JP2004212458A - オートフォーカスシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】テレビカメラ等で適用される光路長差方式のオートフォーカスシステムにおいて、ピント状態検出用光路に絞りを配置し、ピント状態検出用光路に導かれた被写体光の焦点深度を調整できるようにすることによって、焦点評価値のピーク付近での特性を変更可能とする。これにより、高域周波数成分を多く含む被写体に対しても焦点評価値のピーク付近での特性が急峻とならないように調整することが可能となり、オーバーシュートやハンチング等の不具合なく、自然且つ安定した動作で確実にフォーカスを合焦させることができるにしてオートフォーカスシステムを提供する。
【解決手段】撮影レンズに入射した被写体光はカメラ本体１２の撮像素子に導かれると共にハーフミラー２４によりピント状態検出用光路（光軸Ｏ′）に分岐され、ピント状態検出用（ＡＦ用）の撮像素子３２Ａ、３２Ｂに導かれる。ピント状態検出用光路には、ＡＦ側絞り２７が配設される。
【選択図】 図１
【解決手段】撮影レンズに入射した被写体光はカメラ本体１２の撮像素子に導かれると共にハーフミラー２４によりピント状態検出用光路（光軸Ｏ′）に分岐され、ピント状態検出用（ＡＦ用）の撮像素子３２Ａ、３２Ｂに導かれる。ピント状態検出用光路には、ＡＦ側絞り２７が配設される。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はオートフォーカスシステムに係り、特に撮影レンズに入射した被写体光を光路長の異なる位置で撮像する複数のピント状態検出用撮像素子を備えた光路長差方式のオートフォーカスシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、テレビカメラ等に適用される光路長差方式のオートフォーカスシステムが提案されている（例えば、特許文献１乃至４参照）。光路長差方式のオートフォーカスシステムは、例えば、撮影レンズ内にハーフミラーが配置され、ハーフミラーによって撮影レンズに入射した被写体光がカメラ本体の撮像素子への光路とピント状態検出用光路とに分岐される。そして、ピント状態検出用光路に分岐された被写体光は光路長の異なる位置に配置された例えば２つの撮像素子（以下、ピント状態検出用撮像素子）により撮像される。各ピント状態検出用撮像素子により得られた映像信号は、高域周波数成分を抽出された後に１画面分の範囲毎に積算され、画像の鮮鋭度（コントラスト）を示す焦点評価値が生成される。
【０００３】
ここで、例えば、各ピント状態検出用撮像素子は、各ピント状態検出用撮像素子から得られた焦点評価値が一致したときにフォーカスが合焦したと判断される位置関係にあり、各ピント状態検出用撮像素子から得られた焦点評価値が一致したときに合焦と判断でき、一致していない場合にはいずれの焦点評価値が大きいかによって前ピンか後ピンかを判断できる。即ち、各ピント状態検出用撮像素子から得られた焦点評価値に基づいて現在のピント状態（前ピン、後ピン、合焦）を知ることができ、フォーカスを合焦させるためのフォーカスの動作方向やフォーカスが合焦したことを即座に判断することができる。
【０００４】
そこで、このような判断により各ピント状態検出用撮像素子から得られた焦点評価値に基づいて撮影レンズのフォーカスが制御され、フォーカスが合焦状態に設定されるようになっている。
【０００５】
また、特許文献５には、光路長差方式のオートフォーカスシステムにおいて、各ピント状態検出用撮像素子から得られた焦点評価値に基づくフォーカスの制御に関して、例えば、各ピント状態検出用撮像素子から得られた焦点評価値の差分を変数とする速度指令値によりフォーカスを速度制御することにより、フォーカスを合焦方向に移動させ合焦位置で停止させるようにしたフォーカス制御の方法が提案されている。
【０００６】
以上のような光路長差方式のオートフォーカスシステムによれば次のような利点がある。従来の一般的なコントラスト方式のオートフォーカスシステムでは、例えばカメラ本体の撮像素子から得られた映像信号を使用して焦点評価値を求め、その焦点評価値がピーク点となるように焦点評価値が増加する方向にフォーカスを動かすようにしているが（いわゆる山登り方式）、この場合、焦点評価値の増加方向を判断するためにフォーカスを前後に動作させるワブリングという動作が必要となる。また、焦点評価値の増加方向にフォーカスを動かした際にピーク点を判別するためにフォーカスをそのピーク点を超えて動かす必要がある。そのためフォーカスの動作が不自然になる場合がある。これに対して、光路長差方式のオートフォーカスシステムでは同時に得られる各ピント状態検出用撮像素子からの焦点評価値により合焦か否かや、合焦でない場合の合焦方向を即座に判断することができるため、上述のような動作は不要でありフォーカスの動作が極めて自然である。
【０００７】
【特許文献１】
特願２００１−１６８２４６
【０００８】
【特許文献２】
特願２００１−１６８２４７
【０００９】
【特許文献３】
特願２００１−１６８２４８
【００１０】
【特許文献４】
特願２００１−１６８２４９
【００１１】
【特許文献5】
特願２００２−２４３３５９
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高域周波数成分を多く含んだ被写体を撮影する場合、焦点評価値特性を表す曲線、即ち、フォーカスの位置と焦点評価値との関係を示すグラフ上の曲線が焦点評価値のピーク点付近で急峻な上り、下りの山型を示す。このため、合焦位置に移動させ、合焦位置で停止させるフォーカスの動作制御が平均的な焦点評価値特性のときにおいて適切であっても、高域周波数成分を多く含んだ被写体に対する焦点評価値特性のときには速すぎとなり、光路長差方式のオートフォーカスシステムにおいても、フォーカスが合焦位置を超えてオーバーシュートを起こしたり、フォーカスが合焦位置で停止することができずにハンチングを起こすなどの問題が生じていた。
【００１３】
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システムにおいて、被写体によって不自然なフォーカス動作とならず、安定したフォーカス動作で確実に合焦させ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。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、撮影レンズに入射した被写体光を被写体画像取得用の光路からピント状態検出用光路に分岐する被写体光分岐手段と、該被写体光分岐手段によって前記ピント状態検出用光路に導かれた被写体光を光路長の異なる位置で撮像する複数の撮像手段と、前記各撮像手段により撮像された画像の鮮鋭度を示す焦点評価値を生成する焦点評価値生成手段と、前記各撮像手段のそれぞれに対応して前記焦点評価値生成手段により生成された焦点評価値に基づいて前記撮影レンズのフォーカスを制御することにより、前記撮影レンズのフォーカスを合焦させるフォーカス制御手段と、を備えたオートフォーカスシステムにおいて、前記ピント状態検出用光路に絞りを配置し、該絞りの開口量を調整することにより、前記ピント状態検出用光路に導かれた被写体光の焦点深度を調整できるようにしたことを特徴としている。
【００１５】
本発明によれば、ピント状態検出用光路に絞りを配置し、ピント状態検出用光路に導かれた被写体光の焦点深度を調整できるようにしたため、焦点評価値のピーク付近での特性を変更することが可能となる。従って、高域周波数成分を多く含む被写体に対しても焦点評価値のピーク付近での特性が急峻とならないように調整することが可能となり、オーバーシュートやハンチング等の不具合なく、自然且つ安定した動作で確実にフォーカスを合焦させることができるようになる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に従って本発明に係るオートフォーカスシステムの好ましい実施の形態について詳説する。
【００１７】
図１は、本発明に係るオートフォーカスシステムが適用されたテレビカメラシステムのブロック図である。同図に示すように、このテレビカメラシステムは、レンズ装置１０とカメラ本体１２等から構成されており、カメラ本体１２には、放映用の映像を撮影し、所定形式の映像信号を出力又は記録媒体に記録するための撮像素子（以下、映像用撮像素子という）や所要の回路等が搭載されている。
【００１８】
レンズ装置１０は、カメラ本体１２に着脱可能に装着され、主に光学系（撮影レンズ）と制御系とから構成されている。まず、撮影レンズの構成について説明すると、撮影レンズには、フォーカスレンズ（群）１６、ズームレンズ（群）１８、絞り２０、前側リレーレンズ２２Ａと後側リレーレンズ２２Ｂとからなるリレーレンズ（リレー光学系）等が配置されている。そして、リレー光学系の前側リレーレンズ２２Ａと後側リレーレンズ２２Ｂとの間には、撮影レンズに入射した被写体光をピント状態検出用光路に分岐するためのハーフミラー２４が配置されている。
【００１９】
ハーフミラー２４は、撮影レンズの光軸Ｏに対して略４５度傾斜して設置されており、前側リレーレンズ２２Ａを通過した被写体光の一部（例えば１／３の光量）がピント状態検出用光路にピント状態検出用の被写体光として直角に反射するようになっている。
【００２０】
ハーフミラー２４を透過した被写体光は、映像用（被写体画像取得用）の被写体光として撮影レンズの後端側から射出されたのち、カメラ本体１２の撮像部１４に入射する。撮像部１４の構成については省略するが、撮像部１４に入射した被写体光は、例えば色分解光学系により、赤色光、緑色光、青色光の３色に分解され、各色ごとの映像用撮像素子の撮像面に入射する。これによって放映用のカラー映像が撮影される。なお、図中のピント面Ｐは、各映像用撮像素子の撮像面に対して光学的に等価な位置を撮影レンズの光軸Ｏ上に示したものである。
【００２１】
一方、ハーフミラー２４で反射された被写体光は、ピント状態検出用（オートフォーカス（ＡＦ）用）の被写体光として光軸Ｏに対して垂直な光軸Ｏ′に沿ってピント状態検出用光路を進行し、リレーレンズ２６に入射する。そして、このリレーレンズ２６で集光され、絞り２７を介してピント状態検出部２８に入射する。尚、絞り２７を絞り２０と区別してＡＦ側絞り２７というものとする。
【００２２】
ピント状態検出部２８は、光分割光学系を構成する２つのプリズム３０Ａ、３０Ｂと、ピント状態検出用の一対の撮像素子３２Ａ、３２Ｂ（以下、ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂという）とで構成されている。
【００２３】
上述したようにハーフミラー２４で反射した被写体光は、光軸Ｏ′に沿って進行し、まず、第１プリズム３０Ａに入射する。そして、第１プリズム３０Ａのハーフミラー面Ｍで反射光と透過光に等分割される。このうち反射光は一方のピント状態検出用撮像素子３２Ａの撮像面に入射し、透過光は他方のピント状態検出用撮像素子３２Ｂに入射する。尚、各ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂのそれぞれの撮像面には、例えば、撮影レンズに入射した全被写体光のうちの１／６の光量が入射する。
【００２４】
