JP2009531732A - 改善されたオートフォーカス性能 - Google Patents

Abstract

光学デバイスにおいて焦点誤差を補正するデバイス、方法およびコンピュータ・プログラム製品が示される。光学デバイスの第１の位置において、少なくとも１つの焦点検出器の焦点が目標被写体の所与の像面に合わせられ、光学デバイスと所与の像面と間の距離（ｄ₁）が固定される。画像の所望のフレーミングを達成する光学デバイスの方向変更を追随する光学デバイスの第２の位置においてシャッターが切られる。本方法は、第１の位置から方向変更後の第２の位置まで方向変更された後の焦点面に対して平行な距離ベクトルを検知することと、検知された距離ベクトルから焦点補正値（ｄ_e）を計算することと、焦点補正値（ｄ_e）を、固定されている焦点距離（ｄ₁）に対して補正として加算することとを含む。

Description

本発明は、カメラのような光学デバイスにおける改善されたオートフォーカス性能に焦点を当てた方法、デバイスおよびアルゴリズムに関する。

写真撮影の分野で広く使用されている一眼レフ（ＳＬＲ：Ｓｉｎｇｌｅ‐Ｌｅｎｓ‐Ｒｅｆｌｅｘ）カメラのような光学撮像デバイスには、通常、オートフォーカス・システムが装備されている。オートフォーカス・システムにより、カメラ・レンズ・システムは自動的に、目標被写体の選択された部分に画像の焦点を合わせる。オートフォーカス（ＡＦ：ａｕｔｏ−ｆｏｃｕｓ）機能を実現する検出器は、通常、フレームの中心に位置するが、これは、一般的にこの位置がフレームの他の部分よりも感度および精度が高いためである。さらに、ＡＦセンサが中心位置にあることは、使いやすさの理由から、加えて、周辺の領域では中心と同じ光学性能を実現することがより難しいことからも好ましい。

被写体の焦点を合わせるべき部分がフレームの中心と一致しない状況においては、いわゆる「焦点調節‐構図変更法（ｆｏｃｕｓ−ｒｅｃｏｍｐｏｓｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）」が広く使用されている。この方法は、まず中央のオートフォーカス検出器を、被写体の最もはっきりと焦点を合わせる必要のある部分に置き、オートフォーカスをカメラのこの第１の位置において作動させる、すなわち固定するステップを伴う。焦点固定が作動すると、第２のステップにおいて、カメラは所望のフレーミングに達するまで方向変更され（ｒｅｏｒｉｅｎｔｅｄ）、最後にこの第２の位置でカメラのシャッターが切られる。

この既知の「焦点調節および構図変更」法の技術的な欠点は、例えば、肖像写真撮影のように被写界深度が浅い状況を対象として適用したときなどに、目標被写体がカメラの被写界深度から出でしまう場合に明らかになる。第１の段階において焦点固定された目標被写体は、第２の段階においてカメラが方向変更されるにつれて焦点面からずれることになる。

焦点調節および構図変更法に関連する欠点を回避するべく、焦点固定後の方向変更段階を省略することができるよう１つだけの中央の焦点検出器の代わりに様々な焦点検出器を使用することが、例えば一眼レフ（ＳＬＲ）カメラ・タイプのＣａｎｏｎ ＥＯＳ ２０Ｄからなど、実際の例から既に知られている。こうした種類のカメラでは、技術説明書で、いくつかの焦点検出器のうち特定のものを１つ、例えば既に目標被写体上にある焦点を、手動で選択することが勧められている。

しかし、いくつかの焦点検出器を利用することの欠点は、この手順が一般的に遅く、中央にある単一の焦点を使用するのに比べて他の焦点を選択するのが容易でないことである。

もう１つの欠点は、多くのカメラでは、中央の焦点外の焦点では精度および感度が劣るということである。これは、光が弱い状態では中央の焦点以外で焦点固定できないという結果をもたらす。したがって、精度が低い方のオートフォーカス・センサを使用することで、焦点誤差が大きくなる。

上述の問題を考慮して、特に、カメラのような光学デバイスの焦点調節性能、このカメラを使用する方法、およびこのようなカメラに実装されるプログラム・アルゴリズムを改善することが、本発明の目的である。

