JP2014157314A - 撮像装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被写体像のコントラストを示す評価値を算出して焦点調節を行う撮像装置において、評価値の変化に対応した合焦動作を実現すること。
【解決手段】撮像装置は、フォーカスレンズを含む撮影光学系１２と、撮影光学系及び撮像素子を介して画像信号を出力する撮影部１３を備える。焦点算出部１４は、画像信号から被写体像のコントラストを示す焦点評価値を求め、焦点評価値が最大となるフォーカスレンズ位置を算出する。速度可変設定部１７は、焦点評価値の勾配の変化率が極値となる焦点評価値と、焦点評価値の勾配が極値となる焦点評価値に基づいて、フォーカスレンズの速度を変更する際の閾値を設定する。駆動制御部１５は、焦点評価値と閾値との比較結果に応じてフォーカスレンズの駆動速度を可変制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動焦点調節装置を備える撮像装置に関し、より詳しくはデジタルカメラやビデオカメラ等に利用されるオートフォーカス（自動焦点調節）技術に関する。

デジタルカメラやビデオカメラ等においては、いわゆるコントラスト検出方式のオートフォーカス（ＡＦ）が用いられている。この方式では、ＣＣＤ（電荷結合素子）やＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）等を用いた撮像素子により得た画像信号から、被写体像のコントラストを示す焦点評価値を算出し、フォーカスレンズを光軸方向に移動させて合焦動作が自動で行われる。ＡＦスキャン動作中に被写体像の焦点評価値がピークとなる位置近傍ではスキャンを密にしてレンズを低速で駆動し、焦点評価値が小さい値のときは、高速で駆動することによってＡＦ動作を高速化する方法がある。

特許文献１には、ＡＦスキャン動作中に焦点評価値がピークとなる位置から離れているところから焦点評価値の形状により、フォーカス速度を可変させ、焦点評価値を取得することで合焦動作を高速化する技術が記載されている。焦点評価値の変化量とフォーカスレンズ位置の変化量との比から評価値変化率が算出される。評価値変化率が増加しているときにフォーカスレンズの高速駆動が行われ、評価値変化率が減少しているときに低速駆動が行われる。

特開平７−７６５０号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術においては、フォーカスレンズの速度を変更する位置が焦点評価値に依存しない。このため、コントラストの高い被写体の場合、焦点評価値がピーク値に対して低い値から低速駆動が行われてしまい、コントラストに応じて低速駆動範囲を決めることができず、ＡＦ動作を高速化できないという課題がある。

本発明は、被写体像のコントラストを示す評価値を算出して焦点調節を行う撮像装置において、評価値の変化に対応した合焦動作を実現することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る装置は、焦点調節を行うレンズを含む撮像光学系と、前記レンズの駆動手段を備える撮像装置であって、前記撮像光学系を介して結像される被写体からの光を受光して光電変換し、画像信号を出力する撮像手段と、前記画像信号を取得して被写体像のコントラストを示す評価値と、前記評価値の勾配の変化率が極値となる第１評価値と、前記評価値の勾配が極値となる第２評価値を算出する焦点算出手段と、前記焦点算出手段から前記第１評価値および第２評価値を取得し、前記レンズの速度を変更する際に前記評価値との比較に用いる閾値を設定する速度可変設定手段と、前記焦点算出手段が算出した前記評価値と、前記速度可変設定手段が設定した前記閾値とを比較し、前記評価値が前記閾値未満である場合、前記レンズの速度を第１の速度で駆動させる制御を行い、前記評価値が前記閾値以上である場合、前記レンズの速度を、前記第１の速度よりも小さい第２の速度で駆動させる制御を行う駆動制御手段を備える。

