JP5929021B2 - 焦点検出装置、撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は焦点検出装置およびその焦点検出装置を備えた撮像装置に関する。

二つの撮像素子を有する撮像装置が従来から知られている（たとえば、特許文献１）。特許文献１に記載の撮像素子における二つの撮像素子には複数の撮像画素が二次元状に配置されており、それら複数の撮像画素の間に焦点検出画素が直線状に配置されている。各撮像素子の焦点検出画素は、結像光学系による画面上において互いに異なる位置に対応する位置に配置されている。二つの撮像素子は互いに焦点検出画素部分の画像情報の欠損を補間することができる。また、二つの撮像素子を用いて結像光学系の焦点調節を行う場合、焦点検出画素は、片方の撮像素子では水平方向に配置され、他方では垂直方向に配置される。

特開２００８−１７７９０３号公報

位相差検出方式やコントラスト検出方式によるオートフォーカス処理にあっては、撮像素子上の隣接した二つの画素からの出力信号に基づいてデフォーカス量やコントラスト評価値などの各種算出処理が行われる。このとき、各種算出処理の処理対象である２画素が隣接する方向と、撮像素子上の各画素から信号を読み出す走査方向とが異なる場合がある。たとえば、２画素が撮像素子の垂直方向に並んでいるときに、走査方向が撮像素子の水平方向であることがある。

各種算出処理等を行う場合、撮像素子から読み出した出力信号に関する情報は、メモリ等の記憶装置に記憶される。走査方向が水平方向の撮像素子において垂直方向に並んだ２画素から読み出した信号に基づいて各種算出処理を行う場合、処理に用いる２画素に関する情報がメモリ等において連続して記憶されないため、各種算出処理等におけるメモリ等の制御が煩雑となる。

請求項１に記載の焦点検出装置は、二次元状に配置された複数の撮像画素と、複数の撮像画素の間に第１方向に配列された複数の焦点検出画素とを有し、結像光学系を介して入射した第１の光束を受光する第１の撮像素子と、二次元状に配置された複数の撮像画素と、複数の撮像画素の間に第２方向に配列された複数の焦点検出画素とを有し、結像光学系を介して入射した第２の光束を受光する第２の撮像素子と、第１の撮像素子から第１方向に信号を読み出す第１の読出部と、第２の撮像素子から第２方向に信号を読み出す第２の読出部と、第１の読出部が第１の撮像素子の焦点検出画素から読み出した信号と第２の読出部が第２の撮像素子の焦点検出画素から読み出した信号とに基づいて、結像光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出部と、を備え、第１の撮像素子では複数の焦点検出画素が第１の光束による第１の撮像素子上の被写体像に対して所定の方向に配列され、第２の撮像素子では複数の焦点検出画素が第２の光束による第２の撮像素子上の被写体像に対して所定の方向と直交する方向に配列される。
請求項２に記載の焦点検出装置は、結像光学系を介して入射した第１の光束を受光し、複数の撮像画素が二次元状に配置された第１の撮像素子と、結像光学系を介して入射した第２の光束を受光し、複数の撮像画素が二次元状に配置された第２の撮像素子と、第１の撮像素子を第１方向に走査して信号を読み出す第１の読出部と、第２の撮像素子を第２方向に走査して信号を読み出す第２の読出部と、第１の読出部によって読み出された信号のうち第１の撮像素子の第１方向に配列された複数の撮像画素からの信号と、第２の読出部によって読み出された信号のうち第２の撮像素子の第２方向に配列された複数の撮像画素からの信号とに基づいて、結像光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出部と、を備え、第１方向は第１の光束による第１の撮像素子上の被写体像を所定方向に走査する方向であり、第２方向は第２の光束による第２の撮像素子上の被写体像を所定方向と交差する方向に走査する方向である。
請求項３に記載の焦点検出装置は、結像光学系を介して入射した第１の光束を受光する第１の撮像素子と、結像光学系を介して入射した第２の光束を受光する第２の撮像素子と、第１の撮像素子を第１方向に走査して信号を読み出す第１の読出部と、第２の撮像素子を第２方向に走査して信号を読み出す第２の読出部と、第１方向は第１の光束による第１の撮像素子上の被写体像を所定方向に走査する方向であり、第２方向は第２の光束による第２の撮像素子上の被写体像を所定方向と交差する方向に走査する方向である。
請求項７に記載の撮像装置は、請求項１から６のいずれか一項に記載の焦点検出装置を備える。

