JP3579462B2 - スチルビデオカメラの自動焦点調節装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、スチルビデオカメラに設けられ、撮影レンズを合焦位置に定める自動焦点調節装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、撮像素子の前面にカラーフィルタを設けてカラー画像を得るように構成されたスチルビデオカメラにおける自動焦点調節装置として、カラーの画素信号から輝度信号を検出し、この輝度信号を利用してコントラスト法により撮影レンズの合焦状態を検出するものが知られている。この装置における自動焦点調節では、輝度信号はカラーフィルタの全ての色の画素信号から求められ、撮影レンズは、その輝度信号に基づいて、光量変化の高周波成分が最も多くなるような位置に定められる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが各色フィルタ別に考えた時、各々の出力信号信号のなかには、各画素間の輝度差が小さい色信号も含まれており、このためコントラストが低下して合焦状態を高精度に検出することは困難であった。また全ての色の画素信号から輝度信号を得ているため、信号処理に時間がかかり、従来、自動焦点調節動作をさらに迅速に行うことが望まれていた。
【０００４】
本発明は、撮影レンズの合焦状態の検出精度を向上させるとともに、自動焦点調節に要する時間を短縮させることを目的としている。
【０００５】
【問題を解決するための手段】
本発明に係るスチルビデオカメラの自動焦点調節装置は、所定の色の画素信号を出力する撮像素子と、各色毎に画素信号を処理し、画素信号のレベル変化の最も大きい色を選択する手段と、この選択手段によって選択された画素信号に基づいて撮影レンズの合焦状態を検出する合焦状態検出手段と、この合焦状態検出手段の出力信号に従って撮影レンズを合焦位置の方向に移動させるレンズ移動手段とを備えたことを特徴としている。
【０００６】
【実施例】
以下図示実施例により本発明を説明する。
図１は本発明の実施例を適用したスチルビデオカメラのブロック図である。
【０００７】
システムコントロール回路１０はマイクロコンピュータであり、本スチルビデオカメラ全体の制御を行う。
【０００８】
撮影レンズ１１はモータ１２により駆動され光軸Ｘに沿って移動し、モータ１２はモータ駆動回路１３によって駆動される。モータ駆動回路１３はシステムコントロール回路１０によって制御され、これにより撮影レンズ１１は合焦位置に定められる。なおシステムコントロール回路１０には、自動焦点調節（以下、単にＡＦという）およびシャッターレリーズを行うためのレリーズボタン１９が接続されている。
【０００９】
撮影レンズ１１の後方にはＣＣＤ（撮像素子）２１が設けられ、この撮像素子２１の前面にはカラーフィルタ２９が配設されている。カラーフィルタ２９は、後述するようにグリーン（Ｇ）、マゼンタ（Ｍｇ）、イエロー（Ｙｅ）およびシアン（Ｃｙ）のカラーフィルタ要素から構成される補色市松カラーフィルタである。撮影レンズ１１を通った光線は、カラーフィルタ２９を介してＣＣＤ２１に入射する。
【００１０】
ＣＣＤ２１上に結像された画像に対応した信号は相関二重サンプリング（ＣＤＳ）回路２３に供給される。ＣＤＳ２３に入力された画像信号は、リセット雑音の除去等の所定の処理を施された後、Ａ／Ｄ変換器２５においてデジタル信号に変換され、各色毎に、Ｇメモリ８１、Ｍｇメモリ８２、Ｙｅメモリ８３およびＣｙメモリ８４に格納される。すなわちＧメモリ８１、Ｍｇメモリ８２、Ｙｅメモリ８３およびＣｙメモリ８４には、それぞれＧ、Ｍｇ、ＹｅおよびＣｙの色信号が格納される。
【００１１】
