JP2006072016A

JP2006072016A - オートフォーカス装置

Info

Publication number: JP2006072016A
Application number: JP2004255871A
Authority: JP
Inventors: Yoshitomo Otake; 與志知大竹
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2004-09-02
Filing date: 2004-09-02
Publication date: 2006-03-16

Abstract

【課題】ジャストピント位置での周辺画像の鮮鋭度を向上させるオートフォーカス装置を提供する。
【解決手段】被写体像からの入射光をフォーカスレンズ１を介して撮像素子７に入射させ光電変換された映像信号電圧Ｓ２を得る。この映像信号電圧Ｓ２から所定高域周波数の焦点電圧Ｅを検出し、制御回路３によりパルスモータ２を介してフォーカスレンズ１を駆動し、最大焦点電圧の得られる位置にフォーカスレンズ１を移動させる（ジャストピント位置）。次いで制御回路３は、予め補正データ１３に記憶されているズーム位置に対応したメリジオナル方向の光線による像点の最大コントラスト値が得られるディフォーカス量を参照し、このディフォーカス量から位置補正値を演算で得てパルスモータ２を再度駆動してフォーカスレンズ１の位置を微小補正することで画像の鮮鋭度を向上させる。
【選択図】図１

Description

本発明はオートフォーカス装置に係り、特にＣＣＤ等の撮像素子より得られる映像信号から高域周波数成分を焦点電圧として抽出し、その焦点電圧が最大レベルになるように自動的にピント合わせを行うオートフォーカス装置に関する。

従来から、撮像素子より得られる映像信号に含まれる高域周波数成分を焦点電圧として抽出し、この焦点電圧が最大レベルになるようにフォーカスレンズを移動させ、ジャストピント（合焦）位置に調節するオートフォーカス装置が良く知られている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。
これらのオートフォーカス装置では、２点での焦点電圧を逐次レベル比較して焦点電圧の大小関係でピントずれの有無とレンズ移動方向を検出することによりレンズを移動させるいわゆる山登りサーボ方式として知られた方式が多く使われている。

一般に上記のようなオートフォーカス方式により得られるジャストピント位置は近軸光線（光軸に極めて接近しほぼ光軸に平行な光線）の結像位置から若干ずれた位置にあり、このようなオートフォーカス方式により得られたジャストピント位置と近軸光線の結像位置との差はディフォーカス量と呼ばれている。
特開昭６２−２９９９２３号公報ＮＨＫ技術研究報告、第１７巻第１号（通巻第８６号１９６５年）、２１頁

前記のごとく、一般にオートフォーカス方式でのジャストピント位置は近軸光線の結像位置から若干ずれた位置になるが、実際には焦点電圧を抽出する高域周波数の選択や画面の中央部分の焦点電圧を用いること等によりディフォーカス量はほぼ０に近くなっている場合が多い。

しかし、本発明者の観察によると、撮影画面周辺部の細かな絵柄の鮮鋭度を主眼としたときは、ディフォーカス量は０ではなく若干ずらした方がむしろ全体に鮮鋭度の良い画像が得られることが分かった。この理由は、ディフォーカス量が０の場合には光軸から離れてレンズを通った光線のメリジオナル方向（子午線方向。主光線と光軸とを含む平面の方向）のコントラストが著しく低下するためである。
したがって、従来のオートフォーカス方式でのジャストピント位置は、中央のピントは合っていても周辺ではメリジオナル方向のコントラストが低下しているために、全体のコントラストバランスが悪く、そのため細かな絵柄では鮮鋭度の良くない状態で撮影が行われているのである。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、オートフォーカス方式でのジャストピント位置での周辺部画像の鮮鋭度を向上させるために、メリジオナル方向の光線による像のコントラストを改善して全体のコントラストバランスをとり、これにより細かな絵柄の鮮鋭度の良好な画像を得ることにある。

