JP2012042856A - 撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡略な構成で、画質の劣化が少なく、焦点検出性能のよい撮像装置を提供する。
【解決手段】撮像光学系が装着可能、又は、撮像光学系が固定された撮像装置において、画素が2次元的に配列された撮像素子と、少なくとも一部の画素に対し、入射する光束の入射方向又は光量を制限する機能を有する入射光制限部と、撮像光学系の瞳の特定領域を透過した光束を少なくとも一部の画素が受光するする位置と、撮像光学系の瞳の特定領域とは少なくとも一部異なる領域を透過した光束を少なくとも一部の画素が受光する位置と、を切り替えるように、入射光制限部と撮像素子との相対位置を変更させる移動部と、それぞれの相対位置での画素の信号を取得する画素信号取得部と、それぞれの相対位置での画素の信号に基づいて、デフォーカス量を演算する演算部と、画素の信号に基づいて、画像データを構成する画像構成部と、を備える。
【選択図】図1
【解決手段】撮像光学系が装着可能、又は、撮像光学系が固定された撮像装置において、画素が2次元的に配列された撮像素子と、少なくとも一部の画素に対し、入射する光束の入射方向又は光量を制限する機能を有する入射光制限部と、撮像光学系の瞳の特定領域を透過した光束を少なくとも一部の画素が受光するする位置と、撮像光学系の瞳の特定領域とは少なくとも一部異なる領域を透過した光束を少なくとも一部の画素が受光する位置と、を切り替えるように、入射光制限部と撮像素子との相対位置を変更させる移動部と、それぞれの相対位置での画素の信号を取得する画素信号取得部と、それぞれの相対位置での画素の信号に基づいて、デフォーカス量を演算する演算部と、画素の信号に基づいて、画像データを構成する画像構成部と、を備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、撮像装置に関するものである。
従来の撮像装置には、主に2つの測距方式がある。すなわち、コントラスト方式と位相差方式である。
コントラスト方式では、フォーカシング状態を変えながらコントラスト値を評価するいわゆる山登り方式をとるため、合焦時間が長くなるという課題がある。
コントラスト方式では、フォーカシング状態を変えながらコントラスト値を評価するいわゆる山登り方式をとるため、合焦時間が長くなるという課題がある。
これに対して、位相差方式では、原理的に1回の測距でデフォーカス量を検出できるため、合焦時間は短い。
従来、位相差情報を検出する手段として、撮像用画素と焦点検出用画素が2次元的に配列された撮像素子を用いた撮像装置が提案されている。この撮像装置では、位相差情報の検出のために瞳が分割されており、例えば特許文献1記載の撮像装置では、オンチップレンズをマスキングすることで、瞳分割機能を実現している。
従来、位相差情報を検出する手段として、撮像用画素と焦点検出用画素が2次元的に配列された撮像素子を用いた撮像装置が提案されている。この撮像装置では、位相差情報の検出のために瞳が分割されており、例えば特許文献1記載の撮像装置では、オンチップレンズをマスキングすることで、瞳分割機能を実現している。
しかし、撮像用画素と焦点検出用画素を2次元的に配列した撮像装置では、従来、センサの内部に構造物を設けるため、構成が複雑になり、コストも高くなる、という問題があった。また、画質の点においても、撮像と焦点検出を兼ねる焦点検出用画素の信号は、撮像のみを行う撮像用画素の信号に比べ劣化してしまう。
ここで、図面を参照して、射出瞳の分割の具体例について説明する。以下の例ではセンサの内部に構造物を追加して設けることによって射出瞳を分割している。
図28は、従来の撮像素子920(センサー)の光電変換部の構成を示す図である。
撮像素子920は、基板内に形成されたp型ウエル931、P型ウエル931と共に光電荷を発生させ蓄積するn型領域932α、932β、n型領域932α、932βに蓄積されている光電荷が転送される不図示のフローティングディフュージョン部(以下、「FD部」と称する。)、n型領域932α、932βに蓄積された光電荷をFD部へ効率よく転送するために光電荷を収集する表面p+層933α、933β、FD部へ光電荷を転送するための転送ゲート(不図示)、ゲート絶縁膜であるSiO2膜934、ベイヤ配列のカラーフィルタ935、及び、被写体からの光を集めるマイクロレンズ936、を備える。
図28は、従来の撮像素子920(センサー)の光電変換部の構成を示す図である。
撮像素子920は、基板内に形成されたp型ウエル931、P型ウエル931と共に光電荷を発生させ蓄積するn型領域932α、932β、n型領域932α、932βに蓄積されている光電荷が転送される不図示のフローティングディフュージョン部(以下、「FD部」と称する。)、n型領域932α、932βに蓄積された光電荷をFD部へ効率よく転送するために光電荷を収集する表面p+層933α、933β、FD部へ光電荷を転送するための転送ゲート(不図示)、ゲート絶縁膜であるSiO2膜934、ベイヤ配列のカラーフィルタ935、及び、被写体からの光を集めるマイクロレンズ936、を備える。
マイクロレンズ936は、撮影光学系のレンズの瞳と表面p+層933α、933βとが、共役になるような形状及び位置に形成されている。光電荷は、模式的には、領域937で発生する。
図28に示す例では、光電変換部が、n形領域932α及び表面p+層933αと、n形領域932β及び表面p+層933βと、に分割されており、これにより射出瞳が分割される。光線L931、L932は、n形領域932α及び表面p+層933αと、n形領域932β及び表面p+層933βと、にそれぞれ入射する。
次に、図29を参照して、撮像素子の画素の開口部を光電変換素子の中心に対して偏心させることによって射出瞳を分割する例を説明する。図29は、従来の撮像素子の隣り合う二つの画素の構造を示す断面図である。
画素941は、最上部から、順に、マイクロレンズ942、マイクロレンズ942を形成するための平面を構成するための平滑層943、色画素の混色防止のための遮光膜944、色フィルタ層をのせる表面を平らにするための平滑層945、及び、光電変換素子946が配置されている。画素951も画素941と同様に、最上部から、順に、マイクロレンズ952、平滑層953、遮光膜954、平滑層955、及び、光電変換素子956が配置されている。
さらに、これらの画素941、951においては、遮光膜944、954が、光電変換素子946、956の中心部947、957から外側に偏心した開口部948、958をそれぞれ有している。
図29に示す例では、撮像素子の画素の開口部を光電変換素子の中心に対して偏心させている。このため、光線L941、L951は、光電変換素子946、956にそれぞれ入射することから、射出瞳が分割される。
つづいて、図30を参照して、レンズを偏心させることによって射出瞳を分割する例を説明する。図30は、従来の撮像素子の内部構成を示す図である。
図30の撮像素子においては、それぞれの画素の上のオンチップレンズ961、962、963、964が独立して構成されている。図30においては、画素集合Aの画素のオンチップレンズ961、963の光軸961a、963aは、画素の中心から左側にずれている。また、画素集合Bの画素のオンチップレンズ962、964の光軸962a、964aは画素の中心から右側にずれている。このような構成の2つの画素集合A、Bからの出力を比較することで、フォーカス量を算出することができる。
図30の撮像素子においては、それぞれの画素の上のオンチップレンズ961、962、963、964が独立して構成されている。図30においては、画素集合Aの画素のオンチップレンズ961、963の光軸961a、963aは、画素の中心から左側にずれている。また、画素集合Bの画素のオンチップレンズ962、964の光軸962a、964aは画素の中心から右側にずれている。このような構成の2つの画素集合A、Bからの出力を比較することで、フォーカス量を算出することができる。
オンチップレンズ961、962、963、964では、屈折力と光軸961a、962a、963a、964aの位置等の形状という2つのパラメーターを独立してコントロールすることができる。画素数が十分多ければ、画素集合Aと画素集合Bは、同様の光の強度分布を得ることができ、これを利用して位相差AFを行うことができる。この時、画面全体でのデフォーカス量を検出できるので、被写体の3次元情報を取得することができる。
図30に示す例では、撮像素子のオンチップレンズを画素の中心に対して偏心させている。このため、光線L961、L962は、オンチップレンズ961、962にそれぞれ入射し、これにより射出瞳が分割される。
次に、図31を参照しつつ、DML(デジタルマイクロレンズ)を用いて射出瞳を分割する例を説明する。図31は、従来の撮像素子の内部構造を示す断面図である。
図31に示す撮像素子では、オンチップレンズをDMLで構成している。画素970と画素980はそれぞれ異なる領域からの光束を受光する隣り合った画素である。
図31に示す撮像素子では、オンチップレンズをDMLで構成している。画素970と画素980はそれぞれ異なる領域からの光束を受光する隣り合った画素である。
