JP2006189572A

JP2006189572A - オートフォーカス装置

Info

Publication number: JP2006189572A
Application number: JP2005000661A
Authority: JP
Inventors: Meiji Ito; 明治伊藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2005-01-05
Filing date: 2005-01-05
Publication date: 2006-07-20

Abstract

【課題】良好なオートフォーカスを行う事を目的とする。
【解決手段】２点分離式光学ローパスフィルタを使用し、良好なオートフォーカス評価値を得る事が出来る様にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、一方向に光線を分離する光学的ローパスフィルタを用いた固体撮像カメラなどのオートフォーカス装置に関する。

図５は一般的な固体撮像素子の画素配列を示す図で、Phが水平方向のサンプリングピッチ、Pvが垂直方向のサンプリングピッチを示す。同図は、原色のベイヤ配列でR,G,B３色のカラーフィルタを使用した固体撮像素子の実施例である。

この様に格子状に配置された画素で画像をサンプリングすると、サンプリング定理より明らかなように、サンプリング周波数ｆｓの1/2の周波数以上の周波数成分は再現することが出来ない。仮に、これ以上の周波数成分を持つ画像が固体撮像素子によりサンプリングされると、1/2・ｆｓより低い周波数成分の偽信号となる。この偽信号は、エイリアシングノイズと呼ばれ、被写体の空間周波数ｆｃ＝ｆｓが輝度信号の中心、ｆｃ＝1/2・ｆｓが色差信号の中心となるノイズ画像を発生させる。従って1/2・ｆｓ以上の高周波成分を光学的ローパスフィルタで取り除き、撮像素子には1/2・ｆｓ以下の周波数特性の画像となる様にすれば、エイリアシングノイズは発生しないことになる。

撮像素子は、行列状に画素を配置しているため、水平、垂直の両方向の帯域を制限する必要があり、従来技術では、光線を４つの点に分離する光学ローパスフィルタを使用する。図６は、水平方向にDh、垂直方向にDvの４点に光線を分離する光学ローパスフィルタを説明した図で、円偏光の光線を、光学ローパスフィルタ601は水平方向に分離幅Dh、光学ローパスフィルタ603は垂直方向に分離幅Dvだけ分離する。1/4波長板602は、偏光した光線を円偏光の光線に変える効果を有する。この様に、４点に光線を分離するためには、少なくとも2枚の光学ローパスフィルタの他に1/4波長板も必要である。

図6に説明した光学ローパスフィルタを使用すると、デジタルカメラにより写される画像は、図3に示す周波数特性を、水平方向、垂直方向にもつことになる。この図から容易に理解できる様に、空間周波数ｆｃ（＝1/2・ｆｓ）の周波数成分が完全に遮断され、ｆｃに近い高周波成分の信号が著しく劣化している。

一般的なデジタルカメラのTTL(Through The Lens)式オートフォーカス装置の場合、フォーカスレンズが合焦位置にある被写体画像は最も高周波成分が多くなり、非合焦位置にある時の画像は、被写体画像の輪郭がボケているため高周波成分が少なくなる事から、画像信号の高周波成分を抽出し、オートフォーカス評価値として参照している。該オートフォーカス評価値の最も大きい値が出力されるフォーカスレンズ位置を探し、合焦位置にフォーカスレンズを移動させる。

又、別の従来例としては、例えば特許文献１をあげることが出来る。
特開２００２−２３３５６９号公報

しかしながら、上述したように図４で示した４点分離式の光学ローパスフィルタにより高周波成分が劣化した画像信号を用いてオートフォーカス動作を行うと、合焦位置の特定が不安定になり誤動作することが大きな問題となっている。特に空間周波数と同じ周波数を多く含む被写体の場合、合焦位置の特定が出来なくなる。

本発明によるオートフォーカス装置は、前記撮影レンズとフォーカスレンズから入射した光線を複屈折現象を有する光学ローパスフィルタにより角度θ、分離幅Dの２点に分離し、前記分離された光線を、行列状に配置された画素と少なくとも３色のカラーフィルタを有する撮像素子で光電変換し、前記光電変換されたアナログ信号をA/D変換手段でディジタル画像信号に変換し、該ディジタル画像信号を記録し任意の方向から取り出す事が出来る様にする画像記録手段と、前記角度θ方向の画像信号を含まず主として前記角度θと垂直方向の画像信号からオートフォーカス評価値を演算するオートフォーカス評価値演算手段と、色信号と輝度信号に分けて画像処理を行う画像処理手段を有し、前記駆動手段を制御する制御手段により、前記演算手段から出力されたオートフォーカス評価値から合焦位置を検知し、フォーカスレンズを該合焦位置へ制御することを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば良好なオートフォーカス動作が可能となり、固体撮像カメラの性能を改善することができる。また、光学ローパスフィルタを１枚しか必要としないため、固体撮像カメラの低コスト化と小型化を実現できる。

