JP2010139787A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】焦点検出を行う場合、コントラスト検出方式では焦点検出速度が低速になってしまい、位相差検出方式では撮像装置が高価かつ大型化するという課題があった。
【解決手段】撮影レンズ１からの光束により焦点情報を得る焦点情報取得部５と、焦点情報取得部５により得られた焦点情報から焦点評価を行う焦点評価部６と、撮影レンズ１からの被写体光学像を電気信号に変換する第１の撮像素子８と、を有する撮像装置であって、撮影レンズ１より得られるイメージサークルのうち、第１の撮像素子８が配置された撮像領域外に焦点情報取得部５を配置させて焦点情報を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、焦点検出機能を備える撮像装置及びその制御方法に関する。

撮像時に焦点を自動的に調節する、いわゆるオートフォーカス（ＡＦ）機能を備えるデジタルカメラなどの撮像装置が普及している。ＡＦ機能を実現するフォーカス検出の方式として、位相差検出方式とコントラスト検出方式が知られている。

まず、従来のコントラスト検出方式ＡＦについて説明する。

コントラスト検出方式では、撮像素子にて得られた撮像信号そのものを利用する。撮像画面の所定の設定エリア内の画像の高周波成分を取り出して焦点情報を得るが、１度の焦点情報取得では、現在のフォーカス位置が合焦状態であるかの判断は出来ない。現在のフォーカス位置での焦点情報を取得した後、フォーカス位置を現在位置よりも近距離側に設定して近距離側焦点情報を取得し、さらに逆方向の現在位置よりも遠距離側に設定して遠距離側焦点情報を取得し、合計３個の焦点情報を取得してそれらの比較を行って、はじめてフォーカス状態の把握が可能となる。例えば３個のデータのうち、近距離側のデータにおいて最も高周波成分が多ければ、現在のフォーカス位置では合焦しておらず、後ピン状態であると判断できる。そしてある所定のステップにおいてフォーカス位置を近距離側に設定して再測定を進めていき、高周波成分が少なくなるフォーカス位置が検出できたら、１ステップ前のフォーカス位置が合焦位置であると判断してフォーカス調整動作を終了させる。

このようにコントラスト検出方式によるＡＦは、焦点情報取得に関しては撮像素子そのものを利用するため別途焦点情報取得部を設ける必要がなく安価であるが、焦点調整速度が低速であるという特徴がある。

コントラスト検出方式よりも高速に焦点情報を取得できる方式として位相差検出方式が知られている（特許文献１に従来の技術として記載）。この従来の位相差検出方式ＡＦを、デジタル一眼レフカメラを例にして説明する。

図４は、従来の位相差検出方式ＡＦの焦点情報取得部を有するデジタル一眼レフカメラの概略図である。図４に示すように、このカメラは、撮影レンズ１と、可動式メインミラー２と、可動式サブミラー３と、フォーカス板４ａと、ペンタプリズム４ｂと、ファインダー接眼部４ｃと、焦点情報取得部５と、焦点評価部６と、フォーカスレンズ駆動部７と、撮像素子８とを備えている。

可動式メインミラー２はハーフミラーであり、撮影レンズ１から入光してきた被写体像はフォーカス板４ａ方向と、可動式サブミラー３方向に分光される。フォーカス板４ａ方向の光束は、フォーカス板４ａの拡散面上に被写体を結像し、撮影者はファインダー接眼部４ｃおよびペンタプリズム４ｂを介してフォーカス板４ａ上の被写体像を観察する。可動式サブミラー３方向の光束は、可動式サブミラー３にて反射され、焦点情報取得部５へと導かれる。焦点情報取得部５にて取得した焦点情報を焦点評価部６にて評価し、非合焦状態であると判断されると、検出されたデフォーカス量（フォーカスのずれ量）を解消するようにフォーカスレンズ駆動部７にてフォーカス調整用レンズ（図示せず）を駆動し焦点調節を行う。焦点調節が終了した後、実際に撮影するには可動式メインミラー２と、可動式サブミラー３を光路から退避させて、シャッター幕（図示せず）を開いて、被写体像を撮像素子８に導く。

