JP2008026802A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の合焦状態を検出する手段を有する撮像装置において、視差による焦点調節動作の誤動作を防止する。
【解決手段】 撮像光学系により結像された被写体光を光電変換して信号を得る撮像手段から得られる信号とは異なる信号を得るセンサが、第１の検出手段の検出範囲と第２の検出手段の検出範囲との第１の被写体距離でのオーバーラップ量と当該第１の被写体距離よりも無限側の第２の被写体距離でのオーバーラップ量とが同じ量となるように配置されることを特徴とする撮像装置を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動合焦制御機能を備えた撮像装置に関するものである。

ビデオカメラ等の撮像装置の自動合焦（ＡＦ）制御の方式として、映像信号の所定の高周波成分（コントラスト成分）を抽出したＡＦ信号が最大となるように合焦レンズを制御するいわゆるＴＶ−ＡＦ方式がある。また、その他の方式として、被写体までの距離もしくはピントのずれ量を計測する距離センサの信号によるＡＦ制御方式がある。

そして、上述のＴＶ−ＡＦ方式と、その他のセンサの信号によるＡＦ制御方式を組み合わせた、いわゆるハイブリッドＡＦ制御が提案されている（例えば、特許文献１参照）。これは、ＴＶ−ＡＦ方式では合焦精度が高い反面、ＡＦ信号が最大となるレンズ位置を探索するために合焦時間が長くなることから、別途設けたセンサの信号を併用することで合焦時間を短縮しようとするものである。

別途設けたセンサでのＡＦ制御方式では、例えば撮像光学系に入射した光を分光してセンサに入力しピントのずれ量を計測する内測方式（例えば、特許文献１の第１の実施形態参照）が提案されている。またその他にも、撮像光学系とは別に距離センサを設ける外測方式（例えば、特許文献１の第２の実施形態参照）などが提案されている。

上記の内測方式では、撮像光学系にて撮像される被写体像がセンサに入力されるため、センサが確実に被写体を捕らえられる利点がある。しかし、レンズ鏡筒内部に分光機構やセンサを設置する必要があるためにレンズ鏡筒、ひいては撮像装置本体のサイズが大きくなってしまう傾向がある。近年、ビデオカメラなどの民生用撮像装置は小型化が進んでいるため、装置のサイズやレイアウトに制限があることはあまり好ましくない。

一方、外測方式では撮像光学系と独立に距離センサを配置するため、レイアウトの自由度が高く、装置の小型化に有利である。

以上説明したように、距離センサの情報を用いたピントを合わせ動作とＴＶ−ＡＦでのピント合わせ動作を組み合わせることにより、フォーカスレンズの合焦位置を探索するのに要する時間を削減し合焦時間を短縮することが提案されている。
特開２００２−２５８１４７号公報

しかしながら、前述の外測方式では、撮像光学系と独立に距離センサを配置しているために、撮像光学系の光軸と、距離センサの計測軸にずれが生じるパララックス（視差）の問題がある。特に望遠側では画角が狭いため、実際に撮影されている被写体Ａとは異なる物体Ｂを距離センサが捕らえてしまう可能性がある。また、望遠側ではＴＶ−ＡＦ方式での高周波成分を抽出する範囲も狭くなっているため、高周波成分を抽出する範囲と距離センサの計測軸にずれが生じるなど、焦点調節動作に誤動作が生じる場合があった。

従って、本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、視差による焦点調節動作の誤動作を防止することにある。

前記の課題を解決するために、本発明に係わる撮像装置は、撮像光学系により結像された被写体光を光電変換して信号を得る撮像手段と、前記撮像手段から得られる信号に基づいて前記撮像光学系の合焦状態を検出する第１の検出手段と、撮像光学系を介さずに、前記撮像手段から得られる信号とは異なる信号を得るセンサと、前記センサから得られる信号に基づいて前記撮像光学系の合焦点を検出する第２の検出手段とを有する撮像装置であって、前記センサは、前記第１の検出手段の検出範囲と前記第２の検出手段の検出範囲との第１の被写体距離でのオーバーラップ量と当該第１の被写体距離よりも無限側の第２の被写体距離でのオーバーラップ量とが同じ量となるように配置されることを特徴とする。

