JP2007065593A - オートフォーカスシステム - Google Patents

Abstract

【課題】光路長差方式のオートフォーカスにおいて、１つの撮像素子を光路長の異なる複数の撮像面を有するＡＦ用撮像素子として使用すると共に、本来の映像を撮像する映像用撮像素子に被写体光を導く光路から分岐したＡＦ用光路にそのＡＦ用撮像素子を配置することによって、ＡＦ用に記録又は再生用の画像とは無関係にＡＦ用として適切な光路長差の撮像面を有するＡＦ用撮像素子を使用することができるオートフォーカスシステムを提供する。
【解決手段】撮影レンズ５０に入射した被写体光は、カメラ本体５６の映像用ＣＣＤ６０へと導かれる光軸Ｏの光路から、ハーフミラー５２によって光軸Ｏ′のＡＦ用光路に分岐される。そのＡＦ用光路には、光路長が異なる２つの撮像面を有するＡＦ用ＣＣＤ３２が配置され、ＡＦ用光路に導かれた被写体光はＡＦ用ＣＣＤ３２の２つの撮像面によって撮像される。それらの撮像面によって撮像された各画像のコントラストに基づいて撮影レンズ５０のＡＦ制御が行われる。
【選択図】 図２

Description

本発明はオートフォーカスシステムに係り、特に光路長差方式のオートフォーカス（ＡＦ）に用いたオートフォーカスシステムに関する。

放送用テレビカメラの採用されるオートフォーカス（ＡＦ）としてはコントラスト方式が一般的である。コントラスト方式のＡＦでは、カメラで得られた映像信号から高域周波数成分の信号が抽出され、その抽出された信号に基づいてコントラストの高低を評価する焦点評価値が求められる。そして、その焦点評価値がピーク（極大）となるように例えば山登り方式と呼ばれる方法により撮影レンズのフォーカス（フォーカスレンズ群）が制御される。

また、コントラスト方式のＡＦでは、フォーカスを微小に変動させるワブリングによってピント状態（前ピン、後ピン、又は、合焦）を検出し、フォーカスの動作方向等を決めているが、ワブリングを行うとそれによる焦点変動が画面上で認識されてしまう可能性があり、また、高速で移動する被写体に対して正確にピントを合わせることができない等の特に放送用の撮影では好ましくない欠点があった。

このような欠点を解消する方法として、例えば特許文献１に示されているようなシステムを用いることが考えられる。これによれば、入射する被写体光に対して光路長差を有する２つの撮像面が近接して配置され、各撮像面によって撮像された各画像のコントラスト（焦点評価値）が検出される。これらのコントラストを比較することによってワブリングを行うことなくピント状態が検出され、これに基づいて撮影レンズのフォーカスがベストピントとなるように制御される。尚、このように光路長差を有する複数の撮像面により撮像した画像のコントラストに基づいてフォーカス調整を自動で行う方式を本明細書では光路長差方式というものとする。

また、特許文献１では１つの撮像素子の撮像面を１水平ラインごとに所定光路長差分だけ光学的に光軸方向の前後にずらすことによって光路長差を有する２つの撮像面を１つの撮像素子によって配置できるようにしている。一方、特許文献２のように別体の撮像素子を用いて光路長差を有する２つの撮像面を配置するようにしたものも提案されている。これによれば、撮影レンズに入射した被写体光を各撮像素子の撮像面に分割する手段が撮影レンズの光学系内等に配置される。特許文献１では、ピント状態を検出するためのＡＦ用の画像を撮像するためのＡＦ用撮像素子と、記録又は再生用としての本来の画像（映像）を撮像するための映像用撮像素子とは同一のものであるが、特許文献２では、ＡＦ用撮像素子と映像用撮像素子とは別々の撮像素子とすることもできる。
特公平７−６０２１１号公報 特開２００４−２１２４５８号公報

ところで、特許文献１の場合、映像用撮像素子に光路長の異なる複数の撮像面を形成することによって映像用撮像素子をＡＦ用撮像素子としても併用している。その場合に、映像用撮像素子として撮像された画像が撮像面の光路長差に影響を受けないようにする必要があるため、光路長差は撮影レンズの焦点深度の範囲内に制限される。一方、ＡＦ用撮像素子としては、光路長差があまりに小さいと、各光路長の撮像面で撮像された画像のコントラストの差が現れ難くなるため、ある程度の大きさが必要となる。しかしながら、光路長差が焦点深度の範囲内に制限されると、ＡＦ用撮像素子として必要な光路長差が得られず、ピント状態を適切に検出することができないという問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、光路長差方式のオートフォーカスにおいて、１つの撮像素子を光路長の異なる複数の撮像面を有するＡＦ用撮像素子として使用すると共に、記録又は再生用の画像とは無関係にＡＦ用として適切な光路長差の撮像面を有するＡＦ用撮像素子を使用することができるオートフォーカスシステムを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、請求項１に記載のオートフォーカスシステムは、記録又は再生用の画像を結像する撮影光学系の光路からオートフォーカス用の被写体光を分岐してオートフォーカス用の画像を結像するＡＦ用光学系と、前記ＡＦ用光学系により結像された画像を撮像する撮像素子であって、１つの撮像素子において光路長が異なる複数の撮像面を有すると共に、前記ＡＦ用光学系の焦点深度が最小となっている状態において、少なくともいずれかの撮像面に対して前記焦点深度よりも大きな光路長差となる撮像面を有するＡＦ用撮像素子と、前記撮像素子の複数の撮像面により取得された画像のコントラストに基づいて、合焦状態となるように前記撮像光学系のフォーカス制御を行うＡＦ制御手段と、を備えたことを特徴としている。

