JPS5934504A - オ−トフオ−カス装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、撮像素子として固体撮像素子や撮像管を用
いたムービーカメラやスチルカメラ、あるいは−眼レフ
カメラに用いられるオートフォーカス装置に関する。

背景技術とその問題点 この種のオートフォーカス装置としては、超音波、赤外
線の照射による三角測量方式等のアクティブ方式やコン
トラスト検出、一致像検出等によるパッシブ方式等があ
る。そして、そのうちのパッシブ方式のオートフォーカ
ス装置の一例として次のようなものが知られている。

第１図はその概要を示すもので、これはＴＴＬ方式の一
眼レフカメラに使用されているものである。

第１図において、レンズ（１）を通った光はサブミラー
（２）に入射し、その透過光はフィルム面（３）に入射
する。一方、サブミラー（２）で反射された光はビーム
スプリッタ−（４）に入射する。このビームスプリンタ
ー（４）に対し本来のフィルム面（図中、（５）はその
等価フィルム面である）に相当するピント位置の前後に
わずかすれた２ケ所の位置に、それぞれ１列ずつの絵素
（センサー）が１次元配列の固体撮像素子例えばＣＣＤ
からなる副撮像素子Ｓ１と副撮像素子Ｓ２とが設けられ
る。図中、破線（６）、（７）で示すのはフィルム面（
３）に対する副撮像素子５ＩＳ２の等価位置で、フィル
ム面（３）に対して、その前後に等距１１１１Ａだけ離
れた位置関係となっている。

なお、サブミラー（２）とレンズ（１）との間には、図
示しないがメインミラーがサブミラー（２）の面方向に
対して直交するように設けられ、入射光が、ザブミラー
（２）に対して副撮像素子Ｓ１、Ｓ２とば、反対側に設
けられるピント板に入射するようにされている。

ところで、ピントが合ったかどうかは画像が鮮明である
かどうかということで評価できる。画像が鮮明であるか
どうかは画像の空間周波数を求め、振幅に対するＭＴＦ
　（変調伝達関数）を評価すれば求まることは周知の通
りであるが、カメラに内蔵可能な程小型で、かつ、高速
処理ができ、安価であるという条件を考えると、実際上
は難しい。

一方、一般に、画像が鮮明であるかどうかは被写体の輪
郭がシャープかどうかということで判断できることが多
い。

この輪郭情報は微分により１！Ｉられるが計算機処理で
は上記副撮像素子の絵素（センサー）間の出力の差分を
用いて１Ｍでいる。

ここで、説明の簡単のため、画面の半分が白、残りの半
分が黒というように明るさが段階的に変化する被写体を
考えると、第２図に示すように、正確にピントが合った
ところ（合焦点）で、コントラストＥは最も強く、この
位置から前ピンにずらしても後ピンにずらしてもコント
ラストＥは低下する。

このコントラストを表す評価関数を考えれば、これは上
述のような１次元固体撮像素子３１、Ｓ２で像を得たと
き、そのｎ番目とこれに隣り合うｎ　−１−１番目のセ
ンサーの出力ＩｎとＴｎｆｌとの差となる。そして、１
次元撮像素子の充分に長い配となり、これは単にＩの積
分を表現し、鮮明度には無関係となってしまう。この欠
点を回避するためには、ｆｉ１式のＩｎ＋１−Ｉｎに対
して非線形の処理を何等かの方法で行わなければならな
い。この非線形処理のためには、従来はアナログ演算を
施したり、撮像素子の非線形性を利用している。

以上のような非線形処理を行ってコントラストの評価関
数Ｅが得られたとする。この評価関数Ｅを上述の副撮像
素子ＳｚとＳ２の出力に対して適応し、横軸にピントず
れ、縦軸にコントラストをとって関数曲線を求めると第
３図に示すようになる。第３図において、曲線（８）は
素子Ｓ１のコントラスト０１曲線、曲線（９）は素子Ｓ
２のコントラスト０２曲線をそれぞれ示している。

ずなわち、副撮像素子Ｓ１及びＳ２は本来のピントの前
後でコントラストを測っているから、レンズ（１）を移
動させてフォーカシングをするにつれて位相のずれた２
つのコントラスト曲線が得られる。そして、この装置に
おいては、前述したように前ビン側撮像素子Ｓ１と後ピ
ン側撮像素子Ｓ２とのちょうど中間に正しいピント位置
がくるように構成されているので、コントラスト曲線＋
８１　トｆ９１とが同じ値をとったときが合焦位置とな
るものである。また、 コントラストＣＩ＞コントラストＣ２ ならば、現状は前ピンであることを示し、コントラスト
Ｃ１〈コントラストＣ２ ならば、現状は後ピンであることを示すものである。

