JP3678846B2 - 自動焦点カメラ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はラインセンサを用いたテレビカメラに利用する。特に、連続する被写体を撮影し画像解析により被写体の検査を行う技術に利用する。本発明は鉄道線路を連続的に監視または検査するために開発されたものであるが、他に多数の用途がある。
【０００２】
【従来の技術】
近年のテレビカメラまたはフィルムカメラでは、ピント合わせの自動化が進んでいる。その従来例を図１３ないし図１５を参照して説明する。図１３は従来例の直接方式の自動焦点カメラのブロック構成図である。図１４は従来例の間接方式の自動焦点カメラのブロック構成図である。図１５は従来例の自動焦点カメラの焦点合わせ状況を示す図である。図１３に示すように、従来例の直接方式の自動焦点カメラでは、カメラ部１内にレンズ系２とラインセンサ３とを備え、レンズ系２にはレンズおよび機械絞り（アイリスという）が設けられている。フォーカス検出部７は、ラインセンサ３の出力から高周波成分を抽出し、この高周波成分が極大となることにより焦点が被写体に合致したことを検出する。高周波成分により焦点合わせを行う技術については、本発明とは直接関係ないのでその詳細な説明は省略する。フォーカス検出部７は、高周波成分が極大となり焦点が被写体に合致する点を求めてレンズ系制御部５に制御信号を送出する。レンズ系制御部５では、フォーカス検出部７からの制御信号にしたがって、ピントの最良点が検出されるまでレンズ系２内のレンズ位置を前後に動かして調節する。また、レンズ系制御部５は、輝度検出部１３からの制御信号にしたがって、レンズ系２内の機械的絞り開度を調整する。
【０００３】
ラインセンサ３は一次元の映像信号を出力する。被写体もしくはカメラ部１が移動することによりラインセンサ３から出力される一次元の映像信号は順次、画像合成部１０により合成されて二次元の映像信号となり表示部１２に表示される。ラインセンサ３を用いた撮影は、連続した被写体、例えば、鉄道線路などの連続撮影に適している。
【０００４】
図１４に示すように、従来例の間接方式の自動焦点カメラでは、カメラ部１内にレンズ系２とラインセンサ３を備え、レンズ系２にはレンズおよびアイリスが設けられている。距離計４はレンズ系２と被写体との距離を測定する。距離計４の測定方式には、赤外線や超音波を用いた方式があるが、ここではどのような方式を用いてもよいのでその詳細な説明は省略する。距離計４が測定した被写体との距離情報および輝度検出部１３が検出した輝度情報はともにレンズ系制御部５に入力される。レンズ系制御部５は、これらの距離情報および輝度情報にしたがってレンズ位置および絞り開度を調節する。前述したように、ラインセンサ３は一次元の映像信号を出力する。被写体もしくはカメラ部１が移動することによりラインセンサ３から出力される一次元の映像信号は順次、画像合成部１０により合成されて二次元の映像信号となり表示部１２に表示される。
【０００５】
図１５にカメラの位置と被写体との距離関係を示す。被写体の凹凸に合わせてカメラ部１のレンズ位置がＦ１またはＦ２に変更されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来例の自動焦点カメラでは、図１５に示したような表面に凹凸がある被写体の場合には、その凹凸に合わせてレンズ位置が決定される。図１６は従来例の自動焦点カメラが被写体の形状に追従する状態を説明するための図である。前述したように、ラインセンサを用いたテレビカメラでは、被写体もしくはテレビカメラが移動することにより二次元映像を撮影することができる。したがって、その移動速度が高速の場合には、テレビカメラの自動焦点制御が移動に追従することが困難となり、図１６に破線で示したように、ピントが被写体のいずれの部分にも合わない状態に陥ることがある。
【０００７】
