JP5886781B2 - 焦点検出装置、焦点検出方法およびプログラム、並びに撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、撮像装置のオートフォーカス機能のための焦点検出装置に関し、特に撮像面に焦点検出用の画素を有する撮像素子からの画像信号を用いて位相差方式の焦点検出を行う焦点検出装置およびそれを備えた撮像装置に関する。
従来、撮像装置における焦点検出として、撮像素子の画素に撮像レンズの異なる瞳面を通過した光を受光するための構成をとることによって、撮像と同時に位相差方式の焦点検出を行う技術がある。
例えば、特許文献1では、1つのマイクロレンズと射出瞳を分割するための複数の光電変換部で構成される画素をもつ撮像素子で得られる、異なる射出瞳を通過した光を光電変換した複数の画像信号を用いて焦点検出を行っている。その際、焦点検出演算領域を分割し、各々の分割領域の画像信号から求めた相関波形を加算することにより焦点検出領域の大きさを調節し、被写体に適した焦点検出を行っている。
特開2010−091991号公報
しかしながら、上述の特許文献に記載されている技術では、画像のより広範囲の焦点検出を行おうとする場合、焦点検出演算領域自体を大きくする必要がある。これにより処理するデータ量が多くなり演算に必要な回路規模が増大してしまう。こうした場合、最終的な合焦までに時間がかかってしまうといった問題もある。
そこで、本発明の目的は、焦点検出演算領域を大きくすることなく1フレームの画像で広範囲の焦点検出を行い、焦点調整において合焦までの時間を短縮することを可能にした焦点検出装置および撮像装置を提供することである。
上記目的を達成するために、本発明の焦点検出装置は、影光学系によって形成された被写体の光学像を撮像手段で撮影することによって得られた被写体の画像データを取得する画像データ取得手段と、撮影光学系の焦点検出モードの設定情報を取得するモード情報取得手段と、撮像手段の画素アレイ領域に設定する焦点検出領域を、焦点検出モードに従って、所定の領域を複数の分割領域に分割し、複数の分割領域を設定する設定手段と、設定された焦点検出領域の前記画像データを用いて、焦点検出情報を生成する生成手段と、焦点検出情報に基づいて、撮影光学系の駆動信号を生成する駆動信号生成手段とを備え、前記撮像手段は、垂直方向と水平方向とを有し、垂直方向に並んでいる行のうち選択された行ごとに前記画像データが読み出され、マイクロレンズに対して複数の光電変換部が前記水平方向に並んでおり、前記分割領域は、前記垂直方向よりも前記水平方向に長く、前記焦点検出モードは、第1のモードと第2のモードとを有し、前記第2のモードでは、前記複数の分割領域の各々が前記垂直方向に互いに離され、前記第2のモードから前記第1のモードへの移行後は、前記複数の分割領域の各々は、前記垂直方向に互いに近づき、且つ、前記複数の分割領域の各々の中で前記水平方向に分割される。
本発明によれば、焦点検出演算領域を大きくすることなく1フレームの画像で広範囲の焦点検出を行い、焦点調整において合焦までの時間を短縮することを可能にした焦点検出装置および撮像装置を提供することができる。
本発明の第1の実施例に係る焦点検出装置を適用した撮像装置の構成を示す図である。 本発明の第1の実施例に係る撮像装置で使用される撮像素子の構成を示す図である。 位相差方式の焦点検出の概念を示す図である。 本発明の第1の実施例に係る焦点検出装置のAF演算部の構成を示す図である。 位相差方式における焦点検出の概念を示す図である。 本発明の第1の実施例に係る焦点検出装置のAF演算部の動作を説明するための図である。 本発明の第1の実施例に係る撮像装置の動作のフローチャートを示す図である。 本発明の第1の実施例に係る焦点検出装置のAF演算部の動作を説明するための図である。 本発明の第2の実施例に係る焦点検出装置を適用した撮像装置の構成を示す図である。 本発明の第2の実施例に係る撮像装置が備える撮像素子の構成を示す図である。 本発明の第2の実施例に係る撮像装置の保持方向の例を示す図である。 本発明の第2の実施例に係る撮像装置が備える撮像素子の構成を示す図である。 本発明の第2の実施例に係る撮像装置の動作のフローチャートを示す図である。 本発明の第2の実施例に係る焦点検出装置のAF演算部の動作を説明するための図である。
以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
図1は、本発明の第1の実施例に係る焦点検出装置を適用した撮像装置の構成を示すブロック図である。同図において、100は、撮影光学系で形成された被写体の光学像を電気信号に光電変換する撮像素子である。撮像素子100は後述するCPU103等によって制御され、静止画または動画を撮影する。101は、撮像素子100から出力されたアナログ画像信号に対して、ゲイン調整や所定の量子化ビットに対応してデジタル変換を行うアナログフロントエンド(以下、これをAFEと称する)である。102は、撮像素子100及びAFE101の駆動タイミングを制御するタイミングジェネレータ(以下、これをTGと称する)である。本実施例では、撮像素子100の外部にAFE101、TG102を配置しているが、それらは撮像素子に内蔵される構成であってもかまわない。
106はRAMである。RAMは、AFE101でデジタル変換された画像データや、後述の画像処理部108で処理された画像データを記憶する画像データ記憶手段の機能と、後述のCPU103が動作を行う際のワークメモリの機能を兼備する。なお、本実施例では、これらの機能を、RAM106を用いて行うようにしているが、アクセス速度が十分に速くて動作上問題のないレベルのメモリであれば、他のメモリを適用することも可能である。107は、CPU103が各部の動作を制御するためにロードして実行するプログラムを格納するROMである。ここで、本実施例では、Flash−ROMを示すが、これは一例であり、アクセス速度が十分に速くて動作上問題のないレベルのメモリであれば、他のメモリを適用することも可能である。
103は、撮像装置を統括的に制御する制御部としてのCPUである。上述のように、撮像素子の各部を制御するためのプログラムを実行する。108は、撮影された静止画または動画の補正・圧縮等の処理を行う画像処理部である。また、後述するA像データとB像データの加算機能や、静止画像、動画像の生成機能を備える。
