JP2005049577A - 焦点調節システム、撮像装置、およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ブレ量が発生しているにも拘らず焦点調節ができない場合、その間の被写体距離変化に対する追従が不可能になってしまう。
【解決手段】 再起動判定、微小駆動、山登り駆動、微小駆動、再起動判定を繰り返しながらフォーカスレンズを移動させＡＦ評価値を所定値に到達するように制御する。
【選択図】 図５

Description

本発明は焦点調節システム、撮像装置、およびその制御方法に関し、特に手ブレ等により撮像した被写体のブレが多い場合に好適である。

従来、ビデオカメラのオートフォーカス装置は、撮像素子等により、被写体像を光電変換して得られた映像信号中より画面の鮮鋭度を検出しＡＦ評価値として、それが最大となるようにフォーカスレンズ位置を制御して、焦点調節を行うようにした方式が主流である。

ＡＦ評価値としては、一般にある帯域のバンドパスフィルタ−により抽出された映像信号の高周波成分のレベルを用いている。これは、通常の被写体像を撮影した場合、図２のように焦点が合ってくるにしたがって値は大きくなり、そのレベルが最大になる点を合焦位置となる。

また、ビデオカメラには手ブレ補正装置も組み込まれ、振動ジャイロ等の角速度センサーあるいは画像検出による動きベクトル検出により画面のブレ量を検出し、光学、あるいは電気的にブレを補正している。

このように、ブレ検出が可能なビデオカメラにおいてはブレ情報をＡＦの制御に応用することが行われており、ブレ量が大きい間はＡＦを行わないような提案がなされている（例えば特開平１０−３２２５８３）。
特開平１０−３２２５８３（第６頁、図２）

しかしながら、上記従来例では次のような欠点があった。すなわち、ブレ量が発生しているにも拘らず焦点調節ができない場合、その間の被写体距離変化に対する追従が不可能になってしまう。

本発明は、前述した問題点を解決するためになされたもので、その特徴とするところは、前記被写体象の焦点を被写体からの光を撮像する撮像手段に合わせる光学ユニットと、前記撮像手段から得られる信号の高周波成分を第１の信号として取り出す検出手段と、前記光学ユニットの移動量を算出する演算手段と、前記演算手段により算出された移動量で前記第１の信号が所定値に到達するように前記光学ユニットを移動させる移動手段と、前記撮像手段による被写体象のブレ量を検出する手段とを備え、当該検出されたブレ量に応じて前記演算手段で算出する移動量を変更することを特徴とする焦点調節システムにある。

上記のような焦点調節システムにおいては、手ブレ等により画面のブレ量が多い撮影条件では、ブレにより自動焦点評価値（ＡＦ評価値）の変化が増えた分（ノイズが増えたことに相当）、フォーカスの移動量を増やし、フォーカスの移動によるＡＦ評価値の変化を増やしてＡＦ評価値のＳ／Ｎを高め方向判別精度を高めることができる。

以上説明したように、画面のブレ量が多い撮影条件では、ブレによりＡＦ評価値の変化が増えた（ノイズが増えた）分、フォーカスの移動量を増やし、フォーカスの移動によるＡＦ評価値の変化を増やしてＡＦ評価値のＳ／Ｎを高め方向判別精度を高めることができる。

本発明の特徴をよく表す実施例のビデオカメラの構成を図１に示し詳しく説明する。１０１は固定の第１群レンズ、１０２は変倍を行う変倍レンズ、１０３は絞り、１０４は固定の第２群レンズ、１０５は変倍に伴う焦点面の移動を補正する機能とピント合わせの機能を兼ね備えたフォーカスコンペレンズ（以下フォーカスレンズ）である。又、１０６は撮像素子であるＣＣＤ、１０７はＣＣＤ１０６の出力をサンプリングしゲイン調整するＣＤＳ／ＡＧＣである。１０８はカメラ信号処理回路で、後述の記録装置１０９に対応した信号にＣＤＳ／ＡＧＣ１０７からの出力信号を処理する。１０９は記録装置で磁気テープが使われている。