具体例を挙げると、鉄道線路の枕木部分をその上を移動する鉄道車両から撮影する場合に、鉄道線路の枕木がある部分と、ない部分とでちょうど図１６に示したような凹凸のある被写体を構成する。従来例の自動焦点カメラでは、鉄道車両の移動速度が速くなってくると、図１６に破線で示したように、自動焦点制御が被写体の凹凸により生じる被写体までの距離の変化に追従できず、被写体のいずれの部分にもピントが合わない状態が発生する。
【０００８】
本発明は、このような背景に行われたものであり、被写体までの距離の変化に応じて最適なピント合わせを自動的に行うことができる自動焦点カメラを提供することを目的とする。本発明は、被写体までの距離が変化する場合に、その被写体がすべて被写界深度内に入るように自動的に設定することができる自動焦点カメラを提供することを目的とする。本発明は、ラインセンサに最適な自動焦点カメラを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
アイリスは、結像位置における被写体の輝度を調節する役割の他に、これを調節することにより被写界深度、すなわちピントの合う範囲を変化させることができる。アイリスを絞り込めば、被写界深度は深くなり（広くなり）、逆に開放すれば被写界深度は浅く（狭く）なる。一般的に、表面に凹凸がある被写体を撮影する場合には、撮影者はこの被写界深度を考慮して絞り開度を調節し、凹凸のいずれにもピントが合うようにして撮影を行う。本発明はこの点に着目し、被写体に最適な絞り開度とレンズ位置とを被写体との距離に対応させて、あらかじめテーブルに電子的もしくは電磁的に記録しておき、このテーブルを参照して自動焦点制御を行うことを主要な特徴とする。
【００１０】
すなわち、本発明は、被写体との距離を測定する測距手段と、この測距手段により測定された距離に適合するレンズ位置を自動調節するフォーカス手段と、レンズを通過する光量をアイリスにより調節する手段とを備えた自動焦点カメラである。
【００１１】
ここで本発明の特徴とするところは、異なる距離にある被写体を同時に被写界深度内に含む絞り開度およびレンズ位置があらかじめ二つの距離の組合せの多数について記録されたテーブルと、前記測距手段により測定される少なくとも一つの被写体までの距離およびその後に現れる被写体までの距離のすべてが被写界深度内に入るように絞り開度およびレンズ位置を前記テーブルを参照して自動的に設定する手段とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
前記「その後に現れる被写体までの距離」は前記フォーカス手段で追従できない速さで繰り返し現れる被写体までの距離であるときに、本発明は特に有効である。
【００１３】
前記設定する手段は、前記繰り返し周期内に測定される複数の距離のすべてが被写界深度内に入る十分に明るい絞り開度およびレンズ位置をそれぞれ固定的に選択する手段を含むことがよい。これにより、撮影に必要な被写界深度を保ちつつその中でも最も明るい絞り開度を選択することができる。
【００１４】
結像位置に設けられた光電気変換手段と、この光電気変換手段の出力信号レベルを調節する自動利得調節回路とを備えることが望ましい。すなわち、撮影するのに最適な被写界深度を得るために、絞り開度は一定に設定する必要がある。このため、アイリスのもう一つの目的である輝度調節はここでは行わず、出力信号レベルを調節することにより行うことがよい。
【００１５】
前記光電気変換手段はラインセンサである、すなわちラインセンサカメラとするとき有用である。すなわち、ラインセンサを用いたテレビカメラでは、被写体もしくはカメラ自体が移動することにより二次元画像が合成される。したがって、本発明は被写体もしくはカメラ自体が移動することを前提として行われたものであるから、ラインセンサを用いたテレビカメラに適用するのに最適である。
【００１６】
前記フォーカス手段の追従範囲（追従範囲が零である場合も含む）を固定させる操作手段を備えることができる。すなわち、距離優先の撮影を行うことができる。
【００１７】
