JP4887889B2

JP4887889B2 - オートフォーカス装置およびカメラ

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Publication number: JP4887889B2
Application number: JP2006120509A
Authority: JP
Inventors: 大助佐谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2006-04-25
Filing date: 2006-04-25
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2026-04-25
Also published as: JP2007293010A

Description

本発明は、いわゆるコントラスト方式のオートフォーカス（ＡＦ）制御を行うオートフォーカス装置、およびそのオートフォーカス装置を有するカメラに関し、合焦時間の短縮を図ったものである。

上記コントラスト方式では、被写体光束を受光して光電変換し、その光電変換出力（画像信号）からコントラストに応じた焦点評価値を演算する。そして、合焦レンズが合焦位置に近いほど像のコントラストが高くなることに鑑み、焦点評価値が極大（ピーク）となるレンズ位置を見つけて合焦レンズを駆動し、被写体に合焦させる。ピーク位置の検出には、いわゆる山登り制御と呼ばれる手法が用いられる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２８００４８号公報

コントラスト方式のオートフォーカス制御は、高精度の焦点調節結果が得られる反面、合焦までに時間がかかるという欠点がある。

本発明は、被写体光束を受光して光電変換する光電変換手段と、その光電変換変換出力に基づいて、焦点調節状態を表す焦点評価値を演算する演算手段とを有し、合焦レンズを所定のサンプリングピッチずつ駆動しながら各サンプリング位置で焦点評価値を演算し、それらの演算結果に基づいて合焦レンズを合焦位置にもたらすオートフォーカス装置に適用され、光電変換手段は焦点面上に備えられた第１受光面を有する第一の光電変換素子と、焦点面と等価な面に対して光軸方向に移動可能に備えられた第２受光面を有する第二の光電変換素子とを含み、合焦レンズの駆動方向に応じて、第２受光面の位置を第１受光面から光路長差を有する所定位置に制御する制御部とを含み、合焦レンズを駆動方向に前記サンプリングピッチずつ駆動したときに、第二の光電変換素子が第一の光電変換素子よりも先に焦点評価値のピークを検出することを特徴とする。
本発明に係るカメラは、上記オートフォーカス装置を有して成る。

本発明によれば、コントラスト方式のオートフォーカス制御において、合焦レンズの焦点評価値がピーク位置に達する前に合焦位置を推定することができ、以てオートフォーカスの高速化が図れる。

図１〜図６により本発明の一実施の形態を説明する。
図１は本実施形態における電子カメラの概略構成図であり、フォーカス関連部分のみ示している。鏡筒１００は、合焦レンズ１１を含む撮影光学系１０を内蔵し、撮影光学系１０を透過した被写体光束がカメラボディ２００に導かれる。カメラボディ２００にはハーフミラー２１が設けられ、ミラー２１で反射された被写体光束は、第一の光電変換素子２２に受光される。

第一の光電変換素子２２は、受光光束を光電変換して電気的画像信号を出力する。その画像信号に種々の処理が施されることで画像データが生成され、画像ファイルとして不図示の画像記録媒体に記録される。また第一の光電変換素子２２の出力である画像信号は、第一焦点検出手段２３を介してＣＰＵ２４に入力される。

一方、ハーフミラー２１を透過した被写体光束は、第二の光電変換素子２５に受光される。第二の光電変換素子２５は、光電変換素子駆動手段２６により、その入射光軸方向に移動可能とされる。光電変換素子駆動手段２６としては、圧電素子、ボイスコイルモータ、微小ステッピングモータなどを用いることができる。第二の光電変換素子２５の光電変換出力は、第二の焦点検出手段２７を介してＣＰＵ２４に入力される。

表示手段２８は、例えばカメラ背面に設けられた液晶モニタ、あるいは電子ファインダ、およびその駆動回路から構成される。表示手段２８や上記光電変換素子駆動手段２６は、ＣＰＵ２４により駆動制御される。またＣＰＵ２４は、第一，第二の焦点検出手段２３，２７から入力された画像信号に基づいてＡＦ制御を行い、レンズ駆動手段１２を介して合焦レンズ１１をフォーカシング駆動する。

