JP4967930B2 - 焦点検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、カメラの焦点検出装置に関する。

ＣＣＤイメージセンサなどの撮像素子を用いて被写体像を撮像し、撮像素子から出力される撮像信号に基づいて撮影レンズによる焦点位置の調節状態を検出するカメラの焦点検出方法が知られている（特許文献１参照）。中でも山登り方式と呼ばれる焦点検出方法は、フォーカスレンズを光軸方向に進退駆動させながら、撮像信号の高周波数成分によるデータ、すなわち、鮮鋭度（コントラスト）を示す焦点評価値が極大値をとるように合焦位置を検出する。

特開２００３−２９５０４０号公報

従来技術では、撮像信号に含まれるノイズなどによって異常値が発生した場合、焦点評価値を示す「山」のピーク判定して行うフォーカスレンズの移動方向の制御を適切に行えないという問題があった。

請求項１に記載の発明による焦点検出装置は、撮影レンズのフォーカスレンズが光軸に沿って所定量移動される毎に撮像素子からの出力信号を積算して焦点評価値を算出する積算部と、前記フォーカスレンズを前記所定量移動される毎に算出された複数の前記焦点評価値を記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶された前記複数の焦点評価値のうち、前記フォーカスレンズの現在位置に対応する前記焦点評価値を含む所定数の前記焦点評価値から、前記焦点評価値の大きさに関するメジアンを算出するメジアン算出部と、前記記憶部に記憶された前記複数の焦点評価値のうち、最大の焦点評価値である最大値を算出する最大値算出部と、所定時刻に前記メジアン算出部が算出した第１メジアンが、前記所定時刻よりも前に前記メジアン算出部が算出した第２メジアンよりも所定量以上減少したか判定する第１の判定部と、前記第１メジアンが前記最大値算出部により算出された前記最大値よりも所定量以上小さいか判定する第２の判定部と、前記第１の判定部によって、前記第１メジアンが前記第２メジアンよりも所定量以上減少したと判定されない場合には、前記フォーカスレンズの駆動方向を反転させないで前記フォーカスレンズを移動させることにより前記積算部による前記焦点評価値の算出を継続し、前記第１の判定部によって、前記第１メジアンが前記第２メジアンよりも所定量以上減少したと判定され、かつ、前記第２の判定部によって、前記第１メジアンが前記最大値よりも所定量以上小さいと判定されないとき、前記フォーカスレンズの駆動方向を反転させて前記フォーカスレンズを移動させることにより前記積算部による前記焦点評価値の算出を継続するように制御する制御部とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、フォーカスレンズの移動方向を適切に制御できる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は、本発明の一実施の形態によるオートフォーカス（ＡＦ）電子カメラの要部構成を説明するブロック図である。図１において、電子カメラは、レンズユニット１と、撮像素子２と、Ａ／Ｄ変換器３と、メモリ４と、画像処理回路５と、コントロール回路８と、ＣＰＵ１２と、モータ１３と、フォーカス制御機構１４と、操作部材１５とを有する。

レンズユニット１は、不図示のフォーカスレンズを含む。フォーカスレンズは、レンズユニット１を通過した被写体光束が撮像素子２の撮像面上に像を結ぶように、焦点位置を調節するレンズである。モータ１３がフォーカス制御機構１４を駆動することにより、フォーカス制御機構１４がフォーカスレンズを光軸方向に進退移動させる。モータ１３は、ＣＰＵ１２から出力されるレンズ駆動信号によって駆動される。

撮像素子２は、たとえば、二次元ＣＣＤイメージセンサなどによって構成される。撮像素子２は、撮像面上の被写体像を撮像し、各画素に対応する撮像信号を出力する。撮像素子２から出力される撮像信号は、各画素に入射される光の強さに応じてその信号レベルが異なる。なお、撮像素子２は、ＣＣＤの代わりにＭＯＳセンサやＣＩＤなどを用いて構成してもよい。コントロール回路８は、撮像素子２に対するタイミング信号を生成して撮像素子２へ送出する。