こうして、本来のピントに対して前後にずれた位置に配
置した２つの撮像素子Ｓ１、Ｓ２の出力のコントラスト
情報を用いることによりオートフォーカスが可能となる
。

ところで現実のコントラスト曲線は第３図のような理想
的なものではなく、複数の極大値を持つようになるのが
普通である。何故なら、撮像レンズの画角内に複数の被
写体があり、その各被写体についての焦点位置でコント
ラスト曲線は極大になるからである。例えば、後述もす
るように第９図のようにカメラ（２１）の前方に人間（
２２）、柱（２３）、本棚（２４）が順次並んでいた場
合には、コントラストの極大値は第８図に示すように３
１１１１１存在する。

従来はこのように鮮明度の評価値として複数の極大値が
存在してしまうことを考慮し′ζ、その場合には最大極
大値の位置を合焦点としていたり、空間フィルタをかけ
て空間周波数を蕗とし、あるいは画像をぼかして評価関
数をブロードにして極大値の判定をし易くしていた。

ところが、第９図のように撮影したい人物（２２）の後
にコントラストのはっきりした本棚（２４）という背景
がある場合には、最大極大値にフォーカスする方式のと
きはその本棚（２４）の位置での極大値が最大となって
しまうため、その本棚をフォーカシングしでしまう不都
合があった。

また、空間周波数を蕗としたり、ぼかしたりした場合に
は、細かなパターンにはフォーカスがかからないとい・
う欠点があった。

発明の目的 この発明は上記の点にかんがみ、同一画角内に距離の異
なる被写体物が複数あり、鮮明度の評価値として複数の
極大値がある場合に、任意の所望の被写体に対して常に
オートフォーカスができるようにして、撮影者の意図に
即したオートフォーカスができるようにしたものである
。

発明の概要 この発明は、画像の鮮明度をその空間周波数を利用した
評価関数としてオートフォーカスするようにする装置に
おいて、光学系の複数の焦点位置における上記鮮明度の
評価値が記憶されるメモリーが設けられるとともにカメ
ラの操作部にフォーカスセレクトスイッチが設けられ、
カメラの画角内に距離の異なる複数の物体があって上記
鮮明度の評価値の極大値が複数個体じたとき、上記スイ
ッチ操作により上記複数の極大値が走査され、そのうち
の１つの極大値に相当する希望の被写体位置にフォーカ
スできるようにされたオートフォーカス装置であって、
これより撮影者の意志に即したオートフォーカスが得ら
れるようにしたものである。

実施例 以ト、この発明の一実施例を第４図以下を参照して説明
するに、この例は前述の従来例の他の欠点を克服した新
規なオートフォーカス装置の例である。

すなわち、前述のオートフォーカス装置の場合、測距に
伴いレンズ系を動かずものであるため、動作速度が遅く
なり、動きが不自然であった。

また、ピントが大きくはずれでしまい、それが第３図の
検出不可領域になってしまっていると、もはや測距不能
となってしまう欠点がある。

また、ビームスプリンターを用いているため、その段数
に応じて入射光量が減少し、オートフォーカスの動作範
囲が狭いという欠点もある。

この例は測距スピードが早く、しかも無限遠からクロー
スアンプに急に変化したとしても高速応答が可能な新規
なオートフォーカス装置である。

第４図はこの発明の一例の光学系を示し、（１１）はレ
ンズ、（１２）はメインミラー、（１３）はサブミラー
、（１４）は例えばＣＣＤからなる主撮像素子、（１５
）は同じく例えばＣＣＤからなる副撮像素子で、副撮像
素子（１５）はオートフォーカスの測距用として用いら
れるものである。

この副撮像素子（１５）は前述した従来例と同様の１次
元的配列のラインセンサーであってもよいが、この例で
はセンサーが２次元的に配列された面撮像素子とされる
。また、この副撮像素子（１５）はその使用目的からい
って主撮像素子（１４）と同し規模のものである必要は
なく、主撮像素子（１４）の画角の一部を切り取ったよ
うな部分的なものでよい。この副撮像素子（１５）の絵
素（センサー）数は、例えば縦６４×横６４１１１ｉ１
とされる。

ＴＴＬ方式によりレンズ（ＩＩ）を通過した光はメイン
ミラー（Ｉ２）を介して主撮像素子（１４）に入射する
。レンズ（１１）を通過した光の一部は、また、メイン
ミラー（１２）で反射されてファイング−に導かれる。

