成像裝置和用于計(jì)算相位差像素的靈敏度比率的方法
【專利摘要】一種成像裝置，包括：成像元件，所述成像元件具有被設(shè)置并且被形成于其中的多個(gè)像素以及在有效的像素區(qū)域內(nèi)形成的相位差像素；成像鏡頭；以及控制單元，所述控制單元分析來自成像元件的被捕獲的圖像信號，從對于成對的兩個(gè)相位差像素的檢測信號找到相位差量，并且合焦控制成像鏡頭。所述控制單元計(jì)算在成像鏡頭的入射角范圍內(nèi)的相位差像素的受光靈敏度的積分值和所述相位差像素以外的像素的受光靈敏度的積分值的比率，作為靈敏度比率。所述控制單元校正相位差像素的受光靈敏度之間的偏差。
【專利說明】成像裝置和用于計(jì)算相位差像素的靈敏度比率的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種包括具有相位差像素的圖像捕獲元件的圖像捕獲裝置以及用于計(jì)算相位差像素的靈敏度比率的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]以二維陣列圖案在受光區(qū)域中形成并且排列的多個(gè)像素中的一些像素通過安裝在圖像捕獲裝置(照相機(jī))內(nèi)的圖像傳感器中的相位差像素(也稱為焦點(diǎn)檢測像素)形成。在安裝有圖像捕獲元件的圖像捕獲裝置中采用了相位差A(yù)F方法，作為調(diào)整攝影鏡頭的焦點(diǎn)位置至攝影被攝體的AF方法。
[0003]相位差像素具有如在例如專利文獻(xiàn)I中所公開的結(jié)構(gòu)，其中，相位差像素被光瞳分為一對像素中的一個(gè)像素和另一個(gè)像素，并且一個(gè)像素接收經(jīng)過攝影鏡頭不同光路的兩束光中的一束光，并且另一個(gè)像素接收另一束光，以檢測光瞳分割方向的相對位置偏差。此夕卜，根據(jù)位置偏差量控制攝影鏡頭的焦距失調(diào)量的方法為相位差A(yù)F方法。
[0004]圖13為具有被光瞳分割的相位差像素對的固態(tài)圖像捕獲元件的一個(gè)實(shí)例的平面示意圖。安裝有寬阻光層開口 6的通常像素(僅示出了一個(gè)部分，并且省略了其它部分)以及安裝有比阻光層開口 6窄的阻光層開口 7a和7b相位差像素(用附圖標(biāo)記7表示)被設(shè)置在多個(gè)像素5中，所述多個(gè)像素被以二維陣列圖案形成并且排列在半導(dǎo)體襯底的表面上。阻光層開口 7a被安裝成偏心到像素中心的右側(cè)，并且阻光層開口 7b被安裝成偏心到像素中心的左側(cè)。
[0005]同時(shí)，安裝有圖像捕獲元件的圖像捕獲裝置包括除了一種類型的攝影鏡頭被固定至并且用于的圖像捕獲裝置之外的鏡頭替換型的圖像捕獲裝置。當(dāng)攝影鏡頭被替換時(shí)，攝影鏡頭的最大孔徑、焦距、球面收差等改變。
[0006]在如上所述的安裝有包括相位差像素的圖像捕獲元件的圖像捕獲裝置中，當(dāng)圖像捕獲裝置為鏡頭替換型的圖像捕獲裝置時(shí)，由于諸如相位差像素在圖像捕獲元件上的放置位置或者一對像素之間的間隔的物理?xiàng)l件不能被改變，所以如果攝影鏡頭被替換，則攝影鏡頭的合焦精度受到影響。
[0007]因此，在相關(guān)領(lǐng)域中，如同在例如下面的專利文獻(xiàn)I中所公開的，校正量被準(zhǔn)備為表格數(shù)據(jù)，并且當(dāng)攝影鏡頭被替換時(shí)，選擇合適的表格數(shù)據(jù)。
[0008]引用列表
[0009]專利文獻(xiàn)
[0010]專利文獻(xiàn)1:日本專利特開2010-107771號公報(bào)
【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]技術(shù)問題
[0012]在如上所述的具有包括相位差像素的圖像捕獲元件的圖像捕獲裝置中，當(dāng)對于各個(gè)F數(shù)和各個(gè)圖像高度的入射角范圍在替換鏡頭等的情況下改變時(shí)，入射光的入射角根據(jù)相位差像素的圖像平面位置改變，并且入射光量同樣改變，而且因此，作為相位差像素的輸出值，即，靈敏度改變，并且檢測到的相位差量改變。因此，影響了攝影鏡頭的合焦精度。
