JP4696730B2

JP4696730B2 - ピント測定装置

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Publication number: JP4696730B2
Application number: JP2005194262A
Authority: JP
Inventors: 交司馬渕
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-07-01
Filing date: 2005-07-01
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2025-07-01
Also published as: JP2007010579A

Description

本発明は、ＭＴＦを利用して撮像装置のピントを測定するピント測定装置に関する。

従来のＭＴＦ測定装置は、被撮像対象物である固体撮像素子と、ＭＴＦ測定用の基準チャートとの間に対物レンズを配し、移動機構により対物レンズを移動させたときの観測像を固体撮像素子により撮像する。移動機構には、パルスモータがついており、ＭＴＦ測定装置は、対物レンズの位置を記憶する機能を持っている。

ＭＴＦ測定装置は、一定時間間隔で観測像の画像データを順次取り込み、取り込んだ画像データからＭＴＦ値を算出する。これにより、対物レンズの位置とＭＴＦ値とからなるＭＴＦディフォーカス特性を取得している（例えば、特許文献１）
特開２００４−２９４０７６号公報

ところで、近年、携帯電話機のカメラ機能や小型のデジタルカメラには、パンフォーカスの小型カメラモジュールが広く利用されている。パンフォーカスとは、被写界深度を利用して無限遠にまで焦点が合わせられた画像を得るカメラである。パンフォーカスの小型カメラモジュールは、レンズ系が格納された鏡筒と、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などのイメージャとが、接着剤やビス等で固定されてしまったものが多い。このようなカメラモジュールでは、レンズを可動して焦点側からピントの位置を測定するのは困難である。

また、レンズ鏡筒とイメージャを固定した後でも、レンズを可動できる構造にしたと仮定して、ピント位置の測定をする場合、カメラモジュールの設計上の撮影距離にＭＴＦ測定用のチャートを配置して、レンズをディフォーカスすることにより、ＭＴＦを測定することができる。そして、この測定データからＭＴＦのピーク値、すなわちレンズのピント位置を測定することができるが、レンズの被写界深度の影響により測定値にばらつきがでる可能性が大きかった。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであって、レンズを固定した状態で正確なピント位置を測定するピント測定装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明を適用したピント測定装置は、撮像装置のピント位置を測定するピント測定装置であって、撮像装置の光軸上に離間して配設された複数のチャートユニットと、撮像装置によって撮像された、各チャートユニットのチャートパターンを組み合わせたチャート画像を入力し、チャート画像を基に各チャートユニットのＭＴＦ値を算出するＭＴＦ算出部と、各チャートユニットのＭＴＦ値を基に近似曲線を作成する曲線出力部と、近似曲線のピーク位置から撮像装置のピント位置を測定するピント測定部とを有し、チャート画像を構成する各チャートパターンの像がチャートユニットごとに区分けされている。

本発明によれば、複数のチャートユニットを光軸上に離間した位置に配置し、複数のチャートユニットのチャートパターンを組み合わせたチャート画像を撮像装置で撮像する。そして、チャート画像から各チャートユニットのＭＴＦを求め、このＭＴＦの近似曲線を基に撮像装置のピントを測定する。これにより、撮像装置のレンズを可動することなく、撮像装置のピントを測定することができる。

以下、図面を参照して本発明を適用したピント測定システム１について説明する。ピント測定システムは、ＭＴＦ（Modulation Transfer Function）を用いてデジタルカメラ等の部品であるカメラモジュールのピント位置を測定するシステムである。

ピント測定システムは、図１及び図２に示すように、ＭＴＦ測定用のチャートを配設したチャート撮影ユニット２、カメラモジュール６０が撮影したチャート画像をパーソナルコンピュータ４に転送する画像処理ボード３、チャート画像を基にＭＴＦ値を算出するパーソナルコンピュータ４、チャート画像やＭＴＦ値等を表示する表示装置５を有する。

