JP2017195584A - 撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 焦点検出用の画素とそれ以外の画素とで、異なる読み出し方法を用いるため、複数フレームにわたって同じ位置にある画素を焦点検出用の読み出し方を使い続ける場合に、ノイズパターンが固定し、目立ってしまう。
【解決手段】 本発明に係る撮像装置は、1つのマイクロレンズに対して複数の光電変換部を有する画素を複数備えた撮像素子と、第1の領域と第2の領域を設定する第1の設定手段と、測距領域を設定する第2の設定手段と、第1の領域と第2の領域で異なる読み出し動作を行う読み出し手段を有し、複数フレームの画像を撮像する際に、第2の設定手段が複数フレームの画像間で同一の測距領域を設定した場合で、第1の設定手段はこの複数フレームの画像間で第1の領域を異なる位置に設定する。
【選択図】 図11
【解決手段】 本発明に係る撮像装置は、1つのマイクロレンズに対して複数の光電変換部を有する画素を複数備えた撮像素子と、第1の領域と第2の領域を設定する第1の設定手段と、測距領域を設定する第2の設定手段と、第1の領域と第2の領域で異なる読み出し動作を行う読み出し手段を有し、複数フレームの画像を撮像する際に、第2の設定手段が複数フレームの画像間で同一の測距領域を設定した場合で、第1の設定手段はこの複数フレームの画像間で第1の領域を異なる位置に設定する。
【選択図】 図11
Description
本発明は、複数の光電変換部を有する画素を複数備えた撮像素子を駆動する技術に関するものである。
複数のマイクロレンズが2次元に配置され、さらに1つのマイクロレンズに対して、複数の光電変換部(フォトダイオードなど)が配置されている構造の撮像素子が知られている。特許文献1には、このような撮像素子を用いて測距を行う場合に、読み出した画像信号の処理に要する演算量を減らすため、測距領域に対応する一部の画素からのみ、視差を有する画像信号を読み出す構成が開示されている。
上記特許文献1に記載された構成によれば、撮像素子全体から画像信号を読み出すために要する時間を短くすることができる。しかしながら、一部の画素と他の画素とで画像信号の読み出し方を異ならせると、この読み出し方の違いに起因して、一部の画素と他の画素において、出力された画像信号に重畳されるノイズ信号のレベルに差が生じる。
ここで、動画の複数フレームにわたって測距領域の位置が変化しない場合には、複数フレームにわたって、同一の領域に含まれる画素から視差を有する画像信号を読み出すことになる。この場合、その領域と他の領域との間のノイズ信号のレベルの差が目立ちやすくなる可能性がある。
本発明は、1つのマイクロレンズに対して複数の光電変換部を有する画素を複数備えた撮像素子と、前記撮像素子の複数の画素の一部を第1の領域として設定し、前記複数の画素の他の一部を第2の領域として設定する第1の設定手段と、前記複数の画素の少なくとも一部に対して測距領域を設定する第2の設定手段と、前記撮像素子の前記第1の領域および前記測距領域に含まれる第1の画素から、前記第1の画素の光電変換部に蓄積された電荷に応じた信号を読み出す第1の読み出し動作を行うとともに、前記第2の領域および前記測距領域に含まれる第2の画素から、前記第1の読み出し動作とは異なる動作で、前記第2の画素の光電変換部に蓄積された電荷に応じた信号を読み出す第2の読み出し動作を行う読み出し手段と、を有し、前記撮像素子が複数フレームの画像を撮像し、前記第2の設定手段が前記複数フレームの画像において同一の測距領域を設定した場合には、前記第1の設定手段は、前記複数のフレームに含まれる第1のフレームと第2のフレームとで、前記第1の領域を異なる位置に設定することを特徴とする撮像装置を提供するものである。
本発明によれば、撮像素子の領域間のノイズ信号のレベルの差を目立ちにくくすることができる撮像装置を提供することができる。
以下では、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は本発明を実施するための一例にすぎず、本発明は図示された構成に限定されるものではない。
(第1の実施形態)
以下、図面を参照して、本発明における第1の実施形態について説明する。
以下、図面を参照して、本発明における第1の実施形態について説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。同図において、撮像素子100は、撮像光学系で形成された被写体の光学像を電気信号に光電変換する。撮像素子100は後述するCPU(中央処理装置)103等によって制御され、静止画または動画を撮像する。AFE(アナログフロントエンド)101は、撮像素子100から出力されたアナログの画像信号に対して、ゲイン調整や所定の量子化ビットに対応してデジタル変換を行う。TG(タイミングジェネレータ)102は、撮像素子100及びAFE101の駆動タイミングを制御する。本実施形態では、撮像素子100の外部にAFE101、TG102を配置しているが、それらは撮像素子内に内蔵される構成であってもかまわない。
上述のように、CPU103は撮像素子の各部を制御するためのプログラムを実行する。操作部104は、撮像命令や撮像条件等の設定をCPU103に対して行う。表示部105は、撮像した静止画像や動画像およびメニュー等の表示を行う。RAM106は、AFE101でデジタル変換された画像データや、後述の画像処理部108で処理された画像データを記憶する画像データ記憶手段の機能と、CPU103が動作を行う際のワークメモリの機能を兼備する。なお、本実施形態では、これらの機能を、RAM106を用いて行うようにしているが、アクセス速度が十分に速くて動作上問題のないレベルのメモリであれば、他のメモリを適用することも可能である。ROM107は、CPU103が各部の動作を制御するためにロードして実行するプログラムと、後述するノイズ低減回路で用いられる係数群を格納する。ここで、本実施形態では、フラッシュメモリを示すが、これは一例であり、アクセス速度が十分に速くて動作上問題のないレベルのメモリであれば、他のメモリを適用することも可能である。画像処理部108は、撮像された静止画または動画の補正や圧縮等の処理を行う。また、後述するA像データとB像データへの分離機能や、後述する画像の補正機能や、静止画像、動画像の生成機能を備える。
