JP2005062237A - Automatic focus system - Google Patents
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Abstract
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、特にコントラスト方式のオートフォーカスであって、光路長差方式のオートフォーカスを採用したオートフォーカスシステムに関する。
【0002】
【従来の技術】
放送用テレビカメラで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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
尚、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が、2つの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こともできる。この場合には、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や撮影レンズを通過した後のカメラ本体の光学系内等に配置されることになる。また、特許文献1では、ピント状態を検出するための撮像素子と、表示用又は記録用(以下、再生用という)としての本来の画像(映像)を撮像するための撮像素子とは同一のものであるが、これらは別々の撮像素子とすることもできる。更に、2つ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場合には、一方を本来の画像を撮像するための撮像素子とし、他方をピント状態を検出するための専用の撮像素子とすることもできる。
【0006】
【特許文献1】
特公平7−60211号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特許文献1のように2つの撮像面で撮像された画像のコントラストを比較する場合にそれらのコントラスト(焦点評価値)が一致するようにフォーカスを制御すると、最良結像位置はそれらの2つの撮像面の中間となる。一方、それらの2つの撮像面のうちいずれか一方又は両方の撮像面がピント状態検出用の画像を撮像するための撮像面であるだけでなく、再生用の本来の画像を撮像するための撮像面でもある場合には、2つの撮像面の中間を最良結像位置としたときに本来の画像を撮像するための撮像面でも十分な合焦精度が得られるようにする必要がある。そのため、特許文献1では2つの撮像面を光路長差が焦点深度以下となるように配置している。
【0008】
しかしながら、2つの撮像面の光路長差を焦点深度以下にすると2つの撮像面の光路長差があまりに小さくなり、被写体の変化に対して十分な応答速度でフォーカスを制御することができないという問題がある。即ち、2つの撮像面から得られる画像のコントラストが一致するようにフォーカスを自動で制御する場合にはそれらのコントラストの差又は比等に応じてフォーカスの動作方向や動作速度を決定することにより、コントラストの差が小さくなる方向に、且つ、コントラストの差が小さくなるほど動作速度が遅くなるようにフォーカスを動作させるという方法が用いられる。
【0009】
一方、フォーカスの位置を変化させた場合に合焦点付近で現れるコントラストの変化は、被写体が高速で移動している程小さくなる。従って、被写体が高速で移動している程、各撮像面により得られる画像のコントラストの差も生じ難くなる。特に、2つの撮像面の光路長差が小さいほどコントラストの差の生じ難さが顕著となる。
【0010】
従って、引用文献1のように2つの撮像面の光路長差をあまりにも小さくすると、静止している被写体に対しては良好にフォーカス制御が行われるとしても、高速で移動している被写体に対してはピントが大きくずれている場合でもコントラストの差がほとんど検出されず、被写体の変化に対して十分な応答速度でフォーカスが追従しないという不具合が生じる。
【0011】
また、近年では、HD(High Definition)システムが使用されるようになってきており、このようなシステムでは焦点深度も浅く2つの撮像面の光路長差もより小さくする必要があるため上述の問題は顕著となる。
【0012】
このような問題を解決する方法として、2つの撮像面の光路長差を焦点深度以下に限定することなく大きくすることが考えられる。しかしながら、この場合には、2つの撮像面から得られた画像のコントラストが一致して合焦状態と判断したときでも、撮像面での合焦精度が低くベストピントの画像が得られないという問題が生じる。
【0013】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、移動している被写体に対するオートフォーカスの応答性能を向上させると共に、合焦精度の低下を防止す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、撮影光学系に入射した被写体光を、第1の被写体光と第2の被写体光とに分割する光分割手段と、再生用の画像を取得するための撮像面であって前記第1の被写体光を撮像する第1の撮像面と、前記第2の被写体光を撮像する第2の撮像面であって、前記第1の撮像面に対して光路長差を有する位置に配置された第2の撮像面と、前記第1の撮像面により撮像されて得られた映像信号と、前記第2の撮像面により撮像されて得られた映像信号とに基づいて、前記第1の撮像面までの光路長と前記第2の撮像面までの光路長との中間の光路長の位置が最良結像位置となるように前記撮影光学系のフォーカス位置を制御するフォーカス制御手段と、前記第1の撮像面の位置が最良結像位置となるように前記フォーカス制御手段により設定されたフォーカス位置を補正するフォーカス補正手段と、を備えたことを特徴としている。
【0015】
