JP2008268815A - 自動合焦装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 撮像素子の数を増加させず簡単な構成で、合焦時間が短く高速被写体や暗い被写体の焦点を効率的に検出可能な自動合焦装置を提供する。
【解決手段】 撮影光学系１からの光束を２つ以上に分割する光束分割光学系２により生成される一方の光束から画像を検出する撮像素子３と、他方の光束を結像する再結像レンズ４を経た像を瞳分割する一組の瞳分割光学系５で形成される画像の焦点検出状態を検出する、前ピン又は後ピン位置に配置される一組の撮像エリアを持つ瞳分割撮像素子６と、焦点検出法切り替え制御信号を出力する焦点検出法切り替え部10と、画像検出撮像素子の出力からコントラストを求める第１の焦点検出部９と、制御信号により瞳分割撮像素子の出力からコントラスト又は位相差を求める第２の焦点検出部54と、第１及び第２の焦点検出部の出力と制御信号により光学系駆動部12への指令電圧を生成する焦点演算部11とで自動合焦点装置を構成する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、自動合焦装置に関し、特に、デジタル一眼レフカメラなどに利用される自動合焦装置に関する。

従来より知られているデジタルカメラ等の自動合焦装置として、撮像素子から得られる画像信号から所定の周波数成分を抽出し、抽出した周波数成分が最大となる位置に撮像光学系を移動させることにより合焦調節を行う、いわゆる山登り方式がある。この山登り方式を適用した自動合焦装置は、焦点調節に専用の光学部品が不要であり小型化が可能であるうえ、被写体のパターンに依存せずに高精度の合焦が可能であるといった利点を有している。山のぼり方式を利用した自動合焦装置は、例えばＮＨＫ技術報告、昭和40年、第17巻、第１号通巻第86号（Ｐ21〜Ｐ37）に詳しく記述されている。

しかしながら、この山登り方式を利用した自動合焦装置は、結像面付近に置かれた撮像素子で得られる映像信号のみを用いて距離情報を得る方式であり、次に述べるような欠点がある。
（１）非合焦状態が前ピンなのか、後ピンなのか検出できず、撮影レンズを前ピン状態から後ピン状態まで動かさなければ、合焦状態が求まらず、合焦に掛かる時間が長くなる。（２）動く被写体の変化を予測することができない。
ここで、後ピン、前ピン、合焦状態とは、次の状態をいう。
後ピン ：ピントが遠側にずれている状態
前ピン ：ピントが近側にずれている状態
合焦状態：ピントが合っている状態

上記欠点（１）を補う手法が、特開平５−２２７４６５号公報で提案されている。次に、図５に示すブロック図を用いて、その概念を説明する。この自動合焦装置は、図５に示すように、撮影光学系１と、光束分割光学系２と、光束分割光学系２の各出力を入力とする画像読み出し撮像素子３と、第１の焦点検出用撮像素子50と、第２の焦点検出用撮像素子51と、各撮像素子の出力から焦点検出に必要な信号を計算する第１の焦点検出部９と、第２の焦点検出部54と、第３の焦点検出部55と、各焦点検出部の出力を入力とする焦点演算部11と、焦点演算部11の出力を入力として光学系の位置を決める信号を生成する光学系駆動部12とで構成されている。

なお、図６に示すように、画像読み出し撮像素子３が撮影光学系１の結像位置に配置されるのに対して、第１の焦点検出用撮像素子50は結像位置に対して前ピン状態を検出する位置に、第２の焦点検出用撮像素子51は結像位置に対して後ピン状態を検出する位置に配置される。

このように、光学的な位置が異なる３つの撮像素子で検出された光情報は各焦点検出部９，54，55の入力であり、各焦点検出部では合焦程度を示す評価値である画像のコントラストが計算される。各焦点検出部の出力は焦点演算部11の入力に接続され、焦点演算部11では各焦点検出部で得た画素のコントラストの大小関係を比較し、表１に示すように前ピン、後ピン、合焦の判断を行う。この構成では、一度の被写体像の取り込みで前ピン、後ピン、合焦の判断が行える。

また、上記欠点（２）に関して、上記特開平５−２２７４６５号公報では、第１の焦点検出用撮像素子50と、第２の焦点検出用撮像素子51の位置を光軸方向に沿って動かしながら、表１に示す位置検出データを求め、そのデータの比較から動く被写体の変化を予測する手法が示されている。なお、ここで説明している光束分割光学系２としては、ペリクルミラー、ハーフミラー等の光半透過性のミラー、光半透過性の反射面を有するプリズム等が挙げられるが、光束の分割が可能なものであれば、これらに限られない。

