JP2010122497A - 自動焦点調節機能を有する光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 マクロ撮影時は、像倍率が高いため、撮影者の光軸方向の揺れが合焦精度に影響する。本発明はその揺れの影響を軽減する焦点検出装置を提供する。
【解決手段】 複数の時刻で取得したデフォーカス量から光学機器の光軸方向の揺れを推定する推定演算を行う推定ステップを有し、前記推定ステップでは、像倍率が所定値以上である場合、フーリエ変換を用いた推定演算を適用させることを特徴とする構成とした。
【選択図】 図５

Description

本発明は、自動焦点調節機能を有する光学機器に関するものである。

従来、カメラの自動焦点調節機能において、撮影レンズの異なる射出瞳領域を通過した被写体からの光束から、被写体のデフォーカス量を検出して、これに基づいて撮影レンズの駆動を行う自動焦点調節方法が広く知られている。

また、その自動焦点調節方法では、静止被写体だけでなく、移動する被写体にレンズ駆動を追従させるサーボモードを備えている。その追従方法としては過去に得た２点の被写体の像面位置とその検出時刻の差分から、所定時間後の像面位置を予測する方法がある。

従来例によれば、被写体の動きを、当該露光動作の直前の露光動作の前に得たデフォーカス量と、該直前の露光動作の後で且つ当該露光動作の前に得たデフォーカス量とに基づいて行っている。なお、推定演算の特性は、一定方向の被写体の移動に合ったものとしている。

特許文献１に記載の自動焦点調節機能では、前回の露光動作前に得た測距結果と今回の測距結果から被写体の動きを推定演算する。しかし特許文献１は推定演算の特性を、一定方向の被写体の移動に合ったものとしている。
登録特許２８４２２１７号公報

マクロ撮影時は、像倍率が高いため、撮影者の光軸方向の揺れがより大きく合焦精度に影響する。前記文献の開示例では、被写体の一方向の移動に焦点を合わせることはできるが、撮影者の光軸方向の揺れのように往復する場合には焦点を合わせることが困難である。

そこで、本発明の目的は、マクロ撮影時に撮影者の光軸方向の揺れを考慮した焦点検出装置を有するカメラシステムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の光学機器は、請求項１に記載の通り、被写体までのデフォーカス量を検出するデフォーカス量検出手段と、撮影レンズを駆動させるレンズ駆動手段と、前記レンズ駆動手段を制御するレンズ駆動制御手段と、前記デフォーカス量に基づいて前記レンズ駆動制御手段に前記レンズ駆動手段の駆動を指示する制御手段と、を有する光学機器において、前記制御手段は、複数の時刻で取得した前記デフォーカス量から前記光学機器の光軸方向の揺れを推定する推定演算を行う推定ステップを有し、前記推定ステップでは、像倍率が所定値以上である場合、フーリエ変換を用いた推定演算を適用させることを特徴とする。

本発明は、マクロ撮影時（像倍率が所定値以上の撮影時）にオートフォーカスの推定演算に三角関数による推定を用いることで、被写体の往復運動にも焦点を合わせることが可能となり、より適切な合焦を行うことができる。

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。

本実施例では本発明に利用できる光学機器として、相互に通信可能なカメラ本体とカメラ本体に着脱可能な交換レンズ（撮影レンズ）から構成されるカメラシステムを示す。カメラシステムのブロック図を図１に示す。１は本発明のカメラシステムにおけるカメラ本体、２は交換レンズである。カメラ本体１内には、電気回路部３があり、電気回路部３は測光部４、測距部５、シャッター制御部６、カメラ内ＣＰＵ８、通信手段９を含む。測光部４では交換レンズを通ってきた光の量が測定され、測距部５はでフォーカス量を検出するデフォーカス量検出手段である。シャッター制御部６は撮像面を適当な時間露光するためのシャッターの動きを制御し、カメラ内ＣＰＵ８はこれら全体の制御を行う。通信手段９は交換レンズとのシリアル通信を行う。

