JP2009008985A - 焦点調節装置および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】合焦精度の高い状態を選択できる焦点調節装置を提供する。
【解決手段】フォーカスレンズ２１による像のコントラスト値に関する焦点評価値を、結像光学系の焦点調節位置Ｐに対応付けて検出する検出手段１２と、異なる基準を用いて焦点評価値が最大となる焦点調節位置を求める演算手段１２と、焦点評価値が最大となる焦点調節位置に結像光学系が位置した場合に合焦表示を行う表示手段１５と、基準に応じて合焦表示を変更する制御手段１２と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、焦点調節装置および撮像装置に関するものである。

従来、オートフォーカスカメラ等において、複数の焦点評価値に基づいて合焦位置を求める際に３点内挿法が用いられている（たとえば、特許文献１参照）。

しかしながら、フォーカスレンズの移動範囲の端部などでは、焦点評価値の最大値を内挿法を用いて求めることができない場合があった。

特開２００４−７７９５９号公報

本発明が解決しようとする課題は、合焦位置を判定する基準に応じて合焦表示を変更することで合焦精度に合わせた適切な合焦表示を行うことができる焦点調節装置および撮像装置を提供することである。

本発明は、以下の解決手段によって上記課題を解決する。なお、本発明の実施形態を示す図面に対応する符号を付して説明するが、この符号は本発明の理解を容易にするためだけのものであって本発明を限定する趣旨ではない。

［１］本発明の焦点調節装置は、結像光学系（２１）による像のコントラスト値に関する焦点評価値を、結像光学系の焦点調節位置（Ｐ）に対応付けて検出する検出手段（１２）と、異なる基準を用いて焦点評価値が最大となる焦点調節位置を求める演算手段（１２）と、焦点評価値が最大となる焦点調節位置に結像光学系が位置した場合に合焦表示を行う表示手段（１５）と、基準に応じて合焦表示を変更する制御手段（１２）と、を備えたことを特徴とする。

上記発明において、結像光学系を焦点評価値が最大となる焦点調節位置に移動する焦点調節手段（１２）を設け、表示手段が、焦点調節手段によって結像光学系を移動した後に合焦表示を行うよう構成することができる。

上記発明において、基準は、検出手段によって検出された焦点調節位置に対応付けた焦点評価値に基づいて、内挿法により焦点評価値が最大となる焦点調節位置を求めることを含む。

上記発明において、演算手段は、焦点調節位置に対応付けて検出される焦点評価値の傾向に応じて内挿法を用いるか否かを選択するよう構成することができる。

上記発明において、検出手段は、焦点評価値を検出する焦点調節位置の間隔を複数設定可能であり、演算手段は、間隔に応じて内挿法を用いるか否かを選択するよう構成することができる。

上記発明において、検出手段は、結像光学系の移動範囲の端部における間隔を、移動範囲の端部以外の範囲における間隔より短く設定することができる。

［２］上記発明に係る焦点調節装置は撮像装置（１）に適用することができる。

本発明は、異なる基準で判定された合焦位置に結像光学系を移動した際に合焦表示を変更するので、使用者は合焦精度を認識することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では実施形態の理解を容易にするために、たとえば探索回数などに具体的数値を挙げているが、これは本実施形態を限定する趣旨ではない。

図１は本発明の実施形態に係る撮像装置を示すブロック図である。本実施形態の撮像装置１は、カメラボディ１０とレンズ鏡筒２０を有し、レンズ鏡筒２０には、光軸２に沿って移動可能なフォーカスレンズ２１と、このフォーカスレンズ２１を光軸２に沿って移動させるレンズ駆動モータ２２と、フォーカスレンズ２１の位置を検出するためのレンズ位置検出部２３とが設けられている。

フォーカスレンズ２１の光軸２に沿う移動機構の具体的構成は特に限定されない。一例を挙げれば、レンズ鏡筒２０に固定された固定筒に回転可能に回転筒を挿入し、この回転筒の内周面にヘリコイド溝（螺旋溝）を形成するとともに、フォーカスレンズ２１を固定するレンズ枠の端部をヘリコイド溝に嵌合させる。そして、レンズ駆動モータ２２によって回転筒を回転させることで、レンズ枠に固定されたフォーカスレンズが光軸に沿って直進移動することになる。

