JP4159557B2 - 電子スチルカメラ - Google Patents

Description

本発明はＣＣＤ、ＣＭＯＳ等の固体撮像素子を用いた電子スチルカメラに関し、特にその自動合焦（オートフォーカス）に関する。

固体撮像素子を用いた電子スチルカメラでは、撮像レンズと撮像素子間の焦点距離を調整し、撮像素子で結像される被写体像のボケを無くすよう自動的に調整を行う合焦機構が装備されている。合焦の方式としては、赤外線方式、位相差検出方式などがコンパクトカメラ、一眼レフカメラなどで主に用いられているが、機構的な制約条件がある。そのため電子スチルカメラではコントラスト方式と呼ばれる方法が主に用いられている。これは撮像素子を測距センサとして用い、撮像レンズの移動可能範囲を無限遠撮影側から至近距離撮影側、もしくはその逆に、撮像レンズをある間隔で移動させ、撮像レンズを停止させた位置において撮像素子により取得された映像信号を処理し、高周波成分が最大となる位置を焦点としてその位置に撮像レンズの移動を行う方式であり、撮像素子、撮像レンズ以外に別個の測距機構が不要であるため広く用いられている。そのような技術の一例が下記の特許文献１に記載されている。

特開平９−４３５０７号公報

しかしながら従来の方法では、撮像レンズの移動と撮像素子による映像信号の生成のための電荷蓄積に要する時間を交互に繰り返す必要があるが、撮像レンズの移動と電荷蓄積に２内部垂直期間が必要となり、合焦までに長時間を要するという問題がある。

本発明は、
撮像レンズを通して入射する被写体光を光電変換し、電荷蓄積を行なって映像信号を生成する撮像素子と、
前記撮像レンズを光軸に平行に移動させる駆動手段と、
前記映像信号の解析及び前記撮像レンズの移動を繰り返して前記撮像レンズの合焦位置を検出する合焦制御手段と、
前記光電変換による映像信号の生成のための電荷蓄積に要する時間及び前記撮像レンズの移動に要する時間の和が、内部垂直期間のｎ倍（ｎは整数）以下であれば、前記撮像レンズの移動を前記内部垂直期間のｎ倍ごとに行わせ、
前記光電変換による映像信号の生成のための電荷蓄積に要する時間及び前記撮像レンズの移動に要する時間の和が、内部垂直期間のｎ倍（ｎは整数）よりも大きければ、前記撮像レンズの移動を前記内部垂直期間の２ｎ倍ごとに行わせる制御手段と
を備えた電子スチルカメラを提供する。

本発明によれば、合焦までに要する時間を短縮することができる。

以下本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。以下に説明する実施の形態においては、電子カメラは、スチルカメラである。
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１の電子スチルカメラの構成を示すブロック図である。図１に示される電子スチルカメラは、撮像レンズ１２と、レンズ駆動部１３と、シャッタ１４と、撮像部１６と、画像信号処理部１８と、一次記憶部２０と、インターフェース部２２と、表示部２６と、操作部２８と、制御部３０と、レンズ駆動部１３とを有する。

撮像レンズ１２は、被写体光を撮像部１６に決像させるためのものであり、撮像レンズ１２と撮像部１６の間には、被写体光の撮像部１６への入射をオン／オフするためのシャッタ１４が設けられている。
レンズ駆動部１３は、撮像レンズ１２を光軸上で光軸に平行に移動させるためのものであり、ボイスコイルなどを用いたリニアアクチュエータで構成される。

シャッター１４は、撮像のための電荷蓄積の間、開かれ、それ以外のときは閉じられている。
撮像部１６は、被写体光を光電変換し、電荷蓄積を行って映像信号を生成して出力するものであり、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどの２次元固体撮像素子と、撮像素子を駆動するための回路などから構成される。
画像信号処理部１８は、本撮像により撮像部１６から出力された映像信号に対して、様々なデジタル信号処理を行って、映像データを生成するとともに、合焦処理時には、合焦のための撮像（試験撮像）により得られる映像信号の解析、高周波成分の大きさの検出などを行う。

一時記憶部２０は、ＤＲＡＭなどで構成されたものであり、画像信号処理部１８で処理された映像信号を記憶する。
インターフェース部２２は、スロットを含み、該スロットに挿抜可能な外部フラッシュメモリ等で構成される記録媒体２４への映像データの書き込み、該記録媒体２４からの映像データの読出しを行う回路を備える。
表示部２６は、ＬＣＤなどの表示素子を含むもので、ビューファインダーとして用いられたり、記録した映像の再生に用いられたりする。

