JPH06102452A - 合焦検出手段を有した撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】被写体の像を撮像する撮像装置において、撮像
に用いる撮像素子そのものを用いて安定した、ロ−コス
トな合焦検出手段を有した撮像装置を実現すること。 【構成】 被写体の像を撮影レンズと撮像素子を用いて
撮影する撮像装置において、撮影レンズの光路中設けら
れたに複数の開口部を持つ遮光板を通過した光束が撮像
素子上に形成する像により出力される出力信号の自己相
関係数を計算し、そのピ−ク位置からピントずれ量を、
またピントずれ量に対応した間隔だけずれた位置にある
出力信号の大小関係からピント位置のずれ方向を検出す
ること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電子スチルカメラ等の合
焦検出手段を有した撮像装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電子スチルカメラ等の合焦検出手段を有
した撮像装置には種々のものが知られている。代表的な
ものはＵＳＰ４１８５１９１等に示されるような構成の
撮像装置がある。図７から図９にその構成を示す。図７
において１は撮影レンズ、２はＣＣＤなどの撮像素子で
ある。

【０００３】撮影レンズ１の異なる瞳位置３，４を通っ
た光束は、撮影時には撮像素子２の上に結像するが、合
焦情報検出時にはミラ−５によって合焦情報検出素子６
に導かれる。合焦情報検出素子６はＣＣＤ等の受光素子
とマルチレンズにより構成されている。図８及び図９は
合焦情報検出素子６の動作原理を示すものである。

【０００４】図８及び図９は撮影レンズ１を通過する光
束のそれぞれ異なる結像状態を示している。両図におい
て２０１は結像光束を分離して受光素子上に結像させる
のマルチレンズ、２０２はマルチレンズ２０１によって
結像される光束を受光する受光素子である。受光素子２
０２は前述のとおりＣＣＤのような複数の受光素子群よ
り構成されており、その各素子（画素）１ａ，２ａ，３
ａ，４ａは撮影レンズ１の瞳位置４を通過した光束２０
４を受光し、受光素子（画素）１ｂ，２ｂ，３ｂ，４ｂ
は瞳位置３を通過した光束２０３を受光する。

【０００５】ここでは受光素子（画素）１ａ，２ａ，３
ａ，４ａからなる受光素子群をａ群と呼び、受光素子１
ｂ，２ｂ，３ｂ，４ｂからなる受光素子群をｂ群と呼ぶ
ことにする。ａ群とｂ群の同じ番号の受光素子、例えば
受光素子１ａと受光素子１ｂは互いに対をなす素子ペア
で、マルチレンズ２０１を構成している同一の要素レン
ズに対応している。

【０００６】図８は合焦状態を示す説明図で、被写体の
ある部分から出た光のうち瞳位置４を通過した光束が受
光素子２ａに結像し、同じ部分から出た光のうち瞳位置
３を通過した光束が受光素子２ｂに結像する。同様に、
被写体の他の部分についても、合焦状態では瞳位置３を
通過した光束と瞳位置４を通過した光束がそれぞれ対を
なす受光素子ペア、１ａと１ｂ，２ａと２ｂ，３ａと３
ｂ，４ａと４ｂに結像する。

【０００７】これに対し図９は受光素子がピント面より
後にある前ピン状態の場合を示すものである。ピント面
で瞳３を通過した光束と瞳４を通過した光束が交差する
結果、受光素子２ａ上に結像する光束２０４に対応する
光束２０３は、図に示したように受光素子２ａに対応す
る受光素子２ｂではなく、別の受光素子３ｂに結像す
る。

【０００８】このように結像状態が合焦条件から外れた
場合には、被写体上の同一の部分から出た光はペアとな
る受光素子対ではなく、ペアではない異なった受光素子
の位置に到達する。同様に、他の部分の光束も対をなす
受光素子のペアとは異なる受光素子上に結像されること
になる。

【０００９】以上から明らかなように、ａ群の受光素子
群と、ｂ群の受光素子群双方から得られる信号を比較す
ることにより、撮影レンズ１が被写体に対して合焦状態
にあるか否かを知ることができる。更にａ群とｂ群の信
号の相互相関を計算することによってピントのずれ量と
その方向を同時に知ることができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
例は撮像素子２と別に合焦情報検出系を設けているため
に種々の問題点が存在している。

【００１１】まず、あげられるのは合焦状態を実際の撮
像面ではなく別の独立した系でモニタしていることにな
るため、撮像素子２と合焦情報検出用の受光素子との間
に相対的な位置精度が必要なことである。特に撮像素子
の面積が小さい場合には、製造工程において精度を出す
ことが困難である。また精度を出したとしても、撮像素
子と合焦情報検出用の受光素子との位置関係が経時変化
や温度変化などの影響を受けて変化した場合には、検出
精度が劣化する。

