JP2008111995A - オートフォーカス制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像素子における画像データとしての電荷の蓄積と読み出しを画素行単位の走査で行う撮像装置において、簡単な処理で正確にコントラスト評価値と焦点位置とを対応させ、正確なＡＦ制御が実現可能な「山登り制御」によるＡＦ機能を備えたカメラにおけるＡＦ制御方法及び装置を提供する。
【解決手段】フォーカスレンズの駆動期間を、撮像素子の各フレームにおける電荷の読み出し同期信号を起点とし、撮像素子の電荷蓄積時間を基に算出した遅延時間で制御し、この遅延時間を、各撮像フレームの電荷の蓄積と読み出しのための垂直同期信号の間隔をＶ、各撮像フレームの１ライン分の電荷の蓄積と読み出し時間をTs、撮像素子上のＡＦのためのウィンドウに対応するエリアにおける、垂直同期信号から中央ラインの読み出し終了までの時間をＡとしたとき下記式（１）により算出するようにした。Ｄｅｌａｙ＝Ａ＋（Ｖ−Ts）／２ …………（１）
【選択図】図２

Description

本発明は、オートフォーカス機能を備えたカメラにおけるオートフォーカス制御方法及び装置に関わり、特に、撮像素子における画像データとしての電荷の蓄積と読み出しを画素行単位の走査で行う撮像装置を備え、レンズの焦点位置を移動させながら撮像信号に含まれる高周波成分を抽出することでコントラスト評価値を算出し、高コントラストが得られた際のレンズ位置を合焦位置として撮像レンズを制御する、いわゆる「山登り制御」によるオートフォーカス機能を備えたカメラにおけるオートフォーカス制御方法及び装置に関するものである。

カメラにおけるオートフォーカス制御には、カメラ側から信号を発して被写体から反射した信号が到達するまでの時間を測定し、それを距離に換算してフォーカスレンズを駆動して行うアクティブ方式や、被写体像の情報を用いて焦点位置を検出し、フォーカスレンズを駆動するパッシブ方式などがある。

このうちアクティブ方式は、測距用の信号を発する赤外線等の発光素子や反射してきた信号を受ける受光素子を必要とし、その分カメラ内にスペースが必要となるからカメラが大型化すると共にコスト的にも不利になるという問題を含んでいる。それに対し、例えばコントラスト方式（周波数分離方式）で代表されるパッシブ方式では、撮影レンズに入ってくる光の情報を用いてピント合わせをするため、発光素子や受光素子が必要なく、部品数がアクティブ方式に較べて少なくて済むと共にスペースも必要ないから、それだけコスト的に有利になる。特にデジタルカメラでは、撮像素子がそのままオートフォーカス用として使うことが可能であるから、この方式を用いているものが多い。

上記したコントラスト方式（周波数分離方式）は、撮像素子上に投影された被写体像におけるコントラスト比や周波数成分がピントが合っている時に最も大きくなる、という性質を用いて焦点合わせするもので、図６に一例を示したように、フォーカスレンズまたは撮像素子をレンズの光軸方向に前後させて撮像信号に含まれる高周波成分を抽出することでコントラスト評価値を算出し、変化するコントラスト比または周波数成分が最も高くなったレンズ位置Ｘ１が焦点の合った位置である、として撮像レンズを制御するものである。このオートフォーカス制御は、別名、「山登り制御」とも呼ばれ、この図６のグラフにおいて横軸Ｘはフォーカスレンズの位置であり、「至近」と記したのは最至近フォーカス位置、「無限」と記したのは無限遠フォーカス位置で、縦軸はコントラスト評価値を示している。

一方、ビデオカメラやデジタルカメラの撮像装置を構成する撮像素子には、従来から、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｅｒ）が用いられている。このうちＣＭＯＳを用いた撮像素子は、ＣＣＤを用いた撮像素子に較べてＬＳＩと同様の製造プロセスが使用できるために量産性に優れ、増幅器を始め様々な機能を画素毎に設けることも可能で、回路全体のサイズを小さくできると共にコスト的にも有利になる。また、電源が低電圧の単一電源で済み、ＣＣＤでは問題となるスミアが無視できるほど小さい上に、データの読み出しが高速に行える等の利点がある。

しかしながらＣＭＯＳを用いた撮像素子は、ノイズが多いということと、マトリクス状に配列された各画素を構成する撮像素子からの撮像データをＣＣＤとは異なって画素行単位の走査で取り出すため、撮像に際し、電荷露光を行うタイミングがライン毎に異なると共に画像データを時系列に読み出すことになり、走査線ごとに走査に要する時間だけ蓄積時間がずれてしまう、という欠点がある。この欠点のため、ＣＭＯＳを用いた撮像装置では、高速で動いている被写体を撮像した場合に走査方向に曲がった画像が出力されたりする。

それに対してＣＣＤでは、光の照射によって同一時刻に蓄積した電荷をそのままの状態で転送機能を用いて増幅器に運ぶため、データ全体の読み出しはＣＭＯＳに較べて遅くなるが、ＣＭＯＳを用いた撮像装置のように、高速で動いている被写体を撮像しても走査方向に曲がった画像が出力されるといったことがなく、また、ＣＣＤ自体の感度がＣＭＯＳに対して高い上にノイズも少ない。

しかし例えば一眼レフ型のデジタルカメラなどにおいては、センサのサイズを大きくできるために感度やノイズの改善が容易である。さらにＣＭＯＳを用いた撮像素子は、その高速性によって一眼レフ型のデジタルカメラ等に要求される連写機能を容易に実現することができ、前記したＣＭＯＳを用いた撮像素子の利点と相俟って、最近の一眼レフ型デジタルカメラではこのＣＭＯＳを用いた撮像素子を備えたものが多くなっている。

