JP2010160311A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被写体が暗い場合でも高速な合焦動作を行うことができる撮像装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の撮像装置は、被写体の画像信号を出力する撮像手段１０２と、合焦動作期間において、前記画像信号のゲインを調整するゲイン調整手段１０３と、前記画像信号の読出フレームレートを変更するフレームレート調整手段１０４ｃと、前記フレームレート調整手段が読出フレームレートを高くしたときに、前記ゲイン調整手段１０３にゲインを高くするよう指示する制御手段１０４ａと、を備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮像装置の合焦動作に関するものであり、より詳しくは、被写体が暗いときでも高速な合焦動作を可能にする技術に関するものである。

近年、デジタルカメラの普及が著しい。写真撮影の初級者向け小型デジタルカメラでは、使用者の技量によらず、一定程度の品質の写真を撮影できることが望ましい。そのため、合焦は自動で行われるのが通常であり、シャッタチャンスを逃さないために、合焦動作期間を極力短縮する必要がある。

小型デジタルカメラは、光学ファインダを持たないものも多く、合焦動作期間も背面の液晶表示部で被写体を視認し続けることになる。そのため、合焦動作期間も表示部に被写体の画像を違和感なく表示する必要がある。

自動合焦動作の方式は、大きくアクティブ方式とパッシブ方式に分けられる。アクティブ方式は、被写体に赤外線や超音波を照射して、その反射により被写体までの距離を測定する方式であり、小型銀塩カメラに多く採用されている。

一方、パッシブ方式は、光学系で捕らえた画像に基づいて測距を行う方式であり、さらに、位相差検出方式とコントラスト検出方式に分けられる。位相差検出方式は、銀塩、デジタルを問わず、一眼レフカメラに多く採用されている。一方、小型デジタルカメラの多くは、コントラスト検出方式を採用している。

コントラスト検出方式では、光学系内のフォーカスレンズを徐々に移動させながら、得られた画像のコントラストが極大になるフォーカスレンズの位置を合焦位置とする。コントラストは、得られた画像の高周波成分に基づいて評価するのが一般的である。

高周波成分の評価は、フレームごとに行われるので、合焦動作期間を短縮するためには、撮像素子の読出フレームレートを上げる必要がある。しかし、撮像素子の読出フレームレートを上げると露光時間が短くなる。そのため、表示部の表示が暗くなるとともにコントラスト検出方式による自動合焦動作が不安定になる。

上記課題に関連したデジタルカメラが提案されている（特許文献１参照）。特許文献１に記載のデジタルカメラは、被写体の輝度が第１の閾値以上のときは撮像素子の読出フレームレートを高くし、被写体の輝度が第２の閾値以下のときは撮像素子の読出フレームレートを低くする。

これによって、被写体が明るいときは高い読出フレームレートによって高速な合焦動作を行い、被写体が暗いときは低い読出フレームレートによって露光時間を長く取ることができる。
特開２００３−２６２７８８号公報

しかし、特許文献１に記載のデジタルカメラでは、被写体が暗いときには高速に合焦動作を行うことができない。

本発明は、上記課題を解決し、被写体が暗い場合でも高速な合焦動作を行うことができる撮像装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の撮像装置は、被写体の画像信号を出力する撮像手段と、合焦動作期間において、前記画像信号のゲインを調整するゲイン調整手段と、前記画像信号の読出フレームレートを変更するフレームレート調整手段と、前記フレームレート調整手段が読出フレームレートを高くしたときに、前記ゲイン調整手段にゲインを高くするよう指示する制御手段と、を備えたことを特徴とする。読出フレームレートが高くなることによる露光時間の不足を画像信号のゲインを高くすることによって補うので、高速な合焦動作を行なうことができる。また、表示部の表示が暗くなることもないので、表示部の表示の品位を保つことができる。

また、前記制御手段は、被写体の明るさに応じて前記ゲイン調整手段にゲインを高くするよう指示する、ことを特徴とする。被写体の明るさに応じてゲインを高くするので、必要以上にゲインを高くしてS／Nの劣化が生じる問題を防ぐことができる。

