JP6191131B2

JP6191131B2 - 撮像装置

Info

Publication number: JP6191131B2
Application number: JP2012280112A
Authority: JP
Inventors: 純基辻山
Original assignee: Ricoh Imaging Co Ltd
Current assignee: Ricoh Imaging Co Ltd
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2017-09-06
Anticipated expiration: 2032-12-21
Also published as: JP2014123073A

Description

本発明は、オートフォーカス機能を有する撮像装置に関する。

被写体に自動的に撮影レンズの焦点を合わせるオートフォーカス機能を有する撮像装置が知られている。このような撮像装置は、山登り方式と呼ばれるオートフォーカス方式を用いる。山登り方式は、フォーカスレンズを光軸方向に一定の移動量だけ往復させて合焦状態を検出し、より合焦状態に近い方向をフォーカスレンズの合焦方向として判断する。そして、合焦方向にフォーカスレンズを移動させ、合焦状態を判断する。これを繰り返してフォーカスレンズを被写体に合焦させる。合焦状態は、輝度信号の高周波成分をピーク検波することにより判断される（引用文献１）。

特開２００８−１７０５０８号公報

しかし、レンズの絞り値又はゲインに基づいて移動量を求める方式では、設定された移動量が必要充分な移動量ではないおそれがある。移動量が必要以上に多い場合、フォーカスレンズが不必要に動かされ、合焦までの時間が長くなる。あるいは移動量が少なすぎる場合、合焦方向でない方向を合焦方向と判断してしまう。そのため、シャッターチャンスを逃したり、焦点が合わない動画が記録されてしまったりするおそれがある。

本発明はこれらの問題に鑑みてなされたものであり、最適な移動量でフォーカスレンズの合焦方向を決定できる撮像装置を得ることを目的とする。

本願発明による撮像装置は、被写体像を撮像して画像データを出力する撮像部と、合焦方向に移動して撮像部に被写体像を合焦させる合焦部と、画像データのコントラスト値を用いて合焦方向を決定する制御部とを備え、制御部は、特定の合焦部に対して決定される基準移動量を有し、合焦部の構成及び基準移動量に応じて合焦部の移動量を算出して合焦部を移動量だけ動かし、これによるコントラスト値の変化に基づいて合焦方向を決定することを特徴とする。

合焦部は、起点から遠方方向に移動量だけ離れた遠方点と、起点から近方方向に移動量だけ離れた近方点に移動し、撮像部は、起点、遠方点、及び近方点に合焦部があるときに、それぞれ画像データを出力し、制御部は、起点、遠方点、及び近方点に合焦部があるときのコントラスト値を比較して合焦方向を決定することが好ましい。

合焦部を有する撮像レンズと、撮像部に入射する光量を調節する絞りとをさらに備え、制御部は、基準移動量と、絞りの絞り値及び／又は撮像レンズの焦点距離とに基づいて移動量を算出することが好ましい。

合焦部を有する撮像レンズと、撮像部に入射する光量を調節する絞りとをさらに備え、制御部は、画像データを感度値を用いて画像処理し、基準移動量、絞りの絞り値、感度値、及び画像データの輝度値に基づいて移動量を算出することが好ましい。

制御部は、基準移動量に基づいて移動幅算出関数を決定し、絞り値、感度値、及び輝度値とに基づいて輝度係数を算出し、移動幅算出関数と輝度係数とを用いて移動量を算出することが好ましい。

制御部は、起点に合焦部があるときのコントラスト値である起点コントラスト値が閾値よりも大きい場合、移動量を短くすることが好ましい。

制御部は、起点に合焦部があるときのコントラスト値である起点コントラスト値が閾値よりも大きい場合、起点コントラスト値から閾値を減じた値で移動量を除して得られた値を移動量とすることが好ましい。

制御部は、近方点におけるコントラスト値と遠方点におけるコントラスト値とを比較して、コントラスト値が高い方向に合焦部を駆動することが好ましい。

撮像部が被写体像を撮像しているときに撮像部に振動が加えられている場合、制御部は合焦部の構成及び基準移動量に応じて算出された移動量を増加した値を移動量とすることが好ましい。

