JP2005165100A

JP2005165100A - 撮像装置

Info

Publication number: JP2005165100A
Application number: JP2003405791A
Authority: JP
Inventors: Masabumi Yamazaki; 正文山崎
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2003-12-04
Filing date: 2003-12-04
Publication date: 2005-06-23

Abstract

【課題】移動する被写体を、画面の広い領域で追尾しながら焦点を合わせることが可能な撮像装置を提供する。
【解決手段】光軸を中心とする２つの所定領域を通過する光束に基づく第１画像データと第２画像データを生成する撮像手段と、第１画像データに基づいて被写体像を追尾する追尾手段と、第１画像データの中の被写体像に対応する第１の追尾画像データと第２画像データの中の被写体像に対応する第２の追尾画像データとの相対的なズレ量に基づいて被写体像の焦点状態を検出する焦点検出手段と、第１画像データを表示する表示手段と、を備えた撮像装置である。
【選択図】図８

Description

本発明は、画面の所定位置で捕らえた被写体を、画面の広い領域で追尾しながらピントを合わせることが可能な撮像装置に関する。

撮影しようとする被写体に重ねて追尾視野を設定してその追尾被写体を自動的に追尾しながら、その追尾被写体に焦点を合わせることが可能な自動追尾装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、いわゆる位相差方式によりピントのずれ量を検出することにより被写体の光軸方向の移動を追尾する自動焦点検出装置に関する技術も知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開昭６０−２５０３１７号公報特開平５−２１２７号公報

しかし、特許文献１記載の技術は、自動追尾と同時に山登り方式により追尾被写体にピントを合わせる方式であり、被写体追尾と焦点調節動作という高度で複雑な演算を同時に行うため、大規模で高速の処理回路が必要であった。更に、特許文献１記載の技術は、焦点調節を山登り方式で行うため、映像信号のピーク位置を検出するために撮影レンズを一旦、高周波成分のピーク位置を過ぎた位置まで駆動する必要があった。従って、撮影レンズをスムーズに駆動することができなかったり、合焦までに時間がかかるという問題があった。

特許文献２記載の技術では、被写体の光軸方向の移動を追尾することができる。しかし、被写体が任意の３次元方向に移動している場合には、光軸方向のみの追尾では不十分である。即ち、上述のように被写体追尾と焦点調節動作という高度で複雑な演算を、大規模で高速の処理装置を要することなく実現する点についての記載は無く、また何らの示唆もされていない。従って、仮に、特許文献１の焦点調節方式に単に特許文献２の焦点検出装置を適用したとしても、この問題は解決されない。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、移動する被写体を、画面の広い領域で追尾しながら焦点を合わせることが可能な撮像装置を提供することを目的とする。

本発明に係る請求項１に記載の撮像装置は、撮影レンズの光軸方向に移動する被写体に対する焦点調整と、撮影レンズの光軸に垂直な平面内での被写体像の追尾とを繰り返し行うことが可能な撮像装置であって、光軸を中心とする２つの所定領域を通過する光束に基づく第１画像データと第２画像データを生成する撮像手段と、上記第１画像データに基づいて上記被写体像を追尾する追尾手段と、上記第１画像データの中の上記被写体像に対応する第１の追尾画像データと上記第２画像データの中の上記被写体像に対応する第２の追尾画像データとの相対的なズレ量に基づいて上記被写体像の焦点状態を検出する焦点検出手段と、上記第１画像データを表示する表示手段と、を備えた。

また本発明に係る請求項２に記載の撮像装置は、上記記載の発明である撮像装置において、上記撮像手段は、撮影レンズの射出瞳の光軸を中心とする所定範囲の第１の領域を通過した光束に基づく第１画像データと、上記撮影レンズの上記第１の領域とは異なる射出瞳の第２の領域を通過した光束に基づく第２画像データを生成する。

また本発明に係る請求項３に記載の撮像装置は、上記記載の発明である撮像装置において、上記表示手段は、追尾領域を上記被写体像に重ねて表示する。

本発明の撮像装置によれば、移動する被写体を、画面の広い領域で追尾しながら焦点を合わせることができる。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明に係る撮像装置の構成を示す図である。

本実施の形態の撮像装置１は、第１ＣＰＵ１１３と第２ＣＰＵ１５とを備えている。ここで、第１ＣＰＵ１１３は、主として位相差方式による焦点検出機構１００を統括して制御する。

第２ＣＰＵ１５は、山登り方式による焦点検出動作を制御すると共に、第１ＣＰＵ１１３とリンケージを取りながら、位相差方式による焦点検出結果を取得して合焦動作を制御する。更に、第２ＣＰＵ１５は、撮像装置１を統括して制御する。

続いて、撮像装置１のうち、第２ＣＰＵ１５が統括する各部の構成と動作について説明する。

撮像装置１には撮影光学系として、ズームレンズ２及びフォーカスレンズ３が備えられている。被写体からの光束は、これらのレンズと絞り４を介して固体撮像素子であるＣＣＤ５上に被写体像を結ぶ。

