JP2766019B2 - ビデオカメラのオートフォーカス装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ビデオカメラ，電子スチルカメラ等のオー
トフォーカス装置に係り、特に撮像信号の高域周波数成
分を抽出し、そのレベルが最大となるようにレンズ位置
を制御するのに好適なオートフォーカス装置に関する。

〔従来の技術〕

従来のオートフォーカス装置に、ズームレンズのマス
タ群を構成するレンズを光軸方向に基準周波数の信号で
微少振動させることにより、結像面での被写体像の状態
を変化、つまりズームレンズにより撮像素子受光面に結
像する被写体像の位置を変化させるものがある。斯るオ
ートフォーカス装置は、この変化に応じ被写体のフォー
カス状態も変化する。従って撮像素子による映像信号よ
り得られる高域周波数成分信号のレベルが変化する。こ
の高域周波数成分信号を抽出し、被写体に対しフォーカ
ス用レンズ群である前玉レンズ群の位置を光軸方向でど
ちらに動かせば良いか、判定回路により判断する。この
結果を基にし、前玉レンズ群を被写体にフォーカスする
ように動かしている。即ち前記高域周波数成分信号が最
大となるようにフィードバック回路を構成している。こ
のような従来例としては、例えば特開昭60−42723号公
報に記載されているようにマスタレンズ群の中に振動レ
ンズを配置し、該レンズを圧電素子で保持し、圧電素子
に所定の周波数の電気信号を入力することにより、該レ
ンズを振動させ、これによりフォーカス状態を判定し前
玉レンズ群を光軸方向に移動し、被写体を合焦させてい
た。

又ナショナルテクニカルレポート、31巻,6号1985年12
月65〜67頁に記載のように、マスタレンズ群の一部を前
記同様圧電素子にて保持し、振動させる方法が提案され
ている。

又第１図に示すようにビデオカメラ等におけるズーム
レンズ系は、一般にフォーカシングレンズ（前玉レンズ
群）、バリエータレンズ群、コンペンセータレンズ群、
絞り装置、マスタレンズ群（結像レンズ群）によって基
本構成がなされている。周知のようにこの基本的構成の
うちフォーカシングレンズ群は、任意の距離にある撮影
被写体に対して合焦するように働く作用を有し、バリエ
ータレンズ群は、ズーミングのための変倍作用、コンペ
ンセータレンズ群はズーミングと共に可動し、被写体に
対するズーミング中の焦点ずれを防ぐ補正作用、結像レ
ンズは撮像素子上に光学像を結像させる作用を有する。

前記文献等に示された例は、このような基本的構成を
なすレンズ系においてピント合わせ用レンズ群とは別
に、撮像素子の前に別途配置したプリズムあるいはマス
タレンズを圧電素子により振動させる光路長微少振動機
構を設けることによって達成している。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、レンズの焦点整合装置が帰還ループ
に入っているので焦点整合装置の組立て精度など機械的
精度がラフであっても合焦精度の良好なるオートフォー
カス装置が実現できるメリットがある。しかしながら上
記したように従来技術は、圧電素子を用いた光路長微少
振動機構を必要とするので、その取付け支持方法などに
長期的な安定性を考慮した構造的な工夫が必要となる。

このような点を考慮して前記文献等におけるフォーカ
シングレンズ群をモータで微少振動させながら移動させ
ることができれば、上記した光路長微少振動機構を別途
設置する必要がないので構成が簡単になると考えられ
る。しかし一般に合焦のための振動には、直流モータが
用いられており、このようなモータでフォーカシングレ
ンズ群を微少振動させることはモータの寿命の観点から
も実用化は困難である。

本発明は、圧電素子による光路長微少振動装置を設置
することなく、レンズを微少振動しながら移動させてフ
ォーカシングする。すなわち光路長微少振動とフォーカ
シングを兼用可能とする装置を実現し、簡易で低騒音の
オートフォーカス装置を提供するものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、バリエータレンズ群以降にフォーカシン
グ機構を有し、映像信号の高域周波数成分が最大となる
ようにマスタレンズの一部又は全部を移動し、ピント合
わせを行ない、かつこれを所定の周波数で微少振動させ
ながら移動するようにパルスモータを駆動することによ
り達成される。

