JP2014157338A - Distance measurement device, distance measurement method, and imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、CMOSイメージセンサー等の撮像素子を用いた撮像装置に適用可能な測距装置に関し、特に、位相差方式による測距機能を備えた測距装置および撮像装置に関する。 The present invention relates to a distance measuring device applicable to an imaging device using an imaging element such as a CMOS image sensor, and more particularly to a distance measuring device and an imaging device having a distance measuring function using a phase difference method.
近年、デジタルカメラ等の撮像装置において、小型化・高精度化が求められている。
そのひとつとして注目されているのが、ピント精度の高い画像を得るために、撮像素子内に画像取得用画素と情報取得用画素(例えば、測距用画素)を備え、同一画面上で測距を行い、高精度な画像を得る方法がある。(特許文献1参照。)
In recent years, there has been a demand for downsizing and high accuracy in imaging devices such as digital cameras.
In order to obtain an image with high focus accuracy, attention has been focused on one of them. An image acquisition pixel and an information acquisition pixel (for example, a distance measurement pixel) are provided in the image sensor, and distance measurement is performed on the same screen. There is a method for obtaining a highly accurate image. (See
上記提案にある情報取得用画素は、画像取得用画素と異なる構造である為、画像作成時には欠陥画素と同様の扱いで補正を行うことが主に考えられていた。しかし、今後、高精度の画像を得る為には、情報取得領域を撮像素子の大部分に展開し、情報取得画素と画像取得画素を兼用していくことが好ましい。
例えば、特許文献2で示されているような、画素内が瞳分割された画素が全面に配置され、情報取得と画像取得の双方に使用する構成が好ましい。
Since the information acquisition pixel in the above proposal has a structure different from that of the image acquisition pixel, it has been mainly considered that correction is performed in the same manner as a defective pixel when an image is created. However, in the future, in order to obtain a high-accuracy image, it is preferable to expand the information acquisition region over most of the image sensor and use both the information acquisition pixel and the image acquisition pixel.
For example, as shown in
以下に、情報取得と画像取得の双方に使用することのできる複合画素構造の撮像素子の使用例を挙げる。 Examples of using an image sensor having a composite pixel structure that can be used for both information acquisition and image acquisition will be given below.
図22は、単位セル内を瞳分割した画素、いわゆる、複合画素により構成された撮像素子の概念図(上面図)である。同図において、1は撮像素子の単位セルを示しており、1a乃至1dは、各々、光電変換素子を含んだ周知の撮像画素構造を備えた画素である。各画素は各々個別に出力できる構成である。また、1a乃至1dの上面には、周知の同色のカラーフィルタが配設されている。各画素2は周知のマイクロレンズである。
FIG. 22 is a conceptual diagram (top view) of an image sensor formed by pixels obtained by dividing a unit cell into pupils, so-called composite pixels. In the figure,
上述した構成の撮像素子は、情報取得(測距動作)時に、各単位セル内を分割した状態の各々もしくは複数画素の出力を列方向で(もしくは行方向で)測定・比較し、相関演算結果により位相差を求める、周知の位相差測距を行う。一方、画像取得時には、単位セル毎(本例ではマイクロレンズ下の同色画素4個)の出力を使用し、画像を作成する。 The image sensor having the above-described configuration measures and compares the output of each or a plurality of pixels in the divided state in each unit cell in the column direction (or the row direction) during information acquisition (ranging operation), and the correlation calculation result The well-known phase difference ranging is performed to obtain the phase difference. On the other hand, at the time of image acquisition, an image is created using the output of each unit cell (in this example, four pixels of the same color under the microlens).
図23を用いて、図22で説明した撮像素子を測距動作に使用したときの例を説明する。 An example when the image sensor described in FIG. 22 is used for the distance measuring operation will be described with reference to FIG.
図23(a)は、単位セルの出力の使用例であり、撮像装置を水平方向における測距に使用した場合の例である。水平方向で使用する場合、瞳分割方向を水平方向として使用する為、図22における画素1aおよび1bと、画素1cおよび1dを各々合成し、A出力(左出力)とB出力(右出力)として単位セルの測距用出力とする。
FIG. 23A is an example of using the output of the unit cell, and is an example of using the imaging device for distance measurement in the horizontal direction. When used in the horizontal direction, since the pupil division direction is used as the horizontal direction, the
図23(b)は、図23(a)の使用例において、複数のセルから出力されるA出力(左出力)およびB出力(右出力)を使用してA像(左像)およびB像(右像)を生成し、それらの間の相関演算を行ってズレ量(デフォーカス量)を求める例を示している。 FIG. 23B shows an A image (left image) and a B image using A output (left output) and B output (right output) output from a plurality of cells in the usage example of FIG. In this example, a right image is generated, and a correlation calculation between them is performed to obtain a shift amount (defocus amount).
図23(a)と同構成の画素が水平方向に複数配置されており(具体的には隣接は別色の単位セルであるため、1セル毎に同構成のセルが配置されており)、同構成の単位セルを複数使用してA像(左像)とB像(右像)を生成して比較している。A像とB像の比較(相関演算)を行うことにより、焦点のズレ量(デフォーカス量)を算出する。基本的には、相関値が高いほど焦点が合っており、相関値が低いほど焦点がズレていることになる。 A plurality of pixels having the same configuration as in FIG. 23 (a) are arranged in the horizontal direction (specifically, because adjacent cells are unit cells of different colors, cells having the same configuration are arranged for each cell), A plurality of unit cells having the same configuration are used to generate and compare an A image (left image) and a B image (right image). By comparing the A image and the B image (correlation calculation), a focus shift amount (defocus amount) is calculated. Basically, the higher the correlation value, the more focused, and the lower the correlation value, the more out of focus.
ところで、上記では、左右像のズレ量によって測距を行う説明をしているが、被写体によっては(例えば、横縞状の被写体など)、左右の像分離では、うまく測距できない場合がある。その為、測距で使用する像分離方向は、左右のみでなく、上下方向に分離したデータも併用することで、より測距性能を向上することができる。 In the above description, distance measurement is performed based on the amount of deviation between the left and right images. However, depending on the subject (for example, a horizontal stripe-like subject), distance measurement may not be performed well with left and right image separation. Therefore, the distance separation performance can be further improved by using the data separated in the vertical direction as well as the image separation direction used in the distance measurement.
特許文献3は、上記測距性能を向上させるため、瞳分割方向の異なる測距用画素を画面内に集中しないように、分散して配列している。
In
しかし、上記特許文献3のように、瞳分割方向の異なる測距用画素を分散して配置した場合でも、瞳分割方向が固定的であるために、配置箇所に最適な被写体があれば測距性能が向上するものの、被写体位置がずれた場合は測距性能としての問題は回避できない。特に、比較的、被写体に動きがある可能性が高い動画撮影などの連続撮影動作の場合、被写体位置がズレてしまう可能性が高い。
However, even if distance measurement pixels having different pupil division directions are distributed and arranged as in
また、特許文献2では、像分離方向を横方向と縦方向に切り替えられる構成が提案されているものの、どのような条件で、あるいはどのような場合に切り替えるかについての詳細は述べられていない。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-228561 proposes a configuration in which the image separation direction can be switched between the horizontal direction and the vertical direction, but does not describe details about under what conditions or in what case.
上記課題を解決するため、本発明によれば、瞳分割手段に対応して配列された所定数の複数の画素で構成される単位画素セルの2次元配列を有する撮像素子の出力を使用して被写体の測距を行う測距装置は、単位画素セルごとに、2次元配列の所定の方向に配置された画素の出力を合成して得られた、被写体の像分離データを取得する取得手段と、像分離データを用いて測距演算を行ない、演算結果を出力する演算手段と、所定の方向を所定の周期で切り替える制御手段とを備え、取得手段は、記制御手段による切り替えに従って、切り替えられた方向の像分離データを取得し、演算手段は、取得手段が取得した像分離データを用いて測距演算を行なう。 In order to solve the above-described problem, according to the present invention, the output of an image sensor having a two-dimensional array of unit pixel cells composed of a predetermined number of a plurality of pixels arranged corresponding to the pupil dividing means is used. A distance measuring device for measuring a distance of an object includes an acquisition unit that acquires image separation data of an object obtained by combining outputs of pixels arranged in a predetermined direction of a two-dimensional array for each unit pixel cell. A calculation unit that performs distance measurement using the image separation data and outputs a calculation result; and a control unit that switches a predetermined direction at a predetermined cycle, and the acquisition unit is switched according to switching by the control unit. The image separation data in the selected direction is acquired, and the calculation means performs a distance measurement calculation using the image separation data acquired by the acquisition means.
本発明によれば、動画等の連続撮影動作時においての測距精度を向上させることができ、画像を適切に撮影することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to improve distance measurement accuracy during a continuous shooting operation of a moving image or the like, and it is possible to appropriately capture an image.
以下、本発明の好適な実施の形態を、添付の図面を用いて詳細に説明する。 Preferred embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の第1の実施例に係わる測距装置を有する電子カメラ等の撮像装置の構成を示すブロック図である。 FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an imaging apparatus such as an electronic camera having a distance measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.
