JP2019091093A - Focus adjustment device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、焦点調節装置および電子カメラに関する。 The present invention relates to a focusing device and an electronic camera.
撮像画素と瞳分割型の焦点検出画素を混載する撮像素子を備えた撮像装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。このような撮像装置においては、撮像面において、瞳分割型の焦点検出画素を直線状に配列し、焦点検出画素配列の出力に基づき焦点検出画素配列上に形成された像の焦点調節状態を検出している。また、撮像素子として相補型金属酸化物半導体(CMOS)イメージセンサーが知られている。CMOSイメージセンサーの基本的な動作方式においては、ローリングシャッタ(ライン露光順次読み出し方式)により画像データが時系列に読み出される。 There is known an image pickup apparatus including an image pickup element in which an image pickup pixel and a pupil division type focus detection pixel are mixedly mounted (for example, see Patent Document 1). In such an imaging device, in the imaging plane, the pupil division type focus detection pixels are linearly arranged, and the focus adjustment state of the image formed on the focus detection pixel array is detected based on the output of the focus detection pixel array. doing. In addition, a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) image sensor is known as an imaging device. In a basic operation method of a CMOS image sensor, image data is read out in time series by a rolling shutter (line exposure sequential readout method).
しかしながら特許文献1に記載の撮像装置にCMOSセンサを適用した場合、CMOSイメージセンサーは、ローリングシャッタにより水平ライン毎に露光時間がずれる。そのため、ローリングシャッタ動作中に焦点検出画素の露光条件が変化するような場合には、焦点検出画素配列における各焦点検出画素が互いに異なる露光条件での信号を出力することになり、正確な焦点検出を行うことができなくなる可能性がある。
However, when the CMOS sensor is applied to the imaging device described in
焦点調節装置は、第1方向に配置され焦点検出信号を出力する複数の第1焦点検出画素と、前記第1方向とは異なる第2方向に配置され焦点検出信号を出力する複数の第2焦点検出画素とを有し、前記第1焦点検出画素及び前記第2焦点検出画素の読み出しが前記第1方向の行毎に順次第2方向に行われるローリングシャッタ動作を行う撮像素子と、前記第1焦点検出画素の前記焦点検出信号により撮影光学系の焦点状態を検出し、前記第2焦点検出画素の前記焦点検出信号により前記撮影光学系の焦点状態を検出する焦点検出部と、前記撮影光学系に配置された絞りの駆動と前記焦点検出部で検出された焦点状態によって前記撮影光学系の駆動とを制御する制御部と、を有し、前記制御部は、前記絞りを駆動しているとき、前記第1焦点検出画素の前記焦点検出信号により検出された前記焦点状態によって前記撮影光学系の駆動を制御する。
電子カメラは、上記の焦点調節装置と、撮像画素の信号を記録する記録部と、を有する。
The focusing device includes a plurality of first focus detection pixels arranged in a first direction and outputting a focus detection signal, and a plurality of second focus pixels arranged in a second direction different from the first direction and outputting a focus detection signal. An imaging element that has a detection pixel, and performs a rolling shutter operation in which reading of the first focus detection pixel and the second focus detection pixel is sequentially performed in the second direction for each row in the first direction; A focus detection unit that detects a focus state of a photographing optical system by the focus detection signal of a focus detection pixel and detects a focus state of the photographing optical system by the focus detection signal of the second focus detection pixel; A control unit for controlling the drive of the photographing optical system according to the drive of the diaphragm disposed in the lens and the focus state detected by the focus detection unit, and the control unit is driving the diaphragm , Said first focus inspection Controlling the driving of the photographing optical system by said focus state detected by the focus detection signal of the pixel.
The electronic camera has the above-described focusing device and a recording unit that records the signal of the imaging pixel.
本発明によれば、ローリングシャッタ動作中に絞り開口径が変化して露光条件が変化するような場合においても焦点検出の誤動作を防止することが可能になる。 According to the present invention, it is possible to prevent a malfunction in focus detection even in the case where the aperture condition changes during the rolling shutter operation and the exposure condition changes.
一実施の形態の撮像装置として、レンズ交換式のデジタルスチルカメラを例に挙げて説明する。図1は一実施の形態のデジタルスチルカメラの構成を示す横断面図である。本実施の形態のデジタルスチルカメラ201は、交換レンズ202とカメラボディ203とから構成され、交換レンズ202がマウント部204を介してカメラボディ203に装着される。カメラボディ203にはマウント部204を介して種々の撮影光学系を有する交換レンズ202が装着可能である。
A lens-interchangeable digital still camera will be described as an example of an imaging apparatus according to one embodiment. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a digital still camera according to an embodiment. The
交換レンズ202は、レンズ209、ズーミング用レンズ208、フォーカシング用レンズ210、絞り211、レンズ駆動制御装置206などを備えている。レンズ駆動制御装置206は、不図示のマイクロコンピューター、メモリ、駆動制御回路などから構成される。レンズ駆動制御装置206は、フォーカシング用レンズ210の焦点調節と絞り211の開口径調節のための駆動制御や、ズーミング用レンズ208、フォーカシング用レンズ210および絞り211の状態検出などを行う。また、後述するボディ駆動制御装置214との通信によりレンズ情報の送信とカメラ情報(デフォーカス量や絞り値など)の受信を行う。絞り211は、光量およびボケ量調整のために光軸中心に開口径が可変な開口を形成する。
The
カメラボディ203は、撮像素子212、ボディ駆動制御装置214、液晶表示素子駆動回路215、液晶表示素子216、接眼レンズ217、メモリカード219などを備えている。撮像素子212には、撮像画素が二次元状に配置されるとともに、焦点検出位置(焦点検出エリア)に対応した部分に焦点検出画素が組み込まれている。この撮像素子212については詳細を後述する。
The
ボディ駆動制御装置214は、マイクロコンピューター、メモリ、駆動制御回路などから構成される。ボディ駆動制御装置214は、撮像素子212の駆動制御と、画像信号および焦点検出信号の読み出しと、焦点検出信号に基づく焦点検出演算と、交換レンズ202の焦点調節とを繰り返し行うとともに、画像信号の処理と記録、デジタルスチルカメラ201の動作制御などを行う。また、ボディ駆動制御装置214は電気接点213を介してレンズ駆動制御装置206と通信を行い、レンズ情報の受信とカメラ情報の送信を行う。
The body
液晶表示素子216は電気的なビューファインダー(EVF:Electronic View Finder)として機能する。液晶表示素子駆動回路215は撮像素子212によるスルー画像を液晶表示素子216に表示し、撮影者は接眼レンズ217を介してスルー画像を観察することができる。メモリカード219は、撮像素子212により撮像された画像を記憶する画像ストレージである。
The liquid
交換レンズ202を通過した光束により、撮像素子212の受光面上に被写体像が形成される。この被写体像は撮像素子212により光電変換され、画像信号と焦点検出信号がボディ駆動制御装置214へ送られる。
An object image is formed on the light receiving surface of the
ボディ駆動制御装置214は、撮像素子212の焦点検出画素からの焦点検出信号に基づいて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装置206へ送る。また、ボディ駆動制御装置214は、撮像素子212からの画像信号を処理して画像データを生成し、メモリカード219に格納するとともに、撮像素子212からのスルー画像信号を液晶表示素子駆動回路215へ送り、スルー画像を液晶表示素子216に表示させる。さらに、ボディ駆動制御装置214は、レンズ駆動制御装置206へ絞り制御情報を送って絞り211の開口制御を行う。
The body
レンズ駆動制御装置206は、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値などに応じてレンズ情報を更新する。具体的には、ズーミング用レンズ208とフォーカシング用レンズ210の位置と絞り211の絞り値を検出し、これらのレンズ位置と絞り値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レンズ位置と絞り値に応じたレンズ情報を選択する。
