JP2009258451A - 焦点検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】専用の光学系及びセンサを用いた焦点検出装置と、イメージセンサ上に焦点検出用画素を配置する焦点検出装置とを備える撮像装置において、相関演算回路の規模を削減する。
【解決手段】画像情報を取得するための撮像素子上に離散的に配置された焦点検出用の画素からの信号に基づいて位相差方式による焦点検出を行う第１の焦点検出部と、撮像素子とは異なる、焦点検出のための専用のセンサを用いて位相差方式による焦点検出を行う第２の焦点検出部と、第１の焦点検出部の出力又は第２の焦点検出部の出力を用いて、撮像素子に対する被写体像のデフォーカス量を演算する演算部であって、第１の焦点検出部の出力と第２の焦点検出部の出力に対して共通に設けられた演算部１０６，１０７とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、位相差方式により焦点検出を行う技術に関するものである。

近年、カメラ等の画像入力装置においては、ＡＦ（オートフォーカス）が広く普及しており、焦点検出装置の重要性が増し、その性能の向上に力が注がれている。

焦点検出装置の焦点検出方法としては、コントラスト法や位相差法等様々な方法が提案されている。特に、即応性を求める一眼レフ等のカメラにおいては、専用に焦点検出用の光学系及びセンサを配置した位相差法による焦点検出装置が広く採用されている。

図３は、専用の焦点検出用の光学系及びセンサを備える従来の位相差法による焦点検出装置の要部を示した図である。この焦点検出装置では、撮影光学系１の光束の結像面２６に対してセンサ周辺の光学特性も考慮してコンデンサレンズ２２を挿入している。このコンデンサレンズ２２を通過した光は、瞳マスクにより作られる開口瞳でセパレータレンズ２４を通過し、焦点検出用センサ２５上に２像（以下、Ａ像、Ｂ像）を結像する。

２像のセンサ上でのずれ量（プレディクション量）（図３中、Ｌ０に対するＬ１，Ｌ２の差の距離）は、被写体像の撮影光軸上の合焦面からのずれ（デフォーカス量）に比例する。そこで、センサ上での２像の相関値が最大となる位置からプレディクション量を求め、比例関係を利用してデフォーカス量を求めることで、焦点検出を行うのが位相差法による焦点検出である。

上記の相関値を演算する相関演算部のハードウエアを効率良く使用し、システムのスループットを向上する提案が既になされている。

特許文献１（特開２００６−２１５２８６号公報）は、専用の光学系及びセンサを用いた位相差法による焦点検出装置ついて記載している。特許文献１に記載の装置は、焦点検出用のエリア別センサを複数有し、それらのセンサ毎に順に相関値を得るハードウエアと、相関演算の終了時に割り込みを発生する割り込み発生部とを有し、エリア別の相関演算とその他のソフトウエアによる処理とを効率的に並行して実行する。

相関演算処理部をハード化し、割り込み発生部を介して効率良くソフトウエア／ハードウエアの並行処理を実施し、相関演算処理によるスループットの低下を改善している。

位相差法による焦点検出装置の構成例としては、従来の専用の光学系及びセンサを用いる構成の他に、画像情報取得用のイメージセンサ上に焦点検出用の画素を複数設け、それらの画素からの情報に基づき焦点検出処理を実施する構成が提案されている。

特許文献２（特開２０００−１５６８２３号公報）は、固体撮像装置及びその制御方法及び撮像装置及び光電変換セルの基本配列及び記憶媒体について記載している。図４は、特許文献２における光電変換セルの配列を示す図である。光学系により結像された光学象を電気信号に変換する光電変換セルが二次元的に配列された固体撮像装置において、光電変換セル群のうちの少なくとも一部Ｓ１，Ｓ２が、画像信号を形成するため以外の信号を出力する様に構成される。

特許文献２には、図４におけるＳ１，Ｓ２を、焦点検出用のセンサとして使用することが記載されている。特許文献２における焦点検出用セルの様子を図５に示す。図５において、２１６はマイクロレンズ、２１４は遮光膜、２０７は光電変換素子である。マイクロレンズ２１６には撮影レンズからの光が入射するが、光電変換素子２０７に入射する光は遮光膜２１４により制限され、特定の方向から入射する光束のみとなる。

