JP2006178173A

JP2006178173A - カメラ

Info

Publication number: JP2006178173A
Application number: JP2004371132A
Authority: JP
Inventors: Katsunori Waratani; 克則藁谷
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2004-12-22
Publication date: 2006-07-06

Abstract

【課題】大ぼけの条件であっても合焦位置の近傍であっても合焦位置の判定を可能にする。
【解決手段】カメラ光学系２、撮像素子３、カメラ回路５、オートフォーカス判定量計算回路６、制御信号発生回路７、フォーカスレンズ駆動回路８とを備え、オートフォーカス判定量計算回路６において、高周波成分を強調する周波数特性の重みを付けた映像信号のパワースペクトルを広帯域の周波数範囲で積分したものをオートフォーカス判定量とし、それとフォーカスレンズ位置とを用いて制御信号発生回路にて、オートフォーカス判定量を最大化するようにして、フォーカスレンズ駆動回路を動作させ、カメラの合焦を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばビデオカメラやディジタルスチルカメラのような撮影装置に利用され撮影用光学系の焦点合わせを自動化するために用いられる撮影用オートフォーカス装置を搭載するカメラに関する。

撮影用オートフォーカス装置の従来技術については、例えば特許文献１及び非特許文献１に開示された技術が知られている。この種の撮影用オートフォーカス装置を備えたカメラは、従来より例えば図４に示すように構成され、カメラ光学系２，撮像素子３，プリアンプ４，カメラ回路５，高周波検波回路１１，制御信号発生回路７及びフォーカスレンズ駆動回路８を備えている。

撮像素子３は２次元の像をカメラ光学系２を介して撮影する。撮影の結果として撮像素子３から出力される映像信号は、プリアンプ４で増幅されカメラ回路５に入力される。また、この映像信号は高周波検波回路１１にも入力される。

高周波検波回路１１は、バンドパスフィルタ１２，ピーク検波部１３及びバンドパスフィルタ１４を備えており、入力される映像信号から高周波成分を取り出して出力する。すなわち、合焦状態に近くなると映像信号の中の高周波成分の割合が大きくなるので、高周波検波回路１１で取り出した高周波成分の大きさを調べてピント合わせを行う。実際には、撮影した画像の各フレームについて、カメラ光学系２に含まれるフォーカスレンズの位置と高周波検波回路１１で検出された高周波成分の大きさとを対応付け、フォーカスレンズの位置を変えながら高周波成分の大きさが最大になる条件を探索し、これにより合焦位置に近づくようにフォーカスレンズの位置合わせを行う。

制御信号発生回路７は、高周波成分の大きさが増大した方向にフォーカスレンズの位置が動くように、所定の制御信号をフォーカスレンズ駆動回路８に与えてフォーカスレンズを動かすための電気モータを駆動する。これにより、フォーカスレンズの位置が細かく変動し、山登りのように高周波成分の大きさが増大して合焦位置が見つかる。

なお、オートフォーカスの判定量として高周波検波回路１１で映像信号の高周波成分の大きさを取り出す場合には、図５に示すような処理を行う。すなわち、映像信号から該当する周波数範囲内の高周波成分をバンドパスフィルタで取り出し、その信号のピーク値を検波した結果を評価している。これにより、合焦位置を高周波成分の大きさが最大となる位置として求め、オートフォーカスを実現できる。

特公平３−９６７７号公報安藤隆男、小宮一三、倉重光宏、上平員丈著、「ディジタル画像入力の基礎」、コロナ社、１９９８年３月１０日発行、Ｐ．１３２−１３３図３．３７

しかしながら、従来のオートフォーカス装置においては、合焦位置の近傍では合焦位置の探索が容易であるが、合焦位置から大きく外れた状況においては、合焦位置の方向、前ピン・後ピンを容易に判断できないという課題があった。すなわち、従来よりオートフォーカスの判定量として用いている信号（以下、「ＡＦ判定量」と記載する）は、映像信号に含まれる高周波成分の大きさであり、合焦位置の近傍では判定が容易な指標であるが、合焦位置から大きく外れた状況では、ＡＦ判定量自体が小さくなるし位置の変化に対するＡＦ判定量の変化も小さい。

このような課題があるため、ピントが大ぼけの場合には、フォーカスレンズを移動可能な範囲の全域に渡って実際に駆動し、これによって確実な合焦位置を探索することが不可欠であった。このため、ピントが大ぼけの場合には、合焦状態になるまでの所要時間が長くなるのは避けられず、とりわけビデオカメラの場合には撮影された画像のピントのあまい状態が長くなってしまうという問題があった。しかも、映像信号の高周波成分の大きさをＡＦ判定量として用いる場合には、それ単独では現在のフォーカス位置が合焦位置の近傍か、合焦位置から大きく外れた状態なのかを判定できないという問題もある。

