JPH0570977B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はTVカメラにおける自動焦点整合装置
に関するものである。

従来例の構成とその問題点 近年TVカメラにおいては自動焦点機能が操作
性の向上という点で重要視されている。

従来技術として、撮像素子より得た映像信号を
バンドパスフイルタを通すことにより高周波成分
を検出し、この検出信号の例えば１フイールド又
は１フレーム内でのピーク値が最大になる様に、
レンズの焦点整合装置を駆動する方式がある。

まず従来技術について第１図を用いて説明す
る。１は焦点整合装置付レンズで、モータ１４で
この装置を駆動する。２は撮像素子、３は撮像素
子出力信号を増幅するプリアンプ、４は標準TV
信号に変換するプロセス回路、５は同期信号発生
器、６は撮像素子の走査用駆動回路、７は映像信
号の高周波成分を通過させるバンドパスフイルタ
（以下BPFと称す。）、８は前記BPF出力のうち、
TV受像機等に表示した時の合焦させる画面範囲
（以下画角と称す。）に相当する信号のみを通過さ
せるゲート回路、９は前記ゲート回路出力の１フ
イールド又は１フレーム期間内のピーク値を検出
する検波器、１１はフレーム周波数の１／Ｎ
（Ｎ：１以上の整数）の基準周波数を発生する基
準周波数発生回路、１０は９の検波器出力より前
記基準周波数成分を検出する基準周波数成分検出
回路、１２は回路１０により検出された基準周波
数成分を、回路１１により発生する基準周波数信
号で同期検波する同期検波回路、１３はモータ１
４を駆動するモータ駆動回路で、モータ１４を微
動させてレンズ１のフオーカスを周期的に微変化
させる（以下ウオブリングと称する）為の基準周
波数発生回路１１の出力信号と、同期検波回路１
２の出力信号とが入力される。

次に第２図を用いて、自動的な合焦動作につい
て説明する。第２図は距離Ｄ１の被写体に対する
焦合整合装置の焦点位置を合焦位置から近距離・
遠距離側に移した時の検波回路９の出力レベルを
表わしている。まず焦点位置がＤ１より近距離の
時、基準周波数によるウオブリングＡ１により、
検波出力からＡ２なる基準周波数成分が検出さ
れ、これを基準周波数で同期検波すると、Ａ３な
る正極性信号が得られる。この信号により焦点整
合装置の焦点位置は矢印Ａ４の方向に移動する。
次にＤ１より遠距離の時、ウオブリングＢ１によ
り、Ａ２と逆位相のＢ２なる基準周波数成分が検
出され、同期検波によりＢ３なる負極性信号が得
られる。これはＡ３と逆極性であるので焦点位置
は矢印Ｂ４の方向に移動する。つまり遠・近どち
らの場合も合焦位置の方向に移動し、合焦点では
基準周波数成分はなくなるので移動を停止し、合
焦点にて安定する。この様にレンズ系も含めた閉
ループを構成出来るので、高い合焦精度が得られ
る。

次に第１図の構成をより実用的にした従来技術
について第３図、第４図に従つて説明する。第３
図ａ，ｂはその動作概要を示したもので、ａは合
焦位置を中心としたレンズ位置に対する映像信号
中の高域周波数成分（例えば0.5〜2MHz）、中域
周波数成分（例えば50〜500KHz）の検波出力レ
ベル（各々S1、S2と記す）を示し、ｂは概略の
動作フローチヤートを示している。

高域検波出力S1を用いて閉ループを構成する
と高い合焦精度が得られるが、合焦引込範囲は狭
く、特にレンズ絞りが開放の様に被写界深度が浅
い場合は極端に狭い。一方中域検波出力S2を用
いると合焦引込範囲は広いが制御感度は低い。そ
こで高域検波出力レベルS1が規定レベルV_ref1以
上の時S1を用いた閉ループを構成し（以下これ
を閉ループモードと称す。）、S1＜V_ref1で、中域
検波レベルS2が規定レベルV_ref2以上の時はS2か
ら得られる基準周波数成分を原基準周波数信号と
位相比較し、この比較出力の平均値の正負２値判
別により合焦方向を判別してオープンループで合
焦方向に向かつてレンズを高速に移動させ（以下
これを方向判別モードと称す。）S1、S2共に規定
レベル未満の時は単に遠距離側又は近距離側にレ
ンズを移動させる（以下これをサーチモードと称
す）３種類のモードを設け、検波出力レベルS1、
S2に応じて各モード間を遷移させる方法がとら
れている。

