JP6214322B2 - 距離検出装置、撮像装置および距離検出方法 - Google Patents
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Description
を行うことを特徴とする。
本実施形態にかかる距離検出装置は、結像光学系の瞳上の異なる領域を通過した光束により生成される2つの像を表す信号を用いて距離検出を行う。本実施形態にかかる距離検出装置は、これら2つの信号を異なる割合で加算した補正信号を使用して、距離算出を行う。
模式図である。図1(b)は、本実施形態の距離検出装置の全体的な構成例を示す模式図である。図1(c)は、撮像素子の一例を示す模式図である。図1(d)は撮像素子の一部を拡大して示した図である。
本実施形態においては、画素の大きさに対して、結像光学系105と撮像素子106の間の距離が長い。このため、結像光学系105の射出瞳120上の異なる位置を通過した光束は、異なる入射角の光束として撮像素子106の面上に入射する。受光部には、射出瞳120の形状や撮像素子上における受光部の位置に応じて、所定の角度範囲121からの光束が入射する。各角度で入射した光束に対する受光部の感度特性を、角度に応じて射出瞳上に射影したときの射出瞳上の感度分布を瞳透過率分布と呼ぶ。このときの瞳透過率分布の重心位置を瞳重心と呼ぶ。瞳重心は、以下の式1で算出することができる。
なお、2つの信号を異なる割合で加算するとは、互いに等しくない正の実数の補正係数を各信号に掛けて足し合わせることを意味する。また、2つの信号を異なる割合で減算するとは、互いに等しくない正の実数の補正係数を掛けて引き算することを意味する。換言すると、絶対値が互いに異なる正および負の補正係数を各信号に掛けて足し合わせることを意味する。また、2つの信号を異なる割合で加減算するとは、上記の2つの演算の両方を含む。すなわち、絶対値が互いに等しくない補正係数(正または負の実数)を各信号に掛けて足し合わせることを意味する。
本実施形態にかかる距離検出装置100により、高速かつ高精度な像ズレ量の検出と測距が可能となる理由を述べる。
は、基線長が伸びる方向と同じ方向となる。
なお、2つの信号を加算することにより補正信号を生成する(各補正係数が正の実数となる)本実施形態においては、両信号の瞳領域は、第1の方向(x方向)において同じ方向に偏心した領域であることが望ましい。すなわち、瞳領域101dと103dは射出瞳120の中心からいずれも+x方向に偏心した領域、瞳領域102dと104dは−x方向に偏心した領域であることが望ましい。加算して得られる瞳領域111dは+x方向に、瞳領域112dは−x方向に偏心した領域となり、補正信号の基線長が確保され、測距精度の低下を回避することができる。
上記の例では像ズレ量の算出に2つの補正信号CS1およびCS2を用いているが、これ以外の信号に基づいて像ズレ量を算出しても構わない。例えば、像ズレ量の算出に用いる2つの信号のうち、一方については2つの受光部から得られる信号を同じ割合で加算した信号として、他方を上記式2または3に基づいて生成した信号としてもよい。例えば、一方の信号は信号S2及びS4を同じ割合で加算した信号(S2+S4)とし、他方の信号は式2に基づく補正信号CS1として、両信号の瞳領域の重心のy座標が一致するように式2の補正係数α1、α3を決定する。このような補正係数α1、α3は、式4、式5においてα2=α4=1とおいて、y座標成分y111gとy112gが等しいという条件の下に決定できる。なお、信号S1とS3を同じ割合で加算した信号と、式3に基づく補正信号CS2とを採用しても構わない。このような構成でも、前述と同様の効果を得ることができ、高速かつ高精度な測距が可能となる。