また、メインミラー（１２）を通過した光の一部は、サ
ブミラー（１３）で反射されて副撮像素子（１５）に入
射するようにされる。

そして、この例においては、従来のようにオートフォー
カスのための測距のためにはレンズ（１１）　　　　　
　％０ を動かずのではなく、副撮像素子（１５）を光軸方向に
±Δｄだけ移動するようにする。このため、この例でば
副撮像素子（１５）は第５図に示すようなアクチェエイ
クー上に取りつけられる。

このアクチェエイターは、例えばＳ極に着磁された円柱
（１６）を取り囲むようにこの円柱（１６）よりの若干
の距離をおいてＮ極に着磁された環状体（１７）が形成
され、これら円柱（１６）と環状体（１７）との間に形
成される四＃（１Ｂ）内にボイスコイル（１９）が挿入
される。このボイスコイル（１９）は、副撮像素子（１
５）が固定された基台（２０）に対してとりつけられて
おり、このボイスコイル（１９）に供給される電流に応
じて基台（２０）したがって副撮像素子（１５）が図中
矢印で示す方向（第４図で矢印で示した光軸方向）にビ
ス１−ン運動するようになされている。

この場合、副撮像素子（１５）の原点位置は主撮像素子
（１４）の焦点距離と同じ位置にあり、アクチェエイタ
ーによって、光学系の全焦点距離に応じた移動量りを副
撮像素子（１５）が走査するようにピストン運動をする
。そして、この場合の走査は、第６図に示すような階段
波によってステップ駆動的になされるもので、この例の
場合、副撮像素子（１５）はその移動量りの間にステッ
プ的に１６階段の位置をとるようにされる。すなわち、
移動量りの間に時間Ｔかかるとすると、副撮像素子（１
５）ばＴｌ２Ｏ−τの時間毎に光軸方向にその位置を移
動するようになるもので、１６個の位置ｄ。。

ｄｌ、ｄ２　　・・・　ｄｌ５をとり、各位置でての時
間停止していることになる。ここで、　ｄｏは光学系の
最近焦点位置、ｄｌ６ば無限遠の焦点位置に対応する。

ソシて、ｄｏ　＝　ｄｔｓの各焦点位置において、それ
ぞれ停止している時間τにおいて、その各位置での副撮
像素子（Ｉ５）の画像の鮮明度が求められ、その各位置
での鮮明度を表す情報がメモリーに記憶される。そしζ
、そのメモリーに記憶された鮮明度の情報のうち、極大
、つまり他位置に対して鮮明度の高い位置が見い出され
、これに基づいて主撮像素子（１４）またはレンズ（１
１）が動かされ冊 て、その対応する焦点位置にくるようにされる。

こうしてオートフォーカスがなされる。なお、移動ｆｆ
１Ｄ中の極大鮮明度の焦点位置を見い出すための上述の
ような副撮像素子（１５）による測距の走査速度は、例
えば３回／秒程度とされる。

ところで、この例の場合、副撮像素子（１５）のｄｏ　
”　ｄｌ５の各位置における被写体の鮮明度を求める演
算処理としては、この副撮像素子（１５）として面撮像
素子を用いたことを利用して副撮像素子（１５）の画像
の２次元機分処理が用いられる。

第７図は副撮像素子（１５）の一部の絵素（センサー）
を示すもので、図におけるある絵素（ｉ、ｊ）の周囲の
８個の絵素との間の２次元機分の値をｄｌとすると、 で表される。そして、ｄｏ　％　ｄｌＢの光学系の各焦
点位置での微分値総量が、その各位置での被写体の鮮明
度の情報としてメモリーに記憶される。

例えば第９図に示すようにカメラ（２１）前方に、３ ■２ 人（２２）、柱（２３）、本棚（２４）が順次並んでい
た場合、これら人（２２）　、柱（２３）　、本棚（２
４）の位置が例えば位置ｄａ　＋　　ｄｖ　＋　　ｄｌ
ｏで鮮明に像を結ぶようなときには、第８図に示すよう
に微分値縁１ｕＤはその’３　ｒ　　ｄ？　＋　　ｄｌ
ｏの各位置で極大になる。つまり撮像レンズ（１１）の
画角内に複数の被写体があればその数に応じ、かつ、そ
の位置に応じたカメラの光学系の各焦点位置において微
分量総量が極大になりそれがメモリーに記憶されるから
、この極大点となる各焦点位置に、レンズ（１１）また
は撮像素子（１４）を移動させるようにすれば各被写体
がフォーカスされる。