本発明によれば、光路長差の異なる撮像面を有する１つの撮像素子を光路長差方式のＡＦ用撮像素子として使用すると共に、記録又は再生用の画像を撮像する映像用撮像素子とは異なる撮像素子をＡＦ用撮像素子として使用するため、ＡＦ用として適切な光路長差の撮像面を有するＡＦ用撮像素子を用いることができる。ＡＦ用撮像素子が、少なくともいずれかの撮像面に対してＡＦ用光学系の最小の焦点深度よりも大きな光路長差となる撮像面を有していると、それら一対の撮像面により取得した画像のコントラストの差がＡＦにおけるピント状態の判断にとって十分なものとなり、ＡＦによるフォーカス制御を適切に行うことができる。

請求項２に記載のオートフォーカスシステムは、請求項１に記載の発明において、前記ＡＦ用撮像素子は、光路長が異なる３つ以上の複数の撮像面を有し、前記ＡＦ制御手段は、前記複数の撮像面のうちいずれか２つの撮像面からなる一対の撮像面により取得された画像のコントラストに基づいて前記フォーカス制御を行うと共に、該一対の撮像面として用いる撮像面を、所定の条件に基づいて変更することを特徴としている。

本発明によれば、ＡＦ用撮像素子において光路長が異なる３以上の撮像面を有する場合に、フォーカス制御で実際に使用する画像を取得するための一対の撮像面を、条件に応じて適切な光路長差の撮像面に変更することができる。

請求項３に記載のオートフォーカスシステムは、請求項２に記載の発明において、前記ＡＦ制御手段は、前記撮影光学系の焦点距離が所定の基準値未満の場合と該基準値以上の場合とで前記一対の撮像面として用いる撮像面を変更し、前記複数の撮像面のうち前記焦点距離が所定の基準値未満の場合には光路長差が小さい２つの撮像面を前記一対の撮像面として用い、前記焦点距離が前記基準値以上の場合には光路長差が大きい２つの撮像面を前記一対の撮像面として用いることを特徴としている。

本発明は、請求項２の発明においてフォーカス制御で実際に使用する一対の撮像面を変更する条件の一態様を示したもので、撮影光学系の焦点距離に応じて変更する場合を示している。

請求項４に記載のオートフォーカスシステムは、請求項２に記載の発明において、前記ＡＦ制御手段は、所定の２つの撮像面を前記一対の撮像面として用いている場合に、該２つの撮像面により得られる画像間でのコントラストの差が不十分な場合に、該２つの撮像面の光路長差よりも大きくなる２つの撮像面を前記一対の撮像面として変更することを特徴としている。

本発明は、請求項２の発明においてフォーカス制御で実際に使用する一対の撮像面を変更する条件の一態様を示したもので、一対の撮像面により取得した画像のコントラストの差が不十分でピント状態が判断できないような場合に、それらの撮像面よりも光路長差の大きい撮像面に変更する場合を示している。

本発明に係るオートフォーカスシステムによれば、光路長差方式のオートフォーカスにおいて、１つの撮像素子を光路長の異なる複数の撮像面を有するＡＦ用撮像素子として使用すると共に、記録又は再生用の画像とは無関係にＡＦ用として適切な光路長差の撮像面を有するＡＦ用撮像素子を使用することができる。

以下、添付図面に従って本発明に係るオートフォーカスを実施するための最良の形態について詳説する。

図１は、本発明のオートフォーカスシステムが適用されたレンズシステムの構成を示したブロック図である。同図のレンズシステムは、例えば放送用テレビカメラのカメラ本体（カメラヘッド）にマウントによって装着される撮影レンズ（撮影光学系）と、撮影レンズを制御する制御系とから構成されている。尚、撮影レンズと、一部を除く制御系とは一体化されたレンズ装置として構成されている場合や、撮影レンズと制御系とが別体の装置として構成される場合等のようにシステムを構成する装置の形態はどのようなものでもよい。

撮影レンズは、被写体の像をカメラ本体の撮像面に結ぶ撮影光学系であり、撮影レンズには各種固定のレンズ群の他に光軸方向に移動可能なレンズ群として、同図に示すフォーカスレンズ（群）ＦＬやズームレンズ（群）ＺＬが配置されている。フォーカスレンズＦＬが移動すると、ピント位置（被写体距離）が変わり、ズームレンズＺＬが移動すると、像倍率（焦点距離）が変わる。また、撮影レンズには絞り値を変更するために開閉駆動される同図に示す絞りＩが配置されている。

レンズシステムの制御系は、ＣＰＵ１０、アンプＦＡ、ＺＡ、ＩＡ、モータＦＭ、ＺＭ、ＩＭ、フォーカスデマンド１８、ズームデマンド２０、ＡＦ回路３０等から構成されている。ＣＰＵ１０は、システム全体を統括制御しており、ＣＰＵ１０からＤ／Ａ変換器１２を介して各アンプＦＡ、ＺＡ、ＩＡに駆動信号が出力されると、各モータＦＭ、ＺＭ、ＩＭがその駆動信号の値（電圧）に応じた回転速度で駆動される。各モータＦＭ、ＺＭ、ＩＭは、上記撮影レンズのフォーカスレンズＦＬ、ズームレンズＺＬ、絞りＩに連結しており、各モータＦＭ、ＺＭ、ＩＭの駆動と共に、フォーカスレンズＦＬ、ズームレンズＺＬ、絞りＩが駆動される。各モータＦＭ、ＺＭ、ＩＭの出力軸にはそれらの回転位置に応じた電圧信号を出力するポテンショメータＦＰ、ＺＰ、ＩＰが連結されており、各ポテンショメータＦＰ、ＺＰ、ＩＰからの電圧信号は、フォーカスレンズＦＬの位置、ズームレンズＺＬの位置、絞りＩの位置を示す信号としてＡ／Ｄ変換器１４を介してＣＰＵ１０に与えられる。従って、ＣＰＵ１０から各アンプＦＡ、ＺＡ、ＩＡに与えられる駆動信号によって撮影レンズのフォーカスレンズＦＬ、ズームレンズＺＬ、絞りＩの位置又は動作速度が所望の状態に制御される。

