JP2010271359A

JP2010271359A - オートフォーカス装置および撮像装置

Info

Publication number: JP2010271359A
Application number: JP2009120647A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Oya; 貴弘大屋
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2009-05-19
Filing date: 2009-05-19
Publication date: 2010-12-02
Also published as: CN101893807A; US20100296804A1; CN101893807B

Abstract

【課題】オートフォーカスの高精度化を達成する。
【解決手段】フォーカスレンズを駆動するアクチュエータと、フォーカスレンズを所定範囲走査させることにより合焦状態を示す評価信号を取得する評価信号取得手段（Ｓ０３〜Ｓ０６，Ｓ０８）と、評価信号に基づいてフォーカスレンズの合焦駆動を行う駆動制御手段と、アクチュエータの駆動状態を検出する検出手段とを有し、駆動制御手段が、評価信号から合焦位置を算出した後には、検出手段の出力に基づく閉ループ制御にてフォーカスレンズの合焦駆動を行う（Ｓ０９，Ｓ１０）。
【選択図】図４

Description

本発明は、アクチュエータによりフォーカスレンズを駆動して合焦動作を行うオートフォーカス装置および撮像装置に関するものである。

従来のデジタルカメラ等の撮像装置では、ＴＶ−ＡＦ（いわゆる山登り）方式と呼ばれるオートフォーカス（以下、ＡＦ）方式を採用することが多い（例えば特許文献１）。この方式では、フォーカスレンズを所定範囲走査させることにより得られる各点でのコントラスト方式のＡＦ評価信号のピーク位置から被写体距離を算出する。そして、得られた被写体距離に合焦するようにフォーカスレンズを駆動することで合焦動作を行う。このとき、公知の様にこのＡＦ評価信号の値が大きい方が、より被写体にピントがあった状態である。

特開２００４−１０２１３５号公報

しかしながら、フォーカスレンズの駆動をオープン制御にて行う上記の従来例においては、以下の図７および図８を用いて説明するような課題が存在していた。なお、図７は、ピーク位置Ｐと被写界深度ならびにフォーカスレンズ停止位置との関係を示す図である。また、図８（ａ），（ｂ）は、フォーカスレンズを駆動するためのステッピングモータ（以下、ＳＴＭ）を１−２相励磁で駆動したときの駆動パターンならびに電気角を示した図であり、１相励磁位置にコギングがある場合を示している。

フォーカスレンズの停止分解能は、駆動パターンによる１ステップ分のＳＴＭの回転量と、ＳＴＭの出力軸に一体的に設けられたリードスクリューのリードとによって決定される。よって、ピーク位置Ｐにフォーカスレンズを停止させるようにＳＴＭを駆動しても、実際にはピーク位置Ｐの最近傍のｐ（この場合、図７に示すように電気角で言うところの１の位置）で停止することになる。しかし、この位置が図７のように被写界深度内に入っていれば問題はなかった。

ところが、近年撮像素子の高画素化が進み、被写界深度もそれに伴って狭くなってきており、従来の停止分解能では被写界深度内にフォーカスレンズが停止できなくなる虞がある。

この問題を解決するには停止分解能を細かくする必要がある。その為の一つは、リードスクリューのリードを小さくすることが考えられる。しかしながら、この場合にはフォーカスレンズの１ステップ分の送り量が減るため、ＡＦ評価信号を取得する粗調整等の通常駆動での駆動速度が低下してしまう。もう一つは、ＳＴＭをマイクロステップ相励磁にて駆動し、ＳＴＭを細かく停止させて電気角１と電気角２の間にあるピーク位置Ｐへとフォーカスレンズを駆動することが考えられる。しかしながら、この場合にも、カメラ小型化の流れの中でＳＴＭも小径化が進んでいるため、実際にはＡ相＋のコギング位置に引っ張られてマイクロステップ相にて停止させることは不可能であった。

