成像装置和用于计算相位差像素的灵敏度比率的方法
【专利摘要】一种成像装置，包括：成像元件，所述成像元件具有被设置并且被形成于其中的多个像素以及在有效的像素区域内形成的相位差像素；成像镜头；以及控制单元，所述控制单元分析来自成像元件的被捕获的图像信号，从对于成对的两个相位差像素的检测信号找到相位差量，并且合焦控制成像镜头。所述控制单元计算在成像镜头的入射角范围内的相位差像素的受光灵敏度的积分值和所述相位差像素以外的像素的受光灵敏度的积分值的比率，作为灵敏度比率。所述控制单元校正相位差像素的受光灵敏度之间的偏差。
【专利说明】成像装置和用于计算相位差像素的灵敏度比率的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种包括具有相位差像素的图像捕获元件的图像捕获装置以及用于计算相位差像素的灵敏度比率的方法。
【背景技术】
[0002]以二维阵列图案在受光区域中形成并且排列的多个像素中的一些像素通过安装在图像捕获装置(照相机)内的图像传感器中的相位差像素(也称为焦点检测像素)形成。在安装有图像捕获元件的图像捕获装置中采用了相位差AF方法，作为调整摄影镜头的焦点位置至摄影被摄体的AF方法。
[0003]相位差像素具有如在例如专利文献I中所公开的结构，其中，相位差像素被光瞳分为一对像素中的一个像素和另一个像素，并且一个像素接收经过摄影镜头不同光路的两束光中的一束光，并且另一个像素接收另一束光，以检测光瞳分割方向的相对位置偏差。此夕卜，根据位置偏差量控制摄影镜头的焦距失调量的方法为相位差AF方法。
[0004]图13为具有被光瞳分割的相位差像素对的固态图像捕获元件的一个实例的平面示意图。安装有宽阻光层开口 6的通常像素(仅示出了一个部分，并且省略了其它部分)以及安装有比阻光层开口 6窄的阻光层开口 7a和7b相位差像素(用附图标记7表示)被设置在多个像素5中，所述多个像素被以二维阵列图案形成并且排列在半导体衬底的表面上。阻光层开口 7a被安装成偏心到像素中心的右侧，并且阻光层开口 7b被安装成偏心到像素中心的左侧。
[0005]同时，安装有图像捕获元件的图像捕获装置包括除了一种类型的摄影镜头被固定至并且用于的图像捕获装置之外的镜头替换型的图像捕获装置。当摄影镜头被替换时，摄影镜头的最大孔径、焦距、球面收差等改变。
[0006]在如上所述的安装有包括相位差像素的图像捕获元件的图像捕获装置中，当图像捕获装置为镜头替换型的图像捕获装置时，由于诸如相位差像素在图像捕获元件上的放置位置或者一对像素之间的间隔的物理条件不能被改变，所以如果摄影镜头被替换，则摄影镜头的合焦精度受到影响。
[0007]因此，在相关领域中，如同在例如下面的专利文献I中所公开的，校正量被准备为表格数据，并且当摄影镜头被替换时，选择合适的表格数据。
[0008]引用列表
[0009]专利文献
[0010]专利文献1:日本专利特开2010-107771号公报
【发明内容】
[0011]技术问题
[0012]在如上所述的具有包括相位差像素的图像捕获元件的图像捕获装置中，当对于各个F数和各个图像高度的入射角范围在替换镜头等的情况下改变时，入射光的入射角根据相位差像素的图像平面位置改变，并且入射光量同样改变，而且因此，作为相位差像素的输出值，即，灵敏度改变，并且检测到的相位差量改变。因此，影响了摄影镜头的合焦精度。
[0013]本发明的目的是提供一种图像捕获装置和一种用于计算相位差像素的灵敏度比率的方法，所述图像捕获装置能够通过根据入射光的入射角变化适当地校正相位差像素的灵敏度以高精度执行相位差AF处理。
[0014]解决问题的技术方案
[0015]本发明的图像捕获装置和用于计算相位差像素的灵敏度比率的方法的特征在于，图像捕获装置包括:图像捕获元件，其中以二维阵列图案排列并且形成多个像素，而且在有效像素区域内的焦点检测区域中形成相位差像素；摄影镜头，所述摄影镜头被安装在图像捕获元件的前级内；以及控制单元，所述控制单元分析所述图像捕获元件捕获的图像信号，从成对的两个相位差像素的检测信号获得相位差量，并且执行摄影镜头的合焦控制，其中，所述控制单元计算在摄影镜头的入射角范围内的相位差像素的受光灵敏度的积分值与在相位差像素以外的像素的所述范围内的受光灵敏度的积分值的比率，作为灵敏度比率，并且利用灵敏度比率校正成对的两个相位差像素之间的受光灵敏度的偏差，以校正用于获取相位差量的检测信号。
