JP3185985B2 - 焦点調節装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学系と撮像素子を介
して得られる映像信号の状態から光学系の撮像面上への
合焦状態を把握し、自動的に焦点調節を行う装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、カメラ一体型ビデオテープレコー
ダ（ＶＴＲ）の普及は目覚しく、機能の上でも、その小
型・軽量化に伴い、レンズ部や自動焦点調節装置が占め
る体積・重量は急速に減少しつつある。

【０００３】このような背景の中で、自動焦点調節装置
に関しては、赤外線の投受光装置を有する所謂アクティ
ブタイプから、前記投受光装置を用いず、撮像素子を介
した映像信号から合焦点を検出するパッシブ方式へと移
行されつつある。

【０００４】一方レンズ部では、変倍による焦点面の移
動を補正するレンズに焦点調節機能を兼ね備え、更に前
面のレンズを固定して小型化をはかるといったいわゆる
インナーフォーカスタイプのレンズが多く導入される様
になった。

【０００５】図７は上記レンズタイプの一例を示したも
のであり、１０１は固定の第１のレンズ群、１０２は変
倍を行う第２のレンズ群（ズームレンズ）、１０３は絞
り、１０４は固定の第３のレンズ群、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
兼ね備えた第４のレンズ群（フォーカスレンズあるいは
コンペンセータレンズ）である。又、１０６は撮像素子
の撮像面である。

【０００６】図８は焦点距離の変化、すなわちズームレ
ンズ１０２の位置に対して、各被写体距離に合焦するた
めのフォーカスレンズ１０５の位置を示したものであ
る。焦点距離の変化がない場合、すなわちズームレンズ
１０２が停止している場合には、フォーカスレンズ１０
５が図８の該当する焦点距離（横軸）上で、縦軸と平行
に移動する事によって焦点調節を行うことができる。
又、ズーム中は各被写体距離に応じて図８の中からフォ
ーカスレンズ１０５の軌跡を選択し、この軌跡に従っ
て、焦点距離の変化に対応した駆動制御をフォーカスレ
ンズ１０５に施せば変倍による焦点面の補正と焦点調節
機能を持たせながらズーム中もボケのない映像を得る事
が出来る。

【０００７】図９は、前記フォーカスレンズ１０５のズ
ーム中の駆動制御方法の一例について説明する為のもの
であり、座標のとり方は図８と同じである。図９中の、
角度が刻々と変化している矢印はフォーカスレンズ１０
５の速度を表わしている。

【０００８】図９ではズームレンズ１０２の移動領域
（横軸）を１６等分し、各領域ごとにレンズ駆動速度を
設定している。ここでこの１６等分後の各領域をズーム
ゾーンと称する事にする。さて、各ズームゾーン毎に図
８の曲線を区切ってみると、それぞれのズームゾーンで
傾きのほぼ等しい部分に分割する事が出来る。ズームレ
ンズの駆動速度すなわちズームスピードが一定の場合、
各ズームゾーン内のフォーカスレンズの速度すなわち傾
きが等しければ、被写体距離が異っていても、フォーカ
スレンズ１０５の移動速度を等しくする事が出来る。そ
こで図９の様に、縦軸を各ズームゾーン毎に傾きの等し
い部分に分割し、各領域ごとに１つの代表速度をそれぞ
れ与える。こうする事によって、ズームスタート時に合
焦させておけば、ズームレンズとフォーカスレンズの位
置を検出しながらズーミングを行えば、常に適切なフォ
ーカスレンズ１０５の移動速度で図８の軌跡に追従する
事が可能となる。

