JP5896763B2 - 光学機器および自動焦点調節を行う方法 - Google Patents

光学機器および自動焦点調節を行う方法 Download PDF

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Description

本発明は、光学機器に関する。
特許文献1は、撮像素子の一部に位相差検出用画素を設け、これを利用した位相差検出方式の自動焦点調節(AF)(いわゆる撮像面位相差AF)を実現する撮像装置を提案している。特許文献2は、撮像面位相差AFとコントラストAF(以下、「TV−AF」と称する場合もある)の2つの焦点検出方式を併用する撮像装置を提案している。特許文献3は、撮像面位相差AFの焦点検出精度の算出方法について提案している。
特開2009−3122号公報 特開2010−282085号公報 特開2010−139942号公報
一般的に位相差AFの合焦精度はTV−AFの合焦精度に比べて低く、特許文献1の方法では合焦精度が低くなりやすい。特許文献2の方法では、F値が大きい場合などフォーカスレンズのウォブリング量が大きくなると、ライブビュー撮影中の画像や動画撮影により撮影された画像の像倍率変化が顕著になり、見苦しい画像となることがある。例えば、撮像面位相差AFを行うカメラ本体にTV−AFを行う交換レンズが装着された場合にAF方式をどのように選択するかが問題となる。
本発明の例示的な目的は、撮像面位相差AFとTV−AFのうちから焦点検出方式を適当に選択可能な光学機器を提供することである。
本発明の光学機器は、一対の像信号を検出すると共に、光学系が形成する光学像を光電変換する撮像素子と、前記撮像素子によって検出された前記一対の像信号の位相差から焦点検出を行う第1の焦点検出手段と、前記撮像素子によって光電変換された前記光学像のコントラストから焦点検出を行う第2の焦点検出手段と、外装の一部として構成され、前記撮像素子によって光電変換された前記光学像を表示する表示手段と、を備え、動画撮影モードと静止画撮影モードとで動作可能な光学機器であって、前記動画撮影モード時に、前記第2の焦点検出手段が行う前記光学系のウォブリングによる前記表示手段に表示される画像の像倍率変化が閾値以上の場合は前記第1の焦点検出手段による焦点検出を行い、前記像倍率変化が前記閾値未満の場合は前記第2の焦点検出手段による焦点検出を行う制御を実施する制御手段を備えることを特徴とする。
また、本発明の他の一側面としての自動焦点調節を行う方法は、撮像素子と、外装の一部として構成され、前記撮像素子によって光電変換された光学像を表示する表示手段と、備え、動画撮影モードと静止画撮影モードとで動作可能な光学機器を利用して自動焦点調節を行う方法であって、前記撮像素子を用いて、一対の像信号を検出するステップと、前記撮像素子を用いて、光学系が形成する光学像を光電変換するステップと、第1の焦点検出手段を用いて、前記撮像素子によって検出された前記一対の像信号の位相差から焦点検出を行うステップと、第2の焦点検出手段を用いて、前記撮像素子によって光電変換された前記光学像のコントラストから焦点検出を行うステップと、制御手段を用いて、前記動画撮影モード時に、前記第2の焦点検出手段が行う前記光学系のウォブリングによる前記表示手段に表示される画像の像倍率変化が閾値以上の場合は前記第1の焦点検出手段による焦点検出を行い、前記像倍率変化が前記閾値未満の場合は前記第2の焦点検出手段による焦点検出を行う制御を実施するステップと、を有することを特徴とする。
本発明によれば、撮像面位相差AFとTV−AFのうちから焦点検出方式を適当に選択可能な光学機器を提供することができる。
本実施形態のカメラシステムのブロック図である。 本発明の露出制御及び絞り駆動の動作を示すフローチャートである。(実施例1)
図1は、本実施形態の撮像システムとしてのカメラシステム(光学機器)のブロック図である。カメラシステムは、交換レンズ100と、交換レンズが着脱可能に装着される撮像装置(光学機器)としてのカメラ本体200を有する。