本発明によれば、視差によるＡＦ制御の誤動作を防止することができる。

以下、本発明の好適な実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。

＜撮像装置の構成＞
図１は本実施形態の撮像装置の構成を示す図面である。１０１は第１固定レンズ群、１０２は変倍を行う変倍レンズ群（以下、ズームレンズと称す）、１０３は絞り、１０４は第２固定レンズ群、１０５は焦点調節機能と変倍による焦点面の移動を補正するいわゆるコンペ機能を兼ね備えたレンズ群（以下、フォーカスレンズと称す）である。ズームレンズ１０２、フォーカスレンズ１０５はそれぞれズーム駆動源１１０、フォーカシング駆動源１１１により光軸方向（図の左右方向）に移動することができる。

被写体からの入射光（被写体光）はレンズ群１０１〜１０５及び絞り１０３などの撮像光学系（撮像レンズ５０１）を通って撮像素子１０６上に結像する。撮像素子１０６はＣＣＤやＣＭＯＳなどの光電変換素子であり、被写体像を電気信号に変換する。電気信号はＣＤＳ／ＡＧＣ回路１０７により読み出しと増幅がなされ、カメラ信号処理回路１０８に入力される。カメラ信号処理回路１０８は所定の映像信号処理を行い、入力された信号を記録装置１０９、モニタ装置１１５に対応した信号に変換する。記録装置１０９は被写体像を記録媒体（磁気テープ、光学ディスク、半導体メモリなど）に記録する。モニタ装置１１５は電子ビューファインダーや液晶パネルなどに被写体像を表示する。

一方、ＣＤＳ／ＡＧＣ回路１０７の出力はＡＦゲート１１２にも出力され、全画面の映像信号のうち合焦制御に用いられる画面範囲の信号が選択される。ＡＦゲート１１２の出力はＡＦ信号処理回路１１３に入力され、合焦検出に用いる高周波成分や輝度差成分（映像信号の輝度レベルの最大値と最小値の差分）などのＡＦ信号（合焦状態を示す信号）が抽出される。

カメラ／ＡＦマイコン１１４は撮像装置全体の制御を司るマイクロコンピュータである。前述のＡＦ信号処理回路１１３の出力および、後述する外部測距ユニット１２６の出力はカメラ／ＡＦマイコン１１４に入力され、ハイブリッドＡＦ制御演算に用いられる。演算結果に応じてカメラ／ＡＦマイコン１１４は前述のフォーカシング駆動源１１１を制御し、合焦制御を行う。

＜ハイブリッドＡＦの動作＞
以下で、外測方式によるハイブリッドＡＦの概略の動作について、図７のフローチャートに従って説明する。

まずステップＳ３０２で、現在のフォーカスレンズの位置において光学的にピントの合う被写体距離を演算する。次にステップＳ３０３で、距離センサの情報により被写体までの距離を検出する。そしてステップＳ３０４にて、前記２種類の被写体距離の差が所定の閾値Ｔｈ１より大きいかを判定する。大きい場合にはピントが大きくずれているため、ステップＳ３０５で被写体距離差に対応するフォーカスレンズの移動量を演算する。そしてステップＳ３０６で、距離センサにより求めた被写体距離にピントが合うようにフォーカスレンズを移動させ、ステップＳ３０７でＡＦ制御以外のカメラ制御処理に移る。

一方、ステップＳ３０４で被写体距離差が閾値Ｔｈ１より小さい場合には、フォーカスレンズはほぼ合焦位置にあるので、合焦精度の高いＴＶ−ＡＦ方式での微調整に移る。まずステップＳ３０８にて、前述のＡＦ信号が所定の閾値Ｔｈ２より大きいかを判定する。大きい場合にはステップＳ３０９にてＴＶ−ＡＦ方式によるＡＦ制御を行い、最終的な合焦位置となるフォーカスレンズ位置を決定し、他のカメラ処理制御に移る。なお、ＴＶ−ＡＦ方式によるＡＦ制御は従来よりよく知られているので、ここでは詳細な説明は省略する。一方、ステップＳ３０８でＡＦ信号が閾値Ｔｈ２より小さい場合には、信号に含まれるノイズ成分などにより正確な合焦ができない恐れがあるので、それ以上のＡＦ制御は行わずに他のカメラ処理制御に移る。