又パルスモータを微少振動させながら移動させるため
騒音を生じ、低騒音化のためにモータに流れる電流の立
上り及び立下りを滑らかとなるように制御したものであ
る。すなわちパルスモータの駆動信号である矩形波パル
ス信号をフィルタを介して概正弦波信号を作成し、この
概正弦波信号とモータの電流波形とを比較し、モータの
電流波形が概正弦波曲線となるようにモータ駆動の矩形
波パルス信号をチョッピング制御するものである。

〔作用〕

一般のズームレンズ系において、フォーカシングレン
ズである前玉レンズ群を固定し、マスタレンズ群の一部
あるいは全部を動かすことによって至近から無限遠に至
る任意の被写体にピント調整することは原理的に可能で
ある。この場合バリエータレンズ群以降にフォーカシン
グ機能を持たせることになるのでズーミングを行い、ズ
ーム位置が変われば同一距離の被写体に対してもピント
ずれを生じ、従ってズーミングとともに最適マスタレン
ズ位置が変化する。しかしながら上記のように構成した
オートフォーカス装置は、映像信号の高域周波数成分が
最大となるように、換言すれば撮影画像のボケを検知
し、ボケが最小となるように帰還回路を構成してなるオ
ートフォーカス装置であるので、ズーミング操作を行っ
てもオートフォーカス動作をさせることができるので適
性な撮影画像を得ることができる。又マスタレンズ群は
前玉レンズ群に比べ十分小さく軽量であるため、小形低
トルクのパルスモータで駆動することが可能である。

パルスモータは、ステップ角の精度が良いためレンズ
を高精度に制御でき、パルス数をカウントすることによ
りレンズ位置を検出できるためポテンショメータ等を必
要としない利点がある。

又パルスモータを用い、微少振動させながら移動する
場合、モータに流れる電流の立上り及び立下り時を滑ら
かにすることにより低騒音化を実現できる。

低騒音化の実現方法として、パルスモータの駆動信号
である矩形波パルス信号をフィルタを介して概正弦波信
号を作成する。この概正弦波信号とパルスモータの電流
波形を比較し、この比較信号により矩形波パルス信号を
ON−OFFするすなわちチョッピング制御を行なう。この
ようにチョッピング制御することにより、電流波形は概
正弦波形状となりモータの低騒音化が実現できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明する。第
１図は本発明によるオートフォーカス装置の一実施例を
示す概略構成図である。１はズームレンズ系で、２はレ
ンズ３枚で構成された前玉レンズ群、３は変倍作用をさ
せるバリエータレンズ群、４は変倍作用により生じる像
面移動を補正するコンペンセータレンズ群、５はマスタ
レンズ群、６は絞り装置、７は撮像素子である。８はバ
リエータレンズ群３を移動させる駆動モータで、９はマ
スタレンズ群５のリードスクリューネジ10を介して移動
させるステッピングモータ（別名パルスモータ）であ
る。

撮像素子７の出力信号は、前置増幅器11にて増幅し、
カメラ回路12にてカメラ信号が生成される。13は、映像
信号から高域周波数成分を抽出する高域周波数成分抽出
回路である。高域周波数成分抽出回路13の出力信号は、
フォーカスを微少変化させているのでその変化成分を含
む。14は、その変化成分すなわち微変動基準周波数成分
を検出する検出回路であり、検出信号を同期検波回路15
に入力し、基準信号発生回路16の信号を用いて同期検波
する。これにより検出した基準周波数成分信号の極性と
振幅を検出し、モータ駆動系に信号を出力し、撮像素子
７の高域成分のレベルが最大となるようにすなわちピン
ト合わせを行なうようにパルスモータを駆動する。

17は、パルスモータを駆動するマイクロコンピュータ
で、18はマイクロコンピュータ17により出力する矩形波
の駆動パルス信号から概正弦波信号を得るフィルタであ
る。このフィルタ18は、BPF（Band Pass Filter）で構
成する。このフィルタの出力は、ゼロクロス回路を介し
てオペアンプ等を用いて矩形波の駆動パルス信号を作成
する。これを波形整形回路19とする。又フィルタの出力
信号は、負の部分を削除して比較回路20に入力する。こ
の負の部分を削除した概正弦波の信号を参照波形と呼
ぶ。比較回路20のもう一方の入力はモータのコイルを流
れる電流波形である。

