JPH02254876A - 自動焦点整合装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はビデオカメラ等に用いて好適な自動焦点整合装
置に関する。

［従来の技術］ 従来、ビデオカメラ等において、撮像素子より得られる
映像信号より撮像画面上の被写体像の鮮鋭度を検出し、
鮮鋭度か最も高くなるように光学系を駆動することによ
り焦点合わせを行なう方式か知られている。この方式は
基本的にはバントパスフィルタ（以下ＢＰＦと略す）あ
るいは微分回路等によって抽出した映像信号の高周波成
分の強度を像の鮮鋭度の評価値とし、光学系を駆動して
得られる結像状態の異なる２つの像の鮮鋭度を比較する
ことにより光学系の駆動方向を決定し、鮮鋭度が最大と
なった位置で光学系を停止するものである。

前記鮮鋭度の評価値は一般の被写体を撮影した場合、レ
ンズの繰出量に応じて第５図に示すような山状の変化を
呈し、この山の頂上であるＡ点が合焦点である。

この方式においてレンズの繰出状態が初めＢ点にあった
とすると、合焦動作開始とともに山を登り始め、Ａ点を
通り過ぎ、山の頂上を通り過ぎたことを確認した後に再
びＡ点に戻るといった一連の動作を行なう、これらの動
作における光学系の駆動速度は、一般に第５図の（ハ）
の領域においては大きくボケでいる状態であり、速い方
が好ましい。また合焦近傍である（イ）の領域はハンチ
ングを生じることなく精度よく合焦点位置に停止させる
ために、比較的駆動速度は遅い方が好ましい、また、こ
れらの間の（ロ）の領域では合焦速度と合焦精度の両者
のかね合いから中間的な速度が好ましい。

これらの駆動速度の判別手段としては、第５図に示すよ
うに、高周波成分の量等の合焦評価値のレベルによるも
のでは、曲線の山の形状及び山の頂上の値が輝度に応じ
て変化し、被写体によりまちまちであるため好ましくな
い、従って第７図（ａ）にＦＡ、ＦＢ、ＦＣで示すよう
な複数の互いに帯域幅の異なるＢＰＦを設け、これらそ
れぞれの出力に応じて第６図に示すような比較により駆
動速度を判別する方法が考えられる。

光学系により結像された被写体像が撮像面から大きく離
れていた場合は所謂大ボケ状態てあり、映像信号の周波
数成分は高域が少なく、第７図（ｂ）の特性ａに示す如
く低域の成分のみか検出される。従って同図（ａ）のＦ
Ａで示すように通過帯域の低いＢＰＦの出力のみが大き
くなる。被写体像か合焦状態に近づくにつれ同図（ｂ）
のす、ｃに示す如く映像信号に含まれる周波数成分は高
域側も含まれるようになり、同図（ａ）にＦＢ、ＦＣで
示すように、中域、高域を通過帯域とするＢＰＦの出力
も大きな値となる。第６図はこれらＢＰＦの出力と光学
系の駆動速度との関係を示したものである。

すなわち、　ＢＰＦ　　ＦＡ、ＦＢ、ＦＣのそれぞれの
出力レベルに応じて第７図（ｂ）に示す周波数特性を検
出し、これにもとづいて第５図の特性曲線の山の（（）
、（０）、（ハ）のどの領域に撮影レンズか位置してい
るかを判別し、レンズ駆動速度を上記各領域に対応して
低速、中速、高速に切り換え制御するものである。これ
によって合焦点から大きくはずれた位置ではレンズ駆動
速度を速くして合焦までの時間を短縮し、合焦点に近づ
くにつれてレンズ駆動速度を遅くシ１合焦点近傍ではさ
らに低速として、ハンチングや合焦点以外の位置で停止
してしまう等の誤動作を防止することができ、迅速で高
精度の焦点整合装置を提供することができる。

［発明が解決しようとしている問題点］しかしながら上
記従来例では、被写体の輝度、パターンにより、映像信
号中に含まれる高周波成分の値を始めとして各周波数帯
域の成分が変化するため安定な検出及び速度制御を行な
うことができず、被写体によっては駆動速度制御が不十
分で合焦するまでの時間（以下合焦速度とする）が長く
なったり、あるいは合焦精度が悪化することがある。

