JP4692425B2

JP4692425B2 - オートフォーカスシステム

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Publication number: JP4692425B2
Application number: JP2006194489A
Authority: JP
Inventors: 正佐々木
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2006-07-14
Filing date: 2006-07-14
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2026-07-14
Also published as: JP2008020832A

Description

本発明はオートフォーカスシステムに係り、特に光路長差方式のオートフォーカスを採用したオートフォーカスシステムに関する。

放送用テレビカメラで採用されるオートフォーカス（ＡＦ）として、コントラスト方式のＡＦが一般的に知られている。コントラスト方式のＡＦでは、カメラで得られた映像信号から高域周波数成分の信号が抽出され、その抽出された信号に基づいてコントラストの高さを評価する焦点評価値が求められる。そして、その焦点評価値がピーク（極大）となるように例えば山登り方式と呼ばれる方法により撮影レンズのフォーカス（フォーカスレンズ群）が制御される。

また、コントラスト方式のＡＦでは、一般に、フォーカスを微小に変動させるワブリングと呼ばれる動作が行われている。ワブリングを行っている間に焦点評価値を検出することによって、例えば、フォーカスの現在位置に対する前後位置での焦点評価値が検出され、その前後位置での焦点評価値の大小関係から、現在位置での焦点評価値がピークか否か、又は、焦点評価値がピークとなる方向が検出される。このようなワブリングによる焦点評価値のピークの検出を逐次行いながらフォーカスを制御することによって焦点評価値がピークとなる合焦位置にフォーカスを移動させることが行われている。

更に、上記のようなワブリングを行う場合、それによる焦点変動が画面上で認識されてしまうという問題や、高速で移動する被写体に対して正確にピントを合わせることが難しいという問題があった。そのため、例えば特許文献１に示されているような光路長差方式のＡＦが提案されている。これによれば、被写体像を結像する撮影レンズ（光学系）の光路がハーフミラー等の光分割手段により２つの光路に分割される。一方の光路に導かれた被写体光は、記録又は再生用の画像（映像）を撮像するために配置されたカメラ本体の撮像素子（映像用撮像素子）の撮像面に被写体像を結像する。他方の光路に導かれた被写体光は、ＡＦ用の画像（映像）を撮像するために配置された撮像素子（ＡＦ用撮像素子）の撮像面に被写体像を結像する。

ＡＦ用撮像素子の撮像面は、例えば２つの撮像素子により、光路長が異なる位置に配置された２つの撮像面からなり、ＡＦ用光路に分岐された被写体光は、更に分割されてＡＦ用撮像素子の各撮像面に入射するようになっている。ＡＦ用撮像素子の各撮像面によって撮像される画像（被写体像）は、フォーカスを現在位置から所定量変位させたときに映像用撮像素子の撮像面によって撮像される画像に相当しており、ＡＦ用撮像素子の各撮像面によって撮像された各画像から焦点評価値を求め、それらを比較することによって映像用撮像素子の撮像面に対するフォーカスの現在位置でのピント状態（合焦、前ピン、後ピン）を検出することができるようになっている。

従って、ワブリングを行う必要がないため、ワブリングによる焦点変動を生じさせることなく、フォーカスを合焦位置に移動させることができる。また、迅速なピント合わせが可能であり、高速で移動する被写体に対しても正確にピントを合わせることが可能となる。
特開２００４−２１２４５８号公報

ところで、上記の光路長差方式のＡＦを連続的に作動させる場合に、合焦させる被写体が前後方向（カメラの光軸方向）に移動していると、その被写体に対してベストピントとなるようにフォーカスが追従動作する。その際、実際には、被写体の動きよりもフォーカスの追従動作が遅れる。そのため、ピント状態がベストピントからずれた状態で変化し、被写体が停止して初めてベストピントの状態となる。