[0013]本發(fā)明的目的是提供一種圖像捕獲裝置和一種用于計(jì)算相位差像素的靈敏度比率的方法，所述圖像捕獲裝置能夠通過根據(jù)入射光的入射角變化適當(dāng)?shù)匦Ｕ辔徊钕袼氐撵`敏度以高精度執(zhí)行相位差A(yù)F處理。
[0014]解決問題的技術(shù)方案
[0015]本發(fā)明的圖像捕獲裝置和用于計(jì)算相位差像素的靈敏度比率的方法的特征在于，圖像捕獲裝置包括:圖像捕獲元件，其中以二維陣列圖案排列并且形成多個(gè)像素，而且在有效像素區(qū)域內(nèi)的焦點(diǎn)檢測區(qū)域中形成相位差像素；攝影鏡頭，所述攝影鏡頭被安裝在圖像捕獲元件的前級內(nèi)；以及控制單元，所述控制單元分析所述圖像捕獲元件捕獲的圖像信號，從成對的兩個(gè)相位差像素的檢測信號獲得相位差量，并且執(zhí)行攝影鏡頭的合焦控制，其中，所述控制單元計(jì)算在攝影鏡頭的入射角范圍內(nèi)的相位差像素的受光靈敏度的積分值與在相位差像素以外的像素的所述范圍內(nèi)的受光靈敏度的積分值的比率，作為靈敏度比率，并且利用靈敏度比率校正成對的兩個(gè)相位差像素之間的受光靈敏度的偏差，以校正用于獲取相位差量的檢測信號。
[0016]發(fā)明的有益效果
[0017]根據(jù)本發(fā)明，雖然在一對相位差像素之間出現(xiàn)了靈敏度偏差，但所述靈敏度偏差能夠被正確地校正，從而以高精度執(zhí)行相位差A(yù)F處理。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖像捕獲裝置的功能框圖。
[0019]圖2為圖1中示出的固態(tài)圖像捕獲元件的說明圖。
[0020]圖3為圖2中示出的固態(tài)圖像捕獲元件的焦點(diǎn)檢測區(qū)域的局部放大圖。
[0021]圖4為通過相位差像素的相位差的說明圖。
[0022]圖5為描述了相位差量(分離量)和散焦量之間的關(guān)系的圖，(a)在替換具有不同F(xiàn)數(shù)的攝影鏡頭之前，以及(b)在替換具有不同F(xiàn)數(shù)的攝影鏡頭之后。
[0023]圖6為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的用于計(jì)算靈敏度比率的方法的說明圖。
[0024]圖7為補(bǔ)充描述圖6的用于計(jì)算靈敏度比率的方法的說明圖。
[0025]圖8為根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例用于計(jì)算靈敏度比率的方法的說明圖。
[0026]圖9為根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例用于計(jì)算靈敏度比率的方法的說明圖。
[0027]圖10為示出了由圖1的圖像捕獲裝置執(zhí)行的成像處理順序的流程圖。
[0028]圖11為示出了入射角特征被入射光的顏色R、G和B的色差改變的曲線圖。
[0029]圖12為示出了圖10的靈敏度比率計(jì)算處理步驟的詳細(xì)處理順序的流程圖。
[0030]圖13為示出了相位差像素的一個(gè)實(shí)例的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031 ] 在下文中將參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。
[0032]圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)碼相機(jī)(圖像捕獲裝置)的功能結(jié)構(gòu)框圖。該數(shù)碼相機(jī)10包括含有攝影鏡頭21a或光闌21b的攝影光學(xué)系統(tǒng)21以及布置在攝影光學(xué)系統(tǒng)21的后級內(nèi)的圖像捕獲元件芯片22。攝影光學(xué)系統(tǒng)21被可更換地安裝，并且用戶可以選擇預(yù)期的攝影光學(xué)系統(tǒng)(廣角鏡頭系統(tǒng)、長焦鏡頭系統(tǒng)等)。
