JP6124628B2 - 焦点調節装置及び焦点調節方法 - Google Patents

Description

本発明は、被写体について焦点調節動作を行う焦点調節装置及び焦点調節方法に関する。

従来、フォーカスレンズをウォブリング動作させ、撮像素子により取得された画像データに基づいて被写体像のコントラストを求めて自動焦点調節を行う技術が知られている。特許文献１には、ウォブリングを利用したＡＦ制御（以下ウォブリングＡＦ）が開示されている。フォーカスレンズを所定の周期で光軸方向に所定の微小量（振幅）だけ繰り返し移動させる動作を一般的にウォブリングと称する。また、ウォブリング動作中に撮像素子の出力する画像データに基づいて焦点評価値を算出し焦点検出する手法をウォブリングＡＦ方式と称する。

特開２０１０−２７１６９７号公報

特許文献１の場合、ウォブリング動作の振幅を大きくすることによって、より低コントラストの被写体に対する焦点検出の性能が向上させることができる。しかしながら、その一方でフォーカスレンズの駆動により発生するノイズ音が大きくなることや、フォーカスレンズの移動に伴う像倍率の変動により撮像した画像を観測する際の画像の品位が低下するという問題が発生する。

本発明は、前記の事情に鑑みてなされたもので、フォーカスレンズの駆動音を増大させることなく、撮像する画像の品位を低下させることもなく焦点検出性能を向上させることが可能な焦点調節装置および焦点調節方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、第１の発明に係わる焦点調節装置は、光軸方向に移動可能なフォーカスレンズを有する撮影光学系と、前記撮影光学系により結像される被写体像を撮像する撮像部と、前記撮像部が生成する画像データに基づいて焦点評価値を算出する焦点評価値算出部と、前記焦点評価値に基づいて前記フォーカスレンズを制御してＡＦ動作を実行する焦点制御部と、を具備し、前記焦点制御部は、第１の周期と第１の振幅により形成される第１の信号に、前記第１の周期よりも大きい第２の周期と前記第１の振幅よりも大きい第２の振幅により形成される第２の信号を重畳させた信号に基づいて前記フォーカスレンズを移動させ、前記フォーカスレンズの移動に同期して前記焦点評価値算出部により焦点評価値を算出させ、算出された焦点評価値に基づいてＡＦ動作を実行し、
前記焦点制御部は、前記第２の信号成分の最大値と最小値の間の半周期分に相当する第１の期間において前記第１の信号成分と第２の信号成分とを重畳した信号成分の最大値に対応する位置に前記フォーカスレンズが位置するときの焦点評価値と、前記第１の信号成分と第２の信号成分とを重畳した信号成分の最小値に対応する位置に前記フォーカスレンズが位置するときの焦点評価値との差に基づいて前記フォーカスレンズが合焦となる第１の方向を判断し、前記第１の期間の中で前記第１の信号成分の最大値と最小値の間の半周期分に相当する第２の期間において前記第１の信号成分の最大値に対応する位置に前記フォーカスレンズが位置するときの焦点評価値と、前記第１の信号成分の最小値に対応する位置に前記フォーカスレンズが位置するときの焦点評価値の差に基づいて前記フォーカスレンズが合焦となる第２の方向を判断し、前記第１の方向と第２の方向に基づいて前記フォーカスレンズが合焦となる方向を決定することを特徴とする。

本発明によれば、フォーカスレンズの駆動音を増大させることなく、撮像する画像の品位を低下させることもなく焦点検出性能を向上させることが可能な焦点調節装置及び焦点調節方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る焦点調節装置の一例としての撮像装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る焦点調節装置の状態遷移について説明するための図である。 本発明の実施形態に係る焦点調節装置の通常ウォブリング動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る焦点調節装置のサーチ動作について示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る焦点調節装置の低周波ウォブリング動作について説明するための図である。 本発明の実施形態に係る焦点調節装置の被写体状態判断について示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る焦点調節装置の低周波ウォブリング動作について詳細に説明するための図である。 本発明に実施形態に係る焦点調節装置の低周波ウォブリング動作について説明するための図である。 本発明の実施形態に係る焦点調節装置の低周波ウォブリング動作について詳細に説明するための図である。 従来のウォブリング動作について説明するための図である。

本発明の説明に先立ち、本発明の特徴であるウォブリング動作について、図７、８、１０を用いて説明する。

図１０は、フォーカスレンズのウォブリング動作の振幅中心、周期を同一とし振幅が異なる２種類のウォブリング動作を示す図である。ここで、Ａｎは、ウォブリング動作の最大と最小の幅を示し、ウォブリング動作の振幅は１／２Ａｎとなる。図１０は、振幅（１／２）Ａｎを有する通常のウォブリング動作Ｗｎとこれに対して、同一の周期であって振幅（１／２）Ａｎよりも大きくした振幅（１／２）Ａａを有するウォブリング動作Ｗａを示している。このようなウォブリング動作Ｗａは、ウォブリング動作Ｗｎに比較して振幅が大きいのでコントラストの変化を検出する性能が高い。しかしながら、撮像動作のフレームレートに合わせた周期とするためにはフォーカスレンズの駆動速度を大きくする必要がある。フォーカスレンズの駆動速度を大きくすることによってフォーカスレンズの駆動機構から発生する雑音が増大するという問題が生ずる。これは、フォーカスレンズの駆動により発生する雑音が、駆動速度とほぼ比例の関係にあるためである。

また、フォーカスレンズの移動量をより拡大することによって、より大きな像倍率の変動が発生してウォブリング動作中に記録される動画の品位が低下する。フォーカスレンズのウォブリング動作による動画の見栄え、品位への影響は、単位時間あたりの像倍率変動量に依存しており、たとえば時間約３３ｍｓに対して０．０４％以上の像倍率変化が繰り返されると観察者は不快に感じると一般に言われている。したがって、ウォブリング動作Ｗａは、ウォブリング動作Ｗｎに比較して振幅が大きく像倍率変動がより大きいので、動画の見栄え、品位が大きく低下してしまう。

