JPH0894923A - 焦点検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本来の撮像用の固体撮像素子を焦点検出に使
用可能で、高速で高精度の焦点検出が可能な装置の提供
を目的としている。 【構成】 撮影レンズ系からの光束を受光する撮像素子
と、撮影レンズ系の異なる複数領域を通過する光束を時
分割で選択して撮像素子に取込む光分割手段と撮像素子
から得られる時分割の映像データ群を比較して相関を評
価する相関値演算手段と相関値から合焦を判定する合焦
判定手段を具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は例えばカメラの自動焦点
装置に用いられる焦点位置検出装置に関し、特に固体撮
像素子等を撮像体として用いる時に、該撮像体を測距用
のセンサとして用いた焦点検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、固体撮像素子等を用いたビデオカ
メラや電子スチルビデオカメラの為の自動焦点検出装置
は、種々のものが広く知られている。

【０００３】大別すると焦点面又は焦点面相当の位置に
測距用のセンサーを配置し、対象の映像を受けてそのボ
ケを検出するか又はズレを検出するかのいずれかの方法
による。

【０００４】ボケ検出方式の代表的な例は、測距用セン
サーとして撮像素子そのものを用いて、そこから得られ
る映像信号の中・高周波成分の高低を検出する所謂ＴＶ
信号ＡＦである。

【０００５】この方式の利点はＴＴＬ方式でありながら
構成が簡略化でき、尚かつ撮像面に近い径の小なるレン
ズを合焦レンズとして用いるリヤーフォーカスズームレ
ンズと相性が良い等である。

【０００６】一方、このボケ方式の不利な点は、ボケ量
からディフォーカス量、または合焦レンズの移動量を予
測するのが困難で、通常閉ループ制御のシステムとな
り、高速の応答性が得にくい。又、ボケの方向検知を行
う為に、ＣＣＤ又はフォーカスレンズを微少振動させる
必要がある。

【０００７】他方のズケ検出方式には、アクティブタイ
プとパッシブタイプの両方が知られており、共に三角測
距が基本である。近赤外光を照射し、その反射光の位置
ズレから焦点検出を行うアクティブタイプは、用いる測
距センサーの種類によって絶対距離の検出が可能か否か
が決定される。

【０００８】アクティブタイプの特徴は、測距の精度が
被写体の反射率には依存するが、被写体のコントラスト
にはあまり依存せず、前述のＴＶ信号の焦点検出（以
下、ＡＦ）が苦手とする低コントラスト被写体、又は細
かい被写体に対して、強い点である。逆に欠点としては
遠距離物点に対して、近赤外光の到達距離に限界がある
ことである。

【０００９】一方、ズレ方式でのパッシブタイプは、撮
影レンズ系の異なる領域を通過した２像の合致度を比較
するもので、特にＴＴＬの場合、撮影光束からＡＦ光束
を分岐する為の光路分割手段が必要であり、かつ分割手
段より測距センサー側で光束を分ける為に視野マスクや
ＡＦ結像レンズ等を配置しなければならない。

【００１０】しかしながらズレ検出方式はボケ検出方式
に比較して、ズレ量から方向判別、プレディクション検
出が可能な点で優れており、この特長をいかせば、高速
のＡＦ応答性を達成しうる。

【００１１】図２に、パッシブタイプのズレ検出方式従
来例の構成図を示す。図中２１は変倍撮影レンズ系全体
を示し、以下物体側より順に、ズーミング中固定のフォ
ーカシングレンズ群２２、変倍の為に光軸上移動可能な
バリエータレンズ群２３、ズーミング中焦点位置を一定
に保持する為に光軸上移動可能なコンペンセータレンズ
群２４、射出光束を略平行とするアフォーカルレンズ群
２５、絞り２６、ズーミング中固定のマスターレンズ群
２７を配する。上記変倍撮影レンズ系２１を通過した光
束は、光学的ローパスフィルター２８を通し、撮像体２
９上の結像点３０に被写体像を形成する。自動焦点検出
装置３１の構成は以下の如くである。前記アフォーカル
レンズ群２５と絞り２６の中間に焦点検出用光束をとり
出す為に、光軸に対して４５°の傾きで配置された分割
用金反射ミラー３２、前記変倍撮影レンズ系の異なる領
域からの光束をとりこみ少なくとも２つの像を生成する
為のＡＦ結像レンズ３３ａ、３３ｂ、該ＡＦ結像レンズ
に対応して光学像を光電変換する少なくとも２つ以上の
センサーアレイ３４ａ、３４ｂを有する。

【００１２】３５は分割用金反射ミラー３２とセンサー
アレイ３４ａ、３４ｂの中間に配置されセンサーアレイ
３４ａ、３４ｂの赤外光感度を補正除去する為の赤外カ
ットフィルターであり、３６はＡＦ結像レンズ３３ａ、
３３ｂの前後いずれかにあって、相関像をとり込む際
に、２像を分離する為の視野マスク３７である。

