JP2009047808A - 焦点調節装置、カメラ - Google Patents

Abstract

【課題】バックラッシュの影響を無くし、精度よく焦点調節を行う。
【解決手段】焦点調節装置は、結像光学系２の第１の焦点調節状態を結像光学系２の焦点調節位置に対応付けて検出する第１焦点検出手段１３、１４と、第１焦点検出手段１３、１４とは異なる方式で、結像光学系２の第２の焦点調節状態を焦点調節位置に対応付けて検出する第２焦点検出手段１２と、第１の焦点調節状態が合焦状態を示す時の焦点調節位置に対応する第２の焦点調節状態を目標の焦点調節状態として設定する目標設定手段１５と、第２焦点検出手段１２によって目標の焦点調節状態が検出されるように結像光学系２を焦点調節する焦点調節手段１６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、焦点調節装置と、焦点調節装置を備えたカメラに関する。

従来、撮影レンズの焦点調節状態を変化させながら撮像素子によって撮像された被写体像のコントラストを検出し、合焦位置（コントラストピーク）を通過した場合にピーク位置に撮影レンズを移動させるコントラスト検出方式のオートフォーカスが広く利用されている。（特許文献１参照）

特開２００３−２４１０７４号公報

このようなコントラスト検出方式のオートフォーカスでは、レンズをピーク位置に移動する際に、バックラッシュの影響により高精度に焦点調節が行えないという問題がある。

請求項１の発明による焦点調節装置は、結像光学系の第１の焦点調節状態を結像光学系の焦点調節位置に対応付けて検出する第１焦点検出手段と、第１焦点検出手段とは異なる方式で、結像光学系の第２の焦点調節状態を焦点調節位置に対応付けて検出する第２焦点検出手段と、第１の焦点調節状態が合焦状態を示す時の焦点調節位置に対応する第２の焦点調節状態を目標の焦点調節状態として設定する目標設定手段と、第２焦点検出手段によって目標の焦点調節状態が検出されるように結像光学系を焦点調節する焦点調節手段とを備える。
請求項２の発明は、請求項１に記載の焦点調節装置において、第１焦点検出手段と第２焦点検出手段は、いずれも結像光学系による像に基づいて第１の焦点調節状態と第２の焦点調節状態をそれぞれ検出するものである。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の焦点調節装置において、第１の焦点調節状態は、結像光学系による像のコントラストに基づく焦点評価値であり、第２の焦点調節状態は、結像光学系の射出瞳の異なる位置を通過する光束による一対の像のずれ量に基づくデフォーカス量である。
請求項４の発明は、請求項１〜３いずれか一項に記載の焦点調節装置において、焦点調節手段は、結像光学系の現在の焦点調節位置で得られる第２の焦点調節状態と目標の焦点調節状態とに基づくレンズ駆動量に応じて結像光学系を焦点調節するものである。
請求項５の発明によるカメラは、請求項１〜４いずれか一項に記載の焦点調節装置を備えたものである。
請求項６の発明は、請求項５に記載のカメラにおいて、結像光学系を介した光束を第１焦点検出手段と第２焦点検出手段にそれぞれ導くように分割する光分割手段をさらに備えるものである。

本発明によれば、バックラッシュの影響を無くし、精度よく焦点調節を行うことができる。

図１は、本発明の一実施の形態によるカメラの構成図である。図１に示すカメラは、カメラ本体１と、撮影光学系である撮影レンズ２とによって構成される。カメラ本体１は、ハーフミラー１１、焦点検出装置１２、撮像素子１３、信号処理部１４、制御部１５および焦点調節部１６を備える。撮影レンズ２は、焦点調節レンズを含む様々なレンズによって構成される。

ハーフミラー１１は、撮影レンズ２を介した光束を焦点検出装置１２と撮像素子１３にそれぞれ導くように分割する。ハーフミラー１１を透過した撮影レンズ２からの光束は、撮像素子１３へと導かれ、撮像素子１３上に被写体像を結像する。撮像素子１３は、こうして結像された被写体像を撮像して、撮像信号を信号処理部１４へ出力する。なお、撮像素子１３には、たとえばＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）方式のものや、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）などが用いられる。