図31において、撮像素子は、DML971、981、カラーフィルタ972、アルミニウム配線973、信号伝送部974、平坦化層975、受光素子976、986(例えばSiフォトダイオード)、及び、Si基板977を備える。図31に示すように、アルミニウム配線973、信号伝送部974、平滑化層975、受光素子976、986、及び、Si基板977は、半導体集積回路978を構成する。ここで、画素970と画素980の構成は、DML971、981以外は同様である。
図31は、入射光束全体のうち、受光素子976、986にそれぞれ入射する光束の様子を示している。DML971、981を用いることにより、光束L971、L981は、画素970の受光素子976と画素980の受光素子986にそれぞれ入射し、射出瞳が分割される。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、射出瞳を分割するためにセンサの内部に構造物を追加して設けることなく、簡略な構成で、画質の劣化が少なく、焦点検出性能のよい撮像装置を提供することを目的としている。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る撮像装置は、撮像光学系が装着可能、又は、撮像光学系が固定された撮像装置において、画素が2次元的に配列された撮像素子と、少なくとも一部の画素に対し、入射する光束の入射方向又は光量を制限する機能を有する入射光制限部と、撮像光学系の瞳の特定領域を透過した光束を少なくとも一部の画素が受光する位置と、撮像光学系の瞳の特定領域とは少なくとも一部異なる領域を透過した光束を少なくとも一部の画素が受光する位置と、を切り替えるように、入射光制限部と撮像素子との相対位置を変更させる移動部と、それぞれの相対位置での画素の信号を取得する画素信号取得部と、それぞれの相対位置での画素の信号に基づいて、デフォーカス量を演算する演算部と、画素の信号に基づいて、画像データを構成する画像構成部と、を備えることを特徴としている。
本発明に係る撮像装置においては、画素上にオンチップレンズを有し、入射光制限部はオンチップレンズの物体側近傍に配置されていることが好ましい。
本発明に係る撮像装置において、移動部は、入射光制限部を移動させることが好ましい。
本発明に係る撮像装置において、移動部は、撮像素子を移動させることが好ましい。
本発明に係る撮像装置においては、入射光制限部を少なくとも2つ備え、移動部は、少なくとも2つの入射光制限部を互いに異なる移動方向に移動させることが好ましい。
本発明に係る撮像装置において、移動部は、手振れ補正機能を有することが好ましい。
本発明に係る撮像装置は、簡略な構成で、画質の劣化が少なく、高い焦点検出性能を得ることができる、という効果を奏する。
以下に、本発明に係る撮像装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施形態の説明に先立って、本発明に係る撮像装置による作用・効果について説明する。
実施形態の説明に先立って、本発明に係る撮像装置による作用・効果について説明する。
本発明に係る撮像装置は、撮像光学系が装着可能、又は、撮像光学系が固定された撮像装置において、画素が2次元的に配列された撮像素子と、少なくとも一部の画素に対し、入射する光束の入射方向又は光量を制限する機能を有する入射光制限部と、撮像光学系の瞳の特定領域を透過した光束を少なくとも一部の画素が受光するする位置と、撮像光学系の瞳の特定領域とは少なくとも一部異なる領域を透過した光束を少なくとも一部の画素が受光する位置と、を切り替えるように、入射光制限部と撮像素子との相対位置を変更させる移動部と、それぞれの相対位置での画素の信号を取得する画素信号取得部と、それぞれの相対位置での画素の信号に基づいて、デフォーカス量を演算する演算部と、画素の信号に基づいて、画像データを構成する画像構成部と、を備えることを特徴としている。
従来の撮像装置には、主に2つの測距方式があるが、コントラスト方式では、フォーカシング状態を変えながらコントラスト値を評価するいわゆる山登り方式をとるため、合焦時間が長いという問題がある。これに対して、位相差方式では、原理的に1回の測距でデフォーカス量を検出できるため、合焦時間は短い。
本発明に係る撮像装置では、位相差情報が検出可能であるため、合焦時間は短い。
本発明に係る撮像装置では、位相差情報が検出可能であるため、合焦時間は短い。
また、従来、位相差情報と検出する手段として、撮像用画素と焦点検出用画素が2次元的に配列された撮像素子を用いた撮像装置が提案されているが、センサ内部に構造物を設けるため、構成が複雑になり、さらに、コストも高くなるという問題があった。
これに対し、本発明の撮像装置では、一般的な撮像用画素のみが2次元的に配列された撮像素子と撮像素子シフト手段と遮光部材を用いることで、位相差情報が検出可能となる。
これに対し、本発明の撮像装置では、一般的な撮像用画素のみが2次元的に配列された撮像素子と撮像素子シフト手段と遮光部材を用いることで、位相差情報が検出可能となる。
画質の観点では、一般的に、撮像用画素と焦点検出用画素が2次元的に配列された素子では、焦点検出用画素の信号は撮像用画素の信号に比べ劣化してしまう。
しかし、本発明に係る撮像装置では、焦点検出用画素の位置における画像用の信号を得る方法として、例えば、加算、ゲインアップ、画素補間があり、これにより画質の劣化を防止することができる。
以上のとおり、本発明によれば、簡略な構成で、画質の劣化が少なく、焦点検出性能のよい撮像装置を提供することができる。
しかし、本発明に係る撮像装置では、焦点検出用画素の位置における画像用の信号を得る方法として、例えば、加算、ゲインアップ、画素補間があり、これにより画質の劣化を防止することができる。
以上のとおり、本発明によれば、簡略な構成で、画質の劣化が少なく、焦点検出性能のよい撮像装置を提供することができる。
まず、本発明の実施形態に係る撮像装置を備えたカメラについて説明する。図1は、本発明の実施形態に係るデジタルスチルカメラ11(撮像装置)の内部構成を示す図である。
デジタルスチルカメラ11は、交換レンズ11Aと、カメラボディ11Bと、から構成され、交換レンズ11Aはマウント部14によりカメラボディ11Bに装着される。
デジタルスチルカメラ11は、交換レンズ11Aと、カメラボディ11Bと、から構成され、交換レンズ11Aはマウント部14によりカメラボディ11Bに装着される。
交換レンズ11A(撮像光学系)は、レンズ駆動制御部15、ズーミング用レンズ16、レンズ17、フォーカシング用レンズ18、及び、絞り19を備えている。レンズ駆動制御部15は、マイクロコンピューターとメモリなどの周辺部品から成り、フォーカシング用レンズ18と絞り19の駆動制御、絞り19、ズーミング用レンズ16およびフォーカシング用レンズ18の状態検出、並びに、ボディ駆動制御部21に対するレンズ情報の送信とカメラ情報の受信などを行う。ズーミング用レンズ16、レンズ17、フォーカシング用レンズ18、及び、絞り19は、撮像光学系12を構成する。
カメラボディ11Bは、撮像素子20、ボディ駆動制御部21、入射光制限部22、撮像素子駆動回路23、移動部24、液晶表示素子駆動回路25、液晶表示素子26、接眼レンズ27、ボディ振動センサ28、メモリカード29、画素信号取得部30(演算部、画像構成部)を備えている。撮像素子20には、後述する画素が二次元状に配列されており、交換レンズ11Aの予定結像面に配置されて交換レンズ11Aにより結像される被写体像を撮像する。撮像素子20の所定の焦点検出位置には焦点検出用画素(以下、AF用画素という)が配列される。
移動部24は、入射光制限部22と撮像素子20の相対位置を変更するように、入射光制限部22及び撮像素子20をそれぞれ光軸11Cに垂直な面内に移動させる機構を備える。移動部24の動作は、ボディ駆動制御部21が制御する。
移動部24において、入射光制限部22及び撮像素子20を移動させるためのアクチュエータとしては、例えば、DCモータ、ステッピングモータ、超音波モータ、圧電素子を使用できる。
移動部24において、入射光制限部22及び撮像素子20を移動させるためのアクチュエータとしては、例えば、DCモータ、ステッピングモータ、超音波モータ、圧電素子を使用できる。
撮像素子20は、撮像素子駆動回路23によって駆動され、撮像素子駆動回路23はボディ駆動制御部21により動作を制御される。撮像素子20(イメージャ)としては、例えば、CCD(charge coupled device)、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)、裏面照射型CMOS、1画素中でR、G、B全色を3層で取り込むことのできるセンサー(Forveon X3)を用いることができる。
入射光制限部22は、(1)入射光束が透過する透明部と、(2)入射光束の入射方向を制限する遮光部、又は、入射光束の光量を制限する減光部と、により構成される。
遮光部材を設ける場合は、例えば、メカ部材による構成、ガラス板に印刷で遮光部を設けたもの、フィルムに印刷で遮光部を設けたもの、EC素子による構成をとることができる。
一方、減光部を設ける場合、入射光制限部22はNDフィルタと同じような構成でよい。この場合、光吸収型のNDフィルタであると反射によるフレアーが発生せずに好ましい。
