JP4532968B2

JP4532968B2 - 焦点検出装置

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Publication number: JP4532968B2
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Authority: JP
Inventors: 康夫須田
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Priority date: 2004-04-13
Filing date: 2004-04-13
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Description

本発明は、カメラ等の光学機器に用いられる焦点検出装置であって、特に複数の焦点検出視野を有する焦点検出装置の改良に関する。

特許文献１には、結像レンズで形成された１次物体像を受光センサー上に再結像し、結像レンズの射出瞳の異なる領域を通過した光束によって形成された一対のセンサー出力に基づいて焦点検出を行う焦点検出装置が開示されている。

この焦点検出装置では、結像レンズで形成された物体像を受光センサー上に再結像し、倍率の絶対値を１未満とすることで、小さな受光センサーを用いながらも物体像上の広い領域の焦点検出ができるといった利点がある。また、受光センサーにマイクロレンズを搭載すれば、受光光量が増加し、Ｓ／Ｎが向上して良好な焦点検出精度が期待できる。

また、特許文献２には、結像レンズで形成された１次物体像をマイクロレンズを介して受光し、結像レンズの射出瞳の異なる領域を通過した光束によって形成された一対のセンサー出力に基づいて焦点検出を行う焦点検出装置が開示されている。

この焦点検出装置では、再結像光学系を必要とせず、受光センサーを結像レンズの１次結像面の近傍に配置するだけであるため、構成が極めて簡単になるという利点がある。

特開２０００−３３８３９２号公報特開昭５５−１１１９２７号公報

特許文献１に開示された方式の焦点検出装置にあっては通常、結像レンズで形成された物体像を受光センサー上に再結像する際に、絞りを使用する。そして、この絞り開口をフィールドレンズによって結像レンズの射出瞳内に逆投影することによって、焦点検出のための光束が射出瞳上を通過する領域を限定する。したがって、同一の絞りを介して形成された２次物体像に関しては、どの位置であっても光束が結像レンズの射出瞳上を通過する領域は一定である。

一方、写真用途などに用いられる結像レンズでは、多数の構成レンズの内の２つの開口（例えば２つのレンズ面）で決まる２つの射出窓によって周辺光束が決まる。そのため光軸上の像を形成する光束が最も太く、イメージサークルの周辺に行くほど口径蝕を生じて細くなる傾向がある。
焦点検出の対象である物体の輝度が低い場合にも高精度な焦点検出を可能とするためには、物体像を形成する光束のできるだけ多くの部分を焦点検出に用いて、焦点検出のための受光センサーに導く光量を増すことが有効である。

この観点から物体像形成光束と焦点検出光束とを比べると、光軸付近では物体像を形成する光束のうちの僅かな部分しか焦点検出に使われない。一方、イメージサークルの周辺では物体像を形成する光束の多くの部分が焦点検出に使われており、光軸付近で光束が有効利用されていないことが分かる。

また、上述した特許文献２の技術では、少なくとも焦点検出領域の面積よりも大きい受光センサーを必要とする。そのため所謂、１３５写真フィルムや１２０写真フィルムを用いるフィルムカメラ、あるいは大判のイメージセンサーを用いるデジタルカメラ等にこの焦点検出装置を適応しようとすると、求められる焦点検出エリアも撮像画面に応じて大きいために、焦点検出のための受光センサーが大型化し極めて高価なものとなってしまう。逆に、焦点検出のための受光センサーを小さいサイズに抑えると、焦点検出エリアが狭く使い勝手の悪いカメラとなって非実用的である。

本発明は上述の問題点に鑑み、つねに適正かつ高い精度の焦点検出を可能とする焦点検出装置を提供することを目的とする。

本発明の焦点検出装置は、対物光学系と、該対物光学系の像面上の複数の焦点検出位置に対応する複数の画素を備えた受光センサーと、該受光センサーに対して前記対物光学系を透過した光束による物体像を縮小投影する結像光学系とを有し、結像レンズの射出瞳の異なる領域を通過した光束によって形成される一対のセンサー出力に基づいて、前記結像レンズの複数の焦点検出位置についての結像状態を検出する焦点検出装置において、各前記画素は、前記結像レンズの射出瞳上での透過領域を制限するための複数の開口を備え、異なるＦナンバーで受光するようにした複数の焦点検出画素列によって、１つの焦点検出視野が構成されることを特徴とする。

