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JP5183565B2 - 撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、自動焦点検出が可能な撮像装置に関する。
従来から、ライブビューモードの機能を備えた撮像装置がある。ライブビューモードでは、CCDやCMOSセンサ等の固体撮像素子から連続的に読み出された画像信号を、液晶ディスプレイ等の表示装置に順次出力することによって被写体像の確認を行うことができる。
特許文献1及び特許文献2には、撮像素子の一部の受光素子(画素)に瞳分割機能が付与された焦点検出用画素を撮像用画素群の間に所定の間隔で配置して、位相差式焦点検出を行うことが開示されている。また、焦点検出用画素が配置された箇所は撮像画素の欠損部に相当するため、周辺の撮像画素情報から補間して画像情報を創生することが開示されている。
CMOSセンサ等の撮像素子を有する撮像装置では、画面を1ライン毎に読み出すローリング電子シャッタが用いられる。このため、このような撮像装置でライブビューモードを機能させると、撮像画面内に横縞状のフリッカー(ラインフリッカー)が生じるという問題がある。フリッカーは、蛍光灯の照明下等、商用電源で直接点灯する光源下で被写体動画像の表示や記録を行う場合、撮像素子の蓄積時間、撮像素子のフレーム周波数、及び、蛍光灯の交流点灯周波数に依存して発生する。フリッカーは、撮像素子の蓄積時間を蛍光灯の点灯周期の整数倍に設定することでライン毎の露出量を揃え、フリッカーの影響を低減するができる。
しかしながら、面フリッカー及びラインフリッカーのいずれの場合でも専用の制御が必要となる。このため、いずれかのタイミングでフリッカーの有無を検知し、この検知結果に応じてフリッカーを制御する必要がある(フリッカー消去モード)。特許文献3には、フリッカーの影響を低減させて高精度に自動焦点検出を行う方法が開示されている。
特開2000−156823号公報 特開2000−292686号公報 特開2006−84556号公報
しかしながら、特許文献3では、フリッカー検出後に自動焦点検出が行われるため、フリッカー検出前に高速な自動焦点検出を行うことができない。そこで本発明は、フリッカーの影響を受けずに高速な自動焦点検出が可能な撮像装置を提供する。
本発明の一側面としての撮像装置は、撮像光学系からの光束により形成された像を光電変換する複数の撮像用画素および該撮像光学系からの光束のうち分割された光束により形成された像を光電変換する複数の焦点検出用画素を有し、第1の方向に光電変換された信号が読み出される撮像素子と、前記焦点検出用画素の出力に基づいて、少なくとも前記第1の方向の一対の像と当該第1の方向と異なる第2の方向の一対の像の位相差から、それぞれ前記撮像光学系の焦点状態の検出を行うことが可能な焦点検出手段と、フリッカーを軽減するフリッカー軽減手段と、前記フリッカー軽減手段の動作実行前には、前記第1の方向の一対の像の位相差から得られた前記撮像光学系の焦点状態に応じて前記撮像光学系の焦点を制御する制御手段とを有する。
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。
本発明によれば、フリッカーの影響を受けずに高速な自動焦点検出が可能な撮像装置を提供することができる。
本実施例における撮像装置のブロック構成図である。 本実施例における撮像素子のブロック図である。 本実施例における撮像素子の全画素を読み出す場合の説明図である。 本実施例における撮像素子の間引き読み出しの一例の説明図である。 本実施例における撮像用画素の平面図及び断面図である。 本実施例における焦点検出用画素の平面図及び断面図である。 本実施例の焦点検出用画素の縦線検出用の配置である。 本実施例の焦点検出用画素の横線検出用の配置である。 本発明実施例の焦点検出用画素の縦線・横線検出用の配置である。 本発明実施例の焦点検出用画素の縦線検出用の配置である。 本実施例におけるライブビュー時の撮像動作シーケンスの概要を説明するタイミングチャートである。 本実施例におけるライブビューモードの動作フローである。 本実施例における蛍光灯の発光周期と撮像素子の各ラインの信号との関係図である。 本実施例において、同一の被写体に対して、ラインフリッカーの縞模様の位相が互いに180°異なる画像A、Bである。 本実施例における画像Aの水平射影Ahを画像Bの水平射影Bhで除して得られた値Ah/Bhの波形図である。 本実施例における撮像素子の画角領域に結像された被写体及びA像信号及びB像信号を示す図である。 本実施例における撮像素子の画角領域に結像された被写体及びA像信号及びB像信号を示す図である。
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
