WO2005098503A1 - 合焦情報取得用検出装置及びそれを用いた撮像装置 - Google Patents

合焦情報取得用検出装置及びそれを用いた撮像装置 Download PDF

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light
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Kazuhiko Arai
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Olympus Corporation
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    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B13/00—Viewfinders; Focusing aids for cameras; Means for focusing for cameras; Autofocus systems for cameras
    • G03B13/32—Means for focusing
    • G03B13/34—Power focusing
    • G03B13/36—Autofocus systems
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/28—Systems for automatic generation of focusing signals
    • G02B7/36—Systems for automatic generation of focusing signals using image sharpness techniques, e.g. image processing techniques for generating autofocus signals
    • G02B7/38—Systems for automatic generation of focusing signals using image sharpness techniques, e.g. image processing techniques for generating autofocus signals measured at different points on the optical axis, e.g. focussing on two or more planes and comparing image data

Definitions

  • the present invention relates to a focus information acquisition detecting device that forms an image of a subject via an optical element, and acquires focus information from a plurality of pieces of luminance information obtained in different blur states, and such focus information.
  • the present invention relates to an imaging device using an acquisition detection device.
  • Japanese Patent Publication No. 3-52607 discloses that an object image is projected onto a pair of light receiving elements arranged with a predetermined optical path difference before and after a plane to be focused, and obtained image information is obtained.
  • a method of detecting a focused state of an object based on a predetermined evaluation function As a basic method of using this method, there is a camera equipped with a focus determination device. In this method, a so-called front focus and a rear focus are determined by obtaining object information on two surfaces separated by the same distance with respect to a plane to be focused. The result of the judgment is useful for driving, for example, a focusing lens of the focusing optical system in a correct adjustment direction.
  • USP 4,965,840 image information is obtained at two locations having different optical path lengths in order to calculate a spread parameter by performing arithmetic processing on a plurality of images having different blur states and determine focus.
  • the spread parameter is a representative value indicating the blur state of the image information, which is related to the point spread function of the optical system, and the point on the image plane passes through a number of paths of the optical system.
  • the variance in the case where the image is formed as a region instead of as a region is represented as follows.
  • a spread parameter is finally calculated under conditions of different optical path lengths, that is, based on first image information and second image information having different blur states.
  • the calculation may fail in the spread parameter calculation, and an accurate value may not be obtained.
  • the optical path length for which the focus is determined is too different from the imaging plane on which the focus is to be determined, the In this case, the blur state may be too different, and the focusing accuracy on the imaging surface may be reduced.
  • the present invention has been made in view of the above points, and is capable of being arranged in a limited space and capable of acquiring high-precision focus information. It is an object of the present invention to provide an imaging device that has been used.
  • the plane to be focused At least one of a plurality of images having different blurs formed by the light guided by the light guiding means, and a light guiding means for guiding light so as to form an image on an equivalently-focused surface which is optically equivalent.
  • Brightness information obtaining means for obtaining brightness information of regions corresponding to each other in the two images, and optically equivalently on the same optical axis defined in the optical system with the object as a base point.
  • the above-mentioned equivalent in-focus planned surface position is located between at least one set of luminance information acquisition positions.
  • a focus information acquisition detection device characterized by being sandwiched
  • the focusing plane At least one of a plurality of images having different blurs formed by the light guided by the light guiding means, and a light guiding means for guiding light so as to form an image on an equivalently-focused surface which is optically equivalent.
  • Brightness information obtaining means for obtaining brightness information of regions corresponding to each other in the two images, and optically equivalently on the same optical axis defined in the optical system with the object as a base point.
  • Focusing information acquisition detecting device characterized in that There is provided.
  • an optical system in order to form the light of the object power on the surface to be focused, An optical system, a focusing information acquiring detection device such as the focusing information acquiring detecting device according to the first or second aspect of the present invention, and an imaging element arranged on the focusing surface.
  • an imaging device comprising the same.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a single-lens reflex digital camera as an imaging device using a focusing information acquisition detecting device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a focus information acquiring detection device according to a first example of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing schematic steps of a focus determination method for calculating a spread parameter and determining focus.
  • FIG. 4 illustrates a positional relationship between a focusing lens and an imaging position, and two focus determination image luminance information and two captured images for the same portion P of the same subject based on the positional relationship.
  • FIG. 5A is a diagram illustrating first and second luminance information acquiring sensors when the positional relationship between the first and second luminance information acquiring sensors and the plane to be equivalently focused is in the first positional relationship.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the size of a light receiving surface required for the present invention.
  • FIG. 5B is a diagram illustrating the first and second luminance information acquiring sensors when the positional relationship between the first and second luminance information acquiring sensors and the plane to be equivalently focused is in the second positional relationship.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the size of a light receiving surface required for the present invention.
  • FIG. 5C is a diagram illustrating the first and second luminance information acquiring sensors when the positional relationship between the first and second luminance information acquiring sensors and the plane to be equivalently focused is in a third positional relationship.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the size of a light receiving surface required for the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a focus information acquiring detection device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a focus information acquiring detection device according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 8A is a diagram showing a relationship between an equivalent focusing expected plane and a first luminance information acquisition sensor when a focusing lens is at a first position.
  • FIG. 8B is a diagram showing the relationship between the equivalent focusing expected plane and the first luminance information acquisition sensor when the focusing lens is at the second position.
  • FIG. 8C is a diagram showing a relationship between an equivalent focusing expected plane and a first luminance information acquisition sensor when the focusing lens is at a third position.
  • FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a focus information acquiring detection device according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10A is a diagram showing a relationship between an expected focusing surface and an image sensor when the image sensor is at a first position.
  • FIG. 10B is a diagram showing the relationship between the planned focusing plane and the image sensor when the image sensor is at the second position.
  • FIG. 10C is a diagram showing the relationship between the planned focusing plane and the image sensor when the image sensor is at the third position.
