JP4033169B2 - 撮像装置及びそのピント表示方法 - Google Patents

Description

本発明は、カメラ一体型ビデオテープレコーダ（以下「カムコーダ」という）等の撮像装置、さらに詳細にはマニュアルフォーカス制御時のピント表示に関するものである。

カムコーダ等の撮像装置におけるフォーカス制御系としては、例えば図４に示すものがある。この図において、被写体（図示せず）からの光はフォーカスレンズ１により集光され、アイリス２において適当な光量に調整されてＣＣＤ撮像素子３に結像する。そして、ここで映像信号に変換され、サンプル／ホールド及びＡＧＣ回路４においてノイズ除去とレベル調整を受けた後、Ａ／Ｄ変換器５によりデジタル信号に変換される。デジタル信号に変換された映像信号は、カメラ信号処理部６において、Ｙ／Ｃ分離、ガンマ補正等のカメラ信号処理を施される。カメラ信号処理部６の出力信号は、図示されていない記録再生回路へ送られ、所定の記録再生処理を施される。カメラ信号処理部６内で分離された輝度信号はオートフォーカス（ＡＦ）検波部７へ送られる。

オートフォーカス検波部７は、図５に示すように、輝度信号の高域成分を通すハイパスフィルタ（又はバンドパスフィルタ）７１と、このフィルタ７１の出力を整流する整流回路７２と、整流回路７２の出力からオートフォーカス用の測距枠内の輝度信号を抽出するためのゲート回路７３と、ゲート回路７３の出力を検波することによりフィールド内の高域成分を検出して焦点信号を作成する検波回路７４とから構成されている。検波回路７４としては平均値検波、ピーク値検波および、両者の中間的検波方法等が用いられている。

図５に示したオートフォーカス検波部７が作成した焦点信号のレベルとピント位置との関係の一例を図６に示す。このように、焦点信号のレベルは合焦位置においてピークになる。

再び図４の説明に戻る。オートフォーカス検波部７で作成された焦点信号は制御マイクロコンピュータ（以下「マイクロコンピュータ」を「マイコン」と略す）８へ送られる。

オートフォーカス制御時には、制御マイコン８は、焦点信号のレベルが大きくなる方向にフォーカスレンズ１を移動させるためのモータ制御信号をモータ駆動回路９へ与える。モータ駆動回路９はモータ制御信号に応じた方向と速度でモータ１０を回転させる。つまり、焦点信号のレベルのピークが検出される位置にフォーカスレンズ１を移動させるように閉ループが構成されている。このオートフォーカス制御は、焦点信号のレベルのピークを検出するものであるため、山登り制御と呼ばれている。

一方、マニュアルフォーカス制御時には、フォーカスリング回転検出部１１によりユーザーが操作したフォーカスリングの回転を検出し、制御マイコン８がその回転状態に応じた制御信号をモータ駆動回路９に与える。このとき、制御マイコン８はオートフォーカス検波部７からの焦点信号をもとにピント状態（前ピン、後ピン、合焦）を判断し、ピント表示部１２へ指示を送る。

図７に焦点信号の傾きとピント位置の関係を示す。傾きが正の時は前ピン（被写体の手前にピントが合っている状態）、傾きが負の時は後ピン（被写体の後ろにピントが合っている状態）となり、合焦位置では傾きは０となる。

そこでフォーカスレンズを微小に動かし、焦点信号の変化（傾き）を検出することでピント方向を知ることができる。また、焦点信号のレベルがある程度以上あり、焦点信号の傾きが小さいとき（合焦判定レベル以下）は合焦とみなすことができる。そしてこれを表示することで、ユーザーは解像度の低いファインダーでも精度の高いピント合わせを行なうことができる。

図８にピント表示の例を示す。ユーザーは前ピン、後ピンの表示方向に従ってフォーカスリングを動かし、合焦マークが出ることで合焦位置を知ることができる。

ここで光学における合焦の定義について述べる。被写体から出た光はレンズを通って再び収束し、結像する。この結像位置は被写体のある一点から出た光が再び一点に収束する位置である。スチルカメラではこの位置にフィルムを、また撮像装置ではこの位置にＣＣＤ等の撮像素子を置き、被写体像を取り込んでいる。この位置の前後では、光は一点ではなく、円（錯乱円という）となる。そして結像位置からずれるにつれ、錯乱円は大きくなり、像はボケることになる。しかし、錯乱円の大きさが撮像素子の画素よりも小さい場合、ボケを検出することはできない。つまり、この範囲では像はボケていない、すなわちピントがあっている（合焦）といえる。

