JP2006317780A - オートフォーカス装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学的に行う手ぶれ補正機構を利用して撮影レンズによる焦点調節状態を検出するオートフォーカス装置の検出精度を高める。
【解決手段】カメラ本体１の全体制御部１５は、撮影レンズ２３の絞り２３を最小径まで絞り込んでから焦点調節状態を検出する。被写界深度を深くすることによって撮像部１１の撮像面が被写界深度内に位置する可能性が高まり、像ズレ量検出用画像のコントラストが高まる。これにより、撮像面が被写界深度外に位置する場合に比べて大きな相関評価値を得ることが可能になり、像ズレ量の算出精度が高まることから主要被写体までの距離の算出精度も向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮影レンズの焦点調節状態を検出するオートフォーカス装置に関する。

光学的に行う手ぶれ補正機構を利用して撮影レンズによる焦点調節状態を検出するオートフォーカス装置が知られている（特許文献１参照）。特許文献１によれば、撮影レンズにおいて、その光軸に直交する面内で移動可能に構成された手ぶれ補正用レンズが含まれている。オートフォーカス装置は、上記手ぶれ補正用レンズが光軸に対して対称な２つの位置へ移動されている状態でそれぞれ撮像された２つの被写体像間の像ズレ量（相対間隔）に基づいて、撮影レンズによる焦点調節状態を検出する。

特開２００２−２９６４９１号公報

特許文献１には、像ズレ量の検出精度を向上させることに関して何も開示されていない。

本発明によるオートフォーカス装置は、結像光学系の光軸と直交する面内で移動可能なシフト光学系を通過した被写体光束による像を撮像する撮像手段と、シフト光学系が異なる位置に駆動されている状態のそれぞれにおいて撮像手段によって撮像された一対の像の相対間隔に基づいて、撮影光学系の焦点調節状態を求める焦点検出手段と、焦点調節状態の検出を開始させる指示に応じて、被写体光束の開口絞りを制限する絞り制御手段とを備えることを特徴とする。
請求項１に記載のオートフォーカス装置において、絞り制御手段は、開口絞りを最小径まで絞るようにしてもよい。
請求項１に記載のオートフォーカス装置において、絞り制御手段は、開口絞りを、シャッター秒時が手ぶれ限界秒時の場合に対応する絞り値まで絞るようにしてもよい。
請求項２または３に記載のオートフォーカス装置はさらに、絞り制御手段によって制御された絞り値に応じて撮像手段の撮像感度を上げる感度制御手段を備えてもよい。

本発明によるオートフォーカス装置では、相対間隔を検出するための一対の像のコントラストが高まるので、焦点調節状態の検出精度が向上する。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は、本発明の一実施の形態によるオートフォーカス（ＡＦ）装置を備えるカメラの外観図であり、図１(a)はカメラの前面を含む斜視図、図１(b)はカメラの背面を含む斜視図である。図１(a)において、カメラ本体１に撮影レンズ２が装着されている。図１(b)において、カメラ本体１に表示部１３が配設されている。カメラ本体１の上面には、レリーズボタン１６１が配設されている。

図２は、カメラ本体１および撮影レンズ２の要部構成を説明する図である。撮影レンズ２は、ズームレンズ２１と、シフトレンズ２２と、絞り２３と、フォーカスレンズ２４とを含む。

ズームレンズ２１は不図示のレンズ駆動機構によって光軸Ａｘ方向に進退駆動され、撮影レンズ２による焦点距離を調節する。シフトレンズ２２は不図示のレンズ駆動機構によって光軸Ａｘと直交する面内の所定方向に進退駆動され、撮影レンズ２が後述の撮像部１１上に結像する被写体像の位置を変更する。絞り２３は不図示の絞り駆動機構によって駆動され、光軸を中心とする開口の絞り径を調節する。フォーカスレンズ２４は不図示のレンズ駆動機構によって光軸Ａｘ方向に進退駆動され、撮影レンズ２による焦点位置を調節する。レンズ駆動機構は、カメラ本体１から送出されるレンズ制御信号に対応するレンズ２１、２２、２４をそれぞれ駆動する。絞り駆動機構は、カメラ本体１から送出される絞り制御信号に応じて絞り２３を駆動する。

