JP5398346B2 - 撮像装置及び信号処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮像素子の出力信号に基づいてデフォーカス検出を行う撮像装置に関する。

特許文献１には、撮像面でＡＦを行う方法が開示されている。この方法は、撮影レンズの異なる領域を通過する物体からの光束を、導光手段で撮像信号を発生する撮像上の一対の撮像素子列からなる検出部面上に導光する。そして、一対の撮像素子列面上に各々の物体像に関する光量分布を形成し、相対的な位置関係から焦点状態を検出する。導光手段は撮像素子上のマイクロレンズにより構成され、一対の撮像素子列はマイクロレンズ毎に設けられた一対の画素から構成されている。また、一対の撮像素子の双方の出力信号の和を撮像信号としている。

特許文献２には、焦点検出のための二次光学系を不要とした撮像装置が開示されている。この撮像装置は、被写体を撮像する撮像センサの一部画素の光学特性を他の画素と異ならせて、その一部画素の出力信号が焦点検出のために用いられる。特許文献２では、撮像センサの画素の一部において、一対の焦点検出用センサが少なくとも一組配置される。

特開平１−２１６３０６号公報 特許第３５９２１４７号

しかしながら、特許文献１では、ＡＦ画素のピッチは通常の画素のピッチに対して１／２であり、高画素化が主流の撮像素子においては通常画素を極力小さくしており、さらに高画素化を図ることは現実的に困難である。また、一対の撮像素子の双方の出力信号の和を撮像信号としているが、一対の画素を加算しても画素内レイアウトが異なる部分があり周辺画素とは感度等が同等ではなく、感度むらによるノイズの原因となる。さらに、測距点は中心に配置されるため、わずかであっても画像として目立ちやすい。

特許文献２の撮像装置では、遮光部材がアルミ配線で形成されているため、この遮光部材からの反射光を抑制しない場合、周辺画素に影響してフレア又は感度むらを生じる可能性がある。またＡＦ用画素は、画像として用いることができないため、その部分の画像を周辺画素から補間する必要があり、空間周波数が高い被写体ではモアレが発生しやすい。

そこで本発明は、焦点検出画素の感度むらやフレアを効果的に抑制した撮像装置を提供する。

本発明の一側面としての撮像装置は、撮像光学系からの光束により形成された像を光電変換する第１及び第２の撮像画素と、該撮像光学系からの光束のうち分割された光束を遮光する遮光部材を設けた第１及び第２の焦点検出画素とを有する撮像素子と、前記第１及び第２の撮像画素の出力信号から前記第１及び第２の焦点検出画素の出力信号をそれぞれ減算して第１及び第２の焦点検出信号を得る信号抽出手段と、前記第１及び前記第２の焦点検出信号の相関演算を行うことにより前記撮像光学系のデフォーカス量を算出する焦点検出手段とを有する。

本発明の他の側面としての信号処理装置は、撮像光学系からの光束により形成された像を光電変換する第１及び第２の撮像画素と、該撮像光学系からの光束のうち分割された光束を遮光する遮光部材を設けた第１及び第２の焦点検出画素とを有する撮像素子を備えた撮像装置に用いられる信号処理装置であって、前記第１及び第２の撮像画素の出力信号から前記第１及び第２の焦点検出画素の出力信号をそれぞれ減算して第１及び第２の焦点検出信号を得る信号抽出手段と、前記第１及び前記第２の焦点検出信号の相関演算を行うことにより前記撮像光学系のデフォーカス量を算出する焦点検出手段とを有する。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。

本発明によれば、焦点検出画素の感度むらやフレアを効果的に抑制した撮像装置を提供することができる。

本実施例における撮像素子の画素配列の一例である。 本実施例における焦点検出画素の構造図である。 本実施例における撮像装置の全体構成を示すブロック図である。 本実施例におけるＡＦ信号抽出方法のフローチャートである。 本実施例における撮像装置の各信号の出力であり、（ａ）デフォーカス状態、（ｂ）フォーカス状態を示している。 本実施例におけるゲイン補正方法のフローチャートである。

以下、本発明の実施例について、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、重複する説明は省略する。

まず、本発明の実施例における撮像装置の概略について説明する。図３は、本実施例における撮像装置の全体構成を示すブロック図である。図３に示されるように、撮像装置１００は、被写体を結像するレンズ１０１（撮像光学系）、レンズ１０１の焦点位置を制御するレンズ制御部１０２、及び、光線Ｌの入射光量を調節する絞り１０３を備える。

