JP4732748B2

JP4732748B2 - 電子式カメラ及び自動フォーカス方法

Info

Publication number: JP4732748B2
Application number: JP2004368320A
Authority: JP
Inventors: 聡竹本
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-07-02
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2024-12-20
Also published as: JP2006047954A; US7609317B2; US20060001763A1; CN102202179B; KR20060048595A; DE602005007289D1; EP1613062A1; CN102202179A; EP1613062B1

Description

本発明は、電子式カメラ及び自動フォーカス方法に関するものである。

ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサを光電変換素子として用いた、いわゆるデジタルカメラと呼ばれる電子式の画像撮像装置が広く用いられている。

このようなデジタルカメラには、一般的に、自動的にフォーカス（ピント）を合わすオートフォーカス制御を行う機能が設けられている。デジタルカメラのオートフォーカス制御の方式には様々な方式があるが、撮像画像の検波領域のコントラストや高周波成分等を抽出して焦点評価値を生成し、その焦点評価値が一番高くなるようにレンズ位置を調整する方式が主流となっている。

レンズ位置に対する焦点評価値をグラフに表すと、図９に示すようになる。すなわちレンズ位置（Ｘ軸）に対する焦点評価値（Ｙ軸）は、合焦位置で最大値となり、合焦位置からｆａｒ側（後ピン側）及びｎｅａｒ側（前ピン側）に離れるに従って焦点評価値が小さくなる山型波形となる。従って、オートフォーカス制御を行う場合には、焦点評価値が山型波形の頂点の値となるように、フォーカスレンズのレンズ位置の制御を行えばよい。

焦点評価値が山型波形の頂点の値となる位置にフォーカスレンズを移動させるためには、焦点評価値の山型波形の傾きを検出して、現在のレンズ位置に対して合焦位置がどちら方向にあるかを判断しなければならない。つまり、現在のレンズ位置が合焦位置からｆａｒ側に位置しているのか、ｎｅａｒ側に位置しているのかを判断しなければならない。

現在のレンズ位置に対して合焦位置がどちら方向にあるかを判断する方法として、図９に示すように、画像に影響を与えない程度にフォーカスレンズを微小振動させ、焦点評価値の変動成分（微分成分ｄｙ／ｄｘ）の正負を算出する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。このようにオートフォーカス制御時にフォーカスレンズを微小振動させることを、ウォブリングという。

ウォブリングの動作例を、図１０を参照して具体的に説明する。図１０は、横軸に時間（フィールド単位）、縦軸にフォーカスレンズの位置を示している。

ウォブリング動作は、まず、第１の期間（Ｔ１）でフォーカスレンズをｎｅａｒ側に一定距離移動させる。続いて、第２の期間（Ｔ２）でフォーカスレンズを一定時間停止させる。続いて、第３の期間（Ｔ３）でフォーカスレンズをｆａｒ側に一定距離移動させる。続いて、第４の期間（Ｔ４）でフォーカスレンズを一定時間停止させる。以上の第１の期間から第４の期間までの動作を一連の動作とし、この一連の動作を繰り返し行う。このような動作がウォブリングである。そして、ウォブリング中に焦点評価値の変動成分（微分成分ｄｙ／ｄｘ）を検出するためには、第２の期間及び第４の期間の両者で焦点評価値を検出し、その差を算出すればよい。

特開平１０−２３９５７９号公報

ところで、近年、光電変換素子としてＣ−ＭＯＳ（Complementary - Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサを用いたデジタルカメラが提案されている。

ＣＣＤイメージセンサとＣ−ＭＯＳイメージセンサとの大きな違いは、ＣＣＤイメージセンサでは各画素の電荷をＣＣＤにより転送するのに対して、Ｃ−ＭＯＳイメージセンサでは順次走査を行って各画素の信号の読み出しを行う点である。

ここで、Ｃ−ＭＯＳイメージセンサでは、各画素から信号読み出しを順次走査により行うことにともない、露光タイミングが１画面内で同一とはならずに、画素毎に露光タイミングが異なる。

例えば、図１１に示すように、あるフィールドの先頭の画素の露光タイミングと、最後の画素の露光タイミングとを比較すると、ほぼ１フィールド期間分のずれが生じる。

そのため、上述のようなウォブリング動作をして焦点評価値の変化量を算出する際に、検波領域の画素の露光期間中に、フォーカスレンズが移動してしまう可能性がある。このような場合、焦点評価値の変化量の検出感度が低くなり、正確で高速なオートフォーカス制御を行うことができなくなる。

また、図１２（Ａ）に示すように、フォーカスレンズを移動させるスキャン動作によって焦点評価値を生成する場合、ＣＣＤイメージセンサでは図１２（Ｃ）に示すように、全画素の露光タイミングが同一であるため問題とならないが、Ｃ−ＭＯＳイメージセンサでは、検波領域の画素の露光中に、フォーカスレンズが移動してしまう可能性がある。このような場合も、焦点評価値の検出感度が低くなってしまうため、正確で高速なオートフォーカス制御を行うことができなくなる。

