JP6012973B2 - 焦点調節装置およびカメラシステムならびに焦点調節方法 - Google Patents
焦点調節装置およびカメラシステムならびに焦点調節方法 Download PDFInfo
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Description
特許文献1には、動体に追従させて焦点調節を行うコントラストAF方式を採用した焦点調節装置が開示されている。特許文献1の開示する方法によれば、本露光開始の前に、動体予測によって絞りとフォーカスレンズの両者を同時に駆動することで、本露光時に対応するピント合わせを行うことが開示されている。また、本露光を行った後に、次のAF動作を行う際のスキャン駆動動作の準備としてフォーカスレンズを駆動することが開示されている。
本発明の目的は、連写動作中の動体への追従性能を向上させ、高速かつ正確な焦点調節が可能な焦点調節技術を提供することにある。
前記撮影光学系により結像される前記被写体の像を撮像して像信号を得る撮像素子と、
前記フォーカスレンズを移動させて前記撮像素子による撮像動作を繰り返し実行し、前記撮像素子の出力する像信号に基づく複数の撮像データに基づいて画像のコントラストのピークとなる前記フォーカスレンズの位置を検出するスキャン動作を、前記フォーカスレンズの所定の移動速度、所定のスキャン動作時間、および前記撮像動作を所定のフレームレートで行う制御部と、
を具備し、
前記制御部は、
前記被写体の移動速度を検出する被写体速度検出手段と、
前記被写体速度検出手段の検出する前記被写体の移動速度が、前記フォーカスレンズの所定の移動速度、所定のスキャン動作時間、および前記撮像動作の所定のフレームレートに基づいて決められた判定スレッシュよりも小さい場合に、前記スキャン動作を行う前に前記フォーカスレンズを移動させる初期位置駆動を実行するスキャン制御手段と、
を含む、焦点調節装置を提供する。
本発明の第2の観点は、レンズ駆動部によって光軸方向に移動可能なフォーカスレンズを含み被写体からの光を結像させる撮影光学系としての交換レンズが装着されるカメラ本体を具備したカメラシステムにおいて、
前記カメラ本体は、
前記撮影光学系により結像される前記被写体の像を撮像して像信号を得る撮像素子と、
前記フォーカスレンズを移動させるように前記交換レンズに指示して前記撮像素子による撮像動作を繰り返し実行し、前記撮像素子の出力する像信号に基づく複数の撮像データに基づいて画像のコントラストのピークとなる前記フォーカスレンズの位置を検出するスキャン動作を、前記フォーカスレンズの所定の移動速度、所定のスキャン動作時間、および前記撮像動作を所定のフレームレートで行う制御部とを具備し、
前記制御部は、
前記被写体の移動速度を検出する被写体速度検出手段と、
前記被写体速度検出手段の検出する前記被写体の移動速度が、前記フォーカスレンズの所定の移動速度、所定のスキャン動作時間、および前記撮像動作の所定のフレームレートに基づいて決められた判定スレッシュよりも小さい場合に、前記スキャン動作を行う前に前記フォーカスレンズを移動させる初期位置駆動を実行するように前記交換レンズに指示するスキャン制御手段と、
を含むカメラシステムを提供する。
本発明の第3の観点は、光軸方向に移動可能なフォーカスレンズを含み被写体からの光を結像させる撮影光学系が装着され、前記撮影光学系により結像される像を撮像して像信号を出力する撮像素子を有するカメラ本体を具備したカメラシステムの焦点調節方法において、
時系列に記録された前記被写体に対する過去の複数の合焦位置から、前記被写体の移動速度を算出するステップと、
前記撮像素子の撮像動作を所定のフレームレートで、および前記フォーカスレンズを所定の移動速度かつ所定のスキャン動作時間のスキャン駆動を行うことで前記被写体に対する合焦位置を決定するとき、前記被写体の移動速度が、前記フォーカスレンズの所定の移動速度と所定のスキャン動作時間、および前記撮像動作の所定のフレームレートに基づいて決められた判定スレッシュよりも小さい場合に、前記スキャン駆動に先立つ前記フォーカスレンズの初期位置駆動を行うステップと、
前記スキャン駆動によって決定された合焦位置に前記フォーカスレンズを移動させるステップと、
前記被写体を撮像するステップと、
を含む焦点調節方法を提供する。
第2態様として、前記第1態様の自動焦点調節技術において、被写体の移動速度に応じてスキャン駆動に先立ってフォーカスレンズの初期駆動を行うか否かを判断する技術を開示する。
第3態様として、前記第2態様の自動焦点調節技術において、被写体の移動速度に応じてフォーカスレンズの初期駆動の方向を判断する技術を開示する。
第4態様として、前記第2態様または第3態様の自動焦点調節技術において、レンズの種類や焦点距離によらずに、像面換算で一定量のフォーカスレンズの初期駆動を行う技術を開示する。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施の形態であるカメラシステムの構成図である。本実施の形態のカメラシステムは、交換レンズ100とカメラ本体200(焦点調節装置)とから構成され、交換レンズ100はカメラ本体200におけるマウント接点204を具備した不図示のレンズマウント部に着脱可能である。