109は、焦点検出のために、撮像素子100から出力される画素信号の演算を行うAF演算部である。110は、静止画データ及び動画データを記録するための、着脱可能なフラッシュメモリである。本実施例では、記録媒体としてフラッシュメモリを適用しているが、その他のデータ書き込み可能な不揮発メモリ、ハードディスク等でもよい。また、これらの記録媒体を内蔵した形態でもよい。104は、撮影命令や撮影条件等の設定をCPU103に対して行う操作部である。105は、撮影した静止画像や動画像およびメニュー等の表示を行う表示部である。
116は、撮影光学系(共通光学系)の先端に配置された第1レンズ群で、光軸方向に進退可能に保持される。117は絞りで、その開口径を調節することで撮影時の光量を調節する。118は第2レンズ群である。そして、前記絞り117及び第2レンズ群118は一体となって光軸方向に進退し、前記第1レンズ群116の進退動作との連動により、変倍作用(ズーム機能)を実現する。119は第3レンズ群で、光軸方向の進退により、撮影光学系の焦点を調節する。
111は、静止画撮影時に露光秒時を調節するフォーカルプレーンシャッタである。本実施例では、フォーカルプレーンシャッタにて撮像素子100の露光秒時を調節する構成であるが、これに限られるものではなく、撮像素子100が電子シャッタ機能を有し、制御パルスで露光秒時を調節する構成であってもよい。112は、光学系の焦点位置を変更する焦点位置変更手段であるフォーカス駆動回路で、AF演算部109の焦点検出結果に基づいてフォーカスアクチュエータ114を駆動し、第3レンズ群119を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行なう。113は絞り駆動回路で、絞りアクチュエータ115を駆動して絞り117の開口を制御する。AF演算部109、フォーカス駆動回路112、CPU103は、本実施例に係る焦点検出装置を構成する。
次に撮像素子100の構成を、図2を参照して説明する。図2(a)は、撮像素子100の構成を示す。図2(a)において、撮像素子は、画素が二次元に配列された画素アレイ100aと、画素アレイ100aの画素の行を選択する垂直選択回路100d、画素アレイ100aの画素の列を選択する水平選択回路100cを持つ。また、撮像素子100はさらに、画素アレイ100aの画素のうち、垂直選択回路100d及び水平選択回路100cによって選択される画素の信号を読み出すための読み出し回路100bを備える。垂直選択回路100dは、画素アレイ100aの行を選択し、CPU103から出力される水平同期信号に基づいたTG102から出力される読出しパルスを、選択行において有効にする。読出し回路100bは列毎に設けられたアンプやメモリを有し、選択行の画素信号を、アンプを介してメモリに格納する。メモリに格納された1行分の画素信号は、水平選択回路100cによって列方向に順に選択され、アンプ100eを介して外部に出力される。この動作を行数分繰り返し、全ての画素の信号を外部に出力する。
撮像素子100の画素アレイ100aを図2(b)に示す。図2(b)において、100fはマイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズである。100g、100hは光電変換を行う光電変換手段としてのフォトダイオード(PD)であり、後述するA像用光電変換部、B像用光電変換部を構成する。各画素は、PD2つに対して1つのマイクロレンズ100fが上部に配置される構成となっている。すなわち、焦点検出用画素は、1つのマイクロレンズに対して複数の光電変換部を備える。マイクロレンズ100fを共有している撮像領域を1画素とした場合、画素アレイ領域には、この画素が水平方向にh画素、垂直方向にv画素並んで配置されている。PD100gとPD100hで蓄積された信号は、前述した読出し動作によって別々に外部に出力される。PD100gとPD100hは、後述する瞳分割構成により、互いに位相差を持った別々の像が入射されるため、ここではPD100gをA像用光電変換部、PD100hをB像用光電変換部とする。なお、本実施例では、マイクロレンズ1つに対してPDが2つ配置される構成であるが、これに限られるものではない。マイクロレンズ1つに対してPDが上下または左右に複数配置される構成であっても本発明を適用することができる。
次に撮像素子100のA像用光電変換部とB像用光電変換部が出力する画素信号から生成される画像データについて図3を用いて説明する。なお、同図において図2と同じ部分は同じ符号を付して示す。
図3(a)と図3(b)は、撮像素子100におけるピント状態と位相差との関係を示す。同図において、300aは画素アレイ100aの断面を示す。100fは前述したマイクロレンズ、100g、100hはそれぞれA像用光電変換部、B像用光電変換部である。330は、図1に示す第1レンズ群116、第2レンズ群118、第3レンズ群119を合わせて1つのレンズとして考えたときの、撮影レンズである。被写体310から発せられた光は、光軸320を中心として、撮影レンズ330の各領域を通過し、撮像素子に結像される。ここでは射出瞳と撮影レンズの中心ないし重心は同一としている。この様な構成によれば、撮像光学系をA像用光電変換部から見た場合とB像用光電変換部から見た場合とで、撮像光学系の瞳が中心に関して対称に分割されたことと等価となる。言い換えれば、撮像光学系からの光束が2つの光束にいわゆる瞳分割される。
そして、それぞれの分割光束(第1の光束及び第2の光束)が、瞳分割された光束をそれぞれ受光するための第1の光電変換部と第2の光電変換部であるA像用光電変換部100g及びB像用光電変換部100hに入射する。第1の光束は、射出瞳の第1の領域を通って瞳分割された光束であり、第2の光束は、射出瞳の第1の領域からずれた第2の領域を通って瞳分割された光束である。こうして、被写体310上の特定点からの光束は、光束ΦLaと光束ΦLbとに分割される。前者は、A像用光電変換部100g(A)に対応する分割瞳を通って該A像用光電変換部100g(A)に入射する光束であり、後者は、B像用光電変換部100h(B)に対応する分割瞳を通って該B像用光電変換部100h(B)に入射する光束である。
