JP2018151422A - 焦点検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高輝度被写体を撮像時においても、焦点検出精度を向上させる焦点検出装置を提供すること。【解決手段】 第１の信号と第２の信号それぞれに対してシェーディングを補正するシェーディング補正部と、第１の信号と第２の信号がそれぞれ所定の閾値以上にならないように処理するリミッタ部と、を備え、リミッタ部は、シェーディング補正部でシェーディング補正を行った後に第１の信号を処理する第１のリミッタと、第１のリミッタ部が処理した第１の信号からシェーディング補正部でシェーディング補正を行った第２の信号を減算してえられる第３の信号を処理する第２のリミッタ部とを含む事を特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は焦点検出装置に関し、特に１つのマイクロレンズに対して複数の光電変換部を持った撮像素子から出力される焦点検出信号を利用して焦点検出を行う焦点検出装置に関する。

被写体像を結像するための撮像レンズにおける焦点検出を行う方法として、位相差検出方式が知られている。位相差検出方式は撮像レンズの異なる射出瞳領域を通過した光束に基づいて得られた信号の相対的なずれ量（位相差）を算出し、撮像レンズの焦点検出を行うものである。

近年では撮像素子の画素ごとに構成されるマイクロレンズに対応して複数の光電変換部を設けることによって、瞳分割機能を付与する撮像素子が知られている。特許文献１では複数の光電変換部における信号を加算した加算信号から、個別の光電変換部における信号を減算する構成において、一定の閾値を持って信号にリミッタをかけることで、焦点検出の精度を向上させる技術が示されている。

特開２０１４−１８２３６０

しかし、画素ごとに設けられた複数の光電変換部においては、光軸中心から離れて像高が高くなるにつれて光量がおちるシェーディング現象が発生する。特に画素に対する光電変換部の配置により、それぞれの光電変換部においてもシェーディング現象の影響度合いが異なる。このそれぞれの光電変換部おいて発生異なるシェーディング現象は位相差から焦点検出を行う際において誤差の要因となる。

しかし、高輝度の被写体を撮像した際に、光電変換部から出力される信号にリミッタをかけた後にシェーディング補正を行った場合、検出誤差が発生してしまう場合がある。

本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は高輝度被写体を撮像時においても、焦点検出精度を向上させる焦点検出装置を提供することである。

上記目的を達成するために本発明の撮像装置は、１つのマイクロレンズ内に複数の光電変換部を有し、前記複数の光電変換部から出力される信号を加算した第１の信号と、前記複数の光電変換部の内の一つから出力される第２の信号とを出力する撮像素子と、前記第１の信号と前記第２の信号それぞれに対してシェーディングを補正するシェーディング補正部と、前記第１の信号と前記第２の信号がそれぞれ所定の閾値以上にならないように処理するリミッタ部と、を備え、前記リミッタ部は、前記シェーディング補正部でシェーディング補正を行った後に前記第１の信号を処理する前記第１のリミッタと、前記第１のリミッタ部が処理した前記第１の信号から前記シェーディング補正部でシェーディング補正を行った第２の信号を減算してえられる第３の信号を処理する前記第２のリミッタ部とを含む事を特徴とした。

高輝度被写体を撮像時においても、焦点検出精度を向上させる焦点検出装置を提供することができる。

本発明の第一の実施形態における撮像装置１００の構成を示すブロック図である。 撮像素子１０２に構成される画素の構成を示すブロック図である。 入射光出力特性を示す図である。 レンズの枠と像高によるケラレ形状を示す図である。 ケラレ形状と分割画素の関係を示す図である。 画素位置とケラレ状態の関係を示す図である。 飽和リミッタ処理とシェーディング補正をした後の分割画素信号特性を示す図である。 本発明の構成によるＡ像、Ｂ像特性を示す図である。

（第１の実施形態）
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。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、各図の説明において重複する場合はその説明は省略する。