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記フォーカス補正手段がフォーカス位置を補正した後において、前記第1の撮像面により得られる映像信号に基づいて該映像信号が示す画像のコントラストの高低を評価する第1の焦点評価値を求めると共に、前記第2の撮像面により得られる映像信号に基づいて該映像信号が示す画像のコントラストの高低を評価する第2の焦点評価値を求め、該求めた第1の焦点評価値と第2の焦点評価値との比が前記フォーカス位置の補正直後の値から所定値以上変化したことを再実行条件として該再実行条件を満たすか否かを判定手段と、前記判定手段により前記再実行条件が満たされたと判定された場合には、前記フォーカス制御手段によるフォーカス位置の制御を再実行させる再実行指示手段と、を備えたことを特徴としている。
【0016】
また、請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の発明において、前記判定手段により前記再実行条件が満たされていないと判定された場合には、前記第1の焦点評価値と第2の焦点評価値との比が前記フォーカス位置の補正直後の値となるようにフォーカス位置を制御する第2フォーカス制御手段を備えたことを特徴としている。
【0017】
本発明によれば、まず、光路長差を有する2つの撮像面により得られる映像信号に基づいて、それらの2つの撮像面に対して中間の光路長となる位置で最良結像位置となるようにフォーカス位置を設定する。その後、再生用の本来の画像を撮像する撮像面の位置が最良結像位置となるようにフォーカス位置を補正する。従って、2つの撮像面による光路長差方式のオートフォーカスにおいて、本来の画像を撮像する撮像面に対して高い精度で合焦させることができると共に、合焦精度を低下させることなく2つの撮像面の光路長差を大きくすることが可能となり、移動している被写体等に対してフォーカスの応答性能を向上させることができるようになる。
【0018】
【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。
【0019】
図1に示すテレビカメラは、レンズ交換可能なカメラ本体10と、カメラ本体10に装着されるレンズ装置12とから構成される。尚、レンズ装置12には、固定及び可動の各種レンズ群やアイリス等の光学部品から構成される撮影レンズ14(光学系)と、撮影レンズ14の可動のレンズ(群)やアイリスを電動で制御するための図示しない制御装置(制御系)が含まれる。
【0020】
カメラ本体10内には、2つの撮像素子(2次元CCD)20、22が配置される共に、入射した被写体光を2つの被写体光に分割するハーフミラー等の光分割光学系24が配置されている。撮影レンズ14を通過してカメラ本体10内に入射した被写体光は、光分割光学系24により2つの被写体光に分割された後、分割された被写体光のうち一方は、撮像素子20の撮像面に入射し、他方は、撮像素子22の撮像面に入射するようになっている。
【0021】
撮像素子20は再生用の本来の画像(映像)を撮像するために配置された撮像素子であり、この撮像素子20により光電変換されて図示しない信号処理回路の処理により得られた映像信号は、例えば、外部映像信号出力端子から外部機器に出力される。また、撮像素子20から得られた映像信号は後述のようにレンズ装置12にも送られピント状態の検出に使用される。尚、撮像素子20から得られる映像信号がカラー信号の場合には例えば輝度信号がピント状態の検出に使用される。
【0022】
一方、撮像素子22は、ピント状態を検出するために専用に配置された撮像素子であり、この撮像素子22により光電変換されて得られた映像信号(例えば輝度信号)は、撮像素子20から得られた映像信号と共にレンズ装置12に送られピント状態の検出に使用される。
【0023】
尚、同図においては、1つの撮像素子20により本来の画像を撮像するいわゆる単板式のカメラを示しているが、赤色(R)、緑色(G)、青色(B)ごとの3つの撮像素子により本来の画像を撮像するいわゆる3板式のカメラであってもよく、同図に示す撮像素子20は、光学的に等価な距離にあるR、G、Bごとの3つの撮像素子を1つ撮像素子で示したものと解してもよい。その場合には、撮影レンズ14を通過してカメラ本体に入射した被写体光をR、G、Bの光に分光する色分解光学系が同図の光分割光学系24の位置に配置され、色分解光学系により各色の波長に分光された被写体光がそれぞれの波長に対応する撮像素子の撮像面に入射する構成となる。また、このとき、例えば、色分解光学系にピント状態検出用の被写体光を分岐する手段を設け、これによって分岐した被写体光を撮像素子22の撮像面に入射させるようにしておく。また、詳細を後述するように本実施の形態におけるピント状態検出には光路長差をもって配置した2つの撮像面から得られた2つの輝度信号が用いられ、3板式の場合にはそのうち1つの輝度信号を、本来の画像を撮像するR、G、Bの撮像素子のうちいずれか1つの撮像素子から取得してもよいし、R、G、Bの3つの撮像素子から得た信号から生成してもよい。また、ピント状態を検出するための専用の撮像素子22や撮像素子22の撮像面に被写体光を分岐する手段等は、カメラ本体10ではなく、レンズ装置12に配置してもよい。
【0024】
ここで、撮像素子20の撮像面と撮像素子22の撮像面を同一光軸上に表した図を図2に示す。同図に示すように、一方の撮像素子20の撮像面20Aに入射する被写体光の光路長は、他方の撮像素子22の撮像面22Aに入射する被写体光の光路長よりも短くなるように各撮像素子20、22の撮像面が光路長差をもって配置されている。これによって、撮影レンズ14に入射した被写体光が光路長差を有する2つの撮像面によって撮像されるようになっている。ただし、これらの撮像面20A、22Aの位置は逆の関係であってもよい。また、同図において破線で示す撮像面Xは、撮像面20Aと撮像面22Aの中間に位置し、撮像面20Aまでの光路長と撮像面22Aまでの光路長とが等しくなる位置、即ち、各撮像面20A、22Aまでの光路長が撮像面20Aと撮像面20Bとの光路長差の1/2となる位置に配置された撮像面を示している。この撮像面Xは、実際に配置されているものではなく、詳細を後述のように2つの映像信号からピント状態を検出する際に基準となる撮像面の位置を示している。
【0025】