[0033]圖像捕獲元件芯片22包括作為信號讀取裝置、用于攝影彩色圖像的單板型固態(tài)圖像捕獲元件22a，諸如CCD類型或者CMOS類型的固態(tài)圖像捕獲元件，模擬信號處理單元(AFE) 22b，該模擬信號處理單元對從固態(tài)圖像捕獲元件22a輸出的模擬圖像數(shù)據(jù)執(zhí)行模擬處理，諸如自動增益控制(AGC)或者相關(guān)雙取樣處理，以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元(A/D)22c，該模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元將從模擬信號處理單元22b輸出的模擬圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。
[0034]數(shù)碼相機(jī)10還包括驅(qū)動單元23 (包括定時(shí)發(fā)生器(TG))，該驅(qū)動單元通過來自以下將被描述的系統(tǒng)控制單元(CPU) 29的指令以及通過來自CPU29的指令發(fā)射光的閃光燈25而執(zhí)行攝影光學(xué)系統(tǒng)21的焦點(diǎn)位置控制或變焦位置控制，或者控制固態(tài)圖像捕獲元件22a、模擬信號處理單元22b以及A/D22c的驅(qū)動。驅(qū)動單元23可以一起被安裝在圖像捕獲元件芯片22中。
[0035]該實(shí)施例的數(shù)碼相機(jī)10還包括數(shù)字信號處理單元26，該數(shù)字信號處理單元用于在從A/D22C輸出的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)上執(zhí)行已知的圖像處理，諸如獲取或插值處理或空白平衡校正、RGB/YC轉(zhuǎn)化處理，壓縮/解壓處理單元27，該壓縮/解壓處理單元用于將圖像數(shù)據(jù)壓縮為諸如JPEG格式的圖像數(shù)據(jù)，反之解壓圖像數(shù)據(jù)，顯示單元28，該顯示單元用于顯示菜單等或者全程圖像或捕獲的圖像，系統(tǒng)控制單元(CPU) 29，該系統(tǒng)控制單元完整地控制整個(gè)數(shù)碼相機(jī)，諸如幀存儲器等的內(nèi)部存儲器30，介質(zhì)接口(I/F)單元31，該介質(zhì)接口(I/F)單元用于執(zhí)行與儲存JPEG圖像數(shù)據(jù)等的記錄介質(zhì)32之間的接口處理，以及總線34，該總線用于將數(shù)字信號處理單元26、壓縮/解壓處理單元27、顯示單元28、系統(tǒng)控制單元(CPU) 29、內(nèi)部存儲器30和介質(zhì)接口(I/F)單元31互相連接，以及用于輸入用戶指令的操作單元33，其被連接到系統(tǒng)控制單元29。
[0036]系統(tǒng)控制單元29通過從相位差像素的檢測信號獲取相位差量或者通過利用下方的數(shù)字信號處理單元26等計(jì)算以下將被描述的靈敏度比率而執(zhí)行攝影光學(xué)系統(tǒng)21的焦點(diǎn)位置控制(合焦控制)。
[0037]圖2為固態(tài)圖像捕獲元件22a的平面示意圖。該固態(tài)圖像捕獲元件22a被形成在長方形的半導(dǎo)體襯底上，該襯底的寬度為長的，并且在受光區(qū)域41 (有效的像素區(qū)域)中以二維陣列圖案形成多個(gè)像素(光電轉(zhuǎn)化元件:光電二極管)。在示出的受光區(qū)域41的實(shí)例中，該受光區(qū)域41的中心區(qū)域被配置作為焦點(diǎn)檢測區(qū)域42，并且在該焦點(diǎn)檢測區(qū)域42中設(shè)置了以下將被描述的相位差像素。
[0038]圖3為圖2中示出的焦點(diǎn)檢測區(qū)域42的局部區(qū)域的放大圖，并且示出了像素陣列和濾色器陣列。在示出的實(shí)施例中，提供了所謂的蜂巢式像素陣列，其中奇數(shù)的(可替選地，偶數(shù)的)像素行(傾斜45度的正方形框代表各個(gè)像素，并且各個(gè)像素上的R(紅色)、G (綠色)和B (藍(lán)色)代表濾色器的顏色)被布置成從偶數(shù)的(或奇數(shù)的)像素行位移1/2個(gè)像素間距。
