JPH05313059A - 自動焦点調節装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 撮影レンズを滑らかに駆動して移動被写体に
追尾させる自動焦点調節装置を提供する。 【構成】 撮影レンズ１００の被写体像面と予定焦点面
との距離、すなわちデフォーカス量と撮影レンズ１００
の移動量とに基づいて撮影レンズ１００の被写体像面の
移動速度を算出し、さらに算出された移動速度、デフォ
ーカス量および撮影レンズ１００の移動量に基づいて被
写体像面を予定焦点面に一致させる撮影レンズ１００の
合焦位置を算出する。そして、撮影レンズ１００の合焦
位置と現在位置との位置偏差に基づいて撮影レンズ１０
０の位置を制御するとともに、位置制御出力と被写体像
面の移動速度とに基づいて撮影レンズ１００の移動速度
を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、撮影レンズを移動被写
体に追尾駆動する自動焦点調節装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】先に出願人は、電荷蓄積型イメージセン
サ（以下、ＡＦセンサと呼ぶ）を用いた自動焦点調節装
置の制御方法として、ＡＦセンサの電荷蓄積と撮影レン
ズ駆動（以下、サ−ボと呼ぶ）とを時間的に並行して行
うことにより、サ−ボ時間や焦点調節精度を向上させ
る、いわゆるオ−バラップサーボの制御方法を特開平２
−１４６０１０号で開示し、引き続いて、オ−バラップ
サーボを行いながら被写体の運動を検出し、被写体の位
置を予測して撮影レンズを駆動する、いわゆるオ−バラ
ップ予測駆動の制御方法を特願平３−１７８７８０号で
提案した。

【０００３】図１１は、撮影レンズをモ−タにより駆動
して合焦状態にサ−ボする自動焦点調節（以下、オ−ト
フォ−カスまたは単にＡＦと呼ぶ）装置を備えたカメラ
のブロック図である。図において、撮影レンズ１を透過
した被写体からの焦点検出光束は、カメラ本体内に設け
たＣＣＤなどのＡＦセンサ２上に結像し、ＡＦセンサ２
からの光像信号はインタフェース３を介してシステム全
体の制御を行うマイクロコンピュータ（以下、ＣＰＵと
呼ぶ）４へ送られる。

【０００４】ＡＦセンサ２上に投影される焦点検出光束
の光像パタ−ンは、インタフェース３でＡ／Ｄ変換され
てＣＰＵ４へ出力されるか、またはインタフェース３で
適当な信号レベルに増幅され、ＣＰＵ４に内蔵されたＡ
／Ｄ変換器により直接Ａ／Ｄ変換される。ＣＰＵ４は、
ディジタル信号に変換された光像パタ−ンを所定のアル
ゴリズムで処理してデフォ−カス量を算出し、このデフ
ォーカス量に基づいて撮影レンズ１を合焦させるための
レンズ駆動量を算出する。ここでは、具体的なデフォ−
カス量検出のための光学的な原理や、アルゴリズムにつ
いては既に周知であるため、説明を省略する。

【０００５】撮影レンズ１には、その移動量をモニタす
るためのエンコ−ダ６が設けられており、撮影レンズ１
が光軸に沿って所定量移動するごとにエンコ−ダ６はパ
ルスを発生する。ＣＰＵ４は、算出されたレンズ駆動量
をドライバ５へ出力してサーボモータ７を駆動し、撮影
レンズ１を合焦方向に駆動する。さらにＣＰＵ４は、エ
ンコ−ダ６からのフィ−ドバックパルスをカウントし、
レンズ駆動量に相当するパルス数だけフィードバックパ
ルスをカウントすると、サーボモ−タ７の駆動を停止す
る。通常、エンコ−ダ６は、サーボモ−タ７の回転軸や
減速ギアの一部に付設したフォトインタラプタなどで構
成され、撮影レンズ駆動用モ−タ７の回転を検出する。

【０００６】ここで、デフォ−カス量とは、図１２に示
すように撮影レンズ１を透過した焦点検出光束が結像す
る面（結像面）と、フィルム面と等価な予定焦点面との
相対的な像面ズレ量△Ｚであり、撮影レンズ１を合焦さ
せるために必要なレンズ駆動量とほぼ等しい。従って、
光像をフィルム面に結像させる（合焦させる）ため、前
ピン状態の時はデフォ−カス量△Ｚαだけ撮影レンズ１
を後に移動し、後ピン状態の時はデフォ−カス量△Ｚβ
だけ撮影レンズ１を前に移動する。なお、厳密にはデフ
ォ−カス量△Ｚとレンズ駆動量とは一致しないが、本明
細書では両者は等しいものとする。

【０００７】次に図１３により、オ−バラップ予測駆動
を説明する。図において、横軸は時間ｔであり、縦軸は
光軸上の距離Ｚである。図中にＱで示す線図は、撮影レ
ンズ１と撮影レンズ１による被写体像面との光軸上の距
離Ｚの軌跡を示し、被写体の移動にともなってその距離
Ｚが時間とともに変化する様子を示す。またＬで示す線
図は、撮影レンズ１とフィルム面と等価な予定焦点面と
の光軸上の距離Ｚの軌跡を示す。従って、撮影レンズ１
を基準に考えれば、線図Ｑは被写体像面位置を示し、線
図Ｌは予定焦点面位置を示す。そして、線図Ｑと線図Ｌ
との差は被写体像面と予定焦点面との距離、すなわちデ
フォ−カス量Ｄを示す。また、ｔ(n-1)，ｔ(n)，ｔ(n+
1)で示す時刻は、ＡＦセンサ２の各電荷蓄積期間のほぼ
中央時刻であり、これらの時刻の両側の上方の線図Ｑま
たは線図Ｌまで引いた２本の縦線で挟まれる期間が電荷
蓄積期間である。さらに、時刻ｔ(n-1)，ｔ(n)，ｔ(n+
1)における各デフォ−カス量をＤ(n-1)，Ｄ(n)，Ｄ(n+
1)と表す。以下、本図と同様な図においても、上記の縦
軸Ｚ，横軸ｔ，線図Ｑおよび線図Ｌなどは同じ意味を持
つものとする。なお以下では、センサ蓄積時刻を時間軸
ｔ上のある一点の時刻として表すが、実際には電荷蓄積
型ＡＦセンサ２を用いる限り蓄積時間が必要である。ま
た本明細書では、ＡＦセンサ２の電荷蓄積時間を測距時
間と呼ぶ。