しかしながらＣＭＯＳを撮像装置の撮像素子として用いた場合、前記した山登り方式のオートフォーカス制御と組み合わせると、算出したコントラスト評価値とレンズ位置（焦点位置）との対応を取ることが難しくなるという問題がある。山登り方式のオートフォーカス制御では、算出されたコントラスト評価値と、その時のレンズ位置が正確に対応していなければ正確なオートフォーカス制御を行うことができないが、ＣＭＯＳを用いた撮像装置では、画像データとしての電荷の蓄積と読み出しを画素行単位の走査で行うため、レンズ駆動中にコントラスト評価値を算出すると、算出したコントラスト評価値がレンズにおけるどの焦点位置の値かわからなくなるのである。

これを図７で説明する。この図７において、１１１の「垂直同期信号」と記したのは撮像素子からの画像データ読みだしのための同期信号、１１２の「露光」と記した下の横棒は画像データとしての電荷の蓄積と読み出しを行う画素行を示したもので、撮像素子としてＣＭＯＳを用いた場合、画素行毎のデータ読み出しはこのように時間的にずれてゆく。最上部に１１３の「レンズ」と記したのは、オートフォーカスレンズによる焦点位置移動を行うタイミングと期間を示したもので、１１４の「駆動」と記したのは焦点位置を移動させている期間、１１５の「停止」と記した期間は移動を停止させている期間、１１６はオートフォーカスのためにコントラスト評価値を算出するエリアであり、これは例えば図５の撮像画面におけるほぼ中央のＡＦウィンドウと記されたエリアに対応する。

このように、画像データとしての電荷の蓄積と読み出し（露光１１２）の最中にフォーカスレンズによる焦点位置移動（駆動１１４）を行うと、移動前に得られたデータと移動中のデータ、及び移動後に得られたデータはそれぞれ異なった焦点位置のものとなり、得られたコントラスト評価値がどの焦点位置に対応しているかがわからなくなる。

それを防ぐためには、図８に示したように、例えば焦点位置が移動している時に得られた画像データからはコントラスト評価値を算出しないという方法もある。この図８において前記図７と同じ要素には同じ番号が付してあり、１１１は垂直同期信号、１１２の下の横棒は画像データとしての電荷の蓄積と読み出しを行う画素行を示したもの、１１３はオートフォーカスレンズによる焦点位置移動を行うタイミングと期間を示したもの、１１４は焦点位置を移動させている期間、１１５は移動を停止させている期間、１１６はオートフォーカスのためにコントラスト評価値を算出するエリアである。

この図８の例では、オートフォーカスレンズによる焦点位置移動（駆動１１４）は、連続したフレームに対して１回おきとし、かつ、オートフォーカスレンズによる焦点位置移動（駆動１１４）が行われる時の露光１１２は、オートフォーカスのためにコントラスト評価値を算出しないようにしたものである。

図９のグラフは、以上説明した図７、図８から得られた画像データをそのまま用い、算出したコントラスト評価値とそのデータを元に多項式によって得られたデータをプロットしたグラフである。図中横軸はレンズ位置（焦点位置）、縦軸はコントラスト評価値（ＡＦ評価値）であり、実線グラフと◆を付して１Ｖとして示したのは、図７のように連続して行われる画像データの電荷の蓄積と読み出し（露光１１２）毎に焦点位置を移動させた場合、点線と■を付して２Ｖとして示したのは１回おきに焦点位置を移動させ、かつ、焦点位置を移動させたときはコントラスト評価値を算出しなかった場合、多項式は、オートフォーカスのために合焦位置を求める式を多項式として算出した場合である。

このグラフから分かるように、図８のように連続して行われる画像データの電荷の蓄積と読み出し（露光１１２）に対し、オートフォーカスレンズによる焦点位置移動（駆動１１４）を１回おきとし、かつ、焦点位置移動が行われる時はコントラスト評価値を算出しないようにした２Ｖ（点線と■を付した点線）に対し、毎回コントラスト評価値を取得した１Ｖ（実線と◆を付した実線）とはピーク位置が明らかに異なり、毎回コントラスト評価値を取得した１Ｖでは正確なフォーカス位置が算出できないことがわかる。

そのため、図８のようにオートフォーカスレンズによる焦点位置移動（駆動１１４）を１回おきとし、かつ、焦点位置移動が行われる時はコントラスト評価値を算出しないようにすれば正確な焦点位置を算出できるが、このようにするとオートフォーカスのための焦点位置移動が遅くなり、例えば１５ｆｐｓ（Ｆｌａｍｅ／ｓｅｃ）で８フレーム分の画像信号からコントラスト評価値を算出すると、約１秒程度かかってしまうことになる。

なお、コントラスト評価値の算出に際し、オートフォーカスレンズによる焦点位置移動の影響を少なくしながらオートフォーカスも高速に行う方法としては、オートフォーカス制御中はフレームレート優先モードにする方法、スキャンステップを広くする方法がある。このうち、オートフォーカス制御中にフレームレート優先モードにする方法は、オートフォーカス中はシャッター速度を短くしてゲインを上げることにより、取り込みタイミングを短くする方法であるが、オートフォーカス制御中だけゲインを上げることでノイズが発生してしまい、画像データに与える影響が大きい。

スキャンステップを広くする方法は、例えば通常２パルス毎にオートフォーカスのスキャンを行っているとする場合に４パルス毎にオートフォーカススキャンを行うもので、通常よりスキャンポイントが少なくなるが数式的な補間処理を行えば問題は生じない。しかし、低照度時のノイズが多く発生する場合や、低いコントラストの被写体を撮影して評価値が小さい場合などは、スキャンステップを多くした場合に精度が落ちてしまう可能性がある。

