JP5709532B2 - 自動合焦装置及びそれを有するレンズ装置及び撮像システム - Google Patents

Description

本発明は自動合焦装置及びそれを有するレンズ装置及び撮像システムに関し、特に撮影映像を用いたコントラスト方式と位相差方式の自動合焦機能を有する自動合焦装置に関するものである。

従来、カメラやビデオカメラ等の撮像装置における自動合焦（ＡＦ）技術として、様々な提案が成されている。例えば、結像光学系内の光路中に分岐手段を有し、分岐光束により合焦状態を検出しＡＦ制御を行うＴＴＬ（Through The Lens）方式の位相差ＡＦが提案されている。また、結像光学系内の光束とは別の外光による光束を用いる非ＴＴＬ方式の外測ＡＦも提案されている。さらに、撮像素子から出力される映像信号を用いて焦点評価値を算出し、所謂山登り方式による映像ＡＦが提案されている。そして、位相差ＡＦや外測ＡＦと映像ＡＦを組み合わせたハイブリッドＡＦが提案されている。

これらのうち、位相差ＡＦおよび外測ＡＦでは、被写体からの光束を焦点検出装置内の光電変換素子に蓄積する。そして、光電変換素子から読み出した二像信号を用い相関演算を行うことによって像のずれ量すなわち位相差を求める。このとき、二像一致度を相関評価値として合焦点までの目標値を求める。一般的には、相関評価値が極値かつ最大となるような位相差を信頼性の高い目標値とする。そして、合焦点までのデフォーカス量や、被写体までの距離情報からフォーカスレンズの目標位置に変換し、フォーカスレンズの駆動制御を行う。この位相差ＡＦおよび外測ＡＦでは、被写体距離を直接得ることができるため、合焦判定を素早く行うことができる。

また、映像ＡＦでは、映像信号から合焦判定に必要な帯域のフィルタにより抽出された高周波成分を映像ＡＦ評価値として抽出する。そして、映像ＡＦ評価値が最大となるようにフォーカスレンズを移動制御して焦点調節を行う。通常、被写体を撮影した場合、映像ＡＦ評価値が最大になるフォーカスレンズの位置が合焦点となる。このように映像ＡＦ方式は、被写体を撮影する撮像素子からの出力信号に基づいて得られた映像信号を用いて合焦判定を行うので、高精度に合焦させることができる。

ところで、位相差ＡＦや外測ＡＦの焦点検出用センサの蓄積動作を制御するための様々な方法が提案されている。例えば、ＡＧＣ（Auto Gain Control）制御により、所定の信号レベルに達した場合に蓄積動作を終了する制御方法がある。その他の例として、所定の信号レベルに達しない場合でも、所定の最大蓄積時間が経過した時点で蓄積動作を終了する制御方法がある。また、様々な撮影条件による被写体輝度の広範囲なダイナミックレンジに対応するために、これら２種類の蓄積制御方法が併用される場合もある。

前述の各ＡＦ方式の特徴を組み合わせたハイブリッドＡＦを構成することで、合焦速度と合焦精度を両立させたＡＦが可能となった。しかし、被写体が低輝度あるいは低コントラストである場合、位相差ＡＦおよび外測ＡＦ方式の蓄積動作に長い時間を要してしまう可能性がある。そこで、被写体が低輝度や低コントラストとなった場合に自動合焦を行うための先行例が提案されている。

例えば、特許文献１では、被写体輝度あるいはコントラストが低いと判定された場合は、位相差ＡＦを停止し、映像ＡＦのみによって合焦動作を行っている。被写体輝度が暗い場合、位相差センサの蓄積に長く時間を要してしまうため、映像ＡＦのみによる合焦動作を行うことによって、蓄積時間分は処理時間を短くできるとしている。

また、特許文献２では、被写界深度および被写体輝度に基づいて、映像ＡＦのサーチ範囲を設定している。被写界深度が浅い場合および被写体輝度が明るい場合は、サーチ範囲を狭くしても焦点検出を行うことが可能となる。サーチ範囲の中心点を位相差ＡＦによる目標位置としている。このように構成することで、サーチ範囲外を位相差ＡＦによるフォーカス駆動を行い、サーチ範囲内を映像ＡＦによるフォーカス駆動に切り替えることで、効率の良いフォーカスレンズの駆動制御を行っている。

特開２００９−０４８１２３号公報 特開２００６−０２３６５３号公報

しかしながら、上述の特許文献に開示された従来技術では、撮影条件によっては、合焦までに要する時間が異なる可能性がある。つまり、従来のフォーカスレンズの駆動方法では、被写体が高コントラストである場合と、低コントラストである場合とでＡＦの方式が異なる。特許文献１では、低コントラストの被写体に対しては、映像ＡＦのみによる焦点検出を行うとしているため、合焦時間が長くなってしまう。また、特許文献２では、合焦近辺で映像ＡＦに切り替えた後、映像ＡＦ評価値をサンプリング・算出するための、フォーカスレンズの駆動間隔が一定である。さらに、低コントラストの場合、サーチ範囲が広い範囲となるため、結果として合焦時間が長くなってしまう。

映像ＡＦ評価値に着目すると、高コントラストである場合と、低コントラストである場合とで、合焦に至るまでの映像ＡＦ評価値のカーブ特性およびピーク値が異なる。特に、低コントラストの場合、デフォーカス状態から合焦点にかけて映像ＡＦ評価値があまり変化しないため、上記カーブ特性およびピーク位置を予測することが困難となる。結果として、合焦精度を優先するために、映像ＡＦ評価値算出のフォーカスレンズ位置のサンプリング間隔を短くする必要が生じ、合焦時間が長くなってしまう。

そこで、本発明の目的は、被写体のコントラストの高低に関わらず、合焦に至るまでのフォーカスレンズ駆動方法を改善し、従来よりも素早くかつ高精度に合焦させることを目的とする。