図において、110は撮像素子114上に光学像を形成する光学系を構成するレンズ、111はレンズ110の制御を行なうレンズ制御部である。112はCMOSセンサー等であるところの撮像素子114の露光量を制御するシャッター(SH)である。114は光学像を電気信号に変換するCMOSセンサーなどの撮像素子である。なお、撮像素子114は、所定数の複数の画素を1マイクロレンズ単位の単位画素セル内に分離して配置した構成を有し、単位画素セルから、2画素毎に瞳分割された像の異なる画像信号を出力することが可能に構成されている。これにより、測距動作用の像分離された出力(像分離データ)を得ることができるなお、詳細は、図2乃至図4を用いて後述する。
In the figure,
116は、撮像素子114から出力されるアナログ信号に対して、オプティカルブラックのレベルを基準レベルに合わせる為のOBクランプ等の処理を行う出力信号処理部である。また、本出力信号処理部は、デジタル信号に変換するアナログ・フロント・エンド(AFE)や、各画素のデジタル出力を受けて各種補正処理や並び替え等をデジタル処理するデジタルフロントエンド(DFE)を含む。
Reference numeral 116 denotes an output signal processing unit that performs processing such as OB clamping for matching the optical black level to the reference level for the analog signal output from the
117は、制御信号を供給するタイミング発生回路(TG)である。118は後段の測距演算、画像処理を行なう為に、出力信号処理部116の出力を一時保存する為のメモリである。
Reference numeral 117 denotes a timing generation circuit (TG) that supplies a control signal.
119は、出力信号処理部116でデジタル処理された撮像素子114からの出力信号に基づいて測距処理を行なう為の測距演算部である。本測距演算部119は、撮像素子114が像分離して出力した方向に対してのデフォーカス量(像ズレ量)から被写体の距離を求め、後述するシステム制御部150へ情報を転送する。測距演算を行なう為の画素毎の垂直方向もしくは水平方向の合成処理も測距演算部119で行う。測距演算部119とシステム制御部150は、本実施例に係る測距装置を構成する。
A distance measurement calculation unit 119 performs a distance measurement process based on the output signal from the
120は画像処理部であり、出力信号処理部116を介してデジタル処理された画像出力からのデータに対して、所定の色変換等の画像処理を行う。なお、画像処理部120は、撮像素子114の単位画素セル内の像分離された各画素の出力をすべて合成することで単位画素セル毎日一つの画素信号を出力して画像を生成する処理も行う。
An image processing unit 120 performs image processing such as predetermined color conversion on data from the image output digitally processed via the output signal processing unit 116. Note that the image processing unit 120 also performs a process of generating an image by outputting one pixel signal every unit pixel cell by synthesizing all the outputs of each pixel separated in the unit pixel cell of the
122はメモリ制御部であり、画像処理部120が生成した画像データを後述のメモリ130に転送する等の制御を行う。128はTFT方式のLCDからなる画像表示部である。
A
130は撮影された静止画像や動画像を格納するためのメモリである。150は画像処理装置全体を制御するシステム制御部であり、周知のCPUなどを内蔵して、図示しないメモリに記憶されている制御プログラムを実行することで撮像装置の各部の動作を制御する。例えば、本発明に係る測距装置の動作に係る制御および光学系および撮像装置の駆動を制御する撮像制御を行う。なお、実際の撮像装置には測光手段、電源制御手段、スイッチ操作部等も含まれるものが一般的であるが、本発明に係る主要な要素ではないため、ここでの説明は割愛する。 Reference numeral 130 denotes a memory for storing captured still images and moving images. A system control unit 150 controls the entire image processing apparatus. The system control unit 150 includes a well-known CPU and the like, and controls the operation of each unit of the imaging apparatus by executing a control program stored in a memory (not shown). For example, the control related to the operation of the distance measuring device according to the present invention and the imaging control for controlling the driving of the optical system and the imaging device are performed. Note that an actual image pickup apparatus generally includes a photometric means, a power supply control means, a switch operation unit, and the like, but since it is not a main element according to the present invention, description thereof is omitted here.
図2乃至図3に、本実施例に係る撮像装置が有する撮像素子114における単位画素セルの概略構造および単位画素セルの回路構成を示す。
2 to 3 show a schematic structure of a unit pixel cell and a circuit configuration of the unit pixel cell in the
図2は、本実施例に係る撮像装置で使用される撮像素子の単位画素セルの概略図(上面図)である。図2(a)において、200は瞳分割手段としての配列マイクロレンズであり、このマイクロレンズ200の下に各々フォトダイオード(光電変換素子)を備えた画素201乃至204(本実施例では4分割画素)が配置されている。
FIG. 2 is a schematic diagram (top view) of a unit pixel cell of an image sensor used in the imaging apparatus according to the present embodiment. In FIG. 2A,
画素201乃至204は、適宜適切な駆動方法を用いることで、各画素の信号を合成された信号として出力することが可能であり、図2(b)は画素201および202と、画素203と204の出力を各々合成して出力することを示す概念図である。このような組み合わせによる出力を行うことで、単位画素セル内の信号から、左右(水平方向)に像分割された2つの信号を取得することができる。
The
同様に、図2(c)は、画素201および203と、画素202と204の出力を各々合成して出力することを示した概念図である。図示するような組み合わせによる出力を行うことで、単位画素セル内の信号から、上下(垂直方向)に像分割された2つの信号を取得することができる。
Similarly, FIG. 2C is a conceptual diagram showing that the outputs of the
また、図2(d)は、画素201乃至204の出力をすべて合成して出力することを示した概念図であり、このような組み合わせによる出力を行うことで、単位画素セル内の信号がすべて加算された1つの画素の信号を取得することができる。図2(d)の合成処理は、図2(a)の各画素の個別出力の4画素を加算する処理としても、図2(b)または図2(c)の像分割した2つの出力をさらに加算して合成信号を生成する処理であってもよい。
FIG. 2D is a conceptual diagram showing that all the outputs of the
図3は、図2で説明した単位画素セルの回路構成を示している。各画素201乃至204は同様の構造である為、ここでは画素201の構成のみを図示して説明する。なお、同図において、図2と同じ部分は同じ符号を付して示す。
FIG. 3 shows a circuit configuration of the unit pixel cell described in FIG. Since each of the
301は、フォトダイオード等からなる光電変換部である。331はフォトダイオード301の電荷を転送する転送トランジスタ、333は電荷を転送のための所定部位としてのフローティングディフュージョン(FD)、335はFD333の電荷量に応じた信号出力を行う増幅部であるところの増幅トランジスタである。また、337はFD333の電荷を画素部から後段の回路部に出力するための選択トランジスタ、339はFD333の電荷をリセットするためのリセットトランジスタである。
301は、FD333に貯められた電荷を、選択トランジスタ337がオンされた際に、増幅トランジスタ335を介して後段の回路へ出力する為の垂直出力線である。縦に配置された1列の画素が(画素201と202、画素203と204)、共通の出力線(301−1、301−2)に接続されている。
図4は、図3に示した単位画素セルを複数配置した撮像素子の概略構成を示すブロック図であり、図3で説明した単位画素セル200を2次元的に複数配置した画素配列とそれから画素信号を読み出す駆動部から構成されている。なお、同図において、図2および図3と同じ部分は同じ符号を付して示す。
FIG. 4 is a block diagram showing a schematic configuration of an image sensor in which a plurality of unit pixel cells shown in FIG. 3 are arranged. A pixel array in which a plurality of
402は、図3に示した垂直出力線301(301−1、301−2等)を介して各画素から出力される電気信号を読み出す為の読み出し回路である。読み出し回路402の構成については、図5を用いて後述する。
503および404は、各々、画素から読み出し回路402を介して入力される光信号成分およびノイズ成分を後段の差動増幅器405へ出力するMOSトランジスタ、405は該MOSトランジスタからの信号を受けて差分出力する差動増幅器である。
406は各単位セルのMOSトランジスタ403および404をオン/オフ制御して、差動増幅器405へ信号を送る水平シフトレジスタである。407は各画素の電荷の蓄積・転送制御を行う垂直シフトレジスタである。408は垂直出力線301の電流制御を行う為の定電流源である。
図5は、図4の読み出し回路402の回路構成であり、一つの垂直出力線301に出力された画素信号の読み出しブロックの回路構成のみを示す。各垂直信号出力線301に単位画素セルから読み出された画素信号は、対応する読み出しブロックを介して差動増幅器405に読み出される。なお、図3または図4と同じ部分は緒の自符号を付して示す。
FIG. 5 shows a circuit configuration of the
同図において、501は、一方の端を垂直出力線301(301−1又は301−2)、他方を演算増幅器502の反転入力側に接続されたクランプ容量である。502は演算増幅器、503は、反転増幅器502の増幅度をクランプ容量501との比率で決定する為の帰還容量である。504はクランプ動作のためのクランプスイッチである。505と506は、光信号成分と暗時信号成分を、演算増幅器502を介して後述する保持容量507および508へそれぞれ転送する為の転送スイッチである。
In the figure,
507と508は各々、光信号成分および暗時信号成分を、演算増幅器502を介して保持する為の保持容量である。保持容量507および508に転送された信号は、図4で説明したMOSトランジスタ403および404を介して差動増幅器405へ出力される。
図6は、本実施例に係る撮像装置が使用する撮像素子114の駆動動作のタイミングチャートを示す図である。各駆動信号は、システム制御部150による制御の下で、タイミング発生回路117より供給される。
FIG. 6 is a diagram illustrating a timing chart of the driving operation of the
