JP2013037166A - 焦点検出装置及びそれを有するレンズ装置及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】位相差センサ上に複数の被写体距離が存在しても、測距範囲の拡大と高精度かつ広い測距範囲で測距可能な焦点検出装置を提供する。
【解決手段】焦点検出装置は、撮像光学系から分割され、一対の瞳領域を通過する一対の光束により形成される一対の像のズレ量に基づいて該撮像光学系のデフォーカス量を検出する焦点検出装置であって、一対のレンズと、該一対のレンズにより結像される一対の被写体像を光電変換して一対の像信号に変換する、一対の位相差検出センサと、該一対の像信号を基準画素数に基づいて分割し、分割された領域ごとに像ズレ量を演算する第１の相関演算手段と、該第１の相関演算手段で像ズレ量が演算された各領域における該一対の像信号の一致度を演算する波形一致度演算手段と、該波形一致度演算手段で演算された該像信号の一致度に基づき、デフォーカス量を演算する、デフォーカス量演算手段と、を有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、テレビレンズやビデオレンズ等の光学機器に関し、特にオートフォーカス機能のための焦点検出装置及びそれを有するレンズ装置及び撮像装置に関するものである。

従来、カメラやビデオカメラ等の撮影装置におけるオートフォーカス（ＡＦ）技術として様々な提案が成されている。例えば、撮影レンズの異なる射出瞳領域を通過した被写体からの光束を、一対のラインセンサ上に結像させ、被写体像を光電変換して得られた一対の像信号の相対位置変位量を求める。この変位量を元に被写体のデフォーカス量を算出し、撮影レンズの駆動を行う自動焦点調整方法が良く知られている。
この位相差検出によるＡＦ方式は被写体距離からフォーカスレンズの合焦位置を求めることが出来るので、コントラストＡＦに比べて高速で合焦が得られる特徴がある。

特許文献１には、位相差検出方式による焦点検出ができない場合にフォーカスレンズを駆動しながらフォーカスのずれを検出するスキャンＡＦに自動的に移行してしまう可能性を低減するため、通常の位相差検出に使用される２つのラインセンサ上の相関演算の対象とする画素数を削減して相関演算に供する画素シフト量を拡大し焦点検出のデフォーカス範囲を広くする手法が開示されている。

特開２０１０−６６７１２号公報

しかしながら、特許文献１では焦点検出のデフォーカス範囲を広くすることは出来るが、相関演算の対象とする画素数を削減することにより検出精度が劣化することに加え、ＡＦセンサ上に複数の異なる被写体距離の被写体が存在する場合には、誤検出を生じ易くなる。また、少ない画素数間での相関演算によって大デフォーカス量での焦点検出を実施して検出するデフォーカス範囲を拡大するため、ＡＦセンサ上に複数の被写体距離が存在するときには、誤検出を生じ易いという課題を有する。

上記目的を達成するために、本発明の焦点検出装置は、撮像光学系から分割され、一対の瞳領域を通過する一対の光束により形成される一対の像のズレ量に基づいて該撮像光学系のデフォーカス量を検出する焦点検出装置であって、一対のレンズと、該一対のレンズにより結像される一対の被写体像を光電変換して一対の像信号に変換する、一対の位相差検出センサと、該一対の像信号を基準画素数に基づいて分割し、分割された領域ごとに像ズレ量を演算する第１の相関演算手段と、該第１の相関演算手段で像ズレ量が演算された各領域における該一対の像信号の一致度を演算する波形一致度演算手段と、該波形一致度演算手段で演算された該像信号の一致度に基づき、デフォーカス量を演算する、デフォーカス量演算手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、ＡＦ対象となるセンサ上に複数の異なる被写体距離の被写体が存在したときにも、正確な測距結果が得られ、合焦検出精度向上とデフォーカス範囲拡大を両立出来る焦点検出装置を提供することが出来る。