図２は、カメラ本体１２の映像用撮像素子に入射する被写体光の光軸と一対のピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂに入射する被写体光の光軸を同一直線上に表示したものである。同図に示すように、一方のピント状態検出用撮像素子３２Ａに入射する被写体光の光路長は、他方のピント状態検出用撮像素子３２Ｂに入射する被写体光の光路長よりも短く設定され、映像用撮像素子の撮像面（ピント面Ｐ）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、一対のピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂ（の撮像面）は、それぞれ映像用撮像素子の撮像面（ピント面Ｐ）に対して前後等距離（ｄ）の位置に配置されている。
【００２５】
従って、ハーフミラー２４で分岐されたピント形態検出用の被写体光は、一対のピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂにより、映像用撮像素子の撮像面（ピント面Ｐ）に対して前後等距離の位置で撮像される。尚、ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂは後述のようにピント状態検出（オートフォーカス制御）のための映像信号を取得するものであり、カラー映像を撮像するものである必要はなく、本実施の形態では白黒画像を撮像するＣＣＤであるものとする。
【００２６】
次に、レンズ装置１０におけるオートフォーカス制御に関連する制御系について説明する。図３は、フォーカス制御に関連する制御系の構成を示したブロック図である。上記フォーカスレンズ１６は、図３に示すようにフォーカスモータ５０に連結されており、フォーカスモータ５０が駆動されると、フォーカスレンズ１６が光軸方向に移動しフォーカスが変更される。フォーカスモータ５０には、フォーカスモータ駆動回路５２から駆動電圧が与えられ、フォーカスモータ駆動回路５２にはＣＰＵ５４からの制御信号が与えられる。
【００２７】
ＣＰＵ５４からの制御信号は、例えば、フォーカスモータ５０の回転速度、即ち、フォーカスレンズ１６の移動速度に対応する電圧値を示しており、その電圧値がフォーカスモータ駆動回路５２に与えられると、フォーカスモータ駆動回路５２によって電圧増幅され、その増幅された電圧が駆動電圧としてフォーカスモータ５０に印加される。これによって、フォーカスモータ５０の回転速度がＣＰＵ５４によって制御される。
【００２８】
また、ＣＰＵ５４には、フォーカスレンズ位置検出器５６からフォーカスレンズ１６の現在位置に対応した値のフォーカス位置信号がＣＰＵ５４に与えられるようになっている。従って、ＣＰＵ５４の処理において、上述のようにフォーカスモータ５０の回転速度を制御することにより、フォーカスレンズ１６の動作速度を所望の速度に制御することができ、また、フォーカスレンズ位置検出器５６からのフォーカス位置信号を取得しながらフォーカスモータ５０の回転速度を制御することにより、フォーカスレンズ１６の設定位置を所望の位置に制御することができるようになっている。
【００２９】
尚、フォーカスの制御は、図示しない所定のスイッチによってマニュアルフォーカス制御に切り替えることも可能であり、マニュアルフォーカス制御の場合には、操作者のマニュアル操作に従ってフォーカスデマンド等からの指令信号がＣＰＵ５４に与えられ、その指令信号に基づいてフォーカスレンズ１６の位置等が上述のように制御される。
【００３０】
一方、上記一対のピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂで撮像された画像（映像）は、１画面を構成する複数の走査線（水平ライン）にそって各画素値を順次伝送する映像信号として出力され、焦点評価値生成部５８に入力される。焦点評価値生成部５８の構成、処理については後述するが、焦点評価値生成部５８において、各ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂにより得られた映像信号から、各ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂにより撮像された各画像のコントラスト（鮮鋭度）の高低を示す焦点評価値が生成され、それらの生成された焦点評価値がＣＰＵ５４に与えられるようになっている。尚、ピント状態検出用撮像素子３２Ａからの映像信号に基づいて生成された焦点評価値を、チャンネルＡ（ｃｈＡ）の焦点評価値といい、ピント状態検出用撮像素子３２Ｂからの映像信号に基づいて生成された焦点評価値を、チャンネルＢ（ｃｈＢ）の焦点評価値という。
【００３１】
ＣＰＵ５４は、詳細を後述するように、焦点評価値生成部５８からｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値を取得し、その取得した焦点評価値に基づいて撮影レンズのピント状態が合焦となるようにフォーカスレンズ１６の位置を制御する。
【００３２】
ここで、焦点評価値生成部５８の構成及び処理について説明する。図４に示すように、各ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂから出力された映像信号は、それぞれ焦点評価値生成部５８のＡ／Ｄ変換器８０Ａ、８０Ｂに入力され、デジタル信号に変換される。尚、ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂは、いずれも白黒画像を撮影するＣＣＤであり、各ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂから出力される映像信号は、それぞれの画面を構成する各画素の輝度値を示す輝度信号である。
【００３３】
Ａ／Ｄ変換器８０Ａ、８０Ｂによってデジタル信号に変換された映像信号はそれぞれハイパスフィルタ（ＨＰＦ）８２Ａ、８２Ｂに入力され、各映像信号に含まれる高域周波数成分の信号が抽出される。そして、ＨＰＦ８２Ａ、８２Ｂによりそれぞれ抽出された高域周波数成分の信号は、ゲート回路８４Ａ、８４Ｂに入力される。
【００３４】
ゲート回路８４Ａ、８４Ｂに入力された高域周波数成分の信号は、画面上の所定のフォーカスエリア内（例えば、画面中央部）の画素に対応する範囲の信号のみを抽出され、それぞれ加算器８６Ａ、８６Ｂに入力される。そして、加算器８６Ａ、８６Ｂにより加算される。これにより、フォーカスエリア内における映像信号の高域周波数成分の値の総和が求められる。加算器８６Ａ、８６Ｂによって得られた値は、フォーカスエリア内における画像の鮮鋭度の高低を示す焦点評価値であり、加算器８６Ａで得られた焦点評価値はチャンネルＡ（ｃｈＡ）の焦点評価値として、加算器８６Ｂで得られた焦点評価値はチャンネルＢ（ｃｈＢ）の焦点評価値としてＣＰＵ５４に与えられる。
【００３５】
尚、同図に示す同期信号発生回路８８からは、各種同期信号が各ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂやゲート回路８４Ａ、８４Ｂ等の各回路に与えられており、各回路の処理の同期が図られている。
【００３６】
続いて、上記焦点評価値に基づくピント状態検出及びフォーカス（フォーカスレンズ１６）の制御について説明すると、上記のように焦点評価値生成部５８から取得されるｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値により映像用撮像素子の撮像面（ピント面Ｐ）に対する撮影レンズの現在のピント状態を検出することができる。
【００３７】
図５は、横軸に撮影レンズのフォーカスレンズ１６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に対する焦点評価値の分布特性を示した図である。図中点線で示す曲線Ｃは、映像用撮像素子（又は映像用撮像素子と共役の位置に配置された撮像素子）からの映像信号により焦点評価値を求めたと仮定した場合にその焦点評価値をフォーカス位置に対して示したものであり、図中実線で示す曲線Ａ、Ｂは、それぞれピント状態検出用撮像素子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たものである。同図において、曲線Ｃの焦点評価値が最大（極大）となる位置Ｆ３が合焦位置である。
【００３８】
撮影レンズのフォーカス位置が同図のＦ１に設定された場合、ｃｈＡの焦点評価値ＶA1は、曲線Ａの位置Ｆ１に対応する値となり、ｃｈＢの焦点評価値ＶB1は、曲線Ｂの位置Ｆ１に対応する値となる。そして、この場合、ｃｈＡの焦点評価値ＶA1の方が、ｃｈＢの焦点評価値ＶB1よりも大きくなり、このことから、フォーカス位置が合焦位置（Ｆ３）よりも至近側に設定された状態、すなわち、前ピンの状態であることが分かる。
【００３９】
一方、撮影レンズのフォーカス位置が同図のＦ２に設定された場合、ｃｈＡの焦点評価値ＶA2は、曲線Ａの位置Ｆ２に対応する値となり、ｃｈＢの焦点評価値ＶB2は、曲線Ｂの位置Ｆ２に対応する値となる。そして、この場合、ｃｈＡの焦点評価値ＶA2の方が、ｃｈＢの焦点評価値ＶB2よりも小さくなり、このことから、フォーカス位置が合焦位置（Ｆ３）よりも無限遠側に設定された状態、すなわち、後ピンの状態であることが分かる。
【００４０】
これに対して、撮影レンズのフォーカス位置がＦ３、すなわち合焦位置に設定された場合、ｃｈＡの焦点評価値ＶA3は、曲線Ａの位置Ｆ３に対応する値となり、ｃｈＢの焦点評価値ＶB3は、曲線Ｂの位置Ｆ３に対応する値となる。このとき、ｃｈＡの焦点評価値ＶA3とｃｈＢの焦点評価値ＶB3は等しくなり、このことから、フォーカス位置が合焦位置（Ｆ３）に設定された状態であることが分かる。
【００４１】
このように、焦点評価値生成部５８から得られるｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値により、撮影レンズの現在のピント状態が前ピン、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。
【００４２】
従って、焦点評価値生成部５８から得られるｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値に基づいてフォーカスレンズ１６の位置を制御することにより、フォーカスレンズ１６を合焦位置に移動させることができる。即ち、ｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値が、前ピンであると判断される状態の場合には、フォーカスレンズ１６を無限遠方向に移動させ、後ピンであると判断される状態の場合には、フォーカスレンズ１６を至近方向に移動させ、合焦であると判断される状態となった場合には、フォーカスレンズ１６をその位置で停止させることによって、フォーカスレンズ１６を合焦位置に移動させることができる。
【００４３】
