JP5300949B2 - 撮像装置及びフォーカス制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ等の撮像装置に関し、さらに詳しくは該撮像装置におけるフォーカス制御に関する。

ビデオカメラ等のオートフォーカス（ＡＦ）制御では、撮像素子を用いて生成された映像信号の鮮鋭度（コントラスト状態）を示すＡＦ評価値信号を生成し、該ＡＦ評価値信号が最大となるフォーカスレンズの位置を探索するＴＶ−ＡＦ方式が主流である。

また、ＡＦ方式には、測距センサを撮影レンズとは独立に設け、該測距センサにより検出された被写体までの距離からフォーカスレンズの合焦位置を演算し、そこにフォーカスレンズを移動させる外測測距方式又は外測位相差検出方式がある。

外測位相差検出方式では、被写体から受けた光束を２分割し、該２分割した光束を一組の受光素子列（ラインセンサ）によりそれぞれ受光する。そして、該一組のラインセンサ上に形成された像のずれ量、すなわち位相差を検出し、該位相差から三角測量法を用いて被写体距離を求め、該被写体距離に対して合焦する位置にフォーカスレンズを移動させる。

また、内測位相差検出方式もある。内測位相差検出方式では、撮影レンズの射出瞳を通過した光束を２分割し、該２分割した光束を一組のラインセンサによりそれぞれ受光する。そして、該一組のラインセンサ上の２像の位相差を検出し、該位相差から撮影レンズのデフォーカス量を求め、該デフォーカス量に対応した量だけフォーカスレンズを移動させる。

そして、ＴＶ−ＡＦ方式の合焦精度の高さと位相差検出方式による合焦の高速性とを生かすために、これらのＡＦ方式を組み合わせたハイブリッドＡＦ方式が、特許文献１にて提案されている。該特許文献１にて提案されているハイブリッドＡＦ方式は、被写体が低輝度又は低コントラストであるためにＴＶ−ＡＦ方式では合焦が得られないと判断された場合に、位相差検出方式を用いて合焦を得るものである。

また、位相差検出方式において、像パターンの一致度、すなわちラインセンサ上の２像がどの程度似ているか若しくは一致しているかを求め、これにより測距結果の信頼性を判断するようにした撮像装置が、特許文献２において提案されている。

さらに、最近のビデオカメラの撮影レンズにおいては、小型化及び軽量化が容易であり、光学的特性も優れていることから、フォーカスレンズを変倍レンズよりも像側に配置したインナーフォーカスタイプが主流となっている（例えば、特許文献２参照）。

インナーフォーカスタイプの撮影レンズでは、図６に示すように、同じ被写体距離に対して合焦するフォーカスレンズ位置が、変倍レンズの位置によって異なる。また、図７に曲線Ｄで示すように、同じ被写体距離の変化（例えば、無限から１ｍ）に対するフォーカスレンズの移動量が、変倍レンズの位置によって異なり、特にワイド側よりもテレ側の方が大きくなる傾向がある。
特開２００５−８４４２６号公報（段落００３０〜００４８、図３等） 特許第３５４８１８４号公報（段落００１８、図１等）

しかしながら、従来のハイブリッドＡＦ方式では、まずＴＶ−ＡＦ方式でフォーカス制御を行い、ＴＶ−ＡＦ方式でのフォーカス制御の状態に応じて位相差検出方式によるフォーカス制御を行うか否かを決定する。このため、位相差検出方式の特長を生かしきれておらず、応答性の良い高速なフォーカス制御を十分に実現していない。

また、位相差検出方式により算出される合焦位置（駆動量から合焦位置が求められる場合も含む）が変化することに伴うフォーカスレンズの合焦位置への移動が繰り返されると、フォーカスレンズが頻繁かつ不連続的に動く場合が生じる。これにより、映像が見苦しくなるおそれがある。