本発明は、上記課題を解決する手段として以下に記載の構成からなる。すなわち、
被写体像からの入射光が入射する方向にズーム系レンズ、フォーカスレンズが順番に配列された光学系を介して撮像素子に入射させ、前記撮像素子で光電変換された映像信号電圧に基づいて、前記フォーカスレンズを光軸上で移動させるオートフォーカス装置において、
前記映像信号電圧から所定の高域周波数の焦点電圧を検出する焦点電圧検出手段と、
前記焦点電圧検出手段で検出された焦点電圧に基づいて、最大焦点電圧が得られる位置に前記フォーカスレンズを移動させるオートフォーカス手段と、
前記光学系のコントラスト再現度特性を記憶する補正データ記憶手段と、
前記ズーム系レンズのズーム位置に対応した前記コントラスト再現度特性を参照して、ピント位置の補正値を得る演算手段と、
前記補正値を用いて、前記フォーカスレンズの位置を制御して、前記被写体像のコントラストを向上させる制御手段と、
を備えたことを特徴とするオートフォーカス装置。

オートフォーカス装置のジャストピント位置を補正することで、画面周辺部のメリジオナル方向の光線による像のコントラストが改善でき、これにより画面全体のコントラストバランスが向上して細かな絵柄の鮮鋭度の良い画像が得られる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面と共に説明する。
図１は本発明に係るオートフォーカス装置の一実施例を示すブロック図、図２は焦点電圧の変化を示す図、図３はオートフォーカスの動作を説明する図、図４はディフォーカスが−０．０２ｍｍの時のレンズ性能を示すＭＴＦ（Modulation Transfer Function：コントラスト再現度）曲線図、図５はディフォーカスが０の時のＭＴＦ曲線図、図６はディフォーカスが０．０２ｍｍの時のＭＴＦ曲線図である。

第１図において、このオートフォーカス装置はズーム系レンズ５とアイリス（絞り）４及びフォーカスレンズ１とから構成された光学系６を備えている。そして、上記フォーカスレンズ１をパルスモータ２によって光軸方向（矢印Ａ方向）の所定方向に移動させることによりフォーカシングを行なうようになっていると共に、このフォーカスレンズ１はオートフォーカシング開始と同時に移動されるようになっており、このフォーカスレンズ１の移動距離は、上記光学系６内に設けられた位置センサ（図示せず）にて検出され位置情報Ｓ１（Ａ）として制御回路３に供給されるようになっている。同じく、上記ズーム系レンズ５についてもズーミングの位置を位置センサ（図示せず）が検出し位置情報Ｓ１（Ｂ）として制御回路３に供給されるようになっている。

また、上記光学系６を介して入射される被写体からの撮像光は、本実施例における撮像手段であるＣＣＤ（電荷結合素子）等を用いた撮像素子７にて電気的な映像信号Ｓ２に光電変換される。そして、この映像信号Ｓ２は増幅器８にて増幅されて図示しない記録回路等に供給されると共に、ＡＧＣ（自動利得制御回路）９を介してＢＰＦ（バンドパスフィルタ）１０に供給される。このＢＰＦ１０は、上記映像信号Ｓ２から所定の高域成分を抽出してＤＥＴ（検波器）１１に供給する。そして、このＤＥＴ１１にて上記映像信号Ｓ２の所定の高域成分に対応する第２図に示す如き焦点電圧Ｅが得られる。

ここで、この焦点電圧Ｅは上記映像信号Ｓ２の画像の精細度に対応するものであり、上記フォーカスレンズ１がジャストピント位置Ｐにあるときに最大となる。上記焦点電圧Ｅは、Ａ／Ｄ（アナログ−デジタル変換器）１２にてデジタル化されて上記制御回路３に供給される。そして、この制御回路３は、上記フォーカスレンズ１の光軸方向への移動に伴なう焦点電圧Ｅをフォーカシング開始から１フィールド毎に順次サンプリングする。

次に、この制御回路３は、順次サンプリングされる各焦点電圧を逐次レベル比較して差分電圧ΔＥを算出し、この差分電圧ΔＥのレベルの大小及び符号変化を検出することによりジャストピント位置Ｐを検出する。
そして、この制御回路３は、この検出結果に基づいて所定パルス数のパルス信号を制御信号Ｓ３として前記パルスモータ２に供給しこれを回転駆動させる。これにより前記フォーカスレンズ１はジャストピント位置Ｐに近づいて行く。

