(57)【要約】【課題】いわゆる山登り方式の自動合焦において、簡単かつ廉価な構成で、合焦位置の精度を維持しつつ、高速化を図る。【解決手段】合焦距離近側より遠側に（あるいはその逆方向に）向けて駆動するフォーカスレンズ１０２Ａの物理位置に対し、垂直同期信号周期あたりの露光時間に応じて変化させた換算レンズ駆動位置Ｘを算出し、コントラスト評価値ＹをＸＹ直交座標空間にプロットする。プロットした点を標本点として所定の方法により補間関数を導出し、補間関数の最大値となる値を逆換算したレンズ物理位置へフォーカスレンズ１０２Ａを駆動させる。また、逆換算には、一回当りの露光時間（積分時間）に依存した、換算物理位置をシフトする演算を有する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸方向に駆動可能なフォーカスレンズと、該フォーカスレンズの後段にあって光電変換により画像情報を電気信号に変換する撮像素子と、所定単位時間ごとに前記画像情報に基づく評価値を算出する制御部とを有し、山登り方式によって合焦位置を導出する自動合焦装置において、
前記所定単位時間当りの前記フォーカスレンズ駆動における前記撮像素子の積分時間を検知する積分時間検知手段と、前記所定単位時間ごとにおける前記積分時間に依存する前記フォーカスレンズ位置の代表値を算出する算出手段を有することを特徴とする自動合焦装置。
【請求項２】
前記評価値が最大または極大となりかつ最も合焦距離の短くなる時刻における前記フォーカスレンズ位置の代表値へフォーカスレンズを駆動させるフォーカスレンズ駆動手段を有することを特徴とする請求項１の自動合焦装置。
【請求項３】
光軸方向に駆動可能なフォーカスレンズと、該フォーカスレンズの後段にあって光電変換により画像情報を電気信号に変換する撮像素子と、所定単位時間ごとに前記画像情報に基づく評価値を算出する制御部とを有し、山登り方式によって合焦位置を導出する自動合焦装置において、
前記所定単位時間当りの前記フォーカスレンズ駆動における前記撮像素子の積分時間を検知する積分時間検知手段と、前記所定単位時間ごとにおける前記積分時間に依存する前記フォーカスレンズ位置の代表値を算出する算出手段と、同時刻における前記フォーカスレンズの代表値と前記評価値を組とした値を２以上の次元数の座標空間へ描点し、前記描点を標本点または節点とした前記フォーカスレンズの代表値を元とする所定の１元補間関数を導出する１元補間関数導出手段を有することを特徴とする自動合焦装置。
【請求項４】
前記補間関数が最大値または極大値となりかつ最も合焦距離の短くなる元に対応するフォーカスレンズ位置へフォーカスレンズを駆動させるフォーカスレンズ駆動手段を有することを特徴とする請求項３の自動合焦装置。
【請求項５】
前記所定単位時間は、前記撮像素子の垂直同期信号の周期であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一つ記載の自動合焦装置。
【請求項６】
前記補間関数とは、スプライン関数であることを特徴とする請求項３ないし５のいずれか一つ記載の自動合焦装置。
【請求項７】
前記補間関数とは、ベジエ関数であることを特徴とする請求項３ないし５のいずれか一つ記載の自動合焦装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばデジタルカメラの自動合焦装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、例えばデジタルカメラに用いられるＣＣＤ（撮像素子）は画素の高密度化が進み、これに伴って自動合焦（ＡＦ）における合焦位置の高精度化が要求されている。ＡＦにおける合焦方式はいわゆる山登り方式と呼ばれるものが一般的であり、この方式はコントラスト方式とも呼ばれ、フォーカスレンズを光軸方向に沿って駆動させつつ各駆動段階で得られる撮像画像コントラストを評価値として取得し、最も評価値の高いレンズ位置を合焦位置とする方式である。
このような山登り方式による自動合焦装置において、前述の高精度化の要求を満たそうとすると普通合焦に時間がかかってしまうため、最近被写体如何に拘らず合焦の高速化を目的とした提案が種々なされている。例としては、評価値の取得においてフォーカスレンズの駆動速度を変化させながら２回スキャンを行う粗調微調方式、最大傾斜法による幾何的な補間方式などである。
【特許文献１】特開２００１−２８１５２９公報
