CN105407299A - 摄像装置及控制摄像装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种摄像装置及控制摄像装置的方法。在具有包括各自具有多个光电转换部和微透镜的多个单位像素的图像传感器的摄像装置中，能够利用第一扫描方法和第二扫描方法扫描图像传感器，第一扫描方法针对预定数量的单位像素将来自光电转换部的一部分的信号相加并读出这些信号，第二扫描方法针对预定数量的单位像素将来自光电转换部的信号相加并读出这些信号。如果散焦量大于阈值，则选择利用第二扫描方法读出的像素信号，而如果散焦量等于或小于阈值，则在利用第二扫描方法读出的像素信号和通过使用利用第一扫描方法读出的像素信号所获得的信号中选择较大的信号。

Description

摄像装置及控制摄像装置的方法
技术领域
本发明涉及一种摄像装置及控制摄像装置的方法。
背景技术
近年来，在诸如数码摄像机和数码照相机等的摄像装置中，随着图像传感器感光度的改善、图像处理的增强以及存储器容量的增加，以高像素数以及由于高速读出所带来的高帧率进行摄影变为可能。以高帧率进行摄影具有诸如增加AF速度以及提高视频质量等多方面优势，还需要进一步提高帧率。
另一方面，像素算术平均法被认为是用于使用具有高数量像素的摄像装置以高帧率拍摄具有相对低数量像素的运动图像的像素减少法。在像素算术平均法中，通过在图像传感器中对特定周期中的多个像素执行算术平均，从而减小数据速率并实现高帧率。日本特开第2010-259027号公报公开了通过使用行选择电路来同时从多个像素行中选择并输出信号、从而进行来自多个行的图像信号的算术平均数的输出。
然而，在同时选择并连接多个像素行的情况下，存在不再能确保动态范围的情况。特别是在同时连接的像素间的信号存在大的不同的情况下，上述问题变得突出。由于这个原因，在日本特开第2010-259027号公报中，通过根据同时连接的行的数量而增加用于驱动执行信号输出的像素的电流值、以及提高放大器电路的驱动能力，从而确保动态范围。然而，存在这样的问题：即由于用于驱动像素的电流值的提高，在读出期间电力消耗会增加。
发明内容
本发明是考虑到上述情形而提出的，并且在摄像装置中，抑制图像质量劣化的同时，也实现了高速读出，而不增加电力消耗。
根据本发明，提供了一种摄像装置，所述摄像装置包括：图像传感器，其包括多个单位像素，各个单位像素针对多个微透镜中的一个具有多个光电转换部；读出单元，其被配置为能够通过利用第一扫描方法和第二扫描方法扫描所述图像传感器来读出像素信号，所述第一扫描方法针对预定数量的单位像素将来自所述多个光电转换部的一部分的信号相加并读出，所述第二扫描方法针对预定数量的单位像素将来自所述多个光电转换部的信号相加并读出；检测单元，其被配置为获得散焦量；以及选择单元，其被配置为：针对各个读出像素信号，在所述散焦量大于预定阈值的情况下，选择利用所述第二扫描方法读出的像素信号，或者在所述散焦量小于或等于所述预定阈值的情况下，选择利用所述第二扫描方法读出的像素信号和使用利用所述第一扫描方法读出的像素信号而获得的信号中的较大信号。
根据本发明，提供了一种控制摄像装置的方法，所述摄像装置包括图像传感器，所述图像传感器包括多个单位像素，各个单位像素针对多个微透镜中的一个具有多个光电转换部，所述方法包括：通过利用第一扫描方法扫描所述图像传感器来读出像素信号，所述第一扫描方法针对预定数量的单位像素将来自所述多个光电转换部的一部分的信号相加并读出；通过利用第二扫描方法扫描所述图像传感器来读出像素信号，所述第二扫描方法针对所述预定数量的单位像素将来自所述多个光电转换部的信号相加并读出；获得散焦量；以及针对各个读出像素信号，在所述散焦量大于预定阈值的情况下，选择利用所述第二扫描方法读出的像素信号，或者在所述散焦量小于或等于所述预定阈值的情况下，选择利用所述第二扫描方法读出的像素信号和使用利用所述第一扫描方法读出的像素信号而获得的信号中的较大信号。