以上で説明したように、距離センサの情報を用いた大まかなピント合わせ動作とＴＶ−ＡＦでの正確なピント合わせ動作を組み合わせることにより、フォーカスレンズの合焦位置を探索するのに要する時間を削減し合焦時間を短縮することができる。

＜外測方式による被写体までの距離の算出方法＞
外部測距ユニット１２６は、外測方式にて被写体までの距離を計測し出力するセンサである。測距手段としては複数の方式が従来より用いられているが、図３、図４はそのうちの１つである位相差パッシブ方式による測距原理を示したものである。図３において、２０１は被写体、２０２は第一の光路の結像用レンズ、２０３は第一の光路の受光素子列、２０４は第二の光路の結像用レンズ、２０５は第二の光路の受光素子列である。第一および第二の光路の受光素子列は基線長Ｂだけ離して設置されている。被写体２０１からの光は、第一の結像用レンズ２０２によって第一の光路を通った被写体光が受光素子列２０３上に結像し、第二の結像用レンズ２０４によって第二の光路を通った被写体光が受光素子列２０５上に結像する。ここで、第一と第二の光路を通って結像した２つの被写体像信号を前記受光素子列２０３と２０５から読み出したときの信号の例を示したものが図４である。２つの受光素子列は基線長Ｂだけ離れているため、図３から分かるように被写体像信号は画素数Ｘだけずれたものとなる。そこで演算手段２つの信号の相関を、画素をずらしながら演算し、相関が最大になる画素ずらし量を求めることでＸが演算できる。このＸと基線長Ｂ、および結像用レンズ２０２と２０４の焦点距離ｆより、三角測量の原理で被写体までの距離Ｌが数式１により求められる。

上述の方法により、合焦となるフォーカスレンズ位置である合焦点を求めることができる。
なお、上記ではパッシブ方式の測距方式を説明したが、このようなパッシブ方式の測距方式に限られるものではない。例えば、アクティブ方式である超音波センサを用いて伝搬速度を測定する方式、コンパクトカメラでよく使用される赤外線投光を用いた三角測量方式などを採用してもよい。

＜外部測距ユニットの設置位置＞
つぎに、外部測距ユニット１２６の設置位置について説明する。ここでは、外部測距ユニット１２６は、図３，４で説明した、パッシブ方式の位相差検出による距離センサであるとして説明する。

図２は、撮像装置のズームが望遠側のときの撮影範囲（ＴＶ＿ＡＦ方式での計測範囲または検出範囲という）と距離センサの計測範囲（検出範囲）を示す図である。望遠側では画角が狭いため、図２に示すように実際に撮影されている被写体Ａとは異なる物体Ｂを距離センサが捕らえてしまい、撮影被写体に合焦しなかったり、合焦に時間がかかってしまったりするなど、焦点調節動作に誤動作が生じる場合があった。そこで、本実施形態では、外部測距ユニットの配置位置を工夫する。

図５（ａ）に示す様に、外部測距ユニット１２６の設置位置を、撮像レンズ５０１の光軸中心（撮影画角中心）からの距離ｒで表現する。撮像レンズ５０１の光軸に対し水平方向、垂直方向をそれぞれｘ，ｙと座標軸を設定すれば、前述の距離ｒの水平／垂直成分は、ｒｘ、ｒｙと表せる。図５（ｂ）は、図５（ａ）を紙面の奥行き方向を図示した図面であり、外部測距ユニット１２６の結像レンズを２０２（２０４）、被写体２０１までの撮像レンズ５０１，及び結像レンズ２０２との距離を、それぞれ、ｄ、ｄｓとした場合、生じる視差（パララックス）をＰｘ、Ｐｙとしている。撮像レンズと結像レンズとのパララックスが零となる基準距離をＬ、そのときの光軸と、外部測距ユニット１２６（結像レンズ２０２）の距離Ｌでのなす角度をθｘ、θｙとする。

