JP2005275002A

JP2005275002A - オートフォーカス撮像装置

Info

Publication number: JP2005275002A
Application number: JP2004088447A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Shirie; 伸行尻江; Hiroyuki Iwasaki; 博之岩崎
Original assignee: Fujinon Corp; Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujinon Corp; Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2005-10-06

Abstract

【課題】簡単な構成にてフォーカス調節を行うことのできるオートフォーカス撮像装置を提供する。
【解決手段】フォーカス駆動装置４１を、撮像レンズ４０、撮像レンズ４０を保持するレンズ保持枠５３、フォーカス調節用押圧環５４、固定筒５５、コイルバネ５６、押さえ環５７、ステッピングモータ５８及び駆動歯車５９から構成する。レンズ保持枠５３の外周面から周囲に突出するように形成されたカムピン５３ｂは、フォーカス調節用押圧環５４の固定筒５５側の端部に形成されたカム面５４ｄによって光軸Ｌ方向に押圧される。カム面５４ｄは、光軸Ｌ方向に繰り返し凹凸する滑らかな曲線状となっており、フォーカス調節用押圧環５４が一方向に回動することによってカムピン５３ｂを光軸Ｌ方向に繰り返し押圧して、レンズ保持枠５３を光軸Ｌ方向に往復動させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、撮像素子に画像を結像して画像信号を得る撮像装置に関するものである。

近年、急速に普及するデジタルカメラには、撮像光学系と、撮像光学系により結像された画像を光電変換するＣＣＤイメージセンサや、ＣＭＯＳイメージセンサなどの撮像素子とが組み込まれており、最近では、単体のデジタルカメラだけではなく、携帯電話や、ＰＤＡ（携帯型情報端末）、パーソナルコンピュータなどの各種電子機器に内蔵されることが多くなってきている。

上記のようなカメラでは、フォーカス調節に用いられるフォーカスレンズと、フォーカスレンズを保持するレンズ保持枠を光軸方向にスライド移動させるフォーカス駆動装置を備えた撮像装置を設けていることが多い。このような撮像装置では、レンズ保持枠を光軸方向に押圧するカム面を有する回動自在な押圧部材と、レンズ保持枠を押圧部材側に付勢するバネなどの付勢部材からなる構成が一般的である（例えば特許文献１）。また、フォーカス駆動装置を駆動制御して、フォーカス調節を自動的に行うことによって撮影者の便宜を図るオートフォーカス撮像装置も多い。

特開２００３−２９５０３４号公報

しかしながら、上述したようなオートフォーカス撮像装置であっては、フォーカス調節を行う際にレンズ保持枠の最適な位置を決定するためにはレンズ保持枠を光軸方向に往復動させなければならず、レンズ保持枠を往復動させるには押圧部材の回動方向を反転させなければならなかった。そのため、オートフォーカス撮像装置の構成は復雑なものとなってしまっていた。

本発明は、上記従来技術の問題を解決するためになされたものであり、簡単な構成にてフォーカス調節を行うことのできるオートフォーカス撮像装置を提供することを目的とする。

本発明のオートフォーカス撮像装置は、フォーカスレンズを含む撮像光学系と、光軸方向へ周期的に複数回繰り返し凹凸するカム面または前記カム面に当接するカムピンのいずれか一方を有するとともに前記フォーカスレンズを保持するレンズ保持部材と、他方を有するとともに回動自在であり、前記カム面と前記カムピンとの摺動を介して前記レンズ保持部材を光軸方向に周期的に押圧して移動させる押圧部材と、前記レンズ保持部材を前記押圧部材側へ付勢する付勢部材と、前記押圧部材を回動させる駆動装置と、前記撮像光学系によって受光面に結像された被写体像を撮像する撮像素子と、前記撮像素子から出力された撮像信号から合焦状態を検出する合焦検出手段と、前記駆動装置を駆動制御して前記押圧部材を一方向に回動させることによって、前記押圧部材を一回動させる毎に、前記レンズ保持部材を光軸方向に周期的に複数回往復動させるとともに、前記押圧部材が回動中に前記合焦検出手段が合焦状態を検出したときに前記カムピンが当接する位置における前記カム面の位相を判定し、判定した位相と同位相で前記カムピンが前記カム面に当接するよう前記押圧部材を停止させる制御手段とを備えたことを特徴とするものである。