１１０はフォーカスレンズ１０５を移動させるためのアクチュエータであるモータ、１１１はモータ１１０を後述のカメラＡＦ（ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｆｏｃｕｓ：自動焦点）マイコン１１４からの信号により駆動するドライバである。１１２はカメラＡＦマイコン１１４からの設定によりＣＣＤ１０６を駆動するパルスを生成するタイミングジェネレータ（以下ＴＧ）である。１１３はＣＤＳ／ＡＧＣ１０７の出力信号中より焦点検出に用いられる高周波成分を抽出するＡＦ評価値処理回路、１１４はＡＦ評価値処理回路１１３の出力信号にもとづいて、ドライバ１１１を制御しフォーカスレンズ１０５を駆動するとともに、記録装置１０９へ画像記録命令を出力するカメラＡＦマイコンである。１１８はモニタ装置でカメラ信号処理１０８の出力信号が表示され撮影者が画像をモニタするために用いられる。

１１５は振動ジャイロ等の角速度センサーでそのセンサー出力からカメラＡＦマイコンは画像のブレ量を検出している。本実施例でのブレ検出方法として振動ジャイロ等の角速度センサーを用いているが、センサーを用いない画像検出による動きベクトル検出でも構わない。

次にカメラＡＦマイコン１１４で行われるＡＦ制御について図３〜図７を用いて詳しく説明する。図３でＡＦ動作を説明する。
ステップＳ３０１は処理の開始を示している。
ステップＳ３０２で微小駆動動作を行い。合焦か、合焦でないならどちらの方向に合焦点があるかを判別する。細かい動作の説明は図４に譲る。
ステップＳ３０３においては、ステップＳ３０２で合焦判定できたかどうか判別し、合焦判別できた場合はステップＳ３０９へ進み合焦・再起動判定処理を行い、合焦判定できていない場合はステップＳ３０４へ進む。
ステップＳ３０４においては、ステップＳ３０２で方向判別ができたかどうか判別し、方向判別できた場合はステップＳ３０５へ行き山登り駆動動作を行い、方向判別ができていない場合はステップＳ３０２へ戻り微小駆動動作を継続する。
ステップＳ３０５では、ＡＦ評価値が大きくなる方向へ所定の速度でフォーカスレンズを山登り駆動する。細かい動作の説明は図６に譲る。
ステップＳ３０６においては、ステップＳ３０５の山登り駆動でＡＦ評価値がピークを越えたかどうか判別し、ピークを越えたと判別された場合はステップＳ３０７へ進み、ピークを越えていない場合はステップＳ３０５へ戻り山登り駆動動作を継続する。
ステップＳ３０７では、山登り駆動動作中のＡＦ評価値がピークのフォーカスレンズ位置にフォーカスレンズを戻す。
ステップＳ３０８においては、ＡＦ評価値がピークのフォーカスレンズ位置に戻ったかどうか判別し、ピークに戻っている場合はステップＳ３０２へ戻り再び微小駆動動作をおこない、ピークに戻っていない場合はステップＳ３０７へ戻りピークに戻す動作を継続する。

次に、ステップＳ３０９からの合焦・再起動判定処理について説明する。
ステップＳ３０９では合焦点におけるＡＦ評価値を保持する。
ステップＳ３１０では最新のＡＦ評価値を取り込む。
ステップＳ３１１では、ステップＳ３０９で保持したＡＦ評価値と最新のＡＦ評価値とを比較しＡＦ評価値の変動が大きいか判定する。ＡＦ評価値が大きく変動していればステップＳ３０２へ進み微小駆動動作を再開し、ＡＦ評価値が変動していなければステップＳ３１２へ行く。
ステップＳ３１２では、フォーカスレンズを停止しステップＳ３１０へ戻り合焦・再起動判定処理を継続する。

次に、微小駆動動作について図４で説明する。
ステップＳ４０１は、処理の開始を示している。
ステップＳ４０２では、現在のＭｏｄｅが０か判別し、０であればステップＳ４０３へ進み後述の至近側のレンズ位置における処理、そうでなければ４０５へ進む。

（至近側のレンズ位置における処理）
ステップＳ４０３ではＡＦ評価値処理回路からＡＦ評価値を取り込む。このＡＦ評価値は後述のＭｏｄｅ＝２で無限側にフォーカスレンズがいる時にＣＣＤに蓄積された電荷から作られた映像信号によるものになる。

