JP2007240832A - 自動合焦点装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レンズ移動または液晶レンズの屈折率変化を利用して、オートフォーカス制御を行うカメラ付き電子機器において、オートフォーカスにかかる所要時間を短縮すること。
【解決手段】光学レンズ手段を通して結像する光学像を電気信号に変換して画像信号を出力する光電変換手段と、画像信号から焦点整合度に対応した焦点信号を抽出し、前回の焦点信号と今回の焦点信号を比較して、焦点信号が最大となるように合焦位置を遠点と近点との間に移動させる合焦位置制御手段と、焦点信号から最大値となる焦点信号を判定する合焦点判定手段と、自装置の検出傾斜角を検出する傾斜角検出手段と、検出傾斜角と予め設定された設定傾斜角とを比較する傾斜角判定手段とを備え、前述した合焦位置制御手段が、傾斜角判定手段の結果に基づき、前記合焦位置制御手段の動作開始点を近点または遠点のどちらかに設定した上で、合焦位置を移動させる手段を有する構成とした。
【選択図】図１

Description

この発明は、カメラモジュールを備えた、例えば携帯電話のような携帯型の自動合焦点装置に関し、特に焦点距離の調整用にフォーカスモータまたは液晶レンズを用い、そのフォーカスモータまたは液晶レンズの状態により得られた画像信号から、焦点整合度に対応した複数の焦点信号を抽出し、それら焦点信号のピーク値を検出することによって合焦点を検出を、自装置の傾斜角を検出する傾斜センサの情報に基づいて行う自動合焦点装置に関する。

従来より、光学系の焦点距離または焦点位置を変化させる合焦点機構として、ステッピングモータでレンズを移動させることにより焦点を合わせる方式が広く用いられている。また、この方式では、レンズ駆動機構が必要であるため、機構が複雑になるという欠点や、耐衝撃性が低いという欠点から、レンズ駆動機構が不要な合焦点機構として、液晶レンズの屈折率を変化させることにより焦点を合わせる方式が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、ビデオカメラのオートフォーカス（自動合焦）システムとして、撮影映像信号から直接画像のボケに対応する情報として焦点信号を抽出し、このボケを最小化するようにレンズを移動させて、焦点信号の最大値を検出する山登り制御する輪郭検出方式（以下、山登り制御方式）を用いた種々のオートフォーカス用の自動合焦点装置等が提案されている（例えば、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５参照）。

さらに、この山登り制御方式を用る合焦点機構として、近点位置または遠点位置を検出し、フォーカスレンズの動作開始点を近点位置または遠点位置にセットした上で、合焦点を検出する方法についても提案されている（例えば、特許文献６参照）。

特許第３０４７０８２号公報（第３―５頁、第１―４図） 実公平２−４４２４８号公報（第４―１０頁、第７―１１図） 特許第２７４２７４１号公報（第１―２頁、第５―７図） 特公平１−１５１８８号公報（第１―３頁、第１―５図） 特公平２−１１０６８号公報（第３―５頁、第１―３図） 特公平６−４２７１９号公報（第３―４頁、第１―３図）

しかしながら、特許文献１から６に記載の山登り制御方式によりステッピングモータや液晶レンズを制御して焦点を合わせる場合、山登り制御方式により合焦点を検出するのに一定の時間を要することが問題となる。レンズを移動させる方式では、あるポジションに対応する位置にレンズを移動させ、そのときのボケに対応する情報として焦点信号を取得したら、次のポジションに対応する位置にレンズを移動させてボケに対応する情報を取得する、という動作を繰り返し行う。

ここで、特許文献６に記載の様に、レンズの動作開始点を近点位置または遠点位置にセットした上で、上記山登り制御方式を行う場合を考えてみる。例えば、近遠点に対して予め設定されている焦点位置が５０ポジションあるとし、ある方向に、ボケに対応する情報のピークを探しに行き、そのピークが見つかるまでに最大の５０ポジションかかったとする。そして、１ポジションあたりの処理時間が例えば６７ミリ秒とすると、従来の自動合
焦点装置では、合焦点を検出するのに要する最大時間は約３．４秒（＝６７ミリ秒／ポジション×５０ポジション）となる。

一方、この従来の自動合焦点装置に液晶レンズを用いた場合、液晶レンズを駆動するために液晶レンズに印加する電圧（駆動電圧）を変化させることによって、液晶レンズの屈折率分布を変化させることとなる。従って、あるポジションに対応する駆動電圧を液晶レンズに印加し、そのときのボケに対応する情報を取得したら、次のポジションに対応する駆動電圧を液晶レンズに印加して再びボケに対応する情報を取得する、という動作を繰り返し行えばよい。

