JP3544463B2 - 合焦装置および合焦装置を備えた画像読み取り装置 - Google Patents
合焦装置および合焦装置を備えた画像読み取り装置 Download PDFInfo
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、イメージセンサを用いて被写体を二次元的に読み取る画像読み取り装置に関し、より詳細には画像読み取り装置において結像レンズを合焦位置に移動させるための合焦装置および該合焦装置を備えた画像読み取り装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、ライン状に画素が配列されたイメージラインセンサを、画素が配列されている方向と垂直な方向に移動させることにより、被写体を二次元的に走査して画像を読み取るカメラ型の画像読み取り装置が知られている。この様な画像読み取り装置の読み取り対象となる被写体は一般に画像読み取り装置との距離が不定である。この様な、被写体距離が固定されない画像読み取り装置では、結像レンズを移動させてピントを合わせるために、被写体距離に関する何らかの情報が必要とされる。
【0003】
フィルムカメラには一般にオートフォーカス機構が設けられている。オートフォーカス機構は、赤外線の反射を用いて被写体距離を検出するアクティブ方式の検出手段や、被写体像の位相差やコントラストの分布を検出することによりピントずれを検出するパッシブ方式の検出手段を備えている。そして、検出手段により検出された被写体距離の被写体に合焦する位置に結像レンズを移動し、あるいは検出された位相差やコントラスト分布に基づいて、ピントずれが解消する位置に結像レンズを移動させている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従来の画像読み取り装置では、撮影用の結像系およびイメージセンサを用いて上記の位相差やコントラスト分布に基づいて被写体距離に関する情報を検出することは難しく、アクティブ方式、パッシブ方式のいずれの方式を採用するにしても、撮影用の結像系およびイメージセンサとは別個に設けられた検出手段を用いて被写体距離に関する情報を検出していた。しかし、従来の画像読み取り装置においては、被写体距離に関する情報を検出するための検出手段を撮影用の結像系とが別に設られるため、これが装置の筺体の小型化を阻む大きな要因となっていた。
【0005】
この発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。イメージセンサを用いた画像読み取り装置では、撮影のための結像系をパッシブ方式の検出系としても利用することができれば装置の小型化が可能となる。このため、本発明は、フィルムカメラ用のパッシブ方式の検出手段とは異なる検出手段を採用することにより、撮影用のイメージセンサを被写体に対する合焦の検出にも兼用して、画像読み取り装置全体の小型化を可能とする合焦装置、および該合焦装置を備えた画像読み取り装置を提供することを目的とする。
【0006】
このため、本発明の合焦装置は、被写体像を形成する結像レンズと、前記結像レンズにより形成された被写体像の一次元的な画像情報を電子的に読み取るための複数の画素がライン状に配置されたライン型イメージセンサと、前記イメージセンサに対して前記結像レンズを所定の移動範囲で相対的に移動させるレンズセンサ間距離変更手段と、前記複数の画素のうち所定範囲に配置された画素のそれぞれにおいて、前記一次元的な画像情報の輝度勾配を検出するコントラスト情報検出手段と、前記レンズセンサ間距離変更手段を制御して前記相対距離を前記所定の移動範囲で順次変更しつつ前記コントラスト検出手段の出力を繰り返し検知して、前記輝度勾配が最大となる画素の位置およびその時の前記結像レンズの前記イメージセンサに対する相対位置を検出するレンズ位置検出手段と、前記輝度勾配が最大となる前記結像レンズの前記イメージセンサに対するレンズ位置を前記結像レンズの合焦位置として設定する合焦位置設定手段と、を備えることを特徴としている(請求項1)。
【0007】
上記構成によれば、結像レンズのすべての移動範囲において、イメージセンサの合焦検出に用いる全ての画素について輝度の傾きを検出し、その最大値に対応するレンズ−センサ間距離を合焦位置として設定するため、被写体を照明する光にちらつきがあっても、その影響を抑えることができ、正確な合焦位置を検出することが可能になる。
【0008】
なお、前記レンズセンサ間距離変更手段は、イメージセンサの位置を固定して、結像レンズのみを光軸方向に移動させる構成とすることができる(請求項2)。
ここで、前記レンズセンサ間距離変更手段は、前記結像レンズを可動範囲の一方側の第1の端点から他方側の第2の端点に向けて所定のピッチで移動させる構成とすることが可能である(請求項3)。この時、前記第1の端点は前記結像レンズが近接した被写体に合焦する位置であり、前記第2の端点側は前記結像レンズが遠方の被写体に合焦する位置とすることができる(請求項4)。
【0009】
なお、前記コントラスト検出手段は、前記所定範囲に配置された画素のそれぞれについて、当該画素およびそれに隣接する2画素が示す輝度値が単調増加もしくは単調減少している場合に、前記隣接する2画素の輝度値の差を前記輝度勾配として検出することを特徴ととしている(請求項5)。すなわち、隣接する3画素の輝度値のうち中央の画素の輝度値が最大値または最小値となっている場合には、当該画素に関しての輝度勾配データを生成せず、合焦判定のデータから排除している。
【0010】
前記レンズ位置検出手段は、前記レンズセンサ間距離を初期値から現在の位置まで連続的に変更して得られた前記輝度勾配の絶対値の大きい所定数の画素についてその画素と前記レンズの相対位置とを記憶する勾配データ記憶手段を有し、前記レンズが前記所定の移動範囲を相対移動した後に、前記勾配データ記憶手段に格納されているデータ中最も輝度勾配が大きいデータが示すレンズ位置を検出するよう構成されている(請求項6)。
上記の構成により、すべての走査における検出値を格納する記憶領域は必要なくなり、前回の走査による検出値と今回の検出値とを格納する記憶領域を用いて全ての走査における検出値を比較することができる。
【0011】
さらに、本発明の、画像読み取り装置は、上記に記載の合焦装置と、前記被写体と前記結像レンズとの間に設けられ、前記イメージセンサの画素配列方向とほぼ平行な回動軸回りに回動することにより前記イメージセンサ上に前記被写体像を走査させ、前記イメージセンサに前記被写体像の二次元的な画像情報を読み取らせる走査ミラーと、前記二次元的な画像情報を処理する画像処理装置と、
を備えることを特徴としている(請求項7)。
【0012】
従って、イメージセンサを画像の読み取りと合焦処理に兼用することが可能となり、装置の小型化に寄与する。
【0013】
ここで、前記合焦装置は、前記走査ミラーを所定の基準走査位置に位置させた状態で動作するように構成することができる(請求項8)。画像読み取り装置の被写体の読み取り対象の中心となる部分は、ほぼいつも走査領域のなかの所定の位置に位置すると考えられる。このため、上記走査領域中の所定の位置の画像がイメージセンサに投影されるような位置(基準位置)に走査ミラーを位置させることにより、被写体に対して好適な合焦状態を得ることができる。
【0014】
この場合、一般的には、前記基準走査位置は、前記イメージセンサが読み取る前記被写体像の二次元的な画像のほぼ中央の位置となるようなミラー位置とすることができる(請求項9)。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる画像読み取り装置の実施形態としてカメラ型スキャナを説明する。
【0016】
図1は、実施形態のカメラ型スキャナ1(以下スキャナ1と略す)の概略構成を示す斜視図である。スキャナ1は、複数の受光素子がライン状に配列されたモノクロのライン型CCDセンサであるイメージセンサ16を用いて、スキャナ1から離れた位置にある被写体を走査することにより被写体の二次元的な画像を撮像するカメラ型スキャナである。
【0017】
図2にスキャナ1の撮像光学系を概念的に示す。図2に示すように、スキャナ1の撮像光学系は、被写体O側からスキャナ1に入射する光の進行方向に沿って、順に走査ミラー2、結像レンズ3、イメージセンサ16により構成される。スキャナ1においては、イメージセンサ16はスキャナ1の本体ケース10に固定されており、走査ミラー2をイメージセンサ16の画素配列方向に平行な方向の回転軸Rx回りに回動させるて、被写体Oのライン状の領域からの光を順にイメージセンサ16上に結像させることにより、被写体Oの情報を二次元的に読み取る。
【0018】
本明細書では、イメージセンサ16の画素(受光素子)配列方向に相当する方向を「主走査方向」、走査ミラーの回動により走査される読み取りライン(走査ライン)の移動方向を「副走査方向」と定義する。また、図中に、イメージセンサ16の画素配列方向に平行なy軸と、結像レンズ3の光軸に平行なx軸を定義する。さらに、以下の説明では、図2において一点鎖線で示したように、結像レンズ3の光軸が走査ミラー2により直角に偏向される際にイメージセンサ16上に結像している像に対応する、被写体O上のライン状の読み取り領域を「基準走査ライン」と定義する。
