JP2007133277A - デジタルカメラ用自動合焦装置 - Google Patents

Abstract

【課題】デジタルカメラ用自動合焦装置におけるレンズ駆動時間の短縮とレンズの停止精度の向上を同時に達成する。
【解決手段】ステッピングモータ３は、被写体を撮像素子１に結像するレンズ２をその光軸方向に駆動して、レンズ２を合焦位置にセットする。駆動部６は、ステッピングモータ３を二相励磁駆動又はマイクロステップ駆動のいずれかで回転駆動する。制御部１０は、被写体の測距データに基づいて駆動部６を制御し、ステッピングモータ３を二相励磁駆動して、レンズ２を測距データが表す被写体距離に対応した位置まで送り、次にステッピングモータ３をマイクロステップ駆動に切り替え、合焦点が検出された位置で、ステッピングモータ３の駆動を停止する。
【選択図】図１

Description

本発明はデジタルカメラに搭載され、撮影準備の段階で、被写体までの距離を測定しその結果に基づいて撮影レンズの焦点距離を自動的に合わせ込むデジタルカメラ用自動合焦（ＡＦ）装置に関する。

デジタルカメラ用自動合焦装置は、例えば以下の特許文献１ないし３に開示されている。
特開２００４−００４３６２ 特開２００２−３１１３２８ 特開２００１−３５８９８７

一般にカメラのＡＦは被写体までの距離を測定する距離センサとその結果に基づいてレンズを駆動するモータとを組み合わせて行う。特許文献１はデジタルカメラに適したモータの駆動方式を提案している。撮影レンズのピント合わせを行うフォーカスモータとして、ステッピングモータを用いている。静止画の撮影を行う場合には、フォーカスモータは二相励磁駆動方式で駆動され、高速なピント合わせを可能にしている。動画の撮影と共に音声記録を行う場合には、フォーカスモータをマイクロステップ駆動方式で駆動し、作動音を小さくして音声の記録に影響がないようにしている。

特許文献２や特許文献３は複数のＡＦ方式（測距方式）を組み合わせたハイブリッドＡＦ機能を提案している。このハイブリッドＡＦ機能は、測距方式として位相差センサを用いた位相差式オートフォーカスとＣＣＤなどの撮像素子から出力される画像データに基づいて距離を測定するコントラスト検知式を併用している。このコントラスト検知式はカメラのＣＰＵがＣＣＤ撮像素子で取り込まれた画像のコントラストを解析検知する。ＣＣＤ撮像素子から取り込まれた画像情報はＡ／Ｄコンバータでデジタル化され、画像プリプロセッサでＹＵＶ変換され、Ｄ／Ａコンバータを介して再びアナログ化されて液晶パネルに表示される。液晶パネルにおける被写界領域のモニタリング画面に重ね合わせてＡＦの検知対象領域が表示される。以下ＣＣＤによって代表される撮像素子の画像データをコントラスト処理（またはエッジ強調処理）して被写体までの距離を割り出し、これに基づいてレンズの焦点合わせを行う方式を、簡単のためＣＣＤＡＦと呼ぶ場合がある。

上述の様に、ステッピングモータの駆動方式は、大別して二相励磁駆動方式とマイクロステップ駆動方式がある。二相励磁駆動方式はステッピングモータを高速回転駆動できるが、振動などがあり位置精度が高くない。二相励磁駆動で撮影レンズを送る場合、精度良く合焦位置にレンズを停止させる為には、パルス時間を長くするなどの制御が必要となり、現実には対応が難しい。これに対しマイクロステップ駆動は振動が少なく、レンズの停止精度も高くなる。しかしながら、マイクロステップ駆動はパワーが小さいため、レンズを高速で送ることが出来ない。このため、マイクロステップ駆動はＡＦ操作を速やかに行うことが出来ず、ＡＦに時間がかかるという課題がある。

