JP6590463B2 - 距離算出装置 - Google Patents
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Description
本発明の距離算出装置の実施例1を備えたデジタルカメラの説明をする。
<デジタルカメラの構成>
図1(A)は本発明の距離算出装置を備えたデジタルカメラ100の概略図である。デジタルカメラ100は、結像光学系120、撮像素子101、距離算出部102、画像生成部(不図示)がカメラ筐体130の内部に配置され、構成される。距離算出装置110は、結像光学系120、撮像素子101、距離算出部102を含む。距離算出部102は論理回路を用いて構成することができる。距離算出部102の別の形態として、中央演算処理装置(CPU)と演算処理プログラムを格納するメモリとから構成してもよい。ここで、距離算出装置と後述する画像生成部が撮影筺体の内部に格納されていてもよい。また、距離算出装置に含まれる撮像素子及び距離算出部と画像生成部が撮影筐体の内部に格納され、結像光学系がレンズ筐体の内部に格納されて、撮影筐体とレンズ筐体を接続する接続部を備える構成にすることもできる。
撮像素子101はCMOS(相補型金属酸化膜半導体)やCCD(電荷結合素子)から構成される。結像光学系120を介して撮像素子101上に結像した被写体像は、撮像素子101により光電変換され、電気信号(以下、被写体像信号ともいう。)に変換される。以下、本実施例の撮像素子101について、図1(B)を用いてより詳細に説明する。図1(B)は、撮像素子101のxy断面図である。撮像素子101は、2行×2列の画素群150を複数配列することで構成される。画素群150は、対角方向に緑画素150G1、150G2が配置され、他の2画素に赤画素150R及び青画素150Bが配置されて、構成されている。さらに、画素群150を構成する各画素は、画素中の受光層(図2中の203)に、xy断面にて対称な断面形状を有する2つの光電変換部(光電変換部161と光電変換部162)が並置されている。すなわち、撮像部は、結像光学系と、結像光学系の撮像面に配置される撮像素子と、を備え、撮像素子は、第1の光電変換部と第2の光電変換部を備えた測距画素が複数配列されて構成される。
撮像素子101内の光電変換部161及び光電変換部162が受光する光束について、図2を用いて説明する。図2は、結像光学系120の射出瞳103と、撮像素子101中に配置される画素の代表例の緑画素150G1と、についてのみ示した概略図である。図2に示した画素150G1は、カラーフィルタ201、マイクロレンズ202、受光層203から構成され、受光層203内に光電変換部161と光電変換部162が含まれている。マイクロレンズ202は、射出瞳103と受光層203が共役関係になるように配置されている。その結果、図2に示すように、射出瞳103内の瞳領域261を通過した光束210は光電変換部161に入射し、瞳領域262を通過した光束262を通過した光束220は光電変換部162に入射する。
(1)基準画像信号に対して第1の対象範囲を設定し、参照画像信号に対して、第1の対象範囲と対応する位置から第1の変位量だけ変位させた位置に第2の対象範囲を設定する対象範囲設定工程
(2)基準画像信号の第1の対象範囲に含まれる信号要素に基づき第1の重心位置を算出し、基準画像信号の第1の対象範囲に含まれる信号要素と参照画像信号の第2の対象範囲に含まれる信号要素との和に基づき第2の重心位置を算出する重心位置算出工程
(3)第1の重心位置と第2の重心位置が等しくなる第1の変位量の値を算出する変位量算出工程
以下、本実施例の被写体距離の算出手順について、図3を参照しながらより詳細に説明する。ステップS1では、撮像素子101にて被写体像信号1及び被写体像信号2を取得し、距離算出部102に伝送する。このとき、撮像素子101がN行×M列の画素数を有する際には、N×M個のデータを有する信号が距離算出部102に伝送される。ステップS2では、被写体像信号1と被写体像信号2に基づき、視差量の算出を行う。ステップS2における視差量の算出工程については図4を用いて後述する。
ΔL=r・L/(w−r) 式1
Gain=L/w 式2
そして、次の式3に基づき視差量を像側デフォーカス量に変換する。