本発明は、フォーカスレンズの不連続的な動きを抑制しつつ、応答性が良く、高速かつ高い合焦精度のフォーカス制御を行えるようにした撮像装置及びフォーカス制御方法を提供することを目的としている。

本発明の一側面としての撮像装置は、撮影映像のコントラスト状態に対応する第１の情報を生成する第１の検出手段と、前記第１の情報を用いたフォーカスレンズの制御を周期的に繰り返すフォーカス処理を行う制御手段と、位相差ＡＦ方式で、現在のフォーカスレンズ位置と被写体に合焦するフォーカスレンズ位置との差に対応する第２の情報を出力する第２の検出手段と、を有し、前記制御手段は、前記第１の情報を用いたフォーカスレンズの制御を周期的に繰り返すフォーカス処理中において、前記第２の情報が第１の値より大きい場合に前記位相差ＡＦ方式により算出された合焦位置の方向に前記フォーカスレンズを移動させ、前記第１の値より小さい場合には前記フォーカス処理を続けることを特徴とする。
また、本発明の他の側面としての撮像装置は、撮影映像のコントラスト状態に対応する第１の情報を生成する第１の検出手段と、前記第１の情報を用いたフォーカスレンズの制御を周期的に繰り返すフォーカス処理を行う制御手段と、位相差ＡＦ方式で、現在のフォーカスレンズ位置と被写体に合焦するフォーカスレンズ位置との差に対応する第２の情報を出力する第２の検出手段と、を有し、前記制御手段は、前記第１の情報を用いたフォーカスレンズの制御を周期的に繰り返すフォーカス処理中において、前記第２の情報が第１の値より大きい場合に前記位相差ＡＦ方式により算出された合焦位置の方向に前記フォーカスレンズを移動させ、前記第１の値より小さい場合には前記フォーカス処理を続ける制御手段であって、撮像素子上に被写体像を形成する撮像光学系の焦点距離に対応する第３の情報に応じて、前記第１の値を第２の値にする制御手段であることを特徴とする。

また、本発明の他の側面としてのフォーカス制御方法は、撮影映像のコントラスト状態に対応する第１の情報を取得するステップと、前記第１の情報を用いたフォーカスレンズの制御を周期的に繰り返すフォーカス処理を行う制御ステップと、位相差ＡＦ方式で、現在のフォーカスレンズ位置と被写体に合焦するフォーカスレンズ位置との差に対応する第２の情報を取得するステップと、を有し、前記制御ステップでは、前記第１の情報を用いたフォーカスレンズの制御を周期的に繰り返すフォーカス処理中において前記第２の情報が第１の値より大きい場合に、前記位相差ＡＦ方式により算出された合焦位置の方向に前記フォーカスレンズを移動させ、前記第１の値より小さい場合には前記フォーカス処理を続けることを特徴とする。

本発明によれば、第１の情報を用いたフォーカス処理中に検出されたフォーカスレンズ位置と第２の情報を用いて求められた合焦位置との差がある程度大きいことを条件として、フォーカスレンズを該求められた合焦位置の方向に移動させる。これにより、フォーカスレンズの頻繁かつ不連続的な動きを抑え、映像が見苦しくなることを回避できるとともに、良好な応答性を有し、高速かつ高い合焦精度のフォーカス制御を行う撮像装置を実現することができる。

本発明の実施例であるビデオカメラの構成を示すブロック図。 実施例におけるＡＦ制御の手順を示すフローチャート。 実施例におけるＴＶ−ＡＦの原理を説明するための図。 実施例における位相差パッシブ方式の距離計測原理を示す図。 位相差パッシブ方式での像信号を示す図。 リアフォーカスレンズにおける被写体距離ごとの変倍レンズ位置とフォーカスレンズ位置との関係を示す図。 リアフォーカスレンズにおける所定の被写体距離変化に対するフォーカスレンズ移動量及び実施例におけるレンズ位置差を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。図１には、本発明の実施例であるビデオカメラ（撮像装置）の構成を示している。なお、本実施例では、ビデオカメラについて説明するが、本発明は、デジタルスチルカメラ等の他の撮像装置にも適用することができる。