フォーカスデマンド１８やズームデマンド２０は、撮影レンズのフォーカス（フォーカスレンズＦＬ）やズーム（ズームレンズＺＬ）の目標となる位置や移動速度をマニュアル操作で指定するマニュアル操作部材を備えたコントローラである。フォーカスデマンド１８は、シリアルコミュニケーションインターフェース（ＳＣＩ）２２、２４を通じてＣＰＵ１０とシリアル通信により接続され、ズームデマンド２０は、Ａ／Ｄ変換器１４を介してＣＰＵ１０と接続されている。

詳細は後述するが本レンズシステムでは、フォーカス制御をマニュアルフォーカス（ＭＦ）と、オートフォーカス（ＡＦ）のいずれかで行うことが可能であり、ＭＦの制御時においては、フォーカスデマンド１８でのマニュアル操作部材の操作に従ってフォーカス制御が行われる。ＭＦの制御時にフォーカスデマンド１８のマニュアル操作部材を操作すると、例えば、その操作部材の位置に対応したフォーカスの目標位置を指定するフォーカス指令信号がＣＰＵ１０に与えられる。ＣＰＵ１０は、フォーカスの位置がそのフォーカス指令信号により指定された目標位置となるようにアンプＦＡに出力する駆動信号によりモータＦＭを制御してフォーカスレンズＦＬの位置を制御する。尚、一般にＭＦの制御ではフォーカスデマンド１８から与えられる目標位置に従ってフォーカスレンズＦＬの位置制御が行われるが、フォーカスデマンド１８から目標の移動速度が与えられ、それに従ってフォーカスレンズＦＬの速度制御を行うことも可能である。

ズームデマンド２０のマニュアル操作部材を操作した場合には、例えば、その操作部材の位置に対応したズームの目標の移動速度を指定するズーム指令信号がＣＰＵ１０に与えられる。ＣＰＵ１０は、ズームの移動速度がそのズーム指令信号により指定された目標の移動速度となるようにアンプＺＡに出力する駆動信号によりモータＺＭを制御してズームレンズＺＬの移動速度を制御する。尚、一般にズーム制御ではズームデマンド２０から与えられる目標の移動速度に従ってズームレンズＺＬの速度制御が行われるが、ズームデマンド２０から目標位置が与えられ、それに従ってズームレンズＺＬの位置制御を行うことも可能である。

図示しないカメラ本体からは、絞りＩの目標位置を指定するアイリス指令信号がＣＰＵ１０に与えられるようになっており、ＣＰＵ１０は絞りの位置（開閉度）がそのアイリス指令信号により指定された目標位置となるようにアンプＩＡに出力する駆動信号によりモータＩＭを制御し絞りＩの位置を制御する。

ＡＦ回路３０は、画像のコントストを示す焦点評価値を検出する回路であり、ＡＦ制御時において、ＡＦ回路３０によって検出された焦点評価値の情報がＡＦ回路３０からＣＰＵ１０に与えられるようになっている。ＣＰＵ１０は、ＡＦ制御時において、ＡＦ回路３０から得られる焦点評価値の情報に基づいて撮影レンズが合焦状態となるようにアンプＦＡに出力する駆動信号によりモータＦＭを制御してフォーカスレンズＦＬを制御する。

ＡＦ回路３０は、ＡＦ用撮像素子（ＡＦ用ＣＣＤ）３２、Ａ／Ｄ変換器３４、ゲート回路３６、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）３８、加算回路４０Ａ、４０Ｂ、ＡＦ用ＣＰＵ４２等から構成される。ＡＦ用ＣＣＤ３２は、カメラ本体に搭載されたＣＣＤとは別に設けられている。カメラ本体のＣＣＤは、記録又は再生用の本来の映像（画像）を撮影するためのＣＣＤ（以下、映像用ＣＣＤという）であるのに対し、ＡＦ用ＣＣＤ３２はＡＦ専用に設けられたＣＣＤであり、例えば、撮影レンズの光学系に配置される。

ここで図２を用いて撮影レンズの全体構成の概略と共にＡＦ用ＣＣＤ３２の配置及び構造について説明する。撮影レンズ５０の光軸Ｏには、上記フォーカスレンズ（群）ＦＬ、上記ズームレンズ（群）ＺＬ、上記アイリスＩ、前側リレーレンズＲＡ及び後側リレーレンズＲＢからなるリレーレンズ（リレー光学系）等が順に配置されている。撮影レンズ５０に入射した被写体光はこれらのレンズ群を通過してカメラ本体５６に入射する。カメラ本体５６には、撮影レンズ５０から入射した被写体光を赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色の波長に分解する色分解光学系５８と、色分解された各色の被写体光の像を撮像するＲ、Ｇ、Ｂごとの映像用ＣＣＤが配置されている。尚、光学的に等価な光路長の位置に配置されたＲ、Ｇ、Ｂの映像用ＣＣＤを同図に示すように１つの映像用ＣＣＤ６０で表す。映像用ＣＣＤ６０の撮像面に入射した被写体光は、映像用ＣＣＤ６０によって光電変換されてカメラ本体５６の内の所定の信号処理回路によって記録又は再生用の映像信号が生成される。