本発明においては、上記の問題を解決するために図７に示すようなウォブリング動作を行う。即ち、通常のウォブリング動作Ｗｎに対して、より低周波な正弦波状の振幅Ｓを重畳させたウォブリング動作Ｗｌを行う。このようなウォブリング動作を低周波ウォブリング動作と称するものとする。このような低周波ウォブリング動作により、通常ウォブリング動作に対して動画の画像品位を低下させることなく、焦点検出の性能をより向上させることが可能である。

図８は、低周波ウォブリング動作による焦点検出性能の向上を示す図である。焦点評価値の変化を示す曲線ＡＦＣは、フォーカスレンズのレンズ位置Ｐ０にてピークを成す形状を有している。ここでレンズ位置Ｐ０を中心として通常ウォブリング動作Ｗｎを行った場合に、ウォブリングの振幅の端点にて得られる焦点評価値の変化量（差）は、ｄｎとなる。一方、レンズ位置Ｐ０を中心として上記低周波ウォブリング動作Ｗｌを行った場合に、ウォブリングの振幅の端点にて得られる焦点評価値の変化量（差）はｄｌとなる。図８から明らかなようにｄｌ＞ｄｎであるので、低周波ウォブリング動作Ｗｌの方が通常ウォブリング動作Ｗｎよりも合焦状態の検出能力は高いということが示される。

また、低周波ウォブリング動作におけるフォーカスレンズの速度は、通常ウォブリング動作における速度と同一であるので、フォーカスレンズ駆動により発生する雑音の大きさは同一である。そして、低周波ウォブリング動作の低周波成分(正弦波Ｓ成分)に関するフォーカスレンズの移動は、たとえば周期が数１００ｍｓ程度とすると、その像倍率変動は視覚的にほとんど認識されることはない。従って、このような低周波ウォブリング動作によって、動画の品位を低下させることなく、焦点検出の性能を向上させることが可能となる。なお、上記正弦波状の信号Ｓは、三角波状の信号であっても同様な効果がある。以上が、本発明の特徴である低周波ウォブリング動作に関する概要の説明である。以下、本発明の実施例について詳細に説明を行う。

図１は、本発明の一実施形態に係る撮像装置の主として電気回路を示すブロック図である。本発明の一実施形態の撮像装置１００は、交換レンズ１０１とカメラ本体１０２とから構成される。交換レンズ１０１は、撮影レンズ１０３、レンズＣＰＵ１１３、レンズ記憶回路１１４、レンズ駆動回路１１５を有している。撮影レンズ１０３は、複数の光学レンズによって構成され、フォーカスレンズを光軸方向に移動させることによりピント状態が変化する。撮影レンズ１０３は、レンズ駆動回路１１５に接続されており、レンズ駆動回路１１５は、レンズＣＰＵ１１３からの制御信号に従って、撮影レンズ１０３を光軸方向に移動させる。

レンズ記憶回路１１４は、電気的に書き換え可能な不揮発性のメモリであり、レンズＣＰＵ１１３のプログラムの他、各種調整値、交換レンズ１０１に固有なデータ等の種々のデータを記憶している。後述するレンズ駆動パラメータ等のウォブリング動作用のデータもレンズ記憶回路１１４に記憶されている。レンズＣＰＵ１１３は、レンズ記憶回路１１４から必要なデータを読み出して本体１０２側へ送信する。また、レンズＣＰＵ１１３は、フォーカスレンズの現在位置等の交換レンズ１０１内の状態をレンズ記憶回路１１４に記憶させる。

なお、この撮影レンズ１０３は単焦点レンズであってもよく、またズームレンズであっても構わない。また、交換レンズ１０１とカメラ本体１０２は、不図示のレンズマウントを介して着脱自在に装着可能であり、レンズマウントに配置された複数の電気的接点１１２を介して相互に通信を行うことが可能である。

カメラ本体１０２は、シャッタ１０４、撮像素子１０５、撮像素子制御回路１０７、シャッタ制御回路１０９、本体ＣＰＵ１１１、フラッシュＲＯＭ（ＦＲＯＭ）１２１、ＲＡＭ１２３、ＡＦ制御回路１２５、ＡＥ制御回路１２７、画像処理回路１２９、表示回路１３１、表示素子１３３、操作スイッチ（ＳＷ）検出回路１３５、操作部１３７を有する。

撮影レンズ１０３の光軸上にシャッタ１０４が配置されている。シャッタ１０４は、レンズシャッタやフォーカルプレーンシャッタ等から構成され、撮影レンズ１０３を通過した被写体光束の開閉を行う。シャッタ１０４は、シャッタ制御回路１０９に接続されており、シャッタ１０４はシャッタ制御回路１０９からの制御信号に従ったシャッタ速度で、被写体光束の開閉時間の制御を行う。

シャッタ１０４の後方であって、撮影レンズ１０３の光軸上には、撮像素子１０５が配置されている。撮像素子１０５は、被写体像を所定の周期で繰り返し画像信号に変換し、撮像制御回路１０７に出力する。撮像素子１０５としては、ＣＣＤイメージセンサやＭＯＳイメージセンサ等のイメージンセンサであればよい。

撮像素子１０５は、撮像制御回路１０７に接続されており、この撮像制御回路１０７は、本体ＣＰＵ１１１からの制御に従って、撮像素子１０５から画像信号を読出し、ＡＤ変換等の処理を施してから本体ＣＰＵ１１１に出力する。撮像素子１０５、撮像制御回路１０７は撮像部を構成する。

