JP4968009B2 - 相関演算方法、相関演算装置、焦点検出装置および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、一対のデータ列間の相関量を演算する相関演算方法、相関演算装置、焦点検出装置および撮像装置に関する。

一対の物体像に対応した一対のデータ列間の相対的な変位量（像ズレ量、シフト量）を算出する焦点検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この装置では、一対のデータ列｛Ａ１、Ａ２、Ａ３、・・・｝と｛Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、・・・｝に対して、次式によりシフト量Ｌを変えながら比較して相関量Ｃ(Ｌ)を算出している。
Ｃ(Ｌ)＝Σ｜Ａi−Ｂi+L｜
ただし、Σは所定範囲（Ｌ＝ｑ〜ｒ）で演算する。そして、相関量Ｃ(L)が最小となるシフト量に基づいて像ズレ量を算出している。

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。
特開平０４−３３８９０５号公報

しかしながら、上述した従来の焦点検出装置における相関量Ｃ(L)の演算では、一対のデータ列がもともと同一のデータ列を相対的にシフトしたものであるという前提のもとに考案された相関演算式であるため、同一性が崩れている一対のデータ列にこの相関演算式を適用すると、相関量が最小になるシフト量の誤差が増大したり、シフト量の算出自体が不能になるという問題がある。

（１） 請求項１の発明は、複数の第１データが一次元上に展開された第１データ列と、複数の第２データが一次元上に展開された第２データ列とを、一次元上で相対的な変位量を変えながら変位させ、第１および第２データ列間の相関量を演算して相関量の極値が得られる変位量を求める相関演算方法に適用され、第１および第２データ列間の関係を、一次元上の第１および第２データの位置を変数とするＮ次関数（Ｎ＝１、２、・・）で表し、Ｎ次関数に含まれるすべての係数に対して不変となる不変量を、一次元上の所定位置の近傍における第１および第２データ間の演算として定義し、所定位置を一次元上の所定区間に亘って移動させて不変量を積算した量を相関量とする。
（２） 請求項２の発明は、請求項１に記載の相関演算方法において、Ｎ次関数を１次関数または２次関数としたものである。
（３） 請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の相関演算方法において、不変量を積算する際に、不変量の絶対値をとって積算するようにしたものである。
（４） 請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の相関演算方法において、変数をｘとし、係数をｍ、ａとした場合に、Ｎ次関数はｍ・（１＋ａ・ｘ）で表される。
（５） 請求項５の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の相関演算方法において、変数をｘとし、係数をｍ、ａ、ｂとした場合に、Ｎ次関数はｍ・（１＋ｂ・ｘ＋ａ・ｘ^２）で表される。
（６） 請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の相関演算方法を用い、第１および第２データ列間の相関量の極値が得られる変位量を演算する。
（７） 請求項７の発明は、光学系を通過した一対の光束を受光し、一対の光束が光学系の予定焦点面上に形成する一対の像に対応する第１および第２データ列を生成する瞳分割像検出手段と、第１および第２データ列間の相関量の極値が得られる変位量を演算する請求項６に記載の相関演算装置と、変位量に基づいて光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出手段とを備える焦点検出装置である。
（８） 請求項８の発明は、請求項７に記載の焦点検出装置において、瞳分割像検出手段は、マイクロレンズと光電変換部とからなる焦点検出用の画素が複数個配列されており、複数の焦点検出用画素の出力に基づいて第１および第２データ列を生成する。
（９） 請求項９の発明は、請求項７に記載の焦点検出装置と、撮像素子とを備える撮像装置である。
（１０） 請求項１０の発明は、請求項９に記載の撮像装置において、撮像素子は、光学系による像を撮像する撮像用画素と焦点検出用画素とを同一基板上に設けたものである。

本発明によれば、同一性が崩れている一対のデータ列に対しても一対のデータ列の相関量が最小になるシフト量を正確に算出することができる。

一実施の形態の撮像素子および撮像装置として、レンズ交換式デジタルスチルカメラを例に上げて説明する。図１は一実施の形態のカメラの構成を示すカメラの横断面図である。一実施の形態のデジタルスチルカメラ２０１は交換レンズ２０２とカメラボディ２０３から構成され、交換レンズ２０２がマウント部２０４を介してカメラボディ２０３に装着される。カメラボディ２０３にはマウント部２０４を介して種々の撮影光学系を有する交換レンズ２０２が装着可能である。

交換レンズ２０２はレンズ２０９、ズーミング用レンズ２０８、フォーカシング用レンズ２１０、絞り２１１、レンズ駆動制御装置２０６などを備えている。レンズ駆動制御装置２０６は不図示のマイクロコンピューター、メモリ、駆動制御回路などから構成され、フォーカシング用レンズ２１０の焦点調節と絞り２１１の開口径調節のための駆動制御や、ズーミング用レンズ２０８、フォーカシング用レンズ２１０および絞り２１１の状態検出などを行う他、後述するボディ駆動制御装置２１４との通信によりレンズ情報の送信とカメラ情報の受信を行う。絞り２１１は、光量およびボケ量調整のために光軸中心に開口径が可変な開口を形成する。

カメラボディ２０３は撮像素子２１２、ボディ駆動制御装置２１４、液晶表示素子駆動回路２１５、液晶表示素子２１６、接眼レンズ２１７、メモリカード２１９などを備えている。撮像素子２１２には、撮像画素が二次元状に配置されるとともに、焦点検出位置に対応した部分に焦点検出画素が組み込まれている。この撮像素子２１２については詳細を後述する。

ボディ駆動制御装置２１４はマイクロコンピューター、メモリ、駆動制御回路などから構成され、撮像素子２１２の駆動制御と画像信号および焦点検出信号の読み出しと、焦点検出信号に基づく焦点検出演算と交換レンズ２０２の焦点調節を繰り返し行うとともに、画像信号の処理と記録、カメラの動作制御などを行う。また、ボディ駆動制御装置２１４は電気接点２１３を介してレンズ駆動制御装置２０６と通信を行い、レンズ情報の受信とカメラ情報（デフォーカス量や絞り値など）の送信を行う。

液晶表示素子２１６は電気的なビューファインダー（ＥＶＦ：Electronic View Finder）として機能する。液晶表示素子駆動回路２１５は撮像素子２１２によるスルー画像を液晶表示素子２１６に表示し、撮影者は接眼レンズ２１７を介してスルー画像を観察することができる。メモリカード２１９は、撮像素子２１２により撮像された画像を記憶する画像ストレージである。

交換レンズ２０２を通過した光束により、撮像素子２１２の受光面上に被写体像が形成される。この被写体像は撮像素子２１２により光電変換され、画像信号と焦点検出信号がボディ駆動制御装置２１４へ送られる。

ボディ駆動制御装置２１４は、撮像素子２１２の焦点検出画素からの焦点検出信号に基づいてデフォーカス量を算出し、このデフォーカス量をレンズ駆動制御装置２０６へ送る。また、ボディ駆動制御装置２１４は、撮像素子２１２からの画像信号を処理して画像を生成し、メモリカード２１９に格納するとともに、撮像素子２１２からのスルー画像信号を液晶表示素子駆動回路２１５へ送り、スルー画像を液晶表示素子２１６に表示させる。さらに、ボディ駆動制御装置２１４は、レンズ駆動制御装置２０６へ絞り制御情報を送って絞り２１１の開口制御を行う。