さらに、本発明は、既知の焦点調節および構図変更法に関連する焦点誤差の問題を解決または緩和することを目的とする。

改善されたオートフォーカス性能を備えた光学デバイスが提案される。その光学デバイスは、筐体と、少なくとも１つのレンズ・ユニットと、目標被写体の画像を記録する記録媒体と、目標被写体の所与の像面を光学デバイスの焦点に合わせる少なくとも１つの焦点検出器を使用する焦点調節ユニットとを有する。焦点調節ユニットは、第１のカメラ位置において、光学デバイスと所与の焦点面との間の焦点距離（ｆｏｃｕｓ ｄｉｓｔａｎｃｅ）（ｄ₁）を固定する手段と、画像の所望のフレーミングを達成する光学デバイスの方向変更を追随する第２のカメラ位置においてシャッターを切る手段とを有する。焦点調節ユニットは、方向変更後の焦点面と平行な距離ベクトル、すなわち、第１のカメラ位置と第２のカメラ位置との差異を検知する検知手段と、検知された距離ベクトルから焦点補正値（ｄ_e）を計算する計算手段と、焦点補正値（ｄ_e）を、固定されている焦点距離（ｄ₁）に加算する加算手段とを有する。

第１の位置における焦点固定の後に、所望のフレーミングに達するよう第２の位置へとカメラが方向変更されたときに、焦点距離が焦点補正値（ｄ_e）によって自動的に補正されるということが、本発明の中心的な教示である。なお、距離ベクトルの空間座標は、焦点面に投影される（第１のカメラ位置で焦点が固定された）画像シーンの目標領域の２次元座標を指す。

本発明による解決策は、実装が容易であり、実現の費用効果が非常に高い。本発明を、例えばカメラなど、浅い被写界深度を実現することができる任意の種類の高度なカメラ・システムに実装することができる。この種の写真撮影は、肖像写真撮影の分野で好まれる。目標被写体に焦点を合わせたまま、その一方で同時に背景をぼやけたままにすると、目標被写体は見栄えのよい形で背景から切り離される。さらに、本発明は、小型カメラ・センサおよび光学系を用いて同じく浅い被写界深度を実現できる、拡大写真撮影に対応した光学デバイスに実装することもできる。したがって、「焦点調節および構図変更方法」が利用する非常に高速かつ効果的な焦点調節法を、中央の焦点センサを１つだけ使用することによって任意の用途に対して維持することができる。さらに、場合によっては、他のＡＦセンサの費用が削減されるかまたはなくなるため、中央のＡＴセンサの感度および精度をさらに高めることもできる。

本発明の好適な実施形態では、検知手段は、方向変更後の焦点面と、焦点が固定された所与の焦点面との間の推定距離ｄ₂を求める手段である。この実施形態では、焦点補正値ｄ_eは次式により計算される。

さらに具体的には、方向変更後の焦点面と、焦点が固定されている所与の焦点面との間の距離ｄ₂を求める手段は、所与の画像フレーミング内の目標被写体の動きを分析する分析手段を有する。さらに具体的には、光学デバイスが、ＣＭＯＳ画像センサを有するデジタル一眼レフ（ＳＬＲ）カメラまたはデジタル・スチル・カメラ（ＤＳＣ）である場合、目標被写体の動きの分析は、焦点固定後に画像センサから連続的に受信される生フレーム（ｒａｗ ｆｒａｍｅ）の評価に基づく。さらに具体的には、生フレームは、画像センサにおいて縮小されてもよい。例えばローリング・シャッターなどの電子シャッターを、連続的に受信される追跡フレームを露出するときに使用できる。目標領域が像面において水平方向および垂直方向に移動する場合、次式を適用できる。

式中、ｄ_2,xおよびｄ_2,yはそれぞれ、水平方向および垂直方向での、中心からの目標領域座標のオフセットである。当業者にとって、連続したカメラ・センサ・フレームから検出される動き（例えば画素単位で測定される）を、焦点面に投影される動き（例えばミリメートル単位で測定される）に対応付けることは、容易である。

一般的に、生形式のフレーム、すなわち画像センサから受信される前に処理／圧縮されていないフレームは、いずれにしてもビューファインダー用に連続的にキャプチャされるため、上述のオプションはデジタル・カメラに関して特に重要である。この場合に、生画像フレームを分析して被写体の動きを判断するために使用可能な種々の動き推定方法が多数ある。なお、この特定の場合には、例えばビデオ符号化などに使用される動き推定に比べて粗い動き推定で十分である。