カメラ本体１には、撮像部１１と、信号処理部１２と、表示部１３と、レンズ制御部１４と、全体制御部１５と、操作部材１６と、記録部１７とが含まれる。

撮像部１１は、画素に対応する複数の光電変換素子を備えた撮像素子によって構成され、撮影レンズ２によって撮像面上に結像された被写体像を撮像し、画素ごとの光電変換信号を出力する。信号処理部１２は撮像部１１から光電変換信号を読み出し、アナログ信号である光電変換信号をディジタル信号に変換して所定の信号処理を施す。信号処理後の画像データは表示用データとして表示部１３へ出力されるとともに、圧縮された画像データは保存用データとして全体制御部１５へ出力される。信号処理部１２はさらに、撮像部１１から光電変換信号を間引き読み出ししたり、撮像部１１の撮像面上の任意の領域についての光電変換信号を選択読み出しすることも可能に構成されている。

表示部１３は液晶表示器などによって構成され、信号処理部１２から出力される表示用データによる再生画像を表示する。レンズ制御部１４は、全体制御部１５から送出される指令に応じてレンズ制御信号および絞り制御信号を撮影レンズ２へ送出する。

全体制御部１５は、操作部材１６から入力される各操作信号に応じてカメラ本体１の各ブロックに対する制御信号や指令などを送出する。操作部材１６はレリーズボタン１６１や不図示のズームスイッチなどを含み、各スイッチ操作に対応する操作信号を全体制御部１５へ送出する。なお、レリーズボタン１６１が半押し操作されると、不図示のＡＦ開始スイッチがオンし、レリーズボタン１６１がさらに全押し操作されると、不図示のレリーズスイッチがオンするように構成されている。ＡＦ開始スイッチは、カメラに焦点調節状態の検出を開始させるための操作部材であり、レリーズスイッチは、カメラに撮影動作を開始させるための操作部材である。

記録部１７は挿抜可能に構成されている不図示の記録媒体（メモリカードなど）がカメラ本体１に装着されている状態で、信号処理部１２から送出された保存用データを記録媒体に記録する。なお、記録部１７は記録媒体に記録されているデータを読み出し、読み出しデータを全体制御部１５へ出力することも可能に構成されている。

図３は、全体制御部１５によって実行される焦点調節処理の流れを説明するフローチャートである。図３による処理は、レリーズボタン１６１の半押し操作に連動してＡＦ開始スイッチ（不図示）からのオン操作信号が全体制御部１５へ入力されると起動する。ステップＳ０１において、全体制御部１５は、絞り２３を最小径にするための絞り制御信号を撮影レンズ２へ送出するように、レンズ制御部１４へ指令を送出してステップＳ０２へ進む。これにより、絞り２３が最小径に絞り込まれ、被写体光束が制限される。

ステップＳ０２において、全体制御部１５はレンズ制御部１４へ指令を送出し、シフトレンズ２２を次のように移動させてステップＳ０３へ進む。すなわち、光軸Ａｘと直交する面内であって、撮影画面における水平方向へ＋Ｘ／２移動させる。図４は、シフトレンズ２２の位置と撮像部１１の撮像素子上に結像される主要被写体像の結像位置との関係を説明する図である。ステップＳ０２の処理が実行されることにより、図４においてシフトレンズ２２が符号２２ａで示す位置へ移動し、撮像素子上の位置Ａ'へ被写体像が水平方向に移動する。なお、撮影レンズ２を構成するシフトレンズ２２以外のレンズについての図示は省略している。

ステップＳ０３において、全体制御部１５は信号処理部１２へ指令を送出し、撮像部１１から第一画像情報を取り込ませて（読み出す）ステップＳ０４へ進む。これにより、撮像素子の上の位置Ａ'に対応する領域についての光電変換信号が選択的に読み出され、全体制御部１５内の不図示のメモリに格納される。