レンズ駆動制御装置２０６は、フォーカシング状態、ズーミング状態、絞り設定状態、絞り開放Ｆ値などに応じてレンズ情報を更新する。具体的には、ズーミング用レンズ２０８とフォーカシング用レンズ２１０の位置と絞り２１１の絞り値を検出し、これらのレンズ位置と絞り値に応じてレンズ情報を演算したり、あるいは予め用意されたルックアップテーブルからレンズ位置と絞り値に応じたレンズ情報を選択する。

レンズ駆動制御装置２０６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、レンズ駆動量に応じてフォーカシング用レンズ２１０を合焦位置へ駆動する。また、レンズ駆動制御装置２０６は受信した絞り値に応じて絞り２１１を駆動する。

図２は、交換レンズ２０２の撮影画面上における焦点検出位置を示す図であり、後述する撮像素子２１２上の焦点検出画素列が焦点検出の際に撮影画面上で像をサンプリングする領域（焦点検出エリア、焦点検出位置）の一例を示す。この例では、矩形の撮影画面１００上の中央および上下の３箇所に焦点検出エリア１０１〜１０３が配置される。長方形で示す焦点検出エリアの長手方向に、焦点検出画素が直線的に配列される。

図３は撮像素子２１２の詳細な構成を示す正面図であり、撮像素子２１２上の焦点検出エリア１０１の近傍を拡大して示す。撮像素子２１２には撮像画素３１０が二次元正方格子状に稠密に配列されるとともに、焦点検出エリア１０１に対応する位置には焦点検出用の焦点検出画素３１３、３１４が垂直方向の直線上に隣接して交互に配列される。なお、図示を省略するが、焦点検出エリア１０２、１０３の近傍の構成も図３に示す構成と同様である。

撮像画素３１０は、図４に示すようにマイクロレンズ１０、光電変換部１１、および色フィルター（不図示）から構成される。色フィルターは赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３種類からなり、それぞれの分光感度は図６に示す特性になっている。撮像素子２１２には、各色フィルターを備えた撮像画素３１０がベイヤー配列されている。

焦点検出画素３１３は、図５(ａ)に示すようにマイクロレンズ１０と光電変換部１３とから構成され、光電変換部１３の形状は半円形である。また、焦点検出画素３１４は、図５(ｂ)に示すようにマイクロレンズ１０と光電変換部１４とから構成され、光電変換部１４の形状は半円形である。焦点検出画素３１３と焦点検出画素３１４とをマイクロレンズ１０を重ね合わせて表示すると、光電変換部１３と１４が垂直方向に並んでいる。焦点検出画素３１３と焦点検出画素３１４は、焦点検出エリア１０１〜１０３において垂直方向（光電変換部１３と１４の並び方向）に交互に配置される。

焦点検出画素３１３、３１４には光量をかせぐために色フィルターが設けられておらず、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感度と、赤外カットフィルター（不図示）の分光特性とを総合した分光特性（図７参照）となる。つまり、図６に示す緑画素、赤画素および青画素の分光特性を加算したような分光特性となり、その感度の光波長領域は緑画素、赤画素および青画素の感度の光波長領域を包括している。

焦点検出用の焦点検出画素３１３、３１４は、撮像画素３１０のＢとＧが配置されるべき列に配置されている。焦点検出用の焦点検出画素３１３、３１４が、撮像画素３１０のＢとＧが配置されるべき列に配置されているのは、画素補間処理において補間誤差が生じた場合に、人間の視覚特性上、赤画素の補間誤差に比較して青画素の補間誤差が目立たないためである。

撮像画素３１０の光電変換部１１は、マイクロレンズ１０によって最も明るい交換レンズの射出瞳径（例えばＦ１．０）を通過する光束をすべて受光するような形状に設計される。また、焦点検出画素３１３、３１４の光電変換部１３、１４は、マイクロレンズ１０によって交換レンズの射出瞳の所定の領域（例えばＦ２．８）を通過する光束をすべて受光するような形状に設計される。

図８は撮像画素３１０の断面図である。撮像画素３１０では撮像用の光電変換部１１の前方にマイクロレンズ１０が配置され、マイクロレンズ１０により光電変換部１１の形状が前方に投影される。光電変換部１１は半導体回路基板２９上に形成される。なお、不図示の色フィルターはマイクロレンズ１０と光電変換部１１の中間に配置される。

図９(ａ)は焦点検出画素３１３の断面図である。画面中央の焦点検出エリア１０１に配置された焦点検出画素３１３において、光電変換部１３の前方にマイクロレンズ１０が配置され、マイクロレンズ１０により光電変換部１３の形状が前方に投影される。光電変換部１３は半導体回路基板２９上に形成されるとともに、その上にマイクロレンズ１０が半導体イメージセンサーの製造工程により一体的かつ固定的に形成される。なお、画面上下の焦点検出エリア１０２、１０３に配置された焦点検出画素３１３の断面構造についても、図９(ａ)に示す断面構造と同様である。

図９(ｂ)は焦点検出画素３１４の断面図である。画面中央の焦点検出エリア１０１に配置された焦点検出画素３１４において、光電変換部１４の前方にマイクロレンズ１０が配置され、マイクロレンズ１０により光電変換部１４の形状が前方に投影される。光電変換部１４は半導体回路基板２９上に形成されるとともに、その上にマイクロレンズ１０が半導体イメージセンサーの製造工程により一体的かつ固定的に形成される。なお、画面上下の焦点検出エリア１０２、１０３に配置された焦点検出画素３１４の断面構造についても、図９(ｂ)に示す断面構造と同様である。

図１０は、マイクロレンズを用いた瞳分割型位相差検出方式の焦点検出光学系の構成を示す。なお、焦点検出画素の部分は拡大して示す。図において、９０は、交換レンズ２０２（図１参照）の予定結像面に配置されたマイクロレンズから前方ｄの距離に設定された射出瞳である。この距離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間の距離などに応じて決まる距離であって、この明細書では測距瞳距離と呼ぶ。９１は交換レンズの光軸、１０ａ〜１０ｄはマイクロレンズ、１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂは光電変換部、３１３ａ、３１３ｂ、３１４ａ、３１４ｂは焦点検出画素、７３，７４、８３，８４は焦点検出光束である。

また、９３は、マイクロレンズ１０ａ、１０ｃにより投影された光電変換部１３ａ、１３ｂの領域であり、この明細書では測距瞳と呼ぶ。図１０では、説明を解りやすくするために楕円形の領域で示しているが、実際には光電変換部の形状が拡大投影された形状になる。同様に、９４は、マイクロレンズ１０ｂ、１０ｄにより投影された光電変換部１４ａ、１４ｂの領域であり、この明細書では測距瞳と呼ぶ。図１０では、説明を解りやすくするために楕円形の領域で示しているが、実際には光電変換部の形状が拡大投影された形状になる。

図１０では、撮影光軸に隣接する４つの焦点検出画素３１３ａ、３１３ｂ、３１４ａ、３１４ｂを模式的に例示しているが、焦点検出エリア１０１のその他の焦点検出画素においても、また画面周辺部の焦点検出エリア１０２、１０３の焦点検出画素においても、光電変換部はそれぞれ対応した測距瞳９３、９４から各マイクロレンズに到来する光束を受光するように構成されている。焦点検出画素の配列方向は一対の測距瞳の並び方向、すなわち一対の光電変換部の並び方向と一致させる。