以上のように、本発明によれば、読出フレームレートが高くなることによる露光時間の不足を画像信号のゲインを高くすることによって補うので、高速な合焦動作を行なうことができる。

（１．構成）
図１は、本発明の一実施例であるデジタルカメラのブロック図である。光学系１０１は、被写体の像をＣＣＤ１０２上に結像する。光学系１０１は、複数のレンズ群（図示せず）で構成されており、フォーカスレンズ１０１ａを含む。フォーカスレンズ１０１ａは、レンズ群を保持する鏡筒内を光軸１０１ｂ方向に移動することによって、被写体の像をＣＣＤ１０２上に合焦させる。

ＣＣＤ１０２は、結像した被写体の画像信号を出力する。ＡＦＥ（Ａｎａｌｏｇ Ｆｒｏｎｔ Ｅｎｄ）１０３は、アナログ信号であるＣＣＤ１０２の出力画像信号をデジタル信号である画像データに変換して、バス１０９を経由してＳＤＲＡＭ１０５に格納する。ＡＦＥ１０３は、画像信号のノイズ成分を除去するＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ）回路、画像信号の大きさを調整するＡＧＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）アンプ、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ（いずれも図示せず）などを含むＬＳＩである。

信号処理ＬＳＩ１０４は、ＣＰＵ１０４ａ、信号処理部１０４ｂ、フレームレート制御部１０４ｃ、合焦制御部１０４ｄで構成されている。ＣＰＵ１０４ａは、信号処理ＬＳＩ１０４内のＲＯＭ（図示せず）に記録された命令によって、信号処理ＬＳＩ１０４全体の制御を行う。信号処理部１０４ｂは、ＡＦＥ１０３によってＳＤＲＡＭ１０５に格納された画像データをＬＣＤ１０７での表示に適した表示データに変換してＬＣＤ１０７に出力する。

ＣＰＵ１０４ａは、ＡＦＥ１０３に対して、ＡＦＥ１０３内のＡＧＣアンプのゲインをどの程度にするかの指示を送る。なお、図1では、ＣＰＵ１０４ａからＡＦＥ１０３へ指示を送るための信号線を省略している。

シャッタ釦１０８の半押しによって合焦動作期間が開始され、全押しによって撮影が行われる。信号処理部１０４ｂは、ＳＤＲＡＭ１０５に格納された画像データが、シャッタ釦１０８の全押しによって撮影された画像データである場合は、記録データに変換してメモリカード１０６に記録する。メモリカード１０６に記録された記録データは、信号処理部１０４ｂによって表示データに変換されてＬＣＤ１０７に表示される。

シャッタ釦１０８の半押しによって合焦動作期間が開始されると、信号処理部１０４ｂは、ＳＤＲＡＭ１０５に格納された画像データの高周波成分の強度を求める。画像データの高周波成分は、フーリエ変換、ディスクリートコサイン変換、ウェーブレット変換などによって、画像データを空間周波数データに変換することで得られる。

合焦制御部１０４ｄは、モータ駆動ＩＣ１１１に駆動信号を送って、フォーカスレンズ１０１ａを無限遠側または最至近側へ微小距離移動させる。再度、信号処理部１０４ｂが、ＳＤＲＡＭ１０５に格納された画像データの高周波成分の強度を求める。以上の動作を繰り返して、フォーカスレンズ１０１ａを画像データの高周波成分の強度が極大になる合焦位置に移動させる。合焦動作期間において、信号処理部１０４ｂは、ＡＦＥ１０３によってＳＤＲＡＭ１０５に格納された画像データをＬＣＤ１０７での表示に適した表示データに変換してＬＣＤ１０７に表示する。したがって、使用者は、合焦動作期間においても、ＬＣＤ１０７によって被写体を視認することができる。

フレームレート制御部１０４ｃは、ＣＣＤ１０２の読出フレームレートを変更する機能を有する。露出計１１２は、被写体の明るさを検出して、ＣＰＵ１０４ａに報知する。ＣＰＵ１０４ａは、フレームレート制御部１０４ｃに対して、ＣＣＤ１０２の読出フレームレートをどの程度にするかの指示を送る。フレームレート制御部１０４ｃは、ＣＣＤ駆動ＩＣ１１０に駆動信号を送って、ＣＣＤ１０２の読出フレームレートを変更する。

