检测设备、检测方法和摄像设备与流程
实施例的方面涉及用于检测距离的检测设备。
背景技术：
迄今为止，已知通过相位差检测方法使用具有在各像素中形成微透镜的结构的二维布局图像传感器来进行摄像透镜的焦点检测的摄像设备。
日本特开2000-156823讨论了具有一对焦点检测像素部分地布置在由多个像素构成的二维布局图像传感器中的结构的摄像设备。一对焦点检测像素经由包括开口部的遮光层接收来自摄像透镜的出射光瞳的不同区域的光，并且进行光瞳分割。具体地，通过排列在二维布局图像传感器的大部分中的摄像像素来获取摄像信号，并且基于来自排列在二维布局图像传感器的一部分中的焦点检测像素的焦点检测信号来获得图像偏差量，从而进行焦点检测。
另外，日本特开2015-11283讨论了如下的摄像设备：根据光学系统的中央图像高度处的基准光圈值来计算与图像高度对应的有效光圈值，并且通过使用所计算的有效光圈值来计算用于将图像偏差量转换为散焦量的转换系数。即使由于多个透镜框和光圈框而发生透镜框渐晕并且有效光圈值随透镜不同而改变，也可以使用有效光圈值来计算转换系数。
技术实现要素：
根据实施例的方面，一种检测设备，包括：图像传感器，其包括被配置为接收已经穿过成像光学系统中的不同光瞳区域的光的多个像素的阵列；生成单元，其被配置为通过使用由像素获取到的像素信号来生成与不同光瞳区域相对应的多个相应的焦点检测信号；以及检测单元，其被配置为基于多个焦点检测信号来计算图像偏差量并且根据图像偏差量和转换系数来检测散焦量。检测单元基于图像传感器的光瞳偏心量、图像传感器的入射光瞳距离和与成像光学系统中的多个框有关的开口信息来计算转换系数。
根据实施例的方面，一种摄像设备，包括：所述检测设备；以及控制单元，其被配置为控制所述成像光学系统，其中，所述控制单元基于所检测到的散焦量来控制所述成像光学系统的焦点位置。
根据实施例的方面，一种摄像设备，包括：所述检测设备；安装部，其能够拆卸地安装到所述成像光学系统；以及通信单元，其被配置为经由所述安装部与所述成像光学系统通信，其中，所述通信单元在获取到图像信号的定时或者以预定时间段进行通信，并且通过所述成像光学系统获取与所述成像光学系统中的所述多个框有关的开口信息。
根据实施例的方面，一种摄像设备，包括镜头单元，所述镜头单元被配置为基于来自照相机主体中所包括的图像传感器的像素信号中的图像偏差量来进行焦点调整，所述摄像设备还包括：存储器，其被配置为存储用于计算将所述图像偏差量转换为散焦量所用的转换系数的与多个框有关的开口信息；以及发送单元，其被配置为发送与所述多个框有关的开口信息以在所述照相机主体中计算所述散焦量。
根据实施例的方面，一种摄像设备，用于基于通过对已经穿过成像光学系统中的不同光瞳区域的光进行光电转换而获得的像素信号来计算散焦量，所述摄像设备包括：生成单元，其被配置为基于所述像素信号来生成与所述不同光瞳区域相对应的多个相应的焦点检测信号；以及计算单元，其被配置为根据基于所生成的多个焦点检测信号的检测图像偏差量和转换系数来计算所述散焦量，其中，所述计算单元通过设置虚拟散焦量来生成与所述不同光瞳区域相对应的多个相应的虚拟焦点检测信号，根据所述虚拟焦点检测信号的相关量来计算虚拟图像偏差量，并基于所述虚拟图像偏差量和所述虚拟散焦量来确定所述转换系数。
根据实施例的方面，一种检测方法，用于使用通过对已经穿过成像光学系统的不同光瞳区域的光进行光电转换而获得的像素信号来进行焦点检测，所述检测方法包括：获取所述像素信号；通过使用所述像素信号来生成与所述不同光瞳区域相对应的多个相应的焦点检测信号；以及通过基于所述多个焦点检测信号计算检测图像偏差量并根据所述检测图像偏差量和转换系数检测出检测散焦量来进行焦点检测，其中，进行焦点检测包括：通过设置虚拟散焦量来生成与所述不同光瞳区域相对应的多个相应的虚拟焦点检测信号；根据所述虚拟焦点检测信号的相关量来计算虚拟图像偏差量；以及基于所述虚拟图像偏差量和所述虚拟散焦量来计算所述转换系数。
通过以下参考附图对典型实施例说明，本发明的其它特征将变得明显。
附图说明
图1是示出根据第一典型实施例的包括焦点检测设备的摄像设备的结构的框图。
图2示出根据第一典型实施例的像素阵列。
图3a是根据第一典型实施例的像素结构的平面图，以及图3b是根据第一典型实施例的像素结构的截面图。
图4示出根据第一典型实施例的图像传感器的像素与光瞳强度分布之间的对应关系。
图5示出根据第一典型实施例的图像传感器与光瞳强度分布之间的对应关系。
图6示出根据第一典型实施例的成像光学系统和图像传感器中的光瞳分割。
图7a和7b是各自示出根据第一典型实施例的当光入射在各像素中所形成的微透镜上时的光强度分布的截面图。
图8示出根据第一典型实施例的光瞳部分区域。
图9是示出根据第一典型实施例的散焦量与图像偏差量之间的关系的关系图。
图10示出根据第一典型实施例的当发生光瞳偏心或入射光瞳距离的变化时图像传感器与光瞳强度分布之间的对应关系。
图11是示出根据第一典型实施例的图像传感器的传感器入射光瞳、光瞳偏心量和入射光瞳距离、成像光学系统中的透镜框渐晕和光瞳部分区域之间的关系的关系图。
图12是示出根据第一典型实施例的图像传感器的传感器入射光瞳、光瞳偏心量和入射光瞳距离、成像光学系统中的透镜框渐晕和光瞳部分区域之间的关系的关系图。
图13是示出根据第一典型实施例的焦点检测方法的流程图。
图14是示出根据第一典型实施例的成像光学系统中的透镜框渐晕的关系图。
图15是示出根据第一典型实施例的转换系数计算方法的流程图。
图16示出根据第一典型实施例的用于生成虚拟焦点检测信号的方法。
图17示出根据第一典型实施例的虚拟光瞳强度分布的变化示例。
图18示出根据第二典型实施例的像素阵列。
图19a是根据第二典型实施例的像素结构的平面图，以及图19b是根据第二典型实施例的像素结构的截面图。
图20a和20b各自示意性地示出根据第三典型实施例的透镜框渐晕状态。
图21a、21b、21c和21d各自示意性地示出根据第三典型实施例的在各图像高度处的透镜框渐晕状态。
图22是示出根据第三典型实施例的转换系数计算的流程图。
图23是示出根据各典型实施例的图像传感器的光瞳距离处的各开口信息的中心位置和大小的示意性关系图。
图24是示出根据第四典型实施例的转换系数计算的流程图。
图25是示出根据第五典型实施例的转换系数计算的流程图。
具体实施方式
下面将参考附图详细描述本发明的典型实施例。在附图中，相同的构件由相同的附图标记表示，并且省略冗余的描述。
本典型实施例示出将本发明应用于诸如数字照相机等的摄像设备的情况。然而，本发明可以广泛地应用于除摄像设备之外的设备，诸如焦点检测设备、距离检测设备、信息处理设备和电子设备等。
[整体结构]
图1是示出根据第一典型实施例的包括焦点检测设备的摄像设备100的结构的框图。摄像设备100是包括照相机主体和可拆卸地安装到照相机主体的可更换镜头(成像光学系统或摄像光学系统)的数字照相机系统。然而，实施例的方面不限于该结构，而作为替代可以应用于具有照相机主体和镜头一体形成的结构的摄像设备。
成像光学系统(摄像光学系统)在预定成像面上生成被摄体的被摄体图像(光学图像)。第一透镜组101设置在成像光学系统所包含的多个透镜组的最前侧(被摄体侧)，并且由镜筒沿光轴oa可伸缩地保持。光圈/快门(光圈)102通过调整开口直径来调整摄像期间的光量，并且用作在静止图像拍摄期间用于曝光时间调整的快门。第二透镜组103沿光轴oa与光圈/快门102一体地前进和后退，并且具有用于与第一透镜组101的前进/后退操作连动地进行变倍操作的变焦功能。第三透镜组105是在沿光轴oa前进或后退的同时进行焦点调整(调焦操作)的调焦透镜组。光学低通滤波器106是用于减少拍摄图像的伪色或摩尔纹的光学元件。根据本典型实施例的各透镜组与透镜单元相对应。具体地，第三透镜组105与能够进行焦点调节的透镜单元相对应。
图像传感器107包括例如互补金属氧化物半导体(cmos)传感器或电荷耦合器件(ccd)传感器及其周边电路，并进行被摄体图像的光电转换。作为图像传感器107，例如，使用具有如下结构的二维单板颜色传感器：拜耳阵列的原色马赛克滤波器以片上方式形成在水平方向上m个像素并且垂直方向上n个像素的光接收像素上。摄像光学系统和图像传感器107构成单个摄像单元。然而，图像传感器107不限于如本典型实施例中所述的单板型，而作为替代可以是例如三板型。图像传感器107可包括多个摄像单元。也就是说，实施例的方面可以应用于任何结构，只要该结构包括与图像传感器107兼容的摄像光学系统即可。
变焦致动器111旋转凸轮筒(未示出)以使第一透镜组101和第二透镜组103在变倍操作期间沿光轴oa移动。在调整光量(摄像光量)的情况下，光圈/快门致动器112调整光圈/快门102的开口直径。在焦点调整期间，调焦致动器114使第三透镜组105沿光轴oa移动。光圈和快门不必组合在一起，而作为替代可以单独提供。
电子闪光灯115是用于对被摄体进行照明的照明设备。作为电子闪光灯115，使用设置有氙管的闪光照明设备或者设置有连续发光的发光二极管(led)的照明设备。自动调焦(af)辅助光源116将具有预定开口图案的掩模的图像通过投影透镜投影到被摄体上。这增强了对于暗被摄体或低对比度被摄体的焦点检测能力。
中央处理单元(cpu)121是对摄像设备100进行各种控制操作的控制装置。cpu121包括计算单元、只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、模数(a/d)转换器、数模(d/a)转换器和通信接口电路。cpu121读出并执行存储在rom或ram中的预定程序以驱动摄像设备100的各种电路并控制诸如焦点检测(af)、摄像、图像处理和记录等的一系列操作。cpu121的一些功能可以实现为硬件电路，并且诸如现场可编程门阵列(fpga)的可重新配置电路可以用作这些电路中的一些电路。例如，专用硬件电路可以用于下面将描述的焦点检测用的计算的一部分以便缩短计算所需的时间。
