JP7057200B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置に関し、特にティルトやスライドが可能な交換レンズが装着される撮像装置に関する。

交換レンズには、撮像光学系の光軸に対して傾いた物体面全体にピントを合わせることが可能なティルト（アオリ）機構を有するものがある。特許文献１には、撮像素子から得られる画像信号に基づいてアオリ機構を制御して、距離が異なる複数の被写体にピントを合わせた撮像を行える撮像装置が開示されている。

特開平１１－１９０８６４号公報

上記のようなアオリ機構付交換レンズのフォーカス制御を高精度に行う場合、通常の交換レンズに対するフォーカス制御と同様に、交換レンズ（撮像光学系）の特性と撮像装置に設けられる焦点検出系の特性とを考慮した補正係数が必要である。そして、この補正係数は、交換レンズの状態（例えばティルト量）ごとに予め算出され、撮像装置や交換レンズ内のメモリに保持されている必要がある。つまり、撮像装置または交換レンズに大量の補正係数のデータを保持するためのメモリを設ける必要がある。

また、特許文献１に開示された撮像装置では、画像信号からデフォーカス量を検出してアオリ機構を制御して合焦状態を得るまでに時間がかかる。

本発明は、フォーカス制御のための大量のデータを保持することなく、ティルトやスライドが可能な交換レンズの状態に応じて高精度に被写体にピントを合わせることが可能な撮像装置を提供する。

本発明の一側面としての撮像装置は、撮像光学系を有する交換レンズの着脱が可能な撮像装置であり、撮像面を有する撮像素子と、フォーカス制御を行う制御手段とを有する。制御手段は、交換レンズが、基準状態から、撮像光学系の主面を撮像面に対して傾けるティルトが可能である、または基準状態からエクステンションチューブによって撮像光学系を光軸方向に移動させるスライドが可能である場合に、ティルトまたはスライドによる基準状態からのバックフォーカスの変化量と撮像面のうちフォーカス制御を行う像高として指定されたフォーカス像高とに応じてフォーカス制御を行うことを特徴とする。

また、本発明の他の一側面としての制御方法は、撮像光学系を有する交換レンズの着脱が可能であり、撮像素子を有する撮像装置の制御方法である。該制御方法は、交換レンズが、基準状態から、撮像光学系の主面を撮像素子に対して傾けるティルトが可能である、または基準状態からエクステンションチューブによって撮像光学系を光軸方向に移動させるスライドが可能である場合に、ティルトまたはスライドによる基準状態からのバックフォーカスの変化量を取得するステップと、撮像面のうちフォーカス制御を行う像高として指定されたフォーカス像高を取得するステップと、バックフォーカスの変化量とフォーカス像高とに応じてフォーカス制御を行うステップとを有することを特徴とする。

なお、撮像装置のコンピュータに、上記制御方法に従うフォーカス制御処理を実行させるコンピュータプログラムも、本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、フォーカス制御のための大量のデータを保持することなく、交換レンズのティルトやスライドの状態に応じて高精度に被写体にピントを合わせることができる。

本発明の実施例１であるカメラとアオリ機構付交換レンズを示す図。 実施例１のカメラと交換レンズの構成を示すブロック図。 実施例１におけるフォーカス制御処理を示すフローチャート。 実施例１におけるΔＢＦの演算方法を説明する図。 シャインプルーフの法則を説明する図。 実施例２のカメラとエクステンションチューブと交換レンズを示す図。 実施例２のカメラと交換レンズの構成を示すブロック図。 実施例２におけるΔＢＦの演算方法を説明する図。

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。

具体的な実施例の説明に先立って、実施例の前提となる事項について説明する。実施例の撮像装置は、交換レンズを装着して使用されるカメラである。交換レンズが有する撮像光学系は、基準となるバックフォーカスに基づいて設計される。バックフォーカスが変わると、撮像光学系の性能が変化する。

また、撮像光学系の主面が撮像面に対して傾く（つまりは撮像光学系の光軸が撮像面に直交する軸に対して傾く）ことでも、撮像光学系の性能が変化する。この現象を利用して、撮像光学系を撮像面に対して意図的に傾ける、すなわちティルトさせることができる交換レンズが使用される。

