JP6702669B2 - 撮像装置及びその制御方法 - Google Patents
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Description
本発明の一実施形態による撮像装置及びその制御方法について図面を用いて説明する。
まず、本実施形態による撮像装置10に用いられるレンズユニット100について図1を用いて説明する。図1は、本実施形態による撮像装置10の構成の概略を示すブロック図である。なお、ここでは、撮像装置10が、レンズ交換式のデジタル一眼レフカメラである場合を例に説明するが、これに限定されるものではない。
撮像装置本体120は、光学的LPF(ローパスフィルタ)121と撮像素子122とを含む光学系と、撮像装置駆動/制御系(カメラ制御/駆動系)131とを含んでいる。光学的ローパスフィルタ121と撮像素子122を含む光学系は、撮像光学系133の一部を構成している。レンズユニット100の第1のレンズ群101、絞り102、第2のレンズ群103及びフォーカスレンズ104と、撮像装置本体120の光学的ローパスフィルタ121及びマイクロレンズ305(図3参照)とが相俟って、撮影光学系133を構成している。
撮像素子122は、例えばCMOSイメージセンサである。撮像素子122は、瞳分割機能を有しており、画像データを用いた位相差方式の焦点検出(撮像面位相差AF、位相差AF)を行うための信号を出力することが可能である。
画像処理回路124は、撮像素子122から出力される画像データから、位相差AF用のデータと、表示、記録、及び、コントラストAF(TVAF)用の画像データとを生成する。
カメラMPU125は、後述する第1の焦点検出信号、第2の焦点検出信号及び第3の焦点検出信号を、撮像素子122等を用いて取得する信号取得手段として機能し得る。また、カメラMPU125は、第1の焦点検出信号と第2の焦点検出信号とのうちの少なくともいずれかと、第3の焦点検出信号とに基づいて、撮影光学系133のデフォーカス状態を検出するデフォーカス状態検出手段としても機能し得る。
また、カメラMPU125は、撮像光学系133のデフォーカス状態の検出の結果に基づいて、撮像面位相差焦点検出部129によって検出されたデフォーカス量の信頼性を判定する信頼性判定手段としても機能し得る。また、カメラMPU125は、後述する評価値EV_DFDに対しての閾値を設定する閾値設定手段としても機能し得る。
撮像面位相差焦点検出部129は、第1の焦点検出信号と第2の焦点検出信号との相関に基づいて、撮影光学系133のデフォーカス量を検出するデフォーカス量検出手段として機能し得る。
このように、本実施形態による撮像装置10は、位相差AFとTVAFの両方を実行することが可能であり、状況に応じて位相差AF又はTVAFを選択的に実行したり、位相差AFとTVAFとを組み合わせて実行したりすることができる。
本実施形態において用いられている撮像素子122は、上述したように、例えばCMOSイメージセンサである。撮像素子122の撮像面、即ち、撮像素子122の画素アレイ領域(図示せず)には、撮像画素(画素)200(図2参照)が2次元的、即ち、マトリクス状に配列されている。画素アレイ領域の周囲には、読み出し回路を含む周辺回路(図示せず)が配されている。図2においては、赤色(R)に感応する撮像画素が符号200Rを用いて示されており、緑色(G)に感応する撮像画素が符号200Gを用いて示されており、青色(B)に感応する撮像画素が符号200Bを用いて示されている。感応する色を特に区別しないで説明する場合には、符号200を用いて説明することとする。
2列×2行の撮像画素200によって、1つの画素群203が構成されている。図2においては、各々の画素群203を太い実線を用いて示している。1つの画素群203は、赤色に感応する1つの撮像画素200Rと、緑色に感応する2つの撮像画素200Gと、青色に感応する1つの撮像画素200Bとにより構成されている。赤色に感応する撮像画素200Rは、画素群203のうちの左上の位置に配されている。緑色に感応する撮像画素200Gは、画素群203のうちの右上と左下の位置に配されている。青色に感応する撮像画素200Bは、画素群203のうちの右下の位置に配されている。このような画素配列は、ベイヤー配列と称されている。
このような画素群203が撮像素子122の撮像面(受光面)に2次元的に多数配置されているため、撮像素子122は明瞭且つ高精度な撮影画像を取得することができる。