本発明によれば、最適な移動量でフォーカスレンズの合焦方向を決定できる撮像装置を得る。

撮像装置を概略的に示したブロック図である。コントラスト値と合焦レンズの位置との関係を示したグラフである。輝度係数と移動量との関係を示したグラフである。合焦処理を示したフローチャートである。コントラスト計算処理を示したフローチャートである。移動量計算処理を示したフローチャートである。

以下、本願発明の一実施形態による撮像装置について図を用いて説明する。図１は、撮像装置の一実施形態であるデジタルカメラ１００を示す。図１を用いてデジタルカメラ１００の構成について説明する。

デジタルカメラ１００は、ＤＳＰ１０１、撮像部を成す撮像素子（ＣＣＤ）１０２、合焦レンズ１０３を有する撮像レンズ１０４、撮像素子１０２に入射する光量を調節する絞り１０５と、シャッター幕１０６と、画像処理回路１０８とを主に備える。ＤＳＰ１０１及び画像処理回路１０８が制御部を成す。合焦レンズ１０３は合焦部を成し、レンズ駆動部１１１によって光軸方向に駆動されて撮像レンズ１０４のピントを調節し、撮像素子１０２に被写体像を結像させる。光軸方向は、撮像レンズ１０４の合焦方向である。

ユーザがレリーズボタン１０７を半押しすると、ＤＳＰ１０１は、画像データのコントラスト値を用いてピントが合っているか否かを判断する。そしてピントが合っていない場合、画像データのコントラスト値を用いて合焦レンズ１０３の合焦方向を決定し、レンズ駆動部１１１に合焦レンズ１０３を駆動させ、被写体にピントを合わせる。現在の合焦レンズ１０３の位置を起点といい、被写体にピントが合っている合焦レンズ１０３の位置を合焦位置という。そして、起点から合焦位置に向かう方向を合焦方向と言う。また、遠方の被写体にピントが合う合焦レンズ１０３の駆動方向を遠方方向と呼び、近方の被写体にピントが合う合焦レンズ１０３の駆動方向を近方方向と呼ぶ。そして、起点から遠方方向に所定の距離だけ離れた点を遠方点、起点から近方方向に所定の距離だけ離れた点を近方点と呼ぶ。

ユーザがレリーズボタン１０７を全押しすると、撮像素子１０２は、被写体像を撮像して画像データを出力する。画像データは画像処理回路１０８に送信され、画像処理回路１０８は、ユーザが設定したＩＳＯ感度に応じて決定される感度値に基づいて画像データに画像処理を行う。感度値はゲインとも呼ばれる。そして得られた画像データをＤＳＰ１０１、メモリカード１０９、及びモニタ１１０に送信する。ＤＳＰ１０１は画像処理回路１０８から受信した画像データに基づいて様々な処理を行う。そして、記憶して残すべき画像データをメモリカード１０９に送信する。モニタ１１０は画像処理回路１０８から受信した画像データを表示する。メモリカード１０９は、例えばＳＤカードであって、ＤＳＰ１０１及び画像処理回路１０８から受信した画像データを記憶する。三脚検出部１１２は、デジタルカメラ１００に三脚が取り付けられているか否かを検出し、検出結果をＤＳＰ１０１に送信する。

次に図２及び３を用いて、画像のコントラスト値を用いて合焦方向を決定する処理について説明する。図２は、合焦レンズ１０３の位置と画像のコントラスト値との関係を示したグラフである。コントラスト曲線２０は、合焦レンズ１０３の位置と画像のコントラスト値との実際の関係を示す。コントラスト曲線２１は、コントラスト曲線２０においてコントラスト値が高い点を繋いだ曲線であり、コントラスト曲線２２は、コントラスト曲線２０においてコントラスト値が低い点を繋いだ曲線である。

