JP2016004145A - 光学機器および自動焦点調節方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高速かつ簡易な構成で被写体の焦点状態を検出すること【解決手段】カメラは、撮影光学系１０１の光路に挿入および退避するように構成され、透過光量を減少させる減光部材１０６の位置と被写体像における減光部材の像の情報に基づいて合焦方向を判定する合焦方向判定手段１２１を有し、合焦方向判定手段１２１が合焦方向を判定した後でＡＦを行う。【選択図】図１

Description

本発明は、カメラなどの光学機器に使用される自動焦点調節（ＡＦ）に関する。

カメラなどの光学機器には高速でＡＦを行う需要があり、このために、高速で焦点検出を行う需要がある。

一対の被写体像の信号の位相差を検出することによって焦点検出をする位相差検出方式の焦点検出（位相差ＡＦ）は知られている。例えば、特許文献１は、撮影光学系の異なる複数領域を通過する光束を時分割で選択して撮像素子に取込み、撮像素子から得られる時分割の映像データ群を比較して相関を評価し、相関値から合焦を判定するＡＦ装置を提案している。特許文献２は、２種類の撮像に対してＡＦ絞りの開口部を異なる偏心位置に設定し、各開口部を通過した光束に基づいて２種類の画像データを取得してこれらの相関をとり、相関結果に応じて合焦位置を算出するＡＦ装置を提案している。

また、撮影光学系によって形成される焦点位置と撮像素子の相対位置を変化させ、撮像素子が形成した被写体像のコントラストの極大位置を検出することによって焦点検出するコントラスト検出方式の焦点検出（コントラストＡＦ）も知られている。

特開平８−９４９２３号公報 特開平１１−３４４６６１号公報

しかしながら、特許文献１、２に開示された位相差ＡＦはデフォーカス量が大きいと相関を取りにくい。コントラストＡＦも、デフォーカス量が大きい場合には被写体像のコントラストが低くなるため、フォーカスレンズを多少移動しただけではコントラストは変化し難く、合焦方向の判定が困難になるか時間がかかる。

本発明は、高速で合焦方向を検出することが可能な光学機器および自動焦点調節方法を提案することを例示的な目的とする。

本発明の光学機器は、結像光学系を介して被写体像を取得する光学機器であって、前記結像光学系は、フォーカスレンズと、前記結像光学系の光路に挿入および前記光路から退避するように構成され、透過光量を減少させる減光部材と、を有し、前記減光部材を前記光路に挿入したときの前記減光部材の挿入位置または挿入方向と前記被写体像における前記減光部材の像の発生位置または移動方向の情報に基づいて合焦方向を判定する合焦方向判定手段と、前記合焦方向判定手段が前記合焦方向を判定した後で、前記結像光学系の光軸方向に前記フォーカスレンズを駆動させることによって自動焦点調節を行う自動焦点調節手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、高速で合焦方向を検出することが可能な光学機器および自動焦点調節方法を提供することができる。

本実施形態の撮像装置のブロック図である。 コントラストＡＦにおけるフォーカスレンズの位置と評価値の関係を示すグラフである。 射出瞳に図１に示す減光部材を挿入した場合の効果を示す図である。 図１に示す虹彩絞りと減光部材を撮像面側から見た平面図である。 図１に示す減光部材と撮像面との関係を示す斜視図である。 図５に示す構成において、撮像素子面に対して前ピン状態と後ピン状態におけるボケ画像中に現れる減光部材のケラレ画像を示す図である。 減光部材が撮像素子面に対して前ピンと後ピンで投影された状態を示す光路図である。 本実施形態のＡＦ動作を説明するためのフローチャートである。 本実施形態のＡＦ動作を説明するためのフローチャートである。

図１は、本実施形態の撮像装置１００のブロック図である。撮像装置１００は、レンズ一体型のデジタルカメラなどの光学機器であり、静止画および動画の記録が可能であるが、本発明はレンズ交換型カメラにも適用することができる。また、本発明は、自動焦点調節（ＡＦ）を行うその他の光学機器（望遠鏡、双眼鏡、携帯電話、スマートホン、監視カメラなど）にも適用することができる。

撮像装置１００は、撮影光学系１０１、撮像素子１０４、画像信号抽出手段１０７、測光手段１０８、露光量決定手段１０９、ゲイン調整手段１１０、絞り制御手段１１１、記録用画像生成手段１１２、画像記録手段１１３、焦点検出領域設定手段１１４を有する。また、撮像装置１００は、評価項目設定手段１１５、評価手段１１６、合焦判断手段１１７、フォーカス駆動手段１１８、禁止手段１１９、ボケ形状判定手段１２０、合焦方向判定手段１２１、フォーカス駆動方向設定手段１２３、表示手段１２４を更に有する。

撮影光学系１０１は、被写体の光学像（被写体像）を形成する結像光学系であり、撮像装置は撮影光学系１０１を介して被写体像を取得する。図１において、一点鎖線は撮影光学系１０１の光軸を表している。

撮影光学系１０１は、固定レンズ、ズームレンズ、虹彩絞り１０２、フォーカスレンズ１０３、減光部材１０６、補正レンズなどを有する。なお、各レンズは一または複数のレンズ群から構成されているが、便宜上、単レンズとして図１には示されている。

