JP2017049318A - 焦点調節装置及びそれを用いた撮像装置及び焦点調節方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 分割した光電変換部を有する撮像素子における焦点検出において、顔検出した枠に対して高精度に焦点検出することが可能な焦点調節装置を提供する。
【解決手段】 撮像画角中に検出されている顔の位置に焦点検出領域を合わせて設定し、顔の大きさに応じて、焦点検出領域内における輝度加算数L1および相関量加算数L2を設定する焦点検出領域設定手段を有し、顔に対して焦点検出を行うことで精度の低下を抑えた高精度な焦点調節装置とした。
【選択図】 図9

Description

本発明は、デジタルカメラやビデオカメラなどの撮像装置に用いられて好適な焦点調節装置に関する。特に、撮像面位相差検出方式のオートフォーカス制御を行う焦点調節装置に関する。
カメラ等の撮像装置に搭載されるオートフォーカス(AF)方式の一つとして、位相差検出方式(以下、位相差AFと記す)がある。
位相差AFでは、撮影レンズの射出瞳を通過した光束を二分割し、二分割した光束を一組の焦点検出用センサによりそれぞれ受光する。
そして、一組の焦点検出用センサから出力される信号のずれ量、すなわち、光束の分割方向の相対的位置ずれ量(以下、像ずれ量と記す)を検出することで撮影レンズのピント方向のずれ量(以下、デフォーカス量と記す)を求め、フォーカスレンズを制御する。
特許文献1には、撮像素子に位相差検出機能を付与することで、専用の焦点検出用センサを不要とするとともに、高速に位相差AFを実現する構成が開示されている。
特許文献1の構成では、撮像素子の画素の光電変換部を二分割して瞳分割機能を付与し、二分割された光電変換部の出力を個別に処理することで焦点検出を行うとともに、二分割された光電変換部の合算出力を画像信号として用いている。
特許文献2には、瞳分割機能を付与された光電変換部による焦点検出において、ノイズの影響を低減させる構成が開示されている。
特許文献2の構成では、撮像素子の1ライン毎の明るさを検出し、予め設定された明るさよりも暗い場合には、ライン加算を行っている。
また、特許文献3には、撮像信号から検出した顔に対して焦点検出を行う際に、顔が小さい場合の焦点検出の精度を上げるための焦点検出領域の設定方法が開示されている。
特開2001−305415号公報 特開2010−271419号公報 特開2012−128287号公報
しかしながら、特許文献1の構成では、撮像信号から検出した顔に対して焦点検出領域を設定する際に、顔の大きさが小さい場合に、十分な大きさの焦点検出領域を設定することができず、焦点検出の精度が低下する場合があるという課題がある。
また、精度を上げるために焦点検出領域を大きくしたままでは、焦点検出領域に顔と背景が入ることによって、遠近競合する場合があるという課題がある。
特許文献2の構成では、明るさに応じてライン加算を行っているために、撮像信号から検出した顔に対して最適な焦点検出領域を設定できないという課題がある。
特許文献3の構成では、顔が小さい場合に、体にも焦点検出領域を設けることで、焦点検出精度の低下を低減している。
しかし、位相差AFにおける焦点検出領域内の加算方法、焦点検出領域の拡大の割合については考慮されていない。
そこで、本発明は、被写体の撮影条件(被写体の大きさ、デフォーカス量、コントラスト値)に基づいて焦点検出を行う際の焦点検出の精度の低下を抑えた高精度な焦点調節装置および撮像装置を提供する。
本発明の焦点調節装置は、撮像光学系の異なる瞳領域を通過した一対の光束を一対の光電変換部で受光する撮像素子の各画素から出力される焦点検出信号を用いて位相差方式の焦点調節を行う焦点調節装置であって、
焦点検出領域にある前記撮像素子を構成する複数の画素の各々から出力される焦点検出信号を加算する画素加算手段と、前記画素加算手段にて加算された画素加算値を用いて相関演算を行って相関量を算出する相関量算出手段と、前記相関量算出手段にて算出された複数の相関量を加算する相関量加算手段と、撮影画面内の被写体の大きさを検出する被写体検出手段と、を備え、
前記被写体検出手段にて検出された被写体の大きさが所定値よりも小さい場合の前記画素加算手段にて加算される加算数は、前記被写体検出手段にて検出された被写体の大きさが前記所定値以上である場合の前記画素加算手段にて加算される加算数よりも少なく、且つ、前記被写体検出手段にて検出された被写体の大きさが前記所定値よりも小さい場合の前記相関量加算手段にて加算される加算数は、前記被写体検出手段にて検出された被写体の大きさが前記所定値以上である場合の前記相関量加算手段にて加算される加算数よりも多いことを特徴とする。
本発明によれば、被写体の撮影条件(被写体の大きさ、デフォーカス量、コントラスト値)に基づいて焦点検出を行う際の焦点検出の精度の低下を抑えることができ、高精度な焦点調節装置を提供することができる。
本実施例における焦点調節装置を適用した撮像装置の構成を示すブロック図である。 本実施例における撮像装置の撮像動作を示すフローチャートである。 本実施例における撮像素子を説明するための図である。 本実施例における撮影レンズの瞳分割を説明するための図である。 本実施例における焦点検出領域の画素の配列を模式的に示す図である。 本実施例における像信号の一例を示す図である。 本実施例における撮像光学系を説明するための図である。 本実施例における焦点検出領域を示す図である。 本実施例における焦点検出領域の設定方法を示すフローチャートである。 本実施例における焦点調節装置の焦点検出動作を示すフローチャートである。 本実施例に係わる焦点制御方法を示すフローチャートである。 実施例2における焦点検出領域を示す図である。 実施例2における焦点検出領域の設定方法を示すフローチャートである。
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
<実施例1>
(撮像装置のブロック図の説明)
まず、図1を参照して、本実施例における撮像装置の構成について説明する。図1は、撮像装置100の構成を示すブロック図である。
撮像装置100は、被写体を撮影して、動画や静止画のデータをテープや固体メモリ、光ディスクや磁気ディスクなどの各種メディアに記録可能なビデオカメラやデジタルスチルカメラなどであるが、これらに限定されるものではない。