従って、ピントが大ぼけである場合であっても、すぐにフォーカスレンズ位置を大幅に移動させることはできず、時間をかけてこまめにフォーカスレンズ位置を変動させることになり、その結果として近傍に合焦位置がないことが分かってから、前ピン・後ピンについての確かな判断もないままフォーカスレンズ位置を変動させることになり、時として全域スキャンを実施する結果となり、大ぼけの状態が長く続いてしまうという問題が生じていた。

本発明は、大ぼけの条件であっても合焦位置の近傍であっても合焦位置の判定が可能なカメラを提供することを目的とする。

本発明は、撮影用光学系と、前記撮影用光学系を通して像を撮影する撮像素子と、前記撮像素子が出力する映像信号を処理して画像を記録する画像記録回路と、前記撮像素子が出力する映像信号に基づいて前記撮影用光学系のピントの状況を示すフォーカス判定量を求める判定量計算回路と、前記フォーカス判定量と前記撮影用光学系のフォーカスレンズ位置情報とを関連付けて前記フォーカス判定量を最大化するための制御信号を生成する制御信号発生回路と、前記制御信号に従って前記撮影用光学系のフォーカスレンズの位置を調整するフォーカスレンズ駆動回路とを備えるカメラにおいて、前記撮像素子が出力する映像信号のパワースペクトルを周波数の高い領域を強調するように重み付け処理する高域強調手段と、前記高域強調手段によって重み付け処理された映像信号のパワースペクトルについて、所定の周波数範囲に渡って積分処理を施した結果を前記フォーカス判定量として出力するパワースペクトル積分手段とを設けたことを特徴とする。

一般的な撮影用光学系においては、ＭＴＦ（Modulation Transfer Function）と空間周波数との関係はフォーカスレンズ位置の違いに応じて図７に示すように変化する。すなわち、フォーカスレンズ位置が合焦位置の近傍にある状態では空間周波数の高域においてＭＴＦの変化が顕著であるが、空間周波数の低域についてもＭＴＦは変化している。従って、映像信号の高域の周波数成分だけでなく、低域の周波数成分についてもピントの判断に利用することが可能である。また、フォーカスレンズ位置が合焦位置から遠く離れた位置では、高域の周波数成分はＭＴＦが０に近いためほとんど現れないが、低域の周波数成分は現れる。但し、映像信号のパワースペクトルにおいては、一般に低域の周波数成分のレベルが大きく、高域の周波数成分のレベルが小さくなるので、例えば低域の周波数成分と高域の周波数成分とを同等の割合で加算して利用すると、高域の周波数成分が結果に及ぼす影響が非常に小さくなり、合焦位置の近傍における判定精度が劣化する。

本発明では、映像信号のパワースペクトルを周波数の高い領域を強調してから所定の周波数範囲に渡って積分処理するので、高域の周波数成分の影響度が大きくなり、同時に低域の周波数成分もピントの判定に利用できる。これにより、フォーカスレンズ位置が合焦位置から大きく外れた位置にある場合でもピントの善し悪しを判定可能になる。また、このようなＡＦ判定量はＳＮ比が高くノイズによる影響を受けにくく安定した判定が可能になる。更に、結果的にオートフォーカスの合焦位置判定において山登り法をフォーカスレンズ位置の広い範囲に渡って用いることが可能になる。また、山登り法で合焦位置を探索できるので、時間のかかる全域での探索が不要になりピントの調整中に焦点が外れていく過程が生じないため映像を見ている人に違和感を感じさせるのを避けることができる。また、大ぼけの状態にある時間が短縮され、合焦位置を探索する際の所要時間も短縮される。

本発明において、前記高域強調手段は、映像信号のパワースペクトルを周波数の正のべき乗を表す関数に従って周波数の高い領域を強調するように重み付け処理し、前記パワースペクトル積分手段は、合焦状態に近い位置の限界周波数から合焦状態から遠い位置の限界周波数までの周波数範囲について、重み付け処理された映像信号のパワースペクトルを積分することを特徴とする。この構成では、積分対象のパワースペクトルはもはや単調な右下がりのカーブではなくなり、パワースペクトルの高域の周波数成分が低域の周波数成分に埋もれることがなくなる。そして、合焦位置近傍でのピントの判定に役立つ周波数成分から合焦位置に遠い位置でのピントの判定に役立つ周波数成分までを積分結果に反映できるので、合焦位置の近傍だけではなく合焦位置から大きくはずれた状況においてもピントの善し悪しを安定して判定可能になる。

本発明において、前記パワースペクトル積分手段は、重み付け処理された映像信号のパワースペクトルを積分する前に、パワースペクトルの周波数軸に関する対数変換を実施することを特徴とする。この構成では、重み付け後のパワースペクトルにおいてレベルの大きい特定の周波数成分が積分結果に支配的な影響を及ぼすことになるため、積分対象の全ての周波数範囲の中でピントの判定に役立つ周波数成分を効果的に利用することができる。従って、合焦位置の近傍だけではなく合焦位置から大きくはずれた状況においてもピントの善し悪しを安定して判定可能になる。