二つの撮像素子を有し、各撮像素子に対して焦点検出処理における各種算出処理における２画素の並び方向が焦点検出信号の読み出し方向と一致するため、記憶された焦点検出信号に基づいて速やかに各種算出処理を実行することができ、メモリの制御が容易となる。

本発明の一実施形態による撮像装置の断面図の一例である。 第１撮像素子の正面図の一例である。 撮像画素の正面図の一例である。 焦点検出画素の正面図の一例である。 撮像画素の色フィルターの分光感度を示す図である。 焦点検出用画素の分光感度を示す図である。 第２撮像素子の正面図の一例である。 撮像画面と焦点検出エリアの一例を示す図である。 焦点検出処理に関するフローチャートの一例である。

図１は、本発明の一実施態様による撮像装置について、その構成を例示するブロック図である。図１に示す撮像装置１は、一眼レフカメラであって、レンズ鏡筒１００とカメラボディ２００とを備える。レンズ鏡筒１００は、カメラボディ２００に交換可能に装着されている。

レンズ鏡筒１００の内部には、複数の撮影レンズ２ａ〜２ｃを含む結像光学系２と、レンズ駆動モータ８と、絞り部材９とが設けられている。撮影レンズ２ｂは、レンズ駆動モータ８により駆動される焦点調節レンズである。

カメラボディ２００の内部には、ハーフミラー３と、第１撮像素子４と、第２撮像素子５と、ＭＣＵ（マイクロコントローラユニット）６と、電子ビューファインダ７とを備える。

ハーフミラー３は、レンズ鏡筒１００の結像光学系２を通過した結像光束を分割し、第１撮像素子４と第２撮像素子５とに結像光束を導く。

第１撮像素子４および第２撮像素子５は、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなどから構成される。第１撮像素子４および第２撮像素子５は、それぞれ撮像画素と、位相差検出方式によるオートフォーカス用の焦点検出画素とを有する。

図２は、位相差検出方式による焦点検出画素を有する第１撮像素子４の平面図である。図２（ａ）に示すように第１撮像素子４には、焦点検出画素が第１方向４４に沿って配置された焦点検出画素列４１が複数設けられている。

図２（ｂ）は、焦点検出画素列４１周辺の拡大図である。焦点検出画素列４１には、一対の焦点検出画素４２ａおよび４２ｂが直線状に交互に配列されている。また、焦点検出画素列４１の上下には、緑画素４３ａ、赤画素４３ｂ、青画素４３ｃという３種類の撮像画素４３がベイヤ配列で二次元状に配置されている。

図３は撮像画素４３の一構成を示す正面図である。図３に示すように、撮像画素４３はマイクロレンズ４３０、光電変換部４３１、不図示の色フィルタから構成される。色フィルタは、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）、青（Ｂ）の３種類からなり、それぞれの分光感度は図５に示す特性となっている。図２（ｂ）の緑画素４３ａは緑（Ｇ）の色フィルタを有し、赤画素４３ｂは赤（Ｒ）の色フィルタを有し、青画素４３ｃは青（Ｂ）の色フィルタを有する。