（第１の実施例）
図１は、本発明を表す単板式CCDを用いたデジタルカメラのTTL式オートフォーカス装置のブロック図である。フォーカスレンズ101と水平方向の高周波成分を遮断する光学ローパスフィルタ102を通過した光線が、撮像素子103により光電変換され水平方向に点順次のアナログ画像信号として出力される。

本発明によるオートフォーカス装置では、光学ローパスフィルタ102は、図２に示す様に入射した光線201を水平方向（角度θ=0°）に常光線202と異常光線203に分離幅D2点に分離する。

撮像素子103は、図5に示す様に水平ピッチがPhである。画像信号からサンプリング周波数の1/2以上の水平方向のエイリアシングノイズを光学系で除去するために、D=Phとなる厚みの光学ローパスフィルタを使用する。この時の周波数特性を、図３、図４に示す。図３は、水平方向の周波数特性であり、周波数ｆｃに近い周波数成分のレスポンスが劣化している。一方、垂直方向の周波数特性は図４に示す通りで、光学ローパスフィルタによる周波数特性の劣化が無いため周波数ｆｃ成分のレスポンスは、約７０％有る。

また、本発明によるオートフォーカス装置では、水平2点分離式光学ローパスフィルタで除去できない垂直方向のエイリアシングノイズを画像処理部105で取り除くため画質の劣化を防止することが可能である。

前記撮像素子103から水平方向に点順次に出力されたアナログ画像信号は、CDS,A/D104によりディジタル画像信号に変換される。該ディジタル画像信号は、双方向にディジタル信号を伝達可能なデータバス115を経由し記録部108に記録する。記録部108に記録されたディジタル画像信号はデータバス115を経由し、制御部114により任意の画像データを画像処理部105及びオートフォーカス演算部110に送る事が出来る。

画像処理部105は、輝度信号処理部106と色信号処理部107で輝度信号と色信号に分けて画像信号処理を行い再びデータバス115を経由し記録部108に送り記録される。また、色信号処理部107で算出した色信号情報を制御部114に出力する。

オートフォーカス演算部110は、記録部に記録された画像信号から垂直方向の画像信号を与えられる。前述したように、垂直方向の画像信号は高周波成分が劣化していない為、高精度のオートフォーカスを行うことが出来る。スイッチ112は、ディジタルローパスフィルタ111が無効になる様に制御部114により制御されている。画像信号に含まれたｆｃより高い高周波成分は、アナログ部で発生した電気的ノイズ信号であるため、該電気的ノイズ成分と低周波成分を遮断するバンドパスフィルタにより被写体画像の高周波成分を抽出し、合焦判定のためのオートフォーカス評価値として制御部114に出力する。

制御部114は、フォーカスレンズ駆動部109を制御しフォーカスレンズを至近端から無限端まで移動しながら画像を取り込み、フォーカスレンズ位置と前記オートフォーカス評価値を記録部に記録する。該記録された評価値のなかで最大値となったフォーカスレンズ位置を合焦位置と判定し、フォーカスレンズを合焦位置に移動させる。

（第２の実施例）
また、CDS,A/D104で変換されデータバス115を経由し記録部108に記録された画像信号は、輝度信号処理部106と色信号処理部107で輝度信号と色信号に分けて画像信号処理を行い再びデータバス115を経由し記録部108に送り記録される。同時に、色信号処理部107で算出した色信号情報を制御部114に出力する。該色信号処理部107で算出した色信号情報から制御部114が被写体を色の強い単一色が多く含まれる画像であると判断した場合。オートフォーカス演算部110において、オートフォーカス演算部のディジタルローパスフィルタ111が有効になる様にスイッチ112を切り替え、色差信号のエイリアシングノイズを遮断する。画像信号に含まれたｆｃより高い高周波成分は、アナログ部で発生した電気的ノイズ信号であるため、該電気的ノイズ成分と低周波成分を遮断するバンドパスフィルタにより被写体画像の高周波成分を抽出し、合焦判定のためのオートフォーカス評価値として制御部114に出力する様にしても良い。