上述したように、各々の撮像画素200は、2列×1行で配列された第1の分割画素201と第2の分割画素202とによってそれぞれ構成されている。このため、列方向(X軸方向)における分割画素201、202のピッチ(周期)PAFは、例えば2μmとなっている。列方向(X軸方向)における分割画素201、202の数は、例えば、11150となっている。行方向(Y軸方向)における分割画素201、202の数は、例えば3725となっている。撮像素子122の分割画素数NAFは、例えば約4150万画素となっている。
図3に示すように、各々の撮像画素200は、複数の領域(分割画素)201、202にそれぞれ分割されている。具体的には、撮像画素200は、X方向に2分割されており、Y方向には分割されていない。このように、本実施形態では、各々の撮像画素200が、2つの領域201、202にそれぞれ分割されている。
光電変換部301及び302は、例えば、p型層とn型層の間にイントリンシック層を挟んだpin構造のフォトダイオードにより構成されている。なお、光電変換部301、302は、pin構造のフォトダイオードに限定されるものではなく、イントリンシック層が省略された、pn接合のフォトダイオードであってもよい。
なお、撮像画素200R、200G、200B毎にカラーフィルタ306の分光透過率を異ならせてもよいし、カラーフィルタ306を適宜省略するようにしてもよい。
カラーフィルタ306が配された基板300上には、各々の撮像画素200に入射される光を集光するためのマイクロレンズ305がそれぞれ配されている。
第1の光電変換部301及び第2の光電変換部302では、受光量に応じて電子とホール(正孔)とが対生成される。対生成された電子とホールは、空乏層で分離される。負電荷である電子はn型層309、310に蓄積され、正電荷であるホールは定電圧源(不図示)に接続されたp型層を通じて撮像素子122の外部へ排出される。
第1の光電変換部301及び第2の光電変換部302のn型層309、310にそれぞれ蓄積された電子は、転送ゲート(図示せず)を介して、静電容量部(FD)(図示せず)に転送され、電圧信号に変換され、電圧信号が出力される。
ある点802aから発せられた複数の光束は、互いに異なる瞳部分領域501,502をそれぞれ通過し、ある画素200aの第1の分割画素201aと第2の分割画素202aとによってそれぞれ受光される。
また、他の点802bから発せられた複数の光束は、互いに異なる瞳部分領域501,502をそれぞれ通過し、他の画素200bの第1の分割画素201bと第2の分割画素202bとによってそれぞれ受光される。
なお、ここでは、瞳領域500を水平方向(X方向)に2つに分割する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。必要に応じて、垂直方向(Y方向)に瞳領域500を分割してもよい。
図6のように被写体801が位置している場合には、合焦状態(d=0)となる。また、図6のように被写体802が位置している場合には、前ピン状態(d<0)となる。前ピン状態(d<0)も後ピン状態(d>0)も、デフォーカス状態(|d|>0)に該当する。
また、前ピン状態(d<0)においては、被写体802からの光束のうちの、第2の瞳部分領域502を通過した光束は、撮像面800の手前で集光した後、光束の重心位置G2を中心として幅Γ2で広がり、撮像面800においてボケた像となる。撮像面800に達したボケた像は、撮像素子122に配された撮像画素200の第2の分割画素202によって受光され、第2の焦点検出信号が生成される。こうして、幅Γ2でボケた被写体802の像が、撮像面800上の重心位置G2において、第2の焦点検出信号(B像信号)として検出される。
後ピン状態(d>0)の場合には、第1の焦点検出信号が示す被写体像と第2の焦点検出信号が示す被写体像との間の像ずれ方向が、前ピン状態の場合に対して反対の方向となること以外は、前ピン状態の場合と同様である。
次に、焦点検出領域について図7を用いて説明する。図7は、焦点検出領域の例を示す図である。図7は、撮像素子122の有効画素領域1000内における焦点検出領域と、焦点検出時に表示器126に表示される焦点検出領域を示す指標とを重ねて示したものである。本実施形態では、行方向に3つ、列方向に3つの、計9個の焦点検出領域が設定されている。行方向においてn番目に位置し、列方向においてm番目に位置している焦点検出領域は、A(n,m)で表されている。行方向においてn番目に位置し、列方向においてm番目に位置している焦点検出領域の指標は、I(n,m)で表されている。焦点検出領域A(n,m)内に位置している第1の焦点検出画素201と第2の焦点検出画素202とによってそれぞれ取得される第1の焦点検出信号と第2の焦点検出信号とを用いて、後述するような焦点検出等が行われる。