また、交換レンズ２内における、１１はフォーカスレンズ、１２は絞り、１４は電気回路部で、電気回路部１４はレンズ駆動制御部１８、絞り制御部２０、レンズ内ＣＰＵ１７、通信手段１６を含む。レンズ駆動制御部１８はレンズ駆動用モータ１９によってフォーカスレンズ１１の駆動制御を行う。絞り制御部２０は絞り駆動用モータ２１によって絞りの駆動制御を行う。レンズ内ＣＰＵ１７はこれらの制御部に指示を出し、交換レンズ２内全体の制御を行う。通信手段１６はカメラ本体１との間でシリアル通信を行う。２２は、測光部４、測距部５、カメラ内ＣＰＵ８、レンズ内ＣＰＵ１７等の制御系回路に電力を供給する制御系電源である。２３は、制御系電源２２の電圧、電力を検出する制御系電源検出部である。２４は、シャッター６、レンズ駆動制御部１８、絞り制御部２０等の駆動系回路に電力を供給する駆動系電源であり、２５は、駆動系電源２４の電圧、電力を検出する駆動系電源検出部である。２６は測光部４の動作を開始するスイッチＳＷ１、２７は測距部４の動作とシャッター６の開閉動作を開始するスイッチＳＷ２である。

図２は撮影者の光軸方向の揺れを説明する図である。図２（ａ）は、横軸を周波数、縦軸を撮影者の光軸方向の揺れの振幅としている。図２（ｂ）は、横軸は同じく周波数、縦軸をシャッター開口中の像面移動距離としている。

図２（ａ）を見ると１Ｈｚの振幅は１２５０μｍで、このときの像面移動速度は（１２５０×４）×１＝５．０００ｍｍ／ｓ、１０Ｈｚの振幅は１２５μｍで、このときの像面移動速度は（１２５×４）×１０＝５．０００ｍｍ／ｓとなる。すなわち撮影者の光軸方向の揺れは複数の周波数成分を有するも、その像面移動速度は周波数成分によらずほぼ一定の値をとっている。

ここでシャッター開口時間を１０ｍｓとすると、５．０００〔ｍｍ／ｓ〕×１０〔ｍｓ〕＝５０μｍ
一方、測距から露光（シャッター開口）までの時間は５０〜１００ｍｓかかり、その間に像面が移動する移動距離＝像面移動速度×（５０〜１００ｍｓ）となる。よって、２５０〜５００μｍとなる。

ｆ＝２．８、許容錯乱円＝２８μｍとすると、許容される像面の位置は７８μｍである。すなわち、シャッター開口中の像面移動距離は問題ないが、測距から露光までの像面移動距離は、合焦精度に悪影響を与える。

図３は横軸を時間とし、縦軸を撮影者の光軸方向の揺れによる像面移動距離としている。横軸上の↑は測距した時刻を示している。また、像面移動周期を１０Ｈｚ、シャッター開口時間は１０ｍｓとし、レンズ駆動状況を破線矢印で示している。本実施例では測距によって推定した揺れにレンズを追尾させるまでに６５ｍｓを有するとする。

本実施例では撮影者の光軸方向の揺れに起因する光学機器の光軸方向のずれ、すなわちピントずれを防ぐために、光学機器の光軸方向の位置の推定にフーリエ変換（フーリエ級数）を適用している。以下にその演算式を示す。

−ｔ０／２からｔ０／２における関数ｆ（ｔ）をフーリエ級数で近似し、デフォーカス量の時間変化Ｓｎ（ｔ）を求める。

とおくと（積分区間−ｔ０／２からｔ０／２）
ａ０＝２ｔ０∫ｆ（ｔ）ｄｔ
ａｋ＝２ｔ０∫ｆ（ｔ）ｃｏｓｋωｔｄｔ
ｂｋ＝２ｔ０∫ｆ（ｔ）ｓｉｎｋωｔｄｔ
として、示す事ができる。

上記演算式で得られるＳｎ（ｔ）を用いて、スイッチＳＷ１がＯＮされると、図３の破線の矢印に示すように６５ｍｓの時間をかけて、レンズを露光時間のＳｎ（ｔ）の値に合うように駆動する。このとき、光学機器の揺れが加味されレンズは合焦位置にいることになる。