第４図はその構成を示したもので、図中第１図
と同一要素は同一番号を付しており、また１７〜
２２は７〜１２と同一対応の要素である（但し、
７は高域周波数成分用BPF、１７は中域周波数
成分用BPFを示す。）２３は同期検波出力を平均
化する積分回路、２４は積分値の正負極性を
「１」「０」に２値化する２値化回路、２５はマイ
クロコンピユータ等を用いたコントローラ、２６
はADコンバータ、２７は次のフレーム期間まで
ホールドされている高域側検波回路９と中域側検
波回路１９の出力（各々S1、S2に対応）をホー
ルド期間に順次ADコンバータ２６に入力する為
のアナログスイツチ、２８はモータ駆動回路１３
の入力を、閉ループモードでレンズ駆動するため
の同期検波回路１２の出力、方向判別モード又は
サーチモードで高速にレンズ駆動する為の正電圧
＋V_M、負電圧−V_M、そして停止させる為のグラ
ンド電圧Ｇのいずれかに切換えるアナログスイツ
チであり、２７，２８のアナログスイツチの切換
えはコントローラ２５により制御される。またコ
ントローラ２５には現在のレンズ位置が近距離・
遠距離にあるかを示すレンズ位置データ２９が入
力される。

次に動作を簡単に説明する。高域・中域の検波
出力S1、S2は常時アナログスイツチ２７、ADコ
ンバータ２６を介してコントローラ２５で読込ま
れており、 (1) 高域検波出力S1が設定されたレベルV_ref以上
の時、アナログスイツチ２８は同期検波回路１
２の出力に切換えられ閉ループモードとなる。

(2) S1＜V_refで中域検波出力S2が設定されたレ
ベルV_ref2以上の時、同期検波回路２２、積分
回路２３、２値化回路２４を経てコントローラ
２５に合焦方向データが読込まれ、このデータ
に従つてアナログスイツチ２８を＋V_M側か−
V_M側に切換え高速にレンズを移動させる（方
向判別モード）。レンズ移動に伴つてS1V_ref1
となれば閉ループモードに遷移する。

(3) S1＜V_ref1がS2＜V_ref2の時はアナログスイツ
チ２８を＋V_M側又は−V_M側に切換えてレンズ
を近距離側又は遠距離側に移動させる。（サー
チモード）S1V_refまたはS2V_ref2になれば
閉ループモード、方向判別モードに遷移する。
サーチモードではレンズ端に達した時点で移動
方向を反転させたり、レンズ端をＮ回以上往復
した時はノーコントラストと見なして停止（ア
ナログスイツチ２８をＧに切換える）させる機
能などを有している。

上記(1)、(2)、(3)の動作を、コントローラ２５か
ら見た制御機能動作として表わすと、第５図に示
す制御機能ブロツク図の様になる。図において１
００はコントローラ２５の中心を成す論理制御
部、１０１は合焦方向データから移動方向を判別
する方向判別・ホールド機能、１０２，１０３は
各々中域・高域検波出力が規定レベル以上か否か
を判別するレベル判別機能、１０４はサーチモー
ド時にレンズ端に達したか否かを検出するサーチ
時レンズ端検出機能、１０５はレンズ端に達した
回数をカウントするレンズ端回数カウント機能、
１０６〜１０９は３種類の駆動状態が選択される
事を機能ブロツク的に表わしており、１０６は単
にレンズを移動せしめるサーチ駆動手段、１０７
は方向判別に基づいてレンズを移動せしめる方向
判別駆動手段、１０８は帰還ループを構成すべく
同期検波出力を用いてレンズを駆動する閉ループ
駆動手段、１０９は１０６〜１０８のいずれかを
選択するセレクターを示す。

次に前記(1)、(2)及び(3)の各モードに対応して簡
単に説明を加わえると、 (1) 高域検波出力レベル判別機能１０３により規
定レベル以上と判別されると論理制御部１００
は閉ループ駆動手段１０８が選択される様にセ
レクタ１０９を制御する（閉ループモード） (2) 高域検波出力がレベル判別機能１０３により
規定レベル未満と判別され、中域検波出力がレ
ベル判別機能１０２により規定レベル以上と判
別された時は方向判別・ホールド機能１０１に
よりレンズ移動方向が判別ホールドされ、論理
制御部１００は判別ホールドされたデータに基
づいて駆動方向信号２を方向判別駆動手段１０
７に供給し、かつ前記手段１０７が選択される
様にセレクタ１０９を制御する。（方向判別モ
ード） (3) 高域・中域検波出力がレベル判別機能１０
２，１０３により双方共に規定レベル未満と判
別された時、論理制御部１００は正逆いずれか
の方向の駆動方向信号１をサーチ駆動手段１０
６に供給し、かつ前記手段１０６が選択される
様にセレクタ１０９を制御する（サーチモー
ド）またこのサーチモードの時、レンズ端検出
機能１０４がレンズ端に達した事を検出する
と、論理制御部１００は駆動方向信号１を切換
えサーチ駆動手段１０６の駆動方向を反転させ
たり、またレンズ端回数カウント機能１０５に
より設定回数以上レンズ端を検出した時には、
ノーコントラストと見なし制御部１００は駆動
方向信号１を切換えサーチ駆動手段１０６の駆
動を停止させる等の動作をも行う。