フォトダイオード301からの光信号電荷の読み出しに先立って、リセットトランジスタ339のゲート線φRES(1行目はφRES1−1)がハイレベルとされる。これによって、増幅トランジスタ335のゲートがリセット電源電圧にリセットされる。リセットトランジスタ339のゲート線φRESがローレベルに復帰すると同時にクランプスイッチ504のゲート線PC0Rがハイレベルになった後に、選択トランジスタ337のゲート線φSEL(1行目はφSEL1−1)がハイレベルとなる。これによって、リセットノイズが重畳されたリセット信号(ノイズ信号)が垂直出力線301に読み出され、各列のクランプ容量501にクランプされる。
Prior to reading of the optical signal charge from the
次に、クランプスイッチ504のゲート線PC0Rがローレベルに復帰した後、ノイズ信号側転送スイッチのゲート線PTNがハイレベルとなり、各列に設けられた暗時信号保持容量508にリセット信号が保持される。次に、画素信号側転送スイッチのゲート線PTSをハイレベルにした後、転送トランジスタ331のゲート線φTX(1行目はφTX1−1)がハイレベルとなる。その結果、フォトダイオード301の光信号電荷が、増幅トランジスタ335のゲートに転送されると同時に光信号が垂直出力線301に読み出される。
Next, after the gate line PC0R of the
次に転送トランジスタ331のゲート線φTXがローレベルに復帰した後、画素信号側転送スイッチのゲート線PTSがローレベルとなる。これによって、リセット信号からの変化分(光信号)が各列に設けられた光信号成分保持容量507に読み出される。ここまでの動作で、第1行目に接続された光電変換部301の光信号・暗時信号がそれぞれの列に接続された保持容量507乃至508に保持される。
Next, after the gate line φTX of the
この後、信号CSLによって水平シフトレジスタ406を駆動し、各列の水平転送スイッチゲートが順次ハイレベルとなる。保持容量507乃至508に保持されていた電圧は、順次、容量Chs、Chnに読み出され、差動増幅器405で差分処理されて順次出力される。各列の信号読み出しの合間でリセットスイッチによって容量Chs、Chnがリセット電圧VCHRS、VCHRNにリセットされる。以上で、単位画素セルの第1行目に接続された画素の読み出しが完了する。
Thereafter, the
以下同様に、垂直シフトレジスタ407からの信号によって第2行目以降の各行に接続された光電変換部の信号が順次読み出され、全画素(全光電変換部に蓄積された信号)の読み出しが完了する。すなわち、単位画素セルを水平・垂直2画素構成とする本実施例においては、垂直2行を読み出し終えた時点で、単位画素セルの水平1ライン(1H)分の読み出しが完了したこととなる。
Similarly, the signals from the photoelectric conversion units connected to the second and subsequent rows are sequentially read out by signals from the
なお、上述したように、本実施例に係る撮像装置で使用する撮像素子は、単位画素セル毎に水平方向に2つ・垂直方向に2つの画素(画素201乃至204)を配する構成になっている。本実施例では、4つの光電変換部に蓄積された電荷は、それぞれ読み出されて、後段の出力信号処理部116を介してメモリ118に保存される。測距演算部119は、メモリ118に保存された出力を使用して測距演算を行うが、その際、必要な画素加算処理を行なった上で、測距演算を行う。
As described above, the imaging device used in the imaging apparatus according to the present embodiment has a configuration in which two pixels (
また、画像処理回路120は、メモリ118に保存された出力を使用して、単位画素セルの4つの画素の出力を合成処理して得られる出力を画素信号とする画像を生成する処理を行う。
In addition, the image processing circuit 120 performs a process of generating an image using an output obtained by synthesizing the outputs of the four pixels of the unit pixel cell using the output stored in the
図7は、図6のタイミングチャートによる駆動を模式的に示した図であり、画面上部から下部に向かって、単位画素セルの2次元配列の各行の蓄積−読み出しを行なった場合の経過時間を視覚的に表わしている。 FIG. 7 is a diagram schematically showing driving according to the timing chart of FIG. 6, and shows the elapsed time when accumulation-reading of each row of the two-dimensional array of unit pixel cells is performed from the upper part to the lower part of the screen. It is visually represented.
図7における水平1ラインは、単位画素セルあたりの蓄積‐読み出し動作を示しており、1ライン上の期間h1で画素201および画素203の出力を読み出し、期間h2で画素202および画素204の出力を読み出している。この動作を順次繰り返し、垂直方向の単位画素セル数(1V)分の読み出しを完了するものである。
A horizontal line in FIG. 7 indicates an accumulation-read operation per unit pixel cell. The outputs of the
図8は、本実施例に係る撮像装置における測距動作のフローチャートを示す図である。本動作は不図示の撮影開始スイッチ・電源スイッチ等により、動画等の連続する撮像動作が指示されることで開始される。なお、実際には図6で説明した撮像動作は繰り返し行なわれ、メモリ118には順次、撮影されたデータが送り出さている状況で本動作が開始されるが、途中での割り込みや並行処理等がある場合の動作に関しては、説明が煩雑になる為割愛する。また、本動作と並行して画像処理回路120は、画像生成のための全画素加算処理等を行なっているが、本発明の測距動作とは直接関係がない為、ここでの詳細な説明は割愛する。
FIG. 8 is a diagram illustrating a flowchart of the distance measuring operation in the imaging apparatus according to the present embodiment. This operation is started when a continuous imaging operation such as a moving image is instructed by a shooting start switch, a power switch, etc. (not shown). In practice, the imaging operation described with reference to FIG. 6 is repeatedly performed, and this operation is started in a situation where the captured data is sequentially sent to the
ステップS800では、システム制御部150が不図示のカウンタFCをリセットし、撮像動作の1フレーム目か否かを判断する。ステップS801では、測距演算部119がカウンタFCのカウント値を確認し、偶数だった場合はステップS802へ、奇数だった場合はステップS803へ移行する。 In step S800, the system control unit 150 resets a counter FC (not shown) and determines whether it is the first frame of the imaging operation. In step S801, the distance measuring unit 119 checks the count value of the counter FC. If it is an even number, the process proceeds to step S802, and if it is an odd number, the process proceeds to step S803.
ステップS802では、測距演算部119が、メモリ118に記憶されている各画素データの中で、単位画素セル毎に、垂直方向に並んでいる画素(画素201および202、画素203および204)の出力を加算する。これにより、測距用のA像(画素201+202)、B像(画素203+204)としての演算データを取得する(図2(b)を参照)。
In step S <b> 802, the ranging calculation unit 119 selects pixels (
ステップS803では、メモリ118に記憶されている各画素データの中で、単位画素毎に、水平方向に並んでいる画素(画素201および203、画素202および204)の出力を加算する。これにより、測距用のA像(画素201+203)、B像(画素202+204)としての演算データを取得する(図2(c)を参照)。
In step S803, the outputs of the pixels arranged in the horizontal direction (
ステップS804では、ステップS802またはステップS803で取得した演算データ(A像・B像)を使用して、相関演算等による周知の測距演算を行う。測距演算の詳細例については、図9および図10を用いて後述する。 In step S804, a well-known distance measurement calculation such as a correlation calculation is performed using the calculation data (A image / B image) acquired in step S802 or step S803. A detailed example of the distance measurement calculation will be described later with reference to FIGS. 9 and 10.
ステップS805では、ステップS804で求めた測距の演算結果をシステム制御部150へ転送する。システム制御部150は、測距演算結果に基づいて、レンズ制御部111を介してレンズ110のフォーカス駆動等を行なってピント調節を行う。このように、測距演算結果はシステムのフィードバック作業にも用いられる。なお、フォーカス駆動等に関して、ステップS802の垂直方向加算(左右像分離)と、ステップS802の水平方向加算(上下像分離)のデータの組み合わせで目標フォーカス量を決定し、レンズ駆動を行うことが理想的である。
In step S805, the distance measurement calculation result obtained in step S804 is transferred to the system control unit 150. The system control unit 150 performs focus adjustment by driving the
ステップS806では、システム制御部150は、1フレームの測距データ転送を終了した時点で、不図示の撮影開始スイッチ・電源スイッチ等により、撮影動作の終了が指示されたか否かを判定する。その結果、終了操作が行なわれていなければステップS807へ移行し、ステップS800でカウントを開始した不図示のカウンタFCのカウントアップ(FC=FC+1)を行ない、ステップS801へ戻る。なお、ステップS806にて、終了操作が行なわれていれば、本測距動作シーケンスを終了する。 In step S806, the system control unit 150 determines whether or not the end of the shooting operation has been instructed by a shooting start switch, a power switch, or the like (not shown) when the distance measurement data transfer for one frame is completed. As a result, if the end operation has not been performed, the process proceeds to step S807, the counter FC (not shown) that has started counting in step S800 is incremented (FC = FC + 1), and the process returns to step S801. If an end operation has been performed in step S806, the distance measuring operation sequence ends.
