JP2013254024A - 撮像装置および撮像装置の制御方法 - Google Patents

撮像装置および撮像装置の制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】撮像素子を用いて焦点検出を行う際に、高速かつ高精度に合焦可能な撮像装置を提供する。
【解決手段】撮像装置は、1つのマイクロレンズに対して複数のフォトダイオードを有する撮像素子と、撮像素子から出力される画素信号に基づいて位相差方式の焦点検出を行う焦点検出手段と、焦点検出手段の検出結果に基づいてフォーカス制御を行う制御手段とを有し、制御手段は、焦点検出を行う際に、絞り値に応じて画素信号の読み出し領域を変更し、読み出し領域に応じてフレームレートを変更する。
【選択図】図1

Description

本発明は、1つのマイクロレンズに対して複数のフォトダイオードを有する撮像素子を用いて、位相差方式の焦点検出を行う撮像装置に関する。
従来から、1つのマイクロレンズに対して複数のフォトダイオードを有する撮像素子を用いて、位相差方式の焦点検出を行う撮像装置が知られている。特許文献1には、1つの画素の中のフォトダイオードを2つに分割し、各々のフォトダイオードが撮像レンズの瞳面の異なる領域の光を受光するように構成された撮像装置が開示されている。2つのフォトダイオードの出力を比較することにより焦点検出が可能である。これにより、撮像素子から取り込んだ画像をリアルタイムで表示(ライブビュー)しながら、位相差方式の焦点検出を行うことができる。
位相差方式の焦点検出の際に高速な合焦動作を行うには、単位時間あたりの焦点検出回数を増やすことが必要である。このため、撮像素子の特定領域を部分的に読み込むことで読み出し時間を減らし、単位時間あたりの焦点検出回数を増やすことができる。
特開2001−083407号公報
しかしながら、高速な合焦動作を行うために焦点検出回数(フレームレート)を増やすと、撮像素子の読み出し領域を大きくして焦点検出精度を維持することは困難である。一方、焦点検出精度を維持するために撮像素子の読み出し領域を大きくすると、焦点検出回数(フレームレート)を増やして高速な合焦動作を実現することは困難である。すなわち従来構成では、合焦動作の高速化と焦点検出精度の維持を両立させることはできない。
そこで本発明は、撮像素子を用いて焦点検出を行う際に、高速かつ高精度に合焦可能な撮像装置および撮像装置の製造方法を提供する。
本発明の一側面としての撮像装置は、1つのマイクロレンズに対して複数のフォトダイオードを有する撮像素子と、前記撮像素子から出力される画素信号に基づいて位相差方式の焦点検出を行う焦点検出手段と、前記焦点検出手段の検出結果に基づいてフォーカス制御を行う制御手段とを有し、前記制御手段は、前記焦点検出を行う際に、絞り値に応じて前記画素信号の読み出し領域を変更し、該読み出し領域に応じてフレームレートを変更する。
本発明の他の側面としての撮像装置の制御方法は、1つのマイクロレンズに対して複数のフォトダイオードを有する撮像素子を備えた撮像装置の制御方法であって、絞り値に応じて、前記撮像素子から出力される画素信号の読み出し領域を設定するステップと、前記画素信号の前記読み出し領域に応じて、フレームレートを設定するステップと、前記画素信号の前記読み出し領域および前記フレームレートで、前記撮像素子から出力される前記画素信号に基づいて位相差方式の焦点検出を行うステップと、前記焦点検出の結果に基づいてフォーカス制御を行うステップとを有する。
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、撮像素子を用いて焦点検出を行う際に、高速かつ高精度に合焦可能な撮像装置および撮像装置の製造方法を提供することができる。
本実施例における撮像装置の構成図である。 本実施例における撮像素子の全体構成図である。 本実施例における撮像素子に含まれる1つの画素の構成図である。 本実施例における撮像素子の画素アレイの構成図である。 本実施例において、撮像レンズの射出瞳からの光束が撮像素子103に入射する様子を示す概念図である。 本実施例における映像信号処理部のブロック図である。 本実施例におけるライブビューAF処理のフローチャートである。 本実施例における撮像素子の読み出し領域と位相差検出の関係を示す図である。
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、図1を参照して、本実施例における撮像装置の構成について説明する。図1は、本実施例における撮像装置100の構成図である。図1において、110は電源である。電源110は、撮像装置100内の各回路に電源を供給する。172はカードスロットである。カードスロット172には、メモリカード173(着脱可能な記憶媒体)が差し込まれる。メモリカード173をカードスロット172に差し込んだ状態において、メモリカード173は、カード入出力部171と電気的に接続される。なお、本実施例において、記憶媒体としてメモリカード173を採用しているが、その他の記憶媒体、例えば、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、磁気ディスク、または他の固体メモリを用いてもよい。