100a、200aは交換レンズ100とカメラ本体200を機械的に結合させるレンズマウントとカメラマウントである。レンズマウント100aはレンズマウント凹部100cを有し、このレンズマウント凹部100cにカメラ本体200からロックピン212を挿入することで交換レンズ100のカメラ本体200からの取り外しを規制している。ロック解除ボタン214を押すとそれに連動してロックピン212が交換レンズ100から脱出し、交換レンズ100はカメラ本体200から取り外し可能となる。100b、200bは交換レンズ100とカメラ本体200の間で電気的な通信を可能とさせるための接点である。
交換レンズ100は、複数の光学レンズユニットにより構成される撮像光学系101を有し、物体の光学像を形成する。撮像光学系101は、フォーカスレンズユニット(以下、単に「フォーカスレンズ」という)101aやズームレンズユニット(以下、単に「ズームレンズ」という)101bを有する。フォーカスレンズ101aは、光軸120の方向に移動して焦点調節を行い、ウォブリング(微小駆動)が可能である。ズームレンズ101bは、光軸120の方向に移動して焦点距離を変更する。
自動焦点調節(AF)を行う際には、AFアクチュエータ102からの駆動力によってフォーカスレンズ101aを光軸方向の複数位置に移動させる。AFアクチュエータ102には、フォーカスレンズ101aの現在位置を検出する位置検出手段としての機能が備わっている。そして、各フォーカスレンズ位置における被写体像のコントラスト評価値から合焦位置を判定し、フォーカスレンズ101aを合焦位置に移動させる。
具体的には、カメラ制御回路205からの制御信号が接点100b、200bを介して、交換レンズ制御回路107に伝えられる。交換レンズ制御回路107は、CPUなどのマイクロコンピュータから構成され、交換レンズ100の動作を制御する制御手段である。その後、交換レンズ制御回路107から制御信号に応じた駆動信号がフォーカスレンズ駆動回路109に送られる。
フォーカスレンズ駆動回路109は、駆動信号とROM106に記録されたフォーカスレンズ位置情報とに基づいてAFアクチュエータ102を駆動する。この結果、フォーカスレンズ101aが光軸方向に移動させる。AFアクチュエータ102にはそれに同期して回転する不図示のパルス板が取り付けられている。AFアクチュエータ102が駆動されると、AFアクチュエータ102のパルス板が回転し、パルス板に設けられたスリットの変化を不図示のフォトインタラプタで検出する。
フォトインタラプタの検出信号は交換レンズ制御回路107に伝えられる。そして、ROM106に記録されたフォーカスレンズ位置情報とインタラプタの検出信号とに基づいてフォーカスレンズの位置情報を得る。
フォーカスレンズ位置情報が交換レンズ制御回路107から接点200b、100bを介してカメラ制御回路205に伝えられる。カメラ本体200の撮像素子201で被写体像を撮像し、カメラ制御回路205で被写体像の評価値(コントラスト値)を演算する。
このようにして、カメラ制御回路205は、複数のフォーカスレンズ位置の情報と各フォーカスレンズ位置における被写体像の評価値を取得する。カメラ制御回路205は、これら二種類の情報から、評価値が最大となる合焦位置にフォーカスレンズ101aを移動させる(TV−AF)。
なお、現在位置から合焦位置がある方向(合焦方向)を判別するにはフォーカスレンズ101aを光軸上でウォブリングしてコントラスト値の高くなる方向を合焦方向と判別する。
カメラ制御回路205は、ズーム位置状態(焦点距離)、フォーカス位置状態(被写体距離)、絞り状態等の状態毎に複数のウォブリング量の情報を用意し、各状態に適したウォブリング量の値を用いてフォーカスレンズ101aのウォブリングを行う。
ウォブリング量は、被写界深度(合焦幅)に起因する。このため、ズーム位置のテレ側よりもワイド側で、被写体距離の近距離側よりも遠距離側で、絞りは開放状態よりも小絞り状態で、フォーカスレンズ101aのウォブリング(デフォーカスさせる動作)を大きくする必要がある。ウォブリングにより、撮像素子201の結像面上でのピント合致の方向判別を行うことができる。