図１において、１０１は第１固定レンズ、１０２は光軸方向に移動して変倍を行う変倍レンズ、１０３は絞りである。また、１０４は第２固定レンズ、１０５は変倍に伴う焦点面の移動を補正する機能とフォーカシングの機能とを兼ね備えたフォーカスコンペンセータレンズ（以下、フォーカスレンズという）である。第１固定レンズ１０１、変倍レンズ１０２、絞り１０３、第２固定レンズ１０４及びフォーカスレンズ１０５により撮像光学系が構成される。本実施例の撮像光学系は、リアフォーカスタイプのズームレンズである。

１０６は、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサにより構成される光電変換素子としての撮像素子であり、撮像光学系により形成された被写体像を光電変換する。１０７は撮像素子１０６の出力をサンプリングし、ゲイン調整するＣＤＳ／ＡＧＣ回路である。

１０８はカメラ信号処理回路であり、ＣＤＳ／ＡＧＣ回路１０７からの出力信号に対して各種の画像処理を施し、映像信号（撮影映像）を生成する。１０９はＬＣＤ等により構成されるモニタであり、カメラ信号処理回路１０８からの映像信号を表示する。１１０は記録部であり、カメラ信号処理回路１０８からの映像信号を磁気テープ、光ディスク、半導体メモリ等の記録媒体に記録する。

１１１は変倍レンズ１０２を移動させるためのズーム駆動源である。１１２はフォーカスレンズ１０５を移動させるためのフォーカシング駆動源である。ズーム駆動源１１１及びフォーカシング駆動源１１２は、ステッピングモータ、ＤＣモータ、振動型モータ及びボイスコイルモータ等のアクチュエータにより構成される。

ズーム駆動源１１１は、変倍レンズ１０２の位置、つまりは撮像光学系の焦点距離を検出するためのエンコーダ等のズーム位置検出器１１１ａを含む。

また、フォーカシング駆動源１１２は、フォーカスレンズ１０５の位置を検出するためのエンコーダ等のフォーカス位置検出器１１２ａを含む。

１１３はＣＤＳ／ＡＧＣ回路１０７からの全画素の出力信号のうち焦点検出に用いられる領域の信号のみを通すＡＦゲートである。１１４は第１の検出手段としてのＡＦ信号処理回路である。ＡＦ信号処理回路１１４は、ＡＦゲート１１３を通過した信号から高周波成分や該高周波信号から生成した輝度差成分（ＡＦゲート１１３を通過した信号の輝度レベルの最大値と最小値の差分）等を抽出して第１の情報としてのＡＦ評価値信号を生成する。ＡＦ評価値信号は、カメラ／ＡＦマイクロコンピュータ１１５に出力される。ＡＦ評価値信号は、撮像素子１０６からの出力信号に基づいて生成される映像の鮮鋭度（コントラスト状態）を表すものであるが、鮮鋭度は撮像光学系の焦点状態によって変化するので、結果的に撮像光学系の焦点状態を表す信号となる。

制御手段としてのカメラ／ＡＦマイクロコンピュータ（以下、単にマイクロコンピュータという）１１５は、ビデオカメラ全体の動作の制御を司るとともに、フォーカシング駆動源１１２を制御してフォーカスレンズ１０５を移動させるフォーカス制御を行う。マイクロコンピュータ１１５は、フォーカス制御として、ＴＶ−ＡＦ方式でのフォーカス制御（以下、単にＴＶ−ＡＦという）と、外測位相差検出（外測測距）方式でのフォーカス制御（以下、単に外測ＡＦという）とを行う。

ＴＶ−ＡＦは、フォーカスレンズ１０５を移動させてＡＦ評価値信号の変化をモニタし、該ＡＦ評価値信号が最大となるフォーカスレンズ位置を検出することで、合焦を得るフォーカス制御である。