AF演算部109は、相関演算部120から出力される相関演算の結果を用いて、フォーカスレンズの駆動量を算出する。フラッシュメモリ110は、静止画データ及び動画データを記録するための、着脱可能なフラッシュメモリである。本実施形態では、記録媒体としてフラッシュメモリを適用しているが、その他のデータ書き込み可能な不揮発メモリでもよい。また、これらの記録媒体を内蔵した形態でもよい。
フォーカルプレーンシャッタ111は、静止画撮像時に露光秒時を調節する。本実施形態では、フォーカルプレーンシャッタにて撮像素子100の露光秒時を調節する構成であるが、これに限られるものではなく、撮像素子100が電子シャッタ機能を有し、制御パルスで露光秒時を調節する構成であってもよい。フォーカス駆動回路112は、光学系の焦点位置を変更するものであり、AF演算部109の焦点検出結果に基づいてフォーカスアクチュエータ114の駆動を制御し、第3レンズ119を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行う。絞り駆動回路113は、絞りアクチュエータ115の駆動を制御して絞り117の開口径を制御する。第1レンズ116は、撮像光学系(共通光学系)の先端に配置され、光軸方向に進退可能に保持される。絞り117は、その開口径を調節することで撮像時の光量を調節する。そして、前記絞り117及び第2レンズ118は一体となって光軸方向に進退し、前記第1レンズ116の進退動作との連動により、変倍作用(ズーム機能)を実現する。第3レンズ119は、光軸方向の進退により、撮像光学系の焦点を調節する。相関演算部120は、撮像素子100から出力される画素信号を用いて相関演算を行う。
次に撮像素子100の構成を、図2を参照して説明する。図2(a)は、撮像素子100の構成を示す。図2(a)において、撮像素子は、画素が二次元に配列された画素アレイ100aと、画素アレイ100aの画素の行を選択する垂直走査回路100d、画素アレイ100aの画素の列を選択する水平走査回路100cを持つ。また、撮像素子100はさらに、画素アレイ100aの画素のうち、垂直走査回路100d及び水平走査回路100cによって選択される画素の信号を読み出すための読み出し回路100bを備える。垂直走査回路100dは、画素アレイ100aの行を選択し、CPU103から出力される水平同期信号に基づいたTG102から出力される読み出しパルスを、選択行において有効にする。読み出し回路100bは列毎に設けられたアンプやメモリを有し、走査行の画素信号を、アンプを介してメモリに格納する。メモリに格納された1行分の画素信号は、水平走査回路100cによって列方向に順に選択され、出力回路100eを介して外部に出力される。この動作を繰り返し、すべての画素の信号を外部に出力する。
撮像素子100の画素アレイ100aを図2(b)に示す。図2(b)において、マイクロレンズ100fはマイクロレンズアレイを構成する。フォトダイオード(PD)100h、100gは光電変換を行う光電変換手段として、後述するA像用光電変換部、B像用光電変換部を構成する。各画素は、PD2つに対して1つのマイクロレンズ100fが上部に配置される構成となっている。すなわち、焦点検出用画素は、1つのマイクロレンズに対して光電変換部を複数備える。マイクロレンズ100fを共有している撮像領域を1画素とした場合、画素アレイ100aには、この画素が水平方向にh画素、垂直方向にv画素並んで配置されている。PD100hとPD100gで蓄積された信号は、後述する画素転送動作によって同時に、または独立に電圧に信号に変換され、前述した読出し動作によって外部に出力される。PD100hとPD100gは、瞳分割構成となっており、互いに位相差を持った別々の像が入射される。そのため、PD100hとPD100gの信号を独立に読み出し、前述の相関演算部120において相関演算処理を行い、その結果を用いて前述のAF演算部109でフォーカスレンズの駆動量などを計算することができる。ここではPD100hをA像用光電変換部、PD100gをB像用光電変換部とする。図2(b)では、マイクロレンズ1つに対してPDが2つ配置される構成であるが、これに限られるものではない。マイクロレンズ1つに対してPDが上下または左右に複数配置される構成であっても本発明を適用することができ、または4つ以上に瞳分割することもできる。たとえば、図2(c)では、PDが4つ配置される例を示している。画素100iは、瞳分割PD100j、PD100k、PD100m及びPD100nから構成される。PD100j、PD100k、PD100m及びPD100nには、夫々異なる位相の像が入射し、別々で信号を読み出すことが可能である。もしくは、状況に応じ、PD100jとPD100kの信号を同時に読み出し、PD100mとPD100nの信号を同時に読み出す。かくして、水平方向の位相差を相関演算部120での演算を経て取得することができる。または、PD100jとPD100mの信号を同時に読み出し、PD100kとPD100nの信号を同時に読み出す。かくして、垂直方向の位相差を相関演算部120での演算を経て取得することができ、PDから得られた信号を位相差検出のために使うことができる。
以下においては、マイクロレンズ1つに対してPDが2つ配置される構成をもって実施形態を説明する。図3は、画素アレイ100aに設けられた複数の画素のうち、隣り合う2行(j行と(j+1)行)、2列(i列と(i+1)列)分の画素と、2列(i列と(i+1)列)分の読み出し回路100bの構成を示す等価回路図である。
j行目の画素301の転送スイッチ302aには制御信号ΦTXA(j)が入力され、転送スイッチ302bのゲートには、制御信号ΦTXB(j)が入力される。リセットスイッチ304は、リセット信号ΦR(j)により制御される。なお、制御信号ΦTXA(j)及びΦTXB(j)、リセット信号ΦR(j)、行選択信号ΦS(j)は、垂直走査回路100dにより制御される。同様に、(j+1)行目の画素320は、制御信号ΦTXA(j+1)及びΦTXB(j+1)、リセット信号ΦR(j+1)、及び行選択信号ΦS(j+1)により制御される。
また、画素列毎に垂直信号線308を設けており、各垂直信号線308は、各列に設けられた読み出し回路100bの電流源307及び転送スイッチ310a、310bに接続される。