【０００９】

【発明が解決しようとしている課題】しかしながら上記
従来例ではフォーカスレンズの位置によって速度を選択
しながらズームを行うので、次の様な欠点があった。

【００１０】すなわち、ズームスタート時にフォーカス
レンズが図８の軌跡上に存在していないと、誤った速度
を選択して、正しく軌跡をトレースしない場合があるこ
と、また、特に小絞り時に、被写界深度が深くなると合
焦時のフォーカスレンズ位置が不正確となること等であ
る。本発明の目的は、被写界深度によらず、常に最適合
焦位置にフォーカスレンズを移動させることのできる焦
点調節装置を提供しようとするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、撮像信号からフォーカスレンズの移動によ
り変化する合焦状態を示す信号を検出するための第１の
検出手段と、前記フォーカスレンズの移動位置を検出す
るための第２の検出手段と、被写界深度の状態を検出す
るための第３の検出手段と、前記第１の検出手段が所定
の合焦状態を示す信号を検出した際の前記第２の検出手
段により検出される前記フォーカスレンズの位置及び前
記第３の検出手段により検出される被写界深度の状態か
ら被写界深度の中心となるフォーカスレンズの移動位置
を演算し、該演算結果に基づいてフォーカスレンズを移
動させて焦点調節を行う焦点調節手段とを有する焦点調
節装置とするものである。

【００１２】

【作用】これによって被写界深度にかかわらず、常に最
適合焦位置にフォーカスレンズを位置決めすることがで
き特に小絞り状態においても被写体距離に応じた位置に
フォーカスレンズを確実に位置させることができ、ズー
ム動作が行われる場合には、ズーム開始時等においても
確実に合焦状態を保ったままズーム動作を行うことがで
きる。

【００１３】

【実施例】図１は本発明の特徴を最も良く表わす第１の
実施例の構成図で、１０１、１０２、１０３、１０４、
１０５、１０６はそれぞれ図７に示したレンズ、絞り等
各種光学系素子と同様である。１０７、１０８、１０９
はそれぞれズームレンズ１０２、絞り１０３、フォーカ
スレンズ１０５を移動させる為のアクチュエータ、１１
０、１１１、１１２はそれぞれアクチュエータ１０７、
１０８、１０９をシステム全体を制御する後述のシステ
ムコントロール回路１１９からの信号によって駆動する
為のドライバー、１１３、１１４、１１５はそれぞれズ
ームレンズ１０２、絞り１０３、フォーカスレンズ１０
５の機械的な位置を検出して電気信号に変換する為の位
置エンコーダで、１１３はズームエンコーダ、１１４は
アイリスエンコーダ、１１５はフォーカスエンコーダで
ある。１１６は撮像素子１０６の出力を所定のレベルに
増幅する増幅器、１１７は撮像素子１１６の出力信号中
より焦点検出に用いられる高域成分を抽出するバンドパ
スフィルタ、１１８は撮像素子１１６の出力信号レベル
を用いて絞りの状態をコントロールする調整器、１１９
は本システム全体を総合的に制御するとともにズームエ
ンコーダ１１３、アイリスエンコーダ１１４、フォーカ
スエンコーダ１１５、バンドパスフィルタ１１７の出力
信号にもとづいて、アクチュエータ１０７、１０９をコ
ントロールするシステムコントロール回路で、マイクロ
コンピュータ（マイコン）によって構成されている。

【００１４】図１の様に構成されたカメラシステムに於
いては、一般にバンドパスフィルタ１１７の出力信号レ
ベルが最大となる様にフォーカスレンズ１０５を移動さ
せる事によって自動焦点調節（ＡＦ）を行っている。

【００１５】図６は、ある被写体距離に置いた被写体に
対して、フォーカスレンズ１０５が移動した時のバンド
パスフィルタ１１７の出力信号レベルを示したものであ
る。図６に於いて、曲線６０１と６０２は、それぞれ小
絞り時と絞り開放時のバンドパスフィルタ１１７の出力
信号レベル、６０３は合焦位置、６０４は合焦、非合焦
をシステムコントロール回路１１９が判別する為のしき
い値、６０５、６０６はそれぞれシステムコントロール
回路１１９が曲線６０１、６０２に対して合焦と判断し
てフォーカスレンズを停止する範囲を示すものである。
同図から明らかな様に、小絞りになるほど被写界深度は
大きくなるので合焦時のフォーカスレンズ停止位置が合
焦点位置６０３に対して広範囲となり不確定になる。

【００１６】図３は、絞り１０３の絞り量とシステムコ
ントロール回路１１９が合焦とみなしてフォーカスレン
ズ１０５を停止させる位置関係を更に詳しく説明するも
のである。