ステップＳ０４において、全体制御部１５はレンズ制御部１４へ指令を送出し、シフトレンズ２２を次のように移動させてステップＳ０５へ進む。すなわち、光軸Ａｘと直交する面内であって、撮影画面における水平方向へ−Ｘ移動させる。ステップＳ０４の処理が実行されることにより、図４においてシフトレンズ２２が符号２２ｂで示す位置へ移動し、撮像素子上の位置Ａ''へ被写体像が水平方向に移動する。

ステップＳ０５において、全体制御部１５は信号処理部１２へ指令を送出し、撮像部１１から第二画像情報を取り込ませて（読み出す）ステップＳ０６へ進む。これにより、撮像素子の上の位置Ａ''に対応する領域についての光電変換信号が選択的に読み出され、全体制御部１５内の不図示のメモリに格納される。

ステップＳ０６において、全体制御部１５はレンズ制御部１４へ指令を送出し、シフトレンズ２２を次のように移動させてステップＳ０７へ進む。すなわち、光軸Ａｘと直交する面内であって、撮影画面における水平方向へ＋Ｘ／２移動させる。ステップＳ０６の処理が実行されることにより、図４においてシフトレンズ２２が符号２２ｃで示す位置へ移動し、撮像素子上の位置Ｃ（焦点調節処理開始時の位置）へ被写体像が戻る。位置Ａ'、位置Ｃおよび位置Ａ''は、撮像素子上で直線上に並ぶ。

ステップＳ０７において、全体制御部１５は測距演算を実行してステップＳ０８へ進む。具体的には、第一画像情報に対応するデータ列と、第二画像情報に対応するデータ列とを所定データ数Ｌずつずらしながら、両データ列の相関評価値Ｃ［Ｌ］の演算を行う。ここで、相関評価値は一対の像を構成する第一画像および第二画像間の輝度差の絶対値とする。全体制御部１５は、相関評価値Ｃ［Ｌ］の中で極小値を与えるずらし量（ズレ量と呼ぶ）を検出し、このズレ量を第一画像情報および第二画像情報間の像ズレ量（相対間隔）Ｙとする。全体制御部１５は、シフトレンズ２２の移動量Ｘと像ズレ量Ｙとを用いて次式（１）によって主要被写体までの距離Ｄを求める。
Ｄ＝ｆ×Ｘ／(Ｙ−Ｘ) （１）
ただし、ｆは撮影レンズ２の焦点距離である。

図３のステップＳ０８において、全体制御部１５は測距演算が可能であったか否かを判定する。全体制御部１５は、ステップＳ０７の測距演算で算出された相関評価値が所定値未満、もしくは相関評価値の極小値がノイズに埋もれている（ノイズレベルより低い）場合にステップＳ０８を否定判定（エラー有り）してステップＳ１１へ進み、測距演算が正しく終了した場合にはステップＳ０８を肯定判定（エラー無し）してステップＳ２１へ進む。ステップＳ１１へ進む場合は、像ズレ量を検出するために必要なコントラストが被写体像（第一画像情報および第二画像情報）に不足している場合である。

ステップＳ１１において、全体制御部１５はレンズ制御部１４へ指令を送出し、シフトレンズ２２を次のように移動させてステップＳ１２へ進む。すなわち、光軸Ａｘと直交する面内であって、撮影画面における垂直方向へ＋Ｘ／２移動させる。ステップＳ１２の処理が実行されることによってシフトレンズ２２が移動し、撮像素子上の被写体像も垂直方向に移動する。

ステップＳ１２において、全体制御部１５は信号処理部１２へ指令を送出し、撮像部１１から第一画像情報を取り込ませて（読み出す）ステップＳ１３へ進む。これにより、ステップＳ１２後において撮像素子上に結像されている被写体像に対応する光電変換信号が選択的に読み出され、全体制御部１５内の不図示のメモリに格納される。

ステップＳ１３において、全体制御部１５はレンズ制御部１４へ指令を送出し、シフトレンズ２２を次のように移動させてステップＳ１４へ進む。すなわち、光軸Ａｘと直交する面内であって、撮影画面における垂直方向へ−Ｘ移動させる。ステップＳ１３の処理が実行されることによってシフトレンズ２２が移動し、撮像素子上の被写体像も垂直方向に移動する。