マイクロレンズ１０ａ〜１０ｄは交換レンズ２０２（図１参照）の予定結像面近傍に配置されており、マイクロレンズ１０ａ〜１０ｄによりその背後に配置された光電変換部１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂの形状がマイクロレンズ１０ａ〜１０ｃから測距瞳距離ｄだけ離間した射出瞳９０上に投影され、その投影形状は測距瞳９３，９４を形成する。すなわち、投影距離ｄにある射出瞳９０上で各焦点検出画素の光電変換部の投影形状（測距瞳９３，９４）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。

光電変換部１３ａは測距瞳９３を通過し、マイクロレンズ１０ａに向う光束７３によりマイクロレンズ１０ａ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、光電変換部１３ｂは測距瞳９３を通過し、マイクロレンズ１０ｃに向う光束８３によりマイクロレンズ１０ｃ上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。また、光電変換部１４ａは測距瞳９４を通過し、マイクロレンズ１０ｂに向う光束７４によりマイクロレンズ１０ｂ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、光電変換部１４ｂは測距瞳９４を通過し、マイクロレンズ１０ｄに向う光束８４によりマイクロレンズ１０ｄ上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。

上述した２種類の焦点検出画素を直線状に多数配置し、各画素の光電変換部の出力を測距瞳９３および測距瞳９４に対応した出力グループにまとめることによって、測距瞳９３と測距瞳９４をそれぞれ通過する焦点検出用光束が画素列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。この情報に対して後述する像ズレ検出演算処理（相関演算処理、位相差検出処理）を施すことによって、いわゆる瞳分割型位相差検出方式で一対の像の像ズレ量が検出される。さらに、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行うことによって、予定結像面に対する現在の結像面（予定結像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結像面）の偏差（デフォーカス量）が算出される。

図１１は、一実施の形態のデジタルスチルカメラ（撮像装置）の撮像動作を示すフローチャートである。ボディ駆動制御装置２１４は、ステップ１００でカメラの電源がオンされると、ステップ１１０以降の撮像動作を開始する。ステップ１１０において撮像画素のデータを間引き読み出しし、電子ビューファインダーに表示させる。続くステップ１２０では焦点検出画素列から一対の像に対応した一対の像データを読み出す。なお、焦点検出エリアは、撮影者が焦点検出エリア選択部材（不図示）を用いて焦点検出エリア１０１〜１０３の内のいずれかを予め選択しているものとする。

ステップ１３０では読み出された一対の像データに基づいて後述する像ズレ検出演算処理（相関演算処理）を行い、像ズレ量を演算してデフォーカス量に変換する。ステップ１４０で合焦近傍か否か、すなわち算出されたデフォーカス量の絶対値が所定値以内であるか否かを調べる。合焦近傍でないと判定された場合はステップ１５０へ進み、デフォーカス量をレンズ駆動制御装置２０６へ送信し、交換レンズ２０２のフォーカシングレンズ２１０を合焦位置に駆動させる。その後、ステップ１１０へ戻って上述した動作を繰り返す。

なお、焦点検出不能な場合もこのステップに分岐し、レンズ駆動制御装置２０６へスキャン駆動命令を送信し、交換レンズ２０２のフォーカシングレンズ２１０を無限から至近までの間でスキャン駆動させる。その後、ステップ１１０へ戻って上述した動作を繰り返す。

ステップ１４０で合焦近傍であると判定された場合はステップ１６０へ進み、シャッターボタン（不図示）の操作によりシャッターレリーズがなされたか否かを判別する。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へ戻り、上述した動作を繰り返す。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１７０へ進み、レンズ駆動制御装置２０６へ絞り調整命令を送信し、交換レンズ２０２の絞り値を制御Ｆ値（撮影者または自動により設定されたＦ値）にする。絞り制御が終了した時点で、撮像素子２１２に撮像動作を行わせ、撮像素子２１２の撮像画素３１０および全ての焦点検出画素３１３，３１４から画像データを読み出す。

ステップ１８０において、焦点検出画素列の各画素位置の画素データを焦点検出画素の周囲の撮像画素のデータに基づいて画素補間する。続くステップ１９０では、撮像画素のデータおよび補間されたデータからなる画像データをメモリーカード２１９に記憶し、ステップ１１０へ戻って上述した動作を繰り返す。

図１２は、図１１のステップ１３０における焦点検出演算処理の詳細を示す示すフローチャートである。ボディ駆動制御装置２１４は、ステップ２００からこの焦点検出演算処理（相関演算処理）を開始する。

ステップ２１０において、 焦点検出画素列から出力される一対のデータ列（α1〜αM、β1〜βM：Ｍはデータ数）に対して（１）式に示すような高周波カットフィルター処理を施し、第１データ列（Ａ1〜ＡN）と第２データ列（Ｂ1〜ＢN）を生成する。これにより、データ列から相関処理に悪影響を及ぼすノイズ成分や高周波成分を除去することができる。なお、演算時間の短縮を図る場合や、すでに大きくデフォーカスしていて高周波成分が少ないことがわかっている場合などには、ステップ２１０の処理を省略することもできる。
Ａn＝αn＋２・αn+1＋αn+2，
Ｂn＝βn＋２・βn+1＋βn+2 ・・・（１）
（１）式において、ｎ＝１〜Ｎである。

データ列Ａn、Ｂnは、理想的には同一データ列を相対的にシフトしたものとなるはずであるが、上述した瞳分割方式の焦点検出画素で得られる一対のデータ列では、焦点検出光束のケラレ（口径蝕）により、同一性が崩れている。

図１３は、焦点検出光束のケラレ（口径蝕）を説明するための図である。図において、位置ｘ０（像高０）と位置ｘ１（像高ｈ）にある一対の焦点検出画素は、それぞれ予定焦点面９２の前方ｄにある測距瞳面９０において測距瞳領域９３、９４を通過する一対の焦点検出光束５３，５４および６３、６４を受光するように構成されている。予定焦点面９２の前方ｄ１（＜ｄ）の面９５に光学系の絞り開口９６がある場合には、位置ｘ０（像高０）にある一対の焦点検出画素が受光する一対の焦点検出光束５３，５４は、絞り開口９６により光軸９１に対して対称に口径蝕が発生するため、一対の焦点検出画素が受光する光量のバランスは崩れない。

これに対し、位置ｘ１（像高ｈ）にある一対の焦点検出画素が受光する一対の焦点検出光束６３，６４は、絞り開口９６によって非対称に口径蝕が発生するために、一対の焦点検出画素が受光する光量のバランスは崩れてしまう。

図１４は、予定焦点面９２から光軸９１の方向に測距瞳面９０を見た場合の図である。焦点検出光束６４は絞り開口９６により大きく口径蝕が発生しているのに対し、焦点検出光束６３は絞り開口９６による口径蝕の発生が少ないことがわかる。

図１５(ａ)、(ｂ)は、図１３および図１４の状態において位置ｘ０（像高０）の近傍の焦点検出画素列が受光する一対の像と、位置ｘ１（像高ｈ）の近傍の焦点検出画素列が受光する一対の像の強度分布（縦軸は光量、横軸は撮影画面上の位置）を示したものである。焦点検出光束の口径蝕のバランスがとれている場合には、図１５(ａ)に示すように、一対の像信号４００，４０１は同一の像信号関数が単に横方向にシフトしたものとなっている。これに対し、焦点検出光束の口径蝕のバランスが崩れている場合には、図１５(ｂ)に示すように、一対の像信号４０２，４０３は同一の信号を相対的にシフトしたものにはならない。

