JP5023750B2

JP5023750B2 - 測距装置および撮像装置

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Publication number: JP5023750B2
Application number: JP2007068798A
Authority: JP
Inventors: 茂雄高橋
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2007-03-16
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2027-03-16
Also published as: JP2008233205A

Description

本発明は、三角測量の原理を利用して撮影距離を算出する測距装置と撮像装置に関する。

撮影レンズをその光軸に直交する面内で平行移動させるレンズ駆動機構を備え、このレンズ駆動機構により撮影レンズを撮像素子の中心に対して対象な２位置に移動して被写体像をそれぞれ撮像し、２枚の撮像画像と撮影レンズの移動距離とに基づいて被写体までの距離を演算するようにした測距装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この出願の発明に関連する先行技術文献としては次のものがある。
特許第３５５１９３２号

しかしながら、上述した従来の測距装置では、位置を変えて撮像した２枚の画像に共通する撮影領域に対してのみしか測距を行えないので、測距範囲が狭いという問題がある。

請求項１の発明による測距装置は、結像光学系と、前記結像光学系による被写体像を撮像する撮像素子と、前記結像光学系を、その光軸に垂直な第１の方向及び前記第1の方向と逆方向の第２の方向に、それぞれ変位させる結像光学系変位手段と、前記撮像素子を前記結像光学系の変位方向と同方向に変位させる撮像素子変位手段と、前記結像光学系変位手段による結像光学系の変位量と前記撮像素子変位手段による撮像素子の変位量とを制御する制御手段と、前記結像光学系変位手段及び前記撮像素子変位手段によって前記結像光学系及び前記撮像素子がそれぞれ前記第１の方向に変位された時に前記被写体像を撮像した前記撮像素子からの第１の画像を取得し、前記結像光学系変位手段及び前記撮像素子変位手段によって前記結像光学系及び前記撮像素子がそれぞれ前記第２の方向に変位された時に前記被写体像を撮像した前記撮像素子からの第２の画像を取得する画像取得手段と、前記第１の画像と前記第２の画像と前記結像光学系の前記第１及び第２の方向の変位量と前記撮像素子の前記第１及び第２の方向の変位量とに基づき被写体距離を算出する演算手段と、を備え、前記制御手段は、前記結像光学系の絞り値が所定値よりも大きい場合の前記結像光学系の変位量及び前記撮像素子の変位量が、前記結像光学系の絞り値が前記所定値以下の場合の前記結像光学系の変位量及び前記撮像素子の変位量よりもそれぞれ小さくなるように制御することを特徴とする。

本発明によれば、位置を変えて撮像した２枚の画像に共通する撮影領域が広くなり、画面内の広い範囲で測距を行うことができる。

図１は一実施の形態の測距装置を備えた撮像装置の構成を示す。撮影光学系１は光軸変位装置２と焦点調節光学系３を内蔵しており、被写体光を集光する。光軸変位装置２は撮影光学系１の光軸を光軸に垂直な方向に変位させ、焦点調節光学系３は撮影光学系１の光軸に平行な方向に変位して撮影画像の焦点（ピント）を調節する。撮像素子４は撮影光学系１を透過した被写体光を受光し、被写体の画像信号に変換する。

撮像素子変位装置５は撮像素子４を撮影光学系１の光軸に垂直な方向に移動し、ブレ検出装置６は手ぶれなどによるカメラのブレを検出する。制御装置７はマイクロコンピューターやメモリなどから構成される演算装置８を備え、撮影光学系１、光軸変位装置２、焦点調節光学系３、撮像素子４、撮像素子変位装置５、ブレ検出装置６を制御する。

ここで、一実施の形態の測距方法の原理を説明する。図２は、光軸変位装置２により撮影光学系１の光軸を変位させたときの撮影画像の変化を示す。なお、図２では便宜的に撮影光学系１を１枚のレンズで表しており、撮影光学系１の焦点距離をｆ、撮像素子４から被写体までの被写体距離をＬとする。また、図２では、撮像素子変位装置５により撮像素子４がその可動範囲の中央位置に固定されているものとする。

図２(ａ)は、光軸変位装置２により撮影光学系１の光軸が撮像素子４の中心を通るように変位させたときの（以下では、この位置を正位置という）、撮像系の位置関係と撮像素子４による撮像画像を示す。図２(ｂ)は、光軸変位装置２により撮影光学系１の光軸を距離ｄだけ左側に変位させたときの撮像系の位置関係と撮像素子４による撮像画像を示す。このときの撮像画像は、図２(ａ)に示す正位置の撮像画像を右に移動した画像となる。図２(ｃ)は、光軸変位装置２により撮影光学系１の光軸を距離ｄだけ右側に変位させたときの撮像系の位置関係と撮像素子４による撮像画像を示す。このときの撮像画像は、図２(ａ)に示す正位置の撮像画像を左に移動した画像となる。