撮像光学系がティルトしていない基準状態では、撮像面と物体面とが平行な状態で物体面全体にピントが合う。これに対して、撮像光学系をティルトさせると、撮像面に対して傾いて部分ごとに距離が異なる物体面の全体にピントを合わせることができる。これは、図５に示すシャインプルーフの原理に従うものである。すなわち、撮像面ＩＰと撮像光学系の主面ＯＬとが平行ではなく角度θだけ傾いていると、撮像面ＩＰと物体面ＯＰとが平行ではなくなるが、撮像面ＩＰ、主面ＯＬおよび物体面ＯＰは同一直線上で交わる。

バックフォーカスが固定された状態では撮像光学系内でのフォーカスレンズの位置と物体距離との関係は一意に決まるが、バックフォーカスが変わるとこの関係が一意に決まらなくなる。つまり、バックフォーカスおよび物体距離に応じて、最良の合焦状態が得られるフォーカスレンズの位置（以下、最良合焦位置という）が変化する。撮像光学系がティルトすると、撮像光学系を構成する最も像側の最終レンズ面（変倍やフォーカス等で移動しない固定のレンズ面）と撮像面との距離であるバックフォーカスが変化する。

このため、実施例では、撮像光学系が基準状態からティルトした状態で、合焦前のフォーカスレンズの位置、バックフォーカスの基準状態からの変化量および合焦を得たい像高を用いて物体距離を演算し、その物体距離を用いて最良合焦位置を演算する。

このことについてさらに説明する。図５に示す撮像光学系の物体距離ｓ、像距離ｓ′および焦点距離ｆは物像関係を示す式である以下の式（１）で表すことができる。

１／ｓ′＝１／ｓ＋１／ｆ （１）
式（１）から分かるように、物体距離ｓ、像距離ｓ′および焦点距離ｆのうち２つが決まれば、もう１つを求めることができる。

最良合焦位置は撮像光学系の収差に依存し、収差は撮像光学系内を通過する光束の光路によって決まる。撮像光学系内の光路は物体距離とフォーカスレンズの位置（以下、フォーカス位置という）、さらには像高によって決まるため、物体距離とフォーカス位置と像高が定まれば撮像光学系の収差が決まり、最良合焦位置を演算することが可能となる。

つまり、基準状態からのバックフォーカスの変化量と撮像面上の像高とから、撮像面から物体面までの像物間距離を演算し、該像物間距離から最良合焦位置を求めることができる。

また、最良合焦位置を演算するためには、前述したように、撮像光学系の特性とカメラに設けられる焦点検出系の特性とを考慮した定数としての補正係数が必要である。すなわち、撮像光学系と焦点検出系とでは光線の通り方が異なるために焦点検出系で得られた合焦位置と撮像光学系での最良合焦位置とに差が生じる。このため、この差分を補正するために焦点検出系で得られた合焦位置としてのフォーカスレンズの位置（またはデフォーカス量）を補正する係数が必要となる。

フォーカスレンズの位置とこれに対応する補正係数の２次元データをメモリに保持すれば、効率良く最良合焦位置を求めることができる。補正係数は、カメラまたは交換レンズ内のメモリ（記憶部）に保持され、カメラにおいて読み出されたり交換レンズからカメラに送信されたりすればよい。ただし、補正係数のデータが大量であると、メモリに必要な容量が大きくなり、好ましくない。本実施例は、このような大量の補正係数データをメモリに保持することなく、ティルト量と像高に応じた最良合焦位置を算出する。

なお、撮像光学系が光軸方向にスライドした場合も、撮像光学系の最終レンズ面から撮像面までのバックフォーカスが変化する。撮像光学系がスライドする場合には、交換レンズが撮像光学系の全体を光軸方向に移動させることができるスライド機構を有する場合だけでなく、交換レンズとカメラとの間にエクステンションレンズ等のスペーサが挿入される場合も含まれる。実施例では、このように撮像光学系がスライドする場合にも、ティルトする場合と同様に、大量の補正係数データを保持することなくスライド量に応じた最良合焦位置を求める。

図１には、本発明の実施例１である撮像装置としてのデジタルカメラ（以下、単にカメラという）２０と、該カメラ２０に対して着脱可能に装着される交換レンズ１０とを示している。交換レンズ１０は、撮像光学系１と、ティルト（アオリ）機構２とを有する。撮像光学系１は、不図示の被写体から光束を結像させて被写体像を形成する。本実施例における撮像光学系１は、変倍（ズーム）が可能であるとともに、焦点調節を行うために撮像光学系１の光軸ОＡが延びる光軸方向に移動可能なフォーカスレンズ（図示せず）を有する。

