JP2013130643A - オートフォーカス装置、撮像装置、及びオートフォーカス方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レンズが等速度運動をしない場合であっても高精度のＡＦが可能なオートフォーカス装置、それを備えた撮像装置、及びそれを用いたオートフォーカス方法を提供すること。
【解決手段】撮像光学系１のレンズ位置を連続的に変化させつつ、撮像素子４を露光させ、露光によって画像のコントラスト値をコントラスト値計算回路１０において計算する。また、露光期間中の撮像光学系１の３点以上のレンズ位置の平均値を平均値演算回路１４において演算する。この平均値とコントラスト値とを対応付けし、コントラスト値のピークを検出する。コントラスト値のピークが検出された場合に、ピークに対応したレンズ位置に撮像光学系１を駆動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、コントラストＡＦ方式を採用したオートフォーカス装置、それを備えた撮像装置、及びそれを用いたオートフォーカス方法に関する。

デジタルカメラや顕微鏡等の撮像装置は、通常、オートフォーカス（以下、ＡＦと言う）機能を有している。ＡＦ方式の一つとしてコントラストＡＦ方式が知られている。コントラストＡＦ方式は、画像のコントラスト値が最大となる位置にレンズを移動させることによって、レンズを合焦させる方式である。コントラストＡＦ方式の代表的な手法として山登り法が知られている。山登り法は、レンズの位置を変化させながら画像のコントラスト値を評価し、コントラスト値が最大となるレンズの位置を探索してこの探索した位置にレンズを移動させる方式である。

山登り法においてコントラスト値の最大を探索するスキャンプロセスの手法として、所定量のレンズ駆動を行う毎に一旦レンズを停止させてコントラスト値を取得する手法が知られている。この手法の場合、レンズが静止した状態でコントラスト値を取得することになるので、コントラスト値とレンズ位置とを１対１に対応させることが可能であり、これによってＡＦの精度を高めることが可能である。しかしながら、この手法の場合、スキャンプロセス時に、レンズ移動、レンズ停止、コントラスト値取得用の露光、コントラスト値の取得、の処理を繰り返す必要がある。このため、レンズを駆動するアクチュエータのＳ字加減速駆動が必要で、その分ＡＦが終了するまでの時間が掛かる。したがって、ＡＦが終了するまでの時間がかかり易い。

一方、レンズを停止させずにコントラスト値を取得することによって、ＡＦの高速化を図るようにした技術も提案されている。この場合には、ＡＦを高速化することが可能であるが、露光期間中にもレンズを移動させているので、得られた画像にはいろいろな焦点状態の画像が重畳されている。したがって、画像のコントラスト値にどのレンズ位置を対応付けるかが、ＡＦの高精度化において重要となる。このようなレンズを停止させず、連続的にコントラスト値を取得する技術のうち、特許文献１は、露光期間中の中央のレンズ位置をコントラスト値と対応付けるようにしている。また、特許文献２は、露光開始時のレンズ位置と露光終了時のレンズ位置との平均のレンズ位置をコントラスト値と対応付けるようにしている。

特開平９−２００５９７号公報 特開２０１０−１６４９４８号公報

特許文献１は、コントラスト値に対応付けるレンズ位置を、露光期間中の中央のレンズ位置としている。また、特許文献２は、コントラスト値に対応付けるレンズ位置を、露光開始時と露光終了時との平均のレンズ位置としている。これらの対応付けは、レンズを駆動するアクチュエータが、ステッピングモータのような等速度運動が可能なアクチュエータである場合に有効である。

これに対し近年、ＶＣＭ（Voice Coil Motor）やピエゾアクチュエータ等の、微視的には等速度運動をしないアクチュエータを、レンズ駆動用のアクチュエータに適用しようとする提案もなされている。ＶＣＭは、磁力をダイレクトに直進運動に変換するので、効率が良く、応答性が高いというステッピングモータにはない特徴を有している。また、ピエゾアクチュエータは、レンズの位置の精度を無限に細かくできる（数ｎｍオーダーの高い分解能を持つ）、高いエネルギー効率を持つ、摩耗や劣化が起こらない、応答性が早い、といったステッピングモータにはない特徴を有している。

これらのアクチュエータは、オープンループで使用することができないので、レンズを所望の位置に正しく移動させるために位置センサを用いたフィードバック制御が必要となる。また、フィードバック制御特有の応答特性のため、微視的には非線形（非等速度）運動となる。また、例えば、ピエゾアクチュエータは、ピエゾ素子の逆圧電効果を利用してレンズを駆動させるもので、素子に電圧を加えることで結晶の伸縮を発生させてレンズを動かす。ただし、素子に加えた電圧と結晶の伸縮量とは微視的には線形に変化しているわけではなく、ヒテリシス曲線と呼ばれる非線形な曲線となる。このため、素子に加えた電圧に対して実際のレンズ位置が線形には変化しない。したがって、レンズ位置を目標位置に一致させるためにフィードバック制御が必要となる。

このように、微視的に非線形運動をするアクチュエータを用いた場合において、露光期間中の中央のレンズ位置や、露光開始時と露光終了時との平均のレンズ位置を用いると、コントラスト値と対応付けるべき真の平均のレンズ位置に対する誤差が大きくなる。このため、ＡＦ精度が低下する。

本発明は、前記の事情に鑑みてなされたものであり、レンズが等速度運動をしない場合であっても高精度のＡＦが可能なオートフォーカス装置、それを備えた撮像装置、及びそれを用いたオートフォーカス方法を提供することを目的とする。