このように、光学では錯乱円の大きさが撮像装置の画素より小さい場合を合焦と定義し、この範囲を合焦範囲という。合焦範囲はレンズの焦点距離、Ｆナンバー等に依存するが、被写体の形状、空間周波数等には依存しない。

特開平６−１１３１８４号公報

焦点信号の形状は被写体の形状、コントラスト、空間周波数等により異なる。例えば図９に示すように、被写体Ａでは焦点信号のピーク付近の形状はなだらかであるが、被写体Ｂでは尖った形状である。これらの被写体Ａ，Ｂに関して焦点信号の傾きを示すと図１０のようになる。

ピント表示では焦点信号の傾きの大きさがある程度以下である範囲を合焦と判断するが、被写体Ａではその範囲は広く、被写体Ｂでは狭くなってしまう。この結果、被写体Ａでは合焦判断の精度が低く、正確な合焦が得られなくなる。一方、被写体Ｂでは合焦判断の精度が高すぎるため、実際にはピントが合っている状態でも合焦と判断されず、ピント合わせが困難となる。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであって、被写体によらず正確なピント表示を行なうことにより、ユーザーが被写体によらずスムーズかつ正確なピント合わせを容易に行なえるようにした撮像装置及びそのピント表示方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明に係る撮像装置は、 撮像素子の出力信号の所定の周波数成分から合焦位置においてピークレベルとなる焦点信号を作成する焦点信号作成手段と、フォーカスレンズの位置を検出するレンズ位置検出手段と、前記焦点信号から検出された合焦点でのフォーカスレンズの位置を記憶する第１の記憶手段と、前記フォーカスレンズの合焦範囲を記憶する第２の記憶手段と、前記焦点信号作成手段により作成される焦点信号と、前記第１の記憶手段に記憶されているフォーカスレンズの位置と、前記第２の記憶手段に記憶されているフォーカスレンズの合焦範囲と、現在のフォーカスレンズの位置とに基づいて、合焦判断を行なう合焦判断手段と、前記合焦判断手段による合焦判断の結果を表示する表示手段とを備え、前記合焦判断手段は、前記焦点信号の傾きの符号が反転した時に、前記レンズ位置検出手段により検出される現在のフォーカスレンズの位置と前記第１の記憶手段に記憶された合焦点でのフォーカスレンズの位置との差が前記合焦範囲内であるか否かを検出し、前記合焦範囲内である場合には合焦判定レベルを大きくし、前記合焦範囲外である場合には前記合焦判定レベルを小さくし、現在のフォーカスレンズの位置における前記焦点信号の傾きが前記合焦判定レベル以下であるときに合焦と判断することを特徴とする。

また、上述した目的を達成するために、本発明に係る撮像装置のピント表示方法は、フォーカスレンズの合焦点前後の合焦範囲を記憶しておき、撮像素子の出力信号の所定の周波数成分から合焦位置においてピークレベルとなる焦点信号を作成し、前記焦点信号のレベルのピークから合焦点が検出されたときに当該合焦点でのフォーカスレンズの移動位置を記憶し、前記焦点信号と、記憶されている前記合焦点でのフォーカスレンズの移動位置と、予め記憶されている前記フォーカスレンズの合焦範囲と、現在のフォーカスレンズの移動位置とに基づいて、合焦判断を行い、前記合焦判断では、前記焦点信号の傾きの符号が反転した時に、現在のフォーカスレンズの位置と前記記憶された合焦点でのフォーカスレンズの位置との差が前記合焦範囲内であるか否かを検出し、前記合焦範囲内である場合には合焦判定レベルを大きくし、前記合焦範囲外である場合には前記合焦判定レベルを小さくし、現在のフォーカスレンズの位置における前記焦点信号の傾きが前記合焦判定レベル以下であるときに合焦と判断する合焦判断を行い、前記合焦判断の結果を表示することを特徴とする。