これらの色信号はＡＦ時、システムコントロール回路１０において所定の処理を施され、これにより撮影レンズ１１の合焦状態を示すＡＦ信号が得られる。このＡＦ信号に基づいてモータ駆動回路１３が制御され、撮影レンズ１１は合焦位置に定められる。
【００１２】
図２は、カラーフィルタ２９のカラーフィルタ要素の配列を有している。この図に示されるようにカラーフィルタ２９は、ＭｇとＧを交互に配置して成る水平方向の列Ｔ１、Ｔ１’と、ＹｅとＣｙを交互に配置して成る水平方向の列Ｔ２とを有し、これらの列は垂直方向に交互に、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ１’、Ｔ２、Ｔ１、Ｔ２・・・の順に配置されている。なおＭｇとＧとから成る列Ｔ１と、この列Ｔ１に近接し、ＭｇとＧとから成る他の列Ｔ１’において、列Ｔ１のＭｇとＧの垂直方向下方には、列Ｔ１’のＧとＭｇがそれぞれ位置している。
【００１３】
本実施例におけるＡＦ動作を説明する。
図３は、一般的な被写体からの反射光線が撮影レンズ１１を介してカラーフィルタ２９に入射した場合における、ＣＣＤ２１の各フォトダイオード（各画素に対応している）への入力信号と各フォトダイオードからの出力信号との一例を示している。実線Ｓ１はカラーフィルタ２９への光線の入力レベル、すなわち１本の水平走査線上における光量分布を示している。Ｇのカラーフィルタ要素を通過した光線は、このフィルタ要素を通過したことにより、被写体に含まれるグリーンの要素に応じて、実線Ｓ２に示されるような画素信号分布となる。同様に、Ｍｇ、ＹｅおよびＣｙのカラーフィルタ要素を通過した各光線は、各フィルタ要素を通過したことにより、それぞれ実線Ｓ３、Ｓ４およびＳ５に示されるような画素信号分布となる。この図の例では、特にＹｅとＣｙのフィルタ要素を通過した光線は、画素信号のレベル変化が入力信号のレベル変化に比べてなだらかになっている。
【００１４】
実線Ｓ２〜Ｓ５によって示される各色信号は、ＣＤＳ２３において所定の処理を施された後、Ａ／Ｄ変換器２５においてデジタル信号に変換され、それぞれＧメモリ８１、Ｍｇメモリ８２、Ｙｅメモリ８３およびＣｙメモリ８４に格納される。これらの信号は、後述するようにシステムコントロール回路１０において所定の微積処理を施され、これにより撮影レンズ１１の合焦状態を示すＡＦ信号に変換される。
【００１５】
図４はＡＦ信号を求める過程で得られる輝度変化信号を示すものである。輝度変化信号Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８およびＳ９は、それぞれＧ、Ｍｇ、ＹｅおよびＣｙの各色信号を横方向画素に関して微分するとともに、その微分値の絶対値をとることにより得られる。ＡＦ信号は輝度変化信号を横方向画素に関して積分することにより得られ、実線Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８およびＳ９により囲まれる面積に等しい。この図において、各色信号におけるＡＦ信号は、Ｇの色信号が最大値をとり、Ｍｇの色信号、Ｙｅの色信号およびＣｙの色信号の順に小さくなっている。すなわちこの例では、Ｇの色信号によるＡＦ信号が被写体の各部における輝度の差異（コントラスト）を最もよく表しており、Ｇ信号が高周波成分を最も多く含んでいる。本実施例では、このように最大値を示すＡＦ信号が得られる色信号を用いて、ＡＦ動作が行われる。
【００１６】
図５はＡＦ動作のフローチャートであり、ＡＦ動作はレリーズボタン１９を半押しすることにより開始する。
ステップ１０１ではＣＣＤ２１の出力信号がＡ／Ｄ変換され、ステップ１０２では、Ｇ、Ｍｇ、ＹｅおよびＣｙの色信号がそれぞれＧメモリ８１、Ｍｇメモリ８２、Ｙｅメモリ８３およびＣｙメモリ８４に読み込まれる。ステップ１０３では、各メモリ毎に、所定の領域の画素データが読み出される。この所定の領域とは、例えば１画面の中央に位置する１本の水平走査線に対応している。