また、撮像装置１００は、ＣＭＯＳ又はＣＣＤから構成される撮像素子１０４を有する。撮像素子１０４は、ＲＧＢの各カラーフィルタがその受光面上に設けられており、撮像用の像信号の取得に用いられる画素から構成される撮像画素群１０５を備える。撮像画素群１０５は、レンズ１０１からの光束により形成された像を光電変換する複数の撮像画素（第１及び第２の撮像画素）を備えて構成される。

また、撮像素子１０４は、複数の焦点検出領域に存在して焦点検出に用いられる焦点検出画素群１０６（複数組の焦点検出センサ）を有する。焦点検出画素群１０６は、その光学構成が互いに光軸対称に構成された一対の焦点検出画素（第１及び第２の焦点検出画素）を複数備えて構成される。この一対の焦点検出画素には、レンズ１０１からの光束のうち分割された光束を遮光する遮光部材５０３、６０３がそれぞれ設けられている。

さらに、撮像素子１０４は、焦点検出画素群１０６の一対の焦点検出画素に対して、瞳を対称に分割してレンズ１０１からの光線Ｌ（光束）が入射するように光線Ｌを制限する瞳分割光学系１０７を備える。

図１は、本実施例における撮像素子１０４の画素配列（カラーフィルタの配列）の一例である。図１に示されるように、この画素配列は、基本的にベイヤー配列である。Ｒ、Ｇ、Ｂは、それぞれ、赤、緑、青の各色を表している。なお、本実施例の画素配列はこれに限定されるものではなく、ベイヤー配列以外の画素配列を用いてもよい。図１において、画素配列の行はＬ１〜Ｌ１０で示され、画素配列の列はＣ１〜Ｃ１８で示されている。また、焦点検出用の互いに異なる瞳の画素（第１及び第２の焦点検出画素）は、それぞれＳ１、Ｓ２で示されている。画素Ｓ１（第１の焦点検出画素）は行Ｌ４の偶数列に配置され、画素Ｓ２（第２の焦点検出画素）は行Ｌ５の奇数列に配置されている。上述のとおり、複数の画素Ｓ１、Ｓ２により、焦点検出画素群１０６が構成される。

焦点検出画素群１０６（画素Ｓ１、Ｓ２）のカラーフィルタは同色にする必要があり、画素配列がベイヤー配列の場合、感度が高いＧ（緑）が望ましい。Ｇ（緑）のカラーフィルタを用いれば、カラーフィルタ（画素Ｓ１、Ｓ２）をより近接した場所に配置することができる。また、本実施例において、遮光部材５０３、６０３の面積は、それぞれ、各撮像画素の１／２未満の面積となっている。

また、撮像装置１００は、遮光部材により遮光された各々の瞳から光束に相当する像信号（焦点検出信号）を得るＡＦ信号抽出部１０９（信号抽出手段）を有する。ＡＦ信号抽出部１０９は、焦点検出画素群１０６の一対の焦点検出画素（画素Ｓ１、Ｓ２）、及び、近接する撮像画素群１０５の少なくとも一つの撮像画素の出力信号に基づいて、上述の像信号を得る。さらに、撮像装置１００は、ＡＦ信号抽出部１０９で得られた像信号を用いて像ずれ量（デフォーカス量）を相関演算にて算出し、焦点を検出する焦点検出部１０８（焦点検出手段）を有する。

次に、本実施例のＡＦ信号抽出部１０９によるＡＦ信号抽出方法について、図４のフローチャートを参照して説明する。カメラ制御部１１５からのＡＦ命令により撮像装置１００のＡＦ制御が開始されると、ＡＦ信号抽出部１０９は、ステップＳ１において、撮像素子１０４に所定量の光が蓄積された後、撮像素子１０４から信号を取り込む。

続いて、ＡＦ信号抽出部１０９は、ステップＳ２において、画素Ｓ１（第１の焦点検出画素）の像信号と、その近傍の撮像画素（第１の撮像画素）から得られた画像信号との差を算出して、焦点検出信号Ｓ１’を得る。同様にＡＦ信号抽出部１０９は、ステップＳ３において、画素Ｓ２（第２の焦点検出画素）の像信号と、その近傍の撮像画素（第２の撮像画素）から得られた画像信号との差を算出して、焦点検出信号Ｓ２’を得る。このように、ＡＦ信号抽出部１０９は、第１及び第２の撮像画素の出力信号から第１及び第２の焦点検出画素（画素Ｓ１、Ｓ２）の出力信号をそれぞれ減算して、第１及び第２の焦点検出信号Ｓ１’、Ｓ２’を得る。