これまで述べてきた画像のコントラストから焦点状態を検出する手法以外に、三角測量の技術をベースにする位相差方式があり、同方式の測距モジュールが多くの一眼レフカメラへ搭載されている。次に、位相差方式を図７に示すブロック図に基づいて、その概念を説明する。図７に示す自動合焦装置は、撮影光学系１と、撮影光学系１を通る光束を分ける光束分割光学系２と、光束分割光学系２の一出力を再結像する再結像レンズ４と、再結像レンズ４で生成する像を受ける瞳分割光学系５と、瞳分割光学系５の出力が照射される瞳分割撮像素子６と、瞳分割撮像素子６の出力から合焦状態を示す信号を生成する焦点検出部９と、焦点検出部９の出力を受けてレンズの移動量を求める焦点演算部11と、焦点演算部11の出力を受け撮影光学系１の位置を制御する光学系駆動部12とで構成されている。なお、瞳分割光学系５は、瞳分割絞り５-1と瞳分割レンズ５-2とで構成されている。なお、図７においては一眼レフカメラの撮像素子もしくはフィルムに相当する部分は、図示を省略している。

次に、図８を用いて、位相差方式の動作について説明する。なお、図８においては、説明を簡単にするため、撮影光学系１と、再結像レンズ４と、瞳分割光学系５と、瞳分割撮像素子６のみを示している。再結像レンズ４で生成された像は、瞳分割光学系５を通る。右側の瞳分割光学系を通った被写体像は瞳分割撮像素子６の右側の撮像エリア（センサーアレイＢ）に照射する。同様に左側の瞳分割光学系を通った被写体像は、瞳分割撮像素子６の左側の撮像エリア（センサーアレイＡ）に照射する。図８では、左右方向を上下方向で示している。また、この説明図では光束を左右方向のみに分割する例を示しているが、分割の方向、分割の数はこれに限られるものではない。

瞳分割撮像素子（センサーアレイＡ，Ｂ）６に照射した２つの像の間隔は、合焦時をＺ０とすると、前ピン時はＺ０より小さくなり、逆に後ピン時ではＺ０より大きくなり、デフォーカス量（ピントずれ量）を示す。デフォーカス量（ピントずれ量）は被写体との距離に比例するため、ある時間間隔を置いて得た複数のデータがあると、特定時間間隔後の被写体の移動を推測することができる。図８では、（ａ）で合焦状態、（ｂ）で前ピン状態、（ｃ）で後ピン状態を示している。上記２つの像の間隔Ｚ０は、図７の焦点検出部９で求められ、この値に基づき図７の焦点演算部11ではレンズの移動信号を生成する。
特開平５−２２７４６５号公報 ＮＨＫ技術報告、昭和40年、第17巻、第１号通巻第86号（Ｐ21〜Ｐ37）

ところで、上記公報開示の手法は、合焦に掛かる時間を短縮しつつ、動く被写体の変化を予測することを実現しているが、この手法には次に示す欠点がある。
（１）光路分割光学系並びに３つの撮像素子が必要であり、装置が大きくなる。
（２）被写体の速度を求めるためには、一部の撮像素子を動かす機構が必要であり、装置が大掛かりになる。

