点検出（Ａｕｔｏ Ｆｏｃｕｓ：ＡＦ）一眼レフカメラの実用化に最も貢献した技術である。位相差検出方式では、撮影レンズの射出瞳を通過した光束を２分割し、２分割した光束を一組の焦点検出用センサによりそれぞれ受光する。そして、その受光量に応じて出力される信号のずれ量、すなわち、光束の分割方向の相対的位置ずれ量を検出することで撮影レンズのピント方向のずれ量を直接求めるものである。従って、焦点検出用センサにより一度蓄積動作を行えばピントずれの量と方向が得られるため、高速な焦点調節動作が可能となっている。

そして、２分割されたそれぞれの光束に対応する信号を得るために、撮像光路中にクイックリターン機構からなるハーフミラーや反射ミラー等の光路分割機構を設け、その先に焦点検出用光学系とＡＦセンサを設けるのが一般的である。

ところで、この位相差検出方式による焦点検出を行うためには、上記２分割した光束が撮影レンズの射出瞳や像高変化、ズーム位置変化によるビネッティング（口径食）などによりケラレないよう焦点検出光学系を設定する必要がある。特に、射出瞳位置や径、さらにはビネッティングがそれぞれ異なる複数の撮影レンズを装着可能なカメラシステムにおいては、ケラレないよう焦点検出を行うには制約が多い。そのため、広範囲に焦点検出領域を設定できない、２分割する光束の基線長拡大による高精度化ができない、などの問題がある。

そこで、特許文献１では、焦点検出光束のケラレによる焦点検出用信号の光量低下を撮影レンズの射出瞳等の情報から補正して焦点検出を行う例が開示されている。この例によれば、多少のケラレがあっても位相差方式の焦点検出を行うことができるため、広範囲での焦点検出、基線長拡大による高精度な焦点検出を行うことができる。

また近年、撮像素子に位相差検出機能を付与し、専用のＡＦセンサを不要とし、かつ高速の位相差ＡＦを実現するための技術も開示されている。

例えば、特許文献２では、撮像素子の一部の受光素子（画素）において、オンチップマイクロレンズの光軸に対して受光部の感度領域を偏心させることで瞳分割機能を付与している。そしてこれらの画素を焦点検出用画素とし、撮像用画素群の間に所定の間隔で配置することで、位相差式焦点検出を行う。また、焦点検出用画素が配置された箇所は撮像画素の欠損部に相当するため、周辺の撮像画素情報から補間して画像情報を生成している。この例によると撮像面で位相差方式の焦点検出を行うことが可能なため、高速かつ高精度な焦点検出を行うことができる。

特開平０３−２１４１３３号公報 特開２０００−１５６８２３号公報

しかしながら、特許文献１及び２には以下のような課題がある。

特許文献１では、撮影レンズのケラレによる焦点検出用信号の光量低下補正は撮影レンズ側の情報をもとに行っている。しかしながら、ケラレ具合は撮影レンズ側のみならず、カメラ側の製造誤差によっても左右される。特に、一眼レフカメラは、焦点検出用光学系に複雑な光路変換および光路分離を行っているため、これによる製造誤差は大きい。したがって、撮影レンズ側の情報のみで光量低下補正を行っても焦点検出結果に誤差が生じてしまう。

特許文献２では、オンチップマイクロレンズと受光部の相対位置関係により瞳分割を行うため、オンチップマイクロレンズの製造誤差により瞳分割が大きくずれてしまうという問題がある。オンチップマイクロレンズによる瞳分割は、マイクロレンズに対して数ミクロン深さにある受光部を数十〜数百ミリの先の撮影レンズ射出瞳位置に逆投影しているため、その結像倍率は非常に大きくなる。したがって、わずかなオンチップマイクロレンズの製造誤差が大きなずれとなってしまうため、焦点検出光束に大きなケラレが生じて焦点検出できなくなってしまう。

本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、位相差方式の焦点検出において、製造誤差による焦点検出光束のケラレがあっても高精度に焦点検出を行うことを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の撮像装置は、撮影レンズの異なる領域を通過する対の光束をそれぞれ光電変換して画像信号対を出力する複数の焦点検出用画素対を含み、各画素に対応したマイクロレンズがそれぞれ形成された撮像素子と、前記マイクロレンズの形成時のアライメント誤差を含む製造誤差に関する中心軸ずれ情報を記憶する記憶手段と、前記撮影レンズの射出瞳を介して前記焦点検出用画素対のそれぞれに入射する光量のアンバランスを補償するように、前記製造誤差が無い場合に像高に応じて変化する前記光量の比を示す関数を前記中心軸ずれ情報に基づいて変更し、該変更した関数と前記焦点検出用画素対の像高とに応じて前記画像信号対の信号レベルを補正する補正手段と、前記補正手段により補正された前記画像信号対を用いて、前記撮影レンズの焦点検出を行う焦点検出手段とを備える。

また、本発明の撮像システムは、上記撮像装置と、前記撮像装置に着脱可能なレンズユニットとを有し、前記撮像装置に前記中心軸ずれ情報を格納し、前記レンズユニットに前記射出瞳に関する情報を格納し、前記レンズユニットから前記撮像装置へ前記射出瞳に関する情報を送信する。

また、撮像装置における本発明の焦点検出方法は、出力手段が、撮像素子に含まれる複数の焦点検出用画素対により、撮影レンズの異なる領域を通過する対の光束をそれぞれ光電変換して画像信号対を出力する出力工程と、取得手段が、前記撮像素子の各画素に対応して形成されたマイクロレンズの形成時のアライメント誤差を含む製造誤差に関する中心軸ずれ情報を取得する取得工程と、補正手段が、前記撮影レンズの射出瞳を介して前記焦点検出用画素対のそれぞれに入射する光量のアンバランスを補償するように、前記製造誤差が無い場合に像高に応じて変化する前記光量の比を示す関数を、前記中心軸ずれ情報に基づいて変更し、該変更した関数と前記焦点検出用画素対の像高とに応じて前記画像信号対の信号レベルを補正する補正工程と、焦点検出手段が、前記補正工程で補正された前記画像信号対を用いて、前記撮影レンズの焦点検出を行う焦点検出工程とを備える。

本発明によれば、位相差方式の焦点検出において、製造誤差による焦点検出光束のケラレがあっても高精度に焦点検出を行うことができる。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は本発明の第１の実施形態に係るカメラの構成を示すブロック図であり、一例として、撮像素子を有するカメラ本体と撮影レンズ１００が一体構成されたデジタルスチルカメラを示している。

同図において、Ｌは撮影レンズ１００の光軸、１０１は撮影レンズ１００の先端に配置された第１レンズ群であり、光軸方向に進退可能に保持される。１０２は絞り兼用シャッタであり、その開口径を調節することで撮影時の光量調節を行うほか、静止画撮影時には露光秒時を調節する機能も備える。１０３は第２レンズ群である。そして、絞り兼用シャッタ１０２及び第２レンズ群１０３は一体となって光軸方向に進退し、第１レンズ群１０１の進退動作との連動により、変倍作用（ズーム機能）をなす。

１０５は第３レンズ群であり、光軸方向の進退により、焦点調節を行う。１０６は光学的ローパスフィルタであり、撮影画像の偽色やモアレを軽減するための光学素子である。１０７はＣＭＯＳイメージセンサとその周辺回路で構成された撮像素子である。この撮像素子１０７では、横方向ｍ画素、縦方向ｎ画素の受光画素上に、ベイヤー配列の原色カラーフィルタがオンチップで形成されている。