なお、ＣＣＤ１０２は、本発明の撮像手段の一例である。ＡＦＥ１０３内のＡＧＣアンプは、本発明のゲイン調整手段の一例である。フレームレート制御部１０４ｃとＣＣＤ駆動ＩＣ１１０は、本発明のフレームレート調整手段の一例である。ＣＰＵ１０４ａは、本発明の制御手段の一例である。

本発明の一実施例であるデジタルカメラにおいては、露出計１１２によって被写体の明るさを検出することとしたが、これに限らない。信号処理部１０４ｂが、画像データに含まれる輝度成分に基づいて被写体の明るさを検出することとしてもよい。また、ＡＦＥ１０３内のＡＧＣアンプは、ＣＭＯＳイメージセンサーなどのＭＯＳ型撮像素子に内蔵される構成であっても構わない。

ＡＦＥ１０３と信号処理ＬＳＩ１０４は、単一のＬＳＩであってもよい。フレームレート制御部１０４ｃは、信号処理部１０４ｂに含まれていてもよいし、ＣＰＵ１０４ａがフレームレート制御部１０４ｃの機能を実現してもよい。
（２．動作）
（２．１ 合焦動作）
図２は、合焦動作の処理の一例を示すフローチャートである。シャッタ釦１０８の半押しによって、合焦動作が開始される（Ｓ２０１でＹの場合）。合焦動作期間も、ＣＣＤ１０２は読出フレームレートに基づいて画像信号を出力し、ＡＦＥ１０３は画像データをＳＤＲＡＭ１０５に更新格納している。

現在の画像データの高周波成分の強度を求める（Ｓ２０２）。フォーカスレンズ１０１ａを無限遠側に微小距離移動させて（Ｓ２０３）、再度、画像データの高周波成分の強度を求める（Ｓ２０４）。フォーカスレンズ１０１ａ移動後の強度が移動前の強度よりも大きい場合は（Ｓ２０５でＮの場合）、Ｓ２０３、Ｓ２０４を繰り返す。

一方、フォーカスレンズ１０１ａ移動後の強度が移動前の強度よりも小さい場合は（Ｓ２０５でＹの場合）、フォーカスレンズ１０１ａを最至近側に微小距離移動させて（Ｓ２０６）、再度、画像データの高周波成分の強度を求める（Ｓ２０７）。フォーカスレンズ１０１ａ移動後の強度が移動前の強度よりも大きい場合は（Ｓ２０８でＮの場合）、Ｓ２０６、Ｓ２０７を繰り返す。

フォーカスレンズ１０１ａ移動後の強度が移動前の強度よりも小さくなると（Ｓ２０８でＹの場合）、一度、フォーカスレンズ１０１ａを無限遠側に微小距離移動させて（Ｓ２０９）、処理を終了する。以上のようにして、画像データの高周波成分の強度が極大になるフォーカスレンズ１０１ａの合焦位置を求める。
（２．２ ゲイン調整）
図３は、ゲイン調整の概念を示す波形図である。横軸は、時間であり、縦軸は、電圧である。実線Ａは、ＡＦＥ１０３内のＡＧＣアンプへの入力画像信号であり、破線Ｂは、ＡＦＥ１０３内のＡＧＣアンプの出力画像信号である。ＣＰＵ１０４ａは、ＡＦＥ１０３に対して、ＡＦＥ１０３内のＡＧＣアンプのゲインをどの程度にするかの指示を送る。ＡＦＥ１０３内のＡＧＣアンプのゲインを高くすると、ＡＦＥ１０３内のＡＧＣアンプの出力画像信号は、一点鎖線Ｃのように大きくなる。
（２．３ 通常動作期間から合焦動作期間への遷移）
図４は、通常動作期間から合焦動作期間への遷移を示すタイミングチャートである。通常動作期間とは、フレームごとにＣＣＤ１０２が出力した画像信号をＡＦＥ１０３が画像データとしてＳＤＲＡＭ１０５に格納し、ＳＤＲＡＭ１０５に格納された画像データを信号処理部１０４ｂがＬＣＤ１０７での表示に適した表示データに変換してＬＣＤ１０７に出力している期間である。通常動作期間において、使用者は、ＬＣＤ１０７を視認しながら構図を決定することができる。一方、合焦動作期間とは、使用者がシャッタ釦１０８を半押ししたことをトリガーとして、前記２．１に記載の合焦動作を行なう期間である。

