JP2018105948A - 焦点検出方法、および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】焦点の検出精度を向上させるために類似性のあるラインの信号を合成してコントラストを高め、所望の箇所に焦点検出できる方法を提供すること。【解決手段】本発明の焦点検出方法は、位相差方式の焦点検出方法であり、二つの像の位相差を算出するために、像を検知する複数のラインを有するセンサを有し、相関演算を実施するために注目している相関方向のラインとそれと直交する方向にあるラインとの間に類似性がある場合には、両ラインを合成手段によって合成した信号に基づいてデフォーカス量を算出する焦点検出方法において、相関演算を実施するために利用する複数のラインを決める複数ライン決定手段、前記複数ライン決定手段の中から類似性を調査するために基準とするラインを決める基準ライン決定手段を有することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、自動焦点検出に用いられる焦点検出方法に関し、特に検出時に利用する信号の生成方法に関するものである。

従来、自動焦点検出の方法の一つとして位相差検出方式が知られている。位相差検出方式は、出射瞳の異なる２つの光束によって各々作られる像をラインセンサで読取り、その読取り信号で相関演算を行い、２つの像の位相差量（距離）を算出し、デフォーカス量に換算することによって焦点を検出するものである。焦点の検出精度を向上させるために、演算に用いる信号を合成する方法が知られている。合成することによってコントラストを高めて相関演算精度の向上、ひいてはデフォーカス量の精度向上を狙っている。

例えば、特許文献１では、相関演算するラインの信号と、その方向と直交する方向に隣接するラインの信号の類似性を調査し、類似性がある場合には双方を合成して相関演算を行ってデフォーカスを算出している。類似性がない場合はそれぞれの信号列に対して相関演算を行ってデフォーカスを算出している。これを全てのラインに適用し、最終的に全て類似性があったら信頼性観点の加重平均を最終的なデフォーカス量としている。類似性がない信号対が一つでもあったら最至近のデフォーカスを最終的なデフォーカスとしている。

特開２００６−１４５８６２号公報

しかしながら、先行例は類似性がないライン対が一つでもあると、信号を合成することなしに算出した複数のデフォーカス量の中から最至近端のデフォーカスポイントに焦点を合わせる構成になっている。最近は解像度向上のために画素サイズが小さくなっているため、従来のセンサに比べて類似性を調査するライン数が増えている。ライン数が増えてくると全てのラインの中で類似性がないライン対が存在する確率が高くなり、信号を合成しないで算出したデフォーカス量が最終デフォーカス量になる確率が高くなる。

その結果、信号を合成してコントランストが高い信号を生成して合焦精度を向上させる目的を達成することができなくなる。また、最至近端のデフォーカスポイントを選択するため、所望の箇所に合焦できないことも起こる。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、焦点の検出精度を向上させるために類似性のあるラインの信号を合成してコントラストを高め、所望の箇所に焦点検出できることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の焦点検出方法は、
位相差方式の焦点検出方法であり、二つの像の位相差を算出するために、像を検知する複数のラインを有するセンサを有し、相関演算を実施するために注目している相関方向のラインとそれと直交する方向にあるラインとの間に類似性がある場合には、両ラインを合成手段によって合成した信号に基づいてデフォーカス量を算出する焦点検出方法において、相関演算を実施するために利用する複数のラインを決める複数ライン決定手段、前記複数ライン決定手段の中から類似性を調査するために基準とするラインを決める基準ライン決定手段を有することを特徴とする。

本発明によれば、焦点検出の精度を高めることができる。

本発明の第１の実施形態におけるカメラの構成を示すブロック図 第１の実施形態におけるカメラの光学部品とその配置例を示す図 焦点検出センサとその論理区分を示す図 ファインダに測距点が重畳された図 焦点検出センサとファインダに表示される測距点の対応 第１の実施形態のフローチャート 焦点検出センサと結像した像 基準ラインとの類似性を示した図 基準ラインとの非類似性を示した図 焦点検出センサにおける類似性ありと判断されたライン 合成前基準ラインの信号と合成後の信号 測距枠と焦点検出センサ領域の関係

以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。説明中で例示される構成部品の寸法、形状、それらの相対配置などは、本発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、本発明がそれらの例示に限定されるものではない。