撮像光学系により結像された被写体の像を露光して前記被写体に係る画像を得る撮像部と、前記撮像光学系を駆動して前記撮像光学系のレンズ位置を変化させる駆動部と、前記撮像光学系のレンズ位置を連続的に変化させている間、前記撮像部により得られた複数の画像のコントラスト値をそれぞれ計算するコントラスト値計算回路と、前記露光の期間中の３点以上の前記撮像光学系のレンズ位置の平均値を演算する平均値演算回路と、前記駆動部を制御し、前記コントラスト値の最大値に対応付けられた前記平均値のレンズ位置に前記撮像光学系を駆動させる焦点調節制御部と、を具備することを特徴とする。

前記の目的を達成するために、本発明の第２の態様のオートフォーカス方法は、撮像光学系を駆動してレンズ位置を変化させ、前記撮像光学系により結像された被写体の像を露光して前記被写体に係る画像を得て、前記撮像光学系のレンズ位置を連続的に変化させている間、撮像部により得られた複数の画像のコントラスト値をそれぞれ計算し、前記露光の期間中の３点以上の前記撮像光学系のレンズ位置の平均値を演算し、前記コントラスト値の最大値に対応付けられた前記平均値のレンズ位置に前記撮像光学系を移動させる駆動制御をする、ことを特徴とする。

本発明によれば、レンズが等速度運動をしない場合であっても高精度のＡＦが可能なオートフォーカス装置、それを備えた撮像装置、及びそれを用いたオートフォーカス方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るオートフォーカス装置を備えた撮像装置の構成を示すブロック図である。 撮像素子の露光制御がグローバルシャッタ方式で行われる場合のレンズスキャン動作時のタイミング図である。 撮像素子の露光制御がローリングシャッタ方式で行われる場合のレンズスキャン動作時のタイミング図である。 レンズスキャン時のレンズ位置の時間変化を示す図である。 レンズ位置を連続的に変化させた場合の画像のコントラスト値の考え方の例を示す図である。 図６（ａ）はサーボ回路によるサーボ制御を伴う撮像光学系の一般的なレンズ位置の時間変化を示すグラフであり、図６（ｂ）はサンプリング数ｎを変化させた場合のレンズ位置の平均値とそれぞれの平均値の真の平均値に対する誤差率との関係を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るオートフォーカス装置を備えた撮像装置の構成を示すブロック図である。本実施形態におけるオートフォーカス装置は、コントラストＡＦ方式によって撮像光学系を合焦させる。なお、図１に示す撮像装置は、例えばデジタルカメラや電子顕微鏡である。

図１に示す撮像装置は、撮像光学系１と、位置センサ２と、アクチュエータ３と、撮像素子４と、同期信号発生回路（ＳＳＧ）６と、画像処理回路８と、コントラスト値計算回路１０と、ピーク検出回路１２と、平均値演算回路１４と、時間調整回路１６と、記憶部１８と、ピーク位置計算回路２１と、センサ信号処理回路２７と、サーボ回路２８と、カメラコントローラ３７と、ランプ波形発生回路４４と、セレクタ４５と、レンズ指示値変換回路４７と、を有している。また、サーボ回路２８は、差分演算回路２９と、ＰＩＤ演算回路３１と、アクチュエータドライバ３３と、を有している。ここで、アクチュエータ３が、駆動部として機能する。撮像素子４、ＳＳＧ６及び画像処理回路８が撮像部として機能する。また、サーボ回路２８、ピーク検出回路１２、ピーク位置計算回路２１及びサーボ回路２８が、焦点調節制御部として機能する。

撮像光学系１は、被写体の光学像を、撮像素子４の撮像素子面に結像させるための光学系である。撮像光学系１は、その光軸方向（図示一点鎖線方向）に沿って移動自在に構成されている。ここで、撮像光学系１は、１枚のレンズで構成しても良いし、フォーカスレンズを含む複数枚のレンズで構成しても良い。

位置センサ２は、撮像光学系１のレンズ位置を検出し、レンズ位置に応じたアナログ信号としての位置検出信号２６を出力する。この位置センサ２としては、静電容量センサ、光エンコーダ、磁気抵抗（ＭＲ）センサ、ホール素子センサ等を適用できる。静電容量センサは、静電容量の変化を検出するセンサである。静電容量センサによって撮像光学系１のレンズ位置を検出する場合、撮像光学系１に例えば金属薄板を取り付け、電極を形成しておく。光エンコーダは、明暗パターン（例えばスリット）を備えた板（スケール）に光を照射し、この光のスケールからの透過、反射、又は回折光を受光素子で検出するように構成されている。スケールと受光素子との相対位置によって受光素子から出力される２相の信号の大きさが変化する。この信号の大きさの変化から、スケール又は受光素子の位置を検出する。光エンコーダによって撮像光学系１のレンズ位置を検出する場合、撮像光学系１にスケール又は受光素子を取り付ける。ＭＲセンサは、Ｎ極とＳ極が交互に着磁された磁気板（多極永久磁石体）の移動に伴う磁界の変化を、抵抗値の変化として検出する。ＭＲセンサによって撮像光学系１のレンズ位置を検出する場合、例えば撮像光学系１に磁気板を取り付ける。ホール素子は、マグネットにより作られる磁界の磁束密度に応じた電圧を出力する。ホール素子によって撮像光学系１のレンズ位置を検出する場合、例えば撮像光学系１にマグネットを取り付ける。

アクチュエータ３は、撮像光学系１を光軸方向に移動させるための駆動部である。本実施形態におけるアクチュエータ３は、ＶＣＭ（Voice Coil Motor）又はピエゾ素子等であり、微視的に見た場合に、入力信号に対して撮像光学系１のレンズ位置が、非線形運動をするアクチュエータである。

