JP2018141908A - 焦点検出装置、フォーカス制御装置、撮像装置、焦点検出方法および焦点検出プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】対の被写体像が相関方向に直交する方向にずれることによる焦点検出精度の低下を抑える。【解決手段】焦点検出装置は、光束を分割する焦点検出光学系３０３により形成された対の被写体像を、互いに直交する第１の方向および第２の方向に二次元配列された複数の光電変換部を有する焦点検出素子３０４により光電変換して撮影光学系１００の焦点状態を検出する。信号生成手段２１０は、焦点検出素子からの出力を用いて対の位相差像信号を生成する。算出手段２１０は、対の位相差像信号の第１の方向での位相差を算出し、該位相差から焦点状態を取得する。信号生成手段は、対の被写体像の第２の方向での形状および位置のうち少なくとも一方のずれに関する対の位相差像信号の補正を行う。【選択図】図２

Description

本発明は、一眼レフカメラ等の撮像装置において二次元配列された光電変換画素を有する焦点検出素子を用いる焦点検出技術に関する。

撮像装置には、位相差検出方式で撮影光学系の焦点状態（デフォーカス量）を検出するものがある。この位相差検出方式では、撮影光学系を通った光束を分割し、これら分割光束により形成された対の被写体像を焦点検出素子により光電変換することで生成された対の位相差像信号のずれ量である位相差を演算し、該位相差からデフォーカス量を算出する。また、撮像装置には、焦点検出素子として、二次元配列された複数の光電変換部（画素）を含むものを用いるものもある。このような位相差検出方式の焦点検出を行う撮像装置には、焦点検出素子上に被写体像を結像させるための位相差検出専用の二次結像光学系が設けられている。

ただし、撮影光学系や二次結像光学系の収差によって焦点検出素子上に結像した被写体像が焦点検出素子の画素配列方向において歪むと、一対の位相差像信号が被写体像のうち互いに異なる領域を光電変換して生成された信号となる。この結果、一対の位相差像信号の位相差を精度良く検出することが困難である。

この問題を解消するために、特許文献１には、焦点検出素子の画素内に、二次結像光学系の収差に合わせた遮光層を設けることによって、該収差による影響を補正することが可能な撮像装置が開示されている。

特開平１１−１９１８６７号公報

しかしながら、撮影光学系や二次結像光学系の組立誤差や部品寸法公差等によって、対の被写体像が撮影光学系の焦点状態に相関を持って変位する方向である相関方向に対して直交する方向に相対的にずれる。この結果、特許文献１にて開示されているように焦点検出素子が遮光層を有していても、一対の位相差像信号が被写体像のうち互いに異なる領域を光電変換して生成された信号となり、それらの位相差を精度良く検出することができなくなる。

本発明は、対の被写体像が相関方向に直交する方向において相対的にずれること等により焦点検出精度の低下を抑えることができるようにした焦点検出装置を提供する。

本発明の一側面としての焦点検出装置は、撮影光学系からの光束を分割する焦点検出光学系により形成された対の被写体像を、互いに直交する第１の方向および第２の方向に二次元配列された複数の光電変換部を有する焦点検出素子により光電変換して撮影光学系の焦点状態を検出する。該装置は、焦点検出素子からの出力を用いて対の位相差像信号を生成する信号生成手段と、対の位相差像信号の第１の方向での位相差を算出し、該位相差から焦点状態を取得する算出手段とを有する。信号生成手段は、対の被写体像の第２の方向での形状および位置のうち少なくとも一方のずれに関する対の位相差像信号の補正を行うことを特徴とする。

なお、上記焦点検出装置と、位相差に基づいてフォーカスレンズの駆動を制御する制御手段とを有するフォーカス制御装置も、本発明の他の一側面を構成する。また、被写体像を撮像するための撮像素子と、上記フォーカス制御装置とを有する撮像装置も、本発明の他の一側面を構成する。

さらに、本発明の他の一側面としての焦点検出方法は、撮影光学系からの光束を分割する焦点検出光学系により形成された対の被写体像を、互いに直交する第１の方向および第２の方向に二次元配列された複数の光電変換部を有する焦点検出素子により光電変換して撮影光学系の焦点状態を検出する方法である。該方法は、焦点検出素子からの出力を用いて対の位相差像信号を生成する信号生成ステップと、対の位相差像信号の第１の方向での位相差を算出し、該位相差から焦点状態を取得する算出ステップとを有する。信号生成ステップにおいて、対の被写体像の第２の方向での形状および位置のうち少なくとも一方のずれに関する対の位相差像信号の補正を行うことを特徴とする。

なお、コンピュータに、上記焦点検出方法に従う処理を実行させるコンピュータプログラムである焦点検出プログラムも、本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、位相差を取得する第１の方向に直交する第２の方向での対の被写体像のずれに起因する焦点検出精度の低下を抑制することができる。

本発明の実施例である撮像装置の構成を示すブロック図。 実施例における焦点検出光学ユニットの構成を示す断面図。 実施例における焦点検出光学ユニットの視野マスク３００のＸＹ平面図 実施例における焦点検出素子上のＡ像およびＢ像を示す図。 光学歪みを示す図。 実施例における歪み補正を説明する図。 実施例における補正係数の設定処理を示すフローチャート。 実施例において焦点検出素子上に結像した斜め線チャート像を示す図。 焦点検出素子上の２つの画素ライン上における斜め線チャート像の位置と位相差像信号との関係を示す図。 上記２つの画素ライン上における横線チャート像の位置と位相差像信号との関係を示す図。 実施例における焦点検出素子上のＡ像の重心移動量の分布を示す図。 実施例におけるフォーカス制御処理を示すフローチャート。 実施例における他の歪み補正を説明する図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例１である焦点検出装置を備えた撮像装置２００の構成を示している。撮像装置２００には、撮影レンズ（交換レンズ）１００が不図示のマウント部に設けられたレンズ装着機構を介して取り外し可能に取り付けられる。マウント部には、電気接点ユニット１０４が設けられている。撮影レンズ１００内には、フォーカスレンズ１０１と不図示の変倍レンズや絞り等により構成される撮影光学系が設けられている。

