JP2015094925A - 焦点調節装置、焦点調節方法およびプログラム、並びに焦点調節装置を有する撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】全画素の信号から生成した焦点評価値と間引き加算信号から生成した焦点評価値を使い分けることでＡＦ精度を保ったまま高速にＡＦを行う。
【解決手段】フォーカスレンズを含む撮影光学系で形成された被写体の光学像を撮像して得られた撮像信号に基づいて、フォーカスレンズの位置を調節する焦点調節装置は、画素加算及び間引きを行って読み出した第１の撮像信号と画素加算及び間引きを行わずに読み出した第２の撮像信号を取得し、第１および第２の撮像信号から、それぞれ画像のコントラストを表わす第１および第２の焦点評価値を生成し、第１および第２の焦点評価値の少なくとも一つに基づいて、被写体の光学像のピント状態を判定し、第１の焦点評価値に基づくピント状態の判定に従った焦点調節と、第２の焦点評価値に基づくピント状態の判定に従った焦点調節を行ってフォーカスレンズのピント位置を決定する。
【選択図】図６

Description

本発明は、撮像光学系により結像された被写体像を撮像素子により光電変換して得られた画像信号を使用して焦点調整を行う焦点調節装置および当該焦点調節装置を有する撮像装置に関する。

従来より、電子スチルカメラなどにおいて、フォーカスレンズを動かして被写体に焦点を合わせる方法として、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子から得られる画像信号に基づいて自動的に合焦動作を行うオートフォーカス（ＡＦ）方式が用いられている。このＡＦ方式において、撮像素子から得られる全画素の信号を用いて焦点評価値を生成すると読み出しに時間がかかってしまう。そこで、画像領域の所定の方向に所定の画素数ずつ加算して所定の画素数の間隔で間引いた画像信号（以下、「間引き加算信号」と記す）を用いることで読み出し時間を短縮し、ＡＦを高速化させる技術がある。しかし、画素信号の加算、間引きが画像信号の周波数特性に影響を与え、図１２に示すように全画素から得られた画像信号（「非加算信号」と記す）から算出した焦点評価値のピーク位置と、間引き加算信号から算出した焦点評価値のピーク位置が異なってしまう。これにより撮影画像が全画素の信号から形成される場合、間引き加算信号を用いて算出した焦点評価値を用いてＡＦを行って高速化しても、撮影画像にピントを合わせることができない。

また、２つの撮像素子を備え、２つの撮像素子からの画像データを交互に出力し、一方を動画の撮像制御、他方をＡＦ制御に用い、ＡＦ制御ではＡＦに適した露出制御や画素加算により高速化を図る技術がある。（特許文献１）

特開２００７−０９７０３３号公報

特許文献１の方法は、撮像素子が２つ必要であるため装置が大きくなりコストも高くなってしまう。また、２つの撮像素子から画像データを交互に出力する方法では２つの画像データを同時に使用することができない。さらには、特許文献１では、上述したような画素加算した信号を用いてＡＦ制御を行った場合のピントずれについては何も考慮されていない。

そこで、本発明の目的は、非加算信号を用いて生成した焦点評価値と間引き加算信号を用いて生成した焦点評価値を一つの撮像素子から同時に出力してＡＦ制御を行うことで、ＡＦ精度を保ったまま高速にＡＦを行うことが可能な焦点調節装置を提供することである。

本発明によれば、フォーカスレンズを含む撮影光学系で形成された被写体の光学像を撮像手段で撮像して得られた撮像信号に基づいて、フォーカスレンズの位置を調整する焦点調節装置は、画素配列の所定方向に所定の間隔で画素加算及び間引きを行って撮像手段から読み出した第１の撮像信号と、画素加算及び間引き行わずに撮像手段から読み出した第２の撮像信号を取得する取得手段と、第１の撮像信号を用いて画像のコントラストを表わす第１の焦点評価値を生成し、第２の撮像信号を用いて画像のコントラストを表わす第２の焦点評価値を生成する評価値生成手段と、第１の焦点評価値および第２の焦点評価値の少なくとも一つに基づいて、被写体の光学像のピント状態を判定する判定手段と、第１の焦点評価値に基づく被写体の光学像のピント状態の判定に従ってフォーカスレンズの位置を調整する焦点調節と、第２の焦点評価値に基づく被写体の光学像のピント状態の判定に従ってフォーカスレンズの位置を調節する焦点調節を行ってフォーカスレンズのピント位置を決定する制御手段とを備える。

本発明によれば、ＡＦ精度を保ったまま高速にＡＦを可能とする焦点調節装置を提供することが可能となる。

本発明の実施例に係る焦点調節装置を適用した撮像装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例に係る焦点調節装置を適用した撮像装置で用いられる撮像素子１０７の構成を説明するための図である。 本発明の実施例に係る焦点調節装置を適用した撮像装置において通常画像を取得する際のタイミングチャートを示す図である。 図２の撮像素子において通常画像を取得する際の駆動回路２０６で生成される信号のタイミングチャートを示す図である。 図１の撮像装置の撮影動作のフローチャートを示す図である。 本発明の実施例に係る焦点調節装置によるＡＦ動作のフローチャートを示す図である。 図６のＡＦ動作における初期フォーカス駆動のフローチャートを示す図である。 図７の初期フォーカス駆動におけるピーク検出チェック動作のフローチャートを示す図である。 図６のＡＦ動作におけるフォーカス速度の設定動作のフローチャートを示す図である。 図６のＡＦ動作における焦点評価値の勾配検出動作のフローチャートを示す図である。 図６のＡＦ動作における焦点評価値の勾配閾値ＳｌｏｐｅＴｈｒの算出動作のフローチャートを示す図である。 非加算信号を用いて算出した焦点評価値のピーク位置と、間引き加算信号を用いて算出した焦点評価値のピーク位置の差を説明するための図である。