本発明は、従来の自動合焦装置における上記問題点を解消するためになされたもので、撮像素子数を増加させることなく簡単な構成で、合焦時間が短く動く被写体の位置を予測することが可能な自動合焦装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に係る発明は、撮影光学系と、撮影光学系を通る光束を２つあるいはそれ以上に分割する光束分割光学系と、前記光束分割光学系により生成される一方の光束により画像を検出する第１の撮像素子と、前記光束分割光学系により生成される他方の光束を結像する再結像レンズと、前記再結像レンズを経た像を瞳分割する一組もしくは複数組の瞳分割光学系と、画像を検出する第１の撮像素子の等価面に対して前ピンもしくは後ピンの位置に配置され、前記瞳分割光学系により形成される画像の焦点検出状態を検出する一組もしくは複数組の撮像エリアを持つ第２の撮像素子と、焦点検出法の切り替えのための制御信号を出力する焦点検出法切り替え部と、前記第１の撮像素子の出力を入力として画像のコントラストを求める演算を行う第１の焦点検出部と、前記第２の撮像素子の出力と前記制御信号を入力とし、一組もしくは複数組の撮像エリアの画像のコントラスト、もしくは、複数組の撮像エリアの像の位相差を求める演算を行う第２の焦点検出部と、前記第１の焦点検出部及び前記第２の焦点検出部の出力、及び前記制御信号を入力とし、合焦状態になるように前記撮像光学系を動かすための指令電圧を生成する焦点演算部と、前記焦点演算部の出力を受け、撮像光学系を動かす光学系駆動部とで、自動合焦装置を構成するものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る自動合焦装置において、前記焦点検出法切り替え部は、高速で動く被写体を撮影するときは、前記第２の焦点検出部を１つもしくは複数組の撮像エリアの像の位相差を求める演算に設定し、前記高速移動被写体以外の撮影をするときは、前記第２の焦点検出部を１つもしくは複数組の撮像エリアの画像のコントラストを求める演算に設定することを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項１に係る自動合焦装置において、前記焦点検出法切り替え部は、暗い被写体を撮影するときは、前記第２の焦点検出部に１つもしくは複数組の撮像エリアの像の位相差を求める演算に設定をし、前記暗い被写体以外の撮影をするときは、前記第２の焦点検出部に１つもしくは複数組の撮像エリアの画像のコントラストを求める演算に設定をすることを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか１項に係る自動合焦装置において、前記焦点検出法切り替え部は、前記瞳分割光学系の視野絞りを、前記第２の焦点検出部で１つもしくは複数組の撮像エリアの像のコントラストを求めるときには絞り込み、一方、前記第２の焦点検出部で１つもしくは複数組の複数撮像エリアの像の位相差を求めるときには開ける絞り制御手段を有することを特徴とするものである。

本発明によれば、画像を検出する第１の撮像素子と、該第１の撮像素子の等価面に対して前ピン又は後ピンの位置に配置した一組又は複数組の撮像エリアをもつ第２の撮像素子とを備え、第２の撮像素子の出力からコントラスト信号と位相差信号を切り替えて出力させるように構成しているので、撮像素子数を増加させずに簡単な構成で、合焦時間が短く動く被写体の位置を予測することが可能な自動合焦装置を実現することができる。また、絞り制御部を設け、瞳分割光学系の視野絞りを切り替えることにより、コントラスト信号、及び位相差信号の検出精度を上げることができる。更に、撮影シーンに応じて瞳分割光の絞りを切り替えることにより、例えば暗い被写体でも高い精度で焦点を検出することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

まず、図１及び図２に基づいて本発明に係る自動合焦装置の実施例１について説明する。図１は、実施例１に係る自動合焦装置の構成を示すブロック図で、図２は、図１に示した実施例１における２つの撮像素子の光学的位置を示している。図１において、１は撮影光学系であり、撮影光学系１を通る光束は光束分割光学系２により２つあるいはそれ以上に分割される。前記分割光学系２の出力の１つは画像を検出する撮像素子３に導き、もう一方の出力は、再結像レンズ４に導く。再結像レンズ４に投影された像は一組もしくは複数組の瞳分割光学系５に導かれ、焦点検出状態を検出する一組もしくは複数組の撮像エリアを持つ瞳分割撮像素子６上に照射する。なお、この瞳分割撮像素子６は、前記画像を検出する撮像素子３が合焦位置に配置されるのに対して、前ピンもしくは後ピンの位置に配置するものとする。

すなわち、図２は、画像を検出する撮像素子３と、焦点検出状態を検出する一組もしくは複数組の撮像エリアを持つ瞳分割撮像素子６の光学上の位置を示しており、横軸方向は、光の進む方向であり、画像を検出する撮像素子３の位置（合焦点位置）に対して、焦点検出状態を検出する一組もしくは複数組の撮像エリアを持つ瞳分割撮像素子６は、合焦位置の前後のいずれかに配置される。

前記画像を検出する撮像素子３の出力は、画像のコントラストを求める演算を行う第１の焦点検出部９に入力され、ここで焦点を示す信号が得られる。同様にして、複数組の撮像エリアを持つ瞳分割撮像素子６の出力は、焦点検出法切り替え部10の制御信号により、演算方法が一組もしくは複数組の撮像エリアの画像のコントラストを求めるのか、複数組の撮像エリアの像の位相差を求めるのかが切り替えられる第２の焦点検出部54に入力され、ここで焦点を示す信号が得られる。

