JP4946337B2 - オートフォーカス装置およびカメラ - Google Patents

Description

本発明は、カメラ等に設けられるオートフォーカス装置およびカメラに関し、合焦精度の向上を図るものである。

コントラスト方式のＡＦ（オートフォーカス）制御を行うカメラが知られている。コントラスト方式では、被写体をＣＣＤ等の撮像素子で撮像して画像信号を取得し、そのうち所定のＡＦエリア内の信号から所定空間周波数帯域の成分を取り出し、その絶対値を積分することで焦点評価値を演算する。この焦点評価値は、焦点検出エリアのコントラストに応じた量であり、コントラストが高いほどその値が高くなる。像のコントラストは、合焦レンズが合焦位置に近いほど高くなるから、上記焦点評価値がピークとなるレンズ位置を合焦位置と判断することができ、そのピーク位置を見つけて合焦レンズを駆動することで、ＡＦエリア内の被写体に精度よく合焦させることができる。

上記のようなコントラストＡＦを絞り開放で行うようにしたカメラが知られている（例えば、特許文献１参照）。これは、被写界深度が最も浅い状態（絞り開放状態）で焦点評価値演算用の画像データを取得することで、ピーク位置の検出を容易にし、以てピント精度を高めるというものである。

特開２００４−２８００４８号公報

しかしながら、実際はレンズの球面収差の影響により、絞り開放時と絞り込み時とで最良像面位置は一致せず、絞り込みによって最良像面位置は変化する。このため、絞り開放時のデータに基づくＡＦは、絞り開放か絞り込み量が少ないときの撮影には有効であるが、大きく絞り込んで撮影する場合は、上記最良像面のずれによるピント誤差が生ずる。

本発明は、撮影レンズおよび絞りを通過した光束を受光して焦点調節状態を検出し、その検出結果に基づいて自動焦点調節を行うオートフォーカス装置、およびこのオートフォーカス装置を有するカメラに適用され、焦点調節状態を検出するにあたって設定する焦点検出絞り値を、撮影絞り値および被写体の輝度に基づいて決定する決定部を有し、決定部は、被写体の輝度が所定値以上のときは、焦点検出絞り値を撮影絞り値と一致させ、被写体の輝度が所定値未満のときは、焦点検出絞り値を撮影絞り値と一致させるか、撮影絞り値よりも開放側の値とするかを撮影絞り値に応じて決定することを特徴とする。

本発明によれば、絞り込みによる最良像面位置移動の影響を最小限に止めると同時に、光量不足による焦点検出の信頼性低下も抑制でき、以て高精度のオートフォーカス制御を実現できる。

図１〜図５により本発明の一実施の形態を説明する。
図１は本実施形態におけるデジタルスチルカメラの機能ブロック図である。撮影光学系３０は、絞り３１および合焦レンズ３２を含み、その透過光束はＣＣＤ等の撮像素子２に導かれる。撮像素子２の光電変換出力は、画像信号としてアナログ信号処理部３に入力され、ここで相関二重サンプリング処理（ＣＤＳ処理）等の処理が行われる。アナログ信号処理部３で処理された画像信号は、Ａ／Ｄ変換器４によりデジタル信号に変換された後、一旦バッファメモリ１２に記憶される。

バッファメモリ１２に記憶されたデータは、デジタル信号処理部５に読み出され、ここで輪郭補償やガンマ補正などの種々の画像処理が施される。デジタル処理後のデータは、再びバッファメモリ１２に記憶された後、記録・再生信号処理部１４を介してメモリカード等の外部記憶媒体１５に記録される。

表示装置８は、画像表示が可能な液晶モニタ等から成る。画像表示に際しては、バッファメモリ１２に記憶された画像データをモニタ処理部６に読み出し、表示用にリサイズした画像をＤ／Ａ変換器７でアナログ映像信号に変換し、そのアナログ映像信号を用いて表示装置８に表示する。

フォーカスモータ１０は、ＣＰＵ９の指示に応じて撮影光学系３０の合焦レンズ３２を駆動して焦点調節を行う。露出制御部１１は、ＣＰＵ９の指示に応じて絞り３１や不図示のシャッタを駆動して露出制御を行う。

操作部材１３は、カメラの電源をオン・オフするための電源スイッチ、レリーズボタンの半押し操作でオンする半押しスイッチ、レリーズボタンの全押し操作でオンする全押しスイッチ、レリーズボタンとは別に設けられたＡＦ−ＯＮボタン、その他のボタンに連動する複数のスイッチを含む。ＣＰＵ９は、これらのスイッチの状態によって各ボタンの操作の有無を検知する。