図１を用いて本発明の撮像装置１００について説明する。図１は本発明の撮像装置１００の構成である。一例としてはデジタルカメラであるが、撮像素子を有し撮像する機能を有する、携帯電話、監視カメラ、移動体カメラ等であってもよい。

１０１は撮像レンズであり撮像対象である被写体像を所定の結像面に結像する機能を有する。また、撮像レンズ１０１は透過する光量を調整するための絞り機構、焦点距離を変更するためのズーム機構等を備える。さらに、手振れ補正機構やシャッター機構を設けるようにしてもよい。

１０２は撮像素子であり撮像レンズ１０１の結像面に配置される。本実施形態において撮像素子１０２はＣＭＯＳ型のエリアイメージセンサであり水平方向に４０００画素以上の有効画素を備えている。１０３はシステム制御部であり、撮像装置１００全体を制御するための全体制御演算部である。システム制御部１０３は、各種演算と撮像装置１００全体を制御するＣＰＵを含む。当該ＣＰＵは、撮像装置１００全体を制御するために各構成要素を統括的に制御及び各種設定パラメータ等の設定を行う。また、ＣＰＵは、データを電気的に書き込み・消去可能なキャッシュメモリ等を含み、これに記録されたプログラムを実行する。なお、メモリは、システム制御部が実行するプログラム格納領域、プログラム実行中のワーク領域、データの格納領域等として使用される。システム制御部１０３は、撮像素子１０２から出力される信号の解析や画像処理を行い、映像データを生成する機能も有する。生成された映像データは不図示のメモリカードやＬＣＤ等の表示部等に出力される。１０４はＡＤ変換部であり撮像素子１０２から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換する。なお、ＡＤ変換部１０４は撮像素子１０２の内部に設ける構成としてもよい。撮像素子１０２の詳細に関しては図２を用いて説明する。

図２は撮像素子１０２における所定の画素を示す図である。図２（ａ）は撮像素子１０２を構成する１画素の断面図である。撮像素子１０２は当該画素である画素２００が水平方向及び垂直広報に行列形状で配置されている。画素２００はマイクロレンズ２０１、カラーフィルター２０２、配線層２０３、光電変換部２０４および２０５から構成されている。

マイクロレンズ２０１は撮像レンズ１０１によって結像された光束を集光し、光電変換部２０４および２０５へと導く。カラーフィルター２０２はマイクロレンズ２０１に入射した光束のうち、特定の波長を通過させる。本実施形態の撮像素子１０２には赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の波長を通過させる分光感度特性を持つカラーフィルタが、いわゆるベイヤー配列に配列されている。撮像素子１０２における各画素は、カラーフィルタの分光感度特性が異なる以外は同様の構成を備えている。本実施形態の画素２００においては、二つの光電変換部２０４および２０５を水平方向に備えている。それぞれの光電変換部はマイクロレンズ２０１より入射した光束を光電変換してアナログ信号を生成する。撮像レンズ１０１の射出瞳と画素２００におけるマイクロレンズ２０１は共役の位置に設定されているため、光電変換部２０４及び２０５は撮像光学系の射出瞳の異なる領域を通過した光束（瞳分割像）をそれぞれ受光可能となる。つまり、一つのマイクロレンズ２０１に対して二つの光電変換部２０４及び２０５を備えることにより、水平方向に瞳分離した信号を得ることができる。また、光電変換部２０４及び２０５の出力とを加算すると、通常の画素出力と等価な出力である撮像信号が得られる。以下、光電変換部２０４により得られる信号群で形成される像信号をＡ像、光電変換部２０５により得られる信号群で形成される像信号をＢ像、Ａ像とＢ像の加算像信号をＡ＋Ｂ像と呼ぶ。なお、本実施形態の撮像素子１０２はＡ像に対応する信号とＡ＋Ｂ像に対応する信号を画素ごとに出力する。