ズームレンズ（変倍レンズ）は、撮影光学系１０１の光軸方向に移動されて焦点距離を変更する。虹彩絞り１０２は、撮影光学系１０１の射出瞳位置に配置され、その開口径を調節することで撮像素子１０４に入射する光量を調節すると共に、静止画撮影時には露光秒時調節用シャッターとしての機能も備える。

フォーカスレンズ１０３は、撮影光学系１０１の光軸方向にフォーカス駆動手段１１８によって駆動（移動）されて焦点調節を行う。フォーカス駆動手段１１８は、ステッピングモータなどのアクチュエータを使用することができる。

減光部材１０６は、透過光量を減少させるＮＤフィルタや完全に遮光する完全遮光部材であり、撮影光学系１０１の光路に挿入および光路から退避するように減光部材駆動手段１０５によって駆動される。本実施形態では、減光部材１０６は、デフォーカス量が大きい場合の合焦方向を判定するのに使用され、光路に挿入された場合には射出瞳の一部を覆い、光路から退避された場合には光路上の光束を減光しない。

減光部材１０６は、射出瞳またはそれと共役な位置もしくはそれらの近傍に配置されることが好ましい。射出瞳に配置されることによって減光部材１０６の像の情報を得やすくなる。

減光部材１０６を従来からカメラに備わっているＮＤフィルタによって構成すれば、部材を追加することによってカメラが大型化することを防止することができる。本実施形態の減光部材１０６は射出瞳の一部を覆えば足りるので、特許文献１、２に開示された瞳分割を行う遮光部材を移動する機構よりも、構成が小型になる。

後述するように、本実施形態の減光部材１０６は、図４や図５に示す矩形部材であって、光路の一部に挿入されるが、減光部材１０６は射出瞳の全面を覆ってもよい。例えば、減光部材１０６は、透明なガラス板に図５に示すような遮光膜が形成されて光路の全面を覆ってもよい。

好ましくは、減光部材１０６は、撮影光学系１０１の光路に挿入されると射出瞳の透過光量の分布が結像光学系の光軸に対して非対称になるように減光する。本実施形態では、減光部材１０６を使用した合焦方向の判定に減光部材１０６の像の情報を使用する。減光部材１０６の像の情報は、例えば、減光部材１０６の像の位置である。例えば、図５に示す減光部材１０６の場合、図６（Ｂ）では、減光部材１０６の像ＳＨ１の位置が上側にあり、図６（Ｄ）では、減光部材１０６の像ＳＨ２の位置が下側にあることが分かる。減光部材１０６は、減光度が光軸に非対称に（グラデーションのような）分布を使用してもよい。

減光部材１０６が射出瞳の全体を一様に減光する場合には被写体像における減光部材１０６の像の位置を判別できなくなる。しかしながら、減光部材１０６の像の情報は、減光部材１０６を挿入している際の減光部材１０６の像の移動方向も含む。このため、減光部材１０６を挿入している際の減光部材１０６の像の移動方向（図６（Ｂ）、（Ｄ）の矢印の方向）が判別できれば、減光部材１０６が射出瞳の全体を一様に減光する構成であってもよい。

減光部材１０６は、矢印、星などの模様を有していてもよい。例えば、図５に示す減光部材１０６の矢印は減光部材１０６の挿入方向を表しており、実際には遮光膜に形成されていないが、このような模様が形成されていてもよい。本実施形態では、減光部材１０６の像の情報を明確に得るために、例えば、図６（Ｂ）に示す減光部材１０６が挿入された被写体像を図６（Ａ）に示す減光部材１０６が挿入されていない被写体像と比較する。しかし、減光部材１０６に特定の模様が描かれていれば、減光部材１０６の像の位置や挿入方向などの情報を図６（Ｂ）に示す被写体像のみから取得することができ、図６（Ａ）に示す画像を取得しなくてもよいので、合焦方向判別時間を短縮することができる。

補正レンズは、光軸に直交する方向に移動されて像ぶれを補正する。なお、「直交する方向」は光軸に直交する成分があれば足り、光軸に斜めに移動されてもよい。

撮像素子１０４は、Ｃ−ＭＯＳセンサやＣＣＤセンサから構成され、撮影光学系１０１が形成した光学像を光電変換する光電変換素子である。撮像素子１０４が変換したアナログ電気信号をデジタル電気信号に変換するＡ／Ｄ変換手段は、本実施形態では撮像素子１０４と一体であるが、撮像素子１０４と別体に設けられてもよい。

画像信号抽出手段１０７は、撮像素子１０４から出力される信号からノイズ除去などを行って画像信号を抽出する。画像信号抽出手段１０７によって抽出された画像信号は、測光手段１０８、記録用画像生成手段１１２、焦点検出領域設定手段１１４、ボケ形状判定手段１２０にそれぞれ供給される。

測光手段１０８は、画像信号抽出手段１０７によって抽出された画像信号から、指定されている画像領域の測光を行う。露光量決定手段１０９は、測光手段１０８による測光結果から、記録画像に適正な露光量の演算を行う。露光量決定手段１０９が決定した露光量の情報は、ゲイン調整手段１１０と絞り制御手段１１１に供給される。

記録画像が適正な露光状態になるように、ゲイン調整手段１１０は、撮像素子１０４の出力信号強度を制御し、絞り制御手段１１１は、虹彩絞り１０２の開口径を調整する。露光量決定手段１０９、ゲイン調整手段１１０および絞り制御手段１１１は、撮像素子１０４から出力される信号変化に対して最適な露光量が維持状態されるようにフィードバック制御を行うフィードバック系を構成する。