まず、本実施例におけるカメラ(撮像装置)について説明する。図1は、本実施例におけるカメラのブロック構成図である。本実施例のカメラは、撮像素子を備えたカメラ本体と撮影レンズとが一体に構成された電子カメラである。図1において、101は撮像光学系(結像光学系)の先端に配置された第1レンズ群であり、光軸方向に進退可能に保持される。102は絞り兼用シャッタであり、その開口径を調節することで撮影時の光量調節を行う。また絞り兼用シャッタ102は、静止画撮影時における露光秒時調節用シャッタとしての機能を備える。103は第2レンズ群である。絞り兼用シャッタ102及び第2レンズ群103は、一体となって光軸方向に進退し、第1レンズ群101の進退動作と連動することにより、変倍作用(ズーム機能)をなす。105は第3レンズ群であり、光軸方向の進退により、焦点調節を行う。106は光学的ローパスフィルタであり、撮影画像の偽色やモアレを軽減するための光学素子である。第1レンズ群101、絞り兼用シャッタ102、第2レンズ群103、第3レンズ群105、及び、光学素子106は、撮像光学系を構成する。
107はC−MOSセンサとその周辺回路で構成された撮像素子である。撮像素子107としては、例えば、横方向m画素、縦方向n画素の受光ピクセル上に、ベイヤー配列の原色カラーモザイクフィルタがオンチップで形成された2次元単板カラーセンサが用いられる。撮像素子107は、後述のように、撮像光学系からの光束により形成された像を光電変換する複数の撮像用画素および撮像光学系からの光束のうち分割された光束により形成された像を光電変換する複数の焦点検出用画素を有する。また、撮像素子107は、所定の方向(第1の方向)に光電変換された信号を読み出す。
111はズームアクチュエータであり、不図示のカム筒を回動することにより、第1レンズ群101又は第3レンズ群103を光軸方向に進退駆動し、変倍操作を行う。112は絞りシャッタアクチュエータであり、絞り兼用シャッタ102の開口径を制御して撮影光量を調節すると共に、静止画撮影時の露光時間制御を行う。114はフォーカスアクチュエータであり、第3レンズ群105を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行う。
115は撮影時の被写体照明用電子フラッシュであり、キセノン管を用いた閃光照明装置が好適であるが、連続発光するLEDを備えた照明装置を用いてもよい。116はAF補助光手段であり、所定の開口パターンを備えたマスクの像を、投光レンズを介して被写界に投影し、暗い被写体又は低コントラスト被写体に対する焦点検出能力を向上させる。
121はCPUであり、カメラ本体の種々の制御を行う。CPU121は、演算部、ROM、RAM、A/Dコンバータ、D/Aコンバータ、及び、通信インターフェイス回路等を有する。また、CPU121は、ROMに記憶された所定のプログラムに基づいて、カメラの各種回路を駆動し、AF、撮影、画像処理、及び、記録等の一連の動作を実行する。
122は電子フラッシュ制御回路であり、撮影動作に同期して照明手段115を点灯制御する。123は補助光駆動回路であり、焦点検出動作に同期してAF補助光手段116を点灯制御する。124は撮像素子駆動回路であり、撮像素子107の撮像動作を制御するとともに、取得した画像信号をA/D変換してCPU121に送信する。125は画像処理回路であり、撮像素子107が取得した画像のγ変換、カラー補間、及び、JPEG圧縮等の処理を行う。
126はフォーカス駆動回路であり、焦点検出結果に基づいてフォーカスアクチュエータ114を駆動制御し、第3レンズ群105を光軸方向に進退駆動して焦点調節を行う。128はシャッタ駆動回路であり、絞りシャッタアクチュエータ112を駆動制御して絞り兼用シャッタ102の開口を制御する。129はズーム駆動回路であり、撮影者のズーム操作に応じてズームアクチュエータ111を駆動する。
131はLCD等の表示器(モニタ)であり、カメラの撮影モードに関する情報、撮影前のプレビュー画像と撮影後の確認用画像、及び、焦点検出時の合焦状態表示画像等を表示する。132は操作スイッチ群であり、電源スイッチ、レリーズ(撮影トリガ)スイッチ、ズーム操作スイッチ、及び、撮影モード選択スイッチ等で構成される。133は着脱可能なフラッシュメモリであり、撮影済み画像を記録する。
図2は、本実施例における撮像素子107のブロック図である。図2は、後述の読み出し動作を説明するために必要な構成のみが示されており、図2には画素リセット信号等が省略されている。図2において、201は、光電変換部(以下、PDmnと略す。mは、X方向アドレスであり、m=0、1、…、m−1である。nは、Y方向アドレスであり、n=0、1、…、n−1である。)である。光電変換部PDmnは、フォトダイオード、画素アンプ、及び、リセット用のスイッチ等で構成されている。また、本実施例の撮像素子107は、m×nの光電変換部201が2次元状に配置されている。符号は煩雑になるのを避けるため、左上の光電変換部PD00のみに付されている。
202は、光電変換部PDmnの出力を選択するスイッチであり、後述の垂直走査回路208により、一行ごとに選択される。203は、光電変換部PDmnの出力を一時的に記憶するためのラインメモリである。ラインメモリ203は、垂直走査回路208により選択された一行分の光電変換部PDmnの出力を記憶する。ラインメモリ203としては、通常、コンデンサが用いられる。
204は、水平出力線に接続され、水平出力線を所定の電位VHRTにリセットするためのスイッチであり、信号HRTにより制御される。