また、焦点距離や絞り値に応じてもレンズ駆動量と合焦
度の変化の特性が変化するため、被写体によらず常に正
確で安定な焦点調節動作を行うことは困難であった。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は上述した問題点を解決することを目的としてな
されたもので、その特徴とするところは撮影レンズ光学
系により撮像面に結像された被写体像を映像信号に変換
して出力する撮像手段と、前記映像信号に含まれる高周
波成分を検出する手段と、前記映像信号より被写体像の
エツジ部分の幅にもとづいて鮮鋭度を検出する手段と、
前記高周波成分の検出出力と前記鮮鋭度の検出出力の増
大する方向に前記撮影レンズ光学系と前記撮像面との相
対位置を変化させる駆動手段と、前記駆動手段の駆動速
度を前記鮮鋭度の検出出力に応じて制御する制御手段と
を備えた自動焦点整合装置にある。

また撮影レンズ光学系により撮像面に結像された被写体
像を映像信号に変換して出力する撮像手段と、前記映像
信号に含まれる高周波成分を検出する手段と、前記映像
信号より被写体像のエツジ部分の幅にもとづいて鮮鋭度
を検出する手段と、前記高周波成分の検出出力と前記エ
ツジ部分の幅にもとづく鮮鋭度の増大する方向に前記撮
影レンズ光学系と前記撮像面との相対位置を変化させる
駆動手段と、前記駆動手段の駆動速度を前記エツジ部分
の幅にもとづく鮮鋭度に応じて制御する制御手段とから
なり、前記制御手段は、撮影レンズ光学系の被写界深度
に応じて前記駆動速度を制御するためのしきい値を変更
するように構成されてなる自動焦点整合装置にある。

［作用］ 被写体の状況、種類によらず、一定の合焦速度と合焦精
度を得ることができる。更に光学系の絞り値及び、焦点
距離を検出し、上記駆動速度を変化させるボケ幅検出出
力の設定値を変更することにより、絞りの状態や、ズー
ミングの状態によらず、一定の合焦速度と合焦精度を得
ることができる。

［実施例］ 以下本発明における自動焦点整合装置を各図を参照しな
がらその一実施例について詳述する。

第１図において、１は撮影レンズを含む光学系、２はた
とえばＣＣＤ等の撮像素子、３はプリアンプ、４は撮像
素子２より出力された撮像信号にガンマ補正、ブランキ
ング処理、同期信号の付加等の処理を行なって規格化さ
れたテレビジョン信号を出力するプロセス回路、５はプ
リアンプ３より出力された撮像信号中熱点検出に用いら
れる所定の帯域の周波数成分を抽出するためのバンドパ
スフィルタ（ＢＰＦ）、６は高周波成分の量を平均化す
る検波回路、７は被写体像のエツジ部の幅から鮮鋭度を
検出するエツジ幅検出回路である。このエツジ部の幅は
非合焦の度合を表わす所謂ボケ幅で、合焦点に近づくほ
ど小さい値となり、鮮鋭度は高くなるので、本実施例で
は、エツジ幅の逆数をもって、鮮鋭度と定義するものと
する。そしてこのエツジ幅による鮮鋭度は後述するよう
に、被写体のパターン、コントラストの影響を受けない
。

８は装置全体を制御する論理制御部で、検波回路６．エ
ツジ幅検出回路７の出力にもとづいて、撮影レンズの移
動方向、移動速度、移動量等を制御する。９は論理制御
部８より出力された駆動制御信号にもとづいて、撮影レ
ンズｌ駆動用モータ１０を駆動制御するモータ駆動回路
、１１は絞り、１２は絞り１１の絞り値を検出する絞り
エンコーダ、１３は撮影レンズ光学系のズームレンズの
焦点距離を検出するズームエンコーダである。