図３は、光軸変位装置２により撮影光学系１の光軸を左右にそれぞれ距離ｄだけ変位させたときの像ズレ量と被写体距離の関係を表す図である。正位置の場合に出力される被写体像に対して、図３に示すように撮影光学系１の光軸を左右にそれぞれ距離ｄだけ変位させたときの被写体像は、図中に破線で示す光軸からそれぞれｘ１、ｘ２だけ変位している。撮影光学系１の光軸を左にずらした場合は、光軸に対して結像位置が左にずれるのでこの方向をｘ１の＋方向とする。また、撮影光学系１の光軸を右にずらした場合は、光軸に対して結像位置が右にずれるのでこの方向をｘ２の＋方向とする。

変位量ｘ１とｘ２が測定できれば、三角測量の原理で被写体距離Ｌを次のように算出することができる。被写体距離Ｌを求めるには、被写体が無限遠だった場合の結像位置（ｘ１＋ｘ２＝０の場合）からの像の変位量（ｘ１＋ｘ２＞０）を求めればよい。図３において、基線長Ｂ＝２ｄ［ｍｍ］、被写体距離Ｌ［ｍｍ］、レンズ焦点距離ｆ［ｍｍ］、光軸からのずれｘ１［ｍｍ］、ｘ２［ｍｍ］とすると、
Ｌ：（Ｂ＋ｘ１＋ｘ２）＝（Ｌ−ｆ）：Ｂ・・・（１）
これより、次の等式が成立する。
（Ｌ−ｆ）・（Ｂ＋ｘ１＋ｘ２）＝Ｌ・Ｂ・・・（２）
（２）式をＬについて解くと、
Ｌ＝Ｂ・ｆ／（ｘ１＋ｘ２）＋ｆ・・・（３）
ただし、ｘ１＋ｘ２＝０の場合はＬ＝∞（被写体が無限遠）となる。

上記（３）式から明らかなように、（ｘ１＋ｘ２）の精度は、撮像素子４の分解能（画素ピッチ）に依存するため、画素ピッチを一定のまま被写体距離Ｌの算出精度を上げるには、基線長Ｂ、焦点距離ｆを大きくする必要がある。

図３では、光軸変位装置２により撮影光学系１の光軸が撮像素子４の中心を通るように変位させた正位置のときに、光軸上に結像される被写体を例示しているが、同様の手法で２枚の画像に共通して撮影される被写体の任意の点（測距エリア）に対しての測距が可能である。また、便宜的に光軸を左右にずらした場合を例に上げて説明したが、２つの光軸の異なる任意の像でも測距が可能である。

次に、像の変位量（ｘ１＋ｘ２）の導出方法の一例を示す。ここでは、図２に示すように、光軸変位装置２を用いて光軸を左右に変位させた場合の像を例に上げて説明する。図４は光軸を変位させた場合の撮像画像を示す。なお、図中の矩形枠は２像を比較する範囲を表し、矩形枠の中心の黒丸は光軸点である。図４(ａ)は光軸を左に変位させた場合の画像である。撮像素子４から出力される画像は上下左右を反転させているため、画像中の光軸に対応する点は右にずれる。図４(ｂ)は光軸を左に変位させた場合の画像であり、画像中の光軸に対応する点は左にずれる。これらの画像中の光軸点を中心とする所定の大きさの矩形枠内の画像データを比較することによって、変位量（ｘ１＋ｘ２）を導出する。

図５を参照して、変位量（ｘ１＋ｘ２）を導出し、正位置のときに光軸周辺上に存在する被写体までの距離Ｌを算出する手順を説明する。まず、図５(ａ)に示すように、２つの像の光軸周辺の領域（図中の矩形範囲）の画像データを抽出して比較する。２つの画像領域の画像データが一致していないときは、図５(ｂ)に示すように抽出する画像領域をシフトしてふたたび２つの画像領域の画像データの比較を行う。２つの画像領域の画像データが一致するまで同様の処理を行い、図５(ｃ)に示すように２つの画像領域の画像データが一致したら変位量（ｘ１＋ｘ２）を求め、上記（３）式により被写体距離Ｌを演算する。なお、被写体距離Ｌ＝∞の場合は、図６に示すように光軸周辺領域の画像データが一致するため、変位量（ｘ１＋ｘ２）も０となる。