この様な構成により被写界深度の浅い場合でも
レンズ全範囲に渡る合焦動作を可能としている
が、レンズ絞り値が大きい様な被写界深度が深い
場合、この方法のままでは閉ループモードに入つ
てから合焦するまでの時間が長くなる為TVカメ
ラのオートフオーカスに要求される「風格」が損
なわれると言う欠点を生じる。

今同一被写体を照度を変えてレンズ絞りを開放
状態からかなり絞つた状態までに変化させた場
合、レンズ位置に対する高域周波数成分の検波出
力レベルは第６図の様になる。S1aが絞りが開放
時、S1bが高絞り時の検波レベルを示している。
レンズ絞りが開放時は閉ループ範囲は狭いのでル
ープ応答速度が多少遅くとも合焦点に達するまで
の時間は短く、従つて風格を損ねることはない
が、高絞り時にはループ範囲が広がるのでループ
ゲインが同一としても合焦点に達するまでの時間
が長くなり風格を損ねる。しかも高絞り時には傾
斜がゆるやかになる分だけ同一レンズウオブリン
グ量に対して得られる基準周波数成分の量は減少
するため、ループゲインは低下してますます合焦
点までの時間が長くなりさらに風格が悪化する。

これを防止する方法としてはループゲインを増
大させて応答速度を上げる事が考えられるが、単
なるゲインの増大は閉ループの安定性を劣化さ
せ、合焦時のハンチング現象やノイズによる誤動
作の原因となる。

またレンズウオブリング量を増大する事は、仮
にレンズ絞りがF1.4からF11になつた時、同一の
ループゲインを得るのにすら８倍のウオブリング
量が必要であり、この事はウオブリング機構の寿
命や消費電力を考えると同一のループゲインを得
るのですら難しい。

従つて高絞り時には低絞り時とは異つた方法が
必要となる。

発明の目的 本発明は前記のレンズ高絞り時における合焦点
到達までの時間を縮少し、TVカメラ用として高
絞り時に実用的な自動焦点整合装置を提供する事
にある。

発明の構成 本発明はレンズ絞り値があらかじめ設定したレ
ベル以上の時は、 サーチモード、又は方向判別モード時からは
高域検波レベルS1b（第６図）が現定レベル
V_ref1以上でもすぐ閉ループモードに遷移せず、
高域検波レベルS1bが最大となり減少し始めた
時点で閉ループモードに遷移する。

閉ループモードでは１フレーム間、２フレー
ム間等の単位期間毎に高域検波レベルS1bをモ
ニターし、このレベルが大きく変化した時は前
記S1bが規定レベルV_ref1以上であつても方向判
別モードに遷移する。

ことを基本動作とする自動焦点整合装置である。
すなわち、一種の山登り方式であるが、通常の山
登り方式のオートフオーカスと大きく異なる点
は、 通常の山登り方式では一度レンズを移動させ
ない限り合焦方向は判別出来ず、最初の移動方
向が合焦方向の確率は50％なのに対して、本発
明は方向判別モードに遷移するので常に合焦方
向へレンズ移動を始める。

通常の山登り方式ではピーク点を通過後ピー
ク点位置までレンズ位置を戻し、その位置でレ
ンズを停止させるのに対し、本方式はピーク点
通過直後に閉ループモードに遷移するので自動
的に合焦する。従つて被写体のゆつくりした移
動などは山登り動作を伴なわずに追従してゆ
く。

通常の山登り方式ではレンズ絞りが開放時に
も山登り動作を行う為非常に見苦しいが、本発
明ではレンズ絞りが高絞り時のみ、つまり被写
界深度の深い時にのみ山登り動作を行い、しか
も前記、の様な利点を有している為、見苦
しさは殆んど感じない。