上記目的を達成するために、位相差センサから得られた信号を用いて第１のデータを検出する第１のデータ検出手段と、撮像素子からの信号を用いて第２のデータを検出する第２のデータ検出手段と、フォーカス機構と、前記第１のデータと、前記第２のデータと、に基づいて前記フォーカス機構を制御するフォーカス制御手段と、前記フォーカス制御手段を用いて合焦状態を得る過程において、前記フォーカス制御手段が前記フォーカス機構を駆動するための駆動速度を設定するフォーカス駆動速度設定手段と、を備えた自動合焦装置であって、前記第１のデータに基づいて閾値を設定する閾値設定手段を備え、前記フォーカス駆動速度設定手段は、前記閾値と前記第２のデータとを比較し、該前記フォーカス機構の駆動速度を設定することを特徴とする。

本発明によれば、位相差センサから得られる信号に基づいて被写体のコントラストを検出する。次に、検出したコントラストに基づいて、映像ＡＦ評価値と比較するための閾値を決定する。そして、映像ＡＦ評価値と閾値との比較結果から、映像ＡＦ時のフォーカスレンズの駆動速度を変更する。その結果、焦点検出間隔が上述のコントラストに基づいて変化することとなるため、様々な撮影条件において短時間でかつ高精度に合焦可能な自動合焦装置を提供することができる

実施例１における構成図 実施例１におけるセンサの構成図 実施例１における処理のフローチャート 実施例１における処理のサブルーチン１ 実施例１における処理のサブルーチン２ 実施例１における外測センサの高コントラスト波形を示す図 実施例１における映像ＡＦ評価閾値を示す図 実施例１における映像ＡＦ評価値による合焦判定を示す図 実施例１における処理のサブルーチン３ 実施例１における処理のサブルーチン４ 実施例１における映像ＡＦ評価閾値に基づいたフォーカス駆動速度設定例 実施例１における高コントラスト被写体の合焦過程を示す図 実施例１における外測センサの低コントラスト波形を示す図 実施例１における低コントラスト被写体の合焦過程を示す図 実施例２における構成図 実施例２における処理のフローチャート 実施例２における処理のサブルーチン１ 実施例２における処理のサブルーチン２ 実施例３における処理のフローチャート 実施例３における処理のサブルーチン

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態にかかわる構成図である。

以下、本発明の第１の実施例による自動合焦装置について説明する。

図１に本発明の第１の実施例の自動合焦装置の構成図を示す。レンズ装置１００は、フォーカスレンズ１１１を含む撮像光学系を有し、フォーカスレンズ１１１はモータ１１２により光軸方向に駆動可能な機構で構成されている。モータ１１２はドライバ１１３によって駆動される。また、フォーカスレンズ１１１の位置は位置検出器１１４によって検出される。フォーカスレンズ１１１、モータ１１２、ドライバ１１３、位置検出器１１４で、フォーカス機構を構成している。

本実施例の自動合焦装置は、撮像光学系とは別に設けられた第１のデータ検出手段を有し、第１のデータ検出手段は、一対のセンサ結像レンズ１２１、センサ１２２を有する。センサ結像レンズ１２１を通る光束は、フォーカスレンズ１１１を通る光束とは別の光束である。センサ結像レンズ１２１を通った光束は、センサ１２２へ入射する。センサ１２２の内部には、複数の画素から成るラインセンサを１つのエリアとした複数エリアのセンサが設けられている。センサ１２２の各エリアには、センサ結像レンズ１２１によって二つに分割された光束により一対の被写体像（以下、二像という）が形成される。センサ１２２の各エリアは、該二像を光電変換し電荷として蓄積し二像信号を生成する。二像信号からは、レンズ装置１００からの距離に応じた位相差を得ることができる。

図２に、センサ結像レンズ１２１と外測センサ１２２を用いた位相差の概念図を示す。１２１−１と１２１−２はセンサ結像レンズ１２１を構成する一対のレンズである。１２２−１および１２２−２は、センサ１２２を構成する一対のエリアセンサである。センサ１２２−１および１２２−２に結像した各像信号から得られる位相差Ｐと、センサ結像レンズ１２１の焦点距離ｆおよび、センサ１２２の基線長Ｂを用いると、被写体までの距離Ｌは以下の式（１）により算出することができる。被写体距離Ｌが無限の場合、二像の間隔に相当する位相差は、図２より理論上は０となるが、実際には０近傍の値を示す。これは、センサ結像レンズ１２１の焦点距離ｆやセンサ１２２の基線長Ｂが製造誤差により個体差を持つためである。一方、被写体距離Ｌが至近である場合は、位相差は大きい値を示す。
Ｌ＝ｆ×Ｂ／Ｐ・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）

図１の説明に戻る。レンズ装置１００は、レンズ装置によって結像される被写体像を撮像する撮像装置２００に取り外しが可能な構成であり、レンズ装置１００と撮像装置２００で撮像システムを構成している。フォーカスレンズ１１１を通った光束は撮像素子２０１上に結像される。画像処理部２０２は、撮像素子２０１から信号を取得した後に映像信号に変換し、撮像装置２００の外部へ出力する。撮像装置２００の外部へ出力された映像信号は、レンズ装置１００へ入力される。

レンズ装置１００はＣＰＵ１３０を有し、ＣＰＵ１３０内には、センサ制御部１３１、コントラスト検出部１３２、位相差検出部１３３、映像焦点検出部１３４、制御部１３５、レンズ制御部１３６から成り立っている。

