CN102289131A - 摄像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种摄像装置，该摄像元件具有2维排列的多个像素，由多个像素至少形成第1像素集合和第2像素集合这两个像素集合，假定出射光瞳，在出射光瞳中设定由在与其光轴垂直的面内相互正交的2条直线划分的4个分割区域，第1像素集合的像素结构是接收来自在4个分割区域之一中具有面积重心的第1光瞳区域的光束，在与具有第1光瞳区域的面积重心的分割区域关于光轴对称的分割区域中具有第2光瞳区域的面积重心，第2像素集合的像素结构是接收来自第2光瞳区域的光束，在所述2条直线方向的至少一个方向上比较来自第1像素集合的信号和来自第2像素集合的信号，并取得散焦信息。

Description

摄像装置
技术领域
本发明涉及摄像装置。
背景技术
关于现有的相位差AF，从来自一组像素集合的信号中仅能够获得一个方向的相位差信号。另一方面，为了不依据被摄体而算出精度高的散焦量，希望获得两个方向的相位差信号。
在日本特开2000-9990号公报中公开了如下的结构：配置有相位差AF用光学系统，针对一个像区域获得两个方向的相位差信号。采用该结构的现有相位差AF配置两组像素集合，并从各个像素集合中取得不同方向的相位差信号。
另外，在日本特开2000-156823号公报以及日本特开2008-40087号公报中提出如下的方案：在图像形成用信号取得用的摄像元件中配置有输出相位差AF用的信号的测距用像素。
但是，在日本特开2000-9990号公报记载的摄像装置中可构成为针对1个开口部配置4个透镜以及4个传感器，高测距精度和小型化难以兼顾。
另外，在日本特开2000-156823号公报以及日本特开2008-40087号公报记载的装置中可构成为针对一个像点仅能够获得一个方向的相位差信号。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而作出的，其目的在于，提供一种能够从小型或较少的像素集合中获得高精度的测距信号的摄像装置。另外，本发明的摄像装置的目的在于，形成像素集合的像素在图像形成中可接收足够多的光量。
为了解决上述课题并达成目的，本发明的摄像装置能安装摄影镜头或者固定有摄影镜头，其中，该摄像装置具备摄像元件，摄像元件具有2维排列的多个像素，由多个像素至少形成第1像素集合和第2像素集合这两个像素集合，假定出射光瞳，在出射光瞳中设定由在与其光轴垂直的面内相互正交的2条直线划分的4个分割区域，第1像素集合的像素结构是接收来自在4个分割区域之一中具有面积重心的第1光瞳区域的光束，在与具有第1光瞳区域的面积重心的分割区域关于光轴对称的分割区域中具有第2光瞳区域的面积重心，第2像素集合的像素结构是接收来自第2光瞳区域的光束，在所述2条直线方向的至少一个方向上比较来自第1像素集合的信号和来自第2像素集合的信号，并取得散焦信息。
在本发明的摄像装置中，优选将第1像素集合以及第2像素集合配置在用于形成图像的摄像元件内。
在本发明的摄像装置中，优选从第1像素集合以及第2像素集合中获得用于形成图像的信号。
在本发明的摄像装置中，优选第1光瞳区域和第2光瞳区域至少分别处于具有面积重心的分割区域及其相邻的2个分割区域内，第1光瞳区域和第2光瞳区域在相邻的区域内具有重复部分。
在本发明的摄像装置中，优选2条直线是相对于摄像元件的1边的水平方向的直线以及垂直方向的直线。
附图说明
图1是示出摄像装置的基本结构的图。
图2是示出所假定的出射光瞳内的第1光瞳区域和第2光瞳区域的基本结构的俯视图。
图3是示出摄像元件的像素的配置例的俯视图。
图4是示出第1实施方式的摄像装置的概括结构的图。
图5是重叠示出第1实施方式中的摄像元件的像素配置以及遮光单元的遮光区域的俯视图。
图6是示出第1实施方式中的像素以及遮光单元的配置的剖视图。
图7是示出第1实施方式的第1变形例中的像素以及遮光单元的配置的剖视图。
图8A、图8B、图8C是示出作为比较例的像素中的遮光部与透明部的配置例的俯视图。
图9是重叠示出第1实施方式的第2变形例中的摄像元件的像素配置以及遮光单元的遮光区域的俯视图。
图10是重叠示出第1实施方式的第2变形例中的彩色滤镜的配置和摄像元件的像素配置的俯视图。
图11是示出第1实施方式的第2变形例中的像素、遮光单元以及彩色滤镜的配置的剖视图。
图12是示出第1实施方式的第3变形例中的像素、遮光单元以及彩色滤镜的配置的剖视图。
图13是示出第2实施方式的像素以及遮光单元的配置的剖视图。
图14是从光轴方向观察图13所示的像素的俯视图。
图15是示出第2实施方式中的摄像元件的像素配置的俯视图。
图16是示出第3实施方式的摄像装置的概括结构的图。
图17是示出第3实施方式中的第1遮光单元和所假定的出射光瞳内的第1光瞳区域与第2光瞳区域的关系的俯视图。
图18是重叠示出第3实施方式中的摄像元件的像素与第2遮光单元的俯视图。
图19是示出第3实施方式的像素以及第2遮光单元的配置的剖视图。
图20是示出第4实施方式的单反照相机的结构的概念图。
图21是示出第4实施方式的AF光学系统的结构的图。
图22A是示出第1像素集合用的第1摄像面的俯视图，图22B是示出第2像素集合用的第2摄像面的俯视图。
图23是示出第5实施方式的摄像装置的概括结构的图。
图24是从光轴方向与开口光圈重叠地示出第5实施方式的遮光单元的图，是示出遮光部处于光轴左上的状态的图。
图25是从光轴方向与开口光圈重叠地示出第5实施方式的遮光单元的图，是示出遮光部处于光轴右下的状态的图。
图26是示出第6实施方式的摄像装置的概括结构的图。
图27是在第6实施方式的摄像元件上重叠地示出遮光单元的俯视图，是示出遮光单元下部的2行像素没有与摄像元件重叠的状态的图。
图28是在第6实施方式的摄像元件上重叠地示出遮光单元的俯视图，是示出遮光单元上部的2行像素没有与摄像元件重叠的状态的图。
图29是示出像素结构的剖视图，是与图27所示的状态对应的图。
图30是示出像素结构的剖视图，是与图28所示的状态对应的图。
图31是示出第6实施方式的摄像装置的处理流程的流程图。