図3は、上記レンズ装置12の構成を示したブロック図である。レンズ装置12における撮影レンズ14には、可動のレンズ群として、ピント合わせのために光軸方向に駆動されるフォーカスレンズ(群)FLや、像倍率(焦点距離)を変更するために光軸方向に駆動されるズームレンズ(群)ZL等が配置されている。また、絞り値を変更するために開閉駆動されるアイリスIが配置されている。
これらのフォーカスレンズFL、ズームレンズZL、アイリスIは、それぞれフォーカス用モータFM、ズーム用モータZM、アイリス用モータIMに連結されており、各モータFM、ZM、IMによって駆動されるようになっている。
【0026】
各モータFM、ZM、IMは、それぞれフォーカス用アンプFA、ズーム用アンプZA、アイリス用アンプIAに接続されており、レンズ装置12に搭載されたCPU30からD/A変換器32を介して各アンプFA、ZA、IAに駆動信号が与えられると、その駆動信号に応じた電圧が各モータFM、ZM、IMに印加され、印加電圧に応じた速度で各モータFM、ZM、IMが駆動されるようになっている。
【0027】
従って、CPU30は、各アンプFA、ZA、IAに出力する駆動信号の電圧値によりフォーカスレンズFL、ズームレンズZL、アイリスIを所望の動作速度で制御することができるようになっている。また、フォーカスレンズFL、ズームレンズZL、アイリスIの現在位置を示す位置情報がそれぞれポテンショメータFP、ZP、IPからA/D変換器34を介してCPU30に与えられるようになっており、CPU30は、それらの現在位置を参照しながら動作速度を制御することにより、フォーカスレンズFL、ズームレンズZL、アイリスIの位置も制御することができるようになっている。
【0028】
一方、レンズ装置12には、レンズアクセサリー(付属装置)としてフォーカスをマニュアル操作するためのフォーカスデマンド36やズームをマニュアル操作するためのズームデマンド38などのレンズコントローラを接続できるようになっている。同図に示すフォーカスデマンド36はデジタル式のレンズコントローラであり、そのフォーカスデマンド36をレンズ装置12に接続すると、フォーカスデマンド36とレンズ装置12のCPU30との間がSCI(シリアルコミュニケーションインターフェース)40、42により通信接続され、シリアル通信により各種信号がやり取りされるようになっている。これにより、例えば、フォーカスデマンド36からCPU30に対して、所定のフォーカス操作部材(例えばフォーカスリング)のマニュアル操作に基づいてフォーカスの目標位置を示す指令信号が与えられる。マニュアルフォーカスモード時においてCPU30は、その指令信号に基づいてフォーカスレンズFLの位置を制御し、フォーカスをその指令信号により与えられた目標位置に設定する。
【0029】
同図に示すズームデマンド38はアナログ式のレンズコントローラであり、そのズームデマンド38をレンズ装置12に接続すると、例えば、ズーム操作部材のマニュアル操作に基づいてズームの目標速度を示す指令信号がA/D変換器34を介してCPU30に与えられる。CPU30は、その指令信号に基づいてズームレンズZLの動作速度を制御し、ズームをその指令信号により与えられた目標速度で移動させる。
【0030】
また、レンズ装置12には、マニュアルフォーカスモードとオートフォーカスモードとを切り替えるAFスイッチS1が設けられている。CPU30は、このAFスイッチS1がオフの場合には、マニュアルフォーカスモードの処理を実行し、AFスイッチS1がオンされた場合には、オートフォーカスモードの処理を実行する。マニュアルフォーカスモードの処理では上述のようにフォーカスデマンド36からの指令信号に基づいてフォーカスレンズFLを制御する。
【0031】
一方、オートフォーカスモードの処理では、処理回路50A〜56A、及び、処理回路50B〜56Bにより取得されるピント情報に基づいてフォーカスレンズFLを制御し、自動ピント調整を行う。
【0032】
処理回路50A〜56Aは、カメラ本体10の撮像素子20から得られた映像信号(輝度信号)からその画像のコントラストの高低を示す焦点評価値を生成する回路であり、処理回路50B〜56Bは、カメラ本体10の撮像素子22から得られた映像信号(輝度信号)からその画像のコントラストの高低を示す焦点評価値を生成する回路である。処理回路50A〜56Aと処理回路50B〜56Bとは各映像信号に対する処理内容が一致しているため以下、処理回路50A〜56Aについてのみ説明する。
【0033】
同図に示すようにカメラ本体10の撮像素子20により得られた映像信号がカメラ本体10からレンズ装置12に与えられると、その映像信号はまずA/D変換器50Aによりデジタル信号に変換される。続いてデジタルフィルター52Aによって映像信号から高域周波数成分の信号のみが抽出され、その抽出された高域周波数成分の信号から撮影範囲内(画面上)に設定される所定のフォーカス範囲内の信号のみがゲート回路54Aにより抽出される。ゲート回路54Aにより抽出された信号は、続いて加算回路56Aにより1画像分(インターレース方式の映像信号において1フィールド分)ごとに積算される。加算回路56Aの積算によって得られた信号は、フォーカス範囲内の被写体に対する合焦の程度(コントラストの高低)を示す値であり、この値は焦点評価値としてCPU30に逐次読み取られる。尚、このようにして撮像素子20からの映像信号により得られる焦点評価値をチャンネル(ch)Aの焦点評価値といい、同様に撮像素子22からの映像信号に対する処理回路50B〜56Bの処理により得られる焦点評価値をchBの焦点評価値という。
【0034】
以上の図3に示したレンズ装置12の各処理部の全てを必ずしもレンズ装置12に配置する必要はなく、カメラ本体10を含めたシステム全体のいずれかの部分に配置されていればよい。例えば、処理回路50A〜56A、50B〜56Bをカメラ本体10に配置するようにしてもよいし、後述のように処理回路50A〜56A、50B〜56Bから得られた焦点評価値に基づいてフォーカスレンズFLの位置を制御するCPU30の処理をカメラ本体10側で行ってもよい。
【0035】
