JP2021086139A

JP2021086139A - 制御装置およびその制御方法

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Publication number: JP2021086139A
Application number: JP2019217577A
Authority: JP
Inventors: 遥平松井; Yohei Matsui
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2019-11-29
Filing date: 2019-11-29
Publication date: 2021-06-03
Anticipated expiration: 2039-11-29
Also published as: JP7433868B2

Abstract

【課題】動体へのフォーカスレンズ駆動中に合焦状態をより維持させることができる制御装置及びその制御方法。【解決手段】被写体のデフォーカス量を算出する焦点検出手段と、レンズの位置に関する情報を取得する取得手段と、前記デフォーカス量、前記レンズの位置に関する情報及び時刻、のデータを記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶した複数の焦点検出結果に基づいて算出される被写体の像面速度に基づいて、レンズの駆動速度の上限値・下限値を設定する。【選択図】図４

Description

本発明は、焦点調節機能を有する電子スチルカメラなどが有するフォーカスレンズの駆動に関するものである。

デジタルカメラ等の撮像装置には、被写体像を撮像するための撮像素子からの出力信号を用いて位相差検出方式による焦点検出を行うものがある。また、位相差検出方式による焦点検出の結果を用いて、移動している被写体に対してピントを合わせるためのフォーカスレンズ駆動制御に関する技術が知られている。特許文献１で開示されている撮像装置では、被写体像面速度を演算し、被写体像面速度に相関する補正量を算出する。この補正量を、位相差検出方式によって検出された最新のデフォーカス量に加算して追尾サーボのためのフォーカスレンズ駆動量を算出し、フォーカスレンズの実際の移動量を検出する。そして、フォーカスレンズ駆動量とフォーカスレンズの実際の移動量に従って、フォーカスレンズを合焦位置に駆動させるサーボ駆動を行う。撮像素子が有する光電変換素子の蓄積とサーボ駆動とを次々とオーバラップさせて行う。

特開平４−１３３０１６号公報

特許文献１にて開示された方法では、被写体像面速度の算出はデフォーカス量の補正に利用しており、レンズ駆動は当該デフォーカス量に基づくフォーカスレンズ駆動量に従ってサーボ駆動を実施している。このようにあくまでフォーカスレンズ駆動量に従ってフォーカスレンズを駆動させる構成では、フォーカスレンズ駆動量に依存してフォーカスレンズの駆動速度が変わってしまう。このため、動体にピントが合わせるためのフォーカスレンズ駆動中に、合焦状態を維持するのが難しい場合があった。そこで本発明は、動体へのフォーカスレンズ駆動中に合焦状態をより維持させることができる制御装置及びその制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、被写体のデフォーカス量を算出する焦点検出手段と、レンズの位置に関する情報を取得する取得手段と、前記デフォーカス量、前記レンズの位置に関する情報及び時刻、のデータを記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶した複数の前記データに基づいて被写体の将来の像面位置を予測する予測手段と、前記像面位置を基に、レンズの駆動量を算出する第１の算出手段と、前記駆動量を基に、レンズの駆動速度を算出する第２の算出手段と、前記第２の算出手段によって算出された駆動速度でレンズの駆動の制御を行っている際、前記記憶手段に記憶した複数の前記データに基づいて算出される被写体の像面速度に基づいてレンズの駆動速度の上限に対応する第１の値と下限に対応する第２の値を設定する第３の算出手段と、を有し、前記第３の算出手段によって算出された前記第１の値および前記第２の値に基づいてレンズ駆動速度を制限するよう構成したことを特徴とする。

本発明によれば、動体へのフォーカスレンズ駆動中に合焦状態をより維持させることができる。

レンズ交換式カメラシステムのブロック図サーボモード処理のフローチャート図焦点検出処理のフローチャート図フォーカスレンズ駆動速度算出のフローチャート図像面位置の履歴と像面予測位置の図被写体の像面速度と制限速度の関係図被写体の像面速度と制限速度の関係図２フォーカスレンズ駆動速度算出のフローチャート図２レンズ駆動速度の履歴

