CN110312957A - 焦点检测设备、焦点检测方法和焦点检测程序 - Google Patents

焦点检测设备、焦点检测方法和焦点检测程序 Download PDF

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Abstract

[问题]提供各自可以校正由焦点检测信号之间的形状差异引起的焦点检测误差并且以高精度进行焦点检测的焦点检测设备、焦点检测方法和焦点检测程序。[解决方案]一种焦点检测设备，用于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所获得的像素信号来进行焦点检测，所述焦点检测设备包括：获取部件，用于获取所述像素信号；信号生成部件，用于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焦点检测信号；以及焦点检测部件，用于基于所述多个焦点检测信号来计算检测散焦量，并且通过基于与所述不同光瞳区域相对应的相位传递函数而校正所述检测散焦量来计算校正散焦量。

Description

焦点检测设备、焦点检测方法和焦点检测程序
技术领域
本发明涉及焦点检测设备、焦点检测方法和焦点检测程序。
背景技术
传统上，已知有使用在各像素上形成微透镜的二维图像传感器通过相位差检测方法来进行摄像透镜的焦点检测的摄像设备。
专利文献1公开了在包括多个像素的二维图像传感器的一部分上布置有一对焦点检测像素的摄像设备。该对焦点检测像素被配置为通过具有开口部的遮光层接收来自摄像透镜的出射光瞳上的不同区域的光，并且提供光瞳分割。通过布置在二维图像传感器的大部分上的摄像像素来获取摄像信号，并且从来自部分布置的焦点检测像素的焦点检测信号获得图像偏移量，以进行焦点检测。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2000-156823
发明内容
发明要解决的问题
然而，在专利文献1所公开的摄像设备中，由微透镜分割得到的各部分光瞳区域具有不同的形状，因而在焦点检测信号之间发生形状差异。结果，各空间频带的有效基线长度改变，并且焦点检测精度下降。
鉴于上述问题，本发明的目的是提供各自可以校正由焦点检测信号之间的形状差异引起的焦点检测误差、并且以高精度进行焦点检测的焦点检测设备、焦点检测方法和焦点检测程序。
用于解决问题的方案
根据本发明的一方面的一种焦点检测设备，用于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进行焦点检测，所述焦点检测设备包括：获取部件，用于获取所述像素信号；信号生成部件，用于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焦点检测信号；以及焦点检测部件，用于基于所述多个焦点检测信号来计算检测散焦量，并且通过基于与所述不同光瞳区域相对应的相位传递函数而校正所述检测散焦量来计算校正散焦量。
根据本发明的另一方面的一种焦点检测方法，用于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进行焦点检测，所述焦点检测方法包括：获取步骤，用于获取所述像素信号；信号生成步骤，用于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焦点检测信号；以及焦点检测步骤，用于基于所述多个焦点检测信号来计算检测散焦量，并且通过基于与所述不同光瞳区域相对应的相位传递函数而校正所述检测散焦量来计算校正散焦量。
根据本发明的又一方面的一种焦点检测程序，用于控制焦点检测设备，所述焦点检测设备用于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，所述焦点检测程序使计算机用作：获取部件，用于获取所述像素信号；信号生成部件，用于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焦点检测信号；以及焦点检测部件，用于基于所述多个焦点检测信号来计算检测散焦量，并且通过基于与所述不同光瞳区域相对应的相位传递函数而校正所述检测散焦量来计算校正散焦量。
发明的效果
本发明可以提供各自可以校正由焦点检测信号之间的形状差异引起的焦点检测误差、并且以高精度进行焦点检测的焦点检测设备、焦点检测方法和焦点检测程序。
附图说明
图1是示出具有根据第一实施例的焦点检测设备的摄像设备的结构的框图。
图2是示出根据第一实施例的像素阵列的图。
图3是示出根据第一实施例的像素构造的图。
图4是用于说明根据第一实施例的图像传感器中的像素与部分光瞳区域之间的对应关系的图。
图5是用于说明根据第一实施例的成像光学系统和图像传感器中的光瞳分割的图。
图6是示出根据第一实施例的散焦量和图像偏移量之间的关系的图。
图7是根据第一实施例的由光瞳偏移引起的有效F值的说明图。
图8是根据第一实施例的在光入射到各像素上所形成的微透镜的情况下的光强度分布的说明图。
图9是示出根据第一实施例的光瞳强度分布的图。
图10是根据第一实施例的傅里叶变换后的光瞳强度分布的图。
图11是示出根据第一实施例的针对各空间频率的光瞳强度分布的分量的图。
图12是示出根据第一实施例的所设置的散焦量和所检测到的散焦量之间的关系的图。
图13是示出根据第一实施例的校正系数的图。
图14是示出根据第一实施例的焦点检测方法的流程图。
图15是示出根据第二实施例的像素阵列的图。
图16是示出根据第二实施例的像素构造的图。
具体实施方式
现在将参考附图来说明根据本发明的实施例。各个图中的相应元件由相同的附图标记指定，并且将省略对这些元件的说明。