（発明の目的）
本発明の目的は、オートフォーカスの高精度化を達成することのできるオートフォーカス装置および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、フォーカスレンズを駆動するアクチュエータと、前記フォーカスレンズを所定範囲走査させることにより合焦状態を示す評価信号を取得する評価信号取得手段と、前記評価信号に基づいて前記フォーカスレンズの合焦駆動を行う駆動制御手段とを有するオートフォーカス装置において、前記アクチュエータの駆動状態を検出する検出手段を有し、前駆動制御手段が、前記評価信号から合焦位置を算出した後には、前記検出手段の出力に基づく閉ループ制御にて前記フォーカスレンズの合焦駆動を行うオートフォーカス装置とするものである。

本発明によれば、オートフォーカスの高精度化を達成することができるオートフォーカス装置または撮像装置を提供できるものである。

本発明の一実施例に係るオートフォーカス装置を示す構成図である。一実施例に係るＳＴＭにおけるトルクと回転数の関係を示す図である。一実施例に係るＳＴＭにおけるコギングと電流比の関係を示す図である。一実施例の動作を示すフローチャートである。粗調スキャン時のＡＦ評価信号と被写体距離の関係を示す図である。粗調組スキャン時のＡＦ評価信号と被写体距離の関係を示す図である。被写界深度とフォーカスレンズ停止位置の関係を示す図である。ＳＴＭ１−２相励磁時の駆動パターンと電気角を示す図である。

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る撮像装置に具備されるオートフォーカス装置を示す構成図である。

図１において、１１２はフォーカスレンズ、１２１は保持枠、１２２は保持枠１２１と一体的に進退するナット部材である。３１はフォーカスレンズ１１２を駆動するためのＳＴＭ（ステッピングモータ）であり、Ａ相ステータ３１ａ、Ｂ相ステータ３１ｂからなる２相励磁コイルと、ローター３１ｃと、ローター３１ｃに直結されて一体的に回転するリードスクリュー３２とからなる。３３は、リードスクリュー３２に一体的に取り付けられ、ＳＴＭ３１の回転位相を検出する為に複数極に着磁されたエンコーダーマグネットであり、２つのホール素子３４ａ，３４ｂにより回転位相が検出される。

４１はＳＴＭ３１を駆動制御する駆動制御部であり、Ａ相ステータ３１ａに通電するＡ相ドライバ４１ａ、Ｂ相ステータ３１ｂに通電するＢ相ドライバ４１ｂ、および、これらドライバを制御する制御部４１ｃからなる。制御部４１ｃには、ＣＰＵ１４３からのフォーカスレンズ駆動量、駆動方向が入力されると共に、ホール素子３４ａ，３４ｂからのＳＴＭ３１の回転位相情報が入力されて、それらの情報をもとにＡ相ドライバ４１ａとＢ相ドライバ４１ｂの制御を行う。

上記のように制御部４１ｃには、ＣＰＵ１４３からの駆動情報の入力と合わせて、ホール素子３４ａ，３４ｂによって検出されたＳＴＭ３１の回転位相情報が常に入力される。制御部４１ｃは回転位相情報をもとにＡ相ドライバ４１ａ、Ｂ相ドライバ４１ｂを制御してＡ相ステータ３１ａ、Ｂ相ステータ３１ｂに通電し、ＳＴＭ３１を駆動する。

図２は、ＳＴＭ３１におけるトルクＴ（縦軸）と回転数Ｆ（横軸）との一般的な関係を示すＴ−Ｆ曲線である。

一般に、ある回転数において実力以上のトルク負荷がＳＴＭに加えられた場合、入力に対してＳＴＭが回転しない脱調が起きる。よって、オープン制御でＳＴＭを駆動する従来例においては、ＳＴＭの特性に対して脱調余裕を見越した領域内の回転数ｆ１にて駆動する必要があった。

これに対し、本実施例では、ホール素子３４ａ，３４ｂによって検出されたＳＴＭ３１の回転位相情報をもとに回転数ｆ２の脱調限界付近にて駆動可能なため、従来例よりも高速でＳＴＭ３１を駆動可能、かつ、高精度で停止可能となる。

図３は、高精度駆動時のコギングと電流比の関係を示した図である。

図３において、ピーク位置Ｐにフォーカスレンズ１１２を停止させるために、Ａ相ステータ３１ａ、Ｂ相ステータ３１ｂにＩａ１，Ｉｂ１の電流比で電流を供給したとする。この場合、従来例においては、Ａ相＋のコギングトルクに引き込まれて電気角１寄りのＰ’の位置に回転して止まっていた。