操作スイッチ２４のレリーズスイッチを操作して記録操作を行うと、ＣＣＤ５で光電変換された信号は撮像回路６に入力され、この撮像回路６により、映像信号が生成される。この映像信号はＡ／Ｄ変換器７によってデジタルの映像信号（画像データ）に変換され、メモリ８に一時格納される。メモリ８の画像データは圧縮／伸張回路１１の圧縮回路で圧縮された後、記録用メモリ１２に記憶される。

また、操作スイッチ２４から再生操作が行われた場合には、記録用メモリ１２に圧縮されて記憶された画像データは圧縮／伸張回路１１の伸張回路で伸張されてメモリ８に一時記憶される。そして、その画像データはＤ／Ａ変換器９でアナログの映像信号に変換された後、ＬＣＤ表示素子（ＬＣＤ）１０で再生画像として表示される。

Ａ／Ｄ変換器７によってＡ／Ｄ変換された画像データはオート露出処理回路（以下、「ＡＥ処理回路」という。）１３とオートフォーカス処理回路（以下、「ＡＦ処理回路」という。）１４に入力される。ＡＥ処理回路１３では、１フレーム（１画面）分の画像データの輝度値を算出する等して被写体の明るさに対応したＡＥ評価値を算出し、第２ＣＰＵ１５に出力する。

第２ＣＰＵ１５はそれぞれ第１、第２、第３のモータドライブ回路１８、１９、２０を制御することにより、第１、第２、第３のモータ２１、２２、２３を介して絞り４、フォーカスレンズ３、ズームレンズ２の駆動を制御する。

第２ＣＰＵ１５はＡＥ評価値を基に、オート露出制御を行う。即ち第２ＣＰＵ１５は、第１のモータドライブ回路１８を制御して第１のモータ２１を回転駆動して、絞り４の絞り量を適正な値に調整する。

また、ＡＦ処理回路１４は、１フレーム（１画面）分の画像データの輝度成分から高周波成分をハイパスフィルタなどで抽出して、累積加算値を算出する。そして高域側の輪郭成分等に対応したＡＦ評価値を算出し、第２ＣＰＵ１５に出力する。第２ＣＰＵ１５は、このＡＦ評価値に基づいて合焦動作を行う。以下この原理に基づく焦点調節方式を「山登り方式」と呼ぶ。

第２ＣＰＵ１５にはタイミングジェネレータ（以下、「ＴＧ回路」という。）１６から画面レートに同期した所定のタイミング信号が入力され、第２ＣＰＵ１５はこのタイミング信号に同期して、各種の制御動作を行う。

このＴＧ回路１６からのタイミング信号は撮像回路６にも入力され、撮像回路６はこの信号に同期して、色信号の分離等の処理を行う。また、ＴＧ回路１６は所定のタイミングでＣＣＤ５を駆動するようにＣＣＤドライバ１７を制御する。

次に、第１ＣＰＵ１１３が統括する位相差方式による焦点検出機構１００の各部の構成と動作について説明する。

撮影光学系を通過した光束はコンデンサーレンズ１０１で集光される。コンデンサーレンズ１０１を通過した光束は、シャッタ１０２を介して、再結像レンズ１０３により固体撮像素子であるＣＣＤ１０４の撮像面に結像する。ここでシャッタ１０２は、光軸を挟んだ２つのシャッタを時分割的に開閉する、電子シャッタ又は機械的シャッタである。

ＣＣＤ１０４で光電変換された信号は撮像回路１０５に入力され、撮像回路１０５により、映像信号が生成される。この映像信号はＡ／Ｄ変換器１０６によってデジタルの映像信号（画像データ）に変換され、メモリ１０７に一時格納される。

ＡＦ処理回路１０８は、メモリ１０７に格納された２つのシャッタ開口を通過した光束の所定領域（測距領域）の画像データを読み出す。そして、その画像データの相対的な間隔に基づいて、フォーカスレンズ３のピント位置からのずれ量であるデフォーカス量を演算する。以下この原理に基づく焦点調節方式を「位相差方式」と呼ぶ。

測距領域選択回路１１０は測距の対象となる被写体領域を選択する回路である。この被写体領域は、カメラの操作者により手動で選択するものであってもよいし、公知の視線検出装置により撮影者の視線により選択されたものでもよい。

測距領域選択回路１１０で選択された測距領域は、ＬＣＤ１０９に表示される。ＬＣＤ１０９は後述するように（図２参照）ピントグラス２０５とコンデンサーレンズ２０６の間に介設されており、測距領域はピントグラス２０５に結像した被写体像にスーパーインポーズされる。

なお、操作ＳＷ２４により追尾モードに設定すると測距領域は画面中央に設定され、操作ＳＷ２４により追尾開始を指示すると画面中央領域の測距領域内の被写体を追尾する。なお、追尾モードにおける測距領域を、以下、追尾領域と称する。