図２（ｂ）は撮像素子１０２の中央付近に配置された画素２００における光電変換部２０４及び２０５に対応する瞳強度分布を説明するための図である。図２（ｂ）上部のグラフは横軸に画素に対する入射角、縦軸に受光感度をとっており、Ａ像、Ｂ像のそれぞれについて入射角と受光感度の関係を示すグラフとなっている。この入射角と受光感度から決定される受光感度の分布を瞳強度分布といい、Ａ像とＢ像は光電変換部２０４及び２０５の境界線に対して対称となる感度を有している。図２（ｂ）のグラフの下の図は感度分布を画素に対して濃淡で表現した図である。色が濃いほど感度が高くなっている。２０６はＡ像の感度の重心であり、２０７はＢ像の感度の重心を示している。本実施形態において、この２つの重心の間の距離に基づいて基線長が、重心を結ぶ線の方向に応じて位相のずれ方向（瞳分離方向）が決定される。

ここで、図１の説明にもどる。１０５は像分離部であり撮像素子１０２から出力される信号を後段のいずれの回路に出力するかを切り替える。具体的には、Ａ像は後述するＡ像のシェーディング補正部１０６に、Ａ＋Ｂ像を後述するＡ＋Ｂ像のシェーディング補正部１０７に出力する。

１０６はＡ像のシェーディング補正部であり、１０７はＡ＋Ｂ像のシェーディング補正部である。それぞれのシェーディング補正部はシステム制御部１０３より適切なパラメータを取得し、像分離部１０５より入力される信号に対してシェーディング補正を行う。本実施形態におけるシェーディング補正とは図２（ｂ）で示した画素２００における受光感度の入射角特性に基づき、それを補うためのゲイン乗算処理である。一般的には撮像素子１０２の周辺領域に配置された画素２００に対しては高いゲインを乗算する処理を行う。

なお、Ａ像のシェーディング補正部１０６と、Ａ＋Ｂ像のシェーディング補正部１０７のそれぞれに対して設定されるパラメータは異なる。より詳細にはＡ像のシェーディング補正部１０６では、システム制御部から与えられるＡ像のシェーディング補正係数ｐａｒａｍ１０１で補正を行う。ｐａｒａｍ１０１は、図２（ｂ）で示したＡ像の感度の重心２０６に基づくＡ像のシェーディング補正係数である。Ａ像の感度の重心２０６の位置は画素２００の重心位置から水平方向にオフセットしている。これに起因してＡ像に発生するシェーディングの発生形状も水平方向へオフセットする。したがって、Ａ像のシェーディング補正係数ｐａｒａｍ１０１も水平へオフセットした形状となる。

一方で、Ａ＋Ｂ像のシェーディング補正部１０７では、システム制御部１０３から与えられるＡ＋Ｂ像のシェーディング補正係数ｐａｒａｍ１０２で補正を行う。ｐａｒａｍ１０２は、図２（ｂ）で示したＡ像の感度の重心２０６とＢ像の感度重心２０７の中心位置に基づく。言い換えれば、Ａ＋Ｂ像の感度の重心位置は画素２００の重心位置と略一致する。これに起因してＡ＋Ｂ像に発生するシェーディングの発生形状は撮像素子１０１の中心（光軸中心）を頂点する同心円状に近似した形状となる。なお、システム制御部１０３から与えられるＡ＋Ｂ像のシェーディング補正係数ｐａｒａｍ１０２は、Ａ像のシェーディング補正係数と、不図示のＢ像のシェーディング補正係数を足し合わせて生成するようにしてもよい。このように、システム制御部１０３から与えるパラメータをＡ像かＡ＋Ｂ像の特性に基づいて決定することによって適切にシェーディング補正を行うことができる。

ここでシェーディングの発生原理に関して図４、図５及び図６を参照して詳細に説明する。

図４において４０１は前レンズ、４０２は絞り、４０３は後レンズである。４０１の前レンズの枠を前枠、４０３の後レンズによってできる枠を後枠と呼ぶ。４０４は撮像素子１０２が配置されている撮像面である。撮像面４０４のｘの位置から見た前レンズ４０１、絞り４０２、後レンズ４０３の枠の重なりと、撮像面ｙの位置から見た重なり方を図４（ｂ）に示している。

