JP2010231153A

JP2010231153A - 撮像装置

Info

Publication number: JP2010231153A
Application number: JP2009081536A
Authority: JP
Inventors: Junichi Saito; 潤一斎藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2010-10-14
Anticipated expiration: 2029-03-30
Also published as: JP5230505B2

Abstract

【課題】結像光学系の合焦状態の検出を行い、光軸方向の振れによる非合焦状態での撮影を抑制すると共に、加速度による光軸方向の振れを求める際の演算の発散を抑制する。
【解決手段】被写体像を撮像手段２０７に結像させる結像光学系１０２と、結像光学系の合焦状態を検出する合焦検出手段２０３，２０４と、結像光学系に作用する加速度による光軸方向振れを演算する光軸方向振れ演算手段１０６，１０７と、光軸方向振れ演算手段により演算された光軸方向振れ量をリセットするように、前記光軸方向振れ量を較正する較正手段１０８とを有し、合焦検出手段により合焦状態が検出された場合に、光軸方向振れ演算手段により演算された光軸方向振れ量が合焦範囲であるときに撮影可能である。
【選択図】図２

Description

本発明は、結像光学系の合焦状態を検出する合焦検出手段を有する撮像装置に関するものである。

近年、カメラなどの撮像装置において、光学系を合焦状態に変化させてから撮影を行う、自動合焦装置が備わっていることが一般的である。特に、デジタル一眼レフレックスカメラにおいては、その多くが二次結像位相差方式の焦点検出装置を備えている。そして、数十ミリ秒の時間間隔で繰り返し焦点検出を行うことも可能であるとともに、コントラスト方式などの他の焦点検出方法に比べて正確かつ迅速な合焦、非合焦判定を行うことが可能である。

他方、ジャイロセンサなどの角速度センサを搭載し、検出された撮像装置の角速度をもとに、角度振れ補正を行う撮像装置が近年多く見られる。さらに、特許文献１においては、ジャイロセンサの出力を用いることでは除去することが困難な光軸と直交する方向の所謂並進振れを、加速度センサ出力によって除去する。しかも、特許文献１には、光軸方向の僅かな移動を検出可能とするために加速度計を備え、光軸方向の加速度を計測することで、光軸方向振れの補正を可能とする技術が開示されている。

特開平０９−０８０５２３号公報

しかしながら、デジタル一眼レフレックスカメラに多く搭載されている二次結像位相差方式の焦点検出装置では、被写体が暗い場合にＡＦ（オートフォーカス）センサの積算時間が長くなってしまう。そのため、必ずしも短いサイクルで結像状態が検出できるわけではない。また、不連続的に結像状態を検出しているため、焦点検出と焦点検出の間隔が存在し、特に結像状態検出のための積算時間が長い場合には、カメラ本体の動きによる結像状態の変化を認識できない時間が無視できないレベルになってしまう。

この問題は、等倍撮像など、撮像倍率の高い条件（いわゆるマクロ撮像）において、光軸方向の僅かな振れに起因し、被写体が被写界深度から外れてしまう時に顕在化する。そのため、連続的に結像状態を検出可能とする装置が望まれていた。

また、特許文献１のように、加速度センサを、光軸（ピント）方向の振れ補正などにおいて動体の位置算出手段として用いる場合、加速度センサの出力である加速度を２階積分することによって動体の位置を算出する。そのため、加速度センサのドリフトなどに起因する計算の不安定性が問題となっていた。

（発明の目的）
本発明の目的は、結像光学系の合焦状態の検出を行い、光軸方向の振れによる非合焦状態での撮影を抑制すると共に、加速度による光軸方向の振れを求める際の演算の発散を抑制することのできる撮像装置を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明は、被写体像を撮像手段に結像させる結像光学系と、前記結像光学系の合焦状態を検出する合焦検出手段と、前記結像光学系に作用する加速度による光軸方向振れを演算する光軸方向振れ演算手段と、前記光軸方向振れ演算手段により演算された光軸方向振れ量をリセットするように、前記光軸方向振れ量を較正する較正手段とを有し、前記合焦検出手段により合焦状態が検出された場合に、前記光軸方向振れ演算手段により演算された光軸方向振れ量が合焦範囲であるときに撮影可能である撮像装置とするものである。