この一実施の形態においては、焦点検出光束の口径蝕により同一性が崩れた一対の像信号を図１７に示すようにＦ(ｘ)、Ｇ(ｘ)とした場合に、一対の像信号間に次式のような関連性があると仮定し、この仮定に基づいて一対の像信号間の像ズレ量を検出する。
Ｇ(ｘ)＝Ｆ(ｘ)・ｍ・（１＋ａ・ｘ） ・・・（２）
すなわち、焦点検出光束の口径蝕によって一対の像信号の同一性が崩れ、一対の像信号の内の一方の像信号はＦ(ｘ)になり、他方の像信号はＧ(ｘ)になる。

（２）式において、右辺のｍ・（１＋ａ・ｘ）は一対の像信号間の関連性を表す項であって、口径蝕のバランス崩れにより平均的にはｍ倍の光量比が発生するとともに、局所的には位置ｘの１次関数で表される光量変化が発生することを表す。なお、口径蝕によるバランス崩れは局所的には緩やかな変化であるので、パラメータａは位置ｘに対して微小な係数になっており、位置ｘの変化に対して光量が急激に変化することはない。

第１データ列（Ａ1〜ＡN）に対して第２データ列（Ｂ1〜ＢN）を相対的にシフト（シフト量＝ｋ）させて相関量を演算するにあたって、データＡnとこれに対応するデータＢn+k、およびこのデータペアの前後のデータペア（Ａn-1、Ｂn-1+k）、（Ａn+1、Ｂn+1+k）に対して（２）式を適用した場合、以下の式が得られる。ただし、第１データ列（Ａ1〜ＡN）を（２）式のＦ(ｘ)、第２データ列（Ｂ1〜ＢN）を（２）式のＧ(ｘ)に対応させ、データペア（Ａn、Ｂn+k）においてｘ＝０になるとする。
Ｂn+k＝Ａn・ｍ ・・・（３)，
Ｂn-1+k＝Ａn-1・ｍ・（１−ａ・ｇ） ・・・（４），
Ｂn+1+k＝Ａn+1・ｍ・（１＋ａ・ｇ） ・・・（５）
（４）式、（５）式において、ｇはデータピッチである。

（３）〜（５）式を変形すると以下の式が得られる。
ｍ＝Ｂn+k／Ａn ・・・（６），
ｍ・（１−ａ・ｇ）＝Ｂn-1+k／Ａn-1 ・・・（７），
ｍ・（１＋ａ・ｇ）＝Ｂn+1+k／Ａn+1 ・・・（８）
（７）式と（８）式を加算すると以下の式が得られる。
２・ｍ＝（Ｂn-1+k／Ａn-1）＋（Ｂn+1+k／Ａn+1） ・・・（９）
（６）式と（９）式からｍを消去して通分すると以下の式が得られる。
（Ｂn-1+k・Ａn・Ａn+1）−（２・Ａn-1・Ｂn+k・Ａn+1）＋（Ａn-1・Ａn・Ｂn+1+k）＝０ ・・・（１０）

（１０）式は、最初に仮定した一対の像信号間の関連性を表す関数ｍ・（１＋ａ・ｘ）のパラメータｍ、ａに対して不変な不変量となっている。また、通分を行うことによってデータが０になった場合の発散現象を回避することができる。シフト量ｋにおいて焦点検出光束の口径蝕により同一性が崩れる前の像信号が一致する場合には（１０）式の不変量も０になり、シフト量ｋにおいて同一性が崩れる前の像信号が一致しない場合には（１０）式の不変量も０以外の値になる可能性が高くなる。（１０）式の不変量の絶対値をとり、さらにデータの位置ｎを所定領域に亘って積算したものを一対のデータ間のシフト量ｋにおける相関量Ｃ(k)と定義すれば、この相関量は一対の像信号間の同一性が崩れていた場合においても、同一性が崩れる前の像信号が一致するシフト量ｋにおいて極小値を取ることになる。
Ｃ(k)＝Σ｜（Ｂn-1+k・Ａn・Ａn+1）−（２・Ａn-1・Ｂn+k・Ａn+1）＋（Ａn-1・Ａn・Ｂn+1+k）｜ ・・・（１１）

図１６は、上記相関量Ｃ(k)の演算と一対のデータ列（Ａ1〜ＡN、Ｂ1〜ＢN）との関係を図式化したものである。例えば図１７に示すような同一性の崩れたサイン波形の一対の像データに対し、上述した特許文献１に開示された相関演算を適用した場合には、相関量Ｃ(k)は図１８に示すようなグラフとなり、最高相関を示す相関量Ｃ(k)の落ち込み箇所がなく、一対の像データ間の像ズレ量を検出することができない。

同じ一対の像データに対し（１１）式に示す相関演算を適用した場合には、相関量Ｃ(k)は図１９に示すようなグラフとなり、最高相関を示す相関量Ｃ(k)の落ち込みが現れ、一対の像データ間の像ズレ量を検出することができるようになる。このように、（１１）式に示す相関演算式は、一対のデータ間のバランス崩れのパラメータに対して略不変となる不変量を算出するとともに、これを積算しているので、一対の像の相関度が高いシフト位置で顕著な落ち込みを示すという特性を有する。

図１２に戻って説明を続ける。ステップ２２０において第１データ列（Ａ1〜ＡN）と第２データ列（Ｂ1〜ＢN）を相対的にずらし（シフト量ｋ）ながら、（１１）式の相関量Ｃ(k)の演算を行う。なお、シフト量ｋは整数であり、一対のデータの検出ピッチを単位とした相対的シフト量である。

ステップ２３０において、（１１）式の演算結果は、図２０(ａ)に示すように、一対のデータの相関が高いシフト量（図２０(ａ)ではｋ＝ｋj＝２）において相関量Ｃ(k)が最小（小さいほど相関度が高い）になる。（１２）式〜（１５）式による３点内挿の手法を用いて、連続的な相関量に対する最小値Ｃ(ｘ)を与えるシフト量ｘを求める。
ｘ＝ｋj＋Ｄ／ＳＬＯＰ ・・・（１２），
Ｃ(ｘ)＝ Ｃ（ｋj）−｜Ｄ｜ ・・・（１３），
Ｄ＝｛Ｃ（ｋj-1）−Ｃ（ｋj+1）｝／２ ・・・（１４），
ＳＬＯＰ＝ＭＡＸ｛Ｃ（ｋj+1）−Ｃ（ｋj），Ｃ（ｋj-1）−Ｃ（ｋj）｝ ・・・（１５）

ステップ２４０では、（１２）式で求めたシフト量ｘを用いて被写体像面の予定結像面に対するデフォーカス量ＤＥＦを次式により求めることができる。
ＤＥＦ＝ＫＸ・ＰＹ・ｘ ・・・（１６）
（１６）式において、ＰＹは検出ピッチであり、ＫＸは一対の測距瞳の重心の開き角の大きさによって決まる変換係数である。