本体ＣＰＵ１１１は、前述のシャッタ制御回路１０９、撮像制御回路１０７、レンズＣＰＵ１１３以外に、ＦＲＯＭ１２１、ＲＡＭ１２３、ＡＦ制御回路１２５、ＡＥ制御回路１２７、画像処理回路１２９、表示回路１３１、操作ＳＷ検出回路１３５等に接続されている。本体ＣＰＵ１１１は、ＦＲＯＭ１２１に記憶されたプログラムに従ってカメラ全体の制御を行う。また、本体ＣＰＵ１１１は、撮影光学系（撮影レンズ１０３）の移動方向を決定して焦点調節を行う焦点制御部としての機能を果たす。

レンズＣＰＵ１１３は、フラッシュＲＯＭ等の不揮発性メモリに記憶されたプログラムに従って動作し、本体ＣＰＵ１１１からの制御信号に応じて、レンズ鏡筒内の制御を行う。コントラストＡＦによる焦点調節を行う場合には、本体ＣＰＵ１１１からの制御信号に応じてレンズ駆動回路１１５を制御し、撮影レンズ１０３内のフォーカスレンズを光軸方向に駆動する。なお、レンズＣＰＵ１１３を省略し、本体ＣＰＵ１１１が直接レンズ駆動回路１１５を制御するようにしても構わない。

ＦＲＯＭ１２１は、電気的に書き換え可能な不揮発性のメモリであり、本体ＣＰＵ１１１用のプログラムの他、各種調整値等、種々のデータを記憶する。また、ＲＡＭ１２３は、電気的な書き換え可能な揮発性のメモリであり、本体ＣＰＵ１１１の演算用に種々のデータを一時記憶し、また画像データ等を一時的に記憶する。

ＡＦ制御回路１２５は、撮像制御回路１０７から本体ＣＰＵ１１１が入力した画像信号に基づいて被写体像のコントラスト（焦点評価値）を算出する。ＡＦ制御回路１２５は焦点評価値算出部として機能する。本体ＣＰＵ１１１は、ＡＦ制御回路１２５が算出したコントラストに基づいて、レンズＣＰＵ１１３およびレンズ駆動回路１１５介して撮影レンズ１０３のフォーカスレンズの駆動制御を行う。

ＡＥ制御回路１２７は、撮像制御回路１０７から本体ＣＰＵ１１１が入力した画像信号に基づいて被写体輝度を算出し、この被写体輝度に基づいて、本体ＣＰＵ１１１はシャッタ１０４のシャッタ速度等の露出制御値を算出する。この算出されたシャッタ速度は、シャッタ制御回路１０９に出力され、シャッタ１０４のシャッタ速度制御がなされる。

画像処理回路１２９は、撮像制御回路１０７から本体ＣＰＵ１１１が入力した画像信号に対して画像処理を施す。画像処理としては、オプティカルブラック減算処理、ホワイトバランス補正処理、同時化処理、ガンマ・色再現処理、カラーマトリックス演算処理、エッジ強調処理、ノイズリダクション処理等、種々の処理を行う。また、ライブビュー表示するための画像処理、記録媒体に記録するための画像処理、記録媒体から読み出した画像データを再生表示するための画像処理等、種々の処理も行う。

表示回路１３１は、表示素子１３３に接続されており、表示素子１３３での表示制御を行う。表示素子１３３としては、液晶表示素子（ＬＣＤ）や有機ＥＬ素子等、種々の表示素子が用いられる。表示素子１３３には、ライブビュー表示、再生表示、メニュー画面表示等、種々の表示がなされる。

操作スイッチ検出回路１３５は、操作部１３７に接続されており、操作部１３７内の種々の操作部材の操作状態を検出する。操作部１３７内の操作部材としては、電源スイッチ、レリーズ釦、再生釦、メニュー釦、十字釦、ＯＫ釦、動画撮影スイッチ等がある。

次に、本実施形態に係る撮像装置１００の動作について説明する。図２は、撮像装置１００の動画撮影モードにおけるオートフォーカス（ＡＦ）動作の状態遷移を示す図である。撮影者により操作部１３７の電源スイッチがオンされると、本体ＣＰＵ１１１は、ＦＲＯＭ１２１から必要なプログラムコードを読み込んで動作を開始する。操作部１３７の動画撮影スイッチがオンされると、本体ＣＰＵ１１１はこれを認識して動画撮影モードを設定し動画撮影動作を開始して、図２に示す状態遷移を制御する。

動画撮影モードにおけるＡＦ動作を動画ＡＦと称する。動画ＡＦが開始されると、最初に通常ウォブリング動作モード（以下、通常ＷＯＢモードと称す）が実行される。通常ウォブリング動作は、低周波ウォブリング動作とは異なる高周波成分のウォブリング動作を行うものであって、従来のウォブリング動作を意味する。通常ＷＯＢモードにて合焦か非合焦かを判定し、非合焦であって合焦状態を維持できない場合は1)の遷移を行い、サーチモードに移行する。サーチモードでは、山登りＡＦが実行される。山登りＡＦが実行され、合焦状態になると2)の遷移を行い、通常ＷＯＢモードに移行する。

次に、通常ＷＯＢモードにて合焦またはＡＦ不能と判定すると3)の遷移を行って待機モードに移行する。待機モードにおいては、フォーカスレンズの位置を固定したまま、繰り返し焦点評価値を取得し、焦点評価値が所定値以上、変化したか否かを判定する。そして焦点評価値が所定値以上変化したと判定すると、4)の遷移を行い通常ＷＯＢモードに移行する。焦点評価値の変化が所定より小さい場合は待機モードを維持する。

次に、通常ＷＯＢモードにおいて、ＡＦ不能と判定すると5)の遷移を行い、本発明の特徴である低周波ウォブリング動作モード（以下、低周波ＷＯＢモードと称す）に移行する。低周波ＷＯＢモードにて合焦またはＡＦ不能と判定すると、7)の遷移を行って待機モードに移行する。また、低周波ＷＯＢモードにて合焦近傍と判定されると、6)の遷移を行って通常ＷＯＢモードに移行する。さらに低周波ＷＯＢモードにて非合焦であって合焦を維持できないと判定されると8)の遷移を行ってサーチモードに移行する。なお、低周波ＷＯＢモードの動作については後述する。

