JP2008046350A - 自動焦点調節装置および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ハイブリッドＡＦ方式において、被写体距離に対応する情報に基づいてフォーカスレンズの駆動制御を行うときの瞬時のピンぼけを防止する。
【解決手段】画像のコントラストに対応する焦点信号に基づいてフォーカスレンズを合焦点へ移動させる第１の自動焦点調節方式と、被写体距離に対応する情報に基づいてフォーカスレンズを合焦点へ移動させる第２の自動焦点調節方式とを併用する自動焦点調節装置において、ズームレンズ位置に対して合焦点となるフォーカスレンズ位置が被写体距離に対応する情報に応じて定められたレンズ移動軌跡情報のうちの、フォーカスレンズの可動範囲に含まれる規定範囲を記憶する記憶手段と、被写体距離に対応する情報が規定範囲にあるか否かに応じて、第２の自動焦点調節方式によるレンズ駆動制御を行うか否かを決定する制御手段とを有する（ステップＳ４０３からＳ３０５またはＳ３０９へ）。
【選択図】図４

Description

本発明は、ビデオカメラ等において最適な焦点調節制御を行う自動焦点調節装置および撮像装置に関するものである。

ビデオカメラ等の自動焦点調節方式として、映像信号の所定の高周波成分（コントラスト成分）を抽出して生成された焦点信号（焦点評価値）が最大となるようにフォーカスレンズ位置を制御して自動焦点調節を行うＴＶ−ＡＦ方式（以下、コントラストＡＦ方式）が主流である。この方式と、被写体までの距離もしくはピントのずれ量を計測するセンサの信号による自動焦点調節方式とを組み合わせた、ハイブリッドＡＦ方式が特開２００２−２５８１４７号公報（特許文献１）により提案されている。

ハイブリッドＡＦ方式は、コントラストＡＦ方式の合焦精度が高い反面、焦点信号が最大となるフォーカス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、別途設けられ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。

ハイブリッドＡＦ方式において、コントラストＡＦ方式と併用されるＡＦ方式としては、センサの配置により、撮影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位相差検出方式と、撮影光学系とは別に距離センサを設ける外測方式とが提案されている。外測方式としては、外測位相差検出方式、超音波センサを用いて伝搬速度を測定する方式、コンパクトカメラによく使用される赤外線センサを用いて三角測量する方式などがある。

内測方式には、撮影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、ひいては撮像装置全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おり、サイズやレイアウトに制限のある内測方式はあまり好ましくないといえる。

一方、外測方式では、撮影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、撮像装置の小型化に有利である。また、撮影光学系においては、小型化、レンズ前面にできるだけ近い位置での撮影を可能にする、などの要請から、インナーフォーカスタイプのレンズが主流になってきている。すなわち、焦点調節機能と変倍による焦点面の移動を補正する機能（いわゆるコンペ機能）を兼ね備えたフォーカスコンペレンズ（以下フォーカスレンズという）とズームレンズを有する。そして、フォーカスレンズとズームレンズをカムで機械的に連動させるのではなく、フォーカスレンズの移動軌跡を予めマイコン内にカム軌跡情報として記憶させておく。このカム軌跡情報に従ってフォーカスレンズを駆動し、ピントを合わせる。

図７は従来のインナーフォーカスタイプのレンズシステムの簡単な構成を示す図である。図７において、９０１は固定されている第１のレンズ群、９０２は変倍を行うための第２のレンズ群（以下ズームレンズという）、９０３は絞り、９０４は固定されている第３のレンズ群である。９０５は焦点調節機能と変倍による焦点面の移動を補正するコンペ機能とを兼ね備えた第４のレンズ群（フォーカスレンズ）、９０６は撮像面（ＣＣＤ）である。