上述した従来の技術の課題に鑑み、本発明はデジタルカメラ用自動合焦装置におけるレンズ駆動時間の短縮とレンズの停止精度の向上を同時に達成することを目的とする。かかる目的を達成するために以下の手段を講じた。即ち本発明にかかるデジタルカメラ用自動合焦装置は、被写体を撮像素子に結像するレンズをその光軸方向に駆動して、該レンズを合焦位置にセットするためのステッピングモータと、前記ステッピングモータを二相励磁駆動又はマイクロステップ駆動のいずれかで回転駆動する為の駆動部と、被写体までの距離を測定してその結果を表す測距データを出力する距離センサと、前記レンズの駆動中前記撮像素子から出力される被写体の画像データを逐次処理して、その結果から合焦点を検出する画像処理部と、該測距データに基づいて前記駆動部を制御し、前記ステッピングモータを二相励磁駆動して、前記レンズを該測距データが表す被写体距離に対応した位置まで送り、次に前記ステッピングモータをマイクロステップ駆動に切り替え、該合焦点が検出された位置で、前記ステッピングモータの駆動を停止する制御部とを有する。

本発明によれば、二相励磁駆動とマイクロステップ駆動を組み合わせることで、レンズ駆動時間の短縮とレンズの停止精度の向上を同時に達成している。始めは二相励磁駆動でレンズを合焦位置近傍まで高速に送り、その後はマイクロステップ駆動で精度良くレンズを停止させている。その際二相励磁駆動の段階では、外付けの距離センサから出力される測距データに基づいて、レンズを被写体距離にほぼ対応した位置まで送る。その後マイクロステップ駆動ではＣＣＤＡＦを採用し、画像データを処理しながら合焦点が出た段階でレンズを停止させている。これにより合焦精度が高くなる。以上のように本発明では外付けの距離センサで検出された被写体距離までは二相励磁駆動でステッピングモータを駆動し、高速でレンズを送ると共に、その後ＣＣＤＡＦ時はマイクロステップ駆動を採用し、震動をなくして精度良く短時間にレンズを合焦位置に停止させている。

以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明にかかるデジタルカメラ用自動合焦装置の全体構成を示すブロック図である。本装置は、基本的にステッピングモータ３と駆動部６と距離センサと画像処理部８と制御部１０とで構成されている。ステッピングモータ３は一対のステータコイルを用いてロータをステップ回転するものである。このステッピングモータ３は、被写体（図示せず）をＣＣＤ１などで代表される撮像素子に結像するレンズ２をその光軸方向に駆動して、レンズ２を合焦位置にセットする為のものである。なおこのＡＦ用レンズ２はデジタルカメラの鏡胴４内に組み込まれている。ＡＦ用レンズ２とステッピングモータ３の回転軸とは、ピニオンとラックを組み合わせた伝達機構５によって互いに連結されている。ステッピングモータ３のステップ回転は伝達機構５を介してＡＦ用レンズ２の光軸方向に沿った直線変位に変換される。なおＡＦ用レンズ２の光軸方向は双頭矢印で表されている。

駆動部６はドライバＩＣなどで構成されており、ステッピングモータ３を二相励磁駆動またはマイクロステップ駆動のいずれかで回転駆動する。図示の例では、この駆動部６は、デコーダ６１とパルスジェネレータ６２と発振器（ＯＳＣ）６３と一対のＨブリッジ回路６４，６５とオペアンプ６６，６８と電流センサ６７，６９などで構成されている。一方のＨブリッジ回路６４は出力電流ＯＵＴ１，ＯＵＴ２をステッピングモータ３の片方のコイルに供給する。他方のＨブリッジ回路６５は出力電流ＯＵＴ３，ＯＵＴ４をステッピングモータ３のもう片方のコイルに供給する。これらの出力電流ＯＵＴ１ないしＯＵＴ４の波形を制御することで、ステッピングモータ３を二相励磁駆動またはマイクロステップ駆動する。出力電流の波形制御のためにデコーダ６１，パネルジェネレータ６２、ＯＳＣ６３が用いられる。またＨブリッジ回路６４を定電流制御するためにオペアンプ６６と電流センサ６７が用いられている。同様にＨブリッジ回路６５を定電流制御するためにオペアンプ６８と電流センサ６９が用いられている。