次に、レンズ装置12のCPU30におけるオートフォーカス(AF)の処理について説明する。上記のようにしてchAとchBの焦点評価値を取得すると、それらの焦点評価値に基づいて撮影レンズ14の現在のピント状態を知ることができる。そこでまず、その原理について説明する。図4は、横軸に撮影レンズ14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に対する焦点評価値の様子を示した図である。図中実線で示す曲線A、Bは、それぞれ撮像素子20、22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。一方、図中点線で示す曲線Cは、撮像素子20と撮像素子22の各撮像面20A、22Aの中間に撮像面Xを配置したと仮定した場合(図2参照)に、その撮像面Xから得られる映像信号により焦点評価値を求めたときのグラフを示したものである。
【0036】
まず、曲線Cの焦点評価値が最大(極大)となる位置F0を合焦位置として、撮像面Xに対するピント状態を検出する。撮影レンズ14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よりも大きくなる。このことから、フォーカス位置が合焦位置(F0)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。
【0037】
一方、撮影レンズ14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よりも小さくなる。このことから、フォーカス位置が合焦位置(F0)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。
【0038】
これに対して、撮影レンズ14のフォーカス位置がF0、すなわち合焦位置に設定された場合、chAの焦点評価値VA0は、曲線Aの位置F0に対応する値となり、chBの焦点評価値VB0は、曲線Bの位置F0に対応する値となる。このとき、chAの焦点評価値VA0とchBの焦点評価値VB0は等しくなる。このことから、フォーカス位置が合焦位置(F0)に設定された合焦状態であることが分かる。
【0039】
このように、chAとchBの焦点評価値により、撮影レンズ14の現在のピント状態が撮像面X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。尚、ここで検出するピント状態は、再生用の画像を撮像する撮像素子20の撮像面20Aに対するピント状態ではない。例えば、chAとchBの焦点評価値に基づいて上述のようにピント状態を検出し、合焦状態と判断した場合にそのときの最良結像位置は、撮像素子20の撮像面20Aと撮像素子22の撮像面22Aとの中間にある撮像面Xの位置となる。
【0040】
続いて、レンズ装置12のCPU30におけるAFの処理の概要を説明する。
chAとchBの焦点評価値が一致していない場合、CPU30は、chAとchBの焦点評価値に基づいてフォーカスレンズFLの位置を制御し、フォーカスレンズFLをまず撮像面Xに対して合焦状態となる位置に移動させる。即ち、撮像面Xに対して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FL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FLを至近方向に移動させる。そして、chAとchBの焦点評価値が一致して撮像面Xに対して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FLをその位置で停止させる。これによって撮影レンズ14のフォーカスが撮像面Xに対して合焦状態となる。このようにしてフォーカスレンズFLを合焦位置に設定した後、合焦状態、即ち、chAとchBの焦点評価値が一致している状態が規定時間以上継続しない場合には、上記処理を繰り返す。これによって例えば被写体が移動している場合などに合焦位置が変動する場合にはそれに追従してフォーカスレンズFLが移動する。
【0041】
ここで、フォーカスレンズFLを合焦位置に移動させる際の具体的な制御方法の一例を説明しておく。カメラ本体10から逐次得られるchAとchBの焦点評価値をAFV_A、AFV_Bとすると、CPU30は、まず、これらの比AFV=AFV_A/AFV_Bを求める。図4で説明したことから分かるように、焦点評価値の比AFVが1の場合には撮像面Xに対して合焦状態にあり、もし、この焦点評価値の比AFVの値が1より大きい場合には、撮像面Xに対してピント状態が前ピンの状態にある。この場合には、フォーカスレンズFLの移動方向を無限遠側に設定する。また、このときのフォーカスレンズFLの移動速度を例えば、C・(AFV−1)に設定する。尚、係数Cは定数である。そして、このように設定した動作を実行させるための指示(駆動信号)を図3に示したフォーカス用アンプFAに出力する。
これによって、フォーカスレンズFLがAFV=1となる方向に向かってAFVが大きいほど高速で移動し、AFVが1に近づくと減速してAFV=1となる合焦位置で停止する。
【0042】
一方、焦点評価値の比AFVの値が1より小さい場合には、撮像面Xに対してピント状態が後ピンの状態にある。この場合には、フォーカスレンズFLの移動方向を至近側に設定する。また、このときのフォーカスレンズFLの移動速度を例えば、C・(1/AFV−1)に設定する。これによって、フォーカスレンズFLが1/AFV=1(AFV=1)となる方向に向かって1/AFVが大きいほど高速で移動し、1/AFVが1に近づくと減速して1/AFV=1となる合焦位置で停止する。
【0043】
