JP5061858B2 - 焦点検出装置および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は焦点検出装置および撮像装置に関する。

焦点検出すべき結像レンズの一対の瞳領域の一方を通過した光束による第１像と、他方を通過した光束による第２像とを固体撮像素子を用いて受光し、第１像と第２像とのズレ量を算出して結像レンズの焦点調節状態を検出するようにした焦点検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この出願の発明に関連する先行技術文献としては次のものがある。
特開２００７−０１１３１４号公報

しかしながら、上述した従来の焦点検出装置では、ＣＭＯＳタイプの固体撮像素子を用いているので、撮影画面の横方向に配列された焦点検出用画素列では、ＣＭＯＳ撮像素子の信号読み出しラインの方向と同じ配列方向であるが、撮影画面の横方向以外の例えば縦方向に配列された焦点検出用画素列では、ＣＭＯＳ撮像素子の信号読み出しラインの方向と異なる配列方向であるため、各焦点検出用画素の電荷蓄積時刻の同時性を確保できないという問題がある。
そのため、撮影画面の横方向以外の方向に配列された焦点検出用画素列で電荷蓄積を行うときに像のぶれが発生すると、上述した第１像と第２像との間に像のぶれに起因した像ズレが生じてしまい、第１像と第２像の像ズレ量を正確に算出することができず、焦点検出精度が劣化してしまう。

請求項１の発明による焦点検出装置は、第１の方向に配列され、光学系の瞳の異なる領域を通過した第１及び第２の光束を受光する複数の焦点検出画素を含む複数の画素が二次元状に配置された撮像素子と、前記撮像素子について、前記第１の方向に交差する第２の方向に配列された複数の前記画素の出力を同時に読み出すように、前記第２の方向に直交する第３の方向に沿って順次、画素出力を読み出す読み出し手段と、前記読み出し手段によって順次読み出された前記複数の焦点検出画素の出力に基づき、前記第１及び第２の光束による像のズレ量を検出する像ズレ検出手段と、前記読み出し手段による前記複数の焦点検出画素の出力の順次読み出し中における前記光学系による、前記第１の方向における像のぶれ量を検出するぶれ検出手段と、前記像ズレ検出手段により検出された像ズレ量を、前記ぶれ検出手段により検出された像のぶれ量によって補正して前記光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、焦点検出用画素列の配列方向において各焦点検出用画素の電荷蓄積の同時性がない場合でも、像のぶれに起因する焦点検出精度の劣化を防止することができる。

一実施の形態の焦点検出装置および撮像装置として、レンズ交換式デジタルスチルカメラを例に上げて説明する。なお、本発明の焦点検出装置および撮像装置はレンズ交換式カメラに限定されず、レンズ一体式カメラにも適用することができる。図１は一実施の形態のカメラの構成を示す横断面図である。一実施の形態のデジタルスチルカメラ１は交換レンズ２とカメラボディ３から構成され、交換レンズ２がマウント部４を介してカメラボディ３に装着される。

交換レンズ２はレンズ５、ズーミング用レンズ６、フォーカシング用レンズ７、絞り８、レンズ駆動制御装置９などを備えている。レンズ駆動制御装置９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、フォーカシング用レンズ７の焦点調節と絞り８の開口径調節のための駆動制御や、ズーミング用レンズ６、フォーカシング用レンズ７および絞り８の状態検出などを行う他、後述するボディ駆動制御装置１１との通信によりレンズ情報の送信とカメラ情報の受信を行う。絞り８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。

カメラボディ３は撮像素子１０、ボディ駆動制御装置１１、液晶表示素子駆動回路１２、液晶表示素子１３、接眼レンズ１４、メモリカード１５、角速度センサー１７などを備えている。撮像素子１０はＣＭＯＳ型二次元撮像素子である。撮像素子１０には、撮像用画素が二次元状に配置されるとともに、撮影画面内の焦点検出領域に対応した部分に焦点検出用画素列が組み込まれている。

ボディ駆動制御装置１１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、撮像素子１０の電荷蓄積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２の焦点調節を繰り返し行うとともに、画像信号の処理と記録、カメラの動作制御などを行う。また、ボディ駆動制御装置１１は電気接点１６を介してレンズ駆動制御装置９と通信を行い、レンズ情報の受信とカメラ情報（デフォーカス量や絞り値など）の送信を行う。