カメラ本体200は、撮像素子201、本体制御部203、液晶表示部202を有する。本体制御部203は、CPUとカメラ本体200内の各部を制御する制御回路と各種信号処理を行う信号処理回路とを一体化した大規模集積回路(LSI)である。
本実施の形態の本体制御部203は、交換レンズ100を制御して、例えば、コントラストAFによる合焦制御を行う焦点調節装置として機能する。
本体制御部203は、カメラ本体200における各種の動作シーケンスを制御する。本体制御部203は、カメラ本体200内の各部を動作制御するとともに、レンズ制御部103に対してコマンド等の制御信号を出力する。本体制御部203は、撮像素子201の動作を制御することができる。本体制御部203は、撮像素子201から出力される画像信号をデジタル信号である画像データに変換するとともに、ホワイトバランス制御などの各種信号処理を行うことができる。本体制御部203は、各種信号処理により得られた画像データを液晶表示部202に出力することができる。本体制御部203は、レンズ制御部103に対して、撮像素子201の撮像動作と後述するフォーカスレンズ101の駆動動作との同期を取るための同期信号を出力する。
本実施の形態の場合、本体制御部203は、後述の図2、図7、図12のフローチャート等に例示されるスキャン制御動作を行うためのスキャン制御論理203a(スキャン制御手段)と、このスキャン制御論理203aが必要とする被写体の移動速度を後述のように検出する被写体速度検出論理203b(被写体速度検出手段)を備えている。
なお、本体制御部203は、CPUとカメラ本体200内の各部を制御する制御回路と、各種信号処理を行う信号処理回路とを一体化したLSIであるとしたが、複数のLSIで構成されていてもよい。
本体制御部203、スキャン制御論理203a、被写体速度検出論理203bは、ソフトウェア、ファームウェア、あるいはハードウェア回路等で実現することができる。また、スキャン制御論理203aおよび被写体速度検出論理203bは、説明の便宜上、別個に図示しているが、一つのソフトウェアやハードウェア回路の機能ブロックとして実現してもよい。カメラ本体200は、使用者が撮影動作を指示するためのレリーズボタンや、撮影動作によって得られた画像データを記憶する記憶部等を有するが、図1では省略している。
撮像素子201は、交換レンズ100を介して入射する光学像を画像信号に変換して出力することができる。撮像素子201は、CCDイメージセンサやMOSイメージセンサで構成することができる。
本体制御部203は、撮像素子201の出力する画像信号のコントラストに基づいて合焦状態を検出することが可能である。本体制御部203は、後述するフォーカスレンズを移動させながら撮像素子201による撮像動作を行い、フォーカスレンズの位置に応じた複数の画像信号を取得する。そして、本体制御部203は、複数の画像信号より所定のAF領域に対応する画像信号のコントラストがピークとなるフォーカスレンズの位置を検出し、フォーカスレンズをその位置に駆動して合焦状態とする。以上のような山登りAF動作を行うことが可能である。
交換レンズ100は、フォーカスレンズ101(撮影光学系)、レンズ駆動部102(撮影光学系)、レンズ制御部103、記憶部104を有する。
また、交換レンズ100は、交換レンズ100の固有の情報を記憶した記憶部104を有し、本体制御部203の要求に応じて、レンズ制御部103は、記憶部104の情報を本体制御部203に送信する。
なお、レンズ制御部103は、CPUと交換レンズ100内の各部を制御する制御回路とを一体化したLSIであるとしたが、複数のLSIで構成されていてもよい。交換レンズ100は、絞り制御機構やズーム機能等を有するが、図1では省略している。
ステップS101にて、本体制御部203は、フォーカスレンズ101を移動しながら撮像動作を行って所定のAF領域の画像信号のコントラストがピークとなるフォーカスレンズ位置を探索するスキャン駆動動作を行う。
連写動作中においては、連写コマ速を一定値に保つため、即ち撮影コマの間隔を一定値とするために、スキャン駆動動作において使用する撮像フレーム数を一定とする。
具体的なスキャン駆動動作としては、本体制御部203がレンズ制御部103に対して、スキャン駆動動作を実行するように、コマンドと付随する動作パラメータを、レンズマウントを介して送信する。この動作パラメータは、スキャン駆動動作としてフォーカスレンズ101を駆動する方向や駆動速度、駆動量等である。そして、レンズ制御部103は、このコマンドと動作パラメータを受信してこの動作パラメータに応じた設定にてフォーカスレンズ101を駆動する。