ＡＦ評価値信号としては、一般に、ビデオ信号の輝度信号成分のうちある帯域のバンドパスフィルタにより抽出された高周波成分を用いている。この高周波成分は、特定の距離の被写体を撮像してフォーカスレンズ１０５を至近位置から無限位置に移動させた場合には、図３に示すように変化する。図３において、ＡＦ評価値が最大になるフォーカスレンズ位置が、その被写体に対する合焦位置（合焦点）となる。

１１６は第２の検出手段としての外部測距ユニットであり、被写体までの距離を計測し、該距離に対応する情報を出力する。測距方法としては種々の方式が従来用いられているが、図４及び図５にはそのうちの１つである位相差パッシブ方式による測距原理を示している。この外部測距ユニットは、撮像光学系とは別に設けられている。すなわち、外部測距ユニットには、撮像光学系を通らない被写体からの光束が入射する。

図４において、２０１は被写体、２０２は第１の結像レンズ、２０３は第１の受光素子列、２０４は第２の結像レンズ、２０５は第２の受光素子列である。第１及び第２の受光素子列２０３，２０５はそれぞれ、複数の受光素子（画素）を一列に並べて構成されている。第１及び第２の受光素子列２０３，２０５は、基線長Ｂだけ互いに離れて設置されている。

被写体２０１からの光のうち第１の結像レンズ２０２を通った光は、第１の受光素子列２０３上に結像し、第２の結像レンズ２０４を通った光は第２の受光素子列２０５上に結像する。

ここで、第１及び第２の受光素子列２０３，２０５からの出力信号（像信号）の例を図５に示す。第１及び第２の受光素子列２０３，２０５は基線長Ｂだけ離れているため、第１の受光素子列２０３からの像信号と第２の受光素子列２０５からの像信号とは、画素数Ｘだけずれた信号となる。そこで、２つの像信号の相関を画素をずらしながら演算し、相関が最大になる画素ずらし量を求めることでＸが演算できる。このＸと、基線長Ｂと、結像レンズ２０２，２０４の焦点距離ｆとにより、三角測量の原理で被写体までの距離Ｌが以下の式（１）により求められる。
Ｌ＝Ｂ・ｆ／Ｘ …（１）。

なお、本発明では、このパッシブ測距方式に限らず、他の測距方式を用いることができる。例えば、アクティブ測距方式として、赤外線を投光して三角測量原理で距離を求める方法や、超音波センサを用いて伝搬速度を測定する方式を用いてもよい。また、外部測距ユニットから上記画素ずらし量Ｘを出力させ、マイクロコンピュータにて該Ｘに基づいて被写体距離を求めるようにしてもよい。

ここで、外部測距ユニット１１６からの被写体距離情報は、マイクロコンピュータ１１５に入力される。マイクロコンピュータ１１５は、入力された被写体距離情報に基づいて、該距離の被写体に合焦するフォーカスレンズ位置（以下、外測合焦位置という）を算出する。ここで、「算出」には、計算式を用いた演算だけでなく、予め不図示のメモリに記憶された、被写体距離に対する合焦位置のデータを読み出すことも含む。

次に、マイクロコンピュータ１１５で行われるＡＦ処理（フォーカス処理）について、図２のフローチャートを用いて説明する。このＡＦ処理は、マイクロコンピュータ１１５内に格納されたコンピュータプログラムに従って実行される。

まず、Ｓｔｅｐ２０１では、マイクロコンピュータ１１５は処理を開始する。本フローに示す処理は、例えば１フィールド画像を生成するための撮像素子１０６からの撮像信号の読み出し周期にて、すなわち周期的に繰り返し実行される。