ティルト機構２は、図中に一点鎖線で示すように、撮像光学系１をその主面がカメラ２０内の撮像素子７の撮像面に対して（言い換えれば光軸ＯＡが撮像面に直交する軸に対して）傾くようにティルトさせる機構である。

カメラ２０は、撮像光学系１からの光束を反射するミラー２と、該ミラー２により反射された光束が被写体像を形成するピント板４と、該ピント板４上に形成された被写体像をユーザに光学的に観察させるファインダ光学系とを有する。ファインダ光学系は、ピント板４からの光束を反射するペンタプリズム５と、接眼レンズ６とを有する。また、カメラ２０は、上述した撮像素子７を有する。撮像素子７は、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の光電変換素子であり、被写体像を電気信号に変換する。

図２は、交換レンズ１０とカメラ２０の電気的構成を示している。交換レンズ１０は、ティルト量検出部１１と、焦点距離検出部１２と、フォーカス位置検出部１３と、記憶部１４と、フォーカス駆動部１５とを有する。ティルト量検出部１１は、ティルト機構２のティルト量を検出する。ティルト量は、交換レンズ１０がティルトしていない基準状態、すなわち撮像光学系１の主面が撮像面に対して平行な状態、言い換えれば撮像光学系１の光軸ОＡが撮像素子７の撮像面に直交する状態から傾いた角度を示す。

焦点距離検出部１２は、撮像光学系１の焦点距離（ズーム位置）を検出する。フォーカス位置検出部１３は、フォーカスレンズの位置であるフォーカス位置を検出する。ティルト量検出部１１、焦点距離検出部１２およびフォーカス位置検出部１３はそれぞれ、ティルト量、焦点距離およびフォーカス位置を取得する取得手段であるとともに、ティルト量、焦点距離およびフォーカス位置の情報をカメラ２０に送信する送信手段として機能する。

記憶部１４は、フォーカスレンズの最良合焦位置を計算するための基準補正係数を記憶(保持)している。基準補正係数は、上述した基準状態において最良の合焦状態を得るためのフォーカスレンズの位置を演算するために用いられる補正係数である。基準補正係数は、基準状態における撮像光学系１の焦点距離、物体距離および絞り値ごとに用意されている。記憶部１４も、補正係数のデータをカメラ２０に送信する送信手段としての機能を有する。

一方、カメラ２０は、撮像素子７と、像高指定部２１と、ΔＢＦ演算部２２と、物体距離演算部２３と、焦点検出部２４と、合焦位置演算部２５とを有する。ΔＢＦ演算部２２、物体距離演算部２３および合焦位置演算部２５は、制御手段としてのコンピュータ（ＣＰＵやＭＰＵ等）により構成される。

像高指定部２１は、撮像面において撮像対象、つまりはフォーカス制御によってピントを合わせるべき主被写体（被写体像）が存在する像高を、ユーザ操作に応じて又は所定のアルゴリズムによる自動選択によって指定する。像高指定部２１により指定された像高を、以下、フォーカス像高という。

ΔＢＦ演算部２２は、撮像光学系１が基準状態からティルトすることで変化したバックフォーカス（ＢＦ）の変化量であるΔＢＦを演算する。具体的には、交換レンズ１０のティルト量検出部１１から送信されたティルト量と像高指定部２１により指定されたフォーカス像高とからΔＢＦを演算する。

物体距離演算部２３は、ΔＢＦと交換レンズ１０の焦点距離検出部１２から送信された撮像光学系１の焦点距離とを用いて、主被写体までの物体距離を演算する。焦点検出部２４は、撮像素子７からの信号を用いて、例えば位相差検出方式により撮像光学系１の焦点状態（デフォーカス量）を検出する。焦点状態の検出方式は、位相差検出方式以外の方式であってもよい。

合焦位置演算部２５は、算出された物体距離と検出されたデフォーカス量と交換レンズ１０の記憶部１４から送信された基準補正係数とを用いて、交換レンズ１０のティルト量に応じたフォーカスレンズの最良合焦位置を演算する。さらに合焦位置演算部２５は、演算結果である最良合焦位置までのフォーカスレンズの駆動量（以下、フォーカス駆動量という）を交換レンズ１０のフォーカス駆動部１５に送信する。フォーカス駆動部１５は、受信したフォーカス駆動量に応じてフォーカスレンズを駆動する。これにより、交換レンズ１０のティルト状態においてフォーカス像高に存在する主被写体に対する撮像光学系１のフォーカス制御が行われて合焦状態が得られる。