これら2つの光束は、被写体310上の同一点から入射しているため、撮像光学系のピントが合った状態では、図3(a)に示すように、同一のマイクロレンズを通過して撮像素子上の1点に到達する。したがって、A像用光電変換部100gとB像用光電変換部100hでそれぞれ得られる像信号は互いに一致する。しかし、図3(b)に示すように、Yだけピントがずれている状態では、光束ΦLa、ΦLbのマイクロレンズへの入射角の変化分だけ両光束ΦLa、ΦLbの到達位置が互いにずれる。したがって、A像用光電変換部100gとB像用光電変換部100hからそれぞれ得られる像信号には位相差が生じている。A像用光電変換部100g及びB像用光電変換部100hにより、位相差を持った2つの被写体像が光電変換されて、別々に外部へ出力さる(A像信号及びB像信号)。それらの信号はAFE101でデジタル変換され、それぞれA像データとB像データとして後述するAF動作に使用される。
なお、本実施例では、1つのマイクロレンズに対して複数の光電変換部を有し、瞳分割する構成を示したが、この限りではない。焦点検出用画素の構成は、マイクロレンズ下に1つのPDを持ち、遮光層により左右または上下を遮光することで瞳分割を行う構成でもよい(第1の画素および第2の画素)。また、離散的に配置された焦点検出用画素からのA像信号及びB像信号を取得する構成でもよい。
次に、図4を用いて、本実施例の焦点検出装置を構成するAF演算部109の構成について説明する。図4はAF演算部109の構成を示す図である。
同図において、400は、入力されるA像データとB像データ(第1の画像データ、第2の画像データ)の相関値を算出する相関演算回路である。410は相関演算回路に画像データに対して相関値を演算する演算領域を指定する信号を出力する、領域指定回路である。420は相関演算回路400にて算出された相関値を基に、第3レンズ群119の駆動距離を算出する駆動距離算出回路である。430は、RAM106に出力するデータを、相関演算回路400からのデータと駆動距離算出回路420からのデータから選択するセレクタである。
ここで、AF演算部109の動作について説明する。A像データとB像データがAF演算部109に入力されると、領域指定回路410に入力される。A像データとB像データは、同じ画素位置の信号が同時に入力される。領域指定回路410内では、入力されたA像データまたはB像データをカウントし、入力された画像データが構成する1フレームの画像における水平または垂直位置を算出する。焦点検出領域(以下、AF領域)は予めCPU103によって設定されていて、算出された水平位置と垂直位置がこの設定された領域内である時に領域指定回路410は相関演算回路400に対して、水平領域信号と垂直領域信号をアクティブ(High)にする。相関演算回路400では、この水平領域信号と垂直領域信号がHighになっている時のA像データとB像データに対して相関演算を行う。また、CPU103が領域指定回路410に対して行う設定により、AF領域は複数の分割領域に分割される。この設定に基づき、領域指定回路410は入力されたA像データとB像データがどの分割領域内のデータに相当するかを示す領域番号を相関演算回路400に対して出力する。相関演算回路400では、この領域番号を参照し、分割領域毎に相関演算を行う。
本実施例の撮像装置では、AF機能の焦点検出モード(以下AFモード)として通常モードとサーチモード(第1のモードと第2のモード)を具備する。通常モードではAF領域は所定数の領域に分割される。一方サーチモードではAF領域は所定数の領域に分割され、かつ分割領域は垂直方向に分離される。この構成により、サーチモード時は通常モード時より、焦点検出演算領域を大きくすることなく、1フレームの画像のより広い範囲に対して焦点検出を行うことができる。
相関演算回路400では、A像データとB像データの相関値を算出する。相関値の算出構成を図5および図6を用いて説明する。
図5(a)は、ピントがあった図3(a)の場合における1行のA像データとB像データである。横軸は、水平画素位置を表し、縦軸はデータのレベルを表す。ピントがあっている場合はA像データとB像データは一致する。図5(b)は、ピントがあっていない図3(b)の場合の1行のA像データとB像データである。このときは、A像データとB像データは前述した状態によって位相差を持ち、水平画素位置のずれとしてずれ量Xを有する。相関演算回路400では、領域指定回路410にて指定された分割領域毎のA像データを図6(a)に示す様に水平方向にシフト移動させる。ここでは、A像データを左にシフトする場合のシフト量をマイナス、A像データを右にシフトする場合のシフト量をプラスとし、−S〜S画素のシフト移動を行う。各シフト時に、対応するA像データとB像データを比較し、値が小さい方のデータを水平方向に加算したものを1行分の相関値として算出する。A像データとB像データの被写体像の位置関係が図3(b)の場合、図6(b)に示す様にシフト量がXになった時に相関値が最大となる。同一の分割領域内の各行の相関値は、同一シフト量毎に加算され、1つの分割領域のシフト量毎の相関値(相関データ)として算出される。この時、セレクタ430はa側(相関データ)が選択され、相関演算回路400で算出された分割領域毎の相関データはRAM106へ出力される。
駆動距離算出時は、RAM106に格納される相関演算回路400で算出された各分割領域の相関データが駆動距離算出回路420に入力される。駆動距離算出回路では、各分割領域の相関データにおける相関値の極大値になるシフト量(像ずれ量)を算出する。算出された各分割領域の像ずれ量を比較し、最も像ずれ量が小さい分割領域の像ずれ量からピントのずれ量Yを算出する。Yから所定の計算に基づき第3レンズ群119の駆動距離を算出する。この時、セレクタ430はb側(駆動距離情報)が選択され、駆動距離算出回路420で算出された駆動距離情報はRAM106へ出力される。
本実施例では、各分割領域のうち最も像ずれ量が小さい値を採用したが、この限りではない。同じ領域の画像解析結果の適用等、分割領域を選択する方法であればよい。
次に、本実施例における撮像装置の動作を図7のフローチャートを用いて説明する。先ず、操作部104に含まれる動画撮影スイッチが押下されると、動画撮影を開始する。動画撮影が開始されると撮像素子100、AFE101、TG102に電源が投入され、CPU103は動画撮影設定をする。設定後、CPU103から出力される同期信号に基づいてTG102は撮像素子100に読出しパルスを出力し、撮像素子100は所定のフレームレートでの読出し動作を開始する。なお、本実施例では動画像の電荷蓄積・読出し動作はスリットローリング動作による電子シャッタ機能を使用して行われるが、これに限られるものではない。