ところで、このようにchAとchBの焦点評価値の比又は差等をパラメータとしてフォーカスレンズFLの移動速度を調整しながら合焦位置に停止させるようにした場合に、撮像素子20の撮像面20Aと撮像素子22の撮像面22Aとの光路長差が小さいと、高速で移動している被写体に対してフォーカスレンズFLが十分な応答速度で追従しないという問題が生じる。図5は、撮像面20Aと撮像面22Aの光路長差を例えば撮影レンズ14の焦点深度以下となるように小さくした場合において、被写体が高速で移動しているときの焦点評価値のグラフを示した図である。一方、図6は、本実施の形態の場合であって図5における撮像面20Aと撮像面22Aの光路長差よりも大きい場合において、被写体が高速で移動しているときの焦点評価値のグラフを示した図である。これらの図に示すように被写体が高速で移動している場合にはコントラストが低くなり焦点評価値のピーク点付近での傾斜も緩やかになる。そのため、図5のグラフから分かるように、撮像面20Aと撮像面22Aの光路長差があまりに小さいと、chAとchBの焦点評価値に差が生じ難くなり、例えば、フォーカスレンズFLが合焦位置から至近側に大きくずれていても、上記C・(AFV−1)等の式により求められるフォーカスレンズFLの移動速度も極めて遅くなる。仮に係数Cの値を大きな値に設定しておけばフォーカスレンズFLの移動速度を全般的に高速化することができるが、移動している被写体が停止した場合や始めから被写体が静止している場合等にはフォーカスレンズFLの移動速度が速すぎるために合焦位置での停止動作が不安定になるという問題が生じる。従って、高速で移動している被写体に対して十分な速度でフォーカスレンズFLを追従させることができない。
【0044】
これに対して図6のグラフから分かるように、本実施の形態のように撮像面20Aと撮像面22Aの光路長差を大きくすれば、被写体が高速で移動している場合であってもchAとchBの焦点評価値の差が十分な大きさとなり、高速で移動する被写体に対して十分な速度でフォーカスレンズFLを追従させることができる。
【0045】
一方、撮像面20Aと撮像面22Aの光路長差を小さくし、焦点深度以下に制限することは、上述のように撮像面Xに対して合焦状態となるようにフォーカスレンズFLの位置を制御することによって本来の画像を撮像する撮像面20Aに対しても合焦状態が得られるという点で利点がある。本実施の形態のようにフォーカスレンズFLの応答性能を良くするために撮像面20Aと撮像面22Aの光路長差を大きくした場合には、撮像面Xに対して合焦状態となるようにフォーカスレンズFLを制御しても本来の画像を撮像する撮像素子20の撮像面20Aに対して合焦状態とならない。しかしながら、高速で移動している被写体のコントラストは低いため、被写体が高速で移動している場合には撮像素子20の撮像面20Aに対して合焦状態となっていなくても再生した映像上での違和感はほとんどない。これに対して静止している被写体に対しては、撮像素子20の撮像面20Aに対して合焦状態にする必要があるが、この点について次に説明する制御により解消される。
【0046】
上述のようにフォーカスレンズFLを撮像面Xに対して合焦状態となる合焦位置に設定した場合において、その後、フォーカスレンズFLを動かすことなくその合焦状態が規定時間以上継続したときには、被写体が静止していると判断することができる。この場合、CPU30は、フォーカスレンズFLを動かして最良結像位置を撮像面Xから撮像素子20の撮像面20Aまで変位させる。即ち、撮像素子20の撮像面20Aと撮像素子22の撮像面22Aとの光路長差の2分の1に相当する量だけフォーカスレンズFLを至近方向に移動させる。これによって、被写体が静止している場合、又は、移動していた被写体が停止した場合等に高い合焦精度が必要になると、本来の画像を撮像する撮像素子20の撮像面20Aに対して合焦状態となるようにフォーカスレンズFLの位置が補正される。従って、上述のようにフォーカスレンズFLの応答性能を良くするために撮像素子20の撮像面20Aと撮像素子22の撮像面22Aの光路長差を大きくした場合に、撮像面Xに対して合焦状態となるようにフォーカスレンズFLを制御しただけでは撮像面20Aに対して合焦状態とならない不具合が解消される。
【0047】
次に、CPU30の具体的な処理手順を図7のフローチャートを用いて説明する。まず、CPU30は、パラメータCOUNTを0に設定する(ステップS10)。次にchAの焦点評価値AFV_AとchBの焦点評価値AFV_Bを取得する(ステップS12、14)。そして、chAの焦点評価値AFV_AとchBの焦点評価値AFV_Bの比を求め、その値をAFVとする(ステップS16)。即ち、AFV=AFV_A/AFV_Bとする。
【0048】
続いて、CPU30は、AFV=1の条件を満たすか否かを判定する(ステップS18)。即ち、chAの焦点評価値AFV_AとchBの焦点評価値AFV_Bとが一致するか否かを判定し、撮像面Xに対して合焦状態か否かを判定する。NOと判定した場合には、AFV<1の条件を満たすか否かを判定する(ステップS20)。
YESと判定した場合には撮像面Xに対して後ピンの状態にあることからフォーカスレンズFLを至近方向に移動させる(ステップS22)。一方、NOと判定した場合には撮像面Xに対して前ピンの状態にあることからフォーカスレンズFLを無限遠方向に移動させる(ステップS24)。ステップS22又はステップS24の処理の後、ステップS10に戻り、上記処理を繰り返す。
【0049】
ステップS18においてYES、即ち、撮像面Xに対して合焦状態となっていると判定した場合には、パラメータCOUNTの値を1増加させる(ステップS26)。即ち、COUNT=COUNT+1とする。そして、所定値n(整数)に対してCOUNT<nの条件を満たすか否かを判定する(ステップS28)。YESと判定した場合にはステップS12に戻る。もし、ステップS18においてn回連続してYESと判定されると、ステップS28においてNOと判定される。即ち、撮像面Xに対して合焦状態となる位置にフォーカスレンズFLを設定してからn回連続してステップS18でYESと判定するのに要する所定時間の間、合焦状態が維持された場合には、ステップS28においてNOと判定される。この判定処理によって被写体が静止しているか否かが判断される。
【0050】
ステップS28でNOと判定すると、CPU30は、撮像素子20の撮像面20Aと撮像素子22の撮像面22Aの光路長差の1/2に相当する分だけ至近方向へのフォーカスレンズFLの移動を指示する(ステップS30)。そして、移動が終了したか否かを判定する(ステップS32)。フォーカスレンズFLが撮像面20Aに対して合焦状態となる位置まで移動すると、ステップS32でYESと判定され、フォーカスレンズFLがその位置で停止する。
【0051】