図３のフローチャートは、カメラ２０において実行されるフォーカス制御処理を示す。ΔＢＦ演算部２２、物体距離演算部２３および合焦位置演算部２５により構成されるフォーカス制御部は、コンピュータプログラムに従って本処理を示す。

交換レンズ１０が基準状態からティルトされると、ステップＳ１において、ΔＢＦ演算部２２は、図２に示した交換レンズ１０のティルト量検出部１１から基準状態からのティルト量θ（°）を取得する。

次にステップＳ２では、ΔＢＦ演算部２２は、像高指定部２１において指定されたフォーカス像高Ｙ（ｍｍ）を取得する。

そして、ΔＢＦ演算部２２は、ステップＳ３において、ステップＳ１で取得したティルト量θとステップＳ２で取得したフォーカス像高Ｙとを用いて、バックフフォーカスの変化量ΔＢＦ（ｍｍ）を演算する。

図４は、ΔＢＦの演算方法を示している。撮像光学系１の主面ＯＬは、撮像面ＩＰに対してティルト量θだけ傾いている。ΔＢＦ演算部２２は、以下の式（２）によりΔＢＦを演算する。
ΔＢＦ＝Ｌ×ｃｏｓ（α―θ）-ｓｋ （２）
ただし、α＝ａｔａｎ（Ｙ／ｓｋ）、Ｌ＝（ｓｋ^２＋Ｙ^２）^１／２
次にステップＳ４では、物体距離演算部２３は、交換レンズ１０の焦点距離検出部１２から焦点距離ｆ（ｍｍ）を取得する。そして、該焦点距離ｆとステップＳ３で算出されたΔＢＦとを用いて、フォーカス像高での物体距離である式（１）中のｓを演算する。
図４から分かるように、
ΔＢＦ＝ｓｋ′－ｓｋ （３）
である。式（３）において、ｓｋ（ｍｍ）は基準状態でのバックフォーカスであり、物体距離演算部２３はこれを予め保持している。ｓｋ′（ｍｍ）はティルト後のバックフォーカスであり、式（３）から、
ｓｋ′＝ｓｋ＋ΔＢＦ （４）
と表せる。このため、式（４）によりｓｋ′を算出することができる。このｓｋ′は式（１）における像距離ｓ′に相当するので、ｓｋ′（＝ｓ′）と焦点距離ｆから物体距離ｓを求めることができる。

そしてステップＳ５では、合焦位置演算部２５は、交換レンズ１０のフォーカス位置検出部１３から現在のフォーカス位置を取得する。また、合焦位置演算部２５は、交換レンズ１０の記憶部１４から、ステップＳ４で算出した物体距離に対応付けられて保持された最良合焦位置演算用の補正係数を取得する。そして合焦位置演算部２５は、補正係数と、ステップＳ４で算出した物体距離と、現在のフォーカス位置とを用いて最良合焦位置を演算し、その情報をフォーカス駆動命令とともに交換レンズ１０のフォーカス駆動部１５に送信する。このようにして、カメラ２０からの交換レンズ１０に対するフォーカス制御が行われる。

本実施例によれば、記憶部１４に記憶させる補正値のデータを少なくしつつ、交換レンズ１０のティルト量に応じた高精度なフォーカス制御を行うことができる。

なお、本実施例において交換レンズ１０に設けられた記憶部１４に相当する記憶部を、カメラ２０に設けてもよい。

本発明の実施例２として、撮像光学系が光軸方向にスライドする場合について説明する。図６は、交換レンズ１０’とカメラ２０との間にスペーサ３０が挿入されることで、交換レンズ１０’の撮像光学系１が、スペーサ３０が挿入されない場合に比べて被写体側に移動（スライド）した場合を示す。スペーサ３０は、交換レンズ１０’の最短撮像距離より近距離の被写体にピントを合わせるためのエクステンションレンズや、交換レンズ１０’のズーム倍率より高いズーム倍率を得るためのエクステンダ等である。

図７は、交換レンズ１０’とカメラ２０の電気的構成を示している。スペーサ３０は、交換レンズ１０’とカメラ２０の通信を中継するだけであるので、ここでの図示は省略する。また、図７において、実施例１の図２中に示した構成要素については図２と同符号を付して説明に代える。交換レンズ１０’は、撮像光学系１の光軸方向へのスライド量Δｘを検出する（ここでは、挿入されたスペーサ３０が与えるスライド量を検出する）スライド量検出部１６を有する。