転送スイッチ310aのゲートには制御信号ΦTNが入力し、転送スイッチ310bのゲートには制御信号ΦTSが入力する。また、転送スイッチ312a及び転送スイッチ312bのゲートには、水平走査回路100cから出力される制御信号ΦPH(i)が入力される。蓄積容量部311aは、転送スイッチ310aがオン状態で転送スイッチ312aがオフ状態にあるときに、垂直信号線308の出力を蓄積する。同様に、蓄積容量部311bは、転送スイッチ310bがオン状態で転送スイッチ312bがオフ状態にあるときに、垂直信号線308の出力をする。
水平走査回路100cの列選択信号ΦPH(i)によりi列目の転送スイッチ312a及び転送スイッチ312bをオン状態にすることで、蓄積容量部311a及び蓄積容量部311bの出力がそれぞれ別の水平出力線を介して出力回路100eに転送される。
上記構成を有する撮像素子100から信号を読み出す読み出し動作として、加算読み出し動作(第1の読み出し動作)と、分割読み出し動作(第2の読み出し動作)とを選択的に行うことが可能である。以下、図3及び図6を参照して、加算読み出し動作と分割読み出し動作について説明する。なお、本実施形態では、各制御信号がH(high)の状態の時に各スイッチがオンし、L(low)の時にオフとなるものとして説明する。
<加算読み出し動作>(第1の読み出し動作)
図4(a)は、加算読み出し動作により撮像素子100のj行目の画素から信号を読み出す動作のタイミングを示している。時刻T1において、リセット信号ΦR(j)がHになる。次に、時刻T2において、制御信号ΦTXA(j)とΦTXB(j)がHになると、j行目の画素100fのPD100h、100gがリセットされる。
図4(a)は、加算読み出し動作により撮像素子100のj行目の画素から信号を読み出す動作のタイミングを示している。時刻T1において、リセット信号ΦR(j)がHになる。次に、時刻T2において、制御信号ΦTXA(j)とΦTXB(j)がHになると、j行目の画素100fのPD100h、100gがリセットされる。
次に、時刻T3で制御信号ΦTXA(j)とΦTXB(j)がLになると、PD100h、100gは電荷蓄積を開始する。続いて、時刻T4で行選択信号ΦS(j)がHになると、行選択スイッチ306がオン状態となって垂直信号線308に接続され、ソースフォロアアンプ305が動作状態となる。
次に、時刻T5でリセット信号ΦR(j)がLにされた後、時刻T6で制御信号ΦTNがHになると、転送スイッチ310aがオン状態となり、垂直信号線308上のリセット解除後の信号(ノイズ信号)が蓄積容量部311aに転送される。
次に、時刻T7で制御信号ΦTNがLにされ、蓄積容量部311aにノイズ信号が保持される。その後、時刻T8で制御信号ΦTXA(j)とΦTXB(j)がHになると、PD100h、100gの電荷がフローティングディフュージョン領域(FD領域)303に転送される。このとき、2つのPD100h、100gの電荷が同じFD領域303に転送されるので、2つのPD100h、100gの電荷が混合された信号(1画素分の光信号+ノイズ信号)が垂直信号線308に出力される。
続いて時刻T9で制御信号ΦTXA(j)とΦTXB(j)がLにされる。その後、時刻T10で制御信号ΦTSがHになると、転送スイッチ310bがオン状態になり、垂直信号線308上の信号(1画素分の光信号+ノイズ信号)が蓄積容量部311bに転送される。次に時刻T11で制御信号ΦTSがLにされ、蓄積容量部311bに1画素分の光信号+ノイズ信号が保持された後、時刻T12で行選択信号ΦS(j)がLにされる。
この後、水平走査回路100cの列選択信号ΦPHによって、第1画素列から最終画素列まで転送スイッチ312a、312bが順にHにされる。これにより、蓄積容量部311aのノイズ信号と、311bの1画素分の光信号+ノイズ信号がそれぞれ異なる水平出力線を介して出力回路100eに転送される。出力回路100eでは、この2つの水平出力線の差分(1画素分の光信号)を算出し、これに所定ゲインを乗じた信号を出力する。以下、上述した加算読み出し動作により得られた信号を、「第1の加算信号」と呼ぶ。
<分割読み出し動作>(第2の読み出し動作)
次に、分割読み出し動作について図4(b)を用いて説明する。図4(b)は、分割読み出し動作により撮像素子100のj行目の画素から信号を読み出す動作のタイミングを示している。時刻T1においてリセット信号ΦR(j)がHにされる。続いて、時刻T2においてΦTXA(j)とΦTXB(j)がHになると、j行目の画素301のPD100h、100gがリセットされる。次に、時刻T3で制御信号ΦTXA(j)とΦTXB(j)がLになると、PD100h、100gは電荷蓄積を開始する。続いて、時刻T4で行選択信号ΦS(j)がHとなると、行選択スイッチ306がオン状態となって垂直信号線308に接続され、ソースフォロアアンプ305が動作状態となる。
次に、分割読み出し動作について図4(b)を用いて説明する。図4(b)は、分割読み出し動作により撮像素子100のj行目の画素から信号を読み出す動作のタイミングを示している。時刻T1においてリセット信号ΦR(j)がHにされる。続いて、時刻T2においてΦTXA(j)とΦTXB(j)がHになると、j行目の画素301のPD100h、100gがリセットされる。次に、時刻T3で制御信号ΦTXA(j)とΦTXB(j)がLになると、PD100h、100gは電荷蓄積を開始する。続いて、時刻T4で行選択信号ΦS(j)がHとなると、行選択スイッチ306がオン状態となって垂直信号線308に接続され、ソースフォロアアンプ305が動作状態となる。
時刻T5でリセット信号ΦR(j)がLにされた後、時刻T6で制御信号ΦTNがHになると、転送スイッチ310aがオン状態となり、垂直信号線308上のリセット解除後の信号(ノイズ信号)が蓄積容量部311aに転送される。
次に、時刻T7で制御信号ΦTNがLにされ、蓄積容量部311aにノイズ信号が保持された後、時刻T8でΦTXA(j)がHになると、PD100hの電荷がFD領域303に転送される。このとき、2つのPD100h、100gのうち一方(ここではPD100h)の電荷をFD領域303に転送するので、PD100hの電荷に応じた信号だけが垂直信号線308に出力される。