また、コントラストの弱い被写体のオートフォーカス制御を行うためにＬＥＤ（Light Emitting Diode）レーザなどを照射する場合、ＣＣＤイメージセンサでは全画素の露光タイミングが同じため、図１２（Ｄ）に示すような発光タイミングでよいが、画素毎に露光タイミングが異なるＣ−ＭＯＳイメージセンサでは、ウォルブリング動作又はスキャン動作における検波領域の画素の露光タイミングとＬＥＤレーザの発光タイミングとの間にずれが生じてしまう。

本発明は、このような課題を解決するために提案されたものであり、正確で高速なオートフォーカス制御を行う電子式カメラ及び自動フォーカス方法を提供することを目的とする。

本発明に係る電子カメラは、二次元配列された複数の光電変換素子を有し、二次元配列された各光電変換素子を順次走査して１フィールド期間よりも短い期間露光させ、各光電変換素子から電気信号を順次走査して読み出すことにより画像信号を生成するイメージセンサと、被写体像を集光して上記イメージセンサに照射する光学系と、被写体像のフォーカス位置を調整するためのフォーカスレンズと、上記フォーカスレンズをニア側及びファー側に移動させる移動制御部とを備えたレンズ部と、フォーカスレンズをニア側に一定距離分移動するニア側駆動動作、ニア側駆動動作をした後にフォーカスレンズを一定時間停止するニア側停止動作、ニア側停止動作をした後にフォーカスレンズをファー側に一定距離分移動するファー側駆動動作、ファー側駆動動作をした後にフォーカスレンズをファー側で一定時間停止するファー側停止動作の一連の動作を、２フィールド期間毎に繰り返すウォブリング動作を行わせるためウォブリング制御信号を生成するウォブリング制御部と、画面内の所定領域の画像信号に基づき、被写体像の合焦の度数を示す焦点評価値を生成する合焦評価値算出部と、上記焦点評価値の上記ウォブリング動作中の変化量を算出し、当該変化量に基づき上記フォーカスレンズが合焦へ向かう方向を判断する合焦方向判断部と、上記焦点評価値及び合焦方向に基づき合焦となるように上記フォーカスレンズを移動させるとともに、上記ウォブリング制御信号に基づき上記移動制御部を駆動する駆動部とを備える。

本発明に係る電子カメラでは、上記ウォブリング制御部が、上記ウォブリング制御部が、上記画面内の所定領域の中央の画素が露光している期間の中心タイミングと、ニア側停止動作の期間及びファー側停止動作の期間の略中心のタイミングとが一致するように、ウォブリング制御信号を生成している。

また、本発明に係る電子カメラでは、上記ウォブリング制御部が、上記焦点評価値を生成するための画素が露光している期間の中心タイミングと、ニア側停止動作の期間及びファー側停止動作の期間の略中心のタイミングとが一致するように、上記ウォブリング制御信号を生成している。

本発明に係る自働フォーカス方法は、二次元配列された複数の光電変換素子を有し、二次元配列された各光電変換素子を順次走査して露光させ、各光電変換素子から電気信号を順次走査して読み出すことにより画像信号を生成するイメージセンサを用いた電子式カメラの自動フォーカス方法において、被写体像のフォーカス位置を調整するためのフォーカスレンズが、ニア側に一定距離分移動するニア側駆動動作、ニア側駆動動作をした後に一定時間停止するニア側停止動作、ニア側停止動作をした後にファー側に一定距離分移動するファー側駆動動作、ファー側駆動動作をした後にファー側で一定時間停止するファー側停止動作の一連の動作を、２×ｎ（ｎは自然数）フィールド期間毎に繰り返すウォブリング動作をし、画面内の所定領域の画像信号に基づき、被写体像の合焦の度数を示す焦点評価値を生成し、上記焦点評価値の上記ウォブリング動作中の変化量を算出し、当該変化量に基づき上記フォーカスレンズが合焦へ向かう方向を判断し、上記焦点評価値及び合焦方向に基づき合焦となるように上記フォーカスレンズを移動して、フォーカス調整を行うものである。

本発明に係る自動フォーカス方法では、上記画面内の所定領域の中央の画素が露光している期間の中心タイミングと、ニア側停止動作の期間及びファー側停止動作の期間の略中心のタイミングとが一致するようにウォブリング動作を行う。

また、本発明に係る自動フォーカス方法では、上記焦点評価値を生成するための画素が露光している期間の中心タイミングと、ニア側停止動作の期間の中心タイミング及びファー側停止動作の期間の略中心のタイミングとが一致するようにウォブリング動作を行う。

本発明に係る電子式カメラ及び自動フォーカス方法では、上記画面内の所定領域の略中央の画素が露光している期間の中心タイミングが、ニア側停止動作の期間及びファー側停止動作の期間の中心タイミングとなるようなウォブリング動作を行う。