コントラスト曲線２１及び２２を参照すると、合焦レンズ１０３が合焦位置にあるとき、画像のコントラスト値が最も高くなることが解る。そのため、一般的には、所定の移動量だけ合焦レンズ１０３を動かして、それに伴って変化するコントラスト値の増減を調べれば、合焦位置を知ることができる。すなわち、コントラスト値が増えた後に減れば、最もコントラスト値が高い位置を合焦位置と判断できる。また、コントラスト値が増えれば合焦レンズ１０３を動かした方向が合焦方向と判断でき、コントラスト値が減れば合焦レンズ１０３を動かした方向の反対方向が合焦方向と判断できる。しかしながらコントラスト曲線２０が示すように、合焦レンズ１０３の位置に応じて画像のコントラスト値は、サンプリング数の多寡やノイズの影響によって複雑かつ微妙に変化する。そのため、合焦レンズ１０３の移動量が少なすぎると、コントラスト値の複雑かつ微妙な変化に基づいて合焦位置を判断してしまい、結果的に合焦位置を誤って判断するおそれがある。すなわち、コントラスト曲線２１及び２２は急激に増減を繰り返しているため、増加から減少に急激に転じる位置を合焦位置と判断してしまうおそれがある。あるいは、コントラスト曲線２１及び２２の傾きの符号とコントラスト曲線２１の傾きの符号とが一致していない区間では、正しい合焦方向に対して反対の方向を合焦方向と判断してしまうおそれがある。そこで、ある程度の移動量をもって合焦レンズ１０３を動かしてコントラスト値を得ることにより、コントラスト曲線２０に含まれる複雑かつ微妙なコントラスト値の変化の影響を排して合焦方向を判断する必要がある。そこで、以下の様にして移動量を求める。

移動量を求めるには、まず基準となるレンズを用いて、基準移動量を予め実験的に測定しておく。そして、実際の撮影で用いるレンズの絞り値、感度値、及び／又は画像の輝度値、そして基準移動量を用いて移動量を算出する。以下、これについて詳細に説明する。以下、基準となるレンズを基準レンズと呼ぶ。

図２に示したグラフは、基準レンズにおける合焦レンズ１０３の位置と画像のコントラスト値との関係を示したグラフである。図２に示される基準移動量ａは、コントラスト曲線２２の合焦位置におけるコントラスト値と同じコントラスト値をとるコントラスト曲線２１上の２点間（２点のレンズ位置間）の距離である。コントラスト値の増減を検出するためには、少なくとも基準移動量ａだけ合焦レンズ１０３を動かさなければならない。基準移動量ａよりも少ない移動量では、コントラスト曲線２０に含まれる複雑かつ微妙なコントラスト値の変化の影響を受けて、前述のように合焦位置及び合焦方向を誤って判断してしまうおそれがあるからである。そこで、まず基準レンズを用いて複数の感度値毎に図２に示すコントラスト曲線２０を測定する。そして、測定したコントラスト曲線２０を用いてコントラスト曲線２１及び２２を求め、これらに基づいて基準移動量ａを算出する。基準移動量ａは、絞り値、画像の感度値、及び画像の輝度値ごとに作成される。

次に図３に示すグラフを作成する。図３に示すグラフは、移動量と後述する輝度係数との関係を示すグラフである。輝度係数は以下の式により求められる。

図３に示すグラフは、次のように求められる。まず、基準移動量ａを求めるときの絞り値、画像の感度値、及び画像の輝度値から輝度係数を求める。これを、複数の基準移動量ａに対して計算して、基準移動量ａと輝度係数との組合せを複数得る。そして、基準移動量ａと輝度係数との複数の組合せに対して近似線３１を求める。これにより、図３のグラフが得られる。図３に示す点は、基準移動量ａと輝度係数との複数の組合せをプロットしたものであり、直線は近似線３１である。本実施形態において、近似線３１は線形一次式により近似される。そして、近似線３１は以下の式により表される。
移動量＝ω・輝度係数