撮像素子２から出力された撮像信号は、Ａ／Ｄ変換器３によってディジタル信号に変換された後でメモリ４に格納される。画像処理回路５は、メモリ４に格納された画像データに対して所定の方式（たとえば、ＪＰＥＧ）で圧縮処理を施し、圧縮処理後の画像データを外部記憶回路６に記憶させる。画像処理回路５は、外部記憶回路６に記録されている圧縮データを読み出して伸長する際の伸長処理も行う。外部記憶回路６は、たとえば、メモリカードなどのデータストレージ部材によって構成される。

ＣＰＵ１２は、ＡＥ／ＡＷＢ回路７と、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）９と、積算回路１０と、ＡＦ回路１１とを含む。ＣＰＵ１２は、コントロール回路８、メモリ４などと接続され、電子カメラの焦点検出(ＡＦ)や測光(ＡＥ)、ホワイトバランス調整(ＡＷＢ)などの各種演算とカメラ動作のシーケンス制御とを行う。ＣＰＵ１２には、操作部材１５から各種操作信号が入力される。ＣＰＵ１２は、操作部材１５から入力される操作信号に応じて、電子カメラの焦点検出制御、露出制御、およびカラーバランス制御を総括的に管理する。

ＡＥ／ＡＷＢ回路７は、周知の露出演算やホワイトバランス調整処理を行う。ホワイトバランス調整処理は、メモリ４に格納されている画像データに対して行われる。

バンドパスフィルタ９は、メモリ４に格納されている画像処理前の画像データのうち、焦点検出用の領域（ＡＦエリア）に対応する画像データから差分成分を抽出したり、高周波数成分を抽出したりするフィルタである。バンドパスフィルタ９によるフィルタ処理後の画像データは、フィルタ処理前の画像データに比べて、低周波数成分、とくに直流成分が除去されている。

積算回路１０は、バンドパスフィルタ９によってフィルタ処理された画像データを積算する。積算処理では、高周波数成分による差分を積算するために、画像データの絶対値が積算される。

ＡＦ回路１１は、積算回路１０による積算値を用いて焦点評価値（コントラスト値）を得る。図２は、撮影レンズ１内の不図示のフォーカスレンズの位置と焦点評価値との関係の一例を示す図である。図２において、横軸はフォーカスレンズの位置であり、縦軸は焦点評価値を表す。焦点評価値曲線Ｌ２１のピークに対応するレンズ位置Ｄ１は、主要被写体に対するフォーカスレンズの合焦位置である。

本実施形態のＡＦ回路１１（ＣＰＵ１２）は、焦点評価値が増加する方向へフォーカスレンズを移動させ、焦点評価値が増加から減少に転じるとフォーカスレンズの移動方向を反転させる反転駆動動作を繰り返しながら、焦点評価値の「山」のピークを求める。図３は、フォーカスレンズの動きと焦点評価値の変化の一例を説明する図である。図３において、上段の波形は焦点評価値を表す曲線Ｌ３２であり、下段の波形はフォーカスレンズの動きを表す曲線Ｌ３１である。上下段ともに横軸は時間であり、上段の縦軸は焦点評価値の大きさ、下段の縦軸はフォーカスレンズの位置をそれぞれ表す。

ＡＦ回路１１は、たとえば、時刻ｔ０にフォーカスレンズを∞（無限遠）端から至近端方向へ向けて移動を開始させる。フォーカスレンズが時刻ｔ１に合焦位置を通過すると、焦点評価値は減少に転ずる。ＡＦ回路１１は、時刻ｔ２においてフォーカスレンズの移動を一旦停止させ、時刻ｔ３に至近端から∞端方向へ向けて移動を開始させる。

ＡＦ回路１１は、同様の反転駆動動作を繰り返しながら（時刻ｔ３〜ｔ６）焦点評価値の「山」のピークを求め、ピークに対応するレンズ位置Ｐ３１へフォーカスレンズを移動させて合焦状態を得る（時刻ｔ７）。

上記ＡＦ電子カメラのＣＰＵ１２が行うＡＦ処理について、図４および図５のフローチャートを参照して説明する。図４による処理は、たとえば、操作部材１５を構成するレリーズスイッチから半押し操作信号がＣＰＵ１２に入力されると開始される。図４のステップＳ１において、ＣＰＵ１２は、処理に必要なフラグ類を初期化してステップＳ２へ進む。