本発明によれば、被写体像のコントラストを示す評価値の変化に対応した合焦動作を実現することができる。

本発明の実施形態に係る撮像装置の構成例を示すブロック図である。 焦点評価値とフォーカスレンズ位置との関係および閾値の設定を説明する図である。 本発明の実施形態に係るＡＦ動作を説明するフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の実施形態に係る撮像装置の構成例を示すブロック図である。撮像装置はカメラ本体部１１と撮像光学系１２を備える。
撮像光学系１２は、レンズ群１２ａ、絞り１２ｂ、シャッタ１２ｃ、フォーカスレンズの駆動部１２ｄと位置検出部１２ｅを備える。レンズ群１２ａは不図示の変倍操作に用いるズームレンズや焦点調節用のフォーカスレンズ、像振れ補正用レンズ等を備える。撮像部１３は、撮像光学系１２を介して結像される被写体光を受光して光電変換する撮像素子を有し、撮像した画像の画像信号を生成する。焦点算出部１４は撮像部１３からの画像信号をもとに焦点評価値を演算する。この焦点評価値はコントラスト検出により画像信号の高域周波数成分を抽出することで算出される。焦点算出部１４は演算結果を記憶部１６と速度可変設定部１７に出力する。
駆動制御部１５は駆動部１２を制御し、フォーカスレンズを可変速駆動させる。これにより合焦位置を探索するスキャン動作が行われる。記憶部１６は、焦点算出部１４が演算した焦点評価値およびこれに対応するフォーカスレンズ位置情報を記憶する。フォーカスレンズ位置情報は位置検出部１２ｅから既知の方法で取得される。速度可変設定部１７は、焦点算出部１４が求めた焦点評価値の勾配や勾配の変化率を用いて、フォーカスレンズの駆動速度を可変制御する際の閾値を設定する。この閾値の設定処理について、図２（Ａ）を参照して説明する。

図２（Ａ）の横軸はフォーカスレンズの位置を表し、縦軸は焦点評価値とその１階および２階の変化率を表わす。実線Ｇ１は、フォーカスレンズ位置（以下、単にレンズ位置という）に対する焦点評価値を例示する。点線Ｇ２は、レンズ位置に対する焦点評価値の勾配の変化率を表す。１点鎖線Ｇ３は焦点評価値の勾配を表す。なお、焦点評価値の勾配とは１階の微係数であり、焦点評価値の勾配の変化率とは２階の微係数である。図２（Ａ）の原点位置Ｐ０は、フォーカスレンズがスキャン動作を開始する位置とする。実線Ｇ１に示す焦点評価値は原点位置Ｐ０から増加して、最大値を示した後で減少する標準的な山形状を示している。

フォーカスレンズは駆動部１２ｄにより原点位置Ｐ０から移動を開始し、焦点評価値が所定値以下の場合に高速で駆動される。高速駆動ではフォーカスレンズの速度が第１の速度に設定される。高速駆動中に焦点算出部１４は、レンズ位置を取得し、焦点評価値、焦点評価値の勾配、焦点評価値の勾配の変化率を算出し、これらのデータを記憶部１６に記憶させる。高速駆動中に焦点評価値が次第に増加していき、位置Ｐ１に到達する。この位置Ｐ１は、焦点評価値の勾配の変化率が極値となる位置であり、焦点評価値Ａ１を示す。ここで、焦点評価値の勾配の変化率の極値とは焦点評価値の２階微分値の極値のことである。このとき、焦点評価値Ａ１が記憶部１６に記憶される。さらにフォーカスレンズが移動して位置Ｐ２に到達する。この位置Ｐ２は、焦点評価値の勾配が極値となる位置であり、焦点評価値Ａ２を示す。ここで、焦点評価値の勾配の極値とは、焦点評価値の１階微分値の極値のことである。速度可変設定部１７は、焦点評価値Ａ１と焦点評価値Ａ２に基づいて速度変更用の閾値を設定する。この閾値は、フォーカスレンズの速度を高速から低速に変更する際の閾値（Ｔと記す）である。