cpu121还包括像素信号获取单元121a、信号生成单元121b、焦点检测单元121c和镜头信息获取单元121d。包括在cpu121中的通信接口电路不仅可以采用使用诸如通用串行总线(usb)线缆或局域网(lan)线缆等的有线线缆将通信接口电路连接到外部设备的方法，而且可以采用通过使用无线lan或移动通信线路等的无线通信将通信接口电路连接到外部设备的方法。到通信对方的连接不限于用于直接连接到个人计算机(pc)或智能电话的连接方法，而作为替代可以是用于经由接入点或网络连接到邻近或远程装置的连接方法。
电子闪光灯控制电路122与摄像操作同步地控制电子闪光灯115的点亮。辅助光源驱动电路123与焦点检测处理同步地控制af辅助光源116的点亮。图像传感器驱动电路124控制图像传感器107的摄像操作，对所获取到的图像信号进行a/d转换，并将转换的信号发送到cpu121。图像处理电路125对从图像传感器107输出的图像数据进行诸如伽马转换、颜色插值或联合图像专家组(jpeg)压缩等的处理。
调焦驱动电路126基于焦点检测单元121c的焦点检测结果等来驱动调焦致动器114，并使第三透镜组105沿光轴oa移动，从而进行焦点调整。光圈/快门驱动电路128驱动光圈/快门致动器112以控制光圈/快门102的开口直径并控制静止图像拍摄期间的曝光时间。变焦驱动电路129基于拍摄者进行的变焦操作来驱动变焦致动器111，并使第一透镜组101和第二透镜组103沿光轴oa移动，从而进行变倍操作。
镜头通信电路130与安装到照相机主体的可更换镜头通信，获取关于可更换镜头的镜头信息，并设置各种参数。所获取到的镜头信息被输出到cpu121的镜头信息获取单元121d。另外，可以将由照相机主体检测到的摄像信息等发送到可更换镜头。可更换镜头和照相机主体经由安装部卡口式联接，并且在联接状态下使多个端子彼此接触。可更换镜头包括电子基板，该电子基板包括用于镜头的cpu、用于镜头的存储器和用于镜头的陀螺仪(未示出)。用于镜头的cpu使用存储在用于镜头的存储器中的参数等并执行各种程序。用于镜头的存储器存储与作为镜头的光学特性之一的像差有关的信息和出射光瞳距离lpo等，并且能够将该信息与作为光学条件的调焦状态fs和变焦状态zs一起发送到照相机主体。
显示单元131包括例如液晶显示装置(lcd)。显示单元131显示与摄像设备100的摄像模式有关的信息、要在摄像之前显示的预览图像、要在摄像之后显示的确认用图像或在焦点检测期间的聚焦状态显示图像等。操作单元132包括电源开关、释放开关、变焦操作开关和摄像模式选择开关。释放开关包括具有两个状态、即半按下状态(sw1接通的状态)和完全按下状态(sw2接通的状态)的二级开关。存储介质133是例如可拆卸地安装到摄像设备100的闪速存储器，并且记录所拍摄的图像(图像数据)。存储单元134以预定格式存储所拍摄的图像等。
可以将操作单元132的一些功能以触摸面板等的形式设置在显示单元131上。可以在显示单元131处显示预览图像的同时通过操作触摸面板来对图像中的任何位置进行焦点检测。
可以设置tvaf单元(未示出)以基于所生成的tvaf评价值(关于图像数据的对比度信息)使用对比度检测方法来进行焦点检测处理。在使用对比度检测方法来进行焦点检测处理的情况下，移动调焦透镜组105，并且将评价值(焦点评价值)指示峰值的透镜位置检测为聚焦位置。
因此，可以通过将摄像面相位差af与tvaf组合来进行焦点检测处理，并且可以根据情况选择性地或组合地使用摄像面相位差af和tvaf。各块用作通过使用各块的焦点检测结果来控制调焦透镜组105的位置的控制单元。
首先参考图2以及图3a和3b，将描述根据本典型实施例的图像传感器107的像素阵列和像素结构。图2示出图像传感器107的像素(摄像像素)的阵列。图3a和3b各自示出图像传感器107的像素结构。图3a是图像传感器107的像素200g的平面图(沿+z方向观看)。图3b是沿图3a中的线a-a截取的截面图(沿-y方向观看)。
图2示出四行×四列范围内的图像传感器107的像素阵列。根据本典型实施例，在两行×两列的像素组200中，像素200r、200g和200b以拜耳阵列排列。具体地，在像素组200中，具有红色(r)的谱灵敏度的像素200r位于左上位置，各自具有绿色(g)的谱灵敏度的像素200g位于右上和左下位置，并且具有蓝色(b)的谱灵敏度的像素200b位于右下位置。像素200r、200g和200b各自均包括以两行×一列的阵列排列的焦点检测像素(第一焦点检测像素)201和焦点检测像素(第二焦点检测像素)202。因此，图2示出八行×四列范围内的焦点检测像素的阵列。根据本典型实施例的像素包括沿x方向排列的两个焦点检测像素。然而，根据本典型实施例的像素的结构不限于该结构，并且两个焦点检测像素可以沿y方向排列。像素可以包括两个或更多个焦点检测像素，或者可以包括几种类型的结构的组合。
如图2所示，图像传感器107以如下方式配置：在平面上排列大量的四行×四列的像素(八行×四列的焦点检测像素)，并输出摄像信号(焦点检测信号)。在根据本典型实施例的图像传感器107中，像素的周期p是6μm，像素的数量n是水平6,000列×垂直4,000行＝2400万像素。在图像传感器107中，列方向上的焦点检测像素的周期psub是3μm，并且焦点检测像素的数量nsub是水平12,000列×垂直4,000行＝4800万像素。当图像传感器107用于拍摄4k格式的运动图像等时，图像传感器107可以包括水平4000列或更多列的像素。在拍摄大小大于上述大小的格式的图像的情况下，图像传感器107可以包括与该格式相对应的多个像素。
如图3b所示，根据本典型实施例的像素200g设置有用于将入射光会聚到像素的光接收面的微透镜305，该光接收面与形成光电二极管的诸如硅等的半导体的界面相对应。多个微透镜305以二维方式排列，并且设置在在z轴方向(光轴oa的方向)上离光接收面预定距离的位置处。在像素200g中，通过将像素沿x方向分割为nx个(二分割)以及沿y方向分割为ny个(一分割)(分割数量nlf＝nx×ny)(分割数为2)来形成光电转换单元301和光电转换单元302。光电转换单元301和光电转换单元302分别与焦点检测像素201和焦点检测像素202相对应。
光电转换单元301和光电转换单元302形成在诸如硅等的半导体基板上，并且各自由包括p型层和n型层的pn结光电二极管形成。如果需要，光电转换单元301和光电转换单元302可以被配置为具有在p型层和n型层之间形成本征层的配置的pin结构光电二极管。各像素200g(各像素)设置有形成在微透镜305与光电转换单元301和光电转换单元302中的每一个之间的滤色器306。如果需要，对于各像素或各光电转换单元可以改变滤色器306的谱透过率。可选地，可以省略滤色器306。
入射在像素200g上的光由微透镜305会聚并由滤色器306分光，然后由光电转换单元301和302接收分光。在光电转换单元301和302各自中，产生与光接收量相对应的电子和空穴对，并且在耗尽层中分离电子和空穴对，然后在n型层中累积具有负电荷的电子。另一方面，空穴通过连接到恒压源(未示出)的p型层而被排出到图像传感器107的外部。累积在光电转换单元301和302的n型层中的电子通过传输门而传输到静电电容单元(fd)并被转换成电压信号。
在本典型实施例中，各微透镜305与图像传感器107中的光学系统相对应。光学系统可以包括多个微透镜，或者可以是使用诸如波导等的具有不同折射率的材料的结构。可选地，图像传感器107可以是在与形成微透镜305的面相反的面上包括电路等的背面照射型图像传感器。更可选地，图像传感器107可以是包括诸如图像传感器驱动电路124和图像处理电路125等的一些电路的堆叠型图像传感器。作为半导体基板，可以使用除硅之外的材料。例如，有机材料可以用作光电转换材料。
[光瞳分割]
接着，将参考图4至图8描述根据本典型实施例的图像传感器107的光瞳分割功能。
图4是沿根据图3a所示的本典型实施例的图像传感器107的像素阵列中的像素200g的线a-a截取的沿+y方向观察的截面图。图4还示出在沿z轴方向(光轴oa的方向)离图像传感器107的摄像面600距离z的位置处的光瞳面。在图4中，为了与出射光瞳面的坐标轴相对应，截面图中的x轴和y轴相对于图3a和3b中所示的x轴和y轴反转。图像传感器107的摄像面600设置在成像光学系统的成像面上。
光瞳强度分布(第一光瞳强度分布)501经由微透镜305与光电转换单元301的光接收面具有近似共轭关系，其中光电转换单元301的重心位置(centroidposition)在-x方向上偏移。因此，第一光瞳强度分布501与焦点检测像素201可以接收光的光瞳区域相对应。第一光瞳强度分布501的重心位置在光瞳面上向+xp侧偏移。类似地，光瞳强度分布(第二光瞳强度分布)502经由微透镜305与光电转换单元302的光接收面具有近似共轭关系，其中光电转换单元302的重心位置在+x方向上偏移。因此，第二光瞳强度分布502与焦点检测像素202可以接收光的光瞳区域相对应。第二光瞳强度分布502的重心位置在光瞳面上向-xp侧偏移。光瞳强度分布500与当组合所有光电转换单元301和302(焦点检测像素201和202)时整个像素200g可以接收光的光瞳区域相对应。换句话说，第一光瞳强度分布501相对于光瞳强度分布500的中心在光瞳面上向+xp侧偏移，并且第二光瞳强度分布502相对于光瞳强度分布500的中心在光瞳面上向-xp侧偏移。