【００１７】図３は、図１に示すカメラシステムのワイ
ド端に於いて、フォーカスレンズ１０５をそれぞれ∞端
と至近端からオートフォーカス動作にて合焦させた場合
のフォーカスレンズ停止位置を、絞り値を横軸にとって
示したものである。曲線３０１、３０２はそれぞれ∞
端、至近端からオートフォーカス動作を行った場合の停
止位置を示し、３０３は曲線３０１と３０２の中間点を
プロットしたものである。

【００１８】図３から明らかな様に、３０１、３０２共
３０３を中心としてほぼ対称な曲線を呈しており、図６
を共に参照して明らかなように、３０３で示される位置
が、被写体距離に対する真の合焦点の近傍であるという
事は確実である。又、３０１、３０２間の距離は、絞り
値に対する被写界深度に対応している事になるので、３
０１又は３０２の位置すなわちフォーカスレンズの位置
と被写界深度が明らかになれば、３０３を決定する事が
出来ることになる。本発明はこの論理を利用して適切な
フォーカスレンズ制御を行うものである。

【００１９】また実際の制御においては、フォーカスレ
ンズのそれぞれ∞端、至近端からの停止位置の軌跡３０
１、３０２の中点の軌跡３０３と被写界深度との関係の
情報テーブルに格納しておき、被写界深度とフォーカス
レンズ１０５の位置情報に応じてフォーカスレンズの被
写界深度の範囲の中央となる位置を選択するようにする
と演算を簡略化し、高速化をはかることができる。

【００２０】図２は上記の結果によって、被写界深度に
よらずフォーカスレンズ１０５を被写界深度による合焦
範囲の中心３０３の近傍に移動させる為のシステムコン
トロール回路１１９内の制御プログラムの流れ図を示し
たものである。図２に於いて２００はプログラム全体を
示し、２０１はプログラムの開始を示す処理、２０２は
合焦か否かを判別する処理、２０３はバンドパスフィル
タ１１５の出力信号レベルにもとづくオートフォーカス
動作（ＡＦ）によってフォーカスレンズ１０５を移動さ
せる処理、２０４は２０３で決定されたフォーカスレン
ズ１０５の移動方向を取り込んで記憶する処理、２０５
はフォーカスレンズ１０５を停止させ、その時のフォー
カスレンズ停止させ、その停止位置を記憶する処理、２
０６はアイリスエンコーダ１１４の出力信号を取り込む
処理、２０７は２０５の処理を行った結果停止している
フォーカスレンズ１０５の位置と２０６の処理の結果か
ら被写界深度の中心、すなわち図３の曲線３０３の位置
を演算する処理、２０８は２０４の処理の結果から、レ
ンズ駆動方向が至近方向からの合焦か、無限方向からの
合焦か、すなわちフォーカスレンズ１０５が曲線３０１
上にいるのか３０２上にいるのかを判定し、曲線３０３
に向けてフォーカスレンズ１０５を移動させる処理、２
１０は２０５と同様の処理、２０９は曲線３０３上にフ
ォーカスレンズ１０５が到達したかどうかを判定する処
理、２１１はズームエンコーダ１１３とフォーカスエン
コーダ１１５の出力から図９に示すズーム範囲における
分割ブロックを特定し、フォーカスレンズ１０５の移動
速度を選択してズーミングの準備を行う処理、２１２は
上記のプログラムの終了を示す処理である。

【００２１】次にフォーカスレンズの動きを示す図４を
参照しながら、本発明の動作説明を行う。

【００２２】２０１で図２のプログラムがスタートする
と、まず２０２の処理で合焦状態にあるか否か、すなわ
ち図６に示す曲線６０１や６０２のレベルが、しきい値
６０４より高いか否かの判定が行われる。そして曲線６
０１や６０２のレベルが、しきい値６０４に達せず合焦
していなければ、２０３、２０４の処理を実行し、ＡＦ
動作が行われる。この動作を図４に示す。

【００２３】図４はズームンレズ１０２の移動位置すな
わち焦点距離を横軸に、フォーカシングレンズ１０５の
移動位置を縦軸にそれぞれとり、フォーカスレンズ１０
５のＡＦ動作を説明するための図である。

