JP6234097B2 - 撮像装置およびその制御方法 - Google Patents
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Description
1つの画素中のマイクロレンズで集光される受光部に複数のフォトダイオードを配置した撮像素子を用いて位相差検出式の焦点検出を行う技術がある。特許文献1では、1つの画素中のフォトダイオードを2分割して、各フォトダイオードにより撮像レンズの異なる瞳面の光を受光する構成が開示されている。2つのフォトダイオードの出力を比較することによって、撮像レンズの焦点検出を行える。モードを切り替え、再度露光することにより、撮像素子から2つのフォトダイオードの出力の和を読み出し、記録用画像に使用する技術が開示されている。
特許文献2に記載の固体撮像装置を、特許文献1の撮像装置に適用した場合に得られる出力には、読み出し回路を経てノイズが重畳されている。画像用出力信号と1つの焦点検出用出力信号に含まれる読み出し回路ノイズは、それぞれ独立したばらつきの分布をもつ。そのため、画像用出力信号と1つの焦点検出用出力信号の差分として得られる、もう一方の焦点検出用出力信号には、差分演算により増幅された、より大きなノイズが含まれてしまう。2つの焦点検出用出力信号を用いて焦点検出を行う際、各出力信号に含まれるノイズは、焦点検出結果の誤差要因となる。
本発明の目的は、撮像素子を構成する画素の出力する複数の信号を用いて位相差検出を行う場合、当該信号に含まれるノイズ成分が位相差検出に与える影響を低減し、より高精度な位相差検出を行うことである。
本発明の第2の側面に係る装置は、前記撮像素子を備え、演算手段は、前記撮像素子に係る位相差検出領域において、前記第3の像信号と、前記第1の瞳領域および前記第2の瞳領域のうち前記撮像光学系の光軸に対する像高方向に対応してケラレにより低減される光量が小さい方の瞳領域に対応する前記第1の像信号及び前記第2の像信号のいずれか1方とを用いて位相差検出演算を行う。
本発明の第3の側面に係る装置は、撮像素子が、前記撮像光学系の瞳の全領域を通過した光束を光電変換して瞳の全領域の像信号を出力する画素群と、前記撮像光学系の異なる瞳部分領域をそれぞれ通過した光束を光電変換して複数の瞳部分領域の像信号を出力する複数の画素群を有しており、演算手段は、前記撮像素子に係る位相差検出領域において、前記瞳部分領域に対応する画素群のうち、前記撮像光学系の光軸に対する像高方向に対応してケラレにより低減される光量が、最も大きい画素群または最も小さい画素群を含まない前記瞳部分領域の像信号と、前記瞳の全領域の像信号を用いて位相差検出演算を行う。
図1は本発明の実施形態に係る撮像装置の構成図である。図示の電子カメラは、撮像素子を備えるカメラ本体部と撮像光学系とが一体の構成例を示しており、動画及び静止画を記録可能である。
第1レンズ群101は撮像光学系(結像光学系)の先端に配置され、光軸方向に移動可能である。絞り102は、その開口径を調節することで撮影時の光量調節を行い、また静止画撮影時には露光秒時調節用シャッタとしての機能を備える。絞り102と第2レンズ群103は一体となって光軸方向に移動し、第1レンズ群101の移動との連動により、変倍作用(ズーム機能)を有する。
無線式通信部115は、インターネット等のネットワークを通じてサーバーコンピュータと通信するためのアンテナや信号処理回路で構成される。姿勢検出部116はカメラの撮影姿勢、すなわち横位置撮影の状態や縦位置撮影の状態等を判別する電子水準器を備える。
通信制御回路122は、無線式通信部115を介して、カメラからサーバーコンピュータへの撮影画像データの送信処理や、サーバーコンピュータから画像データおよび各種情報の受信処理を行う。姿勢検出回路123は、姿勢検出部116の出力信号に基づいてカメラの姿勢を判別する。撮像素子駆動回路124は、撮像素子107の撮像動作を制御すると共に、取得した画像信号をA/D変換してCPU121に出力する。画像処理回路125は、撮像素子107から取得したデータに対して画像のカラー補間、γ変換、画像圧縮等の処理を行う。
表示部131はLCD(液晶デスプレイ)等を有し、画像や各種の情報を表示する。例えば、カメラの撮影モードに関する情報、撮影時のプレビュー画像と撮影後の確認用画像、焦点検出時の合焦状態表示画像、カメラの姿勢情報等が表示される。操作部132は操作スイッチ群を備え、電源スイッチ、撮影開始スイッチ、ズーム操作スイッチ、撮影モード選択スイッチ等の操作信号をCPU121に出力する。