液晶表示素子１３は液晶ビューファインダー（ＥＶＦ：電気的ビューファインダー）として機能する。液晶表示素子駆動回路１２は撮像素子１０によるスルー画像を液晶表示素子１３に表示し、撮影者は接眼レンズ１４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１５は、撮像素子１０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。角速度センサー１７は、カメラボディ３のぶれによる角速度θを検出する。

交換レンズ２を通過した光束により、撮像素子１０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１０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１１へ送られる。

ボディ駆動制御装置１１は、撮像素子１０の焦点検出用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９へ送る。また、ボディ駆動制御装置１１は、撮像素子１０からの画像信号を処理してメモリカード１５に格納するとともに、撮像素子１０からのスルー画像信号を液晶表示素子駆動回路１２へ送り、スルー画像を液晶表示素子１３に表示させる。さらに、ボディ駆動制御装置１１は、レンズ駆動制御装置９へ絞り制御情報を送って絞り８の開口制御を行う。

レンズ駆動制御装置９は、ズーミング用レンズ６とフォーカシング用レンズ７の位置と絞り８の絞り値を検出するとともに、メモリ（不図示）に記憶されている交換レンズ２の焦点距離などのレンズ情報を電気接点１６を介してボディ駆動制御装置１１へ送信する。また、レンズ駆動制御装置９は、ボディ駆動制御装置１１から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７を合焦位置へ駆動するとともに、ボディ駆動制御装置１１から受信した絞り値に応じて絞り８を駆動する。

カメラボディ３にはマウント部４を介して種々の撮影光学系を有する交換レンズ２が装着可能であり、カメラボディ３は撮像素子１０に組み込まれた焦点検出用画素の出力に基づいて交換レンズ２の焦点調節状態を検出する。

図２は、図１に示す撮像素子１０の一部分を拡大した図である。上述したように、撮像素子１０は、撮像用画素２１が二次元状に配置されるとともに、焦点検出位置に対応した部分には撮像用画素２１の代わりに焦点検出用画素２２ａ、２２ｂが図のＹ方向に沿って、また２３ａ、２３ｂが図のＸ方向に沿って組み込まれている。撮像用画素２１および焦点検出用画素２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂは、それぞれマイクロレンズと光電変換部から構成されている。焦点検出用画素２２ａと２２ｂは、交換レンズ２の射出瞳上の上下の一対の領域を通過した焦点検出用光束を受光し、一対の像すなわち第１像と第２像に関する第１信号と第２信号を出力する。また、焦点検出用画素２３ａと２３ｂは、交換レンズ２の射出瞳上の左右の一対の領域を通過した焦点検出用光束を受光し、一対の像すなわち第１像と第２像に関する第１信号と第２信号を出力する。

焦点検出用画素２２ａと２２ｂの画素列から出力される第１信号列{ａ(i)}＝ａ(1),ａ(2),ａ(3),ａ(4),・・・と第２信号列{ｂ(i)}＝ｂ(1),ｂ(2),ｂ(3),ｂ(4),・・・に基づいて、撮影画面の横方向（図２のＹ方向）における交換レンズ２の焦点調節状態を検出する。同様に、焦点検出用画素２３ａと２３ｂの画素列から出力される第１信号列{ａ(i)}＝ａ(1),ａ(2),ａ(3),ａ(4),・・・と第２信号列{ｂ(i)}＝ｂ(1),ｂ(2),ｂ(3),ｂ(4),・・・に基づいて、撮影画面の縦方向（図２のＸ方向）における交換レンズ２の焦点調節状態を検出する。

ここで、第１信号列{ａ(i)}（ｉ＝１，２，３，・・）と第２信号列{ｂ(i)}（ｉ＝１，２，３，・・）とに基づいて一対の像のズレ量を検出する方法を説明する。まず、第１信号列{ａ(i)}と第２信号列{ｂ(i)}の相関量、すなわち一対の像の相関量Ｃ(N)を次式により求める。
Ｃ(N)＝｜Σａ(i)−ｂ(j)｜，
ｊ−ｉ＝Ｎ ・・・（１）
（１）式において、Σはｉ＝ｐＬ〜ｑＬの総和演算を表し、Ｎはシフト数を表す。