そこで、ＣＰＵ５４は、ｃｈＡ、ｃｈＢの焦点評価値に基づいてフォーカスレンズ１６を次のように制御する。まず、焦点評価値生成部５８から取得されるｃｈＡの焦点評価値をAFV#A、ｃｈＢの焦点評価値をAFV#Bとすると、AFV#A＞AFV#Bの場合には前ピンの状態であることからＣＰＵ５４は、現在設定されているフォーカスレンズ１６の移動目標位置を無限遠側に後述する移動量分（正の値）だけ変化させ、その新たな移動目標位置にフォーカスレンズ１６を移動させる制御信号を上記フォーカスモータ駆動回路５２に出力する。反対にAFV#A＜AFV#Bの場合には後ピンの状態であることから、現在設定されているフォーカスレンズ１６の移動目標位置を至近側に後述する移動量分（負の値）だけ変化させ、その新たな移動目標位置にフォーカスレンズ１６を移動させる制御信号を上記フォーカスモータ駆動回路５２に出力する。このような処理を繰り返し、AFV#A＝AFV#Bとなった場合にはフォーカスレンズ１６の移動を停止させる。これによってフォーカスレンズ１６が合焦位置に移動する。
【００４４】
ここで、フォーカスレンズ位置検出器５６から取得されるフォーカスレンズ１６の現在位置を示すフォーカス位置信号の値（フォーカス位置データ）をF#POSIとし、上述のように設定されるフォーカスレンズ１６の移動目標位置をAF#CTRLとすると、ＣＰＵ５４は移動目標位置AF#CTRLから現在位置F#POSIを引いた値、即ち、AF#CTRL−F#POSIを制御信号の値F#SPEEDとしてフォーカスモータ駆動回路５２に出力する。フォーカスモータ駆動回路５２に出力される制御信号は、フォーカスモータ駆動回路５２に指令するフォーカスモータ４２の回転速度（フォーカスレンズ１６の移動速度）に対応した値であり、上述のように設定した制御信号の値F#SPEEDをフォーカスモータ駆動回路５２に出力することで、移動目標位置AF#CTRLと現在位置F#POSIとの差（AF#CTRL−F#POSI）に対応した速度でフォーカスレンズ１６が移動することになる。
【００４５】
続いて、フォーカスレンズ１６の新たな移動目標位置を設定する際に現在の移動目標位置に加算する移動量について説明する。上述のようにフォーカスレンズ１６の現在位置F#POSIと移動目標位置AF#CTRLとの差は、フォーカスレンズ１６の移動速度に対応しており、新たな移動目標位置AF#CTRLを設定する際に現在の移動目標位置に加算する上記移動量が大きいほど、フォーカスレンズ１６の移動速度が速くなり、上記移動量が小さい程、フォーカスレンズ１６の移動速度が小さくなる。
【００４６】
一方、フォーカスレンズ１６を合焦位置に移動させる場合に、フォーカスレンズ１６を合焦位置に安定した動作で確実に停止させるためには、フォーカスレンズ１６が合焦位置に近づいていく程、上記移動量を小さくしてフォーカスレンズ１６の移動速度を遅くし、合焦位置に到達した場合に移動量を０としてフォーカスレンズ１６の移動速度を０にする必要がある。
【００４７】
そこで、ＣＰＵ５４は、上記ｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値の差ΔAFV（＝AFV#A−AFV#B）を求め、その差ΔAFV（＝AFV#A−AFV#B）に所定のＡＦゲインAFGをかけた値ΔAFV＊AFGを上記移動量として設定する。これにより、フォーカスレンズ１６が合焦位置に到達した場合、即ち、焦点評価値の差ΔAFVが０（AFV#A＝AFV#B）となった場合には、上記移動量ΔAFV＊AFGが０となり、フォーカスレンズ１６がその合焦位置で停止する。また、図５から分かるようにフォーカスレンズ１６が合焦位置付近から合焦位置に近づいていく際に、焦点評価値の差ΔAFVが減少して移動量ΔAFV＊AFGが徐々に０に近づいていき、フォーカスレンズ１６の移動速度も徐々に減速する。
【００４８】
尚、上述のようにｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値の差ΔAFVに所定のＡＦゲインAFGをかけた値ΔAFV＊AFGを上記移動量とするのではなく、次のように上記移動量を設定することもできる。即ち、ＣＰＵ５４は、まず、ｃｈＡの焦点評価値AFV#AとｃｈＢの焦点評価値AFV#Bの比ΔAFV＝AFV#A／AFV#Bを求める。そして、AFV#A＞AFV#B（ΔAFV＞１）の場合、即ち、前ピンの状態（図５参照）の場合には、移動量を（ΔAFV−１）＊AFGとする。尚、AFGは、所定のＡＦゲインの値を示す。一方、AFV#A≦AFV#B（ΔAFV≦１）の場合、即ち、後ピンの状態（又は合焦の状態）の場合には、移動量を−（１／ΔAFV−１）＊AFGとする。
【００４９】
これにより、フォーカスレンズ１６が合焦位置に到達した場合には、ΔAFV＝１であるから移動量が０となり、フォーカスレンズ１６がその合焦位置で停止する。また、フォーカスレンズ１６が合焦位置付近から合焦位置に近づいていく際に、（ΔAFV−１）又は（１／ΔAFV−１）が減少して移動量が徐々に０に近づいていき、フォーカスレンズ１６の移動速度も徐々に減速する。
【００５０】
尚、フォーカスを合焦位置に設定するための制御は上述した方法に限らず、他の方法を用いることもできる。
【００５１】
次に、レンズ装置１０における絞り制御及びピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂの電子シャッター制御に関連する制御系について説明する。図１に示したようにレンズ装置１０の撮影レンズには、光軸Ｏ上の絞り２０と光軸Ｏ′上（ピント状態検出用光路）のＡＦ側絞り２７とが配置されている。絞り２０は、一般の撮影レンズにおける絞りと同じ目的であり、主にカメラ本体１２の映像用撮像素子に入射する被写体光の光量を適正光量に調整することを目的とする。
【００５２】
一方、ＡＦ側絞り２７は、主にピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂに入射する被写体光（以下、ＡＦ用被写体光という）の焦点深度を適正にすることを目的とする。例えば、高域周波数成分を多く含む被写体を撮影する場合、各ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂから得られる焦点評価値の分布形状は、図６のＳＡ、ＳＢのようにピーク点付近で急峻な傾斜を持つ山型の曲線となる。この状況において上述のようにｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値の差分に基づいてフォーカスの動作速度を制御すると、合焦点Ｆ３の近傍でもフォーカスの動作速度が速いために、合焦点Ｆ３でフォーカスを停止させることが困難となる。このため、オーバーシュートやハンチングなどの不安定なフォーカス動作を招くおそれがある。
【００５３】
しかしながら、焦点評価値特性は、ＡＦ用被写体光の焦点深度によって変化し、焦点深度を深くすることによってピーク点付近の焦点評価値特性を緩やかにすることができる。そのため、ＡＦ側絞り２７をピント状態検出用光路に配置し、ＡＦ側絞り２７によってＡＦ用被写体光の焦点深度を適正にすることで、高域周波数成分を多く含む被写体に対しても図６の点線で示すＳＡ′、ＳＢ′のようにピーク点付近の焦点評価値特性を緩やかし、上述の不具合が生じないようにしている。
【００５４】
図７に示すように絞り２０及びＡＦ側絞り２７は、それぞれアイリスモータ１００、１１０に連結されており、アイリスモータ１００、１１０がアイリス駆動回路１０２、１１２によって駆動されると、それに従って絞り２０、ＡＦ側絞り２７のそれぞれの開口量（絞り値）が変化するようになっている。ＣＰＵ５４は、各アイリス位置検出器１０４、１１４から絞り２０、ＡＦ側絞り２７の現在の絞り値に応じた値を示すアイリス位置信号を取得しながら、それらの信号値が目標のアイリス位置を示す値となるようにアイリス駆動回路１０２、１１２に制御信号を出力し、アイリスモータ１００、１１０を駆動する。これによって、絞り２０、ＡＦ側絞り２７の絞り値が変化し、それぞれＣＰＵ５４が意図した目標の絞り値に設定される。
【００５５】
絞り２０の適正な絞り値は、例えば、カメラ本体１２の映像用撮像素子により得られた映像信号に基づいてその映像信号の輝度レベルが適切となるようにカメラ本体１２の処理回路によって決定される。そして、その絞り値を示す制御信号がカメラ本体１２からＣＰＵ５４に与えられ、上述の制御により絞り２０がその絞り値に設定される。
【００５６】
これに対して、ＡＦ側絞り２７の適正な絞り値は、上述のようにＡＦ用被写体光の焦点深度（ピーク付近での焦点評価値特性）が適正となるように決定される。但し、その焦点深度は、ＡＦ側絞り２７の絞り値のみでなく絞り２０の絞り値によっても変化するため、ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂに至るまでの光学系全体として絞り２０とＡＦ絞り２７の両方を考慮した絞り値が適正な焦点深度を実現するものとなるように、絞り２０の絞り値を考慮してＡＦ側絞り２７の絞り値が設定される。
【００５７】
ここで、本実施の形態では、ＡＦ用被写体光の焦点深度を調整する目的で絞り２０の絞り値を変更しないものとする。このため、ＡＦ側絞り２７の絞り値によりＡＦ用被写体光の焦点深度を適正に調整できるのは、絞り２０のみによる焦点深度が適正な焦点深度よりも浅い場合である。この場合に、ＡＦ側絞り２７の絞り値を調整して焦点深度を適正にしたとすると、その焦点深度はＡＦ側絞り２７の絞り値によるところが大きく、絞り２０の絞り値にはほとんど影響されないものとすることができる。また、絞り２０の絞り値に影響されるとしても適正とみなせる焦点深度の値にある程度の幅がある。従って、絞り２０の絞り値に応じてＡＦ側絞り２７の絞り値を変更することなく、ＡＦ側絞り２７の絞り値を所定の値に設定することによって焦点深度を適正にすることができる。
【００５８】
従って、後述する図８のフローチャートの絞り制御では、原則としてＡＦ側絞り２７は、焦点深度を適正にするとして事前に決められた絞り値（例えば、Ｆナンバー１１）に設定される。
【００５９】
尚、絞り２０のみによる焦点深度が適正な焦点深度よりも深い場合には、ＡＦ側絞り２７の調整によって焦点深度を適正にすることはできない。この場合に、ＡＦ側絞り２７が前述のように焦点深度を適正にする絞り値に設定されていれば、焦点深度はＡＦ側絞り２７の絞り値にほとんど影響されないため、ＡＦ側絞り２７によって焦点深度を更に深くしてしまう不具合は生じない。
【００６０】
一方、適正な焦点深度となるようにＡＦ側絞り２７の絞り値を設定した場合、ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂにより得られる画像（映像信号）の輝度レベルが適正でなく焦点評価値のレベルが適正でなくなるおそれがある。そのため、輝度レベルの調整を主としてピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂに対する電子シャッター機能により行う。電子シャッター機能は、周知のように各ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂの受光部における電荷蓄積時間（電子シャッター時間）を可変する露出制御機能であり、電子シャッター時間、即ち、電子シャッター速度は、ＣＰＵ５４からの指令信号に基づいて図７に示したＣＣＤ駆動回路１２０Ａ、１２０Ｂによって制御されるようになっている。また、各ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂから得られる映像信号の輝度レベルは、例えばピント状態検出用撮像素子３２Ａにより映像信号を取得した輝度レベル検出回路１２２により検出され、ＣＰＵ５４に与えられる。尚、輝度レベルは、例えば、フォーカスエリア内の各画素に対応する映像信号の信号値を積算したものを評価値とすることができる。