ステップＳ２において、ＣＰＵ１２はＡＦエリアを決定してステップＳ３へ進む。ＡＦエリアは、たとえば、操作部材１５を構成するＡＦエリア選択スイッチからの操作信号に応じて決定する。ステップＳ３において、ＣＰＵ１２は、後述するメジアン計算に用いるデータ数を決定してステップＳ４へ進む。

ＣＰＵ１２は通常、メジアン計算時のデータ数を３個とするが、以下に列記する条件のいずれかに該当する場合は、データ数をより大きな数（たとえば、５個）に変更する。
［１］被写体の中にフリッカ光源（明るさが周期的に変化するもの）が含まれる場合
［２］被写体輝度が所定値（たとえばＬｖ５）以下の場合
［３］撮影倍率が所定値（たとえば１／５倍）以上の場合
［４］被写体が移動している場合

ＣＰＵ１２は、上記条件判定を行うために、フィルタ処理していない生の画像データを積算することによって輝度情報を取得する。輝度情報が周期的に変化する場合、撮影画面にフリッカ光源が含まれると判定する。また、輝度情報（Ｂｖ）と感度情報（Ｓｖ）の和がＬｖに相当する。

ステップＳ４において、ＣＰＵ１２は、積算回路１０による積算値（焦点評価値）を取得してステップＳ５へ進む。ステップＳ５において、ＣＰＵ１２は、フォーカスレンズの位置情報を計算してステップＳ６へ進む。フォーカスレンズの位置は、たとえば、フォーカス制御機構１４からレンズ位置を示す情報を入力して算出する。

ステップＳ６において、ＣＰＵ１２は履歴データを更新してステップＳ７へ進む。具体的には、焦点評価値の履歴データHisFVal［n］と、レンズ位置情報の履歴データHisLPave［n］とを関連づけてＡＦ回路１１内にそれぞれ記憶する。nは取得順を表し、取得順に直近のものから0,1,2,…とする。

ステップＳ７において、ＣＰＵ１２はメジアン計算を行う。ＣＰＵ１２は、焦点評価値の履歴データHisFVal［n］のうち直近の３個（ステップＳ３において決定したデータ数に対応）のメジアン（中央値）を計算し、メジアン履歴データHisFValMedian［n］としてＡＦ回路１１内に記憶してステップＳ８へ進む。

ステップＳ８において、ＣＰＵ１２は、焦点評価値の履歴データHisFVal［n］の中から最大値FValMaxを算出してステップＳ９へ進む。ステップＳ９において、ＣＰＵ１２はフォーカスレンズの移動量を計算してステップＳ１０へ進む。フォーカスレンズの駆動量計算の詳細については後述する。

ステップＳ１０において、ＣＰＵ１２は合焦停止判定を行う。ＣＰＵ１２は、焦点評価値の「山」のピーク越えを所定回数行った（すなわち、反転駆動動作を所定回繰り返した）場合にステップＳ１０を肯定判定してステップＳ１１へ進む。ＣＰＵ１２は、焦点評価値の「山」のピーク越えを所定回数行っていない場合にはステップＳ１０を否定判定し、ステップＳ４へ戻る。ステップＳ４へ戻るのは、フォーカスレンズの反転駆動動作を繰り返す場合である。

ステップＳ１１において、ＣＰＵ１２は、焦点評価値の履歴データHisFVal［n］のうち最大値FValMaxを含む３つの履歴データを用いて３点内挿演算を行うことにより、フォーカスレンズの合焦位置FocusPosを算出する。ＣＰＵ１２は、フォーカスレンズを合焦位置FocusPosへ移動させてステップＳ１２へ進む。

ステップＳ１２において、ＣＰＵ１２は再起動準備を行ってステップＳ１３へ進む。具体的には、合焦位置FocusPosへフォーカスレンズを移動終了後に積算回路１０による積算値（焦点評価値）を取得する。ＣＰＵ１２はさらに、取得した焦点評価値をFValRestartとしてＡＦ回路１１内に記憶する。また、ＣＰＵ１２は、このときの輝度情報を再起動判定輝度値BVRestartとしてＡＦ回路１１内に記憶する。輝度情報は、上述した通り、フィルタ処理されていない生の画像データを積算することによって得る。