尽管本实施例说明了将本发明应用于诸如数字照相机等的摄像设备，但本发明可广泛应用于诸如焦点检测设备、信息处理设备和电子设备等的不同于摄像设备的设备。
第一实施例
[一般结构]
图1是示出具有根据本实施例的焦点检测设备的摄像设备100的结构的框图。摄像设备100是包括照相机本体和可拆卸地安装至照相机本体的可更换镜头(成像光学系统或摄像光学系统)的数字照相机系统。然而，本发明不限于本实施例，并且也可应用于照相机本体和镜头彼此一体化的摄像设备。
成像光学系统(摄像光学系统)生成被摄体的被摄体图像(光学图像)。第一透镜单元101布置在构成成像光学系统的多个透镜单元中的最前侧(被摄体侧)，并且由透镜筒保持以沿着光轴OA前后移动。光圈/快门(光圈)102通过调节开口直径来调节摄像时的光量，并且用作静止摄像时的曝光时间调节快门。第二透镜单元103与光圈/快门102一体地沿着光轴OA前后移动，并且具有与第一透镜单元101的前后移动操作相关联地进行变焦操作的变焦功能。第三透镜单元105是通过沿着光轴OA前后移动来进行调焦(调焦操作)的调焦透镜单元。光学低通滤波器106是减轻拍摄图像中的伪色和摩尔纹的光学元件。
图像传感器107包括例如CMOS传感器或CCD传感器及其周边电路，并且进行被摄体图像的光电转换。图像传感器107使用例如二维单板颜色传感器，其中在该二维单板颜色传感器上，在水平方向上具有m个像素且垂直方向上具有n个像素的受光像素上按拜尔阵列形成有片上原色马赛克滤波器。
在变倍操作中，变焦致动器111移动(驱动)凸轮筒(未示出)以使第一透镜单元101和第二透镜单元103沿着光轴OA移动。光圈/快门致动器112在调节光量(摄像光量)时调节光圈/快门102的开口直径。调焦致动器114在调焦期间使第三透镜单元105沿着光轴OA移动。
电子闪光灯115是用于对被摄体进行照明的照明设备。电子闪光灯115使用具有氙气管的闪光灯照明设备或者具有连续发光LED(发光二极管)的照明设备。AF辅助光源116将具有预定开口图案的掩模的图像经由投影透镜投影到被摄体上。该结构可以提高针对暗被摄体或低对比度被摄体的焦点检测能力。
CPU 121是控制摄像设备100的各种控制的控制设备(控制部件)。CPU 121包括计算器、ROM、RAM、A/D转换器、D/A转换器和通信接口电路等。CPU 121读出并执行ROM中所存储的预定程序以驱动摄像设备100的各种电路，并且控制诸如焦点检测(AF)、摄像、图像处理和记录等的一系列操作。
CPU 121还包括像素信号获取部件(获取部件)121a、信号生成部件121b、焦点检测部件121c和镜头信息获取部件121d。
电子闪光灯控制电路122与摄像操作同步地进行电子闪光灯115的点亮控制。辅助光源驱动电路123与焦点检测操作同步地进行AF辅助光源116的点亮控制。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，并将该图像信号发送至CPU 121。图像处理电路(图像处理设备)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JPEG(联合图像专家组)压缩等的处理。
调焦驱动电路126基于焦点检测结果来驱动调焦致动器114，并且通过使第三透镜单元105沿着光轴OA移动来进行调焦。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，并且还控制静止图像拍摄时的曝光时间。变焦驱动电路129根据拍摄者的变焦操作来驱动变焦致动器111，以使第一透镜单元101和第二透镜单元103沿着光轴OA移动从而进行变倍操作。
镜头通信电路130与安装至照相机本体的可更换镜头进行通信，以获取可更换镜头的镜头信息。将所获取的镜头信息输出至CPU 121中的镜头信息获取部件121d。
显示单元131包括例如LCD(液晶显示器)。显示单元131显示与摄像设备100的摄像模式有关的信息、摄像之前的预览图像、摄像之后的确认图像、或者焦点检测时的聚焦状态显示图像。操作单元132包括电源开关、释放(摄像触发)开关、变焦操作开关和摄像模式选择开关等。释放开关具有半按下状态(SW1接通)和全按下状态(SW2接通)的两级开关。记录介质133例如是从摄像设备100可移除的闪速存储器，并且记录拍摄图像(图像数据)。存储器134以预定格式存储拍摄图像等。
[图像传感器]
现在将参考图2和图3来说明根据本实施例的图像传感器(二维CMOS传感器)107的像素阵列和像素构造。图2是示出图像传感器107的像素(摄像像素)阵列的图。图3示出图像传感器107的像素构造，图3(a)是(从+z方向观看的)图像传感器107的像素200G的平面图，并且图3(b)是(从-y方向观看的)沿着图3(a)中的线a-a所截取的截面图。
图2用4列×4行的范围示出图像传感器107的像素阵列。在本实施例中，各像素(像素200R、200G和200B)具有两个子像素201和202。因而，图2用8列×4行的范围示出子像素阵列。
如图2所示，在2列×2行的像素单元200中，像素200R、200G和200B按拜尔阵列配置。换句话说，像素单元200包括位于左上方的具有R(红色)的光谱灵敏度的像素200R、位于右上方和左下方的具有G(绿色)的光谱灵敏度的像素200G、以及位于右下方的具有B(蓝色)的光谱灵敏度的像素200B。像素200R、200G和200B具有排列成2列×1行的子像素(焦点检测像素)201和202。子像素(第一子像素)201是接收穿过了成像光学系统的第一光瞳区域的光束的像素。子像素(第二子像素)202是接收穿过了成像光学系统的第二光瞳区域的光束的像素。