波形整形回路19により得た矩形波の駆動パルス信号
は、チョッピング回路21を介してパルスモータ９を駆動
する駆動回路22に入力する。チョッピング回路21は、比
較回路20の出力信号により駆動パルス信号をON−OFF制
御するものである。駆動回路22は、パルスモータのドラ
イバー回路でバイポーラ回路等で構成する。23は、ドラ
イバー回路から電流波形を検出する電流検出回路であ
る。24は電流波形を増幅する増幅回路である。この増幅
回路24の出力の電流波形信号は比較回路20に入力する。

このシステムで、モータ駆動用マイクロコンピュータ
からの駆動パルス信号を直接チョッピング回路に入力し
ていないのは、フィルタを介することにより駆動信号に
時間遅れが生じるためである。

又このシステムの具体的な回路及び低騒音化を実現す
る手段については後で述べる。

次に撮像素子７の高域成分の出力電圧とパルスモータ
の駆動回路の制御方法について、第２図を用いて説明す
る。

マスタレンズ群５を至近合焦位置から無限遠合焦位置
まで移動し、例えば距離P₀に被写体があるとすると高域
成分信号のレベルは、第２図に示すように位置P₀で最大
となる山の形状を示す。26はマスタレンズ群の微少振動
を示し、被写体に対して近距離側に位置する場合は、27
の極性の信号が、遠距離側に位置する場合は、28の極性
の信号が検出回路14の出力に検出される。27の信号を同
期検波した信号でモータを無限遠方向に、28の信号を同
期検波した信号でモータを至近方向に向うように駆動す
るので高域周波数成分信号のレベルの最大値すなわち第
２図の山の頂上で安定する。

次にパルスモータ９を使用した場合について第３図に
より説明する。

パルスモータを使用した場合、微少振動は、CW（時計
方向）へ１ステップ、CCW（反時計方向）へ１ステップ
駆動することにより得られる。振動の変化量が小さい場
合は、ステップ数を増加することで容易に大きくするこ
とができる。

パルスモータの振動と同相パターンを前ピン状態とす
ると、後ピン状態は逆相として検出され、同相かどうか
で前ピンか後ピンかを判定でき、マスタレンズ群の移動
方向が判る。又振動により得られる高域周波数成分のレ
ベルv29が０近傍になるまでマスタレンズ群を移動すな
わちパルスモータ９を回転させる。

高域周波数成分のレベルv29が０近傍になったら合焦
状態と判断し、微少振動をより間欠的にすなわち長い周
期で行なう。

次にマスタレンズ群を微少振動させながら移動させる
様子を第４図に示す。至近距離から無限遠∞までの移動
量をｎステップにすなわち１パルスで1/n移動する場合
である。ここでは１ステップの微少振動後８ステップ無
限大方向に移動するパターンを示しており、第３図の前
ピン状態である。後ピン状態は、移動領域の立上り状態
が逆となる。この微少振動と移動パターンは、第４図に
示したように所定の周期T_fで繰り返し、この周期T_fは固
定とする。又このパターンにおいて合焦点に近づくにつ
れて、移動ステップ数は減少する。

ここで上期周期T_fは、例えば66ms（15Hz）とし、１ス
テップ移動する時間は2ms近傍とする。

第１図のシステムブロック図のパルスモータ駆動部の
具体的な回路構成の１実施例を第５図に示す。

第５図において、30a,30b,30c,30dはフィルタで、31
a,31b,31c,31dは波形整形回路である。32a,32b,32c,32d
は、コントロール付バッファで、33a,33b,33c,33dは、
増幅器で、34a,34b,34c,34dは比較器である。35a,35b,3
5c,35dは、プルダウンのための抵抗である。パルスモー
タ９のドライバー回路は、バイポーラの駆動回路を示し
ている。駆動回路に設けた低抵抗36a,36b,36c,36dの出
力すなわち電流波形を増幅し、比較器に入力する。比較
器の他方の入力はフィルタの出力信号で、比較器の出力
は、コントロール付バッファのコントロール端子に接続
する。