【０００８】図から明かなように、時刻ｔ(n-1) から時
刻ｔ(n) までの被写体像面の移動量Ｐ(n)は、時刻ｔ(n)
の測距で得られるデフォ−カス量Ｄ(n)、時刻ｔ(n-1)の
測距で得られる前回のデフォ−カス量Ｄ(n-1)、および
この間の撮影レンズ１の駆動量Ｍ(n)により次式で表さ
れる。 Ｐ(n)＝Ｄ(n)＋Ｍ(n)−Ｄ(n-1) ・・・（１） 従って、この間の被写体像面の移動速度Ｓ(n)は次式に
より求められる。 Ｓ(n)＝Ｐ(n)／{ｔ(n)−ｔ(n-1)} ・・・（２）

【０００９】ところが、連続した２回の測距により得ら
れるデフォーカス量の差｛Ｄ(n)−Ｄ(n-1)｝、およびそ
の間の撮影レンズ１の移動量Ｍ(n)はともに小さいの
で、これらに基づいて上記（１），（２）式により被写
体像面の移動速度Ｓ(n)を算出するとその精度が悪くな
る。そこで、算出精度を上げるために、最新のデフォー
カス量Ｄ(n)と何世代も前のデフォーカス量Ｄ(n-i)との
差｛Ｄ(n)−Ｄ(n-i)｝、およびその間の撮影レンズ１の
移動量Ｍi(n)に基づいて上記（１），（２）式の演算を
行なう。すなわち、被写体像面の移動量Ｐ(n)および移
動速度Ｓ(n)は次式で表される。 Ｐ(n)＝Ｄ(n)＋Ｍi(n)−Ｄ(n-i) ・・・（３） Ｓ(n)＝Ｐ(n)／｛ｔ(n)−ｔ(n-i)｝ ・・・（４） ここで、Ｍi(n)は時刻ｔ(n-i)から時刻ｔ(n)までの撮影
レンズ１の駆動量である。例えば、図１４に示すよう
に、測距の２周期で被写体像面の移動量Ｐ(n)および移
動速度Ｓ(n)を算出する場合は、上記（３），（４）式
は次のようになる。 Ｐ(n)＝Ｄ(n)＋Ｍ2(n)−Ｄ(n-2) ・・・（５） Ｓ(n)＝Ｐ(n)／｛ｔ(n)−ｔ(n-2)｝ ・・・（６）

【００１０】デフォーカス量Ｄ(n)と被写体像面移動速
度Ｓ(n)がわかれば、次回の電荷蓄積時に撮影レンズ１
をほぼ合焦状態とするためのレンズ駆動量が求められ
る。しかし、上述した特願平３−１７８７８０号では、
ある回の測距により得られたデフォ−カス量に基づくサ
ーボの目標駆動量の更新（以下では、サーボリフレッシ
ュと呼ぶ）を、デフォ−カス量の演算終了の直後、つま
り次回の電荷蓄積開始の直前に行うのを止め、次回の電
荷蓄積が終了した後に行うように提案した。この結果、
サーボのリフレッシュ時刻である次回の電荷蓄積終了時
刻から、さらにその次の電荷蓄積開始時刻までの期間
を、ＡＦセンサ２の電荷蓄積に影響を与えないでレンズ
駆動を行うために使うことができ、この期間にほぼ撮影
レンズ１を目標位置に移動することができる。

【００１１】図１５により、この方法を説明する。時刻
ｔ(n）における測距の結果は、電荷蓄積終了後に行なわ
れるデフォーカス量の演算が終了する時刻ｔm(n)に判明
する。その時刻ｔm(n)において、すぐに測距結果に基づ
くサーボリフレッシュを行なわず、演算結果のデフォ−
カス量Ｄ(n)を記憶するだけとする。またこのとき、前
回のサーボを実行中であればそのまま続行し、次回ｔ(n
+1)での測距期間中も引き続いてサーボを行う。サーボ
のリフレッシュを行うのは、次回の時刻ｔ(n+1)の測距
が終了した直後の時刻ｔr(n)である。つまり、ある測距
結果に基づくサーボ目標のリフレッシュを、その次の測
距が終了するまで待つことにする。

【００１２】また、上記の特願平３−１７８７８０号で
は、撮影レンズ１の移動量を示すエンコ−ダ６からのモ
ニタパルスをカウンタで単純に積算して行く、いわゆる
リニアカウント方式とし、サ−ボのリフレッシュのたび
にリセットやプリセットをしないようにした。そして、
制御システムはカウンタの積算値をいつでも読み出せる
ようにした。つまり、カウンタの積算値は撮影レンズ１
の光軸上のある位置に対応するが、これは撮影レンズ１
とフィルム面との距離も表しており、ある時間間隔にお
けるカウンタの積算値の差はその間の撮影レンズ１の移
動量を示す。

【００１３】これまで、図１３，１４の縦軸は撮影レン
ズとその結像面との距離［mm］または撮影レンズとフィ
ルム面との距離[mm]としてきたが、リニアカウント方式
では、相対的ではあるがカウンタの積算値としても縦軸
をスケ−ルすることができる。１パルス当たりの光軸方
向の像面移動量[mm]は、そのレンズ固有の比例係数をパ
ルス数に掛ければ得られる。図１５の右側の縦軸は、撮
影レンズ１とその結像面の位置をエンコ−ダ６からのパ
ルス数でスケ−リングしたものである。