また、本発明に係る電子式カメラ及び自動フォーカス方法では、上記焦点評価値を生成するための画素が露光している期間が、ニア側停止動作の期間及びファー側停止動作の期間内となるようなウォブリング動作を行う。

このことにより、本発明に係る電子式カメラ及び自動フォーカス方法では、ウォブリング動作のタイミングと、焦点評価値を検出する画素の露光タイミングとの関係を最適にして、正確で高速なオートフォーカス制御を行うことができる。

本発明に係る電子カメラ及び自動フォーカス方法では、輝度レベルの低い被写体を照射する補助光源が、各光電変換素子を露光する露光時間より短い時間間隔で発光する。

このことにより、本発明に係る電子式カメラ及び自動フォーカス方法では、画面全域にわたって十分な輝度を与えることができ、正確で高速なオートフォーカス制御を行うことができる。

以下、本発明が適用された電子式のビデオカメラ（以下、単にビデオカメラという。）について説明する。

図１に、本発明が適用されたビデオカメラ１０のブロック構成図を示す。

ビデオカメラ１０は、レンズユニット１１と、Ｃ−ＭＯＳ（Complementary - Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサ１２と、タイミングジェネレータ１３と、カメラ信号処理部１４と、焦点評価値検出部１５と、コントローラ１６とを備えている。

レンズユニット１１内には、フォーカスレンズ２１、フォーカスレンズ２１等を駆動するレンズ駆動部２２が設けられている。また、レンズユニット１１には、これらの他に、例えば、ズームレンズ、入射光の赤外線をカットする赤外カットフィルタ、入射光量を制限する絞り羽根、入射光を遮光するシャッタ羽根等の光学系や、絞り羽根を駆動する絞り駆動部と、シャッタ羽根を駆動するシャッタ駆動部等も設けられている。

レンズユニット１１内のフォーカスレンズ２１は、その光軸が、Ｃ−ＭＯＳイメージセンサ１２の受光面の略中心から延ばした鉛直線と一致する位置に設けられている。フォーカスレンズ２１は、光軸上を前後に直線移動可能に設けられ、その移動位置に応じてＣ−ＭＯＳイメージセンサ１２上の受光面上の結像画像の焦点位置を変える。フォーカスレンズ２１は、その移動位置が、レンズ駆動部２２を介してコントローラ１６により制御される。

Ｃ−ＭＯＳイメージセンサ１２は、レンズユニット１１介して受光面に結像された被写体の撮像光を画素毎に電気信号に変換し、当該画像信号を出力する。Ｃ−ＭＯＳイメージセンサ１２は、タイミングジェネレータ１３により露光及び読み出しタイミングが制御される。なお、Ｃ−ＭＯＳイメージセンサ１２は、ＣＣＤのように一括タイミングで露光が行われるのではなく、画素毎に異なるタイミングで露光が行われ、Ｃ−ＭＯＳスイッチにより順次走査を行って各画素の信号の読み出しが行われる。Ｃ−ＭＯＳイメージセンサ１２により読み出された画像信号は、カメラ信号処理部１４に供給される。

タイミングジェネレータ１３は、垂直同期信号等の各種の同期信号を発生する。

カメラ信号処理部１４は、Ｃ−ＭＯＳイメージセンサ１２から供給された画像信号に対して、サンプリング処理や増幅処理等のアナログ処理を行い、Ａ/Ｄ変換を行ってデジタル化し、ガンマ補正やホワイトバランス等の調整を行う。カメラ信号処理部１４は、このような信号処理を行った後に、ＮＴＳＣや記録メディアに必要なフォーマットのデジタルの映像信号に変換して、外部に出力する。

焦点評価値検出部１５は、カメラ信号処理部１４で処理されている画像信号から、オートフォーカス（ＡＦ）の制御に必要となる焦点評価値Ｅを、１フィールド毎に検出する。オートフォーカスの制御に必要となる焦点評価値Ｅは、画面内のある検波領域内に含まれている高周波成分の量やコントラスト値である。その検波領域の高周波成分が大きかったり、コントラストが高い場合には、その検波領域にフォーカスが合っており、その検波領域の高周波成分が小さかったり、コントラストが低い場合には、その検波領域にはフォーカスが合っていない。すなわち、焦点評価値Ｅは、画面内の検波領域に、フォーカスが合っている度合いを示す度数である。

また、画面内の検波領域は、図２（Ａ）に示すように画面中心に一つあるのが一般的である。しかしながら、図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）に示すように、画面の中心以外に複数の検波領域を設けても良い。

なお、図２（Ａ）,（Ｂ）,（Ｃ）の一点鎖線で示したように、画面内の全ての検波領域を囲む領域のことを、以下、特定領域という。

コントローラ１６は、オートフォーカス制御等のビデオカメラ１０の各部の制御を行う。

以上のようなビデオカメラ１０では、被写体画像を撮像してビデオ信号として出力することができる。出力されたビデオ信号は、例えばハードディスクや光ディスクに記録されたり、モニタで表示されたりする。