また、撮像装置100内の各部は、バス160を介して接続され、メインCPU151(中央演算処理装置)により制御される。
撮像装置100は、一つのマイクロレンズを共有する複数の光電変換素子を備えた撮像素子を有し、当該撮像素子が出力する画像信号を用いて位相差方式の焦点検出を行う焦点調節装置を搭載している。
本実施例の焦点調節装置は、撮像光学系の異なる瞳領域を通過した一対の光束を一対の光電変換部で受光する撮像素子の各画素から出力される焦点検出信号を用いて位相差方式の焦点調節を行う装置である。
なお、本実施例の焦点調節装置は、撮像光学系(撮影レンズ)を介して得られた光学像を取得可能に構成された撮像装置(撮像装置本体)と、撮像装置本体に着脱可能な撮像光学系とから構成される撮像システムに適用される。
しかし、本実施例はこれに限定されるものではなく、撮像光学系が撮像装置本体と一体的に設けられた撮像装置にも適用可能である。
撮影レンズ101は、第1の固定レンズ群102、ズームレンズ111、絞り103、第2の固定レンズ群121、および、フォーカスレンズ131を備えたレンズユニットとして構成される。
絞り制御部105は、メインCPU151の指令に従い、絞りモータ104を介して絞り103を駆動することにより、絞り103の開口径を調整して撮影時の光量調節を行う。ズーム制御部113は、ズームモータ112を介してズームレンズ111を駆動することにより、焦点距離を変更する。
また、フォーカス制御部133は、フォーカスモータ132を介してフォーカスレンズ131を駆動することにより、焦点調節状態(フォーカス状態)を制御する。フォーカスレンズ131は、焦点調節用レンズであり、図1には単レンズとして簡略的に示されているが、通常複数のレンズで構成される。
上記光学部材で構成された撮影レンズ101により撮像素子141上に結像される被写体像は、撮像素子141により電気信号に変換される。撮像素子141は、光電変換により被写体像(光学像)を電気信号に変換する光電変換素子である。
撮像素子141は、横(水平)方向にm画素、縦(垂直)方向にn画素の受光素子のそれぞれが、後述のように二つの光電変換素子(受光領域)が配置されている構成を有している。
撮像素子141上に結像された被写体像を光電変換して得られた電子信号は、撮像信号処理部142により画像信号(画像データ)として整えられる。
位相差AF処理部135は、二つの光電変換素子(第1の光電変換素子、第2の光電変換素子)から個別に(それぞれ独立して)出力された画像信号(信号値)を撮像信号処理部142より取得される。
そして、被写体からの光を分割して得られた像の分割方向における像ずれ量を検出(算出)する。
また、位相差AF処理部135は、検出した像ずれ量に基づいて撮影レンズ101のピント方向のずれ量(デフォーカス量)を算出する。デフォーカス量は、像ずれ量に係数(換算係数)を掛けることにより算出される。
なお、像ずれ量算出、デフォーカス量算出の各動作は、メインCPU151の指令に基づいて行われる。また、これらの動作の少なくとも一部をメインCPU151またはフォーカス制御部133で実行するように構成してもよい。
位相差AF処理部135は、算出されたずれ量(デフォーカス量)をフォーカス制御部133へ出力する。
フォーカス制御部133は、撮影レンズ101のピント方向のずれ量に基づいてフォーカスモータ132を駆動する駆動量を決定する。フォーカス制御部133およびフォーカスモータ132によるフォーカスレンズ131の移動制御により、AF制御が実現される。
撮像信号処理部142から出力される画像データは、撮像制御部143に送られ、一時的にRAM154(ランダム・アクセス・メモリ)に蓄積される。
RAM154に蓄積された画像データは、画像圧縮伸張部153にて圧縮された後、記録媒体157に記録される。
これと並行して、RAM154に蓄積された画像データは、画像処理部152に送られる。画像処理部152(画像処理手段)は、第1の光電変換素子および第2の光電変換素子の加算信号を用いて得られた画像信号を処理する。
画像処理部152は、例えば、画像データに対して最適なサイズへの縮小・拡大処理を行う。最適なサイズに処理された画像データは、モニタディスプレイ150に送られて画像表示される。
これにより、操作者は、リアルタイムで撮影画像を観察することができる。なお、画像の撮影直後にはモニタディスプレイ150が所定時間だけ撮影画像を表示することで、操作者は撮影画像を確認することができる。
また、画像処理部152は、RAM154に蓄積された画像データを参照し、顔検出および体検出などの被写体認識を行うことが可能である。
この被写体認識技術には公知の検出技術を適用し、公知の検出技術としては、テンプレートマッチングを用いて、顔、体などの形状に特徴のある部位を画像から探し出し、類似度が高ければ被写体とみなす手法などがある。
これらの被写体認識の各動作は、メインCPU151の指令に基づいて行われる。また、これらの動作の少なくとも一部をメインCPU151で実行するように構成してもよい。
操作部156(操作スイッチ)は、操作者が撮像装置100への指示を行うために用い、操作部156から入力された操作指示信号は、バス160を介してメインCPU151に送られる。
撮像制御部143は、メインCPU151からの命令に基づき、撮像素子の制御を行う。
これに先立ち、メインCPU151は、操作部156からの指示、あるいは、一時的にRAM154に蓄積された画像データの信号の大きさに基づいて、撮像素子141の蓄積時間、を決定する。
同様に、メインCPU151は、操作部156からの指示、あるいは、一時的にRAM154に蓄積された画像データの信号の大きさに基づいて、撮像素子141から撮像信号処理部142へ出力するゲインの値、レンズユニットの絞り値を決定する。
撮像制御部143は、メインCPUから蓄積時間、ゲインの設定値の指示を受け取り、撮像素子141を制御する。
バッテリ159は、電源管理部158により適切に管理され、撮像装置100の全体に安定した電源供給を行う。フラッシュメモリ155は、撮像装置100の動作に必要な制御プログラムを記憶している。
操作者の操作により撮像装置100が起動すると(電源OFF状態から電源ON状態へ移行すると)、フラッシュメモリ155に格納された制御プログラムがRAM154の一部に読み込まれる(ロードされる)。