［実施例１］
（カメラの動作概略）
図１は、本発明の実施形態にかかわる焦点検出センサを用いた光学機器の一例として、カメラの構成を示すブロック図である。カメラの構成は広く知られているため、本発明に関連の深い自動焦点検出に係る構成を中心に示している。スイッチ１０３は、図示してないレリーズボタンの操作によってＯＮ、ＯＦＦする２つのスイッチＳＷ１およびＳＷ２を有する。スイッチＳＷ１はレリーズボタンの第一ストローク（半押し）操作でＯＮし、スイッチＳＷ２はレリーズボタンの第二ストローク（全押し）操作でＯＮする。概略、スイッチＳＷ１のＯＮによって撮影の準備を行い、スイッチＳＷ２のＯＮによって撮影を行う。

焦点合わせ動作について説明する。スイッチＳＷ１がＯＮされると焦点合わせ動作を行う。所望の測距点に対して焦点検出を行い、レンズ通信回路１０４を通じて撮影レンズ内のフォーカスレンズを制御し、焦点合わせを行う。カメラＣＰＵ１００はレンズ通信回路１０４を通じて図示していない撮影レンズと通信を行い、絞りやフォーカスレンズを制御する。また、シャッタ制御回路１０７を通じでシャッタ機構を制御し、シャッタを開閉する。

測距点選択スイッチ１０８は、図示していない選択ボタンの操作によって、撮影画面内に配置された複数の測距点（焦点検出領域）のうち任意の測距点を選択する。撮影画面と測距点の位置関係については後述する。カメラＣＰＵ１００は、被写体判定部１０２を有し、測距点選択スイッチ１０８の情報から主要被写体位置を判定し、焦点検出センサ１０１を使って焦点合わせを行う。

カメラＣＰＵ１００はＳＷ２がＯＮすると、測光センサ１０６を制御して被写体の輝度を検出し、被写体輝度に応じて撮影レンズの絞り値やシャッタスピードなどの撮像条件を決定する。そして、シャッタ制御回路によってシャッタを開き、撮像センサ１０５を露光する。カメラＣＰＵ１００は撮像センサ１０５で蓄積された電荷を読み出し、公知の画像処理を適用することにより、撮影画像データを生成し、図示しない記録媒体に記録する。

（カメラの光学系部品配置）
図２は、本実施形態におけるカメラの光学部品とその配置例を示す断面図である。撮像レンズ２００を介して入射した被写体からの光束はハーフミラーを構成するクイックリターンミラー２０１によって上方へ反射され、ファインダスクリーン２０２上に結像する。撮影者はファインダスクリーン２０２に結像した被写体像をペンタリズム２０３および接眼レンズ２０４を介して観察する。ファインダスクリーン２０２は、被写体像を写すピント板に透過型液晶を重ねて構成されており、撮影に係る各種情報を撮影画面に付加して表示する。それには測距点選択スイッチ１０８の操作によって選択された測距点が含まれる。

接眼レンズ２０４の上方には測光結像レンズ２１１と測光センサ１０６が配設されている。測光センサ１０６は、ファインダスクリーン２０２に結像した被写体像を測光結像レンズ２１１を通じて受光することで被写体輝度を測定することができる。なお、図２における測光結像レンズ２１１と測光センサ１０６の組み合わせおよび配置は例示であり、被写体輝度が測定可能であれば、構成や配置は図２に限定しない。

撮像レンズ２００から入射した光束のうちクイックリターンミラー２０１を透過した光束は後方のサブミラー２０５によって、焦点光学系に導かれる。焦点検出光学系に入射した光束は、視野マスク２０６、赤外カットフィルタ２０７、フィールドレンズ２０８、絞り２０９、二次結像レンズ２１０を経て焦点検出センサ１０１上に結像する。結像した像を焦点検出センサ１０１で光電変換して得られる像信号の位相差に基づいて、撮像レンズ２００の焦点状態（デフォーカス量）を検出することができる。

スイッチＳＷ２がＯＮになり撮影を行う場合には、クイックリターンミラー２０１およびサブミラー２０５が位置を変えることで光路を開き、シャッタが開くことで撮像レンズ２００から入射した被写体像の光速で撮像センサ１０５が露光される。

（ラインセンサの配置と測距点との位置関係）
焦点検出センサ１０１に二次元のエリアセンサを利用した場合を例にとり、図３を用いてその構成や利用方法について説明する。焦点検出センサにラインセンサを利用するときは、結像する像に合わせてセンサ上に配置するラインの位置を決めることができた。一方、二次元のエリアセンサは初めからセンサ部の画素位置が決まっており、即ちラインの位置が決まっているので、検出する画素位置を結像する像に合わせる必要がある。そのために領域が論理的に区分されており、詳しくは、焦点検出光学系から出力される対になる二つの光束に対して検知・測定するため、領域も対にして区分される。