フォーカス手段が追従しないときは、前記測定された二つの距離がそのフォーカス手段の追従可能時間より短い時間で変動するときであることが考えられる。例えば、鉄道線路のように、枕木のある部分とない部分とが交互に現れるとき、この鉄道線路上を高速に移動中の鉄道車両から鉄道線路を撮影すれば、自動焦点制御は枕木の凹凸により生じる被写体までの距離の変化に追従できない。このようなときには、前述のように、テーブルを用いた撮影に切替えることがよい。さらに、この切替えは自動的に行われることがよい。
【００１８】
また、前記フォーカス手段が追従しないときは、そのフォーカス手段の追従範囲（追従範囲が零である場合も含む）を操作により固定させたときであることが考えられる。例えば、鉄道線路の撮影に際して撮影者が手動によりレンズ位置を固定したときに、レンズ位置と被写体との距離との関係からテーブルを用いて最適な被写界深度が得られる絞り開度が自動的に設定されるようにテーブルを用いた撮影に切替えることがよい。さらに、この切替えは自動的に行われることがよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
【００２０】
【実施例】
本発明実施例の構成を図１を参照して説明する。図１は本発明実施例装置のブロック構成図である。
【００２１】
本発明は、被写体との距離を測定する測距手段としての距離計４と、この距離計４により測定された距離に適合するレンズ位置を自動調節するフォーカス手段としてのレンズ系制御部５と、レンズを通過する光量をアイリスにより調節する手段を含むレンズ系２とを備えた自動焦点カメラである。
【００２２】
ここで本発明の特徴とするところは、異なる距離にある被写体を同時に被写界深度内に含む絞り開度およびレンズ位置があらかじめ二つの距離の組合せの多数について記録されたテーブル６を設けておき、測距手段である距離計４により測定される少なくとも一つの被写体までの距離およびその後に現れる被写体までの距離のすべてが被写界深度内に入るように、レンズ系２の内部にある機械絞りの開度およびレンズの位置を前記テーブル６を参照して設定するフォーカス制御部８およびレンズ系制御部５を備えたところにある。
【００２３】
（第一実施例）
本発明第一実施例を図１ないし図６を参照して説明する。図２は矩形の凹凸面を有する被写体を示す図である。図３は被写体と被写界深度との関係を示す図である。図４は本発明第一実施例の撮影状況を示す図である。図５は本発明第一実施例のテーブル６を示す図である。図６はフォーカス制御部８の動作を示すフローチャートである。図１に示すように本発明実施例装置は、従来例で説明した構成に、さらに、テーブル６、フォーカス制御部８、レベル制御部９、入力部１１を追加した構成である。
【００２４】
本発明第一実施例では、図２に示すように、矩形の凹凸面を有する連続した被写体を移動しながら撮影する場合について説明する。さらに具体的には、この被写体は鉄道線路であり、凹凸部分は枕木のある部分とない部分である。この鉄道線路をその鉄道線路上を移動する鉄道車両の上から撮影するものとして説明する。図１に示した本発明実施例装置の操作者は、まず、入力部１１を操作し、図３に示すように、手動により凹部および凸部が双方とも範囲内に収まる被写界深度とその絞り開度ｆ１を設定する。さらに、図４に示すように、その被写界深度を用いて凹部および凸部の双方にピントが合うレンズ位置Ｆを設定する。距離計４からは被写体とカメラ部１との距離情報が随時フォーカス制御部８に入力されており、この距離情報と操作者の設定情報とがフォーカス制御部８内で整理され、テーブル６に格納される。
【００２５】
すなわち、図５に示すように、枕木のある凸部では距離計４の測距値はＬ１であり、このときのレンズ位置はＦであり絞り開度はｆ１であるとテーブル６に記録される。同様に、枕木のない凹部では距離計４の測距値はＬ２であり、このときのレンズ位置はやはりＦであり絞り開度はｆ１であるとテーブル６に記録される。このようにして図５に示すようなテーブル６が設定される。このとき、被写界深度は絞り開度を絞るほど深くなるが、被写体像の輝度は暗くなるので、被写界深度は必要最小限度にとどめておくことがよい。また、被写体の輝度の調節は絞り開度を変化させることなく、ラインセンサ３から出力される映像信号をレベル制御部９に入力しその利得を調節することにより行う。これにより、絞り開度は常に撮影に適した被写界深度を維持した状態に保つことができる。このようにして距離Ｌ１およびＬ２の多数の組合せについて、レンズ位置Ｆおよび絞り開度ｆ１を求める。これをテーブル６に格納する。