次に焦点検出部１０８は、ステップＳ４において、焦点検出信号Ｓ１’、Ｓ２’の周知の相関演算を行うことにより、レンズ１０１のデフォーカス量を検出する。また、レンズ制御部１０２は、ステップＳ５において、焦点検出部１０８により検出されたデフォーカス量に基づいて、レンズ１０１のフォーカス駆動を行う。以上のステップにより、撮像装置１００のＡＦ制御は終了する。

次に、図２を参照して、本実施例における焦点検出画素（画素Ｓ１、Ｓ２）の構成について説明する。図２（ａ）は画素Ｓ１（第１の焦点検出画素）の断面図であり、図２（ｂ）は画素Ｓ２（第２の焦点検出画素）の断面図である。図２（ａ）に示されるように、画素Ｓ１の最上部には、マイクロレンズ５０１が設けられている。５０２は、マイクロレンズ５０１を形成するための平面を構成するための平滑層である。また、５０３は、画素Ｓ１の光電変換領域の中心から一方に偏って（偏心して）配置された遮光部材（遮光層）である。５０４は光電変換素子である。

画素Ｓ２についても画素Ｓ１と同様、図２（ｂ）に示されるように、マイクロレンズ６０１、平滑層６０２、遮光部材６０３（遮光層）、及び、光電変換素子６０４が設けられている。画素Ｓ２の構造が図２（ａ）に示される画素Ｓ１の構造と異なる点は、遮光部材６０３が、遮光部材５０３に対して、光軸中心を挟み対称の位置に設けられている点である。画素Ｓ１、Ｓ２では、各々の遮光部材５０３、６０３により光束が制限される。

次に、図５（ａ）を参照して、デフォーカス状態における撮像装置１００における各信号の出力について説明する。被写体は、図５（ａ）の上部における３本の白い縦線で示されている。画素Ｓ１、Ｓ２近傍の撮像画素（近傍通常画素）の出力は、デフォーカス状態にあるため、３本の像が各々ぼけて広がっている。このとき、画素Ｓ１、Ｓ２の出力（Ｓ１光束、Ｓ２光束）は、それぞれ図５（ａ）の下部に示されるようになっている。

本実施例の遮光層（遮光部材５０３、６０３）は、特許文献２に示される遮光層を反転させた構造を有する。このため、焦点検出に必要な焦点検出信号Ｓ１’、Ｓ２’は、近傍通常画素の出力信号から画素Ｓ１、Ｓ２の出力信号を減算することにより得られる。すなわち、図４のフローチャートを用いて説明したＡＦ信号抽出方法では、図５（ａ）中のＳ１光束反転とＳ２光束反転の両信号を求めたことになる。

また撮像装置１００は、図３に示されるように、焦点検出画素群１０６（画素Ｓ１、Ｓ２）の出力信号のゲインを補正する画素ゲイン補正部１１０（ゲイン補正手段）を有する。このように、画素ゲイン補正部１１０は、焦点検出画素群１０６の出力信号の感度補正を行い、感度補正後の信号を画像信号として出力する。

次に、図６のフローチャートを参照して、画素ゲイン補正部１１０により実行されるゲイン補正について説明する。画素ゲイン補正部１１０は、まずステップＳ１１において、焦点検出画素群１０６（画素Ｓ１、Ｓ２）の近傍の撮像画素から得られた画像信号（ＡＦ近傍画像信号）の平均値Ａを求める。次に画素ゲイン補正部１１０は、ステップＳ１２において、焦点検出画素群１０６（画素Ｓ１）の像信号（Ｓ１像信号）の平均値ＡＳ１を求める。同様に、ステップＳ１３において、焦点検出画素群１０６（画素Ｓ２）の像信号（Ｓ２像信号）の平均値ＡＳ２を求める。

続いて画素ゲイン補正部１１０は、ステップＳ１４において、画素Ｓ１の出力信号（Ｓ１像信号）をＡ倍してＡＳ１で割ることにより、画素Ｓ１のゲイン補正を行って画像信号を得る。同様に、ステップＳ１５において、画素Ｓ２の出力信号（Ｓ２像信号）をＡ倍してＡＳ２で割ることにより、画素Ｓ２のゲイン補正を行って画像信号を得る。