撮像素子４は、撮像素子面を有している。撮像素子面は、複数の画素を有している。それぞれの画素は、撮像光学系１を介して結像された光学像を、その光量に応じた電気信号としての画像信号３６に変換する。ここで、撮像素子面は、撮像光学系１の光軸に対して垂直になるように配置される。また、本実施形態の撮像素子４は、電子シャッタによって露光量を制御する。この撮像素子４は、撮像素子駆動信号５の電子シャッタ駆動信号を受けて電荷の蓄積を終了する。

ここで、電子シャッタの方式は、グローバルシャッタ方式とローリングシャッタ方式とに大別される。グローバルシャッタ方式は、撮像素子面の電荷蓄積及び電荷読み出しを一括して制御する方式であり、例えばＣＣＤ方式の撮像素子において用いられる。一方、ローリングシャッタ方式は、撮像素子面の電荷蓄積及び電荷読み出しを撮像素子面の行（１行又は複数行）単位で制御する方式であり、例えばＣＭＯＳ方式の撮像素子において用いられる。本実施形態においては何れの方式を用いても良い。

ＳＳＧ６は、カメラコントローラ３７からの撮像素子制御データ３８に従って、撮像素子４を駆動するための撮像素子駆動信号５、画像処理回路８における画像信号処理に必要な画像同期信号７、平均値演算回路１４においてレンズ位置の平均値演算のタイミングを決定するために必要な露光期間信号１３をそれぞれ発生させ、発生させた信号を撮像素子４、画像処理回路８、平均値演算回路１４にそれぞれ入力する。撮像素子駆動信号５は、水平同期信号（ＨＤ）、垂直同期信号（ＶＤ）、露光期間信号、電子シャッタ駆動信号である。画像同期信号７は、水平同期信号（ＨＤ）、垂直同期信号（ＶＤ）、ブランキング信号である。また、図１に示すように、ＳＳＧ６は、画像同期信号７（水平同期信号（ＨＤ）、垂直同期信号（ＶＤ））を、コントラスト値計算回路１０及び記憶部１８にも入力する。この画像同期信号７によって、画像処理回路８と、コントラスト値計算回路１０と、記憶部１８と、を同期制御する。

画像処理回路８は、撮像素子４から読み出された画像信号３６に対して、増幅、サンプルホールド、Ａ／Ｄ変換、輝度／色差変換処理等の種々の画像処理を施して、デジタル信号としての画像データ９を生成する。図１には示していないが、画像処理回路８で得られた画像データを、ＬＣＤ等の画像表示系に出力させるようにしても良い。この場合には、画像データ９に対してγ補正等の、画像表示のために必要となる画像信号処理をさらに施す。

コントラスト値計算回路１０は、合焦状態を評価するためのコントラスト値１１を計算してピーク検出回路１２と記憶部１８とにそれぞれ出力する。このコントラスト値計算回路１０は、ハイパスフィルタ（又はバンドパスフィルタ）と、積分回路と、を有している。ハイパスフィルタは、画像データ９のうちの輝度成分（輝度データ）が入力され、輝度データの高周波成分を抽出する。積分回路は、ハイパスフィルタで抽出された高周波成分を、予め定められたＡＦエリア毎に積分（加算）することによって、コントラスト値を計算する。ＡＦエリアとは、画像内のＡＦの対象とするエリアのことである。画像内に複数のＡＦエリアを設けるようにしても良い。前述したように、コントラスト値計算回路１０には、ＳＳＧ６からの垂直同期信号ＶＤ、水平同期信号ＨＤが入力される。コントラスト値計算回路１０は、カメラコントローラ３７からのＡＦエリアデータ４０に従って水平同期信号ＨＤをカウントすることによって、画像内のＡＦエリアを認識する。

ピーク検出回路１２は、コントラスト値計算回路１０によって計算されたコントラスト値１１のピークを検出し、ピークを検出したときに、記憶部１８と、ピーク位置計算回路２１と、カメラコントローラ３７と、に対してピーク検出計算要求信号２０を出力する。このために、ピーク検出回路１２は、コントラスト値１１の最大値を逐次記憶する。そして、ピーク検出回路１２は、コントラスト値計算回路１０から入力されてきたコントラスト値１１を自身が記憶している最大値と比較し、入力されてきたコントラスト値１１が最大値よりも所定の割合以上減少していた場合に、コントラスト値のピークを検出したと判定する。また、ピーク検出回路１２は、最大値リセット要求信号４１を受けた場合に、記憶していた最大コントラスト値をゼロにリセットする。

平均値演算回路１４は、ＳＳＧ６から入力された露光期間信号１３によって示される露光期間中に、センサ信号処理回路２７から入力された現在レンズ位置信号３５を、デジタル信号に変換して取り込む。そして、平均値演算回路１４は、デジタル信号として取り込んだ現在レンズ位置信号（現在レンズ位置データと言う）の平均値を計算して平均レンズ位置データ１５を生成する。