本発明によれば、結像光学系の合焦状態の検出を行い、光軸方向の振れによる非合焦状態での撮影を抑制すると共に、加速度による光軸方向の振れを求める際の演算の発散を抑制することができる撮像装置を提供できるものである。

本発明の各実施例に係る撮像装置の概略を示す構成図である。実施例１に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。実施例１に係る撮像装置の主要部分の動作を示すフローチャートである。実施例１の主要部分の動作を説明するためのタイミングチャートである。

本発明を実施するための形態は、以下の実施例に示す通りである。

図１は本発明の一実施例に係わる撮像装置（デジタル一眼レフレックスカメラ）の概略を示す構成図である。

交換レンズ１０１の内部には、焦点調節のためのフォーカスレンズ１０２、フォーカスレンズ１０２を駆動して該フォーカスレンズ１０２の結像状態（被写体の結像位置）を変化させるレンズ駆動部１０３が具備されている。さらに、レンズ駆動部１０３を制御するレンズ駆動制御部１０５がメイン基板上に具備されている。さらに、一点鎖線で示した光軸１０４に直交する平面（図１の上下方向をＹ方向、紙面垂直方向をＸ方向としたときのＸ−Ｙ面）に含まれる２軸、および光軸方向の加速度を計測可能な加速度センサ１０６が具備されている。さらに、加速度センサ１０６によって測定された加速度情報を２階積分することにより、光軸１０４方向の光軸方向振れを演算する加速度演算部１０７がメイン基板上に具備されている。

レンズマウントを介して交換レンズ１０１が着脱されるカメラ本体２０１には、二次結像光学系２０２が具備されている。二次結像光学系２０２には、交換レンズ１０１を透過した光束の一部が導かれる。これにより、セパレータレンズにより分割された２像が後述のＡＦ（オートフォーカス）センサ上に結像され、両者のずれ量から、交換レンズ１０１内に具備されたフォーカスレンズ１０２の合焦状態（合焦点までの移動量）が算出される。詳しくは、二次結像位相差方式により被写体の結像状態、つまりフォーカスレンズ１０２の合焦位置までのレンズ駆動量が算出される。

本実施例１においては、後述するように、ＡＦセンサのみで間欠的に行う合焦状態の検出動作を補完する形で加速度センサ１０６の出力をさらに用いるようにしている。これにより、より高い時間分解能を持ち、従来のように間欠的でなく、連続的に合焦、非合焦の判定を可能にするものである。

図２は、上記構成の撮像装置における交換レンズ１０１内およびカメラ本体２０１内の主要部分の構成を示すブロック図であり、図１と同じ部分は同一符号を付してある。

レリーズボタン２０５は、カメラ本体２０１に搭載された２段階押圧式のスイッチであり、その第１段階目までの押圧により焦点検出等の撮影準備動作開始用のスイッチＳ１がオンし、第２段階目までの押圧により撮影動作開始用のスイッチＳ２がオンする。スイッチＳ１がオンすると、ＡＦセンサ２０３およびレンズ駆動量演算部２０４により、二次結像位相差方式により焦点検出（フォーカスレンズ１０２の結像状態の検出）が開始される。そして、算出されるレンズ駆動量に基づいて後述の焦点調節動作であるレンズ駆動が開始される。その後、レリーズボタン２０５の第２段階目までの押圧によりスイッチＳ２がオンすると、後述のように撮像制御部２０６により撮影許可が出た際に撮像部２０７により撮影動作が行われる。

