WO1992009000A1 - Device for sensing in-focus position - Google Patents

Description

明 細 書 合 焦 位 置 検 出 装 置

〔技術分野〕 、

本発明は、 C C Dイメージセンサ上に形成された被写体像 の輝度情報に応じて合焦位置を検出する合焦位置検出装置に 関する。

〔背景技術〕

いわゆるパッ シプ型のォー トフォーカスシステムは、 被写 体像を C C Dイメージセンサ上に形成し、 C C Dイメージセ ンサから出力される被写体像の輝度値を示す輝度信号から、 被写体像のぼけ具合を判断し、 デオーカス量を求める。 そし てそのデフォーカス量をなくすように合焦調節を行う。

かかるシステムに使用される C C Dイメージセンサは、 所 定方向に配列された多数の光電素子 （以下、 「画素」 と呼ぶ） の両側に、 奇数番号の各画素に接続されるシフ ト レジスタと、 偶数番号の各画素に接続されるシフ ト レジスタを備えた構成 をなすものが知られている。

例えば、 第 5図に示すように構成された C C Dライ ンィメ —ジセンサが、 上記システムに使用される。

このイメージセンサ 1 は、 複数画素からなる受光部 2がラ イ ン状に形成され、 この受光部 2に沿って、 2つの C C Dァ ナログシフ ト レジスタ 3 , 4が配列されている。

C C Dイメ ージセンサ 1では、 一方のシフ ト レジスタ 3に は奇数番号の画素が接続され、 他方のシフ トレジスタ 4には 偶数番号の画素が接続されている。

受光部 2の各画素から読出された電荷は、 各シフ ト レジス タ 3, 4内の対応するメモリに一旦記憶され、 第 6図に示す 電荷転送ク ロ ッ ク C K 1 , C K 2によ って、 コ ンデンサ力、 らなる電荷蓄積部 5 (この電荷蓄積部に蓄積きれた電荷が C C Dイメージセンサの出力となるので、 以下この部分を出 力部と呼ぶ) へ順次転送される。

例えば、 画素 2 nに蓄積きれた電荷は、 シフ トレジスタ 4 に読出され、 電荷転送クロック C K 1 , C K 2によって、 シ フ ト レジスタ 4から出力部 5へ転送される。 出力部 5は、 そ の蓄積された電荷量に応じた電位が、 出力部 5の出力側に表 れる

出力部 5の出力側はサンプリ ング回路 （不図示） に接続さ れている。 サンプリ ング回路は、 リセッ トパルスが出力部 5 に印加される前に、 出力部 5の出力側電位をサンプリ ングし て輝度信号として取り込む。

第 6図に示すタイ ミ ングチャー トでは、 電荷転送クロック， C 1 , C K 2が変化する前に、 出力部 5にリセッ トパルス が印加され、 画素 2 nの電荷が出力部 5から排出される。 そ して、 そのリセッ トされた出力部 5には、 電荷転送クロック C K 1, C K 2によって転送された画素 （2 n— 1 ) の電荷 が蓄積される。

次に、 画素 2 nの場合と同様にして、 出力部 5に蓄積され た画素 （2 n— 1 ) の電荷が、 サンプリ ング回路によってサ P P91/01519

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ンプリ ングされる。 出力部 5は、 その後にリセッ トパルスに よってリセッ トされる。

このように、 出力部 5に 1画素分の電荷が蓄積されるとそ の都度リセッ トをかけて各画素から読出された電 を 1画素 づっサンプリ ングしていた。

サンプリ ング回路から得られる輝度信号は、 デフォーカス 情報を持っているので、 この輝度信号から合焦位置を算出す ることができる。 輝度信号を用いた合焦位置算出方法は、 い く つもの方法が知られている。

ところで、 C C Dイメージセンサ上に形成された被写体像 の光量が小さい場合には、 感度， S 比の劣化を防止する ために、 受光部 2の電荷蓄積時間を長くする必要がある。 受 光部 2の電荷蓄積時間を長くすることにより、 各画素の電荷 蓄積量が増大して、 感度， S Z N比が改善され、 高い合焦位 置検出精度を実現することができる。