The lens
レンズ駆動制御装置206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、レンズ駆動量に応じてフォーカシング用レンズ210を合焦位置へ駆動する。また、レンズ駆動制御装置206は受信した絞り値に応じて絞り211を駆動する。
The lens
図2は、交換レンズ202の撮影画面上における焦点検出位置(焦点検出エリア)を示す図であり、後述する撮像素子212上の焦点検出画素列が焦点検出の際に撮影画面上で像をサンプリングする領域(焦点検出エリア、焦点検出位置)の一例を示す。この例では、矩形の撮影画面100上の中央(光軸上)および上下左右の5箇所に焦点検出エリア101〜105が配置される。長方形で示す焦点検出エリアの長手方向に、焦点検出画素が直線的に配列される。焦点検出エリア101、102、103においては焦点検出画素が水平方向に配列され、焦点検出エリア104、105においては焦点検出画素が垂直方向に配列される。
FIG. 2 is a view showing a focus detection position (focus detection area) on the shooting screen of the
図3、図4は撮像素子212の詳細な構成を示す正面図である。図3は、図2における焦点検出エリア101、102、103の近傍を拡大した画素配列の詳細を示し、図4は、図2における焦点検出エリア104、105の近傍を拡大した画素配列の詳細を示す。撮像素子212には撮像画素310が二次元正方格子状に稠密に配列される。撮像画素310は赤画素(R)、緑画素(G)、青画素(B)からなり、ベイヤー配列の配置規則によって配置されている。図4においては、垂直方向の焦点検出用に撮像画素310と同一の画素サイズを有する垂直方向焦点検出用の焦点検出画素313、314が交互に、本来緑画素と青画素とが連続的に配置されるべき垂直方向の直線上に連続して配列される。同じく、図3においては、水平方向の焦点検出用に撮像画素と同一の画素サイズを有する水平方向焦点検出用の焦点検出画素315、316が交互に、本来緑画素と青画素とが連続的に配置されるべき水平方向の直線上に連続して配列される。
3 and 4 are front views showing the detailed configuration of the
図5は、撮像画素310および焦点検出画素313、314、315、316のマイクロレンズ10の形状を示す図である。撮像画素310および焦点検出画素313、314、315、316のマイクロレンズ10の形状は、元々、画素サイズより大きな円形のマイクロレンズ9から画素サイズに対応した正方形の形状で切り出した形状をしている。マイクロレンズ10の光軸を通る対角線の方向の断面と、マイクロレンズ10の光軸を通る水平線の方向の断面とは、それぞれ図5に(a)、(b)で示す形状になっている。
FIG. 5 is a view showing the shapes of the
撮像画素310は、図6に示すように矩形のマイクロレンズ10、後述の遮光マスクで受光領域を正方形に制限された光電変換部11、および色フィルタ(不図示)から構成される。色フィルタは赤(R)、緑(G)、青(B)の3種類からなり、それぞれの分光感度は図8に示す特性を有している。撮像素子212には、各色フィルタを備えた撮像画素310がベイヤー配列されている。
The
焦点検出画素313、314、315、316には全ての色に対して焦点検出を行うために全ての可視光を透過する白色フィルタが設けられており、その白色フィルタの分光感度特性は図9に示す特性となる。つまり、図8に示す緑画素、赤画素および青画素の分光感度特性を加算したような分光感度特性となり、そのような分光感度特性に対応する光波長領域は、緑画素、赤画素および青画素が高い分光感度を示す光波長領域を包括している。
The
図7は焦点検出画素313、314、315、316の正面図である。焦点検出画素313は、図7(a)に示すように矩形のマイクロレンズ10と後述の遮光マスクで受光領域を正方形の上半分(正方形を水平線で2等分した場合の上半分)に制限された光電変換部13、および白色フィルタ(不図示)とから構成される。
FIG. 7 is a front view of the
また、焦点検出画素314は、図7(b)に示すように矩形のマイクロレンズ10と後述の遮光マスクで受光領域を正方形の下半分(正方形を水平線で2等分した場合の下半分)に制限された光電変換部14、および白色フィルタ(不図示)とから構成される。
Further, as shown in FIG. 7B, the
焦点検出画素313と焦点検出画素314とをマイクロレンズ10を基準に重ね合わせて表示すると、遮光マスクで受光領域を制限された光電変換部13と14が垂直方向に並んでいる。
When the
また図7(a)、(b)において、正方形を半分にした受光領域の部分に正方形を半分にした残りの部分(破線部分)を加えると、撮像画素310の受光領域と同じサイズの正方形となる。
Further, in FIGS. 7A and 7B, if the remaining portion (broken line portion) obtained by halving the square is added to the portion of the light receiving region obtained by halving the square, a square having the same size as the light receiving region of the
焦点検出画素315は、図7(c)に示すように、矩形のマイクロレンズ10と後述の遮光マスクで受光領域を正方形の左半分(正方形を垂直線で2等分した場合の左半分)に制限された光電変換部15、および白色フィルタ(不図示)とから構成される。
As shown in FIG. 7C, the
また、焦点検出画素316は、図7(d)に示すように、矩形のマイクロレンズ10と後述の遮光マスクで受光領域を正方形の右半分(正方形を垂直線で2等分した場合の右半分)に制限された光電変換部16、および白色フィルタ(不図示)とから構成される。
Further, as shown in FIG. 7D, the
焦点検出画素315の正面図と焦点検出画素316の正面図とをマイクロレンズ10を基準に重ね合わせて表示すると、遮光マスクで受光領域を制限された光電変換部15と16が水平方向に並んでいる。
When the front view of the
また図7(c)、(d)において、正方形を半分にした受光領域の部分に正方形を半分にした残りの部分(破線部分)を加えると、撮像画素310の受光領域と同じサイズの正方形となる。
Further, in FIGS. 7C and 7D, if the remaining portion (broken line portion) obtained by halving the square is added to the portion of the light receiving region obtained by halving the square, a square having the same size as the light receiving region of the
図10は、垂直方向の直線で撮像画素配列の断面をとった場合の撮像画素310の断面図である。撮像画素310では撮像用の光電変換部11の上に近接して遮光マスク30が形成され、光電変換部11は、遮光マスク30の開口部30aを通過した光を受光する。遮光マスク30の上には平坦化層31が形成され、その上に色フィルタ38が形成される。色フィルタ38の上には平坦化層32が形成され、その上にマイクロレンズ10が形成される。マイクロレンズ10により開口部30aの形状が前方に投影される。光電変換部11は半導体回路基板29上に形成される。
FIG. 10 is a cross-sectional view of the
図11は、垂直方向の直線で焦点検出画素313、314からなる焦点検出画素配列の断面をとった場合の焦点検出画素313、314の断面図である。焦点検出画素313、314では焦点検出用の光電変換部13、14の上に近接して遮光マスク30が形成され、光電変換部13、14は遮光マスク30の開口部30b、30cを通過した光を受光する。遮光マスク30の上には平坦化層31が形成され、その上に白色フィルタ34が形成される。白色フィルタ34の上には平坦化層32が形成され、その上にマイクロレンズ10が形成される。マイクロレンズ10により開口部30b、30cの形状が前方に投影される。光電変換部13、14は半導体回路基板29上に形成される。
FIG. 11 is a cross-sectional view of the
焦点検出画素315、316の構造も焦点検出画素313、314の構造を90度回転しただけであって、基本的に図11に示す焦点検出画素の構造と同様である。
The structure of the
図12は、図3、図4、図10に示す撮像画素310が受光する撮影光束の様子を説明するための図であって、垂直方向の直線で撮像画素配列の断面をとっている。
FIG. 12 is a view for explaining the state of the imaging light flux received by the
撮像素子212上に配列された全ての撮像画素310の光電変換部11は、光電変換部11に近接して配置された前記遮光マスク30の開口部30aを通過した光束を受光する。遮光マスク30の開口部30aの形状は、各撮像画素310のマイクロレンズ10によりマイクロレンズ10から測距瞳距離dだけ離間した射出瞳90上の全撮像画素共通な領域95に投影される。
The
従って各撮像画素310の光電変換部11は、領域95と各撮像画素310のマイクロレンズ10を通過する撮影光束71を受光し、領域95を通過して各撮像画素310のマイクロレンズ10へ向う撮影光束71によって各マイクロレンズ10上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。
Therefore, the
図13は、図4、図11に示す焦点検出画素313、314が受光する焦点検出光束の様子を図12と比較して説明するための図であって、垂直方向の直線で焦点検出画素配列の断面をとっている。
FIG. 13 is a view for explaining the state of the focus detection light beams received by the
撮像素子212上に配列された全ての焦点検出画素の光電変換部13、14は、光電変換部13、14に近接して配置された前記遮光マスク30の開口部30b、30cを通過した光束を受光する。遮光マスク30の開口部30bの形状は、各焦点検出画素313のマイクロレンズ10によりマイクロレンズ10から測距瞳距離dだけ離間した射出瞳90上の焦点検出画素313に全てに共通した領域93に投影される。同じく、遮光マスク30の開口部30cの形状は、各焦点検出画素314のマイクロレンズ10により、マイクロレンズ10から測距瞳距離dだけ離間した射出瞳90上の焦点検出画素314に全てに共通した領域94に投影される。一対の領域93、94を測距瞳と呼ぶ。
The
従って各焦点検出画素313の光電変換部13は、測距瞳93と各撮像画素310のマイクロレンズ10を通過する焦点検出光束73を受光し、測距瞳93を通過して各撮像画素310のマイクロレンズ10へ向う焦点検出光束73によって各マイクロレンズ10上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。また、各焦点検出画素314の光電変換部14は、測距瞳94と各撮像画素310のマイクロレンズ10を通過する焦点検出光束74を受光し、測距瞳94を通過して各撮像画素310のマイクロレンズ10へ向う焦点検出光束74によって各マイクロレンズ10上に形成される像の強度に対応した信号を出力する。
Accordingly, the
一対の焦点検出画素313、314が受光する焦点検出光束73,74が通過する射出瞳90上の測距瞳93と94を統合した領域は、撮像画素310が受光する撮影光束71が通過する射出瞳90上の領域95と一致する。射出瞳90上において焦点検出光束73、74は撮影光束71に対して相補的な関係になっている。