本発明の実施例の焦点検出装置を有するズームレンズ装置の構成図 本発明の実施例の焦点検出部のブロック図 本発明の実施例によるデフォーカス量演算のフローチャート ２像ＡＦセンサ波形図 シフト量０時の、（ａ）相関演算画素図、（ｂ）Ａ像波形図、（ｃ）Ｂ像波形図 Ｂ像を左側にシフトした時の、（ａ）相関演算の対象となる画素図、（ｂ）Ａ像波形図、（ｃ）Ｂ像波形図 Ｂ像を右側にシフトした時の、（ａ）相関演算の対象となる画素図、（ｂ）Ａ像波形図、（ｃ）Ｂ像波形図 画素シフト量に対する２像の相関量差 画素シフト量に対する２像の波形一致度 左側領域の画素シフト量０時の、（ａ）相関演算の対象となる画素図、（ｂ）Ａ像波形図、（ｃ）Ｂ像波形図 中央領域の画素シフト量０時の、（ａ）相関演算の対象となる画素図、（ｂ）Ａ像波形図、（ｃ）Ｂ像波形図 右側領域の画素シフト量０時の、（ａ）相関演算の対象となる画素図、（ｂ）Ａ像波形図、（ｃ）Ｂ像波形図 左側領域の画素シフト量に対する２像の波形一致度 右側領域の画素シフト量に対する２像の波形一致度

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明の自動焦点調整装置を実装したズームレンズ装置１００の構成図である。
ズームレンズ装置１００は、フォーカスレンズ１０１、ズームレンズ１０５、可動絞り１０９、分光プリズム１１３、リレーレンズ１１４を含む撮像光学系を有する。フォーカスレンズ１０１は、フォーカス駆動手段であるフォーカスモータ１０２によって光軸方向に駆動され、ズームレンズ装置１００の結像面の位置を光軸方向に変化させる。フォーカスモータ１０２は、フォーカスドライバ１０３によって駆動される。フォーカスレンズ１０１の位置は、フォーカス位置検出部１０４によって検出される。

ズームレンズ１０５は、ズームモータ１０６によって光軸方向に駆動され、ズームレンズ１００の焦点距離を変化させる。ズームモータ１０６は、ズームドライバ１０７によって駆動される。ズームレンズ１０５の位置は、ズーム位置検出部１０８によって検出される。

可動絞り１０９は、アイリスドライバ１１１によって駆動されるアイリスモータ１１０によって駆動する。可動絞り１０９の位置は、アイリス位置検出部１１２によって検出される。

分光プリズム１１３は、フォーカスレンズ１０１とズームレンズ１０５を通過した被写体光を透過光と反射光に分離する。分光プリズム１１３を透過した光束（透過光）は、リレーレンズ１１４を通って当該ズームレンズ装置が接続されたカメラ装置等の撮像素子１１５に入射する。また、分光プリズム１１３で反射された光束（反射光）は、焦点検出部１１７に入射する。焦点検出部１１７は、一対の像信号の位相差を算出しデフォーカス量を算出する。レンズ制御部１１６は、焦点検出部１１７で得られた位相差を基に、フォーカスレンズ１０１を駆動すると共に、ズームレンズ１０５、可動絞り１０９を制御する。

図２は焦点検出部１１７の構成を示す。分光プリズム１１３で反射された反射光はＡＦセンサ１１８に入射する。ＡＦセンサ１１８は、一対の位相差検出レンズと一対の位相差検出センサで構成される。一対の瞳領域を通過し、位相差検出レンズによって分割された２つの光束により形成された一対の像（２像）は、位相差検出センサにて光電変換され、像信号を生成する。位相差検出センサに電荷として蓄積された２像の信号（輝度信号）は読み出され、相関演算処理部１１９（第２の相関演算手段）に供給されるとともに、センサ波形記憶部１２０に記憶される。

以下、本発明の自動焦点調整装置におけるデフォーカス量を演算する手順について、以下、図３に示したフローチャートを参照しながら説明を進める。
図４に示す一対のセンサ波形（Ａ像、Ｂ像）が相関演算処理部１１９へ供給された場合を例示して説明する。図４は、一対のセンサ波形を重ねて表示したものである。図４の２像センサ波形では２つの異なる被写体距離が存在していることを示す。相関演算処理部１１９では、図５（ａ）に示す様に一対のセンサ画素の同一位置（波線部の画素間）にて相関演算を施す（図３のステップＳ３０１）。その時の一対のセンサ波形であるＡ像およびＢ像をそれぞれ図５（ｂ）および図５（ｃ）に示す。

ここで、相関演算とは、Ａ像とＢ像の対応する画素データの差の絶対値を、Ａ像とＢ像を比較する画素範囲の全体に渡っての和として得られる相関値CORを得る演算であり、以下の(１)式のように得られるものである。

