JP2011107581A

JP2011107581A - 撮像装置及びフォーカス制御方法

Info

Publication number: JP2011107581A
Application number: JP2009264871A
Authority: JP
Inventors: Hideya Tanaka; 秀哉田中
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2009-11-20
Filing date: 2009-11-20
Publication date: 2011-06-02
Anticipated expiration: 2029-11-20
Also published as: JP5541671B2

Abstract

【課題】動体である被写体への追従性を高めることが可能な撮像装置及びフォーカス制御方法を提供する。
【解決手段】動画撮影が可能な撮像装置は、コントラスト検出方式の焦点検出手段と、位相差検出方式の焦点検出手段と、前記コントラスト検出方式の焦点検出手段が検出した合焦位置に焦点調節する第１のモードまたは前記位相差検出方式の焦点検出手段が検出した合焦位置に焦点調節する第２のモードを設定可能なＣＰＵ１１１と、を有し、ＣＰＵ１１１は、第１のモードを設定している間に距離に対応する情報が変化した場合に第２のモードを設定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、撮像装置及びフォーカス制御方法に関する。

特許文献１及び２は、位相差検出方式の焦点検出（以下、単に「位相差ＡＦ」と呼ぶ。）手段とコントラスト検出方式の焦点検出（以下、単に、「ＴＶＡＦ」と呼ぶ。）手段を有するハイブリッド焦点検出手段（以下、単に、「ＨＢＡＦ」と呼ぶ。）を開示している。また、特許文献３は、撮像素子に撮像用画素と焦点検出用画素と瞳分割手段を設けて位相差ＡＦ（以下、単に「ＳＡＦ」と呼ぶ。）機能を持たせた撮像装置を開示している。

特開２００２−２５８１４７号公報特開２００６−００３４２８号公報特開２００９−００３１２２号公報

動体である被写体に対してＨＢＡＦを行う場合、ウォブリングで追従可能な速度以下の被写体にはＴＶＡＦで追従することができ、パンニングのように急激に変動する被写体には位相差ＡＦで追従することができる。しかしながら、ＨＢＡＦでは、ＴＶＡＦでは追従できないが、パンニング程被写体が変化しない動体に対しては、いったんボケないと位相差ＡＦに移行しないという課題がある。

本発明は、動体である被写体への追従性を高めることが可能な撮像装置及びフォーカス制御方法を提供することを例示的な目的とする。

本発明の撮像装置は、動画撮影が可能な撮像装置であって、撮影レンズが形成する光学像を光電変換することによって得られる撮像信号のコントラストのピーク位置を検出することによって焦点検出を行う第１の焦点検出手段と、一対の被写体像の像信号の位相差から得られる被写体までの距離に対応する情報を取得することによって焦点検出を行う第２の焦点検出手段と、前記第１の焦点検出手段が検出した合焦位置に焦点調節する第１のモードまたは前記第２の焦点検出手段が検出した合焦位置に焦点調節する第２のモードを設定可能な制御部と、を有し、前記制御部は、前記第１のモードにおいて前記距離に対応する情報が変化した場合に前記第２のモードを設定することを特徴とする。

本発明によれば、動体である被写体への追従性を高めることが可能な撮像装置及びフォーカス制御方法を提供することができる。

本実施例の撮像装置のブロック図である。図１に示すＡＦ信号処理回路のブロック図である。図１に示すＣＰＵの動作を説明するためのフローチャートである。図２に示すＳ２１０の位相差検出処理のフローチャートである。図２に示すＳ２３０の詳細を説明するためのフローチャートである。

図１は、本実施例の動画撮影が可能な撮像装置（デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ）のブロック図である。撮像装置は、撮影レンズ、位相差ＡＦ手段、ＴＶＡＦ手段、顔検出部１１５、及び、その他の構成要素を有する。

撮影レンズは被写体像を形成し、自動焦点調節（ＡＦ）時に駆動されるフォーカスレンズ１０５や光軸方向に移動して撮影光学系の焦点距離を変更する不図示のズームレンズを含む。

