JP5447549B2 - 焦点調節装置および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は焦点調節装置と撮像装置に関する。

追尾対象の画像を基準パターンとして記憶しておき、撮像画像から基準パターンに近似する画像を検出して追尾対象の位置を検出し、焦点調節の行う焦点検出エリアを追尾対象の位置へ移動するようにした焦点調節装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この出願の発明に関連する先行技術文献としては次のものがある。

特開２００５−２１５０４０号公報

しかしながら、上述した従来の焦点調節装置では、追尾対象の被写体を誤認識した場合や、撮影画面内の追尾対象の位置で焦点検出不能になった場合に、最適なＡＦエリア位置を決定できないという問題がある。
本発明は、焦点調節のための焦点検出エリアを適切に決定することができる焦点調節装置および撮像装置を提供することを目的とする。

請求項１に係る焦点調節装置は、撮影レンズを介して撮像する撮像素子と、撮影領域内に設定された複数の焦点検出エリアと、前記焦点検出エリアにおいてデフォーカス量を検出する焦点検出部と、前記撮像素子で撮像した画像内の主要被写体を認識する認識部と、第１画像における前記主要被写体に対応する領域を第１検出領域として設定し、前記第１画像を撮像する前に焦点調節制御に使用した前記焦点検出エリアに対応する、前記第１検出領域とは異なる領域を第２検出領域として設定する領域設定部と、前記第１検出領域に含まれる前記焦点検出エリアのデフォーカス量が所定条件を満たすか否かを判断する判断部と、前記判断部により前記第１検出領域に含まれる前記焦点検出エリアのデフォーカス量が所定条件を満たすと判断されたとき、前記第１検出領域内の少なくとも1つの前記焦点検出エリアで検出したデフォーカス量に基づいて前記撮影レンズの焦点調節制御を行い、前記判断部により前記第１検出領域に含まれる前記焦点検出エリアのデフォーカス量が所定条件を満たすと判断されないとき、前記第１検出領域内の前記焦点検出エリアとは異なる、前記第２検出領域内の少なくとも1つの前記焦点検出エリアで検出したデフォーカス量に基づいて前記撮影レンズの焦点調節制御を行う焦点調節制御部とを有することを特徴とする。

本発明によれば、焦点調節を行う焦点検出エリアを適切に決定することができる。

一実施の形態のカメラの構成を示す断面図 撮影光学系の撮影画面内に設定された焦点検出エリア（ＡＦエリア）を示す図 被写体認識機能により検出された主要被写体領域が図２に示す撮影画面上を移動する様子を示す図 各探索領域に含まれるＡＦエリアを示す図 一実施の形態の焦点調節動作を示すフローチャート 一実施の形態の変形例の焦点調節動作を示すフローチャート

本発明の焦点調節装置を備えた撮像装置を一眼レフデジタルカメラに適用した一実施の形態を説明する。なお、本願発明は一眼レフデジタルカメラに限定されず、被写体認識装置と位相差検出方式の焦点調節装置（以下、位相差ＡＦと呼ぶ）を備えたあらゆる種類のカメラに適用することができる。

一実施の形態のカメラは、人間の顔のテンプレート画像を用いてテンプレートマッチングを行い、撮像素子による撮像画像の中から顔を認識するなど、撮影光学系による結像画像を撮像する撮像素子の撮像画像に基づいて、撮影する主要被写体が結像光学系の撮影画面内のどの領域にあるかを認識する被写体認識機能と、撮影光学系の異なる瞳領域を透過した対の被写体像の位相差を検出することによって、撮影画面内の複数の焦点検出エリアで撮影光学系の焦点調節状態を検出する焦点検出機能とを備え、被写体認識機能による主要被写体領域と焦点検出機能による各焦点検出エリアの焦点調節状態とに基づいて、撮影光学系の焦点調節を行う焦点検出エリアを決定する。