不図示の被写体からの光束は、撮影光学系を通って撮像装置２００内のメインミラー２０１に導かれる。メインミラー２０１は、図示のように撮影光路内に光軸に対して斜めに配置されて被写体からの光束を上方のファインダ光学系に導く第１の位置と、撮影光路外に退避する第２の位置とに移動が可能である。

メインミラー２０１の中央部はハーフミラー部になっており、メインミラー２０１が第１の位置に配置されているときには、被写体からの光束の一部が該ハーフミラー部を透過する。そして、この透過した光束は、メインミラー２０１の背面側に設けられたサブミラー２０２で反射されて焦点検出光学ユニット２０７に導かれる。焦点検出光学ユニット２０７の詳細な構成については後述する。一方、メインミラー２０１で反射された光束は、撮像素子２０９と光学的に共役な位置に配置されたピント板２０３上に結像する。ピント板２０３にて拡散されてこれを透過した光（被写体像）は、ペンタダハプリズム２０４によって正立像に変換される。正立像は、接眼レンズ２０５によって拡大されてユーザにより観察される。拡散光の一部は測光ユニット２１４に導かれる。測光ユニット２１４からの測光信号を用いて、被写体の輝度や被写体を照らす照明光の種類を検出することができる。

また、メインミラー２０１が第２の位置に退避すると、サブミラー２０２もメインミラー２０１に対して折り畳まれて撮影光路外に退避する。撮影レンズ１００からの光束は、機械シャッタであるフォーカルプレーンシャッタ２０８を通過し、撮像素子２０９に至る。フォーカルプレーンシャッタ２０８は、撮像素子２０９に入射する光量を制限する。撮像素子２０９は、撮影レンズ１００により形成された被写体像を光電変換して電気信号を出力するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の光電変換素子により構成されている。

カメラＣＰＵ２１０は、撮像装置２００および撮影レンズ１００の各種動作を制御したり各種演算を行ったりするコントローラである。カメラＣＰＵ２１０は、電気接点ユニット１０４を介して撮影レンズ１００内のレンズＣＰＵ１０３と通信を行う。

また、カメラＣＰＵ２１０は、焦点検出光学ユニット２０７からの出力信号を用いて生成した対の位相差像信号に対して相関演算を行って該対の位相差像信号の位相差を算出し、該位相差を用いて撮影光学系の焦点状態を示すデフォーカス量を算出（取得）する。そして、該デフォーカス量を含むフォーカス駆動命令をレンズＣＰＵ１０３に送信する。レンズＣＰＵ１０３は、フォーカス駆動命令に応じてレンズ駆動機構１０２を制御することでフォーカスレンズ１０１を撮影光学系の光軸ＯＡの方向に駆動する。レンズ駆動機構１０２は、ステッピングモータを駆動源として有する。このようにして、位相差検出方式による焦点検出とフォーカスレンズ駆動を含む位相差ＡＦが行われる。カメラＣＰＵ２１０は、信号生成手段および算出手段を有する焦点検出装置に相当し、さらに制御手段を有するフォーカス制御装置に相当する。

また、カメラＣＰＵ２１０には、撮像装置２００を制御するために必要なパラメータや、撮像装置２００の個体識別を行うためのカメラ識別情報や、後述する補正係数等が記憶されたＥＥＰＲＯＭ（記憶手段）２１１が接続されている。

さらに、カメラＣＰＵ２１０は、撮像素子２０９からの出力信号（撮像信号）に対して各種処理を行うことで画像データを生成する。表示装置２１２は、液晶表示素子等により構成され、カメラＣＰＵ２１０が生成した画像データを表示したりユーザが設定する項目を表示したりする。

また、カメラＣＰＵ２１０には、ユーザによる操作を検出する操作検出部２１３が接続されている。操作検出部２１３は、不図示のレリーズボタンやＡＦ開始ボタン等の操作部材に対するユーザ操作を検出する。

図２には焦点検出光学ユニット２０７のＹＺ断面を示している。また、図３には視野マスク３００のＸＹ面を示している。Ｚ軸は焦点検出光学ユニット２０７の光軸ＯＡ′と同じ方向に延び、Ｘ軸は視野マスク３００の開口３００Ａの長手方向に延び、Ｙ軸は該長手方向に直交する方向に延びている。

焦点検出光学ユニット２０７は、光軸ＯＡ′に沿って、視野マスク３００、フィールドレンズ３０１、多孔絞り３０２、再結像レンズユニット３０３および焦点検出素子３０４をこの順で含む。視野マスク３００、フィールドレンズ３０１、多孔絞り３０２および再結像レンズユニット３０３により焦点検出光学系が構成される。

視野マスク３００は、図３に示すように、撮影光学系を通過した光束を制限するための矩形の開口３００Ａを中央部に有する。図３中の５０１は後の説明で用いられる被写体像を示す。視野マスク３００は、撮影光学系の予定結像面の近傍に配置される。多孔絞り３０２は薄板により構成され、２つ（対）の絞り開口３０２Ａ，３０２Ｂを有する。フィールドレンズ３０１は、多孔絞り３０２の絞り開口形状を撮影光学系の瞳面近傍に結像させる。これにより、撮影光学系を通過した光束が分割される。