センサ制御部１３１は、センサ１２２に接続され、センサ１２２の各エリアの蓄積動作の開始・終了制御や、蓄積データの読み出し制御を行う。センサ制御部１３１によって読み出された蓄積データは、コントラスト検出部１３２によって、蓄積データのコントラスト検出が行われる。コントラスト検出に関する詳細な説明は後述する。位相差検出部１３３は、センサ制御部１３１によって読み出されたセンサ１２２の蓄積データに基づいて、公知の相関演算を行い、位相差を算出する。そして、前述の式（１）を用いて、被写体距離を算出する。すなわち、第１のデータ検出手段からの検出データに基づいて、位相差、位相差に基づく被写体距離、蓄積データのコントラスト等のデータ（第１のデータ）を得る。本発明の自動合焦装置の第２のデータ検出手段である映像焦点検出部１３４は、撮像装置２００からの映像信号の入力に基づいて、得られた映像信号から高周波成分を抽出するフィルタ演算を行った後、焦点検出に必要な映像ＡＦ評価値（第２のデータ）を算出する。制御部１３５は、前述のコントラストデータ、被写体距離、および映像ＡＦ評価値を用いて、フォーカスレンズ１１１のフォーカス目標位置を算出する。フォーカス目標位置の算出方法についての詳細は後述する。レンズ制御部１３６は、制御部１３５によって算出されたフォーカス目標位置へフォーカスレンズ１１１を駆動する。また、レンズ制御部１３６は、位置検出器１１４からフォーカスレンズ１１１の位置を取得し記憶する。

図３は、レンズ装置１００における自動合焦処理の流れを示したフローチャートである。ＣＰＵ１３０は、これらの処理を、不図示のメモリに格納されたコンピュータプログラムに従って制御する。

レンズ装置１００に電源が入ると、レンズＣＰＵ１３０の処理は、ステップＳ１００から処理を実行する。

まず、ステップＳ１００において、ＣＰＵ１３０は、合焦フラグをＯＦＦにする。合焦フラグがＯＮのとき合焦状態を示し、ＯＦＦのときは非合焦状態を示す。次に、ステップＳ１１０に進み、センサ制御部１３１は、センサ１２２の蓄積制御とデータの読出しを行う。ステップＳ１１０のサブルーチンを図４に示す。まず、ステップＳ１１１において、センサ制御部１３１はセンサ１２２の初期化処理を行い、蓄積を開始する。次に、ステップＳ１１２へ進み、センサ１２２の蓄積完了を待つ。センサ１２２の蓄積が完了すると、ステップＳ１１３へ進み、センサ１２２の蓄積データを読み出し、不図示のメモリに記憶する。そして、図４のサブルーチンを終了する。

図３のフローチャート説明に戻る。次に、ステップＳ１２０において、映像ＡＦ評価閾値の設定を行う。ステップＳ１２０のサブルーチンを図５に示す。まず、ステップＳ１２１において、コントラスト検出部１３２は、センサ制御部１３１からセンサ１２２の蓄積データを取得し、コントラストを算出する。

読み出した蓄積データの例を図６に示す。図６の１２２−１および１２２−２は１対のセンサを示した。このときの１２２−１および１２２−２の波形のそれぞれの最小値と最大値の差と、蓄積データの全レンジとの比率をコントラストとして算出し、２つのうち小さい方をコントラストデータとする。図５のサブルーチンの説明に戻る。ステップＳ１２２にて、ステップＳ１２１で算出したコントラストが３０％より大きいか否かを判定する。コントラストが３０％より大きい場合は、高コントラスト被写体であると判定して、ステップＳ１２３に進む。一方で、ステップＳ１２２において、コントラストが３０％以下である場合は、低コントラスト被写体であると判定してステップＳ１２４に進む。ここで、コントラストが高いか低いかを判定するために、判定基準を３０％としたが、蓄積データのビット数やセンサ感度によって、コントラストの高低判断基準が異なるため、任意の値で良い。

図５のステップＳ１２３とステップＳ１２４で設定される映像ＡＦ評価閾値配列の例を図７に示す。ステップＳ１２３では、制御部１３５（閾値設定手段）は、高コントラスト時の閾値として、映像ＡＦ評価閾値配列Ａを設定している。映像ＡＦ評価閾値配列は配列データであり、閾値［１］と閾値［２］から構成される。ここでは設定例として、閾値［１］に１６０、閾値［２］に８０を設定している。ステップＳ１２４では、制御部１３５は、同様に低コントラスト時の閾値として映像ＡＦ評価閾値配列Ｂを設定しており、それぞれ閾値［１］に８０、閾値［２］に４０を設定している。映像ＡＦ評価閾値配列Ａの各要素の値は、映像ＡＦ評価閾値配列Ｂの各要素の値よりも大きい値に設定するのが望ましい。この閾値を用いて、映像ＡＦ評価値が閾値以上である場合は、映像ＡＦ評価値が閾値未満である場合よりも、フォーカス駆動速度を小さく設定するというフォーカス駆動速度の制御に使用される。なお、本実施例においては、映像ＡＦ評価閾値配列は、２つの要素を有する場合を例として説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、３以上の要素を有する配列を使用しても本発明の効果を享受できる。これら閾値の使用方法に関する詳細は後述する。

図５のステップＳ１２３又はＳ１２４にて映像ＡＦ評価閾値配列が設定されると、図５のサブルーチンを終了し、図３のステップＳ１３０に進む。ステップＳ１３０では、位相差検出部１３３によって公知の相関演算が行われ、センサ１２２から得られる二像の位相差が算出される。図６に示した波形の例において、Ｐ１が位相差となる。相関演算が完了すると、ステップＳ１４０に進む。

ステップＳ１４０では、映像ＡＦ評価値の取得と記憶を行う。映像焦点検出部１３４が、画像処理部２０２から入力される映像信号を用いて、映像ＡＦ評価値を算出し、保持する。図３のフローチャートはＳ１１０からＳ１６０又はＳ１９０までが繰返し実行されるため、ステップＳ１４０の処理が実行されるたびに映像ＡＦ評価値を保持する。ここでは、現在と過去２周期分を合わせた合計３周期分の映像ＡＦ評価値を保持している。合計３周期分の映像ＡＦ評価値の取得例を図８に示す。現在時刻をＴ（ｋ）とすると、図８（ｂ）に示すように、時刻Ｔ（ｋ−１）つまり前回の処理にて映像ＡＦ評価値Ｖ（ｋ−１）が３サンプルの中で極大値を取っている。このとき、後述するステップＳ１６０における合焦判定において、山登り判定が真となり、合焦であると判定される。図８の（ａ）や（ｃ）のパターンでは、時刻Ｔ（ｋ−１）で映像ＡＦ評価値Ｖ（ｋ−１）が極大値を取っていないため、山登りしたとは判定しない。