本発明において、前記パワースペクトル積分手段は、前記映像信号のパワースペクトルに関する積分処理の結果を、前記映像信号の少なくとも１フレームの画像における輝度の合計もしくは平均輝度を用いて規格化し、その結果を前記フォーカス判定量として出力することを特徴とする。この構成では、被写体の明るさに依存しないＡＦ判定量が得られるので、映像信号の単独フレームから検出されたＡＦ判定量だけに基づいて、大ぼけの可能性を判断することができる。大ぼけの状態では、フォーカスレンズ位置を制御するための変動量を大きめの値に変更することにより、山登り法を用いて合焦位置に到達するまでの探索所要時間を短縮することができる。

本発明によれば、合焦位置から大きく外れた位置においてもピントの善し悪しを判定可能なＡＦ判定量が得られる。また、得られるＡＦ判定量はＳＮ比が高くノイズの影響を受けにくいため、安定したピントの判定が可能になる。また、合焦位置から大きく外れた位置においてもピントの良くなるフォーカスレンズの移動方向を判定できるので、フォーカスレンズの位置を全域に渡って移動しながら合焦位置を探索する必要がなくなり、大ぼけのままピントが改善しない時間が短縮され、合焦完了までの所要時間が大幅に短縮される。

（第１の実施の形態）
本発明のカメラの実施の形態について、図１〜図３，図６及び図７を参照しながら説明する。図１はこの形態の装置の構成を示すブロック図である。図２はこの形態の装置の動作を示すフローチャートである。図３はこの形態の装置におけるＡＦ判定量の算出動作を示すフローチャートである。図６はＡＦ判定量とフォーカスレンズ位置との関係を示すグラフである。以下、一般テレビでよく用いられているＮＴＳＣ信号によって得られる画像を例にして述べる。図７はフォーカスレンズ位置の違いによるＭＴＦの変化を示すグラフであり、ＮＴＳＣ信号によって得られる画像の横方向のＭＴＦを示している。ＮＴＳＣ信号の横方向の画素数が６４０とすると、最大周波数は３２０ｃｙｃｌｅ／ｌｉｎｅとなる。このとき、ｆＬは８０、ｆＨは２５０とする。

図１に示すように、カメラ１は、カメラ光学系２，撮像素子３，プリアンプ４，カメラ回路５，ＡＦ判定量計算回路６，制御信号発生回路７及びフォーカスレンズ駆動回路８を備えている。撮像素子３は、２次元の像をカメラ光学系２を介して撮影する。撮像素子３としては、例えば２次元ＣＣＤイメージセンサが利用される。撮像素子３は、撮影した像の各部の明るさに応じたレベルの電気信号を所定の同期信号のタイミングに同期して映像信号として出力する。カメラ光学系２には、図示しないが焦点を調節するための移動可能なフォーカスレンズが含まれている。このフォーカスレンズは所定の電気モータと接続され、焦点合わせの際には電気モータで駆動され移動する。撮影の結果として撮像素子３から出力される映像信号は、プリアンプ４で増幅された後、ＡＤ変換によりディジタル信号としてプリアンプ４から出力され、カメラ回路５に入力される。また、この映像信号はＡＦ判定量計算回路６にも入力される。カメラ回路５は、入力される映像信号に対して所定の画像処理を施して静止画や動画のデータを生成する。

ＡＦ判定量計算回路６は、プリアンプ４から出力される映像信号を処理してピントの判定に利用されるＡＦ判定量を生成する。この処理の内容については後で説明する。制御信号発生回路７は、ＡＦ判定量計算回路６が出力するＡＦ判定量とカメラ光学系２のフォーカスレンズ位置とを関連付け、フォーカスレンズを合焦位置に位置決めするための制御信号を出力する。この制御信号に従って、フォーカスレンズ駆動回路８は電気モータを駆動し、フォーカスレンズを動かして位置決めする。この例では、制御信号発生回路７は山登り法と呼ばれる制御アルゴリズムを採用しており、撮影した映像のフレーム毎にＡＦ判定量計算回路６が出力するＡＦ判定量を調べ、図２に示すような手順に従ってフォーカスレンズ位置を制御する。
すなわち、ＡＦ（オートフォーカス）動作を開始すると、映像のフレーム毎にステップＳ１１で映像信号を取得し、ステップＳ１２でＡＦ判定量を算出し、ステップＳ１３でＡＦ判定量をフレーム間で比較する。