【００６１】
ＣＰＵ５４は、上述のように検出される輝度レベルが適正な値（基準レベル）となるように各ＣＣＤ駆動回路１２０Ａ、１２０Ｂに指令信号を出力して電子シャッター速度を変更する。但し、被写体が暗すぎて電子シャッター速度を最も遅く（電子シャッター時間を最も長く）しても輝度レベルが基準レベルに達しない場合には、ＡＦ側絞り２７の絞り値を変更し（開口量を大きくする）、輝度レベルが適正な値となるように制御する。
【００６２】
次に、ＣＰＵ５４におけるＡＦ側絞り２７の制御及び電子シャッターの制御に関する具体的な処理手順について図８のフローチャートを用いて説明する。まず、ＣＰＵ５４は所要の初期設定を行った後（ステップＳ１０）、ＡＦ側絞り２７を絞り値（Ｆナンバー）Ｆ１１まで絞る（ステップＳ１２）。尚、絞り値Ｆ１１は、ＡＦ用被写体光の焦点深度を適正にする絞り値として事前に決められた値である。次にＣＰＵ５４は、輝度レベル検出回路１２２から各ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂにより撮像された画像（映像信号）の輝度レベルＡを読み込む（ステップＳ１４）。そして、その輝度レベルＡが基準レベルより大きいか否かを判定する（ステップＳ１６）。ＹＥＳと判定した場合、続いて、ＡＦ側絞り２７が絞り値Ｆ１１より開いているか（絞り値がＦ１１より小さいか）否かを判定する（ステップＳ１８）。尚、ＡＦ側絞り２７は、後述するステップＳ３２により絞り値Ｆ１１より開いている場合がある。ここで、ＹＥＳと判定した場合には、ＡＦ側絞り２７を所定量閉じる（ステップＳ２０）。尚、この処理でＡＦ側絞り２７の絞り値がＦ１１より閉じられることはない。
【００６３】
一方、ステップＳ１８においてＮＯと判定した場合には、ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂの電子シャッター速度が最高速度（電子シャッター時間が最短）か否かを判定する（ステップＳ２２）。ＮＯと判定した場合には、電子シャッター速度を一定値分速くする（電子シャッターを一定量分閉じる）（ステップＳ２４）。ステップＳ１８においてＹＥＳと判定した場合には、なにも実行しない。尚、ステップＳ１８においてＹＥＳと判定されるほどＡＦ用被写体光が明るいという場合はほとんどあり得ないため特別な処置を講じなくても特に問題はない。
【００６４】
以上のステップＳ２０又はステップＳ２４の処理が終了すると、又は、ステップＳ１８においてＹＥＳと判定すると、続いて、ＣＰＵ５４は、撮影レンズのフォーカスを合焦させるためのＡＦ処理により、上述のように各ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂから得られるｃｈＡ、ｃｈＢの焦点評価値に基づいて撮影レンズのフォーカスを制御する（ステップＳ２６）。そして、ステップＳ１４からの処理を繰り返す。
【００６５】
一方、ステップＳ１６においてＮＯと判定した場合、続いて、電子シャッター速度は最低速度（開放）か否かを判定する（ステップＳ２８）。尚、輝度レベルＡが基準レベルに一致している場合には、ＡＦ側絞り２７及び電子シャッターの制御を行うことなく、ＡＦ処理（ステップＳ２６）を実行するようにしてもよい。また、基準レベルの値に幅を持たせ、その範囲内に輝度レベルＡが入る場合には、ＡＦ側絞り２７及び電子シャッターの制御を行うことなく、ＡＦ処理（ステップＳ２６）を実行するようにしてもよい。ステップＳ２８においてＮＯと判定した場合、電子シャッター速度を一定値分遅くする（電子シャッターを一定量分開く）（ステップＳ３０）。即ち、輝度レベルが基準レベルより低い場合には、できるだけ電子シャッター速度の調整で輝度レベルを上げる。
【００６６】
ステップＳ２８においてＹＥＳと判定した場合には、続いて、ＡＦ側絞り２７が開放か否かを判定する（ステップＳ３０）。ここで、ＮＯと判定した場合には、ＡＦ側絞り２７を一定量開く（ステップＳ３２）。一方、ＹＥＳと判定した場合には、なにも行わない。
【００６７】
以上のステップＳ３０又はステップＳ３４の処理が終了すると、又は、ステップＳ３０においてＹＥＳと判定すると、上述したステップＳ２６のＡＦ処理を実行する。そして、ステップＳ１４からの処理を繰り返す。
【００６８】
尚、図８のフローチャートに示した処理は、絞り２０の絞り値にかかわらず、ＡＦ側絞り２７の絞り値が所定値（Ｆ１１）の場合にＡＦ用被写体光の焦点深度が適正であるとしてステップＳ１２やステップＳ１８の処理を行っていたが、絞り２０の絞り値とＡＦ側絞り２７の絞り値の両方を考慮した光学系全体の絞り値が所定値（例えばＦ１１）のときに焦点深度が適正であるとしてステップＳ１２やステップＳ１８の処理を行うようにしてもよい。
【００６９】
次に、ＣＰＵ５４におけるＡＦ側絞り２７の制御及び電子シャッターの制御に関する具体的な処理手順について他の実施の形態を説明する。図８に示した処理では、焦点深度（焦点評価値特性）を適正にする絞り値が事前に決められている場合について説明したが、焦点評価値特性が適正かどうかを実際に取得した焦点評価値に基づいて判断しながらＡＦ側絞り２７を制御して焦点深度を変更し、焦点評価値特性を適正にすることもできる。
【００７０】
図９は、この場合のＣＰＵ５４における処理手順を示したフローチャートである。まず、ＣＰＵ５４は所要の初期設定を行った後（ステップＳ４０）、焦点評価値生成部５８から得られる２個分のｃｈＡ又はｃｈＢの焦点評価値から焦点評価値の変化量を算出する（ステップＳ４２）。尚、ｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値の変化量を両方求めて、そのうち大きい方を採用してもよい。続いてＣＰＵ５４は、輝度レベル検出回路１２２から各ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂにより撮像された画像（映像信号）の輝度レベルＡを読み込む（ステップＳ４４）。
【００７１】
次に、ＣＰＵ５４は、ステップＳ４２で算出した焦点評価値の変化量が規定値以上か否かを判定する（ステップＳ４６）。ＹＥＳと判定した場合にはＡＦ側絞り２７を所定量閉じ、焦点深度を深くする（ステップＳ４８）。一方、ＮＯと判定した場合には、ＡＦ側絞り２７を所定量開き、焦点深度を浅くする（ステップＳ５０）。
【００７２】
ステップＳ４８又はステップＳ５０の処理が終了すると、次にＣＰＵ５４は、ステップＳ４４で得た輝度レベルＡが基準レベルより大きいか否かを判定する（ステップＳ５２）。ＹＥＳと判定した場合には、ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂの電子シャッター速度が最高速度（電子シャッター時間が最短）か否かを判定する（ステップＳ５４）。ＮＯと判定した場合には、電子シャッター速度を一定値分速くする（電子シャッターを一定量分閉じる）（ステップＳ５６）。ステップＳ５４においてＹＥＳと判定した場合には、なにも行わない。そして、ＣＰＵ５４は、撮影レンズのフォーカスを合焦させるためのＡＦ処理により、上述のように各ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂから得られるｃｈＡ、ｃｈＢの焦点評価値に基づいて撮影レンズのフォーカスを制御する（ステップＳ５８）。続いて、ステップＳ４２からの処理を繰り返す。
【００７３】
一方、ステップＳ５２においてＮＯと判定した場合、電子シャッター速度は最低速度（開放）か否かを判定する（ステップＳ６０）。ＮＯと判定した場合には、電子シャッター速度を一定値分遅くする（電子シャッターを一定量分開く）（ステップＳ６２）。ＹＥＳと判定した場合には、なにも行わない。そして、ＣＰＵ５４は、上述したステップＳ５８のＡＦ処理を実行する。続いて、ステップＳ４２からの処理を繰り返す。
【００７４】
以上、上記実施の形態では、２つのピント検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂから２つの焦点評価値を取得してＡＦ制御を行う場合について説明したが、これに限らず、光路長が異なる位置に配置された３つ以上の撮像素子から得られる３つ以上の焦点評価値に基づいてＡＦ制御を行う場合でも本発明を適用することができる。
【００７５】
また、上記実施の形態では、本発明をテレビカメラシステムに適用した場合を例に説明したが、本発明はこれに限らず、ビデオカメラや静止画を撮影するスチルカメラにも適用することができる。
【００７６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るオートフォーカスシステムによれば、ピント状態検出用光路に絞りを配置し、ピント状態検出用光路に導かれた被写体光の焦点深度を調整できるようにしたため、焦点評価値のピーク付近での特性を変更することが可能となる。従って、高域周波数成分を多く含む被写体に対しても焦点評価値のピーク付近での特性が急峻とならないように調整することが可能となり、オーバーシュートやハンチング等の不具合なく、自然且つ安定した動作で確実にフォーカスを合焦させることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係るオートフォーカスシステムが適用されたテレビカメラシステムのブロック図である。
【図２】図２は、映像用撮像素子に入射する被写体光の光軸と一対のピント状態検出用撮像素子に入射する被写体光の光軸を同一直線上に表示した図である。
【図３】図３は、フォーカス制御に関連するレンズ装置の制御系の構成を示したブロック図である。
【図４】図４は、焦点評価値生成部の構成を示したブロック図である。
【図５】図５は、横軸に撮影レンズのフォーカス位置、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に対する焦点評価値の様子を示した図である。
【図６】図６は、コントラストが極めて高い場合の焦点評価値特性を示した図である。
【図７】図７は、絞り制御及び電子シャッター制御に関連するレンズ装置の制御系の構成を示したブロック図である。コントラストが極めて高い場合の焦点評価値特性を示した図である。
【図８】図８は、ＡＦ側絞りの制御及び電子シャッターの制御に関する処理手順を示したフローチャートである。
【図９】図９は、ＡＦ側絞りの制御及び電子シャッターの制御に関する他の実施の形態の処理手順を示したフローチャートである。
【符号の説明】
１０…レンズ装置、１２…カメラ本体、１４…撮像部、１６…フォーカスレンズ（群）、１８…ズームレンズ（群）、２０…絞り、２２Ａ…前側リレーレンズ、２２Ｂ…後側リレーレンズ、２４…ハーフミラー、２６…リレーレンズ、２７…ＡＦ側絞り、２８…ピント状態検出部、３０Ａ…第１プリズム、３０Ｂ…第２プリズム、３２Ａ、３２Ｂ…ピント状態検出用撮像素子、５０…フォーカスモータ、５２…フォーカスモータ駆動回路、５４…ＣＰＵ、５６…フォーカスレンズ位置検出器、５８…焦点評価値生成部、８０Ａ、８０Ｂ…Ａ／Ｄ変換器、８２Ａ、８２Ｂ…ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）、８４Ａ、８４Ｂ…ゲート回路、８６Ａ、８６Ｂ…加算器、１００、１１０…アイリスモータ、１０２、１１２…アイリス駆動回路、１０４、１１４…アイリス位置検出器、１２０Ａ、１２０Ｂ…ＣＣＤ駆動回路、１２２…輝度レベル検出回路