遮光部材を設ける場合は、例えば、メカ部材による構成、ガラス板に印刷で遮光部を設けたもの、フィルムに印刷で遮光部を設けたもの、EC素子による構成をとることができる。
一方、減光部を設ける場合、入射光制限部22はNDフィルタと同じような構成でよい。この場合、光吸収型のNDフィルタであると反射によるフレアーが発生せずに好ましい。
ボディ振動センサ28は、カメラボディ11B内の振動状態を検知し、検知結果をボディ駆動制御部21へ出力する。ボディ駆動制御部21は、検知結果に応じて、移動部24、レンズ駆動制御部15、撮像素子駆動回路23を制御して、補正を行う。このような制御により、移動部24は手振れ補正機能を発揮することができる。
ボディ駆動制御部21は、マイクロコンピューターとメモリなどの周辺部品から構成され、上述の制御のほか、撮像素子20からの画像信号の読み出し、画像信号の補正、交換レンズ11Aの焦点調節状態の検出、レンズ駆動制御部15からのレンズ情報の受信とカメラ情報(デフォーカス量)の送信、デジタルスチルカメラ全体の動作制御などを行う。ボディ駆動制御部21とレンズ駆動制御部15は、マウント部14の電気接点部13を介して通信を行い、各種情報の授受を行う。
また、ボディ駆動制御部21は、後述の焦点検出サブルーチン及び撮影サブルーチンを実行する為の構成が含まれている。
また、ボディ駆動制御部21は、後述の焦点検出サブルーチン及び撮影サブルーチンを実行する為の構成が含まれている。
液晶表示素子駆動回路25は、液晶ビューファインダーの液晶表示素子26を駆動する。撮影者は接眼レンズ27を介して液晶表示素子26に表示された像を観察する。メモリカード29はカメラボディ11Bに脱着可能であり、画像信号を格納記憶する可搬記憶媒体である。
交換レンズ11Aを通過して撮像素子20上に形成された被写体像は、撮像素子20により光電変換され、その出力はボディ駆動制御部21へ送られる。ボディ駆動制御部21は、撮像素子20上のAF用画素の出力データ(第1像信号、第2像信号)に基づいて所定の焦点検出位置におけるデフォーカス量を算出し、このデフォーカス量をレンズ駆動制御部15へ送る。また、ボディ駆動制御部21は、撮像素子20の出力に基づいて生成した画像信号をメモリカード29に格納するとともに、画像信号を液晶表示素子駆動回路25へ送り、液晶表示素子26に画像を表示させる。
カメラボディ11Bには不図示の操作部材(シャッターボタン、焦点検出位置の設定部材など)が設けられており、これらの操作部材からの操作状態信号をボディ駆動制御部21が検出し、検出結果に応じた動作(撮像動作、焦点検出位置の設定動作、画像処理動作)の制御を行う。
レンズ駆動制御部15はレンズ情報をフォーカシング状態、ズーミング状態、絞り設定状態、絞り開放F値などに応じて変更する。具体的には、レンズ駆動制御部15は、レンズ16及びフォーカシング用レンズ18の位置と絞り19の絞り位置をモニターし、モニター情報に応じてレンズ情報を演算したり、あるいは予め用意されたルックアップテーブルからモニター情報に応じたレンズ情報を選択する。レンズ駆動制御部15は、受信したデフォーカス量に基づいてレンズ駆動量を算出し、このレンズ駆動量に基づいてフォーカシング用レンズ18を不図示のモータ等の駆動源により合焦点へと駆動する。
画素信号取得部30(演算部、画像構成部)は、移動部24による移動の前後の画素の信号を取得する。また、画像信号取得部30は、演算部として、取得した画素信号に基づいてデフォーカス量を演算し、さらに、画像構成部として、取得した画素信号に基づいて画像データを構成する。構成された画像データは、液晶表示素子駆動回路25及びメモリカード29へ出力される。
図2は、本発明の実施形態に係る撮像装置の射出瞳の構成を示す図である。デジタルスチルカメラ11における射出瞳Pは、図2に示すように、左右上下のうちの少なくとも2種類の瞳領域(特定領域)に対応する焦点検出用画素を有する。
具体例としては次の(1)〜(5)のとおりである。
(1)射出瞳Pを縦に2分割して、左側瞳検出用画素Lと右側瞳検出用画素Rを配置したもの(図2(a))
(2)射出瞳Pを横に2分割して、上側瞳検出用画素Uと下側瞳検出用画素Dを配置したもの(図2(a))
(3)左側瞳検出用画素Lと右側瞳検出用画素Rを左右に配置して、その一部を重ねたもの(図2(c))
(4)上側瞳検出用画素Uと下側瞳検出用画素Dを上下に配置して、その一部を重ねたもの(図2(d))
(5)左側瞳検出用画素Lと下側瞳検出用画素Dを任意の位置に配置して、その一部を重ねたもの(図2(e))
なお、測距用瞳の形状は、半円形状、楕円形状としたが、これに限定されず、他の形状、例えば矩形状、多角形状にすることもできる。
また、図2(a)と(b)を組み合わせて上下左右の焦点検出用画素を配置してもよい、図2(c)と(d)を組み合わせて上下左右の焦点検出用画素を配置してもよい、さらに、図2(c)と(e)を組み合わせて左右、斜め線検出の焦点検出用画素を配置してもよいが、これに限定されるものではない。
具体例としては次の(1)〜(5)のとおりである。
(1)射出瞳Pを縦に2分割して、左側瞳検出用画素Lと右側瞳検出用画素Rを配置したもの(図2(a))
(2)射出瞳Pを横に2分割して、上側瞳検出用画素Uと下側瞳検出用画素Dを配置したもの(図2(a))
(3)左側瞳検出用画素Lと右側瞳検出用画素Rを左右に配置して、その一部を重ねたもの(図2(c))
(4)上側瞳検出用画素Uと下側瞳検出用画素Dを上下に配置して、その一部を重ねたもの(図2(d))
(5)左側瞳検出用画素Lと下側瞳検出用画素Dを任意の位置に配置して、その一部を重ねたもの(図2(e))
なお、測距用瞳の形状は、半円形状、楕円形状としたが、これに限定されず、他の形状、例えば矩形状、多角形状にすることもできる。
また、図2(a)と(b)を組み合わせて上下左右の焦点検出用画素を配置してもよい、図2(c)と(d)を組み合わせて上下左右の焦点検出用画素を配置してもよい、さらに、図2(c)と(e)を組み合わせて左右、斜め線検出の焦点検出用画素を配置してもよいが、これに限定されるものではない。
本実施形態の撮像装置では、瞳が異なる領域(特定領域)を有し、その領域の1つを透過した光束を受光する光電変換部の出力から得られる第1像信号と、もう1つの領域を透過した光束を受光する光電変換部の出力から得られる第2像信号と、に基づいて位相差を検出し、撮影レンズの焦点状態を検出する。
本実施形態の撮像装置においては、撮像素子20の内部に構造物を追加して設けることなく、射出瞳を分割している。射出瞳の分割は、移動部24を動作させることで、撮像素子20と入射光制限部22の相対位置を変更することによって行う。
以下、図面を参照して、射出瞳の分割のための基本構成例について説明する。
図3は、本実施形態における撮像素子20の画素及び入射光制限部22の配置を示す断面図である。
図3に示すように、撮像素子20は、各画素の光電変換面34a、34b、34cに対応するように、オンチップレンズ33a、33b、33cが配置されている。オンチップレンズ33a、33b、33cの物体側近傍には、入射光制限部22が配置されている。
図3は、本実施形態における撮像素子20の画素及び入射光制限部22の配置を示す断面図である。
図3に示すように、撮像素子20は、各画素の光電変換面34a、34b、34cに対応するように、オンチップレンズ33a、33b、33cが配置されている。オンチップレンズ33a、33b、33cの物体側近傍には、入射光制限部22が配置されている。
入射光制限部22は、例えば遮光フィルタであって、入射光束を遮る遮光部32a、32bと、入射光束が透過する透明部31a、31b、31cと、を備える。
図3に示す例では、オンチップレンズ33aに対応する範囲では光軸C33aを境界として透明部31aと遮光部32aが対称に配置され、オンチップレンズ33bに対応する範囲では光軸C33bを境界として透明部31bと遮光部32bが対称に配置されている。これにより、オンチップレンズ33aの光軸C33aからオンチップレンズ33bの光軸C33bまでの範囲で透明部31a、31bが連なり、その外側に遮光部32a、32bがそれぞれ位置する。
図3に示す例では、オンチップレンズ33aに対応する範囲では光軸C33aを境界として透明部31aと遮光部32aが対称に配置され、オンチップレンズ33bに対応する範囲では光軸C33bを境界として透明部31bと遮光部32bが対称に配置されている。これにより、オンチップレンズ33aの光軸C33aからオンチップレンズ33bの光軸C33bまでの範囲で透明部31a、31bが連なり、その外側に遮光部32a、32bがそれぞれ位置する。
また、オンチップレンズ33a、33b、33cは、その光軸C33a、C33b、C33cが、光電変換面34a、34b、34cの中心を通るように配置されている。
入射光制限部22への入射光束は、遮光部32a、32bでは入射方向が制限されてオンチップレンズ33a、33b、33cへは射出せず、透明部31a、31bでは撮像素子20側へ射出する。例えば、透明部31a、31bに入射した光束L31、L32は、入射方向に応じて分割され、光束L31は光電変換面34aへ、光束L32は光電変換面34bへ、それぞれ射出される。
