JP5932361B2 - 距離情報検出装置、距離情報検出方法、及びカメラ - Google Patents

Description

本発明は、距離情報検出装置、距離情報検出方法、及びカメラに関し、特にデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラなどに用いられる被写体の距離情報検出装置及び距離情報検出方法に関するものである。

デジタルスチルカメラやビデオカメラにおいて、固体撮像素子の一部あるいは全部の画素に距離検出（焦点検出）機能を有する距離検出画素を配置し、位相差方式で検出するようにした固体撮像素子が提案されている（特許文献１）。
距離検出画素は、複数の光電変換部を備え、撮影レンズの異なる射出瞳領域を通過した光束が、異なる光電変換部に導かれるように構成する。
複数の距離検出画素を用いて、射出瞳の異なる領域を通過した光束による像を検出し（それぞれＡ像、Ｂ像）、Ａ像とＢ像の像ズレ量を測定する。このズレ量と基線長（異なる射出瞳領域の間隔）からデフォーカス量を算出し、距離（焦点位置）を算出できる。
このとき、距離精度は、像ズレ量と基線長を正確に求めることで向上する。これまで、固体撮像素子の感度差やＡ像とＢ像の非対称性を補正して、像ズレ量を正確に求め距離精度を向上させる方法が提案されている（例えば、特許文献２）。

特許第４０２７１１３号公報 特開２０１０−１１７６７９号公報

一方、異なる射出瞳領域の間隔である基線長は、固体撮像素子の距離検出画素の感度、撮影レンズの条件、レンズ枠による光束のけられなどを考慮し設計値をもとに決められている。
しかしながら、基線長は距離検出画素の感度に敏感であるため、固体撮像素子に製造誤差があると、それに伴って基線長誤差が生じ、結果として距離精度が悪化する。
また、金属など完全拡散反射ではなく反射特性に角度依存性が強い被写体は、瞳上での光強度分布が変化するため基線長が設定値と異なる。
それにより、距離精度が悪化する。

本発明は、上記課題に鑑み、位相差方式で被写体の距離情報を検出するに際し、基線長に誤差が生じた場合においても距離精度の向上を図ることが可能となる距離情報検出装置、距離情報検出方法、及びカメラの提供を目的とする。

本発明の距離情報検出装置は、被写体を撮像面上に結像する撮影レンズと、前記撮影レンズの射出瞳の互いに異なる複数の領域を通る光束による像を取得する固体撮像素子と、前記固体撮像素子から得られる信号に基づいて距離情報を算出する演算部とを備えた距離情報検出装置であって、前記演算部は、第１の撮影条件で前記固体撮像素子を用いて第１の信号を取得する処理手段と、前記第１の撮影条件と前記撮影レンズの焦点距離、前記撮影レンズのピント位置又は前記固体撮像素子の位置が異なる第２の撮影条件で前記固体撮像素子を用いて第２の信号を取得する処理手段と、前記第１の信号と前記第２の信号から基線長と距離情報を求める処理手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、位相差方式で被写体の距離情報を検出するに際し、基線長に誤差が生じた場合においても距離精度の向上を図ることが可能となる距離情報検出装置、距離情報検出方法、及びカメラを実現することができる。

本発明の実施形態１における距離情報検出方法を説明する概略構成図。 本発明の実施形態１における距離検出の処理フローチャートを示した図。 本発明の実施形態１における距離情報検出方法を説明する光学配置を示した図。 本発明の実施形態２における距離検出の処理フローチャートを示した図。

以下に、本発明の実施形態における被写体の距離情報検出装置及び距離情報検出方法について説明する。
その際、本発明の距離情報検出方法を適用した撮像装置の一例として、デジタルスチルカメラについて説明するが、本発明はこれに限定するものではない。
また、以下に図を用いて説明する際、全ての図において同一の機能を有するものは同一の数字を付け、その繰り返しの説明は省略する。
[実施形態１]
実施形態１として、本発明の距離情報検出方法を適用したデジタルスチルカメラの例について説明をする。
図１に、本発明の距離情報検出方法に用いられる距離検出装置の構成例を示す。図１において、１００は実施形態１における距離検出装置である。
距離検出装置１００は、撮影レンズ１０１、固体撮像素子１０２、演算部１０３、駆動部１０４、メモリ１０５を備えている。
そして、被写体１０６の距離情報を取得するため、撮影レンズ１０１により、被写体１０６の像を固体撮像素子１０２の撮像面上に結像するように構成されている。
そして、撮影レンズの射出瞳１０７における互いに異なる複数の領域を通る光束による被写体像（Ａ像とＢ像）を、固体撮像素子１０２に配置した距離検出画素により取得する。
そして、後述する距離検出の処理フローに従い、前記固体撮像素子により検出された、前記像の像ズレ量と、前記射出瞳における互いに異なる複数の領域の間隔である基線長との関係から、前記被写体の距離情報を検出する。

