JP2013061560A - 測距装置および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被写体の測距精度の低下を抑えつつ、消費電力の増加を抑え、かつ、装置のコンパクト化を図ることができる測距装置および撮像装置を提供する。
【解決手段】測距装置３は、筐体２０に焦点距離がｆａの一対の測距用レンズ５１ａと５１ｂ、焦点距離がｆｂの一対の測距用レンズ５２ａと５２ｂ、焦点距離がｆｃの一対の測距用レンズ５３ａと５３ｂ、焦点距離がｆｄの一対の測距用レンズ５４ａと５４ｂとを備えている。一対の測距用撮像素子２２ａ,２２ｂは、それぞれ４つの撮像領域２２１ａ，２２２ａ，２２３ａ，２２４ａ、２２１ｂ，２２２ｂ，２２３ｂ，２２４ｂに分割されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、測距装置および撮像装置に関するものである。

撮像装置たるデジタルスチルカメラ（以下、「デジタルカメラ」という）のオートフォーカス（ＡＦ）方式として、撮影用の撮像素子を用いたコントラストＡＦ方式や、撮影用の撮像素子は使わずに別途外部測距装置としてステレオカメラを用いた外部ＡＦ方式などがある（例えば、特許文献１）。

コントラストＡＦ方式は、撮影用の撮像素子に結像させる主レンズを少しずつ駆動させながら、その都度画像のコントラストを確認して、最もコントラストが高くなる画像を探し出す。画像のコントラストが最も高い時の主レンズの位置をピントが合った状態（合焦）と見なしている。そのため高倍率（約１０倍以上）のズームレンズを搭載したデジタルカメラでは、望遠撮影時は主レンズを駆動させる量が大きくなるため、駆動時間が長くなり、ＡＦ速度が遅くなるという欠点を持っている。ＡＦ速度が遅いとシャッターチャンスを逃してしまうことになる。

一方、ステレオカメラを用いた外部ＡＦ方式は、撮影用の撮像素子とは別に、所定の間隔を設けて配置した一対の測距用レンズと、各測距用レンズを通して得られる被写体像が結像する一対の平面状の測距用撮像素子とを有している。各測距用撮像素子でそれぞれ撮像された画像間の視差を検出することで、被写体（被測定対象物）までの距離を求める。そのため、ステレオカメラを用いた外部ＡＦ方式では、主レンズを少しずつ何度も動かすのではなく、ステレオカメラで検出した被写体までの距離に基づいて主レンズを一気に動かすことができる。よって、高倍率のズームレンズを搭載したカメラにおいてもＡＦ速度が遅くなることはないという利点を有している。

従来、ステレオカメラを用いたＡＦ機能を有するデジタルスチルカメラでは、ステレオカメラの測距用レンズとして固定焦点のレンズを採用していた。一方、撮影用の撮像素子に結像させる撮影レンズは、高倍率のズームレンズであり、可変焦点のレンズである。一般的に、デジタルカメラが３５ｍｍ換算で２８ｍｍ〜３００ｍｍの高倍率ズームレンズを撮影レンズとして用いている場合、測距装置であるステレオカメラの測距用レンズは２８ｍｍ〜３００ｍｍの間の１００ｍｍ前後の固定焦点のレンズを用いている。

しかしながらこの構成では、測距範囲は１００ｍｍ相当の画角で固定となるため、以下のような問題が生じる。
図８は、撮影レンズの焦点距離２８ｍｍ、３００ｍｍのときの撮影用の撮像素子で撮像される画角と、測距用撮像素子で撮像される画角とを示した図である。図中Ａは、レンズの焦点距離２８ｍｍのときの画角であり、図中Ｂは、レンズの焦点距離３００ｍｍのときの画角であり、図中Ｃは、レンズの焦点距離１００ｍｍのときの画角、すなわち、測距用撮像素子で撮像される画角である。１００ａは、測距用撮像素子１００の画素である。

撮影レンズの焦点距離２８ｍｍで被写体を撮像したとき、撮影用の撮像素子で撮像される画角（撮影用の撮像素子の撮影範囲）は、図中Ａであるのに対し、測距用撮像素子１００で撮像される画角は、図中Ｃである。このため、２８ｍｍの広角撮影時には、測距用撮像素子１００では、被写体の中央部分しか撮像することができず、画面の中央付近しか測距できない。よって、中央付近にある被写体にしかピントが合わないおそれがある。

一方、撮影レンズの焦点距離が３００ｍｍの望遠撮影時には、撮影用の撮像素子で撮像される画角は、図中Ｂとなり、このときは、測距用撮像素子で被写体のすべてを撮像することができ、全画面を測距できる。しかし、３００ｍｍの望遠撮影時は、測距用撮像素子１００で撮影画像の測距に用いられる画素は、中央の付近だけである。このように、測距に用いられる画素数が大幅に減るため、測距精度が落ち、被写体に対して誤ったピントに調整してしまうおそれがある。

特許文献２には、広角用レンズを有するステレオカメラと、望遠用レンズを有するステレオカメラとを備えた測距装置が記載されている。これにより、広角撮影時には広角用レンズを有するステレオカメラを用いて測距することで、画面全体にピント合わせができる。また、望遠撮影時には望遠用レンズを有するステレオカメラを用いて測距することで、測距用撮像素子の全体で被写体を撮像することができ、測距に用いる画素が減少することがないので、被写体に対して正しくピント調整を行うことができる。