A combined area of the ranging
上述した一対の焦点検出画素313、314を交互にかつ直線状に多数配置する。各焦点検出画素313、314の光電変換部13、14の出力を測距瞳93および測距瞳94に対応した一対の出力グループにまとめることによって、測距瞳93と測距瞳94をそれぞれ通過する一対の光束が焦点検出画素配列上(垂直方向)に形成する一対の像の強度分布に関する情報が得られる。この情報に対して、後述する像ズレ検出演算処理(相関演算処理、位相差検出処理)を施すことによって、いわゆる瞳分割型位相差検出方式で一対の像の像ズレ量が検出される。さらに、像ズレ量に一対の測距瞳の重心間隔と測距瞳距離の比例関係に応じた変換演算を行うことによって、焦点検出位置(垂直方向)における予定結像面と結像面の偏差(デフォーカス量)が算出される。
A large number of the above-described pair of
焦点検出画素315、316が受光する焦点検出光束も焦点検出画素313、314の受光する一対の焦点検出光束73、74を90度回転しただけであって、基本的に図13に示す焦点検出光束73、74と同様であり、測距瞳93、94を90度回転した一対の測距瞳が設定される。一対の焦点検出画素315、316を交互にかつ直線状に多数配置する。各焦点検出画素315、316の光電変換部15、16の出力を一対の測距瞳に対応した一対の出力グループにまとめることによって、一対の測距瞳をそれぞれ通過する一対の光束が焦点検出画素配列上(水平方向)に形成する一対の像の強度分布に関する情報が得られる。この情報に基づき、焦点検出位置(水平方向)における予定結像面と結像面の偏差(デフォーカス量)が算出される。
The focus detection light fluxes received by the
撮像素子212はCMOSイメージセンサーとして構成される。図14は撮像素子212の回路構成概念図を示す。
The
撮像素子212の回路構成を、水平方向8画素×垂直方向4画素のレイアウトに簡略化して説明する。図14は、図2の水平方向の焦点検出エリア101、102、103に対応して描かれており、水平方向に焦点検出画素315、316が同一の行に配置されている。垂直方向の焦点検出エリア104、105には、焦点検出画素313、314が、垂直方向に配置され、かつ互いに異なる行に配置される。
The circuit configuration of the
2行目には、焦点検出画素315、316が配置されている。図14では、“○”で示す中央の4つの焦点検出画素315、316が、複数の焦点検出画素を代表して示されており、左右の2つずつの撮像画素310(“□”で示す)が、焦点検出画素の左右に配置された複数の撮像画素を代表して示されている。
In the second row, focus
1行目、3行目、4行目には、撮像画素310のみが配置されている。図14では、1行目、3行目、4行目の撮像画素310が、焦点検出画素が配置された行の上下の複数の撮像画素のみからなる行を代表して示されている。
Only the
図14において、ラインメモリ320は、1行分の画素の画素信号をサンプルホールドして一時的に保持するバッファであり、垂直信号線501に出力されている同一行の画素信号を垂直走査回路が発する制御信号ΦH1に基づいてサンプルホールドする。なお、ラインメモリ320に保持される画素信号は、制御信号ΦS1〜ΦS4の立ち上がりに同期してリセットされる。
In FIG. 14, a
撮像画素310および焦点検出画素315、316からの画素信号の出力は、垂直走査回路が発生する制御信号(ΦS1〜ΦS4)により行ごとに独立に制御される。制御信号(ΦS1〜ΦS4)により選択された行の画素の画素信号は、垂直信号線501に出力される。
Outputs of pixel signals from the
ラインメモリ320に保持された画素信号は、水平走査回路が発生する制御信号(ΦV1〜ΦV8)により、順次、出力回路330に転送され、出力回路330において、設定された増幅度で増幅されて外部に出力される。
The pixel signals held in the
撮像画素310および焦点検出画素315、316は、画素信号がサンプルホールドされた後、垂直走査回路が発生する制御信号(ΦR1〜ΦR4)によりリセットされ、制御信号ΦR1〜ΦR4の立ち下がりで次回の画素信号出力のための電荷蓄積を開始する。
The
制御信号φSyncは垂直同期信号であって、フレーム毎に外部に出力される。また、制御信号ΦS1〜ΦS4、制御信号ΦR1〜ΦR4も外部に出力される。 Control signal φSync is a vertical synchronization signal, and is externally output for each frame. Control signals 信号 S1 to ΦS4 and control signals RR1 to RR4 are also output to the outside.
図15は、図14に示す撮像素子212の撮像画素310および焦点検出画素315、316の詳細回路図である。光電変換部はフォトダイオード(PD)で構成される。PDで蓄積された電荷は浮遊拡散層(フローティングディフュージョン:FD)に蓄積される。FDは増幅MOSトランジスタ(AMP)のゲートに接続されており、AMPはFDに蓄積された電荷の量に応じた信号を発生する。
FIG. 15 is a detailed circuit diagram of the
FD部は、リセットMOSトランジスタ510を介し、電源電圧Vddに接続されている。制御信号ΦRn(ΦR1〜ΦR3)によりリセットMOSトランジスタ510がONとなると、FDおよびPDに溜まった電荷がクリアされ、リセット状態となる。
The FD portion is connected to the power supply voltage Vdd via the
AMPの出力は、行選択MOSトランジスタ512を介して垂直出力線501に接続されている。制御信号ΦSn(ΦS1〜ΦS3)により行選択MOSトランジスタ512がONとなると、AMPの出力が垂直出力線501に出力される。
The output of AMP is connected to the
図16は、図14に示す撮像素子212の動作タイミングチャートである。CMOSイメージセンサーにおいては、いわゆるローリングシャッタ動作により、画素の駆動読み出し、すなわちリセット、露光および画素信号の読み出しが以下のように各行毎に順次行われる。撮像素子212からの全画素の信号の出力(1フレーム分の画像信号の出力)に同期して、垂直同期信号φSyncが発せられる。
FIG. 16 is an operation timing chart of the
1行目の撮像画素310は、垂直同期信号φSyncに同期して垂直走査回路が発する制御信号ΦS1により選択され、選択された撮像画素310の画素信号は垂直信号線501に出力される。制御信号ΦS1と同期して発せられる制御信号ΦH1により垂直信号線501に出力された1行目の画素信号は、ラインメモリ320に一時的に保持される。ラインメモリ320に保持された1行目の撮像画素310の画素信号は、水平走査回路から順次発せられる制御信号ΦV1〜ΦV8にしたがって出力回路330に転送され、出力回路330において、設定された増幅度で増幅されて外部に出力される。
The
1行目の撮像画素310の画素信号のラインメモリ320への転送が終了した時点で、リセット回路より発せられる制御信号ΦR1により1行目の撮像画素310がリセットされ、制御信号ΦR1の立ち下がりで1行目の撮像画素310の次の電荷蓄積が開始される。
When transfer of the pixel signal of the
1行目の撮像画素310の画素信号の、出力回路330からの出力が終了した時点で、2行目の撮像画素310および焦点検出画素315、316は、垂直走査回路が発する制御信号ΦS2により選択され、選択された撮像画素310の画素信号は垂直信号線501に出力される。
When the output from the
以下、同様にして2行目の撮像画素310および焦点検出画素315、316の画素信号の保持および撮像画素310のリセット、画素信号の出力および次の電荷蓄積の開始が行われる。続いて3行目、4行目の撮像画素310の画素信号の保持および撮像画素310のリセット、撮像画素310の画素信号の出力および次の電荷蓄積の開始が行われる。全ての画素の画素信号の出力が終了すると、再び1行目に戻って上記動作が周期的に繰り返される。
Thereafter, similarly, the pixel signals of the
n行目の撮像画素310および焦点検出画素315、316のリセット動作は、制御信号φRnの立ち上がりから立ち下がりまでの時間に行われ、n行目の撮像画素310および焦点検出画素315、316の露光動作は、制御信号φRnの立ち下がりから、制御信号φSnの立ち上がりまでの時間(露光時間、蓄積時間)に行われ、n行目の撮像画素310および焦点検出画素315、316の信号読み出し動作は、制御信号φSnの立ち上がりから制御信号φSn+1の立ち上がりまでの時間に行われる。
The reset operation of the
図17は、デジタルスチルカメラ201の撮像動作を示すフローチャートである。ボディ駆動制御装置214は、ステップS100でデジタルスチルカメラ201の電源がオンされると、ステップS110以降の撮像動作を開始する。ステップS110において、撮像素子212は、一定周期で撮像動作を繰り返す動作モード(例えば1秒間に60フレームを出力する)に設定される。そして1フレーム分の全画素データを読み出す。続くステップS120では、撮像画素310のデータから一部を間引きしたデータを液晶表示素子216に表示(ライブビュー表示)させる。ステップS130では焦点検出画素313、314、315、316のデータに基づき5つの焦点検出エリア101〜105において焦点検出を行い、最終的に1つのデフォーカス量を算出する。デフォーカス量の信頼性が低い場合、またはデフォーカス量の算出が不能であった場合は、焦点検出不能となる。ステップS130におけるデフォーカス量の算出処理の詳細については後述する。
FIG. 17 is a flowchart showing the imaging operation of the digital
ステップS140で、合焦近傍か否か、すなわち算出されたデフォーカス量の絶対値が所定値以内であるか否かを調べる。合焦近傍でないと判定された場合は、ステップS150へ進み、デフォーカス量をレンズ駆動制御装置206へ送信し、交換レンズ202のフォーカシング用レンズ210を合焦位置に駆動させる。その後、ステップS110へ戻って上述した動作を繰り返す。
In step S140, it is checked whether it is in the vicinity of the in-focus state, that is, whether or not the calculated absolute value of the defocus amount is within the predetermined value. If it is determined not to be in the vicinity of the in-focus position, the process proceeds to step S150, the defocus amount is transmitted to the lens
なお、焦点検出不能な場合もこのステップに分岐し、レンズ駆動制御装置206へスキャン駆動命令を送信し、交換レンズ202のフォーカシング用レンズ210を無限から至近までの間でスキャン駆動させる。その後、ステップS110へ戻って上述した動作を繰り返す。
If the focus can not be detected, the process branches to this step, and a scan drive command is sent to the