また、本発明の焦点検出装置において、前記複数の焦点検出位置間で前記開口の形状を異ならせたことを特徴とする。

また、本発明の焦点検出装置において、１画素につき複数のマイクロレンズを設け、各前記マイクロレンズに対応して前記開口を備えることを特徴とする。

また、本発明の焦点検出装置において、前記開口は、前記受光センサー内の不透明配線層で形成されることを特徴とする。

本発明によれば、小型の受光センサーを用いながらも広いエリアの焦点検出を可能とする。しかも、受光センサーに導く光量が増されて、低輝度物体に対する安定した焦点検出を可能とした焦点検出装置を実現することが可能である。
また、焦点検出視野の動作可能条件を緩和できて、多くの種類の結像レンズで動作可能となる。
また、１画素の受光面積を大きく維持することができる。したがって、低輝度の物体に対しても十分な受光センサー出力が得られる。
また、開口のための遮光層を特別に設ける必要が無く受光センサーの構成を簡略化することができる。

以下、図面に基き、本発明による焦点検出装置の好適な実施の形態を説明する。
図１〜図９および図１２〜図１５は、本発明による実施の形態を説明するための図である。ここでは、本発明による焦点検出装置を一眼レフカメラに組み込んだ場合の例とする。

まず、図３は一眼レフカメラの斜視図である。図３において、101は物体像を形成するための結像レンズ、102は結像レンズ101の光軸である。結像レンズ101は、不図示のエネルギー源と不図示の駆動機構により結像位置を光軸102の方向に調節することができる。結像レンズ101は単焦点レンズの他にズームレンズやシフトレンズであっても良い。また、種々の特性（Ｆナンバーや焦点距離など）をもった結像レンズに交換可能であっても良い。

結像レンズ101を射出した光束は、斜設されたハーフミラー103で透過光と反射光に分割される。104は反射光を接眼レンズ109に導くためのペンタダハプリズム、105は透過光を反射収斂する楕円表面鏡である。楕円表面鏡105の背後には、不図示のフォーカルプレーンシャッターと撮像面となるエリアセンサーが配置されている。ハーフミラー103で反射した光束は、ペンタダハプリズム104を通って接眼レンズ109から射出し、カメラの使用者は接眼レンズ109を通して物体像を正立正像として観察することができる。また、撮像状態ではハーフミラー103と楕円表面鏡105は撮影光路から退避し、フォーカルプレーンシャッターが開いて、エリアセンサーに適正な光量を露光する。

ペンタダハプリズム104の材質としてアクリル樹脂に、大きさが５ｎｍ〜３０ｎｍ程度の酸化ニオブ粒子を均一に分散させたコンポジット材を使用することにより、屈折率が１．８程度と高屈折率でありながらガラスよりも衝撃に強く、しかも射出成形で安価に製造可能である。ペンタダハプリズム104の屈折率を高めると、ファインダー倍率を大きくすることができて、物体の観察やピントの確認を容易にするため、極めて有用である。

106は円錐面鏡、107は入射面に単一のトーリック凹面107e、射出面に４つの楕円凸面107a，107b，107c，107dを備えた再結像レンズ、108は焦点検出用の受光センサーであって、楕円表面鏡105を含め、これらは位相差検出方式の焦点検出装置を構成する要素である。

楕円表面鏡105で反射した光束は円錐面鏡106でさらに反射し、再結像レンズ107に入射する。楕円表面鏡105は撮像面の手前に配置されているので、楕円表面鏡105と円錐面鏡106の間に物体の１次物体像が形成される。さらに、前述のように再結像レンズが4つの射出面107a，107b，107c，107dを有しているので、これらの作用によって受光センサー108上には４つの２次物体像が形成される。

