JP5380782B2 - Imaging device - Google Patents
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Description
本発明は光検出装置、焦点検出装置および撮像装置に関する。 The present invention relates to a light detection device, a focus detection device, and an imaging device.
撮影レンズの予定焦点面にマイクロレンズアレイを配置するとともに、その背後に受光素子アレイを配置し、撮影レンズの焦点検出を行う焦点検出装置が知られている。(例えば、特許文献1参照)。 2. Description of the Related Art A focus detection device is known in which a microlens array is disposed on a planned focal plane of a photographing lens and a light receiving element array is disposed behind the microlens array to detect the focus of the photographing lens. (For example, refer to Patent Document 1).
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。
しかしながら、上述した従来の焦点検出装置では、マイクロレンズアレイの位置付近に物体像がある場合にマイクロレンズ間の境界位置で不感帯を生じるという問題がある。物体像がマイクロレンズアレイ近傍にあるため、マイクロレンズとマイクロレンズとの間に物体像のエッジ、すなわちコントラストの変化帯がある場合には、この位置の像はマイクロレンズ間の光学的に無効な領域に投影され、有効な光束が受光素子に投影されなくなって焦点検出性能が低下する。 However, the above-described conventional focus detection apparatus has a problem that a dead zone is generated at a boundary position between microlenses when an object image is present near the position of the microlens array. Since the object image is in the vicinity of the microlens array, if there is an edge of the object image between the microlenses, that is, a contrast change band, the image at this position is optically invalid between the microlenses. The projected light is projected onto the area, and an effective light beam is not projected onto the light receiving element, so that the focus detection performance is deteriorated.
請求項1の発明による撮像装置は、撮影光学系の予定結像面近傍に、二次元状に配置される複数のマイクロレンズと、前記複数のマイクロレンズの各々を透過した光束を受光するように各マイクロレンズの背後に二次元状に配置される複数の受光素子と、所定の方向に配列された前記マイクロレンズの各々に対して、当該マイクロレンズの光軸を中心として前記所定の方向に対称な位置に位置する一対の受光素子群を選択して、各受光素子群の出力信号を加算して、一対の加算出力信号を算出する選択手段と、前記選択手段によって算出された一対の加算出力信号に基づき焦点検出する焦点検出手段と、を備え、前記選択手段は、前記受光素子への入射光量が多い時には、前記受光素子群の受光素子数が少なくかつ前記一対の受光素子群のそれぞれの受光素子数が等しくなるように、前記受光素子への入射光量が少ない時には、前記受光素子群の受光素子数が多くかつ前記一対の受光素子群のそれぞれの受光素子数が等しくなるように、前記受光素子への入射光量に応じて前記受光素子群の受光素子数を変更し、前記受光素子数が変更された一対の受光素子群の基線長を、前記各受光素子群の選択の仕方それぞれに対応する基線長が記憶されたテーブルから読み出して、前記読み出した基線長を前記焦点検出手段による焦点検出に用いることを特徴とする。 An image pickup apparatus according to a first aspect of the present invention receives a plurality of microlenses arranged two-dimensionally in the vicinity of a predetermined imaging plane of a photographing optical system and a light beam transmitted through each of the plurality of microlenses. A plurality of light-receiving elements arranged two-dimensionally behind each microlens and each of the microlenses arranged in a predetermined direction are symmetrical in the predetermined direction about the optical axis of the microlens Selecting means for selecting a pair of light receiving element groups located at different positions, adding the output signals of the respective light receiving element groups, and calculating a pair of added output signals, and a pair of addition outputs calculated by the selecting means Focus detection means for detecting a focus based on a signal, and the selection means has a small number of light receiving elements in the light receiving element group and a small number of light receiving element groups when the amount of light incident on the light receiving element is large. When the amount of light incident on the light receiving element is small so that the number of light receiving elements is equal, the number of light receiving elements in the light receiving element group is large and the number of light receiving elements in the pair of light receiving element groups is equal. In addition, the number of light receiving elements of the light receiving element group is changed in accordance with the amount of light incident on the light receiving element, and the base line length of the pair of light receiving element groups in which the number of light receiving elements is changed is selected for each light receiving element group. The base line length corresponding to each method is read from a stored table, and the read base line length is used for focus detection by the focus detection means .