しかしながら、特許文献２に記載の測距装置においては、一対の広角用レンズと広角用レンズを透過した像を撮像するための一対の測距用撮像素子とからなる広角用ステレオカメラと、これとは別に、一対の望遠用レンズと望遠用レンズを透過した像を撮像するための一対の測距用撮像素子とからなる望遠用のステレオカメラを用いている。よって、測距装置のサイズが大きくなり、デジタルカメラに搭載した場合、カメラのコンパクト化が困難となるという課題があった。また、各ステレオカメラの測距離用撮像素子のそれぞれに電力を供給するため消費電力が大きくなる。その結果、デジタルカメラに搭載した場合、電池が消耗してしまい、撮影可能枚数が減ってしまうという不具合が生じてしまう。

本発明は以上の背景に鑑みなされたものであり、その目的は、被写体の測距精度の低下を抑えつつ、消費電力の増加を抑え、かつ、装置のコンパクト化を図ることができる測距装置および撮像装置を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、所定の間隔を開けて配置され、複数の画素を持つ一対の測距用２次元撮像素子と、測距対象物の像を一方の測距用２次元撮像素子に結像させる一方側測距用レンズと、上記測距対象物の像を他方の測距用２次元撮像素子に結像させる他方側測距用レンズと、前記測距対象物を撮像したときの各測距用２次元撮像素子の出力信号に基づいて当該装置から測距対象物までの距離を算出する距離算出手段とを備えた測距装置において、各測距用２次元撮像素子を複数の撮像領域に分割し、一方側測距用レンズを、上記一方の測距用２次元撮像素子の分割された各撮像領域に対応するように複数設け、かつ、他方側測距用レンズを、上記他方の測距用２次元撮像素子の分割された各撮像領域に対応するように複数設け、各一方側測距用レンズの焦点距離を互いに異ならせるとともに、各他方側測距用レンズの焦点距離を互いに異ならせ、かつ、各他方側測距用レンズの焦点距離を、複数の一方側測距用レンズのうちのいずれかの焦点距離と同じにしたことを特徴とするものである。

本発明によれば、各測距用２次元撮像素子を複数の撮像領域に分割し、互いに焦点距離の異なる側測距用レンズを、測距用２次元撮像素子の分割された各撮像領域に対応するように設けた。これにより、各測距用２次元撮像素子で、焦点距離が互いに異なる測距用レンズで結像された像を撮像することができる。しかも、各他方側測距用レンズの焦点距離は、複数の一方側測距用レンズのうちのいずれかの焦点距離と同じであるから、他方の測距用２次元撮像素子と、一方の測距用２次元撮像素子とで、焦点距離が同じ測距レンズにより結像される撮像領域で撮像された像を用いることで、視差演算により測距することができる。これにより、一対の撮像素子で、焦点距離がそれぞれ異なる測距用レンズで撮像された像により測距を行うことができる。その結果、特許文献２に記載の測距離装置のように、焦点距離が互いに等しいひとつの測距用レンズ対に対してひとつの測距用２次元撮像素子の対を設けるものに比べて、測距用撮像素子の数を減らすことができる。そして、特許文献２と同サイズの測距用２次元撮像素子を用いれば、特許文献２に記載の測距離装置に比べて、測距用撮像素子の配置スペースを削減することができ、装置のコンパクト化を図ることができる。また、一対の測距用２次元撮像素子に電力を供給すればよいため、特許文献２と同サイズの測距用２次元撮像素子を用いれば、特許文献２に比べて、消費電力を抑えることができる。これにより、デジタルカメラに本発明の測距装置を搭載しても、デジタルカメラを小型化することができ、かつ、電池の消耗を抑えて、撮影可能枚数が減るのを抑制することができる。
本発明は、撮像素子を分割して使用するので、特許文献２と同サイズの測距用２次元撮像素子を用いた場合、特許文献２に比べて、測距に用いられる画素数が減るため、特許文献２よりも測距精度は低下する。しかし、ひとつの測距用レンズ対で、広角から望遠まで測距する場合に比べて、望遠撮影時の測距に用いることができる画素数を多くすることができ、広角撮影時には、撮影画像の端部付近まで測距することができる。よって、ひとつの測距用レンズ対で、広角から望遠まで測距する場合に比べて、広角撮像から望遠撮像まで、十分に精度の高い測距を行うことができる。

実施形態に係るデジタルカメラを示す正面図。 同デジタルカメラのシステム構成の概要を示すブロック図。 （ａ）は、測距装置を示す概略縦断面図。（ｂ）は、測距装置の一対の測距用撮像素子を示す平面図。（ｃ）は、測距装置の各測距用撮像素子を４つの撮像領域に分割することを示す図。（ｄ）は、測距装置の測距用撮像素子を４つの撮像領域に対応する４対の測距用レンズ対を示す平面図。 測距装置による測距原理を説明するための概略図。 半導体ウェハ上に形成された複数の撮像素子を示す平面図。 従来の測距装置を示す概略縦断面図。 デジタルカメラで写真を撮るときの動作フロー図。 レンズの焦点距離２８ｍｍ、３００ｍｍのときの撮影用の撮像素子で撮像される画角と、測距用撮像素子で撮像される画角とを示した図。

以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る測距装置を備えた撮像装置の一例としてのデジタルカメラを示す正面図、図２は、図１に示したデジタルカメラのシステム構成の概要を示すブロック図である。