ΔL=Gain・r 式3
式3を用いることで視差量から像側デフォーカス量への変換を容易に行うことができ、被写体距離の算出に係る演算量を削減することができる。また、視差量から像側デフォーカス量への変換に、変換用のルックアップテーブルを用いてもよい。この場合にも、被写体距離の算出に係る演算量を削減することができる。
次に、本実施例の被写体距離の算出手順により、像形状に非対称性が生じた場合においても視差量の誤差を低減できる理由について図7を用いて説明する。図7(A)は、被写体像信号1を示しており、図7(B)は被写体像信号2を示している。図7(A)、(B)共に横軸にx方向の像高、縦軸に信号強度を示している。図7(A)と図7(B)から、被写体像信号1をS1とし、被写体像信号2をS2とする。
S1(x)=S10(x)+DC
S2(x)=S20(x)+DC 式6
数値例1を用いて、本実施例の距離算出装置110の被写体距離の算出手順を用いることで視差量の算出誤差を低減可能であることを示す。被写体は、反射率2%の背景部に反射率90%の白線が配置された図8(A)にxy平面図を示す被写体800を用いた。被写体800を、像側のデフォーカス量が−0.2mmとなる位置に配置し、本実施例のデジタルカメラ101で取得した被写体像信号に対して、前述の相対的な信号強度比の補正処理を行った被写体像信号1と被写体像信号2を示したのが図8(B)である。図8(B)においては、x方向の像高を横軸にとり、縦軸に規格化した像信号強度をとり、示している。実線801は被写体像信号1であり、破線802は被写体像信号2である。図8(B)から、被写体像信号1と被写体像信号2の形状は、光束のケラレにより並進対称性を有さず、非対称な形状であることが分かる。
本実施例:−0.200[mm]
相互相関演算:−0.214[mm]
従来の相互相関演算を用いた場合には、視差量の算出誤差が−0.95画素と大きい。一方、本実施例の距離算出装置では、視差量の算出誤差が0.005画素程度と非常に小さく、高精度に視差量を算出できている。その為、本実施例の距離算出装置110では像側のデフォーカス量を高精度に算出することができる。被写体距離は像側のデフォーカス量と対応するため、本実施例の距離算出装置110においては、簡易な演算で高精度に被写体距離を算出することができる。
次に、実施例1とは、距離算出手順の異なる本発明の実施例2について詳細に説明する。以下の説明では、実施例1と同様に本発明の距離算出装置を備えた撮像装置の一例として、デジタルカメラを用いて説明するが、本発明の適用はこれに限定されるものではない。本実施例のデジタルカメラ100は、実施例1と同一の構成を有し、距離算出部102にて行う視差量の算出工程が異なる。以下、図を用いて距離算出手順について詳細に説明する。
本実施例の被写体距離の算出手順について、図10を参照しながら詳細に説明する。本実施例の被写体距離の算出手順は、実施例1とはステップS2の視差量の算出工程が異なる。以下、図10を用いて本実施例の視差量算出工程について説明する。ステップS2−11では、被写体像信号1に対して、対象範囲1の設定を行う。さらに被写体像信号2に対して、被写体像信号1の対象範囲1と対応する位置に対象範囲1を設定する。対象範囲1については、ステップS2−1と同様の範囲とする。
Gdf1−Gfd2=(GS2−GS1)−(GS3−GS4)
=(GS4−GS1)−(GS3−GS2)=0 式11
数値例2を用いて、本実施例の距離算出装置110の被写体距離の算出手順を用いることで視差量の算出誤差を低減可能なことを示す。被写体及び被写体の配置位置は、数値例1と同じ設定を用いる。従って、本実施例のデジタルカメラ100にて取得した被写体像信号1と被写体像信号2は図8(B)と同じ像信号となる。
