JPH0614246A

JPH0614246A - 自動焦点合わせ装置

Info

Publication number: JPH0614246A
Application number: JP5023946A
Authority: JP
Inventors: Kentaro Hanma; 謙太郎半間; Kaoru Yanagawa; 薫柳川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-02-12
Filing date: 1993-02-12
Publication date: 1994-01-21
Anticipated expiration: 2010-08-02
Also published as: JPH0773341B2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は合焦時に目立った撮映画像の大きさの
振動を生じることのない自動焦点合わせ装置を提供する
ことにある。【構成】自動合焦用フィードバックループにより一旦合
焦状態が得られると、フィードバックループを開放して
自動合焦作用を禁止し、何等かの原因で合焦状態がずれ
ると開放されたフィードバックループを閉じ、自動合焦
作用を再開させる。【効果】合焦後は被写体の移動やカメラの移動などによ
り再び合焦動作を行なう必要が生じるまではヘリコイド
を完全に停止させることができるので、従来の山登り方
式に存在したヘリコイドの振動による撮映画角の振動の
ない良好な画像が撮映できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はビデオカメラの自動焦点
合わせ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ビデオカメラの自動焦点合わせ装
置として、映像信号中の高周波成分によって画面の精細
度を検出し、精細度が最大となるようにレンズの焦点合
わせリング（以後ヘリコイドと表わす）を回転制御する
いわゆる山登り制御が知られている。この方式はＮＨＫ
技術研究報告昭４０．第１７巻，第１号通巻第８６号２
１ページに石田他著「山登りサーボ方式によるテレビカ
メラの自動焦点調整」として詳細に述べられているが、
以下この方式を図１、図２を用いて簡単に説明する。

【０００３】図１は山登り方式による自動焦点合わせ装
置（以後ＡＦ装置と表わす）の構成を示すブロック図で
ある。１はレンズシステム、２はカメラ回路、３は映像
信号の出力端子、４はハイパスフィルタ、５は検波器、
６は差分ホールド回路、７はモータ駆動回路、８はレン
ズシステム１のヘリコイドを回転するためのモータであ
る。

【０００４】以下図１の構成の動作を図２の特性図を用
いて説明する。

【０００５】被写体（図示せず）からレンズシステム１
に入射された光情報は、カメラ回路２で電気信号に変換
され、端子３に映像信号として出力される。映像信号の
高周波成分だけがハイパスフィルタ４で抽出され、検波
器５で検波された後、端子５１にあらわれる。映像信号
の高域成分に対応する電圧（以後焦点電圧と表わす）
は、撮映像の精細度に対応しているので、図２に示すよ
うに端子５１にあらわれる焦点電圧は、レンズシステム
１のヘリコイド位置（Ａとする）が被写体までの距離に
合致していれば最大となり、レンズシステム１のヘリコ
イド位置が上記位置Ａからずれるに従って低下する。何
らかの手段によりヘリコイド位置が制御され、端子５１
に供給される焦点電圧が最大となるようにヘリコイド位
置が制御されれば自動的に焦点合わせが行なわれること
になる。差分ホールド回路６は図２に示すように端子５
１にあらわれる焦点電圧を一定時間毎にサンプルホール
ドし、焦点電圧が時間経過に対して増加方向であれば正
の電圧を、焦点電圧が時間経過に対して減少方向であれ
ば負の電圧を発生する回路であり、モータ駆動回路７は
端子６１にあらわれる差分ホールド回路６の出力電圧が
正であれば、モータ８を例えば正転してヘリコイド位置
を順方向へと移動し、同出力電圧が負であればモータ８
を逆転してヘリコイド位置を逆方向へと移動する。

【０００６】図２に示される差分ホールド回路６の出力
電圧はヘリコイドを至近から無限大方向に回転した場合
を示したが、ヘリコイドを無限大から至近方向へと回転
した場合も同様であることは容易に理解される。

【０００７】このようにすれば、モータ８のヘリコイド
位置を制御する制御システムは、山のぼり回路９の焦点
電圧により作られる山を差分ホールド回路６の出力電圧
により登ってゆき、ついにはこの山の頂上で小きざみに
振動しながら定常状態に達することにより自動的に焦点
合わせをすることになる。

【０００８】以上が山登り方式によるビデオカメラの自
動焦点合わせ装置である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記した装置は自動焦
点合わせ装置としての性能は充分であるが、以下に述べ
る欠点を有する。