ステップS140で合焦近傍であると判定された場合はステップS160へ進み、シャッターボタン(不図示)の操作によりシャッターレリーズがなされたか否かを判別する。シャッターレリーズがなされていないと判定された場合はステップS110へ戻り、上述した動作を繰り返す。一方、シャッターレリーズがなされたと判定された場合はステップS170へ進み、レンズ駆動制御装置206へ絞り調整命令を送信し、交換レンズ202の絞り値を制御F値(撮影者または自動により設定されたF値)にする。絞り制御が終了した時点で、撮像素子212に被写体輝度に応じた露光時間による撮像動作を行わせ、撮像素子212の撮像画素310および全ての焦点検出画素313、314、315、316から画像データを読み出す。
If it is determined in step S140 that the camera is in the vicinity of the in-focus state, the process proceeds to step S160, and it is determined whether the shutter release is performed by the operation of the shutter button (not shown). If it is determined that the shutter release has not been performed, the process returns to step S110, and the above-described operation is repeated. On the other hand, if it is determined that the shutter release has been performed, the process proceeds to step S170, an aperture adjustment command is transmitted to the lens
ステップS180において、焦点検出画素列の各画素位置における仮想的な撮像画素のデータを焦点検出画素313、314、315、316の周囲の撮像画素310のデータと焦点検出画素313、314、315、316のデータに基づいて画素補間する。続くステップS190では、撮像画素310のデータおよび補間された仮想的な撮像画素のデータからなる画像データをメモリカード219に記憶し、ステップS110へ戻って上述した動作を繰り返す。
In step S180, data of virtual imaging pixels at each pixel position of the focus detection pixel column, data of imaging
またボディ駆動制御装置214は、測光センサー(不図示)の出力に応じてリアルタイムに被写体輝度を検出する。その検出結果に応じて、画素信号が適切なレベルになるように、ライブビュー表示の動作期間中(ステップS110〜ステップS160までのループ動作)も並行して、レンズ駆動制御装置206へ絞り調整命令を送信し、絞り開口径の調整を行う。従って1フレーム分の露光期間中においても絞り開口径が変化する場合がある。
The body
次に、図17のステップS130で用いられる一般的な像ズレ検出演算処理(相関演算処理、位相差検出処理)の詳細について説明する。簡単のため1つの焦点検出エリアの焦点検出画素配列に対する処理を記載するが、他の焦点検出エリアにおける処理も同様である。 Next, details of general image shift detection calculation processing (correlation calculation processing, phase difference detection processing) used in step S130 of FIG. 17 will be described. Although the processing for the focus detection pixel array of one focus detection area is described for simplicity, the processing in the other focus detection areas is the same.
焦点検出画素313、314、または焦点検出画素315、316が検出する一対の像は、測距瞳がレンズの絞り開口により口径蝕を受けて光量バランスが崩れている可能性があるので、光量バランスに対して像ズレ検出精度を維持できるタイプの相関演算を施す。
As for the pair of images detected by the
焦点検出画素列から読み出された一対のデータ列(A11〜A1M、A21〜A2M:Mはデータ数)に対し、特開2007−333720号公報に開示された相関演算式(1)を用い、相関量C(k)を演算する。
C(k)=Σ|A1n×A2n+1+k−A2n+k×A1n+1| (1)
For a pair of data strings (A11 to A1M and A21 to A2M: M is the number of data) read out from the focus detection pixel row, using the correlation operation equation (1) disclosed in JP 2007-333720 A, The correlation amount C (k) is calculated.
C (k) =. SIGMA. | A1n.times.A2n + 1 + k-A2n + k.times.A1n + 1 | (1)
式(1)において、Σ演算はnについて累積されるが、nのとる範囲は、像ずらし量kに応じてA1n、A1n+1、A2n+k、A2n+1+kのデータが存在する範囲に限定される。像ずらし量kは整数であり、データ列のデータ間隔を単位とした相対的ずらし量である。 In equation (1), the Σ operation is accumulated for n, but the range taken by n is limited to the range in which data of A1n, A1n + 1, A2n + k, A2n + 1 + k exist depending on the image shift amount k. The image shift amount k is an integer and is a relative shift amount in units of data intervals of the data string.
式(1)の演算結果は、図18(a)に示すように、一対のデータの相関が高いシフト量(図18(a)ではk=kj=2)において相関量C(k)が極小(小さいほど相関度が高い)になる。 As shown in FIG. 18A, the calculation result of equation (1) shows that the correlation amount C (k) is minimal at the shift amount where the correlation between the pair of data is high (k = kj = 2 in FIG. 18A). (The smaller the degree, the higher the degree of correlation).
式(2)〜(5)による3点内挿の手法を用いて連続的な相関量に対する極小値C(ks)を与えるずらし量ksを求める。
ks=kj+D/SLOP (2)
C(ks)= C(kj)−|D| (3)
D={C(kj−1)-C(kj+1)}/2 (4)
SLOP=MAX{C(kj+1)−C(kj),C(kj−1)−C(kj)}
(5)
Using the three-point interpolation method according to equations (2) to (5), the shift amount ks which gives the minimum value C (ks) for the continuous correlation amount is determined.
ks = kj + D / SLOP (2)
C (ks) = C (kj)-| D | (3)
D = {C (kj-1) -C (kj + 1)} / 2 (4)
SLOP = MAX {C (kj + 1) -C (kj), C (kj-1) -C (kj)}
(5)
式(2)で算出されたずらし量ksの信頼性があるかどうかは、以下のようにして判定される。図18(b)に示すように、一対のデータの相関度が低い場合は、内挿された相関量の極小値C(ks)の値が大きくなる。したがって、C(ks)が所定の閾値以上の場合は算出されたずらし量の信頼性が低いと判定し、算出されたずらし量ksをキャンセルする。 Whether the shift amount ks calculated by equation (2) is reliable or not is determined as follows. As shown in FIG. 18B, when the degree of correlation between the pair of data is low, the value of the minimum value C (ks) of the interpolated correlation amount becomes large. Therefore, when C (ks) is equal to or greater than the predetermined threshold value, it is determined that the reliability of the calculated shift amount is low, and the calculated shift amount ks is cancelled.
あるいは、C(ks)をデータのコントラストで規格化するために、コントラストに比例した値となるSLOPでC(ks)を除した値が所定値以上の場合は、算出されたずらし量の信頼性が低いと判定し、算出されたずらし量ksをキャンセルする。 Alternatively, to normalize C (ks) with the data contrast, the reliability of the calculated shift amount if the value obtained by dividing C (ks) by SLOP, which is a value proportional to the contrast, is equal to or greater than a predetermined value. Is determined to be low, and the calculated shift amount ks is cancelled.
あるいはまた、コントラストに比例した値となるSLOPが所定値以下の場合は、被写体が低コントラストであり、算出されたずらし量の信頼性が低いと判定し、算出されたずらし量ksをキャンセルする。 Alternatively, if the SLOP, which is a value proportional to the contrast, is equal to or less than a predetermined value, it is determined that the subject has low contrast and the reliability of the calculated shift amount is low, and the calculated shift amount ks is cancelled.
図18(c)に示すように、一対のデータの相関度が低く、ずらし量の範囲kmin〜kmaxの間で相関量C(k)の落ち込みがない場合は、極小値C(ks)を求めることができず、このような場合は焦点検出不能と判定する。 As shown in FIG. 18C, when the correlation degree of a pair of data is low and there is no drop in the correlation amount C (k) between the shift amount range kmin to kmax, the minimum value C (ks) is obtained In such a case, it is determined that focus detection is impossible.