本実施形態におけるＡＦ制御について説明する。
撮影画面には、予め１箇所または複数箇所にＡＦエリアが設定されており、そのＡＦエリアの画像信号に基づいて、コントラスト方式のＡＦ制御を行う。コントラスト法は、像のボケの程度とコントラストとの間に相関があることに着目し、焦点が合ったときに像のコントラストが最大になることを利用して焦点合わせを行うものである。コントラストの大小は画像信号の高周波成分の大小により評価することができるので、ＣＰＵ９は、撮像によって得られた画像信号から所定帯域の高周波成分を抽出し、抽出した高周波成分の絶対値をＡＦエリアごとに積分し、これを焦点評価値とする。

焦点評価値は、像のコントラスト、換言すれば合焦レンズ３２の焦点調節状態に応じて変化する量であり、合焦してコントラストが最大となったときに最大値（ピーク値）となる。そこで、焦点評価値がピークとなるレンズ位置を求め、その位置に合焦レンズ３２をもたらすことで、ＡＦエリア内の被写体に合焦させることができる。以下、焦点評価値がピークとなるレンズ位置を求める動作をＡＦサーチと呼ぶ。

ＡＦサーチの手法としては、例えば山登り方式が知られている。山登り方式では、合焦レンズ３２を移動させながら所定のサンプリングピッチごとに焦点評価値を演算し、演算のたびにその焦点評価値を前回サンプリング時の同評価値（記憶値）と比較する。今回の評価値が前回の評価値よりも増加していれば、ピークに近づいていることになるので、同方向に合焦レンズ３２を移動させつつサンプリングを続ける。今回の評価値が前回の評価値よりも減少していれば、ピークから遠ざかっていることになるので、逆方向に合焦レンズ３２を移動させつつサンプリングを続ける。かかる動作を繰り返すことで、最終的にピーク位置（山の頂上）に合焦レンズ３２をもたらすことができる。

上述のようなコントラストＡＦは、絞り開放時の画像信号に基づいて行うのが基本である。被写界深度が浅いときの焦点評価値を用いた方がピントの山を掴み易いからである。しかし、絞り開放でのＡＦ制御には、以下のような欠点がある。

図２は絞り込みによる最良像面の移動を説明する図である。これは、開放絞り値がＦ１．４のレンズを用いた例で、絞り開放時の最良像面位置を０としたものである。最良像面の移動は、レンズの球面収差により、レンズの中心を通った光と周辺を通った光とで結像位置にずれが生ずるために起こる。絞り３１が絞り込まれる（絞り値が大きくなる）に従い、周辺光量がカットされるため、最良像面は近軸像面側に移動する。このため、絞り開放時の画像信号を用いて高精度のコントラストＡＦを行ったとしても、その後に図の撮影絞り値まで絞り込んで撮影を行った場合は、ａ１の分だけピントずれが発生してしまう。

かかるピントずれを防止するには、コントラストＡＦで用いる画像データを得るときの絞り値（以下、ＡＦ絞り値と呼ぶ）を、撮影絞り値と一致させる必要がある。例えば撮影絞り値をＦ５．６とした場合は、Ｆ５．６まで絞り込んで撮像した画像データから焦点評価値を演算し、それに基づいてコントラストＡＦを行うことで、上述したようなピントずれを防止できる。

しかし、絞り込み量が多くなるほど撮像素子２に導かれる光量は少なくなり、撮像素子２の蓄積時間が長くなるととともに、画像信号の値が小さくなってノイズ成分の割合が増大する（Ｓ／Ｎ比が悪化する）。これらの問題は、被写体輝度が暗いほど顕著である。コントラストＡＦは、上述したように撮像（蓄積）を繰り返し行うので、１回の蓄積時間が長くなると、ＡＦ速度の大幅な低下をもたらす。またＳ／Ｎ比の悪化は、焦点評価値の信頼性の低下を招き、ＡＦ精度の悪化につながる。このことから、撮影絞り値が大きいとき（絞り込み量が多いとき）や、被写体が暗いときは、無理にＡＦ絞り値を撮影絞り値と一致させるのではなく、ＡＦ絞り値を撮影絞り値よりもある程度小さくする（開放側の値とする）ことが望ましい。

