JPH0628400B2 - 自動焦点整合装置 - Google Patents

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の撮像素子より得られる映像信号
の高域周波数成分を検出し、前記高域周波数成分の振幅
が最大になる様にレンズの焦点整合装置を駆動する自動
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、ビデオカメラはポータブルビデオテープレコーダ
と伴に急速にその需要を伸ばしている。自動焦点整合装
置はビデオカメラの取扱いを簡便にし一層の普及に貢献
するものである。

従来の自動焦点整合装置の一方式として、赤外線を被写
体に向け発射し、被写体より反射した赤外線を受光し、
その受光角度より被写体までの距離を算出し、前記算出
した値によりレンズの焦点整合装置を所定の位置に駆動
するものである。前述した方式は被写体の照度やコント
ラストによらず動作するが、被写体までの距離を正確に
測定しかつ測定結果によってレンズの焦点整合装置を所
定の位置へ駆動，停止するには、高いレンズの組立精度
が必要である。さらに、赤外線を被写体に向けて発射
し、その反射光を受光しているため、遠い被写体に対し
誤動作し易く、また消費電力も少なくない。

また、レンズに高い組立精度を必要とせず、前述した問
題点を解決する方式として、レンズの焦点整合装置を含
めクローズドループを形成しかつ撮像素子より得た映像
信号そのものを利用して焦点整合を得る方式がある。す
なわち、撮像素子の受光面に結像した被写体像を周期
的、光学的にボカし、前記ボケ量を検出し、撮像素子よ
り得られる映像信号の高域周波数成分が最大になる様に
レンズの焦点整合装置を駆動する方式である。

以下に従来の前述したレンズの焦点整合装置を含めてク
ローズドループを形成する自動焦点整合装置について説
明する。

第１図は従来の自動焦点整合装置のブロック図を示すも
のであり、１はレンズ、２は受光面に結像している被写
体像を電気信号に変換する撮像素子、３は撮像素子２の
出力信号を増幅する前置増幅器、４は前置増幅器３の出
力信号に処理を加え、テレビジョン信号にするプロセス
回路、５は各種同期信号，ブランキング信号等を供給す
る同期信号発生器、６は撮像素子２を駆動する撮像素子
駆動回路である。７は撮像素子２の出力を前置増幅器３
で増幅した映像信号から高域周波数成分を検出する高域
周波数成分検出回路で、例えば中心周波数１〔MHz〕の
バンドパスフィルタである。８は高域周波数成分が所定
のダイナミックレンジ内かを高域周波数レベル検出回路
９で検出し、前記検出結果で高域周波数成分の利得を制
御する利得制御回路である。１０は基準周波数を同期検
波回路１２に供給すると共に、モータ駆動回路１３とカ
メラ１４でレンズ１の焦点整合装置を微変動させる基準
周波数発生器である。１１は撮像素子から得られる映像
信号の高域周波数成分から基準周波数成分を検出する基
準周波数成分検出回路である。１２は前記基準周波数成
分を基準周波数で同期検波して振幅と位相を検出し、高
域周波数成分が最大になる様にモータ駆動回路１３とモ
ータ１４でレンズ１の焦点整合装置を駆動する同期検波
回路である。

以上のように構成された自動焦点整合装置について、以
下その動作を説明する。

レンズ１の焦点整合装置は基準周波数で微変動し、フォ
ーカスが目に検知できない程度変化する。このため、映
像信号の高域周波数成分は基準周波数で振幅変調を受
け、基準周波数成分ををもつ。前記基準周波数成分は基
準周波数成分検出回路１１で検出される。さらに、同期
検波回路１２で振幅と位相が検出され、前記高域周波数
成分が最大になるようにレンズ１の焦点整合装置を駆動
する。

