JP2006330394A - オートフォーカス装置 - Google Patents

Abstract

【課題】山登り方式のＡＦ処理を行う電子カメラのサーチ時間を短縮する。
【解決手段】電子カメラのＣＰＵ９は、レンズユニット１内のフォーカスレンズを移動させながら焦点評価値履歴を得るＡＦ処理時のフォーカスレンズのサーチ移動範囲を以下のように決定する。フォーカスレンズの現在位置Np≧過焦点位置Opが成立する場合、フォーカスレンズの現在位置Npから至近端位置までをサーチ移動範囲とする。フォーカスレンズの現在位置Np≧過焦点位置Opが成立しない場合、過焦点位置Opから至近端位置までをサーチ移動範囲とする。ＣＰＵ９は、レンズユニット１の焦点距離およびＡＥ演算による制御絞り値に応じて過焦点位置Opを得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、カメラのオートフォーカス技術に関する。

ＣＣＤなどの撮像素子を用いて被写体像を撮像し、撮像素子から出力される撮像信号に基づいて撮影レンズによる焦点位置の調節状態を検出するカメラの焦点検出方法が知られている。山登り方式と呼ばれる焦点検出方法は、フォーカスレンズを光軸方向に進退駆動させながら、撮像信号の高周波数成分を抽出して得られる焦点評価関数が極大値をとるように合焦位置を検出する。特許文献１には、このような山登り方式における焦点検出時間を短縮する技術が開示されている。特許文献１によれば、撮影開始が指示されたときに撮影レンズが合焦許容範囲内に位置していれば、カメラが撮影レンズの駆動を省略する。

特開２００４−３５４５８１号公報

特許文献１のカメラでは、一度合焦した後で撮影開始が指示されるまでの間に撮影距離（カメラ−被写体間の距離）が変化し、撮影レンズが合焦許容範囲内に位置しなくなると、無限遠位置から至近端位置までの範囲で山登りサーチする必要が生じる。この場合はサーチ時間を短縮できない。

本発明によるオートフォーカス装置は、撮影レンズを通して被写体像を撮像し、撮像信号を出力する撮像素子と、撮影レンズの過焦点距離、およびフォーカス調節の開始が指示された時点におけるフォーカスレンズの位置に基づいてフォーカスレンズのサーチ移動範囲を決定するサーチ移動範囲決定手段と、サーチ移動範囲においてフォーカスレンズを移動するためのレンズ駆動信号を生成するレンズ駆動信号生成手段と、フォーカスレンズの所定の位置ごとに撮像信号の積算値を演算する評価値演算手段と、評価値演算手段による積算値に基づいて合焦レンズ位置を演算するレンズ位置演算手段とを備えることを特徴とする。
請求項１に記載のオートフォーカス装置において、サーチ移動範囲決定手段は、(1)フォーカス調節の開始が指示された時点のフォーカスレンズの位置（現在位置とする）に対応する撮影距離が過焦点距離より遠い場合、現在位置と至近端位置との間をサーチ移動範囲とし、(2)現在位置に対応する撮影距離が過焦点距離より近い場合、過焦点位置と至近端位置との間をサーチ移動範囲とするように構成してもよい。
請求項２に記載のオートフォーカス装置において、サーチ移動範囲決定手段は、撮影条件に応じて過焦点距離を変化させ、変化後の過焦点距離とフォーカスレンズの現在位置とに基づいてフォーカスレンズのサーチ移動範囲を決定することもできる。
請求項３に記載のオートフォーカス装置において、
撮影条件は、焦点距離、絞り値、撮影シーン、および被写体輝度の少なくとも１つを含むようにしてもよい。
本発明によるオートフォーカス装置は、撮影レンズを通して被写体像を撮像し、撮像信号を出力する撮像素子と、撮影レンズの過焦点距離に応じて、フォーカスレンズのサーチ移動範囲を決定するサーチ移動範囲決定手段と、サーチ移動範囲においてフォーカスレンズを移動するためのレンズ駆動信号を生成するレンズ駆動信号生成手段と、フォーカスレンズの所定の位置ごとに撮像信号の積算値を演算する評価値演算手段と、評価値演算手段による積算値に基づいて合焦レンズ位置を演算するレンズ位置演算手段とを備えることを特徴とする。