以上詳細に説明したように、本発明に係る撮像装置及びそのピント表示方法によれば、撮像素子の出力信号の所定の周波数成分から作成した合焦位置においてピークレベルとなる焦点信号から合焦点が検出されたときに当該合焦点でのフォーカスレンズの移動位置を記憶し、前記焦点信号の傾きの符号が反転した時に、現在のフォーカスレンズの位置と前記記憶された合焦点でのフォーカスレンズの位置との差が前記合焦範囲内であるか否かを検出し、前記合焦範囲内である場合には合焦判定レベルを大きくし、前記合焦範囲外である場合には前記合焦判定レベルを小さくし、現在のフォーカスレンズの位置における前記焦点信号の傾きが前記合焦判定レベル以下であるときに合焦と判断する合焦判断を行い、その結果を表示しているので、ユーザは被写体によらずスムーズかつ正確なピント合わせを容易に行なうことができる。

また、前記焦点信号の傾きの符号が反転した時に、現在のフォーカスレンズの位置と前記記憶された合焦点でのフォーカスレンズの位置との差が前記合焦範囲内であるか否かを判定し、その判定結果に応じて合焦判定レベルを変化させ、現在のフォーカスレンズの位置における前記焦点信号の傾きが前記合焦判定レベル以下であるか否かにより合焦判断を行なうことにより、手振れ等に影響されずにスムーズかつ正確なピント合わせを容易に行なうことができる。

以下本発明の実施例について図面を参照しながら、
〔１〕合焦判断の原理
〔２〕本発明を適用した撮像装置
（１）撮像装置の構成
（２）撮像装置の動作
（３）制御マイコンの処理
（４）手振れ等の影響を考慮した制御マイコンの処理
の順序で詳細に説明する。

〔１〕合焦判断の原理
まず本発明における合焦判断の原理について説明する。図７あるいは図１０に見られるように、ユーザーがフォーカスリングを回転させてピント合わせをしている時、焦点信号の傾きは合焦位置を通過する瞬間にその符号が反転する。そこで、符号が反転するときのフォーカスレンズの位置を記憶しておき、その前後のある一定の範囲を合焦範囲とする。ある一定の範囲は光学的合焦範囲（焦点深度）に相当するもので、フォーカスレンズのＦナンバーと焦点距離、及び撮像素子の大きさから予め計算され、被写体には依存しない。なお、実際にはこの一定の範囲は光学的合焦範囲とほぼ等しければよい。このようにすれば、被写体によらず一定の精度を保証した正確な合焦判断をすることが出来る。

〔２〕本発明を適用した撮像装置
（１）撮像装置の構成
図１は本発明を適用した撮像装置の構成を示すブロック図である。ここで、図４と同一の部分には同一の番号が付してある。

本発明を適用した撮像装置は、被写体（図示せず）からの光を集光するフォーカスレンズ１と、フォーカスレンズ１を通過した光の量を調整するアイリス２と、アイリス２を通過した被写体の像を映像信号に変換するＣＣＤ撮像素子３と、ＣＣＤ撮像素子３の出力映像信号のノイズ除去とレベル調整を行なうサンプル／ホールド及びＡＧＣ回路４と、サンプル／ホールド及びＡＧＣ回路４の出力をデジタル化するＡ／Ｄ変換器５と、Ａ／Ｄ変換器５のデジタル出力に対してＹ／Ｃ分離、ガンマ補正等の信号処理を施すカメラ信号処理部６とを備えている。

また、本発明を適用した撮像装置は、カメラ信号処理部６内で分離された輝度信号からオートフォーカス制御用の焦点信号を作成して後述する制御マイコン８'へ送るオートフォーカス検波部７と、オートフォーカス及びマニュアルフォーカスの制御動作（詳細は後述）を司る制御マイコン８'と、制御マイコン８'から送られて来るモータ制御信号に応じてモータ１０を駆動するモータ駆動回路９と、モータ駆動回路９により駆動され、フォーカスレンズ１を移動させるモータ１０とを備えている。