根据以下(参照附图)对示例性实施例的详细描述，本发明的其他特征将变得清楚。
附图说明
附图包含在说明书中并构成说明书的一部分，附图描述了本发明的示例性实施方式，并和说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是示出根据本发明的实施例的已经离开摄像装置的摄影透镜的出射光瞳、并正进入单位像素的光束的概念的图。
图2是示出根据实施例的摄像装置的功能结构的框图。
图3是示出根据实施例的图像传感器的结构的图。
图4是根据实施例的摄像装置的单位像素的电路图。
图5是示出根据第一实施例的处理的流程图。
图6是示出根据实施例的像素和散焦区域间的关系的概念图。
图7是示出根据第二实施例的处理的流程图。
图8是示出根据第三实施例的用于计算像素信号的条件的图。
具体实施方式
以下将参照附图详细描述本发明的示例性实施例。注意，在用于以下描述的图中，以相同的附图标记表示相同的构件。
第一实施例
首先，将描述在用于拍摄被摄体图像的通常图像传感器中实现相位差检测方法类型的焦点检测的原理。图1是示意性示出已从摄影透镜的出射光瞳离开的光束入射到图像传感器的一个单位像素上的情形的视图。单位像素100具有第一光电二极管(PD)101A和第二光电二极管(PD)101B，并被滤色器302和微透镜303覆盖。
关于具有微透镜303的像素，摄影透镜的出射光瞳304的中心是光轴305。通过出射光瞳304的光以光轴305为中心进入单位像素100。另外，如图1所示，通过作为摄影透镜的出射光瞳304的区域的一部分的光瞳区域306的光束通过微透镜303被第一PD101A接收。类似地，通过作为摄影透镜的出射光瞳304的区域的一部分的光瞳区域307的光束通过微透镜303被第二PD101B接收。因此，第一PD101A和第二PD101B各自接收已通过出射光瞳304的不同的区域的光。因此，通过比较来自第一PD101A和第二PD101B的信号能够执行相位差检测。
在下文中，从第一PD101A获得的信号将被称为A图像信号，从第二PD101B获得的信号将被称为B图像信号。另外，(A+B)图像信号是将来自第一PD101A的信号和来自第二PD101B的信号相加并读出的信号，并能够被用来拍摄图像。
接下来，图2中的框图示出了根据第一实施例的摄像装置的结构。通过透镜驱动电路1110对摄影透镜1111执行变焦控制、调焦控制、光圈控制等，并在图像传感器1101上形成被摄体的光学图像。在图像传感器1101中以矩阵配置具有图1所示结构的多个单位像素100，并且在图像传感器1101上形成的被摄体图像被转换为电气图像信号并被从图像传感器1101中输出。信号处理电路1103对从图像传感器1101输出的图像信号执行各种类型的校正，并压缩数据。另外，信号处理电路1103生成B图像信号作为从图像传感器1101获得的A图像信号和(A+B)图像信号间的差分信号。
定时生成电路1102输出用于驱动图像传感器1101的定时信号。整体控制/操作电路1104执行各种类型的操作，并控制摄像装置的整体操作，包括图像传感器1101的操作。整体控制/操作电路1104还利用A图像信号和B图像信号执行相位差检测方法类型的焦点状态检测操作，并计算散焦量。信号处理电路1103输出的图像数据被临时存储到存储器1105中。非易失性存储器1106存储程序、各种类型的阈值、针对各个摄像装置而不同的调整值等。显示电路1107显示各种类型的信息和所拍摄的图像。记录电路1108是诸如用于执行图像数据的记录和读出的半导体存储器等的执行从/向可拆卸记录介质读取/写入的电路。操作电路1109包括以开关、按钮、触摸面板等为代表的输入设备组，并接收针对摄像装置的用户指令。
