JPH0522643A

JPH0522643A - オートフオーカス装置

Info

Publication number: JPH0522643A
Application number: JP3027590A
Authority: JP
Inventors: Akira Iga; 章伊賀; Masahiro Fujita; 雅博藤田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1991-02-21
Filing date: 1991-02-21
Publication date: 1993-01-29

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】フォーカス調整を迅速に行なう。【構成】フォーカシングレンズ１と円柱レンズ２を介し
て撮像素子３に撮像された画像情報がアンプ４を介して
フレームメモリ５に入力される。次に、屈折率が異なる
円柱レンズ２の２軸に対応する画像信号Ｓｘ，Ｓｙがフ
レームメモリ５から取り出され、これがハイパスフィル
タ８ｘ，８ｙを介して積算回路９ｘ，９ｙに供給され
る。ここで積算された１フレーム分の画像信号がＣＰＵ
１０に供給されて各画像信号のレベル差が算出される。
このレベル差ＳＷの極性と大きさによってレンズ１の移
動方向が決定され、レベル差０となるまでレンズ１が移
動される。従って、このオートフォーカス装置によれ
ば、レンズ１が任意の１点にあるときの画像情報だけで
レンズ１の移動方向を決定できるから、フォーカス調整
を迅速に行なうことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、テレビカメラ等のオ
ートフォーカス装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】テレビカメラなどのオートフォーカス装
置は各種のものが知られている。例えば、レンズの位置
を順次変えて各レンズ位置における撮像画像のコントラ
ストを検出してこれを比較することにより、レンズの合
焦点位置（被写体にレンズの焦点が合った位置）を検出
するようにしたオートフォーカス装置がある（特開平２
−６３２７３号）。これはレンズの合焦点位置において
撮像画像のコントラストが最大になることを利用したも
のである。

【０００３】しかし、このような撮像画像のコントラス
トを検出、比較してレンズの合焦点位置を検出する方法
では、最大コントラストとなるレンズ位置を検出するた
め、少なくとも３ケ所のレンズ位置で被写体を撮像して
コントラストを検出しなければならないから、合焦点位
置の検出に比較的長時間を要することになる。

【０００４】また、一旦レンズを合焦点位置に合わせた
後、被写体の移動に追従するためレンズ若しくは撮像素
子を前後に小刻みに動かさなければならない（ウオウブ
リング）から、撮像画像に不自然なゆれ若しくは周期的
なデフォーカスが発生して画質の劣化を招くことにな
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで、この発明は上
述の課題を解決したものであって、正確にしかも迅速に
フォーカス調整を行なうことができると共に、画質の劣
化を防止することができるオートフォーカス装置を提案
するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、この発明においては、フォーカシングレンズと、光
軸に対し直交する２軸における屈折率が異なる補助レン
ズと、フォーカシングレンズと補助レンズを介して、被
写体を撮像する撮像手段と、この撮像手段から出力され
る画像信号を記憶する記憶手段と、この記憶手段に記憶
された１フレーム分の画像信号のうち、補助レンズの屈
折率の異なる２軸に対応する画像信号を取り出し、これ
らの画像信号のレベル差を検出してフォーカシングレン
ズの位置情報を検出する位置検出手段と、位置検出手段
によって検出された位置情報に基づいて、フォーカシン
グレンズを移動させるレンズ駆動制御装置とを備えたこ
とを特徴とするものである。

【０００７】

【作用】図１において、フォーカシングレンズ１と円柱
レンズ２を介して撮像素子３に撮像された光学画像が画
像信号に変換され、この画像信号Ｓｖがアンプ４を介し
てフレームメモリ５に入力される。次に、フレームメモ
リ５から円柱レンズ２（図２）のｘ軸に対応する画像信
号Ｓｘと、ｘ軸に直交するｙ軸に対応する画像信号Ｓｙ
とが取り出され、各々ＨＰＦ８ｘ，８ｙを介して積算回
路９ｘ，９ｙに供給される。ここで、１フレーム分の各
画像信号Ｓｘ，Ｓｙが積算され、この画像信号ＳＸ，Ｓ
ＹがＣＰＵ１０に供給される。

