JP2007140314A - デジタルカメラ用自動合焦装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】被写体が暗く遠方にある場合でもオートフォーカスの可能なデジタルカメラ用の自動合焦装置を提供する。
【解決手段】距離センサ6は、被写体に光スポットを投光する発光素子8を備えた投光部と、被写体から反射した光スポットを受光しその受光位置に応じて測距データを出力する受光素子9を備えた受光部とを含む。受光素子9は、光スポットを受光するために二分割された一対の受光面を有する二分割SPD素子からなる。一対の受光面を互いに隔てる分割線が、近距離側に対応する位置から離れて遠距離側に対応する位置に配されている。制御部7は、SPD素子から出力された測距データに基づいてモータ1を制御し、レンズ4を合焦位置にセットする。
【選択図】図1
【解決手段】距離センサ6は、被写体に光スポットを投光する発光素子8を備えた投光部と、被写体から反射した光スポットを受光しその受光位置に応じて測距データを出力する受光素子9を備えた受光部とを含む。受光素子9は、光スポットを受光するために二分割された一対の受光面を有する二分割SPD素子からなる。一対の受光面を互いに隔てる分割線が、近距離側に対応する位置から離れて遠距離側に対応する位置に配されている。制御部7は、SPD素子から出力された測距データに基づいてモータ1を制御し、レンズ4を合焦位置にセットする。
【選択図】図1
Description
本発明はデジタルカメラ用自動合焦装置に関する。より詳しくは、輝度が低く且つ遠方に位置する被写体に対する自動合焦(オートフォーカス)を実現するデジタルカメラ用のオートフォーカス技術に関する。
従来から電子カメラ(デジタルカメラ)のオートフォーカスを行うため、複数のオートフォーカス方式を組み合わせたハイブリッド技術が開発されており、例えば特許文献1に記載がある。
特開2002−311328
特許文献1に開示されたハイブリッドオートフォーカス技術は、位相差式オートフォーカスとコントラスト検知式オートフォーカスを組み合わせている。位相差式オートフォーカスは通常パッシブ型の距離センサを用いて被写体までの距離を測定し、その結果に基づいて撮影用のレンズの焦点合わせを行う。パッシブ方式の距離センサは、被写体で反射した外光を受光素子で検出し、三角測距の原理に基づいて被写体までの距離を求める。一方コントラスト検知式オートフォーカスは、中央処理装置(CPU)がCCD撮像素子で検出された被写体画像のコントラストを解析して、合焦点を割り出すものである。いずれの方式も、被写体から入射する光を受光して距離を求めており、被写体自身の輝度が低い場合には正確な測距が困難になる。加えて被写体が遠方に位置する場合、カメラ側に到達する光量が一層低くなるので、正確な測距は極めて困難である。この様に、従来のデジタルカメラは、被写体が暗く且つ遠方に位置する場合、オートフォーカスが事実上困難であるという解決すべき課題がある。
上述した従来の技術の課題に鑑み、本発明は被写体が暗く遠方にある場合でもオートフォーカスの可能なデジタルカメラ用の自動合焦装置を提供することを目的とする。かかる目的を達成するために以下の手段を講じた。即ち本発明は、被写体を撮像素子に結像するレンズをその光軸方向に移動するための駆動部と、近距離から遠距離にわたって任意の位置にある被写体までの距離を測定しその結果を表す測距データを出力する距離センサと、該測距データに基づいて前記駆動部を制御し、前記レンズを合焦位置にセットするための制御部とからなるデジタルカメラ用自動合焦装置であって、前記距離センサは、被写体に光スポットを投光する発光素子を備えた投光部と、被写体から反射した光スポットを受光し、その受光位置に応じて測距データの元になる電気信号を出力する受光素子を備えた受光部とを含み、前記受光素子は、光スポットを受光するために二分割された一対の受光面を有する二分割SPD素子からなり、前記一対の受光面が夫々分割的に受光する光スポットの受光量に応じて受光位置を表す一対の電気信号を出力し、前記一対の受光面を互いに隔てる分割線が、近距離側に対応する位置から離れて遠距離側に対応する位置に配されていることを特徴とする。