そのため例えば特許文献１には、ＣＭＯＳセンサを備えた撮像装置において、ＣＭＯＳイメージセンサの中のオートフォーカスに必要となる所定の範囲（枠）をＡＦ枠として選択し、そのＡＦ枠を構成する各ラインのディレイを算出して実際の露光時間を算出する。そして、フォーカスレンズの駆動履歴および実際の露光時間の履歴に基づき、山登りオートフォーカスにおいて必要となる重心位置を算出して、最適なフォーカス位置を得ることができるようにした撮像装置が示されている。

また特許文献２には、合焦用レンズを移動させながら画像信号の高周波成分を検出し、高周波成分が最大となる合焦位置を求めるにあたり、撮像素子の電荷蓄積時間に基づき、先に検出した合焦位置に対する補正量を算出して正確な合焦点を得ることができる、自動合焦装置、撮像装置及び合焦位置検出方法が示されている。

特開２００５−３２６７０６号公報 特開２００６−１１０３５号公報

しかしながら、これら特許文献１、特許文献２に示された方法は、どちらも山登りオートフォーカスにおいて必要となるコントラスト評価値に対応した焦点位置を、移動している焦点位置を元に重心位置を算出してコントラスト評価値と対応させる、という複雑な方法であり、明るさの変化などで撮像素子の電荷蓄積時間や読み出し時間に変化があると、それに対応させる必要も出てくる。

そのため本発明においては、撮像素子における画像データとしての電荷の蓄積と読み出しを画素行単位の走査で行う撮像装置において、簡単な処理で正確にコントラスト評価値と焦点位置とを対応させ、正確なオートフォーカス制御が実現可能な「山登り制御」によるオートフォーカス機能を備えたカメラにおけるオートフォーカス制御方法及び装置を提供することが課題である。

上記課題を解決するため本発明におけるオートフォーカス制御方法は、
焦点位置を変化させるレンズと、各撮像フレームにおける電荷の蓄積と読み出しを画素行単位の走査で行う撮像素子を備えた撮像装置とを有し、前記レンズの焦点位置を変化させ、前記撮像素子から出力される画像データに含まれる高周波成分を抽出してコントラスト評価値を算出し、最も高いコントラスト評価値が得られた焦点位置を合焦位置とするオートフォーカス制御方法であって、
オートフォーカスのためのウィンドウに対応する前記撮像素子上のエリアにおける、最後の電荷読み出し行の電荷蓄積終了時から、該電荷蓄積終了後の前記エリアにおける最初の電荷読み出し行の電荷蓄積開始時までの間をウィンドウエリア外の期間とするとき、該ウィンドウエリア外の期間が前記レンズの焦点位置変化期間より長い場合は前記レンズの焦点位置変化期間をウィンドウエリア外の期間内となるように、短い場合は前記レンズの焦点位置変化期間を前記電荷蓄積の終了直前と前記次の電荷蓄積の開始直後の両方に均等に重なるようにすることを特徴とする。

そして、このオートフォーカス制御方法を実施するオートフォーカス制御装置は、
駆動手段により駆動されて焦点位置を変化させるレンズと、各撮像フレームにおける電荷の蓄積と読み出しを画素行単位の走査で行う撮像素子を備えた撮像装置と、前記撮像素子から得られた画像データに含まれる高周波成分を抽出してコントラスト評価値を算出するコントラスト評価値算出手段と、該コントラスト評価値算出手段の算出した最も高いコントラスト評価値を検知し、対応する焦点位置をフォーカス位置として前記駆動手段を制御するオートフォーカス処理部とからなるオートフォーカス制御装置において、
前記オートフォーカス処理部は、前記撮像素子上のオートフォーカスのためのウィンドウに対応するエリアにおける、最後の電荷読み出し行の電荷蓄積終了時から、該電荷蓄積終了後の前記エリアにおける最初の電荷読み出し行の電荷蓄積開始時までの間をウィンドウエリア外の期間として算出し、該ウィンドウエリア外の期間が前記レンズの焦点位置変化期間より長い場合は前記レンズの焦点位置変化期間をウィンドウエリア外の期間内とし、短い場合は前記レンズの焦点位置変化期間を前記電荷蓄積の終了直前と前記次の電荷蓄積の開始直後の両方に均等に重なるよう制御することを特徴とする。

このように、フォーカスレンズにおける焦点位置を変化させる期間を、ウィンドウエリア外の期間内か、電荷蓄積の終了直前と次の電荷蓄積の開始直後の両方に均等に重なるようにすることで、焦点位置を変化させる期間をコントラスト評価値算出に影響を与えないか、若しくは影響を最小限に止める期間とすることができ、簡単な処理で正確にコントラスト評価値と焦点位置とを対応させ、正確なオートフォーカス制御が実現可能なオートフォーカス制御方法を提供することができる。

そして、前記オートフォーカス処理部は、前記レンズの焦点位置変化期間を、前記撮像素子の各フレームにおける電荷の読み出し同期信号を起点とし、前記撮像素子の電荷蓄積時間を基に算出した遅延時間で制御することで、簡単な処理で焦点位置を変化させる期間をコントラスト評価値算出に影響を与えないか、若しくは影響を最小限に止める期間とすることができる。

また、前記オートフォーカス処理部は、前記レンズの焦点位置変化期間の中央が、前記ウィンドウエリア外の期間の中央に略一致するよう前記遅延時間を定めて制御することで、実質的に前記遅延時間を、オートフォーカスウィンドウエリア外の期間が焦点位置変化期間より長いか否かを判断することなく、オートフォーカスウィンドウの電荷を読み出す期間、すなわちコントラスト評価値算出に影響を与えないか、影響を最小限に止めるようにすることができ、さらに、簡単な処理で正確にコントラスト評価値と焦点位置とを対応させ、正確なオートフォーカス制御が実現可能なオートフォーカス制御方法及び装置を提供することができる。