（第３の実施例）
別の実施例として、第１の実施例と同じ部分の説明は省略するが、画像信号をCDS,A/D104で変換しデータバス115を経由し記録部108に記録する。画像処理部105は、輝度信号処理部106と色信号処理部107で輝度信号と色信号に分けて画像信号処理を行う。色信号処理部107にてR,G,Bの各色信号を一画面分または、一部の領域において加算平均値を算出し、各色の信号レベルが所定の信号レベル（例えばR,G,Bの最大値の５０％）になる係数を各画素信号に掛けることにより、単色の被写体の画像信号は、輝度信号だけの無彩色の画像信号となる。該無彩色信号には、色差信号のエイリアシングノイズは含まれない事になる。前記画像信号を再びデータバス115を経由し記録部108に送り記録部に記録する。

オートフォーカス演算部110は、前記記録部に記録された無彩色画像信号から垂直方向の画像信号を与えられる。スイッチ112は、ディジタルローパスフィルタ111が無効になる様に制御部114により制御されている。画像信号に含まれたｆｃより高い高周波成分は、アナログ部で発生した電気的ノイズ信号であるため、該電気的ノイズ成分と低周波成分を遮断するバンドパスフィルタにより被写体画像の高周波成分を抽出し、合焦判定のためのオートフォーカス評価値として制御部114に出力する。

（第４の実施例）
さらに別の実施例として、第１の実施例と同じ部分の説明は省略するが、画像信号をCDS,A/D104で変換しデータバス115を経由し記録部108に記録する。画像処理部105は、輝度信号処理部106と色信号処理部107で輝度信号と色信号に分けて画像信号処理を行う。色信号処理部107は、各色フィルタの画像信号から、撮像素子の画素毎の輝度信号を補間処理し、輝度信号だけの無彩色の画像信号とする。該無彩色信号には、色差信号のエイリアシングノイズは含まれない事になる。前記画像信号を再びデータバス115を経由し記録部108に送り記録部に記録する。

本発明を表す単板式CCDを用いたデジタルカメラのTTL(Through The Lens) 式オートフォーカス装置のブロック図。本発明で使用する水平高周波成分を遮断する２点分離１枚光学ローパスフィルタ。光学ローパスフィルタによる高周波遮断時の周波数特性図。撮像素子の周波数特性図。行列状に配置された画素にベイヤ配列に従ってR,G,Bのオンチップカラーフィルタをコートした撮像素子。従来のオートフォーカス装置で使用する水平垂直高周波成分を遮断する４点分離３枚構成の光学ローパスフィルタ。

符号の説明

101 フォーカスレンズ
102 光学ローパスフィルタ
103 撮像素子
104 相関２重サンプリング（CDS）、アナログ−ディジタル変換IC
105 画像処理部
106 輝度信号処理部
107 色信号処理部
108 記録部
109 フォーカスレンズ駆動部
110 オートフォーカス演算部
111 ディジタルローパスフィルタ
112 スイッチ
113 ディジタルバンドパスフィルタ
114 制御部
115 データバス

Claims

撮影レンズとフォーカスレンズと前記フォーカスレンズを駆動する駆動手段を有し、
前記撮影レンズとフォーカスレンズから入射した光線を複屈折現象を有する光学ローパスフィルタにより角度θ、分離幅Dの２点に分離し、前記分離された光線を、行列状に配置された画素と少なくとも３色のカラーフィルタを有する撮像素子で光電変換し、前記光電変換されたアナログ信号をA/D変換手段でディジタル画像信号に変換し、該ディジタル画像信号を記録し任意の方向から取り出す事が出来る様にする画像記録手段と、
前記角度θと垂直方向の画像信号からオートフォーカス評価値を演算するオートフォーカス評価値演算手段と、色信号と輝度信号に分けて画像処理を行う画像処理手段を有し、
前記駆動手段を制御する制御手段により、前記演算手段から出力されたオートフォーカス評価値から合焦位置を検知し、フォーカスレンズを該合焦位置へ制御することを特徴としたオートフォーカス装置。
オートフォーカス評価値演算手段にディジタルローパスフィルタを通る経路と前記ローパスフィルタをバイパスする経路を有する請求項１に記載のオートフォーカス装置において、前記画像処理手段の出力結果から前記制御手段により前記経路を選択することを特徴としたオートフォーカス装置。
請求項１に記載のオートフォーカス装置において、
前記画像処理手段で、各色フィルタの画像信号のレベルに応じて各色フィルタの画像信号レベルを補正することを特徴としたオートフォーカス装置。
前記画像処理手段で合成した輝度信号を前記オートフォーカス演算手段に入力することを特徴とした請求項１に記載のオートフォーカス装置。