平均値演算回路１４は、例えばＡ／Ｄコンバータと、カウンタと、加算回路と、除算回路と、を有している。Ａ／Ｄコンバータは、所定数の水平同期信号（ＨＤ）の入力を受ける毎に、センサ信号処理回路２７からアナログ信号として出力される現在レンズ位置信号３５を、デジタル信号としての現在レンズ位置データに変換して取り込む。カウンタは、露光期間中の水平同期信号（ＨＤ）をカウントするものである。このカウンタは、所定数の水平同期信号（ＨＤ）の入力を受けてカウントアップし、垂直同期信号（ＶＤ）の入力を受けてカウントをゼロにリセットするように構成されている。加算回路は、水平同期信号（ＨＤ）に同期してＡ／Ｄコンバータを介して取り込まれた現在レンズ位置データを順次加算していく。そして、加算回路は、垂直同期信号（ＶＤ）の入力を受けて、現在レンズ位置データの加算値を、除算回路に出力する。除算回路は、垂直同期信号（ＶＤ）の入力に同期して加算回路から入力された加算値をカウンタの値で除算することによって、現在レンズ位置データの平均値である平均レンズ位置データ１５を生成する。

時間調整回路１６は、平均値演算回路１４で生成された平均レンズ位置データ１５を遅延させて記憶部１８に入力する。時間調整回路１６は、平均レンズ位置データ１５を記憶部１８に入力するタイミングを、コントラスト値計算回路１０から記憶部１８へのコントラスト値の入力タイミングと合わせるために設けられている。

記憶部１８は、時間調整回路１６から出力された時間調整済み平均レンズ位置データ１７とコントラスト値計算回路１０から出力されたコントラスト値１１とを対応付けて（ペア化して）記憶する。記憶部１８は、少なくとも３点の平均レンズ位置に対応した３つのコントラスト値を記憶するだけの容量を有している。そして、記憶部１８は、ピーク検出回路１２からピーク検出計算要求信号２０が入力されるまで、記憶している平均レンズ位置データ及びコントラスト値を更新し、ピーク検出回路１２からピーク検出計算要求信号２０が入力されたときに、その時点で記憶していた最新の３点の時間調整済み平均レンズ位置データ１７とコントラスト値１１とをピーク位置計算データ１９としてピーク位置計算回路２１に出力する。

ピーク位置計算回路２１は、記憶部１８から入力されたピーク位置計算データ１９から、コントラスト値が最大となるレンズ位置（ピーク位置）を計算し、このピーク位置を示すピーク位置データ２３をセレクタ４５に出力する。ここでは、例えばラグランジュ補間によってピーク位置を計算することとする。３点のレンズ位置からラグランジュ補間によってピーク位置を計算する場合、以下の（式１）で示す補間式に従ってピーク位置ｘを計算する。なお、ピーク位置は、必ずしもラグランジュ補間によって計算する必要はなく、他の補間法によって計算するようにしても良い。

センサ信号処理回路２７は、位置センサ２で検出された位置検出信号２６に対して増幅等の処理を施して現在レンズ位置信号３５を生成する。

サーボ回路２８は、レンズ指示値変換回路４７から入力された目標レンズ位置信号２５とセンサ信号処理回路２７から入力された現在レンズ位置信号３５との差がなくなるように、アクチュエータ３の駆動量を制御するためのアクチュエータ駆動信号３４を生成する。
差分演算回路２９は、目標レンズ位置信号２５と現在レンズ位置信号３５との差信号３０を出力する。
ＰＩＤ演算回路３１は、差信号３０に対してＰ信号（Propotional：比例)、Ｉ信号（Integral）：積分）、Ｄ信号（Differential：Ｄ）をそれぞれ生成し、これらＰ信号、Ｉ信号、Ｄ信号を合計したサーボ信号３２を出力する。
アクチュエータドライバ３３は、サーボ信号３２に対応した駆動量でアクチュエータ３が駆動されるよう、アクチュエータ駆動信号３４を生成し、生成したアクチュエータ駆動信号３４をアクチュエータ３に出力する。アクチュエータ３としてＶＣＭを用いた場合には、アクチュエータドライバ３３は、電流信号をアクチュエータ駆動信号３４として出力し、アクチュエータ３としてピエゾ素子により駆動をするピエゾアクチュエータを用いた場合には、アクチュエータドライバ３３は、電圧信号をアクチュエータ駆動信号３４として出力する。
なお、アクチュエータドライバ３３は、ＶＣＭを用いる場合、Ｈブリッジ回路で構成しておくことが望ましい。Ｈブリッジ回路でアクチュエータドライバ３３を構成しておくことにより、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号で簡単にアクチュエータ駆動信号３４を生成することが可能である。

カメラコントローラ３７は、図１に示すＳＳＧ６、コントラスト値計算回路１０、ピーク検出回路１２、セレクタ４５、ランプ波形発生回路４４をそれぞれ制御するための制御信号を出力する。
カメラコントローラ３７は、ＳＳＧ６には、撮像素子制御データ３８を送る。撮像素子制御データ３８は、フレームレート及び電子シャッタタイミングをそれぞれ示すデータである。
また、カメラコントローラ３７は、コントラスト値計算回路１０には、ＡＦエリアデータ４０を送る。ＡＦエリアデータ４０は、画像中のＡＦエリアの範囲を特定するためのデータである。
また、カメラコントローラ３７は、ピーク検出回路１２には、最大値リセット要求信号４１を送る。最大値リセット要求信号４１は、例えばＡＦの開始時にピーク検出回路１２に送られる信号である。
また、カメラコントローラ３７は、セレクタ４５には、セレクタ指示信号４２を送る。セレクタ指示信号は、セレクタ４５から出力させるデータを切り替えるための信号である。
また、カメラコントローラ３７は、ランプ波形発生回路４４には、変換係数取得制御信号４３を送る。変換係数取得制御信号４３は、ランプ波形発生回路４４から変換係数取得指示信号２２を出力させるタイミングを示す信号である。