【発明の属する技術分野】
本発明はオートフォーカスシステムに係り、特に撮影レンズに入射した被写体光を光路長の異なる位置で撮像する複数のピント状態検出用撮像素子を備えた光路長差方式のオートフォーカスシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、テレビカメラ等に適用される光路長差方式のオートフォーカスシステムが提案されている（例えば、特許文献１乃至４参照）。光路長差方式のオートフォーカスシステムは、例えば、撮影レンズ内にハーフミラーが配置され、ハーフミラーによって撮影レンズに入射した被写体光がカメラ本体の撮像素子への光路とピント状態検出用光路とに分岐される。そして、ピント状態検出用光路に分岐された被写体光は光路長の異なる位置に配置された例えば２つの撮像素子（以下、ピント状態検出用撮像素子）により撮像される。各ピント状態検出用撮像素子により得られた映像信号は、高域周波数成分を抽出された後に１画面分の範囲毎に積算され、画像の鮮鋭度（コントラスト）を示す焦点評価値が生成される。
【０００３】
ここで、例えば、各ピント状態検出用撮像素子は、各ピント状態検出用撮像素子から得られた焦点評価値が一致したときにフォーカスが合焦したと判断される位置関係にあり、各ピント状態検出用撮像素子から得られた焦点評価値が一致したときに合焦と判断でき、一致していない場合にはいずれの焦点評価値が大きいかによって前ピンか後ピンかを判断できる。即ち、各ピント状態検出用撮像素子から得られた焦点評価値に基づいて現在のピント状態（前ピン、後ピン、合焦）を知ることができ、フォーカスを合焦させるためのフォーカスの動作方向やフォーカスが合焦したことを即座に判断することができる。
【０００４】
そこで、このような判断により各ピント状態検出用撮像素子から得られた焦点評価値に基づいて撮影レンズのフォーカスが制御され、フォーカスが合焦状態に設定されるようになっている。
【０００５】
また、特許文献５には、光路長差方式のオートフォーカスシステムにおいて、各ピント状態検出用撮像素子から得られた焦点評価値に基づくフォーカスの制御に関して、例えば、各ピント状態検出用撮像素子から得られた焦点評価値の差分を変数とする速度指令値によりフォーカスを速度制御することにより、フォーカスを合焦方向に移動させ合焦位置で停止させるようにしたフォーカス制御の方法が提案されている。
【０００６】
以上のような光路長差方式のオートフォーカスシステムによれば次のような利点がある。従来の一般的なコントラスト方式のオートフォーカスシステムでは、例えばカメラ本体の撮像素子から得られた映像信号を使用して焦点評価値を求め、その焦点評価値がピーク点となるように焦点評価値が増加する方向にフォーカスを動かすようにしているが（いわゆる山登り方式）、この場合、焦点評価値の増加方向を判断するためにフォーカスを前後に動作させるワブリングという動作が必要となる。また、焦点評価値の増加方向にフォーカスを動かした際にピーク点を判別するためにフォーカスをそのピーク点を超えて動かす必要がある。そのためフォーカスの動作が不自然になる場合がある。これに対して、光路長差方式のオートフォーカスシステムでは同時に得られる各ピント状態検出用撮像素子からの焦点評価値により合焦か否かや、合焦でない場合の合焦方向を即座に判断することができるため、上述のような動作は不要でありフォーカスの動作が極めて自然である。
【０００７】
【特許文献１】
特願２００１−１６８２４６
【０００８】
【特許文献２】
特願２００１−１６８２４７
【０００９】
【特許文献３】
特願２００１−１６８２４８
【００１０】
【特許文献４】
特願２００１−１６８２４９
【００１１】
【特許文献5】
特願２００２−２４３３５９
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高域周波数成分を多く含んだ被写体を撮影する場合、焦点評価値特性を表す曲線、即ち、フォーカスの位置と焦点評価値との関係を示すグラフ上の曲線が焦点評価値のピーク点付近で急峻な上り、下りの山型を示す。このため、合焦位置に移動させ、合焦位置で停止させるフォーカスの動作制御が平均的な焦点評価値特性のときにおいて適切であっても、高域周波数成分を多く含んだ被写体に対する焦点評価値特性のときには速すぎとなり、光路長差方式のオートフォーカスシステムにおいても、フォーカスが合焦位置を超えてオーバーシュートを起こしたり、フォーカスが合焦位置で停止することができずにハンチングを起こすなどの問題が生じていた。
【００１３】
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システムにおいて、被写体によって不自然なフォーカス動作とならず、安定したフォーカス動作で確実に合焦させ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。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、撮影レンズに入射した被写体光を被写体画像取得用の光路からピント状態検出用光路に分岐する被写体光分岐手段と、該被写体光分岐手段によって前記ピント状態検出用光路に導かれた被写体光を光路長の異なる位置で撮像する複数の撮像手段と、前記各撮像手段により撮像された画像の鮮鋭度を示す焦点評価値を生成する焦点評価値生成手段と、前記各撮像手段のそれぞれに対応して前記焦点評価値生成手段により生成された焦点評価値に基づいて前記撮影レンズのフォーカスを制御することにより、前記撮影レンズのフォーカスを合焦させるフォーカス制御手段と、を備えたオートフォーカスシステムにおいて、前記ピント状態検出用光路に絞りを配置し、該絞りの開口量を調整することにより、前記ピント状態検出用光路に導かれた被写体光の焦点深度を調整できるようにしたことを特徴としている。
【００１５】
本発明によれば、ピント状態検出用光路に絞りを配置し、ピント状態検出用光路に導かれた被写体光の焦点深度を調整できるようにしたため、焦点評価値のピーク付近での特性を変更することが可能となる。従って、高域周波数成分を多く含む被写体に対しても焦点評価値のピーク付近での特性が急峻とならないように調整することが可能となり、オーバーシュートやハンチング等の不具合なく、自然且つ安定した動作で確実にフォーカスを合焦させることができるようになる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に従って本発明に係るオートフォーカスシステムの好ましい実施の形態について詳説する。
【００１７】
図１は、本発明に係るオートフォーカスシステムが適用されたテレビカメラシステムのブロック図である。同図に示すように、このテレビカメラシステムは、レンズ装置１０とカメラ本体１２等から構成されており、カメラ本体１２には、放映用の映像を撮影し、所定形式の映像信号を出力又は記録媒体に記録するための撮像素子（以下、映像用撮像素子という）や所要の回路等が搭載されている。
【００１８】
レンズ装置１０は、カメラ本体１２に着脱可能に装着され、主に光学系（撮影レンズ）と制御系とから構成されている。まず、撮影レンズの構成について説明すると、撮影レンズには、フォーカスレンズ（群）１６、ズームレンズ（群）１８、絞り２０、前側リレーレンズ２２Ａと後側リレーレンズ２２Ｂとからなるリレーレンズ（リレー光学系）等が配置されている。そして、リレー光学系の前側リレーレンズ２２Ａと後側リレーレンズ２２Ｂとの間には、撮影レンズに入射した被写体光をピント状態検出用光路に分岐するためのハーフミラー２４が配置されている。
【００１９】
ハーフミラー２４は、撮影レンズの光軸Ｏに対して略４５度傾斜して設置されており、前側リレーレンズ２２Ａを通過した被写体光の一部（例えば１／３の光量）がピント状態検出用光路にピント状態検出用の被写体光として直角に反射するようになっている。
【００２０】
ハーフミラー２４を透過した被写体光は、映像用（被写体画像取得用）の被写体光として撮影レンズの後端側から射出されたのち、カメラ本体１２の撮像部１４に入射する。撮像部１４の構成については省略するが、撮像部１４に入射した被写体光は、例えば色分解光学系により、赤色光、緑色光、青色光の３色に分解され、各色ごとの映像用撮像素子の撮像面に入射する。これによって放映用のカラー映像が撮影される。なお、図中のピント面Ｐは、各映像用撮像素子の撮像面に対して光学的に等価な位置を撮影レンズの光軸Ｏ上に示したものである。
【００２１】
一方、ハーフミラー２４で反射された被写体光は、ピント状態検出用（オートフォーカス（ＡＦ）用）の被写体光として光軸Ｏに対して垂直な光軸Ｏ′に沿ってピント状態検出用光路を進行し、リレーレンズ２６に入射する。そして、このリレーレンズ２６で集光され、絞り２７を介してピント状態検出部２８に入射する。尚、絞り２７を絞り２０と区別してＡＦ側絞り２７というものとする。
【００２２】
ピント状態検出部２８は、光分割光学系を構成する２つのプリズム３０Ａ、３０Ｂと、ピント状態検出用の一対の撮像素子３２Ａ、３２Ｂ（以下、ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂという）とで構成されている。
【００２３】
上述したようにハーフミラー２４で反射した被写体光は、光軸Ｏ′に沿って進行し、まず、第１プリズム３０Ａに入射する。そして、第１プリズム３０Ａのハーフミラー面Ｍで反射光と透過光に等分割される。このうち反射光は一方のピント状態検出用撮像素子３２Ａの撮像面に入射し、透過光は他方のピント状態検出用撮像素子３２Ｂに入射する。尚、各ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂのそれぞれの撮像面には、例えば、撮影レンズに入射した全被写体光のうちの１／６の光量が入射する。
【００２４】
図２は、カメラ本体１２の映像用撮像素子に入射する被写体光の光軸と一対のピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂに入射する被写体光の光軸を同一直線上に表示したものである。同図に示すように、一方のピント状態検出用撮像素子３２Ａに入射する被写体光の光路長は、他方のピント状態検出用撮像素子３２Ｂに入射する被写体光の光路長よりも短く設定され、映像用撮像素子の撮像面（ピント面Ｐ）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、一対のピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂ（の撮像面）は、それぞれ映像用撮像素子の撮像面（ピント面Ｐ）に対して前後等距離（ｄ）の位置に配置されている。
【００２５】
従って、ハーフミラー２４で分岐されたピント形態検出用の被写体光は、一対のピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂにより、映像用撮像素子の撮像面（ピント面Ｐ）に対して前後等距離の位置で撮像される。尚、ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂは後述のようにピント状態検出（オートフォーカス制御）のための映像信号を取得するものであり、カラー映像を撮像するものである必要はなく、本実施の形態では白黒画像を撮像するＣＣＤであるものとする。
