JP2008058399A - 焦点調節装置、撮像装置、および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 撮像光学系と外測センサのパララックスによるＡＦ制御の誤動作を防止すること。
【解決手段】 フォーカスレンズの現在位置が予め決められた位置よりも至近側にある場合には外部測距ユニットの出力結果を用いずにＴＶ−ＡＦ方式を用いて当該フォーカスレンズを駆動制御する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、焦点調節技術に関するものである。

ビデオカメラ等の撮像装置の自動焦点調節（以下、ＡＦともいう。）制御として、映像信号の所定の高周波成分（コントラスト成分）を抽出し画像の鮮鋭度に対応する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、被写体までの距離に対応する情報を被写体の位相差を計測したり三角計測により取得したりする方式がある。さらに、これら方式を組み合わせた、ハイブリッドＡＦ制御方式が提案されている（特許文献１）。

ハイブリッドＡＦ制御方式の構成は、ＴＶ−ＡＦ方式と次の方式の組み合わせがある。撮像光学系に入射した光を分光して位相差を計測するセンサなどに入力し焦点位置と合焦位置とのずれ量を計測する内測方式（特許文献２）と、撮像光学系とは別に位相差を計測するセンサなどを設ける外測方式（特許文献３）とである。

内測方式では、撮像光学系にて撮像される被写体像と同じ被写体像が位相差を計測するセンサなどに入力されるため、センサが確実に被写体を捕らえられる利点がある。一方で、レンズ鏡筒内部に分光機構やセンサを設置す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。

また、外測方式では撮像光学系と独立に位相差を計測するセンサなどを配置するため、レイアウトの自由度が高く装置の小型化に有利である。一方、撮影しようとする主被写体までの距離と位相差を計測するセンサなどが測距する被写体までの距離とにずれが生じる。合焦しなかったり、合焦するまで時間がかかったりすることがある。この問題を解消する方策として、測距センサが測距した距離と、あらかじめ設定された距離を比較した結果に基づきＡＦ方式を切り替えるハイブリッドＡＦ制御が提案されている（例えば、特許文献４参照）。
特開２００２−２５８１４７号公報 特開２００２−２５８１４７号公報 第１の実施形態 特開２００２−２５８１４７号公報 第３の実施形態 特開平６−９０３９５号公報

しかしながら、上述の外測方式では、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）がある。図２に、撮像装置の撮像光学系前に手をかざされたような場合の撮影範囲と位相差を計測する外測のセンサの計測範囲を示す。撮像光学系前に手をかざされた場合、図２に示すように撮影光学系を介して撮影されている被写体（手）と、外測のセンサが捉える物体Ａは異なる。この場合に外測のセンサの測定結果に基づきフォーカス動作を開始すると、撮像光学系の被写体に合焦しない。あるいは、合焦までの時間がかかるなどハイブリッドＡＦ制御の誤動作を誘発する課題があった。

前記の課題を解決するために、本願の請求項１に記載した撮像装置は、フォーカスレンズを含む撮像光学系を介して形成される光学像から電気信号を出力し、出力された電気信号から光学像の鮮鋭度を示す焦点信号を検出する第１の検出手段と、前記撮影光学系とは別に設けられた光学系にて合焦位置を検出する第２の検出手段と、前記第１及び第２の検出手段からの検出結果に基づいて前記フォーカスレンズを駆動制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記フォーカスレンズの現在位置が予め決められた位置よりも至近側にある場合には前記第２の検出手段を用いずに前記第１の検出手段を用いて当該フォーカスレンズを駆動制御する。

本出願に係る発明によれば、撮像光学系と外測センサのパララックスによるＡＦ制御の誤動作を防止することができる。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１は本発明の特徴を備えた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は絞りである。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。

このようなインナーフォーカスタイプのレンズシステムは、被写体距離が等しくても、撮像面１０６に合焦させるためのフォーカスレンズ１０５の位置は焦点距離によって異なってしまう。フォーカスレンズ１０５がコンペンセータレンズの機能と焦点調節機能を兼ね備えているためである。