又第６図において、（ａ）はマイクロコンピュータ17
から出力された駆動パルス信号（１相の場合のみを表
示）で、（ｂ）はフィルタ後の出力信号を示している。
（ｃ）は（ｂ）の信号の負成分を除去した信号で比較回
路の入力信号を示す。（ｄ）はフィルタの出力信号をゼ
ロクロスとオペアンプにより矩形波を生成した駆動パル
ス信号である。

次に第５図のシステムの動作について述べる。

マイクロコンピュータ17からモータ駆動用の４相の矩
形波パルス信号（第６図（ａ）信号）を出力し、フィル
タ30a,30b,30c,30dに入力する。フィルタは前述したよ
うにBPFで構成する。このフィルタを用いるのは、矩形
波より立上り及び立下りが緩やかな概正弦波波形を得る
ためである。

フィルタの出力信号（第６図（ｂ）信号）は負成分を
有しているため、ダイオードを用いてカットする（図示
せず）。負成分をカットした信号（第６図（ｃ）信号）
を参照波形として比較器34a,34b,34c,34dに入力する。
又フィルタの出力信号は、波形整形回路31a,31b,31c,31
dによりすなわちゼロクロス信号とオペアンプにより矩
形波パルス信号を作成する。

この信号波形がモータの駆動パルス信号（第６図
（ｄ）信号）である。このようにマイクロコンピュータ
から出力するパルス信号を直接駆動パルス信号として使
用しないのは、フィルタを介することにより時間遅れを
生じるためである。従って第６図（ｄ）の矩形波パルス
信号を新たに作成し、この信号を駆動用パルス信号とし
たのは、時間遅れをなくすためである。

この駆動パルス信号をコントロール付バッファ32a,32
b,32c,32dに入力する。コントロール付バッファは、コ
ントロール信号が“H"のときバッファ出力値は抵抗35a,
35b,35c,35dでプルダウンしているため“L"となる。コ
ントロール信号が“L"のときバッファ出力値はスルーと
なり、入力値となる。すなわち入力値が“L"なら出力値
は“L"で入力値が“H"ならば出力値は“H"となる。

コントロール付バッファの出力は、バイポーラのドラ
イバー回路のスイッチング用トランジスタに接続する。
ドライバー回路は、バッファの出力が“H"の時、スイッ
チング用トランジスタはONとなり、電流が流れる。“L"
のときスイッチング用トランジスタは動作しない。

又バイポーラのドライバー回路についての説明は、公
知であるため省略する。

パルスモータの電流波形は、ドライバー回路のドライ
ブ用トランジスタのアースに接続した箇所に数オームの
低抵抗36a,36b,36c,36dをシリーズに接続し、抵抗間の
電圧波形を検出する。

この電圧波形は、モータのコイルを流れる電流波形と
同形であるため、この電圧波形を増幅器33a,33b,33c,33
dにより増幅し、比較器34a,34b,34c,34dに入力する。又
比較器の２入力の信号すなわち参照波形とモータのコイ
ルの電流波形のピーク値はほぼ一致するように増幅率を
設定する。

比較器の出力は、参照波形（第６図（ｃ）の信号）が
モータの電流波形の電圧値より大きければ“L"、参照波
形がモータの電流波形の電圧値より小さければ“H"とな
るように入力を設定する。前述したように比較器の出力
端子は、コントロール付バッファのコントロール端子に
接続する。従って参照波形より電流波形の電圧が大きい
とモータコイルの電流をOFFし、電流波形の電圧が小さ
いとコイル電流を流し、すなわちチョッピングすること
によりパルスモータの電流波形を参照波形と同じ形状に
することが可能である。

第７図に第５図の動作結果の波形を示した。

第７図（ａ）は、第６図（ｄ）の駆動用パルス信号の
１パルスを示し、第７図（ｂ）は、従来の矩形波パルス
で駆動した場合の電流波形である。第７図（ｃ）は、第
６図（ｃ）で参照波形を示す。第７図（ｄ）は、コント
ロール付バッファの出力信号で、第７図（ｅ）は、チョ
ッピング制御したときのモータの電流波形を示す。

第７図（ｂ）の従来の電流波形において、立上りが緩
やかなのはモータコイルのインダクタンスのためであ
る。立下りは急峻となりこのような状態においてモータ
に振動音が生じる。従って電流波形において急峻さをな
くすと振動音を低減できるため本方式を提案した。