算出されたずらし量ksの信頼性があると判定された場合は、式(6)により像ズレ量shftに換算される。式(6)において、PYは焦点検出画素313、314、または焦点検出画素315、316の画素ピッチの2倍(検出ピッチ)である。
shft=PY×ks (6)
If it is determined that the calculated shift amount ks is reliable, it is converted to the image shift amount shft by equation (6). In equation (6), PY is twice the pixel pitch of the
shft = PY × ks (6)
式(6)で算出された像ズレ量に所定の変換係数Kdを乗じてデフォーカス量defへ変換する。なお、変換係数Kdは、焦点検出画素313、314、または焦点検出画素315、316が受光する一対の光束の開き角に対応しており、測距瞳距離dを一対の測距瞳の重心間隔で除算した値である。なお、変換係数Kdは、測距瞳の重心間隔が絞り開口径に応じて変化するため、絞り開口径に応じて変化する。
def=Kd×shft (7)
The image shift amount calculated by equation (6) is multiplied by a predetermined conversion coefficient Kd to convert it into the defocus amount def. The conversion coefficient Kd corresponds to the opening angle of a pair of luminous fluxes received by the
def = Kd x shft (7)
図19は像ズレ量(光学系の光軸に垂直な方向における一対の像の相対的な偏位量)をデフォーカス量(光学系の光軸方向における基準面となる撮像面に対する実際の像面の偏位量)に変換する場合の説明図である。 FIG. 19 shows an actual image with respect to an imaging surface which is an amount of image shift (relative displacement of a pair of images in a direction perpendicular to the optical axis of the optical system) and an amount of defocus (reference surface in the optical axis of the optical system) It is explanatory drawing in the case of converting into the deviation amount of a surface.
符号110は撮像面、符号140は像面、符号125は絞り面、符号91は光軸を表す。符号defはデフォーカス量(撮像面110から像面140までの距離)、距離POは撮像面110から絞り面125までの距離を表す。位置G1および位置G2は絞りF値がFcの場合の一対の焦点検出光束73、74のそれぞれの中心光束が絞り面と交差する位置、位置G3および位置G4は絞りF値がFd(<Fc)の場合の一対の焦点検出光束73、74のそれぞれの中心光束が絞り面と交差する位置を表す。距離Q1は位置G1と位置G2との間の距離、距離Q2は位置G3と位置G4との間の距離、符号S1は絞りF値がFcの場合の一対の像の像ズレ量、符号S2は絞りF値がFdの場合の一対の像の像ズレ量を表す。角度θ1は絞りF値がFcの場合の一対の焦点検出光束73、74の中心光束の開き角、角度θ2は絞りF値がFdの場合の一対の焦点検出光束73、74の中心光束の開き角であるとする。なお、距離POは交換レンズ202の種類に応じて変化するが、その平均的な距離は図13の測距瞳距離dに略等しく設定される。デフォーカス量defが距離POに比較して小さい場合(すなわち、PO−def≒POと近似できる場合)には、絞りF値がFcの場合のデフォーカス量defは式(8)で算出される。
def=S1/(2・tan(θ1/2))=S1・PO/Q1 (8)
def = S1 / (2 · tan (θ1 / 2)) = S1 · PO / Q1 (8)
従って、絞りF値がFcの場合の変換係数Kd1は式(9)で表される。
Kd1=1/(2・tan(θ1/2))=PO/Q1 (9)
Accordingly, the conversion coefficient Kd1 when the aperture F value is Fc is expressed by equation (9).
Kd1 = 1 / (2 · tan (θ1 / 2)) = PO / Q1 (9)
同様に絞りF値がFd(>Fc)の場合のデフォーカス量defおよび変換係数Kd2は式(10)、(11)で算出される。
def=S2/(2・tan(θ2/2))=S2・PO/Q2 (10)
Kd2=1/(2・tan(θ2/2))=PO/Q2 (11)
Similarly, the defocus amount def and the conversion coefficient Kd2 when the aperture F value is Fd (> Fc) are calculated by the equations (10) and (11).
def = S2 / (2 · tan (θ2 / 2)) = S2 · PO / Q2 (10)
Kd2 = 1 / (2 · tan (θ2 / 2)) = PO / Q2 (11)
交換レンズ202側には絞りF値に応じた変換係数Kdがレンズ情報として記憶されており、ある絞りF値で算出された像ズレ量shftをデフォーカス量defに変換する場合には、その絞りF値に対応する変換係数Kdが用いられることになる。
A conversion coefficient Kd corresponding to the f-stop number is stored as lens information on the
図20を用いて、図17のステップS130の処理の詳細を説明する。上述したように、撮像素子の1フレーム分の動作中においても絞り開口径が変化する可能性がある。CMOSイメージセンサーにおいては、ローリングシャッタ動作中に絞り開口径が変化すると、露光タイミングが行毎に異なるため、焦点検出に不具合が発生する虞がある。 Details of the process of step S130 of FIG. 17 will be described with reference to FIG. As described above, the aperture diameter may change even during operation of one frame of the imaging device. In the CMOS image sensor, if the aperture opening diameter changes during the rolling shutter operation, the exposure timing may differ from row to row, which may cause a problem in focus detection.
そのため、まずステップS200で、それ以降に用いられる焦点検出画素313、314、315、316のデータを取得した時の露光期間中に絞り開口径が変化したか否かをチェックする。図21は、横軸に時間経過をとり、上段に絞り開口径の状態、下段に撮像素子の動作を並列して示した動作タイミングチャートである。この図21において、絞り開口径は約2フレーム(フレームAおよびB)に渡って時刻t1のF1.4から時刻t2のF5.6まで変化している。
Therefore, in step S200, it is checked whether the aperture diameter has changed during the exposure period when the data of the
撮像素子212は、フレーム単位で全画素の駆動読み出し、すなわち全画素のリセット、露光、および画素信号読み出しを図21に示すように行毎に順次行う。この図21においては行数を10とし、5行目(図21に“R”で示す)に水平方向の焦点検出画素315、316から構成される焦点検出エリアが配置されており、1〜10行目に垂直方向の焦点検出画素313、314から構成される焦点検出エリアが配置されている。
The
レンズ駆動制御装置206は、ボディ駆動制御装置214の指令に応じて図21のように絞り開口径を変化させるが、絞り開口径の値をリアルタイムに検出し、絞り開口径の値をボディ駆動制御装置214にフィードバックしている。従って、ボディ駆動制御装置214は、レンズ駆動制御装置206から出力される絞り開口径の値を撮像動作中もモニターし、1フレーム期間中に絞り開口径の値が所定値以上変化した場合は露光期間中に絞り開口径の変化があったと判定する。例えば、フレームAの期間中(時刻t3〜t4)に読み出される焦点検出画素データを用いて焦点検出を行うとき、時刻t3における絞り開口径と時刻t4における絞り開口径の差が所定値以上であった場合は絞り開口径変化ありと判定する。
The lens
ステップS200において、絞り開口径の変化がないと判定された場合は、ステップS210において、5つの焦点検出エリア101〜105の全てにおけるデフォーカス量defを算出し、信頼性のあるデフォーカス量の中で最も近距離を示すデフォーカス量を最終的なデフォーカス量として採用し、図17のステップS140に処理を進める。
If it is determined in step S200 that there is no change in the aperture diameter, the defocus amount def in all the five
デフォーカス量defを算出する際の変換係数Kdは、時刻t3または時刻t4における絞り開口径に対応した変換係数Kdを用いる。 As the conversion coefficient Kd at the time of calculating the defocus amount def, the conversion coefficient Kd corresponding to the aperture diameter at the time t3 or t4 is used.
ステップS200において、絞り開口径の変化があると判定された場合は、ステップS220において、垂直方向に焦点検出画素313、314が配置された2つの焦点検出エリア104、105でのデフォーカス量defの算出を禁止し、水平方向に焦点検出画素315、316が配置された3つの焦点検出エリア101〜103のみでデフォーカス量defを算出する。垂直方向に焦点検出画素313、314が配置されている場合、絞り開口径が変化すると行毎に露光タイミングと露光量が異なるとともに、変換係数Kdも行毎に相違するので、像ズレ検出やデフォーカス量算出時の変換の誤差が大きくなってしまう。これを防止するため、絞り開口径が変化する場合には、垂直方向の焦点検出エリア104、105でのデフォーカス量defの算出を禁止している。一方、水平方向に焦点検出画素315、316が配置されている場合、同一行においては絞り開口径が変化しても露光タイミングと露光量が同一となるので、正確な焦点検出が可能である。しかし、行毎に絞り開口径が異なるので、水平方向の焦点検出画素315、316が配置された3つの焦点検出エリアが位置する各行の露光時間の中点における絞り開口径をおのおの検出して、検出した絞り開口径に応じた変換係数Kdに応じて水平方向の3つの焦点検出エリア101〜103における像ズレ量shftをデフォーカス量defにそれぞれ変換する。
When it is determined in step S200 that there is a change in the aperture diameter, in step S220, the defocus amount def in the two
例えば、図21において、撮像素子212の5行目に配置された焦点検出画素315、316の焦点検出画素データに基づく像ズレ量shftをデフォーカス量defに変換する場合について説明する。フレームAで取得された焦点検出画素データに基づく像ズレ量shftは、フレームAの5行目の露光時間の中点の時刻taに検出された絞り開口径Faに応じた変換係数Kdを用いてデフォーカス量defに変化される。また、フレームBで取得された焦点検出画素データに基づく像ズレ量shftは、フレームBの5行目の露光時間の中点の時刻tbに検出された絞り開口径Fbに応じた変換係数を用いてデフォーカス量defに変化される。このようにすれば、異なる行に水平方向に配置された焦点検出画素315、316の焦点検出画素データに基づいて、正確なデフォーカス量defを算出することが可能になる。
For example, the case of converting the image shift amount shft based on the focus detection pixel data of the
ステップS220において、上記のようにして水平方向の3つの焦点検出エリア101〜103のみにおいてデフォーカス量defを算出し、信頼性のあるデフォーカス量の中で最も近距離を示すデフォーカス量を最終的なデフォーカス量として採用し、処理を図17のステップS140に進める。
In step S220, the defocus amount def is calculated only in the three
以上説明した実施形態においては、水平方向(同一行)および垂直方向(同一列)に焦点検出画素を配置したCMOSイメージセンサーのローリングシャッタ動作中の絞り開口径の変化を検知し、絞り開口径の変化があった場合には垂直方向に配置された焦点検出画素の信号に基づく焦点検出を禁止しているので、絞り開口径の変化によって生ずる焦点検出の誤動作を防止できる。また、絞り開口径の変化があった場合には、水平方向に配置された焦点検出画素の信号に基づく像ズレ量を、該焦点検出画素の信号が取得された露光タイミングにおける絞り開口径に応じた変換係数を用いてデフォーカス量に変換しているので、絞り開口径の変化によらず正確なデフォーカス量を算出することが可能になる。 In the embodiment described above, a change in aperture diameter during rolling shutter operation of a CMOS image sensor having focus detection pixels arranged in the horizontal direction (same row) and the vertical direction (same row) is detected. If a change occurs, focus detection based on the signal of the focus detection pixel arranged in the vertical direction is prohibited, so that malfunction in focus detection caused by a change in aperture diameter can be prevented. Also, when there is a change in the aperture diameter, the image shift amount based on the signal of the focus detection pixel arranged in the horizontal direction is determined according to the aperture diameter at the exposure timing when the signal of the focus detection pixel is acquired. Since the conversion factor is used to convert into the defocus amount, it becomes possible to calculate the correct defocus amount regardless of the change in the aperture diameter of the stop.