ステップＳ１４において、全体制御部１５は信号処理部１２へ指令を送出し、撮像部１１から第二画像情報を取り込ませて（読み出す）ステップＳ１５へ進む。これにより、ステップＳ１４後において撮像素子上に結像されている被写体像に対応する光電変換信号が選択的に読み出され、全体制御部１５内の不図示のメモリに格納される。

ステップＳ１５において、全体制御部１５はレンズ制御部１４へ指令を送出し、シフトレンズ２２を次のように移動させてステップＳ１６へ進む。すなわち、光軸Ａｘと直交する面内であって、撮影画面における垂直方向へ＋Ｘ／２移動させる。ステップＳ１５の処理が実行されることによってシフトレンズ２２が移動し、撮像素子上の被写体像は焦点調節処理開始時の位置へ戻る。

ステップＳ１６において、全体制御部１５は測距演算を実行してステップＳ１７へ進む。演算内容はステップＳ０７の場合と同様である。ステップＳ１７において、全体制御部１５は測距演算が可能であったか否かを判定する。全体制御部１５は、ステップＳ１６の測距演算で算出された相関評価値が所定値未満、もしくは相関評価値の極小値がノイズに埋もれている場合にステップＳ１７を否定判定（エラー有り）してステップＳ２２へ進み、測距演算が正しく終了した場合にはステップＳ１７を肯定判定（エラー無し）してステップＳ２１へ進む。ステップＳ２２へ進む場合は、像ズレ量を検出するために必要なコントラストが被写体像（第一画像情報および第二画像情報）に不足している場合である。

ステップＳ２１において、全体制御部１５はレンズ制御部１４へ指令を送出し、フォーカスレンズ２４を被写体距離Ｄに対応する位置へ移動させてステップＳ２２へ進む。これにより、撮影レンズ２が主要被写体に合焦する。ステップＳ２２において、全体制御部１５は、絞り２３を最大径（開放）にするための絞り制御信号を撮影レンズ２へ送出するように、レンズ制御部１４へ指令を送出してステップＳ２３へ進む。これにより、絞り２３が開放状態に戻る。

ステップＳ２３において、全体制御部１５は、信号処理部１２へスルー画表示を指示してステップＳ２４へ進む。信号処理部１２が撮像部１１からスルー画表示用の光電変換信号を間引き読み出し、所定の信号処理を施した上でスルー画像表示用データとして表示部１３へ出力すると、表示部１３にスルー画像が表示される。スルー画は、撮影指示（レリーズ）前に撮像部１１で繰り返し撮像される（たとえば、１／３０秒ごと）モニタ用の画像である。

ステップＳ２４において、全体制御部１５は、レリーズボタンが押下されたか否かを判定する。全体制御部１５は、レリーズボタン１６１の全押し操作に連動してレリーズスイッチ（不図示）からのオン操作信号が操作部材１６から入力された場合にステップＳ２４を肯定判定してステップＳ２５へ進み、オン操作信号が入力されない場合にはステップＳ２４を否定判定し、ステップＳ２６へ進む。

ステップＳ２５において、全体制御部１５は撮影動作を開始させてステップＳ２６へ進む。これにより、不図示の測光装置によって検出されている被写体輝度を用いて周知の露出演算が行われ、演算された制御露出に応じた制御絞り値および制御シャッター秒時で撮像部１１が露光され、撮像部１１から読み出された信号が信号処理、圧縮処理され、処理後の画像データが記録媒体に記録される。

ステップＳ２６において、全体制御部１５はＡＦ開始操作部材の操作が解除された否かを判定する。全体制御部１５は、ＡＦ開始スイッチ（不図示）からのオン操作信号が入力されていない場合にステップＳ２６を肯定判定して図３による処理を終了する。全体制御部１５は、ＡＦ開始スイッチ（不図示）からのオン操作信号が継続して入力されている場合には、ステップＳ２６を否定判定してステップＳ０１へ戻る。