図４は焦点検出画素４２ａ、４２ｂの構成を示す正面図である。図４（ａ）に示すように焦点検出画素４２ａは、マイクロレンズ４３０と光電変換部４２１ａから構成される。また、図４（ｂ）に示すように焦点検出画素４２ｂは、マイクロレンズ４３０と光電変換部４２１ｂから構成される。焦点検出画素４２ａおよび焦点検出画素４２ｂには、光量損失を防ぐために色フィルタは配置されておらず、その分光特性は光電変換を行うフォトダイオードの分光感度と赤外カットフィルタ（不図示）の分光特性を総合した分光特性（図６参照）、すなわち図５に示す緑画素、赤画素、および青画素の分光特性を加算したような分光特性となり、その感度の光波長領域は緑画素、赤画素、および青画素の感度の光波長領域を包括している。

図７は、位相差検出方式による焦点検出画素を有する第２撮像素子５の平面図である。図７（ａ）に示すように第２撮像素子５には、焦点検出画素が第２方向５４に沿って配置された焦点検出画素列５１が複数設けられている。

図７（ｂ）は、焦点検出画素列５１周辺の拡大図である。焦点検出画素列５１には、一対の焦点検出画素５２ａおよび５２ｂが直線状に交互に配列されている。また、焦点検出画素列５１の左右には、緑画素５３ａ、赤画素５３ｂ、青画素５３ｃという３種類の撮像画素５３がベイヤ配列で二次元状に配置されている。焦点検出画素５２ａおよび５２ｂは、焦点検出画素４２ａおよび４２ｂを９０度回転した構成となる。焦点検出画素５２ａは、焦点検出画素４２ａと同一の電気特性を有し、焦点検出画素５２ｂは、焦点検出画素４２ｂと同一の電気特性を有する。撮像画素５３は、撮像画素４３と同一の構成で、その電気的特性も同一である。

第１撮像素子の第１方向に配列されている画素（撮像画素および焦点検出画素）の個数と第２撮像素子の第２方向に直交する方向に配列されている画素の個数とは同数である。また、第１撮像素子の第１方向に直交する方向に配列されている画素の個数と第２撮像素子の第２方向に直交する方向に配列されている画素の個数とは同数である。

撮像画素４３、５３の光電変換部４３１は、マイクロレンズ４３０により所定の絞り開口径（たとえば、Ｆ１．０）の光束をすべて受光するような形状に設計される。一方、焦点検出画素の一対の光電変換部４２１ａ、４２１ｂは、マイクロレンズ４３０により所定の絞り開口径（たとえば、Ｆ２．８）の光束をすべて受光するような形状に設計される。

第１撮像素子４の撮像画素４３により撮像された被写体像は、電子ビューファインダ７を介して観察可能である。図８は、電子ビューファインダ７上に表示される撮像画面の一例を示すである。図８（ａ）には、電子ビューファインダ７上の撮像画面７０に被写体像７１が表示されている。撮像画面７０内の被写体像７１において、図２に示した第１撮像素子４の第１方向４４は、被写体像７１の水平方向７２に対応する。

第２撮像素子５に結像する被写体像も、図８（ａ）に示す被写体像７１と同様である。図７に示した第２撮像素子５の第２方向５４は被写体像７１の垂直方向７３に対応する。したがって、第１撮像素子４の第１方向４４と第２撮像素子５の第２方向５４とは、被写体像７１上において直交関係にある。

図８（ｂ）は、撮像画面７０の平面図である。図８（ｂ）に示すように、撮像画面７０上は、複数の焦点検出エリア７４が設定されている。複数の焦点検出エリア７４は、第１撮像素子４の焦点検出画素列４１と第２撮像素子５の焦点検出画素列５１との交点に対応する位置に設定される。

ＭＣＵ６は、ボディＣＰＵ６ａとメモリ６ｂとを含み、第１撮像素子４の各画素から出力信号を読み出す第１読み出し処理と、第２撮像素子５の各画素から出力信号を読み出す第２読み出し処理と、被写体像を撮像する撮像処理と、結像光学系２の焦点調節状態を検出する焦点検出処理とを含む各種処理を実行する。

第１読み出し処理では、ＭＣＵ６は、第１撮像素子４を第１方向４４と同方向に走査し、各焦点検出素子列４１に含まれる各焦点検出画素４２ａ、４２ｂと、各撮像画素４３とからそれぞれ出力される焦点検出信号や撮像信号を読み出す。読み出された焦点検出信号や撮像信号はメモリ６ｂに記憶される。