また、ビデオカメラ１０は、暗い環境や逆光条件で被写体に十分なコントラストを与えるための補助光源１７を備えている。この補助光源１７は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）レーザ等からなり、コントラストの弱い被写体にレーザ光を照射する。例えば、補助光源１７にＬＥＤレーザを用い、光の振幅と位相の両方を記録するホログラムによって、３次元の被写体を再生することにより、コントラストの弱い被写体にピントを合わせることができる。

つぎに、ビデオカメラ１０のオートフォーカス制御について説明をする。

オートフォーカス制御とは、フォーカスレンズ２１の移動制御を自動的に行って、被写体画像のフォーカス（ピント）の調整を行う処理である。コントローラ１６は、撮像を行っている最中に、このオートフォーカス制御を行い、常に最適なピントに調整された画像を出力している。ここでは、オートフォーカス制御としてウォブリング動作とスキャン動作について説明する。

（ウォブリング動作）
以下、オートフォーカス制御の際に必要となるフォーカスレンズ２１の移動制御信号の算出手順（ステップＳ１〜ステップＳ８）について、図３を参照して説明をする。なお、以下に説明するステップＳ１〜ステップＳ８の処理は、ウォブリング動作においてコントローラ１６が１フィールド毎に行うものである。

まず、コントローラ１６は、焦点評価値検出部１５から、当該フィールドの焦点評価値Ｅを読み出す（ステップＳ１）。

続いて、コントローラ１６は、取り出した焦点評価値Ｅと過去のフィールドの焦点評価値Ｅとから、焦点評価値の微分成分ｄＥを算出する（ステップＳ２）。

続いて、コントローラ１６は、フォーカスレンズ２１をジャストフォーカス位置に移動させるための移動制御信号を算出する（ステップＳ３）。つまり、焦点評価値が山型波形の頂点となるようにフォーカスレンズ２１を移動させなければならない。このため、コントローラ１６は、このステップＳ３において、焦点評価値Ｅ及び微分成分ｄＥに基づき、現在のフォーカスレンズ２１の位置からジャストフォーカス位置までの距離及び方向を算出し、算出した距離及び方向に基づきフォーカスレンズ２１の位置からジャストフォーカス位置するような移動制御信号を生成する。

続いて、コントローラ１６は、次のフィールドが、ウォブリング動作のためにｆａｒ側又はｎｅａｒ側に微小移動させるフィールドであるか否かを判断する（ステップＳ４）。次のフィールドがウォブリング動作をさせるフィールドである場合には、コントローラ１６は、ステップＳ５においてウォブリング量を算出し、次のフィールドがウォブリング動作をさせないフィールドである場合には、ステップＳ６においてウォブリング量を０とする。

続いて、コントローラ１６は、ステップＳ５又はステップＳ６で求めたウォブリング量に基づき、フォーカスレンズ２１をｆａｒ側及びｎｅａｒ側に交互に微小移動させるためのウォブリング制御信号を生成する（ステップＳ７）。

続いて、コントローラ１６は、ステップＳ３で求めた移動制御信号と、ステップＳ６で求めたウォブリング制御信号を加算して、フォーカスレンズ２１の総移動制御信号を生成する（ステップＳ８）。

コントローラ１６は、以上のように求めた総移動制御信号をレンズ駆動部２２に与える。レンズ駆動部２２は、総移動制御信号に応じてフォーカスレンズ２１を駆動する。このことにより、ビデオカメラ１０では、画像信号のピントを最適に調整することが可能となる。

つぎに、ビデオカメラ１０でのウォブリング動作について、図４及び図５を参照して、さらに詳細に説明をする。

図４（Ａ）及び図５（Ａ）は、ウォブリング制御信号のみを与えた場合（つまり、フォーカスレンズ２１をジャストフォーカス位置に移動させるための移動制御信号が０である場合）のフォーカスレンズ２１の動作を示した図であり、具体的には、横軸に時間、縦軸にフォーカスレンズ２１の位置を示している。また、図４（Ｂ）及び図５（Ｂ）は、タイミングジェネレータ１３から出力される画像信号の垂直同期信号のタイミングを示している。また、図４（Ｃ）及び図５（Ｃ）は、特定領域の中央位置の画素（例えば、図２（Ａ）〜（Ｃ）の画素ｃ）の露光タイミングを示している。

なお、図４は、ウォブリング動作周期が４フィールド期間の例を示しており、図５は、ウォブリング動作周期が２フィールド期間の例を示している。

ビデオカメラ１０のウォブリング動作は、まず、第１の期間（Ｔ１）でフォーカスレンズ２１がｎｅａｒ側に一定距離移動する。なお、この一定距離は、撮像された画像に影響を与えない程度の微小の距離である。続いて、第２の期間（Ｔ２）でフォーカスレンズ２１が一定時間停止する。続いて、第３の期間（Ｔ３）でフォーカスレンズ２１がｆａｒ側に一定距離移動する。続いて、第４の期間（Ｔ４）でフォーカスレンズ２１が一定時間停止する。という、第１の期間から第４の期間までの動作を一連の動作とし、この一連の動作を１周期とした繰り返し動作が行われる。