図１は一実施の形態のカメラの構成を示す断面図である。撮影光学系１は被写体像を撮影画面上に結像させるための光学系であり、対物レンズ１ａ、ズーミングレンズ１ｂ、絞
り１ｃ、フォーカシングレンズ１ｄなどから構成される。クイックリターンミラー２は、露光前には図示するように撮影光学系１の撮影光路中に置かれ（ミラーダウン）、撮影光学系１を透過した被写体からの光束の一部を反射してファインダ光学系３〜５へ導く。一方、露光時にはクイックリターンミラー２が撮影光路中から退避され（ミラーアップ）、撮影光学系１を透過した被写体からの光束は撮像素子６へ導かれる。クイックリターンミラー２の中央部はハーフミラーになっており、撮影光学系１を透過した被写体からの光束の一部がハーフミラー部を透過してサブミラー７に反射され、位相差ＡＦ検出素子８へ導かれる。

撮像素子６は、撮影光学系１により結像された被写体像を電気信号に変換して画像信号を出力する。図示を省略するが、撮像素子６の撮像面の前面には赤外光をカットするための赤外カットフィルタや画像の折り返しノイズを防止する光学的ローパスフィルタが配置されている。

位相差ＡＦ検出素子８は、撮影光学系１からクイックリターンミラー２およびサブミラー７を介して導かれた被写体光をマスク（不図示）により複数対の光束に分けた後、再結像レンズ（不図示）により複数の光電変換素子列（ＣＣＤ；不図示）上に再結像し、各光電変換素子列から対の被写体像に応じた信号を出力する。ＡＦ−ＣＣＤ制御部９は、位相差ＡＦ検出素子８の複数の光電変換素子列の電荷蓄積制御、ゲイン調整、画像データの読み出し制御、画像データの補正などを行う。デフォーカス演算部１０は、位相差ＡＦ検出素子８から出力される各対の被写体像信号のずれ量を検出し、各焦点検出エリアのずれ量に変換係数を乗じてデフォーカス量に変換する。

レンズ駆動量演算部１１は、各焦点検出エリアのデフォーカス量をレンズ駆動量に変換し、レンズ駆動制御部１２へ出力する。レンズ駆動制御部１２は、レンズ駆動用モータ１３を駆動制御してフォーカシングレンズ１ｄの焦点調節を行う。

ファインダ光学系はファインダスクリーン３、ペンタダハプリズム４、接眼レンズ５などから構成される。露光前にクイックリターンミラー２からファインダスクリーン３へ導かれた被写体光はファインダスクリーン３上で結像され、この被写体像はペンタダハプリズム４および接眼レンズ５を介して撮影者に観察される。また、ファインダスクリーン３に結像された被写体像はペンタダハプリズム４および測光用レンズ１４を介して測光センサ１５へ導かれ、被写界を複数の測光領域に分割して各測光領域ごとの被写体の明るさを測定する。

測光センサ１５は上述した被写体認識機能の撮像素子を兼ねており、撮影光学系１によりファインダスクリーン３上に結像された被写体像を電気信号に変換して画像信号を出力する。なお、測光センサ１５を被写体認識機能の撮像素子として用いる代わりに、撮像用の撮像素子６を被写体認識機能の撮像素子として兼用してもよい。あるいは、被写体認識機能に用いる専用の撮像素子を設けてもよい。

一実施の形態のカメラのボディおよびレンズ鏡筒には種々の操作部材１６が設けられている。この操作部材１６には、シャッターレリーズボタン、焦点検出エリアを選択するための十字キースイッチ、焦点調節モード（以下、ＡＦモードと呼ぶ）を選択するためのＡＦモードスイッチ、各種撮影条件を設定するためのコマンドダイヤルスイッチなどが含まれる。制御装置１７はマイクロコンピュータ、メモリ、Ａ／Ｄコンバータなどを備え、操作部材１６から各種情報を入力し、上述した撮像素子６、ＡＦ−ＣＣＤ制御部９、デフォーカス演算部１０、レンズ駆動量演算部１１、レンズ駆動制御部１２などを制御し、カメラのシーケンス制御、焦点検出制御、被写体認識制御、焦点調節制御などを行う。