ここで、被写体が暗く、測距部５の蓄積時間が長くなることにより測距時間間隔が長くなると、高周波（ｋ値の高い）の推定は誤差が大きくなるので、測距時間間隔により、演算するｋ値の最大値（ｎ値）を小さくする。

ＳＷ１からＳＷ２までの測距時間間隔が短いと、総測距時間が短くなり、低周波の値の推定は誤差が大きくなるので、総測距時間によりｋ値の開始値を高くする。

測距時間間隔が長くなり、総測距時間が短いと推定誤差が大きくなるので推定しない。この場合は、測距部５の測距結果に合わせて、推定しないでフォーカスレンズ１１を駆動する。

これらの状況を表に示すと次の通りとなる。ｋの値は例である。

次に、実施例１に係るカメラの動作について、図４のフローチャートを用いて説明する。

ステップ＃００１においてスイッチＳＷ１がオンされるとステップ＃００２へ進み、測光部４の出力に応じて測光を行う。そして、ステップ＃００３へ進み、測距部５の出力に応じて、焦点検出制御を行うルーチンを実行する。このルーチンについての詳細は図５のフローチャートを用いて後述する。焦点検出制御のルーチンが終了すると自動焦点調節に必要なレンズ駆動量をＣＰＵ８内の記憶手段に記憶しているので、次のステップ＃００４にて、通信手段９と通信手段１６を介して、レンズ内ＣＰＵ１７に、フォーカスレンズ１１を駆動する命令を送信する。

レンズ内ＣＰＵ１７は、レンズ駆動制御部１８を介しレンズ駆動用モータ１９を駆動することにより、フォーカスレンズ１１を駆動する。

次のステップ＃００５において、レンズ内ＣＰＵ１７の出力信号により、通信手段１６と通信手段９を介して、カメラ内ＣＰＵ８がレンズ駆動の完了を判定するとステップ＃００６へ進み、フォーカスレンズ１１が合焦に要した時間を測定する。これはカメラ内ＣＰＵ８がレンズ駆動開始時と終了時における内蔵タイマの値の差分をとることによって求められる。レンズ駆動時間の測定が終了するとステップ＃００７へ進み、スイッチＳＷ２がオンされているかを判定する。この判定の結果、スイッチＳＷ２がオンされていればステップ＃００８へ進み、以下の撮影のための一連の動作を行う。

ステップ＃００８にてメインミラーのアップ（ミラーアップ）を開始する。

ステップ＃００９にて、通信手段９と通信手段１６を介して、レンズ内ＣＰＵ１７に、絞り１２を駆動する命令を送信する。絞り駆動量は、前述のステップ＃００２で得られた測光値を基に決定する。レンズ内ＣＰＵ１７は、絞りの駆動制御を行うための絞り制御部２０を介し絞り駆動用モータ２１により絞り１２を駆動する。

ステップ＃０１０にてミラーアップと絞り駆動の完了を判定するとステップ＃０１１へ進み、ミラーアップと絞り駆動の双方に要した時間を、上記ステップ＃１０５のレンズ駆動時間の測定と同様の方法で測定する。ステップ＃０１２へ進み、公知のレリーズ動作を行う。

ステップ＃０１２を終了するか、もしくはステップ＃００７にてスイッチＳＷ２がオンされていないと判定した場合はステップ＃０１３へ進む。そこでスイッチＳＷ１がオンされているか判定し、該スイッチＳＷ１がオンされていればステップ＃００２へ戻り、以下スイッチＳＷ１がオフされるまで、前述と同様の動作を繰り返す。

次に、図５のフローチャートを用いて、図４のステップ＃００３の焦点検出制御の処理を説明する。

ステップ＃１０１からステップ＃１０２へ移り、測距部５の出力から、フォーカスレンズの位置と撮影動作を行うべきフォーカスレンズの像面位置との差であるデフォーカス量を、公知の位相差オートフォーカスの方式により演算する。

ステップ＃１０３にて像面位置とその検出時刻の算出を行う。測距部５内の光電変換手段は、像信号が得られるまでに電荷の蓄積時間を必要とするので、蓄積開始時刻と終了時刻の中点をデフォーカス量検出時刻とする。