さらに、前記撮像装置における、各撮像フレームの電荷の蓄積と読み出しのための垂直同期信号の間隔（１フレームの時間）をＶ、各撮像フレームの１ライン分の電荷の蓄積と読み出し時間をＳｈｕｔｔｅｒ＿ｔｉｍｅ、前記撮像素子上のオートフォーカスのためのウィンドウに対応するエリアにおける、垂直同期信号から中央ラインの読み出し終了までの時間をＡとしたとき、前記レンズの焦点位置を変化させる期間の中心の垂直同期信号に対する前記遅延時間（Ｄｅｌａｙ）を下記式（１）により算出して制御することが、本発明の好適な実施形態である。
Ｄｅｌａｙ＝Ａ＋（Ｖ−Ｓｈｕｔｔｅｒ＿ｔｉｍｅ）／２ …………（１）

さらに同様に、本発明におけるオートフォーカス制御方法は、
焦点位置を変化させるレンズと、各撮像フレームにおける電荷の蓄積と読み出しを画素行単位の走査で行う撮像素子を備えた撮像装置とを有し、前記レンズの焦点位置を変化させ、前記撮像素子から出力される画像データに含まれる高周波成分を抽出してコントラスト評価値を算出し、最も高いコントラスト評価値が得られた焦点位置を合焦位置とするオートフォーカス制御方法であって、
前記撮像素子上のオートフォーカスのためのウィンドウに対応するエリアにおける垂直方向の中心行の蓄積期間の中央に、前記レンズにおける焦点位置を変化させる期間の中央が略一致するよう制御することを特徴とする。

そして、このオートフォーカス制御方法を実施するオートフォーカス制御装置は、
駆動手段により駆動されて焦点位置を変化させるレンズと、各撮像フレームにおける電荷の蓄積と読み出しを画素行単位の走査で行う撮像素子を備えた撮像装置と、前記撮像素子により撮像された画像データのコントラストの強弱を示すコントラスト評価値を算出するコントラスト評価値算出手段と、該コントラスト評価値算出手段の算出した最も高いコントラスト評価値を検知し、対応する焦点位置をフォーカス位置として前記駆動手段を制御するオートフォーカス処理部とからなる山登り方式によるオートフォーカス制御装置において、
前記オートフォーカス処理部は、前記レンズの駆動期間を、前記撮像素子上のオートフォーカスのためのウィンドウに対応するエリアにおける垂直方向の中心行の蓄積期間の中央に、前記レンズにおける焦点位置を変化させる期間の中央が略一致するよう制御することを特徴とする。

このように、撮像素子上のオートフォーカスのためのエリアにおける垂直方向の中心行の蓄積期間の中央に、フォーカスレンズにおける焦点位置を変化させている期間の中央が一致するよう制御することで、画像データとしての電荷の蓄積と読み出しが行われている最中にフォーカスレンズにおける焦点位置の変化が生じても、変化前と変化後における電荷の蓄積量は略同じになるから、前記特許文献１、２に記載されたようなコントラスト評価値と対応させる焦点位置の重心位置算出が、非常に簡単に行えることになり、複雑な計算をすることなく、容易にフォーカス位置を算出できるオートフォーカス制御方法及び装置を提供することができる。

以上記載のごとく本発明によれば、簡単な処理で正確にコントラスト評価値と焦点位置とを対応させ、正確なオートフォーカス制御が実現可能なオートフォーカス制御方法及び装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の形状、その相対的配置等は、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１は、本発明になるオートフォーカス制御方法を実施するオートフォーカス制御装置の構成ブロック図である。撮像素子１０からの画像信号はカメラ信号処理部１１に取り込まれ、画像表示やノイズ除去、輪郭強調など、画像処理と保存などのための処理を行う画像処理部１２で処理される。また、オートフォーカス（ＡＦ）、自動露光（ＡＥ）、ホワイトバランス補正（ＡＷＢ）などは、信号処理部１３が画像信号を取り込んで実施し、さらに信号処理部１３は、オートフォーカス制御用に画像信号からの高周波成分抽出と、そのデータの信号メモリ部１４への保存を行う。

そしてコントラスト評価値算出部１５は、このメモリ部１４に保存された高周波成分データによってコントラスト評価値を算出し、オートフォーカス（ＡＦ）処理部１６は、この算出されたコントラスト評価値のうち、最も高いコントラスト評価値が得られた焦点位置をフォーカス位置としてフォーカスレンズ処理部１７に信号を送り、モータ１８を駆動して、ピントの合う位置にフォーカス用のレンズ１９を駆動させる。なお、コントラスト評価値算出方法は、一般的な技術なので説明は省略する。

以上がオートフォーカス制御方法を実施する撮像装置であるが、本発明ではこの撮像装置において、次のような考え方でオートフォーカス制御を実施する。すなわちその第１の方法は、図１に１９で示したフォーカス用のレンズを駆動するモータ１８の駆動期間、すなわちレンズ１９の焦点位置変化期間を、各フレームの画像データにおける前記図５に示したオートフォーカス（ＡＦ）ウィンドウに対応するエリアの電荷を読み出す期間に影響を与えないか、影響を最小限に止めるため、撮像素子１０における各フレームの電荷読み出し同期信号を起点とし、撮像素子１０における電荷蓄積時間を基に算出した遅延時間で制御するようにしたものである。