101は、被写体の光学像(被写体像)を撮像素子103に結像させる撮像レンズである。撮像レンズ101は、レンズ駆動部141により、ズーム制御、フォーカス制御、および、絞り制御などが行われる。102はメカニカルシャッタである。メカニカルシャッタ102は、シャッタ駆動部142により制御される。撮像レンズ101およびメカニカルシャッタ102により撮像光学系が構成される。なお、本実施例において、撮像光学系は撮像装置100の本体に組み込まれている(一体的に構成されている)。ただし、本実施例はこれに限定されるものではなく、撮像光学系が撮像装置100の本体と着脱可能に構成されている場合にも適用できる。
撮像素子103は、CMOSやCCDなどを備えて構成される光電変換手段である。撮像素子103は、撮像光学系で形成された被写体像を光電変換し、画像信号(画素信号)を出力する。後述のように、本実施例の撮像素子103は、1つのマイクロレンズに対して複数のフォトダイオードを有するように構成されている。
次に、図2を参照して、本実施例における撮像素子103の構成について詳述する。図2は、撮像素子103の全体構成図である。図2に示されるように、撮像素子103は、画素アレイ201、画素アレイ201の行を選択する垂直選択回路202、および、画素アレイ201の列を選択する水平選択回路204を有する。また撮像素子103は、画素アレイ201中の画素のうち垂直選択回路202により選択される画素の信号(画素信号)を読み出す読み出し回路203を有する。また撮像素子103は、各回路の動作モードなどを外部から決定するためのシリアルインターフェイス205(SI)を有する。読み出し回路203は、信号を蓄積するメモリ、ゲインアンプ、AD変換器などを列ごとに有する。典型的には、垂直選択回路202は、画素アレイ201の複数の行を順に選択し読み出し回路203に読み出す。さらに撮像素子103は、水平選択回路204を有する。水平選択回路204は、読み出し回路203に読み出された複数の画素信号を列毎に順に選択する。垂直選択回路202および水平選択回路204の動作を適宜変更することにより、特定領域(特定の画素信号の読み出し領域)の読み出しを実現することができる。
次に、図3を参照して、撮像素子103の画素アレイ201に含まれる1つの画素の構成について説明する。図3は、1つの画素の構成図である。300は1つの画素である。1つの画素300は、1つのマイクロレンズ301を有する。また、1つの画素300に対して、複数のフォトダイオード(以下、「PD」という。)が設けられている。本実施例では、図3に示されるように、1つのマイクロレンズ301に対して4つのフォトダイオード302a、302b、302c、302dが設けられている。ただし本実施例はこれに限定されるものではなく、1つのマイクロレンズに対して2つ以上のフォトダイオードが設けられていればよい。例えば、1つのマイクロレンズに対して、2つのPD、または、9つのPDを有する構成などを採用してもよい。また本実施例では、複数のフォトダイオードの出力信号を選択して加算させるように構成することができる。例えば、PD302aとPD302c、および、PD302bとPD302dの出力信号を各々加算し、これら4つのPDから2つの出力信号を生成してもよい。なお、画素300は、図3に示される構成要素以外に、例えば、PDの信号(出力信号)を列読み出し回路203に読み出すための画素増幅アンプ、行を選択する選択スイッチ、PDの信号をリセットするリセットスイッチなどを備えている。
次に、図4を参照して、撮像素子103の画素アレイ201の構成について説明する。図4は、撮像素子103の画素アレイ201の構成図である。画素アレイ201は、2次元の画像を取得するため、図4に示されるように、水平方向にN個、垂直方向にM個の複数の画素300を2次元アレイ状に配列して構成されている。画素アレイ201の各画素300には、カラーフィルターが設けられている。本実施例において、奇数行の画素には赤と緑のカラーフィルターが繰り返しで設けられており、偶数行の画素には緑と青のカラーフィルターの繰り返しで設けられている。
次に、図5を参照して、本実施例の撮像素子103に受光の様子について説明する。図5は、撮像レンズの射出瞳からの光束が撮像素子103に入射する様子を示す概念図である。501は、3つの画素を含んで構成される画素アレイである。502はマイクロレンズ、503はカラーフィルター、504、505はフォトダイオード(PD)である。PD504、505は、図3に示されるPD302a、302bにそれぞれ対応する。506は撮像レンズの射出瞳である。509は光軸であり、マイクロレンズ502を有する画素に対して、射出瞳から出た光束の中心である。射出瞳506から出た光は、光軸509を中心として撮像素子103に入射する。507、508は撮像レンズの射出瞳506の一部領域である。510、511は、射出瞳の一部領域507を通過する光の最外周の光線である。512、513は、射出瞳の一部領域508を通過する光の最外周の光線である。