図３は、撮像装置１００の通常ＷＯＢモードにおける通常ウォブリング動作（通常ＷＯＢ動作）を示すフローチャートである。通常ＷＯＢ動作は、低周波ウォブリング動作とは異なる高周波成分のウォブリング動作を行うものであって、従来のウォブリング動作を意味する。

本体ＣＰＵ１１１は、ステップＳ１００にてレンズ駆動パラメータ（以下ＬＤパラメータと称す）を設定する。ＬＤパラメータはウォブリング動作の振幅、周期、駆動速度等のデータである。

そして、ステップＳ１０２にてフォーカスレンズ１０１をウォブリング動作の無限側（ＦＡＲ側）から至近側（ＮＥＡＲ側）位置に移動する。そして、ステップＳ１０４にて至近側（ＮＥＡＲ側）の位置における焦点評価値を取得して至近側焦点評価値としてＲＡＭ１２３等のメモリに記憶する。ステップＳ１０６にて、設定されたＬＤパラメータに基づきフォーカスレンズ１０１をウォブリング動作の至近側（ＮＥＡＲ側）位置から無限側（ＦＡＲ側）位置へ移動する。そして、ステップＳ１０８にて、フォーカスレンズ１０１が無限側（ＦＡＲ側）の位置における焦点評価値を取得して無限側焦点評価値としてメモリに記憶する。このようにしてウォブリング動作の１周期分（１回分）の動作を行う。

そして、ステップＳ１１０にて方向判断処理を行う。方向判断処理の具体的な処理は以下のように行う。上記ウォブリング動作を実行し、１周期分（１回分）のウォブリング動作により取得した至近側（ＮＥＡＲ側）端点の焦点評価値と無限側（ＦＡＲ側）端点の焦点評価値の変化量（差）を複数個算出する。例えば以下の（１）式にて変化量を算出する。

変化量δ＝（至近側焦点評価値―無限側焦点評価値）÷至近側焦点評価値×１００
・・・（１）
複数周期分（複数回分）のウォブリング動作を繰り返して実行し、取得した複数の焦点評価値に基づいて複数個の変化量δを算出してメモリに記憶する。そして、連続して算出した複数の変化量δの符号が、規定回数だけ連続して正の場合に、方向判断結果を至近側とする。つまり、焦点評価値が所定回数だけ連続して増加している場合には、フォーカスレンズが合焦に向かう方向は至近側であると判断する。また、連続して算出した複数の変化量δの符号が、所定回数だけ連続して負の場合に、方向判断結果を無限側とする。これは、焦点評価値が所定回数だけ連続して減少している場合には、フォーカスレンズが合焦に向かう方向は無限側であると判断する。変化量δが、所定回数だけ連続して正の場合、および所定回数だけ連続して負の場合の両方に該当しない場合は方向判断結果を不定とする。

次に、ステップＳ１１２にて合焦判断処理を行う。合焦判断処理においては、具体的には次のような処理を行う。焦点評価値の変化量δの推移が０を中心として安定して変化していると判定すると合焦と判断する。また変化量出δの推移が０付近で不安定に変化している場合は、コントラストカーブ（焦点評価値変化）の裾野部分に位置しており非合焦であると判断する。また、上記ステップＳ１１０の方向判断処理によって、至近側または無限側のいずれかの方向判断がなされた場合は、合焦近傍と判断する。

そして、ステップＳ１１４にて次状態処理を実行し、次に遷移すべきモード（状態）を判断する。つまり、合焦判断処理において合焦と判断された場合は、状態遷移の待機モードを次状態として記憶する。また、コントラストカーブの裾野部分に位置している非合焦状態と判断した場合は、状態遷移のサーチモードを次状態として記憶する。さらに、合焦近傍と判断した場合は、通常ＷＯＢ動作を継続させるため通常ＷＯＢモードを次状態として記憶する。また、通常ＷＯＢ動作にて方向判断処理の結果が不定であり、かつ合焦判断処理の結果が非合焦の場合には検出不能と判断する。検出不能と判断される場合は、低周波ＷＯＢモードを次状態として記憶する。

次に、ステップＳ１１６にて通常ＷＯＢの処理を終了するか否かを判別する。ここでは、次状態判断の結果による次状態が通常ＷＯＢモードの場合は、通常ＷＯＢ動作を終了しないと判断してステップＳ１００に戻り、通常ウォブリング処理を継続する。一方、次状態が待機モード、サーチモード、低周波ＷＯＢモードである場合は、通常ＷＯＢ動作を終了すると判断して本フローチャートの処理を終了する。

なお、合焦判断処理の結果が合焦近傍の場合は、通常ＷＯＢ動作を継続させ、以下のような動作を行う。図３のステップＳ１００にて、至近側から無限側に向かうレンズ駆動、または無限側から至近側に向かうレンズ駆動のうちで合焦に向かうレンズ駆動のみについて振幅を増加させる。そして、ステップＳ１０２またはＳ１０４の一方のみについて増加させた振幅、他方は増加させない振幅でレンズ駆動ことにより、合焦に向かう方向に徐々に移動させる動作を行う。そして、前述のように、焦点評価値の変化量の推移が０を中心として安定して変化していると判定すると合焦と判断する。合焦近傍の状態において、サーチ動作を行うとより高速にフォーカスレンズが移動するため、見栄えが低下する可能性がある。これを避けるために、サーチ動作を実行せずに通常ＷＯＢ動作により徐々に合焦に至るように制御する。