位相差ＡＦ手段は、被写体までの距離に対応する情報を取得する距離情報取得部１０１と、フォーカスレンズ１０５、フォーカスモーター１０６、フォーカス制御回路１１０、及び、ＣＰＵ（制御部）１１１を有する。

なお、距離情報取得部１０１から得られる被写体までの距離の変化の情報から被写体が動体であるかどうかを判断することができ、また、動体である場合の被写体の移動速度を検出することができる。

距離情報取得部１０１は、撮影レンズの異なる瞳領域を通過した光束を導く瞳分割手段を有し、前記光束が形成する一対の被写体像の像信号のずれ量（位相差）を検出し、その位相差から距離の情報を取得して距離信号Ｄを生成する。距離情報取得部１０１は、フォーカス制御回路１１０に接続され、フォーカス制御回路１１０に被写体までの距離の情報を表す距離信号Ｄを出力する。

距離情報取得部１０１は、撮影レンズからの光とは別個の光を利用して測定を行なう外測系と、撮影レンズを介した光を利用して（即ち、ＴＴＬ方式により）測定を行なう内測系のどちらを利用してもよい。外測系や内測系の構成は特に限定されない。

外測系は、例えば、瞳分割光学系と位相差検出センサから構成される。瞳分割光学系は、位相差検出センサに２つの被写体像を結像する。位相差検出センサは、例えば、ラインセンサーから構成され、一対の被写体像の位相差を検出して公知の三角測量法により被写体までの距離を算出して距離信号Ｄを生成及び出力する。

内測系は、例えば、撮像素子１０７と撮像信号処理回路１０８から構成され、撮影レンズの一対の瞳領域を通過する光束により撮像素子１０７に埋め込まれた焦点検出用画素に形成される一対の被写体像のずれ量（位相差）を検出する（ＳＡＦ方式）。なお、ＳＡＦは特許文献３において公知である。

フォーカス制御回路１１０は、距離信号Ｄに基づいてフォーカスモーター１０６を介してフォーカスレンズ１０５を光軸方向に移動して合焦する。このため、フォーカス制御回路１１０は、一対の被写体像の像信号の位相差から得られる被写体までの距離の情報を取得することによって焦点検出を行う焦点検出手段（第２の焦点検出手段）として機能する。

ＣＰＵ１１１は、プロセッサから構成され、位相差ＡＦ手段の各部の動作を制御する。フォーカス制御回路１１０とＣＰＵ１１１はバス１１７を介して接続されている。

ＴＶＡＦ手段は、フォーカスレンズ１０５、フォーカスモーター１０６、撮像素子１０７、撮像信号処理回路１０８、ＡＦ信号処理回路１０９、フォーカス制御回路１１０、ＣＰＵ１１１を有する。

ＴＶＡＦでは、撮影レンズによって形成される焦点位置と撮像素子１０７の相対位置を変化させるスキャンを行いながら撮像素子１０７の出力から得られる撮像信号（画像信号）のコントラスト値のピーク位置を検出することによって焦点検出する。本実施例のＴＶＡＦは、フォーカスレンズ１０５を光軸方向に微小量往復（ウォブリング）してコントラス値が最大となるピーク位置（合焦位置）を検出し、その位置にフォーカスレンズ１０５を移動することによって合焦する。

撮像素子１０７は、撮影レンズが形成した被写体像（光学像）を光電変換して撮像信号（画像信号）を生成する撮影用画素を有し、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサから構成される。撮像素子１０７は撮像信号処理回路１０８に接続され、撮像信号処理回路１０８に撮像信号を出力する。

撮像信号処理回路１０８は、撮像素子１０７からの撮像信号に対してＡ／Ｄ変換その他の処理を施す。撮像信号処理回路１０８は、ＡＦ信号処理回路１０９に接続され、ＡＦ信号処理回路１０９に撮像信号を出力する。