次に、ステップＳ１５０に進み、レンズ制御部１３６はフォーカスレンズ１１１の位置を取得し、記憶する。ステップＳ１４０と同様に、３周期分のフォーカス位置を保持している。

次に、ステップＳ１６０において、合焦判定を行う。ステップＳ１６０を詳細に示したサブルーチンを図９に示す。ここでは、ステップＳ１４０で取得した映像ＡＦ評価値の３サンプル分の履歴を用いて、合焦判定を行うものとする。

図９のステップＳ１６１において、合焦フラグがＯＮであるかを判定し、真である場合はステップＳ１６２に進み、偽である場合はステップＳ１６４に進む。ステップＳ１６１は、同じステップＳ１６１が前回実行された時に、合焦状態であったかどうかを判定するものである。ステップＳ１６２において、図８に示したように、ステップＳ１４０で取得した映像ＡＦ評価値の３周期分の変動率が１０％より大きいかを判定する。例えば、取得した映像ＡＦ評価値の平均値を算出し、各映像ＡＦ評価値と前記平均値との差分値が平均値の１０％より大きいかを判定する。変動率が１０％より大きい場合は、非合焦であると判定してステップＳ１６３に進み合焦フラグをＯＦＦにする。ステップＳ１６２において、変動率が１０％以下である場合は、合焦が継続していると判定し、合焦フラグがＯＮのまま図９のサブルーチンを終了する。なお、ステップＳ１６２において、映像ＡＦ評価値の変動率が１０％としたが、変動率判定の閾値は任意であり、１０％に限定されない。また、変動率の求め方も上記に限定されない。

図９のサブルーチンの説明に戻る。図９のステップＳ１６４において、Ｓ１４０で取得した３周期分の映像ＡＦ評価値が山登りしたかどうかを判定する。ステップＳ１６４で山登り判定が真である場合は、時刻Ｔ（ｋ−１）つまり１サンプル前が合焦点であると判定し、ステップＳ１６５に進み、偽である場合は図９のサブルーチンを終了する。ステップＳ１６５において、フォーカスレンズ１１１を駆動する方向を反転し、ステップＳ１６６でレンズ制御部１３６がフォーカスレンズ１１１を１サンプル前の位置に駆動する。図８（ｂ）を用いて説明すると、図９のステップＳ１６６では、現在時刻Ｔ（ｋ）における映像ＡＦ評価値Ｖ（ｋ）より、１周期前のＶ（ｋ−１）を取得したフォーカスレンズ１１１の位置Ｆ（ｋ−１）に駆動する。したがって、フォーカスレンズ１１１を合焦位置に駆動することができる。ステップＳ１６６が実行されると、ステップＳ１６７にて合焦フラグをＯＮにし、図９のサブルーチンを終了する。

図３のフローチャートの説明に戻る。ステップＳ１７０にて、合焦かどうかを判定する。ステップＳ１６０にて設定された合焦フラグがＯＮである場合は、ステップＳ１１０から再び処理を実行し、偽である場合はステップＳ１８０に進む。ステップＳ１８０を詳細に示したサブルーチンを図１０に示す。

図１０のステップＳ１８１ではデフォーカス量を算出する。ステップＳ１３０で算出した位相差と、ステップＳ１５０で算出したフォーカスレンズ１１１の位置および、不図示の撮像光学系との関係から、目標位置までのフォーカス繰り出し量を算出することができる。算出方法については公知であるため、ここでは詳述しない。次に、ステップＳ１８２に進み、デフォーカス量の絶対値がβより大きいかどうかを判定する。ステップＳ１８２が真、つまりデフォーカス量の絶対値がβよりも大きい場合は、フォーカスレンズ１１１の位置が、位相差の示す目標位置よりも大幅に離れた位置にあると判定し、ステップＳ１８３に進む。一方、ステップＳ１８２が偽である場合は、フォーカスレンズ１１１の位置が合焦近辺であると判定し、ステップＳ１８４に進む。

ステップＳ１８３において、ステップＳ１８１で算出したデフォーカス量をもとに、フォーカス駆動方向を更新する。そして、ステップＳ１８８に進み、フォーカスレンズ１１１の駆動速度を１００％、つまり駆動可能な最高速度に設定する。その後、図１０のサブルーチンを終了する。

ステップＳ１８４において、記憶した映像ＡＦ評価値をもとにフォーカス駆動方向を更新する。そして、ステップＳ１８５に進み、制御部１３５（フォーカス制御手段）は、ステップＳ１２０で設定した映像ＡＦ評価閾値とステップＳ１４０で取得した映像ＡＦ評価値とを比較する。映像ＡＦ評価値が閾値［１］以上である場合は、フォーカスレンズ１１１の位置が合焦点にかなり近いと判定し、ステップＳ１８６に進む。ステップＳ１８６では、レンズ制御部１３６（フォーカス駆動速度設定手段）は、合焦点の探索精度を上げるために、フォーカス駆動速度を最高速度の５％に設定する。ステップＳ１８５において、映像ＡＦ評価値が閾値［２］以上であり閾値［１］未満である場合は、合焦近傍だが合焦点からのオフセット量が少しあると判定し、ステップＳ１８７に進む。ステップＳ１８７では、フォーカスレンズ１１１の駆動速度をステップＳ１８６で設定した５％よりも速い２５％に設定する。さらに、ステップＳ１８５において、映像ＡＦ評価値が閾値［２］未満である場合は、合焦近傍領域には入ったが、合焦点からのオフセット量があると判定し、ステップＳ１８８に進む。ステップＳ１８８では、フォーカスレンズ１１１の駆動速度を最高速度１００％に設定する。ステップＳ１８５からステップＳ１８８で述べた映像ＡＦ評価閾値配列とフォーカスレンズ１１１の駆動速度の設定例を図１１に示す。ステップＳ１８６、Ｓ１８７、Ｓ１８８のいずれかが実行されると、図１０のサブルーチンを終了する。