なお、レンズ鏡筒２０にはフォーカスレンズ２１以外のレンズ群が設けられているが、ここではフォーカスレンズ２１を例に挙げて本実施形態を説明する。

上述したようにレンズ鏡筒２０に対して回転筒を回転させることによりレンズ枠に固定されたフォーカスレンズ２１は光軸方向に直進移動するが、その駆動源としてのレンズ駆動モータ２２（アクチュエータ）がレンズ鏡筒２０に設けられている。レンズ駆動モータ２２と回転筒とは、たとえば複数の歯車からなる変速機で連結され、レンズ駆動モータ２２の駆動軸を何れか一方向へ回転駆動すると所定のギヤ比で回転筒に伝達され、そして、回転筒が何れか一方向へ回転することで、レンズ枠に固定されたフォーカスレンズ２１が光軸２の何れかの方向へ直進移動することになる。なお、レンズ駆動モータ２２の駆動軸が逆方向に回転駆動すると、変速機を構成する複数の歯車も逆方向に回転し、フォーカスレンズ２１は光軸２の逆方向へ直進移動することになる。

フォーカスレンズ２１の位置はレンズ位置検出部２３であるエンコーダによって検出される。既述したとおり、フォーカスレンズ２１の光軸方向の位置は回転筒の回転角に相関するので、たとえばレンズ鏡筒２０に対する回転筒の相対的な回転角を検出すれば求めることができる。

本例のレンズ位置検出部２３としては、回転筒の回転駆動に連結された回転円板の回転をフォトインタラプタなどの光センサで検出して、回転数に応じたパルス信号を出力するものや、固定筒と回転筒の何れか一方に設けられたフレキシブルプリント配線板の表面のエンコーダパターンに、何れか他方に設けられたブラシ接点を接触させ、回転筒の移動量（回転方向でも光軸方向の何れでもよい）に応じた接触位置の変化を検出回路で検出するものなどを挙げることができる。

フォーカスレンズ２１は、上述した回転筒の回転によってカメラボディ側の端部（至近端ともいう）から被写体側の端部（無限端ともいう）までの間を光軸方向に移動することができ（この範囲をレンズの移動範囲Ｌともいう。）、この移動はカメラボディ１０のレンズ駆動制御部１４からの指令によって制御される。

カメラボディ１０には、光軸２上に撮像素子１１が設けられている。撮像素子１１は、フォーカスレンズ２１等によって結像された像を電気信号に変換するＣＣＤなどから構成され、光電変換された電気信号を図示しないモニタ等に出力する。また、撮像素子１１は、オートフォーカススイッチ１３をＯＮ状態にして自動合焦探索を行う際、フォーカスレンズ２１を通過した像の所定エリアにおけるコントラスト値を焦点検出部１２へ出力する。

焦点検出部１２は、撮像素子１１から送出された画像出力から焦点評価値を演算する。この焦点評価値は、たとえば撮像素子１１からの画像出力の高周波成分を、高周波透過フィルタを用いて抽出し、これを積算して焦点電圧を検出することで求めることができる。また、遮断周波数が異なる２つの高周波透過フィルタを用いて高周波成分を抽出し、それぞれを積算して焦点電圧を検出することでも求めることができる。

また、焦点検出部１２は、レンズ駆動制御部１４に制御信号を送出してフォーカスレンズを所定のサンプリング間隔で駆動させ、それぞれの位置における焦点評価値を求め、該焦点評価値が最大となるフォーカスレンズ２１の位置を、たとえば内挿法などの演算方式を用いて求める。

この内挿法による焦点評価値の最大値の求め方を、図５を参照しながら説明する。図５は本発明の実施形態に係る撮像装置１の合焦判定を説明するためのグラフであり、ここでは３点内挿法を説明する。

図５に示した丸印は焦点評価値のサンプリング点を示しており、たとえばフォーカスレンズ２１の探索範囲に８箇所Ｐ１〜Ｐ８の焦点評価値が取得されているものとする。破線で示す曲線は焦点評価値のプロファイルを示し、レンズ位置Ｐｘにピークを有している。