  • the term “planned surface to be focused” is used to determine the position of the light receiving surface of the image pickup element from the reference position force on the image pickup device when the image pickup device is configured, and at the same time, Is also assumed to be located at a predetermined position from the imaging device reference point.
  • the “planned plane position” is perpendicular to the optical axis set in the optical system with a certain width in the existing range. It is assumed that it is determined as a surface.
  • the “equivalent in-focus plane” is an optically equivalent position to such an in-focus plane and takes into account optical characteristics including aberrations of all optical elements interposed in the middle, manufacturing and assembly errors.
  • the optical axis is determined to be a plane perpendicular to the optical axis equivalent to the optical axis that can also be predetermined with respect to the plane to be focused, at an optically equidistant position corresponding to the existence range of the plane to be focused.
  • the "luminance information” indicates the obtained sensor signal information itself.
  • signal information for each color band acquired by each color filter for example, signal information for each of R, G, and B is used. Good! Then, it may be a single signal information obtained by combining these pieces of signal information.
  • the signal information itself is also area-type sensor force.General image information that has acquired two-dimensional arrangement, one-dimensional rearrangement of this two-dimensional image information, and line-type sensor force There is no restriction on the format of the signal information, such as the acquired one-dimensional thing, the image sensor itself is one segment and the information of one point.
  • a single-lens reflex digital camera as an imaging device using a focus information acquisition detection device has an interchangeable lens 12 detachably attached to a camera body 10.
  • the interchangeable lens 12 includes a plurality of lenses, a lens group, a diaphragm, a lens barrel, and the like, and is capable of adjusting a focal length, a focusing lens position, a light amount, and the like.
  • such a configuration of the interchangeable lens 12 is represented by only the focusing lens 14 for simplicity, and other illustrations are omitted.
  • a part of the quick return mirror 18 is a transmission mirror, and a part of the subject light transmitted through this light transmission part is reflected by a total reflection type sub mirror 24 and is transmitted to a transmission type mirror 26.
  • the light beam transmitted through the transmission mirror 26 is imaged on a first luminance information acquisition sensor 30 located on the subject side on the optical path with respect to the first equivalent focusing surface 28-1. I have.
  • the light beam reflected by the transmission mirror 26 passes through the second equivalent focusing surface 28-2, and then acquires the second luminance information arranged on the optical path on the non-subject side from the equivalent focusing surface in the optical path.
  • the image is formed on the image sensor 32.
  • the calculation unit (not shown) performs an appropriate calculation to move the focusing lens position of the focusing lens 14 to the focusing position. For Is generated.
  • At least two pieces of focus determination image luminance information 100 of the same part P of the same subject are captured by an imaging parameter that affects the blurred state of the captured image 102. Obtained by changing at least one parameter.
  • the photographing parameters include a focusing lens position, an aperture amount, a focal length, and the like.
  • the description will be limited to a case where only the optical path length between the plane to be focused and the object is changed.
  • the focusing lens 14 is moved to prescribed first and second locations in order to change the optical path length between the plane to be focused and the subject (step S10A, step S10B), and obtain the first and second image luminance information, respectively (step S12A, step S12B).
  • Each of the acquired images is subjected to normalization processing such as image magnification and luminance distribution (steps S14A and S14B), and if necessary, selects an area in the acquired image information for which focus determination is to be performed (step S14A).
  • S16A, step S16B The selection is made for one of the image information, and the corresponding area is selected for the other image information.
  • a preprocessing operation such as smoothing for calculating a spread parameter is performed on the focus determination area of the selected first and second image information (steps S18A and S18B).
  • the spread parameter of the captured image in the present method is calculated by integrating the two preprocessing calculation results (step S20). It should be noted that a database corresponding to the spread parameter and the focusing lens position at which the focus state can be obtained for the spread parameter is obtained in advance. Therefore, if the obtained spread parameters are referred to in this correspondence database, a movement command value of a focusing lens driving actuator (not shown) for obtaining a focused state is generated (step S22). ).
  • the first luminance information acquisition sensor 30 is arranged on the subject side on the optical path with respect to the first equivalent in-focus plane 28-1, and the second Planned equivalent focal plane 28-2 Are disposed on the optical path, on the optical path, on the non-subject side from the planned equivalent focusing plane through the second planned equivalent focusing plane 28-2.
  • FIG. 7 is a diagram showing an equivalent in-focus plane 28.
  • the distance between the first luminance information acquisition sensor 30 and the second luminance information acquisition sensor 32 is a constant value d
  • d the distance between the first luminance information acquisition sensor 30 and the second luminance information acquisition sensor 32
  • the size of the light-receiving surface indicated by a bold line which is necessary to acquire the luminance information in the blurred state where the focus determination area is different, is determined by the first luminance information acquisition sensor 30 and the second luminance information acquisition sensor 32. It is the smallest when the equivalent focusing surface 28 is arranged between them. Therefore, in the present embodiment, by arranging in this way, it is possible to determine the focus with a smaller luminance information acquisition sensor, to reduce the size of the focus determination device, and to easily mount it on the imaging device. It becomes possible to do.
  • FIGS. 5A to 5C show diagrams in which light beams of a subject are in focus on the equivalent focusing surface 28 as an ideal conceptual diagram.
  • the front focus and the rear focus exist with respect to the equivalent in-focus target plane 28 according to the position of the focusing lens 14 and the camera power in accordance with the distance to the subject.
  • the position where the light beam from the subject is most narrowed is shifted from the equivalent focusing expected plane 28, so the focusing process described in FIGS. Does not hold.
  • the distance from the equivalent focusing expected plane 28 in the front focus and rear focus states compared to the distance d, that is, when the defocus amount is small, the above explanation is satisfied, and especially, the focusing accuracy is required. This condition will be satisfied in the focusing stage that is performed.
  • the transmittance may be any value such as 33% or 66% depending on the algorithm or processing. Good transmittance. No restrictions are placed on the transmittance. Further, in the present embodiment, only the reflection optical system is provided on the optical path for acquiring the focus information. However, if necessary, an arbitrary optical element such as a concave lens, a convex lens, and an ND filter may be interposed. I do not care.