距離センサ７は被写体までの距離を測定してその結果を表す測距データを出力する。距離センサ７は例えば三角測距の原理に基づいて被写体までの距離を測定するものであり、アクティブ方式やパッシブ方式がある。アクティブ方式は被写体に光スポットを投光する投光部と被写体から反射した光スポット像を受光し、その受光位置に応じて測距データを出力する受光部とで構成されている。

デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）８で構成された画像処理部は、ＡＦ用レンズ２の駆動中ＣＣＤ１から出力される画像データを逐次処理して、その結果から合焦点を検出する。具体的には、ＣＣＤ１から出力されたアナログの画像信号がＡＤＣ９によりデジタル化され、ＤＳＰ８に取り込まれる。ＤＳＰ８は高速でデジタル画像データを処理し、その結果から合焦点を検出する。具体的には、被写体画像のコントラストをモニタリングし、最も高いコントラストが得られた時点を合焦点とする。なお本実施形態では専用の高速ＤＳＰ８を用いて画像処理を行っているが、この機能はＣＰＵ１０に取り込むこともできる。

ＣＰＵ１０で構成される制御部は、距離センサ７から出力された測距データに基づいて駆動部６を制御し、ステッピングモータ３を二相励磁駆動して、レンズ２を測距データが表す被写体距離に対応した位置まで送り、次にステッピングモータ３をマイクロステップ駆動に切換え、合焦点が検出された位置で、ステッピングモータ３の駆動を停止する。この様に本発明のＡＦ装置は、距離センサ７から出力された測距データで表される被写体距離までは二相励磁駆動でステッピングモータ３を駆動し高速にレンズ２を送る。その後ＣＣＤＡＦ時はマイクロステップ駆動を行い、震動をなくして精度良く短時間にレンズ２を合焦位置に停止させる。

ＣＰＵ１０はドライバＩＣなどで構成される駆動部６に内蔵されるデコーダ６１に接続しており、所定のクロック信号ＣＬＫ、制御信号ＭＯＤＥ、シーケンスデータＤＡＴＡなどを供給している。ＣＰＵ１０は距離センサ７から被写体の測距データを取り込み、これに基づいてステッピングモータ３の駆動パルス数を演算する。この演算されたパルス数データはＭＯＤＥ端子をローレベルＬとしてデコーダ６１側に供給される。ＭＯＤＥ＝ＬのときＣＰＵ１０は駆動部６側に対して二相励磁駆動を指定する。この様にＣＰＵ１０はＭＯＤＥ＝Ｌとして二相励磁駆動を指定し且つ測距データに対応したパルス数をシーケンスデータＤＡＴＡとしてデコーダ６１に供給する。デコーダ６１はこれらの情報を解釈して、ステッピングモータ３の二相励磁駆動に必要な波形を作り出す。パルスジェネレータ６２はこの波形に基づいて実際にステッピングモータ３に供給する駆動電流パルスを生成する。ＣＰＵ１０は二相励磁駆動が完了した時点でＭＯＤＥ＝Ｈに切換え、マイクロステップ駆動を指定する。ＣＰＵ１０はＤＳＰ８から出力されるデータをモニタリングしながらシーケンスデータＤＡＴＡをデコーダ６１側に供給し、ＣＣＤＡＦを実行する。ＤＳＰ８で合焦点が検出された時点でＣＰＵ１０は駆動部６側に停止制御をかけ、ＡＦ用レンズ２を目標の合焦位置で停止させる。

図２は、図１に示したＡＦ装置のＣＰＵで実行される制御動作を示すフローチャートである。起動がかかった後、ステップＳ１でまず距離センサ７から測距データを取り込む。次にステップＳ２で測距結果によりステッピングモータ３を二相励磁駆動する。これによりＡＦ用レンズ２を目標位置近傍まで高速で送る。この後ステップＳ３でＣＣＤＡＦをスタートさせる。具体的にはステップＳ４で駆動部６を制御してマイクロステップ駆動に切換える。ステップＳ５でＤＳＰ８からの出力データをモニタリングして合焦点に達したかどうかを判断する。合焦点に達するまでは判定がＮｏとなり、ステップＳ４のマイクロステップ駆動を続ける。合焦点に達した時点でステップＳ６に進み、ＡＦ用レンズ２を合焦位置で停止させる共に、シャッタ駆動に入る。これによりデジタルカメラの一回の露光動作が完了する。