本発明のオートフォーカス撮像装置は、駆動装置によって一方向に回動された押圧部材が、一回動する毎に、レンズ保持部材を光軸方向に周期的に複数回往復動させるとともに、押圧部材が回動中に合焦検出手段が合焦状態を検出したときにカムピンが当接する位置におけるカム面の位相を判定し、判定した位相と同位相でカムピンがカム面に当接するように制御手段が押圧部材を停止させるので、押圧部材の回動方向を反転させなくとも簡単な構成にてフォーカス調節を行うことができ、また、合焦状態の検出から押圧部材の停止に至るまで押圧部材の回動方向を反転させないので、フォーカス調節に要する時間を短縮することができる。

本発明を適用したカメラ付き携帯電話の正面側の外観斜視図を図１に、背面側の外観斜視図を図２に示す。カメラ付き携帯電話２の本体部３は、上部筐体１１、及び下部筐体１２と、これら筐体を回動自在に連結するヒンジ部１３とから構成されている。

上部筐体１１には、図２に示すように、本発明が実施されたオートフォーカス撮像装置２１が設けられており、カメラ付き携帯電話２では、このオートフォーカス撮像装置２１によって被写体画像を取得する。ヒンジ部１３には、カメラ付き携帯電話２の使用時に、上部筐体１１と下部筐体１２とが所定の角度で係止されるように、クリック機構（図示せず）が設けられている。本体部３は、ヒンジ部１３を介して回動させることにより、上部筐体１１と下部筐体１２とを展開及び折り畳み可能となっており、カメラ付き携帯電話２の非使用時には、上部筐体１１と下部筐体１２とが平行となるように折り畳まれる。

上部筐体１１及び下部筐体１２は、ともに略矩形の薄板形状に形成されており、上部筐体１１の背面１１ａからはオートフォーカス撮像装置２１が露呈し、正面１１ｂにはＬＣＤパネル２６及び受話スピーカ２７が、上面１１ｃにはアンテナ２８が配置されており、下部筐体１２の正面１２ａには操作部３１及び送話マイク３２が配置されている。さらに下部筐体１２の下面１２ｂには、パーソナルコーンピュータなどの外部機器とケーブル接続するためのソケット３４、及びメモリーカード３５が装填されるメモリカードスロット３６が設けられている。メモリカードスロット３６の奥には、挿入されたメモリカード３５に電気的に接続して、画像データ等の読み書きを行なう書込読出回路３７が組み込まれている。

アンテナ２８は、通話や電子メールサービス、インターネット接続サービスを利用する際に他の携帯電話やインターネットサーバからの電波信号を受信するとともに、カメラ付き携帯電話２から発信される電波信号を外部に送信する。受話スピーカ２７は、通信相手の音声や着信音などを出力する。ＬＣＤパネル２６には、メニュー画面や着信相手の電話番号などの各種情報、撮像素子４２（図３に図示）により得られたスルー画像や、メモリカードに記録された画像が表示される。送話マイク３２は、話し手の音声を電気的な音声信号に変換して、アンテナ２８を介して通話相手に送信する。

操作部３１は、選択キー３１ａ、シャッタボタン３１ｂや、ダイヤルキー３１ｃなどからなる。選択キー３１ａは、各種メニューの選択・設定などに使用される。このカメラ付き携帯電話２は、各種モードの中から撮像モードを選択して被写体の撮像を行うことができるようになっており、これらモードの選択は選択キー３１ａを操作して行う。また、選択キー３１ａは、オートフォーカス撮像装置２１による被写体の撮像操作にも使用される。シャッタボタン３１ｂは、オートフォーカス撮像装置２１により撮像を行うときのレリーズ操作に使用する。さらにまた、ダイヤルキー３１ｃは、電話番号や電子メールの文章などを入力する際に操作される。