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし従来の山登り方式では、以下の問題が発生する。
（フォーカスレンズを常時駆動させる方式の場合）
フォーカスレンズを常時駆動させる場合、フォーカスレンズの駆動速度が大きくなるほど、撮像素子の積分（露光）時間中におけるフォーカスレンズの駆動範囲が大きくなる。その結果、駆動基点が固定されている場合、高精度な合焦位置を求めているにも拘らず合焦位置の誤差が大きくなり、合焦位置の誤差が被写界深度を超えないようにするためにはフォーカスレンズの駆動速度の高速化には限界があった。
（フォーカスレンズの駆動・停止を繰り返す方式の場合）
また、フォーカスレンズの駆動・停止を反復するにあたり、停止してから積分を開始し、積分終了後に再度駆動を開始する方法の場合、フォーカスレンズの駆動と積分の両方の動作を並行して行うことができないため、露光時間が長い場合には、合焦に時間を要する場合がある。また、駆動開始時および停止時において慣性が働き、駆動および停止の状態になるまでタイムラグが発生する。そのため、駆動速度を大きくするほど慣性が大きくなり、同様にフォーカスレンズの駆動速度に限界が生じる。したがって、この慣性に対しては高出力が可能でかつ制動力の高いモータを用いる必要があり、コストがかかる。
【０００４】
ここで、フォーカスレンズの駆動・停止を繰り返す方式の従来例の具体的説明を図７、図８にて示す。
図７は、光軸に沿うフォーカスレンズ位置をＸ軸にとり（便宜上０点を焦点距離無限遠側とする）、コントラスト評価値をＹ軸にとる座標空間を示し、Ｐ［１］…はフォーカスレンズ位置を示している。ここで、コントラスト評価値の算出方法は公知の手段にて得られ、例えば、各画素における周辺画素との輝度値差の総和にて導出することができる。
図７に示す座標空間には、被写体、輝度など撮影環境に応じた、評価値曲線を描くただ一つのＸの関数Ｆ（Ｘ）が存在する。Ｆ（Ｘ）の最大値を得るＸが合焦位置となるが、Ｆ（Ｘ）を正確に表現するための代数式を導出することは現状では極めて困難である。
以上の点を踏まえ、従来例としては次のようになる。
図７（ａ）では、レンズ位置Ｐ［１］へ駆動させた後、その点におけるコントラスト評価値Ｆ（Ｐ［１］）を求める。そして、順次Ｐ［２］，Ｐ［３］，Ｐ［４］…と駆動させながら、各駆動位置で停止し、コントラスト評価値Ｆ（Ｐ［２］）、Ｆ（Ｐ［３］）、…を導出する。そして、最も高い評価値となったレンズ位置を合焦位置とする。この方法は最も単純であるが、少なくとも被写界深度より狭い間隔で走査しなければならないため、自動合焦処理時間が長くなってしまう。
図７（ｂ）では、図７（ａ）と同様フォーカスレンズの駆動・停止を繰り返す方式であるが、図７（ａ）に示す場合と異なり、測定点スプライン関数など補間関数で測定点間の評価値を擬制的に導出している。この補間により、被写界深度より広い間隔での走査ができるようにはなる。
【０００５】
図８は、図７で示した方式のタイミングチャートで、図面中右方向へ時間が経過する時間軸を示す。垂直同期信号が周期Ｔで発生すると、まずフォーカスモータを駆動して、フォーカスレンズ位置Ｐ［１］への駆動を行い、フォーカスレンズがＰ［１］へくると、フォーカスモータを停止する。次に、この動作が完了した後、撮像素子を所定時間露光させ、この後に評価値を求め、座標（Ｐ［１］，Ｆ（Ｐ［１］）を補間関数導出の際の標本点とする。こうして、図７の曲線が得られ合焦位置を得る。
ところがこの方式では、図８のようにフォーカスモータの駆動時間帯と、撮像素子の露光時間帯を互いに排他させることが必要である。被写体の輝度が低く露光時間が長い場合など、周期Ｔを長くする必要が生じ、また高速化のためにはフォーカスモータの電圧を上げる、または高出力高制動力のモータを使用する必要があることは前述のとおりである。
本発明は以上の点を踏まえ、駆動速度を高速で維持したまま、速やかに精確な合焦位置を発見する自動合焦装置を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成する請求項１にかかる発明は、光軸方向に駆動可能なフォーカスレンズと、該フォーカスレンズの後段にあって光電変換により画像情報を電気信号に変換する撮像素子と、所定単位時間ごとに前記画像情報に基づく評価値を算出する制御部とを有し、山登り方式によって合焦位置を導出する自動合焦装置において、前記所定単位時間当りの前記フォーカスレンズ駆動における前記撮像素子の積分時間を検知する積分時間検知手段と、前記所定単位時間ごとにおける前記積分時間に依存する前記フォーカスレンズ位置の代表値を算出する算出手段を有することを特徴とする。