（１）式により離散的に得られた相関量Ｃ(N)の中で、シフト量Ｎのときに最小値を与える相関量をＣ０とし、シフト量(Ｎ−１)のときの相関量をＣｒ、シフト量(Ｎ＋１)のときの相関量をＣｆとすると、これらのシフト量(Ｎ−１)、Ｎ、(Ｎ＋１)に対応する相関量Ｃｒ、Ｃ０、Ｃｆの並びから精密なシフト量Ｎａを次式により求める。
ＤＬ＝０．５＊(Ｃｒ−Ｃｆ) ・・・（２），
Ｅ＝MAX{Ｃｆ−Ｃ０,Ｃｒ−Ｃ０} ・・・（３），
Ｎａ＝Ｎ＋ＤＬ／Ｅ ・・・（４）

シフト量Ｎａに焦点検出位置に応じた補正量const（定数）を加え、焦点検出面上における像ズレ量Δｎ（＝Ｎａ＋const）を算出する。さらに、像ズレ量Δｎに検出開角に依存した定数Ｋｆを乗じてデフォーカス量Ｄｆに変換する。
Ｄｆ＝Ｋｆ＊Δｎ ・・・（５）

図３は撮像用画素および焦点検出用画素の詳細な回路構成を示し、図４は図１および図２に示す撮像素子１０の回路構成を示す。図３に示すように、撮像用画素２１および焦点検出用画素２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂは、それぞれ増幅トランジスター２７、フォトダイオード２８およびコンデンサー２９から構成される。また、図４に示すように、ＣＭＯＳ型撮像素子１０では、垂直アドレス回路２４により行単位に画素が指定され、電荷蓄積と画素出力の読み出しが行単位で最上段の行から最下段の行まで図のＹ方向に順番に行われ（ライン読みだし）、行単位の画素出力は雑音除去回路２５を介して水平アドレス回路２６から出力される。ここで、行単位の画素信号の読み出しに際しては、行ごとに時間ΔＴずつ遅れが存在する。

この一実施の形態の撮像素子１０はＣＭＯＳタイプの固体撮像素子を用いているので、撮影画面の横方向（Ｘ方向）に配列された焦点検出用画素列（図２に示す焦点検出用画素列２３ａ、２３ｂ）は、撮像素子１０の撮像信号の読み出しライン方向（Ｘ方向）と同じ配列方向であるから、各焦点検出用画素２３ａ、２３ｂの電荷蓄積時刻の同時性を確保できる。しかし、撮影画面の横方向以外の例えば縦方向（Ｙ方向）に配列された焦点検出画素列（図２に示す焦点検出用画素列２２ａ、２３ａ）は、撮像素子１０の撮像信号の読み出しライン方向と異なる配列方向であるため、各焦点検出用画素２２ａ、２２ｂの電荷蓄積時刻の同時性を確保できない。

そのため、上述したように、撮影画面の横方向以外の方向に配列された焦点検出用画素列、つまり電荷蓄積時刻の同時性がない配列方向の焦点検出用画素列で電荷蓄積を行うときに像のぶれが発生すると、上述した第１像と第２像の間、すなわち第１信号列{ａ(i)}と第２信号列{ｂ(i)}の間に像のぶれに起因したズレが生じてしまい、第１像と第２像の像ズレ量を正確に算出することができず、焦点検出精度が劣化してしまう。

図５は、電荷蓄積時刻の同時性がない焦点検出用画素配列における、手ぶれに起因した焦点検出精度の劣化を説明するための図である。図５において、焦点検出画素ａ(1)、ｂ(1)、ａ(2)、ｂ(2)、ａ(3)、ｂ(3)、・・の配列方向が、電荷蓄積時刻の同時性がない方向である場合には、行ごとに電荷蓄積開始時刻がΔＴずつ遅れているため、焦点検出用画素の電荷蓄積期間中に手ぶれまたは被写体の動きに起因した像のぶれが発生すると、第１像の信号列ａ(1),ａ(2),ａ(3),・・と第２像の信号列ｂ(1),ｂ(2),ｂ(3),・・の電荷蓄積開始時刻の遅れΔＴの間にずれた「ぶれ量ΔＢ］だけ像ズレの誤差が発生する。