ステップＳ４０４ではステップＳ４０３で取り込んだＡＦ評価値を無限側ＡＦ評価値として保存する。

ステップＳ４０５においては、所定回数連続して合焦方向と判断される方向が同一であればステップＳ４０７へ進み、所定回数連続して合焦方向と判断される方向が同一でなければステップＳ４０６へ進む。

ステップＳ４０６においては、所定回数フォーカスレンズが同一エリアで往復を繰り返していればステップＳ４０８へ進み、所定回数フォーカスレンズが同一エリアで往復を繰り返していなければステップＳ４０９へ進みＭｏｄｅを加算（４以上になった場合は０に戻す）してステップＳ４０２へ戻る。

ステップＳ４０７では方向判別できたとして、ステップＳ４１０へ進み処理を終了し山登り駆動へ移行する。ステップＳ４０８では合焦判定できたとして、ステップＳ４１０へ進み処理を終了し再起動判定へ移行する。

ステップＳ４１１では、現在のＭｏｄｅが１か判別し、１であればステップＳ４１２へ進み後述のレンズを無限に駆動する処理を行い、そうでなければ４１７へ進む。

（レンズを無限に駆動する処理）
ステップＳ４１２では、振動振幅、中心移動振幅が演算される。ここでは詳しく述べないが焦点深度を基準に、深度が浅い時は振幅を小さく、深度が深いときは振幅を大きくするのが一般的である。

ステップＳ４１３では、前述のＭｏｄｅ＝０における無限側ＡＦ評価値と後述のＭｏｄｅ＝３における至近側ＡＦ評価値を比較し、無限側ＡＦ評価値が至近側ＡＦ評価値よりも大きければステップＳ４１４へ進み、無限側ＡＦ評価値が至近側ＡＦ評価値よりも小さければステップＳ４１５へ進む。

ステップＳ４１４では、駆動振幅を、
駆動振幅＝振動振幅＋中心移動振幅
とする。

ステップＳ４１５では、駆動振幅を、
駆動振幅＝振動振幅
とする。

ステップＳ４１６では無限方向へステップＳ４１４あるいはステップＳ４１５で決められた振幅で駆動する。

ステップＳ４０５以降は前述の通りである。

ステップＳ４１７では、現在のＭｏｄｅが２か判別し、２であればステップＳ４１８へ進み後述の無限のレンズ位置における処理、そうでなければ４２０へ進む。

（無限側のレンズ位置における処理）
ステップＳ４１８ではＡＦ評価値処理回路からＡＦ評価値を取り込む。このＡＦ評価値は前述のＭｏｄｅ＝０で至近側にフォーカスレンズがいる時にＣＣＤに蓄積された電荷から作られた映像信号によるものになる。
ステップＳ４１９ではステップＳ４１８で取り込んだＡＦ評価値を至近側ＡＦ評価値として保存する。
ステップＳ４０５以降は前述の通りである。

（レンズを至近に駆動する処理）
ステップＳ４２０では、振動振幅、中心移動振幅が演算される。ここでは詳しく述べないが被写体深度を基準に、深度が浅い時は振幅を小さく、深度が深いときは振幅を大きくするのが一般的である。

ステップＳ４２１では、前述のＭｏｄｅ＝０における無限側ＡＦ評価値と前述のＭｏｄｅ＝３における至近側ＡＦ評価値を比較し、至近側ＡＦ評価値が無限側ＡＦ評価値よりも大きければステップＳ４２２へ進み、至近側ＡＦ評価値が無限側ＡＦ評価値よりも小さければステップＳ４２３へ進む。