再結像レンズユニット３０３は、撮影光学系によって形成された予定結像面上の被写体像を焦点検出素子３０４上に再結像させるレンズユニットであり、２つ（対）の再結像レンズ３０３Ａおよび再結像レンズ３０３Ｂを有する。焦点検出素子３０４上には、絞り開口３０２Ａおよび再結像レンズ３０３Ａを通過した光束により被写体像が形成されるとともに、絞り開口３０２Ｂおよび再結像レンズ３０３Ｂを通過した光束により被写体像が形成される。

焦点検出素子３０４は、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の光電変換素子により構成され、ＸＹ面内にて二次元配列された複数の光電変換部（以下、画素という）を有する。カメラＣＰＵ２１０は、焦点検出素子３０４において指定した読み出し領域内の画素群の電荷を位相差像信号として読み出すことができる。

図４には、撮影光学系が合焦状態にあるときの焦点検出素子３０４上の被写体像と画素との位置関係を示している。二次元配列された複数の画素４００上には、再結像レンズ３０３Ａが被写体像４０２Ａを形成し、再結像レンズ３０３Ｂが被写体像４０２Ｂを形成している。これら対の被写体像４０２Ａ，４０２Ｂが分かれて形成されるＸ方向が、対の被写体像が撮影光学系の焦点状態に相関を持って変位する相関方向、すなわち対の位相差像信号の位相差が変化する方向であり、以下の説明ではＶｅ１方向（第１の方向）という。Ｖｅ１方向に直交する方向（Ｙ方向）を、Ｖｅ２方向（第２の方向）という。また、４０１Ａ，４０１Ｂは、被写体像４０２Ａ，４０２Ｂの像外形を表している。像外形は視野マスク３００の矩形開口３００Ａの形状に依存する。

４０３はＶｅ１方向における被写体像４０２Ａ，４０２Ｂ間の相対距離である。撮影光学系の焦点状態が変化すると、Ｖｅ１方向に相対距離４０３が変化する。４０１Ａと４０１Ｂの相対距離も相対距離４０３と同じであり、像外形４０１Ａ，４０１Ｂ内の被写体像４０２Ａ，４０２Ｂは、理想的には合焦状態において完全に重なり合う。被写体像４０１ＡをＡ像とし、被写体像４０１ＢをＢ像とすると、これら２像のベクトルのＶｅ１方向での位相差からデフォーカス量を算出することができる。

ただし、実際には、合焦状態であっても再結像レンズ３０３Ａ，３０３Ｂが有する光学収差の影響によって、Ａ像とＢ像がＶｅ１方向に直交するＶｅ２方向に変位する。図３および図５を用いて、光学収差による光学像の歪み（以下、光学歪みという）について説明する。

図３に示した被写体５０１は、視野マスク３００内の右端付近の被写体像であり、ここではＶｅ２方向に延びる直線とする。図５は、被写体像５０１を再結像レンズ３０３Ａ，３０３Ｂによって焦点検出素子３０４上に結像させた位置を示す。Ａ像の像外形（以下、Ａ像枠という）４０１Ａ内には、それぞれＶｅ１方向に延びる画素ライン１Ａ〜１０Ａが含まれている。また、Ｂ像の像外形（以下、Ｂ像枠という）４０１Ｂ内には、それぞれＶｅ１方向に延びる画素ライン１Ｂ〜１０Ｂが含まれている。光学歪みがない場合は、Ａ像（破線）５０２は画素ライン１Ａと画素ライン２Ａとの間の位置に直線となるように結像し、Ｂ像（破線）５０３は画素ライン１Ｂと画素ライン２Ｂとの間の位置に直線となるように結像する。

一方、光学歪みがある場合は、Ａ像（実線）５０４およびＢ像（実線）５０５は直線ではなく曲線となり、しかも光学歪みによってＡ像５０４とＢ像５０５とがＶｅ２方向における互いに反対側に歪んで形状のずれが生ずる。これにより、Ａ像５０４とＢ像５０５に対応する対の位相差像信号に形状差が生じてこれらは重なり合わないため、位相差の相関演算の結果に誤差が生じる。このため、位相差から算出されるデフォーカス量にも誤差が生じる。したがって、Ａ像５０４とＢ像５０５のＶｅ２方向での形状のずれによる対の位相差像信号の形状差を補正する必要がある。

図６（ａ），（ｂ）を用いて、この光学歪みによるＡ像５０４とＢ像５０５のＶｅ２方向での形状のずれに関する対の位相差像信号の補正（以下、歪補正という）について説明する。図６（ａ）は、図５で説明したように光学歪みによってＡ像５０４とＢ像５０５とが重なり合わないことを示している。歪補正では、これらＡ像５０４とＢ像５０５が重なり合う、つまりは１本の線６０１となるように位相差像信号を補正する。ここでは、Ａ像５０４とＢ像５０５がこれらの間の１本の線６０１になるように、つまりは対の位相差像信号がＡ像５０４とＢ像５０５が有する互いに反対側への第１の歪みと第２の歪の間の歪を有する被写体像に対応する位相差像信号となるように歪み補正を行う。