図9を用いて、ステップS802乃至ステップS804で説明した測距動作における撮像素子の使用例を説明する。同図では説明での便宜上、水平又は垂直の1ラインのみを図示するが、本実施例はそれに限ったものではなく、複数ライン(理想的には撮像素子全面)を用いた測距を行うシステムであることが望ましい。 An example of use of the image sensor in the distance measuring operation described in steps S802 to S804 will be described with reference to FIG. In the figure, for convenience of explanation, only one horizontal or vertical line is shown. However, the present embodiment is not limited to this, and a system that performs distance measurement using a plurality of lines (ideally, the entire surface of the image sensor). It is desirable that
図9(a−1)は、暗中に明部の2ラインが含まれたチャートを撮影する際に、ステップS802で縦方向に画素を加算して、水平方向での測距を行う場合を模式的に示す図である。水平方向での測距の場合、A出力(左出力)とB出力(右出力)を単位セルの測距用出力とする。本測距パターンは、図で示すように、水平方向にコントラストが高い被写体であるので、高い精度の測距を行うことが出来る。 FIG. 9A-1 schematically illustrates a case in which when a chart including two bright lines is captured in the dark, pixels are added in the vertical direction in step S802 to perform distance measurement in the horizontal direction. FIG. In the case of distance measurement in the horizontal direction, A output (left output) and B output (right output) are used as distance measurement outputs of the unit cell. As shown in the figure, the distance measurement pattern is a subject having a high contrast in the horizontal direction, and therefore it is possible to perform distance measurement with high accuracy.
また、図9(a−2)は、暗中に明部の2ラインが含まれたチャートを撮影する際に、ステップS803で横方向に画素を加算して、垂直方向での測距を行う場合を模式的に示す図である。水平方向での測距の場合、A出力(上出力)とB出力(下出力)を単位セルの測距用出力とする。本測距パターンは、図で示すように、垂直方向にコントラストが高い被写体であるので、高い精度の測距を行うことが出来る。 FIG. 9A-2 illustrates a case where the distance is measured in the vertical direction by adding pixels in the horizontal direction in step S803 when photographing a chart including two bright lines in the dark. FIG. In the case of distance measurement in the horizontal direction, the A output (upper output) and the B output (lower output) are used as the unit cell distance measurement outputs. As shown in the figure, this distance measurement pattern is a subject with high contrast in the vertical direction, and therefore it is possible to perform distance measurement with high accuracy.
なお、図9(a−1)および図9(a−2)において、測距に使用している画素は、同色であることを前提として、1画素置きに示している。 In FIGS. 9A-1 and 9A-2, the pixels used for distance measurement are shown every other pixel on the assumption that they are the same color.
図9(b)は、図9(a−1)または図9(a−2)の形式で出力されるA出力およびB出力を複数セルから取得し、A像(左像or上像)およびB像(右像or下像)を生成して相関演算を行い、ズ量(デフォーカス量)を求める例を示す。A像とB像の比較(相関演算)を行うことにより、焦点のズレ量(デフォーカス量)を算出する。基本的には、相関値が高いほど焦点が合っており、相関値が低いほど焦点がズレていることになる。 FIG. 9 (b) acquires A output and B output output in the format of FIG. 9 (a-1) or FIG. 9 (a-2) from a plurality of cells, and A image (left image or upper image) and An example is shown in which a B image (right image or lower image) is generated and correlation calculation is performed to obtain a shift amount (defocus amount). By comparing the A image and the B image (correlation calculation), a focus shift amount (defocus amount) is calculated. Basically, the higher the correlation value, the more focused, and the lower the correlation value, the more out of focus.
図9(b−1)は、ピントがずれている状態のA像とB像を示し、A像(画素201+202)とB像(画素203+204)が一致していない。そのため、相関一致度(A像・B像差分に相当)を示す図9(b−2)は一定にならず、ずれた部分の出力が高くなっている。
FIG. 9B-1 shows an A image and a B image that are out of focus, and the A image (
一方、図9(b−3)は、ピントがほぼ合っている状態のA像とB像を示し、両者はほぼ一致している。そのため、相関一致度(A像・B像差分に相当)を示す図5(b−4)はほとんど一定となっている。 On the other hand, FIG. 9B-3 shows an A image and a B image that are substantially in focus, and both are substantially coincident. Therefore, FIG. 5 (b-4) showing the correlation coincidence (corresponding to the difference between the A image and the B image) is almost constant.
図10は、相関演算による相関値dの算出方法の一例を示す図である。同図は、図9(a)と同様に、暗中に明部の2ラインが含まれたチャートを観測した場合の出力を表している。 FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a method for calculating the correlation value d by the correlation calculation. As in FIG. 9A, this figure shows the output when a chart including two bright lines in the dark is observed.
図10(a)は、観測時のA像とB像がずれている状態である。すなわち、焦点ズレ量=デフォーカス量が大きい状態となっている。この観測時の2像の出力値を相関演算することで、相関値d(デフォーカス量に対応)が求められる。 FIG. 10A shows a state in which the A image and the B image at the time of observation are shifted. That is, the focus deviation amount = the defocus amount is large. A correlation value d (corresponding to the defocus amount) is obtained by calculating a correlation between the output values of the two images at the time of observation.
具体的には、A像信号の出力データをA[1]〜A[n]、B像信号の出力データをB[1]〜B[n]とし、相関量X0は
次に図10(b)に示すように、A像信号を信号電圧の1ビット(1画素)シフトしたデータとB像信号のデータの相関量X1を計算する。
このX1は
This X1 is
相関量Xmaxが、図10(c)のように、A像とB像の二像一致度が高い(合焦に最も近い位置)状態に対応する為、相関量Xmaxまでのシフト量を相関値d(デフォーカス量に対応)として記憶し、測距動作に使用する。 Since the correlation amount Xmax corresponds to a state in which the two-image coincidence between the A image and the B image is high (position closest to the in-focus state) as shown in FIG. 10C, the shift amount up to the correlation amount Xmax is represented by the correlation value. It is stored as d (corresponding to the defocus amount) and used for the distance measuring operation.
以上が相関演算の一例(MINアルゴリズム)である。なお、ここで説明した相関演算は一例であり、他の手法による相関演算を行なっても何ら問題ない。 The above is an example of the correlation calculation (MIN algorithm). The correlation calculation described here is merely an example, and there is no problem even if the correlation calculation is performed by another method.
以上、説明したとおり、本実施例では、垂直方向の画素加算に基づく測距動作(水平像分離測距)と、水平方向の画素加算に基づく測距動作(垂直像分離測距)を、撮影フレームに応じて(具体的には、交互に)行なっている。これにより、従来の測距動作が不得手とする被写体が存在している場合でも、より確度の高い測距を行うことができる。 As described above, in this embodiment, the distance measurement operation based on vertical pixel addition (horizontal image separation distance measurement) and the distance measurement operation based on horizontal pixel addition (vertical image separation distance measurement) are captured. This is done according to the frame (specifically, alternately). Thereby, even when there is a subject that is not good at the conventional distance measuring operation, it is possible to perform distance measurement with higher accuracy.
なお、本実施例では、フレーム毎に垂直加算と水平加算とを切り換えているが、これに限るものではなく、例えば、60フレームに1回だけ水平加算を行う等の少なくとも2以上の複数フレーム周期で適宜切り換える構成にしても何ら問題ない。 In this embodiment, vertical addition and horizontal addition are switched for each frame. However, the present invention is not limited to this. For example, at least two or more frame periods such as horizontal addition performed once in 60 frames. Therefore, there is no problem even if the configuration is switched appropriately.
[変形例] [Modification]
(変形例1)
前記本発明の第1の実施例においては、単位画素セル200内の各画素201乃至2304の出力を全て個別に取得して測距演算処理する構成を説明したが、各フレームの処理・回路構成等を考慮すると、撮像素子内での加算を行うことが有効となる。そこで、第1の実施例の第1の変形例として、撮像素子内で画素出力の加算を行なった画素出力を取得して測距動作を行う例を説明する。なお、撮像装置の基本構成は第1の実施例(図1)と同様であるので、ここでの説明は省略する。
(Modification 1)
In the first embodiment of the present invention, the configuration in which all the outputs of the
図11は、本第1の変形例に係る撮像装置で使用される撮像素子の単位画素セルの回路構成を示す。なお、図2および図3と同様の部分は同じ符号を付して示す。 FIG. 11 shows a circuit configuration of a unit pixel cell of an image sensor used in the image pickup apparatus according to the first modification. 2 and 3 are denoted by the same reference numerals.
