JP2010175696A - オートフォーカス装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コントラスト時の焦点調節性能の低下を防止する。
【解決手段】撮影光学系により結像された画像を撮像する撮像素子と、撮像素子により撮像された画像中の所定領域におけるコントラスト評価値を演算する評価値演算手段と、撮影光学系の焦点調節を行う焦点調節手段と、評価値演算手段により演算されるコントラスト評価値が最大になるように、焦点調節手段により撮影光学系の焦点調節を行う制御手段とを備えたオートフォーカス装置において、評価値演算手段は、所定領域を複数の領域に分割し、所定領域における輝度の最大値と最小値の差Ｓに対する、分割領域ごとの輝度の最大値と最小値の差Ｋの割合Ｋ／Ｓを算出し、すべての分割領域の割合Ｋ／Ｓの合計値を所定領域のコントラスト評価値とする。
【選択図】図４

Description

本発明はオートフォーカス装置に関する。

撮影レンズにより撮像素子上に結像された被写体像を撮像し、画像信号の特定領域の高周波成分を抽出して評価値を算出し、評価値に応じて撮影レンズの焦点調節を行うオートフォーカス装置において、画像信号の３原色信号のそれぞれに対し独立に評価値を算出するようにしたオートフォーカス装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−２３９５８２号公報

しかしながら、上述した従来のオートフォーカス装置では、低コントラスト時に焦点調節性能が低下するという問題がある。この低コントラストの要因としては、被写体自体が低コントラストである場合の他に、テレやマクロ時などにおけるレンズの解像度低下に起因した低コントラストもある。

（１） 請求項１の発明は、撮影光学系により結像された画像を撮像する撮像素子と、撮像素子により撮像された画像中の所定領域におけるコントラスト評価値を演算する評価値演算手段と、撮影光学系の焦点調節を行う焦点調節手段と、評価値演算手段により演算されるコントラスト評価値が最大になるように、焦点調節手段により撮影光学系の焦点調節を行う制御手段とを備えたオートフォーカス装置において、評価値演算手段は、所定領域を複数の領域に分割し、所定領域における輝度の最大値と最小値の差Ｓに対する、分割領域ごとの輝度の最大値と最小値の差Ｋの割合Ｋ／Ｓを算出し、すべての分割領域の割合Ｋ／Ｓの合計値を所定領域のコントラスト評価値とする。
（２） 請求項２の発明は、請求項１に記載のオートフォーカス装置において、撮像素子により複数の画像を撮像し、評価値演算手段は、複数の画像を重ね合わせて画像を生成し、当該画像の所定領域においてコントラスト評価値を演算する。
（３） 請求項３の発明は、請求項１に記載のオートフォーカス装置において、評価値演算手段は、ＲＧＢの色ごとにコントラスト評価値を演算し、それらの合計値を所定領域のコントラスト評価値とする。
（４） 請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載のオートフォーカス装置において、評価値演算手段は、所定領域および分割領域の異なる複数の方向においてそれぞれコントラスト評価値を演算し、それらの合計値を所定領域のコントラスト評価値とする。
（５） 請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載のオートフォーカス装置において、評価値演算手段は、撮影光学系のＭＴＦ(Modulation Transfer Function)特性に応じて分割領域の大きさを決定する。

本発明によれば、被写体自体が低コントラストな場合や、テレやマクロ撮影における撮影レンズの解像度低下に起因した低コントラストの場合でもＡＦ性能が低下せず、正確な焦点調節を実現できる。

一実施の形態の構成を示す図 一実施の形態の焦点調節動作を示す示すフローチャート 一実施の形態のコントラスト評価値の演算方法を説明する図 一実施の形態のコントラスト評価値の演算方法を説明する図 輝度自体が低く、かつコントラストが小さい画像を増幅した結果を説明する図 輝度は高いが輝度変化が滑らかな複数の画像を重ね合わせた結果を説明する図 他の一実施の形態のコントラスト評価値の演算方法を説明する図

図１は一実施の形態のオートフォーカス（ＡＦ）装置を備えたカメラの構成を示す。なお、本発明に直接関係のないカメラの機器および装置の図示と説明を省略する。撮像素子１はＣＣＤやＣＭＯＳなどから構成され、撮影レンズ（不図示）により結像された被写体像を画像信号に変換する。駆動制御回路２は、撮像素子１の電荷蓄積制御や画像信号読み出し制御などを行うとともに、画像信号の増幅やＡ／Ｄ変換などの処理を行う。操作部材３には、シャッターボタンの半押しと全押し操作に連動してオン、オフする半押しスイッチや全押しスイッチ、ＡＦエリアを選択するためのＡＦエリア選択スイッチなどの操作部材が含まれる。