図３のフローチャートの説明に戻る。ステップＳ１８０が実行されると、ステップＳ１９０に進み、ステップＳ１８０で設定した駆動速度でフォーカスレンズ１１１を駆動する。その後、ステップＳ１１０から再び処理を実行する。

ここで、図６に示したような高コントラストである波形がセンサ１２２から得られる場合の合焦までの過程を図１２に示す。図１２は、横軸にフォーカスレンズ１１１の位置をとり、縦軸に映像ＡＦ評価値をとったものである。図６の波形から得られるコントラストは、図５のステップＳ１２２にて高コントラストであると判定する。このとき、ステップＳ１２３にて映像ＡＦ評価閾値配列Ａとして、図７に示した閾値［１］＝１６０、閾値［２］＝８０が設定される。また、このときの閾値［１］および閾値［２］に対するフォーカスレンズ１１１の駆動速度は、図１１に示した通りである。図１２の初期位置にフォーカスレンズ１１１が位置した状態で、図３のフローチャートを実行する。すると、位相差検出部１３３が示した目標位置からβだけオフセットした位置までは、図１０のＳ１８３、Ｓ１８８が実行され、フォーカスレンズ１１１を速度２０００で駆動する。フォーカスレンズ１１１の位置が、位相差検出部１３３によって示された目標位置からβだけオフセットした位置よりも合焦点側に駆動されたとき、映像ＡＦ評価値と閾値［１］、［２］との比較によって、フォーカスレンズ１１１の速度を変化させる。そして、合焦点に近づくにつれて、各閾値との比較によってフォーカスレンズ１１１の駆動速度を２０００から５００、１００へと減速させていき、図１２で示した合焦点へ至る。

図１２の丸印は映像ＡＦ評価値を算出するタイミングを示しており、定周期で実行される。映像信号の周期は、例えば１／６０秒のものがある。減速させていくと、フォーカスレンズ位置の方向において、サンプリング間隔が短くなっていくことを示している。

図１３に示したような低コントラストである波形がセンサ１２２から得られた場合の合焦までの過程を図１４に示す。図１４は図１２と同様に、横軸にフォーカスレンズ１１１の位置をとり、縦軸に映像ＡＦ評価値をとったものである。図１２の波形が図５のステップＳ１２２にて、低コントラストであると判定する。このとき、ステップＳ１２４にて、映像ＡＦ評価閾値配列Ｂとして、図７に示した閾値［１］＝８０、閾値［２］＝４０が設定される。また、このときの閾値［１］および閾値［２］に対するフォーカスレンズ１１１の駆動速度は図１１に示した通りである。図１４の初期位置にフォーカスレンズ１１１が位置した状態で、図３のフローチャートを実行する。すると、前述の通り、位相差検出部１３３が示した目標位置からβだけオフセットした位置までは、図１０のＳ１８３からＳ１８８が実行され、フォーカスレンズ１１１を速度２０００で駆動する。フォーカスレンズ１１１の位置が位相差検出部１３３によって示された目標位置からβだけオフセットした位置よりも合焦点側に駆動されたとき、映像ＡＦ評価値と閾値［１］［２］との比較によって、フォーカスレンズ１１１の速度を変更する。そして前述同様に、合焦点に近づくにつれて、各閾値との比較によってフォーカスレンズ１１１の駆動速度を２０００から５００、１００へと減速させていき、図１４で示した合焦点へ至る。図１２と比較すると、図１４の場合は、低コントラストである。図１４では、合焦に至るまでの映像ＡＦ評価値のレンジが狭くても、閾値［１］［２］を低くすることによって、フォーカスレンズ１１１の駆動速度を落とすことなく、図１２と同様に合焦点サーチすることが可能となる。

このように、位相差センサ１２２から得られた波形のコントラストの大小に応じて、映像ＡＦ評価閾値を切り替えることによって、被写体によってコントラストが異なる場合でも、すばやくかつ高精度な自動合焦処理を行わせることが可能となる。

第１の実施例では、位相差センサから得られる波形のコントラストに基づいて、映像ＡＦ評価閾値配列を切り替え、映像ＡＦ評価値と閾値との比較により、フォーカスレンズの駆動速度を切り替える例を述べた。第２の実施例では、暗い撮影環境下において、被写体に対してすばやくかつ高精度に自動合焦可能な構成例を示す。

第１の実施例では、高コントラストとなる被写体の例として、図６の位相差センサ波形を用いて説明した。同じ被写体に対して、周囲の照度が低い環境で撮影した場合、公知のＡＧＣ蓄積完了まで待つことにより、図６に示した波形と同様の位相差センサ波形を得ることができる。ここで得られた位相差センサ波形は、実施例１で述べた方法の場合、データのピーク・ボトムで判定するため、高コントラストであると判定する。これに対し、図３の映像焦点検出部１３４に入力される映像信号の輝度ピーク値は低いものとなってしまう。位相差センサを利用する観点では、適切なダイナミックレンジが確保されるまで蓄積を待ち、相関演算の精度を向上させることが望ましい。一方で、映像信号の輝度レベルのダイナミックレンジが低くなれば、低コントラストである被写体を扱うことと同じであり、映像ＡＦ評価値を用いた合焦動作において最適なフォーカスレンズの駆動速度を決定することが困難となる。

そこで、第２の実施例では、このような暗い撮影環境下でも適切にフォーカスレンズの駆動速度を設定し、すばやくかつ高精度に自動合焦させる例を示す。具体的には、位相差センサの蓄積時間を計測し、データのダイナミックレンジと蓄積時間から、コントラストの高低を判定することにより、前述の映像ＡＦ評価閾値配列を適切に決定することが可能となる。