【００１７】
ステップ１０４では、ステップ１０３において読み出された各色の画素データに微積処理が施され、ＡＦ信号が求められる。すなわち、図４において実線Ｓ２〜Ｓ５によって示される各色信号に対応したデジタル信号が、微分された後、絶対値をとって積分されることにより、実線Ｓ６〜Ｓ９によって囲まれる面積、すなわちＡＦ信号が得られる。この微積処理の内容については後に詳述する。
【００１８】
ステップ１０５では、各色信号から、ＡＦ信号が最大値をとる色信号が選択される。この後のＡＦ動作では、ステップ１０５において選択された色信号が用いられる。ステップ１０５における色信号の選択処理については後に詳述する。
【００１９】
ステップ１０６では、撮影レンズ１１が初期位置から所定量だけ移動させられる。なおこのとき、撮影レンズ１１を合焦位置に移動させるための移動方向は不明であるため、撮影レンズ１１は取敢えず所定の方向（例えば前方）に移動させられる。
【００２０】
ステップ１０７、１０８では、それぞれステップ１０１、１０２と同様に、ＣＣＤ２１の出力信号がＡ／Ｄ変換され、Ｇ、Ｍｇ、ＹｅおよびＣｙの色信号がそれぞれ各メモリ８１〜８４に読み込まれる。なお、この後の処理ではステップ１０５において選択した色信号のみが用いられるため、ステップ１０８の処理では、この色信号だけをメモリに読み込むようにしてもよい。これによりＡＦ動作を高速化することができる。
【００２１】
ステップ１０９では、最初に選んだ色信号、すなわちステップ１０５において選択した色信号の微積処理が行われ、ＡＦ信号が求められる。ステップ１１０では、前回ステップ１０４（あるいは１０９）において求められたＡＦ信号と今回ステップ１０９において求められたＡＦ信号とが比較されることにより、ステップ１０６における撮影レンズ１１の移動によってＡＦ信号の値が大きくなったか否かが判別される。ＡＦ信号が大きくなっている場合、ステップ１０６に戻り、撮影レンズ１１はそれまでの移動方向と同じ方向に所定量だけ移動させられる。これに対し、ステップ１１０においてＡＦ信号の値が小さくなっていると判断された場合、前回のステップ１０６の処理により撮影レンズ１１は合焦位置から遠ざかる方向に移動しているので、ステップ１１１へ移り、撮影レンズ１１はそれまでとは逆方向に、所定量だけ移動させられる。
【００２２】
ステップ１１２、１１３では、それぞれステップ１０７、１０８と同様に、ＣＣＤ２１の出力信号がＡ／Ｄ変換され、Ｇ、Ｍｇ、ＹｅおよびＣｙの色信号がそれぞれ各メモリ８１〜８４に読み込まれる。このステップ１１３の処理でもステップ１０８と同様に、ステップ１０５において選択された色信号だけをメモリに読み込むようにしてもよい。
【００２３】
ステップ１１４では、ステップ１０９と同様に、最初に選んだ色信号の微積処理が行われ、ＡＦ信号が求められる。ステップ１１５では、ステップ１１０と同様に、前回ステップ１０９（あるいは１１４）において求められたＡＦ信号と今回ステップ１１４において求められたＡＦ信号とが比較されることにより、ステップ１１１における撮影レンズ１１の移動によってＡＦ信号の値が大きくなったか否かが判別される。ＡＦ信号が大きくなっている場合、ステップ１１１に戻り、撮影レンズ１１はそれまでの移動方向と同じ方向に所定量だけ移動させられる。これに対し、ステップ１１５においてＡＦ信号の値が小さくなっていると判断された場合、前回のステップ１１１の処理により撮影レンズ１１は合焦位置から遠ざかる方向に移動しているので、撮影レンズ１１はほぼ合焦位置にあると判断され、ＡＦ動作は終了する。すなわち、この直前のステップ１１１の処理により、撮影レンズ１１は厳密には合焦位置から外れているが、ステップ１１１における撮影レンズ１１の移動量は充分に小さく、その量は本実施例における自動焦点調節の誤差範囲内であると見做される。
【００２４】