ランプ波形発生回路４４は、レンズスキャン用のランプ波形データ２４をセレクタ４５に出力する。ランプ波形データ２４によって示されるランプ波形の傾きが、ＡＦ時の撮像光学系１の移動速度（単位時間当たりのレンズの移動量）に対応する。また、ランプ波形発生回路４４は、変換係数取得制御信号４３が有効となっている間、変換係数取得指示信号２２をレンズ指示値変換回路４７に出力するとともに、ランプ波形データ２４を静止信号部の期間とする。

セレクタ４５は、セレクタ指示信号４２に応じて、ピーク位置計算回路２１から入力されたピーク位置データ２３とランプ波形発生回路４４から入力されたランプ波形データ２４との何れかをセレクタ出力データ４６としてレンズ指示値変換回路４７に出力する。

レンズ指示値変換回路４７は、セレクタ出力データ４６をアナログ信号に変換して取り込み、変換したアナログ信号を目標レンズ位置信号２５として差分演算回路２９に出力する。また、レンズ指示値変換回路４７は、変換係数取得指示信号２２が入力されたときに変換係数の取得を行う。変換係数の取得の詳細については後述する。

次に、本実施形態のオートフォーカス装置の動作について説明する。コントラストＡＦ方式は、撮像光学系１のレンズ位置を変化させながら画像のコントラスト値を評価し、コントラスト値が最大となるレンズ位置に撮像光学系１を停止させることによって、合焦調節を行うＡＦ方式である。本実施形態では、コントラスト値を取得する際の撮像素子４の露光期間中においても、撮像光学系１の移動を継続させることによってＡＦの高速化を図る。

図２及び図３は、レンズスキャン動作時のタイミング図である。ここで、図２は、撮像素子４の露光制御がグローバルシャッタ方式で行われる場合の例を示している。また、図３は、撮像素子４の露光制御がローリングシャッタ方式で行われる場合の例を示している。

ＡＦの開始後、カメラコントローラ３７は、撮像素子制御データ３８を、ＳＳＧ６に送る。ＳＳＧ６は、撮像素子制御データ３８から、撮像素子駆動信号５（垂直同期信号（ＶＤ）、水平同期信号（ＨＤ）、露光期間信号、電子シャッタ駆動信号）を生成し、これら生成した撮像素子駆動信号５を撮像素子４に出力する。撮像素子４は、露光期間信号が有効になっている期間中、露光（電荷蓄積）を行う。そして、撮像素子４は、電子シャッタ駆動信号が有効となっている間、露光を中断する。このとき、撮像素子４に蓄積された電荷が画像信号３６として読み出される。グローバルシャッタ方式の場合には、図２に示すように、撮像素子面の全面の露光が終了した時点で、次の画像信号３６が撮像素子面の全面から読み出される。一方、ローリングシャッタ方式の場合には、図３に示すように、撮像素子面の行毎（複数行同時でも良い）に露光期間をずらして露光が行われる。そして、それぞれの行の露光が終了する毎に、その行から画像信号３６が読み出される。

撮像素子４から読み出された画像信号３６は、画像処理回路８に入力される。画像処理回路８は、画像信号３６に対して画像処理を施して画像データ９を生成する。画像データ９の輝度成分である輝度データは、コントラスト値計算回路１０に入力される。コントラスト値計算回路１０は、入力された輝度データのうち、カメラコントローラ３７から入力されたＡＦエリアデータ４０によって示されるＡＦエリアの範囲内の輝度データの高周波成分を積分（順次加算）することにより、コントラスト値１１を生成する。

また、ＡＦの開始後、前述のようなコントラスト値の取得と同期するように、カメラコントローラ３７は、ランプ波形データ２４を出力させる旨のセレクタ指示信号４２を、セレクタ４５に入力する。これを受けてセレクタ４５は、セレクタ出力データ４６としてのランプ波形データ２４を、レンズ指示値変換回路４７に入力する。

レンズ指示値変換回路４７は、デジタル信号としてのセレクタ出力データ４６を、アナログ信号としての目標レンズ位置信号２５に変換し、この目標レンズ位置信号２５を、サーボ回路２８の差分演算回路２９に入力する。また、位置センサ２は、撮像光学系１のレンズ位置を逐次検出している。センサ信号処理回路２７は、位置センサ２から出力された位置検出信号２６を処理して現在レンズ位置信号３５を生成し、この現在レンズ位置信号３５をサーボ回路２８の差分演算回路２９に入力する。

サーボ回路２８は、目標レンズ位置信号２５と現在レンズ位置信号３５との差に基づき、撮像光学系１のレンズ位置を、目標レンズ位置信号２５によって示されるレンズ位置とするために必要なアクチュエータ駆動信号３４を生成する。そして、サーボ回路２８は、このアクチュエータ駆動信号３４をアクチュエータ３に入力して、撮像光学系１を駆動させる。これにより、図４に示すように、撮像光学系１のレンズ位置が、最端位置から、ランプ波形の傾きに応じた略線形に変化する。ここで、図４に示すように、ＡＦ用のレンズスキャンの前後の期間において変換係数取得期間を設けるようにしている。この変換係数取得期間については後述する。

平均値演算回路１４には、垂直同期信号（ＶＤ）及び水平同期信号（ＨＤ）が入力される。そして、水平同期信号（ＨＤ）のカウントが一定値となる毎に、平均値演算回路１４は、現在レンズ位置信号３５を、デジタル信号としての現在レンズ位置データとして取り込む。そして、平均値演算回路１４は、この取り込んだ現在レンズ位置データを順次加算し、その後に垂直同期信号（ＶＤ）が入力されたときに、それまで加算した現在レンズ位置データをレンズ位置のサンプリング数ｎで除算することによって、平均レンズ位置データ１５を計算する。そして、平均値演算回路１４は、平均レンズ位置データ１５を出力する。