従来において、このフォーカス追従動作の遅れは、焦点深度内でのピントのずれを招く程度であり、撮影映像においてボケとして目立つことは無い。しかしながら、現在使用されている又は今後開発される超高精細カメラなどでは僅かなフォーカスのずれも撮影映像においてボケとして視認されてしまうことが予想される。特に、移動する被写体の速度が速い場合や近距離まで追尾する必要のある場合にフォーカスの追従動作の遅れが大きくなり、ボケの程度も無視できない状態となるおそれがある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、カメラに対して前後方向（光軸方向）に移動する被写体に対してＡＦによりフォーカスを追従動作させる場合に、その追従動作の遅れによるピントのずれを低減させることができるオートフォーカスシステムを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、請求項１に記載のオートフォーカスシステムは、ピント合せの対象とする被写体に対する撮影光学系のピント状態を検出するピント状態検出手段と、ピント状態検出手段により検出されたピント状態が合焦状態となるように前記撮影光学系のフォーカスを制御し、自動ピント調整を行うオートフォーカス制御手段と、前記被写体に追従して前記オートフォーカス制御手段により前記撮影光学系のフォーカスが移動している際に、前記ピント状態検出手段により検出されるピント状態が合焦状態を示すときの実際のピント状態が、前記被写体が至近側に移動している場合には前ピンとなるように、前記被写体が無限遠側に移動している場合には後ピンとなるように、前記ピント状態検出手段により検出するピント状態を調整する調整手段と、を備えたことを特徴としている。

本発明によれば、オートフォーカス制御時において、移動する被写体に対するフォーカスの追従動作の遅れによるピントのずれが、ピント状態検出手段により検出されるピント状態の調整によって低減される。

請求項２に記載のオートフォーカスシステムは、請求項１に記載の発明において、前記ピント状態検出手段は、前記撮影光学系により結像される被写体像を異なる光路長の位置に配置された複数の撮像面で撮像するＡＦ用撮像手段と、該ＡＦ用撮像手段の各撮像面により撮像されて得られた各映像信号のコントラストの高さを示す焦点評価値を検出する焦点評価値検出手段と、該焦点評価値検出手段により検出された各撮像面に対する焦点評価値を比較してピント状態を検出する比較手段とを備え、前記調整手段は、前記ＡＦ用撮像手段の各撮像面の位置を移動させる手段、前記ＡＦ用撮像手段の各撮像面に被写体光を導く専用の光路の光路長を変更する手段、又は、前記ＡＦ用撮像手段の各撮像面に被写体光を導く専用の光路に配置された被写体像を結像するためのレンズの位置を移動させる手段であることを特徴としている。本発明は、いわゆる光路長差方式のオートフォーカスにおいてピント状態検出手段により検出されるピント状態を調整する調整手段の具体的態様を示している。

請求項３に記載のオートフォーカスシステムは、請求項２に記載の発明において、前記調整手段は、前記ピント状態検出手段により検出するピント状態のずらし量を、前記ＡＦ用撮像手段の各撮像面に対して得られた焦点評価値に基づいて、又は、フォーカスの移動速度に基づいて決定することを特徴としている。本発明は、ピント状態のずらし量を決定する具体的態様を示している。

本発明に係るオートフォーカスシステムによれば、カメラに対して前後方向に移動する被写体に対してＡＦによりフォーカスを追従動作させる場合に、その追従動作の遅れによるピントのずれを低減させることができる。

以下、添付図面に従って本発明に係るオートフォーカスシステムを実施するための最良の形態について詳説する。

図１は、本発明に係るオートフォーカスシステムに使用される撮影レンズの外観及び一部内部構成を示した側面図である。同図の撮影レンズ１０は、例えば放送用又は業務用のテレビカメラにおいて交換レンズとして使用されるもので、同図のような外観を有する鏡胴内に撮影光学系を構成する各種光学系部材が保持されている。鏡胴の後端部にはマウントが形成されており、そのマウントによりテレビカメラのカメラ本体（カメラヘッド）１２に着脱可能に装着される。

また、同図の撮影レンズ１０の撮影光学系には、ハーフミラー１４が配置されており、そのハーフミラー１４によってカメラ本体１２に被写体光を導く光軸Ｏに沿った通常の本線光路から、光軸Ｏ′に沿ったＡＦ用光路が分岐されて設けられている。ＡＦ用光路には、詳細を後述する光路長差方式のオートフォーカス（ＡＦ）に使用されるＡＦ用ＣＣＤ１６Ａ、１６Ｂが設けられており、撮影レンズ１０に入射した被写体光がＡＦ用光路を通じてそれらのＡＦ用ＣＣＤ１６Ａ、１６Ｂに導かれるようになっている。

鏡胴内に配置される撮影光学系の全体構成は図２のようになっている。図１にはその一部が示されている。これらの図に示すように撮影光学系は、カメラ本体へと被写体光を導く光軸Ｏに沿った本線光路と、光軸Ｏの光路から分岐される光軸Ｏ′に沿った上記ＡＦ用光路とを備えており、本線光路上には、前側（被写体側）から順にフォーカスレンズ（群）ＦＬ、ズームレンズ（群）ＺＬ、絞りＩ、前側リレーレンズ（群）ＲＡ、ハーフミラー１４、後側リレーレンズ（群）ＲＢが配置されている。