カメラからの距離が異なる複数の被写体物が画角内に入
ったときそのうちの所望の１つの被写体にフォーカスし
たいとするのが通常である。このように、複数の極大点
がある場合にそのうちの所望の被写体にフォーカスさせ
るようにするには、次のようにすればよい。

すなわち、一般に所望のフォーカスしたい被写体はカメ
ラに一番近い位置となることが多いので、■４ 先ず、この一番近い位置の被写体、第９図の例では人（
２２）にフォーカスするようにし、それが所望のもので
ないときは、他の極大点に移動させるようにして常に所
望の被写体にフォーカスできるようにすればよい。

以上のことを考慮したこの発明装置の制御系の一例のブ
ロック図を第１０図に示す。

第１０図において、（３１）はフォーカスコントロール
回路で、これは演算器、レジスタ、デジタル比較器、カ
ウンタ等から成っている。

このフォーカスコントロール回路（３１）からは第６図
に示したような副撮像素子（１５）を測距走査させるた
めの階段状信号がデジタル信号の状態で得られる。上記
カウンタがそのために用いられるもので、このカウンタ
には周期τのクロックが供給される。そして、このカウ
ンタの出力がＤ／八へ換器（３２）に供給されてアナロ
グ信号とされ、これが第５図に示したアクチェタイター
のボイスコイル（１９）に供給されて、副撮像素子（１
５）が光学系の所定の焦点位置に持ち来される。そして
、この位置において、この副撮像素子（１５）から得ら
れる画像出力が対数圧縮回路（３３）に供給される。こ
の対数圧縮回路（３３）は、光の距離に対する特性が対
数的であることからそれをリニアに変換するためのもの
である。

対数圧縮回路（３３）の出力はＤ／Ａ変換器（３４）に
てデジタル信号に変換された後、演算回路（３５）に供
給されて上述した画像の２次元機分の微分値総量りが求
められ、これがメモリー（３６）の、その位置に１＝１
に対応するアドレスにその位置の画像の鮮明度の評価値
として記憶される。

次に、時間τ経過すると、フォーカスコントロール回路
（３１）においては上記カウンタが歩進し、そのカウン
ト値が変化する。すると、Ｄ／Ａ変換器（３２）の出力
が変わり、副撮像素子（１５）の位置が光軸方向に移動
される。そして、この変更された位置において、上述と
同様の操作が行われ、その位置における鮮明度の評価値
である画像出力の微分値総量がメモリー（３６）の対応
するアドレスに書き込まれる。以上の操作が、上述の１
６個の５ 各位置ｄｏ　””’　ｄ１５の全てにおいてなされ、こ
れによりメモリー（３６）の記憶内容として第８図に相
当するものが得られる。以下これが繰り返される。

このメモリー（３６）中の１６個の情報に対し、極大値
の検出がなされ、極大値である場合にはその情報にマー
カーが付される。すなわち、メモリー（３６）に各位置
の鮮明度の情報を書き込む際に、フォーカスコントロー
ル回路（３１）内に設けられたデジタル比較器によって
その前後の位置の情報と、その位置の情報を比較してそ
れが極大値であると検出されたとき、その情報にマーカ
ー（例えば１ビット分をこのマーカーとして用い、それ
らを例えば「１」にセントする）を付加して書き込むよ
うにされる。あるいは、メモリー（３６）に全ての情報
が書き込まれた後、これを順次読み出し、デジタル比較
器を用いて極大値を見い出し、マーカーを付して、再び
元の位置に書き込むようにしてもよい。

カメラ位置に対して第９図に示したような被写体のとき
は、　’３　ｒ　　ｄ？　＋　　ｄｉｏの位置の鮮明度
の７ ６ 情報が極大になり、前述したように先ず、手前の被写体
にオートフォーカスするとすれば、ｄ３の位置の情報に
付加された極大値マーカーに従って、この位置の情報例
えばアドレス情報がフォーカスコントロール回路（３１
）より得られ、これがＤ／Ａ変換器（３７）にてアナロ
グ信号にされ、このアナログ信号によって、この例では
撮像レンズ（ＩＩ）が移動されて、光学系がｄ３の焦点
位置にくるようにされる。このｄ３の位置が、所望の被
写体に対するフォーカス位置でないときは、フォーカス
セレクトスイッチ（３８）を操作すると、次の極大値マ
ーカーの付されたアドレス位置に移り、そのアドレス情
報がフォーカスコントロール回路（３１）より得られ、
レンズ（１１）がそれに追随する位置に移動するもので
ある。