また、1つの画素から得られる2つの信号出力のうちの第3の像信号は、撮影画像データとして用いる信号である。このため、後に画像の鑑賞や画像処理等を行う際、信号加算等の計算が必要なく、取り扱い易い。CPU121は、撮像素子107が出力した信号を取得し、記録部133を制御して所定のフォーマットに従って記録媒体への記録処理を実行させる。
ここで、位相差式焦点検出を行う場合の画素信号について説明する。図2(A)のマイクロレンズ211iと、分割された光電変換部211a及び211bによって、撮像光学系の射出光束が瞳分割される。同一行上に配置された所定範囲内の複数の画素211において、光電変換部211aの出力をつなぎ合わせて編成した像をAF(オートフォーカス)用A像とする。同様に光電変換部211bの出力をつなぎ合わせて編成した像をAF用B像とする。AF用A像とAF用B像との相対的な像ずれ量を相関演算により検出することで、所定領域の焦点ずれ量、すなわちデフォーカス量を検出できる。本実施形態では、AF用A像とAF用B像のうちの一方については撮像素子107から出力されない。上述の通り、A像出力とB像出力の和は撮像素子107から出力されるため、その出力と他方の出力との差分から、もう一方の信号を求めて焦点検出を行うことができる。
被写体像を光電変換するための画素2110は、像面の中央近傍に配置されており、以下では、「中央画素」という。中央画素2110は、最下層より順に、光電変換部2110a及び2110b、配線層2110eないし2110g、カラーフィルタ2110h、並びにオンチップマイクロレンズ2110iで構成される。2つの光電変換部2110a及び2110bは、オンチップマイクロレンズ2110iによって撮像光学系の射出瞳面に投影される(光線CLa,CLb参照)。換言すれば、撮像光学系の射出瞳が、オンチップマイクロレンズ2110iを介して、光電変換部の表面に投影されることになる。
図4(A)にて被写体像を光電変換するための画素2111は、像面周辺部に配置されており、以下、「周辺画素」という。図4(A)にて、Z方向を光軸方向とし、X方向をZ方向に直交する、紙面内の左右方向とする。周辺画素2111は、最下層より順に、光電変換部2111a及び2111b、配線層2111eないし2111g、カラーフィルタ2111h、並びにオンチップマイクロレンズ2111iで構成される。2つの光電変換部2111a及び2111bはオンチップマイクロレンズ2111iによって撮像光学系の射出瞳面に投影される(光線CLa,CLb参照)。換言すれば、撮像光学系の射出瞳が、オンチップマイクロレンズ2111iを介して、光電変換部の表面に投影されることになる。
図6の各画素211は、光電変換部211a、211bを有する。黒く塗りつぶして示す光電変換部は、単独で出力が読み出されることを表す。図6(A)では、X座標が正の範囲の画素(Y方向の中心線に対して図中左側の画素)は、光電変換部211aから信号が読み出され、これは第1の像信号に対応する。また、X座標が負の範囲の画素(Y方向の中心線に対して図中右側の画素)は、光電変換部211bから信号が読み出され、これは第2の像信号と対応する。
Dab=Sab+Nab (数式1)
Da =Sa+Na (数式2)
信号出力Dab、Daに含まれるノイズ成分の大きさの確率分布には、互いに独立なものと独立でないものがある。例えば、光ショットノイズは光電変換部で発生するため、Daのノイズ成分Naに含まれるノイズは、Dabのノイズ成分Nabに必ず含まれるため、独立ではない。一方、読み出しノイズについては、各信号Dab、Daにてそれぞれ読み出し時に発生するため、独立したノイズとして含まれる。そのため、数式1のNab、数式2のNaは、2種類のノイズの総和となる。ここで、互いに独立したノイズをN1とし、独立でないノイズをN2とする。数式1、数式2は下記のように変形できる。
Dab=Sab+N1ab+N2ab (数式1A)
Da =Sa+N1a+N2a (数式2A)
読み出しノイズのような互いに独立したノイズN1abとN1aの確率分布の標準偏差をそれぞれσab、σaとする。
Db=Dab−Da (数式3)
数式3の右辺の各項に含まれる、互いに独立したノイズN1ab、N1aに起因してDbに含まれるノイズ成分Nbの大きさの確率分布は、下式の標準偏差σbをもつ。
σb=(σab2+σa2)1/2 (数式4)