閾値Ｔは、焦点評価値の勾配の変化率が極値となる第１評価値Ａ１と、焦点評価値の勾配が極値（極大値）となる第２評価値Ａ２を用いて、下式で定義される。

式（１）中の係数Ｋは、基準となる被写体の焦点評価値を用いて決められた正値に設定される。関数ｆ（Ａ１，Ａ２）は、Ａ２とＡ１との差を変数とする１次関数である。つまり、速度可変設定部１７は第２評価値Ａ２から第１評価値Ａ１を減算する。この差を係数Ｋで除算した値に１を加算した１次関数式がｆ（Ａ１，Ａ２）である。関数ｆ（Ａ１，Ａ２）の値と焦点評価値Ａ２の積によって閾値Ｔが算出される。閾値Ｔは、焦点評価値Ａ２とＡ１との差が大きいほど、大きな値となる。

位置Ｐ２からフォーカスレンズをさらに移動させると、位置Ｐ３に到達する。この位置Ｐ３は、焦点評価値が閾値Ｔとなるレンズ位置である。位置Ｐ３への到達により、駆動制御部１５はフォーカスレンズの駆動速度を高速から低速に変更する。低速駆動では、フォーカスレンズを高速駆動時の第１の速度よりも小さい第２の速度で駆動させる制御が行われる。フォーカスレンズが低速で移動し、その位置は位置Ｐ４に到達する。この位置Ｐ４は焦点評価値がピーク値Ａmaxとなる位置である。位置Ｐ４への到達後、さらにフォーカスレンズを低速駆動させると、焦点評価値が増加から減少に転ずる。焦点評価値を数点取得するサンプリング処理が実行された後、フォーカスレンズの駆動制御が停止される。焦点算出部１４は、記憶部１６に記憶された焦点評価値の最大値と、その近傍の２点での焦点評価値を取得する。それぞれのレンズ位置から焦点評価値がピークとなるレンズ位置が算出される。その後、焦点算出部１４は合焦判定を行い、駆動制御部１５は焦点評価値がピークとなるレンズ位置にフォーカスレンズを移動させ、ＡＦ動作が完了する。

次に、本実施形態による閾値Ｔの設定方法と、特許文献１による従来例の方法（以下、従来法という）とを対比して説明する。
従来法では、被写体の焦点評価値の勾配が増加から減少に変化する焦点評価値Ａ２を閾値に設定する。つまり、焦点評価値が閾値Ａ２を超えた場合にフォーカスレンズが低速で駆動される範囲は、図２（Ａ）に示す範囲Ｌである。これに対して本実施形態では、焦点評価値が式（１）で示した閾値Ｔを超えた場合にフォーカスレンズが低速で駆動される範囲は、図２（Ａ）に示す範囲Ｌａである。よって、範囲Ｌａを従来法の範囲Ｌより小さくすることができる。これは、前記の方法を用いることで、フォーカスレンズの駆動速度を高速から低速に変更する閾値Ｔを、従来法よりも大きくできるからである。
以上により、ＡＦ動作を従来法よりも高速化できる。

次に、焦点評価値の最大値が図２（Ａ）より大きい場合について、図２（Ｂ）を参照して説明する。焦点評価値の勾配の変化率が極大値となる焦点評価値は、焦点評価値Ｂ１である。また焦点評価値の勾配が極大値となる焦点評価値は、焦点評価値Ｂ２である。これらに基づいて閾値Ｔは下式のように設定される。