図4は、本実施形態の第1変形例における撮像素子40の画素及び入射光制限部42の配置を示す断面図である。
図4に示すように、撮像素子40は、各画素の2つの光電変換面に1つのオンチップレンズが対応するように配置されている。具体的には、光電変換面54a、54bに対応するように、オンチップレンズ53aが配置され、光電変換面54c、54dに対応するように、オンチップレンズ53bが配置されている。
図4に示すように、撮像素子40は、各画素の2つの光電変換面に1つのオンチップレンズが対応するように配置されている。具体的には、光電変換面54a、54bに対応するように、オンチップレンズ53aが配置され、光電変換面54c、54dに対応するように、オンチップレンズ53bが配置されている。
オンチップレンズ53a、53bの物体側近傍には、入射光制限部42が配置されている。入射光制限部42は、例えば遮光フィルタであって、入射光束を遮る遮光部52a、52b、52cと、入射光束が透過する透明部51a、51b、51cと、を備える。
図4に示す例では、オンチップレンズ53aに対応する範囲では、光軸C53a上に遮光部52bが配置されるとともに、遮光部52bの外側には光軸C53aに関して対称となるように透明部51a、51bがそれぞれ配置され、さらに外側には遮光部52a、52bが対称にそれぞれ配置されている。別言すると、光軸C53aに関して対称に、透明部51a、51bが位置している。
入射光制限部42への入射光束は、遮光部52a、52b、52cでは入射方向が制限されてオンチップレンズ53a、53bへは射出せず、透明部51a、51bでは撮像素子40側へ射出する。例えば、透明部51a、51bに入射した光束L51、L52は、入射方向に応じて分割され、光束L51は光電変換面54aへ、光束L52は光電変換面54bへ、それぞれ射出される。
第1変形例では、透明部51a、51bの間に遮光部52bを配しているため、入射光制限部42への入射光束をより確実に分割することができる。
第1変形例では、透明部51a、51bの間に遮光部52bを配しているため、入射光制限部42への入射光束をより確実に分割することができる。
図5は、本実施形態の第2変形例における撮像素子60の画素及び入射光制限部62の配置を示す断面図である。
図5に示すように、撮像素子60は、各画素の光電変換面74a、74b、74cに対応するように、オンチップレンズ73a、73b、73cが配置されている。オンチップレンズ73a、73b、73cの物体側近傍には、入射光制限部62が配置されている。
図5に示すように、撮像素子60は、各画素の光電変換面74a、74b、74cに対応するように、オンチップレンズ73a、73b、73cが配置されている。オンチップレンズ73a、73b、73cの物体側近傍には、入射光制限部62が配置されている。
入射光制限部62は、例えば減光フィルタであって、入射光束の光量を制限する減光部72a、72bと、入射光束が透過する透明部71a、71b、71cと、を備える。
図5に示す例では、オンチップレンズ73aに対応する範囲では光軸C73aを境界として透明部71aと減光部72aが対称に配置され、オンチップレンズ73bに対応する範囲では光軸C73bを境界として透明部71bと減光部72bが対称に配置されている。これにより、オンチップレンズ73aの光軸C73aからオンチップレンズ73bの光軸C73bまでの範囲で透明部71a、71bが連なり、その外側に減光部72a、72bがそれぞれ位置する。
図5に示す例では、オンチップレンズ73aに対応する範囲では光軸C73aを境界として透明部71aと減光部72aが対称に配置され、オンチップレンズ73bに対応する範囲では光軸C73bを境界として透明部71bと減光部72bが対称に配置されている。これにより、オンチップレンズ73aの光軸C73aからオンチップレンズ73bの光軸C73bまでの範囲で透明部71a、71bが連なり、その外側に減光部72a、72bがそれぞれ位置する。
また、オンチップレンズ73a、73b、73cは、その光軸C73a、C73b、C73cが、光電変換面74a、74b、74cの中心を通るように配置されている。
62への入射光束は、透明部71a、71bでは光量が制限されることなく撮像素子60側へ射出され、減光部72a、72bでは入射光量が制限されて撮像素子60へ射出される。例えば、透明部71a、71bに入射した光束L71、L72は、入射方向に応じて分割され、光束L71は光電変換面74aへ、光束L72は光電変換面74bへ、それぞれ射出される。また、減光部72aに入射した光束L71bは光量が減少して光電変換面74aへ射出され、減光部72bに入射した光束L72bは光量が減少して光電変換面74bへ射出される。
図6は、本実施形態の撮像光学系12、入射光制限部22、及び、撮像素子20の配置を概念的に示した斜視図である。
撮像光学系12、入射光制限部22、及び、撮像素子20は光軸11Cに直交するように配置され、入射光制限部22及び撮像素子20は移動部24の動作により、光軸11Cに直交する面内を移動可能である。よって、入射光制限部22と撮像素子20を相対的に移動させることができる。このため、入射光制限部22と撮像素子20の相対移動の前後で、撮像光学系の異なる領域を透過した光束が同一画素に入射するため、これらの入射信号に基づいてデフォーカス量を演算することができる。
撮像光学系12、入射光制限部22、及び、撮像素子20は光軸11Cに直交するように配置され、入射光制限部22及び撮像素子20は移動部24の動作により、光軸11Cに直交する面内を移動可能である。よって、入射光制限部22と撮像素子20を相対的に移動させることができる。このため、入射光制限部22と撮像素子20の相対移動の前後で、撮像光学系の異なる領域を透過した光束が同一画素に入射するため、これらの入射信号に基づいてデフォーカス量を演算することができる。
このように、焦点検出用画素は、撮影レンズの瞳の異なる位置を透過した光束を受光するように構成している。このとき、焦点検出用画素からの信号レベルは、焦点検出用画素近傍の撮像用画素から出力される信号レベルと異なってしまうおそれがある。焦点検出用画素の位置における画像用の信号を得る為には、以下の(1)又は(2)の方法をとることが好ましい。
(1)焦点検出用画素の信号を周囲の撮像用画素の信号レベルと同等となるようにゲインを調整し、焦点検出用画素の位置における画像用信号とする。
(2)焦点検出用画素の信号および焦点検出用画素近傍の撮像用画素の信号に基づいて画素補間を行い、焦点検出用画素の位置における画像用信号とする。
(1)焦点検出用画素の信号を周囲の撮像用画素の信号レベルと同等となるようにゲインを調整し、焦点検出用画素の位置における画像用信号とする。
(2)焦点検出用画素の信号および焦点検出用画素近傍の撮像用画素の信号に基づいて画素補間を行い、焦点検出用画素の位置における画像用信号とする。
ゲイン調整の方法については、次のように行う。
まず、焦点検出用画素から出力されたままの信号レベルと、焦点検出用画素近傍の撮像用画素から出力されたままの信号レベルと、を比較する。つづいて、焦点検出用画素から出力される信号レベルを近傍の撮像用画素から出力される信号レベルに近づけるようにゲインを調整する。その後、焦点検出用画素の信号をゲイン調整し得られた信号を画像信号としてデモザイキングを行い、最終画像を得る。
まず、焦点検出用画素から出力されたままの信号レベルと、焦点検出用画素近傍の撮像用画素から出力されたままの信号レベルと、を比較する。つづいて、焦点検出用画素から出力される信号レベルを近傍の撮像用画素から出力される信号レベルに近づけるようにゲインを調整する。その後、焦点検出用画素の信号をゲイン調整し得られた信号を画像信号としてデモザイキングを行い、最終画像を得る。
撮像素子から出力されたままの画素データで構成される未加工の画像データ(RAWデータ)は、そのままでは、パーソナルコンピュータなどで表示することができないため、画素の補間処理などの画像処理が必要になる。
画素補間の方法については、以下の(a)〜(c)のいずれかが好ましいが、これらに限定されず、単純平均演算(重み付きも含む)だけでなく、線形補間、2次以上の多項式で補間、メディアン処理などで求めてもよい。
(a)焦点検出用画素の位置における信号を、焦点検出用画素近傍の撮像用画素の信号に基づいて補間し、補間することで得られた信号を焦点検出用画素の位置の画像信号としてデモザイキングを行い、最終画像を得る。
(b)焦点検出用画素の位置における信号を、焦点検出用画素の信号と焦点検出用画素近傍の撮像用画素の信号とに基づいて補間し、補間することで得られた信号を焦点検出用画素の位置の画像信号としてデモザイキングを行い、最終画像を得る。
(c)焦点検出用画素の位置における信号を、焦点検出用画素近傍の撮像用画素の信号に基づいて補間し、補間することで得られた信号と焦点検出用画素の位置の信号とに基づいて補間し、補間することで得られた信号を焦点検出用画素の位置の画像信号としてデモザイキングを行い、最終画像を得る。
補間の手法としては、上記に限定されず単純平均演算(重み付きも含め)だけでなく、線形補間、2次以上の多項式で補間、メディアン処理などで求めてもよい。