チャート撮影ユニット２は、撮像装置としてのカメラモジュール６０を取り付けるカメラモジュール取付部６と、カメラモジュール６０に望遠や広角などの機能を追加するコンバージョンレンズ７と、チャートが印刷された５枚のチャートユニット１０，２０，３０，４０，５０と、光源９とを備える。

カメラモジュール６０は、複数枚のレンズを格納したレンズ鏡筒６１と、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等の撮像素子を備えたイメージャ部６２とから構成される。カメラモジュール６０は、無限遠までピントを合わせたパンフォーカスの小型カメラモジュール６０であり、デジタルスチルカメラやデジタルムービーカメラ等の部品として使用される。鏡筒６１とイメージャ部６２とは、ビス又は接着剤等で固定されており、レンズを可動（ディフォーカス）することができないものを想定している。

カメラモジュール取付部６は、図２に示すように、チャート撮影ユニット２の図面下部に設けられる。カメラモジュール６０の鏡筒６１と対向する位置には、コンバージョンレンズ７が設けられている。

さらに、カメラモジュール６０の光軸上には、コンバージョンレンズ７を挟んで、５枚のチャートユニット１０，２０，３０，４０，５０が設けられている。５枚のチャートユニット１０，２０，３０，４０，５０は、カメラモジュール６０の設計上の焦点を中心として、焦点深度の前側深度（カメラモジュール６０側の前端）と後側深度（光源９側の後端）との間に等間隔に配置されている。５枚のチャートユニット１０，２０，３０，４０，５０は、２本のレール８に取り付けられているが、カメラモジュール６０の焦点距離や焦点深度等に合わせて上下方向に移動させることができる。

５枚のチャートユニット１０，２０，３０，４０，５０の上方には、光源９が設けられている。光源９から出力された光は、５枚のチャートユニット１０，２０，３０，４０，５０、及び、コンバージョンレンズ７を透過して、カメラモジュール６０に投影される。

図３は、チャートユニット１０，２０，３０，４０，５０の上面図である。チャートユニット１０，２０，３０，４０，５０は、主に、チャートが印刷されたチャート板とチャート板を固定する正方形のチャート枠とから構成される。チャート板は、ガラスのような透過性の材質にチャートが印刷されている。チャート板は、ガラスが複数枚重なることで光量が下がるのを防ぐため、チャートが印刷された部分以外は切り抜きになっている。

光源９に最も近い位置にあるチャートユニット１０は、２枚のチャート板１１，１２を備える。チャート板１１，１２には、ピッチ幅ｄ１の斜縞のゼブラチャート１１ａ，１１ｂと、チャートユニット１０，２０，３０，４０，５０の光量の変化を平均化するための白黒のチャート１１ｂ，１２ｂとが印刷されている。チャート板１１，１２のサイズは、カメラモジュール６０の像高の１割乃至１．５割範囲内である。チャート板１１，１２のサイズをこのように設定することで、光学特性が変化せず、レンズの特性を確実に測定することができる。２枚のチャート板１１，１２は、チャート枠１３の中心に対して点対称であり、一方のチャート板１１はチャート枠１３の上辺左側、他方のチャート板１１はチャート枠１３の下辺右側に固定されている。

光源９から２番目に近い位置にあるチャートユニット２０は、２枚のチャート板２１，２２を備える。チャート板２１，２２には、ピッチ幅ｄ２の斜縞のゼブラチャート２１ａ，２２ａと、チャートユニット１０，２０，３０，４０，５０の光量の変化を平均化するための白黒のチャート２１ｂ，２２ｂとが印刷されている。チャート板２１，２２は、上述したチャート板１１，１２を左右に反転させた形状をしている。一方のチャート板２１はチャート枠２３の上辺右側、他方のチャート板２２はチャート枠２３の下辺左側に固定されている。

光源９から３番目に近い位置にあるチャートユニット３０は、１枚のチャート板３１を備える。このチャート板３１には、ピッチ幅ｄ３の縦縞のゼブラチャート３１ａと、チャートユニット１０，２０，３０，４０，５０の光量の変化を平均化する白黒のチャート３１ｂとが印刷されている。