ここでパララックス量Ｐｘ，Ｐｙは、図５（ｂ）よりｔａｎθｘ＝ｒｘ／Ｌ＝Ｐｘ／（Ｌ−ｄ）が成り立つので、
（数式２） Ｐｘ＝（Ｌ−ｄ）＊ｒｘ／Ｌ
Ｐｙ＝（Ｌ−ｄ）＊ｒｙ／Ｌ
となる。

一方、図６は、撮像素子１０６上に結像される被写体の実像画面の図であり、撮像素子全画面がのぞく被写体像の大きさ（画角）を６０１、そのうちＴＶ−ＡＦにて焦点調節するためのＡＦ信号を抽出するＡＦ枠の領域に相当する実被写体像の大きさ（ＴＶ＿ＡＦ方式での計測範囲）を６０２で示す。ＡＦ枠内の被写体像範囲６０２の中央を原点として、水平方向、垂直方向に座標軸を設定している。図６の６０３は外部測距ユニット１２６が、撮像画面中に見ている測距エリア（距離センサの計測範囲）を示しており、本例では、撮像レンズ５０１が最望遠である場合の、撮像される被写体の実像の図として表現する。ここで、パララックス量は、Ｐｘ、Ｐｙとして６０２と６０３との中心位置ズレ量として表される。

ここで、ＴＶ−ＡＦ枠内の被写体像６０２の像幅を中心基準でＷｘ，Ｗｙとし、仮想的な撮像素子上のＡＦ枠幅をＷｘ’，Ｗｙ’とする（未図示）。同様に外部測距ユニットの測距エリア幅を撮像画面相当の仮想的大きさとしてＳｘ’，Ｓｙ’（未図示）、実像の大きさに相当する測距エリア幅をＳｘ，Ｓｙとする。

ここで、外部測距ユニット１２６の結像レンズ２０１（２０２）は、凸レンズ１枚構成であることから、一般に結像面での仮想的な被写体像ＳＸ’，ＳＹ’と、実際の被写体像Ｓｘ，Ｓｙの大きさ比率である拡大率βｓは、結像レンズ２０２（２０４）の焦点距離をｆとして、
（数式３） βｓ＝Ｓｘ’／Ｓｘ＝Ｓｙ’／Ｓｙ＝（１／−ｄｓ）＊（ｆ＊（−ｄｓ））／（ｆ＋（−ｄｓ））
ここで、符号は凸レンズの結像側を正、被写体側を負とする
で表される。

本実施形態では、図６の測距エリア６０３は、撮像レンズ５０１の最望遠であるとしたが、例えば１０倍レンズである場合、最広角の１倍の場合では、６０３の図面に比べ、パララックス量Ｐｘ，Ｐｙ及び測距エリア幅内の被写体像Ｓｘ，Ｓｙ共に、１／１０となり、ＴＶ−ＡＦ枠内の被写体像６０２の中央付近に含まれることとなる。つまり、外部測距ユニットの視点は、撮像レンズの見る視点のほぼ中央に重なり、同一の被写体に対し、ピント情報を得ることが可能となる。望遠側になるほど、パララックスの大きさが大きくなり、従来の技術で述べた問題が発生しやすくなる。

本実施形態では、外部測距ユニットの注視点が、ＴＶ−ＡＦ枠内の被写体と所定量以上のオーバーラップ量が確保できるように、外部測距ユニットを配置する。つまり、図７で制御されるハイブリッドＡＦ制御にて、大まかなピント合わせ距離と、ピント追い込みを行う距離が同一にできるように、外部測距ユニットの配置位置を決定する。これにより、撮像レンズの倍率が高倍率であっても、距離検出する被写体と、ＴＶＡＦとでピント合わせをする被写体とが、同一になる撮影頻度を向上させることができる。