公知のとおり、図７のレンズシステムでは、フォーカスレンズ９０５がコンペ機能と焦点調節機能とを兼ね備えているため、焦点距離が等しくても、撮像面９０６に合焦するためのフォーカスレンズ９０５の位置は、被写体距離によって異なってしまう。各焦点距離（ズームレンズ位置）において被写体距離を変化させたとき、撮像面９０６に合焦させるためのフォーカスレンズ９０５の位置を連続してプロットすると、図８のようになる。図８には、被写体距離が最至近、５０ｃｍ、１ｍ、１０ｍ、無限端のときのカム軌跡情報がそれぞれ示されている。

次に、外測方式との組み合わせのハイブリッドＡＦの概略動作を、図９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。ステップＳ３０３では、距離センサの情報により被写体距離を検出する。そして、ステップＳ３０４にて、ステップＳ３０２とステップＳ３０３にて得られた２種類の被写体距離の差が所定の閾値Ｔｈ１より大きいか否かを判定する。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で被写体距離の差に対応するフォーカスレンズ９０５の移動量を演算する。ステップＳ３０６では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９０５を移動させる。ステップＳ３０７ではメインルーチンに戻り。ＡＦ制御以外のカメラ処理制御に移る。

一方、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より小さいと判定した場合には、フォーカスレンズ９０５はほぼ合焦位置にあるので、合焦精度の高いコントラストＡＦ方式での微調整に移る。まず、ステップＳ３０８にて画像のコントラストに対応する前述の焦点信号が所定の閾値Ｔｈ２より大きいか否かを判定する。大きい場合には、ステップＳ３０９にてコントラスト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、コントラストＡＦ方式によるＡＦ制御は従来よく知られているので、ここでは詳細な説明は省略する。

ステップＳ３０８にて焦点信号が所定の閾値Ｔｈ２より小さいと判定した場合には、焦点信号に含まれるノイズ成分などにより正確なＡＦ制御ができないおそれがあるので、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、まず距離センサの情報を用いて大まかにピントを合わせた後に、コントラストＡＦ方式で正確に合焦させることで、コントラストＡＦ方式において焦点信号が最大となるフォーカスレンズ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。
特開２００２−２５８１４７号公報

しかし、前述の外測方式では、撮影者が撮像装置を同一焦点距離でパンニングした時、撮像装置と被写体の間を物体が通るなどにより、図１０に示すように、同一焦点距離における被写体距離差｜Ｘ１−Ｘ２｜が閾値Ｔｈ１より大きくなることがある。このような場合、被写体距離Ｘ２がフォーカスレンズ９０５の可動範囲外、すなわち、フォーカスレンズ９０５の至近端から無限端までの間にないにもかかわらず、距離センサの情報によりフォーカスレンズ９０５を移動させてしまう。そのため、画像がそれに伴い、ピンぼけしてしまう。距離センサを使用することで瞬時のピンぼけが発生しまうこととなる。また、この現象は動画として見栄えが悪いだけでなく、撮影者はピンぼけ画像のために被写体を識別することが困難となってしまう。

（本発明の目的）
本発明の目的は、ハイブリッドＡＦ方式において、被写体距離に対応する情報に基づいてフォーカスレンズの駆動制御を行うときの瞬時のピンぼけを防止することのできる自動焦点調節装置および撮像装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、撮像手段の出力信号から画像のコントラストに対応する焦点信号を取得し、該焦点信号に基づいてフォーカスレンズを合焦点へ移動させるレンズ駆動制御を行う第１の自動焦点調節方式と、被写体距離に対応する情報を取得し、該情報に基づいて前記フォーカスレンズを合焦点へ移動させるレンズ駆動制御を行う第２の自動焦点調節方式とを併用して、焦点調節を行う自動焦点調節装置において、ズームレンズ位置に対して合焦点となるフォーカスレンズ位置が前記被写体距離に対応する情報に応じて定められたレンズ移動軌跡情報のうちの、前記フォーカスレンズの可動範囲に含まれる規定範囲を記憶する記憶手段と、前記被写体距離に対応する情報が前記規定範囲にあるか否かに応じて、前記第２の自動焦点調節方式によるレンズ駆動制御を行うか否かを決定する制御手段とを有するとするものである。