図８は、ΔＢＦの演算方法を示している。撮像光学系１の主面ＯＬは、撮像面ＩＰに平行なままスライド量Δｘだけ光軸方向（被写体側）にスライドしている。本実施例におけるΔＢＦ演算部２２は、スライド量検出部１６から送信されたスライド量ΔｘをそのままΔＢＦとして取得する。この際、ΔＢＦ演算部２２は、像高指定部２１から取得したフォーカス像高でのΔＢＦを算出する（ただし、本実施例では、ΔＢＦはフォーカス像高によらず同じ）。物体距離演算部２３および合焦位置検出部２５が行う演算およびフォーカス制御は実施例１と同じである。

本実施例によれば、記憶部１４に記憶させる補正係数のデータを少なくしつつ、交換レンズ１０’のスライド量に応じた高精度なフォーカス制御を行うことができる。本実施例におけるフォーカス制御処理は、基本的に図４のフローチャートにより示したフォーカス制御処理と同じであり、図４のステップＳ１で交換レンズからティルト量を取得する代わりに、スライド量を取得する点で実施例１と異なる。

なお、上記実施例１および実施例２ではフォーカスレンズを移動させて合焦状態を得る場合について説明したが、撮像素子７を移動させることで合焦状態を得てもよい。この場合も、実施例１で説明した演算と同様な演算を行うことで、記憶させる補正係数のデータを少なくしつつ、ティルト量に応じた高精度なフォーカス制御を行うことができる。
（その他の実施例）
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

ＯＬ 撮像光学系の主面
ＯＰ 物体面
ＩＰ 撮像面
θ ティルト量
Δｘ スライド量
Ｙ フォーカス像高

Claims (7)

1. 撮像光学系を有する交換レンズの着脱が可能な撮像装置であって、
   撮像面を有する撮像素子と、
   フォーカス制御を行う制御手段とを有し、
   前記制御手段は、前記交換レンズが、基準状態から前記撮像光学系の主面を前記撮像面に対して傾けるティルトが可能である、または前記基準状態からエクステンションチューブによって前記撮像光学系を光軸方向に移動させるスライドが可能である場合に、前記ティルトまたは前記スライドによる前記基準状態からのバックフォーカスの変化量と前記撮像面のうち前記フォーカス制御を行う像高として指定されたフォーカス像高とに応じて前記フォーカス制御を行うことを特徴とする撮像装置。
2. 前記制御手段は、前記バックフォーカスの変化量と前記フォーカス像高とを用いて、該フォーカス像高における被写体までの距離を取得し、該距離に応じて前記フォーカス制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記撮像装置または前記交換レンズは、前記距離と前記フォーカス制御に用いるデータとを対応付けて記憶した記憶手段を有しており、
   前記制御手段は、前記距離に対応する前記データを前記記憶手段から取得して前記フォーカス制御を行うことを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記交換レンズが前記ティルトが可能である場合において、
   前記制御手段は、前記交換レンズからティルト量の情報を取得し、該ティルト量から前記バックフォーカスの変化量を取得することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の撮像装置。
5. 前記交換レンズが前記スライドが可能である場合において、
   前記制御手段は、前記交換レンズからスライド量の情報を取得し、該スライド量から前記バックフォーカスの変化量を取得することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の撮像装置。
6. 撮像光学系を有する交換レンズの着脱が可能であり、撮像素子を有する撮像装置の制御方法であって、
   前記交換レンズが、基準状態から前記撮像光学系の主面を前記撮像素子に対して傾けるティルトが可能である、または前記基準状態からエクステンションチューブによって前記撮像光学系を光軸方向に移動させるスライドが可能である場合に、
   前記ティルトまたは前記スライドによる前記基準状態からのバックフォーカスの変化量を取得するステップと、
   前記撮像面のうちフォーカス制御を行う像高として指定されたフォーカス像高を取得するステップと、
   前記バックフォーカスの変化量と前記フォーカス像高とに応じてフォーカス制御を行うステップとを有することを特徴とする制御方法。
7. 撮像光学系を有する交換レンズの着脱が可能であり、撮像素子を有する撮像装置のコンピュータに、請求項６に記載の制御方法に従うフォーカス制御処理を実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。

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