[0016]发明的有益效果
[0017]根据本发明，虽然在一对相位差像素之间出现了灵敏度偏差，但所述灵敏度偏差能够被正确地校正，从而以高精度执行相位差AF处理。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为根据本发明实施例的图像捕获装置的功能框图。
[0019]图2为图1中示出的固态图像捕获元件的说明图。
[0020]图3为图2中示出的固态图像捕获元件的焦点检测区域的局部放大图。
[0021]图4为通过相位差像素的相位差的说明图。
[0022]图5为描述了相位差量(分离量)和散焦量之间的关系的图，(a)在替换具有不同F数的摄影镜头之前，以及(b)在替换具有不同F数的摄影镜头之后。
[0023]图6为根据本发明第一实施例的用于计算灵敏度比率的方法的说明图。
[0024]图7为补充描述图6的用于计算灵敏度比率的方法的说明图。
[0025]图8为根据本发明第二实施例用于计算灵敏度比率的方法的说明图。
[0026]图9为根据本发明第三实施例用于计算灵敏度比率的方法的说明图。
[0027]图10为示出了由图1的图像捕获装置执行的成像处理顺序的流程图。
[0028]图11为示出了入射角特征被入射光的颜色R、G和B的色差改变的曲线图。
[0029]图12为示出了图10的灵敏度比率计算处理步骤的详细处理顺序的流程图。
[0030]图13为示出了相位差像素的一个实例的图。
【具体实施方式】
[0031 ] 在下文中将参照附图描述本发明的实施例。
[0032]图1为根据本发明实施例的数码相机(图像捕获装置)的功能结构框图。该数码相机10包括含有摄影镜头21a或光阑21b的摄影光学系统21以及布置在摄影光学系统21的后级内的图像捕获元件芯片22。摄影光学系统21被可更换地安装，并且用户可以选择预期的摄影光学系统(广角镜头系统、长焦镜头系统等)。
[0033]图像捕获元件芯片22包括作为信号读取装置、用于摄影彩色图像的单板型固态图像捕获元件22a，诸如CCD类型或者CMOS类型的固态图像捕获元件，模拟信号处理单元(AFE) 22b，该模拟信号处理单元对从固态图像捕获元件22a输出的模拟图像数据执行模拟处理，诸如自动增益控制(AGC)或者相关双取样处理，以及模/数转换单元(A/D)22c，该模/数转换单元将从模拟信号处理单元22b输出的模拟图像数据转化为数字图像数据。
[0034]数码相机10还包括驱动单元23 (包括定时发生器(TG))，该驱动单元通过来自以下将被描述的系统控制单元(CPU) 29的指令以及通过来自CPU29的指令发射光的闪光灯25而执行摄影光学系统21的焦点位置控制或变焦位置控制，或者控制固态图像捕获元件22a、模拟信号处理单元22b以及A/D22c的驱动。驱动单元23可以一起被安装在图像捕获元件芯片22中。
[0035]该实施例的数码相机10还包括数字信号处理单元26，该数字信号处理单元用于在从A/D22C输出的数字图像数据上执行已知的图像处理，诸如获取或插值处理或空白平衡校正、RGB/YC转化处理，压缩/解压处理单元27，该压缩/解压处理单元用于将图像数据压缩为诸如JPEG格式的图像数据，反之解压图像数据，显示单元28，该显示单元用于显示菜单等或者全程图像或捕获的图像，系统控制单元(CPU) 29，该系统控制单元完整地控制整个数码相机，诸如帧存储器等的内部存储器30，介质接口(I/F)单元31，该介质接口(I/F)单元用于执行与储存JPEG图像数据等的记录介质32之间的接口处理，以及总线34，该总线用于将数字信号处理单元26、压缩/解压处理单元27、显示单元28、系统控制单元(CPU) 29、内部存储器30和介质接口(I/F)单元31互相连接，以及用于输入用户指令的操作单元33，其被连接到系统控制单元29。
[0036]系统控制单元29通过从相位差像素的检测信号获取相位差量或者通过利用下方的数字信号处理单元26等计算以下将被描述的灵敏度比率而执行摄影光学系统21的焦点位置控制(合焦控制)。