本発明によれば、マイクロレンズ間の境界位置における不感帯の影響をなくして焦点検出性能を向上させることができる。 According to the present invention, it is possible to improve the focus detection performance by eliminating the influence of the dead zone at the boundary position between the microlenses.
図1は、一実施の形態の光検出装置および焦点検出装置を備えた撮像装置としてのカメラの横断面図である。なお、本願発明の光検出装置および焦点検出装置と直接的に関係のないカメラの機器および回路の図示と説明を省略する。また、本願発明の光検出装置および焦点検出装置は一眼レフカメラやコンパクトカメラなどのあらゆる種類のカメラに適用することができる。さらに、本願発明の光検出装置は焦点検出装置に限らず、例えば画像合成装置などに適用することができる。 FIG. 1 is a cross-sectional view of a camera as an imaging apparatus including a light detection device and a focus detection device according to an embodiment. Illustration and description of camera devices and circuits not directly related to the light detection device and the focus detection device of the present invention are omitted. In addition, the light detection device and the focus detection device of the present invention can be applied to all types of cameras such as a single-lens reflex camera and a compact camera. Furthermore, the light detection device of the present invention is not limited to the focus detection device, and can be applied to, for example, an image composition device.
カメラ1の撮影レンズ(撮影光学系)2を透過した被写体からの光束は、予定結像面3に被写体像を結ぶ。通常、この予定結像面3に撮像素子やフィルムが配設される。撮影前はミラー4が撮影レンズ2の撮影光路中に置かれており、ミラー4で反射された被写体からの光束がマイクロレンズアレイ5と受光素子アレイ6に導かれる。マイクロレンズアレイ5は予定結像面3と光学的に等価な面に配置され、その背後に受光素子アレイ6が配置される。
The light beam from the subject that has passed through the photographing lens (photographing optical system) 2 of the
図2はマイクロレンズアレイ5と受光素子アレイ6の拡大図である。マイクロレンズアレイ5は複数のマイクロレンズ5aを二次元状に配列して構成され、受光素子アレイ6は複数の受光素子(光電変換素子)6aを二次元状に配列して構成される。
FIG. 2 is an enlarged view of the
ある一つのマイクロレンズ5aにより被写体像が光軸方向に受光素子6a上に投影されるとすると、ある範囲の受光素子6aの一群がそのマイクロレンズ5aに対応することになる。この点からはマイクロレンズ5aごとに一群の受光素子6aを配置してもよいが、この一実施の形態では一様な平面上に複数の受光素子6aを二次元状に連続して配列した受光素子6を例に上げて説明する。
If a subject image is projected onto the
例えば図3に示す例では、一つのマイクロレンズ5aに対して横11個、縦11個の受光素子6aからなる正方形の角を省いた領域(図3に太線で示す範囲)の受光素子6aが対応している。図3の上側に示すマイクロレンズ5aでは、対応する受光素子6aの領域の中心にある黒く塗りつぶした受光素子6aがこのマイクロレンズ5aの光軸中心に位置し、マイクロレンズに対応する受光素子の領域は上下左右に5個素子づつの広がりを有する。つまり、マイクロレンズアレイ5上の各マイクロレンズ5aに対応する受光素子アレイ6上の複数の受光素子6aの内の1つの受光素子6aが、各マイクロレンズ5aの光軸上に配置されるようにマイクロレンズアレイと受光素子アレイとを相対的に位置決めして作成されている。
For example, in the example shown in FIG. 3, the
複数のマイクロレンズ5aと受光素子6aの関係を図4に示す。この例ではマイクロレンズ5aの径が受光素子6aの一辺の長さのちょうど整数倍になっており、マイクロレンズ5aに対応する受光素子領域内の複数の受光素子6aの中から焦点検出に用いる受光素子6aを選択する際に、領域内からバランスよく選択することができる。これにより、焦点検出結果にマイクロレンズ5aごとの揺らぎが生じるのを防止することができる。
FIG. 4 shows the relationship between the plurality of
