JP2001174696A - カラー撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】瞳分割系に本来の撮像要素以外の系を事実上含
ませることなく、瞳分割によるイメージャＡＦを行う。 【解決手段】部分瞳毎に異なる分光特性を持たせた瞳色
分割用フィルタ２０１が撮影光学系１０１に介在させる
ことにより、遮光板（マスク）による瞳分割ではなく、
色による瞳分割が行われる。この瞳色分割用フィルタ２
０１を介してカラー撮像素子１０５に結像された被写体
像の画像信号は色分離され、その相対的なずれ量を検知
することにより、フォーカシングずれ方向とフォーカシ
ングずれ量の両フォーカシング情報が生成される。瞳色
分割用フィルタ２０１は、全瞳透過光が結像重畳した状
態で、被写体の主要スペクトルＲＧＢを全て含むような
フィルタ特性を持つ。これにより、フォーカシングのた
めの部分瞳像全体から表示や記録のためのカラー撮像画
像を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はカラー撮像素子から
出力信号を用いて記録や表示のためのカラー撮像画像信
号を生成するカラー撮像装置に関し、特にフォーカシン
グのための情報をカラー撮像素子から得るカラー撮像装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、カラー撮像素子を用いた電子カメ
ラが種々開発されている。電子カメラにおいては、ＣＣ
Ｄ等のカラー撮像素子によって被写体像が各色毎に光電
変換され、そのカラー撮像素子からの出力信号を用いる
ことにより記録や表示のためのカラー撮像画像信号が得
られる。この種の電子カメラのオートフォーカス（Ａ
Ｆ）機構には、専用のセンサを使用せずに、カラー撮像
素子からの出力信号を用いてフォーカシングのための情
報を得るというイメージャＡＦ方式が多く用いられてい
る。

【０００３】イメージャＡＦ方式としては、時分割の瞳
分割イメージャＡＦ方式を用いたもの（特開平０９−１
８４９７３号公報）が知られている。これは、位相差検
知方式とももばれるものであり、撮影光学系の互いに異
なる領域を通過するように光束を時系列で２分割し、一
方の光束による光学像と他方の光束による光学像とを撮
像素子で順次得てそれらのずれ量を検出する方式であ
る。光束の分割は２つの開口を持つ遮光板を撮影光学系
に挿入し、時分割的に２つの開口を交互に遮光すること
によって行われる。

【０００４】また、特開平０２−２１０３１５号公報に
は、コントラストＡＦ方式に色分解による瞳分割的手法
を組合わせたイメージャＡＦ技術が開示されている。こ
れは、コントラストがピークとなる位置をレンズを移動
させながら検知するというコントラストＡＦ制御を前提
としたものであり、そのコントラストＡＦ制御を色毎に
行うために瞳分割用の開口を持つマスクと、そのマスク
によって分割された各光束毎に異なる色を与えるフィル
タとを光軸に配置する構成となっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、時分割の瞳分
割イメージャＡＦ方式や、上述のコントラスト方式を前
提としたイメージャＡＦ方式では、被写体が動いた場合
の誤動作を防ぐことはできない。

【０００６】また、フォーカシングを行うために配置し
た瞳分割のための遮光板（マスク）などはフォーカシン
グ制御専用のものであるので、実際の撮像時にはそれら
を光軸外に外すことが必要となり、フォーカス情報取得
と撮像を同時に行なうことはできないものであった。