しかしながら、 このような方法は受光部 2の電荷蓄積時間 を長くするため、 合焦位置検出時間も必然的に長く なるとい つた欠点がある。

〔発明の開示〕

本発明の目的は、 低輝度の被写体像に対する感度， S / N 比を改善でき、 高速かつ高精度な合焦位置検出を行う ことが できる合焦位置検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、 本発明の合焦位置検出装置は、 光量に応じた電荷を発生させる複数の画素からなり、 それら 複数画素上に合焦位置検出対象となっている結像光学系によ つて形成された被写体像が投影される受光部と、 前記各画素 から読出された電荷を電荷転送ク口ッ クに同期して所定方向 へ転送する シフ ト レジスタと、 前記シフ ト レジスタにより転 送された電荷が順次蓄積されるコンデンサからな 出力部と を有する C C Dイメージセンサと、 前記 C C Dイメージセン ザに対して予め決められた電荷蓄積時間で、 前記 C C Dィメ 一ジセンサに画素読出し信号を印加して、 前記電荷蓄積時間 内に前記各画素に蓄積された各電荷を画素毎に前記シフ トレ ジス夕へ読出すための画素読出回路と、 前記出力部に蓄積さ れた電荷をサンプリ ングして前記各画素に対応する輝度信号 を得るサンプリ ング回路と、 前記サンプリ ング回路でサンプ リ ングした前記輝度信号から前記結像光学系の合焦位置を算 出する合焦演算部と、 前記電荷転送ク ロッ クの半周期を、 前 記画素の電荷蓄積状態に応じて整数倍した期間で、 前記出力 部の電荷をリセッ トする リセッ ト回路と、 を具備して構成さ れる o

また、 本発明の合焦位置検出装置は、 さらに前記サンプリ ング回路から出力される前記輝度信号を、 前記 C C Dィメ一 ジセンサの各画素に対応させて記億する画像メモリ と、 前記 画像メモリに記億された輝度信号が示す前記各画素の輝度デ 一夕に応じて、 前記各画素がその蓄積電荷が飽和せずかつ蓄 積不足を生じないような電荷蓄積時間を決定する最適蓄積時 間検出部と、 前記最適蓄積時間検出部により決定した前記電 荷蓄積時間で前記画素読出信号を前記 C C∑>ィメージセンサ に対して出力するように前記画素読出回路を制御する蓄積時 1

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間指示部と、 を具備している。

本発明によれば、 C C Dイメージセンサの出力部が、 画素 の電荷蓄積状態に応じて、 電荷転送クロッ クの半周期を整数 倍した任意のリセッ ト周期でリセッ 卜される。 例えば、 画素 が飽和している場合にはリセッ ト周期が短縮きれ、 蓄積不足 の場合にはリセッ ト周期が延長される。

このとき、 リセッ ト周期は常に電荷転送ク ロ ッ クの半周期 の整数倍にされるので、 画素単位でのリセッ トが可能になる _{ 出力部の蓄積電荷がサンプリ ングされた後に、 その蓄積電荷 がリセッ トされるので、 所定画素数の電荷がサンプリ ング回 路によりサンプリ ングされる。 このサンプリ ングされた輝度 信号に基づいて合焦位置演算部で所定の演算が施されて合焦 位置が検出される。

このように、 合焦位置検出演算に用いられる輝度信号は、 C C Dイメ ージセ ンサの各画素における電荷蓄積時間を長 く する こ とな く ダイナ ミ ッ ク レ ンジが拡大されて感度及び S Z N比が改善される。 この結果、 合焦位置検出の高速化を 図ることができると共に、 検出精度の高精度化が図られる。

また、 本発明によれば、 輝度信号が画像メモリ に各画素に 対応して記憶される。 そして画像メモリに記憶された輝度デ 一夕に応じて、 C C Dイメージセンサでの各画素がその蓄積 電荷が飽和せずかつ蓄積不足を生じないような電荷蓄積時間 が決定される。 そしてこの電荷蓄積時間で前記画素読出信号 が前記 C C Dイメージセンサに対して出力される。 〔図面の簡単な説明〕

第 1図は、 本発明の一実施例となる合焦位置検出装置の機 能ブロック図、

第 2図は、 上記実施例の合焦位置検出装置の動作を説明す るためのタイ ミ ング図、

第 3図は、 C C Dイメージセンサから出力された輝度信号 を示す図、

第 4図は、 画素のリセッ ト周期パターンを示す図、 第 5図は、 C C Dライ ンイメージセンサの構成図、 第 6図は、 第 5図に示す C C Dライ ンイメージセンサの動 作説明図。