上述した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。すなわち、絞り２３を最小径まで絞り込んでから（ステップＳ０１）焦点調節状態を検出するようにしたので、撮影レンズ２による被写界深度を深くした状態で焦点調節状態を検出できる。図５は、絞り２３の状態と被写界深度との関係を説明する図である。図５(a)に示すように、絞り２３が開放状態に近づくほど被写界深度が浅くなり、レンズの焦点Ｆの前後でピントが合う範囲５１が狭くなる。図５(b)に示すように、絞り２３が最小径状態に近づくほど被写界深度が深くなり、レンズの焦点Ｆの前後でピントが合う範囲５２が広くなる。

被写体が被写界深度（図５(a)では範囲５１、図５(b)では範囲５２）内に位置する場合、撮像される被写体像（第一画像情報および第二画像情報）のぼけ状態が小さくなり、画像のコントラストが高まる結果、算出される相関評価値が大きくなる。一方、被写体が被写界深度（図５(a)では範囲５１、図５(b)では範囲５２）の外に位置する場合、撮像される被写体像（第一画像情報および第二画像情報）のぼけ状態が大きくなり、画像のコントラストが低下する結果、算出される相関評価値が小さくなる。

以上説明したように、被写界深度を深くすることによって被写体が被写界深度内に位置する可能性が高まり、像ズレ量検出用画像（第一画像情報および第二画像情報）のコントラストが高まる。これにより、被写体が被写界深度外に位置する場合に比べて大きな相関評価値を得ることが可能になり、像ズレ量Ｙの算出精度が高まることから主要被写体までの距離Ｄの算出精度も向上する。

（変形例１）
図３のステップＳ０１において絞り２３を最小径まで絞り込む代わりに、手ぶれ発生のおそれを考慮して絞り値を異ならせてもよい。この場合の全体制御部１５は、レンズ制御部１４からズームレンズ２１の位置情報（すなわち、撮影レンズ２による焦点距離を示す情報）を取得する。全体制御部１５は、取得した焦点距離、不図示の測光装置によって検出されている被写体輝度、および撮像部１１に設定されている撮像感度を用いて露出演算を行い、制御シャッター秒時および制御絞り値を求める。

全体制御部１５は、制御シャッター秒時を実質的に手ぶれが生じない限界秒時(一般的に、１／(撮影レンズ２の焦点距離)）とし、この制御シャッター秒時と組み合わせて適正露出が得られるように制御絞り値を算出する。全体制御部１５はさらに、絞り２３を制御絞り値まで絞るための絞り制御信号を撮影レンズ２へ送出するようにレンズ制御部１４へ指令を送出し、ステップＳ０２へ進む。ステップＳ０２以降の処理は図３と同様である。これにより、絞り２３が制御絞り値まで絞り込まれ、被写体光束が制限される。

上記変形例１によれば、いわゆる手ぶれ限界とされるシャッター秒時（焦点距離６０mmの場合を例にすれば１／６０秒）と組み合わせて適正露出が得られるように絞り２３の絞り込み量を制限したので、焦点調節時の被写界深度を深めつつ、手ぶれに起因する像ぶれが像ズレ量検出用画像に生じることが抑えられる。この結果、像ズレ量検出用画像のコントラストが低下することが抑えられ、主要被写体までの距離Ｄの算出精度の低下が防止できる。

（変形例２）
図３のステップＳ０３、Ｓ０５、Ｓ１２およびＳ１４のそれぞれにおいて、撮像部１１の撮像感度を撮影時の感度に比べて高く変化させてもよい。この場合の全体制御部１５は、信号処理部１２へ指令を送出して撮像部１１における撮像素子の感度を上げさせる。撮像感度は、取得した焦点距離と、検出されている被写体輝度と、感度アップ後の撮像感度と、絞り２３の最小径の絞り値と、実質的に手ぶれが生じない限界秒時(一般的に、１／(撮影レンズ２の焦点距離))とを用いた演算で適正露出が得られるように決定する。

