JPH11258496A - 自動焦点調節装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＴＶ−ＡＦのＡＦ動作を本質的に高速化する
ことができ、ビデオカメラの動画はもちろん、１ショッ
トスチル画撮影またはビデオスチルカメラの操作性を向
上させることができる自動焦点調節装置を提供する。 【解決手段】 超高速モード処理では、超高速焦点可変
手段６０およびズームレンズ５０からなる合成光学系の
合焦距離を算出する。大域サーチを行い、ＨＳＦレンズ
により被写体の大略の位置をつかむ。被写体の存在する
ゾーンが求まると、領域追い込み処理を行い、ゾーンの
内部をさらに分割して被写体距離を追い込む。そして、
ＨＳＦレンズによる山登り動作を行い、合焦が判定され
ると、そのときのエンコーダ信号によりＨＳＦレンズの
光学パワーを求める。ＮＳＦレンズ２４の必要移動量を
レンズ制御マイコン３４により算出し、ＨＳＦレンズを
標準状態に設定した後、ＮＳＦレンズ２４により合焦お
よび停止動作を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ビデオカメラ、特
にビデオスチルカメラなどに用いられる自動焦点調節装
置および方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなどの固体撮像
素子を用いたビデオムービーカメラやビデオスチルカメ
ラが広く使われるようになってきた。その普及の原動力
となっているのは、高画質化、小型化、操作の自動化、
パーソナルコンピュータとの接続の容易化などである。

【０００３】レンズのオートフォーカス（以下、ＡＦと
いう）技術についても、小型化の要請により専用のＡＦ
センサを持たずに固体撮像素子から得られる映像信号を
利用したＡＦ（以下、ＴＶ−ＡＦという）が専ら行われ
ている。

【０００４】その動作は、例えば特開平７−２９８１２
０号公報に記載されているように、フォーカシングレン
ズをウォブリング、すなわち光軸方向に微小振動させる
ことにより、前ピン、後ピン、合焦を判定する動作であ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ＴＶ−ＡＦによる自動焦点調節装置では、ＡＦ動作が他
のＡＦ方式に比べて遅いという問題があった。他のＡＦ
方式、例えば一眼レフ（ＳＬＲ：single lens reflex）
銀塩カメラで用いられているように、専用のＡＦセンサ
を用いた位相差検出方式では、フォーカシングレンズが
停止したままでデフォーカス量を検出することができ
る。

【０００６】しかしながら、ＴＶ−ＡＦはレンズを動か
して焦点状態を変化させないと合焦点に向かう方向を判
定できず、したがってレンズをウォブリングしつつ徐々
にいわゆる山登りを行いながらフォーカシングしていく
方式であるので、ＡＦ動作が遅いのである。

【０００７】近年、ＴＶ−ＡＦの高速化のために、フォ
ーカシングアクチュエータに高速ステッピングモータや
ボイスコイルモータが使われ、その動作が速くなった
が、それでも位相差検出方式のように瞬時にピント合わ
せを行うことは困難である。

【０００８】そこで、本発明は、ＴＶ−ＡＦのＡＦ動作
を本質的に高速化することができ、ビデオカメラの動画
はもちろん、１ショットスチル画撮影またはビデオスチ
ルカメラの操作性を向上させることができる自動焦点調
節装置および方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１に記載の自動焦点調節装置は、光
電変換素子から出力される映像信号に基づき、光学系の
焦点調節を行う第１のフォーカシング手段を備えた自動
焦点調節装置において、前記第１のフォーカシング手段
より高速に焦点調節が可能である第２のフォーカシング
手段を備え、該第２のフォーカシング手段を補助的に併
用して焦点調節を行うことを特徴とする。

【００１０】請求項２に記載の自動焦点調節装置は、請
求項１に係る自動焦点調節装置において前記第２のフォ
ーカシング手段の焦点調節により合焦が検知された後、
該検知された合焦情報に基づいて前記第１のフォーカシ
ング手段により焦点調節を行うことを特徴とする。

【００１１】請求項３に記載の自動焦点調節装置は、請
求項２に係る自動焦点調節装置において前記合焦が検知
された後、前記第２のフォーカシング手段を標準状態に
設定し、その後、前記第１のフォーカシング手段の焦点
調節により合焦状態とすることを特徴とする。

【００１２】請求項４に記載の自動焦点調節装置では、
請求項１に係る自動焦点調節装置において前記第１のフ
ォーカシング手段はモータによってフォーカスレンズ位
置を変化させる手段であり、前記第２のフォーカシング
手段は光軸方向のパワーを変化させる光学系で構成され
ていることを特徴とする。