尚、実際の撮像装置においては、スイッチＳ１のオン信号はカメラ本体２０１に設けられた不図示のカメラマイコンに入力される。すると、そのカメラマイコンの指示によりＡＦセンサ２０３にて被写体像の光電変換およびその信号の蓄積動作（以下、単に蓄積と記す）が行われる。同じくカメラマイコンの指示によりレンズ駆動量演算部２０４により蓄積結果に基づいてフォーカスレンズ１０２の結像状態の算出が行われる。また、スイッチＳ２のオン信号も同じくカメラマイコンに入力され、このカメラマイコンの指示により、後述の較正部１０８により較正される加速度演算部１０７による光軸方向振れの情報に基づいて撮像制御部２０６が撮像部２０７に撮影を行わせることになる。しかし、図２では図面の簡略化のため、主要部分のみを図示してある。

いわゆるマクロ撮影において、上記のようにスイッチＳ１がオンされると、ＡＦセンサ２０３およびレンズ駆動量演算部２０４によって被写体の結像状態、つまり合焦点までのフォーカスレンズ１０２の移動量であるレンズ駆動量が算出される。そして、そのレンズ駆動量はカメラ本体２０１から交換レンズ１０１内のレンズ駆動制御部１０５に入力される。すると、レンズ駆動制御部１０５はレンズ駆動部１０３を介してレンズ駆動量にしたがってフォーカスレンズ１０２を合焦位置へと駆動させる。

また、交換レンズ１０１内には図１に示したように加速度センサ１０６が具備されており、不図示のレンズマイコンの指示により、光軸１０４の方向に変動する加速度を常に検出している。検出された加速度信号は加速度演算部１０７に出力され、この加速度演算部１０９にて加速度の２階積分が行われて光軸方向の変位（光軸方向振れ）が算出される。

上記レンズ駆動によりフォーカスレンズ１０２が合焦位置に達するとレンズ駆動は停止されるが、図４にて後述するようにその後もＡＦセンサ２０３およびレンズ駆動量演算部２０４によって被写体の結像状態は連続して検出される。そして、不図示のレンズマイコンに具備される較正部１０８は、その後の結像状態検出の結果、フォーカスレンズ１０２が合焦範囲にあることを判定したとする。すると、その時点における加速度演算部１０９の出力（光軸方向振れの情報）をフォーカスレンズ１０２の位置情報の原点としてリセットする。詳細は後述するが、加速度演算部１０９での加速度出力の２階積分値のドリフトを補正するための動作である。

尚、これ以後、レンズ駆動制御部１０５はスイッチＳ１のオンが解除され、スタートの段階に戻るまで、フォーカスレンズ１０２の駆動は行わない。

加速度演算部１０７では２階積分が行われるため、計算結果の不安定性が懸念されるが、上述のようなリセット動作を入れることで、発散しやすい計算を振り出しに戻し、加速度演算部１０７の演算精度の安定化が図れる。

また、スイッチＳ１がオンされてからスイッチＳ２がオンされるまでに長時間を要する場合、初期のリセット動作を行っても、積算計算量が増大し、加速度演算部１０７による演算結果の発散が懸念される。そのため、フォーカスレンズ１０２の駆動が完了した後も、較正部１０８は、レンズ駆動量演算部２０４での演算結果を逐次参照し、この演算結果から合焦と判定された場合に、加速度演算部１０７の光軸方向振れ量を再度リセットする。

レリーズボタン２０５がさらに押し込まれ、スイッチＳ２がオンして撮影開始指示がなされたとする。すると、撮像制御部２０６は、リセット動作以後、加速度演算部１０７によって連続的に演算されている光軸方向振れの状態からフォーカスレンズ１０２の位置が合焦範囲にあると判定された場合にのみ、撮像部２０７による撮影を許可する。これにより撮影可能となり、露光量を調整する露光量調整部（不図示）と撮像部２０７とにより撮影動作が行われる。

次に、上記撮像装置一連の主要部分の動作を、図３に示したフローチャートを用いて説明する。このフローチャートは、カメラ本体２０１の主電源のオンでスタートし、メイン電源のオフで終了するものであり、主電源がオンしている間はこのフローチャートが繰り返し実行される。

