JP5130178B2 - 焦点距離検出装置及び撮像装置及び撮像方法及びカメラ - Google Patents
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Description
前記撮像素子が有する複数個の画素は、少なくとも2個以上であり所定数の画素数からなる複数の画素領域に分割され、該複数の画素領域は縦と横の画素数及び画素配列が同じであり、前記各光学素子は前記各画素領域に一対一に対応されて前記複数の画素領域毎の対応する位置にある複数の画素の出力により前記主光学系に対する想定距離毎の想定合焦画像を生成する想定合焦画像生成手段と、
前記想定合焦画像生成手段により生成された想定合焦画像の合焦状態を評価する合焦評価値取得手段とを備えたことを特徴とする。
まず、最初に、本発明が適用される撮像装置の全体構成を概略説明する。
(本発明が適用されるデジタルカメラ1のメイン処理の動作の概略)
モードダイアルSW2を記録モードに設定すると、デジタルカメラ1が記録モードで起動される。モードダイアルSW2の設定は、モードスイッチの状態が記録モードがオンになったか否かをプロセッサ104が検知することにより行う。
(本発明が適用される光学系の構成の模式図)
図4は本発明に係わる撮像装置の撮像光学系の模式図である。この図4において、符号10はメインレンズ、符号11は絞り板、符号12は光学素子配列体、符号13は撮像素子である。ここで、メインレンズ10とは鏡胴ユニット4内に配置のズーム光学系41、フォーカス光学系42、絞りユニット43、メカシャッタユニット44を総称していうものとする。実際のメインレンズ10は、例えば、図5に示す第1のズーム群G1と第2のズーム群G2とフォーカス群G3と第4群G4と絞り板11とから構成されているが、幾何光学的には一つのレンズとして取り扱うことができるからである。この意味で、メインレンズ10は一枚のレンズからなる光学系であっても良いし、複数枚のレンズからなる光学系であっても良く、特許請求の範囲では1枚のレンズでも複数枚のレンズでも良いという意味で、メインレンズ10を「主光学系」と表現している。
(本発明の原理)
図8は本発明の原理を説明するための模式図であって、この図8には、メインレンズ10を経て射出瞳位置F2.8の点aに入射する入射光束とマイクロレンズ12iのうちのMLα、MLβとこのマイクロレンズMLα、MLβの直背後の画素領域との関係が示されている。マイクロレンズMLαに対応する画素領域14の第n番目の画素は入射光束inαを受光し、マイクロレンズMLβに対応する画素領域の第m番目の画素は入射光束inβを受光する。このマイクロレンズMLα、MLβとの間に存在するマイクロレンズ12iについても点aを通ってかつマイクロレンズ12iの主点qを通る入射光束を受光する画素が存在するので、これらの画素に基づく画素データを適切に選択して配列すれば、メインレンズ10の射出瞳位置F2.8の点aを通過する被写界の像を生成することができる。このようにメインレンズ10の各射出瞳位置から射出されかつマイクロレンズ12iに入射ししかもこのマイクロレンズ12iの主点qを通る入射光束を受光する画素の画素データを用いてメインレンズ10の各射出瞳位置に対応する被写界の像を生成する処理を像の再構成という。
(実施例1)
この発明に係わる実施例1では、メインレンズ10が被写体に対して合焦位置にあるか否かに拘わらず被写体までの距離を想定して、光学素子配列体とこれが配置された撮像素子とメインレンズ10との距離を一定に保持した状態で、このメインレンズ10に入射する入射光束に基づき得られる各画素データを選択して処理することにより合焦状態が互いに異なる複数個の想定合焦画像を生成する想定合焦画像生成手段と、この想定合焦画像生成手段により得られた想定合焦画像の合焦評価検出手段とを有している。
これにより、所定の複数の画素のうちの一部の画素の画素データに基づいて被写界像の合焦情報が得られる。
これにより合焦評価検出手段(合焦情報取得手段)が得た合焦情報に基づいて焦点距離が設定され、この設定された焦点距離に撮像光学系の焦点距離が変更される。