ここで、マイクロレンズ5aの配列について考察する。図5に示すマイクロレンズ5aの配列例では、複数のマイクロレンズ5aが正方稠密(最密)に配列されていて、水平方向の上下に隣接する2列のマイクロレンズ列(例えば図中のA列とB列)において、マイクロレンズ5aが互い違いに配列されている。そして、あるマイクロレンズ5aの水平方向の中心位置は、上方または下方のマイクロレンズ列の水平方向の境界線上になる。なお、垂直方向のマイクロレンズ列においても同様な配列になっている。
Here, the arrangement of the
図4および図5から明らかなように、この一実施の形態ではマイクロレンズアレイ5上のマイクロレンズ5aの配列方向が、受光素子アレイ6上の受光素子6aの配列方向に対して45度の方向となるように、マイクロレンズアレイ5上のマイクロレンズ5aを配列する。換言すれば、マイクロレンズアレイ5上の隣接して配列される2列のマイクロレンズ列(図5に示すA列とB列)は、互いにマイクロレンズ5aの半径だけ位相をずらして配列する。
As apparent from FIGS. 4 and 5, in this embodiment, the arrangement direction of the
水平および垂直方向に隣接するマイクロレンズ5aの中心間距離は、図4に示すように受光素子6aの一辺の長さの整数倍になっている。なお、この中心間距離は受光素子6aの一辺の長さの奇数倍にすることが望ましい。その理由は、マイクロレンズ5aの中心に受光素子6aを配置することができ、かつ、マイクロレンズ5aと受光素子6aの相対関係がどのマイクロレンズ5aに対しても同一となるからである。各マイクロレンズ5aに対応する受光素子領域から焦点検出に用いる受光素子6aを選択する際に、すべてのマイクロレンズ5aで同じ選択パターンとすることができる。つまり、各マイクロレンズ5aに対応する受光素子領域内からバランスよく焦点検出用受光素子を選択することができ、焦点検出結果にマイクロレンズ5aごとの揺らぎが生じるのを防止して焦点検出性能を向上させることができる。
The distance between the centers of the
次に、撮影レンズ2の光軸方向におけるマイクロレンズアレイ5と受光素子アレイ6の配置について考察する。上述したように、撮影レンズ2の予定結像面3と光学的に等価な面にマイクロレンズアレイ5が配置され、撮影レンズ2により結像された被写体像がマイクロレンズ5aにより受光素子6a上に投影される。予定結像面3と光学的に等価なマイクロレンズアレイ5の受光面は、撮影レンズ2の瞳面と略共役の位置にあり、受光素子アレイ6の受光素子6aの選択は、この焦点検出光学系において瞳開口を選ぶのと等価である。
Next, the arrangement of the
したがって、図3に示す各マイクロレンズ5aの光軸上の受光素子6a、すなわち各マイクロレンズ5aに対応する受光素子領域内の中央の受光素子6aを選択してマイクロレンズアレイ5の像を合成すれば、撮影レンズ2に小さな絞りを配したものと同じになり、焦点深度が深く、いわばパンフォーカスな画像が得られることになる。各マイクロレンズ5aの中心に受光素子6aを配置することによって、焦点位置に拠らない被写体像を得ることができる。
Therefore, the
さらに具体的には、図3の下側に示すマイクロレンズ5aにおいて、黒く塗りつぶされた左右それぞれの受光素子6aの列(群)は、同様に撮影レンズ2において左右短冊状の絞りを透過した被写体像を合成する。この左右の合成像の視差から、撮影レンズ2の焦点調節状態を算出することができる。
More specifically, in the
この一実施の形態では、以下に示す焦点調節状態の検出方法を採用する。ここでは、図5に示すマイクロレンズアレイ5の水平方向の列から焦点調節状態を検出する例を示す。この場合、図5に示すA列とB列のマイクロレンズ5aに対応する受光素子6aの出力信号に基づいて撮影レンズ2の焦点調節状態を検出する。
In this embodiment, the following focus adjustment state detection method is employed. Here, an example in which the focus adjustment state is detected from the horizontal column of the
A列とB列の各マイクロレンズ5aに対応する複数の受光素子6aの中から、図3の下側に示すマイクロレンズ5aのように、左右3個づつの受光素子6aで構成される一対の受光素子群I、Dを形成する。そして、まず受光素子群Iに含まれる3個の受光素子6aの出力信号を加算し、これをA列のj番目のマイクロレンズ5aの左側データAijとする。同様に、受光素子群Dに含まれる3個の受光素子6aの出力信号を加算し、これをA列のj番目のマイクロレンズ5aの右側データAdjとする。
Among a plurality of
左右一対のデータ列{Aij}と{Adj}の視差、すなわちイメージのずれに基づいて焦点調節情報を得る方法は、従来のTCL(Through Camera Lens)タイプの焦点検出装置と基本的に同様である。まず、一対の列の一方をある量kだけずらしたTakを考える。
Tak=Σ|Aij+k−Adj| ・・・(1)
(1)式において、ΣはA列のj=1〜n(nは焦点検出に用いる受光素子数)の総和を表す。(1)式で表されるTakが最少となるkを求める。本質的にイメージは連続であり、またずれ量も連続的に変化するものであるから、このように離散的な計算から得られた離散的なデータTak列を内挿してずれ量HAを求める。