【００１４】また、本出願人は特開平２−１４６０１０
号において、ＡＦセンサ２の電荷蓄積期間中に駆動され
ている撮影レンズ１の平均的位置の算出方法の開示を行
ったが、このレンズ位置はカウント値に対する相対値で
計算される。これは、時刻ｔ(n)における測距中の平均
的レンズ位置がパルスカウント値Ｃ(t(n))として計算さ
れることを示したものであり、リニアカウント方式との
整合性がよい。これより（１）式中の二つの測距時刻ｔ
(n)，ｔ(n-1)の間のレンズの移動量Ｍ(n)は、 Ｍ(n)＝ｆ（Ｃ(t(n))−Ｃ(t(n-1))） ・・・（７） と表せる。ここで、ｆ（）は、パルス数を距離[mm]に変
換する関数で、上述したようにＣ(t(n))−Ｃ(t(n-1))に
撮影レンズ固有の係数を掛けて近似できる。また、これ
から（２）式で与えられる被写体像面移動速度Ｓ(n)は
常に簡単に求められる。

【００１５】図１５において、時刻ｔ(n)の測距値Ｄ(n)
に基づくサーボリフレッシュを時刻ｔ(n+1)の測距終了
後に行なうようにしても、通常、その間も撮影レンズ１
は前回のサーボリフレッシュ時のサ−ボ目標に対して移
動している。サ−ボリフレッシュ時刻ｔr(n)におけるカ
ウンタ値がＣ(tr(n))で、時刻ｔ(n)の測距中の平均測距
位置がカウンタ値でＣ(t(n))であったとすれば、この間
のレンズ移動量ＥＣ(n)は、 ＥＣ(n)＝Ｃ(tr(n))−Ｃ(t(n)) ・・・（８） と表せる。ただし、これはパルスカウント値換算でのレ
ンズ移動量であり、［ｍｍ］単位における光軸方向の移
動量Ｅ（ｎ）は変換関数ｆ（）を用いて、 Ｅ（n）＝ｆ（ＥＣ(n)） ・・・（９） と表せる。

【００１６】このように、リニアカウント方式は、各時
刻のレンズ位置をすべてカウント値として同じスケ−ル
で表現でき、極めて都合がよい。もちろん、毎回のサ−
ボリフレッシュのたびにカウント値をゼロクリアするこ
れまでの方法でも、マイクロコンピュータ４で毎回のレ
ンズ駆動量をソフトウェア的に加算して行くことにより
原理的には可能であるが、繁雑であるため、デ−タ処理
技術上は明らかにリニアカウント方式が優れている。た
だし、サ−ボリフレッシュ時のサ−ボ目標の設定に際し
ては、そのときのカウント値をいったん読み出し、この
カウント値に必要とするレンズ駆動量に相当するパルス
数を加算して求める必要がある。これがカウント値で表
した新しい撮影レンズ１の目標駆動位置となる。

【００１７】時刻ｔr(n)のサ−ボリフレッシュ時のサ−
ボ目標位置は、さらにその次の時刻ｔ(n+2)の測距時刻
における被写体像面の予想位置Ｑ（ｔ(n+2)）である。
これは、測距時刻ｔ(n)における被写体像面位置Ｑ（ｔ
(n)）から、時刻ｔ(n)から時刻ｔ(n+2)までの被写体像
面の移動予想量Ｐ(n)だけ先である。Ｐ(n)は、時間｛ｔ
(n+2)−ｔ(n)｝に相当する測距周期の２回分の時間と被
写体像面の移動速度Ｓ(n)を掛けて得られるから、 Ｐ（n）＝｛ｔ(n+2)−ｔ(n)｝×Ｓ(n) ・・・（１０） である。ここで、｛ｔ(n+2)−ｔ(n)｝は、過去の測距時
間から推定するのが適切であり、例えば、ｔ(n+2)−ｔ
(n)＝ｔ(n)−ｔ(n-2)と仮定して求めればよい。時刻ｔ
(n)でレンズ位置がＱ（ｔ(n)）よりデフォ−カス量Ｄ
(n)だけ遅れていたことと、時刻ｔ(n)から時刻ｔr(n)ま
での撮影レンズ１の移動量が（７）式より得られるか
ら、時刻ｔr(n)で駆動すべき量Ｘ(n)は、図１５より明
かに、 Ｘ(n)＝Ｄ(n)＋Ｐ(n)−Ｅ(n) ＝Ｄ(n)＋｛ｔ(n+2)−ｔ(n)｝×Ｓ(n)−Ｅ(n) ・・・（１１） となる。

【００１８】以上のように、サ−ボリフレッシュを次回
の時刻ｔ(n+1)の測距が終了するまで遅らせると、それ
から次次回の時刻ｔ(n+2)の測距開始までの時間をレン
ズ駆動のために最大限に使うことができる。この期間内
に目標とするレンズ駆動量を駆動してしまうことができ
れば、図１５中の線図Ｕ１で示すように、時刻ｔ(n+2)
での測距結果となるデフォーカス量Ｄ(n+2)はほぼゼロ
となる。また、線図Ｕ２で示すように、レンズ駆動が時
刻ｔ(n+2)の測距開始までに終っていない場合は、撮影
レンズ１が被写体にやや遅れていることになる。この場
合は、時刻ｔ(n+2)における測距はレンズ駆動とオ−バ
ラップして行われる。時刻ｔ(n+2)の測距期間中にサ−
ボが終る場合もあるが、いずれにせよ、この測距終了時
には前回同様、時刻ｔ(n+1)の測距結果に基づき時刻ｔr
(n+1)でサ−ボがリフレッシュされる。従って、この方
法により基本的には撮影レンズ１を被写体にほぼ安定し
て追従させることが可能で、被写体が一様に運動してい
て測距が正確に行なわれるならば、撮影レンズ１が被写
体像面に大きく遅れたり、あるいは被写体像面を追い越
すことはない。