また、スキャン駆動動作中に、本体制御部203からレンズ制御部103に対して、レンズマウントを介して撮像動作に関連する同期信号が送信される。レンズ制御部103はこの同期信号に応じてフォーカスレンズ101の位置を取得して記憶する。レンズ制御部103は、スキャン駆動動作が終了した後に、記憶しているフォーカスレンズ101の位置情報を、レンズマウントを介して本体制御部203に送信する。本体制御部203は、スキャン駆動動作中に取得した複数の撮像フレームの画像データよりそれぞれAF評価値を算出してAF評価値のピークを求めるとともに、このAF評価値に対応するフォーカスレンズ101の位置情報を用いてAF評価値のピークに対応するフォーカスレンズ101の合焦位置を算出する。
ステップS102にて、本体制御部203はフォーカスレンズ101を合焦位置に駆動する合焦駆動を実行する。合焦駆動においては、スキャン駆動動作の終了後、今回のスキャン駆動動作により検出した合焦位置と、過去のスキャン駆動動作により検出した合焦位置の履歴情報を用いて、次回の本露光時の合焦位置を予測演算して求める。そして、予測演算して算出した合焦位置に、フォーカスレンズ101を駆動する。
具体的な合焦駆動動作としては、本体制御部203は、レンズ制御部103に対して、合焦駆動動作を実行するようにコマンドと予測演算した合焦位置を送信する。レンズ制御部103はこのコマンドと合焦位置を受信すると、この予測演算した合焦位置へフォーカスレンズ101を駆動する。
ステップS103にて、本体制御部203は、撮像素子201による静止画撮影を行う本露光動作を実行する。
ステップS104にて、本体制御部203は初期位置駆動制御を実行する。初期位置駆動制御は、被写体が静止しているか、移動しているかに関わらず、次回のスキャン動作中にコントラストのピークを検出できるようにするために、フォーカスレンズ101を最適な位置に駆動する動作を行う。本体制御部203は、レンズ制御部103に対して初期位置駆動動作を実行するようにコマンドと駆動方向、駆動量、駆動速度等の動作パラメータを送信する。レンズ制御部103は、このコマンドと動作パラメータに基づいて、フォーカスレンズ101を指定される位置へ駆動する。
ステップS105では、本体制御部203はレリーズ釦等の操作入力を検出し、連写動作を継続させるか判定し、連写動作を継続する場合はステップS101に戻り、繰り返し動作を行う。また、連写動作を終了すると判定した場合は、本フローチャートの処理を終了する。
図3はレンズ制御部103の制御を示すフローチャートである。交換レンズ100を装着した状態でカメラ本体200の電源がオンされると、カメラ本体200から交換レンズ100に電源が供給され、レンズ制御部103は本フローチャートの処理を開始する。
ステップS301にて、レンズ制御部103は、交換レンズ100内の各部の初期化動作を行う。
ステップS302にて、レンズ制御部103は、本体制御部203と通信を行い、交換レンズ100内の記憶部(メモリ)に記憶された各種レンズデータを本体制御部203へ送信する。
ステップS303にて、レンズ制御部103は、本体制御部203よりコマンドを受信したか否か判別し、受信していない場合はステップS303を繰り返し実行して受信待ちの状態となる。一方、コマンドを受信した場合はステップS304に進む。
ステップS304にて、レンズ制御部103は、受信したコマンドが「スキャン駆動」であるか否かを判別する。「スキャン駆動」である場合はステップS305に進み、レンズ制御部103はコマンドに付随するパラメータに基づきスキャン駆動動作を実行する。
一方、受信したコマンドが「合焦駆動」ではない場合はステップS308に進み、レンズ制御部103は受信したコマンドが「初期位置駆動」であるか否かを判別する。「初期位置駆動」である場合はステップS309に進み、レンズ制御部103はコマンドに付随するパラメータに基づいて初期位置駆動動作を実行する。
一方、受信したコマンドが「初期位置駆動」ではない場合はステップS310に進み、レンズ制御部103はその他のコマンドに対応した処理を実行する。そして、ステップS302に戻り上記処理を繰り返し実行する。
図4は、連写動作中のAF動作を示す図であり、横軸を時間として撮像素子201の動作とフォーカスレンズ101の動作を示す。また、縦軸は像面位置に換算した量であり、被写体の移動、およびフォーカスレンズ101の移動による像面移動量を示す。
「撮像素子 露光+読出し」に示すように、撮像素子201はt=0から4ms(区間k1)まで、連写動作中の所定のコマの静止画の本露光動作(撮影)を行い、t=4msから67ms(区間k2)までは露光した撮像データの読出し動作を行う。以上は、図2のフローチャートのステップS103「本露光動作」に対応する動作である。
本露光動作に対応する読出し動作が終了すると、図2のフローチャートのステップS101に対応する「スキャン駆動制御」を行う。なお、図4ではステップS104の「初期位置駆動制御」を実行しない場合を示している。
本体制御部203は、スキャン駆動動作の最初にt=67msから71ms(区間k3)の間にスキャン駆動動作に対応する撮像素子201のリセット動作を行う。そして、t=71msからスキャン駆動動作に対応する240fpsの露光・読出し動作を行う(区間k4)。前述のようにスキャン駆動動作に対応して5フレーム分の露光・読出し動作を行う(E1〜E5、R1〜R5)。