このようにして求めた被写体距離Ｌにしたがって焦点調節光学系３を駆動し、被写体のピント合わせを行うことができる。

なお、画像中の各画素または複数の特徴点に対して測距を行えば、撮影画像の輝度や色の情報に加え、距離の情報を残すことが可能になる。その場合は予めこの測距方式または既存の測距方式を用いて撮影光学系１のピント合わせを行っておくことが望ましい。

ところで、撮影光学系１の光軸を変位させて撮影した２枚の画像間には、図４に示すように撮影領域に大きな変化が生じ、次のような問題が発生する。第１に、撮影する２枚の画像に共通する撮影領域の変位量（ｘ１＋ｘ２）を導出して測距を行うこの方式では、光軸付近から離れた画像の周辺領域では測距を行うことができず、ＴＴＬコントラスト検出方式のような自在な測距エリアを実現できない。

第２に、デジタルカメラなどの測距装置として使用する場合には、撮影者が構図決定のために使用する像（一眼レフカメラで使用する光学ファインダー像やコンパクトデジタルカメラ等で使用する撮影補助画像など）が測距のたびに変化し、撮影者に違和感を与えてしまう。光軸の駆動中のみ撮影補助画像を停止する方法も考えられるが、光学ファインダーの場合には使用できず、また一瞬画像が停止してしまうため、やはり違和感を与えてしまう。

上述した２つの問題は、撮影光学系１の光軸を大きく変位させればさせるほど顕著に現れるため、光軸の変位量を小さくすれば抑制できる。しかし、（３）式で示したように基線長Ｂが小さいと測距精度が低下するので、ある程度以上の光軸の変位は避けられない。そこで、この一実施の形態では、撮像素子変位装置５を用いて光軸の変位に連動した撮像素子４の変位を行うことによって、撮影する２枚の画像の撮影領域の変化を抑制する。

図７は、光軸変位装置２による撮影光学系１の光軸変位に連動して撮像素子変位装置５により撮像素子４の変位を行う様子を示す。図７に示す例では、光軸の変位量ｄと同じ量だけ撮像素子４を変位させている。図７(ａ)は、光軸変位装置２により撮影光学系１の光軸が撮像素子４の中心を通る正位置に設定した場合の、撮像系の位置関係と撮像素子４による撮像画像を示す。

図７(ｂ)は、光軸変位装置２により撮影光学系１の光軸を距離ｄだけ左側に変位させるとともに、撮像素子変位装置５により撮像素子４を距離ｄだけ左側に変位させたときの撮像系の位置関係と撮像素子４による撮像画像を示す。このときの撮像画像は、図７(ａ)に示す正位置の撮像画像をわずかに右側に移動した画像となる。図７(ｃ)は、光軸変位装置２により撮影光学系１の光軸を距離ｄだけ右側に変位させるとともに、撮像素子変位装置５により撮像素子４を距離ｄだけ右側に変位させたときの撮像系の位置関係と撮像素子４による撮像画像を示す。このときの撮像画像は、図７(ａ)に示す正位置の撮像画像をわずかに左側に移動した画像となる。

図８は、図７に示すように撮影光学系１の光軸と撮像素子４を連動して変位させて撮影した２枚の画像と、画像中の位置関係を示す図である。なお、図中の矩形枠は２像を比較する範囲を表し、矩形枠の中心の黒丸は光軸点である。図８(ａ)は撮影光学系１の光軸と撮像素子４を左側に変位させた場合（図７(ｂ)参照）の画像である。なお、撮像素子４から出力される画像は上下左右を反転させているため、画像中の光軸に対応する点は右側にずれる。また、図８(ｂ)は撮影光学系１の光軸と撮像素子４を右側に変位させた場合（図７(ｃ)参照）の画像であり、画像中の光軸に対応する点は左側にずれる。図４に示す撮像素子４を変位させない場合の画像と比較して、画像の変位が小さくなっているのが分かる。これにより、測距エリアの拡張が可能になるとともに、撮影者の構図決定時に与えてしまう違和感を軽減することができる。

撮影光学系１の光軸のみを変位させる場合には、２枚の画像の撮影範囲が変化する問題以外にも、光軸の変位量に制約がある。（３）式に示すように、測距の精度を上げるには光軸の移動量である基線長Ｂをできる限り大きくしなければならない。しかし、基線長Ｂを大きくするために光軸の移動を撮像素子４のサイズ以上にすると、測距できなくなってしまう。例えば図９に示すように、基線長Ｂの長さを十分に長くするために撮影光学系１の光軸変位量ｄを大きくすると、(ａ)に示す正位置の状態から撮影光学系１の光軸を(ｂ)に示すように左側に距離ｄだけ変位させたとき、または、光軸を(ｃ)に示すように右側に距離ｄだけ変位させたときに、被写体からの光束は撮像素子４の受光面から外れてしまう。この場合、光軸を変位して撮影した２枚の画像に共通して撮影される被写体像が存在しないため、測距を行うことができない。