焦点検出センサに結像する像は、被写体とのデフォーカス量に応じて二次結像レンズ２１０の基線長を軸とする方向に移動する。そのため、対となる像はその軸を共有した箇所に配置される。図３は左右方向３０４に動く像を３０２Ａと３０２Ｂを利用して検知するセンサを表している。３０２Ａと３０２Ｂから得られた信号像の基線長方向のずれ量（位相差）から撮像レンズのデフォーカス量を検出することができる。

（センサ面上の像とファインダから見える像の対応関係）
被写体からの光は撮影レンズ２００を通り、メインミラー２０１でファインダ側と焦点検出側に分離される。焦点検出側に分離された光は、視野マスクによって視野が限定されるため、ファインダ側の像の一部を見ていることになる。しかし、焦点検出側で見える像はファインダ側で見える像と対応関係があるため、ユーザが焦点を選択できる測距枠をファインダ上に示し、それに対応する箇所をセンサ面上に設定する。

図４はファインダから見える像に測距枠と呼ばれる合焦箇所を重ねて表示した画像で、図５はその測距点がどのように焦点検出センサ上に対応しているかを示した図である。焦点検出センサは先に述べたように５０２Ａ・５０２Ｂが対になっており、その各々にファインダから見える測距枠に対応した箇所がある。ユーザが測距枠を選択したら、その測距枠が対応するセンサの箇所が出力する信号を使って相関演算を実施し、デフォーカス量を求める。説明の都合上、図に示した各測距枠と焦点検出センサの画素の大小関係を考慮していない。実際には各測距点には多くの画素が対応している。

（本題）
発明が解決しようとする課題が生じた要因は、対象領域にあるセンサが出力する信号の類似性を調査し、１つでも類似性が無いと判断されると、ラインの信号合成は行わず、個々にデフォーカス量を算出し、その中から至近端を選んでいることにある。

そこで本提案では、基準となるラインを決めて、基準ラインに対して他のラインが類似性を有するかどうかを調査する。その結果、類似性があったらデータを合成し、類似性がなかったら合成しない方法を採る。そうすることによって、全体に類似性がなくても一部に類似性があればデータを合成することができ、デフォーカス精度を向上することができる。また、基準を定めているため合焦位置が他のラインの結果に引っ張られることなく所望の箇所で合焦することができる。

実施方法について図６のフローチャートに従いながら詳細に説明する。
（Ｓ１０１）焦点を検出するために、焦点検出センサのどの箇所のデータを利用するかを決める。例えば測距枠が指定されているならば、それに対応した焦点検出センサのデータを利用する。図７は図３に示した焦点検出センサ３００の一部で焦点検出に利用する領域を示している。細かな四角はセンサの画素を表しており、その中のハッチングがかかった四角は結像した像を検知している領域を表している。また、図の左の番号は以降で横ラインを参照するために付した番号である。

（Ｓ１０２）Ｓ１０１で決めたデータの中から基準となるラインを決める。測距枠が指定されているならば測距枠の中心に基準となるラインを決めたり、ライン間でコントラストが最も大きなラインに決めても良い。図７ではＳ１０１で決めた領域のうち、中央のライン（ライン６）を基準ラインに決めている。

（Ｓ１０３、Ｓ１０４）基準ラインとＳ１０１で選択した基準ライン以外のラインとの類似性を調査する。類似性の調査方法は特許文献１に記載のように、基準ラインの信号と調査対象の信号の差の絶対値を画素毎に加算した相関量から判断できる。基準ラインの信号と調査対象の信号が一致していれば相関量はゼロになるが、一致性が弱くなるに従って相関量は増加する。この特徴を利用して、相関量が判定値よりも小さければ類似度があると判断する。

図８は基準ラインのライン６とそれと隣接するライン５を抜き出した図である。ライン５、ライン６ともに結像した像を検知している箇所が一致しているため、類似性ありと判断される。図９は基準ラインであるランイ６とライン４を抜き出した図である。ライン６とライン４は結像した像を検知している箇所がズレているため、類似性なしと判断される。
（Ｓ１０５）Ｓ１０４で類似性があると判断された場合、類似性を調査したラインに「類似あり」のフラグを立てる。