算出されたデフォーカス量ＤＥＦの信頼性があるかどうかは、以下のようにして判定される。図２０(ｂ)に示すように、一対のデータの相関度が低い場合は、内挿された相関量の最小値Ｃ(ｘ)の値が大きくなる。したがって、Ｃ(ｘ)が所定値以上の場合は信頼性が低いと判定する。あるいは、Ｃ(ｘ)をデータのコントラストで規格化するために、コントラストに比例した値となるＳＬＯＰでＣ(ｘ)を除した値が所定値以上の場合は信頼性が低いと判定する。あるいはまた、コントラストに比例した値となるＳＬＯＰが所定値以下の場合は、被写体が低コントラストであり、算出されたデフォーカス量ＤＥＦの信頼性が低いと判定する。図２０(ｃ)に示すように、一対のデータの相関度が低く、シフト範囲ｋmin〜ｋmaxの間で相関量Ｃ(k)の落ち込みがない場合は、最小値Ｃ(ｘ)を求めることができず、このような場合は焦点検出不能と判定する。焦点検出が可能であった場合には算出された像ズレ量に所定の変換係数を乗じてデフォーカス量を算出する。

ステップ２５０で、焦点検出演算処理（相関演算処理）を終了して図１１のステップ１４０へリターンする。

《発明の他の実施の形態》
上述した実施の形態において、（１１）式で示す相関演算式は、一対のデータ列（Ａ1〜ＡN、Ｂ1〜ＢN）に対して非対称な演算となっているので、対称な演算となるように（１７）式および（１８）式のように（ ）でくくった第２項を加算または減算してもよい。
Ｃ(k)＝Σ｜（Ｂn-1+k・Ａn・Ａn+1−２・Ａn-1・Ｂn+k・Ａn+1＋Ａn-1・Ａn・Ｂn+1+k）＋（Ａn-1・Ｂn+k・Ｂn+1+k−２・Ｂn-1+k・Ａn・Ｂn+1+k＋Ｂn-1+k・Ｂn+k・Ａn+1）｜ ・・・（１７），
Ｃ(k)＝Σ｜（Ｂn-1+k・Ａn・Ａn+1−２・Ａn-1・Ｂn+k・Ａn+1＋Ａn-1・Ａn・Ｂn+1+k）−（Ａn-1・Ｂn+k・Ｂn+1+k−２・Ｂn-1+k・Ａn・Ｂn+1+k＋Ｂn-1+k・Ｂn+k・Ａn+1）｜ ・・・（１８）

上述した一実施の形態では、一対の像信号Ｆ(ｘ)、Ｇ(ｘ)の間に（２）式のような関連性があると仮定して（１１）式の相関演算式を導出したが、関連性を仮定する式としては（２）式に限定されない。例えば同一性が崩れた一対の像信号Ｆ(ｘ)、Ｇ(ｘ)の間に次式のような関連性があると仮定し、この仮定に基づいて以下のように相関演算式を導出することができる。
Ｆ(ｘ)＝Ｅ(ｘ)・ｍ１・（１−ａ・ｘ），
Ｇ(ｘ)＝Ｅ(ｘ)・ｍ２・（１＋ａ・ｘ） ・・・（１９）

（１９）式において、Ｅ(ｘ)は同一性が崩れる前の像信号関数であり、ｍ１・（１＋ａ・ｘ）、ｍ２・（１−ａ・ｘ）は一対の像信号間の関連性を表す項である。第１データ列（Ａ1〜ＡN）に対して第２データ列（Ｂ1〜ＢN）を相対的にシフト（シフト量＝ｋ）させて相関量を演算するにあたって、データＡnとこれに対応するデータＢn+k、およびこのデータペアの前後のデータペア（Ａn-1、Ｂn-1+k）、（Ａn+1、Ｂn+1+k）に対して（１９）式を適用し、Ｅ(ｘ)を消去した場合、以下の式が得られる。ただし、第１データ列（Ａ1〜ＡN）を（１９）式のＦ(ｘ)、第２データ列（Ｂ1〜ＢN）を（１９）式のＧ(ｘ)に対応させ、データペア（Ａn、Ｂn+k）においてｘ＝０になるとする。
Ｂn+k／ｍ２＝Ａｎ／ｍ１ ・・・（２０），
Ｂn-1+k／（ｍ２・（１−ａ・ｇ））＝Ａn-1／（ｍ１・（１＋ａ・ｇ）） ・・・（２１），
Ｂn+1+k／（ｍ２・（１＋ａ・ｇ））＝Ａn+1／（ｍ１・（１−ａ・ｇ）） ・・・（２２）
（２１）式、（２２）式において、ｇはデータピッチである。

（２０）式、（２１）式および（２２）式を変形すると以下の式が得られる。
ｍ２／ｍ１＝Ｂn+k／Ａｎ ・・・（２３），
（ｍ２・（１−ａ・ｇ））／（ｍ１・（１＋ａ・ｇ））＝Ｂn-1+k／Ａn-1 ・・・（２４），
（ｍ２・（１＋ａ・ｇ））／（ｍ１・（１−ａ・ｇ））＝Ｂn+1+k／Ａn+1 ・・・（２５）
（２４）式と（２５）式を乗算すると以下の式が得られる。
（ｍ２／ｍ１）^２＝（Ｂn-1+k／Ａn-1）・（Ｂn+1+k／Ａn+1） ・・・（２６）
（２３）式と（２６）式からｍ１、ｍ２を消去して通分すると以下の式が得られる。
（Ｂn-1+k・Ａn^２・Ｂn+1+k）−（Ａn-1・Ｂn+k^２・Ａn+1）＝０ ・・・（２７）

（２７）式は、最初に仮定した一対の像信号間の関連性を表す関数ｍ１・（１−ａ・ｘ）、ｍ２・（１＋ａ・ｘ）のパラメータｍ１、ｍ２、ａに対して不変な不変量となっている。（２７）式の不変量の絶対値をとり、さらにデータの位置ｎを所定区間に亘って積算したものを一対のデータ間のシフト量ｋにおける相関量Ｃ(k)と定義すれば、この相関量は一対の像信号間の同一性が崩れていた場合においても、同一性が崩れる前の像信号が一致するシフト量ｋにおいて極小値を取ることになる。
Ｃ(k)＝Σ｜（Ｂn-1+k・Ａn^２・Ｂn+1+k）−（Ａn-1・Ｂn+k^２・Ａn+1）｜ ・・・（２８）

図１７に示すような同一性の崩れたサイン波形の一対の像データに対し、（２８）式に示す相関演算を適用した場合、相関量Ｃ(k)は図２１に示すようなグラフとなり、最高相関を示す相関量Ｃ(k)の落ち込みが現れ、一対の像データ間の像ズレ量を検出することができるようになる。このように、（２８）式で示す相関演算式は、一対のデータ間のバランス崩れのパラメータに対して略不変となる不変量を算出するとともに、これを積算しているので、一対の像の相関度が高いシフト位置で顕著な落ち込みを示すという特性を有する。

上述した一実施の形態では、同一性が崩れた一対の像信号Ｆ(ｘ)、Ｇ(ｘ)間に位置ｘの１次関数で示される関連性があると仮定し、この仮定に基づいて相関演算式を導出しているが、一対の像信号Ｆ(ｘ)、Ｇ(ｘ)間の関連性を位置ｘの２次以上の高次関数で仮定して相関演算式を導出してもよい。例えば一対の像信号Ｆ(ｘ)、Ｇ(ｘ)間に（２９）式のように位置ｘの２次関数で示される関連性があると仮定した場合には、以下のように相関演算式を導出することができる。
Ｇ(ｘ)＝Ｆ(ｘ)・ｍ・（１＋ｂ・ｘ＋ａ・ｘ^２） ・・・（２９）