ステップＳ１３において、ＣＰＵ１２は、積算回路１０による積算値（焦点評価値）を取得してステップＳ１４へ進む。なお、このときの輝度情報も取得する。ステップＳ１４において、ＣＰＵ１２は、フォーカスレンズの位置情報を計算してステップＳ１５へ進む。

ステップＳ１５において、ＣＰＵ１２は履歴データを更新してステップＳ１６へ進む。具体的には、焦点評価値の履歴データHisFVal［n］と、レンズ位置情報の履歴データHisLPave［n］とを関連づけてＡＦ回路１１内にそれぞれ記憶する。nは取得順を表し、直近のものから0,1,2,…とする。

ステップＳ１６において、ＣＰＵ１２はメジアン計算を行う。ＣＰＵ１２は、焦点評価値の履歴データHisFVal［n］のうち直近の３個（ステップＳ３において決定したデータ数に対応）のメジアン（中央値）を計算し、メジアン履歴データHisFValMedian［n］としてＡＦ回路１１内に記憶してステップＳ１７へ進む。

ステップＳ１７において、ＣＰＵ１２は、焦点評価値の履歴データHisFVal［n］の中から最大値FValMaxを算出してステップＳ１８へ進む。ステップＳ１８において、ＣＰＵ１２は再起動判定を行う。ＣＰＵ１２は、下記条件のいずれかに該当する場合にステップＳ１８を肯定判定してステップＳ２へ戻る。ＣＰＵ１２は、下記条件のいずれにも該当しない場合にはステップＳ１８を否定判定し、ステップＳ１３へ戻る。

［１］ステップＳ１３で取得した最大値FValMaxが、焦点評価値FValRestartに対して所定値以上変化している場合
［２］ステップＳ１３で取得した輝度情報が、再起動判定輝度値BVRestartに対して所定値以上変化している場合
［３］合焦判定（ステップＳ１０）後に所定時間が経過した場合
［４］操作部材１５からズーム操作信号が入力された場合

フォーカスレンズの駆動量計算の詳細について、図５のフローチャートを参照して説明する。図５のステップＳ１００１において、ＣＰＵ１２は、焦点評価値のメジアンが前回算出したメジアンと比べて所定値以上減少しているか否かを判定する。ＣＰＵ１２は、直近のメジアン履歴データHisFValMedian［n］が前回算出値から所定値を超えて減少している場合にステップＳ１００１を肯定判定してステップＳ１００３へ進む。ＣＰＵ１２は、直近のメジアン履歴データHisFValMedian［n］の前回算出値からの減少幅が所定値に満たない場合、前回算出値より増加している場合にはステップＳ１００１を否定判定し、ステップＳ１００２へ進む。

ステップＳ１００２において、ＣＰＵ１２は、現在のフォーカスレンズの移動方向を維持させて図５による処理を終了し、図４へ戻る。フォーカスレンズの移動方向を維持するのは、図６(a)に例示するように、焦点評価値が増加する方向へフォーカスレンズを移動させている場合に対応する。図６(a)は、フォーカスレンズの移動と図５のフローチャートとの対応関係を説明する図である。

ステップＳ１００３において、ＣＰＵ１２は、フォーカスレンズ移動によって焦点評価値がピークを越えたか否かを判定する。ＣＰＵ１２は、下記条件のいずれかに該当する場合にステップＳ１００３を肯定判定してステップＳ１００５へ進む。ＣＰＵ１２は、下記条件のいずれにも該当しない場合にはステップＳ１００３を否定判定し、ステップＳ１００４へ進む。

［１］焦点評価値のメジアン履歴データHisFValMedian［n］が、最大値FValMaxに対して所定値以上減少している場合
［２］再起動後のフォーカスレンズの駆動開始時に取得した焦点評価値が、最大値FValMaxと異なる場合

ステップＳ１００４において、ＣＰＵ１２は、現在のフォーカスレンズの移動方向を反転させて図５による処理を終了し、図４へ戻る。フォーカスレンズの移動方向を反転するのは、図６(b)に例示するように、再起動後のフォーカスレンズ移動によって焦点評価値が減少した場合に対応する。図６(b)は、フォーカスレンズの移動と図５のフローチャートとの対応関係を説明する図である。