【００１９】しかし、実際には被写体の不規則な運動
や、測距誤差や、レンズ駆動制御上の問題などにより撮
影レンズ１が被写体像面を追い越すことがある。この量
が大きいと、サ−ボリフレッシュ時に（９）式で算出さ
れるレンズ駆動量が負になる。つまり、時刻ｔ(n+2)に
おける被写体像面の予想位置を、時刻ｔr(n)で撮影レン
ズ１がすでに追い越してしまうことも希にはあり得る。
このときは、レンズ駆動の一様性やレンズ駆動機構の機
械的なバックラッシュの悪影響を考慮して、撮影レンズ
１を逆方向に駆動するのは避け、とりあえずレンズ駆動
を停止するか、その時点のサ−ボ目標を維持するのがよ
い。被写体が同一方向に移動している限り、その後の測
距で再び被写体像面が撮影レンズ１を追い越した正常な
状態が検出され、通常のオ−バラップ予測駆動に戻るは
ずである。

【００２０】式（５），（６）を式（１１）へ代入する
と、 Ｘ(n)＝Ｄ(n)＋｛ｔ(n+2)−ｔ(n)｝×｛Ｄ(n)＋Ｍ2(n)−Ｄ(n-2)｝ ／{ｔ(n)−ｔ(n-2)}−Ｅ(n) ・・・（１２） さらに、ｔ(n+2)−ｔ(n)＝ｔ(n)−ｔ(n-2)と仮定すれ
ば、 Ｘ(n)＝２Ｄ(n)−Ｄ(n-2)＋Ｍ2(n)−Ｅ(n) ・・・（１３） が得られる。

【００２１】（１３）式には測距時刻ｔ(n)が入ってい
ないため計算が簡単になる。しかし、これは、毎回の測
距でデフォ−カス量の検出に失敗しないことを前提にし
ており、実際には被写体の測距部分がカメラの手振れや
被写体自信の動きで毎回異なり、測距失敗が往々にして
発生することを考慮すると、一般には測距時刻を考慮し
た（１１)式や（１２）式による方法で毎回サ−ボ量Ｘ
(n)を算出する方が賢明である。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の自動焦点調節装置では、測距結果に基づいてデ
フォーカス量を算出するたびに、次回の測距開始直前あ
るいは次回の測距終了後にサーボをリフレッシュしてい
るので、例えば被写体の移動速度が遅い場合にはサーボ
リフレッシュごとに撮影レンズが断続的に駆動され、撮
影レンズがぎくしゃくとした動きをするという問題があ
る。

【００２３】本発明の目的は、撮影レンズを滑らかに駆
動して移動被写体に追尾させる自動焦点調節装置を提供
することにある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】クレーム対応図である図
１に対応づけて本発明を説明すると、本発明は、所定の
時間間隔で撮影レンズ１００の被写体像面と予定焦点面
との光軸上の距離を検出する焦点検出手段１０１と、撮
影レンズ１００の移動量を検出する移動量検出手段１０
２と、焦点検出手段１０１で検出された距離と移動量検
出手段１０２で検出された移動量とに基づいて、被写体
像面の移動速度を算出する像面速度算出手段１０３と、
焦点検出手段１０１で検出された距離、移動量検出手段
１０２で検出された移動量、および像面速度算出手段１
０３で算出された移動速度とに基づいて、被写体像面を
予定焦点面に一致させる撮影レンズ１００の合焦位置を
算出する合焦位置算出手段１０４と、撮影レンズ１００
の現在位置を検出する位置検出手段１０５と、合焦位置
算出手段１０４で算出された合焦位置と位置検出手段１
０５で検出された現在位置との位置偏差に基づいて撮影
レンズ１００の位置を制御する位置制御手段１０６と、
この位置制御手段１０６の制御出力と像面速度算出手段
１０３で算出された被写体像面の移動速度とに基づい
て、撮影レンズ１００の移動速度を制御する速度制御手
段１０７と、この速度制御手段１０７の制御出力に従っ
て撮影レンズ１００を駆動する駆動手段１０８とを備
え、これにより、上記目的を達成する。

【００２５】

【作用】本発明の自動焦点調節装置では、撮影レンズ１
００の被写体像面と予定焦点面との距離、すなわちデフ
ォーカス量と撮影レンズ１００の移動量とに基づいて撮
影レンズ１００の被写体像面の移動速度を算出し、さら
に算出された移動速度、デフォーカス量および撮影レン
ズ１００の移動量に基づいて被写体像面を予定焦点面に
一致させる撮影レンズ１００の合焦位置を算出する。そ
して、撮影レンズ１００の合焦位置と現在位置との位置
偏差に基づいて撮影レンズ１００の位置を制御するとと
もに、位置制御出力と被写体像面の移動速度とに基づい
て撮影レンズ１００の移動速度を制御する。

【００２６】

【実施例】次に、本発明の一実施例を説明する。なお、
この実施例の基本的な構成は図１１に示す従来の自動焦
点調節装置の構成と同様であり、図示とその説明を省略
する。図２は、撮影レンズ１とその被写体像面との光軸
上の距離Ｚの軌跡、すなわち被写体像面位置Ｑを示す。
上述した従来の自動焦点調節装置と同様に、この実施例
でもＡＦセンサ２の電荷蓄積およびデフォーカス量の演
算が繰り返し行なわれる。今、時刻ｔ(n)における測距
結果のデフォーカス量Ｄ(n)が算出されると、前回のデ
フォーカス量Ｄ(n-1)および前回と今回との間の撮影レ
ンズ１の移動量Ｍ(n)に基づいて、（１），（２）式に
より被写体像面の移動速度Ｓ(n)が算出される。なお、
上述したように、移動速度Ｓ(n)の算出精度を上げるた
めに、今回の測距結果と何世代か前の測距結果とに基づ
いて被写体像面の移動速度Ｓ(n)を算出してもよい。