次に、時刻T9で制御信号ΦTXA(j)がLにされた後、時刻T10で制御信号ΦTSがHになると、転送スイッチ310bがオン状態になり、垂直信号線308上の信号(1PD分の光信号+ノイズ信号)が蓄積容量部311bに転送される。次に時刻T11で制御信号ΦTSがLにされる。
この後、水平走査回路100cの列選択信号ΦPHによって、第1画素列から最終画素列まで転送スイッチ312a、312bが順にHにされる。これにより、蓄積容量部311aのノイズ信号と、311bの1PD分の光信号+ノイズ信号がそれぞれ別の水平出力線で出力回路100eに転送される。出力回路100eでは、この2つの水平出力線の差分(1PD分の光信号)を算出し、これに所定ゲインを乗じた信号を出力する。以下、上述した読み出し動作により得られた信号を、「分割信号」と呼ぶ。
その後、時刻T12でΦTXA(j)及びΦTXB(j)がHとなり、先に転送したPD100hの電荷に加えて、更にPD100gの電荷と新たに発生したPD100hの電荷とがFD領域303に転送される。このとき、2つのPD100h、100gの電荷が同じFD領域303に転送されるので、2つのPD100h、100gの電荷が混合された信号(1画素分の光信号+ノイズ信号)が垂直信号線308に出力される。
続いて時刻T13で制御信号ΦTXA(j)とΦTXB(j)がLにされた後、時刻T14で制御信号ΦTSがHになると、転送スイッチ310bがオン状態になる。これにより、垂直信号線308上の信号(1画素分の光信号+ノイズ信号)蓄積容量部311bに転送される。
次に時刻T15で制御信号ΦTSがLにされ、蓄積容量部311bに1画素分の光信号+ノイズ信号が保持された後、時刻T16で行選択信号ΦS(j)がLにされる。
この後、水平走査回路100cの列選択信号ΦPHによって、第1画素列から最終画素列まで転送スイッチ312a、312bが順にHにされる。これにより、蓄積容量部311a、311bのノイズ信号と、1画素分の光信号+ノイズ信号がそれぞれ異なる水平出力線で出力回路100eに転送される。出力回路100eでは、この2つの水平出力線の差分(1画素分の光信号)を算出し、これに所定ゲインを乗じた信号を出力する。以下、上記読み出し動作により得られた信号を、第1の加算信号と区別するために、「第2の加算信号」と呼ぶ。
このようにして読み出した第2の加算信号から、一方のPD100hに対応する分割信号を差し引くことで、他方のPD100gに対応する分割信号を得ることができる。このようにして得られた一対の分割信号を「焦点検出用信号」と呼ぶ。そして、得られた焦点検出用信号に対して公知の相関演算を行うことにより、信号間の位相差を算出することができる。
なお、リセット、電荷の蓄積、および、信号の読み出しという一連の動作をPD100hに対して行った後、同様の動作をPD100gに対して行うことで、1回の電荷蓄積動作に対して2つのPD100h、100gの信号を独立に読み出すようにしてもよい。このようにして2回に分けて読み出したPD100h、100gの信号は、加算することで第2の加算信号を得ることができる。また、以上にも述べたように、マイクロレンズ1つに対して2つのPDが配置される構成に限られるものではなく、3つ以上の複数のPDを複数回に分けて信号を読みだして、合成するようにしてもよい。
ここで、第2の加算信号は、第1の加算信号と比較して読み出しノイズが大きくなってしまう。たとえば、2つのPD100h、100gの信号を同時に読み出す場合には、第2の加算信号を取得する際に、まずはノイズ信号を読み出す。その後に、2つのPD100h、100gのうち一方の電荷をFD領域303に転送して信号を読み出し、その後、FD領域303をリセットすることなく2つのPD100h、100gの信号を同時に読み出して第2の加算信号を得る。この方法では、ノイズ信号を読み出してから第2の加算信号を読み出すまでに、第1の加算信号による読み出しよりも時間がかかるため、信号間の動作周波数が低下し、フリッカ雑音が増加してしまう。
また、たとえば、PD100h、100gの信号を夫々独立に読み出す場合は、単一画素を2回に分けて読みだして加算することによって画素信号を得るので、読み出しノイズが2回重畳されることになってしまう。そのため、第1の加算信号と比較すると、読み出しノイズが増加してしまう。
図5は、画素が行列状に配列された画像アレイにおける読み出し方法を説明するための図である。前述の通りスイッチ302aとスイッチ302bとを制御することによって、加算読み出し動作と分割読み出し動作とを切り替えることができる。図5での白無地の領域501は、A像用の信号とB像用の信号を同時に読み出す加算読み出し動作を行う領域を示す。斜線でハッチングされた領域502は、A像用信号を読み出し、それからA像用の信号とB像用の信号を同時に読み出す分割読み出し動作を行う領域を示す。焦点検出のため、画面内に、測距領域503を定め、この領域に対応する被写体に対して、焦点検出を行う。ユーザの設定やタッチパネル操作などにより、測距領域の設定が行われる。ただし、測距領域が必ずしも画像の一部のみ占めるわけでもなく、被写体の状況に応じて測距領域を画面の全部を占めるように設定してもよい。また、図5では、測距領域503は矩形を呈するが、その限りでなく、任意の形状でもよい。
以下では、画面内において、行単位で読み出し動作を切り替える構成を例にあげて説明するが、この限りでない。たとえば、画面内を複数の矩形領域に分割し、矩形領域ごとで読み出し方法を切り替えてもよい。本来、焦点検出のために、測距領域503が重畳するすべての行に含まれる画素において、分割読み出し動作を行うのが好ましいが、処理負荷を考慮し、図5で示したように、その中の一部の行だけにおいて分割読み出し動作を行うものとする。分割読み出し動作を行う行の決め方は、一定のルールに従う。たとえば、分割読み出しを行う行数とその行間の距離の両方を測距領域503のサイズに応じて適応的に変更してもよいし、分割読み出しを行う行間の距離は固定で、測距領域503のサイズが大きくなるほど行数のみを増加させるようにしてもよい。いずれにせよ、測距領域503の位置とサイズとが決まると、各々の画素の読み出し方法も決まる。また、ここでは水平方向に伸びた行単位で読み出し動作を切り替える構成を例にあげるが、垂直方向に伸びた列単位で読み出し動作を切り替える構成としてもよい。