次に位相差検出方式ＡＦに用いる焦点情報取得部について、図５を用いて詳細に説明する。図５は位相差検出方式ＡＦの焦点情報取得部の概略図である。図５において撮影レンズ１と焦点情報取得部５はそれぞれ図４に対応しており、焦点情報取得部５は、集光レンズ１０と、赤外光カットフィルター１１と、瞳分割絞り１２と、二つの再結像レンズ１３ａ、１３ｂと、二つの焦点検出用撮像素子１４ａ、１４ｂとで構成されている。

集光レンズ１０は、焦点面またはその近傍に配置されており、一度結像した被写体像を再結像レンズ１３ａ、１３ｂへと導く。集光レンズ１０によって集光された光束は赤外光カットフィルター１１により可視光成分だけが選択的に透過された後に、瞳分割絞り１２の二つの開口を通過して二つの再結像レンズ１３ａ、１３ｂに入射し、二つの焦点検出用撮像素子１４ａ、１４ｂに被写体像を再結像させている。

瞳分割絞り１２の二つの開口部によって、撮影レンズ１の全射出瞳のうち、光軸に対して略対称的であって対となる二つの特定領域１ａ、１ｂを通過した光束だけが分割抽出される。このようにして得られた二つの分割瞳像は、フォーカスの状態により、その相対位置が変化するという特徴をもつ。

フォーカスの状態による、二つの焦点検出用撮像素子１４ａ、１４ｂの被写体像の位置関係の模式図を図６に示す。

図６（ａ）は、合焦状態の時で、焦点検出用撮像素子１４ａ、１４ｂ上に結像される２つの像の位置関係は、２つの焦点検出用撮像素子の取り付け距離により決まり、合焦の時は常に間隔ｄ０で一定である。

図６（ｂ）は前ピン状態の時で、２つの像の間隔ｄ１はｄ０より小さくなり、デフォーカス量が大きくなればｄ０とｄ１の差も大きくなる。

図６（ｃ）は後ピン状態の時で、２つの像の間隔ｄ２はｄ０より大きくなり、デフォーカス量が大きくなればｄ０とｄ２との差も大きくなる。

このように、位相差検出方式によるＡＦは一回の焦点検出動作で、その時のデフォーカス量とデフォーカス方向が同時に分かるために焦点調整速度が高速であるが、焦点情報取得に関して焦点情報取得部と、被写体像を焦点情報取得部に導く可動ミラーやハーフミラー、分光プリズムなどの分光手段が必要であるため撮像装置が高価かつ大型化するという特徴がある。
特開２０００−１５５２６１号公報

上記従来例のように焦点検出を行う場合、コントラスト検出方式では焦点検出速度が低速になってしまい、位相差検出方式では撮像装置が高価かつ大型化するという課題があった。

それゆえに、本発明の目的は上記従来の課題を解決するもので、高速かつ安価、小型な焦点検出機能を有する撮像装置を実現することである。

上記従来の課題を解決するため本発明は、焦点調節のためのフォーカスレンズを含むレンズ部と、前記レンズ部からの被写体光学像を電気信号に変換する第１の撮像素子と、前記レンズ部からの被写体光学像により前記レンズ部の前記第１の撮像素子へのフォーカス状態を示す焦点情報を得る焦点情報取得部と、前記焦点情報から前記レンズ部が前記第１の撮像素子へ合焦しているかどうかの評価を行い、合焦しているかどうかを示す焦点評価情報を出力する焦点評価部と、を有する撮像装置であって、前記第１の撮像素子および前記焦点情報取得部は、被写体からの光路長が同一の面内に配置され、前記レンズ部より得られるイメージサークルのうち、前記第１の撮像素子が配置された撮像領域外に前記焦点情報取得部を配置したことを特徴とする。