ステップS32でYESと判定した場合、CPU30は、chAの焦点評価値AFV_AとchBの焦点評価値AFV_Bを取得する(ステップS34、36)。そして、焦点評価値の比AFVR=AFV_A/AFV_Bを求め、その比AFVRを記憶する(ステップS38)。
【0052】
続いて、CPU30は、chAの焦点評価値AFV_AとchBの焦点評価値AFV_Bを取得し(ステップS40、42)、その比AFV=AFV_A/AFV_Bを求める(ステップS44)。そして、ステップS44で求めた焦点評価値の比AFVとステップS38で求めた焦点評価値の比AFVRとが一致しているか否かを判定する(ステップS46)。これによって、被写体に変化がないか否かを検出する。YESと判定した場合、即ち、被写体に変化がないと判定した場合には、ステップS40からの処理を繰り返す。一方、NOと判定した場合、即ち、被写体に変化が生じた場合には、ステップS10に戻り、最初の処理から再度実行する。
【0053】
尚、上記フローチャートの処理では、ステップS38で求めたAFVRの値に対してステップS44で求めたAFVの値が変化した場合に、ステップS10からの処理、即ち、撮像面Xに対して合焦状態となるようにフォーカスレンズFLの位置を制御する処理が行われるが、AFVRの値に対してAFVの値が所定値以上変化した場合にステップ10からの処理を行うようにしてもよい。また、AFVRの値に対するAFVの値の変化量が所定値より小さい場合には、ステップS10からの処理を行うのではなく、AFVの値を検出しながらフォーカスレンズFLを移動させ、AFVの値がAFVRの値に一致するようにフォーカスレンズFLの位置を制御してもよい。
【0054】
以上、上記実施の形態では、テレビカメラシステムに本発明を適用する場合について説明したが、本発明はこれに限らず民生用のムービカメラ等のオートフォーカス機能が搭載されたシステムで適用できる。
【0055】
【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、本来の画像を撮像する撮像面に対して高い精度で合焦させることができると共に、合焦精度を低下させることなく2つの撮像面の光路長差を大きくすることが可能となり、移動している被写体等に対してフォーカスの応答性能を向上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、本発明が適用されるテレビカメラシステムの全体構成を示した図である。
【図2】図2は、ピント状態検出用の映像信号を取得するために配置された2つの撮像素子の撮像面を同一光軸上に表した図である。
【図3】図3は、レンズ装置の内部構成を示したブロック図である。
【図4】図4は、ピント状態の検出原理の説明に用いた説明図である。
【図5】図5は、2つの撮像面の光路長差が小さい場合の焦点評価値のグラフを示した図である。
【図6】図6は、2つの撮像面の光路長差が図5に比べて大きい場合の焦点評価値のグラフを示した図である。
【図7】図7は、レンズ装置のCPU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…カメラ本体、12…レンズ装置、14…撮影レンズ、20、22…撮像素子、24…光分割光学系、20A、22A…撮像面、FL…フォーカスレンズ(群)、FM…フォーカス用モータ、FA…フォーカス用アンプ、30…CPU、FP…ポテンショメータ、50A、50B…A/D変換器、52A、52B…デジタルフィルター、54A、54B…ゲート回路、56A、56B…加算回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an autofocus system, and more particularly, to an autofocus system that employs contrast-type autofocus and adopts optical path length difference autofocus.
[0002]
[Prior art]
A contrast method is generally used as an autofocus (AF) employed in a broadcast television camera. In contrast AF, a high frequency component signal is extracted from a video signal obtained by a camera, and a focus evaluation value for evaluating the level of contrast is obtained based on the extracted signal. Then, the focus (focus lens group) of the photographing lens is controlled by a method called a hill-climbing method, for example, so that the focus evaluation value becomes a peak (maximum).
[0003]
In contrast AF, the focus state (front pin, rear pin, or in-focus) is detected by wobbling that fluctuates the focus slightly, and the operating direction of the focus is determined. There is a possibility that the variation in focus due to the movement may be recognized on the screen, and there is a disadvantage that is not preferable particularly in broadcasting photography such as being unable to focus accurately on a subject moving at high speed.