最適な露光量条件が決定された後に、画像信号抽出手段１０７からの画像信号は記録用画像生成手段１１２により記録画像が生成され、フラッシュメモリーやハードディスク等の記録媒体である画像記録手段１１３に記録される。表示手段１２４は、画像信号抽出手段１０７からの画像信号に基づいて被写体像、画像記録手段１１３に記録された画像、各種の撮影モード（動画撮影、静止画撮影など）、動作状態、命令を表す情報を表示し、液晶ディスプレイなどから構成される。表示手段１２４は、被写体像を逐次表示するライブビュー表示を行うことができる。

禁止手段１１９は、減光部材１０６が光路に挿入されている間は画像記録を禁止する信号を記録用画像生成手段１１２に送信する。これにより、減光部材１０６の像が含まれる被写体の画像が記録されることを防止することができ、撮影画像の画質劣化を防止することができる。

また、禁止手段１１９は、減光部材１０６が光路に挿入されている間は被写体像を表示することを禁止する信号を表示手段１２４に送信する。従来、ライブビュー表示を行いながら焦点検出を行う際には、撮影光学系の射出瞳の状態を大きく変化させる処理を複数回行うために表示される被写体のボケ形状や露光状態が変化して被写体像の表示品位が低下していたが、本実施形態はこの問題を解決している。

要素１１４〜１１８、１２０から１２２の要素の一以上は単一のプロセッサ（マイクロコンピュータ）として構成されて制御手段として機能してもよい。撮像装置１００は、コントラスト検出方式の焦点検出（コントラストＡＦ）を行い、ＡＦ評価値として、画像信号の被写体のエッジ成分から生成する高周波成分のコントラスト値を使用する。

焦点検出領域設定手段１１４、評価項目設定手段１１５、評価手段１１６、合焦判断手段１１７およびフォーカス駆動手段１１８は通常のコントラストＡＦ手段（自動焦点調節手段）を構成する。

焦点検出領域設定手段１１４は、画像信号抽出手段１０７からの画像信号から焦点検出を行う領域としての焦点検出領域を、アルゴリズムによって自動的に、あるいは、撮影者による手動操作によって決定する。

評価項目設定手段１１５は、被写体に合わせた焦点検出の評価項目を設定する。例えば、評価項目設定手段１１５は、画像信号にフィルタ処理を施すデジタルフィルタを設定したり（つまり、後述する特定周波数を設定したり）、画像信号に施す信号処理の内容を設定したりする。

評価手段１１６は、評価項目設定手段１１５によって設定された評価項目に従って、焦点検出領域設定手段１１４によって設定された焦点検出領域毎の評価値を求める。評価手段１１６は、評価値を閾値と比較する。また、評価手段１１６は、通常のコントラストＡＦにおいて、フォーカスレンズ１０３をウォブリング（微小駆動）し、合焦方向を判別し、合焦方向にフォーカスレンズ１０３を移動させる。

合焦判断手段１１７は、通常のコントラストＡＦにおいて、評価値の極大位置（ピーク）を合焦位置として検出し、この位置にフォーカスレンズ１０３を移動させる信号をフォーカス駆動手段１１８に送信する。

ここで、コントラストＡＦについて簡単に説明する。

撮像素子１０４によって変換された各画素の被写体像信号から特定のカラーフィルタを通した色信号や複数色信号を混在した輝度信号を生成し、焦点検出領域における特定周波数成分を撮像素子の水平または垂直方向の指定ライン信号に抽出する。特定周波数は被写体の状態に応じて設定される。

日中の屋外撮影のように、高コントラスト環境では、高周波成分を抽出する高周波フィルタ処理を行うことで微小な焦点状態の変化を把握して高精度な焦点検出を行うことができる。一方、低コントラストまたは低照度の環境では、撮像素子１０４に増感処理を行うためにセンサ固有のノイズが増長されて被写体像の画質が低下するため、低周波フィルタを使用することでノイズ成分を緩和して合焦精度を向上する。

特定周波数に変換された信号を微分して隣接画素間での信号変化量を取得し、信号変化量の最大値をスキャンされたラインにおける最大コントラスト量とする。焦点検出領域内でスキャンを行い、各ラインにおける最大コントラスト値の総ラインにおける積分を評価値として用いる。

合焦判断手段１１７は、フォーカスレンズ１０３と撮像素子１０４の相対位置を変化させてデフォーカス量を変化させながら評価値を連続的に評価手段１１６の記憶手段１１６ａから取得し、評価値が極大値を取るフォーカスレンズの位置を合焦位置と判断する。

評価手段１１６は、評価値を閾値と比較する。評価値が閾値よりも大きいと判断した場合には、通常のコントラストＡＦに移行し、ウォブリングを行って合焦方向を判別する。一方、評価手段１１６は、評価値が閾値以下であると判断した場合には、通常のコントラストＡＦでは合焦方向を判別するが困難か長時間がかかるほどデフォーカス量が大きいので、本実施形態の合焦方向判定方法を実行する。閾値は、合焦方向を判定するのに許容される最長時間に対応する。評価手段１１６は、ＥＥＰＲＯＭなどの記憶手段１１６ａを含んでいる。記憶手段は、評価手段１１６の外部に設けられてもよく、評価手段１１６が取得した評価値の情報や閾値の情報を記憶する。