また、本体制御部203は、レンズ制御部103に対してスキャン駆動動作を実行するコマンドを、駆動パラメータとともに送信し、レンズ制御部103はフォーカスレンズ101を指定された方向と速度で所定時間(または所定駆動量)の駆動を開始する。
「240fps露光」は撮像素子201の露光動作を示し、「240fps読出し」は撮像素子201の読出し動作を示す。1回目の露光動作(E1)の後、2回目の露光動作(E2)と1回目の露光動作の撮像データの読出し動作(R1)を並行して実行する。以後同様に処理が行われ、5回目の露光動作(E5)、5回目の読出し動作(R5)が実行される。5フレーム分の露光時間は約21mである。
本体制御部203は、スキャン駆動動作中にレンズ制御部103に対して撮像動作と同期する同期信号を送信し、レンズ制御部103は、この同期信号に応じてフォーカスレンズ101のレンズ位置を取得して記憶する。
なお、この合焦駆動動作により、図4の区間k5の撮像素子201のリセット動作の後の静止画の本露光動作(撮影)(区間k6)の開始時点(t=100ms)において、被写体に対するフォーカスレンズ101の合焦が完了し、被写体移動量プロファイルHにクロスする位置でスキャン駆動量プロファイルS(スキャン動作)が一定となる。また、区間k7では、区間k6での本露光動作(撮影)の撮像データの読み出しが行われる。
本体制御部203は、スキャン駆動動作が完了すると、レンズ制御部103と通信を行い、スキャン駆動動作中の5フレーム分のフォーカスレンズ101の位置情報を取得する。そして、スキャン駆動動作によって得られた5フレーム分のAF評価値とフォーカスレンズ101の位置の関係から、最小二乗法を用いて二次式による近似曲線を求める。このように求めた近似曲線の近似式が示す最大値を、スキャン駆動動作時の合焦位置とする。
図5は、本体制御部203に内蔵されている本体記憶部205(メモリ)における合焦位置に関する合焦位置データ206の記憶フォーマット例を示す。合焦位置pos[ ]及び合焦時刻time[ ]のペアは、配列要素数が4個の配列データで、先入れ先出し(FIFO)形式で更新される。
上記にて算出された合焦位置を最新の合焦位置データとしてpos[0]に代入し、合焦検出時の時刻を最新の合焦時刻としてtime[0]に代入する。
このように、スキャン駆動動作により合焦位置を検出すると、上記配列要素数が4個のデータの過去の合焦位置履歴情報を1個ずらしてpos[0]とtime[0]に最新の合焦位置情報を代入する。すなわち、pos[i+1]= pos[i]、time[i+1]=time[i](i=0〜3)と設定してから最新の合焦位置情報をpos[0]とtime[0]に代入する。したがって最新の情報を含む4個の合焦位置、合焦時刻が記憶されている。
図6は、合焦位置と合焦時刻の関係を示す図である。合焦時刻Ft、合焦位置Fpの対である3個のデータ対(time[0]、pos[0])、(time[1]、pos[1])、(time[2]、pos[2])について最小二乗法を適用して上記直線近似式を求める。そして、求められた直線近似式のパラメータ(a、b)と、今回の本露光の時刻(tpd)から、下記式(1)に基づいて今回の本露光時の合焦位置(lddp)を予測して算出する。
lddp= a×tpd + b ・・・ 式(1)
上記合焦位置lddpが、本露光直前にフォーカスレンズ101を駆動する目標位置となる合焦駆動目標位置である。
また、上記パラメータaを被写体の移動速度として不図示の記憶部に記憶する。
本体制御部203は、レンズ制御部103に対して、合焦駆動動作を実行するコマンドとともに上記合焦駆動目標位置としての合焦位置lddpをレンズ制御部103に送信する。レンズ制御部103は、上記コマンドを受信すると上記合焦駆動目標位置へフォーカスレンズ101を駆動する。
本実施の形態のカメラ本体200における焦点調節装置においては、被写体の像面移動速度に関わらずコントラスト(AF評価値)のピークを検出することを可能とするために、以下の式(2)を満足する条件にてAF動作を行う。
すなわち、
被写体の像面移動量Lh[mm]、
スキャン駆動範囲Ls[mm]、
ピーク検出に必要なスキャン駆動範囲Lps[mm]、
初期位置駆動量Li[mm]、
とすると、
(Lh)≦(Ls)−(Lps)+(Li)・・・式(2)
上記駆動範囲(Ls,Lps)、移動量(Lh)および駆動量(Li)は、像面での像移動量に換算した値であり、その符号は、フォーカスレンズ101の駆動方向に対応し、+が至近方向、−が∞方向にフォーカスレンズを駆動する方向を示す。
ここで、スキャン駆動動作中においても、被写体は前回の本露光開始から今回のスキャン駆動開始までの間に移動する像面移動速度を維持して移動し続けていると仮定する。
本体制御部203は、後述するように被写体が本露光開始からスキャン駆動開始までの間に移動する量を実際に検出しており、式(2)の(被写体の像面移動量Lh)としてこの検出した量を採用する。式(2)の(被写体の像面移動量Lh)は、スキャン駆動開始前(本露光開始〜スキャン駆動開始)に移動する被写体の像面移動量であり、以下の式(3)で示される。