従来のような焦点検出のための瞳を制限した撮像素子では、デフォーカス状態において、隣接する撮像画素の出力信号は、近傍通常画素信号に比較してシャープであり、異なる瞳の二つの像信号は互いに位相が異なっている。このため、テレビ受像機の電波ゴーストのような画像になってしまう。一方、本実施例では、瞳の部分（面積が比較的小さい部分）を遮光して出力信号を反転させる。このため、本実施例における焦点検出画素は、撮像画素により得られる信号の大部分を得ることができる。したがって、図５（ａ）に示されるＳ１光束及びＳ２光束（第１及び第２の焦点検出画素の出力信号）は近傍通常画素信号に類似し、ゴーストの発生を抑制することができる。また、本実施例によれば、画素補間を行う場合に比べて、モアレの発生を抑制することができる。

図５（ｂ）は、フォーカス状態における撮像装置１００の各信号の出力を示したものである。フォーカス状態においては、第１及び第２の焦点検出画素（画素Ｓ１、Ｓ２）は、近傍通常画素により得られる信号の大部分を得ることができる。このため、第１及び第２の焦点検出用画素の出力（Ｓ１光束、Ｓ２光束）において、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。

撮像装置１００は、図３に示されるように、撮像画素群１０５から出力される像信号にガンマ補正、ホワイトバランス調整、リサンプリング、及び、所定の画像圧縮符号化を行う画像処理部１１１を有する。また撮像装置１００は、画像処理部１１１から出力された画像データを表示する表示部１１２、及び、この画像データを記録する記録部１１３を有する。さらに撮像装置１００は、操作者の操作入力を受け付ける操作部１１４、及び、撮像装置１００の全体を制御するカメラ制御部１１５を有する。なお、撮像装置１００において、焦点検出部１０８やＡＦ信号抽出部１０９等の各信号制御部は、例えば一つ又は複数の半導体素子からなる信号処理装置として構成することもできる。

本実施例の撮像装置によれば、焦点検出画素に設けられる遮光部材の面積が小さいため、焦点検出画素の周辺の感度むらやフレアを抑制することができる。また、焦点検出画素は、近傍の撮像画素により得られる信号の大部分を得ることができる。このため、焦点検出画素の出力信号のゲイン補正を行うことにより、焦点検出画素の出力信号を画像信号として用いることが可能である。その結果、高周波の被写体の場合でもモアレの発生が抑制される。

以上、本発明の実施例について具体的に説明した。ただし、本発明は上記実施例として記載された事項に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内で適宜変更が可能である。

１００ 撮像装置
１０４ 撮像素子
１０５ 撮像画素群
１０６ 焦点検出画素群
１０８ 焦点検出部
１０９ ＡＦ信号抽出部
５０３、６０３ 遮光部材

Claims (4)

1. 撮像光学系からの光束により形成された像を光電変換する第１及び第２の撮像画素と、該撮像光学系からの光束のうち分割された光束を遮光する遮光部材を設けた第１及び第２の焦点検出画素とを有する撮像素子と、
   前記第１及び第２の撮像画素の出力信号から前記第１及び第２の焦点検出画素の出力信号をそれぞれ減算して第１及び第２の焦点検出信号を得る信号抽出手段と、
   前記第１及び前記第２の焦点検出信号の相関演算を行うことにより前記撮像光学系のデフォーカス量を検出する焦点検出手段と、を有することを特徴とする撮像装置。
2. 前記第１及び前記第２の焦点検出画素の出力信号のゲインを補正するゲイン補正手段を更に有し、
   前記ゲイン補正手段は、前記第１及び第２の撮像画素の出力信号の平均値である第１の値と、複数の前記第１の焦点検出画素の出力信号の平均値である第２の値と、複数の前記第２の焦点検出画素の出力信号の平均値である第３の値と、を求め、
   前記第１の値、前記第２の値、および前記第３の値に基づいて、前記第１及び前記第２の焦点検出画素の出力信号のゲインを補正して画像信号を得ることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 前記遮光部材の面積は、前記第１及び第２の撮像画素のそれぞれの面積の１／２未満であることを特徴とする請求項１又は２記載の撮像装置。
4. 撮像光学系からの光束により形成された像を光電変換する第１及び第２の撮像画素と、該撮像光学系からの光束のうち分割された光束を遮光する遮光部材を設けた第１及び第２の焦点検出画素とを有する撮像素子を備えた撮像装置に用いられる信号処理装置であって、
   前記第１及び第２の撮像画素の出力信号から前記第１及び第２の焦点検出画素の出力信号をそれぞれ減算して第１及び第２の焦点検出信号を得る信号抽出手段と、
   前記第１及び前記第２の焦点検出信号の相関演算を行うことにより前記撮像光学系のデフォーカス量を検出する焦点検出手段と、を有することを特徴とする信号処理装置。