焦点距離を変化させたとき、すなわちズームレンズ１０２を駆動させたときに、任意の被写体距離において合焦させるためのフォーカスレンズ１０５の位置は、図８に示すような曲線で表わされる。図８に示す曲線は、一番下の曲線が無限遠の被写体距離に合焦する位置に対応するもので、上に行くにしたがって、撮像面に近い被写体距離に合焦する位置に対応するものである。

従って、任意の被写体距離の対象を撮像しながらズームを行う場合、図８に示した被写体距離に対応する曲線の軌跡（以下、カム軌跡ともいう。）にしたがってフォーカスレンズ１０５を駆動させれば合焦させた状態でズーミングを行うことが可能である。そこで、インナーフォーカスタイプのレンズシステムを備えた撮像装置においては、図８に示す複数のカム軌跡情報を何らかの形（軌跡そのものでも、レンズ位置を変数とした関数でもよい）で後述するマイコン１１４などに記憶させておく。そして、インデックスナンバー等で必要とするカム軌跡を選択可能とし、ズームレンズ１０２の駆動に対してその軌跡情報に基づきフォーカスレンズ１０５を駆動するような制御を行っている。

被写体からの入射光はレンズ群１０１〜１０５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・増幅され、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。前記画面範囲は任意に設定可能であり、複数の範囲が設定されることもある。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信号として抽出される。抽出されたＡＦ信号は、通常、被写体を撮影した場合図６のようになり、ＡＦ信号が最大になる点が合焦位置となる。

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。

また、カメラ／ＡＦマイコン１１４にはズームレンズ位置を検出するズームレンズ位置検出センサ１２０、フォーカスレンズ位置を検出するフォーカスレンズ位置検出センサ１２１が接続されている。これにより、ズームレンズ１０２およびフォーカスレンズ１０５が移動可能な全ストローク中どの位置にあるかを把握できる。例えば、フォーカスレンズ１０５の駆動をボイスコイルモーター（ＶＣＭ）で行う構成の場合、フォーカスレンズ位置検出センサとしてＭＲセンサ等を用いてフォーカスレンズ１０５が移動したときのＭＲセンサの出力する電圧値をモニターする。例えば無限遠側２．７Ｖ〜至近側０Ｖ等である。これによりレンズ位置を把握できるのである。あるいは、フォーカスレンズ１０５の駆動をステッピングモーターで行う構成であれば、フォーカスレンズ駆動時のパルス数をカウントすることによりフォーカスレンズ位置を把握することが可能である。ズームレンズについても同様にズームレンズ位置検出センサの出力をモニタすることでズームレンズ位置を把握することが可能である。その他、レンズの位置を検出可能なセンサであればこれらに限るものではない。

次に、外部測距ユニット１２６について説明する。

外部測距ユニット１２６は、外測方式にて被写体までの距離に対応する情報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。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。この外部測距ユニット１２６は、原則として、合焦位置を直接測定でき、したがって、フォーカスレンズ１０５の合焦位置への移動速度を速くすることができる。

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から読み出した時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。

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。本実施例はこれらの測距方式に限られるものではなく、撮影光学系と異なる位置に設けられた光学系により合焦位置を検出する方式である。

次に、外部測距ユニット１２６を用いたハイブリッドＡＦの動作について、図５のフローチャートに従って説明する。

まず、ステップＳ５０２で、ＴＶ−ＡＦ制御によりＡＦ制御を行う。ＴＶ−ＡＦ制御に関しては後述する。

次にステップＳ５０３で、現在のフォーカスレンズ位置に対応するカム軌跡ナンバーの選択を行う。このカム軌跡ナンバーは、それぞれの被写体距離において合焦させるためのズームレンズ位置とフォーカスレンズ位置の関係を０、１、２・・・Ｎとインデックスナンバーを付したものである。前述した図８に示すカメラ／ＡＦマイコン１１４内に記憶しているカム軌跡情報である曲線を下（被写体距離無限遠側）から昇順にナンバリングしている。