以上の説明から明らかなように、本ＡＦ装置は撮影モードに移行したら距離センサで被写体距離を測定し、その結果をＣＰＵに供給する。ＣＰＵは予め記憶してあるＡＦレンズの現在の位置データから測距データに基づきレンズの移動方向や移動パルス数を演算し、ドライバＩＣ（駆動部）に送ってステッピングモータを二相励磁駆動する。この二相励磁駆動は最速駆動方式である。その後ＣＣＤＡＦで精度良くレンズを停止させる。ＣＣＤＡＦは合焦点をモニタリングしながらステッピングモータをフィードバック制御するので、温度特性のばらつきや光特性のばらつきの影響を受けることなく、高精度でステッピングモータを制御可能である。

図３は、図１に示した駆動部６から出力される駆動電流ＯＵＴ１ないしＯＵＴ４の波形を示す波形図である。図示する様に、起動がかかったタイミングＴ１から途中のタイミングＴ２まで二相励磁駆動を行い、その後合焦点が検出されるタイミングＴ３までマイクロステップ駆動を行っている。場合によっては二相励磁駆動に代えて１−２励磁駆動を採用しても良い。一般にデジタルカメラもそれまでの銀塩メラの技術を導入することが多く、レンズ送りまでのステッピングモータ駆動は、二相励磁あるいは１−２相励磁方式が使われている。図示する様に、二相励磁駆動ではステッピングモータの一方のコイルに対して互いに逆相のパルス電流ＯＵＴ１，ＯＵＴ２を印加する。ＯＵＴ１，ＯＵＴ２のパルス波形は矩形であり、大きなトルクが得られる。ステッピングモータの他方のコイルにも一対の矩形波パルスＯＵＴ３，ＯＵＴ４が印加される。ＯＵＴ３とＯＵＴ４も互いに逆相である。またＯＵＴ３，ＯＵＴ４はＯＵＴ１，ＯＵＴ２に対して例えば位相が９０°シフトしている。この様な位相関係の出力パルスＯＵＴ１ないしＯＵＴ４を一対のコイルに印加することで、ステッピングモータのロータは大きなトルクで且つ高速でステップ回転する。

一方マイクロステップ駆動では出力電流ＯＵＴ１ないしＯＵＴ４の波形が、矩形パルスから例えば正弦波パルスに変わっている。但しＯＵＴ１ないしＯＵＴ４の位相関係は二相励磁駆動と同じである。マイクロステップ駆動では出力電流波形が矩形波から正弦波に変わるため、出力トルクが低下している。この分回転速度が遅くなるが、回転音が静かになる。被写体距離近傍までは二相励磁駆動で高速にレンズを送り、その後マイクロステップ駆動に切換えることで速やかにレンズを合焦位置に送れる。これによりシャッタのタイミングずれを防ぐことが可能である。

図４は、図１に示した駆動部６で行われるマイクロステップ駆動を示す波形図である。図示する様に、ＣＰＵ１０は駆動部６のデコーダ６１側に対し、シーケンスデータＤＡＴＡや制御信号ＭＯＤＥに加え、マイクロステップ駆動の基準となるクロック信号ＣＬＫを供給している。ＣＰＵ出力はこのクロック信号ＣＬＫを表している。駆動部６側のデコーダ６１は、ＣＰＵ１０から供給されるクロック信号ＣＬＫやＤＡＴＡ，ＭＯＤＥに基づき、デコーダ出力を生成する。このデコーダ出力は図示する様にマイクロステップ駆動で使われる電流波形の元になるものである。