撮像素子100から出力されたA像信号とB像信号は、AFE101にてデジタル変換され、A像データとB像データとしてRAM106へ転送される。その後、画像処理部108に転送され、同一のマイクロレンズ下にある2つのPDに対応するA像データとB像データを画素毎に加算する。これにより動画フレームの画像データを作成する。その後、補正処理、圧縮等を行い、表示部105に動画データを表示する(ライブビュー)。撮影前に、表示部105に表示されたメニューと操作部104を使用して動画記録が選択されている場合には、動画はフラッシュメモリ110に順次記録される。
ステップS700にて、CPU103は、操作部104に含まれるAFスイッチが押下されたかどうか判断する。AFスイッチが押下されたと判断すると、ステップS701に進める。
ステップS701では、CPU103は、設定されているAFモードを、その設定情報を取得して(モード情報取得)判断する。撮影前に表示部105に表示されたメニューと操作部104を使用して(モード設定手段)AFモードがサーチモードに選択されている場合には、ステップS702へ進む。
ステップS702では、サーチモードでAFを行うためのAF領域設定を行う。CPU103は領域指定回路410に対し、図8(a)に示す様に、AF領域を分割し、かつ垂直方向(第2の方向)に分離して配置する設定を行う。それぞれの領域をA00〜A40とする。本実施例では、撮像素子100の水平方向(第1の方向)に分離されたPD100gとPD100hを用いて瞳分割されるため、瞳分割の方向も撮像素子100の水平方向になる。この時、前述した位相差検出方法によると、A像データとB像データは水平方向にシフトさせて像ずれ量(焦点検出情報)を検出する。像を左右にシフトさせるので、領域の左右にシフトさせる分のデータを保持しなければならない。よって領域を水平方向に分離すると、分離した領域それぞれの左右にシフトする分のデータが必要になり、データ保持領域やデータの処理が増大してしまう。よって水平方向には分離せずに垂直方向に分離する。また、分割、分離構成についても図8(a)に限られるものではなく、1フレームの画像で広い範囲での焦点を行うための他の分割、配置構成としてもよい。AF領域の分割領域および分離位置は適宜予めCPU103等に設定しておいてもよいし、操作部104の操作を介して変更、設定できるようにしてもよい。
その後ステップS703にて、撮影によってA像データとB像データがAF演算部109に入力されると(画像データ取得)、駆動距離情報の生成が行われる。まず、領域指定回路410は画像データ(A像データ・B像データ)に対し、図8(a)に示すタイミングで水平領域信号と垂直領域信号、またA00〜A40を識別する領域番号を出力する。次いで、相関演算回路400は入力される水平領域信号、垂直領域信号、領域番号に基づき、A00〜A40の各相関データを算出し、RAM106に格納する。各相関データは駆動距離算出回路420に入力され、駆動距離情報が出力され、RAM106に格納される。ここで、駆動距離情報として使用された領域は、A20であるとする。
ステップS704にて、CPU103はRAM106に格納される駆動距離情報をフォーカス駆動回路112に転送する。フォーカス駆動回路112は駆動距離情報に基づいてフォーカスアクチュエータ114の駆動信号を生成し(駆動信号生成手段)、第3レンズ群119を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行う。
その後、ステップS705では通常モードでAFを行うためのAF領域設定を行う。CPU103は領域指定回路410に対し、サーチモードで使用された、図8(a)のA20を含む領域として、図8(b)に示す様に、所定の領域を割所定の領域を分割し、各分割領域が互いに隣接して配置されている。このように、AF領域を分割する設定を行う。それぞれの分割領域をB00〜B44とする。この場合のAF領域の設定位置は、サーチモードで駆動距離情報として使用された領域の位置に従って設定される。また、分割構成をもステップS701で通常モードが選択されていた場合の設定とは異なる構成としてもよい。
その後ステップS706にて、撮影によってA像データとB像データがAF演算部109に入力されると、駆動距離情報の生成が行われる。まず、領域指定回路410が画像データ(A像データ・B像データ)に対し、図8(b)に示すタイミングで水平領域信号と垂直領域信号、またB00〜B44を識別する領域番号を出力する。すると、相関演算回路400は入力される水平領域信号、垂直領域信号、領域番号に基づき、B00〜B44の各相関データを算出し、RAM106に格納する。各相関データは駆動距離算出回路420に入力され、駆動距離情報が出力され、RAM106に格納される。ここで、駆動距離情報として使用された領域は、B22であるとする。
次にステップS707では、CPU103はRAM106に格納される駆動距離情報と所定の値を比較し、所定の値より駆動距離が小さい場合には合焦していると判断し、ステップS708へと進む。合焦していないと判断した場合には、ステップS704に戻り、駆動距離情報に基づき焦点調節がなされ、その後は前述したステップS705からS707までの通常モードでの焦点検出動作を繰り返す。
ステップS708では、CPU103が、操作部104に含まれる静止画撮影スイッチが押下されたか否かを判断する。静止画撮影スイッチが押下された場合にはステップS709にて、動画撮影を中断し、静止画撮影を行う。その後、動画撮影を再開し、ステップS710に進む。静止画スイッチが押下されない場合にはステップS710に進む。
ステップS710では、CPU103が、前述した動画撮影スイッチが押下されたか否かを判断し、押下された場合には、動画撮影を終了する。動画撮影スイッチが押下されていない場合にはステップS700へと戻り、AFスイッチの押下を判断する。
ステップS701にて通常モードが設定されていた場合には、ステップS705に進む。ステップS705では、CPU103等に予め設定されたAF領域の位置で前述した通常モードの設定がなされる。その後の処理は前述した動作と同様のため、説明を省略する。