(a)焦点検出用画素の位置における信号を、焦点検出用画素近傍の撮像用画素の信号に基づいて補間し、補間することで得られた信号を焦点検出用画素の位置の画像信号としてデモザイキングを行い、最終画像を得る。
(b)焦点検出用画素の位置における信号を、焦点検出用画素の信号と焦点検出用画素近傍の撮像用画素の信号とに基づいて補間し、補間することで得られた信号を焦点検出用画素の位置の画像信号としてデモザイキングを行い、最終画像を得る。
(c)焦点検出用画素の位置における信号を、焦点検出用画素近傍の撮像用画素の信号に基づいて補間し、補間することで得られた信号と焦点検出用画素の位置の信号とに基づいて補間し、補間することで得られた信号を焦点検出用画素の位置の画像信号としてデモザイキングを行い、最終画像を得る。
補間の手法としては、上記に限定されず単純平均演算(重み付きも含め)だけでなく、線形補間、2次以上の多項式で補間、メディアン処理などで求めてもよい。
以下、入射光制限部22と撮像素子20の相対移動に関して、実施例を挙げて説明する。
(実施例1)
図7は、本実施形態の実施例1における撮像素子120と入射光制限部130との位置関係を示す平面図である。図8は、図7の状態から、入射光制限部130は動かさずに、撮像素子120をx方向の左側へ半画素分移動した後の状態を示す平面図である。
(実施例1)
図7は、本実施形態の実施例1における撮像素子120と入射光制限部130との位置関係を示す平面図である。図8は、図7の状態から、入射光制限部130は動かさずに、撮像素子120をx方向の左側へ半画素分移動した後の状態を示す平面図である。
撮像素子120においては、焦点検出用画素123が市松模様状に配置されている。焦点検出用画素123は、右側に配置した右画素121と左側に配置した左画素122からなり、両者は同じ平面サイズを備える。また、焦点検出用画素123の間には、焦点検出には用いない撮像用画素が配置されている。
入射光制限部130においては、x方向及びy方向の両方向において、透明部131と遮光部132が交互に配置されている。透明部131と遮光部132は、撮像素子120の画素に対応するように配置されている。遮光部132の平面サイズは、y方向においては撮像素子120の画素と同じであり、x方向においては撮像素子120の画素の半分である。したがって、遮光部132の平面サイズは、右画素121及び左画素122と同一である。
なお、遮光部132は減光部として構成してもよい。
なお、遮光部132は減光部として構成してもよい。
図7において、撮像素子120は、入射光制限部130に対して、x方向に1画素分、及び、y方向に1画素分、それぞれずれて配置されている。したがって、撮像素子120においては、y方向の最も上側の行、及び、x方向の最も右側の列は入射光制限部130と重なっていない。また、入射光制限部130においては、y方向の最も下側の行、及び、x方向の最も左側の列は撮像素子120と重なっていない。
図9は、本実施形態において撮像素子120に重ねたカラーフィルタ140と入射光制限部130との位置関係を示す平面図である。図10は、図9の状態から、入射光制限部130は動かさずに、カラーフィルタ140をx方向の左側へ半画素分移動した後の状態を示す平面図である。したがって、図9、図10は、図7、図8にそれぞれ対応する。また、図9、図10では、右画素121、左画素122の表示は省略し、透明部131、遮光部132の一部を表示している。
カラーフィルタ140を重ねることにより、撮像素子120の各画素には、色フィルタがそれぞれ配置される。色フィルタの透過特性は、R(赤)、G(緑)、B(青)の3通りとしており、G、B、R、Gで構成する2行2列のパターンをx方向及びy方向に繰り返す配置である。
Bフィルタは、R、G、Bの異なる透過特性のうち、最も短波長側の透過特性をもつ色フィルタであり、Rフィルタは、最も長波長側の透過特性を持つ色フィルタであり、Gフィルタは、それ以外の透過特性を持つものである。
なお、複数の色フィルタは、少なくとも可視域の1部を含み、異なる透過特性を少なくとも3通り有していれば、ほかの組合せでも良い。
なお、複数の色フィルタは、少なくとも可視域の1部を含み、異なる透過特性を少なくとも3通り有していれば、ほかの組合せでも良い。
図7、図9の状態では、遮光部132を、左画素122(図9ではフィルタG1の左側)に重ねることにより、右画素121(図9ではフィルタG1の右側)のみで入射光束を受光している。これに対して、撮像素子120を入射光制限部130に対して相対的に移動させた、図8、図10の状態では、遮光部132を右画素121に重ねることにより、左画素122のみで入射光束を受光している。
したがって、焦点検出用画素123には、撮像素子120の移動の前後で、撮像光学系の異なる領域(特定領域)を透過した光束が同一画素に入射するため、これらの入射信号に基づいてデフォーカス量を演算することができる。
図11は、本実施形態における撮像素子120と入射光制限部130との位置関係を示す平面図である。図12は、図11の状態から、入射光制限部130は動かさずに、撮像素子120をx方向の下側へ半画素分移動し、物点をx方向の上側へ移動した後の状態を示す平面図である。また、図11、図12では、右画素121、左画素122の表示は省略し、焦点検出用画素123、透明部131、遮光部132の一部を表示している。
ここでは、撮像素子120及び物点の移動量が、撮像素子120の画素ピッチの0.5倍となる例を示している。
ここでは、撮像素子120及び物点の移動量が、撮像素子120の画素ピッチの0.5倍となる例を示している。
図11においては、撮像素子120の画素1、2、3、4、5と、像点a'、b'、c'、d'、e'と、がそれぞれ対応している。図12においては、撮像素子120の画素1、2、3、4、5と、像点a''、b''、c''、d''、e''と、がそれぞれ対応している。各画素1、2、3、4、5は、物点a0、b0、c0、d0、e0(図11)、a1、b1、c1、d1、e1(図12)、に対応するように配置されている。
図11において、像点a'、c'、e'は、遮光部132により右側(x方向下側)の領域が遮光されているため、撮像光学系の射出瞳の左側領域を透過した光束の像点となる。これに対して、像点b'、d'は、遮光部132によって遮光されていないため、撮像光学系の射出瞳の全領域を透過した光束の像点となっている。したがって、像点a'、c'、e'は、像点b'、d'に比べて信号が劣化している。
撮像素子120を移動させた後は、図12に示すように、像点a''、c''、e''は、遮光部132により左側(x方向上側)の領域が遮光されているため、撮像光学系の射出瞳の右側領域を透過した光束の像点となる。一方、像点b''、d''は、遮光部132によって遮光されていないため、撮像光学系の射出瞳の全領域を透過した光束の像点となる。よって、像点a''、c''、e''は、像点b''、d''に比べて信号が劣化している。
画像信号取得部30は、移動部24による撮像素子120の移動の前後の画素信号を取得し、これらの画素信号、例えば像点a'、c'、e'と、像点a''、c''、e''の信号に基づいてデフォーカス量を演算する。
さらに、画素信号取得部30は、画素加算や画素補間により、画素信号が劣化している画素の画素データを構成し直し、画質の劣化のない画像を得ることができる。
例えば、画素加算では、像点e'(図11)と像点e''(図12)の画素信号を加算し、画素番号5の画素信号とする。画素補間では、像点e'と像点e''の画素信号と、画素番号5の周辺の信号劣化がない画素の画素信号と、に基づいて画素補間を行い画素番号5の画素信号とする。
例えば、画素加算では、像点e'(図11)と像点e''(図12)の画素信号を加算し、画素番号5の画素信号とする。画素補間では、像点e'と像点e''の画素信号と、画素番号5の周辺の信号劣化がない画素の画素信号と、に基づいて画素補間を行い画素番号5の画素信号とする。
なお、物点a0、b0、c0、d0、e0(図11)と、物点a1、b1、c1、d1、e1(図12)は、厳密には画素ピッチの半分ずれた物点であるが、画素ピッチが数Mあるものに関しては、このズレ量は無視できる。
図13は、本実施形態に係る撮像装置の処理の流れを示すフローチャートである。
図13に示すように、電源をオンにして撮影を開始(ステップS100)した後に、焦点検出(ステップS200)、撮影(ステップS300)の順に処理を行う。
なお、撮像装置の全体の流れは、図13のフローチャートに示す内容、順序に限定されない。例えば、電源オンの後、初期状態検出、撮像素子駆動、プレビュー画像表示などを行ってもよい。また、撮影開始としてシャッターボタン半押しした後に、焦点検出サブルーチンに移り、合焦後に確認画像を表示し、さらに、シャッターボタン全押し後に、撮影サブルーチンに移るフローでもよい。
図13に示すように、電源をオンにして撮影を開始(ステップS100)した後に、焦点検出(ステップS200)、撮影(ステップS300)の順に処理を行う。
なお、撮像装置の全体の流れは、図13のフローチャートに示す内容、順序に限定されない。例えば、電源オンの後、初期状態検出、撮像素子駆動、プレビュー画像表示などを行ってもよい。また、撮影開始としてシャッターボタン半押しした後に、焦点検出サブルーチンに移り、合焦後に確認画像を表示し、さらに、シャッターボタン全押し後に、撮影サブルーチンに移るフローでもよい。