第１ＣＰＵ１１３にはＴＧ回路１１１から画面レートに同期した所定のタイミング信号が入力され、第１ＣＰＵ１１３はこのタイミング信号に同期して、各種の制御動作を行う。

このＴＧ回路１１１からのタイミング信号は撮像回路１０５にも入力される。また、このＴＧ回路１１１は所定のタイミングでＣＣＤ１０４を駆動するようにＣＣＤドライバ１１２を制御する。

なお、第２ＣＰＵ１５にはメモリとして例えば電気的に書換可能で、不揮発性の読み出し専用メモリとしてのＥＥＰＲＯＭ２５が接続されている。このＥＥＰＲＯＭ２５には第２ＣＰＵ１５を介して各種の制御等を行うプログラム、各種の動作を行うのに使用されるデータ、後述するＣＣＤ５と撮像素子１０４の結像位置の関係を知るための情報、ＣＣＤ５と撮像素子１０４の撮像面の明るさを補正するための情報等が格納されている。そしてこれらの情報は、撮像装置１の電源がＯＮされた場合などに読み出されて使用される。

また第２ＣＰＵ１５は、電池２６の電圧が所定の電圧値以下になった事を検出した場合には、ＬＣＤ１０に対して電池２６の残量が少ない旨の表示、電池の充電或いは交換などを促す表示を行う。

図２は、焦点検出装置の構成を示す図である。この焦点検出装置は、上述の焦点検出機構１００内に設けられている。

撮影光学系２００を通過した被写体光束はハーフミラー２０１を透過しミラー２０２で反射した後、コンデンサーレンズ１０１に導かれる。コンデンサーレンズ１０１を透過した光束は、カメラの底面と平行な光束になるようにミラー２０４で反射される。従って、撮影光学系２００により結像した被写体光束は、ミラー２０４で反射しシャッタ１０２を透過した後、再結像レンズ１０３でＣＣＤ１０４の撮像面に再結像される。

一方ハーフミラー２０１で反射した光束はピントグラス２０５に像を結び、この被写体像はＬＣＤ１０９、コンデンサーレンズ２０６、ペンタプリズム２０７、及び接眼レンズ２０８を介して、撮影者により観察される。

なお、ハーフミラー２０１、及びミラー２０２は、レリーズスイッチの２ｎｄレリーズ動作に同期してそれぞれ支点Ｐ１、Ｐ２を中心に水平位置に回転する。これにより、ＣＣＤ５には被写体光束が導かれ撮影が可能となる。すなわち、２ｎｄレリーズまではＣＣＤ５に入射する光束は、ハーフミラー２０１とミラー２０２により妨げられている。

図３は、シャッタ１０２の構成を示す図である。

シャッタ１０２は光軸を挟む左右対称な位置にＬＣＤで構成されるシャッタ部Ａ、Ｂを備えている。そして、シャッタ部Ａ，ＢはＬＣＤの働きにより交互に時分割的に光束の透過と遮光を行う。なおシャッタ１０２のシャッタ部Ａ，Ｂは、図３の（ａ）に示すように、光軸を挟んで左右対称に配置されているが、必ずしもこのような構成である必要はなく、シャッタ部が開いたとき２つの光束が異なる開口を通過するようになっていればよい。例えば、図３の（ｂ）に示すように、シャッタ部Ａは再結像レンズの光軸を中心とする所定領域に設定し、シャッタ部Ｂは再結像レンズの光軸から離れた位置を中心とする所定領域に設定してもよい。

図４は、シャッタの他の構成を示す図である。

光を遮断する回転板４００には、光軸を挟んで２つの絞り開口部４０１ａ、４０１ｂが設けられている。マスク板４０２は回転軸４０７を中心にして左右に回動し、絞り開口部４０１ａと絞り開口部４０１ｂを遮光する位置に選択的に移動する。そして絞り開口部４０１ａとマスク板４０２で図３のシャッタ部Ａを構成し、絞り開口部４０１ｂとマスク板４０２で図３のシャッタ部Ｂを構成する。

マスク板４０２の、回転軸４０７を挟んで回転板の絞り開口部４０１ａ，４０１ｂを遮光する部分と反対側の端部には永久磁石４０５ａと４０５ｂが取り付けられている。ここで４０５ａはＮ極、４０５ｂはＳ極とする。一方、撮像装置本体側にはソレノイド４０３ａと４０３ｂが固定されている。上記ソレノイド４０３ａと４０３ｂはそれぞれ吸着面４０４aと４０４ｂを有し、鉄心４０６ａ、４０６ｂを介して撮像装置本体に固定されている。