[0037]图2为固态图像捕获元件22a的平面示意图。该固态图像捕获元件22a被形成在长方形的半导体衬底上，该衬底的宽度为长的，并且在受光区域41 (有效的像素区域)中以二维阵列图案形成多个像素(光电转化元件:光电二极管)。在示出的受光区域41的实例中，该受光区域41的中心区域被配置作为焦点检测区域42，并且在该焦点检测区域42中设置了以下将被描述的相位差像素。
[0038]图3为图2中示出的焦点检测区域42的局部区域的放大图，并且示出了像素阵列和滤色器阵列。在示出的实施例中，提供了所谓的蜂巢式像素阵列，其中奇数的(可替选地，偶数的)像素行(倾斜45度的正方形框代表各个像素，并且各个像素上的R(红色)、G (绿色)和B (蓝色)代表滤色器的颜色)被布置成从偶数的(或奇数的)像素行位移1/2个像素间距。
[0039]此外，在仅偶数行的各个像素的情况下，像素阵列变为方格阵列，并且三个主滤色器RGB被拜耳排列于其中。此外，在仅奇数行的各个像素的情况下，像素阵列变为方格阵列，并且三个主滤色器rgb被拜耳排列于其中。R=r、G=g并且B=b，而且倾斜地相互靠近的相同颜色的像素形成成对的像素。各自像素的受光区域彼此相同，并且阻光层开口的尺寸也是彼此相同的(仅以下将被描述的相位差像素的阻光层开口的尺寸彼此不同)。此外，在所有像素中具有相同形状的微镜头被安装在各自的滤色器上(微镜头未被示出)。
[0040]其中在图3中示出的固态图像捕获元件22a的G滤色器被堆叠并且g像素的像素行靠近到其的像素的像素行中(在下文中被称为G像素，对于R、B、r、g和b也是相似的)，四个像素中的一个像素被设定作为一对相位差像素2。在相位差像素2中(G像素和g像素的对)，阻光膜开口 2a被安装成小于另一个通常像素的阻光层开口 3 (仅示出了一部分并且省略了另一部分)，并且也相对于G像素2的像素中心偏到右侧，而且阻光层开口 2b被安装成与阻光膜开口 2a相同，并且相对于g像素2的像素中心偏到左侧，从而实现光瞳分割。
[0041]此外，在图3的实例中，像素阵列是所谓的蜂巢式像素阵列，但以下实施例甚至可以被应用到其中像素阵列为图13中示出的方格阵列的图像捕获元件中。由于一对相位差像素优选具有相同颜色的像素，所以可以使用其中排列了具有相同颜色的两个像素的滤色器阵列。
[0042]图4为通过一对相位差像素(一个像素和另一个像素将分别被称为第一像素和第二像素)的相位差检测的说明图。图4(a)为示出了当摄影被摄体存在于明显偏离焦点位置的位置处时第一像素的受光灵敏度分布L和第二像素的受光灵敏度分布R与成像表面的坐标位置之间的关系的曲线图。各自的受光灵敏度分布L和R具有山形(在图4中被示出为长方形波)，并且在其间打开了间隔a。α对应于相位差量。
[0043]图4(b)为示出了当摄影被摄体存在于比图4(a)更靠近焦点位置的位置处时第一像素和第二像素的受光灵敏度分布L和R的曲线图。与图4(a)相比，受光灵敏度分布L和R相互靠近。也就是说，各自的受光灵敏度分布L和R之间的间隔α小于图4(a)中的间隔
α ο
[0044]图4(c)为示出了当摄影被摄体存在于焦点位置处时第一像素和第二像素的受光灵敏度分布L和R的曲线图。当摄影被摄体存在于焦点位置处时，在第一像素和第二像素的检测信号之间不存在相位差，并且输出分布L和R两者互相重叠。
[0045]通过获取前述间隔α (相位差量)，可以得知摄影被摄体是否被合焦、摄影镜头的焦点位置如何被偏移。然而，当获取相位差量时，在未考虑摄影镜头的F数和图像高度的情况下，所述相位差量可能被不准确地检测。
[0046]图5为示出了第一像素和第二像素的相位差量(=分离量)和散焦量之间的关系的图。散焦量为当图像未被形成在成像表面上时图像形成位置(分离量=0)和成像表面之间的距离，即，焦距失调量。
[0047]当图5(a)中示出的摄影镜头51被替换为具有不同F数的摄影镜头52时，如图5(b)中示出的，入射光的入射角根据F数和图像高度改变，并且如通过比较图5(a)和5(b)能够看到的，尽管分离量(相位差量)相同，但散焦量被改变。