これにより、従来のようにフォーカスレンズの駆動時と露光時間との関係を排他することなくフォーカスレンズの駆動時間中でも露光時間によって合焦位置の補正処理が行われるので、従来と比べて駆動速度にかかわらず高速処理が可能となり、合焦精度が落ちにくくなる。
【０００７】
請求項２にかかる発明は、請求項１にかかる発明において、前記評価値が最大または極大となりかつ最も合焦距離の短くなる時刻における前記フォーカスレンズ位置の代表値へフォーカスレンズを駆動させるフォーカスレンズ駆動手段を有することを特徴とする。
これは、近側の合焦を優先させることでいわゆる中抜けを防止する為の措置を講じることができる。
請求項３にかかる発明では、光軸方向に駆動可能なフォーカスレンズと、該フォーカスレンズの後段にあって光電変換により画像情報を電気信号に変換する撮像素子と、所定単位時間ごとに前記画像情報に基づく評価値を算出する制御部とを有し、山登り方式によって合焦位置を導出する自動合焦装置において、前記所定単位時間当りの前記フォーカスレンズ駆動における前記撮像素子の積分時間を検知する積分時間検知手段と、前記所定単位時間ごとにおける前記積分時間に依存する前記フォーカスレンズ位置の代表値を算出する算出手段と、同時刻における前記フォーカスレンズの代表値と前記評価値を組とした値を２以上の次元数の座標空間へ描点し、前記描点を標本点または節点とした前記フォーカスレンズの代表値を元とする所定の１元補間関数を導出する１元補間関数導出手段を有することを特徴とする。
これにより、従来のようにフォーカスレンズの駆動時と露光時間との関係を排他することなくフォーカスレンズの駆動時間中でも露光時間によって合焦位置の補正処理が行われるので、従来と比べて駆動速度にかかわらず高速処理が可能となり、更に請求項１とは異なり、補間関数を導出することにより、全てのフォーカスレンズ位置におけるコントラスト評価値を擬制的に導出することで、フォーカスレンズ位置の代表値間に真の合焦位置がある場合にも合焦位置が正確に求まる。以上の結果、フォーカスレンズ位置の代表値の間隔は被写界深度よりも大きくでき、一層の高速化が可能になる。
【０００８】
請求項４にかかる発明では、請求項３にかかる発明として、前記補間関数が最大値または極大値となりかつ最も合焦距離の短くなる元に対応するフォーカスレンズ位置へフォーカスレンズを駆動させるフォーカスレンズ駆動手段を有することを特徴とする。
これは、近側の合焦を優先させることでいわゆる中抜けを防止する為の措置を講じることができる。
請求項５では、請求項１ないし請求項４にかかる発明として、前記所定単位時間は前記撮像素子の垂直同期信号の周期であることを特徴とする。これにより、前記垂直同期信号と同期することで構成を簡単にすることができる。
請求項６では、請求項３ないし請求項５にかかる発明として、前記補間関数とは、スプライン関数であることを特徴とする。スプライン関数は、標本点を必ず通過し、かつ滑らかに補間する為、精度の高い補間関数となる。
請求項７では、請求項３ないし請求項５にかかる発明として、前記補間関数とは、ベジエ関数であることを特徴とする。ベジエ関数は、スプライン関数より簡単な計算で導出でき、かつ評価値の大小の傾向がスプライン関数に類似している為ため、精度の高い合焦位置の導出ができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、図１ないし図６を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の自動合焦装置を含む撮像装置のブロック図である。図１において、集光レンズ１０１は、被写界を撮像素子１０３へ投影できるよう集光するものであり、この集光レンズ１０１と同一光軸上にあるフォーカスレンズ１０２Ａは、フォーカスモータ１０２Ｂによって駆動され、合焦のために光軸方向へ任意の位置へ移動できるようになっている。そして、このフォーカスレンズ１０２Ａの移動機構により、撮像素子１０３の撮像面における合焦距離を変化させることができる。なお、撮像素子１０３は例えばＣＣＤであり、光電変換により受光した画像を電気信号へ変換する機能を有する。