プロセッサ104はこの合焦目標位置fpに実際にメインレンズ10を駆動させる処理を実行した後、メインレンズ10の駆動を停止する(S.25)。これにより、被写体に対してメインレンズ10が合焦される。S.23において、合焦評価値が全て所定値よりも小さく、かつ、ピークがないと判定されたときには、被写体がメインレンズ10から2.5mにあると仮定して合焦目標位置fpを設定する演算を行って(S.26)、合焦目標位置fpを決定し(S.24)、この合焦目標位置fpにメインレンズ10を駆動させる処理を行った後、メインレンズ10の駆動を停止する(S.25)。
(実施例2)
実施例1では、その図15に示すように、想定距離と想定距離との間隔Hを細かく設定して、精密な合焦評価を行うことにしたが、想定距離と想定距離との間隔Hを粗く設定して、精密な合焦評価を行うこともできる。
別の表現をすれば、Fナンバーが大きいメインレンズ10では、このメインレンズ10により得られる合焦評価値は被写体に対するメインレンズ10の合焦位置がずれていても合焦評価値は急激に変化せず、Fナンバーが小さいメインレンズ10では、このメインレンズ10により得られる合焦評価値は被写体に対するメインレンズ10の合焦位置がずれると急激に変化する。
上限値Nmaxを超えない範囲で、今回得られた合焦評価値が前回得られた合焦評価値よりも小さくなるまで、S.32〜S.36の処理を繰り返す。今回得られた合焦評価値が前回得られた合焦評価値よりも小さくなった時点で、プロセッサ104は、合焦評価値ピーク後の下降であると判断して(S.34)、焦点深度の狭い状態に対応する複数個の想定合焦画像(Fナンバー2.8のメインレンズ10に実際に光束が入射したときに得られる像に対応する想定合焦画像)、ここでは、LN,LN-1,LN-2,LN-3の想定距離に対応する4つの想定合焦画像を生成する(S.37)。ここでは、N=8のときに合焦評価値ピーク後の下降であると判断されているので、プロセッサ104は、N=8、N=7、N=6、N=5の想定距離L8、L7、L6、L5に対応する想定合焦画像を生成する。次に、プロセッサ104は、これらの想定合焦画像に基づき合焦評価値を演算する(S.38)。ついで、プロセッサ104はこれらの合焦評価値に基づき、合焦評価値のピークを算出し(S.39)、この合焦評価値に対応する想定距離の位置に被写体が存在するものとして、このピーク位置に対応してメインレンズ10の合焦目標位置fpを決定する(S.40)。ついで、プロセッサ104は、メインレンズ10を合焦目標位置fpに向かって実際に駆動させる処理を行った後、メインレンズ10の駆動を停止させる(S.41)。
上限値Nmaxは合焦制御可能な範囲の最大値としての意味を有し、デジタルカメラに固有の値である。例えば、上限値Nmaxは「10」であり、S.31ないしS.36の処理を繰り返しても、合焦評価値のピーク後の下降と判断されなかったときには、撮影に意味のある被写体が想定距離LN=L2からLN=L12までの範囲内に存在しないとして、S.37〜S.39の処理をジャンプしてS.40に移行し、メインレンズ10の合焦目標位置fpをメインレンズ10の前方2.5mに対応する固定焦点位置に設定する演算を行った後(S.42)、合焦目標位置fpを決定する(S.40)。
(実施例3)
この実施例3では、想定合焦画像を用いて被写体の特徴部を抽出し、この抽出された特徴部にメインレンズ10を合焦制御する場合について説明する。
例えば、第1特徴領域Qc1を人の目の部分に対応させ、第2特徴領域Qc2を人の鼻部分に対応させる。ここで、特徴量とは、例えば、第1特徴領域Qc1、第2特徴領域Qc2内に存在する画素により得られた画素データの平均値をいう。顔判定矩形Qcを表示画面G内で移動させ、その移動位置で第1特徴領域Qc1の特徴量Laと第2特徴領域Qc2の特徴量Lbとを求め、この差分Δcを算出する。この差分Δcがあらかじめ定められている閾値αよりも大きいか否かにより、注目領域に顔が存在するか否かが判定可能である。その閾値αはサンプル画像を用いて学習させることができる。実際には、複数個の大きさのパターンの顔判定矩形Qcを準備し、この顔判定矩形Qcの特徴領域も上記2個に限られず、その位置関係についても適宜に定めたものが用いられる。