（デジタルカメラの外観構成）
図１に示すように、本実施形態に係るデジタルカメラ１の正面（前面）側には、光学高倍率ズーム機能を有する撮影レンズ２、測距装置３の前面側のレンズアレイ４等が配置されている。レンズアレイ４の表面には、所定の間隔で左右方向に設けた複数の測距用レンズ５１ａ，５２ａ，５３ａ，５４ａ、５１ｂ，５２ｂ，５３ｂ，５４ｂが一体に形成されている。測距するときは５１ａと５１ｂ、５２ａと５２ｂ、５３ａと５３ｂ、５４ａと５４ｂを対として、合計４対のステレオカメラとして測距を行う（測距装置３の詳細については後述する）。

（デジタルカメラ１のシステム構成）
図２に示すように、このデジタルカメラ１は、複数のレンズ群を有する撮影レンズ２、シャッタ機能を有する絞りユニット１０、撮影レンズ２を通して受光面上に結像した被写体像を撮像する撮影用撮像素子としてのＣＭＯＳイメージセンサ１１を備えている。また、ＣＭＯＳイメージセンサ１１から出力される画素出力信号（電気信号）をデジタル処理して取り込み、表示や記録が可能な画像データに変換処理する画像生成手段たる信号処理部１２を備えている。また、レリーズボタン６、撮影モード切換ボタン７（図１参照）等で構成される操作部１３からの操作入力情報に基づき、ＲＯＭ（不図示）に記憶された制御プログラムに基づいてデジタルカメラ１全体のシステム制御等を行う制御部１４を備えている。また、信号処理部１２で生成された画像データを表示する液晶モニタ（ＬＣＤ）１５を備えている。また、撮影レンズ２のフォーカスレンズ群を駆動する合焦手段としてのフォーカスレンズ駆動部１６、撮影レンズ２のズームレンズ群を駆動するズームレンズ駆動部１７、絞りユニット１０を駆動する絞りユニット駆動部１８を備えている。また、当該装置から被写体までの距離を測距する外測式の前記測距装置３等も備えている。信号処理部１２で生成された画像データは、着脱自在なメモリカード１９に記録される。

図３（ａ）は、測距装置３を示す概略縦断面図であり、図３（ｂ）は、測距装置３の一対の測距用撮像素子２２ａ，２２ｂを示す平面図であり、図３（ｃ）は、測距装置３の各測距用撮像素子２２ａ，２２ｂを４つの撮像領域に分割することを示す図である。また、図３（ｄ）は、測距装置３の測距用撮像素子を４つの撮像領域に対応する４対の測距用レンズ対を示す平面図である。

（測距装置３の構成）
図３（ａ），（ｂ）に示すように、本実施形態の測距装置３は、前面側（図３（ａ）の上側）が開口した筐体２０と、この筐体２０の前面側に測距用レンズ５１ａ，５２ａ，５３ａ，５４aと測距用レンズ５１ｂ，５２ｂ，５３ｂ，５４ｂが一体に形成されている。測距用レンズ５１ａ，５２a，５３ａ，５４ａと測距用レンズ５１ｂ，５２ｂ，５３ｂ，５４ｂが一体に形成された透明樹脂材からなるレンズアレイ４と、レンズアレイ４と対向する筐体２０内の背面側（図３（ａ）の下側）に配置された薄板状の測距用撮像素子基板２１と、測距用撮像素子基板２１上に所定の間隔で形成された平面状（２次元）の一対の測距用撮像素子２２ａ，２２ｂと撮像素子基板２１の背面に配置された回路基板２３を備えている。

図３（ｃ），（ｄ）に示すように測距用撮像素子２２ａは測距用レンズ５１ａ，５２ａ，５３ａ，５４aと対向するように配置され、測距用撮像素子２２ｂは測距用レンズ５１ｂ，５２ｂ，５３ｂ，５４ｂと対向するように配置されている。測距用撮像素子２２ａ，２２ｂは、同サイズであり、各測距用撮像素子２２ａ，２２ｂの受光面２２ａ１，２２ｂ１はそれぞれ４つの撮像領域２２１ａ，２２２ａ，２２３ａ，２２４ａ、２２１ｂ，２２２ｂ，２２３ｂ，２２４ｂに分割されている。撮像領域２２１ａは、測距用レンズ５１ａで結像される画像を撮像し、撮像領域２２２ａは、測距用レンズ５２ａで結像される画像を撮像する。同様に、撮像領域２２３ａ，２２４ａは測距用レンズ５３ａ、５４ａで結像される画像を写し出し、撮像領域２２１ｂ，２２２ｂ，２２３ｂ，２２４ｂは測距用レンズ５１ｂ，５２ｂ，５３ｂ，５４ｂで結像される画像を写し出す。

測距用撮像素子２２ａ，２２ｂとして、例えばＶＧＡ（６４０×４８０画素）サイズの撮像素子を用いた場合、４つの領域に分けると１つの撮像領域は３２０×２４０画素となる。したがって、測距用撮像素子２２ａ，２２ｂは３２０×２４０画素からなる合計８つの撮像領域２２１ａ，２２２ａ，２２３ａ，２２４ａ，２２１ｂ，２２２ｂ，２２３ｂ，２２４ｂからなる。実際は４つの撮像領域を区切る遮光壁がある場合は、遮光壁により使えなくなる画素があり、必ずしも３２０×２４０画素全部を使えない場合も有るが、以下の説明では、１つの撮像領域を３２０×２４０画素として説明する。