式（２）に示すように、焦点評価値Ｂ２とＢ１との差が大きいほど、関数ｆ（Ｂ１，Ｂ２）の値が大きいので、閾値Ｔを大きく設定できる。従来法の閾値は、焦点評価値の勾配の極値における焦点評価値Ｂ２である。よって、閾値ＴとＢ２の差は、図２（Ａ）に示す差Ｔ−Ａ２より大きくなる。
従来法では、フォーカスレンズが低速駆動される範囲Ｌは被写体によらず一定である。これに対して本実施形態では、焦点評価値が式（２）で示した閾値Ｔを超えた場合にフォーカスレンズが低速で駆動される範囲は、図２（Ｂ）に示す範囲Ｌｂとなる。焦点評価値の最大値が図２（Ａ）に比べて大きい場合でも、スキャン動作中の低速駆動範囲ＬｂがＬより小さい。よって、ＡＦ動作を高速化できる。

次に、焦点評価値の最大値が小さい場合について、図２（Ｃ）を参照して説明する。焦点評価値の勾配の変化率が極大値となる焦点評価値は、焦点評価値Ｃ１である。また焦点評価値の勾配が極大値となる焦点評価値は焦点評価値Ｃ２である。閾値Ｔは下式のように設定される。

式（３）に示すように、焦点評価値Ｃ２とＣ１との差が小さい場合、関数ｆ（Ｃ１，Ｃ２）の値が小さくなるので、閾値Ｔの値を小さく設定できる。焦点評価値が閾値Ｔを超えた場合にフォーカスレンズが低速駆動される範囲は図２（Ｃ）に示す範囲Ｌｃであり、従来法の範囲Ｌよりも小さくなる。従来法では、焦点評価値Ｃ２を閾値としているため、フォーカスレンズが低速駆動される範囲Ｌは被写体によらず一定である。なお、焦点評価値の最大値が小さい場合、焦点評価値の最大値近傍の形状変化が緩やかであり、焦点評価値の最大値が判定しづらい。このため、低速駆動する範囲を小さくし過ぎない方がよい。

以上のように、本実施形態では、焦点評価値の勾配の変化率が極大値となる焦点評価値を第１評価値とし、焦点評価値の勾配が極値となる焦点評価値を第２評価値とするとき、第２評価値と第１評価値との差、および第２評価値を用いて閾値を設定する。すなわち、第２評価値と第１評価値との差の関数ｆと第２評価値との積から閾値Ｔが設定される。このため、フォーカスレンズの低速駆動範囲は、被写体像のコントラストに応じて、従来法の範囲Ｌより狭い範囲に設定できる。

式（３）に示すように、焦点評価値の最大値が、図２（Ａ）に示す標準的な場合より小さい場合、閾値Ｔが小さくなる。フォーカスレンズの低速駆動範囲Ｌｃは、図２（Ａ）に示す低速駆動範囲Ｌａより大きくなる。最大値近傍の形状がなだらかな図２（Ｃ）の場合には、図２（Ａ）に示す低速駆動範囲Ｌａよりも広い範囲でスキャン動作を行う方が、より多くのレンズ位置で焦点評価値を取得できる。よって、合焦位置を算出しやすい。換言すれば、低速駆動範囲が狭すぎると合焦位置が判定できなくなり、再度スキャン動作を必要とする。これでは高速化を防げる原因となる。本実施形態のように図２（Ｃ）にて閾値Ｔが小さくなることにより、フォーカスレンズの低速駆動範囲が広がり、結果としてＡＦ動作の高速化に寄与する。

次に図３のフローチャートを参照して、本実施形態のＡＦ動作を説明する。
まず、Ｓ１０１で焦点算出部１４は、撮像素子の画像出力信号に関して撮影画像の所定の領域に測距領域（焦点検出領域）を設定してＳ１０２へ処理を進める。Ｓ１０２で駆動制御部１５は、撮影モードや焦点距離に応じたスキャン範囲を設定する。Ｓ１０３で駆動制御部１５は駆動部１２ｄによりフォーカスレンズを、Ｓ１０２で設定したスキャン範囲の端に移動させる。Ｓ１０４で駆動制御部１５は、フォーカスレンズの駆動速度を第１の速度に設定し、スキャン範囲の反対側の端方向へ向けてフォーカス駆動を行う。Ｓ１０５では、フォーカスレンズの高速駆動中に、焦点算出部１４が焦点評価値を算出し、位置検出部１２ｅから取得したレンズ位置のデータが焦点評価値と併せてそれぞれ記憶部１６に記憶される。Ｓ１０６で焦点算出部１４は、Ｓ１０５で取得した焦点評価値、およびレンズ位置を用いて、焦点評価値の勾配の変化率を算出し、記憶部１６に記憶させる。