このように、測距精度の確保のために撮影光学系１の光軸を大きく変位する場合でも、光軸の変位量に合わせて撮像素子４を変位させることによって、高精度な測距を実現することができる。

図１０は、撮影光学系１の光軸の変位量と同じ量だけ撮像素子４を変位させたときの撮像光学系の状態を示す。基線長Ｂの長さを十分に長くするために撮影光学系１の光軸変位量ｄを大きくした場合でも、(ａ)に示す正位置の状態から撮影光学系１の光軸を(ｂ)に示すように左側に距離ｄだけ変位させたときに撮像素子４も左側に距離ｄだけ変位させ、また、光軸を(ｃ)に示すように右側に距離ｄだけ変位させたときに撮像素子４も右側に距離ｄだけ変位させることによって、被写体からの光束が撮像素子４の受光面に入射する。したがって、図１０(ｂ)と(ｃ)の状態で撮影した２枚の画像中に共通の撮影領域が存在し、図９に示すように測距不能な状態に陥らず、高精度な測距を行うことができる。

また、撮影光学系１の光軸変位に対応して撮像素子４を変位させる手法は、近距離の被写体を測距する場合にも有効である。近距離の被写体に対して測距を行うと、レンズの変位量に対する像の変化量が大きくなり、結像位置が撮像素子４の受光面に収まらなくなるという問題が発生する。例えば図１１に示すように、撮影光学系１の光軸変位量ｄが小さい場合でも、(ａ)に示す正位置の状態から撮影光学系１の光軸を(ｂ)に示すように左側に距離ｄだけ変位させたとき、または、光軸を(ｃ)に示すように右側に距離ｄだけ変位させたときに、被写体からの光束は撮像素子４の受光面から外れてしまう。この場合、光軸を変位して撮影した２枚の画像に共通して撮影される被写体像が存在しないため、測距を行うことができない。

近距離の被写体を測距する場合にも、撮影光学系１の光軸の変位量と同じ量だけ撮像素子４を変位させることによって、高精度な測距を実現することができる。例えば図１２に示すように、(ａ)に示す正位置の状態から撮影光学系１の光軸を(ｂ)に示すように左側に距離ｄだけ変位させたときに撮像素子４も左側に距離ｄだけ変位させ、また、光軸を(ｃ)に示すように右側に距離ｄだけ変位させたときに撮像素子４も右側に距離ｄだけ変位させることによって、被写体からの光束は撮像素子４の受光面に入射する。したがって、図１２(ｂ)と(ｃ)の状態で撮影した２枚の画像中に共通の撮影領域が存在し、図１１に示すように測距不能な状態に陥らず、高精度な測距を行うことができる。

図１３〜図１８は一実施の形態の自動焦点調節（ＡＦ）処理を示すフローチャートである。このフローチャートにより、一実施の形態の動作を説明する。カメラの制御装置７（図１参照）は、シャッターボタン（不図示）の半押し操作があると図１３に示すＡＦ処理を開始する。ステップ１において、撮影光学系１の焦点距離やマクロ撮影モードなどの条件に基づいて、測距時にカメラのモニター（不図示）に表示されるスルー画像の変位が大きくて撮影者に違和感を与えるか否かを判定する。ステップ２で測距時のスルー画像の変位が大きくてスルー画を停止する条件を満たすと判定された場合はステップ３へ進み、現在のスルー画像を表示したまま、以後のスルー画像の更新を停止する。

スルー画を停止する条件として、例えば、撮影光学系の焦点距離が大きい場合には光軸変位による構図変化が大きいため、スルー画表示を停止するようにしてもよい。また、撮影距離が近い場合には構図の変化が大きいため、スルー画表示を停止するようにしてもよい。

ステップ４において、図１４に示す測距サブルーチンを実行し、撮影光学系１の光軸および撮像素子４を変位させて撮影を行い、撮影した複数の画像を処理して被写体の距離を演算する。この測距動作については詳細を後述する。続くステップ５で測距結果に応じて撮影光学系１の焦点調節用光学系３（図１参照）を駆動し、焦点調節を行う。ステップ６で現在スルー画停止中か否かを判別し、スルー画停止中のときはステップ７でスルー画の更新を再開する。以上でＡＦ処理を終了する。