一方、測距用レンズ５１ａ，５２ａ，５３ａ，５４ａは全て異なる焦点距離ｆａ，ｆｂ，ｆｃ，ｆｄのレンズである。同様に測距用レンズ５１ｂ，５２ｂ，５３ｂ，５４ｂも全て異なる焦点距離ｆａ，ｆｂ，ｆｃ，ｆｄのレンズである。各レンズの焦点距離の関係は以下である。
測距用レンズ５１ａの焦点距離＝測距用レンズ５１ｂの焦点距離＝ｆａ
測距用レンズ５２ａの焦点距離＝測距用レンズ５２ｂの焦点距離＝ｆｂ
測距用レンズ５３ａの焦点距離＝測距用レンズ５３ｂの焦点距離＝ｆｃ
測距用レンズ５４ａの焦点距離＝測距用レンズ５４ｂの焦点距離＝ｆｄ
ｆａ≦ｆｂ≦ｆｃ≦ｆｄ
４対のレンズの基線長は全て同じＤ

このような関係にあると、撮像領域２２１ａと撮像領域２２１ｂの画像出力信号を取り込み、視差演算することで被写体までの距離を求めることができる。同様に、撮像領域２２２ａと撮像領域２２２ｂ、撮像領域２２３ａと撮像領域２２３ｂ、撮像領域２２４ａと撮像領域２２４ｂの画像出力信号を取り込み、視差演算することで被写体までの距離を求めることができる。すなわち、本実施形態の測距装置３は、それぞれ４種類の焦点距離（画角）が異なるレンズで結像された４つのステレオカメラで測距できる。これにより、撮影レンズ２のズーム倍率に合わせて４つの中から最適なステレオカメラを選んでその測距データを用いることができる。

（測距原理）
ここで、測距装置３によるステレオカメラの測距原理について簡単に説明する。

図４に示すように、測距用レンズ５１ａを通して得られた被写体像ａ１と、測距用レンズ５１ｂを通して得られた被写体像ａ２は、被写体ａ上の同一点が視差△だけずれて測距用撮像素子２２ａ，２２ｂの撮像領域２２１ａ，２２１ｂ表面にそれぞれ結像し、複数の受光素子（画素）で受光されて電気信号に変換される。なお、ここでは原理説明のため、他の測距レンズについては説明を省略する。

そして、視差を△、測距用レンズ５１ａと５１ｂの光軸間の距離（基線長）をＤ、測距用レンズ５１ａ、５１ｂと被写体１０１との間の距離をＬ、測距用レンズ５１ａ，５１ｂの焦点距離をｆａとし、Ｌ≫ｆａであるときは、下記の式（１）が成り立つ。

Ｌ＝Ｄ・ｆａ／△ …式（１）

よって、Ｄとｆａは既知なので前記視差△を算出することで距離Ｌを算出することができる。

次に、測距装置３の測距用撮像素子２２ａ，２２ｂの詳細について説明する。

撮像素子基板２１及び２つの測距用撮像素子２２ａ，２２ｂは、図５に示すように、半導体ウェハ３０上に周知の半導体プロセスによって形成された複数の撮像素子３１うちから並んだ２つの撮像素子を一体に切り出したものである。

半導体ウェハ３０上の複数の撮像素子３１は、マスクを用いてパターニングが行われているので、切り出した２つの測距用撮像素子２２ａ，２２ｂは高精度に位置合わせされており、更に、受光面２２ａ１，２２ｂ１の画素マトリックスは平行である。また、半導体ウェハ３０の表面は精度のよい平面であるので、２つの測距用撮像素子２２ａ，２２ｂの法線も必然的に平行となる。

ウェハから一体で切り出した２つの測距用撮像素子２２ａ，２２ｂを用いることで、１つずつ調整して組み立てる場合に比べて位置ずれ及び角度ずれを補正するための作業を行うことはなく、撮像領域２２１ａ，２２２ａ，２２３ａ，２２４ａ，２２１ｂ，２２２ｂ，２２３ｂ，２２４ｂも精度良く配置されるため、４対のステレオカメラはいずれも被写体までの距離を安定して精度よく測距することができる。

また、本実施形態で用いられる測距装置３の測距用撮像素子２２ａ，２２ｂは、測距センサとして使うのであって画質は問われないため、デジタルカメラ１の被写体撮像用に使用されるＣＭＯＳイメージセンサ１１の撮像素子のサイズに比べて大幅に小さくても問題ない。このため、測距装置３の測距用撮像素子２２ａ，２２ｂとして、例えば、携帯電話のカメラモジュールに使われている１／１０インチ程度の小さい撮像素子を用いることができる。

また、携帯電話のカメラモジュール用の撮像素子は、既に大量生産されているためコスト面でも有利である。中でもＶＧＡ（６４０×４８０画素）サイズの撮像素子は特に安価である。よって、ＶＧＡサイズの２つの撮像素子をそれぞれ４つの領域に分割することで、４対のステレオカメラを構成する。これにより、測距用撮像素子の数を増やすことなく小型で安価なステレオカメラを得ることができる。このようにしてサイズ、コストがＵｐすることなく高倍ズームのデジタルカメラ１に適した測距装置３を得ることができる。

次に４対のステレオカメラにより構成される測距装置３を用いた効果について説明する。ここでは４対を例に説明するが、特に４対ではなくても複数対であれば１対よりも効果があることに変わりはない。