【００２７】ここで、被写体像面位置Ｑの変化を時間の
１次関数として表すことにすると、時刻ｔ(n)以後の被
写体像面の予想位置Ｑは時刻ｔ(n)における接線Ｑ’と
なる。厳密には、接線Ｑ’とわずかに異なる。それは、
（２）式による時刻ｔ(n)の被写体像面の移動速度Ｓ(n)
が、時刻ｔ(n)と時刻ｔ(n-1)との被写体像面位置Ｑの傾
きに基づいて算出されるので、時刻ｔ(n)以前の時刻に
おける速度であり、そのような移動速度Ｓ(n)に基づい
て算出された予想位置Ｑ’にはわずかな誤差が含まれ
る。実際の被写体像面位置Ｑが図２に示すように加速的
に変化すると、１次関数と仮定して算出した被写体像面
の予想位置Ｑ’は時間が経過するにつれて実際の被写体
像面位置Ｑとの誤差が大きくなる。しかし、所定の時間
間隔で測距が行なわれるので、少なくとも測距間隔にお
ける被写体像面位置Ｑの動きが１次関数と見なせるなら
ば、被写体像面位置Ｑの変化を１次関数Ｑ’に近似する
ことができる。なお、より正確に被写体像面位置Ｑを予
想するために、被写体像面位置Ｑの変化を２次関数とし
て扱ってもよい。

【００２８】上述したように、光軸上の距離Ｚはエンコ
ーダ６から発っせられるモニタパルスのカウント値とほ
ぼ等価であり、これまで説明した線図Ｑ，Ｌ，およびデ
フォーカス量Ｄ［mm］は、パルスカウント値に換算する
とそれぞれＱ(t)，Ｌ(t)およびＤ(n)［パルス］と表す
ことができ、さらに被写体像面の移動速度Ｓ(n)［mm/
S］は、時間当りのパルス数としてＳ(n)［パルス/S］と
表すことができる。そして、（４）式で算出される時刻
ｔ(n)における被写体像面の移動速度Ｓ(n)とデフォーカ
ス量Ｄ(n)により、時刻ｔ(n)以降の被写体像面の移動速
度Ｓ(n)が一定であるとすれば、任意の時刻ｔにおける
被写体像面の予想位置Ｑ(t)はパルス換算で次のように
表せる。 Ｑ(t)＝Ｐ(n)＋Ｄ(n)＋Ｓ(n)×｛ｔ−ｔ(n)｝ ・・・（１４） ここで、Ｐ(n)は測距時刻ｔ(n)におけるエンコーダ６の
パルスカウント値であり、撮影レンズ１の位置を示す。
毎回の測距後にデフォーカス量が算出される度にＤ
(n)，Ｓ(n)が更新され、被写体像面の予想位置Ｑ(t)も
更新される。これは、従来のオーバーラップサーボによ
る追尾と同じである。

【００２９】この実施例では、図２に示す被写体像面の
予想位置を示す線図Ｑ’に撮影レンズ１の予定焦点面Ｌ
を一致させるため、時刻ｔにおける撮影レンズ１の位置
Ｌ(t)と（１４）式で算出された被写体像面の予想位置
Ｑ(t)との位置偏差、すなわち時刻ｔにおけるデフォー
カス量Ｄ(t)に基づいて撮影レンズ１の位置制御を行な
うとともに、この位置制御出力に撮影レンズ１の速度Ｖ
(t)［パルス/S]を加算してレンズ速度の目標値を設定
し、撮影レンズ１の移動速度を制御する。レンズ速度Ｖ
(t)をレンズ位置制御出力に加算するのは、移動被写体
に対して位置偏差Ｑ(t)−Ｌ(t)（＝デフォーカス量Ｄ
(t)）だけで制御を行なうと、被写体像面の予想位置Ｑ
(t)が時間が経過するにつれて変化し、移動被写体に対
する追従精度が低下するからである。

【００３０】焦点調節装置における制御目標は、できる
限り速く、しかも安定に撮影レンズ１をその目標位置ま
で駆動することである。言い換えれば、被写体像面の予
想位置Ｑ(t)と予定焦点面の位置Ｌ(t)との偏差｛Ｑ(t)
−Ｌ(t)｝、すなわちデフォーカス量Ｄ(t)を速やかに０
にすることである。従って、焦点調節装置の制御システ
ムとして、位置偏差｛Ｑ(t)−Ｌ(t)｝に対してＰＩＤ制
御を行なうことが考えられる。すなわち、位置偏差｛Ｑ
(t)−Ｌ(t)｝に比例する量，位置偏差｛Ｑ(t)−Ｌ(t)｝
の積分量に比例する量、および位置偏差｛Ｑ(t)−Ｌ
(t)｝の微分量に比例する量をそれぞれ設定して加算
し、加算された制御量に基づいてレンズ駆動モータを制
御する。

【００３１】図３は、ＰＩＤ制御によりレンズ位置を制
御する制御システムの制御ブロック図である。この図は
制御理論の表記法に従って複素周波数ｓにより微分は
ｓ、積分は１／ｓで表す。なお実際には、上述したＣＰ
Ｕ４により不図示の制御プログラムを実行してソフトウ
エア形態でＰＩＤ制御によりレンズ位置を制御する。加
算器１１は、撮影レンズ１の被写体像面の予想位置Ｑ
(t)と予定焦点面位置のフィードバック量Ｌ(t)との位置
偏差｛Ｑ(t)−Ｌ(t)｝、すなわちデフォーカス量Ｄ(t)
を求め、比例制御部１２，微分制御部１３および積分制
御部１４へそれぞれ供給する。比例制御部１２ではデフ
ォーカス量Ｄ(t)に比例ゲインＧｐを乗じて、 Ｇｐ×Ｄ(t) ・・・（１５） を算出し、微分制御部１３ではデフォーカス量Ｄ(t)を
微分し、微分ゲインＧｄを乗じて、 Ｇｄ×ｄＤ(t)／ｄｔ＝Ｇｄ×ｓ×Ｄ(t) ・・・（１６） を算出し、さらに積分制御部１４ではデフォーカス量Ｄ
(t)を積分し、積分ゲインＧｉを乗じて、 Ｇｉ×∫Ｄ(t)ｄｔ＝Ｇｉ×Ｄ(t)／ｓ ・・・（１７） を算出する。