１１１はズームアクチュエータであり、不図示のカム筒を回動することで、第１レンズ群１０１〜第２レンズ群１０３を光軸方向に進退駆動し、変倍操作を行う。１１２は絞りシャッタアクチュエータであり、絞り兼用シャッタ１０２の開口径を制御して撮影光量を調節すると共に、静止画撮影時の露光時間制御を行う。１１４はフォーカスアクチュエータであり、第３レンズ群１０５を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行う。

１１５は撮影時の被写体照明用電子フラッシュであり、キセノン管を用いた閃光照明装置が好適であるが、連続発光するＬＥＤを備えた照明装置を用いても良い。１１６はＡＦ補助光発光部であり、所定の開口パターンを有したマスクの像を、投光レンズを介して被写界に投影し、暗い被写体や低コントラスト被写体に対する焦点検出能力を向上させる。

１２１はＣＰＵであり、撮像装置内でカメラ本体の種々の制御を司る。ＣＰＵ１２１は、例えば、演算部、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、通信インターフェイス回路等を有する。そして、ＣＰＵ１２１は、ＲＯＭに記憶された所定のプログラムに基づいて、撮像装置が有する各種回路を駆動し、ＡＦ、撮影、画像処理、及び記録等の一連の動作を実行する。

１２２は電子フラッシュ制御回路であり、撮影動作に同期して電子フラッシュ１１５を点灯制御する。１２３は補助光駆動回路であり、焦点検出動作に同期してＡＦ補助光発光部１１６を点灯制御する。１２４は撮像素子駆動回路であり、撮像素子１０７の撮像動作を制御すると共に、取得した画像信号をＡ／Ｄ変換してＣＰＵ１２１に送信する。１２５は画像処理回路であり、撮像素子１０７が取得した画像のγ変換、カラー補間、ＪＰＥＧ圧縮等の処理を行う。

１２６はフォーカス駆動回路であり、焦点検出結果に基づいてフォーカスアクチュエータ１１４を駆動制御し、第３レンズ群１０５を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行う。１２８は絞りシャッタ駆動回路であり、絞りシャッタアクチュエータ１１２を駆動制御して絞り兼用シャッタ１０２の開口を制御する。１２９はズーム駆動回路であり、撮影者のズーム操作に応じてズームアクチュエータ１１１を駆動する。

１３１はＬＣＤ等の表示器であり、撮像装置の撮影モードに関する情報、撮影前のプレビュー画像と撮影後の確認用画像、焦点検出時の合焦状態表示画像等を表示する。１３２は操作スイッチ群であり、電源スイッチ、レリーズ（撮影トリガ）スイッチ、ズーム操作スイッチ、撮影モード選択スイッチ等で構成される。１３３は着脱可能なフラッシュメモリであり、撮影済み画像を記録する。

図２は、図１の撮像素子１０７において、被写体像が形成される受光画素を撮影レンズ１００側からみた平面図である。２０は撮像素子１０７上に横方向ｍ画素、縦方向ｎ画素で形成される画素全体を、２１はそのうちの１つの画素部を示す。そして各画素部にはオンチップでベイヤー配列の原色カラーフィルタが形成され、２行×２列の４画素周期で並んでいる。なお、図２においては図を見やすくするために、左上側の１０画素×１０画素の画素部のみを表示し、その他の画素部は省略している。

図３及び図４は、図２における画素部のうち撮像用画素と焦点検出用画素の構造を説明する図である。第１の実施形態においては、２行×２列の４画素のうち、対角２画素にＧ（緑色）の分光感度を有する画素を配置し、他の２画素にＲ（赤色）とＢ（青色）の分光感度を有する画素を各１個配置した、ベイヤー配列が採用されている。そして、このベイヤー配列の間に、後述する構造の焦点検出用画素が配置される。

図３に撮像用画素の配置と構造を示す。図３（ａ）は２行×２列の撮像用画素の平面図である。図３（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を図３（ｂ）に示す。ＭＬは各画素の最前面に配置されたオンチップマイクロレンズ、ＣＦ_ＲはＲ（赤色）のカラーフィルタ、ＣＦ_ＧはＧ（緑色）のカラーフィルタである。ＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）は撮像素子１０７の光電変換素子を模式的に示したものである。ＣＬ（Ｃｏｎｔａｃｔ Ｌａｙｅｒ）は、撮像素子１０７内の各種信号を伝達する信号線を形成するための配線層である。ＴＬ（Ｔａｋｉｎｇ Ｌｅｎｓ）は撮影レンズ１００を模式的に示したもの、Ｌは撮影レンズＴＬの光軸である。なお、図３は撮像素子１０７の内、中心付近の画素、すなわち撮影レンズＴＬの軸上付近の画素構造を示す図である。

ここで、撮像用画素のオンチップマイクロレンズＭＬと光電変換素子ＰＤは、撮影レンズＴＬを通過した光束を可能な限り有効に取り込むように構成されている。換言すると、撮影レンズＴＬの射出瞳ＥＰ（Ｅｘｉｔ Ｐｕｐｉｌ）と光電変換素子ＰＤは、マイクロレンズＭＬにより共役関係にあり、かつ光電変換素子の有効面積は大面積に設計される。光束３０はその様子を示し、射出瞳ＥＰの全領域が光電変換素子ＰＤに取り込まれている。なお、図３（ｂ）ではＲ画素の入射光束について説明したが、Ｇ画素及びＢ（青色）画素も同一の構造となっている。

図４は、撮影レンズＴＬの水平方向（横方向）に瞳分割を行うための焦点検出用画素の配置と構造を示す。ここで水平方向とは、図２で示す撮像素子１０７の長手方向を示す。図４（ａ）は、焦点検出用画素を含む２行×２列の画素の平面図である。記録又は観賞のための画像信号を得る場合、Ｇ画素で輝度情報の主成分を取得する。これは、人間の画像認識特性は輝度情報に敏感であるためで、Ｇ画素が欠損すると画質劣化が認知されやすい。一方でＲ画素又はＢ画素は、色情報（色差情報）を取得する画素であるが、人間の視覚特性は色情報には鈍感であるため、色情報を取得する画素は多少の欠損が生じても画質劣化は認識され難い。そこで、本第１の実施形態においては、２行×２列の画素のうち、Ｇ画素は撮像用画素として残し、Ｒ画素とＢ画素を焦点検出用画素に置き換える。この焦点検出用画素対を図４（ａ）においてＳ_ＨＡ及びＳ_ＨＢと示す。

図４（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を図４（ｂ）に示す。マイクロレンズＭＬと、光電変換素子ＰＤは図３（ｂ）に示した撮像用画素と同一構造である。なお図４も、撮像素子１０７のうち中心付近の画素、すなわち撮影レンズＴＬの軸上付近の画素の構造を示す図である。

本第１の実施形態においては、焦点検出用画素の信号は画像生成には用いないため、色分離用カラーフィルタの代わりに透明膜ＣＦＷ（白色）が配置される。また、撮像素子１０７で瞳分割を行うため、配線層ＣＬの開口部はマイクロレンズＭＬの中心線に対して一方向に偏心している。具体的には、画素Ｓ_ＨＡの開口部ＯＰ_ＨＡはマイクロレンズＭＬの中心線に対して右側に４１_ＨＡだけ偏心しているため、撮影レンズＴＬの光軸Ｌを挟んで左側の射出瞳領域ＥＰ_ＨＡを通過した光束４０_ＨＡを受光する。同様に、画素Ｓ_ＨＢの開口部ＯＰ_ＨＢはマイクロレンズＭＬの中心線に対して左側に４１_ＨＢだけ偏心しているため、撮影レンズＴＬの光軸Ｌを挟んで右側の射出瞳領域ＥＰ_ＨＢを通過した光束４０_ＨＢを受光する。そして、図から明らかなように、偏心量４１_ＨＡは偏心量４１_ＨＢに等しい。