合焦判断手段１１７は、合焦位置を判定した場合、現在位置から合焦位置までのフォーカスレンズ１０３の移動量を求める。合焦判断手段１１７は、未だ合焦状態を判定していない場合には、規定されたフォーカスレンズ１０３の移動量をフォーカス駆動手段１１８に送信してフォーカスレンズ１０３の移動に伴う評価値の変化を評価手段１１６から取得して合焦判断を行う。焦点検出が完了するとシャッターレリーズ動作が行われて次の撮影指示が行われるまでは待機状態となる。動画撮影モードやコンティニュアスな焦点検出モードが設定されている場合、画像信号の取り込みを持続して焦点検出とフォーカスレンズ１０３の駆動を繰り返す。

評価手段１１６によって評価値が閾値以下であると判断されると、評価手段１１６から減光部材駆動手段１０５と禁止手段１１９に信号が送信される。減光部材駆動手段１０５に送信される信号によって、減光部材駆動手段１０５は、減光部材１０６を一定時間だけ光路に挿入し、その後、光路から減光部材１０６を退避させる駆動を行う。禁止手段１１９に送信される信号によって、禁止手段１１９は、画像記録を禁止する信号を記録用画像生成手段１１２に送信し、画像表示を禁止する信号を表示手段１２４に送信する。

高速なフレームレートで画像を生成しフレーム画像の加算方式で記録画像を生成している場合においては、欠損フレーム枚数が少なければ画像が欠けた状態でフレーム加算を行ってもよい。フレームレートが低い場合や欠損枚数が多い場合には欠損状態の前後の画像から補間した画像を生成したり、画像のクローンを作成して欠損画像部分に当てはめたりしてもよい。

減光部材１０６により撮影光学系１０１の射出瞳の一部が減光された被写体像は、撮像素子１０４で撮像され、画像信号抽出手段１０７を介してボケ形状判定手段１２０に伝達される。ボケ形状判定手段１２０は、被写体像において、減光部材１０６の像の位置または挿入による移動方向を判定する。

合焦方向判定手段１２１は、減光部材１０６を光路に挿入したときの減光部材１０６の挿入位置または挿入方向の情報と減光部材１０６の像の発生位置または移動方向の情報に基づいて合焦方向を判定する。減光部材１０６の挿入方向は、例えば、図５に実線で示す射出瞳の下向きであり、挿入位置は、例えば、図５に示す射出瞳の上側である。減光部材１０６の像の発生位置は、例えば、図６（Ｂ）に示す被写体像の上側または図６（Ｄ）に示す被写体像の下側であり、減光部材１０６の像の移動方向は、例えば、図６（Ｂ）に示す下向きまたは図６（Ｄ）に示す上向きである。

減光部材１０６の挿入状態の情報は記憶手段１２２に記憶されており、合焦方向判定手段１２１は記憶手段１２２からこの情報を取得する。記憶手段１２２は、減光部材１０６から撮像素子１０４までの光路長の空気中換算距離（後述するＬＡ）の情報も記憶している。

フォーカス駆動方向設定手段１２３は、合焦方向判定手段１２１が決定した合焦方向にフォーカスレンズ１０３の駆動方向（例えば、フォーカス駆動手段１１８を構成するモータの回転方向など）を決定してフォーカス駆動手段１１８に駆動命令を送信する。そして、焦点検出領域設定手段１１４に戻って合焦動作を繰り返す。

以上により、デフォーカス量が大きい場合でも素早く合焦方向を判定してフォーカスレンズ１０３を合焦方向に駆動することができる。

次に、合焦方向判定手段１２１が行う、より具体的な合焦方向判定方法について説明する。図２は、コントラストＡＦにおけるフォーカスレンズの位置（横軸）と評価値（縦軸）の関係を示すグラフであり、評価値が極大値（ピーク）となるフォーカスレンズ１０３の位置が最良合焦位置である。デフォーカス量が小さい領域では、図２に示す特性曲線の勾配が急峻であるため、フォーカスレンズ１０３を無限側か至近側のどちらに移動させれば評価値が大きく変化し、合焦方向（現在のフォーカスレンズ位置から合焦位置への方向）の判定は比較的容易である。

しかし、図２の「無限側大ボケ範囲」と「至近側大ボケ範囲」に対応するフォーカスレンズ位置ではデフォーカス量が大きく、被写体像が大ボケ状態となり、被写体像のコントラスト値は小さくなる。しかも、実際には、これにノイズ成分が加わる。そのため、フォーカスレンズ１０３の移動に対する評価値の変化が小さく、合焦方向の判定が困難になる。

図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、被写体ＯＢＪの像が撮影光学系１０１の射出瞳近傍に配置された虹彩絞り１０２で規制された光束ＵＲにて撮影光学系１０１を通過して撮像素子１０４に結像した状態を示している。

ＩＭＧは、減光部材１０６が撮影光学系１０１の光路から退避した状態の被写体像を示し、ＩＭＧ’は、減光部材１０６が光路に挿入された状態の被写体像を示している。被写体像ＩＭＧとＩＭＧ’は撮像素子１０４の結像状態を物体側（被写体側）から見たものであり、被写体像ＯＢＪの上下左右方向の反転像となっている。

図３（Ａ）は、被写体の焦点位置が撮像素子１０４の撮像面にある合焦状態を示している。ＩＭＧは、鮮明な被写体像となっている。図３（Ａ）は合焦状態であるため、ＩＭＧ’を生成する必要はない。