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る制御装置の一例としてのレンズ交換式カメラ（撮像装置とも称する）の機能構成例を示すブロック図である。

本実施形態の撮像装置は交換可能なレンズユニット１０及びカメラ本体２０から構成されている。レンズ全体の動作を統括制御するレンズ制御部１０６と、レンズユニット１０を含めたカメラシステム全体の動作を統括するカメラ制御部２１２とは、レンズマウントに設けられた端子を通じて相互に通信可能である。

まず、レンズユニット１０の構成について説明する。固定レンズ１０１、絞り１０２、フォーカスレンズ１０３は撮影光学系を構成する。絞り１０２は、絞り駆動部１０４によって駆動され、後述する撮像素子２０１への入射光量を制御する。フォーカスレンズ１０３はフォーカスレンズ駆動部１０５によって駆動され、フォーカスレンズ１０３の位置に応じて撮像光学系の合焦距離が変化する。絞り駆動部１０４、フォーカスレンズ駆動部１０５はレンズ制御部１０６によって制御され、絞り１０２の開口量や、フォーカスレンズ１０３の位置を決定する。

レンズ操作部１０７は、ユーザがレンズユニット１０の動作に関する設定を行うための入力デバイス群であり、例えば次の入力デバイスを含む。ＡＦ（オートフォーカス）／ＭＦ（マニュアルフォーカス）モードの切り替え、ＭＦによるフォーカスレンズの位置調整、フォーカスレンズの動作範囲設定、手ブレ補正モードの設定など。レンズ操作部１０７が操作された場合、レンズ制御部１０６が操作に応じた制御を行う。

レンズ制御部１０６は、後述するカメラ制御部２１２から受信した制御命令や制御情報に応じて絞り駆動部１０４やフォーカスレンズ駆動部１０５を制御し、また、レンズ制御情報をカメラ制御部２１２に送信する。

次に、カメラ本体２０の構成について説明する。カメラ本体２０はレンズユニット１０の撮影光学系を通過した光束から撮像信号を取得できるように構成されている。

撮像素子２０１はＣＣＤやＣＭＯＳセンサにより構成される。レンズユニット１０の撮影光学系から入射した光束は撮像素子２０１の受光面上に結像し、撮像素子２０１に配列された画素に設けられたフォトダイオードにより、入射光量に応じた信号電荷に変換される。各フォトダイオードに蓄積された信号電荷は、カメラ制御部２１２の指令に従ってタイミングジェネレータ２１４が出力する駆動パルスより、信号電荷に応じた電圧信号として撮像素子２０１から順次読み出される。

本実施形態で用いられる撮像素子２０１の各画素は、２つ（一対）のフォトダイオードＡ、Ｂとこれら一対のフォトダイオードＡ、Ｂに対して設けられた１つのマイクロレンズとより構成されている。各画素は、入射する光をマイクロレンズで分割して一対のフォトダイオードＡ、Ｂ上に一対の光学像を形成し、該一対のフォトダイオードＡ、Ｂから後述するＡＦ用信号に用いられる一対の画素信号（Ａ信号およびＢ信号）を出力する。また、一対のフォトダイオードＡ、Ｂの出力を加算することで、撮像用信号（Ａ＋Ｂ信号）を得ることができる。

複数の画素から出力された複数のＡ信号はＡ信号同士、複数のＢ信号はＢ信号同士でそれぞれ合成する。これによって、撮像面位相差検出方式によるＡＦ（以下、撮像面位相差ＡＦという）に用いられるＡＦ用信号（言い換えれば、焦点検出用信号）としての一対の像信号が得られる。後述するＡＦ信号処理部２０４は、該一対の像信号に対する相関演算を行って、これら一対の像信号のずれ量である位相差（以下、像ずれ量という）を算出し、さらに該像ずれ量から撮影光学系のデフォーカス量（およびデフォーカス方向）を算出する。