コントローラ１６は、ウォブリング制御信号として、フォーカスレンズ２１が以上のような動作するような信号を発生する。

さらに、コントローラ１６は、フォーカスレンズ２１のウォブリング動作の１周期が、２×ｎ（ｎは自然数）フィールド期間となるように、ウォブリング制御信号を発生している。

それとともに、コントローラ１６は、垂直同期信号から第１の期間（Ｔ１）の開始タイミングまでの期間、又は、垂直同期信号から第３の期間（Ｔ３）の開始タイミングまでの期間をｔ_０としたとき、当該ｔ_０が次の式（１）に示す値となるようなウォブリング制御信号を発生している。

ｔ_０＝（ｈ_ｓ＋ｈ_ｅ−ｓ−（ｎ×ｖ）−ｄ）／２−ε …（１）
式（１）において、ｈ_ｓは、垂直同期信号からＣ−ＭＯＳイメージセンサ１２の特定領域の最初の画素の読み出しタイミングまでの期間である。例えばＣ−ＭＯＳイメージセンサ１２が画面左端上端から画面右端下端まで画面順次走査を行って画素の信号の読み出しを行う場合であれば、ｈ_ｓは、垂直同期信号から、特定領域の左端上端画素（図２（Ａ）〜（Ｃ）の画素ｓ）の読み出しタイミングまでの期間である。

ｈ_ｅは、垂直同期信号からＣ−ＭＯＳイメージセンサ１２の最終の画素の読み出しタイミングまでの期間である。例えばＣ−ＭＯＳイメージセンサ１２が画面左端上端から画面右端下端まで画面順次走査を行って画素の信号の読み出しを行う場合であれば、ｈ_ｅは、垂直同期信号から画面右端下端画素（図２（Ａ）〜（Ｃ）の画素ｅ）の読み出しタイミングまでの期間である。

ｓは、各画素の露光時間（電子シャッタの開放時間）である。

ｖは、１フィールド周期である。

ｎは、ウォブリング動作の周期の１周期をＴとしたとき、ｎ＝Ｔ／（２×ｖ）となる値である。なお、ｎは、自然数である。

ｄは、ウォブリング動作による移動時間である。

εは、フォーカスレンズ２１の機械的な遅れを補正するためのパラメータである。

この式（１）に示すようにフォーカスレンズ２１のウォブリング動作の位相制御を行うことによって、図４（Ｃ）に示すように、特定領域の中央の画素が露光している期間の中心タイミングｔｘが、第２の期間（Ｔ２）及び第４の期間（Ｔ４）の中心タイミングｔｙに一致することとなる。

すなわち、ウォブリング動作におけるｎｅａｒ側での停止期間及びｆａｒ側での停止期間の中心タイミングと、焦点評価値を検出するための画素の露光期間の中心タイミングとが一致することとなる。このため、コントローラ１６は、焦点評価値を検出するための画素の露光期間中にウォブリング動作によるレンズ移動の可能性を最も低くすることができる。

また、この式（１）に示すようにフォーカスレンズ２１のウォブリング動作の位相制御を行うことによって、焦点評価値を検出するための画素の露光期間の一部でレンズ移動が生じたとしても、第２の期間（Ｔ２）（ｎｅａｒ側での停止期間）中の焦点評価値を検出するための画素の露光期間長と、第４の期間（Ｔ４）（ｆａｒ側での停止期間）中の焦点評価値を検出するための画素の露光期間長とが同一となる。逆に言うと、第１の期間（Ｔ１）（ｎｅａｒ側への微小移動動作期間）中の焦点評価値を検出するための画素の露光期間長と、第３の期間（Ｔ３）（ｆａｒ側への微小移動動作期間）中の焦点評価値を検出するための画素の露光期間長とが同一となる。

このため、ビデオカメラ１０では、焦点評価値を検出する画素の有効な露光期間を、各フィールドで均等にすることができ、焦点評価値の変動成分を検出した場合に常に正確な値を検出できる。

なお、以上の例では、ウォブリング動作の停止期間の中心タイミングと、特定領域の中央の画素の露光期間の中心タイミングとを一致させるように、ウォブリング動作の位相を制御して、焦点評価値を検出するための画素の露光期間中にウォブリング動作によるレンズ移動の可能性を最も低くするようにしている。しかしながら、このように中央のタイミングを一致させる制御に限らず、焦点評価値を検出するための全ての画素の露光期間中にウォブリング動作によるレンズ移動がされないように、ウォブリング動作の位相を制御してもよい。

（スキャン動作）
次に、フォーカスレンズ２１を一定速度で移動させて焦点評価値が最大となる位置を検出するスキャン動作について説明する。このオートフォーカス制御は、撮像を行っている最中にコントローラ１６がフォーカスレンズ２１の移動制御信号を出力することにより行われる。このスキャン動作によるオートフォーカス制御は、上述のウォブリング動作と同様に、焦点評価値を検出するための画素の露光期間中にフォーカスレンズ２１を移動させないようにするものである。