〔実施の最良の形態〕

以下、 本発明の実施例について説明する。

第 1図には本発明の一実施例となる合焦位置検出装置の全 体的な構成が示されている。 本実施例は、 被写体像が結像光 学系 1 ひによって C C Dイメージセンサ 1 1の受光部上に形 成される。

C C Dイメージセンサ 1 1は、 第 5図に示すィメージセン サと同じ構成のものとする。 よって、 イメージセンサ 1 1内 の構成要素に対しては、 第 5図に示す符号をそのまま使用し て説明する。

C C Dイメージセンサ 1 1の各画素には、 駆動回路 1 2か ら画素読出し信号 V rが印加される。 各画素から読出ざれた 電荷は、 接続されたシフ ト レジスタ 3 , 4に入力する。

各シフ ト レジスタ 3， 4には、 駆動回路 1 2から第 2図に 1 1

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示す電荷転送クロッ ク C K 1および C K 2がそれぞれ印加さ れる o

C C Dイメ ージセンサ 1 1の出力部 5は、 前置増幅器 1 3 が接続されている。 また前置増幅器 1 3の出力側には AZD 変換器 14が接続されている。

A ZD変換器 14は、 前置増幅器 1 3を介して与えられる C C Dイメージセンサ 1 1の出力信号 （輝度信号） を、 所定 の周期でサンプリ ングする。 A D変換器 14でサンプリ ン グされた輝度データは画像メモリ 1 5に記憶される。

画像メモリ 1 5に記憶される輝度データは、 被写体像の合 焦状態に関する情報 （ぼけ具合） を含んでおり、 C P U 1 6 によつて読出される。

また、 光学系制御部 1 7から C P U 1 6に対し、 C C Dィ メージセンサ 1 1上に被写体像を投影する結像光学系に関す る情報が入力される。

また、 C C Dイメージセンサ 1 1の出力部 5は、 タイ ミ ン グ回路 1 8から出力される リセッ トパルスによってリセッ ト される。

C P U 1 6は、 合焦位置検出機能と、 サンプリ ング画素ピ ツチ設定機能と、 蓄積時間制御機能とを有している。

合焦位置検出機能は、 C C Dイメージセンサ 1 1上に被写 体像を投影する結像光学系 1 0の位置情報， 投影倍率情報， 開口数等の情報と、 サンプリ ングされた被写体像の合焦状態 を示す輝度データとから合焦位置を算出する機能である。

またサンプリ ング画素ピッチ設定機能は、 連続する複数画 素の電荷を出力部 5で合成した後に、 その出力部 5の蓄積電 荷量を複数画素の合成輝度信号としてサンプリ ングするため の機能である。

C P U 1 6は、 上記機能を実現するために、 第 2図に示す 夕ィ ミ ングで、 駆動回路 1 2とタイ ミ ング回路 1 8を制御す る。 すなわち、 タイ ミ ング回路 1 8から出力される リセッ ト パルスの周期を、 結像光学系 1 0に関する情報に応じて、 電 荷転送クロック C Kの半周期の整数倍 （同図には 2倍の例が 示されている） に設定する。

さらに、 リセッ ト周期に応じて、 A Z D変換器 1 4のサン プリ ング周期を決定し、 出力部 5にリセッ トがかかる直前に サンプリ ングが行われるようにする。

また、 電荷蓄積時間制御機能は、 画像メモリ 1 5より取り 込まれた輝度データに基づいて、 C C Dイメージセンサ 1 1 の各画素における被写体の輝度値を求める。 そして、 その求 められた各画索の輝度値に応じて、 被写体全体に最適な蓄積 時間を決定する。

電荷蓄積時間の設定は、 駆動回路 1 2から出力される画素 読出し信号 V rの出力タイ ミ ングを制御することによって行 われる。

C P U 1 6は、 蓄積時間制御信号を使用して、 第 4図に示 すような任意の画素群に対する リセッ ト周期変更機能を実現 している。 即ち、 決定した最適な蓄積時間では画素つぶれが 生じるような画素群に対しては、 リセッ トパルス周期を延長 し、 飽和が生じるような画素群に対してはリセッ トパルスの 周期を短縮するように、 駆動回路 1 2を制御する。