如图2所示，图像传感器107在表面上具有4列×4行的大量像素(8列×4行的子像素)，并且输出摄像信号(子像素信号)。根据本实施例的图像传感器107的像素周期P是6μm，并且其像素数N是6000列×4000行＝2400万个像素。此外，图像传感器107的子像素的列方向上的周期PSUB是3μm，并且其子像素数NSUB是12000列×4000行＝48万个像素。像素数不限于该示例，并且可以在水平方向上设置8000列以上以实现8K运动图像。此外，在像素阵列中具有子像素的像素和不具有子像素的像素(非分割像素)可以混合存在。
如图3(b)所示，根据本实施例的像素200G具有用于使入射光会聚在像素的受光面侧的微透镜305。多个微透镜305是二维排列的，并且在z轴方向(光轴OA的方向)上与受光面分离了预定距离。此外，像素200G还具有在x方向上被Nx分割(2分割)并且在y方向上被Ny分割(1分割)的分割数NLF＝Nx×Ny(分割数2)的光电变换器301和302。光电变换器301和302分别对应于子像素201和202。
光电转换器301和302各自被配置为具有本征层夹持在p型层和n型层之间的pin结构的光电二极管。在需要的情况下，本征层可以省略并被配置为pn结光电二极管。像素200G(各像素)包括在微透镜305与光电转换器301和302之间的滤色器306。在需要的情况下，可以针对各像素或各光电转换器改变的滤色器306的光谱透射率，或者可以省略滤色器。在省略滤色器的情况下，可以提供在可见光区域中具有高透射率的白色的光谱透射率，或者可以在红外光区域中提供光谱透射率。
入射到像素200G上的光由微透镜305收集，由滤色器306分离，然后由光电转换器301和302接收到。在光电变换器301和302中，根据受光量来生成电子和空穴的对，并且在这些电子和空穴的对被耗尽层分离之后，使负电荷的电子储存在n型层中。另一方面，空穴通过连接至恒定电压源(未示出)的p型层被排出到图像传感器107的外部。累积在光电变换器301和302的n型层中的电子经由传输门被传送至静电电容单元(FD)并被转换成电压信号。尽管优选光电转换器301的深度对于各像素是共同的，但在一些像素(诸如具有B的光谱灵敏度的像素200B)中，深度可以改变(变浅)。
现在将参考图4来说明图像传感器107的光瞳分割功能。图4是用于说明图像传感器107的像素200G与部分光瞳区域之间的对应关系的图。图4是从+y侧观看的图3(a)所示的像素构造的a-a截面的截面图，并且示出成像光学系统的出射光瞳面。在图4中，为了对应于出射光瞳面的坐标轴，该截面图的x轴和y轴相对于图3的x轴和y轴分别反转。
来自被摄体的光束穿过成像光学系统中的出射光瞳400并且入射到各像素。光瞳区域500是成像光学系统的光瞳区域中的、可以被在组合所有的光电转换器301和302(子像素201和202)时的整个像素200G接收的光瞳区域。部分光瞳区域(第一部分光瞳区域)501经由微透镜305与重心沿-x方向偏心的光电转换器301的受光面具有大致共轭关系。因而，部分光瞳区域501表示可以被子像素201接收的光瞳区域。部分光瞳区域501的重心在光瞳面上向着+x侧偏心。部分光瞳区域(第二部分光瞳区)502经由微透镜305与重心沿+x方向偏心的光电转换器302的受光面具有大致共轭关系。因而，部分光瞳区域502表示可以被子像素202接收的光瞳区域。子像素202的部分光瞳区域502的重心在光瞳面上向着-x侧偏心。
子像素201实际上接收来自作为出射光瞳400和部分光瞳区域501彼此重叠的区域的AF光瞳(第一AF光瞳)601的光。子像素202实际上接收来自作为出射光瞳400和部分光瞳区域502彼此重叠的区域的AF光瞳(第二AF光瞳)602的光。
图5是用于说明成像光学系统和图像传感器107中的光瞳分割的图。穿过了AF光瞳601和602的光束以相对于图像传感器107的各像素的不同角度入射图像传感器107的摄像面600，并且被2×1分割后的子像素201和202接收。本实施例说明了在水平方向上对光瞳区域进行2分割的示例，但本发明不限于本实施例，并且在需要的情况下可以在垂直方向上进行光瞳分割。
在本实施例中，图像传感器107包括共用一个微透镜并且接收穿过成像光学系统(摄像透镜)中的不同光瞳区域的多个光束的多个子像素。图像传感器107包括第一子像素(多个子像素201)和第二子像素(多个子像素202)作为多个子像素。另外，成像光学系统可以具有接收穿过AF光瞳601和602的组合区域的光束的像素的阵列。在图像传感器107中，各像素具有第一子像素和第二子像素。然而，在需要的情况下，摄像像素以及第一子像素和第二子像素可以是单独的像素结构，并且第一子像素和第二子像素可以部分布置在摄像像素阵列的一部分中。
本实施例基于图像传感器107的各像素的子像素201的像素信号来生成第一焦点检测信号，并且基于各像素的子像素202的像素信号来生成第二焦点检测信号，并进行焦点检测。此外，本实施例可以通过针对图像传感器107的各像素对子像素201和202的信号进行相加和读取，来生成具有有效像素数N的分辨率的摄像信号(拍摄图像)。
[散焦量和图像偏移量之间的关系]
参考图6，将说明从图像传感器107中的子像素201获取到的第一焦点检测信号和从子像素202获取到的第二焦点检测信号的散焦量和图像偏移量之间的关系。图6是示出散焦量和图像偏移量之间的关系的图。图6示出图像传感器107布置在摄像面600上，并且与图4和图5同样地，成像光学系统的出射光瞳400被分割成两个AF光瞳601和602。
定义散焦量d，使得|d|是从被摄体的成像位置到摄像面600为止的距离，利用负符号(d<0)表示成像位置比摄像面600离被摄体更近的前焦点状态，并且利用正负号(d>0)表示成像位置位于摄像面600的与被摄体相对的侧的后焦点状态。在被摄体的成像位置位于摄像面600(聚焦位置)的聚焦状态下，散焦量d＝0成立。图6示出与聚焦状态(d＝0)相对应的被摄体801和与前焦点状态(d<0)相对应的被摄体802。前焦点状态(d<0)和后焦点状态(d>0)将被统称为散焦状态(|d|>0)。