ステップＳ５０３は、こうしたズームレンズ位置とフォーカスレンズ位置の交叉するカム軌跡に該当するインデックスナンバーを選択するのである。ズームレンズ位置およびフォーカスレンズ位置は、ズームレンズ位置検出センサ１２０、フォーカスレンズ位置検出センサ１２１の出力によってモニタ可能である。

次にステップＳ５０４では、ステップＳ５０３で選択したカム軌跡ナンバーと予め決められたカム軌跡ナンバーとを比較する。この予め決められたカム軌跡ナンバーに対応する被写体距離は、上述した外部測距ユニットの光束と撮影光学系の光束との重なりが少なく誤検出に繋がる被写体距離である。例えば、被写体距離３０ｃｍのカム軌跡とする。３０ｃｍよりも短い場合には外部測距ユニット１２６が被写体距離に関する情報を取得したとしても、その被写体距離に関する情報に基づいてフォーカスレンズを動かす制御をしないことで、ＡＦ制御の誤動作を防止するものである。

所定のカム軌跡ナンバーと比較の結果、選択したカム軌跡ナンバーが大きければ、ステップＳ５０２に戻り、ＴＶ−ＡＦによるＡＦ制御を継続する。これは、ステップＳ５０３で選択したカム軌跡ナンバーが図８に示すＴＶ−ＡＦのみのＡＦ制御範囲のカム軌跡を選択した状態である。また、撮影光学系を介して受光する被写体象の被写体距離が近く、フォーカスレンズ位置も至近側にあると言える状態である。これは現在のフォーカスレンズ位置が予め決められた位置よりも至近側にある場合である。このような状態では、外部測距ユニット１２６で取得する被写体距離と撮影光学系を介して受光する被写体象の被写体距離が全く異なる可能性が高い。したがって、外部測距ユニット１２６が被写体距離に関する情報を取得したとしても、その被写体距離に関する情報に基づいてフォーカスレンズを動かす制御をしないことで、ＡＦ制御の誤動作を防止するものである。

一方、選択したカム軌跡ナンバーが所定のカム軌跡ナンバーより小さい場合は、外部測距ユニット１２６での被写体距離と撮影光学系を介して受光される被写体象の被写体距離一致する可能性の高いフォーカスレンズ位置である。これは現在のフォーカスレンズ位置が予め決められた位置よりも無限遠側にある場合である。このような場合には、ステップＳ５０５に進み、外部測距ユニット１２６の取得情報により被写体距離に対応する情報を演算し、ステップＳ５０６へ進む。

次に、ステップＳ５０６では外部測距ユニット１２６により検出された被写体距離に対応する情報から、その被写体距離に合焦するフォーカスレンズ位置を算出し、ステップＳ５０７へ進む。これは、外部測距ユニット１２６での検出結果による被写体距離に合焦するフォーカスレンズ位置のカム軌跡を算出するための処理である。

次に、ステップＳ５０７では、外部測距ユニット１２６での検出結果による被写体距離に合焦するフォーカスレンズのレンズ位置と、現在のフォーカスレンズ位置とを比較する。これは、外部測距ユニット１２６の検出結果に基づきフォーカスレンズを動かすのが適当か否かを判断するものである。

したがって、外部測距ユニット１２６により検出された被写体距離から算出されたレンズ位置と現在のフォーカスレンズ位置との差が小さい場合は、焦点位置が大きくずれていないためステップＳ５０２へ戻り、ＴＶ−ＡＦ制御を継続する。一方、差が大きい場合は、合焦すべき焦点位置が大きくずれたと判断してステップＳ５０８へ進む。そして、外部測距ユニット１２６での検出結果に対応する被写体距離で合焦させるためにフォーカスレンズ１０５を移動させ、ステップＳ５０９に進む。