ＡＦ信号処理回路１０９撮像信号処理回路１０８からの撮像信号に基づいて、ＴＶＡＦに使用される、コントラスト値に対応するＡＦ評価値（ＦＶ信号）と合焦度を表すＩＦＡ信号を生成する。ＡＦ信号処理回路１０９は、フォーカス制御回路１１０に接続され、フォーカス制御回路１１０にＦＶ信号とＩＦＡ信号を出力する。

図２は、ＡＦ信号処理回路１０９のブロック図である。同図に示すように、ＡＦ信号処理回路１０９は、一又は複数のゲート１０９ａ、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１０９ｂ、１０９ｄ、１０９ｇ、検波部（ＤＥＴ）１０９ｃ、１０９ｅ、１０９ｈ、除算部（Ａ／Ｂ）１０９ｆを有する。

ゲート１０９ａは撮像信号処理回路１０８からの撮像信号の画面内の一部を抽出し、ＢＰＦ１０９ｂはその高周波成分を抽出する。ＤＥＴ１０９ｃはピークホールドや積分等の処理を高周波成分に行ってＦＶ信号をフォーカス制御回路１１０へ出力する。

ＢＰＦ１０９ｄ及び１０９ｇは、ゲート４０１を通過した撮像信号の高域周波成分を抽出し、ＤＥＴ１０９ｅ及び１０９ｈはその高周波成分に対してピークホールドや積分等の処理を行う。ＢＰＦ１０９ｄの周波数は、ＢＰＦ１０９ｇの周波数よりも高い周波数を抽出するようにフィルタ特性が設定されている。

Ａ／Ｂ１０９ｆは、（ＤＥＴ１０９ｅの出力）／（ＤＥＴ１０９ｈの出力）、即ち、撮像信号の周波数成分の比を求めて焦点検出枠ごとのＩＦＡ信号を生成する。焦点検出枠は焦点検出を行う主被写体を含む領域であり、不図示の設定手段や顔検出部１１５によって設定される。

ゲート１０９ａが複数の場合は、以降の回路も複数になり、ＦＶ信号やＩＦＡ信号も複数の信号になる。

フォーカス制御回路１１０は、ＦＶ信号とＩＦＡ信号に基づいてフォーカスモーター１０６を介してフォーカスレンズ１０５を光軸方向に移動して合焦する。このため、フォーカス制御回路１１０は、撮影レンズが形成する光学像を光電変換することによって得られる撮像信号のコントラストのピーク位置を検出することによって焦点検出を行う焦点検出手段（第１の焦点検出手段）として機能する。フォーカス制御回路１１０は、複数の信号から条件に応じて選択を行い、複数の信号に基づいてフォーカス動作を行う。

ＣＰＵ１１１は、ＴＶＡＦ手段の各部の動作を制御する。

ＣＰＵ１１１は、位相差検出方式を利用した自動焦点調節（位相差ＡＦ）とコントラスト検出方式を利用した自動焦点調節（ＴＶＡＦ）の機能を備えたハイブリッドＡＦ（ＨＢＡＦ）を行なう。

また、ＣＰＵ１１１はＴＶＡＦで検出した合焦位置に自動焦点調節する第１のＡＦモードまたは位相差ＡＦで検出した合焦位置に自動焦点調節する第２のＡＦモードを設定可能である。

ＣＰＵ１１１は、被写体までの距離に対応する情報が変化しない場合（被写体が動体でない場合）には位相差ＡＦで合焦位置付近までフォーカスレンズ１０５を移動させ、そこからＴＶＡＦでフォーカスレンズを合焦位置に移動させる。より詳細には、ＣＰＵ１１１は、後述する図３に示すＡＦ制御を行なう。

顔検出部１１５は、特定の形状の被写体を検出する被写体検出手段の一例である。顔検出部１１５は、画像を予め内部に記憶されたデータベース画像とテンプレートマッチング等で比較する。顔検出部１１５はバス１１７を介してＣＰＵ１１１に接続され、ＣＰＵ１１１に、複数被写体の顔の位置や大きさ（顔検出サイズ）、顔の数、顔の信頼度（確からしさ）等を出力する。