在前焦点状态(d<0)中，在来自被摄体802的光束中，穿过了AF光瞳601(或AF光瞳602)的光束被会聚一次。然后，光束按以该光束的重心位置G1(G2)为中心的宽度Γ1(Γ2)扩散，并且提供了在摄像面600上变模糊的图像。该模糊图像被构成图像传感器107中所排列的各个像素的子像素201(子像素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，在摄像面600上的重心位置G1(G2)处，将第一焦点检测信号(第二焦点检测信号)记录为被摄体802按宽度Γ1(Γ2)变模糊的被摄体图像。被摄体图像的模糊宽度Γ1(Γ2)通常与散焦量d的大小|d|的增加成比例地增加。同样，第一焦点检测信号和第二焦点检测信号之间的被摄体图像的图像偏移量p(＝光束的重心位置之间的差G1-G2)的大小|p|通常随着散焦量d的大小|p|的增加而成比例地增加。这同样适用于后焦点状态(d>0)，但第一焦点检测信号和第二焦点检测信号之间的被摄体图像的图像偏移方向与前焦点状态中的该图像偏移方向相反。
因而，在本实施例中，随着第一焦点检测信号和第二焦点检测信号的大小或者通过将第一焦点检测信号和第二焦点检测信号彼此相加所获得的摄像信号的散焦量的增加，第一焦点检测信号和第二焦点检测信号之间的图像偏移量的大小增加。
本实施例使用第一焦点检测信号和第二焦点检测信号之间的散焦量与图像偏移量之间的关系来提供相位差类型的调焦。
相位差类型的调焦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，计算表示信号一致度的相关量，并且基于改善相关性(信号一致度)的偏移量来检测图像偏移量。由于随着摄像信号的散焦量的大小的增加、第一焦点检测信号和第二焦点检测信号之间的图像偏移量的大小增加，因此通过将图像偏移量转换成散焦量来进行焦点检测。
[光瞳偏移和框架遮挡]
现在参考图7，将说明在图像传感器107的周边像高处的光瞳偏移。图7是由光瞳偏移引起的有效F值(有效孔径值)的说明图，并且示出分别与配置在图像传感器107的周边像高处的各个像素的子像素201和202相对应的AF光瞳601和602与成像光学系统中的出射光瞳400之间的关系。
图7(a)示出成像光学系统的出射光瞳距离Dl(出射光瞳400和摄像面600之间的距离)和图像传感器107的设置光瞳距离Ds大致彼此相等。在这种情况下，与中央像高相同，在周边像高处成像光学系统中的出射光瞳400被AF光瞳601和602大致均匀地分割。
如图7(b)所示，在成像光学系统的出射光瞳距离Dl短于图像传感器107的设置光瞳距离Ds的情况下，在图像传感器107的周边像高处，在成像光学系统的出射光瞳400和图像传感器107的入射光瞳之间存在光瞳偏移。因而，成像光学系统的出射光瞳400被不均匀地分割。在图7(b)中，与AF光瞳601相对应的子像素201的有效F值比与AF光瞳602相对应的子像素202的有效F值小(更明亮)。另一方面，在相对侧的像高处，与AF光瞳601相对应的子像素201的有效F值比与AF光瞳602相对应的子像素202的有效F值大(更暗)。
如图7(c)所示，在成像光学系统的出射光瞳距离Dl大于图像传感器107的设置光瞳距离Ds的情况下，在图像传感器107的周边像高处在成像光学系统的出射光瞳400和图像传感器107的入射光瞳之间存在光瞳偏移。因而，成像光学系统的出射光瞳400被不均匀地分割。在图7(c)中，与AF光瞳601相对应的子像素201的有效F值比与AF光瞳602相对应的子像素202的有效F值大(更暗)。另一方面，在相对侧的像高处，与AF光瞳601相对应的子像素201的有效F值比与AF光瞳602相对应的子像素201的有效F值小(更明亮)。
随着由于光瞳偏移而导致在周边像高处光瞳分割变得不均匀，子像素201和202的有效F值也变得不均匀。因而，第一焦点检测信号和第二焦点检测信号中的任一个的模糊扩展变得更宽，而另一个的模糊扩展变得更窄。因而，优选在图像的预定区域内，在多个焦点检测信号中，可以使有效F值最小的子像素所输出的焦点检测信号的权重系数最小化，或者可以使有效F值最大的子像素所输出的焦点检测信号的权重系数最大化。
[光瞳分割]
图8是在光入射到各像素中所形成的微透镜305的情况下的光强度分布的说明图。图8示出在具有波长λ＝540nm的右圆偏振光的平面波从微透镜305与光轴平行地入射的情况下的图像传感器107内部的光强度分布的计算示例。数值计算使用FDTD(有限差分时域)法。
图8(a)示出与微透镜的光轴平行的截面上的光强度分布。各像素中的微透镜光学系统包括微透镜305、平坦化层、密封层和绝缘层等。微透镜光学系统可以包括多个微透镜。假定像素周期是2a、微透镜光学系统的焦距是f、并且微透镜光学系统的开口角是2φ。此外，微透镜光学系统的焦点位置处的折射率是n。沿着光轴的坐标被设置为z。在坐标z中，焦点位置被设置为原点(z＝0)，微透镜侧被设置为负符号，并且微透镜的相对侧被设置为正符号。H是主点。
通过以下的表达式(1)来定义微透镜光学系统的开口数值NA。
[表达式1]
NA＝n sinφ (1)
此外，通过以下的表达式(2)来定义微透镜光学系统的F值F。
[表达式2]
入射光被微透镜光学系统会聚于焦点位置。然而，由于光波性质的衍射的影响，会聚光斑的直径不能小于衍射极限Δ并且具有有限的大小。假定会聚光斑的强度分布接近埃里图案(Airy pattern)。然后，可以通过以下的表达式(3)来近似获得衍射极限Δ，其中λ是入射光的波长。
[表达式3]
光电变换器的受光面的大小约为1～2μm，而微透镜的会聚光斑约为1μm。因而，经由微透镜与光电转换器的受光面处于共轭关系的图4中的AF光瞳601和602由于衍射模糊而无法被明确地分割，并且形成依赖于光的入射角的受光速率分布(光瞳强度分布)。