まず、コントローラ１６は、レンズユニット１１内の移動可能範囲において、フォーカスレンズ２１を、例えば至近端のスキャン開始位置に移動させる。フォーカスレンズ２１がスキャン開始位置への移動を完了すると、フォーカスレンズ２１が例えば無限端方向へ移動してスキャンが開始される。

コントローラ１６は、焦点評価値検出部１５から、例えば至近端から無限端へのフィールドの焦点評価値Ｅを読み出し、フォーカスレンズ２１をジャストフォーカス位置、つまり、焦点評価値が山型波形の頂点となるように移動制御信号を算出する。そして、移動制御信号に基づいて合焦位置と判定された場所にフォーカスレンズ２１を移動させる。

ここで、フォーカスレンズを移動させるタイミングについて、図６及び図７を参照にして説明する。

図６（Ａ）及び図７（Ａ）は、スキャン制御信号のみを与えた場合（つまり、フォーカスレンズ２１をジャストフォーカス位置に移動させるための移動制御信号が０である場合）のフォーカスレンズ２１の動作を示した図であり、具体的には、横軸に時間、縦軸にフォーカスレンズ２１の位置を示している。また、図６（Ｂ）及び図７（Ｂ）は、タイミングジェネレータ１３から出力される画像信号の垂直同期信号のタイミングを示している。また、図６（Ｃ）及び図７（Ｃ）は、特定領域の中央位置の画素（例えば、図２（Ａ）〜（Ｃ）の画素ｃ）の露光タイミングを示している。

なお、図６は、スキャン動作周期が２フィールド期間の例を示しており、図７は、スキャン動作周期が１フィールド期間の例を示している。

ビデオカメラ１０のスキャン動作は、まず、第１の期間（Ｔ１）フォーカスレンズ２１がｆａｒ側に一定距離移動する。なお、この一定距離は、撮像された画像に影響を与えない程度の微小の距離である。続いて。第２の期間（Ｔ２）でフォーカスレンズ２１が一定時間停止する。という第１の期間と第２の期間の動作を一連の動作とし、この一連の動作を１周期とした繰り返し動作が行われる。

コントローラ１６は、スキャン制御信号として、フォーカスレンズ２１が以上のような動作をするような信号を発生する。

さらに、コントローラ１６は、フォーカスレンズ２１のスキャン動作の１周期が、ｎ（ｎは自然数）フィールド期間となるように、スキャン制御信号を発生している。

それとともに、コントローラ１６は、垂直同期信号から第１の期間（Ｔ１）の開始タイミングまでの期間をｔ_０としたとき、当該ｔ_０が次の式（２）に示す値となるようなスキャン制御信号を発生している。

ｔ_０＝（ｈ_ｓ＋ｈ_ｅ−ｓ−（ｎ×ｖ）−ｄ）／２−ε …（２）
なお、この式（２）は上述した（１）と同様であるが、ｎは、スキャン動作の周期の１周期をＴとしたとき、ｎ＝Ｔ／ｖ（ｎは自然数）となる値であり、ｄは、スキャン動作による移動時間である。

上記した式（２）に示すようにフォーカスレンズ２１のスキャン動作の位相制御を行うことによって、図６（Ｃ）に示すように、特定領域の中央の画素が露光している期間の中心タイミングｔｘが、第２の期間（Ｔ２）の中心タイミングｔｙに一致することとなる。

すなわち、スキャン動作における停止期間の中心タイミングと、焦点評価値を検出するための画素の露光期間の中心タイミングとが一致することとなる。このため、コントローラ１６は、焦点評価値を検出するための画素の露光期間中にスキャン動作によるレンズ移動の可能性を最も低くすることができる。

なお、以上の例では、スキャン動作の停止期間の中心タイミングと、特定領域の中央の画素の露光期間の中心タイミングとを一致させるように、スキャン動作の位相を制御して、焦点評価値を検出するための画素の露光期間中にスキャン動作によるレンズ移動の可能性を最も低くするようにしている。しかしながら、このように中央のタイミングを一致させる制御に限らず、焦点評価値を検出するための全ての画素の露光期間中にスキャン動作によるレンズ移動がされないように、スキャン動作の位相を制御してもよい。

（補助光源の発光動作）
次に、コントラストの弱い被写体に対して照射する補助光源１７の発光動作について説明する。この発光動作も、上述したウォルブリング動作やスキャン動作と同様に発光期間の中心タイミングと、特定領域の中央の画素の露光期間の中心タイミングとを一致させて補助光源１７を発光させるか、又は焦点評価値を検出するための全ての画素の露光期間中に補助光源１７を発光させることにより、正確で高速なオートフォーカス制御を行うことができる。