  • the brightness information acquisition sensors 30, 32 may be in various forms, for example, an area type CCD of about 640 x 480 pixels or an area readable CMOS sensor, or a dedicated sensor in which a plurality of line sensors are arranged in an island shape. Is possible. Further, color, black and white, infrared wavelengths, and ultraviolet wavelengths may be used. No restrictions are placed on the type of sensor. In the case of a monochrome sensor, the acquired sensor information is used directly as luminance information. In the case of a color sensor, for example, of the R, G, and B luminance information, only the G component is used. Brightness information may be used, or brightness information may be obtained by combining R, G, and B at a fixed ratio.
  • the brightness information acquisition sensors 30, 32 are respectively inclined with respect to the respective equivalent in-focus scheduled surfaces 28-1 and 28-2 in such a manner that the normal direction set on each surface is oblique. It is desirable to arrange them so that they face in the same direction from the viewpoint of uniform light reception.
  • the inclinations of the equivalent focusing expected planes 28-1 and 28-2 are determined. Can be adjusted according to the sensor arrangement space. If the equivalent focal planes 28-1 and 28-2 are designed to be perpendicular to each other, the positional relationship between the luminance information acquisition sensors 30 and 32 is determined easily and with high accuracy and further easy to assemble. Is feasible.
  • the spread parameter is more accurately calculated on the in-focus plane where the final focus state is obtained. There is a need. If the blur amount is too large, the accuracy of the spread parameter calculation will decrease due to the algorithm. If the distance between positions at which luminance information is acquired is determined within a range that does not cause a decrease in accuracy, and the focus determination area is considered constant, as the distance from the plane to be focused increases, the luminance increases as the distance increases. Sensors that acquire information require large sizes.
  • the plane to be focused Since there is a luminance information acquisition position sandwiching, when considering the necessary luminance information acquisition sensor area, it is possible to provide only a small area as a whole, and as a result, it is possible to provide a small focusing determination acquisition apparatus and an imaging apparatus. I do.
  • the transfer load of luminance information required for the calculation is small, and the calculation itself is completed in a short time. Further, it is possible to provide high-speed focus determination.
  • the luminance information acquisition positions are set so that the optical path lengths of the above-mentioned equivalent focusing surface forces differ, the luminance information of a plurality of images having different blurs can be easily acquired due to the different optical path lengths.
  • only one second brightness information acquisition sensor 32 is provided.
  • the number of the second brightness information acquisition sensor 32 may be two or more.
  • a transmissive mirror 34 is further disposed rearward from the second equivalent in-focus target plane 28-2 with a directional force from the subject side on the optical path. Then, a part of the light beam reflected by the transmission mirror 26 through the sub-mirror 24 is further transmitted through the transmission mirror 34, and the transmitted light partially transmitted by the transmission mirror 34 is converted into one second luminance information acquisition sensor 32— Light is received at 1. Further, the other second brightness information acquisition sensor 32-2 is arranged at an optical path length position different from the one second brightness information acquisition sensor 32-1, and the reflected light from the transmission mirror 34 is reflected. Is received by the other second brightness information acquisition sensor 32-2.
  • these second luminance information acquisition sensors 32-1 and 32-2 are arranged at optically different optical path length positions with respect to the equivalent focusing surface 28-2. Regardless of the combination of the first luminance information acquisition sensor 30 and the second luminance information acquisition sensor 32-1 and 32-2, the planes 28-1 and 28-2 to be equivalently focused are interposed between the sensors. Have been. With this arrangement, when the relative distances of the three luminance information acquisition sensors 30, 32-1, and 32-2 are constant, the luminance information acquisition sensors are similar to those described with reference to FIGS. 5A to 5C. The required area of the light receiving surface is minimized, and the size of the focus determination device can be reduced.
  • a plurality of transmission mirrors may be installed with the same idea. And, needless to say, even if the number of the luminance information acquisition sensors becomes three or more, the same effect is exerted.
  • the above-mentioned effect obtained by arranging the plane to be focused (the plane to be equivalently focused) between at least one set of sensors for acquiring luminance information has the same effect as the arrangement of only one sensor for acquiring luminance information.
  • the same can be obtained by driving the focusing lens 14 back and forth in parallel with the optical axis.
  • a first luminance information acquisition sensor 30 is arranged on the equivalent focusing surface 28. Then, as shown in FIGS. 8A to 8C, the focusing lens 14 is moved back and forth along the optical axis with the initial position being the state where the light beam from the subject is in focus, and the first position is moved at the desired timing.
  • luminance information acquisition sensor 34 luminance information is acquired at two positions with the equivalent planned focal plane 30 interposed therebetween. Therefore, the light receiving surface area of the first luminance information acquisition sensor 34 can be small.
  • the imaging sensor 16 may be used also for focus determination without disposing a dedicated sensor for focus determination.
  • FIGS. 10A to 10C the same applies to the case where the image sensor 16 is moved forward and backward by the image sensor driving actuator 36 in parallel with the optical axis, and luminance information is acquired at at least two acquisition positions. is there.
  • FIGS. 1OA to 10C since reference numerals are common in FIGS. 1OA to 10C, only the reference numerals are given to FIG. 10A for simplification of the drawing.
  • an electrostatic driving actuator disclosed in JP-A-2001-9796 and JP-A-2001-9797 is used. can do. That is, if a large number of such electrostatic actuated actuators are arranged on the surface and the imaging sensor 16 is supported, the imaging sensor 16 is moved almost horizontally in the plane from the initial position plane of the imaging sensor 16 and is moved along the plane. It can also be moved back and forth in a direction perpendicular to the direction. As a result, the image sensor 16 is moved to the subject side and the non-object side as shown in FIG. 10A to FIG. It can be moved to the subject side.
  • the cutout area for focus determination set on the imaging sensor 16 can be set to a small area, which does not reduce the sensor size of the imaging sensor 16 itself.
  • the transfer load is reduced, and the amount of calculation is reduced. Therefore, a high-speed focus determination device can be provided.