【００２６】
上のようにして現物の操作によりテーブル６を作成することができるが、実際にはレンズの定数、絞りの機械構造定数その他を利用して計算によりテーブル６を作成することができる。
【００２７】
テーブルは、さまざまな被写体について複数用意しておくことができる。図６には、複数のテーブルの中から図５に示したテーブル６をフォーカス制御部８が選択してレンズ位置Ｆおよび絞り開度ｆ１を固定する動作を示す。
【００２８】
一度、テーブルが設定されると図６に示すように、フォーカス制御部８は距離計４から距離情報を取込む（Ｓ１）。この例の場合には、取込まれた距離情報は距離Ｌ１またはＬ２である。テーブルから距離Ｌ１、Ｌ２が含まれるものを採る（Ｓ２）。そのテーブルに記録されている被写界深度の中に距離Ｌ１、Ｌ２を含むか否かを判定する（Ｓ３）。含まなければ、さらに被写界深度の深いものにテーブルを変更する（Ｓ７）。含めば、これが最も絞り開度の大きいものか否かを判定する（Ｓ４）。さらに絞り開度の大きいものがあれば、テーブルをそれに変更する（Ｓ８）。このようにしてテーブル６が選択され（Ｓ５）、レンズ位置Ｆおよび絞り開度ｆ１が固定される（Ｓ６）。
【００２９】
すなわち、カメラ部１が図２に示した被写体以外のものを撮影していても、図２に示した被写体にカメラ部１のレンズ系２を向ければ距離計４が測距した距離変化パターンからフォーカス制御部８はレンズ系２が撮影している被写体が図２に示した被写体であることを検知し、自動的にレンズ系制御部５がテーブル６にしたがう撮影を行うように制御を行うことができる。本発明は、複数の被写体距離の変化に対してレンズ位置が追従できないときに使用される。あるいは、被写体とカメラ部１との相対速度が従来例の自動焦点制御により追従できる範囲では、従来例の自動焦点制御により行い、追従不可能となった時点で本発明の自動焦点制御に自動的に切替えてもよい。また、画面の中で撮影者が強調したい距離に焦点が合うように、レンズ位置Ｆを手動により固定した場合に、その他の被写体について最適な被写界深度をテーブル６により検索して自動的に設定するような運用もできる。
【００３０】
（第二実施例）
本発明第二実施例を図７ないし図１０を参照して説明する。図７は波型の凹凸を有する被写体を示す図である。図８は被写体と被写界深度との関係を示す図である。図９は本発明第二実施例の撮影状況を示す図である。図１０は本発明第二実施例のテーブル６を示す図である。本発明第二実施例は、図７に示すように、波型の凹凸を有する被写体を用いて説明する。図８に示すように、波型の凹部および凸部のすべてをその範囲内とする被写界深度の絞り開度はｆ２である。図９に示すように、カメラ部１と被写体との距離は、最大値をＬｎ、最小値をＬｍとして連続的に変化する。図９に示した例では、被写体との距離がそれぞれＬ１〜Ｌ５の各点において距離計４が測距を行うものとした。なお、測距は連続的に無段階的に行われるものとしてもよい。図１０に示すように、テーブル６には、距離がＬｍ≦Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５≦Ｌｎのときには、レンズ位置Ｆとなり絞り開度はｆ２となるように記録されている。テーブル６が設定されるとフォーカス制御部８は、本発明第一実施例で説明した図６に示す動作を行い、レンズ位置Ｆおよび絞り開度ｆ２が固定される。
【００３１】
（第三実施例）