接下来，将利用图3和图4描述图像传感器1101的结构示例。图3是示出图像传感器1101的整体结构的示例的视图。图像传感器1101包括像素区域1、垂直扫描电路2、读出电路3、水平扫描电路4以及输出放大器5。在像素区域1中以矩阵配置多个单位像素100。这里，为方便描述示出了配置为4×4的16个像素，但实际上以矩阵配置一百万或更多个单位像素。如图1中所示，各个单位像素100包括第一PD101A和第二PD101B。在本实施例中，垂直扫描电路2以一行为单位选择像素区域1中的像素，并将驱动信号发送给所选择行中的像素。读出电路3包括针对各列的列读出电路，放大来自单位像素100的输出信号，并执行输出信号的采样保持。水平扫描电路4发送用于针对各列而将由读出电路3采样保持的信号顺次输出给输出放大器5的信号。通过水平扫描电路4的操作，输出放大器5将从读出电路3输出的信号输出给信号处理电路1103。通过来自定时生成电路1102的定时信号驱动垂直扫描电路2、读出电路3及水平扫描电路4。
图4是示出在任意列中已被连接的单位像素100的结构示例的电路图。以下是行n的像素电路的描述，但从行n+1之后的单位像素100具有类似的结构，因此其结构没有在图中示出。关于驱动信号，为了区分行，行数后缀被附加到各个驱动信号。
第一传送开关102A和第二传送开关102B分别连接到第一PD101A和第二PD101B。另外，第一传送开关102A和第二传送开关102B的输出通过浮动扩散(FD)区域103连接到放大器104。复位开关105连接到FD区域103，选择开关106连接到放大器104的源极。
第一PD101A和第二PD101B接收已通过相同微透镜303的光，并起到生成与所接收光的量相对应的信号电荷的光电转换部的作用。第一传送开关102A和第二传送开关102B起到将第一PD101A和第二PD101B生成的电荷传送给通用FD区域103的传送单元的作用。另外，通过来自垂直扫描电路2的传送脉冲信号PTXAn和PTXBn分别控制第一传送开关102A和第二传送开关102B。
FD区域103临时保持从第一PD101A和第二PD101B传送的电荷，并起到将所保持的电荷转换成电压信号的电荷/电压转换单元的作用。放大器104是放大FD区域103所转换的电压信号的源极跟随器MOS晶体管，并将电压信号作为像素信号输出。
在传送脉冲信号PTXAn是H且PTXBn是L的情况下，只有第一PD101A的电荷被传送给FD区域103，且能够经由放大器104读出A图像信号。另外，当传送脉冲信号PTXAn和PTXBn都被控制为H时，第一PD101A和第二PD101B的电荷被传送给FD区域103。为此，A图像信号与B图像信号相加的信号，即(A+B)图像信号，能够经由放大器104而读出。在信号处理电路1103中，从读出的A图像信号和(A+B)图像信号间的差计算B图像信号，并通过公知的相位差运算来计算散焦量。
通过来自垂直扫描电路2的复位脉冲信号PRESn控制复位开关105，且FD区域103的电位被复位为基准电位VDD108。
在需要高分辨率图像(诸如静止图像摄影中的图像)的情况下，通过垂直扫描电路2由垂直选择脉冲信号PSELn来控制各列(换句话说，相当于一行)的一个选择开关106。然后，由放大器104放大后的电压信号被作为像素信号输出给垂直输出线107。输出给垂直输出线107的像素信号被读出到读出电路3，且通过水平扫描电路4的操作从读出电路3输出的信号被通过输出放大器5顺次读出。类似地，通过继续行n+1行、行n+2等等的模式来读出来自各单位像素的像素信号。当读出A图像信号(第三扫描方法)与读出(A+B)图像信号(第四扫描方法)时，这种读出是类似的。
另一方面，由于在运动图像摄影中要求具有高时间分辨率的图像，因此，为了减少像素数量以增加读出速度的目的，同时选择垂直方向上的数个像素，并获得算术平均数。例如，在滤色器302为具有公知的拜耳配置的原色滤波器且要将三个像素相加的情况下，通过垂直扫描电路2、利用例如垂直选择脉冲信号PSELn、PSELn+2以及PSELn+4而同时开启各列中的三个选择开关106。通过这种方式，获得像素重心是行n+2的像素信号，并通过放大器104将电压信号的算术平均数输出给垂直输出线107。另外，为了获得下一行的像素输出，通过垂直扫描电路2同时将例如垂直选择脉冲信号PSELn+3、PSELn+5及PSELn+7设置为H。在此情况下的像素信号的像素重心是行n+5，并以三行间隔出现像素重心，因此能够读出垂直方向上被缩小为三分之一的图像信号。当读出A图像信号(第一扫描方法)与读出(A+B)图像信号(第二扫描方法)时，这种读出是类似的。