  • the imaging sensor 16 is moved. However, if the optical path length is changed, it is good V. Therefore, by moving the focusing lens 14 back and forth in parallel with the optical axis, luminance information can be adjusted at a desired timing. The same effect can be obtained even if the information is acquired by ringing.
  • this method is a method that can be applied to a compact digital camera or the like that does not have a configuration such as the quick return mirror 18 and the sub mirror 24.
  • the force for acquiring the luminance information with different blur states by moving the imaging sensor 16 is applied to the first luminance information acquisition sensor 30 in FIG.
  • the same function can be realized by moving the optical disk back and forth along the optical path by providing the cutiator.
  • the moving sensor is not limited.
  • the focus information acquiring detection device and the imaging device it is possible to acquire a plurality of pieces of luminance information having different blur states without arranging a plurality of sensors, thereby reducing the cost and size of the device. Can be realized.
  • the present invention is not limited to the application to a digital single-lens reflex camera as described in the above embodiments, a non-digital camera, a compact digital camera without an interchangeable lens, a quick return mirror, etc., a microscope It can be diverted to a focus information acquisition detection device of any type of imaging device such as an endoscope and a telescope.

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Abstract

　対象物からの光を所定の位置にある合焦予定面に結像する光学系の少なくとも一部を通過した光を、クイックリターンミラー（１８）、サブミラー（２４）及び透過型ミラー（２６）により上記合焦予定面と光学的に等価である等価合焦予定面（２８，２８−１，２８−２）に結像させるように導光し、その導光した光が形成するボケの異なる複数の画像のうち、少なくとも二つの画像における互いに対応する領域の輝度情報を第１の輝度情報取得用センサ（３０）と第２の輝度情報取得用センサ（３２）で取得する。ここで、上記対象物を基点として上記光学系に定義される同一光軸上に光学的に等価になるように輝度情報取得用センサ（３０，３２）及び等価合焦予定面（２８−１，２８−２）を光路長順に並べた場合に、少なくとも１組の輝度情報取得用センサ（３０，３２）の間に上記等価合焦予定面位置が挟まれるようにする。

Description

明 細 書
合焦情報取得用検出装置及びそれを用いた撮像装置
技術分野
[0001] 本発明は、光学素子を経て被写体の像を結像し、取得したボケ状態の異なる複数 の輝度情報から合焦情報を取得する合焦情報取得用検出装置及びそのような合焦 情報取得用検出装置を用いた撮像装置に関する。
背景技術
[0002] 例えば、特公平 3— 52607号公報には、合焦予定面の前後に所定の光路差を持つ て配置された一対の受光素子上に物体像を投影し、得られた像情報を用いて所定 の評価関数に基づき、物体の合焦状態を検出する手法が提案されている。この手法 の基本的な利用方法としては、合焦判定装置付カメラがある。これは、合焦予定面を 挟み同距離離れた二面で物体情報を得ることで、いわゆる前ピン、後ピンを判断する 。その判断結果は、合焦用光学系の例えばフォーカシングレンズを、正しい調整方 向へ駆動することに役立つ。
[0003] また、 USP4, 965, 840では、ボケ状態の異なる複数の画像を演算処理すること によりスプレッドパラメータを算出し合焦判定するために、光路長の異なる 2箇所で画 像情報を取得する方法が記載されている。ここで、スプレッドパラメータとは、画像情 報のボケ状態を示す代表値であり、光学系のポイントスプレッドファンクションに関連 し、被写体の一点力 光学系の数多の経路を経て像面に点が点としてではなく領域 として結像した場合の分散値を代表して 、る。
[0004] 上記 USP4, 965, 840に開示されているような合焦判定手法を用いてスプレッドパ ラメータを算出する場合には、次のような課題がある。
[0005] 即ち、この合焦判定手法においては、光路長の異なる条件で、つまりはボケ状態の 異なる第 1の画像情報と第 2の画像情報とにより、最終的にスプレッドパラメータを算 出する。し力しながら、ボケ状態が違い過ぎると、スプレッドパラメータ算出において 演算上の破綻をきたし、正確な値が求まらな 、恐れがある。