取得された８個の焦点評価値では、焦点評価値Ｐ５が最大となっているが、３点内挿法では、最大の焦点評価値Ｐ５とその前後に位置する焦点評価値Ｐ４，Ｐ６とを用いてレンズの合焦位置Ｐｘを算出する。まず、最大の点Ｐ５および３点のうち最小の点Ｐ６を通る直線Ｌ１を算出する。この直線Ｌ１の傾きをＫとしたとき、傾きが−Ｋで、残りの点Ｐ４を通る直線Ｌ２を算出する。そして、直線Ｌ１と直線Ｌ２との交点のレンズ位置座標を求める。この交点のレンズ位置座標をフォーカスレンズ２１の合焦位置Ｐｘとする。

こうして求められたフォーカスレンズ２１の合焦位置Ｐｘを焦点検出部１２からレンズ駆動制御部１４に送出し、レンズ駆動モータ２２を制御してフォーカスレンズ２１を合焦位置に移動させる。

なお、オートフォーカススイッチ１３をＯＦＦ状態にした場合は、使用者が回転筒２１２を回転させることにより手動による合焦操作を行うことができる。

図１に戻り、カメラボディ１０には合焦表示部１５が設けられている。この合焦表示部１５は、たとえばファインダや液晶ディスプレイ内に表示されるマークで構成したり、カメラボディ１０の外部にＬＥＤランプなどの表示手段で構成したり、あるいはファインダに設けられたオートフォーカス用ターゲットマークの色彩の変化で構成したりすることができる。

本例の合焦表示部１５は、後述するように、内挿法を用いて焦点評価値の最大値が求められた場合と、それ以外、具体的には内挿法を用いずに最大値を求めた場合とで表示方法を変更するものである。これにより、使用者に注意が喚起されるので、使用者は、たとえば合焦精度が高い状態を選択して撮影することができる。

したがって、本実施形態の合焦表示部１５は、内挿法を用いた場合とそうでない場合とが識別できる表示法であればよい。たとえば、ファインダや液晶ディスプレイに合焦表示部１５を設ける場合、内挿法を用いた合焦精度が高い状態には「合焦」という文字やこれに相当する図形を表示し、そうでない場合は非表示状態とすることができる。また、カメラボディ１０の外部にＬＥＤなどのランプを設ける場合、内挿法を用いた合焦精度が高い状態には点灯し、そうでない場合は非点灯とすることができる。さらに、オートフォーカス用ターゲットマークなどの既存のマークの色彩を変更することで合焦表示部１５を構成する場合、内挿法を用いた合焦精度が高い状態には緑色に設定し、そうでない場合は赤色に設定することができる。これ以外にも合焦位置を求める基準が識別できる表示方法であれば用いることができる。

次に、本実施形態に係る合焦位置探索ルーチンを説明する。図２は本発明の実施形態に係る撮像装置１の合焦位置探索ルーチンを示すフローチャートである。

本例の合焦位置探索ルーチンでは、最初にフォーカスレンズ２１の現在位置Ｐｎの近傍のみを探索する部分探索を行い（ステップＳ１０１〜Ｓ１０７）、この範囲に内挿法による合焦位置Ｐｘがあれば合焦位置を算出してフォーカスレンズ２１を合焦位置Ｐｘへ移動し（ステップＳ１０９）、合焦表示部１５に内挿法による合焦位置が探索された表示をする（ステップＳ１１０）。

これに対し、ステップＳ１０１〜Ｓ１０７の部分探索の範囲に合焦位置がない場合には、次のステップＳ１１１にて合焦位置Ｐｘと予想される位置がフォーカスレンズ２１の移動範囲Ｌの端部（至近端または無限端）近傍以外であるときは、図４に示す全域探索を実行し、合焦位置Ｐｘが求められれば、合焦位置を算出した上でフォーカスレンズ２１を合焦位置Ｐｘへ移動し、合焦表示部１５に内挿法による合焦位置が探索された表示をする。この全域探索とは、フォーカスレンズ２１の移動範囲Ｌの全域を対象にして合焦位置の探索を行う検出方法である。これについては後述する。なお、フォーカスレンズ２１の移動範囲Ｌの端部近傍の値は予め定めておく。