第２の実施例における構成図を図１５に示す。図１５の構成において、第１の実施例で示した図１と同一の機能については同一の符号を付け、説明を省略する。センサ１２２の蓄積時間の計測を行うカウンタ１３７をＣＰＵ１３０内に構成している。

図１６は、レンズ装置１００における自動合焦処理の流れを示したフローチャートである。図１６のフローチャートにおいて、第１の実施例で示した図３のフローチャートと同一の機能については同一の符号を付け、説明を省略する。ＣＰＵ１３０は、これらの処理を、不図示のメモリに格納されたコンピュータプログラムに従って制御する。

レンズ装置１００に電源が入ると、ＣＰＵ１３０はステップＳ１００に進み、実施例１と同様に、合焦フラグをＯＦＦにして、ステップＳ２１０に進む。ステップＳ２１０のサブルーチンを図１７に示す。

図１７において、まずステップＳ１１１にて、実施例１と同様にセンサ１２２の蓄積を開始する、次にステップＳ２１１に進み、カウンタ１３７はセンサ１２２の蓄積時間の計測を開始する。そして、ステップＳ１１２に進み、実施例１と同様にセンサ１２２の蓄積完了を待つ。センサ１２２の蓄積が完了すると、ステップＳ２１２に進む。ステップＳ２１２では、カウンタ１３７がセンサの蓄積時間を記憶する。次にステップＳ１１３に進み、センサ制御部１３１によって、センサ１２２の蓄積データの読出しが行われる。ステップＳ１１３の完了後、図１７のサブルーチンを終了し、図１６のステップＳ２２０に進む。ステップＳ２２０のサブルーチンを図１８に示す。

図１８のステップＳ２２１において、図１７のステップＳ２１２で記憶した蓄積時間が１００［ｍｓ］より長いかどうかを判定する。蓄積時間が１００［ｍｓ］よりも長い場合は、被写体が低輝度であると判定し、ステップＳ２２２に進み、実施例１の図５のステップＳ１２４と同様に映像ＡＦ評価閾値配列Ｂを設定する。このとき、実施例１の図７と同様に、閾値［１］＝８０、閾値［２］＝４０が設定される。ステップＳ２２１において、蓄積時間が１００［ｍｓ］よりも短い場合は、ステップＳ１２１に進む。

ここで、蓄積時間１００［ｍｓ］を境として低輝度か否かを判定しているが、この蓄積時間については任意の値で良く、位相差センサの感度や特性に合わせて設定しても良い。

ステップＳ１２１〜Ｓ１２４は実施例１の図５で述べたＳ１２１からＳ１２４で行われる処理と同様であるため、説明は省略する。図１８のサブルーチンが終了すると、再び図１６のステップＳ１３０に戻る
図１８のステップＳ１３０からＳ１９０までは実施例１の図３と同様の処理を行うため、説明を省略する。

ここで、図６に示したような高コントラストである波形がセンサ１２２から得られる場合で、かつセンサ１２２の蓄積時間が長い場合は、実施例１と異なり、合焦に至るまでの過程を図１４に示すような低コントラスト時の駆動方式となる。本実施例の冒頭で述べた通り、センサ１２２から得られる波形が高コントラストである場合でも、被写体の輝度が暗い場合、撮像装置２００から得られる映像信号は輝度が低くなる。そのため、映像ＡＦ評価値の合焦に至るまでのダイナミックレンジが狭くなる。よって、実施例１で述べた低コントラストである被写体に対して用いる映像ＡＦ評価閾値配列を設定し、フォーカス駆動速度を決定することが望ましい。

このように、センサ１２２から得られるデータのコントラストと蓄積時間を用いて、映像ＡＦ評価閾値配列を切り替えることにより、被写体によって輝度やコントラストが異なる場合でも、すばやくかつ高精度な自動合焦処理を行わせることが可能となる。

第１および第２の実施例では、位相差センサから得られる波形のコントラストおよび蓄積時間に基づいて、映像ＡＦ評価閾値配列を切り替える例について述べた。第３の実施例では、映像ＡＦ評価閾値配列を切替えずに、同様の効果が得られる構成例について述べる。具体的には、制御部１３５（利得適用手段）において、位相差センサから得られるコントラスト（第１のデータ）に基づいて得られた映像ＡＦ評価値（第２のデータ）に利得を適用して、利得適用映像ＡＦ評価値（第３のデータ）を得る。焦点調整の制御には、この利得適用映像ＡＦ評価値を評価することによって、映像評価閾値配列を切り替えることなく、フォーカスレンズの駆動速度を最適化することが可能となる。

第３の実施例における構成図は、第１の実施例で示した図１の構成と同様であるため、説明を省略する。

図１９は、レンズ装置１００における自動合焦処理の流れを示したフローチャートである。図１９のフローチャートにおいて、第１の実施例で示した図３のフローチャートと同一の機能については同一の符号を付け、説明を省略する。ＣＰＵ１３０は、これらの処理を、不図示のメモリに格納されたコンピュータプログラムに従って制御する。

レンズ装置１００に電源が入ると、ＣＰＵ１３０はステップＳ１００に進み、実施例１と同様に、合焦フラグをＯＦＦにして、ステップＳ１１０に進む。ステップＳ１１０で行われる処理は実施例１と同様である。次にステップＳ３１０にて、映像ＡＦ評価利得を設定する。ステップＳ３１０のサブルーチンを図２０に示す。