【０００８】ＣＰＵ１０で画像信号ＳＸ，ＳＹのレベル
差がＳＷ（ＳＸ−ＳＹ）（図４）が算出され、このレベ
ル差ＳＷの極性（＋、−）によってレンズ駆動制御装置
１１が制御される。そして、レベル差ＳＷ＝０となるＢ
点までフォーカシングレンズ１が移動される。

【０００９】この状態で撮像された画像の画像信号Ｓｖ
がフレームメモリ５から二次元のＦＩＲフィルタ６に供
給され、ここでぼけ成分が除去された画像信号ＳＶがマ
トリックス回路７に供給される。マトリックス回路７で
輝度信号Ｙと色差信号Ｒ−Ｙ，Ｂ−Ｙに変換されて別途
の信号処理回路に出力される。

【００１０】

【実施例】続いて、この発明に係るオートフォーカス装
置の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。

【００１１】図１は本発明のオートフォーカス装置の一
例を示す。１は通常のフォーカシングレンズである。２
はフォーカスするためレンズ１の移動方向と移動量を得
るための補助レンズであって、これは光学像の水平成分
ｘおよび垂直成分ｙに対して積極的なボケを付与するた
めの手段である。この補助レンズ２を介挿することによ
ってフォーカシングレンズ１の現位置における水平成分
ｘと垂直成分ｙとが相違するため、このｘ，ｙの値を監
視することによってジャストフォーカスするためにどの
方向にレンズ１を移動させればよいかが判る。

【００１２】補助レンズ２としては、図２に示すような
かまぼこ形の円柱レンズを用いることができる。この円
柱レンズ２においては厚さが一定のｘ軸方向では屈折作
用がなく、ｘ軸と直角なｙ軸方向では通常の凸レンズと
同様な屈折作用を生ずる。従って、この円柱レンズ２を
通して真円の物体を見ると、ｙ軸方向に長い楕円に見え
ることになる。

【００１３】３はＣＣＤ（Charge Coupled Device ）な
どの撮像素子であって、ここで光学画像が画像信号に変
換されてアンプ４に供給される。フォーカシングレンズ
１と円柱レンズ２および撮像素子３は同一光軸上に配置
されている。ここではフォーカシングレンズ１と撮像素
子３との間に円柱レンズ２が配置され、円柱レンズ２は
ｘ軸を水平にして配置されている。

【００１４】アンプ４で増幅された画像信号は、フレー
ム毎にフレームメモリ（フィールドメモリでもよい）５
に格納される。そして、フレームメモリ５から通常の手
順で画像信号Ｓｖが取り出されて、この例では二次元の
ＦＩＲ（Finite Inpulse Response、有限長インパルス
応答）フィルタ６に供給され、ここで後述するようにｘ
軸方向及びｙ軸方向におけるぼけ修正が行なわれる。そ
して、ジャストフォーカス状態の画像信号ＳＶがマトリ
ックス回路７に供給されて、輝度信号Ｙと色差信号Ｒ−
Ｙ，Ｂ−Ｙに変換され、これが別途の信号処理系に出力
される。

【００１５】また、フレームメモリ５からは、図３に示
す如く撮像画像の全画素のうち、円柱レンズ２のｘ軸に
対応する画素のｘ１〜ｘｎの画像信号Ｓｘ１〜Ｓｘｎ
と、ｘ軸と交差する軸、ここではｘ軸と直交するｙ軸に
対応する画素の画像信号Ｓｙ１〜Ｓｙｎが順次取り出さ
れてＨＰＦ（ハイパスフィルタ）８ｘ，８ｙに供給され
る。

【００１６】ＨＰＦ８ｘ，８ｙは被写体の輪郭成分を抽
出するためのもので、ＨＰＦ８ｘ，８ｙで低域成分が除
去された画像信号Ｓｘ１〜Ｓｘｎ、Ｓｙ１〜Ｓｙｎは積
算回路９ｘ，９ｙで積算され、その積算された画像信号
ＳＸ，ＳＹがＣＰＵ（中央処理装置）１０に供給され
る。ＣＰＵ１０では次のような演算処理を行なうことに
より、フォーカシングレンズ１の移動方向を決定し、こ
の結果によってレンズ駆動制御装置１１を制御する。