一態様では、前記制御部は、前記距離センサを制御し予備的な測距を行って概略の測距データを求めるとともに、前記撮像素子から出力される被写体の画像データに基づいて被写体の輝度を表す輝度データを求め、該概略の測距データ及び輝度データに基づいて、被写体があらかじめ設定された距離より遠い遠距離側で且つ、被写体の輝度があらかじめ設定された輝度より暗いと判断した場合、前記投光部の発光素子を制御して、光スポットの発光回数を増やして本測距を行う。他の態様では、前記制御部は、前記距離センサを制御し予備的な測距を行って、概略の測距データを求めるとともに、前記撮像素子から出力される被写体の画像データに基づいて被写体の輝度を表す輝度データを求め、該概略の測距データ及び輝度データに基づいて、被写体があらかじめ設定された距離より近い近距離側で且つ、被写体の輝度があらかじめ設定された輝度より暗いと判断した場合、デジタルカメラに組み込まれている絞り機構を強制的に小絞りに設定し、被写界深度を深くして近距離側における距離センサの測定誤差を吸収する。別の態様では、前記制御部は、前記距離センサを制御し予備的な測距を行って概略の測距データを求めるとともに、前記撮像素子から出力される被写体の画像データに基づいて被写体の輝度を表す輝度データを求め、該輝度データに基づいて、被写体の輝度があらかじめ設定された輝度より明るいと判断した場合、前記投光部の発光素子を制御して、光スポットの発光回数を減らし且つ発光周期も長くして本測距を行い、以って距離の測定に要する消費電流を減らす。この場合、前記制御部は、前記撮像素子から出力される被写体の画像データを逐次処理して、その結果から合焦点を検出し、該本測距で得られた測距データに基づいて前記駆動部を制御し前記レンズを該測距データが表す被写体距離に対応した位置まで送り、更に該合焦点が検出された位置で前記レンズを停止する。
本発明によれば、デジタルカメラ用自動合焦装置は、オートフォーカスに用いる距離センサとして、いわゆるアクティブ方式の距離センサを用いている。このアクティブ型距離センサは、受光部に加え被写体に積極的に光スポットを投光する投光部を備えている。特徴事項として、受光部は被写体から反射した光スポットを受光するために二分割された一対の受光面を有する二分割SPD素子を用いている。このSPD素子は一対の受光面を互いに隔てる分割線が、近距離側に対応する位置から離れて遠距離側に対応する位置に配されている。一般に二分割SPD素子は通常用いられるPSD素子に比べ測距レンジが取れないが、特に精度が良くなる受光量一対一の距離を遠点側に設定することにより、遠側の測距精度が向上する。これにより、遠距離にある被写体の距離を精度よく測距することができる。アクティブ方式なので、被写体が暗くても光スポットを投光することで十分な受光量が得られる。特に被写体が暗い場合には発光周期や発光デューティを調整することにより、短時間で光スポットの投光を繰り返し、精度を上げることが可能である。発光回数を増やすと消費電流が増大するが、トータルの測距時間が短くなる上、CCDを用いた測距は行わないので、この分の消費電力が抑えられる。
但しSPD素子の最も精度が出る受光量一対一の領域を遠側に設定している為、逆に近側の測距精度が低くなる。この点に対応するため、本発明では被写体が低輝度のとき、強制的に機械的な絞りをかけて、被写界深度を深くしている。この様にすれば、ストロボ光量を絞り値に合わせて大きくし、測距に誤差があっても写真としてはぼけない様にすることが出来る。被写体が明るい時は、光スポットの投光回数を少なくし、その分消費電力を減らす。この様にすると多少測距精度が落ちるが、この分をCCDのコントラスト検出を利用したオートフォーカスで補う。以下この明細書ではCCDのコントラスト検出を利用したオートフォーカスをCCDAFと呼ぶ場合がある。
以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図1は本発明にかかるデジタルカメラ用自動合焦装置の全体的な構成を示すブロック図である。図示する様に、本自動合焦装置は、基本的な構成として駆動部と距離センサと制御部とを備えている。駆動部はモータ1とこれを駆動するドライバ2とからなり、被写体(図示せず)をCCD(撮像素子)3に結像するレンズ4をその光軸方向に移動する。なおモータ1はレンズ4に加えデジタルカメラのシャッタ5を駆動するモータも含んでいる。