つぎに上記シャッタ１０２の動作を説明する。ソレノイド４０３ａ、４０３ｂに通電し、吸着面４０４ａ、４０４ｂがいずれもＳ極になるように通電すると、ソレノイド４０３ａとマスク板４０２は吸引し、ソレノイド４０３ｂとマスク板４０２は反発する。その結果、図４に示すようにマスク板４０２が左方向に回動することにより、撮影レンズを透過した光束は絞り開口部４０１ａを通過して撮像素子１０４の撮像面に導かれる。

一方ソレノイド４０３ａ、４０３ｂに通電し、吸着面４０４ａ、４０４ｂがいずれもＮ極になるように通電すると、ソレノイド４０３ａとマスク板４０２は反発し、ソレノイド４０３ｂとマスク板４０２は吸着する。その結果、図４とは逆に右方向にマスク板４０２が回動し、撮影レンズを透過した光束は絞り開口部４０１ｂを通過して撮像素子１０４の撮像面に導かれる。

図２に戻り、ハーフミラー２０１によって反射した被写体光束はピントグラス２０５に結像する。この結像した像はコンデンサーレンズ２０６によって集光されて、ペンタプリズム２０７、接眼レンズ２０８を介して撮影者の眼に導かれる。

ピントグラス２０５とコンデンサーレンズ２０６の間にはＬＣＤ１０９が介設されている。このＬＣＤ１０９には図５に示すように測距領域選択回路１１０により選択された測距領域４０９が表示され、上記測距領域４０９はピントグラス２０５に結像した被写体像にスーパーインポーズされる。

図６は、本発明の測距光学系の基本原理を説明する図である。図６の（ａ）において、撮影光学系２００を通過した被写体光束は１次結像面Ｏ１に結像する。ＰはＣＣＤ５の撮像面等価位置である。したがって図６の（ａ）はいわゆる前ピンの状態を示す。Ｐの近傍にはコンデンサーレンズ１０１が配置されている。コンデンサーレンズ１０１を透過した光束は光軸を挟む２つの開口部を選択的に透過し、図面上側の開口部を透過した光束と下側を透過した光束は再結像レンズ１０３により２次結像面Ｏ２に結像する。この場合、上記Ｏ２は、再結像レンズ１０３により結像した像を受ける位置に配置されたＣＣＤ１０４の前面に位置するので、上記シャッタ１０２の２つの開口部を透過した被写体光束による２つの像は上下にずれた像となる。図中、その２像の間隔はｚで表わされる。

図６の（ｂ）はＯ１が撮像面等価位置Ｐに一致する場合を示したものである。つまり撮影光学系２００による像のピントが合った状態である。このとき２次結像面Ｏ２はＣＣＤ１０４の撮像面に一致し、シャッタ１０２の２つの開口部を透過した被写体光束による２つの像も上下にずれることなく一致する。

図６の（ｃ）は図６の（ａ）とは逆にいわゆる後ピンの状態を示す。このとき上記シャッタ１０２の２つの開口部を透過した被写体光束による２つの像はＣＣＤ１０４の撮像面上で、図６の（ａ）の場合とは逆方向にずれる。

以上のことから、シャッタ１０２の２つの開口部を透過した被写体光束による２つの像のずれ方向とずれ量を演算することにより、撮影光学系２００のピントずれ（デフォーカス）量がわかる。

次に、本発明に係る撮像装置の、移動する被写体像を自動で追尾しつつ、かつ、その追尾被写体に自動で焦点を調節する動作について説明する。

なお、本撮像装置は、被写体の運動を、光軸方向の運動成分と、光軸方向に垂直な平面内での運動成分に分けて処理し、その処理結果に基づいて撮像を行う。即ち、本撮像装置は、光軸方向に垂直な平面内での運動をＣＣＤ１０４より得られる２次元の画像データを処理することによって把握し、光軸方向の運動を撮像装置と被写体との距離を測定することによって把握する。

図７は、本発明に係る撮像装置の撮像動作の全体の流れを示すフローチャートである。

ステップＳ６００において、撮影者が操作スイッチ２４から所定の操作をして追尾モードを選択すると、第２ＣＰＵ１５は、追尾モードであると判断し、ステップＳ６０１において追尾のサブルーチンを実行する。

図８はステップＳ６０１に示す追尾のサブルーチンの処理手順を示すフロー図である。本追尾のサブルーチンでは、焦点検出のための演算の負荷を最小限にするための論理を設けている。本論理は、以下の考え方に基づいている。

被写体の速度が同じであるとすると、一般に光軸方向に速いスピードで移動する被写体は光軸に垂直な平面内でのスピードは相対的に遅く、光軸方向に遅いスピードで移動する被写体は光軸に垂直な平面内でのスピードは相対的に速い。したがって、光軸方向に速いスピードで移動する被写体に対しては焦点状態そ検出する時間間隔を短くし、きめの細かい焦点調整を行い、光軸と垂直平面内での移動速度は上述したように一般に遅いので、相対的に長い時間間隔で追尾を行っても確実に追尾することが可能となる。逆に光軸方向に遅いスピードで移動する被写体に対しては焦点状態を検出する時間間隔を長くしても精度の高い焦点調整を行うことが可能となるとともに、光軸と垂直平面内での移動速度は上述したように一般に速いので、相対的に短い時間間隔で追尾を行いながら精度の高い追尾が可能となる。