图8(b)示出在微透镜的焦点位置处在与微透镜的光轴垂直的截面上的光强度分布。在点位置(z＝0)处，会聚光斑的直径变为衍射极限Δ并且变得最小。
可以通过以下的表达式(4)来获得微透镜光学系统的后侧焦深+zD和前侧焦深-zD，其中衍射极限Δ是容许模糊圆。焦深的范围是-zD<z<+zD。
[表达式4]
±zD＝±n FΔ (4)
假定会聚光斑的强度分布接近高斯分布。然后，会聚光斑的直径w作为坐标z的函数大致满足以下的表达式(5)。
[表达式5]
这里，zR是瑞利(Rayleigh)长度，并且通过将系数αR设置为0.61π≈1.92而被定义为zR＝αRzD。
在图8所示的计算示例中，波长λ是540nm，像素周期2a是4.3μm，微透镜光学系统的焦距f是5.8μm，并且在焦点位置处折射率n是1.46。微透镜光学系统的F值是F＝0.924，衍射极限是Δ＝1.22μm，并且焦深是zD＝1.65μm。
[AF光瞳形状]
图9是示出光瞳强度分布的图，并且横轴表示成像光学系统的出射光瞳面的X轴，且纵轴表示受光率。实线表示通过对图4的AF光瞳601进行向y轴方向的投影转换并且通过在x轴方向上形成一维而获得的光瞳强度分布hA(x)。虚线表示通过对AF光瞳602进行向y轴方向的投影转换并且通过在x轴方向上形成一维而获得的光瞳强度分布hB(x)。
光瞳强度分布hA(x)的+x侧由于被由成像光学系统中的透镜框架和光圈框架限定的出射光瞳遮挡因而表现出急剧曲线。此外，在-x侧，由于微透镜的光瞳分割以及衍射的影响而导致部分光瞳区域的边界变模糊，并且形成缓和曲线。另一方面，光瞳强度分布hB(x)具有通过使光瞳强度分布hA(x)的x轴的正负反转所获得的形式。因而，光瞳强度分布hA(x)和光瞳强度分布hB(x)不具有相同的形状，并且在平行移动(偏移)和叠加的情况下一致度下降。此外，光瞳强度分布的形状还由图像传感器107的光谱灵敏度特性确定。此外，光瞳强度分布的形状还由以上参考图7所述的、在图像传感器107的出射光瞳400和图像传感器107的入射光瞳(部分光瞳区域501和502)之间、与像高相对应的光瞳偏移和框架遮挡的状态确定。
图10是对光瞳强度分布hA(x)和光瞳强度分布hB(x)进行傅里叶变换的图。通过以下的表达式(6)来表示光瞳强度分布hA(x)的傅里叶变换HA(k)和光瞳强度分布hB(x)的傅里叶变换HB(k)。将傅立叶变换HA(k)和HB(k)总地表示为HA,B(k)。此外，将构成相位分量的分量μA(k)和μB(k)总地表示为μA,B(k)。这里，k是波数。
[表达式6]
图10的(a)示出傅里叶变换HA(k)和HB(k)的振幅分量(|HA,B(k)|)。由于图9所示的光瞳强度分布hA(x)和hB(x)处于大致镜像反转关系，因此傅里叶变换的绝对值大致彼此一致。另外，可以根据光瞳偏移和框架遮挡的状态而改变。
图10的(b)示出傅里叶变换HA(k)和HB(k)的相位分量(相位传递函数)。实线表示傅立叶变换HA(k)的相位分量(-k×μA(k))。由于构成相位分量的分量μA(k)根据表达式(6)而大致单调增加，因此实线大致单调减少。虚线表示傅立叶变换HB(k)的相位分量(-k×μB(k))。由于构成相位分量的分量μB(k)根据表达式(6)而大致单调减少，因此实线大致单调增加。
图10的(c)示出傅立叶变换HA(k)和傅立叶变换HA(k)的相位差μAB(k)。通过以下的表达式(7)来表示相位差μAB(k)。
[表达式7]
图11是示出光瞳强度分布hA(x)和hB(x)的针对各空间频率的分量的图。图11的(a)示出图10的(a)和(c)中的由实线表示的波数k是0.1的分量。图11的(b)示出图10的(a)和(c)中的由点划线表示的波数k是0.4的分量。图11的(c)示出图10的(a)和(c)中的由点线表示的波数k是0.8的分量。如图11所示，相位差μAB随着波数k的变小而变小。因此，如图10的(c)所示，相位差μAB(k)根据波数k而改变。这是因为，如图9所示，光瞳强度分布hA(x)和hB(x)的形状不同。
通过根据成像光学系统的出射光瞳距离和散焦量而缩放光瞳强度分布hA(x)和hB(x)来获得第一焦点检测信号的线图像hA(x|d)和第二焦点检测信号的线图像hB(x|d)。由于线图像hA(x|d)和hB(x|d)分别与光瞳强度分布hA(x)和hB(x)具有大致相似的关系，因此这些线图像具有图9所示的形状。换句话说，基于图像传感器107的光谱灵敏度特性、成像光学系统的透镜框架和成像光学系统的光圈框架至少之一来确定光瞳强度分布hA(x)和hB(x)的形状。
假定Z是图6所示的成像光学系统的出射光瞳距离(出射光瞳面和摄像面600之间的距离)并且d是散焦量。然后，通过以下的表达式(8)来表示线图像hA(x|d)和hB(x|d)。将线图像hA(x|d)和hB(x|d)总地表示为hA,B(x|d)。假定出射光瞳距离Z充分大于散焦量d。
[表达式8]
通过以下的表达式(9)来表示线图像hA(x|d)的傅里叶变换HA(k|d)和线图像hB(x|d)的傅里叶变换HB(k|d)，并且对称函数对于波数k和散焦量d的替换是不变的。将傅立叶变换HA(k|d)和HB(k|d)总地表示为HA,B(k|d)。
[表达式9]
假定被摄体的光量分布是f(x)。然后，基于卷积和傅立叶变换的关系表达式，通过以下的表达式(10)来表示在散焦量d的散焦状态下的第一焦点检测信号gA(x|d)和第二焦点检测信号gB(x|d)。将第一焦点检测信号gA(x|d)和第二焦点检测信号gB(x|d)总地表示为gA,B(x|d)。
[表达式10]