(実施例4)
以上説明した実施例1ないし実施例3では、撮像素子13の前面にこの撮像素子13の全面を覆う光学素子配列体12としてのマイクロレンズアレイを設け、1個のマイクロレンズアレイに複数個の画素を対応させて想定合焦画像を生成する構成としたので、実際に、メインレンズ10を駆動してメインレンズ10を被写体に合焦させ、被写体を撮影したときに得られる被写体画像はその解像度が劣化する。
この解像度の劣化を防止するために、この実施例4では、撮像光学系は、図22に示すように、メインレンズ10の後方に設けられた跳ね上げミラーMrと、想定合焦画像生成用撮像素子15と、被写体画像記録用撮像素子16とから構成されている。想定合焦画像生成用撮像素子15は、光学素子配列体12と撮像素子13とから構成され、被写体画像記録用撮像素子16は撮像素子13のみから構成されている。その想定合焦画像生成用撮像素子15と画像生成用撮像素子16とはその跳ね上げミラーMrに関して互いに共役な位置に配置されている。
(実施例5)
実施例4では、解像度の劣化を防止するために、メインレンズ10の後方に跳ね上げミラーMrを設け、この跳ね上げミラーMrに関して互いに共役な位置に想定合焦画像生成用撮像素子15と、被写体画像記録用撮像素子16とを設ける構成としたので、部品点数が多くなると共に、その構成が複雑化している。
このマイクロレンズアレイ板を撮像素子13の前面に設ける構成とすれば、マイクロレンズアレイ板の直下の画素領域14の画素のデータを用いて想定合焦画像を生成でき、この想定合焦画像を用いて合焦検出を行うことができる。また、透過平面部12aを透過して入射する入射光束を受光する画素のデータを用いて被写体を撮像できるので、被写体画像の劣化を低減しつつ被写体画像の記録を行うことができる。
撮像素子13には、一般的に、R,G,Bからなる色フィルタが図24に示すようにその各画素毎に配置されているので、想定合焦画像の生成において、各画素毎の画素データを用いて像の再構成を行うことにすると、色フィルタにより画素毎の画素データが変化するので好ましくない。従って、この各マイクロレンズアレイ板の直下の画素領域14内の各画素には色フィルタを設けない構成とすることが望ましい。
また、図24に示すように、画素領域14の各画素の二列に対して1個のマイクロレンズ12iを対応させ、この画素領域14の各画素のうちGフィルタを有する画素データのみを用いて想定合焦画像を生成する構成とすることもできる。ここで、Gフィルタを有する画素を用いることにしたのは、Gフィルタが設けられている各画素の個数が多いからである。
このような構成とすると、マイクロレンズアレイ12’が配列されていない各箇所の画素データにより被写体画像を生成でき、マイクロレンズアレイ12’が配列されている各箇所部分に相当する画像部分については、このマイクロレンズアレイ12’が配列されている画素領域14に隣接する画素領域のデータを用いて、補間処理により得ることができるので、解像度の劣化を低減しつつ被写体を撮像できる。
なお、このマイクロレンズアレイ12’で被覆された画素の画素データは、解像分解能が劣化しているが、焦点状態が異なった仮合焦画像間のコントラスト情報を用いて、合焦状態を求めるので、焦点状態が異なった個々の想定合焦画像の解像度が低下していることは問題ではなく、メインレンズ10の合焦制御に全画素の画素データを用いて被写体画像を撮像する場合でも、ぼけのない良好な合焦画像を得ることができる。
また、想定合焦画像による焦点検出により、被写体に合焦するようにメインレンズ10を駆動した後に、マイクロレンズ12iに被覆されていない画素データにより焦点評価値を求め、この焦点評価値による焦点検出により、被写体に合焦するようにメインレンズ10を補正駆動すると、更に精度の高い合焦を行うことができる。
(実施例6)
従来から、レリーズボタンの1回の操作によりメインレンズ10の合焦位置をずらしながら複数枚の被写体画像を撮影するいわゆるフォーカスブラケット撮影方式も知られている。