Ｓｔｅｐ２０２では、ＴＶ−ＡＦ制御が実行される。このＴＶ−ＡＦ制御には、ＡＦ評価値をモニタしつつフォーカスレンズ１０５を移動させて合焦を得る動作が含まれる。また、ＴＶ−ＡＦ制御には、合焦が得られている状態において、フォーカスレンズ再駆動の必要性の有無を判断するために、ＡＦ評価値の低下があったか否かを判定する等、合焦を維持するための処理も含まれる。

Ｓｔｅｐ２０３では、外部測距ユニット１１６からの被写体距離情報を取り込む。

Ｓｔｅｐ２０４では、Ｓｔｅｐ２０３で取り込んだ被写体距離情報に基づいて外測合焦位置を算出する。

Ｓｔｅｐ２０５では、変倍レンズ１０２の位置（つまりは、第３の情報としての撮像光学系の焦点距離）に応じて、次のＳｔｅｐ２０４で用いられる閾値としての所定レンズ位置差（第１の値）ｔｈを設定する。ここにいうレンズ位置差とは、フォーカス位置検出器１１２ａにより検出された現在のフォーカスレンズ１０５の位置と外測合焦位置の差である。

ここで、所定レンズ位置差ｔｈは、テレ側ではワイド側よりも大きく設定する。すなわち、焦点距離が長いほど大きく設定する。但し、図７に点線で示すように、所定レンズ位置差ｔｈは、単純に所定の被写体距離変化に対応するレンズ位置差（曲線Ｄ）に比例するように決めるのではない。すなわち、テレ側では所定の被写体距離変化に対応するレンズ位置差に対して割合が小さくなる（例えば、テレ端で１／３になる）ように設定し、ワイド側では所定の被写体距離変化に対応するレンズ位置差に対して割合が大きくなる（例えば、ワイド端で２／３になる）ように設定する。これは、テレ側では応答性を重視して、より外測ＡＦを使うようにし、ワイド側では安定性を重視して、外測ＡＦの使用を減らすようにするためである。

Ｓｔｅｐ２０６では、現在のフォーカスレンズ位置と外測合焦位置との差（第２の情報）を、Ｓｔｅｐ２０５で設定した所定レンズ位置差ｔｈと比較する。現在のフォーカスレンズ位置と外測合焦位置との差が所定レンズ位置差ｔｈよりも大きければ、Ｓｔｅｐ２０７へ進み、外測ＡＦによって外測合焦位置にフォーカスレンズ１０５を移動させる。そして、Ｓｔｅｐ２０２のＴＶ−ＡＦ処理に戻る。

なお、Ｓｔｅｐ２０６において、現在のフォーカスレンズ位置と外測合焦位置との差を、所定レンズ位置差ｔｈよりも小さければ、そのままＳｔｅｐ２０２のＴＶ−ＡＦ処理に戻る。

このように、本実施例では、ＴＶ−ＡＦ制御が周期的に繰り返し行われるＡＦ処理中（すなわち、Ｓｔｅｐ２０２でのＴＶ−ＡＦ制御と次の周期での同ＳｔｅｐでのＴＶ−ＡＦ制御との間）において、現在のフォーカスレンズ位置と外測合焦位置とが所定レンズ位置差ｔｈよりも大きく離れた場合に限り、外測ＡＦによるフォーカスレンズ駆動を行う。これにより、フォーカスレンズが頻繁にかつ不連続的に移動することを回避できるとともに、外測ＡＦの良好な応答性と高速動作という特長を生かすことができる。しかも、その後は、ＴＶ−ＡＦ処理によって高精度な合焦状態を得ることができる。

また、所定レンズ位置差ｔｈを変倍レンズ位置（焦点距離）に応じて変更することで、どのようなズーム状態でも、ＡＦの応答性と安定性とをバランスよく実現することができる。