信号処理部１４は、撮像素子１３から出力された撮像信号に対してアナログ−デジタル変換処理を行うことにより、その撮像信号を画像データに変換する。このとき、必要に応じて所定の画像処理を行ってもよい。こうして取得された画像データに基づいて、さらに信号処理部１４は、撮影レンズ２の焦点調節位置、すなわち撮影レンズ２における焦点調節レンズの位置に対応付けて、被写体像のコントラスト値を算出する。このコントラスト値は、撮影レンズ２の焦点調節状態に関する焦点評価値を表している。すなわち、撮像素子１３および信号処理部１４は、撮影レンズ２による像のコントラストに基づく焦点評価値を、撮影レンズ２の第１の焦点調節状態として検出する。信号処理部１４において取得された画像データおよびコントラスト値は、制御部１５へ出力される。

撮影レンズ２を介した光束のうち、ハーフミラー１１において反射された光束は、焦点検出装置１２へ入力される。焦点検出装置１２は、周知の瞳分割による位相差検出方式により、撮影レンズ２の焦点調節位置、すなわち撮影レンズ２における焦点調節レンズの位置に対応付けて、撮影レンズ２の焦点調節状態に関するデフォーカス量を検出する。すなわち、焦点検出装置１２は、撮影レンズ２の射出瞳の異なる領域を通過する光束による一対の像のずれ量に基づくデフォーカス量を、撮影レンズ２の第２の焦点調節状態として、前述の撮像素子１３および信号処理部１４とは異なる方式で検出する。焦点検出装置１２において算出されたデフォーカス量は、制御部１５へ出力される。

以上説明したように、撮像素子１３および信号処理部１４と、焦点検出装置１２とは、いずれも撮影レンズ２による像に基づいて、焦点評価値とデフォーカス量をそれぞれ検出する。したがって、撮影レンズ２の焦点調節位置を正確に反映した焦点評価値とデフォーカス量をそれぞれ検出することができる。

制御部１５は、信号処理部１４から出力された画像データを不図示の記録媒体に記録する。このように、撮像素子１３において得られた被写体からの光に基づく画像データを記録媒体に記録することで、被写体の撮影が行われる。さらに制御部１５は、焦点検出装置１２から出力されたデフォーカス量と、信号処理部１４から出力されたコントラスト値とに基づいて、オートフォーカス処理を実行する。このオートフォーカス処理を実行することにより、制御部１５は、撮影レンズ２における焦点調節レンズの駆動量を決定し、その駆動量に応じた駆動信号を焦点調節部１６へ出力する。なお、制御部１５が実行するオートフォーカス処理の具体的な内容については、後で詳しく説明する。

焦点調節部１６は、制御部１５から出力される駆動信号に基づいて、不図示の駆動機構を用いて撮影レンズ２の焦点調節レンズを駆動させる。これにより、撮影レンズ２の焦点調節位置が変化して焦点調節が行われ、被写体にピントが合わせられる。

カメラ本体１において不図示のレリーズボタンが撮影者によって半押し操作されると、制御部１０においてオートフォーカス処理が実行され、撮影レンズ２の焦点調節が行われる。このとき、撮影レンズ２の焦点調節位置を変化させながら、焦点検出装置１２においてデフォーカス量が検出されると共に、撮像素子１３から出力される撮像信号に基づいて、信号処理部１４においてコントラスト値が検出される。その後、レリーズボタンが全押し操作されると、ハーフミラー１１が撮影レンズ２の光路上から退避され、撮像素子１３において被写体像が撮像される。こうして撮像された被写体像が記録媒体に記録される。