接着，将参考图5描述图像传感器107的传感器入射光瞳。在根据本典型实施例的图像传感器107中，各微透镜305通过根据位于二维平面上的图像高度坐标处的各像素的图像高度坐标，朝向图像传感器107的中心连续移位而被布置。换句话说，各微透镜305以这样的方式布置：随着图像高度增加，微透镜305朝向光电转换单元301和302的中心偏移。图像传感器107的中心和摄像光学系统的光轴根据用于通过驱动摄像光学系统或图像传感器107来减少由于手抖动等引起的模糊的影响的机构而变化，但是图像传感器107的中心和摄像光学系统的光轴基本一致。因此，在离图像传感器107距离z的位置处的光瞳面上，与位于图像传感器107的图像高度坐标处的各像素的第一焦点检测像素201的光电转换单元相对应的第一光瞳强度分布501被配置为基本一致。类似地，与第二焦点检测像素202的光电转换单元相对应的第二光瞳强度分布502被配置为基本一致。换句话说，在离图像传感器107距离z的位置处的光瞳面上，图像传感器107的所有像素的第一光瞳强度分布501被配置为基本一致，并且图像传感器107的所有像素的第二光瞳强度分布502也被配置为基本一致。在下文中，第一光瞳强度分布501和第二光瞳强度分布502各自均被称为图像传感器107的“传感器入射光瞳”，并且距离z被称为图像传感器107的“入射光瞳距离”。并非所有像素都被配置为具有单个入射光瞳距离。例如，像素可以以这样的方式配置：高达图像高度的80％的像素的入射光瞳距离基本一致，或者对于各行或各检测区域而言像素可以具有不同的入射光瞳距离。
图6示出成像光学系统的出射光瞳400通过根据本典型实施例的图像传感器107的传感器入射光瞳(第一光瞳强度分布501和第二光瞳强度分布502)的光学分割(光瞳分割)。在来自被摄体的光束中，已经穿过作为成像光学系统的出射光瞳400与光瞳强度分布501之间的重叠区域的光瞳部分区域(第一光瞳部分区域)601的光束由焦点检测像素201(光电转换单元301)接收。类似地，在来自被摄体的光束中，已经穿过作为成像光学系统的出射光瞳400与光瞳强度分布502之间的重叠区域的光瞳部分区域(第二光瞳部分区域)602的光束由焦点检测像素202(光电转换单元302)接收。
图4示出在与摄像面相距图像传感器107的入射光瞳距离z的位置处的光瞳面上的第一光瞳部分区域601和第二光瞳部分区域602。成像光学系统的出射光瞳400通过图像传感器107的传感器入射光瞳(第一光瞳强度分布501和第二光瞳强度分布502)被分割为第一光瞳部分区域601和第二光瞳部分区域602。换句话说，第一光瞳强度分布501和第二光瞳强度分布502中的每一个与成像光学系统的出射光瞳400之间的共通区域(积)成为第一光瞳部分区域601和第二光瞳部分区域602。
图7a和7b各自示出当光入射在各像素上形成的微透镜305上时的光强度分布。图7a和7b还示出计算在波长λ＝540nm并且右圆偏光的平面波从微透镜305上方平行于微透镜305的光轴入射的情况下的图像传感器107中的光强度分布的示例。针对数值计算，使用时域有限差分(fdtd)方法。
图7a示出在与微透镜305的光轴平行的截面处的光强度分布。各像素中的微透镜光学系统由微透镜305、平坦化层、密封层和绝缘层等构成。微透镜光学系统可以包括多个微透镜。假设像素周期由2a表示，微透镜光学系统的焦距由f表示，以及微透镜光学系统的开口角由
微透镜光学系统的数值孔径na由以下等式(1)定义。
na＝nsinφ(1)
微透镜光学系统的光圈值f由以下等式(2)定义。
入射光通过微透镜光学系统在焦点位置处会聚。然而，由于光波性质的衍射效应，导致聚光光斑的直径不能小于衍射界限δ，因此聚光光斑具有有限的大小。在假设聚光光斑的强度分布接近于艾里图样并且入射光的波长由λ表示的情况下，衍射界限δ可以基本上通过以下等式(3)获得。
光电转换单元的光接收面的大小为约1至3μm，而微透镜305的聚光光斑的大小为约1μm。因此，经由微透镜305与光电转换单元的光接收面具有共轭关系的图4至图6中所示的传感器入射光瞳(第一光瞳强度分布501和第二光瞳强度分布502)由于衍射模糊而未被清楚地分割，因此获得依赖于光入射角的光接收率分布(光瞳强度分布)。
图7b示出在微透镜305的焦点位置处的与微透镜305的光轴垂直的截面处的光强度分布。在点位置(z＝0)处，聚光光斑的直径是衍射界限δ，因此是最小的。
当衍射界限δ被定义为容许模糊圈时，微透镜光学系统的后侧焦深+zd和前侧焦深-zd可以通过以下等式(4)获得。焦深的范围为-zd<z<+zd。
±zd＝±nfδ(4)
在假设聚光光斑的强度分布接近高斯分布的情况下，聚光光斑的直径w基本上满足由下面的作为坐标z的函数的等式(5)表示的关系。
在等式(5)中，zr表示瑞利长度并且被定义为zr＝αrzd，其中系数αr＝0.61π≈1.92。
在图7a和7b所示的计算示例中，波长λ＝540nm，像素周期2a＝4.3μm，微透镜光学系统的焦距f＝5.8μm，并且焦点位置处的折射率n＝1.46。另外，微透镜光学系统的光圈值f＝0.924，衍射界限δ＝1.22μm，并且焦深zd＝1.65μm。
图8示出根据本典型实施例的第一光瞳部分区域601和第二光瞳部分区域602的示例。横轴表示光入射角θ(其可以转换成光瞳坐标)，并且纵轴表示光接收率。图8中由实线表示的曲线l1表示图4中所示的第一光瞳部分区域601的沿x轴的光接收率分布，并且由虚线表示的曲线l2表示第二光瞳部分区域602的沿x轴的光接收率分布。如图8所示，在第一光瞳部分区域l1和第二光瞳部分区域l2中的每一个的外侧，由成像光学系统的透镜框和光圈框定义的出射光瞳引起渐晕，使得光接收率分布变为陡峭的曲线。在第一光瞳部分区域l1和第二光瞳部分区域l2中的每一个的内侧，由于微透镜305的光瞳分割引起的衍射的影响，光瞳部分区域的边界模糊，使得光接收率分布变为平缓的曲线。本典型实施例示出将光瞳区域分割为水平方向上的两个区域的示例。如果需要，可以在垂直方向上进行光瞳分割。
在本典型实施例中，图像传感器107包括共用单个微透镜305并接收穿过成像光学系统(摄像透镜)的光瞳的不同区域的多个光束的多个焦点检测像素。图像传感器107包括第一焦点检测像素(多个焦点检测像素201)和第二焦点检测像素(多个焦点检测像素202)作为多个焦点检测像素。此外，图像传感器107可以包括接收穿过成像光学系统的光瞳部分区域601和602的组合区域的光束的像素阵列。在图像传感器107中，像素包括第一焦点检测像素和第二焦点检测像素。然而，如果需要，可以单独地形成摄像像素以及第一焦点检测像素和第二焦点检测像素，并且第一焦点检测像素和第二焦点检测像素可以布置在摄像像素阵列的一部分中。
在本典型实施例中，通过基于来自图像传感器107的像素中的焦点检测像素201的像素信号生成第一焦点检测信号并通过基于来自图像传感器107的像素中的焦点检测像素202的像素信号生成第二焦点检测信号来进行焦点检测。此外，针对图像传感器107的各像素将来自焦点检测像素201和202的信号相加并读出该信号，从而可以生成具有与有效像素数n相对应的分辨率的摄像信号(拍摄图像)。生成各信号的方法不限于本典型实施例中描述的方法。例如，可以基于摄像信号与第一焦点检测信号之间的差来生成第二焦点检测信号。
作为图像传感器107的像素结构，针对各微透镜305设置光电转换单元301和光电转换单元302，但是图像传感器107的像素结构不限于该结构。例如，可以使用在微透镜305与光电转换单元之间形成部分地包括开口的遮光层的结构来进行光瞳分割。遮光层中的开口位置在相邻像素中变化，从而使得可以获取与光电转换单元301和光电转换单元302相对应的信号。
[散焦量与图像偏差量之间的关系]
参考图9，将描述从图像传感器107的焦点检测像素201获取到的第一焦点检测信号与从图像传感器107的焦点检测像素202获取到的第二焦点检测信号的散焦量和图像偏差量之间的关系。图9是示出散焦量与图像偏差量之间的关系的关系图。图9示出如下状态：图像传感器107布置在摄像面600上，并且如图4和6那样，成像光学系统的出射光瞳400被分割成两个区域，即光瞳部分区域601和602。
定义图9中所示的散焦量d，使得从被摄体图像的成像位置到摄像面600的距离是|d|。此外，成像位置比摄像面600更靠近被摄体图像的前焦点状态被定义为负号(d<0)，并且成像位置相对于摄像面600位于与被摄体图像相反的一侧的后焦点状态被定义为正号(d>0)。在被摄体的成像位置在摄像面600上(聚焦位置)的聚焦状态下，满足散焦量d＝0。图9示出处于聚焦状态(d＝0)的被摄体701和处于前焦点状态(d<0)的被摄体702。前焦点状态(d<0)和后焦点状态(d>0)统称为散焦状态(|d|>0)。
在前焦点状态(d<0)中，来自被摄体702的光束中的已经穿过第一光瞳部分区域601(或第二光瞳部分区域602)的光束会聚一次。之后，光束扩展到以光束的重心位置g1(g2)为中心的宽度γ1(γ2)，并且在摄像面600上形成模糊图像。模糊图像由图像传感器107中排列的各像素包含的焦点检测像素201(焦点检测像素202)接收，并且生成第一焦点检测信号(第二焦点检测信号)。因此，第一焦点检测信号(第二焦点检测信号)被记录为模糊的被摄体图像，其中在摄像面600上的重心位置g1(g2)处被摄体702以宽度γ1(γ2)模糊。被摄体图像的模糊宽度γ1(γ2)随着散焦量d的大小|d|的增加而大致成比例地增加。类似地，第一焦点检测信号与第二焦点检测信号之间的被摄体图像的图像偏差量p的大小|p|(即，相当于光束的重心位置的差(g1-g2))随着散焦量d的大小|d|的增加而大致成比例地增加。这也适用于后焦点状态(d>0)，但是第一焦点检测信号与第二焦点检测信号之间的被摄体图像的图像偏差方向与前焦点状态下的图像偏差方向相反。
如上所述，在本典型实施例中，第一焦点检测信号与第二焦点检测信号之间的图像偏差量的大小随着第一焦点检测信号和第二焦点检测信号的散焦量的大小或通过将第一焦点检测信号和第二焦点检测信号相加而获得的摄像信号的散焦量的大小的增加而增加。