【００１２】このほかにも撮影光学系のほかに合焦検出
用のレンズや受光素子等の手段が必要とされるためコス
トが高くなること、合焦情報検出手段を撮像光学系の光
路外に設ける必要があるため、カメラの小型化に対して
不利であること、撮影レンズのほかに光路を分割する光
学系を用いるため、測距系においてシェ−ディングや歪
みが発生し、検出精度が劣化することなどの問題点があ
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を解
決するため、撮影レンズの異なる瞳位置を通過した光を
撮像素子自体に結像させ、該撮像素子からの信号の自己
相関を計算し、そのピ−ク位置から合焦信号を検出する
ように系を構成したことを特徴とする。撮影レンズの異
なる瞳位置を通過する光束を得るため、複数の開口部を
持つ遮光板が光路内に設けられ、自己相関のピ−ク位置
検出を可能にさせている。

【００１４】

【実施例】図１は本発明の実施例１の要部概略図を示す
ものである。図中１は撮影レンズ、２はＣＣＤ等の撮像
素子である。撮影レンズ１の瞳に相当する部分には第１
の瞳と第２の瞳を分離する機能を持つ複数の開口部を有
する遮光板１０１が設けられ、３が第１の瞳位置の開口
部、４が第２の瞳位置に対応する開口部である。開口部
３及び開口部４は撮影レンズ１の光軸に対して対称な関
係に配置され、同一な形状を持っている。

【００１５】ここで本発明による検出原理の説明を行う
ため、合焦状態のときの撮像素子２の位置を２ａ、後ピ
ン状態に置かれたときの撮像素子２の位置を１０２、前
ピン状態に置かれたときの撮像素子２の位置を１０３で
示す。合焦状態の調整は不図示の駆動系により撮影レン
ズ１と撮像素子２の間隔を調整することによって行われ
るので、後ピン、或は前ピンのときの撮像素子２の位置
は撮影レンズ１に対し位置１０２或は位置１０３のよう
な状況となる。

【００１６】図１において撮像素子２が位置２ａにある
場合には、合焦状態であるため第１の瞳３と第２の瞳４
を通過した光束とが撮像素子２上で同じ位置に結像す
る。

【００１７】後ピン状態、即ち撮像素子２が位置１０２
にある場合には、撮像素子２が光束の結像する手前にあ
るため、第１の瞳３を通過した光束は位置ｉに、第２の
瞳４を通過した光束は位置ｊにややぼけた状態で結像す
る。

【００１８】図に示されているように軸上にある被写体
の結像光束に関して考えると、撮影レンズ１の光軸に対
して開口部３と位置ｉは同じ側に、開口部４と位置ｊと
は同じ側に存在する。軸外の光束に関しては軸外結像光
束全体の主光線について同様の関係が成立する。また前
ピン状態、即ち撮像素子２が位置１０３にある場合に
は、撮像素子２が光束の結像した後にあるため、第１の
瞳３を通過した光束は位置Ｌに、第２の瞳４を通過した
光束は位置ｋにややぼけた状態で結像する。

【００１９】図に示されているように軸上にある被写体
の結像光束に関して考えると、結像点を通過することで
光束の存在領域が反転し、撮影レンズ１の光軸に対し第
１の瞳３と位置Ｌ、第２の瞳４と位置ｋは互いに逆側に
存在している。軸外の光束に関しても、軸外結像光束全
体の主光線について同様の関係が成立する。

【００２０】撮像素子２上に結像された被写体像は、撮
像素子２により時間軸を変数とする電気信号に変換され
る。変換された信号をｘ（ｔ）とすると、自己相関係数
Ｃ（τ）は次の式で表される。

【００２１】

【数１】 （１）式による計算結果をＣ（０）で正規化すること
で、τ＝０で最大値１を持つ自己相関係数Ｃ₀(τ）が求
められる。

【００２２】図２及び図３は自己相関係数Ｃ₀(τ）の一
例である。双方の場合について自己相関係数Ｃ₀(τ）は
それぞれ位置ａ，ｂ，ｃの３か所にピ−クを持つ関数と
なっている。ａはτ＝０の位置であり、自分自身の信号
とそのまま重なり合うので、常に最大の相関度である１
という値を示す。

【００２３】しかしながら非合焦の場合には位置ａのほ
かにピントのずれ量に対応した位置にピ−クが現れる。
これは第１の瞳３と第２の瞳４を設けて結像光束を分離
した結果、同じ被写体の像が撮像素子２上でずれて２重
に結像しているためで、該ずれ量はピントのずれ量や第
１及び第２の瞳の３，４配置によって定まる量である。
位置ａを除く最大のピ−ク位置に対応するτは、図２に
おいては自己相関度ｃ_b に対応するτ_b 、図３において
は自己相関度ｃ_c に対応するτ_c となっている。