図6は、動画撮像のフローチャートである。動画モードにおいて操作部104に含まれている動画記録ボタンを押下することで動画の撮像を開始することができる。動画撮像が開始されると、CPU103はステップS601でAFスイッチの状態を調べる。OFF状態であればマニュアルフォーカス(MF)モードで動画の撮像を行う。ステップS601における判定の後、ステップS610へ遷移する。ステップS610では、焦点検出用信号を得るための分割読み出し動作を行う必要がないため、CPU103の制御の下で、すべての画素でA像用の信号とB像用の信号を同時に読み出す加算読み出し動作を行う。その後ステップS611で読み出した画像をRAM106に保存する。次にステップS612に遷移し、一連のシーケンスの間に動画記録ボタンが押下されていれば動画撮像を終了し、押下されていなければ次のフレームの読み出しを開始する。
一方ステップS601の判定の際に、AFスイッチがON状態で判定されると、CPU103の制御の下で、動画サーボAFモードで動画の撮像を行う。ステップS602で、CPU103は、測距領域503の設定を行う。測距領域503は、従来から知られている方法を用いて設定すればよい。例えば、ユーザによるタッチパネルやダイヤル操作を反映して測距領域503の位置を設定する。または、画像に含まれる被写体に対して追尾処理を行って新たなフレームにおける被写体の位置を検出し、この検出した被写体の位置やサイズに基づいて測距領域503を設定するようにしてもよい。ステップS603では、ステップS602で設定された測距領域503に応じて、CPU103が分割読み出し動作を行う領域502を設定する。このステップS603の処理については、後ほど、図7および図8を用いて説明を行う。
ステップS604では、ステップS603で設定した読み出し方法に基づいて、CPU103の制御の下で各画素の信号の読み出し動作を行う。CPU103はTG102を駆動し、垂直走査回路100dとスイッチ302a及びスイッチ302bを制御し、各画素の信号を読み出す。具体的には、測距領域503と重畳する複数の行のうちの一部の行である領域502では、まずスイッチ302aのみをONにして、A像用の信号を読み出す。それから、スイッチ302aとスイッチ302bを同時にONにすることで、A像用の信号とB像用の信号を同時に読み出す。この信号とスイッチ302aのみをONにした場合の信号とを利用し、後述する画像処理部108でB像用の信号を算出することができる。かくして、A像用の信号とB像用の信号を両方取得し、焦点検出用の信号とする。それ以外の行(領域501)ではスイッチ302aとスイッチ302bを同時にONにすることで、A像用の信号とB像用の信号を同時に読み出す。
ステップS605では、ステップS604で領域502から読み出した信号に基づいて、相関演算部120が相関演算を行う。ステップS606では、ステップS605の相関演算結果に基づいてAF演算部109がAF用の演算を行う。相関演算及びAF用演算の具体的な方法に関しては、ここでは省略する。そしてステップS607でAF用演算の結果を、フォーカス駆動回路112に送り、フォーカス駆動を行う。
ステップS608では、CPU103が、ステップS604で読み出された画像をRAM106に記録し、ステップS609に遷移する。ステップS609は一連のシーケンスの間に動画記録ボタンが押下されたかどうかを判定するステップである。動画記録ボタンが押下されていた場合は、動画撮像を終了する。押下されていなかった場合は、ステップS602に戻り、同様の動作を繰り返す。
図7は、本実施形態における領域設定を行う構成を説明するためのブロック図である。ここでいう領域設定とは、画面内のどの領域で、どの読み出し動作を行うかということに係る設定である。本実施形態では、この設定はCPU103の中のプログラムで実現し、TG102へ設定を送信する構成となっているが、この限りではない。たとえば、撮像装置の構成要素として、CPU103とは別に、設定生成部と設定選択部とを設ける構成でもよい。
CPU103内の設定生成部701は、測距領域503の情報を受け取って、複数の領域設定を生成する。そして、設定選択部702は、設定生成部701で生成した複数の領域設定の中から、疑似乱数発生部703が発生させた乱数の入力によって、1つの領域設定をランダムに選択し、TG102へ送信する。
図8は、設定生成部701で生成した領域設定の例を説明するための図である。画像801は、測距領域503に対する領域設定aの例である。画像802は、測距領域503に対する領域設定bの例である。画像803は、測距領域503に対する領域設定cの例である。画像801〜803における測距領域503の位置は一致するが、分割読み出し動作を行う行を異ならせている。なお、ここの領域設定の設定パターンa、b、cを、設定シードと呼ぶ。本実施形態では、3フレームにおいて、設定シードa、bおよびcが1回ずつ選択された場合に、測距領域に重畳する全ての行において分割読み出し動作が1回ずつ行われるように設定されるものとする。
以下では、連続フレームの撮像において、本実施形態を適用した例について説明する。図9は、連続フレームの撮像において、本実施形態を適用した例を説明するための図である。フレーム群901は、通常、多重露光撮像や動画ファイル、あるいは時系列で連続する複数の画像などのような、1つのファイルとして扱われるフレーム群である。ただし、上記により限定されるものでなく、測距領域が一致する複数のフレームであればよい。フレーム902は、フレーム群901の中の1つのフレームである。符号903のxは、領域設定a、b、cのいずれかの符号を表しており、設定選択部702に入力された疑似乱数によって、ランダムに決まる。
本実施形態によれば、同じ測距領域で複数のフレームを撮像する場合においても、分割読み出し動作を行う領域を、毎フレームでランダムに切り替えることができる。ランダムに切り替えることにより、十分多くのフレームを撮像した場合に、分割読み出し動作が行われる画素が、一部の画素に偏ってしまうことを抑制することができる。そのため、撮像素子の領域間のノイズ信号のレベルの差を目立ちにくくすることができる。
(第2の実施形態)
本発明における第2の実施形態について、図10と図11とを用いて説明する。なお、第1の実施形態と同様な部分を省略する。