次に、オートフォーカス処理の内容について説明する。オートフォーカス処理において、制御部１５は初めに、信号処理部１４から出力されたコントラスト値に基づいて、撮影レンズ２の焦点調節レンズの目標位置（目標レンズ位置）を設定する。次に、焦点検出装置１２から出力されたデフォーカス量に基づいて、設定された目標レンズ位置に対応するデフォーカス量（目標デフォーカス量）を求める。その後、撮影レンズ２の現在の焦点調節位置で得られるデフォーカス量と、求められた目標デフォーカス量とに基づいてレンズ駆動量を算出し、算出したレンズ駆動量に応じた駆動信号を焦点調節部１６へ出力する。こうして出力される駆動信号により、焦点調節部１６はレンズ駆動量の分だけ焦点調節レンズを駆動して、撮影レンズ２の焦点調節位置を変化させる。

上記のようにして焦点調節レンズが駆動されると、制御部１５は、焦点検出装置１２によって検出されるデフォーカス量をモニタし、目標デフォーカス量と比較する。検出されたデフォーカス量が目標デフォーカス量と一致しない場合は、その差分に応じたレンズ駆動量を求めて、駆動信号を焦点調節部１６へ出力する。この制御を目標デフォーカス量が得られるまで繰り返すことにより、撮影レンズ２の焦点調節が行われる。

通常のコントラスト検出方式によるオートフォーカスでは、駆動方向の変化時に生じるバックラッシュの影響により、焦点調節精度が低下する。しかし、以上説明したようなオートフォーカス処理を行うことで、目標デフォーカス量が得られるように焦点調節レンズが駆動されるため、バックラッシュの影響を受けることなく、高精度に撮影レンズ２の焦点調節を行うことができる。また、コントラスト値に基づいて設定された目標レンズ位置に基づいて目標デフォーカス量を求め、その目標デフォーカス量が得られるように焦点調節レンズが駆動されるため、通常の位相差検出方式によるオートフォーカスと比べて、高精度に撮影レンズ２の焦点調節を行うことができる。

ここで、コントラスト値に基づいて目標レンズ位置を設定すると共に、デフォーカス量に基づいて目標レンズ位置に対応する目標デフォーカス量を求める方法について、図２の具体例により説明する。図２に示すように、たとえば、焦点調節レンズの位置がレンズ位置Ｐ（ｎ）のときに、コントラスト値Ｃｏｎ（ｎ）およびデフォーカス量Ｄｅｆ（ｎ）が検出されたとする。また、レンズ位置Ｐ（ｎ＋１）でコントラスト値Ｃｏｎ（ｎ＋１）およびデフォーカス量Ｄｅｆ（ｎ＋１）が検出され、さらに、レンズ位置Ｐ（ｎ＋２）においてコントラスト値Ｃｏｎ（ｎ＋２）およびデフォーカス量Ｄｅｆ（ｎ＋２）が検出されたとする。

制御部１５は、信号処理部１４によりレンズ位置の変化に対して離散的に検出されたコントラスト値Ｃｏｎ（ｎ）、Ｃｏｎ（ｎ＋１）およびＣｏｎ（ｎ＋２）に基づいて、撮影レンズ２が合焦状態であることを示す最大コントラスト値Ｃｏｎ（ｍａｘ）を求める。このとき図２に示すように、検出されたコントラスト値の中で最もその値が高いコントラスト値Ｃｏｎ（ｎ＋１）を中心に、３点内挿によりコントラスト値が検出されなかった部分を補間してコントラスト値のピークを求める。このピークにおけるコントラスト値を最大コントラスト値Ｃｏｎ（ｍａｘ）とする。なお、ここでは、合わせて三つのコントラスト値Ｃｏｎ（ｎ）、Ｃｏｎ（ｎ＋１）およびＣｏｎ（ｎ＋２）に基づいて、合焦状態を示す最大コントラスト値Ｃｏｎ（ｍａｘ）を求めることとしたが、三つ以上のコントラスト値に基づいて最大コントラスト値を求めてもよい。

上記のようにして最大コントラスト値Ｃｏｎ（ｍａｘ）を求めたら、次に制御部１５は、それに対応するレンズ位置Ｐ（ｔ）を求める。このレンズ位置Ｐ（ｔ）を、焦点調節レンズの目標レンズ位置に設定する。制御部１５は、このようにして、検出されたコントラスト値Ｃｏｎ（ｎ）、Ｃｏｎ（ｎ＋１）およびＣｏｎ（ｎ＋２）に基づいて、目標レンズ位置Ｐ（ｔ）を設定する。