これに対し、本実施例では、ＳＴＭ３１の出力軸の回転位相情報をホール素子３４ａ，３４ｂにより常に検出している。そのため、ＣＰＵ１４３からの駆動情報にしたがった目標位置である停止位置Ｐと実際の停止位置Ｐ’の出力情報との相違を補正するよう、Ｂ相ステータ３１ｂに流す電流を変更することが可能である。このようにＢ相ステータ３１ｂに流す電流を増やしていくと、電気角２の方に向かって回転していき、それに伴ってＡ相＋のコギングトルクは低下していく。そして、Ｂ相ステータ３１ｂの電流を図３に示すＩｂ２まで増やすことで、フォーカスレンズ１１２を目標位置であるピーク位置Ｐで停止させることができる。

したがって、近年の撮像素子の高画素化により被写界深度がそれに伴って狭くなっても、別言すれば、被写界深度がＳＴＭ３１の電気角１ステップ分の移動量よりも狭くなっても、被写界深度内にフォーカスレンズ１１２を停止させることができる。さらに、このような高精度駆動制御では、ＳＴＭ３１のコギング位置に関係無くフォーカスレンズ１１２を停止可能である。そのため、小径ＳＴＭにおいてもマイクロステップ相での駆動が可能であり、１−２相駆動に対してマイクロステップ相駆動にてフォーカスレンズ１１２の停止分解能を高めるといった使い方も可能である。

次に、本実施例に係る合焦動作時の一連の処理を、図４のフローチャートを用いて説明する。ステップＳ０１にて、カメラのレリーズスイッチの半押しがなされてスイッチＳＷ１のオンを検出すると、ＣＰＵ１４３は、ステップＳ０２以降の動作を開始する。先ず、ステップＳ０２では、フォーカスレンズ１１２をスキャン開始位置である無限遠に合焦する位置まで、図２の回転数ｆ２（ｆ１＜ｆ２）にて高速駆動制御かつ閉ループ制御で移動させる。そして、次のステップＳ０３にて、同じく図２の回転数ｆ２にて高速駆動制御かつ閉ループ制御で粗調整（以下、粗調）を開始する。粗調では、図５にあるように、無限遠（∞）から至近に合焦する位置までのストロークＤ、つまり所定範囲、フォーカスレンズ１１２を走査（スキャン）させ、その間、黒丸で示す所定間隔ごとにＡＦ評価信号を取得する。なお、図５のｄ１は粗調終了位置である。

次のステップＳ０４では、上記ステップＳ０３にて得られたＡＦ評価信号からピークの山が存在するかどうかを判定する。ピークの山が存在するかどうかは、ＡＦ評価信号がある閾値以上であるかどうか、横軸に被写体距離、縦軸にＡＦ評価信号を取った場合に山の形をしているかで判定する。図５が、ピークの山が存在すると判定した場合のＡＦ評価信号と被写体距離の関係である。ピークの山が存在する場合は後述のステップＳ０８へ進み、ピークの山が存在しないと判定した場合にはステップＳ０５へと進む。

ステップＳ０５へ進むと、高速駆動制御かつ閉ループ制御にて粗調細スキャンを行う。図６が、粗調ではピークの山が存在しないと判定した場合のＡＦ評価値と被写体距離の関係であり、無限遠から至近までＡＦ評価信号により得られる山が判然としない。この粗調細スキャンでは、粗調においてピークの山の頂上付近と判定した、点線で囲んだＮへとフォーカスレンズ１１２を駆動し、粗調時より狭い範囲にて再びＡＦ評価信号を取得する。このとき、ＡＦ評価信号を取得する所定間隔を、粗調時より短くして山判定の精度を高める。

次のステップＳ０６では、上記ステップＳ０５にて再度得られたＡＦ評価信号から、ピークの山が存在するかどうかを判定する。上記粗調細スキャンにおいても山が存在しないと判定した場合にはステップＳ０７へ進み、定点へとフォーカスレンズ１１２を高速駆動制御かつ閉ループ制御にて駆動する。定点とは、例えば過焦点距離といったあらかじめ定められた位置のことである。