在本典型实施例中，使用第一焦点检测信号和第二焦点检测信号的散焦量与图像偏差量之间的关系来进行基于相位差检测方法的焦点调整。在基于相位差检测方法的焦点调整中，通过使第一焦点检测信号和第二焦点检测信号相对于彼此偏移来计算表示信号之间的一致度的相关量，并且根据相关性(信号之间的一致度)提高的偏移量来检测图像偏差量。随着摄像信号的散焦量的大小增加，第一焦点检测信号与第二焦点检测信号之间的图像偏差量的大小增加，并且基于该关系，图像偏差量被转换为散焦量，由此进行基于相位差检测方法的焦点检测。
如上所述，成像光学系统的出射光瞳400通过图像传感器107的第一光瞳强度分布501和第二光瞳强度分布502而被分割成区域，即第一光瞳部分区域601和第二光瞳部分区域602，从而进行基于相位差检测方法的焦点检测。更具体地，根据本典型实施例的光瞳部分区域(第一光瞳部分区域601和第二光瞳部分区域602)由图像传感器107的传感器入射光瞳的光瞳偏心量和入射光瞳距离以及成像光学系统中的透镜框渐晕(vigetting)确定，从而获得如下所述的更复杂的形状。
接着参考图10至图12，将描述根据本典型实施例的图像传感器107的传感器入射光瞳的光瞳偏心量和入射光瞳距离、成像光学系统中的透镜框渐晕与光瞳部分区域(第一光瞳部分区域601和第二光瞳部分区域602)之间的关系。[传感器入射光瞳的光瞳偏心]
关于根据本典型实施例的图像传感器107的传感器入射光瞳(光瞳强度分布501和502)，可能由于生产过程中的偏差等而发生光瞳偏心(光瞳强度分布相对于光轴的偏心)或入射光瞳距离的变化。图10示出在图像传感器107的所有像素中从各微透镜305到各光电转换单元301和302的光接收面的距离由相对于设计值zs的因制造等时的误差导致的距离zs+dzs(误差+dzs)来表示的示例。因此，示出图像传感器107的入射光瞳距离由相对于设计值z的入射光瞳距离z+dz(误差+dz)来表示的示例。另外，示出图像传感器107的所有像素中的微透镜305被配置为相对于光电转换单元301和302由于制造等期间的误差而导致在光瞳分割方向(光电转换单元301和302的分割方向)上相对于设计值离心(偏心量dxs)的示例。因此，示出图像传感器107的入射光瞳(光瞳强度分布501和502)被配置为在光瞳分割方向(光电转换单元301和302的分割方向)上离心(光瞳偏心量dx)的示例。当图像传感器107布置在摄像设备100中时，可能由于组装误差等而发生上述情况。尽管在假设各轴方向上的误差量恒定的情况下描述本典型实施例，但是误差量不限于此。平面中可以包括不同的误差量。例如，当在旋转方向上的平面内发生误差时，误差量根据到旋转轴的距离而变化。此外，当产生倾斜时，误差量根据距离而变化。
[透镜框渐晕]
接着参考图11和12，将描述来自根据本典型实施例的图像传感器107的周边图像高度处的被摄体的光束的透镜框渐晕。图11在+y侧的xz平面上示出图像传感器107的周边图像高度处的传感器入射光瞳的光瞳偏心量与入射光瞳距离、成像光学系统中的透镜框渐晕和光瞳部分区域(第一光瞳部分区域601和第二光瞳部分区域602)之间的关系。图11示出图像传感器107的入射光瞳(光瞳强度分布501和502)与图10所示的入射光瞳相对应、并且在入射光瞳距离z+dz处的光瞳面上在光瞳分割方向(光电转换单元301和302的分割方向)上离心(光瞳离心量dx)的示例。
来自被摄体703的光束被成像光学系统的被摄体侧的第一框(被摄体侧框)f1、作为成像光学系统的光圈框的第三框(光圈框)f3、以及成像光学系统的图像侧的第二框(图像侧框)f2依次引起渐晕，并且光束到达成像面600。在由成像光学系统的第一框至第三框引起渐晕的光束中，穿过作为与光瞳强度分布501重叠的区域的第一光瞳部分区域601的光束由焦点检测像素201(光电转换单元301)接收。类似地，在由成像光学系统的第一框至第三框引起渐晕的光束中，穿过作为与光瞳强度分布502重叠的区域的第二光瞳部分区域602的光束由焦点检测像素202(光电转换单元302)接收。在假设第一至第三框f1至f3中的每一个的形状关于光轴同心的情况下描述本典型实施例。然而，各框的形状的部分或全部可以是除圆形形状之外的形状。例如，各框可以具有多边形形状或所谓的d切割形状。
图12示出在与摄像面相距图像传感器107的入射光瞳距离z+dz的位置处的光瞳面上的第一光瞳部分区域601和第二光瞳部分区域602。与成像光学系统的第一至第三框(f1至f3)的开口部彼此重叠的区域相对应的出射光瞳由图像传感器107的传感器入射光瞳(第一光瞳强度分布501和第二光瞳强度分布502)分割成第一光瞳部分区域601和第二光瞳部分区域602。第一光瞳部分区域601和第二光瞳部分区域602各自的形状根据各框的形状、各框在z方向上的位置、图像高度或误差量等变化。
下面将参考图13来描述要由cpu121执行的根据本典型实施例的焦点检测方法。图13是示出根据本典型实施例的焦点检测方法的流程图。基于作为在软件和硬件上运行的计算机程序的焦点检测程序来执行根据本典型实施例的焦点检测方法。焦点检测程序可以记录在例如摄像设备100的存储单元134中，或者可以记录在计算机可读记录介质中。此外，在本典型实施例中，cpu121执行焦点检测方法，而作为替代pc或专用设备可以作为焦点检测设备执行根据本典型实施例的焦点检测方法。可选地，可以设置与根据本典型实施例的焦点检测程序相对应的电路，并且可以通过操作电路来执行根据本典型实施例的焦点检测方法。
在图13所示的步骤s101中，cpu121用作焦点检测位置设置单元，并且设置图像传感器107上的焦点检测位置的图像高度坐标(xaf,yaf)以进行焦点检测。接着，通过等式(6)根据图像高度坐标(xaf,yaf)计算焦点检测位置的图像高度raf。图像高度坐标的原点与图像传感器107的光接收区域的重心位置相对应，并且基本上与成像光学系统的光轴一致。然而，由于图像传感器107和成像光学系统以预定的偏差定位，因此可以考虑偏差来确定原点的位置。尽管在本典型实施例中没有描述，但是可以考虑由于手抖动的校正等引起的光轴位置的偏移量来设置图像高度坐标。
在图13所示的步骤s102中，cpu121的镜头信息获取单元121d用作框信息获取单元，并根据光学条件获取框信息。具体地，镜头信息获取单元121d获取与诸如焦点检测位置的图像高度坐标(xaf,yaf)、以及成像光学系统(可更换镜头)的调焦状态fs和变焦状态zs等的光学条件相对应的框信息。框信息包括投影到离成像光学系统的成像面(图像传感器107的摄像面)预定光瞳距离zf的位置处的光瞳面上的成像光学系统的被摄体侧的第一框(被摄体侧框)f1的中心c1(xaf,yaf,fs,zs)和半径r1(xaf,yaf,fs,zs)。框信息还包括成像光学系统的图像侧的第二框(图像侧框)f2的中心c2(xaf,yaf,fs,zs)和半径r2(xaf,yaf,fs,zs)。框信息还包括成像光学系统的光圈值f(xaf,yaf,fs,zs)和光圈框的出射光瞳距离lpo(xaf,yaf,fs,zs)。框信息被预先记录在成像光学系统的记录介质等中，并且通过成像光学系统和摄像设备100之间的数据通信在摄像定时或者以预定时间段周期性地从成像光学系统获取。可选地，可以使用预先存储在摄像设备100的记录介质中的框信息。例如，可以在更换镜头的定时或者在启动时进行数据通信。可以经由网络从外部设备获取框信息并存储该框信息。光学条件可以包括除调焦状态fs和变焦状态zs之外的信息。例如，光学条件可以包括扩展器安装状态、倾斜或偏移量、以及各种光学滤波器安装状态。
在步骤s102中，然后通过等式(7)根据图像高度raf和成像光学系统的光圈框的出射光瞳距离lpo来计算在预定光瞳距离zf的光瞳坐标处投影的成像光学系统的第三框f3的中心c3(xaf,yaf,fs,zs)。
在步骤s102中，然后通过等式(8)根据图像高度raf和光圈值f计算在预定光瞳距离zf的光瞳坐标处投影的成像光学系统的第三框f3的半径r3(xaf,yaf,fs,zs)。
在步骤s102中，然后根据框信息来计算第一开口参数a1和第二开口参数a2。图20a和20b各自示出与在离成像光学系统的成像面(图像传感器107的摄像面)预定光瞳距离zf的位置处的光瞳面上的成像光学系统的第一至第三框(f1至f3)的开口部彼此重叠的区域相对应的出射光瞳的示例。
第一开口参数a1(0≤a1≤1)是通过利用第三框的半径r3将从第三框的中心c3到第一框的顶点p1的距离a1标准化而获得的值，并且通过等式(9a)计算。类似地，第二开口参数a2(0≤a2≤1)是通过利用第三框的半径r3将从第三框的中心c3到第二框的顶点p2的距离a2标准化而获得的值，并且通过等式(9b)计算。
在图13所示的步骤s103中，cpu121的像素信号获取单元121a获取由图像传感器107的像素的焦点检测像素201和焦点检测像素202接收到的像素信号。可选地，可以使用通过根据本典型实施例的图像传感器107预先拍摄图像而获得的并且存储在记录介质中的像素信号。
在步骤s103中，cpu121的信号生成单元121b基于像素信号来生成与成像光学系统的不同的第一光瞳部分区域601相对应的第一焦点检测信号和与成像光学系统的不同的第二光瞳部分区域602相对应的第二焦点检测信号。换句话说，基于来自与同一光瞳部分区域相对应的像素的信号来生成各个焦点检测信号。更具体地，通过由图像传感器107拍摄图像而获得的各像素信号由lf表示。此外，在各像素信号lf中，作为列方向上的第is(1≤is≤nx)信号和行方向上的第js(1≤js≤ny)信号的焦点检测像素信号在k＝nx(js-1)+is(1≤k≤nlf)成立时被称为第k焦点检测信号。通过以下等式(10)来生成作为列方向上的第i信号和行方向上的第j信号并且与成像光学系统的第k光瞳区域相对应的第k焦点检测信号ik(j,i)。