撮像素子１０３の後段にある画像処理素子１０４は、撮像素子１０３から送られてきた電気信号に対して赤外フィルタや色変換を行い、ＹＵＶ色空間やＲＧＢ色空間などの扱いやすい画像情報に変換する。また、この画像処理素子１０４では文字生成部（図示省略）を有し、制御部１０５の命令により画像情報に文字情報を付加することもできる。
【００１０】
制御部１０５は撮像装置全体の制御を行う演算処理装置とこの演算処理装置を動かすプログラムからなり、自動合焦の制御も行なわれる。制御部１０５は、フォーカスモータ１０２Ｂの外、撮像素子１０３、画像処理素子１０４、ＶＲＡＭ１０７、画像記録素子１０８を制御の対象としており、それぞれに独立した制御信号を発生する。
操作部１０６は、１つ以上のボタンを有し、使用者がボタンを押すことで自動合焦操作や、撮像操作を行うよう制御部１０５へ命令信号を発生する。
ＶＲＡＭ１０７は、画像処理素子１０４から送られる画像情報を記憶するためのＤＲＡＭである。このＶＲＡＭ１０７は、制御部１０５からの制御信号により、ＶＲＡＭ１０７の画像情報を画像記録素子１０８に書込み、逆に画像記録素子１０８からＶＲＡＭ１０７へ書込むことが可能となっている。
ＬＣＤモニタ１０９は、周期的に生起する垂直同期信号の発生の度にＶＲＡＭ１０７の値を各画素の輝度に反映させて撮像画像を表示する。
このような構造の撮像装置に対し、自動合焦装置としては制御部１０５の自動合焦プログラムに従って、露光（積分）時間の検出、撮像画像からのコントラストである評価値の算出、フォーカスレンズ１０２Ａを移動させるフォーカスモータ１０２Ｂの駆動制御、補間演算、等の機能を有する。
【００１１】
図２は、本実施の形態のためのフォーカスレンズ位置とコントラスト評価値の関係を表す座標空間であり、図３はフォーカスモータの駆動と露光を主に示すタイミングチャートである。図３と図８とを比較して判明するように、本実施の形態では、フォーカスモータ１０２Ｂを常に定電位に維持させて、走査中は常に等速駆動させる点である。この場合、モータ駆動電圧は、従来（図８）より低く抑えた定電圧Ｖ’に設定し（Ｖ’＜Ｖ）、垂直同期信号周期Ｔ’を従来（図８）より短くしている（Ｔ’＜Ｔ）。
図２の座標空間において、本実施の形態ではフォーカスモータ１０２Ｂを駆動しながら露光するため、得られる評価値は図２中Ｆ（Ｘ）上にない値となり、露光していたフォーカスレンズ位置帯（図２中網掛けの値域）の範囲におけるＰ［１］…に対応したＦ（Ｘ）の値に依存した値になる。この値はフォーカスレンズ１０２Ａが等速な駆動であることからフォーカスレンズ位置Ｐ［１］…のみに依存する関数Ｇ（Ｘ）を想定し、座標（Ｐ［ｉ］，Ｇ（Ｐ［ｉ］）｛ｉ＝１，２，３，…，；Ｇ（Ｐ［ｉ］）は評価値｝を標本点にする。これをスプライン関数補間することで評価値曲線関数Ｙ＝Ｇ（Ｘ）を導出する。この場合、スプライン関数補間に替えてベジエ関数補間としてもよい。
その上、露光中にフォーカスレンズ１０２Ａが駆動していることから、本来標本点は網掛けの値域のうちから適正な代表値を与えなければならない。そこで、露光時間、駆動速度から、駆動距離Δｘを求め、Ｇ（Ｘ）をΔｘ／２ほど正方向にシフトしてＧ（Ｘ−ΔＸ／２）を用いて合焦位置を求める。このシフト補正は、補正後のＧ（Ｘ）の網掛け通過点が各値域の中点であり、露光時間が短ければΔｘが小さくなってシフト補正も小さくなり、露光時間が長ければシフト補正が大きくなるという単純かつ合理的な補正で済む。これにより、合焦位置の精度を保つことができる。
【００１２】
図４は自動合焦装置による処理を示したフローチャートである。まずステップ２０１でフォーカスレンズ１０２Ａの初期化を行い、フォーカスレンズ１０２ＡをＰ［１］に駆動する。ステップ２０２にて露光時間Ｘｐを取得したのち、垂直同期信号との同期待ちを行い（ステップ２０３）、フォーカスモータ１０２Ｂを等速で駆動させる（ステップ２０４）。そして図５に示すようにＰ［ｉ］に対する評価値Ｖ［ｉ］の取得を繰り返す（ステップ２０５〜２０９）。そして標本点集合（ステップ２１０）に対し、補間関数Ｇ（ｘ）を導出（ステップ２１１）したのち、ステップ２１２にて算出したΔｘを用いてシフトした関数Ｇ（Ｘ−Δｘ／２）の最大値となるＸの値Ｘｍを導出する（ステップ２１３）。そしてこのＸｍを合焦位置としてフォーカスレンズ１０２Ａを駆動し、自動合焦処理は終了する。
以上の実施の形態では、駆動速度を等速にすることにより、モータの負荷低減、同期信号周期の短縮化、駆動速度の向上に貢献し、従来より低廉な構成で自動合焦処理の高速化を行うことができる。