[0006] また、合焦判定する光路長が、実際に合焦判定すべき撮像面と異なり過ぎると、実 際のボケ状態も異なり過ぎて、撮像面上での合焦精度が低下する場合がある。
[0007] 更に、昨今の多機能小型集約型撮像装置には、この合焦判定手法を実現する合 焦情報取得手段を組み込むための配置スペースの余裕が無 、ため、上記課題を満 足し配置することが困難である。
発明の開示
[0008] 本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、限られたスペースに配置可能で、高 精度の合焦情報を取得可能な合焦情報取得用検出装置、及び、それを用いた撮像 装置を提供することを目的とする。
[0009] 本発明の第 1の態様によれば、対象物力 の光を所定の位置にある合焦予定面に 結像する光学系の少なくとも一部を通過した光を、上記合焦予定面と光学的に等価 である等価合焦予定面に結像させるように導光するための導光手段と、上記導光手 段で導光した光が形成するボケの異なる複数の画像のうち、少なくとも二つの画像に おける互いに対応する領域の輝度情報を取得するための輝度情報取得手段と、を 具備し、上記対象物を基点として上記光学系に定義される同一光軸上に光学的に 等価になるように、複数の輝度情報の取得位置と上記等価合焦予定面とを光路長順 に並べた場合に、少なくとも 1組の輝度情報の取得位置の間に、上記等価合焦予定 面位置が挟まれていることを特徴とする合焦情報取得用検出装置が提供される。
[0010] 本発明の第 1の態様によれば、対象物力 の光を所定の位置にある合焦予定面に 結像する光学系の少なくとも一部を通過した光を、上記合焦予定面と光学的に等価 である等価合焦予定面に結像させるように導光するための導光手段と、上記導光手 段で導光した光が形成するボケの異なる複数の画像のうち、少なくとも二つの画像に おける互いに対応する領域の輝度情報を取得するための輝度情報取得手段と、を 具備し、上記対象物を基点として上記光学系に定義される同一光軸上に光学的に 等価になるように、上記輝度情報取得手段の配置位置と上記等価合焦予定面位置 とを光路長順に並べた場合に、少なくとも 1組の輝度情報取得手段配置位置間に、 上記等価合焦予定面位置が挟まれていることを特徴とする合焦情報取得用検出装 置が提供される。
[0011] 本発明の第 3の態様によれば、対象物力 の光を上記合焦予定面に結像するため の光学系と、上記本発明の第 1又は第 2の態様による合焦情報取得用検出装置のよ うな合焦情報取得用検出装置と、上記合焦予定面に配された撮像素子と、を具備す る撮像装置が提供される。
図面の簡単な説明
[図 1]図 1は、本発明の第 1実施例に係る合焦情報取得用検出装置を用いた撮像装 置としての一眼レフ型デジタルカメラの構成を示す模式図である。
[図 2]図 2は、本発明の第 1実施例に係る合焦情報取得用検出装置の構成を示す図 である。
[図 3]図 3は、スプレッドパラメータを算出し合焦判定する合焦判定方法の概略ステツ プを示す図である。
[図 4]図 4は、フォーカシングレンズと撮像位置との位置関係、及び、その位置関係に よる同一被写体の同一部位 Pに対する 2枚の合焦判定用画像輝度情報及び二つの 撮像画像を説明するための図である。
[図 5A]図 5Aは、第 1及び第 2の輝度情報取得用センサと等価合焦予定面との位置 関係が第 1の位置関係にあるときの第 1及び第 2の輝度情報取得用センサに必要とさ れる受光面の大きさを説明するための図である。
[図 5B]図 5Bは、第 1及び第 2の輝度情報取得用センサと等価合焦予定面との位置 関係が第 2の位置関係にあるときの第 1及び第 2の輝度情報取得用センサに必要とさ れる受光面の大きさを説明するための図である。
[図 5C]図 5Cは、第 1及び第 2の輝度情報取得用センサと等価合焦予定面との位置 関係が第 3の位置関係にあるときの第 1及び第 2の輝度情報取得用センサに必要とさ れる受光面の大きさを説明するための図である。
[図 6]図 6は、本発明の第 2実施例に係る合焦情報取得用検出装置の構成を示す図 である。
[図 7]図 7は、本発明の第 3実施例に係る合焦情報取得用検出装置の構成を示す図 である。
[図 8A]図 8Aは、フォーカシングレンズが第 1の位置にあるときの等価合焦予定面と第 1の輝度情報取得用センサとの関係を示す図である。 [図 8B]図 8Bは、フォーカシングレンズが第 2の位置にあるときの等価合焦予定面と第 1の輝度情報取得用センサとの関係を示す図である。
[図 8C]図 8Cは、フォーカシングレンズが第 3の位置にあるときの等価合焦予定面と第 1の輝度情報取得用センサとの関係を示す図である。
[図 9]図 9は、本発明の第 4実施例に係る合焦情報取得用検出装置の構成を示す図 である。
[図 10A]図 10Aは、撮像センサが第 1の位置にあるときの合焦予定面と撮像センサと の関係を示す図である。
[図 10B]図 10Bは、撮像センサが第 2の位置にあるときの合焦予定面と撮像センサと の関係を示す図である。
[図 10C]図 10Cは、撮像センサが第 3の位置にあるときの合焦予定面と撮像センサと の関係を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
[0013] 本発明の実施例を詳細に説明する前に、まず、本明細書において使用する用語を 説明する。
[0014] 即ち、用語「合焦予定面」とは、撮像装置が構成される際、撮像装置上の基準位置 力ゝら撮像素子受光面の位置を決定付けるものであって、同時に撮像光学系も撮像装 置基準点から所定の位置にあることが想定された上で規定されている。「合焦予定面 位置」は、撮像光学系の様々な収差を含む光学特性、及び、製造上及び組み立て 上の誤差を鑑みて、存在範囲に幅をもって光学系に設定された光軸に垂直な面とし て決定されているとする。「等価合焦予定面」は、このような合焦予定面と光学的に等 価な位置で、途中に介在するあらゆる光学素子の収差等を含む光学特性、製造上、 組み立て上の誤差を鑑みて、合焦予定面の存在範囲に対応して光学的に等距離な 位置にやはり合焦予定面に対して既定できる光軸と等価な光軸に垂直な面として決 定付けられる。