あるいは、検知手段は、カメラの方向変更によって生じるカメラの回転角αを求める手段であり、焦点補正値ｄ_eは、次式によって計算される。

この種のセンサは、例えば、第１のカメラ位置で焦点固定をした後の方向変更中のカメラの動きを追跡し、そのようにして回転角αを容易に得る、加速度計とすることができる。

光学デバイスにおいて焦点誤差を補正する方法がさらに提案される。光学デバイスの第１の位置において、少なくとも１つの焦点検出器が、目標被写体の所与の像面に焦点を合わせられ、光学デバイスと所与の像面との距離（ｄ₁）が固定される。画像の所望のフレーミングを達成する光学デバイスの方向変更を追随する光学デバイスの第２の位置においてシャッターが切られる。
上述の方法は、
‐第１の位置から方向変更後の第２の位置まで方向変更された後の焦点面に平行な距離ベクトルを検知するステップと、
‐焦点補正値（ｄ_e）を、検知された距離ベクトルから計算するステップと、
‐焦点補正値（ｄ_e）を、固定されている焦点距離（ｄ₁）に対し補正として加算するステップとを含む。

要約すると、本発明の利点は以下のとおりである。
‐中央の焦点検出器１つのみを使用するため、オートフォーカスの精度が維持される。
‐特定の焦点位置を手動で選択するよりも適応が速い、焦点調節の周知の「焦点調節および構図変更」法を使用できる。

これに加えここで留意すべきなのは、「焦点調節および構図変更」法は、特に従来の非デジタル一眼レフカメラと共に広く使用されてきたということである。とはいえ、本発明は、記録媒体がＣＭＯＳ画像センサであるデジタル一眼レフ（ＳＬＲ）カメラにも適用できる。

本発明のこれらの態様および他の態様が、以下に説明される実施形態から明らかになり、該実施形態を参照して説明される。

本発明の好適な実施形態による光学撮像デバイスは、カメラ筐体１と、カメラ筐体１に取り付けられる少なくとも１つのレンズ・ユニット２とを有する。さらに、光学記録ユニット（図示せず）がカメラ内に含まれ、これは、従来の（「非デジタル」）カメラ内の光学フィルム、またはデジタル・カメラにおいて使用されるＣＭＯＳ画像センサからデジタル信号を受信するプロセッサとすることができる。一般的な撮像デバイスは、例えば、レンズ系２および画像センサを有する画像検知装置を含む。画像検知装置は、画像をキャプチャし、キャプチャした画像を電気的形式に変換する。または、画像はフィルム上に記録されることも可能である。電気的に行われる場合、その装置が生成する電気的信号が、アナログ信号をデジタル形式に変換するアナログ‐デジタル変換器へ導かれる。デジタル化された信号は、変換器から信号プロセッサに取り入れられ、そこで信号が処理されて画像ファイルが作成される。画像検知装置の出力信号は後処理が必要な生画像データを含み、信号プロセッサは、後処理をすること、ならびに、例えば画像検知装置に対して露出制御コマンドおよび焦点調節コマンドを発する役割を持っている。デバイスはさらに、信号プロセッサが完成した画像を記憶させる画像メモリと、データおよびプログラムを記憶するためのワーク・メモリと、ディスプレイと、ユーザ・インターフェースとを含んでもよい。当技術分野においてこれはすべて周知であり、例えば、本願明細書の譲受人に譲渡された米国特許出願公開第２００５／０１２８３３５号明細書に示されている。

カメラ・デバイスはさらに、カメラ・デバイスの焦点を目標被写体３の所与の像面４に合わせる焦点検出器を有する焦点調節ユニットを含む。焦点検出器は、カメラのビューファインダーにより決定されるフレームの中心に位置する。さらに、カメラ・デバイスはシャッターを有し、シャッターを切ると、目標被写体が投影され、光学記録ユニット上または光学記録ユニット内に恒久的または一時的に記録される。かかる焦点調節ユニットは、例えば本願明細書の譲受人の米国特許第６，７１０，９５０号明細書において、特に、このような焦点調節ユニットのブロック図を示す図３に示されているとおり、当技術分野において既知である。これは、制限としてではなく、単なる一般的な背景という意味で述べられている。