フォーカスレンズの位置情報にこのデフォーカス量を加味することによって、被写体の像面位置を演算する（像面位置演算ステップ）。なお、被写体が暗く測距部５の蓄積時間が長くなることにより測距時間も長くなる。ステップ＃１０４において、複数の時刻において被写体の像面位置とその検出時刻の組のデータを順次取得し、記憶する（算出時刻取得ステップ）。これを像面データとする。

ステップ＃１０５において、レンズ内ＣＰＵ１７がレンズ駆動制御部１８の出力から、像倍率を演算する。その像倍率値を、通信手段１６と通信手段９を介して、カメラ内ＣＰＵ８に通信する。

ステップ＃１０６では、像倍率を判定する。像倍率が０．２以上であるとマクロ撮影であると判定し、ステップ♯１０７へ進み、０．２未満であればステップ♯１０８へ進む。なお、本実施例では像倍率の閾値として０．２を用いたが当然閾値の値はこれに限るものではない。

ステップ＃１０７では、ステップ＃１０４において複数の時刻で記憶した、被写体の像面位置とその検出時刻の組のデータから、総測距時間と測距時間間隔を算出し、判定する（総測距時間取得ステップ、測距時間間隔取得ステップ）。総測距時間が所定値以上（Ｔｄ１以上）かつ測距時間間隔が所定値以上（Δｔ１以上）であれば、ステップ＃１０９へ進み、マクロ撮影用推定を行う。所定値未満の場合はステップ＃１１０で公知である推定を実施しない演算を行う。

ステップ＃１０８では、ステップ＃１０７と同様に総測距時間と測距時間間隔を判定する。総測距時間が所定値以上（Ｔｄ２以上）かつ測距時間間隔が所定値以上（Δｔ２以上）であれば、ステップ＃１１１へ進み、一般撮影用推定を行う。所定値未満の場合は、ステップ＃１１０で公知である推定を実施しない演算を行う。

そしてステップ＃１１２で＃００３に戻る。

ここでＴｄ１とＴｄ２及びΔｔ１とΔｔ２の間には、特に大小関係を設定する必要はないが、一般撮影の方がマクロ撮影に比べて揺れによる影響が少ないため、Ｔｄ１＞Ｔｄ２及びΔｔ１＞Δｔ２と設定する方がよい。

次に図６のフローチャートを用いて、ステップ＃１０９で行われるマクロ撮影用推定の処理について説明する。

ステップ＃２０１からステップ＃２０２に進み、測距時間間隔が所定値以上（Δｔ３以上）であるか否かを判定する。Δｔ３以上である場合、ステップ＃２０３に進み、Δｔ３未満であればステップ＃２０４に進む。

ステップ＃２０３ではさらに総測距時間が所定値以上（Ｔｄ３以上）であるか否かを判定する。Ｔｄ３以上であればステップ＃２０５に進み、Ｔｄ３未満であればステップ＃２０６に進む。

ステップ＃２０５ではｋ値を１から５に設定し推定演算を行い（推定ステップ）、ステップ＃２０９に進む。ステップ＃２０６では推定を行わずに演算、レンズ駆動を行い、ステップ＃２１０に進む。ステップ＃２０７ではｋ値を１から１０に設定し推定演算を行い（推定ステップ）、ステップ＃２０９に進む。ステップ＃２０５ではｋ値を２から１０に設定し推定演算を行い（推定ステップ）、ステップ＃２０９に進む。ステップ＃２０９では各ステップの推定演算結果に基づいてレンズ駆動が行われる。

以上のように、本実施例では、マクロ撮影時（像倍率が所定値以上の撮影時）にオートフォーカスの推定演算に前述したフーリエ変換による推定を適用するにあたって、測距時間間隔、総測距時間に応じて演算する周波数域を変更する。これにより精度の高い推定を行うことができ、より適切な合焦を行うことができる。

実施例１において、シャッター開口時間を１０ｍｓとしていた。
ここで、被写体の光量により測光部４の出力が変更し、シャッター制御部６の開口時間が１０ｍｓから１００ｍｓになったとすると、
５〔ｍｍ／ｓ〕×１００〔ｍｓ〕＝５００μｍとなる。