同図を参照して、各画素201および202の構造について説明する。なお、画素203と204とは画素201と202と同様の構造である為、ここでの説明は省略する。301、302は画素201、202に対応した光電変換部である。331、1132はフォトダイオード301、1102の電荷を転送する転送トランジスタ、333は電荷を転送のための所定部位であるところのフローティングディフュージョン(FD)であり、2つの画素201、202で共通に使用する部位となっている。335は、FD333の電荷量に応じた信号出力を行う増幅部である増幅トランジスタ、337はFD333の電荷を画素部から後段の回路部に出力するための選択トランジスタ、339はFD333の電荷をリセットするためのリセットトランジスタである。増幅トランジスタ335、選択トランジスタ337、リセットトランジスタ339も2つの画素の共通部位となっている。
The structure of each
301−1(画素203、204の場合は301−2)は、FD333に貯められた電荷を、選択トランジスタ337がオンされた際に、増幅トランジスタ335を介して後段の回路へ出力する為の垂直出力線である。垂直方向に配置された一列の画素が(画素201と202、画素203と204)共通の出力線(301−1、301−2)に接続されている。
301-1 (301-2 in the case of the
図12は、図11に示した単位画素セルを複数配置した撮像素子の概略構成図であり、図11で説明した単位画素セル200が、2次元に複数配置されている。本構成は基本的に第1の実施例で説明済みである図4と同じである為、図4と同様の部分は同じ符号を付して示し、その説明は省略する。ここでは、第1の実施例と異なる部分のみを説明する。
FIG. 12 is a schematic configuration diagram of an image sensor in which a plurality of unit pixel cells shown in FIG. 11 are arranged. A plurality of
図12の1211および1212は、読み出し回路402内の保持容量507と508(図5参照)を、単位画素セル内の水平方向同士で接続する為の接続スイッチである。この接続スイッチをONさせることによって、水平方向に隣接する画素201と203の光信号・暗時信号を加算することが出来る。
1211 and 1212 in FIG. 12 are connection switches for connecting the holding
図13と図14は、本第1の変形例に係る撮像装置が有する撮像素子の駆動動作のタイミングチャートを示す。基本的には図6で説明したタイミングチャートと同じである為、異なる部分について説明する。 13 and 14 are timing charts of the driving operation of the image sensor included in the imaging apparatus according to the first modification. Since this is basically the same as the timing chart described with reference to FIG.
図13は、単位画素セル内の垂直方向の画素を加算して読み出すときの駆動動作のタイミングチャートである。増幅トランジスタ335のリセット(φRESxをハイレベル)、各列のクランプ容量501にクランプ(φRESをローレベル、PC0Rがハイ、φSELがハイ)、暗時信号の保持容量転送(PC0Rをロー、PTNをハイ)までの動作は、図6と同じである。
FIG. 13 is a timing chart of the driving operation when the pixels in the vertical direction in the unit pixel cell are added and read. Reset of amplification transistor 335 (φRESx is high level), clamp to clamp
次の光信号転送の際、画素信号側転送スイッチのゲート線PTSをハイレベルにした後、転送トランジスタ331、1132のゲート線φTXx−1、φTXx−2(1行目ではTX1−1、φTX1−2)を同時にハイレベルとする。その結果、フォトダイオード301と1102の光信号電荷が、同時にFD333へ供給されることとなり、このFD333上で加算動作が行なわれる。
At the time of the next optical signal transfer, the gate line PTS of the pixel signal side transfer switch is set to the high level, and then the gate lines φTXx−1, φTXx-2 of the
以後の動作は、図6で説明した動きと同じである。但し、垂直方向での単位画素セル内の加算が終了している為、図6が各行を同一動作で読み出すのに対して、図13の動作では、垂直方向に一行おきに間引きながら読み出していく。これにより、全画素読み出しを行なっている第1の実施例に比べ、1フレームの読み出し時間を短くすることが可能となる。 The subsequent operation is the same as the movement described in FIG. However, since the addition in the unit pixel cell in the vertical direction has been completed, each row is read in the same operation in FIG. 6, whereas in the operation in FIG. 13, reading is performed while thinning out every other row in the vertical direction. . As a result, the readout time for one frame can be shortened compared to the first embodiment in which all pixels are read out.
図14は、単位画素セル内の水平方向の画素を加算して読み出すときの駆動動作のタイミングチャートである。増幅トランジスタ335のリセット(φRESをハイレベル)、各列のクランプ容量501にクランプ(φRESをロー、PC0Rがハイレベル、φSELがハイレベル)までの動作は、図6と同じである。
FIG. 14 is a timing chart of the driving operation when the horizontal pixels in the unit pixel cell are added and read. The operations up to resetting the amplification transistor 335 (φRES is high level), clamping to the
続いて、暗時信号の保持容量転送(PC0Rをロー、PTNをハイ)する際にPSHORTをハイレベルに制御し、単位画素セル内の水平方向に隣接する読み出し回路の保持容量を接続する。これにより、水平方向に隣接する画素の加算された暗時信号成分が、保持容量508上に保持される。
Subsequently, PSHORT is controlled to a high level when the dark signal holding capacity is transferred (PC0R is low and PTN is high), and the holding capacity of the readout circuit adjacent in the horizontal direction in the unit pixel cell is connected. As a result, the dark signal component obtained by adding the pixels adjacent in the horizontal direction is held on the holding
さらに、画素信号側転送スイッチのゲート線PTSをハイ、転送トランジスタ331のゲート線φTX1−1をハイにする。これにより、フォトダイオード301および303(また1102および1104)の光信号電荷が、加算された信号成分として、保持容量507上に保持される。
Further, the gate line PTS of the pixel signal side transfer switch is set high, and the gate line φTX1-1 of the
この後、PSHORTをローに戻すことで、保持容量507、508に加算平均された信号が残ることになる。その為、水平方向での単位画素セル内の加算が保持容量で行なわれている為、水平方向の加算読み出しにおいても、1列間引きで読み出してよい。すなわち、信号CSLによって、1列おきに駆動することで、順次読み出しを行う。これにより、全画素読み出しを行なっている第1の実施例に比べ、1フレームの読み出し時間を短くすることが可能になる。
After that, by returning PSHORT to low, signals that have been added and averaged in the
ところで、動画等の連続撮影動作を前提として考えた場合、安定したフレームレートでの制御が必要であるが、全画面を読み出す時間が、必ずしも適正のフレームレートに一致するものではない。そこで、フレームレートに対して、1フレームの読み出し時間を短くし、残りの時間を調整時間として使用して適正のフレームレートを得ることが一般的である。 By the way, when a continuous shooting operation such as a moving image is assumed, control at a stable frame rate is necessary, but the time for reading out the entire screen does not necessarily match an appropriate frame rate. Therefore, it is common to obtain an appropriate frame rate by shortening the reading time of one frame with respect to the frame rate and using the remaining time as the adjustment time.
図15乃至図17を用いて、フレームレートを調整する時間を用いて各種制御を行う例を示す。 An example in which various controls are performed using time for adjusting the frame rate will be described with reference to FIGS.
図15は、図13および図14での駆動動作の流れを模式的に示した図であり、画面上部から下部に向かって、各々の行が蓄積−読み出しを行なった場合の経過時間を視覚的に示している。 FIG. 15 is a diagram schematically showing the flow of the driving operation in FIGS. 13 and 14, and visually shows the elapsed time when each row performs accumulation-reading from the upper part of the screen toward the lower part. It shows.
動画等の連続撮影動作を前提として考えた場合、安定したフレームレートで制御する必要がある。そこで本変形例では、図に示すように、1フレームの時間をT0(例えば、60fps)として、1フレームの実読み出し時間+調整時間を用いて、安定したフレームレートを実現する制御を行う。 When considering a continuous shooting operation such as a moving image, it is necessary to control at a stable frame rate. Therefore, in the present modification, as shown in the figure, the time for one frame is set to T0 (for example, 60 fps), and control for realizing a stable frame rate is performed using the actual read time for one frame + adjustment time.