205は、ラインメモリ203に記憶された光電変換部PDmnの出力を水平出力線に順次出力するためのスイッチであり、HからHm−1のスイッチを後述の水平走査回路206で順次走査することにより、一行分の光電変換の出力が読み出される。
206は、水平走査回路であり、ラインメモリ203に記憶された光電変換部PDmnの出力を順次走査して水平出力線に出力する。信号PHSTは、水平走査回路206のデータ入力、PH1、PH2は、シフトクロック入力である。PH1=Hでデータがセットされ、PH2でデータがラッチされる構成となっており、PH1、PH2にシフトクロックを入力することにより、PHSTを順次シフトさせて、HからHm−1のスイッチを順次オンさせることができる。SKIPは、後述の間引き読み出し時に設定を行わせる制御端子入力である。SKIP端子をHレベルに設定することにより、水平走査回路206を所定間隔でスキップさせることが可能になる。なお、読み出し動作に関しては詳述する。
208は、垂直走査回路であり、順次走査して、VからVn−1を出力することにより、光電変換部PDmnの選択スイッチ202を選択することができる。制御信号は、水平走査回路206と同様に、データ入力PVST、シフトクロックPV1、PV2、間引き読み設定SKIPにより制御される。これらの動作は水平走査回路206の場合と同様であるため、その説明は省略する。なお図2において、前記制御信号は図示されていない。
図3は、図2の撮像素子の全画素を読み出す場合の説明図である。図3(a)は、m×nの光電変換部の配置図である。同図に付記されたR,G,Bの記号は、光電変換部に塗布されたカラーフィルタを表している。本実施例では、2行×2列の4画素のうち、対角2画素にG(緑色)の分光感度を有する画素を配置し、他の2画素にR(赤色)とB(青色)の分光感度を有する画素を各1個配置した、ベイヤー配列で説明する。図中の上側及び左側に付された番号は、X及びYの番号である。斜線の引かれた画素部が読み出し対象である(全画素読み出しであるため、全てに斜線が描かれている)。また、撮像素子には、通常、黒レベルを検出する遮光されたOB(オプティカルブラック)画素なども配置され、OB画素も読み出されるが、本実施例ではその説明を省略する。
図3(b)は、撮像素子の全画素のデータを読み出す場合のタイミングチャートである。データの読み出しは、CPU121で撮像素子駆動回路124を制御し、撮像素子にパルスを送ることにより制御される。以下、図3(b)を参照して、全画素読み出し動作を説明する。
まず、垂直走査回路208を駆動して、Vをアクティブにする。このとき、0行目の画素の出力が、垂直出力線にそれぞれ出力される。この状態で、MEM信号をアクティブにして、各画素のデータをラインメモリ部にサンプルホールドする。次に、PHSTをアクティブして、PH1、PH2のシフトクロックを入力して、順次HからHm−1をアクティブにして、水平出力線に画素出力を出力する。出力された画素出力は、アンプ207を介して、VOUTとして出力され、図示しないAD変換器でデジタルデータに変換され、125の画像処理回路で所定の画像処理が施される。次に、垂直走査回路は、V1がアクティブになり、1行目の画素出力が、垂直出力線に出力され、同様にMEM信号によりラインメモリに、画素出力が一旦メモリされる。次に、PHSTをアクティブして、PH1、PH2のシフトクロックを入力して、順次HからHm−1をアクティブにして、水平出力線に画素出力を出力する動作は、同じである。以上のように、n−1行目までの読み出しを順次行う。
図4は、図2の撮像素子の間引き読み出しの一例の説明図である。図4(a)は、m×nの光電変換部の配置図であり、図3(a)と同一の撮像素子を示している。斜線の引かれた画素部は、間引き読み出し時の読み出し対象画素である。本実施例では、X、Yともに1/3の間引きの読み出しとしている。
図4(b)は、間引き読み出し時のタイミングチャートである。図4(b)のタイミングチャートを参照して、間引き読み出しの動作について説明する。間引き読み出しの設定は、水平走査回路206(シフトレジスタ)の制御端子、SKIP端子を、アクティブにすることで行われる。SKIP端子をアクティブにすることで、水平走査回路206及び垂直走査回路208は、1画素ごとの順次走査から3画素ごとの順次走査に動作が変更される。具体的方法に関しては、公知な技術であるため説明を省略する。
間引き時の動作は、まず、垂直走査回路208を駆動して、Vをアクティブにする。このとき、0行目の画素の出力が、垂直出力線にそれぞれ出力される。この状態で、MEM信号をアクティブにして、各画素のデータをラインメモリ部にサンプルホールドする。次に、PHSTをアクティブして、PH1、PH2のシフトクロックを入力する。このとき、SKIP端子をアクティブ設定にすることにより、水平走査回路の経路が変更され、順次H、H、H・・・Hm−3のように、3画素ごとに水平出力線に画素出力を出力する。出力された画素出力は、アンプ207を介して、VOUTとして出力され、図示しないAD変換器でデジタルデータに変換され、画像処理回路125で所定の画像処理が施される。次に、垂直走査回路208は、水平走査回路206と同様に、V、VをスキップさせてVをアクティブにし、3行目の画素出力を垂直出力線に出力する。その後、MEM信号によりラインメモリに、画素出力が一旦記憶される。次に、PHSTをアクティブして、PH1、PH2のシフトクロックを入力して、順次H、H、H・・・Hm−3をアクティブにして、水平出力線に画素出力を出力する動作は、同じである。以上のように、n−3行目までの読み出しを順次行う。以上のように、水平、垂直ともに1/3の間引き読み出しが行われる。