図６（ｂ）は、図５に示した画素ライン１Ａと画素ライン２Ａの一部を拡大して示している。歪み補正では、画素ライン１Ａ，２Ａの画素のうちＶｅ２方向にて互いに隣接する２画素のそれぞれに適用する補正情報として、重み付け係数としての補正係数を用意する。そして、これら隣接する２画素のそれぞれに互いに異なる補正係数を乗じ、その乗算の結果を加算することで、Ｖｅ２方向に位相差像信号の重心６０２を移動させる。図６（ｂ）において、画素ライン１Ａの画素Ａ１１と画素ライン２Ａの画素Ａ２１はＶｅ２方向にて互いに隣接した２画素であり、それらの信号値に乗じる補正係数をＫ１１，Ｋ２１とする。このとき、歪み補正後の位相差像信号の重心６０２の位置Ａ１は、以下の（１）式による重み付け加算により算出される。
Ａ１＝Ｋ１１×（Ａ１１）＋Ｋ２１×（Ａ２１） （１）
補正係数Ｋ１１，Ｋ２１は、本実施例においてはＫ１１＜Ｋ２１となり、補正後の重心６０２の位置Ａ１が図６（ａ）に示した線６０１に重なるように決定する。補正係数Ｋ１１，Ｋ２１は重心位置６０２の位置に応じて適宜調整することが好ましい。Ａ像５０４とＢ像５０５が一致すればよく、目標は必ずしも線６０１でなくてもよい。また、本実施例では重心６０２の位置が画素ライン２Ａ上にある場合はＫ１１＜Ｋ２１となるが、画素ライン１Ａ上にあればＫ１１＞Ｋ２１となる。画素ライン１Ａ，２Ａの他の画素およびＢ像についても同様の計算を行う。画素ごとの補正係数は、再結像レンズ３０３Ａ，３０３Ｂの光学設計値から予め計算してＥＥＰＲＯＭ２１１に記憶しておく。以下の説明において、この光学設計値から得られた補正係数を光学補正係数という。

このように光学歪みを有するＡ像５０４とＢ像５０５に対応する対の位相差像信号に対してＡ像５０４とＢ像５０５の間の線６０１に対応する位相差像信号になるように歪み補正（形状差補正）を行うことで、歪み補正前後での位相差像信号の変形量が小さくなる。この結果、補正誤差を低減することができる。また、位相差像信号の変形量は互いに等しく、かつ変形方向が互いに逆の関係になるので、対の位相差像信号のうちいずれか一方に対する補正係数を記憶しておき、歪み補正において符号を互いに反対にした光学補正係数を対の位相差像信号に用いればよい。これにより、光学補正係数の記憶に必要な記憶容量の増大を抑えることができる。

なお、図６（ａ）に示した例では、Ａ像５０４とＢ像５０５に対応する対の位相差像信号が曲線としての線６０１に対応する位相差像信号になるように歪み補正を行う場合について説明した。しかし、Ａ像５０４とＢ像５０５に対応する対の位相差像信号が、Ａ像５０４とＢ像５０５の近傍の直線に対応する位相差像信号になるように歪み補正を行ってもよい。

また、歪み補正における位相差像信号の重心の位置の計算方法も（１）式を用いた方法でなくてもよい。ここでは、Ｖｅ２方向において互いに隣接する４画素ラインを用いる方法について説明する。図１３は、画素ライン１Ａ〜４Ａの一部を拡大して示している。ここでは、画素ライン１Ａ〜４Ａの画素のうちＶｅ２方向にて互いに隣接する４画素に重み付け係数としての補正係数を乗じ、その乗算結果を加算することで、Ｖｅ２方向に位相差像信号の重心６０３を移動させる。図１３において、画素ライン１Ａ〜４Ａの画素Ａ１１，Ａ２１，Ａ３１，Ａ４１はＶｅ２方向にて互いに隣接した４画素であり、これらの信号値に対する補正係数をＫ１１，Ｋ２１，Ｋ３１，Ｋ４１とする。このとき、歪み補正後の位相差像信号の重心６０３の位置Ａ１は、以下の（２）式による重み付け加算により算出される。

Ａ１＝Ｋ１１×（Ａ１１）＋（Ａ２１）＋（Ａ３１）＋Ｋ４１×（Ａ４１） （２）
本実施例では、例えば補正係数Ｋ２１，Ｋ３１は１とし、補正係数Ｋ１１，Ｋ４１をＫ１１＜Ｋ４１とした上で、補正後の重心６０３の位置Ａ１が図６（ａ）に示した線６０１に重なるように決定する。ただし、補正係数の決め方はこの限りではなく、発生する歪み量に基づいて適宜調整することが好ましい。画素ライン１Ａ〜４Ａの他の画素およびＢ像についても同様の計算を行う。画素ごとの補正係数は、再結像レンズ３０３Ａ，３０３Ｂの光学設計値から光学補正係数として予め計算してＥＥＰＲＯＭ２１１に記憶しておく。この際、４画素に対して２つの光学補正係数（例えばＫ１１，Ｋ４１）を記憶すればよいため、光学補正係数の記憶に必要な記憶容量の増大を抑えることができる。

このようにＶｅ２方向にて互いに隣接する２以上の画素ラインの画素の信号値を重み付け加算することで、光学歪みによりＶｅ２方向にずれたＡ像５０４とＢ像５０５に対応する対の位相差像信号に対する歪み補正を行う。そして、補正後の位相差像信号を用いた相関演算によって位相差を算出し、該位相差からデフォーカス量を算出することにより、光学歪みによる誤差が低減された位相差およびデフォーカス量を算出することができる。