ステップＳ４２２では、駆動振幅を、
駆動振幅＝振動振幅＋中心移動振幅
とする。

ステップＳ４２３では、駆動振幅を、
駆動振幅＝振動振幅
とする。

ステップＳ４２４では無限方向へステップＳ４２２あるいはステップＳ４２３で決められた振幅で駆動する。

ステップＳ４０５以降は前述の通りである。

上記フォーカスレンズ動作の時間経過を示したのが図５である。ここで横軸は時間、縦軸はフォーカスレンズ位置であり、上部にある下に凸の周期は映像信号の垂直同期信号を表している。ここでＡの間にＣＣＤに蓄積された電荷（斜線楕円）に対するＡＦ評価値ＥＶ_Ａが時刻Ｔ_Ａで取り込まれ、Ｂの間にＣＣＤに蓄積された電荷（斜線楕円）に対するＡＦ評価値ＥＶ_Ｂが時刻Ｔ_Ｂで取り込まれる、時刻Ｔ_Ｃでは、ＡＦ評価値ＥＶ_Ａ、ＥＶ_Ｂを比較し、ＥＶ_Ｂ＞ＥＶ_Ａであれば振動中心を移動し、一方ＥＶ_Ａ＞ＥＶ_Ｂであれば振動中心を移動しない。

次に、本発明の特徴を図８、図９で説明する。図８は前記図４のステップＳ４１２内の詳細な処理を表している。
ステップＳ８０１は処理の開始を示している。
ステップＳ８０２、ステップＳ８０３はそれぞれ振動振幅、中心移動振幅を演算している。振動振幅は方向が判別できるＡＦ評価値の変化量が得られる移動量とすればよく、中心移動振幅は被写体距離変化に対して遅れなく追従できる移動量となるように、どちらも焦点深度に応じて設定するようにしている。
ステップＳ８０４で画面のブレ量を判別し、ブレ量が所定レベルより小さければステップＳ８０６へ進み、所定レベル以上であればステップＳ８０５へ進む。
ステップＳ８０５ではブレ量が大きく、ＡＦ評価値への影響が大きいと考えられるので、前記ステップＳ８０２で決定した振動振幅を大きくしフォーカスレンズ位置の差によるＡＦ評価値の変化が大きくなるようにする。
ステップＳ８０６でこの処理を終わる。

本発明の動作の様子を図９に示す。図９（ａ）は通常の状態を、（ｂ）は手ブレが大きいときの状態を示している。横軸は時間で、縦軸はレンズ位置である。両矢印は振動振幅を示しており、□を基点とする矢印は振動の中心の移動量を示している。ブレ量が大きくなった場合は、振動振幅（両端矢印）をだけを大きくする。これにより中心の移動量は変わらないので時間的にならせばブレが無いときとレンズの平均的位置（点線）の変化は変わらずに、より長い距離差のある２つのＡＦ評価値を得ることができる。これに対して、中心の移動量が大きくなるとレンズの平均的位置（点線）の変化が大きくなるので、レンズが焦点深度から外れる可能性が増えフワつきが目立つようになり望ましくない。

次に、山登り駆動動作について図６を用いて説明する。
ステップＳ６０１は処理の開始を示している。
ステップＳ６０２ではＡＦ評価値処理回路からＡＦ評価値を取り込む。
ステップＳ６０３においては、ステップＳ６０２で取り込んだＡＦ評価値が前回のＡＦ評価値より大きいかどうか判別して、大きければステップＳ６０４へ進み、小さければステップＳ６０６へ進む。
ステップＳ６０４では前回の順方向に所定の速度でフォーカスレンズを山登り駆動し、ステップＳ６０５へ進み今回の処理を終わる。
ステップＳ６０６においては、ＡＦ評価値がピークを越えて減っていなければステップＳ６０７へ進み、ＡＦ評価値がピークを越えて減っていればステップＳ６０５へ進み処理を終了し微小駆動動作へ移行し処理を終わる。
ステップＳ６０７では、前回と逆方向に所定の一定速度でフォーカスレンズを山登り駆動し、ステップＳ６０５へ進み今回の処理を終わる。

上記山登り駆動動作時のレンズの動きを示したのが、図７である。ここで、Ａはピークを越えて減少しているので合焦点があるとして山登り駆動動作を終了し、微小駆動動作に移行する、一方、Ｂはピークが無く減少しているので方向を間違えたものとして反転し、山登り駆動動作を続ける。

以上説明したように、再起動判定→微小駆動→山登り駆動→微小駆動→再起動判定を繰り返しながらフォーカスレンズを移動させＡＦ評価値を所定値、たとえば最大にするようにカメラＡＦマイコン１１４は制御していて、合焦状態を維持する。