距離センサ6はICチップに実装されており、近距離から遠距離にわたって任意の位置にある被写体までの距離を測定しその結果を表す測距データを出力する。制御部はDSP(デジタル信号処理器)7からなり、測距センサ6から供給される測距データに基づいてドライバ2を制御し、モータ1を駆動してレンズ4を合焦位置にセットする。
特徴事項として距離センサ6は、被写体に光スポットを投光する発光素子8を備えた投光部と、被写体から反射した光スポットを受光し、その受光位置に応じて測距データの基になる電気信号を出力する受光素子9を備えた受光部とを含んでいる。本実施形態では発光素子8は赤外線発光ダイオードIRDからなる。一方受光素子9は、光スポットを受光するために二分割された一対の受光面を有する二分割SPD素子からなる。この二分割CPD素子は、一対の受光面がそれぞれ分割的に受光する光スポットの受光量に応じて受光位置を表す一対の電気信号を出力する。本発明の特徴事項として、一対の受光面を互いに隔てる分割点が、近距離側に対応する位置から離れて遠距離側に対応する位置に配されている。これにより遠距離側での測距精度を高めている。
制御部を構成するDSP7は、距離センサ6を制御し予備的な測距を行って概略の測距データを求めると共に、CCD3から供給される被写体の画像データに基づいて被写体の輝度を表す輝度データを求める。なおCCD3から出力されたアナログ信号はAFEP10で処理された後、デジタル画像データとしてDSP7に送られる。DSP7はこれらの概略測距データ及び輝度データに基づいて、被写体が予め設定された距離より遠い遠距離側で且つ、被写体の輝度が予め設定された輝度より暗いと判断した場合、投光部の発光素子8を制御して、光スポットの発光周期を変化させ発光回数を増やして本測距を行う。これにより本測距における測定精度が向上する。なお、CCD3から出力されたアナログ信号はAFEP10で処理された後、デジタル画像データとしてDSP7に送られる。
制御部を構成するDSP7は、上述した概略測距データ及び輝度データに基づいて、被写体が予め設定された距離より近い近距離側で且つ被写体の輝度が予め設定された輝度より低いと判断した場合、デジタルカメラに組み込まれている絞り機構を強制的に小絞りに設定し、被写界深度を深くして近距離側における距離センサ6の測定誤差を吸収している。この様に強制的にメカ絞りをかけることで、被写界深度を深くし、ストロボ光量を絞り値に合わせて大きくし測距に誤差があっても写真としてはぼけない様にすることが出来る。なお絞り機構は図示しないがやはりモータによって駆動可能な様になっている。またDSP7にはストロボ発光用のEFU11が接続されている。
DSP7は上述した輝度データに基づいて、被写体の輝度が予め設定された輝度より明るいと判断した場合、投光部の発光素子8を制御して、光スポットの発光回数を減らし且つ発光周期も長くして本測距を行い、以って距離の測定に要する消費電流を減らしている。この場合DSP7は、AFEP10を介してCCD3から出力される被写体の画像データを逐次処理して、その結果から合焦点を検出している。DCP7は、本測距で得られた測距データに基づいてドライバ2を制御しモータ1を介してレンズ4を測距データが表す被写体距離に対応した位置にまで送り、さらに合焦点が検出された位置でレンズ4を停止している。この様に被写体が明るい時、DSP7は光スポットの発光回数を減らし且つ発光周期も長くして消費電流を節約している。この分本測距の精度が落ちるが、これをカバーするため合焦動作の最終段階でCCDAFを行い、正確なオートフォーカスを可能にしている。なおDSP7には上述した種々の部品に加え、カメラ操作用やフィルム検出用のスイッチ12が接続されている。また画像データ保存用の外付けメモリであるCF13やSD14も装着可能となっている。加えてDSP7にはバス(BUS)を介してCDRAM15やFROM16が接続している。さらにデータ表示用のパネルとしてLCD17がDSP7に接続している。