【００２６】
次に、レンズ装置１０におけるオートフォーカス制御に関連する制御系について説明する。図３は、フォーカス制御に関連する制御系の構成を示したブロック図である。上記フォーカスレンズ１６は、図３に示すようにフォーカスモータ５０に連結されており、フォーカスモータ５０が駆動されると、フォーカスレンズ１６が光軸方向に移動しフォーカスが変更される。フォーカスモータ５０には、フォーカスモータ駆動回路５２から駆動電圧が与えられ、フォーカスモータ駆動回路５２にはＣＰＵ５４からの制御信号が与えられる。
【００２７】
ＣＰＵ５４からの制御信号は、例えば、フォーカスモータ５０の回転速度、即ち、フォーカスレンズ１６の移動速度に対応する電圧値を示しており、その電圧値がフォーカスモータ駆動回路５２に与えられると、フォーカスモータ駆動回路５２によって電圧増幅され、その増幅された電圧が駆動電圧としてフォーカスモータ５０に印加される。これによって、フォーカスモータ５０の回転速度がＣＰＵ５４によって制御される。
【００２８】
また、ＣＰＵ５４には、フォーカスレンズ位置検出器５６からフォーカスレンズ１６の現在位置に対応した値のフォーカス位置信号がＣＰＵ５４に与えられるようになっている。従って、ＣＰＵ５４の処理において、上述のようにフォーカスモータ５０の回転速度を制御することにより、フォーカスレンズ１６の動作速度を所望の速度に制御することができ、また、フォーカスレンズ位置検出器５６からのフォーカス位置信号を取得しながらフォーカスモータ５０の回転速度を制御することにより、フォーカスレンズ１６の設定位置を所望の位置に制御することができるようになっている。
【００２９】
尚、フォーカスの制御は、図示しない所定のスイッチによってマニュアルフォーカス制御に切り替えることも可能であり、マニュアルフォーカス制御の場合には、操作者のマニュアル操作に従ってフォーカスデマンド等からの指令信号がＣＰＵ５４に与えられ、その指令信号に基づいてフォーカスレンズ１６の位置等が上述のように制御される。
【００３０】
一方、上記一対のピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂで撮像された画像（映像）は、１画面を構成する複数の走査線（水平ライン）にそって各画素値を順次伝送する映像信号として出力され、焦点評価値生成部５８に入力される。焦点評価値生成部５８の構成、処理については後述するが、焦点評価値生成部５８において、各ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂにより得られた映像信号から、各ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂにより撮像された各画像のコントラスト（鮮鋭度）の高低を示す焦点評価値が生成され、それらの生成された焦点評価値がＣＰＵ５４に与えられるようになっている。尚、ピント状態検出用撮像素子３２Ａからの映像信号に基づいて生成された焦点評価値を、チャンネルＡ（ｃｈＡ）の焦点評価値といい、ピント状態検出用撮像素子３２Ｂからの映像信号に基づいて生成された焦点評価値を、チャンネルＢ（ｃｈＢ）の焦点評価値という。
【００３１】
ＣＰＵ５４は、詳細を後述するように、焦点評価値生成部５８からｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値を取得し、その取得した焦点評価値に基づいて撮影レンズのピント状態が合焦となるようにフォーカスレンズ１６の位置を制御する。
【００３２】
ここで、焦点評価値生成部５８の構成及び処理について説明する。図４に示すように、各ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂから出力された映像信号は、それぞれ焦点評価値生成部５８のＡ／Ｄ変換器８０Ａ、８０Ｂに入力され、デジタル信号に変換される。尚、ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂは、いずれも白黒画像を撮影するＣＣＤであり、各ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂから出力される映像信号は、それぞれの画面を構成する各画素の輝度値を示す輝度信号である。
【００３３】
Ａ／Ｄ変換器８０Ａ、８０Ｂによってデジタル信号に変換された映像信号はそれぞれハイパスフィルタ（ＨＰＦ）８２Ａ、８２Ｂに入力され、各映像信号に含まれる高域周波数成分の信号が抽出される。そして、ＨＰＦ８２Ａ、８２Ｂによりそれぞれ抽出された高域周波数成分の信号は、ゲート回路８４Ａ、８４Ｂに入力される。
【００３４】
ゲート回路８４Ａ、８４Ｂに入力された高域周波数成分の信号は、画面上の所定のフォーカスエリア内（例えば、画面中央部）の画素に対応する範囲の信号のみを抽出され、それぞれ加算器８６Ａ、８６Ｂに入力される。そして、加算器８６Ａ、８６Ｂにより加算される。これにより、フォーカスエリア内における映像信号の高域周波数成分の値の総和が求められる。加算器８６Ａ、８６Ｂによって得られた値は、フォーカスエリア内における画像の鮮鋭度の高低を示す焦点評価値であり、加算器８６Ａで得られた焦点評価値はチャンネルＡ（ｃｈＡ）の焦点評価値として、加算器８６Ｂで得られた焦点評価値はチャンネルＢ（ｃｈＢ）の焦点評価値としてＣＰＵ５４に与えられる。
【００３５】
尚、同図に示す同期信号発生回路８８からは、各種同期信号が各ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂやゲート回路８４Ａ、８４Ｂ等の各回路に与えられており、各回路の処理の同期が図られている。
【００３６】
続いて、上記焦点評価値に基づくピント状態検出及びフォーカス（フォーカスレンズ１６）の制御について説明すると、上記のように焦点評価値生成部５８から取得されるｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値により映像用撮像素子の撮像面（ピント面Ｐ）に対する撮影レンズの現在のピント状態を検出することができる。
【００３７】
図５は、横軸に撮影レンズのフォーカスレンズ１６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に対する焦点評価値の分布特性を示した図である。図中点線で示す曲線Ｃは、映像用撮像素子（又は映像用撮像素子と共役の位置に配置された撮像素子）からの映像信号により焦点評価値を求めたと仮定した場合にその焦点評価値をフォーカス位置に対して示したものであり、図中実線で示す曲線Ａ、Ｂは、それぞれピント状態検出用撮像素子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たものである。同図において、曲線Ｃの焦点評価値が最大（極大）となる位置Ｆ３が合焦位置である。
【００３８】
撮影レンズのフォーカス位置が同図のＦ１に設定された場合、ｃｈＡの焦点評価値ＶA1は、曲線Ａの位置Ｆ１に対応する値となり、ｃｈＢの焦点評価値ＶB1は、曲線Ｂの位置Ｆ１に対応する値となる。そして、この場合、ｃｈＡの焦点評価値ＶA1の方が、ｃｈＢの焦点評価値ＶB1よりも大きくなり、このことから、フォーカス位置が合焦位置（Ｆ３）よりも至近側に設定された状態、すなわち、前ピンの状態であることが分かる。
【００３９】
一方、撮影レンズのフォーカス位置が同図のＦ２に設定された場合、ｃｈＡの焦点評価値ＶA2は、曲線Ａの位置Ｆ２に対応する値となり、ｃｈＢの焦点評価値ＶB2は、曲線Ｂの位置Ｆ２に対応する値となる。そして、この場合、ｃｈＡの焦点評価値ＶA2の方が、ｃｈＢの焦点評価値ＶB2よりも小さくなり、このことから、フォーカス位置が合焦位置（Ｆ３）よりも無限遠側に設定された状態、すなわち、後ピンの状態であることが分かる。
【００４０】
これに対して、撮影レンズのフォーカス位置がＦ３、すなわち合焦位置に設定された場合、ｃｈＡの焦点評価値ＶA3は、曲線Ａの位置Ｆ３に対応する値となり、ｃｈＢの焦点評価値ＶB3は、曲線Ｂの位置Ｆ３に対応する値となる。このとき、ｃｈＡの焦点評価値ＶA3とｃｈＢの焦点評価値ＶB3は等しくなり、このことから、フォーカス位置が合焦位置（Ｆ３）に設定された状態であることが分かる。
【００４１】
このように、焦点評価値生成部５８から得られるｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値により、撮影レンズの現在のピント状態が前ピン、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。
【００４２】
従って、焦点評価値生成部５８から得られるｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値に基づいてフォーカスレンズ１６の位置を制御することにより、フォーカスレンズ１６を合焦位置に移動させることができる。即ち、ｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値が、前ピンであると判断される状態の場合には、フォーカスレンズ１６を無限遠方向に移動させ、後ピンであると判断される状態の場合には、フォーカスレンズ１６を至近方向に移動させ、合焦であると判断される状態となった場合には、フォーカスレンズ１６をその位置で停止させることによって、フォーカスレンズ１６を合焦位置に移動させることができる。
【００４３】
そこで、ＣＰＵ５４は、ｃｈＡ、ｃｈＢの焦点評価値に基づいてフォーカスレンズ１６を次のように制御する。まず、焦点評価値生成部５８から取得されるｃｈＡの焦点評価値をAFV#A、ｃｈＢの焦点評価値をAFV#Bとすると、AFV#A＞AFV#Bの場合には前ピンの状態であることからＣＰＵ５４は、現在設定されているフォーカスレンズ１６の移動目標位置を無限遠側に後述する移動量分（正の値）だけ変化させ、その新たな移動目標位置にフォーカスレンズ１６を移動させる制御信号を上記フォーカスモータ駆動回路５２に出力する。反対にAFV#A＜AFV#Bの場合には後ピンの状態であることから、現在設定されているフォーカスレンズ１６の移動目標位置を至近側に後述する移動量分（負の値）だけ変化させ、その新たな移動目標位置にフォーカスレンズ１６を移動させる制御信号を上記フォーカスモータ駆動回路５２に出力する。このような処理を繰り返し、AFV#A＝AFV#Bとなった場合にはフォーカスレンズ１６の移動を停止させる。これによってフォーカスレンズ１６が合焦位置に移動する。
【００４４】
ここで、フォーカスレンズ位置検出器５６から取得されるフォーカスレンズ１６の現在位置を示すフォーカス位置信号の値（フォーカス位置データ）をF#POSIとし、上述のように設定されるフォーカスレンズ１６の移動目標位置をAF#CTRLとすると、ＣＰＵ５４は移動目標位置AF#CTRLから現在位置F#POSIを引いた値、即ち、AF#CTRL−F#POSIを制御信号の値F#SPEEDとしてフォーカスモータ駆動回路５２に出力する。フォーカスモータ駆動回路５２に出力される制御信号は、フォーカスモータ駆動回路５２に指令するフォーカスモータ４２の回転速度（フォーカスレンズ１６の移動速度）に対応した値であり、上述のように設定した制御信号の値F#SPEEDをフォーカスモータ駆動回路５２に出力することで、移動目標位置AF#CTRLと現在位置F#POSIとの差（AF#CTRL−F#POSI）に対応した速度でフォーカスレンズ１６が移動することになる。