図5に示されるように、射出瞳506から出る光束のうち、光軸509を境にして、上側の光束はPD505に入射し、下側の光束はPD504に入射する。すなわち、PD504とPD505は、撮像レンズの射出瞳506において互いに異なる領域の光を受光している。この特性により、視差のある少なくとも2つの画像を取得することができる。複数の右側のPDから得られる画像データを右画像、複数の左側のPDから得られる画像でデータを左画像と呼ぶ。このとき、右画像の1ラインと、対応する位置に配置された左画像の1ラインを利用することにより、位相差検出による位相差オートフォーカス(位相差AF)を実現することができる。
次に、図1および図6を参照して、映像信号処理部121の構成および動作について説明する。図6は、映像信号処理部121のブロック図である。図1に示されるように、撮像素子103の出力信号(画素信号)は、映像信号処理部121に入力され、所定の信号処理が行われる。図6に示されるように、映像信号処理部121は、位相差検出部601、画像加算部602、および、現像処理部603を備えて構成されている。
位相差検出部601は、撮像素子103から出力される画素信号に基づいて位相差方式の焦点検出を行う焦点検出手段である。すなわち位相差検出部601は、撮像素子103から出力される左画像および右画像(画素信号)から位相差を検出し、その検出結果をバス150を介してメモリ132に出力する。また位相差検出部601は、算出した位相差の信頼性も同時に出力する。なお本実施例において、位相差およびその信頼性に関する検出結果は、メモリ132に代えて、位相差検出部601の内部メモリに出力するように構成してもよい。画像加算部602は、右画像と左画像(画素信号)の加算合成を行い、1つの画像データとして出力する。現像処理部603は、デジタル画像データのホワイトバランス、色補間、色補正、γ変換、エッジ強調、解像度変換、および、画像圧縮などの処理を行う。
図1において、メモリ132は、映像信号処理部121の出力画像データに加えて、CPU131が各種処理を行う際に必要なデータを一時的に記憶する。CPU131(制御手段)は、撮像素子103からの画素信号の読み出しを制御し、撮像素子103、映像信号処理部121、および、メモリ132などの動作タイミングを制御する。またCPU131は、位相差検出部601の検出結果に基づいてフォーカス制御を行う。タイミングジェネレータ143は、撮像素子103および映像信号処理部121にタイミングを提供する。
バス150には、レンズ駆動部141、シャッタ駆動部142、撮像素子103、タイミングジェネレータ143、映像信号処理部121、CPU131、電源110、メモリ132、表示制御装置151が接続される。またバス150には、メインスイッチ161、第1レリーズスイッチ162、第2レリーズスイッチ163、ライブビュー開始/終了ボタン164、AF開始/終了ボタン165、上下左右選択ボタン166、設定ボタン167、カード入出力部171が接続される。
表示制御装置151は、TFT152(液晶表示素子)を駆動制御し、また、VIDEO出力端子153またはHDMI端子154を介して外部装置との間で信号のやり取りを行う。また、表示制御装置151は、メモリ132に表示用の画像フォーマットで配置された画像データをそれぞれの表示装置に出力する。ここで、メモリ132に配置された表示用画像データ領域をVRAMという。
ユーザがメインスイッチ161をオンにすると、CPU131は所定のプログラムを実行する。メインスイッチ161をオフにすると、所定のプログラムを実行し、撮像装置100(カメラ)をスタンバイモードにする。第1レリーズスイッチ162は、レリーズボタンの第1ストローク(半押し状態)でオンになる。第2レリーズスイッチ163は、レリーズボタンの第2ストローク(全押し状態)でオンになる。また、CPU131は、上下左右選択ボタン166または設定ボタン167の押下と撮像装置100の動作状態とに応じて制御を行う。例えば、ライブビュー中に、上下左右選択ボタン166でオートフォーカスの対象とする被写体を指定することができる。上下左右選択ボタン166と設定ボタン167により、グラフィカルユーザインタフェースでの選択と設定を行うことで、ライブビューを通常モードとズームモードとの間で切り替えることができる。ライブビュー開始/終了ボタン164を押すと、定期的(例えば1秒に30回)に撮像素子103から画像データを取り込み、VRAMへ配置することで、リアルタイムに撮像素子103から取り込んだ画像を表示することができる。ライブビューが動作している状態で、ライブビュー開始/終了ボタン164を押すと、ライブビューを終了する。