焦点距離を変更する場合は、交換レンズ外周面に設けられた不図示のズームリングを回転し、ズームレンズ101bを光軸方向に移動させる。ズームリングが回転されると、ズームリング内周に設けられたカム溝に沿ってズームポジションを検知するリニアポジションセンサー104の検出部が光軸120方向に進退し、ズームポジションを検知する。検知されたズームポジションは交換レンズ制御回路107に送られ、接点200b、100bを介してカメラ制御回路205へ送られる。この結果、カメラ制御回路205は焦点距離情報を得ることができる。焦点距離が変更されると、ROM106に記録された情報に基づき、フォーカスレンズ101aの位置も自動的に変更され、同じ被写体距離にピントが合い続ける。なお、ROM106は、交換レンズ制御回路107に内蔵されていてもよい。
光量調整は、絞り105を駆動させることで行う。絞り105は、複数の絞り羽根を有する。カメラ制御回路205からの制御信号が接点100b、200bを介して交換レンズ制御回路107に伝わると、交換レンズ制御回路107が絞り駆動回路108に駆動信号を送る。絞り駆動回路108は、該駆動信号を受けると不図示の絞りアクチュエータを作動させ、絞り羽根を駆動する。これにより光通過口となる開口面積(絞り口径)を変化させ光量を調整する。
カメラ本体200は、撮像素子201、光学的ローパスフィルタ202、駆動/制御系を有する。本実施例のカメラ本体200は、ハーフミラーによってファインダーに光路を導かないミラーレスのカメラである。
撮像素子201は、撮影光学系が形成した光学像を光電変換する複数の撮影用画素を有する。撮像素子201はC−MOSセンサとその周辺回路で構成され、横方向m画素、縦方向n画素の受光ピクセル上に1つの光電変換素子が配置される。撮像素子201は、全画素独立出力が可能なように構成されている。
また、撮像素子201の一部の画素は焦点検出用画素となっており、撮像面位相差AFが可能となっている。複数の焦点検出用画素は全体として撮影レンズの射出瞳の全域を通る光を受光することができる。例えば、撮像素子201は、2行×2列の画素のうち、対角に配置される一対のG画素は撮影用画素として残し、R画素とB画素を焦点検出用画素に置き換える。また、1つの画素を焦点検出用画素、撮影用画素の両方で用いてもよい。この場合、撮像素子201の一部でなく、全ての画素を焦点検出用画素、撮影用画素として用いることができる。
光学的ローパスフィルタ202は、撮影画像の偽色やモアレを軽減する。
駆動/制御系は、撮像素子駆動回路203、画像処理回路204、カメラ制御回路205、表示装置206、ROM207、撮像面位相差焦点検出部208、コントラスト焦点検出部209、操作スイッチ群(SW)210、メモリ211を有する。
撮像素子駆動回路203は、撮像素子201の動作を制御するとともに、取得した画像信号をA/D変換してカメラ制御回路205に送信する。画像処理回路204は、撮像素子201が取得した画像のγ変換、カラー補間、JPEG圧縮などを行う。
カメラ制御回路205は、カメラ制御回路205は、CPU等のマイクロコンピュータから構成されている制御手段であり、カメラ本体200に係る全ての演算、制御を行う。例えば、カメラ制御回路205は、特許文献3の方法あるいは他の既知の方法を用いて撮像面位相差AFの焦点検出精度を算出する。また、後述するように、カメラ制御回路205は、TV−AFにおけるウォブリング量を求める。更に、カメラ制御回路205は、像倍率変化を求める。
カメラ制御回路205は接点100b、200bを介してレンズ制御回路107にレンズ位置の取得や所定の駆動量でのレンズ駆動要求を発行したり、ROM106に記録された交換レンズ100の固有のレンズ情報を取得したりする。カメラ制御回路205には、カメラ動作を制御するプログラムと、カメラ情報を格納したROM207、変数を記憶する不図示のRAM、諸パラメータを記憶する不図示のEEPROMが内蔵されている。