しかし、液晶は一般に、駆動電圧の変化に対する液晶の応答が遅れるため、駆動電圧を変化させてから液晶の応答が安定するまで待つ必要がある。そのため、１ポジションあたりの処理時間が例えば１００ミリ秒と長くなり、合焦点を検出するまでに最大約５秒（１００ミリ秒／ポジション×５０ポジション）もかかってしまう。

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、カメラモジュールを備えた自動合焦点装置の姿勢を判定することにより、山登り制御方式における動作開始点を近点から開始するか、遠点から開始するかを切り換え、合焦点を検出するまでにかかる平均時間を大幅に短縮した自動合焦点装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、本発明の自動合焦点装置は、基本的に書き記載の構成要件を採用するものである。
本発明にかかる自動合焦点装置は、光学レンズ手段と、光学レンズ手段を通して結像する光学像を電気信号に変換して画像信号を出力する光電変換手段と、画像信号から焦点整合度に対応した焦点信号を抽出し、前回の焦点信号と今回の焦点信号を比較して、焦点信号が最大となるように合焦位置を遠点と近点との間に移動させる合焦位置制御手段と、焦点信号から最大値となる焦点信号を判定する合焦点判定手段と、自装置の検出傾斜角を検出する傾斜角検出手段と、検出傾斜角と予め設定された設定傾斜角とを比較する傾斜角判定手段とを備え、前述した合焦位置制御手段が、傾斜角判定手段の結果に基づき、前記合焦位置制御手段の動作開始点を近点または遠点のどちらかに設定した上で、合焦位置を移動させる手段としたことを特徴とするものである。

上記発明によれば、自動合焦制御開始時（合焦位置制御手段を動作させた時）の自装置の姿勢を検出することにより、撮影者が遠景に対し写真撮影を試みているか、近景に対し写真撮影を試みているかを推定し、遠景に対し写真撮影を試みていると判断した場合は、光学レンズの動作開始点を遠点から開始し、近景に対し写真撮影を試みていると判断した場合は、光学レンズの動作開始点を近点から開始することで、合焦点を検出するまでにかかる平均時間を３０％まで短縮することができる。

また、本発明にかかる自動合焦点装置は、前述した合焦位置制御手段に、光学レンズ手段を移動させる焦点移動アクチュエータを用いる場合に有効となる。

また、本発明にかかる自動合焦点装置は、前述した光学レンズ手段が液晶レンズを含む場合に有効となる。

また、本発明にかかる自動合焦点装置は、前述した傾斜角検出手段として半導体抵抗素子を用いた場合に有効となる。

本発明によれば、自動合焦点装置の傾斜角度から被写体までの距離を推定し、山登り制御方式における光学レンズの動作開始点を、近点か遠点かどちらかに切り換え、焦点信号のピーク値を検出するまでに要する時間を確率的に短縮することで、合焦点平均時間が短くなるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる自動合焦点装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。

まず、本発明の自動合焦点装置の構成について説明する。図１は、本発明の自動合焦点装置の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、本発明の自動合焦点装置は、光学レンズ系１０１、撮像素子１０２、レンズアクチュエータ系１０３、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）２、オートフォーカス（ＡＦ）コントローラ３および傾斜センサ４を備えている。光学レンズ系１０１は、絞り、パンフォーカス組レンズおよび赤外線カットフィルタを有する。撮像素子１０２は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子よりなるイメージセンサとアナログ−デジタル変換器を有する。便宜上、光学レンズ系１０１と、撮像素子系１０２と、レンズアクチュエータ系１０３で構成される波線部をカメラモジュール１と呼ぶ。

光学レンズ系１０１を通過して結像した光学像は、撮像素子１０２のイメージセンサにより、電気信号に変換される。イメージセンサから出力された電気信号は、アナログ−デジタル変換器によりデジタル信号に変換される。ＤＳＰ２は、アナログ−デジタル変換器から出力されたデジタル信号に対して画像処理を行う。オートフォーカスコントローラ３は、レンズアクチュエータ系１０３の動作後に、ＤＳＰ２から出力された画像信号を所定の周期でサンプリングすることにより、焦点整合度に対応した焦点信号（以下、オートフォーカス信号とする）を抽出し、第１メモリ３０２に保存する。そして、オートフォーカスコントローラ３は、抽出されたオートフォーカス信号のレベルが最大となるように、アクチュエータ系１０３の動作を繰り返し、最終的にオートフォーカス信号のレベルが最大となった位置にレンズレベルを固定する。

