(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮影レンズを通過した被写体からの光束により前記撮影レンズの焦点はずれ量を検出する焦点はずれ量検出手段と、
前記撮影レンズの合焦用レンズの位置を検出するレンズ位置検出手段と、
前記焦点はずれ量検出手段による焦点はずれ量の検出時刻を計時する計時手段と、
前記焦点はずれ量検出手段により検出された焦点はずれ量と、前記計時手段により計時された検出時刻と、前記検出時刻に前記レンズ位置検出手段により検出された前記合焦用レンズの位置とに基づいて、平均検出時刻と前記撮影レンズの像面位置と像面速度とを統計演算する第１の統計演算手段と、
前記第１の統計演算手段により演算された複数の前記平均検出時刻における像面位置と像面速度とに基づいて、所定時刻の像面速度と像面位置を統計演算する第２の統計演算手段と、
前記第２の統計演算手段による演算結果にしたがって前記合焦用レンズを駆動制御するレンズ駆動制御手段とを備えることを特徴とするカメラの自動焦点調節装置。
【請求項２】
請求項１に記載のカメラの自動焦点調節装置において、
前記第２の統計演算手段は、露光時に前記合焦用レンズが合焦位置を移動被写体と略同速で通過するような前記合焦用レンズの駆動速度とオフセット移動量を演算することを特徴とするカメラの自動焦点調節装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のカメラの自動焦点調節装置において、
前記第２の統計演算手段は、連続撮影モードにおける露光時ごとに前記合焦用レンズが合焦位置を移動被写体と略同速で通過するような前記合焦用レンズの駆動速度とオフセット移動量を演算することを特徴とするカメラの自動焦点調節装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮影レンズの焦点調節状態を検出して合焦駆動するカメラの自動焦点調節装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
カメラの自動焦点調節装置において、移動する被写体を追尾してある時間に露光を行ない、焦点の合った写真を撮る追尾方法が知られている。
第１の追尾方法は最も単純な方法であり、現在もこの方法を用いているカメラも多い。この追尾方法では、過去に得た複数の被写体の像面位置とその検出時刻の組から差分をとり、像面位置の変化量つまり像面速度を求め、その像面速度の傾きで位置を外延して、所定時刻の像面位置を予想する方法である。この方法は、一次微分を差分の代替として求めた、位置に関するニュートン的な一次近似の方法といえる。
【０００３】
第２の追尾方法は、上記第１の方法をさらに一次深めて像面位置にかかる二次補正としたものである。具体的には、３世代の像面位置と時刻のデータの組をとり、これら３点を通る像面位置−時間の空間における放物線を決定し、これを外延して所定時刻の像面位置を予測するものである。この追尾方法は、等速で運動する被写体であっても、予定像面上では線形ではない一定の関数、
【数１】
0003834874.tif 000002
（数式１において、ｆはレンズの焦点距離、ｖは被写体速度、ｈは最接近した時の距離、ｔは時間、ｔ＝０で最接近である。）
で変化するため、像面速度の変化があるという事実から、像面加速度を２次式で評価することによって正解に至ろうとするものである。
しかし、実際には、焦点はずれ量の測定値に相当量のゆらぎがあり、このゆらぎの影響は微分係数が高次になればなるほど大きくなる。これは、離散的なデータセットを使用している以上宿命であり、このことからこの方法が正しく速度変化を捉えられるかどうかは非常に疑問である。
【０００４】
これらの方法の欠点を解決するために、昨今の演算装置の進歩から数値処理を増やして信頼性の高いデータを得ようとする動きがある。
第３の追尾方法は、統計的な手法で像面の位置を予測する方法である。すなわち、像面位置−測定時刻の組を過去数世代にわたって格納しておき、これらのデータ群から一次回帰式を導く。この一次回帰式の傾きは像面位置の時間変化になるから、データ群を代表する像面速度を表すことになる。この方式は、測定データのゆらぎにも強く、信頼度の高いデータが得られるが、ある程度の時間間隔を持つデータ群の変化量を代表するために、急速に変化する被写体の対応はむずかしい。
【０００５】