【００１３】かかる構成において、合焦状態では一対の
結像レンズ３３ａ、３３ｂとそれに対応したセンサーア
レイ３４ａ、３４ｂに生成された被写体像は同一の像が
得られ、センサーアレイ３４ａ、３４ｂ上の対応する各
セル上の像のＡ／Ｄ変換値は等しくなり、差の絶対値の
総和が最小となる。

【００１４】一方、前ピン、後ピン等のディフォーカス
状態では、被写体像がボケた状態で、光軸をはさんで２
つのセンサーアレイ上で反対方向に横ズレして生成され
る。したがって対応する各セルのＡ／Ｄ変換値の差の絶
対値の総和は最小とはならない。

【００１５】図２に示したＴＴＬ方式パッシブタイプの
ズレ検出では、その焦点検出精度は一対のＡＦ結像レン
ズ間の基線長と、該ＡＦ結像レンズの焦点距離の積に比
例して向上する。言い換えるならば、撮影レンズ系の異
なる領域を通過するＡＦ光束を離せば離すほど焦点検出
精度はあがり、又ＡＦ結像レンズの焦点距離を長くし
て、被写体像の横ズレ 倍率を上げるほど精度は良くな
る。

【００１６】しかしながら基線長とＡＦ結像レンズの焦
点距離を大きくすることは、共に装置の大型化を招く
為、望ましくない。又ＡＦ光束分岐用の金反射ミラーに
よって撮影光学系の明るさも減じられるので問題とな
る。

【００１７】特に前述のＴＶ信号利用ＡＦとの対比で
は、リヤフォーカシングズーム光学系が採用しにくいこ
とや、本来ビデオカメラや電子スチルビデオカメラ用と
しては高集積度の撮像素子を有しながらもＡＦ検出用に
別センサーを必要とするなど、構成上劣る点がいくつか
ある。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記問題点の
欠点を改良する為に、本来の撮像用の素子をＡＦ（焦点
検出）センサーとして兼用し、撮影レンズ系の異なる領
域を通過するＡＦ光束を時分割にて取り出し、２像のズ
レの相関により合焦、非合焦を判断する特に静止画に適
した焦点位置検出装置の提供を課題とするものである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】撮影レンズ系からの結像
光を光電変換する撮像素子を有した装置において、前記
撮影レンズ系の異なる複数領域を通過する光束を時分割
に選択して前記撮像素子にとりこむ光分割手段と、前記
撮像素子から得られる時分割の映像データ群を比較して
相関を評価する相関値計算手段と、その相関値から合焦
を判定する合焦判定手段を有することを特徴とする。

【００２０】

【実施例】以下、図１に示す本発明に係る実施例に沿っ
て説明する。

【００２１】図１において、物体側より順に、ズーミン
グ中固定の正レンズ群１、変倍の為に光軸上移動可能な
バリエータレンズ群２、絞り３、ズーミング中固定であ
り、射出光束を略平行とする正レンズ群４、コンペンセ
ータ機能とフォーカス機能を兼ねそなえ、光軸上移動可
能なフォーカシングレンズ群５、光学的ローパスフィル
ター６、固体撮像素子の如き撮像体７を配する。

【００２２】又絞り３近傍には、撮影レンズ系の異なる
領域からの光束をとり出す為の光分割手段８を配置す
る。この光分割手段８は瞬時に切りかわる開口部８ａと
８ｂを有した２枚の遮光板を具えており、ＡＦ光束が開
口部８ａを透過可能な状態では開口部８ｂは遮光されて
おり、逆の場合は開口部８ｂが透過で開口８ａ部８ａが
遮光されている。

【００２３】尚、光分割手段８はマイクロコンピュータ
等のＣＰＵ１０により制御される。

【００２４】撮像素子７からのデータ群はフレームメモ
リー１１を介して、相関値演算手段１２、合焦判定手段
１３にとりこまれる。

【００２５】合焦判定時は、ＣＰＵ１０はフォーカス検
出駆動手段１４を介して、駆動を停止する。又ＣＰＵ１
０はズーム位置検出回路１５からの焦点距離情報、又は
合焦状態から検出エリア可変手段１６により、ウィンド
ウの大きさを変更する。

【００２６】図３は光学挙動を示すもので、（Ａ）
（Ｂ）は合焦の場合を、（Ｃ）（Ｄ）は非合焦の場合の
光路を表わす。図（Ａ）（Ｂ）の場合は、それぞれ開口
８ａと８ｂを通った光束は像面上の同じ位置に同じ光分
布を形成する。しかしながら、（Ｃ）（Ｄ）の場合は、
開口８ａを光束が通過するときと開口８ｂを光束が通過
するときとでボケた光分布を形成する位置が像面上でズ
レている。