すなわち実際の撮影において、絞り値及び感度値を決定した後に撮影を行い、得られた画像から輝度値を求める。そして、絞り値、感度値、及び輝度値を用いて輝度係数を求める。この輝度係数を近似線３１の式に代入することにより、求められる値が移動量である。ＤＳＰ１０１は、係数ωを予め記憶し、実際の撮影において得られる絞り値、感度値及び輝度値を用いて移動量を求める。

なお、山の幅Ｌは、撮像レンズ１０４の焦点距離に反比例し、絞り値に比例する。例えば、焦点距離が１６ｍｍである撮像レンズ１０４を使用した場合に山の幅がＬ_１６であったとすると、焦点距離が５０ｍｍである撮像レンズ１０４では、山の幅Ｌ_５０はＬ_１６／９になる。すなわち、焦点距離がｎｍｍである撮像レンズ１０４における山の幅Ｌｎは、以下の式により求められる。
Ｌ_ｎ＝Ｌ_１６／（ｎ／１６）^２

他方、例えば、絞り値が２．８である場合に山の幅がＬ_２．８であったとすると、絞り値が５．６である場合には、山の幅Ｌ_５．６は２Ｌになる。すなわち、絞り値がｎである場合における山の幅Ｌｎは、以下の式により求められる。
Ｌ_ｎ＝（ｎ／２．８）Ｌ_2.8

次に、図４を用いてＤＳＰ１０１により実行される合焦処理について説明する。合焦処理は、動画を撮像している期間に被写体像を撮像素子１０２に合焦させる処理であり、動画を撮像する期間に反復して実行される。

始めのステップＳ４０１では、感度値に応じてサンプル数を決定する。感度値が低い場合には画像に乗るノイズが少ないが、感度値が高い場合には画像に乗るノイズが多くなる。そのため、感度値が低い場合にはサンプリング数を少なくし、感度値が高い場合にはサンプリング数を増やす。

次のステップＳ４０２では、後述するコントラスト計算処理を用いて起点におけるコントラスト値Ｃ０を求める。コントラスト計算処理は、撮像した画像のコントラスト値を計算する処理である。

次のステップＳ４０３では、後述する移動量計算処理を用いて移動量を算出する。

次のステップＳ４０４では、算出した移動量だけ遠方方向に合焦レンズ１０３を移動する。これにより合焦レンズ１０３が遠方点に達する。そして、次のステップＳ４０５では、後述するコントラスト計算処理を用いて遠方点におけるコントラスト値Ｃｆを求める。

次のステップＳ４０６では、起点から近方方向に移動量だけ移動した位置に合焦レンズ１０３を移動する。これにより合焦レンズ１０３が近方点に達する。そして、次のステップＳ４０７では、後述するコントラスト計算処理を用いて近方点におけるコントラスト値Ｃｎを求める。

次のステップＳ４０８では、合焦位置が近方点から遠方点の間にあるか否かを判断する。すなわち、近方点及び遠方点におけるコントラスト値よりも起点におけるコントラスト値が高いか否かを判断する。合焦位置が近方点から遠方点の間にない場合、処理はステップＳ４１０に進む。近方点及び遠方点におけるコントラスト値よりも起点におけるコントラスト値が高い場合、近方点から遠方点の間に合焦位置があると判断して、処理はステップＳ４０９に進む。ステップＳ４０９では、合焦位置に合焦レンズ１０３を移動して、処理を終了する。

ステップＳ４１０では、合焦方向を判定する。すなわち、コントラスト値が増える方向を合焦方向、あるいはコントラスト値が減る方向と反対方向を合焦方向と判断する。

次のステップＳ４１１では、オートフォーカス処理を行い、合焦方向に合焦レンズ１０３を駆動する。そして処理を終了する。

次に図５を用いて、ＤＳＰ１０１により実行されるコントラスト計算処理について説明する。コントラスト計算処理は、撮像した画像のコントラスト値を計算する処理であり、合焦処理のステップＳ４０２、Ｓ４０５、Ｓ４０７において実行される。