ステップＳ７００において、第１ＣＰＵ１１３に内蔵されているタイマの設定時間Ｔに初期値Ｔ０を設定する。つぎに、ステップＳ７０１で追尾領域を初期位置である、図５に示す画面中央の領域ａの位置に設定する。そしてステップＳ７０２において追尾開始操作入力を待つ。

撮影者が操作ＳＷ２４の所定のスイッチを操作して追尾開始を指示すると、ステップＳ７０３で被写体の追尾を行うための追尾演算を実行する。この追尾演算は、例えば本件出願人が特開平５−２９２３７７号公報で詳述しているような公知の動きベクトルを検出する方法により実現できる。

つぎにステップＳ７０４において、追尾演算結果より追尾可能かどうかを判断する。もし追尾不能なときはステップＳ７０５において、ＬＣＤ１０に追尾不可能を示す表示を行った後、この追尾のサブルーチンからリターンする。ステップＳ７０４において追尾可能と判断したときは、ステップＳ７０６において、追尾被写体の移動位置（図５の領域ｂ）に追尾領域の表示を移動する。

つぎにステップＳ７０７において、タイマのダウンカウントが終了して、設定した時間Ｔ０が経過したかどうかを判断する。もしタイマが終了していれば、焦点検出の周期が経過しているためステップＳ７０８において追尾被写体に対する焦点検出を行い、後述する図１０のサブルーチンによりデフォーカス量Ｄ１を演算する。ステップＳ７０９においてＤ１が所定の値αより小さいときは、追尾被写体は焦点位置から大きく外れていない。そこでステップＳ７１０において、焦点検出のタイミングを調整するために第１ＣＰＵ１１３に内蔵されているタイマーに、上記タイマーの設定時間値ＴにＴ１を加算した値を設定する。

すなわち、この場合は、焦点検出の時間間隔を長くすることにより、追尾演算を実行する頻度を増加することができる。即ち、追尾演算の時間間隔を短くできるのでよりきめの細かい精度の高い追尾が可能となる。また、焦点検出用のＣＣＤ１０４の出力をスルー画の画像信号として併用する場合、焦点検出のために基線長の異なる瞳を通過した２つの画像を切り換えるタイミングを長くできるので、スルー画の画面の乱れを少なくすることができる。

ステップＳ７０９において、デフォーカス量Ｄ１が所定値α以上のときは、つぎにステップＳ７１１においてＤ１が所定の値β（β＞α）より大きいかどうかを判断し、もしＤ１がβよりも大きいときは、デフォーカス検出の時間間隔を短くするために、ステップＳ７１２において、上記タイマの設定時間値Ｔから所定の値Ｔ２を減算した値を新たにタイマーに設定する。すなわち、所定時間内のデフォーカス量の変化が所定以上のときはデフォーカス量の検出の時間間隔を短くすることによりよりきめ細かいデフォーカス量の検出が可能となる。

ステップＳ７１１においてＤ１がβ以下のときは、デフォーカス量の検出の時間間隔は適当と判断してタイマーの設定時間は変更しない。

ステップＳ７１３において、デフォーカス量Ｄ１を第２ＣＰＵ１５に転送し、第２ＣＰＵ１５に対してフォーカスレンズ３を駆動するように指示（割り込み）を行う。この指示を受けた第２ＣＰＵ１５はデフォーカス量Ｄ１に基づいてフォーカスレンズ３を駆動する。

ステップＳ７１４において、追尾が終了したかどうかを判断し、追尾が完了していなければＪ７０１に分岐してステップＳ７０３から上述の処理を繰り返す。追尾が完了したと判断したときはサブルーチンからリターンする。なお、追尾が完了したかどうかは撮影者が所定の操作ＳＷ２４の追尾終了ＳＷを操作することにより行う。

上述したように、所定時間内のデフォーカス量の変化が所定以下のときはデフォーカス量の検出時間間隔を長くし、デフォーカス量の変化が所定以上のときはデフォーカス量の検出時間間隔を短くするので、必要最小限の時間間隔で、追尾被写体に対する焦点調整をすることができる。そして、それに伴って光軸と垂直平面内の追尾被写体の移動を精度よく追尾することが可能となる。

図７のステップＳ６０２に戻り、撮影者が操作スイッチ２４から所定の操作をしてスルー画表示を選択すると、第２ＣＰＵ１５はステップＳ６０３においてスルー画表示のサブルーチンを実行する。