４対のステレオカメラの説明の前に、従来の１対のステレオカメラを用いた場合について図６を用いて説明する。１対のステレオカメラでは、２つのＶＧＡ（６４０×４８０画素）の測距用撮像素子に対して１対のレンズで結像させて視差演算を行って測距する。デジタルカメラが３５ｍｍ換算で２８ｍｍ〜３００ｍｍの高倍率ズームレンズを搭載している場合、測距装置であるステレオカメラは２８ｍｍ〜３００ｍｍの間の１点を取って、例えば１００ｍｍの固定焦点の１対のレンズを搭載することになる。測距用撮像素子の８×６画素を１つの単位としてブロックマッチングを行った場合、最大測距点数は６４００点（＝８０×８０）となる。また、４×３画素を１つの単位としてブロックマッチングを行った場合、最大測距点数は、２５６００（＝１６０×１６０）である。

下記表１は、主レンズの焦点距離と、そのとき測距に用いられる測距点数とを示すものである。

表１に示すように、３００ｍｍにズームすると、８×６画素を１つの単位としてブロックマッチングを行った場合、測距点数は７１１点（２７×２７：８０×１００／３００＝２７）に減少し、４×３画素を１つの単位としてブロックマッチングを行った場合、測距点数は２８４４点（５３×５３：１６０×１００／３００＝５３）減少し、約１／１０の測距点数しか得られなくなってしまう。すなわち３００ｍｍの望遠ズームにしたときには、１００ｍｍ以下の時に比べて、測距点が１／１０以下に減ってしまい測距誤差を生じてしまう可能性がある。

また、２８ｍｍの広角のときは、全ての測距点数（８×６：６４００点、４×３：２５６００点）で測距できているが、画面の中央部しか測距できないため、中央付近にある被写体にしかピントが合わないおそれがある。

次に、本実施形態の測距装置３として４対のステレオカメラを用いる場合について説明する。４対のステレオカメラでは、２つのＶＧＡ（６４０×４８０画素）の撮像素子２２ａ，２２ｂをそれぞれ４分割して１つ当たりはＱＶＧＡ（３２０×２４０画素）の撮像素子として、これに４対のレンズで結像させて視差演算を行って測距する。デジタルカメラが３５ｍｍ換算で２８ｍｍ〜３００ｍｍの高倍率ズームレンズを搭載している場合、測距装置であるステレオカメラは２８ｍｍ〜３００ｍｍの間の４点、１例として画角３０ｍｍ，６０ｍｍ，１２０ｍｍ，２４０ｍｍ相当の画角を有する４つの焦点距離ｆａ，ｆｂ，ｆｃ，ｆｄのレンズを搭載するものとする（表２参照）。

本実施形態においては、上述したように、ＶＧＡ（６４０×４８０画素）の撮像素子を４分割した３２０×２４０画素の撮像素子を用いて撮像している。４×３画素を１つの単位としてブロックマッチングを行って視差演算した場合、測距点数は３２０×２４０画素を４×３画素で割って６４００点（＝８０×８０）となる。

下記表３は、主レンズの焦点距離と、そのとき測距に用いられる測距点数とを示すものである。

３０ｍｍ相当のレンズ（５１ａと５１ｂ）を用いたステレオカメラ部１によってデジタルカメラの光学ズーム２８ｍｍ〜６０ｍｍまでをカバーする場合、測距点数は２８ｍｍ時の６４００点から６０ｍｍ時の１６００点（４０×４０：８０×３０／６０＝４０）に減少し、１／４（＝１６００／６４００）の測距点数となる。よって、３５ｍｍ〜６０ｍｍまでは、６０ｍｍ相当のレンズ（５２ａ，５２ｂ）を用いることで、６４００点の測距点数を確保することができる。また、３５〜６０ｍｍまでのとき、６０ｍｍ相当のレンズ（５２ａ，５２ｂ）を用いた場合、画面の端部付近は、測距できないが、従来の１００ｍｍ相当のレンズのみを用いた測距装置に比べれば、測距できない範囲は少ない。よって、従来の１００ｍｍ相当のレンズのみを用いた測距装置に比べれば、ピントが合わないおそれがある範囲を少なくすることができ、広角時でもほぼ全体的にピントの合った画像を得ることができる。３０ｍｍを越えて６０ｍｍまでの間でどのレンズを用いて測距するかは、測距点数の減少と、画像の測距できない範囲との兼ね合いで適宜決めればよい。例えば、撮影レンズ２の焦点距離が、３０ｍｍ付近のときは、６０ｍｍレンズを用いた場合、測距できない範囲が大きい。逆に３０ｍｍレンズを用いた場合は、測距点数の減少は少なく、画面全体を測距できる。よって、例えば、３０ｍｍ〜３５ｍｍまでは、３０ｍｍレンズで測距を行い、３５ｍｍを越えて６０ｍｍまでは、６０ｍｍレンズで測距してもよい。

同様にして６０ｍｍ相当のレンズ（５２ａと５２ｂ）を用いるステレオカメラ部２によってデジタルカメラのズームを６０ｍｍから１２０ｍｍまでをカバーする場合、測距点数は６０ｍｍ時の６４００点から１２０ｍｍ時の１６００点（４０×４０：８０×６０／１２０＝４０）に減少し、１／４（＝１６００／６４００）の測距点数となる。よって、６０ｍｍを超えて１２０ｍｍまでは、１２０ｍｍのレンズで測距することで、６４００点の測距点数で測距することができる。また、この場合、撮影レンズ２の焦点距離が７５ｍｍのとき、測距点は４０９６点（６４×６４：８０×６０／７５＝６４）で、４０００点以上確保できているので、６０ｍｍ相当のレンズ（５２ａ，５２ｂ）を用いて画面全体を測距し、７５ｍｍを越えて１２０ｍｍまでは、１２０ｍｍレンズ（５３ａ，５３ｂ）を用いて測距して、６４００点の測距点で測距してもよい。これにより、測距点が４０００を下回ることがなくなり、精度のよい測距を維持することができる。