以下、ＡＦ制御の詳細を説明する。
本実施形態のカメラは、コントラスト方式のＡＦ制御（コントラストＡＦ）を行う。コントラストＡＦでは、撮像によって得られた画像信号から所定帯域の高周波成分を抽出し、その絶対値を積分して焦点評価値を演算する。焦点評価値は、像のコントラストに応じて変化する量であり、コントラストが高いほどその値は大きくなる。合焦レンズ１１が合焦位置に近いほど画像信号のコントラストが高くなることから、焦点評価値がピーク（極大）となる位置に合焦レンズ１１をもたらすことで、被写体に合焦させることができる。焦点評価値がピークとなるレンズ位置を求める動作をＡＦサーチと呼ぶ。

ＡＦサーチの手法として、山登り方式が知られており、これを図２により説明する。
図２は合焦レンズ位置に対する焦点評価値の変化を示す図で、今、合焦レンズ１１はＰ（１）位置にあり、そのときの焦点評価値はａ（１）である。Ｐ（ｎ）（ｎ＝１，２，・・・）はサンプリングポイントであり、この点で焦点評価値が演算される。この例では、焦点評価値のピーク位置を中心とする所定領域に合焦レンズ１１が位置していれば、合焦とみなすものとする。

図２にはａ（ｎ）とｂ（ｎ）とが記載されているが、従来のコントラストＡＦではａ（ｎ）のみが用いられる。すなわち、まずレンズ駆動方向を決めるために、合焦レンズ１１をいずれかの方向にサンプリングピッチ分だけ移動し、焦点評価値ａ（ｎ）を得る。例えばＰ（２）位置に駆動した場合は、求めた焦点評価値ａ（２）をａ（１）と比較し、ａ（１）＜ａ（２）なので、更に同方向にレンズ駆動すればよいことが分かる。そこで、更に合焦レンズ１１を無限遠側にサンプリングピッチ分だけ移動する。このように、サンプリングピッチごとにａ（ｎ−１）とａ（ｎ）とを比較してレンズ駆動方向を決め、その方向に合焦レンズ１１を駆動する動作を繰り返す。図の例では、当初は無限遠側に合焦レンズ１１が駆動されてゆくが、ピーク位置を過ぎるとａ（ｎ−１）とａ（ｎ）の大小が反転するので、ピーク位置を越えてしまったことが判明する。そこで、合焦レンズ１１を逆方向に駆動し、最終的に合焦範囲内にもたらす。

このように従来のコントラストＡＦでは、合焦レンズ１１がピーク位置を通り過ぎて初めてピーク位置が知れるので、行きすぎた分だけ合焦レンズ１１を戻す動作が必要となる。これは、画像データを得るための撮像素子（上記第一の光電変換素子２２に相当）の出力のみに基づいてコントラストＡＦを行っているためである。

本実施形態では、第一の光電変換素子２２に加え、第二の光電変換素子２５の出力をも用いてコントラストＡＦを行う。以下の説明では、第一，第二の光電変換素子２５の出力に基づいて演算される焦点評価値を、それぞれ第一，第二の評価値と呼ぶ。

ここで、第一の光電変換素子２２は、保存すべき画像データを得るための撮像素子であるのに対し、第二の光電変換素子２５はＡＦ専用である。したがって、第二の光電変換変換素子２５の信号解像度は、第一の光電変換素子２２よりも低くてよい。通常は、撮像素子（第一の光電変換素子）で得られた高解像度の画像信号に対して解像度変換（画素の間引き等）を行い、変換された低解像度の画像信号から焦点評価値を演算することで、演算速度を速めている。第二の光電変換素子２５は、もともと低解像度（上記解像度変換後の解像度と同程度）の画像信号を出力するものでよいため、その分コストダウンが図れるとともに、余計な解像度変換処理を行う必要もなく、演算の高速化および省電力化が図れる。

図３は本実施形態におけるＡＦ制御の一例を示している。
ＣＰＵ２４は、合焦レンズ１１を駆動すべき方向が決まると、その駆動方向に応じて第二の光電変換素子２５の位置を算出し、光電変換素子駆動手段２６によりその位置に第二の光電変換素子２５を移動させる。