ただし、ＡＦ絞り値をあまり小さくすると、撮影絞り値との差が大きくなり、先に述べたようなピントずれが発生する。このため、ＡＦにおいて絞り３１を開く量は必要最小限に止めるべきである。

そこで本実施形態では、ＡＦ絞り値を常に一定とするのではなく、撮影絞り値および被写体の輝度に基づいてＡＦ絞り値を決定するようにした。以下、その詳細を説明する。

図３はＡＦ制御を含む撮影時の処理手順を示すフローチャートである。
ＣＰＵ９は、ステップＳ１でＡＦ−ＯＮボタンの操作が確認されると、ステップＳ２で絞り開放状態で撮像を行い、得られた画像信号に基づいてＡＥ演算を行う。ＡＥ演算により、適正露出を得るための露出値（撮影絞り値およびシャッタ秒時）を得る。なお、撮影絞り値が予め撮影者によって設定されている場合には、撮影シャッタ秒時のみ求める。また撮影絞り値およびシャッタ秒時の双方が撮影者によって設定されている場合も、ＡＥ演算は行う。

ステップＳ３では、上記画像信号のうちＡＦエリアに相当する信号に基づいて被写体輝度を得る。ステップＳ４では、撮影絞り値およびＡＦエリアの輝度に基づき、図４の線図からＡＦ絞り値を求める。すなわち、
（１）ＡＦエリアの輝度が所定値ｂ１以上であれば、最小絞り値まで絞り込んでもＳ／Ｎ比の悪化およびＡＦ速度の低下は許容範囲であると判断し、ＡＦ絞り値＝撮影絞り値とする。
（２）ＡＦエリアの輝度が所定値ｂ１未満でｂ２（ｂ１＞ｂ２）以上の場合は、例えば撮影絞り値がＦ１６以下であればＡＦ絞り値＝撮影絞り値とするが、撮影絞り値がＦ１６を越えるときは、Ｓ／Ｎ比の悪化またはＡＦ速度の低下が許容範囲を超えると判断し、ＡＦ絞り値をＦ１６に制限する。
（３）ＡＦエリアの輝度が所定値ｂ２を下回る場合は、例えば撮影絞り値がＦ８以下であればＡＦ絞り値＝撮影絞り値とし、撮影絞り値がＦ８を越えるときは、Ｓ／Ｎ比の悪化またはＡＦ速度の低下が許容範囲を超えると判断し、ＡＦ絞り値をＦ８に制限する。

図２はＡＦ絞り値がＦ８で制限された例を示している。この場合、ＡＦ時と撮影時の最良像面のずれ量はａ２となり、上記ａ１（ＡＦ絞り値＝開放絞り値の場合）と比べて小さくなる。

なお、図４は単に一例を示したものであり、開放絞り値や最小絞り値はレンズによって異なる。また輝度の閾値ｂ１，ｂ２やＡＦ絞り値の制限値などは、上記許容範囲をどの程度に設定するかによって変わってくる。さらに像面移動特性もレンズによって異なり、球面収差が補正された高性能レンズでは絞り込みによる像面移動量は少ない。したがって、レンズごとに上記閾値ｂ１，ｂ２や制限値などを決めることが望ましい。その場合は、像面移動量に関する情報はレンズメモリに格納されているので、ここから読み出して利用すればよい。

ＡＦ絞り値が決まると、ステップＳ５でＡＦ絞り値まで絞り３１を絞り込む。なお、ＡＦ絞り値が開放値の場合に絞り込みを行わないことは言うまでもない。絞り込み後、ステップＳ６で上記コントラストＡＦを行って合焦レンズ３２を合焦位置にもたらす。

ステップＳ７，Ｓ８のループでは、レリーズボタンの全押し操作、または半押し解除を待ち、半押し解除されると処理を終了する。全押し操作がなされると、ステップＳ９で露出制御および撮像を行う。その際、撮影絞り値＝ＡＦ絞り値でない場合は、撮影絞り値までの絞り込みが行われ、しかる後に撮像が行われる。次いで得られた画像データをステップＳ１０で外部記憶媒体１５に記録し、処理を終了させる。