【0019】
スキャナ1は、被写体を走査して情報を読み取る方式を採用しているため、読み取りの解像度を極めて高くすることができる。例えば、実施形態におけるイメージセンサ16の有効画素数は2088であり、撮像のための走査範囲は54.4度である。この走査範囲を2870ステップに分解して走査ミラー2の回動位置を設定することにより、主走査2088×副走査2870の約600万画素のエリアセンサを用いた場合と同等の解像度を得ることができる。この解像度は、例えば、全ての画素を用いてB5版の原稿を読み取る場合には約300dpiに相当する。
【0020】
また、走査方式として回転ミラー走査方式を採用したことにより、結像レンズ3の光軸に対して常に一定の角度で結像レンズ3に入射した光束がイメージセンサ16に入射するため、被写体Oの二次元的な画像を読み取る構成でありながら、結像レンズの径を小さく設定することができる。また、回転ミラー走査方式では、ラインセンサやミラーを平行移動させる必要がないため、可動部分を小さくすることができ、また駆動機構を単純化することができる。
【0021】
図1に示すように、スキャナ1は、略直方体形状の本体ケース10を有し、本体ケース10の正面には被写体像を取り込むための窓部12が形成されている。本体ケース10の内部には、イメージセンサ16と、イメージセンサ16の画素配列方向に平行な軸Rxの回りで回転する走査ミラー2と、走査ミラー2からの反射光をイメージセンサ16に結像させるための結像レンズ3とが備えられている(図2参照)。
【0022】
イメージセンサ16は所謂モノクロCCDラインセンサである。カラー画像に対応するため、走査ミラー2とイメージセンサ16との間の光路中には、カラーフィルタ4が設けられている。また、窓部12に隣接して、ファインダー窓13が設けられている。
【0023】
本体ケース10には、電源をオンオフするメインスイッチ310が設けられている。なお、電源のオン・オフ以外のスキャナ1の操作はリモコン5の操作ボタン350により行われる。操作ボタン350には、スタートボタン51、アップ/テレボタン54、ダウン/ワイドボタン55、モードボタン53、ストップ/削除ボタン52の5つがある。リモコン5は、本体ケース10の上部に形成されたリモコン装着部17に着脱可能となっている。
【0024】
リモコン5は赤外LEDを用いて赤外線によってカメラ本体に対してコマンド信号を送信する送信部56を有している。本体ケース10の背面には送信部からの信号を受信するための赤外線センサである第1受信部201が設けられ、リモコン装着部17の、リモコン5の送信部56に相当する部分には、第1受信部201に比べて感度の弱い赤外線センサである第2受信部202が設けられている。つまり、リモコン5をリモコン装着部17から取り外した状態では、送信部56からの信号を第1受信部201で受信し、リモコン5をリモコン装着部17に装着した状態では、送信部56からの信号を第2受信部202で受信することができる。
【0025】
また、図示は省略するが、リモコン5の着脱を検出するためのリモコン着脱センサがリモコン装着部17に設けられている。本体側の制御回路はリモコンから同一の操作信号が入力された際にも、リモコン5が本体に装着された状態であるか離脱した状態であるかに応じて異なるコマンドとして実行することができる。
【0026】
図3は、スキャナ1の内部構成を示す平面図である。
本体ケース10内には、走査ミラー2を回転可能に保持するミラーホルダ20が設けられている。ミラーホルダ20は後述のミラー駆動機構によって図中時計回り及び反時計回りに回転駆動される。また、ミラーホルダ20に隣接して、結像レンズ3及びイメージセンサ16を収容するためのハウジング120が設けられており、走査ミラー2からの反射光がハウジング120内の結像レンズ3を通ってイメージセンサ16に結像するように構成されている。
【0027】
結像レンズ3は、レンズ鏡筒30に保持された3枚のレンズ3a,3b,3cより構成されている。また、レンズ鏡筒30の外周は、ハウジング120に設けられた円筒状の鏡筒保持部121の内周に保持されている。レンズ鏡筒30は、後述のレンズ駆動機構6によって走査ミラー3に近接する方向及び離反する方向に駆動され、これにより結像レンズ3を光軸方向に移動させてピントの調整を行う。
【0028】
ハウジング120の、鏡筒保持部121とイメージセンサ16との間には、無色フィルタ4a、赤色フィルタ4b、緑色フィルタ4c、及び青色フィルタ4dからなるカラーフィルタ群4が設けられている。カラーフィルタ群4は、イメージセンサ16の画素配列方向と平行な回転軸の回りに回転するフィルタホルダ40によって、90゜間隔で保持されており、フィルタホルダ40の回転によって各フィルタが選択的に、結像レンズ3とイメージセンサ16との間の光路中に配置される。
【0029】
なお、ミラーホルダ20、ハウジング120等は、本体ケース10の下部に設けられた支持フレーム130によって支持されている。支持フレーム130上には、後述の走査用モータ70を支持するためのモータフレーム135、バッテリー210を保持するバッテリーフレーム136が形成されている。
【0030】
次に、ファインダーについて説明する。図4は、図3のカメラ型スキャナ1の線分A−Aに関する断面図である。図4に示すように、ファインダーは、ファインダー窓13から入射した光束を取り込む対物レンズ141と、この対物レンズ141を透過した光束を上側のカバーガラス15側に向けて反射させるファインダーミラー145と、ミラー145により反射された光束を透過させるフレネルレンズ143と、フレネルレンズ143とカバーガラス15との間に配置された透過型の液晶表示パネル152とから構成されている。対物レンズ141とフレネルレンズ143とは、プラスチックにより一体のユニット140として成形されている。
【0031】
ファインダーが設けられたスペースの後方には、図1に示されるように撮影画像のデータを記録するメモリカード220を装着するためのカードスロット230が形成されている。なお、ファインダーユニット140は、ビス止め部146によって、支持フレーム130に固定されている。
【0032】
次に、走査ミラー2を回動させると共にフィルター群4を切り換えるためのミラー駆動機構7について説明する。
図5は、図3のカメラ型スキャナ1の線分B−Bに関する断面図である。図5に示すように、モータフレーム135には、ミラー駆動モータ70が固定され、ミラー駆動モータ70の出力軸には、駆動ギア71が固定されている。また、駆動ギア71の回転を約1/1000に減速するために、歯数の大きなギアと歯数の小さいギアとを一体として構成した5組のギア対74〜78が設けられている。ギア対74〜78のうち、ギア対74,75,76は第1の支軸72の回りに回転可能に支持されており、ギア対77,78は第2の支軸73の回りに回転可能に支持されている。
【0033】
そして、駆動ギア71は、支軸72に支持された第1のギア対の従動ギア74aに係合し、第1のギア対の減速ギア74bは、支軸73に支持された第2のギア対77の従動ギア77aに係合している。第2のギア対77の減速ギア77bは、支軸72に支持された第3のギア対75の従動ギア75aに係合し、第3のギア対75の減速ギア75bは、支軸73に支持された第4のギア対78の従動ギア78aに係合している。第4のギア対78の減速ギア78bは、支軸72に支持された第5のギア対76の従動ギア76aに係合し、第5のギア対76の減速ギア76bは、支軸73に回転可能に支持された後述の駆動部材80に係合している。なお、支軸73の中心軸を軸73aとする。
【0034】
次に、結像レンズ3を移動するためのレンズ駆動機構6について説明する。
図5に示すように、ハウジング120の鏡筒保持部121には、x軸方向に延びる溝121aが形成され、レンズ鏡筒30には溝121aを貫通してハウジング120外部に向けて延びる鏡筒アーム32が形成されている。また、図3に示すように、レンズ鏡筒30のイメージセンサ16側の端部からは、溝121aを貫通して、鏡筒アーム32と平行で且つ鏡筒アーム32よりも短い第2アーム33が形成されている。
【0035】
また、図3に示すように、鏡筒アーム32と第2アーム33には、x軸方向に延びる挿通孔32a,33aがそれぞれ形成されている。挿通孔32a,33aには、モータフレーム135上に突設された一対の支柱133、134により支持されてx軸方向に延びるガイドバー35が挿通されている。つまり、レンズ鏡筒30は、挿通孔32a,33aとガイドバー35との摺動により、x軸方向に案内される。
【0036】
図6は、図3の線分DーDに関する断面図である。図6に示すように、モータフレーム135には鉛直フレーム132が立設されており、鉛直フレーム132には、パルスモータであるレンズ駆動モータ60が固定されている。レンズ駆動モータ60の出力軸61には、x軸方向に延びるネジ部63が固定されている。そして、レンズ鏡筒30の鏡筒アーム32には、ネジ部63と螺合する雌ネジ部31が設けられている。
【0037】
このように構成されているため、レンズ駆動モータ60が回転すると、レンズ鏡筒30がx軸に沿って、走査ミラー2に近接する方向あるいは離反する方向に移動する。本実施の形態では、レンズ鏡筒30の移動ストロークは約6mmに設定されている。