信号補正処理130において、補正係数を調整する補正係数調整処理を行うことが望ましい。各瞳領域は、射出瞳120の形状と各受光部に入射する光の角度範囲及び各受光部の感度特性によって決まる。これらは、結像光学系105の状態や撮像素子106と射出瞳120の距離や各受光部(信号取得手段)の撮像素子106上の位置に応じて変化する。したがって、射出瞳120の形状、または射出瞳120と撮像素子106との間の距離、または各受光部の撮像素子106上の位置の少なくともいずれかに基づいて、補正係数を調整する補正係数調整処理を行うことが望ましい。
、測距してもよい。被写体の色に応じて適切な信号を選択することで、高品質な信号のみを用いて測距することができ、高精度な測距が可能となる。
距離算出処理131は、補正基線長を用いて距離を算出する補正基線長算出処理を含むことが好ましい。基線長の補正によって、より高精度な測距が可能となる。
距離演算手段において、更に補正信号の像形状を修正するための信号修正処理を行ってもよい。
本実施形態では、信号取得手段である測距画素108を撮像素子106の一部の画素に配置した例について示したが、この配置に限定されるものではない。例えば、図8のように、全画素に測距画素108を配置してもよい。このような構成にすることで、高解像度かつ高精度の距離画像と、高画質な撮像画像を同時に取得することができる。
受光部で取得した信号の品質が向上する。高品質な補正信号を生成でき、高精度な測距が可能となる。
本実施形態における信号取得手段である測距画素108の構成例を図9に示す。図9(a)(c)は受光部101を通るxz断面図、図9(b)(d)は受光部101を通るyz断面図を示したものである。
本実施形態の距離検出装置100の測距結果は、例えば、結像光学系105の焦点検出に用いることができる。本実施形態の距離検出装置100によって、高速かつ高精度に被写体の距離を測定することができ、被写体と結像光学系105の焦点位置とのズレ量を知ることができる。結像光学系105の焦点位置を制御することで、被写体に対して高速かつ高精度に焦点位置を合わせることができる。
本実施形態の距離検出装置における撮像素子は具体的には、CMOSセンサ(相補型金属酸化物半導体を用いたセンサ)や、CCDセンサ(電荷結合素子を用いたセンサ)等の固体撮像素子を用いることができる。
本実施形態では、信号補正処理において、2つの信号を異なる割合で減算して生成した補正信号を使用して距離検出を行う。なお、2つの信号を異なる割合で減算するとは、それぞれの信号に異なる重み付け係数(正の実数)を掛けた上で減算することである。
ており、また、射出瞳形状の変形により+y方向(第2の方向)にも偏心している。瞳領域202dは、射出瞳120の中心から瞳領域201dとは逆方向(−x及び−y方向)に偏心した瞳領域である。瞳領域203dは、基本的に射出瞳120の中心から+y方向に偏心しており、また、射出瞳形状の変形により+x方向にも偏心している。本実施形態においては、瞳領域203dは、y方向に関して瞳領域201dと同じ向き(+y方向)に偏心しており、瞳領域203dの方が瞳領域201dよりも偏心量が多い。瞳領域204dは、基本的に射出瞳120の中心から−y方向に偏心しており、また、射出瞳形状の変形により−x方向にも偏心している。本実施形態においては、瞳領域204dは、y方向に関して瞳領域202dと同じ向き(−y方向)に偏心しており、瞳領域204dの方が瞳領域202dよりも偏心量が多い。各受光部201、202、203、204で、信号S201、S202、S203、S204が取得される。
図11は撮像素子の対角像高における射出瞳の一例を表したものである。
標である。
本実施形態においては、2つの信号を減算することにより補正信号を生成する(補正係数α3、α4が負の実数となる)。この際、瞳領域103d、104dは、第1の方向(x方向)に関して、それぞれ第1、第2の信号の瞳領域101d、102dよりも瞳中心120に近い領域あるいは逆側に偏心した領域であることが望ましい。この条件を満たす場合は、補正後の瞳領域211d及び212dがそれぞれ+x方向及び−x方向に偏心するため、補正信号の基線長が確保され測距精度の低下を回避することができる。