光源９から４番目に近い位置にあるチャートユニット４０は２枚のチャート板４１，４２を備える。チャート板４１，４２には、ピッチ幅ｄ４の斜縞のゼブラチャート４１ａ，４２ａと、チャートユニット１０，２０，３０，４０，５０の光量の変化を平均化するための白黒のチャート４１ｂ，４２ｂとが印刷されている。チャート板４１，４２は、上述したチャート板２１，２２をチャート枠２３の対角線（２本の対角線何れでもよい）を中心として反転させた形状をしている。一方のチャート板４１はチャート枠４３の右辺上側、他方のチャート板４２はチャート枠４３の左辺下側に固定されている。

カメラモジュール６０に最も近い位置にあるチャートユニット５０は２枚のチャート板５１，５２を備える。チャート板５１，５２には、ピッチ幅ｄ５の斜縞のゼブラチャート５１ａ，５２ａと、チャートユニット１０，２０，３０，４０，５０の光量の変化を平均化するための白黒のチャート５１ｂ，５２ｂとが印刷されている。チャート板５１，５２は、上述したチャート枠４１，４２を上下に反転させた形状をしている。一方のチャート板５１はチャート枠５３の左辺上側、他方のチャート板５２はチャート枠５３の右辺下側に固定されている。

５枚のチャートユニット１０，２０，３０，４０，５０に印刷されたゼブラチャート１１ａ，１２ａ、２１ａ，２２ａ，３１ａ，３２ａ，４１ａ，４２ａ，５１ａ，５２ａのピッチ幅ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４，ｄ５は、カメラモジュール６０に投影されたときに同じピッチ幅ｄになるように計算されている。そのため、最も撮影距離が長いチャートユニット１０に印刷されたゼブラチャートのピッチ幅ｄ１が最も広く、カメラモジュール６０からの撮影距離が短くなるにつれてゼブラチャートのピット幅がｄ２、ｄ３、ｄ４と徐々に狭くなる。そして、最も撮影距離が短いチャートユニット５０に印刷されたゼブラチャート５１ａ，５２ａのピッチ幅ｄ５が最も狭くなる。

図４は、５枚のチャートユニット１０，２０，３０，４０，５０を透過してカメラモジュール６０に撮像されたチャート画像７０を示す。チャート画像７０は、中央部の縦縞のチャート３０＿１と、中央部のチャート６０−１を囲む斜縞のチャート１０＿１，１０＿２，２０＿１，２０＿２，３０＿１，４０＿１，４０＿２，５０＿１，５０＿２と、斜縞模様の外周を囲むチャート８０とからなる。中央部の縦縞のチャート３０＿１はチャートユニット３０の撮影像であり、チャート１０＿１及びチャート１０＿２はチャートユニット１０の撮影像であり、チャート２０＿１及びチャート２０＿２はチャートユニット２０の撮影像であり、チャート３０＿１及びチャート３０＿２はチャートユニット３０の撮影像であり、チャート４０＿１及びチャート４０＿２はチャートユニット４０の撮影像であり、チャート５０＿１及びチャート５０＿２はチャートユニット５０の撮影像である。チャート画面７０では、チャート１０＿１，１０＿２，２０＿１，２０＿２，３０＿１，４０＿１，４０＿２，５０＿１，５０＿２のピッチ幅ｄが等しい。

中央部の縦縞のチャート１０＿１，１０＿２，２０＿１，２０＿２，４０＿１，４０＿２，５０＿１，５０＿２と、中央部を囲む斜縞とチャート３０＿１とは、空間周波数が等しく（即ち、縞のピッチ幅ｄが等しく）、ＭＴＦの測定に用いられる。また、チャートの周囲のチャート８０は、各チャート１０＿１，１０＿２，２０＿１，２０＿２，３０＿１，４０＿１，４０＿２，５０＿１，５０＿２の光量の変化を平均化するために用いられる。