前回フレームから今回フレームまでのＡＦ判定量の減少量が予め定めたしきい値以上の場合にはステップＳ１３からＳ１４に進む。この場合には、フォーカスレンズ位置が合焦位置から遠ざかっていることを意味するので、ステップＳ１４ではフォーカスレンズを逆方向に動かすために、フォーカスレンズの１ステップの移動量（次回移動量）の符号を今回と反対にする。また、前回フレームから今回フレームまでのＡＦ判定量の増加量が予め定めたしきい値以上の場合にはステップＳ１３からＳ１５に進む。この場合には、フォーカスレンズ位置が合焦位置に近づいていることを意味するので、ステップＳ１５ではフォーカスレンズを同じ方向に動かすために、フォーカスレンズの１ステップの移動量（次回移動量）の符号を今回と同じにする。それ以外の場合には、ステップＳ１３からＳ１６に進み、現在の位置が合焦位置の近傍であるか否かを判定する。

現在のフォーカスレンズ位置を中心として、１ステップの移動量だけ前後にフォーカスレンズ位置を移動させ、ＡＦ判定量を比較する。中央のＡＦ判定量が最大の時はＡＦ動作を終了する。それ以外の時は、フォーカスレンズ位置が合焦位置から遠く離れており、大ぼけの状態であることを意味するので、この場合はステップＳ１６からＳ１７に進み、フォーカスレンズの１ステップの移動量（次回移動量）を大きな値に変更する。大きな１ステップの移動量でもＡＦ判定量の差がしきい値以上にならないときは、焦点の合う場所がないと判断し処理を中止する。そうでない時は、１ステップの移動量を元に戻す。

図１のＡＦ判定量計算回路６は、入力される映像信号のパワースペクトルに対して周波数の高域成分を強調するように補正し、補正後のパワースペクトルを所定の周波数範囲に渡って周波数に関する区間積分を行った結果をＡＦ判定量として出力する。実際には、ＡＦ判定量計算回路６の処理は図３に示す手順に従って実行される。この処理の内容について以下に説明する。

最初のステップで取得した映像信号のデータは、次のステップＳ２１でバンドパスフィルタの処理を受け、特定の周波数範囲内の信号成分だけが抽出される（図７ではｆＬからｆＨの間）。この周波数範囲は比較的広くなっており、従来の高周波検波回路１１のように高周波成分だけを抽出するものではない。次のステップＳ２２では、Ｓ２１のバンドパスフィルタを通った映像信号に対して、高周波成分を強調する補正処理を施す。すなわち、一般的な映像信号におけるパワースペクトルでは、空間周波数の低い領域ではレベルが大きく、空間周波数の高い領域ではレベルが小さくなる傾向がある（図１２，図１３参照）ため、補正せずに周波数に関する区間積分を行うと、レベルの小さい空間周波数の高い領域の成分は空間周波数の低い領域の成分の中に埋もれてしまい、ＡＦ判定量に対する影響度が小さくなってしまう。そこで、空間周波数の高い領域の成分がＡＦ判定量に対して十分な影響を及ぼすように、積分を行う前に周波数の高い領域の成分を強調する。次のステップＳ２３では、比較的広い所定の周波数範囲に渡って、映像信号のパワースペクトルを周波数に関して区間積分する。なお、ここで区間積分の下限の周波数として大ぼけ時のＭＴＦの限界周波数（図７のｆＬ参照）に相当する映像信号周波数を用いると、大ぼけの状況においても確実にピントの善し悪しをＡＦ判定量から判断できる。ステップＳ２４では、ステップＳ２３における区間積分の結果をＡＦ判定量として出力する。

本発明のカメラと従来のカメラとの間では、使用するＡＦ判定量に関して例えば図６に示すような違いが生じる。図６において、太い実線がこの形態のカメラにおけるＡＦ判定量の特性を表し、細い実線は従来のカメラで用いる高周波成分の大きさの特性を表している。また、横軸はフォーカスレンズ位置を示し、縦軸はＡＦ判定量の大きさを示し、最大値を１にするように規格化して表している。図６から分かるように、本発明のＡＦ判定量と従来の高周波成分の大きさとはいずれも合焦位置で最大値になる。しかし、本発明のＡＦ判定量はフォーカスレンズ位置の広い範囲に渡って変化が現れているのに対し、従来例では、細い実線で示すように高周波成分については変化が見られるフォーカスレンズ位置の範囲が狭い。そのため、従来例ではフォーカスレンズ位置が合焦位置から大きく外れた場合に、高周波成分がバックグラウンドレベルまで低下するため、ノイズの影響が支配的になる。つまり、従来例ではフォーカスレンズ位置が変位しても高周波成分のレベル変化が現れないため、合焦位置に近づいているのか遠ざかっているのかを識別できない。一方、本発明で用いるＡＦ判定量ではフォーカスレンズ位置の広い範囲に渡って変化が現れているため、フォーカスレンズ位置が合焦位置から大きく外れた場合であっても、フォーカスレンズ位置の変位に伴うＡＦ判定量の変化を検出することができ、合焦位置に近づいているのか遠ざかっているのか（前ピン・後ピン）を確実に識別できる。