本典型实施例示出在nx＝2、ny＝1和nlf＝2时像素在x方向上被分割为两个区域的情况下k＝1和k＝2的示例。从与图2所示的像素阵列相对应的像素信号中针对各像素选择在x方向上被分割成两个区域的第一焦点检测像素201的信号。因此，生成与成像光学系统的第一光瞳部分区域601相对应的并且是具有与像素数n(＝水平像素数nh×垂直像素数nv)相对应的分辨率的拜耳阵列的rgb信号的第一焦点检测信号i1(j,i)。类似地，生成与成像光学系统的第二光瞳部分区域602相对应的第二焦点检测信号i2(j,i)。
在步骤s103中，通过从作为拜耳阵列的rgb信号的第k焦点检测信号ik(k＝1,2)中针对各位置(j,i)使rgb颜色的中心一致，通过以下等式(11)来生成第k焦点检测亮度信号yk(k＝1,2)。如果需要，可以对第k焦点检测亮度信号yk进行阴影(光量)校正处理等以提高焦点检测精度。
在步骤s103中，然后对第k焦点检测亮度信号yk(k＝1,2)进行光瞳分割方向(列方向)上的一维带通滤波处理，以生成限于实质波数kaf分量的第一焦点检测信号dya。此外，对第二焦点检测亮度信号y2进行光瞳分割方向(列方向)上的一维带通滤波处理，以生成限于实质波数kaf分量的第二焦点检测信号dyb。作为一维带通滤波器，例如，可以使用一次差分滤波器[1,5,8,8,8,8,5,1,-1,-5,-8,-8,-8,-5,-1]等。如果需要，调整一维带通滤波器的通带。通常，在基于相位差检测方法的焦点检测中，在大散焦状态下进行焦点检测，因此用于滤波处理的通带被配置为包括流频带。然而，在从大散焦状态到小散焦状态的范围内进行焦点调整的情况下，如果需要，可以根据散焦状态来将焦点检测期间用于滤波处理的通带调整到高频带。
在图13所示的步骤s104中，cpu121的焦点检测单元121c用作图像偏差量检测单元，并基于焦点检测信号来计算检测图像偏差量。限于基于焦点检测位置(jaf,iaf)的行方向上的第j2(-n2≤j2≤n2)分量和作为光瞳分割方向的列方向上的第i2(-m2≤i2≤m2)分量的实质波数kaf分量的第一焦点检测信号由dya(jaf+j2,iaf+i2)表示。第二焦点检测信号由dyb(jaf+j2,iaf+i2)表示。当偏移量由s(-ns≤s≤ns)表示时，通过等式(12a)来计算各位置(jaf,iaf)处的相关量coreven(jaf,iaf,s)以及通过等式(12b)来计算相关量corodd(jaf,iaf,s)。
相关量corodd(jaf,iaf,s)是通过将限于实际(substantial)波数kaf分量的第一焦点检测信号dya和第二焦点检测信号dyb的偏移量相对于相关量coreven(jaf,iaf,s)偏移半相-1而获得的相关量。
在图13所示的步骤s104中，从相关量coreven(jaf,iaf,s)和相关量corodd(jaf,iaf,s)中的每一个通过子像素计算来计算相关量变为最小值的实数值的偏移量，从而计算平均值。然后，计算焦点检测位置(jaf,iaf)处的检测图像偏差量qdet。
[转换系数]
在图13所示的步骤s105中，cpu121的焦点检测单元121c用作转换系数获取单元，并计算用于将检测图像偏差量qdet转换为检测散焦量ddet的转换系数k。将参考图15详细描述步骤s105中的转换系数k的计算。尽管本典型实施例示出由cpu121的焦点检测单元121c进行各步骤的处理的示例，但是计算转换系数k的处理的一部分可以由外部pc等进行，并且计算结果可以存储在存储器等中。通过预先进行计算处理的一部分，可以减少cpu121上的计算负荷。
图15是示出根据本典型实施例的计算转换系数k的方法的流程图。在图15所示的步骤s201中，cpu121的焦点检测单元121c用作虚拟散焦量设置单元并设置虚拟散焦量dvir。在本典型实施例中使用的虚拟散焦量dvir是用于计算用于确定转换系数k的开口参数的假设散焦量。例如，设置在前焦点状态(dvir<0)中以使得被摄体能够充分模糊的预定量散焦的状态，或者在后焦点状态(dvir>0)中以该预定量散焦的状态。可选地，可以使用多个虚拟散焦量dvir来计算转换系数k。通过基本上呈线性关系的虚拟散焦量dvir与检测图像偏差量qdet之间的比来计算如下所述获得的转换系数k。换句话说，转换系数k与当横轴表示虚拟散焦量dvir并且纵轴表示检测图像偏差量qdet时的倾斜度相对应。因此，在前焦点状态和后焦点状态两者中计算虚拟散焦量dvir的设置，从而使得可以高精度地计算作为倾斜度的转换系数k。
在图15所示的步骤s202中，cpu121的焦点检测单元121c用作虚拟焦点检测信号生成单元，并生成虚拟散焦量dvir和图像传感器107的传感器入射光瞳(第一光瞳强度分布和第二光瞳强度分布)。此外，焦点检测单元121c生成针对各图像传感器的光瞳偏心量dx、针对各图像传感器的入射光瞳距离z、以及图像高度坐标(xaf,yaf)。然后，焦点检测单元121c生成第一虚拟焦点检测信号vi1(j,i|dvir,dx,z,xaf,yaf,f,lpo,a1,a2)和第二虚拟焦点检测信号vi2(j,i|dvir,dx,z,xaf,yaf,f,lpo,a1,a2)。这些与同成像光学系统有关的框信息(光圈值f、光圈框的出射光瞳距离lpo、第一开口参数a1和第二开口参数a2)相对应。此外，焦点检测单元121c生成与同成像光学系统有关的框信息相对应的第一虚拟焦点检测信号vi1(j,i|dvir,dx,z,xaf,yaf,f,lpo,a1,a2)和第二虚拟焦点检测信号vi2(j,i|dvir,dx,z,xaf,yaf,f,lpo,a1,a2)。同成像光学系统有关的框信息包括光圈值f、光圈框的出射光瞳距离lpo、第一开口参数a1和第二开口参数a2。然而，框信息不限于这些示例。图像传感器107的传感器入射光瞳(第一光瞳强度分布和第二光瞳强度分布)、各图像传感器的光瞳偏心量dx和各图像传感器的入射光瞳距离z是可以随产品而变化的值。因此，这些值在工厂生产期间测量并作为调整值或固定值存储在存储器中。图像高度坐标(xaf,yaf)是由用户的操作或cpu121自动确定的值，并且根据摄像定时而不同。因此，每次进行计算时都获取这些值。此外，由于与成像光学系统有关的框信息(光圈值f和光圈框的出射光瞳距离lpo)表示可以根据摄像定时而不同的值，因此每次进行计算时都获取这些值。另外，作为实施例的方面的特征的第一开口参数a1和第二开口参数a2也可以如由等式(9a)和等式(9b)表示的那样根据摄像定时而不同。这些值是在摄像定时或周期性地通过成像光学系统(可更换镜头)和摄像设备(照相机)100之间的数据通信而获取到的。因此，可以通过数据通信根据需要获取参数，来使用符合与用于获取图像信号的获取条件相对应的摄像条件的参数来计算转换系数k。获取条件可以包括除本典型实施例中描述的条件之外的条件。
在现有技术中，不仅转换系数k的依赖参数(dx,z,xaf,yaf,f,lpo)，而且成像光学系统的第一框的中心c1和半径r1的值以及成像光学系统的第二框的中心c2和半径r2的值也用于计算转换系数k。另一方面，在根据本典型实施例的计算转换系数k的方法中，使用从成像光学系统的第一框的中心c1和半径r1计算的并指示透镜框渐晕的比率的第一开口参数a1。此外，根据成像光学系统的第二框的中心c2和半径r2计算转换系数k。指示透镜框渐晕的比率的第二开口参数a2也用于减少转换系数k的依赖参数(dx,z,xaf,yaf,f,lpo,a1,a2)的总数。
图16示出根据本典型实施例的用于生成虚拟焦点检测信号(第一虚拟焦点检测信号vi1和第二虚拟焦点检测信号vi2)的方法。如图16的左上图所示，cpu121首先获取图像传感器107的第一光瞳强度分布501和第二光瞳部分区域602、光瞳偏心量dx、入射光瞳距离z、图像高度坐标(xaf,yaf)、成像光学系统的光圈值f和光圈框的出射光瞳距离lpo。此外，cpu121获取第一开口参数a1(0≤a1≤1)和第二开口参数a2(0≤a2≤1)。在流程图中的处理开始之前，或者与处理开始同时，将这些值作为固定值或表存储在存储器中，或者这些值基于由用户指定的摄像条件并在存储器等中获取到。
接着，通过等式(7)根据成像光学系统的光圈框的出射光瞳距离lpo来计算在预定光瞳距离zf的光瞳坐标处投影的成像光学系统的第三框(光圈框)f3的中心c3。通过等式(8)根据成像光学系统的光圈值f来计算在预定光瞳距离zf的光瞳坐标处投影的成像光学系统的第三框(光圈框)f3的半径r3。
接着，如图20a和20b所示，基于假设第一至第三框(f1至f3)在同一点处彼此相交的模型，通过等式(13a)根据第一开口参数a1来计算用于生成虚拟焦点检测信号的第一框的半径r1。类似地，通过等式(13b)根据第二开口参数a2来计算用于生成虚拟焦点检测信号的第二框的半径r2。通常，第一至第三框(f1至f3)不在同一点处彼此相交，但这些是实际摄像光学系统中的典型布置。当第一框至第三框在同一点处彼此相交的布置被用作模型时，可以用较少的参数精确地计算第一框f1和第二框f2中的每一个的形状。因此，可以提高计算转换系数k的精度。
接着，通过等式(9a)根据第一开口参数a1来计算用于生成虚拟焦点检测信号的第一框的半径r1。类似地，通过等式(9b)根据第二开口参数a2来计算用于生成虚拟焦点检测信号的第二框的半径r2。
如图16的上段中的左图所示，然后生成第一虚拟光瞳部分区域vp1和第二虚拟光瞳部分区域vp2。这些区域与图像传感器的第一光瞳强度分布501和第二光瞳强度分布502、各图像传感器的光瞳偏心量dx、各图像传感器的入射光瞳距离z、图像高度坐标(xaf,yaf)和成像光学系统的第一至第三框(f1至f3)相对应。