図２は、撮影光学系１の撮影画面２０内に設定された焦点検出エリア（以下、ＡＦエリアと呼ぶ）を示す図である。この一実施の形態では、撮影画面２０内に３１点のＡＦエリアを設定した例を示し、各ＡＦエリアに１〜３１の番号を付して区別する。なお、焦点検出エリアの個数と配置はこの一実施の形態のものに限定されない。

図３は、被写体認識機能により検出された主要被写体領域が図２に示す撮影画面２０上を移動する様子を示す図である。図において、破線枠２１は前回の焦点調節時に認識された主要被写体領域であり、実線枠２２は今回の焦点調節時に認識された主要被写体領域である。また、斜線のハッチングエリア２３は、前回の焦点調節時に撮影光学系１の焦点調節を行うＡＦエリアに決定され、このＡＦエリアで検出されたデフォーカス量に基づいて撮影光学系１の焦点調節が行われたＡＦエリア（以下、前回の焦点調節時の採用エリアと呼ぶ）である。

表１は、焦点調節を行うＡＦエリア、すなわち今回の焦点調節時の採用エリアを決定する手順と方法を示す。ここでは、主要被写体位置が図３に示すように移動した場合を例に上げて説明する。

また、図４は各探索領域に含まれるＡＦエリアを示す。表１のＡＦエリア領域において、第一探索領域は、今回の焦点調節時に被写体認識機能により認識された主要被写体領域である。図３に示す例では、実線枠２２で囲まれた領域であり、図４に示すようにＡＦエリア１２，１３，１８，１９（エリア番号は図２参照）が含まれる。この第一探索領域においては、ＡＦエリアからの画像データの読み出し順序は任意であり、領域内のすべてのＡＦエリアから画像データを読み出す。

また、第二探索領域は、前回の焦点調節時の採用エリア、すなわち焦点調節を行ったＡＦエリアとその周りのＡＦエリアを包含する領域である。図３に示す例では、斜線のハッチングエリア２３が前回の焦点調節時の採用エリアであるから、図４に示すように第二探索領域にはＡＦエリア２１，２７，１５，２２，２３，２８，１６，２９，１７（エリア番号は図２参照）が含まれる。この第二探索領域においては、ＡＦエリア２１，２７，１５，２２，２３，２８，１６，２９，１７の順に画像データを読み出し、採用エリアを決定した時点で読み出しを終了する。さらに、第三探索領域は、第一探索領域と第二探索領域に含まれない残りのＡＦエリアを包含する領域である。この第三探索領域においては、該当するＡＦエリアの中から任意の順序で画像データを読み出し、採用エリアを決定した時点で読み出しを終了する。

なお、被写体認識機能により認識された主要被写体領域と焦点検出機能のＡＦエリアとの包含関係において、ＡＦエリアが主要被写体領域に完全に包含されていなくても、ＡＦエリアの一部が主要被写体領域と重なっていれば包含関係にあるとする。

図５は一実施の形態の焦点調節動作を示すフローチャートである。このフローチャートにより、一実施の形態の動作を説明する。ステップ１０１においてフラグｉに０を設定する。フラグｉは、第一探索領域内のＡＦエリアで焦点検出演算を行うか否かを示すフラグであり、第一探索領域内のＡＦエリアで焦点検出演算を行う場合に０、それ以外の探索領
域内のＡＦエリアで焦点検出演算を行う場合に１を設定する。第一探索領域から焦点検出演算を開始するので最初はｉ＝０である。

ステップ１０２で、ＡＦ−ＣＣＤ制御部９により各ＡＦエリアの位相差ＡＦ検出素子８の電荷蓄積制御とゲイン調整を行う。ステップ１０３では、表１に示す読み出し順序にしたがって第一探索領域内のＡＦエリアの位相差ＡＦ検出素子８から画像データの読み出しを行う。ステップ１０４において、デフォーカス量演算部１０により画像データに基づいてＡＦエリアごとに撮影光学系１の焦点調節状態、すなわちデフォーカス量を演算する。

ステップ１０５で、第一探索領域内のすべてのＡＦエリアで焦点検出演算が終了したか否かを確認する。表１に示すように、第一探索領域ではすべてのＡＦエリアに対して焦点検出演算を行う。すべてのＡＦエリアに対する焦点検出演算が終了するまで画像データの読み出しと焦点検出演算を繰り返し、すべてのＡＦエリアの焦点検出演算が終了したらステップ１０６へ進む。