楕円表面鏡105は、結像レンズ101の射出瞳と再結像レンズ107の入射瞳を共役な関係に置く作用を有する。すなわち、再結像レンズ107を通って焦点検出に供される光束が結像レンズ101の射出瞳上を通過する領域を規制している。一般に位相差検出方式の焦点検出では、焦点検出光束が結像レンズ101でけられると、焦点検出精度の低下を招くために、けられが生じないような焦点検出光束を設定する必要がある。特に結像レンズが交換可能な撮像システムでは、想定する射出瞳を交換用結像レンズ群の代表的な位置として、どの結像レンズが装着されても焦点検出光束がけられないことを保証する。

110はゴーストの発生を防ぐための多孔マスクである。多孔マスク110は４つの開口を有し、これらの開口は再結像レンズ107の有効光束が余裕を持って通過できるような大きさとなっている。また、円錐面鏡106には温度や湿度に依存する形状の変化を抑えるためにシリカ等のフィラーを充填した樹脂を用い、鏡面部分にフィラーが出ないように成形する。

再結像レンズ107はペンタダハプリズム104と同様に、酸化ニオブのナノスケール粒子をアクリルに均一分散させたコンポジット材で成形され、入射面には赤外光を反射するための誘電体多層膜が形成されている。したがって、受光センサー108上に形成された物体の２次像は赤外光成分を除いたものとなり、受光センサー108に４００ｎｍよりも長い光の波長に対して感度を持たせることで、可視光に対するセンサー出力を得ることができる。結像レンズ101が形成した可視光の物体像を撮像する場合には、可視光に対するセンサー出力を得て、可視光を基にした焦点検出を行うのが望ましい。

図４は受光センサー108の平面図である。受光センサー108上には４つのエリアセンサー部108a，108b，108c，108dが形成され、再結像レンズ107による４つの物体像を多数の画素によって光電変換し、物体像の強度分布に基づいた電気信号を生成する。

図５は受光センサー108に２次物体像を重ねて描いた図である。エリアセンサー部108a上には再結像レンズ107の射出面107aを射出して形成された２次物体像111aが、エリアセンサー部108b上には再結像レンズ107の射出面107bを射出して形成された２次物体像111bが、エリアセンサー部108c上には再結像レンズ107の射出面107cを射出して形成された２次物体像111cが、エリアセンサー部108d上には再結像レンズ107の射出面107dを射出して形成された２次物体像111dがそれぞれ縮小結像されている。撮像面上の物体像に対するエリアセンサー部上の２次物体像の大きさの比率は、０．９倍から０．１倍程度が望ましい。２次物体像111a，111b，111c，111dは楕円表面鏡105が光軸102に対して斜設されていることに起因して、扇形状のディストーションを持っており、エリアセンサー部108a，108b，108c，108dはこのディストーションに沿った形状となっている。

結像レンズ101の焦点検出は、２次物体像111aと２次物体像111b、および２次物体像111cと２次物体像111dの間隔を、受光センサー108から出力された電気信号を基に検出することで行われる。２つの物体像間の位置の位相差を得て結像レンズのデフォーカスを導き出すため、この手法は位相差検出方式と呼ばれる。

ところで、再結像レンズ107に用いた酸化ニオブのナノスケール粒子をアクリルに均一分散させたコンポジット材は、温度変化や湿度変化による寸法の変動が小さく、温度変動や湿度変動が生じても２つの物体像間の位置の位相差は変化し難い。したがって、広い範囲の温湿度環境下で安定した焦点検出を実現できる。

また、１３５写真フィルム程度の大判の撮像面を持つ撮像システムでは、被写界深度が非常に浅いので、所望の物体位置へ正確なピント合わせを行うためには、１つひとつの焦点検出視野ができるだけ小さいことが望まれる。そこで、１つの焦点検出視野にエリアセンサー部の一部を使うことによって、物体上の狭い領域に対応した焦点検出視野を設定する。エリアセンサー部を分割して使用すると、多数の焦点検出視野を設定することが可能である。

図６は受光センサー108のエリアセンサー部を分割して設定した焦点検出視野を示す図である。図６において、120は撮像範囲を観察範囲としたファインダー視野、撮像範囲内の４５ヶ所が焦点検出のための位置であって、各焦点検出位置には縦方向の画素列によって構成された焦点検出視野121と、横方向の画素列によって構成された焦点検出視野122を配置してある。すなわち、４５個の焦点検出位置は各々十字型に配置された２つの焦点検出視野よりなる。なお、焦点検出視野121−3と焦点検出視野122−3が結像レンズ101の光軸102の延長上に位置する。