【０００７】本発明は上述の事情に鑑みてなされたもの
であり、瞳分割系に本来の撮像要素以外の系を事実上含
ませることなく且つ同時的な瞳分割によってフォーカシ
ングのための情報を得られるようにし、調整ずれ等の影
響や被写体の動き等によらず安定した動作を実現でき、
またフォーカス情報取得と撮像を同時に行うことが可能
なカラー撮像装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【画題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、本発明は、カラー撮像素子と、該撮像素子に被写体
像を結像する撮像光学系とを有し、前記撮像素子の出力
信号によってカラー撮像画像信号を生成するカラー撮像
装置であって、前記撮像光学系に介在し該撮像光学系の
部分瞳毎に異なる分光特性を有したことによって当該撮
像光学系の瞳を色分割する瞳色分割光学系と、前記瞳色
分割光学系を介して前記撮像光学系によって結像された
被写体像に対応する前記撮像素子の出力信号を受けてこ
れを色分離し、該色分離された信号に基づいて前記撮像
光学系の各々の前記部分瞳による各被写体像の結像位置
の相対的ずれを検出することにより被写体に関するフォ
ーカシングずれ方向とフォーカシングずれ量の両フォー
カシング情報を生成するフォーカシング情報生成手段
と、該フォーカシング情報生成手段が生成したフォーカ
シング情報に基づいて前記被写体に対するフォーカシン
グを行なうフォーカシング手段とを具備することを特徴
とする。

【０００９】このカラー撮像装置においては、部分瞳毎
に異なる分光特性を持たせた瞳分割光学系を撮像光学系
に介在させることにより、従来のような遮光板（マス
ク）による瞳分割ではなく、色による瞳分割が行われ
る。この瞳分割光学系を介して撮像素子に結像された被
写体像の画像信号は色分離され、その相対的なずれ量を
検知することにより、フォーカシングずれ方向とフォー
カシングずれ量の両フォーカシング情報が生成される。
このように同時的な瞳色分割方式によるイメージャＡＦ
を行うことにより、調整ずれ等の影響や被写体の動き等
によらず安定した動作を実現することができる。さら
に、瞳分割のために遮光板（マスク）等を配置する必要
がないので、瞳分割系に本来の撮像要素以外の系を事実
上含ませることなく、同時的な瞳分割によってフォーカ
シングのための情報を得ることが可能となる。

【００１０】また、フォーカス情報取得と撮像を同時に
行うことが可能となるので、瞳分割光学系を介して撮像
素子に結像された被写体像の画像信号から記録や表示等
に用いるためのカラー撮像画像信号を生成することによ
り、カラー撮像画像信号を被写体の動きにリアルタイム
に追従させたり、動画撮影に適用することも可能とな
る。

【００１１】また、一般に、記録や表示等に用いるため
のカラー撮像画像信号を生成するのに最適な瞳形状は円
形であるので、瞳色分割光学系の部分瞳を全て合わせた
全瞳の形状をほば円形とすることが好ましい。これによ
り、瞳色分割光学系を通過した光束を撮像素子に結像す
ることによって得られた信号から、記録や表示等に最適
なカラー撮像画像信号を得ることが可能となる。

【００１２】また、瞳色分割光学系の各部分瞳の分光特
性は全ての前記部分瞳の分光特性を加算したときに可視
光の主要色成分ＲＧＢを全て含むように構成することが
望ましい。これにより、瞳色分割光学系を通した場合で
も、色成分に偏りのないカラー撮像画像信号を得ること
が可能となる。

【００１３】また、瞳色分割光学系の各部分瞳の各分光
特性を全て、可視光の主要色成分ＲＧＢのうちの輝度信
号における主要成分であるＧ成分を含むように構成する
ことにより、画質に大きく影響を与える輝度信号レベル
の低下を防止することが可能となる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態を説明する。図１には、本発明の一実施形態に係
わる撮像装置の構成が示されている。ここでは、デジタ
ルカメラとして実現した場合を例示して説明することに
する。

【００１５】図中１０１は前玉１０１ａおよび後玉１０
１ｂなどの各種レンズからなる撮影光学系、１０２ａ，
１０２ｂは前玉１０１ａおよび後玉１０１ｂをそれぞれ
駆動するためのレンズ駆動機構を構成するフォーカスア
クチュエータおよびズームアクチュエータ、１０３はレ
ンズ系１０１の絞りを制御するための可動絞り、１０４
はローパスおよび赤外カット用の光学フィルタ、１０５
は色フィルタ付きのＣＣＤカラー撮像素子、１０６はＣ
ＣＤカラー撮像素子１０５を駆動するためのＣＣＤドラ
イバ、１０７はＡ／Ｄ変換器等を含むプリプロセス回
路、１０８は色信号生成処理，マトリックス変換処理，
その他各種のデジタル処理を行うためのデジタルプロセ
ス回路、１０９はカードインターフェース、１１０はメ
モリカード、１１１はＬＣＤ画像表示系を示している。