[0048]入射光的入射角Θ1和Θ 2、各自的分尚量al和a2 (总分尚量为al+a2)和散焦量b具有预定的函数关系，
[0049]tan Θ l=al/b，即，Θ l=tan_1al/b
[0050]tan Θ 2=a2/b,即，Θ 2=tan_1a2/b0
[0051]因此，当已知第一像素和第二像素的相位差量(分离量=al+a2)以及Θ1和Θ2时，可以获得散焦量b。用于计算Θ1和Θ 2的方法在本发明中不受限制，而是例如，在对应于摄影镜头在摄影时的F数的入射角范围X内，基于下面的方程式I计算受光灵敏度分布特征R的灵敏度重心位置，并且计算受光灵敏度分布特征L的灵敏度重心(亮度重心)位置。
[0052][方程式I]
【权利要求】
1.一种图像捕获装置，包括: 图像捕获元件，其中以二维阵列图案排列并且形成多个像素，而且在有效像素区域内的焦点检测区域中形成相位差像素； 摄影镜头，所述摄影镜头被安装在所述图像捕获元件的前级内；以及 控制单元，所述控制单元分析所述图像捕获元件捕获的图像信号，从成对的两个所述相位差像素的检测信号获得相位差量，并且执行所述摄影镜头的合焦控制， 其中，所述控制单元计算在所述摄影镜头的入射角范围内的所述相位差像素的受光灵敏度的积分值与在所述相位差像素以外的像素的所述范围内的受光灵敏度的积分值的比率，作为灵敏度比率，并且利用所述灵敏度比率校正所述成对的两个所述相位差像素之间的受光灵敏度的偏差，以校正用于获取所述相位差量的所述检测信号。
2.根据权利要求1所述的图像捕获装置，其中，当由于积分值无法计算，在多个点处获得所述入射角范围内的预定角度处检测的、所述相位差像素以外的像素的受光灵敏度的值与所述相位差像素的受光灵敏度的值的比率时，所述比率的平均值被用作所述灵敏度比率。
3.根据权利要求1或2所述的图像捕获装置，其中，将代表成对的所述两个相位差像素的光瞳分割方向上的入射角和受光灵敏度之间的关系的特征与代表在与所述光瞳分割方向成直角的方向上的入射角和受光灵敏度之间的关系的特征彼此相乘，以获取所述灵敏度比率。
4.根据权利要求3所述的图像捕获装置，其中，当代表在与光瞳分割方向成直角的方向上的所述入射角和所述受光灵敏度之间的关系的特征的变化等于或者小于阈值时，并且当所述入射光的入射角范围小于阈值时，跳过所述乘法以计算所述灵敏度比率。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的图像捕获装置，其中，从红光、绿光和蓝光中的各个的受光灵敏度的分布计算各色光的所述灵敏度比率。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的图像捕获装置，其中，所述摄影镜头为镜头可替换的摄影镜头，并且在替换所述摄影镜头之后获得所述灵敏度比率。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的图像捕获装置，其中，所述入射角范围为对应于所述摄影镜头的F数和图像高度的入射角范围。
8.一种用于通过图像捕获装置计算相位差像素的灵敏度比率的方法，所述图像捕获装置包括: 图像捕获元件，其中以二维阵列图案排列并且形成多个像素，而且在有效像素区域内的焦点检测区域中形成相位差像素； 摄影镜头，所述摄影镜头被安装在所述图像捕获元件的前级内；以及 控制单元，所述控制单元分析所述图像捕获元件捕获的图像信号，从成对的两个所述相位差像素的检测信号获得相位差量，并且执行所述摄影镜头的合焦控制， 其中，所述控制单元计算在所述摄影镜头的入射角范围内的所述相位差像素的受光灵敏度的积分值与在所述相位差像素以外的像素的所述范围内的受光灵敏度的积分值的比率，作为灵敏度比率，并且利用所述灵敏度比率校正所述成对的两个所述相位差像素之间的受光灵敏度的偏差，以校正用于获取所述相位差量的所述检测信号。
【文档编号】G03B13/36GK103842879SQ201280048297
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年9月4日 优先权日:2011年9月30日
【发明者】井上和纪, 青木贵嗣 申请人:富士胶片株式会社