The method of obtaining focus adjustment information based on the parallax of the pair of left and right data strings {Aij} and {Adj}, that is, the image shift, is basically the same as a conventional TCL (Through Camera Lens) type focus detection device. . First, consider Tak in which one of a pair of columns is shifted by a certain amount k.
Tak = Σ | Aij + k−Adj | (1)
In the equation (1), Σ represents the total sum of j = 1 to n in the A column (n is the number of light receiving elements used for focus detection). Find k that minimizes Tak expressed by equation (1). Since the image is essentially continuous and the shift amount also changes continuously, the shift amount HA is obtained by interpolating the discrete data Tak sequence obtained from the discrete calculation in this way.
上述したように、この列は不感帯を含んでおり、マイクロレンズアレイ5の近傍に被写体像面があると、この計算結果の信頼性は低下する。そこで、A列のマイクロレンズ5aに隣接し、レンズ半ピッチ分だけ位置がずれているB列のマイクロレンズ5aに対応するデータを利用する。A列データを計算したのと同様に、Tbkを求める。
Tbk=Σ|Bij+k−Bdj| ・・・(2)
(2)式において、ΣはB列のj=1〜n(nは焦点検出に用いる受光素子数)の操作を表す。このB列データTbkを内挿してずれ量HBを求め、このずれ量HBと上記A列のずれ量HAの相加平均ないしは相乗平均をとり、焦点調節情報とすることができる。
As described above, this column includes a dead zone, and if the subject image plane is in the vicinity of the
Tbk = Σ | Bij + k−Bdj | (2)
In the equation (2), Σ represents an operation of j = 1 to n (n is the number of light receiving elements used for focus detection) in the B row. The B column data Tbk is interpolated to obtain a shift amount HB, and an arithmetic average or a geometric average of the shift amount HB and the shift amount HA of the A column can be obtained as focus adjustment information.
このようにすれば、相補的に位置する二つの列、A列とB列とが互いの不感帯を補い合い、被写体像がマイクロレンズアレイ5の受光面の近傍にあっても安定した焦点検出結果を得ることができる。
In this way, the two rows, A row and B row, which are complementarily positioned complement each other's dead band, and a stable focus detection result can be obtained even if the subject image is in the vicinity of the light receiving surface of the
この計算は、一対のデータ列{Adj}と{Bdj}を互い違いに整列させた新たなデータ列{Cdj}と、一対のデータ列{Aij}と{Bij}を互い違いに配列させた新たなデータ列{Cij}を考え、これらのデータ列{Cdj}と{Cij}のずれ量を算出しても同様な効果が得られる。このとき、データ列{Cdj}と{Cij}は、
{Cdj}=・・,Adj,Bdj,Adj+1,Bdj+1,Adj+2,Bdj+2,・・、
{Cij}=・・,Aij,Bij,Aij+1,Bij+1,Aij+2,Bij+2,・・ ・・・(3)
のようなA列とB列とを合わせた長さを持つ数列となる。この数列から従来の方法でずれ量HCを算出すればよい。
In this calculation, a new data string {Cdj} in which a pair of data strings {Adj} and {Bdj} are alternately arranged, and a new data in which a pair of data strings {Aij} and {Bij} are alternately arranged. Considering the sequence {Cij}, the same effect can be obtained by calculating the shift amount between these data sequences {Cdj} and {Cij}. At this time, the data strings {Cdj} and {Cij}
{Cdj} = ・ ・, Adj, Bdj, Adj + 1, Bdj + 1, Adj + 2, Bdj + 2, ...