本発明の目的は、以下の実施形態によって達成することもできる。即ち、前述した実施例の機能(距離算出部などの機能)を実現するソフトウェアのプログラムコードを格納した記憶ないし記録媒体を、距離算出装置に供給する。そして、その距離算出部のコンピュータ(またはCPU、MPUなど)が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出し上記機能を実行する。この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が前述した実施例の機能を実現することになり、そのプログラム、これを格納した記憶媒体は本発明を構成することになる。詳細には、本発明の変位量演算方法は以下の如き方法と捉えることができる。被写体に対する第1の視点にて取得した視差画像信号である第1の信号において、第1の対象範囲に含まれる第1の部分信号を抽出する。また、被写体に対する第2の視点にて取得した視差画像信号である第2の信号において、第1の対象範囲と対応する位置から第1の変位量だけ変位させた位置に配置される第2の対象範囲に含まれる第2の部分信号を抽出する。そして、第1の変位量を変化させることで変化する、第1の部分信号を含む信号と第2の部分信号を含む信号との相対的な変位量を演算する。より詳細には、第1の部分信号の重心位置である第1の重心位置と、第1の部分信号に第2の部分信号を加算した第3の部分信号を算出した後に第3の部分信号の重心位置である第2の重心位置を算出する。そして、第1の重心位置と第2の重心位置とが等しくなる第1の変位量を算出して、視差画像信号の間の視差を算出する。このように、前記プログラムは、被写体に対する少なくとも2つの異なる視点にて取得した視差画像信号に基づき被写体までの距離を算出するためのプログラムであって、前記変位量演算方法をコンピュータに実行させるプログラムである。
Claims (15)
- 被写体に対する1つの結像光学系の瞳上の異なる領域を介して少なくとも2つの異なる視点にて取得した複数の視差画像信号を生成する撮像部と、前記撮像部で生成した複数の視差画像信号の間の視差量の算出を行い、前記視差量に基づき被写体距離の算出を行う距離算出部を備えた距離算出装置であって、
前記距離算出部は、
前記複数の視差画像信号のうち1つを基準画像信号として第1の対象範囲の信号要素に基づき第1の重心位置を算出し、前記視差画像信号のうち基準画像信号とは異なる視差画像信号のうち1つを参照画像信号として前記第1の対象範囲と対応する位置から変位させた位置の第2の対象範囲に含まれる信号要素と前記基準画像信号の前記第1の対象範囲に含まれる信号要素とを合成した合成信号に基づき第2の重心位置を算出する重心位置算出工程と、前記第1の重心位置と前記第2の対象範囲の位置の変位量を変化させながら算出した複数の前記第2の重心位置の比較に基づいて複数の前記第2の対象範囲の位置の変位量から第1の変位量の値を算出する変位量算出工程と、前記第1の変位量の値から前記視差量を算出する視差算出工程と、を実行することを特徴とする距離算出装置。 - 前記距離算出部は、更に
前記基準画像信号に対して第1の対象範囲を設定し、前記参照画像信号に対して、前記第1の対象範囲と対応する位置から変位させた位置に第2の対象範囲を設定する対象範囲設定工程を実行し、
前記重心位置算出工程は、前記基準画像信号の前記第1の対象範囲に含まれる信号要素に基づき第1の重心位置を算出し、前記基準画像信号の前記第1の対象範囲に含まれる信号要素と前記参照画像信号の前記第2の対象範囲に含まれる信号要素との和に基づき第2の重心位置を算出し、
前記変位量算出工程は、前記第2の対象範囲の位置の変位量を変化させながら前記第1の重心位置と前記第2の重心位置が等しくなる前記第1の変位量の値を算出することを特徴とする請求項1に記載の距離算出装置。 - 被写体に対する1つの結像光学系の瞳上の異なる領域を介して少なくとも2つの異なる視点にて取得した複数の視差画像信号を生成する撮像部と、前記撮像部で生成した複数の視差画像信号の間の視差量の算出を行い、前記視差量に基づき被写体距離の算出を行う距離算出部を備えた距離算出装置であって、
前記距離算出部は、