標準偏差σab、σaについては、読み出しノイズのような、出力される信号量に依存しないノイズが大半を占めると想定すると、「σab≒σa」の関係が成り立つ。その場合、数式4は下記のように計算できる。
σb=(σa2+σa2)1/2≒1.41×σa (数式5)
つまり、撮像素子107から単独で出力される信号Daと比べて、算出される信号Dbでは、ノイズの絶対量が多くなる確率が高まり、標準偏差が大きくなる。
このように、本実施形態では、より光量が少ない光電変換部の出力を、撮像素子から読み出すことにより、2つの出力信号の差分から得られる信号を用いて焦点検出演算を実行する際、演算する信号のノイズの影響を低減できる。結果的にS/N比が向上し、より高精度な焦点検出を実現できる。
上述した撮像装置では、撮像光学系のケラレの影響に関し、相対的に光量が少ない方の光電変換部の出力を撮像素子から得る構成を例示して説明した。これに対して、相対的に光量が多い光電変換部の出力を撮像素子から得る方が、有利な場合がある。例えば、前記特許文献3に記載の撮像装置では、撮像用画素の信号出力と、撮像光学系の瞳領域の一部を通過する光束を受光する画素の信号出力により焦点検出を行う。この場合、撮像装置は、出力信号の差分演算によりノイズ増加の影響を受けることなく、2つの光電変換部の和である第3の像信号と、前記第1および第2の像信号のうち、相対的に光量の多い信号を選択して撮像素子から読み出して焦点検出演算を行う。撮像素子は、前記第1の瞳領域または第2の瞳領域にて撮像光学系のケラレにより低減される光量が閾値以上の場合、当該領域に対応する像信号を出力しない。したがって、より高精度な焦点検出を行える。
107 撮像素子
121 CPU
126 フォーカス駆動回路
211a,211b 光電変換部
Claims (13)
- 撮像光学系により形成された被写体像を光電変換する複数の光電変換部を有する画素を備える撮像素子と、前記画素の信号を用いて位相差検出演算を行う演算手段を備え、
前記撮像素子は、前記撮像光学系の瞳の一部の領域である第1の瞳領域を通過した光束を光電変換した第1の像信号を出力する画素群と、
前記撮像光学系の瞳の一部の領域であって、かつ前記第1の瞳領域とは異なる第2の瞳領域を通過した光束を光電変換した第2の像信号を出力する画素群と、
前記撮像光学系の瞳の全領域を通過した光束を光電変換した第3の像信号を出力する画素群を有しており、
前記演算手段は、前記撮像素子に係る位相差検出領域において、前記第3の像信号と、前記第1の瞳領域および前記第2の瞳領域のうち前記撮像光学系の光軸に対する像高方向に対応してケラレにより低減される光量が大きい方の瞳領域に対応する前記第1の像信号及び前記第2の像信号のいずれか1方とを用いて位相差検出演算を行うことを特徴とする撮像装置。 - 撮像光学系により形成された被写体像を光電変換する複数の光電変換部を有する画素を備える撮像素子と、前記画素の信号を用いて位相差検出演算を行う演算手段を備え、
前記撮像素子は、前記撮像光学系の瞳の一部の領域である第1の瞳領域を通過した光束を光電変換した第1の像信号を出力する画素群と、
前記撮像光学系の瞳の一部の領域であって、かつ前記第1の瞳領域とは異なる第2の瞳領域を通過した光束を光電変換した第2の像信号を出力する画素群と、
前記撮像光学系の瞳の全領域を通過した光束を光電変換した第3の像信号を出力する画素群を有しており、
前記演算手段は、前記撮像素子に係る位相差検出領域において、前記第3の像信号と、前記第1の瞳領域および前記第2の瞳領域のうち前記撮像光学系の光軸に対する像高方向に対応してケラレにより低減される光量が小さい方の瞳領域に対応する前記第1の像信号及び前記第2の像信号のいずれか1方とを用いて位相差検出演算を行うことを特徴とする撮像装置。 - 前記撮像素子は、前記第1の瞳領域または前記第2の瞳領域に係る前記撮像光学系の光軸に対する像高方向に対応してケラレにより低減される光量が閾値以下の場合、当該領域に対応する像信号を出力しないことを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
- 前記撮像素子は、前記第1の瞳領域または前記第2の瞳領域に係る前記撮像光学系の光軸に対する像高方向に対応してケラレにより低減される光量が閾値以上の場合、当該領域に対応する像信号を出力しないことを特徴とする請求項2に記載の撮像装置。