フレーム１の途中でシャッタ釦１０８が半押しされたものとする。フレーム１からフレーム３は通常動作期間、フレーム４からフレーム７は合焦動作期間である。通常動作期間では、ＣＣＤ１０２の読出フレームレートは３０ｆｐｓ（ｆｌａｍｅ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ）であるが、合焦動作期間では、合焦を高速に行うために、読出フレームレートを６０ｆｐｓに上げる。フレーム７以降（図示せず）も、合焦動作が完了するまで合焦動作期間が継続する。

読出フレームレートの設定は垂直同期期間、即ち、図４において、読出フレームレート設定の右に斜線で示した期間に行われ、次フレームから有効になる。フレーム１とフレーム２では、３０ｆｐｓを設定しているが、フレーム３では、フレーム４以降６０ｆｐｓにするために、６０ｆｐｓの設定を行っている。フレーム４以降も引き続き６０ｆｐｓの設定を行っている。

読出フレームレート設定の下段には、ＣＣＤ１０２から出力された画像信号、即ち、ＡＦＥ１０３内のＡＧＣアンプへの入力画像信号とＡＦＥ１０３内のＡＧＣアンプの出力画像信号を模式的に示している。

通常動作期間であるフレーム１からフレーム３では、ＡＦＥ１０３内のＡＧＣアンプへの入力画像信号を実線で、ＡＦＥ１０３内のＡＧＣアンプの出力信号を破線で、それぞれ示している。

合焦動作期間であるフレーム４からフレーム７では、読出フレームレートが６０ｆｐｓになることによって、露光時間が十分に取れない。特に、被写体が暗い場合には、画像信号から得られる画像データの大きさが小さくなるので、合焦動作が不安定になる。

そこで、ＣＰＵ１０４ａは、ＡＦＥ１０３に対して、ＡＦＥ１０３内のＡＧＣアンプのゲインを高くするよう指示を送る。合焦動作期間であるフレーム４からフレーム７では、通常動作期間であるフレーム１からフレーム３に比べて、ＣＣＤ１０２から出力された画像信号、即ち、ＡＦＥ１０３内のＡＧＣアンプへの入力画像信号（実線）そのものが小さくなる。したがって、ＡＦＥ１０３内のＡＧＣアンプへの入力画像信号（実線）そのものが小さくなっても、通常動作期間であるフレーム１からフレーム３のＡＦＥ１０３内のＡＧＣアンプの出力画像信号と同等の大きさの出力画像信号が得られるようＡＦＥ１０３内のＡＧＣアンプのゲインを高くする。このようにして得られたＡＦＥ１０３内のＡＧＣアンプの出力画像信号を一点鎖線で示している。

画像信号の模式図の下段には、信号処理部１０４ｂが画像データを表示データに変換する信号処理のタイミングを縦線で示している。一般にＣＣＤ１０２の画素数は、一千万前後であるのに対して、ＬＣＤ１０７の画素数は、数十万にとどまる。そのため、被写体の画像をＬＣＤ１０７に表示する場合は、通常動作期間、合焦動作期間に係わらず、ＹＣ分離と縮小処理を行って表示データを生成する。

表示データの生成は、画像データが格納された次のフレームで行われる。即ち、フレーム２では、フレーム１で格納された画像データを表示データに変換する。フレーム３では、フレーム２で格納された画像データを表示データに変換する。フレーム４では、フレーム３で格納された画像データを表示データに変換する。フレーム５では、ＡＦＥ１０３内のＡＧＣアンプのゲインを高めて得られた画像信号に基づく、フレーム４で格納された画像データを表示データに変換する。