（２９）式において、ｍ・（１＋ｂ・ｘ＋ａ・ｘ^２）は一対の像信号間の関連性を表す項であって、口径蝕のバランス崩れにより平均的にはｍ倍の光量比が発生するとともに、局所的には位置ｘの２次関数で表される光量変化が発生することを表す。第１データ列（Ａ1〜ＡN）に対して第２データ列（Ｂ1〜ＢN）を相対的にシフト（シフト量＝ｋ）させて相関量を演算するにあたって、データＡnとこれに対応するデータＢn+k、およびこのデータペアの前後のデータペア（Ａn-2、Ｂn-2+k）、（Ａn-1、Ｂn-1+k）、（Ａn+1、Ｂn+1+k）に対して（２９）式を適用した場合には、以下の式が得られる。ただし、第１データ列（Ａ1〜ＡN）を（２９）式のＦ(ｘ)、第２データ列（Ｂ1〜ＢN）を（２９）式のＧ(ｘ)に対応させ、データペア（Ａn、Ｂn+k）においてｘ＝０になるとする。
Ｂn+k＝Ａn・ｍ ・・・（３０），
Ｂn-2+k＝Ａn-2・ｍ・（１−２・ｂ・ｇ＋４・ａ・ｇ^２） ・・・（３１），
Ｂn-1+k＝Ａn-1・ｍ・（１−ｂ・ｇ＋ａ・ｇ^２） ・・・（３２），
Ｂn+1+k＝Ａn+1・ｍ・（１＋ｂ・ｇ＋ａ・ｇ^２） ・・・（３３）
（３１）式〜（３３）式において、ｇはデータピッチである。

（３０）式〜（３３）式を変形すると以下の式が得られる。
ｍ＝Ｂn+k／Ａn ・・・（３４），
ｍ・（１−２・ｂ・ｇ＋４・ａ・ｇ^２）＝Ｂn-2+k／Ａn-2 ・・・（３５），
ｍ・（１−ｂ・ｇ＋ａ・ｇ^２）＝Ｂn-1+k／Ａn-1 ・・・（３６），
ｍ・（１＋ｂ・ｇ＋ａ・ｇ^２）＝Ｂn+1+k／Ａn+1 ・・・（３７）
（３７）式と３倍した（３６）式とを加算し、さらに（３５）式を減算すると以下の式が得られる。
３・ｍ＝−（Ｂn-2+k／Ａn-2）＋３・（Ｂn-1+k／Ａn-1）＋（Ｂn+1+k／Ａn+1） ・・・（３８）
（３４）式と（３８）式からｍを消去すると以下の式が得られる。
−（Ｂn-2+k／Ａn-2）＋３・（Ｂn-1+k／Ａn-1）−３・Ｂn+k／Ａn＋（Ｂn+1+k／Ａn+1）＝０ ・・・（３９）
さらに通分すると（４０）式が得られる。
−Ｂn-2+k・Ａn-1・Ａn・Ａn+1＋３・Ａn-2・Ｂn-1+k・Ａn・Ａn+1−３・Ａn-2・Ａn-1・Ｂn+k・Ａn+1＋Ａn-2・Ａn-1・Ａn・Ｂn+1+k＝０ ・・・（４０）

（４０）式は、最初に仮定した一対の像信号間の関連性を表す関数ｍ・（１＋ｂ・ｘ＋ａ・ｘ^２）のパラメータｍ、ａ、ｂに対して不変な不変量となっている。（４０）式の不変量の絶対値をとり、さらにデータの位置ｎを所定区間に亘って積算したものを一対のデータ間のシフト量ｋにおける相関量Ｃ(k)と定義すれば、この相関量は一対の像信号間の同一性が崩れていた場合においても、同一性が崩れる前の像信号が一致するシフト量ｋにおいて極小値を取ることになる。
Ｃ(k)＝Σ｜−Ｂn-2+k・Ａn-1・Ａn・Ａn+1＋３・Ａn-2・Ｂn-1+k・Ａn・Ａn+1−３・Ａn-2・Ａn-1・Ｂn+k・Ａn+1＋Ａn-2・Ａn-1・Ａn・Ｂn+1+k｜ ・・・（４１）

図１７に示すような同一性の崩れたサイン波形の一対の像データに対し、（４１）式に示す相関演算を適用した場合、相関量Ｃ(k)は図２２に示すようなグラフとなり、最高相関を示す相関量Ｃ（ｋ）の落ち込みが現れ、一対の像データ間の像ズレ量を検出することができるようになる。このように、（４１）式に示す相関演算式は、一対のデータ間のバランス崩れのパラメータに対して略不変となる不変量を算出するとともに、これを積算しているので、一対の像の相関度が高いシフト位置で顕著な落ち込みを示すという特性を有する。

以上の実施の形態では、データ間のピッチがｇとなるデータを用いて相関演算式を定めているが、データ間のピッチが２ｇ、３ｇ・・・となるデータを用いて相関演算式を定めることができる。例えばデータピッチを２ｇとした場合には、（１１）式の相関演算式は次式のようになる。
Ｃ(k)＝Σ｜（Ｂn-2+k・Ａn・Ａn+2）−（２・Ａn-2・Ｂn+k・Ａn+2）＋（Ａn-2・Ａn・Ｂn+2+k）｜ ・・・（４２）

以上の実施の形態では、不変量の絶対値をとり、さらにデータの位置ｎを所定区間に亘って積算したものを一対のデータ間のシフト量ｋにおける相関量Ｃ(k)と定義したが、相関量の演算はこれに限定されず、例えば不変量の偶数乗や不変量の絶対値の奇数乗を演算し、さらにデータの位置ｎを所定区間に亘って積算したものを一対のデータ間のシフト量ｋにおける相関量Ｃ(k)と定義してもよい。

撮像素子における焦点検出エリアの配置は図２に限定されることはなく、対角線方向や、その他の位置に水平方向および垂直方向に焦点検出エリアを配置することも可能である。

図３に示す撮像素子２１２では、焦点検出画素３１３、３１４がひとつの画素内にひとつの光電変換部を備えた例を示したが、ひとつの画素内に一対の光電変換部を備えるようにしてもよい。図２３は、図３の撮像素子２１２に対応した撮像素子２１２Ａの部分拡大図であり、焦点検出画素３１１はひとつの画素内に一対の光電変換部を備える。図に示す焦点検出画素３１１は、図３に示す焦点検出画素３１３と焦点検出画素３１４のペアに相当した機能を果たす。

焦点検出画素３１１は、図２４に示すようにマイクロレンズ１０と一対の光電変換部１３，１４から構成される。焦点検出画素３１１には光量をかせぐために色フィルターは配置されておらず、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感度と、赤外カットフィルター（不図示）の分光特性とを総合した分光特性（図７参照）となる。つまり、図６に示す緑画素、赤画素および青画素の分光特性を加算したような分光特性となり、その感度の光波長領域は緑画素、赤画素および青画素の感度の光波長領域を包括している。

図２５は、図２３に示す撮像素子２１２Ａの焦点検出画素による瞳分割方式の焦点検出動作を説明するための図である。図において、９０は、交換レンズの予定結像面に配置されたマイクロレンズの前方ｄの距離に設定された射出瞳である。ここで、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の間の距離などに応じて決まる距離であって、以下では測距瞳距離と呼ぶ。９１は交換レンズの光軸、５０、６０はマイクロレンズ、（５３，５４）、（６３，６４）は焦点検出画素の対の光電変換部、７３，７４、８３，８４は焦点検出用光束である。