以下、この回路の動作について説明する。撮影レンズｌ
により撮像面に結像された被写体像は撮像素子２によっ
て電気信号に変換され、撮像信号として出力される。こ
の信号はプリアンプ３によりて適当なレベルに増幅され
てプロセス回路５へと供給され、たとえばＮＴＳＣ等の
規格化された映像信号に変換されて出力される。一方、
プ、リアンプ３のガンマ補正等を行われていない撮像信
号はバンドパスフィルタ５によって所定の高周波成分の
みが抽出され、検波回路６により画面全体、あるいは測
距するための限定された領域内におけるピーク値、ある
いは植分値を得て論理制御部８へ出力される。更にプリ
アンプ３の出力はエツジ幅検出回路７へも出力され、撮
像素子２の撮像面における被写体像のエツジ幅を計算し
、論理制御部８へ出力される。論理制御部８では検波回
路６及びエツジ幅検出回路７から得られた鮮鋭度情報に
より、撮影レンズ光学系を駆動させた時の時間的な鮮鋭
度情報の変化により、光学系の駆動方向や、停止、再起
動等の判断を行なう。またエツジ幅検出回路７から得ら
れた鮮鋭度情報により光学系の駆動速度を決定する。

そして論理制御部は、検波回路６の出力レベルすなわち
映像信号中の高周波成分の量か増大する方向に、撮影レ
ンズを駆動するよう、モータ駆動回路９を制御し、撮影
レンズを合焦点へと駆動する。

ここで、エツジ幅検出回路７について説明する。エツジ
幅の検出出力は、被写体のコントラストや輝度、被写体
像のパターン等に依存しない、被写体像の鮮鋭度を表わ
している。このような方式の具体例はたとえば特開昭６
２−１０３６１８号にも示されている。これは被写体像
のエツジ部分の幅を検出することにより被写体のコント
ラスト等によらず、被写体像の鮮鋭度のみを正確に評価
したものである。ここでエツジ幅検出回路の構成につい
て、第３図、第４図を用いて説明する。

第３図（ａ）は、被写体１００を結像した撮像画面を示
すものである。この画面において、たとえば直線見上に
おける映像信号の輝度変化を図示すると、第３図（ｂ）
のようになる。縦軸は輝度レベル、横軸は画面上の位置
を示す。

被写体１００に焦点が合っているものとすれば、被写体
１００の部分の映像信号中の輝度レベルは高く、背景の
部分の輝度レベルは低い。

輝度信号中の高周波成分も同様である。いま被写体像の
エツジの部分に注目し、エツジ部分の幅を△Ｘ、そのエ
ツジ幅△Ｘに相当する輝度差を△Ｉとする。

このエツジ部分の輻△Ｘは、合焦点に近づくほど小さく
、非合焦になるほど増大し、合焦点で最小の値を取る。

そして、この△Ｘは光学系の錯乱円径、撮像素子の解像
力１画像信号処理系の帯域幅によって決定されるもので
あるが、後者の２つの光学系の合焦、非合焦に無関係で
あり、前者の錯乱円径は合焦、非合焦状態に応じて変化
する。ただし被写体の状況、輝度の影響は受ない、した
がってこのエツジ幅ΔＸを検出し、これを最小錯乱円径
と比較することによって合焦、非合焦判定を正確に行な
うことがてきるわけである。

第４図はエツジ幅検出回路７の内部の構成を示すブロッ
ク図である。

同図において、７１はプリアンプ３より出力された映像
信号を微分してｄｌ／ｄｘを求める微分回路、７２はそ
の絶対値１ｄｌ／ｄｘｌをとる絶対値回路、７３はエツ
ジ部分の輝度差△Ｉを求める回路で、△Ｉは旧／ｄｘを
微小区間においてＸ方向に積分することによって得るこ
とができる。

７４は△Ｉを算出するための積分にもとづく遅延時間分
たけｌｄ］／ｄｘｌを遅延させ、演算タイミングを合わ
せるための遅延回路、７５は遅延回路７４の出力ｌｄｌ
／ｄｘｌを△Ｉｙ４算回路７３の出力△Ｉで除して（旧
／ｄｘ　）　／△Ｉ＝１／ΔＸの演算を行なうことによ
りエツジ幅△Ｘを逆数の形で求める割算回路である。