本発明第三実施例を図１１および図１２を参照して説明する。図１１は二つの異なる表面パターンを持つ被写体を示す図である。図１２は本発明第三実施例のテーブル６を示す図である。本発明第三実施例は、二つの異なる表面パターンを有する被写体を用いて説明する。移動するカメラ部１は前半には本発明第二実施例で説明した波型の凹凸を有する被写体を撮影し、後半には本発明第一実施例で説明した矩形の凹凸を有する被写体を撮影する。波型の凹凸を有する被写体を撮影しているときには、Ｌｍ≦Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４≦Ｌｎであり、矩形の凹凸を有する被写体を撮影しているときには、Ｌ５，Ｌ６，Ｌ７≦Ｌｍであるから、距離計４の距離情報によりフォーカス制御部８は、図１２に示す距離Ｌ１〜Ｌ７を含むテーブル６を採り、波型または矩形のどちらの被写体をカメラ部１が撮影していても、距離情報とその距離情報に対応するレンズ位置および絞り開度をテーブル６から読取り、レンズ系制御部５を最適な条件で制御することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、被写体までの距離の変化に応じて最適なピント合わせを行うことができる。被写体までの距離が変化してもその被写体は被写界深度の中にあるから画像がぼけることはない。これにより、被写体までの距離が変化してレンズ位置が追従できないときにも、常に適正なピント合わせが実現できる。本発明は、ラインセンサカメラに利用すると、連続写真が正しいピントで撮影できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例装置のブロック構成図。
【図２】矩形の凹凸面を有する被写体を示す図。
【図３】被写体と被写界深度との関係を示す図。
【図４】本発明第一実施例の撮影状況を示す図。
【図５】本発明第一実施例のテーブルを示す図。
【図６】フォーカス制御部の動作を示すフローチャート。
【図７】波型の凹凸を有する被写体を示す図。
【図８】被写体と被写界深度との関係を示す図。
【図９】本発明第二実施例の撮影状況を示す図。
【図１０】本発明第二実施例のテーブルを示す図。
【図１１】二つの異なる表面パターンを持つ被写体を示す図。
【図１２】本発明第三実施例のテーブルを示す図。
【図１３】従来例の直接方式の自動焦点カメラのブロック構成図。
【図１４】従来例の間接方式の自動焦点カメラのブロック構成図。
【図１５】従来例の自動焦点カメラの焦点合わせ状況を示す図。
【図１６】従来例の自動焦点カメラが被写体の形状に追従する状態を説明するための図。
【符号の説明】
１ カメラ部
２ レンズ系
３ ラインセンサ
４ 距離計
５ レンズ系制御部
６ テーブル
７ フォーカス検出部
８ フォーカス制御部
９ レベル制御部
１０ 画像合成部
１１ 入力部
１２ 表示部
１３ 輝度検出部

Claims (5)

1. 被写体との距離を測定する測距手段と、この測距手段により測定された距離に適合するレンズ位置を自動調節するフォーカス手段と、レンズを通過する光量を調節する機械絞りとを備え、
   前記被写体は周期的に距離が変化する連続する被写体であって、この被写体を連続して撮影する自動焦点カメラであって、
   前記被写体またはカメラの一方が移動し、この移動速度は前記被写体までの距離の変化が前記フォーカス手段で追従できない速さであり、
   異なる距離にある被写体を同時に被写界深度内に含む絞り開度およびレンズ位置があらかじめ二つの距離の組合せの多数について記録されたテーブルと、前記測距手段により測定される少なくとも一つの被写体までの距離およびその後に現れる被写体までの距離のすべてが被写界深度内に入るように絞り開度およびレンズ位置を前記テーブルを参照して自動的に設定する手段と
   を備えたことを特徴とする自動焦点カメラ。
2. 前記設定する手段は、前記繰り返し周期内に測定される複数の距離のすべてが被写界深度内に入る十分に明るい絞り開度およびレンズ位置をそれぞれ固定的に選択する手段を含む請求項１記載の自動焦点カメラ。
3. 結像位置に設けられた光電気変換手段と、この光電気変換手段の出力信号レベルを調節する自動利得調節回路とを備えた請求項１または２記載の自動焦点カメラ。
4. 前記光電気変換手段はラインセンサである請求項３記載の自動焦点カメラ。
5. 前記フォーカス手段の追従範囲を固定させる操作手段を備えた請求項２記載の自動焦点カメラ。

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