さらに、９３はマイクロレンズ５０、６０により投影された光電変換部５３，６３の領域であり、以下では測距瞳と呼ぶ。同様に、９４はマイクロレンズ５０、６０により投影された光電変換部５４，６４の領域であり、以下では測距瞳と呼ぶ。図２５では、光軸９１上にある焦点検出画素（マイクロレンズ５０と一対の光電変換部５３、５４からなる）と、隣接する焦点検出画素（マイクロレンズ６０と一対の光電変換部６３、６４からなる）を模式的に例示しているが、撮像面上の周辺に配置された焦点検出用画素においても、一対の光電変換部はそれぞれ一対の測距瞳９３、９４から各マイクロレンズに到来する光束を受光する。焦点検出画素の配列方向は一対の測距瞳の並び方向と一致させる。

マイクロレンズ５０、６０は光学系の予定結像面近傍に配置されており、光軸９１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光電変換部５３、５４の形状がマイクロレンズ５０、６０から測距瞳距離ｄだけ離間した射出瞳９０上に投影され、その投影形状は測距瞳９３，９４を形成する。また、マイクロレンズ５０に隣接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光電変換部６３、６４の形状が測距瞳距離ｄだけ離間した射出瞳９０上に投影され、その投影形状は測距瞳９３，９４を形成する。すなわち、測距瞳距離ｄにある射出瞳９０上で各焦点検出画素の光電変換部の投影形状（測距瞳９３，９４）が一致するように、各画素のマイクロレンズと光電変換部の位置関係が決定されている。

光電変換部５３は、測距瞳９３を通過してマイクロレンズ５０へ向う焦点検出光束７３によってマイクロレンズ５０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。また、光電変換部５４は、測距瞳９４を通過してマイクロレンズ５０へ向う焦点検出光束７４によってマイクロレンズ５０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、光電変換部６３は、測距瞳９３を通過してマイクロレンズ６０へ向う焦点検出光束８３によってマイクロレンズ６０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。また、光電変換部６４は、測距瞳９４を通過してマイクロレンズ６０へ向う焦点検出光束８４によってマイクロレンズ６０上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。

このような焦点検出用画素を直線状に多数配置し、各画素の一対の光電変換部の出力を測距瞳９３および測距瞳９４に対応した出力グループにまとめることによって、測距瞳９３と測距瞳９４を各々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情報が得られる。この情報に対して後述する像ズレ検出演算処理（相関演算処理、位相差検出処理）を施すことによって、いわゆる瞳分割方式で一対の像の像ズレ量が検出される。さらに、像ズレ量に所定の変換処理を施すことによって、予定結像面に対する現在の結像面（予定結像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結像面）の偏差（デフォーカス量）が算出される。

次に、図３に示す撮像素子２１２では撮像画素３１０がベイヤー配列の色フィルターを備えた例を示したが、色フィルターの構成や配列はこれに限定されることはなく、補色フィルター（緑：Ｇ、イエロー：Ｙｅ、マゼンタ：Ｍｇ，シアン：Ｃｙ）の配列を採用してもよい。また、図３に示す撮像素子２１２では焦点検出画素３１３、３１４に色フィルターを設けない例を示したが、撮像画素３１０と同色の色フィルターの内のひとつのフィルター（例えば緑フィルター）を設けるようにした場合でも、本発明を適用することができる。

また、上述した一実施の形態の図５、図２４に示す焦点検出画素３１１、３１３、３１４では、光電変換部の形状を半円形や矩形にした例を示したが、焦点検出画素の光電変換部の形状はこれらに限定されず、他の形状であってもよい。例えば焦点検出画素の光電変換部の形状を楕円や多角形にすることも可能である。

さらに、図３に示す撮像素子２１２では、撮像画素と焦点検出画素を稠密正方格子配列に配置した例を示したが、稠密六方格子配列としてもよい。

上述した一実施の形態では、マイクロレンズを用いた瞳分割方式による焦点検出動作を説明したが、本発明はこのような方式の焦点検出に限定されず、再結像瞳分割方式の焦点検出にも適用可能である。図２６により、再結像瞳分割方式の焦点検出動作を説明する。図２６において、１９１は交換レンズの光軸、１１０，１２０はコンデンサレンズ、１１１、１２１は絞りマスク、１１２，１１３、１２２，１２３は絞り開口、１１４、１１５、１２４，１２５は再結像レンズ、１１６、１２６は焦点検出用のイメージセンサー（ＣＣＤ）である。

また、１３２，１３３、１４２，１４３は焦点検出光束、１９０は交換レンズの予定結像面の前方ｄ５の距離に設定された射出瞳である。ここで、距離ｄ５は、コンデンサレンズ１１０，１２０の焦点距離と、コンデンサレンズ１１０，１２０と絞り開口１１２，１１３、１２２，１２３との間の距離などに応じて決まる距離であって、以下では測距瞳距離と呼ぶ。１９２は、コンデンサレンズ１１０，１２０により投影された絞り開口１１２，１２２の領域であり、以下では測距瞳と呼ぶ。同様に、１９３は、コンデンサレンズ１１０，１２０により投影された絞り開口１１３，１２３の領域であり、以下では測距瞳と呼ぶ。コンデンサレンズ１１０、絞りマスク１１１、絞り開口１１２，１１３、再結像レンズ１１４、１１５およびイメージセンサー１１６が、一つの位置で焦点検出を行う再結像方式の瞳分割方位相差検出の焦点検出ユニットを構成する。

図２６においては、光軸１９１上にある焦点検出ユニットと光軸外にある焦点検出ユニットとを模式的に例示している。複数の焦点検出ユニットを組み合わせることによって、図２に示す３箇所の焦点検出位置１０１〜１０３において再結像方式の瞳分割位相差検出で焦点検出を行う焦点検出装置を実現することができる。

コンデンサレンズ１１０からなる焦点検出ユニットは、交換レンズの予定結像面近傍に配置されたコンデンサレンズ１１０、その背後に配置されたイメージサンサ１１６、コンデンサレンズ１１０とイメージサンサ１１６との間に配置され、予定結像面近傍に結像された１次像をイメージセンサー１１６上に再結像する一対の再結像レンズ１１４、１１５、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１１２、１１３を有する絞りマスク１１から構成される。

イメージセンサー１１６は、複数の光電変換部が直線に沿って密に配置されたラインサンサであり、光電変換部の配置方向は一対の測距瞳の分割方向（＝絞り開口の並び方向）と一致させる。このイメージセンサー１１６からは、イメージセンサー１１６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出力され、この情報に対して後述する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、いわゆる瞳分割型位相差検出方式（再結像方式）で一対の像の像ズレ量が検出される。さらに、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。

イメージセンサー１１６は再結像レンズ１１４、１１５により予定結像面上に投影されており、デフォーカス量（像ズレ量）の検出精度は、像ズレ量の検出ピッチ（再結像方式の場合は予定結像面上に投影された光電変換部の配列ピッチ）により決まる。

コンデンサレンズ１１０は、絞りマスク１１１の絞り開口１１２、１１３を射出瞳１９０上に領域１９２、１９３として投影している。領域１９２，１９３を測距瞳と呼ぶ。すなわち、イメージセンサー１１６上に再結像される一対の像は射出瞳１９０上の一対の測距瞳１９２，１９３を通過する光束によって形成される。射出瞳１９０上の一対の測距瞳１９２，１９３を通過する光束１３２、１３３を焦点検出用光束と呼ぶ。