−変形例−
<1つの焦点検出画素に一対の受光領域を備える>
図3、図4に示す撮像素子212の部分拡大図では、各画素に1つの光電変換部を有する一対の焦点検出画素313、314および一対の焦点検出画素315、316を備える例を示したが、ひとつの焦点検出画素内に一対の光電変換部を備えるようにしてもよい。図22、図23は、図3、図4に対応した撮像素子212の部分拡大図であり、焦点検出画素311および312は一対の光電変換部を備える。
-Modified example-
<Has a pair of light receiving areas in one focus detection pixel>
In the partial enlarged view of the
図24(a)に示す焦点検出画素311は、図7(a)、(b)に示す焦点検出画素313と焦点検出画素314のペアに相当した機能を果たし、図24(b)に示す焦点検出画素312は、図7(c)、(d)に示す焦点検出画素315と焦点検出画素316のペアに相当した機能を果たす。焦点検出画素311、312は、図24(a)、(b)に示すようにマイクロレンズ10と一対の光電変換部13、14および一対の光電変換部15、16から構成される。焦点検出画素311、312には白色フィルタが配置されており、その分光感度特性は、光電変換を行うフォトダイオードの分光感度と、赤外カットフィルタ(不図示)の分光感度特性とを総合した分光感度特性(図9参照)となる。つまり、図8に示す緑画素、赤画素および青画素の分光感度特性を加算したような分光感度特性となり、その焦点検出画素311、312が高い分光感度を示す光波長領域は、緑画素、赤画素および青画素が高い分光感度を示す光波長領域を包括している。
The
図25は、図24(a)に示した焦点検出画素311の断面図であって、光電変換部13、14の上に近接して遮光マスク30が形成され、光電変換部13、14は、遮光マスク30の開口部30dを通過した光を受光する。遮光マスク30の上には平坦化層31が形成され、その上に白色フィルタ34が形成される。白色フィルタ34の上には平坦化層32が形成され、その上にマイクロレンズ10が形成される。マイクロレンズ10により開口部30dに制限された光電変換部13、14の形状が前方に投影されて、一対の測距瞳を形成する。光電変換部13、14は半導体回路基板29上に形成される。
FIG. 25 is a cross-sectional view of the
焦点検出画素312の構造も焦点検出画素311の構造を90度回転しただけであって、基本的に図25に示す焦点検出画素の構造と同様である。
The structure of the
<斜め45度方向の焦点検出画素配置>
図26は、交換レンズ202の撮影画面上における焦点検出位置(焦点検出エリア)を示す図であり、撮像素子212上の焦点検出画素列が焦点検出の際に撮影画面上で像をサンプリングする領域(焦点検出エリア、焦点検出位置)の一例を示す。この例では、矩形の撮影画面100上の中央および上下左右の5箇所に焦点検出エリア101〜105、ならびに撮影画面100の対角線方向に焦点検出エリア106〜109が配置される。焦点検出エリア106〜109においては、長方形で示す焦点検出エリアの長手方向に、焦点検出画素が斜め右上がり45度方向または斜め左上がり45度方向に直線的に配列される。
<Focus detection pixel arrangement in the 45 ° diagonal direction>
FIG. 26 is a diagram showing a focus detection position (focus detection area) on the shooting screen of the
図27、図28は撮像素子212の詳細な構成を示す正面図であり、撮像素子212上の焦点検出エリア106、108および焦点検出エリア107、109の近傍を拡大して示す。撮像素子212には撮像画素310が二次元正方格子状に稠密に配列される。撮像画素310は、赤画素(R)、緑画素(G)、青画素(B)からなり、ベイヤー配列の配置規則によって配置されている。焦点検出エリア106、108に対応する位置には、撮像画素310と同一の画素サイズを有し、白色フィルタを備えた焦点検出画素323、324が、交互に本来緑画素が連続的に配置されるべき斜め右上がり45度方向の直線上に連続して配列される。これとともに、焦点検出エリア107、109に対応する位置には、撮像画素310と同一の画素サイズを有し、白色フィルタを備えた焦点検出画素325、326が、交互に本来緑画素が連続的に配置されるべき斜め左上がり45度方向の直線上に連続して配列される。焦点検出画素323、324および焦点検出画素325、326は、本来緑画素が配置される画素位置に配置される。
FIG. 27 and FIG. 28 are front views showing the detailed configuration of the
焦点検出画素323は、図29(a)に示すように、矩形のマイクロレンズ10、遮光マスク30で受光領域を正方形の半分(正方形を左上がり45度方向の対角線で2等分した場合の右上半分)に制限された光電変換部23、および白色フィルタ(不図示)から構成される。
In the
また、焦点検出画素324は、図29(b)に示すように、矩形のマイクロレンズ10、遮光マスク30で受光領域を正方形の半分(正方形を左上がり45度方向の対角線で2等分した場合の左下半分)に制限された光電変換部24、および白色フィルタ(不図示)から構成される。
Further, as shown in FIG. 29B, in the
焦点検出画素323と焦点検出画素324とをマイクロレンズ10を基準に重ね合わせて表示すると、遮光マスクで受光領域を制限された光電変換部23と24とが右上がり斜め45度方向に並んでいる。
When the
また図29(a)、(b)において、正方形を半分にした受光領域の部分に正方形を半分にした残りの部分(破線部分)を加えると、撮像画素310の受光領域と同じサイズの正方形となる。
Further, in FIGS. 29A and 29B, if the remaining portion (broken line portion) obtained by halving the square is added to the portion of the light receiving region obtained by halving the square, a square having the same size as the light receiving region of the
焦点検出画素325は、図29(c)に示すように、矩形のマイクロレンズ10、遮光マスク30で受光領域を正方形の半分(正方形を右上がり45度方向の対角線で2等分した場合の左上半分)に制限された光電変換部25、および白色フィルタ(不図示)から構成される。
In the
また、焦点検出画素326は、図29(d)に示すように矩形のマイクロレンズ10、遮光マスクで受光領域を正方形の半分(正方形を右上がり45度方向の対角線で2等分した場合の右下半分)に制限された光電変換部26、および白色フィルタ(不図示)から構成される。
Further, as shown in FIG. 29D, the
焦点検出画素325と焦点検出画素326とをマイクロレンズ10を基準に重ね合わせて表示すると、遮光マスクで受光領域を制限された光電変換部25と26とが左上がり斜め45度方向に並んでいる。
When the
また、図29(c)、(d)において、正方形を半分にした受光領域の部分に正方形を半分にした残りの部分(破線部分)を加えると、撮像画素の受光領域と同じサイズの正方形となる。 Further, in FIGS. 29C and 29D, if the remaining portion (broken line portion) obtained by halving the square is added to the portion of the light receiving region obtained by halving the square, a square having the same size as the light receiving region of the imaging pixel is obtained. Become.