被写体から撮影レンズ１０に入射した被写体光は、これらフォーカスレンズＦＬ、ズームレンズＺＬ、絞りＩ、前側リレーレンズＲＡ、ハーフミラー１４、後側リレーレンズＲＢを順に通過して、カメラ本体１２内の光学系に入射さする。カメラ本体１２の光学系には、入射した被写体光を赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色の波長に分解する色分解光学系３０と、色分解された各色の被写体光の像を撮像するＲ、Ｇ、Ｂごとの映像用ＣＣＤが配置されている。尚、光学的に等価な光路長の位置に配置されたＲ、Ｇ、Ｂの映像用ＣＣＤを同図に示すように１つの映像用ＣＣＤ３２で表す。映像用ＣＣＤ３２の撮像面に入射した被写体光は、映像用ＣＣＤ３２によって光電変換される。そして、カメラ本体１２内の所定の信号処理回路によって記録又は再生用の映像信号が生成される。

鏡胴の外周部には、図１に示すようにフォーカスリング２２、ズームリング２４、アイリスリング２６が回動可能に配置されており、フォーカスリング２２とズームリング２４がそれぞれ回動操作されると、フォーカスレンズＦＬとズームレンズＺＬがそれぞれ光軸Ｏ方向に前後移動し、アイリスリング２６が回動操作されると、絞りＩが開閉動作するようになっている。これによってフォーカスレンズＦＬの位置が変化すると、焦点位置（ピントが合う位置）が変化し、ズームレンズＺＬの位置が変化すると、ズーム倍率（焦点距離）が変化し、絞りＩの位置（開口度）が変化すると、撮影光学系を通過する被写体光の光量が変化する。図１では省略しているが鏡胴の側部には、これらの各操作リング２２、２４、２６をモータで回動するためのドライブユニットが装着されており、各操作リング２２、２４、２６をモータで回動させることによって、フォーカスレンズＦＬ、ズームレンズＺＬ、絞りＩを電動で駆動することができるようになっている。

一方、ＡＦ用光路には、後側リレーレンズＲＢと同等のＡＦ用リレーレンズＲＢ′と、ミラー１８と、２つのプリズム２０Ａ、２０Ｂから構成される光分割光学系２０と、上記ＡＦ用ＣＣＤ１６Ａ、１６Ｂが配置されている。ハーフミラー１４では、前側リレーレンズＲＡを通過して入射した被写体光が２つに分割される。入射した被写体光のうち、ハーフミラー１４を透過した被写体光は、上述のように光軸Ｏの本線光路に沿ってカメラ本体１２へと導かれる。ハーフミラー１４で反射した被写体光は、上記光軸Ｏに略垂直な光軸Ｏ′のＡＦ用光路へと導かれる。尚、ハーフミラー１４に入射した被写体光に対して、例えば約５０％の光量の被写体光がハーフミラー１４を透過する。但し、ハーフミラー１４として、任意の透過率と反射率の特性を有するものを使用することができる。

ハーフミラー１４で反射してＡＦ用光路へと導かれた被写体光は、ＡＦ用リレーレンズＲＢ′を通過した後、ミラー１８で全反射して光分割光学系２０に入射する。光分割光学系２０に入射した被写体光は、第１プリズム２０Ａと第２プリズム２０Ｂとが接合する部分のハーフミラー面Ｍで光量が等価な２つの被写体光に分割される。ハーフミラー面Ｍで反射した被写体光は、一方のＡＦ用ＣＣＤ１６Ａの撮像面に入射し、ハーフミラー面Ｍを透過した被写体光は他方のＡＦ用ＣＣＤ１４Ｂの撮像面に入射する。

ＡＦ用ＣＣＤ１４Ａ、１４Ｂで撮影されて得られた映像信号は、後述のように光路長差方式のＡＦにおいて使用される。光路長差方式のＡＦについての詳細は後述する。

また、ＡＦ用リレーレンズＲＢ′は光軸Ｏ′方向に移動可能になっていおり、鏡胴に設置された図示しないモータによって駆動されるようになっている。ＡＦ用リレーレンズＲＢ′の位置が変化すると、ＡＦ用光路に分岐された被写体光が結像する位置が変化し、被写体光が結像する位置と、ＡＦ用ＣＣＤの撮像面との相対的な位置関係が変化する。これによって、ＡＦ用ＣＣＤ１４Ａ、１４Ｂの撮像面が配置される位置を変化させる場合と同等の効果が得られる。