なお、上記２以上の画素ラインは、必ずしもＶｅ２方向において互いに隣接している必要はない。

また、上述したいわゆるライン相関演算ではなく面相関演算を用いて位相差を算出する方法もある。面相関演算を用いる場合は、図５に示したＡ像枠４０１ＡおよびＢ像枠４０３Ｂ内の画素の信号値をリサンプリングすることで位相差像信号の重心を移動させる。そして、リサンプリング後のＡ像枠４０１ＡおよびＢ像枠４０３Ｂ内の全体のＶｅ１方向での位相差を演算することができる。この場合は、Ａ像枠４０１ＡおよびＢ像枠４０３Ｂ内の全画素に対する光学補正係数をＥＥＰＲＯＭ２１１に記憶しておく。以下では、（１）式を用いた歪み補正およびライン相関演算を行う場合について説明する。

ただし、光学設計値に基づく歪み補正だけでは、焦点検出光学ユニット２０７の組立誤差や部品寸法公差（つまりは焦点検出光学ユニット２０７と焦点検出素子３０４との相対位置ずれ）により発生するＡ像とＢ像の結像位置のずれに対応することができない。すなわち、詳しくは後述するが、Ａ像とＢ像のＶｅ２方向での結像位置のずれによって、対の位相差像信号にＶｅ１方向での位相差誤差が生ずる場合があり、これを補正する必要がある。しかも、焦点検出光学ユニット２０７の組立誤差等は、焦点検出光学ユニット２０７の個体ごとに異なる。

このため、本実施例では、このＡ像とＢ像の結像位置のずれに関する対の位相差像信号の補正を行って対の位相差像信号の位相差誤差を低減するため、焦点検出光学ユニット２０７の個体ごとに位置補正係数を設定する。この位置補正係数も、光学補正係数と同様に、Ｖｅ２方向にて互いに隣接する２画素のそれぞれに適用される補正情報である。この位置補正係数の設定方法について、図７〜図１０を用いて説明する。

図７のフローチャートは、本実施例における位置補正係数の設定処理を示す。この処理は、焦点検出光学ユニット２０７が工場で組み立てられた後の検査工程において実際に撮像装置に搭載された状態で行われる。この際、撮像装置には検査用撮影レンズが用いられる。なお、撮像装置に搭載される前に検査用撮像装置を用いて焦点検出光学ユニット２０７単体の調整を行うようにしてもよい。また、検査工程はＰＣ等の検査装置が行ってもよいし撮像装置が行ってもよい。

ステップ７０１では、後に説明する各種チャートの照明光としてＡ光源（第１の光源）を設定する。Ａ光源は、白熱灯や太陽下に近い波長の光を発する光源である。

次にステップ７０２では、検査用撮像装置により斜め線チャートに対して位相差ＡＦを行う。検査用撮像装置のカメラＣＰＵ（２１０）は、焦点検出素子３０４で得られた対の位相差像信号から位相差を算出する。このとき、上述したように光学設計値から得られた光学補正係数が予め検査用撮像装置内のＥＥＰＲＯＭに記憶されている。カメラＣＰＵは、この光学補正係数と（１）式を用いて対の位相差像信号の歪み補正を行った後に、補正後の対の位相差像信号の位相差（以下、斜め線位相差という）を算出する。

図８は、斜め線チャートの像（チャート像）が焦点検出素子３０４上に結像した状態を示している。Ａ像枠４０１ＡおよびＢ像枠４０３Ｂ内の９位置ａ〜ｉに斜めのチャート像が結像している。斜め線チャートにおいて、黒色部分の反射率がそれ以外の部分の反射率より高いものとする。

図９は、ある個体としての焦点検出光学ユニット２０７の画素ライン１Ａ，２Ａおよび画素ライン１Ｂ，２Ｂ上のチャート像（Ａ像およびＢ像）の位置とこれら画素ラインから得られる対の位相差像信号との関係を示している。

図９の左側に示す画素ライン１Ａ，２Ａおよび画素ライン１Ｂ，２Ｂ上にはそれぞれ、黒色で示した実際のチャート像であるＡ像およびＢ像が結像している。破線は、歪み補正後の位相差像信号に対応する仮想チャート像としてのＡ像およびＢ像の位置を示している。また、図９の右側において、破線は歪み補正後のＡ像に対して画素ライン１Ａ，２Ａのそれぞれから得られる信号を加算した位相差像信号と、歪み補正後のＢ像に対して画素ライン１Ｂ，２Ｂのそれぞれから得られる信号を加算した位相差像信号を示す。図９の右側において、画素ライン１Ａ，２Ａ上の実際のＡ像の位置は、歪み補正後のＡ像の位置から−Ｖｅ２方向に移動している。また、画素ライン１Ｂ，２Ｂ上において、実際のＢ像の位置は歪み補正後のＢ像の位置から＋Ｖｅ２方向に移動している。

この結果、図９の右側に示すように、Ａ像に対応する位相差像信号およびＢ像に対応する位相差像信号（の重心）がそれぞれ、破線で示す位置から実線で示す位置までＶｅ１方向にて矢印で示す側に移動量Ｃだけ移動する。このため、これら実線で示す対の位相差像信号から算出される斜め線位相差は誤差を含むものとなる。そして、位相差像信号の移動量Ｃは結像位置によって異なるため、カメラＣＰＵは、図８にて説明した９位置ａ〜ｉで得られた対の位相差像信号のそれぞれから斜め線位相差を算出する。

次にステップ７０３では、検査用撮像装置により横線チャートに対して位相差ＡＦを行う。ここでもカメラＣＰＵは、光学補正係数と（１）式を用いて対の位相差像信号の歪み補正を行った後に、補正後の対の位相差像信号の位相差（以下、横線位相差という）を算出する。また、カメラＣＰＵは、ステップ７０２と同じ９位置ａ〜ｉでの横線位相差を算出する。