焦点検出セルＳ１の遮光膜と焦点検出セルＳ２の遮光膜は図６に示すように左右（または上下）対称となるように設けられている。これにより、光軸を中心として対称となる二つの瞳位置からの光束によりセンサ上に結像した像のうち、一方がＳ１の行によって光電変換され、もう一方がＳ２の行によって光電変換され、瞳位置の異なる二つの像（以下、Ａ像、Ｂ像）が得られる。

この様な画像データ取得用のイメージセンサ上に配置された焦点検出用画素を用いた位相差方式においても、Ａ像とＢ像の取得以降の相関演算等の処理は同様である。ただし、画像情報取得用のイメージセンサ上に設けた焦点検出用画素の情報を用いた位相差法では、データ数（焦点検出用画素数）が多く、また画像データ並の精度（ｂｉｔ精度）でデータを取得可能であり、高速・高精度の処理系の導入が前提とされる。
特開２００６−２１５２８６号公報 特開２０００−１５６８２３号公報

専用の光学系及びセンサを用いた位相差方式による焦点検出装置と、画像情報取得用のイメージセンサ上に焦点検出用の画素を配置した位相差方式による焦点検出装置の両方を搭載したシステムは、例えば液晶表示部に撮影対象を表示しながら動画撮影を可能とするデジタル一眼レフカメラ等に適用される。

画像情報取得用のイメージセンサ上に焦点検出用の画素を配置した位相差方式による第１の焦点検出装置では、センサからの読み出しデータ中に画像取得画素のデータと焦点検出画素のデータが混在している。その場合、データ受信時に焦点検出用画素のデータを抽出する必要がある。

また、専用の光学系及びセンサを用いた位相差方式による第２の焦点検出装置では、焦点検出用データの処理は撮影画像の処理とは異なる処理ルーチンを持ち、専用に演算処理装置を持つ必要がある。

焦点検出用の画素はイメージセンサ全体に均一に配列可能であり、イメージセンサの全セル数の数％分を割り当てたとしてもその処理データ量は多く、高速な演算処理が必要である。また、焦点検出用画素の出力データは、画像取得用の出力データの精度（ｂｉｔ精度）で得ることが可能である。

これらのことから、第２の焦点検出装置のみを有するシステム構成を基に、第１の焦点検出装置を搭載する場合、従来の相関演算処理回路の他に、別途高速・高精度の相関演算処理回路の付加が必要であった。第１及び第２の位相差方式の相関演算処理装置を夫々ハードウエアで構成することは、回路部品点数の増加につながり、コストや故障率といった点で不利となる。

従って、本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、専用の光学系及びセンサを用いた焦点検出装置と、イメージセンサ上に焦点検出用画素を配置する焦点検出装置とを備える撮像装置において、相関演算回路の規模を削減することである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わる焦点検出装置は、画像情報を取得するための撮像素子上に離散的に配置された焦点検出用の画素からの信号に基づいて位相差方式による焦点検出を行う第１の焦点検出手段と、前記撮像素子とは異なる、焦点検出のための専用のセンサを用いて位相差方式による焦点検出を行う第２の焦点検出手段と、前記第１の焦点検出手段の出力又は前記第２の焦点検出手段の出力を用いて、前記撮像素子に対する被写体像のデフォーカス量を演算する演算手段であって、前記第１の焦点検出手段の出力と前記第２の焦点検出手段の出力に対して共通に設けられた演算手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、専用の光学系及びセンサを用いた焦点検出装置と、イメージセンサ上に焦点検出用画素を配置する焦点検出装置とを備える撮像装置において、相関演算回路の規模を削減することが可能となる。