【００１７】すなわち、かまぼこ形の円柱レンズ２（図
２）においては、上述したように厚みが均一なｘ軸方向
では屈折作用がなく、ｘ軸と交差する方向で屈折作用が
生じることを利用して、フォーカシングレンズ１の位置
を判別するものである。

【００１８】本例では、上述したようにｘ軸方向とこれ
に直角なｙ軸方向すなわち屈折率が最大となる方向とを
取り上げて説明する。

【００１９】図４は、フォーカシングレンズ１の位置と
積算回路９ｘ，９ｙからＣＰＵ１０に入力される画像信
号ＳＸ，ＳＹのレベルとの関係を示す。画像信号ＳＸ，
ＳＹは撮像素子３に撮像される光学画像を電気変換した
ものであって、光学画像がジャストフォーカス状態のと
きに画像信号ＳＸ，ＳＹのレベルが最大となる。ここで
は、円柱レンズ２がｘ軸を水平にしてフォーカシングレ
ンズ１と撮像素子３との間に介在しているので、撮像画
像における水平方向のぼけの度合と垂直方向のぼけの度
合とが異なっている。

【００２０】例えば、フォーカシングレンズ１がＡ点す
なわち画像信号ＳＹが最大となる点に位置するときは、
垂直方向がジャストフォーカス状態であり、水平方向は
ぼけた状態となる。フォーカシングレンズ１がＣ点すな
ちわ画像信号ＳＸが最大となる点に位置するときは、水
平方向がジャストフォーカス状態であり、垂直方向はぼ
けた状態となる。また、フォーカシングレンズ１がＡ点
とＢ点の間例えば両方向の画像信号ＳＸ，ＳＹが同一と
なるＢ点にある場合は、全体的にぼけた状態となる。

【００２１】いま、Ａ点、Ｂ点、Ｃ点にフォーカシング
レンズ１を位置させたとき、各レンズ位置で真円の被写
体を撮像した場合の撮像画像を図５に示す。同図からわ
かるように円柱レンズ２がない場合のジャストフォーカ
ス状態の画像（一点鎖線）に対しＡ点では横長円とな
り、Ｃ点では縦長円、Ｂ点では拡大された円となる。つ
まり、フォーカシングレンズ１がＢ点を境にＣ点側にあ
る場合は縦長円となり、Ａ点側にある場合は横長円とな
り、その大きさはＢ点からの距離に比例する。

【００２２】ところで、水平成分の画像信号ＳＸと垂直
成分の画像信号ＳＹとのレベル差ＳＷ（＝ＳＸ−ＳＹ）
をとると図４の一点鎖線のようになる。従って、レベル
差ＳＷはフォーカシングレンズ１がＢ点よりＣ点側に位
置する場合はプラスとなり、Ｂ点よりＡ点側に位置する
場合はマイナスとなり、またＢ点からのずれはレベル差
ＳＷの大きさにほぼ比例する。

【００２３】このことから、フォーカシングレンズ１が
任意の位置にある場合でも、ＣＰＵ１０でそのときの画
像信号ＳＸ，ＳＹのレベル差ＳＷを演算することによ
り、フォーカシングレンズ１の位置を判断することがで
きる。ここで、フォーカシングレンズ１の基準位置を例
えばＢ点すなわち各画像信号ＳＸ，ＳＹのレベル差ＳＷ
が０となる点に設定すれば、レベル差ＳＷの極性と大き
さによって任意の位置からＢ点までフォーカシングレン
ズ１を迅速かつ正確に移動させることができる。

【００２４】例えば、フォーカシングレンズ１がＤ点に
ある場合は、信号のレベル差ＳＷがマイナスであり、こ
のレベル差ＳＷを０とするべきフォーカシングレンズ１
の移動方向及び移動量が直ちに決定される。