次に、図5及び図6を参照して、撮像素子107の撮像用画素と焦点検出用画素の構造について説明する。本実施例では、2×2の4画素のうち、対角2画素にG(緑色)の分光感度を有する画素を配置し、他の2画素にR(赤色)とB(青色)の分光感度を有する画素を各1個配置した、ベイヤー配列が採用されている。そして、このベイヤー配列の間に、後述する構造の焦点検出用画素が所定の規則にて分散配置される。
図5は、本実施例における撮像用画素の平面図及び断面図である。図5(a)の2×2の撮像用画素の平面図に示されるように、ベイヤー配列では、対角方向にG画素が、他の2画素にRとBの画素が配置される。この2行×2列の構造は、繰り返し配置される。図5(a)の断面A−Aを図5(b)に示す。MLは各画素の最前面に配置されたオンチップマイクロレンズ、CFはR(Red)のカラーフィルタ、CFはG(Green)のカラーフィルタである。PDは図3で説明したC−MOSセンサの光電変換部を模式的に示したものであり、CLはC−MOSセンサ内の各種信号を伝達する信号線を形成するための配線層である。TLは撮像光学系を模式的に示したものである。
ここで、撮像用画素のオンチップマイクロレンズMLと光電変換部PDは、撮像光学系MLを通過した光束を可能な限り有効に取り込むように構成されている。換言すると、撮像光学系TLの射出瞳EPと光電変換部PDは、マイクロレンズMLにより共役関係にあり、かつ光電変換部の有効面積は大面積に設計される。また、図5(b)では、R画素の入射光束について説明したが、G画素及びB(Blue)画素も同一の構造となっている。従って、撮像用のRGB各画素に対応した射出瞳EPは大径となり、被写体からの光束を効率よく取り込んで画像信号のS/Nを向上させている。
図6は、撮影レンズの水平方向(横方向)に瞳分割を行うための焦点検出用画素の配置構造図である。図6(a)は、焦点検出用画素を含む2行×2列の画素の平面図を示す。撮像信号を得る場合、G画素は輝度情報の主成分をなす。そして人間の画像認識特性は輝度情報に敏感であるため、G画素が欠損すると画質劣化が認められやすい。一方、R画素又はB画素は、色情報を取得する画素であるが、人間は色情報には鈍感であるため、色情報を取得する画素は多少の欠損が生じても画質劣化に気づきにくい。そこで本実施例では、2行×2列の画素のうち、G画素は撮像用画素として残し、RとBの画素を焦点検出用画素として用いる。これらの画素は、図6(a)においてそれぞれSA、SBで表される。
図6(a)の断面A−Aを図6(b)に示す。マイクロレンズML及び光電変換部PDは、図5(b)に示される撮像用画素と同一構造である。本実施例では、焦点検出用画素の信号は画像創生には用いないため、色分離用カラーフィルタの代わりに透明膜CF(White)が配置される。また、撮像素子で瞳分割を行うため、配線層CLの開口部は、マイクロレンズMLの中心線に対して一方向に偏倚している。具体的には、画素SA及びその開口部OPHAは右側に偏倚しているため、撮影レンズTLの左側の射出瞳EPHAを通過した光束を受光する。同様に、画素SBの開口部OPHBは左側に偏倚しているため、撮影レンズTLの右側の射出瞳EPHBを通過した光束を受光する。よって、画素SAを水平方向規則的に配列し、これらの画素群で取得した被写体像をA像とする。また、画素SBも水平方向規則的に配列し、これらの画素群で取得した被写体像をB像とすると、A像とB像の相対位置を検出することで、被写体像のピントずれ量(デフォーカス量)が検出できる。垂直方向(縦方向)のピントずれ量を検出したい場合には、画素SA及びその開口部OPHAを上側に、また、画素SB及びその開口部OPHBを下側に偏倚させて構成すればよい。なお、図示しないが、垂直方向を検出したい場合には、画素SA、SBを90度回転させて偏倚させればよい。
図7(a)は、撮像用画素及び焦点検出用画素の配置図である。図7(a)は、間引きされた後の画素配置を表しており、X(水平)方向に1/3、Y(垂直)方向に1/3になるよう間引きされている。また、図7(a)において、Gは緑フィルターを塗布された画素、Rは赤フィルターを塗布された画素、Bはグリーン画素を塗布された画素であり、画素G、R、Bは、それぞれ、間引き読み出し時に読み出される画素である。また、図中の記号の書かれていない白抜き画素は、間引き読み出し時に読み出されない画素を表している。画素SAは、画素部の開口を水平方向に偏倚させて形成された焦点検出用画素であり、後述の画素SBに対する水平方向の像ズレ量を検出するための基準画素群である。画素SBは、その開口部をSA画素の開口部とは逆方向に偏倚させて形成された画素であり、画素SAに対する水平方向の像ズレ量を検出するための参照画素群である。画素SA、SBの斜線部は、偏倚した画素の開口部を表している。