つぎに、本実施形態における距離検出の処理フローについて説明する。
ここでは、図２のフローチャートを用い、基線長を未知量として距離を検出する処理フローについて説明する。
まず、ステップ１（Ｓ１）とステップ２（Ｓ２）によって、前記固体撮像素子を用いて、第１の信号として第１の撮影条件で像ズレ量を取得する。
すなわち、ステップ１（Ｓ１）では、第１の撮影条件で被写体のＡ像とＢ像を取得し、信号を演算部１０３に伝送する。
ただし、ここでの撮影条件とは、例えば、撮影レンズの焦点距離、ピント（主点）位置、固体撮像素子の位置などの距離検出の際の撮影状態のことである。
ステップ２（Ｓ２）では、演算部１０３で第１の撮影条件のＡ像とＢ像の像ズレ量を算出する。像ズレ量は、一対のＡ像とＢ像の相関演算によって求め、相関演算は公知のいずれの手法を用いても良い。

次に、ステップ３（Ｓ３）とステップ４（Ｓ４）によって、前記固体撮像素子を用いて、第２の信号として前記第１の撮影条件とは異なる第２の撮影条件で像ズレ量を取得する。
すなわち、ステップ３（Ｓ３）では、駆動部１０４を制御して第２の撮影条件で被写体のＡ像とＢ像を取得する。
その後、Ａ像とＢ像の信号を演算部１０３に伝送する。ただし、第２の撮影条件は、被写体までの距離と基線長が第１の撮影条件と略同じとなるように撮影する。
ステップ４（Ｓ４）では、演算部１０３で第２の撮影条件のＡ像とＢ像の像ズレ量をステップ２と同様に算出する。

最後に、ステップ５（Ｓ５）によって、前記第１及前記第２の信号を取得するステップにおいて取得された、前記第１の信号と前記第２の信号とを用い、前記撮影レンズ、前記固体撮像素子の幾何光学配置から基線長を求め、前記被写体の距離情報を検出する。
すなわち、ステップ５（Ｓ５）では、ステップ１からステップ４の情報に基づいて基線長、デフォーカス量等を算出し、前記被写体の距離情報を検出する。

図３に、簡略化した距離検出装置の光学配置を用いて、算出方法の一例を説明する。
ただし、図３は、被写体１０６が固体撮像素子１０２にデフォーカスした状態の光線１０８を示し、１０９、１１０、１１１、１１２はそれぞれ開口絞り、前側主点、後側主点、結像面である。

このとき、像側の幾何的な光線配置から、以下の式１が得られる。

また、被写体１０６と撮影レンズとからなる結像関係から、以下の式２が得られる。

ただし、ｒは像ズレ量、Ｗは基線長、Ｌは前側主点と被写体間の距離、ｌは後側主点と固体撮像素子間の距離、Δｌはデフォーカス量、ｆは撮影レンズの焦点距離、ｐは射出瞳位置である。
また、結像面１１２が固体撮像素子１０２より後方にあるとき、デフォーカス量Δｌは負の値をとる。
また、ｌ、ｆ、ｐは距離検出装置の撮影条件が決まれば、既知の値であり、未知のパラメータはＷ、Ｌ、Δｌである。
まず、ステップ１の第１の撮影条件では、式１と式２より、以下の式３と式４が得られる。

このとき、未知のパラメータは３つ（Ｗ１、Ｌ１、Δｌ１）である。
続いて同様に、第２の撮影条件では、式１と式２より以下の式５と式６が得られる。

このとき、未知のパラメータは３つ（Ｗ２、Ｌ２、Δｌ２）となる。
また、第１の撮影条件と第２の撮影条件において、前側主点から被写体までの距離Ｌと基線長Ｗは一定の条件のもとで撮影するので、以下の式７と式８を満たす。