メインCPU151は、RAM154にロードされた制御プログラムに従って撮像装置100の動作を制御する。
(撮影動作の説明)
次に、図2を参照して、撮像装置100の焦点制御(焦点調節)を含む撮影動作について説明する。図2は、撮像装置100の撮影動作を示すフローチャートである。
図2の各ステップは、メインCPU151の制御プログラムに従った指令に基づいて行われる。
まずステップS201において、撮像装置100の電源がONにされると、メインCPU151は演算(制御)を開始する。
続いてステップS202において、撮像装置100のフラグや制御変数などを初期化し、ステップS203において、フォーカスレンズ131などの光学部材(撮像光学部材)を初期位置に移動させる。
次に、ステップS204において、メインCPU151は操作者により電源OFF操作が行われたか否か(電源OFF操作の有無)を検出する。
ステップS204にて電源OFF操作が検出された場合、ステップS205に進む。
ステップS205において、メインCPU151は、撮像装置100の電源をOFFにするため、撮像光学部材を初期位置へ移動し、各種フラグや制御変数のクリアなどの後処理を行う。
そして、ステップS206において、撮像装置100の撮影動作(制御)を終了する。
一方、ステップS204にて電源OFF操作が検出されない場合、ステップS207に進む。
ステップS207において、メインCPU151は、焦点検出処理を行う。
続いて、ステップS208において、フォーカス制御部133は、ステップS207にて決定された駆動方向、速度、および、位置に従ってフォーカスレンズ131を駆動し、フォーカスレンズ131を所望の位置に移動させる。
続いてステップS209において、撮像素子141は、本露光により被写体像を光電変換して撮像信号を生成する(撮像処理)。
また、撮像信号処理部142は、光電変換により生成された撮像信号に所定の処理(画像処理)を施して画像信号を出力および被写体認識を行う。
そして、ステップS210において、メインCPU151は、操作者により記録ボタン(操作部156)の押下がなされたか否かを検出し、記録中であるか否かを判定する。
記録中でない場合には、ステップS204へ戻る。一方、記録中である場合には、ステップS211に進む。
ステップS211において、撮像信号処理部142から出力された画像信号(画像データ)は、画像圧縮伸張部153により圧縮処理され、画像記録媒体157に記録される。
そして、ステップS204へ戻り、上述の各ステップを繰り返す。
(撮像面位相差検出方法の説明)
次に、本実施例における位相差検出方法について説明する。まず、図3を参照して、撮像素子141の構成について説明する。
図3(a)は、瞳分割機能を有する撮像素子141の画素の構成図(断面図)である。
各画素の光電変換素子30は、二つの光電変換素子30−1(第1の光電変換素子)および光電変換素子30−2(第2の光電変換素子)に分割されており、瞳分割機能を有する。
マイクロレンズ31(オンチップマイクロレンズ)は、光電変換素子30に効率よく光を集める機能を有し、光電変換素子30−1、30−2の境界に光軸が合うように配置されている。
また、各画素には、平坦化膜32、カラーフィルタ33、配線34、および、層間絶縁膜35が設けられている。
図3(b)は、撮像素子141が有する画素配列の一部を示す図(平面図)である。撮像素子141は、図3(a)に示す構成を有する一画素を複数配列することで形成される。
また、撮像を行うため、各画素にはR(赤色)、G(緑色)、B(青色)のカラーフィルタ33が交互に配置され、四画素で一組の画素ブロック40、41、42を配列することで、所謂ベイヤー配列が構成されている。
なお、図3(b)において、R、G、Bのそれぞれの下に示される「1」または「2」は、光電変換素子30−1、30−2のそれぞれに対応している。
図3(c)は、撮像素子141の光学原理図であり、図3(b)中のA−A線で切断して得られた断面図の一部を示す。
撮像素子141は、撮影レンズ101の予定結像面に配置されている。マイクロレンズ31の作用により、光電変換素子30−1、30−2はそれぞれ、撮影レンズ101の瞳(射出瞳)の異なる位置(領域)を通過した一対の光束を受光するように構成されている。
光電変換素子30−1は、主に、撮影レンズ101の瞳のうち図3(c)中の右側位置を透過する光束を受光する。一方、光電変換素子30−2は、主に、撮影レンズ101の瞳の図3(c)中の左側位置を透過する光束を受光する。
(撮影レンズの瞳の原理の説明)
続いて、図4を参照して、撮影レンズ101の瞳について説明する。図4は、撮像素子141から見た場合の、撮影レンズ101の瞳50を示す図である。
51−1は光電変換素子30−1の感度領域(以下、「A像瞳」という。)、51−2は光電変換素子30−2の感度領域(以下、「B像瞳」という。)である。
52−1、52−2は、それぞれ、A像瞳およびB像瞳の重心位置である。
本実施例の撮像処理を行う場合、同一画素において同一色のカラーフィルタが配置された二つの光電変換素子の出力を加算することにより、画像信号を生成することが可能である。
一方、本実施例の焦点検出処理を行う場合、各画素ブロック内における光電変換素子30−1に対応する光電変換素子からの出力を積算することにより、一画素の焦点検出信号を取得する。
そして、この信号を画素ブロック40、41、42のように横(水平)方向に連続して取得することによりA像信号を生成することが可能である。
同様に、一画素ブロック内における光電変換素子30−2に対応する光電変換素子からの出力を積算することにより、一画素の焦点検出信号を取得する。
そして、この信号を横方向の画素ブロックについて連続して取得することによりB像信号を生成することが可能である。
A像信号およびB像信号により、一対の位相差検出用信号が生成される。
(ベイヤー配列の説明)
なお、本実施例では図5に示すように、適度な範囲で図中縦方向にライン輝度加算したものを用いる。
図5の例では、縦方向にベイヤー配列における2画素ブロック分を用いて、加算平均することにより、焦点検出に用いる画像信号を生成している。なお、輝度加算数L1は、任意に設定可能である。
(二つの像信号の像ずれ量の説明)
続いて、図6を参照して、A像信号およびB像信号(以下、まとめて「像信号」という。)について説明する。