オートフォーカス撮像装置２１は、図３に示すように、フォーカス調節に用いられる撮像レンズ（フォーカスレンズ）４０を備えたフォーカス駆動装置４１、撮像素子４２を有し、これらは図４に示すように一体となったユニット状態で上部筐体１１に組み込まれている。撮像素子４２としては、ＣＣＤまたはＣＭＯＳが使用される。撮像素子４２は、受光素子４６、受光素子４６が実装された半導体基板４７、及び受光素子４６の受光面を覆うガラスカバー４８などからなり、筐体１１に形成された露呈穴１１ｅと対面する位置にある内壁面１１ｆに固定されている。撮像素子４２は、撮像した被写体画像を光電変換して光量に応じたアナログの撮像信号を出力する。また、撮像素子４２は、シャッタボタン３１ｂの操作に応じてシャッタレリーズ動作を行なう電子シャッタ機能を備えている。なお、露呈穴１１ｅには保護カバー５０が固着されている。

フォーカス駆動装置４１は、図３に示すように、撮像レンズ４０、撮像レンズ４０を保持するレンズ保持枠（レンズ保持部材）５３、フォーカス調節用押圧環（押圧部材）５４、固定筒５５、コイルバネ（付勢部材）５６、押さえ環５７、ステッピングモータ（駆動装置）５８及び駆動歯車５９からなる。

レンズ保持枠５３は、撮像レンズ４０を保持する円筒状の枠部５３ａと、この枠部５３ａの外周面から周囲に突出するように形成されたカムピン５３ｂとからなる。カムピン５３ｂは円柱状であり、それぞれが光軸Ｌに関して１２０°の回転対称となるよう３個配設され、撮像レンズ４０が光軸Ｌに対して傾斜しないように、それぞれが同時にフォーカス調節用押圧環５４と当接するようになっている。なお、カムピン５３ｂは、３個に限らず、フォーカス調節用押圧環５４と安定して当接できるように適宜の個数として良い。また、図４では、撮像レンズ４０として第１群４０ａ、第２群４０ｂ及び第３群４０ｃからなる３群のレンズが図示されているがこれに限るものではない。

フォーカス調節用押圧環５４は、図３に示すように、円環部５４ａと、この円環部５４ａの外周面上に円周方向に設けられた外歯車５４ｂ及び突片５４ｃとが一体に形成されている。円環部５４ａは、固定筒５５側の端部にカム面５４ｄが形成されている。カム面５４ｄは、光軸Ｌ方向に複数回繰り返し凹凸する滑らかな曲線状となっており、フォーカス調節用押圧環５４が一方向に回動することによってカムピン５３ｂを光軸Ｌ方向に繰り返し押圧して、フォーカス調節用押圧環５４が一回動する毎に、レンズ保持枠５３を光軸Ｌ方向に複数回往復動させる。外歯車５４ｂには、ステッピングモータ５８の駆動軸５８ａに固着された駆動歯車５９が噛み合わされ、フォーカス調節用押圧環５４は、駆動歯車５９を介してステッピングモータ５８によって回動される。なお、フォーカス調節用押圧環５４を回動させる駆動源は、ステッピングモータ５８に限らず、サーボモータなどを適宜用いて良く、また、駆動歯車５９と外歯車５４ｂとの間に減速歯車等を適宜設けても良い。フォーカス調節用押圧環５４の回動位相の原点は、フォーカス調節用押圧環５４の周囲に配設したフォトインタラプタ６０が突片５４ｃを検知したときに後述するシステムコントローラ（制御手段）７０（図５に図示）に検知信号を入力することによって設定される。突片５４ｃは、レンズ保持枠５３が撮像素子４２に最も近づいたときが原点に設定されるように、光軸Ｌに関して１２０°の回転対称となるように３個配設されている。なお、突片５４ｃは、カムピン５３ｂの個数や位置に応じて適宜設ければ良い。ステッピングモータ５８は、システムコントローラ７０によって駆動制御される。