次に、図14を参照して、焦点検出の流れについて説明する。図14は、本実施形態における焦点検出サブルーチンの流れを示すフローチャートである。
まず、ボディ駆動制御部21は、移動部24を駆動して撮像素子120のみを光軸11Cに垂直な面内で所定位置へ移動させる(ステップS201)。別言すると、ボディ駆動制御部21は、入射光制限部22は移動させずに、撮像素子120を相対移動させる。これにより、焦点検出用画素123の右画素121の集合及び左画素122の集合のうち、一方は遮光部132で遮光され、他方にのみ光束が入射する。
まず、ボディ駆動制御部21は、移動部24を駆動して撮像素子120のみを光軸11Cに垂直な面内で所定位置へ移動させる(ステップS201)。別言すると、ボディ駆動制御部21は、入射光制限部22は移動させずに、撮像素子120を相対移動させる。これにより、焦点検出用画素123の右画素121の集合及び左画素122の集合のうち、一方は遮光部132で遮光され、他方にのみ光束が入射する。
つづいて、画像信号取得部30は、検出の対象となる焦点検出用画素123、すなわち右画素121の集合及び左画素122の集合のうち光束が入射した方の画素集合から画素信号を読み出す(ステップS202)。画像信号取得部30は、読み出した画素信号を内部の記憶部(メモリA)に記憶する(ステップS203)。
次に、ボディ駆動制御部21は、移動部24を駆動して撮像素子120のみを光軸11Cに垂直な面内で所定位置へ移動させる(ステップS204)。このステップS204においても、ボディ駆動制御部21は、入射光制限部130は移動させずに、撮像素子120を相対移動させる。この移動により、焦点検出用画素123の右画素121の集合及び左画素122の集合のうち、ステップS201において光束が入射していた画素を遮光部132で遮光し、遮光していた画素に光束を入射させる。
画像信号取得部30は、検出の対象となる焦点検出用画素123、すなわち右画素121の集合及び左画素122の集合のうち光束が入射した方の画素集合から画素信号を読み出す(ステップS205)。画像信号取得部30は、読み出した画素信号を内部の記憶部(メモリB)に記憶する(ステップS206)。
つづいて、画像信号取得部30(演算部)は、メモリA、Bとして記憶部にそれぞれ記憶された画素信号から相関(位相差)を演算する(ステップS207)。画素信号取得部30は、ステップS207での演算結果を用いて相関信頼性を判定(ステップS208)し、デフォーカス量を算出する(ステップS209)。
デフォーカス量を算出すると、処理は、撮影サブルーチン(ステップS300)に移行する。
なお、ステップS202、S205における焦点検出画素読出しは、間引き読出しの処理を含んでいることが好ましい。
デフォーカス量を算出すると、処理は、撮影サブルーチン(ステップS300)に移行する。
なお、ステップS202、S205における焦点検出画素読出しは、間引き読出しの処理を含んでいることが好ましい。
図15は、本実施形態における撮影サブルーチンの流れを示すフローチャートである。
まず、ボディ駆動制御部21は、移動部24を駆動して撮像素子120のみを光軸11Cに垂直な面内で所定位置へ移動させる(ステップS301)。すなわち、ボディ駆動制御部21は、入射光制限部130は移動させずに、入射光制限部130に対して撮像素子120を相対移動させる。これにより、撮像用画素には光束が入射し、焦点検出用画素123については、右画素121の集合及び左画素122の集合のうち、一方は遮光部132で遮光され、他方にのみ光束が入射する。
まず、ボディ駆動制御部21は、移動部24を駆動して撮像素子120のみを光軸11Cに垂直な面内で所定位置へ移動させる(ステップS301)。すなわち、ボディ駆動制御部21は、入射光制限部130は移動させずに、入射光制限部130に対して撮像素子120を相対移動させる。これにより、撮像用画素には光束が入射し、焦点検出用画素123については、右画素121の集合及び左画素122の集合のうち、一方は遮光部132で遮光され、他方にのみ光束が入射する。
つづいて、画像信号取得部30は、撮像用画素及び光束が入射した焦点検出用画素123のそれぞれから画素信号を読み出し(ステップS302)、読み出した画素信号を内部の記憶部(メモリC)に記憶する(ステップS303)。
次に、ボディ駆動制御部21は、移動部24を駆動して撮像素子120のみを光軸11Cに垂直な面内で所定位置へ移動させる(ステップS304)。このステップS304においても、ボディ駆動制御部21は、入射光制限部130は移動させずに、撮像素子120を相対移動させる。この移動により、撮像用画素には光束が入射し、焦点検出用画素123については、右画素121の集合及び左画素122の集合のうち、ステップS301において光束が入射していた画素が遮光部132で遮光され、遮光されていた画素に光束を入射する。
画像信号取得部30は、撮像用画素及び光束が入射した焦点検出用画素123のそれぞれから画素信号を読み出し(ステップS305)、読み出した画素信号を内部の記憶部(メモリD)に記憶する(ステップS306)。
つづいて、画像信号取得部30(画像構成部)は、メモリC、Dとして記憶部にそれぞれ記憶された画素信号から画像を構成する(ステップS307)。焦点検出用画素123については、上述のように、以下の(1)又は(2)により画像用の信号を得る。
(1)焦点検出用画素の信号が周囲の撮像用画素の信号レベルと同等となるようにゲインを調整し、焦点検出用画素の位置における画像用信号とする。
(2)焦点検出用画素の信号および焦点検出用画素近傍の撮像用画素の信号に基づいて画素補間を行い、焦点検出用画素の位置における画像用信号とする。
(1)焦点検出用画素の信号が周囲の撮像用画素の信号レベルと同等となるようにゲインを調整し、焦点検出用画素の位置における画像用信号とする。
(2)焦点検出用画素の信号および焦点検出用画素近傍の撮像用画素の信号に基づいて画素補間を行い、焦点検出用画素の位置における画像用信号とする。
画素信号取得部30は、構成した画像の信号を、内部の記憶部に記録するとともに(ステップS308)、液晶表示素子駆動回路25へ出力する。信号を受けた液晶表示素子駆動回路25は、液晶表示素子26に記録画像を表示する(ステップS309)。
(実施例2)
上述の図7から図15に示す実施例1では、入射光制限部130を固定して、撮像素子120を入射光制限部130に対して相対的に移動させていたが、実施例2では、撮像素子120は移動させずに、入射光制限部130を撮像素子120に対して相対的に移動させる。
図16は、実施例2において撮像素子120に重ねたカラーフィルタ140と入射光制限部130との位置関係を示す平面図である。図17は、図16の状態から、撮像素子120及びカラーフィルタ140は動かさずに、入射光制限部130をx方向の右側へ半画素分移動した後の状態を示す平面図である。移動前後における撮像素子120及びカラーフィルタ140と入射光制限部130との位置関係については、図16、図17は、図9、図10とそれぞれ同一である。
上述の図7から図15に示す実施例1では、入射光制限部130を固定して、撮像素子120を入射光制限部130に対して相対的に移動させていたが、実施例2では、撮像素子120は移動させずに、入射光制限部130を撮像素子120に対して相対的に移動させる。
図16は、実施例2において撮像素子120に重ねたカラーフィルタ140と入射光制限部130との位置関係を示す平面図である。図17は、図16の状態から、撮像素子120及びカラーフィルタ140は動かさずに、入射光制限部130をx方向の右側へ半画素分移動した後の状態を示す平面図である。移動前後における撮像素子120及びカラーフィルタ140と入射光制限部130との位置関係については、図16、図17は、図9、図10とそれぞれ同一である。
図18は、実施例2における撮像素子120と入射光制限部130との位置関係を示す平面図である。図19は、図18の状態から、撮像素子120は動かさずに、入射光制限部130をx方向の上側へ半画素分移動した後の状態を示す平面図である。
ここで、図16から図19では、右画素121、左画素122の表示は省略し、焦点検出用画素123、透明部131、遮光部132の一部を表示している。また、図11、図12に示す例では物点を移動させたが、実施例2では物点は移動させていない。ここでは、入射光制限部130の移動量が、撮像素子120の画素ピッチの0.5倍となる例を示している。
ここで、図16から図19では、右画素121、左画素122の表示は省略し、焦点検出用画素123、透明部131、遮光部132の一部を表示している。また、図11、図12に示す例では物点を移動させたが、実施例2では物点は移動させていない。ここでは、入射光制限部130の移動量が、撮像素子120の画素ピッチの0.5倍となる例を示している。
図18においては、撮像素子120の画素1、2、3、4、5と、像点a'、b'、c'、d'、e'と、がそれぞれ対応している。図19においては、撮像素子120の画素1、2、3、4、5と、像点a''、b''、c''、d''、e''と、がそれぞれ対応している。各画素1、2、3、4、5は、物点a、b、c、d、eにそれぞれ対応するように配置されている。