［実施例］
以下、図１〜図１１を参照しながら本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は本発明の実施例に係る焦点調節装置を適用した撮像装置の構成を示すブロック図である。なお、当該撮像装置は、例えばデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯電話に用いられる撮像装置であるが、ＡＦ機能を実現可能な光学系と制御系を有していれば、上記以外に用いられる場合でも本発明の焦点調節装置は適用可能である。

図１において、１０１はズーム機構を含む撮影レンズ、１０２は光量を制御する絞り及びシャッター、１０３はＡＥ処理部、１０４は後述する撮像素子上に焦点をあわせるためのフォーカスレンズ、１０５はフォーカスレンズを駆動するモータである。１０６はＡＦ処理部、１０７は被写体からの光学像を電気信号に変換する光電変換手段（撮像手段）としての撮像素子、１０８は撮像素子１０７の出力ノイズを除去するＣＤＳ回路やＡ／Ｄ変換前に行う非線形増幅回路を含むＡ／Ｄ変換部である。また、１０９は画像処理部、１１０はフォーマット変換部、１１１は高速な内蔵メモリ（例えばランダムアクセスメモリなど、以下「ＤＲＡＭ」と記す）、１１２はメモリーカードなどの記録媒体とそのインターフェースからなる画像記録部である。１１３は撮影シーケンスなどを行うために撮像装置のシステム全体を制御するシステム制御部（以下、ＣＰＵと記す）、１１４は所定のタイミング信号を発生するタイミングジェネレータ（以下ＴＧ）、１１５はセンサドライバーである。システム制御部１１３は、図示しないメモリに記憶されているプログラムをＣＰＵ内のメモリに展開して実行することで、焦点検出装置を含む撮像装置の各部を制御して各種の動作を実現する。１１６は画像表示用メモリ（以下「ＶＲＡＭ」と記す）、１１７は画像表示の他、操作補助のための表示やカメラ状態の表示の他、撮影時には撮影画面と、測距領域を表示する画像表示部、１１８はカメラを外部から操作するための操作部である。１１９は、マクロモード、遠景モードなどの撮影モードを選択するための撮影モードスイッチ、１２０はシステムに電源を投入するためのメインスイッチ、１２１はＡＦやＡＥ等の撮影スタンバイ動作を行うためのスイッチ（以下「ＳＷ１」と記す）である。また、１２２は、ＳＷ１の操作後、撮影を行う撮影スイッチ（以下「ＳＷ２」と記す）である。１２３は手ぶれやパンなどのよるカメラの動きを検知するための角速度センサ部、１２４は画面内の輝度情報より動体を検出する動体検出部である。ＴＧ１１４からは、所定のタイミング信号がＣＰＵ１１３、センサドライバー１１５へ出力されており、ＣＰＵ１１３はこのタイミング信号に同期させて各種の動作の制御を行う。また、センサドライバー１１５は、ＴＧ１１４のタイミング信号を受け、これに同期して撮像素子１０７を駆動する。ＤＲＡＭ１１１は、一時的な画像記憶手段としての高速バッファとして、あるいは画像の圧縮伸張における作業用メモリなどに使用される。操作部１１８は、例えば次のようなスイッチ等を含む。撮像装置の撮影機能や画像再生時の設定、各撮影モードの詳細設定などの各種設定を行うメニュースイッチ、撮影レンズのズーム動作を指示するズームレバー、撮影モードと再生モードの動作モード切換えスイッチなどである。撮影モードスイッチ１１９は、ユーザーが選択した撮影モードに応じて測距距離範囲やＡＦ動作などを変更するよう構成されている。

次に、図１に示す撮像素子１０７の受光面に二次元に配列した複数の画素を有する画素部の構成を図２に示す。なお、図においては、説明を簡単にするため、４行１列の画素およびその駆動構成のみを示しているが、実際には多数の行及び列を構成する画素が駆動構成とともに配列されている。

同図において、２０１は、撮影レンズ１０１、絞りおよびシャッター１０２、フォーカスレンズ１０４で構成される撮影光学系で形成される被写体の光学像を受光する画素であり、当該画素２０１が二次元に配列されて画素部を構成している。各画素は、入射した光を光電変換して電気信号（撮像信号）として出力し、フォトダイオード２０２、転送トランジスタ２０３、信号増幅アンプ２０４、信号リセット用トランジスタ２０５から構成されている。転送トランジスタ２０３及び、リセット用トランジスタ２０５は、撮像素子１０７に接続された駆動回路２０６からの信号によって動作する。ここで、駆動回路２０６にはシフトレジスタや、各画素２０１の転送トランジスタ２０３等を駆動させる信号生成回路等が含まれる。そして、生成されたタイミング信号（ＴＸ１〜４、ＲＳ１〜４等）により転送トランジスタ２０３及びリセット用トランジスタ２０５を制御することによって、フォトダイオードの電荷をリセットし、又は読み出す。これにより露光時間が制御される。画素２０１は、上述のように二次元に多数配置されている。

また、２０９は水平走査回路であり、シフトレジスタ、列アンプ回路２１０、信号出力選択スイッチ２１１及び外部への出力回路（図示せず）等を含む。ここで、列アンプ回路２１０の設定を、センサドライバー１１５からの信号によって変化させることで、画素から読み出された信号を増幅することができる。また、設定により一方（例えばＲＳ１〜ＲＳ４等）は、全ての画素信号を読み出し、もう一方（例えばＴＸ１〜ＴＸ４等）は、画素配列の水平方向に所定の画素数の間隔で加算して間引くような読み出し制御も行い、同時に出力することもできる。本実施例に係る焦点調節装置はこの同時に読み出された非加算信号と間引き加算信号を取得して適宜用いることにより精度のよい高速な焦点調節（フォーカスレンズの位置の調整）を可能とする。