次に、上記構成のオートフォーカス装置において、ジャストピント位置に到達する過程を、図３を用いて説明する。図３に示す数字はオートフォーカス動作の順序である。
まず、（１）からスタートする。まず任意の方向にフォーカスレンズを動かす。
次いで、（２）は方向検出を行い、一定以上電圧が下がったら逆転する。
次いで、（３）は山登り期間で、２点の電圧を比較し頂上に向かって山登りを続ける。
次いで、（４）頂上検出を行う。一定以上電圧が下がったら高い電圧位置を頂上と判断し、
次いで、（５）フォーカスレンズを頂上に戻し合焦位置として、オートフォーカスの動作を固定する。なお、この後被写体が移動したり、カメラを動かすことで焦点電圧が一定以上下がった場合には再度オートフォーカス動作を開始する。

次に、ジャストピント位置が求められた後に行うフォーカスレンズの位置補正について説明する。
本実施例で用いる光学系６は、一例として、１／６インチＣＣＤ用１０倍ズーム、Ｆ１．８のレンズであり、図４ないし図６はこのレンズのズーム位置がワイドミドル（広角側の中央）におけるＭＴＦ曲線図である。
これらのＭＴＦ曲線図において、横軸は空間周波数（本／ｍｍ）、縦軸はコントラスト（％）を表し、実線ａは像高０（画面中心）の、破線ｂ及びｃは７割像高（イメージサークルの半径を１０としたときのレンズ中心から７の高さ）のＭＴＦ曲線であり、破線ｂはサジタル方向（主光線を含みメリジオナル平面に垂直な平面の方向）、破線ｃはメリジオナル方向のＭＴＦ曲線である。
なお、像高０のときはサジタル方向とメリジオナル方向のＭＴＦ曲線が一致しているので図示していない。

なお、メリジオナル方向とサジタル方向の用語について、図７を用いて簡単に説明する。図示したようにメリジオナル方向は主光線と光軸とを含んだ平面の方向で、この図では垂直の面として描かれている。サジタル方向は主光線を含んでメリジオナル面と直交する面の方向で、この図では水平の面として描かれている。レンズを通った両方向の光線は夫々結像する。この図では夫々の結像点の位置がずれている状態を表している。

ここで、図４はディフォーカス量−０．０２ｍｍの場合、図５はディフォーカス量０の場合、図６はディフォーカス量０．０２ｍｍの場合のＭＴＦ曲線図である。なお、ディフォーカス量は近軸光線の結像位置からの距離を表し像側へのずれを正にとっている。

各図を比較すると、ディフォーカス量０の図５では、像高０（実線ａ）のコントラストは高いのであるが、７割像高のメリジオナル方向（破線ｃ）のコントラストがかなり低くなり性能的に問題であるといえる。
さらに、図６においては、７割像高のメリジオナル方向（破線ｃ）のコントラストは一段と悪化している。

一方、ディフォーカス量−０．０２ｍｍの図４では、像高０（実線ａ）のコントラストは図５、図６に比べ低くなるが７割像高特にメリジオナル方向（破線ｃ）のコントラストが高くなり全体のコントラストバランスが改善されているといえる。

前記したように、オートフォーカスのジャストピント位置の検出は、高域周波数のコントラスト成分（焦点電圧）による山登り曲線の頂上を検出しているが、本実施例ではこの高域周波数として４６本／ｍｍに相当する高域周波数のコントラスト成分を検出に使用している。この場合のジャストピント位置のディフォーカス量を光学系６の諸スペックと前記高域周波数等の値を使ってシミュレーションにより求めると−０．００７ｍｍであった。
この値は前記ディフォーカス量０の図５に近いＭＴＦ曲線であると考えられる。したがって、この状態では７割像高のメリジオナル方向のコントラストがかなり低い状態で使われていることになり改善の余地がある。