図３（Ｂ）は、ピント位置が撮像素子１０４の撮像面の物体側（被写体側）にある前ピン状態を示し、図３（Ｂ）に示すフォーカスレンズ１０３は、図３（Ａ）に示すフォーカスレンズ１０３に対して像面側（撮像素子側）に位置している。

図３（Ｃ）は、ピント位置が撮像素子１０４の撮像面の物体側（被写体側）とは反対側にある後ピン状態を示し、図３（Ｃ）に示すフォーカスレンズ１０３は、図３（Ａ）に示すフォーカスレンズ１０３に対して物体側に位置している。

減光部材１０６が撮影光学系１０１の射出瞳の一部に挿入されると、光束ＵＲ’で示すように被写体像ＯＢＪは一部がボケる。なお。図３（Ｂ）、（Ｃ）の光路図は、減光部材１０６が撮影光学系１０１の射出瞳の一部分を覆ったＩＭＧ’の状態に対応している。

図４は、虹彩絞り１０２と幅Ｌを有する矩形形状の減光部材１０６が挿入された状態を撮像素子側から光軸方向に見た状態を示す図である。便宜上、減光部材１０６は完全減光部材であるものとする。

図３（Ｂ）、（Ｃ）に示す被写体像ＩＭＧ’のＬＤ１、ＬＤ２は、減光部材１０６の幅Ｌが被写体像中に現われたものである。

ここで以後に呼称する前ピン及び後ピンは、光軸上の撮像素子面位置を基準としたときに合焦を行う被写体像のピント位置が撮像素子面位置の物体側か、またはその逆かを意味するものとする。

具体的には前ピンは撮像素子面位置よりも物体側に被写体像のピント位置が有る場合を意味し、後ピンは撮像素子面位置よりも物体側と逆側に被写体像のピント位置が有る場合とする。

減光部材１０６によって本来の光束ＵＲの上側は遮光される。図３（Ｂ）では前ピン状態であるため、被写体像は、撮影光学系１０１と撮像素子１０４間で一回結像してから撮像面に投影される。

以上から、減光部材１０６が光路に挿入されたときに射出瞳の座標での挿入部分の座標象限と結像された被写体像ＩＭＧ’における減光部材１０６の像の座標象限との関係からデフォーカス状態が前ピン状態か後ピン状態かを判断することができる。

具体的には、合焦方向判定手段１２１は、光軸を原点とする光軸直交座標上で被写体像を見たときに減光部材１０６の挿入位置と反対側に減光部材１０６の像が発生した場合は前ピン状態と判断し、前ピン状態を解消する方向を合焦方向と判定する。あるいは、合焦方向判定手段１２１は、光軸を原点とする光軸直交座標上で被写体像を見たときに減光部材１０６の挿入方向と反対方向に減光部材１０６の像が移動する場合は前ピン状態と判断し、前ピン状態を解消する方向を合焦方向と判定する。

一方、合焦方向判定手段１２１は、減光部材１０６の挿入位置と同じ側に減光部材１０６の像が発生する場合は後ピン状態と判断し、後ピン状態を解消する方向を合焦方向と判定する。あるいは、合焦方向判定手段１２１は、光軸を原点とする光軸直交座標上で被写体像を見たときに減光部材１０６の挿入方向と同じ方向に減光部材１０６の像が移動する場合は後ピン状態と判断し、後ピン状態を解消する方向を合焦方向と判定する。

もちろん、合焦方向判定手段１２１は、減光部材１０６の挿入位置と減光部材１０６の像の移動方向や減光部材１０６の挿入方向と減光部材１０６の像の位置を組み合わせても合焦方向を判断することができる。

図５は、物体ＯＢＪと射出瞳上に配置される減光部材１０６と撮像素子１０４の撮像面の位置関係を簡略的に示す斜視図である。説明の便宜上、被写体ＯＢＪは暗所に配置された点光源であるものとする。

図６（Ａ）は、図５に示す構成において後ピン状態で、かつ、減光部材１０６が光路から退避している場合の被写体像ＢＯ１を示す図である。右側のＳＯ１は、Ｘ方向に撮像素子１０４の輝度信号を加算して得られる信号を表している。

図６（Ｂ）は、図５に示す構成において後ピン状態で、かつ、減光部材１０６が光路に挿入されている場合の被写体像ＢＯ１を示す図である。減光部材１０６の像内の矢印は減光部材１０６の挿入方向を示している。右側のＳ１は、Ｘ方向に撮像素子１０４の輝度信号を加算して得られる信号を表している。

図６（Ｃ）は、図５に示す構成において前ピン状態で、かつ、減光部材１０６が光路から退避している場合の被写体像ＢＯ２を示す図である。右側のＳＯ２は、Ｘ方向に撮像素子１０４の輝度信号を加算して得られる信号を表している。

図６（Ｄ）は、図５に示す構成において前ピン状態で、かつ、減光部材１０６が光路に挿入されている場合の被写体像ＢＯ２を示す図である。減光部材１０６の像内の矢印は減光部材１０６の挿入方向を示している。右側のＳ２は、Ｘ方向に撮像素子１０４の輝度信号を加算して得られる信号を表している。

図６（Ｂ）においては、減光部材１０６の像ＳＨ１によってＹ方向の輝度信号Ｓ１の上部が低下しており、これによって後ピン状態と判断することができる。図６（Ｄ）においては、減光部材１０６の像ＳＨ２によってＹ方向の輝度信号Ｓ２の下部が低下しており、これによって前ピン状態と判断することができる。