[0004]
As a method for solving such a drawback, for example, it is conceivable to use a system as disclosed in
[0005]
In
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Publication No. 7-60211
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, when the contrasts of images captured on two imaging surfaces are compared as in
[0008]
However, if the optical path length difference between the two imaging planes is less than the depth of focus, the optical path length difference between the two imaging planes becomes too small, and the focus cannot be controlled with a sufficient response speed with respect to changes in the subject. is there. That is, when the focus is automatically controlled so that the contrasts of the images obtained from the two imaging surfaces coincide with each other, by determining the operation direction and operation speed of the focus according to the difference or ratio of the contrast, A method is used in which the focus is operated in such a way that the contrast difference becomes smaller and the operation speed becomes slower as the contrast difference becomes smaller.
[0009]
On the other hand, when the focus position is changed, the change in contrast that appears in the vicinity of the focal point becomes smaller as the subject moves at a higher speed. Therefore, as the subject moves at a higher speed, a difference in contrast between images obtained by the respective imaging surfaces is less likely to occur. In particular, the smaller the difference in optical path length between the two imaging surfaces, the more difficult the difference in contrast occurs.
[0010]
Therefore, if the optical path length difference between the two imaging surfaces is made too small as in
[0011]
In recent years, HD (High Definition) systems have come to be used. In such systems, since the depth of focus is shallow and the optical path length difference between the two imaging planes needs to be smaller, the above-described problem. Becomes prominent.
[0012]
As a method for solving such a problem, it is conceivable to increase the optical path length difference between the two imaging surfaces without being limited to the depth of focus or less. However, in this case, even when the contrasts of the images obtained from the two imaging surfaces coincide with each other and it is determined that the image is in focus, there is a problem that the best focusing image is not obtained on the imaging surface and the best focus image cannot be obtained. Occurs.
[0013]
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an autofocus system that improves the autofocus response performance with respect to a moving subject and prevents a reduction in focusing accuracy. .
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention according to
[0015]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the video signal is based on the video signal obtained by the first imaging surface after the focus correction unit corrects the focus position. A first focus evaluation value for evaluating the contrast level of the image indicated by the second image is obtained, and the contrast level of the image indicated by the video signal is evaluated based on the video signal obtained by the second imaging surface. A re-execution condition is obtained by obtaining a focus evaluation value, and a re-execution condition that a ratio between the obtained first focus evaluation value and the second focus evaluation value is changed by a predetermined value or more from a value immediately after the correction of the focus position. When it is determined by the determining means and the re-execution condition is satisfied by the determining means, the focus position control by the focus control means is re-executed. It is characterized by comprising an execution instruction means.
[0016]
According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, when the determination unit determines that the re-execution condition is not satisfied, the first focus evaluation value and the first focus evaluation value The second focus control means is provided for controlling the focus position so that the ratio of the focus evaluation value of 2 to the value immediately after the correction of the focus position.
[0017]
According to the present invention, first, based on a video signal obtained by two imaging surfaces having an optical path length difference, the best imaging position is set at a position having an intermediate optical path length with respect to the two imaging surfaces. Set the focus position to. Thereafter, the focus position is corrected so that the position of the imaging surface that captures the original image for reproduction becomes the best imaging position. Therefore, in the autofocus of the optical path length difference method using the two image pickup surfaces, the two image pickup surfaces can be focused with high accuracy with respect to the image pickup surface for picking up the original image without reducing the focus accuracy. It is possible to increase the difference in the optical path lengths, thereby improving the focus response performance for a moving subject or the like.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of an autofocus system according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0019]
The television camera shown in FIG. 1 includes a
[0020]
In the
[0021]
The
[0022]
On the other hand, the
[0023]
In the figure, a so-called single-plate camera that captures an original image by one
[0024]
Here, FIG. 2 shows a diagram in which the imaging surface of the
[0025]
FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the
The focus lens FL, the zoom lens ZL, and the iris I are connected to the focus motor FM, the zoom motor ZM, and the iris motor IM, respectively, and are driven by the motors FM, ZM, and IM. Yes.
[0026]
The motors FM, ZM, and IM are connected to the focus amplifier FA, the zoom amplifier ZA, and the iris amplifier IA, respectively, and each amplifier is connected from the
[0027]
Therefore, the
[0028]
On the other hand, a lens controller such as a
[0029]
A
[0030]
In addition, the
[0031]
On the other hand, in the auto focus mode process, the focus lens FL is controlled based on the focus information acquired by the
[0032]
The
[0033]
As shown in the figure, when a video signal obtained by the
[0034]
All the processing units of the
[0035]
Next, auto focus (AF) processing in the
[0036]
First, the focus state with respect to the imaging surface X is detected with the position F0 where the focus evaluation value of the curve C is maximized (maximum) as the in-focus position. When the focus position of the
[0037]
On the other hand, when the focus position of the
[0038]
On the other hand, when the focus position of the
[0039]
In this way, it is possible to detect whether the current focus state of the
[0040]
Next, an outline of AF processing in the
When the focus evaluation values of chA and chB do not match, the
[0041]
Here, an example of a specific control method for moving the focus lens FL to the in-focus position will be described. When the focus evaluation values of chA and chB obtained sequentially from the
As a result, the focus lens FL moves faster as the AFV becomes larger in the direction in which AFV = 1, and when the AFV approaches 1, it decelerates and stops at the in-focus position where AFV = 1.
[0042]
On the other hand, when the value of the focus evaluation value ratio AFV is smaller than 1, the focus state is the rear focus state with respect to the imaging surface X. In this case, the moving direction of the focus lens FL is set to the close side. Further, the moving speed of the focus lens FL at this time is set to, for example, C · (1 / AFV−1). Thus, the focus lens FL moves faster as 1 / AFV becomes larger in the direction of 1 / AFV = 1 (AFV = 1), and decelerates when 1 / AFV approaches 1, and 1 / AFV = 1. Stop at the in-focus position.