コントラスト値計算回路１０で計算されたコントラスト値１１は、ピーク検出回路１２に入力される。ピーク検出回路１２は、入力されてくるコントラスト値１１のピークを検出し、ピークを検出したときに、記憶部１８と、ピーク位置計算回路２１と、カメラコントローラ３７と、に対してピーク検出計算要求信号２０を出力する。

記憶部１８は、ピーク検出回路１２からのピーク検出計算要求信号２０の入力を受けて、最新の３点の時間調整済み平均レンズ位置データ１７とそれぞれの時間調整済み平均レンズ位置データ１７に対応したコントラスト値１１と、をピーク位置計算データ１９として、ピーク位置計算回路２１に出力する。

ピーク位置計算回路２１は、ピーク検出回路１２からのピーク検出計算要求信号２０の入力を受けて、記憶部１８から入力されたピーク位置計算データ１９から、コントラスト値が最大となるレンズ位置（ピーク位置）を計算し、ピーク位置データ２３をセレクタ４５に出力する。

カメラコントローラ３７は、ピーク検出回路１２からのピーク検出計算要求信号２０の入力を受けて、撮像光学系１のレンズ位置がピーク位置を超えたことを認識する。このとき、カメラコントローラ３７は、ピーク位置データ２３を出力させる旨のセレクタ指示信号４２を、セレクタ４５に入力する。これを受けてセレクタ４５は、セレクタ出力データ４６としてのピーク位置データ２３を、レンズ指示値変換回路４７に入力する。

前述と同様に、レンズ指示値変換回路４７は、デジタル信号としてのセレクタ出力データ４６を、アナログ信号としての目標レンズ位置信号２５に変換し、この目標レンズ位置信号２５を、サーボ回路２８の差分演算回路２９に入力する。また、位置センサ２は、撮像光学系１のレンズ位置を逐次検出している。センサ信号処理回路２７は、位置センサ２から出力された位置検出信号２６を処理して現在レンズ位置信号３５を生成し、この現在レンズ位置信号３５をサーボ回路２８の差分演算回路２９に入力する。また、撮像光学系１のレンズ位置は、位置センサ２によって逐次検出される。位置検出信号２６は、位置センサ２から出力された位置検出信号２６を処理して現在レンズ位置信号３５を生成し、この現在レンズ位置信号３５をサーボ回路２８の差分演算回路２９に入力する。

サーボ回路２８は、目標レンズ位置信号２５と現在レンズ位置信号３５との差に基づき、撮像光学系１のレンズ位置を、目標レンズ位置信号２５によって示されるレンズ位置（合焦位置）とするために必要なアクチュエータ駆動信号３４を生成する。そして、サーボ回路２８は、このアクチュエータ駆動信号３４をアクチュエータ３に入力して、撮像光学系１を合焦位置に駆動させる。

以上の処理によってこのようにして一連のＡＦが終了し、撮像光学系１の焦点位置が合焦位置に調節される。

ここで、図２及び図３に示すように、レンズスキャン中の１フレーム（垂直同期信号ＶＤの入力間隔に対応する）内で得られる画像信号３６は、レンズ位置を連続的に変化させながら得られたものであるので、複数のレンズ位置に対応した複数の合焦状態の異なる画像を重ねた画像信号となる。このため、コントラスト値計算回路１０で得られたコントラスト値１１は、複数の合焦状態が異なる画像のコントラスト値の合計値となる。このコントラスト値１１に対応付けるべきレンズ位置を露光期間中の「平均」のレンズ位置とすることが望ましい。

露光期間中の真の平均のレンズ位置は、露光期間中のレンズ位置の積分値（露光期間中の無限個のレンズ位置の加算値）を、露光期間で除算することによって得られる。しかしながら、位置センサ２の位置の検出精度や平均値演算回路１４の回路負荷を考えると、レンズ位置の加算数（サンプリング数）を必要以上に増加させることはできない。このため、本実施形態では、ＡＦの精度を維持できる程度に平均値演算回路１４において積分（加算）するレンズ位置の数を減らす。本実施形態では、レンズ位置の加算数（サンプリング数）ｎを３以上とする。また、サンプリング間隔は等間隔であるとする。例えば、サンプリング数ｎを５にした場合、コントラスト値１１は、図５に示すように、５点のレンズ位置に対応した５枚の合焦状態の異なる画像のコントラスト値の合計値に対応する。

図６（ａ）は、サーボ回路２８によるサーボ制御を伴う撮像光学系１の一般的なレンズ位置の時間変化を示すグラフである。また、図６（ｂ）は、サンプリング数ｎを変化させた場合の、レンズ位置の平均値とそれぞれの平均値の真の平均値に対する誤差率との関係を示す図である。

本実施形態におけるアクチュエータ３は、例えばＶＣＭやピエゾアクチュエータであり、オープンループで使用することができないので、レンズを所望の位置に正しく移動させる為に位置センサを用いたフィードバック制御が必要となり、該フィードバック制御特有の応答特性のため、微視的には入力信号に対してレンズ位置を線形に変化させるものではない。このため、レンズ位置を目標位置に一致させるためにサーボ回路２８を用いたフィードバック制御が必要となる。フィードバック制御により、図６（ａ）に示すように、レンズ位置が時間に対して振動するように変化する。図６（ａ）で示すレンズ位置の時間変化は、以下の（式２）で表される。
ｙ＝２５×ｓｉｎ（３.１４×ｘ／１００）＋ｘ （式２）
ここで、（式２）のｘは、露光開始からの経過時間である。また、ｙは、露光開始の位置を原点とした場合のレンズ位置である。さらに、３.１４は、円周率である。（式２）から、真の平均のレンズ位置は、６５となる。