しかしながら、上述したウォルブリング動作やスキャン動作と同様に発光動作を行うと、Ｃ−ＭＯＳイメージセンサ１２を用いると画面の一部しか補助光が照射されないこととなる。したがって、例えば、補助光源１７にＬＥＤレーザを用い、光の振幅と位相の両方を記録するホログラムによってコントラストの弱い被写体にピントを合わせる場合、３次元の被写体を再生するのに十分なホログラムを得ることが困難となる。

また、ウォルブリング動作中やスキャン動作中の全ての期間に補助光を照射すれば十分なホログラムを得ることができるが、ＬＥＤレーザの出力エネルギーの上限値は、ＩＳＯ（International Organization for Standardization）などの安全規格によって定められている。

そこで、本発明に係る自動フォーカス方法は、補助光源１７を露光時間より短い間隔で発光させることにより、安全規格を満たすとともにコントラストの弱い被写体に十分な輝度を与えるようにしたものである。

図８は、スキャン動作において補助光源１７を露光周期の８倍周期で発光させた場合を示す図である。図８（Ａ）は、フォーカスレンズ２１の動作を示しており、図８（Ｂ）は、タイミングジェネレータ１３から出力される画像信号の垂直同期信号のタイミングを示している。また、図８（Ｃ）は、特定領域の中央位置の画素（例えば、図２（Ａ）〜（Ｃ）の画素ｃ）の露光タイミングを示している。また、図８（Ｄ）は、補助光源１７の発光タイミングを示している。なお、図８は、スキャン動作周期が１フィールド期間の例を示すものである。

このように補助光源１７は、例えば２ｎ（ｎは自然数）として垂直同期信号に基づいて垂直同期期間／２ｎの時間毎にパルス状に発光される。そして、点灯／消灯時間比を調節し、補助光源１７の発光のパルス間隔を露光期間より短い間隔で発光させることにより、安全規格を満たすととも画面全域にわたって十分な輝度を有する画像を得ることができる。これにより、３次元の被写体を再生するのに十分なホログラムを得ることができるため、正確で高速なオートフォーカス制御を行うことができる。

本発明が適用されたビデオカメラのブロック図である。検波領域及び特定領域を示す図である。フォーカスレンズの移動制御信号の算出手順を示すフローチャートである。本発明が適用されたビデオカメラのフォーカスレンズのウォブリング動作（４フィールド周期の場合の動作）を示す図である。本発明が適用されたビデオカメラのフォーカスレンズのウォブリング動作（２フィールド周期の場合の動作）を示す図である。本発明が適用されたビデオカメラのフォーカスレンズのスキャン動作（２フィールド周期の場合の動作）を示す図である。本発明が適用されたビデオカメラのフォーカスレンズのスキャン動作（１フィールド周期の場合の動作）を示す図である。本発明が適用されたビデオカメラの補助光源の発光動作（１フィールド周期の場合の動作）を示す図である。フォーカスレンズの位置に対する焦点評価値のカーブを示す図である。従来のビデオカメラのフォーカスレンズのウォブリング動作を示す図である。Ｃ−ＭＯＳイメージセンサにおける先頭画素と最終画素との露光タイミングのずれを示す図である。従来のビデオカメラのフォーカスレンズのスキャン動作を示す図である。

符号の説明

１０ビデオカメラ、１１レンズユニット、１２Ｃ−ＭＯＳイメージセンサ、１３タイミングジェネレータ、１４カメラ信号処理部、１５焦点評価値検出部、１６コントローラ、１７補助光源、２１フォーカスレンズ、２２レンズ駆動部