図2は、図1に示した距離センサ6の具体的な構成例を示す回路図である。図示する様に距離センサ6の本体部はICチップからなり、これに外付けの発光素子(IRD)8と二分割SPD素子9が取り付けられている。発光素子IRDは被写体(図示せず)に光スポットを投光する。一方二分割SPD素子9は被写体から反射した光スポットを受光するために二分割された一対の受光面を有する。一対の受光面がそれぞれ分割的に受光する光スポットの受光量に応じて受光位置を表す一対の電気信号を距離センサ6の本体側に送る。前述したように、本発明の特徴事項として、二分割SPD素子9の一対の受光面を互いに隔てる分割線が、近距離側に対応する位置から離れて遠距離側に対応する位置に配されている。
距離センサ6の本体部を構成するICチップは、6個のアンプA1ないしA6とアナログ/デジタル(AD)コンバータとロジック回路とを備えている。二分割SPD9から出力された光電流が距離センサICのアンプA2,A3に流れ、各々増幅されオペアンプA6で比電圧出力となり、ADコンバータでデジタル化され、ロジック回路を介してDSP7に出力される。図1に示したDSP7は距離センサ6から供給された測距データに基づき、高速でドライバ2を制御しモータ1を駆動してレンズ4を合焦位置にセットする。この様にして、CCDAFを介することなくオートフォーカスを行うことが出来る。なおオペアンプA5は発光素子IRDを定電流駆動するためのアンプである。またオペアンプA1,A4は二分割SPD素子9から出力される光信号からDC成分を除去するためのアンプである。
図3は、二分割SPDの出力特性を示すグラフである。なお比較のため、通常距離センサの受光素子に用いられるPSDの出力特性も表してある。このグラフは横軸に距離Lの逆数を取り、縦軸に測距データを取ってある。PSDはL=0.5mから5mまで測距データが距離の逆数Lに対して直線的に変化するため、距離による精度の変化は少ない。これに対し、二分割SPDは通常一対の受光面から出力される光電流が一対一の割合になる領域が最も測距データの変化量が取れ、分解能及び測定精度が高くなる。逆にそれ以外の距離領域は変化量が取れずPSDよりも測距精度が悪くなる。本発明はこの二分割SPDの出力特性を利用して、一対一の領域を遠距離側に設定している。この様にすることで、従来困難とされていた遠方に位置する被写体のオートフォーカスをデジタルカメラで実現している。
図4は二分割SPDとPSDの受光面を模式的に表した平面図である。受光面に現れる光スポットの受光位置をIRD1ないしIRD5で表してある。(B)に示すように、PSDは同じチップ形状であればSPDに比べて光スポットの移動範囲が大きく取れ、一般的な距離センサに多く使用されている。受光スポットIRD4からIRD5までの範囲が受光でき、三角測距としては有利である。但し抵抗成分があるためノイズが大きい欠点がある。これに対し(A)に示す二分割SPDはノイズが少ない点で有利である。二分割SPDの場合、光スポットがIRD2やIRD3の位置にある場合に比べ丁度分割線の真上に位置するIRD1の場合が、両チャネルの出力電流が均等に大きくなり、この時の精度が最も高い。そこで本発明では受光スポットの位置がIRD1となる領域を最遠点に近い遠距離側に配している。これにより遠側の距離を精度よく測定できる。受光スポットの移動量はIRD2からIRD3までPSDに比べて短くなっており、しかも精度の良い部分が遠側に偏っているため、近側の精度が落ちる。この問題に対しては、デジタルカメラの場合近側でストロボ光量が大きくなる為強制的にメカ絞りをかけて被写界深度を深くし、測距精度が悪くなっても写真のボケが生じない様にしている。
図5は、図1に示したDSP7で実行される制御プログラムのフローチャートである。デジタルカメラに起動がかかった後、まずステップS1で予備測距を行う。この予備測距は、距離センサ6を制御して例えば16回続けて発光パルスを被写体に投光する。一回の発光のパルス幅は125μsで発光周期は2mSである。この発光を16回行うことで予備測距時間は32mSになる。DSP7は1回の投光に対応して1回の測距を行い、16回分を平均して予備測距データとする。
ステップS2に進み予備測距データが予め設定された距離に比べて大きいかあるいは小さいかを判定する。予備測距データが設定距離より小さい場合、被写体は近距離にあると推定され、ステップS3に進む。
ステップS3ではDSP7がCCD3からAFEP10を介して被写体の輝度データを取り込み、暗いか否かを判定する。