上記動作により、AF動作においてサーチモードの時にAF領域を分離することができ、1フレーム分の画像でより広範囲に及ぶ複数のAF検出領域について同時に焦点検出を行うことが可能となる。これにより画面全体の中でAFを行う領域を探す場合に、少ないフレーム数で探すことができ、最終的な合焦までの時間を短縮することができる。
次に、図9乃至図14を参照して、本発明の第2の実施形態に係る焦点検出装置を適用した撮像装置の構成について説明する。なお、これらの図において、図1乃至8と同様の部分は同じ符号を付して示す。
図9は、本発明の実施形態に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。
同図において、900は、光学像を電気信号に変換する本実施例に係わる撮像素子である。101〜119は第1の実施例で述べた101〜119と同じであるため、説明を省略する。920は、光軸方向に垂直な面内での撮像装置の回転方向を検出する、方向検出部である。
次に撮像素子900について説明する。なお、撮像素子900の構成は、図2(a)に示した第1の実施例で記載した撮像素子100の構成と同様である。ここでは、第1の実施例と異なる画素構造について説明する。
撮像素子900の画素アレイを図10に示す。図10において、900fはマイクロレンズであり、900g、900h、900i、900jは光電変換を行うフォトダイオード(PD)である。各画素は、4つのPDに対して1つのマイクロレンズ900fが上部に配置される構成となっている。すなわち、本実施例の焦点検出用画素は、第1の実施例と同様に、1つのマイクロレンズに対して複数の光電変換部を備える。マイクロレンズ900fが共有されている領域を1画素とした場合、この画素が水平方向にh画素、垂直方向にv画素並んで配置される。PD900g、PD900h、PD900i、PD900jで蓄積された信号は、一部加算されて第1の実施例と同様の読出し動作によって外部に出力される。
PD900g、PD900h、PD900i、PD900jは、光軸に垂直な面内での撮像素子900の回転方向に依存して、第1の実施例で説明した瞳分割構成に従って位相差を持った別の像が入射される。本実施例ではこの複数のPDで光電変換された信号を加算して、A像信号とB像信号に相当する信号を生成する。ここではPD900gをLU像用光電変換部、PD900hをRU像用光電変換部、PD900iをLD像用光電変換部、PD900jをRD像用光電変換部とする。なお、本実施例ではマイクロレンズ1つに対してPDが4つ配置される構成としているが、これに限定されるものではなく、さらに多数のPDの配列であってもよい。
図11(a)に示す様に、撮像装置を横(水平)に構えて保持した場合は、画素アレイがh画素並ぶ撮像素子900の長辺方向が光軸方向に直交するXY面内のX軸と平行であるとする。この場合、CPU103による撮像素子900への設定に基づき、図12(a)に斜線部で示す、LU像用光電変換部であるPD900gとLD像用光電変換部であるPD900iの画像信号が加算され、A像信号として出力される。また、図12(a)に斜線部で示さない、RU像用光電変換部であるPD900hとRD像用光電変換部であるPD900jの画像信号が加算され、B像信号として出力される。他方、図11(b)に示す様に、撮像装置を縦(垂直)の構えで保持した場合は、画素アレイがh画素並ぶ撮像素子900の辺の方向が光軸方向に直交するXY面内のY軸と平行であるとする。この場合、CPU103による撮像素子900への設定に基づき、図12(b)に斜線部で示す、LU像用光電変換部であるPD900gとRU像用光電変換部であるPD900hの画像信号が加算され、A像信号として出力される。また、図12(b)に斜線部で示さない、LD像用光電変換部であるPD900iとRD像用光電変換部であるPD900jの画像信号が加算され、B像信号として出力される。このように、撮像素子900の向きによって加算するPDを変更してA像信号またはB像信号を生成することにより、瞳分割の方向を一定(ここでは水平方向)にすることができ、同一被写体に対するAFの性能を同じにすることができる。
なお、本実施例では撮像素子900内で光電変換部からの画像信号を加算する構成にしたが、この限りではない。撮像素子900からは全ての光電変換部の画像信号を出力し、撮像素子900の外部で画像信号またはデジタル変換された画像データを加算する構成としてもよい。
この様にして生成されたA像信号とB像信号は、第1の実施例と同様の構成により相関演算に使用される。AF演算部109の構成は、第1の実施例と同様であり、従って、第1の実施例と同様の動作を行うため、ここでの説明は省略する。
次に、本実施例に係る撮像装置の動作を、図13のフローチャートを用いて説明する。先ず、操作部104に含まれる動画撮影スイッチが押下されると、ステップS1311で撮像装置の保持方向を判断する(保持情報取得)。CPU103は、方向検出部920から出力される保持方向の情報に基づいて、図11(a)に示す様に横構えと判断した場合、ステップS1312へ進む。ステップS1312では、判断された撮像装置の保持方向に従って、同一画素内のPD信号の加算設定を行う。ここでは横構えと判断されたので、CPU103は撮像素子900に対して、図12(a)に示すPD900gとPD900iを加算する設定を行う。この加算による信号がA像信号となる。また、PD900hとPD900jを加算する設定を行う。この加算による信号がB像信号となる。加算設定後、動画撮影を開始する。動画撮影が開始されると撮像素子900、AFE101、TG102に電源が投入され、CPU103は動画撮影設定をする。設定後、CPU103から出力される同期信号に基づいてTG102は撮像素子900に読出しパルスを出力し、撮像素子900は所定のフレームレートでの読出し動作を開始する。なお、本実施例では動画像の電荷蓄積・読出し動作はスリットローリング動作による電子シャッタ機能を使用して行われるが、第1の実施例と同様に、これに限定されるものではない。
撮像素子900から出力されたA像信号とB像信号は、AFE101にてデジタル変換され、A像データとB像データとしてRAM106へ転送される。その後、画像処理部108に転送され、同一のマイクロレンズ下にあるPDに対応するA像データとB像データを画素毎に加算する。これにより動画のフレームデータを作成する。その後、補正処理、圧縮等を行い、表示部105に動画データを表示する(ライブビュー)。撮影前に、表示部105に表示されたメニューと操作部104を使用して動画記録が選択されている場合には、動画データはフラッシュメモリ110に順次記録される。その後ステップS700へ進む。