前述したように、サンプリング間隔は等間隔であるとする。そして、サンプリング数ｎを２として、図６（ａ）の露光開始の時点である０と露光終了の時点である１００とに対応したレンズ位置を取得した場合、平均値は５０となる。したがって、誤差率は、約２３％となる。同様に、サンプリング数ｎを３として、図６（ａ）の時点０と、時点１００と、露光開始と露光終了の中間の時点である５０と、に対応したレンズ位置を取得した場合、平均値は約５８となる。したがって、誤差率は、約１１％となる。同様に、サンプリング数ｎを４として、図６（ａ）の時点０と、時点１００と、時点２５と、時点７５と、に対応したレンズ位置を取得した場合、平均値は約６０となる。したがって、誤差率は、約７％となる。さらに、サンプリング数ｎを５として、図６（ａ）の時点０と、時点１００と、時点２５と、時点５０と、時点７５と、に対応したレンズ位置を取得した場合、平均値は約６２となる。したがって、誤差率は、約５％となる。

このように、サンプリング数ｎを３以上とすると、真の平均値に対する誤差率の低下幅は微量である。しかし、サンプリング数ｎを２から３とすることにより、誤差率が大きく低下する。したがって、本実施形態ではｎを３以上としている。

また、図２及び図３に示すように、平均値演算回路１４による平均レンズ位置データ１５の計算は、露光期間の終了とほぼ同時に終了する。これは、露光期間中にレンズ位置データの加算が終了するためである。一方、コントラスト値計算回路１０によるコントラスト値１１の計算は、露光期間後の画像信号３６の読み出しが終了した後に終了する。

このように、平均レンズ位置データ１５の計算終了とコントラスト値１１の計算終了とには、時間差が生じる。特に、グローバルシャッタ方式の場合、全画素からの画像信号の読み出しを一度に行うので、平均レンズ位置データ１５の計算とコントラスト値１１の計算との終了の時間差が大きくなる。

このため、両者を対応付けて記憶部１８に記憶させるためには、平均レンズ位置データ１５の記憶部１８への入力タイミングを遅らせることが必要である。時間調整回路１６は、平均レンズ位置データ１５の計算の終了タイミングとコントラスト値１１の計算の終了タイミングとの時間差だけ、平均レンズ位置データ１５の記憶部１８への入力タイミングを遅らせる。この時間差は、ローリングシャッタ方式の場合は、ＡＦエリア位置によって変更する。グローバルシャッタ方式の場合は、常に１フレームの時間差である。

次に、変換係数について説明する。
前述したように、平均値演算回路１４は、センサ信号処理回路２７からアナログ信号として入力された現在レンズ位置信号３５を、デジタル信号に変換して取り込む。また、レンズ指示値変換回路４７は、セレクタ４５からデジタル信号として入力されたセレクタ出力データ４６（ランプ波形データ２４又はピーク位置データ２３）を、アナログ信号に変換して出力する。ここで、平均値演算回路１４におけるＡ／Ｄ変換精度とレンズ指示値変換回路４７におけるＤ/Ａ変換精度とを厳密に一致させることは、半導体製造プロセス管理上難しい。しかしながら、両者を一致させることは、撮像光学系１の位置の精度を確保するために重要である。そこで、平均値演算回路１４におけるＡ／Ｄ変換特性とレンズ指示値変換回路４７におけるＤ/Ａ変換特性とを補正回路によって補正する。この補正回路は、レンズ指示値変換回路４７に入力されたセレクタ出力データ４６をＹ、目標位置レンズ信号２５をＸとしたときに、以下の（式３）に示す演算を行う回路である。
Ｙ＝ａＸ＋ｂ （式３）
上式のａ、ｂが、変換係数である。変換係数ａ、ｂを求めるために、ランプ波形データ２４に静止信号部の期間を設けておく。静止信号部は、撮像光学系１の位置変化をさせないランプ波形データ２４の期間である。この静止信号部の期間は、図４に示すように、ＡＦ用スキャンの開始前とＡＦ用スキャンの終了後（ピークの検出後）に設けるようにする。レンズ指示値変換回路４７は、変換係数取得指示信号２２によって、静止信号部の期間を認識する。そして、レンズ指示値変換回路４７は、ＡＦ用スキャンの開始前の静止信号部の期間中に、低電圧Ｄ／Ａ値Ｘ１に対するＡ／Ｄ値Ｙ１を取得する。ここで、Ｙ１は、現在レンズ位置信号３５を平均値演算回路１４においてデジタル信号に変換したものである。また、Ｘ１は、レンズ指示値変換回路４７においてＹ１をアナログ信号に変換したものである。さらに、レンズ指示値変換回路４７は、ＡＦ用スキャンの開始後の静止信号部の期間中に、高電圧Ｄ／Ａ値Ｘ２に対するＡ／Ｄ値Ｙ２を取得する。ここで、Ｙ２は、現在レンズ位置信号３５を平均値演算回路１４においてデジタル信号に変換したものである。また、Ｘ２は、レンズ指示値変換回路４７においてＹ１をアナログ信号に変換したものである。そして、レンズ指示値変換回路４７は、以下の（式４）に従って、変換係数ａ、ｂを計算する。
ａ＝（Ｙ２−Ｙ１）／（Ｘ２−Ｘ１）
ｂ＝（Ｘ１Ｙ２−Ｘ２Ｙ１）／（Ｘ２−Ｘ１） （式４）
このような変換を行うことにより、レンズ指示値変換回路４７におけるＤ／Ａ変換精度と平均値演算回路１４におけるＡ／Ｄ変換精度との不整合があったとしてもその不整合を補正することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、等速運動でない撮像光学系のレンズ位置を連続的に変化させてコントラスト値を取得する場合であっても、高精度にレンズ位置を求めることができる。また、レンズ位置の平均値を求める際に、加算するレンズ位置の数を削減することにより、精密なスキャンプロセスがない粗いスキャンプロセスのみでも精度良くピーク位置を求めることが可能である。