以下、先に説明した図５，６を用いて確保するオーバーラップ量を決定し、その結果得られる外部測距ユニット１２６の取付位置ｒｘ，ｒｙの関係を説明する。

図６において、ＡＦ枠内の被写体像６０２と外部測距ユニット１２６の測距エリア像６０３とがオーバーラップ係数ｋ以上重なれば、ＴＶ−ＡＦと外測とでフォーカシングする被写体ズレが許容できる条件であるとすれば、
（数式４） Ｗｘ−（Ｐｘ−Ｓｘ）≧ｋ＊２Ｗｘ
Ｗｙ−（Ｐｙ−Ｓｙ）≧ｋ＊２Ｗｙ
が得られる。

数式２，３より得られるＰｘ，Ｐｙ，Ｓｘ，Ｓｙを上記数式４に当てはめれば、
（数式５） ｒｘ≦（Ｌ／Ｌ−ｄ）（Ｗｘ（１−２ｋ）＋（−ｄｓ）＊Ｓｘ’＊（ｆ；＋（−ｄｓ））／（ｆ＊（−ｄｓ）））
ｒｙ≦（Ｌ／Ｌ−ｄ）（Ｗｙ（１−２ｋ）＋（−ｄｓ）＊Ｓｙ’＊（ｆ；＋（−ｄｓ））／（ｆ＊（−ｄｓ）））
となる。従って、数式５で与えられるｒｘ，ｒｙが満足される図５（ａ）の光軸中心からの距離範囲内の位置に外部測距ユニット１２６を取付ける。つまり、ＴＶ＿ＡＦ方式での検出範囲と距離センサの検出範囲とのある被写体距離でのオーバーラップ量とある被写体距離よりも無限側の被写体距離でのオーバーラップ量とが同じ量となるように配置されることとなる。言い換えると、所定の被写体距離にてオーバーラップ量が最大となり、そこを境に被写体距離が変化するごとにオーバーラップ量が少なくなる。これにより、ＴＶ−ＡＦでフォーカシングする主被写体に対し、外測でのフォーカシングが行える。したがって、図７に示されたハイブリッドＡＦ制御を行っても、視差の影響による誤動作を防止することが可能となる。

尚、（数式５）に具体例を当てはめると、撮像される被写体の実像の大きさＷｘ，Ｗｙは、撮像レンズ５０１で決定される拡大率βと撮像素子に対しＡＦ枠が占める大きさより求めることができる。撮像レンズ５０１は、本実施形態ではリアフォーカスタイプのレンズ群を想定しており、設計的に焦点距離、被写体距離を変数として、拡大率βが決まる。図８の表８０１にて最望遠の焦点距離（撮像側の光学特性）で、被写体距離（列８０２）毎に変化する拡大率を、列８０３で示す。また、撮像素子の水平方向の大きさを列８０４で、垂直方向の大きさを列８０５で、撮像素子面上に投影したＡＦ枠サイズを水平方向、垂直方向それぞれ列８０６，８０７で示す。ここで、ＡＦ枠サイズであるが、本例では、全画面に対し水平方向１／４、垂直方向１／３となるように設定されているものとする。このとき、ＡＦ枠内にピッタリと撮像される被写体の実像サイズは、β＝Ｗｘ’／Ｗｘ＝Ｗｙ’／Ｗｙとなることから、算出でき、結果を列８０８にＷｘ、列８０９にＷｙと表す。

また、パララックスが零となる距離Ｌをここでは３ｍ、被写体までの実距離ｄは列８０２の数値とする。

外部測距ユニット１２６の結像レンズの焦点距離ｆ（外部測距ユニット１２６側の光学特性）は既知である。また、被写体までの実距離ｄｓは、視差角度が小さいとすれば、距離ｄと等価とできるので、結像レンズの拡大率βｓ（数式３）が決まる（列８１０）。また、外部測距ユニット１２６の受光素子部（図３の２０３，２０５）のサイズは、用いるユニットにより既知であり、Ｓｘ’，Ｓｙ’が決まる（列８１１，８１２）。