表示装置206はLCDなどから構成され、カメラの撮影モードに関する情報、撮影前のプレビュー画像と撮影後の確認用画像、焦点検出時の合焦状態表示画像などを表示する表示手段である。また、表示装置206は、静止を撮影する際に画像を逐次表示するライブビューモードに対応することができる。また、表示装置206は撮影中の動画を表示することができる。
ROM207に記録されたカメラ情報は、撮像面位相差AF時の精度を演算する際に用いる、撮像素子201の撮像画面サイズ(撮像素子の縦、横、対角の寸法)、画素の数、画素サイズ、撮像画面の許容錯乱円径の各情報を含む。更に、カメラ制御回路205は、ROM207に格納したプログラムにより図2に示す焦点検出処理を実行する。
撮像面位相差焦点検出部(第1の焦点検出手段)208は、撮像光学系101の一対の瞳領域を通過する光束により焦点検出用画素に形成される一対の像の位相差(ずれ量)を取得し、その位相差に基づいて撮像面位相差AFを行う。この結果、撮像面位相差焦点検出部208は合焦位置を高速で検出することができる。撮像面位相差AFの原理は、特許文献1の図5〜7、図16などにおいて説明されているものと同様である。なお、撮像面位相差焦点検出部208はカメラ制御回路205と一体であってもよい。
TV―AF焦点検出部(第2の焦点検出手段)209は、画像処理回路204からカメラ制御回路205が取得した高周波成分の信号値(評価値)によりTV―AFを行い、評価値が最大となる合焦位置を高精度に検出する。なお、TV−AF焦点検出部209はカメラ制御回路205と一体であってもよい。
操作SW210は、電源スイッチ、レリーズ(撮影トリガ)スイッチ、撮影モード選択スイッチ、ISO感度設定スイッチ等で構成される。撮影モード選択スイッチは、静止画撮影を行う静止画撮影モードと動画撮影を行う動画撮影モードを選択することができる。メモリ211は、着脱可能なフラッシュメモリで、撮影済み画像を記録する。
以下、図2を参照して、カメラ制御回路205による焦点検出動作について説明する。図2において、「S」はステップの略である。図2は、カメラ制御回路205が実行する焦点検出処理を説明するためのフローチャートであり、ROM207に格納されている。図2に示すフローチャートはコンピュータに各ステップの機能を実行させるためのプログラムとして具現化が可能である。
ユーザーによる操作SW210の操作によって撮影が開始され、ライブビュー中または動画撮影中になると焦点検出処理を開始する(S1)。なお、本発明は、カメラ本体200に一体または別体に取り付けられた電子ビューファインダーに画像を表示しても発明の効果は維持される。なお本実施例のカメラはミラーレスであるが、ハーフミラーを有しファインダーに光束を導く一眼レフカメラにおいてもミラーアップしてライブビュー中または動画撮影中であれば発明の効果を有する。
次に、カメラ制御回路205は、レンズ制御回路107にレンズ情報を送信するように要求し、レンズ制御回路107からレンズ情報を受信する(S2)。ここで、「レンズ情報」は焦点距離、フォーカス位置(被写体距離)、絞り径、像倍率データ、フォーカスレンズの駆動分解能を含む。像倍率データは、フォーカスレンズ101aを所定量駆動した時の像倍率変化量であり、この量は焦点距離、フォーカス位置に応じて変わるため、各焦点距離、フォーカス位置毎のデータである。
また、カメラ制御回路205は、撮像面位相差AFの焦点検出精度(以下Aとする)を、例えば、特許文献3の式(2)から求める(S4)。
また、カメラ制御回路205は、レンズ情報に含まれる絞り状態と焦点距離、フォーカスレンズの駆動分解能からTV−AF時のウォブリング量(以下Bとする)を演算する(S5)。例えば、絞り105の口径と焦点距離からF値を計算し、許容錯乱円径をδとすると焦点深度Cは次式で与え与えられる。
焦点深度C=1/4×δ×F値 (1)
そこで、カメラ制御回路205は、数式(1)から求められた結果に基づいてウォブリング量Bを決定する。ただし、ウォブリング量Bはフォーカスレンズの駆動分解能の整数倍となる。理想的には人の目にはピントがズレていないように見えてTV−AFが可能であること、つまり焦点深度C未満の量だけウォブリングしてフォーカスレンズ101aの合焦方向を検出することが望ましい。しかしながら、カメラのコントラストの検出限界およびフォーカスレンズ101aの駆動分解能によってはウォブリング量Bを焦点深度Cよりも大きくする必要がある場合もある。