次に、ステップＳ５０９では、外部測距ユニット１２６の検出結果に対応する被写体距離にフォーカスレンズ１０５が到達したか否かを判断している。検出被写体距離に到達していなければステップＳ５０８に戻りフォーカスレンズ１０５の移動を継続させる。一方、外部測距ユニット１２６の検出結果に対応する被写体距離に到達していれば、合焦位置近傍にフォーカスレンズ１０５を移動完了との判断からステップＳ５０２へ進む。そして、ＴＶ−ＡＦ制御により、より正確な合焦位置へとフォーカスレンズ１０５を駆動制御する。

次にステップＳ５０２で処理されるＴＶ−ＡＦ方式の動作について図７のフローチャートに従って説明する。

図７において、ＡＦ処理を開始する（ステップＳ１００１）。まず、フォーカスレンズ１０５を微小駆動する（ステップＳ１００２）。

次に、その微小駆動により合焦したか否かを判別する（ステップＳ１００３）。その結果、合焦していなければ、上記の微小駆動により合焦方向を判別できたか否かを判別する（ステップＳ１００４）。その結果、合焦方向を判別できなかった場合は、ステップＳ１００２に戻る。一方、合焦方向を判別できた場合は、ステップＳ１００５の山登り駆動により、ＡＦ評価値が大きくなる方向へ高速でフォーカスレンズ１０５を移動させる。

次に、山登り駆動によりＡＦ評価値がピークを越えたか否かを判別する（ステップＳ１００６）。その結果、ピークを越えていなければ、ステップＳ１００５に戻り、山登り駆動を継続する。一方、ピークを越えた場合は、山登り駆動中のＡＦ評価値のピークに戻すためにフォーカスレンズ１０５を逆方向に駆動する（ステップＳ１００７）。

そして、ＡＦ評価値がピークに達したか否かを判別する（ステップＳ１００８）。その結果、ピークに達していない場合は、ステップＳ１００７に戻り、ＡＦ評価値のピークに戻す動作を継続する。一方、ピークに達している場合は、ステップＳ１００２に戻り、フォーカスレンズ１０５を微小駆動することにより、次の動画の合焦位置をサーチする。

ステップＳ１００３にて、合焦したと判別された場合は、フォーカスレンズ１０５を停止し（ステップＳ１００９）、合焦した際のＡＦ評価値を記憶しておき（ステップＳ１０１０）、再起動判定の処理部分に入る。ステップＳ１０１０で格納した前回のＡＦ評価値とステップＳ１０１１で取得した今回のＡＦ評価値とを比較し、所定レベル以上の差があれば再起動する必要があると判定する（ステップＳ１０１２）。

その結果、再起動する必要があると判定された場合は、ステップＳ１００２に戻り、微小駆動動作を再開する。一方、再起動する必要がないと判定された場合は、フォーカスレンズ１０５をそのまま停止した状態で維持し（ステップＳ１０１３）、以後に対応するため、ステップＳ１０１１へ戻り、再起動判定処理を継続する。

このように、ＴＶ−ＡＦ方式は、再起動判定→微小駆動→山登り駆動→微小駆動→再起動判定を繰り返しながら、フォーカスレンズ１０５を駆動制御することにより、ＡＦ評価値を常に最大にするように制御する。

以上説明したように、現在のフォーカスレンズ位置が至近側にある場合は、外部測距ユニット１２６の検出結果を用いずにＴＶ−ＡＦ制御でＡＦ制御を行う。この際フォーカスレンズの現在位置はカメラ／ＡＦマイコン１１４内に記憶されている複数のカム軌跡から判断する。このようにすることで、インナーフォーカスタイプの撮影光学系を介したＴＶ−ＡＦ方式と外測方式とのハイブリッドＡＦ制御におけるパララックスによるＡＦ制御の誤動作防止することができる。これは例えば、手かざし等を撮影するような撮像光学系の捉える被写体像と外測方式のセンサが捉える被写体像とが異なる場合に有効である。確実に撮影画角内の被写体に合焦させることができる。

なお、上記説明では、カム軌跡情報に基づいて、現在のフォーカスレンズ位置を算出したが、これに限らず、例えば上述のようにステッピングモータの駆動パルス数から算出するようにしても構わない。このようにする場合には、予め決められている被写体距離（上述の例では３０ｃｍ）に対応する駆動パルス数と現在のパルス数とを比較して、外測測距ユニット１２６の測距結果を利用するか否かを判断してもよい。