このようにシャッター開口時間が大きくなると、シャッター開口中の像面移動距離は大きくなり問題となるため、シャッター開口中もフォーカスレンズを駆動する。そのため、予測精度を向上する必要がある。よって、それにあわせて予測の判定方法を変更する。

これらの状況を表に示すと次の通りとなる。境界としているシャッター開口時間やｋの値は例である。

なお、シャッター開口中のレンズの駆動は図７中の点線で示す。

この駆動は駆動速度を焦点位置の平均移動速度に合わせることにより可能となる。更に、焦点位置の移動方向が反転することを予測している場合は、途中で駆動方向を反転する。

次に、図８のフローチャートを用いて、本実施例におけるステップ＃１０９のマクロ撮影用推定の処理を説明する。

ステップ＃３０１よりステップ＃３０２へ進み、シャッター開口時間を判断する（シャッター開口時間取得ステップ）。
シャッター開口時間が大きい時、例えばシャッター開口時間が５０ｍｓ以上であると、シャッター開口中の像面移動距離は大きくなり問題となるため、シャッター開口中もフォーカスレンズを駆動する。そのため、予測精度を向上する必要があるので、ステップ＃３０３へ進み、ｋの値を１〜１０と増やす。

シャッター開口時間が小さい時、例えばシャッター開口時間が５０ｍｓ未満であると、シャッター開口中の像面移動距離は大きくないので、シャッター開口中はフォーカスレンズを駆動しない。そのため、予測精度を向上する必要はなく、ステップ＃３０４へ進み、ｋの値を１〜５とする。

ステップ＃３０５でステップ＃３０３又はステップ＃３０４のｋ値に合わせ演算し（推定ステップ）、その結果に沿ってステップ＃００４と同様に、レンズを駆動する。

以上のように、本実施例では、マクロ撮影時（像倍率が所定値以上の撮影時）にオートフォーカスの推定演算にフーリエ変換を用いた推定を適用するにあたって、シャッター開口時間に応じて演算する周波数域を変更する。これにより精度の高い推定を行うことができ、より適切な合焦を行うことができる。

実施例１において、絞り値ｆを２．８としていた。
ｆ＝２．８、許容錯乱円＝２８μｍとすると、許容される像面の位置は７８μｍである。

ここで、被写体の光量により測光部４の出力が変更し、絞り値をレンズ内ＣＰＵ１７、絞り制御部２０、絞り駆動用モータ２１を介し絞り１２を駆動する。例えば、ｆ＝１１とすると、許容される像面の位置は３０８μｍとなる。

絞り値ｆが大きくなると、許容される像面の位置が広くなり、推定精度を上げなくても、合焦した撮影結果を得ることが出来るので、それにあわせて予測の判定方法を変更する。

これらの状況を表に示すと次の通りとなる。境界としている絞り値やｋの値は例である。

図９のフローチャートを用いて、ステップ＃１０９のマクロ撮影用推定の処理を説明する。ステップ＃４０１よりステップ＃４０２へ進み、絞り値を判断する（絞り値取得ステップ）。絞り値が小さい（明るい）時、例えば絞り値が８未満であると、被写界深度が浅い。そのため、予測精度を向上する必要があるので、ステップ＃４０３へ進み、ｋの値を１〜１０と増やす。

絞り値が大きい（暗い）時、例えば絞り値が８以上であると、被写界深度が深い。そのため、予測精度を向上する必要はなく、ステップ＃４０４へ進み、ｋの値を１〜５とする。

ステップ＃４０５でステップ＃４０３又はステップ＃４０４のｋ値に合わせ演算し（推定ステップ）、その結果に沿ってステップ＃００４と同様に、レンズを駆動する。

以上のように、本実施例では、マクロ撮影時（像倍率が所定値以上の撮影時）にオートフォーカスの推定演算にフーリエ変換による推定を適用するにあたって、絞り値に応じて演算する周波数域を変更する。これにより精度の高い推定を行うことができ、より適切な合焦を行うことができる。

また上記３つの実施例においてそれぞれ測距時間間隔、総測距時間、シャッター開口時間、絞り値に応じて推定演算を行う周波数域を変更しているが、これらを適宜組み合わせて周波数域を変更すると更なる効果が期待できる。