[0039]此外，在僅偶數(shù)行的各個(gè)像素的情況下，像素陣列變?yōu)榉礁耜嚵?，并且三個(gè)主濾色器RGB被拜耳排列于其中。此外，在僅奇數(shù)行的各個(gè)像素的情況下，像素陣列變?yōu)榉礁耜嚵?，并且三個(gè)主濾色器rgb被拜耳排列于其中。R=r、G=g并且B=b，而且傾斜地相互靠近的相同顏色的像素形成成對的像素。各自像素的受光區(qū)域彼此相同，并且阻光層開口的尺寸也是彼此相同的(僅以下將被描述的相位差像素的阻光層開口的尺寸彼此不同)。此外，在所有像素中具有相同形狀的微鏡頭被安裝在各自的濾色器上(微鏡頭未被示出)。
[0040]其中在圖3中示出的固態(tài)圖像捕獲元件22a的G濾色器被堆疊并且g像素的像素行靠近到其的像素的像素行中(在下文中被稱為G像素，對于R、B、r、g和b也是相似的)，四個(gè)像素中的一個(gè)像素被設(shè)定作為一對相位差像素2。在相位差像素2中(G像素和g像素的對)，阻光膜開口 2a被安裝成小于另一個(gè)通常像素的阻光層開口 3 (僅示出了一部分并且省略了另一部分)，并且也相對于G像素2的像素中心偏到右側(cè)，而且阻光層開口 2b被安裝成與阻光膜開口 2a相同，并且相對于g像素2的像素中心偏到左側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)光瞳分割。
[0041]此外，在圖3的實(shí)例中，像素陣列是所謂的蜂巢式像素陣列，但以下實(shí)施例甚至可以被應(yīng)用到其中像素陣列為圖13中示出的方格陣列的圖像捕獲元件中。由于一對相位差像素優(yōu)選具有相同顏色的像素，所以可以使用其中排列了具有相同顏色的兩個(gè)像素的濾色器陣列。
[0042]圖4為通過一對相位差像素(一個(gè)像素和另一個(gè)像素將分別被稱為第一像素和第二像素)的相位差檢測的說明圖。圖4(a)為示出了當(dāng)攝影被攝體存在于明顯偏離焦點(diǎn)位置的位置處時(shí)第一像素的受光靈敏度分布L和第二像素的受光靈敏度分布R與成像表面的坐標(biāo)位置之間的關(guān)系的曲線圖。各自的受光靈敏度分布L和R具有山形(在圖4中被示出為長方形波)，并且在其間打開了間隔a。α對應(yīng)于相位差量。
[0043]圖4(b)為示出了當(dāng)攝影被攝體存在于比圖4(a)更靠近焦點(diǎn)位置的位置處時(shí)第一像素和第二像素的受光靈敏度分布L和R的曲線圖。與圖4(a)相比，受光靈敏度分布L和R相互靠近。也就是說，各自的受光靈敏度分布L和R之間的間隔α小于圖4(a)中的間隔
α ο
[0044]圖4(c)為示出了當(dāng)攝影被攝體存在于焦點(diǎn)位置處時(shí)第一像素和第二像素的受光靈敏度分布L和R的曲線圖。當(dāng)攝影被攝體存在于焦點(diǎn)位置處時(shí)，在第一像素和第二像素的檢測信號之間不存在相位差，并且輸出分布L和R兩者互相重疊。
[0045]通過獲取前述間隔α (相位差量)，可以得知攝影被攝體是否被合焦、攝影鏡頭的焦點(diǎn)位置如何被偏移。然而，當(dāng)獲取相位差量時(shí)，在未考慮攝影鏡頭的F數(shù)和圖像高度的情況下，所述相位差量可能被不準(zhǔn)確地檢測。
[0046]圖5為示出了第一像素和第二像素的相位差量(=分離量)和散焦量之間的關(guān)系的圖。散焦量為當(dāng)圖像未被形成在成像表面上時(shí)圖像形成位置(分離量=0)和成像表面之間的距離，即，焦距失調(diào)量。
[0047]當(dāng)圖5(a)中示出的攝影鏡頭51被替換為具有不同F(xiàn)數(shù)的攝影鏡頭52時(shí)，如圖5(b)中示出的，入射光的入射角根據(jù)F數(shù)和圖像高度改變，并且如通過比較圖5(a)和5(b)能夠看到的，盡管分離量(相位差量)相同，但散焦量被改變。
[0048]入射光的入射角Θ1和Θ 2、各自的分尚量al和a2 (總分尚量為al+a2)和散焦量b具有預(yù)定的函數(shù)關(guān)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，當(dāng)已知第一像素和第二像素的相位差量(分離量=al+a2)以及Θ1和Θ2時(shí)，可以獲得散焦量b。用于計(jì)算Θ1和Θ 2的方法在本發(fā)明中不受限制，而是例如，在對應(yīng)于攝影鏡頭在攝影時(shí)的F數(shù)的入射角范圍X內(nèi)，基于下面的方程式I計(jì)算受光靈敏度分布特征R的靈敏度重心位置，并且計(jì)算受光靈敏度分布特征L的靈敏度重心(亮度重心)位置。