【0038】
レンズ鏡筒30のホーム位置を検出するため、検出手段が設けられている。図6に示すように、鏡筒アーム32の下部には、シャッタープレート36が固定されている。また、支持フレーム130からはレンズ鏡筒30が走査ミラー2側に最も近接した状態で、シャッタープレート36により検出光が遮られる位置に透過型フォトセンサであるレンズ基準位置センサ203が設けられている。
【0039】
図7は、スキャナ1のオートフォーカス装置の制御系の構成を概略的に示すブロック図である。
【0040】
スキャナ1のオートフォーカス装置は、全体の動作を司るCPU400を有する。CPU400には、イメージセンサ16を駆動するためのCCDドライバ161、イメージセンサ16の出力信号を処理する信号処理回路162、結像レンズ3(レンズ鏡筒30)を移動させるレンズ駆動モータ60を駆動するモータドライバ401、走査ミラー2を回動させるための走査用モータ70を駆動するモータドライバ402が接続されている。また、後述する各データを格納するための画像データメモリ501、傾きデータメモリ502、ピントデータメモリ503そしてAFPointメモリ504が接続されている。
【0041】
次に、スキャナ1のオートフォーカス動作について説明する。
なお、オートフォーカス動作は、走査ミラー2がホーム位置に位置した状態、すなわち結像レンズ3の光軸と走査ミラー2で偏向された光軸とが直角になる状態(結像レンズ3の光軸と走査ミラー2の反射面とが成す角が45度になる状態)で行われる。
【0042】
図8は、結像レンズ3の移動位置とステッピングモータであるレンズ駆動モータ60の回転パルス数との関係を示す。結像レンズは、走査ミラー側となる近接側、イメージセンサ側となる遠方側のメカ端点の間の領域で移動可能であり、移動ストロークは6mm、この移動範囲に相当するレンズ駆動モータのステップ数は480である。したがって、1ステップ当たりの移動量は12.5μmとなる。なお、以下の説明では、結像レンズを近接側に移動させる際のレンズ駆動モータの回転を「正転」、遠方側に移動させる際のレンズ駆動モータの回転を「逆転」と定義する。
【0043】
図中のレンズホーム位置は、「カメラから23cm離れた位置に配置された被写体をイメージセンサ上に合焦状態で結像させることができる結像レンズの位置」として定義される結像レンズの基準位置である。結像レンズ3の移動位置を示すレンズ位置カウンタPafは、このホーム位置で「460」にセットされ、遠方側に移動するにしたがって1ステップづつデクリメントされ、最も遠方側のソフト端点で「0」となる。
【0044】
図9〜図13は、合焦処理の詳細を示すフローチャートである。実施形態のカメラ型スキャナ1では、被写体に対する合焦状態に関する情報を撮影用のイメージセンサ16を用いて読み取っている。
【0045】
合焦検出は、走査ミラー2がホーム位置にあって読み取りラインが基準走査ラインに一致している状態で行われる。
【0046】
合焦検出時には、結像レンズを最近接位置から遠方側に向けて1ステップづつ移動させ、ステップ毎にセンサ出力を取り込む。そして、取り込んだデータに基づいて対象領域のコントラスト(ある画素に隣接した2画素の輝度値の差:輝度勾配)を検出する。コントラストは、合焦位置において最も大きくなり、結像レンズが合焦位置から離れるにつれて小さくなることが知られている。このため、結像レンズ3の全移動範囲において最もコントラストが大きくなる結像レンズの位置を合焦位置と判定することができる。
【0047】
合焦処理の簡略化した方法として、対象領域に於ける最大輝度と最小輝度との差をコントラストと捉えて、各ステップ毎にコントラストを前ステップで検出したコントラストと比較し、コントラストが前回取り込んだステップより低下し始めたステップを最も良く被写体にピントが合った位置と判断することも可能である。しかし、被写体が、例えば蛍光灯により照明されている場合、イメージセンサによる画像取り込みのタイミングによって、最大・最小輝度の値が変動する可能性があり、合焦位置でないにもかかわらず、コントラストが前回のレンズ位置でのコントラストより低下したと判断される場合がある。
【0048】
このような問題を避け、精度良く合焦処理を行うため、本実施の形態においては、対象領域の各画素について、隣接する画素のデータに基づいてコントラストに相当する情報(以下、コントラスト情報と記載)を求め、対象領域において前記のコントラスト情報が大きい値となる複数の位置を検出する。そして、レンズ位置を移動させることによるコントラスト情報の変化を、上記複数の位置について検出し、最後に、前記コントラスト情報が最も大きい値を示すレンズ位置を合焦位置として設定する。
【0049】
上記のような合焦位置の設定方法は、焦点位置を挟む2つの位置に配置されたセンサのコントラストを比較する従来のコントラスト法に対し、レンズの位置変化に対応したコントラストの変化から合焦位置を検出することから、走査コントラスト法ということができる。
【0050】
図9は合焦処理を示すフローチャートである。前述のように、走査ミラー2がホーム位置にあって読み取りラインが基準走査ラインに一致している状態で、結像レンズ3を移動範囲全体にわたって移動させてコントラスト情報を検出し、その結果に基づいて合焦位置が設定される。
【0051】
処理が開始されると、CPU400は、S100で結像レンズ3をホーム位置に移動し、S120で合焦処理で使用する各メモリを初期化する。ここで、前述の画像データメモリ501、傾きデータメモリ502、ピントデータメモリ503そしてAFPointメモリ504が初期化される。なお、傾きデータメモリ502は、後述するように第1の領域502Aと第2の領域502Bとを有している
。
【0052】
S130で、CPU400は結像レンズ3を移動しつつ、レンズ位置毎に図10に示すコントラスト検出処理を実行する。
【0053】
図10はコントラスト検出処理のフローチャートである。
S131でCCD16からの画像データの転送が終わると(S131:YES)、S132で現在のレンズ位置におけるコントラストデータを保存するためのメモリ領域(傾きデータメモリ502の第2領域502B)をクリアする。そして、結像レンズ3を次の検出位置に移動しておき(S133)、S134で、移動前のレンズ位置において得られた画像データに基づいて、コントラストの変化の大きい点(ピクセル)を抽出する。この処理について、図11を参照して詳細に説明する。
【0054】
図11は、コントラストの変化が大きい点を抽出する処理を示すフローチャートである。この処理では、隣接した3ドットの中央のドットの両側のデータ値(輝度データ値)の差を中央のドットの傾き(輝度勾配)として用いる。なお、隣接した3ドットが単調増加または単調減少の場合にのみ傾き(輝度勾配)を求めている。
【0055】
S510で、合焦の判定に用いる合焦検出範囲(本実施の形態においては2088画素のうち中央の1000画素を合焦検出範囲として用いている)の中の最初の2ドット分のデータを読み出す。S520で、さらに、3ドット目のデータを読み出す。
【0056】
S530において、読み出された連続する3ドットのデータにおいて、2ドット目のデータが最大値または最小値か否かを判定する。即ち、1〜3ドット目のデータの値が単調増加もしくは単調減少であれば、2ドット目のデータは最大・最小とはならない。もしも、2ドット目が最大または最小値を取っていれば、処理はS580へ移行する。S530でNOと判定されれば(単調増加または減少であると判定されれば)、2ドット目の画素における輝度データの増減を示す傾きを、1ドット目のデータと3ドット目のデータとの差(輝度勾配)として計算する(S540)。次に、S550で、データの更新を行う(図4参照)。次に、データ更新処理について図12を参照して説明する。
【0057】
図12は、図11のS550でコールされるデータ更新処理である。S610で、注目点(すなわち2ドット目)の傾き(輝度勾配=1ドット目と3ドット目の輝度データ値の差)が、傾きデータメモリ502の現在検出対象となっているレンズ位置でのデータの記憶領域(第2の記憶領域502B)に保存されているデータの傾きより大きいか否かが判定される(傾きデータメモリ502の第2の記憶領域502BにはN個のデータが格納されており、N個全ての傾きデータと比較される)。ここでの比較は、傾きの絶対値を比較している。なお、この傾きデータメモリ502の現在検出対象となっているレンズ位置でデータへのデータの格納は後述のS630にて行われる。
【0058】
S610でYESと判定されると、S630で注目点がどの画素なのかを示す位置情報、注目点の両端の画素のデータ値、および注目点の両端の画素データ値の差(すなわち傾き)を傾きデータメモリ502に保存する。
そして、S640では、N個の保存データのうち、傾きが最小のデータを破棄する。すなわち、傾きデータメモリ502の第2の記憶領域502Bには、注目点までの傾きの判定において大きい値を示す順にN個のデータが格納されることになる。
【0059】
なお、S610、S620により、注目点の傾き(輝度勾配)が保存されているN個全ての傾き(輝度勾配)より小さい場合には、注目点の傾きデータは保存されず、注目点をシフトして上述の比較が繰り返し行われる。