これは、例えば撮像素子１０上のオートフォーカスのためのエリア（図５におけるＡＦウィンドウに対応）における、最後の電荷読み出し行の電荷蓄積終了時から、この電荷蓄積終了後の前記エリアにおける最初の電荷読み出し行の電荷蓄積開始時までの間をオートフォーカスウィンドウエリア外の期間としたとき、このオートフォーカスウィンドウエリア外の期間がフォーカス用レンズ１９の焦点位置変化期間より長いか否かを判断し、長い場合はフォーカス用レンズ１９の焦点位置変化期間をオートフォーカスウィンドウエリア外の期間内となるようにし、短い場合は、フォーカス用レンズ１９の焦点位置変化期間をオートフォーカスウィンドウエリアにおける電荷蓄積の終了直前と次の電荷蓄積の開始直後の両方に均等に重なるように遅延時間を定めて制御するものである。

この第１の方法では、実質的に前記遅延時間を、フォーカス用レンズ１９の焦点位置変化期間の中央がオートフォーカスウィンドウエリア外の期間の中央に一致するよう定めれば、オートフォーカスウィンドウエリア外の期間がフォーカス用レンズ１９の焦点位置変化期間より長いか否かを判断することなく、図５に示したオートフォーカス（ＡＦ）ウィンドウの電荷を読み出す期間、すなわちコントラスト評価値算出に影響を与えないか、影響を最小限に止めるようにすることもできる。そのため、簡単な処理で正確にコントラスト評価値と焦点位置とを対応させ、正確なオートフォーカス制御が実現可能なオートフォーカス制御方法を提供することができる。

また第２の方法は、図１に１９で示したフォーカス用のレンズを駆動するモータ１８の駆動期間、すなわちレンズ１９の焦点位置変化期間の中央を、撮像素子１０における前記図５に示したＡＦウィンドウ対応エリアにおける垂直方向の中心行の蓄積時間の中央（図５に垂直方向中心ラインと示したライン）に、略一致するように制御するものである。

このようにすることにより、画像データとしての電荷の蓄積と読み出しが行われている最中にフォーカス用レンズ１９における焦点位置を移動させても、移動前と移動後における電荷の蓄積と読み出し量はほぼ同じになるから、前記特許文献１、２に記載されたようなコントラスト評価値と対応させる焦点位置の重心位置算出が非常に簡単に行えることになり、複雑な計算をすることなく容易にフォーカス位置を算出できる、オートフォーカス制御方法及び装置を提供することができる。

以上が本発明になるオートフォーカス制御方法及び装置の概略であるが、以下、図２乃至図４に基づき、更に本発明を詳細に説明する。図２、図３は、図１に１９で示したフォーカス用のレンズを駆動するモータ１８の駆動期間、すなわちレンズ１９の焦点位置変化期間を、各フレームの画像データにおける前記図５に示したオートフォーカス（ＡＦ）ウィンドウに対応するエリアの電荷蓄積の期間に影響を与えないか、影響を最小限に止めるよう、撮像素子１０における各フレームの電荷読み出し同期信号を起点とし、撮像素子１０における電荷蓄積時間を基に算出した遅延時間で制御する、前記第１の方法のオートフォーカス制御方法の説明図である。

また図４は、１９で示したフォーカス用のレンズを駆動するモータ１８の駆動期間の中央を、撮像素子１０におけるＡＦウィンドウ対応エリアにおける垂直方向の中心行の蓄積時間の中央に、略一致するようにしたオートフォーカス制御方法の説明図である。

まず図２において（Ａ）は、撮像素子１０からの画像データ読みだしのための垂直同期信号２０に対し、各撮像フレームにおける水平ライン毎の電荷の蓄積、すなわち露光２３と読み出しを時間的に順次ずれてゆく横棒で、焦点位置移動を行うためにオートフォーカス用レンズ１９を駆動する期間を２１を斜線で、オートフォーカスのためのウィンドウに対応するエリアを実線で囲った２４１〜２４４で示し、焦点位置移動を行うためにオートフォーカス用レンズ１９を駆動する期間２１の中心のタイミング２２１〜２２４が、撮像素子１０からの画像データ読みだしのための垂直同期信号２０に対してどのくらいずれていれば良いかを示すＤｅｌａｙ（遅延時間）２５と、どのような関係にあるかを示した図である。

また図２（Ｂ）は、この図２（Ａ）に示した垂直同期信号２０の間隔（１フレームの時間）をＶ、フォーカス用レンズの駆動期間２１をＭｏｔｏｒ＿ｔｉｍｅ、露光２３をＳｈｕｔｔｅｒ＿ｔｉｍｅ、オートフォーカスのためのウィンドウに対応する実線で囲ったエリアをＡＦ Ｗｉｎｄｏｗ２４１、２４２、オートフォーカス用レンズ１９を駆動する期間２１の中心の垂直同期信号２０に対するズレ量をＤｅｌａｙ（遅延時間）２５とし、それに加え、垂直同期信号からＡＦ＿Ｗｉｎｄｏｗにおける中央ラインの読み出し終了までの時間をＡ２６、ＡＦ＿Ｗｉｎｄｏｗ２４１の先頭ラインの露光終了（または読み出し終了）から終了ラインの露光終了（または読み出し終了）までの時間をＢ２７とし、これらのパラメータがお互いにどのような関係になるかを説明するための図である。

この図２（Ａ）は、前記した第１の方法のオートフォーカス制御方法における、オートフォーカスウィンドウ対応エリア２４１と２４２間の期間が、フォーカス用レンズ１９の焦点位置変化期間、すなわち駆動（Ｍｏｔｏｒ＿ｔｉｍｅ）２１より長い場合であり、各露光２３の横棒の中には、垂直同期信号２０からデータを読み出す時間が含まれている。そしてフォーカス用レンズ１９の焦点位置変化期間、すなわち駆動（Ｍｏｔｏｒ＿ｔｉｍｅ）２１は、ＡＦ＿Ｗｉｎｄｏｗ２４１の最終ラインの露光終了（または読み出し終了）から始まり、次のＡＦ＿Ｗｉｎｄｏｗ２４２の先頭ラインの露光開始前に終わっている。