【００２４】τ_b 及びτ_c は撮像された画像がそれぞれ
撮像素子２の転送時間τ_b 、τ_c に対応する画素間隔Ｄ
のところで強い相関を持っていることを意味している。
この画素間隔Ｄが図１におけるｉ−ｊ、或はｋ−ｌの間
隔に相当する。

【００２５】従ってτ＝０を除く位置で自己相関係数Ｃ
₀(τ）のピ−ク位置を検出し、第１の瞳３と第２の瞳４
の異なる瞳位置を通過して、撮像素子２上に互いに独立
に結像した像の間隔を求める。

【００２６】次いで、この間隔を第１の瞳３と第２の瞳
４の位置に対応するＦナンバ−によって換算することに
より、ピントのずれ量を知ることができる。合焦の場合
には図２或は図３のような明確なピ−ク値は現れない。

【００２７】従って、ずれ量に対応するτを求める際に
は自己相関度ｃの値に対してある閾値ｃ_t を存在させ、
閾値ｃ_t 以上の値を持つピ−クがτ＝０以外に発生しな
い場合、合焦状態と判定する。

【００２８】実際の撮影では、自己相関係数Ｃ₀(τ）を
求めてピントのずれ量の検出を行うとともに、ピント位
置の方向の判別を行わねばならない。以下、図１の系で
輝度むらを利用してピント位置の方向の判定を行う方法
について説明する。

【００２９】一般に、瞳を制限された光学系では撮像面
上に輝度むらが生じることが知られている。図４は図１
の実施例における輝度むらの一例である。第１の瞳位置
３を通過した光束は撮像素子２上で曲線４０１のよう
に、第１の瞳３の存在する側に重みを持った輝度分布を
示し、第２の瞳４を通過した光束は曲線４０１と線対称
で、第２の瞳４のある側に重みを持った輝度分布４０２
を示す。

【００３０】図５は図１の系で光軸からやや離れた位置
に結像する光束の様子を示したものである。撮像素子２
が合焦の位置にある場合は、第１の瞳３を通過した光束
ａと、第２の瞳４を通過した光束ｂは撮像素子２上で同
じ位置ｓに結像する。後ピン状態では撮像素子２が位置
１０２に存在し、第１の瞳３を通過した光束ａは 位置
ｉ_sに、第２の瞳４を通過した光束ｂは位置ｊ_sにそれぞ
れ、ややぼけた状態で結像する。また前ピン状態では撮
像素子２が位置１０３に存在し、第１の瞳３を通過した
光束ａは位置ｌ_sに、第２の瞳４を通過した光束ｂは位
置ｋ_sにそれぞれ、ややぼけた状態で結像する。

【００３１】図４のような輝度分布を考慮すると、撮像
素子２が位置１０２にあるときの状態、即ち後ピンであ
る場合、撮像素子２の出力信号ｘは

【００３２】

【数２】 となる。

【００３３】即ち光軸に近い方の信号ｘ_near（この場合
にはｘ（τ（ｉ_s)））が大きくなる。逆に撮像素子２が
位置１０３にあるときの状態即ち、前ピンの場合には、

【００３４】

【数３】 となり、光軸から遠い方の信号ｘ_far （この場合にはｘ
（τ（ｌ_s)））が大きくなる。

【００３５】このように光軸よりやや離れた領域で、自
己相関係数Ｃ（τ）のピ−ク検出によって既知量となっ
ている画素間隔Ｄだけ離れている２点の、光軸から遠い
画素の出力信号の大きさｘ_far と光軸に近い画素の出力
信号の大きさｘ_nearを比較することで、ピント位置の方
向を知ることができる。方向と量が決定された後、不図
示の駆動系により撮影レンズ１または撮像素子２が移動
され、両者の光軸方向の相対関係が補正されて装置が合
焦状態に導かれる。

【００３６】図６は本発明の実施例２の要部概略図であ
る。図１と同様の構成要素については同一の番号が付さ
れている。

【００３７】本実施例が図１と異なるのは、第１の瞳３
の位置に半透明のフィルタ６０１を配置し、第１の瞳３
に入射した光を減衰させていることである。この結果、
前述のように第１の瞳３と第２の瞳４の開口形状は同じ
でも透過光量に差が生じる。

【００３８】第１の瞳３を通過する光束に対応する像の
位置は前ピンの場合、即ち撮像素子２が位置１０２にあ
るときは位置ｉであり、後ピンの場合、即ち撮像素子２
が位置１０３にあるときは位置Ｌである。フィルタ６０
１の作用により位置ｉ及び位置Ｌでの光量は、減衰フィ
ルタ６０１の作用を受けない第２の瞳４を通過した光束
の結像位置であるｊ及びｋより小さくなっている。

