JP2005326621A - 撮像装置、オートフォーカス装置並びにオートフォーカス方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水平方向に濃淡の差がない被写体に対しても合焦できる撮像装置等を提供する。
【解決手段】被写体情報を撮像素子により電気信号へと変換し、第１の映像信号を得る。第１の映像信号の各画素の高周波成分を検出し、積分処理を施すことによりフォーカス評価値が算出される。また、第１の映像信号をメモリに書き込み、読出し時に９０度回転させて読み出すことにより第２の映像信号を得る。第２の映像信号の各画素の高周波成分を検出し、積分処理を施すことによりフォーカス評価値が算出される。それぞれのフォーカス評価値の絶対値を比較し、絶対値が大きいほうを得られるフォーカスレンズ位置を合焦点とすることにより、水平方向に濃淡の差がない被写体に対しても合焦することができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、水平方向に濃淡の差がない被写体に対しても合焦することができる撮像装置、オートフォーカス装置並びにオートフォーカス方法に関する。

近年、ビデオカメラやデジタルカメラ、携帯電話などの組み込み機器のカメラ機能を提供するカメラモジュールなどの撮像装置には、被写体再現が十分に解像度が得られる被写体までの距離が限定される光学系が備えられる。また多くの撮像装置には、被写体に自動的に焦点をあわせることができる、いわゆるオートフォーカス装置を設けられている。

オートフォーカス装置の動作原理の一つとして、例えば下記特許文献１に記載されているようにフォーカスレンズを移動して、撮像素子からの出力の高周波成分が最大となる位置を求めることによって合焦点を求める、いわゆる「山登り方式」と称される手法がある。この山登り方式では、撮像素子から供給される信号に対して、ＨＰＦ（High Pass Filter）やＢＰＦ(Band Pass Filter)などを利用して周波数の高い帯域の信号レベルを１フィールドあるいは１フレーム単位で積分処理してフォーカス用の評価値を求め、フォーカスレンズを至近から無限遠まで移動させる。フォーカス用の評価値が最大となる位置を求めて、その位置にフォーカスレンズを持っていくことで、オートフォーカス機能を実現する。

特許２９６６４５８号公報

撮像装置における撮像素子からの出力信号は、縦横２次元のエリアをまず水平（横）方向に走査して順次、垂直（縦）方向に走査していくことによって、時間軸方向に１次元の信号に変換されたものである。即ち、出力信号の周波数成分の高低は最初の走査方向である水平方向に対して、濃淡がどの程度細かいかまたは粗いかを示すものになる。

このため、水平方向に濃淡の区別がある被写体（例えば縦線）に対しては容易に合焦点が検出できるのに対して、垂直方向に濃淡の区別があっても水平方向に濃淡の差がない被写体（例えば横線）に対しては、周波数成分が平坦となりフォーカス評価値の差が得られず合焦点が見つけられないという問題点があった。

上述した問題点を解決する方法として、例えば横縞状の映像信号に対する垂直方向への走査を、ライン方向に遅延素子を用いて適当なタップ数を設定したフィルタによって実現する方法がある。しかしながら１ラインを跨いで処理を行うフィルタの回路規模が大きくなり、消費電力も大きくなるという問題があった。また、フィルタの特性が異なるため、水平方向のフィルタおよび垂直方向のフィルタのそれぞれから得られるフォーカス評価値を比較できないという問題があった。

従って、この発明の目的は、水平方向に濃淡の差がない被写体に対しても合焦点を検出できる撮像装置、オートフォーカス装置並びにオートフォーカス方法を提供することにある。

上述した課題を解決するために、この発明による撮像装置は、映像信号に含まれる所定の帯域の周波数を通過させた信号を評価値とし、評価値に基づいてフォーカスレンズ位置を制御するオートフォーカス装置を備えた撮像装置において、フォーカスレンズを介して入射した被写体情報を映像信号に変換し第１の映像信号を得、第１の映像信号を所定の角度回転させた第２の映像信号を得る手段と、第１および第２の映像信号の所定の帯域の周波数を検出し、それぞれの評価値を得る手段とを備える撮像装置である。