次に、カメラMPU125は、AF用の像信号である第1の焦点検出信号(A像)と第2の焦点検出信号(B像)との生成を行うように、画像処理回路124に対して指示する(ステップS803)。画像処理回路124は、逐次読み出されているフレームの画像データのうちの焦点検出領域A(n,m)に対応する部分の画素データから、第1の焦点検出信号(A像)と第2の焦点検出信号(B像)とを生成する。画像処理回路124によって生成された第1の焦点検出信号(A像)と第2の焦点検出信号(B像)とは、撮像面位相差焦点検出部129に送られる。焦点検出用の画素と撮影用の画素とで光電変換部の大きさが異なっていることに起因して生ずる信号レベルの差を補正する処理等が、例えば撮像面位相差焦点検出部129によって行われる。
次に、カメラMPU125は、撮像面位相差焦点検出部129によって算出されたデフォーカス量に基づいて、レンズユニット100のフォーカスレンズ104に対する駆動量、即ち、レンズ駆動量を算出する(ステップS805)。
まず、撮像面位相差焦点検出部129が、同じ行(m行目とする)に位置する画素から出力されたA像とB像との相関演算を行う(ステップS901)。A像とB像との相関演算において用いられる相関量COR1(k)は、例えば以下の式(1)によって算出することができる。但し、−kmax≦k≦kmaxである。
即ち、まず、撮像面位相差焦点検出部129は、相関量の差分値DCOR1を以下の式(2)によって算出する。
DCOR1(k)=COR1(k)−COR1(k−1) ・・・(2)
そして、撮像面位相差焦点検出部129は、相関量の差分値DCOR1を用いて、差分値の符号が変化するときのシフト量dk1を求める。差分値の符号が変化する直前のkの値をk1とし、差分値の符号が変化したときのkの値をk2(k2=k1+1)とし、撮像面位相差焦点検出部129は、シフト量dk1を、以下の式(3)によって算出する。
dk1=k1+|DCOR1(k1)|/|DCOR1(k1)−DCOR1(k2)| ・・・(3)
このようにして、撮像面位相差焦点検出部129は、第1の焦点検出信号(A像)と第2の焦点検出信号(B像)との相関量が最大となるときのシフト量dk1をサブピクセルのオーダーで算出し、ステップS901の処理を完了する。
なお、2つの1次元の像信号の位相差を算出する方法は、上記の方法に限定されるものではなく、公知の任意の方法を適宜用いることができる。
なお、第1の焦点検出信号と第2の焦点検出信号と第3の焦点検出信号との大きさを揃えるため、即ち、正規化のため、本実施形態では、第3の焦点検出信号として、A像信号とB像信号との平均値が用いられる。
ただし、撮像信号としては、A像信号とB像信号との平均値ではなく、A像信号とB像信号との加算値が用いられる。
図10(c)は、撮影光学系133の射出瞳距離Dlが撮像素子122の設定瞳距離Dsより長い場合を示している。この場合にも、周辺像高においては、撮影光学系133の射出瞳400と撮像素子122の入射瞳との間で瞳ずれが生じる。このため、撮影光学系133の射出瞳400を通過する光束が、第1の瞳部分領域501と第2の瞳部分領域502とによって不均一に分割されてしまう。即ち、図10(c)に示すように、結像光学系133の射出瞳距離Dlが撮像素子122の設定瞳距離Dsより長い場合にも、周辺像高における瞳分割が不均一になる。
周辺像高において瞳分割が不均一になるのに伴い、第1の焦点検出信号と第2の焦点検出信号の強度も不均一になる。即ち、第1の焦点検出信号と第2の焦点検出信号とのうちの一方の強度が大きくなり、他方の強度が小さくなる。このような現象は、シェーディングと称される。
但し、DFD処理を行う際に用いられる信号の選択方法はこれに限定されるものではない。第1の焦点検出信号と第2の焦点検出信号との強度差が大きく、一方の信号の大きさが非常に小さい場合には、小さい方の信号を採用すると、高精度なDFD処理を行い得ない。このため、かかる場合には、第1の焦点検出信号と第2の焦点検出信号とのうちの強度が大きい方の信号と、第3の焦点検出信号とを、DFD処理の際に用いる信号として選択してもよい。
上述したように、DFD処理によるデフォーカス状態の検出においては、F値の異なる信号の一致度が高い場合に、合焦状態に近いと判定する。しかしながら、F値の異なる信号のうちの一方が、収差の大きい信号である場合には、合焦状態においても、これらの信号の一致度が高くならない。このため、収差の大きい信号を用いた場合には、DFD処理の検出精度が悪化する。このため、撮影光学系133の収差情報を取得し、第1の焦点検出信号と第2の焦点検出信号とのうちの収差の小さい方の信号を選択するという方法も考えられる。収差の小さい信号を用いるようにすれば、精度の高いDFD処理を行うことが可能となる。
具体的には、フィルタ処理等を行うことにより抽出された第3の焦点検出信号に対して、以下の式によって、第3の焦点検出信号I3(k)(1≦k≦n)のパワーP3を算出する。