前記複数の視差画像信号のうちの1つの基準画像信号の第1の対象範囲に含まれる信号要素に基づき算出される重心位置と、前記視差画像信号のうち基準画像信号とは異なる視差画像信号のうちの1つの参照画像信号の前記第1の対象範囲に含まれる信号要素に基づき算出される重心位置と、の差分である第1の重心位置差を算出するとともに、前記基準画像信号の、前記第1の対象範囲と対応する位置から変位させた位置である第2の対象範囲に含まれる信号要素と前記参照画像信号の前記第1の対象範囲に含まれる信号要素とを合成した合成信号に基づき算出される重心位置と、前記参照画像信号の、前記第1の対象範囲と対応する位置から前記第2の対象範囲の変位量の絶対値が等しく符号が逆の値だけ変位させた位置である第3の対象範囲に含まれる信号要素と前記基準画像信号の前記第1の対象範囲に含まれる信号要素とを合成した合成信号に基づき算出される重心位置と、の差分である第2の重心位置差を算出する重心位置差算出工程と、前記第2の対象範囲の位置と前記第3の対象範囲の位置の変位量を変化させながら算出した複数の前記第1の重心位置差と前記第2の重心位置差の比較に基づいて複数の前記第2の対象範囲の位置の変位量から第1の変位量の値を算出する変位量算出工程と、前記第1の変位量の値から前記視差量を算出する視差算出工程と、を実行することを特徴とする距離算出装置。 - 前記距離算出部は、更に
前記基準画像信号と前記参照画像信号に対して第1の対象範囲を設定し、前記基準画像信号に対して前記第1の対象範囲と対応する位置から変位させた位置に第2の対象範囲を設定し、前記参照画像信号に対して前記第1の対象範囲と対応する位置から前記第2の対象範囲の変位量の絶対値が等しく符号が逆の値だけ変位させた位置に第3の対象範囲を設定する対象範囲設定工程を実行し、
前記重心位置差算出工程は、
前記基準画像信号の前記第1の対象範囲に含まれる信号要素に基づき算出される重心位置と、前記参照画像信号の前記第1の対象範囲に含まれる信号要素に基づき算出される重心位置と、の差分である第1の重心位置差を算出するとともに、前記基準画像信号の前記第2の対象範囲に含まれる信号要素と前記参照画像信号の前記第1の対象範囲に含まれる信号要素との和に基づき算出される重心位置と、前記参照画像信号の前記第3の対象範囲に含まれる信号要素と前記基準画像信号の前記第1の対象範囲に含まれる信号要素との和に基づき算出される重心位置と、の差分である第2の重心位置差を算出し、
前記変位量算出工程は、
前記第1の重心位置差と前記第2の重心位置差が等しくなる前記第1の変位量の値を算出することを特徴とする請求項3に記載の距離算出装置。 - 前記変位量算出工程は、前記第1の重心位置と前記第2の重心位置の差分値、または前記第1の重心位置差と前記第2の重心位置差の差分値、を評価値として設定し、前記評価値が0となる前記第1の変位量の値を算出することを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の距離算出装置。
- 前記距離算出部は、前記視差量に基づいてデフォーカス量を求め、前記デフォーカス量を用いて前記被写体距離を算出することを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の距離算出装置。
- 前記撮像部は、前記結像光学系の撮像面に配置される撮像素子を備え、前記撮像素子は、第1の光電変換部と第2の光電変換部を備えた測距画素が複数配列されて構成され、
前記第1の光電変換部は、前記結像光学系の第1の瞳領域を通過した光束による第1の視差画像信号を生成し、前記第2の光電変換部は、前記結像光学系の第2の瞳領域を通過した光束による第2の視差画像信号を生成し、
前記距離算出部にて、前記第1の視差画像信号と前記第2の視差画像信号に基づき前記視差量を算出することを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項に記載の距離算出装置。 - 前記撮像部は、前記結像光学系の撮像面に配置される撮像素子を備え、前記撮像素子は、第1の光電変換部を備えた第1の測距画素と、第2の光電変換部を備えた第2の測距画素と、が複数配列されて構成され、
前記第1の光電変換部は、前記結像光学系の第1の瞳領域を通過した光束による第1の視差画像信号を生成し、前記第2の光電変換部は、前記結像光学系の第2の瞳領域を通過した光束による第2の視差画像信号を生成し、
前記距離算出部にて、前記第1の視差画像信号と前記第2の視差画像信号に基づき前記視差量を算出することを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項に記載の距離算出装置。 - 請求項7または8に記載の距離算出装置と画像生成部を備えた撮像装置であって、前記画像生成部は、前記第1の視差画像信号と前記第2の視差画像信号に基づき画像を生成することを特徴とする撮像装置。