ここで、ＡｉはＡ像のｉ番目の画素値、ＢｉはＢ像のｉ番目の画素値を示す。

次に、Ａ像のセンサ画素位置を固定し、Ｂ像のセンサ波形を１画素ずつ左にシフト して、Ａ像とＢ像で対応する画素がある部分において同様に相関演算を施す。このとき、図６（ａ）において左側から右側の順に画素を１、２、・・・と番号付けすると、Ｂ像の波形をｋ画素だけ左に移動した場合には、全画素の数をｎとすると、Ａ_１〜Ａ_ｎ−ｋとＢ_ｉ＋ｋ〜Ｂ_ｎとをそれぞれ比較して（１ａ）式で相関量COR(k) （ｋ≧０）を算出することになる。

１画素ずつ順次左へシフトして図６（ａ）に示すように、ある所定の相関演算対象画素数となるまで繰り返す。図６（ｂ）および図６（ｃ）に、所定の相関演算対象画素数（ここでは例として１０画素）となった時のＡ像およびＢ像のセンサ波形を示す。ここで、所定の相関演算対象画素数とは、相関演算に供する画素数を少なくすると、焦点検出の対象となるデフォーカス範囲は広くなるが、検出精度が低下し焦点を誤検出する可能性が高くなるため、検出精度の低下を防止するために予め設定する下限の画素数である。

次に、Ａ像のセンサ画素位置を固定し、Ｂ像のセンサ波形を１画素ずつ右にシフトして同様に相関演算を施す。この場合にも、Ｂ像の波形をｋ画素だけ右に移動し、Ａ_ｉ＋ｋ〜Ａ_ｎとＢ_１〜Ｂ_ｎ−ｋとをそれぞれ比較して相関量を算出する。Ｂ像のセンサ波形を左にシフトした場合のシフト数を正、右にシフトした場合のシフト数を負、とすると、この場合の相関量COR(k)（ｋ≦０）は、（１ｂ）式で表される。

１画素ずつ順次右へシフトして、図７（ａ）に示すように、ある所定の相関演算対象画素数となるまで繰り返す。図７（ｂ）および図７（ｃ）に、所定の相関演算対象画素数（ここでは例として１０画素）となった時のＡ像およびＢ像のセンサ波形を示す。

全ての相関演算処理が終了すると、（２）式によって、ｋ画素シフトしたときの相関量COR(k)と、ｋ＋１画素シフトしたときの相関量COR(k+1)から、ｋ画素シフトしたときの２像の相関量差ΔCOR(k)を算出する（図３のステップＳ３０２）。

ここで、（２）式中のＮは、Ａ像とＢ像を比較する画素数が画素シフト量に依存するため、（シフト画素数ｋ＝０の時の比較対象となる画素数）を（シフト画素数ｋの時の比較対象となる画素数）で割った値であり、Ｎを掛けて比較対象となる画素数について規格化している。画素シフト量ｋが０であれば、Ａ像とＢ像の全ての画素（本実施例においては、５５画素）が相関演算の対象となる。このときが最大の相関演算対象画素数である。Ａ像とＢ像が左右に相対的に１画素ずつシフトすることにより、相関演算の対象となる画素数は１画素ずつ減少する。本実施例においては、所定の相関演算対象画素数である１０画素まで対象画素数が減少したところで、Ａ像とＢ像の相関演算のためのシフト処理は終了する。シフト画素量ｋが±４５において、相関演算の対象となる画素数は１０である。

相関量COR(k)が０であると、そのシフト量ｋおよびそのときの相関演算の対象とした画素範囲において、Ａ像とＢ像は完全に一致し、像ズレはない。相関量差ΔCOR(k)を評価することにより、相関量COR(k)が減少から増加に変化する位置を、相関量差ΔCOR(k)が負から正の値に変化して０を横切る画素シフト量ｋ（以下、ゼロクロス点とも記す）によって、合焦候補点として得ることができる。図８に相関量差ΔCOR(k)を示すように、２像の相関量差ΔCOR(k)のゼロクロス点の画素シフト量ｋを合焦候補点のデフォーカス候補値として選択することができる（図３のステップＳ３０３）。