次に、カメラ制御回路205は、S2で得た焦点距離、フォーカス位置と像倍率データからフォーカスレンズ101aを所定量動かした時の像倍率変化量(以下Dとする)を演算する。そして、カメラ制御回路205は、この演算結果とS5で決定したウォブリング量BからTV−AF時の像倍率変化量(以下Eとする)を演算する(S6)。像倍率変化量EはE=B×Dで与えられる。
なお、フォーカスレンズ101aを所定量駆動した時の像倍率変化量Dは撮像光学系101により変化する量であり、予め計算して表1に示す像倍率データとしてROM106に記録しておく。表1内のx11等は全てフォーカスレンズ101aを所定量駆動した時の像倍率変化量Dである。
次に、カメラ制御回路205は、S4で演算した撮像面位相差AFにおける焦点検出精度Aと、S6で演算したTV−AF時の像倍率変化量Eと、ROM207に格納されているAF選択データから撮像面位相差AFまたはTV−AFを選択する(S7)。
AF選択データとしては、例えば、撮像面位相差AFにおける焦点検出精度とTV−AF時の像倍率変化量のマトリックスデータを持ち、どちらかの焦点検出手段が一義的に決定されるようにする。そして、カメラ制御回路205は、選択したAF方式を利用してAFを行う(S8またはS9)。
例えば、一例として、カメラ制御回路205は、以下の表2で表されるマトリックスデータに基づいて撮像面位相差AFまたはTV−AFを選択する(S7)。ここでは、位相差AFの焦点検出精度Aに第1の値を閾値として使用し、像倍率変化量Eに第2の値を閾値として使用している。但し、それぞれに対して複数の閾値を使用してもよいし、表の代わりに、縦軸に撮像面位相差AFの焦点検出精度A、横軸に像倍率変化量Eをとったグラフを使用してもよい。
表2においては、マトリックスデータは、撮像面位相差AFの焦点検出精度が第1の値以上で像倍率変化量が第2の値以上である場合は、ライブビューや動画撮影の画像が見苦しい画像となることを防止するために、撮像面位相差AFを設定している(S8)。一方、マトリックスデータは、撮像面位相差AFの焦点検出精度が第1の値未満で像倍率変化量が第2の値未満である場合は、合焦精度の低下を防止するために、TV−AFを設定している(S9)。
また、撮像面位相差AFの焦点検出精度が第1の値未満で、かつ、像倍率変化量が第2の値以上の時は、撮像面位相差AFとTV−AFのどちらを優先的に選択するかは、カメラの撮影モードやカメラの設定により変更させることができる。
例えば、カメラの撮影モードがライブビューによる静止画の撮影中であれば合焦精度を優先してTV−AFを選択し、動画撮影中であれば撮像面位相差AFを選択してもよい。また、動画撮影中であっても合焦精度を優先してTV−AFを選択してもよいし、ウォブリング量が大きくなることに鑑みて撮像面位相差AFを選択してもよい。このように、どちらを選択するか予めカメラで設定できるようにしてもよい。撮像面位相差AFの精度が第1の値以上で像倍率変化量が第2の値未満である場合も同様である。即ち、表2では撮像面位相差AFを一例として選択しているが、TV−AFを選択してもよい。
本実施形態によれば、撮像面位相差AFとTV−AFのうちから焦点検出方式を適当に選択可能な光学機器を提供することができる。
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
光学機器は、たとえば、デジタルカメラ、監視カメラ、ビデオカメラなどの撮像装置、交換レンズとカメラ本体からなるカメラシステムに適用することができる。
201…撮像素子、208…撮像面位相差焦点検出部(第1の焦点検出手段)、209…TV−AF焦点検出部(第2の焦点検出手段)、205…カメラ制御回路(制御手段)

Claims (10)

  1. 一対の像信号を検出すると共に、光学系が形成する光学像を光電変換する撮像素子と、