縦方向の画素列によって構成された焦点検出視野は、縦方向の輝度分布に対して感度があるので、たとえば横線に対する焦点検出が可能である。他方、横方向の画素列によって構成された焦点検出視野は、横方向の輝度分布に対して感度があるので、たとえば縦線に対する焦点検出が可能である。これらを組み合わせることで、どのような方向の輝度分布に対しても焦点検出できるようになっている。

図７はエリアセンサー部の分割の状態をより詳しく説明するための図であって、１つの焦点検出視野を構成するエリアセンサー部を示している。図７において、108c−1，108c−2，108d−1，108d−2は、図６に示した焦点検出視野122−12を構成する画素列である。これらは横長の１つの焦点検出視野を構成する。画素列108c−1と108c−2はエリアセンサー部108ｃの一部であり、画素列108d−1，108d−2はエリアセンサー部108dの一部である。

画素列108 c−1と画素列108d−1および画素列108 c−2と画素列108d−2の各々について、２つの物体像の位置の位相差を得て、結像レンズのデフォーカス量を導き出す。２組の画素列によって得られた２つのデフォーカス量を平均することによって焦点検出視野122−12での焦点検出結果とする。最終的に得られたデフォーカス量が実質的にゼロと見なせない時、すなわちピントが合っていないと判定された時は、デフォーカス量に対応する量だけ結像レンズ101の全体あるいは一部を光軸102の方向に動かして、この焦点検出位置にある物体にピントを合わせることができる。

さて、次に焦点検出光束について説明する。図８は再結像レンズ107および受光センサー108付近の光路を描いた説明図であって、再結像レンズ107の射出面107aと射出面107bを中央部で切った断面図である。
図８において、131aはエリアセンサー部108aの中央に結像する光束、131bはエリアセンサー部108bの中央に結像する光束、132aはエリアセンサー部108aの上端に結像する光束、132bはエリアセンサー部108bの上端に結像する光束、133aはエリアセンサー部108aの下端に結像する光束、133bはエリアセンサー部108bの下端に結像する光束である。

光束131aと光束131bは結像レンズ101を射出して、図６に示した焦点検出視野121−3に到達する光束を、光束132aと光束132bは焦点検出視野121−4に到達する光束を、光束133aと光束133bは焦点検出視野121−5に到達する光束をそれぞれハーフミラー103で分割し焦点検出系に取り込んだものである。

詳しくは後述するが、受光センサーの受光角度特性を制御することによって、焦点検出光束のＦナンバーは分割された受光センサーの画素列によって異ならせてある。図８に示した光束131aの角度θ₀と光束132aの角度θ₁との関係が θ₀＞θ₁であることが表しているように、周辺の焦点検出視野121−4と121−5の光束132a，132b，133a，133bは、中央の焦点検出視野121−3の光束131a，131bよりも細く暗い。すなわち、結像レンズの射出瞳上で光束の通過する領域の大きさは中央の焦点検出視野で大きく、周辺の焦点検出視野では小さくなっている。

このように焦点検出視野によってＦナンバーを変えるため、再結像光学系には像全体の光束を制限するような開口絞りを備えていない。再結像レンズ107に隣接して配置された多孔マスク110は、ゴーストの発生を防ぐのが主目的であって、多孔マスク110には最も外側の光線をけらないように寸法を設定した開口が形成されている。

図９は結像レンズの射出瞳上での焦点検出光束の通過領域を説明するための図である。ここでは結像レンズは種々のものに交換可能であることを想定し、全ての結像レンズの射出窓を勘案して、結像レンズ群を代表する射出瞳位置を設定している。