ついで、各想定距離L1〜L8について各想定合焦画像のエリアd1の範囲内の画像部分を構築するための画素データを用いて合焦評価値を求め、ピークの有無を判定する(S.65)。エリアd1にピークが存在する場合には、その合焦評価値のピークに対応する合焦目標位置fpの値をメモリfp{0}に格納すると共に、i=1にセットする(S.66)。
この例では、エリアd1には被写体がないと仮定しているので、fp{0}=0である。
次に、想定距離L1〜L8について各想定合焦画像のエリアd2の範囲内の画像部分を構築するための画素データを用いて合焦評価値を求め、ピークの有無を判定する(S.67)。 エリアd2にピークが存在する場合には、その合焦評価値のピークに対応する合焦目標位置fpの値をメモリfp{1}に格納すると共に、i=2にセットする(S.68)。この例では、エリアd2には合焦目標位置fp=120のところに被写体があると仮定しているので、fp{1}=120に設定される。
ついで、想定距離L1〜L8について各想定合焦画像のエリアd3の範囲内の画像部分を構築するための画素データを用いて合焦評価値を求め、ピークの有無を判定する(S.69)。
エリアd3に合焦評価値のピークが存在する場合には、その合焦評価値のピークに対応する合焦目標位置fpの値をメモリfp{2}に格納した後(S.70)、i=0か否かを判定する(S.71)。この例では、エリアd3には合焦目標位置fp=200のところに被写体があると仮定しているので、fp{2}=200に設定される。S.71において、i=0の場合、エリアd1、d2、d3のいずれのエリアでも、合焦評価値のピークが得られなかったので、合焦目標位置fp=0に設定する(S.72)。ここで、合焦目標位置fp=0はメインレンズ1の固定焦点位置2.5mに対応する。次に、メモリfp{i}に格納されている合焦目標位置を大きい順に並べ替え、合焦目標位置の値が大きいものから順にメモリ番号の小さいメモリに保存される処理を行う(S.73)。この例では、エリアd3の合焦目標位置がfp=200、エリアd2の合焦目標位置がfp=120、エリアd1の合焦目標位置がfp=0にセットされているので、最終的には、fp{0}=200、fp{1}=120、fp{2}=0にセットされる(S.74)。ついで、fp{0}=200に合焦目標位置を設定して、メインレンズ10を駆動して、メインレンズ10の駆動を停止する(S.75)。これにより、合焦検出処理が終了する。
ついで、レリーズボタンSW1の第2段がオンされると、最初に合焦目標位置fp=200において静止画撮影が実行され、ついで、合焦目標位置fp{1}=120の位置に向かってメインレンズ10が駆動され、この合焦目標位置fp=120の位置で静止画撮影が実行される。なお、fp{2}=0なので、この例では、合焦目標位置fp{2}=0の位置では、静止画撮影は行われず、2回の静止画撮影で撮影は終了する。
このように、この実施例6では、メインレンズ10を駆動することなく異なるエリアd1ないしd3の被写体画像の合焦評価値を取得し、一回のレリーズスイッチSW1の操作で、異なるエリアの両方の被写体に合焦した被写体画像を連続的に得ることができる。
(実施例7)
本発明に係る撮像装置を用いれば、撮影画像のぼけ制御を行うこともできる。フィルムカメラよりも小さい撮像素子を用いたデジタルカメラの場合、メインレンズ10の実際の焦点距離が短いため、フィルムカメラに較べて焦点深度が狭く、背景がぼやけたきれいな被写体画像が得にくく、画像処理によって、主要被写体と背景とを分離し、背景を画像処理によってぼやかすことにしている。
エリア内の各画素の画像補正処理は、例えば、補正処理対象画素(m,n)の画素データのうちの輝度値Ymnの値とその周辺近傍の8画素(m-1,n-1)、(m,n-1)、(m+1,n-1)、(m-1,n)、(m+1,n)、(m-1,n+1)、(m,n+1)、(m+1,n+1)の画素の各輝度値に係数αを掛けて得られた各値の和を画素数9で割って得られた値をその補正処理対象画素(m、n)の輝度値Ymn’とすることによって行われる。