Ｘ方向のボケの中心位置を検出できる場合には、Ｙ方向１ラインだけの輝度変化を検知してもよい。また、信号変化は、一定長さに設定した輝度信号量から重心を求め、その重心位置の変化を検出することによって検出してもよい。

一般に、撮像素子１０４の信号走査はＸ方向（水平方向）であるため、上述のＸＹ座標系を反転させて減光部材１０６を横方向から挿入して水平方向の信号変化を検出してもよい。また、高速なフレームレートでの画像情報取得と上記検知手段を高速化することで減光部材１０６が挿入されている状態のケラレ画像を外部表示や記録画像から除外することが好ましい。

本実施形態によれば、従来のコントラストＡＦでは判断が困難または長時間を要した、デフォーカス量が大きい場合に合焦方向を判断することができる。

以下、更に高速な焦点検出方法について説明する。図３（Ｂ）（Ｃ）に示す被写体像ＩＭＧ’におけるＬＤ１、ＬＤ２は、撮影光学系１０１の、減光部材１０６よりも像側の光学系を介して図４に示す幅Ｌの減光部材１０６の像の幅である。そのため、減光部材１０６の幅ＬとＬＤ１やＬＤ２の比を得ることによって大まかなデフォーカス量の情報を得ることができる。

図７（Ａ）、（Ｂ）は、減光部材１０６から撮像素子１０４までの光学系を、空気中における光路長換算（ＩＮ ＡＩＲ換算）を行って図３の上から見た光路図であり、ＬＡは減光部材１０６から撮像素子１０４までの光路長の空気中換算距離である。図７（Ａ）は、図３（Ｂ）に相当するデフォーカス量ＤＥＦ＿Ｆの前ピン状態を示し、図７（Ｂ）は、図３（Ｃ）に相当するデフォーカス量ＤＥＦ＿Ｒの後ピン状態を示している。

幅Ｌの減光部材１０６は、其々幅ＬＤ１とＬＤ２のケラレ画像として撮像素子１０４に投影される。なお、本来、図３（Ｂ）、（Ｃ）は、フォーカスレンズ位置がデフォーカス状態により異なるため、ＬＡは厳密には同一値ではないが、ここでは便宜上、同一であるものとする。

減光部材１０６が撮影光学系１０１の射出瞳に挿入される座標位置と被写体像中の減光部材１０６の像の座標位置の関係からデフォーカス状態が前ピン状態か後ピン状態かを判断することができる。減光部材１０６の幅Ｌと減光部材１０６の像の幅ＬＤ１、ＬＤ２の関係は以下のようになる。

前ピン状態では、
ＬＡ：（ＬＡ−ＤＥＦ＿Ｆ）＝Ｌ：ＬＤ１ （１）
後ピン状態では、
（ＬＡ＋ＤＥＦ＿Ｒ）：ＤＥＦ＿Ｒ＝Ｌ：ＬＤ２ （２）
数式１から、ＬＡ・ＬＤ１＝Ｌ・（ＬＡ−ＤＥＦ＿Ｆ）となり、次式が得られる。

∴ ＤＥＦ＿Ｆ＝ＬＡ−（ＬＡ・ＬＤ１／Ｌ） （３）
数式２から、（ＬＡ＋ＤＥＦ＿Ｒ）・ＬＤ２＝Ｌ・ＤＥＦ＿Ｒ
となり、次式が得られる。

∴ ＤＥＦ＿Ｒ＝（ＬＡ・ＬＤ２）／（Ｌ−ＬＤ２） （４）
合焦方向と減光部材１０６の像の幅の情報に基づいて大体のデフォーカス量を算出して、この位置までフォーカスレンズ１０３を移動させることができるために高速なＡＦを行うことが可能となる。

図８Ａと図８Ｂは、本実施形態の自動焦点調節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（工程）」の略であり、コンピュータに各ステップを実行させるためのプログラムとして具現化が可能である。

ＡＦを開始すると、撮像素子１０４の出力信号から画像信号抽出手段１０７により画像信号が取り出され、評価手段１１６が評価値を取得する（Ｓ１）。即ち、画像信号抽出手段１０７が抽出した画像信号から焦点検出領域設定手段１１４により設定された焦点検出領域の画像信号が抽出され、評価項目設定手段１１５が設定した信号処理が施され、評価手段１１６が評価値を算出し、記憶手段１１６ａに記憶する。

次に、評価手段１１６は、評価値が閾値以下であるかを判断する（Ｓ２）。評価手段１１６は、評価値が閾値よりも大きいと判断すると（Ｓ２の「いいえ」）、通常のコントラストＡＦで合焦方向を判定してもそれほど時間がかからないために、Ｓ９に移行する。Ｓ９では、評価手段１１６が合焦方向を判定し、その方向にフォーカスレンズ１０３を移動させ、評価値を逐次更新して記憶手段１１６ａに保存する。また、合焦判断手段１１７が、記憶手段１１６ａから評価値の情報を取得して図２に示す極大が検出されるまで合焦方向にフォーカスレンズ１０３を微小駆動する（Ｓ１０の「いいえ」、Ｓ１２）。合焦判断手段１１７は、評価値の極大が検出されると（Ｓ１０の「はい」）、即ち、評価値が極大値を越えて再び減少すると、極大位置（合焦位置）にフォーカスレンズ１０３を戻すようにフォーカス駆動手段１１８を制御し（Ｓ１１）、ＡＦを終了する。