この発明によるオートフォーカス装置は、映像信号に含まれる所定の帯域の周波数を通過させた信号を評価値とし、評価値に基づいてフォーカスレンズ位置を制御するオートフォーカス装置において、フォーカスレンズを介して入射した被写体情報を映像信号に変換し第１の映像信号を得、第１の映像信号を所定の角度回転させた第２の映像信号を得る手段と、第１および第２の映像信号の所定の帯域の周波数を検出し、それぞれの評価値を得る手段とを備えるオートフォーカス装置である。

この発明によるオートフォーカス方法は、映像信号に含まれる所定の帯域の周波数を通過させた信号を評価値とし、評価値に基づいてフォーカスレンズ位置を制御するオートフォーカス方法において、フォーカスレンズを介して入射した被写体情報を映像信号に変換し第１の映像信号を得、第１の映像信号を所定の角度回転させた第２の映像信号を得るステップと、第１および第２の映像信号の所定の帯域の周波数を検出し、それぞれの評価値を得るステップを含むオートフォーカス方法である。

この発明によれば、水平方向に濃淡の差がない被写体に対しても垂直方向に濃淡の差があれば被写体の合焦が可能となる。

この発明によれば、撮像素子からの出力信号からフォーカス評価値を得る関数は水平方向と同等な関数で実現できる効果を得る。さらに同等な関数で扱えるために水平と垂直のフォーカス評価値の最大値を得られるレンズ位置が異なった場合に、その最大となる評価値を比較して値の大きいほうを合焦点とすることが可能となる。

この発明によれば、オートフォーカスの検波領域を画面全体でなく一部に制限するときに回路規模が小さく消費電力が少なくなる効果を得る。

以下、図面を参照しながらこの発明の一実施形態について説明する。この一実施形態では、撮像装置をデジタルビデオカメラとして説明するが、他の撮像装置、例えばデジタルスチルカメラやカムコーダ（camcoder：camera and recorderを略した用語）にもこの発明を適用することができる。

図１はこの発明の一実施形態におけるデジタルビデオカメラの信号処理系の構成を示すブロック図である。図１のブロック図ではこの発明の特徴に関わる構成を詳細に示し、他の構成については適宜、簡略化して示す。参照符号１はフォーカスレンズ１ａを含むレンズ装置を示す。図示は省略するが、レンズ装置１にはフォーカスレンズ１ａ以外に、例えばズームレンズや補正レンズが備えられる。レンズ装置１を介して入射した被写体光は、撮像素子２により電気的な信号へと変換される。撮像素子２は、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージャなどである。

参照符号３は、撮像素子２からの出力信号を適切な映像信号にして出力するための信号処理ブロックである。信号処理ブロック３は、例えば増幅器３ａ、Ａ／Ｄコンバータ３ｂ、カメラ信号処理回路３ｃからなる。

撮像素子２からのアナログ出力信号は増幅器３ａで適切な大きさの信号量に増幅される。増幅器３ａから出力された映像信号は、Ａ／Ｄコンバータ３ｂにおいてデジタル信号に変換された後にカメラ信号処理回路３ｃに供給される。

カメラ信号処理回路３ｃでは、供給される信号に対し、種々の信号処理が行われる。例えば、供給される信号が原色信号（ＲＧＢ）であり、映像出力部７からの出力信号が輝度信号および色差信号であるときには信号を変換する処理がなされる。尚、カメラ信号処理回路３ｃに供給される信号は、撮像素子２に用いられるフィルタの種類、例えば原色フィルタや補色フィルタ若しくは３ＣＣＤなどの構成により規定される。