【００３２】次に、加算器１５によって各制御部１２〜
１４の出力を加算し、増幅器１６によって制御ゲインＧ
ｃを乗じて制御量を算出する。なお、増幅器１６は図１
１に示すドライバー５に相当し、制御量はモータ７に印
加する駆動電圧Ｅである。なお、一般にカメラでは、電
圧パルスをモータに印加し、電圧パルスのデューティー
を変えてモータの回転速度を調節している。電圧パルス
のデューティーを変えることは駆動電圧自体を変化する
のと等価であり、説明を簡単にするためにここではモー
タに印加する駆動電圧Ｅを変化させてモータの回転速度
を調節するものとする。駆動電圧Ｅを印加されたモータ
７は回転速度ωで回転し、撮影レンズ１を移動させる。
なお、図３のモータ７の制御ブロックにはモータ７の伝
達関数が示される。Ｔｍはモータ７の機械的時定数であ
り、Ｋｍは定格回転速度における駆動電圧Ｅと出力回転
数との関係を示す比例係数である。また、モータ７は不
図示の駆動系を介して撮影レンズ１と連結されているの
で、モータ７の回転速度ωは撮影レンズ１の移動速度に
比例する。

【００３３】撮影レンズ１がモータ７により駆動される
と、撮影レンズ１の移動量をモニタするエンコーダ６か
らパルス信号が出力され、ＣＰＵ４の不図示のカウンタ
によってカウントされる。上述したように、エンコーダ
６は撮影レンズ１の所定の移動量ごとにパルスを発生す
るので、このパルス信号をカウントしたカウント値は撮
影レンズ１とフィルム面と等価な予定焦点面との距離、
すなわち撮影レンズ１を基準に考えれば予定焦点面の位
置Ｌ(t)を示す。図３の制御ブロック１７，１８はエン
コーダ６およびそのパルス信号をカウントするカウンタ
に相当するものであり、モータ７の速度ωを積分してそ
の回転量θに変換し、さらにモータ７の回転量θと撮影
レンズ１の移動量との比例係数Ｇ１を乗じて予定焦点面
の位置Ｌ(t)に変換する。この予定焦点面の位置Ｌ(t)は
位置のフィードバック信号として加算器１１へ供給され
る。

【００３４】なお、デフォーカス量Ｄ(t)を積分すると
位相遅れが生じるので、モータ７の機械的時定数Ｔｍ
（自動焦点調節装置に用いる小形モータでは、例えば１
０ｍｓ）と干渉して制御システムを不安定することがあ
る。従って、積分ゲインＧｉの設定には細心の注意を払
わなければならない。このような問題を避けるため、図
４に示すように積分制御部１４を削除した制御システム
を構成することも考えられる。

【００３５】図５は図３に示すＰＩＤ制御によるレンズ
位置の制御結果を示し、図６は図４に示すＰＤ制御によ
るレンズ位置の制御結果を示す。いずれも時刻ｔｏにお
いてモータ７を起動し、被写体像面の予想位置を示す線
図Ｑに予定焦点面位置を示す線図Ｌが重なるように、す
なわちデフォーカス量Ｄが０になるように撮影レンズ１
を駆動した場合を示す。これらの図５，６を比較する
と、ＰＩＤ制御によりレンズ位置を制御した場合は、Ｐ
Ｄ制御の場合に比べて予想位置Ｑと予定焦点面位置Ｌと
の定常偏差が小さいことがわかる。すなわち、ＰＩＤ制
御の場合の方が移動被写体に対する追従性がよい。

【００３６】しかし、いずれの制御方式でも、被写体像
面の予想位置Ｑ(t)と予定焦点面位置Ｌ(t)との位置偏差
｛Ｑ(t)−Ｌ(t)｝、すなわちデフォーカス量Ｄ(t)に基
づいて撮影レンズ１の位置制御を行なうと、図５，６に
示すように定常偏差が解消されず、撮影レンズ１が移動
被写体に追い付けない。これは、位置偏差｛Ｑ(t)−Ｌ
(t)｝すなわちデフォーカス量Ｄ(t)には、被写体の運動
に関するデータが含まれないためである。そこで、この
実施例では被写体像面の予想位置の微分値、すなわち被
写体像面の移動速度Ｓ(n)によりフィードフォワード補
償を行なう。つまり、デフォーカス量Ｄ(t)にこのフィ
ードフォワード量を加算して撮影レンズ１の目標速度と
し、実際の撮影レンズ１の移動速度がこの目標速度にな
るようにモータ７を駆動制御する速度制御ループを構成
する。

【００３７】図７は一実施例の制御システムを示す制御
ブロック図である。なお、上述した図３，４と同様な機
能を有する制御ブロックに対しては同一の符号を付し
て、説明を省略する。この制御システムは、撮影レンズ
１の被写体像面の予想位置Ｑ(t)と予定焦点面位置Ｌ(t)
との位置偏差に基づいてレンズ位置を制御する位置制御
ループと、撮影レンズ１の目標速度と実際の速度との速
度偏差に基づいてレンズ速度を制御する速度制御ループ
とを有する。さらに、これらの基本的な制御ループに加
え、被写体像面の予想移動速度Ｓ(n)に基づいて速度制
御ループを補償するフィードフォワードループを設け
る。位置制御ループでは、上述した図３，４に示す制御
システムと同様に、加算器２１により被写体像面の予想
位置Ｑ(t)と予定焦点面位置のフィートバック量Ｌ(t)と
の位置偏差｛Ｑ(t)−Ｌ(t)｝、すなわちデフォーカス量
Ｄ(t)を求め、比例制御部２２によりその位置偏差に比
例ゲインＧｐを乗じて目標速度Ｕ(t)を算出する。な
お、上述した制御システムと同様に微分制御部または積
分制御部を設け、位置偏差を微分または積分した値を目
標速度Ｕ(t)に加算してもよい。