次に、ステップ１０４、１０９、１１４における微積処理の内容について説明する。
【００２５】
画素データは、水平走査線方向の距離によって微分される。ｎ番目の画素データに対する微分値は、（ｎ−１）番目の画素データと（ｎ＋１）番目の画素データとの和の半分をｎ番目の画素データから引くことにより得られる。すなわち、（ｎ−１）番目、ｎ番目および（ｎ＋１）番目の画素データを（Ｎ−１）、Ｎ、（Ｎ＋１）とすると、ｎ番目の画素データの微分値Ｎ’は、
Ｎ’＝Ｎ−（１／２）｛（Ｎ−１）＋（Ｎ＋１）｝
となる。そしてこの微分値Ｎ’の絶対値をとることにより、輝度変化信号（図４参照）が得られる。すなわち輝度変化信号Ｌは、
Ｌ＝｜Ｎ−（１／２）｛（Ｎ−１）＋（Ｎ＋１）｝｜ （１）
として表される。
【００２６】
Ｋ_ｎ−４ からＫ_ｎ＋４ までの積分処理は、これらのデータの和をその個数で割ることにより得られる。すなわち、その積分値Ｉは、
Ｉ＝（１／９）｛ΣＫ_ｉ ｝ （２）
であり、ここでΣは（ｎ−４）番目のデータから（ｎ＋４）番目のデータまでの和をとることを示す。
【００２７】
したがって、（ｎ−４）番目の画素データから（ｎ＋４）番目の画素データまでに基づいてＡＦ信号Ｓ_ＡＦを求めると、
Ｓ_ＡＦ＝（１／７） Σ｜〔Ｎ− （１／２）｛（Ｎ−１）＋（Ｎ＋１）｝〕｜ （３）
であり、Σは（ｎ−３）番目の画素データから（ｎ＋３）番目の画素データまでの和をとることを示す。
【００２８】
図６は微積処理のフローチャートを示す。
ステップ２０１では、Ｇメモリ８１から読み出された画素データに基づき、（３）式に従ってＧの色信号によるＡＦ信号Ｇ_ＡＦが算出される。このＡＦ信号Ｇ_ＡＦは、ステップ２０２においてシステムコントロール回路１０内のメモリに格納される。
【００２９】
同様にして、ステップ２０３では、Ｍｇメモリ８２から読み出された画素データに基づいて、Ｍｇの色信号によるＡＦ信号Ｍｇ_ＡＦが算出され、ステップ２０４においてメモリに格納される。ステップ２０５では、Ｙｅメモリ８３から読み出された画素データに基づいて、Ｙｅの色信号によるＡＦ信号Ｙｅ_ＡＦが算出され、ステップ２０６においてメモリに格納される。またステップ２０７では、Ｃｙメモリ８４から読み出された画素データに基づいて、Ｃｙの色信号によるＡＦ信号Ｃｙ_ＡＦが算出され、ステップ２０８においてメモリに格納される。
【００３０】
図７は色信号選択処理のフローチャートを示す。
ステップ３０１では、ＡＦ信号Ｇ_ＡＦがＡＦ値としていったんシステムコントロール回路１０のＡＦ値メモリに格納される。ステップ３０２ではＡＦ値がＡＦ信号Ｍｇ_ＡＦよりも大きいか否かが判別される。ＡＦ値がＡＦ信号Ｍｇ_ＡＦよりも大きいとき、次にステップ３０４が実行されるが、ＡＦ値がＡＦ信号Ｍｇ_ＡＦ以下であるとき、ステップ３０３においてＡＦ信号Ｍｇ_ＡＦがＡＦ値としてＡＦ値メモリに格納される。
【００３１】
ステップ３０４では、ＡＦ値がＡＦ信号Ｙｅ_ＡＦよりも大きいか否かが判別され、ＡＦ値がＡＦ信号Ｙｅ_ＡＦよりも大きいとき、次にステップ３０６が実行される。これに対してＡＦ値がＡＦ信号Ｙｅ_ＡＦ以下であるとき、ステップ３０５においてＡＦ信号Ｙｅ_ＡＦがＡＦ値としてＡＦ値メモリに格納される。ステップ３０６では、ＡＦ値がＡＦ信号Ｃｙ_ＡＦよりも大きいか否かが判別され、ＡＦ値がＡＦ信号Ｃｙ_ＡＦよりも大きいとき、このルーチンはこのまま終了する。これに対してＡＦ値がＡＦ信号Ｃｙ_ＡＦ以下であるとき、ステップ３０７においてＡＦ信号Ｃｙ_ＡＦがＡＦ値としてＡＦ値メモリに格納される。
【００３２】
このようにして、ＡＦ信号Ｇ_ＡＦ、Ｍｇ_ＡＦ、Ｙｅ_ＡＦ、Ｃｙ_ＡＦの中から最も大きい値をとるものが、ＡＦ値としてＡＦ値メモリに格納される。
【００３３】