図９は、図７のステップＳ６０３に示すスルー画表示のサブルーチンの処理手順を示すフロー図である。

ステップＳ８０１において、図３に示すシャッタ１０２の一方の開口部（シャッタＡ）を開く。つぎにステップＳ８０２においてＣＣＤ１０４で撮像した画像データをメモリ１０７に取り込む。つぎにステップＳ８０３において、この画像データをＤ／Ａ変換器９でアナログデータに変換したのち、撮像装置の背面に設けられたＬＣＤ１０に表示する。

つぎにステップＳ８０４において、撮影者が操作ＳＷ２４を操作して強制的にスルー画をオフにするモードを選択すると、ステップＳ８０６においてスルー画をオフしてサブルーチンからリターンする。

ステップＳ８０４でスルー画が強制オフでないときは、つぎにステップＳ８０５においてスルー画の表示を開始してから所定時間が経過しているかどうかを判断し、もし所定時間が経過していなければＪ８０１に分岐する。ステップＳ８０５で所定時間が経過していれば、サブルーチンからリターンする。

この処理手順によれば、焦点検出用のＣＣＤ１０４の出力をスルー画の画像信号として用いることができる。

図７のステップＳ６０４に戻り、ＡＥ処理を実行する。即ちＡＥ処理回路１３は、１フレーム（１画面）分の画像データの輝度値を算出する等して被写体の明るさに対応したＡＥ評価値を算出し、ＡＥ評価値を第２ＣＰＵ１５に出力する。ステップＳ６０５でレリーズスイッチの初段の第１のレリーズ（１ｓｔレリーズ）が行われたかどうかを判断し、それが行われるのを待つ待機状態となる。ステップＳ６０５で１ｓｔレリーズが行われていれば、ステップＳ６０６において、測距領域選択回路１１０により選択された測距領域の位置を読み込む。なお、追尾モードの際に１ｓｔレリーズが行われたときは、上記測距領域は追尾領域に等しい。

つぎにステップＳ６０７において、撮影者が操作ＳＷ２４を操作して動体予測モードを選択しているかどうかを判断する。動体予測モードが選択されていないと判断したときは、ステップＳ６０８で位相差方式に基づきデフォーカス量を演算する。そしてステップＳ６１０で、デフォーカス量が零になる位置にフォーカスレンズ３を駆動する。

図１０は、図７のステップＳ６０８に示すデフォーカス量演算の手順を示すフロー図である。

ステップＳ９０１において第１ＣＰＵ１１３はＬＣＤで構成されるシャッタ１０２を駆動し、図３に示すシャッタ部Ａを透過状態、シャッタ部Ｂを遮蔽の状態にする。つぎに、ステップＳ９０２においてシャッタ部Ａを透過した被写体光束による第１画像をＣＣＤ１０４で受光し、それによって生成された第１画像データをメモリ１０７の第１領域に記憶する。

つぎに、ステップＳ９０３において第１ＣＰＵ１１３は上記シャッタ１０２を駆動し、図３に示すシャッタ部Ｂを透過状態、シャッタ部Ａを遮蔽の状態にする。つぎに、ステップＳ９０４においてシャッタ部Ｂを透過した被写体光束による第２画像をＣＣＤ１０４で受光し、それによって生成された第２画像データをメモリ１０７の第２領域に記憶する。

つぎに、ステップＳ９０５において、第１画像と第２画像の明るさ分布を補正するために第１画像データと第２画像データとを予めＥＥＰＲＯＭ２５に記憶されている補正データによって補正する。具体的には画素データをＥＥＰＲＯＭ２５に記憶された補正データである正規化データで除算して第１画像データと第２画像データを補正する。

つぎに、ステップＳ９０６においてデフォーカス量を求める。このデフォーカス量の演算について詳細に説明する。

まず、上記デフォーカス量を求めるための相関演算の原理について説明する。

図１１に示すように、第１の画像データ中の所定範囲の画像データ（以下、「基準像データ」と言う。）について、基線長方向にｘ番目の画素の出力をＳ（ｘ）、第２の画像データ中の所定範囲の画像データ（以下、「参照像データ」と言う。）について、基線長方向にｙ番目の画像データの値をＣ（ｙ）とする。そして対応する画素データの値の差の絶対値の和をとり、これをＡとし、相関量とする。すなわちＡは式（１）で表わされる。

Ａ（ｍ）＝ Σ｜Ｓ（ｉ＋ｋ）−Ｃ（ｊ＋ｋ＋ｍ）｜ …… 式（１）
式（１）の変量はｋであり、Ａ（ｍ）はｋが０〜ｎの値をとるときの総和である。

ここでｉは基準像データの最初の画素の番号であり、ｊは参照像データの画素の最初の番号である。またｋは基準像データ、参照像データの最初の画素から数えてｋ番目の画素データを意味する。参照像データはｊ＋ｎに、さらに左右に±ｍ程度の余裕を見込む。

ここで、参照像データについているｍは第１ＣＰＵ１１３の内部で、基準像データ番号は固定し、参照像データの番号を１個ずつ送っていく操作のためにつけられている。そしてｍを順次１からｐまで変えながら上記相関量Ａを求め、相関量Ａが最小値をとるとき基準像データと参照像データの像が一致するものとして、基準像データと参照像データの像の相対的な距離を求めることができる。