【００１３】請求項５に記載の自動焦点調節装置では、
請求項４に係る自動焦点調節装置において前記第２のフ
ォーカシング手段は、２枚のガラス間に液体を充填し、
バイモルフによって焦点距離を変化させるように構成さ
れていることを特徴とする。

【００１４】請求項６に記載の自動焦点調節方法は、光
電変換素子から出力される映像信号に基づき、第１のフ
ォーカスレンズにより光学系の焦点調節を行う自動焦点
調節方法において、前記第１のフォーカシングレンズよ
り高速に焦点調節が可能である第２のフォーカシングレ
ンズを補助的に併用して焦点調節を行うことを特徴とす
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の自動焦点調節装置および
方法の実施形態について説明する。本実施形態の自動焦
点調節装置はビデオムービーカメラあるいはビデオスチ
ルカメラなどのビデオカメラに適用される。

【００１６】図１は実施形態における自動焦点調節装置
が適用されたビデオカメラの構成を示すブロック図であ
る。図において、６０は超高速焦点可変手段（第２のフ
ォーカシング手段）であり、ズームレンズ５０の前面、
すなわち被写体側に配置されている。

【００１７】ズームレンズ５０は、インナーフォーカス
タイプの構成になっており、第１固定レンズ２１、バリ
エータレンズ２２、第２固定レンズ２３およびフォーカ
シングレンズ２４の４群からなり、それぞれ正、負、
正、正のレンズである。

【００１８】バリエータレンズ２２はズームモータ２５
により駆動されて光軸方向に移動する。これと連動して
フォーカシングレンズ２４はフォーカスモータ２６によ
り駆動されて合焦状態を維持するための所定の相対位置
関係を保つように光軸方向に移動し、バリエータレンズ
２２の移動によるピント変動を補償する。

【００１９】この相対位置関係の情報は、レンズ制御用
マイクロコンピュータ（レンズ制御マイコン）３４のＲ
ＯＭの中に格納されている。このレンズ制御マイコン３
４はいわゆるコンピュータズームシステムとして構成さ
れている。

【００２０】撮像素子２９の前面には赤外カットフィル
タ２７およびローパスフィルタ２８が貼り合わされてい
る。撮像素子２９の出力は映像信号処理回路３０で信号
処理されると、次段の記録部３１に供給され、ビデオテ
ープ、フロッピーディスク、フラッシュメモリ等の記録
媒体に記録されると共に、電子ビューファインダや液晶
ディスプレイ等の表示部３２に供給されて表示され、さ
らにＳＣＳＩ、ＩＥＥＥ１３９４、ＰＨＳデータ通信な
どの通信部３３に送られる。

【００２１】ＡＦ信号抽出回路３３は、映像信号の中か
らＴＶ−ＡＦを行わせるための画像の鮮鋭度を表す高周
波成分を抽出し、画面内の焦点検出領域内の映像信号の
みを通過させて不要部分をカットするためのゲート処理
を行い、さらに１フィールド内で高周波成分のレベルの
ピークホールドを行う。レンズ制御マイコン３４は、各
フィールド毎のピークホールド信号の大きさ、バリエー
タレンズ２２の位置、フォーカシングレンズ２４の位置
および超高速焦点可変手段６０の状態をモニタしながら
ＡＦ制御を行う。

【００２２】図２は超高速焦点可変手段６０の構造を示
す端面図である。図において、２は透明液体であり、ス
ペーサ４を介してガラスの薄板３、５により密封されて
いる。１はケースであり、ケース１にはガラス薄板３、
５およびスペーサ４が接合されている。６は駆動リング
であり、ガラス薄板５に固着されており、ガラス薄板５
と一体に可動自在である。

【００２３】７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅは圧電バイ
モルフリング体である。図３は圧電バイモルフリング体
の構造を示す図である。図４は圧電バイモルフリング体
の動きを示す図である。中央に孔が形成された金属の薄
板１１の両面に、同じくリング状の圧電素子１２、１３
が接合されている。圧電素子１２、１３は図中矢印ａの
向きに予め分極処理されている。

【００２４】配線１４を介して電圧を印加することによ
り、図中矢印ｂの向きに圧電素子１２、１３が伸び縮み
する。圧電バイモルフリング体の外周を固定した場合、
その内周が図中矢印ｃの方向に変位する。５つの圧電バ
イモルフリング体のうち、圧電バイモルフリング体７
ａ、７ｂ、７ｄ、７ｅがアクチュエータとして働き、圧
電バイモルフリング体７ｃが駆動リング６の変位を検出
するエンコーダとして働く。