[0015] また、「輝度情報」とは、モノクロ撮像素子の場合には、得られたセンサ信号情報そ のものを示す。また、カラー撮像素子の場合には、カラーフィルタそれぞれで取得さ れた各カラーバンド毎の信号情報、例えば R, G, Bそれぞれの信号情報であっても 良!、し、これらの信号情報を合成することによって得られた単一の信号情報であって も構わな 、。信号情報自体もエリア型のセンサ力 取得された 2次元的な配置を有す る一般的画像情報や、この 2次元的画像情報が 1次元的に並べ替えられたもの、また ライン型のセンサ力も取得された 1次元的なもの、撮像素子自体が 1セグメントでその 1点の情報など、信号情報の形式に制限を加えない。
[0016] 以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。
[0017] [第 1実施例]
図 1に示すように、本発明の第 1実施例に係る合焦情報取得用検出装置を用いた 撮像装置としての一眼レフ型デジタルカメラは、カメラ本体 10に交換レンズ 12が脱着 可能に取り付けられている。交換レンズ 12は、複数のレンズ、レンズ群、絞り、鏡筒な どによって構成され、焦点距離、フォーカシングレンズ位置、光量などが調整可能な ものである。このような交換レンズ 12の構成は、図では簡略化のためにフォーカシン グレンズ 14のみを代表して記載し、その他の図示は省略する。フォーカシングレンズ 14を経て入射する図示せぬ対象物体からの光は、同図及び図 2に示すように、撮像 時には図示せぬシャツタが開くことでカメラ本体 10内に設置された撮像センサ (撮像 素子） 16上に結像される。図示せぬビューファインダで被写体を観察する時には、フ オーカシングレンズ 14を経て入射する一部の光がクイックリターンミラー 18によって 反射され、マット面 20上に結像し、この像をペンタブリズム 22を経てビューファインダ に導いている。
[0018] また、上記クイックリターンミラー 18は一部が透過ミラーになっており、この光透過部 を透過する一部の被写体光は、全反射型のサブミラー 24で反射され、透過型ミラー 26に入射される。そして、この透過型ミラー 26を透過した光線は、第 1の等価合焦予 定面 28 - 1に対して光路上で被写体側に位置する第 1の輝度情報取得用センサ 30 に結像されている。また、透過型ミラー 26で反射された光線は、第 2の等価合焦予定 面 28 - 2を経て、光路上で等価合焦予定面より非被写体側に配置されている第 2の 輝度情報取得用センサ 32に結像されている。そして、これらのセンサ 30, 32にて取 得されたセンサ情報に基づき、図示せぬ演算部で適切な演算を行うことによって、フ オーカシングレンズ 14のフォーカシングレンズ位置を合焦位置にまで移動するため の指令値が生成される。
[0019] この場合、 USP4, 965, 840に開示された合焦判定方法を利用する。 USP4, 96 5, 840に記載されている合焦判定方法の概略ステップを説明すると、図 3に示すよう になる。これら概略ステップで行われる演算処理の詳細は、上記 USP4, 965, 840 に記載されて 、るので、ここでは説明を省略する。
[0020] この合焦判定方法では、図 4に示すように、同一被写体の同一部位 Pの最低 2枚の 合焦判定用画像輝度情報 100を、撮像画像 102のボケ状態に影響を与える撮影パ ラメータを最低 1つ変更することによって、取得する。撮影パラメータとしては、フォー カシングレンズ位置、絞り量、焦点距離などがあるが、本説明では合焦予定面と被写 体間の光路長のみを変更する場合に限定して説明を行う。
[0021] 本合焦判定方法によるとまず、例えば等価合焦予定面と被写体間の光路長を変更 するためにフォーカシングレンズ 14を規定の第 1の場所及び第 2の場所に移動し (ス テツプ S10A、ステップ S10B)、それぞれ第 1及び第 2の画像輝度情報を取得する（ ステップ S12A、ステップ S12B)。それぞれ取得された画像は、像倍率、輝度分布な どの正規化処理が行われ (ステップ S14A、ステップ S14B)、必要であれば取得画 像情報中の合焦判定をすべき領域を選択する (ステップ S16A、ステップ S16B)。選 択はどちらか一方の画像情報に対して行い、もう一方の画像情報に対しては対応領 域が選定される。続いて、選択された第 1及び第 2の画像情報の合焦判定領域に対 しスプレッドパラメータを演算するための平滑ィ匕などの前処理演算が行われ (ステップ S18A、ステップ S18B)、それら二つの前処理演算結果を統合することによって、本 手法における撮像画像のスプレッドパラメータが算出される (ステップ S20)。なお、予 め、このスプレッドパラメータと、このスプレッドパラメータに対して合焦状況が取得で きるはずのフォーカシングレンズ位置との対応データベースが取得されて 、る。従つ て、今得られたスプレッドパラメータをこの対応データベースで参照すれば、合焦状 態を得るべき図示しないフォーカシングレンズ駆動用ァクチユエータの移動指令値が 生成されるようになって 、る（ステップ S22)。
[0022] 本実施例では、上述したように、第 1の輝度情報取得用センサ 30を、第 1の等価合 焦予定面 28 - 1に対して光路上で被写体側に配置し、第 2の等価合焦予定面 28 - 2 を、第 2の等価合焦予定面 28 - 2を経て、光路上で等価合焦予定面より非被写体側 に配置している。
[0023] 第 1の輝度情報取得用センサ 30及び第 2の輝度情報取得用センサ 32と等価合焦 予定面との位置関係によって、輝度情報取得用センサ 30, 32に必要とされる受光面 の大きさは変化する。これを、図 5A乃至図 5Cを参照して説明する。なお、図 5A乃 至図 5Cは、図 2の透過型ミラー 26での光路折り曲げを仮想的に取り除き、一直線上 に第 1の輝度情報取得用センサ 30及び第 2の輝度情報取得用センサ 32と、等価合 焦予定面 28を記載している図である。
[0024] ここで、仮に第 1の輝度情報取得用センサ 30と第 2の輝度情報取得用センサ 32と の間隔を一定値 dとすると、図 5A乃至図 5Cの比較で分かるように、同一合焦判定領 域の異なるボケ状態の輝度情報を取得するために必要な、太線で示した受光面の 大きさは、第 1の輝度情報取得用センサ 30及び第 2の輝度情報取得用センサ 32の 間に等価合焦予定面 28を挟むように配置した場合に最も小さくなる。従って、本実 施例では、そのように配置することで、より小型の輝度情報取得用センサで合焦判定 が可能となり、合焦判定装置のサイズを小型にし、撮像装置への搭載を容易にする ことが可能となる。