以上のような構成を有する画素Ｓ_ＨＡを水平方向に規則的に配列し、これらの画素群で取得した被写体像をＡ像とする。また、画素Ｓ_ＨＢも水平方向に規則的に配列し、これらの画素群で取得した被写体像をＢ像とすると、Ａ像とＢ像の相対位置を検出することで、被写体像のピントずれ量（デフォーカス量）が検出できる。

一方、図５は図４（ｂ）と同じように図４（ａ）におけるＡ−Ａ断面図であるが、撮像素子１０７の周辺部の焦点検出用画素に関する構造を示す。周辺部においては、マイクロレンズＭＬと配線層ＣＬの開口部ＯＰ_ＨＡ、ＯＰ_ＨＢを図４（ｂ）とは異なる状態で偏心させることにより瞳分割を行っている。開口部ＯＰ_ＨＡの方を例にとって説明すると、開口部ＯＰ_ＨＡの中心と射出瞳領域ＥＰ_ＨＡ中心を結ぶ線上に略球状でできたマイクロレンズＭＬの球芯を合わせるよう偏心させることにより周辺部においても軸上とほぼ同等の瞳分割を行うことができる。

具体的には、画素Ｓ_ＨＡの開口部ＯＰ_ＨＡはマイクロレンズＭＬの中心線に対して右側に５１_ＨＡだけ偏心しているため、撮影レンズＴＬの光軸Ｌを挟んで左側の射出瞳領域ＥＰ_ＨＡを通過した光束５０_ＨＡを受光する。同様に、画素Ｓ_ＨＢの開口部ＯＰ_ＨＢはマイクロレンズＭＬの中心線に対して左側に５１_ＨＢだけ偏心しているため、撮影レンズＴＬの光軸Ｌを挟んで右側の射出瞳領域ＥＰ_ＨＢを通過した光束５０_ＨＢを受光する。そして、図から明らかなように、偏心量５１_ＨＡより偏心量５１_ＨＢは大きく設定される。なお、上記説明による偏心は水平方向に関する周辺部を例として説明したが、垂直方向の周辺部、さらには水平と垂直が混在する周辺部においても同様の手法で瞳分割を行うことが可能となる。

ところで、上記焦点検出用画素対Ｓ_ＨＡ及びＳ_ＨＢでは、撮影画面の横方向に輝度分布を有した被写体、例えば縦線に対しては焦点検出可能だが、縦方向に輝度分布を有する横線は焦点検出不能である。そのためには、撮影レンズの垂直方向（縦方向）にも瞳分割を行う画素も備えるよう構成すればよい。

図６は、撮影レンズの垂直方向に瞳分割を行うための焦点検出用画素の配置と構造を示す。ここで垂直方向及び縦方向は、図２で示す撮像素子１０７の短手方向を示す。図６（ａ）は、焦点検出用画素を含む２行×２列の画素の平面図であり、図４（ａ）と同様に、Ｇ画素は撮像用画素として残し、Ｒ画素とＢ画素を焦点検出用画素としている。この焦点検出用画素を図６（ａ）においてＳ_ＶＣ及びＳ_ＶＤと示す。

図６（ａ）のＡ−Ａ断面図を図６（ｂ）に示す。図４（ｂ）の画素が横方向に瞳分離する構造であるのに対して、図６（ｂ）の画素は瞳分離方向が縦方向になっているが、その他の画素の構造は同様である。画素Ｓ_ＶＣの開口部ＯＰ_ＶＣはマイクロレンズＭＬの中心線に対して下側に６１_ＶＣだけ偏心しているため、撮影レンズＴＬの光軸Ｌを挟んで上側の射出瞳領域ＥＰ_ＶＣを通過した光束６０_ＶＣを受光する。同様に、画素Ｓ_ＶＤの開口部ＯＰ_ＶＤはマイクロレンズＭＬの中心線に対して上側に６１_ＶＤだけ偏心しているため、撮影レンズＴＬの光軸Ｌを挟んで下側の射出瞳領域ＥＰ_ＶＤを通過した光束６０_ＶＤを受光する。なお、図から明らかであるが、図６は図４と同様に撮像素子１０７の軸上付近の画素構造を示すため、偏心量６１_ＶＣと偏心量６１_ＶＤは等しくなっている。

以上のような構成を有する画素Ｓ_ＶＣを垂直方向に規則的に配列し、これらの画素群で取得した被写体像をＣ像とする。また、画素Ｓ_ＶＤも垂直方向に規則的に配列し、これらの画素群で取得した被写体像をＤ像とする。すると、Ｃ像とＤ像の相対位置を検出することで、垂直方向に輝度分布を有する被写体像のピントずれ量（デフォーカス量）が検出できる。なお、縦方向に瞳分割を行う場合においても、周辺部の焦点検出画素については図５で説明した手法にて瞳分割を行っており、説明は省略する。

ところで、上記焦点検出用画素対Ｓ_ＨＡ及びＳ_ＨＢ、Ｓ_ＶＣ及びＳ_ＶＤは本来の色情報を有さないため、撮影画像形成にあたっては周辺部の画素信号から補間演算することによって信号を作成する。したがって、撮像素子１０７に焦点検出用画素対を連続的に並べるのではなく離散的に並べることで撮影画像の画質を低減させることもない。

以上図３〜図６を参照して説明したように、撮像素子１０７は撮像のみの機能だけではなく本発明の焦点検出手段としての役割を果たしている。

図７は、本発明の焦点検出構成を概略的に示す図である。撮像素子１０７は、瞳分割された第１の焦点検出用画素９０１ａと第２の焦点検出用画素９０１ｂとで構成される焦点検出部９０１を複数有する。なお、焦点検出部９０１は図４（ａ）に示した構成を有し、焦点検出用画素９０１ａが画素Ｓ_ＨＡに、焦点検出用画素９０１ｂが画素Ｓ_ＨＢにそれぞれ対応する。また、撮像素子１０７は撮影レンズ１００により結像された被写体像を光電変換するための撮像用画素を複数含む。

ＣＰＵ１２１は、合成部９０２と、連結部９０３と、演算部９０４とを含む。ＣＰＵ１２１はまた、複数の焦点検出部９０１を含むように、撮像素子１０７の撮像面にセクション（領域）ＣＳＴを複数割り当てる。ＣＰＵ１２１は、セクションＣＳＴの大きさ、配置、数等を適宜変更することができる。合成部９０２は、撮像素子１０７に割り当てられた複数のセクションＣＳＴの各々において、第１の焦点検出用画素９０１ａからの出力信号を合成して１画素の第１の合成信号を得る処理を行う。合成部９０２はまた、各セクションＣＳＴにおいて、第２の焦点検出用画素９０１ｂからの出力信号を合成して１画素の第２の合成信号を得る処理を行う。連結部９０３は、複数のセクションＣＳＴにおいて、第１の合成信号である各画素を連結して第１の連結信号を得る処理と、第２の合成信号を連結して第２の連結信号を得る処理とを行う。このように、第１の焦点検出用画素９０１ａ及び第１の焦点検出用画素９０１ｂのそれぞれに対して、セクション数の画素が連結された連結信号が得られる。演算部９０４は、第１の連結信号及び第２の連結信号に基づいて、結像光学系の焦点ずれ量を演算する。このように、セクション内に配置された同一の瞳分割方向における焦点検出用画素の出力信号を合成するため、焦点検出部の１つ１つの輝度は小さい場合であっても、被写体の輝度分布を十分に検出することが可能となる。