【００２５】この種の超高速焦点可変手段は、例えば
「ＭＯＥＭＳ９７ テクニカルダイジェスト（１９９７
年１１月１８日〜２１日、奈良、Ｐ５５〜６１）」の
「ＱＵＩＣＫ−ＲＥＳＰＯＮＳＥ ＤＹＮＡＭＩＣ Ｆ
ＯＣＵＳＩＮＧ ＵＴＩＬＩＺＩＮＧ ＰＩＥＺＯＥＬ
ＥＣＴＲＩＣ ＢＩＭＯＲＰＨ ＡＣＴＵＡＴＯＲ」に
詳述されている。

【００２６】外径１４ｍｍの圧電バイモルフリング体を
駆動用に４枚重ねて光線有効径φ５ｍｍの可変焦点レン
ズを構成した場合、±６０Ｖの電圧印加により±２ジオ
プター程度の焦点距離の変化が可能となり、約３００Ｈ
ｚ迄の周波数応答性を備えた高速駆動が可能である。

【００２７】図５は自動焦点調節の制御処理手順を示す
フローチャートである。この処理プログラムはレンズ制
御マイコン３４内のＲＯＭに格納されており、レンズ制
御マイコン３４によって実行される。

【００２８】まず、選択されたＡＦモードを判別する
（ステップＳ１）。すなわち、超高速ＡＦモードに選択
されているか通常ＡＦモードに選択されているかを判別
する。ＡＦモードの選択は図示しないスイッチにより使
用者によって行われるようにしてもよいし、撮影モード
に応じて自動的に行われるようにしてもよい。

【００２９】通常ＡＦモードが選択されている場合、超
高速焦点可変手段６０の中のフォーカシング手段（以
下、ＨＳＦ（High Speed Focusing）レンズという）を
標準状態に設定する（ステップＳ２）。通常、ＨＳＦレ
ンズが光学パワーを有しない状態を標準状態に設定する
ことが望ましい。

【００３０】この後、フォーカシングレンズ（以下、Ｎ
ＳＦ（Normal Speed Focusing）レンズという）２４を
ウォブリングして合焦方向、すなわち高周波成分のピー
クホールド値（ＡＦ信号）が増加する方向に駆動する
（ステップＳ３）。そして、いわゆる山登り動作を行い
（ステップＳ４）、ＡＦ信号の最大値（山の頂点）を検
知すると、合焦したと判定する（ステップＳ５）。合焦
後、ＮＳＦレンズ２４を停止させる（ステップＳ８）。

【００３１】一方、ステップＳ１で超高速ＡＦモードが
選択されている場合、後述する超高速ＡＦモード処理を
行う（ステップＳ６）。その後、ＮＳＦレンズ２４を合
焦位置に移動させた後（ステップＳ７）、ＮＳＦレンズ
２４を停止させる（ステップＳ８）。そして、ステップ
Ｓ１の処理に戻る。

【００３２】図６はステップＳ６における超高速ＡＦモ
ード処理手順を示すフローチャートである。まず、超高
速焦点可変手段６０およびズームレンズ５０からなる合
成光学系の合焦距離を算出する（ステップＳ１１）。

【００３３】合焦距離の算出が最も単純に考えられるの
は、ズームレンズ５０単体として無限遠の被写体にピン
トが合う状態にＮＳＦレンズ２４を設定した場合であ
る。この場合、ＨＳＦレンズの光学パワーだけを考えれ
ば、合成光学系の合焦距離を算出することができる。す
なわち、ＨＳＦレンズを０ジオプターに設定すると、合
成合焦距離は無限遠であり、ＨＳＦレンズを１ジオプタ
ーに設定すると、合成合焦距離は１ｍとなる。

【００３４】つづいて、大域サーチを行う（ステップＳ
１２）。大域サーチでは、ＨＳＦレンズの高速性を活か
して被写界内の距離的に異なる数ヶ所で合焦し、各距離
でのＡＦ信号の大小を比較して被写体の大略の位置をつ
かむ。

【００３５】例えば、無限遠と１ｍの中を４ゾーンに分
けた場合、ＨＳＦレンズを０ジオプター、０．２５ジオ
プター、０．５ジオプター、０．７５ジオプター、１ジ
オプターに設定すると、それぞれ無限遠、４ｍ、２ｍ、
１．３ｍ、１ｍの距離におけるＡＦ信号を検出すること
ができる。