また、表３に示すように、１２０ｍｍ相当のレンズ（５３ａと５３ｂ）を用いるステレオカメラ部３によってデジタルカメラのズームを１２０ｍｍから２４０ｍｍまでをカバーする場合、測距点数は１２０ｍｍ時の６４００点から２４０ｍｍ時の１６００点（４０×４０：８０×１２０／２４０＝４０）に減少し、１／４（＝１６００／６４００）の測距点数となる。よって、１２０ｍｍを超えて２４０ｍｍまでは、２４０ｍｍのレンズ（５４ａ，５４ｂ）で測距することで、６４００点の測距点数で測距することができる。また、撮影レンズ２の焦点距離が１５０ｍｍｍまでは、１２０ｍｍの測距レンズ（５３ａ，５３ｂ）を用いても、４０００点以上測距点数を確保できる（６４×６４＝４０９６点：８０×１２０／１５０＝６４）。よって、撮影レンズの焦点距離が、１５０ｍｍまでは、１２０ｍｍ相当の測距レンズ（５３ａ，５３ｂ）で測距することで、測距の精度を保ちつつ、全画面で測距することができる。また、撮影レンズ２の焦点距離が、１５０ｍｍを越えると、測距点数が、４０００を下回るので、１５０ｍｍを越えるときは、２４０ｍｍ相当の測距用レンズ（５４ａ，５４ｂ）で測距し、６４００の測距点で測距する。

そして、２４０ｍｍ相当のレンズ（５４ａと５４ｂ）を用いるステレオカメラ部４によってデジタルカメラのズームを２４０ｍｍから３００ｍｍまでをカバーする。３００ｍｍの場合は４０９６点（６４×６４：８０×２４０／３００＝６４）に減少し、約１／１．６（＝４０９６／６４００）の測距点数となり、測距点は、４０００以上を確保できる。よって、表１に示すように、１００ｍｍのレンズのみで撮影レンズの焦点距離に対応させたものに比べて３００ｍｍのときの測距点数（２８４４点）よりも十分多くの画素で測距を行うことができる。これにより、３００ｍｍの望遠時においても、正確な測距を行うことができ、望遠撮影時においても精度の高いピント合わせ（合焦）を行うことができる。

表４に、本実施形態における撮影レンズ２の焦点距離Ｌと、測距に用いるレンズとの関係の一例を示す。

このように、本実施形態においては、撮影レンズ２の焦点距離が３００ｍｍの望遠撮影時でも、測距点数を４０００点以上（画素に換算すると、４０９６×３×４＝４９１５２画素）確保することができる。このように十分な測距点数（画素）が確保できるため望遠撮像時でも正確な測距が可能になる。これにより、ピントはずれの無い写真を撮ることができる。また、撮影レンズ２の焦点距離が２８ｍｍの広角撮影時では、３５ｍｍ相当の測距レンズ（５１ａ，５１ｂ）を用いて測距するので、１００ｍｍ相当の測距レンズで測距する場合に比べて、画像の端部付近まで測距することができる。これにより、１００ｍｍ相当の測距レンズで測距する場合に比べて、画像の端部付近まで良好にピントを合わせることができる。

また、本実施形態においては、測距用撮像素子２２ａ,２２ｂを４分割で用いることで、各測距用レンズ対（５１ａと５１ｂ、５２ａと５２ｂ、５３ａと５３ｂ、５４ａと５４ｂ）毎に一対の測距用撮像素子を設けるものに比べて、測距用撮像素子の数を減らすことができ、測距装置３の小型化を図ることができる。また、一対の測距用撮像素子に電力を供給すればよいので、消費電力の増加を抑制することができる。また、３２０×２４０画素の測距用撮像素子を４対用いれば、本実施形態と同じ効果が得られると考えられるが、この場合、測距装置のための特別な測距用撮像素子を製造する必要があり、測距用撮像素子のコストが嵩むという課題が生じる。一方、本実施形態は、上述したように、携帯電話のカメラモジュール用の撮像素子として既に大量生産され、安価なＶＧＡ（６４０×４８０画素）サイズの撮像素子を分割して３２０×２４０画素の撮像領域にしているので、３２０×２４０画素の測距用撮像素子を４対設ける場合に比べて、装置を安価にすることができる。

（測距動作）
次に、デジタルカメラ１で被写体を撮影する際における、測距装置３の測距動作について説明する。

図７は、デジタルカメラ１で写真を撮るときの動作フロー図である。
撮影者が電源スイッチ（不図示）をＯＮ（Ｓ１）して撮影モードに設定する（Ｓ２）と、制御部１４から測距装置３に測距開始指令信号が出力される。次にズーム倍率を設定する（Ｓ３）。ズーム倍率が設定されたら、設定されたズーム倍率に対応する測距レンズを備えたステレオカメラ部で被写体との距離を測定する（Ｓ４）。撮影したい被写体が遠くにあったり、動き回るものであったり被写体に応じて、適切なズーム倍率に変える。ズーム倍率を変えたらその倍率に対応する測距レンズを備えたステレオカメラ部で再度測距が行われる。

測距ができたら、得られた距離値に基づいて合焦手段としてのフォーカスレンズ駆動部１６を駆動してピントが合うようにレンズを位置調整する（Ｓ５）。レンズを合焦位置に位置あわせしたら、被写体像をＣＭＯＳイメージセンサ１１の受光面に結像させる。ＣＭＯＳイメージセンサ１１の各画素から出力される画素出力信号を取り込み、被写体の輝度を算出する。