图32是更详细地示出第6实施方式的透镜更换式照相机系统的结构的框图。
图33是示出第6实施方式的摄像装置的处理流程的流程图。
图34是更详细地示出第6实施方式的透镜一体型照相机的结构的框图。
具体实施方式
以下，根据附图来详细说明本发明的摄像装置的实施方式。此外，本发明不仅限于以下实施方式。
首先，在说明实施方式之前，对本发明摄像装置的作用、效果进行说明。
本发明的摄像装置的特征在于，在可安装摄影镜头或固定有摄影镜头的摄像装置中，具备摄像元件，摄像元件具有2维排列的多个像素，由多个像素至少形成第1像素集合与第2像素集合这两个像素集合，假定出射光瞳面，在出射光瞳中设定由在与其光轴垂直的面内相互正交的2条直线划分的4个分割区域，第1像素集合的像素结构是接收来自在4个分割区域之一中具有面积重心的第1光瞳区域的光束，在与具有第1光瞳区域的面积重心的分割区域关于光轴对称的分割区域中具有第2光瞳区域的面积重心，第2像素集合的像素结构是接收来自第2光瞳区域的光束，在上述2条直线方向的至少一个方向上比较来自第1像素集合的信号和来自第2像素集合的信号，并取得散焦信息。
根据这样的结构，可利用来自1组不同的光瞳区域的光束，取得两个方向的相位差信息。
在本发明的摄像装置中，优选将第1像素集合以及第2像素集合配置在用于形成图像的摄像元件内。
由此，针对一个图像区域能够取得2个方向的相位差信息，所以能够提高测距精度。另外，因为可利用较少的测距用像素来取得2个方向的相位差信息，所以能够兼顾画质与测距精度。
在本发明的摄像装置中，优选从第1像素集合以及第2像素集合中获得用于形成图像的信号。
由此，可利用较少的测距用像素来取得2个方向的相位差信息，所以实质上能够精密地配置测距用像素，能够获得充分的光量，所以能够获得用于形成图像的信号。
在本发明的摄像装置中，优选第1光瞳区域与第2光瞳区域至少分别处于具有面积重心的分割区域及其相邻的2个分割区域内，第1光瞳区域与第2光瞳区域在相邻的区域内具有重复部分。
根据此结构，通过不分割光瞳而重叠光瞳区域的一部分，能够接收充分的光量。另外，通过充分地接收光量，能够提高散焦算出精度。而且，通过将第1像素集合以及第2像素集合配置在用于形成图像的摄像元件内，也能够从第1像素集合与第2像素集合中取得形成图像所需的信号。
在本发明的摄像装置中，优选2条直线是相对于摄像元件的1边的水平方向的直线以及垂直方向的直线。
根据此结构，在水平线以及垂直线是相对于摄像元件的边的水平方向的直线以及垂直方向的直线时，可减小计算相位差信息的实际像素间距，所以能够使元件小型化。
(基本结构)
首先，对设定在出射光瞳中的分割区域、在该分割区域之1中具有面积重心的光瞳区域的基本结构进行说明。
图1是示出摄像装置的基本结构的图。图2是示出所假定的出射光瞳14内的第1光瞳区域与第2光瞳区域的基本结构的俯视图。图3是示出摄像元件13的像素的配置例的俯视图。
如图1所示，在摄影镜头12的光轴11上配置有具有散焦检测用像素的摄像元件13。另外，在光轴11上假定出射光瞳14。出射光瞳14具有根据摄像元件13的结构设定的情况和根据摄影镜头12的结构设定的情况。
如图2所示，出射光瞳14由以光轴11为中心的水平线14a以及垂直线14b所划分的4个分割区域5LU、5RU、5LS、5RS构成。第1光瞳区域及其面积重心处于左上的分割区域5LU，第2光瞳区域及其面积重心处于右下的分割区域5RS(图2)。换言之，在与具有第1光瞳区域的面积重心的分割区域关于光轴11对称的分割区域中存在第2光瞳区域的面积重心。
此外，这里的所谓水平线、垂直线在本实施方式中为相对于摄像元件的1边的水平方向的直线以及垂直方向的直线。但是，该2条直线不仅限于此，只要是在与光轴垂直的面内相互正交的2条直线即可。
另外，在图2所示的例子中，为了简化，使第1光瞳区域与左上的分割区域5LU一致，使第2光瞳区域与右下的分割区域5RS一致，但是也可以不改变面积重心而进行其以外的配置。例如，可将第1光瞳区域配置在3个分割区域5LU、5RU、5LS，将第2光瞳区域配置在3个分割区域5RU、5LS、5RS。在该情况下，第1光瞳区域与第2光瞳区域在右上的分割区域5RU与左下的分割区域5LS内重复。
摄像元件13在与光轴11垂直的面内，具有在相互正交的第1方向A1和第2方向B1上2维排列的多个像素。在图3所示的摄像元件13的配置例中，呈棋盘状交替地配置有与第1光瞳区域对应的多个像素6L和与第2光瞳区域对应的多个像素6R。多个像素6L形成接收来自第1光瞳区域的光束的第1像素集合，多个像素6R形成接收来自第2光瞳区域的光束的第2像素集合。这里，摄像元件13中的第1方向A1与出射光瞳14中的水平线14a对应，第2方向B1与垂直线14b对应。
通过在第1方向A1与第2方向B1的至少一个方向上比较来自第1像素集合的信号和来自第2像素集合的信号，取得散焦信息。例如，在比较与同一行的多个像素对应的第1光瞳区域和第2光瞳区域来检测相位差信息时，只要将各个光瞳区域的面积重心投影到水平线上的位置计算为光瞳区域的面积重心即可。另一方面，例如在比较与同一列的多个像素对应的第1光瞳区域和第2光瞳区域来检测相位差信息时，只要将各个光瞳区域的面积重心投影到垂直线上的位置计算为光瞳区域的重心即可。
这里，在摄像元件的像素位置处划分第1像素集合和第2像素集合，不过也可以利用时间分割来划分。
在上述现有的摄像装置中，具有右侧、左侧、上侧、下侧这4个像素集合，在获得第1方向(水平方向)的相位差信息时，采用来自左侧和右侧像素集合的信息，在获得第2方向(垂直方向)的相位差信息时，采用来自下侧和上侧的像素集合的信息。相对于这种结构的现有摄像装置，第1实施方式的像素集合的构成像素数为2倍，所以能够提高测距精度。
另外，在利用时间分割来增加像素数的情况下，在第1实施方式的摄像装置中，相对于现有摄像装置能够进行2倍时间的曝光，所以各个像素集合能够进行4倍时间的曝光。由此，能够提高测距精度。
此外，上述现有摄像装置是单反用的结构，要进行4分割，因此摄像元件的面积变大而不优选。
(第1实施方式)