[0025] なお、図 5A乃至図 5Cでは、理想的概念図として等価合焦予定面 28上で被写体 力もの光線が合焦状況にある図を描いている。しかし、実際には、フォーカシンダレ ンズ 14の位置、カメラ力も被写体までの距離に応じて、等価合焦予定面 28に対して 前ピン、後ピンの状態が存在する。その場合には、被写体からの光線が最も絞られる 位置が等価合焦予定面 28とはズレるため、合焦の過程としては図 5A乃至図 5Cを用 いて説明した受光部の大小関係は実際には成立しない。し力 ながら、距離 dに比 ベ前ピン、後ピン状態での等価合焦予定面 28からの距離、つまりはディフォーカス 量が小さいときには、これまでの説明が成立し、特に合焦精度が要求される合焦の詰 めの段階ではこの条件が満たされることになる。
[0026] なお、上記透過型ミラー 26としては、透過率 50%のハーフミラーを用いるのが演算 処理上適当であるが、アルゴリズムや処理の都合によっては透過率が 33%、 66%な ど任意の透過率でも良 、。透過率に関しては制限を与えな 、。 [0027] また、本実施例では、合焦情報取得のために光路上に反射光学系のみを設けたが 、必要に応じて凹レンズ、凸レンズ、 NDフィルタなどの任意の光学素子を介在させて も構わない。
[0028] 輝度情報取得用センサ 30, 32は、例えば、 640 X 480画素程度のエリア型 CCD またはエリア読み出し可能な CMOSセンサや、複数のラインセンサがアイランド状に 配置された専用センサなど様々な形態が可能である。また、カラー、白黒、赤外波長 、紫外波長に特化されたものでも良い。センサの形式に関しては制限を与えない。ま た、白黒型センサの場合には、取得されたセンサ情報をそのまま輝度情報として用い る力 カラー型の場合には、例えば R, G, Bの各輝度情報のうち、 G成分のみを用い て輝度情報とするなどでも良いし、 R, G, Bを一定の比率で合成することによって輝 度情報を獲得しても構わな ヽ。
[0029] 配置スペースの制限のために、各等価合焦予定面 28— 1及び 28— 2に対してそれ ぞれ輝度情報取得用センサ 30, 32は各々の面に立てた法線方向が斜めになるよう に配置することも可能である力 均一な光線受光という観点で同一方向を向くように 配置することが望ましい。
[0030] また、フォーカシングレンズ 14で定義され、透過型ミラー 26を通過する光軸と透過 型ミラー 26との傾きの設定の仕方によっては、等価合焦予定面 28-1及び 28— 2の 傾きをセンサ配置スペースにあわせて調整することも可能である。等価合焦予定面 2 8—1及び 28— 2が直交するように設計した場合には、輝度情報取得用センサ 30, 32 の位置関係の既定が、製作容易かつ高い精度で、更に組み立てが容易に実現可能 である。
[0031] ボケ状態が異なる合焦判定用の輝度情報を取得しスプレッドパラメータを算出する 方法においては、最終的に合焦状態を得る合焦予定面にて、より精度良くスプレッド ノ ラメータを算出する必要がある。ボケ量が大きすぎるとアルゴリズム上スプレッドパラ メータ算出の精度が低下する。精度低下を招力ない程度の範囲で輝度情報を取得 する位置間隔を決定し、合焦判定領域を一定にして考えると、合焦予定面からの距 離が遠ざかれば遠ざ力るほど輝度情報を取得するセンサは大きなサイズが必要とな る。本実施例に係る合焦情報取得用検出装置及び撮像装置によれば、合焦予定面 を挟んで輝度情報取得位置が存在するので、必要な輝度情報取得用センサ領域を 考えた場合、最も総じて少ない領域で済み、その結果、小型の合焦判定取得装置及 び撮像装置を提供可能とする。また、演算に必要な輝度情報の転送負荷も少なぐ 演算自体も短時間で完了する。更には、高速な合焦判定を提供可能とする。
[0032] また、輝度情報取得位置をそれぞれ上記等価合焦予定面力 の光路長が異なるよ うにしたので、光路長が異なることで容易にボケの異なる複数の画像の輝度情報を 取得できる。
[0033] [第 2実施例]
上記第 1実施例では、第 2の輝度情報取得用センサ 32を 1個のみとしているが、そ の設置数は 2個以上でも構わな 、。
[0034] 即ち、図 6に示すように、光路上被写体側から向力つて第 2の等価合焦予定面 28— 2から後方に更に透過型ミラー 34を配置する。そして、サブミラー 24を経て透過型ミ ラー 26によって反射された光線の一部を更に、その透過型ミラー 34で一部を透過さ せた透過光を一方の第 2の輝度情報取得用センサ 32— 1で受光する。また、上記一 方の第 2の輝度情報取得用センサ 32— 1とは異なる光路長位置に他方の第 2の輝度 情報取得用センサ 32 - 2を配置し、上記透過型ミラー 34での反射光をこの他方の第 2の輝度情報取得用センサ 32— 2で受光して 、る。
[0035] 図 6においては、これら第 2の輝度情報取得用センサ 32— 1と 32— 2は等価合焦予 定面 28— 2に対して光学的に異なる光路長位置に配置されていて、第 1の輝度情報 取得用センサ 30と第 2輝度情報取得用センサ 32— 1及び 32— 2の何れの組み合わせ でも、センサ間に等価合焦予定面 28— 1及び 28— 2が挟まれて配置されている。この 配置によって、三つの輝度情報取得用センサ 30, 32-1, 32— 2の相対距離を一定 とした場合には、図 5A乃至図 5Cで行った説明と同様に、輝度情報取得用センサに 必要とされる受光面の面積は最小化され、合焦判定装置の小型化を実現可能とする
[0036] 3個以上の輝度情報取得用センサを配置するためには、同様の発想で透過型ミラ 一を複数設置すれば良い。そして、そのように輝度情報取得用センサが 3個以上に なっても、同等の効果が発揮されることは言うまでも無い。 [0037] [第 3実施例]
また、少なくとも 1組の輝度情報取得用センサ間に合焦予定面 (等価合焦予定面） を配置することによって得られるこれまでに述べた効果は、輝度情報取得用センサを 1つだけ配置し、フォーカシングレンズ 14を光軸に平行に前後に駆動することによつ ても同等に得られる。