図１４に示す測距サブルーチンにより、測距処理を説明する。ステップ１１において、図１５〜図１８に示すサブルーチンを実行して撮影回数、光軸変位量、撮像素子変位量などの測距パラメーターを設定する。まず、図１５のステップ２１で図１６に示す撮影回数Ｎ設定サブルーチンを実行し、撮影条件に応じた測距用画像の撮影回数、つまり撮影条件に応じて何枚の画像に基づいて測距を行うかを設定する。図１６のステップ３１で前回の測距結果が信頼性がなしと判定されたためのリトライ測距か否かを判別し、リトライ測距の場合はステップ３９へ進み、測距用撮影回数Ｎに１回を設定する。

ここで、２枚の画像による測距結果の信頼性が低い場合には、３枚以上の画像を用いてリトライ測距を行う。例えば、最初に２枚の画像から測距を行ったときに、被写体輝度が低くノイズなどの影響で鮮明な画像信号が得られず、測距の信頼性が低いと判定された場合には、新たに別の変位位置で１枚以上の画像を追加撮影し、３枚以上の画像を用いて測距演算を行う。

なお、２枚の画像で粗調、３枚以上の画像を用いて微調を行うようにしてもよい。測距を開始する前は被写体像のボケ量が大きく、精度の高い測距を行えない場合があるため、まず２枚の画像で大まかにピントを合わせておき、１枚以上の画像を追加撮影することにより、さらに高精度な測距を行うことができる。

リトライ測距でない場合はステップ３２へ進み、高速測距モードが設定されているか否かを判別する。高速測距モードが設定されているときはステップ３８へ進み、測距用撮影回数Ｎに２回を設定する。例えば、レリーズ優先（一気押し）撮影（高速測距モード）のときは２枚の画像、それ以外は３枚以上の画像を用いて測距を行う。ここで、Ｎ枚の画像から測距した結果の平均値を求める。あるいは、単に平均値を求めるのではなく、Ｎ枚の画像からＮＣ２通りの測距結果が得られるので、その中の信頼性のある、例えば全体の平均値から大きく外れていない測距結果のみを用いて平均値を求めてもよい。

高速測距モードが設定されていないときはステップ３３へ進み、画像記録サイズが予め設定されたしきい値よりも小さいか否かを判別する。画像記録サイズがしきい値よりも小さく記録画素数が少ない場合はステップ３８へ進み、測距用撮影回数Ｎに２回を設定する。例えば、動画撮影モードでは撮影回数を少なく設定し、静止画撮影モードでは撮影回数を多く設定する。

画像記録サイズがしきい値以上の場合はステップ３４へ進み、撮影光学系１の焦点距離が予め設定されたしきい値より大きいか否かを判別する。焦点距離がしきい値より大きい場合はステップ３８へ進み、測距用撮影回数Ｎに２回を設定する。測距精度は焦点距離に依存するため、焦点距離に応じて撮影回数を変更する。焦点距離が小さい場合は撮影回数を多く設定し、焦点距離が大きい場合は撮影回数を少なく設定する。

焦点距離がしきい値以下の場合はステップ３５へ進み、撮影光学系１の撮影絞りＦ値が予め設定されたしきい値より大きいか否かを判別する。撮影Ｆ値がしきい値より大きい場合はステップ３８へ進み、測距用撮影回数Ｎに２回を設定する。焦点深度は撮影Ｆ値（絞り値）に依存し、撮影Ｆ値が大きいほど焦点深度が深くなる。焦点深度が深いときは被写界の手前から遠方に至るまで鮮明な画像が得られるから、撮影回数を少なくしても高い測距精度が得られる。逆に、撮影Ｆ値が小さいほど焦点深度が浅くなり、主要被写体以外の画像の鮮明度が低くなるため、撮影回数を多くして高い測距精度を確保する。

撮影Ｆ値がしきい値以下の場合はステップ３６へ進み、マクロ撮影モードが設定されているか否かを判別する。マクロ撮影モードが設定されている場合はステップ３８へ進み、測距用撮影回数Ｎに２回を設定する。マクロ撮影モードは近距離撮影となるから、撮影回数を少なく設定し、逆に遠距離撮影では撮影回数を多く設定する。つまり、撮影距離に応じて測距時の撮影回数を設定する。なお、撮影距離は、被写体認識装置による認識結果に基づいて判定してもよい。例えば、被写体認識装置により人の顔を認識し、顔の大きさなどから撮影距離を推定する。

リトライ測距、高速測距モード、画像記録サイズが小さい、焦点距離が小さい、撮影Ｆ値が小さい、マクロ撮影モードのいずれの条件も満たさない場合はステップ３７へ進み、測距用撮影回数Ｎに３回を設定する。