この一実施の形態では、次のようにして上述したぶれ量ΔＢの像ズレ誤差を補正する。まず、ボディ駆動制御装置１１は、撮像素子１０の同時に電荷蓄積および読み出し制御が行われる配列方向と異なる方向、例えば図２に示す縦方向に配列される焦点検出用画素２２ａ、２２ｂの配列の中央部（配列の中でズレ量検出に最も寄与する部分）の読み出し時刻に同期して、角速度センサー１７から焦点検出用画素２２ａ、２２ｂの配列方向における角速度θを読み取る。そして、角速度θ、上述した電荷蓄積開始時刻の遅れΔＴ、レンズ駆動制御装置９から入手した焦点距離ｆによりぶれ量ΔＢを次式により求める。
ΔＢ＝ｆ・θ・ΔＴ ・・・（６）

一方、上述したしたように、図２において縦方向に配列される焦点検出用画素２２ａ、２２ｂの配列では、同画素列から出力される第１信号列{ａ(i)}と第２信号列{ｂ(i)}に基づいて像ズレ量Δｎが求められており、ボディ駆動制御装置１１は、像ズレ量Δｎをぶれ量ΔＢで補正して真の像ズレ量Δｎ’を求める。
Δｎ’＝Δｎ＋ΔＢ ・・・（７）
さらに、上記（５）式の代わりに次式を用い、像のぶれを補正した像ズレ量Δｎ’に検出開角に依存した定数Ｋｆを乗じてデフォーカス量Ｄｆ’を算出する。
Ｄｆ’＝Ｋｆ・Δｎ’ ・・・（８）

《一実施の形態の変形例》
上述した一実施の形態では、一つのマイクロレンズ下に一つの光電変換部を備えた焦点検出用画素を例にあげて説明したが、一つのマイクロレンズ下に一対の光電変換部を備え、撮影レンズの射出瞳の互いに異なる一対の領域を通過した焦点検出用光束を一対の光電変換部で受光する焦点検出用画素において、一対の瞳領域に対応する一対の光電変換部の出力ａ(i)とｂ(i)との間に電荷蓄積と画素出力の読み出しの遅れがある場合には、上述した像のぶれ量ΔＢに起因する像ズレ誤差を補正する方法により焦点検出精度を向上させることができる。

また、図６に示すように、一つのマイクロレンズ下に多数個の光電変換部を有する焦点検出用画素を用い、多数個の光電変換部に対して順次蓄積制御を行って多数個の瞳分割データを得る場合でも、対として組み合わせる画素出力ａ(i)とｂ(i)において電荷蓄積と画素出力の読み出しに遅れがある場合には、上述した像のぶれ量ΔＢに起因する像ズレ誤差を補正する方法により焦点検出精度を向上させることができる。

上述した一実施の形態ではマイクロレンズアレイを用いた撮像素子を例にあげて説明したが、瞳分割再結像方式の焦点検出装置においても、撮影レンズの射出瞳上の一対の領域に対応する光電変換部出力ａ(i)とｂ(i)において電荷蓄積と画素出力の読み出しに遅れがある場合には、上述した像のぶれ量ΔＢに起因する像ズレ誤差を補正する方法により焦点検出精度を向上させることができる。

図２において、焦点検出領域の周辺には被写体画像を撮像する領域（周辺撮像域）が広がっており、この領域の複数時刻における像の位置の変化から、焦点検出の像ズレ方向に関するぶれ量を推定することができる。具体的には、蓄積中心時刻ｔ１に第１回の撮像を行い、蓄積時間ΔＴの中心時刻ｔ２に焦点検出画像を取り込み、蓄積中心時刻ｔ３に第２回の撮像を行い、第２回の撮像画像が第１回の撮像画像から、焦点検出の像ズレ方向に関して、ΔＢＩだけ像ズレしたことが検出されたとする。このΔＢＩを用いて次式により像ズレ量Δｎを補正するぶれ量ΔＢ’を求める。
ΔＢ’＝ΔＢＩ・ΔＴ／（ｔ３−ｔ１） ・・・（９）
このぶれ量ΔＢ’を上記（７）式のぶれ量ΔＢの代わりに用いて真の像ズレ量Δｎ’を求める。