第１の焦点検出部９及び第２の焦点検出部54の出力は焦点演算部11に入力され、ここでレンズを制御する信号が得られる。焦点演算部11の出力は、撮像光学系１を動かす光学系駆動部12に加えられる。なお、上記実施例における光束分割光学系５としては、ペリクルミラー，ハーフミラー等の光半透過性のミラー、光半透過性の反射面を有するプリズム等が挙げられるが、光束の分割が可能なものであればこれらに限られない。

次に、このように構成されている実施例１の動作について説明する。焦点検出法切り替え部10からの制御信号により、第２の焦点検出部54の演算方法を、コントラストを求めるように設定する第１の焦点検出モードと、位相差を求めるように設定する第２の焦点検出モードとを切り替えるようになっている。
＜第１の焦点検出モード＞
第１の焦点検出モードが設定されると、複数の撮像素子３，６で得られる画像のコントラスト情報から撮影光学系の位置を求める。すなわち、第２の焦点検出部54では、瞳分割撮像素子６の１つもしくは複数組のエリアで検出した画像のコントラストを演算する。また第１の焦点検出部９では、合焦位置の画像検出撮像素子３で検出した画像のコントラストを演算する。
＜第２の焦点検出モード＞
第２の焦点検出モードが設定されると、１つもしくは複数組の撮像エリアを持つ瞳分割撮像素子６で得られる画像の位相差情報から撮影光学系の位置を求める。すなわち、第２の焦点検出部54では、１つもしくは複数組の撮像エリアで検出した位相差信号を演算する。この際、第１の焦点検出部９は動作未定義状態となる。

なお、第２の焦点検出部54で被写体の距離を求める演算を複数回、一定の時間間隔で行い、そこで得られた被写体の距離の時間的変化を示す情報を用いて、被写体の動き（位置）を予測することができる。

次に、図３に基づいて本発明の実施例２について説明する。図３では、図１，図２で示した実施例１の構成と異なる部分の構成とその周辺の構成のみを示している。この実施例では、光束分割光学系２と、これにより２つあるいはそれ以上に分割された光束の１つを結像する再結像レンズ４と、瞳分割光学絞り５-1と瞳分割レンズ５-2とで構成され、一組もしくは複数組の再結像レンズ４に投影された像を結ぶ瞳分割光学系５と、前記瞳分割光学系５の像を検出する一組もしくは複数組の撮像エリアを持つ瞳分割撮像素子６と、前記瞳分割光学絞り５-1を制御する絞り制御部20とで構成されている。それ以外の構成は、図１に示した実施例１と同様である。

次に、実施例１と同様に、焦点検出法切り替え部により、このように構成されている実施例２におけるコントラストを求めるように設定した場合の第１の焦点検出モードと、位相差を求めるよう設定した第２の焦点検出モードの動作について説明する。
＜第１の焦点検出モード＞
このモード設定の場合は、複数の撮像素子で得られる画像のコントラスト情報から撮影光学系の位置を求める。このとき、絞り制御部20により瞳分割光学絞り５-1を絞り、被写界深度を深くする。そして、第２の焦点検出部では、瞳分割撮像素子６の１つもしくは複数組のエリアで検出した画像のコントラストを演算する。第１の焦点検出部では、合焦位置の画像検出撮像素子で検出した画像のコントラストを演算する。
＜第２の焦点検出モード＞
このモード設定の場合は、１つもしくは複数組の撮像エリアを持つ瞳分割撮像素子６で得られる画像の位相差情報から撮影光学系の位置を求める。このとき、絞り制御部20により瞳分割光学絞り５-1を開け、被写界深度を浅くする。そして、第２の焦点検出部では、１つもしくは複数組の撮像エリアで検出した位相差信号を演算する。一方、第１の焦点検出部では、動作未定義の状態となる。

次に、本発明の実施例３について説明する。この実施例は、実施例１及び２において、焦点検出法切り替え部による第１の焦点検出モードと第２の焦点検出モードの切り替えを、被写体の移動速度と明るさ基づいて行うようにしたものである。図４は、第１の焦点検出モードと第２の焦点検出モードを切り替えるシーケンスを示している。次に、このシーケンスを示すフローチャートに基づいて実施例３の動作について説明する。実施例１，実施例２において、第１の焦点検出モードと第２の焦点検出モードで示した各モードを、まず第１に高速に移動する被写体を撮影するかどうかで切り替える。すなわち、高速移動被写体でない場合は第１の焦点検出モードに設定する。高速移動被写体の場合は、次に暗い被写体を撮影するかどうかで切り替える。すなわち、暗い被写体の場合は第２の焦点検出モードに設定し、暗くない被写体の場合は第１の焦点検出モードに設定する。なお、被写体の移動速度、被写体の明暗を検出する専用の検出手段は、ここでは備えておらず、撮像素子の出力を用いて検出するか、カメラを使うユーザーが目視で検出するものとする。