上記第３の方法を改善した第４方法として、像面の位置と像面速度の平方根の空間で回帰式を求め、この回帰式から逆算して像面速度と像面加速度を求める方法がある。この方法は、非線形な像面の動きを基本的に数式で捉えているため、ゆらぎの影響の少ない像面加速度を得ることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ゆらぎをキャンセルさせる統計的な手法にも現実に適応しようとする際には、先に少し触れたように多少の問題点がある。
被写体の像面位置と時刻の一次回帰式を用いて、自動焦点調節を行う場合の像面速度やレンズ位置などのデータを算出した場合、ゆらぎのない落ち着いたデータが得られるものの、平均化のため基準時刻がかなり過去へ遡ってしまう。一方、被写体が等速で運動していたとしても、レンズの特性から像面は等速では移動せず、ある特性の加速度を持つ。このため、予想される像面は実際の像面より遅れてしまう傾向がある。とりわけ、一眼レフレックスカメラにおいては、ミラーアップ後、露光が開始されるまでにタイムラグがあり、この間の像面の加速が基準時刻の遅れに加えて焦点の遅れとなってしまう。
【０００７】
統計演算をせずに、これらのデータを計算で求めることは可能である。そうした場合には基準時刻を多少は前に持ってくることはできるが、像面速度を求めるには複数の像面位置の差をその間の時間で除して求めるしかない。そうすると、基準時刻はその間の時間の中点となるはずで、この時間を短くすれば当然像面速度差は小さくなり、その差分値が不安定なものとなるのは不可避である。
【０００８】
第３の追尾方法で求められた像面位置と像面速度から像面位置−像面速度の平方根の関係で回帰式を求め、これから所定時刻の像面速度、像面位置を算出する第４の追尾方法を使用することは、像面の変化が大きい場合、こうした問題を根本的に解決することになる。しかし、この方法は回帰式の要素として像面位置、像面速度を使用するため、像面変化の小さい被写体に対しては回帰式を求めるための変数群が動かず、回帰式の意味を持たないという欠点がある。この領域では計算の誤差が、そのまま回帰式の答えとなってしまう可能性すらある。
【０００９】
こうした問題を解決するために、第３の方法と第４の方法を被写体の状況に応じて使い分けるというやり方が最善のものとして考えられてくるが、被写体の速度、レンズの焦点距離などによって、像面の変化のふるまいが大きく異なるために正確な使い分けが非常に難しい。例えば、焦点距離が短く、被写体の速度が早い場合には、ほとんど止まっているかのように思われる像面が急速に加速していくため、統計的に像面の様子を見ながら使い分けを判断していこうという、のんびりしたやりかたでは急変化にはついていけない可能性がある。使い分けを行なう前後の像面の動きのグレーゾーンに対して、何らかの方策を立てておいてやる必要がある。
【００１０】
本発明の目的は、移動被写体に対する追尾性能を向上して露光時に正確に合焦させることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
（１）  請求項１の発明は、撮影レンズを通過した被写体からの光束により撮影レンズの焦点はずれ量を検出する焦点はずれ量検出手段と、撮影レンズの合焦用レンズの位置を検出するレンズ位置検出手段と、焦点はずれ量検出手段による焦点はずれ量の検出時刻を計時する計時手段と、焦点はずれ量検出手段により検出された焦点はずれ量と、計時手段により計時された検出時刻と、検出時刻にレンズ位置検出手段により検出された合焦用レンズの位置とに基づいて、平均検出時刻と撮影レンズの像面位置と像面速度とを統計演算する第１の統計演算手段と、第１の統計演算手段により演算された複数の平均検出時刻における像面位置と像面速度とに基づいて、所定時刻の像面速度と像面位置を統計演算する第２の統計演算手段と、第２の統計演算手段による演算結果にしたがって合焦用レンズを駆動制御するレンズ駆動制御手段とを備える。
検出された焦点はずれ量と、その検出時刻と、検出時刻の合焦用レンズの位置とに基づいて平均検出時刻と撮影レンズの像面位置と像面速度とを統計演算し、さらに、演算された複数の平均検出時刻における像面位置と像面速度とに基づいて所定時刻の像面速度と像面位置を統計演算する。そして、演算結果の所定時刻の像面速度と像面位置にしたがって合焦用レンズを駆動制御する
（２）  請求項２のカメラの自動焦点調節装置は、第２の統計演算手段によって、露光時に合焦用レンズが合焦位置を移動被写体と略同速で通過するような合焦用レンズの駆動速度とオフセット移動量を演算するようにしたものである。