前述のように再結像レンズの４つの射出面107a，107b，107c，107dは２次物体像111a，111b，111c，111dを形成し、位相差検出に供される２次物体像111a，111bの組み合わせと、２次物体像111c，111dの組み合わせは、射出面の組み合わせで言うと射出面107a，107bの組み合わせと、射出面107c，107dの組み合わせに対応する。射出面107a，107bの間隔は比較的狭く、射出面107c，107dの間隔は広く設定してあるので、２次物体像111a，111bを使った焦点検出の測距基線長は比較的短く、２次物体像111c、111dを使った焦点検出の測距基線長は長くなる。この結果、焦点検出光束が通過する射出瞳上の一対の領域の間隔は、２次物体像111a，111bに関しては比較的短く、２次物体像111c，111dに関しては長くなる。

そこで、たとえば焦点検出システムの仕様を２次物体像111c，111dは開放ＦナンバーがＦ５．６よりも明るければけられないこと、２次物体像111c，111dは開放ＦナンバーがＦ２．８よりも明るければけられないことと定める。言い換えると、縦方向の画素列によって構成された焦点検出視野は、開放ＦナンバーがＦ５．６よりも明るければ動作可能、横方向の画素列によって構成された焦点検出視野は、開放ＦナンバーがＦ２．８よりも明るければ動作可能ということになる。

このような条件の下で、図９における141は中央の焦点検出視野121−3の焦点検出光束がけられずに通過できる瞳領域、145は周辺の焦点検出視野121−1の焦点検出光束がけられずに通過できる瞳領域である。撮像画面の周辺では結像レンズの口径蝕が生じるので、焦点検出視野の位置に応じて焦点検出光束が通過できる瞳領域は、画面の中央において最大で、画面の周辺に行くほど狭くなるように変化する。

同様に、142は中央の焦点検出視野122−3の焦点検出光束がけられずに通過できる瞳領域、146は周辺の焦点検出視野122−12の焦点検出光束がけられずに通過できる瞳領域である。これに対して、143aと143bは焦点検出視野121−3の焦点検出光束が実際に通過する領域、144aと144bは焦点検出視野121−1の焦点検出光束が通過する領域である。

射出瞳上での焦点検出光束の通過領域の設定は、受光センサーの受光角度特性を制御することによって実現している。これを結像レンズ側から受光センサーへの光路を逆にたどって考えると、先ず、受光センサーの受光角度特性を設定して再結像レンズ107における光束の通過位置を定める。さらに、楕円表面鏡105による再結像レンズ107と結像レンズの射出瞳の投影関係を利用して、結像レンズの射出瞳上での光束の通過位置を定める、ということになる。

焦点検出光束の通過領域143a，143bは瞳領域141の内側に位置し、焦点検出光束の通過領域144a，144bは瞳領域14５の内側に位置している。焦点検出光束の通過領域は広いほど受光センサーに投射する光量が多くなって、低輝度の物体の焦点検出も高精度に行うことができるようになる。このとき一対の焦点検出光束の通過領域の間隔を焦点検出視野によって異なるようにしても良い。

同様に、143cと143dは焦点検出視野122−3の焦点検出光束の通過領域、144cと144dは焦点検出視野122−12の焦点検出光束の通過領域である。焦点検出光束の通過領域143c，143dは瞳領域142の内側に位置し、焦点検出光束の通過領域144c，144dは瞳領域146の内側に位置している。

以上の構成を物体光の利用効率の観点から見てみると、結像レンズの特性として瞳領域が大きい画面中央の焦点検出視野では実際の焦点検出光束の通過領域も大きい。一方、結像レンズの特性として瞳領域が狭く、その結果、けられが生じ易くなっている画面周辺の焦点検出視野では実際の焦点検出光束の通過領域も狭い。したがって、画面中央での光量と画面周辺での焦点検出視野の配置という２つの要求をうまく満たし、極めて効率的な物体光の利用が図られていることが分かる。

仮に、再結像系に開口絞りを加えて焦点検出光束を規定しようとすると、焦点検出視野間でほぼ同一のＦナンバーとなってしまい、上記のような利点は得られない。図１０は比較のために開口絞りを有したときの光路を描いた説明図である。図１０において、910は機械的な開口絞りとして機能する多孔絞り、931aはエリアセンサー部908aの中央に結像する光束、931bはエリアセンサー部908bの中央に結像する光束、932aはエリアセンサー部908aの上端に結像する光束、932bはエリアセンサー部908bの上端に結像する光束、933aはエリアセンサー部908aの下端に結像する光束、933bはエリアセンサー部908bの下端に結像する光束である。