图4是示出第1实施方式的摄像装置的概略结构的图。图5是重叠示出第1实施方式中的摄像元件120的像素配置以及遮光单元110的遮光区域111的平面图。图6是示出第1实施方式中的像素以及遮光单元的配置的剖视图。
如图4所示，第1实施方式的摄像装置在摄影镜头102的光轴101上配置有具有散焦检测用像素的摄像元件120。如图5所示，摄像元件120具有在相互正交的第1方向A1与第2方向B1上2维排列的多个像素。该多个像素具备同一面积的光电变换区域，具有呈棋盘状交替配置的第1像素集合121和第2像素集合122。
在摄像元件120的物体侧附近配置有用于假定出射光瞳的遮光单元110。该遮光单元110例如是遮光滤镜，针对摄像元件120的各个像素，分别设定由与摄像元件120的第1方向A1对应的线和与第2方向B1对应的线划分的4个分割区域。遮光单元110具备遮挡入射光的遮光区域111和入射光透过的透明区域112。
如图6所示，配置片上透镜(on-chip lens)108以及遮光单元110，使其与各个像素的光电变换面123对应。在光电变换面123与片上透镜108之间，设置有规定各光电变换面123的光电变换区域的遮光部件124。将分割遮光单元110的遮光区域111与透明区域112的线配置在片上透镜108的光轴108a上。另外，光轴108a通过各个像素以及光电变换面123的中心。
如图5所示，关于构成第1像素集合121的各个像素，利用遮光区域111来覆盖像素的左上，在其以外的部分接收透过了作为第1光瞳区域的透明区域112的光。因此，与这些像素相对应地，在作为4个分割区域之一的像素的右下存在第1光瞳区域的面积重心。
另外，关于构成第2像素集合122的各个像素，利用遮光区域111来覆盖像素的右下，在其以外的部分接收透过了作为第2光瞳区域的透明区域112的光。因此，与这些像素相对应地，在作为4个分割区域之一的像素的左上存在第2光瞳区域的面积重心。
在以上的结构中，当在上下方向(第2方向B1)上比较来自第1像素集合121和第2像素集合122的信号时，可获得对出射光瞳进行了上下分割的相位差信息，当在左右方向(第1方向A1)上比较时，可获得对出射光瞳进行了左右分割的相位差信息。
例如，将以第1像素集合121的像素L03F02、L04F03、L03F04、L04F05、L03F06、L04F07、L03F08、L04F09的顺序获得的信号波形作为左侧图像，将以第2像素集合122的L04F02、L03F03、L04F04、L03F05、L04F06、L03F07、L04F08、L03F09的顺序获得的信号波形作为右侧图像，并由它们算出左右像的相位差，根据该值可求出摄影镜头的散焦量。
这里，在示出特定的像素时，并排显示行编号L01～16和列编号F01～16。例如，用“L01F01”表示L01行中的与F01列对应的像素。
另外，将以第1像素集合121的L04F03、L05F02、L06F03、L07F02、L08F03、L09F02、L10F03、L11F02的顺序获得的信号波形作为下侧图像，将以第2像素集合122的L04F02、L05F03、L06F02、L07F03、L08F02、L09F03、L10F02、L11F03的顺序获得的信号波形作为上侧图像，并由它们算出上下像的相位差，根据该值可求出摄影镜头的散焦量。
此外，可取代遮光单元110而采用减光单元。作为减光单元可以是与所谓ND滤镜相同的结构。尤其是，当该结构是光吸收型滤镜时，不会产生因反射导致的光斑，从而优选。
另外，当采用减光单元时，因为像素能够接收的光量增加，所以对于图像形成有利并提高画质。此外，光量增加还使相位差量计算精度提高，所以能够以高精度算出散焦量。
第1实施方式的遮光单元110如图6所示配置在像素的片上透镜108附近的物体侧，不过也可以取而代之，如图7所示将遮光单元110配置在像素的片上透镜108附近的光电变换面123侧。这里，图7是示出第1实施方式的第1变形例中的像素以及遮光单元的配置的剖视图。
遮光区域不被限定在如图5所示的遮光区域111这样的相当于像素1/4的左上或右下区域。在该情况下，入射光量的面积重心只要从通过像素中心线的相位差检测方向的线上偏离即可。例如，优选从像素中心到右上、左上、右下、左下的任意周边部具有遮光区域。
与此相对，如图8A那样，当超过像素130的中心130a扩大遮光部131时，因为透明部132变小所以像素的受光量减少。另外，如图8B那样，当留下像素130的中心130a使周边部成为透明部132时，散焦检测精度劣化。此外，如图8C那样，当仅仅使像素的周边部成为透明部132时，在增大摄影镜头的F值的情况下难以进行散焦检测。
这里，图8是示出作为比较例的像素130中的遮光部131与透明部132的配置例的俯视图。
图9是重叠示出第1实施方式的第2变形例中的摄像元件150的像素配置以及遮光单元140的遮光区域141的俯视图。图10是重叠示出第1实施方式的第2变形例中的彩色滤镜160的配置和摄像元件150的像素配置的俯视图。图11是示出第1实施方式的第2变形例中的像素、遮光单元以及彩色滤镜的配置的剖视图。此外，对与第1实施方式相同的部件标注相同的参照符号来省略其详细的说明。
在第2变形例的摄像装置中，构成为可采用彩色滤镜160来取得彩色图像。第2变形例的摄像元件150与第1实施方式的摄像元件120相同，具有在相互正交的第1方向A1和第2方向B1上2维排列的多个像素。
彩色滤镜160在与摄像元件150的各个像素对应的位置上配置R(红)、G(绿)、B(青)。具体地说，将L01F01像素作为绿色的滤镜G，将L01F02像素作为红色的滤镜R，将L02F01作为蓝色滤镜B，将L02F02作为绿色滤镜G，在以下的横方向以及纵方向上反复这些2×2的组合图案。
摄像元件150的多个像素具有第1像素集合151和第2像素集合152。构成各个像素集合的像素中的遮光区域141和透明区域142的配置以及光瞳区域的面积重心与第1实施方式的第1像素集合121和第2像素集合122相同。