一方、撮影レンズ５０のリレー光学系の前側リレーレンズＲＡと後側リレーレンズＲＢとの間には、ハーフミラー５２が配置されている。このハーフミラー５２によって、撮影レンズ５０の光路が２つに分岐される。撮影レンズ５０に入射した被写体光のうち、ハーフミラー５２を透過した被写体光は、上述のように光軸Ｏの光路に沿ってカメラ本体５６へと導かれる。ハーフミラー５２で反射した被写体光は、上記光軸Ｏに略垂直な光軸Ｏ′の光路（ＡＦ用光路）へと導かれる。

ＡＦ用光路には、上記後側リレーレンズＲＢと同等のリレーレンズＲＢ′とミラー５４と、上記ＡＦ用ＣＣＤ３２が配置されている。ハーフミラー５２で反射してＡＦ用光路へと導かれた被写体光は、リレーレンズＲＢ′を通過した後、ミラー５４で反射してＡＦ用ＣＣＤ３２の撮像面に入射する。

ここで、ＡＦ用光路へと導かれる被写体光は、ハーフミラー５２によって分岐されるまでの光学系と、ＡＦ用光路の光学系とからなるＡＦ用光学系によって結像され、そのＡＦ用光学系の特性は、映像用ＣＣＤ６０の撮像面に被写体光を結像する光軸Ｏ上の撮影光学系の特性と一致するように構成されている。また、ＡＦ用光学系は、フォーカスレンズＦＬとズームレンズＺＬを含むため、光軸Ｏ上の撮影光学系と連動して焦点位置や焦点距離が変更される。

ＡＦ用ＣＣＤ３２は、カラー映像を撮像するものである必要はないため、本実施の形態では、白黒の映像を撮像するＣＣＤが使用されている。ＡＦ用ＣＣＤ３２における各画素の受光素子（フォトダイオード）の受光面によって形成される撮像面は、光路長差を有する（光路長が異なる）２つの撮像面によって形成されている。図３は、ＡＦ用ＣＣＤ３２の撮像面において、光路長差を有する２つの撮像面の画素領域を示した図である。同図において白で示した画素領域７０と、黒で示した画素領域７２は、それぞれ同色の領域の画素が同じ光路長となる位置に受光素子（フォトダイオード）の受光面を有する領域であることを表している。これによれば、撮像面の各走査線（水平ライン）において、光路長の異なる２つの撮像面が交互に所定画素ずつ形成されている。また、垂直方向にも各水平ラインごとに光路長の異なる２つの撮像面が交互に形成されている。

このような撮像面の光路長差は、例えば、撮像面の前面に空気と屈折率が異なる透明媒質（例えばガラス）を配置すると共に、その透明媒質の厚みに光路長差に応じた差を設けることにより形成することができる。

図４は、ＡＦ用ＣＣＤ３２の構造を示した側面断面図である。同図に示すように半導体基板８０の表面に受光素子８２、８２、８２、…が所定間隔で配置されている。また、隣接する受光素子８２の間には電荷転送路等が形成されているが図では省略されている。半導体基板８０の前面（図中上面）には平坦化層８４が形成され、その平坦化層８４の前面に光路長を調整するためのカバーガラス（ガラス板）８６が配置される。

このカバーガラス８６は、平坦なガラス板に例えばエッチングを施すことによって部分的に厚みが変えられており、光路長を長くする画素領域（例えば図３の白の領域７０）の前方部分は厚く、光路長を短くする画素領域（例えば図３の黒の領域７２）の前方部分は薄くなるように形成されている。これによって各画素の受光素子８２に入射する光の光路長がカバーガラス８６の厚みに応じて異なるため、光路長が異なる撮像面が１つのＣＣＤ撮像素子において形成されている。

尚、各画素の前方にマイクロレンズなどが配置される場合には、そのマイクロレンズの前方又は後方に図４のカバーガラス８６のようなガラス板を配置すればよい。また、１つのＣＣＤ撮像素子に光路長が異なる撮像面を形成するための構造は図４に示したものに限らない。

また、光路長の異なる２つの撮像面の各々を形成する画素領域は、図３に示したような配置でなくてもよい。例えば図５に示すように各走査線上の画素を左右２つの領域の画素に分けて一方の領域（例えば白の領域７４）を光路長が長い領域とし、他方の領域（例えば黒の領域７６）を光路長が短い撮像面の領域としてもよい。

図６は、カメラ本体５６の映像用ＣＣＤ６０とＡＦ用ＣＣＤ３２の光路長差を有する２つの撮像面（以下、各撮像面を３２Ａ、３２Ｂとして示す）とを同一の光軸上に表した図である。同図に示すように、一方のＡＦ用ＣＣＤ３２の撮像面３２Ａに入射する被写体光の光路長は、他方の撮像面３２Ｂに入射する被写体光の光路長よりも短くなっており、映像用ＣＣＤ６０の撮像面に入射する被写体光の光路長は、その中間の長さとなるように設定されている。すなわち、一対の撮像面３２Ａ、３２Ｂは、それぞれ映像用ＣＣＤ６０の撮像面に対して前後等距離ｄの位置となるように配置されている。

このように撮影レンズ５０に配置されたＡＦ用ＣＣＤ３２の一対の撮像面３２Ａ、３２Ｂによって、撮影レンズ５０に入射した被写体光を映像用ＣＣＤ６０の撮像面に対して前後の等距離の位置にそれぞれ撮像面を配置した場合と等価な映像信号が取得されるようになっている。