図18において、像点a'、c'、e'は、遮光部132により右側(x方向下側)の領域が遮光されているため、撮像光学系の射出瞳の左側領域を透過した光束の像点となる。これに対して、像点b'、d'は、遮光部132によって遮光されていないため、撮像光学系の射出瞳の全領域を透過した光束の像点となっている。したがって、像点a'、c'、e'は、像点b'、d'に比べて信号が劣化している。
一方、入射光制限部130を移動させた後は、図19に示すように、像点a''、c''、e''は、遮光部132により左側(x方向上側)の領域が遮光されているため、撮像光学系の射出瞳の右側領域を透過した光束の像点となる。一方、像点b''、d''は、遮光部132によって遮光されていないため、撮像光学系の射出瞳の全領域を透過した光束の像点となる。よって、像点a''、c''、e''は、像点b''、d''に比べて信号が劣化している。
画像信号取得部30は、移動部24による入射光制限部130の移動の前後の画素信号を取得し、これらの画素信号、例えば像点a'、c'、e'と、像点a''、c''、e''の信号に基づいてデフォーカス量を演算する。
さらに、画素信号取得部30は、画素加算や画素補間により、画素信号が劣化している画素の画素データを構成し直し、画質の劣化のない画像を得ることができる。
例えば、画素加算では、像点e'(図18)と像点e''(図19)の画素信号を加算し、画素番号5の画素信号とする。画素補間では、像点e'と像点e''の画素信号と、画素番号5の周辺の信号劣化がない画素の画素信号と、に基づいて画素補間を行い画素番号5の画素信号とする。
なお、撮像装置の処理の流れは、実施例1と同様であるため説明を省略する。
例えば、画素加算では、像点e'(図18)と像点e''(図19)の画素信号を加算し、画素番号5の画素信号とする。画素補間では、像点e'と像点e''の画素信号と、画素番号5の周辺の信号劣化がない画素の画素信号と、に基づいて画素補間を行い画素番号5の画素信号とする。
なお、撮像装置の処理の流れは、実施例1と同様であるため説明を省略する。
(実施例3)
実施例3においては、実施例1、2の入射光制限部130に代えて、互いに独立して移動可能な、2枚の入射光制限部230、250を備える。この入射光制限部230、250は、移動部24により、撮像素子120との相対位置が変わるように、それぞれ光軸11Cに垂直な面内で移動する。移動部24の動作がボディ駆動制御部21によって制御されるのは実施例1、2と同様である。
図20は、実施例3における、撮像素子120及びカラーフィルタ140と入射光制限部230、250との位置関係を示す平面図である。図21は、図20の状態から、撮像素子120及びカラーフィルタ140は動かさずに、入射光制限部250をy方向の下側へ半画素分移動した後の状態を示す平面図である。図22は、図20の状態から、撮像素子120及びカラーフィルタ140は動かさずに、入射光制限部230をx方向の右側に移動した後の状態を示す平面図である。図23は、図20の状態から、撮像素子120及びカラーフィルタ140は動かさずに、入射光制限部230をx方向の右側へ半画素分、入射光制限部250をy方向の下側へ半画素分移動した後の状態を示す平面図である。
撮像素子120に近い位置に配置された入射光制限部230においては、x方向及びy方向の両方向において、3つの透明部231と、遮光部232を含む領域と、が繰り返し配置されている。透明部231と遮光部232は、撮像素子120の画素に対応するように配置されている。遮光部232の平面サイズは、y方向においては撮像素子120の画素と同じであり、x方向においては撮像素子120の画素の半分である。
なお、遮光部232は減光部として構成してもよい。
なお、遮光部232は減光部として構成してもよい。
物体側に配置された入射光制限部250においては、x方向及びy方向の両方向において、3つの透明部251と、遮光部252を含む領域と、が交互に配置されている。透明部251と遮光部252は、撮像素子120の画素に対応するように配置されている。遮光部252の平面サイズは、y方向においては撮像素子120の画素の半分であり、x方向においては撮像素子120の画素と同一である。
なお、遮光部252は減光部として構成してもよい。
なお、遮光部252は減光部として構成してもよい。
図20において、入射光制限部230は、撮像素子120及びカラーフィルタ140に対して、x方向に1画素分、及び、y方向に1画素分、それぞれずれて配置されている。さらに、入射光制限部250は、入射光制限部230に対して、x方向に1画素分、及び、y方向に1画素分、それぞれずれて配置されている。したがって、入射光制限部230においては、y方向の最も下側の行、及び、x方向の最も左側の列は撮像素子120及びカラーフィルタ140と重なっておらず、入射光制限部250においては、y方向の最も下側の行、及び、x方向の最も左側の列は、撮像素子120、カラーフィルタ140、及び入射光制限部230と重なっていない。また、撮像素子120及びカラーフィルタ140においては、y方向の最も上側の行、及び、x方向の最も右側の列は入射光制限部230及び入射光制限部250と重なっていない。
図20、図21の状態では、遮光部232を左画素(例えば、フィルタG21、G23、G25の左側)に重ねることにより、右画素(例えば、フィルタG21、G23、G25の右側)のみで入射光束を受光している。これに対して、図22、23の状態では、遮光部232を右画素(例えば、フィルタG21、G23、G25の右側)に重ねることにより、左画素(例えば、フィルタG21、G23、G25の左側)のみで入射光束を受光している。
また、図20、図22の状態では、遮光部252を上画素(例えば、フィルタG22、G24の上側)に重ねることにより、下画素(例えば、フィルタG22、G24の下側)のみで入射光束を受光している。これに対して、図21、23の状態では、遮光部252を下画素(例えば、フィルタG22、G24の下側)に重ねることにより、上画素(例えば、フィルタG22、G24の上側)のみで入射光束を受光している。
したがって、焦点検出用画素(例えば、フィルタG21、G22、G23、G24、G25が重なった焦点検出用画素)には、入射光制限部230、250の移動の前後で、撮像光学系の異なる領域(特定領域)を透過した光束が同一画素に入射するため、これらの入射信号に基づいて、上下方向及び左右方向についてデフォーカス量を演算することができる。
(実施例4)
図24は、実施例4における撮像素子120と入射光制限部130との位置関係を示す平面図である。図25は、図24の状態から、撮像素子120は動かさずに、入射光制限部130をx方向の上側へ半画素分移動した後の状態を示す平面図である。図26は、図25の状態から、撮像素子120は動かさずに、入射光制限部130をx方向の上側へさらに半画素分移動した後の状態を示す平面図である。
図24は、実施例4における撮像素子120と入射光制限部130との位置関係を示す平面図である。図25は、図24の状態から、撮像素子120は動かさずに、入射光制限部130をx方向の上側へ半画素分移動した後の状態を示す平面図である。図26は、図25の状態から、撮像素子120は動かさずに、入射光制限部130をx方向の上側へさらに半画素分移動した後の状態を示す平面図である。
実施例4においては、入射光制限部130を半画素ずつ2回ずらすことにより、(1)遮光部132により焦点検出用画素の右側が覆われた状態(図24)と、(2)遮光部132により焦点検出用画素の左側が覆われた状態(図25)と、(3)焦点検出用画素が遮光部132に覆われていない状態(図26)と、の3状態を実現している。これにより、焦点検出用画素に対して、撮像光学系の異なる領域(特定領域)を透過した光束が入射するだけでなく、撮像光学系の射出瞳の全領域を透過した光束を入射させることができ、これにより劣化のない信号を得ることができる。
実施例4における、撮像素子120、入射光制限部130、カラーフィルタ140の構成・配置は、実施例2と同様であるため、詳細な説明は省略する。また、撮像装置の処理の流れは、撮影サブルーチンを除いて、実施例1、2と同様であるため、以下撮影サブルーチンについて説明する。
図27は、実施例4における撮影サブルーチンの流れを示すフローチャートである。
まず、ボディ駆動制御部21は、移動部24を駆動して入射光制限部130のみを光軸11Cに垂直な面内で所定位置へ移動させる(ステップS401)。すなわち、ボディ駆動制御部21は、撮像素子120は移動させずに、撮像素子120に対して入射光制限部130を相対移動させる。これにより、撮像用画素には光束が入射し、焦点検出用画素123については、例えば、像点a'、c'、e'は、遮光部132により右側(x方向下側)の領域が遮光されているため、撮像光学系の射出瞳の左側領域を透過した光束の像点となる(図24)。これに対して、像点b'、d'は、遮光部132によって遮光されていないため、撮像光学系の射出瞳の全領域を透過した光束の像点となっている。このとき、像点a'、c'、e'は、像点b'、d'に比べて信号が劣化している。