カメラモジュール６０で撮影されたチャート画像は、画像処理ボード３を経由して、パーソナルコンピュータ４に出力される。パーソナルコンピュータ４は、ＭＴＦ値を基に、カメラモジュール６０の理論上の焦点と組立誤差などにより生じる実際のピント位置との誤差を測定する焦点誤差測定処理を実行する。図５は、パーソナルコンピュータ４において誤差測定処理を実行する構成を描画したブロック図である。

パーソナルコンピュータ４は、ＭＴＦ値を算出するＭＴＦ算出部７１と、算出したＭＴＦ値から近似曲線を求める曲線出力部７２と、近似曲線のピークからずれ量を測定する焦点誤差測定部７３とを備える。

ＭＴＦ算出部７１は、チャートユニット１０，２０，３０，４０，５０ごとのＭＴＦ値を算出する。ＭＴＦ値は、空間周波数（すなわち、ある範囲におけるチャートの縞の本数）の伝達関数である。ＭＴＦ算出部７１は、各チャートユニット１０，２０，３０，４０，５０に印刷されたゼブラチャートの空間周波数と、このチャート板１０，２０，３０，４０，５０を透過したチャート１０＿１，１０＿２，２０＿１，２０＿２，３０＿１，４０＿１，４０＿２，５０＿１，５０＿２の空間周波数との比からＭＴＦ値を算出する。なお、１つのチャートユニットが２枚のチャート板が備えるとき、ＭＴＦ算出部７１は、１つのチャートユニットに備えられた２枚のチャート板と、これらのチャート板を透過したチャートとからＭＴＦ値の平均値を算出する。

曲線出力部７２は、カメラモジュール６０の焦点と各チャートユニット１０，２０，３０，４０，５０との距離、及び各チャート１０，２０，３０，４０，５０のＭＴＦ値をグラフに出力し、このグラフの各点にフィッティングをかけて近似曲線を生成する。図６に曲線出力部７２によって生成された近似曲線の一例を説明する。図６のグラフは、横軸にカメラモジュール６０の焦点とチャートユニット１０，２０，３０，４０，５０との距離（μｍ）、縦軸に各チャートユニット１０，２０，３０，４０，５０のＭＴＦ値としている。この図におけるカメラモジュール６０の焦点とは、設計上の焦点である。距離「０」の点が設計上の焦点に相当する。また、距離「４０」及び「−４０」の点は、焦点深度の後側深度と前側深度に相当する。

チャートユニット３０は、設計上の焦点の位置に配設されている。チャートユニット３０のＭＴＦ値は、距離「０」上にプロットされる。また、チャートユニット１０は、カメラモジュール６０の後側深度の位置に配設されている。チャートユニット１０のＭＴＦ値は、距離「４０」上にプロットされる。チャートユニット５０は、カメラモジュール６０の前側深度の位置に配設されている。チャートユニット５０のＭＴＦ値は、距離「−４０」上にプロットされる。また、チャートユニット２０は、チャートユニット１０とチャートユニット３０の中心に配設されている。チャートユニット２０のＭＴＦ値は、距離「２０」上にプロットされる。チャートユニット４０は、チャートユニット３０とチャートユニット５０の中心に配設される。チャートユニット４０のＭＴＦ値は、距離「−２０」上にプロットされる。

焦点誤差測定部７３は、近似曲線のピーク（Ｚ位置と記す）を求める。Ｚ位置は、カメラモジュール６０の実際のピント位置である。Ｚ位置によりカメラモジュール６０の設計上の焦点と実際の焦点との誤差を測定することができる。

以上説明したように、本発明を適用した焦点測定システム１は、カメラモジュール６０の焦点深度の範囲に複数のチャートユニット１０，２０，３０，４０，５０を配置し、これらのチャートユニット１０，２０，３０，４０，５０のゼブラチャート１１ａ，１２ａ，２１ａ，２２ａ，３１ａ，３２ａ，４１ａ，４２ａ，５１ａ，５２ａを１枚のチャート画像に投影させる。そして、各チャートユニット１０，２０，３０，４０，５０の投影像から求まるＭＴＦ値の近似曲線を基にカメラモジュール６０のピント位置を測定する。