操作部２８は、ユーザが操作入力を行うためのプッシュボタンや、タッチパネル等で構成される。操作部２８には、カメラ起動ボタン２８ａ、自動合焦（ＡＦ）ボタン２８ｂ、シャッターボタン２８ｃが含まれる。なお、シャッターボタン２８ｃが半押しされると自動合焦が行われる場合には、この半押し状態に応動するスイッチが自動合焦ボタンに相当する。
制御部３０は、操作部２８からの操作信号や、画像処理部１８におけるデジタル信号処理結果に基き、撮像レンズ１２を移動させるためのレンズ駆動部１３の制御、撮像部１６における電荷蓄積や映像信号の出力（読出し）の制御、一時記憶部２０への映像データの書き込み、読出し、記録媒体２４への映像データの書き込み、読出しの制御、表示部２６における表示（表示開始、表示切替え、表示停止）の制御を行う。

制御部３０は、合焦制御部３４と、露出量制御３２と、全体制御部３６とを含む。なお、これはともに、ソフトウエアにより、即ちプログラムされたコンピュータにより構成され得る。

以下、合焦制御の際の制御部３０の動作を、図３を参照して説明する。
まず、操作部２８のカメラ起動ボタン２８ａが押下されると（１０２）、全体制御部３６、撮像部１６及び画像信号処理部１８を起動させ、表示部２６に表示切替えを行わせ、さらに露出量制御部３２に露出量制御を行わせる（１０４）。
表示切替えの結果、撮像レンズ１２を通して入射され、撮像部１６で生成された映像信号が画像信号処理部１８で処理され、逐次更新されて、表示部２６で表示が行われる。このとき、表示部２６は、電子ビューファインダーとして用いられる。
一方、露出量制御部３２は、画像信号処理部１８で検知された、撮像部１６から出力される映像信号のレベルに基いて電荷蓄積時間を制御する。例えば、撮像部１６から出力される映像信号のレベルが低いときは電荷蓄積時間を長くし、撮像部１６から出力される映像信号のレベルが高いときは電荷蓄積時間を短くする。

その後操作部２８においてＡＦボタン２８ｂが押下されると（１０６）、全体制御部３６は合焦制御部３４に対し合焦点制御の開始要求を行う（１０８)。
即ち、全体制御部３６は、ＡＦボタン２８ｂの押下を検出すると、画像信号処理部１８及び撮像部１６に対して露出量の変更を禁じる制御（ＡＥロックの制御）を行い、電荷蓄積時間ｔを固定させる。
次いで、合焦制御部３４に対して電荷蓄積時間ｔを通知する。

合焦制御部３４は、レンズ駆動部１３に対して、撮像レンズ１２を撮像レンズ移動可能範囲の一端（無限遠撮影側もしくは至近距離撮影側）へ移動するように制御を行い、ＡＦボタン２８ｂが押下された時の電荷蓄積時間から試験撮像回数Ｌを算出する（１１０）。
試験撮像回数Ｌとは、合焦のために許容される時間（合焦要求時間）（Ｔ）内で繰り返し得る電荷蓄積及び撮像レンズの移動の回数を意味する。試験撮像回数Ｌを求める手順については、後に図４を参照して詳述する。

試験撮像回数Ｌを求めた後、ＡＦ試験撮像を行う（１１２）。即ち、シャッター１４を開いて撮像部１６でステップ１０４で定めた露出量によって決まる電荷蓄積時間だけ電荷蓄積を行って、映像信号を出力する。
次に、試験撮像で得た画像（ＡＦ用画像）を信号処理してＡＦ評価値を求める（１１４）。即ち、撮像部１６から出力された映像信号を画像信号処理部１８で処理してＡＦ評価値を求める。ＡＦ評価値としては、高周波成分の最大値が用いられる。この場合、撮像画面内の特定の領域、例えば画面の中央部における高周波成分の最大値をＡＦ評価値としても良い。
図２に、試験撮像位置Ｐ１乃至Ｐ１１を横軸にとったときの、ＡＦ評価値の変化の一例を示す。