【0060】
なお、保存データの数はN個と定められており、これらN個の保存データは図9のS120の初期化の時点で全て「0」に設定されている。したがって最初のN個の注目点のデータは、上述の処理が繰り返されるにつれて、傾きデータが順次格納され、「0」が順次消されていくことになる。
【0061】
注目点の傾き(輝度勾配)の絶対値が、全ての保存データ(N個の傾きデータ)の値以下であれば、保存データは更新されず、処理はS620からリターンへ(すなわち、図11のS580へ)と進む。
【0062】
S580では、注目するドットを1ドットシフトし、注目ドットが合焦検出範囲に含まれる限り(S590:YES)、S520〜S590の処理を繰り返す。従って、保存データがN個あるとすると、合焦検出範囲の全てのドットについて傾きを求め(上記の条件を満たすものに限る)、その中の傾きの絶対値が大きいN個のデータを、保存データとして第2の記憶領域502Bに保存することになる。
【0063】
合焦検出範囲の全ての画素について上記の判定が完了すると、S590でNOと判定され、処理は図10のS135へ進む。
【0064】
図13が、図10のS135の処理の詳細を表すフローチャートである。傾きデータメモリ502の第1の領域502Aには前回のレンズ位置においてN個の傾きデータが保存されている。そして、上述の通り、今回得られたデータに基づいて、やはりN個のデータが傾きデータメモリ502の第2の領域502Bに保存されている。図13の処理では前回のデータと今回のデータとを比較している。
【0065】
前回のN個のデータを、P1〜Pnとし、今回のN個のデータをC1〜Cnとすると、まず、C1とP1とをS710で比較する。ここでは、C1とP1とが同一のドットにおける傾きデータであるかどうかを判定する。C1とP1とが同一位置のデータで無い場合(S710:NO)には、S770で傾きデータメモリ502の第1領域502Aに保存データが残っているかどうかを判定する。ここではP2〜Pnが残っているためYESと判定され、処理はS710に戻り、今度はC1に対しP2が比較の対象となる。C1に対してP1〜Pnの各データを比較した後は、C2に対して、P1〜Pnが比較される(この時、例えば、C1とP2が対応していると判定された場合には、C2に対してはP1、およびP3〜Pnが比較対象となる)。
【0066】
今、例として、C3とP4が同一のドットに於けるデータで、傾きが同じ方向だと仮定する。
この場合、S710でYES、S720でもYESと判定される。S730では、前回の検出値が今回の検出値より大きいか否かが判定される。今回の傾きが前回の傾き以上であればS730ではNOと判定され保存データは更新されない。前回の検出値が今回の検出値より大きい場合に、S740で、その前回の検出値が、複数の保存データのいずれかよりも大きいかどうかを判定する。少なくとも一つの保存データより前回の検出値が大きければ、前回の検出値がピントデータとしてピントデータメモリ503に保存され、ピントデータメモリ503中の保存データのうち、最小値を有するデータが破棄される(S760)。すなわち、前回の検出値が保存データの最小のものよりも大きければK個の保存データは、更新される。以下、同様にして、前回のN個のデータ、P1〜Pnと、今回のN個のデータ、C1〜Cnとが全て比較され、ピントデータとしてK個のデータ(注目点に隣接した2画素の輝度値、注目点の輝度勾配すなわち隣接画素の輝度値の差、そして結像レンズ3の位置のデータ)が保存される。即ち、今回までの検出で輝度勾配の絶対値が大きいと判定されたK個の点それぞれについてのピントデータがピントデータメモリ503に保存されることになる。
【0067】
図13の処理が終わると、図10のS136に進み、今回の検出データが傾きデータメモリ502の第1領域502Aに保存される。図10のS136が終わると、処理は図9のS140へ進む。以下、S130、S140で、CPU400は、結像レンズ3を原点から終点まで順次移動させつつ、各レンズ位置毎に、コントラストデータ(合焦検出範囲の全ての画素に関しての傾きデータ)を検出し、上記のようにして、K個の点についてのピントデータをピントデータメモリ503に保存する。
【0068】
レンズが終点まで移動すると(S140:YES)、ピントデータメモリ503に保存されたK個のピントデータに基づいて、傾きデータが最大になったレンズ位置を合焦位置と判定し、そのレンズ位置をAFpointとして保存する(S150)。次に、CPU400は、S160においてレンズ駆動モータ60を駆動して結像レンズ3を合焦位置、すなわちAFpointで示される位置に移動させる。なお、K個のピントデータ中最大値となる傾きデータが複数ある場合には、それらに対応するレンズ位置データを平均した値をAFpointとして保存する。
【0069】
以上のように、レンズの移動範囲の全域に渡ってピントデータを検出することによって、光源のちらつきによる一時的なデータのレベル変動によるピント位置の誤検出を防止することができる。また、ある設定された範囲内の値のピントデータに基づいて、レンズ位置データに傾きデータの重み付けを行いピント位置を算出することができる。
【0070】
さらに、上記実施例では、中央1000画素分を合焦検出範囲としているが、中央部でのコントラストが小さい場合、周辺部で300画素分の合焦検出範囲を別に設けて同様の処理を行うようにすれば、中央部以外の被写体にもピントを合わせることができる。
【0071】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、撮影のための結像系をそのまま利用してコントラストの分布を検出し、結像レンズを被写体に合焦させることができる。したがって、被写体距離に関する情報を検出するために別個の検出手段を設ける必要が無く、装置全体を小型化することができる。しかも、レンズの移動範囲全体にわたって、かつ、合焦状態の検出に使用するイメージセンサの画素すべてについて輝度勾配の変化を検出し、合焦位置を検出しているため、合焦位置検出における蛍光灯などによる照明のちらつきの影響を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施の形態のカメラ型スキャナの概略構成を示す斜視図である。
【図2】図1のカメラ型スキャナの撮影光学系の概略構成を示す図である。
【図3】図1のカメラ型スキャナの内部構成を示す平面図である。
【図4】図3のカメラ型スキャナの線分A−Aについての断面図である。
【図5】図3のカメラ型スキャナの線分B−Bについての断面図である。
【図6】図3のカメラ型スキャナの線分D−Dについての断面図である。
【図7】図1のカメラ型スキャナの合焦処理に関する制御系の構成を示すブロック図である。
【図8】結像レンズの位置とレンズ駆動モータのパルス数の関係を示す概略図である。
【図9】合焦処理を示すフローチャートである。
【図10】コントラスト検出処理を示すフローチャートである。
【図11】変化の大きいポイントを抽出する処理を示すフローチャートである。
【図12】データ更新処理を示すフローチャートである。
【図13】前回のレンズ位置と今回のレンズ位置のデータの比較処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
1 カメラ型スキャナ
2 走査ミラー
4 カラーフィルタ群
3 結像レンズ
5 リモコン
60 レンズ駆動モータ
70 走査用モータ
203 レンズ基準位置センサ
400 CPU
310 メインスイッチ
【発明の属する技術分野】
この発明は、イメージセンサを用いて被写体を二次元的に読み取る画像読み取り装置に関し、より詳細には画像読み取り装置において結像レンズを合焦位置に移動させるための合焦装置および該合焦装置を備えた画像読み取り装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、ライン状に画素が配列されたイメージラインセンサを、画素が配列されている方向と垂直な方向に移動させることにより、被写体を二次元的に走査して画像を読み取るカメラ型の画像読み取り装置が知られている。この様な画像読み取り装置の読み取り対象となる被写体は一般に画像読み取り装置との距離が不定である。この様な、被写体距離が固定されない画像読み取り装置では、結像レンズを移動させてピントを合わせるために、被写体距離に関する何らかの情報が必要とされる。
【0003】
フィルムカメラには一般にオートフォーカス機構が設けられている。オートフォーカス機構は、赤外線の反射を用いて被写体距離を検出するアクティブ方式の検出手段や、被写体像の位相差やコントラストの分布を検出することによりピントずれを検出するパッシブ方式の検出手段を備えている。そして、検出手段により検出された被写体距離の被写体に合焦する位置に結像レンズを移動し、あるいは検出された位相差やコントラスト分布に基づいて、ピントずれが解消する位置に結像レンズを移動させている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従来の画像読み取り装置では、撮影用の結像系およびイメージセンサを用いて上記の位相差やコントラスト分布に基づいて被写体距離に関する情報を検出することは難しく、アクティブ方式、パッシブ方式のいずれの方式を採用するにしても、撮影用の結像系およびイメージセンサとは別個に設けられた検出手段を用いて被写体距離に関する情報を検出していた。しかし、従来の画像読み取り装置においては、被写体距離に関する情報を検出するための検出手段を撮影用の結像系とが別に設られるため、これが装置の筺体の小型化を阻む大きな要因となっていた。