固定筒５５は、円筒部５５ａと、この円筒部５５ａの後部に一体に形成されたベース部５５ｂとからなる。円筒部５５ａは、撮像レンズ４０の光軸Ｌを中心にした円筒形状に形成されており、内部にコイルバネ５６を収容し、外周面にフォーカス調節用押圧環５４が回動自在に嵌合し、内周面にレンズ保持枠５３が光軸Ｌ方向にスライド自在に嵌合される。円筒部５５ａには、被写体側が開放となるよう光軸Ｌと平行に切り欠かれたガイド溝５５ｃが、光軸Ｌに関して１２０°の回転対称となるよう３ヶ所形成されている。円筒部５５ａにレンズ保持枠５３が嵌合された際には、カムピン５３ｂがそれぞれガイド溝５５ｃに挿通されることによって、レンズ保持枠５３は光軸Ｌ方向にスライド自在であるとともに光軸Ｌを回動軸とする回動を規制される。円筒部５５ａの内部に収容されたコイルバネ５６は、レンズ保持枠５３の撮像素子４２側の端面に当接し、レンズ保持枠５３をフォーカス調節用押圧環５４側へと付勢する。そして、フォーカス調節用押圧環５４が円筒部５５ａに嵌合することにより、カムピン５３ｂ側面であって円筒部５５ａの外周面から突出した部位と、カム面５４ｄとが当接した状態となる。ベース部５５ｂには、開口部５５ｄが形成されており、開口部５５ｄに対面する位置に撮像素子４２が固定されている。

押さえ環５７は、背面側に円柱状に切り欠かれた嵌合凹部５７ａが形成された円盤であり、撮像レンズ４０を露呈させる穴５７ｂが光軸Ｌ上に形成されている。押さえ環５７は、嵌合凹部５７ａが固定筒５５の円筒部５５ａ前端部に嵌合されて固着されるとともに、フォーカス調節用押圧環５４の前面と当接し、フォーカス調節用押圧環５４が円筒部５５ａから脱落しないよう保持する。また、穴５７ｂには、内径が小さくなっている絞り部５７ｃが形成されている。

図５に、本発明を説明するうえで必要なオートフォーカス撮像装置２１の構成をブロック図で示す。

撮像素子４２から出力された撮像信号は、画像処理回路７４に入力される。画像処理回路７４は、いわゆるアナログ・フロント・エンド回路であり、アナログの撮像信号をデジタルの撮像信号に変換するとともに、画像データに輝度レベル補正やホワイトバランス補正等の画質調整とＹＣ処理と、固定長化処理及び圧縮処理とを施す。撮影中にＬＣＤパネル２６にスルー画表示を行なう場合には、画質調製された画像データに簡易レベルの簡易ＹＣ処理を施し、輝度データと色差データとからなる簡易ＹＣ画像データに変換する。この簡易ＹＣ画像データは、画像メモリ７６を介して表示回路７７に読み出され、ＮＴＳＣ等のコンポジット信号に変換されてＬＣＤパネル２６に入力される。撮影が行なわれた場合には、画像処理回路７４は、画質調製が施された画像データに本格的なＹＣ処理を施し、ＹＣ画像データを生成する。このＹＣ画像データには、更に固定長化処理と圧縮処理とが施され、例えばｊｐｅｇ形式の圧縮画像データに変換される。圧縮画像データは、後述するＲＡＭ７０ｂに記憶された後、書込読出回路３７を介してメモリカード３５に書き込まれる。

ＡＦ評価値算出回路（合焦状態検出手段）８０は、画像処理回路７４によって生成された一画面分の画像データのコントラストからＡＦ評価値を算出する。一般に、画像のコントラストは被写体像が合焦状態となったときに最も高くなり、このときにＡＦ評価値も最も高くなる。ＡＦ評価値はシステムコントローラ７０にＡＦ評価値信号として入力される。

システムコントローラ７０は、オートフォーカス撮像装置２１の全体を制御する。システムコントローラ７０は、例えばマイクロコンピュータからなり、ＣＰＵの他に、制御プログラムや各種設定データ等が記憶されたＲＯＭ７０ａと、制御時に生じた種々のデータが記憶されるＲＡＭ７０ｂとを備えている。

システムコントローラ７０は、モータドライバ６１を介して駆動パルスを印加することによってステッピングモータ５８を駆動制御し、フォーカス調節用押圧環５４を回動させる。このとき、システムコントローラ７０は、フォトインタラプタ６０からの検知信号が入力された時点をフォーカス調節用押圧環５４の回動位相の原点として設定しリセットパルスを発生させる。また、システムコントローラ７０は、ステッピングモータ５８に印加した駆動パルスを原点設定時からカウントし、該カウント値から算出される駆動軸５８ａの回動数に基づいてフォーカス調節用押圧環５４の回動位相及びカムピン５３ｂが当接する位置におけるカム面５４ｄの位相を監視する。また、フォーカス調節用押圧環５４を、原点から、レンズ保持枠５３が撮像素子４２から最も遠くなる位置となる回動位相まで回動させるために要する駆動パルスのカウント値Ｎを、予め一意に定義しておく。