12…マイクロレンズアレイ板(光学素子配列体)
13…撮像素子
14…画素領域
Claims (17)
- 主光学系を経て入射する各入射光束を光電変換してそれぞれ画素データとして出力する複数個の画素を有する撮像素子と、
前記主光学系と前記撮像素子との間に位置して複数個の光学素子により構成される光学素子配列体を備え、
前記撮像素子が有する複数個の画素は、少なくとも2個以上でかつ所定数の画素数からなる複数の画素領域に分割され、該複数の画素領域は縦と横の画素数及び画素配列が同じであり、
前記各光学素子は前記各画素領域に一対一に対応されて前記複数の画素領域毎の対応する位置にある複数の画素の出力により前記主光学系に対する想定距離毎の想定合焦画像を生成する想定合焦画像生成手段と、
前記想定合焦画像生成手段により生成された想定合焦画像の合焦状態を評価する合焦評価値取得手段とを備えた焦点距離検出装置。 - 請求項1に記載の焦点距離検出装置を有し、前記焦点距離検出手段により取得された合焦評価値に基づいて被写体に合焦するように前記主光学系を駆動する駆動手段と、を備えていることを特徴とする撮像装置。
- 前記焦点距離検出手段は、前記主光学系の中央部分のみを通る光束に基づき得られる焦点深度の広い状態に対応する想定距離毎の想定合焦画像を画素データを選択して抽出することにより生成し、焦点深度の広い状態に対応する想定合焦画像に基づき想定距離毎に合焦評価値を取得し、想定距離毎に得られた各合焦評価値の最大値に基づきこの最大値が得られた想定距離の近傍で複数個の想定距離を細かく設定し、設定された想定距離毎に前記主光学系の中央部を含みかつ少なくともこれよりは広い範囲を通る光束に基づき得られる焦点深度の狭い状態に対応する想定合焦画像の画素データを選択して抽出することにより生成して焦点深度の狭い状態に対応する想定合焦画像に基づき合焦評価値を取得することを特徴とする請求項2に記載の撮像装置。
- 前記焦点距離検出手段は、合焦状態が互いに異なる想定距離毎の想定合焦画像に基づいて前記被写体の特徴部分を抽出する抽出手段を有している請求項2又は請求項3に記載の撮像装置。
- 前記焦点距離検出手段は、想定距離毎に生成された想定合焦画像のエリア毎に合焦状態を評価し、各エリア毎の合焦目標位置を決定し、前記駆動手段はエリア毎に得られた合焦目標位置に基づき前記主光学系を駆動することを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の撮像装置。
- 前記被写体に前記主光学系が合焦された状態で撮影を実行して静止画画像を取得する静止画取得手段と、該静止画取得手段により得られた静止画画像に画像ぼけに関する画像補正処理を行う画像補正処理手段とを備え、
前記画像補正処理手段は、主要被写体に対する背景画像の画像ぼけに関する補正処理を行うために、前記静止画画像を複数個のエリアに分割して該エリア毎にかつ想定距離毎に想定合焦画像を生成してエリア毎に該想定合焦画像に対応する合焦評価値を取得し、該エリア毎に取得された合焦評価値と前記焦点距離検出手段により得られた合焦評価値とに基づき前記主要被写体に対する前記背景画像のデフォーカス量を演算し、該デフォーカス量に基づき前記主要被写体に対する背景画像の補正処理を行うことを特徴とする請求項2に記載の撮像装置。 - 前記撮像素子はCCD又はCMOSセンサであり、前記光学素子配列体はマイクロレンズが規則的に配列されたマイクロレンズアレイ板からなることを特徴とする請求項2に記載の撮像装置。
- 前記マイクロレンズアレイ板は、マイクロレンズが一列に規則的に配列されたマイクロレンズアレイを有するか、又は、マイクロレンズの配列方向に対して直交する方向に間隔を開けて配列された複数個のマイクロレンズアレイを有し、前記マイクロレンズ板は該マイクロレンズアレイを除く平面部が前記主光学系からの光束が直接入射する透過平面部とされていることを特徴とする請求項7に記載の撮像装置。