なお、図７では、水平方向に瞳分割する場合を例に示したが、垂直方向に瞳分割する場合についても同様である。

図８は、図７の焦点検出部９０１、合成部９０２、連結部９０３により形成され、演算部９０４に入力される焦点検出用信号対（画像信号対）の一例を示す。図８のグラフにおいて、横軸は連結された信号の画素並び方向を示し、縦軸は信号の強度である。図８に示す焦点検出用信号は、縦１本線を検出した際のもので、焦点検出用信号ＩＭＧ_Ａは焦点検出用画素９０１ａで、焦点検出用信号ＩＭＧ_Ｂは焦点検出用画素９０１ｂでそれぞれ形成される信号である。そして、図１で示す撮影レンズ１００が撮像素子１０７に対して後ピン側にずれた状態であるため、焦点検出用信号ＩＭＧ_Ａは左側に、焦点検出用信号ＩＭＧ_Ｂは右側にずれた状態となっている。

この焦点検出用信号ＩＭＧ_Ａ、ＩＭＧ_Ｂのずれ量を公知の相関演算などによって算出することにより、撮影レンズ１００がどれだけデフォーカスしているかを知ることができるので、焦点合わせを行うことが可能となる。なお、ずれ量の算出については公知であるため、説明は省略する。また、図８では後ピン側にずれた場合を例として説明したが、前ピン側にずれる場合は焦点検出用信号ＩＭＧ_Ａ、ＩＭＧ_Ｂのずれ方向が左右反転する。

図９は、撮像素子１０７の焦点検出用画素による瞳分割機能を概念的に説明する図である。ＴＬは撮影レンズ、１０７は撮像素子、ＯＢＪは被写体、ＩＭＧは被写体像である。

撮像用画素は図３で説明したように、撮影レンズＴＬの射出瞳全域ＥＰを通過した光束を受光する。一方、焦点検出用画素は図４〜図６で説明したように、瞳分割機能を有している。具体的には、図４の画素Ｓ_ＨＡは撮像面からレンズ後端を見て左側の瞳を通過した光束Ｌ_ＨＡ、すなわち図４の瞳ＥＰ_ＨＡを通過した光束を受光する。同様に画素Ｓ_ＨＢ、Ｓ_ＶＣ及びＳ_ＶＤはそれぞれ射出瞳領域ＥＰ_ＨＢ、ＥＰ_ＶＣ及びＥＰ_ＶＤを通過した光束をそれぞれ受光する。そして、焦点検出用画素は、撮像素子１０７の全領域に渡って分布しているため、撮像領域全域での焦点検出も可能となっている。以上のような構成により、撮像素子１０７の広い範囲に渡って位相差方式の焦点検出を行うことが可能である。

ところで、上記説明は製造誤差を考慮しない、理想の状態での焦点検出系を説明したが、実際には製造誤差などの変動要因により焦点検出用の射出瞳領域ＥＰ_ＨＡ、ＥＰ_ＨＢ、ＥＰ_ＶＣ、ＥＰ_ＶＤに大きなずれが生じてしまう。したがって、本発明ではこのずれ情報をあらかじめ記憶しておき、焦点検出用信号を補正することで高精度な焦点検出を行う。以下詳細を説明する。

一般的にＣＭＯＳセンサなどの撮像素子はシリコンウエハ上に複数のレイヤー層を重ねて製造される。図１０は、図１における撮像素子１０７に含まれるレイヤー層構造のＣＭＯＳセンサチップを模式的に表す図である。ＣＭＯＳセンサチップにおいては、フォトダイオードとトランジスタとが形成されている下部層の上に、パッド絶縁層を形成して、単位画素を形成する。次に、下部層内の金属配線を露出させるように、パッド絶縁層を選択的に除去する。金属配線は、トランジスタを外部素子に接続するために使用される。そして、このような配線および絶縁層は回路規模に応じて複数形成され、図１０ではまとめて配線層および絶縁層１１として示す。つまり、図４〜図６における配線層ＣＬも１１内に含まれる。

それから、着色フォトレジストを塗布し、これを露光及び現像工程によって処理することで、カラーフィルタ層１２を形成する。次に、均一なマイクロレンズを形成できるように、マイクロレンズ平坦化層１３を形成する。そして、マイクロレンズ平坦化層１３上にフォトレジストを塗布し、これを露光及び現像工程によって処理することで、フォトレジストをパターニングする。次に、熱処理工程によってパターニングされたフォトレジストを処理することで、フォトレジストにリフロー工程を施して、ドーム形状のマイクロレンズ１４の層を形成する。このように、ＣＭＯＳセンサチップはレイヤー層ごとに製造されるため、各レイヤー層間には製造時の誤差が介在する。したがって、配線層および絶縁層１１に対するマイクロレンズ１４の位置精度は、フォトレジストをパターニングする半導体製造装置のアライメント精度により決定する。つまり、図４〜６で示す配線層ＣＬに対してマイクロレンズＭＬは、このアライメント精度によりずれが生じることとなる。一般的にマイクロレンズＭＬとフォトダイオードＰＤまでの距離は数ミクロンである。一方、マイクロレンズＭＬから撮影レンズ１００の射出瞳までの距離は数十ミリという単位であるため、光学的な結像倍率は数万倍となる。そうすると、０．１ミクロンのアライメント誤差が、射出瞳上においては、数ミリの非常に大きなずれとなってしまい、焦点検出精度を大きく低下させる要因となる。

図１１は図４（ｂ）で示す撮影レンズの水平方向（横方向）に瞳分割を行うための焦点検出用画素において、この水平方向にマイクロレンズＭＬにアライメント誤差が発生した場合を示す。図において、マイクロレンズＭＬは左側にＤ_ＭＬ分だけずれており、点線で示すマイクロレンズＭＬが誤差がない場合（図４（ｂ））を表す。すなわち、図４（ｂ）の偏心量４１_ＨＡ、４１_ＨＢに図１１のずれＤ_ＭＬが加減算され、画素Ｓ_ＨＡの開口部ＯＰ_ＨＡはマイクロレンズＭＬの中心線に対して右側に１１１_ＨＡだけ偏心している。また、画素Ｓ_ＨＢの開口部ＯＰ_ＨＢはマイクロレンズＭＬの中心線に対して左側に１１１_ＨＢだけ偏心している。そして、画素Ｓ_ＨＡ、Ｓ_ＨＢは撮影レンズＴＬの光軸Ｌに対してＤ_ＥＰだけずれた射出瞳領域ＥＰ_ＨＡ、ＥＰ_ＨＢに対応する光束１１０_ＨＡ、１１０_ＨＢを受光する。