第７図（ｂ）と（ｅ）の電流波形を比較すると、急峻
な箇所は除去され、立上り及び立下りとも緩やかな曲線
を得る。

次に第５図のシステムにおいて、第４図に示した振動
・移動パターンを動作させる場合の１例を第８図に示
す。

第８図は、１−２相励磁モードでマスタレンズを振動
及び移動させた場合である。第８図で（ａ）は４相（φ
₀,φ₁,φ₂,φ_３）の駆動パルス信号を示している。第８
図（ｂ）は、フィルタを介して負成分を除去した参照波
形を示す。第８図（ｃ）は、コントロール付バッファの
出力を示しているが、実際はもっと高い周波数でチョッ
ピングしている。第８図（ｄ）はパルスモータの電流波
形を示す。

第８図の振動，移動パターンの動作時のパルスモータ
の電流波形をみると、駆動パルスの“H"時間の長さにか
かわらず立上り及び立下りとも緩やかな概正弦波の曲線
を得る。

従って、駆動パルス信号の立上り及び立下り時の急峻
な電流波形は見られず、急峻時に発生する振動音は除去
される。

又ここでは、１−２相励磁モードでのパターンを示し
たが、１相励磁及び２相励磁モードにおいてもその効果
は同じである。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、ビデオカメラ等
のオートフォーカス装置すなわちマスタレンズをパルス
モータで微少振動させながら移動し、合焦させるシステ
ムにおいて、パルスモータに流す電流波形を滑らかにす
るために概正弦波形の参照波形と比較し、パルスモータ
の駆動パルス信号をチョッピングすることにより参照波
形とほぼ同様の形状の電流波形を得て、低騒音化のパル
スモータ駆動が可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示すシステムブロック図
である。第２図は撮像素子から得られる高域周波数成分
のフォーカスレンズ位置に対するレベル特性図、第３図
も高域周波数成分のレンズ位置に対するレベル特性図で
ある。第４図はマスタレンズの振動と移動パターンを示
す図である。第５図は、低騒音のパルスモータ駆動のシ
ステム構成図である。第６図は、第５図のシステムの各
点の信号波形を示す。第７図は、第５図のシステムの動
作時の信号波形を示す。第８図は、第４図の振動、移動
パターンを第５図のシステムで動作させた場合の信号波
形である。 １……ズームレンズ系、５……マスタレンズ系 ７……撮像素子、９……パルスモータ 13……高域周波数成分抽出回路 17……パルスモータ駆動用マイクロコンピュータ 18……フィルタ、20……比較回路 21……チョッピング回路、22……駆動回路 23……電流検出回路

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被写体像を撮像素子（７）上に結像させる
   ズームレンズ（１）と該撮像素子（７）により得た映像
   信号から高域周波数成分を抽出する回路（13）と、該回
   路の高域周波数成分信号が最大となるようにズームレン
   ズ系の一部を光軸方向に移動させる機構を制御する回路
   より構成し、被写体にオートフォーカスする装置におい
   て、 ズームレンズ（１）を構成するレンズ群のマスタレンズ
   群（５）の一部あるいはすべてを光軸方向にパルスモー
   タ（９）を用いて駆動する構成で、 モータの駆動パルス信号より概正弦波の波形を生成する
   フィルタと、この概正弦波波形を参照波形とし、 モータの直流波形と上記参照波形とを比較する比較器と
   駆動パルス信号をチョッピング制御する制御器で構成
   し、パルスモータ（９）を駆動することを特徴とするビ
   デオカメラのオートフォーカス装置。
2. 【請求項２】上記矩形波の駆動パルス信号から概正弦波
   形状の波形を生成するフィルタは、 バンドパスフィルタである、請求項１に記載のビデオカ
   メラのオートフォーカス装置。
3. 【請求項３】上記フィルタ後の概正弦波形状の信号よ
   り、矩形波の駆動パルス信号を生成し、概正弦波形状波
   形と位相差をなくした請求項１に記載のビデオカメラの
   オートフォーカス装置。
4. 【請求項４】上記参照波形と電流波形とを比較する比較
   器の各々の入力信号のピークのレベルをほぼ同程度とし
   た請求項１に記載のビデオカメラのオートフォーカス装
   置。