- 前記撮像光学系は、前記主光学系の後方に設けられた跳ね上げミラーを有し、該跳ね上げミラーに関して前記マイクロレンズアレイ板が前面に設けられかつマイクロレンズによって覆われている想定合焦画像生成用撮像素子とは別にマイクロレンズアレイ板で被覆されていない被写体画像記録用撮像素子が設けられていることを特徴とする請求項7に記載の撮像装置。
- 前記撮像光学系は、前記主光学系の後方に設けられた跳ね上げミラーを有し、該跳ね上げミラーに関して前記マイクロレンズアレイ板が前面に設けられかつマイクロレンズによって全面が覆われている想定合焦画像生成用撮像素子と光学的に共役な位置に該想定合焦画像とは別にマイクロレンズアレイ板で被覆されていない被写体画像記録用撮像素子が設けられていることを特徴とする請求項7に記載の撮像装置。
- 前記マイクロレンズの主点を通る入射光束が該マイクロレンズに覆われている画素領域の各画素にそれぞれ対応づけられていることを特徴とする請求項7に記載の撮像装置。
- 前記マイクロレンズの焦点距離位置に前記撮像素子が設けられていることを特徴とする請求項7に記載の撮像装置。
- 主光学系を経て入射する各入射光束を光電変換してそれぞれ画素データとして出力する複数個の画素を有する撮像素子と、前記主光学系と前記撮像素子との間に位置して複数個の光学素子により構成される光学素子配列体を備え、前記撮像素子が有する複数個の画素は、少なくとも2個以上でかつ所定数の画素からなる複数の画素領域に分割され、該複数の画素領域は縦と横の画素数及び画素配列が同じであり、前記各光学素子は前記各画素領域に一対一に対応されて前記複数の画素領域毎の対応する複数の画素データを出力する撮像装置を用い、該光学素子配列体とこれに配置された撮像素子と前記主光学系との距離を一定に保持した状態で該主光学系に入射する入射光束に基づき得られる前記各画素の画素データを選択して抽出処理することにより前記主光学系に対する想定距離毎に合焦状態が互いに異なる複数個の想定合焦画像を生成すると共に生成された各想定合焦画像に基づいて合焦状態を評価するための合焦評価値を取得する焦点距離検出ステップと、
該焦点距離検出ステップにより得られた合焦評価値に基づいて前記被写体に合焦するように前記主光学系を駆動する駆動ステップと、
前記被写体に前記主光学系を合焦させて前記被写体を撮像する撮像ステップとを含む撮像方法。 - 前記焦点距離検出ステップが、被写体が前記主光学系に関して前記撮像素子と共役関係にあったとしたならば得られる合焦画像を得るために前記該光学素子配列体とこれに配置された撮像素子と前記主光学系との距離を一定に保持した状態で該主光学系に入射する入射光束により得られる前記各画素の画素データを選択して抽出処理することにより前記主光学系に対する想定距離毎に合焦状態が互いに異なる複数個の想定合焦画像を生成する想定合焦画像生成ステップと、生成された各想定合焦画像に基づいて合焦状態を評価して合焦評価値を取得する合焦評価値取得ステップとを含むことを特徴とする請求項13に記載の撮像方法。
- 前記焦点距離検出ステップが、前記主光学系の中央部分のみを通る光束に基づき得られる焦点深度の広い状態に対応する想定距離毎の想定合焦画像を画素データを選択して抽出することにより生成して、焦点深度の広い状態に対応する想定合焦画像に基づき想定距離毎に合焦評価値を取得するステップと、想定距離毎に得られた各合焦評価値の最大値に基づきこの最大値が得られた想定距離の近傍で複数個の想定距離を細かく設定し、設定された想定距離毎に前記主光学系の中央部を含みかつ少なくともこれよりは広い範囲を通る光束により得られる焦点深度の狭い状態に対応する想定合焦画像を画素データを選択して抽出することにより生成して焦点深度の狭い状態に対応する想定合焦画像に基づき合焦評価値を取得するステップとを含むことを特徴とする請求項14に記載の撮像方法。
- 前記焦点距離検出ステップが、合焦状態が互いに異なる想定距離毎の想定合焦画像によって前記被写体の特徴部分を抽出する抽出ステップを含むことを特徴とする請求項13に記載の撮像方法。
- 請求項1に記載の焦点距離検出装置を備えたカメラ。
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