ＣＤＳ／ＡＧＣ／ＡＤコンバータ２０２は、撮像素子２０１から読み出されたＡＦ用信号および撮像用信号に対して、リセットノイズを除去するための相関二重サンプリング、ゲイン調節およびＡＤ変換を行う。該コンバータ２０２は、これらの処理を行った撮像用信号およびＡＦ用信号をそれぞれ、画像入力コントローラ２０３およびＡＦ信号処理部２０４に出力する。

画像入力コントローラ２０３は、コンバータ２０２から出力された撮像用信号をバス２１を介してＳＤＲＡＭ２０９に画像信号として格納する。ＳＤＲＡＭ２０９に格納された画像信号は、バス２１を介して表示制御部２０５によって読み出され、表示部２０６に表示される。また、画像信号の記録を行う録画モードでは、ＳＤＲＡＭ２０９に格納された画像信号は記録媒体制御部２０７によって半導体メモリ等の記録媒体２０８に記録される。

ＲＯＭ２１０には、カメラ制御部２１２が実行する制御プログラムや処理プログラムおよびこれらの実行に必要な各種データ等が格納されている。フラッシュＲＯＭ２１１には、ユーザにより設定されたカメラ２０の動作に関する各種設定情報等が格納されている。

焦点検出装置としてのＡＦ信号処理部２０４は、コンバータ２０２から出力されたＡＦ用信号である一対の像信号に対して相関演算を行い、これら一対の像信号の像ずれ量や信頼性を算出する。信頼性は二像一致度と相関変化量の急峻度を用いて算出される。また、ＡＦ信号処理部２０４は、撮像画面内で焦点検出およびＡＦを行う領域である測距領域の位置および大きさの設定を行う。ＡＦ信号処理部２０４は、測距領域で算出した像ずれ量（検出量）および信頼性の情報をカメラ制御部２１２に出力する。

カメラ制御部２１２内のＡＦ制御部２１２１は、換算したデフォーカス量に基づいて焦点位置を移動させるようにレンズ制御部１０６に指示を行う。さらに動き判定部２１２２は、記憶部２１２３がメモリ回路２１５に記憶させた撮影時刻とデフォーカス量から算出した被写体像面位置をもとに動き判定を行う。ＡＦ制御部２１２１は、将来の像面位置を、予測部２１２４を用いて予測し、フォーカスレンズ１０３が予測した像面位置に来るために必要なレンズ駆動量を算出し、レンズ制御部１０６に指示を行う。

カメラ制御部２１２は、カメラ本体２０内の各部と情報をやり取りしながらこれらを制御する。また、カメラ制御部２１２は、ユーザ操作に基づくカメラ操作部２１３からの入力に応じて、電源のＯＮ／ＯＦＦ、各種設定の変更、撮像処理、ＡＦ処理、記録画像の再生処理等、ユーザ操作に対応する様々な処理を実行する。さらに、カメラ制御部２１２は、レンズユニット１０（レンズ制御部１０６）に対する制御命令やカメラ本体２０の情報をレンズ制御部１０６に送信したり、レンズユニット１０の情報をレンズ制御部１０６から取得したりする。カメラ制御部２１２は、マイクロコンピュータにより構成され、ＲＯＭ２１０に記憶されたコンピュータプログラムを実行することで、交換レンズ１０を含むカメラシステム全体の制御を司る。

カメラ制御部２１２は、ＡＦ信号処理部２０４にて算出された測距領域での像ずれ量を用いてデフォーカス量を算出し、該デフォーカス量に基づいてレンズ制御部１０６を通じてフォーカスレンズ１０３の駆動を制御する。

以下、カメラ本体２０で行われる処理について説明する。カメラ制御部２１２は、コンピュータプログラムである撮像処理プログラムに従って以下の処理を行う。

図２はカメラ本体２０の撮影処理、特にＡＦ制御部２１２１で行われるサーボモードにおける処理を示すフローチャートである。Ｓはステップを意味する。

初めに、カメラ制御部２１２はＳ２０１において、ＳＷ１（撮影開始スイッチ）の状態を判定し、スイッチオン状態であればＳ２０２に移行し、スイッチオフ状態であればサーボモード処理を終了する。