ステップ１０６において、焦点検出演算のデフォーカス量に基づいて焦点調節を行うための採用エリアを決定する。まず、各ＡＦエリアのデフォーカス量Ｄｆｖが次式を満足するか否かの合焦判定する。
Ｄｆthmin≦Ｄｆｖ≦Ｄｆthmax ・・・（１）
（１）式において、ＤｆthminとＤｆthmaxは合焦位置の目標位置に対する下限値と上限値である。（１）式に示す合焦判定条件を満たし、かつデフォーカス量Ｄｆｖが最小のＡＦエリアを採用エリアとする。なお、デフォーカス量Ｄｆｖが最小のＡＦエリアは、前回の焦点調節時と同一の被写体を捕捉している可能性が高いＡＦエリアである。

ステップ１０７では採用エリアを決定することができたか否かを確認し、採用エリアを決定したらステップ１１１へ進み、決定できなかった場合はステップ１０８へ進む。採用エリアを決定できなかった場合は、ステップ１０８でフラグｉ＝１か否か、つまり第二探索領域または第三探索領域におけるエリア決定処理が開始されているか否かを確認し、第二または第三探索領域におけるエリア決定処理が開始されていない場合はステップ１０９へ進み、フラグｉに１を設定する。その後、ステップ１０３へ戻り、第二または第三探索領域内のＡＦエリアに対して上述した処理を繰り返す。

一方、すでに第二探索領域または第三探索領域における処理を開始している場合には、ステップ１１０で第二探索領域および第三探索領域における焦点検出演算とエリア決定処理が終了したか否かを確認する。第二探索領域および第三探索領域の焦点検出演算とエリア決定処理が終了していない場合はステップ１０３へ戻り、第二または第三探索領域内のＡＦエリアに対して上述した処理を繰り返す。

ステップ１１０において第二および第三探索領域で焦点検出演算とエリア決定処理を終了した場合には、いずれの探索領域のＡＦエリアでも適当なデフォーカス量が得られず、採用エリアを決定できなかったので、この一実施の形態では前回の焦点調節時の採用エリアである図３のハッチングエリア２３、つまりＡＦエリア２１を今回の焦点調節時の採用エリアとする。

採用エリアの決定処理後のステップ１１１において、決定した採用エリアで検出されたデフォーカス量に基づいて現在のレンズ位置から目標とするレンズ位置までのレンズ駆動量を演算する。続くステップ１１２ではレンズ駆動制御部１２により目標とするレンズ位置までフォーカシングレンズ１ｄを駆動する。ステップ１１３では、焦点調節を行う採用エリアに決定され、実際に焦点調節を行ったＡＦエリアを次の焦点調節時の基準となるＡＦエリアとし、その位置情報を制御装置１７のメモリに記憶する。

このように、一実施の形態によれば、撮影光学系１の撮影画面内に設定された複数のＡＦエリアで撮影光学系１のデフォーカス量を検出する焦点検出機能と、撮影光学系１による結像画像を撮像する測光センサ１５の撮像画像に基づいて、撮影画面内の主要被写体領域を認識する被写体認識機能とを備え、主要被写体領域に対応するＡＦエリアで合焦判定を行った結果、合焦状態のＡＦエリア（合焦エリア）がなかった場合には、前回の焦点調節時に焦点調節を行ったＡＦエリアとその周辺のＡＦエリアにおける合焦判定結果に基づいて、焦点調節を行うＡＦエリア（採用エリア）を決定するようにしたので、主要被写体領域に対応するＡＦエリアで合焦エリアが見つからなかった場合でも、最適な採用エリアを効率よく、短時間で決定することができる。

なお、主要被写体領域に対応するＡＦエリアで合焦エリアが見つからなかった場合に、まず、前回の焦点調節時に焦点調節を行ったＡＦエリアにおける合焦判定結果に基づいて採用エリアを決定し、合焦エリアが見つからなかった場合には、さらに前回の焦点調節時に焦点調節を行ったＡＦエリアの周辺のＡＦエリアにおける合焦判定結果に基づいて、採用エリアを決定するようしてもよい。