本発明によるオートフォーカス装置では、たとえば、一度合焦した後で撮影距離が変化した場合のサーチ時間を短縮できる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施の形態によるオートフォーカス（ＡＦ）電子カメラの要部構成を説明するブロック図である。図１において、電子カメラは、レンズユニット１と、撮像素子２と、アナログ信号処理部３と、Ａ／Ｄ変換器４と、デジタル信号処理部５と、EVF処理部６と、Ｄ／Ａ変換器７と、EVF(電子ビューファインダー)８と、ＣＰＵ９と、フォーカスモータ１０と、バッファメモリ１１と、操作部材１２と、記録・再生信号処理回路１３とを有し、外部記憶回路１４が着脱可能に構成される。

レンズユニット１は、不図示のフォーカスレンズを含む。フォーカスレンズは、レンズユニット１を通過した光束による被写体像が撮像素子２の撮像面上に結像するように、焦点位置を調節するレンズである。フォーカスモータ１０が不図示のフォーカス制御機構を駆動することにより、フォーカスレンズが光軸方向に進退移動する。フォーカスモータ１０は、ＣＰＵ９から出力されるレンズ駆動信号によって駆動される。

撮像素子２は、たとえば、二次元ＣＣＤイメージセンサなどによって構成される。撮像素子２は、撮像面上の被写体像を撮像し、各画素に対応する撮像信号を出力する。撮像素子２から出力される撮像信号は、各画素に入射される光の強さに応じてその信号レベルが異なる。なお、撮像素子２は、ＣＣＤの代わりにＭＯＳセンサやＣＩＤなどを用いて構成してもよい。

撮像素子２から出力された撮像信号はアナログ信号処理部３に入力される。アナログ信号処理部３はＣＤＳ（相関二重サンプリング）回路、ＡＧＣ回路などを含み、ＣＤＳ回路で撮像信号のノイズ低減を行い、ＡＧＣ回路で撮像信号のレベル調整を行う。アナログ信号処理部３で処理された撮像信号は、Ａ／Ｄ変換器４によりアナログ信号からデジタル信号に変換される。

デジタル化された画像信号はデジタル信号処理部５へ入力される。デジタル信号処理部５はガンマ補正回路、輝度信号生成回路、および色差信号生成回路などを含み、入力された画像信号に対してガンマ補正や輪郭強調、ホワイトバランス調整などの所定のデジタル信号処理を行う。バッファメモリ１１はフレームメモリとして構成され、デジタル信号処理部５に入力された画像信号を構成するデータを一時的に格納したり、デジタル信号処理部５による処理途中のデータや処理後の画像データを格納する。

ＣＰＵ９はＡＥ演算部、ＡＦ演算部などを含み、電子カメラの自動露出(ＡＥ)や自動焦点検出(ＡＦ)などの各種演算と、カメラ動作のシーケンス制御とを行う。ＣＰＵ９は、操作部材１２から入力される各種操作信号に応じて、電子カメラの焦点検出制御および露出制御などを総括的に管理する。操作部材１２は不図示のレリーズスイッチ、モード切換スイッチなどを含む。

EVF処理部６は、デジタル信号処理部５から入力される画像信号に基づいてＥＶＦ８の表示解像度、表示倍率（電子ズーム倍率）に応じた表示信号を生成し、生成した表示信号をＤ／Ａ変換器７へ出力する。表示信号は、Ｄ／Ａ変換器７によりデジタル信号からアナログ信号に変換される。ＥＶＦ８は、アナログ化された再生表示信号による再生画像を表示する。

記録・再生信号処理回路１３は、デジタル信号処理部５から出力される所定の記録形式の画像データを外部記憶回路１４に記録する。記録・再生信号処理回路１３はさらに、外部記憶回路１４に記録されている画像データを読出してデジタル信号処理部５へ出力することも可能に構成されている。外部記憶回路１４は、たとえばメモリカードによって構成される。

（ＡＦ処理）
上述した電子カメラが行うＡＦ処理について説明する。ＣＰＵ９は、バッファメモリ１１に格納されているデジタル信号処理前の画像データのうち、焦点検出用の領域（フォーカスエリア）に対応する画像データから高周波数成分を抽出するフィルタリング処理を行う。フィルタリング処理後の画像データは、フィルタリング処理前の画像データに比べて、低周波数成分、とくに直流成分が除去されている。