【００２７】図１へ戻り、合焦時、開口部８ａを通過し
て撮像体７上に結像する像を各セル毎にＡ／Ｄ変換して
その値をフレームメモリ１１にストアする。この時、Ａ
Ｆに使用するセル範囲としては有効撮像領域全体である
必要はなく、その一部のウィンドウ部（図１の９）で良
く、合焦、非合焦によって、又は撮影レンスの画角によ
って切り換えても良い。但し、時分割してＡＦデータを
取り込む際には、そのウィンドウ範囲は共通でなくては
ならない。上記データ群の蓄積が終了した時点でＣＰＵ
１０を介して、開口部８ａを遮蔽し、開口部８ｂを設定
する。そして開口部８ｂを通過して撮像体７上に結像す
る像を同じく、各セル毎に取り込む。合焦時には、時分
割して得られるデータ群は同一となる為、各セル毎にス
トアされた旧データをａ_i、新データをｂ_iとすれば、そ
の差の絶対値の総和はゼロとなる。つまり

【００２８】

【外１】 を評価関数として求め、この評価関数が最小となる様に
フォーカスレンズを移動させれば良い。この時、フォー
カスレンズを移動させる指針としては、得られたデータ
群の一方を固定して、他方を１セルづつ演算上シフトし
ながら上記評価関数を相関値演算手段１２により計算
し、何セル分ずらすと最小値を得るかによって知ること
ができ、同時に前ピン、後ピンも判断できる。

【００２９】上記、撮像体７上でのズレ量が検知できれ
ば、ズーム情報から、合焦にいたるフォーカスレンズの
移動量を演算して求めることができる。

【００３０】以上が焦点検出の一動作であるが、フォー
カスレンズ移動後もさらに同一の動作を反復し、その相
関値か合焦判定手段１３より目標内におさまるまで続行
すれば良い。

【００３１】ビデオカメラの場合には、１フィールド内
に上記１回の動作をする必要があり、時分割のデータを
取り込むのに、かなりの高速性を要する。電子スチルカ
メラにあっては、レリーズタイムラグが許容できる範囲
内で、数回の動作が終了できれば良い。

【００３２】図１に示した光分割手段は、絞り近傍に配
置し、撮影レンズ系の開放Ｆ値の範囲内で開口部をそれ
ぞれ極力離し、基線長を大きく確保している。又、その
光軸上の位置は、絞り近傍に限ることなく撮影レンズ最
終面以降等であっても良い。又光分割手段は絞りの一部
に形成されていても良く、高速応答性を達成する為に電
気光学的な物性素子で構成されていても良い。

【００３３】本実施例はリヤフォーカシングズームレン
ズへ適用した場合について述べたが、通常の前玉フォー
カシングズームレンズであってもなんら問題はない。

【００３４】

【発明の効果】ボケ検知方式に対するズレ検知方式の利
点である高速応答性を得る為に、従来は別のＡＦ光学系
を必要とし装置の大型化が避けえなかったが、本発明に
従えば本来撮像用に用いる撮像体をＡＦセンサとして兼
用し、時分割に得られる映像データの相関に求めること
によりプレディクションが可能となる。したがって従来
の撮影光学系に対しては、時分割にＡＦ光束をとりこむ
光分割手段のみが構成として付け加わるのみで、簡易で
小型化できる。ＡＦ用の開口部の大きさが不変な場合、
撮像体上での明るさは撮像体の蓄積時間でコントロール
するのが良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る実施例の斜視図。

【図２】従来例に示す斜視図。

【図３】光学作用の説明図。

【符号の説明】

１ 前玉レンズ ２ バリエータ ３ 絞り ４ アフォーカルレンズ ５ フォーカス兼コンペンセータ ６ ローパスフィルター ７ 撮像体 ８ 光分割手段 ９ ＡＦ用ウィンドウ部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 撮影レンズ系からの結像光を光電変換す
   る撮像素子を有した装置において、前記撮影レンズ系の
   異なる複数領域を通過する光束を時分割に選択して前記
   撮像素子にとりこむ光分割手段と、前記撮像素子から得
   られる時分割の映像データ群を比較して相関を評価する
   相関値演算手段と、その相関値から合焦を判定する合焦
   判定手段を有したことを特徴とする焦点検出装置。
2. 【請求項２】 前記映像データ群をとりこむ前記撮像素
   子上の検出エリアを、前記撮影レンズ系の焦点距離状
   態、被写体の明るさ状態、又は前記撮像素子上の合焦状
   態に応じて、可変とすることを特徴とする請求項１の焦
   点検出装置。