その他、撮像信号処理回路１０８から出力された撮像信号は、メモリ１１３へ一時的に格納され、その後、コーデック１１４によって圧縮されて記録媒体１１２に記録される。ＣＰＵ１１１は、撮像系の各部の動作を制御する。圧縮、記録処理と並行して、メモリ１１３に蓄積された撮像信号は、画像処理回路１１６にてガンマ補正、色ゲイン補正などの画像信号処理を施されて最適なサイズにリサイズされ、顔枠等を重畳して不図示の表示部にリアルタイムで表示される。これらの構成要素は、バス１１７を介してＣＰＵ１１１に接続されている。

図３はＣＰＵ１１１による動画撮影時のＨＢＡＦ制御動作（フォーカス制御方法）を説明するためのフローチャートであり、「Ｓ」はステップの略である。なお、ＣＰＵ１１１の代わりにフォーカス制御回路１１０が図３に示す動作を実行してもよい。ここでは、距離情報取得部１０１が上述した外測系を使用した場合を例にしている。また、撮像装置がカメラ本体に着脱可能に搭載されるレンズユニットの場合には、レンズユニットに図３に示す制御を行う制御部が設けられていてもよい。

まず、ＣＰＵ１１１は第１のＡＦモードをＡＦモードとして設定する（Ｓ２０１）。次に、ＣＰＵ１１１は、撮像信号処理回路１０８による撮像信号処理、ＡＦ信号処理回路１０９によるコントラスト信号処理、位相差検出センサによる位相差検出処理を行うようにこれらを制御する（Ｓ２１０）。

図４は、Ｓ２１０の位相差検出処理のフローチャートである。

まず、ＣＰＵ１１１は、位相差検出センサの値をＡ／Ｄ変換させ（Ｓ２１１）、Ａ／Ｄ変換が所定回数変換されたかどうかを判断する（Ｓ２１２）。ＣＰＵ１１１がＡ／Ｄ変換が所定回数変換されていないと判断すると（Ｓ２１２のＮ）、フローはＳ２１１に帰還する。ＣＰＵ１１１は、Ａ／Ｄ変換が所定回数変換されたと判断すると（Ｓ２１２のＹ）、一対の被写体像（Ａ像、Ｂ像）の位相差を検出し（Ｓ２１３）、位相差から距離を算出し（Ｓ２１４）、距離変化率から被写体の移動速度を算出する（Ｓ２１５）。

次に、ＣＰＵ１１１は、位相差検出センサによる検出結果から被写体が設定範囲の速度を有するかどうかを判断する（Ｓ２２０）。「設定範囲の速度」の下限はＴＶＡＦのウォブリングで追従可能な最高速度（スキャン速度の最高速度）であり、被写体像面が現在の焦点距離による焦点深度の外に出ない最高速度である。また、「設定範囲の速度」の上限はパンニングの最低速度である。設定範囲の上限及び下限は予めメモリ１１３に格納されている。

ＣＰＵ１１１は、被写体が設定範囲の速度を有しないと判断すると（Ｓ２２０のＮ）、第１のＡＦモード（ＴＶＡＦ）の結果から算出した合焦位置と、位相差検出センサが検出した合焦位置との距離が閾値以上であるかどうかを判断する（Ｓ２２１）。

ＣＰＵ１１１は、２つの合焦位置の距離が閾値以上であると判断すると（Ｓ２２１のＹ）、ＡＦモードとして第２のＡＦモードを設定する（Ｓ２２２）。また、ＣＰＵ１１１は、２つの合焦位置の距離が閾値未満であると判断すると（Ｓ２２１のＮ）、第１のＡＦモードを維持する（Ｓ２２３）。次に、ＣＰＵ１１１は、設定されたＡＦモードに従ってフォーカスレンズ１０５を移動し（Ｓ２２４）、フローはＳ２０１に戻る。