モータ１４の駆動方向を検出する原理理について第２図
を用いてもう少し詳細に説明する。縦軸は高域周波数成
分の振幅、横軸はレンズの焦点整合装置の位置で「近」
は近距離の被写体、「遠」は遠距離の被写体に焦点が合
う位置である。いま、距離Ｄ₁の位置に被写体があるな
ら、その焦点整合装置が距離に対応した位置にある時、
高域周波数成分は最大になり、遠側，近側どちらにズレ
ても減少する山型特性となる。ａ₁，ａ₂はモータ１４に
よる焦点整合装置の基準周波数での微変動を示してい
る。高域周波数成分は前記微変動によるフォーカスの変
化によってｂ₁，ｂ₂に示す基準周波数での振幅変調を受
ける。前記振幅変調は第２図から明らかなように合焦位
置より近距離側と遠距離側で位相が１８０゜で違ってい
る。従って、ｂ₁の様な振幅変調を受けた高域周波数成
分から基準周波数成分を検出し、基準周波数で同期検波
してモータ１４をｃ₁の方向に駆動するなら、ｂ₂の場合
はｃ₂の方向に駆動する事となり、常に高域周波数成分
の振幅は最大になる。このようにレンズの焦点整合装置
を含めてクローズドループを形成しているため焦点整合
装置に高い組立精度を必要とせず、かつ映像信号そのも
のを利用して焦点整合を得ているため赤外線を発射する
などの電力消費がないなどの特徴を有している。ところ
で、低照度から高照度，低コントラストから高コントラ
ストまでシステムを正常に動作させるには、高域周波数
成分は非常に大きなダイナミックレンジをもち利得制御
が必要になる。前記利得制御は、高域周波数レベル検出
回路９で高域周波数成分が所定のダイナミックレンジ内
かを検出して、利得制御回路８で行っている。

しかしながら上記のような構成では、被写体が低照度や
低コントラストの時、合焦時の系の安定性が問題にな
る。すなわち、モータ１４はレンズ１の焦点整合装置を
駆動するため、その応答は速くない。従って、焦点が合
うまでの時間を速くするために、システムのループゲイ
ンを高くしてある。ところが、被写体が低照度や低コン
トラストであると利得制御回路８の利得が大きくなり、
ループゲインが極端に高くなる。

一方、焦点が外れて画像がボケている時は、基準周波数
成分によってノイズ成分がマスキングされ系は正常に動
作するが、合焦すると基準周波数成分の振幅が小さくな
ってノイズ成分が支配的となる。この時システムのルー
プゲインが極端に高いと、前記ノイズ成分でモータが振
られてしまい、画像がブレて安定性が悪く大変見苦しく
なり、低照度や低コントラスト時の動作の大きな制限と
なっていた。またループゲインを低くしたのでは応答が
遅くなるし、利得制御回路８の利得を小さくしたのでは
被写体が低コントラストや低照度の場合系が動作しない
という問題を有していた。

発明の目的 本発明は上記従来の問題点を解消するもので、被写体が
低照度や低コントラストであっても応答が速くしかも安
定に動作する自動焦点整合装置を提供することを目的と
する。

発明の構成 本発明は、レンズと、受光面に結像している被写体像を
電気信号に変換する撮像素子と、前記撮像素子から出力
される電気信号から高域周波数成分を検出する高域周波
数成分検出回路と、前記高域周波数成分検出回路の出力
から前記レンスの駆動方向の基準となる基準周波数成分
を抽出する基準周波数成分検出回路と、前記高域周波数
成分の振幅を検出する高域周波数レベル検出回路と、前
記高域周波数成分の利得を制御する第１の利得制御回路
と、前記第１の利得制御回路および第２、第３の利得制
御回路に制御信号を送出する制御回路と、基準周波数信
号を発生する基準周波数発生回路と、前記基準周波数信
号と前記基準周波数成分とから前記基準周波数成分の振
幅を検出する同期検波回路と、前記基準周波数発生回路
から出力される基準周波数信号の利得を前記制御回路か
らの制御信号に基づいて制御する第２の利得制御回路
と、前記同期検波回路の出力信号の利得を前記制御回路
からの制御信号に基づいて制御する第３の利得制御回路
と、前記第１および第２の利得制御回路の出力に基づい
て前記レンズの位置を移動させる移動手段とを具備し、
前記第１の利得制御回路の出力が増大したことを前記高
域周波数レベル検出回路が検出した場合に前記高域周波
数成分が最大となるよう前記第２および第３の利得制御
回路の利得を制御するものである。