図３は、上記撮影レンズ１０を用いたＡＦ制御に関連する制御系の構成を示した構成図である。尚、上記撮影レンズ１０において制御系の構成部品は、主に鏡胴側部に装着される図示しないドライブユニットに搭載されている。

ＡＦ制御に関する制御系は、上記撮影レンズ１０のフォーカスレンズＦＬとＡＦ用リレーレンズＲＢ′に対する制御を行うもので、システム全体を統括的に制御するＣＰＵ４０と、フォーカスレンズＦＬとＡＦ用リレーレンズＲＢ′の各々に連結されたモータＦＭ、ＲＭ及び位置センサＦＰ、ＲＰと、各モータＦＭ、ＲＭに接続されたアンプＦＤ、ＲＤと、上記一対のＡＦ用ＣＣＤ１４Ａ、１４Ｂから得られる映像信号に基づいてＡＦ制御に必要な情報を取得するＡＦ回路５０等から構成されている。

ＣＰＵ４０から各アンプＦＤ、ＲＤに所定値の駆動信号が出力されると、各モータＦＭ、ＲＭは、その駆動信号の値に応じた速度で回動し、各モータＦＭ、ＲＭの回動速度に応じた速度でフォーカスレンズＦＬ、ＡＦ用リレーレンズＲＢ′が移動する。また、各位置センサＦＰ、ＲＰからＣＰＵ４０にフォーカスレンズＦＬとＡＦ用リレーレンズＲＢ′の現在位置を示す位置信号が与えられるようになっている。これによって、ＣＰＵ４０は、フォーカスレンズＦＬとリレーレンズＲＢ′を所望の移動速度又は所望の位置となるように制御することができるようになっている。

ＡＦ制御時において、ＣＰＵ４０は、ＡＦ回路５０から得られるＡＦ情報に基づいて、カメラ本体１２の映像用ＣＣＤ３２で撮影される映像において所定の被写体が合焦状態となるようにフォーカスレンズＦＬを制御する。

ここで、本オートフォーカスシステムにおけるＡＦ制御の基本的制御内容について説明する。図４は、カメラ本体１２の映像用ＣＣＤ３２と一対のＡＦ用ＣＣＤ１６Ａ、１６Ｂとを同一の光軸上に表した図である。同図に示すように、一方のＡＦ用ＣＣＤ１６Ａの撮像面に入射する被写体光の光路長は、他方のＡＦ用ＣＣＤ１６Ｂの撮像面に入射する被写体光の光路長よりも短く設定され、基準状態において映像用ＣＣＤ３２の撮像面に入射する被写体光の光路長は、その中間の長さとなるように設定されている。即ち、一対のＡＦ用ＣＣＤ１６Ａ、１６Ｂの撮像面は、それぞれ映像用ＣＣＤ３２の撮像面に対して前後等距離ｄの位置となるように配置されている。尚、後述のようにＡＦ用リレーレンズＲＢ′の位置が移動することによって、映像用ＣＣＤ３２の撮像面とＡＦ用ＣＣＤ１６Ａ、１６Ｂの撮像面との位置関係が変化するが、このような基準状態となるときのＡＦ用リレーレンズＲＢ′の位置を基準位置とする。

このように撮影レンズ１０に配置された一対のＡＦ用ＣＣＤ１６Ａ、１６Ｂによれば、撮影レンズ１０に入射した被写体光を映像用ＣＣＤ３２の撮像面に対して前後の等距離の位置にそれぞれ撮像面を配置した場合と等価な映像信号が取得されるようになっている。尚、ＡＦ用ＣＣＤ１６Ａ、１６Ｂはカラー映像を撮像するものである必要はなく、本実施の形態ではＡＦ用ＣＣＤ１６Ａ、１６Ｂから白黒の映像信号（輝度信号）が取得されるものとする。

図３のＡＦ回路５０において、各ＡＦ用ＣＣＤ１６Ａ、１６Ｂによって得られた映像信号は、Ａ／Ｄ変換器５２によりデジタル信号に変換された後、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）５４に入力され、ＨＰＦ５４によって高域周波数成分の信号のみが抽出される。高域周波数成分のみの信号が抽出された映像信号は、続いてゲート回路５６に入力され、ゲート回路５６により、撮影範囲（画面）内に設定された所定のＡＦエリア（例えば画面中央の矩形エリア）に対応する範囲内の映像信号が抽出される。