このように、読出フレームレートが高くなることによる露光時間の不足を画像信号のゲインを高くすることによって補うので、合焦動作が不安定になることがなく、高速な合焦動作を行なうことができる。また、ＬＣＤ１０７の表示が合焦動作期間に入ると同時に暗くなるということもないので、ＬＣＤ１０７の表示の品位を保つことができる。
（２．４ 合焦動作期間から通常動作期間への遷移）
図５は、合焦動作期間から通常動作期間への遷移を示すタイミングチャートである。フレーム１０で合焦が確認されたものとする。フレーム１１では、使用者に合焦が完了したことを画面右上の丸印とシステム音で報知する（フレーム１１の表示データ参照）。画面右上の丸印は、使用者がシャッタ釦１０８の半押しを解除するか、全押しに移行して撮影を行うまで表示する。

フレーム８からフレーム１１は合焦動作期間、フレーム１２からフレーム１４は通常動作期間である。合焦動作期間では、ＣＣＤ１０２の読出フレームレートは６０ｆｐｓであるが、通常動作期間では、３０ｆｐｓに下げる。

読出フレームレートの設定は垂直同期期間、即ち、読出フレームレート設定の右に斜線で示した期間に行われ、次フレームから有効になる。フレーム８からフレーム１０では、６０ｆｐｓを設定しているが、フレーム１０で合焦が確認できたので、フレーム１１では、フレーム１２以降３０ｆｐｓにするために、３０ｆｐｓの設定を行っている。フレーム１２以降も引き続き３０ｆｐｓの設定を行っている。

読出フレームレート設定の下段には、図４と同様に、ＣＣＤ１０２から出力された画像信号、即ち、ＡＦＥ１０３内のＡＧＣアンプへの入力画像信号とＡＦＥ１０３内のＡＧＣアンプの出力画像信号を模式的に示している。

合焦動作期間であるフレーム８からフレーム１１では、図４におけるフレーム４からフレーム７と同様に、ＡＦＥ１０３内のＡＧＣアンプのゲインを高くする。通常動作期間であるフレーム１２からフレーム１４では、図４におけるフレーム１からフレーム３と同様に、ＡＦＥ１０３内のＡＧＣアンプのゲインを低くする。

画像信号の模式図の下段には、信号処理部１０４ｂが画像データを表示データに変換する信号処理のタイミングを縦線で示している。表示データの生成は、画像データが格納された次のフレームで行われる。例えば、フレーム１２では、ＡＦＥ１０３内のＡＧＣアンプのゲインを高めて得られた画像信号に基づく、フレーム１１で格納された画像データを表示データに変換する。

なお、フレーム８とフレーム９では、表示データの人物の外形を二重線とすることで、合焦が完了していないことを示している。一方、フレーム１０からフレーム１４では、表示データの人物の外形を実線とすることで、合焦が完了していることを示している。
（４．まとめ）
以上のように、本発明の一実施例であるデジタルカメラでは、読出フレームレートが高くなることによる露光時間の不足を画像信号のゲインを高くすることによって補うので、合焦動作が不安定になることがなく、高速な合焦動作を行なうことができるという優れた効果を奏する。また、ＬＣＤ１０７の表示が合焦動作期間に入ると同時に暗くなるということもないので、ＬＣＤ１０７の表示の品位を保つことができる。
（５．その他）
（５．１ 読出フレームレート）
本発明の一実施例であるデジタルカメラでは、合焦動作期間の直前のフレームの読出フレームレートは通常動作期間の読出フレームレートと同じとしたが、合焦動作期間の直前のフレームの読出フレームレートを通常動作期間の読出フレームレートよりも高く、合焦動作期間の読出フレームレートよりも低くしてもよい。これによって、通常動作期間から合焦動作期間に遷移する場合に、読出フレームレートが極端に変化せず、被写体の画像をより滑らかに連続表示することができる。