如图16的上段中的中央图所示，第一虚拟光瞳部分区域vp1在垂直于光瞳分割方向的方向上投影，并且根据虚拟散焦量dvir的大小|dvir|进行比例转换，由此生成第一虚拟线图像a。类似地，第二虚拟光瞳部分区域vp2在垂直于光瞳分割方向的方向上投影，并且根据虚拟散焦量dvir的大小|dvir|进行比例转换，由此生成第二虚拟线图像b。当在前焦点状态中虚拟散焦量dvir<0成立时，第一虚拟线图像a和第二虚拟线图像b相对于通过将第一虚拟线图像a和第二虚拟线图像b相加而获得的线图像a+b的重心位置在左右方向上反转。
如图16的上段中的中央图到右图所示，进行虚拟线图像(第一虚拟线图像a和第二虚拟线图像b)与被摄体信号之间的卷积积分(卷积)以生成虚拟被摄体图像(第一虚拟被摄体图像vai和第二虚拟被摄体图像vbi)。
如图16的右上图到右下图所示，对虚拟被摄体图像(第一虚拟被摄体图像vai和第二虚拟被摄体图像vbi)顺次且虚拟地进行光学低通滤波处理、像素开口低通滤波处理和rgb拜耳阵列(图2)中的像素采样处理等。此外，生成第一虚拟焦点检测信号vi1(j,i|dvir,dx,z,xaf,yaf,f,lpo,a1,a2)和第二虚拟焦点检测信号vi2(j,i|dvir,dx,z,xaf,yaf,f,lpo,a1,a2)。
在图15所示的步骤s203(以及图16的下段)中，cpu121的焦点检测单元121c顺次且虚拟地对虚拟焦点检测信号(第一虚拟焦点检测信号vi1和第二虚拟焦点检测信号vi2)进行与针对摄像设备的焦点检测处理同等的焦点检测处理。该处理至少包括步骤s103中的等式(11)的计算和步骤s104中的子像素计算和偏移量平均计算。然后，计算虚拟图像偏差量qvir(dvir,dx,z,xaf,yaf,f,lpo,a1,a2)。在虚拟图像偏差量qvir的计算中，使用用于进行卷积积分的各种类型的虚拟线图像和被摄体信号来提高计算精度。例如，在具有不同空间频带的多个被摄体信号和虚拟线图像之间进行卷积积分，并且对结果进行平均或加权相加等，从而能够以高精度进行计算。
在图15所示的步骤s204中，将虚拟散焦量dvir除以所计算的虚拟图像偏差量qvir，从而计算转换系数k(dx,z,xaf,yaf,f,lpo,a1,a2)。在转换系数k的计算中，如上所述使用多个虚拟散焦量dvir或被摄体信号。尽管计算负荷或计算时间增加，但是可以获得计算精度提高的效果。
再次参考图13，在图13所示的步骤s106中，检测散焦量计算单元将检测图像偏差量qdet乘以转换系数k(dx,z,xaf,yaf,f,lpo,a1,a2)，从而计算检测散焦量ddet。尽管本典型实施例示出针对从图像传感器107输出的像素信号计算检测散焦量ddet的示例，但是计算方法不限于该示例。可以对存储在存储器等中的像素信号进行计算。
本典型实施例示出使用通过对穿过成像光学系统的不同光瞳区域的光进行光电转换而获得的像素信号来进行焦点检测的焦点检测设备。焦点检测设备包括：获取单元，用于获取像素信号；信号生成单元，用于通过使用像素信号生成与不同光瞳区域相对应的多个焦点检测信号；以及计算单元，用于基于多个焦点检测信号来计算检测图像偏差量。焦点检测设备还包括焦点检测单元，用于根据检测图像偏差量和转换系数来检测出检测散焦量。焦点检测单元设置虚拟散焦量以生成与不同光瞳区域相对应的多个虚拟焦点检测信号。因此，根据虚拟焦点检测信号的相关量来计算虚拟图像偏差量，并根据虚拟图像偏差量和虚拟散焦量来计算转换系数。
本典型实施例使用包括用于接收已穿过成像光学系统的不同光瞳区域的光的多个像素的阵列的图像传感器并且利用像素获取像素信号。根据本典型实施例的焦点检测设备包括：信号生成单元，用于生成与不同光瞳区域相对应的多个焦点检测信号；以及焦点检测单元，用于基于多个焦点检测信号来计算检测图像偏差量，并根据检测图像偏差量和转换系数来检测出检测散焦量。焦点检测单元基于图像传感器的光瞳偏心量、图像传感器的入射光瞳距离和与成像光学系统的多个框有关的开口信息来计算转换系数。
如上所述，在根据本典型实施例的可更换镜头的照相机中，对于各图像传感器和各可更换镜头(成像光学系统)的任何组合，可以以高精度计算转换系数k(dx,z,xaf,yaf,f,lpo,a1,a2)。具体地，基于各图像传感器的光学特性和各可更换镜头(成像光学系统)的光学特性，虚拟地再现摄像设备中的使用相位差检测方法的焦点检测处理，从而使得可以以高精计算转换系数k(dx,z,xaf,yaf,f,lpo,a1,a2)。因此，可以以高精度进行焦点检测。
虽然本典型实施例示出cpu121基于图15所示的处理流程来计算转换系数k的示例，但是可以预先计算与各设置参数(dx,z,xaf,yaf,f,lpo,a1,a2)相对应的转换系数k。将作为计算结果获得的转换系数k存储在摄像设备100的存储单元134等中。
图17示出利用第一开口参数a1(0≤a1≤1)和第二开口参数a2(0≤a2≤1)的设置参数的虚拟光瞳强度分布(第一虚拟光瞳部分区域和第二虚拟光瞳部分区域)的变化示例。
在本典型实施例的变形例中，为了减少要存储在摄像设备100的存储单元134中的数据量，转换系数k的逆1/k(dx,z,xaf,yaf,f,lpo,a1,a2)用变量(1-a1)和变量(1-a2)的多项式函数近似。此外，多项式的每阶的系数pdαβ(dx,z,xaf,yaf,f,lpo)存储在存储器中。具体地，在步骤s105中，cpu121用作转换系数获取单元，并且通过等式(14)来计算转换系数k(dx,z,xaf,yaf,f,lpo,a1,a2)，而不是基于图15所示的处理流程来计算转换系数k。
在该变形例中，系数pdαβ(dx,z,xaf,yaf,f,lpo)存储在存储器中，并且摄像设备100的cpu121根据摄像定时等来计算转换系数k。因此，在无需执行图15所示的处理流程的情况下，可以通过使用预先计算的系数和等式(14)来减少计算负荷。由于系数pdαβ不包括第一开口参数a1和第二开口参数a2，因此不论摄像光学系统如何都可以计算系数pdαβ，只要确定可以设置光圈值f的范围以及可以设置光圈框的出射光瞳距离lpo的范围即可。此外，可以通过设置用于计算根据本典型实施例的转换系数k的电路并且操作电路来计算根据本典型实施例的转换系数k，或者可以通过等式(14)预先计算转换系数k并且可以将转换系数k存储在存储器中。用于存储转换系数k的存储器可以设置在照相机主体中，或者转换系数k的一部分或全部可以存储在用于镜头的存储器中并且经由镜头通信电路130获取。针对各框获取开口信息，或者总地获取多个框信息。
当光圈值f比图12所示光圈值f足够大(小光圈)时，第一光瞳部分区域601和第二光瞳部分区域602由第三框f3确定，而几乎不受第一框f1和第二框f2的影响。换句话说，转换系数k的值对第一开口参数a1和第二开口参数a2的依赖程度降低。因此，当光圈值f小时，根据本典型实施例的转换系数k的计算是合适的。另一方面，当光圈值f大时，可以根据计算负荷而省略该计算。换句话说，如果对第一开口参数a1和第二开口参数a2的依赖性低，例如，当光圈值f大时，通过省略根据本典型实施例的计算的一部分可以实现具有高精度的焦点检测和计算负荷的减小两者。
将参考图18以及图19a和19b描述根据第二典型实施例的摄像设备。根据第二典型实施例的摄像设备与根据第一典型实施例的摄像设备的不同之处在于图像传感器的配置。第二典型实施例的其它组件与第一典型实施例相同，因此省略对其的详细描述。在根据本典型实施例的图像传感器107中，各像素包括第一至第四子像素，并且通过来自第一至第四子像素的信号相加并读出来生成摄像信号(所拍摄的图像)。
图18示出图像传感器107的像素阵列(摄像像素)。图19a和19b各自示出图像传感器107的像素结构。图19a是图像传感器107的像素200g的平面图(沿+z方向观看)，以及图19b是沿图19a的线a-a截取的截面图(沿-y方向观看)。
图18示出四行×四列范围内的图像传感器107的像素阵列。在本典型实施例中，像素(像素200r、200g和200b)各自均包括四个子像素201、202、203和204。因此，图18示出在八行×八列的范围内的子像素阵列。
如图18所示，在两行×两列的像素组200中，像素200r、200g和200b以拜耳阵列排列。具体地，在像素组200中，具有红色(r)的谱灵敏度的像素200r位于左上位置，各自具有绿色(g)的谱灵敏度的像素200g位于右上和左下位置，并且具有蓝色(b)的谱灵敏度的像素200b位于右下位置。像素200r、200g和200b各自均包括以两行×两列的阵列排列的子像素(焦点检测像素)201、202、203和204。子像素(第一子像素)201是接收穿过成像光学系统的第一光瞳部分区域的光束的像素。子像素(第二子像素)202是接收穿过成像光学系统的第二光瞳部分区域的光束的像素。子像素(第三子像素)203是接收穿过成像光学系统的第三光瞳部分区域的光束的像素。子像素(第四子像素)204是接收穿过成像光学系统的第四光瞳部分区域的光束的像素。
如图18所示，图像传感器107以这样的方式配置：在平面上布置大量的四行×四列像素(八行×八列的子像素)，并输出摄像信号(子像素信号)。在根据本典型实施例的图像传感器107中，像素的周期p是6μm，并且像素的数量n是水平6,000列×垂直4,000行＝2400万像素。在图像传感器107中，列方向上的子像素的周期psub是3μm，并且子像素的数量nsub是水平12,000列×垂直8,000行＝9600万像素。
如图19b所示，根据本典型实施例的像素200g设置有用于将入射光会聚在像素的光接收面侧的微透镜305。多个微透镜305以二维方式排列，并且布置在在z轴方向(光轴oa的方向)上离光接收面预定距离的位置处。在像素200g中，通过将像素在x方向上分割为nh个(二分割)并且在y方向上分割为nv个(二分割)来形成光电转换单元301、302、303和304。光电转换单元301至304分别与子像素201至204相对应。