【００１６】また、図中の１１２は各部を統括的に制御
するためのシステムコントローラ（ＣＰＵ）、１１３は
各種操作ボタンからなる操作スイッチ系、１１４は操作
状態及びモード状態等を表示するための操作表示系、１
１５は可動絞り１０３を駆動制御するための絞りアクチ
ュエータ、１１６はレンズ駆動機構１０２ａ，１０２ｂ
や絞りアクチュエータ１１５を制御するためのアクチュ
エータドライバを示している。

【００１７】さらに、２０１は色によって撮影レンズ系
１０１の瞳を複数の部分瞳に分割するための瞳色分割用
フィルタである。この瞳色分割用フィルタ２０１は可動
絞り１０３と同じく、撮影光学系１０１の絞り位置（瞳
位置）に設けられている。

【００１８】本実施形態のデジタルカメラにおいては、
システムコントローラ１１２が全ての制御を統括的に行
っており、フォーカシング制御および表示や記録のため
のカラー撮像画像信号を生成するための制御等がシステ
ムコントローラ１１２によって行われる。

【００１９】本実施形態に於いては、以下に詳述する瞳
色分割イメージャＡＦに関する部分を除けば、通常のデ
ジタルカメラと同様の動作および制御が行われるもので
あって、そのような公知の部分については説明を省略す
る。

【００２０】システムコントローラ１１２には、本実施
形態の特徴とする瞳色分割イメージャＡＦを行うための
機能として、フォーカシング制御部３０１およびフォー
カシング情報生成部３０２が設けられている。

【００２１】フォーカシング制御部３０１は、フォーカ
シング情報生成部３０２によって生成されたフォーカシ
ング情報に基づいてアクチュエータドライバ１１６を制
御することにより、被写体に対する合焦制御を行う。

【００２２】フォーカシング情報生成部３０２は、瞳色
分割用フィルタ２０１を介して撮影光学系１０１によっ
て結像された被写体像に対応する信号をカラー撮像素子
１０５から読み出して色分離し、色分離された信号間の
相対的ずれを検出する。この検出結果により、被写体に
関するフォーカシングずれ方向とフォーカシングずれ量
の両フォーカシング情報が生成される。

【００２３】（瞳色分割用フィルタ）次に、瞳色分割用
フィルタ２０１の構成について説明する。図２はカメラ
側から被写体を見た場合のフィルタ構成を示している。
図示のように、瞳色分割用フィルタ２０１は、可動絞り
１０３の開放開口を垂直に２分した左フィルタＦＬと右
フィルタＦＲとから構成される。図中Ａは開放開口径で
あり、またｋＡは＊印で示されている各部分開口の重心
間の距離である（ｋは１未満の正係数）。測距時に絞り
込む場合は、これに応じてｋも変わるが、以下では簡単
のため開放測距を仮定する。この時、開口が円形であれ
ばｋ≒０．４となる。

【００２４】左フィルタＦＬと右フィルタＦＲは互いに
異なる分光特性を有しており、これにより撮影光学系１
０１の各部分瞳毎に異なる分光特性を持たせることがで
きる。また、全瞳透過光が結像重畳した状態で、被写体
の主要スペクトルＲＧＢを全て含むようなフィルタ特性
が得られるように、左フィルタＦＬおよび右フィルタＦ
Ｒそれぞれの分光特性が決定されている。