Ｓ２０２では焦点検出処理を行う。処理の詳細については図３を用いて後述する。

Ｓ２０３では動体判定処理を行う。処理の詳細については省略するが、メモリ回路２１５に記憶させた撮影時刻とデフォーカス量から算出した被写体像面位置が連続的に所定量以上変化しているか、などの判定方法がある。

Ｓ２０４では、Ｓ２０３の動体判定処理による結果が動体であったかどうかを判定し、動体であった場合Ｓ２０５へ進み、そうでなかった場合Ｓ２０６へ進む。

Ｓ２０５では、記憶部２１２３によってメモリ回路２１５に記憶された、撮影時刻とデフォーカス量から算出した被写体像面位置を用いて予測演算処理を行い、将来の像面位置を算出する。予測方法の詳細については省略するが、公知の予測方法を用いることができる。また、２次曲線を予測関数としてもよいし、最新の２点だけを求めて１次曲線によって予測してもよい。さらには、最小二乗法によって式（１）に示すような予測式ｆ（ｔ）を統計演算によって求めてもよい。
ｆ（ｔ）＝α＋βｔ＋γｔｎ・・・式（１）

Ｓ２０６では合焦状態か否かの判定を行い、合焦状態であった場合Ｓ２０１へ進み、合焦状態でなかった場合Ｓ２０７へ進む。

Ｓ２０７では焦点検出処理が終了したかどうかの判定を行い、終了と判定された場合サーボモードの処理を終了し、終了でない場合Ｓ２０８へ進む。焦点検出処理を終了したかどうかの判定の例としては、フォーカスレンズが駆動可能な範囲の全域をスキャンしたなど、これ以上フォーカスレンズを動かしても合焦状態とならないと判断された場合がある。

Ｓ２０８では、Ｓ２０５で算出された像面位置を基に、現在のレンズの像面位置との差分を算出して、レンズの駆動量を算出する。

Ｓ２０９では、被写体の像面位置にレンズの像面位置を合わせるようにレンズ駆動するため、Ｓ２０８で算出されたレンズの駆動量から、レンズ駆動時間で除算することにより、レンズの駆動速度を算出する。速度算出方法の詳細については図４を用いて後述する。

Ｓ２１０では、Ｓ２０８で算出されたレンズの駆動量、及びＳ２０９で算出されたレンズの駆動速度を指定してレンズ駆動制御を行う。

次に、焦点検出処理の動作の一例を、図３のフローチャートに基づいて説明する。

初めに、ＡＦ信号処理部２０４は、撮像素子２０１における測距領域に含まれる複数の画素からＡＦ用信号としての一対の像信号を取得する（Ｓ３０１）。次に、ＡＦ信号処理部２０４は、取得した一対の像信号を１画素（１ビット）ずつ相対的にシフトさせながらこれら一対の像信号の相関量を算出する（Ｓ３０２）。続いて、ＡＦ信号処理部２０４は、Ｓ３０２で算出した相関量から相関変化量を算出する（Ｓ３０３）。次に、ＡＦ信号処理部２０４は、Ｓ３０３で算出した相関変化量を用いて像ずれ量を算出する（Ｓ３０４）。

次に、ＡＦ信号処理部２０４は、Ｓ３０４で算出された測距領域の像ずれ量を用いて該測距領域のデフォーカス量を算出する（Ｓ３０５）。そして、Ｓ３０６において、得られた焦点検出情報をメモリ回路２１５に記憶する。ここでは、各焦点検出領域のデフォーカス量と撮影時刻を記憶する。