図４は、撮像装置１００の山登りＡＦ動作であるサーチ動作を示すフローチャートである。サーチ動作は状態遷移（図２）のサーチモードにおいて、実行される処理である。本体ＣＰＵ１１１は、ステップＳ２００にて、設定された方向、速度にてフォーカスレンズを駆動させてスキャン駆動を開始する。続いてステップＳ２０２では、スキャン動作中に焦点評価値を取得する。ステップＳ２０４では、方向判断を完了しているか否かを判定する。まだ、方向判断を完了していない場合はステップＳ２０６に進み、方向判断処理を実行する。方向判断処理は、合焦に近づくフォーカスレンズの駆動方向を求める処理で、フォーカスレンズの移動に伴う焦点評価値の変化を検出し、変化量が増加していく方向を求める。

一方、すでに方向判断が完了している場合はステップＳ２０８に進み、ピーク検出処理を行う。ピーク検出処理においては、スキャン動作中に焦点評価値を繰り返し取得し、焦点評価値がピークとなるフォーカスレンズの位置を求める。そして、焦点評価値のピークを検出するとスキャン動作を終了してフォーカスレンズを停止させる。

ステップＳ２１０ではピーク検出処理が完了した、即ちピークを検出できたか否かを判定する。そして、完了している場合はステップＳ２１２に進み、完了していない場合はステップＳ２００に戻ってピークが検出できるまでピーク検出処理を繰り返し実行する。ステップＳ２１２では、ピーク検出処理を実行した結果に基づいて補間処理により真の合焦位置を算出し、合焦駆動を実行してフォーカスレンズを合焦位置へ駆動する。

図５は、撮像装置１００の低周波ＷＯＢモードにおける低周波ウォブリング動作（低周波ＷＯＢ動作）を示すフローチャートである。本体ＣＰＵ１１１は、最初にステップＳ３００にて、初期設定として後述するようにウォブリングを実行した回数を示すｗｏｂ-ｍｏｖ-ｎｕｍをクリアし、低周波ウォブリング動作時の低周波成分に関するフォーカスレンズの移動方向についてｗｏｂ-ｄｉｒ＝ＮＥＡＲ２ＦＡＲと設定する。次にステップＳ３０２にてｗｏｂ-ｍｖ-ｎｕｍが、所定の閾値ＷＯＢ＿ＭＶ回数以上か否かを判定する。そして、ｗｏｂ-ｍｖ-ｎｕｍがＷＯＢ＿ＭＶ回数以上である場合はステップＳ３０４に進み、ｗｏｂ-ｍｖ-ｎｕｍをクリア（初期化）する。一方、ｗｏｂ-ｍｖ-ｎｕｍがＷＯＢ-ＭＶ回数よりも小さい場合は、ステップＳ３１０に進み、ｗｏｂ-ｍｖ-ｎｕｍに１を加算してステップＳ３１４に進む。

本体ＣＰＵ１１１は、ステップＳ３０４にて、ｗｏｂ-ｍｖ-ｎｕｍをクリアすると、ステップＳ３０６に進む。ステップＳ３０６では、低周波ウォブリング動作時の低周波成分に関するフォーカスレンズの移動方向を示すｗｏｂ-ｄｉｒが、近距離側から遠距離側への移動を示すＮＥＡＲ２ＦＡＲと等しいか否かを判定し、等しい場合はステップＳ３０８に進む。そして、ステップＳ３０８では、フォーカスレンズの駆動方向を逆転させるために、ｗｏｂ-ｄｉｒをＦＡＲ２ＮＥＡＲ、つまり遠距離側から至近側に移動する方向に設定する。

一方、ステップＳ３０６にてｗｏｂ-ｄｉｒが、ＮＥＡＲ２ＦＡＲと等しくない場合、つまり遠距離側から近距離側に移動する方向であった場合は、ステップＳ３１２に進み、ｗｏｂ-ｄｉｒをＮＥＡＲ２ＦＡＲ、つまり近距離側から遠距離側に移動する方向に設定する。そして、ステップＳ３１４では、ＬＤパラメータを設定する。ＬＤパラメータ設定では、高周波ウォブリング動作の振幅、周期、ずらし量、駆動速度等を設定する。

次に、ステップＳ３１６に進み、設定されたＬＤパラメータの振幅データに基づいて無限側から至近側に振幅データ分だけフォーカスレンズを駆動する。これにより１回の高周波成分のウォブリング動作における至近側端点にフォーカスレンズを位置させている。そして、ステップＳ３１８では、至近側端点のフォーカスレンズ位置における焦点評価値を取得する。そして、ステップＳ３２０では、設定されたＬＤパラメータの振幅データに基づいて至近側から無限側に振幅データ分だけフォーカスレンズを駆動する。これにより１回の高周波成分のウォブリング動作における無限側端点にフォーカスレンズを位置させている。そして、ステップＳ３２２では、フォーカスレンズを１回の高周波成分のウォブリング動作における無限側端点に位置させた状態で焦点評価値を取得する。

次に、ステップＳ３２４では被写体状態判断処理を実行する。被写体状態判断処理の詳細については後述する。ステップＳ３２６では、被写体状態判断の結果に基づいて次状態判断処理を実行し、次に遷移すべき遷移状態を判断する、そして、ステップＳ３２８では、低周波ＷＯＢ動作を終了させる場合、つまり、通常ＷＯＢモード、サーチモード、待機モードに遷移する場合は、本フローチャートの処理を完了する。一方、低周波ＷＯＢ動作を継続させる場合は、ステップＳ３０２に戻って処理を繰り返す。

図９の低周波ウォブリング動作を示す図について、図５の低周波ＷＯＢのフローチャートに合わせて説明する。低周波ウォブリング動作は、前述のように、高周波成分と低周波成分とに基づいて実行され、高周波成分の１周期をＨＷＴ、低周波成分の１周期をＬＷＴとする。また、低周波成分の前半の半周期をＬＷＴ１、後半の半周期をＬＷＴ２とする。図９では、ＷＯＢ-ＭＶ回数＝５、ｗｏｂ-ｄｉｒ＝ＮＥＡＲ２ＦＡＲと設定されているものとする。