次に、求められたＡＦ評価値をそのときの撮像レンズの位置（試験撮像位置）に関連付けて記憶する（１１６）。
次に、レンズ可動範囲内のすべての試験撮像位置において上記ステップ１１２乃至１１６の処理が行われたどうか、即ち、すべての試験撮像位置についてＡＦ評価値が求められたかの判定を行い（１１８）、まだであれば（ステップ１１８でＮＯ）、次に試験撮像位置にレンズを上記の所定距離ｄだけ、上記一端から他端に向けて移動させ（１２０）、ステップ１１２に戻る。
ステップ１１８ですべての試験撮像位置についてＡＦ評価値が求められたとの判定がなされたら（ステップ１１８でＹＥＳ）、求められたすべてのＡＦ評価値に基いて合焦位置を特定する（１２２）。例えば、最も大きいＡＦ評価値を与えた試験撮像位置(図２に示す例では、位置Ｐ６）を合焦位置と判定する。
次に合焦位置に撮像レンズを移動させる（１２４）。
そして、これにより合焦完了として処理を終了する（１２６）。
この後、本撮像が行われる。

図３のステップ１１０における、試験撮像回数Ｌの算出する処理の詳細が図４に示されている。
合焦制御部３４はまず、露出量制御部３２から電荷蓄積時間ｔ（電荷蓄積時間ｔを表わすデータ）を取得し（２０２）、

次に、Ｎ×内部垂直期間（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｄｒｉｖｉｎｇ：ＶＤ期間）ｖが電荷蓄積時間ｔを下回らないような最小の整数Ｎを求める（２０４）。
即ち、
Ｎ×ｖがｔ以上であって、
（Ｎ−１）×ｖがｔ未満であるような整数Ｎを求める。
これは、言い換えると、
ｔ÷ｖが割り切れるときは、 Ｎ＝ｔ÷ｖ
ｔ÷ｖが割り切れないときは、 Ｎ＝[ｔ÷ｖ]＋１
（但し、[ｔ÷ｖ]はｔ÷ｖの整数部分）
と言う演算を行うことを意味する。
なお、ここで言う内部垂直期間（ＶＤ期間）は、カメラ内部の期間であり、カメラ内部から外部への１フレームの映像信号の出力周期（一般的な垂直期間）とは異なる。すなわち、内部垂直期間とは、撮像部１６から画像信号処理部１８へ入る画像データのための同期信号で、図示しないタイミングジェネレータにより生成される一定周期の信号で、画像信号処理部１８から一時記憶部２０、表示部２６、制御部３０へ出力される画像の垂直同期信号とは異なり、垂直同期信号の周期は、内部垂直期間の整数倍となる。

次に、合焦のための許容される時間（合焦要求時間）Ｔ内で、繰り返し得る試験撮像の回数Ｌを求める（２０６）。
Ｌ＝Ｔ÷（Ｎ×ｖ）
なお、合焦要求時間Ｔはシステム設計時に設定された固定値であっても良く、撮影時の状況（被写体の輝度、フレームレートなど）よって、可変（例えば、複数の値から選択されるもの）であっても良い。

次に、撮像レンズの可動範囲の端点から端点（例えば、無限遠撮影側から至近距離撮影側）の全域を撮像レンズ１２が移動するために要する時間（レンズ移動時間）ｍについて、下記の判定式（１）
ｍ≦Ｎ×ｖ−ｔ …（１）
が成立するかどうかの判定を行う（２０８）。
なお、撮像レンズの可動範囲をＬ回に分けて移動するので、１回当たりの移動距離は、可動範囲の１／（Ｌ−１）であるが、（１）式の計算を行う時点では後述のように、Ｌ回に分けて行うことになるか、（Ｌ／２）回に分けて行われることになるかが不明であるので、１回当たりのレンズ移動時間の代わりに、撮像レンズの可動範囲の端点から端点までの移動時間ｍを用いて、（１）式の計算を行う。

判定式（１）が成立する場合には、
撮像レンズの移動をＮ×ｖの期間ごとに行うこととし、電荷蓄積及び撮像レンズの移動を繰り返す回数Ｃを
Ｃ＝Ｌとする（２１０）。
一方判定式（１）が成立しない場合には、
撮像レンズの移動を２×Ｎ×ｖの期間ごとに行うこととし、電荷蓄積及び撮像レンズの移動を繰り返す回数Ｃを
Ｃ＝Ｌ／２とする（２１２）。

図５は電荷蓄積及び撮像レンズの移動の回数ＣがＬに等しいときの、電荷蓄積及び撮像レンズの移動のタイミングを示す図である。
図において３０１は内部垂直同期信号を示しており、ＶＤが１内部垂直期間を示している。３０ｆｐｓ（ｆｒａｍｅｓ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ）で撮像系システム全体が動作している場合、１ＶＤ＝３３．３ｍｓとなる。３０２は電荷蓄積期間を示し、３０３は撮像レンズが移動を行っている期間を示している。