そして、デフォーカス状態を判定するための評価値EV_DFDを、例えば、以下のような式(5)によって算出する。
EV_DFD=P3/(P1とP2との平均値)=(P3/(P1+P2))×2 ・・・(5)
一方、デフォーカス状態においては、F値の小さい光束による信号である第3の焦点検出信号は、F値の大きい光束による信号である第1の焦点検出信号や第2の焦点検出信号に対して、ボケによる高周波成分の減衰が大きい。このため、デフォーカスが大きくなるに従って、P1=P2>P3の関係が顕著となり、評価値EV_DFDが減少する。
EV_DFD=(P3/(2×P1))×2 ・・・(6)
F値が互いに大きく異なる光束によって第1の焦点検出信号と第3の焦点検出信号とが得られており、第1の焦点検出信号と第3の焦点検出信号との強度差も適切に設定されるため、信頼性の高い評価値EV_DFDが得られる。
EV_DFD=(P3/(2×P2))×2 ・・・(7)
F値が互いに大きく異なる光束によって第2の焦点検出信号と第3の焦点検出信号とが得られており、第2の焦点検出信号と第3の焦点検出信号との強度差も適切に設定されるため、信頼性の高い評価値EV_DFDが得られる。
式(7)によって得られる評価値EV_DFDは、式(6)によって得られる評価値EV_DFDの上述した特性と同様の特性を有している。評価値EV_DFDに対して閾値を設け、評価値EV_DFDが閾値を超えるか否かによって合焦状態の判定を行う点は、ステップS905やステップS906で行われる処理と同様である。
上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、DFD処理によって得られたデフォーカス状態の検出結果を用いて、位相差方式の焦点検出結果の信頼性の有無を判定したが、これに限定されるものではない。例えば、DFD処理によって得られたデフォーカス状態の検出結果を用いて、コントラスト方式等による焦点検出結果の信頼性を判定するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、DFD方式によって得られたデフォーカス状態の検出結果を用いて、DFD方式とは異なる方式によって得られた焦点検出結果の信頼性の有無を判定したが、DFD方式の焦点検出の利用態様はこれに限定されるものではない。上述したように、DFD方式では、F値の異なる光束によって得られる信号の一致度を検出することによって、合焦近傍であるか否かを判定することが可能である。従って、DFD処理の結果を用い、撮影範囲のうちの合焦状態の近傍の領域を撮影者に通知するようにすることも可能である。例えば、撮影範囲のうちの合焦状態の近傍の領域を、撮像装置10の背面に配された表示器126においてハイライト表示するようにしてもよい。これにより、撮影者は、例えば、マニュアルフォーカス設定時等において、合焦状態を確認しながら撮影を行うことができる。なお、合焦状態を表示するということは、デフォーカス状態を表示することでもある。このように、DFD処理の結果を、デフォーカス状態の表示に用いるようにしてもよい。
Claims (11)
- 撮影光学系によって生成される被写体像を光電変換する撮像素子と、
前記撮影光学系の瞳領域の一部である第1の瞳部分領域を通過した光束による第1の信号と、前記瞳領域のうちの前記第1の瞳部分領域とは異なる第2の瞳部分領域を通過した光束による第2の信号と、前記第1の瞳部分領域を含むとともに前記第1の瞳部分領域よりも広い領域を通過した光束、又は、前記第2の瞳部分領域を含むとともに前記第2の瞳部分領域よりも広い領域を通過した光束による第3の信号とを、前記撮像素子を用いて取得する信号取得手段と、
前記第1の信号の強度と前記第2の信号の強度とのうちの少なくともいずれかと、前記第3の信号の強度とに基づいて、前記撮影光学系のデフォーカス状態を検出するデフォーカス状態検出手段と
を有することを特徴とする撮像装置。 - 前記第1の信号と前記第2の信号とにそれぞれ対応する前記光束のF値に基づいて、前記第1の信号の強度と前記第2の信号の強度とのうちの少なくともいずれかを選択する信号選択手段を更に有し、
前記デフォーカス状態検出手段は、前記信号選択手段によって選択された前記第1の信号の強度と前記第2の信号の強度とのうちの少なくともいずれかと、前記第3の信号の強度とに基づいて、前記撮影光学系の前記デフォーカス状態を検出する
ことを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 - 前記第1の信号と前記第2の信号との大小関係に基づいて、前記第1の信号の強度と前記第2の信号の強度とのうちの少なくともいずれかを選択する信号選択手段を更に有し、