本発明に利用できるカメラシステムのブロック図 撮影者の光軸方向の揺れとそれによる像面移動距離を説明する図 撮影者の光軸方向の揺れに追尾するレンズ駆動を説明する図 実施例１に係るカメラの動作のフローチャート 実施例１に係るカメラの焦点検出制御のフローチャート 実施例１に係る焦点検出のマクロ撮影用推定のフローチャート 撮影者の光軸方向の揺れに追尾するレンズ駆動を説明する図 実施例２に係る焦点検出のマクロ撮影用推定のフローチャート 実施例３に係る焦点検出のマクロ撮影用推定のフローチャート

符号の説明

１ カメラ本体
２ 交換レンズ
４ 測光部
５ 測距部
６ シャッター制御
９、１６ 通信手段
１１ フォーカスレンズ
１２ 絞り
１７ レンズ内ＣＰＵ１７
１８ レンズ駆動制御部
１９ レンズ駆動用モータ
２０ 絞り制御部
２１ 絞り駆動用モータ
２２ 制御系電源
２３ 制御系電源検出部
２４ 駆動系電源
２５ 駆動系電源検出部
２６ スイッチＳＷ１
２７ スイッチＳＷ２

Claims (8)

1. 被写体までのデフォーカス量を検出するデフォーカス量検出手段と、
   撮影レンズを駆動させるレンズ駆動手段を制御するレンズ駆動制御手段と、
   前記デフォーカス量に基づいて前記レンズ駆動制御手段に前記レンズ駆動手段の駆動を指示する制御手段と、を有する光学機器において、
   前記制御手段は、複数の時刻で取得した前記デフォーカス量から前記光学機器の光軸方向の揺れを推定する推定演算を行う推定ステップを有し、
   前記推定ステップでは、像倍率が所定値以上である場合、フーリエ変換を用いた推定演算を適用させることを特徴とする光学機器。
2. 前記制御手段は、前記デフォーカス量と前記撮影レンズの位置情報から像面位置を演算する像面位置演算ステップと、
   前記像面位置演算ステップによって像面位置が算出された時刻を取得する算出時刻取得ステップと、
   前記揺れの推定に用いる複数の前記像面位置と前記像面位置が算出された時刻の組のデータを取得するために要した総測距時間を取得する総測距時間取得ステップとを有し、
   前記推定ステップでは、前記総測距時間が所定値以上である場合、前記総測距時間が所定値未満である場合に比べてより低周波の周波数成分まで用いて前記フーリエ変換を行うことを特徴とする請求項１に記載の光学機器。
3. 前記制御手段は、前記デフォーカス量と前記撮影レンズの位置情報から像面位置を演算する像面位置演算ステップと、
   前記像面位置演算ステップによって像面位置が算出された時刻を取得する算出時刻取得ステップと、
   前記揺れの推定に用いる複数の前記像面位置が算出された時刻の間隔である測距時間間隔を取得する測距時間間隔取得ステップとを有し、
   前記推定ステップでは、前記測距時間間隔が所定値未満である場合、前記測距時間間隔が所定値以上である場合に比べてより高周波の周波数成分まで用いて前記フーリエ変換を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の光学機器。
4. 被写体の光量を検出する測光手段を有し、
   前記制御手段は、前記測光手段からシャッターを開口させるシャッター開口時間を取得するシャッター開口時間取得ステップを有し、
   前記推定ステップでは、前記シャッター開口時間が所定値以上である場合、前記シャッター開口時間が所定値未満である場合に比べてより高周波の周波数成分まで用いて前記フーリエ変換を行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の光学機器。
5. 前記制御手段は、絞り値取得ステップを有し、
   前記推定ステップでは、前記絞り値が所定値以上である場合、前記絞り値が所定値未満である場合に比べてより高周波の周波数成分まで用いて前記フーリエ変換を行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の光学機器。
6. 前記光学機器は、カメラ本体に着脱可能な交換レンズであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の光学機器。
7. 前記光学機器は、交換レンズを着脱可能であるカメラ本体であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の光学機器。
8. 前記光学機器は、カメラ本体と、カメラ本体に着脱可能な交換レンズとで構成されるカメラシステムであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の光学機器。

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