低周波ウォブリング動作を開始すると、ｗｏｂ-ｍｖ-ｎｕｍ＝０と設定されている（Ｓ３００）ので、ｗｏｂ-ｍｖ-ｎｕｍ＜ＷＯＢ-ＭＶ回数であり（Ｓ３０２：ＮＯ）、ｗｏｂ-ｍｖ-ｎｕｍに１を加算してｗｏｂ-ｍｖ-ｎｕｍ＝１と設定される（Ｓ３１０）。次にＬＤパラメータである高周波成分動作の振幅、周期、ずらし量等を設定し（Ｓ３１４）、フォーカスレンズを至近側端点の位置Ｌ１Ｎに移動させる（Ｓ３１６）。そして、時刻Ｔ１Ｎにおける状態Ｎ１にて焦点評価値Ｈ１Ｎを取得しメモリに記憶する（Ｓ３１８）。次に振幅、ずらし量、周期等の設定に応じてフォーカスレンズを無限側端点の位置Ｌ１Ｆに移動させ（Ｓ３２０）、時刻Ｔ１Ｆにおける状態Ｆ１にて焦点評価値Ｈ１Ｆを取得しメモリに記憶する（Ｓ３２２）。また、焦点評価値Ｈ１Ｎ、Ｈ１Ｆの差に関連する変化量δを、式（１）に基づいて算出しδ［１］としてメモリに記憶する。

ここでは、１例としてＬＤパラメータである振幅、ずらし量を、フォーカスレンズを駆動するステッピングモータの駆動パルス単位で、振幅＝３パルス、ずらし量＝４パルスと設定している。従って、フォーカスレンズの至近側から無限側への移動量は３＋４＝７パルス（振幅＋ずらし量）、無限側から至近側への移動量は３パルス（＝振幅）となっている。また、高周波成分のウォブリング動作の周期は、図９の（Ｔ１Ｆ−Ｔ１Ｎ）の２倍に相当する値が設定されている。

このような高周波成分に対応する１周期分の動作（ＨＷＴ）を繰り返し実行する。そして、このような高周波成分に対応する動作を５回繰り返すとｗｏｂ-ｍｖ-ｎｕｍ＝５となり（Ｓ３０２：ＹＥＳ）、ｗｏｂ-ｄｉｒ＝ＮＥＡＲ２ＦＡＲであるので（Ｓ３０６：ＹＥＳ）、ｗｏｂ-ｄｉｒ＝ＦＡＲ２ＮＥＡＲに設定される（Ｓ３０８）。そして、時刻Ｔ５Ｎにてフォーカスレンズ位置Ｌ５Ｎに移動して位置させ（Ｓ３１６）、この状態Ｎ５にて焦点評価値Ｈ５Ｎを取得しメモリに記憶する（Ｓ３１８）。また、時刻Ｔ５Ｆにてフォーカスレンズを位置Ｌ５Ｆに移動して位置させ（Ｓ３２０）、この状態Ｆ５にて焦点評価値Ｈ５Ｆを取得しメモリに記憶する（Ｓ３２２）。また、焦点評価値Ｈ５Ｎ、Ｈ５Ｆの差に関連する変化量δを、式（１）に基づいて算出し、δ[５]としてメモリに記憶する。

その後、ｗｏｂ-ｄｉｒ＝ＦＡＲ２ＮＥＡＲと設定されているので、低周波成分の後半の半周期（ＬＷＴ２）の動作に移り、ステップＳ３１４にて後半の半周期に対応するＬＤパラメータを設定して高周波成分に対応する動作を所定回数だけ行う。高周波成分に対応するウォブリング動作は、上記例にてＬＤパラメータとして振幅＝３パルス、ずらし量＝４パルスと設定している。従って、フォーカスレンズの無限側から至近側への移動量は３＋４＝７パルス（振幅＋ずらし量）、至近側から無限側への移動量は３パルス（＝振幅）として動作を行う。なお、この低周波ウォブリング動作の１周期ＬＷＴを複数回繰り返して実行してもよい。また、焦点評価値の検出結果に応じて振幅等のＬＤパラメータを変更してもよい。

図６は、撮像装置１００の低周波ＷＯＢ動作(図５)のステップＳ３２４で実行される被写体状態判断処理の動作を示すフローチャートである。被写体状態判断処理においては、主として高周波成分に基づく方向判断処理と低周波成分に基づく方向判断処理の２種類の処理を行い、それぞれの結果をメモリに格納する。

本体ＣＰＵ１１１は、最初にステップＳ４００において、安定判定動作を実行する。安定判定動作は、低周波ＷＯＢ動作により取得した複数の焦点評価値の変化量が、安定的に推移して正弦波状になっているか否かを判断する。低周波ＷＯＢ動作の低周波成分の一方の端点に到達した時の時刻Ｔ[１]で算出した変化量をδ[１]とし、反対側の端点に到達した時の時刻Ｔ[Ｎ]で算出した変化量をδ[Ｎ]とする。また、一方の端点から反対側の端点に到達するまでに算出した変化量をδ[２]〜δ[Ｎ−１]とする。そして、以下に示す式（２）を満たす場合に安定していると判断する。

ＡＢＳ(δ[１]−δ[Ｎ])×係数Ａ ≦ (ＡＢＳ(δ[１]−δ[２])＋ＡＢＳ(δ[２]−δ[３])＋…＋ＡＢＳ(δ[Ｎ−１]−δ[Ｎ])) ・・・（２）
なお、係数Ａは、所定の固定値である。