図１のＡＦ回路３０において、ＡＦ用ＣＣＤ３２の各撮像面３２Ａ、３２Ｂによって得られた映像信号（輝度信号）は、Ａ／Ｄ変換器３４によりデジタル信号に変換された後、ゲート回路３６に入力される。ゲート回路３６では、撮影範囲（画面）内に設定された所定のＡＦエリア（例えば画面中央の矩形エリア）に対応する範囲内の映像信号が抽出される。これによって抽出されたＡＦエリア内の映像信号は続いてハイパスフィルタ（ＨＰＦ）３８に入力され、ＨＰＦ３８により高域周波数成分の信号のみが抽出される。

ＨＰＦ３８によって抽出された高域周波数成分の信号は、撮像面３２Ａから得られたものは加算回路４０Ａによって、撮像面３２Ｂから得られたものは加算回路４０Ｂによって１フィールド分ずつ積算され、その積算値が１フィールドごとにＡＦ用ＣＰＵ４２によって読み取られる。

このようにして各加算回路４０Ａ、４０Ｂから得られる積算値は、それぞれＡＦ用ＣＣＤ３２の各撮像面３２Ａ、３２Ｂで撮像された被写体画像のコントラストの高低を評価する値を示す。本明細書ではこの積算値を焦点評価値というものとする。また、撮像面３２Ａの映像信号から得られた焦点評価値をｃｈＡの焦点評価値、撮像面３２Ｂの映像信号から得られた焦点評価値をｃｈＢの焦点評価値というものとする。

ＣＰＵ１０は、ＡＦ制御時においてこのようして得られたｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値をＡＦ用ＣＰＵ４２からＳＣＩ２６を介して逐次取得し、それらの焦点評価値に基づいて映像用ＣＣＤ６０に対する撮影レンズのピント状態が合焦状態となるようにフォーカス制御（フォーカスレンズＦＬの制御）を行う。

ここで、撮影レンズのピント状態は、次のような原理で検出することができる。図７は、横軸に撮影レンズのフォーカスレンズＦＬの位置（フォーカス位置）、縦軸に焦点評価値をとり、ある被写体を撮影した際のフォーカス位置と焦点評価値との関係を例示した図である。図中実線で示す曲線Ａ、Ｂは、それぞれＡＦ用ＣＣＤ３２の各撮像面３２Ａ、３２Ｂから得られるｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値をフォーカス位置に対して示している。一方、図中点線で示す曲線Ｃは、映像用ＣＣＤ６０から得られた映像信号により焦点評価値を求めたと仮定した場合の焦点評価値をフォーカス位置に対して示している。

同図において、ピント状態が合焦となるのは、曲線Ｃで示す映像用ＣＣＤ６０の焦点評価値が最大（極大）となるときのフォーカス位置Ｆ０にフォーカスが設定された場合である。もし、撮影レンズのフォーカスがその合焦位置Ｆ０よりも至近側のフォーカス位置Ｆ１に設定されている場合には、ｃｈＡの焦点評価値は、フォーカス位置Ｆ１に対応する曲線Ａの値Ｖ_Ａ１となり、ｃｈＢの焦点評価値は、フォーカス位置Ｆ１に対応する曲線Ｂの値Ｖ_Ｂ１となる。この場合、図から分かるようにｃｈＡの焦点評価値Ｖ_Ａ１の方が、ｃｈＢの焦点評価値Ｖ_Ｂ１よりも大きくなる。このことから、ｃｈＡの焦点評価値Ｖ_Ａ１の方が、ｃｈＢの焦点評価値Ｖ_Ｂ１よりも大きい場合には、フォーカスが合焦位置Ｆ０よりも至近側に設定されている状態、すなわち、前ピンの状態であることが分かる。

一方、撮影レンズのフォーカスが合焦位置Ｆ０よりも無限遠側のフォーカス位置Ｆ２に設定されている場合には、ｃｈＡの焦点評価値は、フォーカス位置Ｆ２に対応する曲線Ａの値Ｖ_Ａ２となり、ｃｈＢの焦点評価値は、フォーカス位置Ｆ２に対応する曲線Ｂの値Ｖ_Ｂ２となる。この場合、ｃｈＡの焦点評価値Ｖ_Ａ２の方が、ｃｈＢの焦点評価値Ｖ_Ｂ２よりも小さくなる。このことから、ｃｈＡの焦点評価値Ｖ_Ａ２の方が、ｃｈＢの焦点評価値Ｖ_Ｂ２よりも小さい場合には、フォーカスが合焦位置Ｆ０よりも無限遠側に設定されている状態、すなわち、後ピンの状態であることが分かる。

これに対して、撮影レンズのフォーカスがフォーカス位置Ｆ０、即ち、合焦位置に設定されている場合には、ｃｈＡの焦点評価値は、フォーカス位置Ｆ０に対応する曲線Ａの値Ｖ_Ａ０となり、ｃｈＢの焦点評価値は、フォーカス位置Ｆ０に対応する曲線Ｂの値Ｖ_Ｂ０となる。この場合、ｃｈＡの焦点評価値Ｖ_Ａ０とｃｈＢの焦点評価値Ｖ_Ｂ０は等しくなる。このことから、ｃｈＡの焦点評価値Ｖ_Ａ０とｃｈＢの焦点評価値Ｖ_Ｂ０とが等しい場合にはフォーカスが合焦位置Ｆ０に設定されている状態、すなわち、合焦状態であることが分かる。

このようにｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値によって、撮影レンズの現在のピント状態が映像用ＣＣＤ６０に対して前ピン、後ピン、合焦のいずれの状態であるかを検出することができる。

図１においてＣＰＵ１０は、ＡＦ回路３０からＡＦ用ＣＰＵ４２を介して取得したｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値が前ピンを示す状況の場合には、フォーカスレンズＦＬを無限遠方向に移動させ、後ピンを示す状況の場合には、フォーカスレンズＦＬを至近方向に移動させる。合焦を示す状況の場合では、フォーカスレンズＦＬを停止させる。これによって、撮影レンズのピント状態が合焦となる位置にフォーカスレンズＦＬが移動して停止する。