同図(a)は、図13で示した垂直加算読み出し時の駆動動作の例で、単位画素セル1行(1H)の読み出しは、最初に、1ライン上のh1’にて、画素201および画素203は、各々、画素202および画素204と加算された出力として読み出される。このh1’は、図7におけるh1と同じである。続いて、画素202および画素204の読み出しは、すでにh1’で、加算という状態で行なわれている為、図7におけるh2の読み出し相当の動作は不要となる。そこで、画素202および画素204の読み出し動作を間引きする為の制御を行う(間引き制御をh2’と定義する)。
FIG. 13A shows an example of the driving operation at the time of the vertical addition reading shown in FIG. 13. In the reading of one row (1H) of unit pixel cells, first, the
図15(b)は、図14で示した水平加算読み出しの駆動動作の例で、単位画素セル1行(1H)の読み出しは、最初に、1ライン上のh1”にて、画素201は画素203と加算された出力として読み出される。その為、図14で示すように制御信号CSLx−2を出力しないことで、読み出し時間を短縮することができる。このh1”は、図7におけるh1の1/2となる。
FIG. 15B shows an example of the horizontal addition readout driving operation shown in FIG. 14. The readout of one row (1H) of unit pixel cells is first performed at h1 ″ on one line, and the
続いて、1ライン上のh2”にて、画素202は画素204と加算された出力として読み出される。ここでもh1”と同様に、制御信号CSLx−2を出力しないことで、読み出し時間を短縮することができる。このh2”は、図7におけるh2の1/2となる。
Subsequently, at h2 ″ on one line, the
以上のように、垂直加算と水平加算の読み出し方式の差で、1フレーム期間T0に対しての調整時間に違いが発生する場合があり、本例では垂直加算時の調整時間T1と、水平加算時の調整時間T2の関係は T1<T2 となる。なお、この関係は、一例に過ぎず、撮像システム・方式によってはT1>T2、T1=T2の場合もあり得ることを明記しておく。例えば、垂直加算時に間引き制御を行うのに時間を要さない構成である場合等は、T1=T2となる。
ここで、T1<T2の時間差を有効に利用し、異なる制御を行なわせる例を図16および図17を使用して説明する。
As described above, there may be a difference in the adjustment time for one frame period T0 due to the difference between the vertical addition and horizontal addition readout methods. In this example, the adjustment time T1 during vertical addition and the horizontal addition are different. The relationship of the adjustment time T2 at the time is T1 <T2. It should be noted that this relationship is merely an example, and that T1> T2 and T1 = T2 may be possible depending on the imaging system and method. For example, T1 = T2 when the configuration does not require time for performing thinning control during vertical addition.
Here, an example in which the time difference of T1 <T2 is used effectively and different control is performed will be described with reference to FIGS.
図16は、本第1の変形例における撮像装置の撮像・測距動作のフローチャートを、また図17は本第1の変形例における撮像素子の駆動動作を模式的に示す図である。なお、図17については、図15(a)の垂直加算読み出しと、図15(b)の水平加算読み出しとを交互に行う場合の模式図である。従って、個々の詳細な動きは図15と同じであるため、図16のフローチャートによる撮像・測距動作を以下で説明する。 FIG. 16 is a flowchart of the imaging / ranging operation of the imaging apparatus according to the first modification, and FIG. 17 is a diagram schematically illustrating the driving operation of the imaging device according to the first modification. Note that FIG. 17 is a schematic diagram when the vertical addition reading of FIG. 15A and the horizontal addition reading of FIG. 15B are alternately performed. Therefore, the individual detailed movements are the same as those in FIG. 15, and the imaging / ranging operation according to the flowchart of FIG. 16 will be described below.
撮像・測距動作の基本動作は、不図示の撮影開始スイッチ・電源スイッチ等により、動画等の連続撮像動作が指示されることで開始される。 The basic operation of the imaging / ranging operation is started when a continuous imaging operation of a moving image or the like is instructed by a shooting start switch / power switch (not shown).
ステップS1600では、システム制御部150が不図示のカウンタFCをリセットし、撮像動作の1フレーム目か否かを判断する。ステップS1601では、測距演算部119は、カウンタFCのカウント値を確認し、偶数だった場合はステップS202へ、奇数だった場合はステップS1603へ移行する。 In step S1600, the system control unit 150 resets a counter FC (not shown) and determines whether it is the first frame of the imaging operation. In step S1601, the distance measurement calculation unit 119 checks the count value of the counter FC. If it is an even number, the process proceeds to step S202. If it is an odd number, the process proceeds to step S1603.
ステップS1602では、撮像素子の駆動を制御し、図13にて示したように、単位画素セル毎に垂直方向に並んでいる画素(画素201および202、画素203および204)を加算して読み出す。加算して読み出した画素信号は、測距用のA像(画素201+202)、B像(画素203+204)として出力する。(図17の垂直加算領域の動作。図2(b)を参照。)
In step S1602, the driving of the image sensor is controlled, and as shown in FIG. 13, the pixels (
ステップS1603では、ステップS1602で出力された出力データ(A像・B像)を使用して、相関演算等による周知の測距演算を行う。測距演算については、第1の実施例にて、図9および図10を使用して一例を説明済みである為、ここでの詳細説明は割愛する。 In step S1603, using the output data (A image / B image) output in step S1602, a known distance measurement calculation such as a correlation calculation is performed. The distance measurement calculation has already been described with reference to FIGS. 9 and 10 in the first embodiment, and therefore detailed description thereof will be omitted.
ステップS1604では、測距演算部119が、ステップS1603で求めた測距演算結果をシステム制御回路150へ転送する。ステップS1603およびステップS1604は、図17の調整時間T1およびT2のうち短いほうの調整時間T1の期間内にて行う。 In step S <b> 1604, the distance measurement calculation unit 119 transfers the distance measurement calculation result obtained in step S <b> 1603 to the system control circuit 150. Steps S1603 and S1604 are performed within the shorter adjustment time T1 of the adjustment times T1 and T2 in FIG.
ステップS1605は、撮像素子の駆動を図14にて示したように、単位画素毎に水平方向に並んでいる画素(画素201および203、画素202および204)の出力を加算して出力する。(図17の水平加算領域の動作。図2(c)を参照。)
In step S1605, the drive of the image sensor is added and output from the pixels (
ステップS1606は、該ステップS1605で出力された出力データ(A像・B像)を使用し、該ステップ1604と同様に、相関演算等による周知の測距演算を行う。
In step S1606, using the output data (A image / B image) output in step S1605, a well-known distance measurement calculation such as a correlation calculation is performed in the same manner as in
ステップS1607は、ステップS1606で求めた測距演算結果をシステム制御回路150へ転送する。ステップS1608では、ステップS1606およびステップS1607でシステム制御回路150に転送した測距演算結果に基づいて、レンズ制御部111を介してレンズ110のフォーカス駆動を行うピント調整等を行う。
In
ステップS1606乃至ステップS1608は、図17の調整時間:T2の期間内にて行う。 Steps S1606 to S1608 are performed within the period of adjustment time T2 in FIG.
ステップS1609では、1フレームの駆動が終了した時点で、システム制御部150が不図示の撮影開始スイッチ・電源スイッチ等により、撮影動作の終了が指示されたか否かを判定する。その結果、終了操作が行なわれていなければステップS1610へ移行し、ステップS1600でカウントを開始した不図示のカウンタFCのカウントアップ(FC=FC+1)を行ない、ステップS1601へ戻る。なお、ステップS1609にて、終了操作が行なわれていれば、本測距動作を終了する。 In step S1609, when the driving of one frame is completed, the system control unit 150 determines whether or not the photographing operation is instructed by a photographing start switch, a power switch, or the like (not shown). As a result, if the end operation has not been performed, the process proceeds to step S1610, the counter FC (not shown) that has started counting in step S1600 is incremented (FC = FC + 1), and the process returns to step S1601. If an end operation has been performed in step S1609, the distance measuring operation is ended.
以上説明したように、本発明の第1の実施例の第1の変形例においては、撮像素子内での加算された画素出力を使用すること行うにより、読み出し速度を上げることができ、測距動作を迅速に行うことが可能となる。また、水平加算読み出し時・垂直加算読み出し時の各々に適した調整時間を設定することで、撮像素子の読み出し駆動を切り換える際にも、安定したフレームレートを得ることができる。さらに、水平加算読み出し時・垂直加算読み出し時の調整時間の差を利用して、演算内容・駆動内容を変更することで、効率よい駆動をすることが可能になる。 As described above, in the first modification of the first embodiment of the present invention, the readout speed can be increased by using the added pixel output in the image sensor, and the distance measurement The operation can be performed quickly. Further, by setting an adjustment time suitable for each of horizontal addition reading and vertical addition reading, a stable frame rate can be obtained even when the reading drive of the image sensor is switched. Furthermore, it is possible to drive efficiently by changing the calculation contents / driving contents using the difference in adjustment time between horizontal addition reading and vertical addition reading.
なお、本第1の変形例においては、加算動作の違いによる調整時間が異なることを前提にしているが、本発明はそれに限ったものではなく、例えば、調整時間が安定している場合にも、偶数フレームと奇数フレームで異なる制御を行っても構わない。もちろん、調整時間中の制御を毎回同一の動作として制御しても何ら問題ない。 In the first modification, it is assumed that the adjustment time varies depending on the addition operation. However, the present invention is not limited to this, and for example, the adjustment time is stable. Different control may be performed for even frames and odd frames. Of course, there is no problem even if the control during the adjustment time is controlled as the same operation every time.