次に、 以上のように構成された本実施例の動作について説 明する。

先ず、 蓄積時間制御機能に基づく各画素からの寧荷読出し 動作について説明する。

被写体の輝度範囲が広い場合には、 第 3図 Aに示すように イメージセンサ出力の中に飽和する画素 n 1〜！ 1 2が存在す ること力 ある。

従来の方法では、 この様な場合には、 全ての画素に対する 電荷蓄積時間を一律に短縮していた。 ところが、 この様な蓄 積時間制御を行う と、 第 3図 Bに示すように、 電荷蓄積量の 少ない画素 1〜 n 1 , n 2〜 n 3は、 画素つぶれが発生して しま う。

そこで、 本実施例では一走査中における リセッ ト周期を可 変にして、 飽和する画素]! 1 〜！ 1 2に対してだけリセッ ト周 期を短縮する。 即ち、 一走査中の全ての画素に対してそれぞ れ適正な出力レベルが得られるように各画素群毎に リセッ ト 周期を可変にしている。 これによつて、 第 3図 Cに示すよう な輝度信号出力が得られる。

C C Dイメージセンサ 1 1の各画素は、 上記したように設 定されたタイ ミ ングの画素読出し信号 V rが印加される。 こ の様なタイ ミ ングで読出された各画素の電荷は、 それぞれ接 続されているシフ ト レジスタ 3， 4に取り込まれる。 シフ ト レジスタ 3 , 4に取込まれた画素電荷は、 例えば、 第 2図に 示す電荷転送クロッ ク C K 1 , C K 2によって、 出力部 5へ 1画素毎に交互に転送される。 出力部 5は電荷転送クロッ ク C Kの半周期の 2倍のリセッ ト周期でリセッ トされる。

即ち、 左右のシフ ト レジスタ 3 , 4からそれぞれ 1画素分 の電荷が転送されてからリセッ トがかかる。 よって、 出力部 5には隣接する奇数番号と偶数番号の 2画素分の電荷が蓄積 される。 この奇数番号および偶数番号のそれぞれ 2画素分の 蓄積電荷に応じた電位が、 A Z D変換器 1 4によってサンプ リ ングされる。 A Z D変換器 1 4はリセッ トされる直前の電 位をサンプリ ングするので、 2画素分の合成電荷に対応する 輝度信号がサンプリ ングされる。

C C Dイメージセンサ 1 1の全ての画素に対して同様の動 作が繰り返されて、 輝度信号がサンプリ ングされる。

C P U 1 6では、 以上のようにして取り込んだ輝度データ から被写体像のぼけ具合を判断し、 さらにこの判断結果と光 学系制御部 1 7より入力される情報とから合焦位置を算出す この様に本実施例によれば、 各画素単位での電荷蓄積状態 に応じて、 飽和している画素群に対してはリセッ ト周期を短 縮し、 画素つぶれが生じるような蓄積不足の画素群に対して はリセッ ト周期を延ばしているので、 全ての画素が十分蓄積 する電荷蓄積時間を設定していた従来に比べて、 電荷蓄積時 間を短縮することができる。

また、 出力部 5のリセッ ト周期を電荷転送クロッ ク C K 1 , クロッ ク C K 2の半周期の整数倍にしたので、 出力部 5では 異なるシフ ト レジスタ 3 , 4からそれぞれ転送されてきた画 素が合成され、 この合成電荷が輝度信号としてサンプリ ング される。 よって、 奇偶画素の出力差を軽減することができる C さらに、 複数画素が合成されるのでダイナミ ッ ク レンジを 拡大することができ、 感度， S 比を改善でき合焦位置検 出精度を向上させることができる。

さらにまた、 出力部 5で合成される画素数は C P U 1 6か らの指令によつて任意に設定できるので、 被写体像の輝度に 応じて合焦位置検出演算に最適な最適画素ピッチを設定でき る o

例えば、 本実施例を顕微鏡の自動合焦装置に適用するよう な場合、 蛍光観察等の対象物が暗い観察を行う場合には、 画 素ピッチを広く して十分な感度を確保した状態で粗い自動合 焦を行い、 その後、 最適ピッチに切換えて高精度な合焦を行 う といった操作が可能となる。

また、 本実施例では、 第 4図に示すように輝度によって対 応する画素のリセッ ト周期を適宜変更するようにしたので、 画素つぶれや飽和といつた不都合を生じることなく、 一走査 中全てにわたって適正な出力レベルを得ることができ、 良好 な画像信号を得て高精度な合焦位置検出が可能となる。