ＣＰＵ９はさらに、画像データの高周波数成分による差分を積算するべく、上記フィルタリング後の画像データの絶対値を積算する。この積算値は焦点評価値と呼ばれる。ＣＰＵ９は、フォーカスレンズを光軸方向に移動させながら焦点評価値を逐次算出することにより、フォーカスレンズの移動にともなう焦点評価値の変化を示すデータを得る。図２は、レンズユニット１内のフォーカスレンズの位置と焦点評価値との関係の一例を示す図である。図２において、横軸はフォーカスレンズの位置であり、縦軸は焦点評価値である。焦点評価値の極大点（左側）に対応するレンズ位置Ｌ１は、背景に対するフォーカスレンズの合焦位置である。焦点評価値の極大点（右側）に対応するレンズ位置Ｌ０は、人物に対するフォーカスレンズの合焦位置である。

ＣＰＵ９は、このような焦点評価値の演算を、たとえば、フォーカスレンズを∞（無限遠）側から至近側へ向けて移動させながら行う。ＣＰＵ９が焦点評価値を算出する場合の算出レートは、撮像素子２による撮像時間、ＣＰＵ９によるフィルタ処理および積算値演算に要する時間によって決定される。したがって、実際に得られる焦点評価値は図２のように連続する線ではなく、算出レートごとの離散データとして得られる。ＣＰＵ９は、焦点評価値カーブの極大点を含む３点の離散データについて、いわゆる３点内挿演算を行って焦点評価値カーブの極大点に対応するレンズ位置Ｌ１およびＬ０を算出する。算出されるレンズ位置Ｌ１およびＬ０は、それぞれ撮像素子２によって撮像される背景像、人物像のエッジのボケをなくし、画像のコントラストを最大にする（ピントが合う）位置である。

本実施形態では、フォーカスレンズをサーチ移動する際の移動範囲を撮影光学系の過焦点距離に応じて決定する。

ＡＦ電子カメラのＣＰＵ９で行われるＡＦ処理の流れについて、図３のフローチャートを参照して説明する。図３による処理は、たとえば、不図示のレリーズスイッチから半押し操作信号（撮影開始を指示する信号）がＣＰＵ９に入力されると開始される。つまり、半押し操作信号は、フォーカス調節の開始を指示する信号にも対応する。ステップＳ１において、ＣＰＵ９は、フォーカスレンズの現在位置Npを取得してステップＳ２へ進む。フォーカスレンズの現在位置Npは、たとえば、フォーカス制御機構（不図示）からレンズ位置を示す情報として取得する。

ステップＳ２において、ＣＰＵ９は、レンズユニット１の過焦点位置Opを取得してステップＳ３へ進む。過焦点位置Opは、レンズユニット１の過焦点距離に対応するフォーカスレンズの位置である。過焦点距離は、いわゆるパンフォーカス撮影において被写界深度に含まれる撮影距離（カメラから被写体までの距離）のうち、最短の撮影距離である。本説明では、パンフォーカス撮影時に撮像素子２上に尖鋭像を結ぶ（像ぼけが許容錯乱円のサイズより小さい）至近側のフォーカスレンズの位置を過焦点位置Opと呼ぶ。

過焦点距離はレンズユニット１の焦点距離および絞り値によって異なる。本実施形態では、これら焦点距離および絞りに応じた過焦点位置のデータがあらかじめテーブル化され、ＣＰＵ９内の不図示の不揮発性メモリに格納されている。ＣＰＵ９は、レンズユニット１に含まれるズームレンズ（不図示）の位置情報（焦点距離を示す）、およびＡＥ演算で決定した制御絞り値に応じた過焦点位置データを読み出し、過焦点位置Opとする。

ステップＳ３において、ＣＰＵ９は現在位置Np≧過焦点位置Opが成立するか否かを判定する。ＣＰＵ９は、Np≧Opが成立する場合にステップＳ３を肯定判定してステップＳ４へ進み、Np≧Opが成立しない場合にはステップＳ３を否定判定してステップＳ５へ進む。ステップＳ４へ進む場合はフォーカスレンズの現在位置Npに対応する撮影距離が過焦点距離より遠い場合（被写界深度内）であり、ステップＳ５へ進む場合はフォーカスレンズの現在位置Npに対応する撮影距離が過焦点距離より近い場合（被写界深度外）である。