ステップＳ１００５において、ＣＰＵ１２は、焦点評価値の履歴データHisFVal［n］に基づいてピーク位置（対応する合焦位置）へのレンズ移動量（駆動量）を算出して図５による処理を終了し、図４へ戻る。焦点評価値履歴曲線のピーク越えを判定するのは、図６(c)に例示するように、焦点評価値が増加から減少に転じた場合である。図６(c)は、フォーカスレンズの移動と図５のフローチャートとの対応関係を説明する図である。

本実施形態の作用効果について、図７を参照して説明する。図７は、とくに焦点評価値が増加から減少に転じる付近においてフォーカスレンズの動きと焦点評価値の変化を例示するものである。図７において、上段の波形は焦点評価値を表す理想曲線Ｌ６１であり、下段の波形はフォーカスレンズの動きを表す曲線ＬＭ６１である。上下段ともに横軸は時間であり、上段の縦軸は焦点評価値の大きさ、下段の縦軸はフォーカスレンズの位置をそれぞれ表す。

判定閾値Ｖ６１は、焦点評価値の最大値FValMaxに対応する。判定閾値Ｖ６２は、ピーク越え判定に用いる判定閾値（最大値FValMaxより所定値Δｈ低い値）に対応する。ＣＰＵ１２は、時刻ｔ６１にフォーカスレンズを移動開始させるとともに、所定間隔で焦点評価値ＦＶ２０１、ＦＶ２０２、…、ＦＶ２０８、ＦＶ２０９をそれぞれ取得する。図７の例では、焦点評価値の最大値FValMaxを取得した時刻ｔ６３より前の時刻ｔ６２において、画像データにノイズが重畳する。これにより、時刻ｔ６２で取得された焦点評価値ＦＶ２０４は一時的に減少し、時刻ｔ６２より前に取得された焦点評価値ＦＶ２０２、ＦＶ２０１より小さくなり、理想曲線Ｌ６１と大きく異なる。

（１）焦点評価値の履歴データHisFVal［n］のうち直近の３個（ステップＳ３において決定したデータ数に対応）のメジアンを算出し、このメジアン算出値が前回のメジアン算出値から減少した減少幅が所定値に満たない場合（前回のメジアン算出値から増加している場合も含む）は、フォーカスレンズの移動方向（駆動方向）を維持するようにした。これにより、たとえば焦点評価値ＶＦ２０２、ＶＦ２０３、ＶＦ２０４のうち、１回の異常値（ＶＦ２０４）によって焦点評価値履歴が減少したと誤判定することを防止できる。メジアンを用いたことで、移動平均を用いる場合よりも焦点評価値履歴の減少を判定する精度を高め、フォーカスレンズの移動方向を適切に制御することができる。

（２）焦点評価値の履歴データHisFVal［n］のうち直近の３個（ステップＳ３において決定したデータ数に対応）のメジアンを算出し、このメジアン算出値が判定閾値Ｖ６２より小さい場合にピーク越えを判定するようにした。これにより、上記（１）の場合と同様に、たとえば焦点評価値ＶＦ２０７、ＶＦ２０８、ＶＦ２０９のうちいずれかに異常値が含まれる場合であっても、焦点評価値履歴曲線のピーク越えを誤判定することを防止し、フォーカスレンズの移動方向を適切に制御することができる。

（３）ステップＳ３において、メジアン計算時のデータ数を通常３個とし、上述した４つの条件のいずれかに該当する場合は、メジアン算出時のデータ数をより大きな数に変更するようにした。画像が変化しやすい（焦点評価値にばらつきが生じやすい）状況でデータ数を増やすことにより、焦点評価値履歴の一部に異常値が発生したとしても、焦点評価値履歴が減少したと誤判定すること、焦点評価値履歴曲線のピーク越えを誤判定することを防止できる。

（変形例１）
ステップＳ３の説明では、メジアン計算時のデータ数を決定するために、画像が変化しやすい（焦点評価値にばらつきが生じやすい）状況として４つの場合を例示した。上記４つの判定条件に加えて、以下の４例をさらに含めてもよい。
［５］撮影感度が所定感度より高い場合
［６］手振れ補正機構がオフされている場合
［７］夜景撮影モードに設定されている場合
［８］マクロ撮影モードに設定されている場合