図6(a)は、像信号を説明するための図であり、縦軸は像信号のレベル、横軸は画素位置をそれぞれ示している。
生成した一対の位相差検出用信号の像ずれ量Xは、撮影レンズ101の結像状態(合焦状態、前ピン状態、または、後ピン状態) に応じて変化する。
撮影レンズ101が合焦状態の場合、二つの像信号の像ずれ量は無くなる。一方、前ピン状態または後ピン状態の場合、異なる方向に像ずれ量が生じる。
また、像ずれ量は、撮影レンズ101により被写体像が結像している位置とマイクロレンズ上面との距離、いわゆるデフォーカス量と一定の関係を有する。
そこで、像ずれ量Xを算出するため、二つの像信号に対して相関演算が行われる。
この相関演算では、画素をシフトさせながら二つの像信号の相関量が演算され、相関量が最大になる位置同士の差が像ずれ量として算出される。
図6(b)は、像信号の画素をシフトさせていった時の相関量(以下、相関量波形という)を示す図である。
図6(b)において、横軸は画素のシフト量、縦軸はその時のA像信号とB像信号の相関量を示している。相関演算はメインCPU151で行われる。
CPU151は、焦点検出領域にある撮像素子を構成する複数の画素の各々から出力される焦点検出信号を画素加算(輝度加算)する画素加算手段としての機能を有する。
CPU151は、画素加算手段にて加算された画素加算値を用いて相関演算を行って相関量を算出する相関量算出手段としての機能を有する。
CPU151は、相関量算出手段にて算出された複数の相関量を加算する相関量加算手段としての機能を有する。
撮像素子141は、撮影画面内の被写体の大きさを検出する被写体検出手段としての機能を有する。
この像ずれ量から撮影レンズのデフォーカス量を求め、撮影レンズが合焦状態になるようなレンズ駆動量を算出することで焦点調節を行う。
(像ずれ量からデフォーカス量への変換の説明)
図7を参照して、相関演算により算出された像ずれ量からデフォーカス量への変換について説明する。
図7は、撮影レンズ101および撮像素子141を含む光学系を示す図である。被写体60に対する予定結像面の位置p0の光軸OA上に焦点検出面の位置p1がある。
像ずれ量とデフォーカス量との関係は、光学系に応じて決定される。デフォーカス量は、像ずれ量Xに所定の係数K(換算係数)を掛けることにより算出することができる。
係数Kは、A像瞳とB像瞳との重心位置に基づいて算出される。焦点検出面の位置p1が位置p2に移動した場合、位置p0、q2、q3の三角形と位置p0、q2’、q3’との三角形の相似に従って、像ずれ量が変化する。
このため、焦点検出面の位置p2でのデフォーカス量を算出することが可能である。メインCPU151は、デフォーカス量に基づいて、被写体に対して合焦状態を得るためのフォーカスレンズ131の位置を算出する。
(焦点検出領域71の設定方法の説明)
続いて、図8を参照して、本実施例の焦点検出方法にて用いられる焦点検出領域の設定について説明する。図8は、焦点検出領域を示す図である。
図8に示されるように、撮像画角70に対して、顔認識による検出枠に基づいて、適切な位置、大きさで焦点検出領域71が設けられる。
このことにより、顔が検出されている場合に、撮像画角70中の顔の位置に対して、焦点検出を行うことが可能となる。
図8(a)は、顔が大きく検出されている場合の焦点検出領域を表す図である。焦点検出領域71内には、それぞれ焦点検出領域71を図中縦方向に分割した焦点検出エリア72〜76を有する。
分割された焦点検出エリア72〜76それぞれにおいて、位相差AF処理部135は、焦点検出エリア内にて、輝度加算数L1分のライン輝度加算を行った位相差検出用信号を生成し、焦点検出を行う。
全てのエリアの相関演算がなされることにより、分割数L2分の相関量波形を得る。この分割数L2分の相関量波形を加算(以下、相関量加算と記す)することにより、最終的な焦点検出領域71における相関量波形を取得する。
この焦点検出領域71における相関量波形から相関量が最大になる像ずれ量Xを算出する。
顔が大きく検出されている場合、輝度加算数(画素加算数)L1を大きくしても、顔の中で最もコントラストの得られる目の部分のコントラストが残るため、輝度加算数L1を大きくし、相関量加算数L2を少なくする。
図8(a)は、輝度加算数L1を20とし、相関量加算数を5としたときの例である。
図8(b)は、顔が小さく検出されている場合の焦点検出領域を表す図である。顔が小さく検出されている場合、輝度加算数L1を大きくしてしまうと、顔の中で最もコントラストの得られる目の部分のコントラストをつぶしてしまう。
そのため、輝度加算数L1を小さくし、相関量加算数L2を大きくする。この場合、輝度加算数L1を4とし、相関量加算数を20とするように設定する。
(焦点検出領域の設定方法を示すフローチャートの説明)
図9は、本実施例における焦点検出領域の設定方法を示すフローチャートである。図9の各ステップは、メインCPU151により実施される。
被写体検出手段としてのCPU151は、被写体の顔の大きさを検出するとともに、被写体の胴体を検出する機能を有する。
まず、ステップS901において、焦点検出領域設定が開始される。ステップS902において、顔検出の結果を取得し、顔の検出位置および大きさSfを取得する。
なお、顔が複数検出されている場合には、顔認識の結果に基づき、主被写体となる顔に対して、位置と大きさSfを取得するようにする。
そして、ステップS903において、検出した顔位置に焦点検出領域を設定する。この際、焦点検出領域のサイズSaは、ステップS902において検出した顔のサイズと同等のサイズとする。
ステップS904において、メインCPU151は、顔の大きさが所定値より大きいか否かを判定する。
本実施例では顔の大きさが200画素より大きいか否かを判定するものとし、顔の大きさSfが200画素より大きい場合、ステップS905において、輝度加算数L1を20に設定する。
一方、顔の大きさSfが200画素より小さい場合、ステップS906において、顔の大きさが100画素より大きいか否かを判定する。
100画素より大きい場合、ステップS907において、輝度加算数L1を10に設定する。100画素より小さい場合、ステップS908において、輝度加算数L1を4に設定する。
ステップ909において、相関量加算数L2を算出する。相関量加算数L2は、ステップ902で取得した顔の大きさSfを、ステップS905またはステップS907またはステップS908で決定した輝度加算数L1で除することで算出する。