[0043]
By the way, when the focus lens FL is stopped at the in-focus position while adjusting the moving speed of the focus lens FL using the ratio or difference between the focus evaluation values of chA and chB as a parameter, the
[0044]
On the other hand, as can be seen from the graph of FIG. 6, if the optical path length difference between the
[0045]
On the other hand, reducing the optical path length difference between the
[0046]
As described above, when the focus lens FL is set to the in-focus position at which the imaging surface X is in focus, when the focus state continues for a specified time or longer without moving the focus lens FL, the subject Can be determined to be stationary. In this case, the
[0047]
Next, a specific processing procedure of the
[0048]
Subsequently, the
If YES is determined, the focus lens FL is moved in the closest direction because it is in the rear pin state with respect to the imaging surface X (step S22). On the other hand, if NO is determined, the focus lens FL is moved in the direction of infinity because it is in the state of the front pin with respect to the imaging surface X (step S24). After the process of step S22 or step S24, the process returns to step S10 and the above process is repeated.
[0049]
If YES in step S18, that is, if it is determined that the imaging surface X is in focus, the value of the parameter COUNT is increased by 1 (step S26). That is, COUNT =
[0050]
If NO is determined in step S28, the
[0051]
If YES is determined in step S32, the
[0052]
Subsequently, the
[0053]
In the processing of the above flowchart, when the AFV value obtained in step S44 changes with respect to the AFVR value obtained in step S38, the processing from step S10, that is, the in-focus state with respect to the imaging surface X is performed. The process for controlling the position of the focus lens FL is performed so that the process from
[0054]
In the above embodiment, the case where the present invention is applied to a television camera system has been described. However, the present invention is not limited to this and can be applied to a system equipped with an autofocus function such as a consumer movie camera.
[0055]
【The invention's effect】
As described above, according to the autofocus system of the present invention, the two imaging surfaces can be focused with high accuracy on the imaging surface that captures the original image without reducing the focusing accuracy. It is possible to increase the difference in the optical path lengths, thereby improving the focus response performance for a moving subject or the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a television camera system to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a diagram showing imaging surfaces of two imaging elements arranged to acquire a video signal for focus state detection on the same optical axis.
FIG. 3 is a block diagram showing an internal configuration of the lens apparatus.
FIG. 4 is an explanatory diagram used for explaining the principle of detecting a focus state.
FIG. 5 is a graph showing a focus evaluation value when the optical path length difference between two imaging surfaces is small.
6 is a graph showing a focus evaluation value graph when the optical path length difference between two imaging surfaces is larger than that in FIG. 5;
FIG. 7 is a flowchart showing the processing procedure of the CPU of the lens apparatus.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (3)
再生用の画像を取得するための撮像面であって前記第1の被写体光を撮像する第1の撮像面と、
前記第2の被写体光を撮像する第2の撮像面であって、前記第1の撮像面に対して光路長差を有する位置に配置された第2の撮像面と、
前記第1の撮像面により撮像されて得られた映像信号と、前記第2の撮像面により撮像されて得られた映像信号とに基づいて、前記第1の撮像面までの光路長と前記第2の撮像面までの光路長との中間の光路長の位置が最良結像位置となるように前記撮影光学系のフォーカス位置を制御するフォーカス制御手段と、
前記第1の撮像面の位置が最良結像位置となるように前記フォーカス制御手段により設定されたフォーカス位置を補正するフォーカス補正手段と、を備えたことを特徴とするオートフォーカスシステム。Light dividing means for dividing subject light incident on the photographing optical system into first subject light and second subject light;
A first imaging surface for capturing an image for reproduction, the first imaging surface capturing the first subject light;
A second imaging surface that images the second subject light, the second imaging surface disposed at a position having an optical path length difference with respect to the first imaging surface;
Based on the video signal obtained by imaging with the first imaging surface and the video signal obtained by imaging with the second imaging surface, the optical path length to the first imaging surface and the first Focus control means for controlling the focus position of the photographing optical system so that the position of the optical path length intermediate to the optical path length to the imaging surface of 2 is the best imaging position;
An autofocus system, comprising: a focus correction unit that corrects a focus position set by the focus control unit so that the position of the first imaging surface is the best imaging position.
前記判定手段により前記再実行条件が満たされたと判定された場合には、前記フォーカス制御手段によるフォーカス位置の制御を再実行させる再実行指示手段と、を備えた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。After the focus correction unit corrects the focus position, a first focus evaluation value for evaluating the contrast level of the image indicated by the video signal is obtained based on the video signal obtained by the first imaging surface; Based on the video signal obtained by the second imaging surface, a second focus evaluation value for evaluating the level of contrast of the image indicated by the video signal is obtained, and the obtained first focus evaluation value and second focus are obtained. A determination means for determining whether or not the re-execution condition is satisfied with a re-execution condition that a ratio with the evaluation value has changed by a predetermined value or more from a value immediately after the correction of the focus position;
The re-execution instructing unit that re-executes control of the focus position by the focus control unit when the determination unit determines that the re-execution condition is satisfied. Autofocus system.
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-
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- 2003-08-12 JP JP2003207326A patent/JP2005062237A/en active Pending
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