測距用撮影回数Ｎの設定が終了したら図１５のステップ２２へ進み、図１７に示す光軸変位量Ｘｂ［Ｎ］、Ｙｂ［Ｎ］（Ｎは撮影回数）を設定する。図１７のステップ４１において、予め設定した光軸変位量テーブルから測距用撮影回数Ｎ、リトライ測距か否か、高速測距モードか否か、画像記録サイズ、焦点距離、撮影Ｆ値、マクロ撮影モードか否かなどの撮影条件に応じた光軸変位量Ｘｂ［Ｎ］、Ｙｂ［Ｎ］を読み出し、光軸変位量を決定する。

光軸変位量を設定したら図１５のステップ２３へ進み、図１８に示す撮像素子変位量Ｘｄ［Ｎ］、Ｙｄ［Ｎ］（Ｎは撮影回数）を設定する。図１８のステップ５１において、予め設定した撮像素子変位量テーブルから光軸変位量Ｘｂ［Ｎ］、Ｙｂ［Ｎ］、測距エリア、マクロ撮影モードか否かなどの撮影条件に応じた撮像素子変位量Ｘｄ［Ｎ］、Ｙｄ［Ｎ］を読み出し、撮像素子変位量を決定する。

レリーズ優先（一気押し）撮影モードが設定されているときは光軸変位量を小さくする。光軸変位量を小さくすると測距の信頼性は低下するが、撮影レスポンスが向上するため、撮影レスポンスを優先するスポーツ撮影モードなどには適する。

小さい光軸および撮像素子の変位量による測距結果の信頼性が低い場合に、光軸および撮像素子の変位量を大きくしてリトライ測距するようにしてもよい。被写体距離が遠い場合には、小さい光軸および撮像素子の変位量では被写体距離の算出精度が低下するので、演算の結果、ある程度以上に遠い被写体の場合には光軸および撮像素子の変位量を大きくし、信頼性の高い測距結果を得る。

小さい光軸および撮像素子の変位量により粗調を行い、大きい光軸および撮像素子の変位量で微調を行うようにしてもよい。粗調後の画像が鮮明になり、微調による測距精度をさらに向上させることができる。

測距精度は焦点距離に依存するため、焦点距離に応じて光軸および撮像素子の変位量を設定する。すなわち、焦点距離が小さいほど変位量を大きくする。また、画像記録サイズによって光軸および撮像素子の変位量を設定する。例えば、動画撮影モードでは変位量を小さくし、静止画撮影モードでは変位量を大きくする。さらに、焦点深度（撮影絞り）に応じて光軸および撮像素子の変位量を変更する。例えば、焦点深度が深いほど変位量を小さくする。さらにまた、撮影距離に応じて光軸および撮像素子の変位量を設定する。例えば、撮影距離が遠い場合は変位量を大きくする。なお、撮影距離はマクロ撮影モードなどの撮影モードにより判断してもよい。

測距エリアにより光軸変位量を変更してもよい。例えば、広範囲のエリアや撮影画面周辺のエリアで測距を行う場合は光軸変位量を小さくし、測距不能にならないようにする。

測距エリアにより撮像素子を変位させる位置を変更する。例えば、撮影画面周辺部の測距エリアにおいて測距を行う場合には、周辺部における測距が可能となるように撮像素子を変位させる位置を設定する。撮像素子の変位量によっては画面中央部で測距可能でも、画面周辺部で測距不能になる場合があり、画面周辺部で測距することが予め分かっている場合には、撮像素子の適切な変位量を設定する。なお、画像の左右端を測距する場合には、撮影光学系の光軸を上下に変位させるという手法も考えられる。

撮影回数Ｎ、光軸変位量Ｘｂ［Ｎ］、Ｙｂ［Ｎ］、撮像素子変位量Ｘｄ［Ｎ］、Ｙｄ［Ｎ］などの測距パラメーターの設定が終了したら図１４のステップ１２へ進み、測距撮影を開始する。ステップ１２で測距撮影回数を判別する。Ｎ回の撮影が終了した場合はステップ１６へ進み、Ｎ回の撮影が終了していない場合はステップ１３へ進む。ステップ１３では、光軸変位装置２により光軸変位量Ｘｂ［Ｎ］、Ｙｂ［Ｎ］だけ撮影光学系１の光軸を変位させる。続くステップ１４では、撮像素子変位装置５により撮像素子変位量Ｘｄ［Ｎ］、Ｙｄ［Ｎ］だけ撮像素子４を変位させる。ステップ１５において撮像素子４により撮像を行い、画像を取得した後、ステップ１２へ戻る。

Ｎ回の測距撮影が終了した場合は、ステップ１６で撮影画像、光軸変位量および撮像素子変位量に基づいて（３）式に示す測距演算を行い、被写体距離Ｌを算出する。ステップ１７で測距結果の信頼性を判定し、続くステップ１８でリトライ測距が必要か否かを判定する。ステップ１９でリトライ測距が必要と判定された場合はステップ１１へ戻り、上述した処理を繰り返す。一方、リトライ測距の必要はないと判定された場合はステップ２０へ進み、光軸変位装置２により撮影光学系１の光軸を基準位置へ戻すとともに、撮像素子変位装置５により撮像素子４を基準位置へ戻す。以上で測距を終了する。