Ｓ１０７で焦点算出部１４は、焦点評価値の勾配の変化率が極値に達したか否かを判定する。焦点評価値の勾配の変化率が極値に達していない場合、Ｓ１０４に処理を戻す。また、焦点評価値の勾配の変化率が極値に達した場合には、Ｓ１０８に処理を進める。Ｓ１０８で焦点算出部１４は、焦点評価値の勾配の変化率が極値となる焦点評価値（第１評価値）を記憶部１６に記憶し、Ｓ１０９へ進む。Ｓ１０９で駆動部１２ｄはフォーカスレンズをさらに駆動させ、焦点評価値とレンズ位置が取得されて、それぞれ記憶部１６に記憶される。Ｓ１１０で焦点算出部１４は焦点評価値の勾配（変化率）を算出する。
Ｓ１１１で焦点算出部１４は、焦点評価値の勾配が極値に達したか否かを判定する。焦点評価値の勾配が極値に達していない場合、Ｓ１０９へ処理を戻す。また焦点評価値の勾配が極値に達している場合にはＳ１１２へ処理を進める。Ｓ１１２では、焦点評価値の勾配の極値における焦点評価値（第２評価値）が記憶部１６に記憶される。Ｓ１１３で速度可変設定部１７は、Ｓ１０８で求めた第１評価値と、Ｓ１１２で記憶した第２評価値を用いて前記閾値Ｔを設定する。次のＳ１１４で駆動部１２ｄはさらにフォーカスレンズを駆動させ、焦点評価値およびレンズ位置が取得されて、それぞれ記憶部１６に記憶される。Ｓ１１５で駆動制御部１５は、取得した焦点評価値がＳ１１３で設定した閾値Ｔに達したか否かを判定する。焦点評価値が閾値Ｔに達していない場合にはＳ１１４に処理を戻す。また焦点評価値が閾値Ｔに達した場合には、Ｓ１１６へ処理を進める。

Ｓ１１６で駆動制御部１５は、フォーカスレンズの駆動速度を前記第２の速度に変更し、低速駆動を行い、Ｓ１１７に処理を進める。Ｓ１１７で駆動部１２ｄはさらにフォーカスレンズを駆動し、焦点評価値とレンズ位置が取得され、それぞれ記憶部１６に記憶される。次のＳ１１８で焦点算出部１４は、取得した焦点評価値が所定回数減少したか否かを判定する。焦点評価値が所定回数減少していない場合、Ｓ１１７に戻り、駆動部１２ｄはフォーカスレンズをさらに駆動し、焦点評価値、レンズ位置を取得する処理が実行される。一方、Ｓ１１８で焦点評価値が所定回数減少した場合には、Ｓ１１９へ処理を進める。Ｓ１１９で駆動制御部１５は、駆動部１２ｄによりフォーカスレンズの駆動を停止させる。次のＳ１２０で駆動制御部１５は、焦点評価値が最大となる合焦状態でのレンズ位置を算出し、Ｓ１２１で合焦判定を行う。Ｓ１２２で駆動部１２ｄは駆動制御部１５の制御指令に従って、フォーカスレンズをＳ１２０で算出した合焦状態でのレンズ位置へ移動させて、ＡＦ動作を終了する。