光束931aと光束931bは図６に示す焦点検出視野121−3に到達する光束を、光束932aと光束932bは焦点検出視野121−4に到達する光束を、光束933aと光束933bは焦点検出視野121−5に到達する光束を、それぞれハーフミラー103にて分割し焦点検出系に取り込んだものである。

多孔絞り910の作用により、周辺の焦点検出視野121−4と121−5の光束932a，932b，933a，933bと、中央の焦点検出視野121−3の光束931a，931bは何れも同程度の太さとなり、同程度のＦナンバーであることを表している。この結果、射出瞳上での焦点検出光束の通過領域はというと、図１１に示すように、焦点検出視野121−3の焦点検出光束の通過領域と、焦点検出視野121−1の焦点検出光束の通過領域は重なって、領域944aと944bとなる。一方、焦点検出視野122−3の焦点検出光束の通過領域と焦点検出視野122−12の焦点検出光束の通過領域は重なって、領域944cと944dとなる。結像レンズの特性上は瞳領域を大きく取れる画面中央の焦点検出視野であっても焦点検出光束の通過領域が狭く、効率的に物体光を使うことができていない。

さて、次に受光センサーの構造について説明する。図１２は受光センサー108の画素部の断面図、図１（ａ）は受光センサー108の１画素の光電変換部を表す平面図、図１（ｂ）は受光センサー108の１画素の平面図である。光は図１２においては上方から受光センサーに入射し、図１（ａ），（ｂ）においては紙面手前方向から受光センサーに入射する。受光センサー108はマイクロレンズを有するＣＭＯＳ型のセンサーで、このマイクロレンズの働きで焦点検出光束のＦナンバーを規定できる。

図１２において、151はシリコン基板、152は埋め込みフォトダイオードの光電変換部、153はポリシリコン配線層、154はアルミニウムあるいは銅の第１配線層、155はアルミニウムあるいは銅を用いた不透明の第２配線層、156はシリコン酸化膜、疎水性多孔質シリカ、シリコン酸化窒化膜、およびシリコン窒化膜などによる層間絶縁膜とパッシベーション膜、158はマイクロレンズ、157は第２配線層からマイクロレンズまでの距離を高精度に設定するための平坦化層である。第２配線層155は離散的に設けられた開口を有した金属膜であって、開口以外は可視光を通さない。受光センサー108を動作させる電気的な機能と受光光束の角度特性を制御する光学的な機能を併せ持っている。平坦化層157は熱硬化型の樹脂や紫外線硬化型の樹脂をスピンコートした後にキュアするとか、樹脂フィルムを接着するといった手法で形成する。

光電変換部152は、図１（ａ）に示すように、ジグザグ形をしており、端部には回路部159が接続されている。回路部159内には転送スイッチとしてはたらく転送用ＭＯＳトランジスタ、リセット電位を供給するリセット用ＭＯＳトランジスタ、ソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタ、選択的にソースフォロワアンプＭＯＳトランジスタから信号を出力させるための選択用ＭＯＳトランジスタ等を有する。光電変換部152の上には、図１（ｂ）に示すように、１画素につき５個のマイクロレンズがやはりジグザグ形に連なって設けられている。

ここで、マイクロレンズは樹脂、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄などで形成成され、単に集光のためではなく結像のために使用するので軸対称型の球面レンズ、あるいは軸対称型の非球面レンズである。対称軸160を持つ形状であるために平面的に見ると円形であるが、一画素に複数のマイクロレンズを設けたことによって、１画素の受光面積を大きく維持することができている。したがって、低輝度の物体に対しても十分な受光センサー出力が得られる。さらに、光の表面反射を抑制するために、マイクロレンズの表面に低屈折率の薄膜や可視光の波長以下の微細構造（所謂Sub-Wavelength Structure）を形成しても良い。

再結像レンズ107を射出した光束は、受光センサー108のマイクロレンズに先ず入射する。次に第２配線層に設けられた開口155aを通り抜けた成分が光電変換部152に入射して、電気信号に変換される。開口を形成するための遮光層と第２配線層を兼用したので、開口のための遮光層を特別に設ける必要が無く受光センサーの構成を簡略化することができている。