図６に示すように、本発明で用いるＡＦ判定量にフォーカスレンズ位置の広い範囲に渡って変化が現れるのは、本発明で用いるＡＦ判定量が、フォーカスレンズ位置の変化によるＭＴＦの変化を広い空間周波数に渡って反映していることによる。一般的に、図７に示すように、フォーカスレンズ位置が異なって合焦の度合いが異なると、空間周波数とＭＴＦとの関係は大きく異なる。すなわち、合焦位置では、ＭＴＦが大きな限界周波数（高周波領域）まですそ野をひいているのに対し、合焦位置近傍では、限界周波数が低下しすそ野が短くなっている。さらに合焦位置から遠く離れた位置では、限界周波数が小さくＭＴＦが急激に低下している。従って、例えば合焦位置の近傍における限界周波数に合わせて、その近傍の空間周波数成分だけを通過するバンドパスフィルタを用いて高周波成分を抽出し、これをＡＦ判定量として使用する場合（従来の場合）には、合焦位置及び合焦位置の近傍においてピントの具合を明確に判定できるが、合焦位置から大きく外れた場合には、ＭＴＦが変化しないためピントの状態の変化を知ることができなくなる。このため、従来は大ぼけ時にはピントの改善に関して有効な判定ができなかった。

一方、本発明の場合には、積分する周波数範囲を広く取り、例えば図７に示す「合焦位置」の限界周波数から「合焦位置遠く」の限界周波数までの周波数範囲に定める。このような広い周波数範囲について映像信号のパワースペクトルを区間積分した結果をＡＦ判定量として用いる場合には、図７に示すＭＴＦを広い空間周波数に渡って積分した値を比較するような結果となる。従って、ＡＦ判定量には、合焦位置と合焦位置の近傍とで有意な差が生じるだけでなく、合焦位置から大きく外れた位置においてもフォーカスレンズ位置の変位に対して十分な変化が現れる。従って、図６に実線で示すような特性が得られることになる。そのため、フォーカスレンズ位置がどの位置にある場合であっても、山登り法のアルゴリズムを用いてすることが可能となり、移動範囲の全域に渡ってフォーカスレンズ位置を変化させなくても、合焦位置を見つけることができ、合焦までの所要時間が大幅に短縮される。

なお、フォーカス位置の改善にともなうＭＴＦの改善は広い空間周波数にわたって見られるにも関らず、従来から高い空間周波数にかぎってその大きさを評価してきたのは次の理由による。カメラの映像信号のパワースペクトルは、ＭＴＦだけを反映するのではなく、被写体のパワースペクトルにも大きく依存している。すなわち、被写体のパワースペクトルは、（１／(空間周波数)）や（１／(空間周波数)の２乗）の周波数依存性を持つと言われている。従って、パワースペクトルは、周波数の低域の成分については大きくなり、周波数の高域の成分については小さくなる傾向がある。そのため、ＭＴＦの影響を受ける映像信号のパワースペクトルにおいては、とりわけ周波数の高域の成分のレベルが小さくなる。従って、映像信号の低周波成分と高周波成分とをそのまま積算した場合には、合焦に関して大きな感度を持つ高周波成分が低周波成分の中に埋もれることになり、ピントを判定するのに用いることができなかった。

一方、本発明の場合には映像信号のパワースペクトルについて、高周波成分を強調してから広い周波数の範囲に渡って積算した結果をＡＦ判定量として用いるので、低周波成分の中に高周波成分が埋もれることはない。従って、フォーカスレンズ位置が合焦位置の近傍にある状態ではパワースペクトルの高周波成分の影響を利用してピントの状態を判定することができ、フォーカスレンズ位置が合焦位置から大きく外れている状態ではパワースペクトルの低周波成分の影響を利用してピントの状態を判定することができる。すなわち、本発明では、フォーカスレンズ位置の広い範囲に渡って感度のあるＡＦ判定量を用いるため、前ピン・後ピンの判定及び合焦位置の判定を安定して行うことができる。

以上で示したｆＬとｆＨの値は画像の特性によって自由に変えることができる。
（第２の実施の形態）
本発明の他の実施の形態について、図８〜図１３を参照しながら説明する。図８はこの形態のカメラにおけるＡＦ判定量の算出動作を示すフローチャートである。図９はこの形態における合焦位置での映像信号の重み付きパワースペクトルの例を示すグラフである。図１０はこの形態における合焦位置近傍での映像信号の各周波数の正のべき乗を取ることにより得られる重み付きパワースペクトルの例を示すグラフである。図１１はこの形態における合焦位置から遠い位置での映像信号の重み付きパワースペクトルの例を示すグラフである。図１２は合焦位置における映像信号の重み付けなしのパワースペクトルの例を示すグラフである。図１３は合焦位置から遠い位置での映像信号の重み付けなしのパワースペクトルの例を示すグラフである。この形態は第１の実施の形態の変形例であり、前述のＡＦ判定量を算出するＡＦ判定量計算回路６の動作が図８に示す内容に変更されている。それ以外は第１の実施の形態と同様である。変更された動作について以下に説明する。