【００４５】
続いて、フォーカスレンズ１６の新たな移動目標位置を設定する際に現在の移動目標位置に加算する移動量について説明する。上述のようにフォーカスレンズ１６の現在位置F#POSIと移動目標位置AF#CTRLとの差は、フォーカスレンズ１６の移動速度に対応しており、新たな移動目標位置AF#CTRLを設定する際に現在の移動目標位置に加算する上記移動量が大きいほど、フォーカスレンズ１６の移動速度が速くなり、上記移動量が小さい程、フォーカスレンズ１６の移動速度が小さくなる。
【００４６】
一方、フォーカスレンズ１６を合焦位置に移動させる場合に、フォーカスレンズ１６を合焦位置に安定した動作で確実に停止させるためには、フォーカスレンズ１６が合焦位置に近づいていく程、上記移動量を小さくしてフォーカスレンズ１６の移動速度を遅くし、合焦位置に到達した場合に移動量を０としてフォーカスレンズ１６の移動速度を０にする必要がある。
【００４７】
そこで、ＣＰＵ５４は、上記ｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値の差ΔAFV（＝AFV#A−AFV#B）を求め、その差ΔAFV（＝AFV#A−AFV#B）に所定のＡＦゲインAFGをかけた値ΔAFV＊AFGを上記移動量として設定する。これにより、フォーカスレンズ１６が合焦位置に到達した場合、即ち、焦点評価値の差ΔAFVが０（AFV#A＝AFV#B）となった場合には、上記移動量ΔAFV＊AFGが０となり、フォーカスレンズ１６がその合焦位置で停止する。また、図５から分かるようにフォーカスレンズ１６が合焦位置付近から合焦位置に近づいていく際に、焦点評価値の差ΔAFVが減少して移動量ΔAFV＊AFGが徐々に０に近づいていき、フォーカスレンズ１６の移動速度も徐々に減速する。
【００４８】
尚、上述のようにｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値の差ΔAFVに所定のＡＦゲインAFGをかけた値ΔAFV＊AFGを上記移動量とするのではなく、次のように上記移動量を設定することもできる。即ち、ＣＰＵ５４は、まず、ｃｈＡの焦点評価値AFV#AとｃｈＢの焦点評価値AFV#Bの比ΔAFV＝AFV#A／AFV#Bを求める。そして、AFV#A＞AFV#B（ΔAFV＞１）の場合、即ち、前ピンの状態（図５参照）の場合には、移動量を（ΔAFV−１）＊AFGとする。尚、AFGは、所定のＡＦゲインの値を示す。一方、AFV#A≦AFV#B（ΔAFV≦１）の場合、即ち、後ピンの状態（又は合焦の状態）の場合には、移動量を−（１／ΔAFV−１）＊AFGとする。
【００４９】
これにより、フォーカスレンズ１６が合焦位置に到達した場合には、ΔAFV＝１であるから移動量が０となり、フォーカスレンズ１６がその合焦位置で停止する。また、フォーカスレンズ１６が合焦位置付近から合焦位置に近づいていく際に、（ΔAFV−１）又は（１／ΔAFV−１）が減少して移動量が徐々に０に近づいていき、フォーカスレンズ１６の移動速度も徐々に減速する。
【００５０】
尚、フォーカスを合焦位置に設定するための制御は上述した方法に限らず、他の方法を用いることもできる。
【００５１】
次に、レンズ装置１０における絞り制御及びピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂの電子シャッター制御に関連する制御系について説明する。図１に示したようにレンズ装置１０の撮影レンズには、光軸Ｏ上の絞り２０と光軸Ｏ′上（ピント状態検出用光路）のＡＦ側絞り２７とが配置されている。絞り２０は、一般の撮影レンズにおける絞りと同じ目的であり、主にカメラ本体１２の映像用撮像素子に入射する被写体光の光量を適正光量に調整することを目的とする。
【００５２】
一方、ＡＦ側絞り２７は、主にピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂに入射する被写体光（以下、ＡＦ用被写体光という）の焦点深度を適正にすることを目的とする。例えば、高域周波数成分を多く含む被写体を撮影する場合、各ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂから得られる焦点評価値の分布形状は、図６のＳＡ、ＳＢのようにピーク点付近で急峻な傾斜を持つ山型の曲線となる。この状況において上述のようにｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値の差分に基づいてフォーカスの動作速度を制御すると、合焦点Ｆ３の近傍でもフォーカスの動作速度が速いために、合焦点Ｆ３でフォーカスを停止させることが困難となる。このため、オーバーシュートやハンチングなどの不安定なフォーカス動作を招くおそれがある。
【００５３】
しかしながら、焦点評価値特性は、ＡＦ用被写体光の焦点深度によって変化し、焦点深度を深くすることによってピーク点付近の焦点評価値特性を緩やかにすることができる。そのため、ＡＦ側絞り２７をピント状態検出用光路に配置し、ＡＦ側絞り２７によってＡＦ用被写体光の焦点深度を適正にすることで、高域周波数成分を多く含む被写体に対しても図６の点線で示すＳＡ′、ＳＢ′のようにピーク点付近の焦点評価値特性を緩やかし、上述の不具合が生じないようにしている。
【００５４】
図７に示すように絞り２０及びＡＦ側絞り２７は、それぞれアイリスモータ１００、１１０に連結されており、アイリスモータ１００、１１０がアイリス駆動回路１０２、１１２によって駆動されると、それに従って絞り２０、ＡＦ側絞り２７のそれぞれの開口量（絞り値）が変化するようになっている。ＣＰＵ５４は、各アイリス位置検出器１０４、１１４から絞り２０、ＡＦ側絞り２７の現在の絞り値に応じた値を示すアイリス位置信号を取得しながら、それらの信号値が目標のアイリス位置を示す値となるようにアイリス駆動回路１０２、１１２に制御信号を出力し、アイリスモータ１００、１１０を駆動する。これによって、絞り２０、ＡＦ側絞り２７の絞り値が変化し、それぞれＣＰＵ５４が意図した目標の絞り値に設定される。
【００５５】
絞り２０の適正な絞り値は、例えば、カメラ本体１２の映像用撮像素子により得られた映像信号に基づいてその映像信号の輝度レベルが適切となるようにカメラ本体１２の処理回路によって決定される。そして、その絞り値を示す制御信号がカメラ本体１２からＣＰＵ５４に与えられ、上述の制御により絞り２０がその絞り値に設定される。
【００５６】
これに対して、ＡＦ側絞り２７の適正な絞り値は、上述のようにＡＦ用被写体光の焦点深度（ピーク付近での焦点評価値特性）が適正となるように決定される。但し、その焦点深度は、ＡＦ側絞り２７の絞り値のみでなく絞り２０の絞り値によっても変化するため、ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂに至るまでの光学系全体として絞り２０とＡＦ絞り２７の両方を考慮した絞り値が適正な焦点深度を実現するものとなるように、絞り２０の絞り値を考慮してＡＦ側絞り２７の絞り値が設定される。
【００５７】
ここで、本実施の形態では、ＡＦ用被写体光の焦点深度を調整する目的で絞り２０の絞り値を変更しないものとする。このため、ＡＦ側絞り２７の絞り値によりＡＦ用被写体光の焦点深度を適正に調整できるのは、絞り２０のみによる焦点深度が適正な焦点深度よりも浅い場合である。この場合に、ＡＦ側絞り２７の絞り値を調整して焦点深度を適正にしたとすると、その焦点深度はＡＦ側絞り２７の絞り値によるところが大きく、絞り２０の絞り値にはほとんど影響されないものとすることができる。また、絞り２０の絞り値に影響されるとしても適正とみなせる焦点深度の値にある程度の幅がある。従って、絞り２０の絞り値に応じてＡＦ側絞り２７の絞り値を変更することなく、ＡＦ側絞り２７の絞り値を所定の値に設定することによって焦点深度を適正にすることができる。
【００５８】
従って、後述する図８のフローチャートの絞り制御では、原則としてＡＦ側絞り２７は、焦点深度を適正にするとして事前に決められた絞り値（例えば、Ｆナンバー１１）に設定される。
【００５９】
尚、絞り２０のみによる焦点深度が適正な焦点深度よりも深い場合には、ＡＦ側絞り２７の調整によって焦点深度を適正にすることはできない。この場合に、ＡＦ側絞り２７が前述のように焦点深度を適正にする絞り値に設定されていれば、焦点深度はＡＦ側絞り２７の絞り値にほとんど影響されないため、ＡＦ側絞り２７によって焦点深度を更に深くしてしまう不具合は生じない。
【００６０】
一方、適正な焦点深度となるようにＡＦ側絞り２７の絞り値を設定した場合、ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂにより得られる画像（映像信号）の輝度レベルが適正でなく焦点評価値のレベルが適正でなくなるおそれがある。そのため、輝度レベルの調整を主としてピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂに対する電子シャッター機能により行う。電子シャッター機能は、周知のように各ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂの受光部における電荷蓄積時間（電子シャッター時間）を可変する露出制御機能であり、電子シャッター時間、即ち、電子シャッター速度は、ＣＰＵ５４からの指令信号に基づいて図７に示したＣＣＤ駆動回路１２０Ａ、１２０Ｂによって制御されるようになっている。また、各ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂから得られる映像信号の輝度レベルは、例えばピント状態検出用撮像素子３２Ａにより映像信号を取得した輝度レベル検出回路１２２により検出され、ＣＰＵ５４に与えられる。尚、輝度レベルは、例えば、フォーカスエリア内の各画素に対応する映像信号の信号値を積算したものを評価値とすることができる。
【００６１】
ＣＰＵ５４は、上述のように検出される輝度レベルが適正な値（基準レベル）となるように各ＣＣＤ駆動回路１２０Ａ、１２０Ｂに指令信号を出力して電子シャッター速度を変更する。但し、被写体が暗すぎて電子シャッター速度を最も遅く（電子シャッター時間を最も長く）しても輝度レベルが基準レベルに達しない場合には、ＡＦ側絞り２７の絞り値を変更し（開口量を大きくする）、輝度レベルが適正な値となるように制御する。
【００６２】
次に、ＣＰＵ５４におけるＡＦ側絞り２７の制御及び電子シャッターの制御に関する具体的な処理手順について図８のフローチャートを用いて説明する。まず、ＣＰＵ５４は所要の初期設定を行った後（ステップＳ１０）、ＡＦ側絞り２７を絞り値（Ｆナンバー）Ｆ１１まで絞る（ステップＳ１２）。尚、絞り値Ｆ１１は、ＡＦ用被写体光の焦点深度を適正にする絞り値として事前に決められた値である。次にＣＰＵ５４は、輝度レベル検出回路１２２から各ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂにより撮像された画像（映像信号）の輝度レベルＡを読み込む（ステップＳ１４）。そして、その輝度レベルＡが基準レベルより大きいか否かを判定する（ステップＳ１６）。ＹＥＳと判定した場合、続いて、ＡＦ側絞り２７が絞り値Ｆ１１より開いているか（絞り値がＦ１１より小さいか）否かを判定する（ステップＳ１８）。尚、ＡＦ側絞り２７は、後述するステップＳ３２により絞り値Ｆ１１より開いている場合がある。ここで、ＹＥＳと判定した場合には、ＡＦ側絞り２７を所定量閉じる（ステップＳ２０）。尚、この処理でＡＦ側絞り２７の絞り値がＦ１１より閉じられることはない。