図１０は、図９と同じ焦点検出光学ユニット２０７の画素ライン１Ａ，２Ａおよび画素ライン１Ｂ，２Ｂ上のチャート像（Ａ像およびＢ像）の位置とこれら画素ラインから得られる対の位相差像信号との関係を示している。

図１０の左側に示す画素ライン１Ａ，２Ａおよび画素ライン１Ｂ，２Ｂ上にはそれぞれ、黒色で示した実際のチャート像であるＡ像およびＢ像が結像している。破線は、歪み補正後の位相差像信号に対応する仮想チャート像としてのＡ像およびＢ像の位置を示している。また、図１０の右側において、破線は歪み補正後のＡ像に対して画素ライン１Ａ，２Ａのそれぞれから得られる信号を加算した位相差像信号と、歪み補正後のＢ像に対して画素ライン１Ｂ，２Ｂのそれぞれから得られる信号を加算した位相差像信号を示す。図１０の左側において、図９と同様に、画素ライン１Ａ，２Ａ上の実際のＡ像の位置は、歪み補正後のＡ像の位置から−Ｖｅ２方向に移動している。また、画素ライン１Ｂ，２Ｂ上において、実際のＢ像の位置は歪み補正後のＢ像の位置から＋Ｖｅ２方向に移動している。

ただし、図１０の右側に示すように、Ａ像に対応する位相差像信号およびＢ像に対応する位相差像信号（の重心）はＶｅ１方向に移動していない。したがって、横線チャートの場合は斜め線チャートの場合と異なり、Ｖｅ２方向にＡ像およびＢ像の結像位置が移動しても位相差（すなわち横線位相差）は変化しない。

次にステップ７０４では、カメラＣＰＵは、ステップ７０２で得られた斜め線位相差とステップ７０３で得られた横線位相差との差分から図９に示した位相差像信号の重心の移動量Ｃを算出する。そして、この重心移動量Ｃから、Ａ光源下での位置補正係数である第１の位置補正係数を算出する。例えば、重心移動量Ｃが０．５画素であれば、光学補正係数で補正された位相差像信号の重心の位置からＡ像に対応する位相差像信号の重心を０．２５画素分、Ｂ像に対応する位相差像信号の重心を−０．２５画素分だけ移動させる第１の位置補正係数を算出する。

図１１は、上記９位置ａ〜ｉでのＡ像の重心移動量を黒点で示している。カメラＣＰＵは、位置ａ〜ｃでの重心移動量を近似した２次近似式を用いて他の位置での重心移動量を補間演算することで画素ライン１Ａ，２Ａの画素ごとの重心移動量を算出し、これを第１の位置補正係数に変換してＥＥＲＯＭ２１１に記憶する。また、位置ｄ〜ｆでの重心移動量を近似した２次近似式を用いて他の位置での重心移動量を補間演算することで画素ライン３Ａ，４Ａの画素ごとの重心移動量を算出し、これを第１の位置補正係数に変換してＥＥＲＯＭ２１１に記憶する。さらに、位置ｇ〜ｉでの重心移動量を近似した２次近似式を用いて他の位置での重心移動量を補間演算することで画素ライン５Ａ，６Ａの画素ごとの重心移動量を算出し、これを第１の位置補正係数に変換してＥＥＲＯＭ２１１に記憶する。

また、カメラＣＰＵは、位置ａ〜ｃと位置ｄ〜ｆでの重心移動量の中間値を画素ライン３Ａ，４Ａにおける重心移動量とし、これを第１の位置補正係数に変換してＥＥＲＯＭ２１１に記憶する。また、位置ｄ〜ｆと位置ｇ〜ｉでの重心移動量の中間値を画素ライン７Ａ，８Ａにおける重心移動量とし、これを第１の位置補正係数に変換してＥＥＲＯＭ２１１に記憶する。

次にステップ７０５では、カメラＣＰＵは、各種チャートの照明光として蛍光灯（第２の光源）を設定する。そして、ステップ７０６〜ステップ７０７において、カメラＣＰＵは、蛍光灯下でステップ７０２〜７０３と同じ処理を行う。

ステップ７０８では、カメラＣＰＵは、蛍光灯下においてステップ７０２で得られた斜め線位相差とステップ７０３で得られた横線位相差との差分から位相差像信号の重心移動量を算出する。さらにカメラＣＰＵは、ステップＳ７０４と同様に、上記９位置ａ〜ｉでの重心移動量から画素ライン１Ａ〜１０Ａの重心移動量を補間演算により算出し、これを蛍光灯下での位置補正係数である第２の位置補正係数に変換してＥＥＰＲＯＭ２１１に記憶する。

このように本実施例では、光学補正係数だけでは補正できない組立誤差や部品寸法公差による結像位置の変動を補正するため、第１および第２の位置補正係数を焦点検出光学ユニット２０７の個体ごとに算出して記憶する。また、被写体を照明している光源による変動分を補正するため、Ａ光源用の位置補正係数を第１の位置補正係数とし、光源とは異なる蛍光灯用の位置補正係数を第２の位置補正係数として焦点検出光学ユニット２０７の個体ごとに算出して記憶する。つまり、ＥＥＰＲＯＭ２１１には、焦点検出光学ユニット２０７の個体によらない光学補正係数と、個体ごとの第１および第２の位置補正係数が記憶される。