図８のステップＳ３１では、ステップＳ２１と同様にバンドパスフィルタを用いて映像信号から特定の周波数範囲内の信号成分だけを抽出する。但しステップＳ３１におけるバンドパスフィルタの周波数範囲は、合焦位置から遠く離れた位置における限界周波数（例えば図７のｆＬ）から合焦位置の近傍における限界周波数（例えば図７のｆＨ）までの範囲になっている。ステップＳ３２では、Ｓ２２と同様に所定のフィルタを用いて映像信号に含まれる高周波成分を強調する。但し、ステップＳ３２では周波数特性が周波数ｆの正のべき乗の関数で表されるフィルタを用いている。ステップＳ３３では、Ｓ３１のバンドパスフィルタ及びＳ３２のフィルタを通った映像信号のパワースペクトルを広い周波数範囲に渡って区間積分する。この場合の区間積分の周波数範囲はＳ２３と同様であるが、実質的な区間積分の周波数範囲は、ステップＳ３１の処理で用いているバンドパスフィルタが抽出する周波数範囲（例えば図７のｆＬ〜ｆＨの範囲）に定まる。ステップＳ３４では、Ｓ３３で求められた区間積分の値をＡＦ判定量として出力する。

ステップＳ３２で用いるフィルタの動作を明確にするために、映像信号のパワースペクトルの具体例について以下に説明する。図９〜図１３は映像信号のパワースペクトルのグラフを表しており、各グラフの横軸は周波数（×１０の６乗［Ｈｚ］）を表し、縦軸は対数目盛りで表されたレベルを示している。また、図９〜図１１はステップＳ３２のフィルタによって重み付けされた後の映像信号のパワースペクトルを表しており、図１２及び図１３は重み付け処理していない映像信号のパワースペクトルを表している。更に、図９，図１０及び図１１は、それぞれフォーカスレンズ位置が合焦位置にある場合，フォーカスレンズ位置が合焦位置近傍にある場合及びフォーカスレンズ位置が合焦位置から遠く離れている場合の特性を表しており、図１２はフォーカスレンズ位置が合焦位置にある場合、図１３はフォーカスレンズ位置が合焦位置から遠く離れている場合の特性を表している。また、図９〜図１１に示す例では、ステップＳ３２で用いるフィルタが周波数ｆに対して（ｆの２乗）の重みを持つ特性である場合を想定している。

この種のパワースペクトルでは、一般に図１２，図１３に示すように右下がりの特性、すなわち周波数の低域の成分のレベルが大きく、周波数の高域の成分のレベルは小さくなる。しかし、ステップＳ３２のフィルタを通った映像信号のパワースペクトルについては、図９〜図１１に示すように周波数に対して平坦な特性になる傾向が生じる。ここで、図９〜図１１に示す特性について、０〜３（×１０の６乗［Ｈｚ］）の周波数範囲内で対比する。合焦位置から大きく外れた状態では、図１１に示すようにパワースペクトルのレベルが（１０の８乗）を超えるのは低周波側のごく僅かの周波数範囲だけであるのに対し、合焦位置もしくはそれに近づいた状態では、図９，図１０に示すようにピントの改善に伴ってパワースペクトルのレベルが（１０の８乗）を超える周波数範囲が次第に広がっている。また同時に、それらの周波数範囲内におけるパワースペクトルのレベルも向上している。

一方、ステップＳ３２のフィルタを用いない場合には、図１２，図１３に示すように、周波数の低い領域でパワースペクトルのレベルが大きくなり、周波数の高い領域でパワースペクトルのレベルが著しく減衰している。また、フォーカスレンズ位置が合焦位置にある状態と合焦位置から遠く離れている状態とでは図１２，図１３に示すようにパワースペクトルに多少は違いが現れるが、パワースペクトルの全体のカーブが右下がりであるため、これらの特性の違いは目立ちにくく識別が困難である。従って、図１２の特性と図１３の特性とを識別するためには、パワースペクトルの中の特定の狭い周波数範囲内（例えば高周波の領域）だけを取り出して比較を行う必要がある。そのため、合焦位置の近傍で感度のある高周波成分だけを取りだして利用すると、合焦位置から大きく外れた場合に感度がなくなってしまう。つまり、周波数特性が周波数ｆの正のべき乗の関数で表されるフィルタを用いて映像信号の高周波成分を強調処理することにより、フォーカスレンズ位置の違いに対してパワースペクトルに図９〜図１１に示すような明確な違いが現れるので、その結果を区間積分してＡＦ判定量を生成することにより、フォーカスレンズ位置の広い範囲に渡ってピントの状態を認識することが可能になる。従って、歴然としたピントの改善が期待できる。