と言つた点にある。

実施例の説明 第７図は本発明の一実施例を示したもので従来
例第４図と同一要素については同一番号を附して
いる。従来例第４図と異なる点はレンズ絞りデー
タ３０がコントローラ２５に入力される事と、コ
ントローラ２５の制御機能動作が異なる事である
ので、従来例第５図と同様にコントローラ２５か
ら見た制御機能ブロツク図を第８図に示す。第８
図において１００〜１０９は従来例第５図と同一
要素であり同一番号を附している。１１０はレン
ズ絞り状態を表すレンズ絞りデータ、１１１は絞
りデータから設定された絞り値以上の高絞り状態
にあるか否かを判別する高絞り判別機能、１１２
は高絞り時に高域検波出力レベルのピーク点を検
出するピーク通過検出機能、１１３は前記ピーク
点を検出する時にレンズ端に達したか否かを判別
するピークサーチ時レンズ端検出機能、１１４は
高絞り時に閉ループモードにある場合、単位時間
毎の高域検波出力レベルをモニタし、大きなレベ
ル変化の有無を検出するレベル変化検出機能を示
す。次に動作を説明すると、今レンズ絞りデータ
１１０が設定値より小で高絞り判別機能１１１が
高絞り状態にないと判別した時、１１２〜１１４
の機能は動作せず全体の制御動作は第５図従来例
と同一の動作を行う。またレンズ絞りデータ１１
０が設定値以上で高絞り判別機能１１１が高絞り
状態と判別しても、高域検波出力レベルがレベル
判別機能１０３により規定レベル未満と判別され
ている間は１１２〜１１４の機能は動作せず、サ
ーチ及び方向判別動作は第５図従来例と同一のサ
ーチモード・方向判別モードに遷移する。従来例
と異なる制御動作は高絞り判別機能１１１が高絞
り状態と判別し、かつ高域検波レベル判別機能１
０３が規定レベル以上と判別した時に作動する。
まず、 サーチ駆動手段１０６又は方向判別駆動手段
がセレクトされている時、つまり通前のモード
がサーチ又は方向判別モードの時はすぐに閉ル
ープ駆動手段１０８をセレクトせず、ピーク通
過検出機能１１２により高域検波出力レベルが
最大となつて減少した時点で閉ループ駆動手段
１０８をセレクトし閉ループモードに遷移させ
る。また同時にピークサーチ時レンズ端検出機
能１１３にをも動作させレンズ端に達した事を
検出すれば、優先的に閉ループ駆動手段１０８
をセレクトし閉ループモードに遷移させる。

既に閉ループ駆動手段１０８がセレクトされ
ており、つまり閉ループモードにある時は、レ
ベル変化検出機能１１４により高域検波出力に
大きなレベル変化がないかどうかを検出し、大
きなレベル変化を検出した時は強制的に方向判
別モードに遷移させる。つまり方向判別・ホー
ルド機能１０１により合焦方向を判別し、これ
に応じて駆動方向信号２を方向判別駆動手段１
０７に供給すると共に前記手段１０７をセレク
トする。そして前記の動作を開始する。

次にコントローラ２５をマイクロコンピユータ
等を用いて構成した場合の動作機能をフローチヤ
ートとして第９図に示す。

なお本実施例では高域・中域周波数成分の検波
は１フレーム毎に行つているものとする。

まずサーチモード又は方向判別モードではレン
ズ移動開始後１フレーム毎に高域検波出力S1が
読込まれ、S1が規定レベルV_ref1以上の時「レン
ズ絞り検出」に一度ジヤンプする。「レンズ絞り
検出」ではレンズ絞り値があらかじめ設定したレ
ベル（本実施例ではＦ１１とする。）より大か小
かを判別し、小ならば低絞り時としてすぐ閉ルー
プモードにジヤンプする。絞り値が大ならば、そ
の時の高域検波レベルをストアし、以後１フレー
ム毎に高域検波出力S1を読込んでストアされた
データV_Pとの比較を行ない、読込みデータS1が
ストアデータV_Pより大の時はS1を現在までのピ
ークデータとしてストアデータV_Pとする。S1が
V_Pより小さい時は、高域検波出力が最大となる
点、つまり合焦点を通過した時であるから閉ルー
プモードにジヤンプする。また遠方の被写体など
レンズ移動範囲外に高域検波レベルのピークがあ
る様な時はピーク点を検出できないので、レンズ
の合焦位置がレンズ端に達した事を検出した時は
閉ループモードにジヤンプする。なお閉ループモ
ードにジヤンプするまでレンズの駆動状態は方向
判別モード又はサーチモードでセツトされた状態
（＋V_M又は−V_M）を保つておりレンズの移動速
度は高速である。