【0005】
この発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。イメージセンサを用いた画像読み取り装置では、撮影のための結像系をパッシブ方式の検出系としても利用することができれば装置の小型化が可能となる。このため、本発明は、フィルムカメラ用のパッシブ方式の検出手段とは異なる検出手段を採用することにより、撮影用のイメージセンサを被写体に対する合焦の検出にも兼用して、画像読み取り装置全体の小型化を可能とする合焦装置、および該合焦装置を備えた画像読み取り装置を提供することを目的とする。
【0006】
このため、本発明の合焦装置は、被写体像を形成する結像レンズと、前記結像レンズにより形成された被写体像の一次元的な画像情報を電子的に読み取るための複数の画素がライン状に配置されたライン型イメージセンサと、前記イメージセンサに対して前記結像レンズを所定の移動範囲で相対的に移動させるレンズセンサ間距離変更手段と、前記複数の画素のうち所定範囲に配置された画素のそれぞれにおいて、前記一次元的な画像情報の輝度勾配を検出するコントラスト情報検出手段と、前記レンズセンサ間距離変更手段を制御して前記相対距離を前記所定の移動範囲で順次変更しつつ前記コントラスト検出手段の出力を繰り返し検知して、前記輝度勾配が最大となる画素の位置およびその時の前記結像レンズの前記イメージセンサに対する相対位置を検出するレンズ位置検出手段と、前記輝度勾配が最大となる前記結像レンズの前記イメージセンサに対するレンズ位置を前記結像レンズの合焦位置として設定する合焦位置設定手段と、を備えることを特徴としている(請求項1)。
【0007】
上記構成によれば、結像レンズのすべての移動範囲において、イメージセンサの合焦検出に用いる全ての画素について輝度の傾きを検出し、その最大値に対応するレンズ−センサ間距離を合焦位置として設定するため、被写体を照明する光にちらつきがあっても、その影響を抑えることができ、正確な合焦位置を検出することが可能になる。
【0008】
なお、前記レンズセンサ間距離変更手段は、イメージセンサの位置を固定して、結像レンズのみを光軸方向に移動させる構成とすることができる(請求項2)。
ここで、前記レンズセンサ間距離変更手段は、前記結像レンズを可動範囲の一方側の第1の端点から他方側の第2の端点に向けて所定のピッチで移動させる構成とすることが可能である(請求項3)。この時、前記第1の端点は前記結像レンズが近接した被写体に合焦する位置であり、前記第2の端点側は前記結像レンズが遠方の被写体に合焦する位置とすることができる(請求項4)。
【0009】
なお、前記コントラスト検出手段は、前記所定範囲に配置された画素のそれぞれについて、当該画素およびそれに隣接する2画素が示す輝度値が単調増加もしくは単調減少している場合に、前記隣接する2画素の輝度値の差を前記輝度勾配として検出することを特徴ととしている(請求項5)。すなわち、隣接する3画素の輝度値のうち中央の画素の輝度値が最大値または最小値となっている場合には、当該画素に関しての輝度勾配データを生成せず、合焦判定のデータから排除している。
【0010】
前記レンズ位置検出手段は、前記レンズセンサ間距離を初期値から現在の位置まで連続的に変更して得られた前記輝度勾配の絶対値の大きい所定数の画素についてその画素と前記レンズの相対位置とを記憶する勾配データ記憶手段を有し、前記レンズが前記所定の移動範囲を相対移動した後に、前記勾配データ記憶手段に格納されているデータ中最も輝度勾配が大きいデータが示すレンズ位置を検出するよう構成されている(請求項6)。
上記の構成により、すべての走査における検出値を格納する記憶領域は必要なくなり、前回の走査による検出値と今回の検出値とを格納する記憶領域を用いて全ての走査における検出値を比較することができる。
【0011】
さらに、本発明の、画像読み取り装置は、上記に記載の合焦装置と、前記被写体と前記結像レンズとの間に設けられ、前記イメージセンサの画素配列方向とほぼ平行な回動軸回りに回動することにより前記イメージセンサ上に前記被写体像を走査させ、前記イメージセンサに前記被写体像の二次元的な画像情報を読み取らせる走査ミラーと、前記二次元的な画像情報を処理する画像処理装置と、
を備えることを特徴としている(請求項7)。
【0012】
従って、イメージセンサを画像の読み取りと合焦処理に兼用することが可能となり、装置の小型化に寄与する。
【0013】
ここで、前記合焦装置は、前記走査ミラーを所定の基準走査位置に位置させた状態で動作するように構成することができる(請求項8)。画像読み取り装置の被写体の読み取り対象の中心となる部分は、ほぼいつも走査領域のなかの所定の位置に位置すると考えられる。このため、上記走査領域中の所定の位置の画像がイメージセンサに投影されるような位置(基準位置)に走査ミラーを位置させることにより、被写体に対して好適な合焦状態を得ることができる。
【0014】
この場合、一般的には、前記基準走査位置は、前記イメージセンサが読み取る前記被写体像の二次元的な画像のほぼ中央の位置となるようなミラー位置とすることができる(請求項9)。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる画像読み取り装置の実施形態としてカメラ型スキャナを説明する。
【0016】
図1は、実施形態のカメラ型スキャナ1(以下スキャナ1と略す)の概略構成を示す斜視図である。スキャナ1は、複数の受光素子がライン状に配列されたモノクロのライン型CCDセンサであるイメージセンサ16を用いて、スキャナ1から離れた位置にある被写体を走査することにより被写体の二次元的な画像を撮像するカメラ型スキャナである。
【0017】
図2にスキャナ1の撮像光学系を概念的に示す。図2に示すように、スキャナ1の撮像光学系は、被写体O側からスキャナ1に入射する光の進行方向に沿って、順に走査ミラー2、結像レンズ3、イメージセンサ16により構成される。スキャナ1においては、イメージセンサ16はスキャナ1の本体ケース10に固定されており、走査ミラー2をイメージセンサ16の画素配列方向に平行な方向の回転軸Rx回りに回動させるて、被写体Oのライン状の領域からの光を順にイメージセンサ16上に結像させることにより、被写体Oの情報を二次元的に読み取る。
【0018】
本明細書では、イメージセンサ16の画素(受光素子)配列方向に相当する方向を「主走査方向」、走査ミラーの回動により走査される読み取りライン(走査ライン)の移動方向を「副走査方向」と定義する。また、図中に、イメージセンサ16の画素配列方向に平行なy軸と、結像レンズ3の光軸に平行なx軸を定義する。さらに、以下の説明では、図2において一点鎖線で示したように、結像レンズ3の光軸が走査ミラー2により直角に偏向される際にイメージセンサ16上に結像している像に対応する、被写体O上のライン状の読み取り領域を「基準走査ライン」と定義する。
【0019】
スキャナ1は、被写体を走査して情報を読み取る方式を採用しているため、読み取りの解像度を極めて高くすることができる。例えば、実施形態におけるイメージセンサ16の有効画素数は2088であり、撮像のための走査範囲は54.4度である。この走査範囲を2870ステップに分解して走査ミラー2の回動位置を設定することにより、主走査2088×副走査2870の約600万画素のエリアセンサを用いた場合と同等の解像度を得ることができる。この解像度は、例えば、全ての画素を用いてB5版の原稿を読み取る場合には約300dpiに相当する。
【0020】
また、走査方式として回転ミラー走査方式を採用したことにより、結像レンズ3の光軸に対して常に一定の角度で結像レンズ3に入射した光束がイメージセンサ16に入射するため、被写体Oの二次元的な画像を読み取る構成でありながら、結像レンズの径を小さく設定することができる。また、回転ミラー走査方式では、ラインセンサやミラーを平行移動させる必要がないため、可動部分を小さくすることができ、また駆動機構を単純化することができる。
【0021】
図1に示すように、スキャナ1は、略直方体形状の本体ケース10を有し、本体ケース10の正面には被写体像を取り込むための窓部12が形成されている。本体ケース10の内部には、イメージセンサ16と、イメージセンサ16の画素配列方向に平行な軸Rxの回りで回転する走査ミラー2と、走査ミラー2からの反射光をイメージセンサ16に結像させるための結像レンズ3とが備えられている(図2参照)。
【0022】
イメージセンサ16は所謂モノクロCCDラインセンサである。カラー画像に対応するため、走査ミラー2とイメージセンサ16との間の光路中には、カラーフィルタ4が設けられている。また、窓部12に隣接して、ファインダー窓13が設けられている。
【0023】