构成上述彩色滤镜160的2×2组合图案的4个像素设定有同一种类的像素集合，对相邻的组合图案设定不同种类的像素集合。例如，L01F01、L01F02、L02F01、L02F02这4个像素是第1像素集合151，其右邻的L01F03、L01F04、L02F03，L02F04这4个像素是第2像素集合152。
如图11所示，将遮光单元140配置在像素的片上透镜108附近的物体侧，在片上透镜108的光电变换面153侧附近配置彩色滤镜160。将分割遮光单元140的遮光区域141与透明区域142的线配置在片上透镜108的光轴108a上。
图12是示出第1实施方式的第3变形例中的像素、遮光单元以及彩色滤镜的配置的剖视图。此外，对与第1实施方式或第2变形例相同的部件标注相同的参照符号来省略其详细的说明。
图12是示出遮光单元140与彩色滤镜160的配置关系的其它例，将遮光单元140与彩色滤镜160依次配置在像素的片上透镜108附近的光电变换面153侧。通过这样的结构，可减小像素间的串扰影响。此外，遮光单元140与彩色滤镜160的顺序可以相反。可通过这样构成来取得彩色图像。
(第2实施方式)
图13是示出第2实施方式的像素以及遮光单元的配置的剖视图。图14是从光轴方向观察图13所示的像素的俯视图。图15是示出第2实施方式中的摄像元件250的像素配置的俯视图。这里，图13与图14的8像素中的1行对应。在图14中，省略微透镜的图示。
图13是互相排列的像素的剖面概括图，光电变换区域的面积相同，各个重心位置的间隔与像素间距的间隔不同。
在第1实施方式的摄像装置中，通过在摄像元件120的片上透镜108附近配置遮光单元110来构成第1光瞳区域和第2光瞳区域，但在第2实施方式中，通过在摄像元件250的光电变换区域附近配置遮光单元来构成第1光瞳区域和第2光瞳区域。
对像素进行4分割，在该图中，在左上或右下配置遮光部件或ND滤镜。
在图13、图14中，将微透镜211、212、213、214配置为与摄像元件250(传感器)的各个像素对应。微透镜211、212、213、214的间隔遵从像素间距，但考虑摄影镜头的出射光瞳位置，可以从中心向周边以小于像素间距的间隔进行配置。此外，图13未图示的、像素与所对应的微透镜的关系也是相同的。
图14所示的像素分别具备光电变换面221、222、223、224、225、226、227、228。在各个像素中，在微透镜与光电变换面之间的光电变换面附近分别配置有遮光部件231、232、233、234、235、236、237、238(遮光单元)。这些遮光部件例如是遮光滤镜，针对摄像元件250的各个像素，分别设定由与摄像元件250的第1方向A1对应的线和与第2方向B1对应的线划分的4个分割区域。另外，遮光部件具备遮挡入射光的遮光区域230a和入射光透过的透明区域230b。
此外，在图13中，遮光部件231、232、233、234、235、236、237、238可构成在同一平面上，但在同一像素内可不构成在同一平面上。
各个像素的光电变换区域由假定的摄影镜头、对应的微透镜、遮光部件以及光电变换面的关系来确定。
各微透镜被配置为，其光轴201、202、203、204、205、206、207、208通过所对应的像素的像素中心。
250具有在相互正交的第1方向A1与第2方向B1上2维排列的多个像素。该多个像素具备同一面积的光电变换区域，具有呈棋盘状交替配置的第1像素集合251和第2像素集合252。
构成第1像素集合251的各个像素在光电变换区域中，由遮光区域230a覆盖像素的左上，在其以外的部分接收透过了作为第1光瞳区域的透明区域230b的光。因此，在这些像素中，在作为4个分割区域之一的像素的右下存在第1光瞳区域的面积重心。这里，在图14中，构成第1像素集合的像素是具有光电变换面221、223、226、228的像素。
另外，构成第2像素集合252的各个像素在光电变换区域中，由遮光区域230a覆盖像素的右下，在其以外的部分接收透过了作为第2光瞳区域的透明区域230b的光。因此，在这些像素中，在作为4个分割区域之一的像素的左上存在第2光瞳区域的面积重心。这里，在图14中，构成第2像素集合的像素是具有光电变换面222、224、225、227的像素。
通过以上这样的结构，当在上下方向比较来自第1像素集合与第2像素集合的信号时，可获得对出射光瞳进行了上下分割的相位差信息，当在左右方向比较时，可获得对出射光瞳进行了左右分割的相位差信息。例如，将以第1像素集合的L03F02、L04F03、L03F04、L04F05、L03F06、L04F07、L03F08、L04F09的顺序获得的信号波形作为左侧图像，将以第2像素集合的L04F02、L03F03、L04F04、L03F05、L04F06、L03F07、L04F08、L03F09的顺序获得的信号波形作为右侧图像，并由这些图像来算出左右像的相位差，根据该值可求出摄影镜头的散焦量。
另外，将以第1像素集合的L04F03、L05F02、L06F03、L07F02、L08F03、L09F02、L10F03、L11F02的顺序获得的信号波形作为下侧图像，将以第2像素集合的L04F02、L05F03、L06F02、L07F03、L08F02、L09F03、L10F02、L11F03的顺序获得的信号波形作为上侧图像，并由这些图像来算出上下像的相位差，根据该值可求出摄影镜头的散焦量。
另外，在第2实施方式中，也如图9所示配置第1像素集合以及第2像素集合，并采用图10所示的彩色滤镜，由此能够利用与第1实施方式的情况同样的考虑方法来获得彩色图像。
此外，关于其它的结构、作用、效果与第1实施方式相同。
(第3实施方式)
图16是示出第3实施方式的摄像装置的概括结构的图。图17是示出第1遮光单元361和所假定的出射光瞳14内的第1光瞳区域与第2光瞳区域的关系的俯视图。图18是重叠示出第3实施方式中的摄像元件303的像素与第2遮光单元362的俯视图。另外，图18是在光轴方向上观察第2遮光单元362以及摄像元件303的图。
如图16所示，在摄影镜头系统302的光轴301上配置具有散焦检测用像素的摄像元件303。另外，摄影镜头系统302具有开口光圈304和配置在其附近的第1遮光单元361。此外，在摄像元件303的物体侧附近配置有第2遮光单元362。