ｘの位置からみると光量を制限しているものは主に絞り４０２であるが、ｙの位置から見ると前レンズ４０１の枠と後レンズ４０３の枠によっても光量が制限されている。このようにとは光軸中心から離れて像高が高くなるにつれ光量が落ちてくる現象をケラレといい、瞳分離された像においては像高が高くなるとバランスがよりくずれるという性質がある。

図５は図４におけるｙの位置（特に水平方向の位置）において光が届く範囲と、光電変換部２０４及び２０５を重ね合わせた図である。光電変換部２０４と２０５では光が届く範囲が大きく異なることがわかる。この光の強弱を表す分布が、前述した瞳強度分布である。光電変換部２０５に対して光電変換部２０４のほうが多くの光が届いている。

図６は撮像素子１０２の各位置の画素とケラレ形状の関係を示す図である。矩形の枠は撮像素子１０２を表しており、右上に示すような撮像素子の対角像高の位置では第一の光電変換部２０４と第二の光電変換部２０５の受光量のバランスが大きく崩れる。

このようにシェーディングとは光軸中心から離れて像高が高くなるにつれ光量が落ちてくる現象であり、瞳分割された像においては像高が高くなるとＡ像とＢ像のバランスがより崩れるという性質がある。

なお、シェーディングは前述したように、瞳強度分布に基づいて補正値を決定ことが好ましいが、波長成分によっても変化する。そのため、シェーディング形状はＲ，Ｇ，Ｂごとに異ならせることが好ましい。それぞれの色に応じて補正パラメータを個別に持たせることでより正確にシェーディング補正を行うことができる。シェーディング補正を正確人行えるということは被写体像を正確に再現することを意味し、焦点検出精度を向上することができる。

再度、図１の説明に戻る。Ａ像のシェーディング補正部１０６でシェーディング補正処理を施したＡ像は、Ａ像のリミッタ部１０８で飽和クリップ処理に入力される。Ａ像の飽和レベルｐａｒａｍ１０３はシステム制御部１０３から与えられる。ｐａｒａｍ１０３はＡ＋Ｂ像の飽和レベルの約半分の値で設定されることが好ましい。この飽和クリップ処理を行うことで、Ａ＋Ｂ像の出力レベルを所定の閾値以上にならないようにすることでき、その結果として後述するＢ像を求めるときの、Ａ像とＢ像のバランスの崩れを防ぐことができる。

１０９は減算部であり、シェーディング補正されたＡ＋Ｂ像から、Ａ像のリミッタ部１０８飽和にてクリップ処理をされたＡ像を減算することで、Ｂ像を得る。ここで、Ａ＋Ｂ像及びＡ像はシェーディング補正をされていることから、減算部１０９より得たＢ像もシェーディング補正がされている信号を得ることができる。

１１０はＢ像の飽和リミッタ部であり、Ｂ像の飽和クリップ処理を行う。Ｂ像の飽和レベルｐａｒａｍ１０４もシステム制御部１０３から与えられる。ｐａｒａｍ１０４はＡ＋Ｂ像の飽和レベルの約半分の値で設定されることが好ましい。ｐａｒａｍ１０３とｐａｒａｍ１０４は必ずしも同じ値でなくてもよい。また、補正の多少となる画素の位置等に基づいて可変するようにしてもよい。この飽和クリップ処理を行うことで、Ａ像の出力レベルを所定の閾値以上にならないようにすることできる。