ステップＳ４において、ＣＰＵ９はＡＦサーチ開始位置St_Pを現在位置Npに、ＡＦサーチ終了位置Stp_Pを至近端の位置に、それぞれ設定してステップＳ７へ進む。この場合は、ＡＦサーチ開始位置St_Pまでフォーカスレンズを移動させる必要がない。

ステップＳ５において、ＣＰＵ９はＡＦサーチ開始位置St_Pを過焦点位置Opに、ＡＦサーチ終了位置Stp_Pを至近端の位置に、それぞれ設定してステップＳ６へ進む。ステップＳ６において、ＣＰＵ９は、フォーカスモータ１０に駆動信号を出力し、フォーカスレンズ（不図示）をＡＦサーチ開始位置St_P（この場合は過焦点位置Op）へ移動させてステップＳ７へ進む。

ステップＳ７において、ＣＰＵ９は以下のように山登り方式ＡＦ処理を行う。図４は、図３のステップＳ４からステップＳ７へ進む場合のＡＦ処理の経過時間（横軸）およびフォーカスレンズ位置（縦軸）の関係を示す図である。図４において、タイミングｔ１１からタイミングｔ１２まで（区間ア）は、フォーカスレンズの移動は停止されている。フォーカスレンズの停止位置（現在位置Np）は、前回のＡＦ処理で得られた合焦レンズ位置である。

図４のタイミングｔ１２において、所定のレンズ移動速度となるようにフォーカスモータ１０の駆動が開始され、フォーカスレンズが至近側へ移動を始める（サーチ移動開始）。ＡＦサーチ開始位置St_PからＡＦサーチ終了位置Stp_Pまでのフォーカスレンズの移動時間は、レンズ移動速度によって決定される。レンズ移動速度を遅くすると焦点評価値のプロット数が多くなり、レンズ移動速度を速くするとプロット数が少なくなる。レンズ移動速度は、図２の焦点評価値カーブの一つの「山」を構成するプロット数が少なくとも３点以上になるように設定するのが好ましい。なお、図４においてレンズ位置が階段状に示されているが、直線状に移動させても構わない。

ＣＰＵ９は所定時間ごとに焦点評価値を算出し、算出した焦点評価値をフォーカスレンズの位置を示す情報に関連づけて履歴データとして内部メモリに記憶する。ＣＰＵ９は、フォーカスレンズの位置がＡＦサーチ終了位置Stp_Pに達するまで、フォーカスレンズを駆動するとともに焦点評価値の算出、記憶を繰り返す。これにより、フォーカスレンズがＡＦサーチ開始位置St_PからＡＦサーチ終了位置Stp_Pまで移動する間（図４のタイミングｔ１２からタイミングｔ１３まで（区間イ））に、焦点評価値カーブを表す複数の焦点評価値が得られる。

タイミングｔ１３において、フォーカスモータ１０の駆動が停止され、フォーカスレンズが至近端で停止する（サーチ移動終了）。ＣＰＵ９は、サーチ移動処理で得られた焦点評価値履歴を用いて合焦位置を計算する。合焦位置の計算は、図２のように焦点評価値履歴カーブの極大値に対応するレンズ位置を算出する。複数の極大値を有する場合、たとえば、カメラにＡＦ動作モードが至近優先モードに設定されていれば、ＣＰＵ９は至近側のレンズ位置を優先して算出する（図２の例ではレンズ位置Ｌ０）。

ＣＰＵ９はレンズ位置Ｌ０を目標レンズ位置としてフォーカスモータ１０にレンズ駆動信号を出力し、フォーカスレンズを目標レンズ位置へ高速移動させる。図４のタイミングｔ１３からタイミング１４まで（区間ウ）は、高速移動期間に対応する。