図26に示すような焦点検出エリアの配置を有する撮像素子212においては、CMOSイメージセンサーのローリングシャッタ動作中に絞り開口径の変化を検知し、絞り開口径の変化があった場合には垂直方向に配置された焦点検出エリア104、105に属する焦点検出画素313、314の画素信号に基づく焦点検出を禁止する。それとともに、さらに斜め方向に配置された焦点検出エリア106〜109に属する焦点検出画素323〜326の画素信号に基づく焦点検出も禁止する。これは、斜め方向に配置された焦点検出エリア106〜109に属する焦点検出画素323〜326は互いに異なる行に配置されているために、ローリングシャッタ動作中に絞り変化が発生すると、焦点検出画素間で露光タイミング、露光量が相違して正確な焦点検出を行うことが困難になるからである。
In the
上述した実施形態においては、CMOSイメージセンサー(撮像素子212)のローリングシャッタ動作中に絞り開口径の変化を検知し、絞り開口径の変化があった場合には、互いに異なる行に配置された焦点検出画素313、314、323〜326の画素信号に基づく焦点検出を禁止した。しかし、水平方向の同一行に配置された焦点検出画素315、316の信号に基づく焦点検出に比して、互いに異なる行に配置された焦点検出画素313、314、323〜326の画素信号に基づく焦点検出の優先順位を下げるようにしてもよい。すなわち、水平方向の同一行に配置された焦点検出画素315、316の画素信号に基づく焦点検出の信頼性が著しく低い場合や、焦点検出が不能になった場合に限って、互いに異なる行に配置された焦点検出画素313、314、323〜326の画素信号に基づく焦点検出を認めるようにしてもよい。
In the embodiment described above, changes in the aperture diameter are detected during the rolling shutter operation of the CMOS image sensor (image sensor 212), and if there is a change in the aperture diameter, the focal points arranged in different rows The focus detection based on the pixel signals of the
上述した実施形態においては、焦点検出画素が垂直方向および水平方向に配置されたCMOSイメージセンサー(撮像素子212)のローリングシャッタ動作中に絞り開口径の変化を検知し、絞り開口径の変化があった場合には互いに異なる行に配置された焦点検出画素313、314、323〜326の画素信号に基づく焦点検出を禁止した。また、水平方向の同一行に配置された焦点検出画素315、316の画素信号に基づく焦点検出においては、その行の露光タイミングと同期して絞り開口径を検出し、該絞り開口径に応じた変換係数Kdで像ズレ量shftをデフォーカス量defに変換することにより、正確な焦点検出を可能にした。しかし、水平方向の同一行にのみ配置された1つの焦点検出エリアに属する焦点検出画素315、316が、CMOSイメージセンサーのローリングシャッタ動作中に絞り開口径の変化を検知し、絞り開口径の変化があった場合に、以下のような焦点検出を行っても良い。すなわち、水平方向の同一行に配置された焦点検出画素315、316の画素信号に基づく焦点検出において、その行の露光タイミングと同期して絞り開口径を検出し、該絞り開口径に応じた変換係数Kdで像ズレ量shftをデフォーカス量defに変換することにより、正確な焦点検出を達成することもできる。
In the embodiment described above, the change in aperture diameter is detected during the rolling shutter operation of the CMOS image sensor (image sensor 212) in which the focus detection pixels are arranged in the vertical direction and the horizontal direction. In this case, focus detection based on pixel signals of the
上述した実施形態においては、焦点検出画素として瞳分割型の焦点検出画素の例を示したが、焦点検出画素はこれに限定されることなく、他の焦点検出方式を用いる焦点検出画素に対しても本発明を適用することができる。たとえば他の焦点検出方式として像のコントラストを検出する方式において、焦点検出画素は撮像素子と同一であってもよく、行方向および列方向のコントラストを検出する場合には、上述した瞳分割型の焦点検出画素を用いた場合と同様の問題が生ずる。 In the embodiment described above, an example of a pupil division type focus detection pixel is shown as a focus detection pixel, but the focus detection pixel is not limited to this, and a focus detection pixel using another focus detection method is used. The present invention can also be applied. For example, in a system for detecting image contrast as another focus detection system, the focus detection pixels may be the same as the imaging device, and in the case of detecting contrast in the row direction and column direction, the pupil division type described above The same problem as in the case of using a focus detection pixel occurs.
すなわち、ローリングシャッタ動作中に絞り開口径が変化した場合には、列方向に配置された焦点検出画素(撮像画素と同一)は、異なる露光タイミングで異なる露光量となるので、正確なコントラスト評価値を算出することができなくなる。一方、行方向に配置された焦点検出画素(撮像画素と同一)は、異同一露光タイミングで同一露光量となるので、正確なコントラスト評価値を算出することができ、算出されたコントラスト値を絞り開口径(露光量)で規格化すれば、異なるフレームで得られたコントラスト評価値の比較評価も可能になる。したがって、上述した実施形態と同様に、ローリングシャッタ動作中に絞り開口径が変化した場合には、列方向に配置された焦点検出画素の画素信号に基づくコントラスト評価値の算出を禁止し、行方向に配置された焦点検出画素の画素信号に基づくコントラスト評価値を算出することにより、ローリングシャッタ動作中に絞り開口径が変化することによって生ずる焦点検出動作の不具合を防止することができる。 That is, when the aperture opening diameter changes during the rolling shutter operation, the focus detection pixels (identical to the imaging pixels) arranged in the column direction have different exposure amounts at different exposure timings, so an accurate contrast evaluation value Can not be calculated. On the other hand, since the focus detection pixels (identical to the imaging pixels) arranged in the row direction have the same exposure amount at different exposure timings, accurate contrast evaluation values can be calculated, and the calculated contrast values are narrowed. If the aperture diameter (exposure amount) is normalized, it becomes possible to compare and evaluate the contrast evaluation values obtained in different frames. Therefore, as in the above-described embodiment, when the aperture diameter changes during the rolling shutter operation, the calculation of the contrast evaluation value based on the pixel signal of the focus detection pixels arranged in the column direction is prohibited, and the row direction By calculating the contrast evaluation value based on the pixel signal of the focus detection pixel arranged in the above, it is possible to prevent the failure of the focus detection operation caused by the change of the aperture diameter during the rolling shutter operation.
上述した実施形態においては、CMOSイメージセンサー(撮像素子212)のローリングシャッタ動作中に絞り開口径の変化を検知し、絞り開口径の変化があった場合には、互いに異なる行に配置された焦点検出画素の画素信号に基づく焦点検出を禁止した。しかし、このような場合に焦点検出演算を禁止せずに行い、焦点検出結果に基づく焦点調節動作(レンズ駆動)を禁止するようにしてもよい。 In the embodiment described above, changes in the aperture diameter are detected during the rolling shutter operation of the CMOS image sensor (image sensor 212), and if there is a change in the aperture diameter, the focal points arranged in different rows The focus detection based on the pixel signal of the detection pixel was prohibited. However, in such a case, the focus detection calculation may be performed without being prohibited, and the focus adjustment operation (lens drive) based on the focus detection result may be prohibited.
上述した実施形態においては、ライブビュー表示動作におけるCMOSイメージセンサー(撮像素子212)のローリングシャッタ動作中に絞り開口径の変化を検知し、絞り開口径の変化があった場合には、互いに異なる行に配置された焦点検出画素の画素信号に基づく焦点検出を禁止した。しかし、連続撮影動作において駒間に焦点検出動作と絞り制御を同時に行うような場合には、連続撮影動作の駒間におけるCMOSイメージセンサーのローリングシャッタ動作中に絞り開口径の変化を検知し、絞り開口径の変化があった場合には、互いに異なる行に配置された焦点検出画素の画素信号に基づく焦点検出を禁止してもよい。 In the embodiment described above, changes in the aperture diameter are detected during the rolling shutter operation of the CMOS image sensor (image sensor 212) in the live view display operation, and when there is a change in the aperture diameter, different rows Focus detection based on pixel signals of focus detection pixels arranged in However, if the focus detection operation and the aperture control are simultaneously performed between frames in the continuous shooting operation, the change of the aperture diameter is detected during the rolling shutter operation of the CMOS image sensor between the frames in the continuous shooting operation. If there is a change in the aperture diameter, focus detection based on pixel signals of focus detection pixels arranged in different rows may be prohibited.
上述した実施形態においては、静止画撮影のライブビュー表示動作におけるCMOSイメージセンサー(撮像素子212)のローリングシャッタ動作中に絞り開口径の変化を検知し、絞り開口径の変化があった場合には、互いに異なる行に配置された焦点検出画素の画素信号に基づく焦点検出を禁止した。しかし、動画撮影中において焦点検出動作と絞り制御を並行して行うような場合には、動画撮影時におけるCMOSイメージセンサーのローリングシャッタ動作中に絞り開口径の変化を検知し、絞り開口径の変化があった場合には、互いに異なる行に配置された焦点検出画素の画素信号に基づく焦点検出を禁止してもよい。 In the embodiment described above, the change in the aperture diameter is detected during the rolling shutter operation of the CMOS image sensor (image sensor 212) in the live view display operation of still image shooting, and there is a change in the aperture diameter. The focus detection based on the pixel signals of the focus detection pixels arranged in different rows was prohibited. However, if the focus detection operation and the aperture control are performed in parallel during moving image shooting, the change in aperture diameter is detected during rolling shutter operation of the CMOS image sensor at the time of moving image shooting, and the change in aperture diameter If there is a problem, focus detection based on pixel signals of focus detection pixels arranged in different rows may be prohibited.