その後、相関演算を行うためにＡ像輝度信号生成部１１１でＡ像の輝度信号を、Ｂ像輝度信号生成部１１２でＢ像の輝度信号をそれぞれ生成する。輝度信号を求めるためには、Ｒ，Ｇ，Ｂの信号が必要である。前述したように、Ｒ，Ｇ，Ｂではそれぞれシェーディングの形状が異なるため、色毎に個別のシェーディング補正係数で補正を行い、その信号を用いて輝度信号を生成してもよい。そして、相関演算部１１３では、Ａ像信号とＢ像信号から相関演算を行う。なお、相関量を算出するための方法としてはＳＡＤ（ＳｕｍＯｆＡｂｓｏｌｕｔｅＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）等の公知の技術を用いればよい。このように各信号のシェーディング補正を行った後に飽和クリップ処理を行うことで、Ａ像とＢ像で近しい特性の信号レベルを得ることができるので、焦点検出精度を向上させることができる。

次に図３の特性グラフを用いて飽和レベルのリミッタ処理（以下飽和クリップ処理）について説明する。図３（ａ）は感度条件がＩＳＯ１００相当の特性を示している。撮像素子の感度をＩＳＯ１００で設計する事が多いため便宜上ＩＳＯ１００と表記したので、撮像素子の最低感度と同義の意味としてＩＳＯ１００と表記している。

図３（ａ）の横軸は入射光量、縦軸は出力レベルである。Ａ像、Ｂ像共に入射光に応じて出力が増加するが、飽和レベルに達してからは入射光量を増加させても出力レベルが上昇する事はない。Ａ＋Ｂ像はＡ像とＢ像の信号レベルの加算値なので、Ａ像、Ｂ像が共に飽和すると入射光量を増加させても出力レベルは上昇しなくなる。

それに対して図３（ｂ）は倍の感度条件であるＩＳＯ２００相当の特性を示している。撮像素子の光電変換特性の感度を変化させる事はできないため、高感度で使用する場合、ＡＤ変換前のアナログアンプのゲイン等を上げる事によって実現している。そのため、ＩＳＯ２００における飽和レベルはＡＤ変換のレンジによって決まる事になる。したがって信号レベルが飽和しても光電変換部で変換された電荷は画素内に蓄積され続ける。図３（ｂ）のＡ像信号は像がＡＤ変換レンジの飽和レベルに達しても出力レベルが上昇しつづけ、Ａ＋Ｂ像の飽和レベルと同じ値にまで達する。Ｂ像もＡ像と同じ特性である。しかし、Ａ＋Ｂ像から減算して作成するＢ像はＡ＋Ｂ像の飽和レベルの半分をＡ像信号が超えたあたりから減少しはじめ、Ａ像信号がＡ＋Ｂ像と一致するとゼロになってしまう。

図３（Ｃ）では、そのため、Ａ＋Ｂ像の飽和レベルの半分を閾値として、Ａ像信号に飽和クリップ処理を施している。このような処理をすることで、Ａ像信号がＡ＋Ｂ像の飽和レベルまで上昇することがなくなり、結果としてＢ像も同様の特性となり、Ａ像とＢ像が近しい特性となることがわかる。

次に、先行技術の課題について図７を用いて説明する。図７は、中央部が暗く、周辺が高輝度の（飽和レベルに達している）被写体に対して、Ａ像とＢ像を求めたものである。横軸が水平画素位置であり、縦軸が信号レベルを表している。図７（ａ）では、Ａ像に先行技術である飽和クリップ処理を施し、Ａ＋Ｂ像からＡを減算してＢ像を求めた時のＡ像とＢ像の信号レベルを表している。図７（ｂ）では、飽和クリップ処理をして求めたＡ像とＢ像に対してシェーディング補正を施した結果を示している。飽和被写体撮像時には、飽和クリップ処理によってＡ，Ｂ像を一定のレベルにしてしまうが、シェーディング補正処理ではＡ，Ｂ像にシェーディングによる光量差がある前提で補正を行うため、結果としてＡ，Ｂ像に形状差が発生する。Ａ，Ｂ像に形状差が発生するため、相関演算の精度が低下してしまうこととなる。