制御装置４はマイクロコンピューター４ａやメモリ４ｂなどから構成され、カメラの各種演算処理、画像処理、シーケンス制御などを行う。フォーカシングレンズ駆動制御装置５は撮影レンズ内のフォーカシングレンズを駆動制御し、撮影レンズの焦点調節を行う。ズーミングレンズ駆動制御装置６は撮影レンズ内のズーミングレンズを駆動制御し、ズームアップまたはズームダウンを行う。絞り駆動制御装置７は絞り（不図示）の開閉を行い、シャッター駆動制御装置８はシャッター（不図示）の開閉を行う。

ＡＦ補助光発光装置９は、暗い被写体に対する焦点検出を行うときに近赤外線を被写体に照射して焦点検出を援助する。表示装置１０はＬＣＤを備え、撮影画像や撮影に関する情報を表示する。画像記録装置１１はメモリカードなどの記録媒体に撮影画像を記録する。

図２は一実施の形態の焦点調節動作を示す示すフローチャートである。このフローチャートにより一実施の形態の動作を説明する。シャッターボタン（不図示）の操作部材３の半押し操作により半押しスイッチがオンすると、制御装置４のマイクロコンピューター４ａはこの焦点調節動作を開始する。

ステップ１において撮像素子１から指定されたＡＦエリアの画像データ（ＲＡＷデータ）を読み出す。なお、ＡＦエリアは操作部材３のＡＦエリア選択スイッチにより選択されている。撮像素子１にＣＣＤを用いた場合には、画素を加算した間引き画像データを読み出し、ＣＭＯＳを用いた場合には、指定されたＡＦエリア内の全画素の画像データを読み出す。

続くステップ２ではＡＦエリアのコントラスト評価値を演算する。まず、ＡＦエリア内の微小エリアにおいてコントラスト評価値を算出する。ここで、微小エリアの大きさは撮影レンズのＭＴＦ特性以下の空間周波数があればよい。換言すれば、撮影レンズの光学解像度よりも大きなエリアとする。また、撮影レンズのワイド側よりもテレ側ではＭＴＦ特性が若干落ちるので、微小エリアを広くしてもよい。例えば、ワイド側で縦３×横３画素の大きさとした場合には、テレ側では縦５×横５画素の大きさとする。

図３は、縦５×横５画素の微小エリア内におけるコントラスト評価値の算出方法を示す図である。ここでは、縦５×横５画素の微小エリアを例に挙げて説明するが、任意のエリア内のコントラスト評価値についても同様な手法で算出できる。図３に示すように、任意のエリア内のコントラスト評価値は、被写体色が偏っている場合を考慮してＲＧＢごとに算出する。このとき、画素データの間引きはしない。縦方向、横方向、右上がり斜め方向、左上がり斜め方向の４方向それぞれにＲＧＢごとの画素出力、すなわちＲＧＢごとの輝度に対してローパスフィルター処理を行い、ＭＴＦ特性以上の高周波ノイズやパターンノイズを除去する。図３において、(ａ)は緑色Ｇに対する４方向の評価値算出を示し、(ｂ)は青色Ｂに対する４方向の評価値算出を示し、(ｃ)は赤色Ｒに対する４方向の評価値算出を示す。

なお、微分特性の抽出が目的であり、ノイズフィルターは単純な移動平均処理でもよい。ノイズフィルターは、ズーム倍率にともなうワイドからテレ位置への光学特性の変化にも対応し、解像度の高いワイド端でのカットオフ周波数と、解像度の落ちるテレ端でのカットオフ周波数、その中間で使用するズーム位置でのカットオフ周波数を用意してもよい。バンドパスフィルターが有効である。

そして、図４に示すように、ＡＦエリアを微小エリアに分割し、ＡＦエリア内のＲＧＢの輝度の最大値と最小値の差分（ＭＡＸ値−ＭＩＮ値）Ｓｒ、Ｓｇ、Ｓｂに対する、各微小エリア内のＲＧＢの輝度の最大値と最小値の差分（ＭＡＸ値−ＭＩＮ値）Ｋｒ(n)、Ｋｇ(n)、Ｋｂ(n)の割合Ｋｒ(n)／Ｓｒ、Ｋｇ(n)／Ｓｇ、Ｋｂ(n)／Ｓｂを、ＲＧＢごとに、かつ縦、横、右上がり斜め、左上がり斜めの４方向に対して積算した合計値をＡＦエリアのコントラスト評価値とする。