次に、図１の撮像装置において通常の画像を撮影する動作を説明する。

図３は、本実施例における撮像装置において通常画像を取得する際のタイミングチャートを示す。図示するように、ＴＧ１１４及びセンサドライバー１１５が生成する垂直同期信号に従って、露光及び画素信号の読み出しがＣＰＵ１１３による制御の下で行われる。

図４は、本実施例における撮像装置において通常画像を撮影する際の駆動回路２０６から生成されるＴＸ信号およびＲＳ信号のタイミングチャートを示す。ＴＸ信号およびＲＳ信号が立ち上がることによって、フォトダイオード２０２の電荷がリセットされると露光が開始される。この動作は、ＴＧ１１４によって設定された条件で、配列された画素２０１に対し所定の順番で順次行われる。その後所定の露光時間の経過後に、ＴＸ信号が再度立ち上がり、フォトダイオード２０２の電荷を信号増幅アンプ２０４に読み出す。信号増幅アンプ２０４から読み出された撮像信号は、水平走査用回路２０９を通して出力され、その後、適宜処理されて画像データとなる。この動作も、ＴＧ１１４によって設定された条件で行われる。

本実施例における撮像装置に搭載されている撮像素子１０７は、ＣＭＯＳ型の撮像素子である。そのため、駆動回路２０６のシフトレジスタの設定よって、どのような順序でどの行の転送トランジスタ２０３を駆動させるかを選択することができ、同一行を繰り返し選択して信号を読み出すこともできる。また、水平走査回路２０９のシフトレジスタの設定に従って列の選択スイッチ２１１を動作させることで同一行において、どの列から信号を出力するかを選択することができる。これによって、画素部のどの画素からどのような順番で撮像信号を読み出すかを指定することができる。

以下、本実施例に係る焦点調節装置の動作について図５〜図１１を用いて詳細に説明する。本動作は、ＣＰＵ１１３が前述したプログラムを実行して撮像装置の各部を制御することで実現され、特に本実施例に係る焦点調節装置のＡＦ動作は、主としてＣＰＵ１１３による画像データを用いた処理動作で達成される。この場合、ＡＦ動作用に、ＣＰＵを含む処理部をＣＰＵ１１３とは別途に設けてもよい。また、以下の動作の説明において、明記されている場合を除き、特に断わりの無い限り、動作の主体はＣＰＵ１１３とする。

図５は、本実施例の撮像装置における撮影動作のフローチャートを示す。まず、Ｓ５０１では、ＡＥ処理部１０３が画像処理部１０９の出力に基づいてＡＥ処理を行ってＳ５０２へと進む。Ｓ５０２では、ＳＷ１の状態を調べ、ＯＮであればＳ５０３へ進み、そうでなければＳ５０１へ進む。Ｓ５０３では、後述するＡＦ動作を行ったあとＳ５０４へ進む。Ｓ５０４では、ＳＷ１の状態を調べ、ＯＮであればＳ５０５へ進み、そうでなければＳ５０１へ進む。Ｓ５０５では、ＳＷ２の状態を調べ、ＯＮであればＳ５０６へ進み、そうでなければＳ５０４へ進む。Ｓ５０６では、撮影動作を行ったあと、Ｓ５０１へ進み、次の撮影を行う。

図６は、図５のＳ５０３で実行されるＡＦ動作のフローチャートを示す。本動作においては、Ｓ６０６〜Ｓ６１３の一連の動作を、後述する全画素焦点評価値と加算焦点評価値それぞれについて、現在のフレームレートの１フレーム分の時間で行われるようにする。他方、Ｓ６１５でのピーク位置の算出に使用する焦点評価値は、全画素焦点評価値とする。

まず、Ｓ６０１では、画面内の所定の領域に測距領域を設定してＳ６０２へ進む。Ｓ６０２では、撮影モードや焦点距離に応じてフォーカスレンズ１０４のスキャン範囲を設定してＳ６０３へ進む。Ｓ６０３では、後述する初期フォーカス駆動を行ってＳ６０４へ進む。この初期フォーカス駆動は、Ｓ６０４のフォーカスレンズの駆動速度（以下、「フォーカス速度）と記す）の設定の判定条件を与えるとともに、加算信号に基づくピーク位置の検出を高速に行い、Ｓ６０５のＡＦスキャンの開始位置へフォーカスレンズ１０４を駆動する。Ｓ６０４では、初期フォーカス駆動で設定されたＦＡＳＴＡＦ判定に基づいて、後述するフォーカス速度の設定を行ったあと、Ｓ６０５へ進む。Ｓ６０５では、ＡＦ処理部を１０６を介してモータ１０５を制御し、Ｓ６０４で設定したフォーカス速度で所定方向にフォーカスレンズ１０４の駆動を開始してＳ６０６へ進む。なお、ここで設定する所定方向は、Ｓ６０３の初期フォーカス駆動とは反対方向にする。Ｓ６０６では、Ｓ６０１で設定した測距領域内の焦点評価値を取得してＳ６０７へ進む。

ここで、取得する焦点評価値（評価値生成）について説明する。図４で説明した手法を用いて、撮像素子１０７の有効画素領域の全画素から読み出した撮像信号と所定方向（例えば水平方向）に所定の間隔（例えば３画素ずつ）で画素加算して読み出すことで間引きを行った撮像信号を同時に取得する。次いで、取得したそれぞれの撮像信号（第１の撮像信号、第２の撮像信号）にバンドパスフィルタ（以下、ＢＰＦと呼ぶ）処理を行い、焦点評価値を算出する。全画素から読み出した撮像信号から算出した焦点評価値を、以下、「全画素焦点評価値」と記し、間引きして読み出した撮像信号から算出した焦点評価値を、「加算焦点評価値」と記す。これらの焦点評価値は、それぞれのフレームレートで並行して取得される（第１の焦点評価値、第２の焦点評価値）。このとき、加算焦点評価値は、加算して間引いた分だけ全画素焦点評価値よりも画素信号の読み出す量が少ない。そのため、加算焦点評価値の取得のためのフレームレート（例えば１８０ｆｐｓ）は、全画素焦点評価値の取得のためのフレームレート（例えば３０ｆｐｓ）よりも高くすることができる。なお、本実施例では、加算焦点評価値と全画素焦点評価値の２系統を用いるが、さらに別な読み出し方（第３の撮像信号）を追加して（例えば、さらに多い加算画素数による間引き）、３系統以上の焦点評価値（第３の焦点評価値）を並行して算出して使用してもよい。