尚、実際の処理においてＣＰＵ１０は、ｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値の差や比等から、ピントずれの方向及び大きさの程度に応じた合焦方向へのフォーカスレンズＦＬの移動速度（移動方向及び速さ）を算出するようにしている。

ここで、ＡＦ用ＣＣＤ３２における２つの撮像面３２Ａ、３２Ｂの光路長差について説明すると、図７における各撮像面３２Ａ、３２Ｂから得られるｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値の分布（曲線Ａ、曲線Ｂ）の間隔（ピーク間隔）は、撮像面３２Ａと撮像面３２Ｂの光路長差によって異なる。撮像面３２Ａと撮像面３２Ｂの光路長差が小さすぎると、曲線Ａと曲線Ｂがほとんど重なった状態となるため、ピント状態の検出が不能となる。一方、撮像面３２Ａと撮像面３２Ｂの光路長差が大きすぎると、曲線Ａと曲線Ｂが山の部分で交差しなくなり合焦点Ｆ０が不明となる。そのため、撮像面３２Ａと撮像面３２Ｂの光路長差は、曲線Ａと曲線Ｂが山の中間付近で交差するような大きさが望ましい。

一方、ＡＦ用ＣＣＤ３２により撮影した映像は、ＡＦ制御用としてのみ使用されるため、合焦状態となったときに撮像面３２Ａと撮像面３２Ｂから得られる映像は、両方とも合焦状態の映像となっている必要はない。従って、「背景技術」の欄で挙げた引用文献１のように撮像面３２Ａと撮像面３２Ｂの光路長差が焦点深度内に制限される必要はない。そのため、ＡＦ用ＣＣＤ３２の２つの撮像面３２Ａ、３２Ｂの光路長差は、ＡＦ制御用として好適な大きさとなっており、撮影レンズの焦点深度が最小となっている状態において、少なくともその焦点深度よりも大きな光路長差を有している。

次に、ＣＰＵ１０におけるフォーカス制御の処理について説明する。図８は、ＣＰＵ１０におけるメインルーチンの処理手順を示したフローチャートである。ＣＰＵ１０は処理を開始すると、所要の初期設定を行った後（ステップＳ１０）、以下のステップＳ１２〜ステップＳ２０の処理を繰り返し実行する。ステップＳ１２、ステップＳ１４では詳細な説明を省略するアイリス制御（絞りＩの制御）、ズーム制御（ズームレンズＺＬの制御）の処理を行う。続いて、ＡＦスイッチＳＷ１がオンされているか否かを判定する（ステップＳ１６）。

尚、図１に示されているようにＡＦスイッチＳＷ１は、そのオン／オフ状態がＣＰＵ１０によって読み取られるようになっており、フォーカスデマンド１８や撮影レンズの制御系の筐体等の所定位置に設置されている。また、ＡＦスイッチＳＷ１は、操作者がフォーカス制御をＡＦ制御とＭＦ制御とで切り替えるためのスイッチであり、本実施の形態では、自動復帰式の押しボタン型スイッチとして構成されたＡＦスイッチＳ１を一度オンすると、その後、ＡＦスイッチＳ１がオフとなった場合であっても合焦状態となるまではＡＦ制御が実行される。ＡＦ制御によって一旦合焦状態となると、その時点でＡＦスイッチＳ１がオフされていればＭＦ制御に切り替えられるようになっている。但し、フォーカス制御の切替えは他の任意の方法を用いることができる。

上記ステップＳ１６において、ＹＥＳと判定した場合には、AF STARTフラグをオンにし（ステップＳ１８）、フォーカス制御の処理を実行する（ステップＳ２０）。一方、ＮＯと判定した場合には、AF STARTフラグのオン／オフを変更することなく、フォーカス制御の処理を実行する（ステップＳ２０）。詳細を後述するフォーカス制御の処理が終了するとステップＳ１２に戻り、ステップＳ１２からの処理を繰り返し実行する。

次に、上記ステップＳ２０におけるフォーカス制御の処理について図９のフローチャートを用いて説明する。ＣＰＵ１０は、フォーカス制御の処理に移行すると、まず、AF STARTフラグがオンか否かを判定する（ステップＳ３０）。即ち、ＡＦスイッチＳＷ１がオンされ、かつ、その後のＡＦ制御で未だ合焦状態となっていない状態か否かを判定する。ここで、ＮＯと判定した場合、ＭＦ制御の処理に移行する。

ＭＦ制御の処理に移行すると、ＣＰＵ１０は、まず、フォーカスレンズＦＬの現在位置を示すフォーカス位置データをポテンショメータＦＰから取得し、その値を変数F_POSIの値として設定する（ステップＳ３２）。続いて、フォーカスデマンド１８からフォーカスレンズＦＬの目標位置を示すフォーカスマンドデータ（フォーカス指令信号の値）を取得し、その値を変数F_CTRLの値として設定する（ステップＳ３４）。そして、それらの値の差（F_POSI−F_CTRL）を求め、その値をフォーカスレンズＦＬの移動速度を示す変数F_SPEEDの値として設定する（ステップＳ３６）。続いて、その変数F_SPEEDの値をＤ／Ａ変換器１２に出力してモータＦＭを駆動し、フォーカスレンズＦＬをF_SPEEDの値に応じた速度で移動させる（ステップＳ５６）。そして、図８のメインルーチンの処理に戻る。以上のＭＦ制御の処理は、AF STARTフラグがオフの間（ステップＳ３０においてＮＯと判定されている間）、図８のメインルーチンのステップＳ２０におけるフォーカス制御の処理によって繰り返されるため、フォーカスデマンド１８によって指示された目標位置にフォーカスレンズＦＬが移動し、停止する。