なお、図３および図４により説明したコントラスト評価値の演算では、ＲＧＢの色ごとにＡＦエリアおよび微小エリアのコントラスト評価値を算出し、最終的なＡＦエリアのコントラスト評価値を演算する例を示したが、ＲＧＢの色ごとにコントラスト評価値を算出せず、図３および図４で説明した手法により各画素の輝度に基づいてＡＦエリアおよび微小エリアのコントラスト評価値を算出し、最終的なＡＦエリアのコントラスト評価値を演算するようにしてもよい。

ここで、コントラスト評価値を算出するエリアの画像の最大値と最小値の差分（ＭＡＸ値−ＭＩＮ値）が小さすぎると正常な判断が困難になるため、画像にゲインをかけて増幅するか、または時系列に撮影した複数の画像を重ね合わせる。図５に示すように、輝度自体が低く、かつコントラストが小さい画像(ａ)を増幅すると、(ｂ)に示すようにコントラストは高くなるがノイズも一緒に増幅してしまう。また、図６に示すように、輝度は高いが輝度変化が滑らかな画像(ａ)を重ね合わせると、(ｂ)に示すようにパターンノイズが顕著に現れる。

複数画像の重ね合わせ時に発生するパターンノイズを画像のコントラストの増加と誤認識しないように１画素レベルの突出データをノイズフィルターにより除去する。このフィルター構成はＭＴＦ特性を損なわないようにし、ローパスフィルターは光学空間周波数より高く設定する。あるいは、１画素レベルの突出データを周辺の画素データと比較し、規定レベル以上の差がある場合に突出データを周辺の画素データで置換することにより、パターンノイズを除去する。

さらに、微小エリアの評価値Ｋｒ、Ｋｂ、Ｋｇがフォーカシングレンズの位置を変化させても追従しない場合には、コントラスト評価に値しない均一画像であるか、もしくは大きなノイズを含んでいることが考えられ、コントラスト評価値算出から除外するか、隣接する有効微小エリアのコントラスト評価値をコピーする。

次に、ステップ３でフォーカシングレンズを現在の位置から駆動範囲の中心方向に所定量だけ移動する。続くステップ４において、撮像素子１からＡＦエリアの画像を読み出し、上述した手法と同様な手法によりＡＦエリアのコントラスト評価値を演算する。ステップ５で前回のコントラスト評価値と今回のコントラスト評価値とを比較し、コントラスト評価値が増加しているか否かを判定する。増加している場合はステップ６へ進み、同一駆動方向へフォーカシングレンズを所定量だけ駆動する。一方、前回よりも今回の方がコントラスト評価値が減少している場合はステップ７へ進み、駆動方向を反転して所定量だけフォーカシングレンズを駆動する。

ステップ８では、撮像素子１からＡＦエリアの画像を読み出し、上述した手法と同様な手法によりＡＦエリアのコントラスト評価値を演算する。ステップ９で前回のコントラスト評価値と今回のコントラスト評価値とを比較し、コントラスト評価値が減少しているか否かを判定する。減少していない場合はステップ１０へ進み、同一方向に所定量だけフォーカシングレンズを駆動してステップ８へ戻り、上述した動作を繰り返す。コントラスト評価値が減少した場合はステップ１１へ進み、前回と今回のコントラスト評価値に基づいてコントラスト評価値が最大になるフォーカシングレンズ位置を推定し、その位置までフォーカシングレンズを駆動する。これにより合焦が達成される。

なお、低輝度、低コントラストの被写体においては、コントラスト評価値がほとんど変化しない場合も考えられる。このような場合には、ＡＦエリア内のコントラスト評価値Ｓｒ、Ｓｂ、Ｓｇの値のみの増減に基づいてコントラスト評価値が最大となるレンズ位置を判断してもよい。

このように、ＲＧＢごとにコントラスト評価値を求めることによって、特定な色の多い特殊なシーン、例えば夕焼け空の撮影シーンなどにおいてもコントラスト評価値が最大の位置を判断することができる。

《発明の他の実施の形態》
上述した一実施の形態では撮像素子１からＡＦエリアの画像を１枚読み出し、ＡＦエリア内の微少エリアごとにコントラスト評価値を算出する例を示したが、画像データの中には撮像素子自体から発生する電気的なノイズや、被写体光に含まれる光ショットキーノイズが含まれており、これらのノイズの影響を低減して正確なコントラスト評価値を得るために、１回のコントラスト評価値の演算に際して撮像素子１により時系列的に撮像を行ってＡＦエリアの複数枚の画像を取得し、これら複数枚の画像を重ね合わせて１枚のＡＦエリア画像を生成し、当該画像の微少エリアごとにコントラスト評価値を求めるようにした他の一実施の形態を説明する。