注意，当拍摄不要求高分辨率的静止图像时，也仅需要执行与用于运动图像摄影的读出方法类似的读出。
接下来，将以进行运动图像摄影为例、利用图5中的流程图解释根据第一实施例的图像形成方法。
当给出运动图像开始指令时，在步骤S501中将帧数N复位为1。接下来，在步骤S502中，获得第一帧的A图像信号和(A+B)图像信号。这里，在第N帧中的坐标(x，y)处的像素的A图像信号输出由A(x，y，n)表示，而(A+B)图像信号输出由AB(x，y，N)表示，此外，散焦量由D(x，y，N)表示。通常，经常针对如图6中等各个区域定义散焦量，因此，在那种情况下，散焦量是具有相应坐标的像素所属的区域的散焦量。
在步骤S503中，从第一帧中的A图像信号和作为从(A+B)图像信号中减去A图像信号时的差的B图像信号中计算散焦量D(x，y，1)。然后，在步骤S504中，获得第(N+1)帧(在第一例程中的第二帧)的A图像信号和(A+B)图像信号，并在步骤S505中计算散焦量D(x，y，N+1)。
在步骤S506中，基于第N帧中的各个像素的散焦量D(x，y，N)来确定第(N+1)帧中的最终图像信号P(x，y，N+1)。在第一实施例中，在第N帧的散焦量D(x，y，N)大于预定阈值Dth或不能计算出的情况下，使用以下等式。
P(x，y，N+1)＝AB(x，y，N+1)
注意，阈值Dth被恰当设置为根据摄影透镜1111的焦距、景深等而被认为是处于对焦或近似对焦的值。
在第N帧的散焦量D(x，y，N)小于或等于预定阈值Dth的情况下，使用以下等式。
P(x，y，N+1)＝Max{AB(x，y，N+1)，2×A(x，y，N+1)}对与针对第(N+1)帧的图像输出相关的全部像素坐标(x，y)执行上述处理。
注意，使用前一个帧的散焦量D(x，y，N)的理由是：由于通信时间和操作处理的原因，很难立即使用第(N+1)帧的散焦量D(x，y，N+1)。然而，在例如处理具有低分辨率的静止图像的情况下，也能够使用第(N+1)帧的散焦量D(x，y，N+1)。
通常，在散焦量小的区域中，A图像信号的输出和B图像信号的输出大致相等。然而，如果被用于像素相加的像素间存在大的信号差，则存在不能获得期望的算术平均数的情况，且作为两个光电二极管101A和101B的加算输出的(A+B)图像信号会更加显著地出现。鉴于此，作为原始图像信号的(A+B)图像信号和两倍的A图像信号的信号输出中较大的那个将成为第(N+1)帧的最终图像信号P(x，y，N+1)。
然后，在步骤S507中增加帧数N，然后处理返回至步骤S504，直到给出结束运动图像摄影的指令为止。
如上文所述，通过基于散焦量确定像素信号，能够补偿输出算术平均数时出现的动态范围的损失，而未增加电力消耗。
第二实施例
接下来，利用图7中的流程图描述本发明的第二实施例中的图像形成方法。与第一实施例的不同是以下点：即在第二实施例中在步骤S506中仅对G像素执行以两倍A图像信号替换最终图像信号的操作。通常，图像传感器1101与人体相对发光度因素匹配，因此在图像传感器1101被原色滤波器302覆盖的情况下，G像素的感光度最高。为此，当获得算术平均数时，只替换可能出现动态范围损失的G像素。注意，在图7中，与图5中类似的处理被分配了相同的步骤编号。
当进行了开始运动图像摄影的指令时，在步骤S501中帧数N被复位为1。接下来，在步骤S502中，获得第一帧中的A图像信号和(A+B)图像信号。在步骤S503中，从第一帧中的A图像信号和通过从(A+B)图像信号中减去A图像信号而获得的B图像信号中计算散焦量D(x，y，1)。然后，在步骤S504中，获得第(N+1)帧的A图像信号和(A+B)图像信号，并在步骤S505中计算散焦量D(x，y，N+1)。