【００３６】このゾーン数は焦点深度の深さによって変
更する必要がある。すなわち、ズームレンズ５０の焦点
距離が望遠になるにつれて、あるいは図示しない絞りが
開放になるにつれて焦点深度が浅くなるので、ゾーン数
を増やす必要がある。

【００３７】このような大域サーチによって、被写体の
存在するゾーンが求まると、領域追い込み処理を行う
（ステップＳ１３）。領域追い込み処理では、求められ
たゾーンの内部をさらに分割して被写体距離を追い込む
動作を行う。

【００３８】そして、ＨＳＦレンズによる山登り動作を
行う（ステップＳ１４）。このとき、通常ＡＦモードと
同様に、ＨＳＦレンズでウォブリングを行ってもよい。
ＨＳＦレンズにより合焦が判定されると（ステップＳ１
５）、そのときのＨＳＦレンズのエンコーダ信号によ
り、ＨＳＦレンズの光学パワーが求まる。

【００３９】例えば、求められた光学パワーが０．４０
ジオプターである場合、被写体距離は２．５ｍである。
ここで、レンズ制御マイコン３４のＲＯＭの中には、焦
点距離毎に被写体距離に対応してとるべきフォーカシン
グレンズ（ＮＳＦレンズ）２４の位置情報が格納されて
いる。したがって、ＮＳＦレンズ２４の必要移動量、こ
の場合、無限遠相当位置から２．５ｍ相当位置への移動
量を、レンズ制御マイコン３４により算出する（ステッ
プＳ１６）。

【００４０】そして、ＨＳＦレンズを標準状態（通常、
ノンパワー状態）に設定し（ステップＳ１７）、処理を
終了する。

【００４１】尚、上記超高速ＡＦモードでは、簡単化の
ために、ＮＳＦレンズ２４が無限遠相当位置に設定され
た場合を示したが、本発明はこれに限定されるものでは
なく、例えばＮＳＦレンズ２４を２ｍ相当位置に設定し
てもよい。この場合、ＮＳＦレンズ２４の光学パワーを
考慮してＨＳＦレンズの光学パワーを設定する必要があ
る。すなわち、大域サーチにおいてＨＳＦレンズを−
０．５ジオプター、０ジオプター、０．５ジオプターに
設定すると、それぞれ合成光学系はほぼ無限遠、２ｍ、
１ｍの距離に設定される。

【００４２】このように、ＮＳＦレンズ２４を常用距離
に設定することにより、ＮＳＦレンズ２４の合焦に至る
までの移動距離を少なくし、さらに高速のＡＦ動作が可
能となる。また、この超高速ＡＦモードでＮＳＦレンズ
を動作させてもよい。すなわち、ＮＳＦレンズを合焦方
向に動かしている間、図６の超高速ＡＦモード処理を実
行してもよい。この場合、実時間で合成合焦距離算出
と、ＮＳＦレンズ必要移動量を算出する必要があると共
に、ＡＦ信号サンプリング時間（通常、１／６０秒）の
間にＮＳＦレンズが移動している量を補正する必要が生
じるが、それほど困難なことではない。

【００４３】また、図１では超高速焦点可変手段を撮影
レンズの前、つまり被写体側に配置したが、この配置に
限ることなく撮影レンズと撮像素子の間、あるいは撮影
レンズの中、例えばフォーカシングレンズ（ＮＳＦレン
ズ）２４の前に配置してもよく、原理的には成立する。

【００４４】さらに、本実施形態では、超高速焦点可変
手段として液体封止レンズを用いたが、これに限定され
るものではない。例えば、軽量プラスチックで直径の小
さなレンズを形成し、出力の大きなボイスコイルモータ
で駆動してもよい。

【００４５】また、本実施形態では、超高速焦点可変手
段をノンパワー状態にして撮影しているが、これは図２
の超高速焦点可変手段が非球面の収差を持つので、これ
を防止するためである。したがって、ガラスの薄板３、
５の厚みを不均一化して球面形状に変化させる場合に
は、必ずしもノンパワー状態にする必要はない。

【００４６】さらに、本実施形態では、ＡＦ制御処理プ
ログラムは予めレンズ制御マイコン３４内のＲＯＭに格
納されていたが、不揮発性のメモリカード、ＩＣカード
などの記憶媒体に格納しておき、ビデカメラにセットし
た状態で読み出されることにより実行可能としてもよ
く、同様の効果を得ることができる。