すなわち、フォーカス用レンズ１９の焦点位置変化期間、すなわち駆動（Ｍｏｔｏｒ＿ｔｉｍｅ）２１は、ＡＦ＿Ｗｉｎｄｏｗ２４１とＡＦ＿Ｗｉｎｄｏｗ２４２には全くかかららない期間に行われているわけで、この場合は、ＡＦ＿Ｗｉｎｄｏｗ２４１とＡＦ＿Ｗｉｎｄｏｗ２４２から読み出した画像データを元に計算するコントラスト評価値は、そのままで正しい値を示す。

この場合のＤｅｌａｙ（遅延時間）２５は、図２（Ｂ）を参照して、下記（１）式で表せる。
Ｄｅｌａｙ＝Ａ＋（Ｖ−Ｓｈｕｔｔｅｒ＿ｔｉｍｅ）／２ …………（１）
ここで、
（Ｖ−Ｓｈｕｔｔｅｒ＿ｔｉｍｅ−Ｂ）＞Ｍｏｔｏｒ＿ｔｉｍｅ …（２）
である。

次の図３は、前記した第１の方法のオートフォーカス制御方法における、オートフォーカスウィンドウ対応エリア３４１と３４２間の期間が、フォーカス用レンズ１９の焦点位置変化期間、すなわち駆動（Ｍｏｔｏｒ＿ｔｉｍｅ）３１より短い場合である。まず図３（Ａ）は、前記図２（Ａ）と同様、撮像素子１０からの画像データ読み出しのための垂直同期信号２０に対し、各撮像フレームにおける水平ライン毎の電荷の蓄積、すなわち露光３３と読み出しを時間的に順次ずれてゆく横棒で、焦点位置移動を行うためにオートフォーカス用レンズ１９を駆動する期間３１を斜線で、オートフォーカスのためのウィンドウに対応するエリアを実線で囲った３４１〜３４４で示し、焦点位置移動を行うためにオートフォーカス用レンズ１９を駆動する期間３１の中心のタイミング３２１〜３２４が、撮像素子１０からの画像データ読みだしのための垂直同期信号２０に対してどのくらいずれていれば良いかを示すＤｅｌａｙ（遅延時間）３５と、どのような関係にあるかを示した図である。

また図３（Ｂ）は、この図３（Ａ）に示した垂直同期信号２０の間隔をＶ、フォーカス用レンズの駆動期間３１をＭｏｔｏｒ＿ｔｉｍｅ、露光３３をＳｈｕｔｔｅｒ＿ｔｉｍｅ、オートフォーカスのためのウィンドウに対応する実線で囲ったエリアをＡＦ Ｗｉｎｄｏｗ３４１、オートフォーカス用レンズ１９を駆動する期間３１の中心の垂直同期信号２０に対するズレ量をＤｅｌａｙ（遅延時間）３５とし、それに加え、垂直同期信号からＡＦ＿Ｗｉｎｄｏｗにおける中央ラインの読み出し終了までの時間をＡ３６、ＡＦ＿Ｗｉｎｄｏｗ２４１の先頭ラインの露光終了（または読み出し終了）から終了ラインの露光終了（または読み出し終了）までの時間をＢ３７とし、これらのパラメータがお互いにどのような関係になるかを説明するための図である。

この図３（Ａ）では、前記した図２（Ａ）の場合と異なり、フォーカス用レンズ１９の焦点位置変化期間、すなわち駆動（Ｍｏｔｏｒ＿ｔｉｍｅ）３１は、ＡＦ＿Ｗｉｎｄｏｗ３４１の最終ラインの露光終了（または読み出し終了）前に始まり、次のＡＦ＿Ｗｉｎｄｏｗ３４２の先頭ラインの露光開始後に終わる位置として配されている。この状態を、図５にレンズ駆動期間として模式的に示した。すなわち図に示したレンズ駆動期間は、この図３（Ａ）に駆動３１で示した期間に相当する。

すなわち、フォーカス用レンズ１９の焦点位置変化期間、すなわち駆動（Ｍｏｔｏｒ＿ｔｉｍｅ）３１は、ＡＦ＿Ｗｉｎｄｏｗ３４１とＡＦ＿Ｗｉｎｄｏｗ３４２の終わりと開始にかかっており、この場合、フォーカス用レンズ１９の焦点位置変化期間３１が掛かった露光３３は、コントラスト評価値算出に際してその分焦点位置が移動した時の値となる。しかし、オートフォーカスウィンドウ対応エリアの殆どは、フォーカス用レンズ１９による焦点移動がなされていないときに蓄積が行われ、その結果でコントラスト評価値算出が行われるから、それによって焦点位置変化による影響は最小限に止められ、特に問題になることはないと考えられる。この場合、前記（２）式は、次の（３）式となり、（１）式はそのまま当てはめることができる。
（Ｖ−Ｓｈｕｔｔｅｒ＿ｔｉｍｅ−Ｂ）≦（Ｍｏｔｏｒ＿ｔｉｍｅ） …（３）

このようにすることにより、焦点位置を変化させる期間をコントラスト評価値算出のための蓄積に影響を与えない期間、若しくは影響を最小限に止める期間に設定することが可能となり、簡単な処理で正確にコントラスト評価値と焦点位置とを対応させ、正確なオートフォーカス制御が実現可能なオートフォーカス制御方法及び装置を提供することができる。