另外，虽然希望将第1减光单元361配置在摄影镜头系统内的开口光圈304附近，但不仅限于此，也可以配置在距摄像元件303规定距离的位置上、换言之与在摄影装置中假定的出射光瞳对应的位置上。
如图17所示，第1遮光单元361具备由以光轴301为中心的水平线361a以及垂直线361b划分的4个偏光区域(分割区域)63LU、63RU、63RS、63LS。左上的第1偏光区域63LU与第1光瞳区域及其面积重心对应，右下的第2偏光区域63RS与第2光瞳区域及其面积重心对应。左上的偏光区域63LU和右下的偏光区域63RS是减少或遮挡相差90度的偏光方向的光束这样的结构，关于光轴301，在与具有第1光瞳区域的面积重心的分割区域对称的分割区域中存在第2光瞳区域的面积重心。
第2遮光单元362也是与第1遮光单元361同样的结构。即，具备由以光轴301为中心的水平线以及垂直线划分的4个偏光区域(分割区域)，该1个第1偏光区域363(图19)与第1光瞳区域及其面积重心对应，关于光轴301对称的位置的第2偏光区域364(图19)与第2光瞳区域及其面积重心对应。这里，图19是示出第3实施方式的像素以及第2遮光单元362的配置的剖视图。
在第1遮光单元361的偏光区域中减少或遮挡的光束的偏光方向和在第2遮光单元362的偏光区域中减少或遮挡的光束的偏光方向相互相差90度。例如，当在第1遮光单元361的偏光区域中遮挡S偏光时，在第2遮光单元362的偏光区域中遮挡P偏光。
如图18所示，摄像元件303具有在相互正交的第1方向A1与第2方向B1上2维排列的多个像素。该多个像素具备同一面积的光电变换区域，具有呈棋盘状交替配置的第1像素集合306L与第2像素集合306R。另外，将第1偏光区域63LU和第2偏光区域63RS配置为与摄像元件303上的第1像素集合306L的各个像素和第2像素集合306R的各个像素对应。
将第1遮光单元361和第2遮光单元362分别配置为遮光区域和透明区域与摄像元件303的各个像素对应地成为棋盘状(图18)。将第1偏光单元的遮光区域与第2偏光单元362的遮光区域分别配置为遮挡相同偏光方向的光束。
通过以上这样的结构，当在上下方向上比较来自第1像素集合306L与第2像素集合306R的信号时，可获得对出射光瞳进行了上下分割的相位差信息，当在左右方向上比较时，可获得对出射光瞳进行了左右分割的相位差信息。
例如，将以第1像素集合306L的L03F02、L04F03、L03F04、L04F05、L03F06、L04F07、L03F08、L04F09的顺序获得的信号波形作为左侧图像，将以第2像素集合的L04F02、L03F03、L04F04、L03F05、L04F06，L03F07、L04F08、L03F09的顺序获得的信号波形作为右侧图像，并由它们来算出左右像的相位差，根据该值可求出摄影镜头的散焦量。
另外，将以第1像素集合的L04F03、L05F02、L06F03、L07F02、L08F03、L09F02、L10F03、111F02的顺序获得的信号波形作为下侧图像，将以第2像素集合的L04F02、L05F03、L06F02、L07F03、L08F02、L09F03、L10F02、L11F03的顺序获得的信号波形作为上侧图像，并由它们来算出上下像的相位差，根据该值可求出摄影镜头的散焦量。
另外，在第3实施方式中也如图9所示配置第1像素集合以及第2像素集合，并采用图10所示的彩色滤镜，由此可利用与第1实施方式的情况同样的思考方法来获得彩色图像。为了获得彩色图像，优选如图19所示那样配置第2遮光单元362和摄像元件303。在片上透镜308的光电变换部323侧附近配置第2遮光单元362的第1偏光区域363或第2偏光区域364，在其光电变换部323侧附近配置彩色滤镜350。此外，第2遮光单元362可配置在片上透镜308的物体侧附近。
此外，关于其它结构、作用、效果与第1实施方式相同。
(第4实施方式)
图20是示出第4实施方式的单反照相机的结构的概念图。图21是示出第4实施方式的AF光学系统的结构的图。图22A是示出第1像素集合用的第1摄像面417的俯视图，图22B是示出第2像素集合用的第2摄像面418的俯视图。
第4实施方式是将本发明的摄像装置应用于单反照相机的实施方式。
图20示出利用单反照相机进行取景器观察和AF测距时的状态。光轴(光线的行进方向)401通过摄影镜头402到达由半反光镜构成的主镜404。这里反射的光线经过焦点板405、五棱镜406以及目镜407入射到摄影者的瞳(未图示)，发挥取景器功能。
此外，在摄影时，通过使主镜404和副镜408从摄影光路退出，能够在图像形成用的摄像元件403上投射被摄体像。
另一方面，透过了主镜404的光利用副镜408进行反射，并入射到以下说明的AF光学系统。
即，副镜408所反射的光经由视野光圈409、聚光镜410、反射面411入射到光瞳分割光圈412。入射到光瞳分割光圈412的光被分离为第1像素集合用的光束和第2像素集合用的光束，并经由分离透镜413入射到AF用摄像面414。光瞳分割光圈412构成为与摄影镜头402内的假定出射光瞳是共轭关系。
在摄影镜头402内的出射光瞳中设定由以光轴401为中心的水平线以及垂直线划分的4个分割区域。第1光瞳区域在4个分割区域之1中具有面积重心，第2光瞳区域在与具有第1光瞳区域的面积重心的分割区域关于光轴401对称的分割区域中具有面积重心。
如图21所示，在光瞳分割光圈412上配置有相对于光轴401配置在左上侧的第1开口部415和相对于光轴401配置在右下侧的第2开口部416。在第1开口部415中第1像素集合用光束通过，在第2开口部416中第2像素集合用光束通过。
如图21所示，在AF用摄像面414上配置有相对于光轴401配置在左上侧的第1摄像面417和相对于光轴401配置在右下侧的第2摄像面418。第1摄像面417二维地排列有多个像素(第1像素集合)，接收来自第1光瞳区域的第1像素集合用光束。第2摄像面418与第1摄像面417相同，二维地排列多个像素(第2像素集合)，接收来自第2光瞳区域的第2像素集合用光束。