ここで、ジャストピント位置が確定した後でディフォーカスの量が−０．０２ｍｍとなるようにフォーカスレンズ１を移動させれば、７割像高のメリジオナル方向のコントラストを高くし全体のバランスをとることができることになる。このときジャストピント位置のディフォーカスの量をΔ₀、最適ディフォーカスの量をΔ_Sとすれば、補正量Δは、
Δ＝Δ_S−Δ₀＝−０．０２＋０．００７＝−０．０１３（ｍｍ）・・・（１）
となる。すなわち、０．０１３ｍｍ像側にフォーカスレンズ１を移動すれば良い。

図１に戻り上記フォーカスレンズ１の位置補正の具体的方法を説明する。
前記図３を用いて説明したようにしてジャストピント位置が確定するとオートフォーカスの制御は一旦停止する。
ここで制御回路３は、光学系６から入力されたズーム系レンズ５の位置情報Ｓ１（Ｂ）を用いて、補正データ１３に記憶されているＭＴＦ曲線データから対応する最適ディフォーカスの値を参照する。
制御回路３はこの最適ディフォーカスの値と固有のジャストピント位置のディフォーカス量とから上記演算式による補正量を算出し、次いで、この補正量に応じてパルスモータ２に所定パルス数のパルス信号を制御信号Ｓ３として供給しフォーカスレンズ１を再度移動させる。
このようにしてフォーカスレンズ１の位置補正が行われる。

なお、補正データ１３には予めシミュレーションにより求められたズーム系レンズ５の各ズーム位置に対するＭＴＦ曲線のデータが記憶されており、上記の場合には、位置情報Ｓ１（Ｂ）における７割像高のメリジオナル方向のＭＴＦ曲線からコントラストの最大値が得られるディフォーカスの量を参照することになる。

以上の本発明のオートフォーカス動作によって、被写体にピントが合うと共に、若干のピント位置補正により画面中央から離れた位置におけるメリジオナル方向の光線による像のコントラストが向上し、これにより鮮鋭度の高い画像を得ることができる。

なお、本実施例ではズーム系レンズ５の位置情報Ｓ１（Ｂ）に基づいて補正を行っているが、更に光学系６のアイリス４の絞りＦ値や位置情報Ｓ１（Ａ）を用いて被写体までの距離を算出し、これらに応じて上記最適ディフォーカスの値を微小修正することでコントラストバランスをより向上させることが可能である。

本発明に係るオートフォーカス装置の一実施例を示すブロック図である。焦点電圧の変化を示す図である。オートフォーカスの動作を説明する図である。ディフォーカスが−０．０２ｍｍの時のＭＴＦ曲線図である。ディフォーカスが０の時のＭＴＦ曲線図である。ディフォーカスが０．０２ｍｍの時のＭＴＦ曲線図である。メリジオナル方向とサジタル方向を模式的に示した図である。

符号の説明

１・・・フォーカスレンズ
２・・・パルスモータ
３・・・制御回路
４・・・アイリス（絞り）
５・・・ズーム系レンズ
６・・・光学系
７・・・撮像素子
８・・・増幅器
９・・・ＡＧＣ（自動利得制御回路）
１０・・・ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）
１１・・・ＤＥＴ（検波器）
１２・・・Ａ／Ｄ（アナログ−デジタル変換器）
１３・・・補正データ

Claims

被写体像からの入射光が入射する方向にズーム系レンズ、フォーカスレンズが順番に配列された光学系を介して撮像素子に入射させ、前記撮像素子で光電変換された映像信号電圧に基づいて、前記フォーカスレンズを光軸上で移動させるオートフォーカス装置において、
前記映像信号電圧から所定の高域周波数の焦点電圧を検出する焦点電圧検出手段と、
前記焦点電圧検出手段で検出された焦点電圧に基づいて、最大焦点電圧が得られる位置に前記フォーカスレンズを移動させるオートフォーカス手段と、
前記光学系のコントラスト再現度特性を記憶する補正データ記憶手段と、
前記ズーム系レンズのズーム位置に対応した前記コントラスト再現度特性を参照して、ピント位置の補正値を得る演算手段と、
前記補正値を用いて、前記フォーカスレンズの位置を制御して、前記被写体像のコントラストを向上させる制御手段と、
を備えたことを特徴とするオートフォーカス装置。