接下来，在步骤S706中，基于第N帧中的各个像素的散焦量D(x，y，N)确定第(N+1)帧中的最终图像信号P(x，y，N+1)。在第二实施例中，在图像信号P(x，y，N+1)中，R像素由R(x，y，N+1)表示，G像素由G(x，y，N+1)表示，而B像素由B(x，y，N+1)表示。对于R像素和B像素，无论散焦量D(x，y，N)为何，都将作为第(N+1)帧的(A+B)图像信号的AB(x，y，N+1)原封不动地用作最终图像信号。另一方面，对于G像素，在第N帧的散焦量D(x，y，N)大于预定阈值Dth或不能计算出的情况下，使用以下等式。
G(x，y，N+1)＝AB(x，y，N+1)
另外，在第N帧的散焦量D(x，y，N)小于或等于预定阈值Dth的情况下，使用以下等式。
G(x，y，N+1)＝Max{AB(x，y，N+1)，2×A(x，y，N+1)}
对与第(N+1)帧中的图像输出相关的全部像素坐标执行上述处理。
然后，在步骤S507中增加帧数N，然后处理返回至步骤S504，直到给出结束运动图像摄影的指令为止。
如上文所述，能够针对G像素补偿在通过参照散焦量输出算术平均数时出现的动态范围的损失，并且针对R像素和B像素，作为原始图像信号的(A+B)图像信号被原封不动地用作图像输出。因此，能够抑制算术平均数特有的图像质量劣化，同时也将图像质量的劣化止于所需的最低限。
第三实施例
接下来将描述本发明的第三实施例。在第三实施例中，代替第一实施例的步骤S506中执行的以两倍(多倍)A图像信号替换最终图像信号的操作，而执行以(A+B)图像信号和A图像信号的加权平均数来替换最终图像信号的操作，其中在帧间连续改变权重。
图8是在第三实施例的步骤S506中用于计算最终图像信号P(x，y，N+1)的条件的表。“帧”列以符号示出了各个帧中散焦量的状态，并在右栏列出了针对相应条件的图像信号P(x，y，N+1)的计算公式。
例如，在第三行的条件是从第(N-1)帧开始的两个连续帧中的散焦量为Dth或更少的情况下，P(x，y，N+1)的值是AB(x，y，N+1)和{AB(x，y，N+1)+4×A(x，y，N+1)}/3中较大的值。后者的值是(A+B)图像信号(x，y，N+1)和两倍A图像信号A(x，y，N+1)以1∶2的权重得到的加权平均数。
因此，在作为原始图像信号的(A+B)图像信号AB(x，y，N+1)为较大的信号的情况下，总是优先该图像信号的输出。然而，如果该图像信号不是较大的，则具有小于或等于Dth的散焦量的帧(即对焦的帧)继续得越久，权重改变的越大，从而逐渐接近A图像信号的输出的两倍。
这样，通过使用与多个帧对应的散焦量确定最终像素信号，除了与第一实施例类似的效果之外，还能抑制跟随合焦的帧后的帧中突然颜色变化造成的违和感。
尽管参照示例性实施例描述了本发明，但应当了解，本发明并不限于所公开的示例性实施例，在不违背本发明的主旨的范围内可以进行各种变化和改动。在上文所述的第一至第三实施例中，A图像信号具有视差，与(A+B)图像信号相比具有低感光度，因此结构为基于从图像传感器获得的散焦量而以A图像信号替换(A+B)图像信号。然而，即使在以下结构中也能获得类似的效果：即基于从配置在与图像传感器不同的摄像光学系统中的相位差传感器中获得的散焦量而以A图像信号替换(A+B)图像信号的结构。
应当对下列权利要求的范围赋予最宽的解释，以使其涵盖所有这些变型例以及等同的结构及功能。

Claims (10)

1.一种摄像装置，所述摄像装置包括：
图像传感器，其包括多个单位像素，各个单位像素针对多个微透镜中的一个具有多个光电转换部；
读出单元，其被配置为能够通过利用第一扫描方法和第二扫描方法扫描所述图像传感器来读出像素信号，所述第一扫描方法针对预定数量的单位像素将来自所述多个光电转换部的一部分的信号相加并读出，所述第二扫描方法针对预定数量的单位像素将来自所述多个光电转换部的信号相加并读出；