すなわち、連写間隔Tc[ms]、
スキャン動作時間Ts[ms]、
被写体の像面移動速度Vh[mm/s]、
とすると、被写体の像面移動量Lh[mm]は、
(Lh)=(Tc−Ts)×(Vh)・・・式(3)
次に、式(2)の(スキャン駆動範囲Ls)は、コントラストAF動作によりコントラスト(AF評価値)のピークを検出するために所定のスキャン駆動速度で所定数のフレームを撮像する際のフォーカスレンズ101の移動量である。
スキャン駆動速度Vs[mm/s]、
フレーム数N、
1フレームあたりの駆動時間Tf[ms]、
とすると、スキャン駆動範囲Ls[mm]は、
(Ls)=(Vs)×(N)×(Tf) ・・・式(4)
連写動作における撮影動作の間においてスキャン駆動動作を1回行い、連写速度を安定化させるため、常に同一フレーム数分に対応するスキャン駆動動作を行い、具体的には後述するように、例えばN=5フレームに設定される。
コントラストがピークとなる位置を算出するためには補間演算や近似関数演算等の処理が必要となるので、一例としてAF評価値(コントラスト)の最大値(ピーク)とその両側に位置するピークより小さいAF評価値を使用して補間演算を行うものとする。この場合、AF評価値の最大値を示すフレームと時間的にその前後のフレームの合計で3フレームの画像データが必要である。この3フレームを撮像する間に、フォーカスレンズ101を駆動して移動させる量は、例えばA、B、Cの3フレームに対してA→B、B→Cの2回の駆動量に相当する。以上より、(ピーク検出に必要なスキャン駆動範囲Lps)は、式(5)のように示される。
(Lps)=(2フレーム)×(Tf)×(Vs) ・・・式(5)
次に、初期位置駆動は、スキャン駆動動作中に被写体のコントラスト(AF評価値)のピークを検出可能とするために、スキャン動作開始前に予め最適な位置にフォーカスレンズ101を移動する動作である。そして、式(2)の(初期位置駆動量Li)は、この初期位置駆動を行う際のフォーカスレンズ101の移動量である。
このように、スキャン駆動速度Vsを必要十分な速度に設定した上で、式(2)に基づいて、初期位置駆動量Liを最適化することで、前後に移動する被写体(動体)に対して、本露光のタイミングで常に合焦した画像を取得することが可能である。
本実施の形態においては、一例として、連写速度:10コマ/s(連写間隔Tc=100ms)、自動焦点調節装置にて対応可能な最大像面移動速度Hmax=5mm/sとする。この場合には、1コマの撮影時間に対応する移動被写体の像面移動量:Lh=0.5mmとなる。
そして、前述のようにスキャン駆動動作中のフレームレートを240fps(Tf=1/240)、スキャン駆動動作に対応するフレーム数Nを5フレームとする。従って、スキャン駆動動作中のフォーカスレンズ101の移動量(Ls)は、式(4)に基づいて像面換算でLs=1mm(48[mm/s]×5[フレーム]/240[fps])である。また、ピーク検出に必要なスキャン駆動範囲(Lps)は、式(5)に基づいて像面換算でLps=0.4mm(48[mm/s]×2[フレーム]/240[fps])となる。
上記の条件設定は、フォーカスレンズ101が実際に動作可能な条件であり、且つ、像面移動速度(Vh)が5mm/sの移動被写体に対して連写速度が10コマ/sにて焦点調節を追従させることが可能な条件設定としている。
本体制御部203の被写体速度検出論理203bは、ステップS201にて、上記記憶部に記憶している被写体の移動速度に関する上述のパラメータaを読み出して像面移動速度に換算する。そして被写体の像面移動速度Vhがしきい値Vth(例えば、Vth=3mm/s)以下である場合(Vh≦Vth)は、ステップS202に進む。
本体制御部203は、ステップS202にて初期位置駆動を実行する。初期位置駆動におけるフォーカスレンズ101の駆動量(Li)を、一例として像面換算にて0.2mmとし、駆動方向を次回のスキャン駆動動作の方向とは逆方向とする。
一方、ステップS201にて被写体の像面移動速度Vhが3mm/sより大きい場合には、初期位置駆動を実行せず(Li=0)に本処理を終了する。
本実施の形態の自動焦点調節装置により焦点調節を追従可能とする移動被写体の最大像面移動速度Hmaxを前述のように5mm/sとすると、式(2)に示すスキャン駆動動作を行うことにより、初期位置駆動量Liを実行するか、または実行しないという二者択一で対応することができる。
被写体の像面移動速度Vhが3mm/sより大きい場合には初期位置駆動を実行しないが、この場合について、式(2)における具体的な数値関係を以下に示す。
(初期位置駆動量)Li=0、(スキャン駆動範囲)Ls=1mm、(ピーク検出に必要なスキャン駆動範囲)Lps=0.4mmとすると、式(1)の右辺=0.6mmとなる。一方、被写体の像面移動速度Vhは3〜5mm/sを考慮すればよいので、式(2)の左辺=(スキャン開始前に移動する被写体の像面移動量Lh)=0.21〜0.35mm(3mm/s×71ms〜5mm/s×71ms)であり、式(2)の左辺<右辺を満足する。