以上の式７と式８を式３から式６の４式に代入すると、未知のパラメータは４つ（Ｗ、Ｌ、Δｌ１、Δｌ２）となり、未知のパラメータを一意に解くことができる。よって、基線長、前側主点と被写体間の距離、第１と第２の撮影条件のデフォーカス量を算出することができる。

以上の処理フローを用いることで基線長を未知の値として、基線長及び被写体までの距離を求めることができる。
よって、固体撮像素子の製造誤差や被写体依存に因る基線長の誤差が生じた場合においても、基線長を正しく計測して距離検出に活用できるため、測距精度が向上する。
ただし、図２で示した処理フローに像ズレ量の精度を向上させるため、公知の固体撮像素子の感度差を補正する処理やデフォーカス量に基づいた像の非対称性を補正する処理などを用いても良い。
このとき、算出したデフォーカス量を像ズレ量の補正処理に活用することで、さらに精度良く像ズレ量を求めることができる。これにより、測距の距離精度が向上する。

また、本発明の基線長の算出方法は、実施形態１で示した式に限るものではなく、未知のパラメータや演算処理が容易なように定式化することができる。
この場合においても、位相差方式の距離検出装置で撮影条件を変更して複数回撮影することで、その撮影条件と出力結果に基づいて基線長と被写体までの距離を算出できる。
また、第１の撮影条件と第２の撮影条件は、撮影レンズの焦点距離、または、ピント位置が異なるように設定する。通常、撮影レンズは駆動部１０４により焦点距離、ピント位置を変化させて撮影するため、距離検出装置においても同じ駆動手段を用いることで素早く容易に撮影条件を変更できる。
また、微小量の変化であれば、被写体までの距離と基線長が同一の条件で撮影できる。
また、第１の撮影条件と第２の撮影条件は、固体撮像素子の位置を変化させても良い。この場合、撮影レンズを駆動させることなく、固体撮像素子を微小変化させることで被写体までの距離と基線長が同一の条件で撮影できる。

また、本発明で算出した基線長を距離検出装置のメモリ１０５に保持し、次回の撮影時に利用することができる。
この場合、通常の位相差方式の距離検出フローと同様に、メモリに保持した基線長と撮影で得られた像ズレ量から距離を検出することができる。
これにより、複数回撮影することなく、距離を測定することができ、得られた距離の距離精度は通常に比べ高くなる。
また、撮影レンズの各ズームステートやフォーカスステートなどで基線長をメモリに保持し、各撮影条件に応じて最適な基線長を選択し撮影することで、全ての撮影条件で精度の良い距離検出が可能となる。

また、基線長の算出の処理フローは実施形態１で示したフローに限るものではなく、前記撮影レンズと前記固体撮像素子を用いて、前記被写体の距離情報と像を同時に取得可能となるようにしてもよい。
例えば、仮の基線長を用いて第１の撮影条件で検出した距離と、仮の基線長を用いて第２の撮影条件で検出した距離を用いて、正しい基線長を算出することができる。
この場合、固体撮像素子の製造誤差などによる基線長誤差があっても、通常通り撮影しながら基線長誤差を撮影する度に随時補正することができる。
これにより、正しい基線長を用いて距離計測が可能となるため、精度の良い距離検出ができる。
また、実施形態１の距離検出装置を備えたデジタルスチルカメラの被写体画像の取得では、距離検出画素を画像信号に活用しても良い。
距離検出画素は異なる射出瞳領域を通過した光束が異なる光電変換部に導かれるように構成しているため、異なる光電変換部の信号を加算すれば画像信号となる。これにより、距離検出画素を画像用画素に活用できる。