そして、本実施形態におけるシェーディング補正処理及び飽和クリップ処理に関して図８を用いて説明する。図８は角処理における信号の出力を表したグラフであり、横軸は水平画素位置となる。また、各グラフにおいて横軸と平行な実線は飽和クリップレベルを示しており、上の実線はＡ＋Ｂ像の飽和レベルであり、下の実線はＡ＋Ｂ像の飽和レベルの半分の値を示している。各グラフは水平方向の信号値の集合であることから、Ａ像、Ｂ像、Ａ＋Ｂ像をそれぞれを示している。像分離部１０５では、デジタル信号となったＡ像信号と、Ａ＋Ｂ像を切り替えて出力する機能を持つ。この時のＡ像及びＡ＋Ｂ像を示したグラフが図８（ａ）である。そして、Ａ像のシェーディング補正部１０６及びＡ＋Ｂ像のシェーディング補正部１０７でシェーディング補正をした後のＡ像、Ａ＋Ｂ像を示したグラフが図８（ｂ）である。シェーディング補正用のゲインが乗算されたために、図８（ａ）と比較して出力値が増幅されている。

そして、飽和クリップ処理をした後のＡ像信号を示したグラフが図８（ｃ）である。そして、減算部１０９ではシェーディング補正されたＡ＋Ｂ像から、シェーディング補正された後に飽和クリップ処理をされたＡ像を減算することで、Ｂ像信号を得る。その後、Ｂ像のリミッタ部１１０でＢ像の飽和クリップ処理を行う。このように、Ａ像の飽和クリップ処理を行う前に、Ａ像のシェーディング補正を行うことで、図７で述べたようなＡ像とＢ像の形状差が発生することなく、Ａ像とＢ像で近しい特性の信号レベルを得ることができる。この時のＡ像信号、Ｂ像信号を示したグラフが図８（ｄ）である。図７に比べて、Ａ像とＢ像が近しい特性となることがわかる。

１００ 撮像装置
１０１ 撮像光学系
１０２ 撮像素子
１０３ システム制御部
１０４ ＡＤ変換部
１０５ Ａ像Ａ＋Ｂ像分離部
１０６ Ａ像のシェーディング補正部
１０７ Ａ＋Ｂ像のシェーディング補正部
１０８ Ａ像のリミッタ部
１０９ 減算部
１１０ Ｂ像のリミッタ部
１１１ Ａ像輝度信号生成部
１１２ Ｂ像輝度信号生成部
１１３ 相関演算部

Claims (6)

1. １つのマイクロレンズごとに複数の光電変換部を有し、前記複数の光電変換部から出力される信号を加算した第１の信号と、前記複数の光電変換部の内の一つから出力される第２の信号とを出力する撮像素子と、
   前記第１の信号と前記第２の信号それぞれに対してシェーディングを補正するシェーディング補正部と、
   前記第１の信号と前記第２の信号がそれぞれ所定の閾値以上にならないように処理するリミッタ部と、
   を備え、
   前記リミッタ部は、前記シェーディング補正部でシェーディング補正を行った後に前記第１の信号を処理する前記第１のリミッタと、
   前記第１のリミッタ部が処理した前記第１の信号から前記シェーディング補正部でシェーディング補正を行った第２の信号を減算してえられる第３の信号を処理する前記第２のリミッタ部とを含む事を特徴とする焦点検出装置。
2. 前記シェーディング補正部は、前記第１の信号に対する第１のシェーディング補正係数と、前記第２の信号に対する第２のシェーディング補正係数とを含み、
   前記第１のシェーディング補正係数と、前記第１のシェーディング補正係数と、は異なることを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
3. 前記第１のシェーディング補正係数は、同心円状の補正を行うことを特徴とする請求項２に記載の焦点検出装置。
4. 前記第２のシェーディング補正係数は、瞳強度分布に基づく補正を行うことを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
5. 前記撮像素子はマイクロレンズに対応した複数の異なる色のカラーフィルタを含み、前記シェーディング補正部は、カラーフィルタに対応する色毎に異なるシェーディング補正係数を持つことを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
6. 前記シェーディング補正部は、色毎に異なるシェーディング補正係数で補正を行い、その後に輝度信号を生成することを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。

Images