在本典型实施例中，基于来自图像传感器107的像素的子像素201和203的像素信号来生成第一焦点检测信号，并且基于来自图像传感器107的像素的子像素202和204的像素信号来生成第二焦点检测信号，从而进行焦点检测。此外，对于图像传感器107的各像素，将来自子像素201、202、203和204的信号相加并进行读出，从而使得可以生成具有与有效像素数n相对应的分辨率的摄像信号(拍摄图像)。
可以基于来自子像素201和202的像素信号来生成第一焦点检测信号。在这种情况下，基于来自子像素203和204的像素信号来生成第二焦点检测信号。可以基于来自子像素201和204的像素信号来生成第一焦点检测信号。在这种情况下，基于来自子像素202和203的像素信号来生成第二焦点检测信号。
将参考图20a和20b以及图23来描述根据第三典型实施例的转换系数计算(图13中所示的步骤s105)。与第一典型实施例或第二典型实施例的组件相同的组件由相同的附图标记表示，并且省略对其的详细描述。
[基线长度]
接着，将参考图20a和20b以及图15来描述透镜框渐晕与基线长度之间的关系。图20a和20b各自示意性地示出透镜框渐晕并且与图12相对应。图20a示出当包括图像高度坐标的焦点检测区域被设置在中间图像高度((xaf,yaf)＝(0,0))时的框渐晕状态。在图20a所示的中间图像高度的情况下，框渐晕由光圈框f3引起，并且基线长度与长度bl1相对应。
图20b示出当焦点检测区域被设置在周边图像高度((xaf,yaf)＝(-10,0))时的框渐晕状态。在图20b所示的周边图像高度的情况下，框渐晕由光圈框f3、被摄体侧框f1和图像侧框f2引起，并且基线长度与长度bl2相对应。即，在周边图像高度处，由多个透镜框引起渐晕，使得图20b所示的基线长度bl2短于图20a所示的基线长度bl1。此外，由于渐晕是由多个框引起的，因此开口形状不是圆形形状，而是复杂的形状。因此，为了计算周边图像高度处的精确基线长度，通过使用各框信息考虑复杂开口形状来进行计算。
图21a、21b、21c和21d各自示意性地示出在各图像高度处的透镜框渐晕状态。图21a至21c各自示出当焦点检测区域被设置在图像高度坐标(xaf,yaf)＝(-10,0)、(-3.2,-3.2)和(0,-10)时的框渐晕状态。各个图像高度与距中间图像高度的距离r为10的位置相对应并且与图21d所示的位置901至903相对应。在图21d中，位置900表示距中间图像高度的距离为10的图像高度位置。
基于图像高度901(当y＝0、x<0时的图像高度)，图像高度902与相对于图像高度901旋转θ1的位置相对应，并且图像高度903与相对于图像高度901旋转θ2的位置相对应。在图像传感器107的光瞳面(z＝ds)上，相对于位置900处的图像高度的开口形状处于以同一形状旋转了旋转角度θ的状态。图21b和21c示出相对于图21a各个开口形状旋转了旋转角度θ1和θ2的状态。在图21a至21c中的各自中，由光圈框f3、被摄体侧框f1和图像侧框f2引起渐晕，并且开口形状相同。然而，由于设置了不同的旋转角度，因此基线长度与彼此不同的长度bl2至bl4相对应。
如上所述，基线长度由图像传感器107的光瞳面上的透镜框渐晕形状(第一开口信息、第二开口信息和第三开口信息)和旋转角度确定。
[转换系数计算]
接着，将参考图22来描述根据本典型实施例的转换系数计算(图13中所示的步骤s105)。图22是示出根据本典型实施例的转换系数计算的流程图。图22所示的各步骤主要由cpu121或用于镜头的cpu执行。
首先，在图22所示的步骤s1001中，cpu121将与焦点检测期间的图像高度距离、光圈值和光瞳距离有关的信息发送到用于镜头的cpu。发送的图像高度距离raf由等式(6)计算。
接着，在图22所示的步骤s1002中，用于镜头的cpu获取当前变焦状态zs和调焦状态fs。
接着，在图22所示的步骤s1003中，用于镜头的cpu从用于镜头的存储器中获取与摄像光学系统的被摄体侧框f1(第一开口信息)、图像侧框f2(第二开口信息)和光圈框f3(第三开口信息)有关的信息。在这种情况下，用于镜头的cpu基于在步骤s1001中获取到的图像高度距离和光圈值以及在步骤s1002中获取的变焦状态zs和调焦状态fs来获取各开口信息。
接着，在图22所示的步骤s1004中，用于镜头的cpu计算在图像传感器107的光瞳距离处的各开口信息的中心位置和大小。在这种情况下，用于镜头的cpu使用在步骤s1003中获取到的与摄像光学系统的被摄体侧框f1(第一开口信息)、图像侧框f2(第二开口信息)、光圈框f3(第三开口信息)有关的信息。
现在将参考图23来描述各开口信息的中心位置和大小。图23是示出在图像传感器107的光瞳距离处的各开口信息的中心位置和大小的示意性关系图。如图23所示，摄像光学系统的被摄体侧框f1(第一开口信息)、图像侧框f2(第二开口信息)和光圈框f3(第三开口信息)的各个中心位置和大小由c1、r1、c2、r2和c3、r3表示。在本典型实施例中，针对各图像高度距离预先计算c1、r1、c2、r2和c3并将c1、r1、c2、r2和c3存储在用于镜头的存储器中，并且根据在步骤s1001中获取到的光圈值来计算r3。然而，获取方法不限于该方法。可以将参数存储为表格，并且可以在不进行任何计算的情况下获取各值。
接着，在图22所示的步骤s1005中，用于镜头的cpu向cpu121发送在图像传感器107的光瞳距离处的各开口信息的中心位置和大小。在这种情况下，用于镜头的cpu使用在步骤s1004中获取到的与摄像光学系统的被摄体侧框f1(第一开口信息)、图像侧框f2(第二开口信息)和光圈框f3(第三开口信息)有关的信息。
接着，在图22所示的步骤s1006中，cpu121基于焦点检测区域通过等式(15)来计算旋转角度θ。
接着，在图22所示的步骤s1007中，cpu121分别通过等式(16a)和等式(16b)来计算由于被摄体侧框f1引起的光圈框f3的渐晕比率b1和由于图像侧框f2引起的光圈框f3的渐晕比率b2。在这种情况下，cpu121使用在步骤s1005中获取到的图像传感器107的光瞳距离处的各开口信息的中心位置和大小。渐晕比率b1和b2分别与由与距光圈框(第三开口信息)的中心位置的距离有关的信息表示的上线框和下线框(第一开口信息和第二开口信息)相对应。
接着，在图22所示的步骤s1008中，cpu121从存储器获取与θ、b1和b2有关的函数的系数，这些系数用于转换系数计算并且根据在步骤s1005中获取到的摄像光学系统的光圈框f3(第三开口信息)的中心位置和大小确定。将这些系数保持在通过将θ分割成多个范围而获得的各分割范围中。在本典型实施例中，获取当使用θ、b1和b2的二次函数作为函数时的系数。然而，该函数不限于二次函数，而作为替代可以是线性函数或三次或更高阶函数。此外，可以减小变化小的变量的阶，并且可以增大变化大的变量的阶，从而针对各变量设置不同的阶。
接着，在图22所示的步骤s1009中，cpu121通过等式(17a)和(17b)来计算转换系数。在这种情况下，cpu121使用在步骤s1006中获取到的旋转角度θ、在步骤s1007中获取到的渐晕比率b1和b2以及在步骤s1008中获取到的θ、b1和b2的二次函数的系数。在这种情况下，bl表示基线长度，并且m000至m202表示在步骤s1008中获取到的系数。
利用上述结构，可以基于开口状态来计算用于将焦点检测信号之间的图像偏差量转换成散焦量的转换系数，这使得焦点检测性能提高。在本典型实施例中，基线长度由θ、b1和b2的函数表示并计算，但是作为替代可以由使用其它参数的函数来表示。代替以函数的形式保持基线长度，可以直接保持各参数的基线长度，并且可以通过线性插值等来计算参数之间的值。
接着，将描述本发明的第四典型实施例。第四典型实施例与第三典型实施例关于转换系数计算方法有所不同。第四典型实施例中的其它组件和操作与第一典型实施例相同，因此省略对其的描述。
参考图24，将描述根据本典型实施例的转换系数计算(图13中所示的步骤s105)。图24是示出根据本典型实施例的转换系数计算的流程图。图24所示的各步骤主要由cpu121或用于镜头的cpu执行。
首先，在图24所示的步骤s1201中，用于镜头的cpu将当前变焦状态zs和调焦状态fs发送到照相机。
接着，在图24所示的步骤s1202中，cpu121将与焦点检测期间的图像高度距离、光圈值和光瞳距离有关的信息发送到用于镜头的cpu。发送的图像高度距离raf由等式(6)计算。
接着，在图24所示的步骤s1203中，用于镜头的cpu从用于镜头的存储器中获取与摄像光学系统的被摄体侧框f1(第一开口信息)、图像侧框f2(第二开口信息)和光圈框f3(第三开口信息)有关的信息。在这种情况下，用于镜头的cpu基于在步骤s1202中获取到的图像高度距离和光圈值以及在步骤s1201中获取到的变焦状态zs和调焦状态fs来获取这些信息。
接着，在图24所示的步骤s1204中，用于镜头的cpu计算在图像传感器107的光瞳距离处的各开口信息的中心位置和大小。在这种情况下，用于镜头的cpu使用在步骤s1203中获取到的与摄像光学系统的被摄体侧框f1(第一开口信息)、图像侧框f2(第二开口信息)和光圈框f3(第三开口信息)有关的信息。
接着，在图24所示的步骤s1205中，cpu121基于焦点检测区域通过等式(15)来计算旋转角度θ。