また、第２読み出し処理では、ＭＣＵ６は、第２撮像素子５を第２方向５４と同方向に走査し、各焦点検出素子列５１に含まれる各焦点検出画素５２ａ、５２ｂと、各撮像画素５３とからそれぞれ出力される焦点検出信号や撮像信号を読み出す。読み出した焦点検出信号や撮像信号はメモリ６ｂに記憶される。

メモリ６ｂに記憶された焦点検出信号は焦点検出処理で用いられる。一方、メモリ６ｂに記憶された撮像信号は、撮像処理に用いられる。なお、焦点検出エリア７４における撮像画像は、それぞれの周囲の撮像画像により補間される。

焦点検出処理において、ボディＣＰＵ６ａは、第１撮像素子４上で隣り合う焦点検出画素４２ａおよび４２ｂから読み出された焦点検出信号をメモリ６ｂへ記憶したら、それらの焦点検出信号に基づいて公知の方法でデフォーカス量を算出する。また、同様にボディＣＰＵ６ａは、第２撮像素子５上で隣り合う焦点検出画素５２ａおよび５２ｂから読み出された焦点検出信号をメモリ６ｂへ記憶したら、それらの焦点検出信号に基づいて公知の方法でデフォーカス量を算出する。このように、第１撮像素子４および第２撮像素子５から焦点検出信号を読み出す方向がデフォーカス量の算出に必要な焦点検出画素の並び方向と一致しているため、読出し後すぐにデフォーカス量の算出処理が行え、メモリ６ｂの利用効率がよい。

図９は、ボディＣＰＵ６ａが実行する焦点検出処理に関するフローチャートの一例である。不図示の操作部材によりカメラボディ２００の電源がオンされると、ＭＣＵ６のボディＣＰＵ６ａは図９の処理を開始しステップＳ１００の処理を開始する。ステップＳ１００では、ボディＣＰＵ６ａは、第１読み出し処理と第２読み出し処理の実行を開始する。

ステップＳ１１０とステップＳ１１１は、ボディＣＰＵ６ａにより並列処理される。ステップＳ１１０は、第１読み出し処理に関するものであって、ボディＣＰＵ６ａは、第１撮像素子４から撮像信号と焦点検出信号とを読み出す。ステップＳ１１１は、第２読み出し処理に関するものであって、ボディＣＰＵ６ａは、第２撮像素子５から撮像信号と焦点検出信号とを読み出す。

ステップＳ１２０とステップＳ１２１は、ボディＣＰＵ６ａにより並列処理される。ステップＳ１２０は、第１読み出し処理に関するものであって、ボディＣＰＵ６ａは、ステップＳ１１０で読み出した撮像信号および焦点検出信号をメモリ６ｂへ記憶する。ステップＳ１２１は、第２読み出し処理に関するものであって、ボディＣＰＵ６ｂは、ステップＳ１２０で読み出した撮像信号および焦点検出信号をメモリ６ｂへ記憶する。

ステップＳ１３０とステップＳ１３１は、ボディＣＰＵ６ａにより並列処理される。ステップＳ１３０は、第１読み出し処理に関するものであって、ボディＣＰＵ６ａは、ステップＳ１２０でメモリ６ａに記憶した焦点検出信号に基づいてデフォーカス量を算出する。ステップＳ１３１は、第２読み出し処理に関するものであって、ボディＣＰＵ６ａは、ステップＳ１２１でメモリ６ａに記憶した焦点検出信号に基づいてデフォーカス量を算出する。

ステップＳ１４０では、ボディＣＰＵ６ａは、撮像画面７０上のすべての焦点検出エリア７４について、ステップＳ１３０およびステップＳ１３１でデフォーカス量を算出したか否かを判定する。ボディＣＰＵ６ａは、すべての焦点検出エリア７４についてデフォーカス量の演算を行ったらステップＳ１５０へ処理を進め、そうでない場合は次の焦点検出信号を読み出すため、処理をステップＳ１１０およびＳ１１１に戻す。