上述のフォーカスモータ１０２Ｂ連続駆動のモータを適用したが、パルスモータを用いた場合には、図６のタイミングチャートのような動作を行わせることもできる。この図６ではモータをパルス駆動にしただけであり、パルスモータの駆動周期を等間隔にすることで、先の図３にて述べた例と同様の効果を得ることができる。
また、図２中網掛けの値域の最大または極大のものの最も焦点距離の短くなる時刻における前記フォーカスレンズ位置の代表値へフォーカスレンズを駆動させることにより、あるいは補間関数が最大値または極大値となりかつ最も合焦距離の短くなる元に対応するフォーカスレンズ位置へフォーカスレンズを駆動させることにより、近側の合焦を優先させることでいわゆる中抜けを防止することができる。
【００１３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、光軸方向に駆動可能なフォーカスレンズと、このフォーカスレンズの後段にあって光電変換により画像情報を電気信号に変換する撮像素子と、所定単位時間ごとに前記画像情報に基づく評価値を算出する制御部とを有し、山登り方式によって合焦位置を導出する自動合焦装置において、前記所定単位時間当りの前記フォーカスレンズ駆動における前記撮像素子の積分時間を検知する手段と、前記所定単位時間ごとにおける前記積分時間に依存する前記フォーカスレンズ位置の代表値を算出する手段を有することにより、従来のようにフォーカスレンズの駆動時と露光時間との関係を排他することなくフォーカスレンズの駆動時間中でも露光時間によって合焦位置の補正処理が行われるので、従来と比べて駆動速度にかかわらず高速処理が可能となり、合焦精度が落ちにくくなる。
また本発明によれば、光軸方向に駆動可能なフォーカスレンズと、このフォーカスレンズの後段にあって光電変換により画像情報を電気信号に変換する撮像素子と、所定単位時間ごとに前記画像情報に基づく評価値を算出する制御部とを有し、山登り方式によって合焦位置を導出する自動合焦装置において、前記所定単位時間当りの前記フォーカスレンズ駆動における前記撮像素子の積分時間を検知する手段と、前記所定単位時間ごとにおける前記積分時間に依存する前記フォーカスレンズ位置の代表値を算出する手段と、同時刻における前記フォーカスレンズの代表値と前記評価値を組とした値を２以上の次元数の座標空間へ描点し、前記描点を標本点または節点とした前記フォーカスレンズの代表値を元とする所定の１元補間関数を導出する手段を有することにより、従来のようにフォーカスレンズの駆動時と露光時間との関係を排他することなくフォーカスレンズの駆動時間中でも露光時間によって合焦位置の補正処理が行われるので、従来と比べて駆動速度にかかわらず高速処理が可能となり、更に０補間関数を導出することにより、全てのフォーカスレンズ位置におけるコントラスト評価値を擬制的に導出することで、フォーカスレンズ位置の代表値間に真の合焦位置がある場合にも合焦位置が正確に求まる。以上の結果、フォーカスレンズ位置の代表値の間隔は被写界深度よりも大きくでき、一層の高速化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による自動合焦装置を含む撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図２】フォーカスレンズ位置とその位置におけるコントラスト評価値の座標空間にあって、本実施の形態における合焦位置の割り出しを説明した図である。
【図３】主要な制御信号の変遷を示したタイミングチャートである。
【図４】本実施の形態の自動合焦処理を示したフローチャートである。
【図５】図４のフローチャートの説明のための図である。
【図６】フォーカスモータとしてパルスモータを用いた場合のタイミングチャートである。
【図７】フォーカスレンズ位置とその位置におけるコントラスト評価値の座標空間にあって、従来の合焦位置の割り出しを説明した図である。
【図８】図７の割り出しに当り主要な制御信号の変遷を示したタイミングチャートである。
【符号の説明】
１０２Ａ  フォーカスレンズ
１０２Ｂ  フォーカスモータ
１０３  撮像素子
１０４  画像処理素子
１０５  制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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