デコーダ６１で生成されたデコーダ出力はパルスジェネレータ６２に送られる。このパルスジェネレータ６２には発振器（ＯＳＣ）６３からの出力も供給されている。パルスジェネレータ６２はデコーダ出力で規定される正弦波形に、このＯＳＣ出力を重畳することで、パルスジェネレータ出力ＯＵＴを得ている。図示する様に、このパルスジェネレータ出力ＯＵＴはほぼ正弦波形を有し、これに微細な矩形波パルス（ＯＳＣ出力）が重なっている。マイクロステップ駆動は、この様に正弦波に微細な矩形パルスが重なった電流波形を用いている。換言するとステッピングモータはＯＳＣ出力の周期に合わせて細かくステップ回転しており、マイクロステップ駆動と呼ばれる所以である。二相励磁駆動に比べマイクロステップ駆動はロータの位置制御精度が格段に高い。このマイクロステップ駆動とＣＣＤＡＦを組み合わせることで、非常に高い合焦精度を得ている。

パルスジェネレータ６２から出力されたマイクロステップ波形は、一対のＨブリッジ回路６４，６５に供給され、それぞれ対応する駆動電流ＯＵＴ〜ＯＵＴ４がステッピングモータ３側に印加される。図５は、Ｈブリッジ回路６４の具体的な構成例を示す回路図である。Ｈブリッジ回路６４は、基本的にブリッジ接続した４個のトランジスタＴ１ないしＴ４で構成されている。４個のトランジスタＴ１ないしＴ４からなるＨブリッジは電源ＶＢと接地ラインＧＮＤとの間に接続されている。トランジスタＴ１とＴ２の接続ノードが出力端子ＯＵＴ１となり、トランジスタＴ３とＴ４の接続ノードが出力端子ＯＵＴ２になる。一致の出力端子ＯＵＴ１とＯＵＴ２の間にステッピングモータのコイルが接続されている。各トランジスタＴ１ないしＴ４のベースに、パルスジェネレータ６２から出力されたマイクロステップ波形が印加される。これに応答して各トランジスタＴ１ないしＴ４が動作し、図３に示したマイクロステップ駆動用の駆動電流を出力する。４個のトランジスタＴ１ないしＴ４からなるＨブリッジと接地ラインＧＮＤとの間に電流センサ６７が挿入されている。本実施例ではこの電流センサ６７は負荷抵抗Ｒからなる。トランジスタＴ２のベースにはオペアンプ６６が接続されている。オペアンプ６６の負入力端子には電流検出抵抗６７から出力された電圧が印加されている。一方オペアンプ６６の正入力端子には所定の基準電圧Ｖｒｅｆが供給されている。オペアンプ６６は電源ラインＶＢから接地ラインＧＮＤに向かってコイルに流れる電流が一定となるように、トランジスタＴ２を定電流制御している。図示しないが、トランジスタＴ４のベースにも別のオペアンプが接続されている。

本発明にかかるデジタルカメラ用自動合焦装置の全体的な構成を示すブロック図である。 図１に示したデジタルカメラ用自動合焦装置の動作説明に供するフローチャートである。 同じく動作説明に供する波形図である。 同じく動作説明に供する波形図である。 図１に示したデジタルカメラ用自動合焦装置に含まれるＨブリッジ回路の一例を示す回路図である。

符号の説明

１・・・ＣＣＤ、２・・・ＡＦ用レンズ、３・・・ステッピングモータ、６・・・駆動部（ドライバＩＣ）、７・・・距離センサ、８・・・ＤＳＰ、１０・・・ＣＰＵ

Claims (1)

1. 被写体を撮像素子に結像するレンズをその光軸方向に駆動して、該レンズを合焦位置にセットするためのステッピングモータと、
   前記ステッピングモータを二相励磁駆動又はマイクロステップ駆動のいずれかで回転駆動する為の駆動部と、
   被写体までの距離を測定してその結果を表す測距データを出力する距離センサと、
   前記レンズの駆動中前記撮像素子から出力される被写体の画像データを逐次処理して、その結果から合焦点を検出する画像処理部と、
   該測距データに基づいて前記駆動部を制御し、前記ステッピングモータを二相励磁駆動して、前記レンズを該測距データが表す被写体距離に対応した位置まで送り、次に前記ステッピングモータをマイクロステップ駆動に切り替え、該合焦点が検出された位置で、前記ステッピングモータの駆動を停止する制御部とを有する
   デジタルカメラ用自動合焦装置。
   

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