- 前記演算手段は、前記第3の像信号と前記第1の像信号との差分信号および前記第1の像信号、または、前記第3の像信号と前記第2の像信号との差分信号および前記第2の像信号を用いて位相差検出演算を行うことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記画素はそれぞれ、前記第1の像信号もしくは前記第2の像信号および前記第3の像信号を出力することを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記演算手段は、前記撮像光学系のケラレの程度に応じて、前記位相差検出演算に用いる信号を前記第1の像信号または前記第2の像信号に切り替えることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記撮像素子が出力した前記第3の像信号を取得して撮影画像データを記録媒体に記録する記録処理手段を備えることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記記録処理手段は、前記撮像素子が出力した前記第1の像信号もしくは前記第2の像信号および前記第3の像信号を取得して記録媒体に記録することを特徴とする請求項8に記載の撮像装置。
- 前記演算手段が位相差検出演算により算出した焦点ずれ量を取得して前記撮像光学系の焦点調節を行う焦点調節手段を備えることを特徴とする請求項1ないし9のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 撮像光学系により形成された被写体像を光電変換する複数の光電変換部を有する画素を備える撮像素子と、前記画素の信号を用いて位相差検出演算を行う演算手段を備え、
前記撮像素子は、前記撮像光学系の瞳の全領域を通過した光束を光電変換して瞳の全領域の像信号を出力する画素群と、
前記撮像光学系の異なる瞳部分領域をそれぞれ通過した光束を光電変換して複数の瞳部分領域の像信号を出力する複数の画素群を有しており、
前記演算手段は、前記撮像素子に係る位相差検出領域において、前記瞳部分領域に対応する画素群のうち、前記撮像光学系の光軸に対する像高方向に対応してケラレにより低減される光量が、最も大きい画素群または最も小さい画素群を含まない前記瞳部分領域の像信号と、前記瞳の全領域の像信号を用いて位相差検出演算を行うことを特徴とする撮像装置。 - 撮像光学系により形成された被写体像を光電変換する複数の光電変換部を有する画素を備える撮像素子と、前記画素の信号を用いて位相差検出演算を行う演算手段を備える撮像装置にて実行される制御方法であって、
前記撮像素子の画素群から、前記撮像光学系の瞳の一部の領域である第1の瞳領域を通過した光束を光電変換した第1の像信号を出力するステップと、
前記撮像素子の画素群から、前記撮像光学系の瞳の一部の領域であって、かつ前記第1の瞳領域とは異なる第2の瞳領域を通過した光束を光電変換した第2の像信号を出力するステップと、
前記撮像素子の画素群から、前記撮像光学系の瞳の全領域を通過した光束を光電変換した第3の像信号を出力するステップと、
前記演算手段により、前記第3の像信号および前記第1の像信号もしくは前記第2の像信号を用いて、前記撮像素子に係る位相差検出演算を行う演算ステップを有し、
前記演算ステップにて、前記演算手段は、前記第1の瞳領域および前記第2の瞳領域について前記撮像光学系の光軸に対する像高方向に対応してケラレにより低減される光量に応じて、前記第1の像信号と前記第2の像信号を切り替えて位相差検出演算を行うことを特徴とする撮像装置の制御方法。 - 撮像光学系により形成された被写体像を光電変換する複数の光電変換部を有する画素を備える撮像素子と、前記画素の信号を用いて位相差検出演算を行う演算手段を備える撮像装置にて実行される制御方法であって、
前記撮像素子の画素群から、前記撮像光学系の瞳の全領域を通過した光束を光電変換して瞳の全領域の像信号を出力するステップと、
前記撮像素子の画素群から、前記撮像光学系の異なる瞳部分領域をそれぞれ通過した光束を光電変換して複数の瞳部分領域の像信号を出力するステップと、
前記演算手段により、前記撮像素子に係る位相差検出領域において、前記瞳部分領域に対応する画素群のうち、前記撮像光学系の光軸に対する像高方向に対応してケラレにより低減される光量が、最も大きい画素群または最も小さい画素群を含まない前記瞳部分領域の像信号と、前記瞳の全領域の像信号を用いて位相差検出演算を行うステップを有することを特徴とする撮像装置の制御方法。
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