そして、ステップS910において、処理を終了する。なお本実施例中の数値は一例である。
(焦点検出動作の説明)
続いて、図10を参照して、本実施例における焦点調節装置による焦点検出動作について説明する。
図10は、本実施例における焦点調節装置による焦点検出動作を示すフローチャートである。
図10の各ステップは、メインCPU151が制御プログラムを実行して各部を制御することにより実施され、図2中のステップS207に相当する。
まず、ステップS1001において、焦点検出が開始される。ステップS1002において、図9で示した焦点検出領域設定を行う。
焦点調節装置は、焦点検出に用いる像信号を取得するため、撮像素子141が被写体像を撮像して出力する撮像信号から画像信号が生成されるのをステップS1003およびS1004により待つ。
メインCPU151および撮像制御部143は撮像素子を制御して所定の蓄積時間に従って電荷蓄積(露光)を行い(ステップS1003)、ステップS1005において、焦点検出領域での画像信号の画素値の読み出しを行う。
ステップS1006において、メインCPU151は、焦点検出領域にある所定画素数分の読み出しが完了したか否かを判定する。
所定画素数分の読み出しが完了していない場合、ステップS1005に戻り、所定画素数分の読み出しが終了するまでステップS1005〜S1006を繰り返す。
ステップS1007において、像信号に前補正処理を行う。この前補正処理には、ノイズを除去するためのフィルタ処理などが含まれる。
ステップS1008において、メインCPU151は像信号に対して相関演算を行い、像ずれ量Xを算出する。
続いて、ステップS1009において、メインCPU151は、算出した像ずれ量Xの信頼性を評価する。この信頼性に係わる評価値は、像信号のコントラストや二つの像信号の一致度などに基づいて算出される。
続いて、ステップS1010において、メインCPU151は、算出された信頼性の評価値に基づいて、信頼できる像ずれ量Xが得られたか否かを判定する。
この信頼性判定では、ステップS1009で算出した信頼性の評価値が所定の閾値よりも大きいか否かに従って、所定値より大きい場合は信頼できると判定し、所定値より小さい場合は信頼できないと判定する。
なお、本ステップS1010には、相関演算が苦手とする被写体か否かの判定も含む。
信頼性があると判定される場合、ステップS1011において、メインCPU151は、算出された像ずれ量Xに係数Kを掛けることにより(Def=K×Xの関係式により)、デフォーカス量Defを算出する。
そして、ステップS1013において焦点検出を終了して本処理を呼び出したメインルーチンに戻る。
一方、ステップS1011において信頼性のある像ずれ量を検出できなかったと判定された場合は、ステップS1012において位相差AFを行わない(位相差AF−NG)。
そして、ステップS1013において、焦点検出を終了して、本処理を呼び出したメインルーチンに戻る。
(焦点調節動作の説明)
次に、図11を参照して、本発明における焦点調節装置の焦点制御動作(焦点調節動作)について説明する。
図11は、本実施例における焦点調節装置の焦点制御動作を示すフローチャートである。図11に示される各ステップは、メインCPU151およびフォーカス制御部133により実施され、図2中のステップS208に相当する。
本実施例の焦点制御動作が開始されると、メインCPU151は制御プログラムに従い所定の演算を行う。
そして、フォーカス制御部133は、メインCPU151の指令に基づいて、フォーカスモータ132の制御を行う。
まず、ステップS1101にて焦点制御が開始されると、ステップS1102において、フォーカス制御部133は、図10に示される焦点検出動作で算出されたデフォーカス量を取得する。
そして、ステップS1103において、フォーカス制御部133は、デフォーカス量に基づいてフォーカスレンズ131の駆動量(レンズ駆動量)を算出する。
また、このレンズ駆動量の算出には、レンズ駆動方向と速度の算出も含まれる。
続いて、ステップS1104において、メインCPU151(フォーカス制御部133)は、デフォーカス量の絶対値が所定値以下であるか否かを判定する。
ステップS1104にてデフォーカス量の絶対値が所定値以下ではない場合、ステップS1105に進む。
ステップS1105において、フォーカスレンズ131の位置は合焦位置(合焦点)でないと見なされるため、ステップS1103にて算出されたレンズ駆動量に従って、フォーカスレンズ131を駆動し、ステップS1107に進む。
以後、図2に示されるフローに従って、焦点検出とフォーカスレンズ駆動を繰り返す。
一方、ステップS1104にてデフォーカス量の絶対値が所定値以下である場合、ステップS1106に進む。
このとき、フォーカスレンズ位置は合焦点にあると見なされるため、ステップS1106にてレンズ駆動を停止し、ステップS1107に進む。
以後、図2に示されるフローに従って焦点検出を行い、デフォーカス量が再び所定値を超えた場合にはフォーカスレンズ131を駆動する。
撮像装置100の動作は、図2のフローに示される通り、電源をOFFにされるまで、図7、図10、図11のフローを繰り返すことで、被写体に合焦するまで複数回の焦点検出を行う。
なお、図9において、焦点検出領域の大きさに基づいて輝度加算数L1と相関量加算数L2を変更する方法について述べたが、この時、図11のステップS1107において、異なるフィルタを用いるなど、前処理を変更してもよい。
また、輝度加算数(画素加算数)L1、相関量加算数L2を含む焦点検出領域の大きさは、検出された顔の大きさによって可変となるが、上限、下限を設けるようにしてもよい。
以上のように、本実施例では、被写体の大きさが所定値よりも小さい場合の画素加算手段にて加算される加算数は、被写体の大きさが所定値以上である場合の画素加算手段にて加算される加算数よりも少なくしている。
そして、被写体検出手段にて検出された被写体の大きさが所定値よりも小さい場合の相関量加算手段にて加算される加算数は、被写体検出手段にて検出された被写体の大きさが所定値以上である場合の相関量加算手段にて加算される加算数よりも多くしている。
以上のように、本実施例では、焦点検出領域を、顔認識が検出した顔領域に設定することにより、顔に対して焦点検出を行うことが可能である。また、検出した顔の大きさにもとづいて、焦点検出領域の輝度加算数、相関量加算数を設定することにより、焦点検出の精度の低下を抑えた焦点検出を行うことができる。