本発明における第2の実施形態について、図10と図11とを用いて説明する。なお、第1の実施形態と同様な部分を省略する。
図10は、本実施形態における領域設定を説明するための図である。1001周期選択信号発生部で発生した周期選択信号を設定選択部702へ入力することにより、設定生成部701で生成した領域設定を周期的に選択することができる。こうした周期的に選択することにより、図11で示すように、第1の実施形態と同様の設定シードa、bおよびcが周期的にフレーム群901の各々のフレームに対して設定される。
本実施形態によれば、同じ測距領域で複数のフレームを撮像する場合においても、分割読み出し動作を行う領域を、毎フレーム周期的に切り替えることができる。周期的に切り替えることにより、最短のフレーム数でどの画素も分割読み出し動作が行われることになる。そのため、撮像素子の領域間のノイズ信号のレベルの差を目立ちにくくすることができる。
(第3の実施形態)
本発明における第3の実施形態について、第2の実施形態との違いを中心に説明する。本実施形態は、以下の点で第2の実施形態と異なる。まず、画像処理部108が、複数フレームの画像を用いて1枚の合成画像を生成、または画像を補正する機能を備えている点で第2の実施形態と異なる。次に、画像処理で用いる複数フレーム間で分割読み出し動作の画素の重複が最も少なくなるように設定するという点で、第2の実施形態と異なる。
本発明における第3の実施形態について、第2の実施形態との違いを中心に説明する。本実施形態は、以下の点で第2の実施形態と異なる。まず、画像処理部108が、複数フレームの画像を用いて1枚の合成画像を生成、または画像を補正する機能を備えている点で第2の実施形態と異なる。次に、画像処理で用いる複数フレーム間で分割読み出し動作の画素の重複が最も少なくなるように設定するという点で、第2の実施形態と異なる。
図12(a)は、複数フレームの画像を用いて1枚の画像を補正するノイズ低減処理を説明するための図である。ここでの複数フレームの画像は、同じ被写体に対して、同じ条件で撮像した画像である。フレーム群1201は、このノイズ低減処理に用いる3枚のフレームである。本実施例では3枚のフレームでノイズ低減処理を行うが、この限りでない。フレーム1202、1203および1204は、それぞれ、ノイズ低減処理の対象フレームの前に撮像された前フレーム、ノイズ低減処理の対象フレーム、および、ノイズ低減処理の対象フレームの後に撮像された後フレームである。
図12(b)は、平均画像計算部での処理を説明するブロック図である。読み出されたフレームはRAM106に記憶されるとともに、平均画像計算部1205に入力される。平均画像計算部1205は、新たなフレーム1204が入力されると、その1つ前のフレーム1203と2つ前のフレーム1202をRAMから読み出し、これら3フレームの平均化計算を行う。平均化計算の結果、真ん中のフレーム1203に対応する補正処理済みフレーム1206を得ることができる。
本実施形態におけるノイズ低減処理は、3枚の画像を用いて1枚の画像を補正する。この3枚の画像のそれぞれで同じ位置の画素を、分割読み出し動作を行った場合、前述したように分割読み出し動作を行った行にノイズが増えてしまうということが考えられる。平均化によるノイズ低減処理をより効果的に行うためには、理想的には3フレームの画像のそれぞれで分割読み出し動作を行う画素を異ならせるのが望ましい。
設定シードの数を十分に多くし、周期的に選択していくことで、これら平均化に用いる3フレームの画像を得る際に、いずれの行においても分割読み出し動作で2回読み出さないようにすることができる。具体的には、少なくとも平均化に使用する最大のフレーム数以上の数の設定シードを生成することで、どのような場合でも重複する画素を分割読み出し動作で読み出すことがなくなる。たとえば、3枚の画像を用いて画像を生成する場合、設定シードを少なくとも3個用意するとよい。このようなノイズ低減処理を実現するためには、図13で示すような設定が必要となる。周期選択信号発生部1301は、画面全体でどのような行を分割読み出し動作で読み出すかを決める。セレクタ1302は、行設定部の信号から、周期選択信号発生部1301の信号を受信して選択する。条件判定部1303は、測距領域が重畳する行の情報と、セレクタ1302の設定とが一致する行を、分割読み出し動作を行う行とする。設定生成部1304は条件判定部1303の情報を受け取ってTGに送信する。
なお、以上で説明した方法を用いて、必ずしもどのような場合でも分割読み出し動作を行う画素を重複することなく設定できるとは限らない。例えば、3枚の画像を用いて1枚の画像を補正するノイズ低減処理を行う際に、測距領域が重畳する行のうちの半分以上で分割読み出し動作を行う場合、すべての画像で分割読み出し動作を行った画素を異ならせることは不可能である。そのような場合は、画像の生成に使用する画像間で、分割読み出し動作を行う画素の重複ができるだけ少なくなるように領域設定を制限する。
図14は、3枚の画像を用いてノイズ低減処理を行う時に、測距領域が重畳する行のうちの半分以上で分割読み出し動作を行っている例を示す。フレーム群1401は、ノイズ低減処理に用いる画像である。フレーム群1401は、フレーム1402、1403および1404を含む。フレーム1402、1402および1403は、それぞれ、ノイズ低減処理の対象フレーム1403の直前に撮像された前フレーム、ノイズ低減処理の対象フレーム、および、ノイズ低減の対象フレーム1403の直後に撮像された後フレームである。これらのフレームで測距領域503は共通となっており、1フレームで測距領域503内の半分の行で分割読み出し動作を行っている。そのため、前フレーム1402と後フレーム1404は、全く同一の行で分割読み出し動作を行う。
このような場合、分割読み出し動作を行う画素が重複する回数に応じて、フレームまたは画素に重みづけを行って加重平均処理を行う。加重部1405は、CPU103から取得した係数を用いて前フレーム1402の重みづけを行う。加重部1406は、CPU103から取得した係数を用いて対象フレーム1403の重みづけを行う。加重部1407は、CPU103から取得した係数を用いて後フレーム1404の重みづけを行う。ここでは前フレーム1402と後フレーム1404は、全く同一の行で分割読み出し動作を行っているため、前フレームの加重部1405と後フレームの加重部1407の係数を0.25とし、処理対象フレーム加重部の係数を0.5とする。