図１２は図５に示す撮像素子１０７の周辺部の焦点検出用画素において、図９と同様にマイクロレンズＭＬのアライメント誤差が生じた場合を示す。図１０で説明したように、マイクロレンズはレイヤー層ごとに製造されるため、アライメント誤差は撮像素子１０７上の位置によらず一定である。したがって、図１１でアライメント誤差がＤ_ＭＬだけ発生すると、図１２においても点線で示すマイクロレンズＭＬに誤差がない場合（図５）に比べて同量のＤＭＬだけずれている。すなわち、図５の偏心量５１_ＨＡ、５１_ＨＢに図１２のずれＤ_ＭＬが加減算され、画素Ｓ_ＨＡの開口部ＯＰ_ＨＡはマイクロレンズＭＬの中心線に対して右側に１２１_ＨＡだけ偏心している。また、画素Ｓ_ＨＢの開口部ＯＰ_ＨＢはマイクロレンズＭＬの中心線に対して左側に１２１_ＨＢだけ偏心している。そして、画素Ｓ_ＨＡ、Ｓ_ＨＢは撮影レンズＴＬの光軸Ｌに対してＤ_ＥＰだけずれた射出瞳領域ＥＰ_ＨＡ、ＥＰ_ＨＢに対応する光束１２０_ＨＡ、１２０_ＨＢを受光する。

一方、図６（ｂ）で説明した垂直方向に瞳分割を行うための焦点検出用画素においては、誤差の発生方向が紙面垂直方向であるため、この断面においては瞳分割状態に変わりはない。したがって、図を用いた詳細な説明は省略する。なお、上記説明ではずれＤ_ＥＰをマイクロレンズＭＬのアライメント誤差として説明したが、実際のカメラにおいては、撮像素子１０７の平行偏心や傾きなど組み込み調整誤差も加わる。しかしながら、ずれＤ_ＥＰの中ではマイクロレンズＭＬのアライメント誤差がもっとも支配的である。

図１３、図１４は、図１１もしくは図４（ｂ）、図６（ｂ）における撮像素子１０７の軸上付近の画素の射出瞳ＥＰを撮像素子１０７側から見た図である。図１３（ａ）及び図１４（ａ）がマイクロレンズＭＬの誤差ありの状態を、図１３（ｂ）図１４（ｂ）を付した図が誤差なしの状態をそれぞれ示す。

図１３（ａ）において、撮影レンズＴＬの光軸Ｌに対して、焦点検出用の射出瞳領域ＥＰ_ＨＡ、ＥＰ_ＨＢ、ＥＰ_ＶＣ、ＥＰ_ＶＤの中心Ｌ_ＡＦはＤ_ＥＰだけずれた位置にある。ここで、Ｌ_ＡＦは本発明における焦点検出手段の中心軸となり、Ｄ_ＥＰが中心軸ずれに相当する。そして、射出瞳ＥＰと焦点検出用の射出瞳領域ＥＰ_ＨＡ、ＥＰ_ＨＢとの共通領域、すなわち、実際に焦点検出に使用する光束が通過する領域を図で示すように右上がりの斜線領域１３０_ＨＡ、１３０_ＨＢで示す。このとき、斜線領域１３０_ＨＡ、１３０_ＨＢは中心軸ずれＤ_ＥＰにより瞳分割方向である水平方向に非対称形状となっている。

一方、図１３（ｂ）に示すように、マイクロレンズＭＬの誤差がない場合においては、光軸Ｌと焦点検出手段の中心軸Ｌ_ＡＦは一致する。したがって、焦点検出光束が通過する右上がりの斜線領域１３１_ＨＡと１３１_ＨＢは中心軸ＬＡＦを中心として水平方向に対称形状となっている。

図１４は図１３と同様の図で、垂直方向に射出瞳ＥＰを分離する焦点検出用の射出瞳領域ＥＰ_ＶＣ、ＥＰ_ＶＤに注目した図である。撮影レンズＴＬの射出瞳ＥＰと焦点検出用の射出瞳領域ＥＰ_ＶＣ、ＥＰ_ＶＤの共通領域は、左上がりの斜線領域１４０_ＶＣ、１４０_ＶＤとなっている。この場合、中心軸ずれＤ_ＥＰにより斜線領域１４０_ＶＣ、１４０_ＶＤは同様に横ずれしているが、光軸Ｌもしくは中心軸Ｌ_ＡＦを中心として瞳分割方向である垂直方向においては上下対称性を維持したまま横ずれしている。

なお、上記説明は水平方向に中心軸ずれＤ_ＥＰが発生した場合を説明したが、垂直方向に発生する場合、もしくは水平垂直両方向に発生する場合においても上記と同様の考え方で焦点検出光束が通過する斜線領域を導き出すことができる。

図１３及び図１４は、撮像素子１０７の中央付近の画素についての説明だが、周辺部ではこれに加え像高によって撮影レンズＴＬの射出瞳ＥＰが変化する。図１５はこれを説明するための図で、撮影レンズ１００を入射瞳Ｅ_ＮＴＰと射出瞳ＥＰで単純化している。入射瞳Ｅ_ＮＴＰと射出瞳ＥＰは撮像素子１０７からの距離と径がそれぞれ異なり、撮像素子１０７に入射する光束はこの２つの円を通過しなければならない。したがって、撮像素子１０７の光軸Ｌ付近以外の画素部に入射する光束は、射出瞳ＥＰのみならず入射瞳Ｅ_ＮＴＰの影響を受ける。

図１６は撮像素子１０７とその像高における射出瞳形状を対応付けた図である。図１６において、ＥＰ_Ｃは軸上の射出瞳形状を示し、添え字Ｔ、Ｂ、Ｌ、Ｒがそれぞれ上下左右の像高を示す。そして、例えば左上対角はＴＬを合わせてＥＰ_ＴＬと表記している。この図から明らかなように撮像素子１０７中央からの像高が大きいほど射出瞳形状が小さくなるのが分かる。したがって、本第１の実施形態では、図中点線で示す１６０を焦点検出領域として設定し、全ズーム、フォーカス位置にて射出瞳形状の変化が比較的少ない領域を使用している。なお、撮影レンズ１００を撮像素子１０７の端まで射出瞳の形状変化が少ないテレセントリックな光学系にすれば、より撮影画面の端まで良好な焦点検出を行うことができる。

以上のことからマイクロレンズのアライメント誤差による中心軸ずれと像高による撮影レンズの射出瞳の形状変化の組み合わせで、図１３、図１４の斜線部に示すような射出瞳上における焦点検出用光束の射出瞳領域は決定する。そして、位相差方式焦点検出においては、このような射出瞳領域変化が生じた際に、主に３つの弊害が生じてしまう。
（１）各焦点検出用画素対に入射する光量のアンバランス
（２）瞳分離方向の線像分布変化による焦点検出用信号の形状くずれ
（３）基線長変化によるデフォーカス量検知誤差

このうち、（２）、（３）については合焦位置に近づくに従って影響が少なくなり、合焦位置では理論上完全に無くなるため、焦点検出のアルゴリズムなどを工夫して合焦時間に多少時間をかければ、最終的な合焦精度での影響を低減することができる。しかしながら、（１）についてはデフォーカス量を算出する相関演算精度に多大なる影響を及ぼす。そのため、本第１の実施形態においては（１）に関して、焦点調節用信号対の信号レベルを光量のアンバランスを補償するように補正することにより高精度な位相差方式焦点検出を実現する。
図１７は本第１の実施形態におけるの焦点検出用信号対を補正するための、図７のＣＰＵ１２１に設けられる演算部９０４の内部詳細を示すブロック図である。図１７において図７の連結部９０３にて形成される焦点検出用信号は演算部９０４内部の補正部１７０にて（１）を含む補正を行い、その後相関演算部１７１に入力される。