システムコントローラ７０は、ステッピングモータ５８を一方向に駆動して、レンズ保持枠５３とともに撮像レンズ４０を光軸Ｌ方向に往復動させ、このときのＡＦ評価値信号の変化にリアルタイム処理を行い、ピーク値が現れる毎にフォーカス位置検出信号を発生させる。システムコントローラ７０は、リセットパルス発生時から、再度リセットパルスが発生する時点までピーク値をホールドし、リセットパルス発生毎にこれをクリアする。システムコントローラ７０は、リセットパルス発生時から、駆動パルスのカウント値がＮとなるまでの期間で、最後にフォーカス位置検出信号が発生した時点の、カムピン５３ｂが当接する位置におけるカム面５４ｄの位相を被写体像が合焦状態となる位相と判定し、その時点の駆動パルスのカウント値Ｘを記憶する。そして、カムピン５３ｂが当接する位置におけるカム面５４ｄの位相が、合焦状態として判定した位相と同位相となるよう、記憶したカウント値Ｘにあたる駆動パルスを、リセットパルス発生時よりステッピングモータ５８に印加してフォーカス調節用押圧環５４を回動及び停止させる。

上記構成の作用について、図６（ａ），（ｂ）及び図７を基に説明する。図６（ａ），（ｂ）は、光軸Ｌと直交する方向から見た、カムピン５３ｂ及びカム面５４ｄの連動を示す図である。レンズ保持枠５３がコイルバネ５６によってフォーカス調節用押圧環５４側に付勢されているので、カムピン５３ｂは、カム面５４ｄによって押圧されるとガイド溝５５ｃの内面に沿って光軸Ｌ方向に摺動する。このように、フォーカス調節用押圧環５４がステッピングモータ５８によって一方向に回動すると、カムピン５３ｂと当接する位置におけるカム面５４ｄの位相は、光軸Ｌ方向へ周期的に繰り返し凹凸し、カムピン５３ｂは光軸Ｌ方向に往復動される。なお、図６（ａ）はフォーカス調節用押圧環５４側に移動するカムピン５３を示し、図６（ｂ）は撮像素子４２側に移動するカムピン５３を示す。

図７は、システムコントローラ７０がステッピングモータ５８を駆動してフォーカス調節用押圧環５４を回動させた際の、レンズ保持枠５３の移動位置、リセットパルス、駆動パルスのカウント値、ＡＦ評価値信号、ＡＦ評価値信号のピーク値ホールド、フォーカス位置検出信号を示すタイミングチャートの例である。また、被写体像が合焦状態となるレンズ保持枠の位置（以下、フォーカス位置と記す）の例を一点鎖線にて示す。レンズ保持枠５３の移動位置は、チャート図上方を撮像素子４２の遠方とし、レンズ保持枠５３が撮像素子４２に最も近づいたときにフォーカス調節用押圧環５４の原点設定が行われるとする。なお、図７はステッピングモータ５８が回転し続けている状態を示しており、システムコントローラ７０によってステッピングモータ５８が停止させられた場合には、その時点で各変化は停止する。

システムコントローラ７０の駆動によってステッピングモータ５８が回転すると、フォーカス調節用押圧環５４を一方向に回動し、カムピン５３ｂとともにレンズ保持枠５３が光軸に沿って往復動する。フォトインタラプタ６０からの検知信号が入力されると、システムコントローラ７０はリセットパルスを発生させる。システムコントローラ７０は、ＡＦ評価値信号の変化にリアルタイム処理を行い、ピーク値が現れる毎にフォーカス位置検出信号を発生させる。そして、システムコントローラ７０は、リセットパルス発生時から、駆動パルスのカウント値がＮとなるまでの期間において最後にフォーカス位置検出信号が発生した時点の、カムピン５３ｂが当接する位置におけるカム面５４ｄの位相を被写体像が合焦状態となる位相と判定し、その時点の駆動パルスのカウント値Ｘを記憶する。そして、記憶したカウント値Ｘにあたる駆動パルスをリセットパルス発生時よりステッピングモータ５８に印加し、フォーカス調節用押圧環５４を回動及び停止させることによって、カムピン５３ｂが当接する位置におけるカム面５４ｄの位相が合焦状態として判定した位相と同位相となる。このように、自動的にフォーカス調節を行うことができる。