図１２のフローチャートは、本実施例におけるカメラＣＰＵ２１０が行う撮影レンズ１００を合焦状態とするフォーカス制御処理を示している。コンピュータとしてのカメラＣＰＵ２１０は、コンピュータプログラムであるフォーカス制御プログラム（焦点検出プログラムを含む）に従って本処理を実行する。

ステップ１２０１では、カメラＣＰＵ２１０は、操作検出部２１３のユーザ操作による合焦動作の開始指示の有無を確認する。カメラＣＰＵ２１０は、合焦動作の開始指示があった場合にステップ１２０２に進む。

ステップ１２０２では、カメラＣＰＵ２１０は、操作検出部２１３のユーザ操作による撮像範囲（画角）内での焦点検出エリアの選択に応じて、画素ライン１Ａ〜１０Ａおよび画素ライン１Ｂ〜１０Ａのうち焦点検出を行う画素ラインを選択する。具体的には、選択された焦点検出エリアに含まれる互いにＶｅ２方向にて隣接した２つの画素ラインを選択する。互いに隣接する２つの画素ラインを選択するのは、後に（１）式を用いた歪み補正を行うためである。

次にステップ１２０３では、カメラＣＰＵ２１０は、測光ユニット２１４の測定結果に基づいて照明光（つまりは光源）の種類を検出する。そして、ステップ１２０４では、カメラＣＰＵ２１０は、ステップ１２０３で検出した光源が蛍光灯か否かを判定する。光源が蛍光灯である場合は、カメラＣＰＵ２１０はステップ１２０５に進む。一方、光源が蛍光灯ではない場合は、カメラＣＰＵ２１０はステップ１２０６に進む。

ステップ１２０５では、カメラＣＰＵ２１０は、ステップ１２０２で選択した２つの画素ラインからの信号を用いて対の位相差像信号を生成する。また、その選択した画素ラインに対応した光学補正係数と蛍光灯用の第２の位置補正係数とをＥＥＰＲＯＭ２１１から読み出す（取得する）。そして、カメラＣＰＵ２１０は、対の位相差像信号を光学補正係数および第２の位置補正係数と（１）式とを用いて補正する。これにより、位相差像信号をＶｅ２方向において補正することができる。言い換えれば、カメラＣＰＵ２１０は、Ｖｅ２方向でのＡ像およびＢ像の差に応じたＶｅ１方向での位相差誤差が補正された対の位相差像信号を生成することができる。

例えば画素ライン１Ａの画素Ａ１１と画素ライン２Ａの画素Ａ２１の信号値に対する光学補正係数をＫ１１，Ｋ２１とし、第２の補正係数をＫＦ１１，ＫＦ２１とする。このとき、補正された位相差像信号の重心の位置Ａ１は、
Ａ１＝（Ｋ１１×ＫＦ１１）×Ａ１１＋（Ｋ２１×ＫＦ２１）×Ａ２１
となる。

ステップ１２０６では、カメラＣＰＵ２１０は、ステップ１２０２で選択した２つの画素ラインからの信号を用いて対の位相差像信号を生成する。また、その選択した画素ラインに対応した光学補正係数とＡ光源用の第１の位置補正係数とをＥＥＰＲＯＭ２１１から読み出す（取得する）。そして、カメラＣＰＵ２１０は、対の位相差像信号を光学補正係数および第１の位置補正係数と（１）式とを用いて補正する。これにより、位相差像信号をＶｅ２方向において補正することができる。言い換えれば、カメラＣＰＵ２１０は、Ｖｅ２方向でのＡ像およびＢ像の差に応じたＶｅ１方向での位相差誤差が補正された対の位相差像信号を生成することができる。

例えば画素ライン１Ａの画素Ａ１１と画素ライン２Ａの画素Ａ２１の信号値に対する光学補正係数をＫ１１，Ｋ２１とし、第１の補正係数をＫＡ１１，ＫＡ２１とする。このとき、補正された位相差像信号の重心の位置Ａ１は、
Ａ１＝（Ｋ１１×ＫＡ１１）×Ａ１１＋（Ｋ２１×ＫＡ２１）×Ａ２１
となる。なお、第１および第２の補正係数を光学補正係数に乗算するのではなく、加算してもよい。

Ａ光源は前述したように白熱灯や太陽下に近い波長の光を発する光源であるため、第１の位置補正係数は蛍光灯以外の光源下での位相差像信号の補正に使用することができる。ステップＳ１２０５およびＳ１２０６は、信号生成処理を行う信号生成ステップに相当する。

次にステップ１２０７では、カメラＣＰＵ２１０は、ステップ１２０５またはステップ１２０６で補正した対の位相差像信号の位相差を算出し、さらに該位相差からデフォーカス量を算出する。このステップＳ１２０７は、算出処理を行う算出ステップに相当する。

次にステップ１２０８では、カメラＣＰＵ２１０は、ステップ１２０７で算出したデフォーカス量が合焦判定値ｄｅｆ１以下か否か、すなわち撮影レンズ１００が合焦状態か否かを判定する。合焦判定値ｄｅｆ１は、例えば１／４Ｆδ以下の値とする。Ｆは撮影レンズ１００の絞り値であり、δは定数（例えば２０μｍ）である。例えば、Ｆ２．０の撮影レンズ１００の開放絞り状態では、ｄｅｆ１＝１０μｍである。デフォーカス量がｄｅｆ１以下である場合は、撮影レンズ１００は合焦状態であるので、カメラＣＰＵ２１０は本処理を終了する。一方、デフォーカス量がｄｅｆ１より大きい場合は、カメラＣＰＵ２１０は、ステップ１２０９へ移行する。