上記相関量Ａ（ｍ）は最小１画素ごとの値であるため基準像データと参照像データに関する像の相対的な距離の精度も１画素が限界となる。そこで、図１２に示すように相関量Ａが最小値をとる前後の相関量の幾何学的な関係から補間により１画素ピッチ以下の高い精度の相対的な距離を求める。この補間によると経験的に１／１０画素以下の高い精度で基準部と参照部の像の相対的な距離を求めることが可能である。なお、上記補間演算は公知である。

次にデフォーカス量の算出方法について説明する。

１次結像面（撮像面）の許容錯乱円をδ、再結像レンズ１０３の倍率をβとすると、再結像レンズ１０３の後方に配置された位相差検出用の撮像素子１０４により許容錯乱円に相当する像を検出するに必要な画素のピッチＰは、Ｐ＝β・δで表わされる。上述の補間演算により上記ピッチＰをさらにＮ分割できるとすると、Ｐ＝Ｎ・β・δで表わされる。仮にβ＝０．５、δ＝２０μｍ、Ｎ＝２０とするとＰ＝２００μｍとなる。撮像素子１０４として汎用のエリアＣＣＤを用いたとすると画素サイズは１０μｍ角程度であるので、撮像素子１０４の画素ピッチをそのまま用いて、上記相関演算を行うと過剰な精度になるとともに、演算量も多くなる。

そこで、第１画像データの中から、図７のステップＳ６０６で読み込んだ測距領域の所定範囲の画像データ（基準像データ）を読み出して、画素データを水平方向及び垂直方向に複数合成して仮想的に求めたもの（以下「仮想画素」という。）を、基準像データを構成する１つの画素とする。図１３は、仮想画素の構成を示す図である。そして、仮想画素を基線長方向に複数配列してラインセンサーを構成する。このラインセンサーの所定範囲の画像データが上述の基準像データに相当する。

つぎに同様にして第２画像データの中から、上記基準像データと同じ画像データの存在する可能性のある所定範囲の画像データの中から、基線長方向に上記基準像と同じ幅の画像データ（参照像データ）を読み出す。図１４の（ａ）には測距領域と基準像データを、図１４の（ｂ）には参照像データを示す。

そして、このようにして求めた参照像データを基線長方向にシフトしながら上述の相関演算を行うことにより、基準像データと一致する参照像データの位置を求める。これにより基準像データと参照像データに関する像の相対的な距離、すなわち２像のずれ量が求まる。図６で説明したように、このずれ量は撮像面とフォーカシングレンズのピント位置との差であるデフォーカス量に相応した値となるので、上記ずれ量からデフォーカス量を求めることができる。

なお、上記ずれ量とデフォーカス量の関係は予めＥＥＰＲＯＭ２５にテーブル表として記憶しておき、このテーブル表を参照することによりずれ量からデフォーカス量を求めてもよい。

以上の説明においては、ＣＣＤ１０４のすべての画像データを読み出してメモリ１０７に記憶した後に、上記メモリ１０７の中から基準像データ、又は参照像データを読み出したが、撮像素子として特定の画素データにアクセスして、画素単位で画像データを読み出し可能なＭＯＳ型の撮像素子を用いて、撮像素子から直接基準像データ、又は参照像データを読み出すようにしてもよい。

図７に戻り、ステップＳ６０７において動体予測モードが選択されているときは、ステップＳ６０９において動体予測を実行する。ここで、動体予測とは、実際にＣＣＤ５に電荷を蓄積するタイミングでの追尾被写体（動体）のデフォーカス量を予測して求めることをいう。そして、ステップＳ６１０で上記デフォーカス量に基づいてフォーカスレンズ３を駆動する。

図１５は動体予測のサブルーチンの処理手順を示すフロー図である。

ステップＳ１００１で、図１０に示すサブルーチンを実行しデフォーカス量Ｄ１を演算する。つぎにデフォーカス量演算の時間間隔を設定するためのタイマに所定の値Δｔを設定し所定時間Δｔが経過したら、ステップＳ１００３でデフォーカス量Ｄ２を演算する。

つぎにステップＳ１００４において、デフォーカス量の時間変化（Ｄ２−Ｄ１）／Δｔを演算する。そして、ステップＳ１００５で、上記Ｄ２を演算するための画像を取り込んでからＣＣＤ５で実際に露光を開始までの時間ｔ１を予測する。つぎに、ステップＳ１００６でＣＣＤ５で実際に露光を開始する時点でのデフォーカス量の予測値Ｄ２＋ｔ１・（Ｄ２−Ｄ１）／Δｔを演算してリターンする。