（３）  請求項３のカメラの自動焦点調節装置は、第２の統計演算手段によって、連続撮影モードにおける露光時ごとに合焦用レンズが合焦位置を移動被写体と略同速で通過するような合焦用レンズの駆動速度とオフセット移動量を演算するようにしたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態を説明する。
図１は一実施形態の構成を示す図である。１は撮影レンズであり、被写体像を予定像面に結像させるとともに、合焦していない時には、撮影レンズの全部乃至一部を前後に駆動して予定像面に被写体像を結ばせることができるようになっている。駆動源のモータはレンズ筐体内にあってもよいし、ボディ側のレンズマウントから駆動結合体を介して合焦用レンズなどを直接駆動してもよい。また、レンズの位置を測定するために、位置検出装置２としてのエンコーダーがレンズ可動部でレンズの移動量を測定するか、あるいはレンズを駆動するモータの軸回転を検出する形で設置されており、レンズの相対的あるいは絶対的位置をモニターできるようになっている。
【００１３】
このレンズを通して被写体の像が予定像面近辺に結ばれ、この像と予定結像面との差、すなわち焦点はずれ量を測定する焦点はずれ量検出装置３がメインミラーの下にサブミラーの反射光を受ける形で配置される。この焦点はずれ量検出装置３は、撮影レンズ１を通過した被写体からの光束を受光素子（不図示）上へ導き、被写体像を再結像させる焦点検出光学系（不図示）と、被写体像の光強度分布に対応する信号を出力する受光素子とから構成され、装置の実質な演算や焦点はずれ量検出装置３の受光素子の制御は、高機能な演算装置（ＣＰＵ）４に委ねられている。ちなみに、この演算装置４はこの実施形態では統一的に他の演算制御も含め、ひとつの高速ＣＰＵが全てを代表している。さらに、これも実態はＣＰＵのクロックで代替することになる、測定時刻あるいは露光に至る時間を測定するためのクロック５と、焦点はずれ量検出装置３から出力されるデータの組を格納しておく第１の記憶装置６（メモリ１）と、こうして貯えられたデータを加工したパラメータを貯蔵しておく第２の記憶装置７（メモリ２）が装備される。また、演算された駆動に関するデータにしたがってレンズを駆動する駆動制御装置８が装備され、駆動ギア９を介してレンズを駆動する。なお、レンズ筐体内に駆動モータを装備する形式のカメラでは、レンズ筐体へ駆動に関するデータを送信するための通信装置が装備される。
【００１４】
次に、図２のフローチャートによりこの実施形態の全体動作を説明する。
まず、被写体の像がどのくらい予定像面から離れているかが焦点はずれ量検出装置３から出力され、その焦点はずれ量を入力する（Ｓ１）とともに、同時にその時のレンズの位置と時刻をそれぞれ位置検出装置２とクロック５から入力する（Ｓ２）。こうして得られたデータは第１の記憶装置６に貯えられ（Ｓ３）、以下に示す計算に使用される。第１の記憶装置６に、このようにして繰り返し貯えられたデータが、統計演算を行なえる程度にたまったならば（Ｓ４）、第一回目の統計演算を行なう（Ｓ５）。この統計演算については後述する。
【００１５】
統計演算を行なうことを決定する基準のデータ数は、どの程度の信頼性を確保するのかと、自動焦点調節の１サイクルの速さとによって決定することができる。それらをさほど気にしないのなら、最低のデータ数はもちろん２である。統計演算を行なうデータの選択に際しては、実用上、計算を行なっている現在時刻もしくは最新のデータが入手された時刻から、一定時間過去に遡った時に、その中に含まれるデータ数を採用されるデータ数とするのが最もよい。例えば、現時点から３００ｍｓ過去までのデータを俯瞰し、その中に含まれる仮に１０個のデータの組を採用するというようにデータを選ぶ。この統計演算によって、像面速度と統計の中心時刻が出てくるから、これを先と同様に組にして第２の記憶装置７に貯える（Ｓ６）。
【００１６】
第２の記憶装置７に格納されいるデータ数が所定数を越えるか、あるいは一定時間のデータ数が所定数を越えたら（Ｓ７）、これらのデータを用いて第２の統計演算、すなわち回帰演算を行なう（Ｓ８）。この演算から像面速度の単位時間当たりの変化として位置回帰式の傾きが出てくる。切片も含めて計算すると、ある時間の像面速度が予想されることになる。露光を目標時刻とした時、第２の統計演算と数式１とにより露光時刻で合焦を得るために最も適当な像面速度と現在時点での焦点はずれ量（オフセット量）が算出されるから、この２つのデータをレンズ駆動装置もしくは駆動能力のあるレンズに送信して（Ｓ９）、駆動制御の開始を待てば露光時に合焦が得られる。
【００１７】