まず、ボディ駆動制御部21は、移動部24を駆動して入射光制限部130のみを光軸11Cに垂直な面内で所定位置へ移動させる(ステップS401)。すなわち、ボディ駆動制御部21は、撮像素子120は移動させずに、撮像素子120に対して入射光制限部130を相対移動させる。これにより、撮像用画素には光束が入射し、焦点検出用画素123については、例えば、像点a'、c'、e'は、遮光部132により右側(x方向下側)の領域が遮光されているため、撮像光学系の射出瞳の左側領域を透過した光束の像点となる(図24)。これに対して、像点b'、d'は、遮光部132によって遮光されていないため、撮像光学系の射出瞳の全領域を透過した光束の像点となっている。このとき、像点a'、c'、e'は、像点b'、d'に比べて信号が劣化している。
つづいて、画像信号取得部30は、撮像用画素及び光束が入射した焦点検出用画素123のそれぞれから画素信号を読み出し(ステップS402)、読み出した画素信号を内部の記憶部(メモリC)に記憶する(ステップS403)。
次に、ボディ駆動制御部21は、移動部24を駆動して入射光制限部130のみを光軸11Cに垂直な面内で所定位置へ移動させる(ステップS404)。このステップS404においても、ボディ駆動制御部21は、撮像素子120は移動させずに、入射光制限部130を相対移動させる。この移動により、撮像用画素には光束が入射し、焦点検出用画素123については、例えば、像点a'、c'、e'は、遮光部132により左側(x方向上側)の領域が遮光されているため、撮像光学系の射出瞳の右側領域を透過した光束の像点となる(図25)。これに対して、像点b'、d'は、遮光部132によって遮光されていないため、撮像光学系の射出瞳の全領域を透過した光束の像点となっている。このとき、像点a'、c'、e'は、像点b'、d'に比べて信号が劣化している。
画像信号取得部30は、撮像用画素及び光束が入射した焦点検出用画素123のそれぞれから画素信号を読み出し(ステップS405)、読み出した画素信号を内部の記憶部(メモリD)に記憶する(ステップS406)。
さらに、ボディ駆動制御部21は、移動部24を駆動して入射光制限部130のみを光軸11Cに垂直な面内で所定位置へ移動させる(ステップS407)。このステップS407においても、ボディ駆動制御部21は、撮像素子120は移動させずに、入射光制限部130を相対移動させる。この移動により、ここまでの過程で遮光部132により遮光されていた焦点検出用画素123(例えば、像点a'、c'、e')は、遮光部132によって遮光されることがなくなるため、撮像光学系の射出瞳の全領域を透過した光束の像点となる(図26)。一方、像点b'、d'は、遮光部132によって遮光される。
画像信号取得部30は、撮像用画素及び光束が入射した焦点検出用画素123のそれぞれから画素信号を読み出し(ステップS408)、読み出した画素信号を内部の記憶部(メモリE)に記憶する(ステップS409)。
つづいて、画像信号取得部30(画像構成部)は、メモリC、D、Eとして記憶部にそれぞれ記憶された画素信号から画像を構成する(ステップS410)。焦点検出用画素123については、メモリEとして記憶された画素信号から画像を構成する。
画素信号取得部30は、構成した画像の信号を、内部の記憶部に記録するとともに(ステップS411)、液晶表示素子駆動回路25へ出力する。信号を受けた液晶表示素子駆動回路25は、液晶表示素子26に記録画像を表示する(ステップS412)。
なお、処理の流れは、上述の流れに限定されない。例えば、電源ON後、初期状態検出、撮像素子駆動、プレビュー画像表示などをおこなってもよい。
また、撮影開始をシャッターボタン半押し後、焦点検出サブルーチンに移り、合焦後、確認画像を表示し、シャッターボタン全押し後に、撮影サブルーチンに移るフローでもよい。
また、撮影開始をシャッターボタン半押し後、焦点検出サブルーチンに移り、合焦後、確認画像を表示し、シャッターボタン全押し後に、撮影サブルーチンに移るフローでもよい。
以上のように、本発明は、撮像用画素と焦点検出用画素を2次元的に配列した撮像装置に有用である。
11 デジタルスチルカメラ
11A 交換レンズ
11B カメラボディ
11C 光軸
12 撮像光学系
15 レンズ駆動制御部
16 ズーミング用レンズ
17 レンズ
18 フォーカシング用レンズ
19 絞り
20 撮像素子
21 ボディ駆動制御部
22 入射光制限部
23 撮像素子駆動回路
24 移動部
25 液晶表示素子駆動回路
26 液晶表示素子
27 接眼レンズ
28 ボディ振動センサ
29 メモリカード
30 画像信号取得部
31a、31b、31c 透明部
32a、32b 遮光部
33a、33b、33c オンチップレンズ
34a、34b、34c 光電変換面
40 撮像素子
42 入射光制限部
51a、51b、51c 透明部
52a、52b、52c 遮光部
53a、53b オンチップレンズ
54a、54b、54c、54d 光電変換面
60 撮像素子
62 入射光制限部
71a、71b、71c 透明部
72a、72b 遮光部
73a、73b、73c オンチップレンズ
74a、74b、74c 光電変換面
120 撮像素子
121 右画素
122 左画素
123 焦点検出用画素
130 入射光制限部
131 透明部
132 遮光部
140 カラーフィルタ
230 入射光制限部
231 透明部
232 遮光部
250 入射光制限部
251 透明部
252 遮光部
11A 交換レンズ
11B カメラボディ
11C 光軸
12 撮像光学系
15 レンズ駆動制御部
16 ズーミング用レンズ
17 レンズ
18 フォーカシング用レンズ
19 絞り
20 撮像素子
21 ボディ駆動制御部
22 入射光制限部
23 撮像素子駆動回路
24 移動部
25 液晶表示素子駆動回路
26 液晶表示素子
27 接眼レンズ
28 ボディ振動センサ
29 メモリカード
30 画像信号取得部
31a、31b、31c 透明部
32a、32b 遮光部
33a、33b、33c オンチップレンズ
34a、34b、34c 光電変換面
40 撮像素子
42 入射光制限部
51a、51b、51c 透明部
52a、52b、52c 遮光部
53a、53b オンチップレンズ
54a、54b、54c、54d 光電変換面
60 撮像素子
62 入射光制限部
71a、71b、71c 透明部
72a、72b 遮光部
73a、73b、73c オンチップレンズ
74a、74b、74c 光電変換面
120 撮像素子
121 右画素
122 左画素
123 焦点検出用画素
130 入射光制限部
131 透明部
132 遮光部
140 カラーフィルタ
230 入射光制限部
231 透明部
232 遮光部
250 入射光制限部
251 透明部
252 遮光部
Claims (6)
- 撮像光学系が装着可能、又は、撮像光学系が固定された撮像装置において、
画素が2次元的に配列された撮像素子と、
少なくとも一部の前記画素に対し、入射する光束の入射方向又は光量を制限する機能を有する入射光制限部と、
前記撮像光学系の瞳の特定領域を透過した光束を前記少なくとも一部の画素が受光する位置と、前記撮像光学系の瞳の特定領域とは少なくとも一部異なる領域を透過した光束を前記少なくとも一部の画素が受光する位置と、を切り替えるように、前記入射光制限部と前記撮像素子との相対位置を変更させる移動部と、
それぞれの前記相対位置での前記画素の信号を取得する画素信号取得部と、
前記それぞれの前記相対位置での画素の信号に基づいて、デフォーカス量を演算する演算部と、
前記画素の信号に基づいて、画像データを構成する画像構成部と、
を備えることを特徴とする撮像装置。 - 前記画素上にオンチップレンズを有し、
前記入射光制限部は前記オンチップレンズの物体側近傍に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 - 前記移動部は、前記入射光制限部を移動させることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の撮像装置。
- 前記移動部は、前記撮像素子を移動させることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の撮像装置。
- 前記入射光制限部を少なくとも2つ備え、
前記移動部は、前記少なくとも2つの前記入射光制限部を互いに異なる移動方向に移動させることを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の撮像装置。 - 前記移動部は、手振れ補正機能を有することを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の撮像装置。
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JP2014135452A (ja) * | 2013-01-11 | 2014-07-24 | Fujifilm Corp | 固体撮像装置 |
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-
2010
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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