【００１０】第１の欠点は、レンズシステム１の有する
特性上のものであり、現在主に用いられている前玉回転
式の焦点合わせ機構を有するレンズシステム、すなわ
ち、被写体に近い位置に配置された対物レンズの位置を
移動して焦点合わせをするシステムでは、焦点合わせの
ためにヘリコイド位置を移動すると、レンズシステム１
の合焦距離と共に、レンズシステム１の焦点距離そのも
のが若干変化してしまう。すなわち、山登り方式は焦点
信号の増加、減少をフィードバックすることにより山の
頂上に振動しながら留まる方式であるから、合焦中にも
ヘリコイド位置は山の頂上を重心として振動しており、
レンズシステム１の焦点距離も前述の理由により若干で
はあるが振動している。レンズシステム１の焦点距離の
変化は、そのままレンズシステム１の撮映の画角、すな
わち撮映像の倍率の変化を意味するから、山登り方式の
自動焦点合わせ装置で撮映された画像は、常にその画像
の大きさが振動していることになる。この画像の大きさ
の振動は、たとえば絞り値が小さく、かつズーム倍率が
高いなどのようにレンズシステム１の被写界深度が浅い
場合の撮映では、焦点信号による山の傾斜が急しゅんな
ので振動の振幅も小さく、ほとんど気にならないが、レ
ンズシステム１の絞り値が大きくかつズーム倍率が低い
場合などのように被写界深度が深い場合には焦点信号に
よる山の傾斜が非常にブロードとなるため、ヘリコイド
の振動の振幅は大きくなり、撮映像の大きさがヘリコイ
ド位置の振動に合わせて数パーセント以上も変化するこ
とになる。

【００１１】第２の欠点は、上記した第１の欠点ほど致
命的ではないが、消費電力が大であることである。すな
わち、この方式は、常にヘリコイドが回転している必要
があるので、ヘリコイドを駆動するためのモータ８が常
に電力を消費しており、ポータブル形のビデオカメラな
ど電力供給が問題となるカメラの場合では大きな欠点と
なる。

【００１２】本発明の目的は上記した従来の欠点をなく
し、合焦時に目立った撮映画像の大きさの振動を生じる
ことのない自動焦点合わせ装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明ではレンズの絞り
値、焦点距離（ズーム倍率）を用いてレンズのその時点
における被写界深度を計算し、その被写界深度を考慮し
て至近距離から無限遠までをカバーしうるヘリコイドの
停止位置（以後これをハーケンポイントと呼ぶ）を計算
し、これらの停止位置のうちどの停止位置が合焦位置で
あるかを探すためにだけ山のぼり方式を使用し、一たん
合焦をしてしまえば山のぼりの閉ループを開放すると同
時にヘリコイドを山の頂上に最も近いあらかじめ定めら
れた位置（ハーケンポイント）で停止させる。そして、
何等かの原因により合焦状態から外れた状態になった際
には再び山のぼりの閉ループを閉じ、山のぼり方式の合
焦機能を再開させる。

【００１４】

【作用】これにより合焦状態時における不要な振動現象
を防止するとともに撮影状態が変化してレンズの絞り値
や焦点距離の調整が必要となった場合には再び自動合焦
機能が働くようにした。

【００１５】

【実施例】以下図３、図４を参照して本発明の一実施例
を詳細に説明する。

【００１６】図３は本発明による自動焦点合わせ装置の
一実施例の構成を示すブロック図である。

【００１７】１，２，８，９，５１，６１はそれぞれ図
１を用いて説明した従来の自動焦点合わせ回路に用いた
と同じレンズシステム、カメラ回路、モータ、山のぼり
回路、焦点電圧が出力される端子、差分ホールド回路の
出力電圧が出力される端子である。１１〜１４は、それ
ぞれ焦点電圧、レンズシステム１の焦点距離の情報、レ
ンズシステム１の焦点距離の情報、レンズシステム１の
絞り値の情報、レンズシステム１のヘリコイド位置の情
報をディジタル値に変換するためのＡ／Ｄ変換器であ
る。１５はハーケンポイント計算回路、１６はハーケン
ポイントメモリ、１７，１９，２１，２３は比較回路、
１８は停止ハーケンポイントメモリ、２０はハーケンポ
イント数メモリ、２２は焦点電圧メモリ、２４，２５は
和回路、２６はカウンタ、２７は第１ヘリコイド位置メ
モリ、２８は第２ヘリコイド位置メモリ、２９は平均値
回路、３０はモータ駆動回路、３１は電子スイッチであ
る。なおモータ駆動回路３０はＣ側の入力線に信号が加
われば図１中の従来のモータ駆動回路７と同一の動作を
するが、Ｄ側の入力線に信号が加わればモータ８を停止
する機能を有する。