ステップ１２０９では、カメラＣＰＵ２１０は、レンズＣＰＵ１０３と通信を行い、ステップＳ１２０７で算出したデフォーカス量に基づいてレンズ駆動機構１０２を制御してフォーカスレンズ１０１を駆動する。これにより、フォーカスレンズ１０１が合焦位置に駆動される。フォーカスレンズ１０１の駆動が完了すると、カメラＣＰＵ２１０はステップＳ１２０１に戻り、ステップ１２０８で合焦状態と判定されるまで上記処理を繰り返す。

本実施例によれば、焦点検出光学ユニット２０７の光学収差や組立誤差、部品寸法公差等によって対のＡ像とＢ像がそれらの相関方向（Ｖｅ１方向）に直交するＶｅ２方向に変動することによる焦点検出精度の低下を抑制することができる。これにより、より高精度な焦点検出を行うことが可能なフォーカス制御装置およびこれを備えた撮像装置を実現することができる。

なお、上記実施例では、光学補正係数および位置補正係数の両方を用いて対の位相差像信号を補正する場合について説明したが、光学補正係数および位置補正係数のうち少なくとも一方を用いて対の位相差像信号を補正すればよい。
（その他の実施例）
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

１００ 撮影レンズ
２０７ 焦点検出光学ユニット
２１０ カメラＣＰＵ

Claims (12)

1. 撮影光学系からの光束を分割する焦点検出光学系により形成された対の被写体像を、互いに直交する第１の方向および第２の方向に二次元配列された複数の光電変換部を有する焦点検出素子により光電変換して前記撮影光学系の焦点状態を検出する焦点検出装置であって、
   前記焦点検出素子からの出力を用いて対の位相差像信号を生成する信号生成手段と、
   前記対の位相差像信号の前記第１の方向での位相差を算出し、該位相差から前記焦点状態を取得する算出手段とを有し、
   前記信号生成手段は、前記対の被写体像の前記第２の方向での形状および位置のうち少なくとも一方のずれに関する前記対の位相差像信号の補正を行うことを特徴とする焦点検出装置。
2. 前記ずれは、前記焦点検出光学系の収差および前記焦点検出光学系と前記焦点検出素子との相対位置ずれのうち少なくとも一方により生ずることを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
3. 前記信号生成手段は、前記対の被写体像の前記第２の方向での形状のずれに応じた前記対の位相差像信号の形状差を低減する前記補正を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の焦点検出装置。
4. 前記対の被写体像が前記第２の方向において互いに反対側への第１の歪みおよび第２の歪みを有することで前記形状のずれが生じており、
   前記信号生成手段は、前記対の位相差像信号のそれぞれが、前記第１および第２の歪みの間の歪みを有する被写体像に対応する位相差像信号となるように前記補正を行うことを特徴とする請求項３に記載の焦点検出装置。
5. 前記信号生成手段は、前記対の被写体像の前記第２の方向での位置のずれに応じた前記対の位相差像信号の前記第１の方向での位相差誤差を低減する前記補正を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の焦点検出装置。
6. 前記信号生成手段は、前記収差および前記相対位置ずれのうち少なくとも一方に関する補正情報を取得し、該補正情報を前記複数の光電変換部のそれぞれから得られる信号に適用することで前記補正を行うことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の焦点検出装置。
7. 前記信号生成手段は、前記補正情報としての重み付け係数を前記複数の光電変換部のそれぞれから得られる信号に乗じて重み付け加算を行うことで前記補正を行うことを特徴とする請求項６に記載の焦点検出装置。
8. 前記信号生成手段は、被写体を照らす光源の種類を判定し、該光源の種類に応じた前記補正情報を用いることを特徴とする請求項６または７に記載の焦点検出装置。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の焦点検出装置と、
   前記位相差に基づいて前記撮影光学系のフォーカスレンズの駆動を制御する制御手段とを有することを特徴とするフォーカス制御装置。
10. 被写体像を撮像するための撮像素子と、
    請求項９に記載のフォーカス制御装置とを有することを特徴とする撮像装置。
11. 撮影光学系からの光束を分割する焦点検出光学系により形成された対の被写体像を、互いに直交する第１の方向および第２の方向に二次元配列された複数の光電変換部を有する焦点検出素子により光電変換して前記撮影光学系の焦点状態を検出する焦点検出方法であって、
    前記焦点検出素子からの出力を用いて対の位相差像信号を生成する信号生成ステップと、
    前記対の位相差像信号の前記第１の方向での位相差を算出し、該位相差から前記焦点状態を取得する算出ステップとを有し、
    前記信号生成ステップにおいて、前記対の被写体像の前記第２の方向での形状および位置のうち少なくとも一方のずれに関する前記対の位相差像信号の補正を行うことを特徴とする焦点検出方法。
12. 撮影光学系からの光束を分割する焦点検出光学系により形成された対の被写体像を、互いに直交する第１の方向および第２の方向に二次元配列された複数の光電変換部を有する焦点検出素子により光電変換して前記撮影光学系の焦点状態を検出するコンピュータに、
    前記焦点検出素子からの出力を用いて対の位相差像信号を生成する信号生成処理と、
    前記対の位相差像信号の前記第１の方向での位相差を算出し、該位相差から前記焦点状態を取得する算出処理とを実行させ、
    前記信号生成処理において、前記コンピュータに、前記対の被写体像の前記第２の方向での形状および位置のうち少なくとも一方のずれに関する前記対の位相差像信号の補正を行わせることを特徴とする焦点検出プログラム。