次に閉ループモードで、高絞り時（Ｆ２１１）
には２フレーム毎に高域検波出力S1を読み込み、
２フレーム前のレベルデータS0との比較を行う。
現データS1が前データS0に対して±ｋ％（ｋ＝
10〜50：ここでは20％とする）の範囲外の時は大
きな変化があつたと見なして方向判別モードにジ
ヤンプし、±ｋ％以内ならば現データS1をストア
してS0とし、２フレーム毎のレベル変化を検出
しながら閉ループモードの状態を保つ。

なお本発明はレンズウオブリング法による焦点
変調方式に限定されるものではなく、例えば特願
昭57−72109号に記載されている様な光路長可変
素子を用いる方式や或いは撮像素子自体ウオブリ
ングさせて焦点変調する方式などにも適用出来る
ことは言うまでもない。

発明の効果 以上の様に本発明によれば、レンズが高絞り時
のみ高域検波レベルの最大値を検出して閉ループ
モードに遷移するので低絞り時の動作に悪影響を
与えず、また最終的には閉ループモードとなるの
で被写体のゆつくりした動きなどには合焦ループ
として追従してゆくという利点を有する。さらに
高域周波数成分の帯域を１〜2MHzにすれば、高
域検波出力のピーク値から−10％程度内のレンズ
位置範囲では人間の眼には焦点がずれたとは殆ん
ど検知出来ないので、一度ピーク点を通過する事
による不自然さは感じられず、合焦又は合焦と見
なせる点までの時間が短くなつた分だけ高絞り時
における合焦動作の風格が改善されると言う結果
をもたらす。しかもハードウエア的には若干の追
加要素のみで、主としてソフトウエア的手段の追
加のみで実現出来る為コストアツプを少くする事
が出来る等本発明による効果は大なるものがあ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の自動焦点機能の構成を示すブロ
ツク図、第２図は第１図における動作説明図、第
３図ａ，ｂは第１図における動作説明図、第４図
は他の従来の自動焦点機能の構成を示すブロツク
図、第５図は第４図の制御機能を示すブロツク
図、第６図はレンズ絞りが開放時と高絞り時のレ
ンズ位置に対する高域検波レベルの特性図、第７
図は本発明の自動焦点整合装置の一実施例の構成
を示すブロツク図、第８図は同実施例における制
御機能を示すブロツク図、第９図は同実施例にお
ける動作フローチヤートである。 １……撮像レンズ、２……撮像素子、７……高
域用バンドパスフイルタ、１７……中域用バンド
パスフイルタ、１２，２２……同期検波回路、２
７，２８……アナログスイツチ、２５……コント
ローラ、２６……ADコンバータ、１４……フオ
カス用モータ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 撮像素子受光面の結像状態を基準周波数で周
   期的に微変化させる手段と、前記撮像素子出力映
   像信号中の高域周波数成分を検出する手段と、前
   記高域周波数成分を検波した信号に含まれる基準
   周波数成分と原基準周波数信号を同期検波する手
   段と、前記同期検波出力によりフオーカスモータ
   を駆動する閉ループ駆動手段と、前記映像信号中
   の中域周波数成分を検出する手段と、前記中域周
   波数成分を検波した信号に含まれる基準周波数成
   分と原基準周波数信号とを同期検波する手段と、
   前記同期検波出力の平均値から合焦方向を判別し
   前記フオーカスモータを駆動する方向判別駆動手
   段と、単にレンズを近距離側、遠距離側に移動す
   るよう前記フオーカスモータを駆動するサーチ駆
   動手段を有し、レンズ絞り値が規定しレベル以上
   でかつ方向判別又はサーチ駆動手段で動作してい
   る時、レンズの焦点整合装置の移動に対して前記
   高域周波数成分のレベルが最大点を通過し減少し
   始めた時点付近で前記閉ループ駆動手段で動作せ
   しめる事を特徴とする自動焦点整合装置。 ２ レンズ移動開始後の高域周波数成分のレベル
   をピークホールドし、前記高域周波数成分のレベ
   ルが前記ピークホールド値未満となつた時閉ルー
   プ駆動手段で動作せしめる事を特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の自動焦点整合装置。 ３ レンズ移動方向に対するレンズ端に達し、か
   つ高域周波数成分のレベルが規定レベル以上の
   時、閉ループ駆動手段で動作せしめることを特徴
   とする特許請求の範囲第２項記載の自動焦点整合
   装置。 ４ レンズ絞り値が規定レベル以上で、閉ループ
   駆動手段動作の時、Ｎフレーム期間（Ｎ：１以上
   の整数）毎に高域周波数成分のレベルを検出して
   これをＮフレーム前の高域周波数成分のレベルと
   比較し、その比率があらかじめ設定した値の範囲
   外の時、方向判別駆動手段で動作せしめることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の自動焦点
   整合装置。