また、レンズ指示値変換回路４７におけるＤ／Ａ変換精度と平均値演算回路１４におけるＡ／Ｄ変換精度との不整合を補正値によって補正することにより、Ａ／Ｄ電圧が所望する値になるまでＤ／Ａ値を少しずつ変えるフィードバック制御が不要である。これにより、レンズ位置を所望の位置に移動させるまでの時間を短縮することが可能である。

さらに、本実施形態では、時間調整回路１６によって平均値演算回路１４からの平均レンズ位置データ１５の出力タイミングを遅らせるようにしている。これにより、平均レンズ位置データ１５とコントラスト値１１との関連付けが容易である。

以上実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。例えば、本実施形態の技術は、レンズ位置を非線形に変化させるアクチュエータを用いる撮像装置に対して特に好適である。しかしながら、ステッピングモータ等のレンズ位置を線形に変化させるアクチュエータを用いる撮像装置に対して本実施形態の技術を用いるようにしても良い。例えば、手ブレ時にはステッピングモータを用いた場合であってもレンズ位置の変化が非線形となる。したがって、撮像装置に発生する手ブレを検出し、一定値以上の手ブレが検出された場合に本実施形態の技術を適用するようにしても良い。

また、前述の本実施形態において、レンズ指示値変換回路４７におけるＤ／Ａ変換精度と平均値演算回路１４におけるＡ／Ｄ変換精度との不整合をレンズ指示値変換回路４７に設けられた補正回路によって補正している。これに対し、平均値演算回路１４にこのような補正回路を設けるようにしても良い。

さらに、上記した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適当な組合せにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、上述したような課題を解決でき、上述したような効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。

１…撮像光学系、２…位置センサ、３…アクチュエータ、４…撮像素子、６…同期信号発生回路（ＳＳＧ）、８…画像処理回路、１０…コントラスト値計算回路、１２…ピーク検出回路、１４…平均値演算回路、１６…時間調整回路、１８…記憶部、２１…ピーク位置計算回路、２７…センサ信号処理回路、２８…サーボ回路、２９…差分演算回路、３１…ＰＩＤ演算回路、３３…アクチュエータドライバ、３７…カメラコントローラ、４４…ランプ波形発生回路、４５…セレクタ、４７…レンズ指示値変換回路

Claims (7)

1. 撮像光学系により結像された被写体の像を露光して前記被写体に係る画像を得る撮像部と、
   前記撮像光学系を駆動して前記撮像光学系のレンズ位置を変化させる駆動部と、
   前記撮像光学系のレンズ位置を連続的に変化させている間、前記撮像部により得られた複数の画像のコントラスト値をそれぞれ計算するコントラスト値計算回路と、
   前記露光の期間中の３点以上の前記撮像光学系のレンズ位置の平均値を演算する平均値演算回路と、
   前記駆動部を制御し、前記コントラスト値の最大値に対応付けられた前記平均値のレンズ位置に前記撮像光学系を駆動させる焦点調節制御部と、
   を具備することを特徴とするオートフォーカス装置。
2. 前記駆動部は、入力信号に対して前記撮像光学系のレンズ位置を非線形に変化させ、
   前記焦点調節制御部は、前記入力信号を制御し、前記レンズ位置を目標のレンズ位置に一致させるサーボ回路を有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。
3. 前記平均値演算回路は、アナログ信号として検出される前記レンズ位置をデジタル信号に変換して前記平均値を演算し、
   デジタル信号として入力される前記目標のレンズ位置を示す信号をアナログ信号に変換して前記サーボ回路に入力するレンズ指示値変換回路と、
   前記平均値演算回路におけるデジタル変換の精度と前記レンズ指示値変換回路におけるアナログ変換の精度との不整合を補正する補正回路と、
   をさらに具備することを特徴とする請求項２に記載のオートフォーカス装置。
4. 前記コントラスト値計算回路における前記コントラスト値の計算の終了タイミングと前記平均値演算回路における前記平均値の演算の終了タイミングとの時間差だけ前記平均値演算回路で演算された前記平均値の出力タイミングを遅らせることによって前記コントラスト値と前記平均値とを対応付けする時間調整回路をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のオートフォーカス装置。
5. 前記３点以上のレンズ位置は、等間隔なレンズ位置であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のオートフォーカス装置。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載のオートフォーカス装置を具備することを特徴とする撮像装置。
7. 撮像光学系を駆動してレンズ位置を変化させ、
   前記撮像光学系により結像された被写体の像を露光して前記被写体に係る画像を得て、
   前記撮像光学系のレンズ位置を連続的に変化させている間、撮像部により得られた複数の画像のコントラスト値をそれぞれ計算し、
   前記露光の期間中の３点以上の前記撮像光学系のレンズ位置の平均値を演算し、
   前記コントラスト値の最大値に対応付けられた前記平均値のレンズ位置に前記撮像光学系を移動させる駆動制御をする、
   ことを特徴とするオートフォーカス方法。

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