このフォーカスセレクトスイッチ（３日）は、例えば第
１１図に示すようにカメラ本体（４ｏ）のレンズの近傍
の位置に配され、図のＲ側にスイッチ（３８）を倒すと
、メモリー（３６）のマーカーが付されている極大値が
アドレスの例えば大きいもの８ の方に順次移って、フォーカス位置が例えばカメラより
も遠ざかる方向の被写体位置に順次移動し、一方、スイ
ツチ（３８）を図のＦ側に倒すと、メモリー（３６）の
アドレスが小さいものの極大値位置に順次移り、フォー
カス位置がカメラに近づく方向に順次移動するようにさ
れる。

なお、第８図に示すように、極大値マークに対してフォ
ーカスセレクト操作により、さらに番号性は等のマーキ
ングをすれば、例えば何番目の極大値というようにセレ
クトすることにより、仮令被写体物が動いても追随する
ことができる。

なお、Ｄ／Ａ変換器（３７）の出力によってレンズ系（
１１）を動かす代わりに主撮像素子（１４）を動かすよ
うにしてもよい。

また、この発明は、上記の例のように副撮像素子を測距
用に動かすものではなく、従来のようにレンズ系を測距
のために動かす方式のものにも適用できることはもちろ
んである。

しかし、以上述べたこの例によれば、従来のように測距
に伴いレンズ系を動かすのではなく、慣性質量の小さい
撮像素子を動かし、合焦点が見つかるまでは、他のレン
ズ系は固定にしておくので、測距速度が上がり、不自然
な動作とはならない。

また、この例の場合、全焦点距離について同時に合焦点
を検出するので、無限遠からクローズアップに被写体位
置が急激に変化しても応答が早いという効果がある。

また、副撮像素子を合焦のため動かすもので、レンズ系
はその測距には用いないから、レンズ系としてはいかな
る交換レンズも使用可能となる。

なお、従来の場合、測距用の撮像素子は１次元的ライン
センサーであるため、各絵素の配列方向にコントラスト
の変化がある像に対しては測距可能となるが、配列方向
にコントラスト変化がないとき、つまりラインセンサー
が水平方向のとき、水平方向のコントラス１−変化がな
く、縦方向のみ変化するような被写体は測距不能となる
。

これに対し、上述のように、測距用の撮像素子として面
撮像素子を用いて２次元的にコントラスト９ な方向依存性がない。また、評価関数も２次元機分であ
るから、第１図の従来例の場合のように非直線処理をわ
ざわざ行わなくてもよく、さらに２次元のコン１−ラス
ト検出を行うから全方向についての正確なコントラスト
検出ができるものである。

発明の効果 以上述べたように、この発明によれば、光学系の各焦点
位置における鮮明度の評価値をメモリーに記憶しておき
、その極大値にマーキングしておき、この極大値をフォ
ーカスセレクトスイッチを用いて走査し、希望の被写体
に対応する極大値位置を見い出してそれによってフォー
カスするようにするので、常に撮影者の希望する任意の
被写体に対し容易にフォーカスさせることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のオートフォーカス装置の一例の光学系を
示す図、第２図及び第３図はその説明のための図、第４
図はこの発明の光学系の一例を示す図、第５図はその要
部の構成の一例を示す図、第６図〜第９図はその説明の
ための図、第１０図１ ０ はこの発明の制御系の一例のブロック図、第１１図はそ
の一部の構成を説明するための図である。 （１１）は撮像レンズ、（１２）はメインミラー、（１
３）はサブミラー、（１４）は主撮像素子、（１５）は
副撮像素子、（３６）はメモリー、（３８）はフォーカ
スセレクトスイッチである。 ２ 第１０図 第１１図 σ９　１１

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 画像の鮮明度をその空間周波数を利用した評価関数とし
   てオートフォーカスするようにする装置において、光学
   系の複数の焦点位置における一ヒ記鮮明度の評価値が記
   憶されるメモリーが設りられるとともにカメラの操作部
   にフォーカスセレクトスイッチが設けられ、カメラの画
   角内にカメラからの距離の異なる複数の物体があって上
   記鮮明度の評価値の極大値が複数個化じたとき、上記ス
   イッチ操作により上記複数の極大値が走査され、そのう
   ちの１つの極大値に相当する希望の被写体にフォーカス
   できるようにされたオートフォーカス装置。