図２と図１３は、図１に示した画素を連結して焦点検出に使用するための画素列とした状態を表す平面図と斜視図である。図２では、光電変換部とマイクロレンズとの位置関係がわかるように両端のマイクロレンズの図示を省略し、光電変換部が見えるようにしてある。また、図１３では、構成要素のうち、光電変換部、第２配線層、およびマイクロレンズを抜き出し、上下方向に分解して示している。１画素の境界を分かりやすくするため第２配線層上に光電変換部のジグザグの形状を射影して破線で示した。

図２において、ハッチングを付した５個のマイクロレンズ158aが１画素を構成し、このような画素が横方向に１０個連なって、図７に示した画素列108c−1や108ｃ−2を形成している。ジグザグに並んだマイクロレンズが隣接する画素との間をちょうど埋めるため、画素列上はマイクロレンズが密に敷きつめられることとなる。したがって、マイクロレンズに入射しないために利用できない光束は、ほとんど無視できる程度に少ない。また、配列方向について注目したとき、ジグザグに並んでいることによって、ナイキスト周波数付近の画素の周波数レスポンスを下げることができている。この結果、ナイキスト周波数以上の高い空間周波数成分を含む物体像が投影されても折り返し歪みを生じ難く、高精度で位相差検出ができる。

さらに、隣接する画素列の間には光電変換部上に配置せずに、光電変換に寄与しないマイクロレンズ158bが形成してある。これは、できるだけ均一にマイクロレンズを敷きつめたほうがマイクロレンズを精度良く製作できるという製造上の理由からである。

図１３に示した第２配線層155は、図９に示した焦点検出光束の瞳上領域に相似の菱形様の多数の開口155aを有している。これらの開口155aはマイクロレンズ158の各々に対応して設けられ、マイクロレンズの焦点近傍に配置されている。この構成により、開口155aがマイクロレンズ158によって再結像レンズ107の射出瞳上に逆投影されるので、画素が取り込む光束の受光角度特性を開口155aの形状によって決めることが可能となる。

ここで、受光センサーから出力される焦点検出信号に不均一を生じさせないために、１つの画素列については開口155aの形状は一定とする。一方、焦点検出光束がけられずに通過できる瞳領域の範囲内で焦点検出光束を異ならせることができるので、たとえば隣り合う画素列間では、開口155aの形状を変えても良い。ただし、再結像レンズ107の光学収差が大きくなって２像間の位相差を正確に検出できなくなるのを避けるためには、焦点検出光束の通過領域の面積が変わってもその重心147，148，149，150の移動をできるだけ抑えることが有効である。これは各焦点検出視野が再結像レンズ107を共通に使っているためである。

図１４は図８に示した領域134の拡大図である。エリアセンサー部の周辺部であるこの位置においては、マイクロレンズ158を第２配線層155の開口155aに対して偏芯させ、再結像レンズの射出面107aからマイクロレンズ158に入射した光束が開口155aに向かうようにしている。各マイクロレンズは第2配線層155の開口155aを再結像レンズ107の射出瞳に逆投影しているので、光束132aが開口155aを通過できるということは、光束132aが第２配線層155の開口155aの逆投影像から射出して来るということと等価である。したがって、開口155aの逆投影像以外から受光センサー108に入射した光線135、136などは、必ず第２配線層155に阻止されて光電変換部152まで到達できないために、光電変換されることはない。

さらに、再結像レンズ107の入射瞳と結像レンズの射出瞳は、図３に示した楕円表面鏡105によって、共役な関係に置かれている。このため再結像レンズ107における光線の通過位置が定まれば、結像レンズの射出瞳での光線の通過位置も決定され、先に図９に示したような焦点検出光束の通過領域が得られる。

図１５は１つの焦点検出視野内での各画素列に対する焦点検出光束の設定例を示した画素列の平面図であって、図６に示した焦点検出視野122−12を構成する２つの画素列108c−1、画素列108c−2について、第2配線層とマイクロレンズ部分を抜き出して示したものである。