接着，在图24所示的步骤s1206中，cpu121分别通过等式(16)和等式(17)来计算由于被摄体侧框f1引起的光圈框f3的渐晕比率b1和由于图像侧框f2引起的光圈框f3的渐晕比率b2。在这种情况下，cpu121使用在步骤s1204中获取到的图像传感器107的光瞳距离处的各开口信息的中心位置和大小。渐晕比率b1和b2分别与由与距光圈框(第三开口信息)的中心位置的距离有关的信息表示的上线框和下线框(第一开口信息和第二开口信息)相对应。
接着，在图24所示的步骤s1207中，cpu121从存储器获取用于转换系数计算并根据在步骤s1204中获取到的摄像光学系统的光圈框f3(第三开口信息)的中心位置和大小确定的θ、b1和b2的函数的系数。将这些系数保持在通过将θ分割成多个范围而获得的各分割范围中。在本典型实施例中，获取当使用θ、b1和b2的二次函数作为函数时的系数。然而，函数不限于二次函数，而作为替代可以是线性函数或三次或更高阶函数。此外，可以减小变化小的变量的阶，并且可以增大变化大的变量的阶，从而针对各变量设置不同的阶。
接着，在图24所示的步骤s1208中，cpu121通过等式(17a)和(17b)来计算转换系数。在这种情况下，cpu121使用在步骤s1205中获取到的旋转角度θ、在步骤s1206中获取到的渐晕比率b1和b2以及在步骤s1207中获取到的θ、b1和b2的二次函数的系数。在这种情况下，bl表示基线长度，并且m000至m202表示在步骤s1008中获取到的系数。
利用上述结构，可以基于开口状态来计算用于将焦点检测信号之间的图像偏差量转换成散焦量的转换系数，这使得焦点检测性能提高。在本典型实施例中，基线长度由θ、b1和b2的函数表示并计算，但是作为替代可以由使用其它参数的函数来表示。代替以函数的形式保持基线长度，可以直接保持各参数的基线长度，并且可以通过线性插值等来计算参数之间的值。
如第一典型实施例和第二典型实施例中所示，上面已经描述了从参数获取第一开口信息至第三开口信息、在第一开口信息至第三开口信息的获取中的渐晕比率的计算、以及转换系数的计算。可以通过照相机主体中的cpu121与镜头中的用于镜头的cpu的组合来进行获取和计算处理的一部分或全部。此外，可以根据需要控制cpu121和用于镜头的cpu中的哪一个用于该处理。
接着，将描述本发明的第五典型实施例。第五典型实施例与第三典型实施例关于转换系数计算方法有所不同。第五典型实施例中的其它组件和操作与第一典型实施例相同，因此省略对其的描述。
将参考图25来描述根据本典型实施例的转换系数计算。图25是示出根据本典型实施例的转换系数计算的流程图。图25所示的各步骤主要由cpu121或用于镜头的cpu执行。
首先，在图25所示的步骤s1301中，cpu121将与焦点检测期间的图像高度距离、光圈值和光瞳距离有关的信息发送到用于镜头的cpu。发送的图像高度距离raf由等式(6)计算。
接着，在图25所示的步骤s1302中，用于镜头的cpu获取当前变焦状态zs和调焦状态fs。
接着，在图25所示的步骤s1303中，用于镜头的cpu从用于镜头的存储器获取与摄像光学系统的被摄体侧框f1(第一开口信息)、图像侧框f2(第二开口信息)、以及光圈框f3(第三开口信息)有关的信息。在这种情况下，用于镜头的cpu基于在步骤s1301中获取到的图像高度距离和光圈值以及在步骤s1302中获取到的变焦状态zs和调焦状态fs来获取各开口信息。
接着，在图25所示的步骤s1304中，用于镜头的cpu计算在图像传感器107的光瞳距离处的各开口信息的中心位置和大小。在这种情况下，用于镜头的cpu使用在步骤s1303中获取到的与摄像光学系统的被摄体侧框f1(第一开口信息)、图像侧框f2(第二开口信息)和光圈框f3(第三开口信息)有关的信息。
接着，在图25所示的步骤s1305中，用于镜头的cpu将在图像传感器107的光瞳距离处的各开口信息的中心位置和大小发送到cpu121。在这种情况下，用于镜头的cpu使用在步骤s1304中获取到的与摄像光学系统的被摄体侧框f1(第一开口信息)、图像侧框f2(第二开口信息)和光圈框f3(第三开口信息)有关的信息。
接着，在图25所示的步骤s1306中，cpu121基于焦点检测区域通过等式(15)来计算旋转角度θ。
接着，在图25所示的步骤s1307中，cpu121基于图像传感器107的光接收灵敏度特性的对称性来限制在步骤s1306中获取到的旋转角度θ的范围。如果图像传感器107的光接收灵敏度特性为在图像传感器107的光瞳距离处上下对称(相对于x轴对称)，则当旋转角度θ在0≤θ≤π的范围内和在π≤θ≤2π的范围内时，光接收灵敏度特性相等。因此，在π≤θ≤2π的范围内，在假设θ'＝2π-θ(π≤θ≤2π)的情况下，可以通过将旋转角度代入等式(17a)来计算基线长度。因此，通过限制旋转角度的范围，将要存储在存储器中的系数可以减少到1/2。当对多个焦点检测区域进行焦点检测时，可以省略转换系数计算的一部分。
此外，在图像传感器107的光接收灵敏度特性在图像传感器107的光瞳距离处上下且左右对称(相对于x轴对称并且相对于y轴对称)的情况下，当旋转角度θ在0≤θ≤π/2的范围内、在π/2≤θ≤π的范围内、在π≤θ≤3π/2的范围内、以及在3π/2≤θ≤2π的范围内时，光接收灵敏度特性相等。因此，在π/2≤θ≤π的范围内，θ'＝π-θ(π/2≤θ≤π)成立，在π≤θ≤3π/2的范围内，θ'＝3π/2-θ(π≤θ≤3π/2)成立，并且在3π/2≤θ≤2π的范围内，θ'＝2π-θ(3π/2≤θ≤2π)成立。此外，可以通过将旋转角度代入等式(17a)来计算基线长度。因此，当图像传感器107的光接收灵敏度特性上下且左右对称时，要存储在存储器中的系数可以减少到1/4。
接着，在图25所示的步骤s1308中，cpu121分别通过等式(16a)和等式(16b)来计算由于被摄体侧框f1引起的光圈框f3的渐晕比率b1和由于图像侧框f2引起的光圈框f3的渐晕比率b2。在这种情况下，cpu121使用在步骤s1305中获取到的图像传感器107的光瞳距离处的各开口信息的中心位置和大小。渐晕比率b1和b2分别与由与光圈框(第三开口信息)的中心位置的距离有关的信息表示的上线框和下线框(第一开口信息和第二开口信息)相对应。
接着，在图25所示的步骤s1309中，cpu121从存储器获取用于转换系数计算并且根据在步骤s1305中获取到的摄像光学系统的光圈框f3(第三开口信息)的中心位置和大小确定的与θ、b1和b2有关的函数的系数。将这些系数保持在通过将θ分割成多个范围而获得的各分割范围中。在本典型实施例中，获取当使用θ、b1和b2的二次函数作为函数时的系数。然而，该函数不限于二次函数，而作为替代可以是线性函数或三次或更高阶函数。此外，可以减小变化小的变量的阶，并且可以增大变化大的变量的阶，从而针对各变量设置不同的阶。在本典型实施例中，获取基于光瞳距离处的各开口信息的中心位置和大小的系数。可选地，可以获取基于在图像传感器107的光接收灵敏度特性的对称性高的距离处的各开口信息的中心位置和大小的系数。
接着，在图25所示的步骤s1310中，cpu121通过等式(17a)和(17b)来计算转换系数。在这种情况下，cpu121使用在步骤s1306中获取到的并且范围在步骤s1307中被限制的旋转角度θ、在步骤s1308中获取到的渐晕比率b1和b2、以及在步骤s1309中获取到的θ、b1和b2的二次函数的系数。在这种情况下，bl表示基线长度，并且m000至m202表示在步骤s1309中获取到的系数。
利用上述结构，可以基于开口状态来计算用于将焦点检测信号之间的图像偏差量转换成散焦量的转换系数，这使得焦点检测性能提高。在本典型实施例中，基线长度由θ、b1和b2的函数表示并计算，但是作为替代可以由使用其它参数的函数来表示。代替以函数的形式保持基线长度，可以针对各参数直接保持基线长度，并且可以通过线性插值等来计算参数之间的值。
(其它典型实施例)
典型实施例中描述的摄像单元和摄像设备可以应用于各种应用。例如，除了可见光之外，摄像单元可以用于感测诸如红外线、紫外线和x射线等的光。另外，摄像设备以数字照相机为代表，但是也可以应用于配备有照相机的移动电话，诸如智能电话、监视照相机和游戏装置等。此外，摄像设备可以应用于内窥镜、用于拍摄血管图像的医疗装置、用于观察皮肤或头皮的美容装置、以及用于拍摄体育或动作的运动图像的摄像机。此外，摄像设备可以应用于用于交通目的的照相机(诸如交通或海洋监视和行车记录仪等)、用于学术目的的照相机(诸如天文观察或样本观察等)以及配备有照相机的家用电器和机器视觉等。特别地，机器视觉不限于在工厂等中使用的机器人，而且还可以用于农业和渔业。
仅通过示例的方式示出典型实施例中描述的摄像设备的结构，并且可以应用本发明的摄像设备不限于图1中所示的结构。摄像设备的各单元的电路结构也不限于附图中所示的结构。
本发明还可以通过将用于实现根据上述典型实施例的一个或多个功能的程序经由网络或存储介质提供给系统或设备并且系统或设备的计算机中的一个或多个处理器读出并执行该程序的处理来实现。本发明还可以通过用于实现根据上述典型实施例的一个或多个功能的电路(例如，专用集成电路(asic))来实现。
虽然以上已经描述了本发明的典型实施例，但是本发明不限于这些典型实施例。可以在本发明的范围内以各种方式修改或改变实施例的方面。
其它实施例
本发明的实施例还可以通过如下的方法来实现，即，通过网络或者各种存储介质将执行上述实施例的功能的软件(程序)提供给系统或装置，该系统或装置的计算机或是中央处理单元(cpu)、微处理单元(mpu)读出并执行程序的方法。
虽然已经参考典型实施例描述了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的典型实施例。所附权利要求的范围应被赋予最广泛的解释，以包含所有这些修改和等同的结构和功能。
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