なお、光軸および撮像素子の変位量の内、測距時の複数回の撮影時に発生する手ぶれなどによるカメラのブレ成分を打ち消すように光軸および撮像素子を変位させるようにしてもよい。例えば、図１９(ａ)に示すように撮影光学系１の光軸を左側に変位させて撮影した後、図１９(ｂ)に示すように撮影光学系１の光軸を右側に変位させて撮影するときに、手ぶれによるカメラのブレ量ｄｘが発生したとする。このような場合に、図１９(ｃ)に示すように発生したカメラのブレ量ｄｘに合わせて比較する画像領域、または撮像素子４をカメラのブレ量ｄｘだけ変位させるか、あるいは図１９(ｄ)に示すように発生したカメラのブレ量ｄｘを打ち消す方向に撮影光学系の光軸を変位させる。

予めコントラスト検出方式により高精細な焦点調節を行い、光軸の異なる複数枚の高解像度画像を取得し、複数枚の画像に共通する画像領域のすべてまたはエッジなどの特徴点について測距を行うことによって、被写体の三次元情報を導出し、各画素に輝度や色の情報だけでなく、被写体距離の情報を付加する。また、再生時に各画素の距離情報を読み出し、表示装置で立体的に表示できるようにする。

このように、一実施の形態によれば、被写体の像を撮像素子４上に結像させる撮影光学系１の光軸を、該光軸に垂直な方向に変位させる光軸変位装置２と、被写体を撮像する撮像素子４を、撮影光学系１の光軸に垂直な方向に変位させる撮像素子変位装置５と、光軸変位装置２と撮像素子変位装置５による変位を制御する制御装置７と、撮影光学系１の光軸の変位量、撮像素子４の変位量および撮像素子４から出力される画像に基づいて被写体までの距離を演算する演算装置８とを備えたので、位置を変えて撮像した２枚の画像に共通する撮影領域が広くなり、画面内の広い範囲で測距を行うことができる。また、測距中のモニター画像（スルー画像）が大きくシフトするのを防止でき、撮影者に違和感を与えるのを軽減できる。さらに、撮像素子４のサイズによる撮影光学系１の変位量の制限が緩和され、変位量を大きくとれるので三角測量における測距精度を向上させることができる。

一実施の形態によれば、制御装置７によって、撮影光学系１の光軸の変位に応じて撮像素子４を変位させるようにした。このとき、撮影光学系１の光軸の変位量に応じて撮像素子４の変位量を制御したり、あるいは、撮影光学系１の光軸の変位量と撮像素子４の変位量とが等しくなるように制御することができる。例えば、通常の撮影においては、撮影光学系１の光軸の変位量と撮像素子４の変位量とを１：１に対応させ、上述した効果に加え、測距演算の簡素化を図り、近接撮影においては、画面内における測距範囲を十分に広くとるとることができ、あらゆる撮影条件下で上述した効果を得ることができる。

一実施の形態の測距装置を備えた撮像装置の構成を示す図光軸変位装置により撮影光学系の光軸を変位させたときの撮影画像の変化を示す図光軸変位装置２により撮影光学系１の光軸を左右にそれぞれ距離ｄだけ変位させたときの像ズレ量と被写体距離の関係を表す図光軸を変位させた場合の撮像画像を示す図正位置のときに光軸周辺上に存在する被写体までの距離Ｌを算出する手順を説明する図被写体距離が無限の場合の光軸変位による画像を示す図光軸変位装置による撮影光学系の光軸変位に連動して撮像素子変位装置により撮像素子の変位を行う様子を示す図撮影光学系の光軸と撮像素子を連動して変位させて撮影した２枚の画像と、画像中の位置関係を示す図基線長Ｂの長さを十分に長くするために撮影光学系の光軸変位量ｄを大きくした場合の撮像系の様子を表す図撮影光学系の光軸の変位量と同じ量だけ撮像素子を変位させたときの撮像光学系の状態を示す図近距離の被写体に対して測距を行う場合の撮像光学系の状態を示す図近距離の被写体に対して測距を行う場合の光軸および撮像素子の変位を説明する図一実施の形態の自動焦点調節（ＡＦ）処理を示すフローチャート一実施の形態の測距処理を示すフローチャート一実施の形態の測距パラメーター決定処理を示すフローチャート一実施の形態の撮影回数Ｎ設定処理を示すフローチャート一実施の形態の光軸変位量設定処理を示すフローチャート一実施の形態の撮像素子変位量設定処理を示すフローチャート測距時の複数回の撮影時に発生する手ぶれによる成分を打ち消すように光軸および撮像素子を変位させる手法を説明する図