実施例の説明 第３図は本発明の第１の実施例における自動焦点整合装
置のブロック図を示すものである。

第３図において、１５は、高域周波数成分が所定のダイ
ナミックレンジ内かを検出する高域周波数レベル検出回
路９の出力によって利得制御回路８の利得を制御すると
ともに、被写体が低照度や低コントラストで利得制御回
路８の利得が大きくなった時に利得制御回路１６の利得
を大きくし、さらに前記利得制御回路１６の利得が大き
くなった分、利得制御回路１７の利得を小さくする制御
回路である。１６は被写体が低照度や低コントラスト時
に、モータ１４の基準周波数での変動量が大きくなる様
に基準周波数の利得を制御回路１５によって制御する利
得制御回路、１７は同様に低照度や低コントラスト時
に、前記利得制御回路１６の利得が大きくなった分同期
検回路１２の出力の利得を下げる様に制御回路１５によ
って制御する利得制御回路である。

以上のように構成された本実施例の自動焦点整合装置に
ついて、以下その動作を説明する。

被写体が低照度や低コントラストの時、ビデオカメラよ
り得られる画像はノイズ成分が多かったり鮮明度が劣化
している。従って、被写体が低照度や低コントラスト時
撮像素子の受光面に結像している被写体を周期的，光学
的にボカす量を通常の場合より大きくしても、実用上何
ら問題はない。一方、周期的，光学的にボカす量を大き
くすることは、基準周波数成分の振幅が大きくなり、前
記基準周波数成分を基準周波数で同期検波してモータを
駆動するのであるから、等価的にシステムのループゲイ
ンを高くすることと等しくなる。従って、周期的，光学
的にボカす量を大きくした分、回路のゲインを下げて
も、等価的にシテムのループゲインは同じになる。

本実施例の自動焦点整合装置は上述した点を利用したも
のである。すなわち、被写体が低照度や低コントラスト
で高域周波数成分の振幅が小さくなると、高域周波数成
分は回路の非線形性等が問題にならない所定のダイナミ
ックレンジ内になる様に利得制御回路８で増幅される。
前記利得制御された高域周波数成分から基準周波数成分
が検出され、同期検波回路で振幅と位相が検出される。
しかしこのままモータを駆動したのでは、前述したよう
に利得制御回路８の利得が大きくなった分ノイズ成分に
対して弱くなる。そこで、利得制御回路１７の利得が、
ノイズ成分によってモータが振られない程度に制御回路
１５によって下げられる。そして、前記利得制御回路１
７の利得を下げた分、利得制御回路１６の利得が大きく
なり、周期的、光学的にボカす量を大きくしてループゲ
インの低下を防ぐものである。よって、システムのルー
プゲインを下げ応答を遅くすることなく、被写体が低照
度や低コントラスト時の合焦時の系の安定性を向上でき
る。

以上のように本実施例によれば、被写体が低照度や低コ
ントラスト時に、撮像素子の受光面に結像している被写
体像を周期的，光学的にボカす量を大きくすることによ
って、システムのループゲインを低下させることなく回
路のゲインを下げてノイズ成分に対して強くでき、合焦
時の安定性を格段に向上できる。従って、低照度や低コ
ントラストの被写体に対してシステムの使用できる範囲
を飛躍的に広めることができる。

なお、実施例において利得制御回路１７を同期検波回路
１２の後に設けたが、高域周波数成分の振幅が小さくな
った時に回路の非線形性等が問題にならないなら、利得
制御回路１７を設けずに、低照度や低コントラスト時に
利得制御回路１７の代わりに利得制御回路８の利得を上
げずにおいてノイズ成分に強くし、ループゲインの不足
分を利得制御回路１６の利得を上げてせ補うものであっ
てもよい。

また、映像信号の振幅を検出し、前記振幅の大小から被
写体が低照度であることを検出し、周期的、光学的にボ
カす量を大きくし、回路のゲインを下げるものであって
もよい。