以上説明したように目標レンズ位置Ｐ（ｔ）を設定したら、次に制御部１５は、焦点検出装置１２によって離散的に検出されたデフォーカス量Ｄｅｆ（ｎ）、Ｄｅｆ（ｎ＋１）およびＤｅｆ（ｎ＋２）に基づいて、目標レンズ位置Ｐ（ｔ）に対応する目標デフォーカス量Ｄｅｆ（ｔ）を求める。このとき図２に示すように、デフォーカス量が検出されなかった部分を補間して目標デフォーカス量Ｄｅｆ（ｔ）を求める。このようにして、コントラスト値すなわち第１の焦点調節状態が合焦状態を示す時の焦点調節位置に対応するデフォーカス量すなわち第２の焦点調節状態を、目標の焦点調節状態として設定する。

上記のようにして求められた目標デフォーカス量Ｄｅｆ（ｔ）に基づいて、制御部１５はレンズ駆動量を算出し、そのレンズ駆動量に応じた駆動信号を焦点調節部１６へ出力する。なお、ここでは、合わせて三つのデフォーカス量Ｄｅｆ（ｎ）、Ｄｅｆ（ｎ＋１）およびＤｅｆ（ｎ＋２）に基づいて、目標デフォーカス量Ｄｅｆ（ｔ）を求めることとしたが、三つ以上のデフォーカス量に基づいて目標デフォーカス量を求めてもよい。

図３は、制御部１５において実行されるオートフォーカス処理のフローチャートを示している。ステップＳ１０において、制御部１５は、現在の焦点調節位置において信号処理部１４から出力されるコントラスト値を取得する。ステップＳ２０において、制御部１５は、現在の焦点調節位置において焦点検出装置１２から出力されるデフォーカス量を取得する。なお、このとき焦点調節レンズを移動させながらコントラスト値とデフォーカス量を取得してもよい。

ステップＳ３０において、制御部１５は、ステップＳ１０で取得したコントラスト値に基づいて、コントラスト値のピークを通過したか否かを判定する。コントラスト値のピークを通過した場合、すなわち、それまで増加していたコントラスト値が減少に転じた場合は、ステップＳ５０へ進む。一方、コントラスト値のピークをまだ通過していない場合は、ステップＳ４０へ進む。

ステップＳ４０において、制御部１５は、焦点調節部１６へ駆動信号を出力することにより、焦点調節レンズを移動させ、撮影レンズ２の焦点調節位置を所定量だけ変化させる。ステップＳ４０を実行したら、ステップＳ１０へ戻る。これにより、コントラスト値のピークを通過するまで、撮影レンズ２の焦点調節位置を変化させながら、コントラスト値およびデフォーカス量を取得する。

ステップＳ５０において、制御部１５は、それまでに実行されたステップＳ１０において取得されたコントラスト値に基づいて、前述したような方法により最大コントラスト値を算出する。これにより、図２の最大コントラスト値Ｃｏｎ（ｍａｘ）が求められる。

ステップＳ６０において、制御部１５は、ステップＳ５０で算出された最大コントラスト値に対応する目標レンズ位置を設定する。これにより、図２の目標レンズ位置Ｐ（ｔ）が設定される。

ステップＳ７０において、制御部１５は、それまでに実行されたステップＳ２０において取得されたデフォーカス量に基づいて、前述したような方法により、ステップＳ６０で設定された目標レンズ位置に対応する目標デフォーカス量を算出する。これにより、図２の目標デフォーカス量大Ｄｅｆ（ｔ）が求められる。

ステップＳ８０において、制御部１５は、ステップＳ７０で算出された目標デフォーカス量に応じて、焦点調節レンズを移動させる。このとき制御部１５は前述のように、撮影レンズ２の現在の焦点調節位置で得られるデフォーカス量と目標デフォーカス量とに基づいてレンズ駆動量を算出し、焦点調節部１６へ駆動信号を出力することにより、焦点調節レンズを移動させ、焦点調節位置を変化させる。