また、カメラ信号処理回路３ｃでは、自動利得制御処理（ＡＧＣ（Automatic Gain Control））、輪郭補正（アパーチャ補正）、色再現補正などの処理や、例えばＣＲＴ（Cathode Ray Tube）やパーソナルコンピュータなどの出力装置の持つ入力電圧と発光出力の非直線性をカメラ側で補正するガンマ（γ）補正などの処理がなされる。また、撮像素子２に入る光を最適条件にするために露光量の制御をするＡＥ（Auto Exposure）の処理などもなされる。以上説明した処理は、カメラ信号処理回路３ｃにおける処理の一例であり、上述した処理に限定されることはない。

参照符号４は映像信号からフォーカス評価値を生成する検波ブロックである。Ａ／Ｄコンバータ３ｂから出力される映像信号は、メモリ制御部４ａに供給される。メモリ制御部４ａでは、供給された映像信号をメモリ４ｂに書き込み記録する処理がなされる。また、メモリ制御部４ａは、メモリ４ｂに記録された映像を９０度回転した映像信号（第２の映像信号）を読み出す。メモリ４ａにより読み出された９０度回転した映像信号は、ＨＰＦ４ｄにより各画素毎の高周波成分が検出され、検出された高周波成分が積分回路４ｆに供給される。積分回路４ｆでは、各画素の高周波成分が積算されてフォーカス評価値が算出される。算出されたフォーカス評価値がマイクロコンピュータ（以下、適宜、マイコンと称する）５に供給される。

Ａ／Ｄコンバータ３ｂから出力される映像信号（第１の映像信号）は、ＨＰＦ４ｃに対しても供給される。ＨＰＦ４ｃに供給された映像信号は、高周波成分が検出され、積分回路４ｅに供給される。積分回路４ｅにおいて積分処理がなされフォーカス評価値が算出され、マイコン５に供給される。積分回路４ｅから出力されるフォーカス評価値は、映像信号を水平方向に評価した値であり、積分回路４ｆから出力されるフォーカス評価値は、映像信号を垂直方向に評価した値となる。

メモリ４ｂを用いて映像信号を９０度回転させることにより、ＨＰＦ４ｃおよびＨＰＦ４ｄはそれぞれ水平方向のフィルタを用いることができる。また、それぞれのフィルタの特性を同じにすることにより、各フィルタからの出力を基に算出されるフォーカス評価値を比較することができる。

マイコン５は、積分回路４ｅおよび積分回路４ｆのそれぞれから供給されるフォーカス評価値の絶対値を比較し、絶対値の大きい方を合焦点としフォーカス位置を決定する。マイコン５は、決定したフォーカス位置に関する指示信号をモータドライバ６に送出する。モータドライバ６は、マイコン５からの指示信号に基づいて、フォーカスレンズの位置を駆動および制御する。

モータドライバ６は、ステッピングモータやリニアモータなどである。映像信号の各フレームでフォーカスレンズの位置を固定し、１フレーム毎にフォーカスレンズの位置を至近から無限遠まで順次移動させ、それぞれのレンズ位置に対する撮像している被写体とフォーカス評価値の関係を求める。

図２は、フォーカス評価値とフォーカスレンズ位置の関係を示す。図２に示す例では、積分回路４ｅから出力されるフォーカス評価値と積分回路４ｆから出力されるフォーカス評価値のそれぞれの最大値が一致している。マイコン５によりフォーカス評価値が最大となる位置にフォーカスレンズの位置が制御され、被写体に対し合焦させることができる。また、それぞれのフォーカス評価値の最大値が一致しないときは、絶対値の大きい方を優先する。即ち、絶対値の大きい山を検出し、その山を用いてフォーカスレンズ位置を制御することになる。

従って、例えば水平方向に濃淡の差がない映像信号では、積分回路４ｅの出力による山はほとんど出ないため、積分回路４ｆの出力による山を用いてフォーカスレンズの位置が決められる。