[0052][方程式I]
【權(quán)利要求】
1.一種圖像捕獲裝置，包括: 圖像捕獲元件，其中以二維陣列圖案排列并且形成多個(gè)像素，而且在有效像素區(qū)域內(nèi)的焦點(diǎn)檢測區(qū)域中形成相位差像素； 攝影鏡頭，所述攝影鏡頭被安裝在所述圖像捕獲元件的前級內(nèi)；以及 控制單元，所述控制單元分析所述圖像捕獲元件捕獲的圖像信號，從成對的兩個(gè)所述相位差像素的檢測信號獲得相位差量，并且執(zhí)行所述攝影鏡頭的合焦控制， 其中，所述控制單元計(jì)算在所述攝影鏡頭的入射角范圍內(nèi)的所述相位差像素的受光靈敏度的積分值與在所述相位差像素以外的像素的所述范圍內(nèi)的受光靈敏度的積分值的比率，作為靈敏度比率，并且利用所述靈敏度比率校正所述成對的兩個(gè)所述相位差像素之間的受光靈敏度的偏差，以校正用于獲取所述相位差量的所述檢測信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像捕獲裝置，其中，當(dāng)由于積分值無法計(jì)算，在多個(gè)點(diǎn)處獲得所述入射角范圍內(nèi)的預(yù)定角度處檢測的、所述相位差像素以外的像素的受光靈敏度的值與所述相位差像素的受光靈敏度的值的比率時(shí)，所述比率的平均值被用作所述靈敏度比率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的圖像捕獲裝置，其中，將代表成對的所述兩個(gè)相位差像素的光瞳分割方向上的入射角和受光靈敏度之間的關(guān)系的特征與代表在與所述光瞳分割方向成直角的方向上的入射角和受光靈敏度之間的關(guān)系的特征彼此相乘，以獲取所述靈敏度比率。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的圖像捕獲裝置，其中，當(dāng)代表在與光瞳分割方向成直角的方向上的所述入射角和所述受光靈敏度之間的關(guān)系的特征的變化等于或者小于閾值時(shí)，并且當(dāng)所述入射光的入射角范圍小于閾值時(shí)，跳過所述乘法以計(jì)算所述靈敏度比率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的圖像捕獲裝置，其中，從紅光、綠光和藍(lán)光中的各個(gè)的受光靈敏度的分布計(jì)算各色光的所述靈敏度比率。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的圖像捕獲裝置，其中，所述攝影鏡頭為鏡頭可替換的攝影鏡頭，并且在替換所述攝影鏡頭之后獲得所述靈敏度比率。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的圖像捕獲裝置，其中，所述入射角范圍為對應(yīng)于所述攝影鏡頭的F數(shù)和圖像高度的入射角范圍。
8.一種用于通過圖像捕獲裝置計(jì)算相位差像素的靈敏度比率的方法，所述圖像捕獲裝置包括: 圖像捕獲元件，其中以二維陣列圖案排列并且形成多個(gè)像素，而且在有效像素區(qū)域內(nèi)的焦點(diǎn)檢測區(qū)域中形成相位差像素； 攝影鏡頭，所述攝影鏡頭被安裝在所述圖像捕獲元件的前級內(nèi)；以及 控制單元，所述控制單元分析所述圖像捕獲元件捕獲的圖像信號，從成對的兩個(gè)所述相位差像素的檢測信號獲得相位差量，并且執(zhí)行所述攝影鏡頭的合焦控制， 其中，所述控制單元計(jì)算在所述攝影鏡頭的入射角范圍內(nèi)的所述相位差像素的受光靈敏度的積分值與在所述相位差像素以外的像素的所述范圍內(nèi)的受光靈敏度的積分值的比率，作為靈敏度比率，并且利用所述靈敏度比率校正所述成對的兩個(gè)所述相位差像素之間的受光靈敏度的偏差，以校正用于獲取所述相位差量的所述檢測信號。
【文檔編號】G03B13/36GK103842879SQ201280048297
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月30日
【發(fā)明者】井上和紀(jì), 青木貴嗣 申請人:富士膠片株式會社