[実施形態２]
実施形態２では、撮影条件を複数回変更して被写体の距離情報を検出する距離情報検出方法について説明する。
つぎに、本実施形態における距離検出の処理フローについて説明する。
ここでは、図４のフローチャートを用い、基線長を未知量として距離を検出する処理フローについて説明する。
まず、ステップ１（Ｓ１）では、ｎを１に設定する。
ステップ２（Ｓ２）では、第１の撮影条件で被写体のＡ像とＢ像の信号を取得し、演算部１０３に伝送する。
ステップ３（Ｓ３）では、演算部１０３で第１の撮影条件のＡ像とＢ像の像ズレ量を算出する。
ステップ４（Ｓ４）では、ｎに１を加える。
ステップ５（Ｓ５）では、第ｎの撮影条件で被写体のＡ像とＢ像の信号を取得し、演算部１０３に伝送する。
ステップ６（Ｓ６）では、演算部１０３で第ｎの撮影条件のＡ像とＢ像の像ズレ量を算出する。
ステップ７（Ｓ７）では、第ｎ−１の撮影条件と第ｎの撮影条件の情報を基に実施形態１と同様に、基線長Ｗｎ、被写体までの距離Ｌｎを算出し、メモリに一時保存する。
ステップ８（Ｓ８）では、撮影条件を変更して再度被写体像を取得するかの判断を行う。具体的には、ｎが予め定めた既定到達値に達する、または、外部からの終了信号を受信するまでステップ４に戻る。
ステップ９（Ｓ９）では、ステップ７でメモリに保存した基線長Ｗｎと被写体までの距離Ｌｎを用いて、実効的な基線長Ｗと被写体までの距離Ｌを算出する。
このように算出可能とする一例として、平均値をとる方法を式９と式１０に示す。

以上の処理フローを用いることで基線長を未知の値として基線長、及び、被写体までの距離を決定できる。
この場合、固体撮像素子の製造誤差や被写体依存に因る基線長の誤差が生じた場合においても、基線長を正しく計測して距離検出に活用できる。これにより測距精度を向上させることができる。
また、撮影条件を複数回変更して距離検出するため、各回の撮影条件での撮影に誤差が生じても、精度良く基線長と被写体までの距離を算出することができる。特に、３回以上の撮影を行うことで、より精度を高くすることができる。

１００：距離検出装置
１０１：撮影レンズ
１０２：固体撮像素子
１０３：演算部
１０４：駆動部
１０５：メモリ
１０６：被写体
１０７：射出瞳

Claims (9)