このように本実施形態では、基本的にはＡＦ絞り値を撮影絞り値と一致させ、光量不足によるＳ／Ｎ比の悪化やＡＦ速度の低下が無視できない場合に限り、ＡＦ絞り値が撮影絞り値よりも開放側の値となるようにした。また、ＡＦ絞り値を開放側の値にする場合も開放絞り値とするのではなく、両絞り値の差が必要最小限（例えば、図２のａ２）に止まるようにした。したがって、ＡＦ絞り値を無条件で絞り開放値とする従来カメラでと比べ、最良像面の移動によるピントずれを軽減できる。またＳ／Ｎ比の悪化によるＡＦの信頼性の低下や、ＡＦ速度の低下も最小限に抑えることができる。

図５は他の実施形態を示している。
これは、図４の線図を利用することに代えて、実際に撮影絞り値まで絞り込んでから被写体輝度を求め、その輝度値に基づいてＡＦ絞り値を決定するものである。なお、図３と同様のステップには同一のステップ番号を付す。

図５において、ステップＳ２で撮影絞り値が決まった後、その撮影絞り値まで絞り３１を絞り込む（ステップＳ２１）。この状態で撮像を行い、得られた画像信号からＡＦエリアの輝度を得る（ステップＳ２２）。この場合の輝度は、実際の被写体の輝度と、絞り込みによる光量低下の双方を反映している。そこで、その輝度からＡＦ絞り値を求めることができる（ステップＳ２３）。例えば、上記輝度が所定値ｃ以上であればＡＦ絞り値＝撮影絞り値とし、所定値ｃ未満の場合は、ｃ以上となる最大の絞り値をＡＦ絞り値とする。後者の場合はＡＦ絞り値＜撮影絞り値となり、かつ両絞り値の差は必要最小限に止められる。したがって、先の実施形態と同様の作用効果が得られる。

また、ＡＦ絞り値と撮影絞り値とが一致しない場合に、その差に応じた像面移動分だけ合焦レンズ位置を補正することで、より正確なＡＦ結果を得ることができる。この場合は、上述したレンズメモリに格納されたレンズ固有の像面移動特性を読み出し、その特性から両絞り値の差に応じた像面移動量を求め、その移動量をレンズ移動量に換算して補正値とすればよい。なお、レンズ交換不能なコンパクトタイプのカメラの場合は、上記特性をカメラ内のメモリに格納しておけば、同様の制御を行える。

以上はコントラストＡＦについて説明したが、それ以外のＡＦ方式であっても本発明を適用可能である。

本発明の一実施形態におけるデジタルカメラの制御ブロック図。 絞り込みによる最良像面位置の移動を説明する図。 ＡＦ制御の手順を示すフローチャート。 ＡＦ絞り値を求める際に用いる線図。 他の実施形態における制御手順を示すフローチャート。

符号の説明

２ 撮像素子
９ ＣＰＵ
１０ フォーカスモータ
１１ 露出制御部
３１ 絞り
３２ 合焦レンズ

Claims (5)

1. 撮影レンズおよび絞りを通過した光束を受光して焦点調節状態を検出し、その検出結果に基づいて自動焦点調節を行うオートフォーカス装置において、
   前記焦点調節状態を検出するにあたって設定する焦点検出絞り値を、撮影絞り値および被写体の輝度に基づいて決定する決定部を有し、
   前記決定部は、前記被写体の輝度が所定値以上のときは、前記焦点検出絞り値を前記撮影絞り値と一致させ、前記被写体の輝度が所定値未満のときは、前記焦点検出絞り値を前記撮影絞り値と一致させるか、撮影絞り値よりも開放側の値とするかを該撮影絞り値に応じて決定することを特徴とするオートフォーカス装置。
2. 前記焦点検出絞り値を前記撮影絞り値よりも開放側の値とするときの該焦点検出絞り値は、開放絞り値よりも絞り込み側の値であることを特徴とする請求項１に記載のオートフォーカス装置。
3. 前記絞りを通過した光束を光電変換して画像信号を得る画像信号出力部と、
   前記画像信号から焦点調節状態を表す焦点評価値を演算する演算部と、
   前記画像信号の取得および前記焦点評価値の演算の制御と、前記焦点評価値の演算結果に基づく方向に前記撮影レンズを所定ピッチずつ移動する動作を交互に繰り返し、最終的に撮影レンズを合焦位置にもたらす制御とを行う制御部とを含み、
   前記焦点評価値は、前記絞りを前記焦点検出絞り値まで駆動した状態での画像信号から演算されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のオートフォーカス装置。
4. 前記焦点検出絞り値と前記撮影絞り値とが一致しない場合は、その差に応じて焦点調節結果に補正を加えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のオートフォーカス装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のオートフォーカス装置を備えることを特徴とするカメラ。

Images