また、本発明は、本発明の上記自動焦点調節装置を具備する撮像装置とするものである。

本発明によれば、ハイブリッドＡＦ方式において、被写体距離に対応する情報に基づいてフォーカスレンズの駆動制御を行うときの瞬時のピンぼけを防止することができる。

本発明を実施するための最良の形態は、後述する実施例に記載の通りである。

図１は本発明の実施例である撮像装置のシステム構成を示す図である。図１において、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固定レンズ群である。１０５は焦点調節機能と変倍に伴う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、フォーカス駆動源１１１により光軸方向（図１の左右方向）に移動させることができる。

被写体からの入射光はレンズ群１０１，１０２，１０４，１０５および絞り１０３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。この電気信号はＣＤＳ／ＡＧＣ回路１０７により読み出され、増幅されて、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、ＡＦゲート１１２により全画面の映像信号のうちコントラストＡＦ制御に用いられる画面範囲の像信号が選択される。この画面範囲は任意に設定可能であり、複数の画面範囲が設定されることもある。ＡＦゲート１１２の出力は焦点信号処理回路１１３に入力され、コントラストＡＦ制御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）などの焦点信号が抽出される。

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。前述の焦点信号処理回路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はフォーカス駆動源１１１を制御し、合焦制御を行う。

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、出力する距離センサを有する。測距手段としては複数の方式が従来用いられているが、図２および図３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２において、２０１は被写体、２０２は第１の光路の結像用レンズ、２０３は第１の光路の受光素子列、２０４は第２の光路の結像用レンズ、２０５は第２の光路の受光素子列である。第１および第２の光路の受光素子列２０３，２０５は基線長Ｂだけ離れて設置されている。被写体２０１からの光は、第１の光路を通って結像用レンズ２０２によって受光素子列２０３に結像し、第２の光路を通って結像用レンズ２０４によって受光素子列２０５に結像する。ここで、第１と第２の光路を通って結像した２つの被写体像信号を受光素子列２０３，２０５から読み出したときの信号の例を図３に示す。２つの受光素子列２０３，２０５は基線長Ｂだけ離れているため、図２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。そこで演算手段は２つの像信号の相関を、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画素数Ｘを演算することができる。この画素数Ｘ、基線長Ｂおよび結像用レンズ２０２，２０４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が下記の（１）式により求められる。

Ｌ＝Ｂ・ｆ／Ｘ （１）
このようなパッシブ方式の測距方式のほか、アクティブ方式として、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があるが、本発明はこれらの測距方式に限られるものではない。

カメラ／ＡＦマイコン１１４にはこの他に、ユーザがズーム操作を行うズームスイッチ１１６が接続されている。ズームスイッチ１１６の操作信号に応じてカメラ／ＡＦマイコン１１４はズーム駆動源１１０を制御することにより光学ズーム制御を行い、また、カメラ信号処理回路１０８を制御して電子ズーム制御を行う。

次に、カメラ／ＡＦマイコン１１４により行われるＡＦ制御処理を図４のフローチャートを用いて説明する。なお、従来例で説明した図９と同様な処理については、同一番号を記し、説明を割愛する。

図４において、ステップＳ４０２にて現在のズームレンズ位置を検出する。ステップＳ３０２で現在のフォーカスレンズ位置に対応する合焦被写体の距離Ｘ１を検出する。ステップＳ３０３にて外部測距ユニット１２６の距離センサによる被写体距離Ｘ２を検出する。ステップＳ４０３にて予め記憶しておいたカム軌跡情報（レンズ移動軌跡情報）の所定の範囲（規定範囲）にステップＳ４０２で検出したズームレンズ位置とステップＳ３０３にて検出した被写体距離Ｘ２が入っているか否かを判断する。