パンフォーカス等のカメラモジュール６０では、レンズ系を格納する鏡筒と、ＣＣＤやＣＭＯＳ等のイメージャとが接着剤やビスで固定されているため、レンズ系を移動させながら焦点の位置を測定ができないが、この焦点測定システム１ではレンズを可動することなく、カメラモジュール６０のピント位置を測定することができる。

また、本発明を適用した焦点測定システム１では、レンズを可動させる時間が不要であるため、焦点の測定に要する時間を短縮することができる。さらに、撮影距離の異なるチャートを一画面上に撮影するため、レンズの被写界深度の影響による測定値のばらつきがなくなり、測定精度が向上する。

なお、上述した焦点測定システム１は、本発明の一例である、チャートユニットの枚数は、焦点測定システム１の５枚よりも多くても少なくてもよい。また、チャート画像の模様を変形してもよい。図７（ａ）に示すチャート画像の変形例では、全てのチャートユニットのゼブラチャートを中央部のチャートと同じ縦縞にしている。図７（ｂ）に示すチャート画像の変形例では、中央部のチャートは縦縞であり、中央部のチャートを囲むチャートの斜縞は、チャート画像の中心から外側に向かうような模様になっている。

さらに、上述した焦点測定システム１では、５枚のチャートユニット１０，２０，３０，４０，５０を等間隔に配置したが、チャートユニットを配置する間隔は不規則でもよい。但し、カメラモジュール６０の焦点深度の範囲内に配置した方が効率的である。

ピント測定システムの構成を示す概念図である。チャート撮影ユニットの構成を示す斜視図である。チャート撮影ユニットに取り付けられたチャートユニットの上面図である。５枚のチャートユニットを透過してカメラモジュールに投影されたチャート画像を示す模式図である。パーソナルコンピュータにおいて誤差測定処理を実行する構成を示すブロック図である。ＭＴＦ値を基に生成された近似曲線の一例を示すグラフである。チャート画像の変形例を示す模式図である。

符号の説明

１ピント測定システム、２チャート撮影ユニット、３画像処理ボード、４パーソナルコンピュータ、５表示装置、６カメラモジュール取付部、７コンバージョンレンズ、８レール、９光源、１０，２０，３０，４０，５０チャートユニット、１１ａ，１２ａ，２１ａ，２２ａ，３１ａ，３２ａ，４１ａ，４２ａ，５１ａ，５２ａゼブラチャート、７０チャート画像、７１ＭＴＦ算出部、７２曲線出力部、７３焦点誤差測定部

Claims

撮像装置のピント位置を測定するピント測定装置であって、
上記撮像装置の光軸上に離間して配設された複数のチャートユニットと、
上記撮像装置によって撮像された、各チャートユニットのチャートパターンを組み合わせたチャート画像を入力し、上記チャート画像を基に各チャートユニットのＭＴＦ値を算出するＭＴＦ算出部と、
上記各チャートユニットのＭＴＦ値を基に近似曲線を作成する曲線出力部と、
上記近似曲線のピーク位置から上記撮像装置のピント位置を測定する焦点測定部と
を有し、
上記チャート画像を構成する各チャートパターンの像がチャートユニット毎に区分けされている
ことを特徴とするピント測定装置。
各チャートユニットのチャートパターンのピッチ幅は、上記チャート画像における全てのチャートユニットの像が同じピッチ幅になるように設定されていることを特徴とする請求項１記載のピント測定装置。
上記チャートユニットは、上記撮像装置の焦点深度の範囲内に配置されることを特徴とする請求項１記載のピント測定装置。
上記複数のチャートユニットには、上記撮像装置の焦点深度の前端の位置に配置されるチャートユニットと、上記撮像装置の焦点深度の後端の位置に配置されるチャートユニットとが含まれることを特徴とする請求項１記載のピント測定装置。
上記チャートユニットのチャートパターンは、光学的特性の変化の少ない像高範囲内に配置されていることを特徴とする請求項１記載のピント測定装置。
上記チャートユニットは、上記撮像装置の光軸に沿って可動であることを特徴とする請求項１記載のピント測定装置。