以下、本発明の好適な一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

この実施形態の撮像装置は、画像情報取得用のイメージセンサの配列上（撮像素子上）に焦点検出用の画素を離散的に配置し、この焦点検出画素情報を用いた位相差方式による第１の焦点検出装置を備える。また、同時に、専用の光学系及びセンサを用いた位相差方式による第２の焦点検出装置も備える。そして、これらの第１及び第２の焦点検出装置で、相関演算回路部のハードウエアを共用する。

本実施形態は、処理データの異なる２つの第１及び第２の焦点検出装置において、相関演算処理回路部を共用する構成を示すものであり、これらの２つの焦点検出装置における夫々のアルゴリズムの詳細について言及するものではない。

本実施形態では、上記の第１の焦点検出装置の相関演算回路部に、上記の第２の焦点検出装置の出力を入力させる構成を示す。

なお、第２の焦点検出装置の出力信号は既にデジタル化されており、専用光学系に係るシェーディング補正等は実施されているものとして、以下説明する。

また、本実施形態では、焦点検出処理をＡＦ（Auto Focus）に用いることを想定している。以下、文中のＡＦとはその意味である。

図１は、本実施形態における焦点検出回路部の構成を示すブロック図である。なお、構成要素の主体は、上記の第１の焦点検出装置用の処理回路部の構成である。

本実施形態においては、既に述べたように、画像情報取得用のイメージセンサの配列上に焦点検出用の画素を配置し、その焦点検出用画素情報を用いた位相差方式による第１の焦点検出装置を備える。この第１の焦点検出装置においては、セル毎の光量のシェーディング補正と、周辺測距領域におけるＡ像、Ｂ像の対称性を確保する像補正と、レンズ毎等により異なる光学系に対する基線長の設定（デフォーカス量に対する、プレディクション量の比例係数（距離係数）の設定）とを、焦点検出前に行い、各々の係数を焦点検出用画素入力に対しての演算に適用する。

相関演算、デフォーカス量算出等の処理は、第１及び第２の焦点検出処理で共通である。但し、第２の焦点検出処理では焦点検出の光学系は固定なので、上記の距離係数は不変である。

図１において、１０１はシェーディング補正係数算出部であり、ＡＦ像（Ａ像、Ｂ像）の画素位置でのシェーディング量を算出する。

１０２は、像修正係数算出部であり、周辺の測距領域でＡＦ光束がレンズ枠でけられた場合に、２像のＡＦ像の非対称性を補正し、相関演算能力を向上させるためのものである。

１０３は、距離係数算出部であり、ＡＦ像（Ａ像、Ｂ像）のデフォーカス量を算出するための線像におけるプレディクション量に対する距離係数を算出する。

図１において、１０１〜１０３での係数の算出には、レンズ情報、イメージセンサ情報等をパラメータとして用いてもよい。図１はそのような構成を示している。

１０４は、シェーディング補正処理部であり、シェーディング補正係数算出部で求めた補正係数でＡＦ画素値を補正演算する。

１０５は、ＡＦ像修正処理部であり、像修正係数算出部で求めた補正係数でＡＦ像（Ａ像、Ｂ像）の非対称性を補正する。

第１の焦点検出装置の処理は、図１中の１０４、１０５の補正に限定されるものではない。また、図１中の１０４、１０５の補正処理を含まなくても良い。

１０６は、相関演算回路部でありプレディクション量を検出する。

１０７は、デフォーカス量算出部であり、相関演算回路部１０６で検出したプレディクション量と、距離係数算出部１０３により算出した距離係数とから、デフォーカス量を算出する。

以上、説明してきた図１の１０１〜１０７の構成は、画像情報取得用のイメージセンサの配列上にＡＦ画素を配置し、そのＡＦ画素情報を用いた位相差方式による第１の焦点検出装置に係る処理の例である。

１０８は、本実施形態の特徴部分でもある切り替え部である。上記の第１の焦点検出装置に係る処理を実行するときには、ＡＦ像修正処理部１０５からのデータを相関演算部１０６へと出力する。また、上記の第２の焦点検出装置に係る処理を実行するときには、位相差ＡＦ用の専用センサからのデータを相関演算部１０６へと出力する。