たとえば、図９の場合には式（２）は、以下の式で示される。

ＡＢＳ(δ[１]−δ[５])×係数Ａ ≦ (ＡＢＳ(δ[１]−δ[２])＋ＡＢＳ(δ[２]−δ[３])＋ＡＢＳ（[δ[３]−δ[４]]＋ＡＢＳ(δ[４]−δ[５]))
ただし、変化量δ[１]、・・・、δ[５]は以下のように示される。

δ[１]＝（Ｈ１Ｎ−Ｈ１Ｆ）／Ｈ１Ｎ×１００
・・・
δ[５]＝（Ｈ５Ｎ−Ｈ５Ｆ）／Ｈ５Ｎ×１００
次に、ステップＳ４０２では、安定判定動作の結果に基づき、安定か否かを判定し、安定である場合はステップＳ４０４に進む。一方、安定ではない場合は検出不能と判定し、本被写体状態判断処理のフローを終了する。ステップＳ４０４では、低周波ＷＯＢ動作の結果に基づく方向判断動作を実行する。低周波ＷＯＢ動作の無限側端点（図９のＬ５Ｆ）と至近側端点（図９のＬ１Ｎ）で取得したそれぞれの焦点評価値Ｈ５Ｆ、Ｈ１Ｎの大きさを比較する。そして、至近側の焦点評価値Ｈ１Ｎの方が無限側の焦点評価値Ｈ５Ｆよりも大きい場合は、方向判断結果は至近側、即ちフォーカスレンズが合焦に向かう方向は至近側と判断する。また、逆に無限側の焦点評価値Ｈ５Ｆの方が至近側の焦点評価値Ｈ１Ｎよりも大きい場合には、方向判断結果は無限側、即ちフォーカスレンズが合焦に向かう方向は無限側と判断する。

次に、ステップＳ４０６では、低周波ＷＯＢ動作により順次メモリに記憶された複数の変化量δ（式（１））に基づく方向判断、つまり高周波成分に基づく方向判断を行う。複数の変化量δの符号が、時系列に連続して所定回数だけ正の場合は至近側と判断する。一方、複数の変化量δの符号が時系列に連続して所定回数だけ負の場合は無限側と判断する。これらを満たさない場合は、方向判断は不能と判定する。

そして、低周波ＷＯＢ動作による低周波成分に基づく方向判断結果と高周波成分に基づく方向判断結果とに基づいて、次のように最終方向判断動作を実行する。低周波成分と高周波成分の方向判断結果が両方とも至近側だった場合には、最終方向判断結果を至近側とする。また、低周波成分と高周波成分の方向判断結果が両方とも無限側だった場合には、最終方向判断結果を無限側とする。さらに、低周波成分と低周波成分の方向判断結果が異なっている場合には、最終方向判断結果を高周波成分の最終方向判断結果と同じとする。そして、最終方向判断結果をメモリに格納する。

低周波成分の方向判断結果と高周波成分の方向判断結果が異なっている場合に、高周波成分の方向判断結果を採用するのは以下の理由による。これは、高周波成分の方向判断の方が時間経過によるノイズの影響を受けにくいので、信頼性がより高いと考えられるためである。低周波成分の方向判断を行うためには低周波ＷＯＢ動作の半周期分の時間が必要となる。たとえば、ｗｏｂ-ｍｖ-ｎｕｍ＝５、フレームレートを３０ｆｐｓとすると、低周波ＷＯＢ動作の半周期分の時間は約１６６ｍｓ（＝１/３０（Ｓ）×５（回））となる。一方、高周波成分の方向判断は、上記時間の約１／５の時間で５回分の方向判断結果を蓄積して総合的な方向判断結果とするので、より信頼性が高いと考えられる。

そして、ステップＳ４０８では、以下のように合焦判断を実行する。上記低周波ＷＯＢ動作により求められた変化量の推移が、０を中心として安定的に正弦波を描いている状態であれば、合焦と判断する。また、上記変化量の推移が、全て正（または負）の場合には合焦近傍と判断する。さらに、上記変化量の推移が０付近で不安定に変化している場合には、非合焦状態でかつコントラストカーブの裾野に位置すると判断する。以上の合焦判断の結果をメモリに格納して、被写体状態判断処理を終了する。

この被写体状態判断処理においてなされた最終方向判断結果と合焦判断結果は、低周波ＷＯＢ動作のステップＳ３２６の次状態判断にて遷移すべき次状態を判断される。即ち、この最終方向判断結果は、通常ＷＯＢモードに遷移した後に、通常ＷＯＢ動作にてこの最終方向判断結果を採用して動作を行う。また、合焦と判断された場合は待機モードに遷移させ、合焦近傍と判断された場合は通常ＷＯＢモードに遷移させ、非合焦かつコントラストカーブの裾野に位置すると判断された場合はサーチモードに遷移させるように設定する。

従って、通常ＷＯＢモードにおいてＡＦ不能と判断された場合であっても、低周波ＷＯＢモードにおいてより検出能力が高い低周波ＷＯＢ動作を行うことにより、合焦、合焦近傍、非合焦を判断することが可能となる。そして、通常ＷＯＢモードまたはサーチモードに移行して、それぞれ通常ＷＯＢ動作またはサーチ動作を実行することにより合焦とすることが可能である。

以上説明したように、高周波な振幅成分を有するウォブリング動作に、より低周波な正弦波状の振幅成分を重畳させた低周波ウォブリング動作を行うことにより、フォーカスレンズの駆動音を増大させることなく、撮像する画像の品位を低下させることもなく焦点検出性能を向上させることが可能である。

本発明の変形例について以下に記述する。

図６に示す被写体状態判断処理のステップＳ４００に示す安定判定動作については、以下のような方法で行ってもよい。所定の正弦波の形状を基準とし、取得した複数の変化量の推移データと所定の正弦波との相関演算を行い、相関度が所定の閾値よりも大きいと判定される場合は、安定していると判定する。所定の正弦波の振幅と周期は、低周波ウォブリング動作のＬＤパラメータに応じて設定すればよい。