本図において電荷蓄積期間３０２は、２個の内部垂直期間ＶＤにまたがっており（即ち上記Ｎが２であり）、前述の３０ｆｐｓでシステムが動作している場合、表示部２６の画面は１５ｆｐｓの速度で更新することが可能である。

図５のタイミングチャートにおいて、レンズ移動期間３０３が、２倍の内部垂直期間と電荷蓄積期間３０２の差分内に収まっており、電荷蓄積を行っているときは撮像レンズが移動しないように制御を行うことが可能で、レンズ移動が電荷蓄積に影響を与えないようにすることが示されている。即ち、上記の判定式（１）において、Ｎ＝２を代入した式、
ｍ≦２×ｖ−ｔ
が満たされ、試験撮像は（２×ｖ）の期間ごとに行われる。

図６は上記判定式（１）が成立しない場合の電荷蓄積及び撮像レンズの移動のタイミングを示す図である。
図示のように、撮像レンズの移動は２×２×ｖ（Ｎ＝２）の期間ごとに行われる。そして、電荷蓄積は、符号３０２ａ、３０２ｂで示すように、２×ｖごとに行われるものの、撮像レンズの移動３０３と重なる電荷蓄積３０２ａの結果得られる信号は、ＡＦ試験撮像画像としては用いず、撮像レンズの移動３０３と重ならない電荷蓄積３０２ｂの結果得られる信号を、ＡＦ試験撮像画像として用いる。

電荷蓄積と撮像レンズの移動が同時に行われると、電荷蓄積中にレンズが移動（つまりシャッターを開けた状態でレンズが移動）するため、電荷蓄積（３０２ａ）の結果得られる映像信号にノイズが乗り、正確な合焦判定の妨げとなるが、図６に示すように、電荷蓄積と撮像レンズの移動が重ならない電荷蓄積３０２ｂの結果得られる映像信号を用いることで、正確な合焦判定を行うことができる。

一方、撮像レンズの移動を、個々の撮影条件における電荷蓄積時間に拘わらず、十分長い間隔をおいて（例えば図６のように内部垂直期間の４倍の周期で）行うこととすれば、映像信号にノイズが乗るのを防ぐことができる一方、合焦までに要する時間が撮影条件によらず長いものとなるという不都合がある。

本実施の形態によれば、撮影条件に応じて変わる電荷蓄積時間に基いて、撮像レンズの移動の間隔を、図５に示すように、或いは図６に示すように切替えることとしているので、合焦要求時間Ｔ内で繰り返し得る電荷蓄積及び映像信号の取得の回数を最大とすることができ、撮影条件に応じて合焦をより正確に行うことができる。

実施の形態２．
上記の実施の形態１では、上記の判定式（１）が成立しない場合には、図６に示すように、撮像レンズの移動を２×Ｎ×ｖ、例えば２×２×ｖの期間ごとに行っているが、代わりに図７に示すように撮像レンズの移動をＮ×ｖ、例えば２×ｖの期間ごとに行うこととし、撮像レンズの移動３０３と重なる電荷蓄積時間３０２ａにおける電荷蓄積の結果得られた映像信号を、合焦点が含まれる範囲を特定する処理（粗調整）のために用い、該範囲の特定の後、上記のようにして特定された範囲内で、撮像レンズの移動に重ならない電荷蓄積（３０２ｂ）の結果得られる映像信号を用いるようにし、これにより合焦点を特定する処理（微調整）を行うこととしても良い。

このように粗調整段階で、Ｎ×ｖの期間ごとに撮像レンズの移動を行うので、全体として合焦点の特定までの時間を短くすることができる。

この場合、例えば、合焦のために許容される時間（合焦要求時間）Ｔの一部αＴ（０＜α＜１）を粗調整に用い、残りの時間（１−α）Ｔを微調整のために用いる。
例えば、電荷蓄積時間が、１内部垂直期間以下であるものの、レンズ移動時間と電荷蓄積時間の和が１ｖを超え、２ｖ以下の場合、レンズ移動と重なるようにして電荷蓄積の処理を行う粗調整を行い得る回数は、合焦要求時間Ｔ内のＶＤ期間の数Ａと同じである。一方、レンズ駆動と電荷蓄積を同時には行わない微調整段階では、少なくとも３回レンズ移動を行う必要があり、１回当たり２個のＶＤ期間が必要であるので、
（Ａ−３×２）＝（Ａ−６）
個のＶＤ期間を粗調整のための期間とし、この間に（Ａ−６）回のレンズ移動及び電荷蓄積による粗調整を行う。図８には、Ａが１４であり、（Ａ−６）が８である場合を示す。