本実施形態においては、第１及び第２の焦点検出装置が同時に焦点検出処理動作を実行することは無い。

図２は、本実施形態の焦点検出装置を搭載したデジタル一眼レフカメラを示す図である。

図２において、６０１は撮影レンズ本体であり、カメラ本体６２０に接続して使用される。６０２は撮影レンズ系であり、６０３は絞りである。静止画撮影のための測距時、撮影レンズ系６０２を通過した光束は、クイックリターンミラー６０７を介して拡散スクリーン６０８上に一旦結像する。その後にコンデンサレンズ６０９、ペンタプリズム６１０、接眼レンズ６１１を通って、撮影者の目に到達する。

クイックリターンミラー６０７は、一部の光を透過するハーフミラーとなっている。そして、静止画撮影時においてクイックリターンミラー６０７を透過した一部の光束はサブミラー６１２によって下方に屈折されて第２の焦点検出装置６０４へと導かれる。

静止画撮影時には、第２の焦点検出装置６０４によって図３に示した様な従来の位相差法による焦点検出のための信号取得が行われる。取得した焦点検出用の信号は、図１における正規化部１０９へと入力され、相関演算回路部１０６の入力フォーマットに整合すべく精度調整等の正規化が実施される。正規化された焦点検出データは、必要に応じてゼロ挿入部１１０によりオーバーサンプリング処理され、切り替え部１０８へ入力される。

切り替え部１０８のデータ入力を、正規化部１０９、ゼロ挿入部１１０の出力側に切り替える様に制御しておくことで、相関演算回路部１０６の入力として処理され、デフォーカス量算出部１０７の演算によって、デフォーカス量が求められる。

動画撮影時には、図２のクイックリターンミラー６０７をミラーアップすると共にシャッター６０５を開放して、撮影光束を撮影画像取得用のイメージセンサ６０６に結像させる。そして、ＡＦ画素情報を取得し、図１のシェーディング補正処理部１０４へとデータを入力する。第１の焦点検出装置は、この入力されたデータに対してシェーディング補正処理部１０４による処理とＡＦ像修正処理部１０５による処理を実行する。

第１の焦点検出装置は、このときＡＦ像修正処理部１０５からのデータを処理する様に、切り替え部１０８を制御する。その結果、デフォーカス量算出部１０７は、撮影画像取得用のイメージセンサ６０６上のＡＦ画素から取得したデータによる相関演算結果を基に、デフォーカス量を算出する。

この様にして、本実施形態によれば、第１及び第２の焦点検出用センサの信号出力の夫々を、切り替え部１０８により選択的に切替えることで、相関演算回路部１０６を共用することができる。

次に、第１の焦点検出装置の信号処理回路（図１における相関演算回路部１０６）の入力インタフェースに対して、第２の焦点検出用センサの出力信号を入力するための調整部（正規化部１０９とゼロ挿入部１１０から構成される）についてもう少し説明する。

ここでは、第２の焦点検出用センサの出力信号は既にデジタル化されており、専用光学系に係るシェーディング補正等は実施されているものとして説明する。。

図１は、相関演算回路部１０６の入力として位相差ＡＦ用の専用センサからのデータを選択した場合の、専用センサからのデータを相関演算回路部１０６へ入力するための調整部を配置した例を示している。

図１において、１０９は位相差ＡＦ用センサからの入力を受け取り、相関演算回路部１０６への入力データの精度に変換する正規化部である。演算精度を相関演算回路部１０６の精度に整合させるための回路であり、勿論、単純にシフト演算、０ｂｉｔデータ（又は固定値データ）の上詰／下詰の実行のみでも構わない。目的は、専用センサデータの、共用する相関演算回路部１０６の入力演算精度への正規化である。

１１０は、ゼロ挿入部であり、正規化部１０９により正規化された第２の焦点検出用センサの出力信号のデジタルデータの配列（データ列）に対して、ゼロ値を内挿し、見かけ上のサンプリングレートを上げるものである。