なお、記憶したカウント値にあたる駆動パルスをステッピングモータ５８に印加する契機となるリセットパルスは、フォーカス位置を決定した直後のものであればフォーカス調節に掛かる時間が最短となる。また、脱調などによるステッピングモータ５８の回転数と印加した駆動パルス数の誤差が無視できる場合には、フォーカス調節用押圧環５４の回動位相と駆動パルスのカウント値を予め一意に定義して、フォーカス位置を決定した直後にレンズ保持枠５３を再度フォーカス位置とする、カムピン５３ｂが当接する位置におけるカム面５４ｄの位相に対応する駆動パルスのカウント値を算出することもできる。この場合のカウント値の例を図７にＹで示す。

なお、上記実施形態においては、フォーカス調節用押圧環５４の回動位相の原点を、レンズ保持枠５３が撮像素子４２に最も近づく位置となるときの回動位相としたが、これに限らず、適宜の回動位相として良い。この場合、カウント値Ｎは、レンズ保持枠５３が撮像素子４２に最も近づく位置と撮像素子４２から最も遠くなる位置との間を少なくとも一回移動させるために要する駆動パルスのカウント値となる。

上記実施形態においては、フォーカス調節用押圧環５４にカム面５４ｄを設け、レンズ保持枠５３にカムピン５３ｂを設けたが、カム面及びカムピンはそれぞれどちらか一方ごとに設けられていれば良く、レンズ保持枠５３にカム面を設け、フォーカス調節用押圧環５４にカムピンを設けるとしても良い。

上記実施形態においては、本発明を適用したカメラ付き携帯電話を例に上げて説明しているが、これに限らず、ＰＤＡやパーソナルコンピュータなどに適用してもよい。

カメラ付き携帯電話を示す正面側斜視図である。カメラ付き携帯電話の背面側斜視図である。本発明のオートフォーカス撮像装置の構造を示す分解斜視図である。カメラ付き携帯電話の要部断面図である。本発明のオートフォーカス撮像装置の構成を示すブロック図である。光軸と直交する方向から見たカムピンとカム面との関係を示す概略図である。本発明のオートフォーカス実行時のタイミングチャートである。

符号の説明

２カメラ付き携帯電話
２１オートフォーカス撮像装置
４０撮像レンズ（フォーカスレンズ）
４１フォーカス駆動装置
４２撮像素子
５３レンズ保持枠（レンズ保持部材）
５３ｂカムピン
５４フォーカス調節用押圧環（押圧部材）
５４ｄカム面
５６コイルバネ（付勢部材）
５８ステッピングモータ（駆動装置）
７０システムコントローラ（制御手段）
８０ＡＦ評価値算出回路（合焦状態検出手段）

Claims

フォーカスレンズを含む撮像光学系と、
光軸方向へ周期的に複数回繰り返し凹凸するカム面または前記カム面に当接するカムピンのいずれか一方を有するとともに前記フォーカスレンズを保持するレンズ保持部材と、
他方を有するとともに回動自在であり、前記カム面と前記カムピンとの摺動を介して前記レンズ保持部材を光軸方向に周期的に押圧して移動させる押圧部材と、
前記レンズ保持部材を前記押圧部材側へ付勢する付勢部材と、
前記押圧部材を回動させる駆動装置と、
前記撮像光学系によって受光面に結像された被写体像を撮像する撮像素子と、
前記撮像素子から出力された撮像信号から合焦状態を検出する合焦検出手段と、
前記駆動装置を駆動制御して前記押圧部材を一方向に回動させることによって、前記押圧部材を一回動させる毎に、前記レンズ保持部材を光軸方向に周期的に複数回往復動させるとともに、前記押圧部材が回動中に前記合焦検出手段が合焦状態を検出したときに前記カムピンが当接する位置における前記カム面の位相を判定し、判定した位相と同位相で前記カムピンが前記カム面に当接するよう前記押圧部材を停止させる制御手段とを備えたことを特徴とするオートフォーカス撮像装置。