このとき、ＡＦＥ１０３内のＡＧＣアンプのゲインは、通常動作期間のゲインをＧｎ、合焦動作期間の直前のフレームのゲインをＧｔ、合焦動作期間のゲインをＧｆとすると、Ｇｎ＜Ｇｔ＜Ｇｆとなるように制御すればよい。なお、合焦動作期間の直前のフレームだけではなく、合焦動作期間の前の数フレームを用いて、読出フレームレートとＡＦＥ１０３内のＡＧＣアンプのゲインが連続的に変わるようにしてもよい。このようにすれば、被写体の画像をさらに滑らかに連続表示することができる。
（５．２ 被写体の明るさ）
本発明の一実施例であるデジタルカメラでは、合焦動作期間においても、通常動作期間のＡＦＥ１０３内のＡＧＣアンプの出力画像信号と同等の大きさの出力画像信号が得られるようＡＦＥ１０３内のＡＧＣアンプのゲインを高くするよう制御したがこれに限らない。

露出計１１２または画像データに含まれる輝度成分に基づいて検出された被写体の明るさを用いて、被写体が暗い場合は、通常動作期間のＡＦＥ１０３内のＡＧＣアンプの出力画像信号よりも大きい出力画像信号が得られるようにＡＦＥ１０３内のＡＧＣアンプのゲインをさらに高くするよう制御してもよい。これによって、もともと暗い被写体に対して、読出フレームレートが高くなることによる露光時間のさらなる不足を画像信号のゲインをさらに高くすることによって補うので、合焦動作が不安定になることがなく、高速な合焦動作を行なうことができる。

また、被写体がそれほど暗くない場合は、画像信号のゲインを合焦動作が可能な限度において高くすることによって、必要以上にゲインを高くしてS／Nの劣化が生じる問題を防ぐことができる。さらに、合焦動作中においても、露出計１１２または画像データに含まれる輝度成分に基づいて検出された被写体の明るさを用いて、画像信号のゲインを動的に制御してもよい。
（５．３ 表示フレームレート）
ＬＣＤ１０７の表示フレームレートは、ＣＣＤ１０２の読出フレームレートと同じでもよいし、ＣＣＤ１０２の読出フレームレートが変わっても、通常動作期間と合焦動作期間を通して同じ表示フレームレートでもよい。前者の場合は、合焦動作期間において、被写体の画像をより滑らかに連続表示することができる。後者の場合は、合焦動作期間でも表示フレームレートが変化せず、表示フレームレートが変わることによる違和感の発生を回避することができる。

本発明によれば、読出フレームレートが高くなることによる露光時間の不足を画像信号のゲインを高くすることによって補うので、表示手段を視認しながら合焦動作を行うデジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、カメラ付き携帯電話などの撮像機器に適用して有用である。

本発明の一実施例であるデジタルカメラのブロック図 合焦動作の処理の一例を示すフローチャート ゲイン調整の概念を示す波形図 通常動作期間から合焦動作期間への遷移を示すタイミングチャート 合焦動作期間から通常動作期間への遷移を示すタイミングチャート

１０１ 光学系
１０１ａ フォーカスレンズ
１０２ ＣＣＤ
１０３ ＡＦＥ
１０４ 信号処理ＬＳＩ
１０４ａ ＣＰＵ
１０４ｂ 信号処理部
１０４ｃ フレームレート制御部
１０４ｄ 合焦制御部
１０５ ＳＤＲＡＭ
１０６ メモリカード
１０７ ＬＣＤ
１０８ シャッタ釦
１０９ バス
１１０ ＣＣＤ駆動ＩＣ
１１１ モータ駆動ＩＣ
１１２ 露出計

Claims (2)

1. 被写体の画像信号を出力する撮像手段と、
   前記画像信号のゲインを調整するゲイン調整手段と、
   合焦動作期間において、前記画像信号の読出フレームレートを変更するフレームレート調整手段と、
   前記フレームレート調整手段が読出フレームレートを高くしたときに、前記ゲイン調整手段にゲインを高くするよう指示する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする撮像装置。
2. 前記制御手段は、
   被写体の明るさに応じて前記ゲイン調整手段にゲインを高くするよう指示する、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の撮像装置。

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