符号の説明

１撮影光学系
２光軸変位装置
３焦点調節光学系
４撮像素子
５撮像素子変位装置
６ブレ検出装置

Claims

結像光学系と、
前記結像光学系による被写体像を撮像する撮像素子と、
前記結像光学系を、その光軸に垂直な第１の方向及び前記第1の方向と逆方向の第２の方向に、それぞれ変位させる結像光学系変位手段と、
前記撮像素子を前記結像光学系の変位方向と同方向に変位させる撮像素子変位手段と、
前記結像光学系変位手段による結像光学系の変位量と前記撮像素子変位手段による撮像素子の変位量とを制御する制御手段と、
前記結像光学系変位手段及び前記撮像素子変位手段によって前記結像光学系及び前記撮像素子がそれぞれ前記第１の方向に変位された時に前記被写体像を撮像した前記撮像素子からの第１の画像を取得し、前記結像光学系変位手段及び前記撮像素子変位手段によって前記結像光学系及び前記撮像素子がそれぞれ前記第２の方向に変位された時に前記被写体像を撮像した前記撮像素子からの第２の画像を取得する画像取得手段と、
前記第１の画像と前記第２の画像と前記結像光学系の前記第１及び第２の方向の変位量と前記撮像素子の前記第１及び第２の方向の変位量とに基づき被写体距離を算出する演算手段と、を備え、
前記制御手段は、前記結像光学系の絞り値が所定値よりも大きい場合の前記結像光学系の変位量及び前記撮像素子の変位量が、前記結像光学系の絞り値が前記所定値以下の場合の前記結像光学系の変位量及び前記撮像素子の変位量よりもそれぞれ小さくなるように制御することを特徴とする測距装置。
請求項１に記載の測距装置において、
前記制御手段は、前記結像光学系の焦点距離が所定値よりも小さい場合の前記結像光学系の変位量及び前記撮像素子の変位量が、前記結像光学系の焦点距離が前記所定値以上の場合の前記結像光学系の変位量及び前記撮像素子の変位量よりもそれぞれ大きくなるように制御することを特徴とする測距装置。
請求項１または２に記載の測距装置において、
前記制御手段は、撮影距離が所定値よりも大きい場合の前記結像光学系の変位量及び前記撮像素子の変位量が、前記撮影距離が前記所定値以下の場合の前記結像光学系の変位量及び前記撮像素子の変位量よりもそれぞれ大きくなるように制御することを特徴とする測距装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の測距装置において、
前記撮像素子の前記第１の方向の変位量は、前記結像光学系の前記第１の方向の変位量と等しく、
前記撮像素子の前記第２の方向の変位量は、前記結像光学系の前記第２の方向の変位量と等しいことを特徴とする測距装置。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の測距装置と、
前記画像取得手段が取得する画像の枚数を２以上に設定する設定手段を備え、
前記制御手段は、前記画像取得手段が画像を取得する毎に、前記結像光学系変位手段による前記結像光学系の変位量と前記撮像素子変位手段による前記撮像素子の変位量とを制御し、
前記設定手段は、前記結像光学系の絞り値が所定値よりも小さい場合に設定する画像枚数を前記結像光学系の絞り値が所定値以上の場合に設定する画像枚数よりも大きくすることを特徴とする測距装置。
請求項５に記載の測距装置において、
前記設定手段は、前記結像光学系の焦点距離が所定値よりも小さい場合に設定する画像枚数を前記結像光学系の焦点距離が所定値以上の場合に設定する画像枚数よりも大きくすることを特徴とする測距装置。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の測距装置と、
前記測距装置の前記演算手段によって算出された前記被写体距離に基づいて前記結像光学系の焦点調節を行う焦点調節手段と、を備えることを特徴とする撮像装置。
請求項７に記載の撮像装置において、
前記撮像素子の出力に基づきスルー画像を表示する表示手段と、
前記結像光学系変位手段による前記結像光学系の変位に起因する前記スルー画像の変位が大きいか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段によって前記スルー画像の変位が大きいと判定された場合に、前記スルー画像の更新を停止することを特徴とする撮像装置。
請求項７または８に記載の撮像装置において、
撮像装置のブレ量を検出するブレ検出手段を備え、
前記制御手段は、前記ブレ検出手段により検出された撮像装置のブレ量を打ち消すように、前記結像光学系の光軸の変位または前記撮像素子の変位を決定することを特徴とする撮像装置。