一方、上記粗調細スキャンによりピークの山が存在すると判定した場合には、ステップＳ０６からステップＳ０８へと進み、ピーク位置Ｐを算出する。そして、次のステップＳ０９にて、微調整（以下、微調）を開始する。詳しくは、図５における粗調終了位置ｄ１からピーク位置Ｐ近傍ｄ２（図６では粗調細スキャン終了位置ｄ３からｄ２）までのストロークを高速駆動制御かつ閉ループ制御にてフォーカスレンズ１１２を駆動する。高速駆動制御は、速度を速くするための閉ループ制御であり、１−２相駆動（２−２相、マイクロステップでも構わない）において、従来脱調余裕を見越して動かしていた速度ｆ１よりも速い速度ｆ２にて動かすものである。そして、次のステップＳ１０にて、高精度駆動制御かつ閉ループ制御による片寄せ駆動を行い、フォーカスレンズ１１２をピーク位置Ｐまで移動し、ステップＳ１１０にて、合焦動作を完了する。高精度駆動制御は、停止分解能を高めるための閉ループ制御であり、１−２相駆動よりもさらに細かい位置で停止させるものである。

以上の実施例においては、ＳＴＭ３１の駆動状態をエンコーダーマグネット３３、ホール素子３４ａ，３４ｂにより検出し、その検出結果を基に閉ループによる、脱調限界付近での高速駆動制御にて合焦駆動を行う構成としている。よって、ＡＦの高速化が可能となる。また、評価信号から算出された合焦位置まで駆動する微調時には、フォーカスレンズ１１２の停止分解能を高めるように閉ループ制御を行うことで、ＴＶ−ＡＦ方式と呼ばれるオートフォーカス方式において、ＡＦの高精度化を実現している。

なお、ＡＦ評価信号取得のための走査動作は、従来通りオープン制御により行われるようにしても良い。

（本発明と実施例の対応）
フォーカスレンズ１１２が本発明のフォーカスレンズに相当し、ＳＴＭ３１が、本発明の、フォーカスレンズ１１２を駆動するアクチュエータに相当する。また、ＣＰＵ１４３のステップＳ０３〜Ｓ０６，Ｓ０８の動作を行う部分が、本発明の、フォーカスレンズ１１２を所定範囲走査させることにより合焦状態を示す評価信号を取得する評価値取得手段に相当する。また、エンコーダーマグネット３３、ホール素子３４ａ，３４ｂが、本発明の、アクチュエータの駆動状態を検出する検出手段に相当する。また、ＣＰＵ１４３のステップＳ０９，Ｓ１０の動作を行う部分が、本発明の、検出手段からの出力に基づく閉ループ制御にてフォーカスレンズ１１２の合焦駆動を行う駆動制御手段に相当する。

３１ステッピングモータ
３３エンコーダマグネット
３４ａ，３４ｂホール素子
４１駆動制御部
４１ｃ制御部
１１２フォーカスレンズ
１４３ＣＰＵ

Claims

フォーカスレンズを駆動するアクチュエータと、
前記フォーカスレンズを所定範囲走査させることにより合焦状態を示す評価信号を取得する評価信号取得手段と、
前記評価信号に基づいて前記フォーカスレンズの合焦駆動を行う駆動制御手段とを有するオートフォーカス装置において、
前記アクチュエータの駆動状態を検出する検出手段を有し、
前記駆動制御手段は、前記評価信号から合焦位置を算出した後には、前記検出手段の出力に基づく閉ループ制御にて前記フォーカスレンズの合焦駆動を行うことを特徴とするオートフォーカス装置。
前記検出手段は、前記アクチュエータの出力軸に対してエンコーダを設けることで、前記アクチュエータの駆動状態を検出することを特徴とする請求項１に記載のオートフォーカス装置。
前記アクチュエータは、ステッピングモータであって、該ステッピングモータの駆動状態を常に検出して電気角１ステップ分より細かく停止させることで、前記フォーカスレンズの停止分解能を高めることを特徴とする請求項１または２に記載のオートフォーカス装置。
請求項１ないし３のいずれかに記載のオートフォーカス装置を具備したことを特徴とする撮像装置。