【００２５】すなわち、図３に実線に示されているよう
に、左フィルタＦＬについては、Ｂ（Ｂｌｕｅ）及びＧ
（Ｇｒｅｅｎ）を透過し、且つＲ（Ｒｅｄ）を遮断する
ような分光特性を有している。したがって、左フィルタ
ＦＬはＣｙ（シアン）のフィルタである。また、右フィ
ルタＦＲについては、図３に破線で示されているよう
に、Ｒ（Ｒｅｄ）及びＧ（Ｇｒｅｅｎ）を透過し、且つ
Ｂ（Ｂｌｕｅ）を遮断するような分光特性を有してい
る。したがって、右フィルタＦＲはＹｅ（イエロー）の
フィルタである。

【００２６】この瞳色分割用フィルタ２０１を用いた場
合にカラー撮像素子１０５上で結像される被写体点像
（線像）の様子を図４に示す。ここで、「近ずれ」とは
被写体が合焦点より近くにある後ピンのことを意味し、
また「遠ずれ」とは被写体が合焦点より遠くにある前ピ
ンのことを意味している。

【００２７】輝度（Ｙ）の主色成分であるＧ（Ｇｒｅｅ
ｎ）については左フィルタＦＬおよび右フィルタＦＲの
双方を通過するため、「近ずれ」および「遠ずれ」のど
ちらにおいてもその点像の形成位置は変化しない。一
方、Ｒ（Ｒｅｄ）についは、右フィルタＦＲのみを通過
するので、「近ずれ」の場合にはその点像形成位置は右
側にずれ、「遠ずれ」の場合には左側にずれる。同様
に、Ｂ（Ｂｌｕｅ）についは、左フィルタＦＬのみを通
過するので、「近ずれ」の場合にはその点像形成位置は
左側にずれ、「遠ずれ」の場合には右側にずれる。合焦
状態では、Ｇ，Ｒ，Ｂ共に点像形成位置が一致する。

【００２８】したがって、例えば「近ずれ」の場合に
は、図５からも分かるように、Ｂ（Ｂｌｕｅ）の像が左
よりに形成され、Ｒ（Ｒｅｄ）の像が右よりに形成され
ることになる。このＢとＲの像の位置関係とそれら像の
相対的ずれ量から、フォーカスのずれ量およびずれ方向
を調べることが可能となる。「遠ずれ」の場合も同様で
ある。

【００２９】（フォーカシング情報生成）次に、フォー
カシング情報の生成動作について説明する。

【００３０】カラー撮像素子１０４の出力信号から表示
や記録のためのカラー撮像画像信号を生成する場合に
は、ディジタルプロセス回路１０８でＲＧＢ色分離が行
われた後、γやマトリクスを含む通常の信号処理が行わ
れるが、この場合の色分離によって得られた色信号の
Ｒ，Ｂを用いて相関演算を行なうことにより、Ｒ像とＢ
像のずれ量（ｚ）の算出が行われる。

【００３１】ずれ量（ｚ）の算出は次のようにして行わ
れる。単純化のため、まず、１ラインについてのみ考え
ることにする。図６はある水平座標の１ライン画像から
得られたＲ像の強度分布とＢ像の強度分布を示してい
る。Ｒ像の強度分布を基準とし、Ｂ像の強度分布を水平
方向にずらしながら両者の相関を、あるウインドウ巾の
範囲て調べるための演算が行われる。

【００３２】ウインドウ巾を±ｍとし、ウインドウのず
らし量をｘとすると、Ｒ像とＢ像の相関評価関数Ｈ
（ｘ）は、

【００３３】

【数１】

【００３４】となり、Ｈ（ｘ）の最小値（極小値）を与
えるｘをもって、Ｒ像とＢ像のずれ量ｚとする。

【００３５】ただし、変数ｎ，ｍ，ｘは画素ピッチに基
づき離散的に与えられるが、ｚの算出｛Ｈ（ｘ）の与最
小値の算出｝に関してはｘを実数として補間によりより
高精度に算出する。図６および図７では、ｘ＝１の場合
にＨ（ｘ）が極小値となる場合の例を示している。