Ｓ６０７では、現在のフォーカスレンズ１０４の位置を取得してＳ６０８へ進む。フォーカスレンズの位置の取得方法は、周知の技術であり、本発明の要旨ではないので、その説明は省略する。また、Ｓ６０６で取得した焦点評価値とＳ６０７で取得したレンズ位置を対応付けて記憶すれば、Ｓ６０８の焦点評価値の勾配検出や、後述するＳ６１５の焦点評価値のピーク位置算出で用いることができる。その際、焦点評価値を取得中にフォーカスレンズ１０４は駆動しているため、露光時間の中心のタイミングでのフォーカスレンズ位置を算出して焦点評価値と対応付ける。

Ｓ６０８では、焦点評価値の変化の勾配の検出（詳細は後述する）を行い、Ｓ６０９へ進む。Ｓ６０９では、後述する焦点評価値の勾配からその変化曲線（例えば図１２）上での位置を判定する閾値であるＳｌｏｐｅＴｈｒの算出を行ったあとステップＳ６１０へ進む。Ｓ６１０では、Ｓ６０８で検出した勾配がＳ６０９で算出したＳｌｏｐｅＴｈｒ以上で、かつＳ６０４または後述するＳ６１１で設定されるフォーカス設定速度が高速に設定されているかどうかを調べる。そのように設定されていればＳ６１１へ進み、そうでなければＳ６１３へ進む。Ｓ６１１では、フォーカス設定速度を低速に更新してＳ６１２へ進む。Ｓ６１２では、Ｓ６１１で更新したフォーカス設定速度でフォーカス駆動させてＳ６１３へ進む。これにより、ＡＦスキャン開始時に高速でフォーカス駆動を開始している場合に、ピント位置の近傍が判断できた時点でフォーカスレンズの減速制御をすることができる。Ｓ６１３では、Ｓ６０７で取得した現在のフォーカスレンズ１０４の位置がＳ６０２で設定したスキャン範囲内にあるかどうかを調べ、スキャン範囲内にあればＳ６０６へ進み、そうでなければＳ６１４へ進む。Ｓ６１４では、フォーカスレンズ１０４の駆動を停止してＳ６１５へ進む。Ｓ６１５では、Ｓ６０６で取得した焦点評価値と、それに対応するフォーカスレンズ１０４の位置（Ｓ６０７で取得）を用いて、焦点評価値のピーク位置を算出してＳ６１６へ進む。前述のように、ここでピーク位置を算出するために使用する焦点評価値は、全画素焦点評価値である。Ｓ６１６では、合焦判定を行って、Ｓ６１７へ進む。Ｓ６１７では、Ｓ６１５で求めた焦点評価値のピーク位置へフォーカスレンズ１０４を駆動して、ＡＦ動作を終了し、本ＡＦ動作ルーチンを呼び出したメインルーチンに戻る。

上述したＡＦ動作により、ピント位置から離れたフォーカスレンズ位置では、高いフレームレートで高速にＡＦ制御を行うことができる。また、ピント位置近傍では低いフレームレートで低速なＡＦ制御となるが、全画素焦点評価値を用いることで撮影画像に対して適切なピント位置を検出することができる。また、本実施例のＡＦ動作では、フォーカスレンズ１０４の駆動速度も、判定されたピント位置に応じて設定することで、より高速化と高精度化を達成することが可能となる。

なお、Ｓ６１５において加算焦点評価値のピーク位置も算出して、全画素焦点評価値のピーク位置との差分を算出し、この差分情報を現在の撮影条件と対応付けてＣＰＵ１１３に記憶しておいてもよい。ここで、撮影条件とは、例えば輝度、ズーム位置、加算焦点評価値のピーク位置や絞り、シャッター速度などの露出条件などである。そのようにすることで、次回の撮影の撮影条件が記憶している撮影条件と同じであった場合に、撮影条件と対応したピーク位置の差分だけ加算焦点評価値のピークを補正すれば、全画素焦点評価値のピーク位置を合焦位置とすることが可能となる。また、その場合には、フォーカス速度を常に高速設定とすることができるため、ＡＦ動作をさらに高速化することができ、ＡＦ精度も保つことができる。

次に、図６のＡＦ動作で行われるＳ６０３の初期フォーカス駆動を、図７のフローチャートを用いて説明する。なお、本初期フォーカス駆動では、Ｓ７０３においては、前述したＳ６０６と同様に、全画素焦点評価値と加算焦点評価値を並行して取得する。しかし、Ｓ７０５のピーク検出チェックにおいては、フレームレートを高くして検出速度を上げることを可能にするために、加算焦点評価値を使用する。