タイミングｔ１４からタイミングｔ１５まで（区間エ）は反転処理が行われる。ＣＰＵ９は、フォーカスレンズを一旦目標レンズ位置より所定量無限遠側まで駆動してから停止させ、フォーカスレンズの移動方向をサーチ移動時の移動方向と同一方向へ反転させて、低速で目標レンズ位置まで移動させる。これにより、フォーカス制御機構が有するギヤなどの遊びに起因するガタ詰めが行われ、バックラッシュの影響を抑えて目標レンズ位置に対するフォーカスレンズの停止精度が向上する。

ＣＰＵ９は、以上のようにフォーカスレンズを合焦レンズ位置Ｌ０に停止させると、図３によるＡＦ処理を終了する。

図５は、図３のステップＳ６からステップＳ７へ進む場合のＡＦ処理の経過時間（横軸）およびフォーカスレンズ位置（縦軸）の関係を示す図である。図５において、タイミングｔ２０からタイミングｔ２２まで（区間カ、区間キ）は、図３のステップＳ６に対応する。すなわち、区間カでは、フォーカスレンズが現在位置Npから過焦点位置Opへ高速で移動される。区間キでは反転処理が行われる。フォーカスレンズは一旦過焦点位置Opより所定量無限遠側まで移動されてから停止し、フォーカスレンズの移動方向がサーチ移動時の移動方向と同一方向へ反転された後、低速で過焦点位置Opまで移動される。上述したように、移動方向の反転によるガタ詰めによって過焦点位置Opに対するフォーカスレンズの停止精度が向上する。

タイミングｔ２２からタイミングｔ２３まで（区間ク）のフォーカスレンズ移動は、図３の区間イと同様であるので説明を省略する。

タイミングｔ２３からタイミングｔ２４まで（区間ケ）のフォーカスレンズ移動は、図３の区間ウと同様であるので説明を省略する。

タイミングｔ２４からタイミングｔ２５まで（区間コ）のフォーカスレンズ移動は、図３の区間エと同様であるので説明を省略する。

以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）山登り方式のＡＦ処理を行う電子カメラは、フォーカスレンズを移動させながら焦点評価値履歴を得るＡＦ処理時のフォーカスレンズのサーチ移動範囲を以下のように決定する。フォーカスレンズの現在位置Np≧過焦点位置Opが成立する場合、現在位置Npから至近端位置までをサーチ移動範囲とするので、被写界深度に含まれている撮影距離のうち、現在位置Npに対応する撮影距離よりも遠方に対するサーチ移動を省略できる。これにより、無限遠位置から至近端位置までの全域をサーチ移動範囲とする場合に比べてＡＦ処理に要する時間を短縮できる。加えて、フォーカスレンズをＡＦサーチ開始位置まで移動する時間が不要なので、ＡＦ処理時間がさらに短くなる。

（２）電子カメラは、現在位置Np≧過焦点位置Opが成立しない場合、過焦点位置Opから至近端位置までをサーチ移動範囲とするので、過焦点位置Opに対応する撮影距離よりも遠方に対するサーチ移動を省略した上で、前回のＡＦ処理時から撮影距離が長く変化している場合（とくに前回の撮影距離が過焦点距離より短い場合）にも必ず主要被写体にピント合わせができるようにサーチ移動範囲が決定される。また、レンズユニット１の焦点距離およびＡＥ演算による制御絞り値に応じて過焦点位置Op（ＡＦサーチ開始位置）を得るようにしたので、フォーカスレンズのサーチ移動範囲が必要最小限となるように、サーチ移動範囲を適切に決定できる。この結果、無限遠位置から至近端位置までの全域をサーチ移動範囲とする場合に比べて、ＡＦ処理に要する時間を短縮できる。

（変形例）
フォーカスレンズの現在位置Np≧過焦点位置Opが成立する場合にも、過焦点位置Opから至近端位置までをサーチ移動範囲としてもよい。この場合、現在位置Npから過焦点位置Opまでを高速でフォーカスレンズを移動すれば、さらにＡＦ処理時間を短縮できる。このように、サーチ移動する際の移動範囲を常に撮影光学系の過焦点距離に応じて決定してもよい。

本実施形態では、サーチ移動時のフォーカスレンズ移動方向を無限遠側から至近側へ移動する向きとしたが、至近側から無限遠側へ移動させるようにしてもよい。この場合、ガタ詰めのために反転させる向きも、上述した実施形態と逆方向にする。