ステップＳ９０において、制御部１５は、焦点検出装置１２から出力されるデフォーカス量を取得する。ステップＳ１００において、制御部１５は、ステップＳ９０で取得されたデフォーカス量と、ステップＳ７０で算出された目標デフォーカス量とを比較し、目標デフォーカス量が取得されたか否かを判定する。目標デフォーカス量が取得されなかった場合はステップＳ８０へ戻ることにより、目標デフォーカス量が取得されるまで焦点調節レンズを移動させる。目標デフォーカス量が取得されたら、図３のフローチャートを終了する。このようにして、オートフォーカス処理が実行される。

以上説明した実施の形態によれば、次の作用効果を奏する。
（１）カメラ本体１は、撮像素子１３および信号処理部１４により、撮影レンズ２の第１の焦点調節状態、すなわち被写体像のコントラスト値に基づく焦点評価値を、撮影レンズ２の焦点調節位置に対応付けて検出する。また、焦点検出装置１２により、撮像素子１３および信号処理部１４とは異なる方式で、撮影レンズ２の第２の焦点調節状態、すなわちデフォーカス量を、撮影レンズ２の焦点調節位置に対応付けて検出する。そして、制御部１５により、第１の焦点調節状態が合焦状態を示す時の撮影レンズ２の焦点調節位置に対応する第２の焦点調節状態を目標の焦点調節状態として設定し（ステップＳ５０〜Ｓ７０）、焦点検出装置１２によって設定した目標の焦点調節状態が検出されるように、制御部１５および焦点調節部１６により焦点調節レンズを駆動させて、撮影レンズ２を焦点調節する（ステップＳ８０）こととした。このようにしたので、バックラッシュの影響を無くし、精度よく撮影レンズ２の焦点調節を行うことができる。

（２）撮像素子１３および信号処理部１４と、焦点検出装置１２とは、いずれも撮影レンズ２による像に基づいて第１の焦点調節状態と第２の焦点調節状態をそれぞれ検出することとした。このようにしたので、撮影レンズ２の焦点調節位置に対して第１の焦点調節状態と第２の焦点調節状態とを正確に対応付けて検出することができる。

（３）撮像素子１３および信号処理部１４は、第１の焦点調節状態として、撮影レンズ２による像のコントラストに基づく焦点評価値を検出する。また、焦点検出装置１２は、第２の焦点調節状態として、撮影レンズ２の射出瞳の異なる位置を通過する光束による一対の像のずれ量に基づくデフォーカス量を検出する。このような検出方法の組み合わせに適用することにより、各検出方法を効果的に制御することができる。

（４）制御部１５および焦点調節部１６は、ステップＳ８０において、撮影レンズ２の現在の焦点調節位置で得られる第２の焦点調節状態と目標の焦点調節状態とに基づくレンズ駆動量に応じて、撮影レンズ２の焦点調節位置を変化させることとした。このようにしたので、設定された目標の焦点調節状態が得られる位置へ正確に焦点調節レンズを焦点調節することができる。

（５）ハーフミラー１１により、撮影レンズ２を介した光束を撮像素子１３と焦点検出装置１２にそれぞれ導くように分割することとした。このようにしたので、同一の撮影レンズ２を通過した光束を用いて、撮像素子１３および信号処理部１４による第１の焦点調節状態の検出と、焦点検出装置１２による第２の焦点調節状態の検出とを同時に行うことができる。したがって、目標の焦点調節状態が容易に求められる。

なお、以上説明した実施の形態では、オートフォーカス処理を行うと共に被写体像を撮影するカメラ本体１として説明したが、オートフォーカス処理のみを行う焦点調節装置において本発明を適用してもよい。あるいは、このような焦点調節装置を備えるカメラとしてもよい。