本発明の好適な実施形態は、改善されたオートフォーカス性能を備えており、以下これを、図１および図２の略図を参照して詳しく説明する。このような改善されたオートフォーカス性能は、上記の焦点調節ユニットと共にカメラ・デバイス内に含まれる焦点距離補正ユニットによって実現され得る。これは、さらに、光学デバイスと、第１のカメラ位置における所与の焦点面との間の焦点距離を固定する上述の焦点固定デバイス、および、画像の所望のフレーミングに達成する光学デバイスの方向変更を追随する第２のカメラ位置においてシャッターを切るためのデバイスとを含んでもよい。

図３は、光学デバイスにおいて焦点誤差を補正する方法を示すフローチャートである。特定のステップが順に示されているが、当然のことながら、それらは必ずしも示されている順序どおりに実施されるものではなく、当然、変形も予想されている。

図１と、図３の第１のステップとに示されているカメラ１の第１の位置において、中央の焦点検出器は、目標被写体３、特に目標被写体３の最もはっきりと表されるべき部分に向けられている。図１の点線から分かるように、焦点調節ユニットは、目標被写体３がカメラ・システムのＤＯＦ（Ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｆｉｅｌｄ：被写界深度）内に位置するように動作する。この位置における、目標被写体３を通る所与の焦点面４とカメラ１との距離は、距離（ｄ₁）により定義される。この位置で、図３の第２のステップに示されているとおり焦点が固定される。これは、焦点距離が値ｄ₁に固定されることを意味する。

図２は、カメラが図１に示されている第１の位置から、図２と図３の第３のステップとに示されている第２の位置に方向変更された後の状況を示す。（なお、図２では、よりよく例示できるように回転量が誇張されている）。

カメラが方向変更される理由は、目標の被写体がフレーム内の中央の焦点と一致しないこと、あるいは、焦点が固定された後に目標被写体３が中央の焦点位置から出たことである。カメラの方向変更が原因で、目標被写体３が焦点深度から外れていることが、（図２の矢印によって示されているように）点線（被写界深度、ＤＯＦに対応する）を比較すると分かるであろう。

方向変更後の焦点面に平行な距離ベクトル、すなわち図１の第１のカメラ位置と図２の第２のカメラ位置との間の投影された差異は、距離（ｄ₂）または角度αによって表すことができる。

方向変更中のカメラを追跡した結果、距離（ｄ₂）となると、焦点距離誤差（ｄ_e）は次式のように計算される。

あるいは、方向変更中にカメラを追跡した結果、回転角αとなると、焦点距離誤差（ｄ_e）は次式のように計算される。

どちらの場合においても、焦点距離（ｄ₁）を距離（ｄ_e）の量だけ近づけることによって、補正された焦点距離が実現される。

距離（ｄ₂）を受けて、これに基づきカメラの方向変更を計算する第１のオプションを、以下に詳しく説明する。

焦点が第１の位置に固定された後、生の、例えば処理されていないか、または適切に処理された画像フレームが、カメラ画像センサから連続的に受信され、目標被写体の動きが画像フレーミングの動き推定から分析される。動き推定は、例えばビデオのコード化に関して普及している技術である。データ・フローを軽減するために、生フレームをセンサにおいて縮小してもよい。

このプロセスを通じて、焦点固定された所与の焦点面の中心から方向変更後の焦点面の中心までの距離（ｄ₂）を容易に求められる。これから、補正値ｄ_eが式１から計算される。

あるいは、加速度計センサを使用して第１の位置から第２の位置へのカメラの動きの追跡し、回転角αの値を得ることもできる。回転角αは、上に述べたように式２により処理することができる。

したがって、本発明による上述の光学デバイスは、第１のカメラ位置から第２のカメラ位置まで方向変更された後の焦点面に対して平行な距離ベクトルを検知する検知手段を有する焦点距離補正ユニットも有してもよい。検知動作は、図３の第４のステップに示されている。さらに、検知された距離ベクトルから焦点補正値（ｄ_e）を計算する計算デバイスを備えてもよい。計算ステップは、図３の第５のステップに示されている。焦点補正値（ｄ_e）を、固定された焦点距離（ｄ₁）に、加算器デバイスによって加算することができる。補正ステップは、図３の第６のステップに示されている。

最終ステップにおいて、第２のカメラ位置でシャッターが切られる。

当然のことながら、上記の方法は、説明された方法ステップをプロセッサに実行させるよう動作可能な命令を備えた、コンピュータ可読媒体上に格納されているコンピュータ・プログラムによって実施されてもよい。