焦点検出用画素(画素SA、SB)は、撮像に用いることができないため、X方向及びY方向に所定の間隔で離散的に配置されるように構成されている。また、焦点検出用画像は、画像の劣化が目立ちにくいように、G画素の部分以外に配置することが望ましい。本実施例では、図7(a)中の太い黒枠で示された4×4画素(間引き前の画素配置で言えば、12×12画素)のブロック内に、画素SA、SBの1ペアが配置されている。BLOC_H(i、j)は、ブロック名を表している。また、ブロックは、4×4ブロックで完結するように構成されている。
焦点検出用画素の配置に関しては、図7(a)に示されるように、X方向が同一ブロックでY方向が異なるブロックでは、画素SA、SBの配置を1画素(間引き前の画素では、3画素)ごとにシフトさせている。この配置は図7(a)中の矢印で示され、離散的に配置された焦点検出用画素のサンプリング特性を改善させるために行われる。すなわち、画素SA、SBは、X(水平)方向に瞳分割された画素群であるため、X方向には、サンプリングが密になるようにシフト量を1画素単位で行っている。
図7(b)は、ブロック間の配置規則を示す図である。図中の黒い枠で示された部分は、BLOCK(i、j)の各ブロックを示している。図7(b)に示されるように、X方向が異なるブロックでは、Y方向にブロック単位でシフトさせている。焦点検出方向ではないY方向に関しては、画像の劣化を考慮し、ブロック単位でシフトさせる。図7(b)には、ブロックシフトの規則が矢印で示されている。また、全撮像画面への拡張は、4×4ブロック単位で、撮像素子の任意の位置に適宜配置すればよい。
図8(a)、(b)は、図7(a)、(b)の配置を瞳分割の方向に合わせて90度回転させた構成を有する。それ以外は図7(a)、(b)と同様の構成であるため、説明を省略する。
図9は、図7及び図8の水平、垂直方向の像ズレ量の検出を同一の測距視野で可能とする構成であり、BLOCK_H(i、j)及びBLOCK_V(i、j)を市松状に入れ子配置したものである。図9(a)は、画素部分を記載して詳細な配置を示している。水平及び垂直検出の各4×4ブロックを用いて入れ子配置を構成すると、8×8ブロックでパターンは完結する。ただし、図が煩雑になるため、4×4ブロックのみ記載している。また、入れ子配置時のブロック名は、BLOCK_C(i、j)で表される。
図9(b)は、入れ子配置の対応関係がわかるように、図9(a)に記載されたBLOCK_C(i、j)に対応したBLOCK_H(i、j)、BLOCK_V(i、j)を記載する。図9(a)を参照すれば、入れ子配置の規則性は明らかである。
図10(a)は、さらに電子ビューファインダーの拡大モード、及び、動画時のデジタルズームのように、撮影画面の一部を切り出して読み出す場合に対応した横線検出の焦点検出用画素の配置である。図7の配置が基本となっている。拡大及びデジタルズーム時は、撮影領域の一部を部分的に読み出すモードであるが、一部領域の画素は間引きなしで全画素が読み込まれる。従って、このような場合、間引き読みだしモード時に読み出されない画素部にも画素SA、SBが配置されている方が、焦点検出精度を向上させることができる。
図7(a)と同様に、図10(a)中の記号の書かれていない白抜き画素は、間引き読み出し時に読み出されない画素を表し、拡大及びデジタルズーム時において、この白抜き部分の画素も読み込まれて拡大表示される。焦点検出用画素の配置に関しては、図10(a)に示されるように、X方向が同一ブロックでY方向が異なるブロックでは、画素SA、SBの配置を全画素読み出し時にサンプリングピッチが細かくなるように、1画素ごとにシフトさせている。図10(a)中の白抜きの矢印で示された画素SAは、全画素読み出し時のサンプリングが改善されるように補完的に配置される画素である。間引き読み出し時に読み出される黒い矢印で示された画素SAと補完し合って、サンプリングピッチが最小になるように構成される。
Y方向のサンプリングは、図7及び図8の配置と同様に、X方向に比べて、より離散的になるように配置され、画像の劣化を防止している。
図10(b)は、図10(a)のブロックごとの配置規則を示しており、図7(b)と同一規則である。また横線検出の場合、図8の横線検出の画素配置も、図10と同様に、全画素読み出し時に、間引き時に読み出されない画素部に補完的に画素SA、SBが配置されることが望ましい。配置規則に関しては、図7及び図10の関係より明らかなので、詳細な説明は省略する。また、縦線、横線のクロス配置に関しても、図9と同様に構成可能であるため、説明は省略する。
以上のように構成されたシステムにおいて、図12を参照して、本実施例におけるライブビューモードの動作フローを説明する。まずステップS101においてライブビューモードが開始されると、各ライブビュー制御パラメータが初期化され、ライブビュー動作のための制御が開始される。この制御は、例えば、CPU121の記憶部に記憶された制御プログラムに従って実行される。