【００２５】この決定に基づいてレンズ駆動制御装置１
１が制御され、これによってフォーカシングレンズ１が
レベル差ＳＷ＝０となるＢ点まで移動される。本例で
は、更にレンズ位置検出装置１２によってフォーカシン
グレンズ１の位置を検出し、より正確にフォーカシング
レンズ１を位置制御するようになされている。

【００２６】また、図４のＥ点とＦ点すなわちレベル差
ＳＷの絶対値が最大となる点の範囲内においては、レベ
ル差ＳＷの増減によって被写体の移動方向を直ちに判別
することができる。従って、この範囲内ではフォーカシ
ングレンズ１や円柱レンズ２若しくは撮像素子３をウオ
ウブリングすることなく、被写体の移動に簡単に追従す
ることができる。

【００２７】このようにして、フォーカシングレンズ１
をＢ点に合わせた状態でフレームメモリ５から出力され
る画像信号Ｓｖに含まれるぼけ成分を二次元ＦＩＲフィ
ルタ６で除去することによりジャストフォーカス状態の
画像を得ることができる。

【００２８】なお、フォーカシングレンズ１の基準位置
はＡ点もしくはＣ点に設定することができ、この場合は
夫々ｘ軸方向もしくはｙ軸方向のぼけ成分だけを除去す
ればよい。

【００２９】次に、二次元ＦＩＲフィルタ６について説
明する。線型光学系においては、点像分布関数（point
spread function ）を用いてこの光学系のインパルス応
答を表現することができる。つまり、光学系の点像分布
関数をこの光学系の入力画像にたたみ込むことにより、
所定の仮想面に形成される画像を表現することができ
る。

【００３０】図６に示すように、点像分布関数は光学系
Ｒを介して点光源Ｐ１を撮像した際に、撮像面Ｍ２，Ｍ
３に形成される画像のインパルス応答を表す。

【００３１】したがって、点光源Ｐ１に対応する撮像面
Ｍ２の画像情報ｉ（x,y ）と仮想面Ｍ３の画像情報ｉｉ
（x,y ）との関係は、当該撮像面Ｍ２，Ｍ３間の距離ｄ
をパラメータとする光学系Ｒの点像分布関数ｈｄ（x,y
）を用いて次式のように表わされる。

【００３２】ｉｉ（x,y ）＝ｉ（x,y ）＊＊ｈｄ（x,y ）・・・（１）ここで＊＊は、２次元コンボリューションを表す。つま
り光学系Ｒ、本例ではレンズ１および円柱レンズ２の点
像分布関数ｈｄ（x,y ）を検出することができれば、撮
像素子３の撮像面Ｍ２に形成された画像がぼけている場
合でも、仮想面Ｍ３に形成されるジャストフォーカス状
態の画像を信号処理によって再現し得ることがわかる。

【００３３】すなわち、レンズ１および円柱レンズ２の
点像分布関数ｈｄ（x,y ）さえ検出することができれ
ば、画像信号Ｓｖをディジタル信号処理するだけでジャ
ストフォーカス状態に調整することができる。

【００３４】このようなフォーカス調整原理に基づい
て、本実施例のＦＩＲフィルタ６においては、レンズ１
および円柱レンズ２の点像分布関数ｈｄ（x,y）の逆関
数ｈｄ^-1（x,y ）を検出し、この逆関数ｈｄ^-1（x,y ）
を撮像面Ｍ３の画像情報ｉｉ（x,y ）にたたみ込むこと
により、撮像面Ｍ２の画像を修正してジャストフォーカ
スの状態としている。すなわち、ＦＩＲフィルタ６では
次式ｉ（x,y ）＝ｉｉ（x,y ）＊＊ｈｄ^-1（x,y ）・・・（２）の演算処理を実行することにより、フォーカスの合った
像を再現している。

【００３５】ところで、（１）および（２）式をフーリ
エ変換すれば、ＩＩ（u,v ）＝Ｉ（u,v ）・Ｈｄ（u,v ）・・・（３）Ｉ（u,v ）＝ＩＩ（u,v ）・Ｈｄ^-1（u,v ）・・・（４）で表わすことができる。