（Ｓ１０６）全てのライン（ライン１〜１１除くライン６）について基準ライン６と類似性を調査する。図１０は、全ライン調査後、基準ラインと類似性ありと判断されたラインにハッチングをかけた図である。基準ライン６に対して、ライン５・ライン７が類似性ありと判断された。これらは合成するとデフォーカス量算定精度を向上できると判断されたライン群であり、ライン１〜４、ライン８〜１１は基準ライン６と類似性がない、或いは少ないため、基準ラインと合成してもデフォーカス量算定精度を向上できないと判断されたライン群である。

（Ｓ１０７）全てのラインについて基準ラインとの類似性を調査したら、類似ありとフラグが立ったラインのデータと基準ラインのデータを合成する。合成する手段としては、加算、相加平均、加重平均などがあるが、デフォーカス量の精度を比べながら方式が決められる。図１１は基準ラインのデータと合成後のデータを表している。類似性のあるデータを合成すると、信号がなだらかになっていること、像のデータが出力されている箇所のコントラストが向上していることが見て取ることができる。

（Ｓ１０８）Ｓ１０７で合成したデータを利用して相関演算を実施し、デフォーカス量を算出する。デフォーカス量の算出には例えば公知の方法を利用することができる。基準ライン単独でデフォーカス量を求めた場合と基準ラインと類似性のあるラインを合成してデフォーカス量を求めた場合を比較すると、ラインを合成する操作をすることによって不要な変動成分がならされて本来の信号が姿を現すようになる。また、類似性があるラインを選択する操作をしているので、信号本来の姿を崩すことがない。これらの事が相まってデフォーカス量の精度が向上すると考えられる。

位相差検出方式は２つの像の情報が必要である。上記はその片方の像に対するフローについて説明した。上記のフローで決定された複数ライン、基準ライン、合成するラインは、もう片方の像に対して従属的に適用される。

［変形例１］
調査対象のラインが基準ラインと類似性ありと判断されたら、その都度信号を合成し基準ラインを更新しても良い。合成することによって基準ライン信号のノイズ成分が低減するため、以降の類似性判断において、本来の信号に対して、より類似性の高いものが類似と判断され、信号を合成することができる。

［変形例２］
装置の構成によっては測距枠とＳ１０１で選択される複数のラインの領域が一致せず、図１２に示すように、複数のラインの領域３００に測距枠３２０１が含まれる場合がある。測距枠外にあるラインも他のラインと同等に扱っても良いが、主眼は測距枠内であるため利用を控えたい信号である。しかしその一方で、測距枠外の信号を合成することでコントラストが向上し、デフォーカス精度が良化するのであれば、合成を行いたい信号でもある。このような場合には、測距枠内と枠外のラインで類似性判断の閾値を変更すると良い。測距枠内外で類似性判断の閾値変更を上述したが、測距枠内であっても基準ラインからの距離に応じて類似性判断の閾値を変更しても良い。

１０１ 焦点検出センサ
２００ 撮像レンズ
２０１ クイックリターンミラー
２０５ サブミラー
２０６ 視野マスク
２０７ 赤外カットフィルタ
２０８ フィールドレンズ
２０９ 絞り
２１０ 二次結像レンズ
３００ 焦点検出センサ
３０２Ａ、３０２Ｂ 焦点検出センサの論理区分
５０２Ａ、５０２Ｂ 焦点検出センサと測距点の対応

Claims (4)

1. 二つの像の位相差を算出するために、像を検知する複数のラインを有するセンサを有し、
   相関演算を実施するために注目している相関方向のラインとそれと直交する方向にあるラインとの間に類似性がある場合には、両ラインを合成手段によって合成した信号に基づいてデフォーカス量を算出する焦点検出装置において、
   相関演算を実施するために利用する複数のラインを決める複数ライン決定手段、
   前記複数ライン決定手段の中から類似性を調査するために基準とするラインを決める基準ライン決定手段を有することを特徴とする焦点検出装置。
2. 前記基準ライン決定手段は、
   複数ラインの中央に位置するラインを選択する、
   或いは
   複数ラインのうちコントラストが高いラインを選択する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の焦点検出装置。
3. 前記基準ライン決定手段は、
   前記基準ラインと複数のラインのうちの１ラインとが前記合成手段で合成されてできた信号を新たな基準ラインの信号とすることを特徴とする請求項１または２に記載の焦点検出装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の焦点検出装置であり、
   焦点を合わせる位置（測距点）或いは焦点を合わせる領域（測距枠）を指定する測距箇所指定手段を有し、
   複数ライン決定手段は、前記測距箇所指定手段によって指定された測距点或いは測距枠に対応する複数のラインを選択する、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の焦点検出装置。