【００３６】図８はデフォーカス量ｄの算出原理を示し
ている。三角法により、 ｋＡ：ｚ＝ｆ；ｄ であるから、開放ＦナンバーＦ（＝ｆ／Ａ）を導入する
と、デフォーカス量ｄは、 ｄ＝Ｆ×ｚ／ｋ となる。ｚの符号によって近ずれ，遠ずれも表現されて
いる。このデフォーカス量ｄに対応して、フォーカスア
クチュエータ１０２が駆動され合焦する。

【００３７】一方、合焦状態では各色成分はずれなく重
なっているから、形成される画像は通常のカラー画像と
変わらない。ただし、通常の場合に比してＲ，Ｂの各成
分はＧに比して１／２の光量となっているから、ディジ
タルプロセス回路１０８における上記ＲＧＢ色分離以後
の通常の処理の前に、ＲとＢのゲインをＧに対して相対
的に２倍にして、ゲイン調整を施しておく。これ以外は
全て通常のカラー撮像画像生成処理で良い。このとき輝
度信号の主成分たるＧは従来のカメラと全く変わらない
ものが得られるから、輝度解像度や輝度ＳＮ（感度）も
従来とほぼ同じものが得られる。

【００３８】なお、実際には、上述の相関演算は１ライ
ンについてのみならず、複数ライン、即ち垂直方向にも
巾を持たせた所定のエリアについて行う。図９のように
垂直方向のウインド巾を±ｑとし、水平方向のウインド
巾を±ｍとすると、Ｒ像とＢ像の相関評価関数Ｈ（ｘ）
は、

【００３９】

【数２】

【００４０】となり、Ｈ（ｘ）の最小値（極小値）を与
えるｘをもって、Ｒ像とＢ像のずれ量ｚとする。

【００４１】以上のように、本実施形態においては、色
による瞳分割を行ないフォーカス情報を得てフォーカシ
ングを行うことにより、瞳分割系に本来の撮像要素以外
の系を事実上含まず、かつ同時的な瞳分割を行うことが
可能となる。よって、調整ずれ等の影響が無く、かつ被
写体の動き等によらず安定して動作できる。また、特に
全瞳透過光が結像重畳した状態で、被写体の主要スペク
トルＲＧＢを全て含むようなフィルタ特性を持たせるこ
とにより、画質を損なうことなく、色による瞳分割され
た結像画像から表示や記録用のカラー撮像画像を生成す
ることができるようになる。

【００４２】なお、上記画像生成に際して行うゲイン調
節については、マトリクス係数で調節しても良い。ま
た、開口の分割は分割された部分瞳全体で撮影光学系１
０１の瞳を構成できるようにすればよいので、開口を３
つ以上の複数で色分割しても良く、また分割方向につい
ても水平に限らず任意で良い。このような任意の開口分
割に対しては、相関演算に際しての像（ウインドウ）ず
らし方向は各部分開口の重心同士を結ぶ直線の方向に合
わせて設定すれば良い。ずらし方向が水平、垂直以外の
斜め方向である場合は演算式は形式的には２次元Ｈ
（ｘ，ｙ）となるが、これは座標変換（回転）によって
１次元化できるものである。さらに、ウィンドウは、こ
の場合フォーカシングエリア（フォーカス検出領域）と
して機能しているが、これも１箇所に限らず任意の場所
に複数設けることができる。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
瞳分割系に本来の撮像要素以外の系を事実上含ませるこ
となく且つ同時的な瞳分割によってフォーカシングのた
めの情報を得られるようになり、調整ずれ等の影響や被
写体の動き等によらず安定した動作を実現できる。また
フォーカス情報取得と撮像を同時に行うことが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係わるデジタルカメラの
構成を示すブロック図。