２像の波形一致度を下記（３）式のMin_COR(k)及び（４）式のMax_COR(k)により、図９のように示す。

ここで、Ａ_ｉ、Ｂ_ｉはそれぞれＡ像、Ｂ像のｉ画素目の画素値（輝度）、ｋは画素シフト量であり、Ａ像、Ｂ像の画素値を比較した全画素ｉに対して和を取るものとする。また、Min(x,y)、Max(x,y)はそれぞれ、ｘとｙのうちの小さい方、大きい方を示す関数である。

図８に示した各画素シフト量における２像の相関量差ΔCOR(k)が負から正の値に変化して０を横切る点である画素シフト量（図８中に示した画素シフト量Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）（像ズレ量）における２像波形一致度（図９中に示した画素シフト量Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄでの波形一致度）を比較する。ここで、波形一致度であるMin_COR(k)とMax_COR(k)の差が一番小さい値となる画素シフト量（Ａ及びＢ）を合焦点として選択すると、図６（ａ）及び７（ａ）に示した画素シフト量が選択される。しかし、これは、異なる一対の位相差検出センサ上の互いに異なる被写体像に対する相関演算の結果であり、相関演算の対象とする画素数が少ないことに起因する誤検出である。本発明においては、この相関演算の対象とする画素数が少ないことに起因する誤検出を回避するため、図３のステップＳ３０３で求められた合焦候補点のデフォーカス候補値から、直接、２像波形一致度を評価して合焦候補点のデフォーカス量を求めず、以下に説明する、ステップＳ３０４〜Ｓ３０７の処理によって合焦候補点を求める。

本発明においては、相関演算処理部１１９にて算出された１つ以上の画素シフト量の候補値（図８中に示した画素シフト量Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）における相関演算対象の画素数(相関演算画素数)が、基準画素数選択部１２１に送られる。基準画素数選択部１２１は、供給された相関演算画素数のうち、一番少ない画素数を再相関演算のための基準画素数として選択する（図３のステップＳ３０４）と共に、センサ波形記憶部１２０に記憶された２像の輝度波形信号を読出し、再相関演算処理部１２２（第１の相関演算手段）に供給する。ここで例示した波形においては、合焦候補点である画素シフト量Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの中で、画素シフト量Ａで相関演算をしたときの、相関演算の対象とした画素数が最も少ない画素数なので、これが再相関演算のための基準画素数として選択される。
再相関演算処理部１２２は、センサ波形記憶部１２０から読み出された２像の波形信号を、基準画素数となるように分割し（図３のステップＳ３０５）、分割されたそれぞれの領域に対して再度、同様の相関演算（再相関演算）を施す（図３のステップＳ３０６）。

分割された２像センサ波形を領域ごとに、図１０、１１、１２に示す。
図１０（ａ）は一対のセンサ画素の同一位置の左側領域の画素の分割領域（波線部の画素間）を示し、図１０（ｂ）および図１０（ｃ）に２像のセンサ波形を表している。
図１１（ａ）は一対のセンサ画素の同一位置の中心領域の画素の分割領域（波線部の画素間）を示し、図１１（ｂ）および図１１（ｃ）に２像のセンサ波形を表している。
図１２（ａ）は一対のセンサ画素の同一位置の右端領域の画素の分割領域（波線部の画素間）を示し、図１２（ｂ）および図１２（ｃ）に２像のセンサ波形を表している。

図１０（ａ）、１１（ａ）、１２（ａ）に示した演算対象画素の領域に対して夫々、（２）式より、２像の相関量差ΔCOR(k)を画素シフト量ｋに対して演算する（図３のステップＳ３０７）。相関量差ΔCOR(k)は、相関演算の対象とする画素数が、前記所定の相関演算対象画素数より少なくならない範囲において、Ａ像とＢ像を相対的にシフトさせて行う。ここでもステップＳ３０３と同様に、相関量差ΔCOR(k)を評価することにより、相関量COR(k)が減少から増加に変化する位置を、相関量差ΔCOR(k)のゼロクロス点の画素シフト量ｋにおいて合焦候補点として認識することができる（図３のステップＳ３０７）。

図１１（ａ）に示したＡ像とＢ像の中心を含む画素の分割領域に対する相関演算においては、相関量差ΔCOR(k)のゼロクロス点が存在しないためこの画素領域には合焦対象となる被写体像がないと判断される。
波形一致度演算部１２３は、再相関演算処理部１２２での各分割領域に対する相関演算によりゼロクロス点の存在が確認された領域に対して、（３）（４）式によって波形一致度を算出する。本実施例においては、図１０（ａ）の左側領域に対しては図１３のように、図１２（ａ）の右側領域に対しては図１４のように波形一致度が演算される（図３のステップＳ３０８）。