【００２４】同図において４０１は上述したように、あ
る焦点距離において、ＡＦ動作を行った場合におけるフ
ォーカスレンズの動きを示すものであり、２０２の処理
において合焦と判断されると、２０５の処理によってフ
ォーカスレンズ１０５は停止される。図４において、４
０２、４０５は被写界深度の幅を示すものであり、すな
わちフォーカスレンズ１０５は４０２で示される位置に
到達して停止されたことになる。このとき、フォーカス
レンズ１０５は非合焦状態から合焦状態に至っており、
その位置は、図３において３０１、３０２の曲線のいず
れかの上に位置している。この場合、図４に示すよう
に、至近側から∞側へとレンズが駆動されているので、
曲線３０２側に位置していることになる。

【００２５】次に２０６の処理でアイリスエンコーダ１
１４の出力値を読み取り、２０７の処理でアイリスエン
コーダ１１４の値に対する被写界深度の中心４０４すな
わち曲線３０１と３０２の距離の中心を演算する。この
演算方法は、たとえば、表１に示すように、アイリスエ
ンコーダの各領域Ａ〜Ｂ，Ｂ〜Ｃ，Ｃ〜Ｄ，…それぞれ
の出力値から絞り値Ｆ_no．を特定し、データテーブルに
よって被写界深度ｄ₁，ｄ₂，ｄ₃，…の中心を対応づけ
る方法がある。

【００２６】

【表１】

【００２７】次に２０８、２０９の処理でフォーカスレ
ンズ１０５を図３における被写界深度の中心３０３の位
置、すなわち図４においては曲線４０４上に移動させ、
移動を完了したところで２１０の処理でフォーカスレン
ズ１０５を停止させる。２０２の処理から２１０までの
処理におけるフォーカスレンズの動作はすべて被写界深
度すなわち図４においては、４０２から４０５までの間
における移動であり、撮像された映像としてはぼけは生
じることはほとんどない。

【００２８】またこの状態においてズームレンズ１０２
及びフォーカスレンズ１０５に対応するズーム速度を図
９に示す分割領域から割り出して準備しておけば、ズー
ム動作のスタートと同時に、被写体距離に対してほぼ正
確な位置から正確な速度でフォーカスレンズを駆動する
ことができるので、フォーカスレンズを４０６で示す軌
跡、すなわち各ズームレンズ位置（焦点距離）における
被写界深度の中心に対応する合焦点を表わす軌跡をズー
ム動作中正確にトレースさせることができ、被写界深度
にかかわらずズーム動作中のボケの発生を防止すること
ができる。

【００２９】上述の実施例は、フォーカスレンズが非合
焦状態から合焦状態に移動する場合の制御動作について
説明したが、次に第２の実施例として、フォーカスレン
ズが被写界深度の範囲内を移動している際におけるフォ
ーカスレンズの制御について、説明する。図５は本発明
の第２の実施例を示すフローチャートである。またカメ
ラシステムの回路構成については、図１に示すブロック
図と同様であり、異なるのはシステムコントロール回路
１１９内における制御プログラムである。

【００３０】同図において、５０１は制御プログラムの
開始を示す処理、５０２はズームレンズ１０２が停止し
たか否かを判別する処理、５０３は合焦状態であるか否
かを判定する処理、５０４はフォーカスレンズ１０５を
至近（又は∞）方向に移動させる処理、５０５はバンド
パスフィルタ１１７の出力が、図６において、合焦点か
ら曲線の『山』を下り、合焦検出用のしきい値６０４に
近付いたか否か、すなわち非合焦状態に入る直前に至っ
たかどうかを判別する処理、５０６〜５１１の処理は、
図２における第１の実施例のフローチャートにおける２
０５〜２１０における処理と同様であり、説明は省略す
る。５１２は制御プログラムの実行終了の処理を示すも
のである。また同図において２００は、図２に示す２０
１〜２１２の処理を行うサブルーチンである。

【００３１】５０１でフローチャートの制御動作の実行
が開始されると、まず５０２でズームレンズ１０２が停
止しているかどうかを確認する。５０２でズームレンズ
１０２の停止が確認されると、５０３で合焦、非合焦の
判定処理が行われる。５０３の処理において、非合焦で
あれば、２００の処理すなわち図２に示すフローチャー
トの２０１〜２１２の処理が実行され、合焦検出後被写
界深度の中心へとフォーカシングレンズが移動される。
この処理を実行後は、５１１においてフォーカスレンズ
１０５の停止位置を記憶して制御フローを終了する。