ＣＰＵ１２１に連結されるフラッシュメモリ１３３は焦点検出用信号を形成する各画素の画素感度ムラ情報１７５、撮影レンズ１００の像高による射出瞳情報１７６、マイクロレンズのアライメント誤差による中心軸ずれ情報１７７を備える。ここで、画素感度ムラ情報１７５と中心軸ずれ情報１７７はカメラの製造工程時に書き込まれる情報である。そして、射出瞳情報１７６は誤差のない設計値による情報をあらかじめ記憶している。

図１８は本第１の実施形態の焦点検出用信号の補正手順を示すフローチャートである。まず入力される一対の焦点検出用信号に対して、補正部１７０ではステップＳ１８１とステップＳ１８２により２段階の補正を行う。そして、相関演算部１７１ではステップＳ１８３〜Ｓ１８６の処理を行う。

ステップＳ１８１ではフラッシュメモリ１３３の画素感度ムラ情報１７５をもとに、各画素の出力値データに感度ムラを補正する係数を乗じることによって各画素固有の感度ムラ補正を行う。

ステップＳ１８２では、一対の焦点検出用信号を形成する各画素ごとに、射出瞳情報１７６、中心軸ずれ情報１７７から図１３（ａ）、図１４（ａ）で説明したような斜線領域の面積を計算する。そして、この面積に応じた係数を各画素の出力値に乗じることで光量の補正が行われる。ここで、各画素ごとに面積演算を都度行うのでは演算量が膨大すぎて焦点検出に時間がかかってしまう。そこで以下のような手法をとることにより演算量を削減することが可能となる。

図１９は横軸に対となる焦点検出画素の像高ｈを、縦軸にその光量比Ｃをとった場合のグラフを示す。ここで、光量比Ｃは、図４の焦点検出用画素部Ｓ_ＨＡを基準としたときのＳ_ＨＢの光量比を表す。１９０は図１３（ｂ）、図１４（ｂ）で説明したような製造誤差がない場合の光量比を示し、ｈ＝０では光量比Ｃ＝１．０となっている。そして、１９０で示す光量比をＣ０とし、像高ｈの関数であらわすと以下の式（１）のように表現できる。
Ｃ０＝ｆ（ｈ） …（１）

１９１はマイクロレンズのアライメント誤差Ｄ_ＭＬなどにより製造誤差が生じた場合の光量比を示し、対となる焦点検出用画素部の光量が等しくなる像高はシフトしている。そのシフト量をｈ_ＥＲＲとすると、ｈ＝ｈ_ＥＲＲのときＣ＝１．０となる。ｈ_ＥＲＲに応じて全体の曲がり具合も変わってくるため、１９１で示す光量比をＣ_ＥＲＲとし、像高ｈとｈ_ＥＲＲを変数とすると、以下の式（２）で表現できる。
ＣＥＲＲ＝ｆ（ｈ−ｈ_ＥＲＲ）・ｇ（ｈ_ＥＲＲ） …（２）

本第１の実施形態のカメラにおいては、撮影レンズ１００の射出瞳変化は光軸Ｌを中心として回転対称であるが、撮像素子１０７の焦点検出用画素構造は回転対称ではない。そのため、像高ｈの代わりに撮像素子１０７の焦点検出用画素の軸上からの距離を（ｘ，ｙ）、製造誤差によるシフト距離を（ｘ_ＥＲＲ、ｙ_ＥＲＲ）と置き換えると、式（２）は以下の式（３）に書き換えることができる。
Ｃ（ｘ_ＥＲＲ，ｙ_ＥＲＲ）＝ｆ（ｘ−ｘ_ＥＲＲ，ｙ−ｙ_ＥＲＲ）・ｇ（ｘ_ＥＲＲ，ｙ_ＥＲＲ） …（３）

以上のような構成で、射出瞳情報１７６としてｆ（ｘ，ｙ）を、中心軸ずれ情報１７７として、（ｘ_ＥＲＲ，ｙ_ＥＲＲ）とｇ（ｘ_ＥＲＲ，ｙ_ＥＲＲ）をあらかじめ格納しておく。そして、焦点検出用信号に式（３）で算出される光量比Ｃ（ｘ_ＥＲＲ，ｙ_ＥＲＲ）に基づいた係数を乗じることで、演算量の少ない補正を行うことが可能となる。ここで、製造誤差（ｘ_ＥＲＲ，ｙ_ＥＲＲ）は、マイクロレンズのアライメント誤差が支配的である。アライメント誤差は、図１０で説明した製造方法によるとウエハ単位で一律なずれとなる。そのため、カメラの製造工程においてはこのアライメント誤差をＣＭＯＳセンサチップごとに管理すれば、１台ごとにアライメント誤差を確認する必要がないため工程を短縮することができる。製造誤差（ｘ_ＥＲＲ，ｙ_ＥＲＲ）としては、その他に撮像素子１０７をカメラに組み込む際の平行偏心や傾きなどの位置調整誤差がある。

なお、上記の格納された情報が撮影レンズのズームもしくはフォーカス位置で異なる場合は、ズームもしくはフォーカス位置を便宜分割し、その分割位置ごとに格納すればよい。なお、本第１の実施形態の撮影レンズ１００はズームもしくはフォーカスによる射出瞳の変動がない撮影レンズとしている。

ステップＳ１８３では補正部１７０により補正された焦点検出用信号に以後の処理を行うにあたって、十分に信頼性があるかを判定する。具体的には、像のコントラスト成分等を分析することにより判定を行う。

ステップＳ１８４は焦点検出用信号に信頼性があると判定された場合の処理で、デジタルフィルタ処理を行うことで演算に不要な周波数成分を除去する。一方、Ｓ１８５は焦点検出用信号に信頼性がないと判定された場合の処理で、この場合はユーザーに合焦不能を知らせるなどの合焦不能処理を行い終了する。

最後にステップＳ１８６では、公知の相関演算により像ずれ量を算出する。そして、図１７に示すようにこの像ずれ量をもとに撮影レンズ１００の焦点ずれ量、すなわちデフォーカス量が算出される。

以上のような構成により、マイクロレンズのアライメント誤差による焦点検出用射出瞳領域の中心軸ずれが発生した場合にも、補正部により焦点検出用信号を補正することで高精度な焦点検出を実現できる。なお、本第１の実施形態の補正部による補正は上述した（１）〜（３）のうち（１）のみを補正する構成としたが、（２）、（３）についても第１の実施形態の構成で補正することは可能である。そうすれば、デフォーカス時においてもより高精度な焦点検出を行うことができる。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。

第２の実施形態は第１の実施形態と比較して、撮影レンズ１００がズームやフォーカス位置により大きく瞳距離が変化する場合に対応するところが異なる。

図２０はこれを説明するための図で、第１の実施形態の図１１で示した焦点検出画素に対応する焦点検出用画素を示す。図２０において、ＥＰ_１は撮影レンズ１００のズーム位置がテレ端にある場合の射出瞳を示し、一方ＥＰ_２は撮影レンズ１００のズーム位置がワイド端にある場合を示す。そして、テレとワイドの間においては、射出瞳は図中点線で結ぶ範囲で変化する。

このように、第２の実施形態では撮影レンズ１００のズーム位置に応じて射出瞳径のみならず、マイクロレンズから射出瞳までの距離、すなわち射出瞳距離が変化しているのが分かる。したがって、射出瞳ＥＰ_１とＥＰ_２とでマイクロレンズＭＬのアライメント誤差Ｄ_ＭＬによる射出瞳領域ＥＰ_ＨＡ１とＥＰ_ＨＢ１、ＥＰ_ＨＡ２とＥＰ_ＨＢ２のずれＤ_ＥＰ１とＤ_ＥＰ２はそれぞれ異なる。