なお、上記実施例では、外測位相差検出（外測測距）方式とＴＶ−ＡＦ方式とを組み合わせたハイブリッドＡＦについて説明したが、本発明では、内測位相差検出方式とＴＶ−ＡＦ方式とを組み合わせたハイブリッドＡＦにも適用できる。内測位相差検出方式では、フォーカスレンズを合焦位置に移動させるための駆動量（及び駆動方向）が算出され、該駆動量と現在のフォーカスレンズ位置とから内測合焦位置を求めることができ、上記実施例と同様にＡＦ制御を行うことができる。

１０５ フォーカスレンズ
１０６ 撮像素子
１１４ ＡＦ信号処理回路
１１５ カメラＡＦマイコン
１１６ 外部測距ユニット

Claims (7)

1. 撮影映像のコントラスト状態に対応する第１の情報を生成する第１の検出手段と、
   前記第１の情報を用いたフォーカスレンズの制御を周期的に繰り返すフォーカス処理を行う制御手段と、
   位相差ＡＦ方式で、現在のフォーカスレンズ位置と被写体に合焦するフォーカスレンズ位置との差に対応する第２の情報を出力する第２の検出手段と、を有し、
   前記制御手段は、前記第１の情報を用いたフォーカスレンズの制御を周期的に繰り返すフォーカス処理中において、前記第２の情報が第１の値より大きい場合に前記位相差ＡＦ方式により算出された合焦位置の方向に前記フォーカスレンズを移動させ、前記第１の値より小さい場合には前記フォーカス処理を続けることを特徴とする撮像装置。
2. 前記制御手段は、前記フォーカス処理中において、前記第２の情報が前記第１の値より大きい場合に、前記位相差ＡＦ方式により算出された合焦位置に前記フォーカスレンズを移動させることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 撮影映像のコントラスト状態に対応する第１の情報を生成する第１の検出手段と、
   前記第１の情報を用いたフォーカスレンズの制御を周期的に繰り返すフォーカス処理を行う制御手段と、
   位相差ＡＦ方式で、現在のフォーカスレンズ位置と被写体に合焦するフォーカスレンズ位置との差に対応する第２の情報を出力する第２の検出手段と、を有し、
   前記制御手段は、前記第１の情報を用いたフォーカスレンズの制御を周期的に繰り返すフォーカス処理中において、前記第２の情報が第１の値より大きい場合に前記位相差ＡＦ方式により算出された合焦位置の方向に前記フォーカスレンズを移動させ、前記第１の値より小さい場合には前記フォーカス処理を続ける制御手段であって、撮像素子上に被写体像を形成する撮像光学系の焦点距離に対応する第３の情報に応じて、前記第１の値を第２の値にする制御手段であることを特徴とする撮像装置。
4. 前記制御手段は、前記第３の情報に対応する焦点距離が長いほど前記第１の値を当該第１の値より大きい第２の値にすることを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
5. 前記制御手段は、前記位相差ＡＦ方式により算出された合焦位置の方向に前記フォーカスレンズを移動させた後、前記第１の情報を用いたフォーカスレンズの制御を行うことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の撮像装置。
6. 前記制御手段は、前記フォーカス処理中において前記第２の情報が前記第１の値より小さい第３の値の場合は、前記第１の情報を用いたフォーカスレンズの制御を行うことを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の撮像装置。
7. 撮影映像のコントラスト状態に対応する第１の情報を取得するステップと、
   前記第１の情報を用いたフォーカスレンズの制御を周期的に繰り返すフォーカス処理を行う制御ステップと、
   位相差ＡＦ方式で、現在のフォーカスレンズ位置と被写体に合焦するフォーカスレンズ位置との差に対応する第２の情報を取得するステップと、を有し、
   前記制御ステップでは、前記第１の情報を用いたフォーカスレンズの制御を周期的に繰り返すフォーカス処理中において前記第２の情報が第１の値より大きい場合に、前記位相差ＡＦ方式により算出された合焦位置の方向に前記フォーカスレンズを移動させ、前記第１の値より小さい場合には前記フォーカス処理を続けることを特徴とするフォーカス制御方法。