まず、Ｓ７０１では、フォーカス設定速度を低速にしてＳ７０２へ進む。ここで、初期フォーカス駆動における低速設定時のフォーカス速度は、例えば、後述する焦点評価値の勾配を判断できる最低速に設定する。この場合の焦点評価値は加算焦点評価値とし、加算焦点評価値の取得時のフレームレートに基づいて速度を設定する。Ｓ７０２では、Ｓ７０１で設定したフォーカス設定速度で所定方向にフォーカス駆動を開始してＳ７０３へ進む。ここで、所定方向は、例えば被写体の存在確率が高いと考えられる方向や、現在のフォーカスレンズ位置に対して遠端と近端のいずれか近い側への方向などに設定する。Ｓ７０３では、Ｓ６０１で設定した測距領域内の焦点評価値を取得してＳ７０４へ進む。上述のように、全画素焦点評価値と加算焦点評価値を並行して取得する。Ｓ７０４では、Ｓ６０７と同様に、現在のフォーカスレンズ１０４の位置を取得してＳ７０５へ進む。Ｓ７０５では、後述するピーク検出チェックを行ってＳ７０６へ進む。このピーク検出チェックにより、現在のピント状態を高速に判定して、Ｓ６１５の最終的なピーク位置検出の高速化を図ることが可能となる。Ｓ７０６では、Ｓ７０５でチェックしたピーク検出チェックの結果がＯＫかどうかを調べ、そうであればＳ７０９へ進み、そうでなければＳ７０７へ進む。Ｓ７０７では、Ｓ７０５でチェックしたピーク検出結果が減少で、かつ減少回数が減少回数閾値よりも多いかどうかを調べ、そうであればＳ７０９へ進み、そうでなければＳ７０８へ進む。Ｓ７０８では、現在のフォーカスレンズ１０４の位置が進行方向の端まで到達したかどうかを調べ、そうであればＳ７０９へ進み、そうでなければＳ７０３へ進む。Ｓ７０９では、後述する焦点評価値の勾配閾値であるＳｌｏｐｅＴｈｒの算出を行ったあとステップＳ７１０へ進む。Ｓ７１０では、Ｓ７０２の焦点評価値の勾配検出（詳細は後述する）において検出した焦点評価値の勾配がＳ７０９で算出した閾値ＳｌｏｐｅＴｈｒ以上かどうかを調べ、そうであればＳ７１１へ進み、そうでなければＳ７１２へ進む。Ｓ７１１では、ＦＡＳＴＡＦ判定をＮＧに設定してＳ７１３へ進む。ここで、ＦＡＳＴＡＦ判定は、Ｓ６０４のフォーカス速度の設定（詳細は後述する）で用いる。ＦＡＳＴＡＦ判定は、フォーカスレンズ１０４の現在位置がピント位置の近傍かどうかの判断に基づいて設定されているので、ＡＦスキャン動作開始タイミングであるＳ６０５において高速にフォーカス駆動を開始するかを決定する指標の一つとなる。Ｓ７１２では、ＦＡＳＴＡＦ判定をＯＫとしてＳ７１３へ進む。Ｓ７１３では、フォーカスレンズ１０４を停止し、本ルーチンを呼び出した初期フォーカス駆動ルーチンに戻り、Ｓ６０４へ進む。

図８は、図７におけるＳ７０５のピーク検出チェックの詳細なフローチャートを示す。本ルーチンは、現在のピント状態が焦点評価値のピーク付近かどうかを高速に判定する。なお、Ｓ８０２乃至Ｓ８２５で使用する焦点評価値は、フレームレートを高くして検出速度を上げるために加算焦点評価値とする。

まず、Ｓ８０１では、現在までにＳ７０３で取得した焦点評価値の最大値、最小値を求めて記憶し、Ｓ８０２へ進む。Ｓ８０２では、焦点評価値の勾配閾値であるＳｌｏｐｅＴｈｒの算出（詳細は後述する）を行ったあとステップＳ８０３へ進む。Ｓ８０３では、焦点評価値の勾配検出（詳細は後述）を行ない、Ｓ８０４へ進む。Ｓ８０４では、今回取得した焦点評価値が、前回取得した焦点評価値に対して所定量以上増加しているかどうかを調べ、そうであればＳ８０５へ進み、そうでなければＳ８１４へ進む。Ｓ８０５では、減少回数を０にクリアしてＳ８０６へ進む。減少回数は、焦点評価値の増加が検出されるたびにクリアされる。Ｓ８０６では、増加回数をインクリメントしてＳ８０７へ進む。これにより焦点評価値の増加が継続していることが認識される。Ｓ８０７では、増加回数が加減速判定閾値よりも多いかどうかを調べ、そうであればＳ８０８へ進み、そうでなければＳ８１１へ進む。Ｓ８０８では、焦点評価値の勾配がＳ８０２で算出したＳｌｏｐｅＴｈｒ以上かどうかを調べ、そうであればＳ８０９へ進み、そうでなければＳ８１０へ進む。Ｓ８０９では、ピント状態がピーク位置により近づいていると判断してフォーカス速度の設定を低速に更新し、Ｓ８１２へ進む。Ｓ８１０では、フォーカス設定速度を高速に更新してＳ８１２へ進む。Ｓ８１１では、ＦＡＳＴＡＦ判定をＯＫにして、Ｓ８１３へ進む。Ｓ８１３では、ピーク検出結果を増加に設定してＳ８２５へ進む。Ｓ８１４では、今回の焦点評価値が、前回の焦点評価値に対して所定量減少しているかどうかを調べ、そうであればＳ８１５へ進み、そうでなければＳ８２１へ進む。Ｓ８１５では、次の４つの条件がすべて満たされているかどうかを判定し、ピント状態がピーク位置を過ぎてその付近にあるかどうかを判定する。（１）増加回数が１以上であるかどうか。（２）今回の焦点評価値がＳ８０１で記憶している焦点評価値の最大値よりも所定割合以上減少しているかどうか。（３）Ｓ８０１で記憶している最大値と最小値の差が所定量以上かどうか。（４）ピーク位置が今回までに取得している焦点評価値データの端ではないかどうか。以上４つの条件が全て満たしていればＳ８２０へ進み、そうでなければＳ８１６へ進む。Ｓ８１６では、増加回数を０にクリアしてＳ８１７へ進む。Ｓ８１７では、減少回数をインクリメントしてＳ８１８へ進む。Ｓ５１８では、ＦＡＳＴＡＦ判定をＯＫにしてＳ８１９へ進む。Ｓ８１９では、ピーク検出結果を減少としてＳ８２５へ進む。Ｓ８２０では、ピーク検出結果をＯＫにしてＳ８２５へ進む。Ｓ８２１では、焦点評価値の変化がない回数が加減速判定閾値よりも多いかどうかを調べ、そうであればＳ８２２へ進み、そうでなければＳ８２３へ進む。Ｓ８２２では、フォーカス速度の設定を高速に更新してＳ８２３へ進む。Ｓ８２３では、ＦＡＳＴＡＦ判定をＯＫとしてＳ８２４へ進む。Ｓ８２４では、ピーク検出結果を変化なしに設定してＳ８２５へ進む。Ｓ８２５では、設定されているフォーカス速度でフォーカスを駆動し、本ルーチンの呼び出した初期フォーカス駆動ルーチンに戻り、Ｓ７０６へ進む。