次に、フォーカスレンズ駆動速度算出について、図４のフローチャートと図５を用いて説明する。図５は、時刻ｔ_ｉ〜ｔ_ｉ―５に取得された像面位置ｐ_ｉ〜ｐ_ｉ−５に基づいて算出された予測式によって、将来の時刻ｔ_ｉ＋１における像面予測位置ｐ_ｉ＋１を示したものである。

初めに、Ｓ４０１でＳ２０８において算出したレンズの駆動量Ｄを取得する。次に、Ｓ４０２でレンズ駆動時刻Ｔ_Ｄｉｆを取得する。Ｓ４０３ではＳ４０１で取得したレンズ駆動量とＳ４０２で取得したレンズ駆動時間から、レンズ駆動速度Ｖ_Ｌｅｎｓを算出する。図５の例では、Ｄ＝ｐ_ｉ＋１―ｐ_ｉ、Ｔ_Ｄｉｆ＝ｔ_ｉ＋１―ｔ_ｉ、Ｖ_Ｌｅｎｓ＝Ｄ／Ｔ_Ｄｉｆとなる。ちなみに、各像面位置の取得時にレンズが動き続けているような場合には、Ｔ_Ｄｉｆ＝ｔ_ｉ＋１―ｔ_ｉ´（ｔ_ｉ＜ｔ_ｉ´）となる。（ｔ_ｉ´はフォーカスレンズ駆動速度を算出している現在時刻に相当する）

次に、Ｓ４０４で被写体の像面速度Ｖを取得し、Ｓ４０５で像面速度Ｖに基づく制限速度Ｖ_Ｍａｘ、Ｖ_Ｍｉｎをそれぞれ算出する。
Ｖ_Ｍａｘ＝αＶ（α＞１）・・・式（２）
Ｖ_Ｍｉｎ＝βＶ（β＜１）・・・式（３）

ある時刻ｔに算出された像面速度Ｖに基づいて算出される制限速度Ｖ_Ｍａｘ、Ｖ_Ｍｉｎの関係を図６に示す。また、係数α、βの比率は、±２０％のように揃えてもよいし、α＝１５０％、β＝８０％のように異ならせてもよい。更に、図７に示すように、ある像面速度Ｖ_ｔｈを境に、αやβの数値を変更してもよい。また、Ｖ_ｔｈを複数備えて、αやβの数値を段階的に変更してもよい。

Ｓ４０６では、Ｓ４０３で算出したレンズ駆動速度Ｖ_Ｌｅｎｓと、Ｓ４０５で算出したＶ_Ｍａｘ、Ｖ_Ｍｉｎを比較する。比較した結果、制限速度以内に収まっているのであれば、Ｓ２１０においてＶ_Ｌｅｎｓをそのままレンズ駆動速度として設定し、収まっていないのであれば、制限速度Ｖ_ＭａｘまたはＶ_Ｍｉｎをレンズ駆動速度として設定する。

以上がフォーカスレンズの駆動速度の算出方法であるが、このような簡易的な方法で駆動速度を制限すると、被写体などの条件によってはピントの追従性を損なう可能性がある。

それらの影響を軽減するためのより制御的に優れる算出方法について、図８を用いて説明する。図４で説明した部分を同様の処理については説明を割愛する。

Ｓ８０４では至近方向に移動している被写体かどうかを判定し、そうであれば、Ｓ８０４へ進み、そうでなければ処理を終了する。

Ｓ８０６では被写体の像面速度が所定以上かどうかを判定し、所定以上であればＳ８０７へ進み、そうでなければ処理を終了する。

Ｓ８０７では、過去のレンズ駆動速度の履歴から、現在、レンズが加減速中かどうかの判定を行う。図９を例にすると、Ｖ１にかけての区間は加速中、Ｖ１〜Ｖ２にかけての区間は減速中、Ｖ２〜Ｖ３にかけての区間は加速中となる。この結果に応じて、加速中と判断された場合には上限値のみを設定することができる。また、減速中と判断された場合には下限値のみを設定することができる。加速中に算出された上限値が前回のレンズ駆動速度よりも小さいため、その制限速度でレンズを制御した場合、減速に転じてしまうような場合には、速度制限を行わないことも可能である。