【００３９】本実施例の場合も、ピントずれ量は実施例
１と同じく自己相関係数で閾値以上の値を持つピ−ク位
置を検出し、撮像素子２上に結像している異なる瞳位置
を通過した像の関係を求めることによって行われる。該
関係から求められる像の間隔と、撮像素子２に結像する
光束のＦナンバ−からずれ量は容易に換算される。

【００４０】本実施例の特徴となるのはピントが前ピン
か後ピンかというピント位置の方向性の判定である。第
１の瞳３を通過する光束はフィルタ６０１により光量が
減衰される。撮像素子２が位置１０２の状態即ち後ピン
の場合、撮像素子２の出力信号ｘの大小関係は従って、

【００４１】

【数４】 となる。一方、撮像素子２が位置１０３に状態即ち前ピ
ンの場合、上記の関係は

【００４２】

【数５】 となる。

【００４３】即ち、図６の配置では、前ピンか後ピンか
によって撮像素子２の上の位置にある信号ｉ、ｋと、下
の位置にある信号ｊ、ｌの相対強度の関係が逆転する。
この効果はフィルター６０１によるもので、自己相関係
数のピ−ク位置の検出によって既に求められている画素
間隔Ｄだけ、離れている２点の出力信号強度の大小関係
を知れば、前ピンの状態と後ピンの状態を区別すること
ができる。

【００４４】なお、フィルター６０１の減衰特性は図４
に示した輝度の分布によって出力信号の大小関係が影響
を受けないような値に選ばれる。

【００４５】以上の結果、図６の実施例２においては自
己相関係数のピ−ク位置の検出によってピントずれ量が
求まるとともに、該ずれ量から求められる画素間隔Ｄ離
れた２点間の出力信号ｘの大きさと位置関係を検知する
ことで、ピントの方向性も容易に求めることができる。

【００４６】実施例２においては第１の瞳３と第２の瞳
４を通過した光量が異なっていることが方向の弁別性に
重要な役割を果した。この効果は特に減衰フィルタ６０
１を用いなくても、第１の瞳３と第２の瞳４の大きさを
異ならせて光量差をつけても達成することができる。

【００４７】また本発明の実施例１、２においては撮像
素子２の出力信号をそのまま用いてピント位置の検出を
行った。しかしながら信号処理についてはほかにも種々
の変形が適用可能である。例えば出力信号に予め隣接画
素間の差分を取るフィルタ−や、微分フィルタ等の高域
成分透過型のフィルタを通して、フォ−カスを決定する
際に重要な高周波成分を強調させて自己相関係数を求め
てもよい。またこれらの合焦情報の演算はアナログ、デ
ジタルのいずれで行っても良い。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、撮像素
子自体を合焦情報検出素子として利用するため、従来の
ような合焦検出系と撮影系との位置合わせが不要で、経
時変化などに煩わされることのなく、安定した結像を達
成することができる。また合焦検出のための特別な検出
系を設けないことで、ロ−コストでコンパクトな撮像装
置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例１の構成を示す要部概略図

【図２】 図１の系で得られる自己相関関数の一例を示
す説明図

【図３】 図１の系で得られる自己相関関数の一例を示
す説明図

【図４】 各瞳を通過した光束が撮像面上で形成する輝
度分布の説明図

【図５】 図１の系の軸外光束の結像状態を示す説明図

【図６】 本発明の実施例２を示す要部概略図

【図７】 従来の合焦検出系を示す説明図

【図８】 従来の合焦検出系での合焦状態での結像状態
を示す説明図

【図９】 従来の合焦検出系での非合焦状態での結像状
態を示す説明図

【符号の説明】

１ 撮影レンズ ２ 撮像素子 ３ 撮影レンズの第１の瞳 ４ 撮影レンズの第２の瞳 ５ ミラ− ６ 従来の合焦検出系 １０１ 遮光板 １０２ 後ピン状態での撮像素子の位置 １０３ 前ピン状態での撮像素子の位置 ４０１ 第１の瞳が撮像面上で形成する輝度分布 ４０２ 第２の瞳が撮像面上で形成する輝度分布 ６０１ 減衰フィルタ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被写体の像を撮影レンズと撮像素子を用
   いて撮影する際、前記撮影レンズの光路中に複数の開口
   部を持つ遮光板を設け、該遮光板を通過した光束が前記
   撮像素子上に形成する像により前記撮像素子から出力さ
   れる出力信号の自己相関係数と、該出力信号の大小関係
   から該撮影レンズのピント位置のずれ量と方向を検出す
   ることを特徴とした合焦検出手段を有した撮像装置。