本実施形態における信号取得手段である測距画素208と209は、撮像素子上で互いに近傍に隣接して配置することが望ましい。互いに離れた位置に配置すると、各受光部に、異なる被写体からの光束が入射する。入射光束に差があると、各受光部で取得した信号により生成される補正信号に誤差が含まれ、測距結果に誤差が生じる。測距画素208と209は、互いに近傍に配置することが望ましい。測距画素208と209は、3画素以内に隣接して配置することがより望ましい。測距画素208と209は、直接隣接して配置することが更に望ましい。
測距画素(信号取得手段)の構成は前述と異なる構成にしてもよい。例えば、図12に示す構成にしてもよい。図12(a)は撮像素子206の一部を示す図であり、図12(b)(c)は各画素のxz断面図、図12(d)(e)はyz断面図である。信号取得手段は、4つの画素241、242、243、244で構成される。各画素には、マイクロレンズ150とそれぞれ受光部251、252、253、254が構成される。受光部251は、測距画素241内に、−x方向に偏心して配置され(中心が測距画素241の中心よりも−x方向に位置して配置されている)。受光部252は、測距画素242内に、+x方向に偏心して配置される。受光部251と252のxy断面形状は同一である。また、受光部253は、測距画素243内に、+y方向に偏心して配置される。受光部254は、測距画素244内に、+y方向に偏心して配置される。受光部253と254のxy断面形状は同一である。更に、各画素には入射した光束の一部を遮光する遮光部材255が配置される。画素241、242、243、244では、それぞれ瞳領域201d、202d、203d、204dからの光束が受光され、それ以外の瞳領域からの光束は遮光部材255により遮光される。このような構成により、各受光部251、252、253、254で、各信号S201、S202、S203、S204を取得することができる。前述と同様に、距離演算手段にて補正信号を生成し、補正信号を用いて距離を算出することで、高速かつ高精度な測距が可能となる。
なお、実施形態1と同様に、本実施形態の構成における各受光部で取得した信号を加算することにより補正信号を生成してもよい。
本実施形態の距離検出装置300は、結像光学系105と撮像素子306と距離演算部109を備えている。
105 光学系
106 撮像素子
109 距離演算手段
120 射出瞳
Claims (24)
- 被写体の像を結像する光学系と、前記光学系の射出瞳を通過した光束に基づく信号を取得する撮像素子と、前記信号に基づいて前記被写体までの距離を算出する演算手段と、を備えた距離検出装置であって、
前記撮像素子は、
前記射出瞳の中心から第1の方向および該第1の方向と垂直な第2の方向に偏心した第1の瞳領域を通過した光束に基づく第1の信号と、
前記射出瞳の中心から前記第1の瞳領域とは逆方向に偏心した第2の瞳領域を通過した光束に基づく第2の信号と、
前記第2の方向における重心位置が前記第1の瞳領域の重心位置とは異なる第3の瞳領域を通過した光束に基づく第3の信号と、
を取得する信号取得手段を備え、
前記演算手段は、
前記第1の信号と前記第3の信号とを異なる割合で加減算することにより第1の補正信号を生成する信号補正処理と、
前記第1の補正信号と前記第2の信号に基づいて前記第1の方向における像ズレ量を算出し、当該像ズレ量に基づいて前記被写体までの距離を算出する距離算出処理と、
を行う、
ことを特徴とする距離検出装置。 - 前記信号取得手段は、前記第2の方向における重心位置が前記第2の瞳領域の重心位置とは異なる第4の瞳領域を通過した光束に基づく第4の信号をさらに取得し、
前記信号補正処理は、前記第2の信号と前記第4の信号とを異なる割合で加減算することにより、第2の補正信号を生成する処理を含み、