このように、本実施例では、被写体が設定範囲の速度を有しない場合は、位相差ＡＦの結果とＴＶＡＦの結果が大きく異ならない限りＴＶＡＦによってＡＦを行う。これは、被写体が静止している場合や動体である被写体の移動速度が第１のモードのウォブリングで追従可能な速度以下であればＴＶＡＦで追従することができ、被写体の移動速度がパンニング速度よりも大きければ位相差ＡＦで追従することができるからである。

一方、ＣＰＵ１１１は、被写体が設定範囲の速度を有すると判断すれば（Ｓ２２０のＹ）、ＣＰＵ１１１は速度検出エラーがあるかを判断する（Ｓ２３０）。

図５は、Ｓ２３０の詳細を説明するためのフローチャートである。まず、ＣＰＵ１１１は、ＡＦ評価値（ＦＶ信号）の変動量が閾値以上であるかどうかを判断し（Ｓ２３１）、変動したと判断すると（Ｓ２３１のＹ）、顔検出部１１５が検出した顔検出サイズの変動量が閾値以上であるかどうかを判断する（Ｓ２３２）。ＣＰＵ１１１は、顔検出サイズの変動量が閾値以上であると判断すると（Ｓ２３２のＹ）、速度検出エラーがないと判断する（Ｓ２３３）。一方、ＣＰＵ１１１は、ＡＦ評価値の変動量が閾値未満である（Ｓ２３１のＮ）または顔検出サイズの変動量が閾値未満である（Ｓ２３２のＮ）と判断すると、速度検出エラーがあると判断する（Ｓ２３４）。

このように、ＣＰＵ１１１は、ＡＦ評価値の変動が閾値未満であると判断すると（Ｓ２３１）、誤焦点検出として第２のＡＦモードを設定しないので（Ｓ２３０のＹ）、位相差ＡＦセンサのパララックスによる誤動作が発生しにくい。また、ＣＰＵ１１１は、顔検出部１１５によって検出された顔検出サイズの変動が閾値未満であると判断すると（Ｓ２３２）、誤焦点検出として第２のＡＦモードを設定しないので、位相差ＡＦセンサのパララックスによる誤動作が発生しにくい。

ＣＰＵ１１１が速度検出エラーがあると判断すると（Ｓ２３０のＹ）、フローはＳ２２１に移行する。一方、ＣＰＵ１１１は、速度検出エラーがないと判断すると（Ｓ２３０のＮ）、ＡＦモードを位相差ＡＦの結果を優先させる第２のＡＦモードに設定し（Ｓ２４０）、位相差ＡＦで得られた合焦位置にフォーカスレンズ１０５を移動する（Ｓ２４１）。

このように、本実施例では、第２のモードへの移行（Ｓ２２２）に加えて、被写体が設定範囲の速度を有するように距離に対応する情報が変化した場合には第２のモードを設定する（Ｓ２４０）。ＣＰＵ１１１はＴＶＡＦで合焦可能な速度よりも大きい速度であるがパンニング程被写体が変動しない動体に対して、一旦ボケるのを待たず位相差ＡＦによるフォーカスレンズ１０５の駆動に移行するのでボケないという効果がある。

次に、ＣＰＵ１１１は、第２のＡＦモードを維持し（Ｓ２４２）、Ｓ２１０と同様の処理を行うように制御し（Ｓ２４３）、次いで、Ｓ２２０と同様の処理を行う（Ｓ２４４）。

ＣＰＵ１１１は、被写体が設定範囲の速度を有すると判断した場合には（Ｓ２４４のＹ）、位相差ＡＦで得られた合焦位置にレンズを移動する（Ｓ２４５）。その後、フローはＳ２４２に帰還する。

一方、ＣＰＵ１１１は、被写体が設定範囲の速度を有しないと判断した場合には（Ｓ２４４のＮ）、ＩＦＡ信号を取得する（Ｓ２４６）。次に、ＣＰＵ１１１は、ＡＦ信号処理回路１０９からフォーカス制御回路１１０を介して取得した合焦度が目標範囲にあるかどうかを判断する（Ｓ２４７）。ＣＰＵ１１１が合焦度が目標範囲にないと判断すると（Ｓ２４７のＮ）、フローはＳ２０１に帰還する。一方、ＣＰＵ１１１が合焦度が目標範囲にあると判断すると（Ｓ２４７のＹ）、フローはＳ２２２に移行する。