ステップ＃１０１より動作を開始し、まずステップ＃１０２では、スイッチＳ１の状態を判定し、オンしていなければオンするまでこのステップ＃１０２にて待機する。その後、スイッチＳ１がオンするとステップ＃１０３へ進む。そして、ＡＦセンサ２０３およびレンズ駆動量演算部２０４にて二次結像位相差方式により被写体の結像状態の検出、つまり蓄積結果に基づいてフォーカスレンズ１０２の合焦状態を検出する。そして、合焦でない場合は合焦位置までのレンズ駆動量を算出する。続くステップ＃１０４では、算出されたレンズ駆動量に基づいてレンズ駆動制御部１０５がレンズ駆動部１０３を介してフォーカスレンズ１０２を合焦位置へ駆動する。

次のステップ＃１０５では、フォーカスレンズ１０２が合焦位置まで移動したか否かを判定し、合焦位置に達したことを判定するとステップ＃１０６へ進み、フォーカスレンズ１０２の駆動を完了する。そして、次のステップ＃１０７では、不図示のカメラマイコンがＡＦセンサ２０３に再度蓄積動作を行わせ、蓄積結果に基づいて被写体の結像状態を判定する。そして、合焦位置にあると確認できた場合には、その時点において加速度演算部１０７にて２階積分により算出された光軸方向振れの情報をリセットする。

尚、詳細は図４にて後述するが、上記リセットするのは、上記ピントが合ったと判定するまでにはＡＦセンサ２０３の蓄積時間およびその信号の演算時間が必要である。そして、実際に被写体像の光電変換を行った時刻（蓄積時間の平均時刻）に対して、その判定には時間遅れが生ずる。そこで、加速度演算部１０７での２階積分値は、その時間遅れ分だけ見積もった過去の値を原点としてリセットするのである。つまり、ピントが合った時点における加速度演算部１０７の２階積分値（フォーカスレンズ１０２の光軸１０４方向の変位）をゼロに合わせる。

次のステップ＃１０８では、スイッチＳ１のオンからスイッチＳ２のオンまでに長時間を要し、加速度演算部１０７での積分計算の発散を未然に防ぐため、較正部１０８が、レンズ駆動量演算部２０４での演算結果を逐次参照する。レンズ駆動量演算部２０４での演算結果が合焦と判定された場合にはステップ＃１０９へ進み、非合焦と判定された場合にはステップ＃１１０へと進む。

ステップ＃１０９へ進むと、レンズ駆動量演算部２０４の演算結果が合焦と判定されているので、較正部１１２が、加速度演算部１０７の演算結果を、上記ステップ１０７と同様に再度リセットする。そして、ステップ＃１１０へ進む。

次のステップ＃１１０では、レリーズボタン２０５がさらに押し込まれてスイッチＳ２がオンしたか否かを判定し、オンされていない間は上記ステップ＃１０８へまで戻り、加速度演算部１０７の演算結果のドリフトを抑制する作業を繰り返し行う。尚、不図示であるが、このステップ＃１１０でスイッチＳ１がオフされた場合は、ステップ＃１０２へ戻る。

その後、スイッチＳ２がオンするとステップ＃１１０からステップ＃１１１へ進み、加速度演算部１０７によって連続的に演算されたフォーカスレンズ１０２の位置（ピント振れ量）が合焦範囲であるか否かを判定する。合焦範囲でない場合はこのステップに留まり、その後、合焦範囲であることを判定するとステップ＃１１２へ進み、撮像制御部２０６の制御により撮像部２０７での撮影が許可され、公知の撮影動作が行われる。

図４は、以上説明したリセット動作を含む一連の動作を示すタイミングチャートであり、リセット動作についてはピント方向の振れ波形を用いて説明する。尚、図４（ａ）〜（ｅ）において、横軸は経過時間である。また、図４（ａ）の縦軸はピント振れ量を示している。