ここで、第一の光電変換素子２２は固定であり、その受光面は常に正規の焦点面上に位置する。これに対し、第二の光電変換素子２５は上述のごとく移動可能であり、その受光面は焦点面と等価な面に対して前後に移動可能である。第二の光電変換素子２５の移動により、両光電変換素子２２，２５の入射光路に光路長差が生じ、その分だけ第一，第二の評価値に差が生ずる。図２の例では、合焦レンズ１１がＰ（ｎ）位置にあるときの第一の評価値がａ（ｎ）であるのに対し、同位置における第二の評価値はｂ（ｎ）となる。すなわち、ｂ（ｎ）がａ（ｎ）の３回分先の値となるように第二の光電変換素子２５の位置を決めている。

その後、ＡＦサーチが開始される。ＣＰＵ２４は、各サンプリングポイントＰ（ｎ）において、第一，第二の評価値ａ（ｎ），ｂ（ｎ）をそれぞれ演算し、両者の勾配を求める。勾配は、
（ｂ（ｎ）−ａ（ｎ））／第一，第二の光電変換の入射光路長差
で与えられる。図２の例では、当初はｂ（ｎ）＞ａ（ｎ）であるから、勾配は正の値である。

合焦レンズ１１がピーク位置に近づくに従って勾配は減少し、やがてｂ（ｎ）＝ａ（ｎ）となって勾配は０となるか、またはｂ（ｎ）＜ａ（ｎ）となって負の値に反転する。この勾配の変化に基づいて、合焦レンズ１１がピーク位置を超える前にピーク位置を推定することができる。

図４はレンズ位置による勾配の絶対値の変化を示している。勾配は、ピーク位置まで減少するが、ピーク位置を過ぎると増加し、ピーク位置の直前と直後では、勾配は等しくなる。そこで、勾配の正負が反転する前後の第一，第二の評価値に基づいて、勾配変化量が０となる位置を求め、ピーク位置を求める。勾配の変化量は、
（勾配（ｎ）−勾配（ｎ−１））／サンプリングピッチ
で与えられる。図２の例では、たまたまＰ（７）において勾配が０となるので、ピーク位置はＰ（８）とＰ（９）の中央であると推定できる。

図５はレンズ駆動方向が上述と逆の例である。この場合は、第二の光電変換素子２５が、正規の焦点面に対して上述とは逆方向に離れた位置に移動されることになる。

なお、別の方法として、第二の評価値ｂ（ｎ）の変化に基づいて合焦位置を推定してもよい。例えば、第一の評価値ａ（ｎ）は増加しているが、第二の評価値ｂ（ｎ）が減少し始めたとき、第二の評価値から合焦位置を推定し、その位置に合焦レンズ１１をダイレクトに駆動してもよい。

上記いずれの方法においても、合焦レンズ１１がピーク位置を越える前に合焦位置が判明するので、従来のようにいったんピーク位置を越えてレンズを戻す動作を行わずに済み、ＡＦの高速化が図れる。

図６は他の実施形態を示している。第二の光電変換素子２５の光路前方には光学素子５１が配置され、ミラー２１の透過光は、この素子５１を透過して第二の光電変換素子２５に入射する。光学素子５１は、例えば流体レンズのような電圧によって屈折率またはレンズ厚が可変するものが用いられ、光路長変更手段５２によりその屈折率またはレンズ厚を変えることで、第二の光電変換素子の入射光路長を変える。これにより上記光路長差が生じ、先の実施形態と同様の作用効果が得られる。また本実施形態によれば、第二の光電変換素子２５をメカ的に駆動する必要がなくなる。

以上では、第一，第二の光電変換素子の入射光路長差を一定としたが、ＡＦサーチの途中でこれを変更してもよい。例えば、当初はサンプリングピッチと上記光路長差を大きくして高速サーチを行い、上記勾配の変化によってピーク位置に近づいたことが判明すると、サンプリングピッチを小さくするとともに、上記光路長差を小さくして（第二の光電変換素子２５をより焦点面に近づけて）高精度なサーチを行うようにしてもよい。これによれば、ＡＦの高速化と高精度化の両立が図れる。あるいは、サンプリングピッチは一定で光路長差を小さくしても精度を高めることができる。

また上記光路長差をレンズの焦点深度によって決めてもよい。最終的なレンズ位置が焦点深度の範囲内に納まっていればよいので、焦点深度が深いときにはピーク位置の検出精度は比較的低くてもよく、光路長差を大きくとってサーチの高速化を図る。一方、焦点深度が浅くなるほど光路長差を小さくとり、ピーク位置の検出精度を高める。