ステップS3の判定が否定的(N)の場合、ステップS4に進み再度距離センサ6を駆動して本測距を行う。例えば発光を64回行ってその平均により測距データを求める。予備測距に比べて発光回数を増やすことで、測距精度を上げている。この場合発光パルス幅は125μsとし、発光周期を予備測距の場合の2mSから0.5mSに短縮することで、トータルの測距時間は予備測距と同じく本測距でも32mSとしている。但し本発明はこれに限られるものではない。
ステップS4の本測距で得られた測距データに基づき、DSP7はドライバ2を制御してモータ1を駆動し、レンズ4を測距データに対応する位置まで高速に送る。この後ステップS5でDSP7はAFEP10を介してCCD3から供給されたデジタル画像データをコントラスト処理し、CCDAFを実行する。これによりレンズ4は最終的に合焦位置で停止する。この様に、被写体が暗くない場合、CCDAFが可能なため、距離センサ6を用いた本測距とCCDAFを組み合わせることで、高速にレンズ4を合焦位置にセットすることが出来る。
一方ステップS3で被写体が暗いと判定された場合(Y)、ステップS6に分岐し、強制的にメカ絞りをかけて小絞り状態とする。被写体が暗い場合CCDAFが効かないため、合焦精度は悪くなる。そこで小絞りに設定して被写界深度を深くし、合焦誤差を吸収している。
この後ステップS7に進み、本測距を行って被写体までの距離を求める。ステップS7の本測距ではステップS4の本測距よりもさらに測定精度を上げるため、多数回発光を行って測距データを得ている。例えば160回発光を行いその結果を平均して測距データとしている。この場合発光パルス幅は125μsのままで発光周期を0.2mSに短縮することで、トータルの測距時間は32mSのままとしている。
ステップS7で本測距を行った後、ステップS8に進み合焦動作を実行する。この場合ステップS7で得た測距データに従いドライバ2を制御してモータ1を駆動し、レンズ4を測距データに対応する位置まで送って停止する。被写体が暗いためCCDAFは行わない。CCDAFを使わない代わりに、ステップS7で発光回数を増やして測距精度を高めている。またステップS6で強制的にメカ絞りをかけ被写界深度を深くして距離センサの測定誤差を吸収するようにしている。
この後ステップS9に進みモータ1を駆動してシャッタ5を開閉動作させる。これにより被写体にレンズ焦点があった状態で撮影を実行することが出来る。
ステップS2で予備測距結果が予め設定された距離よりも大きいと判定された場合には、ステップS10に分岐する。即ち被写体が遠距離にあると推定された場合、ステップS10が行われる。ステップS10ではCCD3から供給された画像データに基づき、DSP7は被写体が暗いか否かを判定する。判定結果が否定的(N)の場合、被写体は明るいのでステップS4に進み通常の本測距を行った後、さらにステップS5でCCDAFをかけ、レンズを合焦点まで駆動する。一方ステップS10で判定結果が肯定的(Y)の場合、被写体は暗いと推定されるので、ステップS7に進み発光回数を増やした本測距を行う。続いてステップS8に進み本測距データに基づいてレンズを合焦位置まで給送する。この後CCDAFは行わずステップS9のシャッタ駆動に進む。
以上のように被写体が低輝度で近距離にある場合、二分割SPDでは分解能が取れない。そのときは強制的にメカ絞りをかけ、絞った分ストロボ光量を大きくし、被写界深度を深くして測距精度の分解能低下に対応している。また被写体が高輝度時は、CCDAFが機能するので通常の発光回数で本測距を行いその結果に応じてレンズをほぼ合焦位置の近傍まで給送し、さらにCCDAFをかけて正確にレンズを合焦点にセットする。以上のシーケンスを行うことで、ストロボの到達距離まで暗くてもオートフォーカスが可能になる。また消費電流に関しては低輝度遠側で大きくなるが、CCDAFを行っていないため実際上は消費電力も問題ない。
図6は、ステップS4で行われる本測距の発光状態を示すタイミングチャートである。ステップS4の本測距は被写体が明るい場合に行うので、発光回数は64回としその平均を求めて測距データとしている。その際発光パルス幅は125μsで発光周期は0.5mSである。したがって本測距に要するトータルの時間は32mSである。