図２に示すステップＳ１１１にて合焦位置Ｐｘと予想される位置がフォーカスレンズ２１の移動範囲Ｌの端部（至近端または無限端）近傍にあると判断されたときは、ステップＳ１１２および図３に示す細密探索を実行する。この細密探索とは、フォーカスレンズ２１の移動範囲Ｌの端部などにおいて、サンプリング間隔を短く設定して焦点評価値を検出する方法である。これについては後述する。

なお、図２〜図４に示す部分探索、全域探索および細密探索の順序はあくまで一例であり、３つの検出方法の順序を入れ替えたり、これ以外の検出方法で合焦位置を探索したりすることもできる。

次に、図２のステップＳ１０１〜Ｓ１０７に示す部分探索のルーチンを説明する。図３は図２に示す部分探索のサブルーチンを示すフローチャート、図６は図２のステップＳ１０１〜Ｓ１０７に示す部分探索のサブルーチンにおけるレンズ位置と焦点評価値および時間の関係を示すタイムチャートである。

まず、ステップＳ１０１にて、フォーカスレンズ２１を現在位置Ｐｎから被写体方向（無限方向）へ移動量Ｄ１だけ初期駆動する。この初期駆動とは、フォーカスレンズ２１の合焦位置を探索する操作における、フォーカスレンズ２１を移動させる最初の動作をいう。このときの移動量Ｄ１は次の間欠駆動の移動量の合計Ｄ２×ｍの約半分とする。なお、フォーカスレンズ２１を光軸方向に移動する場合は、レンズ位置検出部２３の出力情報を取り込んで、フォーカスレンズ２１の移動量を確認しながら駆動する。

フォーカスレンズ２１を初期駆動して現在位置Ｐｎから探索開始位置Ｐ_０に移動させたら、ステップＳ１０２にてカウンタを初期化する（ｉ＝０）。

次いで、ステップＳ１０３にて、フォーカスレンズ２１を探索開始位置Ｐ_０からカメラボディ方向（至近方向）へ移動量Ｄ２だけ移動させ、この位置Ｐ_１において焦点評価値を算出する（ステップＳ１０４）。この間欠駆動においても、フォーカスレンズ２１を光軸方向に移動する場合は、レンズ位置検出部２３の出力情報を取り込んで、フォーカスレンズ２１の移動量を確認しながら駆動する。

そして、ステップＳ１０５〜Ｓ１０６にて、この移動量Ｄ２によるフォーカスレンズ２１の間欠駆動をｍ回繰り返す。なお、図６に示す例ではｍ＝８に設定されている。

ステップＳ１０３およびＳ１０４に示すフォーカスレンズ２１の間欠駆動及び焦点評価値の算出を繰り返したのち、ステップＳ１０７にて合焦判定を行う。合焦判定は、ステップＳ１０４で算出された焦点評価値に基づいて、図５にて説明した３点内挿法などの手法を用いてその最大値を求める処理である。

次に、ステップＳ１０８において、上述した探索範囲に３点内挿法による合焦位置Ｐｘがあれば、ステップＳ１０９にて合焦位置を算出するとともに、フォーカスレンズ２１を合焦位置Ｐｘへ移動したのち、ステップＳ１１０にて合焦表示部１５に内挿法による合焦位置が探索された表示をする。

次に、上述した部分探索の結果、この範囲に合焦位置Ｐｘが見つからず、かつ探索結果から予想される合焦位置Ｐｘがフォーカスレンズ２１の移動範囲Ｌの端部近傍にある場合の探索ルーチンを説明する。

図３は図２のステップＳ１１２に示す細密探索のサブルーチンを示すフローチャート、図７は部分探索に続いて細密探索を行った場合のレンズ位置と焦点評価値および時間の関係を示すタイムチャートである。

まず、図２に示すステップＳ１０１に示す初期駆動（移動量Ｄ１）を行ったときにレンズ２１が無限端に位置したものとする。レンズ駆動制御部１４から移動量Ｄ１をレンズ駆動モータ２２へ出力しても、フォーカスレンズ２１が移動範囲Ｌの端部に到達するとそれ以上レンズは移動しない。この無限端の位置を部分探索の開始位置Ｐ0とし、移動量Ｄ２でステップＳ１０２〜Ｓ１０６の間欠駆動を行う。このとき抽出された焦点評価値を図７に丸印で示す。同図に示す例ではｍ＝４である。同図に示すように、この部分探索で得られた５点の焦点評価値のプロファイルは至近端に向かって徐々に減少する形となっている。したがって、部分探索では合焦条件を満たさなかったが、無限端の近傍に合焦位置Ｐｘが存在することが予想できる。