さらに、本発明を適用した撮像装置は、マニュアルフォーカス時にフォーカスリング（図示せず）の回転を検出して制御マイコン８'へ送るフォーカスリング回転検出部１１と、マニュアルフォーカス時に制御マイコン８'から送られて来るピント状態の表示制御信号にしたがってピント表示を行なうピント表示部１２と、フォーカスレンズ１の位置を検出して制御マイコン８'へ送るフォーカスレンズ位置検出部１３とを備えている。フォーカスレンズ位置検出部１３は、例えばモータ１０がＤＣモータの場合には、モータ１０の回転量をロータリーエンコーダで積算することにより実現できる。この場合、フォーカスレンズ１の位置をポテンショメーターで直接観測してもよい。また、モータ１０がパルスモータ（ステップモータ）の場合には、制御マイコン８'内でパルスモータの回転量指令値を積算することにより、モータ１０の回転あるいはフォーカスレンズ１の位置を検出するための素子を要せずに制御マイコン８'内で実現できる。

（２）撮像装置の動作
次に、図１に示した装置の動作を説明する。図１において、被写体（図示せず）からの光はフォーカスレンズ１により集光され、アイリス２において適当な光量に調整されてＣＣＤ撮像素子３に結像する。そして、ここで映像信号に変換され、サンプル／ホールド及びＡＧＣ回路４においてノイズ除去とレベル調整を受けた後、Ａ／Ｄ変換器５によりデジタル信号に変換される。デジタル信号に変換された映像信号は、カメラ信号処理部６において、Ｙ／Ｃ分離、ガンマ補正等のカメラ信号処理を施される。カメラ信号処理部６の出力信号は、図示されていない記録再生回路へ送られ、所定の記録再生処理を施される。カメラ信号処理部６内で分離された輝度信号は、オートフォーカス検波部７へ送られる。

オートフォーカス検波部７は、入力された輝度信号から焦点信号を作成し制御マイコン８'へ送る。制御マイコン８'は、オートフォーカス制御時とマニュアルフォーカス制御時とで異なる動作を行なう。

オートフォーカス制御時には、制御マイコン８'は焦点信号のレベルが大きくなる方向にフォーカスレンズ１を移動させるためのモータ制御信号をモータ駆動回路９へ与える。モータ駆動回路９はモータ制御信号に応じた方向と速度でモータ１０を回転させる。この結果、焦点信号のレベルがピークになるようにフォーカスレンズ１の位置が自動的に制御される。本発明はマニュアルフォーカス制御時の動作に関するものなので、オートフォーカス制御に関してはこれ以上は説明しない。

マニュアルフォーカス制御時には、ユーザーがフォーカスリングを回転させてピント合わせをすると、合焦位置を通過するときに焦点信号の傾きの符号が反転するので、制御マイコン８'は、フォーカスレンズ位置検出部１３の出力に基づいてその符号が反転した時のフォーカスレンズ１の位置を記憶する。そして、記憶した位置の前後のある一定の範囲を合焦範囲とし、その範囲から出たときには、出た方向に応じて前ピンあるいは後ピンであることを示す表示制御信号をピント表示部１２へ送る。ピント表示部１２はこの表示制御信号にしたがって合焦、前ピン、あるいは後ピンの表示を行なう。ユーザーはこのピント表示部１２における表示内容を見ながらフォーカスリングを回転させることにより、フォーカスレンズ１の位置を合焦範囲に収めることができる。なお、ユーザーが操作する部材をフォーカスリングではなく、レバーやスイッチとし、その操作方向等を検出するように構成してもよい。

（３）制御マイコンの処理
図２はマニュアルフォーカス制御時の制御マイコン８'の処理の一例を示すフローチャートである。この図に示すように、制御マイコン８'は、図１のオートフォーカス検波部７から送られて来る焦点信号の傾きの符号が反転したかどうかを判断する（ステップＳ１）。そして、反転していれば、その時のフォーカスレンズの位置を内部のメモリ（図示せず）に記憶（ステップＳ２）した後、ステップＳ３へ移行する。ステップＳ１で符号が反転していたと判断されなかったときは、そのままステップＳ３へ移行する。