本発明の撮像装置によれば、従来必要であった可動ミラーやハーフミラー、分光プリズムなどの分光手段が不要となり、高速かつ安価、小型な焦点検出機能を有する撮像装置が実現できる。

以下、本発明に係わる撮像装置の実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る撮像装置の構成について、図１乃至図２を参照して説明する。図２は本実施形態に係る撮像装置の構成を表す図であり、撮影レンズ１と、フォーカスレンズ１５と、焦点情報取得部５と、焦点評価部６と、フォーカスレンズ駆動部７と、撮像素子８と、画像処理部２０と、画像表示部２１と、記録媒体２２とを備える。画像表示部２１は、例えばビューファインダや液晶モニタ等として構成できる。なお、撮影レンズ１とフォーカスレンズ１５とを合わせてレンズ部と総称する。

撮影レンズ１で得られた被写体光学像は、撮像素子８と焦点情報取得部５に入力される。撮像素子８に入力された被写体光学像は、光電変換により電気信号に変換されて画像信号として出力される。出力された画像信号は、画像処理部２０にてゲイン調整、ノイズ除去、ディテール加算、ガンマ処理等の画像処理を施されて出力される。画像処理部２０から出力された画像信号は、記録媒体２２に記録される。画像表示部２１は、画像処理部２０から出力された画像信号や、記録媒体２２から再生された画像信号を表示する。ユーザは画像表示部２１を目視することにより、撮影した画像、及び記録媒体２２に記録された画像を見ることができる。

焦点情報取得部５は、撮影レンズ１から入力された被写体光学像から、撮影レンズ１の撮像素子８へのフォーカス状態を示す焦点情報を生成する。焦点情報とは、例えば焦点情報取得部５が位相差検出方式を用いる場合には一対の被写体像の位相差を指す。また、焦点情報取得部５がコントラスト検出方式を用いる場合には被写体像に含まれる高周波成分であるコントラスト値を指すものとする。

焦点評価部６は、この焦点情報を利用して焦点評価を行う。焦点評価部６は、焦点情報から、被写体光学像が撮像素子８に結像している（撮影レンズ１が撮像素子８に合焦している）かどうか、またはデフォーカス量を求め、その結果を焦点評価情報として出力する。焦点評価部６にて生成された焦点評価情報は、フォーカスレンズ駆動部７に入力される。フォーカスレンズ駆動部７は、焦点評価情報に従いフォーカスレンズ１５を駆動させてフォーカス調整を行う。

この撮像装置においては、焦点情報取得部５の配置場所に特徴があるため、図１を用いて詳しく説明する。

図１は、本実施形態に係る撮像装置の焦点情報取得部５を斜視した概略図である。図１において、図２と同一符号は同一構成を示している。

撮影レンズ１は概略図では１枚のレンズで表したが、実際は複数枚のレンズ群で構成される。ここで、撮影レンズ１は丸い形状のため、撮像面では円状に画像を結像させており、この円状の結像部をイメージサークルと呼ぶ。一方、撮像素子８は矩形形状のため、最大でも丸いイメージサークルに内接した矩形領域しか使用しない。本実施形態に係る撮像装置では、このイメージサークル内のうち、撮像素子８による撮像領域外の結像部に焦点情報取得部５を配置する。

例として、焦点情報取得部５に位相差検出方式を用いた場合を説明する。位相差検出方式を用いる場合、従来は撮像素子８へと入力される被写体光学像を可動ミラーやハーフミラー、分光プリズムなどにより焦点情報取得部５へと導く分光手段が必要であった。しかし本実施形態に係る撮像装置においては、直接イメージサークル内の結像部を利用するため、分光のために必要であった部品が不要となり、位相差検出方式の焦点検出を備えた高速かつ安価、小型な焦点検出機能を有する撮像装置が実現できる。焦点情報取得部５の構成は、図４に示した従来の位相差検出方式ＡＦにおける焦点情報取得部の構成と同様であるので、詳細な説明は省略する。