ステップＳ１５０では、ボディＣＰＵ６ａは、ステップＳ１３０およびステップＳ１３１で算出したすべてのデフォーカス量に基づいて、結像光学系２が焦点調節状態となったか否かを判定する。たとえば、ボディＣＰＵ６ａは、ステップＳ１３０およびステップＳ１３１で算出したすべてのデフォーカス量の平均値を算出し、そのデフォーカス量の平均値が所定値以下か否かを判定する。デフォーカス量の平均値が所定値以下である場合は焦点調節状態にあるものとし、ステップＳ１６０に処理を進める。

ステップＳ１６０では、ボディＣＰＵ６ａは、結像光学系２が焦点調節状態にあると判定されたデフォーカス量をレンズ鏡筒１００側へ送信し、レンズ駆動モータ８を制御させて撮影レンズ２ｂの位置を調節させる。

以上で説明した実施の形態によれば、以下の作用効果が得られる。
撮像装置１は、ハーフミラー３を備え、結像光学系を通過した結像光束を分割し、各分割光束を第１撮像素子４および第２撮像素子５へ導く。第１撮像素子４には、複数の撮像画素４３が二次元状に配置され、複数の撮像画素４３の間には第１方向４４に焦点検出画素４２ａおよび４２ｂが直線状に配列され焦点検出画素列４１を成している。第２撮像素子５には、複数の撮像画素５３が二次元状に配置され、複数の撮像画素５３の間には第２方向５４に焦点検出画素５２ａおよび５２ｂが直線状に配列され焦点検出画素列５１を成している。ＭＣＵ６のボディＣＰＵ６ａは、第１撮像素子４から第１方向４４と同方向に信号を読み出す第１読み出し処理と、第２撮像素子５から第２方向５４と同方向に信号を読み出す第２読み出し処理とを実行する。そして、ボディＣＰＵ６ａは、第１読み出し処理により第１撮像素子４の焦点検出画素列４１から読み出した焦点検出信号と第２読み出し処理により第２撮像素子５の焦点検出画素列５１から読み出した焦点検出信号とに基づいて、結像光学系２の焦点調節状態を検出する（図９のステップＳ１３０、Ｓ１３１、Ｓ１４０、およびＳ１５０）。なお、第１撮像素子４における第１方向４４は、第１撮像素子４上に結像する被写体像の水平方向７２と同方向である。そして、第２撮像素子５における第２方向５４は、第２撮像素子５上に結像する被写体像の水平方向７２とは異なる垂直方向７３と同方向である。このように、焦点検出画素が配列される方向と焦点検出画素から焦点検出信号を読み出す方向とが同方向であるため、読み出された後メモリ６ｂに記憶された後速やかにデフォーカス量の算出に用いることができるため、メモリの制御が容易となる。

以上で説明した実施形態は、以下のように変形して実施できる。
上記の実施形態では、第１撮像素子および第２撮像素子から読み出される信号に基づいて位相差検出方式の焦点検出処理を実行することとしたが、焦点検出処理方法は、位相差検出方式だけに限定しない。たとえば、コントラスト検出方式の焦点検出処理により結像光学系２の焦点調節状態を検出することにしてもよい。すなわち上記の実施形態では、第１撮像素子４は、位相差検出方式の焦点検出素子として利用できるように、二次元状に配列された撮像画素４３の間に焦点検出画素列４１が配列されているものとした。このような第１撮像素子４の代わりに撮像画素４３だけの撮像素子を利用することにしてもよい。また、第２撮像素子５についても同様に、二次元状に配列された撮像画素５３の間に焦点検出画素列５１が配列されているものとしたが、撮像画素５３だけの撮像素子を利用してもよい。