一方、評価手段１１６は、評価値が閾値以下であると判断すると（Ｓ２の「はい」）、通常のコントラストＡＦでは合焦方向の判定が困難か長時間かかるため、合焦方向判定方法を実行する。

即ち、評価手段１１６は、減光部材駆動手段１０５により減光部材１０６を撮影光学系１０１の射出瞳に挿入させ（Ｓ３）、被写体像を取得し（Ｓ４）、減光部材駆動手段１０５により減光部材１０６を光路から退避させる（Ｓ５）。次に、ボケ形状判定手段１２０が、Ｓ４で取得された被写体像から減光部材１０６の像の位置（光量変化位置）を検出する（Ｓ６）。この際、比較のために、Ｓ４の前に減光部材１０６の挿入前の画像や減光部材１０６の挿入状態が異なる状態の被写体像の情報を記憶手段１１６ａに記憶して比較画像との差を検出することが好ましい。

次に、合焦方向判定手段１２１が、減光部材１０６の挿入位置（または挿入方向）と被写体像における減光部材１０６の像の情報（位置や挿入方向）に基づいて合焦方向を判定する。即ち、合焦方向判定手段１２１は、減光部材１０６の挿入位置と被写体像における減光部材１０６の像の位置が同方向であるかどうかを判断する（Ｓ７）。合焦方向判定手段１２１は、同方向であれば後ピン状態と判断し、後ピン状態を解消する方向を合焦方向と判定し（Ｓ８）、逆方向であれば前ピン状態と判断し、前ピン状態を解消する方向を合焦方向と判定する（Ｓ１３）。この後で、フォーカス駆動方向設定手段１２３は、合焦方向にフォーカスレンズ１０３を所定量だけ移動させてＳ１０またはＳ１に移行してもよい。この所定量は実験的に求められた規定値であってもよい。このように、本実施形態では、合焦方向判定手段１２１が合焦方向を判定した後で（あるいは合焦方向にフォーカスレンズ１０３を駆動した後で）コントラストＡＦ手段がコントラストＡＦを行う。このため、コントラストＡＦが不能または長時間かかることを防止することができる。

減光部材１０６の像の寸法に基づいてデフォーカス量を概算する場合、評価手段１１６は、減光部材１０６の幅Ｌと減光部材１０６から撮像素子１０４までの光路長の空気中換算距離ＬＡの情報を記憶手段１２２から取得する（Ｓ１４）。なお、Ｓ１４〜Ｓ２０は評価手段１１６の代わりに合焦方向判定手段１２１が行ってもよいし、他の制御手段が行ってもよい。

次に、評価手段１１６は、被写体像における減光部材１０６の像の幅ＬＤを検出する（Ｓ１５）。次に、評価手段１１６は、前ピン状態か後ピン状態かのＳ７における判断の情報に基づいて（Ｓ１６）数式３と４のいずれかを使用してデフォーカス量を概算する（Ｓ１７、Ｓ１８）。具体的には、評価手段１１６は、Ｓ７で前ピン状態と判断された場合は数式３を使用してデフォーカス量を算出し（Ｓ１７）、Ｓ７で後ピン状態と判断された場合は数式４を使用してデフォーカス量を算出する（Ｓ１８）。

次に、評価手段１１６は、得られた合焦方向と概算デフォーカス量からフォーカスレンズ１０３の移動量を決定して（Ｓ１９）、フォーカス駆動手段１１８にフォーカスレンズ１０３を移動させる（Ｓ２０）。そして、フローはＳ１に戻る。このように、本実施形態では、合焦方向判定手段１２１が合焦方向を判定して合焦方向にフォーカスレンズ１０３を概算されたデフォーカス量だけ駆動した後でコントラストＡＦ手段がコントラストＡＦを行う。このため、コントラストＡＦが不能または長時間かかることを防止することができる。

以上、本実施形態によれば、従来のコントラストＡＦでは困難または長時間を要した、デフォーカス量が大きい場合に合焦方向を高速で判定することができ、高速なＡＦを提供することができる。

本実施形態では、ボケ形状判定手段１２０が、撮像素子１０４の出力から得られる画像信号に基づいて、被写体像における減光部材１０６の像の位置を検出している。但し、本発明が撮像装置ではない光学機器（例えば、望遠鏡や双眼鏡）に適用された場合、これは操作者が目視で行ってもよい。この場合、操作者は、減光部材の像の情報を光学機器に入力する。これに基づいて、合焦方向判定手段１２１が合焦方向を判定する。

また、本実施形態では、評価手段１１６が、Ｓ８またはＳ１３後にフォーカスレンズ１０３を所定量だけ合焦方向に移動したあと、若しくは、Ｓ２０でフォーカスレンズ１０３を移動したあとでは通常のコントラストＡＦが行われる。但し、その後に行われる焦点検出手段はコントラストＡＦ手段に限定されず、位相差ＡＦ手段であってもよい。位相差ＡＦは、一対の被写体像の像信号の位相差を検出することによって焦点検出をする方法であり、専用の焦点検出ユニットで実行されたり、撮像面に設けられた焦点検出用画素を使用して実行されたりする。位相差ＡＦはデフォーカス量が大きいと相関演算が困難になるので、本発明を適用する効果がある。