<実施例2>
次に、本発明の実施例2における焦点検出領域の設定方法について説明する。
実施例1では、検出した顔の大きさに応じて、焦点検出領域の輝度加算数、相関量加算数を設定する方法について説明した。
本実施例では、顔以外の胴体検出結果を用い、焦点検出領域のサイズおよび輝度加算数、相関量加算数を設定する方法について説明する。
なお、本実施例において、実施例1と同一の内容については、同一の符号を用いてその説明を省略する。
図12は、顔が100画素よりも小さく検出されている場合の焦点検出領域を表す図である。
撮像画角80内に顔が検出(顔検出枠81として表わされる)されると、焦点検出領域を顔に合わせて設定する。
この時、顔の大きさに合わせて、繰り返し焦点検出を行っている間に、顔の大きさが小さくなると焦点検出に必要な画素サイズが得られない場合がある。
そのため、図12に示すように、検出した顔の大きさが所定値未満になる場合には、顔とともに胴体の検出(体検出枠82として表わされる)情報を用いて、胴体のある方向に焦点検出領域を拡大し、焦点検出領域83を設定する。
焦点検出領域83では、相関量加算数を増加させることにより、焦点検出領域の拡大を実現する。
図13は、本実施例における焦点検出領域設定方法を示すフローチャートである。
ステップS1301〜S1308は、図9におけるステップS901〜S908と同様である。
ステップS1309において、撮影画像から体検出なされているか否かを判定する。体検出されている場合には、ステップS1310に、体検出されていない場合にはステップS1311に進む。
体検出されている場合、ステップS1310において、焦点検出領域の垂直サイズを検出した体方向に拡大する。
この時の拡大するサイズは、焦点検出領域の垂直サイズをSav、顔検出の水平サイズをSfh、垂直サイズをSfvとした時にSav=100/Sfh×Sfvで求められる。
体検出されていない場合、ステップS1311において、焦点検出エリアの水平サイズをSahを100画素に設定する。
ステップS1312は、図9におけるステップS909と同様に、相関量加算数L2を算出する。
相関量加算数L2は、算出した焦点検出エリアの垂直サイズSavを、ステップS1305またはステップS1307またはステップS1308で決定した輝度加算数L1で除することで算出する。
以上のように、本実施例では、焦点検出領域を設定する際に、顔および体の検出情報にもとづいて、焦点検出領域の大きさを設定する。それに伴い、輝度加算数、相関量加算数を設定することにより、焦点検出の精度の低下を抑えた焦点検出を行うことができる。
本実施例では、被写体検出手段にて検出された顔の大きさが所定値よりも小さい場合、顔に対応する領域に設定された焦点検出領域を顔に加えて被写体の胴体を含む大きさに拡大する。そして、相関量加算手段にて加算される加算数を焦点検出領域を拡大する前に比べて増加させている。
本実施例では、被写体検出手段にて検出された顔の大きさが所定値よりも小さく、且つ前記被写体の胴体が検出されない場合、顔に対応する領域に設定された焦点検出領域を焦点評価方向に拡大する。そして、相関量加算手段にて加算される加算数を前記焦点検出領域を拡大する前に比べて増加させている。
なお、本実施例において、体検出が可能な場合の設定について述べたが、例えば顔のみが画角70に写っており、体が画角外にいるなど体検出が不可能であった場合には、焦点検出エリアの水平サイズを大きくすることで対応しても良い。
この時の焦点検出エリアの水平サイズSahは、体方向に大きくする予定であったサイズの比率分、100画素より大きくするようにステップS1311で設定する。また、この時の輝度加算数は、前回の焦点検出時の設定との連続性から、ステップ1308で設定した輝度加算数をそのまま利用する。
また、繰り返し焦点検出を行い、合焦位置までカメラのフォーカスを追いこむ構成の撮像装置において、輝度加算数L1と相関量加算数L2の設定には、コントラストや前回焦点検出時のデフォーカス量を用いても良い。
この場合、コントラストが高いほど、輝度加算数を小さくし、相関加算量を大きくする。
CPU151は、撮像素子の各画素から出力される出力信号を用いて撮影画面内のコントラスト値を算出するコントラスト算出手段としての機能を有する。
コントラストは、画素値の隣接差分の二乗を算出し、これを焦点検出領域内の1ライン分について累積を算出したものがコントラストの指標となる。
なお、算出するコントラストは、画素値の隣接差分の絶対値の総和であっても良い。焦点検出領域内のコントラストを算出し、コントラストが所定値より大きいか否かを判別し、被写体が低輝度か否かを判別する。
被写体が低輝度である場合には、輝度加算数を2倍にするなど大きくし、相関量加算数を小さくする。被写体が低輝度でない場合には、輝度加算数を小さくし、相関量加算数を大きくする。
低輝度である場合に、輝度加算数を増やすことでノイズを抑制した上で相関演算を行うことにより、焦点検出の精度の低下を抑えることが可能である。被写体の大きさだけでなく、被写体のコントラストを判別して、輝度加算数と相関量加算数を設定することにより、焦点検出の精度の低下を抑える。
つまり、コントラスト値が所定値よりも大きい場合の画素加算手段にて加算される加算数は、コントラスト値が所定値以下である場合の画素加算手段にて加算される加算数よりも少なくしている。
そして、コントラスト値が所定値よりも大きい場合の相関量加算手段にて加算される加算数は、コントラスト値が所定値以下である場合の相関量加算手段にて加算される加算数よりも多くしている。
また、前回のデフォーカス量が小さいほど輝度加算数(画素加算数)を小さくし、相関加算量を大きくする。
CPU151は、相関量加算手段にて加算された加算相関量を用いて像ずれ量を算出する像ずれ量算出手段としての機能を有する。
現在のフォーカスレンズの位置が合焦位置に近い場合には、被写体の分解能を上げて焦点検出を行うため、輝度加算数を小さくし、相関量加算数を大きくする。
現在のフォーカスレンズの位置が合焦位置に遠い場合には、コントラストが小さくなりやすく、輝度加算数を増やしてノイズを抑制した上で、相関演算を行うことにより、焦点検出の精度の低下を抑えることが可能である。