このように、スキャン駆動範囲Lsの方が、被写体の像面移動量Lhより十分に大きいので、式(2)を十分に満たしており、初期位置駆動を行わなくても5フレーム分だけフォーカスレンズ101を駆動することにより像面で被写体像に追いつき合焦位置を検出することができる。一方、被写体の像面移動速度Vhが3mm/sより小さい場合、初期位置駆動として、次回のスキャン駆動方向とは逆方向に0.2mm分だけフォーカスレンズ101を駆動する。
この場合について、式(2)における具体的な数値関係を以下に示す。
(初期位置駆動量)Li=−0.2mm、(スキャン駆動範囲)Ls=1mm、(ピーク検出に必要なスキャン駆動範囲)Lps=0.4mmとすると、式(2)の右辺=0.4mmとなる。一方、被写体の像面移動速度は0〜3mm/sを考慮すればよいので、式(2)の左辺=(スキャン開始前に移動する被写体の像面移動量Lh)=0〜0.21mm(0〜3mm/s×71ms)であるので、式(2)の左辺<右辺の条件を満足する。
このように、初期位置駆動を行うことにより、被写体移動速度が所定値以下の被写体についてもコントラスト(AF評価値)のピーク位置を検出することが可能である。
図8は、連写動作中のAF動作において、初期位置駆動を実行する場合について示している。本露光動作の後の撮像素子201の読出し動作中において、横軸t=40〜50msの区間にてフォーカスレンズ101を無限方向に所定量だけ駆動する。このように上記式(2)を満足するように設定し、AF評価値のピークを検出することが可能となる。
また、スキャン駆動速度、初期位置駆動の駆動量と駆動方向をそれぞれ固定値として処理しているので、交換レンズ側の処理や交換レンズとカメラ本体の通信処理を簡略化することができる。したがって、交換レンズ側、カメラ本体側の両方の処理時間や通信時間を短縮することができ、AF制御処理を高速化することができる。
さらに連写動作においても、AF制御処理を高速に実行することによって被写体のAF追従性を向上させることができる。
なお、本実施の形態においては、スキャン駆動速度、初期位置駆動の駆動量と駆動方向をそれぞれ固定値としているが、被写体移動速度に応じて可変させてもよい。
次に、本発明の他の実施の形態2について説明する。
上述の実施の形態1においては、被写体の移動速度がより小さい場合に、被写体の移動方向と反対側に、初期位置駆動を実行し、被写体の移動速度がより大きい場合には初期位置駆動を実行しないようにしている。
これに対して、この実施の形態2においては、被写体の移動速度がより大きい場合に、被写体の移動方向と同一方向に、初期位置駆動を実行し、より小さい場合に初期位置駆動を実行しないようにする点が異なる。
この実施の形態2のフォーカスレンズ101のレンズ駆動速度は、上述の実施の形態1に比較してより小さいという条件になっている。これは例えば、より低価格な交換レンズ100や、過去に発売された低性能の交換レンズ100を想定し、フォーカスレンズ101のレンズ駆動部102がより低速度の仕様になっている場合を想定したものである。
フォーカスレンズ101の駆動速度、すなわちスキャン駆動速度Vsがより小さいので、実施の形態1に比較して、より高速に移動する被写体、すなわち被写体の像面移動速度Vhが大きい場合に追従できずAF評価値のピークを検出できないという課題がある。
図9に示す時間範囲Snは、スキャン駆動動作中の連続した5回の蓄積動作のうちの中央の3回(E2〜E4)の電荷蓄積動作の蓄積時間を示すものであり、スキャン駆動動作によりAF評価値のピークを検出するためにAF評価値のピークが位置する必要のある範囲を示している。前述のように、合焦位置に対応するAF評価値のピーク位置を補間演算により算出するので、スキャン駆動動作により求められる5点のAF評価値のうちで両端のAF評価値が最大値となった場合にはAF評価値のピークを検出できないこととなる。あるいは、AF評価値の最大値ではあるが、ピークであるか否かの判定ができないので採用することができない。
図9に示すように、スキャン駆動動作を示すスキャン駆動量プロファイルSの場合には、スキャン駆動量プロファイルSと被写体移動量プロファイルHとが時間範囲Snの区間内で交点を有さないので、スキャン駆動動作によりAF評価値のピークを検出することができない。
そこで、本実施の形態2においては上記の技術的課題を解決するために、被写体と同一方向に、初期位置駆動を実行する。
図10には、図9と同じ像面移動速度の被写体移動量プロファイルHに対して、初期位置駆動の方向を、無限から至近に移動する方向(図8とは逆方向)とし、被写体移動量プロファイルHとスキャン駆動量プロファイルS′が上記時間範囲Snの区間で交点を有するように、初期位置駆動の駆動量(Li)を設定した場合を示す。
図10に示すように、被写体の像面移動速度Vhが大きい場合(すなわち、被写体移動量プロファイルHの傾きが大きい場合)に、初期位置駆動の駆動量(Li)を適切に設定し、スキャン駆動量プロファイルS′が被写体移動量プロファイルHに近づく方向に初期位置駆動を実行した後にスキャン駆動動作を実行することにより、スキャン駆動量プロファイルS′と被写体移動量プロファイルHとが交差し、AF評価値のピークを検出することが可能となる。