図７に戻り、ステップＳ６１１で１ｓｔレリーズが解除されたかどうかを判断し、１ｓｔレリーズが解除されていればはじめに戻り以上の動作を繰り返す。ステップＳ６１１で１ｓｔレリーズ解除されていなければ、つぎにステップＳ６１２で、２ｎｄレリーズが行われたかどうかを判断し、２ｎｄレリーズが行われていなければＪ６０１に分岐し、２ｎｄレリーズ操作を待つ待機状態に移行する。ステップＳ６１２で２ｎｄレリーズが行われていれば、つぎにステップＳ６１３で、第２ＣＰＵ１５はＡＥ評価値を基にオート露出制御を行い一連の撮影動作を終了する。

なお、ステップＳ６０８において、被写体の焦点状態を検出する手段として位相差方式を採用し、デフォーカス量を被写体の焦点状態を表わすものとしたが、公知の三角測距に基づき被写体距離を直接求めてもよい。

〔効果〕
以上説明したように、本実施の形態の撮像装置では撮影レンズにより結像した像を再結像し、この像に基づいて焦点状態を検出するので、撮影レンズの特性に依存しないで焦点状態を検出することが可能となる。

また、本実施の形態の撮像装置は、再結像レンズの少なくとも２つの同一でない領域を通過する光束を選択的に通過させるシャッタ１０２を設け、更にシャッタ１０２を透過した時分割された光束を一つの撮像素子１０４上に結像させるようにしている。

このため、本撮像装置は従来の撮像装置と異なり、偏芯光学系を用いることがなく、像の歪を少なくすることができる。従って、被写体の広い領域において焦点検出精度を向上させることができる。また、この効果として、ＣＣＤ１０４の撮像をそのまま表示することも可能であり、またその撮像を動体追尾等に使用することもできる。

また、本実施の形態では撮像素子上に時分割的に結像するため、２つの光の相互の競合、干渉が生じることがなく、各々の光束を広く取ることができるため、被写体の広い領域において焦点検出が可能となる。

このように本撮像装置では、測距光学系より得られる高精度な画像データを利用して、動体追尾、焦点検出を実施する。

そして本発明の第１の局面に対応する撮像装置では、画像データを追尾と焦点検出に兼用することができるのみならず、画像として表示することもできる。

また本発明の第２の局面に対応する撮像装置では、撮影レンズの光束を分割して第１画像と第２画像を得るのでパララックスが生じず、かつ撮影対象となる画像と同じ被写体像を用いて追尾と焦点検出を行うので理想的である。また第１画像データは、光軸を中心とする所定範囲の領域を通過する光束に基づくので収差が少なく、収差が光軸に対してほぼ対象となるので表示に適した画像データとなる。

なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

本発明に係る焦点検出装置を組み込んだ撮像装置の構成を示す図。本発明にかかる焦点検出装置の構成を示す図。シャッタの構成を示す図。シャッタの他の構成を示す図。測距領域選択回路により選択された測距領域を示す図。測距光学系の基本原理を説明する図。本撮像装置の撮像動作の全体の流れを示すフローチャート。追尾の処理手順を示すフロー図。スルー画表示の手順を示すフロー図。デフォーカス量演算の手順を示すフロー図。基準像データと参照像データを示す図。補間演算を示す図。仮想画素の構成を示す図。測距領域と基準像データ及び参照像データを示す図。動体予測の処理手順を示すフロー図。

符号の説明

１…撮像装置、３…フォーカスレンズ、４…絞り、５…ＣＣＤ、１４…ＡＦ処理回路、１５…第２ＣＰＵ、２５…ＥＥＰＲＯＭ、１０１…コンデンサレンズ、１０２…シャッタ、１０３…再結像レンズ、１０４…撮像素子、１０８…ＡＦ処理回路、１０９…ＬＣＤ、１１０…測距領域選択回路、１１３…第１ＣＰＵ、２００…撮影光学系、４０９…測距領域。

Claims

撮影レンズの光軸方向に移動する被写体に対する焦点調整と、撮影レンズの光軸に垂直な平面内での被写体像の追尾とを繰り返し行うことが可能な撮像装置であって、
光軸を中心とする２つの所定領域を通過する光束に基づく第１画像データと第２画像データを生成する撮像手段と、
上記第１画像データに基づいて上記被写体像を追尾する追尾手段と、
上記第１画像データの中の上記被写体像に対応する第１の追尾画像データと上記第２画像データの中の上記被写体像に対応する第２の追尾画像データとの相対的なズレ量に基づいて上記被写体像の焦点状態を検出する焦点検出手段と、
上記第１画像データを表示する表示手段と、
を備えたことを特徴とする撮像装置。
上記撮像手段は、撮影レンズの射出瞳の光軸を中心とする所定範囲の第１の領域を通過した光束に基づく第１画像データと、上記撮影レンズの上記第１の領域とは異なる射出瞳の第２の領域を通過した光束に基づく第２画像データを生成することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
上記表示手段は、追尾領域を上記被写体像に重ねて表示することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。