上述した実施形態においては、CMOSイメージセンサー(撮像素子212)のローリングシャッタ動作中に絞り開口径の変化を検知し、絞り開口径の変化があった場合には、互いに異なる行に配置された焦点検出画素の信号に基づく焦点検出を禁止した。しかし、撮像素子212の露光量を調整するために撮影光学系の光路中にND(ニュートラルデンシティ)フィルタを機械的に挿入退避するような場合においても、互いに異なる行に配置された焦点検出画素は、異なる露光タイミングで異なる露光量となるので、正確な焦点検出を行うことができなくなる。したがって、上述した実施形態と同様に、ローリングシャッタ動作中にNDフィルタが挿入退避されることにより露光量の変化が生じた場合には、互いに異なる行に配置された焦点検出画素の画素信号に基づく焦点検出を禁止することにより、焦点検出動作の不具合を防止することができる。
In the embodiment described above, changes in the aperture diameter are detected during the rolling shutter operation of the CMOS image sensor (image sensor 212), and if there is a change in the aperture diameter, the focal points arranged in different rows Focus detection based on the signal of the detection pixel was prohibited. However, even in the case where a neutral density (ND) filter is mechanically inserted and retracted in the optical path of the photographing optical system in order to adjust the exposure amount of the
上述した実施形態における撮像素子212では、焦点検出画素313〜316、323〜326が白色フィルタを備えた例を示したが、撮像画素310と同じ色フィルタ(例えば緑フィルタ)を備えるようにした場合にも本発明を適用することができる。
In the
上述した実施形態における撮像素子212では、撮像画素310がベイヤー配列の色フィルタを備えた例を示した。しかし、色フィルタの構成や配列はこれに限定されることはなく、補色フィルタ(緑:G、イエロー:Ye、マゼンタ:Mg,シアン:Cy)の配列やベイヤー配列以外の配列にも本発明を適用することができる。また色フィルタを備えないモノクロの撮像素子にも適用することができる。
In the
上述した実施形態においては、撮像素子212と撮影光学系との間に光学要素を何も配置していないが、適宜必要な光学要素を挿入することが可能である。例えば、赤外カットフィルタや光学的ローパスフィルタ、ハーフミラーなどを設置してもよい。
In the embodiment described above, no optical element is disposed between the
なお、撮像装置としては、上述したような、カメラボディに交換レンズが装着される構成のデジタルスチルカメラに限定されない。例えば、レンズ一体型のデジタルスチルカメラ、あるいはビデオカメラにも本発明を適用することができる。さらには、携帯電話などに内蔵される小型カメラモジュール、監視カメラやロボット用の視覚認識装置、車載カメラなどにも適用できる。 The imaging device is not limited to the digital still camera configured as described above, in which the interchangeable lens is mounted on the camera body. For example, the present invention can be applied to a lens-integrated digital still camera or a video camera. Furthermore, the present invention can be applied to a small camera module built in a mobile phone or the like, a visual recognition device for a surveillance camera or a robot, an on-vehicle camera, and the like.
9、10 マイクロレンズ、
11、13、14、15、16、23、24、25、26 光電変換部、
29 半導体回路基板、
30 遮光マスク、30a、30b、30c、30d 開口部、
31、32 平坦化層、34 白色フィルタ、38 色フィルタ、
71 撮影光束、73、74 焦点検出光束、
90 射出瞳、91 交換レンズの光軸、93、94 測距瞳、95 領域、
100 撮影画面、
101、102、103、104、105、106、107、108、109 焦点検出エリア、
201 デジタルスチルカメラ、202 交換レンズ、203 カメラボディ、
204 マウント部、206 レンズ駆動制御装置、
208 ズーミング用レンズ、209 レンズ、210 フォーカシング用レンズ、
211 絞り、212 撮像素子、213 電気接点、
214 ボディ駆動制御装置、
215 液晶表示素子駆動回路、216 液晶表示素子、217 接眼レンズ、
219 メモリカード、
310 撮像画素、
311、312、313、314、315、316、323、324、325、326 焦点検出画素、
320 ラインメモリ、330 出力回路、501 垂直出力線、
510 リセットMOSトランジスタ、512 行選択MOSトランジスタ
9, 10 micro lenses,
11, 13, 14, 15, 16, 23, 24, 25, 26 photoelectric conversion units,
29 semiconductor circuit boards,
30 light shielding mask, 30a, 30b, 30c, 30d openings,
31, 32 flattening layers, 34 white filters, 38 color filters,
71 shooting light flux, 73, 74 focus detection light flux,
90 exit pupil, optical axis of 91 interchangeable lens, 93, 94 focusing pupil, 95 area,
100 shooting screen,
101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109 focus detection areas,
201 digital still camera, 202 interchangeable lens, 203 camera body,
204 mount unit, 206 lens drive control device,
208 zoom lens, 209 lens, 210 focusing lens,
211 aperture, 212 image sensor, 213 electrical contacts,
214 body drive controller,
215 liquid crystal display drive circuit, 216 liquid crystal display, 217 eyepieces,
219 memory card,
310 imaging pixels,
311, 312, 313, 314, 315, 316, 323, 324, 325, 326 focus detection pixels,
320 line memory, 330 output circuits, 501 vertical output lines,
510 Reset MOS transistor, 512 row selection MOS transistor
本発明は、焦点調節装置に関する。 The present invention relates to a focus adjustment equipment.
発明の一態様による焦点調節装置は、絞りを有する光学系を透過した光を受光して焦点検出に用いる信号を出力する、第1方向に配置される複数の第1画素および前記第1方向と異なる第2方向に配置される複数の第2画素と、前記複数の第1画素から出力される第1信号と前記複数の第2画素から出力される第2信号とを、前記第1方向の行毎に前記第2方向に読み出すローリングシャッタ動作を行う読出部とを有する撮像素子と、前記読出部により読み出された前記第1信号および前記第2信号の少なくとも一方の信号に基づいて、前記光学系による像が前記撮像素子に合焦する合焦位置に前記光学系の位置を制御する制御部と、を有し、前記制御部は、前記撮像素子の露光中に前記絞りが駆動すると、前記第2信号に基づく前記光学系の位置の制御を禁止する。A focusing device according to an aspect of the present invention receives a light transmitted through an optical system having a stop and outputs a signal used for focus detection, and includes a plurality of first pixels arranged in a first direction and the first direction A plurality of second pixels arranged in different second directions, a first signal output from the plurality of first pixels, and a second signal output from the plurality of second pixels The image pickup device having a reading unit performing a rolling shutter operation for reading in the second direction for each row, and the at least one of the first signal and the second signal read by the reading unit, A control unit configured to control a position of the optical system at a focusing position at which an image by the optical system focuses on the imaging device, the control unit driving the diaphragm during exposure of the imaging device; The optical system based on the second signal To prohibit the control of the position.
Claims (4)
前記第1焦点検出画素の前記焦点検出信号により撮影光学系の焦点状態を検出し、前記第2焦点検出画素の前記焦点検出信号により前記撮影光学系の焦点状態を検出する焦点検出部と、
前記撮影光学系に配置された絞りの駆動と前記焦点検出部で検出された焦点状態によって前記撮影光学系の駆動とを制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、前記絞りを駆動しているとき、前記第1焦点検出画素の前記焦点検出信号により検出された前記焦点状態によって前記撮影光学系の駆動を制御する焦点調節装置。 A plurality of first focus detection pixels arranged in a first direction to output a focus detection signal, and a plurality of second focus detection pixels arranged in a second direction different from the first direction to output a focus detection signal An imaging device that performs a rolling shutter operation in which readout of the first focus detection pixel and the second focus detection pixel is sequentially performed in the second direction for each row in the first direction;
A focus detection unit that detects a focus state of a photographing optical system based on the focus detection signal of the first focus detection pixel and detects a focus state of the photographing optical system based on the focus detection signal of the second focus detection pixel;
A control unit configured to control driving of the diaphragm disposed in the photographing optical system and driving of the photographing optical system according to a focus state detected by the focus detection unit;
The control unit controls the drive of the photographing optical system according to the focus state detected by the focus detection signal of the first focus detection pixel when driving the diaphragm.
前記焦点検出部は、前記制御部が前記絞りを駆動させるとき、前記第1焦点検出画素の露光時間の絞り値に対応する値を用いて前記撮影光学系の焦点状態を検出する焦点調節装置。 A focusing device according to claim 1, wherein
The focus adjustment device detects the focus state of the photographing optical system using a value corresponding to the aperture value of the exposure time of the first focus detection pixel when the control unit drives the aperture.
前記撮像素子は、配置された撮像画素を有し、
前記撮像素子は、前記第1及び第2焦点検出画素及び前記撮像画素の読み出しを前記第1方向の行毎に順次第2方向に行う焦点調節装置。 A focusing device according to claim 1 or 2, wherein
The imaging device has imaging pixels arranged.
The image pickup element is a focusing device which performs reading of the first and second focus detection pixels and the image pickup pixels sequentially in a second direction for each row in the first direction.
前記撮像画素の信号を記録する記録部と、を有する電子カメラ。 A focusing device according to claim 3;
And a recording unit configured to record the signal of the imaging pixel.
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