上述した本発明は、マクロ機能を有するか、または浅い被写界深度を得る可能性のあるカメラ付き電話に容易に実装可能である。

例示的な実施形態を用いて本発明について上述した。なお、当業者にとって明らかであり、かつ添付の特許請求の範囲の範囲および意図から逸脱せずに実装可能な、他の方法および変形物がある。

第１の位置における、本発明によるデバイスの概略図である。 第２の位置における、図１のデバイスの概略図である。 方法を例示するフローチャートである。

Claims (12)

1. 改善されたオートフォーカス性能を備えた光学デバイスであって、
   筐体と、
   少なくとも１つのレンズ・ユニットと、
   目標被写体の画像を記録する記録媒体と、
   前記目標被写体の所与の像面を前記光学デバイスの焦点に合わせる少なくとも１つの焦点検出器を使用する焦点調節ユニットであって、
   前記光学デバイスと、第１のカメラ位置における所与の焦点面との間の焦点距離（ｄ₁）を固定する焦点固定手段を含む、前記焦点調節ユニットと、
   前記画像の所望のフレーミングを達成する前記光学デバイスの方向変更に追随する第２のカメラ位置においてシャッターを切る手段と、
   を有し、
   前記焦点調節ユニットは焦点距離補正ユニットを有し、前記焦点距離補正ユニットは、前記第１のカメラ位置から前記第２のカメラ位置まで方向変更された後の焦点面に対して平行な距離ベクトルを検知する検知手段と、
   前記検知された距離ベクトルから焦点補正値（ｄ_e）を計算する計算手段と、
   前記焦点補正値（ｄ_e）を前記固定された焦点距離（ｄ₁）に加算する加算手段と、
   を有するデバイス。
2. 前記検知手段は、方向変更後の前記焦点面と、前記焦点が固定された前記所与の焦点面との間の距離ｄ₂を求める手段であって、前記焦点補正値ｄ_eは、式
   

   

   によって計算される、請求項１に記載のデバイス。
3. 方向変更後の前記焦点面の中心と、前記焦点が固定されている前記所与の焦点面の中心との間の前記距離ｄ₂を求める前記手段は、所与の画像フレーミング内の前記目標被写体の動きを分析する分析手段を有する、請求項２に記載のデバイス。
4. 前記光学デバイスは、ＣＭＯＳ画像センサを有するデジタル一眼レフ（ＳＬＲ）カメラであり、前記目標被写体の動きの分析は、焦点固定後に前記画像センサから連続的に受信される生フレームに基づく、請求項３に記載のデバイス。
5. 前記生フレームは前記画像センサにおいて縮小される、請求項４に記載のデバイス。
6. 前記検知手段は、方向変更による前記光学デバイスの回転角αを求める手段であり、前記焦点補正値ｄ_eは、式
   

   

   により計算される、請求項１に記載のデバイス。
7. 前記光学デバイスは一眼レフ（ＳＬＲ）カメラである、請求項１に記載のデバイス。
8. 前記光学デバイスはデジタル一眼レフ（ＳＬＲ）カメラであり、前記記録媒体はＣＭＯＳ画像センサを有するプロセッサである、請求項１に記載のデバイス。
9. 前記光学デバイスは拡大写真撮影に対応している、請求項１に記載のデバイス。
10. 前記焦点検出器は前記フレームの中心に位置している、請求項１に記載のデバイス。
11. 光学デバイスにおいて焦点誤差を補正する方法であって、前記光学デバイスの第１の位置において少なくとも１つの焦点検出器の焦点が目標被写体の所与の像面に合わせられ、前記光学デバイスと、前記所与の像面との間の距離（ｄ₁）が固定され、前記画像の所望のフレーミングを達成する前記光学デバイスの方向変更を追随する前記光学デバイスの第２の位置においてシャッターが切られ、
    前記方法は、
    前記第１の位置から方向変更後の前記第２の位置まで方向変更された後の焦点面に対して平行な距離ベクトルを検知するステップと、
    前記検知された距離ベクトルから焦点補正値（ｄ_e）を計算するステップと、
    前記焦点補正値（ｄ_e）を、前記固定された焦点距離（ｄ₁）に対する補正として加算するステップと、
    を含む方法。
12. 請求項１１に記載の方法のステップをプロセッサに実行させるよう動作可能な命令を備えた、コンピュータ可読媒体に記憶されているコンピュータ・プログラム。

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