平均画像計算部1408は、CPU103から係数に関する情報を取得し、適切な方法で画像の加重平均を計算し、補正処理済みフレーム1409を出力する。
上述した方法を用いて、同じ被写体に対して撮像した露光値の異なる画像を取得し、多重露光撮像を行うこともできる。あるいは、上述した方法を用いて、時系列で生成された画像を用いてノイズ低減処理を行う巡回フィルタを構成することもできる。
本実施形態によれば、複数のフレームの画像を用いて1枚の画像を生成、または補正する場合、分割読み出し動作を行う画素の重複を最小にしつつ、分割読み出し動作を行う領域を周期的に切り替えることができる。また、分割読み出し動作を行う画素の重複がある場合でも、重複の影響を低減するように処理を行うことができる。
(第4の実施形態)
本発明における第4の実施形態について、図15を用いて説明する。なお、第1の実施形態と同様な部分を省略する。
本発明における第4の実施形態について、図15を用いて説明する。なお、第1の実施形態と同様な部分を省略する。
第4の実施形態は、設定選択部702の制御においては、第1の実施形態と異なる。第2の実施形態は、疑似乱数発生部703が発生させた乱数に基づいて、設定シードの選択を行う。第4の実施形態では、これに加えて、設定シードの選択に関する情報を選択情報記憶部1501に記憶し、次の設定シードの選択を行うときに、選択情報記憶部1501に記憶された情報を参照しながら、設定選択部702が設定シードの選択を行う。
ノイズを下げるために、できるだけ同じ設定シードを複数回使用するのを避けることが好ましい。そのため、選択情報記憶部1501に記憶されている設定シードの情報を用いて、すでに使用済みの設定シードを再度使用しないか、使用回数を一定に超えたら使用しないように制限する。
たとえば、所定期間内では同じ設定シードを2回使用しないと設定する場合は、設定シードaがすでに使用されたとする。この場合は、設定選択部702が設定シードaを選択しないように、たとえ疑似乱数発生部703が発生させた乱数に基づいて設定シードaが決まっても、設定シードaを使用せずにもう1回疑似乱数発生部703において乱数を発生させる。あるいは、疑似乱数発生部703のプログラムを変更し、設定シードaを演算結果から外すようにする。
また、ここでは、選択情報記憶部1501が設定シードを記憶する代わりに、どの行に分割読み出しを行ったのかを記憶することにしてもよい。この場合、各々の行が、一定の回数以上分割読み出しを行わないように設定するのが好ましい。
本実施形態によれば、設定シードの選択の履歴を記憶することにより、同じ設定シード、を一定の回数以上に出ない、あるいは、特定な行が一定の回数以上分割読み出しを行わないようにすることができる。そのため、撮像素子の行間のノイズ信号のレベルの差を目立ちにくくすることができる。
(その他の実施形態)
以上の実施形態は、デジタルカメラでの実施をもとに説明したが、デジタルカメラに限定するものではない。たとえば、撮像素子が内蔵した携帯機器などで実施してもよく、画像を取得することができるネットワークカメラなどでもよく、撮像機能が実現できる機器、装置などであればよい。
以上の実施形態は、デジタルカメラでの実施をもとに説明したが、デジタルカメラに限定するものではない。たとえば、撮像素子が内蔵した携帯機器などで実施してもよく、画像を取得することができるネットワークカメラなどでもよく、撮像機能が実現できる機器、装置などであればよい。
なお、本発明は、上述の実施形態の1つ以上の機能を実現するプログラムを、ネットワークまたは記憶媒体を介してシステムまたは装置に供給し、そのシステムまたは装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサーがプログラムを読み出し作動させる処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。
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。
Claims (20)
- 1つのマイクロレンズに対して複数の光電変換部を有する画素を複数備えた撮像素子と、
前記撮像素子の複数の画素の一部を第1の領域として設定し、前記複数の画素の他の一部を第2の領域として設定する第1の設定手段と、
前記複数の画素の少なくとも一部に対して測距領域を設定する第2の設定手段と、
前記撮像素子の前記第1の領域および前記測距領域に含まれる第1の画素から、前記第1の画素の光電変換部に蓄積された電荷に応じた信号を読み出す第1の読み出し動作を行うとともに、前記第2の領域および前記測距領域に含まれる第2の画素から、前記第1の読み出し動作とは異なる動作で、前記第2の画素の光電変換部に蓄積された電荷に応じた信号を読み出す第2の読み出し動作を行う読み出し手段と、を有し、
前記撮像素子が複数フレームの画像を撮像し、前記第2の設定手段が前記複数フレームの画像において同一の測距領域を設定した場合には、前記第1の設定手段は、前記複数のフレームに含まれる第1のフレームと第2のフレームとで、前記第1の領域を異なる位置に設定することを特徴とする撮像装置。 - 前記複数の画素を行列状に配置することを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
- 前記読み出し手段は、前記第1の領域と前記第2の領域を、行単位で設定することを特徴とする請求項2に記載の撮像装置。
- 前記複数フレームの画像は、時系列で連続する画像であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記複数フレームの画像は、動画を構成する画像であることを特徴とする請求項4に記載の撮像装置。