本ピーク検出チェックルーチンにより、ＡＦスキャン開始位置までフォーカスレンズ１０４を駆動するまでの加算焦点評価値の変化形状に基づき、ピント位置が近傍にあるかどうかをより高速に判断することができる。また、近傍以外でピント位置から離れている場合は、フォーカスレンズを高速に駆動し、ピント位置近傍では、低速に駆動することで、無駄なフォーカス駆動時間を短縮することが可能となる。

図９は、図６におけるＳ６０４で実行されるフォーカス速度の設定動作のフローチャートを示す。

まずＳ９０１では、初期フォーカス駆動動作で設定されたＦＳＡＴＡＦ判定がＯＫかどうかを調べ、そうであればＳ９０２へ進み、そうでなければＳ９０８へ進む。Ｓ９０２では、加速度センサ部１２３で検出したカメラの動き量が所定量以下かどうかを調べ、そうであればＳ９０３へ進み、そうでなければＳ９０８へ進む。これにより、後述するＳ６０８の焦点評価値の勾配検出において、手ぶれにより焦点評価値が変動したことによる誤検出の影響を低減することができる。Ｓ９０３では、動体検出部１２４で検出した画角の変動が所定よりも小さいかどうかを調べ、そうであればＳ９０４へ進み、そうでなければＳ９０８へ進む。Ｓ９０５では、現在のカメラ設定において焦点距離が所定長よりも長いかどうかを調べ、そうであればＳ９０６へ進み、そうでなければＳ９０８へ進む。Ｓ９０６では、現在のカメラ設定において測距距離範囲が所定長よりも長いかどうかを調べ、そうであればＳ９０７へ進み、そうでなければＳ９０８へ進む。Ｓ９０７では、フォーカス速度の設定を高速に更新し、本ルーチンを呼び出したＡＦ動作ルーチンに戻り、Ｓ６０５へ進む。ここで、高速設定時のフォーカス速度は、例えば、Ｓ６０８での焦点評価値の勾配を検出できる最高速で設定する。この場合の焦点評価値は加算焦点評価値とし、加算焦点評価値の取得時のフレームレートに基づいて速度に設定する。Ｓ９０８では、フォーカス設定速度を低速に更新し、本ルーチンを呼び出したルーチンに戻り、Ｓ６０５へ進む。ここで、低速設定時のフォーカス速度は、サンプリングした焦点評価値を用いてピーク位置算出をした場合にＡＦ精度を確保できる最大の速度に設定する。また、この場合の焦点評価値は全画素焦点評価値とし、全画素焦点評価値の取得時のフレームレートに基づいて速度を設定する。

図１０は、Ｓ６０８及びＳ８０２で実行される焦点評価値の勾配検出動作のフローチャートを示す図である。

まずＳ１００１では、Ｓ６０７またはＳ７０４で取得した今回のレンズ位置をＰｏｓ１としてＳ１００２へ進む。Ｓ１００２では、Ｓ６０６またはＳ７０３で取得した今回の焦点評価値をＴ１としてＳ１００３へ進む。Ｓ１００３では、Ｓ６０７またはＳ７０４で取得した前回のレンズ位置をＰｏｓ２としてＳ１００４へ進む。Ｓ１００４では、Ｓ６０６またはＳ７０３で取得した前回の焦点評価値をＴ２としてＳ１００５へ進む。Ｓ１００５では、（Ｔ１−Ｔ２）／（Ｐｏｓ１−Ｐｏｓ２）により焦点評価値の勾配を算出し、本ルーチインが呼び出したルーチンに戻り、Ｓ６０９またはＳ８０３へ進む。