尚、ＡＦエリアの範囲は、ＣＰＵ４０からの指示信号によって設定され、所定のコントローラを使用して操作者が所望の範囲を指定できるようにすることも可能である。

ゲート回路５６によって抽出された映像信号は、ＡＦ用ＣＣＤ１６Ａから得られたものは加算回路５８Ａによって、ＡＦ用ＣＣＤ１６Ｂから得られたものは加算回路５８Ｂによって１フィールド分ずつ積算され、その積算値が１フィールドごとにＡＦ回路５０から出力される。

このようにして各加算回路５８Ａ、５８Ｂから得られる積算値は、それぞれＡＦ用ＣＣＤ１６Ａ、１６Ｂで撮像された被写体画像のコントラストの高さを評価する値を示す。本明細書ではこの積算値を焦点評価値というものとする。また、ＡＦ用ＣＣＤ１６Ａの映像信号から得られた焦点評価値をｃｈＡの焦点評価値、ＡＦ用ＣＣＤ１６Ｂの映像信号から得られた焦点評価値をｃｈＢの焦点評価値というものとする。

ＣＰＵ４０は、このようして得られたｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値に基づいて映像用ＣＣＤ３２に対する撮影レンズ１０（撮影光学系）のピント状態を検出する。ピント状態の検出は、次のような原理で行われる。図５は、横軸に撮影レンズ６０のフォーカスレンズＦＬの位置（フォーカス位置）、縦軸に焦点評価値をとり、ある被写体を撮影した際のフォーカス位置と焦点評価値との関係を例示した図である。図中実線で示す曲線Ａ、Ｂは、それぞれＡＦ用ＣＣＤ１６Ａ、１６Ｂから得られるｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値をフォーカス位置に対して示している。一方、図中点線で示す曲線Ｃは、映像用ＣＣＤ３２から得られた映像信号により焦点評価値を求めたと仮定した場合の焦点評価値をフォーカス位置に対して示している。

同図において、ピント状態が合焦となるのは、曲線Ｃで示す映像用ＣＣＤ３２の焦点評価値が最大（極大）となるときのフォーカス位置Ｆ０にフォーカスが設定された場合である。もし、撮影レンズ１０のフォーカスがその合焦位置Ｆ０よりも至近側のフォーカス位置Ｆ１に設定されている場合には、ｃｈＡの焦点評価値は、フォーカス位置Ｆ１に対応する曲線Ａの値ＶＡ１となり、ｃｈＢの焦点評価値は、フォーカス位置Ｆ１に対応する曲線Ｂの値ＶＢ１となる。この場合、図から分かるようにｃｈＡの焦点評価値ＶＡ１の方が、ｃｈＢの焦点評価値ＶＢ１よりも大きくなる。このことから、ｃｈＡの焦点評価値ＶＡ１の方が、ｃｈＢの焦点評価値ＶＢ１よりも大きい場合には、フォーカスが合焦位置Ｆ０よりも至近側に設定されている状態、すなわち、前ピンの状態であることが分かる。

一方、撮影レンズ１０がフォーカスが合焦位置Ｆ０よりも無限遠側のフォーカス位置Ｆ２に設定されている場合には、ｃｈＡの焦点評価値は、フォーカス位置Ｆ２に対応する曲線Ａの値ＶＡ２となり、ｃｈＢの焦点評価値は、フォーカス位置Ｆ２に対応する曲線Ｂの値ＶＢ２となる。この場合、ｃｈＡの焦点評価値ＶＡ２の方が、ｃｈＢの焦点評価値ＶＢ２よりも小さくなる。このことから、ｃｈＡの焦点評価値ＶＡ２の方が、ｃｈＢの焦点評価値ＶＢ２よりも小さい場合には、フォーカスが合焦位置Ｆ０よりも無限遠側に設定されている状態、すなわち、後ピンの状態であることが分かる。

これに対して、撮影レンズ１０のフォーカスがフォーカス位置Ｆ０、即ち、合焦位置に設定されている場合には、ｃｈＡの焦点評価値は、フォーカス位置Ｆ０に対応する曲線Ａの値ＶＡ０となり、ｃｈＢの焦点評価値は、フォーカス位置Ｆ０に対応する曲線Ｂの値ＶＢ０となる。この場合、ｃｈＡの焦点評価値ＶＡ０とｃｈＢの焦点評価値ＶＢ０は等しくなる。このことから、ｃｈＡの焦点評価値ＶＡ０とｃｈＢの焦点評価値ＶＢ０とが等しい場合にはフォーカスが合焦位置Ｆ０に設定されている状態、すなわち、合焦状態であることが分かる。

このようにｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値によって、撮影レンズ１０の現在のピント状態が映像用ＣＣＤ３２に対して前ピン、後ピン、合焦のいずれの状態であるかを検出することができる。

図３におけるＣＰＵ４０は、ＡＦ制御時において、上記のようにしてｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値に基づいて映像用ＣＣＤ３２に対する撮影レンズ１０のピント状態を逐次検出しながら、合焦状態となるようにフォーカスレンズＦＬを制御する。例えば、ピント状態が前ピンの場合にはフォーカスレンズＦＬを無限遠方向に移動させ、ピント状態が後ピンの場合にはフォーカスレンズＦＬを至近方向に移動させる。そして、ピント状態が合焦の場合には、フォーカスレンズＦＬを停止させる。これによって、撮影レンズのピント状態が合焦となる位置にフォーカスレンズＦＬが移動して停止する。このように光路長差を有する複数のＡＦ用ＣＣＤを用いて自動ピント調整を行うＡＦの方式を光路長差方式と称している。

尚、ＣＰＵ４０において、単にピント状態を検出するだけでなく、ｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値の差や比等からピントのずれ量を検出し、ＣＰＵ４０においてフォーカスレンズＦＬを移動させる際の速度に反映させることも可能である。

次に、ＣＰＵ４０において、上記のような光路長差方式のＡＦによるＡＦ制御を連続的に実行し、所定の被写体に常時ピントが合うようにフォーカスを追従させる場合のフォーカス追従制御について説明する。ＡＦによりピント合わせの対象としている被写体がテレビカメラに対して前後方向、即ち、撮影レンズ１０における光軸Ｏの方向に移動している場合、対象の被写体の距離が変化し、それに追従するようにフォーカスレンズＦＬも移動する。このとき、合焦状態となるフォーカス位置（合焦位置）が変化すると共に、フォーカス位置がその合焦位置よりも至近側又は無限遠側にずれた状態で追従することなるため、被写体が停止するまでボケが生じた映像となる。

例えば、対象の被写体が至近側に移動している場合を例に以下説明すると、この場合において図６に示すようにフォーカスレンズＦＬは、現在位置よりも至近側にピントが合うように前方に移動している。このとき、フォーカスレンズＦＬの追従動作の遅れにより、フォーカスレンズＦＬの現在位置に対して対象の被写体の像が結像される結像位置Ｓが、映像用ＣＣＤ３２の撮像面に対して後方に距離ｆだけずれた状態となる。この状態は、後ピンの状態を示しており、ＡＦ用ＣＣＤ１４Ａ、１４Ｂの撮像面との位置関係も同図のように後ピンを示す状態となる。この状態を図５と同様のフォーカス位置と焦点評価値との関係を示したグラフで示すと、図７に示すようにフォーカス位置が合焦位置Ｆ０に対して無限遠側のフォーカス位置Ｆ２に設定されている状態となる。このとき、ＣＰＵ４０は、フォーカスレンズＦＬを合焦位置Ｆ０に移動させるために至近側に移動させるが、被写体自体が至近側に移動して合焦位置Ｆ０が至近側に移動しているため、被写体が移動している間はフォーカスレンズＦＬは合焦位置Ｆ０に一致せずに合焦位置Ｆ０よりも無限遠側のフォーカス位置Ｆ２に設定された状態で維持される。

このような場合に、ｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値が後ピンを示すピント状態のときに、実際のピント状態が合焦状態となるようにＡＦ用ＣＣＤ１６Ａ、１６Ｂの撮像面の位置を意図的にずらすと、フォーカスレンズＦＬを追従動作させている際のピントのずれを低減することができる。例えば、図８のようにＡＦ用ＣＣＤ１６Ａ、１６Ｂの撮像面の位置を映像用ＣＣＤ３２の撮像面に対して前側にずらすとする。このときｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値が後ピンを示すようなフォーカス位置において、映像用ＣＣＤ３２の撮像面に対しては合焦状態となる。即ち、ＡＦ用ＣＣＤ１６Ａ、１６Ｂから得られたｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値が合焦状態を示すフォーカス位置（合焦位置）において、映像用ＣＣＤ３２の撮像面に対する実際のピント状態が前ピンとなるようにすることによって、フォーカスレンズＦＬの追従動作の遅れによって後ピンとなるピントのずれが低減される。