図４（ａ）に、フォーカスレンズ１０２の実際のピント振れ波形３１と、加速度センサ１０６の出力を加速度演算部１０７にて２階積分して求めた２階積分値であるピント振れ波形３２を示している。また、図４（ｂ）に、ＡＦセンサ２０３の光電変換および蓄積動作３３とレンズ駆動量演算部２０４による結像状態の判定タイミング３４を、図４（ｃ）に、レンズ駆動部１０３の駆動波形３５を、それぞれ示している。さらに、図４（ｄ）に、レリーズボタン２０５の押圧に伴うスイッチＳ１，Ｓ２のオン、オフ状態を、図４（ｅ）に、撮像制御部２０６による撮影可否判定３７を、それぞれ示している。

加速度演算部１０７による２階積分値は低周波領域で信号が不安定であるためにフォーカスレンズ１０２の駆動後、合焦確認までにその出力が上記のようにドリフトしてしまう問題がある。しかし、合焦が確認された時点で、較正部１０８により、そのときの加速度演算部１０７による２階積分値をゼロ（光軸方向の変位ゼロ）とすることで、それまでの加速度２階積分値のドリフトを補正することができる。

ここで、加速度演算部１０７による２階積分結果である光軸方向振れ波形３２の演算は、例えばレリーズボタン２０５の第１段階目までの押圧によるスイッチＳ１のオンにより開始される。そして、ＡＦセンサ２０３により蓄積が行われ、その蓄積結果に基づいてレンズ駆動量演算部２０４によりレンズ駆動量が求められ、フォーカスレンズ１０２の駆動が行われる。その後に再度ＡＦセンサ２０３により蓄積が行われ、その結果に基づいて不図示のカメラマイコンにより合焦判定が行われる。そして、合焦確認されたタイミングＡに対して、ＡＦセンサ２０３の蓄積時間の平均時刻であるタイミングＢにおける２階積分値がゼロ近傍となるよう、ドリフトによるずれ成分値Ｄを減ずる。これをリセットするといっている。これは、レンズ駆動量演算部２０４において合焦判定が行われたタイミングが、ＡＦセンサ２０３が光電変換を行ったタイミングに対して持つ遅れ時間分を補正する為である。

加えて、撮影倍率の高い、例えばマクロ撮影においては、スイッチＳ１のオンからスイッチＳ２のオンまでの時間が、フォーカスレンズ１０２の合焦駆動後、合焦確認までにかかる時間に比べ、長時間を要することが考えられる。そして、初期の合焦が確認され、一度リセットされた以降、再び加速度センサ１０６の２階積分値がドリフトしてしまう問題がある。しかし、初期の合焦確認後も、較正部１０８が、逐次レンズ駆動量演算部２０４での演算結果を参照し、リセット動作を繰り返し行うことで、さらなる加速度２階積分値のドリフトを補正する事が出来る。尚、スイッチＳ１のオンからスイッチＳ２のオンまでの間に行うリセット動作については、時刻Ａ’が時刻Ａに、時刻Ｂ’が時刻Ｂに、またドリフトによるずれ成分値Ｄ’がドリフトによるずれ成分値Ｄに対応する形で、前述のリセット動作と同様の動作を行う。

その後、レリーズボタン１０９の第2段階までの押圧によりスイッチＳ２がオンされると、加速度演算部１０７での２階積分値がゼロ近傍（合焦範囲）になった時点で、撮像制御部２０６が撮影許可を行い、それ以外の値では撮影を許可しない。

ここで、ゼロ近傍と表現したのは、実際にピントの合う範囲はその時の撮影条件（焦点距離や絞り）で変化するためである。例えば、絞りを絞った時には多少加速度演算部１０７での２階積分値がゼロからずれていても撮影許可の判定を行うようにしている為である。

このように、レンズ駆動量演算部２０４と加速度演算部１０７を協業させるという構成にしている。よって、図４に示すように、例えば焦点位置検出のサンプリングレートＴａｆよりも短い時間経過後であっても、合焦・非合焦の判定を行うことが可能となる。

また、非合焦時には撮影が許可されないため、非合焦写真の発生を減ずることが可能となる。さらに、スイッチＳ１からスイッチＳ２のオンまでに長時間を要したとしても、較正部１０８がレンズ駆動量演算部２０４の演算結果を逐次参照し、さらなるリセット動作を加えることにより、加速度演算部１０７での積分計算の発散を未然に防げる。