始めのステップＳ５１では、撮像した画像を取得する。次のステップＳ５２では、画像から輝度値を取得して、隣接する画素の輝度値の差分値を求める。

次のステップＳ５３では、輝度値からオフセットを設定する。輝度値は、感度値の多寡や外来ノイズの影響を受けて、多少のノイズを含んでいる。ノイズを含んでいると、図２のコントラスト曲線２０のように、コントラスト値が複雑かつ微妙に変化してしまい、結果的に合焦位置を誤って判断するおそれがある。また、ノイズを含んだ輝度値を用いてコントラスト値を求めると、起点、遠方位置、及び近方位置のコントラスト値の値そのものを用いて合焦方向を判断できず、大小を比較して合焦位置を判断しなければならない。しかしながら、コントラスト値の値そのものを用いて合焦方向を判断できれば、少しの移動量でも合焦方向を判断することができる。そのため、実験により予めオフセット関数を計算しておき、これを実際に撮像した画像の感度値及び輝度値に基づいて、実際に撮像した画像のオフセットを求める。そして求めたオフセットを輝度値から減ずることにより、ノイズを除去する。

次のステップＳ５４では、オフセットが設定された輝度値を用いてコントラスト値を計算する。そして処理を終了する。

コントラスト計算処理によれば、ノイズを含まない輝度値を用いてコントラスト値を計算することができるため、正確なコントラスト値を得ることができる。

次に図６を用いて、ＤＳＰ１０１により実行される移動量計算処理について説明する。移動量計算処理は、合焦レンズ１０３の移動量を計算する処理であり、合焦処理のステップＳ４０３において実行される。

始めのステップＳ６１では、移動量Ｄを以下の式を用いて求める。

次のステップＳ６２では、起点におけるコントラスト値である起点コントラスト値Ｃ０が閾値Ｔｈｃよりも大きいか否かを判断する。閾値Ｔｈｃは、最低限判別しなければならない被写体像のコントラスト値であって、予め決定されてＤＳＰ１０１に記憶される。デジタルカメラ１００は様々な被写体像に関してコントラスト値を取得して、その被写体に合焦することが求められるが、コントラスト値が低くなると被写体に合焦することが困難になる。閾値Ｔｈｃは、確実に合焦可能なコントラスト値の最低値である。起点コントラスト値Ｃ０が閾値Ｔｈｃよりも大きい場合、処理はステップＳ６３に進み、大きくない場合、処理はステップＳ６４に進む。

ステップＳ６３では、以下の式に従い、移動量を再計算する。
Ｄ_Ｒ＝（Ｄ−ＭｉｎＤ）／（Ｃ０／Ｔｈｃ）＋ＭｉｎＤ
ここでＭｉｎＤは、合焦部が機械制御的に安定して移動可能な最短の移動量である。この式を用いて移動量を再計算すると、ステップＳ６１において求められた移動量Ｄを閾値Ｔｈｃに応じて短くすることができる。これにより、被写体のコントラストが高い場合であっても、最適な移動量を算出することができる。

次のステップＳ６４では、三脚を使用しているか否かを判断する。三脚を使用していない場合、処理はステップＳ６５に進み、使用している場合、処理は終了する。

ステップＳ６５では、移動量Ｄを２倍する。デジタルカメラ１００に三脚が取り付けられていない場合、ユーザがデジタルカメラ１００を手持ちで撮影していると考えられ、三脚が取り付けられている場合と比較してデジタルカメラ１００に加えられる振動が多いと考えられる。そのため、手ぶれにより画像がぶれるおそれがある。画像がぶれるとコントラスト値にノイズが乗ったり、コントラスト値が下がったりしてコントラスト曲線が複雑かつ微妙に変化するため、合焦位置を正確に判断できなくなるおそれがある。そこで、デジタルカメラ１００に三脚が取り付けられていない場合には移動量を増やして、コントラスト曲線が複雑かつ微妙に変化しても、合焦位置を正確に判断できるようにした。

本実施形態によれば、合焦レンズ１０３の合焦状態を適切に判断できる。また、合焦方向を正確に予測できるため、合焦方向と反対方向に合焦レンズ１０３を駆動してしまうことがない。またこれにより、被写体に迅速にピントを合わせることができる。