上記変形例２によれば、絞り２３を最小径まで絞っても手ぶれが生じないように撮像部１１の撮像感度を上げるので、焦点調節時の被写界深度を最大限に深めつつ、手ぶれに起因する像ぶれが像ズレ量検出用画像に生じることが抑えられる。この結果、像ズレ量検出用画像のコントラストが低下することが抑えられ、主要被写体までの距離Ｄの算出精度の低下が防止できる。

撮像感度を上げる場合の感度アップ量について、取得した焦点距離、検出されている被写体輝度、感度アップ後の撮像感度、絞り２３の絞り値、および実質的に手ぶれが生じない限界秒時(およそ１／(撮影レンズ２の焦点距離))で適正露出が得られるように決定してもよい。つまり、絞り２３を最小径まで絞らない場合は、絞り２３の絞り値に応じて撮像感度を高めるようにする。

上述した説明では、図３のステップＳ２３において表示部１３にスルー画像を表示させるようにしたが、ステップＳ０６の後（ステップＳ０７の前、もしくはステップＳ０７と並行）、およびステップＳ１５の後（ステップＳ１６の前、もしくはステップＳ１６と並行）においても、それぞれスルー画像を表示させるようにしてもよい。これにより、スルー画像の表示間隔（更新間隔）を短くすることができるので、被写体が動いている場合には、スルー画像によって被写体の動きを滑らかに表現できる。

また、図３のステップＳ０６の後およびステップＳ１５の後において、それぞれ撮像部１１から読み出される２つのスルー画表示用の光電変換信号を合成（たとえば、足し合わせ合成）し、合成後のデータをスルー画像表示用データとして表示部１３へ出力してもよい。この場合には、光電変換信号を合成しない場合に比べて、撮像部１１の撮像素子の感度を上げる場合の感度アップ量を少なくすることができる。

以上の説明では、撮影用の撮像素子と像ズレ量検出用画像を得る撮像素子とを兼用する電子カメラを例に説明したが、撮影用の撮像素子と像ズレ量検出用画像を得る撮像素子とを別個に設けるように構成してもよい。

(a)はカメラの前面を含む斜視図であり、(b)はカメラの背面を含む斜視図である。 カメラ本体および撮影レンズの要部構成を説明する図である。 焦点調節処理の流れを説明するフローチャートである。 シフトレンズの位置と主要被写体像の結像位置との関係を説明する図である。 絞りの状態と被写界深度との関係を説明する図であり、(a)は開放状態を説明する図、(b)は最小径状態を説明する図である。

符号の説明

１…カメラ本体
２…撮影レンズ
１１…撮像部
１２…信号処理部
１３…表示部
１４…レンズ制御部
１５…全体制御部
１６…操作部材
２１…ズームレンズ
２２…シフトレンズ
２３…絞り
２４…フォーカスレンズ
Ｄ…主要被写体までの距離
Ｆ…焦点
ｆ…焦点距離
Ｘ…シフトレンズ移動量
Ｙ…像ズレ量

Claims (4)

1. 結像光学系の光軸と直交する面内で移動可能なシフト光学系を通過した被写体光束による像を撮像する撮像手段と、
   前記シフト光学系が異なる位置に駆動されている状態のそれぞれにおいて前記撮像手段によって撮像された一対の像の相対間隔に基づいて、撮影光学系の焦点調節状態を求める焦点検出手段と、
   前記焦点調節状態の検出を開始させる指示に応じて、前記被写体光束の開口絞りを制限する絞り制御手段とを備えることを特徴とするオートフォーカス装置。
2. 請求項１に記載のオートフォーカス装置において、
   前記絞り制御手段は、前記開口絞りを最小径まで絞ることを特徴とするオートフォーカス装置。
3. 請求項１に記載のオートフォーカス装置において、
   前記絞り制御手段は、前記開口絞りを、シャッター秒時が手ぶれ限界秒時の場合に対応する絞り値まで絞ることを特徴とするオートフォーカス装置。
4. 請求項２または３に記載のオートフォーカス装置において、
   前記絞り制御手段によって制御された絞り値に応じて前記撮像手段の撮像感度を上げる感度制御手段をさらに備えることを特徴とするオートフォーカス装置。

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