オートフォーカスコントローラ３は、上述した一連の制御を行うマイクロプロセッサ３０１と第１メモリ３０２と第２メモリ３０３を有する。第１メモリ３０２は、マイクロプロセッサ３０１が実行するプログラムや最適な駆動電圧を求めるために必要な種々の関係などを格納した読み出し専用メモリ部（ＲＯＭ部）と、マイクロプロセッサ３０１が作業領域として使用する書き込み可能なメモリ部（ＲＡＭ部）を有する。レンズアクチュエータ系１０３は、オートフォーカスコントローラ３から出力された制御信号に基づいて光学レンズ１０１のレンズ位置を移動させ、レンズレベルを固定する。第２メモリ３０３は、傾斜センサ４で検出した自装置の検出傾斜角を記憶するためのＲＯＭ部を有する。なお、この第１メモリ３０２と、第２メモリ３０３は同一メモリの異なる領域を使用してもよい。

そして、傾斜センサ４は、例えば、シリコンなどの材料を微細加工した梁に、半導体抵抗素子と錘が形成されたもので、錘の傾斜量に依存して半導体抵抗素子の抵抗値が変化し、この変化量を電圧変化として外部に取り出すものである。なお、この傾斜センサ４は、本発明の自動合焦点装置を備えた、携帯電話等の携帯型の電子装置の傾斜角度を求めるもので、電子方位センサの方位誤差を補正したり、電子装置の姿勢を判断することで、入力装置のトリガーなどにも利用されるものである。

オートフォーカスコントローラ３により実行される処理内容については、後述する。
光学レンズ系１０１は、光学レンズ手段に相当する。撮像素子１０２およびＤＳＰ２は、光電変換手段に相当する。傾斜センサ４とオートフォーカスコントローラ３は、傾斜角検出手段に相当する。なお、このオートフォーカスコントローラ３は、合焦点判定手段の機能も兼ね備えている。アクチュエータ系１０３は、合焦位置制御手段に相当する。

次に、本発明の自動合焦点装置の作用について説明する。図２（ａ）〜図２（ｃ）は、カメラモジュール１と、傾斜センサ４を備えた携帯電話５の断面図と、携帯電話５を用いて、被写体を写真撮影する様子を示す模式図である。カメラモジュール１と傾斜センサ４の取付け位置は、携帯電話５により種々あるが、便宜上、カメラ入射光軸７１が地面７０と平行な場合の、傾斜センサ傾斜角θを０度と定義する。

図２（ａ）は、風景６１や人物６２などの遠景を撮影する様子を示し、この様な遠景撮影の場合、統計的に傾斜角θは０度に近い場合が多い。例えば、θが大きくなる場合として、身長１６０ｃｍの撮影者が身長８０ｃｍの子供を１．５ｍの距離から撮影する場合、傾斜角θは約２８度となる。身長が近い人物や、距離が離れた被写体撮影時は、傾斜角は小さくなり０度に近づく。

また、図２（ｂ）は、５０ｃｍ〜３００ｍｍ程度の近距離から植物６３などを撮影する様子を示し、この場合のカメラ入射光軸７２と地面７０との成す角（傾斜センサ傾斜角θ）は、３０度〜７０度と比較的大きい場合が多い。

さらに、図２（ｃ）は、書類６４などを接写する様子を示し、この場合、地面７０に対して水平に置いた被写体（書類６４）に対し、垂直方向から撮影する場合が多く、カメラ入射光軸７３と地面７０との成す角（傾斜センサ傾斜角θ）は、９０度付近となる場合が多い。

次に、本発明の自動合焦点装置におけるレンズポジションと合焦距離との関係について説明する。図３は、カメラモジュールからの合焦距離と、レンズレベル（レンズポジション）の関係を示すグラフである。このレンズレベル（レンズポジション）とは、予め決められた所望の焦点距離を得るために、合焦位置制御手段により得られるレンズ状態（焦点距離に対応したレンズ状態）の設定値のことを指す。また、レンズポジション０は、アクチュエータ系１０３（図１参照）により近点に合焦するようにレンズが固定した場合であり、レンズポジション１５は、アクチュエータ系１０３により遠点（無限遠）に合焦するようにレンズが固定した場合であり、レンズポジション１〜１４はその中間の各距離に合焦するようにレンズが固定した場合である。