[0038] 例えば、図 7に示すように、等価合焦予定面 28上に、第 1の輝度情報取得用セン サ 30を配置する。そして、図 8A乃至図 8Cに示すように、被写体からの光線が合焦 状態である状況を初期位置としてフォーカシングレンズ 14を初期位置力も光軸に沿 つて前後に移動し、所望のタイミングで第 1の輝度情報取得用センサ 34で情報を取 得すれば、結果的に等価予定合焦面 30を挟んだ位置 2箇所で輝度情報取得が行 われる。従って、第 1の輝度情報取得用センサ 34での受光面面積はやはり小さくて 済むことになる。
[0039] なお、図 8A乃至図 8Cにおいて参照番号は共通なものであるので、図面の簡略ィ匕 のために、図 8Aにのみ付している。
[0040] [第 4実施例]
また更に、図 9に示すように、合焦判定用の専用センサを配置せずに、撮像センサ 16を合焦判定用にも兼用するようにしても良い。この場合、図 10A乃至図 10Cに示 すように、撮像センサ 16を、撮像センサ駆動用ァクチユエータ 36で光軸と平行に前 後させ、少なくとも二つの取得位置で輝度情報を取得しても同様である。ここで、図 1 OA乃至図 10Cにおいて参照番号は共通なものであるので、図面の簡略化のために 、図 10Aにのみ付している。
[0041] 上記撮像センサ駆動用ァクチユエータ 36の一例としては、例えば、特開 2001— 97 96号公報及び特開 2001— 9797号公報に開示されているような静電駆動型のァク チユエータを利用することができる。即ち、面上にそのような静電駆動型ァクチユエ一 タを多数配置し、撮像センサ 16を支持すれば、撮像センサ 16の初期位置面から面 内にほぼ水平に面内運動させると共に、面に対して垂直な方向に前後させることも可 能となる。これによつて、撮像センサ 16の初期位置たる等価合焦予定面かつ合焦予 定面に対して、撮像センサ 16を、図 10A乃至図 10Cに示すように被写体側及び非 被写体側に移動させることが可能になる。
[0042] この場合には、撮像センサ 16自体のセンササイズが小さくなるのではなぐ撮像セ ンサ 16上に設定する合焦判定用切り出し領域が小領域に設定できるので、結果的 に少ない輝度情報の転送負荷も軽減し、演算量も少なくて済む。従って、高速な合 焦判定装置を提供可能とする。
[0043] なお、本実施例では、撮像センサ 16側を移動させたが、光路長を変化させれば良 V、ので、フォーカシングレンズ 14を光軸と平行に前後させて輝度情報を所望のタイミ ングで取得しても同様の効果が得られる。また、本方法はクイックリターンミラー 18、 サブミラー 24などの構成がもともと無いコンパクトデジタルカメラなどでも適用可能な 手法である。
[0044] 更に、本実施例では、撮像センサ 16を移動することによりボケ状態の異なる輝度情 報を取得している力 同様の考え方で、図 7の第 1の輝度情報取得用センサ 30にァ クチユエータを付与することにより光路に沿って前後に移動することで、同様の機能 を実現することも可能となる。このように、移動するセンサは制限しない。
[0045] この実施例に係る合焦情報取得用検出装置及び撮像装置によれば、複数のセン サを配置することなくボケ状態の異なる複数の輝度情報が取得でき、装置の低価格、 小型化を実現可能になる。
[0046] 以上実施例に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施例に限定され るものではなぐ本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論で ある。
[0047] 例えば、本発明は、上記実施例で説明したようなデジタル一眼レフカメラへの応用 に制限されるものではなぐ非デジタルカメラ、交換レンズやクイックリターンミラー等 を有しないコンパクトデジタルカメラ、顕微鏡、内視鏡、望遠鏡など、あらゆるタイプの 撮像装置の合焦情報取得用検出装置に転用可能である。

Claims

請求の範囲
[1] 対象物からの光を所定の位置にある合焦予定面に結像する光学系の少なくとも一 部を通過した光を、上記合焦予定面と光学的に等価である等価合焦予定面（28, 2 8-1, 28—2)に結像させるように導光するための導光手段（18, 24, 26, 34)と、 上記導光手段で導光した光が形成するボケの異なる複数の画像のうち、少なくとも 二つの画像における互いに対応する領域の輝度情報を取得するための輝度情報取 得手段と、
を具備し、
上記対象物を基点として上記光学系に定義される同一光軸上に光学的に等価に なるように、複数の輝度情報の取得位置と上記等価合焦予定面とを光路長順に並べ た場合に、少なくとも 1組の輝度情報の取得位置の間に、上記等価合焦予定面位置 が挟まれていることを特徴とする合焦情報取得用検出装置。
[2] 対象物からの光を所定の位置にある合焦予定面に結像する光学系の少なくとも一 部を通過した光を、上記合焦予定面と光学的に等価である等価合焦予定面（28, 2 8-1, 28— 2)に結像させるように導光するための導光手段（18, 18' , 24, 24' , 26 , 34)と、
上記導光手段で導光した光が形成するボケの異なる複数の画像のうち、少なくとも 二つの画像における互いに対応する領域の輝度情報を取得するための輝度情報取 得手段と、
を具備し、
上記対象物を基点として上記光学系に定義される同一光軸上に光学的に等価に なるように、上記輝度情報取得手段の配置位置と上記等価合焦予定面位置とを光路 長順に並べた場合に、少なくとも 1組の輝度情報取得手段配置位置間に、上記等価 合焦予定面位置が挟まれていることを特徴とする合焦情報取得用検出装置。
[3] 上記輝度情報取得手段は、少なくとも一つの輝度情報取得用のセンサ（16, 32, 3 2-1, 32— 2)を有し、
上記合焦情報取得用検出装置は、上記少なくとも一つのセンサの位置を変位駆動 するためのァクチユエータ（36)を更に具備し、 上記少なくとも一つのセンサを、上記輝度情報の取得位置に移動することを特徴と する請求項 1または 2に記載の合焦情報取得用検出装置。
[4] 上記輝度情報取得位置はそれぞれ上記等価合焦予定面からの光路長が異なるこ とを特徴とする請求項 1乃至 3の何れかに記載の合焦情報取得用検出装置。
[5] 対象物からの光を上記合焦予定面に結像するための光学系（14)と、
請求項 1乃至 4の何れかに記載の合焦情報取得用検出装置と、
上記合焦予定面に配された撮像素子（16)と、
を具備することを特徴とする撮像装置。
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