また、被写界深度内に至近端が含まれる（焦点深度内に至近端位置が含まれる）場合に、サーチ移動時のフォーカスレンズ移動方向を至近側から無限遠側へ移動させるようにするとよい。

上述した説明では、過焦点位置Opをレンズユニット１の焦点距離およびＡＥ演算による制御絞り値に応じて異ならせる例を説明したが、電子カメラに設定されている撮影シーンモード（たとえば、ポートレート撮影モード、風景撮影モードなど）別に過焦点位置Opに重み付けを行ったり、被写体輝度に応じて過焦点位置Opに重み付けを行ったりする構成にしてもよい。過焦点位置Opを撮影条件（焦点距離、絞り値、撮影シーンモード、輝度など）に応じて変化させることにより、サーチ移動範囲を撮影条件に合わせて適切に決定できる。

電子カメラに限らず、銀塩カメラやカメラ付き電子機器の焦点検出装置に本発明を適用してもよい。

以上の説明はあくまで一例であり、発明を解釈する上で、上記の実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係に何ら限定されるものではない。

本発明の一実施の形態によるオートフォーカス電子カメラの要部構成を説明するブロック図である。 フォーカスレンズの位置と焦点評価値との関係の一例を示す図である。 ＣＰＵで行われるＡＦ処理の流れを説明するフローチャートである。 ＡＦ処理の経過時間およびフォーカスレンズ位置の関係を示す図である。 ＡＦ処理の経過時間およびフォーカスレンズ位置の関係を示す図である。

符号の説明

１…レンズユニット
２…撮像素子
９…ＣＰＵ
１０…フォーカスモータ
１１…バッファメモリ
１２…操作部材

Claims (5)

1. 撮影レンズを通して被写体像を撮像し、撮像信号を出力する撮像素子と、
   前記撮影レンズの過焦点距離、およびフォーカス調節の開始が指示された時点におけるフォーカスレンズの位置に基づいて、前記フォーカスレンズのサーチ移動範囲を決定するサーチ移動範囲決定手段と、
   前記サーチ移動範囲において前記フォーカスレンズを移動するためのレンズ駆動信号を生成するレンズ駆動信号生成手段と、
   前記フォーカスレンズの所定の位置ごとに前記撮像信号の積算値を演算する評価値演算手段と、
   前記評価値演算手段による積算値に基づいて合焦レンズ位置を演算するレンズ位置演算手段とを備えることを特徴とするオートフォーカス装置。
2. 請求項１に記載のオートフォーカス装置において、
   前記サーチ移動範囲決定手段は、(1)フォーカス調節の開始が指示された時点の前記フォーカスレンズの位置（現在位置とする）に対応する撮影距離が過焦点距離より遠い場合、前記現在位置と至近端位置との間を前記サーチ移動範囲とし、(2)前記現在位置に対応する撮影距離が過焦点距離より近い場合、前記過焦点位置と前記至近端位置との間を前記サーチ移動範囲とすることを特徴とするオートフォーカス装置。
3. 請求項２に記載のオートフォーカス装置において、
   前記サーチ移動範囲決定手段は、撮影条件に応じて前記過焦点距離を変化させ、変化後の過焦点距離と前記フォーカスレンズの現在位置とに基づいて前記フォーカスレンズのサーチ移動範囲を決定することを特徴とするオートフォーカス装置。
4. 請求項３に記載のオートフォーカス装置において、
   前記撮影条件は、焦点距離、絞り値、撮影シーン、および被写体輝度の少なくとも１つを含むことを特徴とするオートフォーカス装置。
5. 撮影レンズを通して被写体像を撮像し、撮像信号を出力する撮像素子と、
   前記撮影レンズの過焦点距離に応じて、前記フォーカスレンズのサーチ移動範囲を決定するサーチ移動範囲決定手段と、
   前記サーチ移動範囲において前記フォーカスレンズを移動するためのレンズ駆動信号を生成するレンズ駆動信号生成手段と、
   前記フォーカスレンズの所定の位置ごとに前記撮像信号の積算値を演算する評価値演算手段と、
   前記評価値演算手段による積算値に基づいて合焦レンズ位置を演算するレンズ位置演算手段とを備えることを特徴とするオートフォーカス装置。

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