また、このような重み付きのパワースペクトルを区間積分した結果をＡＦ判定量として利用することにより、ＳＮ比が高くなりノイズや外乱の影響を受けにくいという付加的な利点も期待できる。すなわち、パワースペクトルを高周波の狭帯域で評価するのではなく、重み付きパワースペクトルを広い帯域で積分して評価するため、画像情報の中でＡＦ判定量に利用される割合が高くなり、これがＳＮ比の向上をもたらす。さらには、被写体画像の空間周波数によって、合焦のしやすさが違ってくるという結果が生じにくくなると期待できる。すなわち、従来の狭帯域での高周波成分の大きさを用いる場合には、被写体の画像の空間周波数が、その高周波成分に対応する時にはＡＦ動作がしやすくなるという結果を生じていたが、本発明ではそのような特定の周波数成分を持たないため、被写体自体の強い周波数成分がどの位置にあっても良好に合焦できる。

この形態においては、重み付きのパワースペクトルがもはや右下がりの単調なカーブでなくなるため、フォーカスレンズ位置の広い範囲に渡ってピントの善し悪しをより安定して判定し合焦動作をすることができる。

（第３の実施の形態）
本発明の他の実施の形態について、図１４を参照しながら説明する。図１４はこの形態のカメラにおけるＡＦ判定量の算出動作を示すフローチャートである。この形態は第１の実施の形態の変形例であり、前述のＡＦ判定量を算出するＡＦ判定量計算回路６の動作が図１４に示す内容に変更されている。それ以外は第１の実施の形態もしくは第２の実施の形態と同様である。変更された動作について以下に説明する。

図１４のステップＳ４１では、Ｓ２１と同様にバンドパスフィルタを用いて映像信号から特定の周波数範囲内の信号成分だけを抽出する。ステップＳ４１におけるバンドパスフィルタの周波数範囲は、合焦位置から遠く離れた位置における限界周波数（例えば図７のｆＬ）から合焦位置の近傍における限界周波数（例えば図７のｆＨ）までの範囲になっている。ステップＳ４２では、Ｓ２２と同様に所定のフィルタを用いて映像信号に含まれる高周波成分を強調する。ステップＳ４２では周波数特性が周波数ｆの正のべき乗の関数で表されるフィルタを用いている。ステップＳ４３では、Ｓ４２の処理の結果として出力される重み付き映像信号のパワースペクトルについて、周波数空間での対数変換を行う。すなわち、パワースペクトルのデータを、周波数軸上で等間隔の各周波数毎に求められたデータから、周波数軸を対数目盛りとした場合に対数目盛り上で等間隔となる各位置の周波数毎に求められたデータに変換する。ステップＳ４４では、Ｓ４３によって周波数空間で対数変換されたパワースペクトルを広い周波数範囲に渡って区間積分する。この場合の区間積分の周波数範囲はＳ２３と同様であるが、実質的な区間積分の周波数範囲は、ステップＳ４１の処理で用いているバンドパスフィルタが抽出する周波数範囲（例えば図７のｆＬ〜ｆＨの範囲）に定まる。

ステップＳ４５では、ステップＳ４４で求められた区間積分の値をＡＦ判定量として出力する。フィルタによって重み付けされた映像信号のパワースペクトルを広い周波数範囲に渡って区間積分した場合には、出力されるＡＦ判定量においてパワースペクトルの中で強度の大きい特定の周波数成分の影響が支配的になる可能性がある。しかし、区間積分を行う前に、ステップＳ４３でパワースペクトルを周波数空間で対数変換することにより、パワースペクトルがＡＦ判定量に及ぼす影響を、広い周波数範囲の全体に渡って均等にすることができる。

なお、ステップＳ４３における対数変換については、対数そのものに限る必要はなく、対数変換に近い結果を与える変換を行っても良い。例えば、周波数の平方根が等間隔になるように配置された目盛りの周波数軸上で等間隔に定めた各周波数についてパワースペクトルのデータを出力しても良い。

この形態では、区間積分を行う前にパワースペクトルを周波数空間で対数変換しているので、パワースペクトル上でレベルの大きい特定の周波数成分だけがＡＦ判定量に対して支配的な影響を与えるのを避けることができる。

（第４の実施の形態）
本発明の他の実施の形態について、図１５を参照しながら説明する。図１５はこの形態のカメラにおけるＡＦ判定量の算出動作を示すフローチャートである。この形態は第１の実施の形態の変形例であり、前述のＡＦ判定量を算出するＡＦ判定量計算回路６の動作が図１５に示す内容に変更されている。それ以外は第１の実施の形態もしくは第２の実施の形態と同様である。変更された動作について以下に説明する。