図２０において、ステップＳ１２１では、実施例１と同様に、センサ１２２の蓄積データからコントラストを算出する。次にステップＳ１２２に進み、コントラストが３０％よりも大きいかどうかを判定する。ステップＳ１２２が真である場合はステップＳ３１１に進み、偽である場合はステップＳ３１２に進む。ステップＳ３１１では、映像評価利得Ａを設定する。ステップＳ３１２では、映像評価利得Ｂを設定する。ここでは、設定例として、映像ＡＦ評価利得Ａ＝１とし、映像評価利得Ｂ＝２とする。この利得設定値はＡ＜Ｂを満たす任意の値で良い。ステップＳ３１１又はステップＳ３１２が実行されると、次に、ステップＳ１２３へと進む。ここでは、実施例１と同様に、映像ＡＦ評価閾値配列Ａが設定される。映像ＡＦ評価閾値配列Ａは、図７に示した通りである。図２０のサブルーチンを終了し、図１９のステップＳ１３０へ進む。

図１９の説明に戻る。ステップＳ１３０では、実施例１と同様に公知の相関演算を行う。次にステップＳ３２０に進む。ステップＳ３２０では、映像ＡＦ評価値を実施例１および２と同様に取得し、取得後に前述の映像ＡＦ評価利得ＡまたはＢを適用・演算し、記憶する。ここでは、実施例１と同様に、３サンプル分の利得演算が適用された映像ＡＦ評価値を記憶するものとする。

次にステップＳ１５０に進む。ステップＳ１５０からＳ１９０は実施例１と同様の処理を行う。

以上の処理を実行した場合、低コントラストの被写体を撮影した場合でも、映像ＡＦ評価値に利得が適用されるため、図１２に示すような高コントラストにおける合焦処理と同様の処理を行うことが可能となる。

このように、本実施例では、映像ＡＦ評価閾値配列を変更せず、センサ１２２から得られたコントラスト情報をもとに、取得された映像ＡＦ評価値に利得を適用した。そのため、実施例１や実施例２と同様の効果を得ることが可能となり、すばやくかつ高精度に自動合焦処理を行うことが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

例えば、実施例１および２および３に記載した処理を組み合わせて実施しても良い。さらには、複数の撮影シーンに対応するために、切替手段を設けて各処理を切り替えても良い。

なお、実施例１および２および３では、外測位相差方式（非ＴＴＬ）のデータ検出手段での構成例を示したが、ＴＴＬ位相差方式のデータ検出手段で構成しても良い。例えば、レンズ装置１００内のフォーカスレンズ１１１と撮像素子２０１との間にハーフミラーを構成し、さらにセンサ１２２を焦点検出装置１００の内部に構成し、上記ハーフミラーから分岐した光束を用いて焦点を検出しても同様の効果が得られる。

また、実施例２において、センサ１２２の蓄積完了を待っているが、映像ＡＦ評価値のサンプリング周期（ＨＤの場合１／６０秒）に合わせて、センサ制御部によって強制的に蓄積を終了させても良い。この場合や、蓄積時間が長い場合は、途中で蓄積を終了し、そのときのセンサデータの輝度レベルやコントラストから低コントラストと判定しても良い。このように構成することによって、同様に閾値配列の設定や、映像ＡＦ評価値の利得設定が可能である。

実施例１から３において、低コントラスト判定を行うために、位相差センサのデータや蓄積時間によって判定を行う例を示した。位相差センサに測光センサが構成されている場合は、測光センサから取得した輝度レベル（輝度情報）の所定の輝度レベルに対する大きさを判定し、低コントラスト判定を行っても同様の効果が得られる。

実施例１から３において、映像ＡＦ評価閾値配列の各要素の値（閾値）はあらかじめ設定されていることを前提として説明したが、不図示のスイッチやボリューム、又は通信手段等（閾値入力手段）を設けて、撮影条件や使用する機器に合わせて使用する閾値を変更可能としてもよい。また、上記の実施例においては、センサ１２２の蓄積データより得られた波形を元にコントラストを評価し、そのコントラストに基づいて閾値を選択し設定する処理を制御部１３５にて実施していたが、閾値を設定する手段（第２の閾値設定手段）を設けて、外部から閾値を設定可能としても良い。

そのほかに、各判定に用いた値は定数で書いたが、任意の値であり、値は例に示したものに限らない。また、あらかじめプログラムに書き込んでも良いし、あとで変更しても良い。外部から設定しても同様の効果が得られる。

１００ レンズ装置
１１１ フォーカスレンズ
１１２ モータ
１１３ ドライバ
１１４ 位置検出器
１２１ センサ結像レンズ
１２２ センサ
１３０ ＣＰＵ
１３１ センサ制御部
１３２ コントラスト検出部
１３３ 位相差検出部
１３４ 映像焦点検出部
１３５ 制御部
１３６ レンズ制御部
２０１ 撮像素子
２０２ 画像処理部

Claims (22)