一方図7はステップS7で行われる本測距の発光状態を示すタイミングチャートである。ステップS7の本測距は被写体が暗い場合に行われる。そこでステップS4の被写体が明るい場合に行う本測距に比べ、測距精度を高めるため、発光回数を160回にしている。具体的には発光パルス幅を125μsのままとし、発光周期を0.2mSに短縮することでトータルの測距時間は32mSを維持している。但し本発明はこれに限られるものではなく、発光周期とともに或いは発光周期に代えて、発光パスル幅(デューティ)を調節しても良い。
1・・・モータ、2・・・ドライバ、3・・・CCD(撮像素子)、4・・・レンズ、5・・・シャッタ、6・・・距離センサ、7・・・DSP(制御部)、8・・・発光素子(IRD)、9・・・受光素子(二分割SPD)、11・・・EFU(ストロボ)
Claims (5)
- 被写体を撮像素子に結像するレンズをその光軸方向に移動するための駆動部と、
近距離から遠距離にわたって任意の位置にある被写体までの距離を測定しその結果を表す測距データを出力する距離センサと、
該測距データに基づいて前記駆動部を制御し、前記レンズを合焦位置にセットするための制御部とからなるデジタルカメラ用自動合焦装置であって、
前記距離センサは、被写体に光スポットを投光する発光素子を備えた投光部と、被写体から反射した光スポットを受光し、その受光位置に応じて測距データの元になる電気信号を出力する受光素子を備えた受光部とを含み、
前記受光素子は、光スポットを受光するために二分割された一対の受光面を有する二分割SPD素子からなり、
前記一対の受光面が夫々分割的に受光する光スポットの受光量に応じて受光位置を表す一対の電気信号を出力し、
前記一対の受光面を互いに隔てる分割線が、近距離側に対応する位置から離れて遠距離側に対応する位置に配されていることを特徴とするデジタルカメラ用自動合焦装置。 - 前記制御部は、前記距離センサを制御し予備的な測距を行って概略の測距データを求めるとともに、前記撮像素子から出力される被写体の画像データに基づいて被写体の輝度を表す輝度データを求め、
該概略の測距データ及び輝度データに基づいて、被写体があらかじめ設定された距離より遠い遠距離側で且つ、被写体の輝度があらかじめ設定された輝度より暗いと判断した場合、
前記投光部の発光素子を制御して、光スポットの発光回数を増やして本測距を行うことを特徴とする請求項1記載のデジタルカメラ用自動合焦装置。 - 前記制御部は、前記距離センサを制御し予備的な測距を行って、概略の測距データを求めるとともに、前記撮像素子から出力される被写体の画像データに基づいて被写体の輝度を表す輝度データを求め、
該概略の測距データ及び輝度データに基づいて、被写体があらかじめ設定された距離より近い近距離側で且つ、被写体の輝度があらかじめ設定された輝度より暗いと判断した場合、
デジタルカメラに組み込まれている絞り機構を強制的に小絞りに設定し、被写界深度を深くして近距離側における距離センサの測定誤差を吸収することを特徴とする請求項1記載のデジタルカメラ用自動合焦装置。 - 前記制御部は、前記距離センサを制御し予備的な測距を行って概略の測距データを求めるとともに、前記撮像素子から出力される被写体の画像データに基づいて被写体の輝度を表す輝度データを求め、
該輝度データに基づいて、被写体の輝度があらかじめ設定された輝度より明るいと判断した場合、
前記投光部の発光素子を制御して、光スポットの発光回数を減らし且つ発光周期も長くして本測距を行い、以って距離の測定に要する消費電流を減らすことを特徴とする請求項1記載のデジタルカメラ用自動合焦装置。 - 前記制御部は、前記撮像素子から出力される被写体の画像データを逐次処理して、その結果から合焦点を検出し、
該本測距で得られた測距データに基づいて前記駆動部を制御し前記レンズを該測距データが表す被写体距離に対応した位置まで送り、更に該合焦点が検出された位置で前記レンズを停止することを特徴とする請求項4記載のデジタルカメラ用自動合焦装置。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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