位相差ＡＦ手段としてＳＡＦを使用した撮像装置の場合は、撮像素子１０７での距離焦点検出はＴＴＬであるのでパララックスによる誤焦点検出は起きない。このため、図３に示すＳ２３０が不要となり、Ｓ２２０のＹがＳ２４０に直接接続される。

また、図３のＳ２２０において、ＣＰＵ１１１は、動体が設定範囲の速度を有するかどうかを判断しているが、ＣＰＵ１１１は、被写体までの距離に対応する情報が変化した場合に（即ち、動体であれば）直ちにＳ２３０又はＳ２４０に移行してもよい。これにより、動体である被写体への追従性を高めることができる。

図３に示すフローは、撮像装置に搭載されるプロセッサに実行させるフォーカス制御方法としてプログラムとしてメモリ１１３に格納可能である。

撮像装置は、被写体の撮像に適用することができる。

１０１距離情報取得部
１０５フォーカスレンズ
１０７撮像素子
１０９ＡＦ信号処理回路
１１１ＣＰＵ
１１５顔検出部

Claims

動画撮影が可能な撮像装置であって、
撮影レンズが形成する光学像を光電変換することによって得られる撮像信号のコントラストのピーク位置を検出することによって焦点検出を行う第１の焦点検出手段と、
一対の被写体像の像信号の位相差から得られる被写体までの距離に対応する情報を取得することによって焦点検出を行う第２の焦点検出手段と、
前記第１の焦点検出手段が検出した合焦位置に焦点調節する第１のモードまたは前記第２の焦点検出手段が検出した合焦位置に焦点調節する第２のモードを設定可能な制御部と、
を有し、
前記制御部は、前記第１のモードにおいて前記距離に対応する情報が変化した場合に前記第２のモードを設定することを特徴とする撮像装置。
前記制御部は、前記被写体の移動速度が前記第１のモードで追従可能な速度よりも大きい場合に前記第２のモードを設定し、前記被写体の移動速度が前記第１のモードで追従可能な速度以下である場合には前記第１のモードを維持することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記制御部は、前記距離に対応する情報が変化して、前記第１の焦点検出手段から得られるコントラスト値を表す量の変動量が閾値以上である場合に前記第２のモードを設定し、前記変動量が閾値未満である場合に前記第１のモードを維持することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
特定の形状の被写体を検出する被写体検出手段を更に有し、
前記制御部は、前記距離に対応する情報が変化して、前記被写体検出手段が検出した前記被写体の前記特定の形状のサイズの変動量が閾値以上である場合に前記第２のモードを設定し、前記変動量が閾値未満である場合に前記第１のモードを維持することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記制御部は、前記第２のモードが設定されている場合に、前記距離の変化の情報から前記被写体が静止していると判断し、前記撮像信号における複数の周波数成分の比に対応する合焦度が閾値よりも高ければ第１のモードを設定し、前記合焦度が前記閾値よりも以下であれば前記第２のモードで前記撮影レンズを駆動した後で前記第１のモードを設定することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
撮影レンズが形成する光学像を光電変換することによって得られる撮像信号のコントラストのピーク位置を検出することによって焦点検出を行う第１の焦点検出手段と、一対の被写体像の像信号の位相差から得られる被写体までの距離に対応する情報を取得することによって焦点検出を行う第２の焦点検出手段と、を有して動画撮影が可能な撮像装置に搭載されるプロセッサによって行なわれるフォーカス制御方法であって、
前記第１の焦点検出手段が検出した合焦位置に焦点調節する第１のモードを設定するステップと、
前記距離に対応する情報が変化したかどうかを判断するステップと、
前記第１のモードを設定している間に前記距離に対応する情報が変化したと判断すると前記第２の焦点検出手段が検出した合焦位置に焦点調節する第２のモードを設定するステップと、
を有することを特徴とするフォーカス制御方法。