ここで、ライブビュー動作について説明する。図11は、本実施例におけるライブビュー時の撮像動作シーケンスの概要を説明するタイミングチャートである。図11に示されるように、撮像素子107は、露光動作が行われた後、撮像素子107内の各画素の蓄積電荷を画像信号として読み出す。この読み出し動作は、制御パルス垂直同期信号VD、及び、不図示の制御パルス水平同期信号HDに同期して行われる。制御パルス垂直同期信号VDは、撮像の1フレームを表す信号である。本実施例では、例えば1/30秒(従って、本実施例では、1秒間に30フレームの動画撮影を行う。)ごとにCPU121からのコマンドを受けて、撮像素子駆動回路124から撮像素子107へ送られる。また、制御パルス水平同期信号HDは、撮像素子107の水平同期信号であり、1フレームの期間に水平ラインのライン数に応じたパルス数が所定間隔で送出され、水平ラインの制御を行う。また、制御パルス水平同期信号HDに同期して、設定された蓄積時間となるように水平ラインごとに画素のリセットが行われる(図11中に点線で示す)。以上は公知の技術であるため、これ以上の説明は省略する。
制御パルス垂直同期信号VD及び制御パルス水平同期信号HDにより蓄積読み出しが実行されると、制御パルス垂直信号VDが送出され、次フレームの蓄積動作が開始される。また、読み出された画像信号は、画像処理回路125へ転送され、欠陥画素補正などが行われて画像処理が実行される。また、本実施例の撮像素子107は、その一部の画素群(焦点検出用画素)に瞳分割機能を付与することにより、いわゆる位相差AFが可能に構成されている。この焦点検出用画素も欠陥画素とみなして欠陥補正が行われ、画像処理及び表示回路に転送される。
また、画像データ内に含まれる焦点検出用画素のデータをピックアップして撮影レンズの焦点状態を検出するため、画像信号は、画像処理回路125(焦点検出手段)における不図示の位相差検出ブロックへも転送される。この回路ブロックで、瞳分割された画素SA、SBの相関演算が行われ、位相差AF評価値が算出される。画像処理回路125は、焦点検出用画素(画素SA、SB)の出力に基づいて、少なくとも所定の方向(第1の方向)の一対の像と第1の方向とは異なる第2の方向の一対の像の位相差から、それぞれ撮像光学系の焦点検出を行うことが可能である。ここで、第1の方向とは、撮像素子107により光電変換された信号が読み出される方向である。これにより、CPU121は、フォーカス駆動回路126を制御してフォーカスアクチュエータ114を動作させ、撮影レンズの焦点調節を行う。
また、画像処理回路125及びCPU121によって構成される測光検出手段によって測光が行われ、蓄積時間、ゲイン、絞りなどの露光条件が決定される。CPU121は、決定された絞り値に基づいて、絞りシャッタアクチュエータ112を動作させて絞り駆動を行う。
図12においてステップS102に移行すると、フリッカー検出手段であるCPU121によりフリッカーの検出が行われる。ここで、本実施例におけるフリッカー検出方法について、図13を参照しながら説明する。図13は、蛍光灯の発光周期と撮像素子の各ラインの信号との関係図である。ここでは、蛍光灯の光量が所定の周期で変動し、また、1ライン毎に撮像素子の画素の蓄積タイミングが異なる場合を考える。このとき、各ラインの蓄積タイミングでの蛍光灯の光量に依存して、撮像素子からの読み出し信号に図13に示されるような縞模様のフリッカー(ラインフリッカー)が発生する。この縞の間隔は、蛍光灯のフリッカー周期と対応するため、この縞の間隔を計算することでフリッカー周期を求めることができる。
具体的には、図13の画像信号の水平射影をとり、その周期を算出すればよい。しかし、実際の被写体においては画面内に多種の反射率が存在するため、図13の画像信号の水平射影も被写体の反射率の影響を受ける。そこで、例えば図14に示されるように、被写体が同一であって、かつ、ラインフリッカーの縞模様の位相が互いに180°異なる2枚の画像A及び画像Bを考える。このとき、画像A及び画像Bのそれぞれについて画像信号の水平射影Ah、Bhを演算し、水平射影Ahを水平射影Bhで除して得られた値Ah/Bhを算出すれば、被写体の反射率の影響を抑制して、フリッカー成分のみを取り出した信号を得ることができる。ここで、商用電源の周波数は50Hz又は60Hzであるから、例えば22.2fpsのフレームレートで読み出すと、いずれの周波数でも、連続した2枚の画像信号のラインフリッカーの縞模様の位相が180°異なる。
図15(A)に示される値Ah/Bhの波形は、横軸は垂直ライン数であるが、1水平ラインの走査時間との積をとれば時間になる。図15(A)の波形の振幅が所定量より大きければフリッカーの存在が確認できる。ただし、画面内の照度ムラなどで誤検知するのを防ぐため、次のような処理を行う。すなわち、図15(A)に示されるように、波形内に2つのWindow(Window1、Window2)を設定し、両Window内の波形の自己相関を計算することで、図15(B)に示されるような相関結果の波形を得ることができる。ただし、Window1の波形に対してWindow2の波形をずらしていくと仮定し、Window1の波形のPEAKとWindow2の波形のPEAKとが重なった場合を相関100とする。また、Window1のPEAKとWindow2のBOTTOMとが重なった場合を相関0とする。図15(B)に示される相関結果の波形の周期がフリッカー周期となる。また、フリッカーが存在しない場合、図15(B)の波形の振幅が小さくなる。このため、相関値閾値を所定値に設定し、図15(B)の波形のPEAKが相関値閾値以上の場合、又は、BOTTOMが相関値閾値以下の場合にはフリッカーが存在すると判定し、そうでない場合はフリッカーが存在しないと判定する。以上により、被写体のフリッカーの有無、及び、フリッカーが存在する場合のフリッカー周期を検知することができる。ただし、フリッカー周期を検知する際には数フレームを要する。