図１１は、Ｓ６０９Ｓ７０９およびＳ８０３における焦点評価値の勾配閾値ＳｌｏｐｅＴｈｒの算出動作のフローチャートを示す。

まず、Ｓ１１０１では、現在の絞り及びシャッター１０２の状態を調べて現在の絞り値を取得してＳ１１０２へ進む。Ｓ１１０２では、Ｓ６０１で設定した測距領域のサイズを取得してＳ１１０３へ進む。Ｓ１１０３では、Ｓ６０１で設定した測距領域内のコントラスト値を取得してＳ１１０４へ進む。ここで、測距領域内のコントラスト値は、Ｓ６０１で設定した測距領域内の輝度値の最大値と最小値の差分とする。これにより、被写体にピントが合っていなくても測距領域内の被写体のコントラストをある程度把握することができる。Ｓ１１０４では、Ｓ６０１で設定した測距領域内の周波数を取得してＳ１１０５へ進む。ここで、測距領域内の周波数の取得のしかたについては、本発明の主眼点ではないため詳細な説明は省略する。Ｓ１１０５では、現在のレンズ速度を取得してＳ１１０６へ進む。Ｓ１１０６では、Ｓ１１０７でＳｌｏｐｅＴｈｒを算出するための基準となるＳｌｏｐｅＴｈｒ０を決定してＳ１１０７へ進む。ここで、ＳｌｏｐｅＴｈｒ０は、基準となる被写体やカメラの設定において決定する。また、用途によってＳｌｏｐｅＴｈｒ０の決定の仕方を変えてもよい。例えば、図６のＳ６０３における初期フォーカス駆動では、後に行うＡＦスキャン動作時に被写体ピークを検出できるように、被写体ピークを越えた位置で減速されればよい。これに対して、ＡＦスキャン動作時には、被写体ピーク位置を越える前にＡＦ精度を確保するために必要なフォーカスレンズ速度まで減速しなければならない。よって、ＡＦスキャン前の初期フォーカス駆動中であるＳ７０９またはＳ８０２と、ＡＦスキャン動作中のＳ６０９でＳｌｏｐｅＴｈｒ０を変えるようにする。Ｓ１１０７では、焦点評価値の勾配閾値であるＳｌｏｐｅＴｈｒを下記の式に従って算出し、本ルーチンを呼び出したルーチンに戻り、Ｓ６１０、Ｓ７０９またはＳ８０３へ進む。ここで、ＳｌｏｐｅＴｈｒは、例えば以下の計算式によって算出する。
SlopeThr = SlopeThr0 × MMP × WinSize × Freq / Speed / FNum
FNum:絞り値によって決まる係数
MMP：測距領域内のコントラストによって決まる係数
Freq:測距領域内の周波数によって決まる係数
WinSize：測距領域サイズによって決まる係数
Speed:フォーカスレンズ速度によって決まる係数
これにより、被写体やカメラの設定によって焦点評価値の形状が異なっていた場合でも、被写体ピーク位置の判断を適切に行うことができる。

上述した本発明の実施例によれば、全画素焦点評価値と加算焦点評価値を一つの撮像素子から同時に出力してＡＦ制御を行うことで、ＡＦ精度を保ったまま高速にＡＦを行うことができる焦点調節装置およびそれを有する撮像装置を提供することが可能となる。
以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて詳述してきたが、本発明はこれら特定の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。上述の実施形態の一部を適宜組み合わせてもよい。また、上述の実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムを、記憶媒体から直接、或いは有線／無線通信を用いて、プログラムを実行可能なコンピュータを有するシステム又は装置に供給し、そのプログラムを実行する場合も本発明に含む。従って、本発明の機能処理をコンピュータで実現するために、該コンピュータに供給、インストールされるプログラムコード自体も本発明を実現するものである。つまり、本発明の機能処理を実現するためのコンピュータプログラム自体も本発明に含まれる。その場合、プログラムの機能を有していれば、オブジェクトコード、インタプリタにより実行されるプログラム、ＯＳに供給するスクリプトデータ等、プログラムの形態を問わない。プログラムを供給するためのコンピュータが読み取り可能な記憶媒体としては、例えば、ハードディスク、磁気テープ等の磁気記録媒体、光／光磁気記憶媒体、不揮発性の半導体メモリでもよい。また、プログラムの供給方法としては、コンピュータネットワーク上のサーバに本発明を形成するコンピュータプログラムを記憶し、接続のあったクライアントコンピュータはがコンピュータプログラムをダウンロードしてプログラムするような方法も考えられる。

Claims (15)