そしてエツジ幅検出回路７は、エツジ幅△Ｘを逆数の形
で出力するので、この値が増大するほど合焦点に近いこ
とになる。

さて、論理制御回路８は、検波回路６の出力レベルが増
大する方向に撮影レンズｌを駆動して、焦点整合動作を
行なうとともに、エツジ幅検出回路７の出力による鮮鋭
度１／△Ｘの値にもとづいてモータ駆動回路を制御して
レンズ駆動速度を制御する。すなわち第２図＜ａ＞で見
れば、エツジ幅にもとづく鮮鋭度１／△Ｘにもとづいて
、しきい値１．，１．を設定し、レンズ位置が合焦点近
傍の領域（イ）か、その外側の領域（ロ）、（ハ）かを
判別し、駆動速度を低速、中速、高速に切り換える。

これにより、被写体のパターン、輝度等の影響を受ける
ことなく、正確、迅速、高精度な焦点整合動作を行なう
ことかてきる。

次に撮影レンズ光学系の被写界深度に応じたレンズ駆動
速度側御について詳述する。ビデオカメラ等に用いられ
る光学系は、一般に絞り値と焦点距離が一定ならばレン
ズの非合焦量、即ち距離環上で合焦位置からのずれ量は
、撮像面上のボケ幅、即ち錯乱円径により一意的に定ま
る。従って第２図（ａ）に示す如く、エツジ幅検出回路
７の出力（エツジ幅の逆数）の値ｊｌ＋ｔ２に応じてレ
ンズ光学系の合焦点に対する位ｔを検知し、レンズの駆
動速度を変化させることにより、被写体に依存しない、
レンズの距離環の非合焦量のみによる駆動速度制御を行
なうことかできる。尚、第２図においてはエツジ幅検出
出力は被写体像の鮮鋭度の評価値として表わしているの
でエツジ幅が小さくなる方向、即ちエツジ幅の逆数であ
る被写体の鮮鋭度が大なる方向を「大」として示しであ
る。

以上述べたことは、光学系の絞り値及び焦点距離が一定
の場合を前提としだものであるが、第２図の（ａ）で示
されるエツジ幅検出出力の曲線形状、所謂「山」の形は
絞り値及び焦点距離すなわち被写界深度か変化すると同
図（ｂ）、（Ｃ）のように変化する。一般にビデオカメ
ラの光学系は絞り機構を備えているものが殆どで、さら
に焦点距離を変化し得る、所謂ズームレンズを備えてい
るものも多くなってきている。これらの４１ｆｆｉを備
えたビデオカメラでは、光学系の駆動速度を一律に変化
させたものでは、非合焦量に対するレンズ駆動量が第１
図の山の形状により異なるので、光学系の駆動速度を制
御するエツジ幅検出出力の速度切換のしきい値設定も山
の形状に応じて変える必要がある。

例えば、第２図（ａ）に示す山の形状を呈した時の焦点
距離と絞り値に対して、焦点距離が長くなるか、あるい
は絞りが開いた場合は、わずかなレンズの移動でも、合
焦度（ｇ鋭度）の変化が大となり同図（ｂ）に示すよう
に山の形状は鋭く、急峻になるのて、レンズ駆動量に対
する鮮鋭度（エツジ幅）の変化量のしきい値をｔ、ｌ　
、ｔ、　’のように変更することにより、合焦点近傍の
領域（イ）、非合焦となる方向にその外側の領域（ロ）
、さらにその外側の領域（ハ）におけるそれぞれのモー
タ駆動速度を被写界深度にかかわらず一定にすることが
できる。

逆に焦点距離か短くなるかあるいは絞りが絞り込まれて
被写界深度が深くなった場合は、同図（Ｃ）に示すよう
に曲線の形状は鋭く緩やかな山となりレンズ駆動量に対
する鮮鋭度（エツジ幅）の変化は小さくなる。したがっ
て鮮鋭度のしきい値もｔ、’　、ｔ、　”のように変更
し、合焦点に対して（４）　、（０）　、（Ａ）の各領
域で確実にモータ駆動速度すなわちレンズ駆動速度を切
り変えることができる。