この算出結果から波形一致度Min_CORとMax_CORの差分が一番小さい値となる画素シフト量を選択するため、図１３または図１４で特定される画素シフト量が合焦候補点の画素シフト量として選択される（図３のステップＳ３０９）。
デフォーカス量演算部１２４では再相関演算処理部１２２にて算出された画素シフト量の各候補値から波形一致度演算部１２３にて最も波形一致度の高い画素シフト量（図１３および図１４に対応する画素シフト量Ｂ及びＣ）が選択され、デフォーカス値に変換される（図３のステップＳ３１０）。

以上、説明したとおり本実施例によれば、ＡＦ対象となるセンサ上に複数の被写体距離が存在したときにも、正確な測距結果が得られ、合焦検出精度向上とデフォーカス範囲拡大を両立出来る焦点検出結果を得ることが出来る。

特に、動画を撮影している場合、ある時点において合焦している被写体からかけ離れた物体距離の被写体に対してフォーカスを移動させる頻度は低く、その時点で合焦している被写体またはそれに近い物体距離の被写体に合焦させるオーフォーカス動作がより高い頻度で求められる。従って、本発明による構成によって、カメラ操作者に対して、適切な合焦候補点を精度よく提示することによって、好適なオートフォーカス動作環境を実現することができる。
本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１０１：フォーカスレンズ
１０２：フォーカスモータ
１０３：フォーカスドライバ
１０４：フォーカス位置検出部
１１３：分光プリズム
１１４：リレーレンズ
１１５：撮像素子
１１６：レンズ制御部
１１７：焦点検出部
１１８：ＡＦセンサ
１２１：基準画素数選択部
１２２：再相関演算処理部
１２３：波形一致度演算部
１２４：デフォーカス量演算部

Claims (6)

1. 撮像光学系から分割され、一対の瞳領域を通過する一対の光束により形成される一対の像のズレ量に基づいて該撮像光学系のデフォーカス量を検出する焦点検出装置であって、
   一対のレンズと、
   該一対のレンズにより結像される一対の被写体像を光電変換して一対の像信号に変換する、一対の位相差検出センサと、
   該一対の像信号を基準画素数に基づいて分割し、分割された領域ごとに像ズレ量を演算する第１の相関演算手段と、
   該第１の相関演算手段で像ズレ量が演算された各領域における該一対の像信号の一致度を演算する波形一致度演算手段と、
   該波形一致度演算手段で演算された該像信号の一致度に基づき、デフォーカス量を演算する、デフォーカス量演算手段と、
   を有することを特徴とする焦点検出装置。
2. 前記一対の位相差検出センサからの前記一対の像信号に基づき、像ズレ量を演算する第２の相関演算手段と、
   該第２の相関演算手段により演算された複数の像ズレ量に対し、該像ズレ量の演算の対象とした画素数の中から、前記基準画素数を選択する基準画素数選択手段と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
3. 前記基準画素数は、前記第２の相関演算手段により１つ以上の合焦候補点を求めた相関演算の対象とされた画素数の中で、最も少ない画素数である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の焦点検出装置。
4. 前記デフォーカス量演算手段は、前記基準画素数を基に分割された前記領域における、前記波形一致度演算手段による像信号の一致度の最も高い像ズレ量に基づき、デフォーカス量を演算する、ことを特徴とする請求項３に記載の焦点検出装置。
5. フォーカスレンズを含む撮像光学系と、
   該フォーカスレンズを駆動するフォーカス駆動手段と、
   該フォーカス駆動手段を制御するレンズ制御手段と、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の焦点検出装置と、
   を有し、
   該レンズ制御手段は、該焦点検出装置からの焦点検出結果に基づいて該フォーカス駆動手段を制御する、
   ことを特徴とするレンズ装置。
6. フォーカスレンズを含む撮像光学系と、
   該フォーカスレンズを駆動するフォーカス駆動手段と、
   該フォーカス駆動手段を制御するレンズ制御手段と、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の焦点検出装置と、
   前記撮像光学系により結像される被写体像を撮像する撮像素子と、
   を有し、
   該レンズ制御手段は、該焦点検出装置からの焦点検出結果に基づいて該フォーカス駆動手段を制御する、
   ことを特徴とする撮像装置。

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