算出された被写体の輝度情報は制御部１４に出力される。そして、制御部１４は、入力された輝度情報に基づいて、被写体に対して適正な露光量となるように調整する（Ｓ６）。具体的には、絞りユニット１０の開放状態（絞り値）と、ＣＭＯＳイメージセンサ１１の電子シャッタ回数等を設定する。絞りユニット１０の開放状態は、絞りユニット駆動部１８の駆動によって制御される。

レリーズボタン６が押圧操作されると、合焦でかつ適正な露光量（ＣＭＯＳイメージセンサ１１の電子シャッタ回数、絞りユニット１０の絞り値等）で被写体を撮影する（Ｓ７）。信号処理部１２は、ＣＭＯＳイメージセンサ１１から出力される画素出力信号をデジタル処理して取り込み、表示や記録が可能な画像データに変換処理する。信号処理部１２で生成された画像データは、メモリカード１９にデータ保存され（Ｓ８）、液晶モニタ（ＬＣＤ）１５に静止画像として表示される（Ｓ９）。

このように電源スイッチをＯＮにして撮影モードを設定した後で、ズーム倍率を変えたらその倍率にあわせて改めて測距が行われることになる。このときに少しでも早くピント合わせを行うためにズーム倍率にあわせて４つのステレオカメラ部の中から最適な焦点距離（画角)を持つステレオカメラ部を選択する。例えばデジタルカメラのズーム倍率を２００ｍｍ相当に変えた時は、表４からもわかるようにレンズ５４ａと５４ｂを用いるステレオカメラ部４によって測距した距離値に基づいてレンズを位置調整する。逆にステレオカメラ部４だけが距離値を算出すれば良く、ステレオカメラ部１,２,３は距離値を算出する必要は無い。

ステレオカメラ部４だけであれば３２０×２４０画素のエリアだけを視差演算すればよいため、測距用撮像素子の全画素（６４０×４８０画素）を演算する場合に比べて計算量は１／４となる。これにより計算時間も１／４に短縮され、高速にオートフォーカスできるようになる。

このようにズーム倍率を認識すれば、それに適したステレオカメラを選択することができる。それにより必要な撮像領域だけについて視差演算をすることで、全画面を測距点数が少なくなることなく測距可能になることに加えて、ＡＦ速度を高速化することもできるようになる。

上記では、デジタルカメラに本実施形態の測距装置３を適用した例について説明したが、例えば、デジタルビデオカメラ、車載搭載用カメラ、携帯機器搭載用カメラ、ＦＡ用カメラなどズーム機能を持つ撮像装置の被写体との測距を行う測距装置として搭載することが可能である。

以上に説明したものは一例であり、本発明は、次の（１）〜（４）態様毎に特有の効果を奏する。
（１）
所定の間隔を開けて配置され、複数の画素を持つ一対の測距用２次元撮像素子２２ａ，２２ｂと、測距対象物の像を一方の測距用２次元撮像素子２２ａに結像させる一方側測距用レンズと、測距対象物の像を他方の測距用２次元撮像素子に結像させる他方側測距用レンズと、測距対象物を撮像したときの各測距用２次元撮像素子２２ａ,２２ｂの出力信号に基づいて当該装置から測距対象物までの距離を算出する制御部１４などの距離算出手段とを備えた測距装置において、各測距用２次元撮像素子２２ａ,２２ｂを複数の撮像領域２２１ａ〜２２４ａ,２２１ｂ〜２２４ｂに分割し、一方側測距用レンズを、一方の測距用２次元撮像素子２２ａの分割された各撮像領域２２１ａ〜２２４ａに対応するように複数設け、かつ、他方側測距用レンズを、他方の測距用２次元撮像素子２２ｂの分割された各撮像領域２２１ｂ〜２２４ｂに対応するように複数設け、各一方側測距用レンズ５１ａ〜５４ａの焦点距離を互いに異ならせるとともに、各他方側測距用レンズ５１ｂ〜５４ｂの焦点距離を互いに異ならせ、かつ、各他方側測距用レンズ５１ｂ〜５４ｂの焦点距離を、複数の一方側測距用レンズ５１ａ〜５４ａのうちのいずれかの焦点距離と同じにした。
かかる構成を備えることで、実施形態で説明したように各測距用レンズ対（５１ａと５１ｂ、５２ａと５２ｂ、５３ａと５３ｂ、５４ａと５４ｂ）毎に一対の測距用撮像素子を設けるものに比べて、測距用撮像素子の数を減らすことができ、測距装置３の小型化を図ることができる。また、３２０×２４０画素の測距用撮像素子を４対用いれば、本実施形態と同じ効果が得られると考えられるが、この場合、測距装置のための特別な測距用撮像素子を製造する必要があり、測距用撮像素子のコストが嵩むという課題が生じる。一方、上記（１）に記載の態様では、例えば、携帯電話のカメラモジュール用の撮像素子として既に大量生産され、安価なＶＧＡ（６４０×４８０画素）サイズの撮像素子を分割して用いることができるので、測距用撮像素子を４対設ける場合に比べて、装置を安価にすることができる。
また、撮影レンズ２の焦点距離が３００ｍｍの望遠撮影時でも、測距点数を４０００点以上（画素に換算すると、４０９６×３×４＝４９１５２画素）確保することができる。このように十分な測距点数（画素）が確保できるため望遠撮像時でも正確な測距が可能になる。これにより、ピントはずれの無い写真を撮ることができる。また、撮影レンズ２の焦点距離が２８ｍｍの広角撮影時では、３５ｍｍ相当の測距レンズ（５１ａ，５１ｂ）を用いて測距するので、１００ｍｍ相当の測距レンズで測距する場合に比べて、画像の端部付近まで測距することができる。これにより、１００ｍｍ相当の測距レンズで測距する場合に比べて、画像の端部付近まで良好にピントを合わせることができる。