一方、上記ステップＳ３０においてＹＥＳ、即ち、AF STARTフラグがオンになっていると判定した場合、ＣＰＵ１０はＡＦ制御の処理に移行する。ＡＦ制御の処理に移行すると、ＣＰＵ１０は、まず、上記ＡＦ回路３０で算出されたｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値をＡＦ用ＣＰＵ４２から取得し、ｃｈＡの焦点評価値を変数AFV_Aの値として設定し、ｃｈＢの焦点評価値を変数AFV_Bの値として設定する（ステップＳ３８、Ｓ４０）。次に、それらの値の比（AFV_A／AFV_B）を変数ΔAFVの値として設定する（ステップＳ４２）。そして、ΔAFVが１か否か、即ち、撮影レンズのピント状態が合焦状態かを判定する（ステップＳ４４）。ここで、ＮＯと判定した場合には続いて、ΔAFVが１より小さいか否か、即ち、撮影レンズのピント状態が後ピンの状態か否かを判定する（ステップＳ４０）。ＹＥＳと判定した場合には、フォーカスレンズＦＬの移動速度を示す変数F_SPEEDの値としてg・(AFV_B/AFV_A-1)により得られる値を設定する（ステップＳ４８）。尚、gは定数を示す。一方、ＮＯと判定した場合には、フォーカスレンズＦＬの移動速度を示す変数F_SPEEDの値としてg・(AFV_A/AFV_B-1)により得られる値を設定する（ステップＳ５０）。尚、ステップＳ４８により設定されるF_SPEEDの値とステップＳ５０により設定されるF_SPEEDの値とはフォーカスレンズＦＬの移動速度の大きさを示し、移動方向については、合焦状態となる方向にフォーカスレンズＦＬが移動するように例えばそれらの値に正負の符号が付される。ＣＰＵ１０は、このようにしてステップＳ４８、又は、ステップＳ５０により設定したF_SPEEDの値をＤ／Ａ変換器１２に出力し、フォーカスレンズＦＬをF_SPEEDの値に応じた速度で移動させる（ステップＳ５６）。そして、図８のメインルーチンの処理に戻る。

一方、上記ステップＳ４４においてＹＥＳ、即ち、撮影レンズのピント状態が合焦状態であると判定した場合には、AF STARTフラグをオフにする（ステップＳ５２）。即ち、撮影レンズが合焦状態となった場合に、ＡＦスイッチＳＷ１がオフの状態であれば、次に本フローチャートのフォーカス制御の処理を実行する際にはＭＦ制御の処理に移行するようにしておく。

次に、ＣＰＵ１０は、フォーカスデマンドデータの値を設定すべき変数F_CTRLの値として、フォーカスレンズＦＬの現在位置を示すフォーカス位置データの値F_POSIを設定する（F_CTRL=F_POSI）。これによってＭＦ制御に移行した際に、フォーカスデマンド１８が無操作であるにもかかわらずフォーカスレンズＦＬが移動する不具合を防止する。続いて、ＣＰＵ１０は、ステップＳ５６の処理において、F_SPEEDの値として０の値をＤ／Ａ変換器１２に出力し（信号を出力せず）、フォーカスレンズＦＬを停止させる。そして、図８のメインルーチンの処理に戻る。

以上のＡＦ制御の処理は、AF STARTフラグがオンの間（ステップＳ３０においてＹＥＳと判定されている間）、図８のメインルーチンのステップＳ２０におけるフォーカス制御の処理によって繰り返されるため合焦状態となる位置にフォーカスレンズＦＬが移動し、停止する。

以上、上記実施の形態では、ＡＦ用撮像素子の撮像面としてＡＦ用ＣＣＤ３２が光路長の異なる２つの撮像面を有する場合について説明したが、本発明は、ＡＦ用撮像素子が光路長の異なる３つ以上の撮像面を有する場合であってもよい。その場合に、所望の２つの撮像面で得られた画像（映像）のコントラスト（焦点評価値）を比較して適切にＡＦ制御を行うことを考慮すると最も光路長差が大きくなる撮像面間での光路長差は、少なくとも、ＡＦ用撮像素子に被写体光を導くＡＦ用光学系の焦点深度が最小となっている状態での焦点深度よりもよりも大きくなる（少なくともいずれかの撮像面に対して最小の焦点深度よりも光路長差が大きくなる撮像面を有する）。尚、３つ以上の撮像面を有する場合、実際には、最も近い撮像面の間の光路長差が最小の焦点深度よりも大きいと好適である。

また、このように３つ以上の撮像面を有する場合、上記実施の形態のようにＡＦ制御に使用する２つの撮像面を状況に応じて好適なものに変更することができる。例えば、映像用撮像素子の撮像面に対して±0.05mm、±0.1mmの光路長差となる４つの撮像面を有するＡＦ用撮像素子をＡＦ用光路に配置したとする。この場合に、撮影レンズの焦点深度を求め。その求めた焦点深度が所定の基準値未満の場合には映像用撮像素子の撮像面に対して±0.05mmの光路長差となる２つの撮像面（光路長差の小さい２つの撮像面）を用いてＡＦ制御を行い、焦点深度が前記基準値以上の場合には映像用撮像素子の撮像面に対して±0.1mmの光路長差となる２つの撮像面（光路長差が大きい２つの撮像面）を用いてＡＦ制御を行うようにすると好適である。尚、焦点深度を求めてその焦点深度の値によってＡＦ制御に使用する撮像面を切り替えるのではなく、絞り値によって切り替えるようにしてもよいし、撮影光学系の焦点距離によって切り替えるようにしてもよい。例えば、撮影光学系の焦点距離が所定の基準値未満の場合には、光路長差の小さい２つの撮像面を用いてＡＦ制御を行い、焦点距離が前記基準値以上の場合には光路長差が大きい２つの撮像面を用いてＡＦ制御を行うようにしてもよい。