図３Ａは、撮像素子２からの出力信号や検波器４への入力信号での走査の方向を示す。通常は、例えば「Ａ」という文字を含む映像信号は、水平方向に走査される。メモリ制御部４ａによりメモリ４ｂから「Ａ」という文字の映像信号を読み出すときは、図３Ｂに示すように映像信号が９０度回転されてから読み出される。この場合の９０度回転する方向は、時計回りか反時計回りかは問わない。

図４は、撮像素子２の出力信号および検波器４への入力信号と検波器４内のメモリ４ｂのリードおよびライトの時間関係を示したのものである。メモリ４ｂへの書き込み処理と読み出し処理は同時に行うことができないため、メモリ４ｂに撮像素子からの出力信号の１フレーム分を書き込んでから読み出しを行う必要がある。

例えば、図４Ａに示す方法ではメモリ４ｂへの映像信号の書き込みと読み出しの処理を１フレームおきに行う。また、図４Ｂに示す方法では、１フレームの映像信号をメモリ４ｂに書き込み、次のフレームを読み出すまでの期間（垂直ブランキング期間）にメモリから映像信号を読み出す処理を行う。この方法は、図４Ａに比べ、高速に処理を行うことができるメモリが必要であるが、メモリの量を大きくせず、また全てのフレームを使用することができる。

図４Ｃに示す方法は、２バンク方式などと称される方法である。この方法では、メモリ１およびメモリ２を設け、それぞれのメモリを２フレーム分の容量として書き込みおよび読み出しを交互に行う。積分回路４ｅから出力される水平方向のフォーカス評価値と積分回路４ｆから出力される垂直方向のフォーカス評価値は、図４Ａの方法では１フレームずれると共に検出フレームの数が１／２となるが、ともに垂直方向のフォーカス評価値がない場合よりも正確な合焦点の検出は容易となる。尚、上述した方法は一例であり、他の方法を用いて書き込みおよび読み出しの処理を行っても良い。また、この一実施形態では、ノンインターレース走査による信号を用いて説明したが、インターレース走査による場合は、１フィールド単位の信号で処理がなされる。

次に、図５を用いてこの発明の第２の実施形態について説明する。図５の構成では、Ａ／Ｄコンバータ３ｂと検波ブロック４の間に有効領域選択回路８が設けられる。ディジタルカメラ等でオートフォーカスを行う際に、例えば図６に示すように画面の一部の領域のみを検波信号として有効とし、オートフォーカスの合焦性能を改善する手法がある。有効領域選択回路８では、検波信号として有効にする領域が決定される。有効領域選択回路８を設け、オートフォーカスの検波領域を画面全体ではなく一部に設定することにより回路規模が小さくなり、消費電力が少なくなる。

この発明は、この発明の要旨を逸脱しない範囲内でさまざまな変形や応用が可能であり、上述した一実施形態に限定されることはない。例えば、ＨＰＦ４ｃおよびＨＰＦ４ｄにはＢＰＦ（Band Pass Filter）や微分回路の構成としてもよい。

また、ディジタルカメラなどに備えられる液晶パネルに複数の測距枠が表示され、各測距枠毎のフォーカス評価値を得たい場合は、ＨＰＦをパラレルに設け、それぞれのフォーカス評価値を得ることができる構成としてもよい。

この発明の一実施形態におけるデジタルビデオカメラのブロック図である。 フォーカス評価値とフォーカスレンズ位置の関係を示す略線図である。 この発明の一実施形態における映像信号の走査方向とメモリ制御部における読出方向を示す略線図である。 検波器ブロックにおけるメモリへの書き込みおよび読み出しの時間関係を示す略線図である。 この発明の一実施形態におけるデジタルビデオカメラの他の例を示すブロック図である。 オートフォーカス検波有効領域を設定したときの画面の一例を示す略線図である。

符号の説明

２ 撮像素子
３ 信号処理ブロック
４ｂ メモリ
４ｃ、４ｄ ＨＰＦ
５ マイコン

Claims (18)