【００３６】ここでＩ（u,v ）およびＩＩ（u,v ）は、
画像情報ｉ（x,y ）およびｉｉ（x,y ）のフーリエ変換
を表わし、Ｈｄ（u,v ）およびＨｄ^-1（u,v ）は、点像
分布関数ｈｄ（x,y ）およびその逆関数ｈｄ^-1（x,y ）
のフーリエ変換を表わす。

【００３７】上述の式（３），（４）からフーリエ変換
Ｉ（u,v ）とＨｄ（u,v ）の積、ＩＩ（u,v ）とＨｄ^-1
（u,v ）の積を求めることにより、２次元コンボリュー
ションの演算処理を簡易に実行し得ることがわかる。

【００３８】そこで、この実施例においては、図７に示
す構成のＦＩＲフィルタ６によって画像情報ｉ（x,y ）
をフーリエ変換して像修正した後、逆フーリエ変換して
画像情報ｉｉ（x,y ）を生成するようにしている。

【００３９】すなわち、高速フーリエ変換回路（ＦＦ
Ｔ）６１は、所定のタイミングでディジタル信号処理さ
れた画像信号Ｓｖを取り込むことにより、撮像画像の中
央部分に割り当てられた、例えば１６×１６画素の輝度
情報ｉｆ（x,y）を取り込んで、これを高速フーリエ変
換し、このフーリエ変換結果Ｉｆ（u,v ）を所定回数だ
け繰り返して出力する。点像分布関数生成回路６２は、
後述する制御回路６３から出力される制御データに基づ
いて、逆関数ｈｄ^-1（x,y ）のフーリエ変換行列Ｈｄ^-1
（u,v）を生成し、順次乗算回路６４に出力する。

【００４０】乗算回路６４は、高速フーリエ変換回路６
１から出力されるフーリエ変換結果Ｉｆ（u,v ）にフー
リエ変換行列Ｈｄ^-1（u,v ）を乗算する。

【００４１】信号レベル検出回路６５は、乗算回路６４
の乗算結果から空間周波数の高い成分を抽出し、この成
分の２乗和を検出する。

【００４２】これにより、このＦＩＲフィルタ６におい
ては、撮像画像中央部分における輝度信号の高域パワー
を基準にして像修正結果を判断するようになされてい
る。すなわち制御回路６３は、信号レベル検出回路６５
の検出結果に基づいて、像修正した画像の高域パワーが
順次増加するように制御データを出力する。

【００４３】これにより制御回路６３は、撮像画像の中
央部分で高域パワーが増大するように、点像分布関数の
パラメータである距離ｄを順次更新し、高域パワーのピ
ークが検出されると更新動作を停止制御する。つまり、
ＦＩＲフィルタ６においては、撮像画像の中央部分で点
像分布関数ｈｄ（x,y ）の逆関数ｈｄ^-1（x,y ）を検出
するようになされている。

【００４４】一方、高速フーリエ変換回路６６は、ディ
ジタル信号処理された画像信号Ｓｖを取り込むことによ
り、２５６×２５６画素の画像情報ｉ（x,y）を取り込
んで高速フーリエ変換し、フーリエ変換結果Ｉ（u,v ）
を乗算回路６７に出力する。

【００４５】これに対応して点像分布関数生成回路６２
は、上述したようにパラメータ（すなわち距離ｄ）の更
新動作が停止制御されると、２５６×２５６画素の画像
情報ｉ（x,y ）に対応する逆関数ｈｄ^-1（x,y）のフー
リエ変換行列Ｈｄ^-1（u,v ）を生成し、順次乗算回路６
７に出力する。つまり、点像分布関数生成回路６２は、
上述したように検出された撮像画像の中央部分でフォー
カスを合わせ得る点像分布関数ｈｄ（x,y ）の逆関数ｈ
ｄ^-1（x,y ）に基づいて、フーリエ変換行列Ｈｄ^-1（u,
v ）を生成して出力する。

【００４６】これにより乗算回路６７ではフォーカスが
合うように画像信号Ｓｖを像修正した画像情報ｉｉ（x,
y ）のフーリエ変換行列ＩＩ（u,v）を得ることができ
る。高速フーリエ逆変換回路（ＩＦＦＴ）６８は、フー
リエ変換行列ＩＩ（u,v ）を順次入力し、逆フーリエ変
換して出力する。