また、ステップS1311で図11(b)に示す縦構えと判断した場合、ステップS1313へ進む。ステップS1313では、同一画素内のPD信号の加算設定を行う。ここでは縦構えと判断されたので、CPU103は撮像素子900に対して、図12(b)に示すPD900gとPD900hを加算する設定を行う。この加算による信号がA像信号となる。また、PD900iとPD900jを加算する設定を行う。この加算による信号がB像信号となる。加算設定後、動画撮影を開始する。動画撮影からステップS700にいたる動作は、ステップS1312について説明した動作と同様であるので、ここでの説明は省略する。
ステップS700にて、CPU103は、操作部204に含まれるAFスイッチが押下されたかどうか判断する。AFスイッチが押下されたと判断すると、ステップS701へ進む。
ステップS701では、設定されているAFモードを判断する。撮影前に表示部105に表示されたメニューと操作部104を使用してAFモードがサーチモードに選択されている場合には、ステップS1314へ進む。
ステップS1314では、撮像装置の保持方向を判断する。CPU103は、方向検出部920から出力される保持方向の情報に基づいて図11(a)に示す横構えと判断した場合、ステップS702へ進む。
この後の本実施例におけるステップS702〜S709は、第1の実施例におけるステップS702〜S709と同様であるので、ここでの説明は省略する。
ステップS710では、CPU103は、前述した動画撮影スイッチが押下されたか否かを判断し、押下された場合には、動画撮影を終了する。動画撮影スイッチが押下されていない場合にはステップS1311へと戻り、撮像素子の保持方向を判断する。
ステップS1314にて、CPU103が方向検出部920から出力される方向情報に基づいて図11(b)に示す縦構えと判断した場合、ステップS1315へ進む。
ステップS1315では、サーチモードでAFを行うためのAF領域設定を行う。CPU103は領域指定回路410に対し、図14(a)に示す様に、AF領域を分割し、かつ撮像素子900の水平(横)方向に分離した設定を行う。それぞれの領域をC00〜C04とする。ここでは、撮像素子900のPD900gとPD900hを加算した信号をA像信号、PD900iとPD900jを加算した信号をB像信号として瞳分割されるため、瞳分割の方向も撮像素子900の垂直(縦)方向になる。このように、撮像素子の保持方向が図11(b)の構えの場合は、画素アレイ領域の長手方向と短手方向とAF領域の分割、分離方向との対応関係は、図11(a)の構えの時の対応関係(図8)から変更される。これにより、瞳分割の方向を一定(ここでは水平方向)にすることができ、同一被写体に対するAFの性能を同じにすることができる。この時、前述した位相差検出方法によると、A像データとB像データは撮像素子の垂直方向にシフトさせて像ずれ量を検出する。像を上下にシフトさせるので、領域の上下にシフトさせる分のデータを保持しなければならない。よって領域を垂直方向に分離すると、分離した領域それぞれの上下にシフトする分のデータが必要になり、データ保持領域やデータの処理が増大してしまう。よって垂直方向には分離せずに水平方向に分離する。
その後ステップS1316にて、撮影によってA像データとB像データがAF演算部109に入力されると、駆動距離情報の生成が行われる。まず、領域指定回路410は画像データ(A像データ・B像データ)に対し、図14(a)に示すタイミングで水平領域信号と垂直領域信号、またC00〜C04を識別する領域番号を出力する。次いで、相関演算回路400は入力される水平領域信号、垂直領域信号、領域番号に基づき、C00〜C04の各相関データを算出し、RAM106に格納する。各相関データは駆動距離算出回路420に入力され、駆動距離情報が出力され、RAM106に格納される。ここで、駆動距離情報として使用された領域は、C02であるとする。
ステップS704にて、CPU103はRAM106に格納される駆動距離情報をフォーカス駆動回路112に転送する。フォーカス駆動回路112は駆動距離情報に基づいてフォーカスアクチュエータ114を駆動制御し、第3レンズ群119を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行う。
その後、ステップS705では通常モードでAFを行うためのAF領域設定を行う。CPU103は領域指定回路410に対し、サーチモードで使用された、図14(a)のC02を含む領域として、図14(b)に示す様に、AF領域を分割する設定を行う。それぞれの領域をD00〜D44とする。この場合のAF領域の設定位置は、サーチモードで駆動距離情報として使用された領域の位置に従って設定される。また、分割構成もステップS701で通常モードが選択されていた場合の設定とは異なる構成としてもよい。
その後ステップS706にて、撮影によってA像データとB像データがAF演算部109に入力されると、駆動距離情報の生成が行われる。まず、領域指定回路410は画像データ(A像データ・B像データ)に対し、図14(b)に示すタイミングで水平領域信号と垂直領域信号、またD00〜D44を識別する領域番号を出力する。次いで、相関演算回路400は入力される水平領域信号、垂直領域信号、領域番号に基づき、D00〜D44の各相関データを算出し、RAM106に格納する。各相関データは駆動距離算出回路420に入力され、駆動距離情報が出力され、RAM106に格納される。ここで、駆動距離情報として使用された領域は、D22であるとする。
次にステップS707では、CPU103はRAM106に格納される駆動距離情報と所定の値を比較し、所定の値より駆動距離が小さい場合には合焦していると判断し、ステップS708へと進む。合焦していないと判断した場合には、ステップS704に戻り、駆動距離情報に基づき焦点調整がなされ、その後は前述したステップS705からS707までの動作を繰り返す。
その後ステップS708〜S709の動作は実施例1で述べたステップS708〜S709の動作と同様であり、ステップS270は、前述した動作と同様である。