ここで、カム軌跡情報の所定の範囲（規定範囲）について説明する。図５に示すようにレンズのカム軌跡情報において、ソフト的に設けた合焦可能な最至近距離を第１の閾値とし、ソフト的に設けた合焦可能な最無限距離を第２の閾値とする。所定の範囲は、第１の閾値以下、第２の閾値以上であり、かつ、フォーカスレンズ１０５の可動範囲、すなわち、フォーカスレンズ１０５の至近端と無限端の間とする。また、上述した条件の他に、ズームレンズ１０２の可動範囲、すなわち、ズームレンズ１０２のワイド端とテレ端の間の範囲を加えてもよい。この所定の範囲を図６に示すようなマトリックスでメモリ（カメラ／ＡＦマイコン１１４内のメモリあるいは別途に設けられたメモリ）に記憶しておき、ステップＳ４０３にて被写体距離Ｘ２と記憶されたマトリックスを比較し、被写体距離Ｘ２が所定の範囲内にあるか否かを判断する。ステップＳ４０３にてカム軌跡情報の所定の範囲内にないと判断されたときは、距離センサによるレンズ駆動制御を禁止する。すなわち、ステップＳ４０３からステップＳ３０８，Ｓ３０９へと進み、従来の技術で述べた処理を行う。

以上の制御により、外測方式のハイブリッドＡＦ制御における、距離センサを使用することによる瞬時のピンぼけを防止することができ、撮像困難な状態を起こさないようにすることができる。

なお、本発明は、本願特許請求の範囲で述べた構成であれば、ハイブリッドＡＦおよびコントラストＡＦの合焦制御、レンズ移動軌跡情報（カム軌跡情報）の規定範囲（所定の範囲）設定、レンズ位置情報と規定範囲（所定の範囲）の判断方法などを実施例に制限するものではない。

本発明の実施例である撮像装置のシステム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例を示す図である。 本発明の実施例のＡＦ制御処理を示すフローチャートである。 本発明の実施例におけるカム軌跡情報の所定の範囲を示す図である。 本発明の実施例におけるカム軌跡情報の所定の範囲を記憶するときのマトリックスを示す図である。 従来のインナーフォーカスレンズタイプレンズシステムの構成を示す図である。 従来のインナーフォーカスレンズタイプレンズシステムのカム軌跡を示す図である。 従来のハイブリッドＡＦ制御処理を示すフローチャートである。 従来のＡＦ制御処理における距離差を示す図である。

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 フォーカス駆動源
１１２ ＡＦゲート
１１３ 焦点信号処理回路
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
１０１０ ＡＦセンサ
１０１１ ＡＦ回路

Claims (6)

1. 撮像手段の出力信号から画像のコントラストに対応する焦点信号を取得し、該焦点信号に基づいてフォーカスレンズを合焦点へ移動させるレンズ駆動制御を行う第１の自動焦点調節方式と、被写体距離に対応する情報を取得し、該情報に基づいて前記フォーカスレンズを合焦点へ移動させるレンズ駆動制御を行う第２の自動焦点調節方式とを併用して、焦点調節を行う自動焦点調節装置において、
   ズームレンズ位置に対して合焦点となるフォーカスレンズ位置が前記被写体距離に対応する情報に応じて定められたレンズ移動軌跡情報のうちの、前記フォーカスレンズの可動範囲に含まれる規定範囲を記憶する記憶手段と、
   前記被写体距離に対応する情報が前記規定範囲にあるか否かに応じて、前記第２の自動焦点調節方式によるレンズ駆動制御を行うか否かを決定する制御手段とを有することを特徴とする自動焦点調節装置。
2. 前記制御手段は、前記被写体距離に対応する情報が前記規定範囲外にあることに応じて、前記第２の自動焦点調節方式によるレンズ駆動制御を禁止すること特徴とする請求項１に記載の自動焦点調節装置。
3. 前記制御手段は、前記被写体距離に対応する情報が前記規定範囲外にあることに応じて、前記第１の自動焦点調節方式によるレンズ駆動制御を行うこと特徴とする請求項２に記載の自動焦点調節装置。
4. 前記規定範囲は、前記フォーカスレンズ位置の最至近端と最無限端の間に制限されること特徴とする請求項１ないし３いずれかに記載の自動焦点調節装置。
5. 前記規定範囲は、ズームレンズの可動範囲内に制限されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の自動焦点調節装置。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の自動焦点調節装置を具備することを特徴とする撮像装置。
   

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