【００３８】フィードフォワードループでは、制御ブロ
ック２３で被写体像面の予想位置Ｑ(t)に基づいて被写
体像面の予想移動速度Ｓ(t)を次式により算出する。 Ｓ(t)＝Ｇｆ×dＱ(t)／ｄｔ＝Ｇｆ×ｓ×Ｑ(t) ・・・（１８） ここで、Ｇｆはフィードフォワードゲインであり、通
常、１に設定される。なお、Ｇｆ＞１としても位置制御
ループで補償されるので直ちに系が不安定になることは
ない。算出された被写体像面の予想移動速度Ｓ(t)は、
加算器２４によって位置制御ループで算出された目標速
度Ｕ(t)に加算し、算出された目標速度Ｕ(t)を速度制御
ループへ出力する。 Ｕ(t)＝Ｇｐ×｛Ｑ(t)−Ｌ(t)｝＋ｓ×Ｇｆ×Ｑ(t) ・・・（１９）

【００３９】速度制御ループでは、まず、加算器２５で
目標速度Ｕ(t)と実際の撮影レンズ１の移動速度Ｖ(t)と
に基づいて速度偏差εを算出する。なお、撮影レンズ１
の移動速度Ｖ(t)は、制御ブロック２６によって撮影レ
ンズ１と予定焦点面との距離、すなわち撮影レンズ１を
基準にした場合の予定焦点面の位置Ｌ(t)を微分して算
出される。 ε＝Ｇｐ×｛Ｑ(t)−Ｌ(t)｝＋ｓ×Ｇｆ×Ｑ(t)−Ｖ(t) ＝Ｇｐ×｛Ｑ(t)−Ｌ(t)｝＋ｓ×Ｇｆ×Ｑ(t)−ｓ×Ｌ(t)・・・（２０） 制御ブロック２７では、算出された速度偏差εに速度ゲ
インＧｖを乗じて制御量、すなわちモータ７の電圧パル
スのデューティーを算出する。なお、制御ブロック２７
に積分制御部を加え、いわゆるＰＩ制御として応答性を
改善することもできる。

【００４０】上述した図７に示す制御システムでは、速
度制御ループにおいてモータ７の電圧パルスのデューテ
ィーを直接制御している。この方法では、測定誤差やノ
イズなどの外乱によってモータ７に印加される電圧パル
スのデューティーが急激に変化するおそれがある。一
方、実際の制御はＣＰＵ４のソフトウエアで実行され、
プログラムの実行時間間隔でモータ７の電圧パルスのデ
ューティーが更新される。その際、電圧パルスのデュー
ティーの変化量、すなわち駆動電圧の変化量を所定値以
下に制限するなど、駆動電圧レベルよりも駆動電圧の変
化量を制御した方が都合がよい場合が多い。このような
理由から、図８に示すように、速度制御ループの速度偏
差εに応じてモータ７の電圧パルスのデューティーの変
化量、すなわち駆動電圧の変化量を制御する。つまり、
制御ブロック２８において、速度偏差εにゲインＧｖを
乗じてモータ７の駆動電圧Ｅの微分量ｓＥを算出する。
そして、制御ブロック２９で微分量ｓＥを積分してモー
タ７の実際の駆動電圧Ｅに変換する。

【００４１】図８に示す制御システムでは、モータ７の
駆動電圧の変化量を制御量としたため、速度制御ループ
が２次の遅れ系になる。さらにＣＰＵ４の制御では、撮
影レンズ１の速度検出に時間遅れをともなうため、図
７，８に示す制御システムにさらに遅れ要素が加わる。
これは、上述したように予定焦点面の位置Ｌ(t)を微分
して撮影レンズ１の速度を算出する際の微分の不完全性
にともなう問題であり、モータ７の機械的時定数Ｔｍに
比べてレンズ速度検出のためのサンプリング周期が充分
短ければ無視できるが、実際には精度のよい速度検出に
はある程度の時間を要するのでこのような問題は避けら
れない。このため、サンプリング周期によって速度制御
ループが不安定になった場合は、ゲインＧｖにさらにＰ
ＩＤ制御のような微分、積分効果を付加することで補償
することも考えられるが、この実施例では制御ブロック
２８は単なる増幅器とする。

【００４２】図９は、ＣＰＵ４で実行される制御プログ
ラムを示すフローチャートである。このフローチャート
により、実施例の動作を説明する。予め定められた時間
間隔ＴｓでＣＰＵ４のタイマ割り込みが発生し、ＣＰＵ
４はこの割り込みルーチンを実行する。まずステップＳ
１において、ＣＰＵ４に内蔵される計時用タイマから割
り込み受け付け時刻ｔを読み出し、割り込み時間間隔Ｔ
ｓを補正する。なお、充分に精度が確保できれば割り込
み時間間隔Ｔｓの補正の必要はない。続くステップＳ２
で、エンコーダ６からのモニタパルスをカウントするカ
ウンタから撮影レンズ１の予定焦点面の位置Ｌ(t)を読
み込み、Ｌ(k)とする。ここで、ｋは整数であり、図１
０に示すように時間軸を時間間隔Ｔｓで離散的に取り扱
うために導入した。次にステップＳ３で、割り込み受け
付け時刻ｔの被写体像面の予想位置Ｑ(k)を（１４）式
により算出し、さらにステップＳ４で、被写体像面の予
想位置Ｑ(k)および撮影レンズ１の予定焦点面の位置Ｌ
(t)によりデフォーカス量Ｄ(k)を算出する。 Ｄ(k)＝Ｑ(k)−Ｌ(k) ・・・（２１）

【００４３】次にステップＳ５において、上述した（１
９）式により割り込み受け付け時刻ｔにおける目標速度
Ｕ(k)を算出する。 Ｕ(k)＝Ｇｐ×｛Ｑ(k)−Ｌ(k)｝＋ｓ×Ｇｆ×Ｑ(k) ＝Ｇｐ×Ｄ(k)＋Ｇｆ×Ｓ(n) ・・・（２２） ここで、Ｓ(n)は（１），（２）式で算出される被写体
像面の移動速度である。ステップＳ６では、今回と前回
の撮影レンズ１の位置Ｌ(k)と時間間隔Ｔｓとに基づい
て、撮影レンズ１の移動速度Ｖ(k)を次式により算出す
る。 Ｖ(k)＝｛Ｌ(k)−Ｌ(kー1)｝／Ｔｓ ・・・（２３） ステップＳ７で、撮影レンズ１の目標速度Ｕ(k)と実際
の移動速度Ｖ(k)との速度偏差を求め、その速度偏差に
応じてモータ７に印加する駆動電圧の変動分ΔＥを決定
する。 ΔＥ＝Ｇｖ×｛Ｕ(k)−Ｖ(k)｝ ・・・（２４） さらにステップＳ８で、最終的にモータ７に印加する駆
動電圧Ｅ＋ΔＥを決定してドライバ５へ出力する。