図11に示すように、像面移動速度がより小さい場合(図10の場合よりも被写体移動量プロファイルHの傾きが小さい)には、像面移動速度を所定の閾値と比較して判定し、初期位置駆動を実行しないようにしてAF評価値のピークを検出することができる。
以上、説明した初期位置駆動を実行するか否かの判別方法について説明する。
(スキャン駆動動作の開始前に移動する被写体の像面移動量)をLh[mm]、(スキャン駆動速度)=Vs[mm/s]、また(スキャン駆動動作開始から電荷蓄積E4の露光の中央までの時間)=tb[s]とすると、以下の式(6)を満たす場合には初期位置駆動を実行する。
Lh/Vs>tb ・・・式(6)
tbは時間範囲Snの上限に相当し、被写体の像面移動量が大きく、即ち、被写体の像面移動量Lhが大きい数値であり、式(6)を満足して図9に示すように、被写体移動量プロファイルHとスキャン駆動量プロファイルSの交点が時間範囲Snを越えて含まれない場合は、初期位置駆動を実行するものである。
なお、(スキャン駆動動作の開始前に移動する被写体の移動量)は、正確には被写体移動量プロファイルHとスキャン駆動量プロファイルSの交点の横軸に相当する位置であるが、(スキャン駆動動作の開始前に移動する被写体の移動量)Lhで代用している。被写体の像面移動速度Vhが大きくなるほど、この代用による誤差が大きくなるので、被写体の像面移動速度Vhが所定値より大きい場合は、(スキャン駆動動作の開始前に移動する被写体の移動量)Lhに代えて被写体移動量プロファイルHとスキャン駆動量プロファイルSの交点の時刻(における被写体の移動量)を採用してもよい。
なお、式(6)は被写体移動量プロファイルHとスキャン駆動量プロファイルSの交点が時間範囲Snを越えて含まれない場合を判定するものであるが、交点が時間範囲Snよりも過去に位置して含まれない場合を判定し、逆方向に初期位置駆動を実行してもよい。
まず、スキャン駆動量プロファイルSと被写体移動量プロファイルHの交点が時間範囲Snの内部にあるか判定する(ステップS211)。
そして、時間範囲Snの範囲内に交点が存在する場合には初期位置駆動は行わない。
一方、ステップS211で、被写体移動量プロファイルHとスキャン駆動量プロファイルSの交点が時間範囲Snにないと判定された場合、時間範囲Snからの逸脱方向が、時間軸方向の過去側(図8〜図11の横軸方向の左側)か、将来側(右側)かを判別する(ステップS212)。
そして、ステップS212で過去側に逸脱すると判定された場合には、初期位置駆動量Liを無限(∞)側に設定する(ステップS213)。このステップS213の場合は、被写体移動量プロファイルHの傾き(すなわち、被写体の像面移動速度Vhが、スキャン駆動量プロファイルSの傾き(すなわちスキャン駆動速度Vs)よりも相対的に小さい場合である。
一方、ステップS212で将来側に逸脱すると判定された場合には、初期位置駆動量Liを至近側に設定する(ステップS214)。
このステップS214の場合は、被写体移動量プロファイルHの傾き(すなわち、被写体の像面移動速度Vh)が、スキャン駆動量プロファイルSの傾き(すなわちスキャン駆動速度Vs)よりも相対的に大きい場合である。
そして、ステップS213またはステップS214で設定された方向にフォーカスレンズ101の初期位置駆動を実行する(ステップS215)。
以上説明したように、本発明の実施の形態2によれば、被写体移動速度に応じて初期位置駆動を実行するか否かを設定し、より高速の場合は初期位置駆動を実行する。その際には、相対的に小さいスキャン駆動速度Vsを補うように、フォーカスレンズ101の初期位置駆動を無限から至近側へ駆動するので、より高速な被写体に対してもAF評価値のピーク位置を検出することが可能となり、被写体移動速度によらず高精度なAF処理を行うことができる。
また、フォーカスレンズ101の駆動速度がより小さい低価格な交換レンズ100や、過去に発売した低性能の交換レンズ100等を使用する場合であっても、高速な被写体に追従させて高精度なAF処理を行うことが可能となる。
さらに、本実施の形態では、スキャン駆動動作時の撮像素子201のフレームレートを固定値(240[fps])としているが、フレームレートに応じて焦点調節レンズの移動速度や初期位置駆動の方向、駆動量を変更して適切に設定することにより、被写体の像面移動速度Vhに関わらずAF評価値のピークを検出して高精度なAF処理を行うことが可能である。
なお、本発明は、上述の実施の形態に例示した構成に限らず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。また、特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
101 フォーカスレンズ
102 レンズ駆動部
103 レンズ制御部
104 記憶部
200 カメラ本体
201 撮像素子
202 液晶表示部
203 本体制御部