在焦点检测处理中，为了稳定地进行低对比度被摄体等的焦点检测，通过带通滤波器截除DC分量和高频噪声，将第一焦点检测信号gA(x|d)和第二焦点检测信号gB(x|d)限制到特定波数kAF分量附近，并且进行焦点检测。通过以下的表达式(11)来表示被限制到波数kAF分量的第一焦点检测信号gA(x|d,kAF)和第二焦点检测信号gB(x|d,kAF)。
[表达式11]
因而，散焦量d处的被限制到波数kAF分量的第一焦点检测信号gA(x|d,kAF)和第二焦点检测信号gB(x|d,kAF)之间的相位差是波数kAF处的图像偏移量q，并且通过以下的表达式(12)来表示。
[表达式12]
这里，通过以下的表达式(13)来表示针对散焦量d0的图像偏移量q0的转换系数K0。
[表达式13]
使用转换系数K0通过以下的表达式(14)来表示检测散焦量ddet。
[表达式14]
如以上所述，表达式(7)中的相位差μAB(k)(＝μA(k)-μB(k))根据波数k而改变。另一方面，在波数k固定到波数kAF的情况下，表达式(14)的第四项中的相位差μAB(dkAF/Z)根据散焦量d而改变。在图10的(c)的横轴从波数k被替换为散焦量d时，相位差μAB(dkAF/Z)根据散焦量d而如图10的(c)所示改变。
图12是示出所设置的散焦量d和所检测到的散焦量(检测散焦量)ddet之间的关系的图。如图12的实线所示，检测散焦量ddet理想地与所设置的散焦量d成比例地改变。然而，实际上，由于相位差μAB(dkAF/Z)取决于所设置的散焦量d的大小，因此检测散焦量ddet如图12的虚线所示改变。
因此，本实施例通过校正检测散焦量ddet来计算所设置的散焦量(校正散焦量)d，并且基于该校正散焦量来进行焦点检测处理。
本实施例使用检测散焦量ddet(K0q)和校正系数S，通过以下的表达式(15)来计算所设置的散焦量(校正散焦量)d。
[表达式15]
在表达式(15)中，在焦点检测时，由于所设置的散焦量d是未知的，因此利用检测散焦量ddet(＝K0q)替换所设置的散焦量d，并且计算校正系数。
图13是示出针对各F值的检测散焦量ddet(＝K0q)和校正值S(ddet)之间的关系的图。如图13所示，在检测散焦量的绝对值较大时，校正系数被设置成较小。在检测散焦量的绝对值较大时，根据图10的(c)的关系得出相位差μAB变大，并且根据表达式(15)得出校正系数变小。此外，如图13所示，在检测散焦量的绝对值较小时，校正系数被设置成较大。在检测散焦量绝对值较小时，根据图10的(c)关系得出相位差μAB变小，并且根据表达式(15)得出校正系数的绝对值变大。
本实施例基于F值(孔径值)来计算校正系数，但本发明不限于本实施例。可以基于图像传感器107上的焦点检测位置(像高坐标)来计算校正系数。此外，可以基于焦点检测信号的空间频带来计算校正系数。可以基于焦点检测信号的颜色(R/G/B)来计算校正系数。另外，可以基于镜头信息获取部件121d所获取到的可更换镜头的镜头信息(检测散焦量的符号(前焦点/后焦点))来计算校正系数。可以将与图13所示的关系有关的表存储在诸如存储介质133和存储器134等的存储器中。
[焦点检测处理]
现在参考图14，将说明CPU 121所执行的根据本实施例的焦点检测方法。图14是示出根据本实施例的焦点检测方法的流程图。根据本实施例的焦点检测方法是根据作为在软件和硬件上操作的计算机程序的焦点检测程序实现的。焦点检测程序例如可以存储在摄像设备内的存储器(未示出)中，或者可以记录在计算机可读记录介质上。尽管根据本实施例、CPU 121执行焦点检测方法，但作为焦点检测设备的个人计算机(PC)或专用设备也可以执行根据本实施例的焦点检测方法。另外，可以设置与根据本实施例的焦点检测程序相对应的电路，并且可以通过使该电路工作来实现根据本实施例的焦点检测方法。
在步骤S101中，像素信号获取部件121a获取图像传感器107的各像素的子像素201和202所接收到的像素信号。图像信号获取部件121a可以获取由根据本实施例的图像传感器107预先拍摄到并存储在记录介质中的像素信号。
在步骤S102中，信号生成部件121b基于像素信号来生成与成像光学系统中的不同的第一部分光瞳区域相对应的第一焦点检测信号和与第二部分光瞳区域相对应的第二焦点检测信号。图像传感器107所拍摄到的像素信号将被称为LF。另外，假定将像素信号LF的各像素信号内的在列方向上为第iS(1≤iS≤Nx)个并且在行方向上为第jS(1≤jS≤Ny)个的子像素信号设置为第k子像素信号，其中k＝N×(jS-1)+iS(1≤k≤NLF)。通过以下的表达式(16)来生成与成像光学系统中的第k部分瞳区域相对应的、在列方向上为第i个并且在行方向上为第j个的第k焦点检测信号Ik(j,i)。
[表达式16]
本实施例示出在x方向上被2分割的k＝1和k＝2的示例，其中Nx＝2，Ny＝1，并且NLF＝2。基于与图2所示的像素阵列相对应的像素信号来针对各像素选择来自在x方向上被2分割的第一子像素201的信号。因此，生成第一焦点检测信号I1(j,i)作为与成像光学系统中的第一部分光瞳区域501相对应的、具有像素数N(＝水平像素数NH×垂直像素数NV)的分辨率的拜尔阵列的RGB信号。同样，生成与成像光学系统中的第二部分光瞳区域502相对应的第二焦点检测信号I2(j,i)。
在本实施例中，第一焦点检测信号I1(j,i)和第二焦点检测信号I2(j,i)是表达式(10)中的第一焦点检测信号gA(x|d)和第二焦点检测信号gB(x|d)。
接着，根据作为拜尔阵列的RGB信号的第k焦点检测信号Ik(k＝1,2)，针对各位置(j,i)使各个颜色RGB的颜色重心一致，并且通过以下的表达式(17)来生成第k焦点检测亮度信号Yk(k＝1,2)。在需要的情况下，可以针对第k焦点检测亮度信号Yk进行阴影(光量)校正处理，以提高焦点检测的精度。
[表达式17]