【００１８】本発明における自動焦点合わせ動作を説明
する前にハーケンポイントにつき説明する。

【００１９】ハーケンポイントはレンズシステム１のそ
の時点の被写界深度を考慮して至近距離から無限遠（以
後∞と表わす）までをカバーしうるあらかじめ定められ
たヘリコイドの停止位置であり、下記〔数１〕により計
算できる。

【００２０】

【数１】

【００２１】但し、ｉは正の整数…〔数１〕、ここにＲ
ｉは無限遠∞側から数えてｉ番目のハーケンポイント、
ρは撮映像の許容錯乱円直径、ｆはレンズ１の焦点距
離、Ｆはレンズ１の絞り値である。

【００２２】また、必要とされるハーケンポイントの数
Ｎはレンズ１の撮映可能至近距離をＲminとすると、Ｎ
番目のハーケンポイントがＲminと等しいか又は小さく
なるべきだから下記〔数２〕により計算できる。

【００２３】

【数２】

【００２４】たとえば、レンズ１として焦点距離ｆ＝５
０mm、絞り値Ｆ＝１.８、至近距離Ｒmin＝１ｍを用い、
許容錯乱円の直径をρ＝４０μmとしたとき、〔数２〕
よりハーケンポイント数Ｎは１８で、かつ〔数１〕より
各ハーケンポイントの位置ＲｉはＲ₁＝３４.７２ｍ、Ｒ
₂＝１１.５７ｍ、Ｒ₃＝６.９４ｍ、………Ｒ₁₈＝０.９
９ｍである。すなわち、この場合被写体がいかなる距離
にあってもヘリコイドの位置をハーケンポイントＲ₁〜
Ｒ₁₈のうちの最適な１つに選べば所定のピントの合った
撮映が可能である。以上がハーケンポイントの説明であ
る。

【００２５】本発明では、従来の山のぼり方式が最適な
ハーケンポイントを発見するために用いられる。以下そ
の動作を説明する。

【００２６】レンズシステム１の絞り値Ｆの情報と焦点
距離ｆの情報はそれぞれＡ／Ｄ変換器１１，１２でＡ／
Ｄ変換されてディジタル符号となり、共にハーケンポイ
ント計算回路１５に入力される。ハーケンポイント計算
回路１５は前述の〔数１〕、〔数２〕にもとづいてハー
ケンポイント数Ｎとハーケンポイント位置Ｒ1〜ＲNを計
算し、ハーケンポイント数をハーケンポイント数メモリ
２０に格納し、各ハーケンポイント位置をハーケンポイ
ントメモリ１６に格納する。

【００２７】以下図３の構成の動作を次の３段階に分け
て説明する。

【００２８】（第１段階）レンズシステム１のヘリコイ
ドが停止すべきハーケンポイント位置を求める。

【００２９】（第２段階）第１段階で求めたハーケンポ
イント位置へとヘリコイドを制御し、停止する。

【００３０】（第３段階）改めて合焦動作をする必要の
有無を検出し、再び合焦動作を開始する。

【００３１】まず第１段階につき説明する。第１段階は
以下２小段階に分けられる。

【００３２】（第１．１段階）レンズシステム１の焦
点距離ｆ、絞り値Ｆから前記〔数１〕、〔数２〕により
ハーケンポイント数と各ハーケンポイント位置を計算
し、記憶する。

【００３３】（第１．２段階）従来とほぼ同様の山の
ぼり方式により合焦ヘリコイド位置を求め、次いで最適
なハーケンポイント位置を求める。

【００３４】第１．１段階において、レンズ１の焦点距
離ｆの情報と絞り値Ｆの情報はそれぞれＡ／Ｄ変換器１
１，１２でディジタル値に変換され、ハーケンポイント
計算回路１５に入力される。ハーケンポイント計算回路
１５は前記〔数１〕、〔数２〕によりハーケンポイント
数と各ハーケンポイント位置Ｒ₁〜Ｒnを計算し、それぞ
れハーケンポイント数メモリ２０、及びハーケンポイン
トメモリ１６に記憶する。