次に図12のステップS103では、ステップS102におけるフリッカーの検出結果に基づいて、ライブビューモード選択手段(CPU121)により、複数のライブビューモードから一つのライブビューモードが選択される。本実施例において、ライブビュー表示手段(CPU121)は、後述のように、第一のライブビューモード及び第二のライブビューモードのいずれかのモードで、撮像素子107から読み出した信号を表示器131に逐次表示する。ステップS102において、CPU121によりフリッカーが存在しないと判定された場合、ステップS104へ移行する。一方、CPU121によりフリッカーが存在すると判定された場合、ステップS107に移行する。
ステップS104では、ライブビューモード選択手段(CPU121)により、所定の読み出し時間でライブビュー動作を行う通常ライブビューモード(第一のライブビューモード)が選択される。第一のライブビューモードでは、ピント確認に優れた特徴を持つプログラム線図を選択し、絞りが開放になるように優先的に選択されて、蓄積時間、ゲイン、及び、絞り値等の露出制御パラメータが決定される。
一方、ステップS107では、ライブビューモード選択手段により、フリッカーの影響を軽減させてライブビュー動作を行うフリッカー消去ライブビューモード(第二のライブビューモード)が選択される。第二のライブビューモードでは、ステップS102におけるフリッカー検出結果に基づいて、フリッカーの周期の整数倍となるような蓄積時間が優先的に選択されるプログラム線図で、露出制御パラメータが決定される。このフリッカー消去ライブビューモードは、フリッカー軽減手段(CPU121)がフリッカーを軽減することにより実行される。このように、フリッカー軽減手段は、フリッカー検出手段(CPU121)の検出結果に基づいてフリッカーを軽減するように動作する。これにより、フリッカーの影響を受けない画像信号の読出しが可能となる。
次に、本実施例における焦点検出方法について説明する。本実施例の撮像素子107は、その一部の画素群に水平及び垂直方向の像ズレ量を検出可能な瞳分割機能が付与され、いわゆる位相差AFが可能に構成されている。画像データ内に含まれる焦点検出用画素のデータを水平及び垂直方向ごとにピックアップして、画像処理回路125内の不図示の位相差検出ブロックへ転送し、位相差AF評価値を算出する。次に、この回路ブロックで、瞳分割された画素SA、SBによって転送される像信号について、図16を参照して説明する。図16(a)において、201は、撮像素子107の画角領域に結像された被写体であり、水平方向の像ズレが検出可能な2本のバーチャートである。また、202は測距枠である。このとき、水平方向の像ズレを検出する焦点検出用画素から位相差検出ブロックへ転送される像信号は、レンズの焦点状態が合焦状態である場合、図16(b)、(c)のようなA像信号及びB像信号となる。A像信号とB像信号の相関量を計算することで、焦点状態を検出することが可能となる。また、図16(d)において、203は、撮像素子107の画角領域に結像された被写体であり、垂直方向の像ズレが検出可能な2本のバーチャートである。また、204は測距枠である。このとき、垂直方向の像ズレを検出する焦点検出用画素から位相差検出ブロックへ転送される像信号は、レンズの焦点状態が合焦状態である場合、図16(e)、(f)のようなA像信号及びB像信号となる。A像信号とB像信号の相関量を計算することで、焦点状態を検出することが可能となる。
ステップS104、S107においては、撮像素子107から読み出された像信号にフリッカーの影響は存在しない。このため、上述のように、水平及び垂直方向の像ズレ量を正確に検出することが可能である。したがって、水平及び垂直方向の像ズレ量に対して同レベルの信頼性を持たせて、選択又は合成してレンズ駆動を行うことができる。
一方、ステップS101〜S103では、フリッカー検出結果に基づくライブビュー動作が行われていないため、フリッカー光源下では、撮像素子107から読み出された画像信号はフリッカーの影響を受ける。このとき、瞳分割された画素SA、SBによって画像処理回路125の位相差検出ブロックに転送される像信号について、図17を参照して説明する。図17(a)において、301は、撮像素子107の画角領域に結像された被写体であり、水平方向の像ズレが検出可能な2本のバーチャートである。また、302は測距枠である。図17(a)において、横縞はフリッカーの影響による輝度ムラを示している。このとき、水平方向の像ズレを検出する焦点検出用画素から位相差検出ブロックへ転送される像信号は、レンズの焦点状態が合焦状態である場合、図17(b)、(c)に示されるようなA像信号及びB像信号となり、フリッカーの影響により像信号がシフトする。図17(b)、(c)において、点線はフリッカーが存在しないときの各信号を示す。ただし、A像信号及びB像信号に与えるフリッカーの影響は、水平の相関量を計算する場合、誤差要因とはならないため、正確な焦点状態を検出することが可能である。