こうして図２に示すステップＳ１１１で合焦位置Ｐｘが端部近傍にあるか否かを判断し、端部近傍にあると判断された場合には、ステップＳ１１２の細密探索へ移行する。

図３に示す細密探索では、まずフォーカスレンズ２１を、部分探索の終了位置Ｐｍから被写体方向（無限方向）へ移動量Ｄ３で初期駆動し、ここを細密探索の開始位置（ｉ＝５）として、フォーカスレンズ２１を被写体方向（無限方向）へ移動量Ｄ４ずつ移動させ、それぞれの位置Ｐ（ｉ＝５〜ｉ＝９）において焦点評価値を算出する。ここで、細密探索の際の移動量Ｄ４は、部分探索の際の移動量Ｄ２よりも小さく設定する。これにより、部分探索では合焦条件を満たさず合焦位置が見つけられなかった探索範囲において合焦位置Ｐｘにきわめて近い位置を見つけることができる。

図２に戻り、細密探索の結果、得られた焦点評価値（ｉ＝５〜ｉ＝９）のうち最大の焦点評価値に対応する位置Ｐ（図７に示す例ではｉ＝９の位置）を合焦位置Ｐｘとみなし、ここにフォーカスレンズ２１を移動する。

本実施形態では、サンプリング間隔が短い細密探索において、得られた焦点評価値の最大値を求める際に３点内挿法は用いず、得られた焦点評価値のうち最大となる点を合焦位置とする。これにより、細密探索を行って合焦判定できない場合であっても、それに極めて近い位置にフォーカスレンズ２１を移動することができる。

ただし、３点内挿法を用いて求められた合焦位置に比べ、フォーカスレンズ２１の真の合焦位置とはいい難いことから、合焦表示部１５の表示は行わないこととする。これにより、合焦表示部１５を見た使用者は、真の合焦位置が求められたかどうかを認識することができるので、仮に合焦表示１５が行われていないときは、その状態での撮影を中止し、マニュアル操作でフォーカスレンズ２１を移動したり、あるいは撮影状態を変えたりすることを選択できる。

なお、図２に示す実施形態では、細密探索で合焦位置Ｐｘを擬制した場合はステップＳ１１０をジャンプして合焦表示を行わないこととしたが、上述したように、合焦表示部１５の表示方法を変更してもよい。

図２のステップ１１１に戻り、ステップＳ１０１〜Ｓ１０８の部分探索の結果、この範囲に合焦位置Ｐｘが見つからず、かつステップＳ１１１で探索結果から予想される合焦位置Ｐｘがフォーカスレンズ２１の移動範囲Ｌの端部近傍にない場合の探索ルーチンを説明する。

図４は本発明の実施形態に係る撮像装置の全域探索ルーチンを示すフローチャートである。全域探索では、まずフォーカスレンズ２１を移動範囲Ｌの至近端に移動し（ステップＳ３０１）、ここを全域探索の開始位置として（ステップＳ３０２）、フォーカスレンズ２１を被写体方向（無限方向）へ移動量Ｄ５ずつ移動させ（ステップＳ３０３）、それぞれの位置において焦点評価値を算出する（ステップＳ３０４）。ここで、全域探索の際の移動量Ｄ５は、部分探索の際の移動量Ｄ２よりも大きく設定する。これにより、探索範囲は広がるものの探索回数がさほど増加しないので探索時間を短くすることができる。

この操作をｒ回繰り返し、フォーカスレンズ２１を移動量Ｄ５ずつ間欠駆動しながら無限端またはその近傍まで全域探索を終了したら（ステップＳ３０５，Ｓ３０６）、合焦判定を行う（ステップＳ３０７）。合焦判定は、ステップＳ３０４で算出された焦点評価値に基づいて、図５にて説明した３点内挿法などの手法を用いてその最大値を求める処理である。