【図２】同実施形態で用いられる瞳色分割用フィルタの
構成を示す図。

【図３】同実施形態で用いられる瞳色分割用フィルタの
分光特性を示す図。

【図４】同実施形態で得られる被写体点像の様子を示す
図。

【図５】同実施形態において被写体が合焦点より近くに
ある場合のＲ像とＢ像の位置関係を示す図。

【図６】同実施形態でフォーカシング情報を得るために
行われる相関演算の原理を説明するための図。

【図７】図６の相関演算で得られる相関評価値の分布を
示す図。

【図８】同実施形態で用いられるデフォーカス量の算出
原理を示す図。

【図９】図６の相関演算を２次元で行う場合の原理を示
す図。

【符号の説明】

１０１…撮影光学系 １０３…可動絞り １０５…ＣＣＤカラー撮像素子 １０６…ＣＣＤドライバ １１２…システムコントローラ ２０１…瞳色分割用フィルタ ３０１…フォーカシング制御部 ３０２…フォーカシング情報生成部

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H011 AA01 BA23 2H051 BA02 CB13 5C022 AB22 AB28 AC42 AC55 AC69 5C065 BB11 DD02 EE06 EE20 FF02 GG18 GG30

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 カラー撮像素子と、該撮像素子に被写体
   像を結像する撮像光学系とを有し、前記撮像素子の出力
   信号によってカラー撮像画像信号を生成するカラー撮像
   装置であって、 前記撮像光学系に介在し該撮像光学系の部分瞳毎に異な
   る分光特性を有したことによって当該撮像光学系の瞳を
   色分割する瞳色分割光学系と、 前記瞳色分割光学系を介して前記撮像光学系によって結
   像された被写体像に対応する前記撮像素子の出力信号を
   受けてこれを色分離し、該色分離された信号に基づいて
   前記撮像光学系の各々の前記部分瞳による各被写体像の
   結像位置の相対的ずれを検出することにより被写体に関
   するフォーカシングずれ方向とフォーカシングずれ量の
   両フォーカシング情報を生成するフォーカシング情報生
   成手段と、 該フォーカシング情報生成手段が生成したフォーカシン
   グ情報に基づいて前記被写体に対するフォーカシングを
   行なうフォーカシング手段とを具備することを特徴とす
   るカラー撮像装置。
2. 【請求項２】 カラー撮像素子と、該撮像素子に被写体
   像を結像する撮像光学系とを有し、前記撮像素子の出力
   信号によってカラー撮像画像信号を生成するカラー撮像
   装置であって、 前記撮像光学系に介在し該撮像光学系の部分瞳毎に異な
   る分光特性を有したことによって当該撮像光学系の瞳を
   色分割する瞳色分割光学系と、 該瞳色分割光学系を介して前記撮像光学系によって結像
   された被写体像に対応する前記撮像素子の出力信号を受
   けてこれを色分離し、該色分離された信号に基づいて前
   記撮像光学系の各々の前記部分瞳による各被写体像の結
   像位置の相対的ずれを検出することにより被写体に関す
   るフォーカシング情報を生成するフォーカシング情報生
   成手段と、 前記瞳色分割光学系を介して前記撮像光学系によって結
   像された被写体像に対応する前記撮像素子の出力信号を
   受けてカラー撮像画像信号を生成する画像信号生成手段
   とを具備することを特徴とするカラー撮像装置。
3. 【請求項３】 前記瞳色分割光学系の部分瞳を全て合わ
   せた全瞳の形状は、略円形であることを特徴とする請求
   項１または２記載のカラー撮像装置。
4. 【請求項４】 前記瞳色分割光学系の各部分瞳の分光特
   性は、全ての前記部分瞳の分光特性を加算したときに可
   視光の主要色成分ＲＧＢを全て含むように構成されたも
   のであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１
   項記載のカラー撮像装置。
5. 【請求項５】 前記瞳色分割光学系の各部分瞳の各分光
   特性は全て、可視光の主要色成分ＲＧＢのうちのＧ成分
   を含むように構成されたものであることを特徴とする請
   求項１乃至４のいずれか１項記載のカラー撮像装置。