【００４４】このように、撮影レンズ１の被写体像面の
予想位置Ｑ(t)を求め、この予想位置Ｑ(t)と予定焦点面
位置Ｌ(t)との位置偏差｛Ｑ(t)−Ｌ(t)｝に基づいて撮
影レンズ１の位置を制御するとともに、この位置制御出
力と実際の撮影レンズ１の移動速度との速度偏差εに基
づいて撮影レンズ１の移動速度を制御する。このような
基本的な制御システムの位置制御出力に被写体像面の移
動速度を加算して目標速度とし、撮影レンズ１の移動速
度を制御するようにしたので、測距結果に基づいてデフ
ォーカス量を算出するたびに、次回の測距開始直前また
は次回の測距終了後に行なっていたサーボリフレッシュ
を任意の時間間隔Ｔｓで行なうことができ、撮影レンズ
１をスムーズに駆動することができる。また、このよう
なフィードフォワード補償を行なうことにより、被写体
像面の予想位置Ｑに撮影レンズ１の予定焦点面Ｌを正確
に一致させることができ、さらに位置制御の応答性を改
善することができる。

【００４５】以上の実施例の構成において、ＡＦセンサ
２，インタフェース３およびマイクロコンピュータ４が
焦点検出手段を、エンコーダ６およびマイクロコンピュ
ータ４が移動量検出手段および位置検出手段を、マイク
ロコンピュータ４が像面速度算出手段，合焦位置算出手
段，位置制御手段および速度制御手段を、ドライバー５
が駆動手段をそれぞれ構成する。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、撮
影レンズの被写体像面と予定焦点面との距離、すなわち
デフォーカス量と撮影レンズの移動量とに基づいて撮影
レンズの被写体像面の移動速度を算出し、さらに算出さ
れた移動速度、デフォーカス量および撮影レンズの移動
量に基づいて被写体像面を予定焦点面に一致させる撮影
レンズの合焦位置を算出する。そして、撮影レンズの合
焦位置と現在位置との位置偏差に基づいて撮影レンズの
位置を制御するとともに、位置制御出力と被写体像面の
移動速度とに基づいて撮影レンズの移動速度を制御する
ようにしたので、撮影レンズをスムーズに移動すること
ができる上に、位置制御の精度および応答性を改善する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】クレーム対応図。

【図２】撮影レンズとその被写体像面との光軸上の距離
を示す図。

【図３】ＰＩＤ制御によりレンズ位置を制御する制御シ
ステムの制御ブロック図。

【図４】ＰＤ制御によりレンズ位置を制御する制御シス
テムの制御ブロック図。

【図５】ＰＩＤ制御によるレンズ位置の制御結果を示す
図。

【図６】ＰＤ制御によるレンズ位置の制御結果を示す
図。

【図７】一実施例の制御システムを示す制御ブロック
図。

【図８】他の実施例の制御システムを示す制御ブロック
図。

【図９】レンズ位置制御プログラムを示すフローチャー
ト。

【図１０】マイクロコンピュータによるレンズ位置制御
を説明する図。

【図１１】自動焦点調節装置の構成を示すブロック図。

【図１２】デフォーカス量を説明する図。

【図１３】オーバーラップ予測駆動を説明する図。

【図１４】撮影レンズの被写体像面位置および予定焦点
面位置の軌跡を示す図。

【図１５】撮影レンズの被写体像面位置および予定焦点
面位置の軌跡を示す図。

【符号の説明】

１，１００ 撮影レンズ ２ ＡＦセンサ ３ インタフェース ４ マイクロコンピュータ（ＣＰＵ） ５ ドライバー ６ エンコーダ ７ モータ １１，１５，２１，２４，２５ 加算器 １２，２２ 比例制御部 １３ 微分制御部 １４ 積分制御部 １６，１７，１８，２３，２６，２７，２８，２９ 制
御ブロック １０１ 焦点検出手段 １０２ 移動量検出手段 １０３ 像面速度算出手段 １０４ 合焦位置算出手段 １０５ 位置検出手段 １０６ 位置制御手段 １０７ 速度制御手段 １０８ 駆動手段

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の時間間隔で撮影レンズの被写体像
   面と予定焦点面との光軸上の距離を検出する焦点検出手
   段と、 前記撮影レンズの移動量を検出する移動量検出手段と、 前記焦点検出手段で検出された前記距離と前記移動量検
   出手段で検出された前記移動量とに基づいて、前記被写
   体像面の移動速度を算出する像面速度算出手段と、 前記焦点検出手段で検出された前記距離、前記移動量検
   出手段で検出された前記移動量、および前記像面速度算
   出手段で算出された前記移動速度とに基づいて、前記被
   写体像面を前記予定焦点面に一致させる前記撮影レンズ
   の合焦位置を算出する合焦位置算出手段と、 前記撮影レンズの現在位置を検出する位置検出手段と、 前記合焦位置算出手段で算出された前記合焦位置と前記
   位置検出手段で検出された前記現在位置との位置偏差に
   基づいて前記撮影レンズの位置を制御する位置制御手段
   と、 この位置制御手段の制御出力と前記像面速度算出手段で
   算出された前記被写体像面の前記移動速度とに基づい
   て、前記撮影レンズの移動速度を制御する速度制御手段
   と、 この速度制御手段の制御出力に従って前記撮影レンズを
   駆動する駆動手段とを備えることを特徴とする自動焦点
   調節装置。