1. 被写体を撮像面上に結像する撮影レンズと、前記撮影レンズの射出瞳の互いに異なる複数の領域を通る光束による像を取得する固体撮像素子と、前記固体撮像素子から得られる信号に基づいて距離情報を算出する演算部とを備えた距離情報検出装置であって、
   前記演算部は、第１の撮影条件で前記固体撮像素子を用いて第１の信号を取得する処理手段と、
   前記第１の撮影条件と前記撮影レンズの焦点距離、前記撮影レンズのピント位置又は前記固体撮像素子の位置が異なる第２の撮影条件で前記固体撮像素子を用いて第２の信号を取得する処理手段と、
   前記第１の信号と前記第２の信号から基線長と距離情報を求める処理手段と、
   を有することを特徴とする距離情報検出装置。
2. 被写体を撮像面上に結像する撮影レンズと、前記撮影レンズの射出瞳の互いに異なる複数の領域を通る光束による像を取得する固体撮像素子と、前記固体撮像素子から得られる信号に基づいて距離情報を算出する演算部とを備えた距離情報検出装置であって、
   前記演算部は、第１の撮影条件で前記固体撮像素子を用いて第１の信号を取得する処理手段と、
   前記第１の撮影条件と異なる第２の撮影条件で前記固体撮像素子を用いて第２の信号を取得する処理手段と、
   前記第１の信号と前記第２の信号から基線長と距離情報を求める処理手段と、を有し、
   前記第１の撮影条件と前記第２の撮影条件は前記基線長と前記距離情報が略同じとなる条件で撮影し、前記被写体、前記撮影レンズ、前記固体撮像素子の幾何光学配置から該基線長と該距離情報を算出可能に構成されていることを特徴とする距離情報検出装置。
3. 被写体を撮像面上に結像する撮影レンズと、前記撮影レンズの射出瞳の互いに異なる複数の領域を通る光束による像を取得する固体撮像素子と、前記固体撮像素子から得られる信号に基づいて距離情報を算出する演算部とを備えた距離情報検出装置であって、
   前記演算部は、第１の撮影条件で前記固体撮像素子を用いて第１の信号を取得する処理手段と、
   前記第１の撮影条件と異なる第２の撮影条件で前記固体撮像素子を用いて第２の信号を取得する処理手段と、
   前記第１の信号と前記第２の信号から基線長と距離情報を求める処理手段と、を有し、
   前記基線長は少なくとも３つの撮影条件の違う信号から算出されることを特徴とする距離情報検出装置。
4. 被写体を撮像面上に結像する撮影レンズと、前記撮影レンズの射出瞳の互いに異なる複数の領域を通る光束による像を取得する固体撮像素子と、前記固体撮像素子から得られる信号に基づいて距離情報を算出する演算部とを備えた距離情報検出装置であって、
   前記演算部は、第１の撮影条件で前記固体撮像素子を用いて第１の信号を取得する処理手段と、
   前記第１の撮影条件と異なる第２の撮影条件で前記固体撮像素子を用いて第２の信号を取得する処理手段と、
   前記第１の信号と前記第２の信号から基線長と距離情報を求める処理手段と、を有し、
   前記撮影レンズと前記固体撮像素子を用いて、前記被写体の距離情報と像を同時に取得可能に構成されていることを特徴とする距離情報検出装置。
5. 前記基線長をメモリに保存して、次回の撮影時に該基線長の値を用いて距離情報を求めることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の距離情報検出装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の距離情報検出装置を備えていることを特徴とするカメラ。
7. 被写体の像を撮像面上に結像させる撮影レンズを用い、前記撮影レンズの射出瞳における互いに異なる複数の領域を通る光束による像を固体撮像素子により取得し、
   前記固体撮像素子により検出された、前記像の像ズレ量と、前記射出瞳における互いに異なる複数の領域の間隔である基線長とによって、前記被写体の距離情報を検出する距離情報検出方法であって、
   前記固体撮像素子を用いて、第１の撮影条件で像ズレ量を取得する第１の信号を取得するステップと、
   前記固体撮像素子を用いて、前記第１の撮影条件と前記撮影レンズの焦点距離、前記撮影レンズのピント位置又は前記固体撮像素子の位置が異なる第２の撮影条件で像ズレ量を取得する第２の信号を取得するステップと、
   前記第１及び前記第２の信号を取得するステップにおいて取得された、前記第１の信号と前記第２の信号とを用いて基線長を求め、前記像ズレ量と前記基線長との関係から前記被写体の距離情報を検出するステップと、
   を有することを特徴とする距離情報検出方法。
8. 被写体の像を撮像面上に結像させる撮影レンズを用い、前記撮影レンズの射出瞳における互いに異なる複数の領域を通る光束による像を固体撮像素子により取得し、
   前記固体撮像素子により検出された、前記像の像ズレ量と、前記射出瞳における互いに異なる複数の領域の間隔である基線長とによって、前記被写体の距離情報を検出する距離情報検出方法であって、
   前記固体撮像素子を用いて、第１の撮影条件で像ズレ量を取得する第１の信号を取得するステップと、
   前記固体撮像素子を用いて、前記第１の撮影条件と異なる第２の撮影条件で像ズレ量を取得する第２の信号を取得するステップと、
   前記第１及び前記第２の信号を取得するステップにおいて取得された、前記第１の信号と前記第２の信号とを用いて基線長を求め、前記像ズレ量と前記基線長との関係から前記被写体の距離情報を検出するステップと、を有し、
   前記第１の撮影条件と前記第２の撮影条件は前記基線長と前記距離情報が略同じとなる条件で撮影することを特徴とする距離情報検出方法。
9. 被写体の像を撮像面上に結像させる撮影レンズを用い、前記撮影レンズの射出瞳における互いに異なる複数の領域を通る光束による像を固体撮像素子により取得し、
   前記固体撮像素子により検出された、前記像の像ズレ量と、前記射出瞳における互いに異なる複数の領域の間隔である基線長とによって、前記被写体の距離情報を検出する距離情報検出方法であって、
   前記固体撮像素子を用いて、第１の撮影条件で像ズレ量を取得する第１の信号を取得するステップと、
   前記固体撮像素子を用いて、前記第１の撮影条件と異なる第２の撮影条件で像ズレ量を取得する第２の信号を取得するステップと、
   前記第１及び前記第２の信号を取得するステップにおいて取得された、前記第１の信号と前記第２の信号とを用いて基線長を求め、前記像ズレ量と前記基線長との関係から前記被写体の距離情報を検出するステップと、を有し、
   前記基線長は少なくとも３つの撮影条件の違う信号から算出されることを特徴とする距離情報検出方法。

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