図２１は図２０における撮像素子１０７の軸上付近の画素の射出瞳を撮像素子１０７側から見た図で、（ａ）がテレ端側を、（ｂ）がワイド端側をそれぞれ示す。撮影レンズＴＬの光軸Ｌに対して、焦点検出用の射出瞳領域ＥＰ_ＨＡ１とＥＰ_ＨＢ１、ＥＰ_ＨＡ２とＥＰ_ＨＢ２の中心Ｌ_ＡＦ１、Ｌ_ＡＦ２はそれぞれＤ_ＥＰ１、Ｄ_ＥＰ２だけずれた位置にある。ここで、Ｌ_ＡＦ１、Ｌ_ＡＦ２は各射出瞳ＥＰ１、ＥＰ２における焦点検出手段の中心軸となり、Ｄ_ＥＰ１、Ｄ_ＥＰ２が中心軸ずれに相当する。そして射出瞳ＥＰ_１、ＥＰ２と焦点検出用の射出瞳領域ＥＰ_ＨＡ１とＥＰ_ＨＢ１、ＥＰ_ＨＡ２とＥＰ_ＨＢ２との共通領域、すなわち、実際焦点検出に使用する光束が通過する領域を右上がりの斜線領域２１０_ＨＡ１と２１０_ＨＢ１、２１１_ＨＡ２と２１１_ＨＢ２で示す。

これら斜線領域から明らかなように、テレ端側とワイド端側では対となる焦点検出用画素の光量比は異なることが分かる。これは射出瞳ＥＰ_１からＥＰ_２への変動に加えて、中心軸ずれがＤ_ＥＰ１からＤ_ＥＰ２へ変化しているためである。また、図２０及び図２１は撮像素子１０７の軸上付近の画素についての説明だが、周辺部においては中心軸ずれの変化具合が軸上とは異なる。したがって、中心軸ずれを第１の実施形態のように１つの射出瞳上だけでの情報として記憶するのではなく、射出瞳距離変化に対応できるような形式で記憶しておく必要がある。

そこで、撮像素子１０７から射出瞳までの距離をｌとすると、撮像素子１０７の任意の画素位置（ｘ，ｙ）における中心軸ずれ（ｘ_ＥＲＲ，ｙ_ＥＲＲ）はこの距離ｌと画素位置（ｘ，ｙ）の関数として以下の式（４）、（５）で表すことができる。
ｘ_ＥＲＲ＝ｈ（ｌ，ｘ） …（４）
ｙ_ＥＲＲ＝ｉ（ｌ，ｙ） …（５）

このｈ（ｌ，ｘ）とｉ（ｌ，ｙ）を中心軸ずれ情報としてあらかじめカメラに記憶しておき、算出した（ｘ_ＥＲＲ，ｙ_ＥＲＲ）を第１の実施形態の式（３）に代入することにより光量の補正を行うことができる。ところで、ｈ（ｌ，ｘ）とｉ（ｌ，ｙ）をカメラの製造工程中に書き込むにあたっては、図２０で示すような２つの射出瞳距離ＥＰ_１、ＥＰ_２における中心軸ずれＤ_ＥＰ１、Ｄ_ＥＰ２を複数の像高で測定する。このようにすれば容易にｈ（ｌ，ｘ）とｉ（ｌ，ｙ）を決定することができる。なお、第２の実施形態はズーム位置に応じて射出瞳が変化しているため、式（３）におけるｆ（ｘ，ｙ）、ｇ（ｘ_ＥＲＲ，ｙ_ＥＲＲ）もズーム位置ごとに格納する構成をとっている。

以上のように、第２の実施形態では中心軸ずれ情報を撮影レンズ１００の瞳距離変化に対応した形の情報としてカメラに記憶するため、瞳距離変動が大きい撮影レンズが備えられたカメラにおいても精度よく焦点検出を行うことができる。なお、上記説明は撮影レンズのズームによる瞳距離変動を例として説明したが、本第２の実施形態は射出瞳が個々で異なる複数の撮影レンズを装着可能なカメラシステムにも適用できる。

＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。

第３の実施形態は、第１の実施形態の焦点検出手段をカメラシステムに適用した例を示す。

図２２は第３の実施形態におけるカメラシステムの構成を示すブロック図である。なお、第１の実施形態と同様の符号を付したものは同様の役割を果たし、説明は省略する。図２２において、２２０はカメラ本体、２２１はカメラ本体２２０に着脱可能な交換レンズを示し、それぞれのＩＦ部２２２と２２３を介して、情報通信可能な構成にて接合されている。交換レンズ２２１は各種演算処理を行うＣＰＵ２２４を備え、撮影レンズ１００のズーム、フォーカス、絞りシャッターなどを駆動する駆動回路２２５が接続され、さらに駆動回路２２５には各アクチュエータ２２６が接続される。また、各種情報を書き換え可能なフラッシュメモリ２２７をカメラ本体２２０と同様に備える。

図２３は、図２２のブロック図中、本発明に関わる部分を抜き出したブロック図で、より詳細な内容を示す。図において中央の点線より右側がカメラ本体２２０で、左側が交換レンズ２２１（レンズユニット）を示す。第１の実施形態と異なる箇所は、カメラ本体２２０のフラッシュメモリ１３３は画素感度ムラ情報１７５と中心軸ずれ情報１７７のみを有し、交換レンズ２２１のフラッシュメモリ２２７が射出瞳情報１７６を有することである。したがって、交換レンズ２２１として別の種類のレンズが装着された際にも、そのレンズ固有の射出瞳情報１７６をＩＦ部２２２、２２３を介して取得することができる。

なお、本第３の実施形態は射出瞳径および距離が個々のレンズで異なる複数の撮影レンズを装着可能なカメラシステムが前提であるため、中心軸ずれ情報１７７は第２の実施形態のような形式で格納するのが好適である。フラッシュメモリ１３３の容量を減らすためには、各種交換レンズの代表的な射出瞳距離での中心軸ずれ情報１７７とすることが効果的であるが、第２の実施形態による手法がより高精度であることは言うまでもない。以上のような構成で、補正部１７０により第１の実施形態もしくは第２の実施形態で説明した補正を行うことで、カメラシステムにおいても高精度な焦点検出を実現することができる。

＜第４の実施形態＞
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。

第４の実施形態は第１の実施形態と比較して、２次結像タイプで位相差方式の焦点検出部を有するカメラシステムに本発明を適用した例を示す。

図２４は第４の実施形態におけるカメラシステムの構成を示すブロック図である。なお、第１〜第３の実施形態と同様の符号を付したものは同様の役割を果たし、説明は省略する。図において、カメラ本体２２０には２次結像タイプで位相差方式の焦点検出部２４０を備える。したがって、撮像素子１０７は第１の実施形態とは異なり、図３の画素のみで構成される撮像専用の撮像素子となる。交換レンズ２２１の撮影レンズ１００と撮像素子１０７の間にはメインミラー２４１とサブミラー２４２が配置され、撮影レンズ１００を通過した光束を分割および偏光している。

まず、メインミラー２４１はハーフミラーで構成され、撮影レンズ１００を通過した光束の一部を上方に反射し、残りを透過する。メインミラー２４１で反射した光束は、フォーカシングスクリーン、コンデンサレンズ、ペンタプリズム、接眼レンズ群からなるファインダー光学系２４３に入射し、ユーザーによって被写体像を観察可能な構成となっている。一方、メインミラー２４１を透過した光束はサブミラー２４２で下方へ反射され、焦点検出部２４０に入射する。メインミラー２４１とサブミラー２４２は周知のクイックリターン機構により構成され、撮影時には光路外へ退避することができる。