【００３２】また５０２の処理でズームレンズ１０２が
停止されたとき、合焦状態である場合、すなわち図４に
おいて４０９に示すように、被写界深度の範囲４０７〜
４０８内をフォーカスレンズ１０５が移動している途中
でズームレンズ１０２が停止された場合には、５０４以
降の処理を実行し、フォーカスレンズ１０５を４０９か
ら被写界深度の中心４１０に移動させる処理が行われ
る。

【００３３】すなわち、５０４、５０５において、焦点
電圧すなわちバンドパスフィルタ１１７の出力信号レベ
ルがしきい値６０４に至るまでフォーカスレンズ１０５
を移動させる。焦点電圧値がしきい値６０４まで低下し
たところで、５０６でフォーカスレンズ１０５を停止さ
せ、そのときのフォーカスレンズ位置を記憶する。さら
に５０７〜５１０の処理によって、図２に示す第１の実
施例と同様にフォーカスレンズを被写界深度の中心４１
０まで移動させ、５１１で停止させる。

【００３４】以上の制御動作により、フォーカスレンズ
が被写界深度内のどこにあっても映像にぼけを生じさせ
ることなく、被写体距離に対応した真の合焦点位置すな
わち図４における規制４０６上にフォーカスレンズを位
置させることができるため、次のズーム動作をスタート
する際には、始めから正確に被写体距離に対応する曲線
上をトレースさせることができ、ズーム動作にしたがっ
て合焦状態をはずれ、ぼけを生じる不都合を防止するこ
とができる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
被写界深度によらず、常に最適合焦位置にフォーカスレ
ンズを移動させることのできる焦点調節装置を提供でき
るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明におけるカメラの構造を示すブロック図
である。

【図２】本発明におけるカメラの動作を示すフローチャ
ートである。

【図３】被写界深度と合焦可能範囲の関係を示す特性図
である。

【図４】レンズの焦点距離に対するフォーカスレンズの
合焦動作を説明するための特性図である。

【図５】本発明におけるカメラの他の実施例における動
作を示すフローチャートである。

【図６】フォーカスレンズ位置に対する焦点電圧の変位
を示す特性図である。

【図７】一般的なインナーフォーカスレンズシステムの
構成を示す図である。

【図８】ズームレンズによる焦点距離の変化に対して合
焦状態を保ちながら追従するためのフォーカスレンズの
軌跡を示す特性図である。

【図９】ズームレンズの移動範囲を複数のゾーンに分割
し、その各ゾーンに代表されるフォーカスレンズ移動速
度を割り当てた状態を示す図である。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 撮像信号からフォーカスレンズの移動に
   より変化する合焦状態を示す信号を検出するための第１
   の検出手段と、前記フォーカスレンズの移動位置を検出
   するための第２の検出手段と、被写界深度の状態を検出
   するための第３の検出手段と、前記第１の検出手段が所
   定の合焦状態を示す信号を検出した際の前記第２の検出
   手段により検出される前記フォーカスレンズの位置及び
   前記第３の検出手段により検出される被写界深度の状態
   から被写界深度の中心となるフォーカスレンズの移動位
   置を演算し、該演算結果に基づいてフォーカスレンズを
   移動させて焦点調節を行う焦点調節手段とを有すること
   を特徴とする焦点調節装置。
2. 【請求項２】 前記焦点調節手段は、前記フォーカスレ
   ンズが合焦状態に近づく方向に移動する過程で前記第１
   の検出手段が前記所定の合焦状態を示す信号を検出した
   際に前記被写界深度の中心となるフォーカスレンズの移
   動位置を演算することを特徴とする請求項１記載の焦点
   調節装置。
3. 【請求項３】 前記焦点調節手段は、前記フォーカスレ
   ンズが合焦状態から離れる方向に移動する過程で前記第
   １の検出手段が前記所定の合焦状態を示す信号を検出し
   た際に前記被写界深度の中心となるフォーカスレンズの
   移動位置を演算することを特徴とする請求項１記載の焦
   点調節装置。
4. 【請求項４】 前記所定の合焦状態を示す信号は、合焦
   とみなすことのできる範囲の境界あるいはその近傍の信
   号であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記
   載の焦点調節装置。