1. 映像信号に含まれる所定の帯域の周波数を通過させた信号を評価値とし、上記評価値に基づいてフォーカスレンズ位置を制御するオートフォーカス装置を備えた撮像装置において、
   フォーカスレンズを介して入射した被写体情報を映像信号に変換し第１の映像信号を得、上記第１の映像信号を所定の角度回転させた第２の映像信号を得る手段と、
   上記第１および第２の映像信号の所定の帯域の周波数を検出し、それぞれの評価値を得る手段とを備える撮像装置。
2. さらに、上記それぞれの評価値の絶対値を比較し、絶対値の大きい評価値をもとにフォーカスレンズ位置を制御し合焦点を決定する手段を備える請求項１に記載の撮像装置。
3. 上記第２の映像信号は、上記第１の映像信号を９０度回転させた映像信号である請求項１に記載の撮像装置。
4. 上記第２の映像信号は、上記第１の映像信号を９０度回転させた映像信号である請求項２に記載の撮像装置。
5. さらに、上記第１の映像信号の特定の領域を有効にする手段を備える請求項１に記載の撮像装置。
6. 上記第１および第２の映像信号の所定の帯域の周波数を検出するフィルタがそれぞれ設けられ、上記フィルタの特性が同一とされた請求項１に記載の撮像装置。
7. 映像信号に含まれる所定の帯域の周波数を通過させた信号を評価値とし、上記評価値に基づいてフォーカスレンズ位置を制御するオートフォーカス装置において、
   フォーカスレンズを介して入射した被写体情報を映像信号に変換し第１の映像信号を得、上記第１の映像信号を所定の角度回転させた第２の映像信号を得る手段と、
   上記第１および第２の映像信号の所定の帯域の周波数を検出し、それぞれの評価値を得る手段とを備えるオートフォーカス装置。
8. さらに、上記それぞれの評価値の絶対値を比較し、絶対値の大きい評価値をもとにフォーカスレンズ位置を制御し合焦点を決定する手段を備える請求項７に記載のオートフォーカス装置。
9. 上記第２の映像信号は、上記第１の映像信号を９０度回転させた映像信号である請求項７に記載のオートフォーカス装置。
10. 上記第２の映像信号は、上記第１の映像信号を９０度回転させた映像信号である請求項８に記載のオートフォーカス装置。
11. さらに、上記第１の映像信号の特定の領域を有効にする手段を備える請求項７に記載のオートフォーカス装置。
12. 上記第１および第２の映像信号の所定の帯域の周波数を検出するフィルタがそれぞれ設けられ、上記フィルタの特性が同一とされた請求項７に記載のオートフォーカス装置。
13. 映像信号に含まれる所定の帯域の周波数を通過させた信号を評価値とし、上記評価値に基づいてフォーカスレンズ位置を制御するオートフォーカス方法において、
    フォーカスレンズを介して入射した被写体情報を映像信号に変換し第１の映像信号を得、上記第１の映像信号を所定の角度回転させた第２の映像信号を得るステップと、
    上記第１および第２の映像信号の所定の帯域の周波数を検出し、それぞれの評価値を得るステップを含むオートフォーカス方法。
14. さらに、上記それぞれの評価値の絶対値を比較し、絶対値の大きい評価値をもとにフォーカスレンズ位置を制御し合焦点を決定するステップを含む請求項１３に記載のオートフォーカス方法。
15. 上記第２の映像信号は、上記第１の映像信号を９０度回転させた映像信号である請求項１３に記載のオートフォーカス方法。
16. 上記第２の映像信号は、上記第１の映像信号を９０度回転させた映像信号である請求項１４に記載のオートフォーカス方法。
17. さらに、上記第１の映像信号の特定の領域を有効にするステップを含む請求項１３に記載のオートフォーカス方法。
18. 上記第１および第２の映像信号の所定の帯域の周波数を検出するフィルタがそれぞれ設けられ、上記フィルタの特性が同一とされた請求項１３に記載のオートフォーカス方法。

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