以上の説明は、対象の被写体が至近側に移動している場合であるが、対象の被写体が無限遠側に移動している場合には、ＡＦ用ＣＣＤ１４Ａ、１４Ｂをずらす方向が上記と反対となる。

続いてＡＦ用ＣＣＤ１４Ａ、１４Ｂを図８のようにずらす方法について説明する。直接的な方法としては、ＡＦ用ＣＣＤ１４Ａ、１４Ｂをモータ等で移動できるようにすることや、図１、図２において、光分割光学系２０とＡＦ用ＣＣＤ１４Ａ、１４Ｂをユニット化し、これらを一体的にモータ等で光軸方向に移動できるようにすることが考えられる。本実施の形態の撮影レンズ１０では、図３の制御系の構成図に示したようにＡＦ用リレーレンズＲＢ′を光軸方向にモータＲＭで移動させることによってＡＦ用光路での被写体光の結像位置を動かしてＡＦ用ＣＣＤ１４Ａ、１４Ｂの撮像面の位置をずらすのと同等の制御を行っている。

また、ＡＦ用ＣＣＤ１６Ａ、１６Ｂをずらす量（ずらし量）は、フォーカスレンズＦＬの追従動作の遅れによって生じるピントのずれ量（図６のｆ）と一致させることが望ましく、そのピントのずれ量は、被写体の移動に追従するフォーカスレンズＦＬの移動速度によって略決定される。そこで、フォーカスレンズＦＬの移動速度に対して予め決められた量だけＡＦ用リレーレンズＲＢ′を基準位置（図６のような基準状態となる位置）から変位させることによってフォーカスレンズＦＬの移動速度に対して予め決められた量だけＡＦ用ＣＣＤ１６Ａ、１６Ｂをずらすようにしている。例えば、被写体の移動が徐々に遅くなり停止したとすると、ＡＦ用リレーレンズＲＢ′も基準位置に徐々に近づいて基準位置で停止し、ＡＦ用ＣＣＤ１６Ａ、１６Ｂのずらし量も徐々に小さくなって０となった状態で停止する。

また、ＡＦ用ＣＣＤ１６Ａ、１６Ｂのずらし量は、ｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値から決めてもよく、例えばｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値の比や差に応じて決定してもよい。

以上、上記実施の形態では、ＡＦ用ＣＣＤ１６Ａ、１６Ｂをずらす方法として、ＡＦ用リレーレンズＲＢ′を移動させる方法を用いたが、ＡＦ用光路に光路長を可変する板ガラス（又はガラス以外で空気と異なる屈折率の板状透明部材）を挿脱する方法でもよい。また、図９に示すように楔状のガラス部材（又はガラス以外で空気と異なる屈折率の透明部材）１００、１０２を対向させて重ね合せ、重なり合う部分に被写体光を通過させると共に、それらのガラス部材をモータ等でスライドさせて重なり合う部分の厚さを変更することによってＡＦ用光路の光路長を変更できるようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、ＡＦ用ＣＣＤ１６ＡとＡＦ用ＣＣＤ１６Ｂの撮像面の間の光路長差を変化させることなく、それらの両方の撮像面の位置をずらすようにしたが、例えば、いずれか一方の撮像面の位置をずらすことによって、ｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値が示すピント状態が実際のピント状態よりも被写体の移動方向と反対側にずれた状態となるようにしてもよい。即ち、本願発明は、現在のピント状態を検出するピント状態検出手段が合焦状態と判断するときの実際のピント状態が、被写体の移動方向が至近側の場合には前ピンとなるように、被写体の移動方向が無限遠側の場合には後ピンとなるように、ピント状態検出手段が判断するピント状態を何らかの方法で調整すればよい。例えば、ＡＦ用ＣＣＤ１６Ａ、１６Ｂの撮像面の位置をずらす方法に限らず、ｃｈＡとｃｈＢの何れか一方の焦点評価値に対するゲインを調整してピント状態検出手段が判断するピント状態を調整することも可能である。また、ピント状態検出手段が判断するピント状態を調整する（ずらす）場合に、そのずらし量は、ピント状態検出手段が合焦状態と判断するときのフォーカス位置と、実際のピント状態が合焦状態となるときのフォーカス位置との差や、ピント状態検出手段が合焦状態と判断するときの被写体像の結像位置と、実際のピント状態が合焦状態となるときの被写体像の結像位置との差等で定量的に表すことができる。このようにピント状態のずらし量を連続的な値で可変できるものとして把握した場合に、そのずらし量は上記実施の形態で示したのと同様にフォーカスレンズＦＬの移動速度に基づいて決定してもよいし、ｃｈＡとｃｈＢの焦点評価値から決めてもよい。