本図面より近点であるレンズポジション０から、遠点であるレンズポジション１５に向かい、レンズポジションにより、合焦距離が変化する様子が判る。

次に、本発明の自動合焦点装置における動作原理についてさらに詳細に説明する。図４は、焦点信号とレンズポジションの関係を示す模式図であり、図４（ａ）は被写体が近点に近い近景撮影時の焦点信号とレンズポジションの関係を示し、図４（ｂ）は被写体が遠点に近い遠景撮影時の焦点信号とレンズポジションの関係を示している。

アクティブ測距機能のない従来の自動合焦点装置では、被写体の位置を特定できないので、全てのオートフォーカスの動作開始点を、遠点または、近点のどちらか一方にセットしていた。それに対して本発明の自動合焦点装置は、図４（ａ）に示すように、被写体が近点付近にある場合は、オートフォーカス動作の開始点を近点に設定し、図４（ｂ）に示すように、被写体が遠点付近にある場合は、オートフォーカス動作の開始点を遠点にして、合焦信号のピークを検出した時点で、オートフォーカス動作を完了するようにした。そ
して、このピークでレンズポジションを合焦点に固定することで、レンズ移動が図中の黒塗りのレンズポジション間のみとなり、ピーク検出迄の時間を短縮することで、オートフォーカス動作の高速化が図れる。この様にして、レンズポジションのセンターに対し、被写体が近点に近いポジションの撮影回数と、遠点に近いポジションの撮影回数が同数の場合、平均撮影オートフォーカス時間を約３０％短縮できる。

次に、本発明の自動合焦点装置における動作フローについて説明する。図５は、本発明において、傾斜センサにより検出した傾斜角度と、初期設定した傾斜角度を比較し、オートフォーカス動作の開始点を切り換えるフローチャートを示している。

まず、予め判定に使う設定傾斜角度θ_０をオートフォーカスコントローラの第２メモリ３０３（図１参照）にセットする（ステップ８１）。本実施例では仮にこの設定傾斜角度θ_０を３０度とする。次に、オートフォーカス動作開始時の傾斜センサ４の出力から検出傾斜角度θを検出する（ステップ８２）。次に、オートフォーカスコントローラ３の判定プログラムにより、検出傾斜角度θが設定傾斜角度θ_０より大きいか、あるいは小さいかを判定し（ステップ８３）、小さい場合は、図４（ａ）で示したように、オートフォーカス動作を遠点から開始し（ステップ８４）、自動合焦点検出を行う（ステップ８５）。また、検出傾斜角度θが設定傾斜角度θ_０より大きい場合は、図４（ｂ）で示したように、オートフォーカス動作を近点から開始し（ステップ８６）、自動合焦点検出を行う（ステップ８５）。

この様に、本発明の自動合焦点装置は、傾斜センサ４と、この傾斜センサ４にて検出された検出傾斜角度θと、予め設定された設定傾斜角度θ_０とを比較する傾斜角判定手段を有し、この検出傾斜角度θと設定傾斜角度θ_０との大小関係から、合焦位置制御手段にて、光学レンズの動作開始点を近点位置、または遠点位置に設定して行うようにしてあるので、従来の自動合焦点装置に比べて、様々な撮影状況に対して合焦点の検出に掛かる時間を短縮ことができるという、本願発明特有の効果を奏するものとなる。

次に、本発明の自動合焦点装置における他の実施形態について説明する。図６は、本実施例の自動合焦点装置の概略構成を示すブロック図である。

図６に示すように、本実施例における自動合焦点装置は、実施の形態１のレンズアクチュエータ系１０３（図１参照）の代わりに、液晶レンズ系１０５と、液晶レンズドライバ１０４を備えたものであり、レンズポジションの移動を液晶レンズに印加する電圧で液晶の屈折率を変えることで実現するものである。したがって、図１で示した構成例における光学レンズ系１０１は、液晶レンズ１０５を含み、実施例１で示した合焦位置制御手段が、液晶レンズドライバ１０４により制御されて液晶レンズ１０５により結像する合焦位置を可変とすることにより行われる手段となる。他の構成要件は、実施例１と同じであるので、ここでの詳細な説明は割愛する。

ここで、上記液晶レンズ１０５の動作について説明する。図７（ａ）図７（ｂ）は、時間軸に対し、液晶に印加する電圧と、液晶の屈折率変化を表した図面である。

図７（ａ）に示すように、正の誘電異方性を持つＰ型液晶を、基板面と並行に配向させたホモジニアス配向セルでは、液晶レンズの液晶層を挟む電極間に電圧Ｖ_０を印加することにより、図７（ｂ）に示すように、液晶層の屈折率が減少し、ｔｆ時間後に一定値となる。また、無印加電圧状態にすると、液晶層の屈折率が上昇し、ｔｒ時間後に一定値となる。