また、AF開始/終了ボタン165は、CPU131に対してオートフォーカス制御の開始を指示する指示手段である。AF開始/終了ボタン165によりオートフォーカス制御の開始が指示された場合、CPU131は位相差検出部601に位相差検出(焦点検出)を行わせる。
次に、図7および図8を参照して、本実施例の撮像装置100におけるライブビューAF処理(撮像装置100の制御方法)について説明する。図7は、ライブビューAF処理のフローチャートである。図7のフローチャート中の各ステップは、CPU131に記憶されたプログラムに従い、CPU131の指令に基づいて実行される。図8は、本実施例における画素信号の読み出し領域と位相差検出の関係を示す図である。
まず、図7のステップS100において、CPU131はライブビュー開始/終了ボタン164の押下を検知すると、ライブビューAF処理を開始する。続いてステップS101において、CPU131は、AF開始/終了ボタン165がオン(押下されている)か否かを判定する。AF開始/終了ボタン165が押下されていない場合(オフの場合)にはステップS101に戻り、CPU131は、AF開始/終了ボタン165の押下を検知するまでこの判定処理を繰り返す。一方、CPU131は、AF開始/終了ボタン165の押下を検知した場合(オンの場合)、リアルタイム表示を停止し最後の画像を表示し続けて、ステップS102に進む。
次にステップ102において、CPU131は、レンズ駆動部141に設定された絞り値に応じて、撮像素子103に対して画素信号の読み出し領域を設定する。例えば図8(a)に示されるように、絞り値(F値)が22である場合、撮像素子103からは、全画角読み出し領域のうち特定領域((X2,Y)〜(X3,Y))の画素信号が読み出される。一方、図8(b)に示されるように、絞り値が1.8である場合、撮像素子103からは、特定領域((X1,Y)〜(X4,Y))の画素信号が読み出される。
このように、CPU131は、第1の絞り値(例えば、F=22)が第2の絞り値(例えばF=1.8)よりも大きい場合、第1の絞り値に対する画素信号の第1の読み出し領域(X2〜X3)を第2の読み出し領域(X1〜X4)よりも小さくする。本実施例では、絞り値が大きくなるにつれて、被写界深度が深くなるため、読み出し領域を小さくするように設計されたテーブルから算出される。なお図8において、中央の矩形領域(斜線部)は合焦させるべき範囲を示す領域であり、読み出し領域は中央の矩形領域よりも大きくなるように設定される。
続いてステップS103において、CPU131は、ステップS102で設定された読み出し領域に応じたフレームレートで画像(画素信号)を読み出すように、撮像素子103に対してフレームレートを設定する。すなわちCPU131は、画素信号の第1の読み出し領域(X2〜X3)が第2の読み出し領域(X1〜X4)よりも小さい場合、第1の読み出し領域に対する第1のフレームレートを第2の読み出し領域に対する第2のフレームレートよりも高くする。本実施例において、フレームレートとは、単位時間あたりに表示されるフレーム数であり、単位時間あたりの焦点検出回数に等しい。本実施例では、図8(a)の絞り値(F=22)の場合に設定された読み出し領域は、図8(b)の絞り値(F=1.8)の場合に設定された読み出し領域よりも狭い(小さい)。このため、図8(a)の場合のほうが図8(b)の場合よりもフレームレートを高めることができる。
次に、ステップS104において、CPU131(位相差検出部601)は位相差検出(焦点検出)を行う。すなわちCPU131は、位相差検出部601の検出結果をメモリ132から読み出し、その検出結果を用いて位相差を算出する。ここで、位相差検出部601の検出結果とは、図8(a)、(b)において、読み出し領域X2〜X3または読み出し領域X1〜X4の画素信号すなわちラインデータ(左画像ラインデータ、右画像ラインデータ)から求められた位相差である。
続いてステップS105において、CPU131は合焦判定を行う。すなわちCPU131は、ステップS104で検出された位相差が所定の閾値内であるか否かを判定する。この位相差が所定の閾値外である場合、ステップS106に進む。ステップS106において、CPU131は、ステップS104で検出された位相差に基づいて、撮像レンズ101のフォーカス制御量を算出し、レンズ駆動部141を介してフォーカス制御を行う。ステップS106におけるフォーカス制御が完了すると、ステップS104に進む。