【００４７】

【発明の効果】本発明の請求項１に記載の自動焦点調節
装置によれば、光電変換素子から出力される映像信号に
基づき、第１のフォーカシング手段により光学系の焦点
調節を行う際、前記第１のフォーカシング手段より高速
に焦点調節が可能である第２のフォーカシング手段を補
助的に併用して焦点調節を行うので、撮像素子上に結像
させる光学系の焦点を変化させる２つのフォーシング手
段を同一の撮影光路中に配するなどにより、ＴＶ−ＡＦ
のＡＦ動作を本質的に高速化することができ、ビデオカ
メラの動画はもちろん、１ショットスチル画撮影または
ビデオスチルカメラの操作性を向上させることができ
る。尚、請求項６に記載の自動焦点調節方法においても
同様の効果を得ることができる。

【００４８】このように、第１のフォーカシング手段だ
けによるＡＦ動作は、従来の動作と同じであるが、第２
のフォーカシング手段と併用することにより、超高速の
ＡＦ動作が可能となる。通常のＡＦ動作はビデオムービ
ー撮影に適し、超高速のＡＦ動作は、ビデオムービーカ
メラの１ショットスチル画撮影あるいはビデオスチルカ
メラに適する。

【００４９】請求項２に記載の自動焦点調節装置によれ
ば、前記第２のフォーカシング手段の焦点調節により合
焦が検知された後、該検知された合焦情報に基づいて前
記第１のフォーカシング手段により焦点調節を行うの
で、第２のフォーカシング手段により被写体距離を算出
し、算出された被写体距離に基づき、第１のフォーカシ
ング手段による焦点調節を行うことで高速化を図ること
ができる。

【００５０】請求項３に記載の自動焦点調節装置によれ
ば、前記合焦が検知された後、前記第２のフォーカシン
グ手段を標準状態に設定し、その後、前記第１のフォー
カシング手段の焦点調節により合焦状態とするので、通
常、ノンパワー状態である標準状態に第２のフォーカシ
ング手段を戻した後、第１のフォーカシング手段による
焦点調節を行うことで第２のフォーカシング手段のパワ
ー状態を考慮することなく容易に第１のフォーカシング
手段による焦点調節を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態における自動焦点調節装置が適用され
たビデオカメラの構成を示すブロック図である。

【図２】超高速焦点可変手段６０の構造を示す端面図で
ある。

【図３】圧電バイモルフリング体の構造を示す図であ
る。

【図４】圧電バイモルフリング体の動きを示す図であ
る。

【図５】自動焦点調節の制御処理手順を示すフローチャ
ートである。

【図６】ステップＳ６における超高速ＡＦモード処理手
順を示すフローチャートである。

【符号の説明】

２４ フォーカシングレンズ（ＮＳＦレンズ） ２９ 撮像素子 ３４ レンズ制御用マイクロコンピュータ（レンズ制御
マイコン） ５０ ズームレンズ ６０ 超高速焦点可変手段

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光電変換素子から出力される映像信号に
   基づき、光学系の焦点調節を行う第１のフォーカシング
   手段を備えた自動焦点調節装置において、 前記第１のフォーカシング手段より高速に焦点調節が可
   能である第２のフォーカシング手段を備え、 該第２のフォーカシング手段を補助的に併用して焦点調
   節を行うことを特徴とする自動焦点調節装置。
2. 【請求項２】 前記第２のフォーカシング手段の焦点調
   節により合焦が検知された後、該検知された合焦情報に
   基づいて前記第１のフォーカシング手段により焦点調節
   を行うことを特徴とする請求項１記載の自動焦点調節装
   置。
3. 【請求項３】 前記合焦が検知された後、前記第２のフ
   ォーカシング手段を標準状態に設定し、その後、前記第
   １のフォーカシング手段の焦点調節により合焦状態とす
   ることを特徴とする請求項２記載の自動焦点調節装置。
4. 【請求項４】 前記第１のフォーカシング手段はモータ
   によってフォーカスレンズ位置を変化させる手段であ
   り、前記第２のフォーカシング手段は光軸方向のパワー
   を変化させる光学系で構成されていることを特徴とする
   請求項１記載の自動焦点調節装置。
5. 【請求項５】 前記第２のフォーカシング手段は、２枚
   のガラス間に液体を充填し、バイモルフによって焦点距
   離を変化させるように構成されていることを特徴とする
   請求項４記載の自動焦点調節装置。
6. 【請求項６】 光電変換素子から出力される映像信号に
   基づき、第１のフォーカスレンズにより光学系の焦点調
   節を行う自動焦点調節方法において、 前記第１のフォーカシングレンズより高速に焦点調節が
   可能である第２のフォーカシングレンズを補助的に併用
   して焦点調節を行うことを特徴とする自動焦点調節方
   法。