1. 位相差センサから得られた信号を用いて第１のデータを検出する第１のデータ検出手段と、
   撮像素子からの信号を用いて第２のデータを検出する第２のデータ検出手段と、
   フォーカス機構と、
   前記第１のデータと、前記第２のデータと、に基づいて前記フォーカス機構を制御するフォーカス制御手段と、
   前記フォーカス制御手段を用いて合焦状態を得る過程において、前記フォーカス制御手段が前記フォーカス機構を駆動するための駆動速度を設定するフォーカス駆動速度設定手段と、を備えた自動合焦装置であって、
   前記第１のデータに基づいて閾値を設定する閾値設定手段を備え、
   前記フォーカス駆動速度設定手段は、前記閾値と前記第２のデータとを比較し、前記フォーカス機構の駆動速度を設定する、ことを特徴とする自動合焦装置。
2. 前記フォーカス駆動速度設定手段は、前記第２のデータが前記閾値以上である場合は、前記第２のデータが前記閾値未満である場合よりも、前記フォーカス機構の駆動速度を小さく設定する、ことを特徴とする請求項１に記載の自動合焦装置。
3. 前記第１のデータは、前記第１のデータ検出手段から得られる信号のコントラストであることを特徴とする請求項１又は２に記載の自動合焦装置。
4. 前記第１のデータは、前記第１のデータ検出手段から得られる信号の蓄積時間であることを特徴とする請求項１又は２に記載の自動合焦装置。
5. 前記第１のデータは、前記第１のデータ検出手段から得られる測光センサの輝度情報であることを特徴とする請求項１又は２に記載の自動合焦装置。
6. 位相差センサから得られた信号を用いて第１のデータを検出する第１のデータ検出手段と、
   撮像素子からの信号を用いて第２のデータを検出する第２のデータ検出手段と、
   フォーカス機構と、
   前記第１のデータと、前記第２のデータと、に基づいて前記フォーカス機構を制御するフォーカス制御手段と、
   前記フォーカス制御手段を用いて合焦状態を得るによる焦点を検出する過程において、前記フォーカス制御手段が前記フォーカス機構を駆動するための駆動速度を設定するフォーカス駆動速度設定手段と、
   前記第１のデータに基づき、前記第２のデータに利得を適用し、第３のデータを生成する利得適用手段と、を備えた自動合焦装装置であって、
   前記フォーカス駆動速度設定手段は、所定の閾値と前記第３のデータとを比較して、前記フォーカス機構の駆動速度を設定する、ことを特徴とする自動合焦装置。
7. 前記フォーカス駆動速度設定手段は、前記第３のデータが前記閾値以上である場合は、前記第３のデータが前記閾値未満である場合よりも、前記フォーカス機構の駆動速度を小さく設定する、ことを特徴とする請求項６に記載の自動合焦装置。
8. 前記第１のデータは、前記第１のデータ検出手段から得られる信号のコントラストであることを特徴とする請求項６又は７に記載の自動合焦装置。
9. 前記第１のデータは、前記第１のデータ検出手段から得られる信号の蓄積時間であることを特徴とする請求項６又は７に記載の自動合焦装置。
10. 前記第１のデータは、前記第１のデータ検出手段から得られる測光センサの輝度情報であることを特徴とする請求項６又は７に記載の自動合焦装置。
11. 任意の閾値を入力する閾値入力手段と、入力された閾値を設定する第２の閾値設定手段と、を備え、
    前記フォーカス制御手段は、前記第２のデータと前記第２の閾値設定手段による閾値とを比較し、前記フォーカス機構の駆動速度を設定する、ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の自動合焦装置。
12. 前記第１のデータは、前記第１のデータ検出手段から得られる信号のコントラストであって、
    前記第１のデータ検出手段から得られる信号のコントラストが所定のレンジよりも小さい場合、前記利得適用手段が設定する利得を上げる、ことを特徴とする請求項６又は７に記載の自動合焦装置。
13. 前記第１のデータは、前記第１のデータ検出手段から得られる信号の蓄積時間で
    あって、
    前記第１のデータ検出手段から得られる信号の蓄積時間が所定の時間よりも長い場合、前記利得適用手段が設定する利得を上げる、ことを特徴とする請求項６又は７に記載の自動合焦装置。
14. 前記第１のデータは、前記第１のデータ検出手段から得られる測光センサの輝度情報であって、
    前記第１のデータ検出手段から得られる測光センサの輝度情報が所定の輝度よりも低い場合、前記利得適用手段が設定する利得を上げる、
    ことを特徴とする請求項６又は７に記載の自動合焦装置。
15. 任意の閾値を入力する閾値入力手段と、入力された閾値を設定する第２の閾値設定手段と、を備え、
    前記フォーカス制御手段は、前記第３のデータと前記第２の閾値設定手段による閾値とを比較し、前記フォーカス機構の駆動速度を設定する、
    ことを特徴とする請求項６乃至１０、１２乃至１４のいずれか１項に記載の自動合焦装置。
16. 前記第１のデータ検出手段は、撮像光学系から分岐した光束を用いて焦点を検出するＴＴＬ位相差方式のデータ検出手段であることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の自動合焦装置。
17. 前記第１のデータ検出手段は、撮像光学系に入射する光束とは別の光束を用いて焦点を検出する外測位相差方式のデータ検出手段であることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の自動合焦装置。
18. 位相差センサから得られた信号を用いて第１のデータを検出する第１のデータ検出手段と、
    撮像素子からの信号を用いて第２のデータを検出する第２のデータ検出手段と、
    フォーカス機構と、
    前記第１のデータと、前記第２のデータと、に基づいて前記フォーカス機構を制御するフォーカス制御手段と、
    前記フォーカス制御手段を用いて合焦状態を得る過程において、前記第１のデータのコントラストと前記第２のデータとに基づいて、前記フォーカス機構の駆動速度を設定するフォーカス駆動速度設定手段と、を備えることを特徴とする自動合焦装置。
19. 位相差センサから得られた信号を用いて第１のデータを検出する第１のデータ検出手段と、
    撮像素子からの信号を用いて第２のデータを検出する第２のデータ検出手段と、
    フォーカス機構と、
    前記第１のデータと、前記第２のデータと、に基づいて前記フォーカス機構を制御するフォーカス制御手段と、
    前記フォーカス制御手段を用いて合焦状態を得る過程において、前記第１のデータの蓄積時間と前記第２のデータとに基づいて、前記フォーカス機構の駆動速度を設定するフォーカス駆動速度設定手段と、を備えることを特徴とする自動合焦装置。
20. 位相差センサから得られた信号を用いて第１のデータを検出する第１のデータ検出手段と、
    撮像素子からの信号を用いて第２のデータを検出する第２のデータ検出手段と、
    フォーカス機構と、
    前記第１のデータと、前記第２のデータと、に基づいて前記フォーカス機構を制御するフォーカス制御手段と、
    前記フォーカス制御手段を用いて合焦状態を得る過程において、前記第１のデータ検出手段から得られる測光センサの輝度情報と前記第２のデータとに基づいて、前記フォーカス機構の駆動速度を設定するフォーカス駆動速度設定手段と、を備えることを特徴とする自動合焦装置。
21. 請求項１乃至２０のいずれか１項に記載の自動合焦装置を備えるレンズ装置。
22. 請求項２１に記載のレンズ装置と、前記レンズ装置によって結像される被写体像を撮像する撮像装置を有する撮像システム。

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