Claims

二次元配列された複数の光電変換素子を有し、二次元配列された各光電変換素子を順次走査して１フィールド期間よりも短い期間露光させ、各光電変換素子から電気信号を順次走査して読み出すことにより画像信号を生成するイメージセンサと、
被写体像を集光して上記イメージセンサに照射する光学系と、被写体像のフォーカス位置を調整するためのフォーカスレンズと、上記フォーカスレンズをニア側及びファー側に移動させる移動制御部とを備えたレンズ部と、
フォーカスレンズをニア側に一定距離分移動するニア側駆動動作、ニア側駆動動作をした後にフォーカスレンズを一定時間停止するニア側停止動作、ニア側停止動作をした後にフォーカスレンズをファー側に一定距離分移動するファー側駆動動作、ファー側駆動動作をした後にフォーカスレンズをファー側で一定時間停止するファー側停止動作の一連の動作を、２フィールド期間毎に繰り返すウォブリング動作を行わせるためウォブリング制御信号を生成するウォブリング制御部と、
画面内の所定領域の画像信号に基づき、被写体像の合焦の度数を示す焦点評価値を生成する合焦評価値算出部と、
上記焦点評価値の上記ウォブリング動作中の変化量を算出し、当該変化量に基づき上記フォーカスレンズが合焦へ向かう方向を判断する合焦方向判断部と、
上記焦点評価値及び合焦方向に基づき合焦となるように上記フォーカスレンズを移動させるとともに、上記ウォブリング制御信号に基づき上記移動制御部を駆動する駆動部と
を備え、
上記ウォブリング制御部は、上記画面内の所定領域の中央の画素が露光している期間の中心タイミングと、ニア側停止動作の期間及びファー側停止動作の期間の略中心のタイミングとが一致するように、ウォブリング制御信号を生成する電子式カメラ。
二次元配列された複数の光電変換素子を有し、二次元配列された各光電変換素子を順次走査して１フィールド期間よりも短い期間露光させ、各光電変換素子から電気信号を順次走査して読み出すことにより画像信号を生成するイメージセンサと、
被写体像を集光して上記イメージセンサに照射する光学系と、被写体像のフォーカス位置を調整するためのフォーカスレンズと、上記フォーカスレンズをニア側及びファー側に移動させる移動制御部とを備えたレンズ部と、
フォーカスレンズをニア側に一定距離分移動するニア側駆動動作、ニア側駆動動作をした後にフォーカスレンズを一定時間停止するニア側停止動作、ニア側停止動作をした後にフォーカスレンズをファー側に一定距離分移動するファー側駆動動作、ファー側駆動動作をした後にフォーカスレンズをファー側で一定時間停止するファー側停止動作の一連の動作を、２フィールド期間毎に繰り返すウォブリング動作を行わせるためウォブリング制御信号を生成するウォブリング制御部と、
画面内の所定領域の画像信号に基づき、被写体像の合焦の度数を示す焦点評価値を生成する合焦評価値算出部と、
上記焦点評価値の上記ウォブリング動作中の変化量を算出し、当該変化量に基づき上記フォーカスレンズが合焦へ向かう方向を判断する合焦方向判断部と、
上記焦点評価値及び合焦方向に基づき合焦となるように上記フォーカスレンズを移動させるとともに、上記ウォブリング制御信号に基づき上記移動制御部を駆動する駆動部とを
備え、
上記ウォブリング制御部は、上記焦点評価値を生成するための画素が露光している期間の中心タイミングと、ニア側停止動作の期間及びファー側停止動作の期間の略中心のタイミングとが一致するように、ウォブリング制御信号を生成する電子式カメラ。
二次元配列された複数の光電変換素子を有し、二次元配列された各光電変換素子を順次走査して１フィールド期間よりも短い期間露光させ、各光電変換素子から電気信号を順次走査して読み出すことにより画像信号を生成するイメージセンサを用いた電子式カメラの自動フォーカス方法において、
被写体像のフォーカス位置を調整するためのフォーカスレンズが、ニア側に一定距離分移動するニア側駆動動作、ニア側駆動動作をした後に一定時間停止するニア側停止動作、ニア側停止動作をした後にファー側に一定距離分移動するファー側駆動動作、ファー側駆動動作をした後にファー側で一定時間停止するファー側停止動作の一連の動作を、２フィールド期間毎に繰り返すウォブリング動作をし、
画面内の所定領域の画像信号に基づき、被写体像の合焦の度数を示す焦点評価値を生成し、
上記焦点評価値の上記ウォブリング動作中の変化量を算出し、当該変化量に基づき上記フォーカスレンズが合焦へ向かう方向を判断し、上記焦点評価値及び合焦方向に基づき合焦となるように上記フォーカスレンズを移動して、フォーカス調整を行うものであって、さらに、上記ウォブリング動作は、上記画面内の所定領域の中央の画素が露光している期間の中心タイミングと、ニア側停止動作の期間及びファー側停止動作の期間の略中心のタイミングとが略一致している自動フォーカス方法。
二次元配列された複数の光電変換素子を有し、二次元配列された各光電変換素子を順次走査して１フィールド期間よりも短い期間露光させ、各光電変換素子から電気信号を順次走査して読み出すことにより画像信号を生成するイメージセンサを用いた電子式カメラの自動フォーカス方法において、
被写体像のフォーカス位置を調整するためのフォーカスレンズが、ニア側に一定距離分移動するニア側駆動、ニア側駆動をした後に一定時間停止するニア側停止動作、ニア側停止動作をした後にファー側に一定距離分移動するファー側駆動、ファー側駆動をした後にファー側で一定時間停止するファー側停止動作の一連の動作を、２フィールド期間毎に繰り返すウォブリング動作をし、
画面内の所定領域の画像信号に基づき、被写体像の合焦の度数を示す焦点評価値を生成し、
上記焦点評価値の上記ウォブリング動作中の変化量を算出し、当該変化量に基づき上記フォーカスレンズが合焦へ向かう方向を判断し、上記焦点評価値及び合焦方向に基づき合焦となるように上記フォーカスレンズを移動して、フォーカス調整を行うものであって、さらに、上記ウォブリング動作は、上記焦点評価値を生成するための画素が露光している期間の中心タイミングと、ニア側停止動作の期間の中心タイミング及びファー側停止動作の期間の略中心のタイミングとが略一致している自動フォーカス方法。