【００６３】
一方、ステップＳ１８においてＮＯと判定した場合には、ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂの電子シャッター速度が最高速度（電子シャッター時間が最短）か否かを判定する（ステップＳ２２）。ＮＯと判定した場合には、電子シャッター速度を一定値分速くする（電子シャッターを一定量分閉じる）（ステップＳ２４）。ステップＳ１８においてＹＥＳと判定した場合には、なにも実行しない。尚、ステップＳ１８においてＹＥＳと判定されるほどＡＦ用被写体光が明るいという場合はほとんどあり得ないため特別な処置を講じなくても特に問題はない。
【００６４】
以上のステップＳ２０又はステップＳ２４の処理が終了すると、又は、ステップＳ１８においてＹＥＳと判定すると、続いて、ＣＰＵ５４は、撮影レンズのフォーカスを合焦させるためのＡＦ処理により、上述のように各ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂから得られるｃｈＡ、ｃｈＢの焦点評価値に基づいて撮影レンズのフォーカスを制御する（ステップＳ２６）。そして、ステップＳ１４からの処理を繰り返す。
【００６５】
一方、ステップＳ１６においてＮＯと判定した場合、続いて、電子シャッター速度は最低速度（開放）か否かを判定する（ステップＳ２８）。尚、輝度レベルＡが基準レベルに一致している場合には、ＡＦ側絞り２７及び電子シャッターの制御を行うことなく、ＡＦ処理（ステップＳ２６）を実行するようにしてもよい。また、基準レベルの値に幅を持たせ、その範囲内に輝度レベルＡが入る場合には、ＡＦ側絞り２７及び電子シャッターの制御を行うことなく、ＡＦ処理（ステップＳ２６）を実行するようにしてもよい。ステップＳ２８においてＮＯと判定した場合、電子シャッター速度を一定値分遅くする（電子シャッターを一定量分開く）（ステップＳ３０）。即ち、輝度レベルが基準レベルより低い場合には、できるだけ電子シャッター速度の調整で輝度レベルを上げる。
【００６６】
ステップＳ２８においてＹＥＳと判定した場合には、続いて、ＡＦ側絞り２７が開放か否かを判定する（ステップＳ３０）。ここで、ＮＯと判定した場合には、ＡＦ側絞り２７を一定量開く（ステップＳ３２）。一方、ＹＥＳと判定した場合には、なにも行わない。
【００６７】
以上のステップＳ３０又はステップＳ３４の処理が終了すると、又は、ステップＳ３０においてＹＥＳと判定すると、上述したステップＳ２６のＡＦ処理を実行する。そして、ステップＳ１４からの処理を繰り返す。
【００６８】
尚、図８のフローチャートに示した処理は、絞り２０の絞り値にかかわらず、ＡＦ側絞り２７の絞り値が所定値（Ｆ１１）の場合にＡＦ用被写体光の焦点深度が適正であるとしてステップＳ１２やステップＳ１８の処理を行っていたが、絞り２０の絞り値とＡＦ側絞り２７の絞り値の両方を考慮した光学系全体の絞り値が所定値（例えばＦ１１）のときに焦点深度が適正であるとしてステップＳ１２やステップＳ１８の処理を行うようにしてもよい。
【００６９】
次に、ＣＰＵ５４におけるＡＦ側絞り２７の制御及び電子シャッターの制御に関する具体的な処理手順について他の実施の形態を説明する。図８に示した処理では、焦点深度（焦点評価値特性）を適正にする絞り値が事前に決められている場合について説明したが、焦点評価値特性が適正かどうかを実際に取得した焦点評価値に基づいて判断しながらＡＦ側絞り２７を制御して焦点深度を変更し、焦点評価値特性を適正にすることもできる。
【００７０】
図９は、この場合のＣＰＵ５４における処理手順を示したフローチャートである。まず、ＣＰＵ５４は所要の初期設定を行った後（ステップＳ４０）、焦点評価値生成部５８から得られる２個分のｃｈＡ又はｃｈＢの焦点評価値から焦点評価値の変化量を算出する（ステップＳ４２）。尚、ｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値の変化量を両方求めて、そのうち大きい方を採用してもよい。続いてＣＰＵ５４は、輝度レベル検出回路１２２から各ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂにより撮像された画像（映像信号）の輝度レベルＡを読み込む（ステップＳ４４）。
【００７１】
次に、ＣＰＵ５４は、ステップＳ４２で算出した焦点評価値の変化量が規定値以上か否かを判定する（ステップＳ４６）。ＹＥＳと判定した場合にはＡＦ側絞り２７を所定量閉じ、焦点深度を深くする（ステップＳ４８）。一方、ＮＯと判定した場合には、ＡＦ側絞り２７を所定量開き、焦点深度を浅くする（ステップＳ５０）。
【００７２】
ステップＳ４８又はステップＳ５０の処理が終了すると、次にＣＰＵ５４は、ステップＳ４４で得た輝度レベルＡが基準レベルより大きいか否かを判定する（ステップＳ５２）。ＹＥＳと判定した場合には、ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂの電子シャッター速度が最高速度（電子シャッター時間が最短）か否かを判定する（ステップＳ５４）。ＮＯと判定した場合には、電子シャッター速度を一定値分速くする（電子シャッターを一定量分閉じる）（ステップＳ５６）。ステップＳ５４においてＹＥＳと判定した場合には、なにも行わない。そして、ＣＰＵ５４は、撮影レンズのフォーカスを合焦させるためのＡＦ処理により、上述のように各ピント状態検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂから得られるｃｈＡ、ｃｈＢの焦点評価値に基づいて撮影レンズのフォーカスを制御する（ステップＳ５８）。続いて、ステップＳ４２からの処理を繰り返す。
【００７３】
一方、ステップＳ５２においてＮＯと判定した場合、電子シャッター速度は最低速度（開放）か否かを判定する（ステップＳ６０）。ＮＯと判定した場合には、電子シャッター速度を一定値分遅くする（電子シャッターを一定量分開く）（ステップＳ６２）。ＹＥＳと判定した場合には、なにも行わない。そして、ＣＰＵ５４は、上述したステップＳ５８のＡＦ処理を実行する。続いて、ステップＳ４２からの処理を繰り返す。
【００７４】
以上、上記実施の形態では、２つのピント検出用撮像素子３２Ａ、３２Ｂから２つの焦点評価値を取得してＡＦ制御を行う場合について説明したが、これに限らず、光路長が異なる位置に配置された３つ以上の撮像素子から得られる３つ以上の焦点評価値に基づいてＡＦ制御を行う場合でも本発明を適用することができる。
【００７５】
また、上記実施の形態では、本発明をテレビカメラシステムに適用した場合を例に説明したが、本発明はこれに限らず、ビデオカメラや静止画を撮影するスチルカメラにも適用することができる。
【００７６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るオートフォーカスシステムによれば、ピント状態検出用光路に絞りを配置し、ピント状態検出用光路に導かれた被写体光の焦点深度を調整できるようにしたため、焦点評価値のピーク付近での特性を変更することが可能となる。従って、高域周波数成分を多く含む被写体に対しても焦点評価値のピーク付近での特性が急峻とならないように調整することが可能となり、オーバーシュートやハンチング等の不具合なく、自然且つ安定した動作で確実にフォーカスを合焦させることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係るオートフォーカスシステムが適用されたテレビカメラシステムのブロック図である。
【図２】図２は、映像用撮像素子に入射する被写体光の光軸と一対のピント状態検出用撮像素子に入射する被写体光の光軸を同一直線上に表示した図である。
【図３】図３は、フォーカス制御に関連するレンズ装置の制御系の構成を示したブロック図である。
【図４】図４は、焦点評価値生成部の構成を示したブロック図である。
【図５】図５は、横軸に撮影レンズのフォーカス位置、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に対する焦点評価値の様子を示した図である。
【図６】図６は、コントラストが極めて高い場合の焦点評価値特性を示した図である。
【図７】図７は、絞り制御及び電子シャッター制御に関連するレンズ装置の制御系の構成を示したブロック図である。コントラストが極めて高い場合の焦点評価値特性を示した図である。
【図８】図８は、ＡＦ側絞りの制御及び電子シャッターの制御に関する処理手順を示したフローチャートである。
【図９】図９は、ＡＦ側絞りの制御及び電子シャッターの制御に関する他の実施の形態の処理手順を示したフローチャートである。
【符号の説明】
１０…レンズ装置、１２…カメラ本体、１４…撮像部、１６…フォーカスレンズ（群）、１８…ズームレンズ（群）、２０…絞り、２２Ａ…前側リレーレンズ、２２Ｂ…後側リレーレンズ、２４…ハーフミラー、２６…リレーレンズ、２７…ＡＦ側絞り、２８…ピント状態検出部、３０Ａ…第１プリズム、３０Ｂ…第２プリズム、３２Ａ、３２Ｂ…ピント状態検出用撮像素子、５０…フォーカスモータ、５２…フォーカスモータ駆動回路、５４…ＣＰＵ、５６…フォーカスレンズ位置検出器、５８…焦点評価値生成部、８０Ａ、８０Ｂ…Ａ／Ｄ変換器、８２Ａ、８２Ｂ…ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）、８４Ａ、８４Ｂ…ゲート回路、８６Ａ、８６Ｂ…加算器、１００、１１０…アイリスモータ、１０２、１１２…アイリス駆動回路、１０４、１１４…アイリス位置検出器、１２０Ａ、１２０Ｂ…ＣＣＤ駆動回路、１２２…輝度レベル検出回路
Claims (1)
- 撮影レンズに入射した被写体光を被写体画像取得用の光路からピント状態検出用光路に分岐する被写体光分岐手段と、該被写体光分岐手段によって前記ピント状態検出用光路に導かれた被写体光を光路長の異なる位置で撮像する複数の撮像手段と、前記各撮像手段により撮像された画像の鮮鋭度を示す焦点評価値を生成する焦点評価値生成手段と、前記各撮像手段のそれぞれに対応して前記焦点評価値生成手段により生成された焦点評価値に基づいて前記撮影レンズのフォーカスを制御することにより、前記撮影レンズのフォーカスを合焦させるフォーカス制御手段と、を備えたオートフォーカスシステムにおいて、
前記ピント状態検出用光路に絞りを配置し、該絞りの開口量を調整することにより、前記ピント状態検出用光路に導かれた被写体光の焦点深度を調整できるようにしたことを特徴とするオートフォーカスシステム。
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2002
- 2002-12-27 JP JP2002379164A patent/JP2004212458A/ja active Pending
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