(第1の実施例の変形例2)
上記第1の変形例においては、撮像素子内での加算方法の一例を示したが、垂直方向・水平方向の加算構成が異なる為に、各々の駆動を大幅に切り替えなければならず、フレームレートの調整等の制御が煩雑になる。この為、第1の実施例の第2の変形例として、加算方向によってフレームレートの調整時間に差が生じない加算読み出し構成の一例を示す。なお、撮像装置の基本構成は第1の実施例(図1)と同様であるので、ここでの説明は省略する。
(
In the first modification, an example of the addition method in the image sensor has been described. However, since the vertical and horizontal addition configurations are different, each drive must be switched significantly, and the frame rate is changed. The control such as the adjustment becomes complicated. For this reason, as a second modification of the first embodiment, an example of an addition readout configuration in which there is no difference in frame rate adjustment time depending on the addition direction will be described. Note that the basic configuration of the imaging apparatus is the same as that of the first embodiment (FIG. 1), and a description thereof will be omitted here.
図18は、本第2の変形例における撮像素子の単位画素セルの回路構成を示している。なお、図3と同様の部分は同じ符号を付して示す。 FIG. 18 shows a circuit configuration of a unit pixel cell of the image sensor in the second modification. The same parts as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals.
図18において、301、1802、1803、1804は光電変換部であり、同様の特性の複数個のフォトダイオードが(本実施例では4個)2次元に配列されている。331、1832はフォトダイオード301、1802、1803、1804の電荷を転送する転送トランジスタ、333、1834は電荷転送のための所定部位であるところのフローティングディフュージョン(FD)である。また、335、336はFD333、1834の電荷量に応じた信号出力を行う増幅部であるところの増幅トランジスタ、337、1838はFD333、1834の電荷を画素部から後段の回路部に出力するための選択トランジスタである。また、339、1840は、FD333、1834の電荷をリセットするためのリセットトランジスタである。
In FIG. 18,
301−1は、FD333に貯められた電荷を、選択トランジスタ337がオンされた際に、増幅トランジスタ335を介して後段の回路へ出力する為の第1の垂直出力線である。また、301−2は、FD1834に貯められた電荷を、選択トランジスタ1838がオンされた際に、増幅トランジスタ1836を介して後段の回路へ出力する為の第2の垂直出力線である。
Reference numeral 301-1 denotes a first vertical output line for outputting the charge stored in the
1811、1812、1821および1822は、フォトダイオード間の接続を行うための接続トランジスタであり、接続トランジスタ1811がオンしている場合はフォトダイオード301、1802が接続される。他方、接続トランジスタ1812がオンしている場合はフォトダイオード803、1804が接続される。また、接続トランジスタ1821がオンしている場合はフォトダイオード301、1803が接続され、接続トランジスタ1822がオンしている場合はフォトダイオード1802、1804が接続される。
接続トランジスタ1811、1812は、制御信号φADDVにより共通のタイミングで制御される。また、接続トランジスタ1821、1822は、制御信号φADDHにより共通のタイミングで制御される。すなわち、制御信号φADDVがオン、制御信号φADDHがオフの状態では、レイアウト上、垂直方向に並んだフォトダイオード同士(フォトダイオード301、1802と、フォトダイオード1803、1804)が接続される。このため、垂直方向の2つのフォトダイオードの出力が合成され、水平方向に分離された光信号出力を得ることができる。また、制御信号φADDHがオン、制御信号φADDVがオフの状態では、レイアウト上、水平方向に並んだフォトダイオード同士(フォトダイオード301、1803と、フォトダイオード1802、1804)が接続される。そのため、水平2つのフォトダイオードの出力が合成され、垂直方向に分離された光信号出力を得ることができる。
The
図19は、図18に示した単位画素セルを複数配置した撮像素子の概略構成ブロック図であり、図18で説明した単位画素セル200が2次元に複数配置されている。基本的には図3で説明した本発明の第1の実施例の構成とほぼ同じである。しかし本変形例では、水平画素の加算読み出しの制御を行う為の制御信号φADDH、および、垂直画素の加算読み出しの制御を行う為の制御信号φADDVが各単位画素セルに対して結線されている。
FIG. 19 is a schematic block diagram of an imaging device in which a plurality of unit pixel cells shown in FIG. 18 are arranged, and a plurality of
図20は、本第2の変形例における撮像素子の垂直方向での画素の加算読み出し動作のタイミングチャートを示す図である。 FIG. 20 is a diagram illustrating a timing chart of the pixel addition reading operation in the vertical direction of the image sensor according to the second modification.
増幅トランジスタ335、1836をリセット(φRESをハイレベル)し、続いて、φADDV(1行目ではφADDV1)をハイにする。制御により、フォトダイオード301および1802、もしくはフォトダイオード1803および1804が、接続トランジスタ1811もしくは1812を介して接続される。以後、各列のクランプ容量501によるクランプ(φRESをロー、PC0Rがハイレベル、φSELがハイレベル)、暗時信号の保持容量転送(PC0Rをロー、PTNをハイ)の動作は図6と同様である。また、光信号の保持容量転送(PTNをロー、PTSをハイ、φTXをハイ)、読み出しの動作も図6と同じである。
The
図21は、本第2の変形例における撮像素子の水平方向での画素の加算読み出し動作例のタイミングチャートである。本動作は図20で説明した垂直方向に画素を加算して読み出す場合の動作のφADDVがφADDH(1行目ではφADDH1)に変わっただけの動きとなる為、詳細の説明は割愛する。 FIG. 21 is a timing chart of an example of an addition reading operation of pixels in the horizontal direction of the image sensor according to the second modification. Since this operation is a movement in which φADDV of the operation for adding and reading pixels in the vertical direction described with reference to FIG. 20 is changed to φADDH (φADDH1 in the first row), detailed description thereof is omitted.
図19乃至図21のような構成を取ることにより、撮像素子内での画素加算を、加算方向によらず、同じ制御時間で行なえる為、制御が煩雑になることを防ぐことが可能となる。もちろん、フレームレートは安定して制御する必要がある為、1フレームの時間と、フレームレートの差によって生じる調整時間を使用して、測距演算処理やレンズ駆動(フォーカス駆動)を行うことも本発明の意とするところである。 By adopting the configuration as shown in FIG. 19 to FIG. 21, pixel addition within the image sensor can be performed in the same control time regardless of the addition direction, so that control can be prevented from becoming complicated. . Of course, since it is necessary to control the frame rate stably, it is also possible to perform distance measurement processing and lens drive (focus drive) using the time of one frame and the adjustment time caused by the difference in frame rate. The invention is intended.
なお、本発明の説明では、一般的なローリングシャッター駆動を用いていることを前提としている為、垂直方向の時系列的なズレが生じる場合がある(例えば、図7参照)。しかし、これに関しては、単位画素セル内における垂直方向の加算をすることで緩和されることを前提とし、実使用上の問題は発生しないものとする。 In the description of the present invention, since it is assumed that a general rolling shutter drive is used, a time-series shift in the vertical direction may occur (see, for example, FIG. 7). However, regarding this, on the premise that the addition is performed in the vertical direction in the unit pixel cell, it is assumed that there is no problem in practical use.
もちろん、理想的には、垂直方向の画像処理により時系列的なズレを補正することや、撮像素子に蓄積電荷を一時保存できるメモリを備えた構成のものを使用し、一括に転送して順次読み出しを行う方式を採用する等、時系列のズレを補正・抑止することが望ましい。 Of course, ideally, use a configuration that corrects time-series deviations by vertical image processing, or uses a configuration that has a memory that can temporarily store accumulated charges in the image sensor, and transfers them sequentially in a batch. It is desirable to correct / suppress time-series deviations, such as by adopting a method of reading.
上述した本発明の実施例およびその変形例によれば、被写体の特徴が水平おとよ垂直のいずれの方向のものであっても、測距動作を精度よく行うことが可能となり、動画などの連続撮影における焦点調節を適切に行うことが可能になる。 According to the above-described embodiments of the present invention and the modifications thereof, it is possible to perform a distance measuring operation with high accuracy regardless of whether the subject has a horizontal or vertical direction, such as a moving image. It is possible to appropriately adjust the focus in continuous shooting.
[他の実施の形態]
前述した本発明の実施形態における撮像装置を構成する各手段、並びに測距動作の各工程は、コンピュータのRAMやROMなどに記憶されたプログラムが動作することによって実現できる。このプログラム及び前記プログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体は本発明に含まれる。
[Other embodiments]
Each means constituting the imaging apparatus and each step of the distance measuring operation in the embodiment of the present invention described above can be realized by operating a program stored in a RAM or a ROM of a computer. This program and a computer-readable storage medium storing the program are included in the present invention.
また、本発明は、例えば、システム、装置、方法、プログラムもしくは記憶媒体等としての実施形態も可能であり、具体的には、複数の機器から構成されるシステムに適用してもよいし、また、一つの機器からなる装置に適用してもよい。 In addition, the present invention can be implemented as, for example, a system, apparatus, method, program, storage medium, or the like. Specifically, the present invention may be applied to a system including a plurality of devices. The present invention may be applied to an apparatus composed of a single device.