なお、上記図４に示したフローチャートでは、高速移動被写体であって且つ暗い被写体であるときのみ、第２の焦点検出モードを設定するようにしているが、高速移動被写体であるか否かによってのみ、第１又は第２の焦点検出モードに切り替え設定するようにしてもよい。

本発明に係る自動合焦装置の実施例１の構成を示すブロック構成図である。 図１に示した実施例１における画像検出撮像素子と瞳分割撮像素子の光学上の配置位置を示す図である。 実施例２に係る自動合焦装置の要部を示すブロック構成図である。 実施例３に係る自動合焦装置の動作を説明するためのフローチャートである。 従来の山登り方式を適用した自動合焦装置の構成を示すブロック構成図である。 図５に示した従来例の画像読み出し撮像素子と第１及び第２の焦点検出用撮像素子の光学上の配置位置を示す図である。 従来の位相差方式を適用した自動合焦装置の構成を示すブロック構成図である。 図７に示した位相差方式の自動合焦装置の動作を説明するための説明図である。

符号の説明

１ 撮像光学系
２ 光束分割光学系
３ 画像検出撮像素子
４ 再結像レンズ
５ 瞳分割光学系
５-1 瞳分割絞り
５-2 瞳分割レンズ
６ 瞳分割撮像素子
９ 第１の焦点検出部
10 焦点検出法切り替え部
11 焦点演算部
12 光学系駆動部
20 絞り制御部
54 第２の焦点検出部

Claims (4)

1. 撮影光学系と、
   撮影光学系を通る光束を２つあるいはそれ以上に分割する光束分割光学系と、
   前記光束分割光学系により生成される一方の光束により画像を検出する第１の撮像素子と、
   前記光束分割光学系により生成される他方の光束を結像する再結像レンズと、
   前記再結像レンズを経た像を瞳分割する一組もしくは複数組の瞳分割光学系と、
   画像を検出する第１の撮像素子の等価面に対して前ピンもしくは後ピンの位置に配置され、前記瞳分割光学系により形成される画像の焦点検出状態を検出する一組もしくは複数組の撮像エリアを持つ第２の撮像素子と、
   焦点検出法の切り替えのための制御信号を出力する焦点検出法切り替え部と、
   前記第１の撮像素子の出力を入力として画像のコントラストを求める演算を行う第１の焦点検出部と、
   前記第２の撮像素子の出力と前記制御信号を入力とし、一組もしくは複数組の撮像エリアの画像のコントラスト、もしくは、複数組の撮像エリアの像の位相差を求める演算を行う第２の焦点検出部と、
   前記第１の焦点検出部及び前記第２の焦点検出部の出力、及び前記制御信号を入力とし、合焦状態になるように前記撮像光学系を動かすための指令電圧を生成する焦点演算部と、
   前記焦点演算部の出力を受け、撮像光学系を動かす光学系駆動部とで構成する自動合焦装置。
2. 前記焦点検出法切り替え部は、高速で動く被写体を撮影するときは、前記第２の焦点検出部を１つもしくは複数組の撮像エリアの像の位相差を求める演算に設定し、前記高速移動被写体以外の撮影をするときは、前記第２の焦点検出部を１つもしくは複数組の撮像エリアの画像のコントラストを求める演算に設定する請求項１に係る自動合焦装置。
3. 前記焦点検出法切り替え部は、暗い被写体を撮影するときは、前記第２の焦点検出部に１つもしくは複数組の撮像エリアの像の位相差を求める演算に設定をし、前記暗い被写体以外の撮影をするときは、前記第２の焦点検出部に１つもしくは複数組の撮像エリアの画像のコントラストを求める演算に設定をする請求項１に係る自動合焦装置。
4. 前記焦点検出法切り替え部は、前記瞳分割光学系の視野絞りを、前記第２の焦点検出部で１つもしくは複数組の撮像エリアの像のコントラストを求めるときには絞り込み、一方、前記第２の焦点検出部で１つもしくは複数組の複数撮像エリアの像の位相差を求めるときには開ける絞り制御手段を有する請求項１〜３のいずれか１項に係る自動合焦装置。

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