また、図９に示すレンズ駆動速度の履歴において、判定を追加することも可能である。例えばＶ３を最新のレンズ駆動速度とした場合、最新のレンズ駆動速度を除く履歴の中から極大値Ｖ１と極小値Ｖ２を求める。また、加速区間の差分値Ｄｉｆ２が、極値の差分Ｄｉｆ１の所定割合以上の場合に制限を行う。

以上の加減速の判定結果を踏まえ、Ｓ８０８では速度制限を行うかどうかを判断し、行うのであればＳ８０９へ進み、行わないのであれば処理を終了する。

以上説明したように、本発明によれば、上記のような制御を行うことで、レンズのハンチング現象を防止し、安定的かつ応答性に優れた自動焦点調整動作を提供することが可能となる。

１０３フォーカスレンズ
１０５フォーカスレンズ駆動部
１０６レンズ制御部
２０カメラ本体
２０４ＡＦ信号処理部
２１２カメラ制御部
２１２１ＡＦ制御部
２１２２動き判定部
２１２３記憶部
２１２４予測部

Claims

被写体のデフォーカス量を算出する焦点検出手段と、レンズの位置に関する情報を取得する取得手段と、
前記デフォーカス量、前記レンズの位置に関する情報及び時刻、のデータを記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に記憶した複数の前記データに基づいて被写体の将来の像面位置を予測する予測手段と、
前記像面位置を基に、レンズの駆動量を算出する第１の算出手段と、
前記駆動量を基に、レンズの駆動速度を算出する第２の算出手段と、
前記第２の算出手段によって算出された駆動速度でレンズの駆動の制御を行っている際、
前記記憶手段に記憶した複数の前記データに基づいて算出される被写体の像面速度に基づいてレンズの駆動速度の上限に対応する第１の値と下限に対応する第２の値を設定する第３の算出手段と、を有し、
前記第３の算出手段によって算出された前記第１の値および前記第２の値に基づいてレンズ駆動速度を制限することを特徴とする制御装置。
前記第１の値および前記第２の値に基づくレンズ駆動速度の制御は、前記被写体の像面速度が所定以上の場合にのみ行うことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
前記第１の値および前記第２の値に基づくレンズ駆動速度の制御は、被写体の移動の方向が至近方向の場合のみ行うことを特徴とする請求項１または２に記載の制御装置。
前記第１の値および前記第２の値が前記像面速度に基づく割合は、前記第１の値と前記第２の値とで異なることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の制御装置。
前記レンズ駆動速度の履歴から、レンズ駆動速度が加速しているか減速しているかを判断し、加速していると判断された場合は前記第１の値を設定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の制御装置。
前記レンズ駆動速度の履歴から、レンズ駆動速度が加速しているか減速しているかを判断し、減速していると判断された場合は前記第２の値を設定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の制御装置。
制御装置の制御方法であって、
被写体のデフォーカス量を算出する焦点検出ステップと、
レンズの位置に関する情報を取得する取得ステップと、
前記デフォーカス量、前記レンズの位置に関する情報及び時刻、のデータを記憶する記憶ステップと、
前記記憶手段に記憶した複数の前記データに基づいて被写体の将来の像面位置を予測する予測ステップと、
前記像面位置を基に、レンズの駆動量を算出する第１の算出ステップと、
前記駆動量を基に、レンズの駆動速度を算出する第２の算出ステップと、
前記第２の算出手段によって算出された駆動速度でレンズの駆動の制御を行っている際、前記記憶手段に記憶した複数の前記データに基づいて算出される被写体の像面速度に基づいてレンズの駆動速度の上限に対応する第１の値と下限に対応する第２の値を設定する第３の算出ステップと、を有し、
前記第３の算出ステップによって算出された前記第１の値および前記第２の値に基づいてレンズ駆動速度を制限するステップを更に有することを特徴とする制御装置の制御方法。