被写体の大きさだけでなく、前回のデフォーカス量を判別して、輝度加算数と相関量加算数を設定することにより、焦点検出の精度の低下を抑える。
被写体に合焦するまで複数回の焦点検出を行うため、複数回の焦点検出の内、2回目以降の焦点検出に関しては、前回の焦点検出における被写体情報に基づいて輝度加算数と相関量加算数を制御することが可能である。
また、フォーカスレンズ位置が合焦位置に近づくに従い、撮像素子141が得られる被写体像は明瞭になっていくため、輝度加算数と相関量加算数の設定もより被写体に適したものへと追い込むことが可能である。
つまり、デフォーカス量が所定値よりも大きい場合の画素加算手段にて加算される加算数は、デフォーカス量が所定値以下である場合の画素加算手段にて加算される加算数よりも多くしている。
そして、フォーカス量が所定値よりも大きい場合の相関量加算手段にて加算される加算数は、デフォーカス量が所定値以下である場合の相関量加算手段にて加算される加算数よりも少なくしている。
なお、本実施例中の数値は一例であり、輝度加算数L1や相関量加算数L2を顔の大きさに応じて段階的に設定する方法について述べた。
しかし、例えば、顔の大きさに比例するように輝度加算数L1を設定するようにしても良い。また、輝度加算数L1、相関量加算数L2各々に上限値、下限値の設定を加えても良い。
上記各実施例によれば、顔を検出した際の大きさに応じて、焦点検出領域の輝度加算数L1および相関量加算数L2を設定することにより、高精度な焦点調節装置を提供することができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
(他の実施形態)
本発明の目的は以下のようにしても達成できる。すなわち、前述した各実施形態の機能を実現するための手順が記述されたソフトウェアのプログラムコードを記録した記憶媒体を、システムまたは装置に供給する。
そして、そのシステムまたは装置のコンピュータ(またはCPU、MPU等)が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出して実行するのである。
この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が本発明の新規な機能を実現することになり、そのプログラムコードを記憶した記憶媒体およびプログラムは本発明を構成することになる。
また、プログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスクなどが挙げられる。
また、CD−ROM、CD−R、CD−RW、DVD−ROM、DVD−RAM、DVD−RW、DVD−R、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ROM等も用いることができる。
また、コンピュータが読み出したプログラムコードを実行可能とすることにより、前述した各実施形態の機能が実現される。
さらに、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているOS(オペレーティングシステム)等が実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって前述した各実施形態の機能が実現される場合も含まれる。
更に、以下の場合も含まれる。まず記憶媒体から読み出されたプログラムコードが、コンピュータに挿入された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書き込まれる。
その後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるCPU等が実際の処理の一部または全部を行う。
また、本発明はデジタルカメラのような撮影を主目的とした機器にかぎらず、携帯電話、パーソナルコンピュータ(ラップトップ型、デスクトップ型、タブレット型など)、ゲーム機など、撮像装置を内蔵もしくは外部接続する任意の機器に適用可能である。
従って、本明細書における「撮像装置」は、撮像機能を備えた任意の電子機器を包含することが意図されている。
30 光電変換素子
31 マイクロレンズ
71 焦点検出領域
72 焦点検出エリア
81 顔検出枠
82 体検出枠
83 焦点検出領域
101 撮影レンズ
131 フォーカスレンズ
133 フォーカス制御部
135 位相差AF処理部
141 撮像素子
142 撮像信号処理部
143 撮像部制御部
151 CPU

Claims (9)

  1. 撮像光学系の異なる瞳領域を通過した一対の光束を一対の光電変換部で受光する撮像素子の各画素から出力される焦点検出信号を用いて位相差方式の焦点調節を行う焦点調節装置であって、
    焦点検出領域にある前記撮像素子を構成する複数の画素の各々から出力される焦点検出信号を加算する画素加算手段と、前記画素加算手段にて加算された画素加算値を用いて相関演算を行って相関量を算出する相関量算出手段と、前記相関量算出手段にて算出された複数の相関量を加算する相関量加算手段と、撮影画面内の被写体の大きさを検出する被写体検出手段と、を備え、
    前記被写体検出手段にて検出された被写体の大きさが所定値よりも小さい場合の前記画素加算手段にて加算される加算数は、前記被写体検出手段にて検出された被写体の大きさが前記所定値以上である場合の前記画素加算手段にて加算される加算数よりも少なく、且つ、前記被写体検出手段にて検出された被写体の大きさが前記所定値よりも小さい場合の前記相関量加算手段にて加算される加算数は、前記被写体検出手段にて検出された被写体の大きさが前記所定値以上である場合の前記相関量加算手段にて加算される加算数よりも多いことを特徴とする焦点調節装置。
  2. 前記被写体検出手段は、前記被写体の顔の大きさを検出するとともに、前記被写体の胴体を検出する機能を備えており、
    前記被写体検出手段にて検出された顔の大きさが所定値よりも小さい場合、前記顔に対応する領域に設定された焦点検出領域を前記顔に加えて前記被写体の胴体を含む大きさに拡大するとともに、前記相関量加算手段にて加算される加算数を前記焦点検出領域を拡大する前に比べて増加させる請求項1に記載の焦点調節装置。
  3. 前記被写体検出手段は、前記被写体の顔の大きさを検出するとともに、前記被写体の胴体を検出する機能を備えており、