本体ケース10には、電源をオンオフするメインスイッチ310が設けられている。なお、電源のオン・オフ以外のスキャナ1の操作はリモコン5の操作ボタン350により行われる。操作ボタン350には、スタートボタン51、アップ/テレボタン54、ダウン/ワイドボタン55、モードボタン53、ストップ/削除ボタン52の5つがある。リモコン5は、本体ケース10の上部に形成されたリモコン装着部17に着脱可能となっている。
【0024】
リモコン5は赤外LEDを用いて赤外線によってカメラ本体に対してコマンド信号を送信する送信部56を有している。本体ケース10の背面には送信部からの信号を受信するための赤外線センサである第1受信部201が設けられ、リモコン装着部17の、リモコン5の送信部56に相当する部分には、第1受信部201に比べて感度の弱い赤外線センサである第2受信部202が設けられている。つまり、リモコン5をリモコン装着部17から取り外した状態では、送信部56からの信号を第1受信部201で受信し、リモコン5をリモコン装着部17に装着した状態では、送信部56からの信号を第2受信部202で受信することができる。
【0025】
また、図示は省略するが、リモコン5の着脱を検出するためのリモコン着脱センサがリモコン装着部17に設けられている。本体側の制御回路はリモコンから同一の操作信号が入力された際にも、リモコン5が本体に装着された状態であるか離脱した状態であるかに応じて異なるコマンドとして実行することができる。
【0026】
図3は、スキャナ1の内部構成を示す平面図である。
本体ケース10内には、走査ミラー2を回転可能に保持するミラーホルダ20が設けられている。ミラーホルダ20は後述のミラー駆動機構によって図中時計回り及び反時計回りに回転駆動される。また、ミラーホルダ20に隣接して、結像レンズ3及びイメージセンサ16を収容するためのハウジング120が設けられており、走査ミラー2からの反射光がハウジング120内の結像レンズ3を通ってイメージセンサ16に結像するように構成されている。
【0027】
結像レンズ3は、レンズ鏡筒30に保持された3枚のレンズ3a,3b,3cより構成されている。また、レンズ鏡筒30の外周は、ハウジング120に設けられた円筒状の鏡筒保持部121の内周に保持されている。レンズ鏡筒30は、後述のレンズ駆動機構6によって走査ミラー3に近接する方向及び離反する方向に駆動され、これにより結像レンズ3を光軸方向に移動させてピントの調整を行う。
【0028】
ハウジング120の、鏡筒保持部121とイメージセンサ16との間には、無色フィルタ4a、赤色フィルタ4b、緑色フィルタ4c、及び青色フィルタ4dからなるカラーフィルタ群4が設けられている。カラーフィルタ群4は、イメージセンサ16の画素配列方向と平行な回転軸の回りに回転するフィルタホルダ40によって、90゜間隔で保持されており、フィルタホルダ40の回転によって各フィルタが選択的に、結像レンズ3とイメージセンサ16との間の光路中に配置される。
【0029】
なお、ミラーホルダ20、ハウジング120等は、本体ケース10の下部に設けられた支持フレーム130によって支持されている。支持フレーム130上には、後述の走査用モータ70を支持するためのモータフレーム135、バッテリー210を保持するバッテリーフレーム136が形成されている。
【0030】
次に、ファインダーについて説明する。図4は、図3のカメラ型スキャナ1の線分A−Aに関する断面図である。図4に示すように、ファインダーは、ファインダー窓13から入射した光束を取り込む対物レンズ141と、この対物レンズ141を透過した光束を上側のカバーガラス15側に向けて反射させるファインダーミラー145と、ミラー145により反射された光束を透過させるフレネルレンズ143と、フレネルレンズ143とカバーガラス15との間に配置された透過型の液晶表示パネル152とから構成されている。対物レンズ141とフレネルレンズ143とは、プラスチックにより一体のユニット140として成形されている。
【0031】
ファインダーが設けられたスペースの後方には、図1に示されるように撮影画像のデータを記録するメモリカード220を装着するためのカードスロット230が形成されている。なお、ファインダーユニット140は、ビス止め部146によって、支持フレーム130に固定されている。
【0032】
次に、走査ミラー2を回動させると共にフィルター群4を切り換えるためのミラー駆動機構7について説明する。
図5は、図3のカメラ型スキャナ1の線分B−Bに関する断面図である。図5に示すように、モータフレーム135には、ミラー駆動モータ70が固定され、ミラー駆動モータ70の出力軸には、駆動ギア71が固定されている。また、駆動ギア71の回転を約1/1000に減速するために、歯数の大きなギアと歯数の小さいギアとを一体として構成した5組のギア対74〜78が設けられている。ギア対74〜78のうち、ギア対74,75,76は第1の支軸72の回りに回転可能に支持されており、ギア対77,78は第2の支軸73の回りに回転可能に支持されている。
【0033】
そして、駆動ギア71は、支軸72に支持された第1のギア対の従動ギア74aに係合し、第1のギア対の減速ギア74bは、支軸73に支持された第2のギア対77の従動ギア77aに係合している。第2のギア対77の減速ギア77bは、支軸72に支持された第3のギア対75の従動ギア75aに係合し、第3のギア対75の減速ギア75bは、支軸73に支持された第4のギア対78の従動ギア78aに係合している。第4のギア対78の減速ギア78bは、支軸72に支持された第5のギア対76の従動ギア76aに係合し、第5のギア対76の減速ギア76bは、支軸73に回転可能に支持された後述の駆動部材80に係合している。なお、支軸73の中心軸を軸73aとする。
【0034】
次に、結像レンズ3を移動するためのレンズ駆動機構6について説明する。
図5に示すように、ハウジング120の鏡筒保持部121には、x軸方向に延びる溝121aが形成され、レンズ鏡筒30には溝121aを貫通してハウジング120外部に向けて延びる鏡筒アーム32が形成されている。また、図3に示すように、レンズ鏡筒30のイメージセンサ16側の端部からは、溝121aを貫通して、鏡筒アーム32と平行で且つ鏡筒アーム32よりも短い第2アーム33が形成されている。
【0035】
また、図3に示すように、鏡筒アーム32と第2アーム33には、x軸方向に延びる挿通孔32a,33aがそれぞれ形成されている。挿通孔32a,33aには、モータフレーム135上に突設された一対の支柱133、134により支持されてx軸方向に延びるガイドバー35が挿通されている。つまり、レンズ鏡筒30は、挿通孔32a,33aとガイドバー35との摺動により、x軸方向に案内される。
【0036】
図6は、図3の線分DーDに関する断面図である。図6に示すように、モータフレーム135には鉛直フレーム132が立設されており、鉛直フレーム132には、パルスモータであるレンズ駆動モータ60が固定されている。レンズ駆動モータ60の出力軸61には、x軸方向に延びるネジ部63が固定されている。そして、レンズ鏡筒30の鏡筒アーム32には、ネジ部63と螺合する雌ネジ部31が設けられている。
【0037】
このように構成されているため、レンズ駆動モータ60が回転すると、レンズ鏡筒30がx軸に沿って、走査ミラー2に近接する方向あるいは離反する方向に移動する。本実施の形態では、レンズ鏡筒30の移動ストロークは約6mmに設定されている。
【0038】
レンズ鏡筒30のホーム位置を検出するため、検出手段が設けられている。図6に示すように、鏡筒アーム32の下部には、シャッタープレート36が固定されている。また、支持フレーム130からはレンズ鏡筒30が走査ミラー2側に最も近接した状態で、シャッタープレート36により検出光が遮られる位置に透過型フォトセンサであるレンズ基準位置センサ203が設けられている。
【0039】
図7は、スキャナ1のオートフォーカス装置の制御系の構成を概略的に示すブロック図である。
【0040】
スキャナ1のオートフォーカス装置は、全体の動作を司るCPU400を有する。CPU400には、イメージセンサ16を駆動するためのCCDドライバ161、イメージセンサ16の出力信号を処理する信号処理回路162、結像レンズ3(レンズ鏡筒30)を移動させるレンズ駆動モータ60を駆動するモータドライバ401、走査ミラー2を回動させるための走査用モータ70を駆動するモータドライバ402が接続されている。また、後述する各データを格納するための画像データメモリ501、傾きデータメモリ502、ピントデータメモリ503そしてAFPointメモリ504が接続されている。
【0041】
次に、スキャナ1のオートフォーカス動作について説明する。
なお、オートフォーカス動作は、走査ミラー2がホーム位置に位置した状態、すなわち結像レンズ3の光軸と走査ミラー2で偏向された光軸とが直角になる状態(結像レンズ3の光軸と走査ミラー2の反射面とが成す角が45度になる状態)で行われる。
【0042】