接着，在光瞳分割方向(列方向)上针对第k焦点检测亮度信号Yk(k＝1,2)进行一维带通滤波，并且生成大致被限制到波数kAF分量的第一焦点检测信号dYA。此外，在光瞳分割方向(列方向)上针对第二焦点检测亮度信号Y2进行一维带通滤波，以生成大致被限制到波数kAF分量的第二焦点检测信号dYB。一维带通滤波器可以使用例如一阶微分滤波器[1,5,8,8,8,8,5,1 1,-1,-5,-8,-8,-8,-8,-5,-1]。在需要的情况下，可以调整一维带通滤波器的通带。
在本实施例中，大致被限制到波数kAF分量的第一焦点检测信号dYA和第二焦点检测信号dYB是被限制到表达式(11)的波数kAF分量的第一焦点检测信号gA(x|d,KAF)和第二焦点检测信号gB(x|d,kAF)。
在步骤S103中，焦点检测部件121c基于焦点检测信号来计算检测散焦量。
假定第一焦点检测信号是dYA(jAF+j2,iAF+i2)并且第二焦点检测信号是dYB(jAF+j2,iAF+i2)，其中这两者都大致被限制到以焦点检测位置(jAF,iAF)为中心、在行方向上是第J2(-n2≤j2≤n2)个并且在作为光瞳分割方向的列方向上是第i2(-m2≤i2≤m2)个的波数kAF分量。在将偏移量设置为s(-ns≤s≤ns)的情况下，通过表达式(18A)来计算各位置(jAF,iAF)处的相关量COREVEN(jAF,iAF,s)，并且通过表达式(18B)来计算各位置(jAF,iAF)处的相关量CORODD(jAF,iAF,s)。
[表达式18]
相关量CORODD(jAF,iAF,s)是通过使大致被限制到波数kAF分量的第一焦点检测信号dYA和第二焦点检测信号dYB的偏移量向着相关量COREVEN(jAF,iAF,s)偏移了半个相位所得到的相关量。
接着，根据相关量COREVEN(jAF,iAF,s)和相关量CORODD(jAF,iAF,s)，通过利用子像素计算而计算使相关量最小的实数值的偏移量来计算平均值，并且在焦点检测位置(jAF,iAF)处检测图像偏移量q。对于图像偏移量q，使用表达式(13)的转换系数K0通过表达式(14)来对检测散焦量ddet进行检测。
针对焦点检测区域的各像高位置，根据诸如图像传感器的光学特性(针对各第k子像素的光瞳强度分布)、摄像透镜(成像光学系统)的F值F和出射光瞳距离Dl等的镜头信息来乘以从图像偏移量向散焦量的转换系数K，并且在焦点检测位置(jAF,iAF)处计算散焦量MDef(jAF,iAF)。
在步骤S104中，焦点检测部件121c通过使用校正系数校正在步骤S103中计算出的检测到的散焦量来计算校正散焦量。
如上所述，本发明可以校正由焦点检测信号之间的形状差异引起的焦点检测误差，并且以高精度执行焦点检测。
第二实施例
现在将参考图15和图16来说明根据本实施例的摄像设备。根据本实施例的摄像设备在图像传感器的结构上不同于第一实施例的摄像设备。其它结构与第一实施例的结构相同，因而将省略对其它结构的详细说明。在根据本实施例的摄像设备(二维CMOS传感器)107中，各像素包括第一子像素至第四子像素，并且对第一子像素至第四子像素的信号进行相加和读出以生成摄像信号(拍摄图像)。
图15是示出图像传感器107的像素(摄像像素)阵列的图。图16是示出图像传感器107的像素构造的图，图16的(a)是图像传感器107的像素200G的(从+z方向观看的)平面图，并且图16的(b)是沿着图16的(a)的线a-a截取的(从-y方向观看的)截面图。
图15用4列×4行的范围示出图像传感器107的像素阵列。在本实施例中，各像素(像素200R、200G和200B)具有四个子像素201、202、203和204。因此，图15用8列×8行的范围示出子像素的阵列。
如图15所示，在2列×2行的像素单元200中，像素200R、200G和200B呈拜尔阵列配置。换句话说，在像素单元200中，具有R(红色)的光谱灵敏度的像素200R位于左上方，各自具有G(绿色)的光谱灵敏度的像素200G位于右上方和左下方，并且具有B(蓝色)的光谱灵敏度的像素200B位于右下方。像素200R、200G和200B具有按2列×2行排列的子像素(焦点检测像素)201、202、203和204。子像素(第一子像素)201是接收穿过了成像光学系统的第一光瞳区域的光束的像素。子像素(第二子像素)202是接收穿过了成像光学系统的第二光瞳区域的光束的像素。子像素(第三子像素)203是接收穿过了成像光学系统的第三光瞳区域的光束的像素。子像素(第四子像素)204是接收穿过了成像光学系统的第四光瞳区域的光束的像素。
如图15所示，图像传感器107具有配置在表面上的4列×4行的大量像素(8列×8行的子像素)，并且输出摄像信号(子像素信号)。根据本实施例的图像传感器107的像素周期P是6μm，并且像素数N是6000列×4000行＝2400万个像素。此外，图像传感器107的子像素的列方向上的周期PSUB是3μm，并且子像素数NSUB是水平方向12000列×垂直方向8000行＝9600万个像素。像素数不限于该实施例，并且可以在水平方向上设置8000列以上以实现8K运动图像。此外，在像素阵列中具有子像素的像素和不具有子像素的像素(非分割像素)可以混合存在。
如图16的(b)所示，根据本实施例的像素200G设置有用于使入射光会聚在像素的受光面侧的微透镜305。多个微透镜305是二维排列的，并且配置于在z轴方向(光轴OA的方向)上与受光面分离了预定距离的位置处。此外，像素200G具有在x方向上被NH分割(2分割)并且在y方向上被NV分割(2分割)的光电变换器301、302、303和304。光电转换器301～304分别对应于子像素201～204。
本实施例基于图像传感器107的各像素的子像素201和203的像素信号来生成第一焦点检测信号，并且基于各像素的子像素202和204的像素信号来生成第二焦点检测信号，并进行焦点检测。此外，可以通过针对图像传感器107的各像素对子像素201、202、203和204的信号进行相加和读出来生成具有有效像素数N的分辨率的摄像信号(拍摄图像)。