このような再結像瞳分割方式においても、測距瞳の口径蝕によってイメージセンサー上に形成される一対の像のバランス崩れが生ずるので、イメージセンサーの出力信号を処理する際に本発明を適用することができる。

また、本発明は撮影光学系を通過する光束を瞳分割する方式の焦点検出に限定されず、外光三角測距方式による距離測定にも適用可能である。図２７により、外光三角測距方式の焦点検出動作を説明する。図２７において、レンズ３２０とその結像面に配置されたイメージセンサー３２６からなるユニットと、レンズ３３０とその結像面に配置されたイメージセンサー３３６からなるユニットとが基線長を隔てて配置される。これらの一対のユニットが測距装置３４７を構成する。

測距対象３５０の像が、レンズ３２０および３３０によりイメージセンサー３２６および３３６上に形成される。イメージセンサー３２６および３３６上に形成される像の位置関係は、測距装置３４７から測距対象３５０までの距離に応じて変化する。したがって、イメージセンサー３２６および３３６の信号データに対して本発明を適用した像ズレ検出を行うことによって、２像の相対的位置関係を検出し、この位置関係に基づいて測距対象３５０までの距離を測定することができる。

外光三角測距方式においては、レンズ３２０とレンズ３３０に汚れや雨滴が付着することによって、一対の信号にレベル差が生じたり歪みが生じたりすることが発生するので、本発明の適用は有効である。

なお、撮像装置としては、上述したようなカメラボディに交換レンズが装着される構成のデジタルスチルカメラやフィルムスチルカメラに限定されない。例えばレンズ一体型のデジタルスチルカメラ、フィルムスチルカメラ、あるいはビデオカメラにも本発明を適用することができる。さらには、携帯電話などに内蔵される小型カメラモジュール、監視カメラやロボット用の視覚認識装置などにも適用できる。

また、本発明は、カメラ以外の焦点検出装置や測距装置、さらにはステレオ測距装置にも適用できる。さらに、時間が異なるイメージセンサーの信号間の相関を検出して被写体像の動きやカメラのブレを検出する装置にも適用できる。さらにまた、イメージセンサーの画像信号と特定の画像信号のパターンマッチングにも適用できる。

さらに、本発明は、画像信号データの相関を検出するものに限定されず、音に関するデータの相関やその他一般に２つの信号の相関を検出するものにも適用することができる。

一実施の形態のカメラの構成を示すカメラの横断面図 交換レンズの撮影画面上における焦点検出位置を示す図 撮像素子の詳細な構成を示す正面図 撮像画素の構成を示す正面図 焦点検出画素の構成を示す正面図 撮像画素の分光特性を示す図 焦点検出画素の分光特性を示す図 撮像画素の断面図 焦点検出画素の断面図 マイクロレンズを用いた瞳分割型位相差検出方式の焦点検出光学系の構成を示す図 一実施の形態のデジタルスチルカメラ（撮像装置）の撮像動作を示すフローチャート 図１１のステップ１３０における焦点検出演算処理の詳細を示す示すフローチャート 焦点検出光束のケラレ（口径蝕）を説明するための図 予定焦点面から光軸の方向に測距瞳面を見た場合の図 図１３および図１４の状態において位置ｘ０（像高０）の近傍の焦点検出画素列が受光する一対の像と、位置ｘ１（像高ｈ）の近傍の焦点検出画素列が受光する一対の像の強度分布（縦軸は光量、横軸は撮影画面上の位置）を示した図 （１１）式に示す相関量Ｃ(k)の演算と一対のデータ列（Ａ1〜ＡN、Ｂ1〜ＢN）との関係を示す図 同一性の崩れたサイン波形の一対の像データを示す図 従来の相関演算結果を示す図 一実施の形態の相関演算結果を示す図 焦点検出演算（相関演算）結果の評価方法を説明する図 他の一実施の形態の相関演算結果を示す図 他の一実施の形態の相関演算結果を示す図 変形例の撮像素子の部分拡大図 図２３に示す変形例の撮像素子で用いる焦点検出画素の正面図 図２３に示す撮像素子２１２Ａの焦点検出画素による瞳分割方式の焦点検出動作を説明するための図 再結像瞳分割方式の焦点検出動作を説明するための図 外光三角測距方式の焦点検出動作を説明するための図

符号の説明

１０；マイクロレンズ、１１、１３、１４；光電変換部、２０２；交換レンズ、２１２、２１２Ａ；撮像素子、２１４ ボディ駆動制御装置、３１０；撮像画素、３１１、３１３、３１４；焦点検出画素

Claims (10)

1. 複数の第１データが一次元上に展開された第１データ列と、複数の第２データが一次元上に展開された第２データ列とを、一次元上で相対的な変位量を変えながら変位させ、前記第１および第２データ列間の相関量を演算して前記相関量の極値が得られる前記変位量を求める相関演算方法において、
   前記第１および第２データ列間の関係を、一次元上の前記第１および第２データの位置を変数とするＮ次関数（Ｎ＝１、２、・・）で表し、前記Ｎ次関数に含まれるすべての係数に対して不変となる不変量を、一次元上の所定位置の近傍における前記第１および第２データ間の演算として定義し、前記所定位置を一次元上の所定区間に亘って移動させて前記不変量を積算した量を前記相関量とすることを特徴とする相関演算方法。
2. 請求項１に記載の相関演算方法において、
   前記Ｎ次関数は、１次関数または２次関数であることを特徴とする相関演算方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の相関演算方法において、
   前記不変量を積算する際に、前記不変量の絶対値をとって積算することを特徴とする相関演算方法。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の相関演算方法において、
   前記変数をｘとし、前記係数をｍ、ａとした場合に、前記Ｎ次関数はｍ・（１＋ａ・ｘ）で表されることを特徴とする相関演算方法。
5. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の相関演算方法において、
   前記変数をｘとし、前記係数をｍ、ａ、ｂとした場合に、前記Ｎ次関数はｍ・（１＋ｂ・ｘ＋ａ・ｘ^２）で表されることを特徴とする相関演算方法。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の相関演算方法を用い、前記第１および第２データ列間の前記相関量の極値が得られる変位量を演算することを特徴とする相関演算装置。
7. 光学系を通過した一対の光束を受光し、前記一対の光束が前記光学系の予定焦点面上に形成する一対の像に対応する第１および第２データ列を生成する瞳分割像検出手段と、
   前記第１および第２データ列間の相関量の極値が得られる変位量を演算する請求項６に記載の相関演算装置と、
   前記変位量に基づいて前記光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出手段とを備えることを特徴とする焦点検出装置。
8. 請求項７に記載の焦点検出装置において、
   前記瞳分割像検出手段は、マイクロレンズと光電変換部とからなる焦点検出用の画素が複数個配列されており、前記複数の焦点検出用画素の出力に基づいて前記第１および第２データ列を生成することを特徴とする焦点検出装置。
9. 請求項７に記載の焦点検出装置と、
   撮像素子とを備えることを特徴とする撮像装置。
10. 請求項９に記載の撮像装置において、
    前記撮像素子は、光学系による像を撮像する撮像用画素と前記焦点検出用画素とを同一基板上に設けたことを特徴とする撮像装置。

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