図１５におけるステップＳ５１〜Ｓ５３の内容については、図８のＳ３１〜Ｓ３３と同様である。ステップＳ５４においては、映像信号の１フレーム中の輝度（明るさ）の総和を求め、更に１フレームの平均輝度を算出し、ステップＳ５３の区間積分の結果を（平均輝度の２乗）で除算している。つまり、ＡＦ判定量をフレーム内の平均輝度を用いて規格化している。これによって、出力されるＡＦ判定量は画像の輝度の影響を受けにくくなるため、非常に輝度の大きい像や非常に輝度の小さい像を撮影する場合であっても、ほとんど同じパラメータを用いてピントの判定を行うことができるため、判定に使用するパラメータを単純化することができる。また、低輝度の画像においてＡＦ動作が中輝度の画像の場合と比べて不安定になるのを避けることができる。

本発明のカメラは、合焦位置から大きく外れた位置においてもピントの善し悪しを判定可能なＡＦ判定量が得られるという効果を有し、ビデオカメラやディジタルスチルカメラのような撮影装置に利用され撮影用光学系の焦点合わせを自動化するために用いられるオートフォーカス技術等として有用である。

第１の実施の形態のカメラの構成を示すブロック図第１の実施の形態のカメラの動作を示すフローチャート第１の実施の形態のカメラにおけるＡＦ判定量の算出動作を示すフローチャート従来例のカメラの構成を示すブロック図従来例の高周波検波回路の動作を示すフローチャートＡＦ判定量とフォーカスレンズ位置との関係を示すグラフフォーカスレンズ位置の違いによるＭＴＦの変化を示すグラフ第２の実施の形態のカメラにおけるＡＦ判定量の算出動作を示すフローチャート第２の実施の形態における合焦位置での映像信号の重み付きパワースペクトルの例を示すグラフ第２の実施の形態における合焦位置近傍での映像信号の重み付きパワースペクトルの例を示すグラフ第２の実施の形態における合焦位置から遠い位置での映像信号の重み付きパワースペクトルの例を示すグラフ合焦位置における映像信号の重み付けなしのパワースペクトルの例を示すグラフ合焦位置から遠い位置での映像信号の重み付けなしのパワースペクトルの例を示すグラフ第３の実施の形態のカメラにおけるＡＦ判定量の算出動作を示すフローチャート第４の実施の形態のカメラにおけるＡＦ判定量の算出動作を示すフローチャート

符号の説明

１カメラ
２カメラ光学系
３撮像素子
４プリアンプ
５カメラ回路
６ＡＦ判定量計算回路
７制御信号発生回路
８フォーカスレンズ駆動回路
１１高周波検波回路
１２バンドパスフィルタ
１３ピーク検波部
１４バンドパスフィルタ

Claims

撮影用光学系と、前記撮影用光学系を通して像を撮影する撮像素子と、前記撮像素子が出力する映像信号に基づいて前記撮影用光学系のピントの状況を示すフォーカス判定量を求める判定量計算回路と、前記フォーカス判定量と前記撮影用光学系のフォーカスレンズ位置情報とを関連付けて前記フォーカス判定量を最大化するための制御信号を生成する制御信号発生回路と、前記制御信号に従って前記撮影用光学系のフォーカスレンズの位置を調整するフォーカスレンズ駆動回路とを備えるカメラであって、
前記撮像素子が出力する映像信号のパワースペクトルを周波数の高い領域を強調するように重み付け処理する高域強調手段と、前記高域強調手段によって重み付け処理された映像信号のパワースペクトルについて、所定の周波数範囲に渡って積分処理を施した結果を前記フォーカス判定量として出力するパワースペクトル積分手段とを備えるカメラ。
請求項１に記載のカメラにおいて、
前記高域強調手段は、映像信号のパワースペクトルを周波数の正のべき乗を表す関数に従って周波数の高い領域を強調するように重み付け処理し、
前記パワースペクトル積分手段は、合焦状態に近い位置の限界周波数から合焦状態から遠い位置の限界周波数までの周波数範囲について、重み付け処理された映像信号のパワースペクトルを積分するカメラ。
請求項１又は請求項２に記載のカメラにおいて、
前記パワースペクトル積分手段は、重み付け処理された映像信号のパワースペクトルを積分する前に、パワースペクトルの周波数軸に関する対数変換を実施するカメラ。
請求項１又は請求項２に記載のカメラにおいて、
前記パワースペクトル積分手段は、前記映像信号のパワースペクトルに関する積分処理の結果を、前記映像信号の少なくとも１フレームの画像における輝度の合計もしくは平均輝度を用いて規格化し、その結果を前記フォーカス判定量として出力するカメラ。