（２）
また、上記（１）に記載の態様において、一対の測距用２次元撮像素子は、同一ウェハ上に形成されて切り出された撮像素子である。
かかる構成を備えることで、実施形態で説明したように、各測距用２次元撮像素子別々のウェハ上に形成されて切り出しされた撮像素子の場合のように各測距用２次元撮像素子をそれぞれ調整して組み立てる場合に比べて、測距用２次元撮像素子間の位置ずれ及び角度ずれを抑制することができる。これにより、４対のステレオカメラ部はいずれも被写体までの距離を安定して精度よく測距することができる。

（３）
また、ズーム機能を有する撮影レンズ２と、ズームレンズを通して被写体像が結像されるＣＭＯＳイメージセンサ１１などの撮影用撮像素子と、撮影用撮像素子から出力される信号に基づいて画像データを生成する信号処理部１２などの画像生成手段と、当該装置から被写体までの距離を測定する測距装置３などの測距手段と、測距手段の測定結果に基づいて、被写体の焦点合わせを行うフォーカスレンズ駆動部１６などの合焦手段とを備えたデジタルカメラ１などの撮像装置において、測距手段として上記（１）または（２）に記載の態様の測距装置を用いた。
かかる構成を備えることで、広角から望遠までピントの合った画像データを得ることができる。また、デジタルカメラを小型化することができ、かつ、電池の消耗を抑えて、撮影可能枚数が減るのを抑制することができる。

（４）
また、上記（３）に記載の態様のデジタルカメラ１などの撮像装置において、撮影レンズ２のズーム倍率に応じて、当該装置から被写体までの距離を算出するために用いる測距用２次元撮像素子の撮像領域を選択する。
かかる構成を備えることで、実施形態で説明したように、必要な撮像領域だけについて視差演算をすることになるので、測距用撮像素子の全画素（６４０×４８０画素）を演算する場合に比べて計算量が少なくなる。これにより計算時間も１／４に短縮され、高速にオートフォーカスできる。

１：デジタルカメラ
２：撮影レンズ
３：測距装置
４：レンズアレイ
６：レリーズボタン
７：撮影モード切換ボタン
１０：絞りユニット
１１：イメージセンサ
１２：信号処理部
１３：操作部
１４：制御部
１６：フォーカスレンズ駆動部
１７：ズームレンズ駆動部
１８：ユニット駆動部
１９：メモリカード
２０：筐体
２１：測距用撮像素子基板
２２ａ，２２ｂ：測距用撮像素子
２３：回路基板
３０：半導体ウェハ
３１：撮像素子
５１ａ，５２ａ，５３ａ，５４ａ：測距用レンズ
５１ｂ，５２ｂ，５３ｂ，５４ｂ：測距用レンズ
１０１：被写体
２２１ａ，２２２ａ，２２３ａ，２２４ａ：撮像領域
２２１ｂ，２２２ｂ，２２３ｂ，２２４ｂ：撮像領域

特開２００２−９０６１６号公報 特開２００８−２８６５２７号公報

Claims (4)

1. 所定の間隔を開けて配置され、複数の画素を持つ一対の測距用２次元撮像素子と、
   測距対象物の像を一方の測距用２次元撮像素子に結像させる一方側測距用レンズと、
   上記測距対象物の像を他方の測距用２次元撮像素子に結像させる他方側測距用レンズと、
   前記測距対象物を撮像したときの各測距用２次元撮像素子の出力信号に基づいて当該装置から測距対象物までの距離を算出する距離算出手段とを備えた測距装置において、
   各測距用２次元撮像素子を複数の撮像領域に分割し、
   一方側測距用レンズを、上記一方の測距用２次元撮像素子の分割された各撮像領域に対応するように複数設け、かつ、他方側測距用レンズを、上記他方の測距用２次元撮像素子の分割された各撮像領域に対応するように複数設け、
   各一方側測距用レンズの焦点距離を互いに異ならせるとともに、各他方側測距用レンズの焦点距離を互いに異ならせ、かつ、各他方側測距用レンズの焦点距離を、複数の一方側測距用レンズのうちのいずれかの焦点距離と同じにしたことを特徴とする測距装置。
2. 請求項１の測距装置において、
   前記一対の測距用２次元撮像素子は、同一ウェハ上に形成されて切り出された撮像素子であることを特徴とする測距装置。
3. ズーム機能を有する撮影レンズと、
   前記ズームレンズを通して被写体像が結像される撮影用撮像素子と、
   前記撮影用撮像素子から出力される信号に基づいて画像データを生成する画像生成手段と、
   当該装置から前記被写体までの距離を測定する測距手段と、
   測距手段の測定結果に基づいて、前記被写体の焦点合わせを行う合焦手段とを備えた撮像装置において、
   前記測距手段として請求項１または２の測距装置を用いたことを特徴とする撮像装置。
4. 請求項３の撮像装置において、
   前記撮影レンズのズーム倍率に応じて、当該装置から前記被写体までの距離を算出するために用いる前記測距用２次元撮像素子の撮像領域を決定することを特徴とする撮像装置。

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