    前記被写体検出手段にて検出された顔の大きさが所定値よりも小さく、且つ前記被写体の胴体が検出されない場合、前記顔に対応する領域に設定された焦点検出領域を焦点評価方向に拡大するとともに、前記相関量加算手段にて加算される加算数を前記焦点検出領域を拡大する前に比べて増加させる請求項1に記載の焦点調節装置。
  4. 撮像光学系の異なる瞳領域を通過した一対の光束を一対の光電変換部で受光する撮像素子の各画素から出力される焦点検出信号を用いて位相差方式の焦点調節を行う焦点調節装置であって、
    焦点検出領域にある前記撮像素子を構成する複数の画素の各々から出力される焦点検出信号を加算する画素加算手段と、前記画素加算手段にて加算された画素加算値を用いて相関演算を行って相関量を算出する相関量算出手段と、前記相関量算出手段にて算出された複数の相関量を加算する相関量加算手段と、前記相関量加算手段にて加算された加算相関量を用いて像ずれ量を算出する像ずれ量算出手段と、前記像ずれ量に基づいてデフォーカス量を算出するデフォーカス量算出手段と、を備え、
    前記デフォーカス量が所定値よりも大きい場合の前記画素加算手段にて加算される加算数は、前記デフォーカス量が前記所定値以下である場合の前記画素加算手段にて加算される加算数よりも多く、且つ、前記デフォーカス量が所定値よりも大きい場合の前記相関量加算手段にて加算される加算数は、前記デフォーカス量が前記所定値以下である場合の前記相関量加算手段にて加算される加算数よりも少ないことを特徴とする焦点調節装置。
  5. 撮像光学系の異なる瞳領域を通過した一対の光束を一対の光電変換部で受光する撮像素子の各画素から出力される焦点検出信号を用いて位相差方式の焦点調節を行う焦点調節装置であって、
    焦点検出領域にある前記撮像素子を構成する複数の画素の各々から出力される焦点検出信号を加算する画素加算手段と、前記画素加算手段にて加算された画素加算値を用いて相関演算を行って相関量を算出する相関量算出手段と、前記相関量算出手段にて算出された複数の相関量を加算する相関量加算手段と、前記撮像素子の各画素から出力される出力信号を用いて撮影画面内のコントラスト値を算出するコントラスト算出手段と、を備え、
    前記コントラスト値が所定値よりも大きい場合の前記画素加算手段にて加算される加算数は、前記コントラスト値が前記所定値以下である場合の前記画素加算手段にて加算される加算数よりも少なく、且つ、前記コントラスト値が所定値よりも大きい場合の前記相関量加算手段にて加算される加算数は、前記コントラスト値が前記所定値以下である場合の前記相関量加算手段にて加算される加算数よりも多いことを特徴とする焦点調節装置。
  6. 請求項1乃至5の何れか一項に記載の焦点調節装置と、前記撮像素子とを有する撮像装置。
  7. 撮像光学系の異なる瞳領域を通過した一対の光束を一対の光電変換部で受光する撮像素子の各画素から出力される焦点検出信号を用いて位相差方式の焦点調節を行う焦点調節方法であって、
    焦点検出領域にある前記撮像素子を構成する複数の画素の各々から出力される焦点検出信号を加算する画素加算工程と、前記画素加算工程にて加算された画素加算値を用いて相関演算を行って相関量を算出する相関量算出工程と、前記相関量算出工程にて算出された複数の相関量を加算する相関量加算工程と、撮影画面内の被写体の大きさを検出する被写体検出工程と、を備え、
    前記被写体検出工程にて検出された被写体の大きさが所定値よりも小さい場合の前記画素加算工程にて加算される加算数は、前記被写体検出工程にて検出された被写体の大きさが前記所定値以上である場合の前記画素加算工程にて加算される加算数よりも少なく、且つ、前記被写体検出工程にて検出された被写体の大きさが前記所定値よりも小さい場合の前記相関量加算工程にて加算される加算数は、前記被写体検出工程にて検出された被写体の大きさが前記所定値以上である場合の前記相関量加算工程にて加算される加算数よりも多いことを特徴とする焦点調節方法。
  8. 撮像光学系の異なる瞳領域を通過した一対の光束を一対の光電変換部で受光する撮像素子の各画素から出力される焦点検出信号を用いて位相差方式の焦点調節を行う焦点調節方法であって、
    焦点検出領域にある前記撮像素子を構成する複数の画素の各々から出力される焦点検出信号を加算する画素加算工程と、前記画素加算工程にて加算された画素加算値を用いて相関演算を行って相関量を算出する相関量算出工程と、前記相関量算出工程にて算出された複数の相関量を加算する相関量加算工程と、前記相関量加算工程にて加算された加算相関量を用いて像ずれ量を算出する像ずれ量算出工程と、前記像ずれ量に基づいてデフォーカス量を算出するデフォーカス量算出工程と、を備え、
    前記デフォーカス量が所定値よりも大きい場合の前記画素加算工程にて加算される加算数は、前記デフォーカス量が前記所定値以下である場合の前記画素加算工程にて加算される加算数よりも多く、且つ、前記デフォーカス量が所定値よりも大きい場合の前記相関量加算工程にて加算される加算数は、前記デフォーカス量が前記所定値以下である場合の前記相関量加算工程にて加算される加算数よりも少ないことを特徴とする焦点調節方法。
  9. 撮像光学系の異なる瞳領域を通過した一対の光束を一対の光電変換部で受光する撮像素子の各画素から出力される焦点検出信号を用いて位相差方式の焦点調節を行う焦点調節方法であって、
    焦点検出領域にある前記撮像素子を構成する複数の画素の各々から出力される焦点検出信号を加算する画素加算工程と、前記画素加算工程にて加算された画素加算値を用いて相関演算を行って相関量を算出する相関量算出工程と、前記相関量算出工程にて算出された複数の相関量を加算する相関量加算工程と、前記撮像素子の各画素から出力される出力信号を用いて撮影画面内のコントラスト値を算出するコントラスト算出工程と、を備え、
    前記コントラスト値が所定値よりも大きい場合の前記画素加算工程にて加算される加算数は、前記コントラスト値が前記所定値以下である場合の前記画素加算工程にて加算される加算数よりも少なく、且つ、前記コントラスト値が所定値よりも大きい場合の前記相関量加算工程にて加算される加算数は、前記コントラスト値が前記所定値以下である場合の前記相関量加算工程にて加算される加算数よりも多いことを特徴とする焦点調節方法。
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