なお、ステップ４でデータの格納数が第１の統計演算を行なうのに不十分であった場合はステップ１０へ進み、第１の統計演算を行なわず、焦点はずれ量ｄｅｆに基づいて撮影レンズの駆動量を演算し、駆動制御装置８に駆動データを出力して撮影レンズ１を駆動制御する。
同様に、ステップ７でデータの格納数が第２の統計演算を行なうのに不十分であった場合はステップ１１へ進み、第２の統計演算を行なわず、第１の統計演算の結果のみにより駆動データを演算し、駆動制御装置８により撮影レンズ１を駆動制御する。
【００１８】
ここで、図２のステップ５とステップ８で行なわれる第１および第２の統計演算について、図３のフローチャートにより説明する。
焦点はずれ量検出装置３からは、通常、ミリメートルあるいはミクロン単位で焦点のはずれた量が出力されてくる。これをｄｅｆとする。一方、測定時刻のレンズ位置は、エンコーダーで測定されるためにエンコーダのパルス数ｌｐで得られる。被写体の像面位置は、この２つのデータの和であるから、どちらかのデータのディメンジョンを変換して、同じディメンジョンに直してから計算しなければならない。ここではデータをパルス数次元に変換して像面位置ｙを求めるものとする。焦点はずれ量ｄｅｆ、レンズ位置ｌｐおよび時刻ｔを入力し（Ｓ２１）、焦点はずれ量ｄｅｆを次式によりパルスベースの焦点はずれ量ｂｆに変換する（Ｓ２２）。焦点はずれ量は変換係数γによって変換され、
【数２】
0003834874.tif 000003
と表わされる。γはレンズもしくはレンズ位置、場合によっては焦点はずれ量にかかる関数である。
像面位置は、これから容易に算出されて、
【数３】
0003834874.tif 000004
となる（Ｓ２３）。この像面位置Ｙｉ（ｉはｉ番目という意味）と測定を行なった時刻Ｔｉを組として第１の記憶装置６（メモリ１）に貯えておく（Ｓ２４）。
【００１９】
以上のデータの入力および演算処理を何度か繰返し、第１の統計演算を行なうのに足りると考えられるだけデータがたまったならば第１の統計演算を開始する（Ｓ２５）。最初に、統計演算を行なうデータ数をＮとしてデータの平均値を求める。
【数４】
0003834874.tif 000005
【数５】
0003834874.tif 000006
この平均値との差を積和演算しＳｘｙ，Ｓｘｘを算出する。
【数６】
0003834874.tif 000007
【数７】
0003834874.tif 000008
この２つの積和演算の結果より、像面速度を表現する一次回帰直線の傾きＳｌが求まり、
【数８】
0003834874.tif 000009
となる。一次回帰直線は、データ平均の組を通るから、当然、次のようになってくる。
【数９】
0003834874.tif 000010
これから一次式の切片ｋは、
【数１０】
0003834874.tif 000011
である。中心位置は平均位置のことであるからＰｃにはＹａｖｅが、同様に中心時刻ＴｃにはＴａｖｅが対応することになる。また、Ｓｌ＝Ｖはいうまでもなく像面速度を表現している。参考までに、Ｎ＝２の時、Ｓｌの答えは２つのデータの差分で像面速度を求める式と同じになる。これらのデータは第２の記憶装置７（メモリ２）に格納する（Ｓ２７）。
【００２０】
こうして第１の統計演算の結果がメモリ上に格納され、それらが第２の統計演算をするのに足りる世代数だけ格納されたならば、第２の統計演算を開始する（Ｓ２８）。求められたデータの平均をとるのは上記数式４，５と同様である。
【数１１】
0003834874.tif 000012
【数１２】
0003834874.tif 000013
さらに同様に、積和演算をおこなって、
【数１３】
0003834874.tif 000014
【数１４】
0003834874.tif 000015
と結果が得られるから、この比をとって、一次回帰直線の傾きＳｌｘを求める（Ｓ２９）。
【数１５】
0003834874.tif 000016
この傾きは、像面速度の時間変化、すなわち像面加速度を表わしており、位置回帰式時間を代入することによってその時刻の像面速度を計算することができる。
【数１６】
0003834874.tif 000017
切片ｋｘは同様に次のようにに表わされる（Ｓ２９）。
【数１７】
0003834874.tif 000018
【００２１】
このようにして、各種データが算出される式が決定されたならば、この式を用いて所定時刻に合焦するためのパラメータを算出することにする。現在時刻をＴｒ、露光時刻をＴｘとすると（Ｓ３０）、焦点はずれ量検出後、各種演算を終わらした現在の像面位置Ｙｔは第１の回帰式から容易に求まって、
【数１８】
0003834874.tif 000019