なお、本発明は、前述した実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラム(実施形態では図8及び図16に示すフローチャートに対応したプログラム)を、システムまたは装置に直接、または遠隔から供給する場合も含む。そして、そのシステムまたは装置のコンピュータが前記供給されたプログラムコードを読み出して実行することによっても達成される場合を含む。 In the present invention, a software program that realizes the functions of the above-described embodiments (in the embodiment, a program corresponding to the flowcharts shown in FIGS. 8 and 16) may be directly or remotely supplied to the system or apparatus. Including. This includes the case where the system or the computer of the apparatus is also achieved by reading and executing the supplied program code.
したがって、本発明の機能処理をコンピュータで実現するために、前記コンピュータにインストールされるプログラムコード自体も本発明を実現するものである。つまり、本発明は、本発明の機能処理を実現するためのコンピュータプログラム自体も含まれる。その場合、プログラムの機能を有していれば、オブジェクトコード、インタプリタにより実行されるプログラム、OSに供給するスクリプトデータ等の形態であってもよい。 Accordingly, since the functions of the present invention are implemented by computer, the program code installed in the computer also implements the present invention. In other words, the present invention includes a computer program itself for realizing the functional processing of the present invention. In that case, as long as it has the function of a program, it may be in the form of object code, a program executed by an interpreter, script data supplied to the OS, and the like.
プログラムを供給するための記憶媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスクなどがある。さらに、MO、CD−ROM、CD−R、CD−RW、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ROM、DVD(DVD−ROM、DVD−R)などもある。 Examples of the storage medium for supplying the program include a flexible disk, a hard disk, an optical disk, and a magneto-optical disk. Further, there are MO, CD-ROM, CD-R, CD-RW, magnetic tape, nonvolatile memory card, ROM, DVD (DVD-ROM, DVD-R) and the like.
その他、プログラムの供給方法としては、クライアントコンピュータのブラウザを用いてインターネットのホームページに接続する方法がある。そして、前記ホームページから本発明のコンピュータプログラムそのもの、もしくは圧縮され自動インストール機能を含むファイルをハードディスク等の記憶媒体にダウンロードすることによっても供給できる。 As another program supply method, there is a method of connecting to a homepage on the Internet using a browser of a client computer. It can also be supplied by downloading the computer program itself of the present invention or a compressed file including an automatic installation function from a homepage to a storage medium such as a hard disk.
また、本発明のプログラムを構成するプログラムコードを複数のファイルに分割し、それぞれのファイルを異なるホームページからダウンロードすることによっても実現可能である。つまり、本発明の機能処理をコンピュータで実現するためのプログラムファイルを複数のユーザに対してダウンロードさせるWWWサーバも、本発明に含まれるものである。 It can also be realized by dividing the program code constituting the program of the present invention into a plurality of files and downloading each file from a different homepage. That is, a WWW server that allows a plurality of users to download a program file for realizing the functional processing of the present invention on a computer is also included in the present invention.
また、その他の方法として、本発明のプログラムを暗号化してCD−ROM等の記憶媒体に格納してユーザに配布し、所定の条件をクリアしたユーザに対し、インターネットを介してホームページから暗号化を解く鍵情報をダウンロードさせる。そして、その鍵情報を使用することにより暗号化されたプログラムを実行してコンピュータにインストールさせて実現することも可能である。 As another method, the program of the present invention is encrypted, stored in a storage medium such as a CD-ROM, distributed to users, and encrypted from a homepage via the Internet to users who have cleared predetermined conditions. Download the key information to be solved. It is also possible to execute the encrypted program by using the key information and install the program on a computer.
また、コンピュータが、読み出したプログラムを実行することによって、前述した実施形態の機能が実現される。さらに、そのプログラムの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているOSなどが、実際の処理の一部または全部を行い、その処理によっても前述した実施形態の機能が実現され得る。 Further, the functions of the above-described embodiments are realized by the computer executing the read program. Furthermore, based on the instructions of the program, an OS or the like running on the computer performs part or all of the actual processing, and the functions of the above-described embodiments can be realized by the processing.
さらに、その他の方法として、まず記憶媒体から読み出されたプログラムが、コンピュータに挿入された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書き込まれる。そして、そのプログラムの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるCPUなどが実際の処理の一部または全部を行い、その処理によっても前述した実施形態の機能が実現される。 As another method, a program read from a storage medium is first written in a memory provided in a function expansion board inserted into the computer or a function expansion unit connected to the computer. Then, based on the instructions of the program, the CPU or the like provided in the function expansion board or function expansion unit performs part or all of the actual processing, and the functions of the above-described embodiments are realized by the processing.
上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。 The above-described embodiments are merely examples of implementation in carrying out the present invention, and the technical scope of the present invention should not be construed as being limited thereto. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from the technical idea or the main features thereof.
Claims (17)
前記単位画素セルごとに、前記2次元配列の所定の方向に配置された画素の出力を合成して得られた、前記被写体の像分離データを取得する取得手段と、
前記像分離データを用いて測距演算を行ない、演算結果を出力する演算手段と、
前記所定の方向を所定の周期で切り替える制御手段と、
を備え、
前記取得手段は、前記制御手段による切り替えに従って、前記切り替えられた方向の像分離データを取得し、前記演算手段は、前記取得手段が取得した像分離データを用いて測距演算を行うことを特徴とする測距装置。 In a distance measuring device for measuring a subject using an output of an image sensor having a two-dimensional array of unit pixel cells composed of a predetermined number of pixels arranged corresponding to pupil dividing means,
Obtaining means for obtaining image separation data of the subject obtained by synthesizing outputs of pixels arranged in a predetermined direction of the two-dimensional array for each unit pixel cell;
A calculation means for performing a ranging calculation using the image separation data and outputting a calculation result;
Control means for switching the predetermined direction at a predetermined period;
With
The acquisition unit acquires image separation data in the switched direction according to switching by the control unit, and the calculation unit performs distance measurement using the image separation data acquired by the acquisition unit. Ranging device.
瞳分割手段に対応して配列された所定数の複数の画素で構成される単位画素セルの2次元配列を有し、前記被写体の光学像を光電変換して画素信号を生成する撮像手段と、
請求項1乃至4のいずれか一項に記載された測距装置と、
前記撮像素子を駆動して前記画素信号を読み出す駆動手段と、
を備えることを特徴とする撮像装置。 An optical system for forming an optical image of a subject;
An imaging means having a two-dimensional array of unit pixel cells composed of a predetermined number of pixels arranged corresponding to the pupil dividing means, and photoelectrically converting the optical image of the subject to generate a pixel signal;
A distance measuring device according to any one of claims 1 to 4,
Drive means for reading the pixel signal by driving the image sensor;
An imaging apparatus comprising:
前記単位画素セルごとに、前記2次元配列の所定の方向に配置された画素の出力を合成して得られた、前記被写体の像分離データを取得する取得ステップと、
前記像分離データを用いて測距演算を行ない、演算結果を出力する演算ステップと、
前記所定の方向を所定の周期で切り替える制御ステップと、
を備え、
前記取得ステップは、前記制御ステップでの切り替えに従って、前記切り替えられた方向の像分離データを取得し、前記演算ステップは、前記取得ステップで取得した像分離データを用いて測距演算を行うことを特徴とする制御方法。 In the control of a distance measuring device that performs distance measurement of a subject using the output of an image sensor having a two-dimensional array of unit pixel cells composed of a predetermined number of pixels arranged corresponding to pupil dividing means,
An acquisition step of acquiring image separation data of the subject obtained by combining outputs of pixels arranged in a predetermined direction of the two-dimensional array for each unit pixel cell;
A calculation step of performing a ranging calculation using the image separation data and outputting a calculation result;
A control step of switching the predetermined direction at a predetermined period;
With
The acquisition step acquires the image separation data in the switched direction according to the switching in the control step, and the calculation step performs a distance measurement calculation using the image separation data acquired in the acquisition step. Characteristic control method.
コンピュータを、
前記単位画素セルごとに、前記2次元配列の所定の方向に配置された画素の出力を合成して得られた、前記被写体の像分離データを取得する取得手段、
前記像分離データを用いて測距演算を行ない、演算結果を出力する演算手段、
前記所定の方向を所定の周期で切り替える制御手段、
として機能させ、
前記取得手段が、前記制御手段による切り替えに従って、前記切り替えられた方向の像分離データを取得し、前記演算手段が、前記取得手段が取得した像分離データを用いて測距演算を行うように制御するプログラム。 To control a distance measuring device that performs distance measurement of an object using an output of an image sensor having a two-dimensional array of unit pixel cells composed of a predetermined number of pixels arranged corresponding to pupil dividing means The program of
Computer
Acquisition means for acquiring image separation data of the subject obtained by synthesizing outputs of pixels arranged in a predetermined direction of the two-dimensional array for each unit pixel cell;
A calculation means for performing a ranging calculation using the image separation data and outputting a calculation result;
Control means for switching the predetermined direction at a predetermined cycle;
Function as
The acquisition unit acquires image separation data in the switched direction according to the switching by the control unit, and the calculation unit is controlled to perform a distance measurement calculation using the image separation data acquired by the acquisition unit. Program to do.
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