上記動作により、サーチモード時のAF動作において瞳分割の方向に応じてAF領域の分離方向を変更することができ、撮像装置の保持方向に係らず1フレーム分の画像でより広範囲について同時に焦点検出を行うことができる。これにより画面全体の中でAFを行う領域を探す場合に、少ないフレーム数で探すことができ、最終的な合焦までの時間を短縮することができる。
上述した実施形態において図7および図13に示した各処理は、各処理の機能を実現する為のプログラムをメモリから読み出してCPU103が実行することによりその機能を実現させるものである。
尚、上述した構成に限定されるものではなく、図7および図13に示した各処理の全部または一部の機能を、専用のハードウェアにより実現してもよい。また、上述したメモリは、光磁気ディスク装置、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリや、CD−ROM等の読み出しのみが可能な記憶媒体、RAM以外の揮発性のメモリであってもよい。また、それらの組合せによるコンピュータ読み取り、書き込み可能な記憶媒体より構成されてもよい。
また、図7および図13に示した各処理の機能を実現する為のプログラムをコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記録して、この記憶媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより各処理を行っても良い。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。具体的には、記憶媒体から読み出されたプログラムが、コンピュータに挿入された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書きこまれる。その後、そのプログラムの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるCPUなどが実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって前述した実施形態の機能が実現される場合も含む。
また、「コンピュータ読み取り可能な記憶媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記憶媒体」とは、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。例えば、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発メモリ(RAM)も含む。
また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク(通信網)や電話回線等の通信回線(通信線)のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現する為のものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムに既に記録されているプログラムとの組合せで実現できるもの、いわゆる差分ファイル(差分プログラム)であっても良い。
また、上記のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体等のプログラムプロダクトも本発明の実施形態として適用することができる。上記のプログラム、記録媒体、伝送媒体およびプログラムプロダクトは、本発明の範疇に含まれる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

Claims (16)

  1. 影光学系によって形成された被写体の光学像を撮像手段で撮影することによって得られた前記被写体の画像データを取得する画像データ取得手段と、
    前記撮影光学系の焦点検出モードの設定情報を取得するモード情報取得手段と、
    前記撮像手段の画素アレイ領域に設定する焦点検出領域を、前記焦点検出モードに従って、所定の領域を複数の分割領域に分割し、前記複数の分割領域を設定する設定手段と、
    前記設定された焦点検出領域の前記画像データを用いて、焦点検出情報を生成する生成手段と、
    前記焦点検出情報に基づいて、前記撮影光学系の駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、
    を備え
    前記撮像手段は、垂直方向と水平方向とを有し、垂直方向に並んでいる行のうち選択された行ごとに前記画像データが読み出され、マイクロレンズに対して複数の光電変換部が前記水平方向に並んでおり、
    前記分割領域は、前記垂直方向よりも前記水平方向に長く、
    前記焦点検出モードは、第1のモードと第2のモードとを有し、
    前記第2のモードでは、前記複数の分割領域の各々が前記垂直方向に互いに離され、
    前記第2のモードから前記第1のモードへの移行後は、前記複数の分割領域の各々は、前記垂直方向に互いに近づき、且つ、前記複数の分割領域の各々の中で前記水平方向に分割されることを特徴とする焦点検出装置。
  2. 前記撮像手段は、前記マイクロレンズを含む瞳分割手段を有することを特徴とする請求項1に記載の焦点検出装置。
  3. 前記撮像手段の保持方向の情報を取得する保持情報取得手段をさらに備え、前記設定手段は、前記保持方向に従って、前記水平方向と前記垂直方向と前記画素アレイ領域の互いに直交する辺との対応関係を変更することを特徴とする請求項2に記載の焦点検出装置。
  4. 前記画像データは、前記撮影光学系の異なる射出瞳を通過した前記被写体の複数の光学像を前記撮像手段で撮像して得られた第1の画像データと第2の画像データを含み、前記生成手段は、各分割領域の第1の画像データと第2の画像データとの相関値を演算し、前記駆動信号生成手段は、前記相関値に基づいて前記複数の分割領域のいずれかを選択し、前記選択した分割領域の相関値に基づいて前記駆動信号を生成することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の焦点検出装置。