ステップＳ３では、現在のフォーカスレンズ１の位置とメモリに記憶されたフォーカスレンズ１の位置とを比較し、その差がある一定の範囲内かどうかを判断する。なお、この一定の範囲の値はあらかじめ制御マイコン内のメモリ（ＲＯＭ等）に格納されている。そして、一定の範囲内であれば、合焦と判断し、ピント表示部１２において合焦表示を行なうための表示制御信号を出力する（ステップＳ４）。もし、一定の範囲内でなければ、合焦でないと判断し、現在のフォーカスレンズ１の位置がメモリに記憶されているフォーカスレンズの位置の前方か後方かに応じて、前ピンまたは後ピンの表示を行なうための表示制御信号を出力する（ステップＳ５）。

前記ステップＳ１〜Ｓ５は、被写体を撮像して得た映像信号の垂直同期信号の周期で繰り返す無限ループとなっている。

（４）手振れ等の影響を考慮した制御マイコンの処理
焦点信号が図６の様に理想的な形状の場合、前述した手法のみで正確な合焦判断が可能であるが、手振れ等による焦点信号の変動が存在した場合、合焦位置以外で焦点信号の傾きの符号が反転することがある。そこで、本発明では、さらに制御マイコン８'が図３のように処理することにより、正確、かつ手振れ等の影響にも強い合焦判断を行なうことが出来る。

図３において、ステップＳ１１，１２，１３は図２のステップＳ１，Ｓ２，Ｓ３と同じである。また、図３のステップ１７，１８も図２のステップＳ４，Ｓ５と同じである。つまり、ステップＳ１４，１５，１６が付加されている点が図２と相違する。なお、全ステップが映像信号の垂直同期信号の周期で繰り返す無限ループとなっている点は図２と同じである。以下ステップＳ１４，１５，１６について説明する。

ステップＳ１４は、ステップＳ１３で現在のフォーカスレンズ１の位置とメモリに記憶されたフォーカスレンズ１の位置との差がある一定の範囲内である場合に、図１０で説明した合焦判定レベルを大きくする処理である。そして、ステップＳ１５は、ある一定の範囲内でない場合にこの合焦判定レベルを小さくする処理である。

この二つの処理の意味について説明する。フォーカスレンズ１の位置とメモリに記憶されたフォーカスレンズ１の位置との差がある一定の範囲内であるということは合焦範囲にあるということである。そして、図６又は図９から明らかなように、焦点信号の傾きは合焦位置から外れるにしたがって大きくなる。つまり、合焦範囲外における焦点信号の傾きは合焦範囲内における焦点信号の傾きよりも絶対値が大きくなる。したがって、手振れ等により合焦範囲外で焦点信号の符号が反転した場合には、その傾きの変化幅が大きくなる。

そこで、合焦範囲外で焦点信号の符号が反転した場合には、ステップＳ１５で合焦判定レベルを小さくする。これに対して、合焦範囲内で焦点信号の符号が反転した場合には、ステップＳ１４で合焦判定レベルを大きくする。そして、次のステップＳ１６では、焦点信号の傾きが合焦判定レベル以下かどうかを判断する。これにより、手振れ等により合焦範囲外の位置において焦点信号の傾きの符号が反転した場合には、ほとんどの被写体で合焦判定レベルを越えるため合焦とみなされなくなる。一方、合焦範囲内で焦点信号の傾きの符号が反転した場合、合焦範囲内では合焦判定レベルが大きいので、ほとんどの被写体で合焦と判断される。したがって、誤った合焦判断をなくすと共に精度の一定した正確な合焦判断が可能となる。

本発明を適用した撮像装置の構成を示すブロック図である。 本発明を適用した撮像装置におけるマニュアルフォーカス制御時の制御マイコンの動作の一例を示すフローチャートである。 本発明を適用した撮像装置におけるマニュアルフォーカス制御時の制御マイコンの動作の他の一例を示すフローチャートである。 従来の撮像装置におけるフォーカス制御系の構成を示すブロック図である。 図４のフォーカス制御系におけるオートフォーカス検波部の構成を示すブロック図である。 焦点信号のレベルとピント位置との関係の一例を示す図である。 焦点信号の傾きとピント位置の関係の一例を示す図である。 ピント表示の一例を示す図である。 被写体Ａ，Ｂの焦点信号のレベルとピント位置との関係を示す図である。 図９の被写体Ａ，Ｂの焦点信号の傾きとピント位置との関係を示す図である。