また、上記実施の形態において、被写体に追従してフォーカスレンズＦＬが一定時間以上継続して移動している場合にのみＡＦ用ＣＣＤ１６Ａ、１６Ｂの撮像面の位置をずらす等のフォーカス追従制御を行うようにしてもよい。

また、上記実施の形態では連続的にＡＦ制御を実行する場合を前提としたが、一旦合焦状態となった場合に、再度ＡＦ実行の指示があるまでＡＦが停止した状態となるいわゆるモーメンタリＡＦにおいても、移動する被写体に合焦するまでの間のＡＦ制御において本発明を適用できる。

図１は、本発明に係るオートフォーカスシステムに使用される撮影レンズの外観及び一部内部構成を示した側面図である。図２は、撮影光学系の全体構成を示した図である。図３は、図１、図２の撮影レンズを用いたＡＦ制御に関連する制御系の構成を示した構成図である。図４は、カメラ本体の映像用ＣＣＤと一対のＡＦ用ＣＣＤとを同一の光軸上に表した図である。図５は、ピント状態の検出原理の説明に使用した説明図である。図６は、フォーカス追従制御の説明に使用した説明図である。図７は、フォーカス追従制御の説明に使用した説明図である。図８は、フォーカス追従制御の説明に使用した説明図である。図９は、ＡＦ用ＣＣＤの撮像面の位置をずらす他の実施の形態を示した図である。

符号の説明

１０…撮影レンズ、１２…カメラ本体、１４…ハーフミラー、１６Ａ、１６Ｂ…ＡＦ用ＣＣＤ、１８…ミラー、２０…光分割光学系、３２…映像用ＣＣＤ、４０…ＣＰＵ、５０…ＡＦ回路、５２…Ａ／Ｄ変換器、５４…ハイパスフィルタ、５６…ゲート回路、５８Ａ、５８Ｂ…加算回路、ＦＬ…フォーカスレンズ、ＺＬ…ズームレンズ、Ｉ…絞り、ＲＡ…前側リレーレンズ、ＲＢ…後側リレーレンズ、ＭＦ、ＲＭ…モータ、ＦＰ、ＲＰ…位置センサ

Claims

ピント合せの対象とする被写体に対する撮影光学系のピント状態を検出するピント状態検出手段と、
ピント状態検出手段により検出されたピント状態が合焦状態となるように前記撮影光学系のフォーカスを制御し、自動ピント調整を行うオートフォーカス制御手段と、
前記被写体に追従して前記オートフォーカス制御手段により前記撮影光学系のフォーカスが移動している際に、前記ピント状態検出手段により検出されるピント状態が合焦状態を示すときの実際のピント状態が、前記被写体が至近側に移動している場合には前ピンとなるように、前記被写体が無限遠側に移動している場合には後ピンとなるように、前記ピント状態検出手段により検出するピント状態を調整する調整手段と、
を備えたことを特徴とするオートフォーカスシステム。
前記ピント状態検出手段は、前記撮影光学系により結像される被写体像を異なる光路長の位置に配置された複数の撮像面で撮像するＡＦ用撮像手段と、該ＡＦ用撮像手段の各撮像面により撮像されて得られた各映像信号のコントラストの高さを示す焦点評価値を検出する焦点評価値検出手段と、該焦点評価値検出手段により検出された各撮像面に対する焦点評価値を比較してピント状態を検出する比較手段とを備え、前記調整手段は、前記ＡＦ用撮像手段の各撮像面の位置を移動させる手段、前記ＡＦ用撮像手段の各撮像面に被写体光を導く専用の光路の光路長を変更する手段、又は、前記ＡＦ用撮像手段の各撮像面に被写体光を導く専用の光路に配置された被写体像を結像するためのレンズの位置を移動させる手段であることを特徴とする請求項１のオートフォーカスシステム。
前記調整手段は、前記ピント状態検出手段により検出するピント状態のずらし量を、前記ＡＦ用撮像手段の各撮像面に対して得られた焦点評価値に基づいて、又は、フォーカスの移動速度に基づいて決定することを特徴とする請求項２のオートフォーカスシステム。