図17(d)において、303は撮像素子107の画角領域に結像された被写体であり、垂直方向の像ズレが検出できる2本のバーチャートである。また、204は測距枠である。図17(d)において、横縞はフリッカーの影響による輝度ムラを示している。このとき、垂直方向の像ズレを検出する焦点検出用画素から位相差検出ブロックへ転送される像信号は、レンズの焦点状態が合焦状態である場合、図17(e)、(f)のようなA像信号及びB像信号となる。A像信号及びB像信号は、フリッカーの影響を受けており、所望の被写体の像信号を得ることができない。そのため、A像信号とB像信号から正確な相関量を計算することができなくなる。そこで、垂直方向の像ズレ量の信頼性を低くし、選択又は合成してレンズ駆動を行う。
例えば本実施例において、CPU121は、ライブビューモードの選択前と選択後で(フリッカー軽減手段の動作実行前後で)焦点検出の処理方法を変更する。具体的には、焦点検出手段は、CPU121の指令に基づいて、ライブビューモードの選択前(フリッカー軽減手段の動作実行前)には、フリッカーの影響を受けない所定の方向(第1の方向)に配置された焦点検出用画素の間での像ズレ量を用いて焦点検出を行う。または、この方向に配置された焦点検出用画素の間での像ズレ量を優先的に用いる。一方、焦点検出手段は、ライブビューモードの選択後(フリッカー軽減手段の動作実行後)には、複数の方向(第1の方向および第2の方向)に配置された焦点検出用画素の間での像ズレ量を用いて焦点検出を行う。このように、CPU121は、フリッカー軽減手段の動作実行前には、所定の方向(第1の方向)の一対の像の位相差から得られた撮像光学系の焦点状態に応じて撮像光学系の焦点を制御する制御手段である。
図12のステップS105では、ライブビューの駆動中止信号の有無を判定し、駆動中止信号が出力されている場合、ライブビュー駆動を終了し、駆動中止信号が出力されていない場合、ステップS106へ移行する。ステップS106では、再度、フリッカー検出の必要性があるか否か(シーン変更の有無)を判定する。フリッカー検出の必要性が有ると判定した場合、ステップS102に移行し、再度フリッカー検出を行う。その必要性が無いと判定した場合、ステップS104へ移行し、通常ライブビューモードを継続する。再度、フリッカー検出の必要性があるか否かの判定を特に限定するものではないが、例えば、被写体輝度などの変化が有る場合、光源が変化した可能性があるため、再度フリッカー検出を行うようにしてもよい。
ステップS108では、ライブビューの駆動中止信号の有無を判定する。駆動中止信号が出力されている場合、ライブビュー駆動を終了し、駆動中止信号が出力されていない場合、ステップS109へ移行する。ステップS109では、再度、フリッカー検出の必要性があるか否か(シーン変更の有無)の判定をして、その必要性が有ると判定した場合、ステップS102に移行し、再度フリッカー検出を行う。その必要性が無いと判定した場合、ステップS107へ移行し、フリッカー消去ライブビューモードを継続する。
以上のとおり、位相差検出ブロックに送られる像信号にフリッカーの影響があるか否かによって、像ズレ検出方向の信頼性を変えて焦点検出を行うことで、フリッカーの影響がある場合においても正確な焦点検出を行うことができる。このため、フリッカー検出を行いフリッカーの影響を消してから焦点検出を行う場合と比較して、応答性の良い焦点検出及びAFが可能となる。
本実施例は、撮像素子を備えた電子カメラの焦点調節装置を提供するもので、特に、電子スチルカメラやムービーカメラに有用である。
以上、本発明の実施例について具体的に説明した。ただし、本発明は上記実施例として記載された事項に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内で適宜変更が可能である。
101 第1レンズ群
102 絞り兼用シャッタ
103 第2レンズ群
105 第3レンズ群
106 光学的ローパスフィルタ
107 撮像素子
121 CPU
125 画像処理回路

Claims (2)

  1. 撮像光学系からの光束により形成された像を光電変換する複数の撮像用画素および該撮像光学系からの光束のうち分割された光束により形成された像を光電変換する複数の焦点検出用画素を有し、第1の方向に光電変換された信号が読み出される撮像素子と、
    前記焦点検出用画素の出力に基づいて、少なくとも前記第1の方向の一対の像と当該第1の方向と異なる第2の方向の一対の像の位相差から、それぞれ前記撮像光学系の焦点状態の検出を行うことが可能な焦点検出手段と、
    フリッカーを軽減するフリッカー軽減手段と、
    前記フリッカー軽減手段の動作実行前には、前記第1の方向の一対の像の位相差から得られた前記撮像光学系の焦点状態に応じて前記撮像光学系の焦点を制御する制御手段と、を有することを特徴とする撮像装置。
  2. フリッカーを検出するフリッカー検出手段を更に有し、
    前記フリッカー軽減手段は、前記フリッカー検出手段の検出結果に基づいて前記フリッカーを軽減するように動作することを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
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