図７はこの場合の制御の一例を示している。レンズ駆動方向が決定すると、レンズ鏡筒１００からレンズデータ（焦点距離データ）を読み取る。読み取った焦点距離と絞り値とから深度を求め、それに基づいて第二の光電変換素子２５の移動量を求め、第二の光電変換素子２５を移動させる（あるいは、深度に基づいて光学素子５１の屈折率もしくはレンズ厚を変更する）。その後の処理は図３と同様である。

第一，第二の光電変換変換素子の双方をＡＦ専用とし、画像データを得るための撮像素子が別にあってもよい。また３以上の光電変換変換素子を用い、それぞれの入射光路長差を変えることでＡＦ制御を行うようにしてもよい。

本発明の一実施形態におけるカメラの概略構成図。実施形態におけるコントラストＡＦ制御を説明する図。コントラストＡＦの手順の一例を示すフローチャート。レンズ位置における焦点評価値の勾配の変化を示す図。図２と同様の図で、レンズ駆動方向が逆の場合を示す。他の実施形態におけるカメラの概略構成図。コントラストＡＦの他の例を示すフローチャート。

符号の説明

１０撮影光学系
１１合焦レンズ
１２レンズ駆動手段
２２第一の光電変換素子
２４ＣＰＵ
２５第二の光電変換素子
２６光電変換素子駆動手段
５１光学素子
５２光路長変更手段
ａ（ｎ），ｂ（ｎ）第一，第二の評価値
Ｐ（ｎ）サンプリングポイント

Claims

被写体光束を受光して光電変換する光電変換手段と、その光電変換変換出力に基づいて、焦点調節状態を表す焦点評価値を演算する演算手段とを有し、合焦レンズを所定のサンプリングピッチずつ駆動しながら各サンプリング位置で焦点評価値を演算し、それらの演算結果に基づいて合焦レンズを合焦位置にもたらすオートフォーカス装置において、
前記光電変換手段は焦点面上に備えられた第１受光面を有する第一の光電変換素子と、前記焦点面と等価な面に対して光軸方向に移動可能に備えられた第２受光面を有する第二の光電変換素子とを含み、
前記合焦レンズの駆動方向に応じて、前記第２受光面の位置を前記第１受光面から光路長差を有する所定位置に制御する制御部とを含み、
前記合焦レンズを前記駆動方向に前記サンプリングピッチずつ駆動したときに、前記第二の光電変換素子が前記第一の光電変換素子よりも先に前記焦点評価値のピークを検出することを特徴とするオートフォーカス装置。
前記第一の光電変換素子は、保存すべき画像データを得るために用いられる光電変換素子であり、
前記第二の光電変換素子は、保存すべき画像データを得るために用いられない光電変換素子であることを特徴とする請求項１に記載のオートフォーカス装置。
前記入射光路長差は、前記サンプリングピッチと同等かそれよりも長いことを特徴とする請求項１または２記載のオートフォーカス装置。
前記第二の焦点評価値が、前記第１の焦点評価値よりもレンズ駆動方向に対して先の値を示すように前記入射光路長を設定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のオートフォーカス装置。
前記第一，第二の焦点評価値の差を求め、その差の変化に基づいて前記合焦レンズを駆動制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のオートフォーカス装置。
前記第一の光電変換素子の光路長は固定とし、前記第二の光電変換素子の光路長を可変とすることで前記光路長差を生ぜしめることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のオートフォーカス装置。
前記第一の光電変換変換素子の出力を解像度変換し、前記焦点評価値演算用の信号を得る解像度変換手段を備え、前記第二の光電変換素子は、前記焦点評価値演算用の画像信号と同等の解像度の信号を出力するよう構成されていることを特徴とする請求項２に記載のオートフォーカス装置。
前記光路長差を撮影光学系の焦点深度に基づいて決定することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のオートフォーカス装置。
前記合焦レンズが合焦位置に近づいたことを示す条件が成立すると、前記光路長差を小さくすることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のオートフォーカス装置。
前記制御部に含まれる前記光路長差を発生させる手段は、前記いずれかの光電変換素子の位置を変更する手段、前記いずれかの光電変換素子の入射光路内に設けられた光路長変更素子の屈折率を変更する手段、前記光路長変更素子の厚みを変更する手段のいずれかであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のオートフォーカス装置。
請求項１〜１０のいずれか１項に記載ののオートフォーカス装置を有するカメラ。