さらに、周期的、光学的にボカす量を大きくし回路のゲ
インを下げるのを、被写体が低照度の時、低コントラス
トの時、低照度または低コントラストの時、低照度かつ
低コントラストの時のいづれの場合に実施しても同じ様
な効果が得られる。

発明の効果 本発明の自動焦点整合装置は、レンズと、受光面に結像
している被写体像を電気信号に変換する撮像素子と、前
記撮像素子から出力される電気信号から高域周波数成分
を検出する高域周波数成分検出回路と、前記高域周波数
成分検出回路の出力から前記レンスの駆動方向の基準と
なる基準周波数成分を抽出する基準周波数成分検出回路
と、前記高域周波数成分の振幅を検出する高域周波数レ
ベル検出回路と、前記高域周波数成分の利得を制御する
第１の利得制御回路と、前記第１の利得制御回路および
第２、第３の利得制御回路に制御信号を送出する制御回
路と、基準周波数信号を発生する基準周波数発生回路
と、前記基準周波数信号と前記基準周波数成分とから前
記基準周波数成分の振幅を検出する同期検波回路と、前
記基準周波数発生回路から出力される基準周波数信号の
利得を前記制御回路からの制御信号に基づいて制御する
第２の利得制御回路と、前記同期検波回路の出力信号の
利得を前記制御回路からの制御信号に基づいて制御する
第３の利得制御回路と、前記第１および第２の利得制御
回路の出力に基づいて前記レンズの位置を移動させる移
動手段とを具備し、前記第１の利得制御回路の出力が増
大したことを前記高域周波数レベル検出回路が検出した
場合に前記高域周波数成分が最大となるよう前記第２お
よび第３の利得制御回路の利得を制御するものであり、
被写体が低照度や低コントラスト時に前記周期的、光学
的にボカす量を大きくすることにより、合焦時の安定性
を格段に向上することができ、低照度や低コントラスト
に対する使用範囲を飛躍的に広めることができ、その実
用的効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の自動焦点整合装置のブロック図、第２図
はモータの駆動方向を検出する原理を説明するための
図、第３図は本発明の一実施例における自動焦点整合装
置のブロック図である。 １……レンズ、２……撮像素子、７……高域周波数成分
検出回路、８……利得制御回路、９……高域周波数レベ
ル検出回路、１０……基準周波数発生器、１１……基準
周波数成分検出回路、１２……同期検波回路、１５……
制御回路、１６……利得制御回路、１７……利得制御回
路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レンズから撮像素子までの光路長を基準周
   波数により周期的に可変する光路長可変手段と、受光面
   に結像している被写体像を電気信号に変換する撮像素子
   と、前記撮像素子から出力される電気信号から高域周波
   数成分を検出する高域周波数成分検出回路と、前記高域
   周波数成分検出回路の出力から前記レンズの移動方向の
   基準となる基準周波数成分を抽出する基準周波数成分検
   出回路と、前記高域周波数成分の振幅を検出する高域周
   波数レベル検出回路と、前記高域周波数成分の利得を制
   御する第１の利得制御回路と、前記第１の利得制御回路
   および第２、第３の利得制御回路に制御信号を送出する
   制御回路と、基準周波数信号を発生する基準周波数発生
   回路と、前記基準周波数信号と前記基準周波数成分とか
   ら前記基準周波数成分の振幅を検出する同期検波回路
   と、前記基準周波数発生回路から出力される基準周波数
   信号の利得を前記制御回路からの制御信号に基づいて制
   御する前記第２の利得制御回路と、前記同期検波回路の
   出力信号の利得を前記制御回路からの制御信号に基づい
   て制御する前記第３の利得制御回路と、前記第２および
   第３の利得制御回路の出力に基づいて前記レンズの位置
   を移動させる移動手段とを具備し、前記第１の利得制御
   回路の出力が増大したことを前記高域周波数レベル検出
   回路が検出した場合に前記高域周波数成分が最大となる
   よう前記第２の利得制御回路によりシステムループの利
   得を上げ、かつ前記第３の利得制御回路により前記高域
   周波数成分検出回路の利得を下げるように制御すること
   を特徴とする自動焦点整合装置。