{Cij} = ..., Aij, Bij, Aij + 1, Bij + 1, Aij + 2, Bij + 2, ... (3)
Thus, the sequence is a number sequence having a combined length of the A column and the B column. The deviation amount HC may be calculated from this sequence by a conventional method.
また、演算量を少なくするために、次のような計算方法を採用してもよい。この場合、上述したデータ列の合成ではなく、算出値の合成になる。まず、データ列{Adj}と{Aij}からずれ量HAを算出し、同様にデータ列{Bdj}と{Bij}からずれ量HBを算出する。この値は配列上、相補的であるから、ずれ量Hを、
H=√(HA・HB) ・・・(4)
あるいは、
H=(HA+HB)/2 ・・・(5)
として求める。これによって、不感帯の影響を小さくした焦点調節情報を得ることができる。
In order to reduce the amount of calculation, the following calculation method may be employed. In this case, instead of the above-described data string synthesis, the calculation values are synthesized. First, the shift amount HA is calculated from the data strings {Adj} and {Aij}, and similarly, the shift amount HB is calculated from the data strings {Bdj} and {Bij}. Since this value is complementary on the sequence, the deviation H is
H = √ (HA / HB) (4)
Or
H = (HA + HB) / 2 (5)
Asking. Thereby, it is possible to obtain focus adjustment information in which the influence of the dead zone is reduced.
この正方配列では、水平方向と垂直方向が回転対称であるから、垂直方向についても同様である。被写体の焦点が合焦点付近で上記不感帯への配慮が不要なときには、45度方向のマイクロレンズ列を用いて焦点検出を行うことも可能である。この場合、隣接する列を用いても配置が相補的ではないので、データ量を増やすことは揺らぎを安定させる意味しかなく、一列の処理で充分である。各マイクロレンズ5aに対応する受光素子群は、例えば図6の上に示すマイクロレンズ5aに対応する一対の受光素子群のようにすると、この演算に適したデータが用意できる。
In this square arrangement, since the horizontal direction and the vertical direction are rotationally symmetric, the same applies to the vertical direction. When it is not necessary to consider the dead zone when the subject is in focus, it is possible to perform focus detection using a microlens array in the 45 degree direction. In this case, since the arrangement is not complementary even if adjacent columns are used, increasing the amount of data only has the meaning of stabilizing fluctuations, and processing in one column is sufficient. When the light receiving element group corresponding to each
各マイクロレンズ5aに対応する受光素子領域の中から一対の焦点検出用受光素子群を選択する際には、マイクロレンズ5aの配列や基線の向きに応じて選択方法を変える必要がある。撮影レンズ2の開口より大きな瞳を設けることはできないから、撮影レンズ2の絞り値によって受光素子群の選択を変える必要がある。また、受光素子6aへの入射光量、あるいは受光素子群に入る光子の量が、受光素子6aの蓄積時間もしくはサンプリング時間に影響することから、光量が少ない場合には受光素子群の領域を広げ(図3の下側のマイクロレンズおよび図7の下側マイクロレンズ5a参照)、多いときには受光素子群の領域を理想に近い小さな領域とする必要がある(図7の下側のマイクロレンズ5a参照)。基線の方向が回転するときには、もちろんそれに応じて受光素子群の選択位置を変化させる必要がある。
When selecting a pair of focus detection light receiving element groups from the light receiving element regions corresponding to each
なお、理想的な瞳位置を種々の状況に応じていくつかの有限個の受光素子群の結合としているため、基線長には一定の誤差が生じる。焦点ずれの値は基線長に対して線形であるから、この誤差は焦点ずれの値にそのままかかってくることになる。そこで、各受光素子群の選択の仕方それぞれに対応する基線長テーブルを用意し、受光素子群を選択するときには必要な基線長をテーブルから読み出し、実効的な値として援用する。 Since the ideal pupil position is a combination of several finite number of light receiving element groups according to various situations, a certain error occurs in the baseline length. Since the defocus value is linear with respect to the baseline length, this error is directly applied to the defocus value. Therefore, a baseline length table corresponding to each method of selecting each light receiving element group is prepared, and when selecting a light receiving element group, a necessary baseline length is read from the table and used as an effective value.