第１図において、絞りエンコーダ１２により撮影レンズ
光学系の絞り値を、ズームエンコーダ１３により焦点距
離をそれぞれ検出してこれらの情報を論理制御部８へと
供給し、これらの情報をもとに、レンズ移動量と鮮鋭度
（エツジ幅）の変化を示す特性曲線が、第２図（ａ）　
、（ｂ）　。

（Ｃ）のどの形状となるかを演算し、その結果に応じて
レンズ駆動速度を高、中、低と切り換えるための鮮鋭度
のしきい値をもとめ、レンズ駆動用モータの速度を制御
する。

以上のように、論理制御部８では、上述のような光学系
の駆動方向、停止、再起動、及び駆動速度の判断を行な
い、モータ駆動回路９へこの判断結果を出力し、モータ
駆動回路９はこれらの情報に応じてレンズ駆動モータ１
０を駆動する。

尚、上述の実施例によれば、第２図（ａ）　、（ｂ）　
。

（Ｃ）に示すように曲線を３種の状態について説明した
が、３種に分類する必然性はなく、さらに細分化すれば
、より精度の高いレンズ制御を行なうことができる。

また速度の切換も、第２図の領域（（）　、（［１）　
。

（ハ）に対し、低速、中速、高速の３段階に切り換えて
いるか、この切換え段数も３段階に限定されるものては
なく、さらに多くの切換段数に設定することも容易に行
うことがてきる。

［発明の効果］ 以上説明したように、被写体像のエツジ幅検出出力によ
り、鮮鋭度をもとめ、撮像素子の撮像面における被写体
像のボケ具合を求めこの値に応じて光学系の駆動速度を
変化させることにより被写体の状況、種類によらず、合
焦速度及び合焦精度の両者を満足させ得る自動合焦動作
となる。

更に、光学系の絞り値及び焦点距離を検出し、これらの
情報により光学系の駆動速度を変化させるボケ幅検出回
路の設定値を変更することにより、光学系の絞り値及び
焦点距離に影響されず、合焦速度及び合焦精度の両者を
満足させる自動合焦動作を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明における自動焦点整合装置の構成を示す
ブロック図、 第２図は本発明の詳細な説明するための特性図、 第３図は本発明におけるエツジ幅検出動作を説明するた
めの図、 第４図は本発明におけるエツジ幅検出回路の構成を示す
ブロック図、 第５図は一般的な焦点特性を説明するための図、 第６図は本発明以前の焦点調節速度制御動作を説明する
ための図、 第７図は焦点信号を検出するためのフィルタの特性とそ
の出力の関係を説明するための図である。 （ｂ） 間茨校

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）撮影レンズ光学系により撮像面に結像された被写
   体像を映像信号に変換して出力す る撮像手段と、前記映像信号に含まれる高 周波成分を検出する手段と、前記映像信号 より被写体像のエッジ部分の幅にもとづい て鮮鋭度を検出する手段と、前記高周波成 分の検出出力と前記鮮鋭度の検出出力の増 大する方向に前記撮影レンズ光学系と前記 撮像面との相対位置を変化させる駆動手段 と、前記駆動手段の駆動速度を前記鮮鋭度 の検出出力に応じて制御する制御手段とを 備えたことを特徴とする自動焦点整合装 置。
2. （２）撮影レンズ光学系により撮像面に結像された被写
   体像を映像信号に変換して出力す る撮像手段と、前記映像信号に含まれる高 周波成分を検出する手段と、前記映像信号 より被写体像のエッジ部分の幅にもとづい て鮮鋭度を検出する手段と、前記高周波成 分の検出出力と前記エッジ部分の幅にもと づく鮮鋭度の増大する方向に前記撮影レン ズ光学系と前記撮像面との相対位置を変化 させる駆動手段と、前記駆動手段の駆動速 度を前記エッジ部分の幅にもとづく鮮鋭度 に応じて制御する制御手段とからなり、前 記制御手段は、撮影レンズ光学系の被写界 深度に応じて前記駆動速度を制御するため のしきい値を変更するように構成されてな る自動焦点整合装置。