当在第1方向A1上比较来自如下位置的像素的输出信号时可算出左右方向的相位差，该位置是与图22A所示的第1摄像面417和图22B所示的第2摄像面418相互对应的位置，当在第2方向B1上比较时可算出上下方向的相位差。由此，可根据这些信息来检测摄影镜头402的散焦量。
在第4实施方式中示出了将第1像素集合和第2像素集合在AF用摄像面414的面内分离为第1摄像面417和第2摄像面418的情况，不过也可以取而代之使摄像面共用化以时间分割进行分离。在该情况下，可利用2次时间分割来检测2个方向的相位差，所以能够缩短测距时间，并提高相对于移动的测距精度。
此外，关于其它结构、作用、效果与第1实施方式相同。
(第5实施方式)
图23是示出第5实施方式的摄像装置的概括结构的图。图24是从光轴501方向将遮光单元511与开口光圈504重叠示出的图、是示出遮光部512处于光轴501左上的状态的图。图25是从光轴501方向将遮光单元511与开口光圈504重叠示出的图、是示出遮光部512处于光轴501右下的状态的图。
第5实施方式是进行时间分割后生成第1光瞳区域和第2光瞳区域的摄像装置的实施方式。
如图23所示，在摄影镜头系统502的光轴501上配置有摄像元件503。摄影镜头系统502具备开口光圈504和配置在其物体侧附近的遮光单元511。
此外，虽然希望遮光单元511如图23所示配置在摄影镜头系统502内的开口光圈504附近，但不仅限于此。
如图24、图25所示，遮光单元511具备遮挡入射光的遮光部512和透过入射光的透明部513。该遮光部512通过在与光轴501垂直的面内移动遮光单元511，可获得夹着光轴501的2个位置。该2个位置处于由以光轴501为中心的水平线521和垂直线522划分的4个分割区域中的、关于光轴501对称的左上区域和右下区域内。遮光单元511通过未图示的驱动源进行驱动，使得成为如图24所示遮光部512处于光轴501左上的状态和如图25所示遮光部512处于光轴501右下的状态的任意一个。切换这2个状态的单元除了使遮光单元511在连接2个位置的方向上移动之外，还可以使遮光单元511以光轴501为中心进行旋转，也可以采用液晶及电致变色等来电切换透过状态和减光或遮光状态。
在图24所示的状态下，在形成摄像元件503的第1像素集合的多个像素中接收来自在光轴501的右下区域具有面积重心的第1光瞳区域的光束。在图25所示的状态下，在形成摄像元件503的第2像素集合的多个像素中接收来自在光轴501的左上区域具有面积重心的第2光瞳区域的光束。通过以时间分割来实现这2个状态，可进行相位差信息的检测，并算出在画面上各个部位的散焦量。另外，在图24和图25中可分别进行记录图像用的图像形成。尤其可通过使遮光部512位于光轴501附近，使从图24和图25的状态生成的记录用图像(摄影图像)大致相同，可在动态图像等中混合使用这两个状态。
(第6实施方式)
图26是示出第6实施方式的摄像装置的概括结构的图。图27是在摄像元件651上重叠示出遮光单元652的俯视图、是示出遮光单元652下部的2行像素未与摄像元件651重叠的状态的图。图28是在摄像元件651上重叠示出遮光单元652的俯视图、是示出遮光单元652上部的2行像素未与摄像元件651重叠的状态的图。图29是示出像素结构的剖视图、是与图27所示的状态对应的图。图30是示出像素结构的剖视图、是与图28所示的状态对应的图。
第6实施方式是进行时间分割后生成第1光瞳区域和第2光瞳区域的摄像装置的实施方式。
第6实施方式的摄像装置如图26所示在摄影镜头602的光轴601上配置有摄像元件651。在与该摄像元件651的各个像素的光电变换面660对应的位置上分别配置有片上透镜655。在片上透镜655的物体侧附近配置有用于假定出射光瞳的遮光单元652。该遮光单元652也可以是减光单元。
遮光单元652例如是遮光滤镜，针对摄像元件651的各个像素，分别设定由与摄像元件651的第1方向A1对应的线和与第2方向B1对应的线划分的4个分割区域。遮光单元652具备遮挡入射光的遮光区域653和入射光透过的透明区域654。
摄像元件651的多个像素由利用遮光区域653覆盖左上的第1像素集合661和利用遮光区域653覆盖右下的第2像素集合662构成。在图27、图28所示的状态中，以4像素为单位呈棋盘状交替地构成第1像素集合661和第2像素集合662。
构成第1像素集合661的各个像素利用遮光区域653覆盖像素的左上，在其以外的部分接收透过了作为第1光瞳区域的透明区域654的光。因此，与这些像素相对应地，在作为4个分割区域之一的像素的右下存在第1光瞳区域的面积重心。
另外，构成第2像素集合662的各个像素利用遮光区域653来覆盖像素的右下，在其以外的部分接收透过了作为第2光瞳区域的透明区域654的光。因此，与这些像素相对应地，在作为4个分割区域之一的像素的左上存在第2光瞳区域的面积重心。
这里，如图9所示配置第1像素集合以及第2像素集合，并采用图10所示的彩色滤镜，由此能够以与第1实施方式的情况同样的思考方法来获得彩色图像。
在图27所示的状态下，摄像元件651左上的4像素成为第2像素集合662。在相对于图27的状态使遮光单元652向上偏移2行的图28所示的状态下，摄像元件651左上的4像素成为第1像素集合661。因此，在图27的状态下为第1像素集合661的像素在图28的状态下是第2像素集合662，作为第2像素集合662的像素是第1像素集合。
在从图27的状态向图28的状态的切换中，可利用未图示的驱动单元使遮光部件移动，也可以使摄像元件移动。另外，使它们移动的驱动单元可与用于防止抖动的驱动系统兼用。
根据以上的结构，可通过比较图27和图28的状态下的来自同一像素的输出来取得相位差信息。
此外，可通过时间分割形成全部像素是第1像素集合661的状态和全部像素是第2像素集合662的状态。
接着，对采用透镜更换式的照相机系统作为第6实施方式的摄像装置时的处理流程进行说明。图31是示出第6实施方式的摄像装置的处理流程的流程图。图32是更详细地示出第6实施方式的透镜更换式照相机系统(摄像装置)结构的框图。