（変形例２）
メジアン算出に用いるデータ数は、上述した３個または５個に限ることなく、奇数であれば７個であっても９個であってもよい。データ数を増やすことで、複数の異常値が発生するおそれがある場合にも対応できる。

（変形例３）
ＡＦ処理時にフォーカスレンズを∞（無限遠）端から至近端方向へ向けて移動を開始させる例を説明したが、反対に至近端から無限遠方向へ向けて移動を開始させるようにしてもよい。

（変形例４）
ステップＳ２の説明では、ＡＦエリア選択スイッチからの操作信号に応じてＡＦエリアを決定する例を説明したが、複数のＡＦエリアの中からＣＰＵ１２が自動選択するように構成してもよい。

（変形例５）
電子カメラに限らず、銀塩カメラの焦点検出装置に本発明を適用してもよい。この場合には、撮影用の感光部材と別に焦点検出用の撮像素子を備えればよい。

以上の説明はあくまで一例であり、上記の実施形態の構成に何ら限定されるものではない。

本発明の一実施の形態によるＡＦ電子カメラの要部構成を説明するブロック図である。 フォーカスレンズの位置と焦点評価値との関係の一例を示す図である。 フォーカスレンズの動きと焦点評価値の変化の一例を説明する図である。 ＡＦ処理について説明するフローチャートである。 フォーカスレンズの駆動量計算について説明するフローチャートである。 フォーカスレンズの移動と図５との対応関係を説明する図である。 焦点評価値が増加から減少に転じる付近においてフォーカスレンズの動きと焦点評価値の変化を例示する図である。

符号の説明

１…レンズユニット
２…撮像素子
９…バンドパスフィルタ
１０…積算回路
１１…ＡＦ回路
１２…ＣＰＵ

Claims (2)

1. 撮影レンズのフォーカスレンズが光軸に沿って所定量移動される毎に撮像素子からの出力信号を積算して焦点評価値を算出する積算部と、
   前記フォーカスレンズを前記所定量移動される毎に算出された複数の前記焦点評価値を記憶する記憶部と、
   前記記憶部に記憶された前記複数の焦点評価値のうち、前記フォーカスレンズの現在位置に対応する前記焦点評価値を含む所定数の前記焦点評価値から、前記焦点評価値の大きさに関するメジアンを算出するメジアン算出部と、
   前記記憶部に記憶された前記複数の焦点評価値のうち、最大の焦点評価値である最大値を算出する最大値算出部と、
   所定時刻に前記メジアン算出部が算出した第１メジアンが、前記所定時刻よりも前に前記メジアン算出部が算出した第２メジアンよりも所定量以上減少したか判定する第１の判定部と、
   前記第１メジアンが前記最大値算出部により算出された前記最大値よりも所定量以上小さいか判定する第２の判定部と、
   前記第１の判定部によって、前記第１メジアンが前記第２メジアンよりも所定量以上減少したと判定されない場合には、前記フォーカスレンズの駆動方向を反転させないで前記フォーカスレンズを移動させることにより前記積算部による前記焦点評価値の算出を継続し、前記第１の判定部によって、前記第１メジアンが前記第２メジアンよりも所定量以上減少したと判定され、かつ、前記第２の判定部によって、前記第１メジアンが前記最大値よりも所定量以上小さいと判定されないとき、前記フォーカスレンズの駆動方向を反転させて前記フォーカスレンズを移動させることにより前記積算部による前記焦点評価値の算出を継続するように制御する制御部とを含むことを特徴とする焦点検出装置。
2. 請求項１に記載された焦点検出装置であって、
   前記制御部は、前記第１の判定部によって、前記第１メジアンが前記第２メジアンよりも所定量以上減少したと判定され、かつ、前記第２の判定部によって、前記第１メジアンが前記最大値よりも所定量以上小さいと判定されたとき、前記記憶部に記憶された前記焦点評価値を用いて前記フォーカスレンズの合焦位置に対応する位置に前記フォーカスレンズを駆動制御することを特徴とする焦点検出装置。

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