図７は、ＡＦエリア内の微少エリアごとにコントラスト評価値Ｋｒ(n)、Ｋｇ(n)、Ｋｂ(n)を求める他の実施の形態を説明する図である。この例では、コントラスト評価値算出ごとに撮像素子１により３枚の画像を撮像し、(ａ)に示すように時刻(t-2)、(t-1)、ｔに撮像した３枚の画像からそれぞれＡＦエリアの画像を読み出す。そして、(ｂ)に示すように３枚の画像を重ね合わせてノイズ除去を行った後、移動平均等のノイズフィルター処理を施し、評価値の安定性を向上させる。その後、上述した手法により、重ね合わせたＡＦエリアの画像から微小エリアごとにコントラスト評価値Ｋｒ(n)、Ｋｇ(n)、Ｋｂ(n)を算出する。

算出した微小エリアごとのコントラスト評価値Ｋｒ(n)、Ｋｇ(n)、Ｋｂ(n)を図４で説明した演算に用い、ＡＦエリアのコントラスト評価値を算出する。

以上説明したように、一実施の形態に寄れば、撮像素子１により撮影レンズにより結像された画像を撮像し、撮像した画像中のＡＦエリアにおけるコントラスト評価値を演算し、コントラスト評価値が最大になるように撮影レンズの焦点調節を行うオートフォーカス装置において、ＡＦエリアを複数の微小エリアに分割し、ＡＦエリアにおける輝度の最大値と最小値の差Ｓに対する、微小エリアごとの輝度の最大値と最小値の差Ｋの割合Ｋ／Ｓを算出し、すべての微小エリアの割合Ｋ／Ｓの合計値をＡＦエリアのコントラスト評価値とするようにしたので、被写体自体が低コントラストな場合や、テレやマクロ撮影における撮影レンズの解像度低下に起因した低コントラストの場合でもＡＦ性能が低下せず、正確な焦点調節を実現できる。

また、一実施の形態によれば、撮像素子１により複数の画像を撮像し、複数の画像を重ね合わせて画像を生成し、当該画像のＡＦエリアにおいてコントラスト評価値を演算するようにしたので、正確なコントラスト評価値を安定に演算することができる。

さらに、一実施の形態によれば、ＲＧＢの色ごとにコントラスト評価値を演算し、それらの合計値をＡＦエリアのコントラスト評価値とするようにしたので、例えば夕焼けシーンのように特定の色が多い撮影シーンにおいても、正確なコントラスト評価値を演算することができる。

さらにまた、一実施の形態によれば、ＡＦエリアおよび微小エリアの異なる複数の方向においてそれぞれコントラスト評価値を演算し、それらの合計値をＡＦエリアのコントラスト評価値とするようにしたので、被写体像のエッジ方向によらず正確なコントラスト評価値を安定に演算することができる。

１；撮像素子、２；駆動制御回路、３；操作部材、４；制御装置、５；フォーカシングレンズ駆動制御装置

Claims (5)

1. 撮影光学系により結像された画像を撮像する撮像素子と、
   前記撮像素子により撮像された画像中の所定領域におけるコントラスト評価値を演算する評価値演算手段と、
   前記撮影光学系の焦点調節を行う焦点調節手段と、
   前記評価値演算手段により演算される前記コントラスト評価値が最大になるように、前記焦点調節手段により前記撮影光学系の焦点調節を行う制御手段とを備えたオートフォーカス装置において、
   前記評価値演算手段は、前記所定領域を複数の領域に分割し、前記所定領域における輝度の最大値と最小値の差Ｓに対する、前記分割領域ごとの輝度の最大値と最小値の差Ｋの割合Ｋ／Ｓを算出し、すべての前記分割領域の割合Ｋ／Ｓの合計値を前記所定領域の前記コントラスト評価値とすることを特徴とするオートフォーカス装置。
2. 請求項１に記載のオートフォーカス装置において、
   前記撮像素子により複数の画像を撮像し、
   前記評価値演算手段は、前記複数の画像を重ね合わせて画像を生成し、当該画像の前記所定領域において前記コントラスト評価値を演算することを特徴とするオートフォーカス装置。
3. 請求項１に記載のオートフォーカス装置において、
   前記評価値演算手段は、ＲＧＢの色ごとにコントラスト評価値を演算し、それらの合計値を前記所定領域の前記コントラスト評価値とすることを特徴とするオートフォーカス装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のオートフォーカス装置において、
   前記評価値演算手段は、前記所定領域および前記分割領域の異なる複数の方向においてそれぞれコントラスト評価値を演算し、それらの合計値を前記所定領域の前記コントラスト評価値とすることを特徴とするオートフォーカス装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のオートフォーカス装置において、
   前記評価値演算手段は、前記撮影光学系のＭＴＦ(Modulation Transfer Function)特性に応じて前記分割領域の大きさを決定することを特徴とするオートフォーカス装置。

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