前記距離算出処理は、前記第1の補正信号と前記第2の補正信号の前記第1の方向における像ズレ量を算出し、当該像ズレ量に基づいて前記被写体までの距離を算出する処理である、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の距離検出装置。 - 前記第1の補正信号に対応する瞳重心の前記第2の方向における位置と、前記第2の補正信号に対応する瞳重心の前記第2の方向における位置は、等しい、
ことを特徴とする請求項4に記載の距離検出装置。 - 前記信号補正処理は、前記射出瞳の形状、または前記射出瞳と前記撮像素子との間の距離、または前記信号取得手段の前記撮像素子上の位置の少なくともいずれかに基づいて、前記補正係数を調整する補正係数調整処理を含む、
ことを特徴とする請求項4から6のいずれか1項に記載の距離検出装置。 - 前記補正係数調整処理では、前記信号取得手段の前記撮像素子上の位置に応じて、前記補正係数α1とα3およびα2とα4のどちらを大きくするかを決定し、前記信号取得手段の位置が撮像素子の隅に近いほど、または前記光学系の焦点距離が短くなるほど、または前記射出瞳と前記撮像素子の距離が短くなるほど、前記補正係数α1とα3の比(小さい方に対する大きい方の比)または前記補正係数α2とα4の比が大きくなるように、前記補正係数を調整する、
ことを特徴とする請求項7に記載の距離検出装置。 - 前記第3の瞳領域は、前記第2の方向において前記射出瞳の中心から前記第1の瞳領域とは逆方向に偏心した領域であり、
前記第4の瞳領域は、前記第2の方向において前記射出瞳の中心から前記第2の瞳領域とは逆方向に偏心した領域であり、
前記補正係数α1、α2、α3、α4はいずれも正の実数である、
ことを特徴とする請求項4から8のいずれか1項に記載の距離検出装置。 - 前記第3の瞳領域は、前記第1の方向において前記射出瞳の中心から前記第1の瞳領域と同じ方向に偏心した領域であり
前記第4の瞳領域は、前記第1の方向において前記射出瞳の中心から前記第2の瞳領域と同じ方向に偏心した領域である、
ことを特徴とする請求項9に記載の距離検出装置。 - 前記第3の瞳領域は、前記第2の方向に関して前記射出瞳の中心から前記第1の瞳領域と同じ方向に偏心しており、その偏心量は前記第1の瞳領域よりも多く、
前記第4の瞳領域は、前記第2の方向に関して前記射出瞳の中心から前記第2の瞳領域と同じ方向に偏心しており、その偏心量は前記第2の瞳領域よりも多い、
前記補正係数α1およびα2は正の実数であり、α3およびα4は負の実数である、
ことを特徴とする請求項4から8のいずれか1項に記載の距離検出装置。 - 前記第3の瞳領域は、前記第1の方向に関して前記第1の瞳領域よりも前記射出瞳の中
心に近い位置もしくは前記第1の瞳領域とは逆方向に偏心した領域であり、
前記第4の瞳領域は、前記第1の方向に関して前記第2の瞳領域よりも前記射出瞳の中心に近い位置もしくは前記第2の瞳領域とは逆方向に偏心した領域である、
ことを特徴とする請求項11に記載の距離検出装置。 - 前記撮像素子は、2行2列に配列された第1、第2、第3および第4の受光部を備える測距画素を複数備えており、
前記信号取得手段は、複数の測距画素の前記第1、第2、第3および第4の受光部から、それぞれ前記第1、第2、第3および第4の信号を取得する、
ことを特徴とする請求項4から12のいずれか1項に記載の距離検出装置。 - 前記撮像素子は、前記第1の方向に並置された第1および第2の受光部を備える第1の測距画素と、前記第2の方向に並置された第3および第4の受光部を備える第2の測距画素とをそれぞれ複数備えており、
前記信号取得手段は、複数の第1の測距画素の前記第1および第2の受光部から、それぞれ前記第1および第2の信号を取得し、複数の第2の測距画素の前記第3および第4の受光部から、それぞれ前記第3および第4の信号を取得する、
ことを特徴とする請求項4から12のいずれか1項に記載の距離検出装置。 - 前記第1および第2の測距画素は、3画素以内に隣接して配置される、