一方、ステップS105における合焦判定で、ステップS104で検出された位相差が所定の閾値内である場合、ステップS107に進む。ステップS107において、CPU131は、表示制御装置151を介して、TFT152に合焦が完了したことを表示する。続いてステップS108において、CPU131は、AF開始/終了ボタン165がオフである(押下されていない)か否かを判定する。AF開始/終了ボタン165が押下されている場合(オンの場合)、AF開始/終了ボタン165がオフされまでステップS108の判定を繰り返す。一方、AF開始/終了ボタン165が押下されていない場合(オフの場合)、ステップS109に進む。ステップS109において、CPU131は、TFT152に表示されている合焦または非合焦の通知を解除する。表示の解除が完了すると、ステップS101に戻り、図7の一連の処理を繰り返す。
図7および図8に示されるように、本実施例において、CPU131は、焦点検出を行う際に、絞り値に応じて画素信号の読み出し領域を変更し、読み出し領域に応じてフレームレートを変更する。すなわちCPU131は、第1の絞り値が第2の絞り値よりも大きい場合、第1の絞り値に対する第1のフレームレートを第2の絞り値に対する第2のフレームレートよりも高くする。
このように本実施例では、部分読み出しによるライブビュー合焦処理において、位相差検出の際の検出精度を確保しながら、絞り値に応じて撮像素子の読み出し領域を変更してフレームレートを高める。これにより、検出精度と動作速度を両立したオートフォーカス動作が実現可能となる。すなわち、本実施例によれば、撮像素子を用いて焦点検出を行う際に、高速かつ高精度に合焦可能な撮像装置および撮像装置の制御方法を提供することができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
100 撮像装置
103 撮像素子
131 CPU
300 画素
601 位相差検出部

Claims (9)

  1. 1つのマイクロレンズに対して複数のフォトダイオードを有する撮像素子と、
    前記撮像素子から出力される画素信号に基づいて位相差方式の焦点検出を行う焦点検出手段と、
    前記焦点検出手段の検出結果に基づいてフォーカス制御を行う制御手段と、を有し、
    前記制御手段は、前記焦点検出を行う際に、絞り値に応じて前記画素信号の読み出し領域を変更し、該読み出し領域に応じてフレームレートを変更する、ことを特徴とする撮像装置。
  2. 前記制御手段は、第1の絞り値が第2の絞り値よりも大きい場合、該第1の絞り値に対する第1のフレームレートを該第2の絞り値に対する第2のフレームレートよりも高くすることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
  3. 前記制御手段は、前記画素信号の第1の読み出し領域が第2の読み出し領域よりも小さい場合、該第1の読み出し領域に対する第1のフレームレートを該第2の読み出し領域に対する第2のフレームレートよりも高くすることを特徴とする請求項1または2に記載の撮像装置。
  4. 前記制御手段は、第1の絞り値が第2の絞り値よりも大きい場合、該第1の絞り値に対する前記画素信号の第1の読み出し領域を第2の読み出し領域よりも小さく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。
  5. 前記制御手段に対してオートフォーカス制御の開始を指示する指示手段(165)を更に有し、
    前記制御手段は、前記指示手段により前記オートフォーカス制御の開始が指示された場合、前記焦点検出手段に前記焦点検出を行わせ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。
  6. 1つのマイクロレンズに対して複数のフォトダイオードを有する撮像素子を備えた撮像装置の制御方法であって、
    絞り値に応じて、前記撮像素子から出力される画素信号の読み出し領域を設定するステップと、
    前記画素信号の前記読み出し領域に応じて、フレームレートを設定するステップと、
    前記画素信号の前記読み出し領域および前記フレームレートで、前記撮像素子から出力される前記画素信号に基づいて位相差方式の焦点検出を行うステップと、
    前記焦点検出の結果に基づいてフォーカス制御を行うステップと、を有することを特徴とする撮像装置の制御方法。
  7. 第1の絞り値が第2の絞り値よりも大きい場合、該第1の絞り値に対する第1のフレームレートを該第2の絞り値に対する第2のフレームレートよりも高くすることを特徴とする請求項6に記載の撮像装置の制御方法。
  8. 前記画素信号の第1の読み出し領域が第2の読み出し領域よりも小さい場合、該第1の読み出し領域に対する第1のフレームレートを該第2の読み出し領域に対する第2のフレームレートよりも高くすることを特徴とする請求項6または7に記載の撮像装置の制御方法。
  9. 第1の絞り値が第2の絞り値よりも大きい場合、該第1の絞り値に対する前記画素信号の第1の読み出し領域を第2の読み出し領域よりも小さくすることを特徴とする請求項6乃至8のいずれか1項に記載の撮像装置の制御方法。
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