以上のように本実施例は、各色信号のうち、各画素間の輝度差が大きい色信号のみを選択して合焦状態を判定するように構成されているため、被写体からの反射信号に含まれる高周波成分の量を高精度に検出することでき、したがって合焦状態の検出精度を向上させることができる。また本実施例では、１つの色の画素信号から輝度信号を得ているため、信号処理の時間を短縮化することができ、ＡＦ動作を迅速に行うことが可能となる。
【００３４】
なお上記実施例は、１つの色信号だけからを用いて撮影レンズ１１の合焦状態を検出するように構成されていたが、２以上の色信号を用いてもよい。
【００３５】
また上記実施例では、ＣＣＤ２１は１つのみ示されているが、複数のＣＣＤが撮影レンズ１１から相互に等しい光路長の位置に設けられ、また各ＣＣＤの前面には同じ構成を有するカラーフィルタが配設される構成であってもよい。
【００３６】
さらにカラーフィルタ２９については、補色市松カラーフィルタに限定されず、Ｇ，Ｒ／Ｂ方式の２板式のフィルタでもよく、またＧ，Ｒ，Ｂの３板式のフィルタでもよい。
【００３７】
また図５のステップ１０３において、画素データを読み出す領域としては、水平走査線に限定されず、例えば１画面の中央部に位置する矩形の領域であってもよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、撮影レンズの合焦状態の検出精度を向上させ、また自動焦点調節に要する時間を短縮させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を適用したスチルビデオカメラのブロック図である。
【図２】補色市松カラーフィルタのフィルタ要素の配列を示す図である。
【図３】各カラーフィルタ要素を通ってＣＣＤへ入力する信号とＣＣＤからの出力信号とを示す図である。
【図４】ＣＣＤからの出力信号とこの信号から得られる輝度変化信号とを示す図である。
【図５】ＡＦ動作のフローチャートである。
【図６】微積処理のフローチャートである。
【図７】色信号選択処理のフローチャートである。
【符号の説明】
１１ 撮影レンズ
２１ ＣＣＤ（撮像素子）

Claims (5)

1. 所定の色の画素信号を出力する撮像素子と、撮影レンズが第１の位置に位置する場合における各色毎の前記画素信号を処理し、前記画素信号のレベル変化の最も大きい色を選択する手段と、この選択手段によって選択された色の画素信号に基づいて前記撮影レンズの合焦状態を検出する合焦状態検出手段と、この合焦状態検出手段の出力信号に従って撮影レンズを合焦位置の方向に移動させるレンズ移動手段とを備え、
   前記撮影レンズが、前記第１の位置から第２の位置への移動によって生じる前記選択された色の画素信号の変化に基づき、移動させられることにより、合焦状態が検出され前記撮影レンズは合焦位置の方向に移動させられることを特徴とするスチルビデオカメラの自動焦点調整装置。
2. 前記選択手段は画素信号に微積処理を施すことにより各色毎にＡＦ信号を生成し、ＡＦ信号が最大値をとる色を選択することを特徴とする請求項１に記載のスチルビデオカメラの自動焦点調節装置。
3. 前記微積処理は、画素信号を水平走査線方向の距離によって微分するとともに、その微分値の絶対値を積分するものであることを特徴とする請求項２に記載のスチルビデオカメラの自動焦点調節装置。
4. 前記合焦状態検出手段は、選択された色のＡＦ信号の値が撮影レンズの移動によって大きくなっていると判断したとき、撮影レンズをそれまでの移動方向と同じ方向に移動させることを特徴とする請求項２に記載のスチルビデオカメラの自動焦点調節装置。
5. 前記合焦状態検出手段は、選択された色のＡＦ信号の値が撮影レンズの移動によって小さくなっていると判断したとき、撮影レンズをそれまでの移動方向とは逆方向に移動させることを特徴とする請求項２に記載のスチルビデオカメラの自動焦点調節装置。

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