また、一実施の形態によれば、前回の焦点調節時に焦点調節を行ったＡＦエリアからその周辺のＡＦエリアの順に合焦判定を行い、合焦エリアが検出された時点で合焦判定を終了するとともに、最初に合焦状態であると判定されたＡＦエリアを焦点調節を行う焦点検出エリアに決定するようにしたので、最適な採用エリアをさらに効率よく、素早く決定することができる。

さらに、一実施の形態によれば、前回の焦点調節時に焦点調節を行ったＡＦエリアとその周辺のＡＦエリアの中に合焦エリアがなかった場合には、主要被写体領域に対応するＡＦエリアおよび前回の焦点調節時に焦点調節を行ったＡＦエリアとその周辺のＡＦエリアを除く残りのＡＦエリアで合焦判定を行い、合焦エリアが検出された時点で合焦判定を終了するとともに、最初に合焦状態であると判定されたＡＦエリアを焦点調節を行うＡＦエリアに決定するようにしたので、最適な採用エリアを効率よく、確実に決定することができる。

《発明の一実施の形態の変形例》
被写体認識機能による主要被写体領域が前回の焦点調節時から移動しない場合には、前回の焦点調節時の採用エリアを優先エリアとする一実施の形態の変形例を説明する。

図６は変形例の焦点調節動作を示すフローチャートである。なお、図５に示す処理と同様な処理を行うステップに対しては同一のステップ番号を付して相違点を中心に説明する。第一探索領域内の全ＡＦエリアの演算終了後、ステップ２０１で被写体認識機能による主要被写体領域が前回の焦点調節時の領域から変化しているか否かを判別する。主要被写体領域の変化がある場合はステップ１０６へ進み、上述したエリア決定処理を行う。

一方、主要被写体領域の移動がない場合はステップ２０２進み、前回の焦点調節時の採用エリアで検出されたデフォーカス量Ｄｆｖに対しては上記（１）式に代えて下記（２）式により合焦判定を行う。なお、前回の採用エリアが第一から第三のどの探索領域にあっても（２）式による合焦判定を行う。
１．５Ｄｆthmin≦Ｄｆｖ≦１．５Ｄｆthmax ・・・（２）
前回の焦点調節時の採用エリア以外のＡＦエリアで検出されたデフォーカス量Ｄｆｖに対しては、上記（１）式により合焦判定を行う。（２）式は、上記（１）式に比べて合焦位置の目標位置に対する許容量が大きくなっており、前回の採用エリアが他のＡＦエリアに比べて今回の採用エリアに決定される確率が高くなる。

前回の採用エリアで検出されたデフォーカス量Ｄｆｖが（２）式を満たす場合は、前回の採用エリアを今回もまた採用エリアとする。一方、前回の採用エリアのデフォーカス量Ｄｆｖが（２）式を満たさない場合は、残りのＡＦエリアの内、デフォーカス量Ｄｆｖが上記（１）式を満たし、かつ最小のデフォーカス量Ｄｆｖを示すＡＦエリアを今回の焦点調節時の採用エリアとする。

このように、一実施の形態の変形例によれば、主要被写体領域に対応するＡＦエリアに対しては、デフォーカス量が（１）式に示す合焦判定範囲内にあり、かつ最小のデフォーカス量のＡＦエリアを合焦エリアと判定するとともに、主要被写体領域に対応するＡＦエリア以外のＡＦエリアに対しては、デフォーカス量が（１）式に示す合焦判定範囲内にあるＡＦエリアを合焦エリアと判定し、前回と今回の焦点調節時において主要被写体領域が変化していない場合には、前回の焦点調節時に焦点調節を行ったＡＦエリアに対する合焦判定範囲を（２）式に示すように広くするようにした。これにより、主要被写体領域が移動しなかった場合に、前回の採用エリアを今回の焦点調節時の採用エリアに選ばれ易くし、ＡＦエリアが敏感に動いてしまうのを防止することができる。