次に、焦点情報取得部５にコントラスト検出方式を用いた場合を説明する。画像信号を生成する撮像素子８とは別に、イメージサークル内のうち、撮像素子８による撮像領域外の結像部に焦点情報取得用として撮像素子を配置する。このときの焦点情報取得部５の構成は、従来のコントラスト検出方式ＡＦにおける構成と同様であるので、詳細な説明は省略する。従来の、撮像画像を流用したコントラスト検出方式では、画像更新速度は撮像画像の記録及び画像表示のフレームレートに依存していたが、本発明のように別途、焦点情報取得用として撮像素子を配置することにより、焦点情報取得用の撮像素子に対して任意の画像更新速度を設定することが出来る。よって、焦点情報取得更新速度を高速化することが可能になり、従来の撮像画像を流用したコントラスト検出方式に比べ、高速な焦点検出機能を有する撮像装置が実現できる。この、焦点情報取得部５にコントラスト検出方式を用いた場合においても、従来は分光のために必要であった部品が不要となる。

なお、図１では焦点情報取得部５を撮像素子８の上側に配置したが、この限りではなく、下側や左側、右側でもよく、イメージサークル内のうち、撮像素子８による撮像領域外の結像部であればどこに配置してもかまわない。しかしながら、よりイメージサークルの中心に近い位置に焦点情報取得部５を配置したほうが、焦点情報取得部５に結像する画像の解像度が高くなる。そこで、縦横の長さが異なる矩形の撮像素子８をイメージサークルの中央に配置した構成に対しては、撮像素子８による撮像領域外でかつ最もイメージサークルの中心に近い位置として、図１に示すように、撮像素子８の長辺の中央部近傍に配置することが望ましい。

次に、焦点評価部６で得た焦点評価データの利用について、マニュアルフォーカス時での事例を、図３を用いて説明する。

図３は、本発明の第１の実施形態に係る撮像装置の画像表示部２１での表示の一例を表す図である。画像表示部２１は、例えばビューファインダ視野内に画像処理部２０が出力する画像を表示させる。画像表示部２１は、この画像の下方に焦点情報表示部９を表示する。焦点情報表示部９は、中央に丸形の表示がありその丸形の表示を挟んで三角形の表示が２つ配置されている。

画像表示部２１は、焦点評価部６で得た焦点評価データをもとに、合焦時には丸形の表示を点灯させ、三角形の２つの表示を消灯させる事で、ユーザに現在のフォーカス位置が合焦状態であることを認識させる。また、非合焦時には丸形の表示を消灯させて２つの三角形のうちのひとつの表示を点灯させる。一方の三角形表示が前ピンの状態を表し、他方が後ピンの状態を表す。前ピン、後ピンの表示方法をあらかじめ定めておけば、ユーザにデフォーカス方向を認識させ、いずれの方向にフォーカスリングを回せばよいか判断させることが出来る。

なお、図３に示した焦点情報表示部９は丸形と三角形を利用したが、この限りではなく
合焦時の表示を星型、前ピン時の表示をプラス型、後ピン時の表示をマイナス型としてもよく、合焦、前ピン、後ピンの３つの状態が表示できればよい。さらには、焦点情報表示部９はビューファインダ視野外に表示したが、この限りではなく、ビューファインダ視野内にスーパーインポーズ表示してもかまわない。

なお、焦点評価部６は、焦点情報取得部５により得られた焦点情報とともに、撮像素子８から得られた被写体像のコントラスト値も第２の焦点情報として利用して焦点評価情報を生成して出力し、これを元にフォーカスレンズ駆動部７を駆動して焦点調節を行うようにしてもよい。具体的な手順としては、焦点評価部６が、まず最初に焦点情報取得部５にて得られた焦点情報を元に焦点評価情報を生成して出力し、フォーカスレンズ駆動部７がこれを元に焦点調節を行う。次に焦点評価部６が、撮像素子８で得られた第２の焦点情報を元に焦点評価情報を生成して出力し、フォーカスレンズ駆動部７がこれを元に焦点調節を行う。第２の焦点情報としてのコントラスト値は、従来のコントラスト検出方式ＡＦにおける構成と同様に算出することが出来る。