前記デフォーカス状態検出手段は、前記信号選択手段によって選択された前記第1の信号の強度と前記第2の信号の強度とのうちの少なくともいずれかと、前記第3の信号の強度とに基づいて、前記撮影光学系の前記デフォーカス状態を検出する
ことを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 - 前記第1の信号と前記第2の信号との相関に基づいて、前記撮影光学系のデフォーカス量を検出するデフォーカス量検出手段と、
前記デフォーカス状態検出手段による前記デフォーカス状態の検出の結果に基づいて、前記デフォーカス量検出手段によって検出された前記デフォーカス量の信頼性を判定する信頼性判定手段とを更に有する
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記第1の信号と前記第2の信号との相関に基づいて、前記撮影光学系のデフォーカス量を検出するデフォーカス量検出手段と、
前記デフォーカス状態検出手段による前記デフォーカス状態の検出の結果に基づいて、前記デフォーカス量の検出の対象となる領域を設定する検出対象領域設定手段とを更に有する
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記被写体像を表示する表示手段を更に有し、
前記表示手段は、前記デフォーカス状態検出手段による検出の結果に基づいて、前記デフォーカス状態を表示する
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記撮影光学系のF値、前記第1の信号の強度と前記第2の信号の強度と前記第3の信号の強度とのうちの少なくともいずれかのS/N比、又は、前記第1の信号の強度と前記第2の信号の強度と前記第3の信号の強度とのうちの少なくともいずれかの評価帯域に基づいて、前記デフォーカス状態か否かを前記デフォーカス状態検出手段が検出するための閾値が設定される
ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記デフォーカス状態検出手段は、前記第1の信号の強度と前記第2の信号の強度との内の少なくともいずれかと、前記第3の信号の強度との比較に基づく評価値を算出して、該評価値と閾値とを比較し、該比較の結果に基づいて前記デフォーカス状態を検出することを特徴とする、請求項1に記載の撮像装置。
- 前記信頼性判定手段は、前記デフォーカス状態の検出結果と、前記デフォーカス量の検出結果との間に矛盾が生じている場合には、前記デフォーカス量の検出結果の信頼性は低いと判定し、前記デフォーカス状態の検出結果と、前記デフォーカス量の検出結果との間に矛盾が生じていない場合には、前記デフォーカス量の検出結果の信頼性は高いと判定することを特徴とする請求項4に記載の撮像装置。
- 撮影光学系によって生成される被写体像を光電変換する撮像素子を用いて、前記撮影光学系の瞳領域の一部である第1の瞳部分領域を通過した光束による第1の信号と、前記瞳領域のうちの前記第1の瞳部分領域とは異なる第2の瞳部分領域を通過した光束による第2の信号と、前記第1の瞳部分領域を含むとともに前記第1の瞳部分領域よりも広い領域を通過した光束、又は、前記第2の瞳部分領域を含むとともに前記第2の瞳部分領域よりも広い領域を通過した光束による第3の信号とを取得するステップと、
前記第1の信号の強度と前記第2の信号の強度とのうちの少なくともいずれかを選択するステップと、
前記第1の信号の強度と前記第2の信号の強度とのうちの少なくともいずれかと、前記第3の信号の強度とに基づいて、前記撮影光学系のデフォーカス状態を検出するステップと
を有することを特徴とする撮像装置の制御方法。 - コンピュータに、
撮影光学系によって生成される被写体像を光電変換する撮像素子を用いて、前記撮影光学系の瞳領域の一部である第1の瞳部分領域を通過した光束による第1の信号と、前記瞳領域のうちの前記第1の瞳部分領域とは異なる第2の瞳部分領域を通過した光束による第2の信号と、前記第1の瞳部分領域を含むとともに前記第1の瞳部分領域よりも広い領域を通過した光束、又は、前記第2の瞳部分領域を含むとともに前記第2の瞳部分領域よりも広い領域を通過した光束による第3の信号とを取得するステップと、
前記第1の信号の強度と前記第2の信号の強度とのうちの少なくともいずれかを選択するステップと、
前記第1の信号の強度と前記第2の信号の強度とのうちの少なくともいずれかと、前記第3の信号の強度とに基づいて、前記撮影光学系のデフォーカス状態を検出するステップと
を実行させるためのプログラム。
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