であり（Ｓ３１）、現在の焦点はずれ量ｂｆｔは、これから現時刻のレンズ位置を引いて、
【数１９】
0003834874.tif 000020
となる。
像面速度について考えると、現在の像面速度ｖｉｍｎは第２の相関式から次のごとく表わされる（Ｓ３２）。
【数２０】
0003834874.tif 000021
露光時の像面速度Ｖｉｍｄは同様にして、
【数２１】
0003834874.tif 000022
で表すことができる（Ｓ３２）。
【００２２】
出力すべき像面速度ｖｉｍｏはニュートン的に言ってこの中間値が適当であるから、この２つの像面速度の相加平均値をとって、
【数２２】
0003834874.tif 000023
とすることができる（Ｓ３３）。レンズを駆動しなければならない量は、現在時刻の焦点はずれ量（オフセット量）ｂｆｔと駆動速度、すなわち像面速度ｖｉｍｏであるから、現在の焦点はずれ量ｂｆｔをＹｔより算出し（Ｓ３４）、ｂｆｔとｖｉｍｏを駆動装置８へ出力すればよいことになる（Ｓ３５）。
【００２３】
図４は、データを出力した時点以降の、破線で示す駆動データすなわち指示駆動直線に対する実際のレンズの動きを実線で示す。
指示駆動直線の傾きは像面速度ｖｉｍｏであり、データ出力時点におけるオフセットはｂｆｔである。駆動制御装置８は、この指示駆動直線にしたがって撮影レンズ１を駆動制御する。撮影レンズ１の位置は、データ出力直後は指示駆動直線に対して遅れるが、しばらくすると指示駆動直線に追従する。
【００２４】
なお、速度駆動ではなく、その合焦する地点で露光を待とうというのであれば、
【数２３】
0003834874.tif 000024
で示される量だけレンズを予め駆動しておけばよい。
また、連続撮影モードでは、露光時ごとに撮影レンズが合焦位置を移動被写体と略同速で通過するような撮影レンズの駆動速度とオフセット移動量を演算すればよい。
【００２５】
以上の発明の実施の形態の構成において、焦点はずれ量検出装置３が焦点はずれ量検出手段を、位置検出装置２がレンズ位置検出手段を、クロック５が計時手段を、演算装置４が第１の統計演算手段および第２の統計演算手段をそれぞれ構成する。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、検出された撮影レンズの焦点はずれ量と、その検出時刻と、検出時刻の合焦用レンズの位置とに基づいて平均検出時刻と撮影レンズの像面位置と像面速度とを統計演算し、さらに、演算された複数の平均検出時刻における像面位置と像面速度とに基づいて所定時刻の像面速度と像面位置を統計演算する。そして、演算結果の所定時刻の像面速度と像面位置にしたがって合焦用レンズを駆動制御する。
なお、演算された複数の平均検出時刻における像面位置と像面速度とに基づいて、露光時に合焦用レンズが合焦位置を移動被写体と略同速で通過するような合焦用レンズの駆動速度とオフセット移動量を演算するようにしてもよい。
あるいはまた、演算された複数の平均検出時刻における像面位置と像面速度とに基づいて、連続撮影モードにおける露光時ごとに合焦用レンズが合焦位置を移動被写体と略同速で通過するような合焦用レンズの駆動速度とオフセット移動量を演算するようにしてもよい。
これにより、被写体像面位置と時刻の関係の一次相関をとることによって得られる、測定ゆらぎの影響の減殺を保持したまま、この方法の欠点である速度変化への追従の困難さを緩和することができる。つまり、測定データのゆらぎを排除した上で、像面速度や高次の微分係数である像面加速度を導くことができる。その結果、移動被写体への追尾性能が、向上し、高速で移動する被写体に対しても焦点のあった写真を撮ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  一実施形態の構成を示す図である。
【図２】  一実施形態の全体動作を示すフローチャートである。
【図３】  第１および第２の統計演算を示すフローチャートである。
【図４】  像面速度と焦点外れ量のオフセットとにより駆動データを出力して撮影レンズを駆動制御した時のレンズの動きを示す図である。
【符号の説明】
１  撮影レンズ
２  位置検出装置
３  焦点はずれ量検出装置
４  演算装置
５  クロック
６  第１の記憶装置（メモリ１）
７  第２の記憶装置（メモリ２）
８  駆動制御装置
９  駆動ギア
【図１】
0003834874.tif 000025
【図２】
0003834874.tif 000026
【図３】
0003834874.tif 000027
【図４】
0003834874.tif 000028