首先，在图32所示的透镜更换式照相机系统中，当在照相机主体(相机主体)700的主体卡口/透镜卡口结合部701上安装更换透镜800时，在照相机主体700侧检测透镜的安装(步骤S011)。
接着，将更换透镜800内的透镜信息记录部806所存储的伸出量(繰り出し量)信息、像差信息等传送并记录到照相机主体700内的透镜信息记录部703(步骤S021)。
使用者通过进行半按释放按钮(快门按钮)702等操作来向照相机控制器710输出测距开始的指示信号(步骤S031)。此时，可进行设定测距部位的处理。使用者可手动地设定该测距部位，也可以根据在照相机中预先设定的规则进行设定。
利用步骤S031，对摄像元件721的各个像素实施光电变换(步骤S041)。此时，可设定根据需要有选择地进行光电变换的像素。
进行了光电变换的信号通过ADC(模拟数字变换电路)722被变换为数字信号，并向预处理部717输出。在预处理部717中，以适合图像处理部715、711的处理的形式进行变换处理。另外，摄像元件721根据来自照相机控制器710所控制的TG(定时发生器)的输出进行动作。
利用步骤S031，将更换透镜800的变焦状态算出部812所存储的聚焦透镜位置信息传送并记录到照相机主体700内的透镜状态记录部704(步骤S051)。这里，在更换透镜800是变焦透镜的情况下，除了聚焦透镜位置信息之外还可以传送焦距状态的信息。聚焦透镜位置信息是变焦状态算出部812根据变焦透镜组位置检测部804所检测出的包含聚焦透镜801的摄影镜头系统802的位置信息，利用规定的方法算出的信息。
通过在步骤S041中实施的光电变换，图像处理部711取得测距部位的第1像素集合661的光电变换信息，并形成A像(步骤S061)。此时，可加上在步骤S021中取得的像差信息。
图像处理部712采用在步骤S061中取得的光电变换信息，形成用于取得水平方向的相位差信息的AH像(步骤S062)，并且形成用于取得垂直方向的相位差信息的AV像(步骤S063)。
另外，图像处理部711通过在步骤S041中实施的光电变换，取得测距部位的第2像素集合662的光电变换信息，并形成B像(步骤S071)。
此外，图像处理部712采用在步骤S071中取得的光电变换信息，形成用于取得水平方向的相位差信息的BH像(步骤S072)，并且形成用于取得垂直方向的相位差信息的BV像(步骤S073)。
接着，相位差量算出部713根据AH像和BH像算出相位差量SH(步骤S081)，根据AV像和BV像算出相位差量SV(步骤S082)。此外，相位差量算出部713根据相位差量SH、SV来算出用于计算散焦量的相位差量SD(步骤S101)。相位差量SD可以是相位差量SH和相位差量SV的平均值，也可从AV像、BV像、AH像以及BH像的对比度值等中采用被判断为精度高的相位差量SH、SV的值，还可以以手动的方式进行确定。
透镜驱动量算出部714在步骤S101中算出的相位差量SD是规定量内的情况下，判断为对焦状态，当超过规定量时判断为非对焦状态(步骤S111)。这里，可以根据由最小弥散圆直径算出的像面深度来设定规定量，也可以参照来自摄影镜头的信息。
当在步骤S111中判断为相位差量SD超过规定量时(在步骤S111中是“否”)，透镜驱动量算出部714根据相位差量SD、透镜信息记录部703所记录的伸出量信息和透镜状态记录部704所记录的聚焦透镜位置等信息来算出透镜伸出量D1(步骤S121)。伸出量D1的计算方法可使用与现有相位差AF相同的方法。此外，伸出量D1可以是伸出方向的量，也者可以是驱动聚焦透镜801的聚焦透镜驱动部803(电动机)的驱动脉冲等控制值。
照相机控制器710可将在步骤S121中算出的伸出量D1的信息向更换透镜800的透镜控制器810传送。聚焦透镜控制部811根据所传送的伸出量D1，利用聚焦透镜驱动部803，将聚焦透镜801驱动伸出量D1(步骤S131)。此时，聚焦透镜控制部811根据聚焦透镜位置检测部805所检测出的聚焦透镜801的位置信息来控制聚焦透镜驱动部803。此外，由照相机控制器710内的通信控制部718来控制照相机控制器710与透镜控制器810之间的通信。
在步骤S131中驱动聚焦透镜801之后，返回步骤S041、S051的步骤，照相机控制器710确认是否已成为对焦状态。
另一方面，在步骤S111中当透镜驱动量算出部714判断为相位差量SD是规定量以内时(在步骤S111中是“是”)，利用摄像元件721的各个像素进行光电变换(步骤S141)。图像处理部715根据进行了光电变换的信号来进行图像形成(步骤S151)。即，715生成摄影图像。所形成的图像在压缩部716中以规定的形式进行压缩，并记录到图像记录部731(图像记录单元)(步骤S161)。另外，将所压缩的图像显示到图像显示部732内。
在步骤S151中，除了图像形成之外，还可以利用透镜信息记录部703所记录的信息进行适合整体图像的图像处理。
图像记录部731可以是设置在照相机主体700内的存储器，也可以是安装到照相机主体700内的外部存储器。
如以上那样，在图31中，在步骤S131之后返回到步骤S041、步骤S051，当相位差量SD成为规定量以内(在步骤S111中是“是”)时进入步骤S141。与此相对，在AF速度优先的情况下，在步骤S131之后直接进到步骤S141，而不用返回到步骤S041、步骤S051。另外，即使在步骤S131之后返回到步骤S041、步骤S051的情况下，如果步骤S111中的判断超过规定次数则进到步骤S141，从而能够可靠地获得摄影图像。
接着，参照图33、图34说明采用透镜一体型照相机作为第6实施方式的摄像装置时的处理流程。图33是示出摄像装置的处理流程的流程图。图34是更详细地示出透镜一体型照相机(摄像装置)的结构的框图。
首先，在图33所示的流程开始之前，在照相机主体900的透镜信息记录部903中存储有伸出量信息、像差信息等数据。例如在拍摄动态图像的情况下，使用者通过进行半按释放按钮902等操作，将测距开始的指示信号输出至照相机控制器910(步骤S1031)。