次に図４であるが、この図４の例は前記したように、図１に１９で示したフォーカス用のレンズ１９を駆動するモータ１８の駆動期間の中央を、撮像素子１０におけるＡＦウィンドウ対応エリアにおける垂直方向の中心行の蓄積時間の中央にが略一致するようにしたものである。

図中４０は垂直同期信号、４１はフォーカス用レンズの駆動、停止を表し、４３は露光、４４１〜４４３はオートフォーカスウィンドウ対応エリア、４５は撮像素子１０におけるＡＦウィンドウ対応エリア４４１〜４４３における垂直方向の中心ライン、４６は垂直方向の中心ライン４５における蓄積時間の中間点である。

この方法の場合、ＡＦウィンドウ対応エリア４４１〜４４３における垂直方向の中心ラインにおける中間点４６は、垂直同期信号４０から露光４３の最初のラインの露光が始まる迄の時間、露光４３自体の時間、ＡＦウィンドウ対応エリア４４１〜４４３における最初のラインの露光開始時間、ＡＦウィンドウ対応エリア４４１〜４４３の垂直方向ライン数等を元に、下記式（４）によって図１におけるオートフォーカス（ＡＦ）処理部１６によって容易に算出でき、その時間から、２分割したフォーカス用レンズ１９の駆動時間を引いてやれば、フォーカス用のレンズ１９を駆動するモータ１８の駆動開始時間を算出できる。
Ｄｅｌａｙ
＝Ａ＋（Ｖ−Ｓｈｕｔｔｅｒ＿ｔｉｍｅ）＋Ｓｈｕｔｔｅｒ＿ｔｉｍｅ／２
＝Ａ＋Ｖ−Ｓｈｕｔｔｅｒ＿ｔｉｍｅ／２ …………………………（４）

この方法は、図３に示した方法において、オートフォーカスウィンドウ対象エリアの蓄積時間とフォーカスレンズ用レンズ１９の焦点位置変化期間との重なりが大きい場合、例えば、図３（Ｂ）のＡＦ＿Ｗｉｎｄｏｗ３４１の半分以上がＭｏｔｏｒ＿Ｔｉｍｅ３１を示す斜線で覆われる様な場合に特に有効である。

このようにすることで、前記したように、画像データとしての電荷の蓄積と読み出しが行われている最中にフォーカス用レンズ１９における焦点位置を移動させても、移動前と移動後における電荷の蓄積と読み出し量はほぼ同じになるから、前記特許文献１、２に記載されたようなコントラスト評価値と対応させる焦点位置の重心位置算出が非常に簡単に行えることになり、複雑な計算をすることなく、容易にフォーカス位置を算出できる、オートフォーカス制御方法及び装置を提供することができる。

本発明によれば、簡単な処理で正確にコントラスト評価値と焦点位置とを対応させ、正確なオートフォーカス制御が実現可能なオートフォーカス制御方法及び装置を提供することができ、撮像装置を、安価に提供することができる。

本発明になるオートフォーカス制御方法を実施するオートフォーカス制御装置の構成ブロック図である。 フォーカス用のレンズ１９の焦点位置変化期間を撮像素子１０における各フレームの電荷読み出し同期信号を起点とし、撮像素子１０における電荷蓄積時間を基に算出した遅延時間で制御するオートフォーカス制御方法の説明図であり、オートフォーカスウィンドウエリア外の期間がフォーカス用レンズ１９の焦点位置変化期間より長い場合である。 フォーカス用のレンズ１９の焦点位置変化期間を撮像素子１０における各フレームの電荷読み出し同期信号を起点とし、撮像素子１０における電荷蓄積時間を基に算出した遅延時間で制御するオートフォーカス制御方法の説明図であり、オートフォーカスウィンドウエリア外の期間がフォーカス用レンズ１９の焦点位置変化期間より短い場合である。 フォーカス用のレンズ１９の焦点位置変化期間を、撮像素子１０におけるＡＦウィンドウ対応エリアにおける垂直方向の中心行の蓄積時間の中央に、フォーカス用レンズ１９の焦点位置を変化させる期間の中央が略一致するようにした、オートフォーカス制御方法の説明図である。 撮像画面中のオートフォーカスのためのコントラスト評価値を算出するオートフォーカスウィンドウの位置を示した図である。 山登り制御によるオートフォーカス制御を説明するためのグラフである。 ＣＭＯＳを撮像装置の撮像素子として用いた場合、山登り制御によるオートフォーカス制御を正確に実施することが難しくなることを説明するための説明図で、画像データを読み取るたびにレンズの焦点位置を移動させた場合である。 ＣＭＯＳを撮像装置の撮像素子として用いて山登り制御によるオートフォーカス制御を正確に実施するため、レンズの焦点位置を移動させた場合は読み取った画像データからコントラスト評価値を算出しないようにした場合である。 図８と図５のそれぞれにおいて算出したコントラスト評価値（ＡＦ評価値）をプロットしたグラフである。

符号の説明

１０ 撮像素子
１１ カメラ信号処理部
１２ 画像処理部
１３ 信号処理部
１４ 信号メモリ部
１５ コントラスト評価値算出部
１６ オートフォーカス（ＡＦ）処理部
１７ フォーカスレンズ処理部
１８ モータ
１９ レンズ
２０ 垂直同期信号
２１ フォーカス用レンズの駆動
２２１〜２２４ ポジション
２３ 露光
２４１〜２４４ オートフォーカスウィンドウ対応エリア
２５ 垂直同期信号に対するＤｅｌａｙ（遅延時間）
２６ 垂直同期信号からＡＦ＿Ｗｉｎｄｏｗにおける中央ラインの読み出し終了までの時間
２７ Ｆ＿Ｗｉｎｄｏｗの先頭ラインの露光終了から終了ラインの露光終了までの時間

Claims (8)