以上、本実施形態について説明したが、本発明は本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。

本発明の撮像装置は、ＡＦを行うカメラ、望遠鏡、双眼鏡、携帯電話、スマートホン、監視カメラなどに適用することができる。

１０１・・・撮影光学系（結像光学系）、１０３・・・フォーカスレンズ、１０４・・・撮像素子、１０６・・・減光部材、１１６・・・評価手段（制御手段）、１２１・・・合焦方向判定手段

Claims (15)

1. 結像光学系を介して被写体像を取得する光学機器であって、
   前記結像光学系は、フォーカスレンズと、前記結像光学系の光路に挿入および前記光路から退避するように構成され、透過光量を減少させる減光部材と、を有し、
   前記減光部材を前記光路に挿入したときの前記減光部材の挿入位置または挿入方向と前記被写体像における前記減光部材の像の発生位置または移動方向の情報に基づいて合焦方向を判定する合焦方向判定手段と、
   前記合焦方向判定手段が前記合焦方向を判定した後で、前記結像光学系の光軸方向に前記フォーカスレンズを駆動させることによって自動焦点調節を行う自動焦点調節手段と、
   を有することを特徴とする光学機器。
2. 前記合焦方向判定手段によって判定された前記合焦方向に前記フォーカスレンズを駆動させる制御手段を更に有し、
   前記制御手段が前記フォーカスレンズを駆動した後で前記自動焦点調節手段が自動焦点調節を行うことを特徴とする請求項１に記載の光学機器。
3. 前記減光部材は、前記結像光学系の射出瞳またはそれと共役な位置の近傍に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の光学機器。
4. 前記減光部材は、前記透過光量の分布を前記結像光学系の光軸に対して非対称にすることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の光学機器。
5. 前記減光部材には、模様が描かれていることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の光学機器。
6. 前記減光部材は、前記結像光学系の前記光路の一部に挿入されることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の光学機器。
7. 前記被写体像を光電変換する撮像素子を更に有し、
   前記制御手段は、前記撮像素子から得られる画像信号のコントラストの評価値が閾値以下である場合に、前記合焦方向判定手段に前記合焦方向を判定させることを特徴とする請求項２に記載の光学機器。
8. 前記合焦方向判定手段は、前記結像光学系の光軸を原点とする光軸直交座標上で前記被写体像を見たときに前記減光部材の挿入位置と反対側に前記減光部材の前記像が発生した場合は撮像素子面に対して前ピン状態を解消する方向を前記合焦方向と判定し、前記減光部材の挿入位置と同じ側に前記減光部材の前記像が発生した場合は後ピン状態を解消する方向を前記合焦方向と判定することを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の光学機器。
9. 前記合焦方向判定手段は、前記結像光学系の光軸を原点とする光軸直交座標上で前記被写体像を見たときに前記減光部材の挿入方向と反対側に前記減光部材の前記像が移動する場合は撮像素子面に対して前ピン状態を解消する方向を前記合焦方向と判定し、前記減光部材の挿入方向と同じ側に前記減光部材の前記像が移動する場合は後ピン状態を解消する方向を前記合焦方向と判定することを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の光学機器。
10. 前記被写体像を光電変換する撮像素子と、
    前記撮像素子から得られる画像信号に基づいて前記被写体像を表示する表示手段と、
    前記減光部材が前記光路に挿入されている間は前記被写体像を表示することを禁止する信号を前記表示手段に送信する禁止手段と、
    を更に有することを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれか１項に記載の光学機器。
11. 前記被写体像を光電変換する撮像素子と、
    前記撮像素子から得られる画像信号に基づいて前記被写体像を記録するする画像記録手段と、
    前記減光部材が前記光路に挿入されている間は前記被写体像が前記画像記録手段に記録されることを禁止する信号を前記画像記録手段に送信する禁止手段と、
    を更に有することを特徴とする請求項１乃至１０のうちいずれか１項に記載の光学機器。
12. 前記被写体像を光電変換する撮像素子と、
    前記合焦方向、前記減光部材の寸法、前記減光部材の前記像の寸法、前記減光部材から前記撮像素子までの光路長の空気中換算距離の情報に基づいてデフォーカス量を概算する手段と、
    を更に有し、
    前記制御手段は、前記フォーカスレンズを、概算された前記デフォーカス量だけ前記合焦方向に駆動させることを特徴とする請求項２に記載の光学機器。
13. 前記被写体像を光電変換する撮像素子を更に有し、
    前記自動焦点調節手段は、前記撮像素子から得られる画像信号のコントラストの評価値が極大となる位置を検出することによって焦点検出を行うことを特徴とする請求項１乃至１２のうちいずれか１項に記載の光学機器。
14. 前記自動焦点調節手段は、一対の被写体像の像信号の位相差を検出することによって焦点検出を行うことを特徴とする請求項１乃至１２のうちいずれか１項に記載の光学機器。
15. 結像光学系を介して被写体像を取得する光学機器に使用され、コンピュータによって実行される自動焦点調節方法であって、
    前記結像光学系は、フォーカスレンズと、前記結像光学系の光路に挿入および前記光路から退避するように構成され、透過光量を減少させる減光部材と、を有し、
    前記減光部材を前記光路に挿入したときの前記減光部材の挿入位置または挿入方向と前記被写体像における前記減光部材の像の発生位置または移動方向の情報に基づいて合焦方向を判定するステップと、
    前記ステップが前記合焦方向を判定した後で、前記結像光学系の光軸方向に前記フォーカスレンズを駆動させることによって自動焦点調節を行うステップと、
    を有することを特徴とする自動焦点調節方法。