检测单元，其被配置为获得散焦量；以及
选择单元，其被配置为：针对各个读出像素信号，在所述散焦量大于预定阈值的情况下，选择利用所述第二扫描方法读出的像素信号，或者在所述散焦量小于或等于所述预定阈值的情况下，选择利用所述第二扫描方法读出的像素信号和使用利用所述第一扫描方法读出的像素信号而获得的信号中的较大信号。
2.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，在所述散焦量小于或等于所述阈值的情况下，所述选择单元从利用所述第二扫描方法所读出的像素信号和作为利用所述第一扫描方法读出的像素信号的若干倍而获得的信号中选择较大的信号。
3.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，所述多个单位像素被原色滤波器覆盖，以及，在R和B像素信号的情况下，无论所述散焦量为何，所述选择单元都选择利用所述第二扫描方法读出的像素信号，而在G像素信号的情况下，所述选择单元基于所述散焦量执行选择。
4.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，在所述散焦量小于或等于所述阈值的情况下，所述选择单元从利用所述第二扫描方法所读出的像素信号、以及作为利用所述第一扫描方法读出的像素信号和利用所述第二扫描方法读出的像素信号的加权平均数的信号中选择较大的信号。
5.根据权利要求4所述的摄像装置，其中，所述选择单元基于与多个帧对应的散焦量而改变所述加权平均数的权重，并且只要所述多个帧中的各个帧的散焦量连续小于或等于所述阈值，就增加利用所述第一扫描方法读出的像素信号的权重。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的摄像装置，其中，所述检测单元基于利用所述第一扫描方法读出的像素信号和利用所述第二扫描方法读出的像素信号而计算散焦量。
7.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，所述检测单元具有与所述图像传感器不同的光电转换部，并基于从所述不同的光电转换部获得的信号而获得所述散焦量。
8.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，所述摄像装置能够执行静止图像摄影和运动图像摄影，以及，在所述运动图像摄影中，所述读出单元利用所述第一扫描方法和所述第二扫描方法执行扫描，而在所述静止图像摄影中，利用第三扫描方法和第四扫描方法执行扫描，在所述第三扫描方法中，从来自所述多个单位像素的各个单位像素的所述多个光电转换部的一部分中读出信号，而在所述第四扫描方法中，从所述多个单位像素的各个单位像素中，将来自所述多个光电转换部的信号相加并读出。
9.根据权利要求8所述的摄像装置，其中，在所述运动图像摄影中，所述选择单元基于在前一帧的定时获得的散焦量执行选择。
10.一种控制摄像装置的方法，所述摄像装置包括图像传感器，所述图像传感器包括多个单位像素，各个单位像素针对多个微透镜中的一个具有多个光电转换部，所述方法包括：
通过利用第一扫描方法扫描所述图像传感器来读出像素信号，所述第一扫描方法针对预定数量的单位像素将来自所述多个光电转换部的一部分的信号相加并读出；
通过利用第二扫描方法扫描所述图像传感器来读出像素信号，所述第二扫描方法针对预定数量的单位像素将来自所述多个光电转换部的信号相加并读出；
获得散焦量；以及
针对各个读出像素信号，在所述散焦量大于预定阈值的情况下，选择利用所述第二扫描方法读出的像素信号，或者在所述散焦量小于或等于所述预定阈值的情况下，选择利用所述第二扫描方法读出的像素信号和使用利用所述第一扫描方法读出的像素信号而获得的信号中的较大信号。
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