なお、ぶれ量ΔＢＩによる像ズレ検出には、焦点検出の像ズレ検出と同じ方法を適用することができる。この場合に検出されるぶれ量ΔＢＩの像ズレは、手ぶれと被写体の動きによるぶれの両方を含む像ブレになっている。

この例では、焦点検出時刻ｔ２を挟む時刻ｔ１とｔ３における画像を利用した（ｔ２は時刻ｔ１またはｔ３と同一時刻であってもよい）が、さらに別の時刻も加えて予測精度を上げるようにしてもよい。

一実施の形態のカメラの構成を示す横断面図 一実施の形態の撮像素子の一部分を拡大した図 撮像用画素および焦点検出用画素の詳細な回路構成を示す図 一実施の形態の撮像素子の回路構成を示す図 電荷蓄積時刻の同時性のない焦点検出用画素配列における、手ぶれに起因した焦点検出精度の劣化を説明するための図 変形例の撮像素子の構成を示す図

符号の説明

２；交換レンズ、９；レンズ駆動制御装置、１０；撮像素子、１１；ボディ駆動制御装置、１７；角速度センサー、２１；撮像用画素、２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂ；焦点検出用画素

Claims (7)

1. 第１の方向に配列され、光学系の瞳の異なる領域を通過した第１及び第２の光束を受光する複数の焦点検出画素を含む複数の画素が二次元状に配置された撮像素子と、
   前記撮像素子について、前記第１の方向に交差する第２の方向に配列された複数の前記画素の出力を同時に読み出すように、前記第２の方向に直交する第３の方向に沿って順次、画素出力を読み出す読み出し手段と、
   前記読み出し手段によって順次読み出された前記複数の焦点検出画素の出力に基づき、前記第１及び第２の光束による像のズレ量を検出する像ズレ検出手段と、
   前記読み出し手段による前記複数の焦点検出画素の出力の順次読み出し中における前記光学系による、前記第１の方向における像のぶれ量を検出するぶれ検出手段と、
   前記像ズレ検出手段により検出された像ズレ量を、前記ぶれ検出手段により検出された像のぶれ量によって補正して前記光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出手段と、を備えることを特徴とする焦点検出装置。
2. 請求項１に記載の焦点検出装置において、
   前記撮像素子は、前記第２の方向に配列され、光学系の瞳の異なる領域を通過した第３及び第４の光束を受光する複数の焦点検出画素を更に有し、
   前記像ズレ検出手段は、前記読み出し手段によって同時に読み出された前記第２の方向に配列された複数の焦点検出画素の出力に基づき、前記第３及び第４の光束による像のズレ量を検出し、
   前記焦点検出手段は、前記像ズレ検出手段により検出された前記第３及び第４の光束による像のズレ量に基づき前記光学系の焦点調節状態を検出することを特徴とする焦点検出装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の焦点検出装置において、
   前記第１の方向は前記第３の方向と同一であることを特徴とする焦点検出装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の焦点検出装置において、
   前記ぶれ検出手段は、前記読み出し手段が前記第１の方向に配列された前記複数の焦点検出画素の中央部の画素の出力を読み出す時点に、前記像のぶれ量を検出することを特徴とする焦点検出装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の焦点検出装置において、
   前記焦点検出装置に生じる角速度を検出する角速度検出手段を備え、
   前記ぶれ検出手段は、前記角速度検出手段により検出された前記角速度と、前記読み出し手段による、前記第１の方向に配列された前記複数の焦点検出画素の出力の読み出し時間差と、前記光学系の焦点距離とに基づいて前記像のぶれ量を検出することを特徴とする焦点検出装置。
6. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の焦点検出装置において、
   前記ぶれ検出手段は、異なる時刻において前記撮像画素で撮像した複数の撮像画像の間のズレ量を検出し、前記ズレ量と前記異なる時刻の時間差とに基づいて前記像のぶれ量を検出することを特徴とする焦点検出装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の焦点検出装置を備えることを特徴とする撮像装置。

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