また、他の例として、所定の２つの撮像面により得られる画像間でのコントラスト（焦点評価値）の差が不十分でＡＦ制御が適切に行えない場合に、ＡＦ制御に用いる２つの撮像面のうちの一方又は両方を、それらの２つの撮像面の光路長差よりも大きくなる撮像面に変更するようにしてもよい。更に、合焦状態に対して前ピンとなるフォーカス位置で焦点評価値がピークとなる撮像面同士又は後ピンとなるフォーカス位置で焦点評価値がピークとなる撮像面同士で焦点評価値を比較して合焦方向を判断しフォーカスレンズＦＬの移動方向を決めるようにしてよい。

また、上記実施の形態のように光路長が異なる複数の撮像面を有するＡＦ用撮像素子であって、光路長差が異なる複数種のものを、ＡＦ用光路に配置して状況に応じてＡＦ制御に使用するＡＦ用撮像素子を切り替えるようにしてもよい。例えば、光路長差が異なる２つの撮像面をそれぞれ有する２種類のＡＦ用撮像素子をＡＦ用光路に配置し、ＡＦ用光路に導かれた被写体光をハーフミラー等の光分割手段によって各ＡＦ用撮像素子に入射させるようにしておく。これによって撮影レンズの焦点距離等に応じてＡＦ制御に使用するＡＦ用撮像素子を好適な光路長差を有するものに変更することができる。

図１は、本発明のオートフォーカスシステムが適用されたレンズシステムの構成を示したブロック図である。 図２は、撮影レンズの構成を示した図である。 図３は、ＡＦ用ＣＣＤにおける光路長が異なる２つの撮像面の画素領域を例示した図である。 図４は、ＡＦ用ＣＣＤの構造を示した側面断面図である。 図５は、ＡＦ用ＣＣＤにおける光路長が異なる２つの撮像面の画素領域の他の形態を例示した図である。 図６は、ＡＦ用ＣＣＤの光路長差の説明に用いた図である。 図７は、撮影レンズのフォーカス位置と一対のＡＦ用ＣＣＤにより得られた焦点評価値との関係を例示した図である。 図８は、ＣＰＵにおけるメインルーチンの処理手順を示したフローチャートである。 図９は、ＣＰＵにおけるフォーカス制御の処理手順を示したフローチャートである。

符号の説明

ＦＬ…フォーカスレンズ、ＺＬ…ズームレンズ、Ｉ…絞り、ＦＡ、ＺＡ、ＩＡ…アンプ、ＦＭ、ＺＭ、ＩＭ…モータ、１０…ＣＰＵ、１８…フォーカスデマンド、２０…ズームデマンド、３０…ＡＦ回路、３２…ＡＦ用ＣＣＤ、３４…Ａ／Ｄ変換器、３６…ゲート回路、３８…ハイパスフィルタ、４０Ａ、４０Ｂ…加算回路、４２…ＡＦ用ＣＰＵ、５０…撮影レンズ、５２…ハーフミラー、５４…光分割光学系、５６…カメラ本体、５８…色分解光学系、６０…映像用ＣＣＤ、ＳＷ１…ＡＦスイッチ

Claims (4)

1. 記録又は再生用の画像を結像する撮影光学系の光路からオートフォーカス用の被写体光を分岐してオートフォーカス用の画像を結像するＡＦ用光学系と、
   前記ＡＦ用光学系により結像された画像を撮像する撮像素子であって、１つの撮像素子において光路長が異なる複数の撮像面を有すると共に、前記ＡＦ用光学系の焦点深度が最小となっている状態において、少なくともいずれかの撮像面に対して前記焦点深度よりも大きな光路長差となる撮像面を有するＡＦ用撮像素子と、
   前記撮像素子の複数の撮像面により取得された画像のコントラストに基づいて、合焦状態となるように前記撮像光学系のフォーカス制御を行うＡＦ制御手段と、
   を備えたことを特徴とするオートフォーカスシステム。
2. 前記ＡＦ用撮像素子は、光路長が異なる３つ以上の複数の撮像面を有し、前記ＡＦ制御手段は、前記複数の撮像面のうちいずれか２つの撮像面からなる一対の撮像面により取得された画像のコントラストに基づいて前記フォーカス制御を行うと共に、該一対の撮像面として用いる撮像面を、所定の条件に基づいて変更することを特徴とする請求項１のオートフォーカスシステム。
3. 前記ＡＦ制御手段は、前記撮影光学系の焦点距離が所定の基準値未満の場合と該基準値以上の場合とで前記一対の撮像面として用いる撮像面を変更し、前記複数の撮像面のうち前記焦点距離が所定の基準値未満の場合には光路長差が小さい２つの撮像面を前記一対の撮像面として用い、前記焦点距離が前記基準値以上の場合には光路長差が大きい２つの撮像面を前記一対の撮像面として用いることを特徴とする請求項２のオートフォーカスシステム。
4. 前記ＡＦ制御手段は、所定の２つの撮像面を前記一対の撮像面として用いている場合に、該２つの撮像面により得られる画像間でのコントラストの差が不十分な場合に、該２つの撮像面の光路長差よりも大きくなる２つの撮像面を前記一対の撮像面として変更することを特徴とする請求項２のオートフォーカスシステム。

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