焦点検出部２４０は２次結像タイプの位相差方式を用いており、フィールドレンズ、対の２次結像レンズ、対の受光センサなどから構成される公知の構成であり、詳細な説明は省略する。

図２５は焦点検出部２４０と各種交換レンズの射出瞳の関係を示す概念図で、図２４のメインミラー２４１とサブミラー２４２を省略して展開した図である。図２５において、ＥＰ_Ｌ１はある交換レンズの射出瞳を示し、ＥＰ_Ｌ２はこれとは異なる別の交換レンズの射出瞳を示す。Ｌ１、Ｌ２はこれら交換レンズの光軸を示し、２つの光軸が重なっているためここでは１本の線で表されている。２５０は交換レンズの焦点面である１次結像面を示し、図２４の撮像素子１０７の撮像面と光学的に等価な位置となっている。そして、焦点検出部２４０は１次結像面２５０の後方に配置され、一点鎖線で示す２５１が焦点検出部２４０の中心軸となっている。

中心軸２５１は製造誤差により光軸Ｌ１、Ｌ２に対してずれが生じ、射出瞳ＥＰ_Ｌ１上では中心軸ずれＤ_ＥＰＬ１となり、射出瞳ＥＰ_Ｌ２上では中心軸ずれＤ_ＥＰＬ２となっている。すなわち、焦点検出部２４０の中心軸２５１にずれが生じた場合、様々な射出瞳を有する撮影レンズが装着可能なカメラシステムにおいては、中心軸ずれが射出瞳距離によって異なることを示す。したがって、このような中心軸ずれ情報を射出瞳距離に対応する形式であらかじめカメラに記憶しておけば、第２の実施形態で説明した手法により高精度な焦点検出を行うことができる。

なお、本第４の実施形態における中心軸ずれはメインミラー２４１やサブミラー２４２の位置誤差、もしくは焦点検出部２４０内部のフィールドレンズによる製造誤差などで起こり得る。そこで、焦点検出部２４０の中心軸ずれを調整する機構を設けて、組立製造時に調整を行ういくつかの方法が公開されているが、本第４の実施形態を適用すれば、この機構自体を無くすことができるため、コストダウンの効果がある。

本発明の第１の実施形態におけるカメラの構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態における撮像素子の受光画素を撮影レンズ側からみた平面図である。 本発明の第１の実施形態における撮像用画素の構造を説明する図である。 本発明の第１の実施形態における焦点検出用画素の構造を説明する図である。 本発明の第１の実施形態における撮像素子の周辺部の焦点検出用画素の構造を説明する図である。 本発明の第１の実施形態における撮影レンズの垂直方向に瞳分割を行う焦点検出用画素の構造を説明する図である。 本発明の第１の実施形態における焦点検出構成を概略的に示す図である。 本発明の第１の実施形態における焦点検出用信号を示す図である。 本発明の第１の実施形態における焦点検出用画素による瞳分割機能を概念的に説明する図である。 レイヤー層構造のＣＭＯＳセンサチップを模式的に表す図である。 図４の構造においてマイクロレンズのアライメント誤差が発生した場合を示す図である。 図５の構造においてマイクロレンズのアライメント誤差が発生した場合を示す図である。 マイクロレンズのアライメント誤差が発生した場合の射出瞳を撮像素子側から見た図である。 マイクロレンズのアライメント誤差が発生した場合の射出瞳を撮像素子側から見た図である。 入射瞳と射出瞳との関係を示す図である。 撮像素子とその像高における射出瞳形状を対応付けた図である。 本発明の第１の実施形態における焦点検出用信号を補正するための構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態における焦点検出用信号の補正手順を示すフローチャートである。 焦点検出画素の像高ｈと光量比Ｃの関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態における焦点検出用画素の構造を説明する図である。 本発明の第２の実施形態における射出瞳を撮像素子側から見た図である。 本発明の第３の実施形態におけるカメラシステムの構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態における焦点検出用信号を補正するための構成を示すブロック図である。 本発明の第４の実施形態におけるカメラシステムの構成を示すブロック図である。 本発明の第４の実施形態における焦点検出部と各種交換レンズの射出瞳の関係を示す概念図である。

符号の説明

１００ 撮影レンズ
１０７ 撮像素子
１７０ 補正部
１７６ 射出瞳情報
１７７ 中心軸ずれ情報

Claims (7)

1. 撮影レンズの異なる領域を通過する対の光束をそれぞれ光電変換して画像信号対を出力する複数の焦点検出用画素対を含み、各画素に対応したマイクロレンズがそれぞれ形成された撮像素子と、
   前記マイクロレンズの形成時のアライメント誤差を含む製造誤差に関する中心軸ずれ情報を記憶する記憶手段と、
   前記撮影レンズの射出瞳を介して前記焦点検出用画素対のそれぞれに入射する光量のアンバランスを補償するように、前記製造誤差が無い場合に像高に応じて変化する前記光量の比を示す関数を前記中心軸ずれ情報に基づいて変更し、該変更した関数と前記焦点検出用画素対の像高とに応じて前記画像信号対の信号レベルを補正する補正手段と、
   前記補正手段により補正された前記画像信号対を用いて、前記撮影レンズの焦点検出を行う焦点検出手段と
   を備えることを特徴とする撮像装置。
2. 前記補正手段は、更に、前記撮影レンズの射出瞳までの射出瞳距離に基づいて、前記撮像素子の各位置における前記焦点検出用画素対の中心軸ずれ情報を補正し、該補正した後の中心軸ずれ情報に基づいて前記画像信号対の信号レベルを補正することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記撮像素子は、画像の撮影に用いる撮像素子であって、該撮像素子の一部の画素を前記焦点検出用画素対として構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
4. 前記撮像素子は、画像の撮影に用いる撮像素子とは別に構成された、焦点検出用の撮像素子であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
5. 前記中心軸ずれ情報は少なくとも撮像装置ごとに設定される情報であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置と、
   前記撮像装置に着脱可能なレンズユニットとを有し、
   前記撮像装置に前記中心軸ずれ情報を格納し、前記レンズユニットに前記射出瞳に関する情報を格納し、前記レンズユニットから前記撮像装置へ前記射出瞳に関する情報を送信することを特徴とする撮像システム。
7. 撮像装置における焦点検出方法であって、
   出力手段が、撮像素子に含まれる複数の焦点検出用画素対により、撮影レンズの異なる領域を通過する対の光束をそれぞれ光電変換して画像信号対を出力する出力工程と、
   取得手段が、前記撮像素子の各画素に対応して形成されたマイクロレンズの形成時のアライメント誤差を含む製造誤差に関する中心軸ずれ情報を取得する取得工程と、
   補正手段が、前記撮影レンズの射出瞳を介して前記焦点検出用画素対のそれぞれに入射する光量のアンバランスを補償するように、前記製造誤差が無い場合に像高に応じて変化する前記光量の比を示す関数を、前記中心軸ずれ情報に基づいて変更し、該変更した関数と前記焦点検出用画素対の像高とに応じて前記画像信号対の信号レベルを補正する補正工程と、
   焦点検出手段が、前記補正工程で補正された前記画像信号対を用いて、前記撮影レンズの焦点検出を行う焦点検出工程と
   を備えることを特徴とする焦点検出方法。

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