上記数値条件を、数式５に当てはめる事で、オーバーラップ係数ｋが決定されれば、光軸からのズレ量ｒｘ，ｒｙが決定できる。

本例では、ＡＦ枠と測距エリアを６０％のオーバーラップ量としており、ｋ＝０．６である（列８１３）。このときの光軸からのズレ量ｒｘ，ｒｙの最大値を列８１４，８１５で算出している。測距対象とする被写体距離を１ｍ（至近側）〜１００ｍ（無限側）とすると、外測測距ユニットは、図８の例では、垂直方向の光軸中心からのズレ量を２．８ｃｍ以内、水平方向の光軸からのズレ量を２７．５ｃｍになるように配置すればよいことが分かる。

上述したように外部測距ユニットの設置位置を工夫することにより、視差によるＡＦ制御の誤動作を防止することができ、適正に撮影画角内の被写体に合焦させることができる。

なお、上記実施例では、撮影画角６０１に対してＡＦ枠６０２の大きさを１として述べたが、撮影画角６０１の中心に対してＡＦ枠６０２の中心がずれた場合においても本件内容は有効である。すなわち、ＡＦ枠６０２が画面下方に１０％延びて、撮影画角下方の被写体に優先して焦点を合わせる場合、撮影レンズの光軸中心とＡＦ枠の中心とが一致しない。このような場合においても本件内容は有効である。所定の重なり具合（上記では６０％）を基準にして、外部測距ユニットの設置位置を工夫しているからである。

本発明の撮像装置の実施の形態の構成を示す図である。 撮影画角が望遠側のときのパララックスを示す図である。 位相差パッシブ方式の距離センサの構成を示す図である。 位相差パッシブ方式の距離センサの被写体像信号の例を示す図である。 撮 像レンズと外部測距ユニットの結像光学系（撮像光学系）の関係を示す図である。 ＡＦ枠内の撮像エリアと外部測距ユニットの測距エリアの関係を示す図である。 ハイブリッドＡＦ制御処理を示すフローチャートである。 図５、図６の関係を数値計算した例を示す図である。

符号の説明

１０１ 第１固定レンズ群
１０２ ズームレンズ
１０３ 絞り
１０４ 第２固定レンズ群
１０５ フォーカスレンズ
１０６ 撮像素子
１０７ ＣＤＳ／ＡＧＣ回路
１０８ カメラ信号処理回路
１０９ 記録装置
１１０ ズーム駆動源
１１１ フォーカシング駆動源
１１２ ＡＦゲート
１１３ ＡＦ信号処理回路
１１４ カメラ／ＡＦマイコン
１１５ モニタ装置
１１６ ズームスイッチ
１２６ 外部測距ユニット
２０１ 被写体
２０２ 第一の光路の結像用レンズ
２０３ 第一の光路の受光素子列
２０４ 第二の光路の結像用レンズ
２０５ 第二の光路の受光素子列

Claims (4)

1. 撮像光学系により結像された被写体光を光電変換して信号を得る撮像手段と、
   前記撮像手段から得られる信号に基づいて前記撮像光学系の合焦状態を検出する第１の検出手段と、
   撮像光学系を介さずに、前記撮像手段から得られる信号とは異なる信号を得るセンサと、
   前記センサから得られる信号に基づいて前記撮像光学系の合焦点を検出する第２の検出手段とを有する撮像装置であって、
   前記センサは、前記第１の検出手段の検出範囲と前記第２の検出手段の検出範囲との第１の被写体距離でのオーバーラップ量と当該第１の被写体距離よりも無限側の第２の被写体距離でのオーバーラップ量とが同じ量となるように配置されることを特徴とする撮像装置。
2. 前記第１の検出手段は、前記撮像手段から得られる撮影画角中心と異なる中心を有する検出範囲の信号に基づいて前記撮像光学系の合焦状態を検出することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記オーバーラップ量は、前記撮像手段の光学特性及びサイズと、前記センサの光学特性及びサイズに応じて決まる量であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記撮像手段の光学特性とは、前記撮像光学系が最望遠のときの焦点距離であることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
   

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