1. 焦点位置を変化させるレンズと、各撮像フレームにおける電荷の蓄積と読み出しを画素行単位の走査で行う撮像素子を備えた撮像装置とを有し、前記レンズの焦点位置を変化させ、前記撮像素子から出力される画像データに含まれる高周波成分を抽出してコントラスト評価値を算出し、最も高いコントラスト評価値が得られた焦点位置を合焦位置とするオートフォーカス制御方法であって、
   オートフォーカスのためのウィンドウに対応する前記撮像素子上のエリアにおける、最後の電荷読み出し行の電荷蓄積終了時から、該電荷蓄積終了後の前記エリアにおける最初の電荷読み出し行の電荷蓄積開始時までの間をウィンドウエリア外の期間とするとき、該ウィンドウエリア外の期間が前記レンズの焦点位置変化期間より長い場合は前記レンズの焦点位置変化期間をウィンドウエリア外の期間内となるように、短い場合は前記レンズの焦点位置変化期間を前記電荷蓄積の終了直前と前記次の電荷蓄積の開始直後の両方に均等に重なるようにすることを特徴とするオートフォーカス制御方法。
2. 前記レンズにおける焦点位置変化期間を、各フレームにおける前記撮像素子の電荷読み出し同期信号を起点として、前記撮像素子における電荷蓄積時間を基に算出した遅延時間で制御することを特徴とする請求項１に記載したオートフォーカス制御方法。
3. 前記撮像装置における、各撮像フレームの電荷の蓄積と読み出しのための垂直同期信号の間隔（１フレームの時間）をＶ、各撮像フレームの１ライン分の電荷の蓄積と読み出し時間をＳｈｕｔｔｅｒ＿ｔｉｍｅ、前記撮像素子上のオートフォーカスのためのウィンドウに対応するエリアにおける、垂直同期信号から中央ラインの読み出し終了までの時間をＡとしたとき、前記レンズの焦点位置を変化させる期間の中心の垂直同期信号に対する前記遅延時間（Ｄｅｌａｙ）を下記式（１）により算出して制御することを特徴とする請求項１または２に記載したオートフォーカス制御方法。
   Ｄｅｌａｙ＝Ａ＋（Ｖ−Ｓｈｕｔｔｅｒ＿ｔｉｍｅ）／２ …………（１）
4. 焦点位置を変化させるレンズと、各撮像フレームにおける電荷の蓄積と読み出しを画素行単位の走査で行う撮像素子を備えた撮像装置とを有し、前記レンズの焦点位置を変化させ、前記撮像素子から出力される画像データに含まれる高周波成分を抽出してコントラスト評価値を算出し、最も高いコントラスト評価値が得られた焦点位置を合焦位置とするオートフォーカス制御方法であって、
   前記撮像素子上のオートフォーカスのためのウィンドウに対応するエリアにおける垂直方向の中心行の蓄積期間の中央に、前記レンズにおける焦点位置を変化させる期間の中央が略一致するよう制御することを特徴とするオートフォーカス制御方法。
5. 駆動手段により駆動されて焦点位置を変化させるレンズと、各撮像フレームにおける電荷の蓄積と読み出しを画素行単位の走査で行う撮像素子を備えた撮像装置と、前記撮像素子から得られた画像データに含まれる高周波成分を抽出してコントラスト評価値を算出するコントラスト評価値算出手段と、該コントラスト評価値算出手段の算出した最も高いコントラスト評価値を検知し、対応する焦点位置をフォーカス位置として前記駆動手段を制御するオートフォーカス処理部とからなるオートフォーカス制御装置において、
   前記オートフォーカス処理部は、前記撮像素子上のオートフォーカスのためのウィンドウに対応するエリアにおける、最後の電荷読み出し行の電荷蓄積終了時から、該電荷蓄積終了後の前記エリアにおける最初の電荷読み出し行の電荷蓄積開始時までの間をウィンドウエリア外の期間として算出し、該ウィンドウエリア外の期間が前記レンズの焦点位置変化期間より長い場合は前記レンズの焦点位置変化期間をウィンドウエリア外の期間内とし、短い場合は前記レンズの焦点位置変化期間を前記電荷蓄積の終了直前と前記次の電荷蓄積の開始直後の両方に均等に重なるよう制御することを特徴とするオートフォーカス制御装置。
6. 前記オートフォーカス処理部は、前記レンズの焦点位置変化期間を、前記撮像素子の各フレームにおける電荷の読み出し同期信号を起点とし、前記撮像素子の電荷蓄積時間を基に算出した遅延時間で制御することを特徴とする請求項５に記載したオートフォーカス制御装置。
7. 前記オートフォーカス処理部は、前記レンズの焦点位置変化期間の中央が、前記ウィンドウエリア外の期間の中央に略一致するよう前記遅延時間を定めて制御することを特徴とする請求項５または６に記載したオートフォーカス制御装置。
8. 駆動手段により駆動されて焦点位置を変化させるレンズと、各撮像フレームにおける電荷の蓄積と読み出しを画素行単位の走査で行う撮像素子を備えた撮像装置と、前記撮像素子により撮像された画像データのコントラストの強弱を示すコントラスト評価値を算出するコントラスト評価値算出手段と、該コントラスト評価値算出手段の算出した最も高いコントラスト評価値を検知し、対応する焦点位置をフォーカス位置として前記駆動手段を制御するオートフォーカス処理部とからなる山登り方式によるオートフォーカス制御装置において、
   前記オートフォーカス処理部は、前記レンズの駆動期間を、前記撮像素子上のオートフォーカスのためのウィンドウに対応するエリアにおける垂直方向の中心行の蓄積期間の中央に、前記レンズにおける焦点位置を変化させる期間の中央が略一致するよう制御することを特徴とするオートフォーカス制御装置。

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