- 請求項7または8に記載の距離算出装置であって前記撮像素子が前記結像光学系を通過した光束による撮影用画像信号を生成する撮像画素をさらに備える距離算出装置と、画像生成部を備えた撮像装置であって、
前記画像生成部は、前記第1の視差画像信号及び前記第2の視差画像信号と、前記撮影用画像信号の少なくとも一方に基づき画像を生成することを特徴とする撮像装置。 - 前記距離算出装置と前記画像生成部が撮影筺体の内部に格納されていることを特徴とする請求項9または10に記載の撮像装置。
- 請求項7または8に記載の距離算出装置であって前記撮像素子が前記結像光学系を通過した光束による撮影用画像信号を生成する撮像画素をさらに備える距離算出装置と、画像生成部を備えた撮像装置であって、
前記画像生成部は、前記第1の視差画像信号及び前記第2の視差画像信号と、前記撮影用画像信号の少なくとも一方に基づき画像を生成し、
前記距離算出装置に含まれる前記撮像素子及び前記距離算出部と、前記画像生成部が撮影筐体の内部に格納され、前記結像光学系がレンズ筐体の内部に格納され、前記撮影筐体と前記レンズ筐体を接続する接続部を備えたことを特徴とする撮像装置。 - 被写体に対する結像光学系の瞳上の一部の領域に基づく第1の視点にて取得した視差画像信号である第1の信号において、第1の対象範囲に含まれる第1の部分信号を抽出し、被写体に対する結像光学系の瞳上の前記一部の領域とは異なる領域に基づく第2の視点にて取得した視差画像信号である第2の信号において、前記第1の対象範囲と対応する位置から第1の変位量だけ変位させた位置に配置される第2の対象範囲に含まれる第2の部分信号を抽出し、前記第1の変位量を変化させることで変化する、前記第1の部分信号を含む信号と前記第2の部分信号を含む信号との相対的な変位量を演算する演算方法であって、
前記第1の部分信号の重心位置である第1の重心位置と、前記第1の部分信号に前記第2の部分信号を加算した第3の部分信号を算出した後に前記第3の部分信号の重心位置である第2の重心位置を算出し、前記第1の重心位置と前記第2の重心位置とが等しくなる前記第1の変位量を算出し、前記第1の変位量から前記視差画像信号の間の視差を算出し、前記視差を像側デフォーカス量に変換し、像側デフォーカス量に基づき被写体距離の算出を行う、ことを特徴とする演算方法。 - 被写体に対する結像光学系の瞳上の一部の領域に基づく第1の視点にて取得した視差画像信号である第1の信号及び被写体に対する結像光学系の瞳上の前記一部の領域とは異なる領域に基づく第2の視点にて取得した視差画像信号である第2の信号において、それぞれ、第1の対象範囲に含まれる第1の部分信号及び第1の対象範囲に含まれる第2の部分信号を抽出し、前記第1の信号において、前記第1の対象範囲と対応する位置から第1の変位量だけ変位させた位置に配置される第2の対象範囲に含まれる第3の部分信号を抽出し、前記第2の信号において、前記第1の対象範囲と対応する位置から前記第1の変位量と絶対値が等しく逆符号の第2の変位量だけ変位させた位置に配置される第3の対象範囲に含まれる第4の部分信号を抽出し、前記第1の変位量を変化させることで変化する、前記第1及び第2の部分信号を含む信号と前記第1、第2、第3、及び第4の部分信号を含む信号との相対的な差分量を演算する演算方法であって、
前記第1の部分信号の重心位置と前記第2の部分信号の重心位置との差分である第1の重心位置差を算出し、前記第3の部分信号と前記第2の部分信号の和の重心位置と、前記第4の部分信号と前記第1の部分信号の和の重心位置と、の差分である第2の重心位置差を算出し、前記第1の重心位置差と前記第2の重心位置差とが等しくなる前記第1の変位量を算出し、前記第1の変位量から前記視差画像信号の間の視差を算出し、前記視差を像側デフォーカス量に変換し、像側デフォーカス量に基づき被写体距離の算出を行う、ことを特徴とする演算方法。 - 被写体に対する少なくとも異なる視点にて取得した視差画像信号に基づき被写体距離の算出を行うためのプログラムであって、
請求項13または14に記載の演算方法を実行する手段としてコンピュータを機能させることを特徴とするプログラム。
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