図8は、結像レンズ3の移動位置とステッピングモータであるレンズ駆動モータ60の回転パルス数との関係を示す。結像レンズは、走査ミラー側となる近接側、イメージセンサ側となる遠方側のメカ端点の間の領域で移動可能であり、移動ストロークは6mm、この移動範囲に相当するレンズ駆動モータのステップ数は480である。したがって、1ステップ当たりの移動量は12.5μmとなる。なお、以下の説明では、結像レンズを近接側に移動させる際のレンズ駆動モータの回転を「正転」、遠方側に移動させる際のレンズ駆動モータの回転を「逆転」と定義する。
【0043】
図中のレンズホーム位置は、「カメラから23cm離れた位置に配置された被写体をイメージセンサ上に合焦状態で結像させることができる結像レンズの位置」として定義される結像レンズの基準位置である。結像レンズ3の移動位置を示すレンズ位置カウンタPafは、このホーム位置で「460」にセットされ、遠方側に移動するにしたがって1ステップづつデクリメントされ、最も遠方側のソフト端点で「0」となる。
【0044】
図9〜図13は、合焦処理の詳細を示すフローチャートである。実施形態のカメラ型スキャナ1では、被写体に対する合焦状態に関する情報を撮影用のイメージセンサ16を用いて読み取っている。
【0045】
合焦検出は、走査ミラー2がホーム位置にあって読み取りラインが基準走査ラインに一致している状態で行われる。
【0046】
合焦検出時には、結像レンズを最近接位置から遠方側に向けて1ステップづつ移動させ、ステップ毎にセンサ出力を取り込む。そして、取り込んだデータに基づいて対象領域のコントラスト(ある画素に隣接した2画素の輝度値の差:輝度勾配)を検出する。コントラストは、合焦位置において最も大きくなり、結像レンズが合焦位置から離れるにつれて小さくなることが知られている。このため、結像レンズ3の全移動範囲において最もコントラストが大きくなる結像レンズの位置を合焦位置と判定することができる。
【0047】
合焦処理の簡略化した方法として、対象領域に於ける最大輝度と最小輝度との差をコントラストと捉えて、各ステップ毎にコントラストを前ステップで検出したコントラストと比較し、コントラストが前回取り込んだステップより低下し始めたステップを最も良く被写体にピントが合った位置と判断することも可能である。しかし、被写体が、例えば蛍光灯により照明されている場合、イメージセンサによる画像取り込みのタイミングによって、最大・最小輝度の値が変動する可能性があり、合焦位置でないにもかかわらず、コントラストが前回のレンズ位置でのコントラストより低下したと判断される場合がある。
【0048】
このような問題を避け、精度良く合焦処理を行うため、本実施の形態においては、対象領域の各画素について、隣接する画素のデータに基づいてコントラストに相当する情報(以下、コントラスト情報と記載)を求め、対象領域において前記のコントラスト情報が大きい値となる複数の位置を検出する。そして、レンズ位置を移動させることによるコントラスト情報の変化を、上記複数の位置について検出し、最後に、前記コントラスト情報が最も大きい値を示すレンズ位置を合焦位置として設定する。
【0049】
上記のような合焦位置の設定方法は、焦点位置を挟む2つの位置に配置されたセンサのコントラストを比較する従来のコントラスト法に対し、レンズの位置変化に対応したコントラストの変化から合焦位置を検出することから、走査コントラスト法ということができる。
【0050】
図9は合焦処理を示すフローチャートである。前述のように、走査ミラー2がホーム位置にあって読み取りラインが基準走査ラインに一致している状態で、結像レンズ3を移動範囲全体にわたって移動させてコントラスト情報を検出し、その結果に基づいて合焦位置が設定される。
【0051】
処理が開始されると、CPU400は、S100で結像レンズ3をホーム位置に移動し、S120で合焦処理で使用する各メモリを初期化する。ここで、前述の画像データメモリ501、傾きデータメモリ502、ピントデータメモリ503そしてAFPointメモリ504が初期化される。なお、傾きデータメモリ502は、後述するように第1の領域502Aと第2の領域502Bとを有している
。
【0052】
S130で、CPU400は結像レンズ3を移動しつつ、レンズ位置毎に図10に示すコントラスト検出処理を実行する。
【0053】
図10はコントラスト検出処理のフローチャートである。
S131でCCD16からの画像データの転送が終わると(S131:YES)、S132で現在のレンズ位置におけるコントラストデータを保存するためのメモリ領域(傾きデータメモリ502の第2領域502B)をクリアする。そして、結像レンズ3を次の検出位置に移動しておき(S133)、S134で、移動前のレンズ位置において得られた画像データに基づいて、コントラストの変化の大きい点(ピクセル)を抽出する。この処理について、図11を参照して詳細に説明する。
【0054】
図11は、コントラストの変化が大きい点を抽出する処理を示すフローチャートである。この処理では、隣接した3ドットの中央のドットの両側のデータ値(輝度データ値)の差を中央のドットの傾き(輝度勾配)として用いる。なお、隣接した3ドットが単調増加または単調減少の場合にのみ傾き(輝度勾配)を求めている。
【0055】
S510で、合焦の判定に用いる合焦検出範囲(本実施の形態においては2088画素のうち中央の1000画素を合焦検出範囲として用いている)の中の最初の2ドット分のデータを読み出す。S520で、さらに、3ドット目のデータを読み出す。
【0056】
S530において、読み出された連続する3ドットのデータにおいて、2ドット目のデータが最大値または最小値か否かを判定する。即ち、1〜3ドット目のデータの値が単調増加もしくは単調減少であれば、2ドット目のデータは最大・最小とはならない。もしも、2ドット目が最大または最小値を取っていれば、処理はS580へ移行する。S530でNOと判定されれば(単調増加または減少であると判定されれば)、2ドット目の画素における輝度データの増減を示す傾きを、1ドット目のデータと3ドット目のデータとの差(輝度勾配)として計算する(S540)。次に、S550で、データの更新を行う(図4参照)。次に、データ更新処理について図12を参照して説明する。
【0057】
図12は、図11のS550でコールされるデータ更新処理である。S610で、注目点(すなわち2ドット目)の傾き(輝度勾配=1ドット目と3ドット目の輝度データ値の差)が、傾きデータメモリ502の現在検出対象となっているレンズ位置でのデータの記憶領域(第2の記憶領域502B)に保存されているデータの傾きより大きいか否かが判定される(傾きデータメモリ502の第2の記憶領域502BにはN個のデータが格納されており、N個全ての傾きデータと比較される)。ここでの比較は、傾きの絶対値を比較している。なお、この傾きデータメモリ502の現在検出対象となっているレンズ位置でデータへのデータの格納は後述のS630にて行われる。
【0058】
S610でYESと判定されると、S630で注目点がどの画素なのかを示す位置情報、注目点の両端の画素のデータ値、および注目点の両端の画素データ値の差(すなわち傾き)を傾きデータメモリ502に保存する。
そして、S640では、N個の保存データのうち、傾きが最小のデータを破棄する。すなわち、傾きデータメモリ502の第2の記憶領域502Bには、注目点までの傾きの判定において大きい値を示す順にN個のデータが格納されることになる。
【0059】
なお、S610、S620により、注目点の傾き(輝度勾配)が保存されているN個全ての傾き(輝度勾配)より小さい場合には、注目点の傾きデータは保存されず、注目点をシフトして上述の比較が繰り返し行われる。
【0060】
なお、保存データの数はN個と定められており、これらN個の保存データは図9のS120の初期化の時点で全て「0」に設定されている。したがって最初のN個の注目点のデータは、上述の処理が繰り返されるにつれて、傾きデータが順次格納され、「0」が順次消されていくことになる。
【0061】
注目点の傾き(輝度勾配)の絶対値が、全ての保存データ(N個の傾きデータ)の値以下であれば、保存データは更新されず、処理はS620からリターンへ(すなわち、図11のS580へ)と進む。
【0062】
S580では、注目するドットを1ドットシフトし、注目ドットが合焦検出範囲に含まれる限り(S590:YES)、S520〜S590の処理を繰り返す。従って、保存データがN個あるとすると、合焦検出範囲の全てのドットについて傾きを求め(上記の条件を満たすものに限る)、その中の傾きの絶対値が大きいN個のデータを、保存データとして第2の記憶領域502Bに保存することになる。
【0063】
合焦検出範囲の全ての画素について上記の判定が完了すると、S590でNOと判定され、処理は図10のS135へ進む。
【0064】
図13が、図10のS135の処理の詳細を表すフローチャートである。傾きデータメモリ502の第1の領域502Aには前回のレンズ位置においてN個の傾きデータが保存されている。そして、上述の通り、今回得られたデータに基づいて、やはりN個のデータが傾きデータメモリ502の第2の領域502Bに保存されている。図13の処理では前回のデータと今回のデータとを比較している。
【0065】