ことを特徴とする請求項14に記載の距離検出装置。 - 前記撮像素子は、前記第1の方向に偏心して配置された第1の受光部を備える第1の測距画素と、前記第2の方向に偏心して配置された第3の受光部を備える第2の測距画素と、画素面の略全域に配置された第5の受光部を備える第3の測距画素とをそれぞれ複数備えており、
前記信号取得手段は、第1の測距画素の前記第1の受光部から前記第1の信号を取得し、第3の測距画素の前記第5の受光部から取得される信号から第1の測距画素の前記第1の受光部から取得される信号を減算することで前記第2の信号を取得し、第2の測距画素の前記第3の受光部から前記第3の信号を取得し、第3の測距画素の前記第5の受光部から取得される信号から第2の測距画素の前記第3の受光部から取得される信号を減算することで前記第4の信号を取得する、
ことを特徴とする請求項4から12のいずれか1項に記載の距離検出装置。 - 前記第1、第2および第5の測距画素は、互いに3画素以内に隣接して配置される、
ことを特徴とする請求項16に記載の距離検出装置。 - 前記演算手段は、前記第1および第2の補正信号に対応する瞳透過率分布に基づいて補正基線長を算出する補正基線長算出処理を更に実行し、
前記距離算出処理は、前記補正基線長と前記像ズレ量とを用いて前記距離を算出する、
ことを特徴とする請求項4から17のいずれか1項に記載の距離検出装置。 - 前記演算手段は、以下の式3および式4で表わされる第1および第2の修正フィルタを生成し、前記第1の補正信号に第2の修正フィルタを、前記第2の補正信号に第1の修正フィルタを、それぞれ畳み込み積分することにより、第1の修正信号と第2の修正信号とを生成する信号修正処理を更に実行し、
前記距離算出処理では、前記第1の補正信号および第2の補正信号に代えて前記第1および前記第2の修正信号を用いて前記像ズレ量を算出する、
ことを特徴とする請求項4から18のいずれか1項に記載の距離検出装置。
- 請求項1から19のいずれか1項に記載の距離検出装置と、
前記撮像素子から得られる信号から被写体の画像を生成する画像生成手段と、
を備える、撮像装置。 - 前記撮像装置は、前記距離検出装置の距離検出結果に基づき、前記光学系の焦点検出を行う、
ことを特徴とする請求項20に記載の撮像装置。 - 前記撮像装置は、前記距離検出装置の距離検出結果に基づき、距離画像を取得する、
ことを特徴とする請求項20に記載の撮像装置。 - 被写体の像を結像する光学系と、前記光学系の射出瞳を通過した光束に基づく信号を取得する撮像素子と、前記信号に基づいて前記被写体までの距離を算出する演算手段と、を備えた距離検出装置が行う距離検出方法であって、
前記射出瞳の中心から第1の方向および該第1の方向と垂直な第2の方向に偏心した第1の瞳領域を通過した光束に基づく第1の信号と、前記射出瞳の中心から前記第1の瞳領域とは逆方向に偏心した第2の瞳領域を通過した光束に基づく第2の信号と、前記第2の方向における重心位置が、前記第1の瞳領域の重心位置とは異なる第3の瞳領域を通過した光束に基づく第3の信号と、を取得する信号取得処理と、
前記第1の信号と前記第3の信号とを異なる割合で加減算することにより第1の補正信号を生成する信号補正処理と、
前記第1の補正信号と前記第2の信号に基づいて前記第1の方向における像ズレ量を算出し、当該像ズレ量に基づいて前記距離を算出する距離算出処理と、
を含む、ことを特徴とする距離検出方法。 - 前記信号取得処理は、前記第2の瞳領域とは前記第2の方向において異なる位置にある第4の瞳領域を通過した光束に基づく第4の信号を取得する処理をさらに含み、
前記信号補正処理は、前記第2の信号と前記第4の信号とを異なる割合で加減算することにより、第2の補正信号を生成する処理を含み、
前記距離算出処理は、前記第1の補正信号と前記第2の補正信号の前記第1の方向における像ズレ量を算出する処理を含む、
ことを特徴とする請求項23に記載の距離検出方法。
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