これにより、液晶レンズの中央部に、周辺部より高い電圧を印加することで凹レンズを得ることができる。また、液晶レンズ周辺部に、中央部より高い電圧を印加することで凸レンズを得ることができる。

このように、液晶レンズ１０５は、光軸に対し垂直面内で同心円上になだらかな屈折率分布を発生させることで、光学レンズを移動させることなしに合焦距離を変えることができる。本実施例でも実施例１と同様、同装置の検出傾斜角度θと設定傾斜角度θ_０とに基づき、オートフォーカスにおけるレンズの動作開始点を切り換えることで、平均撮影オートフォーカス時間を短縮できる。なお、図７（ｂ）に示すように、液晶の応答速度（ｔｆ、ｔｒ）は固体レンズの移動速度より遅いため、オートフォーカス短縮時間は実施例１で示した形態より大きくなる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、被写体が近点付近にある場合は、オートフォーカス動作の開始点を近点に、被写体が遠点付近にある場合は、オートフォーカス動作の開始点を遠点にして、合焦信号のピークを検出した時点で、オートフォーカス動作を完了し、レンズポジションを合焦点に固定することで、オートフォーカス動作の高速化が図れる。

また、本実施例２の形態によれば、液晶レンズ１０５を利用したオートフォーカス動作では、レンズポジションを変化するときの液晶の応答速度が、固体レンズを移動させる時間より遅いため、高速化の効果が大きい。

以上において本発明は、上述した各実施の形態に限らず、種々変更可能である。例えば、実施の形態中に記載した特性値や時間などの値は一例であり、本発明はそれらの値に限定されるものではない。また、傾斜センサ４も半導体抵抗素子に限定されるものではない。

以上のように、本発明にかかる自動合焦点装置は、オートフォーカス機能を有する電子機器に有用であり、特に、デジタルカメラ、ムービーカメラ、カメラ付き携帯電話のカメラ部などに用いられるカメラなどのオートフォーカス機能を備えた電子機器に適している。

本発明の自動合焦点装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の自動合焦点装置を用いた写真撮影状態を示す説明図である。 本発明の自動合焦点装置におけるレンズポジションと合焦距離の関係を示す説明図である。 本発明の自動合焦点装置における被写体距離によるレンズポジションと焦点信号の関係の示す説明図である。 本発明の自動合焦点装置における自動合焦点検出までの動作を示す説明図である。 本発明の自動合焦点装置の他の概略構成を示すブロック図である。 本発明の自動合焦点装置における液晶レンズへの電圧印加パターンと、屈折率の変化を示す説明図である。

符号の説明

１ カメラモジュール
２ 光電変換手段（ＤＳＰ）
３ オートフォーカスコントローラ
４ 傾斜センサ
５ 携帯電話
６１ 風景
６２ 人物
６３ 植物
７０ 地面
７１〜７３ カメラ入射光軸
１０１ 光学レンズ系
１０２ 撮像素子
１０３ アクチュエータ系
１０４ 液晶レンズドライバ
１０５ 液晶レンズ
３０１ マイクロプロセッサ
３０２ 第１メモリ
３０３ 第２メモリ

Claims (4)

1. 光学レンズ手段と、
   前記光学レンズ手段を通して結像する光学像を電気信号に変換して画像信号を出力する光電変換手段と、
   前記画像信号から焦点整合度に対応した焦点信号を抽出し、前回の焦点信号と今回の焦点信号を比較して、焦点信号が最大となるように合焦位置を遠点と近点との間に移動させる合焦位置制御手段と、
   前記焦点信号から最大となる焦点信号を判定する合焦点判定手段と、
   自装置の検出傾斜角を検出する傾斜角検出手段と、
   前記検出傾斜角と予め設定された設定傾斜角とを比較する傾斜角判定手段と、を備え、
   前記合焦位置制御手段は、前記傾斜角判定手段の結果に基づき、前記合焦位置制御手段の動作開始点を近点または遠点のどちらかに設定した上で、前記合焦位置を移動させる手段であることを特徴とする自動合焦点装置。
2. 前記合焦位置制御手段は、前記光学レンズ手段を移動させる焦点移動アクチュエータであることを特徴とする請求項１に記載の自動合焦点装置。
3. 前記光学レンズ手段は、液晶レンズを含むことを特徴とする請求項１に記載の自動合焦点装置。
4. 前記傾斜角検出手段は、半導体抵抗素子であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の自動合焦点装置。

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