符号の説明

１ フォーカスレンズ、７ オートフォーカス検波部、８，８' 制御マイコン、１０ モータ、１２ ピント表示部、１３ フォーカスレンズ位置検出部

Claims (8)

1. 撮像素子の出力信号の所定の周波数成分から合焦位置においてピークレベルとなる焦点信号を作成する焦点信号作成手段と、
   フォーカスレンズの位置を検出するレンズ位置検出手段と、
   前記焦点信号から検出された合焦点でのフォーカスレンズの位置を記憶する第１の記憶手段と、
   前記フォーカスレンズの合焦範囲を記憶する第２の記憶手段と、
   前記焦点信号作成手段により作成される焦点信号と、前記第１の記憶手段に記憶されているフォーカスレンズの位置と、前記第２の記憶手段に記憶されているフォーカスレンズの合焦範囲と、現在のフォーカスレンズの位置とに基づいて、合焦判断を行なう合焦判断手段と、
   前記合焦判断手段による合焦判断の結果を表示する表示手段とを備え、
   前記合焦判断手段は、前記焦点信号の傾きの符号が反転した時に、前記レンズ位置検出手段により検出される現在のフォーカスレンズの位置と前記第１の記憶手段に記憶された合焦点でのフォーカスレンズの位置との差が前記合焦範囲内であるか否かを検出し、前記合焦範囲内である場合には合焦判定レベルを大きくし、前記合焦範囲外である場合には前記合焦判定レベルを小さくし、現在のフォーカスレンズの位置における前記焦点信号の傾きが前記合焦判定レベル以下であるときに合焦と判断することを特徴とする撮像装置。
2. 前記第１の記憶手段は、前記焦点信号作成手段により作成される焦点信号の傾きの符号が反転した時に前記レンズ位置検出手段により検出されたフォーカスレンズの位置を前記合焦点でのフォーカスレンズの位置として記憶することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 前記合焦判断手段は、前記レンズ位置検出手段により検出されたフォーカスレンズの位置が合焦点の前に位置するか後ろに位置するかを判断し、
   前記表示手段は、前記合焦判断手段の判断結果に応じて、フォーカスレンズの移動位置の状態が、合焦状態、前ピン状態又は後ピン状態であるかを示す表示を行なうことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
4. 前記フォーカスレンズの合焦範囲は、フォーカスレンズの焦点深度であることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
5. フォーカスレンズの合焦点前後の合焦範囲を記憶しておき、
   撮像素子の出力信号の所定の周波数成分から合焦位置においてピークレベルとなる焦点信号を作成し、
   前記焦点信号のレベルのピークから合焦点が検出されたときに当該合焦点でのフォーカスレンズの移動位置を記憶し、
   前記焦点信号と、記憶されている前記合焦点でのフォーカスレンズの移動位置と、予め記憶されている前記フォーカスレンズの合焦範囲と、現在のフォーカスレンズの移動位置とに基づいて、合焦判断を行い、
   前記合焦判断では、前記焦点信号の傾きの符号が反転した時に、現在のフォーカスレンズの位置と前記記憶された合焦点でのフォーカスレンズの位置との差が前記合焦範囲内であるか否かを検出し、前記合焦範囲内である場合には合焦判定レベルを大きくし、前記合焦範囲外である場合には前記合焦判定レベルを小さくし、現在のフォーカスレンズの位置における前記焦点信号の傾きが前記合焦判定レベル以下であるときに合焦と判断する合焦判断を行い、
   前記合焦判断の結果を表示することを特徴とする撮像装置のピント表示方法。
6. 前記焦点信号の傾きの符号が反転した時のフォーカスレンズの位置を前記合焦点でのフォーカスレンズの位置として記憶することを特徴とする請求項５記載の撮像装置のピント表示方法。
7. フォーカスレンズの移動位置が合焦点の前に位置するか後ろに位置するかを判断し、
   前記合焦判断の結果に応じて、フォーカスレンズの移動位置の状態が、合焦状態、前ピン状態又は後ピン状態であるかを示す表示を行なうことを特徴とする請求項５記載の撮像装置のピント表示方法。
8. 前記フォーカスレンズの合焦範囲は、フォーカスレンズの焦点深度であることを特徴とする請求項５記載の撮像装置のピント表示方法。

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