相関演算回路部１０６の相関演算処理において畳み込み積分を実施する場合には、ゼロ値内挿によるオーバーサンプリングによりインターポレーションした結果が得られ、プレディクション値を得るための線像の分解能が向上する。これにより、デフォーカス量の算出精度も向上する。

また、相関演算回路部１０６の相関演算処理が２つの線像をずらしながら重ねたときの面積比から相関値を得る様な場合にも、ゼロ値なので演算結果に影響を及ぼすことはない。この場合は、演算回数を冗長に施行する結果となるが、データ量を調整することが出来る。ゼロ挿入部１１０は、相関演算回路部１０６の処理方法により、効果がある様であれば付加すれば良い。

従来、第２の焦点検出装置のみを有するシステム構成を基に、第１の焦点検出装置を搭載する場合においては、新規に高速・高精度の相関演算処理回路の設計・付加が必要であった。これに対し、本実施形態によれば、第１及び第２の焦点検出装置で相関演算処理回路部を共用することにより、第２の焦点検出装置に用いる相関演算処理回路を削減することが出来る。その結果、コストや故障率といった点において有利となる。

また、高速・高精度な第１の焦点検出用の相関演算処理回路を第２の焦点検出装置にも用いることにより、その入力データとしての第２の焦点検出に用いるデータの処理能力（相関演算処理能力）も向上する。

そのため、相関演算処理に用いる第２の焦点検出用データの精度を拡張して変化量の感度を改善したり、サンプル点に対してオーバーサンプリングすることで処理空間の分解能を改善することが可能となり、第２の焦点検出装置におけるデフォーカス量検出の精度を向上させることが出来る。

本発明の一実施形態における焦点検出回路部の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態の焦点検出装置を搭載したデジタル一眼レフカメラを示す図である。 専用の焦点検出用の光学系及びセンサを備える従来の位相差法による焦点検出装置の要部を示した図である。 光電変換セルの配列を示す図である。 焦点検出用セルの構造を示す図である。 焦点検出用セルＳ１，Ｓ２を示す図である。

符号の説明

２２ コンデンサレンズ
２４ セパレータレンズ
２５ 焦点検出用センサ
２６ 結像面
１０１ シェーディング補正係数算出部
１０２ 像補正係数算出部
１０３ 距離係数算出部
１０４ シェーディング補正処理部
１０５ ＡＦ像修正処理部
１０６ 相関演算回路部
１０７ デフォーカス量算出部
１０８ 切り替え部
１０９ 正規化部
１１０ ゼロ挿入部
２０７ 光電変換素子
２１４ 遮光膜
２１６ マイクロレンズ
６０１ 撮影レンズ本体
６０２ 撮影レンズ系
６０３ 絞り
６０５ シャッター
６０６ イメージセンサ
６０７ クイックリターンミラー
６０８ 拡散スクリーン
６０９ コンデンサレンズ
６１０ ペンタプリズム
６１１ 接眼レンズ
６１２ サブミラー
６２０ カメラ本体

Claims (4)

1. 画像情報を取得するための撮像素子上に離散的に配置された焦点検出用の画素からの信号に基づいて位相差方式による焦点検出を行う第１の焦点検出手段と、
   前記撮像素子とは異なる、焦点検出のための専用のセンサを用いて位相差方式による焦点検出を行う第２の焦点検出手段と、
   前記第１の焦点検出手段の出力又は前記第２の焦点検出手段の出力を用いて、前記撮像素子に対する被写体像のデフォーカス量を演算する演算手段であって、前記第１の焦点検出手段の出力と前記第２の焦点検出手段の出力に対して共通に設けられた演算手段と、
   を備えることを特徴とする焦点検出装置。
2. 前記演算手段の特性に合わせるように、該演算手段に入力する前記第２の焦点検出手段の出力を調整する調整手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
3. 前記調整手段は、前記演算手段の精度に合わせて前記第２の焦点検出手段の出力の精度を合わせることを特徴とする請求項２に記載の焦点検出装置。
4. 前記調整手段は、デジタル化された前記第２の焦点検出手段の出力のデータ列に対してゼロ値を挿入することを特徴とする請求項２に記載の焦点検出装置。

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