従って、 本発明によれば、 低輝度の被写体像に対して、 C C D出力部における蓄積時間を大幅に延長させることなく 、 高速かつ高精度な合焦位置検出が可能となる。

Claims

請 求 の 範 囲

(1 ) 光量に応じた電荷を発生させる複数の画素からなり、 そ れら複数画素上に合焦位置検出対象となつている結像光学系 によつて形成された被写体像が投影される光電手段と、 前記 各画素から読出された電荷を電荷転送クロッ クに同期して所 定方向へ転送する電荷転送手段と、 前記電荷転送手段により 転送された電荷が順次蓄積される電荷蓄積手段とを有する C C Dイメ ージセンサと、

前記 C C Dィメージセンサに対して予め決められた電荷 蓄積時間で、 前記 C C Dイメージセンサに画素読出し信号を EU加して、 前記電荷蓄積時間内に前記各画素に蓄積された各 電荷を画素毎に前記電荷転送手段へ読出すための画素読出手 段と、

前記電荷蓄積手段に蓄積された電荷をサンプリ ングして 前記各画素に対応する輝度信号を得るサンプリ ング手段と、 前記サンプリ ング手段でサンプリ ングした前記輝度信号 から前記結像光学系の合焦位置を算出する合焦演算手段と、 前記電荷転送ク 口ックの半周期を前記画素の電荷蓄積状 態に応じた数で整数倍して得られた期間で、 前記電荷蓄積手 段の電荷をリセッ トする リセッ ト手段と、

を具備して構成される合焦位置検出装置。

(2) 前記サンプリ ング手段から出力される前記輝度信号を、 前記 C C Dイメージセンサの各画素に対応させて記憶する画 像メ モリ手段と、 前記画像メモリ手段に記憶された輝度信号が示す前記各 画素の輝度データに応じて、 前記各画素の蓄積電荷が飽和せ ずかつ蓄積不足を生じないような最適電荷蓄積時間を決定す る最適蓄積時間検出手段と、

前記最適蓄積時間検出手段により決定した前記電荷蓄積 時間で前記画素読出信号を前記 C C Dイメージセンサに対し て出力するように前記画素読出手段を制御する蓄積時間指示 手段と、

を具備してなる請求項 1記載の合焦位置検出装置。

(3) 前記リセッ ト手段による リセッ ト周期を変化させること により、 前記電荷蓄積手段に蓄積する電荷の画素数を変化さ せる リセッ ト周期変更手段と、

前記リセッ ト周期変更手段により変更したリセッ ト周期 に応じて前記サンプリ ング手段によるサンプリ ング周期を変 化させるサンプリ ング周期変更手段と、 をさ らに具備してな る請求項 1記載の合焦位置検出装置。

(4 ) 前記リセッ ト周期変更手段は、 蓄積電荷の飽和が生じて いる画素に対してはリセッ ト周期を短縮し、 蓄積電荷の蓄積 不足が生じている画素に対してはリセッ ト周期を延ばすよう にする手段を有する請求項 3記載の合焦位置検出装置。

( 5 ) 前記リセッ ト周期変更手段は、 少なく とも前記結像光学 系の位置情報， 投影倍率情報に応じて前記リセッ ト周期を変 化させる請求項 3記載の合焦位置検出装置。

(6) 前記リセッ ト周期変更手段は、 少なく とも前記結像光学 系の位置情報， 投影倍率情報と前記各画素の電荷蓄積状態の 組合わせに応じて前記リセッ ト周期を変化させる請求項 3記 載の合焦位置検出装置。

(7) 前記サンプリ ング手段から出力される前記輝度信号を、 前記 C C Dイメージセンサの各画素に対応させて記憶する画 像メモリ手段をさらに備え、

前記リセッ ト周期変更手段は、 前記画像メモリ手段に記 憶された輝度信号が示す前記各画素の輝度データに応じて、 前記各画素の飽和及び蓄積不足を判断する手段を有する請求 項 4記載の合焦位置検出装置。

(8) 前記電荷転送手段が、 前記光電手段の前記各画素が接続 されたシフ ト レジスタで構成されている請求項 1記載の合焦 位置検出装置。

(9) 前記電荷蓄積手段がコ ンデンザで構成されている請求項 1記載の合焦位置検出装置。