- 前記第2の設定手段が前記複数フレームの画像において同一の測距領域を設定した場合に、前記第1の設定手段は、前記複数フレームの画像の間で、前記測距領域における前記第1の領域の位置をランダムに異ならせることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記第2の設定手段が前記複数フレームの画像において同一の測距領域を設定した場合に、前記第1の設定手段は、前記複数フレームの画像の間で、前記測距領域における前記第1の領域の位置を周期的に異ならせることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記複数フレームの画像を用いて、合成画像を生成する合成手段を有することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記合成手段は、異なる露光値で生成された前記複数フレームの画像を用いて前記合成画像を生成することを特徴とする請求項8に記載の撮像装置。
- 前記合成手段は、前記複数フレームの画像のそれぞれに、重みづけ係数を与えて、重みづけ合成を行うことを特徴とする請求項8または9に記載の撮像装置。
- 前記合成手段は、前記複数フレームの画像のそれぞれの前記第1の領域の位置に基づいて、前記複数フレームの画像のそれぞれに与える重みづけ係数を決めることを特徴とする請求項10に記載の撮像装置。
- 前記合成手段は、前記複数フレームの画像のそれぞれに対して、前記複数フレームの画像に含まれる、前記第1の領域の位置の設定が等しい他のフレームの画像の数に基づいて、重みづけ係数を決めることを特徴とする請求項11に記載の撮像装置。
- 前記第1の設定手段は、前記複数フレームの画像のそれぞれにおいて、予め用意された複数の設定パターンからいずれかを選択することで前記第1の領域を設定するものであって、同一の設定パターンを選択する回数を制限することを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記第1の設定手段は、前記複数フレームの画像のそれぞれにおいて、予め用意された複数の設定パターンからいずれかを選択することで前記第1の領域を設定するものであって、同一の測距領域に対して同一の設定パターンを選択する回数を制限することを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記第1の設定手段は、前記複数フレームの画像のうちの連続する予め定められた数のフレームにおいて、予め定められたフレーム数を超えて、前記第1の領域が同じ位置に設定されないように、前記第1の領域を設定することを特徴とする請求項1乃至14のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記第1の読み出し動作は、前記第1の領域かつ前記測距領域における画素が有する複数の光電変換部に蓄積された電荷に応じた信号を、複数に分けて読み出す動作であり、前記複数の光電変換部のうちの所定の光電変換部に蓄積された電荷に応じた信号を読み出す第1の動作と、前記所定の光電変換部に蓄積された電荷に応じた信号を読み出さずに、前記所定の光電変換部とは異なる光電変換部に蓄積された電荷に応じた信号を読み出す第2の動作を含むことを特徴とする請求項1乃至15のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記第1の読み出し動作は、前記第1の領域かつ前記測距領域における画像が有する複数の光電変換部の少なくとも一部の光電変換部に蓄積された電荷に応じた信号を読み出す第3の動作と、前記一部の光電変換部の内の一部の光電変換部に蓄積された電荷に応じた信号を読み出す第4の動作を含むことを特徴とする請求項1乃至15のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記第2の読み出し動作は、前記第2の領域かつ前記測距領域における画素が有する複数の光電変換部に蓄積された電荷に応じた信号を加算して読み出す動作であることを特徴とする請求項1乃至17のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 1つのマイクロレンズに対して複数の光電変換部を有する画素を複数備えた撮像素子を用いた撮像装置の制御方法において、
前記撮像素子の複数の画素の一部を第1の領域として設定し、前記複数の画素の他の一部を第2の領域として設定する第1の設定ステップと、
前記複数の画素の少なくとも一部に対して測距領域を設定する第2の設定ステップと、
前記撮像素子の前記第1の領域および前記測距領域に含まれる第1の画素から、前記第1の画素の光電変換部に蓄積された電荷に応じた信号を読み出す第1の読み出し動作を行うとともに、前記第2の領域および前記測距領域に含まれる第2の画素から、前記第1の読み出し動作とは異なる動作で、前記第2の画素の光電変換部に蓄積された電荷に応じた信号を読み出す第2の読み出し動作を行う読み出しステップとを含み、
前記撮像素子が複数フレームの画像を撮像し、前記第2の設定ステップにおいて前記複数フレームの画像において同一の測距領域を設定した場合には、前記第1の設定ステップにおいて、前記複数のフレームに含まれる第1のフレームと第2のフレームとで、前記第1の領域を異なる位置に設定することを特徴とする撮像方法。 - 1つのマイクロレンズに対して複数の光電変換部を有する画素を複数備えた撮像素子を有する撮像装置の制御方法をコンピュータに動作させるプログラムにおいて、
前記コンピュータに、
前記撮像素子の複数の画素の一部を第1の領域と、前記複数の画素の他の一部を第2の領域として設定する第1の設定ステップと、
前記複数の画素の少なくとも一部に対して測距領域を設定する第2の設定ステップと、
前記撮像素子の前記第1の領域および前記測距領域に含まれる第1の画素から、前記第1の画素の光電変換部に蓄積された電荷に応じた信号を読み出す第1の読み出し動作を行うとともに、前記第2の領域および前記測距領域に含まれる第2の画素から、前記第1の読み出し動作とは異なる動作で、前記第2の画素の光電変換部に蓄積された電荷に応じた信号を読み出す第2の読み出し動作を行う読み出しステップとを行わせ、
前記撮像素子が複数フレームの画像を撮像し、前記第2の設定ステップにおいて前記複数フレームの画像において同一の測距領域を設定した場合には、前記第1の設定ステップにおいて、前記複数のフレームに含まれる第1のフレームと第2のフレームとで、前記第1の領域を異なる位置に設定することを特徴とするコンピュータのプログラム。
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