以上説明したように本実施形態では、焦点評価値の勾配の変化率が極値となる第１評価値と、焦点評価値の勾配が極値となる第２評価値を用いて、フォーカスレンズの駆動速度を変更する際の閾値が速度可変設定部１７により設定される。この閾値と焦点評価値との比較結果に応じて、駆動制御部１５によりフォーカスレンズの速度が可変制御される。すなわち、焦点評価値が閾値未満である場合、レンズ速度を第１の速度で駆動させる制御が行われ、焦点評価値が閾値以上である場合、レンズ速度を第１の速度よりも小さい第２の速度で駆動させる制御が行われる。フォーカスレンズが低速駆動を開始する閾値を適切に設定することで焦点評価値の変化に対応した最適速度での合焦動作を実現できる。

なお、本実施形態では、焦点評価値の勾配の変化率の極大値における第１評価値と、焦点評価値の勾配の極大値における第２評価値に基づいて前記閾値Ｔを設定した。これに限らず、速度可変設定部１７が焦点評価値およびその勾配と、焦点評価値の勾配の変化率に基づいて閾値を設定してもよい。また、本発明は高速と低速との２種類の駆動速度を変更する場合に限らず、係数Ｋの可変設定等により３段階以上の速度設定変更に応用可能である。

１２ 撮像光学系
１３ 撮像部
１４ 焦点算出部
１５ 駆動制御部
１７ 速度可変設定部

Claims (6)

1. 焦点調節を行うレンズを含む撮像光学系と、前記レンズの駆動手段を備える撮像装置であって、
   前記撮像光学系を介して結像される被写体からの光を受光して光電変換し、画像信号を出力する撮像手段と、
   前記画像信号を取得して被写体像のコントラストを示す評価値と、前記評価値の勾配の変化率が極値となる第１評価値と、前記評価値の勾配が極値となる第２評価値を算出する焦点算出手段と、
   前記焦点算出手段から前記第１評価値および第２評価値を取得し、前記レンズの速度を変更する際に前記評価値との比較に用いる閾値を設定する速度可変設定手段と、
   前記焦点算出手段が算出した前記評価値と、前記速度可変設定手段が設定した前記閾値とを比較し、前記評価値が前記閾値未満である場合、前記レンズの速度を第１の速度で駆動させる制御を行い、前記評価値が前記閾値以上である場合、前記レンズの速度を、前記第１の速度よりも小さい第２の速度で駆動させる制御を行う駆動制御手段を備えることを特徴とする撮像装置。
2. 前記速度可変設定手段は、前記評価値の勾配の変化率が極大値となる前記第１評価値と、前記第２評価値との差を変数とする関数式を用いて前記閾値を設定することを特徴とすることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記速度可変設定手段は、前記関数式と前記第２評価値との積を算出して前記閾値を設定することを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記関数式は、前記第２評価値から前記第１評価値を減算した結果を係数で除算した値に１を加算した１次関数式であることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
5. 前記閾値は、前記第２評価値より大きいことを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
6. 焦点調節を行うレンズを含む撮像光学系と、前記レンズの駆動手段を備える撮像装置にて実行される制御方法であって、
   前記撮像光学系を介して結像される被写体からの光を受光して光電変換し、画像信号を出力する撮像ステップと、
   前記画像信号を取得して被写体像のコントラストを示す評価値と、前記評価値の勾配の変化率が極値となる第１評価値と、前記評価値の勾配が極値となる第２評価値を算出する焦点算出ステップと、
   前記第１評価値および第２評価値を取得し、前記レンズの速度を変更する際に前記評価値との比較に用いる閾値を設定する速度可変設定ステップと、
   前記評価値と、前記速度可変設定ステップで設定した前記閾値とを比較する比較ステップと、
   前記評価値が前記閾値未満である場合、前記レンズの速度を第１の速度で駆動させる制御を行い、前記評価値が前記閾値以上である場合、前記レンズの速度を、前記第１の速度よりも小さい第２の速度で駆動させる制御を行う駆動制御ステップを有することを特徴とする撮像装置の制御方法。
   
   

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