また、上記説明のステップＳ５０４において、次のようにしてもよい。すなわち、記憶されている複数のカム軌跡から判断したフォーカスレンズの現在位置が、外部測距ユニット１２６の限界値よりも短いか否かに応じてもよい。たとえば、外部測距ユニット１２６の焦点位置と合焦位置とのズレ量を測定し得る限界値として２０ｃｍがある場合、当該２０ｃｍをしきい値としてカム軌跡情報から取得した被写体距離と比較してもよい。この場合には、２０ｃｍ以下の被写体距離に対しては、外部測距ユニット１２６が測定不可なので、外部測距ユニット１２６の出力結果を使わないものである。

本実施例の撮像装置の実施の形態の構成を示す図である。 撮像光学系の光軸と距離センサの計測軸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。 ハイブリッドＡＦ制御処理を示すフローチャートである。 ＴＶ−ＡＦ方式におけるオートフォーカスの原理を示す図である。 ＴＶ−ＡＦ制御処理を示すフローチャートである。 カム軌跡データを示す図である。

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
１２０ ズームレンズ位置検出センサ
１２１ フォーカスレンズ位置検出センサ
１２６ 外部測距ユニット

Claims (9)

1. フォーカスレンズを含む撮像光学系を介して形成される光学像から電気信号を出力し、出力された電気信号から光学像の鮮鋭度を示す焦点信号を検出する第１の検出手段と、
   前記撮影光学系とは別に設けられた光学系にて合焦位置を検出する第２の検出手段と、
   前記第１及び第２の検出手段からの検出結果に基づいて前記フォーカスレンズを駆動制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記フォーカスレンズの現在位置が予め決められた位置よりも至近側にある場合には前記第２の検出手段を用いずに前記第１の検出手段を用いて当該フォーカスレンズを駆動制御することを特徴とする焦点調節装置。
2. 前記制御手段は、更に前記フォーカスレンズの現在位置は、複数の被写体距離に対応するためのズームレンズ位置とフォーカスレンズ位置の関係を示す情報を有し、当該情報に基づいて前記フォーカスレンズの現在位置を検出することを特徴とする請求項１に記載の焦点調節装置。
3. 前記第１の検出手段は、前記信号の高周波成分から焦点信号を検出することを特徴とする、請求項１に記載の焦点調節装置。
4. 前記第２の検出手段は、被写体距離に対応する情報に基づいて合焦位置を検出することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１に記載の焦点調節装置。
5. 前記制御手段は、前記フォーカスレンズの現在位置が予め決められた位置よりも無限遠側に有る場合には前記第１の検出手段、及び前記第２の検出手段のの出力に基づいてフォーカスレンズの合焦位置を決定することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の焦点調節装置。
6. 前記予め決められた位置は前記第２の検出手段の光学系の光束と前記撮影レンズの光束が重ならないことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の焦点調節装置。
7. 前記予め決められた位置は前記第２の検出手段が検出不可能なことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の焦点調節装置。
8. 前記請求項１〜７のいずれか１に記載の焦点調節装置と前記第１の検出手段に用いる電気信号を出力するととも画像記録に用いる電気信号を出力する撮像手段を有することを特徴とする撮像装置。
9. フォーカスレンズを含む撮像光学系を介して形成される光学像から電気信号を出力し、出力された電気信号から光学像の鮮鋭度を示す焦点信号を検出する第１の検出手段と、前記撮影光学系とは別に設けられた光学系にて合焦位置を検出する第２の検出手段と、前記第１及び第２の検出手段からの検出結果に基づいて前記フォーカスレンズを駆動制御する制御手段とを備えた焦点調節装置の制御方法であって、
   前記フォーカスレンズの現在位置が予め決められた位置よりも至近側にある場合には前記第２の検出手段を用いずに前記第１の検出手段を用いて当該フォーカスレンズを駆動制御することを特徴とする制御方法。

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