1 カメラ
2 撮影レンズ
5 マイクロレンズアレイ
5a マイクロレンズ
6 受光素子アレイ
6a 受光素子
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記複数のマイクロレンズの各々を透過した光束を受光するように各マイクロレンズの背後に二次元状に配置される複数の受光素子と、
所定の方向に配列された前記マイクロレンズの各々に対して、当該マイクロレンズの光軸を中心として前記所定の方向に対称な位置に位置する一対の受光素子群を選択して、各受光素子群の出力信号を加算して、一対の加算出力信号を算出する選択手段と、
前記選択手段によって算出された一対の加算出力信号に基づき焦点検出する焦点検出手段と、を備え、
前記選択手段は、前記受光素子への入射光量が多い時には、前記受光素子群の受光素子数が少なくかつ前記一対の受光素子群のそれぞれの受光素子数が等しくなるように、前記受光素子への入射光量が少ない時には、前記受光素子群の受光素子数が多くかつ前記一対の受光素子群のそれぞれの受光素子数が等しくなるように、前記受光素子への入射光量に応じて前記受光素子群の受光素子数を変更し、
前記受光素子数が変更された一対の受光素子群の基線長を、前記各受光素子群の選択の仕方それぞれに対応する基線長が記憶されたテーブルから読み出して、前記読み出した基線長を前記焦点検出手段による焦点検出に用いることを特徴とする撮像装置。 A plurality of microlenses arranged two-dimensionally in the vicinity of the planned imaging plane of the photographing optical system;
A plurality of light receiving elements arranged two-dimensionally behind each micro lens so as to receive a light beam transmitted through each of the plurality of micro lenses;
For each of the microlenses arranged in a predetermined direction, a pair of light receiving element groups positioned at positions symmetrical to the predetermined direction with the optical axis of the microlens as the center is selected, and each light receiving element group Selecting means for adding a pair of output signals to calculate a pair of added output signals;
A focus detection means for detecting a focus based on a pair of added output signals calculated by the selection means,
When the amount of light incident on the light receiving element is large, the selection unit applies the light to the light receiving element so that the number of light receiving elements in the light receiving element group is small and the number of light receiving elements in the pair of light receiving element groups is equal. When the amount of incident light is small, the number of light receiving elements in the light receiving element group is large and the number of light receiving elements in the pair of light receiving element groups is equal to each other. Change the number of light receiving elements ,
The base line length of the pair of light receiving element groups in which the number of light receiving elements is changed is read from a table in which base line lengths corresponding to the selection methods of the respective light receiving element groups are stored, and the read base line length is read from the focal point. An imaging apparatus used for focus detection by a detection means .
前記複数のマイクロレンズの各々において、当該マイクロレンズの光軸上に配置された前記受光素子の出力信号に基づき、画像を生成する画像生成手段を更に備えることを特徴とする撮像装置。 The imaging device according to claim 1,
Each of the plurality of microlenses further includes image generation means for generating an image based on an output signal of the light receiving element disposed on the optical axis of the microlens.
前記受光素子群の受光素子は、互いに隣接していることを特徴とする撮像装置。
The imaging device according to claim 1 or 2,
The light receiving element of the light receiving element group is adjacent to each other.
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