さらに、別の変形例として、安定判定動作について以下のような方法を採用してもよい。取得した複数の変化量の推移データに関して最小二乗法による近似式を算出し、この近似式が正弦波を示していると判定できるならば安定している判断する。たとえば、算出した近似式と所定の振幅、周期を有する正弦波との相関を演算し、相関度が所定の閾値よりも大きいと判定される場合は、安定していると判定してもよい。

また、本実施例においては、通常のウォブリング動作に、より低周波な正弦波状の振幅成分を重畳させた低周波ウォブリング動作を行っているが、より低周波な三角波状の振幅成分を重畳させた低周波ウォブリング動作を行っても、同様な効果が得られる。

以上実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。また、前述の動作の説明において、便宜上「まず」、「次に」等を用いて動作を説明しているが、この順で動作を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。

さらに、上記した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適当な組合せにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、上述したような課題を解決でき、上述したような効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。

１００…撮像装置、１０１…交換レンズ、１０２…カメラ本体、１０３…撮影光学系、１０４…シャッタ、１０５…撮像素子、１０７…撮像制御回路、１０９…シャッタ制御回路、１１１…本体ＣＰＵ、１１２…電気的接点、１１３…レンズＣＰＵ、１１４…レンズ記憶回路、１１５…レンズ駆動回路、１２１…ＦＲＯＭ、１２３…ＲＡＭ、１２５…ＡＦ制御回路、１２６…ＡＥ制御回路、１２９…画像処理回路、１３1…表示回路、１３３…表示素子、１３５…操作ＳＷ検出回路、１３７…操作部

Claims (4)

1. 光軸方向に移動可能なフォーカスレンズを有する撮影光学系と、
   前記撮影光学系により結像される被写体像を撮像する撮像部と、
   前記撮像部が生成する画像データに基づいて焦点評価値を算出する焦点評価値算出部と、
   前記焦点評価値に基づいて前記フォーカスレンズを制御してＡＦ動作を実行する焦点制御部と、
   を具備し、
   前記焦点制御部は、第１の周期と第１の振幅により形成される第１の信号に、前記第１の周期よりも大きい第２の周期と前記第１の振幅よりも大きい第２の振幅により形成される第２の信号を重畳させた信号に基づいて前記フォーカスレンズを移動させ、前記フォーカスレンズの移動に同期して前記焦点評価値算出部により焦点評価値を算出させ、算出された焦点評価値に基づいてＡＦ動作を実行し、
   前記焦点制御部は、前記第２の信号成分の最大値と最小値の間の半周期分に相当する第１の期間において前記第１の信号成分と第２の信号成分とを重畳した信号成分の最大値に対応する位置に前記フォーカスレンズが位置するときの焦点評価値と、前記第１の信号成分と第２の信号成分とを重畳した信号成分の最小値に対応する位置に前記フォーカスレンズが位置するときの焦点評価値との差に基づいて前記フォーカスレンズが合焦となる第１の方向を判断し、
   前記第１の期間の中で前記第１の信号成分の最大値と最小値の間の半周期分に相当する第２の期間において前記第１の信号成分の最大値に対応する位置に前記フォーカスレンズが位置するときの焦点評価値と、前記第１の信号成分の最小値に対応する位置に前記フォーカスレンズが位置するときの焦点評価値の差に基づいて前記フォーカスレンズが合焦となる第２の方向を判断し、
   前記第１の方向と第２の方向に基づいて前記フォーカスレンズが合焦となる方向を決定する、
   ことを特徴とする焦点調節装置。
2. 前記焦点制御部は、前記第１の期間において前記第１の信号成分の周期毎に第２の方向を判断し、時系列に連続して所定回数だけ同じ方向が判断される場合に、前記同じ方向と判断される方向を第２の方向と判断することを特徴とする請求項１に記載の焦点調節装置。
3. 前記焦点制御部は、前記第１の方向と第２の方向が同一の場合は該同一と判別される方向をフォーカスレンズが合焦となる方向と決定し、異なる場合は前記第２の方向をフォーカスレンズが合焦となる方向と決定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。
4. 光軸方向に移動可能なフォーカスレンズを有する撮影光学系と、前記撮影光学系により結像される被写体像を撮像する撮像部と、を具備する撮像装置の焦点調節方法において、
   第１の周期と第１の振幅により形成される第１の信号に、前記第１の周期よりも大きい第２の周期と前記第１の振幅よりも大きい第２の振幅により形成される第２の信号を重畳させた信号に基づいて前記フォーカスレンズを移動させ、前記フォーカスレンズの移動に同期して前記撮像部の撮像を実行させて撮像部の出力に基づいて焦点評価値を算出させ、
   前記第２の信号成分の最大値と最小値の間の半周期分に相当する第１の期間において前記第１の信号成分と第２の信号成分とを重畳した信号成分の最大値に対応する位置に前記フォーカスレンズが位置するときの焦点評価値と、前記第１の信号成分と第２の信号成分とを重畳した信号成分の最小値に対応する位置に前記フォーカスレンズが位置するときの焦点評価値との差に基づいて前記フォーカスレンズが合焦となる第１の方向を判断し、
   前記第１の期間の中で前記第１の信号成分の最大値と最小値の間の半周期分に相当する第２の期間において前記第１の信号成分の最大値に対応する位置に前記フォーカスレンズが位置するときの焦点評価値と、前記第１の信号成分の最小値に対応する位置に前記フォーカスレンズが位置するときの焦点評価値の差に基づいて前記フォーカスレンズが合焦となる第２の方向を判断し、
   前記第１の方向と第２の方向に基づいて前記フォーカスレンズが合焦となる方向を決定する、
   ことを特徴とする焦点調節方法。

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