【００３５】第１．２段階では電子スイッチ３１がＡ側
となっているので、図１を用いて説明した従来の山のぼ
り方式とほぼ同一の動作で合焦動作が行なわれるが、モ
ータ８の逆転後（最大３回）は電子スイッチ３１がＢ側
となり山のぼりループが開放される点が異なる。

【００３６】この動作を図４を参照して説明する。同図
（ａ）は焦点電圧の山を示し、ヘリコイドの動作開始点
がｈ₁、新しいヘリコイドの位置がｈ₂である。この状態
はたとえば位置ｈ₁にあったヘリコイドが位置ｈ₂まで動
いた場合に生じる。さて、山のぼり動作の開始時、モー
タ８が図４（ｂ）に示すように山を登る方向にヘリコイ
ドを動かしはじめた場合、ヘリコイド位置のたどる軌跡
はそのまま山を登って、一旦合焦点位置ｈ₂に達し、位
置ｈ₂を通り過ぎ端子６１の出力信号の反転により合焦
点位置ｈ₂を少し行きすぎた位置ｈ₃から逆方向へ移動
し、再び合焦点位置ｈ₂を通りすぎてもう一度位置ｈ₄で
逆方向へ移動する。山登りループをこのまま閉じておけ
ば、従来例のごとくヘリコイドは位置ｈ₃とｈ₄の間を振
動しつづけるわけである。しかし、ヘリコイド位置が合
焦点位置ｈ₂付近に達したことは前記２回の逆転を検出
することにより知られる。従って、図３の構成では端子
６１の出力信号である逆転信号をカウンタ２６が計算
し、それぞれ第１回目の逆転時のヘリコイド位置ｈ₃の
情報を第１ヘリコイド位置メモリ２７に、第２回目の逆
転時のヘリコイド位置ｈ₄の情報を第２ヘリコイド位置
メモリ２８に格納し、第２回目の逆転と同時に和回路２
５を介して電子スイッチ３１をＢ側とし山登りループを
開放する。

【００３７】また、山のぼり動作の開始時にモータ８が
図４（ｃ）に示すように山を下りる方向にヘリコイドを
動かしはじめた場合は、合焦点位置ｈ₂に至るまでにヘ
リコイド軌跡は同図（ｂ）の軌跡と重なるまでに位置ｈ
₁から位置ｈ₅位置ｈ₂方向へとモータ８が一度逆転をす
る必要がある。この場合は判定回路３２が、山のぼり動
作の開始時に端子６１の出力電圧が低下し、山を下りて
いることを知って、第１回目の反転後にカウンタ２６の
内容をリセットして、第２、第３回目の逆転にそなえる
ため、図４（ｃ）の場合も、図４（ｂ）の場合と同様に
第２回、第３回の逆転によりヘリコイド位置が合焦位置
ｈ₂の付近に達したことが検出され、山登りループが開
放される。

【００３８】さて、カウンタ２６の内容が値２となって
山登りループが開放されると同時に、ハーケンポイント
メモリ１６の内容は、順次比較回路１７に入力されて、
第１ヘリコイド位置メモリ２７、および第２ヘリコイド
位置メモリ２８の内容を平均値回路２９で平均した値と
比較され、この平均値に最も近いハーケンポイントメモ
リ１６の内容が停止ハーケンポイントメモリ１８に記憶
される。

【００３９】次に比較回路１９は、電子スイッチ３１の
Ｂ側、モータ駆動回路３０、モータ８を介してレンズシ
ステム１のヘリコイド位置を制御し、入力する停止ハー
ケンポイントメモリ１８の内容とＡ／Ｄ変換器１４の出
力であるレンズシステム１のヘリコイド位置の情報を一
致させ、両者が一致すると、Ｄ側の入力線によりモータ
駆動回路３０に信号を供給し、第２段階を終了する。

【００４０】次に、第３段階である被写体とカメラ間の
距離が変わったり、レンズシステム１の絞り値Ｆ焦点距
離ｆが変化することにより再び合焦をし直す必要が生じ
た場合につき述べる。

【００４１】レンズシステム１の絞り値Ｆや焦点距離ｆ
が変化した場合には、比較回路２１に入力されるハーケ
ンポイント数メモリ２０の内容と、ハーケンポイント計
算回路１５から入力する新しいハーケンポイント数が同
一であれば合焦動作をし直す必要がない。しかし、これ
らが異なるときには比較回路２１は再び合焦動作をする
ため和回路２４，２５を介して電子スイッチ３１をＡ側
に接続するとともに判定回路３２によりカウンタ２６を
リセットし、第１段階から合焦動作を開始する。