1. フォーカスレンズを含む撮影光学系で形成された被写体の光学像を撮像手段で撮像して得られた撮像信号に基づいて、前記フォーカスレンズの位置を調整する焦点調節装置において、
   画素配列の所定方向に所定の間隔で画素加算及び間引きを行って前記撮像手段から読み出した第１の撮像信号と、画素加算及び間引きを行わずに前記撮像手段から読み出した第２の撮像信号を取得する取得手段と、
   前記第１の撮像信号を用いて画像のコントラストを表わす第１の焦点評価値を生成し、前記第２の撮像信号を用いて画像のコントラストを表わす第２の焦点評価値を生成する評価値生成手段と、
   前記第１の焦点評価値および第２の焦点評価値の少なくとも一つに基づいて、前記被写体の光学像のピント状態を判定する判定手段と、
   前記第１の焦点評価値に基づく前記被写体の光学像のピント状態の判定に従って前記フォーカスレンズの位置を調整する焦点調節と、前記第２の焦点評価値に基づく前記被写体の光学像のピント状態の判定に従って前記フォーカスレンズの位置を調節する焦点調節を行って前記フォーカスレンズのピント位置を決定する制御手段とを備えることを特徴とする焦点調節装置。
2. 前記判定手段は、前記第１焦点評価値および第２の焦点評価値の変化およびその勾配を検出し、前記第１の焦点評価値から検出した変化およびその勾配に基づいて前記被写体の光学像のピント状態が、ピント位置の近傍か、ピント位置の前か、あるいは前記ピンと位置の後かを判定し、前記第２の焦点評価値から検出した勾配に基づいて前記被写体の光学像のピント状態がピント位置の近傍であるかどうかを判定することを特徴とする請求項１に記載の焦点調節装置。
3. 少なくとも前記判定手段の判定の結果に従って、前記フォーカスレンズの駆動速度を設定する設定手段を更に備え、前記設定手段は、前記判定手段が前記被写体の光学像のピント状態がピント位置の近傍であると判定した場合は、前記フォーカスレンズの駆動速度を遅くなるように設定し、前記被写体の光学像のピンと状態が前記ピント位置の近傍以外の状態と判定した場合は、前記フォーカスレンズの駆動速度を早くなるように設定することを特徴とする請求項２に記載の焦点調節装置。
4. 前記設定手段は、前記判定手段が前記第１の焦点評価値に基づいて前記被写体の光学像のピント状態を判定した場合は、前記第１の焦点評価値に基づく判定と前記被写体の撮影条件に従って前記フォーカスレンズの駆動速度を設定し、前記第１の焦点評価値に基づく判定が前記ピント位置の近傍でない場合に前記撮影条件に従って前記フォーカスレンズの駆動速度を設定することを特徴とする請求項３に記載の焦点調節装置。
5. 前記制御手段は、前記第１の焦点評価値と前記第２の焦点評価値の差分情報を前記被写体の撮影条件とともに記憶手段に記憶することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の焦点調節装置。
6. 前記制御手段は、前記被写体の撮影条件が前記記憶手段に記憶されている撮影条件と同じ場合は、前記第１の焦点評価値に基づく前記被写体の光学像のピント状態の判定に従って前記フォーカスレンズの位置を調整する焦点調節においてピント位置を決定し、前記第１の焦点評価値に基づく焦点調節で決定されたピント位置と前記撮影条件とともに記憶されている前記差分情報に基づいて、前記第２の焦点評価値に基づく前記被写体の光学像のピント状態の判定に従って前記フォーカスレンズの位置を調節する焦点調節を行って決定される前記ピント位置を決定することを特徴とする請求項５に記載の焦点調節装置。
7. 前記取得手段は、前記第１の撮像信号とは異なる画素加算および間引きを行って前記撮像手段から読み出される第３の撮像信号をさらに取得し、前記判定手段は、前記第３の撮像信号を用いて、第３の焦点評価値をさらに生成することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の焦点調節装置。
8. フォーカスレンズを含む撮影光学系と、
   前記撮影光学系で形成された被写体の光学像を撮像して撮像信号を出力する画素の配列を有する撮像手段と、
   前記画素の配列の所定方向に所定の間隔で画素加算及び間引きを行って読み出される第１の撮像信号と画素加算及び間引きを行わずに読み出される第２の撮像信号を同時に前記撮像手段から出力する読み出し手段と、
   前記第１の撮像信号および第２の撮像信号を用いて、画像のコントラストを表わす第１の焦点評価値と第２の焦点評価値をそれぞれ生成する評価値生成手段と、
   前記第１の焦点評価値および第２の焦点評価値の少なくとも一つに基づいて、前記被写体の光学像のピント状態を判定する判定手段と、
   前記前記第１の焦点評価値に基づく前記被写体の光学像のピント状態の判定に従って前記フォーカスレンズの位置を調整する焦点調節と、前記第２の焦点評価値に基づく前記被写体の光学像のピント状態の判定に従って前記フォーカスレンズの位置を調節する焦点調節を行って前記フォーカスレンズのピント位置を決定する制御手段と、
   前記制御手段が決定する前記ピント位置に従って前記フォーカスレンズを駆動する駆動手段と
   を備えることを特徴とする撮像装置。
9. 少なくとも前記判定手段の判定の結果に従って、前記フォーカスレンズの駆動速度を設定する設定手段を更に備え、前記駆動手段は、前記設定手段が設定した駆動速度で前記フォーカスレンズを駆動することを特徴とする請求項８に記載の撮像装置。
10. 前記読み出し手段は、前記第１の撮像信号とは異なる画素加算および間引きを行って読み出される第３の撮像信号を、前記第１の撮像信号および第２の撮像信号と同時に前記撮像手段から出力し、前記判定手段は、前記第３の撮像信号を用いて、第３の焦点評価値をさらに生成することを特徴とする請求項９に記載の撮像装置。
11. フォーカスレンズを含む撮影光学系で形成された被写体の光学像を撮像手段で撮像して得られた撮像信号に基づいて、前記フォーカスレンズの位置を調整する焦点調節方法において、
    画素配列の所定方向に所定の間隔で画素加算及び間引きを行って前記撮像手段から読み出した第１の撮像信号と、画素加算及び間引き処理をせずに前記撮像手段から読み出した第２の撮像信号を取得する取得ステップと、
    前記第１の撮像信号および第２の撮像信号を用いて、画像のコントラストを表わす第１の焦点評価値と第２の焦点評価値をそれぞれ生成する評価値生成ステップと、
    前記第１の焦点評価値および第２の焦点評価値の少なくとも一つに基づいて、前記被写体の光学像のピント状態を判定する判定ステップと、
    前記前記第１の焦点評価値に基づく前記被写体の光学像のピント状態の判定に従って前記フォーカスレンズの位置を調整する焦点調節と、前記第２の焦点評価値に基づく前記被写体の光学像のピント状態の判定に従って前記フォーカスレンズの位置を調節する焦点調節を行って前記フォーカスレンズのピント位置を決定する制御ステップとを備えることを特徴とする焦点調節方法。
12. 請求項１１に記載の焦点調節方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
13. 請求項１１に記載の焦点調節方法をコンピュータに実行させるためのプログラムを記憶したコンピュータが読み取り可能な記憶媒体。
14. フォーカスレンズを含む撮影光学系で形成された被写体の光学像を撮像手段で撮像して得られた撮像信号に基づいて、前記フォーカスレンズの位置を調整する焦点調節装置を制御するプログラムにおいて、
    コンピュータを、
    画素配列の所定方向に所定の間隔で画素加算及び間引きを行って前記撮像手段から読み出した第１の撮像信号と、画素加算及び間引きを行わずに前記撮像手段から読み出した第２の撮像信号を取得する取得手段、
    前記第１の撮像信号および第２の撮像信号を用いて、画像のコントラストを表わす第１の焦点評価値と第２の焦点評価値をそれぞれ生成する評価値生成手段、
    前記第１の焦点評価値および第２の焦点評価値の少なくとも一つに基づいて、前記被写体の光学像のピント状態を判定する判定手段、
    前記前記第１の焦点評価値に基づく前記被写体の光学像のピント状態の判定に従って前記フォーカスレンズの位置を調整する焦点調節と、前記第２の焦点評価値に基づく前記被写体の光学像のピント状態の判定に従って前記フォーカスレンズの位置を調節する焦点調節を行って前記フォーカスレンズのピント位置を決定する制御手段と
    として機能させるプログラム。
15. 請求項１４に記載のプログラムを記憶したコンピュータが読み取り可能な記憶媒体。

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