また、以上説明した実施の形態では、焦点調節レンズが同じ焦点調節位置にあるときに、信号処理部１４によってコントラスト値を検出すると共に、焦点検出装置１２によってデフォーカス量を検出することとした。しかし、別々のレンズ位置においてコントラスト値とデフォーカス量をそれぞれ検出するようにしてもよい。すなわち、レンズ位置に対応付けてコントラスト値とデフォーカス量がそれぞれ検出されていれば、コントラスト値とデフォーカス量との対応付けができるため、同様に目標デフォーカス量を求めることができる。

さらに、以上説明した実施の形態では、最大コントラスト値に対応する目標レンズ位置を設定し、その目標レンズ位置に対応するデフォーカス量を目標デフォーカス量として設定することとしたが、必ずしもこのようにしなくてよい。たとえば、被写体の動きを予測し、その予測結果に基づいて、最大コントラスト値に対応するレンズ位置から被写体の動きに応じた分だけ離れたレンズ位置を目標レンズ位置とする。この目標レンズ位置に対応するデフォーカス量を目標デフォーカス量に設定してもよい。すなわち、第１の焦点調節状態が合焦状態を示す時以外の焦点調節位置に対応する第２の焦点調節状態を目標の焦点調節状態として設定することもできる。

また、位相差検出方式の焦点検出装置として、撮像素子と独立した焦点検出装置の例を示したが、撮像素子の撮像画素配列中に、結像光学系の瞳を分割して受光する光電変換部を有する焦点検出画素を混在させた構成の焦点検出装置に適用してもよい。

以上説明した実施の形態や変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様についても、本発明の範囲内に含まれる。

本発明の一実施の形態によるカメラの構成図である。 コントラスト値に基づいて目標レンズ位置を設定し、デフォーカス量に基づいて目標レンズ位置に対応する目標デフォーカス量を求める方法について説明するための具体例を示す図である。 オートフォーカス処理のフローチャートである。

符号の説明

１：カメラ本体、２：撮影レンズ、１１：ハーフミラー、１２：焦点検出装置、
１３：撮像素子、１４：信号処理部、１５：制御部、１６：焦点調節部

Claims (6)

1. 結像光学系の第１の焦点調節状態を前記結像光学系の焦点調節位置に対応付けて検出する第１焦点検出手段と、
   前記第１焦点検出手段とは異なる方式で、前記結像光学系の第２の焦点調節状態を前記焦点調節位置に対応付けて検出する第２焦点検出手段と、
   前記第１の焦点調節状態が合焦状態を示す時の前記焦点調節位置に対応する前記第２の焦点調節状態を目標の焦点調節状態として設定する目標設定手段と、
   前記第２焦点検出手段によって前記目標の焦点調節状態が検出されるように前記結像光学系を焦点調節する焦点調節手段とを備えることを特徴とする焦点調節装置。
2. 請求項１に記載の焦点調節装置において、
   前記第１焦点検出手段と前記第２焦点検出手段は、いずれも前記結像光学系による像に基づいて前記第１の焦点調節状態と前記第２の焦点調節状態をそれぞれ検出することを特徴とする焦点調節装置。
3. 請求項１または２に記載の焦点調節装置において、
   前記第１の焦点調節状態は、前記結像光学系による像のコントラストに基づく焦点評価値であり、
   前記第２の焦点調節状態は、前記結像光学系の射出瞳の異なる位置を通過する光束による一対の像のずれ量に基づくデフォーカス量であることを特徴とする焦点調節装置。
4. 請求項１〜３いずれか一項に記載の焦点調節装置において、
   前記焦点調節手段は、前記結像光学系の現在の焦点調節位置で得られる前記第２の焦点調節状態と前記目標の焦点調節状態とに基づくレンズ駆動量に応じて前記結像光学系を焦点調節することを特徴とする焦点調節装置。
5. 請求項１〜４いずれか一項に記載の焦点調節装置を備えたカメラ。
6. 請求項５に記載のカメラにおいて、
   前記結像光学系を介した光束を前記第１焦点検出手段と前記第２焦点検出手段にそれぞれ導くように分割する光分割手段をさらに備えることを特徴とするカメラ。

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