    前記撮像素子によって検出された前記一対の像信号の位相差から焦点検出を行う第1の焦点検出手段と、
    前記撮像素子によって光電変換された前記光学像のコントラストから焦点検出を行う第2の焦点検出手段と、
    外装の一部として構成され、前記撮像素子によって光電変換された前記光学像を表示する表示手段と、
    を備え、
    動画撮影モードと静止画撮影モードとで動作可能な光学機器であって、
    前記動画撮影モード時に、前記第2の焦点検出手段が行う前記光学系のウォブリングによる前記表示手段に表示される画像の像倍率変化が閾値以上の場合は前記第1の焦点検出手段による焦点検出を行い、前記像倍率変化が前記閾値未満の場合は前記第2の焦点検出手段による焦点検出を行う制御を実施する制御手段を備えることを特徴とする光学機器。
  2. 前記制御は、前記表示手段が前記撮像素子によって光電変換された前記光学像を表示している状態において実行される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、前記第1の焦点検出手段が行う焦点検出の精度が所定の閾値未満の場合に、前記制御を実施し、前記第1の焦点検出手段が行う焦点検出の精度が前記所定の閾値以上の場合には前記第1の焦点検出手段による焦点検出を行う制御を実施することを特徴とする請求項1又は2に記載の光学機器。
  4. 前記制御手段は、前記静止画撮影モード時に、前記第1の焦点検出手段が行う焦点検出の精度が前記所定の閾値未満の場合には前記第2の焦点検出手段による焦点検出を行う制御を実施することを特徴とする請求項に記載の光学機器。
  5. 前記光学機器は、前記光学系を有する交換レンズが着脱可能に装着されるカメラ本体であることを特徴とする請求項1乃至のうち1項に記載の光学機器。
  6. 前記光学機器は、前記光学系を有する交換レンズと、前記交換レンズが着脱可能に装着されるカメラ本体と、を有することを特徴とする請求項1乃至のうち1項に記載の光学機器。
  7. 撮像素子と、外装の一部として構成され、前記撮像素子によって光電変換された光学像を表示する表示手段と、備え、動画撮影モードと静止画撮影モードとで動作可能な光学機器を利用して自動焦点調節を行う方法であって、
    前記撮像素子を用いて、一対の像信号を検出するステップと、
    前記撮像素子を用いて、光学系が形成する光学像を光電変換するステップと、
    第1の焦点検出手段を用いて、前記撮像素子によって検出された前記一対の像信号の位相差から焦点検出を行うステップと、
    第2の焦点検出手段を用いて、前記撮像素子によって光電変換された前記光学像のコントラストから焦点検出を行うステップと、
    制御手段を用いて、前記動画撮影モード時に、前記第2の焦点検出手段が行う前記光学系のウォブリングによる前記表示手段に表示される画像の像倍率変化が閾値以上の場合は前記第1の焦点検出手段による焦点検出を行い、前記像倍率変化が前記閾値未満の場合は前記第2の焦点検出手段による焦点検出を行う制御を実施するステップと、を有することを特徴とする方法。
  8. 前記制御は、前記表示手段が前記撮像素子によって光電変換された前記光学像を表示している状態において実行されることを特徴とする請求項7に記載の方法。
  9. 前記制御手段を用いて、前記第1の焦点検出手段が行う焦点検出の精度が所定の閾値未満の場合に、前記制御を実施し、前記第1の焦点検出手段が行う焦点検出の精度が前記所定の閾値以上の場合には前記第1の焦点検出手段による焦点検出を行う制御を実施するステップを更に有することを特徴とする請求項7又は8に記載の方法。
  10. 前記制御手段を用いて、前記静止画撮影モード時に、前記第1の焦点検出手段が行う焦点検出の精度が前記所定の閾値未満の場合には前記第2の焦点検出手段による焦点検出を行う制御を実施するステップを更に有することを特徴とする請求項に記載の方法。
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