また、輝度値からオフセットを除去してから合焦方向及び合焦位置を判断するため、ノイズの影響を排除するとともに、コントラスト値の高低を絶対値として判断することができる。これにより、少しの移動量でも合焦方向及び合焦位置を正確に判断することができる。また、オフセットを除去することにより、照明光によるフリッカの影響を排除することができる。

なお、山の幅Ｌは、撮像レンズ１０４の焦点距離に反比例することを利用して、焦点距離を用いて移動量を算出しても良い。

移動量計算処理のステップＳ６５において、移動量は２倍されなくても良く、手ぶれの大きさに応じて移動量が増やされればよい。

また、本実施形態では動画を撮像しているときについて説明したが、静止画を撮像するときにおいても本実施形態による処理を実行することができる。

なお、撮像素子１０２として、ＣＭＯＳを用いても良い。

また、遠方方向を正、近方方向を負として説明したが、遠方方向を負、近方方向を正としてもよい。

１００デジタルカメラ
１０１ＤＳＰ
１０２撮像素子
１０３合焦レンズ
１０４撮像レンズ
１０５絞り
１０６シャッター幕
１０７レリーズボタン
１０８画像処理回路
１０９メモリカード
１１０モニタ
１１１レンズ駆動部
１１２三脚検出部

Claims

被写体像を撮像して画像データを出力する撮像部と、
撮像レンズに設けられ、合焦方向に移動して前記撮像部に被写体像を合焦させる合焦レンズと、
前記画像データのコントラスト値を用いて前記合焦方向を決定する制御部と、
前記撮像部に入射する光量を調節する絞りとを備え、
前記制御部は、基準レンズに対して予め決定された、輝度値、感度値、および絞り値に応じた基準移動量を有し、
前記基準移動量に基づいて、撮影時の輝度値、感度値、および絞り値に対応する前記合焦レンズの移動量を決定し、前記合焦レンズを前記移動量だけ動かし、これによる前記コントラスト値の変化に基づいて前記合焦方向を決定する撮像装置。
前記合焦レンズは、起点から遠方方向に前記移動量だけ離れた遠方点と、起点から近方方向に前記移動量だけ離れた近方点に移動し、
前記撮像部は、前記起点、前記遠方点、及び前記近方点に前記合焦レンズがあるときに、各点における画像データを出力し、
前記制御部は、前記各点における画像データのコントラスト値を比較して前記合焦方向を決定する請求項１に記載の撮像装置。
前記制御部は、前記画像データを輝度値および感度値を用いて画像処理し、前記基準移動量、前記絞りの絞り値、前記感度値、及び前記画像処理が施された画像データの輝度値に基づいて前記移動量を算出する請求項２に記載の撮像装置。
前記制御部は、前記起点に前記合焦レンズがあるときの前記コントラスト値である起点コントラスト値が閾値よりも大きい場合、前記移動量を短くする請求項２に記載の撮像装置。
前記制御部は、前記起点に前記合焦レンズがあるときの前記コントラスト値である起点コントラスト値が閾値よりも大きい場合、前記起点コントラスト値から前記閾値を除した値で前記移動量を除して得られた値を移動量とする請求項２に記載の撮像装置。
前記制御部は、前記近方点における前記コントラスト値と前記遠方点における前記コントラスト値とを比較して、前記コントラスト値が高い方向に前記合焦レンズを駆動する請求項２から５のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記移動量は、所定の関数に前記合焦レンズにおける輝度係数を代入して得られる値であって、
前記所定の関数は、前記基準レンズにおける輝度値、感度値、および絞り値の組み合わせ毎に得られる複数の前記基準移動量を、輝度係数に依存する値として近似した関数であって、
前記輝度係数は、輝度値、感度値、および絞り値を乗算および／または除算した値を含むことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の撮像装置。
前記撮像部が被写体像を撮像しているときに前記撮像部に振動が加えられている場合、前記制御部は前記移動量を増加した値を移動量とする請求項１から７のいずれか１項に記載の撮像装置。