以上で説明した各実施の形態や各種の変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されない。

１ 撮像装置
２ 結像光学系
３ ハーフミラー
４ 第１撮像素子
５ 第２撮像素子
６ 焦点検出素子
７ 電子ビューファインダ
８ レンズ駆動モータ
９ 絞り部材
１００ レンズ鏡筒
２００ カメラボディ

Claims (7)

1. 二次元状に配置された複数の撮像画素と、前記複数の撮像画素の間に第１方向に配列された複数の焦点検出画素とを有し、結像光学系を介して入射した第１の光束を受光する第１の撮像素子と、
   二次元状に配置された複数の撮像画素と、前記複数の撮像画素の間に第２方向に配列された複数の焦点検出画素とを有し、前記結像光学系を介して入射した第２の光束を受光する第２の撮像素子と、
   前記第１の撮像素子から前記第１方向に信号を読み出す第１の読出部と、
   前記第２の撮像素子から前記第２方向に信号を読み出す第２の読出部と、
   前記第１の読出部が前記第１の撮像素子の焦点検出画素から読み出した信号と前記第２の読出部が前記第２の撮像素子の焦点検出画素から読み出した信号とに基づいて、前記結像光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出部と、
   を備え、
   前記第１の撮像素子では前記複数の焦点検出画素が前記第１の光束による前記第１の撮像素子上の被写体像に対して所定の方向に配列され、前記第２の撮像素子では前記複数の焦点検出画素が前記第２の光束による前記第２の撮像素子上の被写体像に対して前記所定の方向と直交する方向に配列される焦点検出装置。
2. 結像光学系を介して入射した第１の光束を受光し、複数の撮像画素が二次元状に配置された第１の撮像素子と、
   前記結像光学系を介して入射した第２の光束を受光し、複数の撮像画素が二次元状に配置された第２の撮像素子と、
   前記第１の撮像素子を第１方向に走査して信号を読み出す第１の読出部と、
   前記第２の撮像素子を第２方向に走査して信号を読み出す第２の読出部と、
   前記第１の読出部によって読み出された信号のうち前記第１の撮像素子の前記第１方向に配列された複数の撮像画素からの信号と、前記第２の読出部によって読み出された信号のうち前記第２の撮像素子の前記第２方向に配列された複数の撮像画素からの信号とに基づいて、前記結像光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出部と、
   を備え、
   前記第１方向は前記第１の光束による前記第１の撮像素子上の被写体像を所定方向に走査する方向であり、前記第２方向は前記第２の光束による前記第２の撮像素子上の被写体像を前記所定方向と交差する方向に走査する方向である焦点検出装置。
3. 結像光学系を介して入射した第１の光束を受光する第１の撮像素子と、
   前記結像光学系を介して入射した第２の光束を受光する第２の撮像素子と、
   前記第１の撮像素子を第１方向に走査して信号を読み出す第１の読出部と、
   前記第２の撮像素子を第２方向に走査して信号を読み出す第２の読出部と、
   前記第１方向は前記第１の光束による前記第１の撮像素子上の被写体像を所定方向に走査する方向であり、前記第２方向は前記第２の光束による前記第２の撮像素子上の被写体像を前記所定方向と交差する方向に走査する方向である焦点検出装置。
4. 請求項２または３に記載の焦点検出装置において、
   前記第１方向と前記第２方向とは、互いに直交する方向である焦点検出装置。
5. 請求項４に記載の焦点検出装置において、
   前記第１の撮像素子において前記第１方向と同方向に配置された画素の個数は、前記第２の撮像素子において前記第２方向に直交する方向に配置された画素の個数と等しく、
   前記第１の撮像素子において前記第１方向に直交する方向に配置された画素の個数は、前記第２の撮像素子の前記第２方向と同方向に配置された画素の個数と等しい焦点検出装置。
6. 請求項４または５に記載の焦点検出装置において、
   前記第１の撮像素子は、前記第２の撮像素子と電気的特性が等しい焦点検出装置。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の焦点検出装置を備える撮像装置。
   

Images