【００４７】このようにして高速フーリエ逆変換回路６
８ではフーリエ変換行列ＩＩ（u,v）を基にフォーカス
が合うように画像信号Ｓｖを像修正した画像情報ｉｉ
（x,y）を得ることができ、当該画像情報ｉｉ（x,y ）
をディジタルアナログ変換回路を介して出力することに
より、フォーカシングレンズ１の位置を調整しなくても
信号処理によってジャストフォーカスの状態を得ること
ができる。

【００４８】なお、上述のＦＩＲフィルタ６では、輝度
信号の高域パワーを基準にしてぼけ修正するものについ
て述べたが、画像信号Ｓｖから振幅の大小を検出してこ
れを基にぼけ修正するものであってもよい。また、上述
のＦＩＲフィルタ６は画像情報を高速フーリエ変換して
処理する場合について述べたが、直接二次元コンボリュ
ーションの演算処理を実行するようにしてもよい。

【００４９】さらに、ＦＩＲフィルタは一次元のフィル
タを用いることができ、この場合はｘ軸方向とｙ軸方向
の信号処理系を設け、各々の処理系にフィルタを設けれ
ばよい。

【００５０】さらに、上述の実施例では、補助レンズと
してかまぼこ形の円柱レンズ２を用いたが、光軸に対し
直交する２軸における屈折率が異なるレンズであれば補
助レンズとして用いることができるので、円柱レンズ２
は一例にすぎない。

【００５１】この補助レンズはフォーカシングレンズ１
の前に配置してもよく、また、補助レンズの２軸は互い
に直交する必要はなく任意の角度に設定することができ
る。さらに、この２軸の回転位置も水平若しくは垂直で
ある必要はなく、任意に設定することができる。

【００５２】

【発明の効果】以上のように、本発明のオートフォーカ
ス装置は、交差する２軸に対する屈折率が異なる補助レ
ンズを介して被写体を撮像し、この２軸に対応する画像
信号を比較することによりフォーカシングレンズの位置
を検出するようにしたものである。

【００５３】したがって、本発明によれば、フォーカシ
ングレンズが任意の１点にあるときの画像信号だけで、
フォーカシングレンズの位置を判断することができるか
ら、フォーカス調整を迅速に行なうことができると共
に、所定の範囲内においてはフォーカシングレンズや撮
像素子をウオウブリングすることなく被写体の移動に追
従することができるので、構造を簡略化できるなどの効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の構成図である。

【図２】円柱レンズの斜視図である。

【図３】抽出画素の一例を示す模式図である。

【図４】フォーカシングレンズの位置と信号レベルの関
係を説明する説明図である。

【図５】各レンズ位置における撮像画像の一例を説明す
る説明図である。

【図６】フォーカスの補正を説明する説明図である。

【図７】ＦＩＲフィルタの構成図である。

【符号の説明】

１フォーカシングレンズ２かまぼこ形の円柱レンズ３撮像素子４アンプ５フレームメモリ６ＦＩＲフィルタ７マトリックス回路８ハイパスフィルタ９積算回路１０ＣＰＵ１１レンズ駆動制御回路１２レンズ位置検出装置

Claims

【特許請求の範囲】【請求項１】フォーカシングレンズと、光軸に対し直交する２軸における屈折率が異なる補助レ
ンズと、上記フォーカシングレンズと上記補助レンズを介して、
被写体を撮像する撮像手段と、この撮像手段から出力される画像信号を記憶する記憶手
段と、この記憶手段に記憶された１フレーム分の画像信号のう
ち、上記補助レンズの屈折率の異なる２軸に対応する画
像信号を取り出し、これらの画像信号のレベル差を検出
して上記フォーカシングレンズの位置情報を検出する位
置検出手段と、上記位置検出手段によって検出された位
置情報に基づいて、上記フォーカシングレンズを移動さ
せるレンズ駆動制御装置とを備えたことを特徴とするオ
ートフォーカス装置。