なお、上記一実施の形態の変形例において、図６ステップ２０２において、前回の採用エリアが第一から第三のどの探索領域にあっても、前回の採用エリアに対しては（２）式による合焦判定を行うこととした。
しかしながら、前回の採用エリアが第一探索領域に含まれるＡＦエリアであった場合（すなわち、主要被写体領域に含まれるAFエリアであった場合）、前回の採用エリアに対してだけでなく、主要被写体領域に含まれる複数のＡＦエリア（前回の採用エリアも含む）すべてに対して（２）式による合焦判定を行ってもよい。すなわち、主要被写体領域に含まれるＡＦエリアすべてに対して目標位置に対する許容量を大きくし、主要被写体領域内のＡＦエリアが採用エリアに決定される確率を高くする。

１ 撮影光学系
８ 位相差ＡＦ検出素子
１０ デフォーカス量演算部
１１ レンズ駆動量演算部
１２ レンズ駆動制御部
１５ 測光センサ
１７ 制御装置

Claims (6)

1. 撮影レンズを介して撮像する撮像素子と、
   撮影領域内に設定された複数の焦点検出エリアと、
   前記焦点検出エリアにおいてデフォーカス量を検出する焦点検出部と、
   前記撮像素子で撮像した画像内の主要被写体を認識する認識部と、
   第１画像における前記主要被写体に対応する領域を第１検出領域として設定し、前記第１画像を撮像する前に焦点調節制御に使用した前記焦点検出エリアに対応する、前記第１検出領域とは異なる領域を第２検出領域として設定する領域設定部と、
   前記第１検出領域に含まれる前記焦点検出エリアのデフォーカス量が所定条件を満たすか否かを判断する判断部と、
   前記判断部により前記第１検出領域に含まれる前記焦点検出エリアのデフォーカス量が所定条件を満たすと判断されたとき、前記第１検出領域内の少なくとも1つの前記焦点検出エリアで検出したデフォーカス量に基づいて前記撮影レンズの焦点調節制御を行い、
   前記判断部により前記第１検出領域に含まれる前記焦点検出エリアのデフォーカス量が所定条件を満たすと判断されないとき、前記第１検出領域内の前記焦点検出エリアとは異なる、前記第２検出領域内の少なくとも1つの前記焦点検出エリアで検出したデフォーカス量に基づいて前記撮影レンズの焦点調節制御を行う焦点調節制御部とを有することを特徴とする焦点調節装置。
2. 請求項１に記載の焦点調節装置において、
   前記領域設定部は、前記第１検出領域及び前記第２検出領域とは異なる第３検出領域を設定し、
   前記判断部は、前記第２検出領域に含まれる前記焦点検出エリアのデフォーカス量が所定条件を満たすか否かを判断し、
   前記焦点調節制御部は、前記判断部により前記第２検出領域に含まれる前記焦点検出エリアのデフォーカス量が所定条件を満たすと判断されないとき、前記第１検出領域内の前記焦点検出エリア及び前記第２検出領域内の前記焦点検出エリアとは異なる、前記第３検出領域内の少なくとも1つの前記焦点検出エリアで検出したデフォーカス量に基づいて前記撮影レンズの焦点調節制御を行うことを特徴とする焦点調節装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の焦点調節装置において、
   前記撮像素子は測光センサであり、
   前記認識部は、前記測光センサで撮像した画像内の前記主要被写体を認識することを特徴とする焦点調節装置。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか１項の焦点調節装置において、
   前記判断部により前記第１検出領域に含まれる前記焦点検出エリアのデフォーカス量が所定条件を満たさないと判断された後、前記焦点検出部は、前記第２検出領域内の少なくとも1つの前記焦点検出エリアのデフォーカス量の演算をすることを特徴とする焦点調節装置。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の焦点調節装置において、
   前記第１画像を撮像する前に焦点調節制御に使用した前記焦点検出エリアの位置情報を記憶する記憶部を備えることを特徴とする焦点調節装置。
6. 請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の焦点調節装置を備えることを特徴とする撮像装置。
   

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