【００４２】また、被写体とカメラの距離が変わった場
合は、比較回路２３に入力するＡ／Ｄ変換器１３の出力
である焦点電圧と焦点電圧メモリ２２の出力電圧が異な
るので、両者の差が予め定められた値を越えると、比較
回路２３は再び合焦動作をするために和回路２４，２５
を介して電子スイッチ３１をＡ側に接続するとともに判
定回路３２によりカウンタ２６をリセットし、第１段階
から合焦動作を開始する。

【００４３】上記いずれの場合も、モータ８が回転した
後はヘリコイド位置の初期値が図４を用いて説明したよ
うに位置ｈ₁ではなく、別の値であることを除けば図４
を用いて説明したと同様の過程を経て新しい合焦点に達
し得る。

【００４４】なお、以上の説明では合焦動作について動
作中にヘリコイドが至近又は無限遠∞となった場合の説
明をしなかったが、この場合には一たん無条件にモータ
８を逆転させてから動作を継続する。

【００４５】なお、合焦後、被写体とレンズ間の距離が
変化した場合の再合焦動作の開始を焦点電圧メモリとそ
の時点の焦点電圧が異なれば即座に行なうと説明した
が、実験によれば、両者の差が約１０％〜２０％生じて
からはじめて再合焦動作を行なうのが好ましいことが判
明した。

【００４６】また、本発明の実施例の説明では、ハーケ
ンポイントの数を被写界深度をすきまなくカバーするた
めの最小の数とし、各ハーケンポイントの位置もそのハ
ーケンポイント数と対応するよう選定したが、本発明に
用いるハーケンポイント数は上記最小の数以上であれば
いかなる数でも良く、この場合のハーケンポイント位置
は各隣接するハーケンポイントのカバーする被写界深度
が互いに重なり合っていさえすれば良いのは言うまでも
ない。

【００４７】さらに、図３のハーケンポイント計算回路
１５により計算されるハーケンポイントの数が１である
特別の場合は山登り動作をしないで無条件にヘリコイド
をそのハーケンポイントへと移動して良い。

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば、合焦後は被写体の移動
やカメラの移動などにより再び合焦動作を行なう必要が
生じるまではヘリコイドを完全に停止させることができ
るので、従来の山登り方式に存在したヘリコイドの振動
による撮映画角の振動のない良好な画像が撮映できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の山のぼり方式の自動焦点合わせ装置のブ
ロック図である。

【図２】図１の構成の動作を説明するための波形図であ
る。

【図３】本発明による自動焦点合わせ装置の一実施例を
示すブロック図である。

【図４】図３の構成の動作を説明するための波形図であ
る。

【符号の説明】

１…レンズシステム、２…カメラ回路（光電変換手段）、７…モータ駆動回路、８…モータ、９…山のぼり回路（焦点電圧検出手段）、２２…焦点電圧メモリ（記憶手段）、２３…比較回路、３０…モータ駆動回路、３１…電子スイッチ（スイッチ手段）。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被写体からの光を映像信号に変換する撮像
手段と、被写体と撮像手段との間に設けられ、光軸方向に移動可
能なレンズと、上記レンズのレンズ位置を光軸方向に移動させるモータ
と、上記撮像手段から出力される映像信号の高周波成分を抽
出して、上記レンズの移動範囲の途中の合焦レンズ位置
において最大となり、この合焦レンズ位置から上記レン
ズが離れるに従い減少する特性をもつ焦点電圧を発生す
る焦点電圧発生手段と、上記焦点電圧が増加する方向に上記レンズが移動するよ
うに、上記モータの回転を制御するモータ駆動手段と、からなるフィードバックループにより自動合焦動作を行
う際に、上記レンズが上記合焦レンズ位置に到達したことを検出
する合焦位置検出手段と、上記合焦位置検出手段による検出がなされると、上記フ
ィードバックループを開いて、上記レンズの移動を停止
させるレンズ設定手段と、上記レンズが停止された状態の上記焦点電圧を記憶する
記憶手段と、該記憶手段に記憶されている値と、順次入力される上記
焦点電圧とを比較し、両者の差が予め定められた値を越
えた際に、上記フィードバックループを閉じる出力信号
を発生する比較手段と、を設け、これにより、上記フィードバックループによる
自動合焦動作によって上記合焦レンズ位置近傍で生じる
上記レンズの振動を防止するとともに、撮影状態の変化
に対して自動合焦動作を再開始することを特徴とする自
動焦点合わせ装置。