本発明の撮像装置によれば、高速かつ安価、小型な焦点検出機能が実現できるため、ムービーなどの動画カメラ、デジタルスチルカメラ、監視カメラ、ＦＡカメラなどに有用である。

本発明の第１の実施形態に係る撮像装置の焦点情報取得部を斜視した概略図 本発明の第１の実施形態に係る撮像装置の構成を表す概略図 本発明の第１の実施形態に係る撮像装置の画像表示部での表示の一例を表す図 従来の位相差検出方式ＡＦの焦点情報取得部を有するデジタル一眼レフカメラの概略図 位相差検出方式ＡＦの焦点情報取得部の概略図 二つの焦点検出用撮像素子１４ａ、１４ｂのフォーカスの状態による被写体像の位置関係の模式図

符号の説明

１ 撮影レンズ
２ 可動式メインミラー
３ 可動式サブミラー
４ａ フォーカス板
４ｂ ペンタプリズム
４ｃ ファインダー接眼部
５ 焦点情報取得部
６ 焦点評価部
７ フォーカスレンズ駆動部
８ 撮像素子
９ 焦点情報表示部
１０ 集光レンズ
１１ 赤外光カットフィルター
１２ 瞳分割絞り
１３ａ、１３ｂ 再結像レンズ
１４ａ、１４ｂ 焦点検出用撮像素子
１５ フォーカスレンズ
２０ 画像処理部
２１ 画像表示部
２２ 記録媒体

Claims (7)

1. 焦点調節のためのフォーカスレンズを含むレンズ部と、
   前記レンズ部からの被写体光学像を電気信号に変換する第１の撮像素子と、
   前記レンズ部からの被写体光学像により前記レンズ部の前記第１の撮像素子へのフォーカス状態を示す焦点情報を得る焦点情報取得部と、
   前記焦点情報から前記レンズ部が前記第１の撮像素子へ合焦しているかどうかの評価を行い、合焦しているかどうかを示す焦点評価情報を出力する焦点評価部と、
   を有する撮像装置であって、
   前記第１の撮像素子および前記焦点情報取得部は、被写体からの光路長が同一の面内に配置され、
   前記レンズ部より得られるイメージサークルのうち、前記第１の撮像素子が配置された撮像領域外に前記焦点情報取得部を配置したことを特徴とする撮像装置。
2. 前記焦点評価情報をビューファインダに表示させることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 前記焦点評価情報に基づいて前記フォーカスレンズを駆動して焦点調節を行うフォーカスレンズ駆動部を有することを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１項に記載の撮像装置。
4. 前記焦点情報取得部は、焦点情報取得専用に設けられた第２の撮像素子を備え、
   撮像した被写体像のコントラストを焦点情報として出力し、前記焦点評価部にてコントラスト検出方式で焦点評価情報を得ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
5. 前記焦点情報取得部は、一対の再結像光学系と、第３の撮像素子とを備え、
   前記再結像光学系により再結像された一対の被写体像の位相差を焦点情報として出力し、前記焦点評価部にて位相差検出方式で焦点評価情報を得ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
6. 前記焦点評価部は、前記焦点情報取得部により得られた第１の焦点情報とともに、前記第１の撮像素子から得られた被写体像のコントラストも第２の焦点情報として利用して焦点調節を行うことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
7. 前記焦点評価部は、まず前記焦点情報取得部にて得られた前記第１の焦点情報にて焦点調節を行い、次に前記第１の撮像素子で得られた前記第２の焦点情報にて焦点調節を行うように制御することを特徴とする請求項６記載の撮像装置。

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