可以基于子像素201和202的像素信号来生成第一焦点检测信号。此时，基于子像素203和204的像素信号来生成第二焦点检测信号。另外，可以基于子像素201和204的像素信号来生成第一焦点检测信号。此时，基于子像素202和203的像素信号来生成第二焦点检测信号。本实施例在x方向和y方向上对像素进行2分割，但本发明不限于本实施例。例如，可以对像素进行2以上的分割，或者分割数可以在x方向和y方向之间有所不同。
[其它实施例]
本发明可以将实现上述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至系统或设备，并且该系统或设备的计算机中的一个或多个处理器可以读取并执行该程序。本发明也可以由实现一个或多个功能的电路(例如，ASIC)实现。
尽管已经参考典型实施例说明了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的典型实施例。所附权利要求书的范围符合最宽的解释，以包含所有这类修改、等同结构和功能。
附图标记说明
121 CPU(焦点检测设备)
121a 获取部件
121b 信号生成部件
121c 焦点检测部件

Claims (14)

1.一种焦点检测设备，用于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进行焦点检测，所述焦点检测设备包括：
获取部件，用于获取所述像素信号；
信号生成部件，用于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焦点检测信号；以及
焦点检测部件，用于基于所述多个焦点检测信号来计算检测散焦量，并且通过基于与所述不同光瞳区域相对应的相位传递函数而校正所述检测散焦量来计算校正散焦量。
2.根据权利要求1所述的焦点检测设备，其中，所述焦点检测部件基于所述检测散焦量和校正系数来计算所述校正散焦量，以及
所述校正系数在所述检测散焦量的绝对值大的情况下被设置得小，并且在所述绝对值小的情况下被设置得大。
3.根据权利要求1或2所述的焦点检测设备，其中，所述焦点检测部件基于所述检测散焦量和校正系数来计算所述校正散焦量，以及
所述校正系数是基于图像传感器上的焦点检测位置来计算的。
4.根据权利要求1或2所述的焦点检测设备，其中，所述焦点检测部件基于所述检测散焦量和校正系数来计算所述校正散焦量，以及
所述校正系数是基于所述成像光学系统的F值来计算的。
5.根据权利要求1或2所述的焦点检测设备，其中，所述焦点检测部件基于所述检测散焦量和校正系数来计算所述校正散焦量，以及
所述校正系数是基于焦点检测信号的空间频带来计算的。
6.根据权利要求1或2所述的焦点检测设备，其中，所述焦点检测部件基于所述检测散焦量和校正系数来计算所述校正散焦量，以及
所述校正系数是基于焦点检测信号的颜色来计算的。
7.根据权利要求1或2所述的焦点检测设备，其中，所述焦点检测部件基于所述检测散焦量和校正系数来计算所述校正散焦量，以及
所述校正系数是基于所述检测散焦量的符号来计算的。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的焦点检测设备，其中，基于图像传感器的光谱灵敏度特性、所述成像光学系统的透镜框架和所述成像光学系统的光圈框架至少之一来确定所述焦点检测信号的形状。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的焦点检测设备，还包括镜头信息获取部件，所述镜头信息获取部件用于从所述成像光学系统获取镜头信息，
其中，所述焦点检测部件基于所述镜头信息来校正所述校正散焦量。
10.一种摄像设备，其包括根据权利要求1至9中任一项所述的焦点检测设备。
11.一种焦点检测方法，用于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进行焦点检测，所述焦点检测方法包括：
获取步骤，用于获取所述像素信号；
信号生成步骤，用于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焦点检测信号；以及
焦点检测步骤，用于基于所述多个焦点检测信号来计算检测散焦量，并且通过基于与所述不同光瞳区域相对应的相位传递函数而校正所述检测散焦量来计算校正散焦量。
12.根据权利要求11所述的焦点检测设备，其中，所述焦点检测步骤基于所述检测散焦量和校正系数来计算所述校正散焦量，以及
所述校正系数在所述检测散焦量的绝对值大的情况下被设置得小，并且在所述绝对值小的情况下被设置得大。
13.一种焦点检测程序，用于控制焦点检测设备，所述焦点检测设备用于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，所述焦点检测程序使计算机用作：
获取部件，用于获取所述像素信号；
信号生成部件，用于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焦点检测信号；以及
焦点检测部件，用于基于所述多个焦点检测信号来计算检测散焦量，并且通过基于与所述不同光瞳区域相对应的相位传递函数而校正所述检测散焦量来计算校正散焦量。
14.根据权利要求13所述的焦点检测程序，其中，所述焦点检测部件基于所述检测散焦量和校正系数来计算所述校正散焦量，以及
所述校正系数在所述检测散焦量的绝对值大的情况下被设置得小，并且在所述绝对值小的情况下被设置得大。
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