以上のように、画面のブレ量が多い撮影条件では、ブレによりＡＦ評価値の変化が増えた（ノイズが増えた）分、フォーカスの移動量を増やし、フォーカスの移動によるＡＦ評価値の変化を増やしてＡＦ評価値のＳ／Ｎを高め方向判別精度を高めることができる。

本実施例のビデオカメラを示す図である。 ＡＦ評価値について説明する図である。 ＡＦ動作について説明する図である。 合焦点か否かの判別を説明する図である。 フォーカスレンズ動作の時間経過を示す図である。 ＡＦ評価値が大きくなる方向へのフォーカスレンズの移動を説明する図である。 山登り駆動動作時のレンズの動きを示す図である。 ブレ量が大きい場合のＡＦ動作を説明する図である。 通常の状態と手ブレが大きいときの状態を説明する図である。

符号の説明

１０１ 固定の第１群レンズ
１０２ 変倍を行う変倍レンズ
１０３ 絞り
１０４ 固定の第２群レンズ
１０５ フォーカスレンズ
１０６ 撮像素子
１０７ ＣＤＳ／ＡＧＣ
１０８ カメラ信号処理回路
１０９ 記録装置
１１０ アクチュエータ
１１１ ドライバ
１１２ タイミングジェネレータ（ＴＧ）
１１３ ＡＦ評価値処理回路
１１４ カメラＡＦマイコン
１１８ モニタ装置

Claims (4)

1. 被写体象の焦点を被写体からの光を撮像する撮像手段に合わせる光学ユニットと、
   前記撮像手段から得られる信号の高周波成分を第１の信号として取り出す検出手段と、
   前記光学ユニットの移動量を算出する演算手段と、
   前記演算手段により算出された移動量で前記第１の信号が所定値に到達するように前記光学ユニットを移動させる移動手段と、
   前記撮像手段による被写体象のブレ量を検出する手段とを備え、
   当該検出されたブレ量に応じて前記演算手段で算出する移動量を変更することを特徴とする焦点調節システム。
2. 被写体からの光を撮像する撮像手段と、
   前記被写体象の焦点を前記撮像手段に合わせる光学ユニットと、
   前記撮像手段から得られる信号の高周波成分を第１の信号として取り出す検出手段と、
   前記光学ユニットの移動量を算出する演算手段と、
   前記演算手段により算出された移動量で前記第１の信号が所定値に到達するように前記光学ユニットを移動させる移動手段と、
   前記撮像手段による被写体象のブレ量を検出する手段とを備え、
   当該検出されたブレ量に応じて前記演算手段で算出する移動量を変更することを特徴とする撮像装置。
3. 前記被写体象の焦点を被写体からの光を撮像する撮像手段に合わせる光学ユニットを有する撮像装置の制御方法であって、
   前記撮像手段から得られる信号の高周波成分を第１の信号として取り出す検出ステップと、
   前記光学ユニットの移動量を算出する演算ステップと、
   前記演算ステップにおいて算出された移動量で前記第１の信号が所定値に到達するように前記光学ユニットを移動させる移動ステップと、
   前記撮像手段による被写体象のブレ量を検出するステップとを備え、
   当該検出されたブレ量に応じて前記演算ステップで算出する移動量を変更することを特徴とする焦点調節システム。
4. 被写体からの光を撮像する撮像手段から得られる信号の高周波成分を第１の信号として取り出す検出手段と、
   前記被写体象の焦点を被写体からの光を撮像する撮像手段に合わせる光学ユニットと、
   前記光学ユニットの第１の移動量を決める第２の演算手段と、
   前記第１の移動量を決めた後に更に前記光学ユニットの第２の移動量を決める第２の演算手段と、
   前記第１の演算手段により決められた移動量で前記光学ユニットを光軸方向に前後に振動させるとともに、前記第２の演算手段により決められた移動量で前記振動の中心を移動させて、前記第１の信号が所定値に到達するように前記光学ユニットを移動して焦点調節を行う焦点調節手段と、
   前記撮像手段による被写体象のブレ量を検出する手段とを備え、
   当該検出されたブレ量に応じて前記第１の演算手段が演算する第１の移動量を変更することを特徴とする焦点調節システム。
   

Images