同図で、Ｐ１及びＰ８は、レンズ可動範囲の第１及び第２の端部であり、ｄｐは、１回当たりのレンズ移動量であり、Ｐ２乃至Ｐ７は、粗調整段階における、一つのレンズ移動と次のレンズ移動の間のレンズ停止位置である。Ｐ２乃至Ｐ７と、Ｐ１及びＰ８とが、粗調整段階における試験撮像位置である。
また、Ｐ９、Ｐ１０、Ｐ１１は微調整段階における試験撮像位置である。
各微調整段階におけるレンズの移動距離ｄｑは、粗調整段階におけるレンズの移動距離ｄｐの１／２である。

図示の例では、粗調整段階においては、位置Ｐ６が、最も合焦点に近いとの判断がされ、位置Ｐ６と同じ位置Ｐ１０（同じ位置であるが、粗調整段階と微調整段階とで異なる符号で表す）と、その前後の位置Ｐ９及びＰ１１とで、微調整のための撮像が行われる。
位置Ｐ１０と位置Ｐ６は同じであるが、粗調整段階では、位置Ｐ６においても、レンズ移動と一部重なる電荷蓄積により得られた映像信号を用いているので、微調整段階では再度位置Ｐ１０で電荷蓄積を行う必要がある。

本発明の実施の形態１における電子スチルカメラの信号処理および制御系を示すブロック図である。 試験撮像位置とＡＦ評価値の関係の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１における合焦制御を示すフローチャートである。 実施の形態１における撮像レンズの移動の間隔を決定するための処理を示すフローチャートである。 実施の形態１における電荷蓄積と撮像レンズの移動のタイミングを示すタイミングチャートである。 実施の形態１における電荷蓄積と撮像レンズの移動のタイミングを示すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態２の粗調整段階における電荷蓄積と撮像レンズの移動のタイミングを示すタイミングチャートである。 実施の形態２の粗調整段階と微調整段階との、試験撮像位置を示す図である。

符号の説明

１２ 撮像レンズ、 １３ レンズ駆動部、 １４ シャッタ、 １６ 撮像部、 画像信号処理部、 １８ 画像信号処理部、 ２０ 一時記憶部、 ２２ インターフェース部
２６ 表示部、 ２８ 操作部、 ３０ 制御部、 ３２ 露出量制御部、 ３４ 合焦制御部、 ３６ 全体制御部。

Claims (4)

1. 撮像レンズを通して入射する被写体光を光電変換し、電荷蓄積を行なって映像信号を生成する撮像素子と、
   前記撮像レンズを光軸に平行に移動させる駆動手段と、
   前記映像信号の解析及び前記撮像レンズの移動を繰り返して前記撮像レンズの合焦位置を検出する合焦制御手段と、
   前記光電変換による映像信号の生成のための電荷蓄積に要する時間及び前記撮像レンズの移動に要する時間の和が、内部垂直期間のｎ倍（ｎは整数）以下であれば、前記撮像レンズの移動を前記内部垂直期間のｎ倍ごとに行わせ、
   前記光電変換による映像信号の生成のための電荷蓄積に要する時間及び前記撮像レンズの移動に要する時間の和が、内部垂直期間のｎ倍（ｎは整数）よりも大きければ、前記撮像レンズの移動を前記内部垂直期間の２ｎ倍ごとに行わせる制御手段と
   を備えた電子スチルカメラ。
2. 前記光電変換による映像信号の生成のための電荷蓄積に要する時間及び前記撮像レンズの移動に要する時間の和が、内部垂直期間のｎ倍（ｎは整数）よりも大きければ、前記撮像レンズの移動を前記内部垂直期間の２ｎ倍ごとに行わせ、前記撮像レンズが移動していない状態で前記電荷蓄積を行わせることを特徴とする請求項１に記載の電子スチルカメラ。
3. 前記光電変換による映像信号の生成のための電荷蓄積に要する時間及び前記撮像レンズの移動に要する時間の和が、内部垂直期間のｎ倍（ｎは整数）よりも大きい場合には、
   前記撮像レンズの移動を前記内部垂直期間のｎ倍ごとに行わせ合焦位置を含む範囲を特定するための粗調整を行わせ、
   前記粗調整の後、前記撮像レンズの移動を前記電荷蓄積と重ならないように、かつ前記祖調整により特定された範囲内で行わせることにより合焦位置の特定を行わせる
   ことを特徴とする請求項１に記載の電子スチルカメラ。
4. 前記制御手段は、前記撮像素子から出力される映像信号に基いて前記電荷蓄積のための時間を決定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電子スチルカメラ。

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