画素列108c−1では第２配線層155の開口155aは比較的小さく、画素列108c−2では第２配線層155の開口155bは比較的大きく設定してある。マイクロレンズ158の形状は共通であるので、前述のように結像レンズの射出瞳での焦点検出光束の通過領域は画素列108c−1については小さく、画素列108c−2については大きくなる。画素列108c−2の焦点検出光束の通過領域が、図９に示した瞳領域146の内側にあるとすると、画素列108c−1の焦点検出光束の通過領域は更に内側に位置する。

このように異なるＦナンバーを受光する複数の焦点検出画素列によって１つの焦点検出視野を構成すると、結像レンズ群のうちＦ２．８の開放Ｆナンバーの結像レンズに対して、焦点検出視野122−12の画素列108c−1，108c−2の両方が焦点検出光束がけられることなく動作する。さらに、それよりも若干暗い開放Ｆナンバー、たとえばＦ３．５の結像レンズが装着された時には画素列108c−1だけは焦点検出光束がけられること無く動作できることになって、焦点検出視野122−12の動作可能条件を緩和できる。

このように画素列108c−2は大光量で高性能、画素列108c−1は小光量でも広い動作条件といった異なる特徴をもった画素列を１つの焦点検出視野の中に備えることによって、カメラの機能を向上させることができる。

本発明による焦点検出装置の実施形態に係る受光センサーを示す（ａ）は１画素の光電変換部を表す平面図、（ｂ）は１画素の平面図である。図１に示した画素を連結して焦点検出に使用するための画素列とした状態を表す平面図である。本発明に係る一眼レフカメラの構成例を示す斜視図である。本発明に係る受光センサーの平面図である。本発明に係る受光センサーに２次物体像を重ねて描いた図である。本発明に係る受光センサーのエリアセンサー部を分割して設定した焦点検出視野を示す図である。本発明に係るエリアセンサー部の分割の状態を説明するための図であって、１つの焦点検出視野を構成するエリアセンサー部を示す図である。本発明に係る再結像レンズおよび受光センサー付近の光路を描いた説明図であって、再結像レンズの射出面と射出面を中央部で切った断面図である。本発明に係る結像レンズの射出瞳上での焦点検出光束の通過領域を示す図である。開口絞りを有したときの光路を描いた比較説明のための図である。結像レンズの射出瞳上での焦点検出光束の通過領域を示す図である。本発明に係る受光センサーの画素部の断面図である。図１に示した画素を連結して焦点検出に使用するための画素列とした状態を表す斜視図である。図８に示した領域の拡大図である。１つの焦点検出視野内での各画素列に対する焦点検出光束の設定の例を示す画素列の平面図である。

符号の説明

101 結像レンズ
102 光軸
103 ハーフミラー
105 楕円表面鏡
107 再結像レンズ
108 受光センサー
109 接眼レンズ
121,122 焦点検出視野
131a,131b,132a,132b,133a,133b 光束
141,142,145,146 瞳領域
143a,143b,143c,143d,144a,144b,144c,144d 焦点検出光束の通過領域
152 光電変換部
155 第2配線層
155a,155b 第2配線層の開口
158 マイクロレンズ

Claims

対物光学系と、該対物光学系の像面上の複数の焦点検出位置に対応する複数の画素を備えた受光センサーと、該受光センサーに対して前記対物光学系を透過した光束による物体像を縮小投影する結像光学系とを有し、結像レンズの射出瞳の異なる領域を通過した光束によって形成される一対のセンサー出力に基づいて、前記結像レンズの複数の焦点検出位置についての結像状態を検出する焦点検出装置において、
各前記画素は、前記結像レンズの射出瞳上での透過領域を制限するための複数の開口を備え、
異なるＦナンバーで受光するようにした複数の焦点検出画素列によって、１つの焦点検出視野が構成されることを特徴とする焦点検出装置。
前記複数の焦点検出位置間で前記開口の形状を異ならせたことを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
１画素につき複数のマイクロレンズを設け、各前記マイクロレンズに対応して前記開口を備える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。
前記開口は、前記受光センサー内の不透明配線層で形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の焦点検出装置。