203a スキャン制御論理
203b 被写体速度検出論理
204 接点
205 本体記憶部
206 合焦位置データ
Fp 合焦位置
Ft 合焦時刻
H 被写体移動量プロファイル
Lh 被写体の像面移動量
Li 初期位置駆動量
Lps ピーク検出に必要なスキャン駆動範囲
Ls スキャン駆動範囲
S スキャン駆動量プロファイル
S′ スキャン駆動量プロファイル
Sn AF評価値のピークが位置する必要のある時間範囲
k1〜k7 区間
Claims (7)
- レンズ駆動部によって光軸方向に移動可能なフォーカスレンズを含み被写体からの光を結像させる撮影光学系を制御する焦点調節装置において、
前記撮影光学系により結像される前記被写体の像を撮像して像信号を得る撮像素子と、
前記フォーカスレンズを移動させて前記撮像素子による撮像動作を繰り返し実行し、前記撮像素子の出力する像信号に基づく複数の撮像データに基づいて画像のコントラストのピークとなる前記フォーカスレンズの位置を検出するスキャン動作を、前記フォーカスレンズの所定の移動速度、所定のスキャン動作時間、および前記撮像動作を所定のフレームレートで行う制御部と、
を具備し、
前記制御部は、
前記被写体の移動速度を検出する被写体速度検出手段と、
前記被写体速度検出手段の検出する前記被写体の移動速度が、前記フォーカスレンズの所定の移動速度、所定のスキャン動作時間、および前記撮像動作の所定のフレームレートに基づいて決められた判定スレッシュよりも小さい場合に、前記スキャン動作を行う前に前記フォーカスレンズを移動させる初期位置駆動を実行するスキャン制御手段と、
を含む、ことを特徴とする焦点調節装置。 - 前記スキャン制御手段は、前記被写体の移動速度に基づく像面移動量と前記スキャン動作による前記フォーカスレンズの移動量に対応する像面移動量の差に基づいて前記初期位置駆動の駆動量を算出することを特徴とする請求項1に記載の焦点調節装置。
- 前記スキャン制御手段は、前記スキャン動作における前記フォーカスレンズの移動速度を像面換算で一定値とすることを特徴とする請求項1または2に記載の焦点調節装置。
- 前記スキャン制御手段は、前記スキャン動作における前記フォーカスレンズの移動範囲を像面換算で一定値とすることを特徴とする請求項1または2に記載の焦点調節装置。
- 前記スキャン制御手段は、連写撮影において繰り返し実行される前記撮像素子の撮像動作と読出し動作の間に前記スキャン動作を実行し、前記撮像素子の読出し動作中に前記初期位置駆動を実行することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の焦点調節装置。
- レンズ駆動部によって光軸方向に移動可能なフォーカスレンズを含み被写体からの光を結像させる撮影光学系としての交換レンズが装着されるカメラ本体を具備したカメラシステムにおいて、
前記カメラ本体は、
前記撮影光学系により結像される前記被写体の像を撮像して像信号を得る撮像素子と、
前記フォーカスレンズを移動させるように前記交換レンズに指示して前記撮像素子による撮像動作を繰り返し実行し、前記撮像素子の出力する像信号に基づく複数の撮像データに基づいて画像のコントラストのピークとなる前記フォーカスレンズの位置を検出するスキャン動作を、前記フォーカスレンズの所定の移動速度、所定のスキャン動作時間、および前記撮像動作を所定のフレームレートで行う制御部とを具備し、
前記制御部は、
前記被写体の移動速度を検出する被写体速度検出手段と、
前記被写体速度検出手段の検出する前記被写体の移動速度が、前記フォーカスレンズの所定の移動速度、所定のスキャン動作時間、および前記撮像動作の所定のフレームレートに基づいて決められた判定スレッシュよりも小さい場合に、前記スキャン動作を行う前に前記フォーカスレンズを移動させる初期位置駆動を実行するように前記交換レンズに指示するスキャン制御手段と、
を含むことを特徴とするカメラシステム。 - 光軸方向に移動可能なフォーカスレンズを含み被写体からの光を結像させる撮影光学系が装着され、前記撮影光学系により結像される像を撮像して像信号を出力する撮像素子を有するカメラ本体を具備したカメラシステムの焦点調節方法において、
時系列に記録された前記被写体に対する過去の複数の合焦位置から、前記被写体の移動速度を算出するステップと、
前記撮像素子の撮像動作を所定のフレームレートで、および前記フォーカスレンズを所定の移動速度かつ所定のスキャン動作時間のスキャン駆動を行うことで前記被写体に対する合焦位置を決定するとき、前記被写体の移動速度が、前記フォーカスレンズの所定の移動速度と所定のスキャン動作時間、および前記撮像動作の所定のフレームレートに基づいて決められた判定スレッシュよりも小さい場合に、前記スキャン駆動に先立つ前記フォーカスレンズの初期位置駆動を行うステップと、
前記スキャン駆動によって決定された合焦位置に前記フォーカスレンズを移動させるステップと、
前記被写体を撮像するステップと、
を含むことを特徴とする焦点調節方法。
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