以上の実施例においては、二次結像位相差方式のＡＦセンサ２０３と光軸１０４方向の加速度を検出可能な加速度センサ１０６を具備している。これにより、光軸１０４方向（ピント方向）の振れを、連続的に検出可能にし、撮影の可否判定に用いるようにしている。また、加速度センサ１０６から動体の一例であるフォーカスレンズ１０２の位置（変動）を検出する際に発生し得するドリフトの影響を、ＡＦセンサ２０３を用いて得られる結象状態の検出結果を利用することで、軽減できるものとしている。したがって、結像状態の検出を連続して行い、光軸方向の振れによる非合焦状態での撮影を抑制すると共に、加速度出力により動体位置検出を求める際の演算の発散を抑制する撮像装置とすることができる。

尚、上記実施例においては、較正部１０８がレンズ駆動量演算部２０４の演算結果を逐次参照し、合焦判定時に加速度演算部１０７の演算結果をゼロに戻す事を“加速度演算部１０７の演算をリセットする”と表現した。

しかし、これに限定されず、較正部１０８が加速度演算部１０７の演算結果をゼロに戻す方法としては、レンズ駆動量演算部２０４の演算結果が算出されるタイミングで加速度演算部１０７の演算結果に重畳するバイアス成分を差し引く方法も考えられる。即ち、ＡＦセンサ２０３の出力を演算するレンズ駆動量演算部２０４の演算結果と、その時刻における加速度演算部１０７の演算結果とを比較し、差分を加速度演算部１０７の演算結果から差し引く方法である。さらには、合焦判定したタイミングで加速度演算部１０７が加速度センサ１０６の信号の２階積分を初期化して再度演算を始める方法など、複数の較正方法も考えられる。

（発明と実施例の対応）
フォーカスレンズ１０２が、本発明の、被写体像を撮像手段（撮像部２０７）に結像させる結像光学系に相当する。また、ＡＦセンサ２０３、レンズ駆動量演算部２０４が、本発明の、結像光学系の合焦状態を検出する合焦検出手段に相当する。また、加速度センサ１０６、加速度演算部１０７が、本発明の、結像光学系に作用する加速度による光軸方向振れを演算する光軸方向振れ演算手段に相当する。また、レンズ駆動制御部１０５が、本発明の、合焦検出手段により合焦状態が検出された場合に、光軸方向振れ演算手段により演算された光軸方向振れ量が合焦範囲であると判定する手段に相当する。また、較正部１０８が、本発明の、光軸方向振れ演算手段により演算された光軸方向振れ量をリセットするように、光軸方向振れ量を較正する較正手段に相当する。較正部１０８は、合焦状態が検出された時点から検出遅れ時間分前の時点でのピント振れ量を零にすることによりリセットする。

１０２フォーカスレンズ
１０６加速度センサ
１０７加速度演算部
１０８較正部
２０３ＡＦセンサ
２０４レンズ駆動量演算部
２０６撮像制御部
２０７撮像部

Claims

被写体像を撮像手段に結像させる結像光学系と、
前記結像光学系の合焦状態を検出する合焦検出手段と、
前記結像光学系に作用する加速度による光軸方向振れを演算する光軸方向振れ演算手段と、
前記光軸方向振れ演算手段により演算された光軸方向振れ量をリセットするように、前記光軸方向振れ量を較正する較正手段とを有し、
前記合焦検出手段により合焦状態が検出された場合に、前記光軸方向振れ演算手段により演算された光軸方向振れ量が合焦範囲であるときに撮影可能であることを特徴とする撮像装置。
前記較正手段は、前記合焦検出手段により合焦状態が検出された場合に、前記光軸方向振れ量を較正することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記較正手段は、合焦状態が検出された時点から検出遅れ時間分前の時点での前記光軸方向振れ量を零にすることによりリセットすることを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。