次に、ステップＳ３０８において、上述した探索範囲に３点内挿法による合焦位置Ｐｘがあれば、ステップＳ３０９にて合焦位置を算出するとともに、フォーカスレンズ２１を合焦位置Ｐｘへ移動したのち、ステップＳ３１０にて合焦表示部１５に内挿法による合焦位置が探索された表示をする。この合焦表示は、上述した部分探索における合焦表示（図２のステップＳ１１０）と同じである。

ちなみに、ステップＳ３０８にて合焦条件を満たさず、合焦位置が見つからなかった場合にはそのまま探索処理を終了する。

以上のように、本実施形態では、部分探索および全域探索を行った場合には内挿法により焦点評価値の最大値を求める一方で、細密探索を行った場合には内挿法に代えて得られた焦点評価値のうち最大の焦点評価値に対応する位置を合焦位置とし、これらの場合において合焦表示部１５の表示方法を変更するので、高い焦点調節精度でフォーカスレンズ２１を焦点調節している状態と、そうでない状態とを即座に識別することができる。

なお、上述した実施形態では、サンプリング間隔の大小によって内挿法を用いるかどうかを選択したが、得られた焦点評価値の差の大小によって内挿法を用いるかどうかを選択し、これに応じて合焦表示部１５における表示方法を変更することもできる。

本発明の実施形態に係る撮像装置を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る撮像装置の合焦位置探索ルーチンを示すフローチャートである。 図２に示す細密探索のサブルーチンを示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る撮像装置の全域探索ルーチンを示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る撮像装置の合焦判定を説明するためのグラフである。 図２に示す部分探索のサブルーチンにおけるレンズ位置と焦点評価値および時間の関係を示すタイムチャートである。 図２に示す細密探索のサブルーチンにおけるレンズ位置と焦点評価値および時間の関係を示すタイムチャートである。

符号の説明

１…撮像装置；１０…カメラボディ；１１…撮像素子；１２…焦点検出部
１３…オートフォーカススイッチ；１４…レンズ駆動制御部
１５…合焦表示部；２０…レンズ鏡筒
２１…フォーカスレンズ；２２…レンズ駆動モータ
２３…レンズ位置検出部

Claims (7)

1. 結像光学系による像のコントラスト値に関する焦点評価値を、前記結像光学系の焦点調節位置に対応付けて検出する検出手段と、
   異なる基準を用いて前記焦点評価値が最大となる前記焦点調節位置を求める演算手段と、
   前記焦点評価値が最大となる前記焦点調節位置に前記結像光学系が位置した場合に合焦表示を行う表示手段と、
   前記基準に応じて前記合焦表示を変更する制御手段と、を備えたことを特徴とする焦点調節装置。
2. 請求項１記載の焦点調節装置であって、
   前記結像光学系を前記焦点評価値が最大となる焦点調節位置に移動する焦点調節手段を備え、
   前記表示手段は、前記焦点調節手段によって前記結像光学系を移動した後に前記合焦表示を行うことを特徴とする焦点調節装置。
3. 請求項１または２記載の焦点調節装置であって、
   前記基準は、前記検出手段によって検出された前記焦点調節位置に対応付けた前記焦点評価値に基づいて、内挿法により前記焦点評価値が最大となる焦点調節位置を求めることを含むことを特徴とする焦点調節装置。
4. 請求項３記載の焦点調節装置であって、
   前記演算手段は、前記焦点調節位置に対応付けて検出される焦点評価値の傾向に応じて前記内挿法を用いるか否かを選択することを特徴とする焦点調節装置。
5. 請求項３記載の焦点調節装置であって、
   前記検出手段は、前記焦点評価値を検出する前記焦点調節位置の間隔を複数設定可能であり、
   前記演算手段は、前記間隔に応じて前記内挿法を用いるか否かを選択することを特徴とする焦点調節装置。
6. 請求項５記載の焦点調節装置であって、
   前記検出手段は、前記結像光学系の移動範囲の端部における前記間隔を、前記移動範囲の端部以外の範囲における前記間隔より短く設定することを特徴とする焦点調節装置。
7. 請求項１〜６の何れかに記載の焦点調節装置を有する撮像装置。

Images