将摄影镜头的聚焦透镜位置信息记录到透镜状态记录部974。在摄影镜头是变焦透镜的情况下，还可以存储焦距的状态(步骤S1051)。对摄像元件的各个像素实施光电变换(步骤S1041)。进行了光电变换的信号可利用ADC(模拟数字变换电路)922变换为数字信号，并输出到预处理部917。在预处理部917中，以适合图像处理部915、911的处理的形式进行变换处理。另外，摄像元件971根据来自照相机控制器910所控制的TG(定时发生器)的输出进行动作。
图像处理部915根据在步骤S1041中实施的光电变换进行图像形成(步骤S1151)。所形成的图像被压缩部916以规定的形式进行压缩，并记录到图像记录部931(图像记录单元)内(步骤S1161)。另外，将所压缩图像显示到图像显示部732上。
此外，这里将动态图像摄影作为前提进行说明，不过图33所示的步骤也可以应用于静态图像的情况。
利用步骤S1031，将透镜部950的变焦状态算出部962所存储的聚焦透镜位置信息传送并记录到透镜状态记录部974。这里，在透镜部950是变焦透镜的情况下，除了聚焦透镜位置信息之外还可以传送焦距状态的信息。聚焦透镜位置信息是变焦状态算出部962根据变焦透镜组位置检测部954所检测出的包含聚焦透镜951的摄影镜头系统952的位置信息，利用规定方法算出的信息。
另一方面，图像处理部912通过在步骤S1041中实施的光电变换，取得测距部位的第1像素集合661的光电变换信息，形成A像(步骤S1061)。此时，使用者能够以手动的方式来设定测距部位，也可以根据在照相机中预先设定的规则来进行设定。
此外，图像处理部912采用在步骤S1061中取得的光电变换信息来形成用于取得水平方向的相位差信息的AH像(步骤S1062)，并且形成用于取得垂直方向的相位差信息的AV像(步骤S1063)。
另外，图像处理部912通过在步骤S1041中实施的光电变换来取得测距部位的第2像素集合662的光电变换信息，并形成B像(步骤S1072)。此外，图像处理部912采用在步骤S1071中取得的光电变换信息，形成用于取得水平方向的相位差信息的BH像(步骤S1072)，并且形成用于取得垂直方向的相位差信息的BV像(步骤S1073)。
接着，相位差量算出部913根据AH像和BH像算出相位差量SH(步骤S1081)，根据AV像和BV像算出相位差量SV(步骤S1082)。此外，相位差量算出部913利用相位差量SH、SV来算出用于计算散焦量的相位差量SD(步骤S1101)。相位差量SD可以是相位差量SH与相位差量SV的平均值，也可以从AV像、BV像、AH像以及BH像的对比度值等中采用被判断为精度高的相位差量SH、SV的值，还能够以手动的方式进行确定。
接着，914根据相位差量SD、透镜信息记录部903所记录的伸出量信息和透镜状态记录部974所记录的聚焦透镜位置等信息来算出透镜伸出量D1(步骤S1121)。伸出量D1的计算方法可使用与现有相位差AF相同的方法。此外，伸出量D1可以是伸出方向的量，还可以是驱动聚焦透镜951的聚焦透镜驱动部952(电动机)的驱动脉冲等的控制值。另外，在动态图像中可考虑移动速度来决定驱动量。
照相机控制器910将在步骤S1121中算出的伸出量D1的信息向透镜部950的透镜控制器960传送。聚焦透镜控制部961根据所传送的伸出量D1，通过聚焦透镜驱动部952将聚焦透镜951驱动伸出量D1(步骤S1131)。此时，控制部961根据聚焦透镜位置检测部955所检测出的聚焦透镜951的位置信息来控制驱动部952。
在聚焦透镜951驱动之后，当根据照相机主体900上的开关等的操作而具有摄影结束指示时(在步骤S1171中是“是”)，结束摄影(步骤S1181)。如果没有摄影结束指示(在步骤S1171中是“否”)，则返回到步骤S1041的步骤，进行光电变换实施以后的处理。
此外，从步骤S1041到步骤S1131的处理可以是在进行多次步骤S1151、S1161的循环中进行一次的形式。
另外，根据条件，可在这些流程中加入对比度AF的流程。
此外，关于其它的作用、效果、变形例与上述透镜更换式的照相机系统的情况相同。
如以上那样，本发明的摄像装置在需要高测距精度和小型化兼顾的摄像装置中是有用的。
本发明的摄像装置起到了根据小型或较少的像素集合来获得高精度的测距信号这样的效果。

Claims (5)

1.一种摄像装置，其能安装摄影镜头或者固定有摄影镜头，其中，
该摄像装置具备摄像元件，
所述摄像元件具有2维排列的多个像素，
由所述多个像素至少形成第1像素集合和第2像素集合这两个像素集合，
假定出射光瞳，
在所述出射光瞳中设定由在与其光轴垂直的面内相互正交的2条直线划分的4个分割区域，
所述第1像素集合的像素结构是接收来自面积重心位于所述4个分割区域之一中的第1光瞳区域的光束，
第2光瞳区域的面积重心位于与具有所述第1光瞳区域的所述面积重心的分割区域关于所述光轴对称的分割区域中，
所述第2像素集合的像素结构是接收来自所述第2光瞳区域的光束，
在所述2条直线的方向中的至少一个方向上比较来自所述第1像素集合的信号和来自所述第2像素集合的信号，取得散焦信息。
2.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，
所述第1像素集合以及所述第2像素集合配置在用于形成图像的摄像元件内。
3.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，
从所述第1像素集合以及所述第2像素集合获得用于形成图像的信号。
4.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，
所述第1光瞳区域和所述第2光瞳区域至少分别处于所述面积重心所在的分割区域及其相邻的2个分割区域内，第1光瞳区域与所述第2光瞳区域在所述相邻的区域内具有重复部分。
5.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，
所述2条直线是相对于所述摄像元件的1边的水平方向的直线以及垂直方向的直线。
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