前回のN個のデータを、P1〜Pnとし、今回のN個のデータをC1〜Cnとすると、まず、C1とP1とをS710で比較する。ここでは、C1とP1とが同一のドットにおける傾きデータであるかどうかを判定する。C1とP1とが同一位置のデータで無い場合(S710:NO)には、S770で傾きデータメモリ502の第1領域502Aに保存データが残っているかどうかを判定する。ここではP2〜Pnが残っているためYESと判定され、処理はS710に戻り、今度はC1に対しP2が比較の対象となる。C1に対してP1〜Pnの各データを比較した後は、C2に対して、P1〜Pnが比較される(この時、例えば、C1とP2が対応していると判定された場合には、C2に対してはP1、およびP3〜Pnが比較対象となる)。
【0066】
今、例として、C3とP4が同一のドットに於けるデータで、傾きが同じ方向だと仮定する。
この場合、S710でYES、S720でもYESと判定される。S730では、前回の検出値が今回の検出値より大きいか否かが判定される。今回の傾きが前回の傾き以上であればS730ではNOと判定され保存データは更新されない。前回の検出値が今回の検出値より大きい場合に、S740で、その前回の検出値が、複数の保存データのいずれかよりも大きいかどうかを判定する。少なくとも一つの保存データより前回の検出値が大きければ、前回の検出値がピントデータとしてピントデータメモリ503に保存され、ピントデータメモリ503中の保存データのうち、最小値を有するデータが破棄される(S760)。すなわち、前回の検出値が保存データの最小のものよりも大きければK個の保存データは、更新される。以下、同様にして、前回のN個のデータ、P1〜Pnと、今回のN個のデータ、C1〜Cnとが全て比較され、ピントデータとしてK個のデータ(注目点に隣接した2画素の輝度値、注目点の輝度勾配すなわち隣接画素の輝度値の差、そして結像レンズ3の位置のデータ)が保存される。即ち、今回までの検出で輝度勾配の絶対値が大きいと判定されたK個の点それぞれについてのピントデータがピントデータメモリ503に保存されることになる。
【0067】
図13の処理が終わると、図10のS136に進み、今回の検出データが傾きデータメモリ502の第1領域502Aに保存される。図10のS136が終わると、処理は図9のS140へ進む。以下、S130、S140で、CPU400は、結像レンズ3を原点から終点まで順次移動させつつ、各レンズ位置毎に、コントラストデータ(合焦検出範囲の全ての画素に関しての傾きデータ)を検出し、上記のようにして、K個の点についてのピントデータをピントデータメモリ503に保存する。
【0068】
レンズが終点まで移動すると(S140:YES)、ピントデータメモリ503に保存されたK個のピントデータに基づいて、傾きデータが最大になったレンズ位置を合焦位置と判定し、そのレンズ位置をAFpointとして保存する(S150)。次に、CPU400は、S160においてレンズ駆動モータ60を駆動して結像レンズ3を合焦位置、すなわちAFpointで示される位置に移動させる。なお、K個のピントデータ中最大値となる傾きデータが複数ある場合には、それらに対応するレンズ位置データを平均した値をAFpointとして保存する。
【0069】
以上のように、レンズの移動範囲の全域に渡ってピントデータを検出することによって、光源のちらつきによる一時的なデータのレベル変動によるピント位置の誤検出を防止することができる。また、ある設定された範囲内の値のピントデータに基づいて、レンズ位置データに傾きデータの重み付けを行いピント位置を算出することができる。
【0070】
さらに、上記実施例では、中央1000画素分を合焦検出範囲としているが、中央部でのコントラストが小さい場合、周辺部で300画素分の合焦検出範囲を別に設けて同様の処理を行うようにすれば、中央部以外の被写体にもピントを合わせることができる。
【0071】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、撮影のための結像系をそのまま利用してコントラストの分布を検出し、結像レンズを被写体に合焦させることができる。したがって、被写体距離に関する情報を検出するために別個の検出手段を設ける必要が無く、装置全体を小型化することができる。しかも、レンズの移動範囲全体にわたって、かつ、合焦状態の検出に使用するイメージセンサの画素すべてについて輝度勾配の変化を検出し、合焦位置を検出しているため、合焦位置検出における蛍光灯などによる照明のちらつきの影響を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施の形態のカメラ型スキャナの概略構成を示す斜視図である。
【図2】図1のカメラ型スキャナの撮影光学系の概略構成を示す図である。
【図3】図1のカメラ型スキャナの内部構成を示す平面図である。
【図4】図3のカメラ型スキャナの線分A−Aについての断面図である。
【図5】図3のカメラ型スキャナの線分B−Bについての断面図である。
【図6】図3のカメラ型スキャナの線分D−Dについての断面図である。
【図7】図1のカメラ型スキャナの合焦処理に関する制御系の構成を示すブロック図である。
【図8】結像レンズの位置とレンズ駆動モータのパルス数の関係を示す概略図である。
【図9】合焦処理を示すフローチャートである。
【図10】コントラスト検出処理を示すフローチャートである。
【図11】変化の大きいポイントを抽出する処理を示すフローチャートである。
【図12】データ更新処理を示すフローチャートである。
【図13】前回のレンズ位置と今回のレンズ位置のデータの比較処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
1 カメラ型スキャナ
2 走査ミラー
4 カラーフィルタ群
3 結像レンズ
5 リモコン
60 レンズ駆動モータ
70 走査用モータ
203 レンズ基準位置センサ
400 CPU
310 メインスイッチ
Claims (9)
- 被写体像を形成する結像レンズと、
前記結像レンズにより形成された被写体像の一次元的な画像情報を電子的に読み取るための複数の画素がライン状に配置されたライン型イメージセンサと、
前記イメージセンサに対して前記結像レンズを所定の移動範囲で相対的に移動させるレンズセンサ間距離変更手段と、
前記複数の画素のうち所定範囲に配置された画素のそれぞれにおいて、前記一次元的な画像情報の輝度勾配を検出するコントラスト情報検出手段と、
前記レンズセンサ間距離変更手段を制御して前記相対距離を前記所定の移動範囲で順次変更しつつ前記コントラスト検出手段の出力を繰り返し検知して、前記輝度勾配が最大となる画素の位置およびその時の前記結像レンズの前記イメージセンサに対する相対位置を検出するレンズ位置検出手段と、
前記輝度勾配が最大となる前記結像レンズの前記イメージセンサに対するレンズ位置を前記結像レンズの合焦位置として設定する合焦位置設定手段と、を備えることを特徴とする合焦装置。 - 前記レンズセンサ間距離変更手段は、前記結像レンズを光軸方向に移動させることを特徴とする請求項1に記載の画像読み取り装置。
- 前記レンズセンサ間距離変更手段は、前記結像レンズを可動範囲の一方側の第1の端点から他方側の第2の端点に向けて所定のピッチで移動させることを特徴とする請求項2に記載の画像読み取り装置。
- 前記第1の端点は前記結像レンズが近接した被写体に合焦する位置であり、前記第2の端点側は前記結像レンズが遠方の被写体に合焦する位置であることを特徴とする請求項3に記載の合焦装置。
- 前記コントラスト検出手段は、前記所定範囲に配置された画素のそれぞれについて、当該画素およびそれに隣接する2画素が示す輝度値が単調増加もしくは単調減少している場合に、前記隣接する2画素の輝度値の差を前記輝度勾配として検出することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の合焦装置。
- 前記レンズ位置検出手段は、前記レンズセンサ間距離を初期値から現在の位置まで連続的に変更して得られた前記輝度勾配の絶対値の大きい所定数の画素についてその画素と前記レンズの相対位置とを記憶する勾配データ記憶手段を有し、前記レンズが前記所定の移動範囲を相対移動した後に、前記勾配データ記憶手段に格納されているデータ中最も輝度勾配が大きいデータが示すレンズ位置を検出することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の合焦装置。
- 請求項1〜6のいずれかに記載の合焦装置と、
前記被写体と前記結像レンズとの間に設けられ、前記イメージセンサの画素配列方向とほぼ平行な回動軸回りに回動することにより前記イメージセンサ上に前記被写体像を走査させ、前記イメージセンサに前記被写体像の二次元的な画像情報を読み取らせる走査ミラーと、
前記二次元的な画像情報を処理する画像処理装置と、を備えることを特徴とする合焦装置を備えた画像読み取り装置。 - 前記合焦装置は、前記走査ミラーを所定の基準走査位置に位置させた状態で動作することを特徴とする請求項7に記載の画像読み取り装置。
- 前記基準走査位置は、前記イメージセンサが読み取る前記被写体像の二次元的な画像のほぼ中央の位置が前記イメージセンサ上に投影される時の前記走査ミラーの位置であることを特徴とする請求項8に記載の画像読み取り装置。
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