  5. 前記第2のモードにおいて、前記設定手段は、前記駆動手段が前記選択した分割領域の相関値に基づいて前記駆動信号を生成したときは、前記所定の領域を前記選択した分割領域を含むように設定して前記第1のモードに従った焦点検出領域の設定を行い、前記生成手段および駆動信号生成手段は、前記第1のモードに従って設定された焦点検出領域に対して相関値の生成および駆動信号の生成を行なうことを特徴とする請求項4に記載の焦点検出装置。
  6. 記撮影光学系の一部である瞳分割手段を有し、前記瞳分割手段で得られた前記撮影光学系の異なる射出瞳を通過した前記被写体の各光学像に対応する画像データを出力する撮像手段と、
    前記撮影光学系の焦点検出モードを設定するモード設定手段と、
    前記焦点検出モードに従って焦点検出を行う請求項1乃至5のいずれか一項に記載の焦点検出装置と、
    前記駆動信号生成手段が生成した前記駆動信号に従って、前記撮影光学系を駆動する駆動手段と
    を備えることを特徴とする撮像装置。
  7. 前記モード設定手段は、焦点検出モードとして前記第1のモードと第2のモードを設定し、前記モード情報取得手段は、前記モード設定手段の設定情報を取得することを特徴とする請求項6に記載の撮像装置。
  8. 前記撮像装置の保持方向を検出する検出手段をさらに備え、前記保持情報取得手段は、前記検出手段が検出した保持方向の情報を取得することを特徴とする請求項6又は7に記載の撮像装置。
  9. 前記瞳分割手段は、複数のマイクロレンズを二次元に配列したマイクロレンズアレイであり、前記撮像手段は、前記画素アレイ領域に二次元に配列された複数の画素を有し、各画素は、各マイクロレンズに対して分割された複数の光電変換手段を含み、前記複数の光電変換手段は、前記撮影光学系の射出瞳の第1の領域を通って瞳分割された光束を受光するための第1の光電変換部と、第1の領域からずれた第2の領域を通って瞳分割された光束を受光するための第2の光電変換部とを構成することを特徴とする請求項6乃至8のいずれか一項に記載の撮像装置。
  10. 前記第1の光電変換部を構成する光電変換手段の画素信号を加算して前記第1の画像データを生成し、前記第2の光電変換部を構成する光電変換手段の画素信号を加算して前記第2の画像データを生成する画像処理手段をさらに備え、前記画像処理手段は、前記検出手段で検出された保持方向に従って、各光電変換部を構成する前記光電変換手段を変更することを特徴とする請求項9に記載の撮像装置。
  11. 前記瞳分割手段は、複数のマイクロレンズを二次元に配列したマイクロレンズアレイであり、前記撮像手段は、前記画素アレイ領域に二次元に配列された複数の画素を有し、前記複数の画素は、前記撮像光学系の射出瞳の第1の領域を通って瞳分割された光束のみを受光するための第1の光電変換手段を含む第1の画素と、前記射出瞳の第1の領域からずれた第2の領域を通って瞳分割された光束のみを受光するための第2の光電変換手段を含む第2の画素を含むことを特徴とする請求項6乃至8のいずれか一項に記載の撮像装置。
  12. 影光学系によって形成された被写体の光学像を撮像手段で撮影することによって得られた前記被写体の画像データを用いた焦点検出方法において、
    前記画像データを取得する画像データ取得ステップと、
    前記撮影光学系の焦点検出モードの設定情報を取得するモード情報取得ステップと、
    前記撮像手段の画素アレイ領域に設定する焦点検出領域を、前記焦点検出モードに従って、所定の領域を複数の分割領域に分割し、前記複数の分割領域を設定する設定ステップと、
    前記設定された焦点検出領域の前記画像データを用いて、焦点検出情報を生成する生成ステップと、
    前記焦点検出情報に基づいて、前記撮影光学系の駆動信号を生成する駆動信号生成ステップと、
    を備え
    前記撮像手段は、垂直方向と水平方向とを有し、垂直方向に並んでいる行のうち選択された行ごとに前記画像データが読み出され、マイクロレンズに対して複数の光電変換部が前記水平方向に並んでおり、
    前記分割領域は、前記垂直方向よりも前記水平方向に長く、
    前記焦点検出モードは、第1のモードと第2のモードとを有し、
    前記第2のモードでは、前記複数の分割領域の各々が前記垂直方向に互いに離され、
    前記第2のモードから前記第1のモードへの移行後は、前記複数の分割領域の各々は、前記垂直方向に互いに近づき、且つ、前記複数の分割領域の各々の中で前記水平方向に分割されることを特徴とする焦点検出方法。
  13. 影光学系によって形成された被写体の光学像を撮像手段で撮影することによって得られた前記被写体の画像データを使用して焦点調節を行う焦点検出装置を制御するためのプログラムであり、
    コンピュータを、
    前記画像データを取得する画像データ取得手段、
    前記撮影光学系の焦点検出モードの設定情報を取得するモード情報取得手段、
    前記撮像手段の画素アレイ領域に設定する焦点検出領域を、前記焦点検出モードに従って、所定の領域を複数の分割領域に分割し、前記複数の分割領域を設定する設定手段、
    前記設定された焦点検出領域の前記画像データを用いて、焦点検出情報を生成する生成手段、
    前記焦点検出情報に基づいて、前記撮影光学系の駆動信号を生成する駆動手段、
    として機能させ
    前記撮像手段は、垂直方向と水平方向とを有し、垂直方向に並んでいる行のうち選択された行ごとに前記画像データが読み出され、マイクロレンズに対して複数の光電変換部が前記水平方向に並んでおり、
    前記分割領域は、前記垂直方向よりも前記水平方向に長く、
    前記焦点検出モードは、第1のモードと第2のモードとを有し、
    前記第2のモードでは、前記複数の分割領域の各々が前記垂直方向に互いに離され、
    前記第2のモードから前記第1のモードへの移行後は、前記複数の分割領域の各々は、前記垂直方向に互いに近づき、且つ、前記複数の分割領域の各々の中で前記水平方向に分割されることを特徴とするプログラム。
  14. 請求項13のプログラムを記録したコンピュータが読み取り可能な記憶媒体。
  15. コンピュータを、請求項1乃至5のいずれか一項に記載された焦点検出装置の各手段として機能させるプログラム。
  16. コンピュータを、請求項1乃至5のいずれか一項に記載された焦点検出装置の各手段として機能させるプログラムを格納した記憶媒体。
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